CN111050955A - 通过增材制造生产的部件 - Google Patents

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乔纳森·埃德加
纳尔逊·多
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Johnson Matthey PLC
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Abstract

本发明整体涉及通过增材制造(AM)方法制作的部件，以及通过AM制作此类部件的方法。更特别地，提供了一种通过以下步骤使用AM方法来生产点火装置的部件的方法：在金属或合金基底的表面上形成金属或合金层；将所述层熔合到所述基底；以及重复将此类层彼此叠加以在所述基底上形成沉积的金属或合金附着物。

Description

通过增材制造生产的部件
技术领域
本发明整体涉及通过增材制造(AM)方法制作的部件，以及通过AM制作此类部件的方法。
背景技术
通常需要将贵金属或含贵金属的合金附着到另一金属或合金以形成组件。该另一金属或合金也可以是基于贵金属的，或者可以是另一类型的金属或合金。贵金属由钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)组成。
在制造点火系统装置诸如火花塞时，也需要将金属或合金与另一金属或合金接合以形成组件。此类装置包括诸如通常连接到点火系统的中心电极以及通过连接到点火装置的金属壳而接地的接地电极或侧电极之类的部件。在使用过程中产生火花的点火装置部件的尖端(例如，中心电极或接地电极的尖端)通常(但不总是)由贵金属或含贵金属的合金(例如包含金、银、钌、铑、钯、锇、铱或铂的金属或合金)组成。其原因是电极的尖端必须能够在装置操作期间承受高温高压的非常苛刻的条件，因此必须由更具弹性且通常更昂贵的材料制成。电极的不经历此类苛刻条件的其余部分通常由不同的、较便宜的金属或合金材料(例如，Ni-Cr合金和/或铜)形成。
制造此类点火系统装置中的电极的常见方式是拉延贵金属(例如，铂族金属(PGM))和贱金属(通常是铬镍铁合金，一种Ni-Cr合金)丝。然后以使金属接触的方式进给这些丝，并进行激光或摩擦焊接。一旦焊接好，随后便在两侧上切割贵金属和贱金属丝组件，从而形成焊接的小的材料短棒。通常，在已(分别)独立地制造每个基底之后，然后将该短棒的贱金属元素自身焊接到基底上以形成电极。常用于此目的的基底基于具有铜芯的铬镍铁合金(一种Ni-Cr合金)。此类基底通过两种金属的共挤出而预先形成，并且为人们所熟知。
当前用于制造此类装置中的电极的另选方法是在已独立地制造每个基底之后，将一根或“段”分段铂丝激光焊接到基底上以形成电极尖端。
图1描绘了现有技术的点火装置部件1。该装置是火花塞电极，由已激光焊接到电极尖端11的基底10制成。基底10包括铜芯13和铬镍铁合金外部12。该部件还包括环形突出部14，该环形突出部通常存在于火花塞电极上并确保火花塞的中心电极很好地装配在陶瓷壳体的凹陷部内，该凹陷部具有互补的形状以便接纳该突出部。
这些现有制造方法具有的一些有益效果，在于：相对于使用完全基于贵金属的电极而言，所用的昂贵的贵金属的量被最小化。
然而，由于需要在上游过程中制作金属丝、将它们分段并执行必要的焊接步骤，以将每个丝段激光焊接到基底上以形成电极尖端或对两根丝进行摩擦焊接，因此这些方法复杂且昂贵。丝的切割会导致切口损失(当切割工具在分段过程中穿过丝时，不可避免地损失材料)。如果需要成型的电极尖端(诸如渐缩的尖端)，则必须通过机加工对段塞的端部进行成型，这不可避免地会造成进一步的材料损失。现有的方法也缺乏灵活性，因为必须使用特定长度的分段丝以便提供所需的对应长度的电极尖端。因此，可能有必要在方法的初始阶段准备并提供各种长度的分段丝，这是复杂的。对丝的段塞和其他小部分的处理很困难，并导致进一步的损失。
需要一种更简单、更具成本效益的方法来制造含贵金属的部件，更具体地讲制造用于点火装置的部件。
本文包含的任何子标题仅是为了方便起见，而不应被解释为以任何方式限制本公开。
发明内容
因此，本发明的第一方面是使用增材制造方法来生产点火装置的部件的方法，该方法包括
(i)在金属或合金基底的表面上形成金属或合金层；
(ii)将所述层熔合到所述基底；以及
(iii)一层层地重复(i)和(ii)，以在所述基底上形成沉积的金属或合金附着物。
本发明的第二方面是通过根据第一方面的方法获得或可获得的点火装置部件。
本发明的第三方面是包括根据第二方面的部件的点火装置。
本发明的第四方面是包括根据第三方面的点火装置的发动机。
本发明的第五方面是根据第二方面的点火装置部件在点火装置中的用途，优选地用作点火装置中的电极。
发明人已经发现，用于制造点火装置部件(诸如用于点火装置的电极)的增材制造方法提供了以极小的材料浪费来生产部件的非常有效的手段。避免了用于制作分段丝及其随后附着到基底的附加的耗时且会产生损失的制造过程。此外，沉积的附着物的几何形状完全可以定制以适合特定的应用，并在基底与附着物之间形成牢固的粘结。
更一般地，本文描述的增材制造方法可以用于在基底上形成基于贵金属的附着物。基于贵金属的附着物可以包含贵金属或其合金。因此，本发明的第六方面是使用增材制造方法来生产含贵金属的部件的方法，该方法包括：
