用于去除多余材料的设备以及操作该设备的方法与流程

用于去除多余材料的设备以及操作该设备的方法
1.描述了如下设备，其用于增材(additive)部件制造，特别是用于从部件的腔体中去除多余材料、优选粉末。此外，提出了操作所述设备的方法。所述设备可以是拆包装置，其特别适合应用于用于金属部件的制造的粉末床熔融过程中。
2.优选地，该部件表示如下部件，其应用于涡轮机械中，例如应用于燃气涡轮机的流体路径硬件中。因此，优选地，该部件由镍基或钴基的超合金例如沉淀硬化合金制成。
3.例如，在例如wo 2017/215921 a1中描述了用于增材制造的可比较的设备。
4.已经证明，增材制造和/或粉末床熔融方法在原型或复杂的部件、例如具有迷宫状或回旋的结构的部件或功能性冷却部件的制作中被证明是有用且有利的。此外，增材制造由于其处理步骤链短而突出，这转而使材料节省和特别短的交付时间成为可能。
5.制造背景下的术语“增材的”将特别表示逐层的、生成的、和/或自下而上的制造过程。
6.例如，基于粉末床的或粉末床熔融(pbf)制造方法，例如，选择性激光熔融(slm)、选择性激光烧结(sls)、或电子束熔融(ebm)是用于从粉末状基材来制作、原型制造、或制造零件或部件的相对公知的方法。用于这样的方法的传统的设备或设置通常包括制造或构造平台，在该平台上，部件在基材的层的馈送之后被逐层构造，该基材然后可以例如通过激光束的能量被熔融并且随后固化。层厚度由再次涂料器(recoater)或擦拭器确定，该再次涂料器或擦拭器例如自动地在粉末床上方移动，并且从制造平面或构造空间中去除多余材料。典型的层厚度总计在20μm与40μm之间。在制造期间，所述激光束在表面上方扫描，并且在所选的区域上熔融粉末，所选的区域可以根据要制造的部件的几何形状来由cad文件预先确定。
7.在通过粉末床熔融进行零件或部件的增材增层(buildup)之后，即，优选地在完成各个构造工作、“3d打印”之后，所构造的零件(或多个零件)的内部通道和腔体被固有地填充有残余的粉末或多余材料。因此，需要从所制造的部件的内部腔体中去除所述多余材料。然而，因为零件或部件由于粉末填充而通常沉重，所以去除多余粉末不容易。特别地，由于需要使用高性能合金，因此燃气轮机部件沉重。此外，内部通道和腔体可能是狭窄的、回旋的、或者形成特别复杂的形状。
8.总之，从所制造的零件的腔体或内部通路或通道中去除粉末不充分，可能在制造后的热处理期间导致严重的问题，为了减轻机械应力或类似的用意，部件通常需要被暴露。在所述热处理期间，腔体中剩余的粉末可能熔融、烧结、或粘结在一起，并且随后阻塞通道。明显的是，这些效果可能导致整个部件的少量损耗。
9.鉴于增材制造在工业中的重要性愈发增加，以及数字化和所谓的“物联网”的相关性的愈发增加，因此存在对于适合激发或支持增材制造的工业化的可靠的工序链和技术的需要。特别地，存在对于鲁棒的和/或重型的设备的需要，该设备使得能够用粉末床构造的部件的内部可靠且安全地去除所述多余基材。
10.即使已经存在有助于促进增材地产生的部件“去粉末”或拆包的商业上可获得的器械，但是部件通常还是手动或使用简单的机械工具来清除任何多余粉末。就时间和金钱
而言，手动方法是特别适时和昂贵的。
11.给定的“去粉末”设备的最先进的供应商也遭受缺乏操作安全性的困扰。用于摇出粉末残余物和/或用于移动或倾斜各个部件的固定平台的任何马达和/或电气驱动(例如，参见de 10 2013 223407a1)在工作空间或构造空间中提供可能的起火源。转而，这对各个制造装置的任何操作者引起严重的危险。已知的是，例如，在构造空间或去粉末设备中存在氧或氧痕迹的情况下，小的微米级的粉末颗粒极易燃和/或爆炸。
