CN111712340A - 用于选择性照射材料层的方法、制造方法和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在增材制造中选择性照射材料层(S)的方法，该方法包括：提供预先确定的部件几何结构(B)，该部件几何结构(B)包含待增材制造的部件(B)的各个层(S)的几何信息；以及在用于制造部件(B)的待构造的层(S)的多个表面区域(1FB、2FB)中分层建立照射图案(BM)，其中该照射图案(BM)在每个表面区域(FB)中包括多个照射矢量(V)；以及当在第一区域(1FB)中低于预先定义的照射矢量长度(Lm)时，延长该层(S)的与第一区域(1FB)相邻的第二区域(2FB)中的多个照射矢量，直至部件轮廓(10)。

Description

用于选择性照射材料层的方法、制造方法和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于在增材制造中选择性照射材料层的方法、一种相应的增材制造方法、一种使用这样的制造方法制造的部件、以及一种相应的计算机程序产品。
背景技术
用于选择性照射的方法可以表示或包括CAM(计算机辅助制造)方法。
部件优选表示被用于流体机械的部件，优选是被用于燃气涡轮机的热气路径的零件。对应地，该部件优选地由镍基超合金或钴基超合金组成或包括镍基超合金或钴基超合金。另外，合金可以是沉淀硬化或分散硬化的。
适合于所描述的部件的生成制造方法或增材制造方法包括例如作为粉末床方法的选择性激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)。
用于选择性激光熔化的方法例如根据EP 2 601 006 B1已知。
增材制造方法被证明对于复杂设计的部件、繁杂设计的部件、或掐丝设计的部件(例如，迷宫式结构、冷却结构、和/或轻质结构)特别有利。
特别地，增材制造由于特别短的加工步骤链是有利的，因为可以在相应的CAD文件的基础上进行部件的制造或构造步骤。
通常例如借助于这样的CAD文件来定义或提供部件几何结构，并且在计算机辅助制造方法的范围内，该几何结构被细分为各个层(切片)。为了对用于部件的最终(物理)制造例如可以由粉末形式的基础材料构成的这些层进行选择性固化，则为每个待固化的部件层建立具有单独照射矢量的照射图案。优选地，这同样例如借助于CAM方法在计算机辅助下进行。
在后续制造中，根据所期望的几何分辨率，部件的设计模型所细分成的层厚度可以小于100μm，例如从40μm至60μm。相应地，层的数目以及要建立的照射图案或照射轨迹的数目较高。方便地，仅在待固化的层的实际上要固化的横向区域或表面区域中建立照射图案。表面区域可以表示部件层的层平面中的虚拟区域或建模区域，或者在把部件的物理构造考虑在内的情况下，也可以表示如在粉末床的平面图中所看到的区域。
可以例如根据期望的部件几何结构选择性地借助于电子束或激光束进行照射，其中粉末首先在待固化的表面区域中熔化，然后凝固或固化，以便制造部件的结构。
对于为部件的实际物理增材制造准备的CAM方法，优选地布置照射路径(照射图案)，使得可以扫描粉末层并且例如在整个表面上熔化粉末层。为此，待固化的层优选地被细分为多个上述表面元件或表面区域，例如条纹或棋盘状的表面或表面分段。
优选地，建立照射图案，使得能量束(电子束或激光)随后可以在层上以曲折形状进行引导或扫描。对于这种照射，因此建立例如形成照射图案的曲折照射矢量。
在基于粉末床的工艺期间使用能量束对层进行照射之后，通常相对于构造板旋转照射图案，以便防止部件中的结构缺陷，结构缺陷例如由于激光路径直接布置在彼此上方而形成，并且以便在部件中生成更均匀的配置。同时，这意味着对照射图案进行分层调整或必须进行分层调整，并且照射矢量的长度可能在层与层之间变化很大。由于这种情况而更加严重发生的一个问题是由照射矢量(扫描矢量)太短而导致的局部过热。该过热优先发生在层边缘或层侧面处，或发生在层的轮廓高度弯曲的层的其他区域处。
