(57)【要約】      （修正有）【課題】箔シートから金属部品を製造する付加製造システム、製造方法および作製された部品の提供。【解決手段】付加製造システム１０は、材料接合レーザシステム１４を用いて、箔シートＦを互いに接合して、金属部品を形成する。材料接合レーザシステムは、隣接する箔シートを実質的に均一に互いに接合するように構成されてもよい。製造システムはまた、箔シートの選択された位置から材料を除去して、箔シートを部品の選択的なスライスと対応するように成形する材料除去システム１６を含む。材料除去システムは、下地層から材料を除去することなく箔シートから材料を除去するように構成されたレーザシステムといった、レーザシステムであってもよい。非晶質合金部品の製造を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１合金箔シート、第ｎ合金箔シートおよび複数の中間合金箔シートを含むｎ枚の合金箔シートから得られるｎ枚のスライスを含む金属合金部品を製造する方法であって、
前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの別の合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを互いに順次積み重ねる工程と、
前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを、材料接合レーザの合焦したレーザビームを前記箔シートの自由な非遮蔽表面に当てて、各合金箔シートをその各自の下地層に溶融および接合することによって各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、前記レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、
前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を除去して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程とを含み、
前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から合金材料を除去する前記工程は、前記金属合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される方法。
【請求項２】
前記金属合金は、非晶質金属合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記材料接合レーザを順次的な重なり合わない経路で前記箔シートの前記自由な非遮蔽表面に印加して、熱蓄積を低減させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記材料接合レーザを前記箔シートの前記自由な非遮蔽表面に印加して、スポット溶接部を、連続する各スポット溶接部が直前に形成されたスポット溶接部と重なり合わない場所に形成される状態で前記表面全体に形成することによって、熱蓄積を低減させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
各スポット溶接部は、前記直前に形成されたスポット溶接部の位置から少なくとも５ｍｍ離れた位置に形成される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
各スポット溶接部は、前記スポット溶接部が、形成されてから１秒未満であるいずれの先行するスポット溶接部とも重なり合わない位置において前記自由な非遮蔽表面に形成される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記接合工程は、冷却チャンバにおいて行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記冷却チャンバは、アルゴンガスまたは窒素ガスを含有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記冷却チャンバは、約マイナス５０℃よりも低い内部温度を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却チャンバは、約マイナス１００℃よりも低い内部温度を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記接合工程の前に、各箔シートを前記各自の下地層に予備的にまたは一時的に付着させる工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項１２】
各箔シートを前記各自の下地層にスポット溶接によって予備的に付着させる工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
金属合金が非晶質金属合金である請求項１に記載の方法であって、
ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれを、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの別の非晶質合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、互いに順次積み重ねる工程と、
前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれを、材料接合レーザの合焦したレーザビームを前記箔シートの自由な非遮蔽表面に当てて、各非晶質合金箔シートをその各自の下地層に溶融および溶接することによって各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、前記レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、
前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を除去して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程とを含み、
前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から非晶質合金材料を除去する前記工程は、前記金属非晶質合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される方法。
【請求項１４】
前記接合する工程は、冷却チャンバにおいて行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却チャンバは、アルゴンガスまたは窒素ガスを含有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記冷却チャンバは、約マイナス５０℃よりも低い内部温度を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却チャンバは、約マイナス１００℃よりも低い内部温度を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記材料接合レーザを順次的な重なり合わない経路で前記箔シートの前記自由な非遮蔽表面に印加して、熱蓄積を低減させる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記材料接合レーザを前記箔シートの前記自由な非遮蔽表面に印加して、スポット溶接部を、連続する各スポット溶接部が直前に形成されたスポット溶接部と重なり合わない場所に形成される状態で前記表面全体に形成することによって、熱蓄積を低減させる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記順次積重ね工程のそれぞれの後であって、前記接合工程のそれぞれの前に、各箔シートを前記各自の下地層にスポット溶接によって予備的に付着させる工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記順次積重ね工程のそれぞれの後であって、前記接合工程のそれぞれの前に、各箔シートを前記各自の下地層にスポット溶接によって予備的に付着させる工程を有する方法であって、
前記接合する工程が、少なくとも約マイナス５０℃よりも低い内部温度を有する冷却チャンバにおいて行われ、
接合中、前記材料接合レーザを前記箔シートの前記自由な非遮蔽表面に、ａ）順次的な重なり合わない経路で印加して、熱蓄積を低減させるか、あるいは、ｂ）スポット溶接部を、連続する各スポット溶接部が、直前に形成されたスポット溶接部と重なり合わない場所に形成される状態で、前記表面全体に形成することよって、熱蓄積を低減させる工程と、
前記箔シートをスライスすることにより前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を切削除去し、前記下地層に接合されていない箔シートセグメントを分離して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程を有し、
前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から非晶質合金材料を除去する前記工程は、前記金属非晶質合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記接合工程の後に、前記箔シートをスライスすることにより前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を切削除去し、前記下地層に接合されていない箔シートセグメントを分離して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
第１箔シート、第ｎ箔シートおよび複数の中間箔シートを含むｎ枚の箔シートから得られるｎ枚のスライスを含む三次元金属部品を製造するためのシステムであって、
基材層および前記ｎ枚の箔シートを支持するように構成され、前記ｎ枚の箔シートのそれぞれが前記１つの基材層と前記ｎ枚の箔シートのうちの別の箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の箔シートのそれぞれが前記基材層に別層として順次積み重ねられるベースと、
前記ｎ枚の箔シートのいずれかを前記各自の下地層に接合するために構成された材料接合レーザを発生させるように構成された材料接合レーザシステムと、
前記ｎ枚の箔シートのいずれかから材料を除去するように構成された材料除去レーザを発生させるように構成された材料除去レーザシステムと、
