CN105339942A - 添加制造系统和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种添加制造方法，所述方法包括：沿建造界面对部件的CAD文件进行分段，以便界定至少第一部件区段和第二部件区段，所述第一部件区段和所述第二部件区段各自被定大小，以便配合在添加制造建造室内；在所述建造室内对所述第一部件区段和所述第二部件区段进行添加制造；以及粘结所述第一部件区段和所述第二部件区段来形成所述部件。

Description

添加制造系统和制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年6月28日提交的美国专利申请序列号61/840,517的优先权，该专利申请特此以引用的方式整体并入本文中。
背景
本公开大体上涉及添加制造系统和方法。
添加制造方法通常使用3DCAD数据和诸如大功率激光束的能量源来形成三维金属部件，做法是在建造室内熔化精细金属粉末，该建造室在X、Y和Z维度上通常为约15英寸(381mm)。
许多航空部件(诸如附接至发动机进气区段、风机定子、压缩机定子、导向叶片、中介机匣、中间涡轮框架、涡轮排气机匣、增强器、排气混合器的支柱、支撑件、前缘部件和后缘部件及许多其它部件)往往包括形成外壳的薄壁，所述外壳上具有贯通的降温孔。这些航空部件还需要位于其外向范围和/或内向范围和/或上游端或下游端处的紧固方案。
这些航空部件的内部几何结构和外部几何结构可使得所述部件的准确制造复杂化，且可需要后续的机械加工。另外，这些航空部件的附接区域可需要更多硬件来满足取向要求。这些航空部件的大小也可由于添加制造方法而使得所述部件的制造复杂化。
概要
根据本公开的一个公开的非限制性实施方案提供一种添加制造方法。该方法包括：沿建造界面对代表部件的电子文件进行电子分段，以便界定至少第一部件区段和第二部件区段；在添加制造建造室内对该第一部件区段和该第二部件区段进行制造；以及粘结该第一部件区段和该第二部件区段来形成部件。
在本公开的另一实施方案中，该方法可包括在建造室内同时对第一部件区段和第二部件区段进行添加制造。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括添加牺牲材料至该第一部件区段和/或该第二部件区段，超出建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括在粘结期间除去该牺牲材料。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括在机械加工操作期间除去该牺牲材料。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括沿建造界面添加厚度至该第一部件区段和/或该第二部件区段。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括沿内部肋界定建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括围绕孔径界定建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括跨部件界定建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括横向于部件的纵向长度界定建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括沿部件的跨度界定建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，电子文件可为计算辅助设计(CAD)文件。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，第一部件区段和第二部件区段的粘结可包括焊接。
根据本公开的另一公开的非限制性实施方案提供一种添加制造方法。该方法包括沿建造界面对代表部件的电子文件进行电子分段，以便界定至少第一部件区段和第二部件区段，其中该第一部件区段和该第二部件区段各自被定大小，以便配合在添加制造建造室内。该方法还包括在建造室内对第一部件区段和第二部件区段进行同时添加制造。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括粘结第一部件区段和第二部件区段来形成部件。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，第一部件区段和第二部件区段的粘结可包括焊接。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括在添加制造期间添加牺牲材料至该第一部件区段和/或该第二部件区段，超出建造界面。
在本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，该方法可包括在粘结期间除去该牺牲材料。
根据本公开的另一公开的非限制性实施方案提供一种由添加方法制造的部件。该添加方法可包括但不限于以上陈述的方法步骤中的一个或多个。该部件可为或包括增强器叶片。
本公开的前述实施方案的任一个的另一实施方案中，添加过程或方法可包括：添加牺牲材料至第一部件区段和/或第二部件区段，超出建造界面；以及粘结第一部件区段和第二部件区段，以使得牺牲材料被消耗。
前述特征和元件可以无排他性的各种组合方式进行组合，除非另有明确指示。根据以下描述和附图，这些特征和元件及其操作将变得更加显而易见。然而，应理解，以下描述和附图本质上为示例性的，且并不具有限制性。
附图简述
根据以下对公开的非限制性实施方案的详细描述，各种特征对于本领域技术人员将变得显而易见。伴随详细描述的附图可如下简述：
图1为添加制造系统的一般示意图；
图2为增强器区段的增强器叶片的放大截面视图；
图3为与图2的增强器叶片一起使用的示例性燃气涡轮发动机实施方案的一般示意图；
图4为添加制造方法的流程图；
