CN111163883A - 用于在增材制造中利用连续定义的制造参数照射粉末层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在增材制造中提供用于选择性照射粉末层的数据的方法，该方法包括：为部件(10)提供预定义的部件几何形状；将部件几何形状(10)划分成用于增材制造的至少一个第一部件层(S1)和位于第一部件层之上的第二部件层(S2)，其中第二部件层(S2)的轮廓(B)与第一部件层(S1)的轮廓(A)不相同；以及连续地定义用于在第一部件层(S1)的轮廓(A)的熔池区域(X)中增材制造第二部件层(S2)的至少一个制造参数(HP)。本发明还涉及对应的部件和计算机程序产品。

Description

用于在增材制造中利用连续定义的制造参数照射粉末层的 方法

技术领域

本发明涉及用于增材制造的方法或作为增材制造方法的一部分的方法。该方法特别地涉及在增材制造中提供用于选择性照射粉末层的数据或信息。

本发明还涉及对应的增材制造方法以及根据该方法制造的部件。本发明还涉及一种计算机程序或计算机程序产品以及对应的计算机可读介质。

背景技术

用于制造部件的生成或增材方法包括例如选择性激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)作为粉末床方法。

激光熔覆(LMD)同样属于增材方法。

一种用于选择性激光熔化的方法是例如从EP 2 601 006 B1中已知的。

增材制造(英文：“additive manufacturing”)已经证明是对于复合的或复杂的或精细设计的部件(例如迷宫状结构、冷却结构和/或轻型结构)特别有利的。特别地，由于特别短的工艺步骤链，增材制造是有利的，因为部件的生产步骤或制造步骤可以直接在相应的CAD文件的基础上进行。

此外，迄今为止，增材制造是对于开发或生产如下的原型特别有利的，这样的原型借助于常规的减材或切削方法或铸造技术无法生产或无法高效地生产。

如这里所描述的，组件或部件优选地用于流体机械中，优选地被提供在燃气轮机的热气路径中。部件优选地由镍基或高温合金(特别是镍基或钴基的高温合金)构成，或包含这样的合金。合金还可以优选地是沉淀硬化的、氧化硬化的和/或分散硬化的。

增材制造需要以优选是预定义的照射参数或制造参数选择性地照射粉末层。必须至少部分地根据部件的几何形状选择相应的参数。根据部件的边缘区域或轮廓(或用于部件的边缘区域或轮廓)当前是否被照射或是否是内部区域，参数会关于部件的最佳材料结构(例如表面质量、热裂纹敏感性)发生变化。这尤其如此，因为在增材制造期间到熔池中的热量输入或来自熔池中的热量耗散取决于当前的(横向)位置或待固化的区域或相应的层。

此外，特别是对于部件轮廓的制造或照射而待选择的制造参数必须特别根据以下情况调整：新的或当前待固化的部件层是由位于其下的(已构建的或已制造的)结构支撑还是例如横向突出或伸出该结构。尽管例如选择性熔化方法有一定的“设计自由度”，但是增材制造所描述的部件的突出结构众所周知地是巨大的挑战。例如，借助于SLM或EBM很难或完全不可能制造部件的突出区域，特别是具有大于45°的突出角度的突出区域。

特别地，已构建和/或待固化的部件层的部件轮廓常常包含由几何形状引起的所谓的“下皮区域”或突出部以及由位于下方的层支撑的“上皮”区域。上皮区域中的部件轮廓优选地具有垂直的壁或例如平行于部件的构建方向走向的轮廓。

根据部件的哪个轮廓根据部件的几何形状应当是直的，相应地分配不同的制造参数或照射参数。

在这里，所提及的参数优选地表征用于照射部件的所谓的矢量、或照射轨迹或曝光轨迹、或相应的路径，根据该路径在粉末层上方引导能量束(例如激光束)，以便选择性地且根据部件的所期望的几何形状地固化相应的起始粉末。能量束可以以曲折的形状在粉末床上方被引导，以便重熔和固化尽可能大的区域。优选地，可以属于矢量的各个照射路径彼此仅稍稍隔开，从而熔池到达粉末床的的整个待熔化的表面，并且必要时使得相邻的、已经凝固的路径或轨迹至少部分地重新被熔化。除了在内部照射部件层之外，如上面所描述的，在相应的层的边缘上的轮廓照射也是必要的或有利的。

