CN116745050A - 用于薄壁增材结构的支承策略 - Google Patents
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Abstract
描述了一种通过选择性照射从粉末床(6)增材制造薄壁结构(11)的方法。该方法包括：在构建板(1)上以增材的方式建立用于支承薄壁结构(11)的非连续支承件(12)，其中，在该粉末床中产生非连续熔池；以及在支承件(12)上以增材的方式建立薄壁结构(11)。此外，描述了根据所述方法制造的部件。
Description
本发明涉及通过选择性照射、比如通过选择性激光熔化或电子束熔化从粉末床增材制造薄壁结构或部件的方法，其中，使用非连续支承结构。此外，描述了根据所提到的方法制造的部件。
优选地，该部件表示涡轮机的部件，例如应用于燃气轮机的流路硬件、如密封部件或衬套部件。因此，该部件优选地由镍基或钴基超合金制成，特别地由沉淀硬化合金制成。
在替代方案中，该部件可能属于高性能部件，比如应用于发电、航空航天或汽车领域的部件。
增材制造技术包括例如粉末床熔融方法，比如选择性激光熔化(SLM)或激光粉末床熔融(LPBF)、选择性激光烧结(SLS)和电子束熔化(EBM)。
例如，在EP 2 601 006B1中描述了一种选择性激光熔化的方法。此外，在会议文章“Additive manufacturing of honeycomb seal strips(蜂窝密封带的增材制造)；ASME，2018，Turbo Expo Turbomachinery Technical Conference Exposition TURBOEXPO 18(涡轮博览会涡轮机械技术会议博览会TURBOEXPO 18)，2018年6月11日至15日，Oslo,Norway(挪威奥斯陆)”中描述了增材制造的蜂窝密封件。
增材制造、特别是粉末床方法已经被证明在原型或复杂部件、比如具有迷宫状或回旋式结构的部件或功能性冷却部件的制造中是有用的且有利的。此外，增材制造因其短的过程步骤链而脱颖而出，这进而使材料节约和特别短的交付周期成为可能。
其他增材制造方法涉及“Directed Energy Deposition(DED)(定向能量沉积(DED))”，比如激光熔覆、电子束或等离子焊接、金属喷墨成型(MIM)、所谓的片材层压方法或热喷涂(VPS、LPPS)方法、冷喷涂(GDCS)。
用于这样的方法的设备或设置通常包括制造板或构建平台，在进给基础材料层之后，在该制造板或构建平台上逐层构建部件，基础材料层然后可以例如通过能量束、比如激光束或电子束熔化并且随后固化。层厚度由在粉末床上例如自动移动并将多余的材料从制造平面或构建空间中移除的重涂器确定。典型的层厚度在20μm与40μm之间。在制造期间，所述能量束在表面上方扫描并且在所选定的区域熔化粉末，该选定区域可以根据待制造的部件的几何形状由CAD文件预先确定。所述扫描或照射优选地以计算机实现的方式或经由计算机辅助手段、比如计算机辅助制造(CAM)指令来执行，所述指令可以以数据集的形式存在。所述数据集或CAM文件可以是或者指代计算机程序或计算机程序产品。
特别地，在极大的设计自由度下用LPBF制造薄壁结构是增材制造的一种有希望的可能性。然而，当需要建立悬置部分并且悬置角度超过一定限度从而需要支承结构时，就会出现问题。由于特别薄的结构或薄壁结构是不牢固的，因此用常规的方法和工具移除支承件是相当困难的。
薄壁结构需要比如用像线EDM一样的工具非常小心地移除或分离。但是即使这样的工具也仅限于在部件的设计中对相应结构的良好的可触及性。
本发明的目的是提供一种手段，利用该手段来促进特别是薄壁结构的增材构建。同时，本发明便于在没有损坏的情况下对薄结构进行后续移除。因此，所呈现的解决方案显著增强了粉末床熔融制造方法中的设计自由度，并且降低了对竖向定向或具有显著悬置部的结构的尺寸限制。
