CN116635237A - 借助脉冲式辐照的增材制造中的辐照策略 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于以基于粉末床的方式增材制造构件(10)的方法，所述方法包括：确定用于构件(10)的待辐照的层(L)的辐照矢量(Vh，Vc)，其中长度低于1mm的辐照矢量(Vh，Vc)在脉冲式辐照运行(pw)中被辐照，其中选择低于3kHz的脉冲频率和低于250mm/s的扫描速度。此外，提出对应地制造的构件、用于提供制造指令的所属的方法和所属的计算机程序产品。

Description

借助脉冲式辐照的增材制造中的辐照策略
技术领域
本发明涉及用于基于粉末床进行增材制造构件的方法或用于例如关于“计算机辅助制造”(Computer-Aided-Manufacturing)提供制造指令的对应的(计算机实施的)方法。此外，提出对应地制造的构件以及所属的计算机程序(产品)。
背景技术
构件优选设置用于在燃气轮机的热气路径中使用。例如，构件涉及具有薄壁的或精细的设计的待冷却的部件。替选地或附加地，构件能够是用于在汽车或航空领域中使用的部件。
高性能的机器部件是持续改进的主题，以便尤其提高其在使用中的效率。然而，这在热力发动机尤其燃气轮机的情况下尤其引起越来越高的使用温度。尤其在第一级中的可承受高负荷的构件如涡轮转子叶片的金属材料和部件设计在其强度、使用寿命、抗蠕变性和热机械疲劳方面不断地得到改进。
生成式或增材制造由于其对行业的颠覆性潜力对于批量制造上文提及的构件例如涡轮机叶片或燃烧器部件而言也越来越令人感兴趣。
增材制造方法(AM：“additive manufacturing”)、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)。
用于借助脉冲式辐照进行选择性激光熔化的方法例如从EP 3 022 008B1中已知。
此外，对于复杂地或精细地设计的构件，例如迷宫状结构、冷却结构和/或轻质结构，增材生产方法被证明是特别有利的。尤其地，增材制造由于特别短链的工艺步骤是有利的，因为构件的制造或生产步骤能够在很大程度上基于对应的CAD文件和对应的生产参数的选择来进行。
借助于所描述的基于粉末床的方法(LPBF，英语是“Laser Powder Bed Fusion(激光粉末床融合)”)制造燃气轮机叶片有利地实现新的几何形状、概念、解决方案和/或设计的实施，所述新的几何形状、概念、解决方案和/或设计降低制造成本或者构造和产出时间，优化制造工艺，并且例如能够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制造的部件明显不如增材生产流程，例如在其成形自由度方面以及也在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方面。
原因在于，通过粉末床工艺在构件结构中引起固有地高的热应力。尤其地，过短地确定尺寸的辐照路径或矢量引起强烈的过热，所述强烈的过热又引起结构的翘曲。因此，构造工艺期间的强烈的翘曲容易引起结构上的脱离、热变形或超出所允许的公差的几何偏差。
针对所述问题的传统的解决方案可行性是经由结构板或构造基板改进散热，因为粉末床是准热绝缘的。此外，所述问题能够通过如下方式回避：从一开始就不设有特别倾向于热翘曲的精细的构件区域或薄壁部段。
此外，存在调整辐照策略或扫描策略、尤其延长对应的辐照矢量、尤其阴影线辐照矢量的可行性，借此能够增加对应地被辐照的粉末的冷却时间和降低热负荷。然而，这可能暗含着：无法实现薄壁部段。替选地，空间上或时间上引入的热量输入能够通过所谓的“空中文字(skywriting)”减少，其中网格状的辐照的矢量仅在想象中延长或能量束如激光或电子束在辐照过程期间切断。因此，冷却时间同样高效地延长。但是，过程效率也通过所述方式损害。换言之，对于每个辐照的层的制造工艺持续更长时间，这引起机器占用中的成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种机构，借助所述机构能够解决所描述的问题，尤其在选择性辐照中用于改进的热管理。
