用于提供用于适配的温度调节的数据的方法与流程

本发明涉及一种用于在构件的增材制造中、优选地在基于粉末床的制造中提供用于尤其适配的温度调节的数据的方法。此外，说明了一种设备、一种计算机程序产品以及一种使用所提供的用于构件的增材制造的数据的方法。

背景技术：

构件优选地设置用于在流体机械中、优选地在燃气轮机的热气路径中使用。构件优选地由超合金、尤其镍基或钴基的超合金构成。合金例如可以被沉淀硬化或固溶硬化。

在燃气轮机中，通过燃料例如气体燃烧产生的热气的热能和/或流动能量被转换成转子的动能(旋转能)。为此，在燃气轮机中构成流动通道，在所述流动通道的轴向方向上支承有转子或轴。

涡轮叶片适宜地伸入到流动通道中。如果流动通道由热气穿流，则转子叶片被施加力，所述力被转换成作用于轴上的扭矩，所述扭矩驱动涡轮转子，其中旋转能例如可以用于运行发电机。

现代的燃气轮机是不断改进的主题，以便提高所述燃气轮机的效率。然而，除此之外，这引起热气路径中越来越高的温度。尤其在第一阶段中，用于转子叶片的金属材料不断地在其在高温中的强度(蠕变负载、热机械疲劳)方面得到改进。

生成式生产或增材生产由于其对于工业颠覆性的潜能而对于批量制造上文中所提及的涡轮部件、如例如涡轮叶片或燃烧器部件而言也日益地是感兴趣的。

增材制造方法例如作为粉末床方法包括选择性的激光熔化(slm)或激光烧结(sls)或电子束熔化(ebm)。

例如从ep2601006b1中已知一种用于选择性的激光熔化的方法。

此外，增材生产方法(英文：“additivemanufacturing”)已证实为对于复杂的或复杂地或细小地设计的构件、例如迷宫形结构、冷却结构和/或轻型构造结构特别有利。尤其地，通过特别短的链的过程步骤的增材生产是有利的，因为构件的制造步骤或生产步骤几乎可以仅基于对应的cad文件和对应的生产参数的选择来实现。

当前描述的表述“计算机程序产品”例如可以表示或包括计算机程序机构，并且例如作为存储介质，如例如作为存储卡、usb记忆棒、cd-rom、dvd，或也以可从服务器下载的文件的形式在网络中提供或包括在网络中。例如，这可以在无线通信网络中通过借助于计算机程序产品或计算机程序机构传输相应的文件来实现。

在用于高负载或可承受高负载的构件的增材制造方法中普遍存在的问题是通常不如传统的生产技术的结构特性或材料特性。为了在增材生产中实现更好的材料特性，除了激光之外，还可以使用另一热源，以便更好地控制加热性能和冷却性能。在加工金属、尤其超合金时，感应加热系统适用于此，然而因加热功率的不均匀的引入，所以所述感应加热系统附加地需要对感应线圈进行机械定位。

同样必须控制加热功率，因为几何形状对加热或耦合输入效率或加热作用有非常强烈的影响。为了温度调节和/或温度检测，可以使用红外相机，红外相机概览(am设备的)整个构造场。图像信息可以经由校准换算成温度，并且例如在线圈的位置处被评估。在此，可能仅评估图像内的固定的位置(“region-of-interest(感兴趣区域)”)，于是可以借助于线圈在图像中移动所述位置。所述温度还可以传输给具有固定参数的调节器或调节装置。在位置移动之后，例如为了在构件的制造的过程中加热所构造的或待构造的层的另一区域，线圈典型地到达另一(冷的)部位，并且重新调节加热功率。

