CN116600914A - 增材制造的多孔的构件结构和用于其制造的机构 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于提供用于基于粉末床增材制造构件(10)的CAM制造指令的方法。在此，根据CAD数据限定构件(10)的几何结构，所述构件包括实心材料区域(B)、过渡区域(T)和多孔的构件区域(12，T)，其中用于制造构件的辐照参数在过渡区域(T)内改变，使得在构件(10)的实心材料区域(B)与多孔的构件区域(H)之间构成构件(10)的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数包括辐照功率(P)、扫描速度(v)、扫描间距(d)和层厚度(t)。此外，提出一种用于制造构件的对应的方法和一种计算机程序产品以及一种增材制造的构件结构。

Description

增材制造的多孔的构件结构和用于其制造的机构
技术领域
本发明涉及一种用于提供用于基于粉末床增材制造可冷却的构件或构件区域的制造指令的方法，所述构件或构件区域包括实心材料区域、过渡区域和多孔区域。此外，提出一种对应的增材制造的构件区域和一种用于制造所述构件区域的机构以及一种计算机程序产品。
背景技术
构件优选地设为用于在燃气轮机、如固定式燃气轮机的热气路径中使用。特别优选地，构件结构涉及燃烧室的部件或共振器构件、如亥姆霍兹共振器或其一部分。优选地，所述构件是应冷却的部件，例如可以经由流体冷却来冷却。为此，所述构件优选地针对对应的冷却流体、例如冷却空气具有定制的穿透性或渗透率。
替选地，构件可以涉及其他可冷却的或部分多孔的构件，例如在汽车行业或航空领域中使用的构件。
现代的燃气轮机构件或类似的部件是持续改进的主题，以便提升其效率。然而，这还引起在热气路径中的越来越高的温度。用于转子叶片、尤其第一级中的转子叶片的金属材料在其在高温下的强度、蠕变载荷和热机械疲劳方面不断地改进。
生成式或增材式制造由于其对工业的创新潜力对于批量制造在上文中提及的涡轮机部件、例如涡轮机叶片或燃烧器部件而言也变得越来越感兴趣。
增材制造方法(通俗地也称为“3D打印”)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，尤其是激光熔覆焊接、电子束或等离子粉末焊接、焊丝焊接、金属粉末注射成型，所谓的“片材层压(sheet lamination)”方法或热喷涂方法(VPS LPPS，GDCS)。
例如从EP 3 278 908 B1中已知一种用于增材构造具有多孔支撑结构的构件的方法。因此，在此——与本发明相反地——涉及支撑结构的结构孔隙度然而不设为用于冷却。
此外，在WO 2020/018604 A1中一般性地描述增材构造的材料的密度梯度。
此外，文件WO 2014/2023521描述一种用于借助于选择性激光熔化来制造三维构件的方法，其中可以调整对应的参数，以批量制造构件的微结构和/或孔隙度。
增材生产方法(英文：“additive manufacturing”)此外已经证明为对于复杂的或细丝设计的构件、例如迷宫式结构、冷却结构和/或轻型结构是特别有利的。尤其地，增材生产由于特别短的工艺步骤链是有利的，因为构件的制造或生产步骤可以在很大程度上基于对应的CAD文件(Computer-Aided-Design，计算机辅助设计)和对应的生产参数的选择进行。
CAD文件或计算机程序产品例如可以作为(易失性或非易失性)存储介质，例如存储卡、USB棒、CD-ROM或DVD，或者也以从服务器和/或在网络中可下载的文件的形式被提供或被包括。提供此外可以例如在无线通信网络中通过传输具有计算机程序产品的对应的文件来进行。
计算机程序产品通常可以包含程序代码、机器代码或数字控制指令、CAM(Computer-Aided-Manufacturing，计算机辅助制造)控制指令、G代码和/或其它可执行的程序指令。
