以選擇性激光熔化增材制造來制造金屬或陶瓷構(gòu)件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及抗高溫構(gòu)件，尤其是用于燃?xì)鉁u輪的熱氣體路徑構(gòu)件的技術(shù)。其涉及用于通過選擇性激光恪化(SLM)增材制造技術(shù)(additive manufacturing technology)制造金屬或陶瓷構(gòu)件/三維制品的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于制造金屬或陶瓷功能原型和構(gòu)件而言，增材制造已經(jīng)變成越來越有吸引力的解決方案。例如，SLM和SEBM (選擇性電子束熔化)方法使用粉末材料作為基底材料。粉末通過激光或電子束熔化。根據(jù)CAD模型，存在粉末層沉積，且所期望的對象在平臺上構(gòu)建。這意味著構(gòu)件或制品直接從粉末床通過逐層制造生成。
[0003]常規(guī)的掃描策略，如當(dāng)今其在所有SLM機器中應(yīng)用地那樣，使用中心對稱激光光斑配置，從而沿所有掃描方向提供均勻照射條件。粉末材料的熔化通過(通常至少部分重疊的)平行激光通路(pass)所謂的軌道實現(xiàn)。在增材制造過程期間，在其中經(jīng)受激光輻射的選定區(qū)域中的粉末熔化成該部分的期望截面。
[0004]在一方面，該過程的生產(chǎn)速率通過粉末熔化參數(shù):能量束的功率、掃描速度、影線距離、光斑大小確定。為了確保粉末在其整個截面中將利用相等量的激光輻射來照射，小直徑激光束在多個平行且通常等距的軌線中橫過整個截面?？傮w上，在連續(xù)的激光通路之間的距離在整個制造過程期間保持恒定。該所謂的影線距離通過在粉末床處的激光光斑大小以及通過復(fù)雜的激光-粉末相互作用現(xiàn)象限定。為了最大化生產(chǎn)率，其通常試圖充分利用能量束的可用功率。
[0005]另一重要參數(shù)是掃描速度。其可沿掃描軌線保持恒定或可變。這三個關(guān)鍵參數(shù)相互聯(lián)系且不能隨意改變。例如，如果例如由于在粉末床處不足的可用激光功率或者太高的掃描速率，在粉末床處的激光能量密度減少得太多，則出現(xiàn)不期望的多孔性。
[0006]另一方面，生產(chǎn)速率顯著地依賴于次級“激光閑置”操作，其中能量束被關(guān)掉。對于這種“激光閑置”步驟的示例是復(fù)位跳躍、在光束復(fù)位之前以及之后的光束加速和減速、或者“跳躍”、“標(biāo)記”和“多(poly)”延遲，其與用于能量束的移動命令相關(guān)聯(lián)。尤其是對于復(fù)雜的薄壁部分，其中，截面的再熔涉及大量的短軌道以及能量束的許多復(fù)位移動，但是這些延遲積聚成全部制造時間的顯著部分。次級“激光閑置”還包括新粉末層的應(yīng)用和其關(guān)聯(lián)的等待時間(times)。
[0007]例如，SLM機器大體上由控制單元、激光器和激光束聚焦和光學(xué)光束成形系統(tǒng)、具有保護氣氛的分離的工作腔室、用于從密封容器到工作區(qū)的粉末沉積的機械系統(tǒng)。光學(xué)激光束成形和光束引導(dǎo)系統(tǒng)典型地由光束擴展器、掃描頭和聚焦透鏡構(gòu)成。掃描頭負(fù)責(zé)在粉末床的選定截面處的激光束定位。其通常由附連到兩個電馬達以將入射激光束對準(zhǔn)期望方向的兩個鏡子構(gòu)成。期望以一定方式調(diào)節(jié)過程參數(shù)以保持“激光閑置”時間盡可能低，但是其不能減少到零。
[0008]在SLM中的關(guān)鍵過程步驟是粉末層的選擇性激光熔化。
[0009]圖1示出從現(xiàn)有技術(shù)已知的通過激光束照射截面I的典型的常規(guī)算法。若干激光軌道2彼此相等地分離影線距離4。激光的軌道長度3可比截面I的寬度w更小、相等或更大。在圖1中，軌道長度3等于寬度W。圖1a)和圖1c)示出典型的單向掃描路徑，圖1b)和圖1d)示出雙向掃描過程。
