CN109789487B - 通过增材制造来制造导电材质的部件的方法 - Google Patents

Abstract

通过对粉末床进行增材制造来制造导电材质的至少一个部件(8)的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：通过第一增材制造机器在支撑板上逐层地制造部件，所述部件由与所述支撑板相对且与所述支撑板隔开的外轮廓表面部分界定，以及通过部件的至少一个支撑材料桥连接到所述支撑板；将参考元件(51)设置在支撑板上且设置在预定位置；将所述支撑板安装在用于切割所述至少一个部件的第二机器(60)上；以及使用所述第二机器的金属丝(62‑66)通过放电加工以如下方式切割所述至少一个部件，所述方式即：使金属丝在所述至少一个部件和所述支撑板之间沿着所述表面部分并在所述表面部分的高度处穿过。

Description

通过增材制造来制造导电材质的部件的方法

技术领域

本发明涉及一种通过尤其是对粉末床进行增材制造来制造导电材质的部件及部件的用于机加工式再加工的参考框架的方法。

背景技术

已知特别是在航空领域通过增材制造来制造部件。存在不同的技术，其中一种技术包括借助于诸如激光束的高能束来熔化粉末(SLM技术，(Selective Laser Melting(选择性激光熔化)的首字母缩写)。在实践中，将粉末床放置在支撑板上并通过激光束扫描以逐层生产部件，熔化粉末的第三层布置在第二层上方，第二层本身布置在第一层上方。

支撑板与粉末的类型相同，并且用作起始表面和悬挂表面，然后作为在该支撑板上制造的部件的参考。之后将该部件焊接到支撑板上，并且必须在制造结束时将该部件移走。

通常通过在平行于支撑板的平面中切割部件来实现部件与支撑板的分离。该部件通常由机器进行再加工以使其处于预定的侧面的状态。切割可以通过使用EDM(ElectricalDischarge Machining(放电加工)的首字母缩写)技术进行锯切或电腐蚀来完成，该技术具有减少部件上的机械力的优点。

当精确地知道待切割的部件的空间位置时，且由此当知道部件根据XYZ参考的坐标时，实施EDM技术。然而，通过SLM进行的增材制造不允许使用当前技术监控这些参考。因此，通常尽可能地靠近支撑板进行切割，并且所切割的部件通过机加工进行再加工，这需要将切割的部件安装在长而且昂贵的再加工机器上。

因此，需要通过遵循精确的和工业上可应用的轮廓的切割技术来简化通过增材制造而生产的部件与支撑板的分离，以便限制或甚至消除部件再加工的后续操作。

为解决该问题，本发明提供了一种简单、有效和具有成本效益的方案。

发明内容

为此，本发明提出了一种通过对粉末床进行增材制造来制造导电材质的至少一个部件的方法，该方法包括以下步骤：

a)借助于第一增材制造机器在支撑板上逐层地制造所述至少一个部件，所述部件由外轮廓表面的面向所述支撑板且与所述支撑板隔开的部分界定，并且所述部分通过部件的至少一个支撑材料桥连接到所述支撑板，

其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

b)借助于所述第一增材制造机器在支撑板上在与所述部件间隔开的预定位置制造参考元件，使得所述至少一个部件位于关于所述参考元件的空间中，

c)将所述支撑板安装在用于切割所述至少一个部件的第二机器上，并根据所述参考元件的位置将支撑板定位在所述机器上，

d)使用来自所述第二机器的金属丝通过放电加工以如下方式来切割所述至少一个部件，所述方式即：使金属丝在所述至少一个部件和所述支撑板之间沿着所述表面部分并在所述表面部分的高度处穿过。

因此，根据本发明的方法使用两个机器，即，第一增材制造机器和第二放电加工切割机器。根据本发明，单个板在部件的制造期间和切割期间用作部件的支撑件。为此，支撑板包括参考元件，该参考元件使得部件能够精确地定位在支撑板上，这有利于切割操作。实际上，由于参考元件，安装在第二机器上的支撑板允许第二机器精确地知道部件的位置以对部件进行切割。然后可以根据复杂的轨迹且特别是不平行于支撑板地执行对部件的切割。切割可以在部件的成品侧面进行。因此，本发明允许消除现有技术的在切割部件之后的操作，并且这些操作特别地包括根据XYZ参考精确地定位部件和通过机加工对部件进行再加工。

