CN116917067A - 利用集成在机器人臂上的激光束移除支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生成式制造的物体(1)，其具有至少一个带有支撑功能的功能区域(2)，其在制造后利用工具移除。利用辐射源移除带有支撑功能的功能区域。

Description

利用集成在机器人臂上的激光束移除支撑结构

技术领域

本发明涉及一种生成式制造的物体，其具有至少一个带有支撑功能的功能区域，该功能区域在制造后利用工具移除。

背景技术

这种生成式制造的物体可以是例如离心泵的一部分，在一定程度上可以是叶轮或泵壳体或配件的一部分，示例性地是截止体或阀壳体。

在物体的生成式制造中，各个物体由施加到基材上的构建材料一层一层地构建而成。构建材料通常呈粉末状存在。粉末状材料通过辐射在各个部位(或称为点，即Stellen)处局部完全熔化，并在凝固后形成固体材料层。然后将粉末状材料所在于其上的底板下沉一层厚度的量并再次施敷粉末。一直重复此循环，直到制成所有层。完成的物体被清除掉多余的粉末。

用于引导辐射的数据借助软件基于3D-CAD-体生成。例如，可以使用激光束作为辐射。备选于选择性激光熔化，同样可使用电子束(EBM)。

对于每一层，形成物体结构的区域被选择性地熔化。为了在下一步骤中将位于下面的层与位于上面的层连接起来，辐射熔化至多达三个位于下面的层，其然后在快速冷却过程中与最上方的层融合。

此工序导致新层通常只能放置在已经存在的层上。否则可能发生，激光熔化不属于物体的区域。例如，在悬垂物的底侧处，可能存在非常粗糙的面。在特别陡峭的悬垂物的情况下，构件中可能出现巨大的畸形，因为位于上面的层须构建在太不平坦的层上。

因此重要的是，这种悬垂物由支撑结构(其也称为支持结构)支撑。此外，支撑结构还用于受控散热，并且从而有助于工艺可靠性。由于以粉末状存在的构建材料起绝缘作用，否则可能在构件中的强烈发热的情况中发生过热。此外，支持结构防止了，构件由于通过快速加热和随后冷却而产生的工艺相关应力而扭曲。

由于支持结构不属于真正的物体，因此必须在制造过程后将其移除。这尤其在难以到达的支持结构的情况下是极其困难且耗时的。部分地，支持结构由于物体上的大量连结也不再能100％移除，因此支持结构所固定在其处的表面具有低劣的质量。

支撑结构的战略合理放置、构建空间中的正确指向(以便适应尽可能少的支撑结构)以及随后支持的移除是最大的时间因素之一，并且因此是生成式方法的主要成本载体。

DE 102 19 983B4描述了一种用于通过自由成形激光烧结生产金属或非金属产品的方法。在此，产品借助数据控制引导的激光束由粉末状材料垂直逐层构建在一基板上。基板与产品的外面之间构建有至少一个支撑件，所述至少一个支撑件通过理论断裂部位与产品的外面连接。理论断裂部位通过沿产品外轮廓降低支撑件的强度而形成。在此，减小支撑件的横截面以减小强度。

DE 10 2007 033 434 A1中描述了一种用于生产三维构件的方法。在此，当构建构件时，在构件的范围(或称为延伸，即Erstreckung)之外附加地构造辅助结构。在构件和辅助结构之间的连接部位处设置理论断裂部位。

DE 10 2013 011 630A1描述了一种用于计算平台上的三维物件的一个或多个支撑支柱的方法，该物件通过制造方法由层构建。支撑元件在此不仅形成稳定的连接点，而且具有理论断裂部位。支撑结构应该能够容易地从物件上分离，而物件表面处不会出现凹坑。

在以生成式方法的制造后，必须手工和机械地移除对于构建物体所需的支撑结构。这导致大量的人员和资金消耗，其可能抑制生成式制造在大规模工业制造中的实施。具有人工后加工的生成式制造方法在此与高度成熟且经济优化的传统制造工艺竞争。

DE 10 2015 218 753 A1描述了一种用于增材式生产构件的方法，其中借助能量束将不同的粉末熔化成层。对于机器化制造，该方法已扩展了抽吸装置以移除多余的粉末。这种方式可以导致人工后处理的减少。

DE 10 2019 002 292 A1描述了另一种方式。为了完全省去支撑结构及其手工移除，将构建层印刷在基底段板上。这在用于离心泵的叶轮中起作用，因为此处不必施加悬垂物。在此示例中，仅在基底段板的面上进行构建。

