CN108339980A - 用于制造至少两件式的结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少两件式的结构的方法，其中，单独地制造第一结构(2a)和第二结构(2b)，并且随后将第一结构(2a)和第二结构(2b)彼此接合，其特征在于，第一结构(2a)和第二结构(2b)分别分层地通过粉末(6)的选择性激光熔化或选择性电子束熔化制造。本发明简化了两件式的结构、尤其是用于超导线的半成品的制造。

Description

用于制造至少两件式的结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造至少两件式的结构、尤其是用于超导线的半成品的方法。其中，单独地制造第一结构和第二结构，并且随后将第一结构和第二结构彼此接合。
背景技术
这样的方法例如由DE 20 2012 102 334 U1已知。
超导线、例如NbTi超导线用于实际上无损耗地引导大的电流、尤其是在超导的励磁线圈中用于产生强的磁场。NbTi在此具有良好的延展性的优点，这使材料的处理变得容易；尤其是能良好地实现塑性的成形。
超导材料、如NbTi在此只在临界的温度(也称为跃变温度)之下是超导的并且因此必须例如利用液氦在运行中冷却。在许多应用中，设置由超导材料制成的丝，所述丝设置在正常导电的通常由铜制成的基体中。基体材料应该具有良好的导热性，从而确保超导的丝的冷却，并且基体材料也具有良好的导电性(在跃变温度时)，从而在超导(急冷(Quench))的局部的损耗的情况中有备用电流路径可供使用，以便保护超导线以防击穿。
为了将超导的丝引入基体中已知的是，将一个或多个棒状的由NbTi制成(或包含NbTi)的元件引入深孔钻孔的由基体材料(例如铜)制成的块中，例如参见DE 20 2012 102334 U1。也可称为半成品的填充的基质块最后拉成线，通常在另一个安装和一个或多个中间成捆步骤之后。
深孔钻孔对于较狭窄的并且较深的孔总是较困难的，从而通常多次的成束和拉出是需要的，以便将超导的丝以期望的数量和期望的直径设置在超导线中。这意味着在制造时显著的花费。
此外，在提供含有NbTi的元件时的特点是在制造含有NbTi的元件时快速冷却的需求，以避免不期望的α相的形成。通过急冷可以冻结出较好地可延展的β相，但这使含有NbTi的元件变得昂贵。
为了借助CAD数据制造金属的构件已知的是，在层中通过利用激光束或电子束局部地熔化金属粉末来制造构件(“选择性激光熔化”或“选择性电子束熔化”)，例如参见网站
http://netzkonstrukteur.de/fertigungstechnik/3d-druck/selektives-laserschmelzen/
(2016.7.6调用)，亦或网站
http://netzkonstrukteur.de/fertigungstechnik/3d-druck/selektives-elektronenstrahlschmelzen/
(2016.11.22调用)。所述制造方法不需要负模并且能够实现背切。
发明内容
本发明的任务是，简化两件式的结构的制造，尤其是用于超导线的半成品。
本发明的短的说明
该任务通过开头所述类型的方法解决，其特征在于，
分别分层地通过对粉末的选择性激光熔化或选择性电子束熔化来制造第一结构和第二结构。
通过分别通过选择性激光熔化或选择性电子束熔化分层地制造两个(部分)结构能实现：在一个或优选两个结构中使用高的纵横比，该纵横比通过机械的方法、如深孔钻孔或车削不可能实现或只能非常困难地实现。
此外，所述至少两个结构在其相应的单件生产之后才组合，从而在结构的相应的制造过程期间仅同时需要或处理一种粉末材料；这避免第一和第二结构的材料的横向沾染。但组合的整个结构于是可以无问题地将多种不同的材料、即第一结构和第二结构并且必要时另一个(部分)结构的材料进行组合。由此能实现，将整个结构、如其对于电导线、尤其是超导线的半成品所需要的那样以简单的方式制造。
