CN112203858A - 加热构件材料的设备、增材制造设施和增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于选择性地加热用于增材地、尤其是基于粉末床制造构件(10)的构件材料(P)的设备(300)。所述设备包括：具有尤其感应式的加热头(L)的平台(200)；和悬架(201)，所述悬架承载平台(200)，并且所述悬架构成为，使平台(200)受控制地沿着三个垂直的空间方向(X，Y，Z)在增材制造设施(100)的构建空间(AR)内运动。此外提出一种增材制造设施(100)和一种用于增材制造的相应的方法，所述增材制造设施包括所述设备(300)。

Description

加热构件材料的设备、增材制造设施和增材制造的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在增材制造时尤其选择性地加热或预加热构件材料的设备。所述构件材料优选是用于以基于粉末床的方式增材制造构件的粉末材料。此外提出一种增材制造设施，所述增材制造设施包括所述设备，以及提出一种用于增材制造构件的方法。
背景技术
构件优选设为用于在流体机械中，优选在燃气轮机的热气路径中使用。所述构件优选由镍基或钴基的超合金构成。所述合金能够是沉淀硬化的或可沉淀硬化。
现代燃气轮机是持续改进的主题，以便提升其效率。然而，这此外引起在热气路径中的越来越高的温度。最近，用于转子叶片的金属材料，尤其在第一级中，关于其强度、蠕变特性和相对于热机械疲劳的耐抗性方面得以改进。
生成式制造或增材制造由于其对于工业的颠覆性潜力对于批量制造上述涡轮机组件，例如涡轮机叶片或燃烧器组件而言也变得越来越感兴趣。
增材制造方法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)。
例如从EP 2 601 006 B1中已知一种用于选择性激光熔化的方法。
增材生产方法(英语：“additive manufacturing”)此外证明为对于复杂或细丝设计的构件，例如迷宫式结构、冷却和/或轻型结构是特别有利的。尤其通过特别短的工艺步骤链的增材生产是有利的，因为构件的制造或生产步骤能够几乎仅基于相应的CAD文件和选择相应的生产参数来进行。
但是为了在基于粉末床的增材生产或“3D打印”期间无缺陷地或低缺陷地加工金属，尤其是y’-硬化的镍基超合金，通常需要将要构造的结构预加热至明显高于1000℃。
类似的方法从常规生产中已知(参见关键字为“Hot Box Welding，热芯盒焊接”或“Sweat-Welding，熔焊”的技术)。经由构造平台对构件材料或初始粉末的预加热由于粉末状材料的差的热传导然而例如不足以，在整个构造高度上实现相应的预加热或充分的加热。
例如在WO 2013/152751 A1中描述了局部作用的“感应加热”的应用，在那里提出交叉设置的线圈的***。然而，如果所述***以预加热模块的形式集成到现有的增材制造设施中，例如集成到SLM设施中，则该***需要大量空间，进而严重限制可用的构造空间和或相应的构建面。同样地，所述***在施加新的粉末层时始终必须再次移回到一种“停车位置”中，以便不与覆层装置发生碰撞。
发明内容
因此，本发明的目的是，提出一种解决上述问题的机构。尤其提出一种设备，所述设备能够实现以简单的和智能的方式选择性地或局部地对构件材料进行感应加热。该解决方案同样包括所述设备的运行，所述运行例如在增材制造设施中实施。
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设备，所述设备用于尤其选择性地加热或预加热用于增材地、尤其是基于粉末床制造构件的构件材料。所述设备包括具有尤其感应式的加热头的平台。通过所述机构能够特别适宜地实现高的预加热温度。
所述设备还包括悬架，所述悬架承载或保持所述平台，并且所述悬架构成为，使平台例如以受监控或受控制的方式沿着三个垂直的空间方向在增材制造设施的构建空间内运动。与已经在现有技术中描述的解决方案相反地，通过悬架的设计方案也能够实现使平台沿着竖直的空间Z轴在构建空间内有针对性地或受控制地运动。
与已经已知的解决方案相比，所提出的解决方案的优点例如涉及在加工地点进行局部和密集预加热的可能性，即通过激光或电子束“在原位”进行的真正的局部熔化工艺。所提及的加工地点因此能够表示在构件材料中通过能量束引起的(可运动的)熔池。
