CN105965014A - 用于通过加性制造技术来制造部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于通过加性制造技术来制造部件的方法。本发明涉及一种用于通过加性制造技术并且通过后加性制造过程步骤来制造部件(19')的方法。通过包括下列步骤的所述方法来实现这类部件的更廉价和更快的连续生产：提供表示待制造部件的最终几何结构的第一CAD数据(18)；通过渐变过程(M)将所述第一CAD数据(18)转换为第二渐变CAD数据(19)，由此所述渐变过程(M)考虑部件几何结构的在加性制造过程和后加性制造过程步骤期间形成的全部失真，使得按照所述第二渐变CAD数据(19)所制造的部件(19')具有按照所述第一CAD数据(18)的几何结构；以及按照所述第二渐变CAD数据(19)、通过所述加性制造技术来制造所述部件(19')。

Description

用于通过加性制造技术来制造部件的方法
技术领域
本发明涉及加性制造的技术。它涉及一种用于通过加性制造技术来制造部件的方法。
背景技术
加性制造(AM)提供在其几何结构方面失真的部件(或组件)。失真的原因例如是在热处理(HT)期间(在加性制造过程之后)的残余应力的松弛或者在加性制造过程本身期间已经发生的变形(收缩、翘曲等)。作为AM过程，考虑使用高能束(例如电子或激光)以冶金方式接合粉末（例如烧结、焊接、熔化）的所有方法。在本文档的过程期间，使用示例AM过程“选择性激光熔融(SLM)”来说明具体现象。但是，这不是限制一般性。
在许多情况下，这种原位失真归因于部件的“标准”设计，其中涉及从薄壁到实心段的过渡(例如在涡轮机叶片等中)，其在选择性激光熔融(SLM)过程中的选择性粉末熔融步骤期间引起不同收缩量。
图1示出加性SLM过程中的典型状况，其中部件10通过连续层(其通过激光束13熔融粉末材料11来生成)的积聚来制造。
开始于图1(a)，其中已经制造部件10的n层12，通过熔融一层所述粉末材料11(图1(b))沿构建方向(图2和图3中的20)添加新层(n+1)14。当新层14在凝固之后冷却时，收缩层14'产生，其根据由相邻层和周围粉末材料11(图1(c))所提供的针对收缩的抗性使部件10的几何结构失真。
虽然图1(c)的配置中的侧壁提供针对收缩失真的较小抗性，但是该状况对于图1(d)至(f)中的配置是不同的，其中其他层15、15'和16在先前层14、14'之上生成。由于疏松材料（bulk material）针对收缩的抗性比图1(c)中的两个侧壁的抗性要高许多，所以失真更小(图1(f))，从而导致复合过渡区17，其实际上跨若干层12延伸。一般来说，几何结构变形收缩产生于粉末材料11的凝固和完全凝固(熔融)材料的冷却的组合效应。
但是，与目标几何结构的偏差也能够产生于其他处理限制，例如产生于用于突出段的集成支承结构或者产生于部件到衬底板(其可由不同材料来制成)的附连。
为了获得预期几何结构，在现有技术中引入校正制造步骤，例如校直、研磨或铣削。作为备选方案，支承结构能够包含在“标准”设计中，以在AM或HT期间约束部件的失真。此外，校正制造步骤或附加支承结构是成本高的并且费时的。
因此，现有技术教导采用额外库存材料(其需要例如通过铣削或研磨来后加工)的校直或CAD设计。
另一方面，在文献EP 2361720B1中公开了将试样块的SLM处理的渐变（morphing）用于退役(燃气涡轮机)的再调节，其涉及“用于修理和/或升级特别是燃气涡轮机的组件的方法”。在这个文献中，组件的原始CAD设计经过渐变，以便得到SLM试样块与失真退役组件之间的最佳尺寸匹配。因此，用作SLM处理的输入的渐变CAD剖面准确地再现待制造目标组件的形状。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于通过加性制造技术来制造部件的方法，其允许这类部件的更廉价和更快的连续生产。
这个和其他目的通过如权利要求1所述的方法来得到。
用于通过加性制造技术并且通过后加性制造过程步骤来制造部件的发明方法包括下列步骤：
提供表示待制造部件的最终几何结构的第一CAD数据；
通过渐变过程将所述第一CAD数据转换为第二渐变CAD数据，由此所述渐变过程考虑部件几何结构的全部失真(其在加性制造过程和后加性制造过程步骤期间形成)，使得按照所述第二渐变CAD数据所制造的部件具有按照所述第一CAD数据的几何结构；以及
按照所述第二渐变CAD数据通过所述加性制造技术来制造所述部件。
