CN110382140A - 基于粉末床对多个相同部件进行增材构建的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于粉末床来对多个相同的部件(10)进行增材构建的方法和设备。该方法包括：借助于夹持装置(2)将部件(10)中的每个部件固定在底板(1)上；调整被固定的部件(10)中的至少一些部件相对于底板(1)的垂直位置，使得每个部件(10)的结构顶端(11)与底板(1)的间隔处于预先确定的公差范围(TB)内；在底板(1)上提供构建材料的粉末床(3)，直至粉末床达到公差范围(TB)的高度；以及分别在部件(10)的结构顶端(11)上进行材料的逐层增材构建。

Description

基于粉末床对多个相同部件进行增材构建的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种基于粉末床来对多个相同部件进行增材制造(特别是对部件进行修复)的方法以及相应的设备。
背景技术
这些部件(优选是相同的部件)特别适用于涡轮机，优选用于燃气涡轮的热气路径中。优选地，这些部件是涡轮转子叶片或翼型件。相应地，部件优选地分别包括镍基或钴基超合金或由镍基或钴基超合金组成。该合金可以是沉淀硬化的或可沉淀硬化的。替代地或附加地，部件可以是被磨损的部件和/或部分制造或部分构建的部件。
作为粉末床方法，生成制造方法或增材制造方法例如包括：选择性激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)。同样，增材方法包括激光金属沉积(LMD)。
例如，从EP 2 601 006B1已知一种选择性激光熔化方法。
已经证明，增材制造方法对于复杂部件或采用复杂或精细设计(例如，迷宫式结构、冷却结构和/或轻质结构)的部件而言特别有利。增材制造尤其是由于工艺步骤链特别短而是有利的，因为可以在对应CAD文件的基础上直接执行部件的生产步骤或制造步骤。
此外，增材制造对于开发或生产的原型机特别有利，该原型机例如出于成本原因而不能借助于常规减成法或机械加工方法或铸造技术生产，或者不能通过这些手段有效地生产。
燃气涡轮的转子叶片经常需要在预期的维修间隔之后对翼型件尖端进行修复。这些翼型件尖端在使用燃气涡轮期间受到热、机械和/或腐蚀作用而损坏。为了进行修复，通常手动移除损坏区域，随后通过焊接方法(例如，激光金属沉积)进行构建。该移除可以以手动完成或者(部分)自动地完成。
在涡轮叶片的生产领域中已知，由于涡轮叶片对材料组成和几何形状的复杂性的要求，由真空精密铸造生产的零件的尺寸会有所波动(波动范围)。特别地，翼型件长度由于生产相关原因而变化，即，沿着翼型件的纵向轴线的起点或标称的翼型件长度被精确限定于仅十分之几毫米范围之内。
与所描述的与生产相关的翼型件长度波动或“不精确性”相同，移除翼型件尖端或磨损区域来预备重建翼型件尖端或磨损区域，会导致其余翼型件的长度发生变化或具有不精确性。
此外，经常期望只移除必须要移除的元件，因为通过焊接(“翻新”)而涂覆的“翻新材料”经常不具有与原始制造的元件所需或相同的材料质量或结构，这种区别例如涉及热裂纹敏感性方面。
因此，待修复元件或部件的尺寸关于其纵向范围受到某些不可避免的波动或不精确性的影响。与基于粉末床的增材制造相反，这些波动在常规修复方法(例如，激光金属沉积或WIG焊接)中没有问题。
然而，如果希望使用增材和/或基于粉末床的选择性方法(例如选择性激光熔化)再次构建部件，则上述波动将产生不可接受的结果，或者使通过基于粉末床的方法并行修复多个部件变得非常复杂。原因在于，在基于粉末床的方法的情况下，结构顶端的位置应当相对于衬底或底板被确定为在与该过程中使用的层厚度相对应的范围内。选择性激光熔化区域中的通常层厚度大约介于20μm和80μm之间。因此，部件或元件(假设它们都直接固定在该底板上)的尖端在构建方向上彼此不同的公差范围都应当介于层厚度的范围之内，以使得在各个涂覆过程期间不会出现问题，特别是不会出现碰撞。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法，以简化在粉末床上对多个部件进行的增材制造，或者可以扩展基于粉末床的制造技术的用途，从而还可以更广泛地使用增材制造技术的优点。
