CN109202087A - 制造旋转式机械的叶轮的方法和用这样的方法制造的叶轮 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于制造旋转式机械的叶轮的方法，所述叶轮包括至少一个叶片(3)，所述至少一个叶片(3)限制了至少部分封闭的内沟槽(7)，在所述方法中，叶轮从粉末借助于堆积过程由若干个材料层相继地制成，其中，所述粉末在每种情况下被施加到用于每个材料层的生产的加工平面，并且然后通过选择性能量输入从所述粉末生产实心材料层，并且其中，为所述叶轮确定结构取向，所述叶轮根据所述结构取向以层的形式被堆积，并且其中，所述结构取向由第一和第二角度(β、α)确定，所述角度(β、α)描述了叶轮关于加工平面的相对位置。此外，提出了一种通过这样的方法制成的叶轮。

Description

制造旋转式机械的叶轮的方法和用这样的方法制造的叶轮

技术领域

本发明涉及根据相应类别的独立权利要求的前序部分所述的用于制造旋转式机械的叶轮的方法以及旋转式机械的叶轮。

背景技术

在诸如例如泵、涡轮、压缩机、压实机或膨胀机之类的旋转式机械的叶轮的制造中，已知的是，通过机械加工过程或通过切削过程、例如通过铣削、将叶轮从坯料精心制作成部件。在这种情况下，坯料可以作为实心材料存在，或者能够通过初级成形过程已经被预先加工。还已知的是，通过初级成形过程作为一个整体、例如通过铸造、来制造叶轮。

例如，从EP-B-2012957已知这样的一种方法。在该文献中提出的方法尤其以允许部件的机械加工制造为特征，也就是说，借助于机械加工装置，使部件从坯料在整体上至少基本变成期望的最终形式。部件的预先加工的部分的装配，例如借助于焊接，在这样的整体制造的情况下不再是必需的。

取决于应用，叶轮可以由实心材料制成，例如由高强度不锈钢、双炼钢、超级合金、其他合适的金属或金属合金制成，或者也可以由例如陶瓷材料之类的非金属材料制成，并且叶轮的叶片和沟槽通过切削过程、例如通过铣削、由该材料精心制成。

如已在EP-B-2012957中说明地，作为一个整体的部件的机械加工制造有时因为纯粹的几何形状原因而不可能。例如，这可能是当叶轮被设计成有盖或封闭的叶轮时的情形。在这样的设计中，叶轮包括：护罩，叶片被布置在所述护罩上；以及还有盖板，其在背离护罩的侧面完全或至少部分地覆盖叶片。因此，在叶片之间形成有至少部分封闭的沟槽，这些沟槽在每种情况下从叶轮的中心延伸至其径向外极限表面。

即使考虑到这些沟槽可以分别在两侧上从坯料铣削出或者通过机械加工来加工，这意味着通过机械加工装置从叶轮的内部并且还从其径向极限表面来进行，但显而易见的是，几何形状在这里易受限制，并且在许多情况下，作为一个整体的机械加工制造是不可能的。

在这种情况下，如果作为一个整体由实心材料铣削叶轮因为纯粹的几何形状原因而不再可能或可行，则因此可能的替代选择之一是完全借助于也被称为生成或增材过程的堆积过程来制造叶轮。

在堆积过程中，叶轮直接由无形状的或不确定地成形的材料堆积成。在该情况下，例如粉末的无定形材料或者例如带形材料或线的不确定地成形的材料通常被熔化以堆积期望的结构。

堆积过程通常包括若干个添加或增材过程步骤，其中，期望的结构借助于化学和/或物理过程由例如液体或粉末的无形状的材料或者由例如带形或线形材料的不确定地成形的材料生成。本身已知的增材制造方法，尤其是用于金属材料的，例如是堆积焊接方法，尤其是如钨惰性气体焊接(TIG)的惰性气体方法或激光堆积焊接或等离子体方法或选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)。

在诸如SLM或电子束熔化的束熔化过程中，叶轮，或概括而言的部件，由若干个材料层相继地堆积成，其中，粉末在每种情况下被施加到用于每个材料层的生产的加工平面，并且然后通过选择性能量输入由所述粉末生产实心材料层。

这通过将粉末形式的材料以薄层的方式施加至加工平面来实现。然后，该粉末借助于能量辐射、例如借助于激光辐射被选择性地局部熔化，并且在凝固之后形成实心材料层。随后，使加工平面降低层厚的量，并且再次将粉末以薄层方式施加在加工平面上，以便生成下一实心材料层。该过程被重复，直到部件被完全堆积成为止。随后，该部件可以被再加工，其中，例如过量的粉末或过量的材料被去除，或者表面被平滑处理、研磨、抛光或以其他的方式再加工，或者其中，使部件经受热处理。

