CN115052699A - 用于在增材制造中制造支撑结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在构件(10)的增材制造中制造支撑结构的方法，包括：a)提供用于具有要支撑的区域(10a)的构件(10)的几何形状，b)设置用于构件(10)的区域(10a)的支撑结构(11)，c)规定用于辐照用于支撑结构(11)的原材料(P)的层(Ln)的辐照图案(M)，其中用于辐照构件(10)的结构的面积辐照矢量(Vh)延伸到支撑结构(11)的区域中，其中为构件(10)和支撑结构(11)规定共同的面积辐照矢量(Vh)，和d)根据所规定的辐照图案(M)选择性地辐照用于构件(10)和所设置的支撑结构(11)的原材料的层(Ln)。

Description

用于在增材制造中制造支撑结构的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在构件的增材制造中制造支撑结构的方法或一种用于支撑结构的新型辐照策略。此外，还给出一种相应的计算机程序产品、一种设备和一种控制器。

背景技术

所述构件优选设计用于在流体机械中使用，优选在用于产生能量的固定式燃气轮机的热气路径中使用。所述构件优选由超合金，尤其镍基或钴基超合金构成。

在燃气轮机中，通过燃烧燃料，例如气体，产生的热气体的热能和/或流动能被转换为转子的动能(旋转能)。为此，在燃气轮机中构成流动通道，在其轴向方向上支承有转子或轴。如果热气体流过流动通道，则转子叶片加载有力，所述力会转换为作用到轴上的扭矩，所述扭矩驱动涡轮转子，其中旋转能例如能够用于运行发电机。

现代燃气轮机目前不断得到改进，以便提高其效率。然而，这此外会引起在热气路径中的越来越高的温度。用于转子叶片的金属材料，尤其是在第一级中，关于其在高温下的强度、蠕变载荷和热机械疲劳方面不断地被改进。

替选地，所述构件能够是另一构件，例如用于在航空或汽车领域中的应用的高功率构件。

创成或增材制造由于其对工业的颠覆性潜力对于所描述的构件或部件的系列制造也变得越来越令人感兴趣。

增材制造方法(英语：“additive manufacturing”)作为粉末床方法例如包括选择性激光熔融(SLM)或选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)。其它增材方法例如是“Directed Energy Deposition，定向能量沉积(DED)”方法，尤其是激光沉积焊接、电子束或等离子粉末焊接、线焊、金属粉末注塑、所谓的“sheet lamination，片材层压”方法或热喷涂方法(VPS LPPS，GDCS)。

例如从EP 2 601 006 B1中已知一种用于选择性激光熔融的方法。

此外，对于复杂或精细地构造的构件，例如迷宫状结构、冷却结构和/或轻质结构，增材制造方法被证明是特别有利的。尤其，由于特别短的工艺步骤链，增材制造是有利的，因为构件的制造或生产步骤能够在很大程度上基于相应的CAD文件(“Computer-Aided-Design，计算机辅助设计”)进行，并且必要时能够选择相应的制造参数。

计算机程序产品，如当前所描述，例如能够作为(易失性或非易失性)存储介质，例如存储卡、USB棒、CD-ROM或DVD，或者也呈从服务器和/或在网络中提供或包含的可下载的文件的形式。此外，例如也能够在无线通信网络中通过借助计算机程序产品传输相应的文件来提供。计算机程序产品通常能够包括程序代码、机器代码或数字控制指令，如G代码，和/或其它可执行的程序指令。

新型的增材制造技术的应用，例如选择性激光熔融或“Laser powder bedfusion，激光粉末床熔合”，在可实现的构件的设计中具有有利的大的自由度的情况下部分地需要使用所谓的支撑结构。一旦低于要支撑的区域或构件部段与构造平台的表面的例如为40°的临界悬垂角，这就变得必要了。此外，在构造过程期间，也可能需要支撑结构将构件机械支撑或固定在结构空间中，以便不仅能够达到特定的构造结果，而且还能够防止构件从构造平台机械脱离(“撕裂”)。这尤其会在大型构件和所构造的结构的机械或热机械应力强的情况下发生。这种应力此外主要沿竖直方向，意即沿着结构的构造方向出现。

