(57)【要約】  付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法が提供される。この方法は、物品の既存部分に溶融プールを形成するステップと、既存部分に対して溶融プールを移動するステップと、既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、供給原料を移動中の溶融プールに供給するステップと、上記の形成ステップ、移動ステップおよび供給ステップを繰り返して、連続の材料層を形成することによって、３Ｄ物品を製造するステップとを含む。形成ステップおよび移動ステップの実行において、第１のエネルギー源は、溶融プールと共に移動し且つ溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、第１のエネルギー源は、溶融プールの形成を開始し、第２のエネルギー源は、第１の領域と共に移動し且つ第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、第２のエネルギー源は、原料が溶融プールに供給される前に溶融プールの横幅を増大させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法であって、前記方法は、
前記物品の既存部分に溶融プールを形成するステップと、
前記既存部分に対して前記溶融プールを移動するステップと、
前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、前記可動型溶融プールに供給原料を供給するステップと、
前記形成ステップ、前記移動ステップおよび前記供給ステップを繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造するステップとを含み、
前記形成ステップおよび前記移動ステップの実行において、
第１のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールの形成を開始し、
第２のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第２のエネルギー源は、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記第２のエネルギー源は、前記原料が前記溶融プールに供給される前に前記溶融プールの横幅を増大させる、方法。
【請求項２】
前記第１のエネルギー源は、プラズマ移行アークである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２のエネルギー源は、１つ以上のレーザである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、前記溶融プールの対向横側に加重される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力は、前記溶融プールの前記横幅の増大を変更するように調整される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記原料は、ワイヤまたはテープ原料である、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記可動型溶融プールに供給される前記供給原料を溶融させるために、第３のエネルギー源を前記供給原料に照射させるステップをさらに含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第３のエネルギー源は、１つ以上のレーザである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、前記原料の形状、サイズおよび／または供給速度の変化を補償するように調整される、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第３のエネルギー源の出力は、前記原料の供給速度の変化を補償するように調整される、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記原料を予熱するステップをさらに含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するためのシステムであって、溶融プールが前記物品の既存部分に形成され且つ前記既存部分に対して移動され、前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、供給原料が前記可動型溶融プール内に供給され、前記形成、前記移動および前記供給を繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造し、前記システムは、
前記既存部分に向けられるように構成された第１のエネルギー源と、
前記既存部分に向けられるように構成された第２のエネルギー源と、
原料供給装置と、
コンピュータコントローラとを備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して、前記第１のエネルギー源、前記第２のエネルギー源および前記原料供給装置の移動を制御することによって、前記第１のエネルギー源が、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記溶融プールの形成を開始し、前記第２のエネルギー源が、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記原料が前記溶融プールに供給される前に前記溶融プールの横幅を増大させ、前記供給原料を前記可動型溶融プール内に供給するように構成されている、システム。