独立于移除支撑结构的人工耗费，生成式产生的物体的剩余表面不仅视觉上不总是具有吸引力，并且没有针对以后的使用进行最佳设计。这里经常进行进一步的加工步骤来准备生成式制造的物体的表面，这反过来又对生成式制造的竞争力产生经济上的不利影响。

DE 10 2015 202 417 A1描述了一种可开发的方式。具有不同功能区域的导流构件被生成式制造。通过辐射和能量输入的变化，由粉末状金属材料构造不同的功能区域。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可在没有人工的、手工的后处理的情况下制造的生成式制造的物体。生成式制造的物体的表面在此应该构造得具有视觉吸引力并且特别耐磨。应可以省去生成式制造的物体表面的后加工。生成式制造的物体应以长使用寿命和可靠的使用方式见长。此外，该构件应是能够好回收的。

根据本发明，该目的通过生成式制造的物体及用于产生其的方法来实现。优选的变型方案从从属权利要求、说明书和附图中得到。

根据本发明，利用辐射源移除生成式制造的物体的带有支撑功能的功能区域。

例如，可以使用激光束或电子束以及它们的用于产生辐射的设备作为辐射源或辐射。用于引导辐射的数据借助方法软件基于生成式制造的物体的3D-CAD-体生成。因此，带有支撑功能的功能区域和生成式制造的物体的表面是精确已知的。有利地，利用正好这些数据和相同的辐射源或辐射，可以移除不再需要的支撑结构并且可以改变表面的形态，使得其被修改为视觉上吸引人并且对于以后的使用来说是理想的。在根据本发明的物体中并且通过根据本发明的方法，可以完全省去人工后加工。

在选择性激光熔化中，生成式制造的物体根据以下方法制造，在该方法中首先将一层构建材料施加到基材上。用于生产生成式制造的物体的构建材料优选是金属粉末微粒。在本发明的一个变型方案中，含铁和/或含钴的粉末颗粒用于此。它们可以含有添加剂如铬、钼或镍。该金属构建材料以粉末状以薄层的方式施加到板上。然后，粉末状材料通过辐射在各个所期望的部位处局部完全熔化，并在凝固后形成固体材料层。然后将基材下沉一层厚度的量，并再次施敷粉末。一直重复这个循环，直到制成所有层并形成完成的物体。根据本发明，在此构造物体的不同功能区域，尤其是还有带有支撑功能的功能区域。

电子束是由电子在技术上产生的射线束。电子束与材料发生强烈相互作用。如此，例如，固体、尤其是金属固体在其受到电子束照射时会升温。除其他外，它还用于熔化金属构建材料，例如在电子束熔化中。微米到纳米范围内的结构会很容易经由适当的光束引导被影响。在金属加工中，带有高功率的电子束用于熔化、硬化、退火、雕刻和焊接。利用电子束的加工优选在真空中进行。

根据本发明，生成式制造的构件的表面在其形态方面被改变。形态(或称为形态学，即Morphologie)是来自冶金学和晶体学中的术语，并且描述了由几何确定的面、边和角组成的金属晶格或晶体的形状。

有利地，借助辐射源对生成式制造的物体的表面进行优化，该物体在移除带有支撑功能的功能区域之后是不平坦且粗糙地构造。尤其地，物体表面的光滑度和粗糙度一方面匹配视觉上的要求，并且另一方面匹配使用要求。

理想情况下，可以增加表面的硬度，例如当使用作为与研磨介质接触的功能区域时，以产生耐磨的接触面。

根据本发明，带有支撑功能的功能区域、尤其是支撑结构被逐层地去除。用于引导辐射的数据以3D-CAD-体的形式提供，该3D-CAD-体通过熔化粉末粒料逐层产生。正是这些数据是针对移除支撑结构的基础，这也是逐层完成的。逐层移除尤其理想，因为它以极其精准并且精确地限定层的方式工作。由此与人工移除支撑结构相比，使得工作更加准确和光滑，这导致高价值的质量产品。

在本发明的特别有利的变型方案中，生成式制造的物体的形态在移除带有支撑功能的功能区域时立即(或称为直接，即unmittelbar)改变。在此，物体的生成式制造利用物体的完全且立即完成而令人信服，由此可以完全省去手工后处理或具有相应机器准备的后续的加工步骤。

根据本发明，生成式制造的物体在集成的制造方法中形成。物体的3D形状作为数据集存储在软件中。在应构造物体的部位处机器人臂起作用，该机器人臂具有不同生成式构建过程的工具并且一层一层地构造物体的功能区域，尤其是带有支撑功能的功能区域。有利地，可以对每一层先后地或同时地实施针对每种构建材料的适当的构建过程，使得还由不同的材料形成复杂的物体，其区域最佳地匹配以后使用的要求。