(i)在基底的表面上形成金属或合金层，其中所述金属或合金包括贵金属或其合金，并且其中所述基底是金属或合金基底；
(ii)将所述层熔合到所述基底；以及
(iii)一层层地重复(i)和(ii)，以在所述基底上形成沉积的贵金属或贵金属合金附着物。
应当理解，在此上下文中，“贵金属”是指元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)。
发明详述
金属或合金层
根据本发明的方法，将金属或合金层相继放置到基底上，以在基底上形成附着物。
适当地，将金属层相继放置到基底上，以在基底上形成金属附着物。
适当地，放置到基底上的金属包括Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种或者由其组成。优选地，放置到基底上的金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种或者由其组成。更优选地，放置到基底上的金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的一种或多种或者由其组成。最优选地，放置到基底上的金属包括Ru、Rh、Pd、Ir和Pt中的一种或多种或者由其组成。
在一些特别优选的实施方案中，放置到基底上的金属包括Ru和Ir中的一种或多种或者由其组成。
附加地或另选地，放置到基底上的金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Au和Pt中的两种或更多种或者由其组成。优选地，放置到基底上的金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Au和Pt中的两种或更多种或者由其组成。更优选地，放置到基底上的金属包括Ru、Rh、Pd、Ir和Pt中的两种或更多种或者由其组成。
附加地或另选地，将合金层相继放置到基底上以在基底上形成合金附着物。
适当地，放置到基底上的合金包括Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或者由其组成。合金中的所述一种或多种其他元素也可以选自Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au。
然而，优选地，放置到基底上的合金包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或者由其组成。任选地和另选地，放置到基底上的合金包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的两种或更多种的合金或者由其组成。更优选地，放置到基底上的合金包括Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或者由其组成。甚至更优选地，放置到基底上的合金包括Ru、Rh、Pd、Ir和Pt中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或者由其组成。最优选地，放置到基底上的合金包括Ru和Ir中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或者由其组成，在这种情况下，特别优选的是，放置到基底上的合金包括含有作为主要组分的Ru或Ir与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或者由其组成。
特别优选的是，沉积到基底上的金属或合金包括贵金属或其合金。更优选地，沉积到基底上的金属或合金包括PGM或其合金。
关于用于生产点火装置的部件的方法(本发明的第一方面)描述的优选特征同样适用于用于生产含贵金属的部件的方法(本发明的第六方面)，前提条件是含贵金属的部件的生产限于包括以下步骤的方法：
(i)在基底的表面上形成金属或合金层，其中所述金属或合金包括贵金属，或者合金包括其贵金属合金，并且其中所述基底是金属或合金基底；
(ii)将所述层熔合到所述基底；以及
(iii)一层层地重复(i)和(ii)，以在所述基底上形成沉积的贵金属或贵金属合金附着物。
应当理解，在此上下文中，“贵金属”是指元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)。
优选地，在第六方面，贵金属可以是铂族金属(PGM)，即，选自元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)和铂(Pt)。优选地，贵金属选自元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)和铂(Pt)。
可以以各种方式沉积这些层，如下面更详细地讨论的。例如，在一些实施方案中，将金属或合金粉末层沉积到基底中，并在沉积另一层之前，将每一层中的粉末粘结或熔合在一起，并粘结或熔合到下面的基底或层。此类方法通常称为“粉末床熔合”(PBF)技术。
PBF方法在本发明中是特别优选的，因为它们提供比其他AM技术更高的生产率。
另选地，例如，可以以熔融形式沉积各层，随后冷却和固化所沉积的层，并且随后在先前层的顶部上沉积另外的熔融层。此类方法包括“定向能量沉积”(DED)技术。
