CN113423525B - 用于在增材制造中加热基材的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在增材制造中加热基材(P)的方法。所述方法包括：a)，提供用于加热基材(P)的能量束(21)，其中，基材(P)被布置为至少部分地形成制造平面(MP)；以及b)，在缩放的辐射参数下用能量束(21)辐射制造平面(MP)以用于加热，其中，缩放的辐射参数是通过缩放因子(s)对用于熔合基材(P)的辐射参数进行缩放而导出的，并且其中，缩放因子(s)包括加热束直径(Dh)和熔合束直径(Df)的商。此外，提供了一种增材制造方法、一种提供相应辐射图案的方法和相应的计算机程序产品。

Description

用于在增材制造中加热基材的方法

技术领域

本发明涉及一种用于加热、优选预加热或后加热用于部件的增材制造的基材的方法。此外，提供了一种相应的增材制造方法。此外，提供了一种提供辐射图案的方法以及相应的计算机程序或计算机程序产品。

优选地，部件表示应用于涡轮机中的部件，例如，在燃气涡轮机的流路硬件中。部件和/或基材优选地由镍基或钴基超级合金制成，特别是沉淀硬化合金。

背景技术

涡轮机，特别是用于发电目的的涡轮机，需要稳步发展以提高效率。考虑到为适应气候变化和减缓全球变暖而实施的限制，这一发展实际上变得越来越重要。涡轮效率的进一步进步是例如由于燃气轮机的热气路径的操作温度而复杂，因此还必须提高。同时，在不太稳定的操作模式下应用涡轮机的要求也很严格，例如，当电力需求高时，在尖峰发电厂按需提供。这对给定的机器中应用的材料构成了重大挑战，例如，由于涉及的加热和冷却循环以及所谓的“等效运行小时数”数量，不连续(按需)使用会大大增加材料疲劳。热机械疲劳和蠕变行为在这里是对涡轮机材料构成主要挑战的主要问题。

增材制造，特别是粉床熔合(PBF)方法，例如选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)已被证明在制造原型或复合材料方面是有用和有利的部件，例如，具有迷宫式或回旋结构的部件或功能冷却的部件。此外，增材制造以其较短的工艺步骤链而脱颖而出，这反过来又可以节省材料和特别短的交货时间。

例如，在EP 2 601 006 B1中描述了选择性激光熔化的方法。

给定的方法适用于从具有巨大设计自由度的基材(最好是粉状基材)制造、原型制作或制造复杂形状的零件或部件。

用于此类PBF方法的设备或装置通常包括制造或构建平台，例如，通过例如激光的能量束在馈送可随后熔化的基材层之后，在该平台上逐层构建部件，然后固化。层厚由移动的重涂机或沉积设备确定，重涂机或沉积设备例如在粉床上自动移动并从制造平面或构建空间中去除多余的材料。典型的层厚度在20μm和40μm之间。在制造工艺中，所述能量束在表面上扫描并熔化所选区域上的粉末，该区域可由CAD文件根据要制造的部件的几何形状预先确定。所述扫描或辐射优选以计算机实施的方式或通过计算机辅助手段执行，例如计算机辅助制造(CAM)指令，其可以以数据集的形式呈现。所述数据集或CAM文件可以是或指代计算机程序或计算机程序产品。

此处所称的计算机程序(产品)可以涉及构成或包括存储介质(如存储卡、USB记忆棒、CD-ROM、DVD或从服务器或网络下载或可下载的文件)的计算机程序装置。这种程序或产品还可以由无线通信网络提供，或者通过给定的计算机程序(产品)或计算机程序装置经由相应信息的传输来提供。

例如由所述计算机程序产品或CAM文件定义的信息或数据优选地涉及刀具路径或辐射图案，根据所述刀具路径或辐射图案，增材制造处理器或装置可以执行辐射或可执行辐射。所述辐射可以涉及预加热、后加热，当然也涉及用于部件的基材的实际固化。

