通过增材制造来制造工件的改进方法

摘要

一种通过增材制造来制造工件的方法，该待制造工件(1)包括相对于待制造工件的构造方向形成小于60°角的至少一个待保持部分，该待保持部分具有彼此相对的第一侧表面(1a)和第二侧表面(1b)，所述方法包括以下步骤：提供该待制造工件(1)的数字模型，添加至少一个保持元件(10、20)到所述数字模型，所述至少一个保持元件(10、20)定位在待保持部分的一侧上，以便与所述第一侧表面(1a)或所述第二侧表面(1b)接触。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过增材制造来制造部件的方法，所述方法允许保持在制造过程中可能变形的该部件的某些表面，特别地影响最终部件的空气动力学的表面。

这种增材制造方法特别地适用于制造设置有敏感表面的复杂部件，特别地用于航空领域。

背景技术

现在，特别地在航空领域，已知使用增材制造方法用于生产其几何形状很精细或复杂的某些部件。

增材制造的一种常规示例是通过高能束熔化或烧结粉末颗粒来制造。在这些高能束中，可以特别地提到激光束和电子束。

通过工艺名称也被称为“激光束熔化”(LBM)的“选择性激光熔化”(SLM)，指如下工艺，以下参考图1回顾了其主要特征，所述图1示出了一种用于通过激光束选择性熔化或选择性烧结粉末床来制造部件的常规装置。

例如，使用摊铺工具200(例如滚筒)，材料粉末的第一层100a沉积在构造托盘210上(它可以是单独地或由巨大支撑件覆盖的托盘，另一部件的一部分，或用于便于构造某些部件的支撑栅格)。

在滚筒200的向前移动过程中，该粉末从料仓220转移，然后在滚筒200的一次(或几次)返回运动中被刮削并可能地稍微压缩。粉末由颗粒110组成。过量的粉末被收集在与构造仓240邻近定位的回收仓230中，在所述构造仓240中构造托盘210垂直地移动。

同样使用了激光束310发生器300以及能够将光束310引导到构造托盘210的任何区域上以扫描先前沉积的粉末层的任何区域的控制系统320。通过整体上构成光学系统的光束扩展器340或聚焦系统330，分别发生激光束310的成形以及其直径在焦平面上的变化。

然后，通过用激光束310扫描，使粉末的该第一层100a的区域达到高于该粉末的熔化温度的温度。

这种类型的增材制造方法可以使用任何高能束而非激光束310，特别地电子束，只要该光束足够高能以熔化粉末颗粒以及颗粒所停靠的材料部分。

例如，通过形成控制系统320的一部分的检流计头实施光束的扫描。例如，该控制系统包括至少一个定向镜350，激光束310在到达粉末层之前在所述定向镜上反射，所述粉末层的表面的每个点相对于聚焦系统340中包含的聚焦透镜始终定位在相同的高度，该定向镜的角位置由检流计头控制，使得激光束扫描粉末的第一层的至少一个区域，并且因此遵循预先建立的部件轮廓。为此，基于用于计算机辅助设计和制造待制造部件的计算机工具数据库中所包含的信息来驱动该检流计头。

因此，第一层100a的该区域的粉末颗粒110被熔化并形成一种被固定到构造托盘210的第一整体元件120a。在这一阶段，也可以用激光束扫描该第一层的几个独立区域，从而在材料熔化和凝固之后，形成彼此不相交的几个第一元件120a。

将构造托盘210降低到与粉末的第一层100a的厚度相对应的高度(20到100μm，并且通常从30到50μm)。

然后将粉末的第二层100b沉积在第一层100a上以及在第一整体或固结元件120a上，然后在图1所示的情况下，部分或完全地定位在第一整体或固结元件120a以上的第二层10b的区域通过暴露于激光束310加热，使得第二层100b的该区域的粉末颗粒与元件120a的至少一部分一起熔化并形成第二整体或固结元件120b，在图1所示的情况下，这两个元件120a和120b的集合形成一种整体块。

