CN108691570B - 结合3d识别代码的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结合3D识别代码的部件，其包括：具有由外表面界定的内部的部件本体；以及形成为内部和外表面中的至少一个的一部分的识别码，所述识别码包括布置在三维空间中的多个单元，其中每个单元被配置为编码多于两个的可能值。

Description

结合3D识别代码的部件
技术领域
本发明整体上涉及增材制造，并且更具体地涉及用于将识别代码结合到增材制造部件中的方法。
背景技术
增材制造是一种逐层构建材料以形成部件的过程。增材制造也被称为诸如“分层制造”、“反向加工”、“直接金属激光熔化”(DMLM)、“选择性激光烧结”(SLS)、立体光刻(SLA)和“3D打印”。出于本发明的目的，这些术语被视为同义词。
随着3D打印技术的快速成熟，更精确的打印机和建模工具正在以成本降低的方式在商业上获得。与这种成本降低相关的一个问题是易于创建便宜的复制品，这可能会在市场上投放劣质部件。
在一些应用中，例如燃气涡轮发动机，特别是飞机燃气涡轮发动机，假冒部件对发动机完整性造成严重风险。
发明内容
该问题通过使用增材制造工艺(additive manufacturing processes)将三维(“3D”)识别代码物理地结合到部件中来解决。
根据本文描述的技术的一个方面，结合3D识别代码的部件包括：具有由外表面界定的内部的部件本体；以及形成为内部和外表面中的至少一个的一部分的识别代码，所述识别代码包括布置在三维空间中的多个单元，其中每个单元被配置为编码多于两个的可能值。
优选地，所述代码形成在所述外表面上。所述单元布置成二维阵列，并且每个单元在第三维中具有可变的高度。进一步，结合3D识别代码的部件还包括至少一个基准，所述至少一个基准被配置为识别所述识别代码的尺寸、位置或取向。进一步，所述基准包括相对于所述二维阵列布置在预定位置处的一个或多个附加单元。进一步，所述基准能够通过具有与其他单元不同的尺寸或形状来进行识别。进一步，上述基准包括所述本体的可识别结构特征。所述本体限定燃气涡轮发动机的一部分。进一步，每个单元通过沿着所述三维空间的至少一个轴线的所述单元的位置来编码多于两个的可能值。进一步，每个单元通过所述单元的位置独立特性来编码多于两个的可能值。
优选地，单元设置在所述本体的内部。进一步，所述单元能够通过一个或多个位置独立特性来识别。进一步，所述代码被配置为多个堆叠层，每个层包括单元的二维阵列。进一步，所述代码被配置为单个三维代码。进一步，结合3D识别代码的部件还包括至少一个基准，所述至少一个基准被配置为识别所述识别代码的尺寸、位置或取向。进一步，所述基准包括相对于所述代码设置在预定位置处的一个或多个附加单元。进一步，所述基准能够通过具有与其他单元不同的尺寸或形状来进行识别。其中所述基准包括所述本体的可识别结构特征。进一步，每个单元通过沿着所述三维空间的至少一个轴线的所述单元的位置来编码多于两个的可能值。进一步，每个单元通过所述单元的位置独立特性来编码多于两个的可能值。进一步，所述本体限定燃气涡轮发动机的一部分。
根据本文描述的技术的另一方面，制造结合3D识别代码的部件的方法包括：将粉末沉积到工作面上；使用辐射能量来熔融粉末；以及重复沉积和熔融粉末的步骤以逐层方式构建部件，所述部件包括：具有由外表面界定的内部的部件本体；以及形成为内部的一部分的识别代码，所述识别代码包括布置在内部中的三维空间中的多个单元，其中所述单元通过改变位置独立特性来限定。优选地，其中所述单元具有不同的孔隙度。优选地，其中所述单元具有不同的成分。
附图说明
可参考以下结合附图做出的描述最佳理解本发明，在附图中：
图1是高压涡轮叶片的示意性透视图；
图2是图1的涡轮叶片的横截面图；
图3是示例性3D代码的示意性透视图；
图4是可供选择的3D代码的示意性透视图；
图5是可供选择的3D代码的示意性透视图；
图6是结合到涡轮叶片的本体中的3D代码的示意性透视图；
