CN114728336A - 通过增材制造的保持部分中的流体膨胀用于保持部件坯体的方法 - Google Patents

通过增材制造的保持部分中的流体膨胀用于保持部件坯体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将部件坯体(1)保持在保持组件(20)内的方法。保持组件(20)包括第一保持部分(30)。第一保持部分(30)包括容纳流体的内腔(31)。通过增材制造来至少部分地制造部件坯体(1)和第一保持部分(30)。保持方法包括加热固持组件(20)和部件坯体(1)，以通过内腔(31)中的流体膨胀使第一保持部分(30)变形，并且以通过膨胀第一保持部分来减小部件坯体(1)与保持组件(20)之间的间隙(21)。

Description

通过增材制造的保持部分中的流体膨胀用于保持部件坯体的 方法
技术领域
本发明涉及粉末床的增材制造(也称为3D打印)的技术领域。本发明更特别地涉及一种用于保持部件坯体的方法，通过逐层粉末沉积至少部分地增材地制造部件坯体和保持组件，通过使用激光束或电子束的选择性熔化或选择性烧结部分地固化它们。
背景技术
粉末床的选择性熔化或选择性烧结方法使得可以容易地生产金属或陶瓷部件，如经受显著的机械和/或热应力的涡轮发动机部件。
此类方法在缩写SLM(“选择性激光熔化”)、SLS(“选择性激光烧结”)、DMLS(“直接金属激光烧结”)和EBM(“电子束熔化”)下是特别已知的。
这些方法通常包括使用辊型或刮刀型铺展装置在制造容器中沉积第一粉末层的步骤，制造容器的底部由可平移移动的板形成，接着用激光束或用电子束加热粉末层的预定区域的步骤。由束提供的能量引起粉末的局部熔化或局部烧结，粉末在固化时形成部件的第一层。
然后，将板降低与层的厚度相对应的距离，接着通过铺展装置将第二粉末层输送到先前层上。此后，使用束形成部件的第二层。重复这些步骤，直到完全地制造部件坯体。
然后，移除未熔化或未烧结的粉末。接着，在部件坯体的加热过程中保持该部件坯体，以限制部件坯体中的热和/或机械应力。这种加热还可以旨在增加部件坯体的耐久性和/或寿命。
当移除粉末时保持部件坯体会引起问题。此外，在加热过程中加热部件坯体和保持部件坯体可以在部件坯体上产生不期望的机械应力。当部件坯体具有相对低的机械强度时，例如当部件是叶片或更通常地其包括至少一个薄壁时，可以证明这种机械应力是特别麻烦的。
发明内容
本发明的目的是至少部分地解决在现有技术解决方案中遇到的问题。
对此，本发明涉及一种用于将部件坯体保持在保持组件内的方法。保持组件包括第一保持部分，通过增材制造来制造部件坯体和至少部分地第一保持部分。第一保持部分包括容纳流体的内腔。
根据本发明，保持方法包括加热保持组件和部件坯体，以通过内腔中的流体膨胀使第一保持部分变形，并且以通过第一保持部分相对于部件坯体的膨胀来减小部件坯体与保持组件之间的间隙。
由于根据本发明的保持方法，更多地和/或更容易地保持部件坯体，同时限制施加在部件坯体上的机械应力。
本发明违背了在部件的增材制造过程中避免产生封闭内腔的一般原理。该一般原理的目的特别地是更好地提供和控制部件的形状、结构和机械强度。它特别地使得可以减小在空腔中不期望的未熔化或未烧结的粉末材料的存在的风险。
本发明不限于该约束，通过在第一保持部分中产生内腔，该第一保持部分是可变形的，并且与待制造的部件分离。
在粉末熔化或烧结之后，并且在加热保持组件和部件坯体之前，通过保持组件和部件坯体之间的相对大的间隙特别地便于移除未熔化或未烧结的粉末。
本发明可以可选地包括一个或多个彼此组合或不组合的以下特征。
内腔特别地是封闭的。根据一个实施方式的特性，内腔气密地密封流体。优选地，流体是气体。
根据进一步实施方式的特性，第一保持部分包括外壁，该外壁界定内腔，并且具有在0.3mm与1mm之间，优选地0.6mm的厚度。
外壁具有通过增材制造来制造的足够的厚度，同时具有足够地小的厚度，以能够通过内腔中流体的膨胀使第一保持部分变形。外壁对内腔的流体特别地是密封的。
根据进一步实施方式的特性，内腔被构造成沿着内腔的最大伸长方向在60％与100％之间拉伸，优选地80％拉伸。
内腔的容积足够大，以能够使大量流体膨胀，以及通过流体膨胀使第一保持部分变形。
