專利名稱：熱處理期間的實時帽整平的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般地涉及用于添加制造機(jī)器和過程的激光器構(gòu)造。更具體地，本公開涉及用于在添加制造組件內(nèi)的創(chuàng)建期間釋放零件內(nèi)的應(yīng)力的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
典型的制造方法包括各種從起始坯料去除材料以形成期望的完成零件形狀的方法。通過從起始材料削減材料，此類方法采用切削工具來去除材料以形成孔、表面、總體形狀等等。此類削減制造方法在完成零件的最終形狀上給予了物理限制。添加制造方法通過一次添加一層來形成期望零件形狀，因此提供了在采用傳統(tǒng)削減制造方法構(gòu)造的零件中不可行的零件形狀和幾何結(jié)構(gòu)的成型。添加制造采用了諸如激光束的熱源來熔化粉末金屬層以一層一層地形成期望的零件構(gòu)造。激光器在粉末金屬中形成了熔融池，該熔融池會固化。然后，另一層粉末材料被鋪展在以前固化的零件上并且被熔化到以前熔化的層以一層一層地建造期望的零件幾何結(jié)構(gòu)。由激光束進(jìn)行的重復(fù)局部加熱與零件表面上的相對快速冷卻一起在零件中產(chǎn)生了應(yīng)力，該應(yīng)力會對尺寸和零件構(gòu)造有所限制。應(yīng)力可通過熱處理方法來釋放。一旦完成了熱處理，則零件的表面可能從原始狀態(tài)改變并且不是直平的和一致的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的示例性實施例的一種添加制造過程除了其他可能的特征外還包括測量被支撐在工作空間中的零件的參數(shù)，在繼續(xù)進(jìn)行另外的制造過程之前，被測量參數(shù)需要處于期望范圍內(nèi)；以及基于被測量參數(shù)在所述零件上施用至少一個另外層以將被測量參數(shù)調(diào)整到所述期望范圍內(nèi)。在前述添加制造過程的進(jìn)一步實施例中，被測量參數(shù)包括所述零件的頂表面的表面平面度。在前述添加制造過程中任一個的進(jìn)一步實施例中，用激光輪廓曲線儀來執(zhí)行對所述零件的平面度的測量。在前述添加制造過程中任一個的進(jìn)一步實施例中，用包括三維光學(xué)器件的測量裝置來執(zhí)行對所述零件的平面度的測量。在前述添加制造過程中任一個的進(jìn)一步實施例中，包括基于被測量參數(shù)限定所述零件的頂表面的地形并且基于所限定的地形限定材料施用的樣式。在前述添加制造過程中任一個的進(jìn)一步實施例中，包括在所述零件的頂表面的一部分上施用粉末金屬材料以產(chǎn)生具有處于所述期望范圍內(nèi)的平面度的頂表面。
在前述添加制造過程中任一個的進(jìn)一步實施例中，包括在應(yīng)力釋放過程期間測量所述被測量參數(shù)。在前述添加制造過程中任一個的進(jìn)一步實施例中，包括響應(yīng)于被測量參數(shù)處于所述期望范圍內(nèi)而繼續(xù)進(jìn)行添加制造過程。根據(jù)本公開的示例性實施例的一種添加制造裝置除了其他可能的特征外還包括工作空間，所述工作空間限定用于零件制造的區(qū)域；材料施用裝置，所述材料施用裝置用于將粉末鋪展在所述工作空間中；能量發(fā)射裝置，所述能量發(fā)射裝置用于產(chǎn)生粉末的熔化區(qū)域以便形成零件的層；測量裝置，所述測量裝置安裝在所述工作空間中，用于測量所述零件的參數(shù)；和控制器，所述控制器基于所述測量裝置進(jìn)行的所述參數(shù)的測量來控制材料到所述零件的施用以將所述參數(shù)調(diào)整到期望范圍內(nèi)。在前述添加制造裝置的進(jìn)一步實施例中，所述測量裝置包括激光輪廓曲線儀。在前述添加制造裝置中任一個的進(jìn)一步實施例中，所述測量裝置包括三維光學(xué)器件。在前述添加制造裝置中任一個的進(jìn)一步實施例中，所述參數(shù)包括所述零件的頂表面的平面度。