在其他实施方案中，层作为金属或合金片而沉积，其每一个都熔合到相邻的层。相邻的层可以通过焊接技术或通过使用粘合剂来接合。此类方法包括“薄片层叠”(SL)技术。
在本发明的所有实施方案中，将第一层且引申开来将附着物本身“熔合”到基底。换句话说，在基底与附着物之间形成牢固的粘结，使得附着物不能容易地从基底上除去。例如，这可以通过使第一层和基底表面的邻近第一层的区域均部分熔融来实现。如本文所述的发明可因在层形成过程中不存在粘结剂这一事实而与粘结剂喷射粉末床技术形成对比，在粘结剂喷射粉末床技术中，以分层的方式沉积粘结剂以将粉末保持在一起。在粘结剂喷射粉末床技术中，将粘结剂掺入到生产的生坯中，随后通过脱粘结剂步骤除去以形成棕坯，然后将其烧结并熔合以获得完全的密度。在本发明的方法中，在步骤ii)中将各层熔合，并且不必存在粘结剂，因此不需要执行脱粘结剂步骤。因此，与使用粘结剂喷射粉末床技术相比，本发明的生产方法提供了更简单的制造过程。
金属或合金粉末
在一些实施方案中，该方法的步骤(i)包括在金属或合金基底的表面上形成金属或合金粉末层；并且步骤(ii)包括将层中的粉末的至少一部分均粘结或熔合在一起并粘结或熔合到基底。
在AM方法期间沉积的粉末是金属粉末或合金粉末。
术语“金属粉末”和“合金粉末”表示分别包含金属或合金粒子的粉末。也可以存在其他颗粒组分，诸如粘结剂、溶剂、添加剂和不可避免的杂质。
适当地，粉末是金属粉末，即，包含金属粒子的粉末。金属粉末包含Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种的粒子或者由其组成。优选地，金属粉末可以包含贵金属粒子(例如铂族金属(PGM)粒子)或者由其组成。因此，优选地，金属粉末包含Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种的粒子或者由其组成。更优选地，金属粉末包含Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的一种或多种的粒子或者由其组成。甚至更优选地，金属粉末包含Ru、Rh、Pd、Ir和Pt中的一种或多种的粒子或者由其组成。最优选地，金属粉末包含Ru和Ir中的一种或多种的粒子或者由其组成。
任选地，金属粉末还可以包含其他非金属粒子组分，诸如陶瓷、玻璃和塑料。
附加地或另选地，粉末是合金粉末，即，包含合金粒子的粉末。适当地，合金粉末包含Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金的粒子或者由其组成。合金中的所述一种或多种其他元素也可以选自Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au。优选地，合金粉末可包含贵金属合金的粒子或者由其组成，例如铂族金属(PGM)合金的粒子，因此，优选地，合金粉末包含Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金的粒子或者由其组成。更优选地，合金粉末包含Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的两种或更多种的合金的粒子或者由其组成。还更优选地，合金粉末包含Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金的粒子或者由其组成。甚至更优选地，合金粉末包含Ru、Rh、Pd、Ir和Pt中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金的粒子或者由其组成。最优选地，合金粉末包含Ru和Ir中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金的粒子或者由其组成，并且在这种情况下，最优选的是，合金粉末包含含有作为主要组分的Ru或Ir与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金的粒子或者由其组成。
任选地，合金可以包含选自Y、Zr和Sm中的一种或多种的附加组分。优选地，合金可以包含Zr。不希望受到理论的束缚，据信这些元素的加入可使合金具有延展性。还据信这些元素(特别是Zr)的加入可阻碍通过晶界(即，在不同取向下的晶格之间的边界)的位错运动，并因此限制或减慢晶粒的生长，这是有利的。
除了金属和/或合金粒子之外，粉末还可以包含辅助粒子，诸如陶瓷、粘结剂和/或流动剂。
附加地或另选地，合金粉末除合金粒子之外还包含其他非合金组分。例如，合金粉末还可以包含陶瓷氧化物粒子。不希望受到理论的束缚，据信此类陶瓷氧化物粒子的存在可以增加合金的晶粒稳定性并改善火花腐蚀性能。此类陶瓷氧化物的非限制性示例是Y2O3、ZrO2和稀土氧化物。
在一些实施方案中，粉末包含单一类型的金属或合金粒子。另选地，粉末可包含一种以上类型的金属或合金粒子，包括金属和合金粒子的混合物。金属粉末的确切组成将取决于期望的特性，并且技术人员将能够选择合适的组成。
粉末的组成可以在形成单个部件或附着物的过程中变化。例如，粉末在方法开始时(例如，在根据本发明的方法的步骤(i)期间)可以包含比在该方法的后期(例如，在根据该方法的步骤(iii)的重复步骤(i)中形成层期间)更低浓度的给定金属或合金。相反，粉末在方法开始时可以包含比在该方法的后期更高浓度的给定金属或合金。以这种方式，可以通过适当地选择初始金属或合金以形成与基底表面的牢固粘结来增加沉积的金属或合金附着物与基底的粘结强度。另外，使用此方法可以更经济地制造附着层，因为部件的附着层的基础部分可以被形成为包含较少数量的昂贵(例如PGM)金属或合金，昂贵金属的浓度朝着部件的附着层的尖端增加，在该尖端，昂贵金属的存在对于装置性能而言在技术上更重要，尤其是在附着物是适用于火花塞的电极的情况下。
