CN111655404A - 用于部件的增材制造的方法和装置以及部件 - Google Patents
用于部件的增材制造的方法和装置以及部件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111655404A CN111655404A CN201880081692.3A CN201880081692A CN111655404A CN 111655404 A CN111655404 A CN 111655404A CN 201880081692 A CN201880081692 A CN 201880081692A CN 111655404 A CN111655404 A CN 111655404A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature distribution
- material layer
- energy beam
- component
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
- B22F10/368—Temperature or temperature gradient, e.g. temperature of the melt pool
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/10—Auxiliary heating means
- B22F12/13—Auxiliary heating means to preheat the material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/10—Auxiliary heating means
- B22F12/17—Auxiliary heating means to heat the build chamber or platform
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
- B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
本发明涉及一种用于部件的增材制造的方法,其中依次提供多个层、尤其是由粉末状材料材料制成的多个层,并且利用至少一个能量束根据预定的部件几何形状来扫描每个材料层,其中对已经制造的部件段(1)和/或所提供的各个材料层和/或其上构造该部件的工作平台(4)进行附加加热,其中对于至少一个材料层,使用测量技术来检测要被提供该材料层的表面上的温度分布和/或已提供的层的表面上的温度分布,并且在材料层的扫描过程的范围内,能量束(7)所引入的能量量值根据在要被提供该层的表面上检测到的温度分布而发生变化和/或根据在该层的表面上检测到的温度分布而发生变化。本发明还涉及一种用于部件的增材制造的装置,并且还涉及一种部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于部件(尤其是流体机械的部件)的增材制造的方法,其中依次设置多个层,尤其是由粉末状材料制成的多个层,并且利用至少一个能量束(尤其是至少一个激光束)根据预定的部件几何形状来扫描每个材料层,其中对已经制造的部件段和/或所提供的各个材料层和/或其上构造该部件的工作平台进行附加加热。
本发明还涉及一种用于部件(尤其是流体机械的部件)的增材制造的装置,该装置包括:
-工作区域,该工作区域特别是限定在工作平台上方;
-在工作区域中提供彼此叠置的、优选粉末状的材料层的器件;
-能量束设备,尤其是激光束设备,被设计和配置为发射至少一个能量束(尤其是至少一个激光束),并且利用至少一个能量束(尤其是至少一个激光束)根据预定的部件几何形状来扫描在工作区域中提供的材料层;
-用于加热的器件,尤其是感应加热在工作区域中提供的材料层和/或已经制造的部件段和/或工作平台。
最后,本发明涉及一种尤其是用于流体机械的部件。
背景技术
在某些情况下,通过削减生产方法,可能无法实现部件,尤其是具有复杂几何形状的部件,或者只能花费相对较大的努力才能实现。在这种背景下,近年来所谓的增材制造方法(Additive Manufacturing AM)成为备选方案。
根据现有技术,用于部件的增材制造的方法和装置是已知的。在这些构造方法中,在彼此之上依次提供多个材料层(尤其是粉末状材料层),并且借助于一个或多个能量束(尤其是激光束或电子束)根据预定的部件几何结构对每一层进行扫描,并且由此局部熔断或烧结。在该过程中,提供了尽可能多的层,并且通过至少一个能量束对每一层进行扫描,直到待制造的部件完成为止。
增材制造方法的示例包括粉末床的选择性激光熔化(SLM)或选择性电子束熔化(SEBM)和选择性激光烧结(SLS)或选择性电子束烧结(SEBS)以及激光粉末堆积焊接(LPA)。
DE 10 2014 222 302 A1示例性地公开了一种用于通过粉末床的SLM的部件的增材制造方法和装置。其中部件的逐层构造在高度可调的工作平台上实现,该高度可调的平台形成制造缸的底座,并且提供用于提供粉末层的器件,所述器件包括储存缸,该储存缸设置在工作平台附近,具有能够升高的底座和被实现为刮墨刀的分配设备,借助该分配设备,可以将粉末从储存缸中输送到制造缸中并且可以对粉末进行整平。通过抬起所述储存缸的底座,储存缸中设置的粉末逐渐被其向上压,然后逐层转移到相邻的构建平台上,并且借助于刮墨刀分配到那里。
原则上,已知的用于增材制造的装置和方法已经是适合的。它们尤其提供了关于可获得部件几何形状的高度灵活性的巨大优势。
然而,在增材方法的范围内,来自一个或多个扫描束(比如,激光束或电子束)的能量流入非常局部,并且散发热量的可行方案相对较差,尤其是在粉末床中。因此,可能会出现明显的热梯度,这可能导致形成热裂纹。在部件应当由难以焊接的材料制成的情况下,这个问题尤为突出。仅仅示例性地参考高温合金以及Ni、Co和Fe元素,如同尤其用于转子叶片和导向叶片以及涡轮机的燃烧器部件一样。
鉴于这个问题,通常难以在增材制造的范围内以高质量加工难于焊接的材料,使得与该制造过程有关的优势往往局限于焊接性能相对较好的材料。