【請求項１３】
前記第２のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力は、前記溶融プールの前記増大を変更するように調整可能である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムは、第３のエネルギー源をさらに備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して前記第３のエネルギー源の移動を制御することによって、第３のエネルギー源が前記可動型溶融プールに供給される前記供給原料に照射して前記原料を溶融させるようにさらに構成されている、請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コンピュータコントローラは、前記第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルを調整することによって、前記原料の形状および／またはサイズの変化を補償するようにさらに構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野
本開示は、付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
付加製造（ＡＭ）は、典型的には、３Ｄ物品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアモデルに基づき、近似正味形状の３Ｄ物品の作成を可能にする技術である。ＡＭは、１つ以上の材料、例えば金属の複数の連続層の堆積および融着を行うことによって、物品を形成する。３Ｄ物品を製造するための従来の方法、例えば鋳造または機械加工に比べて、ＡＭの顕著な利点は、生産時間の減少および「原材料の重量が製品に占める割合」の減少、すなわち、最終の製造物品における材料の重量に対して購入する必要がある材料の重量の減少を含む。特に、材料消費の低減は、全体的な製造コストの低減に役立つ。
【０００３】
ＡＭでは、３Ｄ物品を製造するための材料、すなわち原料は、基材上の特定の位置に形成された溶融プールに供給される。溶融プールの位置は、基板上で連続的に移動される。溶融した原料層は、基材に融着する。同様の方法で、さらなる材料層が前に堆積された層上に連続的に堆積され、３Ｄ物品を形成する。基板は、ＡＭによって新しい特徴を追加するための既存要素であってもよい。
【０００４】
一般に、プラズマアーク、電子ビームまたはレーザなどのエネルギー源を利用して、溶融プールを形成する。また、このエネルギー源を利用してエネルギーを提供することによって、溶融プールに供給される原料を溶融することができ、プロセスの全体的な温度を制御する（したがって、３Ｄ物品の冷却条件、微細構造および機械特性を制御する）ことができる。
【０００５】
ビード形状としても知られる堆積材料の各層の形状の適切な制御は、近似正味形状の３Ｄ物品の製造に重要である。単一ビード幅（ＳＢＷ）、すなわち、堆積材料層の幅は、プロセスの分解能を決定する。新しく形成される層と既に形成された層との間の接触角（ＣＡ）は、層間の融着欠陥の欠け可能性を決定する。層高（ＬＨ）は、表面仕上げを決定する。これらのビード形状パラメータの各々は、エネルギー源の出力およびエネルギープロファイルに依存する。したがって、エネルギー源および／または原料の供給速度を制御して、ＬＨを変更すると、ＳＢＷおよびＣＡも変更される。したがって、ＬＨを改善するようにプロセスを調整することは、例えばＳＢＷおよび／またはＣＡの劣化につながる可能性がある。
【０００６】
実際には、例えば、統計分析またはニューラルネットワークを使用して、ＡＭプロセスを最適化することによって、熱源を使用して近似正味形状の物品を製造するためのビード形状パラメータの適切なバランスを見つけることができる。しかしながら、このＡＭプロセスの場合、ビード形状、原料材料の堆積速度、およびプロセスの全体的な温度を独立して制御することができないため、柔軟性および適応性に欠ける。また、このプロセスは、融着欠陥を有しなく、近似正味形状の物品を精確に製造するように十分に最適化できないことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、ビード形状、原料材料の堆積速度およびプロセスの全体的な温度を独立して制御することができるＡＭによって、高い形成速度で近似正味形状の物品を製造するための製造方法を提供することが有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
概要
第１の態様によれば、付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法が提供される。この方法は、物品の既存部分に溶融プールを形成するステップと、既存部分に対して溶融プールを移動するステップと、既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、可動型溶融プールに供給原料を供給するステップと、形成ステップ、移動ステップおよび供給ステップを繰り返して、連続の材料層を形成することによって、３Ｄ物品を製造するステップとを含み、形成ステップおよび移動ステップの実行において、第１のエネルギー源が既存部分に向けられ、第１のエネルギー源は、溶融プールと共に移動し且つ溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、第１のエネルギー源は、溶融プールの形成を開始し、第２のエネルギー源が既存部分に向けられ、第２のエネルギー源は、第１の領域と共に移動し且つ第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、第２のエネルギー源は、原料が溶融プールに供給される前に溶融プールの横幅を増大させる。
