CN108495729B - 用于通过可加热的构造平台生成式地制造构件的方法和用于所述方法的设备 - Google Patents

用于通过可加热的构造平台生成式地制造构件的方法和用于所述方法的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生成式地制造构件(21)的方法(例如通过选择性激光熔融)和一种适用于所述方法的设备。在所述设备中，借助能量束(20)例如在粉末床(13)中制造构件(21)，其中，通过集成在构造平台(14)中的加热装置(24)将正在形成中的构件(21)置于所需的温度水平。按照本发明规定，加热装置(24)的加热功率在持续进行的方法中不断降低，使得在正在形成中的构件(21)的表面上维持基准温度(Tr)。按照本发明在此考虑到，能量束(20)将加热功率引入正在形成中的构件(21)，所述加热功率由于构件的热阻而不能被足够快地排走。有利地通过控制和/或调节装置(26)进行加热功率的调整适配。

Description

用于通过可加热的构造平台生成式地制造构件的方法和用于 所述方法的设备
本发明涉及一种用于在构造平台上生成式地制造构件的方法。在所述方法中，构造材料的颗粒首先被逐层地施加在构造平台(其用作构件第一层的基础)上并且随即被施加在正在形成中的构件(第一层已经在构造平台上制成以及可能还有其它层也已经制成)上并且通过能量束、例如电子束或者激光束固化。固化导致形成待制造的构件的构造材料颗粒牢固粘结。固化可以例如通过熔化或者烧结实现。例如选择性激光熔融(也称为Selective Laser Melting，SLM)、电子束熔融(也称为ElectronBeam Melting，EBM)或者激光堆焊(也称为LaserMetal Deposition，LMD)适合作为熔化方法。作为烧结方法以选择性激光烧结(也称为Selective Laser Sintering，SLS)为例。
在构造平台上逐层地制造构件。构造平台因此也用作制造构件第一层的基础。构件例如可以通过激光堆焊直接在构造平台上制造，其中，将构造材料的颗粒直接供给激光束。备选地，可以在构造平台上产生粉末床，其中，分别只有用于形成构件所需的构造材料颗粒在粉末床中熔化。构造平台还配有加热装置，其中，正在形成中的构件通过构造平台加热。以此方式能够加热正在形成中的构件，以便例如降低用于熔化颗粒所需的能量束功率。
本发明还涉及一种通过用于待制造的构件的构造平台逐层地生成式地制造构件的设备，其中，构造平台配有加热装置。这种设备具有必要的元件，因此通过所述元件能够执行本文开头所述的方法。
类似的方法以及所提到的设备由现有技术已知。按照EP 1 355 760 B1描述了一种SLM方法，其中将构造平台(构件应在所述构造平台上形成)设计为加热板。设有温度探测器，通过所述温度探测器能够执行对加热板的能量供应的调节。通过所述调节可以将加热板保持在期望的温度水平。例如加热板可以在整个过程期间均在500℃的温度水平运行。
然而，在执行按照EP 1 355 760 B1的方法时业已证明，随着构件高度的增加，正在形成中的构件的当前待制造的层的温度不等于通过加热板调节形成的温度，而是更高。这不利地影响了所制造的构件的品质。
在按照DE 10 2009 051 479 A1的LMD方法中例如制造涡轮机叶片。在这种方法中，应将构建区和接合区加热到略低于构件材料熔点的温度。由此影响和控制正在形成中的构件的晶体结构。为了加热接合区而使用区域炉，其中，构建区和接合区处于其高温区。在区域炉中可以在已经制造的涡轮机叶片区域中垂直于这些层地对预设的温度梯度进行调节。为了此目的，将构造平台沉入到区域炉中，其中，所述构造平台本身不能被加热。然而，通过区域炉的加热在技术上非常耗费。
按照DE 10 2012 206 122 A1，另一可能性在于，感应式地进行与构件几何形状单独适配的局部加热，其中，为此目的在设备中设置多个感应线圈。感应线圈为此目的通过控制和/或调节装置控制并且能够以此方式局部地将热量导入正在形成中的构件。由此例如可以避免在正在形成中的构件内形成裂纹。然而，用于这种解决方案的技术耗费也相对较大。生成式的方法使用能量束，以选择性地照射应在其中制造构件的粉末床。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于生成式地制造构件的方法以及用于执行这种方法的设备，通过所述方法或者通过所述设备能够以相对简单的方式在生成式的制造过程中将构件保持在尽可能恒定的温度水平，其中，所述温度水平应在构件的正在制造的层中调节形成。