强的(热)应力的出现尤其会引起构件或其所构造的结构的机械翘曲，这在极端情况下可能引起制造过程的中断，尤其当构件的向上弯曲或向下撕裂的区域与用于分配新的粉末层的覆层装置发生碰撞时如此。如果例如基于计算和/或模拟假设：将出现引起撕裂和制造方法中断的强的应力或变形，则能够采用所谓的“体积支撑”或体积支撑结构。然而，在此仍可能成问题的是，即使这种坚固的、刚性的支撑结构也不能可靠地实现将构件几何形状充分地联接在构造平台上。这是由于通常必须针对所述构件和相应的支撑结构选择的常用的辐照技术。尤其，所述辐照策略进而相关的局部引入的热量或相应的冷却速率对于构件的结构结果是不利的并且引起热应力和/或热机械应力。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，给出一种方式，借助所述方式能够实现改进的辐照，尤其是对于所提到的支撑结构，或改进的热管理。

所述目的通过独立权利要求所述的主题来实现。有利的设计方案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例如基于粉末床通过选择性激光熔融或电子束熔融以增材方式尤其逐层制造构件时制造支撑结构的方法。

该方法包括提供用于构件的几何形状，其具有要支撑的区域，例如悬垂部。通常，几何形状经由CAD文件(数字地)提供。

该方法还包括设置用于构件的要支撑的区域的支撑结构，尤其对于其机械支撑。除了机械支撑作用外，支撑至少一个悬垂部的支撑结构还具有以下作用：能够更有效地散热，或者与位于悬垂的结构区域下方的松散粉末相比，能够尤其首先进行散热。

在一个设计方案中，构件几何形状具有悬垂部。

该方法还包括规定用于辐照用于支撑结构和/或构件的原材料尤其粉末的层的辐照图案，其中用于辐照构件的结构或用于构件的结构的层的面积矢量或者说面积辐照矢量或阴影矢量(所谓的“hatching”)在支撑结构的区域中延伸或延长到该区域中。

如当前描述的规定辐照图案例如能够经由CAM方式(“Computer aidedManufacturing，计算机辅助制造”)进行。

支撑结构的区域，如上文提及的，优选是支撑结构的横向区域或面积区域，尤其逐层地在实际构件轮廓附近。

所提及的面积辐照矢量优选描述用于要辐照的层的内部区域的辐照轨迹。与此相反，在所描述内容中，增材的构件制造通常需要所谓的轮廓辐照矢量，尤其以便能够实现具有所需的结构质量或表面质量的构件的轮廓。

该方法还包括根据规定的辐照图案选择性地辐照用于构件和设置的支撑结构的原材料的层。所提到的辐照符合目的地基于粉末层经由SLM或EBM借助激光或电子束以及相应的控制器和/或光学器件进行。

有利地，通过所描述的使面积矢量延伸到支撑结构的区域中能够实现：能够使一方面构件区域和另一方面支撑结构的区域的辐照的时间偏差最小化。这有利地引起在两个区域之间的改进的结构上的联接以及减少会由于过高或过低的能量输入和/或大的固有的温度梯度而产生的热应力和/或结构缺陷。

这种用于在增材制造中对各个层进行面积辐照的辐照策略无法通过常规方式复现，因为在选择支撑结构的辐照策略时例如不能干预对构件的相应的辐照，并且反之亦然。本发明有利地提供了以下可能性：在规定所需的阴影矢量时，能够将构件和相应的体积支撑作为同一构件输出和/或辐照。