图7是示例性增材制造机器的示意性横截面图；以及
图8是可与图7的机器一起使用的涂布器的示意性透视图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在各个视图中表示相同的元件，图1示出了示例性涡轮叶片10。涡轮叶片10包括传统的燕尾件12，其可以具有任何合适的形式，包括与转子盘(未示出)中的燕尾槽的互补柄脚接合的柄脚，以用于在操作期间在转子盘旋转时将叶片10径向地保持到盘上。叶片柄部14从燕尾件12径向向上延伸并且终止于平台16，所述平台从柄部14侧向地向外伸出并且围绕柄部。中空翼型件18从平台16径向向外延伸并延伸到热气流中。翼型件在平台16和翼型件18的接合处具有根部20，并且在其径向外端处具有末端22。翼型件18具有在前缘28和后缘30处连接在一起的凹形压力侧壁24和凸形吸力侧壁26。翼型件18可以采取适合于从热气流中提取能量并引起转子盘旋转的任何构造。作为例子而非限制，涡轮叶片10可由合适的航空航天合金形成，例如基于镍或钴的超级合金，其在燃气涡轮发动机的操作温度升高的情况下具有可接受的强度。翼型件18的末端22由末端帽34封闭，所述末端帽可与翼型件18一体地形成，或者单独地形成并附接至翼型件18。
翼型件18包括内部冷却回路，该内部冷却回路可具有任何常规构造，例如蛇形回路。图2是涡轮叶片10的横截面图，示出了合适的回路的一个例子。在涡轮叶片10内，多个内部通道36引导冷却空气的流动。每个这样的通道36的一端连接到柄部14内的冷却空气入口38。入口38以常规方式接收来自燃气涡轮发动机(未示出)的压缩机的加压冷却空气。在沿通道36的各个位置处，定位有常规尺寸和构造的多个冷却孔35。这些孔35提供用于通道36内的冷却空气到叶片10外的气流的流动路径。翼型件18可以包括多个后缘冷却孔32(图1)，或者其可以在翼型件18的压力侧壁24上包括多个后缘泄放槽(未示出)。内部通道36由多个整体壁40限定并彼此分离。
涡轮叶片10整体上可以被描述为包括具有由外表面界定的内部的本体。涡轮叶片仅仅是本体的外表面上或内部中的可以通过包含识别代码而受益的许多部件的一个例子。下面描述这样的代码及其制造的例子。
图3示出了结合到例如图1所示的涡轮叶片10的部件的暴露表面中的示例性代码42。在所示的例子中，代码42结合燕尾件12的前表面44中，但代码42可形成在其存在不影响部件功能的任何表面上。
为了便于描述，将参考X、Y和Z轴，它们是三个相互垂直的方向。代码42包括多个单元46，这些单元在X-Y平面中以预定尺寸的阵列排列。在图示的例子中，单元46具有直线形状，具体而言是四边形；然而，可以使用能够通过增材制造工艺制造并且通过诸如激光或光学扫描仪的扫描装置扫描的任何形状。
每个单元46通过其在Z方向上的高度来编码数据值。应该理解的是，商购的扫描装置能够将每个单元46的Z高度分解到某个最小分辨率。代码46在Z方向上具有预定的总体最大高度，标为“H”。最大高度H被分成预定数量的增量。在所示的例子中，高度H被分成16个增量，在这种情况下，每个单元46可以编码16个不同的唯一值中的一个。这些值显示为与十六进制值对应的值0-9和A-F。可以考虑用于形成代码42的增材制造机器的Z方向分辨率以及用于读取代码42的扫描装置的Z方向分辨率来选择总体最大高度H和增量数量。
代码42参考描述代码42的位置、对齐和比例的若干基准48。在所示的例子中，基准48包括位于代码42的远角(即远侧角部)处的附加单元。在所示的例子中，基准48可以通过它们相对于其他单元46的尺寸(即表面面积)增大来识别。它们也可以通过具有较小尺寸或不同形状来识别。例如，三个基准48布置成L形。L形的角度识别代码42的参考角部并识别X方向和Y方向。L形的腿部的长度识别代码42的比例。
代码42的实质内容可以包括许多类型的信息。非限制性例子包括以下任何或全部信息：制造商名称、制造商地点、生产日期、零件号、零件版本、生产批号和/或系列代码或序列号。可选地，代码可以包括与部件相关的任意内容的认证信息(例如，纯文本或加密文本、数字、图像等)，以用作“水印”来识别真实部件。
