(57)【要約】  工作機械を用いて付加加工処理を行う方法及び装置は、処理ヘッドの向きを制御して、加工エネルギー光線の接線角度、供給紛体ノズル、またはその両方を制御することを含むことができる。エネルギー光線を工具経路の幅に渡ってより均一に分布させるように非円形エネルギー光線の向きを制御することができる。加えて、またはあるいは、供給紛体ノズルの向きを制御して、光線対象から間隔を隔てた紛体対象に向けて照射することができる。エネルギー光線により形成される光線スポットの後縁に紛体対象を向けて、エネルギー光線により形成されるメルトプールに組み込まれる紛体の量を増加させることができる。あるいは、光線スポットの前縁に紛体対象を向けて、先の追加材料層に生じた厚み誤差に対処する自己修正特徴を与えることができる。
2017512896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工エネルギー供給装置及び供給紛体／プロペラント供給装置とともに使用される工作機械を用いて基板に材料を堆積させる方法であって、
基板を第１工具ホルダに固定することと、
前記加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された非円形形状の加工エネルギー出口及び前記供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結されたノズル出口を画定するノズルを含む処理ヘッドアセンブリを第２工具ホルダに固定することと、
前記加工エネルギー出口の非円形形状に対応する非円形形状のプロファイルを有するエネルギースポットを前記基板の対象領域に形成するように加工エネルギー光線を前記加工エネルギー出口から前記基板に照射することと、
供給紛体／プロペラントを前記ノズル出口から前記基板の前記対象領域に照射することと、
前記エネルギースポットが前記基板に沿って工具経路を進行するように前記第１工具ホルダと前記第２工具ホルダとを相対移動させ、前記エネルギースポットの移動により前記エネルギースポットの瞬間進行方向に延びるスポット向きベクトルが定義されるとともに前記工具経路により前記工具経路に接して延びる工具経路ベクトルが定義されることと、
前記工具経路ベクトルに対する前記スポット向きベクトルの向きに基づいて前記第２工具ホルダの向きを制御することを含む方法。
【請求項２】
前記第２工具ホルダの向きを制御することは、前記スポット向きベクトルが前記工具経路ベクトルに対してスポット角度をなして延びるように前記第２工具ホルダの向きを決めることである請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記スポット角度はゼロである請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記スポット角度はゼロより大きい請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記スポット角度は前記工具経路に沿って一定である請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記スポット角度は前記工具経路に沿って変化する請求項２記載の方法。
【請求項７】
供給紛体／プロペラント供給装置及び加工エネルギー供給装置とともに使用される工作機械であって、
基板を支持する第１工具ホルダと、
第２工具ホルダと、
前記第２工具ホルダに連結され、
前記供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結された供給紛体／プロペラントインタフェース、
前記加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された加工エネルギーインタフェース、
前記加工エネルギーインタフェースに操作可能に連結された非円形形状の加工エネルギー出口、
前記供給紛体／プロペラントインタフェースと流体連通するノズル出口を画定するノズルを含む処理ヘッドアセンブリと、
前記第１工具ホルダ及び前記第２工具ホルダに動作可能に連結され、１つ以上の中央処理装置と、１つ以上のメモリデバイスとを備えた機械制御回路とを備え、
前記１つ以上のメモリデバイスには、前記１つ以上の中央処理装置により実行されると、前記機械制御回路に、
加工エネルギー光線を、非円形プロファイルを有するエネルギースポットを前記基板の対象領域に形成するように、前記加工エネルギー出口から前記基板に向けるように且つ供給紛体／プロペラントを前記ノズル出口から前記基板の前記対象領域に向けるように前記第１工具ホルダ及び前記第２工具ホルダを位置決めさせ、
前記エネルギースポットが前記基板に沿って工具経路を進行するように前記第１工具ホルダと前記第２工具ホルダの相対移動を行わせ、前記エネルギースポットの移動により前記エネルギースポットの瞬間進行方向に延びるスポット向きベクトルが定義されるとともに前記工具経路により前記工具経路に接して延びる工具経路ベクトルが定義され、
前記工具経路ベクトルに対する前記スポット向きベクトルの向きに基づいて前記第２工具ホルダの向きを制御させる指示が格納されている工作機械。
【請求項８】
前記指示は、さらに、前記機械制御回路に、前記スポット向きベクトルが前記工具経路ベクトルに対してスポット角度をなして延びるように前記第２工具ホルダの向きを決めさせる請求項７記載の工作機械。
【請求項９】
前記指示は、さらに、前記機械制御回路に、前記スポット角度をゼロ度に維持させる請求項８記載の工作機械。
【請求項１０】
前記指示は、さらに、前記機械制御回路に、前記スポット角度をゼロ度より大きい角度に維持させる請求項８記載の工作機械。
【請求項１１】
前記指示は、さらに、前記機械制御回路に、前記スポット角度を前記工具経路に沿って一定の値に維持させる請求項８記載の工作機械。
【請求項１２】
前記指示は、さらに、前記機械制御回路に、前記スポット角度を前記工具経路に沿って変化させる請求項８記載の工作機械。
【請求項１３】
加工エネルギー供給装置及び供給紛体／プロペラント供給装置とともに使用される工作機械を用いて基板に材料を堆積させる方法であって、
基板を第１工具ホルダに固定することと、
前記加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された加工エネルギー出口及び前記供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結されたノズル出口を画定するノズルを含む処理ヘッドアセンブリを第２工具ホルダに固定することと、
前記基板上の光線対象にエネルギースポットを形成するように加工エネルギー光線を前記加工エネルギー出口から前記基板に照射することと、
供給紛体／プロペラントを前記ノズル出口から前記基板上の、前記光線対象からオフセット距離だけ間隔を隔てた紛体対象に向けて照射することと、
前記エネルギースポットが前記基板を横断する工具経路に沿って進行方向に進行するように前記第１工具ホルダと前記第２工具ホルダとを相対移動させることと、
前記エネルギーススポットが前記工具経路を進行するときに前記光線対象と前記紛体対象との間の前記オフセット距離を維持するように前記第２工具ホルダの向きを制御することとを含む方法。
【請求項１４】
前記エネルギースポットは前記進行方向に対する後縁を画定し、前記紛体対象は前記エネルギースポットの前記後縁と一致する請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギースポットは前記進行方向に対する前縁を画定し、前記紛体対象は前記エネルギースポットの前記前縁と一致する請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記エネルギー対象は光線軸に沿って配設され、前記紛体対象は前記光線軸に対して角度をなして延びる紛体軸に沿って配設される請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
供給紛体／プロペラント供給装置及び加工エネルギー供給装置とともに使用される工作機械であって、
基板を支持する第１工具ホルダと、
第２工具ホルダと、
前記第２工具ホルダに連結され、
前記供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結された供給紛体／プロペラントインタフェース、
前記加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された加工エネルギーインタフェース、
前記加工エネルギーインタフェースに操作可能に連結された加工エネルギー出口、
