CN106573687A - 用于生产实体自由成形制造用的填料包的装置 - Google Patents

Abstract

料斗(30)保持金属及熔剂粉末(24)。填料管(28)从料斗输送粉末。压缩空气(36)被注入粉末中以使粉末流态化并且输送粉末通过填料管。料斗可以被振动(34)以防止粉末结块。透气的包层(29)围绕填料管，并随着透气的包层移动离开填料管的端部而被填充粉末。气体从透气的包层逸出。进给机构(54、56、66、74)可以在填料管的相反两侧进给透气片材(55、57)。封接装置(58A‑58B、78A‑78B)可以沿着片材的边缘封接片材以形成围绕填料管的透气的包层。封闭机器(40)和切割机器(42)封闭并且切割包层，从而形成装有粉末的包(22)。

Description

用于生产实体自由成形制造用的填料包的装置

技术领域

本发明总体上涉及增材制造领域，并且更具体地涉及用于预置实体自由成形制造和修复中的激光沉积用的填充材料、并且特别地用于预置超合金涡轮部件上的激光熔覆用的填充材料的粉末金属包或者粉末金属和熔剂包的生产。

背景技术

实体自由成形制造(SFF)技术通过进给材料(如粉末或线材)的逐层堆积和固结来生产功能性金属零件，从而允许根据CAD模型直接生产具有高几何自由度的零件。进给材料因其提供了形成用于修复或制造的珠或层的添加材料而被称为“填料”。SFF技术中的被称为直接金属激光制造(DMLF)的一类技术利用激光来固结粉末。其它类技术使用钨惰性气体(TIG)、金属惰性气体(MIG)或者电子束技术。

在增材制造中，部件被通过成层地构建来制造。每一层被熔化、烧结或以其它方式结合到前一层上。每一层可以建模为部件的数字化实体模型的切片。由于超合金材料对熔体凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性，因此超合金材料是最难以制造和修复的材料之一。本发明人之前已公开了用于通过在熔剂材料存在的情况下选择性激光熔化(SLM)超合金材料而成功地对难以焊接的超合金进行沉积的方法，比如在公开号为US 2013/0140278 A1的美国专利申请中所描述的，该申请通过参引并入本文。填充材料可以以填充线材、填充条带或填充粉末的形式被输送至加工点。粉末可以被连续输送，最常见的是通过诸如空气、氮气或惰性气体的输送气体的辅助而被连续输送，或者粉末可以被预置在加工表面上。预置的优点包括：

-能够使精确的量的填充材料定位在加工点处；

-浪费最少；以及

-避免了使材料的连续进给的相关方面复杂化，比如避免了对输送气体的需求以及对能够被输送的颗粒的尺寸的限制。预置的缺点包括：

-只能够加工相对水平的表面；以及

-预置是劳动略密集的并且一般比连续加工更慢。

本发明人之前已公开了以粉末包的形式预置粉末的构思。与预置松散的粉末相比，粉末包在加工和劳动方面是方便并有效的，因此高生产能力的加工是可行的。粉末包还可以更方便地保留在非水平表面或弯曲表面上。因此，预计利用粉末包进行增材制造的商业应用的数量会迅速增加。

附图说明

结合附图在下面的描述中对本发明进行说明，在附图中：

图1是装有用于激光沉积的粉末填充材料的填料包的侧视截面图。

图2示出了填料包生产机器以及填料包生产过程。

图3是相互连接以形成用于激光沉积的填料预制品的多个填料包的截面图。

图4图示了连续生产用于激光沉积的填料包的机器。

图5是具有纵向的和横向的缝合针以及用于上进给齿条的狭槽的缝合机压脚的立体图；

图6示出了与图5的压脚对应的具有下进给齿条的针板；

图7示出了如通过图4至图6的机器生产的绗缝的填料包；

图8图示了一种机器，该机器围绕用作心轴的进给管形成连续的编织管并且填充编织管以形成填料包。

具体实施方式

本发明人发现了在增材制造过程期间使用粉末包是非常可取的，但是这些包的生产可能是非常耗时的并且劳动密集的，对形成用于制造和修复的公差可能非常小的气体涡轮发动机应用的填料包来说尤其如此。因此，发明人研发了用于生产填料粉包的技术和设备，该技术和设备使现有技术进步并且有利于该技术的商业实施。

本发明人在难以焊接的超合金部件的实体自由制造和修复中利用用于激光沉积的粉末填充材料的包。所述包中装有用于预置在要修复或制造的物件上的金属和熔剂。激光束将金属熔化成层并且将层熔合至物件。熔剂有助于金属熔合并且提供了使熔池与空气隔离的渣层。它还对加速熔化以及有利于熔化的热量进行截留，减少能量输入并且使冷却减慢，从而使凝固更加一致。熔剂清除污染物，比如氧化物。与开放的粉末层不同，该包能够使粉末在斜面和/或曲面上保持就位，并且防止粉末在加工期间分散和移位。术语“金属”在本文中以一般含义使用并且意指包括纯金属和金属合金。

