(57)【要約】  造形物体を製造するためのシステムは、粉末状反応性材料を使用して造形物体を作製するように構成された付加製造ツールを含む。粉末状反応性材料は複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズは、理想ビーズ径と実質的に同じであるビーズ径を有する。システムは、付加製造ツールによる造形物体の付加製造時に不活性ガスを用いて該造形物体を選択的に保護するように構成された装置をさらに含む。理想ビーズ径は、粉末状反応性材料の酸化の際に該粉末状反応性材料の発火が抑制されるビーズ径に設定される。
2019516584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形物体を製造するシステムであって、
複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズは理想ビーズ径と実質的に同じであるビーズ径を有する粉末状反応性材料を使用して前記造形物体を作製するように構成された付加製造ツールと、
前記付加製造ツールによる前記造形物体の付加製造時に不活性ガスを用いて該造形物体を選択的に保護するように構成された１又は複数のノズルと、
前記付加製造ツールのツールパスを制御するように構成されるとともに、前記造形物体及び前記付加製造ツールの一方又は両方に対する前記１又は複数のノズルの位置決めを制御するように構成された少なくとも１つの制御装置を備えたシステム。（システムを示してこのようなものであると説明するために図２０を用いる）
【請求項２】
少なくとも１つの除去製造ツールをさらに備え、
前記少なくとも１つの制御装置は、さらに、前記少なくとも１つの除去製造ツールによって実施される前記造形物体の加工を制御するように構成された請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記１又は複数のノズルの位置決めを、前記造形物体のホットテール部分の位置に基づいて制御するように構成された請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記造形物体の前記ホットテール部分の有無及び位置を判断するように構成されたセンサをさらに備え、
前記制御装置は、付加製造時に前記ホットテール部分が前記不活性ガスによって保護されるように、前記１又は複数のノズルの位置決めを、少なくとも一部は、前記ホットテール部分の有無及び位置に基づいて制御するように構成された請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記制御装置は、付加製造時に前記造形物体が前記不活性ガスによって保護されるように、前記１又は複数のノズルの位置決めを、少なくとも一部は、前記付加製造ツールの前記ツールパスに基づいて制御するように構成された請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記粉末状反応性材料を前記付加製造ツールに供給するように構成された粉体供給装置をさらに備え、
前記理想ビーズ径は１００ミクロンより大きい請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記粉末状反応性材料はＴｉ６Ａｌ４Ｖであり、前記理想ビーズ径は１０６ミクロンから１８０ミクロンの範囲内である請求項６記載のシステム。
【請求項８】
造形物体を造形及び加工するように構成された製造機械であって、
複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズは理想ビーズ径と実質的に同じであるビーズ径を有する粉末状反応性材料を使用して前記造形物体を作製するように構成された付加製造ツールと、
前記付加製造ツールによる作製時に前記造形物体を少なくとも部分的に収容するとともに、前記造形物体を環境ガスから保護するための不活性ガスの少なくとも一部を封入するように構成されたフレキシブル造形サポートエンクロージャを備えた製造機械。
【請求項９】
前記フレキシブル造形サポートエンクロージャは、少なくとも、作製時に前記造形物体を部分的に収容するとともに、前記不活性ガスの少なくとも一部を封入する袋体を含む請求項８記載の製造機械。
【請求項１０】
回転部材をさらに備え、
前記袋体は、前記回転部材とともに回転しないように構成された請求項９記載の製造機械。
【請求項１１】
前記回転部材は、前記袋体から独立して回転するように構成された回転可能なチャックであり、
前記袋体は、前記チャックの周囲に取り付けられ、前記チャックとともに回転しないように構成された請求項１０記載の製造機械。
【請求項１２】
前記粉末状反応性材料を前記付加製造ツールに供給するように構成された粉体供給装置をさらに備え、
前記理想ビーズ径は１００ミクロンより大きい請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記粉末状反応性材料はＴｉ６Ａｌ４Ｖであり、前記理想ビーズ径は１０６ミクロンから１８０ミクロンの範囲内である請求項６記載のシステム。
【請求項１４】
造形物体を製造する方法であって、
前記造形物体の作製に用いる反応性材料を選択することと、
前記反応性材料に対して、該反応性材料の酸化の際に該反応性材料の発火が抑制されるビーズ径である理想ビーズ径を決定することと、
前記反応性材料から、複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズは前記理想ビーズ径と実質的に同じであるビーズ径を有する粉末状反応性材料を形成することと、
前記粉末状材料を付加製造ツールに供給することと、
一連の反復動作を通じて溶融状態の前記粉末状材料を堆積させて前記造形物体を作製することを備えた方法。
【請求項１５】
前記反応性材料に対して前記理想ビーズ径を決定することは、１００ミクロンより大きいビーズ径を前記理想ビーズ径として決定することを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記反応性材料に対して前記理想ビーズ径を決定することは、１０６〜１８０ミクロンの範囲のビーズ径を前記理想ビーズ径として決定することを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記造形物体の作製に用いる前記反応性材料を選択することは、チタン合金を前記反応性材料として選択することを含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記造形物体の作製に用いる前記反応性材料を選択することは、Ｔｉ６ＡＶｌ４Ｖを前記反応性材料として選択することを含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記造形物体の作成時に不活性ガスを用いて該造形物体を選択的に保護することをさらに備えた請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
１又は複数の除去製造ツールを用いて前記造形物体を加工することをさらに備えた請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、付加製造システム及び方法に関し、より具体的には、反応性材料を用いた付加製造のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
よく付加製造技術を使用して、種々の材料を用いてほぼ無限の数の物体が造形される。いくつかの技術例では、金属の堆積に、粉末吹付方式又は粉末スプレー方式としても知られる指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）方式の付加製造機械が用いられる。このようなＤＥＤ法式の機械は、例えば、付加製造及び除去製造の両方を使用して物体を作るハイブリッド製造機械又は工程の一部としてよく実施される。
【０００３】
反応性金属（例えば、チタン）の堆積に用いられるＤＥＤ方式の工程及び／又は機械があるが、反応性金属は他の反応性が低い金属よりも燃えやすいことがある。反応性金属は、該金属が溶融する又は高温であるときに酸素が存在すると余分な酸素を吸収することがある。このことから、安全性及び造形品質の両方への懸念から、堆積時に造形物の周囲の酸素の存在を制限することが望ましい。
【０００４】
従前の付加製造工程及び機械では、付加製造物体の造形物付近の酸素を制限する試みがなされてきた。例えば、ガスパージ法を用いて造形場所から酸素を除去しようとした機械や、造形物の周囲に真空又は略真空を作り出して酸素が反応性金属に触れるのを制限しようとした機械があった。