可以选择用于编码实质内容的逻辑，或者以另一种方式表示，可以选择每个高度增量值的符号相关性，以适应特定应用。例如，高度增量值可以与数字值、字母值、字母数字值或其他符号系统相关。
图4示出了可以结合到例如图1所示的涡轮叶片10的部件的本体中的示例性代码142。在所示的例子中，代码142被结合到翼型件部分18中。
为了便于描述，如上所述，将参考X、Y和Z轴，它们是三个相互垂直的方向。代码包括多个单元146，这些单元在X-Y平面中以预定尺寸的阵列排列。在图示的例子中，单元146具有直线形状，具体而言是平行六面体；然而，可以使用可制造并由扫描装置识别的任何形状。
单元146可以通过一个或多个位置独立特性来识别。这是指可以借助于非破坏性扫描装置或过程(诸如计算机断层摄影术(“CT”))识别的特性。这种类型的过程还提供读取单个单元146的位置所需的3D空间分辨率。位置独立特性的一个例子是特定单元146的质量密度。在最简单的实施方式中，单元146将通过具有例如比周围材料密度大得多的密度来识别。在这种情况下，每个单元146是二进制的，编码两个值中的一个，例如，在代码142内的特定X、Y、Z位置处存在或不存在更大密度的材料。
可识别的单元146可以用于以不同的配置来编码数据。在图4所示的例子中，单元146中的每一个通过其特定X、Y位置的二进制值来编码数据值。代码142包括多个层150，每个层是独立的2D代码。
代码142参考描述代码142的位置、对齐和比例的一个或多个基准148。在图示的例子中，基准148以位于代码148的远角处的附加单元的形式提供。在图示的例子中，基准148可以通过它们相对于其他单元148的尺寸(即体积)增大来识别。它们也可以通过具有较小尺寸或不同形状来识别。基准148共同识别代码148的X、Y和Z方向以及比例。
图5示出了被分成列247(示出了一个例子)的替代代码242，它们以预定尺寸的阵列布置在X-Y平面中。代码242在Z方向上具有预定的总体最大高度，标为“H”。最大高度H被分成预定数量的增量；每列247包括数量与增量的数量相等的多个单元246。例如，高度H可以被分成25个增量，在这种情况下，每列247包含25个单元(能够编码225种组合)。可以考虑用于形成代码242的增材制造机器的Z方向分辨率以及用于读取代码242的扫描装置的Z方向分辨率来选择总体最大高度H和沿高度H排列的单元246的数量。代码242类似于上述表面代码42，因为其是每个“列”(即，每个唯一X-Y位置)编码多个值的的单个单一代码。
可选地，单元246可以通过上述的一个或多个位置独立特性来编码多个数据值。可以编码多个值的位置独立特性的一个例子是特定单元246的密度。例如，可以识别具有等级范围从低到高排列的不同密度的若干不同材料。然后可以从这些识别的材料中的一个创建特定的单元。例如，如果识别具有独特密度的五种不同材料，则每个单元246可以编码五个不同唯一值中的一个。作为另外一种选择，通过诸如CT扫描或伽马射线扫描可检测的材料组成(即合金)的差异可以用作编码多个数据值的基础。可以编码多个值的位置独立特性的另一个例子是特定单元246的孔隙度。例如，可以识别具有等级范围从低到高排列的不同孔隙度的若干不同材料。使用位置独立特性对多个数据值进行编码的相同概念可以结合在上述的代码42或142中。
代码242参考描述代码242的位置、对齐和比例的一个或多个基准。在图示的例子中，基准248以位于代码242的远角处的附加单元的形式提供。在图示的例子中，基准248可以通过它们相对于其他单元248的尺寸(即体积)增大来识别。它们也可以通过具有较小尺寸或不同形状来识别。基准248共同识别代码248的X、Y和Z方向以及比例。
如上所述，对于表面代码42，代码142或242的实质内容可以包括许多类型的信息。此外，如以上针对表面代码42所述的，可以选择用于对实质内容进行编码的逻辑以适应特定应用。