例如,附加加热(尤其是预热到1000℃以上的温度)为能够利用增材制造的范围内难于焊接的材料提供了一个具有前景的选项。如果要在扫描过程之前和/或期间加热待扫描材料层和/或可能已经位于其下方的部件段,则可以避免或至少减少快速冷却和形成随之而来的热裂纹的风险。各种可行方案可以用于加热材料层和/或部件,或者在其中进行增材制造的整个工艺腔室,这些可行方案包括欧姆加热、感应加热、借助IR束加热、或借助于电子束加热。
例如根据DE 10 2015 201 637 A1在粉末床的SLM范围内提供最后规定的加热类型。其中存在用于附加加热的器件,该器件包括电子束源,其设置在粉末床上方,借助于该电子束源,电子束可以以垂直方式从上方引导到粉末床上。在电子束的激光熔化之前、期间和/或之后,电子束被引导到材料层上。激光源位于粉末床的侧面,扫描束从侧面倾斜引导到粉末床,因此电子束不会被阻挡。
在EP 2 572 815 A1中描述了通过借助于在SLM或SLS的范围内设置在粉末床上方和/或周围的至少一个线圈的感应加热进行的附加加热。
DE 10 212 206 122 A1公开了在增材制造方法(例如,激光粉末堆焊或粉末床的选择性照射)的范围内对待生成部件执行附加加热(尤其是感应加热)。为此,用于附加感应加热的器件同样包括至少一个线圈,其中DE 10 212 206 122 A1提供了至少一个线圈是可移动线圈,并且在增材制造过程期间可以改变其位置。
因为避免或至少减少了裂纹的形成,所以即使使用了难于焊接的材料,附加加热也可以获得更好的结果,尤其是获得特性改善的部件。
然而,即使在部件由难以焊接的材料制成的情况下,仍需要进一步优化制造过程,尤其是获得具有优良品质的部件。
发明内容
因此,本发明的目的是提出一种前文所阐述的类型的方法和装置,以方便这点。
在前文所阐述的类型的方法的情况下,该目的通过以下方式实现:对于至少一个材料层,尤其是对于每个材料层,尤其是在提供该层之前,使用测量技术来检测要被提供材料层的表面上的温度分布,和/或使用测量技术来检测已提供的层的表面上的温度分布;并且通过在材料层的扫描过程的范围内,由至少一个能量束引入的能量量值根据在要被提供给该层的表面上检测到的温度分布和/或根据在该层的表面上检测到的温度分布而发生变化,尤其是使得温度分布的不均匀性被降低或补偿。
本发明基于以下发现:在增材制造方法的情况下,通常在附加加温或加热的范围内不能获得均匀的温度分布,这尤其也有利于难以焊接的材料的处理。相反,在相应提供的材料层或位于其下方的已经制造的部件段中出现至少具有一定程度的不均匀性的温度曲线,这与各种缺点有关。温度分布不均匀的主要缺点包括材料中的温度范围不均匀以及例如随之而来的材料应用中的不准确之处、正在构造的部件中的横向热通量无法控制、以及由于远处部件区域的拉伸而产生裂纹的风险。可能会降低部件质量,无法可靠避免过程相关缺陷,可能有必要减慢构建过程,并且可能会出现关于设计自由度的约束性边界条件。
根据本发明,该问题通过附加加热和扫描过程(尤其是熔合或烧结过程)而得以解决,其中至少一个能量束彼此最佳匹配,尤其是通过以针对方式控制至少一个能量束,以便补偿由于附加加热而产生的不均匀性,例如,由于感应加热而产生的不均匀性。根据本发明,至少一个能量束的灵活性用于补偿不均匀的温度分布。
为此,根据本发明,至少在所提供的材料层的区域上(例如在待扫描区域上)使用测量技术来检测由于附加加热而已经产生的和/或正在产生的热量分布,然后根据测量以补偿方式控制用于扫描材料层的至少一个能量束。为此,在扫描过程期间通过变化合适参数来适配通过至少一个能量束(尤其是至少一个激光束)引入的能量流入。尤其是,在该过程中每单位体积和/或每单位时间引入的能量的量发生变化。
通过根据本发明的过程可以特别均匀地引入能量,从而可以显著改善质量。提高了工艺稳定性,并且可以减少对附加加热方案的需求。例如,如果现有加热方案仅供应相对不均匀的温度分布,则这可以被接受并且可以仅通过调整的能量束控制以相对简单的方式进行补偿。根据本发明的方法的另一显著优点在于能够获得更快的加热时间,从而减少了构建时间和成本。
通过执行根据本发明的方法可以以增材方式来制造部件的材料尤其可以包括通过感应可加热的所有金属,优选是镍基材料、铁基材料或钴基材料。
通过测量技术来检测在材料层的表面上或在要被提供材料层的表面上的温度分布可以例如规定为:在合适的时间进行,例如在提供该层之前或之后进行。特别优选地,通过测量技术进行的检测和/或对所检测的温度分布(例如所检测的热图像)的评估在时间上接近于后续的利用至少一个能量束的扫描过程。
附加地,温度分布可以例如使用合适相机以常规视频的方式被连续或准连续地记录,然后尤其可以动用单个帧。应当指出,连续或准连续通常也应当理解为意指依次实现的多个记录,尽管具有高时间分辨率,例如每秒几帧或几十帧。
进一步地,既可以采用每段检测温度分布的块式过程,也可以进行完全连续记录,在后者中针对相机记录的每个热图像进行调整,目的是调节能量流入,例如调节功率。
根据另一实施例,至少在相应待扫描材料层的区域所延伸的表面区域上检测温度分布。也可以规定,测量区域可以“一起移动”,例如可以始终在预定范围的区域上检测温度,该区域始终包括或始终相对于至少一个能量束的当前入射点和/或以其他方式(尤其是以感应方式)被加热的区域进行定义。为了避免可能导致不具代表性的结果的过饱和,在一个特别有利的实施例中,当使用测量技术检测温度分布时,掩蔽和/或忽略不计至少一个能量束(尤其是至少一个激光束)的入射区域中存在的熔池。
因为通常待制造的部件的构造在工作平台上进行,所以根据一个实施例,对于最下方的第一材料层,尤其是在提供第一层之前,可以使用测量技术来检测要被提供第一层所在的工作平台的表面上的温度分布,并且在第一层的扫描过程的范围内,至少一个能量束所引入的能量量值可以根据在工作平台的表面上检测到的温度分布而发生变化。
根据本发明的方法的另一实施例的特征在于,至少一个能量束在扫描过程期间引入的能量量值通过至少一个能量束的强度和/或功率和/或脉冲持续时间和/或束直径或焦点直径和/或位移速度而发生变化,和/或至少一个能量束在材料层上移动所沿的扫描矢量(尤其是扫描线)的密度在扫描过程期间发生变化。这些参数被证明特别适合于在根据检测到的温度分布在扫描过程期间调整能量产出,以补偿温度分布的不均匀性。例如,如果在使能量束沿着扫描线在所提供的材料层上移动的同时增加能量束引导,尤其是激光引导,则从预热中出现并且在该扫描线的方向上下降的温度梯度可以得到补偿,反之亦然。
