CN116348220A - 通过加压射流移除增材制造部件的支撑结构的方法 - Google Patents

通过加压射流移除增材制造部件的支撑结构的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于制造涡轮机的叶片部件(100)的方法(190)。该方法包括提供基座部(115)，在基座部(115)上面增材制造多个叶片(150)和多个支撑结构，多个支撑结构具有预定断裂点(125)，在多个支撑结构和叶片(150)上面增材制造由多个支撑结构支撑的顶部(140)，由此叶片被夹在基座部(115)与顶部(140)之间，和向多个支撑结构施加加压射流(360)，从而使多个支撑结构的预定断裂点断裂并移除多个支撑结构。

Description

通过加压射流移除增材制造部件的支撑结构的方法
技术领域
本公开涉及至少部分使用增材制造制造叶片部件的生产领域。特别地，本公开涉及叶片部件的制造过程中的精加工。
背景技术
增材制造(AM)，也称为3D打印、快速原型或自由形式制造，是将材料连续地连接到物体上的过程，通常是一层接一层，根据3D模型数据生产最终部件，而不是例如机械加工的减材制造方法。金属粉末增材制造(AM)的使用相对较新，是不断发展的行业板块。它成为生产复杂金属网状零件的合适工艺，而不是像以前那样只生产原型。增材制造为全行业(例如，航空航天、能源、汽车、医疗、工具和消费品)的设计、原型制造甚至批量生产提供了新的选择。
多种技术可用于增材制造，如粉末床技术。通常，在各个机器中，通过从细粉末的原料连续生产烧结或熔融材料层来构建或形成部件(也称为最终制品或物体)。粉末通常包括金属粉末或陶瓷粉末，或者金属粉末和陶瓷粉末的组合。通过使用高聚焦的激光或电子束来施加能量，粉末被局部强烈加热，从而粉末中的单个微观颗粒局部熔化并粘在一起，或形成局部熔池。当使用粉末床熔融工艺构建金属部件时，所期望的金属部件的每个元件通常需要由前一层的元件来支撑，并且在构建期间需要支撑进行中的整个物体。因此，通常在不属于最终部件的构建板上构建第一层，随后在完成部件后移除该板。
通常，部件直接构建在构建板上。通常，支撑结构用于稳定部件的悬突(over-hanging)区。为了使制品在AM构建过程结束后更容易地从构建板移除，可以将其完全或部分构建在位于构建板与制品或部件的第一(因此最低)层之间的支撑结构上。
由于支撑结构不是应生产的实际部件的一部分，因此必须在AM工艺完成后移除。移除过程可能消耗大量的时间和劳动力，因此是成本因素，同时也限制了每次生产的零件产量。移除程序所需的工作量通常取决于单个生产部件的尺寸、复杂性和设计，支撑件的数量和尺寸，以及材料的强度和延展性。
作为示例，文献FR 3064519A1描述了坯料的蜂窝状牺牲部分的射流切割。
作为另外的示例，文献WO2019021389描述了通过液压移除3D打印物体的空腔内的支撑件。
特别是对于包括难以接近的复杂部分或部段的部件，支撑结构的移除可能极其困难。例如，需要用螺丝刀、钳子、锤子、手动铣刀、手动磨床等手动移除支撑结构。这非常耗时、成本高且考验质量。因此，手动移除支撑结构显示了部件的制造过程中的瓶颈。
因此，需要通过增材制造来改进制造。
发明内容
根据一个方面，提供了一种用于制造涡轮机的叶片部件的方法。该方法包括提供基座部，在基座部上面增材制造多个叶片和多个支撑结构，多个支撑结构具有预定断裂点。该方法还包括在多个支撑结构和叶片上面增材制造由多个支撑结构支撑的顶部，由此叶片被夹在基座部与顶部之间，以及向多个支撑结构施加加压射流，从而使多个支撑结构的预定断裂点断裂并移除多个支撑结构。
根据另一个方面，提供了一种用于制造涡轮机的叶片部件的设备。设备包括：第一腔室，其包括增材制造装置，用于增材制造具有多个支撑结构的涡轮机的叶片部件；第二腔室，其包括至少一个加压射流装置，用于提供加压射流以移除多个支撑结构；和控制器，其被配置为执行根据本文所述的实施例的方法。
实施例还针对用于执行所公开的方法的设备，并且包括用于执行每个所述方法方面的设备部分。这些方法方面可以通过硬件部件、通过适当软件编程的计算机、通过两者的任何组合或以任何其他方式来执行。此外，根据本公开的实施例还针对用于操作所述设备的方法。该方法包括用于执行设备的每个功能的方法方面。
附图说明
以能够详细地理解本公开的上述特征的方式，可以参照实施例对上面简要概述的本公开进行更具体的描述。附图涉及本公开的实施例，并在下文中描述：
图1示出了根据本文所述的实施例的用于制造叶片部件的方法的流程图；
图2A示出了根据本文所述的实施例的叶片部件的示意性截面视图；
图2B示出了根据本文所述的实施例的叶片部件的示意性三维立体视图；
图3A至图3C各自示出了根据本文所述的实施例的叶片部件的示意性侧视图；
图4A示出了根据本文所述的实施例的叶片部件的示意性俯视图；
图4B示出了根据本文所述的实施例的支撑结构的示意性侧视图；
图5A至图5B各自示出了根据本文所述的实施例的叶片部件的三维立体视图
图6A至图6B各自示出了根据本文所述的实施例的设备的示意性侧视图；和
