CN109996627A - 用于增材制造构件的方法和计算机可读介质 - Google Patents

用于增材制造构件的方法和计算机可读介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造构件(10，10a，10b，10c)的方法，所述方法包括下述步骤：测得所述构件的待增材制造的第一区域的构件几何形状；将从测得的构件几何形状推导出的构造几何形状(7，7a，7b，7c)转移到建造平台(1)的加工区域(4)中；在所述加工区域(4)中机械地加工所述建造平台(1)，使得所述构造几何形状(7)转移到所述建造平台(1)的结构中，使得通过所述构造几何形状(7)限定用于所述构件(10)的构造面(AF)；以及在所述构造面(AF)上增材构造所述构件(10)。此外提出一种计算机可读介质。

Description

用于增材制造构件的方法和计算机可读介质
技术领域
本发明涉及一种用于增材制造构件的方法和一种计算机可读介质，包含可执行的程序指令。所述方法能够是增材制造法的一部分或者是用于增材制造构件的辅助方法或者准备方法。
背景技术
生成式或者增材制造法例如包括选择性激光熔化(SLM)或者激光烧结(SLS)或者电子束熔化(EBM)作为粉末床法。激光沉积焊接(LMD)同样属于增材法。
增材生产法(英语是“additive manufacturing”)对于繁复地或者复杂地或者精细设计的构件，例如迷宫式结构、冷却结构和/或轻型结构而言已证实是尤其有利的。特别地，增材生产法通过尤其短链的工艺步骤是有利的，因为构件的制造或者生产步骤能够直接基于相应的CAD文件来进行。
此外，增材生产对于研发或者制造原型是尤其有利的，所述原型例如出于成本原因借助于传统的减材或者切削法或者铸造技术无法提供或者无法有效提供。
尽管增材生产法在工业上越来越重要，但是在工艺经济性尤其构造时间中存在困难。这尤其适用于承受高温负荷的构件的区域。
用于选择性激光熔化的方法例如从EP 2 601 006B1中已知。
由于生产上的原因，此外受到增材构造一定的过量区域的约束，所述过量区域作为用于原本的构件的支撑部或者基底，以便为了之后分离和/或精加工所构造的构件而具有间隙，一方面用于(与基底)分离，而另一方面用于机械的精加工，所述机械的精加工在精细的、高复杂度的部件中通常总是需要的。然而，由于实心的“支承部”或者过量区域通常必须整面地构造到建造平台或者所述建造平台的相应设置的例如5mm的区域上，所以构造所述实心的“支承部”或者过量区域需要尤其多的时间还有成本。如果所提到的构件由高性能材料制成，那么这尤其意味着高的成本。特别地，镍基合金和/或超合金的成本是高的。
发明内容
因此，本发明的目的是，提出一种机构，借助于所述机构能够克服所提到的缺点。特别地，介绍一种方法，借助于所述方法能够至少部分地或者局部地规避或者限制所提到的“支承部”的增材构造，从而能够显著地节省成本和构造时间。
该目的通过独立权利要求的主题实现。有利的设计方案是从属权利要求的主题。
本发明的一个方面涉及一种用于增材制造构件的方法，所述方法包括：测得构件的待增材制造的第一区域的构件几何形状。替选于此，能够在制造多个构件时相应地也测得多个构件几何形状。
所述方法优选是基于粉末床的方法，优选选择性激光熔化、选择性激光烧结或者电子束熔化。所提到的方法的共同之处是唯一的限定的构造方向。
第一区域优选表示沿着构造方向首先构造的一个或少数几个层的构件区域。第一区域能够相应地表示构件的底部区域。
所述方法还包括：将从测得的构件几何形状推导出的构造几何形状传递或者转移到建造平台的加工区域中。
加工区域优选是建造平台的区域，例如沿着所提到的构造方向的区域。加工区域优选还是如下区域，在所述区域中，建造平台在后续步骤中能够被机械地(切削)加工。
在一个设计方案中，在转移测得的构件几何形状时推导构造几何形状，其方式是，使构造几何形状设有预定的或者预先确定的横向加工余量。
所述方法还包括所述建造平台在加工区域中或者所述加工区域的横向部段中的机械加工，尤其切削加工，例如通过铣削来去除，使得构造几何形状被转移到建造平台的结构中，更确切地说，使得通过构造几何形状来限定用于构件的构造面。
所述方法还包括：在构造面上增材构造构件。在此，增材构造能够是后续的热处理，例如用于降低已在构造期间生成的机械应力。
