CN107107192A - 用于连接在增材制造工艺中由原材料制成的工件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于由原材料(14)增材制造工件(2)的方法(1)，所述原材料包括至少一种金属，其中创建工件(2)的几何模型(10)并且将模型(10)分为多个零件(12a‑12f)；其中逐步地由原材料(14)制成每个零件(12a‑12f)，其方式为：分别在制造步骤(32)中，通过将热量局部地输入到各个零件(12a‑12f)的已经制成的部分(13b‑13e)上，将一定数量单位(34)的原材料(14)局部地熔化并且在该处凝固；并且其中在压力(20a，b)的作用下以及在接触面(24a‑d)上的局部的热作用下，将零件(12a‑12f)通过扩散工艺接合在一起进而将制成的工件(2)接合。本发明还提出一种借助于这种方法(1)由原材料(14)制成的工件(2)。

Description

用于连接在增材制造工艺中由原材料制成的工件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于由原材料来增材制造工件的方法，所述原材料包括至少一种金属，其中创建工件的数学模型，并且分别在制造步骤中，通过将热量局部地输入到已经制成的部分上，将一定数量单位的原材料局部地熔化，并且在该处凝固。
背景技术
增材制造法(Generative Fertigungsverfahren)是用于制造具有高的几何复杂度的工件的新型手段，并且近年来具有重要的意义。增材制造法的主要特征是：将以低维形式(例如作为线或薄膜)或无定形地(例如作为粉末或作为液体)存在的原材料，基于工件的虚拟数据模型，借助于化学的和/或物理的工艺，逐步地成形为制成的工件。
尤其在内燃机的领域中，增材制造法一方面允许改善的、传统上不可制造的或仅可耗费地制造的构件的生产，所述构件例如是具有定制的材料特性、小的重量或用于优化的冷却的内表面的工件。因此，这能够实现提高效率，或降低新部件的成本。另一方面，增材制造法由于个体的、分散的和瞬时的制造的可能性，保证在服务和修理时的极大简化。
在这种情况下，特别感兴趣的是激光辅助的制造法，其允许在内燃机的热区域中的典型的结构材料的处理。在此，典型地通过用激光束扫描粉末床来制造，其中点状地将形成粉末的初始材料的金属颗粒(通常为镍基合金)逐片地以及逐层地彼此熔融，直至制成的构件成形。
尽管能够借助于增材制造法来实现要制造的工件的几何结构，该几何结构，例如侧凹或空腔，借助于常规的制造仅能以明显提高的生产耗费实现，但是在此也受到限制。尤其，在工件中同时制造厚壁的和薄壁的结构时，可能由于在工件中在生产工艺期间出现的内部应力造成翘曲。由用于将原子排列成相应的局部晶体结构的不同热力学前提条件引起所述内部应力，所述晶体结构存在于厚壁的或薄壁的结构上：为了添加颗粒而引入的热量的局部散热几乎完全通过工件的已制成的部分进行。因此，在厚壁的结构上，能够有较大的热梯度，由此比在薄壁的结构中更快速地导出热量，在所述薄壁的结构上熔化的材料更长时间地保留在液相中。在此，也可能引起所使用的合金的沉积过程。
在此，在工件中的这样在凝固时在不同的结构中“冻结”的应力可能比工件的屈服极限更大，由此可能产生裂纹。此外，翘曲在制造期间已经能够造成制造设备的损坏。
发明内容
因此，本发明基于的目的是：提出一种用于由原材料制造工件的方法，所述方法允许制造尽可能复杂的几何结构，并且在此在制成的工件中引起尽可能小的翘曲。
根据本发明，所提到的目的通过一种用于由原材料增材制造工件的方法来实现，所述原材料包括至少一种金属，其中创建工件的几何模型并且将模型分为多个零件；其中逐步地由原材料制成每个零件，其方式为：分别在制造步骤中，通过将热量局部地输入到各个零件的已经制成的部分上，将一定数量单位的原材料局部地熔化，并且在该处凝固；并且其中在压力的作用下以及在接触面上的局部的热作用下，将零件通过扩散工艺接合在一起进而将制成的工件接合。
有利的和部分独立的创造性的实施方式是从属权利要求的主题。
