用于选择性地辐照材料层的方法、用于提供数据集的方法、装置和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于选择性地辐照材料层的方法、一种用于提供数据集的方法、一种增材制造方法、一种用于在增材制造中选择性地辐照材料层的装置以及一种相应的增材制造方法和一种计算机程序产品。
背景技术
用于构件的制造或者维护或者保养或者维修的增材方法例如包括选择性的激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)作为粉末床方法。激光熔覆(LMD)同样属于增材方法。
增材制造方法(英文：“additive manufacturing”)已经被证实为特别有利于复杂的构件或者繁琐地或精细地设计的构件，例如迷宫式结构、冷却结构和/或轻量化结构。特别地，通过特别短的工艺步骤链进行的增材制造是有利的，因为可以基于几何形状数据集，例如基于相应的CAD文件来进行构件的制造或生产步骤。
本公开优选地涉及被提供用于流体机械中、优选是用于燃气涡轮机的热气路径中的构件。该构件优选地由超级合金、特别是镍基或钴基超级合金制成。该合金可以是已经沉淀硬化的或能够沉淀硬化的。
例如，从EP 2 424 706 B1中已知一种借助于脉冲模式下的激光束从粉末状基础材料中制造构件的方法。
尽管增材制造工艺对于许多工业领域和旨在实现增材方法的工业化的大量开发而言变得越来越重要，但是仍然难以以有利于所期望的构件结构的方式来控制用于使构件层硬化的相应能量束的能量输入。特别是在待制造构件的使得增材工艺适合用于制造的精细几何形状或悬伸区域中，难以控制辐照参数并且还难以选择相应的合适的辐照策略。还由于热量输入或者在局部非常有限的待硬化区域中难以避免过热，而使得该精细区域的构建变得复杂。
即使在用于辐照待硬化的构件区域的参数已被预设的情况下，为了使来自粉末床中的粉末层硬化而选择的辐照矢量或辐照路径例如在宽度上经受波动，这种波动可能会导致熔池不规则，从而导致表面不平整和表面质量缺陷。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出有助于改进粉末层的辐照的手段，使得根据几何形状和/或所选择的材料获得相应的待制造构件的最佳结构特性。特别地，该改进涉及：在用于基于粉末床的选择性工艺(诸如选择性激光熔化(或激光烧结)和/或电子束熔化)的增材制造中辐照材料层。
该目的通过独立权利要求的主题实现。有利的设计方案为从属权利要求的主题。
本发明的一个方面涉及一种用于在增材制造中选择性地辐照材料层的方法，该方法包括提供包含待制造构件的各个层的几何形状信息的几何形状数据，这些几何形状数据优选地包含预设的构件几何形状的信息。几何形状数据例如可以在几何形状数据集中被提供，即，被上传或者被生成或者以其它方式被读入。
此外，该方法包括借助于计算机辅助制造方法、特别是CAM方法来定义构件层的辐照图案，其中辐照图案分层地包括轮廓或轮廓区域和例如位于轮廓内的面区域，其中轮廓的用于连续辐照运行的第一轮廓矢量和轮廓的用于脉冲的或时间调制的辐照运行的——不同于第一轮廓矢量——的第二轮廓矢量被确定、传送或存储。
特别地，“轮廓矢量”可以表示例如在粉末床的俯视图中观察到的构件层的边缘处的辐照路径，该构件层限定了构件的内部边缘或外部边缘。
特别地，对于通过能量束(例如，激光束或电子束)来增材制造构件轮廓而言，通过(例如对粉末层的)连续辐照与脉冲辐照或调制辐照的组合，可以在构件的边缘区域、问题区或“过热点”(即，在制造期间特别易受局部过热影响的区域)中实现改进的表面特性和/或结构特性。