通过借助于这样的方法以层的形式来堆积，通常必需的是，尤其是在如叶轮和特别是封闭叶轮所表示的那样的复杂以及尤其是几何形状复杂的结构中，支撑结构必须同材料层一起堆积，所述支撑结构于是支撑在随后的堆积步骤中生成的材料层，或者所述支撑结构形成随后的材料层能堆积在其上的基础。例如，如果要相对于已凝固的材料层堆积具有坚固悬垂区域的材料层，即例如当从垂直于加工平面的结构变成与加工平面平行的结构时，这样的支撑结构必须首先生成，随后，这样的悬垂区域能堆积在其上。通常，假定最晚当相对于加工平面测量的皮下角度（down-skin angle）降至低于40°至50°的值、例如45°时，需要支撑结构。相似地，仅举几个示例，例如为了空腔、壁非常薄的区域或沟槽的生成，需要支撑结构。

除了对要生产的材料层的纯粹支撑之外，支撑结构通常具有其他功能，例如热的耗散或者防止要制造的部件中的扭曲或不需要的弯曲。

很清楚的是，在堆积过程完成之后必须从部件中去除支撑结构。因此，支撑结构常常设置有预先确定的断裂点。还已知的是，生成具有较低的密度的支撑结构，例如多孔的、或内部中空的、或者带有蜂窝或网状结构的支撑结构。还可能的是，由杆形或板形子结构或者由支柱来堆积支撑结构，以便将尽可能少的粉末材料用于支撑结构并确保它们容易被去除。

显而易见的是，在从粉状材料借助于若干个材料层的相继生成的复杂部件的堆积过程中，要生产的部件相对于加工平面的取向起着至关重要的作用。尤其地，该取向对生产成本、生产所需的时间、对粉末材料的要求、过程稳定性、制成部件的质量或制成部件的必需的后处理的程度和类型有直接影响。

因此，尤其是对于像旋转式机械的叶轮和特别是封闭或有盖的叶轮的这种复杂部件的制造而言，在实践中的重大问题是为相应的叶轮找到其中能有效地堆积叶轮的合适取向。本发明致力于该问题。

发明内容

因此，从这样的现有技术状况开始，本发明的目的是提出一种用于制造旋转式机械的叶轮的方法，在所述方法中，叶轮从粉末借助于堆积过程由若干个材料层相继地制成，其中，该方法应当使用于要生产的叶轮的结构的特别有效并且良好的取向成为可能。此外，本发明预期提出一种对应的叶轮。

满足该问题的本发明的目的以相应种类的独立权利要求的那些特征来作为特征。

根据本发明，提出了一种用于制造旋转式机械的叶轮的方法，所述叶轮包括至少一个叶片，所述至少一个叶片限制了至少部分封闭的内沟槽，在所述方法中，叶轮从粉末借助于堆积过程由若干个材料层相继地制成，其中，所述粉末在每种情况下被施加到用于每个材料层的生产的加工平面，并且然后通过选择性能量输入由粉末生产实心材料层，并且其中，为叶轮确定结构取向，根据所述结构取向，叶片被以层的形式堆积，并且其中，所述结构取向由第一和第二角度限定，这些角度描述了叶轮相对于加工平面的相对位置。

一个重要的特征是，其中相对于加工平面堆积叶轮的结构取向能够仅由两个角度限定。据此，通过改变第一和第二角度能够以特别简单的方式为相应的应用优化结构取向。该优化能在特定的计算机辅助下实施，例如通过CAD程序或用于增材制造的专门程序。由于在优化期间仅改变两个参数、即第一和第二角度，所以能以简单且可靠的方式确定用于相应应用的最佳结构取向，以便确保叶轮的特别有效和良好的制造。在这种情况下，能够在为确定良好和合适的结构取向的优化期间突出各个方面，例如最低的可能结构高度、最短的可能堆积时间、最小的材料层数量、最少的支撑结构可能数量、用于支撑结构的去除的最佳的可能可达性、最佳的可能表面质量(例如粗糙度)，或这些方面的组合。当然，相应的最佳结构取向在叶轮的制造之前被确定，并且然后被限定。随后，叶轮在堆积过程中通过该被确定和限定的结构取向来制造。