12.本发明的目的是提供手段以克服所描述的缺点。特别地，提供了用于去除所述多余的粉末材料的设备，该设备遵从工业化要求或就操作安全性而言的需求。此外，该设备特别地是通用和鲁棒的，并且还适合被应用于重部件的(工业化)增材制造序列中。
13.通过独立权利要求的主题来实现所提及的目的。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
14.本发明的目的涉及用于从部件的空腔中去除多余材料、优选粉末的设备。设备包括用于承载、保持(retain)和/或固定部件、优选增材地制造的部件的平台。
15.设备还包括耦接至平台的驱动机构，其中，驱动机构被配置成独立地围绕两个正交的、即优选地线性独立的空间方向来使部件——假设该部件由平台保持——旋转或偏转，并且每个具有无限制的角度偏转。平台的这种无尽的(endless)或无限的(infinite)旋转自由度对于精巧(sophisticated)的策略特别重要，该平台可能必须由上述精巧的策略控制以便使沉重且非常复杂的部件清除粉末状基材。
16.设备还包括用于在多余材料的去除期间机械地致动平台的致动装置。优选地，所述致动装置被配置成在宽的频率范围或者多个频率或频率范围处致动基材。通过致动装置，例如，平台通常被摇动或移动，并且同时被旋转、倾斜、或改变其取向，以便从具有精巧的内部通路结构的零件的腔体中方便地去除任何残余的粉末材料。
17.设备还包括限定工作空间的壳体，在该工作空间中，可以从腔体中去除多余材料，其中，壳体优选地将工作空间相对于(against)环境密封。工作空间可以是设备和/或增材制造装置的空间，该设备和/或增材制造装置至少在其操作期间通常受金属粉末污染或玷污。因此，在工作空间中存在氧或氧痕迹的情况下，由于如以上提及的高反应性的微米级的粉末颗粒，不可避免地存在显著的健康风险和/或操作安全性的不足。工作空间也可以是如下空间体积，其可以理论上与任何增材制造装置或相应的拆包站或设备的被粉末污染或玷污的区域流体地连通。
18.根据提出的设备，用于驱动机构的电气部件、电路、连接等被布置在工作空间之外。
19.因此，在设备中基材的去除期间，粉末云或尘末爆炸的任何起火的风险可以减小至最小，或者甚至完全被排除。因此，可以增加或者甚至仅确保设施的增材制造工厂的操作安全性。鉴于当前的工业化趋势，提出的设备甚至可以为增材制造的广泛应用和/或自动集成和工业化提供先决条件。
20.在实施方式中，驱动机构包括两个可独立控制的蜗轮(worm gear)或蜗轮箱，各自地(each)，一个蜗轮被配置成用于使平台围绕一个空间方向旋转。根据该实施方式，可以容易地实现无限的旋转自由度或者具有无限制的角度偏转的运动。
21.在实施方式中，用于驱动所提及的蜗轮的电气马达和任何电气连接被布置在工作
空间的外部，或者相对于工作空间流体地(fluidically)密封或分离。因此，可以可靠地防止金属尘末爆炸。
22.在实施方式中，致动装置被布置在工作空间内部，并且由加压的惰性气体驱动且没有任何电气工具(electrical gear)。根据该实施方式，在没有任何电气驱动——其可能作为源头导致剩余的金属粉末起火或反应——的情况下，可以实现平台的致动。同时，致动装置可以设置成非常靠近于平台，并且具有大量动量，用于致动、摇动、或振动装载有甚至重粉末的部件。
23.在实施方式中，致动装置包括第一振动发生器，第一振动发生器被配置成用于以频率范围的第一频率致动基材和/或部件。
24.在实施方式中，致动装置包括第二振动发生器，第二振动发生器被配置成用于以第二频率致动基材和/或部件。