该目的通过独立权利要求的技术方案实现。有利改进是从属专利权利要求的技术方案。
本发明的一个方面涉及一种用于基于粉末床来对多个部件进行增材构建的方法，包括：借助于夹持装置或固定装置将多个部件中的每个部件固定在底板上，例如在用于增材制造的设施中的底板上。
该方法还包括：调整(通过夹持装置)被固定的部件中的至少一些部件相对于底板的垂直位置或高度位置，使得每个部件的结构顶端与底板的间隔处于预先确定的公差范围内。所描述的调整优选地是单独地调整每个单个的夹持装置，并且可以包括测量相应的结构顶端与底板表面的高度或距离。
在本文中，所描述的高度、高度位置或垂直位置应当优选理解为沿着部件的构建方向的距离。
该方法还包括：在底板上提供构建材料(特别是呈粉末形式)的粉末床，直至公差范围的高度。换句话说，构建空间优选地填充有粉末，直至高度与粉末床的厚度相对应，该高度与公差范围到底板的距离相对应。
在所描述的方法中，粉末床的提供可以在调整垂直位置的步骤之前或之后。
该方法还包括：优选地借助于选择性激光熔化，分别在部件的结构顶端上进行材料的逐层增材构建。所谓的材料优选是由能量束熔合的构建材料。优选地，对这些部件并行或同时进行增材构建。
优选地，结构顶端分别具有构建区域，该构建区域通过相应固定到底板上而背离底板表面。
在一个实施例中，在利用材料构建出每个层之后，执行对垂直位置的调整和/或检查。
本发明的另一方面涉及一种用于基于粉末床来进行增材制造的设备，包括底板和多个夹持装置，这些夹持装置能够相对于底板彼此独立地调整高度，并且优选是可移动的，其中夹持装置分别被设计为相对于底板固定(如上所述的)部件。
如上所述，可以有利地简化叶片的受损区域的移除，并且通过使用有利的增材制造技术实现随后的再次构建。具体地，可以以较低的成本进行对涡轮部件的翻新。同样，部件修复可以是单独进行的，例如以与磨损状态相对应的方式进行。此外，通过所描述的方法，可以并行地修复或翻新多个部件，特别是多个相同的部件。
在一个实施例中，该方法是翻新或修复方法。
在一个实施例中，部件是修复部件。
在一个实施例中，在固定之前，分别在部件的磨损区域中移除材料，以限定结构顶端。
在一个实施例中，部件是铸造部件，特别是通过精密铸造(例如真空精密铸造)而制造的部件。
在一个实施例中，部件是锻造部件。
在一个实施例中，部件是相同的。
在一个实施例中，部件是涡轮转子叶片，结构顶端表示翼型件尖端。
在一个实施例中，用于逐层增材构建的标称层厚度对应于与底板间隔的公差范围的尺寸。公差范围典型为10μm至80μm，优选为20μm至30μm。通过该实施例，特别可以确保在制造或修复部件的过程期间，增材制造设施的涂覆机单元不出现问题，特别是不出现碰撞。这是因为如果根据所描述的方法将部件的结构顶端布置在公差范围之内，则对于涂覆材料或修复，结构顶端处于新材料涂覆的层或层厚度之内，因此排除了与涂覆机单元的碰撞。
在一个实施例中，在逐层增材构建期间，例如，在一些层或每个层凝固之后，测量部件的每个结构顶端相对于底板和/或相对于粉末床的表面的距离。该实施例特别有利于使被固定的部件的垂直位置能够如所描述的那样进行调整。
在一个实施例中，预先确定的公差范围(例如沿着构建方向测量)为10μm至80μm，优选为20μm至30μm。
在一个实施例中，每个夹持装置都被设计为可以调整高度，例如通过底板中的引导件调整高度。
在一个实施例中，每个夹持装置具有托架和/或夹紧装置。通过托架或一个或多个夹紧装置(夹紧装置特别是加紧爪或包括加紧爪)对这些部件进行适当地固定。