【０００９】
物品の既存部分は、上面に層を堆積させる基板（例えば、付加操作の前に別の製造方法によって製造された物品）であってもよく、既に融着された材料層であってもよい。
【００１０】
第１のエネルギー源および第２のエネルギー源を使用することは、従来の単一ＡＭエネルギー源によって行われた役割を切り離すことができるため、他の属性を損なうことなく、最終物品の所望の属性を達成することができる。具体的には、第１のエネルギー源が溶融プールの形成を開始し、第２のエネルギー源が溶融プールの幅を所望のサイズに増大させるため、プロセスに供給された総エネルギーに対して、単一ビード幅（したがって、分解能）を独立して制御することができる。これによって、分解能を個別に制御すると共に、例えば熱容量の局所的な変化に適応し、冷却条件、従って物品の微細構造を制御するように、総エネルギーを調整することができる。結果として、より速い形成速度で、より近似正味形状の３Ｄ物品を製造することができる。
【００１１】
以下、本開示の任意選択の特徴を説明する。これらの特徴は、単独でまたは本開示の第１の態様と任意の組み合わせで適用可能である。
【００１２】
第１のエネルギー源は、溶融プールの初期サイズおよび／またはプロセスの全体的なエネルギーを制御するように使用されてもよい。第２のエネルギー源は、溶融プールの深さから独立して溶融プールの横幅を増大させてもよい。したがって、好ましくは、第２のエネルギーは、溶融プールの幅のみを増大させ、溶融プールの深さを実質的に増大させない。
【００１３】
第１のエネルギー源は、プラズマ移行アークであってもよい。プラズマ移行アークは、基板および／または以前に融着された層にエネルギーを効率的に印加することができる。一般に、プラズマ移行アークの空間的なエネルギープロファイルは、比較的狭い範囲内に制限される。したがって、プラズマ移行アークは、第１のエネルギー源として特に適切に機能し、すなわち、特に溶融プールの形成を効率的に開始し、プロセスの全体的なエネルギーを精確に制御する。第１のエネルギー源が溶融プールを増大させるまたは溶融プールのサイズもしくは形状を制御する必要がないため、プラズマ移行アークの空間的なエネルギープロファイルを制限しても問題にならない。
【００１４】
第２のエネルギー源は、１つ以上のレーザであってもよい。レーザエネルギー源は、空間的なエネルギープロフィールおよび時間的なエネルギープロフィールの高レベル制御を提供することができ、したがって溶融プールを精確に増大および成形できるため、第２のエネルギー源として特に適切である。
【００１５】
必要に応じて、第２のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、溶融プールの対向横側に加重されてもよい。このようにして、溶融プールの深さに著しく影響を及ぼすことなく、ビード幅を制御するように、溶融プールを所望の幅に効率的に増大することができる。
【００１６】
追加的にまたは代替的に、第２のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力は、溶融プールの横幅の増大を変更するように調整されてもよい。実際に、他の所望の属性を悪化させることなく、異なるビード幅を生成するように第２のエネルギー源を適切に制御することによって、全体的な溶融プール形状およびサイズを調整することができる。
【００１７】
原料は、ワイヤまたはテープであってもよい。原料は、例えば、丸いワイヤ、扁平なテープであってもよく、または他の形状を有してもよい。原料は、金属または金属合金から形成されてもよい。
【００１８】
方法は、可動型溶融プールに供給される供給原料を溶融させるために、第３のエネルギー源を供給原料に照射させるステップをさらに含むことができる。これによって、独立して制御できるエネルギー源を用いて原料を溶融することができるため、第３のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力の変化は、溶融プールの開始および／または増大（したがって、形状）に影響を与えない。
【００１９】
方法が第３のエネルギー源を含む場合、第３のエネルギー源は、１つ以上のレーザであってもいい。前述したように、レーザエネルギー源は、空間的なエネルギープロファイルおよび時間的なエネルギープロファイルの高レベルの制御を有利に提供する。
【００２０】
方法が第３のエネルギー源を含む場合、第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、原料の形状、サイズ（すなわち、幅）および／または供給速度の変化を補償するように調整されてもよい。したがって、原料を効率的かつ均一に溶融させることができ、ビード形状の他の所望の属性に影響を及ぼすことなく、より速い形成速度をもたらす。
【００２１】