在一个设计方案中，增材制造方法是基于粉末床的方法，例如选择性激光熔融或电子束熔融。

在一个设计方案中，要支撑的区域或该区域的切线或表面切线与构造平台或其表面形成小于40°的角度。根据该设计方案，要支撑的区域是构件的(相对大程度地)悬垂的区域，所述区域例如在增材制造期间必须被机械和/或热支撑。此外，所描述的该几何形状是特别适合作为用于作为体积支撑的支撑结构的初始点的区域。只要在此开始出现“支撑”或支撑结构，就能够特别符合目的地和有利地实现构件的整个所构造的结构的稳定和/或防止所述结构由于特别强的应力状态而从构造平台撕裂。

在一个设计方案中，支撑结构，如上所述，为体积支撑。

在一个设计方案中，体积支撑或支撑结构构造为不具有栅格或栅格结构和/或不具有齿部。该设计方案能够实现对要支撑的区域的特别鲁棒和牢固的支撑。此外，优选的是，根据该设计方案的支撑结构由实心材料形成，所述实心材料仅能够具有轻微的孔隙度。

在一个设计方案中，为构件和支撑结构规定共同的阴影矢量。然而，用于辐照构件轮廓的策略优选与照射支撑结构的策略不同。

在一个设计方案中，对支撑结构的层进行辐照在不具有轮廓矢量的情况下进行。这种设计方案能够有利地实现时间高效地执行该过程并且在制造“支撑”时省去耗费的轮廓照射。很明显，尤其在用于上述部件的增材制造方法的工业化中，用于构造所述部件所需的过程时间是主要限制，因为以增材方式构造大型部件能够需要几天至几周的时间。尽管能够持续地优化或调整辐照速度，但是构造数千至数万个例如层厚度为20μm至40μm的层需要用于相应结构的数百万个单独的辐照路径或辐照矢量。

在一个设计方案中，根据所提供的几何形状的构件的体积包括了相应的制造设施或设备的结构空间的至少20％。根据该设计方案，该构件是相对大体积的构件，其尤其在制造期间由于热机械应力而易于至少部段地从构造平台脱离。

在一个设计方案中，制造支撑结构，使得忽略在增材构造的层序列中的一个或多个层。例如能够相应地忽略一层、二层、三层、四层、五层、十层或五十层。该实施方式此外能够有利于时间高效地构造支撑结构并且同时实现足够的稳定性或支撑作用。尤其，如果然后调整尤其提高另外的辐照参数，如激光功率，则能够实现更有效地构造支撑结构，与常规辐照每个单独的层相比，其机械稳定性几乎不会受损。

在一个设计方案中，与构件的结构相反，以改变的辐照参数，例如辐照功率或辐照速度，实施支撑结构。

在一个设计方案中，以提高的辐照速度实施用于支撑结构的层。这同样有利地允许时间更高效的增材构造过程。

在一个设计方案中，以适配的辐照功率，优选结合上述设计方案以提高的辐照功率，辐照用于支撑结构的层，其中忽略对个别层的辐照。

本发明的另一方面涉及一种计算机程序或计算机程序产品，所述计算机程序或计算机程序产品包括命令，在通过计算机执行相应的程序时，所述命令使计算机至少执行所描述的提供、设置支撑结构和规定辐照图案的步骤。

本发明的另一方面涉及一种包括至少一个辐照装置的设备，所述辐照装置配置为，根据所规定的辐照图案辐照用于构件和支撑结构的层。

本发明的另一方面涉及一种控制器，所述控制器配置为，操控用于根据所规定的辐照图案选择性地辐照原材料的层的辐照装置。

当前涉及方法或计算机程序的设计方案、特征和/或优点也能够涉及设备或控制器，或者反之亦然。

在此使用的术语“和/或”在其用于一系列两个或更多个元素时表示所列出的元素中的每个元素都能够单独使用或者能够使用两个或更多个所列出的元素的每个组合。

附图说明

下面根据附图描述本发明的其它细节。

图1示出在从粉末床中增材制造构件期间构件的示意性剖视图和侧视图。

图2在视图的左侧部分中示出要增材制造的构件的几何形状的示意性剖视图或侧视图。在右侧部分中，与增材构造的所表示的横截面相关地表示用于制造构件和/或支撑结构的辐照图案。

