基于粉末床的增材制造方法

技术领域

本发明涉及通过粉末床熔合来增材制造部件，例如航空部件。

背景技术

激光粉末床熔合是一种金属增材制造方法，包括通过激光束使粉末颗粒熔合，逐层制造部件。这种技术也被称为选择性激光熔化(SLM)。它能够制造使用传统方法无法生产的几何形状的部件。激光束可以被电子束代替。

该方法是在惰性气体下的封闭环境中实施的。它可以用四个步骤来描述：

当将粉末储存在供应罐中时，活塞将罐提升到一层厚度的高度；

分层构件将该厚度的一层粉末铺展在印刷托盘中。这就是粉末床；

如果分层是有效的，激光穿过该层，并通过由位于其路径上的粉末颗粒的熔合而产生的彼此相邻的微线而产生物体的第一部分。如果形成的层不均匀，则进行第二次分层，以在激光通过之前填充间隙；

最后，稍微降低印刷托盘(以一层粉末的厚度)，重新开始操作。这样，颗粒将一层一层地熔合，直到获得成品部件。

当部件完成时，回收已经安装但没有用于生产部件的粉末。然后它可以被再循环，以制造新的部件，这可以连续做几次。以这种方式，产生了显著的粉末节约。

然而，观察到制造的部件的化学组成在粉末再循环过程中发生变化。这尤其涉及它们的氧、氮和氢含量。

然而，这些元素在部件中的含量对材料的性能有影响，特别是机械拉伸和疲劳性能。因此，了解甚至控制这些含量是很重要的，以确保部件与原料的基本组成相一致，从而确保这些部件在操作中的行为。

为此，可以对被破坏掉的部分或部件的整体元素化学组成，或对具有代表性组成的相近的测试件的整体元素化学组成进行分析，以检查其与基本组成的一致性。因此，对每次制造都要进行全面的化学分析。然而，这造成了严重的延迟，阻碍了部件的交付。成本很高，而且往往与预期的盈利能力不相容。此外，它涉及破坏用于分析的部件，或者制造测试件，这导致额外的熔合时间并消耗粉末，因此增加了成本。因此，这是漫长而昂贵的分析。

当然，可以定义再循环操作的最大次数，换句话说，对未熔合粉末的使用次数进行限制，确保化学组成的任何变化不会大到不合格。该解决方案可以在对几个再循环操作进行化学分析之后实施，以检查原料的基础组成的限值没有被超过，其中，原料的基础组成的限值与机器类型和给定的固定产量相关。然而，这是昂贵的。它的实施每次都取决于制造设备和所生产的部件。此外，当达到粉末再循环操作的最大次数时，粉末必须完全丢弃，这再次导致材料的损失。然而，再循环操作的最大次数通常不是很高，例如5次。因此，这种解决方案导致丢弃粉末，但是这些丢弃的粉末对于要求较低的部件的新制造来说可能是潜在可接受的。此外，要进行的化学组成分析仍然很多，因此总的来说是昂贵的。

本发明的一个目的是通过一种廉价且节省粉末的解决方案来促进制造的部件与它们所被期望的性能的一致性。

发明内容

为此，本发明涉及一种包括以下步骤的制造方法：

从粉末的批次中提取子批次，所述批次具有含量为X

借助于所述子批次，通过基于粉末床的增材制造来制造部件，直到所有所述子批次都已使用；然后

执行以下循环n

再循环来自所述制造中的粉末，并继续所述制造，直到所有的再循环粉末都已使用；

确定：从所述方法开始时累积的、所述粉末和在所述部件中的熔合材料之间的接触面积S

测量在最后一个循环期间制造的至少一个所述部件中或在最后一个循环期间制造的测试件中的所述组分的含量X

计算参量R，例如：

执行以下循环至少一次：

再循环粉末，并继续所述制造，直到至少所有的再循环粉末已使用至少一次，然后

确定粉末的接触面积S

使用S

因此，本发明使得能够在制造循环的整个过程中估计部件中的含量X

该方法的理论原理是，在部件的熔合期间，在给定的层中，靠近熔体的粉末温度升高。这种升高促进了粉末中某些元素的含量的变化，特别是氧、氮和氢。

当实现制造时，通过在粉末的剩余部分中稀释靠近熔体且组成已经改变的粉末，再循环操作(通过抽吸、筛分和混合)使粉末组成的分布均匀化。这使得粉末组成的整体变化是均匀的。

