(57)【要約】  本出願は、ワークステーション内に位置する被加工物上で材料の除去及び付加を実施するように適合され配設されたマシンツールを述べ、マシンツールは、被加工物から材料を除去するように配設された第１のヘッド及び被加工物を処理するように配設された少なくとも第２のヘッドを有し、第１及び第２のヘッドのそれぞれは、少なくとも２つの軸で、また好ましくは、３つ、４つ、又は５つの軸で可動であるように配設され、マシンツールは、ワークステーションの環境を制御するように配設される。マシンツールは、清浄な側及び汚れた側を有する。  新しいマシンツールにおいて使用するために特に適合した新規な処理ヘッドが開示される。これらは、同様に、ＣＮＣマシンに合うよう改造されてもよい。新規なヘッドは、２つのプロセスを同時に実施するように適合されたヘッドを含む。熱及び加圧処理を実施するように適合されたヘッドが同様に開示される。  製造ステップにおいて分析を実施するため処理ヘッドを使用することは、分析並びに処理を実施し得るヘッドの提供及び使用であるとして開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークステーション内に位置する被加工物上で材料の除去及び付加を実施するように適合され配設されたマシンツールであって、前記マシンは、前記被加工物から材料を除去するように配設された第１のヘッド及び前記被加工物を処理するように配設された少なくとも第２のヘッドを有し、前記第１及び第２のヘッドのそれぞれは、少なくとも２つの軸で、また好ましくは、３つ、４つ、又は５つの軸で可動であるように配設され、前記マシンは、前記ワークステーションの環境を制御するように配設される、マシンツール。
【請求項２】
清浄な側及び汚れた側を備える、請求項１に記載のマシンツール。
【請求項３】
前記第１のヘッドは複数の第１の相互交換可能な処理ヘッドから選択可能であり、前記第２のヘッドは複数の第２の相互交換可能な処理ヘッドから選択可能であり、前記第１の相互交換可能な処理ヘッドは第１のツールチェンジャ内に格納可能であり、前記第２の相互交換可能な処理ヘッドは第２のツールチェンジャ内に格納可能である、請求項１又は請求項２に記載のマシンツール。
【請求項４】
前記第１及び第２のツールチェンジャは、前記ワークステーションから遠隔にある、請求項３に記載のマシンツール。
【請求項５】
前記ワークステーションは、少なくとも部分的に密封可能であるチャンバを備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のマシン。
【請求項６】
前記チャンバは部分的に開口し、処理中に前記被加工物の周りに位置付け可能な局所シールディングを備える、請求項５に記載のマシンツール。
【請求項７】
前記チャンバ内の環境は、制御可能であり、
少なくとも部分的に不活性なガス雰囲気、
低酸素雰囲気、
冷却剤、
周囲圧力より高い圧力、
周囲圧力より低い圧力、
真空
のうちの少なくとも１つを備えてもよい、請求項５又は６のいずれか１項に記載のマシンツール。
【請求項８】
廃棄物抽出器を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載のマシンツール。
【請求項９】
前記マシンは一体型ドッキングシステムを更に備え、前記一体型ドッキングシステムは、１つの又はそれぞれのキャリッジ上に位置付けられ、受取りマニホールドに前記処理ヘッド上で接続するように配設された供給マニホールドを好ましくは有する、請求項１から８のいずれか１項に記載のマシンツール。
【請求項１０】
前記ドッキングシステムは、前記マシン上の供給ドッキングマニホールドと前記処理ヘッド上の受取りマニホールドとの間に清浄な接続を設けるように配設される、請求項９に記載のマシンツール。
【請求項１１】
前記ドッキングシステムは、使用中の前記又はそれぞれの処理ヘッドに材料及びエネルギーを供給できるように配設される、請求項９に記載のマシンツール。
【請求項１２】
前記媒体は、前記処理ヘッド内のリザーバに供給される、又は、前記処理ヘッドに連続的に供給される、請求項１１に記載のマシンツール。
【請求項１３】
エネルギーは、レーザビームによって又は光ファイバケーブルによって前記処理ヘッドに供給され、エネルギー源は、好ましくは、前記マシンに一体である、請求項９から１２のいずれか１項に記載のマシンツール。
【請求項１４】
前記マシンは、前記被加工物及び処理ヘッドの少なくとも一方をモニター及び／又は分析するように配設された１つ又は複数のヘッドを備える、請求項１から１３のいずれか１項に記載のマシンツール。
【請求項１５】
ワークステーション及び前記ワークステーションから遠隔の少なくとも１つのツールチェンジャを有するマシンツールを使用して物品を作成する方法であって、
第１の堆積特性を有する第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、前記ワークステーション内の被加工物上に、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
前記第１の処理ヘッドを、前記ツールチェンジャから選択される第２の処理ヘッドに変更することであって、前記第２の処理ヘッドは前記第１の堆積特性と異なる第２の堆積特性を有する、
特性の第２のセットを有する更なる材料を載置することを含み、
前記処理ヘッドを保持する前記マシンツールは、前記処理ヘッドを前記第１のヘッドから前記第２のヘッドに自動的に変更し、前記第２の堆積特性は、前記物品が所望の物品になるよう作成される忠実度を改善するように配設される、方法。
【請求項１６】
前記第２の堆積特性は、前記第１の堆積特性と比較すると、以下のパラメータ：
（構築表面に対する）堆積の角度；材料のタイプ；堆積される材料の混合；堆積レート；ビードサイズ；堆積物の断面形状；エネルギー入力；材料のナノ／マイクロ特性；材料の色及び透明度；表面仕上げのテクスチャ
の１つ又は複数を変える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記物品は、前記第１及び第２の処理ヘッドの少なくとも一方の処理ヘッドが複数回使用されるようにステージにおいて作成される、請求項１５又は請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第３の処理ヘッドは、前記物品から材料を除去するように使用され配設される、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記マシンツールは、コントローラを更に備え、前記コントローラは、材料を堆積させる前記第１の処理ヘッドを制御するように配設され、その後、堆積された材料及び作成される被加工物に応じて第２の処理ヘッドを選択するように配設される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記第１又は第２の処理ヘッドからのデータを使用して、利用される更なる処理ヘッドを選択する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
物品を作成する方法であって、
１）第１の堆積特性を有する第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
２）前記第１の処理ヘッドを、第２の処理ヘッドに変更することであって、前記第２の処理ヘッドは、作成される物品及び処理ヘッドの機能の少なくとも一方を分析するように配設されること、
を含む、物品を作成する方法。
【請求項２２】
前記第２の処理ヘッドは、作成される物品を分析するように配設される、請求項２１に記載の物品を作成する方法。
【請求項２３】
前記第２の処理ヘッドは、以下：画像記録装置；照明；接触プローブ；３Ｄ表面及び堆積スキャナ；写真測量システム；センサ（酸素センサ；電磁場センサ；熱センサ；熱カメラ等）；分光計等のうちの任意の１つ又は複数である、請求項２２に記載の物品を作成する方法。
【請求項２４】
前記第２の処理ヘッドは、前記被加工物に向かって方向付けられるエネルギーによって、前記被加工物から戻るエネルギーを測定するように配設され、前記エネルギー源及び前記戻るエネルギーを検出するように配設される検出器の好ましくは少なくとも一方は、前記第１及び／又は前記第２の処理ヘッド又は供給マニホールドの少なくとも一方の上に設けられる、請求項２２又は２３に記載の物品を作成する方法。
【請求項２５】
前記検出器は、コントローラにデータを出力し、前記コントローラは、前記検出器からの前記出力されたデータに基づいて更なる処理ヘッドを選択するように配設される、請求項２２から２４のいずれか１項に記載の物品を作成する方法。
【請求項２６】
前記第１及び第２の処理ヘッドの少なくとも一方の処理ヘッドは、媒体が洗い流される、請求項１５から２５のいずれか１項に記載の物品を作成する方法。
【請求項２７】
前記又はそれぞれの処理ヘッドは、前記第１の処理ヘッドを前記第２の処理ヘッドに交換するためのプロセスの一部として洗い流される、請求項２６に記載の物品を作成する方法。
【請求項２８】
前記処理ヘッドから洗い流される媒体を収集するように配設される、請求項２６又は２７に記載の物品を作成する方法。
【請求項２９】
媒体を処理ヘッドから分流し、処理される材料の変更を可能にする、請求項１５から２８のいずれか１項に記載の物品を作成する方法。
【請求項３０】
材料バイパス回路を使用して、前記処理ヘッドから分流した媒体を収集する、請求項１５から２９のいずれか１項に記載の物品を作成する方法。
【請求項３１】
前記処理ヘッドを保持するマシンツール用のデータテーブルは、前記処理ヘッドが使用されることを可能にするように再利用される、請求項１５から３０のいずれか１項に記載の物品を作成する方法。
【請求項３２】
作製される物品を検査する方法であって、
ｉ）第１処理ヘッドからの流体を、検査される前記物品上に吐出すること、
ｉｉ）前記流体を介して、第２の処理ヘッドを検査される前記物品に結合させること、及び、
ｉｉｉ）前記物品を検査するため、前記流体を介して信号を送信すること
を含む、方法。
【請求項３３】
前記第１及び第２の処理ヘッドは同じヘッドである、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記流体は冷却用流体であり、好ましくは、前記冷却用流体は、材料除去プロセス中に使用されるように配設されたマシンツール切断用流体である、請求項３２又は３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１及び第２の処理ヘッドは異なり、前記第１の処理ヘッドは、犠牲材料を堆積させるように配設される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記第２の処理ヘッドは、前記第１の処理ヘッドと交換され、前記犠牲材料に結合される、請求項３２から３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記犠牲材料は、ポリマー、ゲル、塩、プラスター、セラミックである、又は、マトリクス内に高融点セラミック又は金属粒子を含む、請求項３５又は３６に記載の方法。
【請求項３８】
請求項１５から３７のいずれか１項に概説される方法において使用されるようにプログラムされるマシンツール。
【請求項３９】
前記ツールチェンジャは、マシンツールから前記第１の処理ヘッドを取外し、前記第１の処理ヘッドを前記格納場所に設置し、前記第２の処理ヘッドを前記格納場所から取外し、前記第２の処理ヘッドをマシンツールに接続するように配設される、請求項１から１４のいずれか１項に記載される又は請求項３８に記載されるマシンツール。
【請求項４０】
前記又はそれぞれの処理ヘッドにパワー源を供給するように又は供給できるように配設された供給ユニットを更に備える、請求項３９に記載のマシンツール。
【請求項４１】
前記又はそれぞれの処理ヘッドは、マシンツール上で供給ドッキングマニホールドと協働するように配設される受取りドッキングマニホールドを備える、請求項３８から４０のいずれか１項に記載されるマシンツール。
【請求項４２】