根据优选实施例，支撑结构借助于堆积过程由粉末同材料层一起生产，其中，在堆积过程完成之后去除支撑结构，并且此外，优化第一和第二角度，使得支撑结构最小化。在该实施例中，因而在使支撑结构最小化的方面来确定最佳结构取向。这具有的优点是，支撑结构的生产需要尽可能少的材料、即粉末，并且能将去除支撑点所涉及的工作量保持至最低限度。

特别优选的是，第一角度指示了要制造的叶轮的旋转轴线与垂直于加工平面并沿着堆积过程的方向指向的w轴之间的角度。

根据本发明的方法的优选实施例，第一和第二角度描述了部件坐标系关于加工坐标系的相对位置，其中，部件坐标系相对于叶轮固定，并且加工坐标系相对于加工平面固定，其中，部件坐标系具有z轴和x轴，所述z轴由叶轮的旋转轴线限定，所述x轴由垂直于z轴并且将z轴与叶片的后拖边缘连接的连接线限定，并且其中，加工坐标系包括由加工平面限定的u-v平面和垂直于u-v平面并且沿着堆积过程的方向指向的w轴。

特别优选的措施是，相对于初始取向来限定结构取向，在所述初始取向中，z轴与w轴重合，并且x轴位于u-v平面中。

优选地，部件坐标系首先围绕x轴从初始取向开始旋转第一角度，并且然后围绕z轴旋转第二角度，以实现结构取向。

此外，优选的是，叶轮具有多个叶片和多个内沟槽，其中，相邻的沟槽均由叶片分开。

关于一个内沟槽或多个内沟槽有利的是，第一和第二角度被优化成使得在每个内沟槽的对于去除支撑结构而言不能接近或者只能是在具有难度的情况下才能接近的那些区域中避免了支撑结构。这意味着，在结构取向的优化中，尤其是下述方面被突出，即：叶轮的在其完成之后便不再可以接近或仅通过很大的努力才可接近的那些区域没有支撑结构。尤其地，在其中支撑结构是必需的且所述支撑结构就范围而言位于沟槽内的情况下避免了这样的结构取向，所述结构取向使得在叶轮完成之后，所述支撑结构只能以极大的难度被去除，也就是说，通过非常大的努力，或者因为所述支撑结构不能以合理的努力从槽的任一端被够到，所以它们甚至根本不能被去除。

对于大量应用已证明特别有利的是，第一角度至少为70°并且至多为90°，优选至少为75°并且至多为85°，并且特别优选为大约80°。

优选地，第二角度至多和360°与叶片的数量的商一样大。

对于大量应用已证明有利的是，第二角度至少为50°并且至多为60°，优选为大约54°。

第二角度的这些值对于其中叶轮确切地具有五个叶片或确切地具有六个叶片的那些叶轮而言是特别有利的。

优选地，用于堆积过程的能量输入借助于激光来实施。

特别优选的是，堆积过程借助于选择性激光熔化来实施。目前，该生成性生产方法是已知的已公认的方法，其特别适合根据本发明的方法。

此外，通过本发明提出了一种用于旋转式机械的叶轮，尤其是用于泵、涡轮、压缩机、压实机或膨胀机的叶轮，其中，叶轮通过根据本发明的方法制成。

本发明的更多的有利措施和实施例从从属权利要求获得。

附图说明

在下文中，将借助于实施例并参考附图来更详细地说明本发明。在附图中示出的是：

图1是根据本发明的叶轮的实施例的透视图，所述叶轮按照根据本发明的方法的实施例制成；

图2是图1的叶轮的在横向于叶轮的旋转轴线的截面中的透视剖视图；

图3是图1的叶轮的在初始取向中的局部剖视图；

图4是图1的叶轮的在其中第一角度β为30°的取向中的局部剖视图；

图5是图1的叶轮的在其中第二角度α为30°的取向中的局部剖视图；

图6是图1的叶轮的在优选的结构取向中的透视图；和

图7是图1的带有支撑结构的叶轮的在优选的结构取向下的另一透视图。

具体实施方式

根据本发明的方法用于制造旋转式机械的叶轮，其中，叶轮包括限制了至少部分封闭的内沟槽的至少一个叶片。封闭沟槽指的是除入口或出口外被完全封闭的沟槽，即，其是管状的，也就是说，该沟槽处处由垂直于其主流动方向的一个或多个壁限制。相比之下，开放沟槽指的是在垂直于其主流动方向的方向上、即在垂直于其纵向延伸的方向上，不受壁限制的沟槽，而是其是开放的。因而，例如，具有U形或V形壁的沟槽是开放沟槽。如果U形轮廓或V形轮廓的开放侧被覆盖物覆盖，则沟槽是封闭沟槽。

