CN114746198B - 在增材制造中利用第一照射模式和第二照射模式选择性照射粉末层的方法 - Google Patents

在增材制造中利用第一照射模式和第二照射模式选择性照射粉末层的方法 Download PDF

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Abstract

提出一种用于在部件的增材制造中选择性照射粉末层(L)的方法。所述方法包括对于所述增材制造确定所述层(L)的照射模式(M)，其中确定第一子模式(TM1)，所述第一子模式设置用于连续照射并且包括多个照射矢量(V)，并且其中确定第二子模式(TM2)，所述第二子模式设置用于脉冲式照射，其中第一子模式和第二子模式被选择成，使得所述第二子模式连接所述第一子模式(TM1)的照射矢量；并且根据确定的照射模式(M)照射所述层(L)。还提出了计算机程序产品、用于照射的设备和用于操控照射装置的控制器。

Description

在增材制造中利用第一照射模式和第二照射模式选择性照射 粉末层的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在部件的增材制造中选择性照射粉末层的方法和一种对应的制造方法，其中确定特别的两部分照射模式。此外，还说明一种对应的计算机程序产品、一种具有照射装置的设备以及一种用于操控照射装置的控制器。
背景技术
所述部件优选地设置用于使用在流体机械中、优选地在燃气轮机的热气路径中。因此，部件优选地由超级合金、尤其镍基或钴基超级合金构成。合金可以是沉淀硬化的或可沉淀硬化的。
替选地，部件可以是任何其他的、优选地可承受热学和/或机械高负荷的部件，例如在汽车或航空领域中使用的部件。
这种部件和尤其燃气轮机是持续发展的对象，以便提高其效率。然而，这导致热气路径中的对应部件遭受且必须承受的越来越高的温度。此外，尤其在第一级中，用于转子叶片的金属材料在其高温稳定性、抗蠕变性和相对于热机械疲劳的抗性方面应不断被改进。
生成式生产或增材生产由于其对于工业颠覆性的潜能而对于批量制造上文中所提到的涡轮部件、如例如涡轮叶片或燃烧器部件而言也日益地令人感兴趣。
增材制造方法(英文：AM“additive manufacturing”)例如作为粉末床方法包括选择性激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)、或电子束熔化(EBM)。其他增材方法例如是“定向能量沉积(Directed Energy Deposition(DED))”方法，尤其激光堆焊、电子束或等离子体粉末焊接、线焊、金属粉末注射成型、所谓的“片状层压(sheet lamination)”方法、或热喷涂方法(VPS LPPS、GDCS)。此外，AM方法已被证实为对于复杂的或细小地设计的部件，例如迷宫形结构、冷却结构和/或轻型结构是特别有利的。通过特别短链的工艺步骤的增材生产尤其是有利的，因为部件的制造步骤或生产步骤可以尽可能地基于对应的CAD文件和对应的生产参数的选择来进行。
用于选择性激光熔化的方法例如从EP 2 601 006 B1已知。
此外，关于照射参数、如阴影线间距及其对在选择性激光熔化时制造的部件的熔池和结构质量的影响的研究，在“Effect of Hatch Spacing on Melt Pool and As-builtQuality During Selective Laser Melting of Stainless Steel:Modeling andExperimental Approaches Zhichao Dong,Yabo Liu,Weibin Wen,Jingran Ge和JunLiang”中描述。