红外相机的图像可以在感兴趣区域、即“region-of-interest”内被评估，并从而生成用于温度调节的实际值，调节到所述实际值上。

然而，成问题的是，感应与待加热的金属部件或恰好构造的层的几何形状强烈相关。在此，电流或涡流优选地在已经构造的结构中在加热装置或线圈的正下方流动，并且需要闭合的电回路，以便实现高的电流并从而实现良好的加热结果。所述回路可以在加热装置或线圈的影响区域外侧向地闭合，例如通过相对置的线圈部件或经由已经构造的结构(构件)闭合。例如在非常小的结构中或在松散的粉末床中，如果没有闭合的回路，则耦合输入效率大幅下降。由于颗粒尺寸小、通常直径在10μm和100μm之间的范围中的颗粒尺寸，粉末本身几乎不被加热，并且加热或其效率主要通过先前构造的层的几何形状来确定。因此，尤其在用于高性能部件的基于粉末床的增材方法的情况下需要改进耦合输入效率或加热效率。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是，提供一种装置，借助于所述装置可以如所描述的那样实现加热的效率或耦合输入效率的改进。

所述目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的设计方案是从属权利要求的主题。

本发明的一个方面涉及一种用于在构件的增材制造中提供用于温度调节的数据的方法。所述方法优选地是基于粉末床的增材制造中的用于温度控制或热管理的调节优化的一部分。

所述方法包括：分别在增材构造的层的不同的或(预)确定的位置(“regionofinterest”)处检测温度数据或温度信息。所述提及到的层可以表示经由粉末床过程通过借助于激光束或能量束选择性地照射依次增材构造的数百或数千个层中的一个层。

所述方法还包括：在层的位置处借助于加工装置、尤其可运动的加工装置加工用于构件的层，其中位置相关地检测例如用于或包括控制参数的调节数据，用以调节加工装置。

表述“位置相关”可以表示在层或对应的制造表面上的位置相关性、例如以xy坐标表示。

所述方法还包括：从检测到的数据中产生或确定所适配或优化的数据集，所适配或优化的数据集包括位置相关的经适配的调节数据。产生或确定例如可以经由手动的、机器的或自动化的调节器优化或其他手段实现。

例如，可以将pid调节器用于调节，所述pid调节器通常在缓慢地接近期望值时可以更尖锐地设置，并且在所谓的“超调”时更确切地说更保守地设置。

通过提供适配数据集、尤其适配调节数据，可以有利地实现改进的调节，例如对于随后待构造的材料层实现改进的调节。在此，特别有利的是，替代使用用于任意几何形状的单独的调节参数集(现有技术)，现在可以提供和使用位置相关的和/或个体化的调节参数，所述调节参数考虑用于构件的各个层的实际的和精确的几何形状。

仍然可以避免因调节或温度变化曲线中的超调引起的过热的危险。在不用所提供的手段的情况下，这例如仅通过构造时间或过程时间的对应的延长和非常保守的设定或调节可行。

此外，表示用于工业增材生产过程的主要效率限制的因素的过程时间或构造时间可以减少到最小值。可以通过修改的或适配的数据或调节参数实现的适配的调节可以有利地已经在各个构件中或例如在生产系列的第一构件中利用。不需要先前的计算，抑或仅需要先前了解构件的几何形状。此外，系统可以与激光控制无关地实现，并从而明显更简单且更稳健地实现。同样可以考虑过程期间的热传导以及耦合输入效率、例如电功率进入系统中的耦合输入效率。

在一个设计方案中，由加工装置(参见下文)根据适配调节数据加工另一层、例如在构件的制造的过程中跟随上文中所提及的层的另一层。

在一个设计方案中，调节数据表示pid调节器的或用于所述pid调节器的数据或信息或参数。替选地，调节数据可以涉及用于pi调节器或pd调节器或另外的调节器或另外的调节装置的对应的信息。

在一个设计方案中，适配的数据集仅包括适配的调节数据。根据所述设计方案，可以已经使用根据本发明的优点并且可以对应地改进调节。同时，可以使用于生成或提供适配的数据集的耗费最小化。

在一个设计方案中，除了适配的调节数据之外，适配的数据集还包括温度数据和/或例如其他数据或信息。根据所述设计方案，例如通过提出和处理其他温度数据的方式或通过重新逐层地考虑构件的几何形状的方式，可以附加地改进精度并从而改进调节结果。