在另一有利配置中,通过借助于热像仪记录要被提供材料层的表面的热图像,使用测量技术来检测要被提供材料层的表面上的温度分布。备选地或附加地,通过借助于热像仪记录材料层的表面的热图像,可以使用测量技术以类似方式检测材料层的表面上的温度分布。尤其是,热像仪应当被理解为意指便于非接触且广泛确定物体表面的温度的任何类型的相机,例如热成像相机。尤其是,热像仪类似于用于可见光波长范围的相机操作,然而,通常在红外波长范围内创建记录。因而,热像仪通常具有主要在红外波长范围内敏感的检测器。所使用的相机的波长(尤其是其检测器的波长)适宜地对应于加热的目标温度,以至于在相机的波长范围内输出足够的热辐射,以便能够被相机检测到。本文中,发射辐射的强度与温度相关,因此可以通过校准接收的辐射强度来转换为温度。
如果记录了热图像,则可以对热图像进行评估,其中优选地至少一个能量束所引入的能量根据评估结果而发生变化。
获得的表面热图像尤其是可以以每个相机像素的温度值的形式获得,并且可以用于进一步处理。通过示例,为了将温度呈现给用户,可以以伪彩色图像或灰度图像的形式呈现它们。然后,关联标尺可以向灰度值或颜色值指派温度。
通过示例,可以基于热图像来确定或计算至少一个温度梯度。然后,至少一个能量束所引入的能量可以在扫描过程期间根据所计算的温度梯度而发生变化。通过示例,可以沿着扫描矢量(尤其是沿着扫描线)来调制能量束引导,尤其是激光引导,使得检测的温度分布的不均匀性得以抵消。
尤其是,在扫描过程期间的变化可以使得在根据检测到的温度分布存在相对较低温度的位置处,由至少一个能量束所引入的能量量值增加,和/或使得在根据检测到的温度分布存在相对较高温度的位置处,由至少一个能量束所引入的能量量值减少。“相对”意指尤其是与已经以该至少一个能量束扫描的材料层的另一点相比较。
本文中,例如可以通过增加至少一个能量束的强度和/或功率和/或通过增加至少一个能量束沿着其在材料层上移动的扫描矢量(尤其是扫描线)的密度来和/或通过降低至少一个能量束的位移速度来增加所引入的能量量值。类似地,可以通过降低至少一个能量束的强度和/或功率和/或通过降低至少一个能量束沿着其在材料层上移动的扫描矢量(尤其是扫描线)的密度和/或通过增加至少一个能量束的位移速度来减少所引入的能量量值。
例如,至少一个能量束的功率可以根据检测到的温度分布沿着扫描矢量和/或从扫描矢量到扫描矢量进行调制。
在另一优选实施例中,对所提供的各个材料层和/或已经制造的部件段和/或其上构造部件的工作平台的附加加热借助于至少一个感应线圈以感应方式进行。本文中,感应线圈应当理解为意指可以引起感应加热的任何装置。例如单个感应回路还应当理解为意指感应线圈。
根据本发明的方法被证明非常特别适合于以感应形式实现附加加热的情况。在这种情况下,为了加热目的,借助于一个或多个感应线圈生成涡流,尤其是在位于该层下方的已经制造的部件段和/或位于所提供的材料层下方的工作平台中产生涡流。对于以粉末形式提供的材料层,因为由于颗粒的尺寸很小而通常在粉末颗粒中产生的涡流通常可以忽略不计,所以通常通过位于其下方的固体间接实现加热,该固体已经通过感应进行了加热。然而,尤其是在具有任意几何形状的部件段中将产生涡流的不均匀分布,这反过来导致部件段以及因此位于其上的材料层的不均匀加热。在这种背景下,以部件边缘的优选加热为例。当执行根据本发明的方法时,通过控制至少一个能量束以特别简单同时特别有效的方式补偿温度分布中的不均匀性。
当然地,在根据本发明的方法的范围内,可以可替代地或附加地实现任何其他类型的附加加热,其中仅作为示例可以是欧姆加热、借助于IR束的加热、以及借助于电子束的加热。
在根据本发明的方法的范围内进行的对已经制造的部件段和/或其上构造有部件的工作平台和/或分别提供的材料层的附加加热可以使用至少一个能量束与材料层的扫描过程同时实现和/或可以在其之前和/或之后发生。
对于制造具有期望几何形状的部件所需的材料层中的每个材料层或者仅对于材料层中的一些材料层,在扫描过程之前和/或之后和/或与此同时,可以进行附加加热。
在前文所阐述的类型的装置中,本发明的目的借助于该装置实现,该装置还包括:
-检测器件,被设计为使用测量技术来检测工作平台的表面上的温度分布和/或已经在工作平台上方制造的部件段的表面上的温度分布和/或工作平台上提供的材料层的表面上或已经制造的部件段上提供的材料层的表面上的温度分布;
-控制器件,被设计和配置为使得在扫描过程期间由能量束设备提供的至少一个能量束所引入的能量量值根据由检测器件检测到的温度分布而发生变化,尤其是使得温度分布中的不均匀性被补偿或降低。
检测器件尤其是可以包括至少一个热像仪或者由至少一个热像仪提供。备选地或附加地,用于加热的器件可以包括至少一个感应线圈或可以由至少一个感应线圈形成。
根据本发明的装置的控制器件还优选地被设计和配置为执行上述根据本发明的方法。
控制器件可以由计算机形成或包括计算机。特别地,控制器件首先连接到能量束设备,其次连接到用于使用测量技术检测温度分布的检测器件,使得关于所提供的材料层的温度的测量结果可以传送到该检测器件,并且在适当的情况下可以进行评估,然后基于该结果控制由能量束设备提供的至少一个能量束,尤其是至少一个激光束。为了可以评估关于温度分布的测量结果,控制器件优选地被构造为控制和评估器件,或者提供评估器件并且将评估器件连接到控制器件。
本发明的另一主题涉及一种尤其是用于流体机械的部件,该部件通过执行根据本发明的方法来制造。
附图说明
根据以下参照附图对根据本发明的装置和根据本发明的方法的示例性实施例的描述,本发明的其他特征和优点变得显而易见。其中:
图1纯粹示意性地示出了根据本发明的实施例的用于部件的增材制造的装置的透视图;
图2纯粹示意性地示出了图1的装置的截面图;
图3示出了曲线图,其中沿着通过已经制造的部件段的表面的热图像的预定线来绘制温度曲线,该热图像借助于图1的装置的热像仪来检测;以及
图4示出了曲线图,其中与根据现有技术的恒定激光功率相比较,绘制补偿图3的温度曲线的激光功率的曲线。
具体实施方式
