改进的支撑结构的制作方法

1.本发明涉及一种利用增材制造工艺来制造的被支撑产品，其中，被支撑产品提供简化的后处理。此外，本发明还涉及制造这种被支撑产品的方法。另外，本发明还涉及一种适于执行这种方法的计算机程序产品。此外，本发明还涉及一种提供这种计算机程序产品的设备。


背景技术：

2.增材制造工艺是一种非常灵活的制造方法，其通过在现有部件上或直接从零开始添加材料来构造产品。近年来，各种可能性显著提高，并且这种新的产品制造方法已经被引入工业过程中。特别地，利用使用常规制造方法不可能实现的几何形状来构造结构的可能性显著地增加了由此提供的益处。例如，类似3d打印的方法利用逐层熔化的金属或金属复合物粉末来制造复杂的3d结构。尽管这种方法具有很大的灵活性，但仍然需要考虑某些要求。例如，可能必须支撑这种待打印产品的一部分，以利用诸如选择性激光熔化(slm)的方法。在此，这种支撑可以由同样使用这种增材制造方法与真实部件一起打印、并且稍后被移除的结构提供。在这种背景下，可以使用诸如研磨或碾磨步骤的进一步工艺步骤来提供最终产品。虽然这种方法步骤是已知且可用的，但进一步优化工艺以实现其它应用并降低与已知工艺相关联的成本仍然是一个主题。
3.这些问题通过下文和权利要求书中所公开的产品和方法解决。在从属权利要求和进一步描述中公开了进一步的有益实施例。这些益处可以用于使相应的技术方案适应特定需求或适于解决进一步的问题。


技术实现要素：

4.根据一方面，本发明涉及一种利用增材制造工艺、优选3d打印来制造的被支撑产品，其中，被支撑产品包括产品和支撑结构，其中，被支撑产品已经利用增材制造工艺作为整体制造，其中，支撑结构适于被移除以提供产品，其中，支撑结构提供适于与用于移除支撑结构的工具的配对件相互作用的界面。
5.令人惊讶地，注意到利用这种设计允许容易地移除相应的支撑结构，从而显著减少了所需的努力。此外，注意到这种设计还允许在通常非常难以进行后处理的位置处应用支撑结构。尽管通常必须精确地控制用于移除常规支撑结构的钻孔程序以避免损坏预期产品，但本发明的支撑结构允许在很少努力或不需要努力的情况下避免发生任何不必要的损坏。
6.根据另一方面，本发明涉及一种通过移除本发明的被支撑产品的支撑结构而制造的产品。虽然可以从产品中除去中间层的所有残留物，但注意到对于许多应用，这些残留物几乎没有影响，并且没有这种额外的工艺步骤即可容易地使用产品。在这种情况下，产品在其使用期间仍然提供中间层的残留物。
7.根据另一方面，本发明涉及一种产品的制造方法，包括以下步骤：
[0008]-使用增材制造工艺来制造本发明的被支撑产品；以及
[0009]-使用工具从被支撑产品移除支撑结构。
[0010]
根据另一方面，本发明涉及一种支撑结构用于在增材制造工艺期间支撑产品的用途，其中，支撑结构适于被移除以提供产品，其中，支撑结构提供适于与用于移除支撑结构的工具的配对件相互作用的界面，其中，支撑结构在增材制造工艺期间与产品一起制造。
[0011]
根据另一方面，本发明涉及一种具有程序命令以执行本发明方法的计算机程序产品。
[0012]
根据另一方面，本发明涉及一种用于提供本发明的计算机程序产品的设备，其中，该设备存储计算机程序产品和/或提供计算机程序产品以供进一步使用。
附图说明
[0013]
为了简化对本发明的理解，参考以下详细描述和附图及其描述。在此，附图应理解为不限制本发明的范围，而是公开了进一步解释本发明的优选实施例。
[0014]
图1示出了产品的示意性侧视剖视图，其中示出待支撑表面的一部分。
[0015]
图2示出了被支撑产品的示意性横截面和侧视组合剖视图。
[0016]
图3示出了如在图2中所示的支撑结构的界面示意性侧视图。
[0017]
图4示出了如在图2和图3中所示的界面层支撑结构的示意性横截面。
[0018]
图5示出了在支撑产品中实现根据本发明的支撑结构的一种不同示例的图示。
具体实施方式
[0019]
根据一个方面，本发明涉及如上所述的被支撑产品。
[0020]