在一个设计方案中，调节数据包括控制参数或所述控制参数的调节，其中控制参数——对于通过加工装置加工层——适合于在构件的增材构造期间控制用于对层预加热的加热功率。

结合构件的增材制造，表述“期间”在此应表示，例如在构件的制造期间，然而在层的相应的固化之后，优选地由加工设备总体上(逐层地)加工层。

在一个设计方案中，在预确定的时间过程之中检测和/或存储在该层上每个位置的待检测的调节数据。理想地一起存储例如用于调节器的积分和微分的当前的调节数据或调节信息。

在一个设计方案中，借助于例如包括人工神经网络或遗传算法或进化算法的机器优化方法来生成适配的数据集、尤其适配的调节参数或调节数据。

在一个设计方案中，所述方法是计算机实施的方法。

在一个设计方案中，所述方法是递归方法，所述递归方法例如在构件的(增材)制造的过程中针对构件的彼此跟随的层重新、重复或反复地被应用。根据所述设计方案，可以针对该构件附加地改进调节和从而改进过程效率以及热管理。

在一个设计方案中，使用用于在高性能构件、尤其热气轮机部件的制造期间预加热由超合金、尤其镍基或钴基的超合金构成的层的方法。

本申请的另一方面涉及一种用于控制符合目的地可运动的加工装置、尤其感应加热装置的设备或系统，所述设备或系统包括用于执行所描述的方法的装置。所述装置可以涉及计算机程序、计算机程序产品、数据结构产品或对应的另外的计算机程序机构。

所述设备还包括温度检测装置、计算机或数据处理装置和调节装置、优选地pid调节器。

在一个设计方案中，温度检测装置包括红外相机。根据所述设计方案，可以特别简单且符合目的地确定增材构造的层的温度图像，并且可以特别简单且快速地检测温度数据。

在一个设计方案中，加工装置包括感应加热装置。

在一个设计方案中，加工装置是感应加热装置。

在一个设计方案中，该设备设立成，使得温度检测装置、计算机、调节装置和耦联到该设备的感应加热装置与构件的至少一个例如先前已经构造的层的结构一起形成测量系统或调节链。经由也就是说包括构件的一部分的所述测量系统，可以有利地考虑、控制和/或改进例如由加工装置将能量引入到测量系统中并从而加热构件的效率(耦合输入效率)。换言之，可以改进加工装置、尤其加热装置对构件的结构的作用。

对于在当前待构造的层中仅要构造结构的小的横截面的情况，将热量引入到构件中并且也再次导出的可行性通过如下方式来限制：用于构件的粉末状的基础材料是准热绝缘的。通过所提供的测量系统，尤其可以实现构件的温度的快速的、稳定的和/或精确的调节和构件的对应有效的(感应)加热。

在一个设计方案中，该设备是增材制造设备的一部分、尤其是用于基于粉末床的增材生产的设备。

本发明的另一方面涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，在通过计算机执行程序时，所述指令促使所述计算机生成如上文中所描述的适配的数据集。所述计算机程序产品例如可以包括对应的计算机程序机构，需要所述计算机程序机构，以便对应地生成或提供适配的数据集。

本发明的另一方面涉及一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储有上文中所提及的计算机程序或计算机程序产品。

本发明的另一方面涉及一种用于构件的增材制造的方法，所述方法包括：从粉末或粉末状的基础材料中逐层增材构造所述构件，其中在借助于能量束、优选地激光对粉末层进行固化或构造之后或期间，借助于加工装置根据如上文中所描述的提供的适配的数据集或对应的调节参数或控制参数加工所述层。因此，适配的数据集的改进的调节参数对随后的生产方法可以有直接影响，因为可以根据适配的数据来决定性地改进构件的热加工，并从而同样可以实现改进的材料或结构特性。

本发明的另一方面涉及一种根据用于增材制造的方法制造的或可根据用于增材制造的方法制造的构件。例如，与现有技术的传统制造的构件或现有技术的增材制造的构件相比，构件包括基本上无裂纹和/或低应力的、尤其单晶体和/或柱状晶体的微观结构。