根据本发明的方法可以包括以下特征或步骤中的一个或多个，以下特征或步骤独立于彼此采用或彼此组合采用：

-在步骤a)之前、期间或之后执行步骤b)，

-在步骤a)中同时制造多个相同的部件，并且多个相同的部件包括彼此对齐的外轮廓表面部分，使得在步骤d)中所述金属丝同时切割所有的部件，

-所述部件或所述部件中的每一个在步骤a)中被制造成具有至少一个支撑柱，该支撑柱在步骤d)中通过切割去除，

-所述至少一个支撑柱至少部分地填充所述部件的或所述部件中的每一个的至少一个通孔，

-所述表面部分或所述表面部分中的每一个不平行于所述支撑板，

-所述材料桥与所述表面部分或所述表面部分中的每一个形成凹部，所述凹部具有厚度，该厚度配置为有利于在步骤d)中通过所述金属丝进行的机加工或切割的开始或甚至通过所述金属丝进行的切割的结束，以及

-所述参考元件与一个或多个部件同时生产或相继生产。

附图说明

当阅读通过非限制性示例并且参考附图进行的以下描述时，将会更好地理解本发明并且本发明的其他细节、特征和优点将更清楚地显现，在附图中：

-图1是粉末床的增材制造机器的非常示意性的视图，

-图2是用根据本发明的方法生产的部件的透视示意图，

-图3至图5表示使用第一增材制造机器进行部件生产的步骤，

-图6和图7表示用第二机器进行部件切割的步骤，和

-图8是通过图3至图7中所示的步骤获得的部件之一的示意性透视图。

具体实施方式

部件的增材制造有两种类型：该部件是通过连续沉积熔化材料生产的，或者该部件是通过对粉末床进行选择性熔化而生产的，如图1所示。

图1中的机器6允许通过用高能束选择性地熔化粉末层来制造部件8，例如航空部件。

机器6包括：供料盘10，供料盘包含导电材料的粉末；辊12，该辊用于将该粉末从该盘10转移，并将该粉末的第一层14散布在结构支撑盘16上(结构支撑盘可以是固体支撑物、另一部件的一部分、或者用于帮助某些部件的构建的支撑网格)。

机器6还包括回收箱18，该回收箱用于在将粉末层散布在支撑板16上之后回收一部分用过的粉末(特别是未熔化或未烧结的粉末)和大部分过剩的粉末。因此，在回收箱18中的大部分粉末由新的或回收的粉末组成。此外，该回收箱18通常称为专业溢流箱或灰烬箱。

机器6还包括激光束22的发生器20和控制系统24，该控制系统能够将该束22引导到支撑板16的任何区域上，以便扫描具有粉末层的任何区域。激光束的成形和激光束在焦平面中的直径的变化分别由束扩张器26和聚焦系统28完成，这整体构成光学系统。

这种对粉末施加与直接金属沉积方法或DMD(Direct Metal Deposition(直接金属沉积)的首字母缩写)相当的方法的装置可以使用任何高能束而不是激光束22，只要该束的能量足以在第一种情况下进行熔化或在另一种情况下使得在粉末颗粒与材料的搁置有颗粒的部分之间形成套环或桥。

辊12可以由另一种合适的分配系统代替，该分配系统例如是与刮刀、刀或刷子相关联的卷筒(或料斗)，适于将粉末以层的方式转移和散布。

控制系统24包括，例如，至少一个可转向的镜子30，激光束22在到达粉末层之前在该镜子上被反射，该镜子的表面上的每个点总是与包含在聚焦系统28中的聚焦透镜位于相同的高度，该镜子30的角位置由电流测定头控制，使得激光束扫描第一粉末层的至少一个区域，并因此遵循预先建立的部件轮廓。

