配备有抗湍流护罩的激光熔化增材制造设备的制作方法

1.本发明涉及特别是在航空领域通过激光熔化进行的增材制造方法。


背景技术：

2.增材制造被限定为通过添加材料对部件进行成形的方法，而不是通过去除材料(机加工)进行的传统成形。
3.增材制造具有许多优点，包括能够制造非常复杂的形状，这些形状中的一些形状不能用传统方法和各种各样的材料来实现。这也使得能够生产一体式部件，即无需组装的部件。由于不需要设备，则对于部件的连续生产而言，制造时间也是有益的。根据部件的不同，增材制造可以使得显著降低制造成本和简化整个过程(例如，不需要某些热处理，不需要多次车削和/或铣削操作)。
4.更确切地，激光熔化增材制造是如下方法，该方法包括在处于中性气体下的外壳中通过对粉末床的颗粒进行选择性熔化来使粉末床的颗粒聚集(参见图1和图2)。
5.该粉末床被布置在构建平台上。熔化通过激光光束来完成，该激光光束扫描粉末床的表面，并使(例如，通过初步模型)确定的部段(被称为熔化区)上的粉末熔化。在粉末床的熔化部分凝固后，构建平台被降低，以散布预定厚度的一个新的粉末层。激光再次扫描粉末的表面，以产生叠置在前一层上的附加部段。三维(3d)部件是二维(2d)平面层的一种堆叠。换言之，我们可以说，激光熔化方法包括在给定表面上通过激光光束使粉末层熔化，并且竖直增加平台的位置以获得3d形状。
6.因此，部件的激光熔化制造使用形成特定机器的设备10进行，该设备特别地包括三个粉末容器12、14、16(一个用于粉末供给，一个用于熔化，一个用于剩余)、激光头18、可移动刮刀20和氩气投射系统22，该氩气投射系统包括投射系统22的至少一个气流栅(参见图2)。
7.熔化机器中存在的激光源通常是nd：yag光纤类型的，波长为1064nm，功率范围为50w至1000w，并以连续模式使用。
8.首字母缩写为nd：yag来自英文名称：neodymium-doped yttrium aluminum garnet(掺钕钇铝石榴石)(nd:y3al5o12)，该掺钕钇铝石榴石是一种晶体，该晶体用作使用固体介质的激光器的放大介质。
9.光束通常是高斯类型的，或者最近在一些1000w的激光器上是均匀的。在某些设备上，有可能发现多达四个激光源同时工作。
10.制造在氩气(ar)或氮气(n2)的可控气氛下进行。保护气体的选择取决于所用材料的类型。气体的纯度以及制造外壳的紧密性在熔化方法中起着重要的作用。通常，外壳的温度可能是制造中的主要因素，因为该温度可能导致粉末散发蒸汽或应力松弛。
11.为了保护熔化以及熔池，还投射了氩气(ar)层流，以消除可能再沉积在新熔化部分上的颗粒，以及在熔化时使粉末平贴。
12.然而，这种投射在腔的某些区域中产生湍流，从而在被定位在激光熔化罐的边缘
处的部分上产生冶金缺陷。


技术实现要素：

13.为了克服该缺点，本发明提出了一种激光熔化增材制造设备，该设备包括激光头、第一容器、第二容器和第三容器，该激光头用于发射限定纵向轴线的激光光束，第一容器、第二容器和第三容器分别在大体上垂直于纵向轴线的第一横向平面中对准，该第二容器被定位在第一容器和第三容器之间，三个容器各自包括可以沿着纵向轴线移动的可移动平台，每个平台用于接收一定厚度的粉末，平台的自由端部限定在第二横向平面中对准的三个粉末床，设备还包括可移动刮刀，该可移动刮刀用于在相对于容器的表面横向的第三平面中移动，以便与粉末床中的每一个粉末床接触。
14.设备的特征在于，该设备包括第一可移动护罩和第二可移动护罩，第一可移动护罩和第二可移动护罩用于与可移动刮刀在相同的第三横向平面中且在熔化位置和重新装载位置之间移动：
[0015]-在熔化位置，第一护罩被定位在第一容器和第二容器之间，第二护罩被定位在第二容器和第三容器之间，