前記三次元金属部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データを受信するように構成されたコントローラであって、前記ｎ枚の箔シートのそれぞれが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、以下の工程を行うようにさらに構成されたコントローラとを備えるシステム：
前記材料接合レーザシステムを制御して、前記材料接合レーザを用いて前記それぞれの箔シートを前記各自の下地層に接合する工程および
前記形状データを用いて、前記材料除去レーザシステムを制御して、前記それぞれの箔シートから材料を除去して、前記各自の箔シートを、前記材料除去レーザを用いて、前記金属部品の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、付加製造のためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、箔シートから金属部品を製造することに関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元プリンティングなどの付加製造技術が様々な産業で幅広く用いられており、新たな産業によって、そして新たな用途で正式に採用されている。様々な付加製造技術には、ステレオリソグラフィ、熱溶解積層法（fused deposition modeling）、薄膜積層法（laminated object manufacturing）、選択的レーザ焼結法（selective laser sintering）、選択的レーザ溶融法（selective laser melting）、レーザ直接積層法（laser engineered net shaping）、直接金属堆積法（direct metal deposition）、電子ビーム溶融法等が含まれる。これらの技術を用いて、樹脂、ろう、ポリマー、プラスチック、ＡＢＳ、ポリカーボネート材料、金属粉末等の様々な材料から物品を製造することができる。金属部品は、他の材料から形成される部品よりも、付加製造技術を用いて製造するのがより困難であることが分かっている。付加製造を用いて、従来の金属機械加工技術によって形成される部品と類似する材料特性を得るように金属部品を製造することは、特に困難である。
【０００３】
大部分の金属付加製造プロセスは、粉末ベースである。選択的レーザ焼結法においては、金属粉末を、得られる部品のスライスと形状において対応する層状に堆積させ、互いに焼結または融着する。レーザは、層ごとに、粉末を溶解して三次元部品を形成する。広範囲の材料を選択的レーザ焼結法に用いることが可能であるが、得られる部品の製造許容差は、粉末化金属粒子の大きさによって制限される。しかも、作製されたままの状態の部品の機械強度は、原材料の機械強度よりもはるかに低い。さらに、粉末ベースのプロセスは、環境、安全性および微粉末の取り扱いに伴う取扱い性の問題を有する。
【０００４】
レーザ直接積層法および直接金属堆積法において、金属部品は、特定の位置に金属粉末を堆積させ、次いで、当該粉末を溶融することによって形成される。これらのプロセスは、ステンレス鋼、ニッケル合金、工具鋼、銅合金およびそれらの組み合わせといった多くの材料に適合されている。レーザ直接積層法のプロセスを用いて、損傷した金属部品を修理することもできる。しかし、これらの粉末溶融技術においては、不均一な加熱プロセスおよび冷却プロセスによって、製造された部品に残留応力が導入される。典型的に、完成部品の表面品質は、さらなる仕上げプロセスを必要とする低いものである。
【０００５】
薄膜積層法は、付加的な技術と除去的な技術を組み合わせて部品を一層ずつ構築する、箔ベースのプロセスである。当初、薄膜積層法のプロセスは、圧力および加熱下で結合剤によって互いに結合された紙から部品を形成していた。この技術は、箔シートを互いに溶着する高出力超音波を用いて、のちに金属箔に拡張された。箔シートを互いに融着した後、ミリング工具を用いて、箔を所望の形状に切削またはトリミングする。薄膜積層法の利点には、部品当たりのコストが低いこと、材料の変形率が低いことおよび拡張性を有していることが含まれる。しかし、材料除去プロセスは、大量の廃棄物を発生させることが知られており、製作された部品の機械強度は、典型的には、本質的に方向性を有しており、通常、垂直軸に沿って（箔表面に垂直な方向に）集中するので、部品は水平軸に沿って比較的脆弱である。
【０００６】
微小構造、加工履歴および組成が、材料特性に主に影響を及ぼす。非晶質金属は、従来の方法で調製された金属に存在する結晶質微細構造を有しない金属である。非晶質金属は、ガラス状合金としても知られている。結晶化金属中の原子が、組織化および構造化された結晶格子として知られる周期的なアレイ状に配置されているのに対し、非晶質金属中の原子は、ランダムかつ無秩序に存在している。非晶質微細構造は、従来の結晶質合金と比較して、ある特定の優れた特性を合金に付与することができる。例えば、非晶質合金は、結晶質合金と比べて、より大きい硬度（耐摩耗性）、耐腐食性および強度ならびにより低い熱膨張率を有し得る。低い熱膨張率は、精密航空宇宙部品などの極端な温度環境での使用向けに製造される部品にとって大きな利点となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非晶質微細構造を付与するためには、冷却中に結晶化が回避される程度に急速に液体合金を焼入れすることが必要である。しかし、冷却速度は、厚さがより大きい部品においては制限されるので、非晶質微細構造を得るのに十分に早い冷却速度を部品全体に使用して製造し得る部品の厚さが非常に制限される。また、冷却速度は、複雑な形状を有する部品の大部分にわたって不均一である。したがって、従来は、厚さが数ミリ以下の部品の製造においてしか非晶質微細構造を付与することができなかった。したがって、このような製造は、リボン、箔、薄板、ワイヤおよび細いロッドなどの簡単な形状に限定されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、簡潔には、本発明は、第１合金箔シート、第ｎ合金箔シートおよび複数の中間合金箔シートを含む合金箔シートの多数のスライスを含む金属合金部品を製造する方法であって、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの別の合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを互いに順次積み重ねる工程と、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを、材料接合レーザの合焦したレーザビームを前記箔シートの自由な非遮蔽表面に当てて、各合金箔シートをその各自の下地層に溶融および接合することによって各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、前記レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を除去して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程とを含む方法に関する。前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から合金材料を除去する前記工程は、前記金属合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される。
【０００９】
別の局面において、本発明は、第１非晶質合金箔シート、第ｎ非晶質合金箔シートおよび複数の中間合非晶質金箔シートを含む非晶質合金箔シートのスライスを含む非晶質金属合金部品を製造する方法であって、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの別の非晶質合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれを互いに順次積み重ねる工程と、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれを、材料接合レーザの合焦したレーザビームを前記箔シートの自由な非遮蔽表面に当てて、各非晶質合金箔シートをその各自の下地層に溶融および接合することによって各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、前記レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を除去して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程とを含む方法に関する。前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から非晶質合金材料を除去する前記工程は、前記金属非晶質合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される。
【００１０】
本発明はまた、第１非晶質合金箔シート、第ｎ非晶質合金箔シートおよび複数の中間非晶質合金箔シートを含むｎ枚の非晶質合金箔シートから得られるｎ枚のスライスを含む非晶質金属合金部品を製造する方法であって、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの別の非晶質合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれを互いに順次積み重ねる工程と、各箔シートを前記各自の下地層にスポット溶接によって予備的に付着させる工程と、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのそれぞれを、材料接合レーザの合焦したレーザビームを前記箔シートの自由な非遮蔽表面に当てて、各非晶質合金箔シートをその各自の下地層に溶融および接合することによって各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、前記レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、前記箔シートをスライスすることにより前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を切削除去し、前記下地層に接合されていない箔シートセグメントを分離して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程を含む方法にも関する。前記接合工程は、少なくとも約マイナス５０℃よりも低い内部温度を有する冷却チャンバにおいて行われる。接合中、前記材料接合レーザを前記箔シートの前記自由な非遮蔽表面に、ａ）順次的な重なり合わない経路で印加して、熱蓄積を低減させるか、あるいは、ｂ）スポット溶接部を、連続する各スポット溶接部が、直前に形成されたスポット溶接部と重なり合わない場所に形成される状態で、前記表面全体に形成することよって、熱蓄積を低減させる。前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の非晶質合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から非晶質合金材料を除去する前記工程は、前記金属非晶質合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される。