计算机程序产品还可以包含呈三维格式或作为CAD数据的几何结构数据或构建数据，或包括用于提供所述数据的程序或程序代码。
借助于所描述的基于粉末床的方法(LPBF英文代表“Laser Powder Bed Fusion(激光粉末床融合)”)制造燃气轮机叶片能够有利地实现完成新的几何结构、构思、解决方案和/或设计，其可以降低制造成本或者构造和产出时间，优化制造工艺，并且例如明显改进部件的热机械设计或耐久性。
以传统方式、例如铸造技术地制造的叶片部件明显不如增材生产流程，例如在其设计自由度方面，以及也关于所需的产出时间和与产出时间相关的高成本以及生产技术耗费。
借助于所提及的LPBF方法已经可行的是，制造可以用于不同应用、例如冷却或机械减振的多孔材料。
这种结构也已经部分地集成到实心材料部件中。这强制性地引起在构件的多孔区域与致密的或不可穿透的实心材料区域之间的在结构上有问题的过渡部。所提及的过渡部在整个部件在运行中负载时通常为薄弱部位，这引起，构件根本不能或不能够长时间地或可靠地用于其常规使用，因为总体上不能确保构件的多孔区域的机械接合从而形状稳定性。大的应力梯度在制造期间产生并且尤其引起多孔区域在过渡部中在负载时“被撕裂”。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种机构，借助所述机构可以可靠地确保在待增材制造的构件中的所提及的多孔结构区域的接合。由此，所提及的多孔材料区域可以首次可靠地在功能上在对应的构件中使用，这例如决定性地改进增材的冷却结构的结构完整性。
所述目的通过独立权利要求的主题来实现。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提供用于基于粉末床增材制造构件的CAM制造指令的方法，其中根据CAD数据限定构件的几何结构，所述构件包括实心材料区域、过渡区域和多孔的构件区域，其中用于制造构件的辐照参数在过渡区域内和在制造构件期间(逐层地)改变，使得在构件的实心材料区域与多孔的构件区域之间构成构件的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数此外包括辐照功率、扫描速度、网格或阴影线间距和层厚度。
因此，有利地，通过本发明在工艺准备中、即在真正制造构件上游已经可以提供CAM策略，所述CAM策略然后在其在构造工艺中实施时必然引起过渡区域中的有利的结构特性。换言之，过渡区域通过所提及的机构在结构上明显更鲁棒地设计，使得所述过渡区域在运行中也承受构件的明显更大的力流和负载。
在一个设计方案中，所提及的辐照参数中的至少一个辐照参数选择成，使得构件的结构在多孔的构件区域中在5％和40％之间、优选地大约为20％。根据所述设计方案的孔隙度的尺寸对于流体冷却的从而可穿流的构件结构是特别符合目的的。
在一个设计方案中，至少一个辐照参数选择成，使得构件的结构在过渡区域中具有在实心材料区域中的大约0直至多孔的构件区域的、优选地大约20％的孔隙度值之间逐渐改变的孔隙度。分级的或(逐渐)改变的孔隙度有利地特别高效地允许过渡区域的结构上的加强。尤其地，所述设计方案有利地允许在构造期间抑制裂纹或裂纹中心，从而允许制造机械上特别鲁棒的过渡区域。
在一个设计方案中，至少一个辐照参数选择成，使得孔隙度以连续地或无级地(流畅地)逐渐改变的方式构成。所述设计方案的特征在于与最后提及的设计方案相同的涉及机械强度的优点。
在一个设计方案中，上文中提及的辐照参数中的至少一个辐照参数选择成，使得孔隙度以逐级(逐渐)改变的方式构成。通过所述设计方案，仍然可以在实心材料区域与多孔的构件区域之间建立足够的结构的或机械的结合，其中然而在工艺准备方面可以简化构件制造的程序上的实现。
在一个设计方案中，辐照功率、尤其激光功率在过渡区域中从实心材料区域直至多孔的构件区域逐渐分级地或无级地降低。所述参数特别有效地影响所构造的结构的孔隙度特性。