【０００５】
しかしながら、特にハイブリッド加工の場合、機械のある機能ために造形物の周辺環境へのアクセスが必要であるため、従前の方法は適切でないことがしばしばある。例えば、ハイブリッド製造機械では、フライス加工では工具交換が頻繁に行われることがあるが、工具交換によって造形チャンバ又は環境が開かれ、該造形チャンバ又は環境が外部環境のガス、とりわけ酸素にさらされることになる。したがって、安全性及び造形品質の両方を目的として、環境露出への懸念に対処する、反応性金属を用いた付加製造のための新たなシステム、方法及び機械が望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様によれば、造形物体を製造するシステムが開示される。該システムは、粉末状反応性材料を使用して前記造形物体を作製するように構成された付加製造ツールを備える。前記粉末状反応性材料は複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズは理想ビーズ径と実質的に同じであるビーズ径を有する。該システムは、前記付加製造ツールによる前記造形物体の付加製造時に不活性ガスを用いて該造形物体を選択的に保護するように構成された１又は複数のノズルをさらに備える。該システムは、前記付加製造ツールのツールパスを制御するとともに、前記造形物体及び前記付加製造ツールの一方又は両方に対する前記１又は複数のノズルの位置決めを制御するように構成された少なくとも１つの制御装置をさらに備える。
【０００７】
本開示の別の態様によれば、造形物体を造形及び加工するように構成された製造機械が開示される。該製造機械は、粉末状反応性材料を使用して造形物体を作製するように構成された付加製造ツールを備える。前記粉末状反応性材料は複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズは理想ビーズ径と実質的に同じであるビーズ径を有する。該製造機械は、前記付加製造ツールによる作製時に前記造形物体を少なくとも部分的に収容するとともに、前記造形物体を環境ガスから保護するための不活性ガスの少なくとも一部を封入するように構成されたフレキシブル造形サポートエンクロージャをさらに備える。
【０００８】
本開示のさらに別の態様によれば、造形物体を製造する方法が開示される。該方法は、前記造形物体の作製に用いる反応性材料を選択することを備える。該方法は、前記反応性材料に対して、前記粉末状材料の酸化の際に前記反応性材料の発火が抑制されるビーズ径である理想ビーズ径を決定することをさらに備える。該方法は、前記反応性材料から、複数の粉末ビーズを含み、各粉末ビーズ径は前記理想ビーズ径と実質的に同じである粉末状反応性材料を形成することをさらに備える。該方法は、前記粉末状材料を付加製造ツールに供給することと、該粉末状材料を堆積させて前記造形物体を作製することとをさらに備える。
【０００９】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を製造する前記システムは、少なくとも１つの除去製造ツールをさらに備えることができ、前記少なくとも１つの制御装置は、さらに、前記少なくとも１つの除去製造ツールによって実施される前記造形物体の加工をするように構成することができる。
【００１０】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記制御装置は、前記１又は複数のノズルの位置決めを、前記造形物体のホットテール部分の位置に基づいて制御するように構成することができる。
【００１１】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を製造する前記システムは、前記造形物体の前記ホットテール部分の有無及び位置を判断するように構成されたセンサをさらに備えることができ、前記制御装置は、付加製造時に前記ホットテール部分が前記不活性ガスによって保護されるように、前記１又は複数のノズルの位置決めを、少なくとも一部は、前記ホットテール部分の有無及び位置に基づいて制御するように構成することができる。
【００１２】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記制御装置は、付加製造時に前記造形物体が前記不活性ガスによって保護されるように、前記１又は複数のノズルの位置決めを、少なくとも一部は、前記付加製造ツールの前記ツールパスに基づいて制御するように構成することができる。
【００１３】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を製造する前記システムは、前記粉末状反応性材料を前記付加製造ツールに供給するように構成された粉体供給装置をさらに備えることができ、前記理想ビーズ径は１００ミクロンより大きくすることができる。
【００１４】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記粉末状反応性材料はＴｉ６Ａｌ４Ｖとすることができ、前記理想ビーズ径は１０６ミクロンから１８０ミクロンの範囲内とすることができる。
【００１５】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記フレキシブル造形サポートエンクロージャは、少なくとも、作成時に前記造形物体を部分的に収容するとともに、前記不活性ガスの少なくとも一部を封入する袋体を含むことができる。
【００１６】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を造形及び加工するように構成された前記製造機械は、回転部材をさらに備えることができ、前記袋体は、前記回転部材とともに回転しないように構成することができる。
【００１７】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記回転部材は、前記袋体から独立して回転するように構成された回転可能なチャックとすることができ、前記袋体は、前記チャックの周囲に取り付けることができ、前記チャックとともに回転しないように構成することができる。
【００１８】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を造形及び加工するように構成された前記製造機械は、前記粉末状反応性材料を前記付加製造ツールに供給するように構成された粉体供給装置をさらに備えることができ、前記理想ビーズ径は１００ミクロンより大きくすることができる。
【００１９】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記粉末状反応性材料はＴｉ６Ａｌ４Ｖとすることができ、前記理想ビーズ径は１０６ミクロンから１８０ミクロンの範囲内とすることができる。
【００２０】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記反応性材料に対して前記理想ビーズ径を決定することは、１００ミクロンより大きいビーズ径を前記理想ビーズ径として決定することを含むことができる。
【００２１】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記反応性材料に対して前記理想ビーズ径を決定することは、１０６〜１８０ミクロンの範囲のビーズ径を前記理想ビーズ径として決定することを含むことができる。
【００２２】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記造形物体の作製に用いる前記反応性材料を選択することは、チタン合金を前記反応性材料として選択することを含むことができる。
【００２３】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、前記造形物体の作製に用いる前記反応性材料を選択することは、Ｔｉ６ＡＶｌ４Ｖを前記反応性材料として選択することを含むことができる。
【００２４】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を製造する方法は、前記造形物体の作製時に不活性ガスを用いて該造形物体を選択的に保護することをさらに備えることができる。