根据实施方式的特性，保持组件包括第一保持部分和第二保持部分，部件坯***于第一保持部分与第二保持部分之间。
根据实施方式的特性，第一保持部分和第二保持部分各自包括壳体。每个壳体包括外壁和容纳流体的内腔。
然后，每个保持部分特别地被构造成由于在该保持部分的内腔中的流体膨胀的该保持部分的变形，减小部件坯体与该保持部分之间的间隙。
可替代地，第二保持部分没有内腔，例如由实心壳体或刚性壳体形成。在这种情况下，当第一保持部分通过其内腔内的流体膨胀而变形时，第二实心壳体特别地是非变形的。
优选地，每个保持部分被构造成通过在保持组件和部件坯体的加热过程中，使该保持部分相对于部件坯体膨胀，来减小在该保持部分的变形过程中，部件坯体与保持组件之间的间隙，以便将部件坯体保持在保持组件中。
本发明还涉及一种用于制造涡轮发动机部件的方法，该方法实施了如上定义的保持方法。该制造方法包括通过增材制造来制造部件坯体和至少部分地制造第一保持部分。
增材制造方法特别地是粉末床的选择性熔化或选择性的烧结方法。优选地，通过增材制造完全地生产第一保持部分。
根据实施方式的特性，通过增材制造，优选地由相同的材料制造部件坯体、第一保持部分和第二保持部分。这种材料特别地是金属材料。特别地，第一保持部分和该第二保持部分各自具有小于部件坯体的密度的密度。
根据实施方式的特性，保持组件和部件坯体的加热在部件坯体的应力消除热处理过程中发生，以限制部件坯体的热应力和/或机械应力。
根据实施方式的特性，制造方法包括在加热保持组件和部件坯体之后，将部件坯体与保持组件分离。
优选地，制造方法包括在加热保持组件和部件坯体之后，将部件坯体与用于部件坯体和用于保持组件的底座分离。
附图说明
通过参照附图阅读仅以指示而非限制的方式所给出的实施方式的实施例的描述，将更清楚地理解本发明，在附图中：
图1是在实施根据本发明的第一实施方式的增材制造方法时所使用的增材制造工具的部分示意图；
图2示例了在熔化或烧结粉末材料之后，并且在紧紧地保持部件坯体之前，用于制造部件的方法；
图3示例了当紧紧地保持部件坯体时，用于制造部件的方法；
图4示例了在机加工部件坯体之后，并且在将部件坯体从保持组件和工具分离之后的部件。
具体实施方式
不同附图中的相同、相似或等效部分具有相同的附图标记，以便有助于从一个附图过渡到另一个附图。
图1示出了用于根据第一实施方式的制造方法，通过粉末床的选择性熔化或选择性烧结来制造部件1的工具2的实施例。
部件1是飞行器涡轮发动机部件，例如叶片、壁或凸缘。它特别地包括至少一个薄壁，这使得它相对地易损坏。尽管如此，它被设计成在涡轮发动机运行过程中承受特别地显著的机械和/或热应力。通过增材制造，由粉末材料17制造它，该粉末材料典型地是用于航空用途的金属材料粉末。
部件1包括下端1a、与下端1a相对的上端1b以及在下端1a与上端1b之间的本体11。例如，它不是围绕其纵向轴线完全地旋转对称的，并且它具有小的厚度，这使得难以制造它，特别地在其制造过程中难以保持。特别地，施加在部件坯体1上的机械应力必须保持较低，以便不损坏它。
工具2包括粉末材料17的进料容器3、其中将形成部件坯体1的制造容器4和第三容器，该第三容器可以是过量粉末材料的回收容器5或第二进料容器。
每个容器的底部由板形成，该板沿致动臂6可平移移动，该致动臂6沿容器的垂直轴线定向。每个板包括金属面板，该金属面板形成用于粉末材料17的基底。进料容器的板7被构造成沿与制造板8的第二垂直轴线Z2-Z2大致平行的第一垂直轴线Z1-Z1移动。
致动进料容器的板7使得可以将粉末材料输送到制造容器4中。在下降时，制造容器的制造板8能够产生部件坯体1的连续层19。
工具2还包括辊型铺展装置10(如图1所示的铺展装置)或刮刀型铺展装置，该铺展装置使得可以将粉末材料17从进料容器3推入制造容器4中，并且在进料容器3中铺展这种粉末材料，以便形成具有限定厚度的粉末层19。为此，铺展装置10沿由箭头A表示的范围从进料容器3到回收容器5的移动方向，沿水平扫描平面移动。过量粉末可以回收在回收容器5中。
工具2进一步包括加热装置12，该加热装置被构造成用于熔化或烧结在制造板8上所沉积的至少一部分粉末层19，以便在固化之后获得部件坯体1的层19。
加热装置12包括例如，激光器14和用于将激光束发送至待熔化或待烧结的粉末材料层17的区域的一个或多个反射镜15。因此，在通过能量束扫描粉末材料层之后，制造容器4将包含由未熔化或未烧结的粉末材料所包围的固化材料的层19。
