增材制造設備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制造或修理零件的方法和設備。該方法包括使用增材制造設備構建用于固持該零件(300)的緊固件(200)，其中使用能量束固結材料，該緊固件構建在固持于該增材制造設備內的設置好的位置中的構建板(108)上，將該零件(300)安裝到該緊固件(200)，并且當附接了該緊固件(200)和零件(300)的該構建板(108)基本上固持在該設置好的位置中時使得該增材制造設備將材料固結到該零件(300)上。
【專利說明】
増材制造設備和方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種增材制造設備和方法。本發(fā)明尤其但是不排他地適用于一種用于通過使用增材制造過程將材料直接固結到預成形的零件上，借此補充或修理預成形的零件的設備和方法?！颈尘凹夹g】[0002 ]需要使用例如選擇性激光熔融/燒結(SLM/SLS)之類的增材制造法來維修例如渦輪機葉片之類的零件。為了執(zhí)行此維修，必須在已知位置中將葉片安裝在增材制造設備的構建室內，使得可以確定激光束的必需的掃描路徑。
【發(fā)明內容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種制造或修理零件的方法，包括:使用增材制造設備構建用于固持該零件的緊固件，其中使用能量束固結材料，緊固件構建在固持于增材制造設備內的已設定位置中的構建板上，將該零件安裝到該緊固件，并且當附接了緊固件和零件的構建板基本上固持在該已設定位置中時使得增材制造設備將材料固結到零件上。
[0004]因為緊固件是使用增材制造設備制造的，所以緊固件相對于能量束的坐標系的位置是已知的。因此，如果零件幾何形狀是已知的，則零件相對于緊固件的位置是已知的，并且緊固件保持/被定位在與其形成時基本上相同的已設定位置中，可以從用于產生緊固件的數(shù)據(jù)確定用于在零件上固結材料的能量束的掃描路徑。以此方式，可以便于將能量束坐標系與零件校準。
[0005]可以通過測量零件確定零件的幾何形狀。例如，可以使用坐標測量機的接觸式探頭來測量零件。替代地，可以從例如CAD或STL模型的幾何數(shù)據(jù)來獲知零件的幾何形狀。
[0006]該方法可包括測量零件和緊固件以確定零件相對于緊固件的位置，從零件相對于緊固件的所確定的位置確定能量束的掃描路徑，以及沿著確定的掃描路徑引導能量束以將材料固結到零件上。
[0007]替代地，緊固件可包括確保零件在預確定位置中被安裝在緊固件中的構造。在此實施例中，零件的測量可能不是必需的，并且用于在零件上固結材料的掃描路徑可以基于零件是安裝在預確定位置中的假設。
[0008]構建板可以可移除地定位在增材制造設備的構建室中。構建板可包括安裝構造物，其與位于構建室中的安裝構造物互補，以使得能夠將構建板安裝在構建室內的可重復位置中。該安裝構造物可以形成動態(tài)安裝臺。動態(tài)安裝臺可以在六個自由度上限制構建板位置。以此方式，可以從設備中移除構建板以測量零件和緊固件，然后通過接合安裝構造物而將構建板放回設備內的已設定位置中。構建板和/或安裝構造物可布置成將構建板在構建室中的安裝限制為單個取向?？赡軣o須知道構建板在構建室中的位置，而是只要在移除和重新插入之后，將附接了緊固件的構建板定位在與先前基本上相同的位置中，使得緊固件相對于用于形成緊固件的坐標系的位置已知即可。
[0009]該方法可包括基于例如STL模型的緊固件模型構建緊固件，從在測量步驟期間獲得的測量數(shù)據(jù)和緊固件模型來產生緊固件與零件組合模型，以及從緊固件與零件組合模型確定掃描路徑。該方法可包括測量緊固件上的基準特征，以及使用基準特征的測量數(shù)據(jù)將測量數(shù)據(jù)與緊固件模型校準(在軟件中)。可以在校準之后從測量數(shù)據(jù)確定掃描路徑。
[0010]可以將零件的測量數(shù)據(jù)與標稱零件模型比較，并且基于測量數(shù)據(jù)與標稱零件模型之間的差異來確定掃描路徑以固結材料。例如，可以使用此方法維修零件，例如以便改造零件的磨損區(qū)域。