导致在制造期间发生过热的原因在于，长度太短的照射矢量使得能量束在特定表面区域中在短时间内经常在相同或相邻的表面区域上通过，并且使得热量从未从这个区域充分消散。换句话说，在照射图案的照射矢量太短的情况下，在照射期间通过能量束引入到粉末床中的辐射功率或能量密度(每单位时间)可能太大。
尤其是对于由易受热裂纹影响的高性能材料(例如，超合金)构造部件零件而言，上述过热可能会导致结构缺陷无法修复。另外，在该工艺期间，这些过高的温度暴露可能导致部件的边缘区域的变形(掀起)和应力，这还可能导致确保粉末或基础材料的层涂覆的涂布工具在制造期间与该边缘区域碰撞。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种避免工艺中的上述过热的手段，从而可以改善部件质量，提高尺寸精度，使部件的配置更均匀，还增加工艺可靠性。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求涉及有利的实施例。
本发明的一个方面涉及一种用于在增材制造或构造部件时选择性照射材料层的方法。材料层可以由粉末形式或液体形式的基础材料构成。
该方法包括：提供或读取预先确定的部件几何结构，例如部件的设计文件(CAD)或3D扫描。部件几何结构包含待增材制造的部件的各个层的几何信息。
该方法还包括：在用于部件的待构造的层的多个表面区域(例如条纹状区域或棋盘状区域)中分层建立照射图案，其中该照射图案在每个表面区域中包括多个照射矢量，并且其中当在第一表面区域中低于(预先)定义的照射矢量长度时，例如给定照射矢量或当前照射矢量低于(预先)定义的照射矢量长度时，延长该层的与第一表面区域相邻的第二表面区域中的照射矢量，直至部件轮廓。
优选地，前述第二表面区域中的照射矢量以第一表面区域中的照射矢量的长度的“代价”延长。
优选地，第一表面区域中的前述照射矢量的长度小于预先定义的照射矢量长度的原因在于，该第一表面区域表示部件层的边缘或侧面。部件轮廓可以例如相应地表示部件几何结构的边缘或层的边缘。
预先定义的照射矢量长度可以是最小照射矢量长度，即，在该工艺期间预期该层的过量破坏性过热所低于的最小照射矢量长度。
换句话说，当例如当前要建立的矢量(实际矢量)低于预先定义的照射矢量长度的值时，相邻第二表面区域的照射矢量优选地延长到原来的第一表面区域。
在本发明的范围内，在计算机辅助下，以数据为基础对照射矢量进行延长，使得最终在部件的制造期间，照射矢量的长度不再太短，也不再导致过热。
该方法可以描述CAM范围内的自适应计算机辅助测量，该自适应计算机辅助测量建立照射矢量，使得照射矢量(例如经验的或借助估计的结果、计算的结果和/或模拟的结果)长度最小，从而当应用于实际制造工艺中时，避免了所描述的问题。
通过所描述的解决方案，可以解决增材制造目前在其工业化和可再现性方面所具有的主要难题。因此，本发明所规定的措施意味着关键改进，其特别是直接在构造工艺的准备期间，显著改善了部件的材料特性和结构特性。
在一个实施例中，第二表面区域中的照射矢量在整个表面进行延长，直至部件轮廓，以便防止在第一表面区域中太短的照射矢量所模拟、估计和/或计算的局部过热。例如，上述估计或计算可以在借助于仿真进行，该仿真把热量输入到粉末床或部件和/或部件的结构特性考虑在内。
在一个实施例中，借助于CAM方法，在计算机辅助下进行分层建立。
在一个实施例中，建立并存储用于待增材制造的部件的所有层的照射图案。这种配置有利地使得在部件中发生了结构缺陷的情况下，随后可以得出关于所选择或建立的照射策略(照射图案)的结论。另外，该实施例可以有助于生成或开发出部件的“数字孪生”。
在一个实施例中，在公共数据集中，分层提供和/或链接用于部件的照射图案的信息和部件的各个层的几何信息。公共数据集可以例如是xml格式、amf文件(.amf)、类似格式、或另一CAM数据集，除了几何信息(设计信息)外，该公共数据集还包含例如有关选定照射参数(诸如扫描速度或照射速度、激光功率、印刷线、条纹或“填充”距离和/或条纹宽度)的信息。借助于这些参数，例如可以在所述实施例的范围内调整、计算和存储每个时间间隔引入到粉末材料和/或固化层中的辐射功率或辐射能量。