图1是用于选择性激光熔化的填料包20的侧视截面图，其中，填料包20包括装有粉末状填充材料24的封闭的包层22。包层可以是筒形的或平的，如下文所示出的。包层的每个端部通过相应的封闭件26A、26B如绳结、缝线、粘合剂或熔体封闭。市售的粘合剂包括氧化锆二氧化硅粘合剂和氧化铝二氧化硅粘合剂。粉末颗粒可以由以预定的体积比混合的相应的金属和熔剂颗粒组成，或者粉末颗粒可以由涂覆有或含有熔剂的金属颗粒构成，或者粉末颗粒可以仅是金属颗粒，而由包层22的材料提供助熔作用，或者粉末颗粒可以仅是熔剂颗粒。包层可以由具有比颗粒小的孔眼的透气片材形成，所述片材包括织造的片材和非织造的片材。包层材料可以有助于熔融，并且不应该产生有害的烟和灰。例如，可以使用氧化铝或二氧化硅纤维的织造的或非织造的制品。粉末24可以是非结合的，意即，是松散的，而非固结、压紧或烧结成块的。非结合的颗粒的好处在于，与固体填料预制品相比，激光能量通过颗粒之间的反射穿透至更深的深度。

图2示出了包填充机器以及包填充过程，其中，填料管28自粉末料斗30插入至透气管或包层29的开口端32。粉末可以通过振动机构34被流态化。压缩气体36如空气可以被注入至料斗中以输送粉末通过填料管。如果气体被注入至料斗的下40％或20％处，并且如示出的在粉末24的顶表面下方，则气体也使粉末流态化从而防止粉末结块及堵塞。如此得到能量的粉末流允许填料管根据需要为非竖直的以及弯曲的，而不会堵塞。透气的包层29在允许气体逸出38的同时滤留颗粒，将颗粒保持在内。包层的底端部在填充之前被封闭26A，并且包层的顶端部32在进行填充并移除填料管之后被封闭26B。填料管可以随着填充的进行而通过使填料管向上移动或者通过使透气管向下移动或者通过上述两种方式从透气管中退出。可以设置有自动封闭机构40，比如缝合机器、粘合机器、热封器、缠结机器或者装订器。缝合线可以与片材材料相匹配，比如氧化铝或二氧化硅纤维。替代性地，可以使用诸如涤沦线和/或棉线的材料。系带和钉针可以由例如填料金属的组分的柔性子集制成，或者由其它材料制成，比如塑料或包括钢或铝的金属线材。可以设置有自动切割器42，比如刀或剪刀设备。可以设置有自动产品输送器或进给机构44，比如将填料管28上的透气的包层29向远端牵引的对置的轮或带。一段透气管可以预载在填料管上，如褶皱部48所示。该过程可以通过电子控制器50比如微处理器来控制。

图3是相对于彼此并排附接或定位、并且可选地竖向堆叠以形成覆盖期望表面区域的预制品52的若干个的小的筒形填料包20的截面图。这些包的子集可以分别装有不同的填料组分，例如结构超合金组分24A、金属结合涂层组分24B、陶瓷热障组分24C以及激光能量封阻材料比如石墨24D。这允许在一个区域中、并且可选地在多层中同时进行多种类型的增材的激光沉积。封阻材料24D为所形成的层提供精确边缘。包20可以通过粘合胶或者通过缝合而彼此附接，或者它们可以通过临时支承而组合在一起。

图4示出了用于填料包的连续生产的机器。填料管28从料斗30下延。填料管可以弯曲成与制造台(未示出)对准的水平方向，然而这并非必要的。压缩空气36A、36B可以被注入至料斗中，特别是注入至料斗的下40％或20％处，以使填料粉末流态化并且防止填料粉末结块或堵塞。压缩空气36A、36B可以在料斗中的多个位置处注入，特别是在料斗有下部拐角的情况下，可以在料斗的下部拐角36B处注入。在填料管28的相反的第一侧和第二侧可以设置有保持用于包的透气片材的两个卷轴54、56。相应的透气片材55、57可以解绕以覆盖填料管的第一侧和第二侧。片材的相邻的侧边缘58A、58B被封接在一起以围绕填料管28形成透气的管或包层29。用于接合片材边缘的封接机构通过对置的滚子象征性地表示。封接机构可以是例如在每个边缘上的粘合剂施加器、热熔器或者缝合机。片材55、57的行进可以通过片材进给机构来执行，比如后面示出的在所形成的包的相反侧的进给齿条(feed dog)，或者可以通过之前提到的密封滚子58A、58B来执行。填料管28可以具有如图所示的横向拉长的横截面。填料管28的这种扁平管状形状提供了包层的所形成的扁平形状，这种扁平形状可以通过如下面所示的横过包进行绗缝而保留。

