(57)【要約】  基板上に三次元造形物体を形成するためのシステム及び方法は、付加材料が堆積される第１処理ステップ中はエネルギービーム源を第１モードで制御することを含む。加えて、方法は、付加材料が堆積されない第２処理ステップ中はエネルギービーム源を第２モードで制御することを含む。第１処理ステップでは、付加材料を対象領域に堆積させながら溶融させることによって形体を形成することができる。第２処理ステップでは、対象領域を予熱又は加熱して温度勾配を制御することができる。
2019518873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加材料からなる互いに融合される各層を順次堆積させることによって基板上に三次元造形物体を形成する方法であって、
前記基板の第１の領域に付加材料が堆積される第１処理ステップ中はエネルギービーム源を第１モードで制御することと、
前記基板の前記第１の領域に付加材料が堆積されない第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を第２モードで制御することを備えた方法。
【請求項２】
前記第２処理ステップは、堆積前の予熱又は堆積後の再加熱の一方である請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記付加材料は高炭素鋼である請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御することは、温度目標を得るための前記エネルギービーム源の閉ループ制御である請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記閉ループ制御は、エネルギービーム継続時間値、表面温度値及びエネルギービームパワー値を含む制御変数群から選択される制御変数に基づく請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御することは、温度目標を得るための前記エネルギービーム源の開ループ制御である請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記開ループ制御は予め定めた方法に基づく請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記温度目標は冷却速度である請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記温度目標は、前記造形物体の温度を前記付加材料の融点より低く維持することである請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御することは、前記エネルギービーム源によって生成されるエネルギービームを拡散させることである請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記エネルギービーム源を前記第１モードで制御することは、前記エネルギービーム源からのエネルギービームによって第１速度率で前記第１の領域を横断することであり、
前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御することは、前記エネルギービーム源からの前記エネルギービームによって前記第１速度率より大きい第２速度率で前記第１の領域を横断することである請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記付加材料は鋳鉄である請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記エネルギービーム源は、前記付加材料を溶融させるのに十分な第１パワーレベルを有する第１エネルギービーム領域と、前記付加材料を溶融させるのに不十分な第２パワーレベルを有する第２エネルギービーム領域とを含み、
前記エネルギービーム源を前記第１モードで制御することは、前記第１エネルギービーム領域を前記第１の領域に向けることであり、
前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御することは、前記第２エネルギービーム領域を前記第１の領域に向けることである請求項１記載の方法。
【請求項１４】
付加材料からなる互いに融合される各層を順次堆積させることによって基板上に三次元造形物体を形成する方法であって、
第１の領域に付加材料が堆積される第１処理ステップ中はエネルギービーム源を第１モードで制御することと、
前記第１の領域に付加材料が堆積される第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を第２モードで制御することを備え、
前記第１モードにおける前記エネルギービーム源は、前記付加材料を溶融させるのに十分なパワー密度を有し、
前記第２モードにおける前記エネルギービーム源は、前記第２処理ステップ中に堆積される前記付加材料を溶融させるのに十分な溶融要素及び該溶融要素に加えて補助要素を備えたパワー密度を有する方法。
【請求項１５】
前記エネルギービーム源は、前記付加材料を溶融させるのに十分な第１パワーレベルを有する第１エネルギービーム領域と、前記付加材料を溶融させるのに不十分な第２パワーレベルを有する第２エネルギービーム領域とを含み、
前記エネルギービーム源を前記第１モードで制御することは、前記第１エネルギービーム領域を前記第１の領域に向けることであり、
前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御することは、前記第２エネルギービーム領域を前記第１の領域に向けることである請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