该技术问题按本发明通过本文开头所述的方法由此解决，即在持续进行的方法中以这样的程度降低加热装置的加热功率，从而在相应最后制造的层中维持用于基准温度Tr的定义的公差范围。基准温度Tr指的是在熔融生成式制造方法中获得的层中在其硬化和冷却之后的温度。因此，这不是熔融浴或者熔融浴的热作用区的温度，所述温度明显高于在正在制造的层中在其硬化之后获得的温度。然而，所述温度还高于在构件完全冷却之后的温度。原因在于通过加热装置和能量束引入构件中的功率并且能够通过待制造完成的工件具有不可忽视的热阻这一事实而得以解释。所述热阻Rth对于通过生成式方法加工的金属粉末来说通常在1至10每K/W之间。用于使颗粒固化的能量束在时间上平均地输入固化功率Ps(也就是熔融方法中的熔融功率或者烧结方法中的烧结功率)，所述固化功率可以设置为10至50W。由于正在形成中的构件的热阻，热量不能被足够快地排出，因此工件的表面温度、也就是在构件的构造过程中当前被制造的层的温度连续地升高。在考虑Rth和Ps的情况下可以由此估算出最大加热，其中，以下示例性地以Rth＝5K/W和Ps＝30W为出发点。
Rth·Ps＝5K/W·30W＝150K
业已证明，按照这种估算，构件的温度可能达到高于加热板的调节温度150K。然而，因为这种估算没有考虑由于对流和热辐射产生的热损耗，所以温度升高量在实际中较低。然而业已证明，由于构件的热阻造成的排热不足的效应是需要考虑的主要参量。
为了能够在持续进行的方法中降低加热功率，加热功率必须在方法开始时至少被置于一定的水平上，以便可以补偿构件在持续进行的过程中的最大加热。因此，对于上述例子需要调节形成这样的温度水平，其在没有加热的情况下至少高于构造板的原始温度150K。原始温度考虑为T0，其中，制造完成的构件的最上层的加热温度T1通过计算得出：
T1＝T0+Rth·Ps
因为基准温度Tr在实际中不能准确地维持，所以按照本发明定义了允许的公差范围，温度可以在所述公差范围内波动。所述公差范围取决于对待制造的构件和待加工的材料提出的要求。在生成式地制造构件时的目标可以在于，将由于构件冷却产生的应力保持得较小或者在构件中调节形成特定的金属结构，所述金属结构受到构件的冷却速度的影响。公差范围例如可以在+/-20K。
降低构造平台中的加热装置的加热功率的优点在于，一方面可以使用简单的加热装置，另一方面通过考虑由能量束产生的加热功率能够通过构件朝向构造平台排放热量。这只能通过降低构造平台中的加热功率实现，因为由此可以在正在制造中的层与构造平台之间形成温度梯度。由此可以有利地取消在技术上明显更复杂的对正在制造中的层的直接加热。
按照本发明的一种有利的设计方案，为了降低加热功率，使用控制装置，所述控制装置考虑能量束的固化功率Ps和构件的导热性能作为用于降低加热装置的加热功率的输入参量。固化功率(即熔融生成方法中的熔融功率或者烧结生成方法中的烧结功率)考虑到能量束向构件中引入的热量。有利地，在确定固化功率Ps时可以使用能量束的额定功率，其中，通过以下方式计算固化功率，即，考虑被颗粒反射的能量额作为损耗功率。这种能量额例如对于钢颗粒来说约为67％。
此外，在由能量束的额定功率计算所述固化功率Ps时可以考虑的是，能量束的关断时间区间使得固化功率在时间平均值中减小。在基于粉末床的生成式制造方法中，关断区间例如由此产生，即为了在粉末床中制造新的粉末层，中断用能量束对粉末层的照射。关断时间区间例如可以与照射时间相关地还用作在计算固化功率Ps时的百分比扣除。
特别有利的是，正在形成中的构件的第一层通过构造平台加热到这样的温度水平，所述温度水平至少相当于计算出或者通过试验确定的对在不使用加热装置的情况下制成的构件的最上层的加热(如已经提到的那样，最上层的加热需要在可能的熔融浴或者其热作用区之外确定)。如果通过构造平台调节形成了这种温度水平，则可以通过将加热功率降低到0，使得最终在构件中达到计算出或者所确定的温度水平并且在制造构件期间在位于下方的层中也已经具有所述温度水平。因此，构件的冷却较慢地进行，由此可以有利地减少构件中由于冷却造成的应力的形成。
