CN114514083A - 利用硬化的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器部件(10)的增材制造方法(100)。本方法(100)包括提供至少一个材料层(12)的第一步骤(110)。接着第二步骤(120)，其中利用激光器(20)照射材料层(12)直到材料层(12)局部熔化。根据本发明，在第一步骤(110)中，以局部可调整的方式把硬化剂(42)添加到材料层(12)的基材(30)，并在第二步骤(120)中，通过激光器(20)的照射，硬化剂(42)被至少封围在基材(30)中。

Description

利用硬化的增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种包括一体硬化的用于机器部件的增材制造方法。本发明还涉及一种利用其可执行根据本发明的方法的计算机程序产品。本发明还涉及一种包含这种计算机程序产品的控制单元和一种配置有这种控制单元的制造装置。本发明还涉及一种机器部件，特别是可以利用根据本发明的方法制造的机器部件。

背景技术

已公开的专利申请DE 10 2004 008 054 A1公开了一种用于制造三维制品的方法，其中制造了金属粉末层。金属粉末层受到激光束作用以熔化金属粉末层。使用包括铁基粉末材料、镍和/或镍合金粉末材料、铜和/或铜合金粉末材料以及石墨粉末材料的金属粉末组合物。

许多技术领域的目标是通过增材制造制造机械高应力的机器部件。一个特定的目标是通过增材制造制造需要高硬度的机器部件。同时的目标是简化这种机械高应力的机器部件的制造，同时提高这种机器部件设计中的结构自由度。本发明解决的问题是提供一种通过增材制造来制造要求苛刻的机器部件的选择。

发明内容

本发明所解决的问题由根据本发明的方法解决，该方法旨在通过增材制造来制造机器部件。该方法包括第一步，提供至少一个材料层。为此，材料层可以通过至少一个分配装置在操作区域中基本上平面地施加。在第二步中，利用激光器照射材料层。材料层通过利用激光器的照射而局部熔化。在利用激光器照射后，这样局部熔化的区域通过散热来自动硬化。激光在第二步中基本上以图案通过并相应地照射材料层。第一步应用的材料层包括基材。

根据本发明，材料层还包括可以添加到基材中的硬化剂。硬化剂在第一步中以可调整的方式局部添加到基材中。硬化剂的这种添加可调整到可指定在表面上的可选位置处向基材的材料层添加多少硬化剂的程度。特别地，这使得可以在由材料层限定的平面内调整硬化剂的浓度梯度。这导致材料层在基材和硬化剂方面的局部变化的部分组成。另外，根据本发明，硬化剂在利用激光器照射材料层的第二步中至少埋入在基材中。材料层特别是基材的局部熔化，引起一种热/化学和物理状态，其中硬化剂在固化时至少结合即埋入到熔化的基材中。

硬化剂埋入在基材中至少引起硬化。硬化剂的局部浓度越高，硬化可能越强。这加速了需要硬化的机器部件的制造。硬化剂的可调整的添加使得正在制造的机器部件能够以可指定的方式进行硬化。可以基本上任意指定寻求增加或减少硬化的区域。这消除了对渗碳的需要，例如，碳要结合到金属中的分布是由渗碳气氛中的扩散行为引起的。根据本发明的方法总而言之提供了一选择，该选择允许通过增材制造快速制造硬化的机器部件，并且由于局部硬度的可调整性而提供了高度的结构自由度。

在要求保护的方法的一个实施例中，在利用激光器照射材料层的第二步中能够至少部分地溶解在基材中。通过激光器局部引入的热能允许所埋入的硬化剂扩散到基材中。这可以例如以元素的形式把硬化剂的原子结合在基材的原子晶格中。硬化剂至少部分地扩散到基材中使得可以缩短随后的扩散处理。

在要求保护的方法的另一实施例中，可以局部调整硬化剂的分配量。为此，可以相应地控制把硬化剂添加到基材中的分配装置。例如，可以调整分配装置的分配喷嘴的打开持续时间、打开程度和/或输送压力。硬化剂的局部分布因此可通过相应制造装置的简单参数来指定。此外，可以调整材料层的层厚以影响要实现的硬度分布。

