CN111032253B - 用于在预先存在的零件上增材制造尖端结构的方法 - Google Patents

用于在预先存在的零件上增材制造尖端结构的方法 Download PDF

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Abstract

提出了一种用于在预先存在的零件(H)上增材制造尖端结构(G)的方法，该方法包括：‑a)将零件(H)放置在束辅助的增材制造装备(100)的构建空间(30)中且在透明的对齐板(E)下方，‑b)利用装备(100)的能量束(101)将零件(F)的顶部轮廓(H)雕刻到对齐板(E)上，‑c)对齐零件(F)的顶部表面(11)，使得顶部表面(11)与所雕刻的轮廓(H)重合，‑d)从装备(100)移除对齐板(E)，以及‑e)根据顶部表面(11)上的预先限定的几何形状来增材制造尖端结构(G)。

Description

用于在预先存在的零件上增材制造尖端结构的方法
技术领域
本发明涉及在预先存在零件上增材制造尖端结构的方法，例如，涉及相应的混合增材制造方法。此外，提出了一种相应的装置。
背景技术
增材制造技术例如包括粉末床方法，诸如选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)。
例如，在EP 2 601 006 B1中描述了一种选择性激光熔化的方法。
EP 3 124 140 A2进一步描述了粉末床增材制造设备和方法。
US 2016/167303 A1描述了一种用于通过连续融合粉末床的零件来形成三维物品的方法。
US 2015/314403 A1描述了一种用于燃气涡轮发动机部件的激光沉积修复的装置。
在原型部件或复杂且精细设计的部件(诸如轻量化设计或包括迷宫状内部结构的冷却部件)的制备中，增材制造(AM)方法已经被证明是有益且有利的。此外，增材制造就其短链的过程步骤而言是出色的，因为制造步骤可以直接基于对应的CAD/CAM和/或建造数据被执行。
例如，诸如选择性激光熔化或选择性激光烧结的粉末床制造方法是用于由粉末材料制备、原型制造或制造零件或部件的、相对众所周知的方法。用于这样的方法的常规装置或装备通常包括制造平台或构建平台，在该平台上，部件被逐层构建，在馈送基底材料层之后，该基底材料层继而可以例如由激光束的能量熔化，并且随后被固化。层厚度例如由刮刀确定，该刮刀(例如自动地)在粉末床之上移动并且去除多余材料。典型的层厚度为20μm或40μm。在制造期间，所述激光束在表面之上扫描并且熔化在所选择的区域上的粉末，这些区域可以根据待制造的部件的几何形状由CAD文件预先确定。
特别是在混合增材制造(即，在已经存在的(预先存在的)或预先制造的零件上基于粉末床制造沉积或(尖端)结构)中经常出现的问题是：必须设法将制造装备或束硬件精确地对齐到零件的顶部表面。特别地，例如待由能量束根据尖端结构的几何形状(该几何形状例如由CAD模型预先确定)扫描的程序必须被对齐到零件的顶部表面或上部。例如在基板或现存的部分被放置到构建空间和相应的粉末床中之后，待从粉末床建立到已经存在的基板上的尖端结构总是需要稳定且精确的对齐。
为了上述精确对齐，在现有技术中通常使用光学识别系统。在现存的零件被放置在构建板或构建平台上的任意位置之后，装备的光学识别系统特别地识别零件的位置，并且将3D模型或CAD模型对齐到该零件。但是，通常是相对于被设置在构建板上的安装销来校准加工激光或电子束系统。在该校准之后，仍然需要在板中从板的顶部以及在待制造的结构中精确地加工相应的销孔。
该过程极其困难且复杂，包括许多加工操作并且需要精确的加工步骤。此外，由于公差叠加效应，该方法的精确度不足。
发明内容
本发明的一个目的是提供适于改进混合选择性熔化方法中的对齐精确度的手段，特别是已经预先存在的零件的待制造的尖端结构的位置校准。
上述目的由本文所描述的技术方案来实现。有利的实施例是本文所描述的技术方案。
如所描述的，本发明的一个方面涉及一种用于在预先存在的零件上增材制造尖端结构的方法。该方法包括将零件放置在束辅助的增材制造装备的构建空间中并且在对齐板下方。
例如，装备可以是选择性激光熔化装备或电子束熔化装备。
优选地，对齐板能够可释放地附接到装备。优选地，零件被放置在装备的基板或构建板上。
该方法进一步包括利用装备的能量束(诸如激光束或电子束)将零件的配合轮廓或顶部轮廓或横截面雕刻到对齐板上或雕刻在对齐板中。便利地，将零件安装到对齐板下方的装备，并且继而将能量束从顶部暴露到对齐板。由于基于粉末床的增材过程的过程固有构建方向，从顶部雕刻和将零件放置在对齐板下方是特别便利的。
例如在零件的顶部轮廓已经以数字形式存在的情况下，也可以在上述雕刻的步骤之后执行放置的步骤。在这种情况下，不一定需要由光学系统来测量或测定零件。
该方法进一步包括对齐零件的顶部表面(诸如制造表面或配合表面)，使得所述顶部表面(在空间上)与所雕刻的轮廓重合或配合。该步骤允许所描述的、针对整个增材制造过程的精确对齐。