[0016]-在重新装载位置，第一护罩和第二护罩被定位在三个容器的组的横向端部处。
[0017]
这减少了撞击区域附近的湍流，并限制了冶金缺陷。在整个设备上获得均匀的熔化。
[0018]
根据本发明的设备可包括以下特征和/或步骤中的一个或多个，这些特征和/或步骤单独采用或彼此组合采用：
[0019]-第一容器是粉末供给部，第二容器是激光熔化罐，第三容器是粉末剩余容器，
[0020]-在熔化位置，可移动刮刀在第一容器之上，在重新装载位置，与第一护罩和第二护罩相同，可移动刮刀被定位在三个容器的组的横向端部处，
[0021]-激光光束用于沿着第二容器的粉末床的方向发射，以便在所述粉末床上产生激光光束的撞击区域，在熔化位置，第一护罩和第二护罩横向地位于撞击区域的两侧且直接邻近撞击区域，
[0022]-在给定的熔化阶段期间，激光头是可移动的，并且第一护罩和第二护罩与激光头相关地移动，
[0023]-设备包括惰性气体投射系统，该惰性气体投射系统包括至少一个气流栅，并且第一护罩和第二护罩包括可移动壁，该可移动壁具有沿着垂直于纵向轴线并平行于第二平面的轴线测量的深度和沿着轴线测量的高度，该深度至少等于第二容器的深度，该高度至少等于至少一个气流栅的高度。
[0024]
本发明的目的还在于一种通过上述设备实施的激光熔化增材制造方法，其特征在于，通过一系列熔化阶段和重新装载阶段来制造部件：
[0025]-在每个熔化阶段期间，激光头被激活，并且激光光束撞击第二容器的粉末床，从而产生撞击区域，在该撞击区域中，粉末熔化；
[0026]-在每个重新装载阶段期间，容器的平台沿着纵向轴线远离或朝向激光头移动一步，第一护罩和第二护罩从第一护罩和第二护罩的熔化位置移动到第一护罩和第二护罩的重新装载位置，可移动刮刀从该可移动刮刀的熔化位置移动到该可移动刮刀的重新装载位
置，以便将未熔化的粉末从第二容器的粉末床上擦去，然后返回到该可移动刮刀的熔化位置，第一护罩和第二护罩返回到第一护罩和第二护罩的熔化位置。
[0027]
该方法可以包括在连续的熔化和重新装载阶段的循环之前对第一容器进行填充的阶段，以及在连续的熔化和重新装载阶段的循环之后对部件进行移除的阶段。
附图说明
[0028]
通过以下详细说明并且为了理解该说明对附图进行参照，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0029]
[图1]图1是任何部件的激光熔化增材制造的不同步骤的示意图，
[0030]
[图2]图2是激光熔化增材制造机器的示意性横截面视图，
[0031]
[图3]图3是根据现有技术的激光熔化增材制造设备的示意性截面视图，
[0032]
[图4]图4是根据本发明的设备在熔化位置的示意性横截面视图，
[0033]
[图5]图5是根据本发明的设备在重新装载位置的示意性横截面视图。
具体实施方式
[0034]
如在背景技术中已经描述的和在现有技术中众所周知的，激光熔化增材制造设备10沿着纵向轴线x运行，该纵向轴线平行于所用激光光束l的轴线。实际上，待制造的部件沿着该轴线x一步一步地生产，并且设备10包括沿着该轴线x或在垂直于该轴线的各种平面中移动的各种可移动部分。
[0035]
设备10在用于接收惰性气体(例如氩气(ar)或氮气(n2))的密封罐内通常包括：在大体上垂直于纵向轴线x的平面中对准的三个粉末容器12、14、16。因此，这些粉末容器在第一横向平面中对准。每个容器(12，14，16)具有面向激光头18的自由表面。第一容器12是用于接收粉末供给的容器，第二容器14用于形成熔化罐，第三容器16用于接收任何剩余的粉末。第二容器14被定位在第一容器12和第三容器16之间。
[0036]
通过投射系统22的气流栅将惰性气体注入到密封罐中。这些栅通常具有矩形形状，垂直于轴线x的长度远大于平行于轴线x的高度。