此处所指的术语“预加热”是指部件的基材仅为实际的后续固化步骤准备或加热，例如以避免在熔化/焊接过程中出现过大的热梯度。这对于部件的每一层也可能是有利的，以限制增材工艺中的热梯度，否则该热梯度可能容易超过10⁵K/s。

通常，这种预加热可以通过相应制造装置的激光或电子束来执行，其中，该束以散焦方式在基材或制造平面上扫描。替代地，可以使用感应线圈来预加热基材。

在此提及的术语“后加热”应表示优选在基材已经发生固化并且建立用于部件的结构之后执行的过程。除了热梯度的限制外，后加热可能非常有助于减轻或修复部件结构中的缺陷。很明显，后加热与由基材形成的部件的已经固化的结构有关，而不是与松散或粉末状态的基材有关。

在例如基材的硬化和专用合金中化学成分的歧化以及焊接裂纹方面，所提到的热梯度当然对作为结果的材料结构和化学性质不利。

面对复杂形状部件的工业化增材制造工艺，不仅迫切需要改进实际的固化或焊接工艺，而且还需要进一步开发准备步骤，例如，以可靠且尽可能自动化的方式预加热和/或后加热。

发明内容

因此，本发明的目的是提供有助于解决给定的问题或任务的手段，特别是提供一种以方便的方式(例如，关于后续或先前的熔合步骤)来扩展或定制加热过程的解决方案。

上述目的通过独立权利要求的主题实现。有利的实施例是从属权利要求的主题。

本发明的方面涉及一种方法，例如用于在增材制造中加热(诸如预加热和/或后加热)基材的辐射方法。

所述方法包括提供能量束，例如激光或电子束，用于基材的加热，其中，基材被布置成至少部分地形成制造平面。因此，所述制造平面优选地至少部分地由基材形成。此外，所述制造平面可以至少部分地由部件的已经固化的部分或结构形成。在部件的增材构建过程的初始状态下，制造平面甚至可以由下面的构建板形成。

所述方法还包括辐射制造平面，例如，在缩放的辐射参数下用能量束暴露制造平面以用于加热。换言之，为了加热的目的，能量束可以在制造平面上扫描，或者可以以相应的方式用能量束曝露。

缩放的辐射参数的导出或呈现方式是，用于熔合基材的辐射参数(例如用于部件的固化或堆积)按缩放因子进行缩放，例如乘以缩放因子。用于熔合的辐射参数可以属于常规或已知的参数集或辐射图案。为此，可以将所述(给定的)辐射图案复制到处理器中或执行处理，从而相应地应用缩放因子。

缩放因子包括加热束直径和熔合束直径的商。

所述熔合束直径和/或所述加热束直径(优选地两者)属于能量束。此外，两个直径优选地构成特征值、特定值或预设值。

优选地，根据辐射图案执行辐射。所述图案可以是预定义的或CAM文件的结果。

很可能或优选的是，加热模式下的能量束直径(加热束直径)应该或通常选择为大于熔合模式下的能量束直径(熔合束直径)，因为基材的熔合或熔化通常需要更大的空间分辨率；而对于加热(例如预加热)，应用于制造平面的空间能量密度应该较小。此外，希望更有效或在更短的时间内执行加热。

本解决方案提供了适用于任何有望以增材制造的部件的自动化、按比例缩放和/或定制的加热程序，其中，预加热是例如与为实际熔合工艺设置的给定的辐射参数相关。因此，为整个增材制造的工业化和自动化提供了重要的技术改进，而无需例如在任何给定的构建作业之前以耗时和/或手动方式单独调整加热策略。

本发明对于高性能材料特别重要，其需要在相应的增材堆积之前、期间和/或之后执行复杂的热管理，以提供所需的结构或热机械性能。

在实施例中，用于熔合的辐射参数至少包括用于辐射的影线距离和条带宽度，其中，所述影线距离和/或所述条带宽度由缩放因子缩放。附加地或替代地，可以通过缩放因子来缩放其他参数，例如束偏移，或者如下文所列的其他辐射参数。