所提及的目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明的方面涉及一种通过选择性照射——即选择性激光熔化、选择性激光烧结或电子束熔化——从粉末床增材制造(支承的)薄壁结构或部件、比如网格或蜂窝结构的方法。
该方法还包括在构建板或平台上以增材的方式建立用于支承薄壁结构的非连续支承件或支承结构，其中，在粉末床中产生非连续熔池。
术语“支承”在该上下文中应表示机械支承，以及优选地，表示用作散热器的热支承结构，以便让多余的热从对应制造装置的构建空间中消散。
该方法还包括在支承件上以增材的方式建立薄壁结构。
术语“薄壁”应当意指相应的结构在至少一个空间方向上具有小的延伸、像壁结构一样。然而，薄壁也可以表示点状结构。“薄壁”可以特别地涉及由单扫描路径产生的结构。因此，该结构可以具有低至80μm与200μm之间的厚度。
特别地，非连续支承结构一方面使薄壁结构的增材构建成为可能。另外，已建立的结构从构建板——或视情况而定可以是支承件——的移除——可以被大大简化。这是因为支承件的成比例的结构中断(非连续性)。
在实施方式中，支承件以脉冲照射模式形成，以便产生非连续熔池。用于照射的能量束、比如激光束可以例如以1kHz至10kHz、特别地以约2kHz的频率进行脉冲。这样的频率允许给被照射和液化的结构留下足够的时间来固化，并且由此提供了支承件的有益结构特性。通常，使用脉冲波照射模式是调整时间和/或空间能量输入的便利方式。
在实施方式中，支承件形成为比如通过连续波模式、能量束如激光束或电子束施加降低的能量输入，以便产生非连续熔池。能量输入在此也可以经由激光或光束功率或者激光功率密度方便地调整。
在实施方式中，在薄壁结构与支承件之间在构建方向上形成结构重叠。这实际上可以经由给定层的“双重”或叠加照射来实施，其中，用于薄壁结构固化的光束参数和用于支承件固化的那些光束参数被同时或连续地施加。结果是改进了支承件与薄壁结构之间的结构连接。特别地，所述连接是刚性的，可以可靠地防止薄壁结构在构建过程期间或之后的变形。
在实施方式中，在制造过程期间，相关的重叠距离达到层厚度的两倍与四倍之间、比如层厚度的三倍。反过来，对于任何给定的层，层厚度通常在30μm与100μm之间、特别地在40μm与80μm之间。
在实施方式中，在制造过程期间，支承件在构建平台与结构之间的竖向延伸(通常沿着构建方向)达到层厚度的五倍与七倍之间、比如层厚度的约六倍。该实施方式为结构与支承件的后续分离过程、比如通过放电加工进行的后续分离过程有利地提供了足够的空间和可触及性。另一方面，在已建立的结构与构建板之间提供了可靠的结构连接。
在实施方式中，非连续支承件由薄齿形成，由此在薄壁结构或部件与支承件和/或构建平台的后续分离期间作为预定断裂点起作用。
在实施方式中，薄壁结构基本上是在单路径照射扫描中建立的。明显的是，通过给定手段制造的部件可以仅在制造过程的初始阶段中包括这种薄壁结构。因此，在薄壁的构建之后，可以建立需要多扫描路径的更坚硬或更庞大的(承载)结构。
在实施方式中，薄壁结构(基本上)以脉冲照射模式、比如以与上文关于支承结构提到的模式相当的模式建立。因此，提及的薄壁结构的构建也可以在脉冲照射模式下进行。然而，与支承结构的情况相反，这种构建不应当产生齿状结构，而是优选地产生连续结构。
在实施方式中，薄壁结构是蜂窝结构和/或网格结构、比如用于应用在涡轮机的热气路径中的蜂窝密封件。
在实施方式中，在薄壁结构和/或支承件的结构或单元元件之间的中间空间中建立有另一(体积)支承件，其中，该另一(间接)支承件与薄壁结构没有任何结构连接。在这方面，当从俯视图、即在制造平面上观察时，中间空间可以由六边形形成。
在实施方式中，另一支承件与薄壁结构之间的间隙约达到相关熔池宽度的范围。当相应的结构固化时，熔池宽度又可以略大于由所述熔池产生的焊缝或焊接痕迹。
在实施方式中，另一支承件的竖向延伸大致等于支承件在构建板与薄壁结构之间的竖向延伸。
在实施方式中，薄壁结构比如通过机械手段、如放电加工、如“线EDM”与支承件机械地分离。
本发明的另一方面涉及包括根据所描述的方法制造或适于制造的薄壁结构的部件。