【００１１】
本発明はまた、第１合金箔シート、第ｎ合金箔シートおよび複数の中間合金箔シートを含むｎ枚の合金箔シートから得られるｎ枚のスライスを含む金属合金部品を製造する方法であって、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの別の合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを互いに順次積み重ねる工程と、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に予備的に付着させて、前記各箔シートの位置を前記下地層上に固定する工程と、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを、各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、材料接合レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を除去して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程とを含む方法にも関する。前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から合金材料を除去する前記工程は、前記金属合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される。
【００１２】
別の局面において、本発明は、第１合金箔シート、第ｎ合金箔シートおよび複数の中間合金箔シートを含むｎ枚の合金箔シートから得られるｎ枚のスライスを含む金属合金部品を製造する方法であって、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれが、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの別の合金箔シートを含む各自の下地層と係合するように、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを互いに順次積み重ねる工程と、前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを、各シートが前記各自の下地層に積み重ねられた後に、材料接合レーザを用いて前記各自の下地層に接合する工程と、前記箔シートをスライスすることにより前記ｎ枚の合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を切削除去し、前記下地層に接合されていない箔シートセグメントを分離して、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数を、前記金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において対応するように成形する工程を含む方法に関する。前記ｎ枚の合金箔シートのそれぞれを前記各自の下地層に接合し、前記ｎ枚の合金箔シートのうちの前記１つまたは複数から合金材料を除去する前記工程は、前記金属合金部品の前記ｎ枚のスライスのそれぞれの形状を示す形状データに基づいて制御される。
【００１３】
以下、他の目的および特徴について、その一部を明らかにするとともに、その一部を指摘する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】付加製造システムの概略ブロック図である。
【００１５】
【図２】箔シートの積層体と、付加製造システムを用いて当該箔シートから製造した部品とを比較する斜視図である。
【００１６】
【図３】付加製造システムのより詳細な概略ブロック図である。
【００１７】
【図４】箔シートを基材に接合する付加製造システムによって形成された溶接部の断面を示す写真である。
【００１８】
【図５】付加製造システムによって下地層に溶接された後の箔シートの上面を示す写真である。
【００１９】
【図６】付加製造システムによって第２箔シートに接合された後の第１箔シートの断面の写真である。
【００２０】
【図７】付加製造システムによって切削された後の箔シートの縁部の写真である。
【００２１】
【図８】付加製造システムを用いて金属部品を製造する方法のステップおよび判定ブロックを示すフローチャートである。
【００２２】
【図９】付加製造システムを用いて形成された金属部品の写真である。
【００２３】
【図１０】付加製造システムによって形成された立方体部品および当該部品の材料である未加工箔に対して行われた微小硬さ試験の結果を示す表であり、立方体部品の断面写真を表の上に重ねて示したものである。
【００２４】
【図１１】付加製造システムを用いて形成された別の金属部品の写真である。
【００２５】
【図１２】付加製造システムを用いて形成された別の金属部品の写真である。
【００２６】
【図１３】付加製造システムを用いて形成された別の金属部品の写真である。
【００２７】
【図１４】接合操作において使用されるマスクの概略図である。
【００２８】
【図１５】冷却プレートの概略上面図である。
【００２９】
【図１６】冷却チャンバ床部の概略上面図である。
【００３０】
【図１７】冷却チャンバを備える製造システムの概略図である。
【００３１】
【図１８】冷却チャンバの概略上面図である。
【００３２】
【図１９】非晶質合金部品の光学写真を示す図である。
【００３３】
【図２０】非晶質立方体および当該立方体内の様々な位置に対応するＸ線回折パターンを示す図である。
【００３４】
【図２１】４つの非晶質合金部品を示す図である。
【００３５】
図面全体を通じて、対応する参照符号は対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１および図２を参照すると、三次元金属部品Ｐを製造するための付加製造システムが概して参照符号１０で示される。以下にさらに詳細に説明するように、製造システム１０は、複数の箔シートＦを互いに積み重ね、成形し、接合することにより、部品Ｐを形成する。製造システム１０は、箔シートＦから部品Ｐを形成するために協働する箔シート位置決めシステム（概して１２で示す）、材料接合システム（概して１４で示す）および材料除去システム（概して１６で示す）を備える。コントローラ２０は、システム１０を制御して、部品の三次元モデルに基づいて部品Ｐを製造するように、箔シート位置決めシステム１２、材料接合システム１４および材料除去システム１６に連動連結されている。
【００３７】
図２を参照すると、三次元部品Ｐは、部品を形成する材料のｎ枚のスライスＳとして特徴付けられ得る。各スライスＳは、ｚ軸に沿った厚さと、ｚ軸に直交して向けられたｘ軸およびｙ軸によって画定される水平面に沿った形状とを有する。以下にさらに詳細に説明するように、製造システム１０は、互いに接合され、金属部品の各自のスライスＳと形状において対応するように成形されたｎ枚の箔シートＦを部品Ｐから製造するように構成されている。箔シートＦのそれぞれは、部品ＰのスライスＳのうちの１つと同じ厚さを有する。箔シートＦは、使用時に箔がどのように積層されているかを示す図２において、矩形シートの積層体として示されている。しかし、典型的には、箔シートＦは、１つまたは複数のロールから切り取られる。図示のシートＦは同じ寸法を有しているが、本発明の範囲を逸脱することなく、異なる寸法のシートを用いてもよい。部品の構築に用いられる各層の厚さは、同じでなくともよい。例えば、ｎ枚の箔シートのうちの１つまたは複数の箔シートが、当該ｎ枚の箔シートのうちの他の箔シートと異なる厚さを有していてもよい。加えて、ｎ枚の箔シートのうちの１つまたは複数の箔シートが、当該ｎ枚の箔シートのうちの他の箔シートと異なる材料から形成されていてもよい。部品ＰのスライスＳが異なる位置において異なる材料を含む場合、材料が異なる箔シートを用いて個々のスライスを形成してもよい。
【００３８】
本開示全体を通じて、変数「ｎ」は、部品Ｐの少なくとも一部分を形成するスライスＳの数を指すために用いられ、この部分は、「ｎ」枚の箔シートＦを互いに積層、成形および接合することによって製造される。いくつかの実施形態において、「ｎ」枚の箔シートは、互いに接合されて部品Ｐ全体を形成してもよい。他の実施形態において、「ｎ」枚の箔シートは、部品Ｐの一部のみを形成するように互いに接合され、別のもの（例えば、ｎ枚の箔シートに含まれない箔シート、基材等）にさらに接合されて部品全体を形成してもよい。一般に、製造システム１０は、第１箔シート、第ｎ箔シートおよび第１箔シートと第ｎ箔シートとの間に積層された複数の中間箔シートを含む、４枚以上の箔シートＦ（すなわち、ｎ≧４、例えば、４〜約２５、４〜約４０、４〜約５０、４〜約７５、４〜約１００、４〜約１５０、４〜約２００、４〜約５００、４〜約１０００、４〜約５０００、４〜約１０，０００、４〜約２５，０００以上）から部品Ｐを製造する。しかし、特に厚みの小さい部品は、本発明の範囲を逸脱することなく、４枚より少ない数のシートから製造することができる。
【００３９】
箔シートＦは、任意の適した金属材料を含んでいてもよい。ある特定の実施形態において、箔シートＦは、ＡＩＳＩ  １０１０鋼などの鋼を含む。例示的な鋼箔は、イリノイ州ダウナーズグローブのＰｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｂｒａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から入手可能な１０１０鋼（ＵＰＣ番号１６８５０）である。１つまたは複数の好適な実施形態において、箔シートＦは、約５０μｍ〜約７５０μｍ（例えば、約１５０μｍ）の厚さを有する。本発明の範囲を逸脱することなく、他の厚さの箔シートを用いてもよい。
【００４０】
再び図１を参照すると、箔位置決めシステム１２は、部品Ｐを形成する箔シートＦを支持するように構成されたベース２２を備える。好適な実施形態において、ベース２２は、プラットフォームを含み、プラットフォームは当該プラットフォームをｘ軸およびｙ軸に沿って移動させるための移動ステージ２３に連動連結されている。他の実施形態において、プラットフォームは、本発明の範囲を逸脱することなく、静止状態としてもよく、あるいはｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のうちのいずれか１つ、２つまたは３つに沿って移動させてもよい。