图7A至图7B各自示出了根据本文所述的实施例的设备的示意性侧视图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，附图中示出了其中的一个或更多个示例。在下面的附图描述中，相同的附图标记表示相同的部件。通常，仅描述关于各个实施例的差异。每个示例是通过解释本公开的方式提供的，并不意味着是对本公开的限制。此外，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征能够用于其他实施例或与其他实施例结合使用，以产生又一个实施例。本说明书旨在包括这样的修改和变化。
在下面的附图描述中，相同的附图标记表示相同的部件。通常，仅描述了关于各个实施例的差异。当附图中出现多个相同项或相同部分时，为了简化外观，并非所有部分都具有附图标记。
本文所描述的系统和方法不限于所描述的具体实施例，而是可以独立地使用并且与本文所描述的其他部件和/或步骤分开来使用系统的部件和/或者方法的步骤。相反，示例性实施例能够结合多个其他应用来实现和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出，而在其他附图中没有示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特性都可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。
叶片部件的总体构思和制造
本公开涉及用于涡轮机的叶片部件的制造。这种部件可以包括结构或元件，这些结构或元件包括难以接近的复杂部分，从而难以用常规方法制造。例如，部件的铸造、模制、铣削等以及随后的精加工应用可能是耗时的，并且有时可能包括准确性和可接近性方面的缺陷。因此，需要其他技术来制造这种复杂的涡轮机部件。
特别地，涡轮机部件的叶片很难制造，因为与部件的其他元件相比，叶片可能包括彼此之间的空腔，使得叶片成为难以接近的部分。因此，有益的是：通过增材制造(AM)至少制造叶片涡轮机部件以提供部件的准确且精确的形状。
当增材制造部件时，部件的悬突部(悬突部分)需要由所谓的支撑结构来支撑。支撑结构能够保持悬突部就位，并因此是非常重要的。在增材制造过程后，需要移除支撑结构。对于复杂的几何形状，这通常使用工具手动完成，这涉及高成本和低重复性。
因此，改善支撑结构的移除是有益的。这对于涡轮机的叶片部件尤其相关，因为这些部件包括难以制造和/或难以触及的结构元件，这反过来又造成了支撑结构及其移除的特殊挑战。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，提供了一种用于制造涡轮机的叶片部件的方法190。该方法包括提供基座部(图1中的步骤191)。基座部可以是叶片部件的一部分。在基座部的上面，可以形成或设置叶片部件的其他部分。因此，基座部可以被理解为叶片部件的基础部分，可用作另外的制造过程的起点。基座部可以界定叶片气流区域。例如，叶片气流区域可适于在涡轮增压器的运行期间容纳供应到制造的叶片部件(即，最终制造的涡轮增压器部件)的工作气流。
图2A示例性地示出了根据本文所述的实施例的基座部。基座部115可以设置在构建板110上，在制造叶片部件后，可以从该构建板移除该基座部。基座部115可以设置在构建板110上的基座支撑结构123上。基座支撑结构123可以通过增材制造来制造。基座支撑结构可以包括条状或栅格状结构。因此，在制造叶片部件后，能够容易地从构建板移除叶片部件。
基座部115可以通过如上所述的及图2A所示的增材制造来制造。在替代实施例中，基座部115可以是预加工的。根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，基座部115能够通过包括模制、铣削等的任何已知的制造方法来制造。例如，基座部115可以是预加工的基座环，例如通过车削加工的环。
根据实施例，基座部115可以是环结构。然而，应当理解，基座部115还可以包括其他形状，如矩形、平行四边形、椭圆形等。此外，基座部可以同时包括多个形状，即基座部可以包括作为基础结构的环或圆以及额外的凹口、突起等。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，该方法还包括在基座部上面增材制造多个叶片150和多个支撑结构(图1中的步骤192)。根据要制造的部件，多个叶片可以包括不同数量的叶片。例如，当制造喷嘴环时，可以在基座部上面增材制造多个叶片。在实施例中，叶片的数量可以为至少5个，优选为至少10个，并且更优选为至少15个。另一方面，叶片的数量可以为至多100个，优选为至多60个，并且更优选为至多30个。在叶片之间，可以提供多个流体通道。特别地，在每个叶片之间，可以在最终的叶片部件中提供一个流体通道。“最终的叶片部件”或“制造的叶片部件”可理解为已移除支撑结构的叶片部件和/或准备在涡轮增压器中使用的叶片部件。流体通道可以容纳制造的叶片部件中的工作气流。换言之，当制造的叶片部件在涡轮增压器和/或涡轮增压器部件中实现其预期用途时，工作气流可以流过多个流体通道。多个支撑结构可以在多个流体通道中延伸。例如，多个支撑结构可以穿过多个流体通道或一个流体通道。支撑结构可以从顶部到基座部穿过流体通道，反之亦然。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，多个支撑结构可以包括第一支撑结构124和第二支撑结构122。多个支撑结构可以包括不同数量的第一支撑结构和/或第二支撑结构。在每个叶片150之间，可以例如通过增材制造提供各种第一支撑结构124。第一支撑结构124可以设置在叶片部件的顶部140与基座部之间，即，第一支撑结构120可以夹在顶部140与基座部115之间。在此，在图4A中，在叶片150之间示出了单个第一支撑结构124，但更一般地，在此可以提供一组支撑结构，其中该组支撑结构可以是一个或更多个支撑结构。第一支撑结构124可以在多个流体通道中延伸。例如，第一支撑结构可以穿过多个流体通道或一个流体通道。第一支撑结构可以从顶部到基座部穿过流体通道，反之亦然。
