JP6845336B2 - 付加製造におけるリコーターブレードを連続的に新たに供給するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本開示は、直接金属レーザー溶融（「ＤＭＬＭ」）を含む付加製造によってパーツを作製する方法、及びその方法を実施するための装置全般に関する。

典型的なレーザー粉末床溶融結合プロセスについての記述は、その全内容が参照により本明細書に援用される独特許第１９６４９８６５号に提供されている。ＡＭプロセスは、一般的に、除去製造法とは対照的に、１又は複数の材料を堆積させてネットシェープ又はニアネットシェープ（ＮＮＳ）物体を作製することを含む。「付加製造」は、工業標準用語（ＡＳＴＭ Ｆ２７９２）であるが、ＡＭは、様々な名称で知られる様々な製造及びプロトタイピング技術を包含し、自由形状作製、３Ｄ印刷、ラピッドプロトタイピング／ツーリングなどが挙げられる。ＡＭ技術は、複雑なコンポーネントを、広く様々な材料から作製することができる。一般的に、自立型の物体は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから作製することができる。特定のタイプのＡＭプロセスは、電子ビーム又はレーザービームを例とするエネルギービームを発するエネルギー源を備えたエネルギー指向デバイスを用いて粉末材料を焼結又は溶融し、粉末材料の粒子が合わさって結合された固形化した三次元物体を作り上げる。エンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー、金属、及びセラミックを例とする様々な材料系が用いられている。レーザー焼結又は溶融は、実用的なプロトタイプ及びツールの高速作製にとっての注目すべきＡＭプロセスである。用途としては、複雑な工作物の直接製造、インベストメント鋳造のためのパターン、射出成形及びダイキャスティングのための金属モールド、並びにサンドキャスティングのためのモールド及びコアが挙げられる。設計サイクルの過程においてコンセプトの意思疎通及び試験を促進するためのプロトタイプ物体の作製は、ＡＭプロセスの他の一般的な使い方である。

選択的レーザー焼結、直接レーザー焼結、選択的レーザー溶融、及び直接レーザー溶融は、レーザービームを用いて微細粉末を焼結又は溶融することによって三次元（３Ｄ）物体を製造することを意味するために用いられる一般的な工業用語である。例えば、参照により本明細書に援用される米国特許第４，８６３，５３８号及び米国特許第５，４６０，７５８号には、従来のレーザー焼結技術が記載されている。より正確には、焼結は、粉末材料の融点未満の温度で、粉末の粒子の溶融結合（凝集）を引き起こすものであり、一方、溶融は、粉末の粒子の完全な溶融を引き起こして、固形化した均質な塊を形成するものである。レーザー焼結又はレーザー溶融に伴う物理的プロセスは、粉末材料への熱移動、及び続いての粉末材料の焼結又は溶融を含む。レーザー焼結及び溶融プロセスは、広範囲の粉末材料に適用可能であるが、焼結又は溶融速度、及び積層造形プロセスの過程でのミクロ構造変化に対するプロセスパラメータの影響を例とするこの製造経路の科学的及び技術的態様は、あまりよく理解されていない。この作製方法は、複数モードの熱、質量、及び運動量の移動、並びにこのプロセスを非常に複雑にしている化学反応を伴う。