在一个设计方案中，扫描速度在过渡区域中从实心材料区域直至多孔的构件区域逐渐分级地或无级地增大。所述参数同样特别有效地影响所构造的结构的孔隙度特性。
在一个设计方案中，扫描间距或阴影线间距(英文“hatching”)在过渡区域中从实心材料区域直至多孔的构件区域逐渐分级地或无级地增大。所述参数同样特别有效地影响所构造的结构的孔隙度特性。
在一个设计方案中，所提及的参数中的两个或更多个参数在过渡区域中逐渐分级地或无级地和同时地改变，以便提供对应的有利的孔隙度特性。
本发明的另一方面涉及一种用于借助如上所述地提供的CAM制造指令借助于选择性激光熔化、选择性激光烧结和/或电子束熔化来增材制造构件的方法，其中构件在(实心材料区域与多孔的构件区域之间的)过渡区域中对应地设有分级的孔隙度特性(孔隙度梯度)。
本发明的另一方面涉及一种计算机程序或一种计算机程序产品，所述计算机程序或计算机程序产品包括命令，在通过计算机执行对应的程序例如以控制在增材制造设施中的辐照或曝光时，所述命令推动所述计算机实施如上所述的制造指令或对应地制造构件。
本发明的另一方面涉及一种增材制造的构件结构，所述构件结构包括实心材料区域、过渡区域和多孔的构件区域，其中多孔的构件区域是设立成为了冷却所述结构在运行中由冷却流体穿流的冷却体，并且其中过渡区域(同样)具有多孔结构，优选地借助用于实心材料的对应的工艺参数制造的栅格状的实心材料元件或支撑元件延伸通过所述多孔结构。本发明的所述方面以替选的方式有利地允许加强在实心材料区域与多孔区域之间的结构上的结合。尤其允许所描述的实心材料元件在实心材料与多孔材料之间提供有利地增大的接合面。此外，由此可以改进多孔区域的结构接合。
在一个设计方案中，实心材料元件至少部分地形状配合地穿过多孔结构或延伸通过所述多孔结构。除了接合面的所提及的增大之外，所提及的形状配合能够有利地实现结构接合的更进一步的增大。
在一个设计方案中，实心材料元件在过渡区域中在至少0.1mm直至0.5mm、1mm或10mm、优选地0.2mm的长度之上延伸或者对应地与多孔结构重叠。
在一个设计方案中，构件结构是构件的一部分，所述部分此外是流体机械、如固定式燃气轮机的热气路径的待冷却的部件，涡轮机叶片、燃烧室的热屏部件、共振器构件和/或声学减振器或声学减振燃烧部件。
本发明的另一方面涉及一种用于借助于选择性激光熔化或电子束熔化增材制造最后提及的构件结构的方法，其中首先构造多孔结构，并且随后构造用于实心材料元件的区域。例如，为此可以重新借助能够实现实心材料加固的其他辐照参数来辐照多孔的构件区域中的多孔结构。
此外，由此可以显著地改进机械接合。
在本文中与用于提供制造指令的方法或制造方法有关的设计方案、特征和/或优点还可以直接涉及增材制造的构件结构，并且反之亦然。
在此使用的表述“和/或”当其在两个或更多个元件的序列中使用时表示所列出的元件中的每个元件能够单独使用或者能够使用所列出的元件中的两个或更多个元件的任意组合。
附图说明
在下文中根据附图描述本发明的其他细节。
图1示出基于粉末床的增材制造工艺的示意性剖视图。
图2根据本发明示出具有连续的孔隙度梯度的增材制造的结构。
图3示出阴影线辐照图案的示意性的俯视图，根据所述阴影线辐照图案可以根据本发明增材制造结构。
图4根据本发明示出具有分级的孔隙度梯度的增材制造的结构。
图5示出根据本发明的一个替选的设计方案的具有多孔区域和实心材料元件的增材制造的结构。
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能够分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其相互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示出增材制造设施100。制造设施100优选地设计为LPBF设施并且设计用于从粉末床增材构造构件或部件。设施100也可以涉及用于电子束熔化的设施。据此，设施具有构造平台101。在构造平台101上，从粉末床中逐层地制造待增材制造的构件20。后者通过粉末6形成，所述粉末6可以通过覆层装置3逐层地分布在构造平台1上。在涂覆每个粉末层(参见层厚度t)之后，根据预设的构件20的几何结构，借助能量束、例如激光或电子束，由辐照装置2选择性地熔化并且随后固化层的区域。