当前描述的装置优选地适合于将构件或随后待制造的构件层的加工或预加热加热到高于1000℃的温度。

当前，涉及用于提供数据的方法、计算机程序产品或设备的设计方案、特征和/或优点还可以——如所描述的那样——涉及增材制造过程或构件本身，或者反之亦然。

在下文中，根据参照附图的实施例详细阐述本发明的其他特征、特性和优点。在此，迄今为止和在下文中描述的所有特征不仅单独地而且以彼此组合是有利的。应理解，能够使用另外的实施方式，并且能够进行结构上的或逻辑上的改变，而不脱离本发明的保护范围。因此，下文中的描述不应在限制性的意义上理解。

当在此使用的表述“和/或”在一系列的两个或更多个的元件中使用时，在此使用的表述“和/或”表示，可以单独地使用所列出的元件中的每个元件，或者可以使用所列出的元件中的两个或更多个的元件的任意组合。

附图说明

图1示出构件在其增材制造期间的示意性剖视图。

图2示出借助于加工装置加工的构件横截面的示意性俯视图。

图3根据固化的构件层的示意性俯视图示出多个加工步骤的顺序。

图4示出表明所描述的方法的方法步骤的示意性流程图。

具体实施方式

在实施例和附图中，相同的或相同作用的元件可以分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此的尺寸比例原则上不应视为按比例的，更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好地理解，个别元件可能以确定夸厚或夸大的尺寸的方式示出。

图1根据示意性剖视图示出粉末床中的构件10的增材制造、优选地通过选择性的激光熔化或电子束熔化的增材制造。对应的增材制造设备用附图标记200标识。

在此，根据期望的(预确定的)几何形状，由能量束、优选地激光束105选择性逐层地照射用于构件10的原始材料p。为此，构件在基板或结构平台12上制造或与所述基板或结构平台焊接。

在此，平台在制造期间同时用作机械支撑，以便保护构件免受热翘曲的影响。在每个层固化之后，优选地由涂覆器11借助于粉末p新涂覆制造表面(未明确标识)，并且如此进一步地构造构件。层1和2在图1中仅示例性地用虚线表明，所述层1和2的层厚度在这种过程中通常在20μm和80μm之间。

构件10优选地涉及在流体机械、例如燃气轮机的热气路径中使用的构件。尤其地，构件可以表示转子叶片或导向叶片、区段或环形区段、燃烧器部件或燃烧器尖端、框架、屏蔽件、热屏、喷嘴、密封件、过滤器、孔口或喷枪、谐振器、冲头或涡流器，或表示对应的过渡件、插入件或对应的改装部件。据此，构件10优选地涉及在其按照常规的运行中受到热和/或机械的高负载的构件，所述构件由超合金构成，例如由钴基或镍基的超合金构成。

同样在制造表面的右侧处(图中的右边)示出加工装置20。可以借助于加工装置对新施加的粉末层或新固化或照射的构件层符合目的地进行预处理和/或后处理。所述加工尤其有利地或符合目的的，以便执行对应的构件的有利的或所需的热处理(热管理)、优选地在构造期间在那里执行有利的或所需的热处理(热管理)。

在基于粉末床的过程中，过程固有的大温度梯度常常超过10⁵k/s，并且据此引起高的化学不平衡状态、裂纹和/或机械应力。因此符合目的的是，例如借助于加工装置(参见附图标记20)对新施加的粉末层(参见附图标记2)或已经固化的构件层(参见附图标记1)进行热处理。

当前所描述的用于加工的装置或加工装置20优选地适合于将构件或随后待制造的构件层的加工或预加热加热到高于1000℃的温度。

图2示出借助于能量束105新照射和固化的层1的示意性俯视图。在此，如在图1中可看出涂覆机11或涂覆装置，所述涂覆装置设立用于对随后待照射的层(参见图1中的附图标记2)施加新的粉末p。