令人惊讶地，注意到对于典型实施例来说，提供适于用作支撑结构的断点的限定层是有益的。根据其它实施例，优选的是，产品提供连接支撑结构的其余部分和产品的中间层。对于典型实施例来说，进一步优选中间层提供最小厚度。例如，中间层提供至少0.5mm的厚度可能是优选的，更优选提供至少1mm，甚至更优选至少3mm的厚度。令人惊讶地，这进一步提高了简化支撑结构断开的可靠性。假定这种较厚的中间层允许避免因制造过程中的微小波动导致中间层的局部壁更坚固而造成的困难。
[0021]
虽然本发明可以应用于许多不同的am制造产品，但注意到由此获得的益处对于由金属或金属复合物制造的产品来说特别高。本文所用的术语“金属复合物”是指基本上由金属组成的复合物。例如，金属复合物可以由至少70wt.％(重量百分比)，更优选至少80wt.％，甚至更优选至少90wt.％的至少一种金属组成。
[0022]
其它组分可以是例如半金属和/或非金属。例如，相应的金属复合物可以包括金属氧化物颗粒，以影响产品的机械性能。此外，金属复合物可以例如包括碳，以提供碳化物。
[0023]
还注意到本发明的设计对于待提供金属产品的典型应用尤其有益。根据其它实施例，优选的是，被支撑产品基本上由金属或金属复合物组成。通常，优选的是，被支撑产品由至少50wt.％、更优选至少80wt.％、甚至更优选至少95wt.％的金属或金属复合物组成。
[0024]
尽管增材制造工艺方法相对较新，但已经得以很好地确立。特别是在过去几年中，如3d打印的增材制造工艺方法已经成为工业应用的主题，并且表现出补充或替代现有常规制造方法的巨大潜力。增材制造工艺方法的特征在于，在没有限制元件(如铸模)的情况下
施加材料以构造产品。特别有用的增材制造工艺方法的示例是选择性激光熔化、电子束熔化和粘合剂喷射。这些方法例如利用可能含有添加剂(如粘合剂)的粉末来构造产品，添加剂通常在随后的步骤中被除去，如粘合剂喷射中那样。对于本技术非常有用的是3d打印增材制造工艺方法，如用粉末构造产品、粉末逐层熔化的选择性激光熔化和电子束熔化。通过对产品的每一层重复该熔化过程，提供了3d元件。
[0025]
为了提供这样的产品，已经确立了许多增材制造工艺方法。示例是选择性激光熔化(slm)或电子束熔化(ebm)。根据其它实施例，优选的是，已经使用金属粉末或金属复合粉末制造了被支撑产品。在此，相应的制造方法允许容易地实现本发明的支撑结构，同时从本发明的设计大大受益，因为这样的支撑结构允许基于简化的后处理实现用于工业目的新设计。
[0026]
如上所述的通用设计可以针对多种产品实现，其中要记住所公开的简单设计要求。根据其它实施例，优选的是，中间层提供的机械稳定性低于界面的机械稳定性。在此，优选界面被设计为当施加的机械力是破坏中间层所需的机械力的两倍时，保持自身完整性。为了进一步提高安全性，尤其是对于操作人员，甚至更优选的是界面适于承受大小是破坏中间层所需的机械力的4倍，甚至更优选10倍的机械力。
[0027]
为了提供中间层，可以利用不同种类的结构。根据其它实施例，优选的是，中间层提供从产品延伸至支撑结构其余部分的多个壁状和/或销状结构。对于典型应用来说，注意到在中间层中包括多个壁状结构是特别有益的。在此，这些壁状结构可以被布置为提供空腔，在空腔中仍然可以填充例如在增材制造工艺期间使用的金属粉末或金属复合物粉末。可以在这种背景下使用的一种结构被称为魔术结构(magics structure)。在该位置使用这种结构提供了基于要求容易地定制中间层特性的可能性。
[0028]
令人惊讶地，注意到提供被支撑产品设计的设计者不必特别关心粉末材料，如被包封在中间层内部的金属粉末。根据其它实施例，优选的是，中间层包含空腔，在空腔中填充被支撑产品制造期间使用的粉末。注意到相应填充的空腔对断开支撑结构的过程的影响最小。之后，可以简单地移除粉末。同时，在没有相应要求和开口的情况下设计被支撑产品允许显著地减少所需的工作量。此外，对于该元件，不再存在通过小开口去除粉末的劳动密集型清洁过程。
[0029]
为了提供用于典型应用情况的特别有用的中间层，注意到选择中间层以提供预定密度是非常有效的。根据其它实施例，优选的是，中间层提供比界面更低的密度。通常，优选的是，支撑结构的中间层密度是支撑结构的界面密度的至多80％，更优选至多50％，甚至更优选至多30％，其中忽略了来自增材制造工艺的被包封在腔体内的粉末。根据这种非常简单的设计要求来设计中间层已经提供了非常有用的结果。在支撑结构提供多个界面的情况下，上述百分比是基于较弱界面的密度。