在本发明的变型方案中，可以设想的是，利用生成式制造方法的熔化层工具逐层地、也以晶格结构的形状产生物体的功能区域，其中由可熔化塑料将网栅点施敷到面上。可承载的构建，尤其以晶格形状和/或以蜂窝形状的可承载的构建，通过借助喷嘴挤出以及随后通过在期望位置处冷却而硬化来产生。通过例如以空腔形成方式具有特别能够承载的结构地产生物体的支撑区域，则物体在同时非常小的质量的情况下具有巨大的强度。通常，通过分别逐行重复驶过工作平面，并且然后将工作平面以堆叠的方式向上移动，从而形成具有其功能区域，尤其是具有带有支撑功能的功能区域的物体。

在本发明的特别有利的变型方案中，生成式制造的物体由构建材料通过借助辐射的相叠进行的熔化和硬化各层来生产。生成式制造的物体的功能区域的不同特性在此由辐射、辐射能量和辐射强度的变化产生。通过对局部热输入的有针对性的控制，还有经由辐射的扫描速度，在生成式制造的物体的构建时已经进行材料特性的修改。由此实现在物体的一个区域中，尤其是在表面的形态方面，产生化学均质材料的不同材料状态的区和组织，并且从而产生不同的特性。

金属构建材料以粉末状以薄层的形式施加到板上。借助辐射使粉末状材料在各个所期望的部位处局部完全熔化，并在凝固后形成固体材料层。然后将该底板下沉一层厚度的量并再次施敷粉末。一直重复此循环，直到制成所有层。借助集成制造工具从完成的物体中吸出多余的粉末。

接着，带有支撑功能的功能区域(其对于悬垂制造的物体尤其不可或缺)通过辐射作用被逐层去除。根据本发明，集成制造工具的激光的辐射源通过3D-CAD-体的数据集被引导，由此具有生成式制造的物体的支撑功能的功能区域被极其精准地去除。

有利地，当移除带有支撑功能的功能区域时，通过辐射能量、辐射强度和辐射的扫描速度的变化，同时且立即优化生成式制造的物体的表面形态。理想情况下，生成式制造的物体的制造可以完全在集成制造单元中实施。由此，用于生成式制造物体的成本显着降低，用于后加工的劳动力的投入完全减少，并且完成的物体的表面质量明显改善。

附图说明

本发明的进一步的特征和优点由根据附图的实施例的描述以及附图本身得出。

在此其中：

图1示出了具有带有支撑功能的功能区域的生成式制造的物体，

图2示出了另一个具有带有支撑功能的功能区域的生成式制造的物体。

具体实施方式

图1中示出了生成式制造的物体1，其具有至少一个带有支撑功能的功能区域2。在该实施例中，生成式制造的物体1被构造为开口环(Spaltring)，并且带有支撑功能的功能区域2被构造为支撑结构。为了在逐层构建期间将生成式制造的物体1以其形状形成并且同时保持，支撑结构是必要的。在构造生成式制造的物体1之后，通过辐射逐层去除支撑结构。物体1的表面3，尤其是先前在其上模制支撑结构的表面3，通过辐射在移除支撑结构时立即在其形态方面得到优化。可以省去手工后处理、人工移除支撑结构以及对生成式制造的物体1的改进。

图2示出了另一个生成式制造的物体1，其具有带有支撑功能的功能区域2。在该实施例中，生成式制造的物体1被构造为壁形构件，并且带有支撑功能的功能区域2被构造为支撑结构。在构造生成式制造的物体1之后通过辐射逐层去除支撑结构，同时在移除支撑结构时生成式制造的物体的表面3立即在其形态方面被优化，以用于物体1的应用。

Claims (7)

1.一种生成式制造的物体(1)，其具有至少一个带有支撑功能的功能区域(2)，所述功能区域在所述制造后利用工具移除，

其特征在于，

所述带有支撑功能的功能区域(2)利用辐射源移除。

2.根据权利要求1所述的生成式制造的物体(1)，其特征在于，所述带有支撑功能的功能区域(2)被逐层去除。

3.根据权利要求1或2所述的生成式制造的物体(1)，其特征在于，所述生成式制造的构件(1)的表面(3)的形态在移除所述带有支撑功能的功能区域(2)时立即改变。

4.一种用于制造生成式的物体(1)的方法，具有以下步骤：

-选择性地作用辐射到构建材料上，

-形成所述物体(1)的功能区域，

-选择性地作用辐射到所述功能区域上。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过辐射的作用逐层地去除所述带有支撑功能的功能区域(2)。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述辐射是数据引导的激光束。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，变化所述辐射的能量、强度和扫描速度，以便改变生成式制造的所述物体(1)的表面(3)的形态。