图1和图2纯粹示意性地且极为简化地示出了根据本发明的用于部件的增材制造的装置的示例性实施例的图示,其中已经制造的部件段1在附图显而易见。图1示出了透视图,而图2示出了截面图。应当指出,在两个附图中均未图示该装置的一些部件,然而这些部件可以从其他相应图中获得。
如根据现有技术已知的,该装置包括由缸2限定的工作空间3,工作平台4以可竖直位移的方式设置在印模5上方的所述工作空间中。图2中仅图示了缸2、工作空间3和印模5。
该装置还包括用于提供彼此叠置的多个粉末层的器件,如同样根据现有技术所已知的,所述器件包括粉末储存器,该粉末储存器在图中未图示但是直接设置缸2附近,以及包括刮墨刀,其同样无法标识。从图2可以明显看出,缸2充满粉末6。为了在工作平台4上方或从第二粉末层起位于其上的已经增材制造的部件段1上方提供粉末层,粉末通过刮墨刀从粉末储存器输送到工作空间3中,并且在该工作空间中均匀铺开,其中每种情况都是已知的。
为了获得部件,根据预定的部件几何形状,借助于激光束7选择性地使彼此叠置的粉末层中的每个粉末层熔断。激光束7由该装置的仅在图1中图示的激光束设备8提供,并且该激光束借助于扫描设备9根据预定的几何形状在粉末层上位移。
另外,该装置包括用于感应加热工作平台4或在工作平台上已经构造的部件段1的器件,该器件在当前情况下由感应线圈10提供。借助于线圈10,在操作期间在工作平台4上和/或在工作平台上已经制造的部件段1中感应出涡流,并且在制造过程期间感应加热工作平台和/或部件段。尤其是,通过附加感应加热避免或减少了热裂纹的形成,并且还可以处理只能焊接不良的材料。在所图示的示例性实施例中使用镍基物质。
更进一步地,提供了检测器件,其被设计为使用测量技术来检测工作平台4的表面上的温度分布或其上方已经构造的部件段1的表面上的温度分布或所提供的粉末层的表面上的温度分布。在所图示的示例性实施例中,检测器件由该装置的热像仪11提供,该热像仪仅在图1中可识别,该热像仪11从上方沿工作平台4的方向或其上已经构造有部件段1的方向“查看”(参见图1)。
本文中所描述的装置的另一组成部分是中央的控制设备12,控制设备12连接到印模5、用于提供粉末层的器件、激光束设备8、扫描设备9、线圈10和热像仪11,或附图中无法标识的其他控制设备,其分别被指派给这些印模5、用于提供粉末层的器件、激光束设备8、扫描设备9、线圈10和热像仪11。
通过使用图1和图2的装置可以执行根据本发明的用于部件的增材制造的方法。
本文中,对于在当前情况下设置的每个粉末层,使用测量技术来检测要被提供相应粉末层的表面上的温度分布。在本文中所描述的示例性实施例中,通过使用热像仪11记录的相应提供表面的热图像,在提供该层之前相应地使用测量技术来检测温度分布。本文中对检测到的热图像的检测和/或时间评估优选地在时间上邻近于使用至少一个能量束(尤其是至少一个激光束)的后续扫描过程。替代地,热像仪还可以连续记录,并且可以使用适当时间的热图像。
逐块过程是可能的,其中检测每段的温度分布,如同完全(准)连续记录一样,其中对相机的每个记录的热图像都进行了调整,以调节例如功率。
在该过程中,热像仪11以本身已知的方式记录在红外波长范围内由相应表面发射的热辐射的图像。获得的表面温度图像可以以每个相机像素的温度值形式获得,并且可以用于进一步处理。通过示例,温度可以以伪彩色图像或灰度图像的形式呈现,目的是将温度呈现给用户。
提供表面是对于最下方的第一层在附图中向上指向的工作平台4的侧面的表面和对于所有其他层在图4中向上指向的分别已经构造的部件段1的侧面的表面。
在每种情况下,提前对针对每一层所记录的热图像进行评估,其中具体地沿着与激光束7的后续扫描线相对应的指定线确信温度梯度,沿着该特定扫描线,激光束7在相应层上位移,以便选择性地熔断后者。在所图示的示例性实施例中,激光束7沿x方向和y方向在层上位移,这在图1中由两个彼此正交定向的双头箭头指示。
图3以示例性方式示出了通过针对部件段1检测到的热图像沿着指定线(本文中沿x方向)确信的温度曲线13。y轴的温度由“T”表示,而x轴的沿着部件的路径长度由“s”表示。显然,沿着所考虑的线的温度分布存在明显的不均匀性。具体地,边缘区域的温度明显高于中心温度,这可以追溯到感应加热范围内部件边缘的优先加热。
根据本发明,在后续扫描过程期间,激光束7所引入的能量量值然后在沿着扫描线的位移期间根据所确信的温度梯度而发生变化,确切地说,使得现有不均匀性得以降低或补偿。在所图示的示例性实施例中,这通过在沿着相应扫描线的位移期间调整激光束7的功率来实现。可以从图4收集激光功率14的示例性曲线,该示例性曲线补偿图3中所图示的温度曲线13。在该曲线图中,y轴的激光功率由“P”表示,x轴的沿着部件的路径长度再次由“s”表示。通过比较图3和图4,显而易见的是,根据检测到的温度分布存在相对较低温度的位置,激光功率增加,并且根据检测到的温度分布存在相对较高温度的位置,激光功率降低。图4中同样图示了根据现有技术的恒定激光功率15的情况。
应当指出,所描述的示例性实施例的所有评估和控制步骤均借助于中央控制设备12执行,该中央控制设备12为了执行所有评估和控制步骤而相应设计和配置。为此,在所图示的实施例中,控制设备12尤其包括计算机。
通过根据本发明的方法,可以实现特别均匀的能量引入,因此可以显著提高质量。提高了工艺稳定性,并且可以减少对附加加热方案的需求。另一显著优点在于能够实现更快的加热时间,因此减少了制造时间和成本。
虽然通过优选示例性实施例对本发明进行了更详细的说明和详细描述,但是本发明也不限于所公开的示例,并且本领域技术人员可以从中得出其他变化,而不脱离本发明的保护范围。
例如为了补偿不均匀的温度分布,作为激光功率的备选或附加,还可以调整激光束7的位移速度。还可以改变扫描线的密度。同样可以想到,其他激光参数的附加调整或备选调整,只要这允许补偿由于附加感应加热而导致的现有不均匀性即可。当然地,作为感应加热备选或附加,还可以以任何其他方式执行加热,例如欧姆加热或借助于红外束的加热。
附图标记列表
1 部件段
2 缸
3 工作空间
4 工作平台
5 印模
6 粉末
7 激光束
8 激光束设备
9 扫描设备
10 线圈
11 热像仪
12 中央控制设备
Claims (13)
1.一种用于部件的增材制造的方法,其中依次提供多个层、尤其是由粉末状材料制成的多个层,并且利用至少一个能量束、尤其是至少一个激光束(7)根据预定的部件几何形状来扫描每个材料层,其中对已经制造的一个部件段(1)和/或所提供的各个材料层和/或其上构造所述部件的一个工作平台(4)进行附加加热,