前記受取りドッキングマニホールドは、スピンドルに沿う又は隣接するように配設され、前記受取りドッキングマニホールドは、所定の位置になるように回転してもよい、請求項４１に記載のマシンツール。
【請求項４３】
前記受取りドッキングマニホールドは、前記スピンドルを横断する軸に沿って接続するように配設される、請求項４１に記載のマシンツール。
【請求項４４】
前記受取りドッキングマニホールドは、前記スピンドルに平行な軸に沿って接続するように配設されてもよい、請求項４１に記載のマシンツール。
【請求項４５】
前記供給ドッキングマニホールドは、前記スピンドルコラム又はスピンドルハウジングに組込まれる、請求項４１に記載のマシンツール。
【請求項４６】
前記ドッキングマニホールドは、処理媒体を前記処理ヘッドに供給するように配設される、請求項４４又は４５に記載のマシンツール。
【請求項４７】
前記処理媒体は、
金属、非金属、ポリマー、セラミック、粘土、塩、伝導性、容量性、又は誘電性材料のうちの１つ又は複数であり、
粉末形態、フィラメント、ロッド、ファイバ、（短い、刻んだ、長い、又は連続した）シート、又はワイヤ；液体、乳剤、ガス、エアロゾル、ペースト、固体又は半液体から完全液体形態のうちの１つの懸濁物；或いは、冷却用又は処理用の流体、ガス等；及びこれらの混合物を含む、請求項３８から４６のいずれか１項に記載されるマシンツール。
【請求項４８】
前記ドッキングマニホールドは、前記処理ヘッドへ／からデータを転送するように配設される、請求項３８から４７のいずれか１項に記載されるマシンツール。
【請求項４９】
コントローラは、マシンツール及び前記ツールチェンジャを制御するように配設される、請求項３８から４８のいずれか１項に記載されるマシンツール。
【請求項５０】
前記コントローラは、材料を堆積させる前記第１の処理ヘッドを制御するように配設され、その後、堆積された材料及び作成される被加工物に応じて第２の処理ヘッドを選択するように配設される、前記コントローラは、好ましくは、前記第１又は第２の処理ヘッドからのデータを使用して、利用される更なる処理ヘッドを選択する、請求項４９に記載のマシンツール。
【請求項５１】
命令を含むマシン可読媒体であって、命令は、コンピュータによって読取られると、前記コンピュータに、請求項１５から３７に記載の方法を提供させる、マシン可読媒体。
【請求項５２】
２つの処理ステップを同時に実施するように配設された処理ヘッド。
【請求項５３】
プロセスは、組合せ：
熱を印加すること及び堆積を実施すること；
熱を印加すること及び圧力を加えること；
熱を印加すること及び材料の除去を実施すること；
誘導加熱を加えること及びレーザ処理を使用すること；
材料の堆積及び堆積済み材料の検査；
材料を堆積させ、被加工物を移動させる；
被加工物を移動させ、別のプロセスを実施する；
被加工物の処理及び被加工物の検査；
準備処理及び処理；
処理及び後処理処理；
複数の検査手段の使用；
検査手段及び照明手段の使用
のうちの１つから選択される、請求項５２に記載の処理ヘッド。
【請求項５４】
被加工物を加熱し、被加工物を同時に圧力処置するように配設される、請求項５２に記載の処理ヘッド。
【請求項５５】
被加工物を加熱し、不連続加圧処理を同時に適用するように配設される、請求項５２に記載の処理ヘッド。
【請求項５６】
第１の加熱済み材料を堆積させ、前記第１の材料と共に第２の材料を共押出しするように配設される、請求項５２又は５３に記載の処理ヘッド。
【請求項５７】
前記第２の材料を切断するように配設された切断手段を更に備える、請求項５６に記載の処理ヘッド。
【請求項５８】
ワークステーションを有するマシンツールに接続されるように配設され、前記マシンツールに接続可能であり、ツールチェンジャ及び格納場所を有する前記マシンツールは、幾つかの更なる処理ヘッドを格納するように配設される、請求項５２から５７のいずれか１項に記載の処理ヘッド。
【請求項５９】
請求項５２から５８のいずれか１項に記載の処理ヘッドを含む、請求項１から１４又は３８から５０のいずれか１項に記載のマシンツール。
【請求項６０】
物品を作成する方法であって、被加工物を処理する以下のステップの少なくとも１つのステップを含み、前記以下のステップは、
ｉ）第１の堆積特性を有する第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）加圧処理によって作成される物品を処理すること
を含む、方法。
【請求項６１】
被加工物を処理するステップを実施するように配設されたマシンツールであって、前記ステップは、
ｉ）第１の堆積特性を有する第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）加圧処理によって作成される物品を処理すること
を含む、マシンツール。
【請求項６２】
前記加圧処理は、前記堆積済み材料に衝撃を与えることによりなされ、前記加圧処理は断続的であってよい、請求項６１に記載のマシンツール。
【請求項６３】
前記加圧処理は、マイクロピーニング又はニードルピーニングによる等のピーニングすることによる或いはローラを使用することによる、請求項６１又は６２に記載のマシンツール。
【請求項６４】
付加製造によって作成される被加工物の少なくとも一部分に圧力を印加するように配設されたマシンツール用の処理ヘッド。
【請求項６５】
１つ又は複数のローラ；
ローラのアレイ；
ノッチ付きローラ；
ピン；
ピンのアレイ；
独立に作動されてもよいピンのアレイ；
フレーム；
チゼル；
ハンマー
の少なくとも１つを備える、請求項６４に記載の処理ヘッド。
【請求項６６】
ピンのアレイを備える、請求項６５に記載の処理ヘッド。
【請求項６７】
前記加圧処理は、生成される機械的移動の使用によって実施され、前記移動は、前記マシンツールにおいて；処理ヘッドにおいて、次に述べるものの１つによって生成されてもよい、又は、超音波的に生成されてもよい、請求項６４又は６６に記載の処理ヘッド。
【請求項６８】
力フィードバック機構は、所望の量の圧力を前記被加工物に印加するために設けられ、任意選択で、印加される圧力は、記録され、計量において使用される、請求項６７に記載の処理ヘッド。
【請求項６９】
マシンツール用の処理ヘッドであって、被加工物及び被加工物の一部分を移動させられるように適合された自動化手段を備える、処理ヘッド。
【請求項７０】
前記自動化手段は、ピックアンドプレースグリッパを備える、請求項６９に記載の処理ヘッド。
【請求項７１】
前記被加工物に付加するために利用可能なコンポーネントのマガジンを更に備える、請求項６９又は７０に記載の処理ヘッド。
【請求項７２】
マシンツール用の処理ヘッドであって、前記被加工物上に堆積させるために利用可能なコンポーネントのリザーバを備える、処理ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、材料を処理する方法及びその方法を実施するための装置に関する。特に、方法及び装置は、付加製造及びＣＮＣ機械加工に関する。
付加製造（ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）は、物品又は物品の少なくとも所定の部分が、材料を付加することによって、製造される、修理される、又は同様なことが行われる、技術であり、これは、スタンドアローン３Ｄプリンタ、専用ＡＭシステム、或いは、ロボット、マシンツール等を使用した堆積による場合がある。こうした付加製造を提供するために適した装置は、Ｅｘ  Ｓｃｉｎｔｉｌｌａ  Ｌｔｄの名の下でＷＯ２０１４／０１３２４７に示される。
【０００２】
ミリング等のような材料除去技法は、同様によく知られている。通常、こうした材料除去は、材料除去プロセスを自動化するコンピュータ数値制御式（ＣＮＣ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）マシンの使用によって促進され得る。
【０００３】
ＡＭ及びＣＮＣは、組み合わせることができ、それにより、物品は、ＡＭを使用して作製又は修理されることができ、ＣＮＣ材料除去等の材料除去を使用して、表面を処理されることによって仕上げられることができ、このプロセスは、図１を参照して示される。
【０００４】
ツールに恒久的に接続され、被加工物を加工するために選択可能な幾つかのヘッドを有するマシンを使用することが知られている。こうした配置構成は、機械加工ヘッドの動作を制限する機械加工ヘッドによって占められるバルク及び体積を増加させる。１つのワークステーションから別のワークステーションへ被加工物を移動させることが同様に知られており、各ワークステーションは、付加ステップ並びに堆積後トリートメント及び切断を含む特定の動作を実施する。
【０００５】
多軸ＣＮＣミリングマシン等の既存のマシンツールに適合し得る処理ヘッドを提供する配置構成を提供することが知られている。しかし、こうした従来技術の処理ヘッドの能力は、所望されるように拡張させることができ、改良型ヘッドは、公開番号ＷＯ／２０１４／０１３２４７に、また同様に、出願番号ＧＢ１４１２８４３．３及びＧＢ１４２３４０７．４（本出願がそれらから優先権を主張する）において記載される。
【０００６】
先の機械において、適したヘッドは、先の出願において記載される既存のＣＮＣ機械において設計され使用された。しかし、ミリング用に設計された既存のマシンツールが付加製造のために使用される場合、欠点が存在することが認識された。これらの欠点は、ミリング機械が、部品の外側表面だけを成型するために意図されることを特徴とすることができる。部品がそこから切断される開始ビレットの調製によって、部品の内部特性が決定されるため、これは驚くにはあたらない。付加製造又は３Ｄ印刷中の材料の付加は、外側表面を成型するだけでなく、部品の内方体積の重要な特性（マイクロ構造を含む）もまた、作られる通りに形成する。したがって、構築中に欠陥導入を回避することが可能な最も清浄な環境を維持できることが望ましい。更に、品質保証を実現できるために、部品又は製品がリアルタイムに又は少なくとも現場で作られるときに、部品の内部体積（微細構造を含む）並びに表面トポロジ及び化学的性質を、ナノ、マイクロ、メソ、及びマクロスケールで評価することが望ましい
本発明の第１の態様によれば、ワークステーション内に位置する被加工物上で材料の除去及び付加を実施するように適合され配設された機械が提供され、機械は，被加工物から材料を除去するように配設された第１のデバイス及び被加工物を処理するように配設された第２のデバイスを有し、第１及び第２のデバイスのそれぞれは、少なくとも２つの軸において可動であるように配設される。
【０００７】
幾つかの実施形態において、第１及び第２のデバイスはそれぞれ、３つ、４つ、又は５つの軸で可動であってよい。
好ましくは、第１のデバイスは、第１のキャリッジを備える機構であり、第１のキャリッジ上で、複数の相互交換可能な送出ヘッドは、使用時に取外し可能に取付けられ得る処理ヘッドであり、相互交換可能な送出ヘッドは第１のツールチェンジャ内に格納可能である。望ましくは、第２のデバイスは、第２のキャリッジを備える機構であり、第２のキャリッジ上で、複数の相互交換可能な送出ヘッドは、取外し可能に取付けられ得る処理ヘッド及び機械加工ヘッドであり、第２のデバイス用の取外し可能なヘッドは第２のツールチェンジャ内に格納可能である。
【０００８】
本出願人は、新しくかつ改善された処理ヘッド、及び、既存の機械においてこれらのヘッドを使用する方法を開発した。本出願人は、処理ヘッドが、そのヘッドの特徴を利用するように特に設計された機械及び開発されたヘッドを使用する方法において特に有用である場合があることを、同様に実現した。
【０００９】
処理ヘッドが、被加工物から材料を除去するように配設される、又は、材料の付加又は堆積によって被加工物を処理するように別途配設されてもよい、又は、被加工物を検査又はモニターするように配設されてもよいことが認識されるであろう。こうしたヘッドは、おおよそ処理ヘッドと呼ばれてもよい。或る場合には、処理ヘッドが、熱処理によって被加工物を処理するように配設されてもよく、また、処理において被加工物の材料の一部を除去してもよいことが認識されるであろう。他の処理ヘッドは、被加工物から材料を除去するように配設される。
【００１０】