在实施例中，缩放因子等于1到10之间的值。

在实施例中，缩放因子等于2和5之间的值。

在实施例中，为辐射和/或加热定义束偏移，该束偏移被选择为加热束直径或散焦束直径的大约一半。根据该实施例，束偏移不仅可以针对实际熔合定义，还可以针对任何加热定义，例如预加热或后加热过程。因此，制造工艺的准确性和可再现性可以整体提高，特别是在制造燃气轮机的热应力或机械应力较大的部件时。具体地，束偏移的定义允许提供和/或改进应用于部件轮廓的轮廓辐射策略或相应的加热循环。

在实施例中，为由制造平面的辐射产生的辐射图案中的(矢量)匝选择空闲或备用模式操作。根据该实施例，可以有利地控制由能量束施加的热量，使得它不超过最大或上限，高于该最大或上限，热量可以例如造成不可逆的结构缺陷。当然，辐射图案中的矢量匝特别容易出现此类缺陷，因为施加到这些部位的热量(两个影线矢量之间的匝)由于能量密度增加而增加，基材的给定的区域通过射束匝而暴露。例如，这种过多的热量输入可能会导致不利的材料结构，例如气孔。然而，热量输入不足也可能导致不利的材料特性，例如未熔化的区域。

在实施例中，仅对于辐射图案中的匝的区域或面积，辐射功率或功率密度减小到0(零)。

在实施例中，仅对于辐射图案中的匝的区域或面积，辐射功率或功率密度降低到较低值。

在实施例中，辐射功率或功率密度和/或加热的空闲时间是基于来自热模拟或监测装置(例如监测过程或系统)的数据、信息或输入来选择的。

类似的监测手段是例如WO 2018/189301 A1中描述。

在实施例中，执行制造平面的辐射以预加热基材。

在实施例中，对制造平面执行辐射是为了对基材执行后加热，或者视情况而定，对部件的固化结构执行后加热。

在实施例中，在部件的增材堆积之前和/或之后，重复制造平面的辐射，例如重复一次或多次。根据该实施例，定制的或特定的加热循环或加热斜坡还可以在预加热或后加热步骤中应用于整个增材过程。因此，反过来，可以改进最终部件的结构或组成质量，例如硬度、刚度、热机械疲劳或高循环疲劳行为。

后面的优点不仅适用于该实施例，而且对本发明的任何实施例都相当有效。

本发明的另一方面涉及一种增材制造部件的方法，其包括如上所述的方法，其中，能量束是增材制造装置中的激光或电子束或在增材制造装置中工作的激光或电子束，其中，所述方法还包括在用于熔合基材的辐射参数下对部件进行增材构建。

本发明的另一方面涉及通过如上所述的增材制造方法制造的部件。

本发明的另一方面涉及一种提供用于增材制造的辐射图案或包括所述图案的相应数据集的方法。所述方法包括辐射制造平面以用于加热，如上所述，其中，辐射图案限定用于粉床熔合或基于粉床的增材制造的刀具路径(例如，包括进一步的辐射参数)，并且其中，可以在增材制造装置中处理所述辐射图案。所述处理可以涉及例如读入、读出或执行包括辐射图案的CAM文件。

本发明的另一方面涉及包括指令的计算机程序或计算机程序产品，当由计算机或数据处理设备执行时，这些指令使计算机执行如上所述的辐射制造平面的步骤。所述计算机程序产品可以具体地构成或包括如上所述的CAM文件或相应的程序指令。

在实施例中，制造平面的辐射是由计算机实施的。

与所描述的加热方法、增材制造方法、提供辐射图案的方法和/或所描述的计算机程序(产品)有关的优点和实施例还可以涉及或适用于其他相应类别和/或描述的部件。

通过以下结合附图对示例性实施例的描述，进一步的特征、便利和有利的实施例变得显而易见。

附图说明

图1以示意截面图示出了一种增材粉床熔合制造工艺。

图2示出了用于在增材制造中进行加热的简化辐射(矢量)图案。

图3在示意图中与要根据本发明制造的部件的连续层的熔合图案和加热图案相对。

图4示出了根据另一实施例的简化辐射图案。

图5和图6示出了更进一步的实施例的简化辐射图案。

图7示出了根据本发明所提出的加热方法的另一实施例。

图8示出了本发明方法步骤的示意流程图。

具体实施方式

相同的元件、相同种类的元件和相同作用的元件在附图中可以具有相同的附图标记。这些附图不一定按比例绘制，而是可以按比例放大或缩小以允许更好地理解所示原理。相反，所描述的附图应在广义上解释为允许本领域技术人员以多种方式应用所呈现的教导的定性基础。