因此，可以通过实验将组成的变化与被熔体加热的粉末的量关联起来。该量可以与每层中粉末和熔合部件之间的接触面积(即部件的表面积，不包括上表面和下表面)关联起来。提出了一个定律，以将这些量关联起来，并在每次制造和多次制造后预测化学组成。

通过该定律各参数的定义、粉末初始组成的知识、制造方法的稳定性和简单制造数据的收集，所提出的与该定律相关联的方法能够对化学组成进行预测性监控。

本发明的方法能够快速地、甚至瞬时地、低成本地、非破坏性地、并且对部件的一致性没有风险地监控制造部件的化学组成，并且能够尽可能多地重复使用粉末，以限制丢弃的数量，同时能够便于粉末的管理，例如在再循环操作期间混合粉末的时候。

在开始实施方法时，批次可以是新的。

当组分是氧、氢或氮时，该方法特别适用，但是对于其他组分也可以实施该方法。

然后，该方法可包括以下步骤：

确定含量X

根据所述含量是否满足所述条件，确定要应用于所述方法的后续步骤。

在一个实施方式中，所述方法包括下述步骤：

从所述批次的粉末中提取另一子批次；

制备所述另一子批次与来自所述制造的所述粉末的混合物；和

用所述混合物重复所述制造。

因此，该操作使得能够用来自批次的粉末“更新”来自制造的粉末，其中，该来自制造的粉末中组分的含量已经发生改变。在混合结束时，混合物的含量等于含量的加权和。

或者，粉末可以用不是新的并且其本身也已经用于增材制造的粉末来更新，前提是可以得到其含量的好的估计。事实上，在源自同一初始批次的具有不同用途的粉末子批次的这种混合物中，最终含量也是两个子批次的化学组成含量按质量加权的平均值。

因此，可以向已经经历了多次再循环操作的子批次中添加未经太多再循环的，甚至是新的粉末。

当条件不满足时，可以执行与混合物相关的上述三个步骤。

因此，当确定这种更新是必要的时，进行混合，即更新粉末。

或者，可以执行这三个步骤，而不预先确定所述含量X

因此，在这种情况下，无论如何都要进行更新。例如，当在制造期间使用了所有粉末时，就可以系统地进行更新，例如为了保持组分的恒定含量。

在一个实施方式中：

在至少一些所述循环期间，测量在所述循环期间至少一个所述部件中的、在所述循环期间制造的测试件中的，或在所述循环期间使用的所述粉末中的所述组分的含量X

确定所述含量X

在至少一些所述循环期间，在计算R的所述步骤之后，确定所述计算出的含量X

这些步骤形成一个测试，该测试可以验证所估计的含量X

例如，确定是否：

|X

其中：

X

σ是所述含量X

本发明还涉及一种用于基于粉末床的增材制造的设备，包括：

装置，用于基于粉末床的增材制造，和

控制构件，被配置为控制根据本发明的方法的执行。

本发明还涉及计算机程序，包括代码指令，所述代码指令被设计成，在计算机上使用所述计算机程序时，控制本发明方法的执行。本发明还涉及数据记录介质，包括记录形式的上述程序。本发明还涉及用于在电信网络上提供这样的程序以用于远程下载或执行所述程序的方法。

附图说明

现在将借助于附图通过非限制性示例来描述本发明的实施方式，其中：

图1是粉末温度升高和氧在粉末中扩散的示意图；

图2是示出了作为循环操作次数的函数的氧含量变化的曲线图；

图3是制造后粉末中氧含量增加的示意图；

图4是再循环后来自粉末批次的样品的氧的化学组成示意图；

图5是再循环定律的参量的示意性描述；

图6是在再循环定律中粉末的氧捕获区域和不捕获氧的区域的示意性描述；

图7是参量Sn、Pn和An的示意性描述；和

图8是示出了根据本发明的设备的示意图。

具体实施方式

现在将描述本发明的理论基础，接着是实施本发明的方法的进展。

提出了以下定义：

制造或构建循环：生产部件或物品的所有步骤，从铺展第一层开始，到熔合最后一层结束；

制造运动(manufacturing campaign)：由一次使用同一子批次的粉末来制造部件或物品组成的所有制造循环；它也涉及一个循环，从而将多个制造循环组合在一起；