望ましくは、各ツールチェンジャは、その中に幾つかの処理ヘッドを有する。第１のツールチェンジャは、好ましくは、被加工物から材料を除去するように設計された処理ヘッドを格納する。こうしたヘッドは、ミリング、グラインディング、プレイニング、ボーリング、アブレーション、機械加工、及び当技術分野でよく知られている他の材料除去プロセスを実施するように配設されてもよい。機械加工は、レーザ支援型であってよく、処理ヘッドは、同軸レーザ送出又はオフアクシスレーザ送出を利用してもよい。
【００１１】
第２のツールチェンジャは、好ましくは、被加工物上の材料を処理するように設計され配設された処理ヘッドを格納する。こうしたヘッドは、先に参照された先の出願において記載され、また、材料を堆積又は改質させること、被加工物を検査すること、検出すること、又はマーキングすること等によって被加工物の材料を処理するように配設されるヘッドを含み、被加工物は、ガルボレーザ、レーザクラッディングヘッド又は９０°レーザクラッディングヘッド等によるクラッディング、９０°押出しヘッドを含む材料の押出し等による堆積、熱処理、ハンマリング、乱切り、ショットブラスティング、ピーニング又はマイクロピーニング、ニードルピーニング、レーザピーニング又はローリング等によって作成される。ヘッドは、誘導加熱、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、プラズマアークトランスファ型（ＰＴＡ）溶接を実施する、真空を印加する；被加工物に空気を吹付ける；レーザ支援機械加工を実施する；ＨＶＯＦコーティング等によって被加工物にコーティングを塗布する、又は、電気放電機械加工（ＥＤＭ）を使用するように配設されてもよい。ヘッドは、同様に、３Ｄ製造プロセスを使用して材料を載置するように配設されてもよい。更に、第２のツールチェンジャは、以下のもののうちの任意の１つ又は複数であってよい。以下のものとは、画像記録装置；照明（固定式又は移動式）；接触プローブ；３Ｄ表面（レーザ及び構造化光バラエティを含む）及び体積スキャナ（共焦点、焦点変動、干渉法、及び構造化光スキャナを含む）；写真測量システム；センサ（酸素センサ；熱センサ；熱カメラ等）；渦電流発生器；超音波変換器（結合される空気、ゲル、及び液体用）；電磁波発生器、誘導加熱コイル、電磁石（複数可）；共焦点顕微鏡等の拡大デバイス；増分シート形成ツール；ヒートガン；真空；誘導加熱器；ガルバノメータ；オシロスコープ；デジタルミラーデバイス；構造化光スキャナ；グラインダ；アブレーシブ；ヘッドの直角変動；顕微鏡；共焦点又は可変顕微鏡；ガンマ及びＸ線を含む電磁検出器；分光器等である。
【００１２】
好ましくは、各ツールチェンジャは、５〜５０のヘッド、又は好ましくは、１０〜４０のヘッド、又は最も好ましくは、２５〜３５のヘッドを格納するように適合される。しかし、一般的な慣行と同様に、ツールチェンジャが、必要とされる場合、より多くのヘッドを格納するために拡張される可能性があることが認識されるであろう。
【００１３】
好ましくは、それぞれのツールチェンジャは、被加工物から遠隔で処理ヘッドを格納する。被加工物から遠隔の場所におけるヘッドのこうした格納は、より多くのヘッドが、格納され、選択のために利用可能であることを可能にすると共に、ヘッドが被加工物によって汚染されることを防止する。更に、「使用中の」ヘッドだけが取付けられるため、被加工物に対してより大きな範囲の移動がヘッドにとって利用可能である。
【００１４】
好ましい実施形態において、第１のキャリッジは、第２のキャリッジが使用中である間にパークし、また、その逆も同様である。
好ましくは、マシンは、清浄な側及び汚れた側を有する本体を備える。それぞれの側は、密封可能であってよいチャンバを備えてもよい。好ましくは、少なくとも清浄な側は、密封可能なチャンバを備える。清浄な側は、ツールチェンジャ等のチャンバを備えてもよく、清浄なヘッドが清浄な側に格納される。汚れた側は、ツールチェンジャ等のチャンバを備えてもよく、「汚れた」ヘッドが汚れた側に格納される。こうした「汚れた」ヘッドは、被加工物から材料を除去するために使用されてもよい。第１及び第２のツールチェンジャは、好ましくは、ワークステーションから遠隔にある。
【００１５】
望ましくは、マシンは、ワークステーションの環境を制御するように配設される。
望ましくは、ワークステーションは、清浄な側と汚れた側との間に位置する。好ましい実施形態において、ワークステーションは少なく半保護式であってよい。ワークステーションは、チャンバ内に設けられてもよい。チャンバは、密封されてもよい、又は、密封可能又は部分的に密封可能であってよい。
【００１６】
実施されるプロセスに応じて正常な環境であるように、ワークステーションのチャンバ内の環境を変更することが可能である場合がある。幾つかの実施形態において、ワークステーションは、アルゴン又は窒素等の不活性ガスで充満され得るチャンバ内に設けられてもよい。幾つかの実施形態において、チャンバ内の雰囲気は、低酸素含有量を有するように及び／又は低レベルの粒子汚染を有するように制御されてもよい。不活性ガスはチャンバを通して流れてもよい。他の実施形態において、チャンバは、密封可能であってよく、被加工物は、不活性ガス内に浸されてもよい。不活性ガスは、同様に冷却剤として提供されてもよい。
【００１７】
幾つかの実施形態において、キャリッジは、流体をチャンバ又は被加工物に供給する手段を提供してもよい。流体がガスであってよい。ガスは、不活性であってよい、及び／又は、冷却剤として作用してもよい。幾つかの場合に、ガスは、廃棄材料の抽出を支援してもよい。他の場合には、不活性雰囲気が提供されてもよく、冷却ガスが、更に被加工物に供給されてもよい。被加工物が不活性ガス内に浸される場合、冷却剤及び廃棄材料を抽出すると、不活性ガスがチャンバから排出されないように、いずれの廃棄材料又は冷却剤抽出物も、好ましくは、不活性ガスのレベルを超えて上昇する。廃棄物抽出手段が設けられてもよい。好ましい実施形態において、マシン内のダクトに接続される抽出ポイントが設けられる。好ましくは、廃棄物は、ダクト内で働くアルキメデスのねじによって除去される。この配置構成は、好ましくは、ねじの中心を上方に真っ直ぐにかつチャンバを出るように冷却剤を抽出するが、ダクト内に不活性ガス及び流体のコラムを常に残し、それが、チャンバと雰囲気との間の自然な気密障壁を提供することになる。
【００１８】
被加工物内の熱を管理することが望ましい。材料、特に金属が堆積されるにつれて、被加工物は熱が増加し、このことは、最終部品の歪等の問題をもたらす可能性がある。
金属の堆積と冷却剤による金属の機械加工とを交互に行うことによって被加工物内の熱を管理することが可能である。被加工物内の熱の少なくとも一部分は、ガス又は液体切断用流体であってよい冷却剤に伝わる。この動作方法が、有効であり、また、ほとんどの材料において或るレベルの安定性を維持する、材料の融点の約１／３未満の温度に被加工物を維持し得ることが認識されるであろう。ステップのこうした交互実施は、最大の生産性について最適なシーケンスではないが、被加工物の温度を実際に管理し、また、処理ヘッドに関して改造される既存のマシンツールにおいて使用されてもよい。
【００１９】
幾つかの実施形態において、チャンバは、少なくとも部分的に密封可能であってよい。ワークステーションが液体冷却式であることは、被加工物内の熱を管理するときに望ましい。通常、被加工物は、ワークステーション内のプラットフォーム上のワーク保持デバイスにおいて保持されることになる。プラットフォーム又は少なくともワーク保持デバイスは、冷却用液体又はガスによって冷却されてもよく、それにより、被加工物上の材料堆積によって生成される熱は、ワーク保持デバイスへのまた冷却システム内への伝導によって除去される。より高いワークサイクルが堆積について維持されることを冷却が可能にする点で、利点が見出された。更に、マシンは、被加工物の熱から絶縁され、そのことが、マシンの軸が、軸がそれを保つように設計される精度を維持するのを助け、移動部品の熱膨張による損傷を防止する。
【００２０】
他の実施形態において、チャンバは密封可能であってよく、また、真空が密封式チャンバに印加されてもよく、それにより、材料処理は、真空において又は大気から減少した圧力下で実施される。代替的に、チャンバ内の圧力について大気圧を超えて増加させることが望ましい場合がある。
【００２１】
幾つかの実施形態において、チャンバは、少なくとも２つ、３つ、４つ、又は５つの側面に関して一体であってよい。蓋又は他の密封機構が、チャンバを密封するために設けられてもよい。他の実施形態において、密封ドアが設けられてもよい。好ましくは、ガスを導入する又は真空を印加するための手段は、チャンバ又はドアの少なくとも１つの面に設けられる。
【００２２】
他の実施形態において、チャンバは、部分的に開口していてよく、また、局所シールディングを備えてもよい。こうした局所シールディングは、開放的に排出されてもよい、又は、好ましくは、プラスチックバッグ等のバッグ、又は、処理中に被加工物の周りに位置付けられ得るスカートを使用することによって封じられてもよい。スカートは、プランジャ上に支持される可能性があり、被加工物の周りにスカートを位置付けることは自動化されてもよい。
【００２３】
好ましい実施形態において、第１及び第２のデバイスは、少なくとも、ｘ、ｙ、及びｚ軸において可動である。好ましい実施形態において、デバイスは、ｘ、ｙ、及びｚ軸の少なくとも１つの軸において摺動可能である。好ましくは、摺動可能軸のうちの１つの軸は、ｘ方向にあり、第１及び第２のデバイスに共通であるレールが設けられる。幾つかの実施形態において、第１及び第２のキャリッジはそれぞれ、それぞれの第１及び第２の支持体上に取付けられる。第１及び第２の支持体は、好ましくは、それぞれレール上を摺動可能であり、したがって、第１及び第２のキャリッジに対してｘ方向への移動を提供する。好ましい実施形態において、各キャリッジは、支持体に対してｚ方向に可動である。望ましくは、第１及び第２の支持体上での第１及び第２のキャリッジのｙ方向への移動は平行である。
【００２４】
幾つかの実施形態において、マシンは、被加工物を支持するプラットフォームの配向の制御によって、更なる変形を提供されてもよい。プラットフォームは、平坦テーブルが提供され固定されてもよい、又は、回転してもよい、又は、幾つかの場合に、傾斜すると共に回転するように配設されてもよい。
【００２５】
プラットフォーム及びチャンバは、有利には、マシンツールの技術分野で知られているサイズを有する被加工物を収容するように配設される。
通常、マシンは直方体であり、マシンのフットプリントの総合サイズは、１ｍ〜５ｍ、又は好ましくは、２ｍ〜４ｍ、又は最も好ましくは３ｍである。
【００２６】
マシンは、「粗化（ｒｏｕｇｈｉｎｇ）」として従来から知られている厚物切断の量が、ほぼ正味のターゲット形状である材料の付加によって減らされることになるため、好ましくは、ライトパスの高速機械加工のために最適化され、したがって、被加工物は、主に「仕上げ機械加工（ｆｉｎｉｓｈ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）」を必要とするであろう。
【００２７】
歴史的に、今日まで使用されてきた処理及び除去ヘッドの多くは、側面ドッキングシステムを利用してきた。
好ましくは、マシンは、一体式ドッキングシステムを提供する。一体式ドッキングシステムでは、材料及びエネルギーを、第１又は第２のキャリッジ上の処理ヘッドに送出してもよく、処理ヘッドは、被加工物から材料を除去するように配設されてもよいか又は被加工物を処理するように配設されてもよい。
【００２８】
好ましい実施形態において、ドッキングシステムは、マシン上で処理ヘッドとドッキングマニホールドとの間の清浄な接続を提供するように配設される。使用可能なシールは、嵌合マニホールドの両方の半分上に設けられてもよい。更に、レーザエネルギー用の光学窓等の、汚染に敏感であるヘッドの部分は、ヘッドマニホールド及びドックマニホールドが嵌合した後にオープンするだけである摺動又は回転ドアによってカバーされてもよく、それにより、ヘッド又はドックが格納位置にあるときに前記敏感エリア上に汚染物質が蓄積する機会をなくす。同様に、エアナイフの位置決めが使用されて、ドアが閉止した後にいずれの汚染物質をも吹飛ばし、それにより、粉末ポート及び他のドッキングマニホールド接続部が清浄のまま維持されることを保証してもよい。
