CN109311230A - 处理表面以用于增材制造的方法、部件和设备 - Google Patents

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Abstract

一种在增材制造中处理表面的方法，包括：通过用粉末状基础材料(2)的床进行增材制造来组装用于部件(10)的结构(1)，使得该结构被设置有内表面(4)并且粉末状基础材料(2)覆盖内表面(4)的至少一部分；以及相对于结构(1)致动基础材料(2)使得内表面(4)通过基础材料(2)被机械地处理。此外，描述了由此制造的部件和设备。

Description

处理表面以用于增材制造的方法、部件和设备
本发明涉及处理例如机械地处理优选地用于部件的增材地制造的结构的表面的方法和/或用于部件的增材制造的方法。此外，本发明涉及相应的部件和设备。部件例如由粉末状基础材料制造而成。
提及的“部件”可以是任何陶瓷或金属部件或者甚至是塑料部件。优选地，部件描述应用于或可应用于涡轮机器例如燃气涡轮的流动路径中的部件。
术语“增材(additive)”应该尤其表示逐层的、生成性的和/或由下至上的制造技术。本文中描述的增材制造优选地涉及粉末床(powder-bed)制造方法。
粉末床制造技术例如选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)或选择性激光烧结(SLS)是用于从例如粉末状或粒状基础材料的床制作、原型制作或制造零件或部件的相对公知的方法。用于这样的方法的常规设备或设置通常包括构建平台，在该构建平台上，在馈送基础材料的层——其可以之后例如通过激光束的能量被熔化并且随后被固化——之后，逐层构建部件。层厚度由例如自动在粉末床之上移动并且去除多余材料的擦拭器(wiper)的操作决定。沉积的粉末层的典型层厚度等于20μm或40μm。在制造期间，所述束在表面之上扫描并且熔化在选择的区域中的基础材料，所述选择的区域可以根据要制造的部件的几何结构由CAD文件预先确定。
例如，根据EP 2 910 362 A1已知一种增材制造的方法。
通常，例如，与借助于囤积或熔模铸造制造的部件相比，经由粉末床制造技术生产或可生产的部件在表面性质方面受到限制。特别地，与常规制造的部件相比，增材地制造或构建的部件具有固有的更粗糙的表面和/或更差的表面质量。然而，更粗糙的表面可以例如在例如作为涡轮的流动路径硬件的一部分的部件的预期操作期间造成关于热传递、气流或裂缝敏感性的问题。提及的缺点特别地涉及不容易触及的表面或内表面，例如在组装或制造之后针对后加工而言不容易触及的表面或内表面。
另一方面，增材地制造的部件的外表面可以在后处理步骤——例如加工或喷砂——中被加工或使其平滑，然而针对给出的原因，复杂的腔或内表面特别是内冷却通道或其他表面非常难以精制。平滑或精制所述内表面的努力常导致堵塞的孔或开口并且因此不能从相应的腔中去除多余的基础材料。实际上，几乎不存在可行的用于精制所述内表面的方法并且提及的缺点不得不在一定程度上被接受。
因此，本发明的目的是提供一种通过其可以提供改善的增材地制造的部件的手段。特别地，提出用于精制或处理要制造的部件或结构——例如由SLM制造的用于应用于燃气涡轮应用的部件——的腔和/或内表面的新颖方法。
提及的目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明的一个方面涉及处理表面以用于增材制造的方法。优选地，方法适用于机械地处理例如用于部件的结构的内部或内表面。方法包括用粉末状或粒状基础材料的床进行增材制造来组装用于部件的结构，使得结构包括或被设置有内表面并且基础材料覆盖内表面的至少一部分或多个部分。有利地，基础材料是与制造结构的基础材料相同的基础材料。因此，基础材料可以固有或自动存在于内表面上或保留在例如由内表面限定的腔中。
术语“结构”优选地可以表示部件的增材制造部分或区段或者整个易于制造的部件。