在一个实施例中，托架、夹紧装置和/或夹持装置被设计为可以通过液压、气动、机电或压电手段相对于底板移动和/或调整高度。
在一个实施例中，该设备具有至少四个夹持装置。因而，例如可以并行地逐层构建或翻新四个部件。
在一个实施例中，该设备具有四个以上的夹持装置，例如六个、八个或十个夹持装置。
在本文中，涉及方法的结构、特征和/或优点也可以适用于设备，反之亦然。
附图说明
下文在附图的基础上对本发明的进一步细节进行描述。
图1示出了本发明的设备的示意性透视图。
图2示出了设备的至少一部分的示意性剖视图或侧视图。
图3示出了设备在操作期间的示意性剖视图，并且指示了根据本发明的方法。
图4在示意图的基础上指示了该方法的方法步骤。
图5示出了根据本发明的方法的方法步骤的示意流程图。
具体实施方式
在示例性实施例和附图中，可以分别使用相同的名称提供相同或以相同方式起作用的元件。所描绘的元件及其相互之间的尺寸原则上不是按比例绘制的，相反为了提高清晰度和/或为了便于理解，可以用夸大的厚度或尺寸来绘制各个元件。
图1示出了设备100的透视图。优选地，该设备100用于如下设施，该设施优选地通过选择性激光熔化(SLM)基于粉末床来进行增材制造。设备100具有底板1。相应地，底板是用于对金属部件(特别是涡轮元件)进行增材制造的底板。
底板1可以是类似于传统增材制造设施的构建平台的构建平台，例如，基于钢的和/或变形小的底板。
底板1的主表面为正方形或矩形。设备100还具有多个夹持装置2。通过示例，四个夹持装置2布置或紧固在所述表面上。
夹持装置2被设置用于通过夹持装置2相对于底板1来固定部件，例如修复或翻新的部件，特别是磨损的部件。
夹持装置2分别具有夹紧装置4，特别是夹紧爪，以便将待固定元件或对应部件夹紧，从而进行固定。
夹持装置2还被设计为彼此独立地可调整高度(对比图2)，以便沿着构建方向(垂直Z方向)将粉末床中的部件在相同水平或相同高度上进行调整，用于在设备100中进行基于粉末床的增材制造。为了适当地进行增材方法，特别是粉末涂覆，上述调整可能是有必要的。
图2以放大图示出了设备100的至少一部分。特别地，在图2中还示出了设备100的引导件6。引导件6优选地穿过底板1中的孔或开口并且连接到夹持装置2。还放大示出了上述夹紧工具4。优选地，为每个夹持装置2设置两个夹紧爪或一对夹紧爪。夹紧爪的夹持表面或固定表面可以呈枞树形配置，以便适当地抓紧并且固定叶片(优选是涡轮转子叶片)的根部。
优选地，每个夹持装置2的多个夹紧爪中的至少一个夹紧爪是可移动的，以便固定部件(未在图2中明确示出)。在此，图2中右侧夹紧爪的水平箭头表示它可以压在左侧夹紧爪上，例如用于固定部件10。这可以通过对于本领域技术人员而言已知的措施来执行。
设备100还具有托架7。托架7优选地将夹紧爪4连接到引导件6或使它们耦合。
设备100还具有装置5，以使夹持装置2和/或托架7可以调整高度，即，例如沿着构建方向可调整(对比图2右侧上的垂直箭头)。为此，可以使用螺纹8。
装置5例如可以是机电装置，诸如步进电机。此外，夹持装置可以通过液压、气动或类似机械手段或甚至压电手段来调整高度。
所描述的用于调整高度的装置(特别是步进电机)也布置在底板下方，也就是说，在设备100的工作期间，布置在粉末空间之外。此外，引导件6通过本领域技术人员已知的手段与粉末床密封，该粉末床在设备100的工作期间例如布置在底板1上方。
图3示出了设备100的示意性剖视图，该设备100被应用于增材制造的设施200。设备100优选用于增材制造方法(对比下文的图5)。图3还指示所述方法的方法步骤中的一些方法步骤。
作为示例，示出了三个夹持装置2，为了整体清洗起见，使用大括号对其进行编号。如图1和图2所示，夹持装置2中的每个夹持装置有利地通过夹紧爪来固定或夹持部件100。