该方法还可以包括其中机器部件被硬化的第三步。为此，在第一步和第二步中由多个利用激光器照射过的材料层构成的机器部件经受具有可调整的处理温度的环境，例如硬化炉。在第三步中，把机器部件加热到使溶解在基材中的硬化剂发生扩散的温度。由此，如第一步和第二步中所述，硬化剂的分布已经可以通过局部可调整的添加到基材中来选择性地指定，因此可以缩短硬化剂在基材中的扩散距离。扩散距离在这里应理解为硬化剂通过扩散必须行进的距离，直到在机器部件中实现所需的浓度分布。缩短扩散距离使得可以在机器部件经受具有处理温度的环境的减少的处理持续时间下实现硬化剂的期望分布/浓度分布。扩散中缩短的处理持续时间还允许减少甚至完全避免在机器部件表面上发生边缘氧化。例如在带齿部件的情况下，这又降低了齿根断裂或齿面断裂的倾向。因此，可以在提高质量的同时加速硬化操作，从而加速机器部件的整体制造。替代地或另外地，在相同的处理持续时间下，可以在降低的处理温度下实现相同的扩散距离。这允许在机器部件的制造中节约能源。

此外，硬化剂可以为碳粉或碳液的形式。这尤其应理解为是指含有元素碳的粉末/液体。碳粉的例子可以是例如石墨粉，并且碳液可以是其中溶解有石墨粉的液体。碳粉和碳液因其易于计量而能够将基本上元素碳精确地局部添加到基材中。碳粉可以在基材分配装置中与基材混合，基材基本上也是粉末。碳液又与粉状基材结合，使得这也实现了碳在材料层上的精确分布。

在要求保护的方法的另一实施例中，基材可以是铁基合金，即基本上是钢、锰合金或镍基合金。这种材料呈粉末形式，可有利地利用激光器照射而熔化，并且在适当的增材制造方法中产生高质量的微观结构。此外，此类材料还存在经过测试且可靠的增材制造方法，例如选择性激光熔化。

此外，可以针对多个材料层重复执行要求保护的方法，特别是第一步和第二步。这使得不仅可以在材料层的一个平面内，而且可以在垂直于其平面的多个材料层上实现硬化剂的浓度梯度。硬化剂的分布因此可以在机器部件中进行三维调整。由于硬化剂的分布对应于成品机器部件中的硬度分布，这确保了机器部件的高度结构自由度。

此外，在要求保护的方法中，激光的强度可以是可调整的，因此可以指定引入到材料层中的热能。激光强度在材料层被照射的第二步期间可以这样确定，即至少启动硬化剂扩散到基材中。这使得可以在增材制造期间调整机器部件的硬度，并且在某些情况下缩短或消除对后续扩散步骤的需要。因此进一步提高了使用要求保护的方法实现的关于硬度分布的结构自由度。

在要求保护的方法的另一实施例中，材料层可以包括第一材料和第二材料，二者可以以可调整的局部分布形成材料层。这使得例如可以由简单的第一材料制造基本上布置在机器部件内部的部分，其中第一材料仅具有降低的硬化适用性。相比之下，需要硬化的朝向部件外部布置的部分例如可以由非常适合硬化的第二材料制成。总之，这提高了材料利用率，同时提高了成本效益。

本发明解决的问题也通过根据本发明的计算机程序产品来解决。计算机程序产品配置为在控制单元的存储器和处理器中执行并且可存储在非易失性存储器中。计算机程序配置为接收用于机器部件的增材制造的构建数据，构建数据还包括关于机器部件的局部期望硬度的信息。计算机程序产品还配置为用于确定可以向硬化剂分配装置和激光器发出的命令。分配装置和激光器属于增材制造的制造装置，例如选择性激光熔化的单元。该计算机程序产品配置为执行上述方法中的至少一个。计算机程序产品可以配置为软件或者可以是硬连线的或者可以是两者的组合。硬连线在这里应理解为例如芯片、集成电路或FPGA。此外，计算机程序产品在设计上可以是单体的或模块化的。单体的应理解为计算机程序产品可以单独在一个硬件平台上执行。模块化应理解为计算机程序包括至少两个子程序，这些子程序可以在不同的硬件平台上执行，并且在适当的操作中它们通过数据链路结合起来以实现该要求保护的方法。这可以例如通过制造装置中的控制单元来实现，该控制单元配备有子程序并且例如连接到计算机云，在该计算机云中执行另外的子程序。

所解决的问题同样通过根据本发明的控制单元来解决。控制单元包括被配置用于控制制造装置的处理器和存储器。根据本发明，控制单元配备有根据前述实施例中任一个的计算机程序产品。替代地或附加地，控制单元可以配置为执行上述方法的至少一个实施例。

所解决的问题还通过根据本发明的制造装置来解决，制造装置包括适用于增材制造的基材的分配装置。制造装置还包括用于可添加到基材中的硬化剂的分配装置。制造装置还包括激光器，通过激光器可以局部熔化基材。制造装置总之配置用于机器部件的增材制造。根据本发明，制造装置设置有根据前述实施例中的任一个配置的控制单元。

