CN110419039A - 在cad模型中自动生成用于在增材制造过程中移除粉末的逃逸孔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于使用增材制造机(1)生产三维部件(11)的方法，三维部件(11)具有一个或多个腔(14)，该三维部件通过诸如选择性激光熔化或电子束熔化的粉末基增材制造而被生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使用增材制造机生产具有一个或多个腔的三维部件的方法，所述三维部件通过粉末基增材制造(例如选择性激光熔化或电子束熔化)而被生产，该方法包括以下步骤：a)使用计算机辅助设计方法生成待生产的部件的3D-CAD数据，其中该3D-CAD数据适用于由增材制造机处理；b)标识3D-CAD数据中的部件的腔，并验证每个腔具有将腔连接至部件的外部环境的至少一个出口通道，其中如果没有这种出口通道，则在3D-CAD数据内创建；c)基于3D-CAD数据，在增材制造机的构造平台上生产该部件；d)通过出口通道移除存在于腔内和出口通道内的粉末，以及e)在热处理炉中对构造平台和布置在构造平台上的部件进行热处理。
背景技术
诸如选择性激光熔化或电子束熔化的粉末基增材制造方法在现有技术中是已知的。这些方法实现了直接基于部件的3D-CAD数据来制造部件。增材制造机通常包括构造平台，构造平台可以用部件材料的粉末分层填充。将激光或电子束引导至在各种情况下形成的粉末表面上，粉末的颗粒可以在粉末表面上局部地熔化。表示待制造的部件的几何形状的3D-CAD数据在机器中以下述方式进行处理：部件在构造平台上的粉末床上成层地出现。完成3D打印过程之后，构造平台和布置在构造平台上的部件通常在热处理炉中进行热处理，以便优化新生成部件的微结构。上述类型的增材制造机是已知的，例如从美国专利7,601,422B2号中获知。
在带腔部件的3D打印过程期间，腔利用部件材料的松散粉末填充，同时分层构建部件。因此，在3D打印过程完成之后，存在于腔内的这些粉末必须在随后的热处理过程之前被移除。在这种背景下，非常重要的一点是，为每个腔设置至少一个出口通道来将腔连接至部件的外部环境，粉末可以通过出口通道排出。因此，在部件的设计阶段，设计者必须标识3D-CAD数据中的每个腔，以便验证腔具有至少一个此类出口通道。如果因为设计者忘记设计了而没能检测到此类出口通道，则设计者必须在3D-CAD数据中创建出口通道，以实现无缺陷地制造部件。然而，要确保设计者检查每一个腔是否都缺少出口通道是一项艰巨的任务，尤其是在待生产的部件具有许多这样的腔或者设计者不熟悉3D打印过程的情况下。更糟糕的是，根据部件相对于构造平台的定向，存在于3D-CAD数据中的出口通道可能会被构造平台阻挡，因为目前使用的用于创建部件的3D-CAD数据的至少大多数程序并未考虑构造平台，而只是考虑部件本身。
发明内容
在这种背景下，本发明的一个目的在于提供一种上述类型的替代方法，以用于通过粉末基增材制造来生产具有一个或多个腔的三维部件。
为了解决这个问题，本发明提供一种上述类型的方法，其特征在于，步骤b)的至少以下子步骤是通过对3D-CAD数据应用算法而自动执行的，即，标识3D-CAD数据中的部件的腔、以及验证每个腔具有将腔连接至部件的外部环境的至少一个出口通道是通过对3D-CAD数据应用算法自动执行的，并且，如果检测到没有出口通道的腔，则输出警报信号以提醒设计者、和/或自动计算并向设计者建议出口通道、和/或自动计算并在3D-CAD数据中自动创建出口通道。由于对在步骤a)中创建的3D-CAD数据应用了这种算法，因而不可能忘记移除粉末所需要的出口通道。因此，减少了缺陷部件的数目并进而降低了成本。
根据上述替代方案的第一替代方案，输出警报信号以提醒设计者缺失出口通道。因此，当此类警报信号被输出时，设计者可以在3D-CAD数据中添加缺失的一个或多个出口通道。缺失出口通道的腔的位置可以自动指示给相关设计者以便于其工作。附加地或替代地，出口通道通过上述算法被自动计算并建议给设计者。因此，设计者只需要确认该建议即可在3D-CAD数据中自动创建所建议的出口通道。如果设计者对于建议的出口通道的建议几何形状或位置不满意，则他可以拒绝该建议并自己在3D-CAD数据中手动设计和创建出口通道。替代地或附加地，如果检测到没有出口通道的腔，则也可以在3D-CAD数据中自动计算并自动创建出口通道。因此，不再需要与设计者交互。