如本文所用，术语“支撑结构”或“支撑件”旨在指(增材)制造的部件的一部分，其旨在稳定部件的悬突区。支撑结构在连续层中与部件一起制造。“悬突”通常用于描述部件的表面(在生产期间)，该表面具有指向下方的法向量，而表面的平面与构建板(平行于地球表面)之间的角度通常小于约45度。单数复数形式的“支撑结构”或“支撑”通常是指一个连续或连贯的区域，其支撑正在生产的部件的某个面或部分，而复数形式的“支撑结构”通常是指在生产部件时使用的多个这种通常在空间上分离的区域。支撑件加固了部件的已生产部或已生产部分，防止在过程中出现的内部应力造成的变形。支撑件通常几乎总是在构建过程后移除。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，该方法还包括在多个支撑结构和叶片上面增材制造正由多个支撑结构支撑的顶部，由此将叶片夹在基座部与顶部之间(图1中的步骤192)。有利地，支撑结构可以支撑顶部。例如，顶部可以包括悬突部(例如正由支撑结构支撑的突起)。因此，能够促进顶部的制造，特别是部件顶部的增材制造。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，该方法还可以包括在构建板110上面增材制造第二支撑结构122。第二支撑结构122可以设置在构建板110与顶部140之间，即，第二支撑结构120可以夹在顶部140与构建板110之间。换言之，第一支撑结构124可以相对于基座部支撑顶部。第二支撑结构可以相对于构建板110支撑顶部140。如图2A中叶片部件100的横截面视图示例性示出，第一支撑结构124和第二支撑结构122可以设置在叶片150的径向侧处。径向侧可以包括径向面向内侧130的一侧和径向面向外侧120的一侧。第一支撑结构124和/或第二支撑结构122可以设置在径向面向内侧130的一侧处和/或径向面向外侧120的一侧处。附加地或替代地，在径向面向内侧130的一侧处，可以提供连续的支撑结构。
有利地，在制造期间，支撑结构可以保持部件的悬突部或部件的部分之间的悬突部。支撑结构可以设置在部件的不同部分之间，特别是在顺序形成的部段之间，即在彼此之后和/或彼此之上制造的部段之间。作为示例，在构建板110上形成基座部115后，叶片150可以通过增材制造形成。在叶片上面，顶部140可以通过增材制造形成。在这两个部分之间，即在叶片与顶部之间，多个支撑结构可以通过增材制造形成。应当理解，叶片和多个支撑结构可以同时形成。此外，应当理解，第二支撑结构122可以与叶片和第一支撑结构124同时形成。顶部可以最后形成。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，多个支撑结构具有预定断裂点。支撑结构中的每个可以具有一个或更多个预定断裂点，特别地，支撑结构中的每个可以具有两个预定断裂点。多个支撑结构中的每个支撑结构可以在支撑结构的竖直相对侧处包括至少两个预定断裂点。如图4B中示例性示出，并在下面进一步描述的，例如，支撑结构可以在顶端处具有一个预定断裂点125，在底端处具有一个预定断裂点125。
在本公开中始终使用的术语“预定断裂点”可以理解为支撑结构的限定部段或几何区，其中一般来说支撑结构的熔融材料被生产成明显地比部件本身的材料或支撑结构的其他部段的材料弱。换言之，预定断裂点可以被理解为支撑结构的限定部段，该限定部段被设计成与支撑结构的另一部分和/或部件断开，即，当压力施加到支撑结构时，该部段易于断裂。这能够通过例如影响激光参数来实现，使得支撑结构的材料可以以比部件的材料或支撑结构本身的其他部段的材料更低的密度、更低的韧性、更高的孔隙率等来进行熔接。附加地或替代地，这也能够通过形成支撑结构的锥形(例如，锥状)部来实现，使得锥形部的尖端部形成预定断裂点。预定断裂点可以形成在支撑结构的主体部与顶部(悬突部)之间，和/或形成在支撑结构与顶部相接的部分处。
可以施加压力以用于移除支撑结构。有利地，可以提供包括预定断裂点的支撑结构，使得能够在支撑结构的整个区域上提供用于移除支撑结构的力。换言之，用于移除支撑结构的力(例如呈加压射流形式的压力)不需要直接提供给预定断裂点。因此，根据实施例的支撑结构可以从生产的部件整体地移除。这意味着支撑结构作为一个整体或一组预定义的子部段被移除，同时保持其外形基本或完全完整，但可能会弯曲，而只有与部件相邻的预定断裂点破裂或被部分破坏。因此，本领域技术人员可以理解，通过使用具有预定断裂点的支撑结构，支撑结构可以作为整体被移除。因此，支撑结构的移除可以不依赖于射流切割材料，而是通过施加到支撑结构的力而将其推离叶片部件。作为一般优选方面，支撑结构的移除可以通过形变引起的断裂来实现(与通过射流切割来移除材料相反，因此根据一个方面，支撑结构的移除不通过射流切割来实现)。当向支撑结构施加压力时，在预定断裂点处的材料可以屈服并断裂，使得支撑结构能够被移除。