通常伴随上述部件的增材制造的一个问题是：激光或电子束的局部引入到粉末床中的能量的复杂的熔化和凝固条件以及与此相关的反应动力学导致直接获得的结构有强的内应力或裂纹倾向。这些问题和方面还强烈与部件几何形状和所选择的照射参数相关，这甚至在总体上、尤其考虑到要照射的层数很多(通常是数万层)并且对应地照射矢量更多使制造过程难以重复。
尤其特别硬的和/或牢固的材料还特别容易出现热裂缝或凝固裂缝。同时，这种部件通常复杂地成形，并且也以传统方式仅能非常复杂和昂贵地制造，使得部件仍然适合于增材制造。
对于从粉末床增材制造的部件的应力状态的优化是广泛研究和发展的主题。为此，尤其研究照射条件或工艺参数，如照射速度、激光功率或激光功率密度、或材料在高温下的加工，为了改进可焊接性和可形变性以及原位应力降低(in-situ-Spannungsminderung)。减少增材结构的内应力也可以经由优化照射策略或照射模式来实现。
发明内容
因此，本发明的目的是说明一种机构，利用所述机构可以解决或缓解所提到的问题或克服对应的缺点。尤其通过本发明说明改进的照射策略或改进的两部分照射模式，所述两部分照射模式包括第一子模式和第二子模式。
所述目的通过本发明的实施例的主题来实现。有利的设计方案是本发明的实施例的主题。
本发明的一个方面涉及一种用于在部件的尤其基于粉末床的增材制造中选择性照射粉末层的方法和一种用于选择性制造所述部件的对应方法。部件的增材制造尤其通过开头提到的射束熔化方法，例如SLS、SLM或EBM来提供。
所述方法包括对于增材制造确定层的照射模式或层的对应的要照射的区域的扫描策略，其中确定照射模式的或用于照射模式的第一子模式。第一子模式设置用于尤其利用激光或电子束连续照射，并且包括多个照射矢量。此外，确定照射模式的或用于照射模式的与第一子模式不同的第二子模式，所述第二子模式设置用于尤其利用激光束或电子束脉冲式照射。
第一子模式和第二子模式被选择成，使得第二子模式连接第一子模式的照射矢量、优选地所有或者尽可能所有照射矢量、或对应的射束熔化轨迹。
所述方法还包括根据确定的照射模式照射所述层，所述照射模式包括第一子模式和第二子模式。
通过将第一子模式的照射矢量或对应的射束熔化轨迹通过脉冲式要照射的第二子模式连接，由于在脉冲运行中减少的能量输入，也可以大规模降低增材实现的结构的内应力状态，并且因此必要时可以实现至今不能或几乎不能焊接的材料的可焊接性。
在一个设计方案中，对所述层的照射引起层的被或已被连续照射的区域通过所述层的被或已被脉冲式照射的区域在结构上、形状稳定地和/或材料配合地连接。
在一个设计方案中，照射矢量尽可能彼此平行。
在一个设计方案中，照射矢量彼此不重叠或仅最小重叠。
在一个设计方案中，在俯视所述层的情况下，层的被连续照射的相邻尤其直接相邻的区域的射束熔化轨迹不重叠。通过所述设计方案，尤其实现在连续模式中被照射的固化区域的应力状态——在整个层上——保持得特别低，从而也强烈减小裂纹倾向。
在一个设计方案中，在俯视所述层的情况下，层的被连续照射的相邻尤其直接相邻的区域的射束熔化轨迹以小于60μm重叠。
在一个设计方案中，在俯视所述层的情况下，层的被连续照射的相邻尤其直接相邻的区域的射束熔化轨迹以小于40μm重叠。
在一个设计方案中，在俯视所述层的情况下，层的被脉冲式照射的一些区域或一个区域的射束熔化轨迹分别与所述层的被连续照射的相邻区域的射束熔化轨迹重叠。
在一个设计方案中，首先连续——和优选地在没有或仅有最小重叠的情况下——照射第一子模式的两个相邻照射矢量，并且随后与第二子模式的如下区域同时照射第一子模式的另一相邻照射矢量：所述区域连接第一子模式的照射矢量的区域。通过所述设计方案尤其可以改进工艺效率。
在一个设计方案中，与第二子模式的如下另一区域同时照射第一子模式的再另一相邻照射矢量，所述另一区域连接第一子模式的照射矢量的区域和第一子模式的另一相邻照射矢量的区域。通过所述设计方案同样可以改进工艺效率。