尤其是可以将NbTi元件(作为第二结构或第二结构的部件)引入Cu块(作为第一结构)中，其中，通过高的纵横比(并且利用第二结构的足够多的NbTi元件)可以减少直到完成的含有NbTi的超导线的中间成捆步骤的数量。通过单独制造第一和第二结构，通常可以无问题地避免NbTi引入(沾染)到Cu块中，由此可以保证在Cu相中的高的剩余阻抗比(RRR)。此外，通过激光熔化或电子束熔化的分层制造原则上伴随相对快速的材料冷却，从而在材料系统中，NbTi固有地(亦即没有附加消耗或额外费用地)避免不期望的α相的形成。
要注意，本发明对于其他材料系统、尤其是对于非超导的复合系统(例如Al/Cu)也可以使用。
典型地，第一结构在(第一设备的)第一3D打印机中制造，并且第二结构在(第二设备的)第二3D打印机中制造，如果期望的话也(同时)彼此并行进行。备选地，第一结构和第二结构也可以依次地在同一3D打印机(设备)中制造。同样可能的是，利用选择性激光熔化制造第一结构并且利用选择性电子束熔化制造第二结构，或反之。
第一结构和第二结构典型地如正和负那样彼此对应，从而在组合之后(除去用于彼此插入所需要的间隙)没有空腔在内部保留。备选地，其他的部分结构也还可以(附加于第一和第二结构)组装成整个结构，从而典型地又没有空腔保留。彼此插入典型地通过沿轴向彼此嵌入进行。
通过选择性激光熔化或选择性电子束熔化对结构的分层制造在增材制造(additive manufacturing)或3D打印的范围中已知。在此，在每个层中分别设有一个区域，所述区域被激光束或电子束扫过并且由此局部熔化，从而在那里粉粒彼此连接(“激光照射的区域”或“电子束照射的区域”，也简称为“被照射的区域”)。激光照射的或电子束照射的区域在此也可以包括多个未连接的部分区域。此外，通常相应的层的另一个区域也不由激光束或电子束扫过，从而在那里粉粒保持未连接(“未被照射的区域”)。未被照射的区域在此同样可以包括多个未连接的部分区域。通常将多个层(通常100层或更多)依次并且彼此重叠地制造，其中，在每个层中，相应的那里的被激光照射的或被电子束照射的区域被加固。在制造所有的层之后，剩余的粉末被去除，并且获得完成的结构。
典型的第一或第二结构典型地具有30cm和1.50m之间、优选50cm和1m之间的轴向总长度，并且此外典型地具有5cm和50cm之间、优选10cm和25cm之间的总直径。典型的第一或第二结构典型地沿轴向具有恒定的外横截面(必要时除端板之外，所述端板典型地在彼此嵌入之后被去除)。
本发明的优选的变型方案
在按照本发明的方法的一种优选的变型方案中，第一结构和第二结构由不同的材料制造。由此能够以简单的方式实现：获得整个结构，所述结构借助通过激光熔化或电子束熔化的分层的制造来制造并且在此组合不同的材料。通过在单独制造两个结构之后进行组合，两种材料可以在无需使两种粉末材料同时在唯一一个结构上分层地处理的情况下进行组合。在该实施形式中，制造第一和第二结构的粉末相应不同地组成；典型地，其中一种粉末包含超导材料(或为此要熔化的成分)并且另一种粉末包含正常导电的材料(或为此要熔化的成分)。
此外优选一种变型方案，其中，第一结构制造成带有多个轴向的空隙部，并且第二结构制造成带有多个互补的轴向突起。通过该变型方案能实现：将沿轴向伸展的区(子结构)制造成与包围的基体具有不同的特性(尤其是在高的纵横比时)。所述轴向突起尤其是可以作为超导的丝在正常导电的基体中使用。空隙部或突起典型地穿过相应结构的整个轴向长度，必要时端板除外。
在该变型方案的一种有利的进一步改进方案中，第一结构制造成带有至少7个、优选至少19个轴向空隙部并且第二结构制造成带有至少7个、优选至少19个互补(gegengleich)的轴向突起。在另一种变型方案中，也可以设置至少6个空隙部或突起。通过大量的空隙部或突起，制造是特别合理的；空隙部或突起的数量不改变或只不显著地改变相应的层的制造持续时间。典型地，轴向空隙部彼此相同，并且轴向突起彼此相同。
