CN106536166B - 基于粉末增材制造具有相联的增强元件的部件(特别是轮胎模具的衬里叶片)的方法 - Google Patents

基于粉末增材制造具有相联的增强元件的部件(特别是轮胎模具的衬里叶片)的方法 Download PDF

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Abstract

使用至少一种能量束烧结或熔融粉末来增材制造至少一个部件的方法，所述方法包括如下步骤：‑a)通过沉积和选择性熔融堆叠的粉末层制造至少一个中间元件，所述中间元件包括所述部件和至少一个局部增强元件，所述增强元件呈裂缝管状，所述裂缝管状围绕所述部件的一个侧端面并且面对所述部件的邻近所述端面的每个正面，所述增强元件在基本上平行于层的堆叠方向的方向上延伸；和‑b)分离所述部件和所述局部增强元件。

Description

基于粉末增材制造具有相联的增强元件的部件(特别是轮胎 模具的衬里叶片)的方法
技术领域
本发明涉及使用能量束烧结或熔融粉末颗粒来基于所述粉末进行增材制造的方法。“能量束”表示电磁辐射(例如激光束)或粒子束(例如电子束)。
背景技术
本发明的一个特别有利的应用涉及车辆轮胎的扇形固化或硫化模具的衬里元件(例如叶片)的制造。
这种模具主要包括两个壳体和多个扇区，每个壳体模制轮胎的侧面胎侧之一，所述扇区模制所述轮胎的胎面并且能够在模具的打开位置和关闭位置之间沿径向移动。壳体和扇区限定旨在与轮胎的未硫化胎坯接触的内部空间。为了形成胎面花纹，叶片附接至模具的扇区并且突出进入该内部空间。对于包括所述叶片的模具的其它细节，可以参考例如文献EP-B1-1758743和US-A1-2002/0139164。
通过选择性熔融(更通常地被称为烧结)重叠粉末层进行制造的优点主要在于如下事实：可以通过计算机对这些叶片的形状进行建模，然后可以基于该建模通过能量束的计算机控制来制造叶片。此外，该技术非常适合制造以其它方法难以制造的尺寸较小并且形状复杂的元件，例如模具的衬里叶片。
当通过激光束进行选择性熔融时，其被称为激光烧结。激光烧结技术包括：通过堆叠粉末层，并在堆叠方向上通过激光束使所述粉末层彼此重叠地凝固和熔合从而逐层制造叶片。术语“粉末”被理解为表示粉末或粉末混合物。粉末可以为例如金属粉末或矿物粉末，例如陶瓷粉末。
通常地，使用分层设备从而在烧结或熔融操作之前保证粉末床的制备。所述设备主要包括能够将粉末以层的形式分布在制造板上的圆筒或辊子。对于更多细节，可以例如参考专利文献FR-A1-2974316。
沉积第一层，然后将其直接焊接至制造板。然后依次形成其它层从而获得始于第一层的堆叠。
一旦叶片形成，需要例如通过电蚀线切割来使叶片与制造板脱离。该脱离可能造成叶片变形，这种变形使得各个堆叠层之间现存的机械应力变化。
为了克服该缺点，专利申请FR-A1-2961741推荐设置超厚部分，所述超厚部分与叶片整体形成并且形成增强件。该解决方案有效地保证了叶片在从制造叶片的制造板上脱离之后保持其形状。
然而，即使具有所述增强件，在由分层设备每一次施加至粉末层的力的作用下，在制造过程中可能出现叶片的振动、变形和/或老化，这可能造成出现应力集中和微裂纹。对于具有相对小的横截面的叶片来说，情况更是如此。
此外，由于熔融步骤过程中的热扩散，在叶片中产生了内部应力集中。在制造过程中这也造成叶片的变形和/或老化。
发明内容
本发明的目的是克服这些缺点。
更具体地，本发明的目的是提供使用至少一种能量束烧结或熔融粉末从而增材制造至少一个部件的方法，所述方法能够限制制造过程中叶片的振动、变形和/或老化的风险。
在一个实施方案中，使用至少一种能量束烧结或熔融粉末来增材制造至少一个部件的方法，所述部件包括至少两个相反的主面和至少两个端部，所述方法包括如下步骤：
-a)通过沉积和选择性熔融堆叠的粉末层制造至少一个中间元件，所述中间元件包括所述部件和至少一个局部增强元件，所述局部增强元件呈裂缝管状，所述裂缝管状具有围绕所述部件的一个侧端面并且面对所述部件的邻近所述端面的每个正面，所述增强元件在基本上平行于层的堆叠方向的方向上延伸，和
-b)分离所述部件和所述局部增强元件。
设置与所述部件相联的至少一个局部增强元件从而形成中间元件能够在过程中使部件保持原位并且使部件刚度更高。因此，在分层设备在每个预熔合粉末层上经过的过程中以及在逐层熔融的步骤的过程中，限制了特别由于弯曲所造成的部件的振动和变形的风险。
在一个优选的实施方案中，所述部件和所述局部增强元件的熔合粉末层在制造步骤的过程中彼此结合。这进一步有利于在制造过程中良好地保持部件。