所解决的问题还通过一种机器部件来解决，机器部件包括通过利用激光器照射接合的基材。这应理解为通过利用激光器照射把基材从粉状状态转变为粘合的工件。例如，当机器部件通过增材制造，特别是通过选择性激光熔化来制造时，可能就是这种情况。硬化剂溶解在基材中，通过该硬化剂可以局部指定机器部件的硬度。溶解应理解为例如硬化剂的原子结合在基材的原子晶格中。机器部件包括具有第一硬度的第一区域。机器部件还包括具有第二硬度的第二区域。第一区域和第二区域是相邻的。这导致沿区域之间的共同边界从第一硬度过渡到第二硬度。从第一硬度过渡到第二硬度在这里基本上为离散台阶的形式。这种离散台阶可以例如通过根据上述实施例中任一个的方法制成。机器部件中硬化剂的扩散距离被缩短，从而允许硬化剂的高浓度梯度。这进而导致机器部件中的基本上台阶形的硬度过渡。然而，根据本发明的机器部件也可以是在通过已知方法制造期间需要硬化的任何其他机器部件。

要求保护的机器部件还可以为外齿轮、内齿轮或齿条的形式。机器部件尤其也可以为任何其他带齿部件的形式。在这种机器部件的制造中，硬度及其在机器部件上的分布是结构的一个关键方面。相应的机器部件因此可以通过基本上任意指定的硬度分布容易地适应特定的结构要求。这尤其可以预先阻止齿根断裂和齿面断裂。因此，要求保护的机器部件具有增强的机械性能和增加的使用寿命，并因此具有可靠性。

附图说明

在下文中参考附图中的各个实施例更具体地阐明本发明。附图应理解为相互补充至不同附图中的相同附图标记具有相同的技术定义的程度。各个实施例的特征也可以相互组合。图中所示的实施例也可以与上述特征相结合。在附图中详细示出：

图1是示出用于实施要求保护的方法的一个实施例的制造装置的结构的示意图；

图2是示出要求保护的方法的一实施例过程中材料层的结构的示意图；

图3是要求保护的方法的一实施例的顺序的示意图；

图4是要求保护的机器部件的一个实施例的示意图；

图5是要求保护的机器部件的另一实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了制造装置90的结构的示意图，利用制造装置90可以执行要求保护的方法100的实施例。制造装置90包括刮刀32，在第一步110中，基本为金属粉末的基材30可通过该刮刀32施加在操作区域14中。对于基材30，利用分配装置40把硬化剂42经由分配装置40添加到基材30。硬化剂42的分配量可以经由分配装置40的分配喷嘴44来调整。硬化剂42可以是碳液或碳粉的形式。基材30和硬化剂42一起形成材料层12。分配装置40是可移动的，使得硬化剂42在材料层12的平面中的浓度可以基本上任意地调整。在方法100的第一步110中提供整个材料层12。

在第二方法步120中，材料层12通过激光器20进行照射。为此，具有可调整强度26的激光束25被引导到材料层12上。激光器20实现材料层12的局部加热，从而导致基材30熔化。控制激光器20，使得被照射的材料层12实现正在制造的机器部件10的进一步结构。一旦激光束25已经越过材料层12，基材30就固化并且至少掩埋硬化材料42。硬化剂42在熔化和固化的基材42中的所得局部浓度使得可以调整正在制造的机器部件10中的硬度72。在要求保护的方法100中，在第二步120中进行材料层12的照射。通过激光器20的进一步热输入可进一步引起硬化剂42到基材30中的扩散48(图1中未示出)。制造装置90(特别是激光器20和分配装置40)使用被配置为执行命令55的控制单元50进行控制。命令55通过计算机程序产品80产生，计算机程序产品80存储在控制单元50中以便可以执行。

图2示出了材料层12的结构的示意图，例如在根据要求保护的方法100的第二步120利用激光器20照射期间或之后存在的材料层12。材料层12包括基本上作为颗粒36存在的基材30。同样作为颗粒46形式的硬化剂42被埋入到基材30中。引入材料层12中的热能28引起硬化剂42的扩散48。在图2中，硬化剂基本上是在第二步120中保留在材料层12中的元素碳。硬化剂42通过扩散48结合到基材30中，从而引起基材30的局部硬化。引起扩散48的热能28可以在第二步120中由激光器20供应和/或在第三步130中以处理热的形式例如硬化炉供应。硬化剂42可以在要求保护的方法100中基本上任意地施加的事实，使得为了要制造的机器部件10的期望目标状态而必须覆盖的进一步扩散距离被最小化。从目标状态开始，可以进行包括加热和淬火的硬化处理。