[0010]這種常規(guī)的掃描策略以如下方式實現(xiàn):激光束定位在照射軌線2的開始(加速)區(qū)6(參見圖1c)和圖1d)))，激光的移動開始，且系統(tǒng)將激光打開。所聚焦的激光束沿掃描方向在照射軌線2上平移。在照射軌線2的結(jié)束處，激光被關(guān)掉、減速(參見虛線7，減速區(qū))，且其然后復(fù)位(參加虛線8，復(fù)位移動)到沿線性平移方向5的下一個激光軌道2的接下來的開始點。在一些情形中，加速和減速區(qū)6、7各自做得非常短，或者其完全消除。在圖1a)和圖1c)中，鄰近的激光軌道2沿相同方向完成，在圖1c)和圖1d)中，鄰近的激光軌道2沿相對方向完成。
[0011]可清楚地看出，照射過程由選擇性激光熔化步驟(通過箭頭2示出)以及次級“激光閑置”操作步驟(通過虛線箭頭6、7和8示出)構(gòu)成。
[0012]后者是對于對那些增材制造過程的商業(yè)成功的主要障礙-低構(gòu)建速率的一個解釋。
[0013]低構(gòu)建速率導(dǎo)致長的處理時間以及相關(guān)聯(lián)的高制造成本和用于連續(xù)生產(chǎn)的僅低到中等產(chǎn)量。例如，若干kg重量的單個構(gòu)件的制造周期可花費100機器小時和更多。
[0014]已知各種解決方案以增加生產(chǎn)速率。在其中有多光束應(yīng)用技術(shù)、制造區(qū)域預(yù)熱到大約500-900°C的溫度、或者修改激光束的強度分布。
[0015]多光束技術(shù)使用多個獨立的激光束以熔化粉末。實際上，這導(dǎo)致增加的生產(chǎn)速率，但是其同時要求相等的附加投資成本量。
[0016]粉末床的預(yù)熱是減少熔化粉末材料所要求的能量的量的方法。然而，這種方法的應(yīng)用要求附加的投資成本，其由許多更復(fù)雜的硬件要求導(dǎo)致。其還由于不期望的次級效果而復(fù)雜化，例如，粉末在工作區(qū)中燒結(jié)。
[0017]在聚焦平面中應(yīng)用非高斯激光功率密度分布可改進SLM過程。該途徑的消極方面是其應(yīng)用所要求的顯著的初始投資。
[0018]文獻US 2012/267347 Al描述了一種方法，其用于焊接由非?？篃岬某壓辖鹚瞥傻墓ぜ?，包括焊接填充材料的特定質(zhì)量供給速率。所公開的現(xiàn)有技術(shù)方法是激光金屬成型(LMF)過程，其為粉末吹送技術(shù)，且其用于被損壞區(qū)域的整修，以便恢復(fù)原始壁厚度。在文獻US 2012/267347 Al中描述的方法因此不是選擇性激光熔化(SLM)過程，其從粉末床直接一層接一層地生成新的制品或制品的部件。根據(jù)US 2012/267347 Al的方法包括借助于熱源在工件表面上生成熱輸入?yún)^(qū)，借助于供給裝置將焊接填充材料供給到該區(qū)內(nèi)，以及借助于輸送裝置生成一方面在熱源和供給裝置之間以及另一方面在熱源和工件表面之間的相對移動。這具有不得不移動像CNC桌、機器人臂或激光頭的重的部件的缺點。根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)文獻的焊接模式是帶有圓形邊緣的曲折焊接線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是公開一種方法，其用于以改進的生產(chǎn)速率且在不需要實施功率更大的激光器的情況下完全地或部分地通過SLM增材制造方法制造金屬或陶瓷構(gòu)件/三維制品。本發(fā)明的另一目的是公開不需要在SLM機器上實施新的硬件的這樣一種方法。
[0020]該目的以及其他目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法來獲得。
[0021]本發(fā)明的核心是應(yīng)用線性或似線性2D熱源(激光束)來代替點熱源，用于具有減少的次級“閑置”時間的選擇性熔化。新的處理策略組合在粉末層的表面上聚焦的激光束的線性平移移動和沿橫向和/或縱向方向疊加的高頻率正弦曲線振蕩。垂直于線性掃描路徑的快速振蕩偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生在粉末層的表面上沿原始掃描方向移動的二維熱源輪廓。這種處理計劃提供粉末的更加均勻的照射，從而提供優(yōu)化的固化條件。其還由于新穎的原則最小化“激光閑置”時間，這減少了不可避免的在每個掃描軌道的開始和結(jié)束處的延遲和復(fù)位移動的數(shù)量。所公開的方法的一個優(yōu)勢是生產(chǎn)速率可增加至少25%。創(chuàng)造性元件是通過高能量束的粉末處理的順序。