[0030]
另外注意到，中间层可以通过包括一些区段的方式来进一步优化。根据本发明的其它实施例，中间层是分段的。在这种实施例中，中间层被分成不同的区段，这些区段通常均匀地分布在产品的面向中间层和支撑结构的其余部分的区域内。这允许以非常简单的方式进一步优化中间层的断开行为。利用这种方法提供制造数据的设计者可以例如利用中间层的通用型结构，通过在中间层的某些区域之间包含支架来进一步定制使其断开所需的力，从而根据需要减小所需的力。
[0031]
此外注意到，包含在界面中的简单设计特征提供了非常有用的结果。根据其它实施例优选的是，界面提供适于与用于移除支撑结构的工具的配对件相互作用的凹口和/或外部形状。例如，这种凹口可以是适于接纳六角键的角形凹口。例如，这种外部形状可以是适于装配至扳手中的至少两个平行侧面。例如，这种凹口可以是位于支撑结构的外表面上，适于接纳螺丝刀的线性凹口。令人惊讶地，注意到利用柔性增材制造工艺，尤其是3d打印的可能性允许提供定制的界面，使得能够利用例如通常可用的工具来移除支撑结构。
[0032]
根据本发明的特别有用实施例的一个示例利用了界面的这种简单设计。根据其它实施例，优选的是，界面提供凹口，凹口优选是用于六角键的配对件，其适于能够通过工具的旋转运动而移除支撑结构。
[0033]
令人惊讶地注意到，支撑结构被特别地设计为通过这种旋转运动而移除的，不限于利用凹口的界面，还包括利用例如支撑结构的特定外部形状，对于允许容易且安全地移除支撑结构是特别有用的。根据其它实施例，优选的是，支撑结构适于通过利用工具在支撑结构上施加旋转力而被移除。在此，令人惊讶地，使用凹口是特别有用的。相应的支撑结构可以被设计为具有最低空间要求，并且提供非常高的可靠性。
[0034]
对于某些应用来说，还注意到提供多个界面是有益的。根据其它实施例，优选的是，支撑结构提供至少两个界面，这些界面适于利用不同的工具来移除支撑结构。令人惊讶地，注意到这种实施例为某些应用提供了许多实际益处。特别地，注意到在凹口发生微小偏差或部分同步的情况下，可以简单地切换至另一界面以移除支撑结构。例如，本发明的支撑结构可以设置有允许利用六角键移除支撑结构的一个凹口，以及允许利用螺丝刀移除支撑结构的附加凹口。
[0035]
根据进一步计划的工艺步骤，在支撑结构的界面端部提供记号或信息也是有益的。根据其它实施例，提供界面的支撑结构的端部还提供至少一个参考标记和/或至少一个信息。这允许在随后的步骤中提供有益的或需要的帮助。在此，这可能不涉及支撑结构的移除。例如，可以包括参考标记以向控制机器人臂以移除支撑结构的自动设备指示支撑结构的位置。例如，该信息可以是指示支撑结构的特定旋转方向的箭头，以基于特别设计的中间层更容易地断开设置的支撑结构。例如，该信息可以是证明该部分到目前为止未被利用的指示符，如操作员用肉眼清楚可见的标记。包括关于部件到目前为止尚未被利用并且能够信任其特性的容易获得的证据的这种可能性一方面可以容易地避免故障，另一方面可以容易地防止造假。例如，附接提供这种设计的替换支撑结构是非常困难的，因为对应结构与原始结构相比仍然需要能够容易地移除。例如，可以包括的这种信息可以是移除支撑结构所需的力的大小。在此，后面跟“nm”的数字可以告知技术负责人必须利用工具施加多大的力才能移除支撑结构。提供与自动移除工具相结合的限定范围也可以用作防止将翻新部件作为新部件出售的保护措施。在此，将预定的所需力的特定大小与移除支撑结构所需的力进行比较，能够容易地区分原始部件和一些部件，其中，替换支撑结构已经附接，而无需这种中间层提供精确限定的附接。
[0036]
根据另一方面，本发明涉及一种通过移除本发明的被支撑产品的支撑结构而制造的产品。虽然可以从产品中除去中间层的所有残留物，但注意到对于使用中间层的相应选定设计的典型应用，中间层残留物的量非常少。因此，没有这种额外的工艺步骤即可容易地使用产品。在这种情况下，产品在其使用期间仍然提供中间层的残留物。
[0037]
根据另一方面，本发明涉及一种产品的制造方法，包括以下步骤：
[0038]-使用增材制造工艺来制造本发明的被支撑产品；以及