通常不同的矢量(例如“下皮”或“上皮”)被设置有自己的参数。这导致不利的中断的、不持续的或不连续的轮廓照射，并且因此导致低效率的长的工艺时间或构建时间，并且附加地导致在粉末固化期间熔池中的不稳定，因为例如在照射路径的每次中断或改变中，需要反复地“点燃”、“启动”和/或校准对于固化所需的照射装置。

发明内容

因此，本发明的目的是给出解决所描述的困难或问题的手段，特别是显著地改善增材制造的部件的结构质量的手段。

该目的通过独立权利要求的主题实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

本发明的一个方面涉及一种用于在增材制造中提供用于选择性照射粉末层的数据或信息的方法，该方法包括为部件提供预定义的部件几何形状(例如以CAD文件的形式)。

该方法还包括将部件几何形状划分成用于增材制造的至少一个第一部件层和位于其上的第二部件层，其中第二部件层的轮廓与第一部件层的轮廓不相同或不一致。换句话说，存在至少一个“上皮”或“下皮”区域。

该方法还包括连续地或持续地定义用于例如在(位于第二部件层下方的)第一部件层的轮廓的熔池区域或受热影响区的区域中增材制造第二部件层的至少一个制造参数。换句话说，参数在如下的区域中优选地被连续地或持续地定义，(第一部件层和第二部件层的)轮廓在这样的区域中在熔池的宽度上相交。

优选地，所提及的方法是计算机实现的方法。这意味着在本文中所描述的至少一些方法步骤部分地或完全地通过用于数据处理的一般手段执行。优选地，通过用于数据处理的手段来(如所描述的)部分地或完全地执行划分部件几何形状的方法步骤和连续地定义至少一个制造参数的方法步骤。部件几何形状的提供还可以例如通过与用于数据处理不同的手段来进行，例如通过完全地或部分地由用户控制地加载CAD文件或其他信息或数据或通过手动输入来进行。

特别地，术语“计算机实现的方法”不应被理解为所有方法步骤必须完全地通过用于数据处理的一般手段执行。

通过所描述的发明(特别是所提及的方法)，通过没有中断地较快地曝光轮廓有利地实现了较高的过程生产率。此外，所描述的方法允许构建具有较低的缺陷密度或裂纹中心密度的部件。由于在增材制造中熔池的边缘就其凝固或反应动态而言通常是不稳定的，因此参数的连续定义允许通过轮廓照射和所有制造参数中的流畅的过渡显著地改善或促进熔池动态。因此，显著地减小了增材制造中形成裂纹和/或缺陷的风险。特别地，这在承受高温的组件(例如燃气轮机)的增材制造中意味着开创性的优势。

此外，利用所描述的手段显著地改善了部件(还包括内表面)的表面质量。

换句话说，创造了使增材制造可再现和/或能够用于批量制造承受高温的组件的可能性。

本发明的另一方面涉及一种由粉末床增材制造部件的方法，该方法包括根据上面所描述的方法进行选择性照射，其中根据连续定义的制造参数利用能量束(优选是激光束或电子束)照射和/或增材制造部件。

本发明的另一方面涉及一种根据所描述的制造方法制造或可制造的部件，该部件与(现有技术的)常规部件相比包括较低的缺陷密度、裂纹中心密度和/或形成缺陷或热裂纹的较低的可能性。因此，可以有利地更加可再现地且以改善的结构和尺寸稳定性来制造部件。

本发明的另一方面涉及一种包括如下的指令的计算机程序或计算机程序产品，当程序由数据处理设备(计算机)执行时，这样的指令促使该数据处理设备执行用于提供用于选择性照射的数据的方法。