投影构件几何形状，至少在构件的下部部分中投影构件几何形状，和/或将构件几何形状转移到基底中的优点，在与机械加工共同作用的情况下有利地实现：替代昂贵的、本来必须以耗费的方式增材构造的构件原料(如在上文中所描述的那样)，执行分离步骤，以将构件分离和/或在基底或者建造平台的材料中进行机械精加工。因为建造平台的结构总归存在并且所述材料与昂贵的待增材构造的原料相比本就大多是更便宜的，所以能够有效地不仅决定性地降低用于整个构造过程的构造时间而且能够避免用于加工区域的昂贵的基础材料的“浪费”。作为另外的优点，平台的原料与尤其经硬化的构件材料相比通常同样可更容易地机械加工。由此，至少针对一些分离方法产生优点。
特别地，在例如用于燃气轮机的热气区域的原料复杂且昂贵的情况下，尤其因所需要的对构件合金的热处理，建造平台无论如何都无法使用或者不能总是再次使用，使得机械地去除建造平台的材料是可容忍的或者不意味着缺点。
在一个设计方案中，测得构件几何形状和/或转移构造几何形状是计算机辅助的和/或通过数据处理程序例如软件来执行。所述程序和/或软件能够是光学检测或者扫描法的软件，或者是设计软件。在此，能够使用设计数据(例如CAD/CAM数据)，所述设计数据在增材生产的范畴中通常在原本的建造工艺之前就已经以划分成构造层(“slicing”，分片)的方式存在。
在一个设计方案中，投影所推导出的构造几何形状，通过数据处理程序或者软件自动地或者半自动地输出给用于紧接着机械加工建造平台的工具，例如CNC铣刀或者其他相应的工具。
与之相应地，所描述的方法能够至少部分地由计算机执行。
在一个设计方案中，机械加工通过铣削或者切割来执行。
在一个设计方案中，加工区域是建造平台的表面处的过量区域，在所述过量区域上或在所述过量区域中，在构造构件之后，能够执行所述构件的分离，还有用于所述构件的机械精加工或者所述构件的机械精加工。换言之，用于所述分离和精加工的过剩材料已经设置在建造平台的结构中，并且这优选自动地通过软件或者机械控制装置来测得和输出。
在一个设计方案中，所述方法——在增材构造之后——包括将(所构造的)构件与建造平台在加工区域中分离，尤其通过下述方法中的至少一个：侵蚀、锯割、铣削、磨削和击落。
在一个设计方案中，在转移时，加工区域的厚度依据用于之后分离构件的分离方法(见上文)来选择，并且针对所述厚度自动地提出对值的选择。所提出的值例如能够随后由用户或者操作人员根据对加工的特定要求来选择。
在一个设计方案中，加工区域的厚度，优选平行于构造方向测量，在3mm和10mm之间，尤其为5mm。该设计方案通常实现足够的间隙，以便不仅设置分离步骤，而且能够执行机械精加工。
在一个设计方案中，增材构造通过基于粉末床的方法，尤其通过选择性激光熔化进行。
在一个设计方案中，建造平台的已通过机械加工而露出的表面区域通过用于构件的粉末状的基础材料覆层，而不像在传统的增材法中常见的那样使建造平台逐层地下降。
在一个设计方案中，构件在增材构造期间设有空腔。
在一个设计方案中，构件被构造为，使得空腔仅在朝向建造平台的一侧上(在内腔中)是打开的。
在一个设计方案中，在随后将所构造的构件与建造平台分离之前并且在对构件进行热处理之前，将空腔机械地打开，例如通过钻孔或者锯割，使得能够将用于构件的、相应地在增材构造期间已包围在空腔中的粉末状的基础材料穿过建造平台移除。
该设计方案实现：优选在热处理之前并且在分离步骤之前(将构件与建造平台分离)，放弃对构件固体的机械的切削加工。由此，又能够预防构件中的裂纹形成或者甚至预防破坏，因为该构件在增材构造和相应的冷却之后最有可能强烈地张紧或者在其它方面承受机械负荷。
通常在分离构件之前进行热处理的原因是基底板的稳定作用。优选实心的基底板保持所构造的构件。在SLM工艺中产生的固有应力，在没有所谓的“去应力退火”、即释放应力的热处理的情况下分离时，会导致构件形状的不可逆的变形。
大多较软的基底或者平台材料的机械加工在此是不太危险的。由此，所介绍的方法主要首先实现从构件的所描述的内部的空腔中移除粉末，而不出现因裂纹引起的破坏的危险。
在热处理时尽管在构造期间所产生的应力再次降低，但是粉末随后也可能烧结，由此其可能再也无法从空腔中移除。
在一个设计方案中，建造平台包括钢作为主组成部分。
在一个设计方案中，构件由超合金和/或镍基合金制造。
在一个设计方案中，所述方法包括：并行地增材构造多个构件，其中测得多个构件几何形状并且相应地将多个所推导出的构造几何形状投影或者转移到加工区域中。此外，根据多个构造几何形状机械加工建造平台，并且在相应的构造面上增材构造多个构件(如在上文中根据一个构件所描述的那样)。