优选地，验证每个腔具有将腔连接至部件的外部环境的至少一个出口通道的子步骤根据在步骤c)期间部件相对于构造平台的预期定向而被执行。这确保了在步骤c)执行期间，3D-CAD数据中存在的出口通道不会随后被构造平台阻挡。
如果在步骤b)中检测到一个或多个出口通道被构造平台阻挡，则该方法还优选包括下述步骤：输出警报信号以提醒设计者、和/或自动计算新的出口通道和/或修改后的出口通道并向设计者建议新的出口通道和/或修改后的出口通道，和/或自动计算并在3D-CAD数据中自动创建新的出口通道和/或修改后的出口通道。
替代地或附加地，如果在步骤b)中检测到一个或多个出口通道被构造平台阻挡，则本发明的方法优选还包括下述步骤：自动验证部件相对于构造平台的替代定向是否可行，替代定向能够使得缺失的出口更少或没有缺失的出口，并且，如果找到替代定向，则向设计者建议替代定向或自动选择替代定向，并且自动计算并在3D-CAD数据中创建缺失的出口通道和/或修改后的出口通道。换句话说，除修改部件本身的3D-CAD数据之外，还检查为了便于制造部件、部件的腔和出口通道而(同时)改变部件相对于构造平台的定向是否合理。
根据本发明的一个方面，在步骤b)中验证每个腔具有将腔连接至部件的外部环境的至少两个出口通道，其中如果没有这两个出口通道，则在3D-CAD数据中创建这两个出口通道，其中如果检测到没有两个出口通道的腔，则输出警报信号以提醒设计者、和/或自动计算并向设计者建议缺失的出口通道、和/或自动计算并在3D-CAD数据中自动创建缺失的出口通道。因此，这确保了每个腔包括两个出口通道，以便于在步骤d)中移除粉末。
优选地，每个腔的两个出口通道具有不同尺寸的直径。
有利地，在步骤d)中使用较大直径的出口通道来引入加压空气，以通过较小直径的出口通道吹出存在于对应的腔内的粉末。
附图说明
参考附图研究根据本发明实施例的方法的以下描述，根据本发明的方法的其它特征和优点对于技术人员将变得显而易见。在附图中：
图1是在部件的粉末基增材制造期间，使用根据本发明实施例的方法的示例性增材制造机的示意图；
图2是位于图1所示机器的构造平台上的部件的局部剖视图；
图3是示出所述方法的单个步骤的流程图；
图4是位于构造平台上的另一部件的局部剖视图，其中部件和平台具有第一相对定向；并且
图5是图4所示的部件和平台的局部剖视图，其中部件和平台具有第二相对定向。
具体实施方式
增材制造机1包括具有周向侧壁3的容器2，周向侧壁3在其底侧由水平构造平台4封闭。如箭头6所示，构造平台4被接纳在容器2内，并在容器2内以平行于水平操作面5可上下移动的方式被引导，水平操作面5被限定在容器2的上缘处或上缘附近。在容器2上方定位有供应装置7和照射源9，供应装置7被设计为用于在操作面5上方铺展预定且恒定高度的一层粉末8，诸如激光束源或电子束源的照射源9被设计为以现有已知的方式将其束引导至操作面5上并使其在操作面5上移动。此外，提供控制单元10，其被设计为基于待生产的部件11的3D-CAD数据来协调构造板4、供应装置7和照射源9的移动，3D-CAD数据由设计者在计算机12上使用适当计算机软件设计并创建。
为了在增材制造机1中以分层方式生产部件11，首先将构造平台4定位在略低于操作面5的上部位置，然后通过供应装置7以下述方式在构造平台4上方铺设一层粉末8：使得粉末层的上表面被放置在操作面5内。之后，通过根据部件11的最底层的轮廓移动光束来使该最底层固化。然后，使构造平台4降低一层的高度，并将另一层粉末8铺展在先前的粉末层上方，该另一层粉末层再次根据部件11的下一层固化。继续上述程序，直到整个部件11被构建完成。之后，将构造平台4和在构造平台4上构建的部件11放置在热处理炉13中，以优化新生成部件11的微结构。