方法还包括相对于结构致动基础材料(反之亦然)，使得通过基础材料机械地优选研磨地处理或加工内表面。
描述的致动优选地适用于振动、涡旋(swirling)或振荡致动或移动。所述致动可以另外或可替选地适用于内表面的精制，其可以包括表面的烧蚀和/或抛光。
在实施方式中，致动是在对应的设备中执行。在实际致动之前，提供的结构可以因此被安装或固定至设备以便执行致动(参见下文)。
所述基础材料可以特别地包括细粒部分例如具有比如几十微米的平均粒径的微细粉末以及可以由固化的和/或聚结的粉末颗粒形成的更粗糙的粒状部分。
所述处理可以涉及在基础材料与内表面(反之亦然)之间的加工、磨削、精制或进一步或不同的摩擦或研磨处理。
提出的用于处理或加工内表面的方法是新颖的并且能够加工增材制造的材料的内部或内表面。作为优点，可以克服提及的由所制造的结构或部件的固化的材料的固有粗糙度造成的缺点。
特别地，表面粗糙度目前强烈影响增材制造的部件的振荡稳定性，其中，特别地，深度粗糙度可以是重要的。大多数增材制造的或原型制作的零件的长期(振荡)稳定性的提高可以例如通过改善表面粗糙度或使其平滑来被实现。特别地这些的内部或内表面不易或几乎不易后加工。这个方面特别重要，这是由于特别是在制作高性能材料和部件例如高热应力涡轮部件中增材制造不断增加的重要性。因此，为了确保可接受的热稳定性、应力敏感性和产品寿命，对增材制造中表面性质的改善存在迫切的需求。
另外，由于例如可以引导具有提高的流体动力的气流通过冷却通道或其他通道的内表面，因此例如可以显著提高涡轮部件的冷却效率。
此外，不用考虑部件的污染，这是因为磨料或加工试剂或装置是或由(原始)基础材料呈现。这个问题对于由超合金例如具有最高性能的基于镍或钴的超合金制造的部件的制造特别重要，其中，污染的痕迹可以毁坏必要的微观结构和/或在对破裂、断裂或蠕变应力的敏感性方面的材料性质。
由于提及的基础材料的致动，所述基础材料优选地(研磨地)在结构和/或部件的内表面之上或相对于结构和/或部件的内表面移动，其中，同时，可以促进对表面质量和例如对内表面的功能也重要的基础材料的去除。
结构包括由内表面限定的腔，其中，基础材料保留在腔中。因此，基础材料优选地与内表面和/或空间接触或连通。
在致动之后和/或在致动期间，基础材料至少部分地被从腔中去除。
基础材料首先被以第一频率进行致动(第一致动)，并且在基础材料的第一致动或以第一频率的致动之后，基础材料被以不同于第一频率的第二频率进行致动(第二致动)，其中，第二频率被选择为使得基础材料——优选地相同材料的微细粉末状部分和粒状部分——被至少部分地从腔中去除。
在实施方式中，根据基础材料的磨料性质例如基础材料的硬度来调谐第一频率。
在实施方式中，根据材料特别是材料性质例如结构的硬度或者另外的磨料性质以及结构的几何结构例如可以从构造数据例如用于相应制造或相应制造的CAD数据获知的腔的精确形状和尺寸来调谐第二频率。
在实施方式中，进一步选择结构在空间中的取向使得所述基础材料至少部分地优选地几乎全部从腔中去除。
优选地，基础材料的确全部或几乎全部从腔中去除，这是因为这可以出于预期的目的来提高部件的性能，所述预期的目的例如为在涡轮部件情况下提高冷却效率。
致动的应用频率被有利地调节使得：首先，内表面可以以有效的方式被加工；其次，作为加工介质的基础材料可以之后容易地被去除。
致动应该向部件提供包括改善的(期望的)表面性质的精制的表面。
在实施方式中，第二频率低于第一频率。这特别有利，因为基础材料从腔中的去除可能需要更低的频率范围，例如，仅几Hz或甚至小于1Hz的频率范围。
在实施方式中，第一频率是或选自第一频率范围。
在实施方式中，第二频率是或选自第二频率范围。
在实施方式中，在基础材料的致动期间和/或基础材料的致动之后，例如在提及的第一致动之后和在提及的第二致动期间，结构的取向例如在空间中的取向变化。这可以在致动仅以结构或部件的单一空间取向执行时，例如在内表面包括错综和/或复杂的几何结构而基础材料难以从中被去除的情况下，允许改善基础材料从内表面和/或腔中的去除。