25.优选地，第二频率或频率范围不同于频率范围的第一频率或或与频率范围的第一频率分离。
26.根据这些实施方式，可以出于不同目的执行致动。例如，为了在增材制造的背景下可靠地去除粉末，经常有必要松动或打破例如在腔体或内部空间中部分地熔融或烧结的粉末颗粒。在分离的步骤中，然后仍然必须将松动的粉末从任何腔体中摇出，诸如例如，根据限定从部件中出来的最优逸出通道的轨迹来移动。
27.在实施方式中，第一振动发生器是低频率、高冲击或动量发生器。根据该实施方式，致动装置可以被配置成用于特别重的结构或部件的致动，对于特别重的结构或部件的致动，需要较高的动量和/或动力。因此，例如，可以针对较大振幅的致动来定制致动装置。例如，当增材地制造的零件或部件沉重时，如果内部空间或腔体非常庞大以及/或者必须将大量粉末从腔体中摇出，则可能需要定制。
28.在实施方式中，第二振动发生器是高频率、低冲击或动量发生器。根据该实施方式，致动装置可以被配置成用于例如较轻的部件的致动，对于较轻的部件占主导地位的致动，频率至关重要，并且只需要小的动量或动力。因此，可以仅针对高频和小振幅的致动来定制致动装置。例如，当增材地制造的部件相当小并且从中必须去除粉末的内部空间也小并且可能是复杂的或迷宫状时，则可能需要定制。另外或替选地，第二振动发生器实际上也可以用于在部件沉重的情况下使粉末松动。
29.在实施方式中，其中，频率范围的第一频率包括从1mhz至1hz或从100mhz至1hz的频率。
30.在实施方式中，其中，频率范围的第二频率包括从1hz至10khz的频率。
31.在实施方式中，其中，第一振动发生器和第二振动发生器是可独立控制的。
32.在实施方式中，设备被配置成允许在承载或保持大的质量特别是大于50kg的质量的同时驱动和致动和/或旋转平台(用于去除粉末)。根据该实施方式，优选地，部件连同所包括或包围的残余的轴材料的重量大于50kg。
33.在实施方式中，设备被配置成使得：通过平台的机械致动，包含在部件的例如复杂的或回旋的腔体中的粉末状基材可以从所述腔体中去除或摇出。
34.在实施方式中，设备包括正连接至驱动机构和/或致动装置的控制单元。通过所述控制单元，整个设备可以优选地例如通过计算机控制和/或算法被控制，该计算机控制和/
或算法可以导致设备运行使得优化的或理想的逸出路径或粉末行进路线被选择。所述路径或路线例如可以是计算和/或仿真的结果。
35.本发明的另一方面涉及操作设备的方法，其中，该设备由计算机程序控制，该计算机程序在考虑重力、部件的腔体开口的位置以及理想的轴材料的去除路径的情况下驱动和致动平台。
36.与描述的设备有关的优点和实施方式也可以与操作该设备的方法有关，且反之亦然。
37.从示例性实施方式结合附图的以下描述中，其他特征、方便和有利的改进变得明显。
38.图1在示意图中示出了部件在其增材制造过程期间被示出的增材粉末床熔融过程。
39.图2示出了根据本发明的用于从增材地制造的部件的内部中去除多余材料的设备的简化示意图。
40.相似元件、同类元件和相同作用的元件可以在附图中设置有相同的附图标记。
41.图1示出了增材制造装置200。装置200可以构成用于选择性激光熔融或电子束熔融的目前工艺发展水平的硬件。装置200包括构造的平台或基板11。在基板11上，优选地，直接地制造即焊接部件10。优选地，部件10在装置200中用粉末p的粉末床来增层。优选地，所述部件或零件10涉及涡轮机部件，例如在燃气涡轮机的热燃气路径中应用的部件(没有明确地表明)。特别地，部件10可以涉及叶片、轮叶、护罩、屏障、例如热屏障、端头、片段、插入件、注入器、密封件、转换件、燃烧器、喷嘴、滤器、孔口、衬套、分配器、圆顶状物、助推器、圆锥状物、喷枪、板状物、谐振器、活塞、或任何相应的改装。