优选地，所述局部增强元件被构造成至少在基本上垂直于层的堆叠方向的方向上增强所述部件。该构造的优点在于，进一步降低了在由分层设备施加的力的作用下造成的叶片变形的风险。其还能够限制与熔融步骤的过程中由于热扩散而在部件中产生的内部应力集中相关的变形。
在一个实施方案中，在分离步骤之前，未熔合粉末填充在所述局部增强元件的内表面和所述部件之间存在的空间。未烧结粉末因此在局部增强元件内部和部件之间压实，这进一步增加了中间元件的刚度。
优选地，根据局部增强元件的粉末层和所述部件的粉末层的建模熔融，在增强元件的层的每个端面和所述部件的层的面对所述端面的正面之间设置间隙。间隙在0.01mm和1mm之间，优选在0.05和0.2mm之间，且优选小于或等于0.1mm。
所述局部增强元件可以在所述部件的整个高度上延伸。
在一个实施方案中，至少以列和行的矩阵的方式同时制造多个中间元件。有利地，至少一列或至少一行的增强元件一体形成。因此增加了所讨论的列的增强元件的加固效果并且有助于这些组装的增强元件的处理。
本发明还涉及通过实施上述方法而获得的中间元件。
附图说明
通过阅读实施方案的具体描述将更好地理解本发明，所述实施方案被视为是完全非限制性的实施例并且通过附图显示，在附图中：
-图1为局部显示根据第一实施例的制造叶片的方法的示意性立体图，
-图2为在图1的制造方法的过程中获得的包括一个叶片和局部增强元件的中间元件的立体图，
-图3为显示图2的中间元件的层在通过计算机建模选择性熔融之后的示意性俯视图，
-图4为显示图2的中间元件的层在选择性激光熔融之后的示意性俯视图，
-图5为局部显示根据第二实施例的制造叶片的方法的示意性立体图，
-图6为显示在第三实施例的制造方法的过程中获得的中间元件的示意性俯视图，并且
-图7至图9为在第四、第五和第六实施例的制造方法的过程中获得的中间元件的立体图。
具体实施方式
图1中显示了相同叶片10的布置，所述叶片10旨在用于轮胎硫化模具并且在制造板12上形成，所述制造板12以假设的水平位置显示。每个叶片10与局部增强元件14相联，所述局部增强元件14仅围绕所述叶片的一个端部。增强元件14彼此相同。板12包括形成工作表面12a的上表面，在所述工作表面12a上形成叶片10和增强元件14。叶片10和增强元件14分别彼此相同。
如图2更清楚地显示，每个叶片10具有大致矩形形状。叶片的长度相对于制造板的工作表面12a基本上垂直(即基本上竖直)延伸。叶片10基本上竖直取向或延伸。换言之，叶片的长度构成其高度。
叶片10具有弯曲形状。在所显示的实施方案中，每个叶片10包括主体10a和与所述主体一体形成的头部10b。主体10a包括两个相反的主正面10c、10d和限制所述正面的两个相反的侧端面10e、10f。主正面10c、10d限制叶片的主体10a的厚度。在所显示的示例性实施方案中，主面10c、10d平坦。作为变体形式，这些面可以具有其它形状，例如波纹形状。头部10b延长主体的端面10e并且平行于主体的长度延伸。头部10b基本上呈具有三角形横截面的柱状。作为一个变体形式，头部的横截面可以具有任何其它形状，例如矩形、正方形、圆形等或V形或U形。叶片10能够模制轮胎胎面中的水滴花纹。
每个增强元件14围绕相联叶片的端面10f并且面对正面10c、10d。每个增强元件14包括两个端面14a、14b，所述端面14a、14b面对叶片的正面10c、10d。增强元件14呈裂缝管状。叶片10的一部分通过由端面14a和14b限定的裂缝在增强元件14的内部延伸，叶片的另一部分位于所述增强元件的外部。每个增强元件14相对于制造板的工作表面12a基本上垂直延伸。每个增强元件14的长度基本上等于相联叶片10的长度。
使用如下程序制造多个叶片10。在第一步骤中，将第一粉末层沉积在制造板的工作表面12a上。在沉积之后，第一层在工作表面12a上基本上水平地延伸。粉末可以例如为金属粉末或矿物粉末，例如陶瓷粉末。
在第二步骤中，例如激光类型的能量源(未显示)发射激光束，通过振镜式反射镜(未显示)控制激光束的取向。光学透镜(未显示)能够聚焦激光束，从而以对应于待制造的叶片10的横截面并且对应于相联增强元件14的横截面的模式加热粉末层，由此选择性地进行粉末的熔融。在制造板的用于制造叶片10和相联增强元件14的工作表面12a的每个区域中进行该选择性熔融。
如图3所示，通过计算机对激光束的控制进行建模，从而理论上在制造板的工作表面12a上分别获得第一熔合粉末层C1,10和第一熔合粉末层C1,14，从而形成叶片10和相联增强元件14。在该图中，用点显示预先沉积并且未烧结的粉末。在建模时，在增强元件的熔合粉末层C1,14的每个端面和叶片的熔合粉末层C1,10的正面之间设置间隙16。该间隙在0.01mm和1mm之间，有利地在0.05和0.2mm之间，优选小于或等于0.1mm。