图3示意性地表示用于构件和支撑结构的辐照策略的示例性设计方案。

图4示出表示根据本发明的方法步骤的示意性流程图。

在实施例和附图中，相同的或起相同作用的元件能够分别设有相同的附图标记。所示出的元素及其彼此间的大小比例原则上不应被视为忠于比例的；而是为了更好地可显示性和/或更好地理解，能够以夸大的厚度或大的尺寸示出个别元素。

具体实施方式

图1示出增材制造设施或制造设备100。制造设施100优选是LPBF设施并且构造为用于从粉末床中增材构造构件或部件。设施100尤其还能够涉及用于电子束熔融的设施。因此，该设备具有构造平台1。在构造平台1上，从粉末床中逐层地制造要增材制造的构件10’。粉末床通过粉末P形成，所述粉末能够通过覆层装置30逐层地分布在构造平台1上。

在涂覆每个粉末层Ln(参见层厚L)之后，根据构件10’的设置的几何形状，借助能量束21，例如激光或电子束，由辐照装置20和/或相应的控制器(参见附图标记50)选择性地熔融并且随后固化相应的层的区域。

在每个层L之后，构造平台1优选降低对应于层厚L的量值(参见图1中的向下指向的箭头)。层厚L通常仅为20μm至40μm之间，使得整个过程能够容易需要辐照1000至数万层。

在此，由于仅非常局部作用的能量输入，能够出现例如10⁶K/s或更大的高的温度梯度。当然，在构造期间和之后，构件10’的应力状态也与此相应地高，这使得增材制造过程或相应的后处理相当复杂。

构件的几何形状通常通过CAD文件提供(参见下面的图4)。

在将这种文件读入设施100之后，该过程通常首先需要规定适宜的辐照策略，例如通过CAM(“Computer-Aided-Manufacturing”，计算机辅助制造)的方式，因此通常构件几何形状也被划分为各个层Ln。

构件的制造复杂性在此通常并非始终相同。在图1中例如示出支撑结构11’，所述支撑结构必须以机械方式和热的方式支撑构件的悬垂区域。这种悬垂区域是尤其关键的，因为在该处，熔池(未明确标记)向下扩展到松散的粉末区域中，所述熔池的尺寸通常在多个，例如5个层厚上延伸。

图2在视图的左侧部分中示出要增材制造的构件10的部分，所述构件借助本发明的方式构造或设有支撑结构。换言之，通过本发明相应地辐照用于构件的支撑结构。

构件10具有要支撑的区域10a。区域10a如所示能够是部分地悬于构造平台1之上的区域。然而，与所示不同，其也能够是具有竖直的或仅略微悬垂的壁的区域(所谓的“内皮”区域)，所述区域在构造期间需要增强的机械支撑，以便例如能够避免部件从构造平台1“撕裂”。

为了能够常规地防止这种撕裂，通常在过程准备中调整或增大所谓的射束偏移(英语：“beam offset”)。因此同样能够增大支撑结构的体积，并且可能引起在支撑结构的层和实际的构件之间的更大程度的重叠和熔融。然而，这种措施的缺点此外还在于，附加地增大了要照射的面积，进而需要更多的材料或体积，并且延长了构造或过程时间。

对此替选地，还能够仅简单地放弃要支撑的区域的“复现”，并且在悬垂部下方的整个体积中构造实心材料。因此实现了非常好的机械联接；然而，这种策略引起：适配于过程效率的过程参数不能应用于支撑结构。

构件10优选是由高性能材料制成的复杂成形的构件，例如经受高的热负荷并且例如也在汽车领域或航空领域中使用的构件。

构件10特别优选地是流体机械的、例如固定式燃气轮机的热气路径的构件。在该意义上，所述构件能够表示转子叶片或导向叶片、环形区段、燃烧器部件或燃烧器喷头、护罩、屏蔽部、隔热罩、喷嘴、密封件、过滤器、口部或喷枪、谐振器、冲头或旋流器，或相应的过渡部、插入件，或相应的改装件。