另一优点涉及平台的灵活的三维定位的简单的可能性，优选在构造空间内且在构造平台上方的每个任意地点。所述设备有利地仅占用在构造区内的少量空间。因为平台也能够经由所提供的设备沿着竖直的时间轴运动，因此尤其增材制造设施在X和Y方向上的空间需求不受限制。
此外，能够经由所述设备或平台(在原位)在加工地点或选择性固化构件材料的地点设立反应气氛，所述反应气氛对要制造的构件的结构特性或机械特性产生有利影响(参见下文)。
在一个设计方案中，所述加热头包括尤其水冷的感应线圈，所述感应线圈尤其能够经由高频发生器，例如所述设备的高频发生器运行和/或调控，并且所述感应线圈构成为，将构件材料局部地加热至位于800℃和1200℃之间的温度，尤其是1000℃或更高的温度，或者对于真正的增材构建工艺预加热，意即置于适合的预加热温度。通过预加热尤其能够防止在熔池的地点或其附近的高的温度梯度，所述高的温度梯度例如在没有相应加热的情况下能够超过1000K/s。由此，此外有利地限制或减少产生裂纹中心或热裂纹。
在一个设计方案中，所述悬架包括四个执行器，所述执行器是单独操控的并且能够均匀地、例如以正方形设置的方式安置在构建空间中。所述执行器优选分别灵活地构造，以便能够实现所述平台沿着三个相互垂直的空间方向的可运动性。
在一个设计方案中，所述执行器分别灵活地构造。
在一个设计方案中，所述执行器分别经由传动装置、滑车组、伸缩臂、气动和/或液压机构来操控。通过所述设计方案，所述执行器优选能够特别简单地灵活地构造。
在一个设计方案中，所述设备包括温度测量仪，例如红外相机或高温计，所述温度测量仪设置和构成为——例如在构建面的俯视图中观察——测量和/或调控或监控所述构件材料的和在构建面上的温度。通过所述设计方案，能够有利地监视和调控加热头进而构件材料的预加热温度。
在一个设计方案中，所述设备包括保护气体引导装置，所述保护气体引导装置耦联到所述平台上并且构成为，在增材制造构件期间将保护气体，例如惰性气体层状地或平行地引导到构件材料上方和/或垂直地引导到构件材料上。将保护气体垂直地引导到构件材料上例如能够经由保护气体引导装置或相应的气体出口的喷头状设置来实现。通过将保护气体引导装置耦联到平台上，能够有利地实现：保护气体能够局部地在构件材料的如下区域处引导或引导到构件材料的如下区域中，该区域当前刚好熔化和/或具有强烈的腐蚀或氧化倾向。
本发明的另一方面涉及一种增材制造设施，所述增材制造设施包括所描述的设备。所述制造设施优选还包括覆层设备和辐照设备，如在已知的增材制造设施中那样。然而，所述设备例如沿着相应的构件的构建方向观察在构建面上方设置在所述设施中。
本发明的另一方面涉及一种用于构件的预加热和/或增材制造的方法，优选是粉末床方法，所述方法包括借助覆层设备将构件材料的层涂覆在构建面上。
该方法还包括平台朝向构建面的要辐照的区域的方向降低或接近。
该方法还包括借助于所述设备的加热头来加热要辐照的区域。
该方法还包括借助能量束来辐照所述区域，以根据构件的预定的几何形状来选择性地固化构件材料。
在一个设计方案中，该方法——在对所述区域进行辐照之后——包括，提升或升高构造平台离开辐照设备的作用区域，并且随后重复所描述的涂覆、降低、加热和/或辐照的步骤。
在一个设计方案中，所描述的加热和辐照的步骤至少部分地同时执行。
在一个设计方案中，对所述区域的辐照同步地，优选时间相同地和/或地点相同地，与加热一起进行，其中能量束在增材构建构件期间例如引导穿过所述设备的感应线圈的或所述加热头的孔眼(Auge)。
在一个设计方案中，将所述构件材料局部地加热到高于800℃的温度，优选为1000℃或更高的温度，特别优选为1200℃或更高的温度。
在一个设计方案中，将构件材料局部地加热到处于800℃和1200℃之间的温度，尤其是1000℃或更高的温度。
在一个设计方案中，所述构建材料是γ和/或γ'硬化的镍基的或钴基的超合金，并且所述构件是在燃气轮机的热气路径中使用或设置的组件。
在一个设计方案中，将所述构件材料在真正的增材构建之前例如通过选择性的激光熔化仅预加热。
当前涉及所述设备或所述增材制造设施的设计方案、特征和/或优点还能够涉及用于增材制造的方法，或者反之亦然。
在下文中借助实施例参照附图详细阐述本发明的其它特征、特性和优点。至今为止和在下文中描述的所有特征在此单独地和相互组合地是有利的。要理解的是，能够利用其它实施方式并且能够在结构上或逻辑上进行改变，而不会偏离本发明的保护范围。因此，下面的说明不应在限制性的意义上进行理解。
