DE112017001928T5

DE112017001928T5 - Additive Maschine, welche eine Drehbildungsfläche verwendet

Info

Publication number: DE112017001928T5
Application number: DE112017001928.1T
Authority: DE
Inventors: Michael John McCarren; Herbert Chidsey Roberts; Eric Alan Estill; Peter Andrew Flynn
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2019-01-10
Also published as: US10239157B2; CN109070217B; CN109070217A; US20170291260A1; WO2017177043A1

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines axialsymmetrischen Teils. Die Vorrichtung schließt ein Gefäß ein, das dazu eingerichtet ist, das Pulver zu enthalten. Das Gefäß ist auch dazu eingerichtet, ein Teil aufzunehmen, so dass wenigstens ein Abschnitt des Teils das Pulver berührt, welches in dem Gefäß enthalten ist. Eine erste Energiequelle ist dazu eingerichtet, einen ersten Energiestrahl zu erzeugen. Der erste Energiestrahl ist dazu eingerichtet, das Pulver an einer ersten vorbestimmten Stelle zu schmelzen, so dass das geschmolzene Pulver an das Teil anschmilzt. Die Vorrichtung schließt zudem Mittel zum radialen Drehen des Teils ein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die additive Herstellung eines 3D-Objekts und insbesondere die additive Herstellung eines Objekts auf einer drehbaren Fläche.
Komplexe mechanische Teile, die in der Flugzeug-, Energie- und anderen Industrien verwendet werden, sind oft dazu eingerichtet, sich zu drehen oder ein sich drehendes Objekt zu umgeben. Solche Teile haben im Allgemeinen eine radiale Symmetrie, haben aber oft sehr komplexe Strukturen, die von der Achse abstrahlen. Folglich kann die Herstellung solcher Teile mittels herkömmlicher Verfahren und bekannter additiver Herstellungsverfahren schwierig sein und Maschinen und Arbeitsräume mit großer Kapazität erfordern. Außerdem erfordert der Aufbau größerer einteiliger und/oder mehrteiliger achsensymmetrischer Anordnungen herkömmlicherweise separate Herstellungsschritte. Daher besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbau eines achsensymmetrischen Teils ohne separate Bildungsschritte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedarf wird sich durch eine Vorrichtung gewidmet, die konfiguriert ist, um ein Teil derart zu drehen, dass verschiedene Flächen des Teils einem Pulver ausgesetzt werden, das durch eine Energiequelle an jeder Stelle mehrfach geschmolzen werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines achsensymmetrischen Teils bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Gefäß, das so konfiguriert ist, dass es das Pulver enthält. Das Gefäß ist auch so konfiguriert, dass es ein Werkstück aufnimmt, so dass mindestens ein Teil des Werkstücks das in dem Gefäß enthaltene Pulver berührt. Eine erste Energiequelle ist konfiguriert, um einen ersten Energiestrahl zu erzeugen. Der erste Energiestrahl ist so konfiguriert, dass er das Pulver an einer ersten vorbestimmten Stelle schmilzt, so dass das geschmolzene Pulver an das Werkstück anschmilzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines achsensymmetrischen Teils unter Verwendung eines Pulvervorrat-Additive-Herstellung-Systems bereitgestellt. Das System umfasst ein Gefäß, das konfiguriert ist, ein Pulver zu enthalten und ein Werkstück drehbar zu tragen. Das System auch eine erste Energiequelle, die konfiguriert ist, um einen ersten Energiestrahl zu erzeugen, der ausreicht, um das Pulver an einer vorbestimmten Stelle zu schmelzen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Betreiben der ersten Energiequelle; Schmelzen des Pulvers auf eine Fläche des Werkstücks, wenn sich das Werkstück in einer ersten radialen Position befindet, um eine erste geschmolzene Schicht zu bilden; Drehen des Werkstücks in eine zweite radiale Position; Schmelzen des Pulvers auf eine Fläche des Werkstücks, wenn sich das Werkstück in der zweiten radialen Position befindet; Drehen des Werkstücks in die erste radiale Position; und Schmelzen des Pulvers auf die erste geschmolzene Schicht, um eine zweite geschmolzene Schicht zu bilden.