【００２５】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ又は複数と組み合わせることができる別の態様によれば、造形物体を製造する方法は、１又は複数の除去製造ツールを用いて前記造形物体を加工することをさらに備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
開示した方法及び装置をより完全に理解するために、以下の添付図面により詳細に図示した実施形態を参照すべきである。
【００２７】
【図１】本開示の一実施形態にかかるコンピュータ数値制御機械を、安全扉を閉じた状態で示した正面立面図である。
【００２８】
【図２】図１に図示したコンピュータ数値制御機械を、安全扉を開いた状態で示した正面立面図である。
【００２９】
【図３】図１及び図２に図示したコンピュータ数値制御機械の内部構成要素の斜視図であり、加工主軸、第１チャック、第２チャック及びタレットを示している。
【００３０】
【図４】加工主軸、並びに主軸の平行移動に用いることができる水平及び垂直に配設されたレールを図示した、図３より拡大した斜視図である。
【００３１】
【図５】図１に図示したマシニングセンタの第１チャック、加工主軸及びタレットの側面図である。
【００３２】
【図６】図５と同様の図であるが、加工主軸をＹ軸方向に平行移動させている。
【００３３】
【図７】図１に図示したコンピュータ数値制御機械の主軸、第１チャック及び第２チャックの正面図であり、主軸の回転移動の許容経路を示す線を含む。
【００３４】
【図８】図３に図示した第２チャックの、図３より拡大した斜視図である。
【００３５】
【図９】図２に図示した第１チャック及びタレットの斜視図であり、図２のタレットの位置に対するタレット及びタレット台のＺ軸方向の移動を示している。
【００３６】
【図１０】正面扉が開いた状態の図１のコンピュータ数値制御機械の正面図である。
【００３７】
【図１１】図１の機械の例示的な工具交換装置の斜視図である。
【００３８】
【図１２】（ａ）から（ｄ）は、図１１の工具交換装置の動作を示した斜視図である。
【００３９】
【図１３】図１のコンピュータ数値制御機械とともに用いる材料堆積アセンブリの概略説明図である。
【００４０】
【図１４】取り外し可能な堆積ヘッドを有する材料堆積アセンブリの側面立面図である。
【００４１】
【図１５】取り外し可能な堆積ヘッドを有する材料堆積アセンブリの代替実施形態の側面立面図である。
【００４２】
【図１６】図１４の材料堆積アセンブリで用いられる下処理ヘッドの、一部を断面図とした側面立面図である。
【００４３】
【図１７】図１の機械及び／又は図１４乃至図１６の材料堆積ヘッドとともに又はこれらと組み合わせて用いる第１ガス搬送ノズルの斜視図である。
【００４４】
【図１８】図１の機械及び／又は図１４乃至図１６の材料堆積ヘッドとともに又はこれらと組み合わせて用いる第２ガス搬送ノズルの斜視図である。
【００４５】
【図１９】材料堆積ヘッドの、材料を基板上に堆積するとともに堆積時に複数のガス搬送ノズルを使用する部分の側面立面図である。
【００４６】
【図２０】本願の機械とともに用いる供給粉体の顕微鏡拡大図である。
【００４７】
【図２１】付加製造機械とともに用いるガス搬送ノズルの例の斜視図である。
【００４８】
【図２２】図１に図示したコンピュータ数値制御機械の主軸、第１チャック及び第２チャックの正面図であり、付加製造ツールと、付加製造ツールによる付加製造時に造形物を不活性ガス環境に収容するための袋体とを含む。
【００４９】
【図２３】付加製造ツールによる付加製造時に基板上の造形物を不活性ガス環境に収容するための袋体の斜視図である。
【００５０】
【図２４】本開示の別の実施形態にかかる、ハイブリッド機械を用いて部品を製造するための方法を表したフローチャートである。
【００５１】
図面は必ずしも正確な縮尺ではないこと、開示した実施形態は、図式的であったり部分図であったりすることが理解されるべきである。場合によっては、開示した方法及び装置の理解に必要でない詳細や他の詳細の認識を困難にするような詳細は省略されている場合がある。当然のことながら、本開示はここに図示した特定の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
任意の適切な装置を、ここに開示する方法と組み合わせて採用することができる。いくつかの実施形態では、図１乃至図１０に概要を図示したコンピュータ数値制御機械を用いて方法を実施する。コンピュータ数値制御機械自体は他の実施形態で提示する。図１乃至図１０に図示した機械１００は、本願の譲受人であるＤＭＧ／Ｍｏｒｉ  Ｓｅｉｋｉ  ＵＳＡから複数のバージョンが入手可能なＮＴシリーズ又はＬＴシリーズ機である。或いは、ＤＭＧ／Ｍｏｒｉ  ＳｅｉｋｉのＤＭＵ−６５（５軸立形の工作機械）工作機械又は軸の向き又は数が異なる他の工作機械を、ここに開示する装置及び方法と組み合わせて用いてもよい。ここに開示する、付加製造のための方法を対象とするシステム及び方法は上記のような機械を用いて実施することができるが、ここでの内容は上記のような機械での実施に限定されない。
【００５３】
基本的に、図１乃至図３に図示したＮＴシリーズ機を参照すると、ある適切なコンピュータ数値制御機械１００は少なくとも第１保持部及び第２保持部を有しており、これらの保持部はそれぞれ、工具保持部（主軸１４４と関連する主軸保持部又はタレット１０８と関連するタレット保持部など）又はワーク保持部（チャック１１０，１１２など）とすることができる。図示した実施形態では、コンピュータ数値制御機械１００は、主軸１４４と、タレット１０８と、第１チャック１１０と、第２チャック１１２とを備える。コンピュータ数値制御機械１００は、以下により詳細に説明するが、第１保持部と第２保持部とに作動的に接続されてこれら保持部を制御するコンピュータ制御システムも有する。コンピュータ数値制御機械１００は上記の構成要素の全てを含んでいなくてもよい実施形態、コンピュータ数値制御機械１００はここで指定するものに加えて付加的な構成要素を含んでいてもよい実施形態があることが理解される。
【００５４】
図１及び図２に示したように、コンピュータ数値制御機械１００は、基本的にワーク（図示せず）に対して様々なオペレーションが行われる機械チャンバ１１６を有する。主軸１４４、タレット１０８、第１チャック１１０及び第２チャック１１２はそれぞれ、全体又は一部を機械チャンバ１１６内に配置することができる。図示の実施形態では、２つの可動式の安全扉１１８がユーザと機械チャンバ１１６とを分離し、ユーザの負傷やコンピュータ数値制御機械１００の動作における干渉を防いでいる。図２に図示したように、安全扉１１８を開いて機械チャンバ１１６へのアクセスを可能にすることができる。ここでは、直交配向された３つの直線軸（Ｘ、Ｙ及びＺ）に関してコンピュータ数値制御機械１００を説明する。これら３つの直線軸については、図４に示し、以下により詳細に説明する。Ｘ、Ｙ及びＺ軸にかかる回転軸は、それぞれ、「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」回転軸とする。
【００５５】
コンピュータ数値制御機械１００は、該コンピュータ数値制御機械内の様々な手段を制御するためのコンピュータ制御システムを備える。図示の実施形態では、機械は、連結された２つのコンピュータシステムである、ユーザインタフェースシステム（図１に１１４で概要を図示）からなる第１コンピュータシステムと、該第１コンピュータシステムに作動的に接続された第２コンピュータシステム（図示せず）とを備える。第２コンピュータシステムは当該機械の主軸、タレット及びその他の手段の動作を直接制御するものであり、一方、ユーザインタフェース１１４はオペレータに第２コンピュータシステムを制御させるものである。機械制御システム及びユーザインタフェースシステムと当該機械でのオペレーションを制御するための様々な機構とを総合して１つのコンピュータ制御システムと考えてもよい。
【００５６】
コンピュータ制御システムは、メインメモリに接続された中央演算処理装置（ＣＰＵ）を有する機械制御回路を含むことができる。ＣＰＵは、Ｉｎｔｅｌ製やＡＭＤ製などの任意の適切なプロセッサを含むことができる。一例として、ＣＰＵは、マスタプロセッサ、スレーブプロセッサ及びセカンダリ又はパラレルプロセッサを含む複数のマイクロプロセッサを含むことができる。ここで用いる機械制御回路は、バスや別のコンピュータ、プロセッサ、装置、サービス又はネットワークと通信する又は機械１００とこれらとの間のデータの伝送を制御するように構成された、該機械１００の内外に配設されたハードウェア、ソフトウェア又はファームウェアの組み合わせからなる。機械制御回路、より具体的にはＣＰＵは、１又は複数の制御装置又はプロセッサからなり、このような１又は複数の制御装置又はプロセッサは、互いに近位に配設する必要はなく、別々の装置内又は別々の位置に配置することができる。機械制御回路、より具体的にはメインメモリは、互いに近位に配設する必要はなく、別々の装置内又は別々の位置に配置することができる１又は複数のメモリ装置からなる。機械制御回路は、ここに開示する様々な工作機械の方法及びその他の工程の全てを実行するように動作可能である。
