CN105102159A - 使用添加制造来制造不对称部件的方法 - Google Patents

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Abstract

特别地，通过使用高能束熔化或烧结粉末颗粒，使用添加制造来制造部件的方法，根据本发明，该方法包括下列步骤：提供待要被制造的部件的数字模型；相对于部件的构建方向(62)定向模型；通过添加牺牲平衡部分(72)修改模型，配置牺牲平衡部分以平衡制造部件时部件中引入的残留应力；基于由此所修改的模型(50’)，使用添加制造技术逐层地制造粗部件，在构建方向(62)上堆叠所述层；以及使用包括材料移除方法从粗部件排除由模型(50’)的牺牲平衡部分(72)所引起的牺牲部分，因此获得了待要被制造的所述部件。

Description

使用添加制造来制造不对称部件的方法
技术领域
本说明书涉及通过添加制造，特别地通过高能束熔化或烧结粉末颗粒来制造部件的方法。
该方法特别地适于制造特别地用于航空学领域中的具有不对称或大质量差异的部件。
背景技术
特别地在航空学的领域中，已经知道使用添加制造方法，为了制造具有精细或复杂形状的一些部件。
添加制造的常规例子是通过高能束熔化或烧结粉末颗粒的制造。在这种高能束中，可以提到的特别地是激光束和电子束。
术语“选择性激光熔化”(SLM)用于指具有参考图1的下述主要特征的方法，这表示通过激光束选择性熔化或烧结粉末床来制造部件的常规装置。
例如，在滚筒20(或任何其它沉积装置)的帮助下，在制造板21(其可以是单个板或者其可以被实心支撑件，或被另一个部件的一部分，或被用于方便构建一些部件的支撑栅格在顶部所覆盖)上沉积第一层10a材料粉末。
在滚筒20的往返移动期间，从供应料箱22转移粉末，然后，在滚筒20的一次或多次往返期间，刮擦和可能地也压紧一点粉末。粉末由颗粒11组成。在位于邻近构建箱24的回收箱23中回收过量的粉末，其中制造板21在构建箱24中垂直地移动。
使用包括用于产生激光束31的发生器30和用于将激光束31导向到制造板21的任何区域上，以扫描之前沉积的粉末层的任何区域的控制系统32。激光束31被成形，并且在焦平面中其直径通过激光束扩束器33或通过聚焦系统34而分别地变化，这些一起构成了光学系统。
此后，通过用激光束31扫描，将第一层10a粉末区域的温度升高到高于粉末的熔化温度。
SLM方法可以使用任何高能束代替激光束31，并且特别地它可以使用电子束，只有该束具有足够的能量以熔化粉末颗粒和颗粒放置在其上的一部分材料。
举例说明，通过形成控制系统32一部分的检流计头部引起束的扫描。例如，控制系统包括至少一个可操纵的镜子35，激光束31在到达粉末层之前，在该镜子35上被反射，该镜子35上表面的每个点总是相对于聚焦系统34中所包括的聚焦透镜位于相同的高度，同时通过检流计头部控制镜子的角度位置，以致于激光束扫描至少第一层粉末区域，由此接着扫描部件预建立的轮廓。为此目的，使用计算机工具的数据库中包含用于计算机辅助设计和待要被制造部件的制造的信息控制检流计头部。
因此，第一层10a的该区域中粉末颗粒11被熔化，并且它们形成被固定到制造板21的第一单件元件12a。在这个阶段，也可以使用激光束扫描第一层的多个单独区域，这样一旦材料已经被熔化和已经固化，形成多个相互不相连的第一元件12a。
制造板21降低一个高度，该高度对应于第一层10a粉末的厚度(从20微米(μm)到100μm，并且通常地从30μm到50μm)。
此后，第二层10b粉末沉积在第一层10a上和第一单件或合并的元件12a上，并且通过暴露于激光束31加热第二层10b，第二层10b部分或完全地位于如图1中所示的第一单件或合并的元件12a上，以致于在第二层10b的该区域中粉末颗粒与至少一部分元件12a一起被熔化，以形成第二单件或合并的元件12b，用这两个元件12a和12b一起形成如图1中所示例子的单件块。