Figurenliste
Die Erfindung kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren verstanden werden, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung unter Verwendung von Drehbildungsflächen gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist, entlang der Linie 2-2 bei der Darstellung eines Teils in einem Herstellungsstadium zeigt;
3 eine Schnittansicht der in 2 gezeigten Vorrichtung zeigt, wobei das Teil in einem weiteren Herstellungsstadium ist;
4 eine Schnittansicht der in 3 gezeigten Vorrichtung zeigt, wobei das Teil in einem weiteren Herstellungsstadium ist;
5 eine Schnittansicht der in 4 gezeigten Vorrichtung zeigt, wobei das Teil in einem weiteren Herstellungsstadium ist; und
6 ein anderes Teil zeigt, das mit der Vorrichtung zur additiven Fertigung unter Verwendung von Drehbildungsflächen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen die gleichen Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt 1 eine Vorrichtung 10 zum radialen Aufbauen von axialsymmetrischen Teilen. Wie dargestellt, umfasst die Vorrichtung 10 ein Pulvervorrat-Additive-Herstellung-System 50 und ein pulvergespeistes Herstellungssystem 80. Die zwei Systeme sind so konfiguriert, dass sie einzeln nacheinander oder im Wesentlichen gleichzeitig verwendet werden, um ein axialsymmetrisches Teil zu bilden, wie weiter unten erörtert wird. Als Beispiel und nicht als Einschränkung sind unter den axialsymmetrischen Teilen, die unter Verwendung der Vorrichtung 10 gebildet werden können, die folgenden: Kompressorlüfter, Turbinenlüfter, Pumpenlaufräder und dergleichen.
Weiter bezugnehmend auf 1 gezeigt, umfasst das Pulvervorrat-Additive-Herstellung-System 50 der Vorrichtung 10 eine Box 16, die ein Reservoir 17 zum Enthalten eines Pulvers P definiert. Es sollte erkannt werden, dass die Box 16 ein Behälter, ein Bottich oder ein anderes Gefäß ist. Die Box 16 steht in Fluidverbindung mit einer Quelle 18 zum Bereitstellen von Gas, das zum Fluidisieren des Pulvers P, das in dem Reservoir 17 enthalten ist, verwendet werden kann. Die Gasquelle 18 ist über eine Leitung 22 zum Fluidisieren von Gas und einen Einlass 24 mit der Box 16 strömungsverbunden. Die Box 16 ist auch so konfiguriert, dass sie gegenüberliegende Enden des Dorns 28 an Trägern 26 aufnimmt. Der Dorn 28 ist mit einem Rundschaltmotor 29 verbunden, der als ein Mittel zum Drehen des Dorns 28 um einen vorbestimmten Betrag konfiguriert ist. Der Rundschaltmotor 29 ist so konfiguriert, dass er den Dorn 28 in einer rundschaltenden oder schrittweisen Weise dreht, wie nachstehend beschrieben werden wird. Die Vorrichtung 10 enthält auch einen Abstreiferarm 32, wie in 2 gezeigt. Es sollte erkannt werden, dass der Abstreiferarm 32 dazu ausgelegt ist, loses Pulver und Schmutz von dem Dorn 28 und nachfolgenden Stufen von zumindest etwas von der Blisk 40, die gerade geformt wird, zu entfernen.
Weiter bezugnehmend auf 1 umfasst das Pulvervorrat-System 50 eine primäre Energiequelle 51 und eine sekundäre Energiequelle 61. Die primäre Energiequelle 51 und die zweite Energiequelle 61 sind beide so konfiguriert, dass sie einen Energiestrahl bereitstellen, um das Pulver P zu schmelzen, wie weiter unten diskutiert werden wird. Beispielhaft und nicht einschränkend kann das Pulver P eines der folgenden sein: ein Metall, eine Keramik, ein organisches Pulver, ein Polymer und eine Kombination davon.
Nun bezugnehmend auf das pulvergespeiste Lasersystem 80, schließt es eine Laserquelle 82, beispielsweise einen Pulsar-Dauerstrich (CW) -CO₂ -Laser, einen YAG-Laser oder dergleichen ein. Ein Laserstrahlzuführsystem 84 zum sicheren Zuführen des Hochleistungslaserstrahls von der Quelle 82 zu der Düse 88 kann eine Reihe von rechtwinkligen reflektierenden Spiegeln umfassen, die durch optische Leitungen miteinander verbunden sind. Optional kann ein faseroptisches Strahlzuführsystem verwendet werden. Es sollte beachtet werden, dass das Laserzuführsystem 84 allgemein bekannte optische Komponenten enthält und sich von dem in 1 gezeigten unterscheiden kann.