追加的にまたは代替的に、第３のエネルギー源の出力は、原料の供給速度の変化を補償するように調整されてもよい。したがって、層の高さを変更するまたは形成速度を増加するように原料の供給速度を調整する場合、第３のエネルギー源は、原料の効率的且つ均一な溶融を維持するように、この変化を補償することができる。また、第１のエネルギー源および第２のエネルギー源から独立して第３のエネルギー源を制御できるため、第３のエネルギー源の出力の変化は、層幅またはプロセスの全体的な温度制御に影響を与えない。したがって、ビード形状の他の所望の属性に有害な影響を与えることなく、３Ｄ物品の形成速度を増加することができ、層の高さを調整することができる。
【００２２】
例えば、原料の供給速度を増加する場合、第３のエネルギー源の出力を増加すると共に、供給原料の供給方向におけるエネルギープロフィールの長さを延長することによって、第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロフィールを調整することができる。これによって、原料の上面からの材料の気化を制限または回避しながら、原料の厚さ方向の溶融を保証するように、原料上の所定の点に与える第３のエネルギー源の出力密度を維持することができる。同様に、原料の供給速度が低下する場合、第３のエネルギー源の出力を減少させると共に、供給原料の供給方向上のエネルギープロフィールを減少させることによって、第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロフィールを調整することができる。
【００２３】
方法は、原料を予熱するステップをさらに含んでもよい。予熱は、例えば、抵抗加熱または誘導加熱によって達成されてもよい。別の選択肢として、非移行性プラズマアーク源を使用して原料を予熱することである。これは、原料の洗浄にも有用である。
【００２４】
方法は、物品の既存部分を低温冷却するステップをさらに含んでもよい。このようにして、堆積された材料の冷却速度を高めることによって、３Ｄ物品の微細構造を改善することができ、生産性を高めることができる。
【００２５】
第２の態様によれば、付加製造によって３Ｄ物品を製造するためのシステムが提供され、溶融プールが物品の既存部分に形成され且つ既存部分に対して移動され、既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、供給原料が可動型溶融プール内に供給され、形成、移動および供給を繰り返して、連続の材料層を形成することによって、３Ｄ物品を製造し、システムは、既存部分に向けられるように構成された第１のエネルギー源と、既存部分に向けられるように構成された第２のエネルギー源と、原料供給装置と、コンピュータコントローラとを備え、コンピュータコントローラは、既存部分に対して、第１のエネルギー源、第２のエネルギー源および原料供給装置の移動を制御することによって、第１のエネルギー源が、溶融プールと共に移動し且つ溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、溶融プールの形成を開始し、第２のエネルギー源が、第１の領域と共に移動し且つ第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、原料が溶融プールに供給される前に溶融プールの横幅を増大させ、供給原料を可動型溶融プール内に供給するように構成（すなわち、プログラム）されている。
【００２６】
したがって、第２の態様のシステムは、本開示の第１の態様の方法に対応する。したがって、適合できる範囲に限り、システムは、第１の態様に関して上述した方法に対応する任意の特徴または任意の特徴の組み合わせを有することができる。
【００２７】
例えば、第２のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力は、溶融プールの横幅の増大を変更するように調整可能である。これによって、他の所望の属性を劣化させることなく、異なるビード幅を作ることができる。
【００２８】
別の例として、システムは、第３のエネルギー源をさらに含むことができ、コンピュータコントローラは、既存部分に対して第３のエネルギー源の移動を制御することによって、第３のエネルギー源が可動型溶融プールに供給される供給原料に照射して原料を溶融させるようにさらに構成されている。
【００２９】
第３のエネルギー源が存在する場合、コンピュータコントローラは、第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルを調整することによって、原料の形状および／またはサイズの変化を補償するようにさらに構成されてもよい。
【００３０】
添付の図面を参照して、本開示の実施形態を例示として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】付加製造によって３Ｄ物品を製造するためのシステムを示す概略図である。
【図２】図１のシステムに使用された複数のエネルギー源の複合エネルギープロファイルを示す図である。
【図３】図１のシステムに使用された複数のエネルギー源からの照射エネルギーを示す概略図である。
【図４】追加の工程改良を含む、図１のシステムに使用された複数のエネルギー源の複合エネルギープロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
詳細な説明およびさらなる選択可能な特徴
図１は、ＡＭによって３Ｄ物品を製造するためのシステムを示す。物品は、３Ｄ物品の連続層を形成するための基板１０を含む。基板１０は、典型的には、金属または金属合金で製造される。ＡＭ製造が完了した後、基板１０は、最終の３Ｄ物品の一部として全体的または部分的に残されてもよく、または除去されてもよい。