根据图2中的示图，仅为了概览起见，矩形地示出构件10的横截面。在适合增材生产或值得增材生产的构件中，情况当然常常不是如此，而构件横截面可以具有复杂的几何形状，所述几何形状例如是未闭合的或具有空腔。

与图1不同，根据本发明，可看出优选地包括或是感应加热装置的加工装置20。替选地，加工装置例如可以通过另外的原理将热引入到构件层中。

传统的增材制造设备(参见图1中的附图标记200)优选地包括温度检测装置101、优选地红外相机，可以经由所述温度检测装置优选地对每个被照射的层拍摄层或制造表面的完整的温度图像。来自温度图像的图像信息例如可以经由校准被换算成温度，并且在随后的加工的对应的位置处(参见下面的图3)被评估。

可以经由计算机102或数据处理装置以及优选地还经由调节装置103来存储层1的检测到的温度数据、优选地所提及的温度或热图像，并且将其传输给加工装置20，或对应地操控所述加工装置。

据此，设备100可以设立用于控制加工装置20，并且所述设备还包括所提及的计算机程序机构(参见下面的附图标记cpp)、温度检测装置101、计算机102和例如调节装置103。据此，设备100可以与加工装置20耦联或连接。

在图2中所示的实施方式中，加工装置20具有感应加热装置或感应线圈104。尽管这未明确地示出，但是装置20也可以具有多个感应线圈、例如可沿着x方向移动或运动地设置的线圈和可沿着y方向移动或运动地设置的线圈。所提及的线圈也可以叠加，使得仅在所选择的区域(参见英文“region-of-interest”和附图标记roi)中才可以实现所期望的或预限定的加热、例如高于1000℃的加热。为了简单起见，在图2中仅标识线圈104，所述线圈104可以以预限定的方式加热待选择的区域roi。线圈104可沿x方向运动和移动地设置。以相同的方式，类似的线圈可沿y方向运动并且设置为，使得可以符合目的地加热所选择的区域roi。

此外，优选地，通过加工装置20在粉末床或层表面上的任意位置上的可运动性，所述加工装置设立成，使得不仅可以加热已经固化的构件层(参见层1)，而且可以加热新施加的粉末材料的层(参见层2)。然而，与固定的构件结构相比，粉末的加热(参见图2中的左边)可忽略，并且加热功率由处于下部的已经固化的层占主导或吸收。在slm方法中，所述层通常明显薄于(多个)线圈104的感应场或感应涡流的磁通的进入深度。

优选地，设备100还设立成，使得温度检测装置101、计算机102、调节装置103和耦联到设备100处的感应加热装置20、104与构件10的至少一个所构造的层1的结构一起形成测量系统s或对应的调节链。所述系统或所述调节链由温度检测装置101、计算机102以及所提及的计算机程序机构、装置20或感应线圈104和构件10本身的结构构成，或者包括这些部件。

例如，测量系统s借助于每个所记录的相机图像或温度图像将每个所选择的区域roi的实际温度传输给例如包括pid调节器的调节装置103。

在此，构件1、10本身或当前待加热或待预加热的部位可以以两种方式影响调节：一方面可以改变耦合输入效率并从而改变感应加热对构件10的影响。另一方面，受限的热传导可能引起加热与温度变化之间的延迟。两个变量或值与实际的几何形状强烈相关，并且通常对于调节系统是未知的。甚至在精确地已知的几何形状的情况下，仅仅通过完全模拟充分地描述所描述的现象的电性能和热性能也能够确定所述值。

现在，本发明提出以如下方式优化和改进调节系统的手段：可以省去所提及的模拟，并且应从系统本身导出适配的数据或调节参数(参见下面的图3和4)。

图3根据与图2的示图相似的示图示出加工步骤的顺序，根据所述加工步骤优选地直接在进行固化之后，借助于所描述的加工装置20加工、优选地感应地加热固化的构件层1。

例如，为构件的合金定制的热处理可以例如是必要或有利的，以便消除构件中的应力、避免或防止热裂纹，或也以便防止大的过程固有的温度梯度，所述温度梯度就其而言抑制所产生的裂纹、化学不平衡或原则上抑制基础材料的可焊接性。