Die Düse 88 enthält ferner ein Pulverzufuhrsystem 89 zum Abgeben eines Pulvers P ‚an die Spitze der Düse 88 zum Verlagern des Pulver P‘ -Materials zu einem Schmelzbad 83, das auf einer Bildungsfläche durch Laserschweißen gebildet ist. Es sollte klar sein, dass das Pulver P' ein pulverisiertes Metall, eine pulverisierte Keramik oder dergleichen sein kann. Die Düse 48 ist so aufgebaut, dass das Pulver P' die Spitze der Düse 88 in einem gleichmäßigen Strom verlässt, der den Laserstrahl, der auch die Spitze der Düse 88 verlässt, im Wesentlichen konzentrisch umgibt. Die Energie von dem Laserstrahl wird bewirken, dass das pulverförmige Material schmilzt und auf der Bildungsfläche aufschmilzt, wenn sich die Düse 88 über die Bildungsfläche bewegt. Auf diese Weise kann eine Zwischenstruktur wie die Nabe 42 hergestellt werden.
Die Vorrichtung 10 ist konfiguriert, um eine beschaufelte Scheibe oder Blisk 40 herzustellen. Die Blisk 40 umfasst eine Nabe 42 und einen Rand 44. Die Nabe 42 kann unter Verwendung der Vorrichtung 10 hergestellt werden, wie nachstehend beschrieben werden wird. In dieser Hinsicht wird sie um den Dorn 28 herum gebildet, der tatsächlich ein Opfer sein wird und anschließend durch herkömmliche Bearbeitungsverfahren entfernt werden wird. Alternativ kann die Nabe 42 ein Teil sein, der aus einem anderen Prozess, wie herkömmliches Schmieden oder einem separaten additiven Fertigungsprozess erhalten wird, und in dieser Hinsicht kann die Nabe 42 vorgefertigt werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der Dorn 28 so konfiguriert, dass er von der Nabe 42 entfernt wird, nachdem die Blisk 40 fertiggestellt ist. Die Vorrichtung 10 kann auch konfiguriert sein, um eine zylindrische Welle aufzunehmen, die konfiguriert ist, um als der Dorn 28 zu arbeiten, aber ein Teil der Blisk 40 bleiben wird. Eine solche Welle kann rohrförmig oder massiv sein.
Eine Mehrzahl von Profilen 46 ist um den Rand 44 der Blisk 40 herum definiert. Für Kompressoren werden die Profile 46 allgemein als Blätter oder Schaufeln bezeichnet. Für Turbinen werden die Profile 46 allgemein als Schaufeln bezeichnet und im Fall von Dampfturbinen werden die Profile 46 als Schaufeln bezeichnet. Jedes der Mehrzahl von Profilen 46 umfasst eine Spitze 47, die an dem distalen Ende des Profils 46 von dem Rand 44 weg positioniert ist. Die Blisk 40 ist konfiguriert, um sich zu drehen, und somit weist jedes der Profile 46 eine erste Kante 48 und eine zweite Kante 49 auf.
Die Radial-Additive-Herstellungsvorrichtung 10 umfasst ferner eine Computernumerische Steuerung (CNC) 70, die konfiguriert ist, um den Pulvervorrat-Additive-Herstellung-System 50 und den pulvergespeisten-Additive-Herstellung-Prozess 80 zu steuern. Zu diesem Zweck ist der Steuercomputer 70 entweder drahtlos oder direkt mit den Systemen und dem Rundschaltmotor 29 elektrisch verbunden. Zusammen bilden die Computersteuerung 70 und der Rundschaltmotor 29 ein Mittel zum Repositionieren des Dorns 28. Die Computersteuerung 70 ist auch elektrisch mit einem System zum Einführen von Fluidisierungsgas durch die Leitung 22 von der Fluidisierungsgasquelle 18 in das Reservoir 17 durch den Einlass 24 verbunden.
Die numerische Computersteuerung (CNC) 70 ist so konfiguriert, dass sie die Position der primären Energiequelle 51 und der sekundären Energiequelle 61 des Pulvervorrat-Additive-Herstellung-Systems 50 verfolgt. In dieser Hinsicht können Sensoren bereitgestellt werden (nicht gezeigt), die konfiguriert sind, um die Position des Schnittpunkts des Energiestrahls von entweder der primären Energiequelle 51 oder der sekundären Energiequelle 61 und der Arbeitsoberfläche zu bestimmen. Um die Position unter Verwendung der Sensoren zu bestimmen, wird die Energiequelle 51 oder der Energiestrahl 61 mit einem niedrigen Leistungspegel gezündet. Sobald bestimmt ist, dass die Position korrekt ist, wird die Energiequelle 51 oder 61 mit dem gewünschten Leistungspegel gezündet, um Material zu schmelzen. Somit kann die Position des Laserbrennflecks in allen drei Achsen verfolgt werden.