[0037]
因此，每个容器(12，14，16)用于接收一定厚度的粉末，每个容器的自由表面形成在第二横向平面上对准的三个粉末床。该第二横向平面在纵向轴线x上被定位在激光头18和第一横向平面之间。
[0038]
熔化罐是设备10的一部分，在该部分中如此进行部件的制造：当激光头18被激活时，激光光束l正是在该第二容器14的粉末床上撞击粉末并使粉末熔化，以便逐层地产生待制造的部件。
[0039]
设备10还包括可移动刮刀20和氩气投射系统22，如图2所示。
[0040]
更具体地，每个容器12、14、16包括沿着纵向轴线x延伸的四个壁。在每个容器12、14、16中，四个壁包围可移动平台24、26、28，可移动平台形成每个容器的底部。每个可移动平台24、26、28沿着纵向轴线x移动。每个平台24、26、28的运动的增量(delta)等于或大于正在制造的部件的高度。每个容器12、14、16具有与底部相对的自由开口端部。
[0041]
可移动刮刀20是沿着第三横向平面循环的板，该第三横向平面被定位在三个容器12、14、16的自由表面处。该第三横向平面在纵向轴线x上被定位在激光头18和第二平面之
间，与三个容器12、14、16的三个粉末床直接接触。
[0042]
为了制造部件，将粉末布置在第一容器12中。被定位在第一容器12的外端部处的可移动刮刀20在第一容器12之上，并因此在第二容器14的平台上散布粉末层，如果有粉末残留，则在第三容器16中散布一层。因此，有三个粉末床，这些粉末床的自由表面大体上垂直于纵向轴线x。因此，每个平台24、26、28用于接收一定厚度的粉末，每个平台的自由表面为每个容器12、15、16限定该容器的粉末床。
[0043]
设备10还包括两个可移动护罩30、32。这些护罩30、32包括板结构，并且由设备10的电子控制系统激活。根据一个可能的实施例，两个可移动护罩30、32机械地连接到刮刀20，该刮刀也通过设备10的电子控制系统而开始运动。该板具有沿着垂直于轴线x并平行于第二平面的轴线测量的深度和沿着轴线x测量的高度，该深度与容器14的深度相同，该高度至少等于投射系统22的气流栅的高度。可移动护罩横向于三个容器12、14、16的表面在与可移动刮刀20相同的横向平面中循环。
[0044]
当激光头18被激活时，激光光束l被发射，并且撞击第二容器14中的粉末床。该撞击区域34形成粉末的熔化区域。
[0045]
更确切地，激光器l的总熔化区域与容器14的表面合并。由撞击区域34形成的圆的熔化表面区域被限定为其上气流是层流而不是湍流的表面区域。在撞击区域34的圆外的区域是产生许多湍流的区域，在此，我们谈论保护这些湍流。
[0046]
与该激光发射平行，氩气(ar)投影系统向撞击区域34发射氩气(ar)的层流。这使得能够以如下这种方式保护熔化：
[0047]-从第一容器12和第三容器14中去除可能再沉积在粉末床的新熔化部分上的粉末颗粒，以及
[0048]-在熔化时使粉末床的粉末平贴(plaquer)。
[0049]
激光头18被激活的阶段称为熔化阶段。激光头18被关闭并且第二容器14中的粉末床被更新的阶段称为重新装载阶段。在熔化阶段期间，可移动护罩30、32和可移动刮刀20处于熔化位置，在重新装载阶段期间，可移动护罩30、32和可移动刮刀20处于重新装载位置。
[0050]
可移动护罩30、32的熔化位置是第一护罩30被定位在第一容器12的内部横向端部12a和第二容器14的中心之间，第二护罩32被定位在第二容器14的中心和第三容器16的内部横向端部之间的位置。在熔化位置(该熔化位置表示可移动护罩30、32的第一位置)，第一护罩30被定位在第一容器12和第二容器14之间。护罩30、32的重新装载位置是两个护罩30、32被定位在三个容器12、13、14的组的横向端部处的位置。在目前情况下，护罩被定位在第三容器16的横向端部处，更具体地，被定位在第三容器16的与第三容器16的内部横向端部16a相对的外部横向端部16b。重新装载位置表示可移动护罩30、32的第二位置。可移动护罩在第一位置和第二位置之间移动。