前記供給紛体／プロペラントインタフェースと流体連通するノズル出口を画定するノズルを含む処理ヘッドアセンブリと、
前記第１工具ホルダ及び前記第２工具ホルダに動作可能に連結され、１つ以上の中央処理装置と、１つ以上のメモリデバイスとを備えた機械制御回路とを備え、
前記１つ以上のメモリデバイスには、前記１つ以上の中央処理装置により実行されると、前記機械制御回路に、
加工エネルギー光線を、前記基板上の光線対象にエネルギースポットを形成すように、前記加工エネルギー出口から前記基板に向けるように且つ供給紛体／プロペラントを前記ノズル出口から前記基板上の、前記光線対象からオフセット距離だけ間隔を隔てた紛体対象に向けるように前記第１工具ホルダ及び前記第２工具ホルダを位置決めさせ、
前記エネルギースポットが前記基板を横断する進行方向に工具経路を進行するように前記第１工具ホルダと前記第２工具ホルダの相対移動を行わせ、
前記エネルギースポットが前記工具経路を進行するときに前記光線対象と前記紛体対象との間の前記オフセット距離を維持するように前記第２工具ホルダの向きを制御させる指示が格納されている工作機械。
【請求項１８】
前記エネルギースポットは前記進行方向に対する後縁を画定し、前記紛体対象は前記エネルギースポットの前記後縁と一致する請求項１７記載の工作機械。
【請求項１９】
前記エネルギースポットは前記進行方向に対する前縁を画定し、前記紛体対象は前記エネルギースポットの前記前縁と一致する請求項１７記載の工作機械。
【請求項２０】
前記エネルギー対象は光線軸に沿って配設され、前記紛体対象は前記光線軸に対して角度をなして延びる紛体軸に沿って配設される請求項１９記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、コンピュータ数値制御工作機械に関し、特に、工作機械で付加加工を行う方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荒加工技術（例えば、鋳造、転造、鍛造、押し出し、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や組立部品に処理している。最終的な使用可能な形態（「ネットシェイプ」）の複雑な組立部品を製造するためには、適切な形状に形成された適切な材料を必要とするだけでなく、適切な冶金的特性（例えば、様々な熱処理、加工硬化、複雑な微細構造）の組み合わせ有することを必要とするという条件のため、通常、時間、工具及び労力の点でかなりの投資が必要とされる。
【０００３】
上記荒処理及び仕上げ処理のうちの１つまたは複数は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械を用いて行うことができる。このような工作機械には、旋盤、フライス加工機、研削加工機や他の種類の工作機械が含まれる。最近では、複数の種類の工具を有し、複数の異なる機械加工処理を行うことができる単一の機械を提供するマシニングセンタが開発されている。マシニングセンタは、通常、主軸保持部や１つ以上の工具を保持するタレット保持部などの１つ以上の工具保持部と、一対のチャックといったワーク保持部とを含むことができる。ワーク保持部は、工具がワークに接触して、ワークから材料が除去される除去加工処理が行われる間、静止していても移動（並進移動及び／または回転）してもよい。
【０００４】
原価、費用、複雑さやその他の要因から、最近では、従来の材料加工手順の一部またはすべてを付加加工技術で置き換えることができる代替技術に関心が集まっている。ワークから材料を精密に除去することにフォーカスした除去加工処理とは対照的に、付加加工処理は、通常はコンピュータ制御環境において、材料を精密に付加するものである。付加加工技術は、効率を高めて無駄を減らすことができる一方で、従来の加工技術を用いた場合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構成することを可能にするなどして加工可能性を拡大することもできる。本明細書及び添付の請求項においては、「複数」という語は、常に、「二つ以上」を意味すると解釈される。除去処理を付加技術で置き換える機会は、付加処理での使用が可能な材料の範囲、付加技術を用いて達成可能なサイズ及び表面仕上げ、材料の付加が可能な速度などのいくつかの要因に依存する。付加処理は、すぐに使用できる状態の複雑な精密ネットシェイプ構成要素の加工が可能であることが有利である。しかしながら、付加処理は、ある程度の仕上げ加工を必要とする「ニアネットシェイプ」製品を生成することができる場合もある。
【０００５】
概して、付加処理技術と除去処理技術は、実質的にそれぞれ独立して発展してきたため、これら２種類の性質が異なる処理やこれらを行うための装置を組み合わせることにより得られる相乗効果が見落とされてきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様によれば、加工エネルギー供給装置及び供給紛体／プロペラント供給装置とともに使用される工作機械を用いて基板に材料を堆積させる方法であって、基板を第１工具ホルダに固定することと、加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された非円形形状の加工エネルギー出口及び供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結されたノズル出口を画定するノズルを含む処理ヘッドアセンブリを第２工具ホルダに固定することとを含む方法が提供される。加工エネルギー光線が加工エネルギー出口から基板に照射されて、加工エネルギー出口の非円形形状に対応する非円形形状のプロファイルを有するエネルギースポットが基板の対象領域に形成され、また、供給紛体／プロペラントがノズル出口から基板の対象領域に照射される。この方法は、さらに、エネルギースポットが基板に沿って工具経路を進行するように第１工具ホルダと第２工具ホルダとを相対移動させることを含み、エネルギースポットの移動により該エネルギースポットの瞬間進行方向に延びるスポット向きベクトルが定義されるとともに工具経路により該工具経路に接して延びる工具経路ベクトルが定義される。工具経路ベクトルに対するスポット向きベクトルの向きに基づいて第２工具ホルダの向きが制御される。
【０００７】
本開示の別の実施形態によれば、供給紛体／プロペラント供給装置及び加工エネルギー供給装置とともに使用される工作機械が提供される。この工作機械は、基板を支持する第１工具ホルダと、第２工具ホルダと、該第２工具ホルダに連結された処理ヘッドアセンブリとを含み、該処理ヘッドアセンブリは、供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結された供給紛体／プロペラントインタフェースと、加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された加工エネルギーインタフェースと、該加工エネルギーインタフェースに操作可能に連結された非円形形状の加工エネルギー出口と、前記供給紛体／プロペラントインタフェースと流体連通するノズル出口を画定するノズルとを含む。機械制御回路が第１工具ホルダ及び第２工具ホルダに動作可能に連結されており、該機械制御回路は、１つ以上の中央処理装置と１つ以上のメモリデバイスとを備え、該１つ以上のメモリデバイスには、１つ以上の中央処理装置により実行されると、機械制御回路に、加工エネルギー光線を、非円形プロファイルを有するエネルギースポットを基板の対象領域に形成するように、加工ネルギー出口から基板に向けるように且つ供給紛体／プロペラントをノズル出口から基板の対象領域に向けるように第１工具ホルダ及び第２工具ホルダを位置決めさせ、エネルギースポットが基板に沿って工具経路を進行するように第１工具ホルダと第２工具ホルダの相対移動を行わせ、エネルギースポットの移動によりエネルギースポットの瞬間進行方向に延びるスポット向きベクトルが定義されるとともに工具経路により工具経路に接して延びる工具経路ベクトルが定義され、工具経路ベクトルに対するスポット向きベクトルの向きに基づいて第２工具ホルダの向きを制御させる指示が格納されている。
【０００８】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、第２工具ホルダの向きを制御することは、スポット向きベクトルが工具経路ベクトルに対してスポット角度をなして延びるように第２工具ホルダの向きを決めることである。
【０００９】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、スポット角度はゼロである。
【００１０】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、スポット角度はゼロより大きい。