Die vorliegende Erfindung kann besser durch eine Beschreibung ihres Betriebs verstanden werden. Während des Betriebs der Vorrichtung 10 wird die Blisk 40 allmählich durch Verschmelzen des Pulvers P und der benachbarten Arbeitsfläche eines Werkstücks aufgebaut. Das Werkstück kann der Dorn 28 oder irgendein Teil oder Zwischenstück zu einem Teil sein, der eine Arbeitsfläche definiert, die positioniert ist, um durch die Vorrichtung 10 gedreht zu werden. Zum Beispiel werden die Zwischenstrukturen der Blisk 40, wie sie nachstehend eingeführt werden, alle als Werkstücke betrachtet. Das Werkstück kann auch eine Nabe sein, die in dem endgültigen Teil verwendet wird und die zuvor durch additive Fertigung oder herkömmliche Mittel hergestellt wurde.
Es sollte angemerkt werden, dass, wenn auf Zwischenstrukturen während des Bildungsprozesses Bezug genommen wird, die Referenznummer, die der vervollständigten Struktur zugeordnet ist, zusammen mit dem Strichsymbol „'” verwendet wird. Beispielsweise werden Zwischenstrukturen der Blisk 40 als die Blisk 40' bezeichnet. In ähnlicher Weise werden Zwischenstrukturen der Nabe 42, des Randes 44 und der Profile 46 als die Nabe 42' , der Rand 44' bzw. die Profile 46' bezeichnet.
Der Prozess beginnt mit einem Schritt des Installierens des Dorns 28 in der Box 16. Bezugnehmend auf 2 wird das pulvergespeiste additive Fertigungssystem 80 verwendet, um die Nabe 42' und den Rand 44' zu entwickeln. In dieser Hinsicht gibt der Steuercomputer 70 Anweisungen an den Rundschaltmotor 29 aus, so dass der Dorn 28 an einer vorbestimmten Stelle radial positioniert wird und der Rundschaltmotor 29 gestoppt wird. Anschließend gibt der Steuercomputer 70 Anweisungen an die pulvergespeiste Laserquelle 82 und das Zufuhrsystem 89 aus, so dass das Pulver P' auf der Arbeitsfläche des Randes 44' an einer vorbestimmten Stelle positioniert und darauf geschmolzen wird. Die Pulver-gespeiste Laserspitze 88 wird linear entlang der Fläche des Randes 44' bewegt, um einen Aufbau von geschmolzenem Pulver P' darauf zu vervollständigen. Die Position der Pulver-gespeisten Laserspitze 88 wird durch ein Überwachungssystem bestimmt.
Es sollte beachtet werden, dass gemäß der veranschaulichten Ausführungsform die pulvergespeiste Laserspitze 88 entlang der Arbeitsfläche des Randes 44' in einer Richtung bewegt wird, um eine Reihe von geschmolzenem Pulver P zu erzeugen. Es sollte anerkannt werden, dass die pulvergespeiste Laserspitze 88 ein oder mehrere Male abtasten kann, wie durch die Baubreite des Strahls und die Winkeldrehung des Werkstücks bestimmt, d.h. die Arbeitsfläche eines Randes 44'. Dann wird der Schritt des Einleitens des Vorgangs des Rundschaltens des Motors 29 mittels des Steuercomputers 70 wiederholt, so dass sich der Dorn 28 um einen vorbestimmten Betrag dreht. Im Allgemeinen ist die Menge an radialer Verschiebung, die während dieses Schritts durchgeführt wird, ausreichend, um eine angrenzende Reihe von geschmolzenem Pulver P' neben der zuvor aufgetragenen Reihe von geschmolzenem Pulver P' zu erzeugen. Es sollte anerkannt werden, dass, wenn die Arbeitsfläche des Randes 44' sequentiell umhergedreht wird, die Abstreiferarme 32 arbeiten, um Schmutz von der Arbeitsfläche des Randes 44' zu entfernen oder abzuschaben. Diese Prozesse werden wiederholt, bis die Abmessungen des Randes 44' im Wesentlichen gleich der des fertigen Randes 44 sind.