优选地，这些部件是涡轮叶片，特别是涡轮转子叶片。因而，部件10可以是铸造部件10，特别是通过精密铸造(诸如真空精密铸造)而制造的部件。特别地，部件10优选是相同的，特别是用于相同发电厂或工业设施的磨损部件。优选地，部件10在工作期间暴露于极大磨损，例如，由于腐蚀或机械作用，因此在特定工作间隔之后必须对它们进行修复或翻新。为此，优选地，对翼型件尖端进行机械加工，并且移除材料，从而限定结构顶端或构建区域11。
相应地，部件10中的每个部件具有顶端11(结构顶端)，在后面的步骤中通过所述方法要在顶端上构建材料，从而对部件进行翻新。作为示例示出的部件10的结构顶端11在设备100中具有不同的高度(垂直位置)。原因在于，部件或翼型件长度受到一定波动。
因此，所提出的方法包括：通过夹持装置或所描述的装置相对于底板单独调整或调节部件10的高度，使得结构顶端11与底板1的间隔位于或处于预先确定的公差范围TB内。沿着构建方向测量，预先确定的公差范围TB为10μm至80μm，优选为20μm至30μm。
优选地，在稍后的步骤中构建或熔合的每个构建材料层(特别是包括适于叶片的硬化合金)之后，对部件的高度或垂直位置执行重新的调整或检查。
为了能够相应地(单独)调整高度，该方法包括：当元件已经被粉末覆盖时，在设备100或者包括该设备100的设施200内进行高度测量，优选地借助于激光距离测量。高度测量可以相对于底板和/或相对于粉末床的表面执行。
在此，在调整高度或垂直位置之前或之后，原则上可以填充或提供粉末3(粉末床)或构建材料。
特别地，在图3中示出了具有数字1'(对比左侧)的构建已经被调整为使得对应部件或部件的结构顶端11布置在公差范围内，更精确地说位于公差范围的上限。用数字3'(对比右侧)示出的构建已经根据高度被调整为，使得右侧部件10的结构顶端11大致布置在公差范围TB的下限处(对比距离A)。仅中间部件的构建(对比标记2')例如由于其磨损状态而远离粉末床外部和公差范围TB布置，因此需要调整位置。如果没有执行根据所描述的方法的调整，则用于增材构建的涂覆机单元(本文中未明确示出)将进入中间部件10的顶端，并且在某些情形下将由于碰撞而导致设施200损坏。
优选地，调整位置或选择公差范围TB，使得位置或公差范围对应于待涂覆粉末的预先确定的层厚度D。通过该实施例，实际上可以防止对上述设施的损坏，同时可以确保在结构顶端11或对应的构建区域上进行可靠的材料构建。
图4示出了图3中所示的设备100或设施200的各部分，其中中间的夹持元件2以及固定部件10的“构建”的高度或垂直位置在所述方法的辅助下被校正，或者被调整为使得对应的结构顶端11的高度或与构建板1的距离位于公差范围TB之内。
图5示出了根据本发明的方法步骤的示意流程图。如上所述，该方法是一种用于基于粉末床来对多个部件进行增材构建的方法。
根据方法步骤a)，该方法可以包括：移除部件的磨损区域中的材料，特别是通过这种方式来限定部件的结构顶端11。
根据方法步骤b)，该方法还包括：借助于夹持装置2将部件10中的每个部件固定在底板1上。
根据方法步骤c)，该方法包括：在实际增材构建期间，测量部件10的每个结构顶端11相对于底板1的距离(对比以下的方法步骤f))。
根据方法步骤d)，该方法包括：调整被固定的部件10中的至少一些部件相对于底板1的垂直位置，使得每个部件10的结构顶端11与底板1的间隔处于预先确定的公差范围TB之内。
根据方法步骤e)，该方法包括：在底板1上提供构建材料的粉末床3，直至公差范围TB的高度。
图5的流程图中的箭头指示该方法步骤(提供步骤)可以在调整步骤(方法步骤d)之前或之后执行，从而步骤d)和e)的顺序可以改变。
根据方法步骤f)，该方法包括：分别在结构顶端11上进行材料的逐层增材构建，特别是用于以增材方式地恢复或翻新部件10的磨损区域(参见结构顶端11)。