基板上に付加材料を堆積させて三次元造形物体を形成するための付加製造装置であって、
エネルギービームを基板上に向けるように構成され、前記付加材料を溶融させるのに十分なパワー密度を備えた第１モード及び前記付加材料を溶融させるのに不十分なパワー密度を備えた第２モードを有するエネルギービーム源と、
前記基板上に前記付加材料を堆積させるように構成されたノズルと、
前記エネルギー源に作動的に接続され、
前記基板の第１の領域に付加材料が堆積される第１処理ステップ中は前記エネルギービーム源を前記第１モードで制御し、前記基板の前記第１の領域に付加材料が堆積されない第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御するようにプログラムされた制御装置とを備えた装置。
【請求項１７】
前記エネルギービーム源は、前記付加材料を溶融させるのに十分な第１パワー密度を有する第１エネルギービーム領域と、前記付加材料を溶融させるのに不十分な第２パワー密度を有する第２エネルギービーム領域とを含み、
前記制御装置は、さらに、前記第１エネルギービーム領域を前記第１の領域に向けることによって前記エネルギービーム源を前記第１モードで制御し、前記第２エネルギービーム領域を前記第１の領域に向けることによって前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御するようにプログラムされた請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記第２エネルギービーム領域は前記第１エネルギービーム領域を囲んでいる請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
前記付加材料は高炭素鋼である請求項１６記載の装置。
【請求項２０】
前記付加材料は鋳鉄である請求項１６記載の装置。
【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、付加製造工程において温度を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荒加工技術（例えば、鋳造、転造、鍛造、押出し、スタンピング）と仕上げ加工技術（例えば、機械加工、溶接、はんだ付け、研磨）の組み合わせにより材料を所望の形状及び組立部品に加工している。最終的な使用可能な形状（「ネットシェイプ」）の複雑な組立部品を生産するには、適切な形状の所望の材料で部品を形成することだけでなく、部品に所望の冶金的特性（例えば、様々な熱処理、加工硬化、複雑なミクロ組織）の組み合わせを与えることも必要である場合が多く、通常、時間、工具及び労力の点でかなりの投資が必要である。
【０００３】
前記荒工程及び仕上げ工程の１つ又は複数は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械などの製造センタを用いて実施することができる。ＣＮＣ工作機械は、製造工程を自動化するために、精密にプログラムされた指令を用いる。このような指令は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）及び／又はコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）プログラムを用いて生成することができる。ＣＮＣ機械の例として、ミーリング加工機、旋盤、ミルターン加工機、プラズマ切断機、放電加工機（ＥＤＭ）及びウォータージェット切断機が挙げられるが、これらに限定されない。複数の工具タイプを有しており、複数の異なる加工工程を実施可能な単一の機械を提供するＣＮＣマシニングセンタが開発されている。このようなマシニングセンタは、基本的に、１又は複数の工具を保持する主軸保持部やタレット保持部などの１又は複数の工具保持部と、一対のチャックなどのワーク保持部とを備えることができる。ワーク保持部は、工具がワークに当接して、該ワークから材料が除去される除去製造工程を実施する間、静止状態であっても移動（平行移動及び／又は回転移動）してもよい。
【０００４】
原価、費用、複雑さやその他の要因から、従来の除去製造ステップの全て又は一部の代わりとなるであろう付加製造技術が開発されている。ワークから材料を精密に除去することを重視している除去製造工程とは対照的に、付加製造工程は、通常はコンピュータ制御環境において、連続した材料層を作成することによって材料を付加して三次元物体を形成するものである。このような三次元物体を本明細書では「造形物体」と称する。付加製造技術は、効率を改善するとともに無駄を削減することができ、その上、従来の製造技術を用いた場合には複数の構成部品から組み立てなくてはならないような複雑な構造を継ぎ目なく作製することを可能にするなどして製造能力を拡大することができる。本明細書及び添付の特許請求の範囲では、「複数」という語は、一貫して、「２つ以上」を意味すると解釈される。除去工程を付加技術で置き換え可能な状況は、付加工程での使用に利用可能な材料の範囲や、付加技術を用いて達成可能なサイズ及び表面仕上げ、材料を付加できる速度などのいくつかの要因に依存している。付加工程は、すぐに使用できる状態の複雑な精密ネットシェイプ部品を有利に作製することが可能である。しかしながら、場合によっては、付加工程は、ある程度の仕上げを必要とする「ニアネットシェイプ」製品を生産することもできる。
【０００５】
付加製造技術には、レーザ焼結，レーザ溶融，電子ビーム溶融などの粉末床溶融結合処理、レーザ直接積層，レーザクラッディングなどの指向性エネルギー堆積処理、熱溶解積層などの材料押出し、連続式又はドロップ・オン・デマンド式を含む材料噴射、結合剤噴射、液槽重合、超音波積層造形を含むシート積層が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの指向性エネルギー堆積処理では、小さな基板材料のプールを溶融させる集束レーザビーム内に１又は複数のノズルから粉体が注入される。該プールに接触する粉体が溶融して基板上に堆積物を生成する。