[0011]可以在單個增材制造設備內同時對于多個零件執(zhí)行該方法。例如，該方法可包括在單個構建板上構建多個緊固件，每個緊固件用于固持零件中的至少一個，在緊固件中安裝零件，測量至少一個零件與緊固件組合中的每一個以確定至少一個零件相對于緊固件的位置，從至少一個零件相對于緊固件的位置確定能量束的掃描路徑，以及使得當附接了緊固件和至少一個零件的構建板基本上被固持在已設定位置中時，增材制造設備通過沿著掃描路徑引導能量束而借此將材料固結到至少一個零件上。
[0012]緊固件可包括安裝構造物，用于與零件上的安裝構造物接合。安裝構造物可包括螺絲螺紋、壓配到零件上的互補凹部中的突出部(或者零件上的突出部被壓配到其中的凹部)等等。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于確定增材制造設備的能量束的掃描路徑的方法，包括當零件被安裝在緊固件中時接收零件和緊固件的測量數(shù)據(jù)，緊固件是使用增材制造設備構建的，其中使用能量束來固結材料，緊固件構建在固持于增材制造設備內的已設定位置中的構建板上，從測量數(shù)據(jù)確定零件相對于緊固件的位置，當安裝到緊固件的零件位于增材制造設備中并且構建板處于已設定位置時確定能量束的掃描路徑以將材料固結到零件上，掃描路徑從零件相對于緊固件的位置確定。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種上面存儲有指令的數(shù)據(jù)載體，該指令在由處理器執(zhí)行時使該處理器執(zhí)行本發(fā)明的第二方面的方法。
[0015]本發(fā)明的以上方面的數(shù)據(jù)載體可為用于為機器提供指令的合適的媒體，例如非暫瞬態(tài)數(shù)據(jù)載體，例如軟磁盤、CD R0M、DVD R0M/RAM(包含-R/-RW和+R/+RW)、HDDVD、藍光(TM) 光盤、存儲器(例如存儲棒(TM)、SD卡、壓縮閃存卡等等)、光盤驅動器(例如硬盤驅動器)、磁帶、任何磁/光存儲裝置或瞬態(tài)數(shù)據(jù)載體，例如電線或光纖上的信號或無線信號，例如經(jīng)由有線或無線網(wǎng)絡發(fā)送的信號(例如因特網(wǎng)下載、FTP傳送等等)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于逐層地形成3維物體的增材制造設備，包括:構建支撐物，可移除的底板可安裝到該構建支撐物上;材料分配器，用于當該可移除的底板被安裝在構建支撐物上時跨越可移除的底板在多層中形成材料；以及光學模塊，用于將能量束引導到形成于可移除的底板上的材料層上，其中構建支撐物包括安裝構造物，該安裝構造物可與底板上的安裝構造物協(xié)同操作，使得底板可安裝在構建支撐物上的可重復位置中。
[0017]安裝構造物可以是以六個自由度來限制底板位置的動態(tài)安裝構造物。動態(tài)構造可包括三對互補構造，例如三對滾珠與輥子。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種用于安裝在根據(jù)本發(fā)明的第四方面的增材制造設備中的構建板，該構建板包括安裝構造物，該安裝構造物可與構建支撐物上的安裝構造物協(xié)同操作，使得底板可安裝在構建支撐物上的可重復位置中?！靖綀D說明】
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的增材制造設備；
[0020]圖2a和圖2b是圖1中所示的增材制造設備的構建板和構建支撐物的平面圖；
[0021]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的緊固件的模型；[〇〇22]圖4是安裝到根據(jù)本發(fā)明的實施例的緊固件的葉片；
[0023]圖5是對于該葉片獲得的測量點的云；
[0024]圖6是由該測量點云確定的葉片和緊固件的CAD模型；以及