【００５７】
ユーザがユーザインタフェースシステムを操作して機械にプログラミングを伝える実施形態、外部ソースを介してプログラムを機械にロード又は伝送することが可能な実施形態がある。例えば、ＰＣＭＣＩＡインタフェース、ＲＳ−２３２インタフェース、ユニバーサルシリアルバスインタフェース（ＵＳＢ）又はネットワークインタフェース、特にＴＣＰ／ＩＰネットワークインタフェースを介してプログラムをロードすることができると考えられる。従来のＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）機構（図示せず）を介して機械を制御することができる実施形態もある。
【００５８】
図１及び図２にさらに図示されているように、コンピュータ数値制御機械１００は、工具マガジン１４２と、工具交換装置１４３とを有することができる。これらは、主軸１４４と協働して該主軸を複数の工具のうちのいずれか１つとともに動作させる。一般的に、種々の工具を設けることができ、いくつかの実施形態では、同じ種類の工具を複数設けることができる。
【００５９】
例示的な実施形態にかかる工具交換装置３００を図１１及び図１２（ａ）乃至図１２（ｄ）により詳細に図示している。工具交換装置３００は、複数の工具を保持するための工具マガジン３０２を含む。工具マガジン３０２は、マガジンベース３０４と、該マガジンベース３０４に対して回転するように支持されたエンドレスキャリア３０６とを含むことができる。エンドレスキャリア３０６には複数の工具ポット３０８が所定のピッチで接続されており、各工具ポット３０８は関連する工具を取り外し可能に受けるように構成されている。回転モータ３１０がエンドレスキャリア３０６に作動的に接続されており、工具マガジン３０２を所望どおりに割り出す。
【００６０】
工具交換装置３００及び関連する工具ポット３０８は、機械１００のどのような種類の工具でも保持することができるが、具体的には、工具交換装置３００は、ガスを機械１００の作業環境内の特定の位置に向けるための１又は複数のガス搬送ノズルを使用することができる。例えば、機械１００は、図１７の第１ガス搬送ノズル４０１及び／又は図１８の第２ガス搬送ノズル４０２を使用することができる。図１９にさらに示されているように、機械１００は、付加製造処工程において同時に複数のガス搬送ノズル４０５を使用することができる。図１７乃至図１９のこれらのガス搬送ノズル４０１、４０２及び４０５は、ガスを機械１００内の領域又は面に制御可能に供給するのに適したノズルである。
【００６１】
いくつかの例では、ガス搬送ノズル４０１、４０２、４０５は、具体的には、反応性材料（例えば、チタン及び／又はチタン合金であり、ＴＩ６Ａｌ４Ｖが挙げられるがこれに限定されない）を用いた付加製造工程又は造形物に近接する環境に不活性ガスを搬送するように構成することができる。例えば、図１７のノズル４０１は、機械１００内のラインから不活性ガスを受け、管路４５１を介してガス流を制御し、これを湾曲したノズルアーム４５５内に送り、最終的に、出口オリフィス４５７を介して作業環境内に送ることができる。別の例では、図１８に示すように、ノズル４０２は、機械１００内のラインから不活性ガスを受け、管路４５２を介してガス流を制御し、これを湾曲したノズルアーム４５６内に送り、最終的に、円錐形状の出口オリフィス４５８を介して作業環境内に送ることができる。図１９のノズル４０５は、不活性ガスの位置及び流れをさらに位置決めするための円筒形状のシェル４６０を含む。このような環境で不活性ガスを供給することで、酸素を加熱された金属に到達させず、反応性金属の燃焼を制御することができる。
【００６２】
工具交換装置３００は、工具マガジン３０２の工具受渡位置Ａから次工具Ｔ２を取り出して工具交換位置Ｂに移送するための工具キャリア３１２も含む。図１１及び図１２ａ乃至図１２ｄに最良に示したように、工具キャリア３１２は、マガジンベース３０４に接続されるとともに工具受渡位置Ａから工具交換位置Ｂまで延びた移送レール３１４を含むことができる。搬送レール３１４には移送支持体３１６が摺動可能に接続されており、該移送支持体３１６は工具ポット３０８から工具受渡位置Ａに配置された次工具Ｔ２に係合するように構成されている。移送モータ３１８が移送支持体３１６に作動的に接続されており、該移送支持体３１６を工具受渡位置Ａと工具交換位置Ｂの間で往復させることによって次工具Ｔ２を工具ポット３０８から取り外す。
【００６３】
図示の工具交換装置３００は、主軸１４４に保持された先工具Ｔ１を工具交換位置Ｂに置かれた次工具Ｔ２と交換するための工具交換アセンブリ３２０をさらに含む。工具交換アセンブリ３２０は、マガジンベース３０４に支持され、該マガジンベース３０４に対して回転可能な交換シャフト３２２と、該交換シャフト３２２に接続された交換アーム３２４とを含むことができる。交換駆動部３２６が交換シャフト３２２に作動的に接続されており、該交換シャフト３２２を軸方向及び回転方向の両方に移動させる。
【００６４】
動作時、工具交換装置３００を用いて、主軸１４４に接続された工具を交換することができる。図１２（ａ）に示すように、工具マガジン３０２によって、次工具Ｔ２の回転割出が行われ該次工具Ｔ２が工具受渡位置Ａに配置される。図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）に示すように、移送支持体３１６が工具受渡位置Ａに配置された次工具Ｔ２に係合して該次工具Ｔ２を工具交換位置Ｂに移送する。次に、図１２（ｄ）に示すように、交換アーム３２４によって、主軸１４４に装着された先工具Ｔ１が移送支持体３１６に保持された次工具Ｔ２に交換される。その後、先工具Ｔ１は工具マガジン３０２の工具ポット３０８のうちの所定のものに戻すことができ、主軸１４４に装着された次工具Ｔ２を次の工程で用いることができる。
【００６５】
主軸１４４は、Ｘ軸及びＺ軸に沿った平行移動を可能にしているキャリッジアセンブリ１２０に取り付けられるとともに、主軸１４４をＹ軸方向に移動させるラム１３２に取り付けられる。ラム１３２には、以下により詳細に記載するように、モータが備え付けられており、主軸のＢ軸方向の回転が可能となっている。図示のように、キャリッジアセンブリは、２本のねじ状の垂直レール（一方のレールを１２６で示す）に沿って進む第１キャリッジ１２４を有しており、該第１キャリッジ１２４及び主軸１４４をＸ軸方向に平行移動させる。キャリッジアセンブリは、水平に配設された２本のねじ状のレール（一方を図３に１３０で示す）に沿って進む第２キャリッジ１２８も含んでおり、該第２キャリッジ１２８及び主軸１４４のＺ軸方向の移動を可能にしている。各キャリッジ１２４，１２８は、それぞれ、複数のボールねじ装置を介してレールに係合しており、これにより、レール１２６，１３０の回転によって当該キャリッジのＸ方向又はＺ方向の平行移動が生じる。レールには、それぞれ、水平に配設された又は垂直に配設されたレールのためのモータ１７０，１７２が備え付けられる。
【００６６】
主軸１４４は、主軸接続部及び工具保持部１０６によって工具１０２を保持する。主軸接続部１４５（図２に示す）は、主軸１４４に接続されるとともに該主軸１４４内に収納される。工具保持部１０６は、主軸接続部に接続され、工具１０２を保持する。当該技術分野では様々なタイプの主軸接続部が知られており、これらをコンピュータ数値制御機械１００とともに用いることが可能である。通常、主軸の寿命を理由に、主軸接続部は主軸１４４内に収納される。主軸１４４へのアクセスプレート１２２を図５及び図６に示す。
【００６７】
第１チャック１１０は、爪１３６を備え、コンピュータ数値制御機械１００のベース１１１に対して静止している台１５０に配設される。第２チャック１１２も爪１３７を備えるが、第２チャック１１２はコンピュータ数値制御機械１００のベース１１１に対して移動可能である。より具体的には、機械１００は、前述のようにボールねじ機構を介して第２台１５２をＺ方向に平行移動させるためのねじ状のレール１３８及びモータ１３９を備える。第２台１５２は、切屑除去を補助するために、傾斜した遠心面１７４と、Ｚ方向に傾斜した面１７７、１７８を備えたサイドフレーム１７６とを備える。チャック１１０、１１２のための、図１及び図２に示した圧力計１８２及び制御つまみ１８４のような油圧制御手段及び関連する表示器を設けることができる。各台は、当該チャックを回転させるためのモータ（それぞれ１６１，１６２）を備える。