【０００６】
高炭素鋼などの脆性材料の指向性エネルギー堆積及び該材料への指向性エネルギー堆積は、割れ発生のレベルが高いため難しい。加えて、いくつかの応用では、付加製造工程は、当該幾何学的形状を造形した結果、或いは、用いた造形戦略、熱膨張が大きく異なる材料の使用又はその他の要因の結果、高い残留応力が生じる可能性がある。割れを減少させるためには、レーザ堆積工程中に形成される温度勾配をできるだけ小さく保つべきである。堆積物の最初の層は、基板の初期温度が周囲温度と同じであるため、それ以降の層よりも大きい熱応力を示し、よって、この層について温度勾配が最も大きくなる。新たな材料層が順次堆積されるにつれて、基板に熱が伝導され、これがヒートシンクの役割を果たす。工程が進むにつれて、基板に熱が蓄積するとともに熱勾配が小さくなり、割れのリスクが低下する。いくつかの応用では、予熱を行い、材料の冷却速度を遅くすることによって割れを減少させることが可能である。予熱によって熱勾配が小さくなり、これにより堆積物及び該堆積物の周囲の領域の冷却速度が遅くなる。
【０００７】
これまで、造形物体全体を（基板とともに又は基板は除いて）加熱炉で加熱することでこのような予熱がなされてきた。加熱炉での加熱はより均一な温度分布が得られるが、通常、補助的な装置を伴うものであり、付加製造機械と加熱炉との間での造形物体の搬送を必要となり、付加製造工程が中断される。さらに、付加材料の指向性エネルギー堆積に用いられる既存の機械に加熱炉を一体化させることはあまりに難しく、また、費用がかかる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に開示するシステム及び方法は、付加製造工程中に基板及び／又は造形物体の加熱及び冷却速度を選択的に制御するものである。いくつかの実施形態では、付加材料の堆積前に基板及び／又は造形物体を所望の速度で所望の温度まで予熱する。他の実施形態では、堆積後に基板及び／又は造形物体を選択的に再加熱し、該造形物体及び／又は基板が所望の温度となるまで冷える速度を制御する。
【０００９】
本開示のある態様によれば、付加材料からなる互いに融合される各層を順次堆積させることによって基板上に三次元造形物体を形成する方法が提供される。この方法は、前記基板の第１の領域に付加材料が堆積される第１処理ステップ中はエネルギービーム源を第１モードで制御することと、前記基板の前記第１の領域に付加材料が堆積されない第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を第２モードで制御することを備える。
【００１０】
本開示の付加的な態様によれば、付加材料からなる互いに融合される各層を順次堆積させることによって基板上に三次元造形物体を形成する方法であって、第１の領域に付加材料が堆積される第１処理ステップ中はエネルギービーム源を第１モードで制御することと、前記第１の領域に付加材料が堆積される第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を第２モードで制御することを備え、前記第１モードにおける前記エネルギービーム源は、前記付加材料を溶融させるのに十分なパワー密度を有し、前記第２モードにおける前記エネルギービーム源は、前記第２処理ステップ中に堆積される前記付加材料を溶融させるのに十分な溶融要素及び該溶融要素に加えて補助要素を備えたパワー密度を有する方法が提供される。
【００１１】
本開示のさらなる態様によれば、基板上に付加材料を堆積させて三次元造形物体を形成するための付加製造装置が提供される。この装置は、エネルギービームを前記基板上に向けるように構成され、前記付加材料を溶融させるのに十分なパワー密度を備えた第１モード及び前記付加材料を溶融させるのに不十分なパワー密度を備えた第２モードを有するエネルギービーム源と、前記基板上に前記付加材料を堆積させるように構成されたノズルと、前記エネルギー源に作動的に接続された制御装置とを備える。前記制御装置は、前記基板の第１の領域に付加材料が堆積される第１処理ステップ中は前記エネルギービーム源を前記第１モードで制御し、前記基板の前記第１の領域に付加材料が堆積されない第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を前記第２モードで制御するようにプログラムされている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
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示した実施形態を参照すべきである。
【００１３】
【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。
【００１４】
【図２】図１に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。
【００１５】
【図３】図１及び図２に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。
【００１６】
【図４】加工主軸、並びに主軸が平行移動時に介することができる水平及び垂直に配設されたレールを示した、図３より拡大した斜視図である。
【００１７】
【図５】図１に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。
【００１８】
【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。