该方法还可以包括从构建板110移除叶片部件。图2B是在完成部件的部分的(增材)制造时以及从构建板移除叶片部件之前的叶片部件100的示例性描述。从构建板移除叶片部件可以包括通过加压射流移除、使用手动工具手动移除和/或通过机械加工移除。
根据实施例，第二支撑结构122可以围绕叶片部件并且可以首先移除。第二支撑结构可以设置在径向面向内侧130的一侧处和/或径向面向外侧120的一侧处。第二支撑结构可以从叶片部件手动移除，例如使用手动工具，如螺丝刀、钳子、锤子、手动铣刀、手动磨床等。如下面进一步描述的，附加地或替代地，第二支撑结构可以通过机械加工或通过施加加压射流来移除。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，第二支撑结构122可以是分段的、成角度的侧向支撑条。支撑条可以围绕叶片部件在周向方向上彼此相邻地设置。每个第二支撑结构可以在底端处包括径向突出段，即在径向方向上远离叶片部件延伸的段。径向突出段可以是径向向内突出段或径向向外突出段。此外，可以提供具有径向向内突出段的第二支撑结构和具有径向向外突出段的第一支撑结构。因此，第二支撑结构可能容易接近并且可以从叶片部件移除。通过将拉力和/或弯曲力矩作用在径向突出段上，第二支撑结构可以被拉离叶片部件，从而从顶部140和叶片部件100移除。因此，第二支撑结构可以用手动工具、如下面进一步描述的加压射流和/或通过机械加工手动移除。
图3A示例性地示出了叶片部件，一些第二支撑结构122被移除。如图3A所示，一旦第二支撑结构被移除，基座部115、叶片150和第一支撑结构124可从下方露出。代替第二支撑结构，连续支撑结构133可以设置在径向面向内侧的一侧处，并且可以以与第二支撑结构124相同的方式移除，例如使用手动工具手动移除。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，第一支撑结构124可以是设置在叶片150之间的栅格状物或条状物。第一支撑结构124可以以与叶片150相对于叶片部件的周向的角度相对应的角度设置。
图3B示出了已从构建板移除的叶片部件。例如，叶片部件可以(例如通过破坏叶片部件的基座部115下方的基座支撑结构)从构建板手动移除。应当理解，多个支撑结构(即，第一支撑结构和第二支撑结构)可以在叶片部件从构建板移除之前或之后从叶片部件移除。例如，当使用用于移除多个支撑结构的设备时，在移除过程中让叶片部件附接到构建板可以是有益的，因为板能够方便地紧固到用于拉出支撑件的设备的基座。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，该方法还包括向多个支撑结构施加加压射流，从而使多个支撑结构的预定断裂点断裂并移除多个支撑结构(图1中的步骤194)。在图3B中，加压射流由箭头360表示。换言之，加压射流可用于从叶片部件移除多个支撑结构。
有利地，与本领域中所描述的方法相比，向多个支撑结构施加加压射流能够适合于制造的特定叶片部件，即，能够以低成本和更短的时间有效地移除叶片部件的充分制造所需的难以接近的支撑结构。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以向第二支撑结构122和/或第一支撑结构施加加压射流。除非另有明确描述，否则本文中施加加压射流的任何描述可适用于第二支撑结构和第一支撑结构。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以通过周期性地改变加压射流的压力来施加加压射流，以生成脉冲加压射流。有利地，多个支撑结构可以被重复地瞄准，使得预定断裂点，即预定断裂点处的材料可以随着向支撑结构施加加压射流的时间而屈服。这也可以通过磨损支撑结构与叶片部件之间的连接而有益地缩短整个施加时间。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，加压射流可以是加压流体射流。例如，可以是加压液体射流，特别是加压水射流。应当理解，可以使用任何其他能够被压缩的流体。根据实施例，加压射流可以包括磨料颗粒和/或一种或更多种增材，一种或更多种增材选自用于影响粘度的增材、用于影响流体射流的耐久性的增材和抗蚀剂和/或其组合。有利地，射流能够根据支撑结构的材料进行适配，并且能够特别地增强。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，能够以1l/min至50l/min的体积流量、特别以15l/min至35l/min的体积流量、更特别以25l/min的体积流量施加加压射流、特别是加压流体射流。体积流量可以根据要移除的材料来选择。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以以>150m/s至<1000m/s的射流速度、特别以>200m/s至<950m/s的射流速度施加加压射流。射流速度可以根据多个支撑结构的材料来选择。