因此，这种增材制造技术确保了极好地控制对待制造部件的几何结构，并允许生产具有高复杂度的部件。

然而，当生产具有复杂几何结构的部件时，部件的某些部分瞬间强烈地悬伸，甚至没有任何保持，除了位于以下的非凝固粉末的体积，并且因此很可能在制造仓中倒塌。特别地对于基本平行于制造托盘的该部件的这些部分就是这样。在这种情况下，有必要与该部件同时制造多个支撑件，从而在制造阶段中保持这些部分。

然而，当制造完成后，并且在移除这些支撑件后，残留物仍保留在这些支撑件和该部件之间的界面上。因此，所获得的部件包括表面状态不均匀的区域。当涉及部件的敏感区域(例如，与气流接触的区域)时，这种非均匀的表面状态可能干扰流体流，从而改变空气动力学特性，以及因此改变所涉及机器的效率。

为了避免这一问题，一种解决方案是以限制使用支撑件的方式对部件定向，例如通过以基本垂直的方式设置最大表面。

然而，当生产具有细长几何形状的部件时，也就是说其中一种尺寸远大于另一尺寸的细长部件，例如翼面，通过在由于熔融区域的冷却和凝固而产生的应力影响下的弯曲，一些表面在制造过程中容易变形。该变形会在气动外形上可产生约4mm的形状偏差，这能够改变它们的气动特性。为了限制这些变形，并且限制对支撑件的需求，通过垂直地定位最大尺寸，即通过垂直地定位前缘和后缘，也可以设置该部件，例如翼面。然而，该设置极大地增加了制造时间。

因此，确实需要一种通过增材制造来制造部件的方法，所述方法允许保持该部件的某些特定敏感表面，特别地影响最终部件的空气动力学的表面，同时限制在部件的制造过程中残留物在这些表面上的存在。

发明内容

本发明涉及一种通过增材制造来制造部件的方法，所述待制造部件包括至少一个待保持部分，所述待保持部分相对于所述待制造部件的构造方向形成小于45°的角度，所述待保持部分具有彼此相对的第一侧表面和第二侧表面，所述方法包括以下步骤：

提供待制造部件的数字模型，

添加至少一个保持元件到所述数字模型，所述至少一个保持元件定位在所述待保持部分的一侧上，以便与所述第一侧表面或所述第二侧表面接触。

在一些实施例中，所述数字模型包括至少两个保持元件，第一保持元件定位在所述待保持部分的第一侧上，以便接触所述第一侧表面，所述第二保持元件定位在所述待保持部分的第二侧上，以便接触所述第二侧表面。

在本发明中，“构造方向”是指构造该部件的方向，也就是说，其中粉末层或制造层彼此堆叠。例如，当在构造托盘上制造该部件时，构造方向对应于一种与所述构造托盘垂直的方向。“构造平面”是指与一种与构造方向垂直并基本平行于构造托盘的平面。此外，“接触”是指保持元件与侧表面直接接触，或具有小于0.1mm的间隙。

优选地，待制造部件的主方向相对于构造方向形成一种小于30°的角度。在待制造部件将会是板的情况下，例如，具有彼此相对的两个侧表面的板将被设置，从而相对于构造方向(即相对于与构造托盘垂直的方向)形成一种小于30°的角度。换句话说，将相对于构造托盘基本垂直地或接近垂直地设置该板。

添加至少两个保持元件到数字模型允许通过增材制造与待制造部件同时地构造这些保持元件。这两个保持元件设置在待保持部分的任一侧上并且与所述待保持部分接触以夹持所述待保持部分。换句话说，在通过支撑元件或直接地由构造托盘支撑该待制造部件的下部时，该保持元件允许保持所述待制造部件的待保持部分的侧表面。

通过在熔化区域的冷却和凝固的应力作用下发生弯曲，这些保持元件的存在允许在制造过程中避免该部件的变形。根据该部件的变形模式，因此可以精确地定位所述保持元件抵靠该部件。对于航空部件，这些保持元件因此允许限制对该部件的空气动力学特性的修改。

在一些实施例中，在第一保持元件和第一侧表面之间的接触，以及在第二保持元件与第二侧表面之间的接触为线性接触。

所谓“线性接触”，是指在给定平面中遵循直线或曲线的接触，该线为连续或非连续的。换句话说，线性接触可以采取连续的点接触形式，只要这些点接触在同一线上对准。这些线性接触在保持元件和侧表面之间的存在允许限制在保持元件和侧表面之间的接触表面。因此，当完成该部件的制造时，可以很容易地使保持元件与这些侧表面分离，同时限制由这些元件导致的残留物在这些侧表面上的存在。所获得的最终部件因此具有均匀的表面状态。因此，在获得最终部件后，无需手动地抛光这些表面的步骤即可完成。

