通过电子束粉末床融合来融合一个或者多个横截面的制作方法

通过电子束粉末床融合来融合一个或者多个横截面
1.本发明涉及一种用于融合(熔合、熔融)一个或者多个横截面的方法、一种用于构造物体的方法和一种电子束粉末床融合系统。
2.在传统的电子束粉末床融合(eb-pbf)中，通过在前一个粉末层上涂抹薄的粉末层并且将物体暴露在聚焦的电子束下有选择地熔化物体的横截面，来逐层地构造物体。
3.与将激光射束作为融合粉末所需的能量来源不同，电子束将电荷(电子)带入粉末颗粒中。由于粉末床的导电性较差，颗粒中的电荷可能会增长得如此之大，以至于静电力导致几乎爆炸性的排斥，即通常已知的“烟雾”。这破坏了粉末层，并且可能导致工艺中断、终止或者物体质量较低。
4.为了避免烟雾现象，在施加粉末之后并且在熔化之前，通过加热粉末层来提高粉末层的温度，同时提高射束功率，直到粉末的导电性足够高以安全地使用聚焦的射束熔化粉末。
5.这可以实现无烟雾的工艺，但是会导致剩余的粉末烧结在一起，并且因此粘附在所构造的物体上。因此，在进行后处理时需要附加的步骤去除烧结的粉末，例如方式为以与构造过程中所使用的粉末相同的粉末对物体进行粉末喷射。
6.然而，与激光粉末床融合(l-pbf)相比，通过eb-pbf构造的物体在几何方面受到限制。由于在后处理中缺乏可触及性，烧结的粉末无法从具有小孔或者底切的腔体中取出。这例如妨碍了通过eb-pbf制造例如具有复杂的内部冷却通道的涡轮叶片。
7.本发明所要解决的技术问题是为电子束粉末床融合提供一种改进的无烟雾工艺，以实现更复杂的几何形状，并且减少对所构造的物体的后制造/后处理的需要。
8.所述技术问题通过权利要求1的方法解决。所述方法用于融合粉末层中的一个或者多个横截面，以逐层地构造一个或者多个物体。所应用的工艺是电子束粉末床融合。按照本发明的方法包括以下步骤：
[0009]-仅预烧结所述粉末层中的横截面，方式为以第一线能量扫描所述横截面，
[0010]-融合所述横截面，方式为以第二线能量扫描所述横截面。
[0011]
第二线能量优选以至少2或者至少5的系数超过第一线能量。这实现了精确的预烧结步骤，由此显著降低了烟雾事件的风险，同时使得通过电子束粉末床融合直接构造的物体的质量得到改善。
[0012]
线能量(也称为线能量密度)是电子束的功率(对应于射束电流和射束电压)和射束速度的函数。射束速度描述了射束在粉末床/电流层的平面中移动的速度。线能量与单位速度的射束功率(p/v)成正比并且通常以焦耳/米(j/m)为单位。
[0013]
扫描是指通过电子束粉末床融合装置的电子束来扫描粉末床。
[0014]
横截面通常由“切片器”从待构造的物体的三维模型中创建。构造在彼此之上的横截面构成一个或者多个物体。换言之，横截面分别代表物体的一个层。在单独的粉末床上，多个物体可以由多个横截面构成。此外，例如在物体的区段具有分裂结构时，单独的物体在特定的层可以具有多个横截面。
[0015]
本发明的优点在于，预烧结步骤只烧结横截面，而不烧结周围的对物体来说不需
要的粉末床。这使得能够几乎不需要后处理地进行构造。
[0016]
在本发明的另一实施例中，预烧结步骤包括第一射束速度，并且融合步骤包括第二射束速度。第一射束速度以至少为2的系数、尤其是以5的系数超过第二射束速度。换言之，预烧结步骤是以电子束的高扫描速度进行的。扫描速度指的是电子束在粉末床上移动、即分别在当前的粉末层上移动的速度。已经发现，具有高射束速度的预烧结步骤可以实现非常高效和高精度的步骤，所述步骤提供了对横截面的充分烧结以减少烟雾，同时保持横截面的形状。这显著地减少了物体的后处理步骤(如喷砂)，同时进一步降低了烟雾事件的风险。
[0017]
在本发明的另一实施例中，预烧结步骤包括准确地扫描所述一个或者多个横截面。换言之，电子束扫描与融合步骤中的区域相同的区域、即一个或者多个横截面。
[0018]
在本发明的另一实施例中，所述方法包括通过在粉末层上以恒定的线能量扫描粉末层来预加热粉末层的步骤。预加热步骤导致较高的整体的粉末床温度，该粉末床温度接近融合温度并且显著提高粉末床的导电性。预加热步骤还实现了对粉末床的非常轻度的烧结，恰好足以在电子束从一个横截面移动到下一个横截面时防止烟雾，然而并没有烧结至产生后处理需要的程度，或者不足以在电子束以更高的线能量扫描时防止烟雾。预加热步骤也实现了在粉末层上的均匀的能量输入。横截面与粉末床的其余部分共同被加热，从而实现在粉末床上的均匀加热。