【００４１】
ある特定の実施形態において、ｎ枚の箔シートＦがベース２２上で積層される前に、接合用基材Ｊが当該ベースに配置される。第１箔シートＦは、当該第１箔シートが１つの層を形成し、基材Ｊが下地層を形成するように、基材に積み重ねられる。基材Ｊは、溶接によって第１箔シートＦに接合されるのに適していることが好ましい。基材Ｊは、箔シートＦのそれぞれよりも厚くてもよい。例えば、１つまたは複数の実施形態において、基材Ｊは、約２ｍｍ〜約２５ｍｍ（例えば、約３ｍｍ）の厚さを有する。基材Ｊは、本発明の範囲を逸脱することなく、より厚くてもより薄くてもよい。基材Ｊが箔シートＦに接合される場合、当該基材は、金属部品Ｐの一部に対応するように成形されるか、あるいは作製後に部品から除去されるのが好ましい。いくつかの実施形態において、製造システム１０は、基材Ｊを、プラットフォーム２２に配置した後に成形することができる。他の実施形態において、基材Ｊは、プラットフォーム２２上に配置される前に成形される。
【００４２】
図示の実施形態において、箔シートＦは、基材Ｊに手動で載置される。例えば、ロールから取り出された箔シートＦを１枚ずつ基材Ｊ上に配置する。以下にさらに詳細に説明するように、各シートＦがプラットフォーム２２に載置された後、材料接合システム１４および材料除去システム１６を用いて、シートを下地層に接合し、シートを部品ＰのスライスＳと形状において対応するように成形する。本発明の範囲を逸脱することなく、自動化シート載置システム（図示せず）を用いて箔シートＦをベースに配置することができることが理解される。
【００４３】
図３を参照すると、図示の実施形態において、接合システム１４は、材料接合レーザ２６を発生させるように構成された材料接合レーザシステムである。他の実施形態において、本発明の範囲を逸脱することなく、他の種類の材料接合システムを用いてもよい。材料接合レーザシステムは、ｎ枚の箔シートＦのそれぞれを下地層に接合するよう構成された材料接合レーザ２６を発生させるように構成されている。箔シートＦのそれぞれについて、「下地層」は、基材または各自の箔シートと係合するとともに、各自の箔シート直下にある下地箔シートを含むことができる。以下にさらに詳細に説明するように、材料接合レーザシステム１４は、好ましくは、ｎ枚の箔シートのそれぞれをその各自の下地層に実質的に均一に接合するように、コントローラ２０によって制御される。これにより、強度が方向に依存しない高強度金属部品のための、部品ＰのスライスＳ間の強い接合力が発生する。
【００４４】
任意の適した接合レーザシステム（例えば、気体レーザシステム、固体レーザシステム等）を材料接合レーザシステム１４に用いることができる。接合レーザシステムの種類の選択は、コスト、所望の溶接品質、箔の種類等といった要因に依存し得る。図示の材料接合レーザシステム１４は、レーザ発生器３０、光ファイバー３２、レーザ結合器３３およびビーム拡大器３４を備える。レーザ発生器３０は、定波長レーザ２６を生成するように構成されるのが好ましい。いくつかの実施形態において、レーザ発生器は、連続波モードにおいて約３５５ｎｍ〜約１０，６４０ｎｍ（例えば、約１０７０ｎｍ）の波長（例えば、定波長）を有する材料接合レーザ２６を発生させるように構成されている。ある特定の好適な実施形態において、材料接合レーザ発生器３０は、ファイバレーザ発生器である。１つまたは複数の実施形態において、レーザ発生器３０は、約２００Ｗ〜約２０００Ｗ（例えば、約１０００Ｗ）の最大出力を有する材料接合レーザ２６を発生させるように構成することができる。１つの適したレーザ発生器３０は、マサチューセッツ州オックスフォードのＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＩＰＧ  ＹＬＲ−１０００  ＣＷファイバレーザ発生器である。
【００４５】
図示の実施形態において、光ファイバー３２は、材料接合レーザ２６をレーザ発生器からレーザ結合器に送出するために、レーザ発生器３０とレーザ結合器３３との間に光学的に結合されている。材料接合レーザ２６の最初のセグメント２６ａは、概ねｙ軸に沿ってレーザ結合器３３からビーム拡大器３４まで延び、ビーム拡大器３４は、レーザ２６の第２のセグメント２６ｂのビームサイズを増大させる。第２のセグメント２６ｂは、さらにｙ軸に沿って走査器４０に向かって延びる。以下にさらに詳細に述べるように、走査器４０は、材料接合レーザ２６の第３の（接合）セグメント２６ｃを概ねｚ軸に沿って延びるように向けるとともに、当該接合セグメントをｘ軸およびｙ軸に沿って移動させるように構成されている。接合セグメント２６ｃは、材料接合レーザ２６をビームスポットに合焦させる合焦レンズ４２を通過する。
【００４６】
合焦レンズ４２は、箔シートＦのそれぞれをその各自の下地層に溶接するための材料接合レーザ２６を合焦させるように構成されている。合焦レンズ４２は、ｚ軸に沿って合焦レンズ４２から離間したビームスポット上に接合セグメント２６ｃを合焦させる焦点距離を有する。ある特定の実施形態において、焦点距離は、約１０ｃｍ〜約５８０ｃｍ（例えば、約３３ｃｍ）である。材料接合レーザ２６のビームスポットは、スポット径を有する。好ましくは、スポット径は、箔シートＦのそれぞれの厚さ以下である。例えば、１つまたは複数の実施形態において、箔シートの厚さとスポット径の比は、約０．１〜約１０である。
【００４７】
図示の実施形態において、合焦レンズ４２および走査器４０は、合焦レンズ４２および走査器４０をプラットフォーム２２に対してｚ軸に沿って移動させるように構成されたｚ移動ステージ４４に装着される。好ましくは、コントローラは、連続する各箔シートに当該シートがプラットフォーム２２に積み重ねられる際に、ビームスポットを自動動作可能に整列させるように、ｚ移動ステージ４４に連動連結されている。よって、ｚ移動ステージ４４は、好ましくは、新たな箔シートＦがプラットフォーム２２に積み重ねられるたびに、合焦レンズ４２および走査器４０をｚ軸に沿って上方に移動させる。ｚ移動ステージは、プラットフォーム２２および材料接合レーザ２６をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿って互いに対して選択的に移動させるように構成された材料接合移動システムの一部であると広義においては理解される（材料接合移動システムのｘ移動部品およびｙ移動部品については、後に詳述する）。ベースおよび材料接合レーザをｚ軸に沿って互いに対して移動させて、材料接合レーザのビームスポットを、連続する各箔シートと当該シートがベースに追加される際に動作可能に整列させる他の方法を、本発明の範囲を逸脱することなく用いてもよい。したがって、ベースに対してレーザがｚ方向に移動する実施形態、レーザに対してベースがｚ方向に移動する実施形態、ベースおよびレーザの両方が互いに対してｚ方向に移動する実施形態が存在する。
【００４８】
材料接合レーザ２６は、好ましくは、キーホール貫通モードにおいてｎ枚の箔シートＦのそれぞれを貫通するように構成される（すなわち、材料接合レーザ２６は、約１×１０４Ｗ／ｃｍ２よりも大きいレーザ強度、例えば、１.１×１０６Ｗ／ｃｍ２）のレーザ強度を有する）。図示の実施形態において、材料接合レーザシステム１４は、材料接合性を向上させるために遮蔽ガスをビームスポットに向けて分配供給する遮蔽ガスディスペンサ４３を備える。遮蔽ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム等）は、酸化を防ぐために、溶接時に分配供給される。図示の材料接合レーザシステム１４は、連続する箔シートＦを互いに実質的に均一に接合するのに適したシステムの一つの例示的な実施形態に過ぎないことが理解される。他の種類のレーザ溶接システムといった他の適した材料接合システムを、本発明の範囲を逸脱することなく用いてもよい。
【００４９】
図４を参照すると、材料接合レーザシステム１４によって形成された例示的な溶接部Ｗ１は、箔シートＦ１を基材層Ｊ１に接合する。溶接部Ｗ１は、箔シートＦ１の厚さｔよりも大きい深さｄ１を有する。溶接部Ｗ１の大きさおよび形状は、接合される材料、レーザ出力、レーザ波長、走査速度、ビームスポットの大きさ、遮蔽ガスの種類等といった様々な要因によって決まることが理解される。１つまたは複数の好適な実施形態において、溶接部Ｗ１の深さｄ１は、箔シートＦ１の厚さｔの少なくとも約１３０％である。図示の例において、溶接部Ｗ１は、箔シートＦ１の厚さｔの約１３０％である。溶接部Ｗ１は、箔シートＦ１の上面において幅Ｗｉを有する。１つまたは複数の実施形態において、幅Ｗｉは、箔シートＦ１の厚さｔの約８０％〜約２００％である。図示の例において、幅Ｗｉは、厚さｔの約１７５％である。溶接部Ｗ１はまた、箔シートＦ１と下地層Ｊ１との境界面において幅Ｗｉｉを有する。１つまたは複数の実施形態において、幅Ｗｉｉは、箔シートＦ１の厚さｔの約８０％〜約１５０％である。図示の例において、幅Ｗｉｉは、厚さｔの約１１５％である。他の実施形態において、材料接合システムは、本発明の範囲を逸脱することなく、他の形状および寸法を有する溶接部を形成するように構成される。
【００５０】
図示の実施形態において、走査器４０は、材料接合レーザ２６とベース２２との間のｘ軸およびｙ軸の移動を制御する。よって、図示の実施形態において、走査器４０およびｚ移動ステージ４４は、プラットフォーム２２および材料接合レーザ２６をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿って互いに対して選択的に移動させて、材料接合レーザの位置をプラットフォームに配置された箔シートＦに対して制御するように構成された材料接合移動システムとして、共に機能する。図示の実施形態においてはｘｙ軸移動を制御するためにレーザ走査器が用いられるが、他の実施形態では、本発明の範囲を逸脱することなく、ｘｙ軸の他の種類の制御、例えば、ｘｙ移動ステージを使用することによるもの等を用いた材料接合移動システムを含むことができる。好適な実施形態において、材料接合移動システムは、ベース２２および材料接合レーザ２６の一方を、約３５０ｍｍ／分〜約７００ｍｍ／分の速度で他方に対して移動させる。
【００５１】