参考图2，制造板8包括下外表面S1和上外表面S2，该上外表面与该下外表面S1相反，并且在部件坯体1和保持组件20的增材制造步骤101后，部件坯体1和保持组件20附接到该上外表面上。保持组件20由与部件坯体1相同的材料制成。
在增材制造步骤101之后，保持组件20包括第一保持部分30和第二保持部分40，第一保持部分和第二保持部分各自侧向地定位在部件坯体1的任一侧上。保持组件20然后沿纵向轴线Z-Z纵向地延伸，该纵向轴线基本上平行于部件坯体1的纵向轴线。
在本文件中，并且除非另外说明，轴向或纵向方向是与保持组件20的纵向轴线Z-Z平行的方向。径向或横向方向X-X或Y-Y是保持组件的纵向轴线Z-Z的正交方向，并且与该轴线相交。圆周方向被定义为与保持组件的径向方向和纵向轴线Z-Z方向局部地正交的方向。
共同地参考图2和图3，保持组件20被构造成通过在炉18中加热102、103部件坯件1和保持组件20过程中保持组件20相对于部件坯件1膨胀，而通过横向地拉伸而变形，以减小部件坯件1和保持组件20之间的间隙21。保持组件20被设计成用于保持部件坯体1，同时限制施加在部件坯体1上的机械应力。
第一保持部分30和第二保持部分40可以特别地各自具有小于部件坯体1的密度的密度，以有利于保持组件20相对于部件坯体1的差异膨胀。
第一保持部分30由第一中空壳体形成，该第一中空壳体从下端30a纵向地延伸至与下端30a相对的上端30b。第一保持部分30被构造成在保持组件20的加热102、103过程中膨胀，以模制部件坯体1的第一侧的形状。
第一保持部分30包括外部地界定它的第一外壁32，并且该第一外壁32界定保持组件20的第一内腔31。
第一内腔31容纳流体。该流体是气体，典型地是在粉末材料17的熔化或烧结以形成第一保持部分30过程中已经被捕获在第一内腔31中的空气。第一内腔31气密地密封流体，当加热它时，这能够使流体在第一内腔31内膨胀，并且引起第一保持部分30的变形。
在保持组件20的加热102、103过程中，第一内腔31特别地被构造成引起从宽度l1至宽度l2的伸长，该伸长能够沿第一内腔31的最大变形的径向方向Y-Y、X-X在从60％至100％的范围，例如80％。第一内腔31的容积从图2所示的初始容积V1到图3所示的容积V2，增大了40％至60％之间。
第一外壁32对流体是密封的，以保持其被捕获在第一内腔31中。第一外壁32具有在0.3mm与1mm之间(例如0.6mm)的厚度e1。在保持组件20的加热102、103之前和之后，第一外壁32的厚度e1保持实质上恒定。
第二保持部分40由第二中空壳体形成，该第二中空壳体从下端40a纵向地延伸至与下端30a相对的上端40b。第二保护部分40被构造成用于在保持组件20的加热102、103过程中膨胀，以模制部件坯体1的第二侧的形状。
第二保持部分40包括外部地界定它的第二外壁42，并且该第二外壁42界定保持组件20的第二内腔41。
第二内腔41容纳流体。该流体是气体，典型地是在粉末材料17的熔化或烧结以形成第二保持部分40过程中已经被捕获在第二内腔41中的空气。第二内腔41气密地密封流体，当加热它时，这能够使流体在第二内腔41内膨胀，并且引起第二保持部分40的变形。
在保持组件20的加热102、103过程中，第二内腔41特别地被构造成引起从宽度l3至宽度l4的伸长，该伸长能够沿第二内腔41的最大变形的径向方向Y-Y、X-X在从60％至100％的范围，例如80％。第二内腔41的容积从图2所示的初始容积V3至图3所示的容积V4，增加了40％至60％之间。第二内腔41的初始容积V3例如，实质上等于第一内腔31的初始容积V1。第二内腔41的加热后容积V4例如，实质上等于第一内腔31的预加热容积V2。
第二外壁42对流体是密封的，以保持其被捕获在第二内腔41中。第二外壁42具有在0.3mm与1mm之间(例如0.6mm)的厚度e2。在保持组件20的加热102、103之前和之后，第二外壁42的厚度e2保持实质上恒定。第二外壁42的厚度e2例如，实质上等于第一外壁32的厚度e1。
涡轮发动机部件1的制造方法100在下文中更详细地描述。制造方法100包括借助于工具2，通过熔化或烧结粉末材料17，在制造板8上保持组件20和部件坯体1的增材制造步骤101。