[0019]
在本发明的另一实施例中，预烧结和融合步骤以相同的射束直径进行。换言之，在预烧结步骤和融合步骤中，射束直径被设置为相同。因此，射束在两个步骤中使用相同的焦点设置。这使得预烧结步骤能够以与融合步骤相同的精度进行。这进一步减少了后处理的需要。用于融合的射束通常具有0.1毫米至0.5毫米的直径并且因此也可以用于融合布骤之前的预烧结步骤。需要指出的是，预烧结步骤也可以通过比融合步骤更小的射束直径来进行。
[0020]
在本发明的另一实施例中，第一射束速度大于50米/秒、优选大于100米/秒。已经发现，这些非常高的速度使得能够达到非常好的预烧结结果。
[0021]
在本发明的另一实施例中，所述方法包括在融合之后对一个或者多个横截面的至少部分进行的后加热步骤，方式为以非均匀的线能量扫描横截面的至少部分，以实现横截面上的均匀的温度分布。后加热可以通过应用针对非均匀的热输入的后加热参数扫描横截面的至少部分来进行，以实现横截面上的均匀温度分布。后加热的目的是在当前扫描的横截面内实现均匀的温度分布。由于粉末床内的温度可以达到1000℃以上，因此当横截面内的温度差不超过+/-50k时，就可以认为是均匀温度。如果使用低温熔化材料、例如铜，那么如果横截面内的温度差不超过+/-20k，就可以认为是均匀的温度。使用的射束参数可以与融合时使用的参数类似地具有较小的线能量，以避免后加热的区域重新熔化。横截面内的区域越冷，就需要越多的能量来进行后加热。需要指出的是，后加热步骤在与预加热步骤相结合时特别有效，改善了对工艺的整体的温度控制。
[0022]
在本发明的另一实施例中，所述方法包括对每个横截面进行的后加热步骤，方式为以均匀的线能量扫描每个横截面，以实现相应的横截面中的均匀的温度分布。均匀的温度分布优选不仅在每个横截面内实现，而是所有的横截面在相互比较时都包括均匀的温度分布。这种形式的后加热对于粉末床(当前的层)中的多个、例如10个不相互连接的较小的
横截面而言是优选的。可以认为那些较小的部分在其内部没有强烈的温度梯度，这使得每个横截面均匀地输入能量。
[0023]
在本发明的另一实施例中，所述方法包括后加热步骤，方式为将每个横截面划分为子区段并且对每个子区段施加可定义的线能量，以实现相应的横截面中的均匀的温度分布。例如，在已经凝固/融合的可选地包括先前层的物料方面存在差异并且因此热容量方面存在差异的横截面可以被分为热容量较高的区域和热容量较低的区域。例如，叶轮的法兰区域大部分是具有较高的热容量的固体，而外部的精细地结构化的叶片则具有较低的热容量。与热容量较高的区域相比，具有更精细结构的区域可能需要后加热。
[0024]
在本发明的另一实施例中，所述方法包括通过确定每个横截面内的边缘区域并且对每个边缘区域施加均匀的线能量进行加热步骤。均匀的线能量可以因横截面而异。当边缘区域/横截面的轮廓的温度过低时，对每个边缘区域施加均匀的线能量是特别有利的。
[0025]
需要指出的是，上述所有的后加热步骤可以在必要时结合成针对一个层的一个后加热步骤。例如如果具有区段的大部件与小部件构造在一起，或者如果大部件在当前的层中具有精细的、不相连的横截面。
[0026]
预烧结步骤可以包括扫描横截面，所述扫描的精度与融合步骤的精度相同。该精度受射束直径(优选与融合步骤相同)和射束速度的影响。当预烧结的射束速度高达融合步骤速度的20倍时，精度的轻微偏差仍然可以被认为是相同的。
[0027]
可以以下述精度进行预烧结步骤，即在所述精度中，来自横截面的偏差不大于平均粉末直径。换言之，预烧结步骤的分辨率应当允许数量级为平均粉末颗粒直径的大小的值。
[0028]
预烧结步骤还可以包括以+/-100微米的精度扫描横截面。这些精度可以通过常见的ebm系统实现。
[0029]
所述技术问题还通过一种通过电子束粉末床融合逐层地构造一个或者多个物体的方法解决。所述方法包括按照本发明的上述实施例之一所述地在一个或者多个粉末层中融合一个或者多个横截面。所述实施例可以用于单独的非常关键的层或者在每层中用于物体的整体构造。
[0030]