在实施方式中，腔包括至少一个开口。在大多部件应用中，出于腔的预期目的，这是有利的或必要的。例如，在许多涡轮部件中，腔用于被流体流过以冷却部件的目的。
在实施方式中，腔包括两个开口。
在实施方式中，流体或压力喷射例如磨料喷射被例如从腔的外部引导通过开口，使得内表面通过基础材料被机械地处理。
借助于提及的压力喷射或空气喷射的致动可以提高或促进内表面的机械处理。除了基础材料的致动之外，本方法的这个实施方式可以借助于如上面提及的振动来被执行。
在实施方式中，结构在空间中的取向在基础材料的致动期间变化。因此，目前要加工的内表面的区域可以切换，使得相对于彼此下降的不同部分的表面可以例如被连续加工。
在实施方式中，在结构以第一频率运动期间，腔的开口面向上取向，使得基础材料可靠地保留在腔中并且特别地不从腔中逸出。
在实施方式中，在增材制造之后，腔例如通过密封件或包封件被至少被部分密封或封闭。这可以有利地在增材制造之后通过对普通技术人员已知的任何合适的装置执行。所述密封件或包封件可以是或包括胶或多孔结构。因此优选的是所述密封件可以在致动之后被释放或去除并且使得包封件或密封件可以容易地被应用。
在实施方式中，方法包括：在结构的以第一频率的致动或运动(第一致动)之后，打开或开封腔，使得基础材料可以被至少部分地从腔中去除，优选地完全被去除。
本发明的又一方面涉及一种用于增材制造的方法，例如包括处理的方法。
在实施方式中，结构或者构成部件，或者通过另外或额外的增材构建或组装来完成结构或其制造以提供部件。
在实施方式中，有利地借助于增材制造技术例如选择性激光熔化来完成部件或其增材制造，其中，之后，基础材料至少部分地被从腔中去除。
在实施方式中，方法包括在增材制造之后并且有利地在腔的任何封闭之前，将例如包括流体的(进一步)加工或磨料装置引入腔中。所述加工流体可以包括任何液体或气体介质。优选地，加工流体是或包括除了所描述的基础材料之外的可以包括另外的磨料介质的流体。
在实施方式中，加工流体是在超声波加工领域中已知的流体。
在实施方式中，方法包括例如在致动期间将超声波施加至结构和/或基础材料。
本发明的又一方面涉及用结构或可以例如用结构制造的部件，其中，部件包括相应处理的内表面。
所制造的部件的内表面的表面粗糙度小于60μm或甚至更小。这样的表面粗糙度表示通常由常规增材制造技术不可实现的范围。所述表面粗糙度可以表示平均(表面)粗糙度、粗糙度的深度、均方粗糙度或(算术)平均粗糙度指数。
在实施方式中，容易制造的部件的内表面包括具有小于100μm优选小于80μm的特征尺寸的表面特征。提及的特征优选地表示预期的并且相应地设计的几何结构的特征，其中，所述特征可以优选地已经存在于用于部件的相应CAD和/或CAM模型中。
本发明的又一方面涉及用于部件的增材制造的设备，该设备包括：致动装置，其用于以预定的频率或频率范围相对于结构致动基础材料或直接致动结构。提及的频率范围可以包括上面提及的第一频率(范围)和第二频率(范围)。
在实施方式中，设备被解释为执行特别有力并且快速的致动，以便实现利用所描述的基础材料的加工效果。另外，设备优选被配置成坚固的以便提供具有可接受的产品寿命的设备。
设备还包括固定装置，例如，用于固定部件的紧固件，其中，固定装置被配制成改变结构的取向。
如果其适用于结构的可能的复杂或错综的内部空间的结构，则这可以简化粉末去除或能使粉末完全去除。
与描述的方法相关的优点可以也适用于描述的部件和设备并且反之亦然。
根据下面结合附图的示例性实施方式的描述，进一步的特征、有利之处和有利的改进变得明显。
图1至图4指示根据本发明处理增材制造中结构或部件的表面的方法的不同方法步骤。
图1示出要制造的结构的设置的示意性截面图。
图2示出图1的设置的示意性截面图，其中，腔被密封。
图3示出先前附图的设置的示意性截面图，其中，结构的内表面被或已经被机械地处理。