特别优选的是一种进一步改进方案，其中，第二结构的轴向突起具有至少20的突起纵横比FAV。第二结构的所述突起纵横比通过轴向长度除以突起的最大直径(横向于轴向)的商说明。相反于机械的方法，所述纵横比利用按照本发明的方法可以容易地制造。
同样特别优选的是一种进一步改进方案，第一结构的其中构成有轴向空隙部的轴向连桥区域具有至少20的连桥纵横比SAV。连桥纵横比通过连桥区域的轴向长度除以连桥区域中的(横向于轴向)相邻的空隙部的最小距离(“连桥宽度”)的商说明，所述最小距离在空隙部的对置的限定部之间测得。相反于机械的方法，所述纵横比利用按照本发明的方法又可以容易地制造。
在一种优选的进一步改进方案中设置为，第一结构和第二结构沿垂直于轴向空隙部和轴向突起的轴向延伸方向的方向分层地制造。由此在两个层之间引入的可能的平面的误差(例如非超导的面)平行于纵向方向并且因此平行于导线的通常的电流方向取向并且因此对载流能力仅有小的影响。相应地在该方式中，完成的导线、尤其是超导线的特别高的载流能力是可实现的。要注意，对于该进一步改进方案，粉末状的材料和激光束或电子束必须在相对大的路线或大的制造面上分布或引导；然而只需要结构平台的小的提升高度。也可能的是，独立于轴向突起和空隙部设置为，将第一和第二结构垂直于轴向延伸方向分层地进行制造。
在一种备选的进一步改进方案中，第一结构和第二结构分层地沿轴向空隙部和轴向突起的轴向延伸方向制造。在该情况中，可以使用相对小的结构平台。也可能的是，独立于轴向的突起和空隙部设置为，将第一和第二结构分层地沿轴向延伸方向制造。
优选的也是一种变型方案，其中第二结构完全或主要由超导材料、尤其是NbTi制成。超导材料可以在很大程度上受控的条件下熔化并且生长；高的载流能力是可能的、尤其是作为丝(突起)时。首先考虑金属超导体或低温超导体作为超导材料。
在一种备选的变型方案中，第二结构完全或主要由铝或铜制成。在该变型方案中，可以制造具有高纯度的正常导电的导体结构、尤其是作为丝(突起)。
此外优选的是一种方法变型方案，其中第一结构完全或主要由铝或铜制成，或第一结构完全或主要由包含铝或铜的合金制成。在此，第一结构可以用作作为在超导线中或另一种导体结构中的稳定的(正常导电的)基体。
此外有利的是一种变型方案，其中两件式的结构在彼此接合之后经受横截面缩小的成形、尤其是一个或多个冷和/或热成形过程。尤其是考虑挤压、挤出、辊轧或拉丝作为成形技术。通过横截面缩小的(减小横截面的)成形(必要时也多次利用中间成捆)，可以设计特别大量的并且精细的子结构、尤其是超导的丝。此外通过成形也可以实现材料的压实。
特别优选的是一种变型方案，其中，第一结构和/或第二结构在通过选择性激光熔化或选择性电子束熔化的分层的制造之后经受表面处理、尤其是降低粗糙度的表面处理、优选电解抛光。通过降低粗糙度的表面处理，可以达到第一和第二结构在彼此接合之后的更好的相互接触。必要时，可以减少或阻止第一和第二结构之间的空腔。通过电解抛光可以以简单的方式首先去除材料尖端。同样可能的是，尤其是当第一和第二结构由相同的材料制成时，例如通过电镀(电蚀刻)实施涂层作为表面处理。如果期望的话，第一和/或第二结构可以在激光熔化或电子束熔化之后具有过量尺寸，所述过量尺寸通过去除材料的表面处理消除，并且这样预备或能够实现彼此的接合。同样可能的是，利用材料涂敷的表面处理减少或消除第一和第二结构之间的过量的间隙，并且这样预备彼此的接合。
至少两件式的结构、尤其是用于超导线的半成品也落入本发明的范围中，所述至少两件式的结构根据按照本发明的上述的方法制造。所述至少两件式的结构可以在包含的子结构有大的纵横比的情况下快速地被制造，其中，不同的材料也可以以简单的方式进行组合。所述至少两件式的结构可以构成为导线(亦或超导线)或用于该导线的半成品。
本发明其他的优点由说明书和附图得出。同样上述的并且还进一步实施的特征按照本发明可以分别单独本身或以多个任意的组合使用。示出的和所述的实施形式不应理解为穷举，而是具有用于描绘本发明的示例性的特性。
附图说明
本发明和附图的详细的说明
在附图中示出并且借助实施例进一步解释本发明。不忠于比例的示图示出：
