CN106573414A - 基于粉末增材制造部件，特别是轮胎模具的衬里叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

增材制造至少一个部件的方法，所述方法包括如下步骤：‑a)使用成层设备在工作表面上沉积至少一个粉末层，所述成层设备包括沿着所述表面平移移动的用于分布粉末的装置，‑b)使用能量束至少部分地熔合所述沉积层，和‑c)重复步骤a)和b)从而通过堆叠熔合层而形成部件，所述方法的特征在于：‑所述设备的分布装置在基本上平行于部件的每个熔合层的长度方向的方向上能够移动，并且‑重复步骤a)和b)从而形成部件使得所述部件的长度基本上平行于熔合层的堆叠方向延伸，并且部件的头部基本上垂直于工作表面取向。

Description

基于粉末增材制造部件，特别是轮胎模具的衬里叶片的方法
技术领域
本发明涉及通过使用能量束烧结或熔融粉末颗粒而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在模具的打开位置和关闭位置之间能够沿径向移动。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。对于包括这种叶片的模具的进一步细节，可以例如参考文献EP-B1-1 758 743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：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制造叶片。此外，该技术非常适合制造使用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。激光烧结技术由下述步骤构成：通过在堆叠方向上堆叠粉末层，其中该堆叠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”应被理解为表示粉末或粉末混合物。粉末可以例如为金属粉末或矿物粉末，例如陶瓷粉末。
通常地，使用成层设备从而在烧结或熔融操作之前保证粉末床的制备。这种设备主要包括用于储存粉末的装置和能够将粉末以层的形式分布在制造板上的分布装置。对于所述成层设备的进一步细节，可以例如参考专利申请WO-A2-2013/178825。
沉积第一层，然后将其直接熔接至制造板。然后依次形成其它层从而获得始于第一层的堆叠。
通常地，在制造板上水平地进行小尺寸元件(例如衬里叶片)的制造使得其长度基本上平行于制造板。其则被称为水平式制造。其能够避免具有过高的叶片高度，因此缩短制造时间。
然而，对于这种制造，可能面临尺寸和几何特征不一致的问题。实际上，叶片可能具有波纹或大体积部分，所述大体积部分形成被称为底切区域的区域，即叶片壁在未凝固的粉末区域上方悬垂的区域。例如在专利申请FR-A1-2 961 741和WO-A1-2010/030276中描述的叶片上设置所述大体积部分。在叶片的这些底切区域中观察到变形、应力集中现象，这可能造成裂纹和特别高的粗糙度。而且，由于所述底切区域，某些叶片几何形状无法制造。
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通过使用至少一种能量束烧结或熔融粉末而增材制造至少一个部件的方法，所述方法能够保证令人满意地制造例如具有波纹和/或大体积部分和/或底切部分的复杂形状的部件。
在一个实施方案中，所述方法涉及通过使用至少一种能量束烧结或熔融粉末而增材制造至少一个部件。所述部件包括主体，所述主体设置有两个相反的正面和延长主体的一个端部的一体式头部，所述头部平行于所述主体的长度延伸并且至少相对于所述正面之一突出。
所述方法包括如下步骤：
-a)使用成层设备在工作表面上沉积至少一个粉末层，所述成层设备包括平移移动装置用于沿着所述表面分布粉末，
-b)使用能量束至少部分地熔合所述沉积层，和
-c)重复步骤a)和b)从而通过堆叠部件的熔合层而形成部件。所述设备的分布装置在基本上平行于每个熔合层的长度方向的方向上移动。重复步骤a)和b)从而形成部件使得所述部件的长度沿着基本上平行于熔合层的堆叠方向的方向延伸，并且部件的头部基本上垂直于工作表面取向。
在此，术语“长度”应被理解为表示部件在其最大尺寸方向上的尺寸。
熔合层相对于分布装置的位移方向的取向使得能够限制在由这些装置施加的力的作用下造成的堆叠层变形的风险，所述风险可能引起应力集中和微裂纹的出现。
此外，通过这种竖直式制造，有助于获得符合所需的尺寸特征、几何形状特征和表面光洁度特征的具有复杂形状的部件。对于包括大体积部分的部件，考虑到大体积部分的垂直于工作表面的取向(这些大体积部分连接至所述表面)，由于熔融步骤的过程中的热扩散产生的部件中的内部应力所造成的变形或甚至微裂纹减少。不同于水平式制造(其中底切部分支承于在部件上产生粗糙度的未熔合粉末层上)，对于包括垂直于工作表面取向的底切部分的部件，粗糙度不高。
在一个优选的实施方案中，在工作表面的不同区域中形成熔合层的多个堆叠从而同时制造多个部件。所述部件可以以列和排的矩阵形式设置在工作表面上，所述列相对于成层设备的分布装置的位移方向横向设置，所述排平行于所述位移方向设置。
熔合层的多个堆叠可以共享成层设备的分布装置。
在一个实施方案中，每列和每排的部件相对于彼此对齐。替代性地，一列中的每个部件沿着分布装置的位移方向相对于该列的紧邻部件偏离。
有利地，部件的长度沿着一定方向延伸，所述方向与层的堆叠方向形成-20°和+20°之间的角度。
在一个优选的实施方案中，部件的取向使得成层设备的分布装置在其位移的过程中首先靠在主体然后靠在所述部件的头部。
在一个实施方案中，成层设备的分布装置包括至少一个辊子。优选地，辊子的轴线基本上垂直于部件的每个熔合层的长度方向取向。所述部件通常可以具有矩形形状。
附图说明
通过阅读仅以非限制性示例的形式给出并且参考附图的如下详细描述将凸显其它目的、特征和优点，在附图中：
-图1为局部显示根据第一实施例的通过激光烧结制造叶片的方法的示意性立体图，
-图2为图1的两个叶片的细节图，并且
-图3和4为根据方法的第二和第三实施例的两个叶片的细节图。
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。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。叶片10彼此相同。
