增材制造的多孔的构件结构和用于其制造的机构制造技术

提出一种用于提供用于基于粉末床增材制造构件(10)的CAM制造指令的方法。在此，根据CAD数据限定构件(10)的几何结构，所述构件包括实心材料区域(B)、过渡区域(T)和多孔的构件区域(12，T)，其中用于制造构件的辐照参数在过渡区域(T)内改变，使得在构件(10)的实心材料区域(B)与多孔的构件区域(H)之间构成构件(10)的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数包括辐照功率(P)、扫描速度(v)、扫描间距(d)和层厚度(t)。此外，提出一种用于制造构件的对应的方法和一种计算机程序产品以及一种增材制造的构件结构。件结构。件结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】增材制造的多孔的构件结构和用于其制造的机构


[0001]本专利技术涉及一种用于提供用于基于粉末床增材制造可冷却的构件或构件区域的制造指令的方法，所述构件或构件区域包括实心材料区域、过渡区域和多孔区域。此外，提出一种对应的增材制造的构件区域和一种用于制造所述构件区域的机构以及一种计算机程序产品。

技术介绍

[0002]构件优选地设为用于在燃气轮机、如固定式燃气轮机的热气路径中使用。特别优选地，构件结构涉及燃烧室的部件或共振器构件、如亥姆霍兹共振器或其一部分。优选地，所述构件是应冷却的部件，例如可以经由流体冷却来冷却。为此，所述构件优选地针对对应的冷却流体、例如冷却空气具有定制的穿透性或渗透率。
[0003]替选地，构件可以涉及其他可冷却的或部分多孔的构件，例如在汽车行业或航空领域中使用的构件。
[0004]现代的燃气轮机构件或类似的部件是持续改进的主题，以便提升其效率。然而，这还引起在热气路径中的越来越高的温度。用于转子叶片、尤其第一级中的转子叶片的金属材料在其在高温下的强度、蠕变载荷和热机械疲劳方面不断地改进。
[0005]生成式或增材式制造由于其对工业的创新潜力对于批量制造在上文中提及的涡轮机部件、例如涡轮机叶片或燃烧器部件而言也变得越来越感兴趣。
[0006]增材制造方法(通俗地也称为“3D打印”)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)。其他增材方法例如是“定向能量沉积(Directed Energy Deposition)(DED)”方法，尤其是激光熔覆焊接、电子束或等离子粉末焊接、焊丝焊接、金属粉末注射成型，所谓的“片材层压(sheet lamination)”方法或热喷涂方法(VPS LPPS，GDCS)。
[0007]例如从EP 3 278 908 B1中已知一种用于增材构造具有多孔支撑结构的构件的方法。因此，在此——与本专利技术相反地——涉及支撑结构的结构孔隙度然而不设为用于冷却。
[0008]此外，在WO 2020/018604 A1中一般性地描述增材构造的材料的密度梯度。
[0009]此外，文件WO 2014/2023521描述一种用于借助于选择性激光熔化来制造三维构件的方法，其中可以调整对应的参数，以批量制造构件的微结构和/或孔隙度。
[0010]增材生产方法(英文：“additive manufacturing”)此外已经证明为对于复杂的或细丝设计的构件、例如迷宫式结构、冷却结构和/或轻型结构是特别有利的。尤其地，增材生产由于特别短的工艺步骤链是有利的，因为构件的制造或生产步骤可以在很大程度上基于对应的CAD文件(Computer
‑
Aided
‑
Design，计算机辅助设计)和对应的生产参数的选择进行。
[0011]CAD文件或计算机程序产品例如可以作为(易失性或非易失性)存储介质，例如存储卡、USB棒、CD
‑
ROM或DVD，或者也以从服务器和/或在网络中可下载的文件的形式被提供或被包括。提供此外可以例如在无线通信网络中通过传输具有计算机程序产品的对应的文
件来进行。
[0012]计算机程序产品通常可以包含程序代码、机器代码或数字控制指令、CAM(Computer
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Aided
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Manufacturing，计算机辅助制造)控制指令、G代码和/或其它可执行的程序指令。
[0013]计算机程序产品还可以包含呈三维格式或作为CAD数据的几何结构数据或构建数据，或包括用于提供所述数据的程序或程序代码。
[0014]借助于所描述的基于粉末床的方法(LPBF英文代表“Laser Powder Bed Fusion(激光粉末床融合)”)制造燃气轮机叶片能够有利地实现完成新的几何结构、构思、解决方案和/或设计，其可以降低制造成本或者构造和产出时间，优化制造工艺，并且例如明显改进部件的热机械设计或耐久性。
[0015]以传统方式、例如铸造技术地制造的叶片部件明显不如增材生产流程，例如在其设计自由度方面，以及也关于所需的产出时间和与产出时间相关的高成本以及生产技术耗费。
[0016]借助于所提及的LPBF方法已经可行的是，制造可以用于不同应用、例如冷却或机械减振的多孔材料。
[0017]这种结构也已经部分地集成到实心材料部件中。这强制性地引起在构件的多孔区域与致密的或不可穿透的实心材料区域之间的在结构上有问题的过渡部。所提及的过渡部在整个部件在运行中负载时通常为薄弱部位，这引起，构件根本不能或不能够长时间地或可靠地用于其常规使用，因为总体上不能确保构件的多孔区域的机械接合从而形状稳定性。大的应力梯度在制造期间产生并且尤其引起多孔区域在过渡部中在负载时“被撕裂”。