在实践中，通过小于或等于0.1mm的理论间隙16，在第一熔合粉末层C1,10和C1,14的烧结作用下，存在于层C1,10的每个端面和层C1,14的正面之间的沉积的粉末通过热扩散而全部或部分熔合，使得叶片10和增强元件14的所述层形成结合。图4中示意性地显示了这些层之间存在的附着。该附着造成叶片10和增强元件14之间的联接，之后可以按照指定方式手动地打破所述联接。熔合粉末层的基层是指下层C1,10、C1,14，叶片10和增强元件14分别设置在所述下层C1,10、C1,14上。
在第三步骤的过程中，在激光处理步骤之后，在部分熔合的第一粉末层上沉积第二层。之后，像先前那样进行第二层的选择性熔融。再次重复这些步骤，从而通过堆叠熔合层形成叶片10和相联增强元件14。每个叶片10和每个增强件14的熔合层基本上水平延伸，并且在基本上竖直的堆叠方向上上下堆叠。每个增强元件14能够至少在基本上垂直于层的堆叠方向的方向上增强相联的叶片10。
因此，制造了多个中间元件，每个中间元件包括叶片10和相联的局部增强元件14。在所显示的示例性实施方案中，对于制造的每个中间元件，叶片10和增强元件14一体形成。围绕叶片的端面10f并且每侧紧贴该端面的主面10c、10d的增强元件14能够保证所述叶片在制造过程中保持原位。这进一步限制了特别由于分层设备经过过程中的弯曲以及由于熔融步骤过程中的热扩散造成的变形风险，所述变形可能造成出现应力集中和微裂纹现象。此外，困在叶片10和增强元件14的形成内表面的孔之间的空间中的压实的未烧结粉末的存在进一步帮助良好地保持叶片。增强元件14仅紧贴叶片10的主面10c、10d而不紧贴端面10f。
如图1所示，在制造之后，将各自由叶片10和相联增强元件14构成的中间元件以平行的列和行的矩阵方式设置在板12上。然后可以例如通过电蚀线切割从而使中间元件与制造板12脱离。最后，在最后步骤的过程中，例如通过手动拉扯使每个中间元件的叶片10和增强元件14彼此脱离，从而仅留下叶片。进行该脱离所施加的拉力垂直于粉末层的堆叠方向取向。此外，叶片12的突出至增强元件14的外部的部分便于抓握以便进行该脱离。
在所显示的示例性实施方案中，制造每列中间元件使其对齐并且相对于彼此隔开。作为一个变体形式，能够制造中间元件使得每列增强元件14一体形成，正如图5的实施方案变体形式中所示，其中相同的元件具有相同的附图标记。这能够进一步增加因此获得的组件的刚度，并且能够限制该组件的叶片10的变形风险。这还有助于在切割之后处理组件。此外，在从制造板12上切掉中间元件之后，可以在单个操作中使同一列的叶片10与其增强元件14脱离。
在前述示例性实施方案中，叶片10具有大致矩形形状，并且被设计成能够模制水滴型花纹。由于每个叶片的头部10b的横截面相对较大，该头部具有足够的刚度，因此在该区域中不需要设置局部增强件。
作为一个变体形式，能够制造具有其它形状(例如不具有头部10b的形状)的叶片10。在该情况下，能够在叶片主体的每个端面上设置增强元件。在图6中显示的另一个变体形式中，能够设置包括从端面10e延伸的两个臂10g、10h的叶片10。增强元件14围绕每个臂10g、10h的自由端面设置，并且面对所述臂的邻近所述端面的正面。
在所显示的示例性实施方案中，每个增强元件14呈具有C形圆横截面的裂缝管状。替代性地，能够设置具有多边形(例如三角形、矩形或正方形)横截面的裂缝管状的增强元件14，如图7至9的实施方案变体形式中分别显示的那样。作为一个变体形式，能够设置具有多边形(例如六边形、八边形等)横截面的裂缝管状增强元件，或具有椭圆横截面的增强元件。叶片的待加固的部分延伸通过裂缝并且进入增强元件14，叶片的另一部分位于所述增强元件的外部。
在所显示的示例性实施方案中，叶片的主体10a基本上竖直延伸。作为一个变体形式，叶片的主体可以具有弯曲轮廓。在该情况下，增强元件的裂缝具有相似轮廓，从而遵从叶片的曲率。
在图1至图6中显示的示例性实施方案中，每个增强元件在待加固的叶片的整个长度上延伸。作为一个变体形式，能够设置各自在相联叶片的一部分长度上延伸的增强元件。可以是例如这种情况，此时叶片的一个区域具有薄横截面并且一个区域具有厚横截面。在该情况下，增强元件可以仅围绕具有薄横截面的叶片区域设置。
本发明基于叶片10的竖直式制造进行描述，每个叶片的长度相对于板的工作表面12a基本上竖直延伸。作为一个变体形式，能够进行水平式制造，其中叶片的长度基本上平行于制造板并且垂直于堆叠方向。在该情况下，可以设置两个局部增强元件使其各自围绕叶片的纵向端部。当由叶片和增强元件形成的中间元件与制造板脱离时，局部增强元件则可以基本上具有支撑叶片的作用。
本发明基于轮胎硫化模具的叶片的激光烧结制造进行描述。本发明还可以应用于模具的旨在加入模具支撑块的其它衬里元件，更通常地是不同应用中使用的其它类型的小尺寸部件。