本发明的另一方面涉及一种包括用于选择性照射粉末层的数据的计算机程序产品，这些数据通过用于提供用于选择性照射的相应数据或信息的方法来提供，或从所描述的计算机程序中得知。

本发明的另一方面涉及一种包括如下的指令的计算机可读介质或存储介质，当由数据处理设备执行时，这样的指令促使该数据处理设备执行用于提供用于选择性照射的数据的方法。所描述的计算机程序可以存储在计算机可读介质上。

在一个实施方式中，制造参数表示或包括用于增材制造部件的轮廓照射图案的几何形状。根据该实施方式，熔池有利地在粉末床上方稳定且连续地被引导，该熔池在选择性照射粉末床时产生以用于(例如通过选择性激光熔化)固化起始材料。有利的是，熔池不会突然中断，从而可以防止所描述的不稳定性。

在一个实施方式中，制造参数表示或包括轮廓制造参数。

在一个实施方式中，制造参数表示或包括用于增材制造部件的至少一个照射参数或束特性，例如是选自以下参数的参数：辐射强度、能量密度、辐射功率、辐射功率密度、极化、脉动和照射波长。照射波长可以是激光波长，或(在粒子束的情况下)德布罗意波长。根据该实施方式，除了先前的实施方式的所描述的优点之外，可以借助照射参数连续(即没有不持续性或不连续性)地执行整个增材构建过程。

在一个实施方式中，制造参数表示或包括轮廓照射参数。

在一个实施方式中，包括连续定义多个制造参数，这些制造参数包括选自以下参数的至少一个参数：热输入、熔池宽度、束偏移、照射速度、粉末床上束横截面的大小、照射角度、保护气流的流量或流速、调节保护气流的气阀的状态、环境压力和粉末的合金成分。根据该实施方式，特别有利地可以连续地定义或调整对于增材构建部件待选择或可选择的所有参数。参数的数目可以略微超过100。

在一个实施方式中，第二部件层具有伸出或突出第一部件层的区域。

在一个实施方式中，突出区域配有例如与标准制造参数集(例如对于90°轮廓或90°壁)不同的突出部制造参数。

在一个实施方式中，第二部件层具有被支撑区域，该被支撑区域位于第一部件层的轮廓内并且例如与第一部件层隔开。

在一个实施方式中，被支撑区域配有例如与标准制造参数集不同的支撑部制造参数。

在一个实施方式中，部件几何形状被划分成多个相叠布置的部件层，例如被划分成数目在1000至10000之间的部件层。

在一个实施方式中，这些部件层中的至少一些部件层的制造参数在位于其下的相应的部件层的轮廓的熔池区域或受热影响区的区域中被连续地定义。

在一个实施方式中，该方法是用于准备增材制造部件的CAM方法或包括用于准备增材制造部件的CAM方法。

在这里涉及用于提供用于选择性照射的数据的方法的实施方式、特征和/或优点还可以涉及增材制造方法、部件、计算机程序(计算机程序产品)或计算机可读介质，反之亦然。

附图说明

下面借助附图描述本发明的其他细节。

图1示出了部件的一部分在其增材制造期间的示意性截面图。

图2示出了部件的至少一部分的示意性俯视图，借助该俯视图图示用于增材制造部件的选择性照射。

图3示出了图2的俯视图的一个区域的详细视图。

图4示出了类似于图2的示意性俯视图，借助该俯视图图示根据本发明的方法步骤。

图5示出了图示根据本发明的方法步骤的示意性流程图。

具体实施方式

在实施例和附图中，相同或作用相同的元素可以分别具有相同的附图标记。原则上，所示出的元素及其彼此间的比例不应视为按比例的，相反，为了更好的表示和/或更好的理解，各个元素可以以过粗或过大的尺寸图示。

图1示出了待增材制造的部件10的至少一部分的示意性截面图或侧视图。优选地，部件10在其增材制造、生成制造或逐层制造期间被图示，其中第一层S1以及沿构建方向AR布置在第一层之上的第二层S2已经由照射设备(未明确标识)选择性照射，并且依此被固化和制造。