在此使用的表达“和/或”，当其在一系列两个或更多个元件中使用时表示：所列出的元件中的每个都能够单独使用，或者能够使用两个或更多个所列出的元件的任意组合。
附图说明
下面借助附图描述本发明的其它细节。
图1根据示意性剖视图示出构件的基于粉末状的增材制造工艺。
图2示出根据本发明的设备的简化的和示意性的立体图。
图3根据示意性流程图示出根据本发明的方法步骤。
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能够分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其相互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/或更好的理解，个别元件能够尺寸夸厚地或夸大地示出。
图1示出增材制造设施100。所述设施100优选是用于例如通过选择性激光熔化或电子束熔化从粉末床增材制造构件(参见附图标记10)的设备。所述设施100具有基层板11。在基层板或基板11上在其增材制造期间构建构件10，意即，优选也直接材料配合地连接或“焊接”。
所述构件优选是在流体机械的，例如燃气轮机的热气路径中使用的构件。尤其，所述构件能够表示转子叶片或导向叶片、区段或环段、燃烧器部件或燃烧器尖部、框架、屏蔽件、喷嘴、密封件、过滤器、通口或喷管、谐振器、冲头或涡流器，或相应的过渡部、插件或相应的改装件。
所述构件10优选在设施100的构建空间AR中构建。
所述构件10在图1中优选仅部分构建地示出，例如由构件材料P的仅两层S构建。
所述构件材料P能够是γ和/或γ'硬化的镍基的或钴基的超合金的粉末。
用于所述构件的层S的材料P的各个层优选经由覆层设备30涂覆，并且随后借助于能量束21选择性地熔化和固化，以构建所述构件10。所述能量束优选由辐照设备20发射，所述辐照设备例如为或包括电子束源或激光源。
在构建层S之后，将基层板11优选降低对应于层厚度S的量。随后，例如从在图1中在左侧示出的粉末储库开始，涂覆新的粉末层以构建所述构件10。
所述增材构建工艺优选在惰性或保护气体气氛中或至少在氧含量减少的气氛中执行，以便避免腐蚀、氧化或影响所述构件材料，即粉末P或最终制造的构件10的质量的其它影响。
在图1中没有明确标记相应的惰性气体引导装置或保护气体引导装置。然而，它们能够设置和构成为，在构建面AF上方引导惰性气体，例如此状地引导。
此外，在图1中示出相机，例如红外相机50，所述相机优选设置和构成为，测量和/或调控在构建面AF上的构建材料P的温度。
此外，在图1中已经示出根据本发明的平台200，例如设备300(参见图2的下部)的平台，经由所述平台能够对构件材料P进行有针对性的或选择性的加热。所述平台200能够经由悬架201(其同样参见图2的下部)支承和/或运动。
用于构件10的构建方向(未明确标记)在图1中对应于竖直指向上的方向。
图2示出设备300的细节或设施100的部分视图，所述设施包含设备300或者在所述设施中装入所述设备300，例如作为改装套件。在图2中，所述设备300设置在构建面AF上方。
所述设备300优选设为用于，选择性地加热或预加热用于增材地、尤其是基于粉末制造构件10的构件材料P。
如已经借助图1表明的，所述设备300包括平台200和悬架201，所述平台具有尤其感应式的加热头L，所述悬架承载所述平台200，并且所述悬架构成为，使所述平台200沿着三个垂直的空间方向X、Y、Z在构建空间AR内运动。因此，除了沿X或Y方向的横向运动之外，根据本发明的设备300还能够实现使所述平台200沿着Z轴竖直运动。
所述平台200例如能够构造为环形的，使得例如在增材制造构件10期间，所述能量束21能够引导穿过所述平台。
所述加热头L例如包括感应线圈，如高频线圈，所述感应线圈尤其能够经由高频发生器运行和/或调控，并且所述感应线圈构成为，将构建材料P局部地加热至高于800℃的，优选1000℃的，特别优选1200℃或更高的温度，例如在真正的增材构建之前(预)加热。
在一个设计方案中，将构建材料局部地加热到位于800℃和1200℃之间的范围中的温度，尤其是1000℃或更高的温度。
运行所描述的线圈或相应的发生器所处的频率例如在高频发生器的情况下能够为直至2000kHz，并且在中频发生器的情况下例如能够为直至200kHz。