【００３３】
コンピュータコントローラ（図示せず）は、第１のエネルギー源１２および第２のエネルギー源１４を基板１０上に向かわせるように構成されている。第１のエネルギー源１２は、好適には、プラズマ移行アークトーチである。典型的には、トーチ１２の電極は、電源のカソードに電気的に接続され、基板１０は、電源のアノードに電気的に接続され、両者の間にプラズマ移行アーク１６を形成する。プラズマ移行アーク１６は、基板１０を加熱することによって、溶融プール２０の形成を開始する。このプロセスの変形例として、適切なバランスの正負電極（典型的には約２０％正）を有するＡＣプラズマトーチを使用する。この変形例は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金のＡＭには有利である。
【００３４】
第２のエネルギー源１４は、好適には、溶融プール２０の横幅を増大させるために、プラズマ移行アーク１６が照射している基板１０の領域の後方に位置する基板１０の領域にレーザビーム１８を向かわせるように構成された第１のレーザである。別の選択肢として、第２のエネルギー源１４は、レーザビーム１８を溶融プール２０に各々向かわせるように構成された２つ以上の第１のレーザであってもよい。
【００３５】
また、コンピュータコントローラは、物品を形成する金属または金属合金から作られたワイヤ２４を溶融プール２０の上方位置に連続的に供給するように、ワイヤ供給装置２２を制御する。
【００３６】
第２のレーザ２６は、コンピュータコントローラによって制御される第３のエネルギー源を提供する。第２のレーザ２６からのレーザビーム２８は、溶融プール２０に供給されるワイヤ２４を溶融させるために、溶融プール２０の上方に位置するワイヤ２４の端部に向けられる。また、ワイヤ供給装置２２を通るワイヤ２４の供給速度は、コンピュータコントローラによって制御される。
【００３７】
プラズマ移行アークトーチ１２、第１のレーザ１４、第２のレーザ２６およびワイヤ供給装置２２は、（図１の矢印で示すように）基板１０に対して移動するように構成される。この相対移動は、静止の基板１０に対してエネルギー源１２、１４、２６およびワイヤ供給装置２２を移動することによって、または静止のエネルギー源１２、１４、２６および静止のワイヤ供給装置２２に対して基板１０を移動することによって達成されてもよい。いずれの方法にせよ、溶融プール２０は、相対移動によって、基板１０にわたってまたは基板上に予め形成された層にわたって移動する。
【００３８】
溶融プール２０が基板に沿って移動しているときに、ワイヤ２４は、可動型溶融プール２０の上方の位置に連続的に供給され、溶融プール２０内に堆積され、基板１０上に融着する材料層３０を形成する。層３０が基材１０上に形成されると、このプロセスは、ＣＡＤによって描画された３Ｄ物品モデルが完成するまで、繰り返される。すなわち、前に融着された層３０に可動型溶融プールを形成し、ワイヤ２４からの材料を溶融プールに堆積させ、基材上に連続の材料層を形成する。
【００３９】
図２は、図１のシステムに使用された第１のエネルギー源１２、第２のエネルギー源１４および第３のエネルギー源２６の複合エネルギープロファイル４０を示す。第１のエネルギー源１２、第２のエネルギー源１４および第３のエネルギー源２６は、それぞれ、エネルギープロファイルＥＳ１、ＥＳ２およびＥＳ３を有する。
【００４０】
第１のエネルギー源１２の出力、したがってエネルギープロファイルＥＳ１の大きさは、プロセスの全体的なエネルギーおよび温度並びに溶融プールの初期サイズおよび形状を制御するように変更することができる。したがって、このプロセスは、異なる材料から３Ｄ物品を製造するように、特に様々な冷却条件、および異なる材料から製造された物品の微細構造および機械特性を制御するように構成することができる。
【００４１】
第２のエネルギー源１４のエネルギープロファイルＥＳ２の形状は、溶融プール２０の形状を制御するように構成することができる。溶融プール２０の横幅を増大させるために、第２のエネルギー源１４のエネルギープロファイルＥＳ２は、溶融プール２０の対向横側に加重される。これは、図３にさらに示される。図３は、第１のエネルギー源１２の照射エネルギー５０、第２のエネルギー源１４の照射エネルギーの最高強度領域５２、および第３のエネルギー源２６の照射エネルギー５４を示す概略図である。図３に示すように、第２のエネルギー源１４の照射エネルギー５２を溶融プール２０の対向横側に加重することによって、溶融プールの横幅を増大させる。エネルギープロフィールＥＳ２を達成する１つの方法は、２つの独立したレーザ光源を使用することである。２つのレーザ光源の照射エネルギー５２は、既存の溶融プール２０の対向側に重なることによって、溶融プールの深さを維持しながら、溶融プールの幅を増大させる。
【００４２】
一般に、第２のエネルギー源１４の複合エネルギープロファイルＥＳ２は、様々な方法で、例えば、屈折型ビーム整形光学系、１つ以上の走査検流システムと組み合わされた１つ以上のレーザ、または個々のレーザのアドレス可能なアレイで達成されてもよい。
【００４３】
エネルギープロファイルＥＳ２の形状および／または第２のエネルギー源１４の出力を調整して、溶融プールの形状を変更することによって、堆積材料の各層のビード幅、または連続する材料堆積層の間のビード幅を変更することができる。
【００４４】
