(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一層ずつ３次元物体を形成する付加製造装置であって、
構築支持体であって、その上に取り外し可能な構築プレートが装着可能である構築支持体と、
前記取り外し可能な構築プレートが前記構築支持体上に装着されたときに、前記取り外し可能な構築プレートにわたって材料を層状に形成する材料分注機と、
前記取り外し可能な構築プレート上に形成された材料の層の上にエネルギービームを向ける光モジュールと
を備え、前記構築支持体は、前記構築支持体上の繰り返し可能で６自由度の拘束された位置に前記構築プレートが装着可能となるように動的装着を成す装着構成であって、前記構築プレート上の装着構成と連携可能な装着構成、を備えていることを特徴とする付加製造装置。
【請求項２】
前記構築支持体および構築プレート上の前記装着構成が３対の相補的構成であることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
【請求項３】
前記３対の相補的構成のそれぞれの対がボールと相補的溝とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の付加製造装置。
【請求項４】
それぞれの相補的溝が一対の平行な円柱によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の付加製造装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４までの何れか一項に記載の付加製造装置内に装着する構築プレートであって、前記構築支持体上の繰り返し可能で６自由度の拘束された位置に前記構築プレートが装着可能となるように動的装着を成す装着構成であって、前記構築支持体上の装着構成と連携可能な装着構成、を備えていることを特徴とする構築プレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付加製造装置および付加製造方法に関する。詳細には、本発明は、限定しないが、付加製造プロセスを用いて、予め形成された部品の上で材料を直接固化させることにより、予め形成された部品を補う、または修復する装置および方法に適用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
選択的レーザ溶解／焼結（ＳＬＭ／ＳＬＳ）などの付加製造を用いて、タービンブレードなどの部品を修復することが望ましい。そのような修復を実行するためには、レーザビーム用に必要な走査経路が決定され得るように、ブレードは、付加製造装置の構築チャンバ（build chamber）内に既知の位置で装着されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、部品を製造または修復する方法であって、部品を保持する固定具（fixture）を、付加製造装置を用いて構築するステップであって、材料は、エネルギービームを用いて固化され、固定具は、付加製造装置内の設定位置に保持された構築プレート（build plate）上に構築される、ステップと、部品を固定具に装着するステップと、固定具および部品が構築プレートに取り付けられた状態の構築プレートが、実質的に設定位置に保持されたときに、付加製造装置に、部品の上で材料を固化させるステップとを含む、部品を製造または修復する方法が提供される。
【０００５】
固定具は付加製造装置を用いて製造されているため、エネルギービームの座標系に対する固定具の位置は既知である。したがって、部品の幾何形状が既知であり、固定具に対する部品の位置が既知であり、かつ、固定具が、それが形成された位置と実質的に同じ設定位置にとどまる／位置する場合、部品上で材料を固化させるエネルギービーム用の走査経路は、固定具を生成するために使用されたデータから決定されることができる。この方法では、エネルギービーム座標系と部品との整合が容易となり得る。
【０００６】
部品の幾何形状は、部品を測定することにより決定されることができる。例えば、部品は、座標測定機の接触プローブを用いて測定されることができる。あるいは、部品の幾何形状は、ＣＡＤまたはＳＴＬモデルなどの幾何形状データから知ることができる。
【０００７】
本方法は、部品および固定具を測定し、固定具に対する部品の位置を決定するステップと、決定された固定具に対する部品の位置から、エネルギービーム用の走査経路を決定するステップと、決定された走査経路に沿ってエネルギービームを向け、部品の上で材料を固化させるステップとを含むことができる。