下表给出了取决于多个支撑结构的材料的具体射流速度的示例。
支撑结构的材料 抗拉强度Rm[MPa] 压力差[bar] 射流速度[m/s]
316L(1.4404) 640 400 300
AlSi10Mg(3.2382) 460 200 200
Ti64(3.7164) 1050 550 350
合金625(2.4856) 950 1200 500
合金718(2.4668) 1200 4500 950
在上表中，材料由根据相应的DIN/ISO/ASTM标准的已知材料编号方案定义，压力差是喷嘴中流体的过压(通过喷嘴排出前的流体压力与大气压力之间的差)。因此，从表中能够看出，射流的优选压力差为至少150bar，优选至少200bar，并且至多5000bar，优选至多4500bar。此外，优选的射流速度为至少100m/s，优选至少200m/s，并且高达约1000m/s。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，加压射流可以由机器人自适应控制、自动控制和/或手动控制。例如，可以使用手持式喷嘴施加加压射流。此外，可以由根据本文所述的实施例的设备施加加压射流。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，制造的叶片部件可以具有圆形形状。图3C示例性地示出了叶片部件，其中在(增材)制造叶片部件的部分(即基座部、叶片、多个支撑结构和顶部)后，移除了所有支撑结构(即第一支撑结构和第二支撑结构)。因此，图3A至图3C示出了在根据本文所述的实施例的制造方法期间，特别是在支撑结构移除过程步骤期间，叶片部件的发展。
叶片部件可以限定可基本竖直延伸的轴线。该轴线可以是圆轴线，即该轴线可以在基本竖直的方向上延伸通过叶片部件的圆心。叶片部件可以在基本竖直的方向上围绕圆形的圆轴线延伸。本文使用的术语“基本竖直”可以理解为垂直于水平方向的方向，即与水平方向成90°角延伸的方向。然而，应当理解，“基本竖直”也可以包括与竖直方向成±30°的方向，即与水平方向成60°至120°的角度。例如，叶片部件可以是涡轮叶轮、喷嘴环、压缩机叶轮和压缩机扩散器。
根据实施例，叶片部件可以包括基座部115和顶部140。基座部115和顶部140可以具有环状几何形状。环状几何形状可以围绕基本竖直的轴线设置。叶片部件可以包括直径和半径，该半径在从基本竖直的轴线开始的每个水平方向上是恒定的。换言之，基座部115和顶部140可以是环形的并且围绕轴线同心，并且在轴向方向上彼此间隔开。作为示例，基座部和顶部可以是喷嘴环的底边界和顶边界。
根据能够与本文所述的任何其他实施例组合的实施例，基座部115和/或顶部140可包括凹口和/或突起。突起可以从基座部和/或顶部径向延伸。例如，凹口和/或突起可以向内延伸，即朝向基本竖直的轴线延伸，和/或，凹口和/或突起可以向外延伸，即远离基本竖直的轴线延伸。与基座部相比，顶部可以向外和/或向内延伸得更远，反之亦然。因此，可以形成悬突部。突起可被视为叶片部件的悬突部。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，叶片部件可以包括一个或更多个叶片150。叶片可以设置在叶片部件的顶部与基座部之间，即叶片可以夹在叶片部件的顶部140与基座部115之间。如图3C和图4A示例性示出，叶片150可以在叶片部件的周向方向上倾斜。换言之，叶片可以周向设置，并且可以从底部延伸到顶部。叶片150可以是可以施加液体流的结构。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，叶片部件或叶片部件的部分可以由包括钢粉末、钛粉末、钛合金粉末、镍基合金粉末(例如
Figure BDA0004113834730000121
)、铝粉末、铝合金粉末及其组合的列表中的任何一种进行增材制造。特别地，可以增材制造叶片、支撑结构和顶部。
回顾多个支撑结构的移除，根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，并且如图4A的示意性俯视图所示，叶片150和相应组的第一支撑结构124可以沿箭头4所示的周向方向以交替的方式提供。因此，在每组第一支撑结构的旁边，可以按周向交替的顺序提供叶片，反之亦然。换言之，每组第一支撑结构周向地夹在两个叶片之间。因此，可以确保在叶片之间的空间中有效地支撑特别难以接近的悬突的顶部。在图4A中，第一支撑结构以与叶片重叠的半径提供，并且周向地设置在叶片之间。在其他实施例中，与图4A中所示的不同，第一支撑结构(中的一些)可以设置成从叶片径向移位(径向向内和/或向外)。因此，可以增强顶部的支撑。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以向多个支撑结构施加射流。射流可以是加压的。射流可以是颗粒和/或液体的射流，例如水射流。优选基本水平地(具有主水平分量和可忽略的竖直分量)施加射流。
射流可以从径向方向(向内和/或向外)施加，或者从与径向方向成(非零)角度施加。施加角度可取决于待移除的相应支撑结构。作为示例，如图4A中箭头6所示，施加角度可以基本(最多30°或甚至最多15°的公差)正交于支撑结构的主表面(例如，主体部的水平截面的伸长方向)。根据叶片150的布置，可以基本上平行于叶片或平行于叶片之间的间隙的主取向调节加压射流的施加角度，使得至少一部分射流被允许穿过被叶片最小阻碍的间隙，并可以将支撑结构推出间隙。