在每个层之后，构造平台1优选地降低对应于层厚度t的量值(参见图1中的向下指向的箭头)。厚度t通常仅在20μm和40μm之间，使得整个工艺可以容易地需要辐照几千至几万个层。
在此，由于仅非常局部作用的能量输入，可以出现例如106K/s或更大的高的温度梯度。当然，在构造期间和在此之后，构件的张紧状态通常也是与此相应地高的，这通常使增材制造工艺明显变复杂。
构件的几何结构通常通过CAD文件(“Computer-Aided-Design(计算机辅助设计)”)规定。在这种文件读入到制造设施100或对应的控制单元中之后，所述工艺随后首先需要例如通过CAM(“Computer-Aided-Manufacturing(计算机辅助制造)”)的机构规定合适的辐照策略，由此构件几何结构通常同样也划分为各个层(“slicing”)。
构件10优选地是流体机械的热气路径的可冷却的并且在运行中应冷却的部件，如涡轮机叶片、燃烧室的热屏部件和/或共振器或减振器部件，例如亥姆霍兹共振器。替选地，构件10可以涉及环形区段、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、冲头或涡流器，或对应的改装件。
本发明涉及一种用于提供用于增材制造如根据图1描述的构件10的CAM制造指令的方法(CAM方法)。
构件10的几何结构部分地在图2中示出并且通常根据CAD数据限定。所提及的制造指令针对其制造的构件的几何结构包括实心材料区域B、过渡区域T和多孔的构件区域T(参见更下面的图2至图5)。
在所提及的CAM方法的范围中，用于制造构件的辐照参数现在此外在过渡区域T内改变，使得在构件10的实心材料区域B与多孔的构件区域H之间构成构件10的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数至少包括辐照功率P、扫描速度v、扫描间距d和层厚度t。多孔的构件区域H优选地设为冷却区域或冷却结构并且据此设立成在构件的运行中由冷却流体穿流以进行冷却。
图2在上部部分中尤其示出对应分级的构件结构或构件的分级的孔隙度。在示图的下部部分中，对应于从左向右的位置，辐照功率P、例如激光功率以及扫描速度v定性地(能够以标称值或标准值的百分比说明)在空间方向x、y(参见粉末床的横向扩展)和/或构造方向z上绘制(后者未在图中明确标记)。
可看出，相对高地选择在构件的左边区域中的激光功率，以用于固化实心材料结构。在右边连接于实心材料区域B的过渡区域T中，辐照功率P下落到明显较弱的量度，以便然后在右边跟随的多孔的材料区域H中具有恒定低的值。例如与标准参数相比降低的激光功率有利地允许材料密度的降低，从而允许对构件10的多孔区域H中的(定制的)孔隙度12的监控。
本领域技术人员当然已知，特定的参数值的选择及其对要对应地制造的构件的孔隙度的影响还与粉末状的材料的类型相关。
在多孔区域H的中部，辐照功率P和扫描速度v镜像对称地伸展，因为过渡区域T以及对应的构件区域B又连接于多孔区域H(参见图2中更右边)。
与辐照功率的效应恰好相反地，例如与标准参数相比降低的扫描速度v由于空间上或时间上降低的能量输入同样引起增大的孔隙度，所述能量输入对应地不再有助于粉末状的原始材料的固化。因此，从在左边所示出的构件区域B中的相对低的扫描速度开始，所述扫描速度在左边的过渡区域T中增大直至在多孔的构件区域H中的(恒定的)最大值。
因此根据本发明，在所描述的选择性激光熔化、激光烧结或电子束熔化工艺的过程中，构件有利地在过渡区域T中设有孔隙度梯度。