図１は、直接金属レーザー焼結（「ＤＭＬＳ」）又は直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ）のための例示的な従来システム１００の断面図を示す模式図である。装置１００は、例えばレーザービームを発生するためのレーザー又は電流が流れることによって電子を発するフィラメントであってよいビーム源１２０によって発生されるエネルギービーム１３６を用いて粉末材料（図示せず）を焼結又は溶融することによって、一層ずつ、物体を、例えばパーツ１２２を構築する。エネルギービームによって溶融されるべき粉末は、貯留部１２６によって供給され、方向１３４に移動して、粉末をレベル１１８に維持し、粉末レベル１１８より上に拡がる過剰の粉末材料を廃棄物容器１２８へと除去するリコーターアーム１１６を用いて、粉末床１１２全体に平らに広げられる。エネルギービーム１３６は、ガルバノスキャナ（galvo scanner）１３２などの放射線照射指向デバイスの制御の下、構築されている物体の断面の層を焼結又は溶融する。ガルバノスキャナ１３２は、例えば、複数の可動型ミラー又はスキャンレンズを備え得る。レーザーがスキャンされるスピードは、非常に重要な制御可能プロセスパラメータであり、特定のスポットにレーザーのパワーが適用される長さに影響を与える。典型的なレーザースキャンスピードは、１０〜１００ミリメートル毎秒のオーダーである。ビルドプラットフォーム１１４は、下降され、粉末の別の層が、粉末床及び構築されている物体の上全体に広げられ、続いてレーザー１２０によって粉末の連続的な溶融／焼結が行われる。粉末層は、典型的には、例えば１０〜１００ミクロンである。このプロセスが、溶融された／焼結された粉末材料からパーツ１２２が全て構築されるまで繰り返される。

レーザー１２０は、プロセッサ及びメモリを含むコンピュータシステムによって制御され得る。コンピュータシステムは、各層に対するスキャンパターンを決定し、レーザー１２０を制御して、スキャンパターンに従って粉末材料に照射し得る。パーツ１２２の作製が完了した後、様々な加工後手順がパーツ１２２に適用され得る。加工後手順は、例えば吹き付け又は吸引によって過剰な粉末を除去することを含む。他の加工後手順としては、応力解放プロセスが挙げられる。加えて、パーツ１２２を仕上げるために、熱的及び化学的加工後手順が用いられる場合もある。

レーザー床付加製造技術では、粉末床が一般的に用いられる。これらの技術は、一般的に、付加製造装置内にあるビルドプレート全体に粉末の薄層を提供する工程を必要とする。１つの例では、ある量の粉末（例：ＣｏＣｒ）を、ビルドチャンバー内へ押し上げる粉末ディスペンサー２０１が備えられ、そこで、ローラー又はアーム２０２がビルドプレート１０３全体に粉末を広げる。図１。レーザーは、パーツの断面に対応する所望のパターンに粉末を加熱し、粉末を焼結又は溶融して、ビルドプレート２０３上に固形化した断面スライスを形成する。ビルドプレートは、下降され、粉末ディスペンサー及びローラー又はアームが、ビルドプレート全体に粉末の薄層を再度分配する。続いて、レーザーが、先に堆積された溶融結合材料のパターン上に積み上がっている粉末を加熱し、それによって、付加製造プロセスにおいて連続する層が作製される。

粉末の薄層をビルドプレート上に提供する別の方法は、リコーターアーム／一時ホッパー２０２と合わせて用いられる粉末ホッパー３０１を介する方法である。図２。リコーターアーム／一時ホッパー３０２は、ビルドプレートを横切って移動し、制御された様式で粉末を落下させて粉末の薄層を提供することによって、ビルドプレート３０３全体に粉末の薄層を広げる。このプロセスは、付加製造プロセスにおいて、各レーザー書き込み工程及びビルドプレートの下降が行われる毎に繰り返される。

既存の技術では、リコーターアーム４００は、硬い使い捨てのリコーターブレード４０１を備えている。粉末を広げる工程の過程で、既存のリコーターブレードは、粉末を広げるプロセスの過程でブレードを損傷する可能性がある物体のエッジ又は突起部によって損傷を受ける場合がある。このことは、プロセスの停止、損傷したブレードの取り外し、及びブレードの交換を必要とし、これは、時間及びコストが掛かるものである。逆に、既存のリコーターブレードが、粉末を広げるプロセスの過程でパーツを損傷する場合もあり、このことは、著しく廃棄物を増やす結果となり得る。したがって、損傷を起こし難く、損傷を受け難く、損傷を受けた場合であっても、取り外して交換する必要のないリコーターブレードが求められている。