第３のエネルギー源２６のレーザビーム２８がワイヤ２４を効率的且つ均一的に溶融することを保証するために、ワイヤ２４の断面形状と一致するように第３のエネルギー源２６のエネルギープロファイルＥＳ３の形状を変更することができる。前述したように、堆積材料の各層のＬＨおよび／または各層間のＬＨを制御するためにおよび３Ｄ物品の全体的な形成時間を決定するために、ワイヤ２４の供給速度を変更することができる。また、ワイヤ２４の供給速度に応じてエネルギープロファイルＥＳ３の形状および／または第３のエネルギー源２６の出力を制御することができる。例えば、ワイヤがより大きな直径を有する場合、供給速度を低下させることなくワイヤを効率的に溶融させるために、出力を増加させ、空間的なエネルギープロファイルＥＳ３をより大きくする必要がある。
【００４５】
特に、ワイヤ２４の供給速度の変化を補償するために、第３のエネルギー源２６の出力を変更すると共に、ワイヤ２４の供給方向上の第３のエネルギー源２６のエネルギープロファイルＥＳ３の長さを調整することができる。したがって、ワイヤ２４の供給速度が増加する場合、供給速度の増加と一致するように、第３のエネルギー源２６の出力を増加させると共に、供給方向上のエネルギープロファイルＥＳ３の長さを増加させることによって、原料の所定点の出力密度を維持することができる。これによって、第３のエネルギー源２６に最も近いワイヤの上面を著しく気化せず、溶融を保証するように、ワイヤ２４の厚さにわたって所望の熱勾配を維持することができる。同様に、ワイヤ２４の供給速度が低下する場合、供給方向上のエネルギープロファイルＥＳ３の長さを減少させると共に、第３エネルギー源２６の出力を減少させることができる。
【００４６】
第３のエネルギー源２６が第１のエネルギー源１２および第２のエネルギー源１４から独立して制御されているため、供給速度および／またはエネルギープロファイルＥＳ３の出力または形状の変更は、他のビード特性（例えば、ＳＢＷおよびＣＡ）を変更することはない。
【００４７】
図４は、ＡＭシステムの変形型複合エネルギープロファイル６０を生成するように、追加の工程改良を含む図２の複合エネルギープロファイル４０を示す。具体的には、物品の既存部分（すなわち、基板１０または既に形成された層）の温度を低下させることによって生産性を増加させ、堆積材料の冷却速度を向上させることによって３Ｄ物品の微細構造を改善するために、変形型複合エネルギープロファイル６０は、能動的な低温冷却ＥＳ−１を含むことができる。能動的な低温冷却ＥＳ−１は、物品の既存部分に向けられ、移動型溶融プールの後部領域に作用すると示されているが、物品の既存部分の任意位置に向けられ、物品の既存部分を冷却することができる。
【００４８】
追加的にまたは代替的に、複合エネルギープロファイル６０は、エネルギープロファイルＥＳ４を有するエネルギー源を介した予熱を含むことができる。図示のように、予熱は、溶融プール２０の前方の基板１０に向けられるが、他の位置、例えば原料に向けられてもよい。第１のエネルギー源１２、第２のエネルギー源１４および第３のエネルギー源２６は、コンピュータコントローラによって個別に制御できると共に、コンピュータコントローラによって制御される単一の出射ヘッドに一体化されてもよい。
【００４９】
図１〜４は、後方から原料を添加する（すなわち、第１のエネルギー源１２および第２のエネルギー源１４の照射エネルギーの後方から溶融プール２０に向かってワイヤ２４を供給する）ＡＭシステムを示す。しかしながら、第１のエネルギー源１２、第２のエネルギー源１４、第３のエネルギー源２６およびワイヤ供給装置２２は、前方から原料を添加するまたは側方から原料を添加するように構成することができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形および改良が可能である。互いに排他的である場合を除き、いずれかの特徴は、別々に採用されてもよく、または任意の他の特徴と組み合わせられてもよい。本開示は、本明細書に記載された１つ以上の特徴の全ての組み合わせおよび部分の組み合わせを含む。
【図１】
2021536364.tif 000003
【図２】
2021536364.tif 000004
【図３】
2021536364.tif 000005
【図４】
2021536364.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和3年5月7日(2021.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法であって、前記方法は、
前記物品の既存部分に溶融プールを形成するステップと、
前記既存部分に対して前記溶融プールを移動するステップと、
前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、移動している前記溶融プールに供給原料を供給するステップと、
前記形成ステップ、前記移動ステップおよび前記供給ステップを繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造するステップとを含み、
前記形成ステップおよび前記移動ステップの実行において、
第１のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールの形成を開始し、
第２のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第２のエネルギー源は、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記第２のエネルギー源は、前記原料が前記溶融プールに供給される前または後に前記溶融プールの横幅を増大させ、