本发明的另一方面涉及一种增材制造方法，其包括所描述的用于选择性照射的方法，其中该选择性照射借助于激光或电子束进行。
在一个实施例中，材料层是粉末层。
在一个实施例中，粉末层的材料由镍基超合金或钴基超合金构成，特别是由硬化的镍基超合金或钴基超合金构成。
在一个实施例中，该部件是要在流体机械的热气路径中使用的零件。
本发明的另一方面涉及一种通过所描述的增材制造方法制造或可制造的部件，还包括：与根据现有技术制造的部件相比，尺寸精度例如提高了50％至100％。尺寸精度或尺寸精度公差可以例如表示部件的最大允许尺寸与最小允许尺寸(其沿着任意延伸测量)之间的差或距离。在这种意义上，相对于给定尺寸精度提高的公差可以表示例如公差距离的减小。在当前情况下，尺寸精度或尺寸精度公差提高100％意在例如表示公差距离减半。
另外，相对于已知部件，该部件优选地在诸如热裂纹之类的结构缺陷方面使结构更均匀和/或改善了材料结构，对应地改善了材料特性。
本发明的另一方面涉及一种包括指令的计算机程序或计算机程序产品，当该程序由计算机或数据处理设备执行时，该指令使得计算机执行对照射图案的分层建立。
本文中与用于选择性照射的方法和/或计算机程序产品有关的配置、特征和/或优点也可以适用于增材制造方法和/或部件，反之亦然。
附图说明
下文，借助于附图对本发明的更多细节进行描述。
图1示出了待增材构造的部件的材料层的示意图以及将该材料层细分为条纹状表面区域。
图2示出了图1的细节视图和示例性照射图案。
图3示出了指示了更多信息的与图1或图2类似的图示。
图4借助于与先前附图相似的图示示出了本文中所描述的问题的根据本发明的解决方案。
图5借助于示意性流程图示出了根据本发明的方法步骤。
图6借助于示意性侧视图示出了部件的增材制造工艺。
具体实施方式
在示例性实施例和附图中，相同或具有相同效果的元件可以分别设有相同的附图标记。所表示的元件及其相对于彼此的大小比例原则上不应视为与真实情况成比例。相反，为了更好的可视性和/或更好的可理解性，可能夸大加粗表示单个元件或放大其尺寸。
图1以平面图示出了部件或部件的一部分。部件或部件的设计模型(CAD文件)由附图标记B表示。部件B表示为圆形的部分还可以表示部件(例如在其增材制造期间)或其建模层的横截面视图。
优选地，该部件是用于流体机械(例如燃气轮机)的热气路径的零件。特别地，该部件可以是转子叶片或导向轮叶、分段或环形分段、燃烧器部分或燃烧器尖端、框架、护罩、喷嘴、密封件、过滤器、开口或喷枪、谐振器、螺旋桨或紊流器、或对应结点、插件或对应改装件。
尽管在所描述的附图中部件B通常被表示为至少是圆形或圆柱形的，但是该部件可以具有任何期望的预先定义的几何结构，特别是甚至是特别繁杂的几何结构或掐丝的几何结构。
为了制造相应的部件，在增材工艺中，经常使用选择性激光熔化或电子束熔化，其中基于在粉末床上建立的照射图案，选择性地引导能量束，以便根据预先确定的几何结构来制造部件B的期望结构。
在图6中，本文中描述了在预备CAM工艺步骤之后，部件B在构造平台20上最终通过粉末床P的选择性照射来构造。该照射借助于激光或由照射设备30发射的电子束进行，优选地分层进行(参见图6中的层S)。
部件B具有部件轮廓10。部件轮廓10仅表示部件的边缘。然而，与附图所示不同，该边缘或该轮廓可以是内层轮廓，例如还可以是空腔的轮廓。
在图1的图示中，部件B的层被覆盖有条纹图案(条纹的垂直分离直线未明确标记)，条纹图案具有条纹宽度1。条纹图案的每个条纹优选地表示表面区域(参见图3和图4)，在该表面区域中，可以建立用于增材制造部件的照射图案(参见图2)。在本文中，条纹宽度由附图标记1表示。
作为条纹图案的补充或备选，可以提供表面区域的棋盘细分(同样参见图1和图2中的实线和虚线)。
前述细分为表面段或表面区域例如借助于CAM方法以数据为基础在计算机辅助下来进行。
在条纹状照射或照明期间，优选地在改变到下一条纹之前，根据先前建立的照射图案首先例如从上到下地照射整个条纹。相反地，在棋盘状照射过程的情况下，各个棋盘表面例如可以依次随机建立以供照射。
图2示出了图1的左下区域的放大图。图2的右上方示出了部件B和部件轮廓10。