【００１１】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、スポット角度は工具経路に沿って一定である。
【００１２】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、スポット角度は工具経路に沿って変化する。
【００１３】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、加工エネルギー供給装置及び供給紛体／プロペラント供給装置とともに使用される工作機械を用いて基板上に材料を堆積させる方法であって、基板を第１工具ホルダに固定することと、加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された加工エネルギー出口及び供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結されたノズル出口を画定するノズルを含む処理ヘッドアセンブリを第２工具ホルダに固定することと、基板上の光線対象にエネルギースポットを形成するように加工エネルギー光線を加工エネルギー出口から基板に照射することと、供給紛体／プロペラントをノズル出口から基板上の、光線対象からオフセット距離だけ間隔を隔てた紛体対象に向けて照射することと、エネルギースポットが基板を横断する工具経路に沿って進行方向に進行するように第１工具ホルダと第２工具ホルダとを相対移動させることと、エネルギースポットが工具経路を進行するときに光線対象と紛体対象との間のオフセット距離を維持するように第２工具の向きを制御することを含む方法が提供される。
【００１４】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、供給紛体／プロペラント供給装置及び加工エネルギー供給装置とともに使用される工作機械が提供される。この工作機械は、基板を支持する第１工具ホルダと、第２工具ホルダと、該第２工具ホルダに連結された処理ヘッドアセンブリとを含み、該処理ヘッドアセンブリは、供給紛体／プロペラント供給装置に操作可能に連結された供給紛体／プロペラントインタフェースと、加工エネルギー供給装置に操作可能に連結された加工ネルギーインタフェースと、該加工エネルギーインタフェースに操作可能に連結された加工エネルギー出口と、前記供給紛体／プロペラントインタフェースと流体連通するノズル出口を画定するノズルとを含む。機械制御回路が第１工具ホルダ及び第２工具ホルダに動作可能に連結されており、該機械制御回路は、１つ以上の中央処理装置と、１つ以上のメモリデバイスとを備え、該１つ以上のメモリデバイスには、１つ以上の中央処理装置により実行されると、機械制御回路に、加工エネルギー光線を、基板上の光線対象にエネルギースポットを形成するように、加工ネルギー出口から基板に向けるように且つ供給紛体／プロペラントをノズル出口から基板上の、前記光線対象からオフセット距離だけ間隔を隔てた紛体対象に向けるように第１工具ホルダ及び第２工具ホルダを位置決めさせ、エネルギースポットが基板を横断する進行方向に工具経路を進行するように第１工具ホルダ及び第２工具ホルダの相対移動を行わせ、エネルギースポットが工具経路を進行するときに光線対象と紛体対象との間のオフセット距離を維持するように第２工具ホルダの向きを制御させる指示が格納されている。
【００１５】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、エネルギースポットは進行方向に対する後縁を画定し、紛体対象はエネルギースポットの後縁と一致する。
【００１６】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、エネルギースポットは進行方向に対する前縁を画定し、紛体対象はエネルギースポットの前縁と一致する。
【００１７】
本開示の、ここに特定される他の態様の１つ以上と組み合わせることができる別の態様によれば、エネルギー対象は光線軸に沿って配設され、紛体対象は光線軸に対して角度をなして延びる紛体軸に沿って配設される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
開示される方法及び装置をより完全に理解するために、添付の図面により詳細に図示された実施形態を参照すべきである。
【００１９】
【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。
【図２】図１に図示したコンピュータ数値制御機械を、安全扉を開いた状態で示した正面立面図である。
【図３】図１及び図２に図示したコンピュータ数値制御機械のある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。
【図４】図３を拡大した斜視図であり、加工主軸並びに、主軸を並進移動させる際に使用することができる水平に配設されたレール及び垂直に配設されたレールを図示している。
【図５】図１に図示したマシニングセンタの第１チャック、加工主軸及びタレットの側面図である。
【図６】図５と同様の図であるが、加工主軸をＹ軸方向に並進移動させた図である。
【図７】図１に図示したコンピュータ数値制御機械の主軸、第１チャック及び第２チャックの正面図であり、主軸の回転移動の許容経路を示す線を含む。
【図８】図３に図示した第２チャックの斜視図であり、図３を拡大したものである。
【図９】図２に図示した第１チャック及びタレットの斜視図であり、図２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。
【図１０】図１のコンピュータ数値制御機械の、正面扉を開いた状態の正面図である。
【図１１】図１のコンピュータ数値制御機械とともに使用される材料堆積アセンブリの概略説明図である。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】図１２の材料堆積アセンブリで使用される下部処理ヘッドを、一部断面図で示した側面立面図である。
【図１５】従来のエネルギー光線及び変形エネルギー光線の概略説明図と、これらに関する工具経路の幅にわたる暴露時間のグラフィック表示である。
【図１６】不規則な工具経路を進行する変形エネルギー光線の概略説明図である。
【図１７】完全なパターン層を形成する不規則な工具経路を進行する変形エネルギー光線の概略説明図である。
【図１８】複数の図１７に示したパターン層により形成される３次元物体の斜視図である。
【図１９】（ａ）乃至（ｃ）は、関連の工具経路ベクトルに対して角度をなして延びるスポットベクトルを有する変形エネルギー光線の概略説明図である。
【図２０】（ａ）乃至（ｈ）は、様々なノズル出口構成を有する矩形状の加工エネルギー出口を有するノズルの代替実施形態を示した概略説明図である。
【図２１】供給紛体／プロペラントがエネルギースポットが後縁に向けられた代替実施形態の概略説明図である。
【図２２】エネルギースポットが通過するときの基板上の一点の温度を示したグラフィック説明図である。
【図２３】図２１の実施形態のエネルギースポット、メルトプール及び紛体対象の拡大概略説明図である。
【図２４】（ａ）乃至（ｃ）は、供給紛体／プロペラントがエネルギースポットの前縁に向けられたさらに別の実施形態の概略説明図である。
【００２０】
各図面は必ずしも同じ縮尺で示されていないこと、開示される実施形態は、図式的に、また、部分的な図で図示される場合があることが理解されるべきである。ある例では、開示される方法及び装置の理解に必要でない、または他の詳細の認知を困難にする詳細は省略されていることもある。当然のことながら、本開示は、ここに図示される特定の実施形態に限定されるものでは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】
【００２１】
任意の適切な装置をここに開示され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に概略的に図示されたコンピュータ数値制御機械を用いて方法が実施される。コンピュータ数値制御機械自体は他の実施形態において提供される。図１乃至図１０に図示された機械１００は、複数のバージョンを本願の譲受人であるＤＭＧ／Ｍｏｒｉ  Ｓｅｉｋｉ  ＵＳＡから入手可能であるＮＴシリーズの機械である。あるいは、ＤＭＧ／Ｍｏｒｉ  ＳｅｉｋｉのＤＭＵ−６５工作機械（５軸立形工作機械）や様々な向きのまたは多数の軸を有する他の工作機械をここに開示される装置及び方法と合わせて用いることができる。
【００２２】