部分封闭的沟槽意指这样的沟槽，即，其被部分地设计成封闭沟槽并且被部分地设计成开放沟槽。

在本发明的以下描述中，参照对于实践而言带有示例性性质的重要实施例，其中，叶轮是旋转式机械的封闭或带盖的叶轮，例如泵的、尤其是离心泵的、涡轮的或压缩机的封闭或带盖的叶轮。为了更好的理解，首先将描述这样的叶轮的实施例。

图1示出了根据本发明的叶轮的实施例的透视图，所述叶轮被设计成封闭或带盖的叶轮，并且其作为一个整体用附图标记1指示。叶轮1能借助于根据本发明的方法制成。图2示出了图1的叶轮1的在横向于叶轮1的旋转轴线A的截面中的透视剖视图。另外，在图2中图示了随后将详细说明的支撑结构100。

叶轮1的旋转轴线A指的是叶轮1被安装在旋转式机械中并且在操作状态下围绕其旋转的旋转轴线。轴向方向由旋转轴线A限定。因而，轴向方向指的是旋转轴线A沿着其延伸的方向。

叶轮1以本身已知的方式包括：护罩2，叶轮1通常通过其安装或固定在这里未示出的轴或轴杆上；以及还有多个叶片3，其被布置在护罩2上；和盖板4，其在背离护罩2的一侧或边缘至少部分地覆盖叶片3。根据描述(图1)，盖板4相对于轴向方向延伸得比护罩2高。结果，根据描述，在叶片3的上方形成有内部空间6，所述空间相对于径向方向、即垂直于轴向方向，由盖板4限制。该内部空间6在操作状态下表示入口，流体通过其流向叶轮1。在每种情况下在两个相邻的叶片3之间存在内沟槽7，所述沟槽被设计成至少部分封闭的沟槽7，并且在此被设计成封闭沟槽7。

每个沟槽7从在叶轮1的中心且由内部空间6形成的第一端72延伸至叶轮1的极限表面42中的相应的第二端71。极限表面42表示叶轮1的径向外表面，所述表面与轴向方向平行或同心地延伸，也就是说，该表面在径向方向上限制叶轮1。极限表面42包括盖板4和护罩2的径向外表面以及叶片3的径向外封闭边缘，所述径向外封闭边缘被称为后拖边缘31。

因而，相邻的沟槽7均由叶片3分开。

在此描述的实施例中，如能在图2中最佳地看到地，叶轮1包括总共五个叶片3。每个叶片3的包角优选至少为90°并且至多为180°。当然，本发明不限于带有五个叶片的叶轮1，而是同样适合带有更少或更多的叶片的叶轮。根据另一优选实施例，叶轮1确切地具有六个叶片。

叶轮1(图1)还具有用于接纳叶轮1能安装在其上的轴杆或轴的连续的中心轴向开口9。

在下文中，更详细地说明根据本发明的方法的实施例。首先，确定叶轮1期望的最终几何形状。然后，叶轮1根据期望的最终几何形状从粉末借助于堆积过程由若干个材料层相继地堆积成，其中，在该过程中附加地生成能在其上堆积随后生成的材料层的支撑结构100。这些支撑结构100是用于堆积过程的辅助结构，其在堆积制造过程完成之后被去除。

如本身已知地，叶轮1的最终几何形状能以数据的形式、例如以三维几何数据或数据模型的形式，被存储在计算机中，其然后被用于控制堆积过程所用的装置。

与减材过程相比，堆积过程是其中不去除材料的方法。还被称为增材或生成制造的堆积过程通常包括多个相继执行的增材加工步骤。增材或生成加工步骤或者增材或生成制造指的是其中无形状的或被不确定地成形的材料被施加的制造。在这情况下，实心材料层通常通过选择性能量输入由例如粉末的无形状的材料、或者由例如带形材料或线形材料的不确定地成形的材料来生产，以便在已存在的先前生成的结构上堆积叶轮1的仍然缺少的部分。因而，堆积过程是源自无形状的或不确定地成形的材料的过程。

在根据本发明的方法中，在每种情况下将粉末作为薄层施加至加工平面，以便生产相应的材料层。随后，通过选择性能量输入到加工平面中，从粉末生产实心材料层。然后使叶轮1的已堆积的结构相对于加工平面降低材料层的厚度，再次将粉末的薄层施加至加工平面，并且然后通过能量输入生成下一实心材料层。