当然也可以调节形成比确定的或者测量的温度水平更高的温度水平，其中，在这种情况下也可以确保分别制造的层的统一的温度水平，方式为降低加热装置的加热功率。然而，在这种情况下即使在制造构件的最上层时也还需要加热装置的加热功率。
作为对控制装置的备选，按照本发明的另一设计方案也可以规定，为了降低加热功率，使用调节装置，所述调节装置考虑正在制造中的工件的经测量的表面温度Ti(实际温度)作为用于降低加热装置的加热功率的调节参量，其中，测量在通过能量束产生的熔融浴外部或者在能量束的关断时间区间期间进行。在烧结生成式制造方法中不存在熔融浴，因此总是可以进行测量。在调节方法中，通过实际存在于正在制造中的层或者刚刚制造的层中的温度确定加热装置的加热功率的校正值，其中，将其考虑作为调节参量。通过基准温度Tr预设指令参量，其中，加热装置的加热功率作为调节变量被影响。由此形成的调节回路必须设计为，使得调节参量的动态性能(调节振荡)处于针对基准温度Tr定义的公差范围内。
按照方法备选方案的一种有利设计方案规定，通过测量来自工件表面的热辐射，确定正在制造中的工件的表面温度Ti。这能够有利地无接触地进行。例如可以将高温计或者热量摄像机用于测量。测量可以在各个单独的测量点上进行或者使用正在形成中的层的整个表面。如已经提到的，在存在熔融浴的情况下必须忽略熔融浴和热作用区的区域。
按照本发明的一种特别的设计方案规定，在具有已经描述的控制装置的方法中附加地使用调节装置，所述调节装置考虑正在制造中的工件的经测量的表面温度Ti作为调节参量，其中，所述测量在通过能量束产生的熔融浴外部或者在能量束的关断时间区间期间进行，并且当经测量的表面温度Ti与基准温度Tr不一致时，校正通过控制装置预设的加热功率的降低速度。调节按照已经说明的准则进行。按照本发明，这样进行对加热功率的降低速度的校正，使得当Ti过高时提高速度，并且当Ti过低时降低速度。所述速度基于通过控制装置预设的模型。例如，可以选择恒定的加热功率降低速度。但也可以基于更复杂的、考虑构件几何形状的模型。此外，在通过控制装置预设的加热功率降低函数中可以考虑经验值，所述经验值例如通过对构件制造进行试运行得到。
与考虑哪个模型用于控制加热功率的降低无关地，实际的表面温度Ti的变化可能由于实际与模型的偏差而与期望的值不同。在这种情况下，通过调节回路实现对加热功率的指引的校正，以便能够回到基准温度Tr上。控制装置与调节装置的组合的优点在于，实际测量的表面温度Ti偏移得较慢并且能够形成具有较小耗费的调节装置作为稳定的调节回路，其相对于变化表现得较稳定。
按照组合变型方案的一种有利的设计方案可以规定，为了校正加热功率的降低速度，预设校正区间。校正区间理解为只允许在一定程度内进行校正的参数窗口。校正区间例如可以处于当前加热功率的+/-20％的范围内。备选地，也可以通过绝对值说明校正区间，加热功率在一定时间范围内最多提高或者降低所述绝对值的量。
此外有利的是，通过测量来自工件表面的热辐射，确定正在制造中的工件的表面温度Ti。在此，例如可以使用如之前已经详细阐述过的高温计或者热量摄像机。
所述技术问题按照本发明还通过本文开头所述的设备由此解决，即，所述设备具有用于加热装置的开环控制单元(Steuerungseinheit)，通过所述控制单元能够执行上述控制方法。备选地，也可以设置用于加热装置的闭环控制单元(Regelungseinheit)，通过所述闭环控制单元能够执行上述调节方法。另一备选方案规定，所述设备具有能够执行上述组合式控制和调节方法的用于加热装置的闭环控制单元和开环控制单元。按照本发明，所述设备用于执行上述方法之一，其中，通过执行所述方法实现已经阐述的优点。
以下根据附图描述本发明的其它细节。相同或者相应的附图元素分别配设有相同的附图标记并且只在单独附图之间存在区别时才多次阐述。在附图中：
图1示意性地以剖视图示出按照本发明的具有加热功率的实施调节装置的设备的一个实施例，在所述设备中执行按照本发明方法的一个实施例，
图2以剖视图示出按照本发明的具有实施控制装置的设备的另一实施例，在所述设备中执行按照本发明方法的一个实施例并且
图3示出用于加热装置的组合式控制和调节装置的框图，其可以安装在按照图1或者图2的设备中。
按照图1的设备具有过程室11，在所述过程室中设有用于容纳粉末床13的装置12。所述装置包含构造平台14，所述构造平台可以按照活塞的方式在装置12中逐层地下降，以便为粉末床13提供空间。所述装置由绝热件16包围，所述绝热件由多孔的材料、例如陶瓷制成。