按照本发明的不同实施例，所使用的所述加性制造技术包括选择性激光熔融SLM或者选择性电子束熔融SEBM或者选择性激光烧结SLS。
具体来说，所述渐变过程至少考虑加性制造过程期间新添加热层的冷却期间的收缩以及在所述加性制造过程之后从所述制造部件的热处理所演变的失真。
本发明的另一个实施例特征在于：
若干部件按照所述第一CAD数据通过所述加性制造方法来制造；
所述若干制造部件经受全部其他制造过程步骤，其可使所述制造部件的几何结构失真；
单独记录所述制造部件的每个的最终几何结构；
从所述单独几何结构记录来得出平均制造部件几何结构；
确定按照所述第一CAD数据的设计意向（design intent）几何结构与所述平均的制造部件几何结构之间的差；
所述差用于所述渐变过程，以便对由加性制造技术所引起的预计失真预作安排。
具体来说，3D摄影测量扫描或CT(计算机断层)扫描用来记录所述制造部件的每个的所述最终几何结构。
具体来说，所述制造部件的所记录最终几何结构的算术平均用来得出所述平均制造部件几何结构。
所述实施例的进步特征在于：
若干新部件按照所述第二渐变CAD数据通过所述加性制造技术来制成；
单独记录所述制造部件的每个的最终几何结构；
从所述单独几何结构记录来得出平均制造部件几何结构；
确定按照所述第一CAD数据的设计意向几何结构与所述平均的制造部件几何结构之间的差；
如果差处于所需限制之内以使得不再需要渐变，则通过所述加性制造技术开始所述部件的连续生产。
所述实施例的另一个进步特征在于：
若干新部件按照所述第二渐变CAD数据通过所述加性制造技术来制成；
单独记录所述制造部件的每个的最终几何结构；
从所述单独几何结构记录来得出平均制造部件几何结构；
确定按照所述第一CAD数据的设计意向几何结构与所述平均的制造部件几何结构之间的差；
如果所述差不满足要求，则所述渐变过程重复进行，直到满足要求。
本发明的进一步实施例特征在于，所述加性制造过程和/或后续热处理期间的残余应力和收缩的模拟用来估计失真的幅度，并且所述估计的失真用于所述渐变过程，以便对所述加性制造过程和/或后续热处理所引起的预计失真预作安排。
附图说明
现在通过不同实施例并且参照附图更仔细地说明本发明。
图1通过一系列制造步骤(a)至(f)示出因按照现有技术的SLM制造过程的收缩引起的示范失真效应；
图2示出按照现有技术的制造部件的CAD设计与几何结构之间的示范差；以及
图3示出按照本发明的实施例的制造部件的渐变CAD设计与几何结构之间的相应差。
具体实施方式
本发明所使用的方式根本上与按照上述文献EP 2361720B1的方法不同：在本发明中，(原始)CAD剖面(图2(a)中的18)通过渐变过程M来渐变成与目标组件或者所产生部件19'不同形状的渐变CAD设计(图3(a)中的19)。
这通过考虑将在SLM处理和全部相关后续后AM制造步骤(例如从衬底板移开部件、热处理HT等)期间将发生的全部变形/失真来进行。因此，虽然SLM处理使用CAD剖面19(其具有与目标组件19'不同的几何结构)作为输入，但是最终结果(图3(b)中的19')将与目标设计(CAD设计18)完全准确匹配，而基于非渐变CAD设计18的制造导致失真部件18'(图2(b))。
实质上，将要采用加性制造技术(AM)制造的部件的几何结构在制造之前经过渐变，以确保其最终形状是正确的。
提议遵循这个渐变过程M以克服校直/后加工并且减少或避免支承结构以约束失真：
在连续生产之前，若干部件19'采用加性制造(AM)方法来产生。然后，记录部件几何结构(例如通过3D摄影测量扫描或者通过CT扫描或者任何其他适合捕获技术)。在几何结构记录与部件的AM之间，将包括可对失真具有影响的全部其他制造过程步骤(例如热处理、热等静压HIP、部件与衬底的分离、支承结构的移开等)。
平均制造部件几何结构然后从单独几何结构记录(例如算术平均)来得出。确定设计意向几何结构(CAD设计18)与(部件18'的)平均的制造部件几何结构之间的差。这个差用来对设计意向几何结构(渐变CAD 19)进行渐变，以便对加性制造技术所引起的预计失真预作安排。
通过渐变几何结构19，若干新部件采用AM来制成。
设计意向的平均数和差再次与初始描述相似地确定。
如果19'与18之间的差处于所需限制之内，则不再需要渐变，并且能够采用AM开始部件的连续生产。
如果差不满足要求，则渐变过程在其他迭代循环中重复进行，直到满足要求。
另外，AM或HT期间的残余应力和收缩的模拟可用来估计失真的幅度。估计的失真然后用来对设计意向几何结构进行渐变，并且对AM或HT所引起的预计失真预作安排。