Claims (9)

1.使用至少一种能量束烧结或熔融粉末来增材制造至少一个部件的方法，所述部件包括至少两个相反的正面和至少两个侧端面，所述方法包括如下步骤：
-a)通过沉积和选择性熔融堆叠的粉末层来制造至少一个中间元件，所述中间元件包括所述部件和至少一个局部增强元件，所述局部增强元件呈裂缝管状，所述裂缝管状围绕所述部件的一个侧端面并且面对所述部件的邻近所述端面的每个正面，所述部件的一部分延伸通过所述局部增强元件的裂缝并进入所述局部增强元件，所述部件的其他部分凸出到所述局部增强元件之外，所述增强元件在基本上平行于层的堆叠方向的方向上延伸，和
其中在制造步骤期间，对于部件的每个熔合粉末层和局部增强元件的每个熔合粉末层，受到热扩散而不是受到能量束的直接作用，存在于部件的所述熔合粉末层的每个正面和局部增强元件的所述熔合粉末层的面对的端面之间的沉积粉末完全地或部分地融合；
-b)在制造之后，抓住部件的凸出于局部增强元件之外的所述其他部分，通过沿着垂直于层的堆叠方向的方向拉动，从而分离所述部件和所述局部增强元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述部件和所述局部增强元件的熔合粉末层在制造步骤的过程中彼此结合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述局部增强元件被构造成至少在基本上垂直于层的堆叠方向的方向上增强所述部件。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中在分离步骤之前，未熔合粉末填充在所述局部增强元件的内表面和所述部件之间存在的空间。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据局部增强元件的粉末层和所述部件的粉末层的建模熔融，在增强元件的层的每个端面和所述部件的层的面对所述端面的正面之间设置间隙，所述间隙在0.01mm和1mm之间，优选在0.05和0.2mm之间，且优选小于或等于0.1mm。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述局部增强元件在所述部件的整个高度上延伸。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中至少以列和行的矩阵的方式同时制造多个中间元件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中至少一列或至少一行的增强元件一体形成。
9.通过实施根据前述权利要求中任一项所述的方法而获得的中间元件。
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