開示される本発明は、付加製造によって、例えば直接金属レーザー溶融（「ＤＭＬＭ」）によって、所望の物体を作製するための方法及び装置に関する。開示される本発明の方法の１つの実施形態では、物体を形成するために、粉末床にある粉末の層の少なくとも一部分が照射され、粉末の次の層が、リコーターアームを粉末床全体に通過させることによって粉末床全体に提供されて、実質的に平らな粉末の層が提供され、このプロセスが、所望の物体が形成されるまで繰り返される。リコーターアームは、アーム部分、及びアーム部分の下のブレード部分を備え、ブレード部分は、アーム部分から突出し、粉末の実質的に平らな層を作り出すように構成されている。ブレード部分の材料は、例えば、シリコーンゴム、プラスチック、又は粉末と同じ材料であってよい。開示される本発明の方法の１つの態様では、新しいブレード材料を、付加製造プロセスの過程で、すなわち、作業を停止することなく供給することができる。

開示される本発明の方法の１つの実施形態では、ブレード部分が、それが損傷を受けているかどうかを判断するために分析される。別の態様では、物体が、それが損傷を受けているかどうかを判断するために分析される。ブレード部分が損傷を受けている場合、新しいブレード材料が、損傷を受けた部分と交換するために供給され得る。新しいブレード材料は、例えば、ブレード供給ユニットによって供給され得る。ブレード供給ユニットの１つの例は、繰り出しスプールである。

開示される本発明の装置の１つの実施形態は、ビルドプレートの周りの粉末床、エネルギー指向デバイス、ブレード供給ユニット、並びにアーム部分及びブレード部分を有するリコーターアームを備える。エネルギー指向デバイスは、これに限定されるものではないが、例として、レーザー、又は電子銃などの電子ビーム装置であってよい。ブレード部分の材料は、ＤＭＬＭによって物体を作製するのに適するいかなる材料であってもよく、これに限定されるものではないが、例として、シリコーンゴム又はプラスチックであってよい。開示される本発明の装置の１つの態様では、装置は、繰り出しスプールを備える。繰り出しスプールは、新しいブレード材料を備えている。装置は、また、使用済みブレード材料を回収するためのブレード受けユニットも備えていてよい。開示される本発明の装置の１つの実施形態では、装置は、ブレード部分が損傷を受けているかどうかを判断するためのシステムを備える。開示される本発明の装置の１つの実施形態では、装置は、物体が損傷を受けているかどうかを判断するためのシステムを備える。

図１は、先行技術に従う付加製造プロセスによって作製された物体を含有する粉末床である。

図２は、リコーターアームを用いてビルドプレート全体に水平方向に粉末を分配する従来の粉末床付加製造プロセスの模式図である。

図３は、ホッパーを用いてビルドプレート全体に粉末を分配する従来の付加製造装置の模式図である。

図４は、先行技術に従うリコーターブレードを有するリコーターアームの図である。

図５は、本発明の実施形態に従うアーム部分及びブレード部分を有するリコーターアーム、並びに巻き取り／繰り出しスプールの図である。

図６は、本発明の実施形態に従う付加製造プロセスによって作製された物体を含有する粉末床である。

添付の図面と関連して以下に示される詳細な記述は、様々な構成の記述であることを意図しており、本明細書で述べる概念が実践され得る構成のみを表すことを意図するものではない。

実施形態では、本発明は、粉末の一部を、アーム部分及びブレード部分を備えたリコーターアームを用いて粉末を広げることによってビルドプレート全体に分配するステップ、エネルギービームを集光して溶融結合領域を作り出すステップ、所望の物体が形成されるまで繰り返すステップ、及びこのプロセスの過程で少なくとも１回新しいブレード材料を供給するステップとを含み、付加製造によって所望の物体を作製する方法に関する。粉末は、好ましくは、金属合金、ポリマー、又はセラミック粉末である。未使用粉末は、粉末収容容器に回収されて、所望される場合は再利用されてよい。粉末の一部の提供は、例えばホッパーを介して粉末を堆積させることによって行われてもよい。エネルギービームを集光するステップは、例えば、レーザー、又は電子銃などの電子ビーム装置を用いて実現されてよい。

