CN116133775A - 用于在粉末床上进行的具有旋转轴线的零件的增材制造的圆形模块化托盘 - Google Patents

用于在粉末床上进行的具有旋转轴线的零件的增材制造的圆形模块化托盘 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于具有旋转轴线的零件的在粉末床上的增材制造的圆形模块化托盘，其特征在于，该圆形模块化托盘由在径向方向上沿着连续轴线同心地联接的模块的组件组成，上述模块包括环形周边模块(3)和圆形中央模块(2)。

Description

用于在粉末床上进行的具有旋转轴线的零件的增材制造的圆形模块化托盘
技术领域
本发明涉及具有旋转轴线的零件在粉末床上的增材制造的领域，更具体地说，涉及用于实施这种制造技术(也被称为3D制造)的托盘。
背景技术
通过对粉末形式的材料进行选择性熔融或选择性烧结来制造零件的技术使得能够容易地制造具有复杂几何形状的零件。粉末形式的材料可以是金属、陶瓷或聚合物(例如PEEK)。具体地说，在本申请的上下文中，术语“金属制的”包括纯金属和合金。
这些技术通常包括如文献[1]中所描述的在粉末床上进行选择性熔融或选择性烧结的方法，该方法通常包括以下步骤：具有受控厚度的金属、金属合金、陶瓷或聚合物的第一粉末层被沉积在制造托盘上的步骤，随后是涉及用加热构件(例如激光或电子束)对粉末层的预定区域进行加热的步骤，并且对每个附加层重复这些步骤，直到逐层获得最终的零件。
本发明的上下文涉及具有旋转轴线的零件的形成。
目前，通过在粉末床上的增材制造来形成回转零件是在正方形或矩形托盘上进行的。
该制造方法需要连续的操作，在开始后续的加工操作之前，包括通过锯切、通过电火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)等将零件从托盘上分离。然而，切割操作会产生延迟(将托盘放在切割机上、切割时间、切割后的清洁等)。此外，当增材制造过程中使用的粉末是金属粉末时，该操作是进一步使金属部件暴露于腐蚀风险的附加操作。
发明内容
期望的目的是在粉末床上以增材制造方式(特别是通过SLM(Selective LaserMelting，选择性激光熔融)、EBM(Electron Beam Melting，电子束熔融)、SLS(SelectiveLaser Sintering，选择性激光烧结))对具有旋转轴线的零件进行制造(熔化/烧结和机械加工)的整体优化，该零件特别是小齿轮，该小齿轮特别是用于具有增大直径的大幅度梯级的零件的制造，诸如在毂中间高度处具有圆盘的小齿轮。
本发明的目的尤其是为以上提出的问题提供一种简单有效的解决方案。
为此，本发明提出一种用于具有旋转轴线的零件在粉末床上进行的增材制造的圆形模块化托盘，其特征在于，所述圆形模块化托盘由沿着轴线同心地联接并且沿着径向方向邻接地联接的模块的组件组成，所述模块包括环形周边模块和圆形中央模块，
并且其中，每个模块沿着轴向方向包括上部表面和下部表面，所述上部表面用于与所述粉末床接触，每个模块的下部表面设置有至少一个构件，所述至少一个构件被配置为有助于将模块放置在用于通过车削进行加工的装置的车床上，所述构件选自突起部(例如锥形体型的突起部)或者选自凹口或沟槽类型的凹陷部。
此处，托盘的模块同心地安装在彼此内部。优选地，模块具有圆形轮廓。
根据一种替代方式，所述组件包括至少一个环形中间模块，所述至少一个环形中间模块位于环形周边模块和圆形中央模块之间。
优选地，所述模块的组件形成平坦的上部主表面。
优选地，每个模块通过待确定的方案刚性地连接到相邻的模块上，例如通过螺纹连接的方式，或者甚至通过径向配合和轴向止挡构件，以确保通过两个模块的刚性连接而因此获得的托盘的平整度与粉末层的铺设相兼容。优选地，每个模块包括位于径向外侧面上的肩部，所述肩部被配置为抵靠位于相邻模块的径向内侧面上的肩部形成轴向止挡部。
使得能够对模块随后在加工机器上的放置进行简化的方案可以被明智地合并到每个模块中。
本发明还提出了一种扁平支撑件，所述扁平支撑件在上部表面上包括至少一个开放空腔，所述至少一个开放空腔被配置为容纳以上所述的圆形模块化托盘，所述开放空腔具有与所述圆形模块化托盘的形状互补的形状。优选地，所述扁平支撑件包括多个开放空腔。这使得能够对增材制造设备的负载进行优化。
本发明还提出了一种用于至少一个具有旋转轴线的零件的在粉末床上进行的增材制造的扁平组件，所述扁平组件包括上述扁平支撑件，以及用于所述扁平支撑件的每个所述开放空腔的如上所述的模块化托盘。