在实施例中，可以以相对于径向(即，具有周向分量，并且优选地具有角度/周向分量)的角度向第一支撑结构施加加压流体射流，使得射流的方向对应于由叶片限定的气流方向。气流方向可以由施加射流的叶片端部的叶片角度限定。因此，周向方向分量可以相对于箭头6所示的周向方向在同一象限内，并且可以优选地平行，直到公差为30°。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以通过周期性地将射流的方向与多个支撑结构重新对准来向多个支撑结构施加加压射流，以用于撞击多个支撑结构处的不同目标点。因此，可以改变加压射流可能撞击支撑结构的位置，使得相应的支撑结构能够被更有效地移除。
如图4B示例性示出，支撑结构包括预定断裂点125。多个支撑结构中的每个支撑结构可以在支撑结构的竖直相对侧处包括至少两个预定断裂点。多个支撑结构可各自具有顶部分、底部分和主体部126。顶部分可以设置或形成为与叶片部件的顶部140相邻，而底部分可以设置或形成为与叶片部件的基座部115相邻。主体部可以以竖直顺序设置在顶部分与底部分之间。主体部可以设置在预定断裂点之间。应当理解，预定断裂点也可以作为主体部的破裂来提供。换言之，支撑结构的主体部可以包括(例如分散在支撑结构的主体部上的)各种预定断裂点。
叶片部件可以限定(基本上竖直的)轴线。主体部可以是具有水平横截面的条状物或栅格状物，水平横截面是细长的，伸长轴线基本垂直于施加射流的方向。换言之，细长的横截面可以限定(竖直的，平行于轴线的)主平面和/或一对面向内和面向外的面，用于从具有基本垂直于主平面/面的径向分量的方向接收射流。换言之，支撑结构的主体部可以被定向并且可以限定一个平面，该平面被加压射流瞄准并且在基本垂直于施加射流的方向的方向上延伸。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，加压射流可施加有径向分量，并且优选地，径向分量在径向向内定向与径向向外定向之间周期性地交替。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以向支撑结构施加加压射流以用于对支撑结构的主体部126施加冲击，对主体部的冲击导致设置在支撑结构的主体部与顶部和/或底部之间的预定断裂点125断裂。因此，通过加压射流可以将支撑结构推离叶片部件并有效地从叶片部件移除。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，支撑结构可以包括外侧和内侧。支撑结构的外侧可以理解为面向加压射流的一侧，即，支撑结构的与叶片部件的径向面向外侧的一侧或与叶片部件径向面向内侧的一侧对准的一侧。支撑结构的内侧可以理解为支撑结构面向叶片部件的叶片的一侧。由于支撑结构、特别是第一支撑结构124可以设置在叶片部件的径向面向外侧的一侧处和叶片部件的径向面向内侧的一侧处，因此支撑结构的内侧可以从两个相对侧面向叶片。多个支撑结构的布置，即第一支撑结构526、536和第二支撑结构528、538的布置在图5A和图5B中进一步示出。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，可以通过交替地向多个支撑结构的外侧和内侧施加加压射流来向多个支撑结构施加加压射流，从而以交替的方式在多个支撑结构的外侧处和多个支撑结构的内侧处瞄准多个支撑结构。有利地，通过从不同侧面瞄准支撑结构，能够进一步增强预定断裂点的断裂和预定断裂点的材料的屈服。因此，可以减少整个施加时间，并且可以更有效地执行支撑结构的移除。
如图5A和图5B示例性示出，根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，多个支撑结构可以包括各种形状。如图5A示例性所示，第一支撑结构526可以包括树状结构，即第一支撑结构的主体部可以相对狭窄，可以相对于支撑结构的顶部分扩展。顶部分可以包括分支状结构，每个分支包括预定断裂点。可以向主体部的狭窄部分和/或分支的部分施加加压射流。根据实施例，第二支撑结构528也可以包括所描述的狭窄结构和分支状结构。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，多个支撑结构可以包括支撑角度。例如，多个支撑结构可以以相对于由构建板限定的法向方向(正交于构建板)的特定角度形成在叶片部件处，使得能够更容易地提供支撑结构的可接近性。支撑角度可以为10°至45°，更特别地为20°至35°。
有利地，由于预定断裂点可以分布在更大的面积上，但是具有更少的材料，能够更容易屈服和断裂，所以分支状结构可以更方便地移除支撑结构。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，并且示例性地参照图6A和图6B，提供了一种用于制造涡轮机的叶片部件的设备600。设备600包括第一腔室672，该第一腔室包括用于增材制造涡轮机的叶片部件的增材制造装置670。