此外，所描述的构件10的体积例如能够占据相应的制造设备100的至少10％、20％、30％或40％的结构空间。

在图2中还示出相对于构造平台1的表面或水平线的悬垂角α，所述悬垂角优选小于50°，特别优选小于40°。根据本发明的优点在该角度范围内特别明显。然而，对于要支撑的区域所提出的辐照策略即使在比所提到的或较少程度地悬垂的结构更大的角度下也产生有利的效果。

因此，当前，要支撑的区域10a设有支撑结构11。优选地，支撑结构是所谓的“体积支撑”，尤其没有空腔、栅格结构或齿部。

在图2的左侧可看出，支撑结构11直接在到构造平台1中的过渡部处不与构件10在结构上连接。随着沿着竖直的构造方向z不断地构造结构，构件10和支撑结构11的结构在所示出的示例中会聚至沿着方向z的一点，它们在该点结合(参见水平虚线)。当前，构件的悬垂部也根据其设置的几何形状自该点起延伸。

表示所提及的点的虚线在此例如对应于所构造的第三十层L30。在所描述的示例中，要支撑的区域11的悬垂部此外延伸至例如对应于所构造的第六十层的层L60。

在图2中的右下方示出根据左图的剖面A-A的构造的结构的层平面的俯视图。因为构件的根据设置的几何形状的结构在该时间点尚未与支撑结构材料配合地连接，因此示出两个单独的层横截面或俯视图。即使视图的右侧部分仅是几何形状的示意表示以及对此的相应的辐照图案，相应示出的层出于简单性也以用于构件的附图标记“10”和用于支撑结构的附图标记“11”表示。

在层俯视图中的左侧对于覆盖尽可能多的面积的辐照或构造结果示出阴影矢量或面积辐照矢量Vh。在层的轮廓处或包围阴影矢量Vh绘制有轮廓辐照矢量Vk。所构造的构件结构的边缘区域关于其结构和表面方面应通常还在面积辐照的下游经由相应的轮廓辐照来改进。

在图2中的右上方示出根据左侧视图的平面B-B的所构造的结构的层平面的俯视图。该视图对应于根据本发明的辐照变型方案，根据该辐照变型方案当前能够优选构造支撑结构11。可看出(也参见下面的图4)，已规定用于构件的结构的面积辐照矢量或相应的辐照图案M，使得它们(向右)延伸到支撑结构的区域或已延长到该区域中或形成共同的面积辐照图案。因此能够实现当前描述的根据本发明的技术优点。

尤其，在图2的视图中在右上方的支撑结构11虽然优选在与用于构件的相应相邻的层相同的过程步骤中在所述面积中进行辐照。然而，优选在没有任何轮廓矢量的情况下进行所述支撑结构的辐照。因此，仅在所示出的俯视图中的左侧部段中绘制轮廓辐照矢量Vk。

在视图的左侧部分中，图3示出要辐照的层或其数字化模式的示意性俯视图，其部分地包围构件区域(左侧)以及支撑结构11的区域(右侧)。尤其，单个面积辐照矢量表示为对角箭头。此外，在构件10和支撑结构11之间的过渡部通过竖直线表示。

在图3中尤其图解说明，本发明示例性地提出，与构件10的结构相反，以改变的辐照参数辐照支撑结构11。尤其，能够以提高的辐照速度v辐照用于支撑结构11的层。在面积矢量Vh的不同部位处用分别用于相应的部位的附图标记v表示辐照速度。尤其可看出，在左侧的构件区域和在过渡部的区域中(在中心)相应的面积辐照的辐照速度能够示例性地为v＝600mm/s。与此相对地，能够提高在支撑结构的区域中的辐照速度；如所示例如为v＝800mm/s。