前記第２のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、前記溶融プールの対向横側に加重される、方法。
【請求項２】
前記第１のエネルギー源は、プラズマ移行アークである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２のエネルギー源は、１つ以上のレーザである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルおよび／または出力は、前記溶融プールの前記横幅の増大を変更するように調整される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法であって、前記方法は、
前記物品の既存部分に溶融プールを形成するステップと、
前記既存部分に対して前記溶融プールを移動するステップと、
前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、移動している前記溶融プールに供給原料を供給するステップと、
前記形成ステップ、前記移動ステップおよび前記供給ステップを繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造するステップとを含み、
前記形成ステップおよび前記移動ステップの実行において、
第１のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールの形成を開始し、
第２のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第２のエネルギー源は、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記第２のエネルギー源は、前記原料が前記溶融プールに供給される前または後に前記溶融プールの横幅を増大させ、
前記第２のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルおよび／または出力は、前記溶融プールの前記横幅の増大を変更するように調整される、方法。
【請求項６】
前記原料は、ワイヤまたはテープ原料である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
移動している前記溶融プールに供給される前記供給原料を溶融させるために、第３のエネルギー源を前記供給原料に照射させるステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するための方法であって、前記方法は、
前記物品の既存部分に溶融プールを形成するステップと、
前記既存部分に対して前記溶融プールを移動するステップと、
前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、移動している前記溶融プールに供給原料を供給するステップと、
前記形成ステップ、前記移動ステップおよび前記供給ステップを繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造するステップとを含み、
前記形成ステップおよび前記移動ステップの実行において、
第１のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記第１のエネルギー源は、前記溶融プールの形成を開始し、
第２のエネルギー源が前記既存部分に向けられ、前記第２のエネルギー源は、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記第２のエネルギー源は、前記原料が前記溶融プールに供給される前または後に前記溶融プールの横幅を増大させ、
前記方法は、移動している前記溶融プールに供給される前記供給原料を溶融させるために、第３のエネルギー源を前記供給原料に照射させるステップをさらに含む、方法。
【請求項９】
前記第３のエネルギー源は、１つ以上のレーザである、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、前記原料の形状、サイズおよび／または供給速度の変化を補償するように調整される、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第３のエネルギー源の出力は、前記原料の供給速度の変化を補償するように調整される、請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記原料を予熱するステップをさらに含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するためのシステムであって、溶融プールが前記物品の既存部分に形成され且つ前記既存部分に対して移動され、前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、供給原料が移動している前記溶融プール内に供給され、前記形成、前記移動および前記供給を繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造し、前記システムは、
前記既存部分に向けられるように構成された第１のエネルギー源と、
前記既存部分に向けられるように構成された第２のエネルギー源と、
原料供給装置と、
