CN117769470A - 针对具有限定的表面纹理的构件利用脉冲式辐照的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

提出一种用于在构件(10)的增材制造中选择性地辐照材料层(L)的方法。所述方法包括：‑提供几何数据(CAD)，所述几何数据包括要增材制造的构件(10)的轮廓；‑计算机辅助地限定用于构件(10)的层的辐照模式(M)，其中辐照模式(M)在层(L)中包括至少一个轮廓辐照路径(P)，并且其中为了构成构件(10)的预先限定的表面纹理(11)，轮廓辐照路径(P)的辐照通过脉冲式的辐照(P1，P2)在所述层中叠加成，使得在制造构件的过程中由轮廓辐照路径的辐照引起的熔池和由脉冲式的辐照(P1，P2)引起的熔池交叠。此外，提出一种增材制造方法、一种对应地制造的构件和一种对应的计算机程序产品。

Description

针对具有限定的表面纹理的构件利用脉冲式辐照的增材制造 方法

技术领域

本发明涉及一种用于在构件的增材制造中选择性地辐照材料层的方法或一种对应的增材制造方法以及一种能够以所述方式制造的构件。还提出一种对应于选择性地辐照的计算机程序产品。

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要冷却的部件。替选地或附加地，构件可以涉及用于在汽车行业或航空领域中使用的部件。

高性能机器部件是持续改进的主题，以便尤其提高其使用效率。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。可高负荷的构件、如涡轮机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。

生成式或增材生产由于技术发展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)。其他增材方法例如是“Directed Energy Deposition，定向能量沉积(DED)”方法，尤其激光堆焊、电子束或等离子粉末焊接、线焊、金属粉末注塑、所谓的“sheet lamination，薄材叠层”方法或热喷射方法(VPS LPPS，GDCS)。

例如从EP 3 542 927 A1中已知一种用于利用脉冲式辐照进行选择性激光熔化的方法。

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为是特别有利的。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来进行。

借助于所描述的基于粉末床的方法(“LPBF”英文代表“Laser Powder Bed Fusion(激光粉末床熔合)”)制造燃气轮机叶片能够有利地实现实施新的几何形状或构思，这可以降低制造成本或者构造和产出时间，优化制造过程，并且例如改进部件的热机械设计或耐久性。

以传统的方式、例如铸造技术制造的部件例如在其造型自由度方面以及也在所需的产出时间和与产出时间关联的高的成本以及生产技术耗费方面明显不如增材生产流程。

然而，通过粉末床工艺在构件结构中固有地产生高的热应力。尤其地，过短地安排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。构造工艺期间的强烈的翘曲还易于引起结构上的脱离、热变形或超出所允许的公差的几何偏差。

尤其地，应局部高分辨的复杂表面可以借助于AM、尤其LPBF生产，但是难以或根本不能通过计算机辅助构造(以CAD)建模。即使进行这种CAD建模，对应的数据技术的耗费将是过高且不切实际的。

常见的构件尺寸通常为数百毫米；相反，所提及的复杂表面特征需要在低于200μm的数量级中。这种“表面特征”的限制因素是熔池几何形状。射束焦点(“激光光斑”)沿着——根据规定的辐照模式——要扫描的矢量的加速和减速影响熔池尺寸，并且通常使描绘非常小的特征、例如具有小于对应的(传统的)熔池直径的三倍或两倍的尺寸的特征不可行。

此外，通过熔池在粉末床中固有地扩展或将相邻的粉末颗粒“拉入”到所述熔池中，定制的表面特征或预先确定的表面纹理的描绘变得困难。

发明内容

因此，本发明的目的是，解决所描述的问题并且尤其提出一种机构，利用所述机构可以在增材制造的构件中实现精细分辨的表面纹理。

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在增材制造构件时选择性地辐照材料层、尤其粉末层的方法，所述方法包括提供(逐层的)几何数据，所述几何数据包括要增材制造的构件的轮廓。

“轮廓”可以是在构件的相应的要辐照的层中的实心材料区域的边缘，或者也可以是薄壁结构、如薄的壁，所述薄壁结构仅经由唯一的辐照路径描绘(“单次扫描(singlescan)”)。