这种添加制造技术，或者其它技术，诸如通过粉末喷射制造，由此提供了对待要被制造部件的形状的优良控制，并且能够使得部件制造得非常精细。
然而，这些技术要求对待要被制造的部件特定的仔细地慎重考虑的构建策略，以符合其尺寸公差和为了确保它具有良好的机械强度。因此，有必要使用计算机辅助设计(CAD)软件，以为了逐层地制造部件目的而限定部件的最佳位置和最佳定向。尽管还在研发和改善制造策略，目前用于获得不对称或具有大质量差异的部件，它们是不能令人满意的。
当通过添加制造来制造这种部件时，常常地看到存在不可逆的冶金学缺陷，例如，裂缝的出现和/或尺寸的缺陷，部件的一些部分不符合规定的公差。作为特别地由部件的不对称性所引起的质量差异导致在部件的一些区域中残留应力的积累，该残留应力接着导致变形：这些平衡差的残留应力因此导致几何弥散，该几何弥散负责所得到部件中观察到的缺陷。不幸地，这种缺陷常常是不可接受的，并且导致刮擦所得到的部件，因此导致相当大的损失和由此高的总制造成本。
因此，对通过添加制造来制造部件的方法存在真正的需要，该方法适于不对称的或具有大质量差异的这种部件。
发明内容
本说明书涉及通过添加制造来制造部件的方法，该方法包括下列步骤：提供待要被制造的部件的数字模型；相对于用于构建部件的构件方向定向模型；通过添加牺牲平衡部分修改模型，配置牺牲平衡部分以平衡制造部件时部件中出现的残留应力；基于这种方式所修改的模型，使用添加制造技术逐层地制造粗部件，在构建方向上堆叠所述层；使用材料移除方法从粗部件排除由模型的牺牲平衡部分所引起的牺牲部分，因此获得了待要被制造的所述部件。
通过该方法，可以在计算机辅助设计的阶段期间，检测制造期间特别地作为部件内不对称性或者至少大质量差异结果的残留应力积累的潜在风险，任何人工地修正部件的模型，以给它全部的形状，该形状更规律和更好地成比例，以能够使部件内残留的应力在制造期间被平衡。
因此，在逐层地制造期间，残留应力变得以更均匀的方式分布在部件内：这避免了这些残留应力变得集中在部件的一些区域中，超过可能导致部件临界变形的一定阈值。例如，添加这种牺牲的部分可以减少一些边缘效应或者转换应力集中的区域朝向对变形不太敏感的部件的部分，例如，更厚的部分或者具有特别地简单形状的部分，或者朝向机械或尺寸公差更大的部件的部分。
在这种情况下，所获得的粗部件无论是尺寸上还是机械上很少有缺陷：然后，足以使用常规的材料移除方法以从粗部件移除模型的牺牲平衡部分所引起的牺牲平衡部分，因此获得了期望的部件。
通过该方法，因此可以使用添加制造用于获得不对称的或具有大差异的部件，同时从添加制造的所有优点获益，并且然而几乎没有或没有缺陷。
在一些实施中，待要被制造的部件具有不对称的部分，并且牺牲平衡部分以这种方式被配置，以致于粗部件具有不对称部分质量的70％到130％范围的质量，优选地90％到110％范围的质量。
术语“不对称部分”用于意指这样的部分，如果它要从部件被移除，将留下残留部件，该残留部件具有比原部件多至少一个对称元件。这个定义可以被直接地转置到模型上。
术语“对称性元件”用于意指相对于给定平面的对称性，相对于给定点的对称性，相对于给定旋转的不变性或者作为给定几何关系结果的实际上任何其它不变性。
在整个该说明书中，对称性的概念应该理解具有一定量的公差：因此，只要元件或一对元件的至少90％在严格几何意义上实际上是对称的，那么元件或一对元件就称为是对称的；如果有细微的局部差异，因此不考虑它们。该定义延伸到对称性平面和更广泛地所有对称性的元件。
通过该牺牲部分的质量具有相对接近不对称部分的质量，可以至少部分地修正由不对称部分所引起的质量差异：这种方法可以容易地和以明显的方式两者获得粗部件中更好的残留应力的平衡，因此获得对粗部件中不想要缺陷的出现的显著有利的影响。
在一些实施中，添加牺牲平衡部分的高度基本上等于不对称部分的高度。因此，再次平衡基本上所有层的残留应力，该所有层是最初不对称的和由此最初呈现质量差异。
在一些实施中，牺牲平衡部分在其最长方向上延伸模型。