与所描述的方法有关的优点和实施方式对部件本身也可以适用或有效，反之亦然。
通过结合附图对示例性实施方式的以下描述，其他特征、便利性和有利的实施方式变得明显。
图1通过示意性截面图像的方式图示了部件的基于粉末床的增材制造的原理。
图2以示意性截面图像指示了根据本发明制造的结构的支承件。
图3指示了如沿着图2中的切线A-A可以呈现的单扫描路径照射。
图4指示了薄壁蜂窝结构的示意图(俯视图)。
图5以示意性俯视图指示了根据本发明的方面的呈蜂窝状形状的支承结构。
图6以截面图指示了用于薄蜂窝设计的增材构建的支承结构。
图7以简化示意图指示了薄壁网格结构。
在附图中，相似的元件、相同种类的元件和相等作用的元件可以设置有同一附图标记。附图不一定按真实比例描绘，而是可以按比例放大或缩小，以允许更好地理解所图示的原理。相反，所描述的附图应在广义上并且作为定性基础来解释，其允许本领域技术人员以多种方式应用所呈现的教导。
如本文所使用的术语“和/或”应当意指所列出元件中的每个元件可以单独使用或者与另外列出的元件中的两个或更多个元件结合使用。
图1示出了增材制造装置100。所述装置100可以是用于通过粉末床熔融(参见PBF)制造任何类型的部件的常规装置。这样的技术采用粉末或基础材料的床，该粉末或基础材料的床被选择性地和分层地暴露于能量束5或被能量束5照射，能量束5比如是照射设备或能量束源的激光束或电子束。因此，给定的PBF方法可以涉及选择性激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔化。
所述过程的特征是在构建平台1的顶部上建立或构建部件(参见附图标记10)。换句话说，部件10被熔融或焊接到所述平台1上，并且根据其通常以CAD文件的形式提供的预限定的几何形状，通过从单个层中选择性地固化基础材料来连续建立。在对每个层进行照射或熔融之后，通常根据层厚度t降低构建平台1，并且经由重涂器3将新的基础材料层沉积在制造平面上。
照射设备20连接至计算机程序或处理器或者可以经由计算机程序或处理器来实现，计算机程序或处理器比如是如由附图标记4所指示的构建处理器。
本文中所指的部件10可以特别地涉及复杂形状的零件或制品，比如具有丝状部分的结构。优选地，所述部件优选地由高性能材料、比如高强度和/或高热阻率的材料制成。特别地，所述零件可以构成蒸汽轮机部件或燃气轮机部件的一部分，比如叶片、轮叶、护罩、屏蔽件比如热屏蔽件、梢部、区段、插入件、注入器、密封件、过渡件、燃烧器、喷嘴、滤器、孔口、衬套、分配器、圆顶状物、助推器、锥状物、喷枪、板、谐振器、活塞或任何相应的改装套件。替代性地，所述部件可以涉及另一部件或类似部件。
根据本发明的方法是一种增材制造例如作为所提到的部件10的一部分的薄壁结构11的方法。薄壁结构11通过如上文所描述的选择性照射由粉末床6便利地形成。
该方法包括在构建平台1上以增材的方式建立或构建非连续支承件12，如例如图2中所指示的。非连续支承件12通过在照射过程期间在粉末床中产生非连续熔池(未明确指示)来形成。设置支承件12是为了机械地和/或热地支承薄壁结构11。
如图2中所示，非连续支承件12可以包括齿状结构或薄齿元件或者由齿状结构或薄齿元件形成，并且由此在薄壁结构11与支承件11的后续分离期间作为预定断裂点起作用(参见下文)。
此外，该方法包括在支承件12上以增材的方式建立薄壁结构11。
支承件12可以进一步建立为脉冲照射模式(参见下面图3中的附图标记pw)被用于粉末床的照射。所述脉冲波模式可以经由对应照射激光器的所谓Q开关来实现，或者例如通过将用于产生频率比如在1kHz与10kHz之间、优选地在1kHz与3kHz之间、比如1.2kHz的脉冲束的频率发生器互连来实现。
附加地或替代性地，支承件12(支承结构)可以形成为通过能量束5施加降低的能量输入，以便产生非连续熔池。因此，例如光束功率或光束功率密度可以降低到低于维持连续熔池的范围。结果同样是非连续熔池，并且因此是非连续固化结构。