如图2更清楚地显示，每个叶片10具有长度为L10并且宽度为l10的基本上矩形的大致形状。叶片的长度L10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。叶片10在与工作表面12a相切的方向上沿纵向延伸。
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和与所述主体形成为一个构件的头部10b。主体10a包括两个相反的主正面14、16和限制所述正面的两个相反的侧端面(没有附图标记)。主正面14、16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14、16基本上平坦。
头部10b延长主体10a的一个端部并且平行于所述主体的长度延伸。头部10b延长主体的一个端面。头部10b在主体10a的任一侧上侧向地突出。头部10b相对于主面14、16突出。头部10b具有比主体10a体积更大的部分。头部10b是具有三角形横截面的大致的柱状。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。更具体地，主体10a的下部旨在锚固在轮胎硫化模具的扇区中，而主体10a和头部10b的上部旨在模具扇区的用于模制轮胎胎面花纹的模制表面上方突出。
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。
能够将粉末层施加至制造板的工作表面12a的所有装置被称为“成层设备”。成层设备包括用于将粉末分布在工作表面12a上的辊子18。辊子18的作用是在工作表面12a上分布薄的粉末厚度。辊子18包括旋转轴线18a并且围绕所述轴线旋转运动。每个叶片10垂直于分布装置的辊子的轴线18a取向。
成层设备还可以包括用于储存供应至辊子的粉末的装置。与辊子18结合或作为辊子18的代替品，设备还可以包括其它分布装置，例如刮板。设备还可以连同分布装置包括移动压实辊从而使得分布的粉末厚度更均匀。
在制造板12上沉积第一层的步骤的过程中，成层设备的分布装置沿着工作表面12a在通过附图标记为20的箭头示意性显示的进料方向或位移方向上平移移动。分布装置基本上平行于板的工作表面12a位移。
在第二步骤中，例如激光类型的能量源(没有附图标记)发射激光束，通过检流镜(没有附图标记)控制激光束的取向。光学透镜(没有附图标记)能够聚焦激光束从而以对应于所制造叶片的横截面的图案加热粉末层，因此在用于制造叶片10的制造板12的每个区域中选择性地进行粉末的熔融。
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。成层设备的分布装置基本上平行于所制造的叶片的每个熔融截面的最大尺寸方向位移。之后，进行第二粉末层的选择性熔融。再次重复这些步骤从而通过堆叠多个层而形成叶片10。每个叶片10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一个压一个地堆叠。
如上所述，所制造的每个叶片10的长度L10相对于板的工作表面12a基本上竖直延伸。叶片10以竖直方式制造。长度L10基本上平行于堆叠方向延伸。所制造的叶片的长度可以沿着一定方向延伸，所述方向与堆叠方向形成-20°和+20°之间的角度。叶片的主体10a的长度从板的工作表面12a基本上竖直延伸。叶片的头部10b也从板的工作表面12a基本上竖直延伸。相对于正面14、16突出的头部10b相对于工作表面12a基本上垂直延伸。因此，叶片10没有底切区域，即叶片10的一部分在未凝固粉末区域的上方悬垂的区域。
成层设备的分布装置的位移方向20基本上平行于形成的每个叶片10的宽度l10。位移方向20基本上平行于每个叶片10的横截面的最大尺寸方向。对于叶片10，位移方向20平行于堆叠的每个熔合层的长度。
由于用于制造每个叶片10的熔合层相对于成层设备的分布装置的位移方向20的取向，在这些装置在每个层上经过的过程中，特别由于弯曲造成的变形风险(可能造成出现应力集中和微裂纹现象)得到限制。此外，通过叶片的竖直式制造，该取向使得能够更好地吸收由分布装置施加的力。通过这种制造，有助于获得符合所需的尺寸特征、几何形状特征和表面光洁度特征的具有复杂形状的部件。
因此，对于多数叶片10，不需要以与叶片整体形成的超厚部分的形式设置增强件。例如，对于所述叶片，可以仅为长度大于或等于30mm并且厚度为约0.4mm的叶片设置侧向增强件，或者仅为上端和下端之间的偏离距离大于5mm的弯曲叶片设置侧向增强件。
此外，每个叶片10的取向使得成层设备的分布装置在方向20上位移的过程中首先靠在主体10a上然后靠在头部10b上。
这能够逐渐增加成层设备的辊子和所制造的叶片10之间的摩擦。特别地，如果辊子首先在叶片的头部10b上方经过然后在其主体10a上方经过，辊子会突然经受剧烈摩擦，可能造成所制造的叶片10损坏或者卡住辊子，因此造成机器停机。
如图1所示，在制造之后，叶片10以平行的列和排的矩阵的形式布置在板12上，所述列和排相对于成层设备的分布装置的位移方向20分别横向地和平行地设置。在所显示的示例性实施方案中，制造每列和每排的叶片10使其相对于彼此对齐。作为一个变体形式，能够制造叶片10使得对于一列或每列来说，每个叶片在分布装置的位移方向上相对于紧邻叶片偏离。在分布装置在与辊子接触的第一叶片上的摩擦过大的情况下，所述布置能够避免所制造的叶片恶化。在制造之后，例如通过电火花线切割加工使叶片与制造板脱离。
在所显示的示例性实施方案中，考虑到构成这些叶片的模制部分的头部10b的形状，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。
作为一个变体形式，能够制造叶片10，每个叶片10包括具有其它形状的头部10b，例如图3所示的波纹状头部10b。以与所显示的第一示例性实施方案相似的方式，头部10b在主体10a的任一侧上侧向地突出。头部10b相对于主面14、16突出。
在另一个变体形式中，还能够制造叶片10，每个叶片10包括如图4所示相对于主体10a倾斜的头部10b。在该示例性实施方案中，头部10b仅相对于主面16突出。叶片的头部10b的设计由胎面中所形成的花纹类型决定。每个头部10b可以存在至少一个底切形状和/或至少一个比主体10a体积更大的形状。
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任何衬里元件，更通常地是不同应用中使用的其它类型的小尺寸部件。