在一些实施中，配置牺牲平衡部分，以致于所得到的牺牲部分被构建在相对于粗部件的不对称部分的相对侧。通过这种方式，再平衡粗部件内质量的分布，因此再平衡制造期间引起出现的残留应力，同时这些应力在部件中被转换朝向部件的中心。
在一些实施中，添加牺牲平衡部分以给模型提供至少一个另外的对称性元件，优选地另外的对称性平面。残留应力的分布由此被更好地分布，因为它更多地从另外的对称性元件受益。在本说明书的意义中通过这种方式人工地恢复对称性由此可以通过显著的方式减少粗部件中缺陷的出现和幅度。
在一些实施中，以这种方式定位牺牲平衡部分，以致于所得到的牺牲平衡部分位于与不对称部分的区域相对于通过粗部件重力中心的平面而对称的区域中。
在一些实施中，配置牺牲平衡部分，以致于粗部件的牺牲部分相对于平面与不对称部分对称，该平面是粗部件的对称性平面。这种对称性平面在CAD软件的帮助下特别地容易放到适当位置中，同时对部件的模型起作用。
在一些实施中，修改模型的步骤包括定义平行于构建方向和对应于对称性平面的平衡面的步骤，如果模型没有对应于部件的不对称部分的其不对称部分，模型会有该对称性平面。这个步骤使得容易识别粗部件的候选对称性平面。
在一些实施中，修改模型的步骤包括平衡步骤，在该平衡步骤期间，在垂直于构建方向的每层中，向模型添加平衡段，平衡段恢复相对于平衡面对所考虑模型的层的对称性。通过这种方式，可以确保平衡面的每侧上的质量沿着构建方向逐层地是均匀的：由此，通过添加制造所制造的每层具有对称的质量分布，因此最小化变形。
在一些实施中，所述添加制造技术是一种通过选择性熔化或选择性烧结粉末床的制造方法。
在一些实施中，通过选择性熔化或选择性烧结粉末床的所述制造方法利用了激光束。
在其它实施中，通过选择性熔化或选择性烧结粉末床的所述制造方法使用了电子束。
在其它实施方式中，所述添加制造技术是通过粉末喷射的制造方法。
在一些实施中，在定向步骤期间，以这种方式定向模型，以最小化制造支撑件的数量和/或最小化它们的尺寸。特别地当一层部件从部件的紧接着下层所形成的支撑件侧向地突出时，这种制造支撑件是必需的。通过这种方式，可以限制为了获得部件而在粗部件上需要进行的机械加工操作的数量：这也用于节约粉末。此外，这样用于限制由于使用层的方法所引起的粗糙度的影响。
在一些实施中，在定向步骤期间，以这种方式定向模型，以最小化构建方向上部件的高度。这用于最小化层的数量和由此所用的粉末的量以及制造所需要的时间。此外，降低了任何变形的风险，并且所得到的表面状态更均匀。
在一些实施中，待要被制造的部件是具有前缘、后缘和翼型的带叶片部件。
在一些实施中，以这种方式定向带叶片部件的数字模型，以致于它的前缘或它的后缘面向构建台。通过这种方式，可以最小化求助于制造支撑件。
在一些实施中，带叶片部件的平衡面基本上沿着其翼型一半相交带叶片部件。
通过阅读下面所建议方法的实施的详细描述，呈现上述特征和优点以及其它。该详细的描述参考了附图。
附图说明
附图是示意性的和首先寻求示例本发明的原理。
在附图中，从一个图到另一个图，相同的元件(或元件部分)以相同的附图标记标注。
图1是通过选择性熔化粉末床用于添加制造的装置的总的视图。
图2A和图2B是用于实施例部件制造的原始模型的立体图和平面图。
图3A和图3B是已经定义了平衡面的图2A和图2B的模型的立体图和平面图。
图4A是已经添加了牺牲平衡部分的图3A和图3B模型的立体图。
图4B是一层图4A模型的平面图。
图5是使用图4A的模型获得的粗部件的立体图。
图6是从粗部件移除牺牲部分的成品部件的立体图。
具体实施方式
为了使得本发明更具体，下面参考附图详细地描述实施例的方法。应该记住本发明不限于该实施例。
在该实施例的上下文中，目的是制造图6中非常详细地示意的叶片90。叶片90包括翼型91，该翼型91具有前缘93和后缘94，以及在翼型91的一端提供的根部92。翼型91是纤细的和长形的，而根部92是厚的和紧凑的：由此根部92构成叶片90的不对称部分。如果叶片90没有其根部92，那么它将会有沿着翼型91一半相交于翼型91的对称性平面。