图1示出在本发明的范围中利用对粉末的选择性激光熔化分层地制造第一和/或第二结构的设备的示意的视图；
图2示出在本发明的范围中制造的示例性的第二结构的示意的斜视图，在此包括六个轴向突起；
图3示出在本发明的范围中制造的示例性的第一结构的示意的斜视图，在此包括六个轴向空隙部，互补于图2的第二结构；
图4a-4f示出在制造按照本发明的两件式的结构时的示意的流程，包括
4a)在借助选择性激光熔化或电子束熔化的分层的制造之后的第一和第二结构，
4b)第一和第二结构的电解抛光；
4c)第一和第二结构的彼此接合；
4d)在彼此接合之后的两件式的结构；
4e)在切断端板之后的两件式的结构；
4f)两件式的结构的横截面缩小的成形；
图5a示出第一和第二结构的沿轴向延伸方向的制造方向的示意的插图；
图5b示出第一和第二结构的垂直于轴向延伸方向的制造方向的示意的插图；
图6示出在本发明的范围中利用对粉末的选择性电子束熔化分层地制造第一和/或第二结构的设备的示意的视图。
具体实施方式
图1以示意的部分剖切的视图示出在本发明的范围中用于(在此借助选择性激光熔化)分层地制造第一(部分)结构2a和/或第二(部分)结构2b的设备1。利用设备1尤其是可以依次制造第一结构2a和第二结构2b，所述第一结构和第二结构于是可以组装成至少两件式的(整个)结构。备选地也可以使用两个设备1，其中，第一设备1制造一个第一结构2a(或多个第一结构2a)并且第二设备1制造一个第二结构2b(或多个第二结构2b)。
设备1具有结构平台3，该结构平台在导向装置4中可竖直移动。在结构平台3上设置有部分制造的结构2a、2b，由所述结构已经制造一些层5。
此外设有带有粉末(粉末状的材料)6的储备器皿9，其中，粉末底部7在导向装置8中可竖直移动。通过粉末底部7的向上运动，少量的粉末状的材料6到达超过设备底部10的水平，从而该粉末状的材料6通过可水平移动的滑动件11被带入结构平台3。在示出的示例中，粉末状的材料6是单质的钛和单质的铌或Cu粉末的混合物。
此外设有激光器12，所述激光器的激光束13通过可旋转和/或可移动的镜系统14可以定向到结构平台3的整个面上。
激光器12(优选还有其功率)、镜系统14、滑动件11、结构平台3和粉末底部7可以通过电子控制装置15自动操控。在控制中包含关于要制造的结构2a、2b的CAD数据。
为了制造结构2a、2b的新的处于上方的层5a，结构平台3以层厚(通常大约25μm-100μm)下降，粉末底部7稍微向上移动并且利用滑动件11将粉末状的材料6在结构平台3和部分已制造的结构2a、2b上填充直到设备底部10的水平并且被抹平(glatt gestrichen)。激光束13或其扫描点于是扫过在该层5a中规定的区域(被照射的区域)20。在那里粉末状的材料6熔化并且固化。通常至少在处于上方的所述层5a周围存在有保护气体层(例如N2或AR或真空)，以避免在热的或者说熔化的材料上的氧化过程。在未被照射的区域16中，粉末状的材料6保持为松散的。
图6示出在本发明的范围中用于(在此借助选择性电子束熔化)分层地制造第一(部分)结构2a和/或第二(部分)结构2b的备选的设备1。该设备1很大程度上对应于图1的设备，从而在此只解释显著的区别。
借助电子枪12a产生电子束13a，所述电子束借助透镜系统14a转向。电子束13a扫描结构平台3上的在粉末6的处于上方的层5a中设置的区域。为此，电子枪12a(优选还有其功率)和透镜系统14a由控制装置15对应地自动操控。通过在电子束13a中的电子的能量，在被照射的区域20中，粉末6熔化并且固化。电子束13a在真空下传播。
图2示例性地示出第二结构2b，所述第二结构在本发明的范围中制造(例如在按照图1或图6的设备上)。
第二结构2b包括多个(在此六个)轴向突起21，所述突起沿轴向(纵向方向、延伸方向)AR延伸。突起21安装在端板22上，所述端板典型地在分层的制造期间用作结构板(基座)并且以机械方式连接突起21。突起21具有轴向长度LF并且具有在整个的轴向长度LF上不变的、在此为圆形的横截面。突起21的(最大)直径DF在此为长度LF的大约1/10，从而得出突起纵横比FAV为LF/DF＝10。要注意，在许多应用中也设计20或更大的FAV。