各箔シートＦを下地層に実質的に均一に接合する前に、付加製造システム１０は、箔シートを下地層に一時的にまたは予備的に固着または付着させるように構成されている。１つまたは複数の実施形態においては、箔シートＦがプラットフォーム２２に載置されるたびに、コントローラ２０は、新たな箔シートを下地層にスポット溶接するようにレーザ発生器３０および走査器４０を制御するように構成されている。走査器４０は、材料接合レーザ２６をｘ軸およびｙ軸に沿って移動させ、レーザ発生器３０は、材料接合レーザ２６を送給して、それぞれの箔シートＦに沿って離間した位置にスポット溶接部を形成する。スポット溶接部により、箔シートＦとその下地層との間に一時的な付着が生じる。一つのこのようなスポット溶接操作の詳細については、非晶質合金部品の製造の記述との関連において後に示す。箔シートをその下地層に一時的にまたは予備的に付着させる他の方法（例えば、型締め、機械的な締結、ねじ留め等）を、本発明の範囲を逸脱することなく用いてもよい。したがって、本発明は、合金箔シートのそれぞれを各自の下地層に予備的にまたは一時的に付着させ、その後の接合操作に備えて、各箔シートの位置を下地層上において固定することを含む。この付着の一つの目的は、新しい箔を下層に密着させて固定し、互いに溶接される層の間の間隙を無くすことである。これは、その後の接合操作で溶融を行われ、焼損が起こらないことを確実にするために必要である。また、この予備的な付着により、付着されている箔層が熱応力によって上方に湾曲することが防止される。いくつかの実施形態において、付着は、クランプ、または最終的な層同士の結合の一部を形成しない他のシステムという意味で一時的である。他の実施形態において、付着は、スポット溶接、または最終的な層同士の結合を形成するか、あるいは少なくとも当該結合に一体化される他のシステムという意味で予備的である。
【００５２】
箔シートＦを下地層に予備的にまたは一時的に固着させた後、材料接合レーザシステム１４は、箔シートを下地層に実質的に均一に接合するように構成されている。図５に示すように、コントローラ２０は、材料接合レーザ２６の接合セグメント２６ｃを溶接経路Ｑに沿って箔シートＦ２に対して移動させるように走査器を制御するように走査器４０に連動連結されている。溶接経路Ｑは、材料接合レーザ２６を、箔シートＦとｚ軸に沿って動作可能に整列した状態で当該溶接経路に沿って適当な走査速度にて進行させることにより、材料接合レーザが、箔シートを下地層に実質的に均一に接合する溶接部を箔シート全体にわたって形成するように好ましくは構成されている。
【００５３】
図示の実施形態において、溶接経路Ｑは、複数の平行なセグメントを有する。各セグメントは、ｘ軸に沿って延び、セグメントは、ｙ軸に沿って隣接するセグメントから離間している。箔シートＦ２の一端の外部から開始して、走査器４０は、レーザ２６が箔シートの反対側の端部上方を通過するまで、ある走査速度でｘ軸に沿って第１の方向ｘｉに材料接合レーザ２６を移動させる。走査器４０は、次いで、材料接合レーザ２６をｙ軸に沿って距離ｄ２移動させてから、ｘ軸に沿って反対の第２の方向ｘｉｉに走査する。走査器４０は、材料接合レーザ２６が箔シートＦ２の第１の端部上方を通過するまで材料接合レーザ２６を第２の方向ｘｉｉに移動させ、次いで、当該レーザをｙ軸に沿って距離ｄ２だけ再び移動させる。走査器４０は、溶接経路Ｑが、ｙ軸に沿って箔シートＦ２の全距離にわたって延びるまで、これらのステップを繰り返す。
【００５４】
分かりやすさのため、図示の溶接経路Ｑは、隣接する経路セグメントを順次横断するものとして示される。しかし、ある特定の好適な実施形態においては、溶接経路は、第１経路セグメントに沿って進行し、続いて、第１経路セグメントから１つまたは複数の介在セグメントだけ離間した第２経路セグメントに沿って進行し、このパターンが繰り返され、材料接合レーザ２６は、箔シートＦ全体に跨る経路セグメントに沿って走査される。例えば、部品Ｐにおける熱蓄積、熱応力および歪みを最小限とするため、各溶接経路Ｑは、箔シートＦの両端に隣接するセグメントに沿った走査を交互に繰り返すことができる。
【００５５】
他の実施形態においては、平行な溶接セグメントを含む連続した溶接経路に沿って材料接合レーザ２６を走査することによって箔シートＦを下地層に溶接する代わりに、箔シートは、その幅に沿って互いに重なり合うスポット溶接部のマトリックスを箔シートの表面に沿ってスポット溶接することにより、実質的に均一に下地層に接合される。この変形例についは、非晶質合金部品の製造との関連において後に詳述する。
【００５６】
図４および図５を参照し、接合レーザがスポット溶接部ではなく連続した溶接部を形成する連続経路を進行する実施形態に戻ると、隣接する経路セグメント間の溶接寸法および距離ｄ２は、好ましくは、各溶接経路セグメントの箔シートＦの上面における溶接部の幅Ｗｉの少なくとも約４０％（例えば、約５０％）が、隣接する溶接経路セグメントの箔シートの上面における溶接部の幅と重なり合うようなものとするのが好ましい。同様に、隣接する経路セグメント間の溶接寸法および距離は、溶接部が各自の箔シートＦの底面にわたってほぼ連続して延びるようなものとすることが好ましい。例えば、各経路セグメントにおける溶接部の幅Ｗｉｉと隣接するセグメントとの間には、少なくともごくわずかな量の重なりが存在する。得られる溶接部は、各箔シートＦを各自の下地層に実質的に均一に接合し、これにより、製造されら部品Ｐのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿って良好な強度が得られる。
【００５７】
図５の写真は、下地層に溶接された後の箔シートＦ２の上面における凝固パターンを示す。溶接パターンが見えるものの、溶接後の上面はかなり平滑なままである。表面粗さは、約１０μｍのレベルであると測定された。よって、１つまたは複数の実施形態において、材料接合レーザシステム１４は、約２０μｍ未満の未仕上げ表面粗さを有する被溶接面を有する部品Ｐを形成するように構成されている。
【００５８】
図６を参照すると、上記の例示的な材料接合条件およびシステムを用いて、第１箔シートＦ３を第２箔シートＦ４に接合した。図６は、互いに融着させた後の箔シートＦ３およびＦ４の断面の写真を示す図である。この写真から明らかなように、第１箔シートは、第２箔シートＦ４に実質的に均一に融着された。はっきりとした孔や微小割れは存在せず、２枚の箔シートＦ３およびＦ４は、ほとんと区別できない。しかし、箔シートが下地層に実質的に均一に接合されるのに、微小割れや孔が明らかに存在しないことおよび箔シートと下地層との完全な融着は、狭義には重要ではない。
【００５９】
図３を再び参照すると、材料除去システム１６は、ｎ枚の箔シートＦのいずれか１つまた複数から材料を除去して、箔シートを部品Ｐとして成形するように構成されている。より具体的には、コントローラ２０は、部品Ｐのｎ枚のスライスＳのそれぞれの形状を示す形状データを用いてシートＦから材料を除去して、シートのそれぞれをスライスＳのうちの１枚である各自のスライスと形状において対応するように成形するよう材料除去システム１６に連動連結されている。図示の実施形態において、材料除去システム１６は、材料除去レーザ４６を発生させるように構成された材料除去レーザシステムである。しかし、他の実施形態においては、本発明の範囲を逸脱することなく、他の種類の材料除去システム（例えば、多軸ミルといった機械加工システム等）を用いてもよい。
【００６０】
材料除去レーザシステム１６としては、任意の適した材料除去レーザシステムを用いてもよい。図示の実施形態において、材料除去レーザシステム１６は、Ｑスイッチレーザ発生器５０、半波長板５２およびビーム拡大器５４を備える。Ｑスイッチレーザ発生器以外の他のレーザ発生器を用いてもよいが、箔シートＦのクリーンな切削のための高い瞬間出力のレーザ４６を生成するには、Ｑスイッチレーザ発生器が好ましい。１つまたは複数の実施形態において、レーザ発生器５０は、パルス材料除去レーザ４６を発生させるように構成されている。例えば、材料除去レーザは、パルス持続時間が約１０ｎｓ〜約６００ｎｓ（例えば、約３０ｎｓ）であるパルスを有することができる。より短いパルス持続時間では、レーザ４６の箔に対する熱影響を低減することにより、箔シートＦに形成される切削部の品質を向上させると考えられる。ある特定の実施形態において、レーザ発生器５０は、紫外線波長を有する材料除去レーザ４６を発生させるように構成されている。いくつかの実施形態において、材料除去レーザ発生器５０は、約２６６ｎｍ〜約１０，６４０ｎｍ（例えば約３５５ｎｍ）の波長を有する材料除去レーザ４６を発生させるように構成されている。１つまたは複数の適切な実施形態において、レーザ発生器５０は、約３Ｗ〜約８００Ｗ（例えば、約１０Ｗ）の最大出力、約５０μＪ〜約１５０μＪ（例えば、約７５μＪ）のレーザパルスエネルギーおよび約５ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚ（例えば、約２０ｋＨｚ）のパルス繰返し数を有する材料除去レーザ４６を発生させるように構成されていてもよい。材料除去レーザ発生器５０の１つの適した実施形態は、カリフォルニア州サンタクララのＣｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｎｃ．から入手可能なＣｏｈｅｒｅｎｔ ＡＶＩＡ−３５５Ｘレーザ発生器である。この材料除去レーザは、最上層（１つまたは複数）を貫通する切削部を、当該切削部の一方の側にある合金材料が他方の側にある材料から物理的に分離されるとともに、物理的に除去され得るように形成することにより、材料の除去を容易にする。したがって、本プロセスは、箔シートをスライスすることにより合金箔シートのうちの１つまたは複数から材料を切削除去し、下地層に接合されていない箔シートセグメントを分離して、合金箔シートを、金属合金部品の１つまたは複数の各自のスライスと形状において一致するように成形することを含む。これは、材料を削摩させる、すなわち、蒸発によって除去することにより作用するものではない。レーザビームが衝突した材料の１０％未満の蒸発といった、若干の蒸発は起こり得るものの、除去機構は切削によるものであるため、この意味において、本材料除去レーザは、削摩レーザではなく、切削レーザとして適切に特徴付けられる。
【００６１】
材料除去レーザ４６の第１のセグメント４６ａは、レーザ発生器５０からｙ軸に沿って半波長板５２まで延びる。半波長板５２は、第２のセグメント４６ｂにおいてレーザ４６の極性を変化させる。第２のセグメント４６ｂは、ビーム拡大器３４までｙ軸に沿ってさらに延び、ビーム拡大器３４は、レーザ４６の大きさを第３のセグメント４６ｃにおいて拡大する。第３のセグメント４６ｃは、回転反射器５６までｙ軸に沿って延びる。回転反射器５６は、第４のセグメント４６ｄがｚ軸に沿って回転反射器５６から離れる方向に延びるようにレーザ４６を回転させる。材料除去レーザ４６の第４のセグメント４６ｄは、合焦レンズ５８によって受光され、合焦レンズ５８は、第５の（切削）セグメント４６ｅを焦点に合焦させる。１つまたは複数の実施形態において、合焦レンズ５８は、材料除去レーザ４６の切削セグメント４６ｅを合焦レンズからｚ軸に沿って離間したビームスポットに合焦させる焦点距離を有する。ある特定の実施形態において、焦点距離は、約５ｃｍ〜約２０ｃｍ（例えば、約１０ｃｍ）である。
【００６２】