适当地，粉末内的金属或合金粒子的平均粒度D50在1至200μm的范围内。
在本文，“D50”是指位于累积体积分布的50％处的粒径。换句话说，50体积％的粒子的粒度将小于该值，而50体积％的粒子的粒度将大于该值。技术人员知道可用于确定D50的方法。这些方法包括筛分分析、激光衍射和动态光散射(DLS)。
任选地，可以使用纳米级粒子。在该实施方案中，粉末内的金属或合金粒子的D50为至少10nm，例如至少20nm、至少30nm、至少40nm、至少50nm、至少100nm、至少200nm或至少500nm。
另选地，粉末内的金属或合金粒子的D50为最大200μm，例如最大150μm、最大100μm、最大90μm、最大80μm、最大70μm、最大60μm、最大50μm、最大40μm、最大30μm、最大20μm、最大10μm、最大5μm、最大2μm或最大1μm。
技术人员理解，粒度的确切选择将由所使用的特定AM方法和机器决定。例如，在PBF技术中，D50的范围通常为1至10μm、或20至60μm、或40至100μm。
金属或合金基底
在根据本发明的方法中，通过基底上的附着物层来形成部件。更特别地，该附着物通过增材制造(AM)形成，并构建且固定到金属或合金基底的表面。
适当地，基底可以是点火装置的中心电极或接地电极的一部分。然后，附着物形成电极的“尖端”，在使用过程中可由该尖端产生火花。优选地，基底是点火装置的中心电极的一部分。
基底可包含任何合适的金属或合金，或金属和/或合金的混合物。适当地，基底是通过两种不同金属或合金的共挤出或技术人员已知的任何其他制造方法形成的主体。
基底可以包含与通过AM沉积于基底上的金属或合金不同的金属或合金。另选地，基底不包含存在于沉积于基底上的层中的任何金属或合金。更特别地，基底任选地不包含任何PGM。
附加地或另选地，基底包含导电金属或合金。
优选地，基底包含选自Ag、Au、Cu、Al、Mo、Zn、W、Ni、Fe、Pd、Pt、Sn、Pb、Ti的一种或多种金属或者这些金属中的任一种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金。更优选地，基底包含选自Cu和Ni的一种或多种金属或者这些金属中的任一种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金。
有利地，基底可以包括包含第一金属或合金的第一区域以及包含与第一金属或合金不同的第二金属或合金的第二区域。在该实施方案中，第一区域可以是核心区域，该核心区域至少部分地被第二区域(壳区域)围绕。第一区域和第二区域通过第一金属或合金和第二金属或合金的共挤出形成。在一些实施方案中，第一区域包含导电金属或由其组成。在一些实施方案中，第一区域包含过渡金属(诸如Cu)或由其组成。在一些实施方案中，第二区域包含导电金属或由其组成。另选地，第二区域包含合金(诸如Ni合金)或由其组成。任选地，第二区域包含铬镍铁合金或由其组成。
更特别地，基底可以包括包含Cu的芯，该芯至少部分地被包含Ni或Ni合金的外部部分围绕。
适当地，在AM期间沉积粉末的表面包含Ni或Ni合金，并且优选地包含Ni合金。在Ni合金中，主要组分可以是Ni，而Ni合金中的一种或多种其他元素可以选自Cr、Fe、Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P和B。优选地，合金中最丰富的元素是Ni，合金中第二最丰富的元素是Cr，并且合金可以包含一种或多种选自Fe、Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P和B的其他合金元素。任选地，合金是铬镍铁合金。
用作点火装置电极的一部分的此类“芯-壳”型基底(如上所述)是技术人员熟知的并且可商购获得。
基底的整体形状没有特别限制。技术人员将能够根据预期的点火装置应用来选择合适的形状。
适当地，基底具有细长的结构。此类基底的一个维度比其他两个维度长至少2倍，例如至少3倍，例如至少4倍。此类细长基底的横截面几何形状没有特别限制，但是可以选自圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、梯形、菱形、五边形、六边形或八边形。此类基底可以包括在基底表面上的特征部，诸如脊、凸台或凹陷部。
优选地，基底是基本上圆柱形的。诸如火花塞之类的点火装置的中心电极通常具有圆柱形形状，电极的产生火花的“尖端”位于该圆柱体的一端处。因此，在一些实施方案中，通过AM来沉积层的圆柱形基底的表面是圆柱体的端面之一，这些端面可以是基本上平坦的。
所谓“基本上圆柱形”是指基底将通常是具有圆形或接近圆形横截面的细长结构(例如，横截面的形状可以略呈椭圆形而不是正圆形)。此外，“基本上圆柱形”不排除在基底的表面上存在诸如脊、凸台或凹陷部的特征部。基底的横截面的尺寸和形状沿其长度可以是一致的，或者可以变化，例如使得基底具有渐缩的外观。