42.在图1中，部件10优选地在其制造期间被描绘并且仅被部分地建立。这表明，在粉末层例如借助于沉积设备或再次涂料器30的帮助而沉积之后，能量束21被用来选择性地熔融用于部件10的逐层增层的粉末。如图1的右边所表明的，该层的层厚度可以总计为lt。
43.优选地，所述能量束21从照射设备20例如电子束或激光源发射。在由于能量束21而导致局部熔融之后，材料方便地在部件10的最终结构中固化。
44.在已经制造层之后，优选地，平台1降低了与层厚度lt对应的距离。此外，如图1的左边所示，优选地，沉积设备30分配另外的粉末层，该另外的粉末层可以从相应的粉末状的基材p的储备或供给(没有数字上明确地表明)中移动。
45.优选地，实际的粉末床熔融过程在惰性气体气氛或者至少在氧含量降低的气氛下执行，以便避免粉末和/或部件10的显著的氧化或劣化。所述惰性气体或气体流(没有明确地表明)可以以如下层流的方式建立，例如，在构造的空间中具有入口和出口。另外或替选地，在装置的操作期间，所述惰性气体可以用于仅净化或“惰性化”粉末床的部分，例如熔融池。
46.图2以示意性(至少部分地)截面图示出了设备100。优选地，设备100是拆包设备，并且/或者被配置成用于从内部、腔体、或由所制造的零件10的结构和/或设计而限定的其他通道或空间中去除多余材料p、优选作为基材的多余粉末。
47.设备100包括用于保持部件(参见图2中的附图标记10)的平台1。该平台可以是桌子，基板11可以固定至或夹至或以其他方式系牢至该桌子上。
48.设备100还包括耦接至平台1的驱动机构2。优选地，所述驱动机构2被配置成独立地围绕两个正交空间方向使部件10旋转或使其偏转，所述两个正交空间方向由图2中的水平轴x和垂直轴y表明。优选地，所述驱动机构2能够使平台1围绕x轴和y轴以无限制的角度偏转或自由度旋转。换句话说，优选地，平台可以以无尽循环或多样旋转的方式旋转，使得可以施加非常繁复和精巧的粉末逸出旋转以及承载或保持部件的平台的致动，以便从部件10的腔体(没有明确地表明)中可靠地去除多余粉末p。
49.图2中示出的是，相当复杂且沉重的部件10被布置、优选地被焊接至基板11。转而，基板11由平台1保持。在图2中，还使用数字rp表明弯曲的箭头。所述箭头rp将表明粉末p的粉末去除路径，该粉末p例如保持靠近基板11并源自基于粉末床的制造(参见图1)。
50.为了促进例如围绕x轴旋转，由驱动机构2提供第一马达m1。优选地，马达m1经由第一蜗轮或蜗轮箱wg1来驱动驱动轴，使得平台1可以被角度偏转或旋转角度α。
51.为了促进例如围绕y轴旋转，由驱动机构2提供第二马达m2。优选地，马达m2经由第二蜗轮或蜗轮箱wg2来驱动驱动轴，使得平台1可以被角度偏转或旋转角度β。
52.特别地，当马达m1、m2分别连续地操作时，所述蜗轮实施方式允许无限的旋转运动。
53.所述蜗轮wg1、wg2方便地独立地起作用，其中，每个蜗轮被设置成用于各自使平台1围绕一个空间方向旋转。
54.如图2中所示，优选地，布置所述马达、驱动轴和蜗轮(箱)，使得可以实现所述独立的控制和运动。为了该效果，第二蜗轮wg2或其相应的驱动轴(没有明确地表明)被例如轴向地定位(即，与x轴对齐)，其中，第一蜗轮(箱)wg1可以与y轴对齐以及/或者平行于与基板11正交的部件10的纵轴。
55.在图2中的给出的示例性实施方式中，平台1可以直接地安装有平台平面，该平台平面相对于第二蜗轮wg2的驱动轴垂直地对齐。此外，平台1耦接和/或固定至第一蜗轮wg1的杆。