切削セグメント４６ｅおよび接合セグメント２６ｃの焦点距離ならびに合焦レンズ４２および５８のｚ軸位置合わせは、それぞれのレーザ４６および２６のビームスポットが、ｚ軸に沿って互いに整列されるようなものであるのが好ましい。合焦レンズ５８は、合焦レンズ４２と同様、ｚ軸に沿った連帯移動のために、ｚ移動ステージ４４に装着される。以下にさらに詳細に説明するように、材料除去レーザ４６のビームスポットは、好ましくは、プラットフォーム２２に配置されたそれぞれの新たな箔シートＦとｚ軸に沿って整列され、箔シートのそれぞれから材料を順次除去する。２つのレーザ２６および４６のビームスポットを整列させることにより、ｚ移動ステージ４４を調整することなく、材料接合レーザ２６と材料除去レーザ４６とをそれぞれの箔シートＦにおいて交互に使用することが可能となる。
【００６３】
材料を除去する箔シートＦにおいて、様々な材料除去雰囲気を生成することができる。レーザシステム１６の構成によっては、例えば、周囲空気、圧縮空気、周囲アルゴン、圧縮アルゴン等の雰囲気が適し得る。図示の実施形態において、レーザシステム１６は、合焦レンズ５８の遠位端に同軸ガスノズル６０を備える。ガスノズル６０は、材料除去レーザの切削セグメント４６ｅとともに、圧縮補助ガスの同軸流をｚ軸に沿って分配供給するように構成されている。本発明の範囲を逸脱することなく、アルゴンなどの任意の補助ガスを用いることができる。このガスは、好ましくは、材料除去中に発生したドロスおよびデブリを吹き払い、クリーンな切削を実現し、酸化を防ぐ。
【００６４】
材料接合レーザシステム１４の場合と同様、材料を箔シートＦの指定された位置から除去して箔シートを部品ＰのスライスＳと形状において対応するように成形するために、コントローラに連動連結された任意の適した材料除去移動システムを用いて材料除去レーザ４６およびプラットフォーム２２を互いに対して移動させてもよい。図示の実施形態において、材料除去移動システムは、ｘｙ軸移動ステージ２３およびｚ軸移動ステージ４４を備える。合焦レンズおよび同軸ガス分配供給ノズルを箔シートの比較的近くに装着することができるように、ｘｙ移動ステージは、材料除去レーザシステム用のレーザ走査器に好ましい。前述のように、ｘｙ軸移動ステージは、プラットフォーム２２をｘ軸およびｙ軸に沿って移動させるようにプラットフォーム２２に連動連結されており、ｚ軸移動ステージ４４は、合焦レンズをｚ軸に沿って移動させるように合焦レンズ５８に連動連結されている。合焦レンズ５８がｚ軸に沿って移動することにより、材料除去レーザ４６がプラットフォーム２２に対してｚ軸に沿って移動し、さらに、材料除去レーザ４６のビームスポットが、プラットフォーム２２に積み重ねられた箔シートＦに対して移動する。
【００６５】
材料除去レーザがベースに対してｚ方向に移動する実施形態、ベースが材料除去レーザに対してｚ方向に移動する実施形態およびベースおよび材料除去レーザの両方が互いに対してｚ方向に移動する実施形態がある。ここで図示される実施形態においては、コントローラ２０は、各箔シートＦがプラットフォーム２２に配置された後に当該箔シートＦから材料を順次除去するように、材料除去レーザシステム１６、ｘｙ軸移動ステージ２３およびｚ軸移動ステージ４４を制御するよう構成されている。例えば、一実施形態において、コントローラ２０は、各箔シートを予備的に下地層に付着させた後であって、材料接合システム１４がそれぞれのシートをその下地層に永久的に融着する前に、当該シートから材料を除去するように、製造システム１０を制御するよう構成されている。他の実施形態において、コントローラ２０は、各箔シートＦが材料接合レーザシステム１４によって下地層が永久的に融着された後に、当該シートから材料を除去するように、製造システム１０を制御するよう構成されている。好適な実施形態において、コントローラ２０は、新たな箔シートＦがプラットフォーム２２に積層されるたびにｚ軸移動ステージ４４を調整して、ビームスポットをｚ軸に沿ってそれぞれの箔シートと動作的に整列させるように構成されている。１つまたは複数の実施形態において、コントローラ２０は、部品ＰのスライスＳのそれぞれの形状データを受信し、各スライスの形状データを用いて、ｘｙ移動ステージ２３を制御して、それぞれのシートＦから材料を除去し、それにより、当該シートを各自のスライスと形状において対応するように成形するように構成されている。好適な実施形態において、ｘｙ移動ステージ２３は、約５０ｍｍ／分〜約３５０ｍｍ／分（例えば、約２００ｍｍ／分）の速度でプラットフォーム２２を材料除去レーザ４６に対して移動させる。
【００６６】
材料除去レーザシステム１６の切削速度は、得られる部品Ｐの品質に影響を及ぼす。図７を参照すると、例示的な実施形態において、材料除去レーザシステム１６は、材料が除去される位置を画定する、箔シートＦの１つまたは複数の縁部マージンに沿って１つまたは複数の切削部６２を形成するように構成されている。好ましくは、材料除去レーザ４６は、下地層に損傷を与えることなく動作可能に整列させる切削部を箔シートＦに形成するように構成されている。材料がレーザによって箔から除去される場合、切削部６２の縁部マージンに沿って熱影響ゾーン６４が発生する。１つまたは複数の実施形態において、熱影響ゾーン６４は、約２５μｍ（例えば、約２０μｍ）未満の幅ｗ３を有する。図７に示すように、熱影響ゾーンの幅が比較的小さいと、焼けおよび目に見える熱影響が最小である比較的クリーンな切削部６２が形成される。より高速な切削速度で材料除去レーザ４６を箔シートＦの上方を複数回通過させることによってより高品質な切削部６２が形成されると考えられる。
【００６７】
図８を参照し、付加製造システム１０を用いた例示的な方法１００について以下に説明する。以下の記述においては、箔シート位置決めシステム１２、材料接合システム１４および材料除去システム１６の様々な態様を制御するコントローラ２０について言及する。２つ以上の制御モジュールを用いて、方法１００を制御することができることが理解される。例えば、別々の制御モジュール（例えば、別々のコントローラ）を用いて、材料接合レーザシステム１４、材料除去システム１６、ｘｙ移動ステージ２３およびｚ移動ステージ４４を制御することができる。あるいは、本発明の範囲を逸脱することなく、単一の制御モジュールを用いて、制御システム全体を実現してもよい。さらに、コントローラ２０によって行われるものとして説明される方法１００の様々な態様は、本発明の範囲を逸脱することなく、手動で行ってもよい。
【００６８】
方法１００の最初のステップ１１０において、コントローラ２０は、部品Ｐの三次元モデルを受信する。モデルを受信した後、ステップ１１２において、コントローラ２０は、形状スライスソフトウェアを用いてモデルの形状データを生成する。形状データは、三次元モデルを、部品ＰのスライスＳの別々のモデルに分割する。コントローラ２０は、さらに、形状データを、製造システム１０を制御するための機械命令に変換する。コントローラ２０は、三次元モデルを用いて独自の形状データおよび機械命令をコンパイルする代わりに、形状データまたは機械命令を別の送信元から受信することができることが理解される。
【００６９】
ステップ１１４において、システム１０のユーザは、基材Ｊをプラットフォーム２２に載置する。基材Ｊをプラットフォーム２２に載置した後、ユーザは、ｎ枚の箔シートＦの１枚目シートを基材Ｊ（すなわち、第１シートの下地層）に載置する（ステップ１１６）。自動載置システムを使用する場合、コントローラ２０は、ステップ１１６を実行する際に当該システムを制御することができる。第１箔シートＦが基材Ｊに載置された後、コントローラは、ｚ移動ステージ４４を操作して、材料接合レーザ２６および材料除去レーザ４６を新たに載置された箔シートと動作可能に整列させる（ステップ１１８）。次いで、コントローラ２０は、材料接合レーザシステム１４を操作して、箔シートＦを基材Ｊに予備的に付着させる（ステップ１２０）。上述のように、図示の付加製造システム１０は、箔シートＦをその下地層にスポット溶接によって予備的に付着させるが、本発明の範囲を逸脱することなく、予備的にまたは一時的に付着させる他の方法を用いてもよい。
【００７０】
箔シートＦを基材Ｊに一時的にまたは予備的に付着させた状態で、コントローラ２０は、材料接合レーザシステム１２を制御して、当該シートを下地層に実質的に均一に接合する（ステップ１２２）。上述のように、コントローラ２０は、レーザ発生器３０および走査器４０を操作して、材料接合レーザ２６を溶接経路Ｑに沿って移動させ、それにより、箔シートＦと下地層との間に実質的に連続した融着をその境界面にわたって生じさせる。好ましくは、コントローラ２０は、材料接合レーザシステム１４が箔シートＦを下地層に接合するように動作している間に、材料除去レーザシステム１６が材料除去レーザ４６を発生させるのを防止する。
【００７１】
箔シートＦを下地層に接合した後、コントローラ２０は、材料除去レーザシステム１６を制御して、箔シートから材料を除去し、箔シートを部品Ｐの対応するスライスＳと形状において対応するように成形する（ステップ１２４）。コントローラ２０は、好ましくは、ステップ１２４の間、材料接合レーザシステム１４が材料接合レーザ２６を発生させるのを防止する。ステップ１２２と１２４とは、本発明の範囲を逸脱することなく、逆にすることができると理解される。ステップ１２４の間、コントローラ２０は、スライスＳの形状データを用いてｘｙ移動ステージ２３を移動させて、材料除去レーザ４６を、材料が除去されなければならない箔シートＦに沿った位置に配置する。機械上に残存する切削された箔の廃棄物は、手動であるいは自動的に箔載置システム１２から除去することができる。
【００７２】
判定ブロック１２６において、部品Ｐが完全には製造されていないとコントローラ２０が判定した場合、方法１００は、ステップ１１６に戻る。別のシートＦが、プラットフォーム２２の下地層に載置される。コントローラ２０は、ｎ枚の箔シートが部品Ｐのｎ枚のスライスを形成するまで、それぞれの箔シートＦについてステップ１１６〜１２４を繰り返す。方法１００の例示的な実施形態において、得られる部品Ｐは、実質的な方向依存性を有さない良好な強度特性を有する。
【実施例】
【００７３】
実施例１
図９は、付加製造システム１０を用いて方法１００を行うことによって形成された例示的な部品２００の写真である。部品２００は、材料が除去されて、それぞれのスライスと形状において対応するように成形された各自の箔シートＦからそれぞれ形成されたｎ枚のスライス２０２を含む。スライス２０２は、ｚ軸に沿って基材層２０４に積み重ねられている。そして、上述したように、各スライス２０２は、溶接経路Ｑに沿って延びる溶接部によって下地層に接合されている。図示の部品２００には、センサ２０６が埋設されている。センサ埋設部品２００を形成するためのプロセスは、部品Ｐについて上述したものと実質的に同じである。ｚ軸のある１つのセグメントに沿った箔シートを、センサ２０６を収容するための溝部を形成するように成形する。溝部が部分的に形成された状態で、センサ２０６を部品２００上に配置し、次の箔シートをセンサの上部に形成して、センサを部品に封入する。場合によっては、センサを溝部内に配置する前に、センサに緩衝被覆を施すことが望ましい。溝部をセンサよりも若干大きい寸法とし、部品とセンサとの間に小さい間隙を形成することも望ましい場合がある。