【００１９】
【図７】図１に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。
【００２０】
【図８】図３に示した第２チャックの、図３より拡大した斜視図である。
【００２１】
【図９】図２に示した第１チャック及びタレットの斜視図であり、図２における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。
【００２２】
【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。
【００２３】
【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。
【００２４】
【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。
【００２５】
【図１３】図１のコンピュータ数値制御機械とともに使用する材料堆積アセンブリの概略説明図である。
【００２６】
【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。
【００２７】
【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。
【００２８】
【図１６】図１４の材料堆積アセンブリで使用される下処理ヘッドの、一部を断面図で示した側面立面図である。
【００２９】
【図１７】堆積開始前に基板の温度を所定のレベルまで徐々に上昇させるために堆積用レーザを粉体流なしで使用した場合について示したグラフ表示である。予熱ありの堆積と予熱なしの堆積の熱履歴を比較可能である。
【００３０】
【図１８】堆積工程後に基板の温度を徐々に低下させるために堆積用レーザを粉体流なしで使用した場合について示したグラフ表示である。再加熱ありの堆積と再加熱なしの堆積の熱履歴を比較可能である。
【００３１】
【図１９】予熱・再加熱手法を用いて加熱及び冷却速度を制御した堆積と加熱及び冷却速度を制御していない堆積との比較を示したグラフ表示である。
【００３２】
【図２０】造形物体の形体を予熱及び／又は再加熱する例示的な方法を概略的に示したフローチャートである。
【００３３】
【図２１】造形物体の複数の独立した形体を予熱及び／又は再加熱する例示的な方法を概略的に図示したフローチャートである。
【００３４】
【図２２】基板及び／又は造形物体のその場予熱を行う例示的な方法を概略的に示したフローチャートである。
【００３５】
【図２３】エネルギービーム源によって生成されるエネルギービームの様々な構成を概略的に示している。
【００３６】
図面は必ずしも正確な縮尺ではないこと、開示される実施形態は図式的に示される場合や部分図で示される場合があることが理解されるべきである。場合によっては、開示される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、本開示はここに示される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】
【００３７】
任意の適切な装置を、ここに開示する方法と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に示した機械１００は、ＤＭＧ  Ｍｏｒｉ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のＤＭＵ−６５（５軸立形の工作機械）工作機械、ＤＭＧ  ＭｏｒｉのＬａｓｅｒＴｅｃ  ４３００  ３Ｄ、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。
【００３８】
基本的に、図１乃至図３に示した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ように、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や、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もあることが理解される。
【００３９】
図１及び図２に示すように、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、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り、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ている。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。
【００４２】
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や、外部ソースを介して機械にプログラムをロード又は伝送することが可能な実施形態もある。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。
【００４３】
図１及び図２にさらに示すように、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。
【００４４】
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に動作可能に接続されており、工具マガジン３０２を所望の通りに割り出す。
【００４５】
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に最良に示すように、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。移送レール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に動作可能に接続されており、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。