[0039]-使用工具从被支撑产品移除支撑结构。
[0040]
令人惊讶地，被包封在中间层内的粉末对于制造过程和产品的后续利用而言几乎不是什么问题。然而，有利地注意到，应当评估这种粉末是否被包封在最终产品中仍然可用的中间层的残留物中。根据其它实施例，在移除支撑结构之后，检查前述中间层是否包括含有来自增材制造工艺的粉末材料的空腔，并且其中，最终残留粉末是否从这种空腔中去除。这种检查可以容易地优化为包含在质量检查步骤中。然而，通过选择中间层的正确设计，这种检查可以例如通过检查被移除的支撑结构进一步简化。例如，中间层可以由在支撑结构的其余部分和产品之间延伸的多个细长空腔组成。这允许通过检查移除的支撑结构来评估是否所有的空腔都已经打开。
[0041]
此外，注意到将界面和中间层设计为提供稳定性是有益的，这样能够进行诸如研磨或抛光表面的后处理步骤，而不损坏支撑结构的界面。这是令人惊讶地有益的，因为支撑结构在该步骤期间断开容易导致对用于例如抛光的工具造成损坏，或至少这种抛光过程被强制中断。根据其它实施例，优选的是，界面和/或中间层被选择为允许诸如抛光或研磨的后处理步骤。在移除支撑结构之前实现这种后处理步骤对于典型应用来说是令人惊讶地有益的。例如，提供金属均质表面允许基于界面的几何特征更容易地检测界面。这简化了技术人员手动移除支撑结构的工作。然而，这还简化了机器人臂自动移除这种支撑结构的程序。
[0042]
令人惊讶地，本发明的技术方案提供了一种非常简单地使产品的可用设计容易地适应诸如3d打印的增材制造工艺的方法。在此，基于本文包含的公开内容，在制造数据的准备期间，本领域技术人员可以容易地将本发明的支撑结构包含在其中。根据其它实施例，优选的是，该方法包括通过将支撑结构包含在制造数据中而提供产品的制造数据的步骤。这允许利用现有工作流程，使任意设计容易地适应增材制造工艺，尤其是3d打印的要求。
[0043]
根据另一方面，本发明涉及一种支撑结构用于在增材制造工艺期间支撑产品的用途，其中，支撑结构适于被移除以提供产品，其中，支撑结构提供适于与用于移除支撑结构的工具的配对件相互作用的界面，其中，支撑结构在增材制造工艺期间与产品一起制造。
[0044]
根据另一方面，本发明涉及一种优选有形地包含在机器可读存储介质内的计算机程序产品，包括能够操作为使计算实体执行本发明方法的指令。
[0045]
此外，注意到本发明的计算机程序产品可以特别适于容易地提供尤其可以在3d打印设备中使用的制造数据。根据其它实施例，优选的是，计算机程序产品提供关于将本发明的支撑结构包含在制造数据中的建议。这允许容易地提供所需的制造数据，以利用例如3d打印机实现期望产品。
[0046]
根据其它实施例，优选的是，计算机程序产品允许基于输入的预定力来选择支撑结构，其中，力特指移除支撑结构所需的力的大小。令人惊讶地，对于各种各样的可能产品，可以基于标准结构容易地调节相应的支撑结构和相应的中间层。
[0047]
此外注意到，能够在制造数据准备期间进一步指定移除工艺是有益的。根据其它实施例，优选的是，计算机程序产品允许指定期望的移除动作并建议相应的支撑结构。例如，可以规定应该通过旋转力还是单向力移除支撑结构。例如，这允许使相应的支撑结构适应在这种移除步骤期间可能使用的可用工具和自动系统。
[0048]
而且注意到，对于典型应用，指定工具的类型可以是有益的。根据其它实施例，优选的是，计算机程序产品允许指定用于移除支撑结构的期望工具类型。注意到这对于利用可用于移除支撑结构的工具数量有限的现有自动系统是特别有用的。而且，优选的是，即使是在用于第二类型的相应界面对于特定实施例可能更有益的情况下，也可以利用现有的例如高品质六角键套件来移除，而不是利用低品质的螺钉类工具。令人惊讶地，还注意到典型的终端用户倾向于相比其它类型的工具，更喜欢特定类型的工具，从而产生非技术相关、而是源于相应技术人员偏好的益处。
[0049]
根据另一方面，本发明涉及一种用于提供本发明的计算机程序产品的设备，其中，该设备存储计算机程序产品和/或提供计算机程序产品以供进一步使用。
[0050]