选择性激光熔化(SLM)的过程优选地用于根据本发明的方法，在所述方法中，根据该原理以层的形式堆积部件。

例如金属或合金的金属材料尤其被用作用于叶轮1的结构的材料，所述金属材料在每种情况下以粉末的形式被提供在加工平面上。对于叶轮1的生产，以下的材料特别合适：不锈钢、奥氏体不锈钢、例如具有型号316L的钢、双炼钢、镍基合金、例如通过商标名称Inconel、尤其Inconel625已知的合金、钴基合金、铝合金、钛合金或硬金属。

用于部件的逐层完全生成的结构的选择性激光熔化的方法是本身众所周知的方法，因此，所述方法不需要进一步的说明。在本身已知的该方法中，要加工的材料以粉末的形式以薄层被保持在加工平面中。粉状材料通过激光辐射被局部地完全熔化，并在凝固之后形成实心材料层。随后，使工件降低层厚的量，并且再次将以粉末的形式的材料施加在加工平面上，所述材料于是再次借助于激光辐射被局部熔化。该循环重复，直到在此为叶轮1的部件被完全堆积成为止。

加工平面是其中局部能量输入在每种情况下借助于激光辐射被实现的平面，以便选择性地熔化粉末和生产实心材料层。

如本身已知地，支撑结构100(图2)通常在借助于SLM的以层的形式的堆积期间由加工平面中的粉末同材料层一起生成，所述支撑结构用于生成基础，叶轮1的结构然后能够在随后的加工步骤中被堆积在所述基础上，在没有这些支撑结构100的情况下，叶轮1的结构不能被堆积，或者不能以足够的质量被堆积。作为示例，在此提及了相对于加工平面的坚固悬垂的结构。例如，如果你想要堆积基本上与加工平面平行延伸的结构，则必须预先生成对应的支撑结构100，所述对应的支撑结构100于是在随后的加工步骤中用作基础，叶轮1的与加工平面平行延伸的这些结构能够被堆积在所述基础上。

然而，存在构建这样的支撑结构100的其他原因。例如，可能必须为在叶轮1中生成内部空腔或内部中空提供支撑结构100。例如，还可能用支撑结构支撑要制造的叶轮1的非常薄的壁结构，使得它们不翘曲或弯曲。这样的支撑结构100的提供本身是SLM方法中已知的措施，因此其在此不加以详细说明。然而，应提及的是，支撑结构100还能实现除支撑功能之外的其他功能，例如从已经构建的结构中或者在相应熔化过程期间耗散热。

为了借助于堆积过程、在此借助于选择性激光熔化，来以层的形式地堆积叶轮1，首先限定在其中叶轮相对于加工平面被堆积的结构取向。结构取向是固定的取向，其在生成构建过程期间不改变。结构取向与其中叶轮1紧接在堆积过程完成之后相对于加工平面的取向相对应。很清楚的是，支撑结构100的构造和位置以及还有要堆积的单独的材料层的数量取决于所选择的结构取向。

当然，必须在堆积过程开始之前限定合适的结构取向。在固定了结构取向之后，才能根据该结构取向借助于SLM以层的形式地堆积叶轮1。

根据本发明，提出了该结构取向由第一角度β和第二角度α限定，其中，角度β、α描述了叶轮1关于加工平面的相对位置。

仅通过两个角度β、α来描述结构取向的措施具有的优点是，在优化过程中通过仅改变两个参数、即角度β、α，能为相应的应用确定特别有利的结构取向。能为了优化突出不同的方面：例如最低的可能的结构高度、最短的可能的堆积时间、最小的材料层数量、最少的支撑结构的可能的数量、用于支撑结构的去除的最佳的可能的可达性、最佳的可能的表面质量(例如粗糙度)，或这些方面的组合。

为了为叶轮1确定合适的结构取向，优选考虑两个方面，即需要尽可能少的支撑结构100，和将支撑结构100设置在它们在堆积过程完成之后能通过尽可能少的努力被去除的地点。第一方面意在保持对支撑结构100的材料需求和用于支撑结构100的随后去除的工作量尽可能地低；第二方面意在防止必须下述的地点处生成支撑结构100，所述地点使得在堆积过程完成之后仅非常难够到或者不再能够得到以去除支撑结构100。例如，应当防止支撑结构100被堆积在沟槽7的内部区域中，所述内部区域在堆积过程完成之后可能无法以简单的方式从相应沟槽7的第一端72或者第二端71到达。