然后，方法进一步包括从装备中移除对齐板，并且根据尖端结构的预先限定的几何形状在顶部表面上增材制造尖端结构，该几何形状可以以CAD数据文件的形式存在。
该方法可以进一步包括：在对齐的步骤之后，例如利用单独的夹持机构来固定或夹持零件。
对于要在已经存在的基板的顶部上构建的零件，利用所提出的方法和/或所提出的装置(参见下文)，有助于实现该零件的几何形状的非常高的对齐精确度。换句话说，雕刻或对应的成像允许将零件的尖端的轮廓投影到对齐板中，以便易于与束或制造工具(诸如装备或制造设备的激光工具)的后续对齐。
与在现有技术中所执行的对齐(即，可能将激光工具对齐到部件)不同，本方法允许适应或采用激光工具的几何设置，并且继而将预先存在的零件对齐到工具。
给定的对齐过程非常简单且非常精确，以允许可重复的高质量翻新或零件或部件的完成。所提出的方法还适合于适应几乎任何物理零件的几何形状。所提出的手段还允许将预先存在的零件放置在构建板上的任意位置，从而允许提高制造过程的灵活性和简易性。
如所描述的，本发明的另一方面涉及一种用于在预先存在的零件上对齐待增材制造的尖端结构的装置。该装置包括框架和固定装置的夹持机构，该框架限定用于增材制造的构建空间，该夹持机构适合于在构建空间中旋转地和/或平移地对齐和固定零件。该装置进一步包括对齐板，其中对齐板优选地能够被可移除地附接到框架的顶部，并且还适合于对待制造到零件上的尖端结构的顶部轮廓进行成像(参见上文)。
在一个实施例中，顶部轮廓与顶部表面配合。
术语“配合”可以描述例如(虚拟的)顶部轮廓和物理顶部表面的相应的几何形状或空间尺寸是一致的和/或相似的，或者可以以一致的方式被放置在彼此之上。
在一个实施例中，顶部轮廓与尖端结构的初始层配合。
在一个实施例中，预先存在的零件是已预加工的零件。
在一个实施例中，预加工的范围被调整为尖端结构的预先确定或预先限定的几何形状。
这允许方便且有利地将所描述的方法用于混合增材制造，该混合增材制造针对服务应用而被应用。特别地，给定的实施例有益于翻新磨损零件和/或备用零件，例如涡轮机的热气路径的磨损零件和/或备用零件、或者在涡轮机的热气路径中所应用的磨损零件和/或备用零件。
在一个实施例中，零件的顶部表面是平坦的表面，优选地像它可以被放置在SLM装备的粉末床中一样平坦。
在一个实施例中，利用给定的方法水平地对齐顶部表面。
在一个实施例中，通过选择性激光熔化或电子束熔化来制造尖端结构。根据该实施例，对齐板便利地易于由相应的激光束或电子束雕刻，优选地以高分辨率精确地被雕刻。
在一个实施例中，零件构成部件的一部分，部件诸如是磨损部件、燃气轮机动叶的备用零件或燃气轮机的燃烧器根部。
在一个实施例中，尖端结构构成待制造的用于翻新所述部件的尖端。
如本文中所使用的，上述术语“零件”或“部件”可以描述任何陶瓷部件、金属部件或塑料部件。优选地，部件表示涡轮机(诸如燃气轮机)的部件。最优选地，部件表示应用于涡轮机中的部件，例如应用于燃气轮机的流动路径硬件中的部件。因此，部件优选地由高温合金和/或镍基合金制成，特别是由沉淀合金、固溶合金或时效硬化合金制成。
在一个实施例中，装置的对齐板具有小于5mm的厚度。
使对齐板的厚度最小化对于避免由于如下原因引起的不精确性是重要的，该原因即：对齐板在零件的顶部表面和(例如在对齐板的顶部表面上的)雕刻之间提供的垂直偏移。
在一个实施例中，对齐板由易于被能量束雕刻的透光或半透明的材料制成，以便将零件的顶部表面成像在板中作为参考或将顶部表面的轮廓成像在板中作为参考。
在一个实施例中，装置包括如上面所描述的构建板，其中构建板承载框架。根据该实施例，如所描述的，构建板的尺寸优选地与构建空间一致。
与所描述的方法有关的优点还可以与装置有关，反之亦然。
附图说明
从结合附图的对示例性实施例的以下描述，另外的特征、便利性以及有利的改进方案将变得明显。
图1示出了根据本发明的装置的示意性侧视图。
图2示出了在不同状态的装置的示意性透视图。
图3示出了装置的另一示意性透视图。
图4示出了装置的另一示意性透视图。
图5指示本发明的方法步骤的示意性流程图。
在附图中，相似元件、同类元件以及作用相同的元件可以用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了增材制造装备100。该装备优选地是适合于执行选择性激光熔化或电子束熔化过程的束辅助装备或设备。
装备100包括构建板A。待制造的部件或零件可以被放置在构建板A的顶部上以用于部件或零件的制造。
装备100进一步包括装置20。代替装备，构建板A可以被包含在装置20中。
装置20进一步包括框架D，该框架D被布置在构建板A的顶部上，从而限定用于增材构建过程的构建空间30。在装备100和/或装置20的俯视图中，框架D优选地完全覆盖构建板A。