替选地，所述加热头L能够具有用于加热的其它机构，例如辐射加热装置或在现有技术中已知的用于局部地选择性加热金属粉末的其它机构。
悬架201优选包括三个或四个执行器201。在图2中示例性地明确示出具有四个设置在构建空间AR的角部中的执行器201的一个设计方案。所述执行器201能够优选单独地操控，并且均匀地安置或固定在构建空间AR中，和/或被相应地操控或激活。
所述执行器201优选还能够灵活地构造，意即所述平台200经由相应地激活所述执行器201例如能够根据位于构建空间AR中的任意的(笛卡尔)坐标X、Y、Z设置或运动。这例如能够经由传动装置、滑车组、伸缩臂或气动和/或液压机构进行。例如可行的是，经由压缩空气或电操控的伸缩臂能够以协调和/或彼此配合和受控制的方式激活所述执行器。
所述设备300还具有保护气体引导装置或保护气体输送装置220。所述保护气体引导装置220优选构成为，在增材制造所述构建10期间将保护气体，例如惰性气体，如氩气或氦气或其它惰性气体层状地在构件材料P上方引导和/或垂直地引导到构件材料P上(参见在图2中在熔池SB的区域中的箭头)。
将保护气体垂直地引导到构件材料P上例如能够经由类似于喷头或沐浴头的气体引导装置来实现。
所述保护气体引导装置220尤其能够包括或为小型化的和/或内窥镜的保护气体喷嘴，并且由此尤其局部地用于在增材制造构件10期间在选择性地预加热或加热的区中降低氧含量。
尤其除了全局的或层状的保护气体引导装置之外，还能够设有所提及的保护气体喷嘴(未明确示出)，所述保护气体喷嘴在增材制造工艺中或在常规设施的构造空间中减少氧含量或部分压力。
所述设备300或所述设施100还能够具有相应的保护气体出口(未明确示出)。
在本发明中或在所介绍的设备300中，有利地，借助于高频线圈来进行预加热，所述高频线圈由平台200承载，悬挂在尤其四个执行器上。因此，所述线圈能够类似于蜘蛛网或纺织体悬挂在构造区或构建面AF上方并且通过相应地激活所述执行器201运动到构造空间AR内的每个XYZ位置中。
四个执行器201例如分别安置在构建空间AR的角部中并且全部接合到平台200中。
所述保护气体引导装置220，以及例如同样供电装置210，以及加热头或线圈L的控制装置和保护气体引导装置220或供电装置210的输送线路或供应装置同样能够安置在尤其环形的平台200上。所提及的输送线路优选同样灵活地构成，使得不产生平台200或加热头L的运动限制。
图3根据示意性的流程图示出根据本发明的方法的，尤其是用于运行所提及的设备300的方法的或增材制造方法的方法步骤。
所述方法包括：a)借助于覆层设备30将构件材料P的层S涂覆在构建面AF上。
所述方法还包括：b)朝向构建面AF的要辐照的区域B的方向降低或设置平台200。
在平台200的所提到的运动中，所述平台优选至少部分地沿着竖直轴(Z轴)向下运动，以便使所述平台或优选因此使所述加热头L朝向区域B的方向运动。
所述区域B优选描述下述区域，所述区域逐层地设为用于辐照，以用于增材构建所述构件10。据此，所述区域B能够横向地(在构建面AF的俯视图中观察)包括或包围熔池SB。所述区域B优选描述动态的或——在构建所述构件10期间——可移动的区域或相应的辐照轨迹。
所述方法还包括：c)借助于所述设备300的加热头L加热或预加热要辐照的区域B，优选加热或预加热包含区域B的较大的区域。
所述方法还包括：d)根据构件10的预定的几何形状借助能量束21辐照所述区域B。
根据一个设计方案，所述方法还包括：优选在辐照所述区域B之后(参见方法步骤d)和e)，将平台200从辐射设备30的作用区域中提升或升高。
所述作用区域优选描述在构建面AF上方不远处的区域，在该区域内所述辐照设备，尤其是刮板或刮刀横向地运动，即优选描述下述区域，所述区域在构建空间中仅占据小的竖直区域(在Z方向上的高度)。
显然，所提到的方法步骤能够在逐层地增材制造所述构件10期间根据随后的和仍需要的要构建的层的数量重复进行。
在该方法的一个设计方案中，所描述的加热(c))和辐照(d))的步骤至少部分地同时进行。这在图3中通过虚线的圆表示。
对所述区域B的辐照此外能够与加热同步地进行，其中例如在增材构建所述构件10期间将能量束21引导穿过所述感应线圈或加热头和/或所述设备300的孔眼(未明确示出)。这能够有利地实现与工作激光器(参见图1中的附图标记21)的同步运动，以构建所述构件10。
换言之，在制造所述构件10期间，能量束21在运行中能够始终通过感应线圈L的“孔眼”对准构建面AF上的区域B中的预定的位置。所述区域B优选是下述区域，所述区域在任何情况下通过加热头L加热。