该目的通过独立权利要求的主题实现。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以基于粉末床的方式增材制造构件的方法，所述方法包括：确定用于构件的选择性地、例如经由SLM或EBM待辐照的层(粉末层)的辐照矢量，其中具有低于大约1mm的长度的辐照矢量在脉冲式辐照运行中被辐照，其中选择和/或设定低于3kHz的脉冲频率和低于250mm/s的网格或扫描速度。在此，所描述的参数优选实际应用于各个辐照矢量并且并非仅作为整体应用于相应的待辐照的层。
有利地，进入粉末材料中的热量输入能够通过所描述的机构在制造构件期间剪裁或调整，使得此外设有用于冷却各个熔池的足够的时间，所述熔池从选择性地辐照所提及的辐照矢量中产生。这似乎引起用于对应的构件层的可复现的结构结果并且避免过度热翘曲和/或裂纹倾向。
在一个设计方案中，辐照矢量是阴影线辐照矢量。这种类型的矢量涉及相应的构件层的待辐照的面的主份额，所述主份额的固化随后可能仅能通过所谓的轮廓辐照(轮廓辐照矢量)完成。
在一个设计方案中，长度在1mm和2mm之间的辐照矢量同样在脉冲式辐照运行中被辐照，然而其中不同的是，选择高于3kHz的脉冲频率和高于250mm/s的扫描速度。所述设计方案同样有利地允许实现根据本发明的优点，因为在所述长度范围中，过度的热量输入也可能引起差的结构结果(参见上文)。尤其地，根据所述设计方案，更高的扫描速度、即＞250mm/s能够用于对应地待辐照的粉末区域，这可选地在相同的阴影线间距的情况下使用。此外，(与低频地和缓慢地扫描的辐照相比)这在构件的结构中的较低的能量供应和对应地降低的过热(“热点(hot spots)”)的情况下实现生产率的提高。
此外，通过所提及的设计方案，其中根据低于1mm的临界矢量长度选择低频的脉冲运行和/或自1mm的临界矢量长度起或高于1mm的临界矢量长度选择较高频的脉冲运行，能够预设理想地适配于各个构件部段的几何形状的辐照参数集，所述辐照参数集首先实现薄壁结构的增材构造。因为对于不那么容易受过热影响的构件部段通常选择连续的辐照运行，所以本发明可选地有利地将常见的连续波运行与脉冲式辐照运行组合以用于改进构件特性。
在一个设计方案中，将辐照矢量的阴影线间距选择成，使得对应于直接相邻的辐照矢量的熔池的重叠为熔池宽度的30％和50％之间。通过如此确定尺寸的重叠，一方面以适宜的方式实现全面的层辐照，另一方面，熔池的重叠或辐照矢量的间距有利地适配于脉冲式辐照运行。所述设计方案不仅对于长度低于1mm的辐照矢量而且对于长度在1mm和2mm之间的范围内的辐照矢量是有利的。
在一个设计方案中，自大约2mm长度起的辐照矢量或高于2mm的长度的辐照矢量在连续的辐照运行或连续波运行中被辐照。如对于当前描述的所有设计方案那样，辐照在增材制造工艺的过程中适宜地选择性地要么通过激光束要么通过电子束来进行。
本发明的另一方面涉及一种可根据所描述的方法制造或已制造的构件，其中构件设置用于在流体机械、尤其固定式燃气轮机的热气路径中使用并且具有至少一个薄壁部段、例如特别易受热翘曲影响的部段。
本发明的另一方面涉及一种用于提供用于增材制造构件的制造指令的计算机实施的方法，所述方法包括确定辐照参数、尤其设定脉冲式辐照运行中的所描述的脉冲频率和扫描速度(参见上文)。
在一个设计方案中，计算机实施的方法是CAM方法(“计算机辅助制造(Computer-Aided-Manufacturing)”)或其一部分。
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指令，在通过计算机、数据处理装置或用于增材制造设备中的辐照的控制设备来执行对应的程序时，所述指令使所述机构确定和/或设定如上所述的辐照参数。
例如，CAD文件或计算机程序产品例如能够作为(易失性或非易失性)存储介质，例如存储卡、USB棒、CD-ROM或DVD提供或被包括在内，或者也呈从服务器和/或在网络中可下载的文件的形式。此外，所述提供例如能够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能够包含程序代码、机器代码或数字控制指令，如G代码，和/或其他可执行的程序指令。