【００６８】
タレット１０８は、図５、図６及び図９に最良に示しているが、同じくレール１３８に係合し、同様にボールねじ装置を介してＺ方向に平行移動させることができるタレット台１４６（図５）に取り付けられる。タレット１０８は、図９に図示したように、様々なタレット接続部１３４を備える。各タレット接続部１３４は、工具保持部１３５又は工具に接続するための他の接続部に接続することが可能である。タレット１０８は種々のタレット接続部１３４及び工具保持部１３５を有することが可能であるため、該タレット１０８によって種々の異なる工具を保持して操作することが可能である。タレット１０８をＣ’軸方向に回転させて、ワークに対して様々な工具保持部（ひいては、多くの実施形態において様々な工具）を使用することができる。
【００６９】
このように、幅広い多彩なオペレーションを実施することができることがわかる。工具保持部１０６に保持された工具１０２を参照すると、該工具１０２は、チャック１１０、１１２の一方又は両方に保持されたワーク（図示せず）に当てることができる。工具１０２の交換が必要である又は望ましいときは、工具交換装置１４３によって代わりの工具１０２を工具マガジン１４２から回収することができる。図４及び図５を参照すると、主軸１１４は、Ｘ及びＺ方向（図４に示す）並びにＹ方向（図５及び図６に示す）に平行移動させることができる。Ｂ軸回転を図７に示しているが、図示の実施形態は垂直線の両側に１２０度の範囲内での回転が可能になっている。Ｙ方向移動及びＢ軸回転は、キャリッジ１２４の裏にあるモータ（図示せず）から動力が供給される。
【００７０】
一般的に、図２及び図７に見られるように、機械は、機械チャンバ１１６の壁を画定するとともに切屑が該チャンバから出ないようするために、複数の垂直に配設されたリーフ１８０及び水平に配設されたリーフ１８１を備える。
【００７１】
機械１００の構成要素は前述のものに限定されない。例えば、追加のタレットを設けることができる例や、追加のチャック及び／又は主軸を設けることができる例がある。一般的に、機械は、機械チャンバ１１６内に冷却液を導入するための１又は複数の機構を備える。
【００７２】
図示の実施形態では、コンピュータ数値制御機械１００は多くの保持部を備える。チャック１１０は爪１３６とともに保持部を形成しており、チャック１１２も爪１３７とともに保持部を形成している。多くの例では、これらの保持部はワークの保持にも用いられる。例えば、チャック及び関連する台は、ワークを回転させるための主軸台及び任意で設けられる心押台として旋盤のような態様で機能する。主軸１１４及び主軸接続部１４５は別の保持部を形成している。同様に、タレット１０８は、複数のタレット接続部１３４が備え付けられると、複数の保持部を形成する（図９に示す）。
【００７３】
コンピュータ数値制御機械１００は、当該技術分野で知られている、或いは、適切であると考えられる種類が異なる多数の工具のいずれかを用いることができる。例えば、工具１０２は、フライス工具、穴あけ工具、研削工具、刃工具、ブローチ工具、旋削工具などの切削工具、又はコンピュータ数値制御機械１００と関連して適切であると見なされる他の種類の切削工具とすることができる。加えて又は代わりに、以下により詳細に説明するように、工具を付加製造技術に合わせて構成することができる。いずれの場合も、コンピュータ数値制御機械１００は二種類以上の工具を備えることができ、工具交換装置１４３及び工具マガジン１４２の機構を介して主軸１４４に工具を交換させることができる。同様に、タレット１０８は１又は複数の工具１０２を備えることができ、オペレータはタレット１０８を回転させて新たなタレット接続部１３４を適切な位置に持ってくることによって工具１０２の入れ替えを行うことができる。いくつかの例では、タレットはガス搬送ノズル４０１、４０２及び４０５の１又は複数を備えることができる。
【００７４】
コンピュータ数値制御機械１００を安全扉を開いた状態で図１０に図示している。図示したように、コンピュータ数値制御機械１００は、少なくとも、主軸１４４に配設された工具保持部１０６と、タレット１０８と、１又は複数のチャック又はワーク保持部１１０、１１２と、該コンピュータ数値制御機械１００のコンピュータ制御システムと連動するように構成されたユーザインタフェース１１４とを備えることができる。工具保持部１０６、主軸１４４、タレット１０８及びワーク保持部１１０、１１２はそれぞれ、加工領域１９０内に配設することができ、種々の軸の１つ又は複数に沿って相対的に選択的に回転可能及び／又は移動可能とすることができる。
【００７５】
図１０に示したように、例えば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸によって直交する移動方向を指し示すことができ、一方、Ａ、Ｂ及びＣ軸によって、それぞれ、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を中心とした回転方向を指し示すことができる。これらの軸は三次元空間での移動を説明しやすくするために設けたものであり、したがって、添付の特許請求の範囲に記載の範囲から逸脱することなく他の座標スキームを用いることもできる。加えて、移動の説明にこれらの軸を用いることは、互いに直交する実際の物理的な軸及び物理的に直交していない場合がある仮想軸を包含することを意図しているが、工具経路は、該仮想軸が物理的に直交しているかのように挙動するように制御装置によって操作される。
【００７６】
図１０に示した軸を参照すると、工具保持部１０６は、これを支持する主軸１４４のＢ軸について回転させることができ、一方、主軸１４４自体は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って移動可能とすることができる。タレット１０８は、Ｘ軸に実質的に平行であるＸＡ軸及びＺ軸に実質的に平行であるＺＡ軸に沿って移動可能とすることができる。ワーク保持部１１０、１１２は、Ｃ軸について回転可能とすることができ、さらに、加工領域１９０に対して１又は複数の軸に沿って独立して平行移動可能とすることができる。コンピュータ数値制御機械１００は６軸機として示しているが、移動軸の数は例示的なものにすぎず、該機械は、請求の範囲から逸脱することなく６軸よりも少ない又は多い軸方向への移動が可能であってもよいことが理解される。
【００７７】
コンピュータ数値制御機械１００は、付加製造工程を実施するための材料堆積アセンブリを含むことができる。例示的な材料堆積アセンブリ２００を、基板２０４に向けることが可能な作製エネルギービーム２０２を含めて図１３に概略的に図示している。材料堆積アセンブリ２００は、例えば、指向性エネルギー堆積に用いることができる。基板２０４は、チャック１１０、１１２などのワーク保持部の１つ又は複数によって支持することができる。材料堆積アセンブリ２００は、集中エネルギービーム２０８を基板２０４に向けることができる光学素子２０６をさらに含むことができるが、該光学素子２０６は、集中エネルギービーム２０８が十分に大きいエネルギー密度を有していれば省略することができる。作製エネルギービーム２０２は、レーザビーム、電子ビーム、イオンビーム、クラスタビーム、中性粒子ビーム、プラズマジェット又は単純放電（アーク）とすることができる。集中エネルギービーム２０８は、蒸発、飛び散り、浸食、衝撃波の相互作用又は他の動的作用によって基板材料を失わずに成長表面基板２０４の小部分を溶融してメルトプール２１０を形成するのに十分なエネルギー密度を有することができる。集中エネルギービーム２０８は、連続パスル状又は断続パルス状とすることができる。
【００７８】
メルトプール２１０は、基板２０４由来の液化した材料並びに加えられた供給材料を含むことができる。供給材料は供給粉体として供給することができ、該供給粉体は、１又は複数のノズル２１４から出る供給粉体／プロペラントガス混合物２１２の形態でメルトプール２１０上に向けられる。ノズル２１４は、供給粉体槽２１６及びプロペラントガス槽２１８と流体連通することができる。ノズル２１４は、供給粉体がメルトプール２１０に取り込まれるように、実質的に先端２１５又は物理的断面が最も小さい領域に集まることができる供給粉体／プロペラントガス混合物２１２の流れパターンを作成する。材料堆積アセンブリ２００を基板２０４に対して相対的に移動させる際、該アセンブリは基板２０４上にビーズ層を形成する工具経路を通過する。最初のビーズ層に隣接して又はこれの上に追加のビーズ層を形成して固体三次元物体を作製することができる。