应当理解的是，在增材制造中，对辐照参数和/或几何形状的这种选择几乎无法手动地分层进行，而是必须借助于CAM以计算机辅助的方式进行，以便可以适当地且经济地进行制造。
为了制造构件例如应当利用激光选择性地辐照粉末层，例如在实际增材制造该粉末层的准备过程中，可以首先选择位于内部的区域或面区域，随后以能量束辐照并硬化该位于内部的区域或面区域。然后，通常选择可以横向地包围该面区域的轮廓区域。在随后的实际制造中，该轮廓区域有利地在面区域之后被辐照。特别地，通过这种方式可以补偿面区域的不精确性或平滑结构的浇口
现在，根据本发明，轮廓辐照或辐照参数的相应确定或定义包括连续的和调制的辐照运行，其中调制的轮廓可能会不再能够实现所提及的这种平滑效果。然而，通过所选择的调制的或以脉冲模式辐照的轮廓可以在制造中使构件层的轮廓重新再熔化，所选择的调制的或以脉冲模式辐照的轮廓可以进一步减小表面粗糙度，并且显著改进构建结果或硬化结果，例如带来相应的被构建区域的尺寸精度的提高。
辐照图案的实际定义优选地借助于计算和/或仿真进行或者根据算法被预定义。
在实际的增材制造中，根据第二轮廓矢量(优选地在根据第一轮廓矢量的辐照之后)进行辐照，而独立于以何种顺序定义或确定辐照图案的第一轮廓矢量和第二轮廓矢量。
在一个设计方案中，第一轮廓矢量(连续辐照运行)与第二轮廓矢量(脉冲辐照运行)至少部分地重叠(参见下文中的实施例)。
在一个设计方案中，第一轮廓矢量与第二轮廓矢量完全重叠。
在一个设计方案中，第一轮廓矢量与第二轮廓矢量之间没有重叠。
在一个设计方案中，轮廓区域例如包括薄壁、悬伸部或位于内部的结构或具有定义的或预设的表面质量或结构质量和/或尺寸公差的构件特征。换言之，轮廓区域优选是构件的特别难以制造的区域，必须采用与构件内部的区域或面区域不同的辐照策略来处理这些特别难以制造的区域，以便实现足够的材料特性和足够的尺寸精度。
在一个设计方案中，根据构件的各个横截面区域的悬伸角来定义辐照图案。
“横截面区域”优选是构件的如下区域，该区域在制造期间根据构件的层细分而被露出，或者该区域预设层细分。因此，取决于涉及悬伸的构件轮廓(所谓的“上皮(upskin)”矢量)还是竖直的、垂直向上指向的构件轮廓，优选地根据本发明由数据处理设备或计算机相应地设置和/或提出辐照参数。
在一个设计方案中，确定另外的辐照参数，诸如矢量长度、脉冲长度、扫描和/或辐照速度、激光功率、轨迹或条带间距(所谓的“孵化(hatch)”间距)、条带宽度和/或其它参数，以用于辐照图案的定义。
在一个设计方案中，轮廓的第一轮廓矢量和/或第二轮廓矢量的矢量长度在50μm至200μm之间，优选是在100μm至150μm之间。
在一个设计方案中，辐照参数包括小于200mm/s的扫描或辐照速度。
在一个设计方案中，与轮廓的第一辐照矢量相比，第二辐照矢量(在实际增材制造期间)生成较小的熔池，这使得可以提高相应的被辐照区域的表面质量或结构质量。
在一个设计方案中，将轮廓的相邻的(第一或第二)辐照矢量的光束偏移确定、定义或设置在40μm至100μm之间。
如上所述，本发明的另一方面涉及一种用于在增材制造中提供用于选择性地辐照材料层的数据集的方法。该方法还包括将至少第二轮廓矢量的辐照参数与几何形状数据在一个共同的数据集中进行链接、叠加、标记或传输。换言之，数据集优选地包含关于“在哪以及如何”辐照构件区域的信息。
因此，数据集可以描述数据结构产品，和/或优选地包括功能数据以及句法信息和语义信息。数据集优选是上述用于选择性地辐照材料层的方法的产品或结果，并且本身包含如下的技术信息，只要该技术信息被传递给增材制造设备，该技术信息就带来根据本发明的优点。