当前，原材料通过金属或合金给出。在此，一定数量单位的原材料尤其包括粉末颗粒或颗粒材料。在此，通过局部的热量输入局部地熔化一定数量单位的原材料尤其包括完全的熔化，以及如下熔化：其中熔化过程在相应数量单位的表面上保持减少，即尤其烧结过程也如此。通过工件的几何模型预先确定接触面，在该接触面上在压力作用下和在局部的热作用下，分别将零件接合在一起。尤其，考虑将工件的几何模型用于各个制造步骤，所述制造步骤用于添加相应数量单位的原材料。
在此，本发明在第一步骤中的出发点是：随着要制造的工件的几何复杂度增大，例如由锻造或铸造工艺构成的常规制造，连同随后的再加工通常造成不成比例地高的耗费进而造成不合理的成本。因此，在增材制造具有复杂的几何结构的工件时产生的问题，尤其关于材料应力方面的问题应尽可能在增材制造工艺的范围中解决。
在本文中认识到的是：尤其为了减小在熔化的且凝固的原材料中的材料应力，所述材料应力由这样添加的原子到工件的晶体结构中的不同的嵌入导致，能够以空间上的顺序优化各个制造步骤或相应的局部的热量输入。然而，以局部熔化部位的由工件几何结构预设的空间布置为出发点，相应的局部熔化过程的时间分配的这种优化还意味着热传导方程的多重的、耦合的应用和模拟，由此，在这里耗费也不成比例地升高。这更加适合于具有复杂的几何结构的工件，所述工件的制造在此是非常重要的。
同样，工件的借助于热和压力的后续的加工必要时能够消除在制成的工件中的特定的应力和/或变形，然而为了消除晶体结构的通过这种应力产生的损坏，例如裂纹，通常需要压力，所述压力会不利地影响制成的工件的结构。因此弃用这种再加工。
与此相反，本发明提出：分别单独地借助于所描述的制造步骤制造工件的不同零件。在此，本发明在第二步骤中认识到：该方式允许，将零件的确定尺寸选择为，使得还不显著地产生工件的材料结构的由各个熔化和凝固过程引起的问题，尤其应力。在此，借助于几何模型实现将工件分为不同的零件，所述几何模型通常总归存在用于分别添加一定数量单位的原材料的各个制造步骤的空间上的划分。
尤其同时制造工件中的厚壁的和薄壁的结构时，在各个结构中能够产生不同的翘曲，使得在此，将工件分为零件可以显著地改善制造质量，因为在较小的零件中翘曲更容易被克服，其中所述零件稍后被接合在一起。
在这种情况下证实为更有利的是：在仅引起要接合的工件的轻微弹性变形的压力下进行最终接合，其中对于用于将零件接合在一起的扩散工艺，分别考虑局部的放热。
优选地，在单向作用的压力的作用下将多个零件接合在一起。尤其，在单向作用的压力的作用下将所有零件接合在一起。尤其，这也能够分级地进行，使得首先将不同组的零件分别在单向的压力下接合为粗略结构，并且随后将粗略结构重新在不沿着粗略结构的接合轴线作用的单向压力的作用下接合为制成的工件。单向的压力能在生产工艺中特别简单地实现。
适宜地，借助于从外部施加的电流，经由在邻接的接触面上产生的欧姆电阻实现在每两个零件的邻接的接触面上的局部的热作用。根据所使用的原材料，零件在其内部中分别具有高的电导率。如果现在通过两个设有接触面的零件施加电流，那么在接触面上的欧姆电阻明显比在相应的零件内部中的欧姆电阻更高。由此，所施加的电流造成在相互触及的接触面上的显著的局部的热作用。在所施加的电流下维持所述放热，直至两个零件在其接触面上通过原子的充分的扩散形成材料键合，进而由于电荷载体的改善的可移动性在该处又再降低欧姆电阻。通过由此实现的对设在零件上的接触面上的局部的热作用的限制，将零件最终接合为制成的工件是特别节能的。此外，能够放弃过量的外部热作用，所述过量的外部热作用可能损害零件的外部形状和/或结构。
更有利地，在这种情况下借助于放电-等离子烧结将多个零件接合在一起。放电-等离子烧结是在工业中创建的工艺，其在用于将零件接合在一起的本方法中的应用引起制成的工件的特别均匀的结构。
被证实为更有利的是：分别逐层地由原材料制成多个零件。尤其在将工件逐层地以增材的方式由金属原材料制造的制造方法中，在制造工艺期间，在工件的已经制成的部分中，能够沿覆层方向在材料中产生应力。所述应力能够造成工件的已经制成的部分的变形或翘曲，此外，由于所述变形或翘曲甚至还能够危害用于制造工艺的设备。在此背景下，所提出的制造方法在逐层堆积(Aufbau)零件时是特别有利的。尤其在这种情况下，零件也能够包括附加的辅助结构，考虑到相关的零件的几何结构，所述辅助结构应有助于或甚至能够实现由原材料逐层地堆积这些零件。优选的是，在将零件接合为制成的工件之前移除所述辅助结构。