在前述添加制造裝置中任一個的進(jìn)一步實施例中，所述控制器基于所述測量裝置進(jìn)行的測量來限定所述零件的頂表面的地形。在前述添加制造裝置中任一個的進(jìn)一步實施例中，所述控制器基于所述零件的頂表面的所限定的地形限定材料施用樣式。在前述添加制造裝置中任一個的進(jìn)一步實施例中，包括被支撐在所述室中并用于對所述零件進(jìn)行應(yīng)力釋放的元件，并且所述測量裝置在對所述零件進(jìn)行應(yīng)力釋放的過程期間提供所述參數(shù)的繼續(xù)的測量。根據(jù)本公開的示例性實施例的一種粉末床添加制造過程除了其他可能的特征外還包括在熱處理操作期間監(jiān)測零件的上表面的幾何形狀；確定所述幾何形狀的超出公差狀況；響應(yīng)于確定所述超出公差狀況而產(chǎn)生所述上表面的地形；以及基于所述地形來一層一層地反復(fù)地將材料與所述上表面熔融，由此整平所述上表面。盡管不同的示例在圖示中示出了特定的部件，但是本發(fā)明的實施例并不限于那些特定組合。也可以使用來自這些示例之一的部件或特征中的一些以及來自這些示例中的另一個的特征或部件的組合。通過以下說明書和附圖可以最好地理解本文公開的這些及其它特征，其下面是簡要說明。


圖1是示例性添加制造機(jī)器的示意圖。圖2是該示例性添加制造機(jī)器測量零件表面的示意圖。圖3是所測量的零件表面的示例性地形圖。圖4是該示例性添加制造機(jī)器添加材料到零件頂表面的示意圖。圖5是該示例性添加制造機(jī)器在零件被帶到期望范圍內(nèi)之后的示意圖。
具體實施例方式參照圖1，添加制造機(jī)器10包括室12，室12支撐能量發(fā)射裝置18和支架14，在制造期間，零件16被支撐在支架14上。在該示例中，能量發(fā)射裝置18發(fā)射激光束20，激光束20使由材料施用器22沉積的材料24熔化。示例性的材料24是金屬粉末，其在支架14上被施用而形成層以及后續(xù)的層以產(chǎn)生零件16的期望構(gòu)造。激光束20引導(dǎo)能量，該能量將粉末材料熔化成形成期望零件尺寸的構(gòu)造。添加制造過程采用材料24，該材料24被施用而形成支架14的頂部上的多個層。所述層的選擇性部分后續(xù)地被發(fā)射自激光束20的能量熔化。添加制造過程通過使被施用到零件16的粉末材料24的后續(xù)層熔化而繼續(xù)，以形成期望的零件構(gòu)造。如所意識到的，聚焦在零件16的頂層上的能量產(chǎn)生期望的熱量以熔化粉末金屬和/或零件16的一些部分。所產(chǎn)生的相對小的熔融池然后將會基于與室12的周圍氣氛的對流和/或通過零件16和支架14的傳導(dǎo)而固化，由此形成期望的零件構(gòu)造。零件16的頂表面42上的粉末材料24的重復(fù)局部加熱和冷卻可在零件16中導(dǎo)致不期望應(yīng)力的累積。零件16中的應(yīng)力可導(dǎo)致已完成零件中的不期望裂紋或薄弱點，從而應(yīng)當(dāng)避免所述應(yīng)力。示例性添加制造機(jī)器10包括用于提供工作空間12中的零件16的應(yīng)力釋放的特征。所述特征包括電加熱器30和冷卻器34，電加熱器30被支撐在室12的壁中，冷卻器34用于如應(yīng)力釋放過程所需要的來冷卻零件16。此外，示例性添加制造機(jī)器10包括布置在支架14中的多個傳感器26。在該示例中，傳感器26是應(yīng)變計，其測量零件16中累積的應(yīng)力。工作空間12中還設(shè)置了測量裝置40。在零件16的操作和制造期間，應(yīng)變計26將指示零件16的狀態(tài)(特別是應(yīng)力狀態(tài))的信息傳輸?shù)娇刂破?8。由應(yīng)變計26提供的應(yīng)力測量在零件16的整個制造期間進(jìn)行。當(dāng)所測量的零件16中的應(yīng)力落在期望范圍之外時，開始應(yīng)力釋放過程。在該示例中，應(yīng)力釋放過程包括熱處理過程，其中，零件16根據(jù)預(yù)定溫度和周期被加熱然后被冷卻。