为了简单起见，部件的结构11——如沿着竖向方向z在支承件12的顶部上所指示的——在图2中仅由矩形设计指示，而任何给定的设计都应包括在所提出的方法中，优选地甚至具有薄壁或薄部分的复杂且精细的结构包括在所提出的方法中。
图2右侧的指示更详细地示出了经由支承件12的单个齿在构建板1与结构11之间的结构连接。特别地，可以看出支承结构与结构11在竖向方向z上重叠了距离a。
在制造过程期间，所述重叠可以达到层厚度t(参见上文)的两倍与四倍之间、比如为所述层厚度t的约三倍。所述重叠a的技术效果是可以形成在已建立的结构之间的刚性结构连接。所述结构连接优选地足够坚固，以防止结构11在构建期间和/或在焊接后热处理期间的任何破裂或变形。另一方面，在薄壁结构11的制造/构建完成之后，所述连接可以优选地被容易移除。
在构建板1与薄壁结构11之间，支承件延伸了距离b，该距离b在制造过程期间可以进而达到层厚度t的五倍与七倍之间、比如层厚度t的约六倍。对于技术人员来说明显的是，延伸b也优选地选择成使得一方面防止薄壁结构11在构建期间由于机械载荷而从构建板1上脱离。此外，该结构连接抵抗变形或机械载荷的弹性可以经由所述延伸b来调整。此外，薄壁结构11与基板1之间的结构连结部对分离工具、比如放电加工线等的可触及性由所述竖向延伸b确定。
图3指示了用于建立薄壁结构的单扫描路径照射，如沿着图2中的切线A-A截取的或连接的一部分。单扫描路径通常由激光光斑直径和/或所产生的熔池宽度确定。
通过虚线明显的是，脉冲(pw)扫描路径可以用于支承结构12的照射。虚线旁边的连续轮廓可以指示支承件12的相应横截面几何形状的(CAD)模型几何形状。
作为pw照射的替代方案，可以使用连续波照射(cw)，即使这在图3中没有明确图示/可见。
特别地，脉冲照射被预定成用于建立部件10的各部分的薄壁结构。同样，如图3中所指示的，单扫描路径优选地允许建立非常薄的结构，甚至低于常规熔池宽度的尺寸、像例如100μm或低于100μm。
当选择脉冲单扫描照射时，产生的结构的厚度可以进一步降低(参见下文)，因为熔池厚度减小，这决定了产生的壁厚。
图4以俯视图指示了蜂窝结构14，该蜂窝结构14可以是部件的设计的一部分。
在该设计中，特别是六边形(薄壁)元件以规则的、紧密堆积的和/或空间填充的几何形状布置。因此，单个蜂窝元件分别限定了中间空间7。
特别地，这种蜂窝结构用于应用在燃气轮机的热气路径中的密封元件、比如蜂窝密封件。这些密封元件通常构造成用于使工作流体的内部泄漏最小化，例如在用于使用可侵蚀带或研磨带密封转子叶片梢部与定子零件之间的空间的阶段之间。通常，这样的密封元件仅在面向相应转子部件的远处部分处包括蜂窝结构。
图5通过所描述的“蜂窝”示例图示了根据本发明的创造性支承策略。图5中的蜂窝状网格应指示对应的支承件12和/或结构11。
根据本发明的实施方式，在薄壁结构11和/或支承件12的结构元件之间的中间空间7中(以增材的方式)建立有另一支承件13，其中，另一支承件13与薄壁结构11没有任何结构连接。这特别地允许便于已建立的结构11与构建板1的后续分离。特别地，在另一支承件13与薄壁结构11之间设置间隙c，该间隙c可以约达到相关熔池宽度的范围。该预定距离c允许机械地支承非连续支承件12以及薄壁结构11的构建，即使没有形成结构连接。相反，另一支承件13的所述竖向延伸元件加强了中间空间，以便保护(中间)薄壁支承件的薄且不牢固的构建。这在图6的截面图中进一步图示，其中，附图标记6应指示在另一支承结构13与蜂窝(参见附图标记11和12)之间的仍然松散(未固化)的粉末。具有与支承件12类似的形状或视情况而定可以是结构11的另一支承结构13与间隙区域中的松散粉末一起作为对薄壁的约束起作用。
图6中还示出的是，另一支承结构13仅被制造达到以下竖向高度：在该竖向高度处，应开始实际结构11的构建。为此，当达到蜂窝支承件12和薄壁蜂窝重叠时，体积支承件13的构建就停止。因此，另一支承件13的竖向延伸优选地等于支承件12的竖向延伸b。