其特征在于,
对于至少一个材料层、尤其是对于每个材料层,尤其是在提供所述层之前,使用测量技术来检测要被提供所述材料层的表面上的温度分布,和/或使用测量技术来检测已提供的层的表面上的温度分布,并且
在所述材料层的扫描过程的范围内,所述至少一个能量束(7)所引入的能量量值根据在要被提供所述层的表面上检测到的温度分布而发生变化和/或根据在所述层的表面上检测到的温度分布而发生变化,尤其是使得所述温度分布的不均匀性被降低或补偿。
2.根据权利要求1所述的方法,
其特征在于,
对于最下方的第一材料层,尤其是在提供所述第一层之前,使用测量技术来检测要被提供所述第一层的工作平台(4)的表面上的温度分布,并且在所述第一层的扫描过程的范围内,所述至少一个能量束(7)所引入的能量量值根据在所述工作平台(4)的表面上检测到的温度分布而发生变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法,
其特征在于,
所述至少一个能量束(7)在所述扫描过程期间引入的能量量值通过所述至少一个能量束的强度和/或功率和/或脉冲持续时间和/或束直径或焦点直径和/或位移速度而发生变化,和/或
所述至少一个能量束在所述材料层上移动所沿的多个扫描矢量的密度、尤其是多个扫描线的密度在所述扫描过程期间发生变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
通过借助于一个热像仪(11)记录要被提供所述材料层的表面的一个热图像,使用测量技术来检测要被提供所述材料层的表面上的温度分布,和/或
通过借助于一个热像仪(11)记录所述材料层的表面的一个热图像,使用测量技术来检测所述材料层的表面上的温度分布。
5.根据权利要求4所述的方法,
其特征在于,
对检测到的至少一个热图像进行评估,其中由所述至少一个能量束(7)所引入的能量量值根据所述评估的结果而发生变化。
6.根据权利要求5所述的方法,
其特征在于,
基于所述热图像计算至少一个温度梯度,并且由所述至少一个能量束(7)所引入的能量量值在所述扫描过程期间根据所计算的温度梯度而发生变化。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
在所述扫描过程期间的所述变化使得在根据检测到的温度分布存在相对较低温度的位置处,由所述至少一个能量束(7)所引入的能量量值增加,和/或使得在根据检测到的温度分布存在相对较高温度的位置处,由所述至少一个能量束(7)所引入的能量量值减少。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
至少在所述材料层的待扫描区域所延伸的表面区域上,检测所述温度分布。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
对所提供的各个所述材料层和/或已经制造的一个部件段(1)和/或其上构造所述部件的一个工作平台(4)的附加加热借助于至少一个感应线圈(10)以感应方式进行。
10.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法制造的部件,尤其是用于流体机械的部件。
11.一种用于部件的增材制造的装置,尤其是用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的装置,所述装置包括:
-一个工作区域,所述工作区域尤其是限定在一个工作平台(4)上方;
-用于在所述工作区域中提供彼此叠置的、优选粉末状的多个材料层的器件;
-一个能量束设备(8),尤其是一个激光束设备,被设计和配置为发射至少一个能量束(7)、尤其是至少一个激光束,并且利用所述至少一个能量束(7)、尤其是所述至少一个激光束根据预定的部件几何形状来扫描在所述工作区域中提供的多个材料层;
-用于加热的器件(10),尤其是用于感应加热在所述工作区域中提供的一个材料层和/或已制造的一个部件段(1)和/或所述工作平台(4),
其特征在于,
所述装置还包括:
-检测器件(11),被设计为使用测量技术来检测所述工作平台(4)的表面上的温度分布和/或在所述工作平台(4)上方已经制造的一个部件段(1)的表面上的温度分布和/或所述工作平台(4)上提供的一个材料层的表面上的温度分布或已经制造的一个部件段(1)上提供的一个材料层的表面上的温度分布;
-控制器件(12),被设计和配置为使得在扫描过程期间由所述能量束设备(8)提供的至少一个能量束(7)所引入的能量量值根据由所述检测器件(11)检测到的温度分布而发生变化,尤其是使得所述温度分布的不均匀性被补偿或降低。
12.根据权利要求11所述的装置,
其特征在于,
所述检测器件包括至少一个热像仪(11)或由一个热像仪(11)提供,和/或所述用于加热的器件包括至少一个感应线圈(10)或由一个感应线圈(10)提供。
13.根据权利要求11或12所述的装置,
其特征在于,
所述控制器件(12)被设计和配置为执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017130282.4A DE102017130282A1 (de) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | Verfahren und Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteil sowie Bauteil |
DE102017130282.4 | 2017-12-18 | ||
PCT/EP2018/082124 WO2019120847A1 (de) | 2017-12-18 | 2018-11-21 | Verfahren und vorrichtung zum additiven herstellen eines bauteils sowie bauteil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111655404A true CN111655404A (zh) | 2020-09-11 |