图5为添加制造部件的示意性透视图，该部件具有贯通该部件界定的建造界面，以便界定至少第一添加制造部件区段和第二添加制造部件区段；
图6为位于建造室内的第一添加制造部件区段和第二添加制造部件区段的示意性透视图；
图7为界定建造界面的第一部件区段和第二部件区段的放大示意性透视图；并且
图8为界定建造界面的第一部件区段和第二部件区段的放大示意性透视图，其中有材料延伸超出该建造界面。
详述
图1示意性地说明添加制造系统20。系统20大体上包括建造室22，该建造室22具有粉末床24、诸如激光和控制件28的一个或多个能量源26(均示意性地说明)。应了解，如本文中所定义，“添加制造”方法包括但不限于选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、粉末床电子束熔融(EBM)、电子束自由成形制造(EBF3)、激光加工净成型(LENS)及其它。还应了解，可另外或可选地提供各种部件和子系统。
例如，选择性激光熔融(SLM)为自由成形制造、粉末床制造方法。硬件利用一种方法呈逐层形式构建，该方法从将CAD文件切片成约20μm(0.8密耳)或更大的厚层开始。该改变的CAD文件被加载至控制件26中，该控制件26每次构建一层硬件，如由新的CAD文件所定义。电子束熔融(EBM)为粉末床添加制造方法。然而，EBM使用电子束来在真空中熔融逐层沉积的粉末金属，以便构建三维部件。CAD文件被切片成50μm或70μm(2.0密耳或2.8密耳)厚的层，存储为STL文件，然后被加载至EBM机中。通过使钨丝通电创建电子束，以便形成跨该电子束的电势来卸去电子。借助于磁场将所述电子操纵和集中至建造板。缺少移动部件促成非常快速的扫描速度(例如，高达8000m/s)。这种系统的实例由位于德国利希腾费尔斯的ConceptLaser公司和位于德国慕尼黑的EOS公司制造，例如直接金属激光烧结或电子束熔融。应了解，还可利用各种其它示例性添加制造系统。
添加制造系统20按顺序构建雾化合金粉末材料层，所述材料诸如但不限于呈雾化粉末材料形式的625合金、718合金、230合金、不锈钢、工具钢、钴铬合金、钛、镍、铝及其它。诸如625合金、718合金、230合金的合金可用于在高温度环境下操作的部件，所述环境诸如像航空部件和燃气涡轮发动机部件通常会遭遇的环境。
参考图2，一个示例性航空部件100为例如增强器区段104或燃气涡轮发动机106的涡轮区段(在图3中示意性地说明)中的每个叶片102的后缘。叶片102在圆周上排列，且被径向紧固在中心主体108与涡轮排气机匣(TEC)110之间。部分由于恶劣的环境条件、针对相关紧固方案的严格校准要求、相对较薄的壁、相对复杂的内部结构和对于众多降温贯通孔的要求，这种示例性航空部件100及许多其它部件有益地通过添加制造方法在常见的建造室中制造，除了会阻碍制造的这种大尺寸航空部件100。也就是说，航空部件100可由添加制造方法200(参见图4)进行修改，该方法促进在较小的建造室内发展航空部件100，或允许航空部件100被添加制造。
参考图4，添加制造方法200最初包括沿建造界面120(在图5中示意性地说明)对添加制造部件100的计算机辅助设计(CAD)文件进行分段，以便界定至少第一添加制造部件区段122和第二添加制造部件区段124，所述区段各自被定大小以便配合在具有预先确定的大小的添加制造建造室22内(参见图6；步骤202)。应了解，各种CAD软件包和系统可被利用来沿建造界面120对添加制造部件100的先前设计的或专门生成的CAD文件进行分段。也就是说，建造界面120可随后被界定用于先前设计的添加制造部件100，或与添加制造部件100的设计同时确定。此外，建造界面120可界定用于非添加制造部件，因为多区段建造式允许部件被添加制造。
建造界面120被界定以便将对航空部件100的操作影响最小化。在一个公开的非限制性实施方案中，可例如沿内部肋126(参见图7)界定建造界面120。在另一个公开的非限制性实施方案中，可例如围绕孔径128(参见图7)界定建造界面120。应了解，各种侧向、纵向和其它取向可由建造界面120界定，以使得添加制造部件100的两个或更多个区段122、124可被界定成配合在建造室22内。
在另一公开的非限制性实施方案中，牺牲材料130被添加至区段122、124中的一个或多个，超出(例如，纵向超出和/或侧向超出)建造界面120(参见图8)。牺牲材料130由此产生大体上更大、更厚和/或尺寸与最终添加制造部件100不同的区段。牺牲材料130因此接近建造界面120。区段122、124的诸如借助于焊接的粘结将由此消耗牺牲材料130，以使得最终添加制造部件100具有所需的尺寸，且由至少大致上沿建造界面粘结的区段122、124组成。诸如机械加工、抑制的其它消耗性方法及其它还可受益于牺牲材料130的使用。
CAD文件然后被处理，以便在添加制造系统20中利用(步骤204)。也就是说，CAD文件通常被转换为例如立体平版印刷(STL)文件，该文件格式是来自于添加制造系统20的文件格式。应进一步指出的是，计算装置可用于实施各种功能性，诸如添加制造系统20的操作、计算机辅助设计(CAD)文件的处理、立体平版印刷(STL)文件的转换等。应了解，各种电子文件将由此获益。对于硬件架构来说，这种计算装置可包括通过本地接口可通信地联接的处理器、存储器和一个或多个输入和/或输出(I/0)装置接口。本地接口可包括，例如但不限于一个或多个总线和/或其它有线或无线连接。本地接口可具有为了简化而被省略的额外元件，诸如用于促成通信的控制器、缓冲存储器(高速缓存)、驱动器、中继器和接收器。另外，在前面提及的部件中，本地接口还可包括用于促成适当通信的地址、控制件和/或数据连接。
接着，第一添加制造部件区段122和第二添加制造部件区段124在建造室22内被添加制造(步骤206)。在一个公开的非限制性实施方案中，第一添加制造部件区段122和第二添加制造部件区段124可被同时制造，或可选地，多个第一添加制造部件区段122被同时制造，然后多个第二添加制造部件区段124被同时制造。也就是说，区段122、124可以最高效的方式构建在建造室22中。