【００２９】
処理ヘッドの送出される材料は、粉末、流体、又はフィラメントの形態であってよい。幾つかの実施形態において、材料はポリマー材料を含んでもよい。他の実施形態において、材料は、金属、非金属、ポリマー、セラミック、粘土、塩、伝導性、容量性、又は誘電性材料を含むグループから選択されてもよく、これらは、粉末形態、フィラメント、ロッド、ファイバ、（短い、チョップされた、長い、又は連続した）シート、又はワイヤ；固体、又は半液体から完全液体形態である。代替的に、材料は、液体、乳剤、ガス、エアロゾル、ペーストの懸濁物で提供され得る。マトリクス材料と組合せて、連続又は不連続ファイバは、同様に、複合材料を形成するために堆積されてもよい。好ましい実施形態において、媒体は、ポリマーペレット又はフィラメントを含んでもよい。通常、こうした供給材料は、材料が、制御可能な方法で、給送され、方向付けられ、押出され、噴射され（ｊｅｔ）、又はそうでなければ堆積され得るような温度まで、エネルギー源によって加熱されてもよい。代替的に、流体材料は、マシン内に設けられてもよい媒体リザーバから処理ヘッドに供給されてもよい。材料は、リザーバ内の全ての材料が流体になり、制御可能な方法で押出され得るまでエネルギー源によって加熱されてもよい。幾つかの実施形態において、材料は、同様に、伝導性、半伝導性、容量性、圧電性、及び誘電性材料を含んでもよく、それにより、被加工物の形成中に電気回路が載置され得る。
【００３０】
別の好ましい実施形態において、媒体は、金属を含んでもよく、金属は粉末又はワイヤの形態で提供されてもよい。こうした金属は、被加工物の本体を形成するときに使用されてもよい、又は、電子回路を載置するため被加工物の一部に塗布されてもよい。
【００３１】
マシンの特定の利点は、いろいろなヘッドが提供されてもよいことであり、これらのヘッドは、埋め込み式の電子的、生物学的、及び他の機能的サブシステムを完備する被加工物を生成するために材料を堆積できる。
【００３２】
マシンが、プロトタイプ、最終使用製品、及び製品全体を作るために使用されてもよいことが想定される。
好ましい実施形態において、一体式ドッキングシステムは、必要とされるときに、材料及びエネルギーを処理ヘッドに供給できるように配設される。好ましくは、処理のために必要とされるレーザエネルギーは、ｚ軸に平行であるが、作業エリアに対する近接部から外れたポイントから送出される。ビーム経路内でのミラーの使用を必要とするレーザパワーの側面ドッキング送出の場合に比べて、反射体及び光学部品が少ないため、レーザビーム経路が直接的である可能性があり、したがって、送出され得るレーザパワーがあまり減少しないことによって利点が生じることが認識されるであろう。
【００３３】
１つの好ましい実施形態において、ドッキングは、処理ヘッドの上部面上で行われてもよく、キャリッジ内の一体型ドッキングは、キャリッジ上のマニホールドを処理ヘッドに整列させ、嵌合させるように配設される。
【００３４】
他の実施形態において、マニホールド及びドッキング手段は、キャリッジのカラー内に設けられてもよい。キャリッジは、ｚ方向に可動であるように配設されたスピンドルを備えてもよく、ドッキングマニホールドは、スピンドルのカラー上に設けられてもよい。
【００３５】
マシン内に一体型エネルギー源を備えることは幾つかの利点を有する。幾つかの実施形態において、エネルギー源は、被加工物に的を絞ったビームによってもよい。印加されるエネルギービームを制御するための制御手段が設けられる可能性があり、供給源は、赤外線レーザ、可視光レーザ、及びＵＶレーザ等のレーザから選択されてもよい。パルス継続時間は、アット秒（ａｓ）から、フェムト秒（ｆｍ）まで、そして引き続き、連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ）継続時間まで変わるように制御されてもよい。選択されるエネルギー源は、実施される処理―材料の除去であるか、付加であるか、置換であるか―に応じて選択されてもよい。エネルギー源及びパルス継続時間は、同様に、処理される材料によるエネルギーの吸収を最適化するために選択されてもよい。ビームスイッチは、同様に、異なるレーザビーム源の間で変更するために使用されてもよい。
【００３６】
幾つかの実施形態において、エネルギー源は、キャリッジによって処理ヘッドまで運ばれるように配設された光ファイバケーブルを使用して、被加工物又は処理ヘッドに、特に処理ヘッドに供給されてもよい。幾つかの場合に、中空コアがエネルギー密度のために必要とされてもよいことが認識されるであろう。
【００３７】
既に論じたように、マシンは、清浄な側及び汚れた側を有し、被加工物は、チャンバ内に位置付けられ得る。好ましくは、処理ヘッド又は堆積ヘッドは、清浄な状態に維持される。被加工物の堆積又は処理の過程での被加工物の汚染が、材料の不充分な品質仕上げ又は不完全さをもたらす可能性があることが理解されるであろう。したがって、使用される処理ヘッドを、汚染なしで清浄な側で維持すること、又は、起こり得る汚染を最小にすることが重要である。
【００３８】
好ましくは、マシン及び特に処理ヘッドは、低温冷却システムを使用して冷却される。特に好ましい実施形態において、有機冷却剤が使用され、有機冷却剤は、蒸発し、気化し、揮発し、又はそうでなければ燃焼して、非常に低い灰含有量を有する製品を形成し、また、残留物を全く残さない。液体窒素等の他の冷却剤が使用されてもよいことが認識されるであろう。
【００３９】
幾つかの実施形態において、冷却剤は、チャンバに供給されてもよい、又は、冷却剤は、被加工物又は処理ヘッドに供給されてもよい。
清浄な側は、チャンバと清浄なツールチェンジャとの間にシールを設けることによって維持され得る。堆積又は処理のために使用されるいずれの処理ヘッドも第２のツールチェンジャに格納されてもよく、第２のツールチャンバは、適切に密封されてもよい。ミリングのために使用される処理ヘッドは、清浄な環境に維持される必要はなく、使用中でないとき、第１のツールチェンジャに格納される。第１のツールチェンジャは「汚れた（ｄｉｒｔｙ）」側にあるため、第１のツールチェンジャは、チャンバ又は被加工物から密封される必要はない。
【００４０】
特に好ましい実施形態において、マシンは、ｚ方向に移動するように配設された複製式支持体及びキャリッジを備える。幾つかの場合には、支持体及びキャリッジは同じである。他の場合には、支持体のそれぞれ及びそれぞれのキャリッジ上に特別なドッキング及びマニホールドを設けることが好ましい場合がある。先に論じたように、支持体及びキャリッジの一方は、清浄処理のために排他的に使用され、他方の支持体及びキャリッジは、「汚れた」プロセスのために排他的に使用される。
【００４１】
好ましくは、キャリッジ及び支持体上へのヘッドのドッキングは、清浄な環境を維持するように配設される。好ましくは、レーザ処理ヘッドの光学部品は、空気にさらされず、常に清浄な環境に維持される。幾つかの実施形態において、自動化カバーシステムが設けられ、それにより、ドック上のカバーの作動は、選択された処理ヘッド上の対応するドアを開く。キャリッジ上のヘッドのドッキングが終了すると、システムが密封される。ドッキングプロセスの自動化は、プロセスが、目視検査を必要とすることなく行われることを可能にする。したがって、自動化ドッキングを装備し、目視検査を必要としないマシンが、検査用のレーザ安全窓を設けることがもはや必要でないため、パワーがより高いレーザを使用してもよいことが認識されるであろう。
【００４２】
幾つかの実施形態において、環境は、エアナイフの使用及び空気パージングによって清浄な環境として維持されてもよい。これは、ヘッドを変更するためまたヘッドをキャリッジとドッキングするために使用されるエリアの周りで特に望ましい場合がある。
【００４３】
第２の処理ヘッドが、第２のツールチェンジャへの格納中に清浄な環境に維持されることが望ましい。好ましくは、別個の格納エリアが、処理ヘッドのために設けられる。幾つかの好ましい実施形態において、処理ヘッドは、ツールチェンジャに入るよう反転されてもよく、それにより、処理ヘッドの面が、ツールチェンジャポケットの表面に対して密封される。
【００４４】
別の重要な領域は、被加工物の付加製造において使用される粉末の制御である。通常、粉末は、被加工物の表面に塗布される。一般に、粉末の一部が被加工物上に保持されないことになることは問題である。幾つかの場合には、オーバースプレーが存在することになる。
【００４５】
望ましくは、マシンは、廃棄物抽出器を備える。廃棄物抽出器が使用されて、切屑が切断用流体と共に蓄積する作業エリアの下部から切屑を除去してもよい。更に、煙及び湿気は、適切な濾過、抽出、及び除湿を使用して作業エリアから除去されてもよい。こうした空気濾過／除湿システムは、空気伝達の汚染物質及び湿気が作業エリアの清浄さに影響を及ぼすことを防止する。
【００４６】
好ましい実施形態において、オーバースプレー粉末の一体式捕集が存在する。幾つかの場合には、トレイがマシン内に設けられてもよく、トレイは、オーバースプレー粉末を捕集するためチャンバ内に摺動され得る。好ましくは、トレイによって捕集される材料は、収集され、また、直接再使用されてもよい又は再調整され再使用されてもよい。一部の材料は、粉末収集トレイから漏出する場合がある。こうした材料は、通常、冷却剤によってチャンバから除去され、また、冷却剤から濾過され再使用されてもよい。
【００４７】
マシンの重要な態様は、被加工物及び１つ又は複数の処理ヘッドの一体型モニタリングを備えることである。
被加工物が、材料の除去によってミリングされる又は切断される又は処理される既知のシステムにおいて、被加工物は、通常、良好な品質であると考えられる。しかし、付加製造において、いずれの付加製造においても良好な品質を保証する高い規格に合うよう処理が実施されていることを保証することが被加工物の品質にとって重要であることが認識されてきた。したがって、いずれの不完全さも検出されることを保証するため、プロセス及び被加工物をモニターすることが重要である。
【００４８】
好ましくは、以下のモニタリング方法の少なくとも１つの方法がマシン上に設けられてもよい。処理又は付加製造における溶融プールがモニターされてもよい。被加工物の熱履歴は、サーマルカメラを使用してモニターされ記録されてもよい。酸素センサがチャンバ内に設けられてもよい。分光法が使用されて、処理において被加工物の部品を分析してもよい。こうしたモニタリングは、キャリッジ上に設けられてもよい、又は、マシンのチャンバ内に別個に設けられてもよい。
【００４９】
更に又は代替的に、処理は、処理ヘッド内の加速度計の使用によってモニターされてもよい。較正ルーチンは、チャンバ内に位置付けられた検出器を使用して実施されてもよい。こうしたルーチンは、その又はそれぞれの処理ヘッド及び／又は被加工物をモニターするように配設されてもよい。望ましくは、無線通信が、処理ヘッドとマシン内のコントローラとの間で使用可能にされる。遠隔コントローラとの通信又は出力が、同様に、設けられてもよい。こうした通信は、ＩＲ又は無線データ転送を使用してもよい。更に、ＭＴコネクトを使用する処理データの通信又は他の確立された無線プロトコルが利用されてもよい。
【００５０】
幾つかの実施形態において、任意の光学要素の焦点距離がモニターされ、データが出力されてもよい。
一実施形態において、センサ及び回路要素が、被加工物作成時に被加工物に埋め込まれて、使用中の部品の状態及び健全性をモニターし得るモニタリングデバイスを形成してもよい。好ましくは、被加工物内にまた被加工物上に印刷されるこうしたセンサ及びモニタリングデバイスは、前記部品が完成する前に、機能し、フィードバックをユーザに与えるように配設されてもよい。モニタリングデバイスが、部品のサービス寿命全体を通して機能し続け得ることが想定される。こうしたモニタリングデバイスの例は、歪モニタリング回路であることになり、歪モニタリング回路は、デバイスが安全状態を超えて負荷印加されたことを検出することができる。
【００５１】