[0051]
具体地，在一个特定的实施例中，两个护罩30、32可以在护罩的熔化位置横向地直接位于撞击区域34的两侧。
[0052]
可移动刮刀20的熔化位置是可移动刮刀20被定位在第一容器12的内部横向端部12a处的位置。在熔化位置，可移动刮刀20在第一容器12之上。可移动刮刀20的重新装载位置是可移动刮刀20与两个护罩30、32一起在第三容器16的外部横向端部16b处的位置。
[0053]
第一容器的内部横向端部12a是第一容器12的最靠近第二容器14的中心的横向端
部。类似地，第三容器16的内部横向端部16a是第三容器16的最靠近第二容器14的中心的横向端部。第三容器的内部横向端部与第三容器16的最远离第二容器14的中心的外部横向端部16b相对。
[0054]
在熔化阶段期间，激光光束l在横向平面中移动。因此，撞击区域34在大体上垂直于纵向轴线x的横向平面中移动。该横向轴线与三个容器12、14、16的粉末床所位于的第二横向平面合并。第一护罩30和第二护罩32的熔化位置可以是可移动位置；实际上，在护罩30、32被直接定位在撞击区域34的两侧的实施例中，如果撞击区域移动，则护罩30、32随之移动。
[0055]
激光头18是可移动的，并且第一护罩30和第二护罩32与激光头18相关地移动。该实施例使得护罩能够在熔化阶段期间始终限定出撞击区域34的范围。
[0056]
这种构型在于将可移动护罩30、32设置为尽可能靠近撞击区域34。
[0057]
更具体地，护罩30、32一方面横向地安装在刮刀20的同一侧，使得该刮刀可以横向地移动，而没有空间阻碍。
[0058]
因此，护罩30、32可以移动以尽可能靠近熔化区域，而不阻碍刮刀20的运动。
[0059]
在每个熔化阶段之后，激光头18被关闭。平台26、28纵向远离激光头移动一步，而平台24纵向移动靠近激光头18，并且护罩30、32和可移动刮刀20移动到重新装载位置。
[0060]
可移动刮刀20的运动使得能够通过将粉末层从第一容器12驱动到第二容器14中并将剩余的粉末驱动到第三容器16中来补充第二容器14中的粉末床。
[0061]
在重新装载阶段结束时，护罩30、32和可移动刮刀20返回到护罩和可移动刮刀的熔化位置。激光头18再次开启。
[0062]
因此，设备10使得能够通过一系列熔化阶段和重新装载阶段来制造部件：
[0063]-在每个熔化阶段期间，激光头18被激活，并且撞击第二容器14的粉末床，从而产生粉末在其中熔化的撞击区域；
[0064]-在连续地每个重新装载阶段期间：
[0065]
○
容器12、14、16的平台24、26、28沿着纵向轴线x远离或朝向激光头18移动一步，
[0066]
○
护罩30、32从护罩的熔化位置移动到护罩的重新装载位置(图5)，
[0067]
○
可移动刮刀20从该可移动刮刀的熔化位置移动到该可移动刮刀的重新装载位置，以便将未熔化的粉末从第二容器14的粉末床上擦去，并返回到该可移动刮刀的熔化位置(图4)，
[0068]
○
第一护罩30和第二护罩32返回到护罩的熔化位置(图4)。
[0069]
所有这些运动也可以同时进行：护罩30、32和可移动刮刀20一起运动，并且同时从护罩和可移动刮刀的相应的重新装载位置(图5)移动到护罩和可移动刮刀的相应的熔化位置(图4)。
[0070]
容器12、14、16的填充阶段在连续熔化和重新装载阶段的循环之前，并且所制造的部件的移除阶段在连续熔化和重新装载阶段的循环之后。