56.当然，可以独立地控制所述马达m1、m2，使得对于非常复杂的粉末去除路径(参见上文)可以选择和实施所述旋转运动的任何叠加。例如，通过围绕两个线性独立的空间方向(x，y)的这些无限的旋转自由度，可以实现部件10的每一个可感知的取向。仅出于简化的目的，在图2中仅示出了部件10的纵轴的垂直对齐的取向(参见x轴)。因此，假设定制的或智能的控制和算法被应用于设备、驱动机构和/或致动装置的控制，则可以从部件10的腔体(在图2中没有明确地表明)中去除任何被困住的粉末。唯一的原因可能是，腔室中存在足够尺寸的开口，基材可以经由通道从部件中逸出。
57.如果部件10是例如用于燃气涡轮机的燃烧器部件，计算或模拟的逸出路线——粉末p必须通过所述逸出路线被去除——可能非常复杂，并且需要使用许多定制的运动和致动来控制设备。
58.优选地，设备100还包括控制单元40。经由控制单元40，设备100可以被控制例如被计算机控制。因此，控制单元40可以构成或包括数据处理单元。
59.设备100还包括壳体4。优选地，壳体4限定工作空间ws。在设备100的操作期间，工作空间ws方便地被污染、玷污、或者暴露至或流体地连接至实际上正在从部件10的内部去除的残余的粉末材料p。因此，旋动的粉尘或粉末云可能引起显著的起火或爆炸风险。
60.根据图2中所示的实施方式，在工作空间ws中的粉末去除期间或之后，残余的粉末p可能落至工作空间ws的底部，并且被收集在漏斗和/或收集盘5中。
61.根据本解决方案，壳体4借助于密封件6将工作空间ws(没有明确地表明)相对于环境密封。所述密封件6可以例如围绕用于驱动各个蜗轮的电气马达m1、m2的驱动轴。
62.图2中还示出的是，用于驱动机构的任何电气部件和/或任何另外的可感知的电气部件被布置在工作空间ws之外，以便降低并且最优选地排除粉末云在工作空间ws中起火的任何风险。
63.设备100还包括致动装置3，其用于在多余材料p的去除期间机械地致动平台。
64.致动装置3被布置在工作空间ws内部，并且由加压的惰性气体驱动且没有任何电气工具。这允许最小化工作空间ws中粉尘起火和/或爆炸的风险(参见上文)。
65.致动装置3包括第一振动发生器vbr1，该第一振动发生器被配置成用于以与频率范围对应的第一频率f1致动平台1、基板11和/或基材p。
66.优选地，致动装置3还包括第二振动发生器vbr2，该第二振动发生器被配置成用于以第二频率f2或相应的频率范围致动平台1、基板11和/或基材p。
67.优选地，第二频率(范围)f2不同于第一频率(范围)f1。
68.优选地，第一振动发生器vbr1是低频率、高冲击发生器。第一频率f1可以例如包括或者跨越从1mhz至1hz的频率。
69.另一方面，优选地，第二振动发生器vbr2是高频率、低冲击发生器。第二频率f2可以包括从1hz至10khz的频率。
70.尽管致动装置3优选地布置在工作空间ws内部，但是由于致动装置3优选地由加压的惰性气体驱动且没有任何电气工具，因此致动装置3的该实施方式没有提供爆炸的风险。此外，所述致动可以就地即直接在平台1处以及在平台1的附近——在那里需要致动效果——执行。
71.优选地，设备100及其所有部件和特征被配置成驱动，即移动、致动、和旋转大质量、优选的超过10kg的质量、优选的超过50kg的质量、或者甚至更大的质量例如超过100kg或更大的质量。因此，可以以非常多用途的方式来应用所述设备100，且不限制所使用的基材。
72.本发明的保护范围不限于上文中给出的示例。即使该特征或特征的该组合没有明确地在权利要求或示例中陈述，本发明也可以以每个新颖的特性和特性的每个组合来实施，上述特性的每个组合特别地包括权利要求中陈述的任何特征的每种组合。