用于通过热喷制造构件的方法和带有热喷用装置的用于制造构件的设备与流程

本发明涉及一种用于制造构件的方法，其中，通过热喷将导引构成材料(baumaterial)的涂层射束涂布在所述构件上。在热喷工艺中所使用的构成材料通常是粉末。所述构成材料通过热喷工艺被加载能量，所述能量则用于使粉末沉积。在热喷工艺中形成涂层射束，利用所述涂层射束将构成材料输送至待涂覆的构件。

此外，本发明还涉及一种用于制造构件的设备。该设备具有用于热喷构成材料的装置。作为用于热喷的装置，还可以使用例如用于高速火焰喷射或者甚至用于冷气喷射的装置。这些方法目前通常用于在构件上制造敷层。

背景技术：

冷气喷射是已知的方法，其中，设计用于涂层的粉末借助汇聚分散的喷嘴优选加速至超音速，由此使得粉末基于其出色的动能而黏附地固定在待涂覆的表面上。在此，耗用了颗粒的导致其本身塑性变形的动能，其中，涂层颗粒在碰撞时仅在其表面上熔化。因此该方法与其他热喷工艺相比被称为冷气喷射，因为该方法在相对而言较低的温度下实施，在该温度条件下涂层颗粒基本上保持固态。优选地，针对冷气喷射(也被称为动态喷射)使用冷气喷射设备，所述冷气喷射设备具有用于对气体进行加热的气体加热装置。在气体加热装置上连接粘滞腔，所述粘滞腔从输出侧与汇聚分散喷嘴、优选与渐缩扩散喷嘴(lavaldüse)相连。汇聚分散喷嘴具有通过喷嘴颈相连的聚拢的分区段以及扩张的分区段。汇聚分散喷嘴在输出侧形成具有高速、优选超音速的粉末射束，其呈现包括处于其中的颗粒的气流的形式。

另一方面存在的期望在于，在具有足够高的尺寸稳定性并且在构件中构成合理的内应力的同时，利用成型方法制造构件。迄今该问题仅在较大的零件数量方面得到满意解决。例如可以通过铸造工艺制造该类型的构件。然而在单件制造或小批量制造时并未获得合适形状的制造。在构件的整体生产时，迄今使用叠加制造的方法，例如使用根据de102006014835a1的激光熔融。尤其通过该途径能够经济划算地制造具有小体积的金属细丝结构。针对实心三维结构的制造，迄今使用例如冷气喷射。然而在此在尺寸稳定性要求较高时就必须进行对表面的后处理。构件还可以通过使用两种方法制造，例如可以如de102009049707a1所述。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种方法，利用所述方法能够制造具有以下性质的生成的构件。一方面，所述构件应该具有借助叠加制造、例如激光熔融制得的构件的较高的尺寸稳定性。另一方面，所述工件能够以较高的构成速度被制造，所述构成速度通过热喷工艺、例如通过冷气喷射实现。

所述技术问题通过前述根据本发明的方法解决，即，在所述方法中实施至少两个子步骤。在第一子步骤中，用于待制造构件的模具在构造板(bauplatte)上通过生成方法基于描述该模具的数据逐层地形成。描述该模具的数据通常是所谓的cad数据组，所述cad数据组再现模具的三维结构并且为了逐层的制造而分解为被关注的片层的几何形状。借助该数据，可以围绕模具的层制造层。在后续的子步骤中，模具通过热喷被填充构成材料。在此，有利地避免了热喷工艺在制造实心构件时的弊端，也即所形成的构件仅能以相对较大的公差保持尺寸稳定性。此外还能实现的是，可以制造构件，所述构件的外部界限垂直于涂层射束的定向而定向。在此基于根据现有技术的热喷、尤其冷气喷射的方法极限导致的是，在构件借助热喷自由成型时仅能制造朝向构件内部倾斜的侧边面。然而模具有利地实现了，涂层射束甚至在较高的涂层厚度的情况下也能填充形状直至模具的壁面，并且由此能够利用热喷制造任意结构(例如具有与涂层射束平行指向的壁件)。

有利地，用于模具的材料费用是最少的。也就是说，模具能够以栅格(桁架)的形式制造，其中，仅形状的壁面必须闭合，由此应通过热喷制成的构件的形状被明确地定义。

根据本发明的一种有利的设计方式规定，构件的制造通过冷气喷射完成。该方法具有的优点在于，可以实现相对较高的涂覆速率。此外还能够加工热敏的构成材料，因为构成材料的颗粒不被熔化，而是基于其动能黏附地固定。而且模具的热负载可以有利地保持得较低。