图5示出了缝合机压脚62和用于沿着进给方向63缝合的两个针64，以及用于上进给齿条的狭槽66。横向缝合可以通过相应的横向狭槽70中的一个或更多个针68完成。替代性地，可以设置有用于横向缝合的单独的横向移动的压脚和针板装置。

图6示出了与图5的压脚相对应的针板72。针板72可以具有下进给齿条74和横向缝合狭槽76。由图4的片材55、57形成的透气的包层29可以随着透气管被填充金属和熔剂粉末而在图5的压脚和图6的针板之间穿过以便输送、扁平成形以及缝合。横向缝合装置68、70、76可以控制成在填料包被进给齿条从填料管拉离时封闭填料包的端部和/或对填料包进行绗缝。可以中断粉末的输送以在缝合区域形成包层的相对空的部段。

图7示出了通过图4至图6的机器生产的扁平的填料包20B，填料包20B具有缝合侧边缘78A、78B、缝合端封闭部79A、79B以及绗缝针脚80、81。

图8示出了管编织机器82，管编织机器82通过使第一呈圆形阵列的线86A、87A和第二呈圆形阵列的线88、89围绕心轴90沿相反的方向缠绕来形成透气编织管84，在本实施方式中，心轴90是本发明的进给管或者容纳本发明的进给管。管编织机器的机构是现有技术中已知的，并且因此这里不再详述。例如参见美国专利4130046以及4372191。在这样的机器中，外部的呈圆形阵列的线轴91A、93A在第一旋转构件95上围绕心轴90沿第一方向旋转。内部的呈圆形阵列的线轴92、94在第二旋转构件96上围绕心轴沿相反的方向旋转。每当外/内线轴彼此交错时，外/内线轴都有效地沿径向交换位置。这通过外线轴91A和外线轴93A分别沿径向移位至替换的内位置91B和内位置93B处来说明。然而，在一种实施方式中，外部线86A、87A可以在不使外部线轴91A、93A径向地移动的情况下导引至导引臂上的径向内位置86B、87B。例如，参见美国专利4130046。本发明增加了通过中空的心轴90为编织管84填充填充材料24以生产可以用于如前所述的实体自由成形制造和修复的编织包20C。可以如前面所述那样设置有封闭件26A、进给轮44、切割器42以及封闭器40。填充材料24可以通过重力和/或如前所述地通过压缩气体36而输送通过填料管。

替代性地(未示出)，可以使用螺旋管成型机器来用螺旋地缠绕心轴的透气材料带生产用于填料包的透气管，心轴也用作根据本发明的填料进给管。螺旋带可以沿螺旋缠绕部的重叠的边缘缝接或密封。这样的机器是现有技术中已知的，并且此处不再示出。例如，参见US 3,793,929。

如本文生产的装有金属和熔剂粉末的填料包在增材制造过程比如超合金材料的选择性激光熔覆中具有以下好处：

a)能够构建在现有的3-D表面上。不限于水平的平坦表面。

b)构建率高，例如每层超过3mm或4mm。

c)能够用于难以焊接的超合金金属。

d)过程可靠，能够适应新的损害模式。

e)要修复或构建的物件不需要预热或快冷。

f)不需要通过惰性气体保护熔池。

g)粉末填料很少或没有因分散而浪费。

h)粉末尺寸的范围宽。

i)降低了对粉末制造方法的敏感性。

尽管本文已示出和描述了本发明的多个实施方式，但显然这样的实施方式仅是以示例的方式提供。可以在不脱离本发明范围的情况下进行多种变化、改变和替换。因此，要指出的是本发明仅由所附权利要求的主旨和范围限定。

Claims (20)

1.一种用于生产增材制造用的填料包的装置，所述装置包括：

料斗，所述料斗用于保持金属粉末；

透气的包层，所述透气的包层对于所述粉末而言是不可透过的；

填料管，所述填料管从所述料斗插入所述透气的包层中；以及

气体源，所述气体源向所述料斗提供压缩气体；

其中，所述粉末随所述压缩气体从所述料斗流动通过所述填料管，并且在所述粉末由所述包层保持的同时，所述压缩气体逸出所述包层。

2.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括位于所述料斗上的使所述粉末流态化的振动设备。

3.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括进给机构，所述进给机构随着所述包层被填充所述粉末而将所述填料管上的所述包层向远端牵引并且离开所述填料管的开口端部。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述包层由围绕所述填料管的片材制成的透气管形成，并且所述装置还包括切割和封闭机器，在填充所述包层之前，所述切割和封闭机器封闭所述包层的第一端，并且在填充所述包层之后，所述切割和封闭机器封闭所述包层的第二端，并且将所述包层的所述第二端从所述片材制成的管切掉。