Family
ID=64661279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201880081692.3A Pending CN111655404A (zh) | 2017-12-18 | 2018-11-21 | 用于部件的增材制造的方法和装置以及部件 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20200376555A1 (zh) |
EP (1) | EP3740336A1 (zh) |
JP (1) | JP2021507121A (zh) |
CN (1) | CN111655404A (zh) |
DE (1) | DE102017130282A1 (zh) |
WO (1) | WO2019120847A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE1024495B1 (nl) * | 2016-09-27 | 2018-03-13 | Materialise N.V. | Energiedichtheidskartering in additieve productie-omgevingen |
JP7469005B2 (ja) | 2019-07-30 | 2024-04-16 | 株式会社ニデック | 染色装置及び染色方法 |
JP7240992B2 (ja) * | 2019-08-22 | 2023-03-16 | 株式会社アドバンテスト | 製造装置および製造方法 |
US11358215B2 (en) * | 2020-03-03 | 2022-06-14 | Xerox Corporation | Three-dimensional printing system and method of three-dimensional printing |
CN113580561A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-11-02 | 珠海赛纳三维科技有限公司 | 三维物体成型方法、装置和电子设备 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040200816A1 (en) * | 2003-04-09 | 2004-10-14 | 3D Systems, Inc. | Sintering using thermal image feedback |
EP2789413A1 (de) * | 2013-04-08 | 2014-10-15 | MTU Aero Engines GmbH | Temperaturregelung für eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen und entsprechendes Herstellungsverfahren |
US20150097307A1 (en) * | 2013-10-04 | 2015-04-09 | Stratasys, Inc. | Additive manufacturing process with dynamic heat flow control |
US20150158111A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-11 | SLM Solutions Group AG | Method and device for controlling an irradiation system |
CN105828984A (zh) * | 2013-10-28 | 2016-08-03 | Cl产权管理有限公司 | 用于生产三维部件的方法 |
EP3196001A1 (en) * | 2016-01-13 | 2017-07-26 | Rolls-Royce plc | Improvements in additive layer manufacturing methods |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005015870B3 (de) * | 2005-04-06 | 2006-10-26 | Eos Gmbh Electro Optical Systems | Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts |
PL2572815T3 (pl) | 2011-09-22 | 2015-08-31 | MTU Aero Engines AG | Wielofrekwencyjne ogrzewanie indukcyjne elementów produkowanych generatywnie |
DE102012206122A1 (de) | 2012-04-13 | 2013-10-17 | MTU Aero Engines AG | Mehrfach-Spulenanordnung für eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen und entsprechendes Herstellverfahren |
DE102013226298A1 (de) * | 2013-12-17 | 2015-06-18 | MTU Aero Engines AG | Belichtung bei generativer Fertigung |
CN105934332B (zh) * | 2014-01-16 | 2018-06-26 | 惠普发展公司,有限责任合伙企业 | 生成三维物体 |
DE102014222302A1 (de) | 2014-10-31 | 2016-05-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Herstellen eines Bauteils durch Selektives Laserschmelzen |