在一些实施例中，所述第一和第二保持元件彼此面对。

“彼此面对”是指所述第一和第二保持元件设置在待保持部分的每个侧面上，但都包括在相同平面中，所述平面基本垂直于所述待保持部分并且平行于构造方向。通过在给定截面上对其形状施加应力，这种设置允许在制造过程中改进对所述待保持部分的保持，进一步限制其变形。

在一些实施例中，与所述待保持部分的相应侧表面接触的至少一个保持元件的接触端具有减薄形状。

“减薄形状”是指，在保持元件的横平面中，横平面垂直于构造方向，接触端与保持元件的其余部分相比更薄，也就是说不要太厚。例如，接触端可以是圆形。“圆形”，是指接触端在保持元件的横向平面中为圆形。该减薄形状，例如圆形的，允许进一步限制在保持元件和待保持部分的相应侧表面之间的接触表面。这允许在移除保持元件后进一步限制残留物的存在。此外，该圆形形状允许便于手动地移除保持元件的操作。

在一些实施例中，至少一个保持元件包括彼此相对地对准的多个齿，所述保持元件被定位，使得所述齿与待保持部分的对应侧表面接触。

根据该构造，在保持元件与待保持部分的相应侧表面之间的接触为非连续的线性接触。在平行于该构造方向并且垂直于这些侧表面的平面中，保持元件的所述多个齿例如可以采用锯齿形式。此外，当与待保持部分的相应侧表面接触的保持元件的齿的接触端为圆形时，所述接触为沿一条线彼此相对地对准的一系列接触点的形式。该结构允许进一步限制在保持元件和待保持部分的相应侧表面之间的接触表面，并且从而在移除保持元件后进一步限制残留物的存在。

在一些实施例中，至少一个保持元件的齿沿包括该待制造部件的构造方向的平面的方向部分彼此相对地对准。

换句话说，这些齿可以沿直线对准，而且也可以沿曲线对准，后者是包括该构造方向的平面的一部分，也就是说垂直于构造托盘。该结构允许更有效地限制该待制造部件的变形。

在一些实施例中，至少一个保持元件具有沿该待制造部件的构造方向的渐减截面。

所考虑的保持元件的截面为横截面，也就是说垂直于构造方向的截面。根据这种结构，保持元件的截面随着沿构造方向移动远离构造托盘而减小。换句话说，更接近构造托盘的保持元件的一部分与更远离构造托盘的保持元件的一部分相比更巨大。鉴于待制造部件在整个制造过程和连续层中累积的冷却应力的作用下容易变形的事实，因此朝该部件的底部(即接近构造托盘)保持后者的需求更大，因此需要一种足够刚性的保持元件以限制该区域中的变形。相反，在更远离构造托盘的区域中，保持元件的刚性可能更低。基于由待保持部分沿其高度所施加的变形应力而适应保持元件的截面这一事实允许限制用于制造保持元件的材料量。因此，该结构允许限制该部件及其保持元件的制造成本和制造时间。

在一些实施例中，在至少该保持元件和相应侧表面之间的接触线在该待保持部分的整体高度上延伸。

沿构造方向(即垂直于构造托盘的方向)考虑所述待保持部分的高度。该结构允许改进对待保持部分的保持并更有效地限制其变形。

在一些实施例中，所述数字模型包括与待保持部分的第一侧表面接触的多个第一保持元件，以及与待保持部分的第二侧表面接触的多个第二保持元件。

这些保持元件可均匀地分布在该部分的每个侧表面上，但也可以根据需要非均匀地分布。例如，在该部件存在更大变形风险的这些表面的区域中，与任一个侧表面接触的元件数量可能更多，反之亦然。该结构允许基于所述待保持部分的变形模式优化对所述待保持部分的保持。