如本文所用，术语“和/或”应表示所列元件中的每一个可单独使用或与进一步列出的元件中的两个或更多个结合使用。

图1示出了增材制造装置100。所述装置100优选地是用于通过粉床熔合来制造任何类型的部件的常规装置。这种技术采用粉末或基材P的床，其选择性地和分层地暴露于例如辐射设备或能量束源20的激光或电子束的能量束21或被能量束21辐射。因此，给定的粉床熔合方法可涉及选择性激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔化。所述工艺的共同点是，在构建平台1的顶部建立或构建部件(参见附图标记10)。换言之，部件10熔合到所述平台1上，并通过根据其预定义的几何形状选择性地固化基材而连续建立，该几何形状可能以CAD文件的形式存在。在每一层(参见附图标记L)的辐射或熔合之后，通常根据层厚度的测量降低构建平台1，并且通过沉积设备30在制造平面MP上沉积新的基材层。

具体地，如本文所指的部件10可以涉及蒸汽或燃气涡轮部件，例如燃气涡轮的流动路径硬件的部件。因此，部件10可以是或涉及叶片、轮叶、护罩、防护罩，例如隔热罩、尖端、节段、插入件、喷射器、密封件、过渡件、燃烧器、喷嘴、过滤器、孔口、衬里、分配器、圆顶、增压器、锥体、喷枪、板、谐振器、活塞或任何相应的改装套件。替代地，所述部件可以涉及另一个或类似的部件。

图2示出了在左侧部分中的图案(参见下面的附图标记HP和FP)，根据该图案，当应用选择性烧结或熔化方法时，基材P或制造平面MP被辐射。整体刀具路径或扫描方向用箭头SD表示。该方向SD由曲折状图案或轨迹调制，该图案或轨迹应类似于相应能量束21的路径，例如用于基材的熔合。

如图2左侧所示的所述图案或刀具路径优选地表示或定义用于熔合基材MP的熔合图案或几何辐射参数。可以实际定义图案的辐射参数尤其包括用于辐射的影线距离h和条带宽度w，如左侧所示。这种图案提供了有利的固化结果，为此，需要尽可能使用聚焦的能量束执行区域范围的辐射。

根据本发明，提供了缩放的辐射参数或缩放的辐射图案，其导出或呈现为用于熔合基材的辐射参数是缩放的，例如，乘以缩放因子s，如图2右侧所示。缩放因子包括加热束直径Dh和熔合束直径Df的商(s＝Dh/Df)。因此，所述缩放因子s可能不等同于所述商，而是可能具有影响因子s值的另外的变量或常数。

缩放因子s可以例如等于1和10之间的值，例如2和5之间。具体地，所述缩放因子s可以等于2、3、4或5。替代地，例如取决于特定的加热策略，所述因子可能会偏离给定的值。

根据本发明，相应辐射图案的影线距离h和/或条带宽度w被缩放或乘以缩放因子s，以便提供合适的加热图案(参见下面的图3)。通过给定的比例，加热图案与熔合图案相关联，从而允许为相应的熔合工艺或在相应的熔合工艺之后自动定制加热策略。

除了影线距离h和条带宽度w之外，根据本发明，缩放比例还可以应用于其他工艺参数，例如每体积或单位面积的能量影响、能量波长、束偏移、束速度、束点的几何形状、其他参数的束角。

示出了本发明的方面的图3由四个部分图像组成，其中，上部(左上和右上)与部件10的增材制造工艺中的给定的层n有关；n是自然数。

下面的图像(左下和右下)与部件10的增材制造工艺中的后续层n+1相关。

对于n层和n+1层两者，图3的左侧部分示出了熔合图案FP，而图3的右侧部分以示例表示缩放的加热图案HP，该加热图案HP例如通过提供的缩放策略从各自的熔合图案中导出。