Nach einer wesentlichen Vervollständigung des Randes 44' wird mit der Herstellung der Profile 46 begonnen. Wie zuvor werden die Zwischenstufen der Profile 46 als Profile 46' bezeichnet. Um den Schritt des Erzeugens von Profilen 46' einzuleiten, wird das Pulver P in das Reservoir 17 eingeführt. Es sollte anerkannt werden, dass das Pulver P vor der Installation des Dorns 28 oder zu irgendeinem Zeitpunkt danach in das Reservoir 17 eingeführt werden kann. Somit könnte Pulver P vor irgendwelchen anderen Schritten der additiven Herstellung, die zum Erzeugen der Nabe 42' oder des Randes 44' verwendet werden, in das Reservoir 17 eingeführt werden.
Das Pulver P wird zum Reservoir 17 hinzugefügt, bis es ein vorbestimmtes Pulverniveau relativ zu der Arbeitsfläche des Randes 44' erreicht. Das vorbestimmte Niveau des Pulvers P definiert eine Pulverlinie 66. Vorzugsweise umfasst dieses vorbestimmte Niveau eine erste Schicht von zu verschmelzendem Pulver, typischerweise dort, wo die Bildung der Blisk 40 auf dem Dorn 28 beginnen soll. Der Abstand zwischen der Pulverlinie 66 und einem Boden des Reservoirs 17 ist derart, dass der fertige Radius der Blisk 40 aufgenommen werden kann. Es sollte beachtet werden, dass der Abstand zwischen der Pulverlinie 66 und dem Boden des Reservoirs 17 kleiner sein kann als der fertige Radius der Blisk 40. In diesen Fällen wird erwartet, dass der Dorn 28 relativ zu dem Boden des Reservoirs 17 vor der Fertigstellung der Blisk 40 neu positioniert werden wird. Die Pulverlinie 66 kann in irgendeiner Höhe relativ zu dem Dorn 28 oberhalb oder unterhalb liegen. Es sollte beachtet werden, dass die Pulverlinie 66 so positioniert sein muss, dass sie das Werkstück passiert oder schneidet. Wenn die Pulverlinie 66 auf diese Weise positioniert wird, kann das Pulver P mit dem Werkstück verschmolzen werden.
Wie in 3 gezeigt, wird, sobald das Pulver P in dem Reservoir 17 der Box 16 mit vorbestimmtem Pegel gelagert ist, die gerichtete Energiequelle 51 (wie ein Laser- oder Elektronenstrahl) verwendet wird, um das Pulver P zu schmelzen, das die Arbeitsfläche des Randes 44' an einem gewünschten Ort berührt. Auf diese Weise wird eine Schicht des Profils 46' begonnen. Die gerichtete Energiequelle 51 emittiert einen Strahl, und eine Strahllenkungsvorrichtung wird verwendet, um den Strahl über das Pulver P an der Schnittstelle der Arbeitsfläche an einer ersten radialen Position des Randes 44' in einer Linie im Allgemeinen parallel zur Achse des Dorns 28 zu lenken.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „radiale Position“ auf die Position eines Werkstücks wie etwa des Dorns 28, wie er sich auf den Rotationsdorn 28 bezieht. Zum Beispiel kann eine erste radiale Position bei 0° liegen. Eine zweite radiale Position kann bei 180° sein. Wie weiter unten diskutiert wird, können mehrere Schichten an einer einzigen radialen Position abgeschieden oder verschmolzen werden, so dass ein Profil 46 durch Schichten an einer vorbestimmten radialen Position aufgebaut werden kann. Die radiale Position, an der das Verschmelzen auftritt, ist eine Funktion des Pegels der Pulverlinie 66 und des Durchmessers des Werkstücks. Somit kann die radiale Position, an der das Schmelzen auftritt, an jedem Punkt zwischen 0° und 180° für die erste Energiequelle 51 und 180° und 360° für die zweite Energiequelle 61 sein, wo die jeweiligen Energiequellen so positioniert sind, dass es einen Laserweg zwischen der jeweiligen Energiequelle und wo Anschmelzung auftritt, gibt.
Die freiliegende Schicht des Pulvers P wird durch den Strahl auf eine Temperatur erhitzt, die es erlaubt, zu schmelzen, fließen zu lassen und mit einem Substrat zu verfestigen, zu verschmelzen oder daran zu haften, das durch den Dorn 28 definiert ist, mit dem es in Kontakt steht. Die metallischen Teilchen, aus denen der geschmolzene Teil des Pulvers P bestand, liegen nun als Teil des Prozessabschnitts der Blisk 40 vor. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Dicke der geschmolzenen Pulverschicht etwa 10 Mikrometer (0,0004 Zoll) betragen. Dieser Schritt kann als Verschmelzen des Pulvers bezeichnet werden. Das Rundschalten des Dorns 28 ist der nächste Schritt. In dieser Hinsicht wird der Dorn 28 durch den Rundschaltmotor 29 derart angetrieben, dass das Werkstück, der Dorn 28, in eine zweite radiale Position gedreht wird und der nächste Substratarbeitsbereich die Pulverlinie 66 schneidet.