根据本发明的另一种有利的设计方式规定，为了制造模具而使用选择性的激光熔融和/或选择性的激光烧结作为生成方法。在此涉及生成的制备方法，其中，模具在粉末床中制造，所述粉末床逐层地涂覆构造板模。在此还能够高精度地实现制备，其中，优选将金属材料通过所提到的生成制备方法沉积。所述金属材料还经受后续的热喷的热负载。因此即使在使用冷气喷射时也必须根据所选择的材料对构件的颗粒进行预热，其中，颗粒在形成中的构件上的碰撞也会导致发热。在较小的热负载的情况下能实现的是，使用用于模具的塑料。塑料例如可以借助3d打印方法逐层地构造，而无需形成粉末床。

换言之根据本发明规定，在过程室中不仅安装了必要的用于叠加制造(例如激光熔融)的装置，而且还安装了必要的用于冷气喷射的装置。由此可以在过程室中进行激光熔融和冷气喷射。

上述技术问题根据本发明还通过上述用于制造构件的设备解决，为此，设置用于待制造部件的构造板模。除了集成在设备中用于热喷构成材料的装置之外，还设置了用于生成方法的装置，用于根据描述物体的数据逐层地制造所述物体。用于热喷的装置优选配置用于前述的喷射方法，相较而言，用于生成方法的装置同样包括前述设备。在此尤其针对热喷涉及用于冷气喷射的装置，并且针对生成制备方法涉及用于选择性的激光熔融的装置和/或用于选择性的激光烧结和/或用于电子射束熔融的装置。

按照根据本发明的设备的一种设计方式规定，构造板可移动地支承在支座上，从而使构造板模能够从水平位置摆动至倾斜位置。正如根据本发明的另一种设计方式规定，用于热喷的装置可移动地支承在支座中，从而使该装置能够沿轴向平移和摆动。两个所提到的部件的可摆动支承的优点在于，涂层射束相对于在待涂覆表面上落在涂层射束的入射点上的铅垂线(法线)的喷射角可以改变。所有各个喷射角(构成材料以所述喷射角沉积)的总和构成所谓的喷射锥，其中，该喷射锥的为外周面给定了界限，在所述界限内部能够以不同的喷射角实现涂层材料的沉积。

通过用于热喷的装置和/或构造板模的摆动，由此能够有目的地影响处于涂层射束中的涂层材料是否能够沉积在底层上。有利的，这尤其被有目的地利用，由此降低或甚至完全排除涂层在模具的壁面上的附着。同时，在涂层射束切向定向时关于已经沉积在模件中的材料的喷射角在模具的壁面上定向，使得涂层材料能够沉积在形成中的构件上。这在制备完成的构件脱模时具有已述优点。

另外，根据本发明还建议了一种方法，其中，无论尤其冷气喷射还是尤其激光熔融都用于构件的制造。激光熔融根据本发明仅用于制造构件的模子。

根据本发明的一种设计方式规定，在制造构件时模具的生成制备与利用构成材料对模具的填充交替地实施。模具可以以多个步骤交替地利用热喷(冷气喷射)制造。冷气喷射用于模子的填充，从而在较小地形成内应力的同时实现快速的材料涂覆。这可以有利地良好地制造具有侧凹的部件，为此，只有当构件的构成侧凹的区域已经通过热喷制成时，才制成具有侧凹的模制件。

为了简化脱模，冷气射束应该尽量沿模件内侧切向地导引。在此实现了模件与构件之间仅仅较小的黏附或甚至没有黏附，这简化了脱模。

构件的脱模可以在存在侧凹时通过模件的损坏实现(所谓的拆损模件)。模件可以机械损毁，或者当模件的材料比构件的材料惰性较弱时，甚至可以例如通过电化学方式溶解。也可以将两种损毁原理相结合。

根据本发明的一种设计方式规定，制造带有加固结构的模具，所述加固结构由连接条构成。特别有利的是，连接条构成桁架。由此能够在材料费用较低时以较少的构造时间制造稳定的模具。