在一些实施例中，与所述待保持部分的第一侧表面接触的所述多个第一保持元件的每个第一保持元件都面对与所述待保持部分的第二侧表面接触的所述多个第二保持元件的一个第二保持元件被定位。

“面对”是指保持元件两个两个地设置在所述待保持部分的每一侧上，所述两个保持元件都包含在同一平面中，所述平面基本垂直于待保持部分并且平行于所述构造方向。通过在给定截面上固定其形状，该结构允许改进在制造过程中对待保持部分的保持。

在一些实施例中，与所述待保持部分的第一侧表面接触的多个第一保持元件的每个第一保持元件以交错方式相对于与所述待保持部分的第二侧表面接触的所述多个第二保持元件的所述第二保持元件被定位。

“以交错方式”是指这些第一保持元件不面对第二保持元件之一。换句话说，所述第一和第二保持元件沿与构造平面平行的纵向方向彼此偏移。该结构允许根据部件的弯曲来优化保持元件的定位。

在一些实施例中，至少一个保持元件的至少一个齿包括相对于所述构造方向具有在30°到70°之间，优选地在40°到60°之间的角度的表面。

在一些实施例中，至少一个保持元件的至少50％的齿，优选地至少80％的齿，更优选地所有齿，包括角度在30°到70°之间，优选地在40°到60°之间的表面。

这些表面的倾斜角允许避免在其上放置支撑件。事实上，从相对于构造托盘的大致30°的构造角度已知的是，正被制造的部件的层得益于对下部制造层的固化部分的足够抓握，以便能够在部件的制造过程中被保持在适当位置，而无需额外的保持设备。因此，不必在所述表面上放置支撑件。因此，通过定向该模型使得这些表面具有这些倾斜角，保持元件的齿在制造过程中在其自身重量下不太可能破裂，因此不必放置支撑件。

在一些实施例中，至少一个保持元件包括完全地包裹所述待保持部分的第一侧表面和/或所述待保持部分的第二侧表面的壳体部分，使得在该壳体部分和这些侧表面之间存在间隙，所述壳体部分具有与所述侧表面接触的轴承，所述接触为线性的。

壳体具有内表面，其形状匹配待保持部分的相应侧表面，这两个表面彼此面对，并且间隔一个在0.1毫米到0.5毫米的间隙。已知使用具有光滑表面的这种类型的壳体，从而限制该部件的总体变形。然而，根据本发明的壳体同样在其内表面上具有轴承，所述轴承例如包括以与保持元件相同的方式接触相应侧表面的多个齿。包括这些轴承的该壳体的存在允许进一步限制该部件在制造过程中的变形，包括在未由轴承保持的待保持部件的区域中的变形。对于具有强弯曲区域的部件，该壳体因此允许避免在该部件的整体长度上设置保持元件。

在一些实施例中，壳体部分包括多个孔。

这些孔允许更容易地回收粉末，并重复利用在制造结束时未使用的粉末。

在一些实施例中，所述待制造部件的待保持部分具有细长表面。

“细长”是指一种其至少一个尺寸至少为另一尺寸的10倍，优选地至少50倍的部件。例如，一块平板可具有远远大于其厚度的长度和宽度。

在一些实施例中，所述待制造部件为航空部件，特别地涡轮机部件，并且待保持部件的侧表面为旨在接触工作流体流的表面。

例如，旨在接触工作流体流的表面可以是在涡轮发动机中界定工作流体的流动路径的表面。因此，保持元件的存在允许限制这些表面在制造过程中的变形，并且从而限制涡轮发动机性能退化的风险。

在一些实施例中，所述待制造部件是涡轮发动机翼面，所述第一侧表面是翼面的内弧面，第二侧表面是翼面的外弧面。

根据该结构，对包括内弧面和外弧面的待保持表面定向，使得取决于内弧面和外弧面的曲率，其相对于构造方向形成的角度保持小于45°。此外，考虑到翼面的主方向为其弦，弦相对于构造方向形成一种小于30°的角度。在制造过程中，翼面的前缘可承载在支撑件上，或直接地承载在构造托盘上，翼面的构造因此从其前缘开始，并且沿构造方向一层接一层地向上延伸到其后缘。在这种情况下，保持元件以及更特别地在它们与翼面之间的线性接触，遵循内弧面和外弧面的曲率。在制造过程中使用这些保持元件保持翼面的内弧面和外弧面允许限制变形，所述变形产生其曲率的改变并且因此改变其空气动力学特性。此外，在移除这些保持元件后，它们允许限制残留物在翼面的内弧面和外弧面上的存在。因此，在获得最终翼面后，无需手动地抛光这些表面的步骤就可以实现。