机器6以下列方式操作。辊12用于将材料的粉末的第一层14施加到支撑板16上，该粉末在辊12向前移动期间从给料盘10转移，然后粉末在辊12的一次(或多次)返回移动期间被刮削，并且可能被稍微压实。过剩的粉末回收在回收箱18中。通过用激光束22扫描，使粉末的第一层14的区域达到比这种粉末的熔化温度(液相线温度)更高的温度。根据用于待制造部件的计算机辅助设计和制造的计算机工具的数据库中所包含的信息来控制电流检测头。因此，第一层14的该区域的粉末颗粒32被熔化并形成呈一体件的第一束带层34，该第一束带层与支撑板16成一体。在该阶段，也可以用激光束扫描独立于该第一层的多个区域，以在材料熔化并固化之后形成多个彼此分离的第一束带层34。支撑板16被降低一高度，该高度对应于第一层的已经限定的厚度(在20μm到100μm之间，通常在30μm到50μm之间)。待熔化或固结的粉末层的厚度从一层到另一层保持一可变值，因为该厚度高度地取决于粉末床的孔隙率及粉末床的平坦度，而支撑板16的预编程位移除了空隙之外是不变的值。然后将粉末的第二层36施加到第一层14和第一束带层34上，然后第二层36中的部分地或完全地位于该第一束带层34上方的区域通过暴露于激光束22而被加热，使得第二层36的该区域的粉末颗粒与第一束带层34的至少一部分熔化并形成呈一体件的或固结的第二束带层38，因此，这两个束带层34和38整体形成一块体。为此，一旦该第二束带层38的一部分与第一束带层34结合，第二束带层38就有利地已经完全结合。应当理解，根据待建立的部件的轮廓，特别是在底切表面的情况下，第一层14的上述区域可以不(甚至部分地)位于第二层36的上述区域下方，使得在这种情况下第一束带层34和第二束带层38不形成呈一体件的块体。于是通过在已形成的组件上增加附加的粉末层来继续部件的该逐层构建方法。利用束22进行扫描使得能够通过根据待生产部件的几何形状赋予每个层一形状来构建每个层。当部件的上层被建立时，部件的下层冷却得更快或不那么快。

为了减少部件例如在如上文所述的逐层制造部件期间被溶解氧、氧化物或其他污染物污染，该制造必须在具有受控程度的湿度且适配于该方法/材料组合的封闭部中进行，该封闭部相对于所考虑的材料填充有中性气体(非反应性气体)，例如氮气(N₂)、氩气(Ar)或氦气(He)，可加入或不加入少量以降低能量著称的氢气(H₂)。也可以考虑这些气体中的至少两种的混合物。为了防止污染，特别是防止被来自周围环境的氧气污染，通常将该封闭部置于超压下。

因此，根据当前的现有技术，选择性熔合或选择性激光烧结允许建立具有良好尺寸精度的低污染部件，该部件的三维几何形状可以是复杂的。

选择性熔合或选择性激光烧结优选进一步使用球形形态、干净的(即未被来自合成的残余元素污染)、非常精细(每个颗粒的尺寸在1μm到100μm之间，优选在45μm到90μm之间)的粉末，这允许获得成品部件的优异表面状态。

与模制成、注入成或机加工成质量体部件相比，选择性熔化或选择性激光烧结还允许减少制造时间、成本和固定成本。

图2和下文说明了根据本发明的方法的实施例。

图2示出了可以使用机器6制造的部件8的示例，该部件8在此具有复杂的形状。该部件具有大体平坦的和厚的形状，具有大致马铃薯形状的轮廓。因此，该部件具有大致平行的两个面(分别是前部面40和后部面42)，以及具有遵循上述轮廓且同时大致垂直于上述面40、42的轮廓表面44。在此，面40、42在所示的示例中是大致竖直的。

部件8还包括大致圆柱形的通孔46，通孔的端部分别通向前部面40和后部面42这两个面。

部件8的轮廓表面44包括面向下的下部部分44a和面向上的上部部分44b。

图3所示方法的第一步骤包括使用诸如图1所示的增材制造机器6来在支撑板16上生产图2的部件8。具有复杂形状的部件8必须被支撑以防止该部件因制造限制而坍塌。因此，该部件的轮廓表面的面向支撑板16的下部部分44a通过该部件的至少一个支撑材料桥48连接到支撑板。材料桥48在此是大致竖直的并且延伸遍及该部件8的整个厚度。以相同的方式，孔46的内圆柱形表面的上部部分46a通过大致竖直的支撑柱50连接到该圆柱形表面的下部部分46b以支撑沿竖直方向位于孔46上方制造的材料。

应当理解，只要该部件未被切割，轮廓表面44的下部部分44a就是假想部分。上述材料桥48延伸遍及该部分44的整个范围，即延伸直到部分44a、44b的连接区域。在这些连接区域中，材料桥48包括过大的厚度，以便形成凹部52，从而有助于通过例如由黄铜制成的金属丝进行切割的参考设定，这将在下面更详细地说明。

如图4所示，可以在支撑板16上同时制造多个相同的部件8。在此，多个部件8通过并排布置并且彼此间隔开来制造。该多个部件8被布置成使得该多个部件的轮廓表面44对齐以及使得该多个部件的孔46对齐。