仅出于解释的目的更详细地描述了本发明。然而，本发明不应被理解为限于这些实施例，因为这些实施例代表提供益处以解决特定问题或满足特定需求的实施例。应当理解的是，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
[0051]
图1示出了产品1的示意性侧视剖视图，其中示出待支撑表面的一部分。未示出通过中间层附接至突出显示的表面2，以在制造过程中支撑该表面的支撑结构。
[0052]
图2示出了被支撑产品3的示意性横截面和侧视组合剖视图。未示出连接支撑结构4的其余部分和产品1的中间层。支撑结构4和产品1均利用选择性激光熔化由镍超合金的金属合金制成。
[0053]
如图2所示的该被支撑产品3利用3d打印从支撑结构4的底部开始制造。在此，支撑结构4设置有位于支撑结构4的底部处的两个界面5。两个界面5均适于与用于移除支撑结构4的工具的配对件相互作用。一个界面5是具有六边形开口的凹口，其允许插入六角键并转动支撑结构4，使其从产品1断开。第二界面5通过支撑结构3底部相对侧上的两个凹口实现，从而允许将槽头螺丝刀类工具插入凹口中。该界面5还允许向支撑结构4施加旋转力，使得支撑结构4从产品1断开。
[0054]
图3示出了如图2所示的支撑结构4的界面5的示意性侧视图。在此，可以更清楚地看到被设置为利用工具施加旋转力的两个界面5的形式。在支撑结构4的中间，示出适于用作六角键的配对件的六角形形式的凹口。在如图3所示的支撑结构4的左上和右下可以看到凹口，从而允许利用槽头螺丝刀类工具施加旋转力。
[0055]
图4示出了穿过如图2和图3所示的支撑结构4的界面层的示意性横截面。图中所示的实施例提供了在面向支撑结构2的产品表面上均匀分布的界面5的区段。每个区段由多个作为魔术结构的空腔组成。尽管魔术结构提供通向外部的开口，但中间层7通常仍然包含制造过程中产生的一定量的金属粉末。然而，中间层7由从支撑结构4的其余部分延伸至产品的面向支撑结构2的表面的多个空腔组成。因此，在移除支撑结构4时，多个空腔断开，释放出仍包含在这些空腔中的粉末。
[0056]
虽然支撑结构4的界面5由固体金属合金制成，但中间层7由上述魔术结构组成，从而将界面层的密度降低至小于界面5的密度的5％。这也使得中间层7的机械稳定性远低于界面5的机械稳定性。
[0057]
图5示出了在被支撑产品3’中实现的本发明支撑结构4’的另一不同示例的图。在此，支撑结构4’仅提供一个界面5’，该界面是适于用作六角键的配对件的六边形凹口。
[0058]
在左上方示出了第二支撑结构4’的一部分。本发明的支撑结构4’包含在相应部件
的特定设计中，并且根据需要包含以允许产品1的制造过程。
[0059]
与图2至图4所示的未分割为中间区段的示例不同的中间层未在图5中示出。如图5所示的示例提供了包围支撑结构4’的中央腔6’的中间层。这提高了支撑结构4’的附接强度，并且允许例如抛光支撑产品3’的底表面而不会有在这种处理步骤期间断开支撑结构4’的风险。然而，支撑结构4’仍然可以通过利用六角键施加的旋转折叠器容易地断开。这些步骤可以通过机械臂自动地在表面上方移动并且在限定位置断开支撑结构4’来执行。然而，如图5所示，断开本发明的支撑结构4’所需的力足够低，因而可以轻松地用手断开，同时相应技术人员的安全得到保障，因为所需的力较少，允许安全可靠地进行处理。
[0060]
提供如图5所公开的实施例确保了在移除支撑结构4’之前，允许进一步的工艺步骤对于灵活的生产方法来说尤其有用。在此，不需要对机器人臂进行编程以具体地针对提供不同的特定支撑结构4’。这通常大大降低了后处理的速度，因为尤其是由机器人臂使用的工具的灵活变化会耗费大量时间。相反，后处理后的光滑表面允许技术人员通过由界面5’提供的几何特征容易地识别支撑结构4’。根据需要，可以在数秒内更换不同尺寸的工具，如内六角扳手(alan keyes)套件，以便一个接一个地移除支撑结构4’。因此，可以包括多个不同尺寸的不同支撑结构4’，以支撑产品1’的多个表面区域。
[0061]
仅出于解释的目的更详细地描述了本发明。然而，本发明不应被理解为限于这些实施例，因为这些实施例代表提供附加益处以解决特定问题或满足特定需求的实施例。应当理解的是，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。