参考标号列表
10 制造部件(通过加性制造AM、例如SLM)
11 粉末材料
12 层(完成的)
13 激光或电子束
14、15 层(热、凝固)
14'、15' 层(冷、收缩)
16 层
17 过渡区
18 (待制造部件的)CAD设计
18' 所产生部件(在SLM之后)
19 (待制造部件的)渐变CAD设计
19' 所产生部件(例如在SLM之后)
20 构建方向
M 渐变过程。

Claims (11)

1. 一种用于通过加性制造技术并且通过后加性制造过程步骤来制造部件(19')的方法，包括下列步骤：
提供表示待制造的所述部件的最终几何结构的第一CAD数据(18)；
通过渐变过程(M)将所述第一CAD数据(18)转换为第二渐变CAD数据(19)，由此所述渐变过程(M)考虑部件几何结构的在所述加性制造过程和所述后加性制造过程步骤期间形成的全部失真，使得按照所述第二渐变CAD数据(19)所制造的所述部件(19')具有按照所述第一CAD数据(18)的几何结构；以及
按照所述第二渐变CAD数据(19)通过所述加性制造技术来制造所述部件(19')。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的所述加性制造技术是选择性激光熔融SLM。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的所述加性制造技术是选择性电子束熔融SEBM。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的所述加性制造技术是选择性激光烧结SLS。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渐变过程(M)至少考虑所述加性制造过程期间新添加热层的冷却期间的收缩以及在所述加性制造过程之后从所述制造部件(19')的处理、例如热处理所演变的失真。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：
若干部件按照所述第一CAD数据(18)通过所述加性制造方法来制造；
所述若干制造部件经受全部其他制造过程步骤，所述步骤可使所述制造部件的几何结构失真；
单独记录所述制造部件的每个的所述最终几何结构；
从所述单独几何结构记录来得出平均制造部件几何结构；
确定按照所述第一CAD数据(18)的设计意向几何结构与所述平均的制造部件几何结构之间的差；
所述差用于所述渐变过程(M)，以生成所述第二渐变CAD数据(19)，以便对加性制造技术所引起的预计失真预作安排。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，3D摄影测量扫描或CT扫描用来记录所述制造部件的每个的所述最终几何结构。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述制造部件的所记录最终几何结构的算术平均用来得出所述平均制造部件几何结构。
9. 如权利要求6所述的方法，其特征在于：
若干新部件按照所述第二渐变CAD数据(19)通过所述加性制造技术来制成；
单独记录所述制造部件的每个的所述最终几何结构；
从所述单独几何结构记录来得出平均制造部件几何结构；
确定按照所述第一CAD数据(18)的设计意向几何结构与所述平均的制造部件几何结构之间的所述差；
如果差处于所需限制之内使得不再需要渐变，则通过所述加性制造技术开始所述部件的连续生产。
10. 如权利要求6所述的方法，其特征在于：
若干新部件按照所述第二渐变CAD数据(19)通过所述加性制造技术来制成；
单独记录所述制造部件的每个的所述最终几何结构；
从所述单独几何结构记录来得出平均制造部件几何结构；
确定按照所述第一CAD数据(18)的设计意向几何结构与所述平均的制造部件几何结构之间的所述差；
如果所述差不满足要求，则所述渐变过程重复进行，直到满足要求。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加性制造过程和/或后续热处理期间的残余应力和收缩的模拟用来估计所述失真的幅度，并且所述估计的失真用于所述渐变过程，以便对所述加性制造过程和/或后续热处理所引起的预计失真预作安排。
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