框架可以是任何稳定的金属框架，该金属框架优选地在上端部敞开，使得来自装备100的能量束(参见附图标记101)可以无阻碍地进入构建空间30(参见图2)。
构建板A优选地承载框架D。框架D还可以被牢牢地固定到构建板A。
装备100进一步包括对齐板E。对齐板E能够被附接到框架D的顶部。对齐板E优选地具有平坦的形状，并且还能够从装备100移除，即，如图1中的双箭头所指示的，能够容易地附接到例如装备100的框架D和从装备100的框架D移除。
对齐板E优选地由玻璃或塑料制成，并且被配置为对激光束或电子束101的用于所提出的方法的路径进行成像。特别地，对齐板E被配置为使得该对齐板E易于由上述的辐射雕刻，以例如对零件F的制造平面的轮廓或横截面进行成像，增材制造应当从该轮廓或横截面开始。
在激光束辅助的增材制造方法的情况下，对齐板E优选地适合于对对齐板E的已经利用激光束被暴露的区域进行成像。加以必要的变更，这对于由电子束辅助的过程(即，电子束熔化)同样有效。
优选地，零件F表示已预加工的零件，其中如图1所示，预加工的范围被调整为尖端结构G的预先限定的几何形状。零件F可以进一步构成部件10的一部分(诸如涡轮机动叶或静叶或涡轮燃烧器的根部)，其中尖端结构G构成待制造在零件F上的尖端，例如以用于部件10的翻新。
上述轮廓H可以表示或指示零件F与尖端结构G之间的在整个部件10中的接合线，其中该轮廓接合与顶部表面11以及尖端结构G的初始层配合(见图1)。
优选地，对齐板E在厚度上被构造得非常薄，例如具有至多5mm的厚度。
优选地，对齐板E具有均匀的厚度。
对齐板E的厚度还可以是大于5mm，但是优选地小于5mm，诸如3mm、2mm、1mm或甚至更小。
装置20进一步包括夹持机构，该夹持机构包括夹持固定装置B和夹持固定装置C。优选地，夹持固定装置B是平移式的夹持固定装置，例如适合于固定零件F、并且改变零件F在构建空间30中的位置(例如沿着竖直方向或构建方向)。优选地，夹持固定装置C是旋转式的夹持固定装置，即，适合于根据任意空间方向或角度(即，优选地沿着构建空间30中的方位角和仰角或偏角(参见下面的图2和图4中的角度α和β))固定诸如零件F的零件并改变零件的定向。
在图1中示出了一种情况，其中预先存在的零件F被放置在构建空间30中。特别地，零件F被放置在对齐板E下方。
除了提出上述装置20之外，借助于附图还描述了在预先存在的零件F上增材制造尖端结构的发明方法。该方法包括如上面所描述的将零件F放置在构建空间30中且在透明的对齐板E下方(参见图5中的步骤a))。
该方法进一步包括利用装备100的能量束101将零件F的轮廓H雕刻到对齐板E上(参见图1和图5中的步骤b))。
该方法进一步包括对齐零件F的顶部表面11，使得顶部表面11与所雕刻的轮廓H重合或配合(参见图5中的步骤c))。这借助于图2至图4进一步解释。
图2示出了装备100的透视示意图，其中对齐板E被示出为部分透光或半透明的，使得示出所雕刻的轮廓H和顶部表面(参见图2中利用附图标记11标记的虚线)，该顶部表面发光穿过至少部分透明的对齐板E。因此，可以容易地有助于顶部表面11与所雕刻的轮廓上述的对齐，即，使得顶部表面与轮廓重合。因此，必须调整夹持机构B、C，使得轮廓H和零件F未对齐的所示方位角或分离角α消失。这可以手动或自动地执行。
优选地，零件F的顶部表面11具有平坦的表面。
在图1和图3中示出了如此对齐的结果。与图2的指示不同，在图3的透视图中，由于零件F或(视情况可以是)零件F的顶部表面11与所雕刻的轮廓H一致，虚线消失。
如上面所提到的，所述对齐优选地由夹持机构B、C的相应调整来执行。
如上面所描述的，优选地，顶部表面11被水平地对齐和/或以平行于对齐板E的表面的方式被对齐。优选地，顶部表面被对齐，以使得SLM过程中的单个重涂步骤或装备100利用粉末状基底材料(未明确示出)覆盖所述表面。
图4示出了一种情况，其中尚未执行所述水平对齐，并且例如仍然必须通过如上面所描述的调整相应的夹持机构来进行旋转和/或平移对齐。所述调整必须被执行，以使得所指示的偏角β变为零。
该方法进一步包括从装备100移除对齐板E(参见图5中的步骤d))。
该方法进一步包括根据预先限定的几何形状来增材制造尖端结构G(参见图5中的步骤e))。用于尖端结构G的预先限定的几何形状在图1中借助于虚线区域指示。虚线区域可以表示尖端结构G的对应的CAD模型，该CAD模型固有地与束工具匹配并且特别是与所雕刻的轮廓H匹配。因此且必要地，顶部表面11或顶部表面11的轮廓H也与所雕刻的轮廓H重合或配合，从而提供了精确的对齐。
然后，根据本发明，用于尖端结构G的所述几何形状在零件F的顶部表面11上被增材制造。优选地，这借助于选择性激光熔化或电子束熔化方法并且根据预先限定的几何形状来完成。
本发明的保护范围不限于在上文中所给出的示例。本发明被体现在每个新特征以及特征的每种组合中，特别地包括权利要求中所述的任何特征的每种组合，即使该特征或特征的该组合未在权利要求或示例中明确地被陈述。