替选地或附加地，支撑结构11能够被制造为，使得仅对于支撑区域忽略层序列中的一个或多个层Ln，但是例如在构件几何形状的区域中常规辐照。根据该设计方案能够有利的是，用于构造支撑结构11的那些被主动辐照的层随后以适配的、尤其提高的辐照功率p被辐照，以便能够熔融已由辐照留空的位于下方的粉末状层区域。已知的是，提高的辐射功率或功率密度也会引起更深的熔池，所述熔池例如向下延伸超过5层以上，进而也到达松散的粉末区域。因此，于是最终确保支撑结构的形状稳定性——在一定程度上作为块状实心材料。

在该策略的范围中，当然能够调整其它制造参数或辐照参数——无论是在构件区域中还是在支撑结构的区域中。所提及的参数例如能够是层厚L、熔池深度、引入的辐射功率、激光波长、各个面积辐照矢量的所谓的阴影间距、射束偏移、辐照速度、射束焦点、辐照角度或其它参数，例如用于辐照所使用的惰性气体或其它环境条件，例如环境压力等。

图4示出示意性流程图，所述示意性流程图表示和概括了根据本发明的方法步骤。所描述的方法是一种用于制造所描述的支撑结构的方法，或者是对此的相应的辐照策略的说明。

该方法包括：a)提供用于具有要支撑的区域10a的构件10的几何形状。

该方法还包括：b)设置用于构件10的区域10a的支撑结构11。

该方法还包括：c)规定用于辐照用于支撑结构11的原材料P的粉末层Ln的辐照图案M，其中用于辐照构件10的结构的面积辐照矢量Vh延伸到支撑结构11的(横向)区域中。换言之，所提到的矢量，如上所述，涉及用于构件10和支撑结构11的共同的面积矢量。

该方法还包括：d)根据所规定的辐照图案M选择性地辐照用于构件10和所设置的支撑结构11的层Ln，如上所述。

Claims (13)

1.一种用于在构件(10)的增材制造中制造支撑结构的方法，所述方法包括：

a)提供用于具有要支撑的区域(10a)的构件(10)的几何形状，

b)设置用于所述构件(10)的区域(10a)的支撑结构(11)，

c)规定用于辐照用于所述支撑结构(11)的原材料(P)的层(Ln)的辐照图案(M)，其中用于辐照所述构件(10)的结构的面积矢量(Vh)延伸到所述支撑结构(11)的区域中，其中为所述构件(10)和所述支撑结构(11)规定共同的面积矢量(Vh)，和

d)根据所规定的辐照图案(M)选择性地辐照用于所述构件(10)和所设置的支撑结构(11)的原材料的层(Ln)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述要支撑的区域(10a)或该区域的切线与用于增材制造的构造平台(1)形成小于40°的角度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述支撑结构(11)是所谓的“体积支撑”，所述体积支撑不具有栅格或齿部。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中以无轮廓矢量(Vk)的方式执行对所述支撑结构(11)的层(Ln)的辐照。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中制造所述支撑结构(11)，使得忽略层序列中的一个或多个层(Ln)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中与所述构件(10)的结构相反，以改变的辐照参数实施所述支撑结构(11)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中以提高的辐照速度(v)辐照用于所述支撑结构(11)的层(Ln)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中以适配的辐照功率(p)辐照用于所述支撑结构(11)的层(Ln)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中构件几何形状具有悬垂部(10a)。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述增材制造方法是基于粉末床的方法，例如选择性激光熔融或电子束熔融。

11.一种计算机程序产品(CPP)，所述计算机程序产品包括命令，在通过计算机执行相应的程序时，所述命令使所述计算机至少执行根据上述权利要求中任一项所述的步骤a)、b)和c)。

12.一种包括至少一个辐照装置(20)的设备(100)，所述辐照装置配置为，根据在上述权利要求中任一项规定的辐照图案(M)辐照用于所述构件(10)和所述支撑结构(11)的层(Ln)。

13.一种控制器(50)，所述控制器配置为，操控用于根据在上述权利要求中任一项规定的辐照图案(M)(10)选择性地辐照原材料的层(Ln)的辐照装置(20)。

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