【００７４】
写真に示すように、システム１０および方法１００により、比較的平滑な上面および側面を有する部品１００が製造された。上面の表面粗さは、約１０μｍのレベルであると測定された。側面は、箔シートＦをｚ軸に沿って手動で重ね合わせることによって生じる欠陥により、上面よりも粗い。側面の平滑性は、自動箔積層システムを組み込むことによって改善が可能であると考えられる。
実施例２
【００７５】
図１０を参照すると、方法１００に係る付加製造システム１０によって別の４ミリ立方体３００を製造した。高強度部品の製造における製造システムおよび方法の有効性を評価するため、立方体３００を微小硬さ試験に供した。微小硬さ試験は、小型試料用に適合させた、ＡＳＴＭ  Ｅ８／Ｅ８Ｍ規格（２００９年版、６ページ）に準じて概ね行われた。未加工箔の微小硬さを、作製された立方体３００のその断面の６４個の異なる点のマトリックスにおける微小硬さと共に測定した。微小硬さ試験の結果を図１０に示す。作製された部品３００の平均微小硬さは３３９.８ｋｇｆ／ｍｍ２（ビッカース硬さ、Ｈｖ０．１／５）であり、標準偏差は２０．８ｋｇｆ／ｍｍ２である。未加工箔の場合、平均微小硬さは２８３.８ｋｇｆ／ｍｍ２であり、標準偏差は１３．９ｋｇｆ／ｍｍ２である。よって、作製された部品の微小硬さは、未加工箔と比べて改善されていた。作製された部品の微小硬さは、部品の体積全体にわってかなり均一であり、作製された部品の微小硬さが原材料と比べて若干増加しているのは、高速冷却およびレーザ溶接における凝固によって粒径および配向が変化したことによるものである。
【００７６】
硬さに加えて、システム１０および方法１００を用いて作製された部品Ｐの様々な試料の引張強度を試験した。試験結果は、ｘｙ平面における部品の引張強度は、元の箔の引張強度よりも大きいことを示した。例えば、約５５１ＭＰａのＡＩＳＩ  １０１０引張強度を有する未加工箔の場合、作製された部品の試験引張強度は、９５０ＭＰａ〜約１０１５ＭＰａであることが分かった。垂直ｚ軸に沿って、試験部品は、未加工箔と比べて改善された引張強度も示した。例えば、約５５１ＭＰａのＡＩＳＩ  １０１０引張強度を有する未加工箔の場合、作製された部品のｚ軸に沿った試験引張強度は、約７００ＭＰａ〜約７５０ＭＰａであることが分かった。ｚ軸引張強度は、隣接する箔層間の未溶接の間隙を最小化するようにプロセスを最適化することによってさらに改善することが可能であると考えられる。
実施例３
【００７７】
図１１〜図１３に示すように、付加製造システム１０および方法１００を用いて、様々な形状、大きさおよび配置構成を有する金属部品４００、５００および６００を形成することができる。
非晶質合金部品
【００７８】
本システムおよび方法の一つの好適な実施形態は、非晶質合金部品の製造に関する。本実施形態の主要な特徴は、各層の下地層への溶接が、非晶質微細構造の保持および付与に必要である急速焼入れを促進するために、過冷却チャンバにおいて行われることである。本実施形態で使用する箔層は、厚さ５０〜５００μｍの範囲といった、例えば、厚さ約１００μｍなどの、７５〜２００μｍの厚さの非晶質合金の薄片である。この種の箔は、米国カリフォルニア州のＬｉｑｕｉｄｍｅｔａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。上述のような溶接操作中、レーザの高熱により、合金は、その融点を超える温度に加熱され、その下地層に融着させるのに十分に軟化する。その時点で、合金を空冷または単にゆっくりと冷却させると、その原子は結晶構造へと配列化することになる。しかし、合金を、例えば、１°Ｋ／秒または１０°Ｋ／秒より高い速度で急速焼き入れすると、材料が凝固する前に原子が結晶構造へと配列化する時間がない。したがって、過冷却環境を本明細書に記載の特定のレーザ接合技術と組み合わせて使用することにより、元の非晶質合金箔の不規則でランダムな微小構造が保持され、それにより、部品に非晶質微細構造が付与される。
【００７９】
一つの好適な実施形態において、各箔シートは、マスキング装置およびスポット溶接によって下地層に一時的に固定される。マスクは、約１〜約１５ｍｍ、好ましくは、約５〜約１０ｍｍのプレートで構成される。マスクは、スポット溶接レーザを上層における離間した位置に送出する一連の貫通孔を含む。一例において、マスクは、図１４に示す構成の金属プレートである。マスクは、下層に固定される上層に被せられる。マスクの厚さは、本発明にとって狭義には重要でない。マスクは、箔層を、その下方にある層に、両者間に間隙を生じさせることなく、均一性良く接触させるのに十分な重さである必要がある。錘またはクランプを用いて、マスクによって加えられる力を補うことができる。孔の大きさは、様々であってよく、孔のパターンについても同様である。レーザを、マスクの孔の一部またはすべてを介してかつ上層へと下方に向けて、上層を下層にスポット溶接する。一実施形態において、このスポット溶接レーザは、箔層と下層との間に均一な結合を形成するために使用される材料接合レーザと同じ出力および波長パラメータを用いたパルスレーザモードで操作される。
【００８０】
本発明に係る１つの方法において、急冷は、ベースの下方で熱交換器を使用することによって促進される。このような熱交換器の一例を図１５に示す。鋼板には銅管が埋め込まれ、銅管に液体窒素や液体アルゴンなどの冷流体を循環させる。液体アルゴンに対してコストにおいて有利であるため、液体窒素が好適である。
【００８１】
適切な冷却環境を形成するため、本発明の好適な実施形態は、冷却ガスをチャンバに流入させ、被加工物の周囲に流動させる孔を有する図１６に示すようなチャンバ床部を含む冷却チャンバを用いる。チャンバ床部を冷却ガス供給源に接続する冷却ガス供給ラインがある。組み立て後のチャンバを、図１７の５０で示す。ここで、チャンバ５０はチャンバ床部５２に載置された側壁を有することが分かる。図１８に示すチャンバの上面図において、チャンバ天井部には、レーザがそれを通じて被加工物に直接アクセスすることができる窓５４があることが分かる。好適な実施形態において、この窓は、コーティングされたガラスである。窓は、レーザビームがこの窓を通過する際に溶融しない。なぜなら、レーザビームの経路のこの位置においては、ガラスを溶融させるほどには強くない程度に焦点から十分に離れているからである。好ましい実施形態において、冷却ガスは、アルゴン蒸気である。冷却に加え、アルゴン蒸気により、溶接操作および切削操作の際、被加工物が酸素に晒されることから遮蔽される。冷却・遮蔽ガスとして窒素を用いてもよいが、一部の合金は窒素の影響を受けやすい。好適な実施形態において、被加工物の周囲の雰囲気温度は、約マイナス５０℃よりも低い、例えば、約マイナス１００℃よりも低い温度である。勿論、被加工物の直接の温度は、溶接中のスポット、未溶接スポットまたはつい最近溶接されたスポットのいずれの温度を測定するかによって異なる。ここで例示される実施形態では、本質的に被加工物のみを含むチャンバにおける冷却・遮蔽環境を示しているが、被加工物に加えてレーザ装置の部品あるいさらにはレーザ装置全体を含む、非常に大きなチャンバを用いることも可能である。
【００８２】
チャンバ５０の頂部の窓５４を通過する際、レーザビームは、被加工物から依然として遠く離れており、したがって脱焦状態であり、まだ合焦されていない。このことは重要である。なぜなら、本発明によれば、合焦した溶接レーザビームおよび切削レーザビームは、被加工物においてまたはその付近（例えば、その５ｃｍ以内）においては、ガラス、ポリマーもプラスチック材料も透過しないからである。合焦したレーザビームの被加工物への直接的なアクセスは、様々な理由で重要である。第一に、レーザビームは、合金材料を溶接および切削するほど高い強度を有する。したがって、レーザビームは、それが合焦状態で通過して向けられる場合があるガラス、ポリマーまたはプラスチック材料を破壊してしまう。したがって、本プロセスは、このようなあらゆる透過を積極的に回避する。また、材料を透過することは、レーザを偏向または屈折させる傾向があり、したがって、接合操作および切削操作の精度に悪影響を与え得る。合焦したレーザビームが溶接される合金箔シートに当たる箇所においてレーザとの干渉が無いことも重要である。したがって、被加工物表面から遠く離れたガラス窓５４は、レーザビームが被加工物に当たる前に通過する最後の材料である。したがって、本プロセスは、合金箔シートのそれぞれを、材料接合レーザの合焦したレーザビームを箔シートの自由な非遮蔽表面に衝突させて、各合金箔シートをその各自の下地層に溶融および接合させることによって、各シートがその各自の下地層に積み重ねられた後に、当該レーザを用いて、各自の下地層に接合することを含む。これは重要である。なぜなら、被加工物に当接し、合焦したビームが通過するガラスまたはポリマーが存在した場合、当該ガラスまたはポリマーは、溶融する傾向があるか、あるいは少なくとも被加工物の溶融金属を付着するからである。このガラスまたはポリマーは、レーザビームを偏向させる恐れもあり、したがって、精度を低下させる。よって、本実施形態および非晶質合金を必ずしも含まない他の実施形態において、合焦したレーザビームが当たる表面は、自由な非遮蔽表面である。
【００８３】
レーザ溶接およびその後のレーザ切削は、いずれも、被加工物を加熱することを含むため、接合操作およびレーザ切削操作の両方を本明細書に記載の過冷却雰囲気において行うことが好ましい。
【００８４】