本发明的另一方面涉及一种包括指令的计算机程序或计算机程序产品，在通过计算机或数据处理装置执行对应的程序时，所述指令促使计算机或数据处理装置确定包括第一子模式和第二子模式的照射模式。因此，待增材制造的部件的几何形状优选地可以由CAD文件预设。
计算机程序产品还可以执行所谓的CAM(计算机辅助制造(Computer-aided-Manufacturing))方法或其部分。
计算机程序产品、例如计算机程序机构例如可以作为(易失性或非易失性)存储介质，例如存储卡、USB棒、CD-ROM或DVD，或也以可从服务器下载的文件和/或在网络中提供或被包括。例如，提供还可以在无线通信网络中通过利用计算机程序产品或计算机程序机构传输对应的文件来实现。计算机程序产品通常可以包括程序代码、机器代码、G代码和/或可执行程序指令。
本发明的另一方面涉及一种包括至少一个照射装置的设备，所述设备例如作为用于基于粉末床的增材制造方法的制造设备的一部分，所述照射装置设立用于根据确定的照射模式对层进行照射。符合目的地，照射装置因此构成用于连续的照射运行而且也构成用于脉冲式照射运行，例如借助于激光或电子束的照射运行。
本发明的另一方面涉及一种控制器，所述控制器设立用于——如上所述——操控用于选择性照射粉末层的照射装置。
当前涉及方法或计算机程序产品的设计方案、特征和优点还可以涉及设备或控制器，反之亦然。
在下文中，参照附图根据实施例详细阐述本发明的其他特征、特性和优点。在此，至此和在下文中描述的所有特征不仅单独地而且以彼此组合的方式是有利的。应当理解，可以使用其他实施方式并且可以进行结构上的或逻辑上的改变，而不偏离本发明的保护范围。因此，下文中的描述不应在限制性的意义上理解。
当在此使用的表述“和/或”在一系列的两个或更多个的元件中使用时，在此使用的表述“和/或”表示，可以单独地使用所列出的元件中的每个元件，或者可以使用所列出的元件中的两个或更多个的元件的任意组合。
附图说明
图1借助示意性剖视图示出部件的基于粉末床的增材制造方法。
图2借助层的示意性俯视图示出设置用于连续照射运行的照射模式。
图3借助层的示意性俯视图示出根据本发明的包括第一子模式和第二子模式的照射模式。
图4借助示意性流程图示出根据本发明的方法步骤。
具体实施方式
在实施例和附图中，相同的或起相同作用的元件可以分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的大小关系原则上不应视为是符合比例的，更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解，个别元件能够以夸厚的或夸大的尺寸示出。
图1示出增材制造设备100或其一部分的示意性剖视图。所述设备优选地设立用于部件10通过选择性激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔化的增材构造。
因此，所述设备具有可降低的构造平台1。在构造平台上，优选地借助于覆层装置3设置优选地粉末状的原材料P。这在分别选择性对应于所期望的部件几何形状通过能量束例如激光或电子束曝光每个层L之后逐层进行。为此，设有照射装置2，所述照射装置对应地符合目的地设立用于通过连续照射运行B1和通过脉冲式照射运行B2(用虚线表示)来照射所述层L。
照射装置2还优选地具有用于操控照射装置2的控制器，所述控制器根据本发明对应地设立用于根据在下文所示的照射模式来照射所述层。替选地，照射装置2可以与控制器连接和/或耦合到控制器上。
图2以示意性的、简化的俯视图示出层的或用于层的、尤其粉末层的第一照射模式或第一子模式TM1，如其对于部件10(比较图1)的制造逐步提供的那样。第一子模式TM1设置用于例如借助于连续波运行或准连续波运行中的激光或类似的电子束来连续照射所述层。此外，第一子模式TM1包括多个长形区域或照射矢量V。