基底的尺寸也没有特别限制，并且将取决于点火装置的预期应用。如已经提到的，此类基底是可商购获得的，并且本文描述的方法可以适于与任何这样的基底一起使用。一般来讲，取决于设计和预期用途，基底的长度可以为0.5至80mm，例如10至20mm。
在本发明的方法中，首先将金属或合金层沉积到金属或合金基底的表面上。可以沉积该初始层以覆盖基底的暴露表面的整个区域。另选地，可以沉积该层以仅覆盖基底的暴露表面的一部分，例如以便在表面边缘周围留下边界。当基底是细长基底时，例如如上所讨论的基本上圆柱形的，初始层可以沉积到基底的端面之一上。
在本发明的第六实施方案中，基底可以是点火装置部件，例如点火装置电极，例如火花塞电极。在其他实施方案中，基底可以是任何其他合适的金属或合金基底，例如传感器的引出线。
增材制造方法
根据本发明的方法使用增材制造(AM)方法。AM是这样一种技术，它将二维材料层相继放置并熔合或粘结在一起，以形成三维实体对象。已经开发出该技术用于制造航空航天和医疗应用中使用的塑料、金属和陶瓷部件。
发明人已经发现，AM还提供了以经济的方式生产点火装置部件同时保持期望特性的可能性。
发明人还发现，AM提供了以经济的方式生产含贵金属的部件同时保持期望特性的可能性。例如，此类方法将用于制造传感器附着物，诸如λ传感器附着物，以及需要将贵金属附着物附着到另一金属或合金基底上的各种其他用途，其中此类部件否则可能使用上述不太经济的方法制造，诸如激光焊接。
AM方法(也被称为构造制造、生成制造、直接数字制造、自由形状制造、实体自由形状制造或搭接(tabbing))可以使用已知技术应用于点火部件设计。在所有情况下，AM方法都通过传统的3D设计计算机程序包来实现，这些程序包允许将点火装置部件的附着物设计为所谓的“STL文件”或“STEP文件”，这是对3D形状的简单网格描述。使用该设计软件将STL文件分解为多个二维层，这些层是制造过程的基础。读取二维图案的制造设备然后相继一层层地沉积与2D切片相对应的材料。在粉末沉积技术中，为了使附着物具有结构完整性，在沉积层时将粉末材料粘结或熔合在一起。重复进行层沉积和粘结或熔合的过程，直到产生牢固的附着。在粉末沉积技术中，未粘结或未熔合的粉末易于与成型单元分离，例如通过重力或吹扫。
优选地，增材制造方法选自粉末床熔合、定向能量沉积和薄片层叠。
以这种方式，逐步构建3维对象。在过程结束时，除去围绕对象的未熔合粉末或不需要的金属或合金材料。
适当地，在将初始粉末层沉积到基底的表面中之后，进行该层的至少一部分的粘结或熔合。优选地，通过粉末床熔合(PBF)技术实现粘结或熔合。根据该技术，在粉末沉积之后，使用激光或电子束将粉末熔融并熔合在一起，并且还将粉末的初始层熔合至基底。在第一层已经沉积并熔合之后，将随后的粉末层相继沉积在彼此的顶部，并且将新层内的粉末熔合在一起，并熔合到前一层中的材料。因此，优选地，根据本发明的方法是PBF方法。有许多PBF粘结和熔合制造技术可用，尤其是3D打印和激光熔融技术。然而，可以使用任何技术。
激光-PBF或电子-PBF是可以在本发明中使用的特定PBF技术的示例。
PBF技术和所需设备的细节是技术人员熟知的。
在激光熔融中，该方法包括三个步骤，其中首先使用刀片、辊子或移动料斗将粉末材料的薄层施加到基板。对层的厚度进行控制。激光辐射作为焦点被施加，并在二维层上扫描，以熔合三维零件的横截面，并将层熔合到下面的层。例如根据所需的图案使用电流计镜控制激光的位置。在层被熔合之后，将其上搁置基底和层的板向下移动一层的厚度，并将新的粉末层在熔合的层上过筛。重复该工序，从而产生三个维度的附着物。形成附着物后，只需通过重力或将其吹走，即可将未熔合的粉末与附着物分离。
直接激光烧结使用固态光纤激光器在高温下执行该过程。此类系统可从EOS、Concept Laser或SLM Solutions商购获得。
本发明的AM方法可以使用定向能量沉积(DED)来产生金属或合金附着物。DED涉及具有安装在多轴臂上的喷嘴的机器。喷嘴用于通过熔融将熔融的金属或合金从丝或粉末供给源沉积到基底表面上，在基底表面上金属或合金冷却并固化。重复该过程以逐层构建材料。
本发明的AM方法可以使用薄片层叠(SL)来产生金属或合金附着物。SL涉及多个金属或合金片材的层叠，这些金属或合金片材随后例如通过超声焊接而粘结在一起。然后，可以使用CNC机加工除去多余的材料。
在本发明的方法中，将金属或合金的第一层沉积在基底的表面上，并将金属或合金的第二层沉积在第一层的表面上。可以重复该过程，从而形成由基底上的两个或更多个熔合层(例如至少5层、至少10层、至少15层、至少20层、至少25层、至少50层或至少100层)构成的附着物。层厚将通过对粒度的选择来确定，但是例如可以为至少10nm、至少20nm、至少30nm、至少40nm、至少50nm、至少100nm、至少200nm或至少500nm。
层厚可以为最大200μm，例如最大150μm、最大100μm、最大90μm、最大80μm、最大70μm、最大60μm、最大50μm、最大40μm、最大30μm、最大20μm、最大10μm、最大5μm、最大2μm或最大1μm。
选择较大的层厚将使附着物的形成更快，但会导致成品附着物的表面更粗糙。
确切的层数将由所需的附着物长度(这又取决于所需的应用)和所用的最大粒度(因为层厚将等于粒径)决定。
