添加制造原地應力釋放的制作方法

專利名稱：添加制造原地應力釋放的制作方法
添加制造原地應力釋放
相關申請的交叉引用本申請要求2011年10月21日提交的美國臨時申請No. 61/549,883的優先權。技術領域
本公開一般地涉及用于添加制造機器和過程的激光器構造。更具體地，本公開涉 及用于在添加制造組件內的創建期間釋放零件內的應力的構造。
背景技術：
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削減制造方法構造的零件中不 可行的零件形狀和幾何結構的成型。
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 結構。由激光束進行的重復局部加熱與零件表面上的相對快速冷卻一起在零件中產生了應 力，該應力會對尺寸和零件構造有所限制。
應力可通過傳統的熱處理方法來釋放，但是需要將零件從添加制造工作空間移 除。發明內容
根據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: 在限定的工作空間內的制造期間探測零件中的應力；響應于所探測的應力處于預定范圍內 而暫停制造步驟；在與執行制造相同的工作空間中在所述零件上執行應力釋放過程；以及 一旦完成了所述應力釋放過程，則在所述限定的工作空間中在所述零件上再次開始零件制造。
在前述添加制造過程的進一步實施例中，包括在所述工作空間中將所述零件加熱 到被確定為釋放內部應力的溫度。
在前述添加制造過程中任一個的進一步實施例中，包括圍繞所述工作空間用于加 熱所述零件的電阻加熱器。
在前述添加制造過程中任一個的進一步實施例中，包括步驟在所述應力釋放過 程期間監視所述零件中的應力。
在前述添加制造過程中任一個的進一步實施例中，包括在所述工作空間中并且包 圍所述零件產生防止氧化的氣氛。
在前述添加制造過程中任一個的進一步實施例中，包括氣氛，所述氣氛包括氬氣。
在前述添加制造過程中任一個的進一步實施例中，包括在所述應力釋放過程期間 覆蓋能量弓I導裝置以防止暴露于所述工作空間。
在前述添加制造過程中任一個的進一步實施例中，包括將所述工作空間冷卻到執 行所述零件的制造所需的溫度。
根據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域；粉末施用裝置，所述粉末施用裝置用于 將粉末鋪展在所述工作空間中；能量發射裝置，所述能量發射裝置用于產生粉末的熔化區 域以便形成零件的層；安裝在所述工作空間中的傳感器，所述傳感器在制造期間探測零件 中的應力；和應力釋放器件，所述應力釋放器件被支撐成鄰近所述工作空間，用于釋放在所 述工作空間內的制造期間零件中累積的應力。
在前述添加制造裝置的進一步實施例中，電阻加熱器布置成鄰近所述工作空間， 用于將所述工作空間加熱到被確定為減小所述零件中累積的應力的溫度。
在前述添加制造裝置中任一個的進一步實施例中，所述工作空間包括壁，并且所 述電阻加熱器被支撐在所述工作空間的所述壁中。
在前述添加制造裝置的進一步實施例中，包括蓋，所述蓋能夠移動到一位置，以阻 擋所述能量發射裝置暴露于所述工作空間。
在前述添加制造裝置的進一步實施例中，包括在所述工作空間中的氣氛，所述氣 氛包括氬氣。
在前述添加制造裝置的進一步實施例中，包括冷卻器，所述冷卻器用于在執行應 力釋放過程之后冷卻所述工作空間。
在前述添加制造裝置的進一步實施例中，所述傳感器包括應變計，所述應變計安 裝在支架中，所述支架在制造器件保持所述零件。
盡管不同的示例在圖示中示出了特定的部件，但是本發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器在制造零件期間的示意圖。
圖2是該添加制造機器在應力釋放過程期間的示意圖。
圖3是該示例性添加制造機器在冷卻過程期間的示意圖。
圖4是該示例性添加制造機器在用于確認零件尺寸的測量過程期間的示意圖。
具體實施方式
參照圖1，添加制造機器10包括工作空間或室12，工作空間或室12支撐能量發射 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，能量發射裝置 18發射激光束20，激光束20使由材料施用裝置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的層以產生零件16的期望構造。激光束20發射引導能量，該能量將粉末材料熔化成形成期望零件尺寸的構造。