在随后对通过照射矢量V标记的区域进行照射时，通过(选择性)热输入在所述区域中留下射束熔化轨迹T1(或射束焊缝)，在所述射束熔化轨迹中，粉末P被局部熔化并随后固化。在当前情况下，——为了简单起见——可以看到多个平行的照射矢量。在所示出的俯视图中，照射矢量V彼此还不重叠。通过标记的间距d可看出对应区域没有重叠。
与射束熔化轨迹T1平行，在图2中(在其旁边右边)示出第二(未明确标记的)照射矢量V的第二射束熔化轨迹T1'。
在一个替选的根据本发明的设计方案中，在俯视所述层的情况下，第一子模式TM1的所述照射矢量V仅非常轻微地或最小地重叠，例如以小于75μm、优选地小于60μm、小于50μm、或更小，如低于40μm或低于30μm重叠。另外，通过所述设计方案，射束熔化轨迹的结构或新固化的区域的张紧状态有利地保持得低。
与此相对，在传统照射策略的情况下在基于粉末床的增材制造中，选择用于面式照射粉末层的对应的照射矢量、如阴影线矢量设有重叠，以便生成厚的和坚固的结构，所述结构然而通过高的参与温度梯度和所获得的焊接轨迹的大的空间重叠而被张紧和/或有裂纹倾向。
为了使每个层L的要照射的部件材料有足够的结构上的、形状稳定的和/或材料配合的连接，根据本发明优选地选择或确定层L的第二照射模式或子模式TM2(也比较以下的图4)。
除了第一子模式TM1，所述的第二子模式TM2在图3中示意性表示。总体上，总照射模式用附图标记M来标记。
与第一子模式TM1不同，第二子模式TM2还设置用于脉冲式照射运行，例如借助于调Q激光或模态耦合激光的脉冲式照射运行。
根据本发明，第二子模式TM2被选择、配置或设置成，使得第二子模式连接第一子模式TM1的照射矢量V或对应的射束熔化轨迹。这在图3中借此示出，即用于脉冲式照射的各个圆形表示区域分别与第一子模式的两个或更多个相邻区域重叠，以便使对应层有足够的结构凝聚力。总体上，对于部件的(选择性)要照射的每个层——总共可能涉及几千甚至几万层)——得出坚固的和密实的材料结构。
例如与连续的、常规的照射模式相反，激光的脉冲式运行的特点在于，时间或空间上的能量输入较少和进而对应地热负荷减少。这又有利地自动减小在构造期间以及在之后的加工步骤中和在部件的运行中产生的应力，和进而明显减小其裂纹倾向。尽管，脉冲式照射运行比连续照射明显更耗时或程序上更低效。但是，上述确定的或选择的照射模式TM1和TM2的组合使得能够通过省时的制造已经获得所实现的结构的低固有应力状态。
尤其地，按照以下根据图4描述的根据本发明的用于增材制造方法，首先对第一子模式TM1的第一射束熔化轨迹和第二射束熔化轨迹(彼此相邻)进行照射。所述平行区域在图3中在下部区域中用数字1和2标记。在下一步骤中，优选地与第二子模式TM2的区域T2同时照射第一子模式TM1的另一相邻的照射矢量T1'，其中区域T2连接第一子模式的照射矢量的被照射的区域T1。这对应于图3中的“脉冲式”区域a和“连续的”区域3的同时照射。
此外，优选地在下一个步骤中，与第二子模式TM2的另一区域T2'同时照射第一子模式的再另一相邻的照射矢量T1”，所述另一区域连接第一子模式的照射矢量T1区域和第一子模式TM1的再另一相邻的照射矢量的区域T1'。这对应于图3中的脉冲式区域b和连续的区域4的同时照射。
因此，可以对部件10的整个预设层L——以及对部件的每个另外的层进行照射。尤其地，根据本发明，如根据图3所示，脉冲式区域c与要连续照射的区域5同时被照射，除此之外，脉冲式区域d与要连续照射的区域6同时被照射。
图4根据所示出的示意性流程图示出所提出的用于选择性照射用于部件10的增材制造的粉末层的根据本发明的方法步骤。
以方法步骤(i)表示对于增材制造确定层L的整个照射模式M。照射模式M包括上述第一子模式TM1和上述第二子模式TM2。如上所述，优选地也根据本发明例如在CAM方法的范畴内确定和/或预设子模式TM1和TM2。