首先，限定叶轮1的期望的最终几何形状，以确定合适的结构取向。然后例如基于经验值选择用于结构取向的起始值，所述起始值由第一和第二角度β、α描述。对于该起始值，于是优选地通过计算机支持来确定需要哪些支撑结构100，以便在该特定的结构取向中生成性地生成叶轮1。在该情况下，能确定支撑结构的位置和它们相应的几何构造。然后，从用于结构取向的该起始值开始，改变两个角度β、α，直到确定优化的结构取向为止。根据该优化的结构取向，然后借助于SLM来堆积叶轮1。

在优化过程期间，相应需要的支撑结构100的确定能够被计算机辅助地实施，尤其是通过本身已知的CAD软件或用于建构或增材制造的本身已知的专门的计算机程序产品。当然，经验数据或经验值也可以被用于优化过程。

现在将参考图3至图7在下文中更详细地说明用于限定或确定第一角度β和第二角度α的优选实施例。

优选地，第一角度β(尤其参见图4和图6)是要制造的叶轮1的旋转轴线A与w轴W之间的角度，所述w轴W垂直于加工平面并且沿着堆积过程的方向指向。

加工平面由通过其执行SLM方法的装置限定，所述加工平面是其中相应的材料层借助于激光辐射通过粉末的局部熔化来生产的平面。w轴W是该加工平面上的垂直轴线，其沿着堆积过程的方向来指向。在堆积过程期间，要制造的叶轮1沿着负w轴W的方向移动层厚的量，即根据图示(图3至图7)在每种情况下在加工平面中的实心材料层的生产完成之后向下移动，以便接着在加工平面中生成下一材料层。

为了确定合适的结构取向，优选地限定两个坐标系，其中，两个角度β、α描述了这两个坐标系相对于彼此的相对位置。

第一坐标系是相对于叶轮1固定的部件坐标系。第二坐标系是加工坐标系，其相对于加工平面固定，并因而相对于用于执行选择性激光熔化的装置被固定。

在此描述的实施例中，部件坐标系和加工坐标系均是直角笛卡尔坐标系。

部件坐标系具有由叶轮1的旋转轴线A限定的z轴Z和分别垂直于z轴Z的x轴X和y轴Y。部件坐标系的原点O在z轴Z上、即在叶轮1的旋转轴线A上并且在叶片3的的几何中心中，叶轮1的叶片3围绕所述几何中心布置。因而，原点O在旋转轴线A上并且相对于轴向方向在叶片3的高度的一半处。x轴X由连接线限定，所述连接线垂直于z轴并且将z轴Z上的原点O与叶片(参见图3)的后拖边缘31中的一个后拖边缘连接。由于叶轮1的旋转对称，所以为限定x轴X选择叶片3中的后拖边缘31中的哪个后拖边缘并不重要。部件坐标系的y轴Y垂直于x轴X和z轴Z。然而，y轴Y的位置对于结构取向的确定并不重要。

加工坐标系相对于用于堆积过程的装置固定，在此是用于选择性激光熔化的装置。加工坐标系包括由加工平面限定的u-v平面，即，加工平面完全位于u-v平面中或与u-v平面重合。张开加工坐标系的u-v平面的u轴U和垂直的v轴V的具体位置不重要，并且能根据需要选择。唯一重要的是，u轴U和v轴V都在加工平面中。因而，加工坐标系的原点S同样在加工平面中。加工坐标系的w轴W在加工平面上是垂直的，并因而在u-v平面上是垂直的，并沿着堆积叶轮1的方向指向、即如图示(图3至图5)所示的那样向上。

相对于图3所示的初始取向限定要借助于优化来确定的结构取向。

图3以局部剖视图示出了叶轮1，其中，以这样的一种方式选择剖切的截面，即，使得可更好地识别两个坐标系的位置。在图3所示的初始取向中，部件坐标系的z轴Z与加工坐标系的w轴W重合，并且部件坐标系的x轴X位于加工坐标系的u-v平面中，即位于加工平面中。结果，两个坐标系的原点O、S重合。如上所述，由于u轴U和v轴V的具体位置不重要，所以，为了清楚起见，以这样的一种方式限定这两根轴线，使得在无一般性限制的情况下，u轴U与x轴X重合，并且v轴V与y轴Y重合。结果，加工坐标系的三根轴线U、V、W与部件坐标系的三根轴线X、Y、Z重合。