幾つかの好ましい実施形態において、マシン及び処理ヘッドからのデータは、遠隔のモニタリング手段に出力されてもよい。好ましくは、マシン及び送出ヘッドの実行並びにチャンバ及び被加工物からのデータが、リアルタイムにモニターされレポートされる。幾つかの実施形態において、分析がリアルタイムに実施されてもよい。好ましくは、統計分析が、被加工物の不具合を予測するために実施されてもよい。幾つかの実施形態において、分析が処理ヘッドに適用されて、処理ヘッドの考えられる不具合を特定してもよい。全ての場合に、検出が、閉ループフィードバックシステムを形成して、部品の品質生成を保証し、必要とされる場合、部品をスクラップにすることを回避するため、許容可能な品質規格を現場で満たさない部品のエリアの改善的リワークを可能にすることが好ましい。
【００５２】
本発明の態様によれば、少なくとも１つのキャリッジが一体式ドッキングシステムを備える本発明の態様によるマシンが提供される。
好ましくは、ドッキングシステムは、キャリッジとヘッドとの間のドッキングが処理ヘッドの上部面にあるように配設される。
【００５３】
望ましくは、キャリッジとの一体型ドッキングは、キャリッジ上のマニホールドを処理ヘッド内のマニホールドに整列させ嵌合させる。幾つかの好ましい実施形態において、マニホールドは、送出ヘッド負荷印加軸に垂直に配向される。これは、処理ヘッドドッキング動作が同様にマニホールドのドッキングを達成したため、供給ドッキングマニホールドが移動される必要性をなくす又は減らす場合がある。この動作が、見通し線を必要としないエネルギー源にとって特に適するが、レーザ及び他のエネルギー源に関して同様に使用され得ることが見出された。
【００５４】
好ましい実施形態において、キャリッジと処理ヘッドとの間の接続は、好ましくは、汚染を排除するため、密封可能であるように配設される。
幾つかの実施形態において、処理ヘッドマニホールドは、固定されるように配設される。しかし、幾つかの好ましい実施形態において、マニホールドは、処理ヘッドからドッキング位置に外側に移動するように配設される。処理ヘッドがツールチェンジャ内で少ない空間を占有するため、これは、特に有利であることがわかった。更に、格納位置において、シールは、マニホールドを覆って設けられ得る。これは、清浄な側で使用される処理ヘッドにとって特に有利であり、また、その処理ヘッドについて、要素の全てをできる限り清浄な状態に維持することが望ましい。こうしたシールは、摺動ドアによって提供されてもよい。
【００５５】
堆積ヘッドは、被加工物及び媒体フィードにエネルギーを供給する電極を備え、ヘッドは、電極と被加工物との間でアークを屈曲させるように配設された一体型電磁場を生成するための手段を備える。
【００５６】
ＣＮＣマシンへの付加製造技術の一体化は、ビーム送出に対する新しいアプローチを促進して、組合せの有用性を最大にしてきた。これは、同様に、ＣＮＣマシン用のレーザビーム送出に対する新しいアプローチを導入し、異なるセットの光学部品の間でまた更に堆積技術の間で自動的に切換える能力を含む。
【００５７】
本発明の別の態様によれば、被加工物を処理するように配設された少なくとも１つのデバイスを有するワークステーション内に位置する被加工物に対する材料の除去及び付加を実施するように配設されたマシンが提供され、デバイスは、少なくとも２つの軸において可動であるように配設され、被加工物は、密封可能チャンバ内で処理される。
【００５８】
本発明の別の態様によれば、ワークステーション内に位置する被加工物に対する材料の除去及び堆積を実施するように配設されたマシンが提供され、マシンは、被加工物を処理するように配設配設された少なくとも１つのデバイスを有し、デバイスは、少なくとも２つの軸において可動であるように配設され、清浄な側及び汚れた側を有し、被加工物に対する材料の堆積又は被加工物の処理は、清浄な環境内で実施される。
【００５９】
本発明の更に別の態様によれば、被加工物を加工する方法が提供され、方法は、本発明の態様に従ってマシンのチャンバ内に被加工物を設置すること、材料の除去によって被加工物を処理すること、チャンバ及び被加工物から廃棄物を除去することによってチャンバを清浄にすること、チャンバ内の清浄な環境内で被加工物を処理すること、及びチャンバから被加工物を除去することを含む。
【００６０】
幾つかの実施形態において、ワークステーション上に被加工物を設置するための自動化手段が設けられてもよい。好ましくは、自動化手段は、ピックアンドプレースグリッパを備えてもよい。こうしたグリッパは、ワークプラットフォーム上で第１の位置から第２の位置に被加工物を移動させてもよい、又は、作業領域に入るまたそこから出るように被加工物を移動させてもよい。好ましい実施形態において、グリッパは、部品作成時に部品に埋め込むため、電気的対象を含む対象を選択し設置する。作業エリアは、チャンバであってよい、又は、ワークプラットフォームであってよい。
【００６１】
ＡＭ及びＣＮＣは、物品が、ＡＭを使用して作製又は修理され、ＣＮＣ材料除去等の材料除去を使用して表面を処理されることによって仕上げられるように組合される可能性があり、このプロセスは、図１を参照して示される。ツールに恒久的に接続され、被加工物を加工するために選択可能な幾つかのヘッドを有するマシンを使用することが知られている。こうした配置構成は、機械加工ヘッドによって占有されているバルク及び体積を増加させ、機械加工ヘッドの動作を制限する。１つのワークステーションから別のワークステーションへ被加工物を移動させることが同様に知られており、各ワークステーションは、付加ステップ並びに堆積後トリートメント及び切断を含む特定の動作を実施する。
【００６２】
先に簡潔に参照したように、マシンは、ヘッド及びヘッドを使用する方法の利点を最大にするように特に適合されるが、ヘッドが、既存のＣＮＣマシンに合うよう改造されて、付加製造並びに堆積後の処理及び切断について既存のＣＮＣマシンの使用を可能にしてもよいことが認識されるであろう。したがって、ヘッド及びヘッドを使用する方法の特徴並びに製造方法を実施することに関する、本明細書で開示する本発明の更なる態様が存在する。
【００６３】
本発明の態様によれば、物品を作成する方法が提供され、方法は、以下のステップのうちの少なくとも１つのステップを含む。以下のステップとは、
ｉ）第１の堆積特性を有してもよい第１の処理ヘッドを使用するステップであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）第１の堆積特性と異なる第２の堆積特性を有してもよい第２の処理ヘッドに第１の処理ヘッドを変更するステップ、
ｉｉｉ）特性の第２のセットを有する更なる材料を載置するステップ
である。
【００６４】
本発明の別の態様によれば、物品を作成する方法が提供され、方法は、以下のステップのうちの少なくとも１つのステップを含む。以下のステップとは、
ｉ）マシンツールを使用するステップであって、マシンツールは、ワークステーション、マシンツールに接続可能な第１の処理ヘッド、ツールチェンジャ、及び幾つかの更なる処理ヘッドを格納するように配設された格納場所を有する、
ｉｉ）第１の堆積特性を有してもよい第１の処理ヘッドを使用するステップであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉｉ）第１の堆積特性と異なる第２の堆積特性を有してもよい第２の処理ヘッドに第１の処理ヘッドを変更するステップ、及び、
ｉｖ）特性の第２のセットを有する更なる材料を載置するステップ
である。
【００６５】
好ましくは、格納場所は、マシンの一部であるが、ワークステーションから遠隔にある。好ましくは、使用されていないいずれの処理ヘッドも遠隔の格納場所に格納され、使用中でないとき、マシンツールに接続されない。
【００６６】
上記態様の特徴を提供する実施形態は、作製されている物品（すなわち、被加工物）に関して実施されているプロセスのタイプが、単一ステーションにおいて、ステーション間でその被加工物を移動させる必要なしで実施されることを、実施形態が可能にする点で有利である。そのため、この態様は、作製プロセスについて、単一ピース又は疑似単一ピースフローを提供するものと考えられる。適した処理ヘッドが、選択され、被加工物へ移動されることが認識されるであろう。
【００６７】
処理ヘッドを保持するマシンツールは、少なくとも幾つかの実施形態において、処理ヘッドを第１のヘッドから第２のヘッドに自動的に変更し、それにより、オペレータ相互作用がほとんどないか又は全くない状態で実行することができる方法を提供する。
【００６８】
好ましくは、方法は、マシンツールを使用することを含み、マシンツールは、物品がそこで作成されるワークステーション、マシンツールに接続可能な第１の処理ヘッド、ツールチェンジャ、及び幾つかの更なる処理ヘッドを格納するように配設された格納場所を有する。ツールチェンジャは、マシンツールから第１の処理ヘッドを取外し、第１の処理ヘッドを格納場所に設置し、第２の処理ヘッドを格納場所から取外し、第２の処理ヘッドをマシンツールに接続するように配設されてもよい。
【００６９】
好都合には、第２の堆積特性は、第１の堆積特性と比較すると、以下のパラメータの１つ又は複数のパラメータを変化させる。以下のパラメータとは、
（構築表面に対する）堆積の角度；材料のタイプ；堆積される材料の混合；堆積レート；ビードサイズ；堆積物の断面形状；エネルギー入力；材料のナノ／マイクロ特性（硬度、延性、化学的耐性、強度、耐摩耗性、電気伝導性及び熱伝導性、誘電強度、又は任意の他の材料特性）；材料の色及び透明度；表面仕上げのテクスチャ
である。
【００７０】
幾つかの実施形態において、第２の堆積特性は、物品が所望の物品になるよう作成される忠実度を改善するように調整され、それにより、物品の表面仕上げについての必要性を取除く又は少なくとも減少させる。実施形態は、物品の内部表面及び外部表面の少なくとも一方の忠実度を改善してもよい。
【００７１】
幾つかの実施形態は、第１処理ヘッド及び第２処理ヘッドのうちの少なくともひとつで犠牲材料を堆積させるように仕組まれている。
少なくとも幾つかの実施形態は、第１及び第２の処理ヘッドの少なくとも一方の処理ヘッドが複数回使用されるようにステージにおいて被加工物を作成するように仕組まれている。
【００７２】
実施形態のうちの少なくとも幾つかの実施形態は、第３の処理ヘッドを使用している。第３の処理ヘッドは、物品から材料を除去するために使用されてもよい。第３の処理ヘッドは、ミリングヘッド又は他のマシンツールであってよい。
【００７３】
実施形態のうちの少なくとも幾つかの実施形態において、方法は、少なくとも材料の第１の層が堆積された後に被加工物の表面を処置するように配設された処理ヘッドの使用を含んでもよい。第２又は更なる層の表面が同様に処置されてもよい。
【００７４】
通常、処理ヘッドは、マシンツール上のスピンドルに接続されてもよい。スピンドルがマシンツールの一部であると考えられることが認識されるであろう。
幾つかの実施形態において、マシンツールは、その又はそれぞれの処理ヘッドにパワー源を供給するように又は供給できるように配設された供給ユニットを更に備えてもよい。処理ヘッドは、処理ヘッドにパワーを供給する供給ユニットに接続するように配設されたドッキングマニホールドを備えてもよい。ドッキングマニホールドは、スピンドルに沿う又は隣接するように配設されてもよい。幾つかの実施形態において、ドッキングマニホールドは、スピンドルを横断する軸に沿って接続するように配設されてもよい。他の実施形態において、ドッキングマニホールドは、スピンドルに平行な軸に沿って接続するように配設されてもよい。他の配置構成において、マニホールドは、所定の位置になるように回転してもよい。他の配置構成において、マニホールドは、スピンドルコラム、スピンドルハウジング、又は、多くのマシン構成について、Ｚ軸等のスピンドルに対するアクセスを提供するのに好都合な軸のうちの１つの軸に組込まれてもよい。例えば、マニホールド内のポートは、スピンドルのカラーの周りに或るパターンで配設されてもよい。
【００７５】
パワー源はレーザエネルギーであってよい。各処理ヘッドは、ヘッドからのユニークな空間モード及びパワー分布を達成するように構成されてもよい。モードは、当技術分野で知られている、アパーチャ、固定又は可変の回折又は反射光学部品、及び補助ガイド機構等の光学列コンポーネントの使用によって達成されてもよい。
【００７６】