最后，本发明提出了一种用于制造具有旋转轴线的零件的方法，包括：
-通过对在以上所述的模块化圆形托盘上的粉末进行局部熔融或局部烧结来形成坯件和用于支撑所述坯件的至少一个元件，所述坯件通过所述至少一个支撑元件刚性地连接至所述模块化圆形托盘，并且所述坯件具有与所述托盘的所述模块的同心轴线重合的旋转轴线；
-对由此获得的坯件进行去除粉末；
-如果所述托盘包括未与所述坯件刚性连接的一个或多个模块，则将所述一个或多个模块移除；
-将所述坯件放置在用于通过车削进行加工的装置的车床上；
-对所述坯件的正面通过车削进行加工；
-通过车削切割将所述坯件从所述托盘的刚性连接的一个或多个模块上分离，所述切割沿着与所述坯件的旋转轴线垂直的切割平面在支撑元件处进行；
-对所述坯件的背面通过车削进行加工；
通过围绕所述托盘的所述模块的同心轴线旋转所述坯件来进行加工的步骤和通过车削进行分离的步骤；
由此获得具有旋转轴线的所述零件。
以前，在能够对零件开始加工操作之前需要通过锯切或EDM将坯件与托盘分离，但是现在能够将坯件与托盘分离的操作集成到零件的加工操作中。由于模块化托盘的特定形状，来自增材制造的坯件可以被直接安装在加工构件上，这避免了坯件可能暴露于腐蚀问题的操作。
优选地，在形成所述坯件和所述至少一个支撑元件的步骤期间，在单个模块上熔融或烧结相同的支撑元件。
附图说明
参照附图，阅读作为非限制性示例给出的描述，本发明将被更好地理解，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得更清楚，这些附图：
-在图1中示出了根据本发明的一实施例的圆形模块化托盘的模块的分解图；
-在图2中示出了通过对图1所示的模块进行组装而获得的圆形模块化托盘的示意图；
-在图3中示出了根据本发明的一实施例的托盘的分解剖视图；
-在图4中示出了根据本发明的一实施例的托盘的仰视图；
-在图5中示出了根据本发明的另一实施例的托盘的仰视图；
-在图6中示出了通过将根据本发明的圆形模块化托盘组装在扁平支撑件的开放空腔中形成的扁平组件的实施例的示意图；
-在图7a中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图7b中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图7c中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图7d中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图7e中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图7f中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图7g中示出了根据本发明的第一实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图8a中示出了根据本发明的第二实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图8b中示出了根据本发明的第二实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图8c中示出了根据本发明的第二实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图8d中示出了根据本发明的第二实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图8e中示出了根据本发明的第二实施例的制造方法的步骤的说明性示意图；
-在图8f中示出了根据本发明的第二实施例的制造方法的步骤的说明性示意图。
具体实施方式
根据本发明，增材制造托盘是圆形的，并且该增材制造托盘在几何上被布置为使得该增材制造托盘可以在去除粉末之后被组装在车床上，并且由此可以在零件的坯件车削操作和精加工操作中插入零件/托盘分离的操作。更准确地说，根据本发明的托盘是圆形和模块化的。
托盘1至少包括中央圆形模块2和周边环形模块3。但是该托盘1也可以包括位于这两个模块之间的一个或多个中间环形模块4。实际上，为了使得与具有旋转轴线的零件的多个参考数值(多个外直径、多个内毂直径等)兼容的托盘1实现模块化，该托盘可以包括设置在中央圆形托盘2和周边环形模块3之间的n个中间环形模块4(n是大于或等于1的整数)。在图1中，托盘1包括两个中间环形模块4。