所公開的方法最大化其中激光發(fā)射打開的生產(chǎn)時間。方法可因此用于通過與常規(guī)的SLM過程策略相比具有更高的生產(chǎn)速率的SLM制造構(gòu)件或其元件。特定益處是相比常規(guī)的激光影線掃描算法減少閑置時間和跳躍延遲的可能性。在增材制造中的這種新的激光搖擺策略增加了制造過程的生產(chǎn)率以及減少了每個部件的成本。搖擺振蕩通過束偏轉(zhuǎn)裝置(檢流計掃描器，即，成對小的輕質(zhì)鏡子，其在工作單元內(nèi)部安裝在靜止的2D或3D掃描器裝置上)產(chǎn)生，且該束偏轉(zhuǎn)裝置還用于線性定位移動。相對移動因此使用偏轉(zhuǎn)裝置以最小的慣性產(chǎn)生，這允許相比已知方法的移動的更高動態(tài)性。
[0022]如果搖擺振蕩的頻率在從10到50000Hz的范圍內(nèi)，且振幅在從0.01 mm到20 mm的范圍內(nèi)，則這是有利的。
[0023]在優(yōu)選實施例中，搖擺振蕩參數(shù)，即頻率和振幅，以及線性移動參數(shù)都調(diào)整成使得高能量束在一個半振蕩周期期間的線性位移在從粉末床的表面處的束直徑的0.01到2.0倍的范圍內(nèi)。
[0024]過程在粉末床上有效，其中，整個粉末層在激光處理之前沉積。在處理步驟中，激光束僅選擇性地熔化和固化在特定位置處的粉末。
[0025]方法可尤其用于直接從粉末床一層接一層制造新的，意思是還沒有使用過的制品，諸如具有復(fù)雜設(shè)計的小到中等大小的熱氣體部件和原型。這種部件可例如在燃?xì)鉁u輪的第一渦輪級中，在壓縮機中或者在燃燒器中發(fā)現(xiàn)。
[0026]所述金屬基底材料是高溫Ni基合金、Co基合金、Fe基合金中的一種或者其組合。
[0027]尤其地，所述合金可包含精細(xì)散布的氧化物，特別是Y2O3、A1203、ThO2、HfO2、ZrO2中的一種。
[0028]通過所述方法制造的構(gòu)件在燃?xì)鉁u輪的壓縮機、燃燒器或渦輪區(qū)段中使用，優(yōu)選地作為葉片、導(dǎo)葉、熱屏蔽件或燃燒器旋流器。
【附圖說明】
[0029]現(xiàn)在借助于不同的實施例且參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。
[0030]圖1a)到Id)示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)通過激光束照射截面的常規(guī)算法，其中，圖1a)和圖1c)示出典型的單向掃描路徑，且圖1b)和圖1d)示出典型的雙向掃描路徑；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的振蕩熱源的第一基本原理；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例帶有側(cè)向偏移的振蕩熱源的第二基本原理；
圖4a)到4d)示出根據(jù)本發(fā)明的第三和第四實施例的兩個附加的搖擺掃描策略，其中，圖4a)和圖4c)示出單向掃描路徑，且圖4b)和圖4d)示出雙向掃描器，以及圖5示出2維搖擺熱源的構(gòu)型，其帶有與附加的橫向振蕩疊加的縱向振蕩。
[0031]附圖標(biāo)記 I截面
2激光軌道，照射軌線 3軌道長度，
4影線(hatch)距離 5線性平移方向 6開始(加速)區(qū) 7減速區(qū) 8復(fù)位移動 9側(cè)向偏移 10橫向方向 11橫向振蕩 12縱向振蕩 W截面寬度
F縱向或橫向振蕩的頻率 A縱向或橫向振蕩的振幅。
【具體實施方式】
[0032]如在上文中所述，所述方法的總體想法是通過選擇性激光熔化(SLM)使用搖擺掃描策略來生產(chǎn)高設(shè)計復(fù)雜性的功能元件。這些增材制造過程將從使用新穎的光束掃描技術(shù)的更高生產(chǎn)速率中獲益。
[0033]這種應(yīng)用的一個好的示例是用于燃?xì)鉁u輪的燃燒器旋流器，其中，大尺寸的許多截面不得不通過激光束熔化。這種構(gòu)件的制造通常要求許多機器小時。然而，整個制造時間的顯著部分是“激光閑置”時間，即，次級“非熔化”操作，其中，激光關(guān)掉且因此不能生產(chǎn)。典型的示例是新粉末層的沉積，但是還有帶有其關(guān)聯(lián)激光開/關(guān)延遲的