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地被發射自激光束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的后續層熔化而繼續，以形成期望的零件構造。如所意識到的，聚 焦在零件16的頂層上的能量產生期望的熱量以熔化并然后固化粉末金屬的一些部分以形 成期望的零件構造。粉末材料24和零件16的重復局部加熱和冷卻可在零件16中導致不 期望應力的累積。零件16中的應力可導致已完成零件中的不期望裂紋或薄弱點，從而應當 避免所述應力。
示例性添加制造機器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是應變計，其測量零件16中累積的應力。在零件16的操作和制造期間，應變計26 將指示零件16的狀態(特別是應力狀態)的信息傳輸到控制器28。由應變計26提供的應 力測量在零件16的整個制造期間進行。零件16中的正在進行的應力測量提供了零件16 中的應力水平的不期望升高的探測。
示例性添加制造機器10還包括用于加熱室12的加熱元件30以及用于快速冷卻 工作空間12的冷卻器34。加熱元件30和冷卻器34提供了應力釋放熱處理過程的實施。
響應于控制器28從應變計26接收零件16中累積的應力超過期望應力水平的信 號，制造過程可被暫停以允許在零件16中執行應力釋放過程。
參照圖2，響應于在制造期間探測到的零件16中的應力，制造過程被暫停并且室 12準備好進行應力釋放過程。在該示例中，應力釋放過程包括熱處理過程，其中，零件16根 據預定溫度和周期被加熱然后被冷卻。
如所意識到的，熱處理過程利用熱量來使零件中的材料轉變成更一致的組分。許 多熱處理過程是已知的，并且一種此類過程包括將零件加熱到一水平，對于該水平，材料將 控制零件的加熱和冷卻以控制構成零件16的材料的微結構中的熔融速率和冷卻速率。如 所意識到的，許多已知熱處理過程可被用在室12中以提供已完成零件16中的期望性質。示 例性的熱處理過程包括在進行零件制造的同一室12內的惰性氣氛中加熱零件16。而且，示 例性的熱過程包括根據需要在給定周期中將室12加熱到特定溫度，然后冷卻零件。
在該示例中，室12包括電阻加熱器30和冷卻器34，電阻加熱器30嵌入在室12的 壁中，冷卻器34被安裝成向室12中提供冷卻空氣。替代地，也可采用感應加熱器和其他熱 源。在開始熱處理過程之前，用惰性氣體來填充室12。在該示例中，氬氣44被用于包圍零 件16。蓋38被移動到關閉位置以保護能量發射裝置18在熱處理過程期間不受室12內的 熱和環境的影響。然后，如箭頭32所示，通過使用電阻加熱器30產生熱量來加熱室12并 從而加熱零件來開始熱處理過程。
示例性過程的一個特征提供了將零件16保持在與其在制造期間所處的支架14上 的相同位置。因此，零件16在熱處理過程期間保持就位，使得制造僅被短暫的停止并且零 件16不需要被從室12內的其位置移除。在該示例中，將零件16加熱到被確定為釋放零件 16中的應力的溫度。在熱處理過程期間的所有時刻，應變計26測量零件16中的應力并且 將該信息傳輸到控制器28。控制器28對該信息進行處理并且繼續熱處理過程，如同其監測 零件16中的應力。控制器28可利用從應變計26獲得的應力信息來控制熱處理過程的操 作。
控制器28還可實施熱處理例程，其被限定為將零件16加熱到期望溫度以冷卻該 零件，作為預定應力釋放熱處理過程的一部分。在這些情況的每一個中，控制器28可利用 從應變計26獲得的信息。
參照圖3，一旦零件16已被加熱到足夠溫度來提供期望的應力釋放，則零件16被 冷卻器34冷卻，冷卻器34驅動冷卻空氣36進入室12，由此將零件16冷卻到提供期望應力 釋放功能所需的期望溫度。應當注意，在所有情況中，零件16保持在支架14上的與制造開 始時相同的位置。通過將零件16保持在室12內，特定位置得以保持并且不需要第二設置 過程。而且，總體的零件制造循環時間也得以降低。
在冷卻操作完成時，由應變計26來測量零件16中的應變和應力，應變計26保持 在室12中并且繼續將指示零件16中的應力的信息提供到控制器28。應變計26將會指示 零件16中的應變和應力現在處于期望范圍內并且可再次開始制造。然而，如果應變計26 繼續讀取到零件16中的應力高于期望極限，則可重復進行熱處理過程或者替代地可著手 采取其他措施來釋放零件16中的應力。