以下附图示出了本发明的示例或者部分实施例，并且进一步解释了细节。
[0031]
图1示出了有待逐层地构造的简单物体，
[0032]
图2示出了具有横截面的当前的粉末层，
[0033]
图3示出了eb pbf系统，
[0034]
图4示出了具有较大的待构造的物体的粉末床，
[0035]
图5示出了较大的物体的边缘区域。
[0036]
图1示出了待逐层地构造的简单的物体1、2。该物体1、2为在其中心具有圆形的或者椭圆形的通孔的长方体。该物体由金属粉末通过电子束粉末床融合逐层地构造，所述金属粉末在粉末床上逐层地提供。
[0037]
图2示出了当前的粉末层ln，其具有有待在粉末床pb中进行融合的横截面c1、c2。由于粉末床pb足够宽，因此可以在一个批次中构造第一物体1和相同的第二物体2。后续的步骤可以按照该顺序进行。
[0038]
图3示出了电子束粉末床融合系统100，其包括控制单元110，该控制单元通过控制
电子束枪产生电子束eb来控制融合过程，所述电子束用于融合按照本发明的粉末层ln的横截面c1、c2，并且所述控制单元设置用于执行步骤s1至s4。
[0039]
在当前的ln层中，第一步骤预加热s1包括扫描并且因此在整个粉末层ln上以恒定的线能量加热整个层ln。这使得整个粉末床的温度分布基本均匀。预加热s1所要达到的温度低于熔化温度，但高得足以根据所使用的材料在粉末床上达到足够高的导电性。在达到预加热温度时，从一个粉末颗粒到另一个粉末颗粒的接触电阻明显降低，预加热温度取决于所使用的材料。
[0040]
在第二步骤预烧结s2中，横截面c1、c2的扫描线能量较低并且优选比第三步骤融合s3的射束速度高得多。在预烧结步骤s2和融合步骤s3中扫描的区域在理想情况下相同(允许小的公差)。
[0041]
在可选的第四步骤后加热s4中，以均匀的能量输入来加热横截面c1、c2的大的表面。这使得下一层的预加热步骤能够更容易地进行。
[0042]
控制单元110可以设置用于根据系统能力将三维模型3d1、3d2切成层。控制单元110还可以设置用于分别根据当前层和在当前层ln和当前步骤s1,...,s4中有待扫描的横截面，为每个层ln设置：
[0043]-射束速度，
[0044]-射束焦点(焦点直径)和
[0045]-射束电流和/或射束功率。
[0046]
图4示出了粉末床pb，该粉末床具有待构造的较大的物体的横截面c1。在这种情况下，横截面c1是在其中心具有椭圆形的切口的矩形。此外，确定了两个子区段sc1、sc2，其中，作为对子区段进行后加热的示例，以均匀的线能量对第一子区段sc1进行后加热s4，以在横截面c1内实现均匀的温度分布。可以以不同于第一子区段sc1的线能量对第二子区段sc2进行后加热。
[0047]
图5示出了粉末床pb，该粉末床具有待构造的较大的物体的横截面c1。在这种情况下，横截面c1是在其中心具有如图4所示的椭圆形切口的矩形。其中，确定了边缘区域e1，其中，以均匀的线能量对该边缘区域e1进行后加热s4，以在横截面c1内实现均匀的温度分布。
[0048]
概括而言，本发明涉及一种用于在粉末床(pb)中融合一个或者多个横截面(c1、c2)的方法、一种用于构造物体(1，2)的方法和一种电子束粉末床融合系统(100)。为了提供电子束粉末床融合的改进的无烟雾的工艺、实现更复杂的几何形状并且减少对所构造的物体的后制造/后处理的需要，建议以下步骤：
[0049]-通过以第一线能量扫描粉末层(ln)中的横截面(c1、c2)来预烧结(s2)所述横截面(c1、c2)，
[0050]-通过以第二线能量扫描横截面(c1、c2)来融合(s3)所述横截面(c1、c2)，
[0051]
其中，第二线能量超过第一线能量、优选以至少2或者至少5的系数超过第一线能量。
[0052]
附图标记清单
[0053]
1、2待构造的物体
[0054]
3d1、3d2物体的3d模型
[0055]
ln当前的粉末层
[0056]
c1、c2一个或者多个物体在当前的粉末层中的横截面
[0057]
s1预加热步骤
[0058]
s2预烧结步骤
[0059]
s3融合步骤
[0060]
s4后加热步骤
[0061]
pb粉末床
[0062]
eb电子束
[0063]
ebg电子束枪
[0064]
100电子束粉末床融合系统