在这种情况下优选的是，在用于逐层制造的设备中，并行地制造多个零件。在此，将这种并行的制造理解为：为零件的已经制成的部分添加层，并且在该处添加另一层之前，将至少一个层添加给另一零件的已经制成的部分。
所述方式具有如下优点：一方面，设备通常在单个制造步骤或多个制造步骤之后需要经受准备工艺。所述准备工艺例如能够以将原材料正确地设置到零件的已经制成的部分上的方式存在。如果原材料以粉末形式存在，那么准备工艺包含：提供粉末的平面，所述平面完全地覆盖工件的已经制成的部分并且必须具有尽可能平滑的表面，从而使粉末也变得特别平滑。通过在同一设备中并行地制造同一工件的多个零件，由此将用于一个层或一个制造步骤的准备工艺的时间同时用于多个零件，由此能够整体上显著地缩短用于制造的时间。
另一方面，在同一设备中同时地、并行地制造多个零件时，为了制造一个层的局部输入的热量的改善的散热是可行的。在一件式地逐层制造工件的情况下，在分别具有用于熔化相关数量单位的原材料的局部的热输入的多个制造步骤中，添加每个单独的层。在这种情况下，在空间方面考虑，添加层所需的所有局部的热输入的总和形成工件的已经制成的部分的最大的单一覆盖。如果现在一件式地逐层制造工件，那么与之前还要制造其他零件的相应的并行的层的情况相比，在已经制成的部分的表面的特定部位处明显更早地发生下一次局部的热输入。因此，在逐层制造期间，零件比一件式制成的工件保持更好的散热，这根据原材料能够有利地作用于凝固工艺。此外，在更快凝固的情况下，能够更好地阻止原材料的各个材料相的不期望的沉积。
在此，特别优选的是，提供呈粉末形式的原材料。在这种情况下，局部的热输入基本上点状地集中，使得改善的散热能够特别有利地产生作用。
适宜地，为此借助于选择性激光熔化局部地熔化原材料。选择性激光熔化是特别广泛传播的工艺，以便为具有粉末状的原材料的增材制造法提供局部的热输入。
本发明还提出一种工件，所述工件借助于前述方法由原材料制成。对于所述方法及其改进方案所提及的优点在此能够适当地应用于工件。尤其，在此，工件构成为内燃机的部件。
附图说明
下面，根据附图详细阐述本发明的实施例。在此分别示意地示出：
图1示出用于由原材料增材制造工件的方法的流程图；
图2示出多个零件在同一设备中的并行制造的斜视图；以及
图3示出将零件接合为根据图1的制成的工件的斜视图。
在所有附图中，彼此对应的部件和尺寸分别设有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出用于制造工件2的方法1的示意的流程图。在此，工件2构成为未详细示出的燃气轮机的涡轮叶片4。在这种情况下，涡轮叶片4具有两个平台6a、6b和异形翼片8。现在，在第一方法步骤中，创建所述工件2的几何模型10。现在，将所述几何模型10首先分为零件12a-12f，其中为了有利的划分也要一并考虑在设置用于制造零件12a-12f的设备中的条件。
在下一方法步骤中，随后在未详细示出的设备中逐层地由原材料14制成零件12a-12f。为此，借助于选择性激光熔化16在多个单个制造步骤中局部地熔化在此构成为粉末状的金属合金的原材料14，使得在制造步骤中通过激光的局部的热输入而熔化的粉末量在零件12b、12c的已经制成的部分13b、13c上凝固，进而逐步地形成下一层。在此，能够将工件2的几何模型10考虑用于逐层地堆积零件12a-12f。在这种情况下，根据所述工件的几何结构，并行地制造零件12b、12c的特定的组。根据图2详细阐述所述制造的细节。
随后，借助于放电-等离子烧结18将零件12a-12f接合在一起。为此，首先沿层堆积方向(Schichtaufbau)将单向作用的压力20a施加到零件12a-12f上，并且施加电流22使其流过零件12a-12f。通过放电-等离子烧结18，在零件12a-12f的通过几何模型10设置的接触面24a-24d上产生合金的充分扩散，使得由此每两个相邻的零件12a-12f彼此牢固地连接，进而接合在一起以制成工件2。根据图3详细阐述所述接合工艺的细节。