コンピュータコントローラとを備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して、前記第１のエネルギー源、前記第２のエネルギー源および前記原料供給装置の移動を制御することによって、前記第１のエネルギー源が、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記溶融プールの形成を開始し、前記第２のエネルギー源が、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記原料が前記溶融プールに供給される前または後に前記溶融プールの横幅を増大させ、前記供給原料を移動している前記溶融プール内に供給するように構成され、
前記第２のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルは、前記溶融プールの対向横側に加重される、システム。
【請求項１４】
前記コンピュータコントローラは、前記第２のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力を調整することによって、前記溶融プールの前記増大を変更するようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するためのシステムであって、溶融プールが前記物品の既存部分に形成され且つ前記既存部分に対して移動され、前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、供給原料が移動している前記溶融プール内に供給され、前記形成、前記移動および前記供給を繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造し、前記システムは、
前記既存部分に向けられるように構成された第１のエネルギー源と、
前記既存部分に向けられるように構成された第２のエネルギー源と、
原料供給装置と、
コンピュータコントローラとを備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して、前記第１のエネルギー源、前記第２のエネルギー源および前記原料供給装置の移動を制御することによって、前記第１のエネルギー源が、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記溶融プールの形成を開始し、前記第２のエネルギー源が、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記原料が前記溶融プールに供給される前または後に前記溶融プールの横幅を増大させ、前記供給原料を移動している前記溶融プール内に供給するように構成され、
前記コンピュータコントローラは、前記第２のエネルギー源のエネルギープロファイルおよび／または照射エネルギーの出力を調整することによって、前記溶融プールの前記増大を変更するようにさらに構成されている、システム。
【請求項１６】
前記システムは、第３のエネルギー源をさらに備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して前記第３のエネルギー源の移動を制御することによって、第３のエネルギー源が移動している前記溶融プールに供給される前記供給原料に照射して前記原料を溶融させるようにさらに構成されている、請求項１３から１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
付加製造によって３Ｄ物品を製造するためのシステムであって、溶融プールが前記物品の既存部分に形成され且つ前記既存部分に対して移動され、前記既存部分上に材料層を堆積させ、融着させるように、供給原料が移動している前記溶融プール内に供給され、前記形成、前記移動および前記供給を繰り返して、連続の材料層を形成することによって、前記３Ｄ物品を製造し、前記システムは、
前記既存部分に向けられるように構成された第１のエネルギー源と、
前記既存部分に向けられるように構成された第２のエネルギー源と、
原料供給装置と、
コンピュータコントローラとを備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して、前記第１のエネルギー源、前記第２のエネルギー源および前記原料供給装置の移動を制御することによって、前記第１のエネルギー源が、前記溶融プールと共に移動し且つ前記溶融プールの前方に位置する第１の領域に照射することによって、前記溶融プールの形成を開始し、前記第２のエネルギー源が、前記第１の領域と共に移動し且つ前記第１の領域の後方に位置する第２の領域に照射することによって、前記原料が前記溶融プールに供給される前または後に前記溶融プールの横幅を増大させ、前記供給原料を移動している前記溶融プール内に供給するように構成され、
第３のエネルギー源を備え、
前記コンピュータコントローラは、前記既存部分に対して前記第３のエネルギー源の移動を制御することによって、第３のエネルギー源が移動している前記溶融プールに供給される前記供給原料に照射して前記原料を溶融させるようにさらに構成されている、システム。
【請求項１８】
前記コンピュータコントローラは、前記第３のエネルギー源の照射エネルギーのエネルギープロファイルを調整することによって、前記原料の形状および／またはサイズの変化を補償するようにさらに構成されている、請求項１６または１７に記載のシステム。
【国際調査報告】
2021536364.tif 000007
2021536364.tif 000008