在一些实施例中，所述方法进一步包括：

基于数字模型使用增材制造技术逐层地生产所述待制造部件的步骤，以及

移除所述保持元件的步骤。

在一些实施例中，所述方法进一步包括在移除所述保持元件之后，自动抛光由此获得的部件的待备用表面的步骤。

尽管在先前实施例中描述的保持元件允许限制在移除这些保持元件后存在残留物，但是，自动抛光所获得部件的待备用表面的步骤允许进一步改进所述表面的均匀性。

本发明还涉及一种方案，包括：

部件，所述部件具有至少一个待保持部分，所述待保持部分相对于所述部件的构造方向形成小于45°的角度，所述待保持部分具有彼此相对的第一侧表面和第二侧表面，以及

至少两个保持元件，第一保持元件定位在所述待保持部分的第一侧上，以便接触所述第一侧表面，以及第二保持元件定位在所述待保持部分的一侧上，以便接触所述第二侧表面。

附图说明

在阅读以下给出的通过非限制性示例给出的本发明的多种实施例的详细描述后，将更好地理解本发明及其优点。本说明书参考附图的页数，其中：

-图1为通过对粉末床选择性熔化的增材制造装置的概览；

-图2a表示待制造部件的数字模型的透视图，并且图2b表示图2a的部件沿A-A的横截面；

-图3a表示图2b的横截面，其包括根据本发明的保持元件，并且图3b表示沿B-B线的图3a的截面图；

-图4表示根据本发明的保持元件的透视图；

-图5表示待制造部件的上部的横截面。

-图6表示该待制造部件和一壳体的截面图。

具体实施方式

在本说明的剩余部分中，沿与构造方向相对应的竖直方向Z考虑了待制造部件的高度。因此，沿该Z方向考虑了术语“上”、“下”及其派生词。此外，沿与竖直方向Z垂直的水平方向X考虑了待制造部件的纵向方向。此外，沿与方向X和方向Z垂直的方向Y考虑了待制造部件的厚度。

此外，为了简单起见，在本说明的其余部分中，将会理解的是，在对翼面或保持元件的任何引用实际上参考待制造部件的数字模型的说明书的剩余部分中，该数字模型包括所述翼面和所述保持元件。

图2a示出了通过一种通过增材制造来制造部件的方法，待制造部件在构造托盘P上的模型1的透视图。对应于竖直轴Z的构造方向垂直于构造平面，所述构造平面对应于构造托盘P的上表面。在该实施例中，待制造部件1为涡轮发动机翼面。翼面1包括内弧面1a和外弧面1b。内弧面1a和外弧面1b为在通过增材制造来制造翼面1的过程中待保持部分的侧表面。

实际上，在通过增材制造来制造翼面1的过程中，翼面1的内弧面1a和外弧面1b基本沿竖直方向Z延伸，翼面1的下端，例如后缘，由至少一个支撑件2支撑，或者直接地停靠在构造托盘P上。更具体地，对翼面1的模型定向，使得翼面的弦相对于构造方向，也就是说竖直方向Z，形成一种优选地小于30°的角度。

图3a表示图2b的横截面的下部，其中保持元件10和20设置在翼面1的任一侧上。保持元件10是一种可以在制造过程中保持翼面1的外弧面1b的外弧面保持，并且保持元件20是一种可以在制造过程中能够保持翼面1的内弧面1a的内弧面保持。在该实施例中，每个保持元件10、20由构造托盘P支撑，并且沿在翼面1的整体高度(即从其前缘到其后缘)上延伸的接触线与翼面1接触。替代地，保持元件10、20可仅在翼面1的一部分高度上与翼面1接触。此外，设置保持元件10和20，使得它们沿厚度方向Y彼此对准(参见图3b)。换句话说，在内弧面保持元件20和内弧面1a之间的接触线，以及在外弧面保持元件10和外弧面1b之间的接触线都包含在平面YZ中。