[0065]
110控制单元

技术特征：
1.一种通过电子束粉末床融合来在粉末层(ln)中融合一个或者多个横截面(c1、c2)以逐层地构造一个或者多个物体(1，2)的方法，所述方法包括以下步骤：-仅预烧结(s2)所述粉末层(ln)中的横截面(c1、c2)，方式为以第一线能量扫描所述横截面(c1、c2)，-融合(s3)所述横截面(c1、c2)，方式为以第二线能量扫描所述横截面(c1、c2)，其中，所述第二线能量超过所述第一线能量、优选以至少2或者至少5的系数超过所述第一线能量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，预烧结步骤(s2)包括第一射束速度，所述第一射束速度以至少2、尤其是5的系数超过融合步骤(s3)的第二射束速度。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预烧结步骤(s2)包括准确地扫描所述一个或者多个横截面(c1、c2)。4.根据前述权利要求之一所述的方法，包括通过在所述粉末层(ln)上以恒定的线能量扫描所述粉末层(ln)来对所述粉末层(ln)进行预加热步骤(s1)。5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述预烧结步骤(s2)和所述融合步骤(s3)以相同的射束直径进行。6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述预烧结步骤(s2)的第一射束速度大于50米/秒、优选大于100米/秒。7.根据前述权利要求之一所述的方法，所述方法包括在融合(s3)之后对一个或者多个横截面(c1、c2)的至少部分进行的后加热步骤(s4)，方式为以非均匀的线能量扫描所述横截面(c1、c2)的至少部分，以实现所述横截面(c1、c2)上的均匀的温度分布。8.根据前述权利要求之一所述的方法，所述方法包括对每个横截面(c1、c2)进行的后加热步骤(s4)，方式为以均匀的线能量扫描每个横截面(c1、c2)，以实现相应的横截面(c1、c2)中的均匀的温度分布。9.根据前述权利要求之一所述的方法，所述方法包括后加热步骤(s4)，方式为将每个横截面(c1、c2)划分为子区段(sc11，sc12)并且对每个子区段施加可定义的线能量，以实现相应的横截面(c1、c2)中的均匀的温度分布。10.根据前述权利要求之一所述的方法，所述方法包括后加热步骤(s4)，方式为确定每个横截面(c1、c2)内的边缘区域(e1、e2)并对每个边缘区域(e1、e2)施加均匀的线能量。11.一种用于逐层地构造一个或者多个物体(1、2)的方法，所述方法包括根据前述权利要求之一所述的在一个或者多个粉末层(ln)中融合一个或者多个横截面(c1、c2)。12.一种电子束粉末床融合系统(100)，用于在粉末层(ln)中融合一个或者多个横截面(c1、c2)以逐层地构造一个或者多个物体(1、2)，所述电子束粉末床融合系统设置成：-仅预烧结(s2)所述粉末层(ln)中的横截面(c1、c2)，方式为以第一线能量扫描所述横截面(c1、c2)，-融合(s3)所述横截面(c1、c2)，方式为以第二线能量扫描所述横截面(c1、c2)，其中，所述第二线能量超过所述第一线能量、优选以至少2或者至少5的系数超过所述第一线能量。

技术总结
概括而言，本发明涉及一种用于在粉末床(PB)中融合一个或者多个横截面(C1、C2)的方法、一种用于构造物体(1、2)的方法和一种电子束粉末床融合系统(100)。为了提供电子束粉末床融合的改进的无烟雾的工艺、实现更复杂的几何形状并且减少对所构造的物体的后制造/后处理的需要，建议以下步骤：-仅预烧结(S2)所述粉末层(Ln)中的横截面(C1、C2)，方式为以第一线能量扫描所述横截面(C1、C2)，-融合(S3)所述横截面(C1、C2)，方式为以第二线能量扫描所述横截面(C1、C2)，其中，第二线能量超过第一线能量、优选以至少2或者至少5的系数超过第一线能量。量。量。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：西门子股份公司
技术研发日：2021.11.16
技术公布日：2023/8/9