在薄壁蜂窝结构11的最终构建之后，必须将其与构建板分离(由图6中的虚线所指示的)。这优选地通过机械分离、比如通过线EDM或相关方法来实现。通过对上述竖向延伸z的合适选择，可以为这种分离工具提供有利的可触及性。
图7指示了薄壁结构的另一示例，通过本发明的解决方案可以显著地促进该薄壁结构的制造。仅作为示例，以简化的方式示出了网格结构15。图7的图示可以涉及俯视图以及截面图图像。优选地，网格结构元件中的每个网格结构元件的厚度也可以达到例如100μm以下。为此，可以使用与上文提到的措施相同的措施、比如单扫描路径照射和/或甚至脉冲照射。
在不丧失一般性的情况下，可以设想其他设计，比如薄壁袋、肋、支柱、叶片、桁架、矩阵状或网状或弹簧元件。
Claims (14)
1.一种通过选择性照射从粉末床(6)增材制造薄壁结构(11)的方法，所述方法包括：
-在构建板(1)上以增材的方式建立用于支承所述薄壁结构(11)的非连续支承件(12)，其中，在所述粉末床中产生非连续熔池，以及
-在所述支承件(12)上以增材的方式建立所述薄壁结构(11)，其中，在所述薄壁结构(11)与所述支承件(12)之间在构建方向(z)上形成结构重叠(a)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承件(12)以脉冲(pw)照射模式形成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述支承件(12)形成为通过能量束(5)施加降低的能量输入，以便产生所述非连续熔池。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在制造过程期间，重叠距离(a)达到层厚度(t)的两倍与四倍之间、比如所述层厚度(t)的约三倍。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在制造过程期间，所述支承件(12)在所述构建板(1)与所述结构(11)之间的竖向延伸(b)达到层厚度(t)的五倍与七倍之间、比如所述层厚度(t)的约六倍。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述非连续支承件(12)由薄齿形成，并且由此在所述薄壁结构(11)与所述支承件(11)的后续分离期间作为预定断裂点起作用。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述薄壁结构(11)在单路径照射扫描中建立。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述薄壁结构(11)以脉冲照射模式建立。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述薄壁结构(11)是蜂窝结构、比如用于应用在燃气轮机的热气路径中的蜂窝密封件。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在所述薄壁结构(11)和/或所述支承件(12)的结构元件之间的中间空间(7)中建立有另一支承件(13)，并且其中，所述另一支承件(13)与所述薄壁结构(11)没有任何结构连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述另一支承件(13)与所述薄壁结构(11)之间的间隙(c)约达到相关熔池宽度的范围。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述另一支承件的竖向延伸等于所述支承件(12)的竖向延伸(b)。
13.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述薄壁结构(11)与所述支承件(12)机械地分离。
14.一种部件(11)，所述部件(11)包括根据前述权利要求中的一项所述的方法制造的薄壁结构。
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