技术实现思路

[0018]因此，本专利技术的目的是提出一种机构，借助所述机构可以可靠地确保在待增材制造的构件中的所提及的多孔结构区域的接合。由此，所提及的多孔材料区域可以首次可靠地在功能上在对应的构件中使用，这例如决定性地改进增材的冷却结构的结构完整性。
[0019]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。
[0020]本专利技术的一个方面涉及一种用于提供用于基于粉末床增材制造构件的CAM制造指令的方法，其中根据CAD数据限定构件的几何结构，所述构件包括实心材料区域、过渡区域和多孔的构件区域，其中用于制造构件的辐照参数在过渡区域内和在制造构件期间(逐层地)改变，使得在构件的实心材料区域与多孔的构件区域之间构成构件的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数此外包括辐照功率、扫描速度、网格或阴影线间距和层厚度。
[0021]因此，有利地，通过本专利技术在工艺准备中、即在真正制造构件上游已经可以提供CAM策略，所述CAM策略然后在其在构造工艺中实施时必然引起过渡区域中的有利的结构特性。换言之，过渡区域通过所提及的机构在结构上明显更鲁棒地设计，使得所述过渡区域在运行中也承受构件的明显更大的力流和负载。
[0022]在一个设计方案中，所提及的辐照参数中的至少一个辐照参数选择成，使得构件的结构在多孔的构件区域中在5％和40％之间、优选地大约为20％。根据所述设计方案的孔隙度的尺寸对于流体冷却的从而可穿流的构件结构是特别符合目的的。
[0023]在一个设计方案中，至少一个辐照参数选择成，使得构件的结构在过渡区域中具有在实心材料区域中的大约0直至多孔的构件区域的、优选地大约20％的孔隙度值之间逐渐改变的孔隙度。分级的或(逐渐)改变的孔隙度有利地特别高效地允许过渡区域的结构上的加强。尤其地，所述设计方案有利地允许在构造期间抑制裂纹或裂纹中心，从而允许制造机械上特别鲁棒的过渡区域。
[0024]在一个设计方案中，至少一个辐照参数选择成，使得孔隙度以连续地或无级地(流畅地)逐渐改变的方式构成。所述设计方案的特征在于与最后提及的设计方案相同的涉及机械强度的优点。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于借助于选择性激光熔化或电子束熔化来增材制造构件的方法，其借助为构件(10)的基于粉末床的增材制造提供的制造指令(CAM)进行，其中根据CAD数据限定所述构件(10)的几何结构，所述构件包括实心材料区域(B)、过渡区域(T)和多孔的构件区域(12，T)，其中用于制造所述构件的辐照参数在所述过渡区域(T)内改变，使得在所述构件(10)的所述实心材料区域(B)与所述多孔的构件区域(H)之间构成所述构件(10)的结构的孔隙度梯度，所述辐照参数包括辐照功率(P)、扫描速度(v)、扫描间距(d)和层厚度(t)，并且其中辐照功率(P)在所述过渡区域(T)中从所述实心材料区域(B)直至所述多孔的构件区域(H)降低。2.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个辐照参数(P，v，d，t)选择成，使得所述构件(10)的所述结构(12)在所述多孔的构件区域(H)中在5％和40％之间、优选地大约为20％。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中至少一个辐照参数选择成，使得所述构件(10)的所述结构(12)在所述过渡区域(T)中具有如下孔隙度：所述孔隙度从在所述实心材料区域(B)中大约为0逐渐改变至所述多孔的构件区域(H)的优选大约为20％的孔隙度值。4.根据权利要求3所述的方法，其中至少一个辐照参数选择成，使得所述孔隙度以连续地或无级地逐渐改变的方式构成。5.根据权利要求3所述的方法，其中至少一个辐照参数选择成，使得所述孔隙度以分级地逐渐改变的方式构成。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中扫描速度(v)在所述过渡区域(T)中从所述实心材料区域(B)直至...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰内斯，
申请(专利权)人：西门子能源全球有限两合公司，
类型：发明
国别省市：