此外，计算机程序产品能够包含三维规格的或作为CAD数据的几何数据或设计数据或者包括用于提供所述数据的程序或程序代码。
当前与所述方法或计算机程序产品有关的设计方案、特征和/或优点还能够涉及构件本身，或者反之亦然。
在此使用的表述“和/或”，当其在一系列两个或多个元件中使用时，表示：能够单独地使用所列出的元件中的每个元件，或者也能够使用所列出的元件中的两个或更多个元件的每个组合。
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原理图。
图2示出构件区域的示意性的立体视图。
图3根据用于构件的待辐照的层的示意性的俯视图或横截面视图示出根据本发明的方法步骤。
图4根据用于构件的待辐照的层的示意性的俯视图或横截面视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，各个元件能够以夸张厚的或夸张大的尺寸示出。
图1示出增材制造设备100。制造设备100优选设计为LPBF设备并且设计用于从粉末床中增材构造构件或部件。设备100具体也能够涉及用于电子束熔化的设备。
据此，设备具有构造平台1。在构造平台1上，逐层地制造待增材制造的构件10。粉末床通过粉末6形成，所述粉末6能够通过覆层装置3逐层地分布在构造平台1上。
在(通常以预设定的层厚度t)涂覆每个层L之后，根据构件10的预设的几何形状，借助能量束5、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L的区域。
在每个层L之后，构造平台1优选地降低对应于层厚度L的量(参见图1中的向下指向的箭头)。厚度t通常仅在20μm和80μm之间，优选地为40μm，使得整个工艺能够容易地包括几万层的辐照。
在此，由于仅非常局部地起作用的能量输入，能够继续出现例如106K/s或更大的高的温度梯度。当然，在构造期间和在其之后，构件的张紧状态也与此相应地大，这通常显著地使得增材制造工艺变得复杂。如果构件区域(参见下文中的图2)设计得越精细或薄壁，那么这种张紧状态越临界，因为张紧随后可能引起构件的强烈的几何翘曲、裂纹倾向或甚至毁坏。
构件的几何形状通常通过CAD文件(“Computer-Aided-Design(计算机辅助设计)”)确定。在这种文件读入到制造设备100中之后，工艺随后首先需要例如通过CAM的机构确定合适的辐照策略，由此构件几何形状也被划分为各个层。辐照策略通常包括确定大量辐照或构造参数，如本文继续列举的那样。
显然，优选的辐照策略的选择已经具有创造性的基本构思并且在简单地执行对应的辐照过程的情况下必然使构件配备有有利的结构特性，其中所述辐照策略包括确定用于构件的增材制造工艺的重要的辐照参数。换言之，构件已经通过确定对应的辐照参数表现出有利的技术特性。据此，计算机程序、计算机程序产品CP或包括计算机程序、计算机程序产品CP的数据载体是本发明的一部分。
构件10是流体机械的构件、例如是用于燃气轮机的热气路径的构件。尤其地，构件能够表示转子叶片或导向叶片、环形区段、燃烧器部分或燃烧器尖部、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，或者对应的过渡部、插入件或者对应的改装件。
图2示意性地示出构件区域，所述构件区域包括特别精细的部段A，即有利地示出构件的与其他构件部段相比非常薄地或精细地设计的部分。如所表明的那样，无论这种部段A实际代表构件的尖部还是侧壁，所述部段A都强烈地倾向于机械翘曲和/或裂纹形成。为了简单起见，在图2中未标识这种翘曲。
图3示出层L的沿着线A-A的剖面或俯视图，如在图2中所表明的那样。对应于层或构件结构的相对小的几何扩展，如其在图3中所示出的那样，其增材构造尤其需要确定相对短的辐照矢量、尤其阴影线辐照矢量Vh。在这种构造工艺的范围中，在考虑到构件几何形状的情况下逐层地进行辐照矢量的定向并非总是可行的，使得矢量定向部分地已经以其它方式确定或不再可变。
此外，在图3的剖视图中绘制包围阴影线辐照矢量Vh的轮廓辐照矢量Vc，例如以便固化具有可靠的结构质量的边缘区域。