在該示例中，嵌入在室12的壁中的電阻加熱器30發(fā)射熱量32以加熱零件16。在開始熱處理過程之前，可以用惰性氣體48來填充室12并且可以將蓋19關(guān)閉以保護(hù)能量發(fā)射裝置18。在該示例中，惰性氣體48是氬氣。參照圖2，一旦完成了熱處理和/或應(yīng)力釋放過程，則關(guān)掉加熱器30和冷卻器34?，F(xiàn)在已被熱處理的零件16可包括可測量的參數(shù)，其不在對于添加制造過程而言優(yōu)選的期望范圍內(nèi)。在該示例中，零件16包括頂表面42的平面度，其被示意性地示出為在期望的平面度范圍之外。在該示例中，頂表面42包括峰36和谷38，峰36和谷38產(chǎn)生了處于范圍之外的平面度狀況。因此，示例性添加制造機(jī)器10提供了在熱處理過程期間對零件的頂表面42的幾何形狀的監(jiān)測，從而能夠識別該幾何形狀的任何超出公差的狀況。使用超出公差的頂表面42的所限定的地形，基于該地形來執(zhí)行上表面或頂表面42上的材料的一層一層地反復(fù)熔融，以整平頂表面42。示例性添加制造機(jī)器10包括測量裝置40。在該示例中，測量裝置包括用于測量零件16的參數(shù)的激光輪廓曲線儀40，在該示例中，所述參數(shù)是頂表面平面度。如所意識到的，盡管示例性測量裝置40是激光輪廓曲線儀，但也可以是其他測量裝置(例如采用三維光學(xué)器件的裝置)或者其他已知的測量和輪廓標(biāo)識裝置。
參照圖3并繼續(xù)參照圖2，激光輪廓曲線儀40產(chǎn)生頂表面42的地形44，其被用于限定材料沉積的樣式(pattern)以校正不平狀況，以便使頂表面42回到期望的平面度范圍內(nèi)。在該示例中，峰36和谷38以不均勻方式設(shè)置在頂表面42各處。參照圖4并繼續(xù)參照圖2和圖3，控制器38使用包括了峰36和谷38的頂表面42的地形44來限定材料施用協(xié)議。材料施用協(xié)議引導(dǎo)材料施用器22在頂表面42上移動，使得其將會主要把材料沉積在頂表面42的凹陷(在該示例中，例如是谷38)上，而跳過峰36或者在峰36上施用較淺的層。一旦施用了材料24，則能量引導(dǎo)裝置18將會引導(dǎo)激光束20(圖1中示出)以引導(dǎo)能量而在給定平面中建造由地形44限定的頂表面42的那些區(qū)域。一層一層地，額外的材料24被添加以將頂表面42建造成處于期望平面度范圍內(nèi)。參照圖5，被沉積在較低谷區(qū)域38中的已固化的材料46將頂表面42的平面度建造到期望范圍，該期望范圍被確定為提供用于零件16的進(jìn)一步制造的適當(dāng)基礎(chǔ)。測量裝置40可用于在施用各層或多層之后實時地檢驗頂表面。而且，控制器28可執(zhí)行所限定的協(xié)議直到完成，然后開始頂表面的檢驗測量。一旦頂表面42處于期望平面度范圍內(nèi)，則可以開始或再次開始零件的進(jìn)一步制造。因此，所公開的先進(jìn)制造機(jī)器和過程致力于解決在制造期間在零件的應(yīng)力釋放之后零件參數(shù)的變化，使得可在不從制造室12移除零件16的情況下恢復(fù)制造。盡管已公開了示例性實施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認(rèn)識到在本公開的范圍內(nèi)可進(jìn)行一定修改。為此，應(yīng)研究所附權(quán)利要求以確定本發(fā)明的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種添加制造過程，包括 測量被支撐在工作空間中的零件的參數(shù)，在繼續(xù)進(jìn)行另外的制造過程之前，被測量參數(shù)需要處于期望范圍內(nèi)；以及 基于被測量參數(shù)在所述零件上施用至少一個另外層以將被測量參數(shù)調(diào)整到所述期望范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，其中，被測量參數(shù)包括所述零件的頂表面的表面平面度。