[0025]圖7是葉片和緊固件的STL模型?！揪唧w實施方式】[〇〇26]參考圖1、圖2a和圖2b，根據(jù)本發(fā)明的實施例的增材制造設備包括構建室101，其中具有界定構建體積116的分區(qū)114、115以及粉末可以沉積到其上的表面。構建支撐物102界定工作區(qū)域，其中通過選擇性激光熔融粉末104來構建物體103。在形成物體103的連續(xù)層時，能夠使用機構117將構建支撐物102在構建體積116內放低。可用的構建體積由構建支撐物102可放低到構建體積116中的程度界定。在構建物體103時，通過包括粉末料斗125、計量裝置127和刮刷126的分配設備形成粉末層104。例如，計量裝置127可以如W02010/007396中所描述。激光模塊105產生用于熔融粉末104的激光，該激光視需要由光學模塊106在計算機 118的控制下被引導到粉末床104上。激光經(jīng)由窗口 107進入腔室101。[〇〇27]計算機118包括處理器單元119和存儲器120以及到激光熔融設備的模塊的數(shù)據(jù)連接，該模塊例如是光學模塊106、激光模塊105和驅動分配設備和構建支撐物102的移動的電機(未圖示)。計算機118基于存儲于存儲器120中的掃描指令來控制激光單元105、光學單元 106和構建平臺102的移動。
[0028]門(未圖示)設置于腔室101中，用于從中移除物體。
[0029]構建板108可移除地安裝在構建支撐物102上。構建支撐物102和構建板108分別包括互補的安裝構造物109和110，用于將構建板108定位在構建支撐物102上的已設定位置中。在這個實施例中，安裝構造物109和110形成動態(tài)安裝臺(kinematic mount)。具體來說， 構建板108包括三個間隔開的滾珠110a、110b和110c，其布置成用于接合構建支撐物102中的互補凹槽，每個凹槽由一對平行的圓柱體109a、109b和109c形成。滾珠在凹槽中的接合在六個自由度上限制構建板108的位置。
[0030]磁體111、112設置在構建板108和構建支撐物102上，使得磁體111、112的吸引力將構建板108朝向構建支撐物推動。
[0031]現(xiàn)在將參看圖3到圖7描述本發(fā)明的方法。將構建板108安裝到支撐板102上，使得安裝構造物109、110接合，以相對于構建支撐物102將構建板108定位在已設定位置中。可以調整構建支撐物102的取向以確保構建板108的表面平行于跨越構建板108播撒粉末的平面。替代地，可以調整刮刷使得刮刷與底板108的平面平行。[〇〇32]基于緊固件的幾何模型700使用增材制造在底板108上構建緊固件200。緊固件200 包括用于收納零件(在這個實施例中是葉片)的狹槽203,以及布置成收納螺釘?shù)穆菁y孔202&、20213、202(:形式的用于將零件固定在緊固件中的裝置。[〇〇33] 一旦形成緊固件200,就從構建板108上移除粉末，并且將零件300安裝在增材制造機內的緊固件200中。在維修零件(例如圖中所示的葉片300)的情況下，可以首先將葉片300 機械加工成適當?shù)男螤钜员阌诰S修。例如，可以通過導線放電加工(EDM)改動零件以提供零件300的筆直的上表面，用于當其被安裝在緊固件200中時與使用刮刷形成的材料層的平面校準。機械加工可以在增材制造設備內執(zhí)行，構建板始終安裝在預設定位置中。替代地，可以從增材制造設備中移除底板108以機械加工和/或測量零件300,動態(tài)安裝構造物109、110 允許將底板108重新安裝在構建支撐物102上，以將底板102定位與在構建支撐物上的形成緊固件200的基本相同位置中。[〇〇34]使用測量探頭400(例如觸摸觸發(fā)器或掃描接觸式探頭)測量零件300和緊固件 200。探頭可以安裝在鉸接頭(例如Renishaw pic出售的Revo 5軸頭)和/或坐標測量機 (CMM)上，用于使探頭300圍繞零件和緊固件200移動。獲得測量點500的云(見圖5)，并且從測量點500和緊固件的預先存在的CAD模型700產生零件和緊固件的CAD模型600?？梢詮木o固件200上的基準點的測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)零件模型與緊固件模型的校準。