概して、図１乃至図３に図示されたＮＴシリーズの機械を参照すると、適切なコンピュータ数値制御機械１００は、少なくとも、それぞれ工具保持部（主軸１４４にかかる主軸保持部またはタレット１０８にかかるタレット保持部等）またはワーク保持部（チャック１１０，１１２等）とすることができる第１保持部及び第２保持部を有する。上記図に図示された実施形態では、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保持部及び第２保持部を制御するためにこれらに動作可能に連結されたコンピュータ制御システムも有する。一部の実施形態では、コンピュータ数値制御機械１００は上記構成要素のすべてを含んでいなくてもよく、他の実施形態では、コンピュータ数値制御機械１００はここに指定される構成要素以外の付加的な構成要素を含むことができることが理解される。
【００２３】
図１及び図２に示されているように、コンピュータ数値制御機械１００は、通常はワーク（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、それぞれその全体または一部を機械チャンバ１１６内に設けることができる。この示された実施形態では、２つの可動安全扉１１８によりユーザと機械チャンバ１１６とを隔ててユーザの負傷やコンピュータ数値制御機械１００の動作への干渉を防止している。図２に図示されているように、安全扉１１８は、機械チャンバ１１６にアクセスさせるために開くことが可能である。コンピュータ数値制御機械１００は、ここでは、図４に示して以下により詳細に説明する直交に方向づけられた３つの直線軸（Ｘ、Ｙ及びＺ）に関して説明される。Ｘ、Ｙ及びＺ軸を中心とした回転軸は、それぞれ“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”回転軸とする。
【００２４】
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、ユーザインタフェースシステム（図１において１１４で概略的に示す）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動作可能に接続された第２コンピュータシステム（図示せず）の２つの相互連結されたコンピュータシステムを備える。第２コンピュータシステムは、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し、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。全体として、機械制御システム及びユーザインタフェースシステムは、機械におけるオペレーションの制御のための様々な機構と併せて、１つのコンピュータ制御システムと考えることができる。
【００２５】
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やＡＭＤにより作られたもの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また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。ここで用いられるような機械制御回路は、バスや別のコンピュータ、プロセッサ、装置、サービスまたはネットワークと通信するように、またはこれらと機械１００との間のデータの転送を制御するように構成された、機械１００内外に配設されたハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアの任意の組み合わせからなる。機械制御回路、より具体的にはＣＰＵは、１つ以上のコントローラまたはプロセッサを含んでおり、このような１以上のコントローラまたはプロセッサは、互いに隣接して配設される必要はなく、異なる装置内または異なる場所に設けることができる。機械制御回路、より具体的にはメインメモリは、互いに隣接して配設される必要がなく異なる装置内または異なる場所に設けることができる１つ以上のメモリデバイスを含んでいる。機械制御回路は、ここに開示される様々な工作機械方法及び他の処理のすべてを実行するように操作することが可能である。
【００２６】
一部の実施形態では、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、他の実施形態では、外部ソースを用いて機械にプログラムをロードまたは転送することが可能である。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）また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用いてプログラムをロードすることができると考えられる。他の実施形態では、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）を用いて機械を制御することができる。
【００２７】
図１及び図２にさらに図示されているように、コンピュータ数値制御機械１００は、工具マガジン１４２と工具交換装置１４３とを有することができる。これらは、主軸１４４と協働して、該主軸が複数の工具のうちのいずれか１つとともに動作することを可能にする。通常、多種多様な工具を設けることができ、一部の実施形態では、同じ種類の工具を複数設けることができる。
【００２８】
主軸１４４は、Ｘ軸及びＺ軸に沿った並進移動を許容する往復台アセンブリ１２０及び、該主軸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述するように、主軸をＢ軸回転させるモータが備え付けられている。図示のように、往復台アセンブリは第１往復台１２４を有し、第１往復台１２４は、２つのねじ状の垂直レール（一方のレールを１２６で示す）に沿って移動し、第１往復台１２４及び主軸１４４をＸ軸方向に並進移動させる。往復台アセンブリは第２往復台１２８も含んでおり、第２往復台１２８は、２つの水平に配設されたねじ状のレール（一方を図３に１３０で示す）に沿って移動し、第２往復台１２８及び主軸１４４をＺ軸方向に移動させる。各往復台１２４，１２８は、複数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を回転させると、往復台がそれぞれＸ方向またはＺ方向に並進移動する。レールには、それぞれ、水平に配設されたレール及び垂直に配設されたレールのためのモータ１７０及び１７２が備え付けられている。
【００２９】
主軸１４４は、主軸接続部及び工具保持部１０６により工具１０２を保持する。主軸接続部１４５（図２に示す）は、主軸１４４に接続されており、主軸１４４内に収容されている。工具保持部１０６は、主軸接続部に接続されており、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、主軸接続部は、主軸の寿命の間、主軸１４４内に収容されている。主軸１４４へのアクセスプレート１２２を図５及び図６に示す。
【００３０】
第１チャック１１０は爪１３６を備えており、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に配設されている。第２チャック１１２も爪１３７を備えているが、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。具体的には、機械１００は、前述のようにボールねじ機構を用いて第２台１５２をＺ方向に並進移動させるためのねじ状のレール１３８及びモータ１３９を備えている。削り屑の除去を補助するために、第２台１５２は、傾斜遠心面１７４と、Ｚ方向傾斜面１７７，１７８を有するサイドフレーム１７６とを備えている。チャック１１０，１１２のための油圧制御手段及び関連のインジケータ、例えば図１及び図２に示した圧力計１８２及び制御つまみ１８４を設けることができる。各台は、チャックを回転させるためのモータ（それぞれ１６１，１６２）を備えている。
【００３１】
タレット１０８は、図５、図６及び図９に最良に示されているが、同じくレール１３８に係合し、同様にボールねじ装置を用いてＺ方向に並進移動させることができるタレット台１４６（図５）に取り付けられている。タレット１０８は、図９に図示されているように、様々なタレットコネクタ１３４を備えている。各タレットコネクタ１３４は、工具保持部１３５または工具を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は多種多様なタレットコネクタ１３４及び工具保持部１３５を有することが可能であるため、多種多様な異なる工具をタレット１０８により保持して操作することが可能である。タレット１０８をＣ’軸回転させて、工具保持部のうちの様々な工具保持部（ひいては、多くの実施形態では、様々な工具）をワークに対して提示することができる。