【００４６】
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に動作可能に接続されており、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。
【００４７】
動作時、工具交換装置３００を用いて、主軸１４４に接続される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の回転割出しが行われ該次工具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。
【００４８】
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軸方向の移動が可能となっている。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が備え付けられている。
【００４９】
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に図示）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に示している。
【００５０】
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。
【００５１】
タレット１０８は、図５、図６及び図９に最良に示すが、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に示すように、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。
【００５２】
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に図示）並びにＹ方向（図５及び図６に図示）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の裏に配置されたモータ（図示せず）から動力が供給される。
【００５３】
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。
【００５４】
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もある。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。
【００５５】
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を保持するのにも用いられる。例えば、チャック及び関連する台は、回転するワークの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に機能する。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に図示）。
【００５６】
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みなされる他の種類の切削工具とすることができる。加えて又は或いは、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つ又は複数を備えることができる。
【００５７】
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に示している。図示のように、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。
【００５８】
図１０に示すように、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、添付の請求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は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おり、工具経路は、該仮想軸の方向に、これら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。
【００５９】
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。
【００６０】
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エネルギービーム２０２を含めて図１３に概略的に示している。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。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の小部分を溶融させてメルトプール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。
【００６１】
メルトプール２１０は、基板２０４由来の液化した材料並びに付加材料を含むことができる。例示的な実施形態では、付加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。
【００６２】
図示の実施形態は粉体形状の付加材料を示しているが、付加材料は他の形状を取ることもできる。例えば、付加材料は、ワイヤ送給材料、箔状材料、又は付加製造工程で使用されることが知られている他のタイプの材料として供給することができる。
【００６３】