【００７９】
用いられる材料及び求められる物体公差よっては、ネットシェイプ物体、即ち、意図された適用のためにさらなる加工が必要ない（研磨等は許容される）物体を形成することが可能であることも多い。求められる公差が材料堆積アセンブリ２００によって得られるものより精密であれば、除去仕上げ工程を用いることができる。追加の仕上げ加工が必要な場合、該仕上げ前の、材料堆積アセンブリ２００によって生成された物体をここでは「ニアネット形状」と称し、作製工程を完了させるためには若干の材料又は加工が必要であることを示す。
【００８０】
材料堆積アセンブリ２００は、図１４に最良に示したように、コンピュータ数値制御機械１００に組み込むことができる。この例示的な実施形態では、材料堆積アセンブリ２００は、上処理ヘッド２１９ａ及び下処理ヘッド２１９ｂを有する処理ヘッドアセンブリ２１９を含む。下処理ヘッド２１９ｂは、上処理ヘッド２１９ａに取り外し可能に接続されており、上処理ヘッド２１９ａを様々な下処理ヘッド２１９ｂとともに用いることが可能となっている。下処理ヘッド２１９ｂを交換可能であるということは、様々な堆積特性が望まれる場合、例えば、作製エネルギービーム２０２及び／又は供給粉体／プロペラントガス混合物２１２の様々な形状及び／又は密度が必要である場合に有利である。
【００８１】
より具体的には、上処理ヘッド２１９ａは、主軸１４４を含むことができる。複数のポートを主軸１４４に接続することができ、該ポートは、接続時に下処理ヘッド２１９ｂと連動するように構成される。例えば、主軸１４４は、供給粉体槽及びプロペラント槽を含むことができる供給粉体供給部（図示せず）と流体連通する供給粉体／プロペラントポート２２０を備えることができる。加えて、主軸１４４は、シールドガス供給部（図示せず）と流体連通するシールドガスポート２２２及びクーラント供給部（図示せず）と流体連通するクーラントポート２２４を備えることができる。供給粉体／プロペラントポート２２０、シールドガスポート２２２及びクーラントポート２２４は、個々に、又は束ねられた管路、例えば管路アセンブリ２２６などを介して各々の供給部に接続することができる。
【００８２】
上処理ヘッド２１９ａは、作製エネルギー供給部（図示せず）に作動的に接続された作製エネルギーポート２２８をさらに含むことができる。図示の実施形態では、作製エネルギー供給部は、主軸１４４のハウジング内に延びるレーザファイバ２３０によって作製エネルギーポート２２８に接続されたレーザである。レーザファイバ２３０は、主軸１４４の本体内を進むようにしてもよく、この場合、作製エネルギーポート２２８は、主軸１４４の底部に形成されたソケット２３２内に配置することができる。したがって、図１４の実施形態では、作製エネルギーポート２２８はソケット２３２の内部に配設されており、一方、供給粉体／プロペラントポート２２０、シールドガスポート２２２及びクーラントポート２２４はソケット２３２に隣接して配設されている。上部処理ポート２１９ａは、エネルギービームを形作るための追加の光学素子、例えば、コリメーションレンズ、部分反射ミラー又は湾曲ミラーなどをさらに含むことができる。
【００８３】
上処理ヘッド２１９ａは、複数の下処理ヘッド２１９ｂの１つに選択的に接続することができる。図１４に示したように、例示的な下処理ヘッド２１９ｂは、一般的に、ベース２４２と、光学チャンバ２４４と、ノズル２４６とを含むことができる。加えて、エネルギービームに対するノズル２４６の位置及び／又は向きを平行移動又は回転させる、或いは調節するためにノズル調節アセンブリを設けることができる。ベース２４２は、下処理ヘッド２１９ｂと上処理ヘッド２１９ａとが解除可能に係合できるようにソケット２３２の内部に密接に嵌合するように構成される。図１４の実施形態では、ベース２４２は、作製エネルギーポート２２８に取り外し可能に接続するように構成された作製エネルギーインタフェース２４８も含む。光学チャンバ２４４は、何も含んでいなくても、最終光学装置、例えば、所望の集中エネルギービームを形成するように構成された集束光学素子２５０などを含んでいてもよい。下処理ヘッド２１９ｂは、それぞれ供給粉体／プロペラントポート２２０、シールドガスポート２２２及びクーラントポート２２４と作動的に接続するように構成された供給粉体／プロペラントインタフェース２５２、シールドガスインタフェース２５４及びクーラントインタフェース２５６をさらに含むことができる。
【００８４】
ノズル２４６は、供給粉体／プロペラントを所望の対象領域に向けるように構成することができる。図１６に図示した実施形態では、ノズル２４６は、ノズル内壁２７２から間隔を空けたノズル外壁２７０を含み、該ノズル外壁２７０とノズル内壁２７２との間の空間に粉体／プロペラントチャンバ２７４を画定している。粉体／プロペラントチャンバ２７４は、一端が供給粉体／プロペラントインタフェース２５２と流体連通しており、他端はノズル出口オリフィス２７６を終点としている。例示的な実施形態では、ノズル出口オリフィス２７６は環状形状を有するが、それ以外では、ノズル出口オリフィス２７６は本開示の範囲を逸脱することなく他の形状を有することができる。粉体／プロペラントチャンバ２７４及びノズル出口オリフィス２７６は、１又は複数の供給粉体／プロペラントジェットを所望の収束角度で形成するように構成することができる。図示の実施形態のノズル２４６は、円錐形の粉体／プロペラントガスジェットを１つだけ搬送することができる。しかしながら、ノズル出口オリフィス２７６は複数の分散した粉体／プロペラントガスジェットを形成するように構成することができることが認識されるであろう。またさらに、生じる粉体／プロペラントガスジェットは、円錐形以外の形状を有することができる。
【００８５】
ノズル２４６は、さらに、作製エネルギービームが対象領域に向かって進む際に該ノズル２４６を通過可能なように構成することができる。図１６に最良に示したように、ノズル内壁２７２は、光学チャンバ２４４及び任意で設けられる集束光学素子２５０と整列した作製エネルギー出口２８２を有する中央チャンバ２８０を画定する。よって、ノズル２４６は、作製エネルギーのビームが該ノズル２４６を通過して下処理ヘッド２１９ｂから出ていけるようになっている。
【００８６】
代替実施形態では、図１５に最良に示したように、上処理ヘッド２１９ａ’は、主軸１４４のハウジングの外に作製エネルギーポート２２８を設けることができる。この実施形態では、作製エネルギーポート２２８は、主軸１４４の側部に設けられたエンクロージャ２６０に配置され、したがって、該ポートは、上記の実施形態とは異なり、ソケット２３２内に設けられていない。エンクロージャ２６０は、作製エネルギーを主軸１４４のソケット２３２の下方に向けるための第１ミラーを含む。代替的な下処理ヘッド２１９ｂ’は光学チャンバ２４４を含み、該光学チャンバ２４４は、作製エネルギーがエンクロージャ２６０から該光学チャンバ２４４の内部までの間に通過することができる作製エネルギーレセプタクル２６４を含む。光学チャンバ２４４は、ノズル２４６を通過して所望の対象位置に向かう作製エネルギーの向きを転換するための第２ミラー２６６をさらに含む。
【００８７】
例示的な実施形態では作製エネルギーを処理ヘッドアセンブリ２１９に組み込んでいるが、作製エネルギーは処理ヘッドアセンブリ２１９から独立して供給することができることが認識されるであろう。即ち、別のアセンブリ、例えば、タレット１０８、第１チャック１１０、第２チャック１１２又は機械１００に設けた専用のロボットなどを用いて作製エネルギーを基板２０４に向けることができる。この代替的な実施形態では、処理ヘッドアセンブリ２１９は、作製エネルギーポート、作製エネルギーインタフェース、作製エネルギー出口、光学チャンバ及び集束光学素子を省略することになる。
【００８８】