例如通过激光束或电子束(参见SLM和EBM方法)的固化优选地通过选择性地固化粉末床2的基础材料来进行。第一层S1材料配合地连接或焊接到位于其下的基板或构建平台1。这通过用能量束(例如激光束)例如逐行地或曲折地扫描起始材料或粉末床2来实现。其中利用束在粉末床的表面上引导熔池，该熔池在激光通过之后立即固化形成新构建的部件层。

优选地，完成的部件10包括层S1、S2以及在其上待构建的所有其他层，直到层SN(由虚线标识)。

优选地，部件是用于燃气轮机的热气路径中的可承受高温的部件。因此，对形成粉末床2的起始材料已经提出了特殊的要求。优选地，起始材料表示沉淀硬化的且特别耐高温的且由于其易开裂性而难以焊接的超级合金(例如镍基合金)。即便在简单的几何形状的情况下，对于增材构建所需的尽可能无缺陷的熔化/焊接由于在增材构建过程中涉及的高的温度梯度和复杂的反应动态是一个特殊的挑战，并且是对已增材制造的可承受高温的组件的建立的重大限制之一。

当在增材制造中实现附加的复杂的部件几何形状时，出现另一困难。

优选地，在SLM或EBM过程的范畴中利用粉末或起始材料的其他层来涂覆层S1，随后粉末或起始材料根据部件的几何形状被照射，并且被固化成层S2的形状。

在当前情况下，部件10的几何形状要求层S2在部件10的边缘(未明确标识)上在突出的区域或突出区域UB中横向地伸出层S1。

由于在所描述的组件的增材制造中使突出区域的角度α小于45°(参见图1)不可能或者很难实现，因此例如与被支撑区域或支撑区域SB相比(层S2在该被支撑区域中完全由层S1支撑)，突出区域UB是小的或窄的。因此，在图1中的部件10的右边缘上，将例如以与完全由层S1支撑的部件左边缘不同的制造参数或照射参数构建或照射突出区域UB。

图2以图1中所描述的部件或单个部件层的俯视图图示了用于部件10的增材构建的照射图案或轮廓照射矢量。

线A图示了第一层S1的轮廓。

与此相反，虚线B图示了位于第一层之上的第二层S2的轮廓。因此，第二层S2与第一层S1不相同或不一致。但是，在图2的俯视图中存在重叠的区域，因此由轮廓B图示的层2描述了被支撑区域以及突出区域。换句话说，轮廓B相对于轮廓A定义了部件10的沿构建方向AR(在图2中观察为从纸面向外的方向)的几何形状变化。

在距线A恒定距离处，利用与轮廓A的类似的线条图示了在增材制造期间的熔池区域X，或不必一定完全被熔化的受热影响区的区域X。在熔池区域X中，轮廓或线B显示为中断，这表示在该区域X中在所有制造参数中常规地都存在中断或不连续。这对部件10的结构具有负面影响。

在上面所描述的被支撑区域或支撑区域SB中，线B以点线示出，这表示层S2在该区域中完全由层S1承载。

与此相对，轮廓B在(层S2相对于层S1的)突出区域UB中以虚线标识。

制造参数(例如照射参数)标准地且根据照射突出轮廓(参见UB)、标准轮廓或标准壁(未明确标识)或完全被支撑的区域(参见SB)来不同地选择。

除了照射参数之外，所提及的制造参数还可以是例如辐射强度、能量密度、辐射功率、辐射功率密度、极化、脉动或照射波长。因此，所描述的参数中的一个参数在突出区域中的值可以例如大于或小于相同参数的在被支撑区域中的值，以便得到部件10的最佳结构质量或表面质量。该参数或其他参数的最佳设置非常敏感，因为例如选得太大或太小的辐射功率可能会局部地导致缺陷、孔隙或裂纹中心或“裂纹萌芽”的密度大大增大。