例如，可以通过上传或下载文件、读入文件、生成文件，或者例如通过在“点对点(peer-to-peer)”网络中交换数据，或者以类似方式来提供数据。
在一个设计方案中，数据集附加地包含构件的材料信息或用于构件的原材料的材料信息，这些材料信息优选地同样被“链接”在数据集中。
本发明的另一方面涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括如下的指令，在通过计算机或数据处理设备运行程序时，这样的指令使得计算机或数据处理设备以如上所述的方式执行辐照图案的分层确定和/或将第二轮廓矢量的辐照参数与几何形状数据进行链接。
本发明的另一方面涉及一种用于在增材制造中选择性地辐照材料层的装置，该装置适合于执行如上所述的用于选择性辐照的方法，该装置还包括用于选择性地辐照材料层的能量束源，其中该装置还优选地被设计为实现连续辐照运行以及脉冲的或调制的辐照运行。因此，该装置例如可以包括能量束源和/或相应设计的光学系统或相应的调制器。
在一个设计方案中，该装置包括用于上述脉冲辐照运行的脉冲发生器。
在一个设计方案中，能量束源是用于轮廓的连续辐照运行的第一能量束源。
在一个设计方案中，该装置包括用于轮廓的脉冲辐照运行的至少一个第二能量束源，优选是激光器。
本发明的另一方面涉及一种增材制造方法，该增材制造方法包括如上所述的用于选择性辐照的方法，其中选择性辐照借助于激光或电子束进行，并且其中材料层是粉末层。
在一个设计方案中，粉末层由镍基或钴基超级合金构成，特别是由硬化的镍基或钴基超级合金构成。
在一个设计方案中，构件是在流体机械的热气路径中使用或提供的构件或相应的部件。
本发明的另一方面涉及一种已经根据如上所述的增材制造方法制造的或能够根据如上所述的增材制造方法制造的构件，该构件与根据现有技术制造的构件相比具有提高了50％至100％的表面质量或结构质量和/或尺寸精度。
涉及用于选择性辐照的方法的、涉及用于提供数据集的方法的、或者涉及计算机程序产品的设计方案、特征和/或优点还可以涉及装置、增材制造方法和/或构件，反之亦然。
附图说明
下面参考附图说明本发明的其它细节。
图1示出了增材制造设备的示意性截面图和在增材制造设备中制造的构件的示意性截面图。
图2示出了根据本发明的辐照图案的示意图。
图3示出了根据本发明的备选的辐照图案的示意图。
图4示意性地示出了根据现有技术辐照待增材制造的构件的区域。
图5示意性地示出了根据本发明辐照待增材制造的构件的区域。
图6示出了表示根据本发明的方法的方法步骤的示意性流程图。
具体实施方式
在实施例和附图中，相同的或作用相同的元件分别可以被提供有相同的附图标记。所示出的元素及其相互之间的大小关系原则上不应被视为按比例绘制的，相反为了更好地显示和/或更好地理解，可以以夸张的粗细或较大的尺寸示出各个元素。
图1示出了用于制造构件10的增材制造设备300。制造设备300可以表示(通常称为)“3D打印机”。制造设备300优选地表示用于选择性激光熔化和/或电子束熔化(英文术语：“powder bed fusion”)的设备。
制造设备300包括构建平台1。在构建平台1上示出了在增材制造期间的构件10。构件10被布置在粉末床P中，其中一些区域(构件10的横截面区域或各个层S由水平虚线表示)已经通过能量束源20选择性地硬化，优选地通过由能量束曝光或辐照来选择性地硬化，该能量束优选是激光束或电子束(未明确示出)。能量束源20优选是第一能量束源。