如上所述，代替用粉末填充整个粉末空间(未明确指出)或提供完整的粉末床，也可以考虑仅在待构建的单个部件或翼型件尖端周围放置或布置框架或密封模板，以便无需在整个构建空间都装满粉末，从而可以节省构建材料。这些元件可以例如借助于部件10或夹持装置2周围的硅树脂密封件而连接到底板1。
本发明不限于借助实施例进行的以上描述，而是包括任何新特征和特征组合。这尤其包括专利权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或组合本身未在专利权利要求或实施例中明确给出。

Claims (12)

1.一种用于基于粉末床来对多个部件(10)进行增材构建的方法，包括以下步骤：
借助于一个夹持装置(2)将所述多个部件(10)中的每个部件固定在一个底板(1)上；
调整被固定的所述多个部件(10)中的至少一些部件相对于所述底板(1)的垂直位置，使得每个部件(10)的一个结构顶端(11)与所述底板(1)的间隔处于预先确定的公差范围(TB)内；
在所述底板(1)上提供构建材料的一个粉末床(3)，直至所述粉末床达到所述公差范围(TB)的高度；以及
分别在所述多个部件(10)的所述结构顶端(11)上进行材料的逐层增材构建。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在由材料构建出每个层之后，执行对所述垂直位置的调整和/或检查。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述多个部件(10)是多个修复部件，并且其中在所述固定之前，分别在所述多个部件(10)的一个磨损区域中移除材料，以限定所述结构顶端(11)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个部件(10)是多个铸造的部件(10)，特别是通过精密铸造、例如真空精密铸造而制造的部件(10)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个部件(10)是相同的，特别是多个涡轮机转子叶片，并且所述结构顶端(11)表示一个翼型件尖端。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中用于所述逐层增材构建的标称层厚度(D)对应于与所述底板(1)间隔的所述公差范围(TB)的尺寸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述逐层增材构建期间，例如借助于一个激光器来测量所述多个部件(10)的每个结构顶端(11)相对于所述底板(1)和/或相对于所述粉末床的表面的距离。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中沿着构建方向测量，所述预先确定的公差范围(TB)为10μm至80μm，优选为20μm至30μm。
9.一种用于基于粉末床来进行增材制造的设备(100)，包括一个底板(1)和多个夹持装置(2)，所述多个夹持装置(2)能够相对于所述底板(1)彼此独立地调整高度，其中所述多个夹持装置(2)分别被设计为相对于所述底板(1)固定一个部件(2)。
10.根据权利要求9所述的设备(100)，其中每个夹持装置(2)被设计为：能够通过所述底板中的一个引导件来调整高度。
11.根据权利要求9或10所述的设备(100)，其中每个夹持装置(2)具有一个托架和/或一个夹紧装置(4)，并且其中所述夹持装置(2)被设计为：能够通过液压、气动、机电或压电的装置(5)相对于所述底板(1)来调整高度。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的设备(100)，所述设备(100)具有至少四个夹持装置(2)。
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