上述基准不需要直接结合到代码42、142、242中。可选地，基准可以被结合为部件的一部分。以涡轮叶片10和代码242为例，各种现有元件可以用作基准。例如，参照图6，燕尾件12的两个内侧前角部250和平台16的一个前角部252是可以使用商购的扫描设备容易地定位的外部特征。这些点将足以约束涡轮叶片10的位置、方向和比例。一旦这些点之间的位置和距离已知，该信息就可以与现有数据相匹配，例如涡轮叶片10的基于计算机的实体模型。然后，部件的坐标系X′、Y′、Z′可以与代码242的坐标系X、Y、Z相关。
以上描述的代码42、142、242可以以与部件的预期功能一致的任何期望的位置和取向结合到涡轮叶片10的本体或其他部件中。换言之，代码42、142、242的坐标系X、Y、Z可以远离部件的坐标系X′、Y′、Z′旋转和/或平移。
该特征特别有助于避免伪造组件，因为在没有事先了解基于零件的基准的情况下进行扫描将不会显示有用的信息。代码42、142、242也可能仅仅表现为组件中的内含物或缺陷。
上述代码特别适合作为整体制造成组件的整体部分。可以使用诸如粉末床增材制造工艺的增材制造工艺。在表面代码42的情况下，可以使用任何常规类型的增材制造机器。在内部代码142、242的情况下，使用能够为构建的每一层施加多种不同材料的机器是有帮助的。
图7和图8示意性地示出了适用于使用多种材料执行增材制造工艺的示例性增材制造设备310。设备310可以包括构建平台312、多余粉末容器314、定向能量源316、光束转向设备318和涂布器320，所有这些都可以封装在壳体322中。下面将更详细地描述这些部件中的每一个。
构建平台312是提供平面工作面324的刚性结构。多余粉末容器314是位于构建平台312附近的敞顶式容器，并且用作多余粉末P的存储装置。
定向能量源316是产生具有合适功率和其他操作特性的辐射能量以在构建过程期间熔化和熔融粉末的装置，下面将更详细地描述。例如，定向能量源316可以包括激光或电子束枪。
光束转向设备318起作用，使得来自定向能量源316的光束“B”可以聚焦到期望的光斑尺寸并且被转向到与工作面324一致的平面中的期望位置。例如，它可以包括一个或多个镜子、棱镜和/或透镜，并且设置有合适的致动器。
壳体322包围设备310的工作部件并且可以被密封以防止污染。壳体322可以分别通过入口端口326和出口端口328用气体或气体混合物净化。
如图8所示，涂布器320可以包括定位在分配器332上方的贮存器组件330。分配器332的宽度可以基本上等于构建平台312的宽度W。分配器332包括平行于宽度延伸的一个或多个细长沟槽(总体标示为338)。在所示的例子中，分配器332包括并排布置的多个沟槽338。
每个沟槽338包括一个或多个沉积阀340。如本文所用，术语“阀”是指具有允许粉末材料流动的第一位置或状态(称为“打开”状态)和阻止粉末材料流动的第二位置或状态(称为“关闭”状态)的任何结构。沉积阀340的作用可以是二元的(即开关)或可变的(即打开到可变程度)。可用作沉积阀340的合适装置的非限制性例子包括微机电系统(“MEMS”)装置或压电装置。在所示的例子中，每个沟槽338包括沿着分配器332的宽度延伸的线性排列的沉积阀340。可以选择沉积阀340的尺寸(即它们在打开状态下的流动面积)、各个沉积阀340之间的间距以及沉积阀340的总数，以提供期望的空间分辨率和总覆盖面积。在使用中，粉末沉积量和产生的粉末层厚度可以通过沉积阀340打开的持续时间来控制。
贮存器组件330包括布置在每个沟槽338上方的至少一个贮存器342。每个贮存器342由合适的壁或分隔器限定，形成有效存储和分配粉末P的体积。每个单独的贮存器342可以装载具有独特特征(例如成分和/或粉末粒度)的粉末P.应该理解，粉末P可以是用于增材制造的任何合适的材料。例如，粉末P可以是金属、聚合物、有机或陶瓷粉末。要注意的是，贮存器组件330是可选的并且粉末P可以被直接装载到沟槽338中。