图4示出处于变化的取向的图3的设置的示意性截面图。
附图中，相同的元素、同一种类的元素和相等作用的元素可以被设置为同一附图标记。
图1示出设备100。设备100优选地涉及优选地通过基于粉末床的技术用于部件10或结构1的增材制造的工具或增材部件(add-on)。在图1至图4中，设备100被简化地且仅部分地表示。
本文中所描述的增材制造方法优选地涉及选择性激光熔化或电子束熔化，其中，例如通过激光或电子束(在图中未明确指示)逐层固化粉末状基础材料(参见下面的附图标记2)以便构建或制造用于部件的结构。
部件10优选地是用于应用于涡轮机器例如燃气涡轮的流动路径硬件中的部件。部件10优选地是由超合金——例如用于燃气涡轮的基于镍或钴的超合金——制造。相应地选择用于结构1的基础材料2。
结构1可以构成部件。可替选地，结构1可以仅表示整个或容易制造的部件10的一部分。结构1和部件10可以被同义地引用。
设备100包括固定装置110。固定装置110可以是或包括紧固件，例如台钳，用于优选地在结构1已经(到目前为止)被增材组装或制造之后固定部件10。
固定装置110可以包括如图中指示的至少两个夹子。另外，固定装置可以优选地根据多个不同的空间取向(参见图4)而包括对技术人员已知的任何有利的固定特征件，例如，接合器(clutch)、夹持器(gripper)、心轴(arbor)或芯轴(mandrel)、螺钉、螺栓、卡钳(caliper)或适合于固定部件的任何其他装置。
此外，设备100包括致动装置120，例如振动或振荡装置。致动装置120优选被配置使得部件的结构和/或部件可以被致动成周期性致动，例如以预定频率范围的振动或振荡。所述频率范围优选地包含第一频率F1或频率范围和第二频率F2或频率范围。
致动装置120有利地被提供用于基础材料2相对于结构1(或反之亦然)的致动，以用于处理、加工或精制结构的内表面(参见下文)。
图1示出根据取向(参见以附图标记OR指示的点划线)的设备100。固定装置110影响部件10在例如致动装置120和/或设备100的另外的部分上或处的固定。
部件10包括基部11。因此，部件10优选是燃气涡轮的至少部分地中空的部件，例如，涡轮机翼(airfoil)、翼(vane)或叶片，其优选地被增材地提供有内腔。所述腔可以用作在例如涡轮的操作期间用于部件的有效冷却的冷却通道。内空间或腔相应地由示例性地指示例如提及的冷却通道的附图标记3来表示。
可替选地，其他通道(除了冷却通道之外)可以由腔3表示。
基部11可以是涡轮叶片的根部。
部件10还包括入口或开口5，借助于入口或开口5可以将部件10的外部与腔3连通。
图1中，示出的腔3或空间至少部分地由优选是粉末状和/或粒状结构的基础材料2填充。结构1和/或部件10优选由相同的基础材料制造，其中，腔中剩余的基础材料可以是优选从制造中剩余的多余的基础材料。换言之，基础材料2优选的是未例如通过开口5被引入腔3中而在增材制造期间已经被困入腔中。
部件10还包括内表面4。内表面是或包括由“锯齿形”或不均匀的形态指示的一定的粗糙度。对于相应的增材制造技术，所述形态会是不期望且固有存在的。特别地，尽管允许多个优点，但是选择性激光熔化技术(SLM)通常仅以差的表面质量为特征，这对通常不能后处理的用于涡轮机翼中的应用的内冷却通道至少可能是不足的。
图1中还示出除了粉末状基础材料2之外，可以在腔3中相应的粉末床中设置基础材料簇7。所述簇7可以通过焊接飞溅形成。示例性地，图中示出3个簇7。可替选地，可以提供仅1个簇或多个簇，例如5或10个簇或甚至更多的簇。
所述簇7和/或优选是粉末状的基础材料2可以被设计成根据烧蚀或加工、抛光和/或精制来机械地处理内表面4。
以附图标记A引用的箭头应该指示可以通过开口5将空气或压力喷射引导进入腔3中，使得例如基础材料2打旋并且从而影响内表面4的磨料加工或处理。为了这个效果，致动装置可以是磨料喷射装置。