所述方法还包括计算机辅助地、必要时计算机实施地限定或提供用于构件的层，尤其至少一个、多个或所有层的辐照模式，其中辐照模式在层中包括至少一个轮廓辐照路径，其中为了构成构件的预先限定的表面纹理或表面形貌，轮廓辐照路径的辐照通过(另一)脉冲式的辐照在所述层中叠加成，使得在制造构件的过程中由轮廓辐照路径的辐照引起的熔池和由脉冲式的辐照引起的熔池交叠。

所提及的交叠尤其适合用于制造(逐层)连通的构件结构。

在辐照、辐照路径或辐照矢量的所提及的叠加中首先关键的是辐照矢量或由此得到的熔池的空间交叠，其中辐照但是也可以在时间上重合。

所描述的“轮廓辐照路径”当前优选地应涉及构件的一次或多次(以平行的矢量)要辐照的轮廓区域。在专业术语中，这种辐照通常大略被称为“轮廓行进”。

所描述的解决方案的特征有利地在于，总的来说首先在要增材制造的构件中能够实现复杂的、功能性的和/或空间上高分辨的表面特征或表面纹理。这又允许首先实现定制的表面，例如用于描绘具有增大的表面的功能性冷却结构，或者关于影响例如紊流器或涡流器部件的流体表面特性实现定制的表面。

此外，完成用于定制用于接合或覆层应用的表面或用于实现美观的、全息的和/或光学的表面特性的机构。此外，这种表面特性的充分利用还可以在增材制造的传感构件中充分利用，例如在用于生物细胞生长的连结或吸收特性等方面充分利用。

在一个设计方案中，限定的表面纹理不被在构件的(CAD)几何数据中描绘或是不在构件的(CAD)几何数据中描绘的。

在一个设计方案中，轮廓辐照路径在制造构件的过程中被连续地辐照。根据所述设计方案，可以充分利用连续的辐照、即更大的工艺效率以及轮廓的更大的结构稳定性的优点。

在一个设计方案中，在制造构件的过程中脉冲式地辐照轮廓辐照路径。而根据所述设计方案，可以充分利用脉冲式的辐照在形成特别精细的结构和/或避免过大的热量输入到轮廓中的方面的优点。

在一个设计方案中，轮廓限定构件的薄壁区域，如薄的壁、薄膜、薄片或例如波纹管，其中为了在结构上描绘轮廓，沿着仅一个(唯一的)轮廓辐照矢量辐照轮廓辐照路径。但是，根据本发明，然后可以脉冲式地和/或连续地不间断地限定并且辐照所述轮廓辐照矢量。

在一个设计方案中，通过沿着辐照模式——在制造构件的过程中——的辐照引起的表面纹理具有规则的波纹，例如根据二阶造型偏差的波纹。通过所描述的波形，对应地纹理化的表面可以有利地定制地匹配于表面的以上描述的要求。

同样的情况适用于另一设计方案，根据所述设计方案，通过沿着辐照模式的辐照引起的表面纹理具有(规则的或不规则的)锯齿形走向。

在一个设计方案中，沿着与轮廓辐照路径平行的轮廓辐照矢量进行脉冲式的辐照。

在一个设计方案中，构件具有实心体结构的区域，其中辐照模式在对应的层中包括面辐照矢量(所谓的“阴影”)以用于描绘所述实心体结构。

在一个设计方案中，由面辐照矢量的辐射引起的熔池和由(沿着)轮廓辐照路径的辐照引起的熔池不交叠或以不交叠的方式错开。根据所述设计方案，可以有利地防止面辐照的熔池和轮廓辐照的熔池的叠加，所述叠加可能损害构件的表面拓扑、拓扑或尺寸精度。

在一个设计方案中，针对连通的构件结构，通过另一填充的辐照或由所述辐照引起的熔池来闭合在来自面辐照、也就是说面辐照矢量的辐照的(连通的)熔池与来自轮廓辐照(轮廓辐照路径的辐照)的熔池之间的中间空间。通过所述设计方案，可以符合目的地生成连通的从而形状稳定的构件结构。

本发明的另一方面涉及一种增材制造方法，所述增材制造方法包括用于(如所描述的)选择性地辐照的方法，其中选择性的辐照借助于激光或电子束进行，并且材料层是粉末层。

在一个设计方案中，材料层由镍基或钴基超合金构成。根据所述设计方案，所提出的解决方案首先涉及高性能材料的应用，所述应用对增材制造或对应的选择性的辐照提出特别的要求，并且根据所述应用，尤其纹理化的表面的品质和构造自由度迄今为止是特别的挑战。