附加地或另选地，该方法包括使用增材制造方法来生产点火装置的多个部件，其中将多个基底在单个增材制造(AM)单元内以阵列布置。更特别地，该方法可以包括以下步骤：提供在单个AM单元内以阵列布置的多个基底，使得可以相对于每个基底同时地或相继地执行本发明的方法的每个步骤。因此，该方法可以被视为分批方法，在该方法的每次“运行”中提供两个或更多个部件。
以这种方式，使用单次AM运行，可以在AM单元的单个构造板上制造多个点火装置部件。就时间和资源两者而言，这是非常经济的。例如，常规地，在PBF方法期间，沉积的每一层粉末覆盖构造板的整个区域，并且仅熔合其中的一小部分来创建3D对象。在方法结束时，将剩余的未熔合粉末除去，并在另一次运行中重新使用。因此，在每次印刷运行中，沉积了大量的粉末但未用于形成产品，从而浪费了宝贵的时间和资源。
技术人员将理解，术语“AM单元”是指适于执行AM方法的系统。此类系统是技术人员已知的并且可商购获得。
通过在单个构造板上的单次印刷运行中制造多个部件，例如至少2个、至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1000个、至少2000个或至少4000个，过程的效率大大提高。
适当地，可以将多个基底以二维阵列布置在构造板上。在一些实施方案中，多个基底以规则的阵列布置，诸如在构造板上的三角形、正方形或六边形阵列。
优选地，两个相邻基底之间的距离保持最小。这确保了AM方法的最大效率。
任选地，在AM方法期间将金属或合金基底保持在构造板上。基底可以通过任何合适的手段在构造板内保持就位，或者可以位于由构造板限定的合适的孔或凹陷部内。基底可以通过合适的手段(例如通过从基底表面伸出的突出部与从孔或凹陷部的内表面伸出的突出部之间的邻接)在所述孔或凹陷部内保持就位。从孔或凹陷部的内表面伸出的突出部可包括环形脊，使得提供了更稳定的在其上搁置基底的平台。以这种方式，不仅控制了基底的轴向位置，而且基底的横向位置也更加稳定。
另选地，基底可以位于构造板中的凹陷部的底板上。以这种方式，可以控制基底在孔或凹陷部内的轴向位置，例如以便确保基底和构造板的上表面共面。
如本文所述的方法因此可以在步骤(i)之前包括将一个或多个基底在构造板上布置就位的步骤。
任选地，本发明的方法包括在步骤(i)之前提供一种改良的构造板，该构造板包括适于在AM方法期间保持金属或合金基底的孔或凹陷部，以及将构造板安装在AM单元内。改良的构造板可包括多个孔或凹陷部，可在其中放置相同数量的多个基底。改良的构造板可包括以阵列(诸如三角形、正方形或六边形阵列)布置的多个孔或凹陷部。
一般来讲，可以通过对常规的构造板进行钻孔来提供改良的构造板，以提供合适的凹陷部或孔。
优选地，基底位于凹陷部内，使得基底的上表面与构造板的上表面基本齐平，或者以小于或等于5mm的间隙突出到构造板的上表面上方。以这种方式，可以确保例如在PBF方法期间，粉末仅熔合到基底的上表面。
当提供改良的构造板时，该方法将进一步包括将一个或多个基底插入构造板中的一个或多个孔或凹陷部中的步骤。
金属或合金附着物
根据本发明的一个方面的增材制造方法的产品是点火装置的部件，该部件是包括金属或合金基底和熔合到基底的AM沉积金属或合金附着物的组件。
根据本发明的另选方面的增材制造方法的产品是含贵金属的部件，该部件包括金属或合金基底和熔合到基底的包含贵金属或其合金的AM沉积附着物。
上面关于金属或合金层和粉末的特性的公开内容也适用于金属或合金附着物，金属或合金附着物是通过这些层的熔合而产生的对象。
适当地，附着物具有渐缩的形状，使得附着物的横截面积随着与其附着的基底的距离而减小。
另选地，附着物具有凸面形状，例如半球形形状或球形帽或圆顶的形状。
优选地，附着物是用于点火装置中的电极的产火花的尖端。当附着物由PGM金属或合金形成时，在将附着物用作产火花的尖端的情况下，这提供了特别期望的特性。例如，附着物具有高熔融温度，并且不易发生火花腐蚀，从而降低点火装置缺火的风险。
附着物的尺寸当然将取决于基底的尺寸和预期应用，并且技术人员可以调整AM方法以便制造合适尺寸的附着物。
在一些实施方案中，附着物的长度为至少0.1mm，例如至少0.2mm、至少0.25mm、至少0.3mm、至少0.35mm或至少0.4mm。在一些实施方案中，附着物的长度为最大10mm，例如最大5mm、最大4mm、最大3mm、最大2.5mm或最大2mm。
在一些实施方案中，附着物的宽度(直径)为至少0.3mm，例如至少0.4mm或至少0.5mm。在一些实施方案中，附着物的宽度(直径)为最大2.5mm，例如最大2mm或最大1.5mm。
任选地，本发明的方法还包括选自对部件的至少一部分进行表面精加工和/或机械加工的步骤(iv)。
表面精加工确保将满足产品标准要求，而仅通过AM方法无法达到此要求。在一些实施方案中，表面精加工通过计算机数控(CNC)机加工来执行。在此类实施方案中，必须在构造板上的相邻基底之间提供适当的间隙，以允许CNC工具移动。一般来讲，间距应为至少3mm，例如至少3.5mm、至少4mm或至少4.5mm。
附加地或另选地，可以通过AM机器内的功能原位提供表面精加工步骤。换句话说，AM机器可以包括自动铣削工具，该工具例如通过CNC机加工与AM方法同时(例如，通过在已沉积每一层之后执行机加工步骤)或在附着物已经被制造后对附着物进行原位表面精加工。
任选地，表面精加工步骤包括3D扫描过程，以确定每个部件在构造板上的三维位置，并将此信息馈送到CNC机加工系统中。CNC精加工的准确性可能取决于基底的定位准确性。因此，在打印后对基底位置执行3D扫描确保了表面精加工过程准确无误。