再循环：由将粉末从设备中排出、重新筛分、可选地烘烤、修复、然后再使用所组成的操作。

这里，在制造是通过激光束进行的前提下进行描述，但是本描述也适用于电子束。

参照图1，该方法使用本身已知的金属合金粉末。除了一种或多种金属之外，该粉末的颗粒2还包括诸如氧、氮和氢等元素。

在通过粉末床熔合来增材制造部件22期间，金属粉末层N、N-1、N-2、N-3、N-4、N-5彼此堆叠。在定位每个层之后，激光束穿过一个或多个粉末层，以对一些粉末颗粒进行熔合，从而构建部件22。以这种方式熔合的部分4在图1的右侧示出。更准确地说，在激光处理每一层期间，几个相邻的层同时被重新熔合。在该图中，示出了五个上层已经被重新熔合，而最低层，N-5，没有被重新熔合。

未熔合的粉末颗粒2位于左侧。然而，这些颗粒中的一些会被加热，特别是那些直接靠近熔合颗粒的颗粒。因此，该图示出了颗粒2a、2b、2c的不同的加热程度，这取决于它们与熔合部分4的接近度降低，温度分别表示为高、中和低，但是不超过熔化温度。

然而，这种加热改变了颗粒的一些元素，特别是氧、氮和氢。这是通过从制造的封闭环境的气氛中向粉末中引入额外的元素而发生的。这种加入在图中由箭头6示出。该气氛特别包括空气和湿气，它们渗透到粉末的颗粒2之间，并在加热时导致上述变化。

这种变化在粉末的连续再循环操作期间是可见的，并且会改变熔合的材料(以及因此部件)的化学组成，以至于在粉末的多次再循环操作之后使该化学组成不符合要求。这可导致其材料具有不符合要求的性能(特别是拉伸和疲劳性能)的部件，因此必须丢弃。

图2示出了作为粉末再循环操作次数的函数的部件中氧含量的变化。在该示例中，可以看出，在用新粉末制造的部件中，0.015％的初始氧含量，在10次再循环操作后，变成可增加到超过0.022％的含量。本描述主要涉及氧；然而，本发明也适用于氮、氢或任何其他在再循环操作期间改变的元素。

本发明旨在监控部件化学组成的变化，以确保它们与预期的性能一致。

这里采用了一种方法，该方法使得能够监控粉末和部件的化学组成，该方法是快速的，甚至是瞬时的、低成本的、非破坏性的、开发成本低廉的，该方法确保了部件的一致性而没有风险，该方法在制造中使用尽可能多的粉末，限制丢弃的数量并有利于粉末的管理，例如能够在再循环操作期间混合粉末。

如上所述，对粉末床熔合一般方法的研究使得能够提出在连续的再循环操作中影响粉末中元素的化学组成变化的参数。已经可以确定与这种变化相关的机制是由于制造期间粉末的局部加热而导致元素的捕获或蒸发。

从这项研究中，已经确定在每次制造中，作为距离熔合区域的距离的函数，非熔合粉末的组成存在局部变化，如图3中针对氧所示。该图说明了制造后粉末中氧含量增加的原理。

因此，观察到位于最接近熔合部分4的区域中的颗粒2a具有相对高的氧含量。在下一个区域中，换句话说，在图中进一步向左，该含量降低，经比较在颗粒2b中移动至平均含量。在位于进一步向左的其他颗粒2c中，氧含量接近该再循环之前粉末的氧含量。

从这种情况开始，在部件制造结束时，根据确保均匀混合物的经验证的程序，回收和混合未熔合的粉末。因此，具有不同化学组成的颗粒2a、2b、2c混合在一起，以给出图4的构型，该构型示出了再循环期间粉末样品中颗粒及其氧含量的分布。