3.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括用激光輪廓曲線儀來測量所述零件的平面度。
4.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括用包括三維光學(xué)器件的測量裝置來測量所述零件的平面度。
5.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括步驟基于被測量參數(shù)限定所述零件的頂表面的地形，并且基于所限定的地形限定材料施用的樣式。
6.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括在所述零件的頂表面的一部分上施用粉末金屬材料以產(chǎn)生具有處于所述期望范圍內(nèi)的平面度的頂表面。
7.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括步驟在應(yīng)力釋放過程期間測量所述被測量參數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括步驟響應(yīng)于被測量參數(shù)處于所述期望范圍內(nèi)而繼續(xù)進(jìn)行添加制造過程。
9.一種添加制造裝置，包括 工作空間，所述工作空間限定用于零件制造的區(qū)域； 材料施用裝置，所述材料施用裝置用于將粉末鋪展在所述工作空間中； 能量發(fā)射裝置，所述能量發(fā)射裝置用于產(chǎn)生粉末的熔化區(qū)域以便形成零件的層； 測量裝置，所述測量裝置安裝在所述工作空間中，用于測量所述零件的參數(shù)；和控制器，所述控制器基于所述測量裝置進(jìn)行的所述參數(shù)的測量來控制材料到所述零件的施用以將所述參數(shù)調(diào)整到期望范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的添加制造裝置，其中，所述測量裝置包括激光輪廓曲線儀。
11.如權(quán)利要求9所述的添加制造裝置，其中，所述測量裝置包括三維光學(xué)器件。
12.如權(quán)利要求9所述的添加制造裝置，其中，所述參數(shù)包括所述零件的頂表面的平面度。
13.如權(quán)利要求9所述的添加制造裝置，其中，所述控制器基于所述測量裝置進(jìn)行的測量來限定所述零件的頂表面的地形。
14.如權(quán)利要求13所述的添加制造裝置，其中，所述控制器基于所述零件的頂表面的所限定的地形限定材料施用樣式。
15.如權(quán)利要求9所述的添加制造裝置，包括被支撐在所述室中并用于對所述零件進(jìn)行應(yīng)力釋放的元件，并且所述測量裝置在對所述零件進(jìn)行應(yīng)力釋放的過程期間提供所述參數(shù)的繼續(xù)的測量。
16.一種粉末床添加制造過程，包括 在熱處理操作期間監(jiān)測零件的上表面的幾何形狀；確定所述幾何形狀的超出公差狀況；響應(yīng) 于確定所述超出公差狀況而產(chǎn)生所述上表面的地形；以及基于所述地形來一層一層地反復(fù)地將材料與所述上表面熔融，由此整平所述上表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱處理期間的實時帽整平。具體地，一種添加制造過程包括步驟在熱處理或其他應(yīng)力釋放過程之后測量被支撐在工作空間中的零件的參數(shù)。被測量參數(shù)是零件的特性，其在繼續(xù)進(jìn)行另外的制造過程之前需要處于期望范圍內(nèi)。該過程還包括步驟基于被測量參數(shù)在所述零件上施用至少一個另外層以將被測量參數(shù)調(diào)整到所述期望范圍內(nèi)。
文檔編號B22F7/02GK103056362SQ20121039925
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者J.J.克雷姆斯, J.D.海恩斯, Y.高, D.E.馬特茨克, J.G.蘭道 申請人:普拉特及惠特尼火箭達(dá)因公司