本发明的另一方面涉及一种计算机可读介质，包括可执行的程序指令或者命令，所述程序指令或者命令适合于，使数据处理装置或者计算机执行所描述的方法，然而至少执行所描述的测得和转移。
本发明的另一方面涉及一种计算机程度产品，所述计算机程序产品包括可执行的程序指令或命令，在程序通过计算机或者数据处理装置运行时，所述程序指令或命令使该计算机或者数据处理装置实施所描述的方法，然而至少实施所描述的测得和转移。
当前涉及所述方法的设计方案、特征和/或优点还能够涉及计算可读介质，或者相反。
附图说明
本发明的其它细节接下来根据附图来描述。
图1示出在建造平台上至少部分地构造的构件的示意性剖视图。
图2示出根据本发明在建造平台上至少部分地构造的构件的示意性剖视图。
图3示出建造平台的示意性的俯视图，在所述建造平台上已根据本发明至少部分地构造了多个构件。
图4示出示意性的流程图，所述流程图表明根据本发明的方法的方法步骤。
在实施例和附图中，相同的或者起相同作用的元件能够分别设有相同的附图标记。所示出的元件和其彼此间的大小关系原则上不视为按比例的和/或为了更好的理解以夸大地厚或大的尺寸示出。
具体实施方式
图1示出建造平台1。在建造平台1上设置有构件10。构件10已借助于增材制造法至少部分地构造在建造平台1上，优选借助于基于粉末床的方法，如选择性激光熔化或者其他方法。
构件10优选设置用于在流体机械中使用，优选在燃气轮机的热气路径中使用。构件优选由镍基合金或者超合金构成，尤其镍基或者钴基的超合金。合金能够是沉淀硬化的或者是可沉淀硬化的。与之相应，能够对构件10提供尤其粉末状的基础材料。
根据图1描述的方法能够是现有技术的方法。
根据构件10的上部区域中的水平的虚线要表明的是：构件由各个层16构造或者逐层地构造，或通过逐层地固化各个所涂覆的粉末层来构造。所述固化优选相应地通过激光射束或者电子束来进行，如在上文中所描述的那样。
构件10在右边部段中具有空腔8。空腔8例如仍通过粉末状的基础材料15填充，所述基础材料根据构件的几何形状未固化。在区域20中，基础材料15例如通过吹出而后续地移除。因为空腔8仅向着朝向建造平台1的一侧敞开，或者至少在分离之后在该处应当具有开口，所以粉末15无法从空腔8中移除。
构件10在三个横向部段中示出，所述横向部段在结构上不是连贯的。然而，构件优选以未完全构造的方式示出。换言之，构件10能够在上部部分中构造为，使得构件10的三个部段在结构上组合在一起。构件还具有加工区域14。加工区域是构件10的如下区域，所述区域沿着构件的构造方向AR延伸。
加工区域14能够是过量区域。加工区域14还包括精加工区域12和分离区域13。在精加工区域12中，构件优选在与建造平台1分离之后通过适宜的方法精加工。精加工能够是表面处理或者甚至是对构件的相应表面的进一步的切削加工。
与此相对地，在分离区域13中，优选采用分离步骤，以将构件10与建造平台1分离。特别地，构件10能够通过锯割、铣削、磨削、侵蚀和/或紧接着的击落与建造平台1分离。
加工区域14的厚度D例如能够在3mm和10mm之间，尤其为5mm，以便给分离步骤提供足够的间隙。也就是说，在标称层厚度为40μm时，可能需要125个覆层和固化过程。在增材制造期间每层的持续时间为1分钟时，这可能意味着超过两小时的时间耗费。
按照根据图1所描述的方法，用于构件10的底面的整个加工区域14必须一起增材构造，虽然其之后要么通过分离要么通过精加工再次移除。因为按照标准通过选择性激光熔化所构造的构件的常见的层厚度在20μm和40μm之间的区域中，所以对于5mm厚的加工区域而言必须耗费地由粉末固化至少150个材料层(在不考虑焊接收缩量的情况下)。待随后再次移除的材料的这种耗费的材料构造不仅仅出于时间原因是不利的。由于构件材料常常是特别牢固和可负载的，所以材料在加工区域14中的分离或者精加工此外因材料特性而变得困难。
所述问题的根据本发明的解决方案根据下述附图来描述。
特别地，图2相对于图1示出如下情况，其中构件10已经在不“浪费”宝贵的材料和构造时间的情况下构造，其中加工区域4已经设置在建造平台1的结构中。
也就是说，在所描述的方法的范畴中，首先测得构件几何形状，尤其构件沿着待固化的第一层或者待增材制造的第一区域的几何形状(参见图4中的方法步骤a))。这能够通过光学扫描法和/或在软件方面来实现，其中也能够简单地考虑使用CAD数据(计算机辅助设计)和/或CAM数据(计算机辅助制造)。待增材制造的第一区域例如也能够仅是用于构件的待固化的第一材料层。