実施形態では、本発明は、粉末の一部を、アーム部分及びブレード部分を備えたリコーターアームを用いて粉末を広げることによってビルドプレート全体に分配するステップ、エネルギービームを集光して物体を作製するステップ、新しいブレード材料を供給するステップ、及び所望の物体が形成されるまで繰り返すステップとを含み、付加製造によって所望の物体を作製する方法に関する。新しいブレード材料を供給するステップは、例えば、繰り出しスプール及び／又は巻き取りスプールを用いて新しいブレード材料をリコーターアームへ繰り出すことによって実現されてよい。１つの態様では、開示される本発明の方法は、物体又はブレードが損傷を受けているかどうかをチェックするステップを含む。別の態様では、新しいブレード材料は、ブレード部分が損傷を受けている場合にリコーターアームに供給される。別の態様では、所望される場合、使用済みブレード材料は、回収されてよい。ブレード材料は、例えば、ブレード材料をブレード材料収容容器に入れることによって、又はそれを巻き取りスプールに回収することによって回収されてよい。ブレード又は物体が損傷を受けているかどうかをチェックするステップは、ブレード又は物体を検査することができるいかなる手段によって行われてもよく、例えばカメラを用いることができる。カメラは、データをコンピュータに転送してよい。

実施形態では、本発明は、ビルドプレートの周りの粉末床領域、エネルギー指向デバイス、アーム部分及びブレード部分を有するリコーターアーム、並びにブレード材料供給ユニットを備えた、付加製造によって所望の物体を作製するための装置に関する。ブレード部分は、シリコーンゴム、プラスチック、又はＤＭＬＭによって物体を作製するのに適する材料などの材料から作られていてよい。エネルギー指向デバイスは、例えば、レーザー又は電子ビームであってよい。ブレード材料供給ユニットは、例えば、繰り出しスプールであってよい。装置は、さらに、ブレード材料受けユニットを備えていてもよい。ブレード材料受けユニットは、例えば、巻き取りスプール又はブレード材料収容容器であってよい。

実施形態では、本発明は、ビルドプレートの周りの粉末床領域、エネルギー指向デバイス、リコーターブレード又はパーツが損傷を受けているかどうかをチェックするためのシステム、並びにアーム部分及びブレード部分を有するリコーターアームを備えた、付加製造によって所望の物体を作製するための装置に関する。リコーターブレード又はパーツが損傷を受けているかどうかをチェックするためのシステムは、リコーターブレード又はパーツを視覚的に検査することができるいかなるシステムであってもよく、例えばカメラである。カメラは、データをコンピュータに転送してよい。

図１は、ＤＭＬＭのための例示的な先行技術のシステム１００を示す。パーツ１２２は、粉末材料を物体の層の形状に焼結又は溶融することによって、一層ずつ構築される。焼結又は溶融は、レーザーなどのエネルギー源１２０によって発生され、ガルバノスキャナ１３２によって制御されるエネルギービーム１３６を用いて行われる。エネルギービームによって溶融されるべき粉末は、貯留部１２６によって供給され、続いて方向１３４に移動して、粉末をレベル１１８に維持し、粉末レベル１１８より上に拡がる過剰の粉末材料を除去するリコーターアーム１１６を用いてビルドプレート１１４全体に平らに広げられる。過剰の粉末材料の一部は、廃棄物容器１２８に入れられる。次に、ビルドプレート１１４が下降され、粉末の別の層が、ビルドプレート及び構築されている物体の上全体に広げられ、粉末材料は、レーザー１２０によって溶融又は焼結され、このプロセスは、パーツ１２２が完成するまで繰り返される。

図２は、先行技術に従う付加製造のための粉末床を示す。ある量の粉末（例：ＣｏＣｒ）を、ローラー又はアーム２０２がビルドプレート２０３全体に粉末を広げるビルドチャンバー内へと押し上げる粉末ディスペンサー２０１が備えられる。レーザーは、パーツの断面に対応する所望のパターンに粉末を加熱し、粉末を焼結又は溶融して、ビルドプレート２０３上に固形化した断面スライスを形成する。ビルドプレートは、下降され、粉末ディスペンサー及びローラー又はアームが、ビルドプレート全体に粉末の薄層を再度分配する。続いて、レーザーが、先に堆積された溶融結合材料のパターン上に積み上がっている粉末を加熱し、それによって、付加製造プロセスにおいて連続する層が作製される。