图4表示根据本发明的外弧面保持元件10的透视图。保持元件10主要沿构造方向延伸，遵循翼面1的外弧面1b的形状，或者更具体地遵循翼面1的外弧面1b的曲率。保持元件10包括结构部分10a和接触部分10b。接触部分10b的一端被设置成与翼面1的外弧面1b接触。接触部分10b具有从结构部分10a直到与外弧面1b接触的端部的收敛形状。结构部分10a是允许限制其变形的保持元件的部分。换句话说，结构部分10a允许赋予保持元件10足够的刚性以抵抗翼面1的变形。

图4的右部在其下部和上部具有与构造方向垂直的保持元件10的横截面。结构部分10a和接触部分10b具有一种与它们沿竖直方向Z的尺寸相比基本恒定和很小的宽度(即沿纵向方向X的尺寸)。另一方面，结构部分10a的厚度(即沿方向Y的尺寸)，沿构造方向从保持元件10的下端直到上端减少。换句话说，保持元件10的总体截面沿构造方向减少。实际上，在下部(即接近构造托盘)，对其保持的需求更大，这需要保持元件10更刚性，以限制该区域中的变形。相反，在翼面1的上部中，保持元件10的刚性可能更低。

此外，与外弧面1b接触的接触部10b的端部包括多个齿12。每个保持元件可包括沿这些齿12对准的线每厘米三到十个齿12。这些齿12在垂直于纵轴X的平面中彼此相对地对准，使得在外弧面1b和保持元件10之间，在外弧面的整体高度上建立以连续的点接触形式的非连续线性接触。对应于图3a和5的视图，沿垂直于纵轴X的横截面，这些齿12具有锯齿形状。更具体地，每个齿12包括支承面12a，所述支承面12a在该截面中具有相对于水平面(即相对于构造平面)的30°到70°之间，优选地在40°到60°之间，更优选地等于45°的角β。该角度允许避免在其上放置支撑件。

此外，对应于图3b的视图，沿垂直于轴Z的横截面，每个齿12包括圆形端14。因此，在外弧面1b和保持元件10之间的线性接触是以在翼面1的整体高度上彼此相对地对准的连续接触点的形式。该圆形形状允许限制在保持元件10和外弧面1b之间的接触表面，从而在移除保持元件10之后限制残留物的存在。

虽然没有详细地描述，但内弧面保持元件20具有与外弧面保持元件10相同的结构特征，除了内弧面保持元件20的曲率遵循内弧面1a的曲率。与内弧面1a接触的接触部分的端部具体地包括多个齿22。

此外，图3a和3b表示翼面1的截面，其中可以看到单个外弧面保持元件10和单个内弧面保持元件20。然而，数字模型可包括沿纵向方向X的两个或多个外弧面保持元件10，以及沿纵向方向X的两个或多个内弧面保持元件20。根据需要，即根据在制造过程中最可能变形的翼面的部分，确定了翼面每侧的保持元件数量及其位置。

图6表示根据另一实施例的待制造部件的截面图，其中，代替保持元件10、20，壳体30设置在待制造部件的任一侧上。壳体30包括具有与保持元件10、20相同特征的轴承32，特别地与待保持部分的侧表面1a、1b接触的多个对准齿。壳体还包括在两个相邻轴承32之间的中间部分34。这些中间部分34具有形状与待保持部分的相应侧表面1a、1b匹配的表面，这两个表面彼此面对。中间部分34并不与待保持部分的侧表面接触，但二者之间具有0.1到0.5mm的间隙J。中间部分34还包括孔36。孔36允许更容易地回收粉末并在制造结束时重复利用未使用的粉末。

尽管已经参照具体的示例性实施例描述了本发明，但显而易见的是，可以在不背离由权利要求所定义的本发明的通用范围的情况下对这些示例进行修改和改变。特别地，可以在额外实施例中组合所示出/提及的不同实施例的各个特征。因此，应当以说明性而非限制性的意义考虑说明书和附图。

同样显而易见的是，参照一种方法描述的所有特征可以单独或组合地转置到一种装置，并且相反地，参考一种装置描述的所有特征可以单独或组合地转置到一种方法。