在本发明的范畴中也提出，将所描述的整个功能性加入到用于相应的制造设施的相应的控制软件中。在控制和/或设计软件中，或者在将所描述的方法相应地以计算机实现到设施硬件中时，例如也能够准备制造工艺，即，包括使构件在建造平台上定向和定位的制造工艺。
所述区域此时在数据方面，优选自动地经由软件或者数据处理程序经由所推导出的构造几何形状7转移或者投影到建造平台1的加工区域上(参见图4中的方法步骤b))。
构造几何形状7的投影也能够通过数据处理程序自动地输出给用于建造平台1的接下来的机械加工步骤的工具。
所述方法紧接着包括机械的加工(参见图4中的方法步骤c))，尤其在建造平台的横向区域中切削加工建造平台1，其中构件几何形状尚未转移到所述建造平台中。由此，在加工区域4中露出建造平台1的表面区域5，所述表面区域对于增材构造构件而言，尤其在第一构件层固化之前，必须通过基础材料15填充或覆层(所述状态在图2中未详细示出)。
然而，所提到的覆层能够从上方进行，也就是说，例如通过填入出自设置在建造平台上方的粉末储备器的粉末进行，或者通过标准的涂布机进行，在此期间建造平台1优选不下降，因为构造几何形状7(如在上文中所描述的那样)已经产生。
换言之，(在对应于加工区域4的厚度时)第一个5mm对应于构件的待增材制造的第一层作为期望几何形状被转移到建造平台1上。
结果是在建造平台1中的构造几何形状7，所述构造几何形状提供构造面AF作为用于接下来待增材构造的构件10的制造面。然而，在此——相对于图1的状态——能够有利地使用基底材料来提供加工区域。与之相应地，在图2中构件10的结构直接地在加工区域4的平台结构上示出。
类似于对图1的描述，加工区域4沿着构造方向AR首先包括分离区域3和在该分离区域上方的精加工区域2，在所述精加工区域中能够后续地执行建造平台1针对构件10的分离和/或(机械的)精加工。
相应地，所述方法还包括在构造面AF上增材构造构件(参见图4中的方法步骤d))。这也能够包括热处理(参见图4中的方法步骤dd))，所述热处理尤其在由超合金加工构件时是无法避免的，以便降低在构造期间所产生的应力，所述应力因高的参与温度和温度梯度产生。
如在图1中所示出的那样，构件10同样构造有空腔8，所述空腔应当仅向下，即在朝向建造平台1的一侧上具有开口。
在图2中所示出的状态优选对应于在根据本发明的方法中在步骤d)和e)之间或者dd)和e)之间的时间点(参见图4)，也就是说，在紧接着的分离步骤之前，在所述分离步骤中，将构件10与基底板或者建造平台1分离(参见上文以及图4中的方法步骤e))。
所描述的方法，如在图2中所表明的那样，能够包括另一方法步骤(参见图4中的方法步骤ddd))，其中建造平台1连同加工区域4以及构件10的一部分从下方，也就是说，通过建造平台机械地打开，例如钻孔或者铣削，以便将粉末或者基础材料15从空腔8中移除。如在上文中所描述的那样，这通过根据本发明的方法可有利地实现，而构件10的材料本身不必经受机械加工。
图3示出建造平台1的示意性俯视图。尤其示出，在建造平台1上设置和构造多个构件10a、10b和10c。这些构件均能够具有不同于所示出的几何形状的形状或者轮廓。图3图解说明(这是在图2中未示出的方面)：构造几何形状(参见附图标记7a、7b和7c)可不同于构件几何形状，尤其可从中推导出。这优选表示：构造几何形状7a、7b和7c能够与原本的构件几何形状相差附加的过量。所提到的过量优选总是在机械加工建造平台1时被考虑，例如以便补偿在构造构件期间在光照或者固化时可能的位置偏差或者提供公差。
在图4中示出根据本发明的方法的方法步骤的示意性的流程图。以虚线表明并非必不可少的方法步骤。围绕方法步骤a)和b)的框示意性地表明：这些方法步骤能够通过数据处理装置50自动地或者半自动地执行(参见上文)。
本发明不因根据实施例的描述的而受限于此，而是包括每个新的特征以及特征的每个组合。这尤其包含权利要求中的特征的每个组合，即使该特征或者该组合本身未详细地在权利要求或者实施例中说明。

Claims (15)

1.一种用于增材制造构件(10，10a，10b，10c)的方法，所述方法包括下述步骤：
-a)测得所述构件(10)的待增材制造的第一区域的构件几何形状，
-b)将从测得的构件几何形状推导出的构造几何形状(7，7a，7b，7c)转移到建造平台(1)的加工区域(4)中，
-c)在所述加工区域(4)中机械地加工所述建造平台(1)，使得所述构造几何形状(7)被转移到所述建造平台(1)的结构中，使得通过所述构造几何形状(7)限定用于所述构件(10)的构造面(AF)，以及