附图标记CPP应表明，根据本发明也可以以计算机实施的方式和/或通过计算机程序或计算机程序产品执行照射模式M的确定。计算机程序或计算机程序产品可包括对应的指令或数据，在执行程序时，所述指令或数据促使数据处理装置或计算机对应地根据本发明确定照射模式。允许如根据本发明所提出的那样执行照射模式的信息或数据也可以对应地作为存储的数据在商业上获得。
最后，方法步骤(ii)表明根据确定的照射模式照射所述层L，由此部件可以实际上逐层构造。
可选的方法步骤(iii)要表明，为了最终制造部件10，必须选择性照射和固化多个另外的层，并且必要时以机械或热的方式的可选的后处理步骤是必要的或有帮助的。
在可以借助于根据本发明提出的包括第一子模式TM1和第二子模式TM2的照射模式M提供的具有明显改进的结构特性、即尤其更低的张紧状态的部件10的情况下，优选地是使用在流体机械例如燃气轮机的热气路径中使用的部件。部件尤其可以表示转子叶片或导向叶片、环形区段、燃烧器部件或燃烧器尖部、边框、屏蔽件、热屏、喷嘴、密封件、过滤器、通口或喷枪、共振器、冲头或涡流器，或表示对应的过渡件、插入件或对应的改装件。
本发明并不因根据实施例的描述而限于所述实施例，而是包括任意新特征以及特征的任意组合。这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求或实施例中说明也如此。

Claims (7)

1.一种用于在部件(10)的增材制造中选择性照射粉末层(L)的方法，所述方法包括：
(i)对于所述增材制造确定所述层(L)的照射模式(M)，其中确定第一子模式(TM1)，所述第一子模式(TM1)设置用于连续照射并且包括多个照射矢量(V)，并且其中确定第二子模式(TM2)，所述第二子模式(TM2)设置用于脉冲式照射，其中所述第一子模式和所述第二子模式被选择成，使得所述第二子模式连接所述第一子模式(TM1)的照射矢量，和
(ii)根据确定的照射模式(M)照射所述层(L)，其中在俯视所述层的情况下，所述层的被脉冲式照射的区域的射束熔化轨迹(T2)分别与所述层的被连续照射的相邻区域的射束熔化轨迹(T1)重叠，和其中在俯视所述层的情况下，所述层的被连续照射的相邻区域的射束熔化轨迹(T1)不重叠(d)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述层(L)的照射引起所述层的被连续照射的区域通过所述层的被脉冲式照射的区域在结构上连接。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中首先连续照射所述第一子模式(TM1)的两个相邻照射矢量(V，T1)，并且随后与所述第二子模式(TM2)的区域(T2)同时照射所述第一子模式的另一相邻照射矢量(V，T1')，所述区域连接所述第一子模式的照射矢量(V)的区域(T1)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中与所述第二子模式(TM2)的另一区域(T2')同时地照射所述第一子模式(TM1)的再另一相邻照射矢量(V，T1”)，所述另一区域连接所述第一子模式的照射矢量的区域(T1)及所述第一子模式的另一相邻照射矢量的区域(T1')。
5.一种存储介质，其包括计算机程序(CPP)，所述计算机程序(CPP)包括指令，在通过计算机执行对应的程序时，所述指令促使所述计算机按照根据权利要求1至4中任一项所述的方法来确定照射模式(M)。
6.一种包括至少一个照射装置(2)的设备(100)，所述照射装置(2)设立用于按照根据权利要求1至4中任一项所述的方法确定的照射模式(M)对所述层(L)进行照射。
7.一种控制器，所述控制器设立用于操控照射装置(2)，以用于按照在根据权利要求1至4中任一项所述的方法中确定的照射模式(10)选择性照射粉末层(L)。
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