在第一步骤期间，叶片90的数字模型50被接收到计算机辅助设计(CAD)软件中。如图2A和2B中所示，数字模型50具有纤细和长形的第一部分51，对应于翼型91，以及厚的和紧凑的第二部分52，对应于根部92。因此，模型50的第二部分52构成了模型50的不对称部分。
在第二步骤期间，模型50相对于制造板21的数字图像61和垂直于所述板的图像61的构建方向62被定向。为了最小化求助于制造支撑件，以这种方式定向模型50，以致于对应于叶片90前缘93的它的边缘53面向板的图像61。然而，也可以定向模型50，这样对应于叶片90后缘94的它的边缘54被导向朝向板的图像61。
在图3A和图3B中所示的第三步骤期间，注意当模型50没有其不对称部分52时，模型50的残留部分：特别地，是第一部分51对应于翼型91。然后，确定该残留部分51的对称性平面70，该对称性平面70平行于构建方向62，并且定义它为模型50的平衡面。特别地，平衡面70在翼型高度方向上、沿着翼型一半相交对应于叶片90的翼型91的模型50的第一部分51。
关于这个主题，可以看到模型50的残留部分51具有纵向的和同样地平行于构建方向62的第二对称性平面71。然而，只要叶片90的原始模型50已经关于该平面71对称，这个其它的对称性平面71就不能被选作平衡面。
在图4B中所示的第四步骤期间，连续地注意从板的图像61起始的沿着构建方向62的每个制造层，并且在每层中，将平衡段72a添加到模型50，以恢复相对于平衡面70的与层的对称性。因此，在垂直于构建方向62的每个层中，平衡段72a对称于不对称部分52的相应段52a。
一旦对模型50的所有的层已经进行了该操作，如图4A中所示获得了修改的模型50’，其包括由平衡段72a堆叠组成的牺牲平衡部分72。由此，现在修改的模型50’相对于平衡面70对称，牺牲平衡部分72相对于平衡面70对称于不对称部分52。
在这种情况下，可以根据修改的模型50’，使用逐层地添加制造，开始粗部件80的制造。在该实施例中，并且如图1中所示，该方法是通过选择性地烧结粉末床的制造方法。然而，它可以是以相似方式的通过粉末喷射的制造方法。
期望材料的第一层10a粉末，特别地镍基粉末由此沉积在制造板21上。
用激光束31扫描所示第一层10a的第一区域，以局部地加热所述区域的粉末的温度高于粉末的烧结温度，以致于以这种方式熔化或烧结以及位于所述第一区域中的所述粉末颗粒然后形成第一单件元件12a。
所述材料的第二层10b粉末沉积在所述第一层10a粉末上。
通过激光束31扫描与所述第一单件元件12a至少部分重叠的所述第二层10b的第二区域，以在该第二区域中加热粉末的温度高于粉末的烧结温度，以致于以这种方式烧结或熔化的粉末颗粒形成与第一单件元件12a连接和叠放在其上的第二单件元件12b。
然后，对于每个新粉末层重复两个上述步骤，该新粉末层将要被沉积在先前的层上，直到图5中所示粗部件80已经全部形成。
该粗部件80包括期望的翼型91和根部92以及牺牲平衡部分82，该牺牲平衡部分82相对于粗部件80的对称平面81与根部92对称，该平面对应于平衡面。理想地，牺牲平衡部分82由此具有与根部91映像的相同形状和相同质量，该根部构成叶片90的不对称部分。
因为与粗部件80的剩余部分同时制造的该牺牲平衡部分82的存在，粗部件80中残留应力的构造对称地并且由此以平衡方式分布在对称性平面81的每侧上。粗部件80由此不具有残留应力所导致的变形而通常地引起的任何主要种类的缺陷。
最后，一旦已经获得粗部件80，就足以通过机械加工移除牺牲平衡部分82，以获得期望的叶片90。在一些情况下，在获得成品部件之前可需要另外的机械加工步骤，特别地当制造支撑件是必需的时。
通过非限制性示例给出了本说明书中描述的实施，并且鉴于该描述，本领域技术人员可以容易地修改这些实施，或者设想其它实施，而都保持在本发明的范围内。
而且，这些实施的各种特征可以独立地使用或者它们可以彼此组合。当它们组合时，可以如上述或通过其它方式组合这些特征，本发明不限于本说明书中所描述的特定的组合。特别地，除非特定的相反说明，可以通过相似的方式应用参考任何一个实施所描述的特征于任何其它实施中。