应注意的是，具有已制成的相应叶轮1的图3、图4和图5中的图示用于说明结构取向的确定。在实际的制造过程中，叶轮1如图示所示从底部到顶部、即在w轴W的方向上、相继地堆积成。在其中已生产实心材料层的每个加工步骤之后，叶轮1如图示所示向下移动层厚，使得要生产的下一材料层再次在加工平面中。这意味着，在堆积过程期间，部件坐标系在负w轴的方向上、即如图示所示向下相对于加工坐标系逐步地移动、即在每种情况下移动一个层厚，即，部件坐标系的原点O如图示所示在加工坐标系的w轴上向下移动、即在负w轴W的方向上或在负w轴W上移动。因而，在堆积过程完成之后，叶轮1完全在加工平面下方，即加工坐标系的u-v平面下方。

然而，为了更好的理解，在图3至图5中示出了完整的叶轮1(分别带有剖切的截面)，并且以这样的一种方式绘制了两个坐标系，即，使得它们的原点O与S重合。

从图3所示的初始取向开始，部件坐标系首先围绕部件坐标系的x轴逆时针(即，在数学地正的意义上)旋转第一角度β，并且然后围绕部件坐标系的z轴逆时针旋转第二角度α。

在图4和图5中图示了这两个旋转。图4以与图3类似的表示示出了在叶轮1以及因而部件坐标系从初始取向(图3)开始围绕部件坐标系的x轴旋转第一角度β之后的叶轮1。旋转方向在图4中由无附图标记的箭头指示。通过该第一旋转，部件坐标系的z轴Z相对于加工坐标系的w轴W倾斜，使得这两根轴线于是包围第一角度β。在图4的示例中，第一角度β具有30°的值。

随后，叶轮1围绕部件坐标系的z轴旋转第二角度α。如果第一角度β不等于零，则该第二旋转导致的事实是，部件坐标系的x轴和因而叶片3的拖后边缘31从加工坐标系统的u-v平面转出并因而从加工平面转出。

为了第二角度α的更好的理解，图5以与图4类似的表示示出了在第一角度β被选择成等于零的情况下的第二旋转的结果。第二角度α在图5中具有30°的值。

图6以透视图示出了在其中第一角度β和第二角度α不同于零的结构取向中的叶轮1。从图3所图示的初始取向开始，叶轮1和因而部件坐标系首先围绕部件坐标系的x轴X逆时针旋转第一角度β，并且随后围绕部件坐标系的z轴Z逆时针旋转第二角度α。在这情况下，第一角度β为80°，并且第二角度α为54°。

对于由两个角度β和α确定的相对取向，于是优选计算机辅助地确定哪里需要支撑结构100和支撑结构具有哪种几何构造，从而使得叶轮1能借助于堆积过程在由角度β和α描述的结构取向中生成。如果已确定需要的支撑结构100，则评定该结构取向是否已是最佳的或至少足够好，以便在该结构取向中生成叶轮1。如已说明地，该评定能针对各个方面，尤其是这些方面可以是下述这些方面：需要的支撑结构的数量尽可能地少和/或支撑结构被堆积在这样的地方，即它们在堆积过程完成之后能在不费很大力气的情况下被去除的位置。

如果当前的结构取向证明在该评定中还不够好，则在优化过程中改变两个角度β、α，直到确定叶轮1的优化结构取向为止。于是，叶轮1借助于堆积过程根据该结构取向生成。

图6所图示的第一角度β=80°和第二角度α=54°的结构取向是这样的优选的优化结构取向，其已经证明尤其适用于具有五个或六个叶片3的有盖叶轮，其中，每个叶片3的包角优选为90°至180°。

图7以另一透视图并且以与图6相同的结构取向示出了来自图6的叶轮1，所述结构取向由两个角度β=80°和α=54°描述。为了更好的理解，在图7中还示出了支撑结构100中的一些支撑结构、即外部支撑结构100a，其支撑护罩2和盖板4、尤其是外径向极限表面42，和支撑通过其限制叶轮1的中心轴向开口9的壁的内部支撑结构100b。这些内部支撑结构在此设置在叶轮1中，即设置在内部空间6中(图1)。能看到的是，这些外部支撑结构100a和尤其地还有内部支撑结构100b设置在这样的地点，即在叶轮1的堆积过程完成之后仍然能非常容易地达到的地点，使得这些支撑结构100随后能在不费很大力气的情况下去除。

合适的结构取向的选择、即优化的角度α和β的确定取决于叶轮1的几何形状，例如取决于叶片3的数量或取决于叶片3的包角。然而，对于大量不同的叶轮1已表明特别有利的是，第一角度β至少为70°，并且至多为90°。已证明特别有利的是，第一角度β至少为75°，并且至多为85°。特别优选地，尤其是对于确切地带有五个或确切地带有六个叶片3的有盖叶轮1而言，第一角度β大约为80°。