对应的加工区域(参见图3中的位置p1、p2和p3处的roi)例如可以涉及根据照射策略也依次地被照射的位置。替选地，特别可以涉及所选择的区域、例如层中的特别易受结构缺陷或其他因素、例如强度相关的因素影响的区。此外，这些位置可以——与图3中所示不同地——连续地或持续地合并。

典型地，在加工第一位置p1之后将线圈104或加工装置20移动到随后的第二位置p2或第三位置p3处，然后，所述第二位置或第三位置指示尚未加热或冷的部位并且例如可以在位置的对应的roi中被加工。替代三个位置和roi，如图3中所标识，实际上对于每个层例如可以接近和加工数百个位置。

根据本发明，如上所述，在增材构造的层1的不同的位置处存储和/或检测温度数据(参见下面的方法步骤a))。此外，根据本发明，在层的加工期间，例如沿着位置p1至p3位置相关地和对每个位置(p1至p3)存储和/或检测例如包括用于加工装置的控制参数的调节数据(参见下面的图4中的方法步骤b))。此外，根据所描述的方法(参见下面的图4中的方法步骤c))，从检测到的数据中产生或提供适配的或优化的数据集d'，所述适配的或优化的数据集d'包括位置相关的适配的调节数据r'(参见下文)。

根据所描述的方法，在适配的数据集中，例如可以仅对适配的调节数据、例如用于作为调节装置103的pid调节器的调节数据和控制参数进行计数，或除了适配的调节数据以外对温度数据进行计数。

在所描述的方法的范围内，例如可以在预确定的时间过程上(未在图中明确地标识)在层上的每个位置再次检测和/或存储待检测的调节数据。理想地一起存储用于积分和微分的当前内部的值(在pid调节器的情况下)。

在所描述的本发明的范围内提出，适配数据集包括例如借助于机器优化方法、例如表示或包括人工神经网络或遗传算法或进化算法。替选地，可以考虑用于提供适配数据集的其他优化方法。

此外，所描述的方法、尤其提供适配数据集可以是递归方法、例如如下方法：所述方法在构件10的增材制造的过程中重新地或迭代地应用于彼此跟随的层，以便例如使每个层获得用于调节参数的越来越好的适配值，并从而越来越深入地优化温度调节和过程效率。

在一个简单的实施方案中，不需要记录用于完整的层或完整的构件的值。然后在加热之后立即确定用于最后加工的位置的新的参数或适配参数，并且仅存储用于下一层、例如层2的pid值(调节参数)。

在小批量的情况下抑或也在大批量的情况下，例如在工业化的增材生产中可能有利的是，为所有层完整地存储所确定的参数。因为所确定的参数实际上适用于当前层，而不适用于随后的层，所以从第二构件开始例如已经在当前层中可以使用正确的值。

图4根据示意性流程图概括根据本发明的方法步骤，并且表明，所描述的方法涉及计算机实施的方法、例如其中计算机程序产品或对应的计算机程序产生适配数据集的方法。

所述方法是用于在构件10的增材制造中提供用于温度调节的数据d的方法。方法包括a)：分别在增材构造的层1的不同的位置p1、p2处检测温度数据t。

检测到的数据d例如可以涉及初始的调节数据r、控制参数sp、温度数据t或检测到的温度图像的温度信息(参见上文)。

方法还包括b)：在层1的位置p处借助于加工装置20加工用于构件10的层1，其中位置相关地检测用于调节加工装置的调节数据r。

所述方法还包括c)：从检测到的数据中产生适配数据集d'。除了位置相关的适配调节数据r'之外，适配数据集例如还可以包括温度数据t或例如用于操控或调节加工装置20的控制参数sp。尤其地，所述方法步骤可以通过计算机程序或对应的计算机程序产品cpp实施地执行。

本发明并不因基于实施例的描述而限于所述实施例，而是包括任意新特征以及特征的任意组合。这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求或实施例中说明也如此。