DE102015201637A1 (de) | 2015-01-30 | 2016-08-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Vorrichtung zur additiven Fertigung mit Elektronenstrahlvorheizung und Laserverfestiger und Verfahren |
WO2017201120A1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-11-23 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Real-time laser control for powder bed fusion |
US20180104742A1 (en) * | 2016-10-18 | 2018-04-19 | General Electric Company | Method and system for thermographic inspection of additive manufactured parts |
WO2018140034A1 (en) * | 2017-01-27 | 2018-08-02 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Predicting distributions of values of layers for three-dimensional printing |
US10888924B2 (en) * | 2017-01-27 | 2021-01-12 | Raytheon Technologies Corporation | Control for powder fusion |
US10710307B2 (en) * | 2017-08-11 | 2020-07-14 | Applied Materials, Inc. | Temperature control for additive manufacturing |
DE102017219982A1 (de) * | 2017-11-09 | 2019-05-09 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen und Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers |
-
2017
- 2017-12-18 DE DE102017130282.4A patent/DE102017130282A1/de not_active Withdrawn
-
2018
- 2018-11-21 EP EP18815530.3A patent/EP3740336A1/de active Pending
- 2018-11-21 JP JP2020552108A patent/JP2021507121A/ja active Pending
- 2018-11-21 WO PCT/EP2018/082124 patent/WO2019120847A1/de unknown
- 2018-11-21 CN CN201880081692.3A patent/CN111655404A/zh active Pending
- 2018-11-21 US US16/770,325 patent/US20200376555A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040200816A1 (en) * | 2003-04-09 | 2004-10-14 | 3D Systems, Inc. | Sintering using thermal image feedback |
EP2789413A1 (de) * | 2013-04-08 | 2014-10-15 | MTU Aero Engines GmbH | Temperaturregelung für eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen und entsprechendes Herstellungsverfahren |
US20150097307A1 (en) * | 2013-10-04 | 2015-04-09 | Stratasys, Inc. | Additive manufacturing process with dynamic heat flow control |
CN105828984A (zh) * | 2013-10-28 | 2016-08-03 | Cl产权管理有限公司 | 用于生产三维部件的方法 |
US20150158111A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-11 | SLM Solutions Group AG | Method and device for controlling an irradiation system |
EP3196001A1 (en) * | 2016-01-13 | 2017-07-26 | Rolls-Royce plc | Improvements in additive layer manufacturing methods |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
虞钢: "《激光先进制造技术及其应用》", 31 December 2016, 国防工业出版社 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102017130282A1 (de) | 2019-06-19 |
EP3740336A1 (de) | 2020-11-25 |
WO2019120847A1 (de) | 2019-06-27 |
JP2021507121A (ja) | 2021-02-22 |