另选地，该过程可以包括原位熔池监控，其将例如使用诸如Concept LaserQMmeltpool 3D之类的系统以3D方式重新创建打印。然后可以将熔池监控的输出用作CNC精加工过程的输入，以便提高准确性。
机械加工可以包括技术人员已知的用于改变AM沉积结构的结构和/或密度的任何方法。可用于步骤(iv)中的机械加工技术的非限制性示例包括珠喷丸、机械喷丸、热或冷轧或压制，诸如等静压，例如热等静压，或另外的AM步骤。
优选地，机械加工包括致密化过程。致密化是减小AM制造的零件的内部孔隙度的一种手段。以这种方式，可以提供更致密的附着物。
在一些实施方案中，机械加工用于引入受控水平的机械功，该机械功可以保留或可以与适度的局部加热结合使用，以在表面处或根据处理的严格程度和采用的热方案在更深处形成等轴晶粒结构。在一些情况下，可以在与基底的接合部处形成等轴结构，其中将外延生长的定向晶粒限制到附着物的表面。预期此类变化的结构将导致电极尖端在氧化/腐蚀方面的稳定性得到改善，但热循环和机械循环将更为显著。
现在将参考以下非限制性附图和实施例进一步描述本发明。鉴于这些内容，本领域的技术人员将想到本发明的其他实施方案。
附图说明
图1是现有技术的火花塞电极的示意性剖视图。
图2是火花塞电极基底的示意性剖视图。
图3是保持在构造板中的孔内的火花塞电极基底的示意性剖视图。
图4是保持在构造板中的凹陷部内的火花塞电极基底的示意性剖视图。
图5是保持在构造板中的凹陷部内的火花塞电极基底的示意性剖视图。
图6是根据本发明的保持在AM机器的构造板中的孔内的火花塞电极的示意性剖视图。
图7是根据本发明的火花塞电极的示意性剖视图。
具体实施方式
图2是可用于制造根据本发明的火花塞电极的基底2的图示。
基底2在图2中以轴向横截面示出，并且除了在基底的基部附近的环形突出部24外，是圆柱形的。这种环形突出部存在于此类基底上，作为将基底固定在陶瓷套筒内的装置，当基底结合到火花塞中时，基底被保持在该陶瓷套筒中。基底2包括复合结构，该复合结构包括围绕Cu金属芯部23的Ni-Cr(铬镍铁合金)外部22。此类基底是可商购获得的，并且可以通过铬镍铁合金和铜材料的共挤出而形成。
图3是与图2所示的基底相同的基底3的图示，该基底3在由构造板31限定的孔32内保持就位，该构造板是增材制造机器(未示出)的一部分。为了简单起见，示出了单个孔32，但是单个构造板可以包括如本文所述的多个孔。孔32和突出部24的直径基本相同，使得基底2被保持在构造板31内的稳定位置。此外，孔32的内表面包括环形脊38a、38b，该脊在孔内产生唇缘，突出部24的下表面抵靠在该唇缘上。环形脊38a、38b遵循与孔32的轴线垂直的轮廓。因此，通过突出部24抵靠环形脊38a、38b，防止了基底2进一步移动到孔32中，并且基底2被有效地保持就位。孔32内的环形脊38a、38b的轴向位置被设计成使得基底2的上表面35与构造板31的上表面36基本上共面。
尽管在该实施方案中，孔32内的环形脊38a、38b是连续的，但另选地，该脊可以是不连续的，使得它替代地是从孔32的内表面伸出的多个突出部。例如，环形脊38a、38b可以由两个简单的突出部代替，这两个简单的突出部位于孔32的内表面的任一侧上在直径上相对的位置。然而，环形脊38a、38b是优选的，因为它提供了更稳定的在其上搁置突出部24的平台，从而确保了表面35和36的共面性。
图4示出了另选的实施方案4。图3的孔32被改良的构造板41内的凹陷部41代替。除了以下方面外，该实施方案的所有方面与图3所示的相同：凹陷部41不延伸穿过构造板41的整个厚度。类似于图3所示的实施方案，基底2的位置由环形脊48a、48b的存在来控制。孔42内的环形脊48a、48b的轴向位置被设计成使得基底2的上表面45与构造板41的上表面46基本上共面。
图5示出了另选的实施方案5。图3的孔32被改良的构造板51内的凹陷部52代替，并且基底2的底部搁置在凹陷部52的底板52a上。凹陷部52的深度被设计成使得基底2的上表面55与构造板51的上表面56基本上共面。
具有圆形形状的基底的上表面35与构造板的上表面36、46、56共面。图3-5中所示的布置便于通过AM将材料沉积到基底上，随后形成固定到基底2的上表面35的附着物。
图6示出了根据本发明的火花塞电极6。铂族金属附着物61已经通过粉末床熔合AM方法分阶段沉积到基底2的上表面上。附着物61熔合到基底2。部件6仍定位在构造板31内，准备移除。
为了简单起见，图中未描绘AM方法本身。然而，参考图3，现在将描述示例性的PBF方法。首先，在构造板的整个表面36和基底的表面35上沉积Rh合金粉末层，以形成厚度为30μm的层。一些粉末不可避免地填充了基底外部与孔32的内壁之间的间隙。该粉末在该方法后被回收，并再次用于进一步的印刷运行。在以这种方式沉积第一层之后，将能量束(例如激光束或电子束)对准粉末层的位于基底2的表面35上方的部分。照射部分是圆形的，并且具有比基底的上表面略小的直径，使得基底的上表面的小边界不会变得熔合到附着物。能量束将被照射区域中的金属或合金粉末熔融并熔合在一起，并熔合到下面的基底表面。然后将另一层粉末沉积在第一层的整个表面上。以与第一层相同的方式照射第二层的位于第一层的熔合部分上方的部分，以将粉末熔合在一起并熔合到下面的层。