【０００８】
あるいは、固定具は、部品が、予め決定された位置で固定具内に装着されることを確実にする構成を備えることができる。そのような実施形態では、部品の測定は不要となり得、部品上で材料を固化させるために用いられる走査経路は、部品が、予め決定された位置に装着されているという仮定に基づくものとすることができる。
【０００９】
構築プレートは、付加製造装置の構築チャンバ内に取り外し可能に配置可能とすることができる。構築プレートは、構築チャンバ内に配置された装着構成（mounting formations）に相補的な装着構成を備えることができ、構築チャンバ内の繰り返し可能な位置への構築プレートの装着が可能となる。装着構成は、動的装着（kinematic mount）を形成することができる。動的装着は、６自由度の構築プレートの位置を拘束することができる。この方法では、構築プレートは、部品および固定具の測定のために装置から取り外され、そして、装着構成の係合を通し、装置内の設定位置に戻されることができる。構築プレートおよび／または装着構成は、構築チャンバ内の構築プレートの装着を単一の方向へ拘束するように配設されることができる。取り外し、そして再挿入した後に、固定具が取り付けられた構築プレートが、以前と実質的に同じ位置に位置し、固定具の位置が、固定具を形成する際に用いた座標系に対し既知でありさえすれば、構築チャンバ内の構築プレートの位置を知ることが不要となり得る。
【００１０】
本方法は、ＳＴＬモデルなどの固定具モデルに基づき固定具を構築するステップと、測定するステップ中に得た測定データおよび固定具モデルから、組み合わされた固定具および部品モデルを生成するステップと、そして、組み合わされた固定具および部品モデルから、走査経路を決定するステップと、を含むことができる。本方法は、固定具上のデータム形体（datum features）を測定するステップと、データム形体に対する測定データを用いて、測定データと固定具モデルとを（ソフトウェア内で）整合させるステップとを含むことができる。走査経路は、整合後の測定データから決定されることができる。
【００１１】
部品に対する測定データは、基準部品モデル（nominal part model）と比較されることができ、走査経路は、測定データと基準部品モデルとの間の差異に基づき材料を固化させるように決定される。例えば、このような方法は、部品の摩耗領域を改修するなど、部品を修理するために用いられることができる。
【００１２】
本方法は、単一の付加製造装置内で、複数の部品に対し、同時に実行されることができる。例えば、本方法は、単一の構築プレート上に複数の固定具を構築するステップであって、それぞれの固定具が、部品のうちの少なくとも１つを保持する、ステップと、固定具内に部品を装着するステップと、少なくとも１つの部品および固定具のそれぞれの組合せを測定し、固定具に対する少なくとも１つの部品の位置を決定するステップと、固定具に対する少なくとも１つの部品の位置から、エネルギービーム用の走査経路を決定するステップと、固定具および少なくとも１つの部品が構築プレートに取り付けられた状態の構築プレートが、実質的に設定位置に保持されたときに、走査経路に沿ってエネルギービームを向けることにより、付加製造装置に、少なくとも１つの部品の上で材料を固化させるステップとを含むことができる。
【００１３】
固定具は、部品上の装着構成と係合する装着構成を備えることができる。装着構成は、部品上の相補的な凹部に圧入されるねじ、突出部（または、部品上の突出部が圧入される凹部）等を備えることができる。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、付加製造装置のエネルギービーム用の走査経路を決定する方法であって、部品および固定具の測定データを、部品が固定具内に装着されたときに受信するステップであって、固定具は、付加製造装置を用いて構築され、材料は、エネルギービームを用いて固化され、固定具は、付加製造装置内の設定位置に保持された構築プレート上に構築される、ステップと、測定データから、固定具に対する部品の位置を決定するステップと、固定具に装着された部品が、構築プレートが設定位置にある付加製造装置内に配置されたときに、部品の上で材料を固化させるエネルギービーム用の走査経路を決定するステップであって、走査経路は、固定具に対する部品の位置から決定される、ステップとを含む方法が提供される。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、データキャリアであって、その上に指示を有し、この指示は、プロセッサにより実施されるとき、プロセッサに本発明の第２の態様の方法を実行させるデータキャリアが提供される。