【００３２】
かくして、広範囲の汎用的動作を行うことができることが分かる。工具保持部１０６に保持された工具１０２については、このような工具１０２をチャック１１０及び１１２の一方または両方に保持されたワーク（図示せず）の上から押しつけることができる。工具１０２の交換が必要なまたは望ましいときは、交換用の工具１０２を工具交換装置１４３を使って工具マガジン１４２から取り出すことができる。図４及び図５を参照すると、主軸１４４をＸ及びＺ方向（図４に示す）並びにＹ方向（図５及び図６に示す）に並進移動させることができる。図７にＢ軸回転が示されており、図示の実施形態は、垂直線の両側に１２０度の範囲での回転を許容している。Ｙ方向の移動及びＢ軸回転は、往復台１２４の裏に設けられたモータ（図示せず）により動力供給される。
【００３３】
通常、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削り屑がこのチャンバから出ないようにするための複数の垂直に配設された板１８０及び水平に配設された板１８１を備えている。
【００３４】
機械１００の構成要素は前述した構成要素に限定されない。例えば、一部の例では、付加的なタレットを設けることができる。他の例では、付加的なチャック及び／または主軸を設けることができる。通常、機械は、クーラント液を機械チャンバ１１６内に導入するための１つ以上の機構を備えている。
【００３５】
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ている。チャック１１０が爪１３６と合わさって保持部を形成しており、同様にチャック１１２は爪１３７と合わさって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ためにも用いられるだろう。例えば、チャック及びその関連の台は、旋盤状の態様では、回転するワークのための主軸台及び任意的な心押台として機能するだろう。主軸１４４及び主軸接続部１４５が別の保持部を形成している。同様に、タレット１０８は、複数タレットコネクタ１３４が備えつけられた場合、複数の保持部（図９に示す）を提供する。
【００３６】
コンピュータ数値制御機械１００は、当該技術分野において既知の、または適当であると認められる、種類の異なる多数の工具のいずれかを使用することができる。例えば、工具１０２は、フライス加工工具、穴あけ加工工具、研削加工工具、ブレード工具、ブローチ加工工具、旋削加工工具などの切削工具、または、コンピュータ数値制御機械１００との関連で適切であると見なされる他の種類の切削工具とすることができる。加えて、または代わりに、工具は、以下により詳細に論じるように、付加加工技術用に構成されていてもよい。いずれにしても、コンピュータ数値制御機械１００は、一種類以上の工具を備えることができ、主軸１４４に、工具交換装置１４３及び工具マガジン１４２の機構を用いて工具を交換させることができる。同様に、タレット１０８は１つ以上の工具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コネクタ１３４を適切な位置に配置することにより、工具１０２を入れ替えることができる。
【００３７】
図１０に、コンピュータ数値制御機械１００を安全扉が開いた状態で図示する。図に示されているように、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つ以上のチャックまたはワーク保持部１１０，１１２と、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インタフェース接続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、選択的に回転可能及び／または、様々な軸のうちの１つ以上に沿って相対的に移動可能とすることができる。
【００３８】
図１０に示されているように、例えば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸は直交する移動方向を示すことができ、一方、Ａ、Ｂ及びＣ軸は、それぞれＸ、Ｙ及びＺ軸を中心とした回転方向を示すことができる。これらの軸は３次元空間での移動の説明を容易にするために提供されるものであり、よって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく他の座標方式を用いることができる。加えて、移動の説明にこれらの軸を用いることは、実際の物理的な軸と、仮想的な軸とを包含することを意図している。尚、実際の物理的な軸は互いに直交しており、一方、仮想的な軸は物理的に直交していない場合もあるが、工具経路は、該仮想的な軸方向に、これらの軸が物理的に直交であるかのように動作するようにコントローラにより操作される。
【００３９】
図１０に示した軸に関して、工具保持部１０６は、これを支持している主軸１４４のＢ軸を中心とし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、実質的にＸ軸に平行なＸＡ軸及び実質的にＺ軸に平行な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軸を中心とし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つ以上の軸に沿って独立して並進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軸機械として示されているが、該機械は、本願特許請求の範囲から逸脱することなく、６軸より少ない軸方向に移動可能とすることも多い軸方向に移動可能とすることもできるため、上記移動軸の数は単なる例であることが理解される。
【００４０】
コンピュータ数値制御機械１００は、付加加工処理を行うための材料堆積アセンブリを含むことができる。図１１に、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光線２０２を含めて概略的に図示する。基板２０４は、１つ以上のワーク保持部、例えばチャック１１０，１１２により支持することができる。材料堆積アセンブリ２００は、さらに、集中エネルギー光線２０８を基板２０４に向けることができる光学機器２０６を含むことができるが、該光学機器２０６は、エネルギー光線２０２が十分に高いエネルギー密度を有する場合は省略することができる。エネルギー光線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、プラズマジェットまたは単純放電（アーク）とすることができる。集中エネルギー光線２０８は、蒸発、飛び散り、浸食、衝撃波干渉、または他の動的作用により基板材料を失わないように、成長表面基板２０４の小部分を溶解してメルトプール２１０を形成するのに十分なエネルギー密度を有することができる。集中エネルギー光線２０８は、連続的であっても断続的にパルス化されてもよい。
【００４１】
メルトプール２１０は、基板２０４から液化された材料と、追加された供給材料とを含むことができる。供給材料は、１つ以上のノズル２１４から吐出される供給紛体／プロペラントガス混合物２１２の状態でメルトプール２１０に向けられる供給紛体として提供することができる。ノズル２１４は、供給粉体貯留槽２１６及びプロペラントガス貯留槽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に組み込まれるように頂点２１５または物理的断面が最小である領域に実質的に集束することができる供給粉体／プロペラントガス混合物２１２のフローパターンを作る。材料堆積アセンブリ２００は基板２０４に対して移動されるため、該アセンブリは基板２０４上のビード層を形成する工具経路を進行する。最初のビード層に隣接してまたはその上面にさらにビード層を形成して、固体の３次元物体を加工することができる。
【００４２】
使用される材料及び求められる物体公差によって、多くの場合、ネットシェイプ物体、または意図された適用のためにさらなる加工を必要としない（研磨等は許容される）物体を形成することが可能である。材料堆積アセンブリ２００により得られるものより精密な公差が求められるのであれば、除去的な仕上げ処理を用いることができる。付加的な仕上げ処理が必要な場合は、このような仕上げ前の材料堆積アセンブリ２００により生成された物体をここでは「ニアネットシェイプ」と称し、加工処理を完了するには若干の材料または加工が必要であることを示す。
【００４３】