在一个设计方案中，构件是要在流体机械的热气路径中应用的部件。

本发明的另一方面涉及一种构件，所述构件可以根据所提出的解决方案制造或是根据所提出的解决方案制造的，并且所述构件还包括在至少一个(空间)维度上小于连续辐照的(传统的)熔池直径的两倍或三倍的表面特征。

替选地或附加地，所述构件根据所描述的解决方案可以设有在至少一个维度上小于200μm测量的表面特征。

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，在通过计算机执行程序例如以用于控制在增材制造设施中的辐照时，所述指令促使所述计算机根据如当前所描述的限定的辐照模式执行选择性的辐照。

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)存储或再现介质，例如存储卡、USB棒、CD-ROM或DVD，或者也以可从服务器和/或在网络中下载的文件的形式提供或存在。此外，例如可以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提供。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，如G代码，和/或其它可执行的程序指令。

在一个设计方案中，计算机程序产品涉及制造指令，根据所述制造指令，例如经由CAM机构(“Computer-Aided-Manufacturing(计算机辅助制造)”)通过对应的计算机程序来控制增材制造设施以用于制造构件。

计算机程序产品还可以包含呈数据集或数据格式、如3D格式或作为CAD数据的几何数据和/或结构数据，或包括用于提供所述数据的程序或程序代码。

当前涉及用于辐照或制造的方法的设计方案、特征和/或优点还可以直接涉及构件或计算机程序产品，并且反之亦然。

在此使用的表述“和/或”或“或者”当其在两个或更多个元素的序列中使用时表示所列出的元素中的每个元素都可以单独使用或者可以使用所列出的元素中的两个或更多个元素的每个组合。

附图说明

下面根据附图描述本发明的其他细节。

图1根据示意性剖面图表明基于粉末床的增材制造方法的基本原理。

图2根据示意性俯视图表明根据本发明的辐照模式。

图3与图2类似地表明根据本发明的用于制造构件的替选的辐照模式。

图4表明根据本发明的示例性的波状的表面纹理。

图5和图6分别还表明根据本发明的示例性的根据本发明的轮廓辐照路径。

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可以分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此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/或为了更好的理解，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优选地构造为LPBF设施并且构造用于从粉末床中增材构造构件或部件。设施100尤其也可以是用于电子束熔化的设施。

据此，设施具有构造平台1。在构造平台1上，要增材制造的构件10从粉末床中逐层地制造。后者通过粉末材料5形成，所述粉末材料例如可以经由往复式活塞4并且然后经由覆层装置7逐层地分布在构造平台1上。

在涂覆每个粉末层L之后，根据构件10的预设的几何形状，利用能量束6、例如激光或电子束选择性地熔化并随后固化所述层的区域。以所述方式，构件10沿着所示的构造方向z逐层地构造。

能量束6优选地来自于射束源2并且经由扫描器或控制装置3位置选择性地在每个层L的范围中扫描。

在每个层L之后，构造平台1优选地降低对应于层厚度的量度(参见图1中右边的向下指向的箭头)。厚度L通常仅在20μm和40μm之间，使得整个过程可以容易地包括选择性地辐照几千至几万个层。在此，通过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，在构造期间和构造之后，构件的张紧状态也与此对应地高，这使得增材制造过程通常变得明显复杂。

构件10可以是流体机械的构件，例如用于燃气轮机的热气路径的构件。尤其地，构件可以表示转子叶片或导向叶片、环形区段、燃烧室或燃烧器部件，如燃烧器尖部、边框、屏蔽件、热屏、喷嘴、密封件、过滤器、通口或喷枪、谐振器、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。

构件的几何形状通常通过CAD文件规定。在这种文件读入到制造设施100或其控制装置中之后，工艺随后首先需要例如通过CAM的机构规定合适的辐照策略，由此构件几何形状也被划分为各个层。与此对应地，在下面描述的在材料层的增材制造中的根据本发明的措施也已经可以通过计算机程序产品C来表达。计算机程序产品C为此优选地包括指令，所述指令在通过计算机或控制装置3执行对应的程序或方法时促使所述计算机或控制装置执行当前描述的辐照模式M的选择性的辐照。