図３は、先行技術に従う付加製造のための粉末床及びリコーティングシステムを示す。リコーターアーム／一時ホッパー３０２と合わせて用いられる粉末ホッパー３０１。リコーターアーム／一時ホッパー３０２は、ビルドプレートを横切って移動し、制御された様式で粉末を落下させて粉末の薄層を提供することによって、ビルドプレート３０３全体に粉末の薄層を広げる。このプロセスは、付加製造プロセスにおいて、各レーザー書き込み工程及びビルドプレートの下降が行われる毎に繰り返される。

図４は、先行技術に従う付加製造プロセスに用いるためのリコーターアームを示す。使い捨てのリコーターブレード４０１を有するリコーターアーム４００、及び粉末４０２がある。

図５は、本発明の実施形態に従う、リコーターアーム５０１及び連続供給リコーターブレード５０２を有するリコーティングシステム５００を示す。図５のリコーティングシステムは、繰り出しスプール５０３及び巻き取りスプール５０４を有する。リコーターブレード５０２は、方向５０５に供給される。リコーターブレード５０２は、方向５０６に移動して、粉末の実質的に平らな層を提供する。

図６は、本発明の実施形態に従う、連続供給リコーターブレードを有する例示的な付加製造システムを示す。パーツ６２２は、粉末材料を物体の層の形状に焼結又は溶融することによって、一層ずつ構築される。焼結又は溶融は、レーザーなどのエネルギー源６２０によって発生され、ガルバノスキャナ６３２によって制御されるエネルギービーム６３６を用いて行われる。エネルギービームによって溶融されるべき粉末は、貯留部６２６によって供給され、続いて、方向６３４に移動して、粉末をレベル６１８に維持し、粉末レベル６１８より上に拡がる過剰の粉末材料を除去する連続供給リコーターブレードを有するリコーターアーム６１６を用いてビルドプレート６１４全体に平らに広げられる。過剰の粉末材料の一部は、廃棄物容器６２８に入れられる。次に、ビルドプレート６１４が下降され、粉末の別の層が、ビルドプレート及び構築されつつある物体の上全体に広げられ、粉末材料は、レーザー６２０によって溶融又は焼結され、このプロセスは、パーツ６２２が完成するまで繰り返される。データをコンピュータ６４０に転送することができるカメラ６３８もリコーターアームに取り付けられており、それによって、物体又は連続供給リコーターブレードが損傷を受けたかどうかを検出することができる。

本願の更なる態様は下記の記載によって示される。

所望の物体を作製するための方法であって、（ａ）リコーターアームを粉末床全体に通して、前記粉末床全体に粉末の層を提供するステップと、（ｂ）前記粉末床にある前記粉末の層の少なくとも一部分に照射して、物体の溶融結合された領域を形成するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）及び（ｂ）を、前記粉末床に前記所望の物体が形成されるまで繰り返すステップと、を備えた方法であって、前記リコーターアームは、リコーターブレードを備え、前記リコーターブレードは、前記リコーターアームの長さ方向の少なくとも一部分に沿ったブレード部分と、前記リコーターアームに供給して前記リコーターブレードの前記ブレード部分を交換することができる供給部分とを含む、方法。