【００１６】
本発明の上記態様のデータキャリアは、例えば、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷおよび＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ  ＤＶＤ、Ｂｌｕ  Ｒａｙ（商標）ディスク、メモリ（メモリスティック（商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュカード等）、ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁気／光学記憶装置などの非一時的データキャリア、あるいは、例えば、有線もしくは無線ネットワーク（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送等）上で送信される信号などの、有線もしくは光ファイバー上の信号または無線信号などの一時的データキャリアなど、機器に指示を提供するのに適する媒体とすることができる。
【００１７】
本発明の第４の態様によれば、一層ずつ３次元物体を形成する付加製造装置であって、構築支持体であって、その上に取り外し可能なベースプレート（base plate）が装着可能である、構築支持体と、取り外し可能なベースプレートが構築支持体上に装着されたときに、取り外し可能なベースプレートにわたって材料を層状に形成する材料分注機と、取り外し可能なベースプレート上に形成された材料の層の上にエネルギービームを向ける光モジュールとを備え、構築支持体は、ベースプレートが構築支持体上の繰り返し可能な位置に装着可能となるように、ベースプレート上の装着構成と連携可能な装着構成を備える、付加製造装置が提供される。
【００１８】
装着構成は、６自由度のベースプレートの位置を拘束する動的装着構成とすることができる。動的構成は、３対のボールおよびローラなどの３対の相補的な構成を備えることができる。
【００１９】
本発明の第５の態様によれば、本発明の第４の態様による付加製造装置内に装着する構築プレートであって、ベースプレートが構築支持体上の繰り返し可能な位置に装着可能となるように、構築支持体上の装着構成と連携可能な装着構成を備える構築プレートが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による付加製造装置の図である。
【図２ａ】図１で示される付加製造装置の構築プレートおよび構築支持体の平面図である。
【図２ｂ】図１で示される付加製造装置の構築プレートおよび構築支持体の平面図である。
【図３】本発明の実施形態による固定具のモデルの図である。
【図４】本発明の実施形態に従って固定具に装着されたブレードの図である。
【図５】ブレードに対し得られた無数の測定点の図である。
【図６】無数の測定点から決定されたブレードおよび固定具のＣＡＤモデルの図である。
【図７】ブレードおよび固定具のＳＴＬモデルの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１、図２ａおよび図２ｂを参照すると、本発明の実施形態による付加製造装置は、構築チャンバ１０１を備え、構築チャンバ１０１は、その中に構築空間１１６を規定する仕切り１１４、１１５と、上に粉体が堆積され得る表面とを有する。構築支持体１０２は、物体１０３が、選択的レーザ溶解粉体１０４により構築される作業領域を規定する。構築支持体１０２は、物体１０３の連続する層が形成されるにつれて、機構１１７を用いて構築空間１１６内で下降されることができる。使用可能な構築空間は、構築支持体１０２が構築空間１１６内に下降され得る範囲により規定される。粉体１０４の層は、粉体ホッパー（powder hopper）１２５と、計量デバイス１２７と、ワイパ１２６とを備える分注装置により、物体１０３が構築されるときに形成される。例えば、計量デバイス１２７は、特許文献１に記載されるようなものとすることができる。レーザモジュール１０５は、粉体１０４を溶解するレーザを生成し、このレーザは、コンピュータ１１８の制御下で、必要に応じて光学モジュール１０６により粉体床１０４上に向けられる。レーザは、窓１０７を介してチャンバ１０１に進入する。
【００２２】