为了形成粉末床13，设有粉末储存器17，通过所述粉末储存器借助刮刀18将粉末运输至粉末床13的表面。如果已经在粉末床上产生了新的一层粉末，则借助由激光19产生的能量束20使粉末局部地熔化，由此产生了正在形成中的构件21的新的一层。为此目的，能量束20通过转向光学器件22穿过窗口23输入到过程室11中。
为了调节正在形成中的构件21的温度，在构造平台14中设有形式为电阻加热装置的加热装置24。所述加热装置通过连接线路25供应电能，其中，通过连接线路25提供的加热功率通过闭环控制单元26确定。
作为指令参量将额定温度Tr传输至闭环控制单元26，所述额定温度用作正在形成中的构件21的表面上所应具有的温度的基准值。所述额定温度Tr的维持通过形式为热量摄像机或者高温计的温度传感器27进行监测。所确定的表面温度(实际温度)Ti在熔融浴28外部进行测量，所述熔融浴通过能量束20在粉末床中或者在正在形成中的构件21的表面上产生。经测量的温度Ti的信号通过信号线路29传输至闭环控制单元26并且由此作为用于借助闭环控制单元26实现的调节回路的调节参量。干扰参量主要理解为通过能量束20引入构件21中的加热功率。与通过能量束20的附加加热相关地，通过闭环控制单元26撤回或者说减小加热功率，其中，加热功率在调节回路中是调节变量。
按照图1的设备可以用于激光熔融或者激光烧结。取代激光19，也可以使用产生电子束的装置，其中，所述设备在这种情况下设计用于电子束熔融(未显示)。而按照图2的设备适用于激光堆焊。为此目的设有施放头30，其可以借助翻转臂31在构造平台14上方定位。以此方式在构造平台14上逐层地形成构件21，其中，在施放头30中一方面安装有未进一步显示的用于产生能量束20的激光器和粉末输送器。借助所述粉末输送器将粉末32直接运输至能量束20的照射部位并且使粉末在正在形成中的构件21的表面上熔化。
为了调整正在形成中的构件21的表面上的温度，设有开环控制单元33。借助所述开环控制单元控制加热装置24的连接线路25，从而可以调节加热装置24的加热功率。作为输入参量，将基准温度(额定温度)Tr传输至开环控制单元中。在所述开环控制单元中保存有数学模型，借助所述数学模型可以确定在正在形成中的构件的当前相应表面(指的是在其上借助能量束20使粉末32熔化的表面)上的温度变化。这与构造平台14的下降行程z相关地进行。例如，对于控制装置不干涉的假设情况，可以假设在构件表面上的温度线性地增加，其中，在制造第一层时具有起始温度T0，并且在制造最后一层时具有温度T1，所述温度借助以上说明的计算公式确定。然而，为了使正在形成中的构件21的表面保持恒定，在制造构件过程中线性地复原加热装置24上的加热功率。
在施放头30上还设有温度传感器27，所述温度传感器不由开环控制单元33使用。但借助温度传感器27可以实现按照图1的调节。也可以实现的是，在按照图1的设备中设置按照图2的开环控制单元。最后也可以实现的是，在按照图1和图2的两个设备中实施按照图3的组合式控制和调节。
按照图3示出用于组合式控制和调节的框图。因此，既使用开环控制单元33也使用闭环控制单元26。开环控制单元33和闭环控制单元26均使用基准温度Tr作为输入信号，所述基准温度应存在于构件的正在制造的表面上。闭环控制单元26还接收针对实际存在于表面上的表面温度(实际温度)Ti的信号，所述实际温度通过未显示的温度传感器确定。开环控制单元33和闭环控制单元26产生用于加热功率的值作为输出信号，加热装置24应当以所述加热功率运行。所述值作为输入参量进一步传输至控制模块34，其中，控制模块34为连接线路25提供所需的加热功率。
因此，在控制模块34中处理控制装置的控制信号35和调节装置的调节信号36并且由此计算所需的加热功率。只要实际温度Ti与所要求的温度Tr一致，则只考虑控制信号35。一旦Tr和Ti不同，则基于调节信号36计算加热功率的校正值，加热装置24在之后以所述校正值运行。为此目的，也由控制模块34处理信号Tr和Ti。
在按照图3的视图中，控制、调节和为加热装置24提供加热功率的功能被分配到开环控制单元33、闭环控制单元25和控制模块34上。这主要是为了直观性和功能性的阐述。在实际中，这些组件当然也可以整合在一个功能单元中。在此例如可以指的是计算机，所述计算机确保所有功能性并且在此考虑所述的输入参量和输出参量。

Claims (14)