在这没有明确标记的情况下，其他参数可以替选地或附加地改变，以便在过渡区域中生成批量制造的、优选地逐渐改变的孔隙度。尤其地，此外扫描间距可以改变(参见更下面的图3)。此外，例如，层厚度T可以改变；然而，这实际上仅在“实心材料层厚度”t的倍数中并且沿着构造方向z有用。
图3示出阴影线辐照图案(“hatching”)的示意性的俯视图，在同样在构造工艺中准备的步骤中，辐照矢量的扫描间距d(在图中从左向右)改变，使得从实心材料区域B经过过渡区域T直至多孔区域H设定密度或孔隙度梯度。这沿着或关于粉末床的每个横向方向(x/y方向)是可行的。尤其为了制造更大的孔隙度，扫描间距d、d1、d2以多步或分级地增大。这在保持不变的熔化轨迹宽度(恒定的其余辐照参数)的情况下直接达到。在示图的右部部分中示例性地示出扫描间距d2，所述扫描间距d2对应于扫描间距d1(参见区域T)的两倍的量度。
根据本发明，所提及的辐照参数P、v、d、t中的一个或多个辐照参数可以选择成，使得构件10的结构12在多孔的构件区域H中在5％和40％之间、优选地大约为20％。
此外，辐照参数中的一个或多个辐照参数可以选择成，使得构件10的结构12在过渡区域T中具有在实心材料区域B中的大约0直至多孔的构件区域H的优选地大约20％的孔隙度值之间逐渐改变的孔隙度。
此外，辐照参数中的一个或多个辐照参数可以选择成，使得孔隙度以连续地或无级地改变的方式(流畅地)构成。这应通过如在图2中所示出的情形示出。
此外，辐照参数中的一个或多个辐照参数可以选择成，使得孔隙度分级地(逐渐地)构成。所述设计方案对应于图4中的情形。
图4尤其从左向右根据不同的阴影线区域示出用于构件10的对应地制造的结构的分级的孔隙度或密度走向。在区域T内示出在实心材料区域B与多孔区域H之间的逐渐分级。
图5示出根据本发明的一个替选的设计方案的增材制造的构件结构10。用于构件的结构例如也可以涉及构件壁。
图5的示图中的左下方的不同取向的箭头应表明：构件当前可以根据任意构造方向来构造，并且构件的所示出的竖直定向不一定必须对应于由工艺预设的构造方向。
中间区域又是多孔的构件区域H。在中间的箭头表明用于冷却流体F的可行的穿流方向，所示出的构件区域可以根据所述穿流方向在构件的运行中冷却(仅为了简单起见在迄今的图中未示出)。当前，对称线(示例性地)在多孔区域的中部纵向地(大约在箭头F的高度上)伸展，所示出的区域关于所述对称线对称地构成。
此外，构件区域仅示例性地设有两个对称的和相同类型的过渡区域T。根据本发明，在过渡区域T中根据所述设计方案设有体积或实心材料元件Be，所述体积或实心材料元件Be优选地栅格状地或支柱状地从所示出的实心材料区域延伸进入到多孔结构的区域中或穿过所述多孔结构的区域。优选地，实心材料元件Be至少部分地形状配合地穿过多孔结构12。
与待增材制造的构件结构的在更上文中描述的设计方案相反地，多孔结构到实心材料区域B上的增强的机械接合并非直接通过多孔材料的分级(逐渐的参数改变)实现，而是——如所描述的那样——通过延伸进入到多孔结构中的实心材料元件Be来实现。
实心材料元件Be例如可以在过渡区域中在0.1mm至0.5mm，或更大例如1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或10mm，优选地0.2mm的长度L之上延伸进入到多孔结构中，以便引起尽可能牢固的机械锚固。
根据本发明，在借助于选择性激光熔化或电子束熔化的基于粉末床的增材制造工艺(参见更上面的图1)期间，优选地首先构造多孔结构12，并且随后构造实心材料元件Be的区域。如在上文中所表明的，这可以根据每个任意的构造方向Z逐层地(在此未明确标记层序列)进行。
在这在图中未详尽标记的情况下，过渡区域中的孔隙度的分级也能够以沿着旋转角度扭转的方式进行。
根据增材的构件结构的根据本发明的第二替选方案，实心材料元件Be也可以不同远地延伸，例如在径向内部仅最小地延伸，但对此径向更靠外地明显更远地延伸进入到多孔结构中。