每个贮存器342可以包括进料阀344，所述进料阀可操作以选择性地允许粉末P从贮存器342流入相关联的沟槽338中。进料阀344的结构可以是如以上针对沉积阀340所描述的那样。进料阀344可以用于为了各种目的而选择性地使粉末流动，例如用于限制沟槽338中的粉末P的量(以避免干扰沉积阀340的操作)；或者用于将来自若干个不同贮存器342的粉末一起混合在一个沟槽338中。
在所示出的例子中，一组贮存器342被布置成平行于分配器332的宽度W延伸的并排构造。为了便于描述，该组可以被称为“列”346。列346内的贮存器342在具有单个出口350的漏斗形收集器348上方分组，所述单个出口排放到相应的沟槽338中。可以为每个沟槽338提供一个这样的列346和收集器348。作为另外一种选择，每个贮存器342可以被定位成直接排放到一个沟槽338中。
可以用独特的粉末(例如具有独特成分和/或粒度的粉末)任意地装载每个贮存器342。也可能用具有至少一种共同特性的粉末装载一组贮存器342。例如，特定列346的贮存器342可以装载有若干粉末，这些粉末具有相同成分但在每个单独贮存器342中具有不同粉末粒度。
涂布器320被安装用于相对于构建平台312在平行于工作面324的至少一个轴线上进行受控运动，使得粉末可以分配在构建平台312的选定区域上。在图示的例子中，分配器332的宽度基本上等于构建平台312的宽度，因此在宽度方向上不需要移动以便在指定位置分配粉末。使用允许在“长度”方向上受控运动的第一致动器352将涂布器320安装到壳体322。在图7中示意性地示出了第一致动器352。
可选地，涂布器320可以包括用于相对于与工作面324垂直的构建平台312(即高度)进行受控运动的设备，以控制涂布器320与工作面324之间的距离。为此目的示意性地示出了第二致动器354。高度方向上的相关运动可以通过涂布器320、构建平台312或者这两者的一些组合的运动而产生。
可选地，该设备可以包括振动器356，所述振动器可操作来振动构建平台312和水平沉积粉末，如下面更详细描述的。例如，机电振动器可以用于这种功能。
设备310的功能可以使用图7中示意性示出的电子控制器358来实施。例如，一个或多个基于处理器的装置(例如微型计算机或可编程逻辑控制器(“PLC”))可用于此目的。控制器358与设备310的其他部件的功能连接显示为单虚线。
上述设备310可操作以产生包含熔融粉末的分层部件，其中涂布器320可用于在层内的每个指定位置处沉积具有特定特性的粉末。
在沉积之后，使用定向能量源316熔化沉积的粉末，其可以对应于正在构建的部件的二维横截面。定向能量源316发射光束“B”，并且光束转向设备318用于以适当的模式使光束B的焦斑“S”在暴露的粉末表面上转向。粉末P的暴露层被光束B加热到允许其熔化、流动和固结的温度。该步骤可以被描述为“熔融”粉末P。在层熔融后，涂布器320远离构建平台312竖直地移动一个层增量，并且如上所述沉积另一层粉末。定向能量源316再次发射光束B，并且光束转向设备318用于以适当的模式使光束B的焦斑S在暴露的粉末表面上转向。粉末P的暴露层被光束B加热到允许其在顶层和下部的之前固化层中均熔化、流动和固结的温度。重复施加粉末P然后激光熔化粉末P的这个循环，直到整个部件C完成。
本文描述的3D代码与现有技术的识别方法相比具有若干优点。3D代码提供了一种手段，可以确保通过增材制造创建的零件不会被未经授权的第三方复制，并作为真正的零件流通。这些代码对于逆向工程方法而言不容易看到。最后，3D代码比2D表面标识符(例如条形码或QR码)提供更大的信息密度。
上述内容已经描述了结合3D识别代码的组件及其制造方法。在本说明书中所公开的所有特征(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可按任何组合形式组合，所述特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合除外。