优选地，构件10是在例如燃气涡轮机的流体机械的热气路径中使用的构件。特别地，构件可以表示转子动叶或导向静叶、区段或环段、燃烧器部件或燃烧嘴、边框、护罩、喷嘴、密封件、过滤器、入口或喷枪、共振器、冲模或旋流器，或者相应的过渡部、插入件，或者相应的改装件。
制造设备300优选地包括装置50。该装置50优选是根据本发明的装置，该装置包括辐照装置，该辐照装置进一步包括第一能量束源20。第一能量束源优选地被设计用于辐照构件的材料层或者用于根据连续辐照运行(连续波运行)的构件10。
例如，在选择性地辐照层区域以使其硬化之后，从粉末床中增材制造构件10包括：使构建平台1优选地降低相应于层厚S的量，以及借助于涂层器30施加另一粉末层。
在图1中可以看出，构件10(尽管该构件被示意性地示出)在左边所示的一侧处具有悬伸的边缘区域RB。对于构件10的制造而言，边缘区域RB优选地需要利用不同于如下参数的辐照参数进行辐照，根据这样的参数例如必须辐照构件10的内部面区域或者就过热而言不太关键的区域(参见下文)。例如，可以以结构分辨率为代价利用较大的光束偏移来辐照面区域，以改进工艺效率。
与图1所示不同，边缘区域可以是构件10的周缘上的边缘区域。
特别地，在制造期间，边缘区域RB由于其悬伸部(参见悬伸角α)而特别容易出现结构缺陷，诸如有缺陷的重熔结果或制造期间的过热，因为与构件10的目前已经构建的结构相比，悬伸部下方的散热由于准绝热粉末床P而显著较差。
优选地，首先辐照构件10的内部的区域或面区域FB以制造构件。随后，优选地以改变后的辐照参数“追踪”轮廓，以使硬化后的材料的浇口变平滑。在这里，轮廓可以包括构件10的上述边缘区域RB(同样参见下文中的图3)。
根据本发明，现在，首先连续地(即，根据(连续的)第一轮廓矢量KV1)辐照轮廓(参见下面说明的附图中的附图标记K)。随后，以(脉冲的或调制的)第二轮廓矢量KV2(参见下文)辐照该区域，特别是构件10的易于产生结构缺陷的区域RB，这显著地改进了硬化结果，因为通过能量辐射的脉冲或调制(例如，通过(超)短脉冲激光)而输入到材料中的能量可以更好地被计量，并且可以根据各个几何形状和所选择的构件材料被设置。
因此，与其它区域相比，例如构件10的边缘区域RB或轮廓K的制造需要降低辐射到材料中的辐射功率。否则，非常精细的构件区域(参见图3中的KV2)将例如发生热变形和/或易于产生热裂纹或变形，这将使得整个构件10无法使用，并且在严重变形的情况下，甚至可能会损坏制造设备300或涂层器30。
换言之，第二轮廓矢量的脉冲辐照实现了将明显受控的能量输入到粉末中，因为与在连续运行中相比，在脉冲运行中的熔池直径(参见下面的附图标记d)以及例如熔池深度明显较低。因此，可以产生较小的熔化图像，特别地，这第一次实现薄壁的辐照，该薄壁的壁厚或结构厚度例如小于120μm和300μm。所提及的壁厚大约相当于在面辐照情况下的光束偏移量的三倍(参见下面的附图标记v)。
对于所描述的辐照策略，装置50例如具有脉冲发生器或脉冲调制器40。对于第一轮廓矢量1KV的辐照和第二轮廓矢量2KV的辐照，借助于优选地可以在图1所示的光路中接通和断开的脉冲调制器40，优选地可以使用相同的能量束源(第一能量束源20)。因此，可以有利地省去第二能量束源，例如短脉冲激光器。
优选地，所描述的装置或制造设备300中的脉冲调制器被设计为：在200W至400W之间调节平均激光功率，在100W至1000W之间调节最大激光功率，在1Hz至50Hz之间调节脉冲频率(例如，10Hz或明显较高)以及在例如1ms至100ms之间的毫秒范围中调节脉冲持续时间。