コンピュータ１１８は、プロセッサユニット１１９と、メモリ１２０と、光学モジュール１０６、レーザモジュール１０５などのレーザ溶解装置のモジュール、ならびに、分注装置および構築支持体１０２の動きを駆動するモーター（図示せず）へのデータ接続とを備える。コンピュータ１１８は、メモリ１２０に格納された走査指示に基づき、レーザユニット１０５、光学ユニット１０６、および構築プラットホーム（build platform）１０２の動きを制御する。
【００２３】
チャンバ１０１内には、扉（図示せず）が設けられ、そこから物体を取り外す。
【００２４】
構築プレート１０８は、構築支持体１０２上に取り外し可能に装着される。構築支持体１０２および構築プレート１０８は、構築支持体１０２上の設定位置に構築プレート１０８を配置するために、相補的な装着構成１０９および１１０をそれぞれ備える。この実施形態では、装着構成１０９および１１０は、動的装着を形成する。具体的には、構築プレート１０８は、構築支持体１０２内の相補的な溝に係合するように配設された３つの離間されたボール１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃを備え、溝はそれぞれ、一対の平行な円柱１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃにより形成される。溝内のボールの係合は、６自由度の構築プレート１０８の位置を拘束する。
【００２５】
構築プレート１０８および構築支持体１０２上に磁石１１１、１１２が設けられ、構築プレート１０８は、磁石１１１、１１２の引力により構築支持体に向けて付勢される。
【００２６】
ここで、図３から図７を参照し、本発明の方法が説明される。装着構成１０９、１１０が係合され、構築プレート１０８を構築支持体１０２に対して設定位置に配置するように、構築プレート１０８が構築支持体１０２の上に装着される。構築支持体１０２の向きは、構築プレート１０８の表面が、構築プレート１０８にわたり粉体が散布される平面に確実に平行となるように調整されることができる。あるいは、ベースプレート１０８の平面とワイパが平行となるように、ワイパが調整されてもよい。
【００２７】
固定具２００は、固定具の幾何学的モデル７００に基づき、付加製造を用いてベースプレート１０８上に構築される。固定具２００は、部品、この実施形態ではブレードを受け入れるスロット２０３と、ボルトを受け入れるように配設されたねじ穴２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの形態の、部品を固定具に留める手段とを備える。
【００２８】
固定具２００が形成されると、構築プレート１０８から粉体が取り除かれ、部品３００が、付加製造機内の固定具２００内に装着される。図に示されたブレード３００などの部品の修復の場合、ブレード３００は、まず、修復に適する形状に加工されてもよい。例えば、部品は、固定具２００内に装着されたときに、ワイパを用いて形成された材料の層の平面と整合する、部品３００の直線上面を提供するために、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）により修正されてもよい。加工は、構築プレートが設定位置に装着されたままの状態で、付加製造装置内で実行されることができる。あるいは、ベースプレート１０８は、部品３００の加工および／または測定のために付加製造装置から取り外されてもよく、動的装着構成１０９、１１０は、固定具２００が形成された構築支持体上の位置と実質的に同じ位置にベースプレート１０８を配置させるように、ベースプレート１０８が構築支持体１０２上に再装着されることを可能にする。
【００２９】
部品３００および固定具２００は、タッチトリガまたは走査接触プローブなどの測定プローブ４００を用いて測定される。プローブは、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ｐｌｃにより販売されているようなＲｅｖｏ  ５−ａｘｉｓ  ｈｅａｄなどの関着するヘッド、および／または、部品および固定具２００の周りでプローブ４００を移動させる座標測定機（ＣＭＭ）上に装着されることができる。無数の測定点５００が得られ（図５参照）、測定点５００および固定具の既存のＣＡＤモデル７００から、部品および固定具のＣＡＤモデル６００が作成される。固定具２００上のデータム点（datum points）の測定データから、部品モデルと固定具モデルとの整合が達成されることができる。
【００３０】
次いで、固定具と部品の組み合わされたＣＡＤモデル６００が、部品を修復するために付加製造装置のレーザビームがとる走査経路を決定するために、ソフトウェアにインポートされる。例えば、測定データから決定されたモデルが、部品の理想／基準モデルと比較され、構築／再構築されるべき部品の部分を決定することができる。これらの部分が決定されると、少なくともこれらの部分が分割され、付加製造プロセスで形成される層を決定し、走査経路が各層に対して決定される。