通过示例，为了在部件B外部更清楚，示出了具有条纹间距1的条纹，在本文中，该条纹表示定义或建立了照射图案BM的表面区域FB(参见图3和图4)。虚线指示还可以以棋盘方式而非条纹方式使用能量束(参见图6)照射或扫描要照射的表面。
图2中所示的直箭头表示上级照射方向，根据该上级照射方向，能量束可以引导到粉末床上方，如部件B的几何结构所更进一步指定的。
为了简单起见，图1至图4中未示出粉末床。然而，优选地，部件B的区域可以表示粉末床的被照射以用于增材制造部件的区域。
对于每个条纹状表面区域(参见图3)，照射图案BM优选地由曲折照射矢量V组成。换句话说，“曲折几何结构”可以调制到上级照射方向上(参见图2中的直箭头)。
另外，从图2中可以看出，相邻条纹或表面区域的照射矢量V在条纹重叠或重叠区域2中的条纹的边缘处重叠，使得实际上对粉末床的整个表面进行照射，因此该粉末床可以根据部件的几何结构进行固化，并且例如结构区域不会保持处于粉末状态或多孔状态。在这种情况下，附图标记3所标记的位置表示能量束的中点路径(本文中未明确标记)。
由于条纹的重叠，所以在第二条纹的照射期间(参见中心直箭头)，再次通过能量束熔化与相邻的先前被照射的第一条纹(参见左侧直箭头)重叠的那些区域。同样，这会对所得材料结构产生积极影响。
以类似于图1和图2的方式，图3示出了两个部件区域或部件层B，其在所表示的平面图中未连接在要固化的层上。这两个几何结构仅通过示例以圆形轮廓10表示。
在本文中，图1至图3可以优选地描述现有技术的情况，其中尚未实施根据本发明的解决方案。特别地，在图3的上部区域中可以看出，部件层B仅略微突出超过左边缘和右边缘处的条纹边界。这些区域在本文中由附图标记1FB表示为第一表面区域。现在，在这些区域中，同样通过计算机辅助方法(CAM方法)来构成和建立照射矢量V，以为增材制造工艺做准备(参见图3右上角的第一表面区域的放大段)。
这些第一表面区域1FB在本文中被布置为与部件B的第二表面区域2FB相邻。
在本文中，照射矢量V优选地意指照射图案BM的每个段，其直接垂直于条纹延伸，即，沿着直接条纹间距1延伸。
每个单独的照射矢量V以及第一表面区域1FB的照射矢量V的相应地仅建立在部件轮廓10的内部。另外，第一表面区域1FB的每个照射矢量V仅包括最大照射矢量长度为Lm的矢量V，该最大照射矢量长度小于条纹间距1。同样，图3右上角的放大段可以看到具有矢量V的弯曲照射图案。
因此，如上所述，由于激光或电子束在给定时间内更频繁地扫描该局部受限段并且在能量束的熔池或热影响区域一直处于第二表面区域2FB中，所以在照射期间向这些区域输入的热量更多。这导致诸如材料结构不足之类的上述缺点，并且导致部件B与涂布机(本文中未明确示出)的可能碰撞。
在图3右上角的放大段中，还表示了预先定义的照射矢量长度和/或最小的照射矢量长度Ld，例如可以在所描述的CAM方法期间对该预先定义的照射矢量长度和/或最小的照射矢量长度Ld进行估计、模拟和/或计算，优选地，该预先定义的照射矢量长度和/或最小的照射矢量长度Ld与至少必须根据其对部件B进行扫描或照射的照射矢量长度相对应，使得输入到部件B的结构中的能量不会很多。照射矢量长度Ld例如可以介于50μm和200μm之间。
现在，图4示出了本文中所描述的根据本发明的方法如何通过对照射图案BM的照射矢量V进行对应处理来避免第二表面区域中的局部过热。在图4中，不再指示部件B的根据图3的对应的带有不同阴影线的第一表面区域FB与部件轮廓B、10重叠。相反，图4通过条纹边界或条纹分离线的圆形轮廓指示第二表面区域2FB已经以第一表面区域1FB为代价得以增加，因为照射图案BM的照射矢量V已经增加到长度Lv(参见双箭头)。这防止了上述缺点并且解决了本发明的问题。由于实际上图2中第二表面区域的照射矢量V现在大于条纹间距1，所以不再发生部件的(分层)增材制造期间的过热问题。
已经例如通过选择性激光熔化方法(参见图6)例如基于上文在图4中所建立的照射图案BM来加成构造的部件现在包括例如与根据现有技术制造的部件相比得以改进的材料结构，尤其是例如针对超合金中的γ或γ'析出物，硬度、强度或热裂纹敏感性得以改进，和/或更均匀的或更有利的相位配置。