5.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括：

第一透气片材和第二透气片材；

片材进给机构，所述片材进给机构分别在所述填料管的相反的第一侧和第二侧牵引所述第一片材和所述第二片材；以及

接缝形成机构，所述接缝形成机构将所述第一片材的第一侧边缘和第二侧边缘封接至所述第二片材的相应的第一侧边缘和第二侧边缘以形成围绕所述填料管的所述透气的包层。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述填料管包括横向拉长的横截面，并且所述装置还包括操作性地连接至所述片材进给机构的进给方向缝合机器和横向缝合机器，用于对所述包层进行纵向缝合和横向缝合。

7.根据权利要求6所述的装置，所述装置还包括：

针板，所述针板用于进给方向的缝合针；

压脚，所述压脚与用于所述进给方向的缝合针的所述针板相对应；以及

位于所述针板和所述压脚上的片材进给齿条，随着所述透气的包层被填充来自所述填料管的所述粉末，所述片材进给齿条将所述透气的包层牵引到所述针板与所述压脚之间。

8.根据权利要求7所述的装置，所述装置还包括能够被控制成对所述包层进行绗缝的所述进给方向缝合机器和所述横向缝合机器。

9.根据权利要求5所述的装置，所述装置还包括分别保持所述第一透气片材和所述第二透气片材的第一卷轴和第二卷轴，所述第一卷轴和所述第二卷轴分别布置在所述填料管的相反的所述第一侧和所述第二侧，用于在所述填料管上进给片材。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述压缩气体注入至所述料斗的下40％处。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透气的包层包括氧化铝纤维或二氧化硅纤维，并且所述金属粉末包括超合金。

12.一种用于生产增材制造用的填料包的装置，所述装置包括：

料斗，所述料斗用于保持粉末；

压缩气体连接件，所述压缩气体连接件用于将压缩气体注入所述料斗中；

从所述料斗下延的填料管，所述填料管用于从所述料斗输送所述粉末；

透气管，所述透气管由分别布置在所述填料管的相反的第一侧和第二侧的第一透气片材和第二透气片材形成；

片材进给机构，所述片材进给机构将所述填料管上的所述片材朝向所述填料管的开口端部向远端牵拉；以及

片材封接机器，所述片材封接机器在所述片材在所述填料管上被牵拉时沿着所述片材的相邻的侧边缘将所述片材封接在一起以形成围绕所述填料管的所述透气管；

其中，所述粉末随所述压缩气体流动通过所述填料管，并且在所述粉末被保留在所述透气管中的同时，所述压缩气体逸出所述透气管；以及

围绕所述透气管中的所述粉末封闭所述透气管的机器，以及切割所述透气管从而使包从所述透气管分离的机器。

13.根据权利要求12所述的装置，所述装置还包括位于所述料斗或所述填料管上的振动设备。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述填料管包括横向拉长的横截面，并且所述装置还包括操作性地连接至所述片材进给机构的进给方向缝合机器和横向缝合机器，所述进给方向缝合机器和所述横向缝合机器用于对所述填料管进行纵向缝合和横向缝合。

15.根据权利要求14所述的装置，所述装置还包括能够控制成对所述包进行绗缝的所述进给方向缝合机器和所述横向缝合机器。

16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述片材进给机构包括：

针板，所述针板用于进给方向的缝合针；

压脚，所述压脚与用于所述进给方向的缝合针的所述针板相对应；以及

位于所述针板和所述压脚上的片材进给齿条，所述片材进给齿条随着所述透气管被填充来自所述填料管的所述粉末而将所述透气管牵引到所述针板与所述压脚之间。

17.根据权利要求12所述的装置，所述装置还包括分别保持第一透气片材和第二透气片材的第一卷轴和第二卷轴，所述第一卷轴和所述第二卷轴分别布置在所述填料管的相反的第一侧和第二侧，用于在所述填料管上进给片材。

18.根据权利要求12所述的装置，其中，将所述压缩气体注入至所述料斗的下40％处。

19.一种用于生产增材制造用的填料包的装置，所述装置包括：

料斗，所述料斗用于保持粉末；

从所述料斗下延的填料管，所述填料管用于从所述料斗输送所述粉末；

透气管形成机器，所述透气管形成机器围绕所述填料管制造透气管；

进给机构，所述进给机构使所述透气管在所述填料管上沿离开所述料斗的方向滑动并且离开所述填料管的开口端部；

其中，所述粉末流动通过所述填料管进入所述透气管；

并且所述装置还包括在围绕所述透气管中的所述粉末的一部分在两个位置封闭所述透气管的机器；以及

切割所述透气管从而使所述填料包与所述透气管的其余部分分离的机器。

20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述透气管形成机器包括管编织机器。