Es sollte beachtet werden, dass während des Schmelzschritts und des Rundschaltenschritts das Pulver P, das in dem Reservoir 17 enthalten ist, wahrscheinlich gestört wird und ungleichmäßig in Bezug auf das Werkstück verteilt sein kann. Ein Schritt des Fluidisierens des in dem Reservoir 17 enthaltenen Pulvervorrats kann verwendet werden, um die Oberfläche des Pulvers P so zu nivellieren, dass das Pulverniveau 56 vorhersehbar in Bezug auf den Dorn 28 positioniert wird. Der Schritt des Fluidisierens wird durchgeführt, indem Luft oder anderes Gas von der Gasquelle 18 durch die Leitung 22 zum Fluidisieren von Gas und den Einlass 24 in das Reservoir 17 eingeführt wird.
Unter Bezugnahme auf 4 können mehrere dazwischenliegende Profile 46' ausgebildet sein. Eine erste Schicht jedes Profils 46' ist wie oben beschrieben ausgebildet. Nachdem jede erste Schicht fertiggestellt ist, aktiviert der Steuercomputer 70 den Rundschaltmotor 29, der Dorn 28 wird so gedreht, dass die Arbeitsfläche des Randes 44' relativ zu dem Pulverpegel 56 an der vorbestimmten Stelle des nächsten Profils 46' positioniert ist. Die Reihenfolge des Schmelzens des Pulvers P und des Rundschaltdorns 28 zum Bilden der Basis jedes Profils 46' und dann des Rundschaltens des Dorns 28 zu der Stelle des nächsten Profils 46' wird wiederholt, bis das gesamte Profil 46' begonnen wurde.
Nun unter Bezugnahme auf 4 sind die Schritte des Vervollständigens der mehreren Profile 46 durch Bildung zusätzlicher Schichten des Profils 46 ‚zu sehen. Der Dorn 28 wird gedreht, um den Schnittpunkt des Strahls des Primärlasers 51 mit den zuvor gebildeten Schichten eines vorbestimmten Profils 46‘ zu positionieren. Wie in 4 zu sehen, sind die Breite der Schmelzlache 52 und ein Strahl, der von dem Primärlaser 51 erzeugt wird, ungefähr gleich. Es ist anzumerken, dass diese Breite relativ zu den anderen in 4 und 5 gezeigten Komponenten stark übertrieben ist, um die Erfindung besser zu vermitteln.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ersichtlich, dass die Pulvermenge, die während jedes Verschmelzungsschritts, d.h. nach dem Rundschaltschritt oder der Drehung, geschmolzen wird, variiert werden kann, um die axialen Vorsprünge vom Rand 44' in einer gewünschten Weise zu formen wie gezeigt. Wie in 5 gezeigt, wurden vier Profile 46 vervollständigt. Ein Profil 46' ist dabei, eine letzte Schicht fertiggestellt zu haben. Vier zusätzliche Profile 46' müssen noch vervollständigt werden.
Eine weitere Option in dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Blisk 40 besteht darin, dass die Computersteuerung 70 programmiert werden kann, um die sekundäre Energiequelle 61 zu betreiben. Der Betrieb der sekundären Energiequelle 61 ist im Wesentlichen der obigen Beschreibung des Betriebs der primären Energiequelle 51 ähnlich und kann aus dieser verstanden werden. Die sekundäre Energiequelle 61 ist gegenüber der primären Energiequelle 51 derart positioniert, dass der Schnittpunkt der Pulverlinie 66 auf beiden Seiten der Arbeitsfläche des Randes 44' verwendet werden kann, um Schichten des Profils 46' zu bilden. Es wird angenommen, dass die Betriebszeit der primären Energiequelle 51 und der sekundären Energiequelle 61 viel kürzer ist als die Zeit, die benötigt wird, um den Dorn 28 neu zu positionieren und das Pulverniveau für den nächsten Schmelzschritt vorzubereiten. Somit kann die Effizienz des Gesamtsystems durch effektives Verdoppeln der Schmelzmenge, die für jede Rundschaltsequenz durchgeführt werden kann, durch Betreiben sowohl der Primärenergiequelle 51 als auch der Sekundärenergiequelle 61 erhöht werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das pulvergespeiste Additive-Herstellung-System in Verbindung mit der primären Energiequelle 51 und der sekundären Energiequelle 61 des Pulvervorrat-Herstellung-Systems 50 betrieben werden. In dieser Konfiguration können drei Anschmelzvorgänge für jeden Rundschaltschritt durchgeführt werden, wie in 1 gezeigt.