本发明不由根据实施例进行的描述而局限于此，而是包括任意新特征以及特征的任意组合。这尤其包括权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身在权利要求或实施例中没有明确给出时也如此。

Claims (13)

1.一种用于选择性地加热用于增材地、尤其是基于粉末床制造构件(10)的构件材料(P)的设备(300)，所述设备包括：
-具有尤其感应式的加热头(L)的平台(200)，和
-悬架(201)，所述悬架承载所述平台(200)，并且所述悬架构成为，使所述平台(200)沿着三个垂直的空间方向(X、Y、Z)在增材制造设施(100)的构建空间(AR)内运动。
2.根据权利要求1所述的设备(300)，
其中所述加热头(L)包括感应线圈，所述感应线圈尤其能够经由高频发生器运行和/或调控，并且所述感应线圈构成为，将所述构建材料(P)局部地加热到位于800℃和1200℃之间的温度，尤其是1000℃或更高的温度。
3.根据权利要求1或2所述的设备(300)，
其中所述悬架包括四个执行器(201)，所述执行器(201)能够被单独地操控并且均匀地例如以正方形设置的方式安置在所述构建空间(AR)中。
4.根据权利要求3所述的设备(300)，
其中所述执行器(201)能够分别经由传动装置、滑车组、伸缩臂、气动地和/或液压地操控。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备(300)，
所述设备包括温度测量仪，例如红外相机或高温计，所述温度测量仪设置和构成为，测量和/或调控在构建面(AF)上的所述构件材料(P)的温度。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(300)，
所述设备包括保护气体引导装置(220)，所述保护气体引导装置耦联到所述平台(200)上，并且所述保护气体引导装置构成为，在增材制造所述构件(10)期间将保护气体，例如惰性气体层状地引导到所述构件材料(P)上方和/或垂直于地引导到所述构件材料(P)上。
7.一种增材制造设施(100)，所述增材制造设施包括根据上述权利要求中任一项所述的设备(300)，所述增材制造设施还包括覆层设备(30)和辐照设备(20)，并且其中所述设备(300)设置在构建面(AF)上方。
8.一种用于增材制造构件(10)的方法，所述方法包括下述步骤：
-a)借助覆层设备(30)将构件材料(P)的层(S)涂覆在构建面(AF)上，
-b)朝向所述构建面(AF)的要辐照的区域(B)的方向降低根据权利要求1至6中任一项所述的平台(200)，
-c)借助于所述设备(300)的加热头(L)加热要辐照的区域(B)，和
-d)借助能量束(21)根据所述构件(10)的预定的几何形状辐照所述区域(B)。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法——在对所述区域(B)进行辐照之后——包括：提升所述平台(200)离开所述辐照设备(300)的作用区域，并且随后重复所述步骤a)至d)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，
其中所述步骤c)和d)至少部分地同时执行。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，
其中对所述区域(B)的辐照与加热同步地进行，其中在增材构建所述构件(10)期间,引导所述能量束(21)例如穿过所述设备(300)的感应线圈的孔眼。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，
其中将所述构件材料(P)局部地加热到位于800℃和1200℃之间的温度，尤其是1000℃或更高的温度。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，
其中所述构建材料(P)是γ和/或γ'硬化的镍基的或钴基的超合金，并且所述构件(10)是在燃气轮机的热气路径中使用的组件，并且将所述构件材料(P)在真正的增材构建之前例如通过选择性的激光熔化仅进行预加热。
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