根据一个备选设计方案，装置50包括第二能量束源20'。第二能量束源20'优选地被设计用于根据脉冲的或时间调制的辐照运行(参见第二轮廓矢量2KV)辐照构件10或构件10的材料层。与使用上面所提及的脉冲调制器40相比，第二能量束源20'可以有利地实现所提及的参数的较大带宽以及时间脉冲调制的较大自由度。
与根据现有技术制造的构件相比，根据在这里所描述的本发明(同样可以参见在下文中描述的涉及用于选择性辐照的方法以及计算机程序产品的附图)可以例如以提高了50％至100％的表面质量或结构质量和/或相应提高的尺寸精度来制造构件。
图2示出了辐照图案BM的示意性俯视图或示意性视图。辐照图案BM包括面区域FB，该面区域FB——在转移到物理材料层之后——例如对应于构件10的位于内部的区域。如上所述，辐照图案BM还具有轮廓K，该轮廓K包括第一轮廓辐照矢量KV1和第二轮廓辐照矢量KV2。如上所述，第二轮廓矢量KV2对应于用于在第一轮廓矢量KV1之后制造构件的辐照路径。虽然第二轮廓矢量KV2或者由其限定或覆盖的面(参见图2)都涉及构件的轮廓K；然而矢量(第一轮廓矢量KV1和第二轮廓矢量KV2)并不一定必须是一致的。因此，如图2所示，例如第二轮廓矢量的面积可以小于被第一轮廓矢量KV1覆盖的面积，或者仅与被第一轮廓矢量KV1覆盖的面积部分重叠。
第二轮廓矢量KV2的面积较小表明：在构件10的实际制造中的熔池也优选小于用于根据第一轮廓矢量KV1的面辐照或辐照的熔池。此外，在图2的右侧还示出了典型的蜿蜒状的辐照图案，根据该辐照图案例如通常定义了面区域FB或第一轮廓矢量KV1和/或KV2。因此，例如，面区域的在图4中所示的阴影线仅仅是一种简化。
优选地，根据构件10的各个横截面区域的悬伸角α来定义辐照图案BM。换言之，在确定辐照图案BM时——例如通过相应的算法或计算机程序模块——考虑构件10的各个区域的悬伸角。
此外，为了定义辐照图案，优选地，相应地确定或调整与增材制造工艺有关的(所有)辐照参数，诸如矢量长度、脉冲长度、扫描或辐照速度、激光功率、轨迹或条带间距(“孵化”间距)和/或条带宽度(同样参见图4和图5)。
借助于这些参数例如还可以精确地设置、计算或模拟在每个时间间隔引入到粉末材料和/或硬化层中的辐射功率或辐射能量，并且在所描述的实施方式的范畴中，将该辐射功率或辐射能量存储或在数据集中进行链接(参见下文)。
轮廓K的第一轮廓矢量KV1和/或第二轮廓矢量KV2例如可以具有在50μm至200μm之间的长度。作为辐照参数的一部分，扫描速度例如还可以被选为小于200mm/s。
图3示出了与图3类似的图示，图3利用用于第二轮廓矢量的附图标记KV2已经在辐照图案BM中示出了构件10的如下区域，这样的区域在增材制造期间特别容易受结构缺陷影响。特别地，通过由本发明提出的辐照策略，特别是连续辐照运行之后的“脉冲”以及在根据第二轮廓矢量KV2的辐照过程中的相应较小的热量输入，可以产生较小的熔化图像，这例如特别有利于对薄壁和角落的辐照。在这里，可以例如以重复3次至5次的脉冲逐点地辐照角落。
具体地，根据图3中的图示，根据第二轮廓矢量(仅以脉冲形式)对构件10或辐照图案BM的角落以及构件的在左上方所示的薄壁进行辐照。甚至可以仅借助于单个矢量对壁进行辐照，该壁的壁厚或结构厚度例如小于120μm和300μm。
图4示意性地示出了对待增材制造的构件10的区域的辐照。