优选地，以这种方式制造的部件的特征还在于(与现有技术相反)提高了尺寸精度或尺寸精度公差，优选地尺寸精度提高了50％至100％。
图5借助于示意性流程图表示根据本发明的方法。前述方法优选地是一种用于在增材制造中选择性照射材料层的方法。
该方法包括：在方法步骤a)中，提供预先确定的部件几何结构B，该预先确定的部件几何结构B包含待增材制造的部件B的各个层S(参见图6)的几何信息。例如，这可以通过将CAD文件例如读取到相应的增材制造设备或相应的数据处理设备或计算机中来进行。
该方法还包括：在方法步骤b)中，在用于制造部件B的待构造的层S的多个表面区域中分层建立照射图案BM(如上所述)，其中该照射图案BM在每个表面区域中包括多个照射矢量V。
方法步骤aa)指示：当在第一表面区域1FB中低于给定矢量的(预先)定义的照射矢量长度Ld时，延长层S的一个或多个第二表面区域或区域2FB中的长度为Lm的照射矢量，直至部件轮廓10(参见图4)。
该方法还包括：在方法步骤c)中，针对部件B的所有层S或(例如由于期望和定义的几何结构)易受结构缺陷或过热影响的部件B的所有层，建立和存储照射图案BM。
该方法还包括：在方法步骤d)中，在公共数据集中，分层链接和/或提供用于部件B的照射图案BM的信息以及部件的各个层的几何信息(CAD)，例如以STL、AMF或G代码格式。
本发明不限于借助于实施例进行的描述，相反，本发明包括任何新特征和特征的任何组合。这尤其包括权利要求中特征的任何组合，即使该特征或该组合本身没有在权利要求或实施例中特别指出。

Claims (8)

1.一种用于在增材制造中选择性照射材料层(S)的方法，包括以下步骤：
-a)提供一个预先确定的部件几何结构(B)，所述部件几何结构(B)包含待增材制造的一个部件(B)的各个层(S)的几何信息；
-b)在用于制造所述部件(B)的一个待构造的层(S)的多个表面区域(1FB、2FB)中分层建立一个照射图案(BM)，其中所述照射图案(BM)在每个表面区域(FB)中包括多个照射矢量(V)，其中所述分层建立借助于一种CAM方法在计算机辅助下进行；以及
-aa)当在一个第一表面区域(1FB)中低于一个预先定义的照射矢量长度(Lm)时，延长所述层(S)的与所述第一表面区域(1FB)相邻的一个第二表面区域(2FB)中的多个照射矢量，直至一个部件轮廓(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二表面区域(2FB)中的所述多个照射矢量(V)被延长，直至所述部件轮廓(10)，以便防止通过在所述第一表面区域(1FB)中太短的多个照射矢量(Lm)所估计或计算的局部过热。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中建立并存储(c))用于待增材制造的所述部件(B)的所有层(S)的照射图案(BM)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在一个公共数据集(d))中，用于所述部件(B)的所述照射图案(BM)的信息和所述部件(B)的各个层(S)的所述几何信息被分层提供。
5.一种增材制造方法，包括根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述选择性照射借助于激光或电子束进行，并且所述材料层(S)是一个粉末层(P)。
6.根据权利要求5所述的增材制造方法，其中所述粉末层是一种镍基超合金或钴基超合金，特别是硬化的镍基超合金或钴基超合金，并且所述部件是要用于流体机械的热气路径的零件。
7.一种通过根据权利要求5或6所述的方法制造或可制造的部件，还包括：与根据现有技术制造的部件相比，尺寸精度提高了50％至100％。
8.一种计算机程序产品，包括多个指令，当所述程序由一个计算机执行时，所述多个指令使得所述计算机根据权利要求1来执行对照射图案(b)的分层建立。
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