Wie in den 1-5 gezeigt, kann eine beschaufelte Scheibe oder Blisk 40 erzeugt werden. Es versteht sich, dass auch andere achsensymmetrische Formen erzeugt werden können. Zum Beispiel, wie in 6 gezeigt, kann auch eine Turbinenradscheibe 90 ausgebildet sein. Die in 6 gezeigte Turbinenradscheibe umfasst eine Nabe 92, einen Rand 94 und Schwalbenschwanzmerkmale 96. Andere Merkmale, die mit der Vorrichtung 10 gebildet werden können, umfassen achsensymmetrische Dichtungsmerkmale wie Dichtungszähne, Waben und Kompressionsdichtungen. Außerdem können mit der Vorrichtung 10 achsensymmetrische Verriegelungsmerkmale wie z. B. Verzahnungen, Zahnradzähne und dergleichen ausgebildet werden.
Die additive Fertigung beschreibt ein Verfahren, welches Schicht-für-Schicht-Herstellung oder additive Fertigung einschließt (im Gegensatz zur Materialentfernung wie bei herkömmlichen Bearbeitungsprozessen). Solche Prozesse können auch als „schnelle Herstellung-Prozesse“ bezeichnet werden. Additive Fertigungsprozesse umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: Direktes Metall-Laser-Schmelzen (DMLM), Laser-Netto-Form-Fertigung (LNSM), Elektronenstrahlsintern, Selektives Lasersintern (SLS), 3D-Drucken, z. B. durch Tintenstrahldrucker und Laserdrucker, Sterolithographie (SLA), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), lasergestützte Nettoformung (LENS) und direkte Metallabscheidung (DMD).
Die vorliegende Erfindung hat Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Der oben beschriebene radiale additive Fertigungsprozess ist hinsichtlich Form und Konfiguration von achsensymmetrischen Teilen viel flexibler. Außerdem wird angenommen, dass der radiale additive Fertigungsprozess die Möglichkeit bietet, Teile herzustellen, die komplexere Geometrien aufweisen, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich wären. Solche komplexeren Teile umfassen axialsymmetrische Teile aus zwei Materialien und integral beschaufelte Rotoren. Außerdem erfordert die Herstellung solcher Teile weniger Trägerstrukturen, und die Teile können größer sein als herkömmliche Verfahren zum Formen solcher Teile. Die Vorrichtung und das Verfahren, die oben beschrieben wurden, ermöglichen das Spülen von Pulver unter Verwendung einer Kombination von Schwerkraft und Spindelrotation. Es wird auch angenommen, dass der oben beschriebene radiale Herstellungsprozess im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren weniger Platz und geringere Ausrüstung für ein gegebenes Teil benötigt.
Das Vorangehende hat eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden von achsensymmetrischen Teilen und allen in dieser Beschreibung offenbarten Merkmalen (einschließlich jeglicher begleitender Ansprüche, Zusammenfassung und Zeichnungen) beschrieben und/oder alle Schritte eines jeden derartig offenbarten Verfahrens oder Prozesses können in irgendeiner Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich wenigstens einige solcher Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen.