Claims (11)

1.通过添加制造来制造部件的方法，待要被制造的部件(90)具有不对称部分(92)，该方法的特征在于它包括下列步骤：
提供待要被制造的部件(90)的数字模型(50)；
相对于用于构建部件(90)的构建方向(62)，定向模型(50)；
通过添加牺牲平衡部分(72)修改模型(50)，配置牺牲平衡部分(72)以平衡制造部件时部件(90)中出现的残留应力；
基于这种方式所修改的模型(50’)，使用添加制造技术逐层地制造粗部件(80)，在构建方向(62)上堆叠所述层；以及
使用材料移除方法从粗部件(80)排除由模型(50’)的牺牲平衡部分(72)所引起的牺牲部分(82)，因此获得了待要被制造的所述部件(90)；
其中配置牺牲平衡部分(72)，以致于粗部件(80)的牺牲部分(82)具有不对称部分(92)质量的70％到130％范围的质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：配置牺牲平衡部分(72)，以致于粗部件(80)的牺牲部分(82)具有不对称部分(92)质量的90％到110％范围的质量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：添加牺牲平衡部分(72)的高度基本上等于不对称部分(92)的高度。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于：配置牺牲平衡部分(72)，以致于所得到的牺牲部分(82)被构建在相对于粗部件(80)的不对称部分(92)的相对侧。
5.根据权利要求2至权利要求4中任一权利要求所述的方法，其特征在于：添加牺牲平衡部分(72)以给模型(50’)提供至少一个另外的对称性元件，优选地另外的对称性平面。
6.根据权利要求2至权利要求5中任一权利要求所述的方法，其特征在于：配置牺牲平衡部分(72a)，以致于粗部件(80)的牺牲部分(82)相对于平面(81)与不对称部分(92)对称，所述平面是粗部件(80)的对称性平面。
7.根据权利要求2至权利要求6中任一权利要求所述的方法，其特征在于：修改模型(50)的步骤包括定义平行于构建方向(62)和对应于对称性平面的平衡面(70)的步骤，如果模型(50)没有对应于部件(90)的不对称部分(92)的其不对称部分(52)，模型会有该对称性平面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：修改模型(50)的步骤包括平衡步骤，在该平衡步骤期间，在垂直于构建方向(62)的每层中，向模型(50)添加平衡段(72a)，平衡段(72a)恢复相对于平衡面(70)对所考虑模型(50)的层的对称性。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述添加制造技术是一种通过选择性熔化或选择性烧结粉末床的制造方法，或者实际上是一种通过粉末喷射的制造方法。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一权利要求所述的方法，其特征在于：在定向步骤期间，定向模型(50)，以最小化制造支撑件的数量和/或以最小化它们的尺寸。
11.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于：待要被制造的部件是具有前缘(93)、后缘(94)和翼型(91)的带叶片部件(90)；
其中定向带叶片部件(90)的数字模型(50)，以致于它的前缘(53)或它的后缘(54)面向构建台(61)；以及
其中带叶片部件(90)的平衡面(70)基本上沿着其翼型(91)一半相交带叶片部件。
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