參照圖4，在指示了零件16中的應力現在處于可接受范圍內時，可由被支撐在室 12內的測量裝置40來進行測量。該測量可確認零件表面42參數處于那些期望值內，以便 返回到零件的制造。測量操作可采用已知為提供特定零件參數的指示的任何儀表或系統， 所述特定零件參數對于確認可以開始零件的再次制造是有用的。在該示例中，儀表40測量 表面42。在確認了表面42處于期望范圍內并且包括期望屬性時，可在如今已釋放了應力的 零件16上再次開始制造過程。然后，示例性的應力釋放過程可根據需要重復，制造過程以 防止零件中的過多應力累積。
因此，所公開的用于在制造期間釋放零件應力的先進制造機器和過程提供了在減 少的時間中完成零件的制造，而不需將零件從處理和制造室12移除。
盡管已公開了示例性實施例，但本領域普通技術人員會認識到在本公開的范圍內 可進行一定修改。為此，應研究所附權利要求以確定本發明的范圍和內容。
權利要求
1.一種添加制造過程，包括在限定的工作空間內的制造期間探測零件中的應力；響應于所探測的應力處于預定范圍內而暫停制造步驟；在與執行制造相同的工作空間中在所述零件上執行應力釋放過程；以及一旦完成了所述應力釋放過程，則在所述限定的工作空間中在所述零件上再次開始零件制造。
2.如權利要求1所述的添加制造過程，包括在所述工作空間中將所述零件加熱到被確定為釋放內部應力的溫度。
3.如權利要求2所述的添加制造過程，包括圍繞所述工作空間用于加熱所述零件的電阻加熱器。
4.如權利要求1所述的添加制造過程，包括步驟在所述應力釋放過程期間監視所述零件中的應力。
5.如權利要求1所述的添加制造過程，包括在所述工作空間中并且包圍所述零件產生防止氧化的氣氛。
6.如權利要求5所述的添加制造過程，其中，所述氣氛包括氬氣。
7.如權利要求1所述的添加制造過程，包括在所述應力釋放過程期間覆蓋能量引導裝置以防止暴露于所述工作空間。
8.如權利要求1所述的添加制造過程，包括將所述工作空間冷卻到執行所述零件的制造所需的溫度。
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域；粉末施用裝置，所述粉末施用裝置用于將粉末鋪展在所述工作空間中；能量發射裝置，所述能量發射裝置用于產生粉末的熔化區域以便形成零件的層； 安裝在所述工作空間中的傳感器，所述傳感器在制造期間探測零件中的應力；和應力釋放器件，所述應力釋放器件被支撐成鄰近所述工作空間，用于釋放在所述工作空間內的制造期間零件中累積的應力。
10.所述添加制造裝置，包括電阻加熱器，所述電阻加熱器布置成鄰近所述工作空間， 用于將所述工作空間加熱到被確定為減小所述零件中累積的應力的溫度。
11.所述添加制造裝置，其中，所述工作空間包括壁，并且所述電阻加熱器被支撐在所述工作空間的所述壁中。
12.如權利要求9所述的添加制造裝置，包括蓋，所述蓋能夠移動到一位置，以阻擋所述能量發射裝置暴露于所述工作空間。
13.如權利要求9所述的添加制造裝置，包括在所述工作空間中的氣氛，所述氣氛包括 IS氣。
14.如權利要求9所述的添加制造裝置，包括冷卻器，所述冷卻器用于在執行應力釋放過程之后冷卻所述工作空間。
15.如權利要求9所述的添加制造裝置，其中，所述傳感器包括應變計，所述應變計安裝在支架中，所述支架在制造器件保持所述零件。
全文摘要
本發明涉及添加制造原地應力釋放。具體地，一種由添加制造機器執行的添加制造過程包括應變計，應變計在限定的工作空間內的制造期間探測零件中的應力。當所探測的應力超過期望水平時，暫停制造步驟并且在不移動零件的情況下在室中執行應力釋放過程。一種添加制造機器包括加熱器和冷卻器，用于改變室內的溫度以在與執行制造相同的空間中執行期望的應力釋放過程。一旦已確認零件中的應力處于可接受極限內，則恢復零件制造過程。
文檔編號C22F1/00GK103056364SQ201210399560
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月19日 優先權日2011年10月21日
發明者J.J.克雷姆斯, J.D.海恩斯, Y.高, D.E.馬特茨克 申請人:普拉特及惠特尼火箭達因公司