增材制造步骤101包括在粉末材料17熔化或烧结之后，快速冷却部件坯体1和保持组件20，这引起机械应力，特别地由于部件坯体1和保持组件20中的收缩以及结构变化。
增材制造步骤101可以包括粉末移除，该粉末移除包括移除位于保持部分30与部件坯体1之间以及部件坯体1与第二保持部分40之间的间隙21中的未熔化或未烧结的粉末材料17。在粉末材料17熔化或烧结之后，并且在加热102、103保持组件20和部件坯体1之前，通过在保持组件20与部件坯体1之间的相对大的间隙21便于粉末移除。
参考图2，在增材制造步骤101之后，第一保持部分30通过其下端30a附接到制造板8，该下端30a与制造板8的上部外表面S2处于机械接触。第二保持部分40通过其下端40a附接到制造板8，该下端40a与制造板8的上部外表面S2处于机械接触。部件坯体1在其下端1a处附接到制造板8。部件坯体1位于第一保持部分30与第二保持部分40之间。
制造方法100继续对保持组件20和部件坯体1进行加热102、103。这种加热102特别地包括第一应力消除热处理，该第一应力消除热处理的目的在于减少在增材制造步骤101过程中在部件坯体1中、在第一保持部分30中以及在第二保持部分40中所产生的热应力、残余机械应力和结构变化。该加热102、103还可包括第二热处理103，以增加部件坯体1的耐久性和/或寿命。典型地，在大于1000℃的温度下进行加热102、103。
在保持组件20的加热102、103过程中，在第一内腔31中所容纳的流体膨胀，这导致第一保持部分30变形。通过横向地拉伸而变形第一保持部分30，这允许其模制部件坯体1的一侧的形状。
在保持组件20的加热102、103过程中，在第二内腔41中所容纳的流体膨胀，这导致第二保持部分40变形。通过横向地拉伸而变形第二保持部分40，这允许其相对于第一保持部分30模制部件坯体1的另一侧的形状。这导致在第一保持部分30与第二保持部分40之间的部件坯体1的紧密保持106。
在保持组件20和部件坯体1的加热102、103过程中，通过每个内腔31、41中流体膨胀变形保持组件20，以减小部件坯体1与保持组件20之间的间隙21。部件坯体1与保持组件20之间的间隙21例如是0.1mm，这能够使保持组件20模制部件坯体1的形状。通过膨胀每个内腔31、41的保持组件20的变形特别地是不可逆的。然后，保持组件20有效地保持部件坯体1，同时限制施加在部件坯体1上的机械应力。
在保持106部件坯体1之后，并且参考图4，然后，部件1的制造方法100包括部件坯体1的机加工108，特别地将部件坯体1的下端1a与制造板8分离。该机加工108包括例如，电火花加工。它还可以包括部件坯体1的机加工，例如部件1的研磨。
制造方法100还包括第一保持部分30的机加工110，特别地将第一保持部分30的下端30a与制造板8分离。该机加工110包括例如，电火花加工。
制造方法100还包括第二保持部分40的机加工112，特别地将第二保持部分40的下端40a与制造板8分开。该机加工112包括例如，电火花加工。它还可以包括制造板8的机加工，例如喷砂，目的在于制造另一部件1。
由于保持组件20相对于部件坯体1通过在每个内腔31、41中的差异流体膨胀而变形，部件坯体1被更多地和/或更容易地保持，同时限制施加在部件坯体1上的机械应力。
本发明违背了在部件1的增材制造过程中避免产生封闭内腔的一般原理。该一般原理的目的特别地是更好地提供和控制部件坯体的形状、结构和机械强度。它特别地使得可以减小在每个内腔31、41中不期望的未熔化或未烧结的粉末材料的存在的风险。
本发明不限于该约束，通过在保持部分20中产生每个内腔31、41，该保持部分20是可变形的，特别地是不可逆地可变形的，并且该保持部分20与待制造的部件1分离。
在粉末材料17的熔化或烧结之后，并且在加热102、103保持组件20和部件坯体1之前，通过在保持组件20与部件坯体1之间的相对地大的间隙21，便于未熔化或未烧结的粉末材料17的移除。
显然地，本领域的技术人员可以对上述本发明进行各种修改，而不脱离本发明的范围。特别地，工具2的结构、保持组件20的结构和部件1的结构可以相对于上述制造方法的那些而变化。