这是用于随后制造新部件的混合物。在该制造期间，该混合物在部件受激光束影响的区域熔合。颗粒的熔合产生其氧含量等于颗粒氧含量的平均值的部件。因此，在熔体中产生均匀化，这使得化学组成等于用熔合粉末颗粒的质量加权的平均组成。

下面将更详细地描述制造设备10。该设备包括制造托盘。用于制造每个部件的粉末层沉积在该制造托盘上。该设备包括生产罐。在制造期间粉末和飞溅物落入该生产罐中。该设备包括回收罐。在每次制造部件后，未熔合的粉末和飞溅物被倒入回收罐中。最后，该设备包括筛网。在适当的时候，回收罐的内容物通过该筛网被再循环。

设置以下可追溯性编号：

C

C’

R

设置以下n的变量：

H

P

S

VM

VD

A

X

ΔX

ΔX

M

MM

MD

MP

MC

MF

XC

XF

TR

设置以下常量：

ΔX

AP：制造托盘的面积(横截面，以m

PP：在再循环期间将被筛网回收的粉末和飞溅物的平均百分比(以熔合部件的体积计)；

e：从被加热并捕获氧的熔合部件的表面算起的粉末厚度(以m计)；

ρ

ρ

下图可以更好地表示各个值，这些值是为了表达再循环定律而设置的。因此：

图5是表示再循环定律的参量的示意图；

图1是在再循环定律中粉末的氧捕获区域和不捕获氧的区域的示意图；和

图7是参量S

上述参量具有以下关系。

接触面积取决于按照高度和构建高度平均的接触周长：

S

熔合部件的体积取决于按照高度和构建高度平均的面积：

VM

沉积的粉末的体积取决于构建托盘的面积(横截面)、再生速率和构建高度。对于在整个运动n中恒定的再生速率：

VD

因此，未捕获氧的粉末具有前一再循环操作的氧含量：

XF

再循环操作n中粉末的氧含量等于加热和未加热粉末的氧含量的质量权重：

因为XF

粉末再循环操作n和n-1之间的氧含量的增加量是：

ΔX

所供应的粉末和再循环操作nmax之间的氧含量的增加量是再循环操作0到nmax的所有增加量的总和：

对于给定的机器(调节机器参数、机器程序、保护气体)，每单位体积氧的平均标准增加量是恒定的，并且等于粉末加热之前和之后的含量之间的差，因此等于加热的和未加热的粉末区域之间的差：

ΔX

<＝>ΔX

再循环后的总质量是再循环后回收的加热的和未加热的粉末质量的总和：

M

加热的粉末的质量取决于堆积的粉末的密度，与加热的粉末的厚度和接触面积(加热的粉末的体积)相关：

MC

再循环操作n的粉末质量等于沉积的粉末质量减去已熔合的粉末质量(因此未被再循环，因为它并入到了部件中)减去在再循环期间损失的粉末质量(在筛分过程中或在灰盘中丢弃的飞溅物和大粒粉末)：

M

构建的部件的质量取决于部件的体积和熔合的材料的密度：

MM

在机器中沉积的粉末的质量取决于沉积的粉末的体积和堆积的粉末的密度：

MD

在再循环操作期间损失的粉末的质量主要在于飞溅物，该飞溅物的百分比取决于熔合部件的体积：

MP

这些关系可以用来推导出定律，该定律使得能够预测作为制造的函数的氧含量X

其中，R＝ρ

这些定律使得能够预测颗粒和部件的氧成分的变化。它们使得能够实施本发明的方法，这将例如借助于图8进行解释。

该方法借助于用于基于粉末床的增材制造10的设备来实施，该设备包括：

形成用于基于粉末床的增材制造的机器的装置12，和

被配置为控制该方法的执行的控制构件14。

该机器是常规的，将不详细描述。

构件14包括与程序相关联的计算机，该程序包括代码指令，该代码指令被设计成当在计算机上使用该程序时控制方法的执行。该程序被记录在数据记录介质上。该程序可以在内部或外部电信网络(如互联网)上提供，因此可以下载到机器上或远程执行。