图2以材料层的俯视图(参见x-y平面中的层延伸)示出用于选择性地辐照作为构件区域的一部分的轮廓K的对应的辐照模式M，所述构件区域根据在图1中示出的原理逐层地构造。

轮廓K基本上通过轮廓辐照路径P限定，所述轮廓辐照路径在图2中从上向下延伸。路径P通过实线表明，并且根据本发明可以通过连续的辐照以及脉冲式地辐照，如通过在图1中的彼此间隔开的圆形的熔池(未明确示出)所表明的那样。

优选地，根据所述设计方案，轮廓K限定构件10的薄壁区域，所述薄壁区域可以通过仅一个轮廓辐照矢量Vk描绘。已知，最终的构件结构的可实现的壁厚基本上通过熔池尺寸限定。替选地，也可以执行多个(并行的)轮廓辐照。

根据本发明，轮廓K优选地同样通过几何数据来提供。

因此，本方法还包括优选地计算机辅助地限定辐照模式M，所述辐照模式逐层地包括至少一个轮廓辐照路径P。

为了构成特定的或限定的表面纹理(在更下文中也参见图4)，轮廓辐照路径P还通过脉冲式辐照P1(图中的左边)和P2(图中的右边)叠加成，使得在制造构件的过程中由辐照轮廓辐照路径引起的熔池和由脉冲式辐照P1、P2引起的熔池交叠。所提及的交叠在图2中用附图标记o表示。

脉冲式辐照或脉动P1以脉冲间隔a并且在路径方向上以——相对于轮廓辐照路径的脉冲的偏移b进行。

类似地，脉冲式辐照或脉动P2以脉冲间隔c并且在路径方向上以——相对于轮廓辐照路径的脉冲的偏移d进行。在此，偏移d对应于与偏移c相反的偏移方向。

脉动P1以及脉动P2当前优选地还与路径P的所标识的轮廓辐照矢量Vk平行地伸展。

通过对应的熔池的所描述的交叠o(参见熔池直径Ds)，辐照脉冲P1以及P2符合目的地连接轮廓辐照路径P的熔池。

根据一个替选的、未明确标识的设计方案，脉动P1和P2能够在(连续的)轮廓辐照矢量Vk的连贯的熔池上接触地叠加。

仅为了简单起见，根据图2的辐照模式M的所示出的熔池均以相同的尺寸或直径来标识。在不限制一般性的情况下，熔池根据本发明当然可以根据脉动和辐照路径变化并且通过改变的射束能量改变。

说明：可通过本发明实现的表面纹理化在生产准备的过程中才通过CAM的机构获得，但是优选地并非已经通过构件10的结构或对应的CAD几何形状数据来获得。

图3——类似于图2——示出用于具有实心体区域的构件层的——也包含轮廓辐照路径P的——辐照模式M。这种实心体层的选择性的辐照通常包括面辐照矢量Vf的限定(参见右边)。

在左边与用于实心体区域的辐照模式间隔开(未明确标识)，在图3中又示出轮廓K的轮廓辐照路径P。

优选地，由辐照面辐照矢量Vf引起的熔池和由辐照轮廓辐照路径P引起的熔池不交叠，使得由此也不引起构件的结构扭曲或拓扑差异，尤其不会通过过大的热量输入到层中而引起构件的结构扭曲或拓扑差异。替代于此，优选地得到在所提及的熔池之间的中间空间，对于最后连通的构件结构，通过另一填充的辐照Pf闭合所述中间空间。

图4——同样以俯视图——示出以所描述的方式制造的表面纹理的示意性的波纹走向。以附图标记11表示的纹理峰或表面特征优选地对应于根据图2和图3的脉动P1。此外，表面纹理可以具有对应的锯齿形走向，并且可以以任意的方式和方法通过所描述的用于构成定制的功能性表面的解决方案来构造。

为此，构件最后可以在功能面处具有所描述的表面特征11。在此，唯一的表面特征11或唯一的锯齿形走向的对应的振荡长度、尺寸或周期优选地可以对应于连续辐照的熔池直径Ds的三倍或两倍，或甚至更少。