使用される材料及び求められる物体公差よるが、多くの場合、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（研磨などは許容される）物体を形成することが可能である。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「ニアネットシェイプ」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。
【００６４】
材料堆積アセンブリ２００は、図１４に最良に示すように、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とともに使用す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、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となり得る。
【００６５】
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、又は管路アセンブリ２２６のような束ねられた管路を介して各々の供給部に接続することができる。
【００６６】
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。上部処理ヘッド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。
【００６７】
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に示すように、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、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のような最終光学装置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。
【００６８】
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もできる。
【００６９】
ノズル２４６は、さらに、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に最良に示すように、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。
【００７０】
代替実施形態では、図１５に最良に示すように、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２６２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。
【００７１】
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から独立して設け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ととも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。
【００７２】
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、基板上に材料を堆積させる又はエネルギーを対象領域に向ける態様が変えられる。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に接続される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。
【００７３】
ある付加製造応用では、ある材料を使って及び／又はある造形物体形状について作業する場合には材料及び／又は周辺領域の温度を制御することが有利となり得る。高炭素鋼やチタンなどの材料は、例えば、ワーク全体に亘って高い温度勾配が存在する場合に割れ又はその他の変形が起こりやすいことがある。本明細書で用いる「高炭素鋼」という用語は、０．２％以上の炭素含有量を有する鋼を含む。加えて又は或いは、所望の最終的な造形物体の形状又は幾何学的形状によっては、例えば、厚い形体を形成している間に隣接する薄い形体が加熱されすぎる場合がある造形戦略が必要となることがある。さらに、冷却を制御しないと、いくつかの応用では、付加製造工程によって、当該幾何学的形状を造形した結果、或いは、用いた造形戦略や、熱膨張が大きく異なる材料の使用又はその他の要因の結果、高い残留応力が生じる可能性がある。冷却速度を制御することによって、部品が冷えるにつれてこれらの応力を徐々に開放することが可能である。
【００７４】
予熱及び／又は再加熱工程を制御して所望の温度目標を達成することができる。本明細書で用いる「温度目標」という用語は、所望の温度値及び温度変化率を包含することを意図している。例えば、造形物体の選択した領域が所望の温度値としての温度目標より高く維持されるようにエネルギービーム源を制御することができる。或いは、造形物体の選択した領域が所望の冷却速度としての温度目標を達成するようにエネルギービーム源を制御することができる。
【００７５】
図１７は、予熱サイクルの熱効果を概略的に示している。予熱なしの堆積の熱履歴と比較すると、予熱サイクルは加熱速度を大きく低下させ、基板材料の熱衝撃を低減させる。この予熱サイクルは、例えば、付加材料の堆積時に使用するものと同じエネルギービーム源を適用することによって実施することができる。予熱時、エネルギービーム源は、堆積時に使用するエネルギービームのパワーレベルよりもパワーレベルを下げて動作させることができる。予熱は、鋳鉄、高炭素鋼、コバルトクロム合金、又は、脆性破壊様式を有する傾向がある、或いは、わずかにしか溶接できない材料として分類される又は知られている他の材料から造形物体を形成する場合に有利となり得る。いくつかの実施形態では、予熱サイクル時の最大加熱速度が約７．８Ｋ／分以下となるように且つ予熱サイクル時の平均加熱速度が約３．４Ｋ／分以下となるように予熱を制御する。