好ましくは、ドッキングマニホールドは、処理ヘッドにパワーを供給することに加えて又はその代わりに、処理ヘッドに処理媒体を供給するように配設される。処理媒体は、粉末形態又はフィラメント形態、冷却用又は処理用の流体、ガス等の、金属、プラスチック、ポリマー、又はセラミック材料のうちの１つ又は複数であり、その混合物を含んでよい。
【００７７】
本発明の別の態様によれば、物品を作成する方法が提供され、方法は、以下のステップのうちの少なくとも１つのステップを含む。以下のステップとは、
ｉ）第１の堆積特性を有する第１の処理ヘッドを使用するステップであって、第１の処理ヘッドは、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）第２の処理ヘッドに第１の処理ヘッドを変更するステップであって、第２の処理ヘッドは、作成される物品及び処理ヘッドの機能の少なくとも一方を分析するように配設される、
である。
【００７８】
好ましくは、方法は、実施される更なる処理又は処理ステップを選択するため、分析からの情報を使用することを含む。
好ましくは、方法は、マシンツールを使用することを含み、マシンツールは、物品がそこで作成されるワークステーション、マシンツールに接続可能な第１の処理ヘッド、ツールチェンジャ、及び幾つかの更なる処理ヘッドを格納するように配設された格納場所（又は、単に、従来の回転切断ツールを変更するための、当技術分野で知られているスピンドルによって到達可能であるツール用の格納場所）を有する。ツールチェンジャは、マシンツールから第１の処理ヘッドを取外し、第１の処理ヘッドを格納場所に設置し、第２の処理ヘッドを格納場所から取外し、第２の処理ヘッドをマシンツールに接続するように配設されてもよい。
【００７９】
好都合には、第２の処理ヘッドは、以下のもののうちの任意の１つ又は複数である。以下のものとは、画像記録装置；照明；接触プローブ；３Ｄ表面及び体積スキャナ；写真測量システム；センサ（酸素センサ；熱センサ；熱カメラ等）；渦電流発生器；超音波変換器（結合される空気、ゲル、及び液体用）；電磁波発生器、誘導加熱コイル、電磁石（複数可）；拡大デバイス；増分シート形成ツール；ヒートガン；真空；誘導加熱器；ガルバノメータ；オシロスコープ；デジタルミラーデバイス；構造化光スキャナ；グラインダ；アブレーシブ；ヘッドの直角変動；顕微鏡；共焦点又は可変顕微鏡；ガンマ及びＸ線を含む電磁検出器；分光器等である。
【００８０】
好ましくは、ドッキングマニホールドは、供給ユニットからのパワーを第２の処理ヘッドに供給し、第２の処理ヘッドへまたそこからデータを転送するように配設される。
有利には、マシンツール及びツールチェンジャを制御するように配設されたコントローラが提供される。好ましくは、コントローラは、データ格納コンポーネントを有し、処理ヘッドのパラメータは、データ格納コンポーネントに格納される。好ましくは、コントローラは、材料を堆積させる第１の処理ヘッドを制御するように配設され、その後、堆積された材料及び作成される被加工物に応じて第２の処理ヘッドを選択するように配設される。コントローラは、分析からのデータを使用して、利用される更なる処理ヘッドを選択してもよい。
【００８１】
第２の処理ヘッドからのデータは、被加工物のトリートメントの品質制御のために使用されてもよい。データは、同様に又は代替的に、被加工物が所望の品質規格を満たすことを保証するために使用されてもよい。第２の処理ヘッドからのデータは、処理ヘッドの機能に関する情報を更に提供してもよい。こうしたデータは、処理ヘッドの較正が評価されること、又は、処理ヘッドが置換又は修理される必要があることを確立することを可能にする。
【００８２】
本発明の別の態様によれば、本発明の第１の態様のうちの少なくとも１つの態様の方法を提供するように配設されたマシンツールが提供される。
マシンツールは、本発明の方法を提供するように適合されてもよい。マシンツールは、処理ヘッド及びコントローラを持つよう改造され、開示する方法の１つ又は複数の方法を実施するように配設されてもよい。
【００８３】
本発明の別の態様によれば、命令を含むマシン可読媒体が提供され、命令は、コンピュータによって読取られると、そのコンピュータに、本発明の態様のうちの少なくとも１つの態様の方法を実施させる。
【００８４】
本発明の別の態様によれば、作製される物品を検査する方法が提供され、方法は、以下のステップのうちの少なくとも１つのステップを含む。以下のステップとは、
ｉ）第１処理ヘッドからの流体を、検査される物品上に吐出するステップ、
ｉｉ）流体を介して、第２の処理ヘッドを検査される物品に結合させるステップ、及び、
ｉｉｉ）物品を検査するため、流体を介して信号を送信するステップ
である。
【００８５】
一実施形態において、第１及び第２の処理ヘッドは同じヘッドであり、したがって、方法は、物品を検査するための効率的な手段を提供する。
流体は、冷却用流体であってよく、冷却用流体は、貫通スピンドル冷却用流体であってよい。それにより、処理ヘッドが既存のマシンツールに適合することを可能にする方法を提供する。こうした実施形態において、流体は、材料除去プロセス中に使用されるように配設されたマシンツール冷却用流体であってよい。
【００８６】
代替の又は更なる実施形態において、流体はゲル等であってよい。こうした流体は、検査される物品から後で除去されることになるため、犠牲流体であると考えられてもよい。
他の実施形態において、第１及び第２の処理ヘッドは異なり、第１の処理ヘッドは、犠牲材料を堆積させるように配設される。
【００８７】
本発明の別の態様によれば、本発明の別の態様の方法を実施するように配設されたマシンツール及び／又は処理ヘッドが提供される。
本発明の別の態様によれば、命令を含むマシン可読媒体が提供され、命令は、コンピュータによって読取られると、そのコンピュータに、本発明の別の態様の方法を実施させる。
【００８８】
本発明の上記態様のうちの任意の態様において参照されたマシン可読媒体は、以下のうちの任意の１つであってよい。以下とは、ＣＤＲＯＭ；ＤＶＤ  ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷ又は＋Ｒ／＋ＲＷを含む）；ハードドライブ；メモリ（ＵＳＢドライブ；ＳＤカード；コンパクトフラッシュカード等を含む）；送信信号（インターネットダウンロード、ｆｔｐファイル転送等を含む）；ワイヤ等である。
【００８９】
本発明の別の態様によれば、被加工物を処理する方法が提供され、方法は、
ｉ）第１の堆積特性を有してもよい第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）レーザアブレーション、ドリリング、マーキング、クラッディング、検査、３Ｄスキャニング、熱トリートメント、ハンマリング、乱切り、ショットブラスティング、ピーニング又はマイクロピーニング、ニードルピーニング、又はローリングのうちの少なくとも１つによって作成される物品を処理することを含み、方法は、被加工物に関して実施される複数の処理ステップを含む。
【００９０】
好ましい方法において、一連のプロセスは、１つ又は複数の更なる処理ヘッドによって実施される。好ましくは、各処理ヘッドは、特定のプロセスについて最適化されるように配設される。
【００９１】
方法は、被加工物に関して実施される複数の処理ステップを含む。方法は、２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれよい多い処理ステップを含んでもよい。
好ましくは、プロセスステップのうちの少なくとも１つのプロセスステップは、被加工物の検査及び／又は分析を含む。望ましくは、更なる処理ステップのうちの少なくとも１つの処理ステップは、被加工物の分析からのデータを使用して選択される。
【００９２】
本発明の別の態様によれば、２つの処理ステップを同時に実施するように配設された処理ヘッドが提供される。
一実施形態において、加熱及び加圧処理は同じヘッドによって実施される。他の実施形態において、代替のプロセス又は処理が組合されてもよい。組合されてもよいプロセスの例示的なリストは、以下で述べられる。リストが例示的であり網羅的でないことが強調される。
【００９３】
クラッディング又は溶接等のような、誘導加熱及びレーザ金属堆積；
誘導加熱及びピーニング；
熱トリートメント等のような誘導加熱及びレーザ処理；
レーザ加熱及びピーニング；
レーザ加熱及びローリング；
レーザ加熱及びチゼリング（材料を除去するための）；
レーザ加熱及び圧力ピン；
レーザ材料堆積及び誘導スタンドオフ測定
レーザ研磨（又は他の処理）及びプロセスの有効性を評価するカメラ
レーザ処理の直前に表面を清浄にする／粗化するためのショット又はグリットブラスティング
レーザ堆積直後の先の層に圧縮応力を与えるためのショットピーニング
脱脂剤の堆積と、それに続く、表面を調製するための空気吹飛ばし
アークベース金属堆積ヘッドのすぐ前方の鉱物ベースフラックス用の堆積ノズル（フラックスは、冷却用溶接プールの酸化を防止するスラグを生成する）
空気吹飛ばし及びレーザ金属堆積ヘッド
インクジェットノズルによる基準マークに関する登録等のためのカメラの使用；
１つ又は複数のカメラ（可視、ＨＤＲ、ＩＲ等）及びプロセスを検査するためのプロセスの使用；
レーザ金属堆積、及び、渦電流検査等によって表面及び／又はサブ表面を識別する検出手段；
渦電流検査及び３Ｄスキャニング（表面形態用）；
レーザ金属堆積及び３Ｄスキャニング；
レーザ金属堆積及び複数のカメラ（写真測量）；
インクジェットヘッド及びカメラ；
必要とされるときにファイバを切断する切断デバイスとともに強化ファイバの堆積；
ミリング及びカメラ（測定用）
顕微鏡（複数可）（共焦点、ステレオ等）及び照明手段。
【００９４】
処理ヘッドが、先に述べた組合せ以外のプロセスの組合せを実施するように配設されてもよいことが更に認識されるであろう。幾つかの実施形態において、処理ヘッドは、複数のプロセスを実施するように配設されてもよい。
【００９５】
幾つかの実施形態において、被加工物は、検査又は分析されてもよい。幾つかの実施形態において、処理ヘッドは、同様に、分析されるように配設されてもよい。こうした分析は、処理ヘッドの状態に関するデータを提供してもよい。
【００９６】
好ましい実施形態において、加熱及び加圧処理は同時に実施される。好ましくは、加圧処理は間欠的である。好ましい実施形態において、加圧処理はピーニングである。
幾つかの実施形態において、処理ヘッドは、レーザクラッディンング及びホットローリング等の２つのプロセスを同時に実施するために最適化されるように配設されてもよい。他の実施形態において、処理ヘッドは、レーザ堆積（又は、他の形態の溶接、コールドスプレー、指向性エネルギー堆積等）及びピーニングを同時に実施するように配設される。好ましくは、ピーニング用ピンを有するヘッドの一部分は、堆積された材料が熱い間に処理されるように、被加工物上への材料の堆積に追従するように配設される。他の実施形態において、レーザ堆積ヘッドは、ローラを有する部分を組込んでもよい。
【００９７】
好ましくは、ドッキングマニホールドは、処理ヘッドを供給ユニットに接続し、パワー及び媒体を処理ヘッドに供給するように配設される。
レーザクラッディンング及びホットローリングが同時に実施される実施形態において、ドッキングマニホールドは、好ましくは、処理ヘッドを供給ユニットに接続して、レーザクラッディンング用のパワー及びホットローリング動作においてローラを冷却する冷却流体を供給するように配設される。ドッキングマニホールドは、同様に、媒体を処理ヘッドに供給するように配設されてもよい。
【００９８】
特に好ましい実施形態において、方法は、ピーニングによる被加工物の表面処理を含む。層内の応力を減少させるため、被加工物の層又は層の一部上の局所領域に圧力を印加することが望ましい。幾つかの場合には、材料の層が熱的に堆積されると、急速冷却が、引張り応力下に材料の層をもたらす可能性がある。層の一部又は全てに圧力を印加することによって引張り応力を減少させる又はなくすことが望ましい。これは、ピーニング又はマイクロピーニングと呼ばれ得る。それは、徐々に行われて、残留応力を有する領域の、部分的な、全体的な、又は反復の範囲を達成し得る。
【００９９】