在部件11包括一个或多个腔14的情况下，如图2所示，在逐层构造部件11时，这些腔14被填充有部件材料的松散粉末8。因此，在3D打印过程完成之后，这些存在于腔14内的粉末8必须在随后的热处理过程之前移除。在这种背景下，非常重要的是为每个腔14设置将腔14连接至部件11的外部环境的至少一个出口通道15a、15b，粉末8可以通过出口通道排出。因此，在部件11的设计阶段，必须标识3D-CAD数据中的每个腔14，以验证每个腔14具有至少一个此类出口通道15a、15b。上述问题通过图3所示的根据本发明实施例的下述方法来解决。
在第一步骤S1中，设计者使用诸如NX、Magics、Netfabb等的计算机软件形式的计算机辅助设计方法在计算机12上创建待生产的部件11的3D-CAD数据，该3D-CAD数据适用于由增材制造机1处理。
在第二步骤S2中，自动标识3D-CAD数据中的部件11的腔13，并且自动验证每个腔14具有将腔13连接至部件11的外部环境的至少一个出口通道15a、15b。通过对之前创建的3D-CAD数据应用对应的算法来执行这些标识和验证的子步骤。算法可以被包含在步骤S1中使用的计算机辅助设计方法中。不过，算法也可以以单独的计算机程序的形式提供。
如果在步骤S2中检测到3D-CAD数据包括所有腔14所必需的所有出口通道15a、15b，则3D-CAD数据保持不变，并且在步骤3中被传送至增材制造机1的控制单元10。
然而，如果在步骤S2中检测到缺失一个或多个必要的出口通道15a、15b，则在步骤S2A中，在3D-CAD数据内创建缺失的出口通道15a、15b。创建此类通道可以由设计者在计算机12上手动完成。在这种情况下，在步骤S2结束时输出警报信号，以提醒设计者缺失一个或多个出口通道15a、15b。优选地，指示相关的腔14。替代地，可以通过算法自动计算一个或多个适当出口通道15a、15b并向设计者建议。然后，设计者可以选择是接受提议还是拒绝提议并自己手动创建缺失的出口通道15a、15b。作为另一替代，可以通过算法自动计算并在3D-CAD数据中自动创建缺失的出口通道15a、15b中的一个或多个出口通道，而无需与设计者进行任何交互。然后将修改后的3D-CAD数据传送至控制单元10，参见步骤S3。
在步骤S4中，基于上面已经描述过的3D-CAD数据，在增材制造机1的构造平台4上生产部件11。
然后，在步骤S5中，移除存在于腔14内和出口通道15a、15b内的粉末8。
在最后的步骤S6中，将构造平台4和布置在构造平台4上的部件11在热处理炉13中进行热处理。
根据本发明的方法的另一实施例，步骤S2的验证每个腔14具有将腔连接至部件11的外部环境的至少一个出口通道15a、15的子步骤是根据在步骤S4期间部件11相对于构造平台4的预期定向而被执行。换句话说，在执行步骤S4时，验证出口通道15a、15b是否会被构造平台4阻挡。
如果在步骤S2中通过算法检测到在步骤S4中，一个或多个腔14具有将被构造平台4阻挡的出口通道15a、15b(如图4所示的被阻挡的出口通道15b)，则算法在步骤S2B中自动验证部件11相对于构造平台4的替代定向是否可行，替代定向能够减少或消除缺失的出口通道15a、15b。如果找到替代定向，则向设计者建议替代定向，参见图5。如果设计者接受该建议，则相应地修改3D-CAD数据。此外，如果需要，可以手动或自动设计新的出口通道和/或修改后的出口通道15a、15b，并将其并入3D-CAD数据中。
根据上述方法的又一实施例，在步骤S2中通过算法进一步验证每个腔14具有将腔14连接至部件11的外部环境的至少两个出口通道15a、15b，其中如果没有这两个出口通道15a、15b，则在3D-CAD数据中创建这两个出口通道15a、15b，其中如果检测到没有两个出口通道15a、15b的腔14，则输出警报信号以提醒设计者、和/或自动计算并向设计者建议缺失的出口通道15a、15b、和/或自动计算并在3D-CAD数据中自动创建缺失的出口通道15a、15b。优选地，出口通道中的一个出口通道15a被创建为具有比同一腔14的另一出口通道15b更大的直径。这有助于在步骤S5中通过较大直径的出口通道15a引入加压空气，并通过较小直径的出口通道15b吹出粉末8。
请注意，附图仅示出本发明的优选实施例。应当注意的是，可以在不脱离权利要求所限定的保护范围的情况下进行修改。例如，如果合理的话，计算机12和算法可以被包含在控制单元10中。
Claims (7)