根据本发明的方法和为此适用于将冷气喷射和激光熔融相结合的装置所具有的优点在于，两个方法的优点都能够得到利用。模子构成(formaufbau)借助叠加制造完成，并且就此方面能够以较高的尺寸稳定性实施。为了轻易破坏模子，可以利用栅格状的框架支承金属细丝，从而仅需将内侧面实心地构成。这有利地缩短了制备时间并且降低了模子所用材料的需求。构件本身可以通过冷气喷射制成。与生成制备方法相比，构件的至少实心的结构能够通过该途径更加成本低廉且以更小的内应力制成。

叠加制造或生成制备方法(尤其激光熔融)显然也可以使用，以制备构件的确定的部分。这例如有利于内部结构，所述内部结构应该通过呈桁架形式的支承结构在构件中被稳定化。生成制备方法的其他应用是对具有复杂几何结构的构件的部分体积的制造，在所述部分体积处，只有在模具的生成式构造的制备步骤和构件的制造频繁交替时才能确保涂层射束的可触及性。

附图说明

本发明的其他细节在以下借助附图进行描述。相同和相应的图示元素分别以相同的附图标记标注，并且仅就各个附图之间的差异进行多次阐述。在附图中：

图1以剖视图示意性示出根据本发明的设备的实施例，和

图2至图11示出根据本发明的方法的实施例的方法步骤。

具体实施方式

根据图1的设备1具有过程室，如以下还要详述的，在所述过程室中，可以进行热喷以及在粉末床中的工件的生成式制造。为此目的，在设备中设置了构造板模13，所述构造板模可摆动地布置在支座14上。这实现了制造板模13的摆动，从而使制造板模能够在热喷时倾斜(参照图5和8)。此外，构造板模还具有侧向边界15，所述侧向边界能够垂直地在支座16上移动并且以此方式连同构造板模13一起适合于容纳逐层敷设的粉末床17。此外在支座16上还设置了计量装置18，所述计量装置具有粉末容器19和刮刀20，利用所述刮刀能够使粉末逐层地分布在粉末床17上。

在过程室12中设置了偏转光学元件21，通过激光器22形成的激光射束23(参照例如图4)能够利用所述偏转光学元件指向粉末床17。激光器22处于过程室12外部，并且穿过窗口24进入过程室12中。

此外，在过程室12中还设置用于热喷的装置25，其中，涉及带有汇聚分散喷嘴26的冷气喷射设备。该装置通过支座27固持，所述支座不仅沿轴向可移动地悬挂在盖件上，而且还能够摆动。冷气喷射设备具有用于过程气体的存储容器28以及用于未详细示出的涂层材料的存储容器29。该方法的残余物、也即未沉积的涂层材料以及粉末床的残余物能够进入同样连接在过程室12上的回收容器30中。

根据图2至图10的制备步骤可以利用根据图1的设备11实施。该设备为简便起见在图2至10中未完全示出，而是始终仅示出所述设备的那些用于各个制备步骤的部件。

在图2中，构造板模13水平地定向。利用用于冷气喷射的装置25将涂层射束31直接指向构造板模13的上表面。由此制成狭窄的凸棱32。因为装置25的喷嘴26定向为，使得涂层射束31垂直地投射到构造板模32上，因此根据图2的涂层射束31准确地位于所示出的喷射锥33的法线上，其中，该喷射锥33的外表面的位置通过与垂直于构造板模13的法线所成的角度α定义。当涂层射束位于喷射锥33的内部时，就能实现对待涂覆表面(在此是构造板模13)的涂覆。

在图3中，凸棱32作为用于构成起始层34的涂层表面，所述起始层沿构造板模13构成。此外还示出，构造板模13和用于冷气喷射的装置25已经发生倾斜，使得构造板模13的表面35不能再利用涂层射束31的颗粒被黏附地涂覆。由此可知，涂层射束31位于通过表面35上的法线36所定义的喷射锥33之外。这有利地导致，制成的构件稍后能够轻易地从构造板模13上分离(参照图10)。

在图4中使用了用于激光熔融的装置37，所述装置与激光器22和偏转光学元件21构成。由此可以使激光射束23指向构造板模13。为了能够在该处实施激光熔融，构造板模13设置有侧边界15，并且在通过构造板模13和侧边界15构成的槽状凹陷中形成粉末床17。利用激光射束23使得粉末床逐层地熔化。这意味着，根据图4的制备步骤为了后续(在图4中未示出)的敷层而重复。在此形成在粉末床17中的模具38(参照图5)。