图3示例性地示出第一结构2a，所述第一结构在本发明的范围中制造，例如又在按照图1或图6的设备上制造。
第一结构2a在此基本上圆柱形地构造，其中在第一结构2a中构成有多个(在此六个)轴向空隙部23。第一结构2a安装在端板24上，所述端板典型地在分层的制造期间用作结构板(基座)。在此，在横截面中圆形的空隙部23彼此分开，也就是说在空隙部23之间保留轴向的连桥区域25。直接在两个相邻的空隙部23之间的空间也可以称为连桥25a。连桥25a具有轴向长度LS和(最小)宽度BS；连桥25a的(最小)宽度BS也可以表示为空隙部23沿横向于轴向AR(纵向方向、延伸方向)的方向的(最小)距离。BS在此大约为LS的1/8，从而得出LS/BS＝8的连桥纵横比SAV。要注意，在许多应用中也设计20或更大的SAV。
第一结构2a构成为互补于第二结构2b，从而第二结构2b的突起21可以插入第一结构2a的空隙部23中，尤其是在没有保留明显的超过用于插入所需要的间隙的空腔的情况下，并且尤其是在无需去除端板22、24的情况下。轴向突起21的长度LF在此基本上等于轴向空隙部23的长度或连桥25a的长度LS。
图4a至4f进一步图解出按照本发明的两件式的(整个)结构的制造。
图4a首先示例性地示出例如在图1或图6的设备中分别在其借助激光熔化或电子束熔化的单独的分层的制造之后的第一结构2a和互补的第二结构2b。
为了最小化在第一结构2a和第二结构2b的表面上的粗糙度，两个结构2a、2b于是经受表面处理、在此为电解抛光，参见图4b。为此，将电压施加在相应的结构2a、2b和包围的电解质容器40之间，其中，结构2a、2b作为阳极接通。在电解质容器40中设有电解质41(例如磷酸和/或硫酸的水溶液)。在粗糙度峰值处存在有特别高的电场强度，由此在那里结构2a、2b的材料特别快速地分解，这降低了粗糙度。要注意，根据第一和第二结构2a、2b的材料也可以或应该使用不同的电解质41用于两个结构2a、2b，这于是典型地在分离的电解质容器中发生(未进一步示出)。必要时在图4b中图解的步骤的范围中也可以进行另一个和/或进一步的表面处理、如表面涂层、例如电镀或喷射涂层(未进一步示出)。
经过表面处理的两个结构2a、2b于是彼此接合，如在图4c中示出的那样。在该时刻，两个结构2a、2b典型地还具有其端板22、24。
在组合之后，存在(在此)两件式的结构43、也称为整个结构，参见图4d。典型地，于是端板22、24被去除，参见截面44，所述端板典型地具有整个结构43的其他的材料的尽可能小的份额。所述去除例如可以通过锯削实现。
这时存在的整个结构43具有第二结构的材料的棒形的子结构45(丝)，并且此外具有由第一结构的材料制成的包围的基体46，参见图4e。
通常整个结构43于是经受减小横截面的成形、例如挤出，参见图4f。
这样获得的整个结构例如可以用作用于超导线的半成品，典型地包括超导材料如NbTi制成的棒形的子结构和由正常导电的、金属的材料如Cu制成的基体。
图5a借助第一结构2a和第二结构2b示出层5在沿轴向(延伸方向)AR的分层的制造时的取向，参见制造方向FR。在该制造方向FR中，依次制造的层5垂直于轴向AR。该制造方向FR特别适合于轴向相对长的结构2a、2b并且是低成本的，因为可以使用通常的结构平台。
图5b借助第一结构2a和第二结构2b图解层5在垂直于轴向(延伸方向)AR的分层的制造时的取向，又参见制造方向FR。在该制造方向FR中，依次制造的层5平行于轴向AR。该制造方向能够实现沿轴向方向AR的特别高的载流能力(例如在超导线中)，但需要大的结构平台。
附图标记列表
1 设备
2a 第一结构(部分结构)
2b 第二结构(部分结构)
3 结构平台
4 导向装置
5 层
5a 最上方的层
6 粉末/粉末状的材料
7 粉末底部
8 导向装置
9 储备器皿
10 设备底部
11 滑动件
12 激光器(激光源)
12a 电子枪
13 激光束
13a 电子束
14 镜系统