1.一种用于在构造平台(14)上生成式地制造构件(21)的方法，
-其中，将构造材料的颗粒逐层地首先施加在构造平台(14)上并且随即施加在正在形成中的构件(21)上并且通过能量束(20)固化，
-其中，构造平台配有加热装置(24)，并且通过构造平台(14)加热正在形成中的构件(21)，
其特征在于，
通过构造平台(14)将正在形成中的构件(21)的第一层加热到这样的温度水平，所述温度水平至少相当于计算出的或者通过试验确定的对在不使用加热装置(24)的情况下制成的构件的最上层的加热，并且
定义用于分别被制造的层的基准温度Tr和用于基准温度Tr的公差范围，并且在持续进行的方法中以这样的程度降低加热装置(24)的加热功率，使得在相应最后制造的层中维持用于基准温度Tr的公差范围。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了降低加热功率，使用控制装置，所述控制装置考虑能量束(20)的固化功率Ps和构件(21)的导热性能作为用于降低加热装置(24)的加热功率的输入参量。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，由能量束(20)的额定功率计算所述固化功率Ps，其中，考虑被颗粒反射的能量额作为损耗功率。
4.按权利要求2所述的方法，其特征在于，由能量束(20)的额定功率计算所述固化功率Ps，其中，将能量束的关断时间区间作为固化功率相对于额定功率的降低进行考虑。
5.按权利要求2所述的方法，其特征在于，考虑以构件的热阻Rth或者导热值的形式的导热性能。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，对所制成的构件的最上层的加热按照以下模型计算：
T1＝T0+Rth·Ps
其中，T1是所制成的构件的温度，T0是未加热的构造平台的原始温度，Rth是所制成的构件中的热阻并且Ps是能量束的固化功率。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了降低加热功率，使用调节装置，所述调节装置考虑正在制造中的工件的经测量的表面温度Ti作为用于降低加热装置(24)的加热功率的调节参量，其中，测量
-在通过能量束产生的熔融浴(28)外部或者
-在能量束(20)的关断时间区间期间进行。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，通过测量来自工件表面的热辐射，确定正在制造中的工件的表面温度Ti。
9.按权利要求2至6之一所述的方法，其特征在于，附加地使用调节装置，所述调节装置考虑正在制造中的工件的经测量的表面温度Ti作为调节参量，其中，测量
-在通过能量束产生的熔融浴(28)外部或者
-在能量束(20)的关断时间区间期间进行，
并且当经测量的表面温度Ti与基准温度Tr不一致时，则对通过控制装置预设的加热功率的降低速度进行校正。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，为了校正加热功率的降低速度，预设加热功率的校正区间。
11.按权利要求9所述的方法，其特征在于，为了校正加热功率的降低速度，预设加热功率的+/-20％的校正区间。
12.按权利要求9所述的方法，其特征在于，正在制造中的工件的表面温度Ti是通过测量来自工件表面的热辐射确定的。
13.一种用于逐层地生成式地制造构件(21)的设备，具有用于待制造的构件(21)的构造平台(14)，其中，所述构造平台(14)配有加热装置(24)，
其特征在于，
所述设备具有用于加热装置(24)的开环控制单元(33)，通过所述开环控制单元能够执行按权利要求2至6之一所述的方法，或者所述设备具有用于加热装置(24)的闭环控制单元(26)，通过所述闭环控制单元能够执行按权利要求7或8所述的方法。
14.一种用于逐层地生成式地制造构件(21)的设备，具有用于待制造的构件(21)的构造平台(14)，其中，所述构造平台(14)配有加热装置(24)，
其特征在于，
所述设备具有能够执行按权利要求9至12之一所述的方法的用于加热装置(24)的闭环控制单元(26)和开环控制单元(33)。
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