幾つかの実施形態において、ピーニングは、堆積ラインに追従するよう、処理ヘッドを連動させることによって達成されてもよい。好ましい実施形態において、ヘッドは、１つ又は複数のピーニングピンをアクティブ化して、処理ヘッドによって処置された領域の跡を追って圧力を付加するように配設されてもよい。処理は、レーザ等の手段によってもよい。望ましくは、複数のピンがアクティブ化され得る。好ましい実施形態において、ピンのアクティブ化は、レーザパルス周波数に対して反循環的であるように配設される。他の実施形態において、エネルギー源は、アーク、電子ビーム、マイクロ波、誘導加熱器、又は他の同様なエネルギー源であってよい。これらの応力低減技法は、薄肉でかつ対称的である構築パターン（所望の最終幾何形状がそれに従う）を使用すること等の、均衡のとれた形で応力を分散させる構築方策を選択することによって強化されることができる。部品は、同様に、層が、平面ではなく、実質的に球−本質的に小さなコアの周りで始まる−であり、層が（真珠が球状層によって層を成長させる方法と同様に）外側に成長するシードを真似て構築されてもよい。
【０１００】
幾つかの実施形態において、媒体が被加工物に供給され、エネルギー源が被加工物にエネルギーを印加する処理ヘッドが提供されてもよい。好ましい実施形態において、処理ヘッドは、エネルギーが被加工物に向けられる方向を制御するように配設されてもよい。
【０１０１】
好ましい実施形態において、エネルギー源及び媒体フィードは、処理ヘッド上の受取りマニホールドによって処理ヘッドに接続されてもよい。受取りマニホールドは、処理ヘッドを搬送するキャリッジ上の供給マニホールドに接続するように配設されてもよい。媒体フィードは、好ましくは実質的に、電極に平行である。こうした配置構成は自動化を促進する。
【０１０２】
望ましくは、エネルギー源は、溶接プールを作成するように配設される。好ましくは、エネルギー源は、処理ヘッドと被加工物との間のアークである。代替的に、プラズマ「窓（ｗｉｎｄｏｗ）」を通過する電子ビームが、同様に使用可能であってよい。好ましくは、媒体は、溶接プール内に直接給送される。処理ヘッドが被加工物に向かうエネルギーの方向を制御するように配設された手段を備え、また、好ましい実施形態において、処理ヘッドが電磁場を生成する手段を備えることが望ましい。望ましくは、電磁場は、媒体フィードに対する溶接プールの位置が制御され得るように制御されてもよい。無指向性の材料堆積中に堆積済み材料の特性の変動を最小にするため、スピンドル中心ライン上での材料の同軸フィードを可能にし、効果的に同じ同軸ライン上になるよう溶接プールを位置決めすることが望ましい。
【０１０３】
幾つかの実施形態において、自動化手段が設けられて、ワークステーション上に被加工物を設置してもよい。好ましくは、自動化手段はピックアンドプレースグリッパを備えてもよい。こうしたグリッパは、ワークプラットフォーム上で第１の位置から第２の位置に被加工物を移動させてもよい、又は、作業領域に入るまたそこから出るように被加工物を移動させてもよい。好ましい実施形態において、グリッパは、部品作成時に部品に埋め込むため、電気的対象を含む対象を選択し設置する。幾つかの場合に、コンポーネントのマガジンは、図４０及び４１に示すピックアンドプレースヘッドに一体にされてもよい。作業領域は、チャンバであってよい、又は、ワークプラットフォームであってよい。
【０１０４】
本発明の別の態様によれば、被加工物を処理するステップを実施するように配設されたマシンツールが提供され、被加工物を処理するステップは、
ｉ）第１の堆積特性を有してもよい第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）加圧処理によって作成される物品を処理すること
を含む。
【０１０５】
本発明の更なる態様によれば、付加製造によって作成される被加工物の少なくとも一部分に圧力を印加するように配設された処理ヘッドが提供される。
本発明の別の態様によれば、物品を作成する方法が提供され、方法は、被加工物を処理する以下のステップのうちの少なくとも１つのステップを含み、以下のステップは、
ｉ）第１の堆積特性を有してもよい第１の処理ヘッドを使用することであって、それにより、特性の第１のセットを有する材料を載置する、
ｉｉ）加圧処理によって作成される物品を処理すること
を含む。
【０１０６】
幾つかの好ましい実施形態において、加圧処理は間欠的である。好ましくは、加圧処理は、堆積済み材料の表面上での１つ又は複数の衝撃による。移動は、機械的であってよい、又は、超音波的であってよい。機械的移動は、マシンツール又は処理ヘッドによって生成されてもよい。移動は、ヘッド内のピンの作動によって生成されてもよい。ピンの作動は、同時であってよい、又は、シーケンシャルであってよい。好ましくは、冷却流体が、ピンを冷たく維持するために処理ヘッドに供給される。
【０１０７】
好ましくは、ヘッドは、１つ又は複数のローラ、少なくとも１つのローラのアレイ、１つ又は複数のノッチ付きローラを備えてもよい。他の実施形態において、ヘッドは、１つのピン、チゼル、又はハンマー、或いは、複数のピン、チゼル、又はハンマーを備えてもよい。パワー供給部は、好ましくは、処理ヘッドに接続される。幾つかの実施形態において、マイクロピーニングは、機械的移動の使用によって実施される。移動は、マシンツールにおいて生成されてもよい。好ましくは、機械的移動は、処理ヘッドにおいて生成される。代替的に、移動は、超音波的に生成されてもよい。特に好ましい実施形態において、処理ヘッドは、ピンのアレイを備える。アレイの構成は、応力逃しされる被加工物の幾何形状を考慮して選択されてもよい。処理ヘッドのシーケンスは、特定の幾何形状に適合するように選択されてもよい。これは、オペレータの経験に基づいてオペレータによって、又は、好ましくはＣＡＭソフトウェア内のアルゴリズムによって行われてもよい。
【０１０８】
コントローラは、処理ヘッドを選択して、被加工物を分析し、分析からのデータを使用して、更なる処理ヘッドを選択してもよい。
本発明の別の態様によれば、処理ヘッドが提供され、処理ヘッドは、開口を密封するオープン可能な閉鎖部を有する受取りマニホールド、及び、オープン位置とクローズ位置との間で閉鎖部を移動させるように配設されたアクチュエータを有する。
【０１０９】
好ましくは、受取りマニホールは、供給マニホールドに接続されると、閉鎖部をオープンするように配設される。望ましくは、配置構成は、処理ヘッドの内部が、一般的な環境に晒されないようなものである。
【０１１０】
好ましい実施形態において、処理ヘッドの内部はレーザ経路を含み、レーザ経路は、ドッキング／ドッキング解除プロセスにおいて環境的汚染に晒されない。処理ヘッドがドッキングされ、ヘッドが供給マニホールドに確実に接続されると、レーザ経路に対するパワー供給部が接続され得る。パワー供給部はレーザビームであってよい。
【０１１１】
好ましくは、供給マニホールドは、同様に、第２のオープン可能な閉鎖部を備え、第２のアクチュエータが、オープン位置とクローズ位置との間で第２の閉鎖部を移動させるように配設される。第１及び第２の閉鎖部は、供給マニホールドから処理ヘッドへの接続を可能にするため、共にオープン可能であるように配設されてもよい。
【０１１２】
上述したように、処理ヘッドは、清浄な環境において格納され使用されてもよく、また、ヘッドの内部及び外部の保護は、既存のヘッド及び既存のヘッドを使用する環境に勝る有意の利点を提供した。処理ヘッドと供給マニホールドとの間に清浄な接続を備えることが、ヘッドが既存のＣＮＣマシンと共に使用されるときに有意の利点を提供することが認識されるであろう。
【０１１３】
幾つかの実施形態において、受取りマニホールドは、処理ヘッド内に設けられてもよく、また、本発明の態様に従って、マシン内で供給マニホールドとドッキングするように配設されてもよい。好ましくは、受取りマニホールドは、処理ヘッドが、既述のマシン内でそれに係合するキャリッジに接続するように配設される。従来のマシンにおいて、受取りマニホールドは、マシン上に設けられる供給マニホールドに接続するように配設されてもよい。受取りマニホールドは、供給マニホールドとの接続が行われ得るオープン位置、及び、受取りマニホールド内の接続が汚染から保護されるクローズ位置を有してもよい。
【０１１４】
開口は、処理ヘッドの側面に設けられ、供給マニホールド上の対応する側面取付け式開口に接続するように配設されてもよい。代替的に、排他的ではないが特にマシンに関連して上述したように、受取りマニホールドは、処理ヘッドの上側面に設けられてもよい。幾つかの実施形態において、マニホールドは、後退位置から接続位置まで可動であってよい。後退可能マニホールドは、幾つかの好ましい場合に、処理ヘッドの側面に設けられてもよい。
【０１１５】
本発明の任意の１つの態様及び／又は実施形態に関して述べる特徴が、本発明の任意の他の態様／実施形態に対して、必要な変更を加えて使用されてもよいことを当業者は認識するであろう。
【０１１６】
本発明は、ここで、添付図面を参照して単に例として更に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明によるマシンの部分断面及び斜視図である。
【図２】図１のマシンを通る断面図である。
【図３】図２の断面に直角のマシンの断面図である。
【図４】図３の断面の異なる図である。
【図５】マシンの汚れた側を通る断面図である。
【図６】従来技術の処理ヘッドの図である。
【図７】マシンにおいて使用するための処理ヘッドの図である。
【図８】格納用のクローズ位置とオープン位置にあるヘッドを示す図７の処理ヘッドの詳細図である。
【図９】グリップアンドプレース処理ヘッドの例を示す図である。
【図１０】図１０ａ及び１０ｂ（従来技術）は、付加プロセスから作製される物品を仕上げるために、材料除去がどのように使用されるかを示す図である。
【図１１】図１１ａ及び１１ｂ（従来技術）は、物品を作製するときに層厚を変える効果を示す図である。
【図１２】例示的なマシンツールを示す図である。
【図１３】（従来技術）マシンツールヘッドを貫通する断面を概略的に示す図である。
【図１４】種々の異なるマシンツールヘッドを示す図である。
【図１５】関連する空間的出力及びパワー出力を有する種々の異なるマシンツールヘッドを示す図である。
【図１６】一実施形態を概説するフローチャートを示す図である。
【図１７】図１７ａ〜１７ｃは、図１６で述べる方法の結果を示す図である。
【図１８】異なる所望の仕上げを有する、図１６のフローチャートを使用する更なる例の結果を示す図である。
【図１９】被加工物の内部特徴を処理するために使用される一実施形態を示す図である。
【図２０】図２０ａ及び２０ｂは、支持材料を使用する一実施形態を示す図である。
【図２１】支持材料を使用する更なる実施形態を示す図である。
【図２２】処理ヘッドの更なる例を示す図である。
【図２３】被加工物を処理ヘッドに結合するため材料が使用される更なる実施形態を示す図である。
【図２４】図２３に関して概説した方法を使用するための処理ヘッドを通る断面図である。
【図２５】図２５ａ〜２５ｅは、選択され得るパワー分布の例を示す図である。
【図２６】図２６ａ〜２６ｅは、達成され得る空間的パワー出力を示す図である。
【図２７】チゼル先端を有する処理ヘッドを示す図である。
【図２８】ピーニング用の単一ピン先端を有する処理ヘッドを示す図である。
【図２９】図２９ａ〜２９ｄは、ピーニング用の代替のピン先端を示す図である。
【図３０】図３０ａ〜３０ｅは、ピーニングに適するローラ先端の選択を示す図である。
【図３１】垂直及び水平ローラを有する先端を有する処理ヘッドを示す図である。
【図３２】図３１のヘッドの側面図である。
【図３３】レーザ処理及びローリングの組合せを有する処理ヘッドの変形を示す図である。
【図３４】レーザ堆積及びピーニング先端の組合せを有する処理ヘッドの変形を示す図である。
【図３５】図３４の処理ヘッドの変形を示す図である。
【図３６】代替のピーニングヘッドを示す図である。
【図３７】従来技術の堆積ヘッドの図である。
【図３８】改良型堆積ヘッドの図である。
【図３９】達成される溶融プールの移動を示す図である。
【図４０】幾つかのコンポーネントを供給するように配設された処理ヘッドの図であり、コンポーネントはドックを通して補充される。
【図４１】図４０のヘッドと同様の処理ヘッドの図であり、コンポーネントは、処理ヘッド内のリザーバに格納される。