[0035]接著將緊固件和零件的組合CAD模型600導入到軟件中，用于確定增材制造設備的激光束維修零件要采用的掃描路徑。例如，可以將從測量數(shù)據(jù)確定的模型與零件的理想/標稱模型比較，以確定應當構建/重建的零件部分。一旦已經(jīng)確定了這些部分，就將至少這些部分分段，以確定有待在增材制造過程中形成的層并且為每一層確定掃描路徑。
[0036]將安裝在緊固件中的零件定位于增材制造設備中。將構建支撐物102放低，使得零件的筆直上表面與構建體積116的頂部齊平。將粉末傾倒到構建體積116中以填充構建體積。接著激活增材制造設備以基于所確定的掃描路徑將材料固結到零件上。[〇〇37]使用這種方法，在增材制造設備中生長的緊固件提供用于在設備內的已知取向中校準零件的裝置。相應地，只要零件300與緊固件200之間的相對位置是已知的，就可以按期望將材料固結到零件上。如果通過不是使用該設備制造的緊固件將零件定位于增材制造設備內，則將必須執(zhí)行單獨的校準過程以確定零件相對于引導激光束的光學模塊的坐標系的位置。此校準過程將復雜且費時。另外，如果要在單次構建中維修/改動多個零件，則需要多個緊固件。如果必須執(zhí)行校準過程，則將必須分別對每個零件執(zhí)行校準過程。通過執(zhí)行本發(fā)明的方法，可以在單個底板上生長多個緊固件，使得可以在單次構建中維修/改動多個零件。
[0038]可以在不脫離如本文所定義的本發(fā)明的前提下改動和更改上述實施例。例如，可布置緊固件以相對于緊固件將零件固定在已知位置中。使用此布置，可能無須測量緊固件和零件以確定其相對位置。[〇〇39]零件可以經(jīng)過機械加工使得機械加工的零件具有已知形狀。因此，可以無須將機械加工的零件的測量到的形狀與標稱形狀比較以識別差異，因為需要構建的部分已從機械加工步驟預先確定了。因而，可以相對于零件的標稱模型并且基于零件已機械加工到的模型上的已知位置來確定掃描路徑以修理/改動零件。
[0040]在底板無法以可重復的方式安裝在構建室中的另一布置中，可以在底板上制造犧牲緊固件，并且從增材制造設備中移除底板。接著可將零件安裝在緊固件中并且測量緊固件和零件。接著可從測量值形成犧牲緊固件和零件的數(shù)據(jù)模型。接著可將與犧牲緊固件相同的另一緊固件構建于增材制造設備中。將零件從犧牲緊固件調換到該另一緊固件，而無需從增材制造設備中移除附接了另一緊固件的底板。接著，可基于如下假設將材料固結到零件上:假設零件與另一緊固件的組合與零件與犧牲緊固件的測量到的組合基本上相同。 可以在單個犧牲緊固件中測量多個零件，并且可以在單個底板上生長與犧牲緊固件相同的多個另外的緊固件，使得可以在單次構建中將材料固結到多個零件上。
[0041]在另一個實施例中，可以用動態(tài)安裝特征制造緊固件，以允許將零件安裝在緊固件上的可重復位置中。
[0042]緊固件可以由與零件不同的材料構建，例如以顧及緊固件和零件的不同要求。
[0043]可以制造緊固件和/或零件具有能夠被光學識別的特征，使得可以從這些可光學識別的特征的位置來確定零件相對于緊固件的位置。例如，增材制造設備可包括一個或多個相機，用于給緊固件和零件成像，緊固件和零件的位置可根據(jù)圖像確定。
【主權項】
1.一種用于制造或修理零件的方法，包括:使用增材制造設備構建用于固持所述零件的緊固件，其中使用能量束固結材料，所述 緊固件構建于被固持在所述增材制造設備內的已設定位置上的構建板上，將所述零件安裝到所述緊固件，以及當附接了所述緊固件和零件的所述構建板基本上被固持在所述已設定位置中時使得 所述增材制造設備將材料固結到所述零件上。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，包括:當所述零件被安裝在所述緊固件中時，測量所述 零件和所述緊固件，以確定所述零件相對于所述緊固件的位置，從所述零件相對于所述緊 固件的所述位置確定所述能量束的掃描路徑，以及沿著所確定的掃描路徑引導所述能量束 以將所述材料固結到所述零件上。3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，在所述增材制造設備內部執(zhí)行所述零件和所述緊 固件的測量。4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，在所述增材制造設備外部執(zhí)行所述零件和所述緊 固件的測量。