图3的上部图像说明根据所提出的方法缩放影线距离h和条带宽度w(未在图3中明确指出)的相应的缩放因子s大约为二(s≈2)。然而，条带宽度w被设置为无穷大(∞)或与制造平面MP的宽度相对应的测量值，例如使得不定义单独的条带。

这种加热图案的几何形状的放大(源自给定的或设定的熔合图案)允许提供方便、有效和有利的加热过程，无论是用于增材制造中的预加热还是后加热。

与第n层的相应(熔合和加热)图案相比，所述第n+1层的图案将在制造工艺中接续第n层，整个图案(参见图3下部的FP和HP)倾斜角度α。这对于部件的所得焊接结构可能是方便或有利的。特别是，当辐射图案稍微倾斜或旋转时，焊缝或焊道不会在产生的结构中完全重叠。这进而改进了进入制造平面MP的热量以及部件10的结构构造。

取决于实际的熔合图案，加热图案当然可以被缩放或导出，使得加热图案HP的条带宽度w也是有限的，例如，选择的宽度是熔合图案FP的宽度的两倍或3倍(参见图3的左侧部分)。

除了所描述的加热图案HP的放大之外，还有缩小，例如在本发明中构想具有等于或小于1(s≤1)的缩放因子s的值。当应执行后加热时，例如用于通过专用热处理来修复已建结构中的某些缺陷，该特定实施例可能是特别有利的。

图3中间的坐标系表示相应的制造平面(参见图1中的附图标记MP)的空间方向x和y。

图4在与图2和图3的示意图相似的示意图中示出了加热图案HP的实施例，根据本发明该加热图案HP可以应用于增材制造的预加热以及后加热(参见上文)。

如图4所示，类似于已知的熔合图案或相应的刀具路径，可以定义束偏移BO作为辐射参数。默认值可以例如设置为散焦束直径或加热束直径Dh的一半(参见图4的一侧)。通过这个示例，说明了熔合辐射策略的重要方面可以转化到相应的加热策略。如上面强调的，一方面，可以显着改善加热，例如预加热或后加热。另一方面，包括计算机辅助制造(CAM)手段的整个增材制造工艺链得到改进或至少以更自动化、更高效和/或更可靠的方式实施。

图5和图6各自表示如上所述的加热图案HP的局部视图。此外，示出了可以为根据本发明的辐射或加热图案HP中的(矢量)匝T选择空闲或备用模式操作。所述空闲或备用模式操作可以包括空闲时间的定义，例如导致在匝T处施加的能量减少的波束关闭时间。

图5表示这种功能可以根据“空中写入”功能来执行，该功能可以应用在相应的熔合图案中，以避免例如两个影线向量之间的高能量或过多能量输入。粗体显示的匝T应说明在匝T处定义了完全怠速，此时例如能量束21完全关闭。为了实现本实施例，可以定义具体的空闲时间。然而，如果可以可靠且精确地控制能量束的功率并且在弯曲的U形转弯区域中降低能量束的功率，则可以省去用于预加热的所述“空中写入”或(激光关闭)功能。

附加地或替代地，设想图6中所示的实施例，其中，匝T附近的辐射功率或功率密度仅降低至较低值，这也导致空中或空间能量输入降低至兼容的程度。

能量束的功率密度的功率和/或空闲时间或波束关闭时间的所述选择可以基于来自(预)加热模拟的输入，例如包括要制造的每一层的x-y热成像图，或在输出有关给定的层L中局部温度分布的信息的监测装置或系统上。

图7表示所提出的解决方案的另一实施例，其中，在部件10的增材构建之前和/或之后，重复制造平面MP的辐射，例如重复一次或多次。

从左到右列出的各自加热图案HP1、HP2和HP3说明任何加热暴露或辐射都可以重复，例如重复3次。因此，提供了进一步的自由度，通过该自由度可以改进任何加热工艺并满足给定的材料和工艺条件的要求。