可以在部件8的制造步骤之前、期间或之后进行该方法中的另一步骤，该另一步骤是将参考元件51设置到支撑板上。在所示的示例中，参考元件51是在部件8附近施加到支撑板16的上部面上的条带。参考元件在此大致平行于孔46的轴线或部件轴线延伸。参考元件具有大致矩形的横截面。

有利地，参考元件51与部件8同时制造，于是通过增材制造来制造。因此，与增材制造机器6相关联的计算机系统准确地确定了部件8和参考元件51的相对位置。

在通过增材制造完成部件8之后，将支撑板16从第一机器10拆卸并安装到用于放电加工切割的第二机器60上。该机器部分地且非常示意性地由图6中的角形托座表示。

支撑板16在正交XYZ系统中精确地定位在机器60上。参考元件51使得板16能够在机器60上处于精确位置。为此，机器60可以配备有探针或包括被配置成邻接参考元件51的器件。然后，板16沿Y轴线和Z轴线平移移动和/或围绕X轴线旋转移动，直到参考元件正确定位并且其位置由与机器60相关联的计算机系统记录。然后将板16用凸缘连接到角形托座上。

部件8相对于参考元件51的位置是已知的，并且部件的形状和尺寸也是已知的。该数据记录在机器60的计算机软件中，这使得其能够确定切割金属丝轨迹。

通过放电加工进行切割，向金属丝供给电流。金属丝移动到待切割的材料中，并且材料(导电的)和金属丝之间的放电导致材料通过放电加工而被切割。

材料桥48优选地在凹部52的高度处具有至少等于1mm的厚度(在所考虑的部件8的平面中测量)，以允许切割金属丝46在部件和支撑板之间穿过，在所示的示例中，金属丝的直径至多等于1mm。

在图7所示的示例中，在两个连续的步骤中，首先将金属丝(由虚线62示意性地表示)插入部件的由柱50部分地封闭的孔46中，并且金属丝绕孔46的轴线移动，以在柱的端部对柱进行切割并因此限定出部件的孔46的圆柱形表面。

然后，金属丝(由虚线64示意性地表示)通过如下方式沿着部件的部分44a移动，所述方式即：首先在部件8的一侧上的凹部52的高度处接合金属丝和通过相对侧上的凹部完成切割(输出金属丝由虚线66示意性地表示)。

这导致一系列部件8被切割成成品侧面，例如图8中所示的成品侧面。

Claims (7)

1.一种通过对粉末床进行增材制造来制造导电材质的至少一个部件（8）的方法，所述方法包括以下步骤：

a）借助于第一增材制造机器（10）在支撑板（16）上逐层地制造所述至少一个部件，所述部件由外轮廓表面（44）的面向所述支撑板且与所述支撑板隔开的部分（44a）界定，并且所述部分通过所述部件的至少一个支撑材料桥（48）连接到所述支撑板，

其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

b）借助于所述第一增材制造机器（10）在所述支撑板上在与所述部件间隔开的预定位置制造参考元件（51），使得所述至少一个部件位于关于所述参考元件的空间中，

c）将所述支撑板安装在用于切割所述至少一个部件的第二机器（60）上，并根据所述参考元件的位置将所述支撑板定位在所述第二机器上，

d）使用来自所述第二机器的金属丝（62-66）通过放电加工以如下方式来切割所述至少一个部件，所述方式即：使所述金属丝在所述至少一个部件和所述支撑板之间沿着所述外轮廓表面（44）的所述部分（44a）并在所述外轮廓表面（44）的所述部分（44a）的高度处穿过。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a）中同时制造多个相同的部件（8），并且所述多个相同的部件包括彼此对齐的外轮廓表面（44）的部分（44a），使得在步骤d）中所述金属丝（62-66）同时切割所有的所述部件。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，所述部件（8）或所述部件中的每一个在步骤a）中被制造成具有至少一个支撑柱（50），所述至少一个支撑柱在步骤d）中通过切割去除。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述至少一个支撑柱（50）至少部分地填充所述部件（8）的或所述部件中的每一个的至少一个通孔（46）。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述外轮廓表面（44）的所述部分（44a）或每个所述外轮廓表面（44）的所述部分（44a）不平行于所述支撑板（16）。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述材料桥（48）与所述外轮廓表面（44）的所述部分（44a）或每个所述外轮廓表面（44）的所述部分（44a）形成凹部（52），所述凹部（52）具有厚度，所述厚度被配置为有助于在步骤d）中通过所述金属丝进行的切割的开始或甚至是通过所述金属丝进行的切割的结束。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述参考元件（51）与一个或多个所述部件（8）同时生产或相继生产。

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