Claims (9)

1.一种用于在预先存在的零件(F)上基于粉末床增材制造尖端结构(G)的方法，包括以下步骤：
-a)将所述零件(F)放置在一个束辅助的增材制造装备(100)的一个构建空间(30)中并且在一个透明的对齐板(E)下方，
-b)利用所述装备(100)的一束能量束(101)将所述零件(F)的一个顶部轮廓(H)雕刻到所述对齐板(E)上，
-c)对齐所述零件(F)的一个顶部表面(11)，使得所述顶部表面(11)与所雕刻的轮廓(H)重合，
-d)从所述装备(100)移除所述对齐板(E)，以及
-e)根据所述顶部表面(11)上的一个预先限定的几何形状来增材制造所述尖端结构(G)，其中所述顶部轮廓(H)与所述顶部表面(11)以及与所述尖端结构(G)的初始层配合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预先存在的零件(F)是已预加工的零件，并且其中预加工的范围被调整为所述尖端结构(G)的所述预先限定的几何形状。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述零件(F)的所述顶部表面(11)被水平地对齐。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过选择性激光熔化或电子束熔化来制造所述尖端结构(G)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述零件(F)构成一个部件(10)的一部分，并且其中所述尖端结构(G)构成一个为翻新所述部件(10)而待制造的尖端。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述部件(10)包括涡轮动叶或燃烧器根部。
7.一种用于对齐尖端结构(G)的装置(20)，所述尖端结构(G)待从粉末床被增材制造在预先存在的零件(H)上，所述装置包括：
-一个框架(D)，限定用于所述增材制造的一个构建空间(30)，
-一个夹持机构(B、C)，适合于在所述构建空间(30)中旋转地和平移地对齐和固定所述零件(H)，以及
-一个对齐板(E)，其中所述对齐板能够被可移除地附接到所述框架(D)的一个顶部，并且还适合于对待制造到所述零件(H)上的所述尖端结构(G)的一个轮廓(H)进行成像，
其中所述对齐板(E)由易于被一束能量束(101)雕刻的透光材料制成，以便对所述尖端结构(G)的一个轮廓(H)进行成像。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述对齐板(E)具有小于5mm的厚度。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的装置，包括一个构建板(A)，其中所述构建板(A)承载所述框架(D)。
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