最终，第一添加制造部件区段122和第二添加制造部件区段124被粘结，以便形成添加制造部件100(步骤208)。如本文所利用的“粘结”包括各种永久性附接方法，诸如焊接、钎焊及其它。如前面所提及，区段122、124的诸如通过焊接的粘结将消耗已经包括在内的牺牲材料130，以使得在粘结后最终添加制造部件100具有所需的尺寸。还应了解，区段122、124可可选地与其它细节组合利用，所述其它细节可通过常见的机械加工细节或铸件进行制造以便形成混合部件。
在本文的描述的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一”和“一个”和“所述”及类似参考应解释成涵盖单数和复数二者，除非本文另有指示或明确地与上下文相矛盾。与数量结合使用的修饰语“约”包括所描述的值，且具有由上下文所规定的含义(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差度)。本文所公开的所有范围包括端点，且所述端点可独立地相互组合。应了解，诸如“向前”、“向后”、“上部”、“下部”、“在...上方”、“在...下方”等的相对位置术语参考了结构构件的正常运转状态，且不应被视为另外具有限制性。
虽然不同的非限制性实施方案具有特殊说明的部件，但是本发明的实施方案并不限于这些特定组合。可能会将来自非限制性实施方案的任一个的部件或特征中的一些与来自其它非限制性实施方案的任一个的特征或部件组合使用。
应了解，贯穿所述几个附图，相同参考编号表示同一个或类似的元件。还应了解，虽然说明的实施方案中公开了特定部件布置，但是其它布置也将由此受益。
虽然示出、描述和要求了特定步骤顺序，但是应理解，本文所描述的顺序和方法步骤可以任何次序单独或组合执行，除非另有说明，且将仍然受益于本公开。
前述描述为示例性的，而不是由其中的限制用语进行限定。本文公开了各种非限制性实施方案。然而，本领域技术人员将认识到，依据以上教导的修改和变化将落入所附权利要求的范围内。因此，应理解的是，在所附权利要求的范围内，可以按照与具体描述的方式不同的方式来实施本公开。为此，应对所附权利要求进行研究，以确定其真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种添加制造方法，其包括：
沿建造界面对代表部件的电子文件进行电子分段，以便界定至少第一部件区段和第二部件区段；
在添加制造建造室内对所述第一部件区段和所述第二部件区段进行制造；以及
粘结所述第一部件区段和所述第二部件区段来形成所述部件。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述建造室内同时对所述第一部件区段和所述第二部件区段进行添加制造。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括添加牺牲材料至所述第一部件区段和/或所述第二部件区段，超出所述建造界面。
4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括在所述粘结期间除去所述牺牲材料。
5.如权利要求3所述的方法，其进一步包括在机械加工操作期间除去所述牺牲材料。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括沿所述建造界面添加厚度至所述第一部件区段和/或所述第二部件区段。
7.如权利要求1所述的方法，其进一步包括沿内部肋界定所述建造界面。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括围绕孔径界定所述建造界面。
9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括跨所述部件界定所述建造界面。
10.如权利要求1所述的方法，其进一步包括横向于所述部件的纵向长度界定所述建造界面。
11.如权利要求1所述的方法，其进一步包括沿所述部件的跨度界定所述建造界面。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述电子文件包括计算机辅助设计(CAD)文件。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述第一部件区段和所述第二部件区段的所述粘结包括焊接。
14.一种添加制造方法，其包括：
沿建造界面对代表部件的电子文件进行电子分段，以便界定至少第一部件区段和第二部件区段，所述第一部件区段和所述第二部件区段各自被定大小，以便配合在添加制造建造室内；以及
在所述建造室内同时对所述第一部件区段和所述第二部件区段进行添加制造。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括粘结所述第一部件区段和所述第二部件区段来形成所述部件。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述粘结所述第一部件区段和所述第二部件区段包括焊接。
17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括在所述添加制造期间添加牺牲材料至所述第一部件区段和/或所述第二部件区段，超出所述建造界面。
18.如权利要求17所述的方法，其进一步包括在所述粘结期间除去所述牺牲材料。
19.一种设备，其包括：
由添加方法制造的部件，所述方法包括：
沿建造界面对代表部件的电子文件进行电子分段，以便界定至少第一部件区段和第二部件区段；
在添加制造建造室内对所述第一部件区段和所述第二部件区段进行制造；以及
从所述添加制造建造室粘结所述第一部件区段和所述第二部件区段来形成所述部件。
20.如权利要求19所述的设备，其中所述部件包括增强器叶片。
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