对于所描述的变量备选地或附加地，增材制造设备(未明确标识)的对于制造参数特定的参数通常表示例如热输入、熔池宽度、束偏移、照射速度、粉末床上束横截面的大小、照射角度、保护气流的流量或流速、调节保护气流的气阀的状态、环境压力或甚至粉末的合金成分。如根据上面所描述的示例说明的，为了足够全面地或可再现地描述增材制造过程所需的参数的数目可以略微超过100。在这里，这些变量中的每个变量都可以理解为制造参数。

因此，轮廓B的实线区域或部分，即在与位于下面的层S1的熔池或其边缘轮廓相交或交叉的区域X中，描述了照射图案中的不连贯的梯度，并且因此也描述了所有制造参数中的不连贯的梯度。

图3示出了图2的俯视图的详细视图(左上角)。可以看到，在熔池区域或受热影响区的区域中(在这里，该区域具有500μm或更小的、例如200μm的宽度Δ)不仅在轮廓B(图2中以实线示出)中出现跳跃，并且因此自然地还在相应的照射参数和生产参数中出现跳跃。

该跳跃导致部件10(特别是层S2)的不利的结构结果，因为轮廓和在整个区域X上待选择的制造参数或涂覆参数都未被连续地定义。

如图3中所示，轮廓照射或所述的制造参数中的所提及的跳跃或不连续尤其是出现在层S1的区域X中，即在对于层2将突出区域UB与被支撑区域SB分开的区域中。

图4中示出了与图2的情况可比较的情况，但是使用了根据本发明的方法步骤，以防止所描述的不连续以及与此相关的缺点。在图4中再次画出了轮廓A以及包围轮廓A的区域X(与图2相比稍稍向右偏转)。轮廓B同样以至少类似于图2中的方式以虚线画出。在突出区域UB和支撑区域或被支撑区域SB中，照射以及相应的制造参数优选地是在图2或现有技术中已知的。现在，在区域X中(如图3中可以看出的，在该区域X中常常出现轮廓照射中的跳跃，并且因此出现制造参数的值中的不连续)示出轮廓B中的连续过渡。根据本发明的方法，现在在位于下面的层(参见层S1)的轮廓的熔池区域中定义了具体的照射矢量(轮廓照射)。

附加地，基于在该区域中存在的连续定义的照射矢量，可以例如逐渐且连续地定义或调整照射矢量(例如辐射功率密度、照射波长或激光功率)和上面所描述的所有制造参数(最终根据这些制造参数构建部件10)，以便利用根据本发明的优点。优选地(但并非必须地)，直接对相应地待构建在其上的层(参见层S2)的如下的参数进行(逐渐的)调整，这样的参数在突出区域UB和支撑区域SB中被选择。

与轮廓照射和的相应的制造参数中的跳跃或不连续相反，这对于增材过程具有显著的优点，诸如通过不中断地较快地曝光轮廓带来的较高的生产率、较少的缺陷或裂纹中心，因为熔池(参见区域X)的“开始”和“结束”不再是不稳定的，而是可以连续且稳定地被引导的。结果是对于部件10的结构、表面质量和尺寸稳定性的改善。

如借助图1所图示的，根据本发明的用于增材制造部件10的方法包括将相应的部件几何形状划分成多个相叠布置的部件层S1、S2、直至SN。这可以对应于数目在1000至10000之间的部件层，其中这些部件层中的至少一些部件层的制造参数HP在位于其下的相应的部件层S1的轮廓的熔池区域X中如所描述地被连续地定义。

与现有技术的部件或常规制造的部件相比，所制造完成的部件10优选地包括较低的缺陷密度、裂纹中心密度和/或形成缺陷或热裂纹的较低的可能性。

图5借助示意性流程图图示了根据本发明的方法的方法步骤：

该方法优选地是一种用于在增材制造中提供用于选择性照射粉末层的数据的方法。在这种意义上，根据本发明的方法尤其是描述了增材制造方法本身的一部分。该方法包括：a)为部件10提供预定义的部件几何形状(参见图1中的层S1、S2直至SN)。部件几何形状优选地由CAD文件或相应的设计数据预设。备选地，可以通过数字化测量已经存在的部件10来提供部件几何形状。