假设设备12在制造参数(例如功率、能量束的移动速度和保护气氛等)方面是稳定的。对于该气氛，参数是例如在制造封闭环境中的保护气体或气流的水分、氧气、氮气和氩含量。

这里，该方法的步骤如下。

启动阶段

沉积具有初始氧含量X

该初始阶段旨在为设备和制造参数确定式(II)的常数R。

从粉末的该批次16中提取子批次18。

使用子批次18，通过基于粉末床的增材制造，该设备制造部件22，并且这样做直到所有子批次18都被使用。这意味着所有子批次的粉末都被送入设备中。回收未熔合的粉末。这是第一次运动。

然后，执行下一循环，这里称为启动循环，执行n

1)来自前一制造运动的粉末被再循环。该粉末是没有被消耗以形成部件的粉末，因此可以在每次制造后回收。

2)继续进行部件22的制造，直到使用完所有的再循环粉末为止。在该步骤中，还制造了多个测试件24。

3)在该循环期间，确定接触面积S

4)根据表面积S

5)测量测试件24中的氧含量X

该循环到此结束。

因此，该循环被重复n

因此，存在一组测量的含量X

测量的含量X

然后通过式(II)确定参量R。更准确地说，一旦获得数据Xn、Sn和Mn，就可以绘制根据式(II)的定律的图。根据曲线的方程，在验证了R的计算值是可以接受的，并且验证了X

因此，启动阶段结束。

操作阶段

对于实施该方法的剩余部分，此后R是已知的，通过使用式(I)可以预测或估计以下各制造运动的每个X

因此，进行了如下多个新的生产运动。

以下循环称为操作循环，进行至少一次。该循环也是生产运动。

1)在前一制造运动中未被消耗的粉末被再循环，并且继续制造直到所有再循环粉末被使用至少一次。

2)确定粉末的累积接触面积S

3)使用S

4)确定含量X

|X

其中：

X

σ是标准偏差。

换句话说，使用能够在每次制造后预测化学组成的定律，建立预测图。然后，以超过定律建议的平均值+/-2个标准偏差的余量来检查预测含量的一致性。

5)取决于含量是否满足条件(III)，确定要应用于该方法的后续步骤。

如果满足条件(III)，则操作循环结束并从头重新开始，以用剩余粉末进行新的运动(剩余粉末的再循环、制造等)。

如果条件不满足，则从该粉末的批次16中提取另一子批次20。该另一子批次20与来自制造的粉末混合。为了做到这一点，使用下列混合物定律，以获得具有可接受的氧含量的混合物，基于新的子批次20的含量T

事实上，可以确定具有不同含量的粉末的混合物的含量X

然后用以这种方式获得的粉末混合物，开始新的操作循环。来自前一运动的粉末因此被更新。

因此可以进行多次操作循环。每当必要时，把在循环结束时使用后剩余的粉末与来自批次16的新子批次混合。这可以继续直至批次16用完为止。

在另一个实施方式中，剩余粉末在每个循环结束时与新的子批次混合，以便在每个循环开始时保持恒定的含量。因此，在不预先确定含量X

因此可以看出，预测X

每当已经进行了预定次数的再循环操作(例如每10次再循环操作)时，对粉末样品进行反分析是有利的，但是这个次数不是限制性的。这使得能够通过测量有效含量X

该方法可以持续到批次16的粉末用完为止。

本发明的方法是廉价的。事实上，该定律的数据是在启动阶段通过标准制造和一些化学分析收集的，与其他方法相比，偶尔进行反分析的成本是较低的。它不会增加循环时间。这种方法对粉末来说是经济的，并且不应该再有残留的粉末，特别是如果允许更新的话。本发明不需要生产专用于分析的部件。

本发明能够提供一种在制造期间对化学组成进行工业监控和预测的方法，并且能够预期何时存在偏离材料的标准的风险，该风险能够影响材料的性能。本发明使得能够在通过基于金属粉末床的增材制造(利用激光LBM/SLM或电子束EBM)来连续制造部件(特别是航空部件)期间，监控化学成分。

在另一实施方式中，在操作阶段对含量X