【００７６】
或いは、他の基板及び／又は造形物体の加熱源、例えば、摩擦を生じる機械的係合又は誘導加熱装置などを用いることもできる。
【００７７】
図１８は、加熱後サイクルの熱効果を概略的に示している。低パワーのエネルギービームパスを用いて造形物体及び／又は基板材料の冷却速度を低下させ、熱衝撃を防いで残留応力を低減させることができる。再加熱は、チタン、又は溶接及び／又は付加製造工程時の残留応力に関して問題があることが知られている他の材料から造形物体を形成する場合に有利となり得る。いくつかの実施形態では、再加熱サイクル時の冷却速度が約１．４Ｋ／分以下となるように再加熱を制御する。
【００７８】
図１９は、付加製造工程における予熱サイクル及び加熱後サイクルの両方の熱効果を概略的に示している。
【００７９】
温度感知装置２１７（図１３）を用いて造形物体の温度を測定することができ、該温度感知装置２１７は、ＩＲカメラ、パイロメータ又は熱電対を含むがこれらに限定されない数個の装置のうちの１つ又は複数として設けることができる。全ての実施形態について、特に、予熱又は再加熱サイクルの設計にシミュレーション又は経験を利用する実施形態について、温度測定は必要ない場合もある。
【００８０】
いくつかの実施形態では、閉ループ制御システムが用いられる。この制御システムは、サイクル間の時間、サイクルの持続時間及び／又はレーザパワーを変動させて、加熱又は冷却速度を特定の範囲内に維持する、又は、温度を閾値より高く維持することができる。付加的な予熱サイクルを、手動で作動させる、時間シーケンスによって作動させる、又はシミュレーション又は経験によって予め定めた手法によって作動させることも可能である。
【００８１】
いくつかの実施形態では、レーザ直下の局所温度がオーバーヒートしないようにエネルギービームを拡散させることができる。これは、レーザを焦点外に移動させる、非常に速い処理速度を使用する、又はレーザ光学素子を変更することによって行うことが可能である。例示的な実施形態では、堆積時に使用した堆積ヘッドを、光学素子が異なる別のヘッドに取り換えることによってレーザを拡散させることができる。例えば、予熱／加熱時に使用するヘッドは、エネルギー密度が低い大きいビームスポットを生成することができる。ビームスポットは、付加材料及び／又は基板材料を溶融させない又はこれらの溶融を最小限とする十分な大きさにすることができる。或いは、同じ堆積ヘッドを、レーザビームの焦点をぼかして（即ち、基板は光学素子の焦点位置に位置していない）使用することもできる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、予熱及び再加熱サイクル時にレーザが使用する工具経路を、造形物体の幾何学的形状に基づいて堆積で使用する工具経路と同様とすることができる。他の実施形態では、予熱／加熱時に使用する工具経路を、堆積時に使用するものと全く別物とすることができる。より大きい領域を加熱して、造形物体内の熱勾配を低下させる、又は、造形物体又はその特定の形体の冷却速度を制御することができる。
【００８３】
予熱は、全ての堆積前に実施する必要はなく、同じ要素上の新たな堆積領域に移動する際、すでに許容温度より低い温度に冷却された部分に戻る際、又は１又は複数の他の中間加工ステップ後に実施することができる。再加熱は、工程が要素の別の形体に移る前にある領域の温度を維持する又はある形体の冷却速度を低下させるための中間処理ステップとして実施することが可能である。処理中の再加熱及び／又は予熱を採用するか否かは、形体及び／又は幾何学的形状によって決まるようにすることができる。
【００８４】
造形物体の様々な形体に対して所望される冷却速度は、幾何学的形状によって異なっていてもよい。所望の冷却速度は、経験、シミュレーション又は制御システムによって決定することができる。逆に、この手法を用いて、同じ部品の大きく異なる複数の幾何学的形状に亘って冷却を均一に維持して残留応力を低減させることも可能であろう。他の実施形態では、１又は複数の特定の形体又は領域を再加熱することによって造形物体の全体温度を所望の値より高く維持し、これにより、造形物全体をより均一な速度で冷却することができる。
【００８５】
ここで図２０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がブロック図で示されている。この方法５００は、機械１００と関連する又は機械１００の一部であるあらゆる要素を含む前述のシステム、方法及び装置のいずれかを用いることができる。この方法５００は、具体的には、付加製造工程時に予熱及び／又は再加熱サイクルを実施するように構成することができる。方法５００のブロック５０２において、基板を所望の温度まで予熱する。方法５００は、続いて、ブロック５０４において、本明細書に記載した付加製造工程のいずれか１つなどによって基板上に形体を堆積させる。方法５００のブロック５０６において、前記形体を再加熱して冷却を制御する。
【００８６】