图3示出了用于制造机器部件10的要求保护的方法100的实施例的示意性顺序。在第一步110中，提供材料层12。材料层12包括要对其添加硬化剂42的基材30。硬化剂42使用分配装置40施加到材料层12。分配装置40是可以控制的，使得硬化剂42的分配量可以局部调整，即在材料层12的平面内部的不同位置处。这使得可以实现基本上任何期望的硬化剂42的浓度分布。在第二步120中，利用激光器20照射材料层12，这实现材料层12的局部熔化。结果，硬化剂42至少埋入到基材30中。如返回环路140所示，重复第一步110和第二步120，直到正在制造的机器部件10已经通过增材制造制造成其基本形式。随后是第三步130，在该步中，迄今获得的机器部件10暴露于例如通过硬化炉为其供应热能28的环境。这导致硬化剂42在基材30中的扩散48。这使得可以在机器部件10中实现期望的最终状态。

要求保护的机器部件10的实施例在图4中示出。图4示出了外齿轮16，其基本上由多个彼此层叠的材料层12制成。材料层12的制造是利用根据前述实施例中任一个的方法100进行的。

图5示出了例如如图4所示的机器部件10的表面的详细视图。机器部件10包括具有第一硬度35的第一区域31。与其相邻的是具有第二硬度37的第二区域33。图5在顶部进一步示出了曲线图70，其沿着水平轴71示出了在图纸的平面上的硬度72分布。在第一区域31中，硬度72在第一硬度35的范围内基本恒定。边界47标记硬度72的过渡38。从第一硬度35到第二硬度37的范围的过渡38基本上采取台阶39的形式。图5中的机器部件10是通过根据前述实施例之一的方法100制造的。机器部件10中硬度72的几乎离散的空间分布是可实现的。相应的第一区域35和第二区域37中的硬度72因此选择性地可适应机器部件10的结构要求。

Claims (13)

1.一种机器部件的增材制造方法(100)，包括以下步骤：

a)提供至少一个材料层(12)；

b)利用激光器(20)照射所述材料层(12)以实现所述材料层(12)的局部熔化；

其特征在于，在步骤a)中，以局部可调整的方式把硬化剂(42)添加到所述材料层(12)的基材(30)，并且在步骤b)中，所述硬化剂(42)通过利用所述激光器(20)的所述照射而被至少埋入在所述基材(30)中。

2.如权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，在步骤b)中，所述硬化剂(42)至少部分地溶解在所述基材(30)中。

3.如权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，所述硬化剂(42)的分配量是局部可指定的。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，在进一步的步骤c)中，执行所述机器部件(10)的硬化以实现所述硬化剂(42)在所述基材(30)中的扩散(48)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述硬化剂(42)为碳粉或碳液的形式。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述基材(30)是铁基合金、锰合金或镍基合金。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法(100)，其特征在于，对于多个材料层(12)，至少步骤a)和b)被重复执行。

8.如权利要求2至7中任一项所述的方法(100)，其特征在于，用于启动所述硬化剂(42)扩散到所述基材(30)中的所述激光器(20)的强度是可调整的。

9.一种计算机程序产品(80)，其能够在控制单元(50)的存储器中执行并且配置为向用于硬化剂(42)的至少一个分配装置(40)和激光器(20)发出命令(55)，其特征在于，所述计算机程序产品(80)配置为执行至少一种如权利要求1至8中任一项所述的方法(100)。

10.一种控制单元(50)，包括用于控制制造装置(90)的处理器和存储器(54)，其特征在于，所述控制单元(50)设有如权利要求9所述的计算机程序产品(80)。

11.一种制造装置(90)，包括用于基材的分配装置(40)和用于硬化剂(42)的分配装置(40)以及用于机器部件(10)的增材制造的激光器(20)，其特征在于，所述制造装置(90)包括如权利要求10所述的控制单元(50)。

12.一种机器部件(10)，包括通过利用激光器(20)照射来接合的基材(30)，其中，所述基材(30)具有溶解在其中的硬化剂(42)，并且所述机器部件(10)包括具有第一硬度(35)的第一区域(31)和具有第二硬度(37)的相邻的第二区域(33)，其特征在于，从所述第一硬度到所述第二硬度(37)的过渡(38)为离散的台阶(39)的形式。

13.如权利要求12所述的机器部件(10)，其特征在于，所述机器部件(10)为外齿轮(16)、内齿轮、或齿条的形式。

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