5.根據(jù)權利要求1、2或3中任一項所述的方法，包括:在構建所述緊固件之后，從所述增 材制造設備中移除附接了緊固件的所述構建板，在從所述增材制造設備中移除所述構建板 之后對所述零件和/或在所述緊固件中安裝有所述零件的所述緊固件執(zhí)行處理，以及將附 接了緊固件和零件的所述構建板重新安裝在所述增材制造設備內的所述已設定位置中，以 將材料固結到所述零件上。6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，所述構建板包括與位于構建室中的安裝構造物互 補的安裝構造物，以使得能夠將所述構建板安裝在所述構建室內的可重復位置中，其中在 所述增材制造設備中安裝和重新安裝所述構建板包括接合互補的所述安裝構造物。7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，互補的所述安裝構造物形成動態(tài)安裝臺。8.根據(jù)權利要求5到7中任一項所述的方法，其中，所述處理包括機械加工所述零件。9.根據(jù)權利要求5到8中任一項所述的方法，其中，所述處理包括測量所述零件。10.根據(jù)權利要求2到4和9中任一項所述的方法，包括:基于緊固件模型構建所述緊固 件，從在所述測量的步驟期間獲得的測量數(shù)據(jù)和所述緊固件模型來產生緊固件與零件組合 模型，以及使用所述緊固件與零件組合模型確定所述掃描路徑。11.根據(jù)權利要求10所述的方法，包括:測量所述緊固件上的基準特征，以及使用所述 基準特征的測量數(shù)據(jù)將所述測量數(shù)據(jù)與所述緊固件模型校準。12.根據(jù)權利要求2到4和9到11中任一項所述的方法，包括:將所述零件的所述測量數(shù) 據(jù)與標稱零件模型比較，并且基于所述測量數(shù)據(jù)與所述標稱零件模型之間的差異確定所述 掃描路徑以固結材料。13.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，在單個增材制造設備內對于多個零 件同時執(zhí)行所述方法。14.一種用于確定增材制造設備的能量束的掃描路徑的方法，包括:當零件被安裝在緊固件中時，接收所述零件和所述緊固件的測量數(shù)據(jù)，所述緊固件是 使用增材制造設備構建的，其中使用所述能量束固結材料，所述緊固件構建在固持于增材 制造設備內的已設定位置中的構建板上，根據(jù)所述測量數(shù)據(jù)確定所述零件相對于所述緊固件的位置，確定所述能量束的掃描路徑，以當被安裝到所述緊固件的所述零件位于所述增材制造 設備中并且所述構建板處于所述已設定位置時，將材料固結到所述零件上，所述掃描路徑 是從所述零件相對于所述緊固件的所述位置確定的。15.—種上面帶有指令的數(shù)據(jù)載體，所述指令在由處理器執(zhí)行時使所述處理器執(zhí)行根 據(jù)權利要求14所述的方法。16.—種用于逐層地形成3維物體的增材制造設備，包括:構建支撐物，可移除的底板可安裝到所述構建支撐物上；材料分配器，當可移除的所述底板被安裝在所述構建支撐物上時，所述材料分配器用 于跨越可移除的所述底板按層形成材料;以及光學模塊，用于將能量束引導到形成于可移除的所述底板上的材料層上，其中所述構 建支撐物包括安裝構造物，所述安裝構造物可與所述底板上的安裝構造物協(xié)同操作，使得 所述底板可安裝在所述構建支撐物上的可重復位置中。17.根據(jù)權利要求16所述的增材制造設備，其中，所述安裝構造物是動態(tài)安裝構造物， 其以六個自由度來限制所述底板的位置。18.—種用于安裝在根據(jù)權利要求16或權利要求17所述的增材制造設備中的構建板， 所述構建板包括安裝構造物，所述安裝構造物可與所述構建支撐物上的安裝構造物協(xié)同操 作，使得所述底板可安裝在所述構建支撐物上的可重復位置中。
【文檔編號】F01D5/00GK106030038SQ201480075890
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月22日
【發(fā)明人】伊恩·托馬斯·布魯克斯, 克里斯托弗·薩克利夫
【申請人】瑞尼斯豪公司