模块的数量及其尺寸将由零件制造商根据具体情况进行限定，以便根据项目数量对模块进行最佳地优化，同时与增材制造设备以及车床的尺寸兼容。
根据图2，托盘的模块沿着托盘的径向方向5以邻接的方式连接，并且彼此(相对于同心轴线6)同心地连接以形成具有平坦的上部主表面7的圆形托盘1。
其模块同心地装配在彼此内的模块化圆形托盘的优点在于：用于制造零件所必需的并且靠近托盘中心定位的支撑元件对于车削工具来说是可接近的。例如，用于制造小齿轮的内毂所需的支撑件是可接近的。因此，可以使用上述工具沿着与车削轴线(对应于托盘的同心轴线)垂直的切削平面进行零件/托盘的分离。
优选地，该组件的至少一个模块在其径向外侧面8上包括肩部9，该肩部9用于承靠在位于相邻模块的径向内侧面11上的肩部10上。图3示出了中央圆形模块2和周边环形模块3分别在其径向外侧面8和径向内侧面11上包括肩部9和肩部10的情况。
根据一个实施例，至少一个模块在其下部主表面12上包括至少一个凹陷部(例如凹口13或沟槽14)，该至少一个凹陷部被配置为便于将托盘/零件组件放置和保持在加工车床上。
图4示出了根据本发明的通过组装中央圆形模块2和周边环形模块3而获得的托盘的下部主表面。此处，中央圆形模块2包括三个凹口13，这三个凹口靠近模块的中心设置。具体地说，在图4中，所述至少一个被配置成便于将模块放置在用于通过车削进行加工的装置的车床上的构件也存在于周边环形模块3上(但是并未示出)，所述至少一个构件选自突起部或者凹口或沟槽类型的凹陷部。图5示出了另一个示例，在该示例中，中央圆形模块包括中央凹口13，而周边环形模块3包括位于所述模块周边的沟槽14。应注意的是，图4和图5中所示的凹口13也可以表示突起部，例如锥形体。
图6示出了包括四个开放空腔16的扁平支撑件15，所述开放空腔16被配置为各自用于容纳中央圆形托盘1，从而形成扁平组件17。为了简化起见，图6中只示出了两个模块。
现在将描述根据本发明的方法的具有旋转轴线的零件的制造；此处使用的托盘包括两个模块：中央圆形模块2和周边环形模块3。
根据第一实施例，这两个模块被组装以形成圆形托盘1(图7a)，并且托盘被放置在用于在粉末床上进行增材制造的设备中。
随后通过粉末的选择性熔融或选择性烧结来进行坯件20的制造。所使用的粉末可以是金属、陶瓷或聚合物。
坯件20是通过传统的增材制造方法逐层地制造的。此处，为了简化的目的，只示出了图像的一半，另一半图像相对于虚线A所示的对称平面是对称的，虚线A也表示待制造零件的旋转轴线26。
在模块化托盘1上形成坯件20和一个或多个支撑元件21的步骤中，例如通过使用激光束18(所述粉末19的平均粒径在10μm至50μm之间)或者使用电子束18(所述粉末19的平均粒径在50μm至100μm之间)对粉末19进行选择性熔融或选择性烧结逐层地构造所述零件和支撑元件。
在该示例性实施例中(图7b)，待制造的零件特别是包括内毂22和周缘23，内毂22通过第一支撑元件21连接到中央圆形模块2，并且周缘23通过另一支撑元件21连接到周边环形模块3。与零件一样，这两个支撑元件21也是通过粉末的选择性熔融或选择性烧结进行制造。通常，这两个支撑元件形成有孔，以便在零件去除粉末期间使得粉末19能够通过。例如，它们可以具有格子的形状。注意的是，每个支撑元件21被形成在单个模块上，这使得能够对一个模块进行可选的拆卸(通过切割分离)，而另一个模块仍然刚性地连接到零件。
一旦零件完成，就对零件进行去除粉末(图7c)。可以通过抽吸、吹气、振动或翻转坯件(使得粉末通过重力去除)来进行去除粉末。
随后，将坯件和托盘组件安装在车床上，并且进行零件正面的车削(图7d)。通过围绕托盘的同心轴线(对应于零件的旋转轴线26)旋转来进行车削。对车床上的零件/托盘组件的支撑由部件24表示。正面的加工通过虚线B表示。
随后通过在支撑元件21处沿着与零件的旋转轴线(也是车床的旋转轴线和托盘的同心轴线)垂直的切割平面C进行切割，从而将零件与周边环形托盘1分离(图7e和7f)。例如可以使用带有沟槽的工具进行车削。应注意的是，模块2和3(已被移除)在图7e和7f中以整体示出。
此处，一旦周边环形模块3被移除(图7e)，将零件连接到中央圆形模块2的支撑元件21变为可接近的，从而可以依次被切断(图7f)。
一旦零件从托盘上被完全分离，在车床上对于零件的支撑就会被修改以使得能够自由接近零件的背面。例如，可以使用夹紧卡盘(由箭头25表示)。随后进行零件背面的车削(图7g)，用虚线D表示。