非晶質合金箔を含むここでの好適な実施形態において、材料接合レーザ２６を平行な溶接セグメントを含む連続溶接経路に沿って走査することによって箔シートＦを下地層に溶接する代わりに、箔シートは、幅に沿って互いに重なり合うスポット溶接部のマトリックスを箔シートの表面に沿ってスポット溶接することによって、実質的に均一に下地層に接合される。最終的な接続は、層上のあらゆる位置がレーザによる衝突を受け、溶接スポットのすべてが互いに重なりあっており、その結果、層全体が溶接されているという点で、均一である。しかし、一実施形態においては、レーザ打撃それ自体（一連の瞬間的な溶接打撃に伴うオンオフ、オンオフ、オンオフ）が連続的な直線状に逐次印加されない。むしろ、第１打痕（strike）は、第１位置にあり、第２打痕は、第１位置に隣接しない第２位置にあり、第３打痕は、第２位置に隣接しない第３位置にあり、第ｎ打痕は、第ｎ−１位置に隣接しない第ｎ位置にある。２つの連続するスポット溶接部同士の間隔を大きく離しておくことにより、熱蓄積が最小化され、冷却速度が最大化される。そして、２つの隣接する／重なり合うスポット溶接部同士の時間間隔を大きく離しておくことにより、熱蓄積が最小化され、冷却速度が最大化される。したがって、第１溶接打痕、第２溶接打痕、第３溶接打痕等によって層に形成される各連続スポット溶接部は、その直前または直後に形成されたスポット溶接と重なり合わない。勿論、若干の例外は存在するため、全てのスポット溶接が必ずしもこのように行われるものではない。しかし、好ましい実施形態において、層上に形成されたスポット溶接部の少なくとも約８０％または９０％が、その直前または直後に形成されたスポット溶接部と隣接しないかあるいは重なり合わないというこのような基準を満たす。しかし、プロセスの最後までには、指定された領域内の層の実質的に全表面領域が下地層に溶接される。この特定の実施形態は、非晶質合金部品の製造において特に好適である。なぜなら、これにより、連続する各溶接スポットの急冷が容易となるからである。第２スポット溶接部は、第１スポット溶接部と重なり合わずかつ隣接しない位置に形成させるため、第１スポット溶接部は、より迅速に冷却される。第２回目のスポット溶接によって加熱される材料は、第１回目のスポット溶接に供される材料と重なり合わず、かつ隣接しない。したがって、第１スポット溶接部は、その形成直後のクリティカルな数マイクロ秒または数秒の間、直後のスポット溶接を受けない冷却材料によってのみ完全に囲まれている。これにより、第１スポット溶接部からの熱は、より早く放散することができる。第３スポット溶接部等〜第ｎスポット溶接部についても同様である。したがって、各スポット溶接部は、好ましくは、当該スポット溶接部からの熱が前のスポット溶接部に著しい影響を与えることのない程度に前のスポット溶接部から十分に離れた位置に形成される。例えば、一実施形態において、各スポット溶接部（またはスポット溶接部の少なくとも約８０％または９０％）は、直前のスポット溶接部から少なくとも約５ｍｍ、例えば、少なくとも約１０ｍｍ離れた位置に形成される。また、隣接する、重なり合うまたは接触する各スポット溶接部（または、このようなスポット溶接部の少なくとも約８０％または９０％）は、少なくとも約１秒、時間的に離れているのが好ましい。これはつまり、新たな各スポット溶接部は、形成されてから１秒未満の隣接するかあるいは重なり合うスポット溶接部を有しないことを意味する。したがって、新たな各スポット溶接部は、ａ）形成されてからの時間が１秒を超える他のスポット溶接部のみと接触している（すなわち、形成されてから１秒未満の溶接スポットとは接触していない）またはｂ）他のいかなるスポット溶接部とも接触していない、のいずれかの配置となる。２つの重なり合う溶接スポットの間の時間は、冷却条件に依存する。したがって、冷却をより効率的に行うことにより、重なり合うスポットを大きな時間間隔を空けずに形成することができる。
【００８５】
このスポット溶接方法は熱蓄積を回避するが、これは、図５に関連して上述した連続経路溶接プロセスよりも遅い。これら２つの方法の妥協案は、図５に示すような連続溶接経路を使用することであるが、各直線パスはその直前の直線パスから離間させる。図５を見ると、例えば、５本のパスが示されている。この変形例においては、第１パスは最も下の右から左へのパスであり、第２パスは、第１パスに対して重ならずかつ隣接しない材料を溶接する、等である。したがって、第２パスは、最も下のパスの真上のパスではなく、むしろ、（図５を参照すると）下から３番目、４番目または５番目のパスである。したがって、第１パスの後の各パスは、直前のパスと重なり合わない。したがって、この方法は、それぞれがその直前の経路と重なり合わない、第２パス、第３パス、第４パス、第５パス等が後に続く第１の直線溶接パスを層の表面にわたって形成することを含む。
【００８６】
材料溶接／接合レーザを材料除去／切削レーザと比較すると、１つの好適な実施形態において、溶接／接合レーザは、約１０〜約２０００ワット、例えば、約３００ワットの出力で印加され、一方、除去／切削レーザは、約１〜約１００ワット、例えば、約１０ワットの出力で印加される。一実施形態において、溶接／接合レーザは、好ましくは、約３５５〜約１０６４０ｎｍ、例えば、約１０６４ｎｍの波長で印加され、一方、除去／切削レーザは、約２４８〜約１０６４０ｎｍ、例えば、約３５５ｎｍの波長で印加される。一般に、切削レーザは、連続モードの接合レーザよりも、パルスモードでの平均出力が低く、波長が短い。
【００８７】
前述のように、本発明のいくつかの実施形態において、層は、主要な溶接／接合レーザの印加の前に、スポット溶接操作および図１６の光学マスクを用いることにより、離間した位置で下層に予備的に固定される。非晶質合金層の下層に対する予備付着のためのこのような手順の一つにおいて用いられるスポット溶接レーザは、約５０〜約１０００ワット、例えば、約１５０ワットの出力で印加され、約３５５〜約１０６４０ｎｍ、例えば、約１０６４ｎｍの波長で印加される。
実施例４
【００８８】
合金ＬＭ−１０５（Ｚｒ６５．７Ｔｉ３．３Ａｌ３．７Ｎｉ１１．８Ｃｕ１５．６（重量％）の厚さ１００μｍの非晶質箔層を、厚さ０.７５ｍｍの合金ＬＭ−１０５非晶質プレート上に溶接し、次いで、続くｓ枚の厚さ１００μｍの非晶質箔を順次溶接した。１００枚の層を追加して、厚さ１０ｍｍの立方体の試験試料を形成した。試料の作製条件は、Δｔ＝４ｍｓのレーザパルスモード、Ｐ＝２００Ｗのレーザ出力およびＤ＝４３０μｍ（式中、Ｄは、被加工物材料との衝突面におけるスポットサイズ、すなわち、スポット径）を使用した。レーザ溶接雰囲気は、室温のアルゴン遮蔽チャンバであった。
【００８９】
図１９は、試験試料の上面（１９ａ）および断面（１９ｂ）の写真である。１９ａの挿入図は、接合レーザのスポット溶接順序を示し、第１回目のスポット溶接を１、第２回目のスポット溶接を２、等として示す。各スポット溶接が直前のスポット溶接から離して行われたことが分かる。５で示す第５回目のスポット溶接は、これが重なり合っている１で示す第１回目のスポット溶接の４秒後の時点で行われた。１９ａに示す表面は、隣接する溶接スポット同士の重なりが６７％程度だったことを示している。１９ｂに示す断面は、割れやボイドの無い、高度に一体的な接合を示している。試料の密度は、アルキメデス法によって６.６０７ｇ／ｃｍ３であると測定され、これは、元の箔の密度の測定値である６．５９９ｇ／ｃｍ３に近い。
【００９０】
試験試料全体にわたる様々な位置でＸ線回折パターンを生成してその微細構造を決定した。これを図２０に示す。曲線５は、供給業者から受け取ったままの状態の厚さ０．７５ｍｍの非晶質合金プレートのパターンを示す。曲線６は、供給業者から受け取ったままの状態の非晶質合金箔のパターンである。曲線１（上面）、２（中心線）および３〜４（断面）は、曲線５および６とほぼ整列している。全ての曲線が、ブロードなハロー回折ピークをわずかしか含んでおらず、これは、結晶相の量（存在する場合）がＸ線回折の検出限界（〜２％）内であることを示している。示差走査熱分析試験により、作製された試験試料が元のプレートと同じ非晶質微細構造を有していたことが確認された。
【００９１】
元のプレートおよび試験部品の断面の両方について微小硬さ試験を行った。印加された荷重は０．１ｋｇｆであり、押込み（indenting）時間は１０秒であった。元のプレートの微小硬さは、５８８．５６±２５．５Ｈｖであったが、これは、試験部品の場合の５７０±３０.６Ｈｖに非常に近い。したがって、微小硬さのデータにより、作製された３Ｄ試験部品は非晶質微細構造のままであることが確認された。
実施例５
【００９２】
上記実施例の完全に非晶質な１０ｍｍ立方体試料をスポット溶接によって正常に作成した後、同じパラメータを用いて、図２１に示すようないくつかの大型３Ｄ非晶質合金部品を構築した。部品における熱蓄積を避けるため、パルス繰返し数は１Ｈｚに設定した。材料除去／レーザ切削プロセスの場合、平滑でクリーンな切削縁を得るために、パルス持続時間が３０ｎｓ、パルスエネルギーが１００ｍＪ、繰返数が５ｋＨｚのＵＶレーザ用いた。
【００９３】
図２１ａに示す試料は、楕円パターンの連続回転によって作成された「金属フジッリパスタ」部品の側面図である。図２１ｂは、ミズーリ工科大学の厚さ３ｍｍの非晶質「Ｓ＆Ｔ」ロゴを示す図である。図２１ｃは、４つの正方形のステージと頂部に１つの半球状のカバーとを含む５段３Ｄテーブルを示す図である。部品の全高は、１１．３ｍｍであると測定された。図２１ｄは、合計位置ずれが１３ｍｍのすべり（slipped）円筒を示す図である。
【００９４】
したがって、本システムおよび方法により、非晶質合金から厚みのある複雑な部品を製造することが容易となることが分かる。従来、非晶質合金からより厚さの大きい部品を作製することは不可能であった。なぜなら、より厚さの大きい部品は、非晶質微細構造を維持するのに十分に急速には冷却することができない（部品内部からの熱移動が遅すぎる）からである。しかし、この新規な方法による各薄（<５００μｍ）層は、非晶質微細構造を維持し付与するのに十分迅速に冷却することが可能であるため、非晶質微細構造の厚い部品は一層ずつ構築される。したがって、本方法によれば、発明者らは、合金の固有の冷却速度限界を回避し、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のいずれにもサイズ制限を実質的に有しない非晶質合金部品を製造する方法を見出した。これらには、例えば、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のすべてにおいて厚さが１ｃｍより大きい、例えば、全方向において４ｃｍより大きい厚さ、例えば、各方向において１〜５０ｃｍ、例えば、各方向において４〜５０ｃｍの厚さを有する部品が含まれる。この方法により、９ｃｍ３より大きい、例えば、６４ｃｍ３より大きい、例えば、９〜１０００ｃｍ３の嵩体積を有する、実質的な体積制限のない非晶質合金部品の製造が容易となる。
【００９５】
本発明またはその好適な実施形態の要素を導入する際、「a」、「an」、「the」および「said」という冠詞は、当該要素が1つまたは複数存在することを意味することを意図している。「備える（comprising）」、「含む（including）」および「有する（having）」という用語は、包括的であることを意図しており、列挙された要素以外の追加の要素が存在することを意味することを意図している。
【００９６】
上記に鑑みれば、本発明のいくつかの目的が達成されるとともに、他の有利な結果が得られることが理解される。
【００９７】
上記の構成、製品および方法においては、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能であり、上記の説明に含まれ、添付の図面に示される全ての事項は、限定ではなく、例示として解釈されることを意図している。
【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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【外国語明細書】
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