Jedes Merkmal, das in dieser Beschreibung offenbart ist (einschließlich jedes der begleitenden Ansprüche, Zusammenfassung und Zeichnungen) kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die demselben, äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, ist somit jedes offenbarte Merkmal nur ein Beispiel einer generischen Reihe äquivalenter oder ähnlicher Merkmale.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden Ausführungsform(en) beschränkt. Die Erfindung erstreckt sich auf irgendein neues oder irgendeine neue Kombination der in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale (einschließlich irgendwelcher begleitender potentieller Punkte von Neuheit, Zusammenfassung und Zeichnungen) oder auf irgendein neues oder irgendeine neue Kombination der Schritte von irgendwelchen so offenbarten Verfahren oder Prozessen.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen eines achsensymmetrischen Teils, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Gefäß, das so konfiguriert ist, dass es ein Pulver enthält; wobei das Gefäß so konfiguriert ist, dass es ein Werkstück aufnimmt, so dass mindestens ein Teil des Werkstücks das in dem Gefäß enthaltene Pulver berührt; eine erste Energiequelle, die konfiguriert ist, um einen ersten Energiestrahl zum Schmelzen des Pulvers an einer ersten radialen Stelle zu erzeugen, so dass das geschmolzene Pulver an dem ersten radialen Ort an dem Werkstück anschmilzt; und eine Einrichtung zum Drehen des Werkstücks um eine Achse zwischen der ersten radialen Stelle und einer zweiten radialen Stelle, so dass mindestens ein Teil des Werkstücks an der zweiten radialen Stelle das in dem Gefäß enthaltene Pulver berührt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Energiequelle konfiguriert ist, um den ersten Energiestrahl zu erzeugen, um das Pulver an der zweiten radialen Stelle zu schmelzen, so dass das geschmolzene Pulver an dem zweiten radialen Ort an dem Werkstück anschmilzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Drehen des Werkstücks um die Achse einen Rundschaltmotor aufweist, der konfiguriert ist, um das Werkstück um eine vorbestimmte Strecke radial zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner eine Computersteuerung umfasst, die konfiguriert ist, um die erste Energiequelle derart zu aktivieren, dass der erste Strahl auf den Schnittpunkt des Pulverniveaus und eine Fläche des Werkstücks an einer ersten Stelle gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend eine zweite Energiequelle, die konfiguriert ist, um einen zweiten Energiestrahl zu erzeugen, um das Pulver an einer zweiten Stelle relativ zu dem Werkstück anzuschmelzen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zweite Stelle zwischen ungefähr 135° und ungefähr 225° von der ersten Stelle liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend ein pulvergespeistes additives Herstellungssystem.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das pulvergespeiste additive Herstellungssystem eines axialsymmetrischen Teils konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Pulvervorrat-Additive-Herstellung-System konfiguriert ist, um radial verteilte Merkmale an dem Teil herzustellen.
Verfahren zum Herstellen eines achsensymmetrischen Teils unter Verwendung eines Pulvervorrat-Additive-Herstellung-Systems, das ein Gefäß enthält, das konfiguriert ist, um ein Pulver zu enthalten und das konfiguriert ist, ein Werkstück drehbar zu lagern und das eine erste Energiequelle enthält, die zum Erzeugen eines ersten Energiestrahls konfiguriert ist, der ausreicht, um das Pulver an einer vorbestimmten Stelle zu schmelzen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Betreiben der ersten Energiequelle; Schmelzen des Pulvers auf eine Fläche des Werkstücks, wenn sich das Werkstück in einer ersten radialen Position befindet, um eine erste angeschmolzene Schicht zu bilden; Drehen des Werkstücks in eine zweite radiale Position; Schmelzen des Pulvers auf eine Fläche des Werkstücks, wenn sich das Werkstück in der zweiten radialen Position befindet; Drehen des Werkstücks in die erste radiale Position; und Schmelzen des Pulvers auf die erste angeschmolzene Schicht, um eine zweite angeschmolzene Schicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend die Schritte: Drehen des Werkstücks zu der zweiten radialen Position und Verschmelzen des Pulvers auf das zuvor angeschmolzene Material an der zweiten radialen Position.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend die Schritte des Betreibens einer zweiten Energiequelle zum Erzeugen eines zweiten Energiestrahls; Verschmelzen des Pulvers mit dem Werkstück an einer dritten radialen Position.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend die Schritte: Drehen des Werkstücks; Schmelzen des Pulvers an einer vierten radialen Position auf dem Werkstück; und Schmelzen des Pulvers in einer fünften radialen Position auf dem Werkstück.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die vierte radiale Position zwischen etwa 135° und etwa 225° von der fünften radialen Position entfernt angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt des Reinigens einer Oberfläche des Werkstücks nach dem Schmelzschritt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Reinigens auftritt, während sich das Werkstück dreht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der achsensymmetrische Teil eine Nicht-Opfer-Nabe umfasst, die von einem Dorn gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Pulver ein Metall ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Werkstück als ein Dorn konfiguriert ist, um den herum ein axialsymmetrischer Teil hergestellt wird und der Dorn von dem Teil entfernt wird, um eine Bohrung innerhalb des Teils zu bilden.
Vorrichtung zum Herstellen eines achsensymmetrischen Teils, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Reservoir, das konfiguriert ist, um ein Pulver zu enthalten; Stützen für ein Teil derart, dass das Teil so konfiguriert ist, dass das Teil gedreht werden kann; wobei die Träger so konfiguriert sind, dass das Teil in Kontakt mit dem Pulver sein kann; ein Motor zum Rundschalten des Teils zwischen mehreren vorbestimmten radialen Positionen; und eine Energiequelle, die zum Anschmelzen des Pulvers an das Teil an jeder radialen Position konfiguriert ist.