根据可以与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，增材制造装置670可以是被配置用于执行粉末床熔融工艺的装置，例如3D打印机。增材制造装置可以由控制器672控制，使得根据要制造的部件能够设置各种参数。例如，各种部件的不同3D几何形状可以被输入到连接到控制器674的计算机系统中。根据设计计划(即根据要制造的部件),控制器可以调节和改变制造条件。此外，可以控制多个参数(例如待熔的单层的层厚度、激光参数、温度等)，以获得期望的部件。根据实施例，控制器674被配置为执行根据本文所述的实施例中任何一个的方法，即，控制器可以被配置为发出命令以执行根据本文中所述的实施例中任何一个的方法。
应当理解，坯料可以被插入到第一腔室672中，该坯料可以通过增材制造技术进一步进行处理。例如，基座部能够插入到第一腔室中，用于将叶片部件的其他部分(例如叶片、支撑结构和/或顶部)增材制造到叶片部件的基座部上。根据本文所述的实施例，第一腔室672可以包括构建板，用于向要在第一腔室中(进一步)进行处理的叶片部件提供支撑。
根据本文所述的实施例，叶片部件100可以从第一腔室转移到第二腔室680。第二腔室可以被配置为从叶片部件100移除多个支撑结构。叶片部件可以在第一腔室中增材制造期间使用或不使用构建板的情况下转移到第二腔室。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，如图6B示例性示出，该设备包括第二腔室680，该第二腔室包括至少一个加压射流装置682，用于提供加压射流以移除多个支撑结构。第二腔室680可以包括用于生成加压射流的高压泵681。例如，高压泵可以是用于生成加压液体射流的液体高压泵。
根据实施例，高压泵可以通过高压管线683连接到加压射流装置682，用于向加压射流装置提供流体或液体射流。加压射流装置可以包括一个或更多个喷嘴，用于朝向所生成的叶片部件(即，朝向多个支撑结构)施加射流以移除支撑结构。第二腔室还可以包括用于在移除多个支撑结构期间支撑叶片部件100的台685。台685可旋转(如图6B中的箭头所示)，使得通过移动加压射流装置和/或通过旋转台，可以朝向叶片部件(即，朝向多个支撑结构)提供加压射流的不同施加角度。
根据本文所述的实施例，第二腔室还可以包括用于收集移除的支撑结构(材料)和/或加压射流的流体/液体的收集容器684。收集容器还可以包括排水件，以易于清洁设备。
应当理解，尽管在不同的附图中示出，但是设备可以包括直接空间邻近的第一腔室和第二腔室。叶片部件在腔室之间的转移可以以自动的方式发生。此外，第一腔室和第二腔室也可以彼此间隔开。在这种情况下，叶片部件可以在腔室之间手动转移。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，设备可以包括用于自动检测第一支撑结构和/或第二支撑结构的相应位置的检测装置，使得可以以自动的方式移除多个支撑结构。检测装置可以设置在第二腔室中。检测装置可以是照相机、激光器、条形码扫描器、红外照相机等。检测装置可以被配置为可选择地引导加压流体射流朝向所确定的位置，即，检测装置可以连接到控制器，该控制器继而可以使用接收到的数据来相应地控制加压射流装置。
根据能够与本文所述的任何其他实施例相结合的实施例，由控制器发出的命令可以启用和/或停用根据本文所述的实施例中任何一个的用于制造叶片部件的设备的部件。附加地或替代地，由控制器发出的命令可以调节根据本文所述的实施例中任何一个的用于制造叶片部件的设备的部件中的任何一个。例如，通过发出命令，控制器可以调节台685的旋转、加压射流的移动和/或检测装置的移动。因此，控制器可以发出命令以调节设备的操作，即用于制造叶片部件的设备的部件的操作和/或指示用户执行另外的步骤。本文所述的部件和/或装置中的任何一个都可以由控制器控制。
根据实施例，参照图7A和图7B，示例性地提供了第二腔室680、680'的不同实施例。第二腔室可以包括如上所述的所有特征。如图7A所示，可以提供一个加压射流装置682。加压射流装置可以包括一个高压喷嘴，用于引导加压射流朝向叶片部件，即朝向多个支撑结构。加压射流装置可以设置在叶片部件的径向面向外侧的一侧处，或者设置在叶片部件的径向面向内侧的一侧处。因此，如根据本文描述的实施例所解释的，加压射流的不同设置能够被执行。例如，可以瞄准支撑结构的一个特定目标点。此外，加压射流装置可以被配置为改变其相对于叶片部件的位置。换言之，根据应从哪个方向施加加压射流以移除支撑结构，加压射流装置可以设置在径向面向外侧的一侧处和/或径向面向内侧的一侧处。也就是说，如果要移除第一支撑结构或第二支撑结构，则加压射流装置的位置也可以根据要移除的支撑结构来选择。
附加地或替代地，第二腔室680'可以包括多于一个的加压射流装置，例如，第二腔室可以包括两个加压射流装置(第一加压射流装置682和第二加压射流装置682')。装置中的每个可以位于叶片部件100的一个径向侧处，即，第一加压射流装置可以设置在叶片部件的径向面向外侧的一侧处，而第二加压射流装置可以设置在叶片部件的径向面向内侧的一侧处。因此，可以提供加压射流的多种施加。例如，如根据本文的实施例所述，可以用加压射流同时或以交替的方式从两个径向侧瞄准多个支撑结构。