Claims (13)

1.一种用于借助于选择性激光熔化或电子束熔化来增材制造构件的方法，其借助为构件(10)的基于粉末床的增材制造提供的制造指令(CAM)进行，其中根据CAD数据限定所述构件(10)的几何结构，所述构件包括实心材料区域(B)、过渡区域(T)和多孔的构件区域(12，T)，其中用于制造所述构件的辐照参数在所述过渡区域(T)内改变，使得在所述构件(10)的所述实心材料区域(B)与所述多孔的构件区域(H)之间构成所述构件(10)的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数包括辐照功率(P)、扫描速度(v)、扫描间距(d)和层厚度(t)，并且其中辐照功率(P)在所述过渡区域(T)中从所述实心材料区域(B)直至所述多孔的构件区域(H)降低。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中至少一个辐照参数(P，v，d，t)选择成，使得所述构件(10)的所述结构(12)在所述多孔的构件区域(H)中在5％和40％之间、优选地大约为20％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中至少一个辐照参数选择成，使得所述构件(10)的所述结构(12)在所述过渡区域(T)中具有如下孔隙度：所述孔隙度从在所述实心材料区域(B)中大约为0逐渐改变至所述多孔的构件区域(H)的优选大约为20％的孔隙度值。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中至少一个辐照参数选择成，使得所述孔隙度以连续地或无级地逐渐改变的方式构成。
5.根据权利要求3所述的方法，
其中至少一个辐照参数选择成，使得所述孔隙度以分级地逐渐改变的方式构成。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中扫描速度(v)在所述过渡区域(T)中从所述实心材料区域(B)直至所述多孔的构件区域(H)增大。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中扫描间距(d)在所述过渡区域(T)中从所述实心材料区域(B)直至所述多孔的构件区域(H)增大。
8.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括命令，在通过计算机执行对应的程序例如以控制在增材制造设施(100)中的辐照时，所述命令推动所述计算机根据上述权利要求中的任一项实施所述制造指令(CAM)或对应地制造所述构件(10)。
9.一种增材制造的构件结构，所述构件结构包括实心材料区域(B)、过渡区域(T)和多孔的构件区域(H)，其中所述多孔的构件区域(H)是设立成在运行中由冷却流体(F)穿流以冷却所述结构的冷却体，并且其中所述过渡区域(T)具有多孔结构(12)，栅格状的实心材料元件(Be)延伸通过所述多孔结构(12)。
10.根据权利要求9所述的构件结构，
其中所述实心材料元件(Be)至少部分地形状配合地穿过所述多孔结构(12)。
11.根据权利要求9或10所述的构件结构，
其中所述实心材料元件(Be)在所述过渡区域中在0.1mm至0.5mm、优选地0.2mm的长度(L)之上延伸。
12.一种构件(10)，所述构件(10)包括根据权利要求9至11中任一项所述的构件结构，其中所述构件(10)是流体机械的热气路径的应冷却的部件，如涡轮机叶片、燃烧室的热屏部件、共振器构件和/或声学减振器。
13.一种用于借助于选择性激光熔化或电子束熔化增材制造根据权利要求9至12中任一项所述的构件结构的方法，其中首先构造所述多孔结构(12)，并且随后构造所述实心材料元件(Be)的区域。
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