Claims (11)

1.通过使用至少一种能量束烧结或熔融粉末而增材制造至少一个部件的方法，所述部件包括主体，所述主体设置有两个相反的正面和延长主体的一个端部的一体式头部，所述头部平行于所述主体的长度并且至少相对于所述正面之一突出，所述方法包括如下步骤：
-a)使用成层设备在工作表面上沉积至少一个粉末层，所述成层设备包括沿着所述表面平移移动的用于分布粉末的分布装置，和
-b)使用能量束至少部分地熔合所述沉积层，
-c)重复步骤a)和b)从而通过堆叠熔合层而形成部件，所述方法的特征在于：
-所述设备的分布装置在基本上平行于部件的每个熔合层的长度方向的方向上移动，并且
-重复步骤a)和b)从而形成部件使得所述部件的长度沿着基本上平行于熔合层的堆叠方向的方向延伸，并且部件的头部基本上垂直于工作表面取向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在工作表面的不同区域中形成熔合层的多个堆叠从而同时制造多个部件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中多个部件以列和排的矩阵形式设置在工作表面上，所述列相对于成层设备的分布装置的位移方向横向设置，所述排平行于所述位移方向设置。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中熔合层的多个堆叠共享成层设备的分布装置。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中每一列和每一排的部件相对于彼此对齐。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其中一列中的每个部件沿着分布装置的位移方向相对于该列的紧邻部件偏离。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中部件的长度沿着一定方向延伸，所述方向与层的堆叠方向形成-20°和+20°之间的角度。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中部件的取向使得成层设备的分布装置在其位移的过程中首先靠在主体上然后靠在所述部件的头部上。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中成层设备的分布装置包括至少一个辊子。
10.根据权利要求9所述的方法，其中辊子的轴线基本上垂直于部件的每个熔合层的长度方向取向。
11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中部件大致具有矩形形状。
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