鉴于以上内容，应当理解，与现有技术相比，本公开的实施例有益地提供了一种用于制造涡轮机叶片部件的方法和设备，其在增材制造的应用和支撑结构的移除方面得到了改进。此外，与常规方法和设备相比，本文所述的实施例有益地提供了对增材制造的部件的更加有效的移除和更加省时的制造。
虽然以上描述针对公开的实施例，但是在不脱离本公开基本范围的情况下可以设想本公开的其他和另外的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种用于制造涡轮机的叶片部件(100)的方法(190)，所述方法包括：
提供基座部(115)，所述基座部是所述叶片部件的一部分并且用作制造所述叶片部件的起点；
在所述基座部(115)上面增材制造多个叶片(150)和多个支撑结构，所述多个支撑结构具有预定断裂点(125)；
在所述多个支撑结构和叶片(150)上面增材制造由所述多个支撑结构支撑的顶部(140)，由此叶片被夹在所述基座部(115)与所述顶部(140)之间；和
向所述多个支撑结构施加加压射流(360)，从而使所述多个支撑结构的预定断裂点断裂并移除所述多个支撑结构。
2.根据权利要求1所述的方法(190)，其中向支撑结构施加所述加压射流(360)以用于对支撑结构的主体部(126)施加冲击，对主体部的冲击导致设置在支撑结构的主体部与顶部之间的预定断裂点(125)断裂。
3.根据权利要求1或2所述的方法(190)，其中所述多个支撑结构包括第一支撑结构(124)和第二支撑结构(122)，其中在所述基座部(115)上面增材制造所述第一支撑结构(124)，使得所述第一支撑结构(124)被夹在所述顶部(140)与所述基座部(115)之间。
4.根据权利要求3所述的方法(190)，其中所述第二支撑结构(122)设置在构建板(110)上，并且其中所述方法还包括
在构建板(110)上面增材制造所述第二支撑结构(122)，使得所述第二支撑结构被夹在所述构建板(110)与所述顶部(140)之间。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的方法(190)，其中从所述叶片部件手动移除所述第二支撑结构(122)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中向所述多个支撑结构施加所述加压射流(360)包括向所述多个支撑结构的外侧和内侧交替施加所述加压射流，从而以交替的方式在所述多个支撑结构的外侧处和在所述多个支撑结构的内侧处瞄准所述多个支撑结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中施加所述加压射流(360)包括周期性地改变所述加压射流的压力以用于生成脉冲加压射流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中施加所述加压射流(360)包括周期性地将射流的方向与所述多个支撑结构重新对准以用于撞击所述多个支撑结构处的不同目标点。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中所述叶片部件限定基本竖直的轴线，并且其中支撑结构具有主体部(126)，所述主体部具有水平横截面，所述水平横截面是细长的，伸长轴线基本垂直于施加射流的方向。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中施加所述加压射流(360)包括以1l/min至50l/min的体积流量、特别以15l/min至35l/min的体积流量、更特别以25l/min的体积流量施加加压流体射流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中施加所述加压射流(360)包括以>150m/s至<1000m/s的射流速度、特别是以>200m/s至<950m/s的射流速度施加高压射流，特别是其中根据所述多个支撑结构的材料来选择射流速度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中所述叶片部件(100)是选自壳体、涡轮叶轮、喷嘴环、压缩机叶轮和压缩机扩散器中的至少一个。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中向所述多个支撑结构施加所述加压射流(360)包括施加由机器人自适应控制、自动控制和/或手动控制的加压射流。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法(190)，其中所述加压射流(360)是加压流体射流，特别是其中所述加压射流是加压水射流。
15.一种用于制造涡轮机的叶片部件(100)的设备(600)，所述设备包括：
第一腔室(672)，其包括增材制造装置(670)，用于增材制造具有多个支撑结构的涡轮机的叶片部件；
第二腔室(680)，其包括至少一个加压射流装置(682)，用于提供加压射流以移除所述多个支撑结构；和
控制器(674)，其被配置为发出命令以执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法。
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