在绝对量度上，所描述的表面特征11的尺寸可以例如小于300μm、小于200μm或甚至小于100μm。由于以上描述的控制熔池尺寸的困难，在没有根据本发明的解决方案的情况下，这种值迄今为止是不可行的。

图5和图6根据示意性的辐照走向分别表明根据本发明的解决方案的替选的设计方案。在以上描述的示图中，通过对应的(脉冲式)能量输入确定尺寸的熔池相同类型地构造，而脉冲参数也可以根据本发明改变。借此，于是也可以控制构件结构的对应的熔池扩展和表面特性。

图5示出与图2和图3类似的轮廓辐照路径。在此表明的路径P中应用不同的脉冲长度P1和P2，其中对应的脉冲参数、如能量输入、(空间的和/或时间上的)脉冲间隔以及扫描速度可以改变。例如，由脉动P1得到的圆形示出的熔池小于通过脉动P2引起的长形的或椭圆形的熔池。由此，结果同样可以实现定制的表面纹理。

在图6中示出与图5类似的设计方案，其中甚至可以应用三个不同的脉冲P1、P2和P3以及对应地不同的脉冲参数和不同的熔池尺寸，以便对应地批量生产这样产生的构件层的表面特征。

在图5和图6中也可以看出，根据本发明，通过不同的熔池尺寸例如可以实现表面的波纹。

Claims (13)

1.一种用于在构件(10)的增材制造中选择性地辐照材料层(L)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供几何数据，所述几何数据包括要增材制造的构件(10)的轮廓，

-计算机辅助地限定用于所述构件(10)的层的辐照模式(M)，其中所述辐照模式(M)在层(L)中包括至少一个轮廓辐照路径(P)，其中为了构成所述构件(10)的预先限定的表面纹理(11)，所述轮廓辐照路径(P)的辐照通过脉冲式的辐照(P1，P2)在所述层中叠加成，使得在制造所述构件的过程中由所述轮廓辐照路径的辐照引起的熔池和由所述脉冲式的辐照(P1，P2)引起的熔池交叠，其中通过沿着所述辐照模式(M)的辐照引起的所述表面纹理(11)具有规则的波纹和/或锯齿形的走向。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述限定的表面纹理(11)不在所述构件(10)的所述几何数据(CAD)中描绘。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中在制造所述构件(10)的过程中连续地或脉冲式地辐照所述轮廓辐照路径(P)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述轮廓(K)限定所述构件(10)的薄壁区域，并且其中沿着仅一个轮廓辐照矢量(Vk)辐照用于在结构上描绘所述轮廓(K)的所述轮廓辐照路径(P)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中沿着与所述轮廓辐照路径(P)平行的轮廓辐照矢量(Vk，P1，P2)进行所述脉冲式的辐照。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述构件(10)具有实心体结构的区域，并且其中所述辐照模式(M)在所述层中包括面辐照矢量(Vf)以用于描绘所述实心体结构。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中由所述面辐照矢量(Vf)的辐照引起的熔池和由所述轮廓辐照路径(P)的辐照引起的熔池不交叠。

8.根据权利要求7所述的方法，

其中针对连通的构件结构，通过另一填充的辐照(Pf)来闭合在来自所述面辐照(Vf)的熔池与来自所述轮廓辐照(Vk)的熔池之间的中间空间。

9.一种增材制造方法，所述增材制造方法包括根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述选择性的辐照借助于激光或电子束进行，并且所述材料层(L)是粉末层。

10.根据权利要求9所述的增材制造方法，

其中所述材料层(L)由镍基或钴基超合金构成，并且所述构件(10)是要在流体机械的热气路径中应用的部件。

11.一种构件(10)，所述构件按照根据上述权利要求中任一项所述的方法制造，并且所述构件还具有在至少一个维度上小于连续辐照的两倍的熔池直径(Ds)的表面特征(11)。

12.一种构件(10)，所述构件按照根据上述权利要求中任一项所述的方法制造，并且所述构件还具有在至少一个维度上小于200μm的表面特征(11)。

13.一种计算机程序产品(C)，所述计算机程序产品包括指令，在通过计算机执行程序例如以用于控制在增材制造设施(100)中的辐照时，所述指令促使所述计算机按照根据上述权利要求中任一项所限定的辐照模式(M)执行所述选择性的辐照。