与图3的图示相比，在图4中不仅示出了辐照图案BM，而且示意性地示出了待增材制造的或已增材制造的至少一个构件层10,S。图4中连同辐照图案BM一起示出的构件层区域大致对应于图3的左上方区域，图3的左上方区域包含用于所描述的壁的第二轮廓矢量(参见下面的附图标记W)。在图4的图示的左侧示出了面区域FB或面区域的辐照图案BM。因此，优选地根据所示的阴影线FB连续地辐照构件的该内部区域。阴影线(以简化的方式)包含等距延伸且倾斜布置的辐照矢量，以用于内部构件区域的高时间效率的辐照。在图4的上部区域中示出了熔池直径d作为所示点(熔池)的宽度。尽管图4的图示并不是按比例绘制的，但是对于相邻的轨迹/矢量，在构件层的制造期间通过激光沿着辐照图案“移动”的熔池至少部分地扫过相同的面积。换言之，先前被硬化或扫过的区域通常会在新的矢量下重新熔化。
在图4的右侧区域中示出了利用附图标记W标识的壁，根据现有技术，该壁必须同样设置有阴影线(参见附图标记BM)。然而，这种辐照会导致不充分的硬化结果或制造结果，特别是会导致过高的热输入，这会在所构建的壁结构中引起缺陷或甚至变形，这还会导致构件报废。以附图标记v示出竖直光束偏移。
与之相比，图5示出了根据本发明的用于辐照壁W的解决方案。可以看到，与图4不同的是，例如对于“壁”的辐照不在选择阴影线，而是仅选择具有所示的熔池直径或能量束直径d的单个(水平)矢量。与现有技术中的当前情况(参见图4)相比，有利的是，通过在此所描述的辐照策略，壁在总体上可以被构建得较薄。此外，通过在此所描述的辐照而输入到随后形成壁的粉末中的温度较低，并且壁W有利地具有明显提高的尺寸精度以及结构质量，例如较少的结构缺陷或裂纹中心。在图5中借助于单个竖直辐照矢量示例性地示出壁W的辐照，该辐照有利地对应于根据第一轮廓矢量KV1和/或第二轮廓矢量KV2的轮廓辐照。
图6借助示意性流程图示出了根据本发明的方法步骤。这些方法步骤例如可以借助于上面所描述的制造设备300内的数据处理设备或计算机200来执行。
优选地，该方法是一种用于在增材制造中选择性地辐照材料层S的方法，该方法包括：a)提供包含待增材制造的构件S的各个层S的几何形状信息的几何形状数据，该提供例如包括数据的上传或下载或者以其它方式读入；b)借助于计算机辅助的(CAM)制造方法(如上所述)定义用于层S的辐照图案BM，其中辐照图案BM分层地包括轮廓S以及例如位于轮廓内的面区域FB，并且其中轮廓K的用于连续辐照运行的第一轮廓矢量KV1和轮廓K的用于脉冲辐照运行的第二轮廓矢量KV2被确定。
根据本发明，用于选择性地辐照材料层的信息或数据、特别是至少第二轮廓矢量KV2的辐照参数(然而，优选是所有待选择的辐照参数)优选地与构件10的几何形状数据(例如，CAD文件)链接在一起或链接在共同的数据集DS中(参见c))。
例如，数据集DS可以是xml格式、amf文件(.amf)或“G代码”格式或类似格式或其它CAM数据集，除了几何形状信息(CAD文件)之外，该数据集例如还包含关于所选择的辐照参数的信息。借助于这些参数例如还可以设置、计算并且在所描述的实施方式的范畴中存储在每个时间间隔引入到粉末材料和/或硬化层中的辐射功率或辐射能量。
数据集DS可以附加地包含构件10的材料信息和/或用于构件10的原材料的材料信息，其中这些材料信息同样在数据集DS中与其它信息链接(参见d))。
例如，可以由计算机程序产品确定和/或提供辐照图案BM和/或数据集DS。计算机程序产品例如还可以包括如下的指令，在通过计算机200运行程序时，这样的指令使得以如上所述的方式执行辐照图案BM的分层确定以及在共同的数据集DS中信息的链接。
本发明并不限于基于实施例的说明，而是包括任何新特征以及特征的任何组合。这特别是包括权利要求中的特征的任何组合，即使该特征或该组合本身在权利要求或实施例中未明确说明。