重复该过程预定的次数，直到已形成在基底上方4mm高的附着物61。一旦PBF过程完成，便将未熔合的粉末通过吹扫除去，并回收以供将来使用。
图7示出了已经通过将附着物61AM沉积到基底2上而制造的火花塞电极7。可以将电极结合到火花塞中以提供中心电极，附着物61形成在使用过程中产生火花的尖端。

Claims (25)

1.一种使用增材制造方法来生产点火装置的部件的方法，所述方法包括：
(i)在金属或合金基底的表面上形成金属或合金层；
(ii)将所述层熔合到所述基底；以及
(iii)一层层地重复(i)和(ii)，以在所述基底上形成沉积的金属或合金附着物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(i)包括在所述金属或合金基底的所述表面上形成金属或合金粉末层；并且步骤(ii)包括将所述层中的所述粉末的至少一部分均粘结或熔合在一起并粘结或熔合到所述基底。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中沉积到所述基底上的所述金属或合金包括贵金属或其合金。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述基底包括镍或镍合金，任选地包括铜芯。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述基底包括铬镍铁合金。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法包括使用增材制造方法来生产点火装置的多个部件，其中将多个基底在单个增材制造单元内以阵列布置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中相邻基底上的中心点之间的间距在1至10mm，例如2至8mm的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述基底位于增材制造单元的构造板中的凹陷部或孔内。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述基底位于所述凹陷部内，使得所述基底的上表面与所述构造板的上表面基本上齐平，或者以小于或等于5mm的间隙突出到所述构造板的所述上表面的上方。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中将所述基底在所述凹陷部或孔内保持就位。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述基底借助从所述基底的所述表面伸出的突出部与从所述孔的内表面伸出的突出部之间的邻接而保持就位。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述增材制造方法选自粉末床熔合、定向能量沉积和薄片层叠。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，所述方法还包括选自对所述部件的至少一部分进行表面精加工和/或等静压的步骤(iv)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中步骤(iii)包括重复步骤(i)和(ii)至少5次。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述方法包括3D熔池监控。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，所述方法是用于生产火花塞的中心电极或接地电极的方法。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法是用于在代表所述中心电极或接地电极的其余部分的基底上形成火花塞的中心电极或接地电极的尖端的方法。
18.一种点火装置部件，所述点火装置部件通过根据权利要求1至17中任一项所述的方法获得或能够通过根据权利要求1至17中任一项所述的方法获得。
19.一种点火装置，所述点火装置包括根据权利要求18所述的部件。
20.根据权利要求19所述的点火装置，其中所述点火装置是火花塞。
21.一种发动机，所述发动机包括根据权利要求19或20所述的点火装置。
22.根据权利要求18所述的点火装置部件作为点火装置中的电极的用途。
23.一种使用增材制造方法来生产含贵金属的部件的方法，所述方法包括：
(i)在基底的表面上形成金属或合金层，其中所述金属或合金包括贵金属或其合金，并且其中所述基底是金属或合金基底；
(ii)将所述层熔合到所述基底；以及
(iii)一层层地重复(i)和(ii)，以在所述基底上形成沉积的贵金属或贵金属合金附着物。
24.根据权利要求23所述的方法，其中步骤(i)包括在所述基底的表面上形成金属或合金粉末层；并且步骤(ii)包括将所述层中的所述粉末的至少一部分均粘结或熔合在一起并粘结或熔合到所述基底。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中沉积到所述基底上的所述金属或合金包括选自Ru、Rh、Pd、Ir和Pt或其合金的铂族金属或合金。
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