此处提到了零件的正面和背面，背面是面向模块化托盘的面。
图8a至图8f示出了另一个实施例。
与前面的实施例中的一样，模块被放置就位以形成托盘1(图8a)，并且托盘1被放置在用于粉末床上进行增材制造的设备中。随后通过对粉末的局部熔融或局部烧结来制造零件(图8b)。可以注意到的是，该零件(仅示出了该零件的一半)不包括内毂。只有周缘23通过支撑元件21连接到托盘1。更准确地说，通过支撑元件21连接到该零件的是周边环形托盘3。此处，中央圆形模块2的功能是提供平坦的表面以铺展粉末层。
一旦零件完成，中央圆形模块2(未连接到零件)被移除，并且对零件进行去除粉末(图8c)。
零件/托盘组件(现在仅包括周边环形模块)放置在车床上，并且进行零件正面的车削(图8d)。
随后将周边环形模块与零件分离(图8e)。
对在车床上对零件进行的支撑进行修改，并且进行零件的背面的车削(图8f)。
可以注意到的是，这两个实施例中的支撑元件21可以使用车床通过常规加工方式来移除。
还可以注意到的是，在对用于制造一个零件的模块已施加可选的校正操作以获得组件的能够接收粉末层的平整度之后，上述模块可以再用于制造另一个零件。
引用的参考文献
[1]FR3030323A1

Claims (8)

1.用于具有旋转轴线(26)的零件的在粉末床上的增材制造的圆形模块化托盘(1)，其特征在于，所述圆形模块化托盘由沿着轴线(6)同心地联接并且沿着径向方向(5)邻接地联接的模块的组件组成，所述模块包括环形周边模块(3)和圆形中央模块(2)，
并且其中，每个模块沿着轴向方向(6)包括上部表面和下部表面(12)，所述上部表面用于与所述粉末床接触，每个模块的所述下部表面设置有至少一个构件，所述至少一个构件被配置为有助于将所述模块放置在用于通过车削进行加工的装置的车床上，所述构件选自突起部或者选自凹口(13)或沟槽(14)类型的凹陷部。
2.根据权利要求1所述的圆形模块化托盘，其特征在于，所述组件包括至少一个环形中间模块(4)，所述至少一个环形中间模块位于所述环形周边模块和所述圆形中央模块之间。
3.根据权利要求1或2所述的圆形模块化托盘，其特征在于，所述模块的组件形成平坦的上部主表面(7)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的圆形模块化托盘，其特征在于，每个模块包括位于径向外侧面(8)上的肩部(9)，所述肩部(9)被配置为抵靠位于相邻模块的径向内侧面(11)上的肩部(10)形成轴向止挡部。
5.扁平支撑件(15)，所述扁平支撑件在上部表面上包括至少一个开放空腔(16)，所述至少一个开放空腔被配置为容纳根据权利要求1至4中任一项所述的圆形模块化托盘(1)，所述开放空腔具有与所述圆形模块化托盘的形状互补的形状。
6.用于至少一个具有旋转轴线的零件的在粉末床上的增材制造的扁平组件(17)，包括：根据权利要求5所述的扁平支撑件(15)，以及用于所述扁平支撑件的每个所述开放空腔(16)的根据权利要求1至4中任一项所述的模块化托盘(1)。
7.用于制造具有旋转轴线的零件的方法，包括：
-通过对在根据权利要求1至4中任一项所述的模块化圆形托盘(1)上的粉末(19)进行局部熔融或局部烧结来形成坯件(20)和用于支撑所述坯件的至少一个元件(21)，所述坯件通过所述至少一个支撑元件刚性地连接至所述模块化圆形托盘，并且所述坯件具有与所述托盘的所述模块的同心轴线(6)重合的旋转轴线(26)；
-对由此获得的坯件进行去除粉末；
-如果所述托盘包括未与所述坯件刚性连接的一个或多个模块，则将所述一个或多个模块移除；
-将所述坯件放置在用于通过车削进行加工的装置的车床上；
-对所述坯件的正面(B)通过车削进行加工；
-通过车削切割将所述坯件从所述托盘的刚性连接的一个或多个模块上分离，所述切割沿着与所述坯件的旋转轴线垂直的切割平面(C)在所述支撑元件处进行；
-对所述坯件的背面(D)通过车削进行加工；
通过围绕所述托盘的所述模块的所述同心轴线(6)旋转所述坯件来进行加工(B)(D)的步骤和通过车削进行分离的步骤；
由此获得具有旋转轴线的所述零件。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，在形成所述坯件(20)和所述至少一个支撑元件(21)的步骤期间，在单个模块上熔融或烧结相同的支撑元件。
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