箭头A也可以指示(额外的)加工或喷射装置可以根据本发明的构思被引入。所述装置可以包括用于例如通过喷射和/或进一步的磨料——例如可以简化或支持内表面4的机械精制或处理使得可以实现期望的表现粗糙度的沙子或玻璃珠——驱动加工的加工流体。提及的流体可以是气体或液体。例如所述流体可以是超声波加工领域中已知的。此外，本方法可以因此包括将超声波施加至例如结构和/或基础材料以用于致动。
图2示出图1的设置，即，设备100和固定至设备100的部件10，其中，提及的开口5已经由包封件6封闭或密封。包封件6可以是密封件，例如胶或多孔材料，借助其腔3优选地被制成对粉末密封和/或封闭使得即使设置被翻转或其取向改变(参见图4)，基础材料2也不能从腔中逸出。
密封可以由对技术人员已知的任何装置执行。优选地，密封被执行使得包封件6在之后例如在结构相对于基础材料2的致动之后可以容易地被释放。
例如，与图1和图2相比，图3指示“粗糙”内表面已经被机械地处理和精制，例如，研磨地磨削或抛光，其中，已经改善了粗糙度或表面质量。因此，已经生成和/或提供了特别精制和/或改善的内表面4’，其允许在其预期的操作中提高的部件的性能，例如，由于平滑的内表面几何结构而提高的冷却效率(参见上文)。
尽管图中未指示，但所制造的部件的内表面4’可以包括具有例如下至100μm或更小例如80μm或甚至更小的特征尺寸的表面特征。提及的特征优选表示预期并且由此设计的几何结构的特征，其中，所述特征已经可以优选地存在于相应的CAD中和/或参见用于部件10的模型。所述特征可以适用于旋流器(swirler)或扰流器(turbulator)，例如，其中，扰流器可以影响扰流并且提高容易制造的涡轮部件中的冷却效率。
显示的处理的内表面4’优选被精制、改善或处理使得其提供小于100μm优选小于60μm或甚至更小的表面粗糙度和平均粗糙度指数。部件10和/或结构1在通过本精制和/制造方法处理时，可以显示仅15μm的表面粗糙度或粗糙度深度。这可以特别地表示不能通过常规增材制造处理实现的表面质量。
振动致动特别地借助于图3的交叉箭头来指示，从而指示可以优选地以第一频率F1周期性致动描述的设置或结构。因此，结构10或困于腔3中的基础材料2优选周期性地搅动或运动。由于致动和/或振动以及基础材料2围绕腔3的内部涡旋的惯性，从而内表面4被加工并且精制的内表面形态4’被显示。
尽管图中未明确指示，但是本发明方法可以包括任何有利或合理的频率或频率范围(参见上文)的应用和/或调节。所述频率可以例如通过技术人员的实验容易地被确定或获知。
提及的第一频率或第一频率范围可以特别地依赖于基础材料的粉末颗粒部分和/或单个粉末颗粒的硬度。
方法还包括设置的取向OR的变化，使得可能相对于彼此倾斜的不同内表面部分可以有效地被处理。
在描述的腔的开口5还未面向上使得基础材料被困于内部的情况下，方法可以包括改变设置的取向使得开口朝向上。在这种情况下，可以省去密封开口5的处理步骤。
除了图中的指示之外，结构1可以被制造使得其例如在结构的相对侧或在结构的上侧包括多于一个开口，例如两个或更多个开口。多个开口在用于致动的磨料喷射的情况下特别有利。
图4示意性地指示本方法的步骤，其中，与目前为止描述的图相比，目前情况下设置已经被以顺时针方向转动或旋转(参照箭头B)例如90°，即从取向OR至OR’。多个可能不同的另外的取向可以在致动期间被应用至部件或设置。
此外，包封件6已经至少部分地被去除，使得腔3内部的基础材料已经或可以从腔3中被去除(参见箭头C)。簇7也可以通过开口去除。图4中跨过开口5示出的实线仅指示腔3的轮廓和/或在其中还没有基础材料2从腔中被去除的情况。
开口5可以在描述的致动之前部分或全部地被封闭。在致动之后，开口可以被开封以便去除基础材料2。
为了在机械处理的步骤之后有效去除基础材料，可以有必要将另一振动或搅动施加至设置，特别是施加至结构。所述振动或另一运动或致动也可以由致动装置120施加。特别地，针对或在从腔3中去除基础材料2期间，第二频率F2或频率范围可以被应用至结构。
优选地，提及的第二频率小于第一频率。