除非另外明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求，摘要和附图)中公开的每个特征可以被用于相同、等同或相似目的的替代特征替代。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等同或类似特征的一个例子。
本发明并不限于任何前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征的任何新颖特征或新颖组合，或到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (20)

1.一种结合3D识别代码的部件，其包括：
部件本体，所述部件本体具有由外表面界定的内部；
识别代码，所述识别代码形成为所述内部和所述外表面中的至少一个的一部分，所述识别代码包括布置在三维空间中的多个单元，其中每个单元被配置为编码多于两个的可能值；以及
多个附加单元，各个附加单元配置为定位在所述识别代码的角部处的基准，所述基准进一步被配置为识别所述识别代码的尺寸、位置和取向；
其中每个单元通过沿着所述三维空间的至少一个轴线的所述单元的位置来编码多于两个的可能值。
2.根据权利要求1所述的部件，其中所述代码形成在所述外表面上。
3.根据权利要求2所述的部件，其中所述单元布置成二维阵列，并且每个单元在第三维中具有可变的高度。
4.根据权利要求1所述的部件，其中所述基准能够通过具有与其他单元不同的尺寸或形状来进行识别。
5.根据权利要求1所述的部件，其中所述基准包括所述本体的可识别结构特征。
6.根据权利要求1所述的部件，其中所述本体限定燃气涡轮发动机的一部分。
7.根据权利要求2所述的部件，其中每个单元通过所述单元的位置独立特性来编码多于两个的可能值。
8.根据权利要求1所述的部件，其中所述单元设置在所述本体的内部。
9.根据权利要求8所述的部件，其中所述单元能够通过一个或多个位置独立特性来识别。
10.根据权利要求8所述的部件，其中所述代码被配置为多个堆叠层，每个层包括单元的二维阵列。
11.根据权利要求8所述的部件，其中所述代码被配置为单个三维代码。
12.根据权利要求8所述的部件，其还包括至少一个基准，所述至少一个基准被配置为识别所述识别代码的尺寸、位置或取向。
13.根据权利要求12所述的部件，其中所述基准包括相对于所述代码设置在预定位置处的一个或多个附加单元。
14.根据权利要求13所述的部件，其中所述基准能够通过具有与其他单元不同的尺寸或形状来进行识别。
15.根据权利要求12所述的部件，其中所述基准包括所述本体的可识别结构特征。
16.根据权利要求8所述的部件，其中每个单元通过所述单元的位置独立特性来编码多于两个的可能值。
17.根据权利要求8所述的部件，其中所述本体限定燃气涡轮发动机的一部分。
18.一种制造结合3D识别代码的部件的方法，其包括：
将粉末沉积到工作面上；
利用辐射能熔融所述粉末；以及
重复沉积和熔融所述粉末的步骤以逐层方式构建部件，所述部件包括：具有由外表面界定的内部的部件本体；形成为所述内部的一部分的识别代码，所述识别代码包括布置在所述内部中的三维空间中的多个单元，其中所述单元通过改变位置独立特性来限定；以及多个附加单元，各个附加单元配置为定位在所述识别代码的角部处的基准，所述基准进一步被配置为识别所述识别代码的尺寸、位置和取向；
其中每个单元通过沿着所述三维空间的至少一个轴线的所述单元的位置来编码多于两个的可能值。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述单元具有不同的孔隙度。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述单元具有不同的成分。
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