在图2中示意性地示出用于选择性激光熔化的设备26的斜视图。在粉末床28中存在零件12b-12e的已经制成的部分13b-13e，所述部分分别具有类似的几何结构。激光30根据零件12b-12e的几何结构扫描粉末床28，其中每个单个激光脉冲对应于制造步骤32，在所述制造步骤中熔化一定数量单位34的粉末颗粒。这样熔化的原材料14在零件12b的已经制成的部分13b上凝固，进而通过多个这种制造步骤32将下一层36b施加到零件12b的已经制成的部分13b上。在将另一层的原材料14施加到所述层36b上之前，首先将层施加到每个其他的零件12c-12e的已经制成的部分13c-13e上，使得零件12b-12e通过在沿堆积方向38上平行的层形成，并且在制造的每个时间点，在设备26中，每两个在该处同时产生的零件12b-12e沿堆积方向38最大相差一层36b。
通过零件12b-12e的所述并行的制造，能够节约在每个新的层中为了准备和平滑粉末床28所需要的制造时间，因为现在由于并行的制造总共需要更少的层进而需要更少的这种单个准备工艺。为此，沿堆积方向38从已经制成的部分13b-13e中的散热相对于工件的一件式制造得到改善，因为直至激光30在用于层36b的制造步骤32之后在制造下一更高的层时重新在同一部位处射入的时间，由于预先还要加工的其他零件而变长。
在图3中示意性地示出将零件12a-12f接合为制成的涡轮叶片4的斜视图。在这种情况下，在第一步骤中，在涡轮叶片4的几何模型中是翼片6的内部结构的片状的划分的零件12b-12e和在此没有详细示出的平台8a、8b通过第一放电-等离子烧结工艺接合在一起，在所述第一放电-等离子烧结工艺中，压力20a垂直于设置在零件上的接触面24a-24d作用。在第二步骤中，通过第二放电-等离子烧结工艺，为由零件12b-12e形成的内部结构添加外部的翼面12a、12f，其中对此使用的压力20b关于零件的由几何模型10限定的设置方式垂直于压力20a作用，所述压力20a在第一放电-等离子烧结工艺中被使用。
尽管本发明的细节通过优选的实施例详细说明和描述，但是本发明不受所述实施例限制。本领域技术人员能够从所述实施例中推导出其他变型方案，而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于由原材料(14)增材制造工件(2)的方法(1)，所述原材料包括至少一种金属，
其中创建所述工件(2)的几何模型(10)并且将所述模型(10)分为多个零件(12a-12f)；
其中由所述原材料(14)逐步地制成每个零件(12a-12f)，其方式为：分别在制造步骤(32)中，通过将热量局部地输入到各个所述零件(12a-12f)的已经制成的部分(13b-13e)上，将一定数量单位(34)的所述原材料(14)局部地熔化，并且在该处凝固；并且
其中在压力(20a，b)的作用下以及在接触面(24a-24d)上的局部的热作用下，将所述零件(12a-12f)通过扩散工艺接合在一起，进而将制成的所述工件(2)接合。
2.根据权利要求1所述的方法(1)，
其中将多个零件(12a-12f)在单向作用的压力(20a，b)的作用下接合在一起。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法(1)，
其中借助于从外部施加的电流(22)经由在所述接触面(24a-24d)上产生的欧姆电阻实现在每两个零件(12a-12f)的邻接的所述接触面(24a-24d)上的局部的热作用。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法(1)，
其中借助于放电-等离子烧结(18)将至少多个零件(12a-12f)接合在一起。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法(1)，
其中分别逐层地由所述原材料(14)制成多个零件(12a-12f)。
6.根据权利要求5所述的方法(1)，
其中在用于逐层制造的设备(26)中并行地制造多个零件(12b-12e)。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法(1)，
其中以粉末形式提供所述原材料(14)。
8.根据权利要求7所述的方法(1)，
其中借助于选择性激光熔化(16)局部地熔化所述原材料(14)。
9.一种工件(2)，所述工件借助于根据上述权利要求中任一项所述的方法(1)由原材料(14)制成。
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