该方法还包括：b)将部件几何形状10划分成用于增材制造的至少一个第一部件层S1和位于其上的第二部件层S2，其中第二部件层S2的轮廓B与第一部件层S1的轮廓A不相同(参见上文)。该划分(以及随后的方法步骤)尤其是被视为用于准备增材制造部件10的CAM方法的一部分。

该方法还包括：c)连续地定义用于在如上所述的第一部件层S1的轮廓A的熔池区域X中增材制造第二部件层S2的至少一个制造参数HP。

因此，原则上可以通过用于数据处理的手段(例如数据处理设备或计算机)来执行所描述的所有方法步骤，必要时直至部件本身的实际物理构建。

本发明通过实施例来描述，但不限于这些实施例，而是包括每个新特征以及特征的每种组合。特别地，这包括权利要求中的特征的每种组合，即使该特征或该组合本身在权利要求或实施例中未明确给出。

Claims (13)

1.一种用于在增材制造中提供用于选择性照射粉末层的数据的计算机实现的方法，包括以下步骤：

a)为部件(10)提供预定义的部件几何形状；

b)将所述部件几何形状(10)划分成用于所述增材制造的至少一个第一部件层(S1)和位于所述至少一个第一部件层之上的第二部件层(S2)，其中所述第二部件层(S2)的轮廓(B)与所述第一部件层(S1)的轮廓(A)不相同；

c)连续地定义用于在所述第一部件层(S1)的轮廓(A)的熔池区域(X)中增材制造所述第二部件层(S2)的至少一个制造参数(HP)，其中所述制造参数(HP)表示用于增材制造所述部件(10)的轮廓照射图案的几何形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述制造参数(HP)表示用于增材制造所述部件的至少一个照射参数，例如是选自以下参数的一个参数：辐射强度、能量密度、辐射功率、辐射功率密度、照射波长。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括连续地定义多个制造参数(HP)，所述多个制造参数(HP)包括选自以下参数的至少一个参数：热输入、熔池宽度、束偏移、照射速度、粉末床上束横截面的大小、照射角度、保护气流的流量或流速、调节保护气流的气阀的状态、环境压力、粉末的合金成分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二部件层(S2)具有突出所述第一部件层的突出区域(UB)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述突出区域(UB)配有突出部制造参数(UB)，所述突出部制造参数(UB)例如与标准制造参数集不同。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二部件层(S2)具有被支撑区域(SB)，所述被支撑区域(SB)位于所述第一部件层(S1)的轮廓(A)内，并且与所述第一部件层(S1)隔开。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述被支撑区域(SB)配有支撑部制造参数(SP)，所述支撑部制造参数(SP)例如与标准制造参数集不同。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述部件几何形状被划分成多个相叠布置的部件层(S1、S2、SN)，例如被划分成数目在1000至10000之间的部件层，并且其中所述部件层中的至少一些部件层的制造参数(HP)在位于下方的相应的部件层(S1)的轮廓的熔池区域(X)中被连续地定义。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法是用于准备增材制造所述部件(10)的CAM方法。

10.一种用于由粉末床(2)增材制造部件(10)的方法，包括根据前述权利要求中任一项所述的方法进行选择性照射，其中根据连续定义的所述制造参数(HP)利用能量束照射和增材制造所述部件(10)。

11.一种根据权利要求10所述的方法制造或可制造的部件，所述部件与现有技术的部件相比包括较低的缺陷密度、裂纹中心密度和/或形成缺陷或热裂纹的较低的可能性。

12.一种计算机程序产品，包括用于选择性照射粉末层的数据，所述数据通过根据权利要求1至10中任一项所述的方法来提供，或从根据权利要求12所述的计算机程序中得知。

13.一种计算机可读介质，包括如下的指令，当所述指令被数据处理设备执行时，所述指令促使所述数据处理设备执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。

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