【００３１】
固定具内に装着された部品は、付加製造装置内に配置される。部品の直線上面が、構築空間１１６の頂部と面一となるように、構築支持体１０２が下降される。構築空間１１６内に粉体が投入され、構築空間を満たす。次いで、付加製造装置が起動され、決定された走査経路に基づき、部品の上で材料を固化させる。
【００３２】
本方法では、付加製造装置内で成長させられた固定具は、装置内で部品を既知の方向に整合させる手段を提供する。したがって、部品３００と固定具２００との間の相対的な位置が既知である限り、材料は、部品上で所望通りに固化されることができる。部品が、付加製造装置内に、装置を用いて製造されていない固定具により配置されていた場合、レーザビームを向ける光学モジュールの座標系に対する部品の場所を決定するために、別個の整合プロセスが実行されなければならないことになる。そのような整合プロセスは、複雑で時間のかかるものであろう。さらに、複数の部品が、単一の構築で修復／修正される場合、複数の固定具が必要となる。整合プロセスが実行されなければならない場合、それは、各部品上で別個に実行されなければならないであろう。本発明の方法を実行することにより、複数の固定具は、単一のベースプレート上で成長させられることができ、複数の部品が、単一の構築で修復／修正されることができる。
【００３３】
本明細書に規定された本発明から逸脱することなく、上述の実施形態に対する修正および改変が行われることができる。例えば、固定具は、固定具に対して既知の位置に部品を留めるように配設されることができる。そのような構成では、それらの相対的な位置を決定するために固定具および部品を測定することが不要になり得る。
【００３４】
部品は、加工された部品が、既知の形状を有するように加工されることができる。したがって、構築される必要がある部分が、加工ステップから予め決定されているため、差異を見極めるために、加工された部品の測定された形状を基準形状と比較することが不要となり得る。したがって、部品の基準モデルから、かつ、部品が加工されたモデル上の既知の場所に基づき、部品を修復／修正する走査経路が決定されることができる。
【００３５】
ベースプレートが構築チャンバ内に繰り返し可能な様式で装着されることができないさらに別の構成では、犠牲固定具がベースプレート上に製造されることができ、ベースプレートは付加製造装置から取り外されない。次いで、部品が固定具内に装着され、固定具および部品が測定されることができる。次いで、犠牲固定具および部品のデータモデルが、測定値から形成されることができる。次いで、犠牲固定具と同一の別の固定具が、付加製造装置内に構築されることができる。別の固定具が取り付けられたベースプレートを付加製造装置から取り外すことなく、部品は、犠牲固定具から別の固定具へ移される。次いで、部品と別の固定具の組合せが、測定された部品と犠牲固定具の組合せと実質的に同じであるという仮定に基づき、材料が部品上で固化されることができる。材料が、複数の部品上で単一の構築で固化されることができるように、複数の部品が、単一の犠牲固定具で測定され、犠牲固定具に同一の複数の別の固定具が、単一のベースプレート上で成長させられることができる。
【００３６】
別の実施形態では、固定具は、動的装着特徴部を有して製造されることができ、部品が、固定具上の繰り返し可能な位置に装着されることが可能となる。
【００３７】
例えば、固定具および部品の異なる要件を許容するために、固定具は、部品とは異なる材料で構築されることができる。
【００３８】
固定具および／または部品は、光学的に認識可能な特徴部を有して製造されることができ、固定具に対する部品の場所が、これらの光学的に認識可能な特徴部の場所から決定されることができる。例えば、付加製造装置は、固定具および部品を撮像する１または複数のカメラを備えることができ、固定具および部品の場所は、画像から決定されることができる。
【図１】
0006502946.tif 000002
【図２ａ】
0006502946.tif 000003
【図２ｂ】
0006502946.tif 000004
【図３】
0006502946.tif 000005
【図４】
0006502946.tif 000006
【図５】
0006502946.tif 000007
【図６】
0006502946.tif 000008
【図７】
0006502946.tif 000009