図１２に最良に示されているように、材料堆積アセンブリ２００は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、上部処理ヘッド２１９ａと下部処理ヘッド２１９ｂとを有する処理ヘッドアセンブリ２１９を含んでいる。下部処理ヘッド２１９ｂは上部処理ヘッド２１９ａに着脱自在に連結することができ、上部処理ヘッド２１９ａを様々な下部処理ヘッド２１９ｂとともに使用することが可能である。下部処理ヘッド２１９ｂを変更可能であることは、様々な堆積特性が求められる場合、例えば、様々な形状及び／または様々な加工エネルギー光線２０２の密度及び／または様々な供給粉体／プロペラントガス混合物２１２が必要な場合などに有利であろう。
【００４４】
具体的には、上部処理ヘッド２１９ａは主軸１４４を含むことができる。複数のポートを主軸１４４に連結させることができ、これらのポートは接続時に下部処理ヘッド２１９ｂとインタフェース接続するように構成される。例えば、主軸１４４は、供給粉体貯留槽とプロペラント貯留槽とを含むことができる供給粉体供給装置（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を支持することができる。加えて、主軸１４４は、シールドガス供給装置（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装置（図示せず）と流体連通するクーラントポート２２４を支持することができる。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、個別に、または導管アセンブリ２２６のようなハーネスでまとめられた導管を介して、それぞれの供給装置に接続することができる。
【００４５】
上部処理ヘッド２１９ａは、さらに、加工エネルギー供給装置（図示せず）に動作可能に連結された加工エネルギーポート２２８を含むことができる。図示の実施形態では、加工エネルギー供給装置は、主軸１４４のハウジング内を延びるレーザファイバ２３０により加工エネルギーポート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の本体内を進むことができ、この場合、加工エネルギーポート２２８は主軸１４４の下部に形成されたソケット２３２内に設けることができる。したがって、図１２の実施形態では、加工エネルギーポート２２８はソケット２３２内に配設され、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る。上部処理ヘッド２１９ａは、さらに、コリメーションレンズ、部分反射ミラーまたは曲面ミラーなどの、エネルギー光線を形づけるための付加的な光学機器を含むことができる。
【００４６】
上部処理ヘッド２１９ａは、複数の下部処理ヘッド２１９ｂのうちの１つに選択的に連結することができる。図１２に示されているように、例示的な下部処理ヘッド２１９ｂは、通常、ベース２４２と、光学機器チャンバ２４４と、ノズル２４６とを含むことができる。加えて、ノズル調整アセンブリを設けて、ノズル２４６をエネルギー光線に対して並進移動または回転させる、あるいはノズル２４６の位置及び／または向きをエネルギー光線に対して調節することができる。ベース２４２は、下部処理ヘッド２１９ｂと上部処理ヘッド２１９ａとが解除可能に係合できるようにソケット２３２内に密接に嵌合するように構成されている。図１２の実施形態では、ベース２４２は、加工エネルギーポート２２８に着脱自在に連結するように構成された加工エネルギーインタフェース２４８も含んでいる。光学機器チャンバ２４４は、空であっても、最終光学装置、例えば所望の集中エネルギー光線を提供するように構成された集束光学機器２５０を含んでいてもよい。下部処理ヘッド２１９ｂは、さらに、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と動作可能に連結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を含むことができる。
【００４７】
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１３に図示した実施形態では、ノズル２４６は、内側ノズル壁２７２から間隔を隔てた外側ノズル壁２７０を含んでおり、該外側ノズル壁２７０と内側ノズル壁２７２との間の空間に供給粉体／プロペラントチャンバ２７４を画定している。供給粉体／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、反対端はノズル出口開口部２７６となっている。例示的な実施形態では、ノズル出口開口部２７６は環状形であるが、他のノズル出口開口部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。供給粉体／プロペラントチャンバ２７４及びノズル出口開口部２７６は、１つ以上の供給粉体／プロペラントジェットを所望の集束角度で提供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、１つの円錐形の供給粉体／プロペラントガスジェットを供給することができる。しかしながら、ノズル出口開口部２７６は、複数の個別の供給粉体／プロペラントガスジェットを提供するように構成することもできることが認識されるであろう。さらに、生じる供給粉体／プロペラントガスジェットは、円錐形以外の形状を有することができる。
【００４８】
ノズル２４６は、さらに、加工エネルギー光線が対象領域に向けて進む際にノズル２４６内を通過できるように構成することができる。図１４に最良に示されているように、内側ノズル壁２７２は、光学機器チャンバ２４４及び任意で設けられる集束光学機器２５０と一直線に並ぶ加工エネルギー出口２８２を有する中央チャンバ２８０を画定している。かくして、このノズル２４６により、加工エネルギーの光線はノズル２４６内を通過して下部処理ヘッド２１９ｂから出ていくことが可能になる。
【００４９】
代替実施形態では、図１３に最良に示されているように、上部処理ヘッド２１９ａ’は、主軸１４４のハウジングの外に設けられた加工エネルギーポート２２８を有することができる。この実施形態では、加工エネルギーポート２２８は、主軸１１４の横に設けられた筐体２６０上に設けられており、よって、上記の実施形態とは異なり、このポートはソケット２３２内に設けられていない。筐体２６０は、加工エネルギーを主軸１４４のソケット２３２の下方の地点に向けるための第１ミラー２６２を含んでいる。代替の下部処理ヘッド２１９ｂ’は、加工エネルギーレセプタクル２６４を含む光学機器チャンバ２４４を含んでおり、加工エネルギーは加工エネルギーレセプタクル２６４を通って筐体２６０から光学機器チャンバ２４４の内部まで進むことができる。光学機器チャンバ２４４は、さらに、ノズル２４６を通過して所望の対象場所に向かう加工エネルギーの方向を変えるための第２ミラー２６６を含んでいる。
【００５０】
複数の下部処理ヘッド２１９ｂのうちのいずれか１つと選択的に連結するように構成された上部処理ヘッド２１９ａを有する処理ヘッドアセンブリ２１９であれば、コンピュータ数値制御機械１００を、速やかに且つ容易に様々な付加加工技術用に構成し直すことができる。工具マガジン１４２は一組の下部処理ヘッド２１９ｂを保持することができ、各下部処理ヘッドは特定の付加加工処理に適した独自の仕様を有する。例えば、下部処理ヘッドは、基板上に材料を堆積させる態様を変える様々なタイプの光学機器、インタフェース及びノズル角度を有することができる。ある部分を様々な付加加工技術を用いて形成しなくてはならない場合（または、複数の異なる技術を使うとより速く効率的に形成することができる場合）、工具交換装置１４３を用いて、主軸１４４に連結された堆積ヘッドを速やかに且つ容易に交換することができる。図１２及び図１３に図示した例示的な実施形態では、単一の取り付け工程を用いてエネルギー供給装置、供給粉体／プロペラントガス供給装置、シールドガス供給装置及びクーラント供給装置を堆積ヘッドに接続することができる。同様に、取り外しも単一の切り離し工程で行われる。かくして、機械１００は、より速やかに且つより容易に様々な材料堆積技術に合わせて変更することができる。
【００５１】
図１２及び図１３には、上部処理ヘッドから取り外し可能な下部処理ヘッドを有する処理ヘッドアセンブリの例示的な実施形態を図示しているが、このように取り外し可能であることは必須ではなく、よって、すべての処理ヘッド構成要素を一体的なハウジングに組み込んだ従来の処理ヘッドなどの他の処理ヘッドアセンブリを本開示の範囲を逸脱することなく用いることができることが認識されるであろう。
【００５２】