図２１は、形体を複数有する造形物体を付加製造するための例示的な方法６００を示している。付加製造工程を通して各形体を選択的に予熱及び／又は再加熱して、付加材料の堆積の前又は後に所望の温度を得ることができる。例えば、方法６００のブロック６０２において、第１の基板を予熱する。方法６００は、続いて、ブロック６０４において、前記第１の基板上に第１の形体（「形体Ａ」とする）を堆積させる。ブロック６０６において、第２の基板を予熱する。ここで用いる第１及び第２の基板は、独立した全く異なる基板であっても、同一基板の異なる領域であっても、堆積される材料とは別に形成された基板であっても、先に堆積された材料によって形成された基板であってもよい。方法のブロック６０８において、前記形体Ａを再加熱して冷却速度を制御する。ブロック６０８は、ブロック６０６と同時に実施することもブロック６０６に続けて実施することもできる。方法６００は、続いて、ブロック６１０において、前記第２の基板上に第２の形体（「形体Ｂ」とする）を堆積させる。方法６００は、続いて、ブロック６１２において、前記形体Ａの再加熱を再度行って前記形体Ａの冷却速度を制御することができ、一方、ブロック６１４において、前記形体Ｂを再加熱して前記形体Ｂの冷却速度を制御することができる。ブロック６１２は、ブロック６１４と同時に実施することもブロック６１４に続けて実施することもできる。したがって、図示のように、６００の方法は、予熱／再加熱ステップと堆積ステップとを交互に行う。
【００８７】
図２２は、造形物体及び／又は基板のその場加熱を伴う、造形物体を付加製造するための例示的な方法７００を示している。方法７００のブロック７０２において、基板を所望の温度まで予熱する。ブロック７０４において、予熱された基板上に形体を堆積させる。方法７００は、続いて、ブロック７０６において、前記形体の加工（例えば、除去加工）を行う。ブロック７０８において、前記形体が堆積された領域を予熱し、その後、ブロック７０４においてさらに材料を堆積させ、ブロック７０６において形体をさらに加工する。前記形体が完成するまでブロック７０４、７０６及び７０８を繰り返すことができ、完成した時点でブロック７１０において工程が終了する。
【００８８】
図２３は、予熱／再加熱及び材料堆積を同時に実施するのに用いることができるエネルギービーム源によって生成されるエネルギービーム構成を示している。例えば、図２３には、エネルギービーム８００が、内領域８０２、中間領域８０４及び外領域８０６を有するものとして示されている。図示の実施形態では、中間領域８０４は内領域８０２を完全に囲んでおり、外領域８０６は中間及び内領域８０２、８０４を完全に囲んでいる。内及び中間領域８０２、８０４は、これらの領域の搬送されるエネルギー量が基板上に堆積される付加材料を溶融させられるよう十分に大きくなるように構成することができる。外領域８０６は、この領域に搬送されるエネルギー量が、比較的小さく、堆積された形体の予熱／再加熱に適するように構成することができる。この実施形態では、基板の第１の領域で予熱／再加熱を実施するとともに該基板の第２の領域で付加材料の堆積を実施し、予熱／再加熱工程と付加材料の堆積とを同時に実施することができる。
【００８９】
各領域８０２、８０４、８０６は選択的に有効又は無効にすることができる。よって、図２３は、この実施形態で使用可能な７つの異なる領域の組み合わせも示している。第１のビーム構成８１０は、内領域８０２のみを含む。第２のビーム構成８１２は、内及び中間領域８０２、８０４を含む。第３のビーム構成８１４は、中間領域８０４のみを含む。第４のビーム構成８１６は、中間及び外領域８０４、８０６を含む。第５のビーム構成８１８は、外領域８０６のみを含む。第６のビーム構成８２０は、内及び外領域８０２、８０６を含む。第７のビーム構成８２２は、内、中間及び外領域８０２、８０４、８０６を含む。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
付加材料からなる互いに融合される各層を順次堆積させることによって基板上に三次元造形物体を形成するためのシステム及び方法を提供する。この方法は、付加材料が堆積される第１処理ステップ中はエネルギービーム源を第１モードで制御することを含むことができる。加えて、この方法は、付加材料が堆積されない第２処理ステップ中は前記エネルギービーム源を第２モードで制御することを含む。第１処理ステップでは、付加材料を対象領域に堆積させながら溶融させることによって形体を形成することができる。第２処理ステップでは、前記対象領域を予熱又は再加熱して温度勾配を制御することができる。
【００９１】
代替実施形態では、前記第２処理ステップ中に付加材料を堆積させることができ、この場合、前記エネルギービーム源は、前記第２処理ステップにおいて堆積される付加材料の量に対して必要なパワー密度より大きいパワー密度を有するように前記第２モードで制御される。即ち、前記エネルギービーム源は、前記第２処理ステップにおいて堆積される付加材料を溶融させるのに十分な溶融要素及び該溶融成分に加えて補助要素を備えたパワー密度を有するように制御される。該補助要素を用いて基板及び／又は造形物体の対象領域を予熱及び／又は再加熱することができる。エネルギービームのパワー密度は、加えられる材料のキロジュール／グラムで測定することができる。いくつかの実施形態では、エネルギービームのパワー密度は、堆積される付加材料の量を溶融させるのに通常必要とされるパワー密度の倍数、例えば、１．５倍、２倍、２．５倍又はそれ以外の倍数であると特徴づけられる。
【００９２】
エネルギービームは、予熱及び再加熱に加えて、完成した造形物体に所望の特性を持たせるために冷却後工程で用いることもできる。例えば、焼きなまし工程において特定の形体又は造形物体全体にエネルギービームを当てることができる。付加材料の堆積及び何らかの加熱又は再加熱工程が完了し、造形物体が周辺温度まで冷えた後に、エネルギービームを当てて造形物体に対して選択的に焼きなまし又は表面硬化を行うことが可能である。
【００９３】
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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【国際調査報告】
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