処理ヘッドアセンブリ２１９がいくつかの下処理ヘッド２１９ｂのうちのいずれか１つと選択的に接続するように構成された上処理ヘッド２１９ａを有する場合、コンピュータ数値制御機械１００を様々な付加製造技術に合わせて素早く且つ容易に構成し直すことができる。工具マガジン１４２は下処理ヘッド２１９ｂのセットを保持することができ、該セットの各下処理ヘッドは特定の付加製造工程に適した独自の仕様を有する。例えば、各下処理ヘッドは、それぞれ異なる種類の光学素子やインタフェース並びに異なるノズル角度を有することができ、これらにより基板上への材料の堆積の態様が変えられる。様々な付加製造技術を用いて部品を形成しなければならない（又は複数の異なる技術を用いるとより素早く且つ効率的に形成できる）場合、工具交換装置１４３を用いて主軸１４４に接続された堆積ヘッドを素早く且つ容易に交換することができる。図１４及び図１５に図示した例示的な実施形態では、１つの取付工程だけを用いてエネルギー供給部、供給粉体／プロペラントガス供給部、シールドガス供給部及びクーラント供給部を堆積ヘッドに接続することができる。同様に、１つの接続解除工程で取り外しを終えることができる。よって、機械１００を様々な材料堆積技術に合わせてより素早く且つ容易に変更することができる。
【００８９】
付加製造能力を有する従前の機械では、該機械で用いられる供給粉体は、通常、比較的直径が小さい（例えば、約５〜５０ミクロン）ビーズを有する。反応性金属は酸素のような余分なガスを吸収してしまうため、溶融処理時又は高温時にこのようなガスが存在すると反応性金属の燃焼を監視及び／又は制御しなければならない。直径の小さいビーズを用いることから、供給粉体は非常に反応しやすく、酸素又はその他の大気ガスにさらされると燃焼する傾向がある。
【００９０】
供給粉体のビーズの直径が変わると、該ビーズの質量に対する表面積が変わる。燃焼反応は金属粉末が酸素にさらされる粉体表面で起こるので、粉末ビーズの直径を大きくすると粒子の質量に対する反応表面積の割合が減少する。これにより、結果として、付加製造工程における加熱時の金属の反応性が低下する。したがって、ビーズの直径を大きくした供給粉体は、ビーズが小さい供給粉体より低い燃焼性を有することができる。よって、反応性金属からなる粉体のビーズの直径は、具体的には、酸化の際に発火を抑制するように設定することが可能である。
【００９１】
例えば、チタン合金は１００ミクロンを超える直径を有する粉体として生成することができ、このような粉体は、より小さい直径（例えば、５〜５０ミクロン）を有する同材料からなる粉体よりも燃焼性、爆発性又は可燃性が低いことが示されている。より具体的には、１０６〜１８０ミクロンの直径を有するＴｉ６Ａｌ４Ｖ合金粉体を生成することができ、これは、燃焼、可燃性及び爆発への耐性が増すことが示されている。
【００９２】
このような直径を大きくしたビーズを有する供給粉体を、図１乃至図１２の前記機械１００、図１３の材料堆積アセンブリ２００及び／又は図１４乃至図１６の処理ヘッドアセンブリ２１９を使用する付加製造システム、方法及び工程に用いることができる。付加製造及び関連する機械（例えば、機械１００）で比較的大きいビーズ径を有する供給粉体を使用すると、真空又は不活性ガスの完全除去を必要とすることなく反応性金属を安全に堆積することを可能にすることができる。このような粉体は、不活性ガスを介した局所シールドと併せて用いることができる。
【００９３】
よって、機械１００、処理ヘッドアセンブリ２１９及び／又は他の付加製造機械、システム及び／又は装置とともに用いる供給粉体４７０の例示的な、顕微鏡により拡大した例を図２０に図示している。供給粉体４７０は、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖなどのチタン合金などの反応性金属からなるが、これに限定されない。よって、供給粉体４７０は、このように、少なくとも複数の粉末ビーズ４７２を含む粉末状の反応性金属である。当然のことながら、図示の複数の粉末ビーズ４７２は４つの粉末ビーズ４７２Ａ、４７２Ｂ、４７２Ｃ、４７２Ｄを有しているが、複数の粉末ビーズ４７２は粉末ビーズ４７２をいくつ含んでいてもよい。各粉末ビーズは、一般的に、図示したように、実質的に球状であるが、他の形状ももちろん可能である。粉末ビーズ４７２はそれぞれ対応するビーズ径４７４を有する。各粉末ビーズ４７２は大きさが実質的に同じであるので、各ビーズ径４７４は実質的に同じである。
【００９４】
各粉末ビーズ４７２のビーズ径４７４は、理想ビーズ径４７６に実質的に合致するように設定される。よって、各ビーズ径４７４は理想ビーズ径４７６と実質的に同じである。理想ビーズ径４７６は、供給粉体４７０が粉末状の材料の酸化の際に発火しないような設定とされ、これは、上記で説明したように、供給粉体４７０の反応性金属などの反応性金属を用いた付加製造工程を実施するのに理想的な条件である。理想ビーズ径４７６は、様々な反応性金属及び／又は合金ごとに異なってもよい。しかしながら、いくつかの例では、ビーズ径４７２を１００より大きくすると粉末状の材料の酸化の際に発火が抑制され、故に、理想ビーズ径４７６を１００ミクロンより大きいビーズ径とすることができる。いくつかのさらなる例では、ビーズ径４７２が１０６から１０８ミクロンの範囲内であるときに供給粉体４７０の発火を抑制することができ、故に、理想ビーズ径４７６を１０６から１８０ミクロンの範囲とすることができる。理想ビーズ径４７６の１０６から１８０ミクロンの範囲は、反応性材料としてＴｉ６ＡＶｌ４Ｖが選択されたときに有用に用いることができる。
【００９５】
上述したように、機械１００は、１又は複数のノズル４０１、４０２、４０５を使用して造形物体又は造形物体の一部を酸素などの環境ガスから保護することができる。図２１に、機械１００内の作業環境の一例４１０を図示しており、ここでは付加製造が行われ、造形面４１４上に造形物体４１２が作られる。これを達成するために、図示の作業空間４１０内で作業を行う機械１００、その構成要素及び／又はここに開示したその他の装置を、造形物体４１２を製造するためのシステム４８０として使用することができる。造形物体４１２は、付加製造ツール、例えば前記処理ヘッド２１９などを使用して付加製造することができる。造形物体４１２の造形時、該造形物体４１２の製造に使われる粉末状の反応性材料（例えば、供給粉体４７０）は、溶融堆積のために非常に高い温度まで加熱される。例えば、造形物体４１２を不活性ガス（例えば、アルゴンガス）で保護することで適切な予防措置が取られなかった場合、造形物体４１２を造形するために堆積された材料の酸化が起こり得る。このような酸化によって造形物体４１２の純度が損われることがある。
【００９６】
このような高温では、図２１の造形物体４１２のドット部分で例示したように、造形物体の一部分が適切な温度まで冷却されないことがあり、この部分は造形物体４１２の「ホットテール」４１６と称されることがある。ホットテール４１６は、具体的には、付加製造工程中の酸化に弱いことがある。したがって、第１ガス搬送ノズル４０１、第２ガス搬送ノズル４０２及びガス搬送ノズル４０５の１つ又は複数を使用するシステム及び方法を用いて、造形物体４１２を有害な酸化から保護するための不活性ガスを選択的に搬送することができる。
【００９７】
ガス搬送ノズルを１つだけ使用して機械１００内の造形チャンバ全体に充満させると、造形処理において、複数の制御されたノズルを使用して造形物体４１２のガスが必要な箇所に当該ガスを供給する場合には必要ないであろう余分なガスを使うことになり得る。とりわけ、機械１００は、具体的には、第１ガス搬送ノズル４０１及び第２ガス搬送ノズル４０２を制御して、不活性ガスシールド４２０を造形チャンバ内の特定の領域に選択的に供給することができる。例えば、機械１００を制御して、第１ガス搬送ノズル４０１及び第２ガス搬送ノズル４０２の一方又は両方の向きを、不活性ガスがホットテール４１６に近接する領域に供給されるような向きとすることができる。
【００９８】
このようなガス搬送ノズル４０１、４０２、４０５及び／又は処理ヘッド２１９の制御（例えば、ツールパスの制御）は制御装置４８２によって実施することができ、該制御装置４８２は、機械１００及び／又はシステム４８０の制御装置又はこれらと作動的に関連する制御装置（例えば、上述のコンピュータ制御システム、その要素及び／又は機械１００と関連するその他の制御装置）とすることができる。これを達成するために、制御装置４８２は、造形物体４１２及び処理ヘッド２１９の一方又は両方に対するノズル４０１、４０２の位置決めを制御するように構成することができる。当然のことながら、上述のように、作業環境４１０において除去製造ツールをシステム４８０の一部として使用することができ、このような例では、制御装置４８２は、該除去製造ツールによる造形物体４１２の加工を制御するように構成することができる。
【００９９】