1.一种用于使用增材制造机(1)生产一个三维部件(11)的方法，所述三维部件(11)具有一个或多个腔(14)，所述三维部件(11)通过粉末基增材制造而被生产，所述粉末基增材制造诸如是选择性激光熔化或电子束熔化，所述方法包括以下步骤：
a)使用计算机辅助设计方法生成待生产的所述部件(11)的3D-CAD数据，其中所述3D-CAD数据适用于由所述增材制造机(1)处理；
b)标识所述3D-CAD数据中的所述部件(11)的所述腔(14)，并验证每个腔(14)具有将该腔(14)连接至所述部件的外部环境的至少一个出口通道(15)，其中如果没有所述出口通道(15)，则在所述3D-CAD数据内创建所述出口通道(15)；
c)基于所述3D-CAD数据，在所述增材制造机(1)的一个构造平台(4)上生产所述部件(11)；
d)通过所述出口通道(15)移除存在于所述腔(14)内和所述出口通道(15)内的粉末，以及
e)在热处理炉(13)中对所述构造平台(4)和布置在所述构造平台(4)上的所述部件(11)进行热处理，
其特征在于，步骤b)的至少以下子步骤通过对所述3D-CAD数据应用一种算法而被自动执行：标识所述3D-CAD数据中的所述部件(11)的所述腔(14)以及验证每个腔(14)具有将该腔连接至所述部件(11)的所述外部环境的至少一个出口通道(15)，并且如果检测到没有所述出口通道(15)的一个腔，则输出警报信号以提醒设计者、和/或自动计算并向设计者建议所述出口通道(15)、和/或自动计算并在所述3D-CAD数据中自动创建所述出口通道(15)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，验证每个腔(14)具有将该腔(14)连接至所述部件(11)的所述外部环境的至少一个出口通道(15)的所述子步骤根据在步骤c)期间所述部件(11)相对于所述构造平台(4)的预期定向而被执行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果在步骤b)中检测到一个或多个腔(14)具有被所述构造平台(4)阻挡的出口通道(15)，则所述方法还包括以下步骤：输出警报信号以提醒设计者、和/或自动计算新的出口通道(15)和/或修改后的出口通道(15)并向设计者建议新的出口通道(15)和/或修改后的出口通道(15)、和/或自动计算并在所述3D-CAD数据中自动创建新的出口通道(15)和/或修改后的出口通道(15)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，如果在步骤b)中检测到一个或多个腔(14)具有被所述构造平台(4)阻挡的出口通道(14)，则所述方法还包括以下步骤：自动验证所述部件(11)相对于所述构造平台(4)的一个替代定向是否可行，所述替代定向使得缺失的出口通道(15)更少或没有缺失的出口通道(15)，并且如果找到一个替代定向，则向所述设计者建议所述替代定向、或自动选择所述替代定向，并且自动计算并在所述3D-CAD数据中创建缺失的出口通道(15)或修改后的出口通道(15)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，验证每个腔(14)具有将该腔(14)连接至所述部件(11)的所述外部环境的至少两个出口通道(15a、15b)，其中如果没有这样的两个出口通道(15a、15b)，则在所述3D-CAD数据中创建所述两个出口通道(15a、15b)，其中如果检测到没有两个出口通道(15a、15b)的一个腔，则输出警报信号以提醒所述设计者、和/或自动计算并向所述设计者建议所述缺失的出口通道(15a、15b)、和/或自动计算并在所述3D-CAD数据内自动创建所述缺失的出口通道(15a、15b)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每个腔(14)的所述两个出口通道(15a、15b)具有不同尺寸的直径。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，通过具有较大直径的所述出口通道(15a)引入加压空气。
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