图8进一步概述了所提出的辐射解决方案或相应的产品如何嵌入到整个增材制造工艺中。示出了本发明的一些方法步骤，其中，步骤a)表示提供能量束21用于加热基材P。

步骤b)表示所提出的加热步骤或视情况可以是在缩放的辐射参数下用能量束21辐射制造平面MP以用于加热，其中，如上所述，缩放的辐射参数是通过缩放因子s对用于熔合基材P的辐射参数进行缩放而导出。

步骤c)表示在辐射参数下对部件10(参见上面的熔合图案FP)进行增材构建以熔合基材P。因此，用于加热基材和/或制造平面MP的给定的方法是可以在如图1所示的增材制造装置100中执行的整个增材制造工艺的一部分。

根据本发明，可以在步骤a)之后采用步骤b)。根据该实施例，辐射或加热有利地是预加热步骤(参见上文)。

附加地或替代地，如图8中的虚线轮廓进一步所示，本发明还构想了在步骤c)之后的步骤b)的加热或辐射。根据该实施例，辐射或加热有利地是后加热步骤(参见上文)。

加热步骤b)由计算机程序产品的附图标记CPP和CAM以任一方式表示，以强调辐射步骤可由计算机实施或执行，或作为CAM过程或CAM文件的一部分。

如上所述，本发明还涉及仅提供辐射图案HP的方法，其中，如上所述执行辐射，由此提供或定义用于粉床熔合的刀具路径或相应的数据集，并且其中，辐射图案HP可以例如在增材制造装置100中进行处理。换言之，本发明的技术优势和技术方案还体现在相应的计算机程序、CAM文件或相应的数据集中，这些程序、CAM文件或相应的数据集可以在任何给定的增材制造装置中执行处理或执行。

本发明的保护范围不限于上述示例。本发明体现在每个新颖特征和特征的每个组合中，尤其包括权利要求中陈述的任何特征的每个组合，即使该特征或该特征的组合没有在权利要求或实施例中明确陈述。

Claims (7)

1.一种包括在增材制造中加热基材(P)的增材制造部件(10)的方法，所述方法包括以下步骤：

-a)提供用于加热所述基材(P)的能量束(21)，其中，所述能量束(21)是增材制造装置(100)的激光或电子束，并且其中，所述基材(P)被布置为至少部分地形成制造平面(MP)，

-b)在缩放的辐射参数下用所述能量束(21)以计算机实施辐射所述制造平面(MP)以用于预加热所述基材(P)，其中，缩放的辐射参数是通过缩放因子(s)对用于熔合所述基材(P)的辐射参数进行缩放而导出的，其中，所述缩放因子(s)为加热束直径(Dh)和熔合束直径(Df)的商，其中，所述缩放因子(s)等于2和5之间的值，并且其中，所述辐射参数为用于辐射的影线距离(h)或条带宽度(w)，其中，所述影线距离(h)和所述条带宽度(w)中的一个或者二者由所述缩放因子(s)缩放，以及

-c)在用于熔合所述基材(P)的辐射参数下对部件(10)进行增材构建。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，为辐射定义束偏移(BO)，其被选择为所述加热束直径(Dh)的一半。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，针对由所述制造平面(MP)的辐射产生的辐射图案(HP)中的匝选择空闲操作。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，基于来自热模拟或监测装置的输入来选择用于加热的辐射功率和/或空闲时间。

5.根据权利要求1或2或4所述的方法，其中，在部件(10)的增材构建之前和/或之后，重复所述制造平面(MP)的辐射，重复一次或多次。

6.一种提供用于增材制造的辐射图案(HP)的方法，所述方法包括：根据权利要求1-5中的任一项来辐射所述制造平面(MP)以用于加热，其中，所述辐射图案(HP)定义用于粉床熔合增材制造的刀具路径，并且其中，在增材制造装置(100)中处理所述辐射图案(HP)。

7.一种包括指令的计算机可读介质，当由计算机执行时，所述指令使得计算机执行根据权利要求1-5中的任一项所述的辐射所述制造平面(MP)的步骤。