かくして、機械１００は、例えば制御装置４８２を介して、第１及び第２ガス搬送ノズル４０１、４０２の移動を制御するように構成することができる。ノズル４０１、４０２の移動は、いずれかの移動軸及び／又は回転軸方向とすることができる。加えて、具体的には、ガス搬送ノズル４０１、４０２を、造形物体４１２の造形パターンに基づく経路に沿うように制御することができる。
【０１００】
加えて又は代わりに、ガス搬送ノズル４０１、４０２を、造形物体４１２用の材料の堆積を行う際、造形物体４１２のホットテール４１６の一部に当たる部分に沿うように制御することができる。このような例では、システム４８０は、造形物体４１２のホットテール４１６の有無及び／又は位置を判断するように、及び／又はホットテール部分４１６の有無及び／又は位置を示すデータを供給するように構成された１又は複数のセンサ４８４を含むことができる。これを達成するために、センサ４８４は、ホットテール４１６の位置を正確に特定することが可能な又はホットテール４１６の位置を示すデータを制御装置４８２に送出することが可能な視覚又は熱感知装置を含むことができる。よって、制御装置４８２は、ノズル４０１、４０２の位置決めを、少なくとも一部は、ホットテール４１６の位置に基づいて制御するように構成することができる。ノズル４０１、４０２の制御、配置、回転及び／又は動きは、上述したように、機械１００の工具の制御に用いられる機械１００の要素及び／又はシステムによって実施することができる。
【０１０１】
このような限定的な不活性ガスシールドを実行するために用いられるノズルは、特定用途向けとすることができ、機械１００内でのガスの使用を最小限にするように構成することができる。さらに、造形物体の特徴（例えば、フランジなど）は造形時にタービュランスを引き起きす可能性があり、これにより酸素が危険な加熱領域に引き込まれる。補助的なノズル、例えばノズル４０１、４０２及び４０５などを用いることにより、この問題に対処して酸化を避けることができる。加えて、機械１００の他の要素に配置された又はこれと関連するノズルからさらなるガス搬送を行うことができる。例えば、指向性不活性ガス搬送を効率的に行ってシールドするために、タレット１０８と関連するガス搬送ノズルを採用することができる。
【０１０２】
ここで図２２を参照すると、機械１００の内部図が、付加製造ツール４３０及びフレキシブル造形サポートエンクロージャ４３１を含めて示されており、該フレキシブル造形サポートエンクロージャ４３１は、例えば、付加製造ツール４３２による付加製造時に造形物を少なくとも部分的に不活性ガス環境に収容するための袋体４３２である、又はこれを含む。袋体４３２に不活性ガスを充満させて造形物体における酸化を防ぐことができる。袋体４３２を用いることにより、使用する不活性ガスの量を減らし、酸素又は他の環境ガスからの保護を特に必要とする造形領域及び／又はホットテールに集中させることができる。このように、フレキシブル造形サポートエンクロージャ４３１は、作製時に機械１００内で造形物体を環境ガスから保護することができる。
【０１０３】
図示のように、袋体４３２は、回転部材、例えばチャック１１０などの周囲に取り付けることができ、これにより、チャック１１０は袋体の弾性によって付加製造ツール４３２の移動を制限することなく回転することができる。これは、チャック１１０と同心であるベアリング４３４を用いて袋体４３２をチャック１１０に取り付けることによって実施され、よって袋体４３２はチャック１１０が回転する際には回転しない。袋体４３２はチャック１１０に回転可能に取り付けられて示されているが、機械１００内の、不活性ガスエンクロージャを要する他の要素に回転可能に取り付けることもできる。
【０１０４】
付加製造ツールによる付加製造時に基板４４２上の造形物を不活性ガス環境に収容するための袋体の別の例４４０を図２３に示している。袋体４４０は開口部４４４を有することができ、付加製造ツールは該開口部４４４内に進入して基板４４０の上に造形物体を造形することができる。袋体４４０は、物体造形処理時に例えば面４４６の移動とともに回転しないように構成することができる。
【０１０５】
ここで図２４を参照すると、造形物体を付加製造するための例示的な方法５００がブロック図で図示されている。方法５００は、機械１００と関連する又は機械１００の一部である要素のいずれか又は全てを含む前述のシステム、方法及び装置のいずれかを使用することができる。方法５００は、具体的には、付加製造工程中に造形物体の酸化を防ぐように構成することができる。
【０１０６】
方法５００は、上述した機械１００の１つ又は複数の要素及び／又はシステム４８０を使用して実施することができるがこれに限定されないものであり、造形物体４１２の作製に用いる反応性材料が選択されるブロック５１０から開始される。いくつかの例では、造形物体の作製に用いる反応性材料を選択することは、前述のように該反応性材料としてチタン合金を選択することを含む。さらに、いくつかの例では、造形物体の作製に用いる反応性材料を選択することは、該反応性材料としてＴｉ６ＡＶｌ４Ｖを選択することを含む。
【０１０７】
前記反応性材料が選択されると、その後、ブロック５２０に示したように、理想ビーズ径４７６を決定することができるが、理想ビーズ径４７６は、前記反応性材料の酸化の際に粉末状の前記反応性材料の発火が抑制される直径である。上述のように、このような理想ビーズ径４７６の決定は、１００ミクロンより大きいビーズ径を前記理想ビーズ径４７６として決定することを含むことができる。さらに、上述したようないくつかの例では、理想ビーズ径を決定することは、１０６〜１８０ミクロンの範囲のビーズ径を前記理想ビーズ径として決定することを含む。
【０１０８】
前記理想ビーズ径４７６が選択されると、ブロック５３０に示したように、方法１００は、前記反応性材料から粉末状反応性材料（例えば、供給粉体４７０）を形成することをさらに含んでおり、該粉末状反応性材料は複数の粉末ビーズ４７２を含む。各粉末ビーズ４７２は前記理想ビーズ径４７６と実質的に同じであるビーズ径４７４を有する。前記粉末状反応性材料が構成されると、方法１００は、さらに、ブロック５４０に示したように、該粉末状材料の付加製造ツール（例えば、処理ヘッド２１９）への供給、及び、ブロック５５０に示したように、一連の反復動作を通じた溶融状態の該粉末状材料の堆積による造形物体の作成へと進む。
【０１０９】
いくつかの例では、方法５００は、ブロック５６０に示したように、造形物体の作製時に不活性ガスを用いて該造形物体を選択的に保護することをさらに含むことができる。このような保護は、１又は複数のノズル４０１、４０２、４０５を使用して、及び／又はフレキシブル造形サポートエンクロージャ４３１を使用して実行することができる。いくつかの例では、方法１００は、必要に応じて、機械１００の１又は複数の除去製造ツールを用いて前記造形物体を加工することをさらに含むことができる。
【０１１０】
ここに引用した、出版物、特許出願及び特許を含む全ての参考文献は参照により本明細書に組み込む。ある特定の実施形態を「好ましい」実施形態とする記述及び実施形態、特徴又は範囲を好ましいとするその他の記載は、制限的なものとみなされず、特許請求の範囲は、現在はそれほど好ましくはないと考えられ得る実施形態を包含するものとみなされる。ここに説明した全ての方法は、特に記載のない限り、或いは文脈により明確に否定されない限り、任意の適切な順序で実施することが可能である。ここに挙げた全ての例又は例示的な文言（例えば、「など」）の使用は、開示した主題を明確にすることを意図しており、請求の範囲に制限を課すものではない。例示的な実施形態の性質又は利点に関するここでの陳述は制限的なものであることを意図しておらず、添付の特許請求の範囲はこのような陳述により制限されるとみなされるべきではない。より全般的には、明細書におけるどの文言も、非請求要素を請求された主題の実施に必要不可欠であると示していると解釈されるべきでない。請求の範囲は、適用法により認められている場合、該請求の範囲に挙げた主題の全ての変更形態及び均等物を含む。さらに、その全ての可能な変形形態おける上述した要素のどのような組み合わせも、特に記載のない限り、或いは文脈により明確に否定されない限り、特許請求の範囲に包含される。参考文献又は特許についてのここでの記述は、「先行」と示されていたとしても、当該参考文献又は特許は本開示に対する先行技術として利用可能であるという容認を構成することを意図していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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