14a 透镜系统
15 电子控制装置
16 未被照射的区域
20 被照射的区域
21 轴向突起
22 第二结构的端板
23 轴向空隙部
24 第一结构的端板
25 连桥区域
25a 连桥
40 电解质容器
41 电解质
43 至少两件式的结构(整个结构)
44 截面
45 子结构(丝)
46 基体
AR 轴向(纵向方向、延伸方向)
BS 连桥的宽度
DF 轴向突起的直径
FAV 突起纵横比
FR 制造方向
LF 突起的轴向长度
LS 连桥/连桥区域的轴向长度
SAV 连桥纵横比

Claims (14)

1.用于制造至少两件式的结构(43)、尤其是用于超导线的半成品的方法，
其中，单独地制造第一结构(2a)和第二结构(2b)，并且随后将第一结构(2a)和第二结构(2b)彼此接合，
其特征在于，
分别分层地通过粉末(6)的选择性激光熔化或选择性电子束熔化来制造所述第一结构(2a)和第二结构(2b)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，由不同的材料制成所述第一结构(2a)和第二结构(2b)。
3.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述第一结构(2a)制造成带有多个轴向空隙部(23)，并且将所述第二结构(2b)制造成带有多个互补的轴向突起(21)。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述第一结构(2a)制造成带有至少7个、优选至少19个轴向空隙部(23)，并且将所述第二结构(2b)制造成带有至少7个、优选至少19个互补的轴向突起(21)。
5.按照权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述第二结构(2b)的轴向突起(21)具有至少20的突起纵横比FAV。
6.按照权利要求3至5之一所述的方法，其特征在于，所述第一结构(2a)的轴向连桥区域(25)具有至少20的连桥纵横比SAV，在所述轴向连桥区域中构成有轴向空隙部(23)。
7.按照权利要求3至6之一所述的方法，其特征在于，沿垂直于轴向空隙部(23)和轴向突起(21)的轴向延伸方向(AR)的方向(FR)分层地制造所述第一结构(2a)和第二结构(2b)。
8.按照权利要求3至6之一所述的方法，其特征在于，沿轴向空隙部(23)和轴向突起(21)的轴向延伸方向(AR)分层地制造所述第一结构(2a)和第二结构(2b)。
9.按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，将所述第二结构(2b)完全或主要由超导材料制成、尤其是由NbTi制成。
10.按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，将所述第二结构(2b)完全或主要由铝或铜制成。
11.按照权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，将所述第一结构(2a)完全或主要由铝或铜制成，或将所述第一结构(2a)完全或主要由包含铝或铜的合金制成。
12.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使所述两件式的结构(43)在彼此接合之后经受横截面缩小的成形、尤其是一个或多个冷和/或热成形过程。
13.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述第一结构(2a)和/或第二结构(2b)在通过选择性激光熔化或电子束熔化的分层的制造之后经受表面处理、尤其是降低粗糙度的表面处理、优选电解抛光。
14.至少两件式的结构(43)，所述至少两件式的结构尤其是用于超导线的半成品，该至少两件式的结构按照上述权利要求之一来制造。
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