新しいブレード部分を供給するステップをさらに備える。

前記新しいブレード部分を供給するステップが、前記物体の形成の前、最中、又は後に行われる。

前記ブレード部分が、シリコーンゴムから作られている。

前記ブレード部分が、プラスチックから作られている。

前記ブレード部分が、前記粉末と同じ材料から作られている。

前記ブレード部分が損傷を受けているかどうかを検出するステップを備える。

前記物体が損傷を受けているかどうかを検出するステップを備える。

前記ブレード部分が損傷を受けている場合、新しいブレード部分を供給するステップを備える。

前記新しいブレード部分を供給するステップが、前記新しいブレード部分を繰り出すことによって実現される。

前記新しいブレード部分を繰り出すステップが、少なくとも１つの繰り出しスプールユニットを用いることで実現される。

前記新しいブレード部分を繰り出すステップが、少なくとも１つの巻き取りスプールユニットを用いることで実現される。

前記ブレード部分が、前記リコーターアームの長さ全体に沿っている。

ビルドプレートの周りの粉末床領域と、エネルギー指向デバイスと、アーム部分及びブレード部分を備え、前記ブレード部分は、前記アーム部分の下にあり、前記アーム部分から突出しているリコーターアームと、粉末分配ユニットと、ブレード材料を含むブレード供給ユニットと、を備えた装置。

前記ブレード部分が、直接レーザー金属溶融付加製造を介してパーツを作製するのに適した材料から作られている。

前記ブレード供給ユニットが、繰り出しスプールである。

前記ブレード供給ユニットが、新しいブレード材料を含む。

ブレード受けユニットをさらに備える。

前記ブレード受けユニットが、巻き取りスプールである。

前記ブレード受けユニットが、収容容器である。

前記ブレード部分が損傷を受けているかどうかを検出することができるシステムをさらに備える。

前記粉末分配ユニットが、ホッパーである。

前記システムが、カメラ及びコンピュータを備える。

Claims (13)

1. 所望の物体を作製するための方法であって、
   （ａ）連続供給リコーターブレード（４０１）を備えたリコーターアーム（４００）を粉末床（６１２）全体に通して、前記粉末床（６１２）全体に粉末の層を提供するステップと、
   （ｂ）前記粉末床にある前記粉末の層の少なくとも一部分に照射して、物体の溶融結合された領域を形成するステップと、
   （ｃ）ステップ（ａ）及び（ｂ）を、前記粉末床（６１２）に前記所望の物体が形成されるまで繰り返すステップと、
   （ｄ）前記連続供給リコーターブレード（４０１）のブレード部分（５０２）を新しいブレード部分に交換するために、前記連続供給リコーターブレード（４０１）の前記新しいブレード部分が前記リコーターアーム（４００）の長さ方向の少なくとも一部に沿って、ブレード供給ユニット（５０３）から前記リコーターアーム（４００）に提供するステップとを含む、方法。
2. 前記ブレード部分（５０２）が、シリコーンゴムから作られている請求項１に記載の所望の物体を作製するための方法。
3. 前記ブレード部分（５０２）が、プラスチックから作られている請求項１に記載の所望の物体を作製するための方法。
4. 前記ブレード部分（５０２）が、前記粉末（４０２）と同じ材料から作られている請求項１に記載の所望の物体を作製するための方法。
5. 前記ブレード部分（５０２）が、損傷を受けているかどうかを検出するステップを備えた請求項１から４のいずれか１項に記載の所望の物体を作製するための方法。
6. 前記物体が損傷を受けているかどうかを検出するステップを備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の所望の物体を作製するための方法。
7. 前記ブレード部分（５０２）が損傷を受けている場合、新しいブレード部分を供給するステップを備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の所望の物体を作製するための方法。
8. 前記ブレード部分（５０２）が、前記リコーターアームの長さ全体に沿っている請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. ビルドプレート（６１４）の周りの粉末床領域（６１２）と、
   エネルギー指向デバイス（６３２）と、
   アーム部分（４００）、及び、前記アーム部分（４００）の下にあり、前記アーム部分（４００）から突出しているブレード部分（５０２）を有す連続供給リコーターブレード（４０１）を備えたリコーターアーム（４００）と、
   粉末分配ユニットと、
   ブレード材料を含むブレード供給ユニット（５０３）と、
   を備えた装置。
10. ブレード受けユニット（５０４）をさらに備えた請求項９に記載の装置。
11. 前記ブレード部分（５０２）が損傷を受けているかどうかを検出することができるシステムをさらに備えた請求項９又は１０に記載の装置。
12. 前記粉末分配ユニットが、ホッパー（３０１）である請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記システムが、カメラ（６３８）及びコンピュータ（６４０）を備える請求項１１に記載の装置。