第一频率和频率范围F1可以包括从几kHz至例如1Hz的频率。
第二频率F2可以包括相同的频率或频率范围，即，F2可以等于F1。然而，优选地，选择第二频率小于第一频率，使得基础材料可以有效地从腔3中被去除。可以提供在结构1相对于基础材料2以第二频率F2的致动之内，整个设置和/或结构1仅非常慢地被致动，但优选地具有从一个位置至另一个位置的相当大的振幅或动量。
第二频率F2可以仅相当于mHz(毫赫兹)，其中，整个设置可以根据本发明被调谐成多种空间取向(参见下文)。
优选地，本方法允许以这种方式如图中所示完全从腔中去除基础材料。
第一频率和/或第二频率可以优选地特别地针对相应的致动的预期目的——即加工内表面4和/或从腔3中去除基础材料2——来进行调谐。特别地，可以根据基础材料2或其颗粒部分的磨料性质和/或结构的材料、几何结构和/或可接受的表面性质来调谐致动，例如调谐提及的第一和第二频率。
尽管图中未指示，但是描述的增材制造方法可以描述在基础材料已经被用于内表面4、4’的精制和/或基础材料2已经从腔3中被去除之后进一步的构建或制造步骤。
本发明的保护范围不限于上文中给出的示例。本发明体现在每个新颖特征和特征的每个组合中，其特别地包括权利要求中陈述的任何特征的每种组合，即使这种特征或特征的这种组合在权利要求或示例中未明确陈述。

Claims (8)

1.一种处理表面以用于增材制造的方法，包括以下步骤：
通过用粉末状基础材料(2)的床进行增材制造来组装用于部件(10)的结构(1)，使得所述结构(1)被设置有内表面(4)并且所述粉末状基础材料(2)覆盖所述内表面(4)的至少一部分，以及
相对于所述结构(1)致动所述基础材料(2)使得所述内表面(4)通过所述基础材料(2)被机械地加工，其中，所述结构(1)包括由所述内表面(4)限定的腔(3)，其中，所述基础材料(2)被保留在所述腔(3)中，其中，在所述致动之后，所述基础材料(2)被从所述腔(3)中去除，以及其中，所述基础材料(2)首先被以第一频率(F1)进行致动，并且在所述基础材料(2)的这个第一致动之后，所述基础材料(2)被以不同于所述第一频率(F1)的第二频率(F2)进行致动，其中，所述第二频率(F1)被选择为使得所述基础材料(2)能够被从所述腔(3)中去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构(1)在空间中的取向(OR)在所述基础材料(2)的致动期间变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据所述基础材料(2)的磨料性质来调谐所述第一频率(F1)以及根据所述结构(1)的材料和几何结构来调谐所述第二频率(F2)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第二频率低于所述第一频率。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，针对所述致动，封闭所述腔(5)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其包括在所述基础材料(2)的所述第一致动之后，打开所述腔(5)，使得所述基础材料(2)能够被从所述腔(5)中去除。
7.一种通过根据前述权利要求中的一项所述的方法由结构制造的部件(10)，还包括经处理的内表面(4)，其中，所述内表面(4)包括小于60μm的表面粗糙度。
8.一种用于根据权利要求7所述的部件的增材制造的设备(100)，包括：
致动装置(120)，用于以预定义的频率相对于所述结构(10)致动所述基础材料(2)，以及
固定装置(110)，用于将所述部件(10)固定至所述致动装置(120)，其中，所述固定装置(110)被配置成改变所述结构的取向。
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