在图5中示出模具38如何构成。模具具有实心部分，所述实心部分构成了给定待制造的构件40的轮廓(参照图10和11)的壁面39。为了能够尽可能较低地选择构成壁面39的壁厚的结构，此外还设置了桁架41，所述桁架由各个单独的连接条42组成。由此使得模具38被向外加固。桁架41支承在构造板模13上，从而使得根据图4的起始层34构成模具38的一部分，并且由此还可作为壁面39的一部分使用。

此外在图5中还示出，如何利用用于冷气喷射的装置25形成待形成的构件的边缘层43。为此构造板模13和进而整个模具38和喷嘴26发生摆动，使得涂层射束31相对于壁面39切向地指向，从而使边缘层43不黏附在该处。为此，如上所述，涂层射束31在位于壁面39所涉及的喷射锥33的外部就足够了。边缘层43还可以在模子的相对置的侧面上制成，如图6所示。

此外在图6中还示出，随后可以通过用于冷气喷射的装置25利用材料填充模具。通过该方式逐步地形成构件40，其中，还示出在图6中的边缘层43成为构件40的集成式组成部分。在此要注意的是，边缘层43的表面黏附地涂覆有涂层射束31的颗粒。这如上所述通过装置25以及构造板模13的摆动实现，其中，这在图6中未详细示出。在图6中，涂层射束31垂直地定向，并且构造板模13水平指向。然而涂层射束和构造板模也可以摆动，从而不进行构件在模子的底部上的黏附，而是使边缘层43的表面分别定向为，涂层射束31位于相应的喷射锥中(未详细示出，参照图2、3和5)。

如图7所示，待制造的构件40已经完成过半。这意味着，构件具有侧凹，并且模具38由此不能通过冷气喷射以一个制备步骤被填充。因此根据图7，中断热喷的过程，并且重新在迄今制成的构件的水平上形成粉末床17。为了形成粉末床，构造板模13通常重新处于水平位置。在此情况下，粉末床的表面平行于构造板模的表面35定向。然而当对待制造的构件的几何形状要求提出要求时，也可以不同于水平的定向。

根据图7示出，如何以利用激光熔融补充模具38，其中，在图8中示出制备完成的模具38。此外还借助激光熔融制成构件40的部分体积44。在此涉及空腔，所述空腔通过由激光熔融所制造的栅格结构45填充。该栅格结构45的制造强化了构件40并且降低了构件重量。粉末床的包含在部分体积44中的粉末(所述粉末未被熔化)可以在振荡负载的情况下基于相对运动有利地影响构件40的减振特性。

在图8中示出，与根据图6的制备步骤相类似地，通过用于冷气喷射的装置25利用构件的材料填充模具38。在此，将部分体积45包含在该构件中。通过该方式制成的构件40由此通过热喷和在粉末床中叠加制造的组合形成。

如上所述，还可以通过热喷以及在粉末床中叠加制造的方法相结合形成模具38。由此，起始层34涉及根据图5的模具38的部分体积46，该部分体积与模具38的其余部分不同地通过热喷方法制成。

在图8中，通过构造板模13和装置25的合适的摆动角有利于避免模具38的壁面39与构件40的材料之间的黏附(还参照根据图5所述)，相较而言根据图9借助冷气喷射在包含栅格45的情况下制成构件40的闭合的形状。在此，构造板模13重新水平地定向，并且涂层射束31垂直地定向。

图10示出，制备完成的构件40如何连同模具38一起从构造板模13上分离(例如通过未详细示出的电火花切割)。在图10中示出，模具38的连接点仅由连接条42以及凸棱32组成，因此可以利用较小的费用轻松地松脱。由此有利地简化了随后对构造板模13的抛光，所述构造板模必须为制造下一个构件做好准备。

为了将构件38脱模，由于侧凹而需要损坏模具。根据图11所示，由构件40和模具38组成的复合体可以在容器47中浸液48处理。模具38的材料在浸液48中溶解，其中，构件40不被浸液侵蚀。这可由此确保，即，模具38由比构件40惰性较弱的金属制成。作为溶解模具38的备选，还可以机械式地损毁。尤其由于在涂层射束31正确导引的情况下使得构件40在模具38上的黏附被排除或至少最小化，模具38的部分在其机械损毁后从构件40上脱落。如果构件40能够无侧凹地制造，则该构件可以在不损毁模具38的情况下从模具38中脱模。