付加的な実施形態では、コンピュータ数値制御機械１００は、基板に照射されると、非円形プロファイルを有するエネルギースポットを形成する変形エネルギー光線を生成するように構成された材料堆積アセンブリを含むことができ、機械１００は、以下により詳細に論じるように、変形エネルギー光線の経路方向及び回転向きを制御して、より均一に加熱されるビードを生じさせるとともに、複雑な幾何学形状を有する部品をより効果的且つ効率的に生成することができる。
【００５３】
従来の材料堆積処理は、通常、基板上に円形プロファイル２７１（図１５）を有するエネルギースポットを形成するエネルギー光線を採用している。したがって、従来のエネルギー光線は、回転させても基板上に形成されるエネルギースポットのプロファイルは大きく変形することがないため、その回転向きは重要でない。加えて、円形エネルギースポットが基板に沿った工具経路を進行する際、これが形成するビードは不均一に加熱される。具体的には、従来の暴露時間グラフィック２７３（図１５）により示されるように、プロファイルが円形であるため、工具経路の横縁はエネルギー光線にさらされることが少なく、経路の中央はエネルギー光線に多くさらされることになる。結果として、基板上に円形プロファイルを有するエネルギースポットを形成する従来のエネルギー光線を用いると、効率が下がるとともに、形成可能な部品幾何学形状が制限される可能性がある。
【００５４】
以上を鑑みて、一部の実施形態では、コンピュータ数値制御機械１００は非円形プロファイルを有するエネルギースポットを有する変形エネルギー光線を生成することができる材料堆積アセンブリを含む。図１５に概略的に図示した実施形態では、材料堆積アセンブリは、矩形プロファイル３０２を有するエネルギースポット３００を形成する変形エネルギー光線を生成するように構成されている。工具経路３０４対して横に延びるように向きを決められると、暴露時間グラフィック３０５により示されているように、工具経路３０４の各部分は実質的に均一な量のエネルギー光線にさらされる。一部の実施形態では、楕円形プロファイルを用いて矩形エネルギースポットプロファイルに近似させることができる。環状プロファイル３０７を有するエネルギースポット３０６のさらなる実施形態も図１５に概略的に図示しており、これに関する暴露時間グラフィック３０８は、工具経路３０９の横方向に略一定レベルのエネルギーが分布していることを示している。矩形及び環状プロファイルを例として図示しているが、楕円形、正方形、他の非円形形状などの他の周囲形状を用いることができることが認識されるであろう。
【００５５】
エネルギースポット３００が工具経路に対して実質的に一定の角度向きを維持するように主軸１４４を制御することができる。図１６は非円形パターンを有する工具経路３１０を図示している。各瞬間点において、工具経路３１０により、当該点における工具経路３１０に接して延びる矢印３１２により概略的に図示されている工具経路ベクトルが画定される。エネルギースポット３００の向きは、エネルギースポット３００の瞬間進行方向に延びるスポット向きベクトル３１４を参照して表すことができ、図示の実施形態では、スポット向きベクトル３１４はエネルギースポット外周の前縁３１１及び後縁３１３に直交している。図１６の実施形態では、工具経路ベクトル３１２とスポット向きベクトル３１４は、横方向に向きを決められたエネルギースポット３００を全工具経路３１０に沿って維持するために実質的に一致している。
【００５６】
図１７は閉パターン層を形成する複雑な工具経路３２０を図示している。図１６に示した工具経路については、エネルギースポット３００のスポット向きベクトル３２２は、工具経路３２０に沿ってすべての点で工具経路ベクトル３２４と一致している。先に形成された層の上にさらに複数の層を堆積させて、図１８に最良に示されているように、基板３２８の上に三次元部品３２６を生成することができる。
【００５７】
他の代替実施形態では、エネルギースポット３００を、スポット向きベクトル３３０が工具経路ベクトル３３２に対して角度をなして維持されるように構成することができる。図１９（ａ）に図示されているように、例えば、エネルギースポット３００が工具経路３３４に沿って進行する際、スポット向きベクトル３３０は工具経路ベクトル３３２に対してスポット角度αをなして位置決めされる。この向きでは、工具経路３３４の極横縁がエネルギー光線にさらされる時間が少なく、工具経路３３４の中央部分はエネルギー光線にさらされる時間が実質的に均一となる。スポット角度αは、均一なビード幅を形成するために、全工具経路３３４に沿って実質的に一定に維持することができる。
【００５８】
あるいは、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）に示されているように、幅が変化するビードを形成するために、スポット角度αを工具経路に沿って進行する際に変化させることができる。図１９（ｂ）は直線の工具経路４４２を進行するエネルギースポット４４０を図示している。エネルギースポット４４０のスポット向きベクトル４４４は工具経路ベクトル４４６に対してスポット角度αをなして延びている。図１９（ｂ）に図示されているように、スポット角度αは、エネルギースポット４４０が工具経路４００を進行するにつれて徐々に大きくなっている。
【００５９】
あるいは、スポット角度は緩やかな変化ではなくステップ変化をさせてもよい。図１９（ｃ）に図示されているように、エネルギースポット４５０は直線の工具経路４５２を進行することができる。エネルギースポット４５０のスポット向きベクトル４５４は、工具経路ベクトル４５６に対してスポット角度αに沿って向きを決められる。工具経路４５２に沿った中間点において、スポット角度αを急に変えてエネルギースポット４５０が進行する経路の幅を狭くしている。
【００６０】
上記各実施形態では、エネルギースポットの外周形状は、加工エネルギー出口の形状に対応させることができる。例えば、矩形形状を有する加工ネルギー出口は、矩形外周を有するエネルギー光線を生じさせることになる。図２０（ａ）乃至図２０（ｈ）は、様々なノズル出口構成を有する矩形状の加工エネルギー出口を有するノズルの代替実施形態を概略的に図示している。
【００６１】
具体的には、図２０（ａ）は、対向する前縁３５４及び後縁３５６並びに対向する第１測縁３５８及び第２測縁３６０を画定する矩形形状である加工エネルギー出口３５２を有するノズル３５０を図示している。ノズル出口開口部３６２は、加工ネルギー出口３５２の外周の周囲に連続的に延びており、同じく矩形形状である。
【００６２】
図２０（ｂ）は、上記と同じ加工エネルギー出口３５２を有するノズルであるが、加工エネルギー出口開口部３５２の外側に後縁３５６に隣接して位置決めされたノズル出口開口部３６８を有するノズル３６６を図示している。ノズル出口開口部３６８は矩形形状である。
【００６３】
図２０（ｃ）は、上記加工エネルギー出口３５２を有するノズルであるが、後縁３５６の外側にこれに隣接して位置決めされた円形形状のノズル出口開口部３７２を有するノズル３７０を図示している。
【００６４】
図２０（ｄ）は、同じ加工ネルギー出口３５２を有するノズルであるが、後縁３５６に隣接して位置決めされた複数の円形形状のノズル出口開口部３７６からなるノズル出口を有するノズル３７４を図示している。
【００６５】
図２０（ｅ）は、上記加工エネルギー出口３５２を有するノズルであるが、第１ノズル出口３８０と第２ノズル出口３８２とを有するノズル３７８を図示している。第１ノズル出口３８０は、後縁３５６に隣接して位置決めされた一組の円形形状の第１ノズル出口開口部３８４を含んでおり、一方、第２ノズル出口３８２は、前縁３５４に隣接して位置決めされた一組の円形形状の第２ノズル出口開口部３８６を含んでいる。
【００６６】
図２０（ｆ）は、上記加工エネルギー出口３５２を有するノズルであるが、第１ノズル出口３９０と、第２ノズル出口３９１と、第３ノズル出口３９２と、第４ノズル出口３９３とを有するノズル３８８を図示している。第１ノズル出口３９０は、後縁３５６に隣接して位置決めされた一組の円形形状の第１ノズル出口開口部３９４を含んでいる。第２ノズル出口３９１は、前縁３５４に隣接して位置決めされた一組の円形形状の第２ノズル出口開口部３９５を含んでいる。第３ノズル出口３９２は、第１側縁３５８に隣接して位置決めされた一組の円形形状の第３ノズル出口開口部３９６を含んでいる。最後に、第４ノズル出口３９３は、加工ネルギー出口３５２の第２測縁３６０に隣接して位置決めされた一組の円形形状の第４出口開口部３９７を含んでいる。
【００６７】
図２０（ｇ）は、同じ加工エネルギー出口３５２を有するノズルであるが、後縁３５６に隣接して位置決めされた矩形形状の第１ノズル出口開口部４０２と、前縁３５４に隣接して位置決めされた矩形形状の第２ノズル出口開口部４０４とを有するノズル４００を図示している。
【００６８】