-d)在所述构造面(AF)上增材构造所述构件(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中测得所述构件几何形状和/或转移所述构造几何形状(7)以计算机辅助的方式或者通过数据处理程序执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述构造几何形状(7)的投影通过数据处理程序自动地输出给用于机械加工所述建造平台(1)的工具。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加工区域(4)是所述建造平台(1)的表面上的过量区域，在所述过量区域上在构造之后能够执行所述构件(10)的分离以及所述构件(10)的机械精加工。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在转移测得的构件几何形状时推导所述构造几何形状(7)，其中所述构造几何形状设有预定的横向加工余量(7a，7b，7c)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：在增材构造之后，在所述加工区域中，尤其通过下述方法中的至少一种，将构件(10)与所述建造平台(1)分离e)，所述方法为：侵蚀、锯割、铣削、磨削和击落。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在转移时，所述加工区域(4)的厚度(D)依据用于随后分离所述构件(10)的分离方法来选择，并且对于所述厚度(D)自动地提出对值的选择。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加工区域(4)的厚度(D)在3mm和10mm之间，尤其5mm。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述增材构造通过基于粉末床的方法进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述建造平台(1)的已通过机械加工而露出的表面区域(5)借助于用于所述构件(10)的粉末状的基础材料(15)来覆层，而所述建造平台(1)不下降。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述构件(10)在所述增材构造期间设有空腔(8)，所述空腔仅在朝向所述建造平台的一侧上打开，并且其中在随后将所构造的构件(10)与所述建造平台(1)分离之前并且在对所述构件(10)进行热处理(dd)之前，将所述空腔(8)经由所述建造平台(1)机械地打开，使得能够将用于所述构件(10)的粉末状的基础材料(15)穿过所述建造平台(1)移除，所述基础材料相应地在所述增材构造期间已被包围在所述构件(10)的空腔(8)中。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述建造平台(1)包括钢作为主组成部分，并且其中所述构件(10)由耐高温的材料，尤其由超合金和/或镍基合金制造。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：并行地增材构造多个构件(10a，10b，10c)，其中测得所述构件的多个构件几何形状，并且相应地将多个所推导出的构造几何形状(7a，7b，7c)转移到所述加工区域中，其中根据多个所述构造几何形状机械地加工所述建造平台，并且在相应的构造面上增材构造多个构件。
14.一种计算机可读介质，其包括可执行的程序指令，所述程序指令适合于使数据处理装置(50)执行下述步骤：
-测得所述构件(10)的待增材制造的第一区域的构件几何形状，以及
-根据上述权利要求中任一项所述，将从测得的构件几何形状推导出的构造几何形状(7)转移到建造平台(1)的加工区域中。
15.一种计算机程序产品，其包括可执行的程序指令，在通过数据处理装置(50)运行程序时，所述程序指令使所述数据处理装置执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法，然而至少执行所述测得和转移。
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