US20200376555A1 (en) | 2020-12-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111655404A (zh) | 用于部件的增材制造的方法和装置以及部件 | |
US20230182235A1 (en) | Sensing and Control of Additive Manufacturing Processes | |
US11027494B2 (en) | Device and method for calibrating an irradiation system of an apparatus for producing a three-dimensional work piece | |
EP0731743B1 (en) | Temperature-controlled laser sintering | |
EP2032345B1 (en) | Procedure and apparatus for in-situ monitoring and feedback control of selective laser powder processing | |
Sreedhar et al. | Automatic defect identification using thermal image analysis for online weld quality monitoring | |
CN105828984A (zh) | 用于生产三维部件的方法 | |
TW201910105A (zh) | 針對於增材製造的溫度控制 | |
Demir et al. | Complementary use of pulsed and continuous wave emission modes to stabilize melt pool geometry in laser powder bed fusion | |
KR20200024762A (ko) | 적층 가공 프로세스의 품질 보증 및 제어를 위한 방법 및 시스템 | |
US20230191694A1 (en) | Methods and associated controllers for apparatus for the layer-by-layer formation of three-dimensional objects | |
Vandone et al. | Vision-based melt pool monitoring system setup for additive manufacturing | |
US20210138551A1 (en) | Laser powder bed fusion additive manufacturing in-process monitoring and optimization using thermionic emission detection | |
Chivel et al. | Temperature monitoring and overhang layers problem | |
JP2013119098A (ja) | レーザ肉盛装置とレーザ肉盛方法 | |
US20190337094A1 (en) | Apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects | |
US20220339881A1 (en) | Method, controller and apparatus for determining the onset of melting of a material | |
EP3613561B1 (en) | Apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects | |
US20230201926A1 (en) | Method of operating an apparatus for producing a three-dimensional work piece and apparatus for producing a three-dimensional work piece | |
EP3736112B1 (en) | Method for determining an operational parameter for an imaging device and additive manufacturing apparatus | |
Abdelrarhman et al. | Feedforward control for polymer laser sintering process using part geometry | |
JP2019018419A (ja) | 付加製造装置 | |
US20210260665A1 (en) | Method for operating a device for additive manufacture of a three-dimensional object | |
WO2022132564A1 (en) | Laser powder bed fusion additive manufacturing in-process monitoring and optimization using thermionic emission detection |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
TA01 | Transfer of patent application right | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20211102 Address after: Munich, Germany Applicant after: Siemens energy Global Co.,Ltd. Address before: Munich, Germany Applicant before: SIEMENS AG |