本发明现在提出一种用于以基于粉末床的方式增材制造构件10的方法，根据所述方法，确定和/或辐照用于对应地待辐照的层L的辐照矢量，使得长度低于1mm的辐照矢量在脉冲式辐照运行中被辐照，并且其中选择低于3kHz的脉冲频率和低于250mm/s的扫描速度。由此，如上所述，能够将过度的热翘曲或张紧状态降低到如下量度，所述量度确保构件的足够的结构质量以及足够的尺寸稳定性。优选地，所提及的辐照矢量是阴影线辐照矢量Vh。
此外，在图3中示出辐照矢量Vh的阴影线间距a，所述阴影线间距a选择成，使得对应于直接相邻的辐照矢量的熔池的重叠在30％和50％之间。
图4示出层L沿着(如在图2中所示出的)线B-B的剖面或俯视图。
与图3的示图相反，在该剖面图中完全没有草绘如此薄壁或精细的区域，使得对应的阴影线辐照矢量Vh(与图3的示图相比)能够稍微更长地确定尺寸，而不会使待构造的结构过度承受热负荷。
尽管在层的中心示出的矢量也能够借助连续的辐照运行来制造，但是应在图4中表明，辐照矢量Vh(参见左边和右边的边缘)例如也仅具有1mm和2mm之间的长度，从而优选在脉冲式辐照运行pw中被辐照，其中在此优选选择高于3kHz的脉冲频率f和高于250mm/s的扫描速度v。
如果辐照矢量的(所确定的)长度例如超过大约2mm的值，那么能够采用连续的辐照运行cw，以便例如在时间上更高效地执行增材构造工艺。
用于对应的辐照矢量的长度的上文中提及的1mm或2mm的阈值能够是尤其有利的，所述长度此外也能够与轮廓辐照矢量Vc有关，因为熔池宽度在所描述的上下文中适宜在200μm和500μm之间，并且在最近的(相邻的)矢量被曝光或辐照之前，粉末材料由于给出的矢量的辐照可能不完全硬化。
所描述的机构有利地允许：尤其能够通过协调扫描速度、脉冲参数和所提及的熔池重叠或阴影线间距实现各个熔化透镜或焊珠的离散的冷却，和/或优化通过熔化射束的能量输入。由此，如根据图3图解说明的那样，部段A尤其可靠地受到保护以免过热。

Claims (8)

1.一种用于基于粉末床进行增材制造构件(10)的方法，所述方法包括：确定用于所述构件(10)的待辐照的层(L)的辐照矢量(Vh，Vc)，其中在脉冲式辐照运行(pw)中对长度低于1mm的辐照矢量(Vh，Vc)辐照，其中选择低于3kHz的脉冲频率和低于250mm/s的扫描速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述辐照矢量是阴影线辐照矢量(Vh)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中同样在脉冲式辐照运行(pw)中对长度在1mm和2mm之间的辐照矢量(Vh，Vc)辐照，其中选择高于3kHz的脉冲频率(f)和高于250mm/s的扫描速度(v)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述辐照矢量(Vh，Vc)的阴影线间距(a)选择成，使得对应于直接相邻的辐照矢量的熔池的重叠在30％和50％之间。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在连续的辐照运行(cw)中对自大约2mm的长度起的辐照矢量(Vh，Vc)辐照。
6.一种用于提供用于增材制造构件(10)的制造指令(Vh，Vc，f，a，v)的计算机实施的方法，所述计算机实施的方法包括：依照根据权利要求1至5中任一项所述的方法确定辐照参数。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法是CAM方法。
8.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，在通过计算机(2)或通过增材制造设备(100)中的辐照的控制装置来执行对应的程序时，所述指令使所述计算机或控制装置设定根据权利要求1至5中任一项所述的辐照参数(Vh，Vc，f，a，v)。
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