第一保持部分30和第二保持部分40可以由与部件坯体1的材料不同的材料制成。第一保持部分30可以由与第二保持部分40的材料不同的材料制成。
当第一保持部分30和/或第二保持部分40由热膨胀系数显著地大于部件坯体1的材料的热膨胀系数的材料制成时，第一保持部分30和/或第二保持部分40可以包括更高的密度。
每个内腔31、41内的流体可以具有与空气的成分不同的成分。该流体特别地可以是惰性气体。
可替代地，第二保持部分40包括刚性壳体，例如实心壳体，其在保持组件20和部件坯体1的加热102、103过程中是非变形的。
附加地或替代地，保持组件20可以包括至少三个保持部分40。
保持组件20优选地被构造成用于全部地围绕部件坯体1径向地延伸。然而，保持组件20可以部分地围绕部件坯体1延伸。
第一保持部分30通过在第一内腔31中的气体膨胀而发生的变形以及可选地第二保持部分40通过在第二内腔41中的气体膨胀而发生的变形可以完全地在部件坯体1和保持组件20的第二热处理103过程中而发生，或者通过继续在第一热处理102过程中所引起的保持组件20的变形而发生。
可以用除了增材制造以外的方法制造第一保持部分30的至少一部分和/或第二保持部分40的至少一部分。
可替代地，在与制造板8分离之前，部件坯体1可以与第一保持部分30分离，并且与第二保持部分40分离。

Claims (9)

1.一种用于将用于涡轮发动机(1)的部件坯体(1)保持在保持组件(20)内的保持方法，所述保持组件包括第一保持部分(30)，其中，第一保持部分(30)包括容纳流体的内腔(31)，其中，通过金属材料粉末床的增材制造来制造部件坯体(1)和至少部分地第一保持部分(30)，所述保持方法包括：
保持组件(20)和部件坯体(1)的加热(102，103)，以通过在内腔(31)中的流体膨胀使第一保持部分(30)变形，并且以通过第一保持部分(30)相对于部件坯体(1)的膨胀来减小在部件坯体(1)与保持组件(20)之间的间隙(21)，从而将部件坯体(1)保持在保持组件中。
2.根据权利要求1所述的保持方法，其中，内腔(31)气密地密封流体，所述流体优选地是气体。
3.根据前述权利要求1和2中任一项所述的保持方法，其中，第一保持部分(30)包括外壁(32)，所述外壁界定内腔(31)和具有在0.3mm与1mm之间、优选地0.6mm的厚度(e1)，和/或
其中，内腔(31)被构造成沿内腔的最大伸长方向(Y-Y)在60％与100％之间拉伸，优选地80％。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的保持方法，其中，保持组件(20)包括第一保持部分(30)和第二保持部分(40)，部件坯体(1)位于第一保持部分和第二保持部分之间。
5.根据权利要求4所述的保持方法，其中，第一保持部分(30)和第二保持部分(40)各自包括壳体，所述壳体包括外壁(32、42)和容纳流体的内腔(31、41)。
6.一种用于制造涡轮发动机部件的制造方法，所述制造方法实施根据前述权利要求1至5中任一项所述的保持方法，所述制造方法包括通过增材制造，特别地金属材料粉末床的选择性熔化或选择性烧结方法，制造(101)部件坯体(1)和至少部分地制造第一保持部分(30)。
7.根据权利要求6所述的制造方法，所述制造方法实施根据权利要求5所述的保持方法，其中，通过增材制造，优选地由相同的金属材料制造部件坯体(1)、第一保持部分(30)和第二保持部分(40)，
第一保持部分(30)和第二保持部分(40)特别地各自具有小于部件坯体(1)的密度的密度。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，在部件坯体(1)的应力消除热处理(102)过程中进行保持组件(20)和部件坯体(1)的加热(102，103)，以限制部件坯体(1)的热应力和/或机械应力。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的制造方法，包括在加热(102，103)保持组件(20)和部件坯体(1)之后，将部件坯体(1)与保持组件(20)分离，并且优选地将部件坯体(1)与用于部件坯体(1)和保持组件(20)的基座分离。
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