优选地，第二角度α至多和360°与叶轮1的叶片3的数量的商一样大。在具有五个叶片3的叶轮的情况下，第二角度α因而优选地至多为72°，并且在确切地具有六个叶片的叶轮1的情况下，第二角度α因此优选地至多为60°。即使叶片3各自具有90°至180°的包角，这些值对于第二角度α也是特别优选的。尤其地，对于确切地具有五个或确切地具有六个叶片3的叶轮1，第二角度α优选地至少为50°并且至多为60°。对于第二角度α，特别优选的是54°的值。

显然，叶轮1的后处理还可以在叶轮1的堆积过程之后实施。这些后处理可包括以下措施中的一个或多个，例如：粉末残留物的去除；支撑结构100的去除；例如借助于铣削、车削、研磨的减材后处理，以改善几何精度或粗糙度；通过例如热等静压(HIP)的材料的热处理、压缩的微观结构的改性；残留应力的降低。

根据本发明的方法特别适合制造用于旋转式机械的叶轮1，尤其是用于泵、涡轮、压缩机、压实机或膨胀机的叶轮1。特别优选的是，根据本发明的方法能用于制造旋转式机械的有盖叶轮1。

Claims (15)

1.一种用于制造旋转式机械的叶轮的方法，所述叶轮包括至少一个叶片(3)，所述至少一个叶片(3)限制了被至少部分封闭的内沟槽(7)，在所述方法中，所述叶轮从粉末借助于堆积过程由若干个材料层相继地制成，其中，所述粉末在每种情况下被施加到用于每个材料层的生产的加工平面，并且然后通过选择性能量输入从所述粉末生产实心的材料层，并且其中，为所述叶轮确定结构取向，所述叶轮根据所述结构取向以层的形式被堆积，其特征在于，所述结构取向由第一和第二角度(β、α)确定，所述角度(β、α)描述了所述叶轮关于所述加工平面的相对位置。

2.根据权利要求1所述的方法，在所述方法中，支撑结构(100、100a、100b)借助于堆积过程与所述材料层一起从所述粉末被生产，其中，在所述堆积过程完成之后所述支撑结构(100、100a、100b)被去除，并且在所述方法中，所述第一和所述第二角度(β、α)被优化，使得所述支撑结构(100、100a、100b)被最小化。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一角度(β)指示了要制造的所述叶轮的旋转轴线(A)与w轴(W)之间的角度，所述w轴(W)垂直于所述加工平面并且沿着所述堆积过程的方向指向。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述第一和所述第二角度(β、α)描述了部件坐标系关于加工坐标系的相对位置，其中，所述部件坐标系相对于所述叶轮(1)固定，并且所述加工坐标系相对于所述加工平面固定，其中，所述部件坐标系具有z轴(Z)和x轴(X)，所述z轴由所述叶轮的旋转轴线(A)限定，所述x轴由垂直于所述z轴(Z)并且将所述z轴(Z)与所述叶片(3)的后拖边缘(31)连接的连接线限定，并且其中，所述加工坐标系包括由所述加工平面限定的u-v平面和垂直于所述u-v平面并且沿着所述堆积过程的方向指向的w轴(W)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，相对于初始取向来限定所述结构取向，在所述初始取向中，所述z轴(Z)与所述w轴(W)重合，并且所述x轴(X)位于所述u-v平面中。

6.根据权利要求5所述的方法，在所述方法中，所述部件坐标系首先从所述初始取向开始围绕所述x轴(X)旋转所述第一角度(β)，并且然后围绕所述z轴(Z)旋转所述第二角度(α)，以实现所述结构取向。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述叶轮具有多个叶片(3)和多个内沟槽(7)，其中，相邻的沟槽(7)均由叶片(3)分开。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述第一和所述第二角度被优化，使得在每个内沟槽(7)的无法接近或者只能是在具有难度的情况下接近以去除所述支撑结构的那些区域中避免了所述支撑结构(100)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述第一角度(β)为至少70°并且至多90°、优选为至少75°并且至多85°，以及特别优选为大约80°。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述第二角度(α)至多和360°与所述叶片(3)的数量的商一样大。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述第二角度(α)为至少50°并且至多60°，优选为大约54°。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述叶轮确切地具有五个或确切地具有六个叶片(3)。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，用于所述堆积过程的能量输入借助于激光来实施。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，在所述方法中，所述堆积过程借助于选择性激光熔化来实施。

15.一种用于旋转式机械的叶轮，尤其是用于泵、涡轮、压缩机、压实机或膨胀机的叶轮，其中，所述叶轮通过根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造。