最後に、図２０（ｈ）は、上記加工エネルギー出口３５２を有するが、第１側縁３５８に隣接して位置決めされた円形形状の第１ノズル出口開口部４１２と、第２測縁３６０に隣接して位置決めされた円形形状の第２ノズル出口開口部４１４とを有するノズル４１０を図示している。
【００６９】
上述の付加加工処理では、供給紛体／プロペラントガスは、通常、エネルギー光線の焦点の中心に向けられる。例えば、図１１に図示した実施形態では、供給紛体／プロペラントガスの頂点２１５は、集中エネルギー光線２０８の焦点２１７と一致している。しかしながら、本開示のある態様によれば、エネルギー光線が基板を進行するとき、供給紛体／プロペラントガスを焦点２１７の中心ではなくエネルギー光線の焦点からオフセットされた対象に向けることが有利となることがある。
【００７０】
一部の適用では、供給紛体／プロペラントガスをエネルギー光線の後縁に向けて、より効率的に供給紛体を形成された表面に組み込むことができる。図２１乃至図２３に図示した例示的な実施形態では、処理ヘッド５００は、加工ネルギー源に操作可能に連結され、基板５０６に向けて照射されるエネルギー光線５０４が通過する加工エネルギー出口５０２を含んでいる。エネルギー光線５０４は、基板５０６上に、光線対象５１０を中心としたエネルギースポット５０８を形成する。処理ヘッド５００が方向５１１に移動すると、エネルギースポットは工具経路５１２に沿って基板５０６を進行する。進行方向５１１に基づき、エネルギースポット５０８は、図２３に最良に示されているように、前縁５１４と後縁５１６とを有することになる。
【００７１】
エネルギースポット５０８が基板５０６上のある一点を通過するとき、図２２に概略的に図示されているように、基板５０６上の当該箇所の温度は、急速に上昇し、その後徐々に下降する。温度が基板材料の融点を越える高い温度である間、当該温度により、供給紛体を組み込んで基板５０６の上に材料の層５２０を形成することができるメルトプール５０８が形成される。メルトプール５１８の形成前に、基板５０６上の所与の点を所与の時間だけエネルギースポット５０８にさらすことができる。図２１及び図２３に示されているように、例えば、メルトプール５１８は、通常、エネルギースポット５０８の後縁５１６に生じることになる。後縁５１６は、エネルギースポット５０８の、進行方向５１１とは反対側の縁と定義される。
【００７２】
処理ヘッド５００は、さらに、供給紛体／プロペラントガス源に操作可能に連結され、供給紛体／プロペラントガスジェット５３２を基板５０６上の紛体対象５２４に向けるように向きを決められたノズル５３０を含んでいる。紛体対象５２４は、光線対象５１０からオフセット距離“Ｄ”だけ間隔を隔てている。具体的には、紛体対象５２４は、より大きい割合で供給紛体がメルトプール５１８に組み込まれるようにエネルギースポット５０８の後縁５１６と一致させることができる。処理ヘッド５００の向きは、紛体対象５２４と光線対象または光線対象５１０との間のオフセット距離“Ｄ”を維持するように制御することができる。例えば、処理ヘッド５００の向きは、エネルギースポット５０８が工具経路５１２を進行するときに紛体対象５２４が後縁５１６と一致したままであるように制御することができる。
【００７３】
さらに他の代替実施形態では、供給紛体／プロペラントガスはエネルギー光線の前縁に向けることができ、これにより形成された構造物の高さの誤差を自動的に修正することができる。図２４に図示した例示的な実施形態では、処理ヘッド５５０は、加工エネルギー源に操作可能に連結され、光線軸５５５に沿って基板５５６に向けて照射されるエネルギー光線５５４が通過する加工エネルギー出口５５２を含んでいる。エネルギー光線５５４は、光線対象５６０にエネルギースポットを形成する。処理ヘッド５５０が方向５６１に移動すると、エネルギースポットは工具経路に沿って基板５５６を進行する。進行方向５６１に基づき、エネルギースポット５５８は前縁５６４を有することになる。
【００７４】
処理ヘッド５５０は、さらに、供給紛体／プロペラントガス源に操作可能に連結され、供給紛体／プロペラントガスジェットを紛体軸５８１に沿って基板５５６上の紛体対象５７４に向けるように向きを決められたノズル５８０を含んでいる。紛体軸５８１は、光線軸５５５に対して角度をなして延びることができる。紛体対象５７４は、光線対象５６０からオフセット距離だけ間隔を隔てている。具体的には、通常の条件下では、紛体対象５７４はエネルギースポットの前縁５６４と一致されることができる。処理ヘッド５５０の向きは、エネルギースポット５５８が工具経路５１２を進行するときに紛体対象５７４が前縁５６４と一致したままであるように制御することができる。
【００７５】
処理ヘッド５５０は、基板５５６に対して指令高さ“Ｈ”に維持することができる。処理ヘッドが所望の厚さの形成構造物５９０を生成するとき、図２４（ａ）に図示されているように、処理ヘッド５５０と構造物表面５９２との間には通常の距離が与えられ、その結果、供給紛体／プロペラントガスはエネルギースポットの前縁５６４に向けられる。
【００７６】
先の層の堆積中の操作上のまたはその他のエラーにより、図２４（ｂ）に図示されているように、形成構造物５９０が厚くなりすぎた場合には、処理ヘッド５５０と構造物表面５９２との間に与えられる距離が小さくなり、これにより、供給紛体/プロペラントガスがエネルギースポットの前縁５６４より前に向けられる。この条件が存在するとき、メルトプールに到達する供給紛体は少なくなり、これにより、形成構造体５９０にこの時に付加されている層の厚みが小さくなり、構造物５９０の先の層に堆積された過度に大きい厚みの少なくとも一部分が解消される。
【００７７】
あるいは、先の層の堆積中の操作上のまたはその他のエラーにより、図２４（ｃ）に図示されているように、形成された構造物５９０が薄くなりすぎた場合には、処理ヘッド５５０と構造物表面５９２との間に与えられる距離が大きくなり、これにより、供給紛体／プロペラントガスがエネルギースポットの後縁５６６に向けられる。これらの条件下では、メルトプールに到達する供給紛体が多くなり、これにより、形成構造体５９０にこの時に付加されている層の厚みが大きくなり、構造物の前の層に堆積された過度に小さい厚
みの少なくとも一部分が解消される。かくして、処理ヘッド５５０が指令高さ“Ｈ”に維持されるとき、供給紛体／プロペラントをエネルギースポットの前縁に向けることで、付加処理は先に堆積された材料層の厚さの誤差を自動的に自己修正することになる。
【００７８】
供給時、装置は、工具またはワークを備えていても備えていなくてもよい。工具及びワークを受けるように構成された装置は、ここに挙げられる請求項の範囲に含まれると見なされる。加えて、すでに工具及びワークを備えた装置も添付の請求項の範囲に含まれると見なされる。特に請求されている場合を除いて、本願請求項はここに示されたいずれかの工具に限定されるとは見なされない。
【００７９】
ここで引用される、公開公報、特許出願及び特許を含むすべての参照文献は、言及により編入されるものとする。ある実施形態を「好ましい」実施形態とする記述及び、その他の、実施形態、特徴または範囲を好ましいものとする言及は、限定的なものとは見なされず、本願請求項は、本開示では好ましさが劣ると考えられる実施形態も包含すると見なされる。ここに説明されるすべての方法は、ここに別段の指示がない限り、または文脈により明らかに否定されない限り、あらゆる適切な順序で実施可能である。ここに提供されるすべての例または例示的な文言（例えば、「等」）の使用は、開示される主題をわかりやすくすることを意図したものであり、本願請求項の範囲を限定するものではない。ここでの、例示的な実施形態の性質または利益に関するいずれの記載も、限定的であることを意図したものではなく、添付の請求項は、このような記載により限定されると見なされるべきではない。より一般的には、本明細書中すべての文言は、請求されていない要素を、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。本願請求項の範囲は、適用可能な法律により認められているように、そこに挙げられた主題のあらゆる変更形態及び同等形態を含む。さらに、ここに別段の指示がない限り、または文脈により明らかに否定されない限り、すべての可能な変形形態における上述の要素のあらゆる組み合わせが本願請求項に包含される。ここでの参照文献または特許の記述は、それが「先行」と特定されていても、このような参照文献または特許が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となることを意図したものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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