【図４２】オープン位置とクローズ位置との間で可動な閉鎖部を有する側面開口を有する処理ヘッドの斜視図である。
【図４３】図４２の処理ヘッドの側面図である。
【図４４】材料を付加し、圧力を印加するための処理ヘッドの略断面図である。
【図４５】代替のヘッドの略断面図である。
【図４６】ドッキング式レーザ処理ヘッドの略図である。
【図４７】レーザビーム送出を有する処理ヘッド並びにフィードバック及びモニタリング用のセンサの側面図である。
【図４８】複数のカメラを含むための、図４７のヘッドの修正の略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１８】
図１は、本発明の態様によるマシン１の部分断面及び斜視図を示し、マシンは被加工物２上での材料の除去及び付加を実施するように配設された。被加工物２は、チャンバ４内にあるワークステーション内に位置する。マシンは、被加工物から材料を除去するように配設された第１のデバイス６を有する。第１のデバイスは、第１の支持体１０上を移動するように配設された第１のキャリッジ８を備える。支持体１０は、第１のレール１２及び第２のレール（図示せず）上をｘ方向に摺動できる。キャリッジ８は、支持体１０上をｙ方向に可動である。キャリッジは、支持体１０と被加工物２との間でｚ方向に可動である。
【０１１９】
この実施形態において、ワークステーションは、固定テーブルであるワークプラットフォーム１４を備える。
マシンは、被加工物を処理するように配設された第２のデバイス１６を備える。第２のデバイス１６又は機構は、第２の支持体２０上に取付けられたキャリッジ１８を備える。第２の支持体２０は、同様に、第１のレール１２及び第２のレール上をｘ方向に摺動するように配設される。第２のキャリッジ１８は、第２の支持体２０上をｙ方向に移動するように適合される。
【０１２０】
第１及び第２のツールチェンジャ２２、２４が設けられる。幾つかの第１の処理ヘッドは、第１のツールチェンジャ２２に格納される。第１の処理ヘッドは、被加工物２の材料を、ミリングする、切断する、穿孔する、平削りするように配設されたヘッドである。これらのプロセスは、「汚れている（ｄｉｒｔｙ）」と考えられ、通常、廃棄材料を生成する。これらのプロセス中に、被加工物２を清浄に維持することは重要でない。
【０１２１】
マシン１は、使用時に、第１のキャリッジ８が第１のツールチェンジャ２２に隣接して移動し、適切な処理ヘッドが選択されるように配設される。処理ヘッドは、ドッキング位置に移動し、キャリッジ８にドッキングする。キャリッジ８は、チャンバ４まで移動し、ｚ方向に移動して、第１の処理ヘッドを、被加工物を処理する位置にもたらす。
【０１２２】
同様に図３において見てわかるように、粉末捕集トレイ２６は、ワークプラットフォーム１４の下でチャンバ４内に設置されて、被加工物２から落ちるどんな廃棄物も捕集する。冷却剤及び廃棄物除去流体は、第１のキャリッジ８内のチャネルによって被加工物に供給される。冷却流体は、マシン１内のダクティングを通してチャンバ４から除去される。チャンバは、ダクティングに接続されたチャネル３０に対して傾斜している床２８を有する。被加工物から落ちる切屑又は他の廃棄材料は、冷却材料と共に、チャネル３０及びダクティングに沿ってチャンバ４から除去され得る。
【０１２３】
第１の処理ヘッドが被加工物２を処理することを終了すると、第１のキャリッジ８は、ｚ方向に移動して、処理ヘッドを被加工物から取外す。第１のキャリッジは、その後、ｙ方向及びｘ方向に移動して、第１のキャリッジ８を第１のツールチェンジャ２２にもたらす。第１の処理ヘッドは、第１のキャリッジから外され、第１のツールチェンジャの中へ移動される。第１のキャリッジが使用中である間、第２のキャリッジは非動作位置にある。
【０１２４】
好ましくは、第１のデバイス６は、複数の相互交換可能な処理ヘッドが使用時に取外し可能に取付けられ得る第１のキャリッジ８を備え、相互交換可能な処理ヘッドは第１のツールチェンジャ２２に格納される。第２のデバイスは、複数の相互交換可能な処理ヘッドが取外し可能に取付けられ得る第２のキャリッジ１８を備え、第２のデバイス用の取外し可能な処理ヘッドは第２のツールチェンジャ２０に格納される。
【０１２５】
望ましくは、各ツールチェンジャは、幾つかの処理ヘッドが中に格納されている。第１のツールチェンジャは、好ましくは、被加工物から材料を除去するように設計された処理ヘッドを格納する。こうしたヘッドは、ミリング、グラインディング、プレイニング、ボーリング、アブレーション、機械加工、及び当技術分野でよく知られている他の材料除去プロセスを実施するように配設されてもよい。機械加工は、レーザ支援型であってよく、処理ヘッドは、同軸レーザ送出又はオフアクシスレーザ送出を利用してもよい。第２のツールチェンジャ２４は第２の処理ヘッド３２を格納する。第２の処理ヘッド３２は、処理及び付加プロセスのために使用され、環境的に清浄な状態に維持されその状態で使用される。
【０１２６】
ここで、マシン１を貫通する断面を示す図２を考えると、被加工物２がチャンバ４内のプラットフォーム１４上に設置されていることが見てわかる。粉末捕集トレイ２６は、再使用するため粉末がそこから抽出され回収され得る粉末再利用抽出フード３４の下で後退位置にある。後退又は回収位置において、粉末捕集トレイは、清浄な側に位置し、抽出フードからのダクト３６は、清浄ツールチェンジャ２４の下に位置する。
【０１２７】
図３はマシンの断面であり、断面は図２の断面に直角である。粉末捕集トレイ２６は、被加工物の下のチャンバ４内の位置に示される。チャンバ４が、床のベース内の抽出チャネル３０につながる傾斜する床２８を備える。粉末捕集トレイ２６がチャンバ内の位置にないとき、被加工物２からの切屑又は他の排気材料は床２８に落ち、下部にあるチャネル３０まで傾斜路を降りる。チャネルから、切屑及び他の廃棄物は、以下に述べるように、抽出ダクト３８によって取除かれ得る。
【０１２８】
この実施形態において、チャンバ４は、気密であるよう密封され得るアクセスドア４０を備える。
チャンバ内の被加工物用のプラットフォーム１４は、２つの軸Ａ及びＢにおいて可動である。プラットフォーム１４が、所望される場合、より多くの軸において移動するように配設されてもよいことが認識されるであろう。
【０１２９】
容易に見てわかるように、マシンは、チャンバに隣接して電気キャビネット４２を有する。電気キャビネット４２は、マシン用の必要な接続及びコントロールを収容する。
ワークステーション又は少なくともワーク保持デバイスが、グラウンドへの別個の経路を有するマシンの残りの部分から電気絶縁されることになることが認識されるであろう。ワークステーションの絶縁は、マシンに対する電気的リスクなしで、熱源としてのアークの使用を可能にする。
【０１３０】
一実施形態において、電気絶縁は、テーブルを有する３軸マシンの場合、可撓性接地ストラップを使用して達成され、可撓性接地ストラップは、可撓性接地ストラップを絶縁するため、可撓性接地ストラップと下にあるマシンキャリッジ（軸）との間にポリマーコンクリート又はセラミックスペーサがある状態で取付けられる。３軸マシンに関する多くの状況において、ワーク保持デバイスだけが絶縁され接地されることで十分である。しかし、５軸マシンはより難しい可能性があり、また、傾斜回転テーブルは、絶縁し接地することが非常に難しい。好ましい実施形態において、ワークプラットフォームは、ワークプラットフォームと下にあるキャリッジとの間のセラミック又はポリマーコンクリート絶縁体によって絶縁される。接地は、全体的に円形又は実質的に円形であるプラットフォーム全体を取囲む炭素ブラシのセットを使用することによって達成され、それにより、プラットフォームは、自由に連続的に回転することができるが、炭素ブラシを通してはるばる接地に至る経路が常に存在する。
【０１３１】
マシンの上側部分上の第１のレール１２を、第１のレールに対向しかつ第１のレールに平行に位置決めされた第２のレール４４と共に見ることができる。各支持体は、第１及び第２のレール上を可動である。容易に見てわかるように、第１のキャリッジ８は、第１の支持体１０に沿ってｙ方向に可動であるように配設される。第１のキャリッジ８は、「汚れた」側にあり、マシンの後部で見ることができる第１のツールチェンジャ２２から第１の処理ヘッドを選択するように配設される。第１及び第２の支持体１０、２０は、第１及び第２のレール１２、４４内に受取られるボールねじ上を摺動してもよい。
【０１３２】
図４は、図３の断面の異なる図であり、被加工物２の上の位置にある第１のキャリッジ８を示す。この場合、第１のキャリッジ８は使用中であり、材料は、被加工物から除去されている。したがって、切屑又は他の廃棄材料が、被加工物２から除去され、チャンバ４内に存在することになると予想される。除去を促進するため、粉末捕集トレイ２６は取外され、被加工物からはがれ床２８に落ちる廃棄材料は、チャネル３０及びダクティング３８によってチャンバ４から除去される。
【０１３３】
図５は、マシンの汚れた側を貫通する断面であり、第１のツールチェンジャ２２及びチャンバ４内のチャネル３０に接続された通路４６を示す。通路４６は、アルキメデスのねじであ得る廃棄材料持上げねじ４８を有する傾斜ダクト３８につながる、又は、他の知られている持上げねじ又は輸送器が使用され得る。廃棄材料持上げねじ４８を動作させるためのモータ５０は、傾斜ダクト３８の上側端に設けられる。廃棄材料は、ダクト３８の上側端まで持上げられると、廃棄材料収集部５２まで搬送される。廃棄材料収集部への搬送は自動化される。
【０１３４】
図示しないが、冷却剤は、ダクト３８を通して、また、切屑持上げねじ４８内に設けられたチャネルによって抽出される。
屋根がマシンの上に設けられるが、明確にするため図示されず、その屋根は、クレーンによるマシン１へのアクセスを可能にし、また同様に、ロボットハンドリングのためのアクセスを可能にするために後方に摺動できるように配設される。
【０１３５】
同様に、ライナが図示されず、ライナは、チャンバ内で使用され、通常、カバー又は２重密封式ベローズを備える。
マシンは、ポリマーコンクリートベース上で構築されて、不当な重量をもたらさずに、安定性及び頑健性を提供してもよい。
【０１３６】
全体的に述べたように、マシンは、既に知られている処理ヘッドと共に使用される可能性があり、こうした処理ヘッドは、付加製造に関連して又はＣＮＣ機械加工に関連して使用されてきたと思われる。こうした処理ヘッドは、ＷＯ／２０１４／０１３２４７並びに出願番号ＧＢ１４１２８４３．３及びＧＢ１４２３４０７．４等の本出願人の先の出願に記載されてきた。
【０１３７】
図６は、従来技術の処理ヘッドである処理ヘッドの略図である。処理ヘッドは、媒体フィード６２、及び、マニホールド６６によって適したマシンに接続される電極６４にエネルギーを送出するエネルギー源６３を有するヘッド６０を備える。マニホールド６６は、処理ヘッド６０と別個であり、マニホールドが、処理ヘッドの移動によってドッキングされ支持されるように仕組むことが必要である。
【０１３８】
図７は、修正されかつ実質的に改善された処理ヘッドである。処理ヘッドは、電極７２にエネルギー７１を送出するように配設されるヘッド７０を備える。電極は、被加工物７３上に溶融プールを作成する。処理ヘッドは、同様に、溶融プールに隣接する被加工物にフィラメント７４の形態の媒体を供給する。エネルギー及び媒体は、供給マニホールド７５から供給され、供給マニホールド７５は、処理ヘッド７０がその上に係合するキャリッジ７６に留められた接続部によってマシンに接続される。処理ヘッド７０は、供給マニホールド７５と連携するように適合する受取りマニホールド７７を有する。受取りマニホールド７７及び供給マニホールド７５は、連携し、キャリッジ７６が処理ヘッド７０を拾い上げると共にドッキングされる。
【０１３９】
処理ヘッド上のマニホールドは、ここで、図８に関してより詳細に述べられる。図８は、図８ａにおいてクローズ位置の受取りマニホールド７７を概略的に示す。この実施形態において、ドア８０は、図８ａに見られるようにクローズ位置まで回転する。この位置において、接続部は汚染から保護される。図８ｂにおいて、ドア８０は、オープン位置で示され、受取りマニホールドの上側表面８１は、供給マニホールド７５を接続するためにアクセス可能である。
【０１４０】
図４６は、レーザ処理ヘッド４６０上のマニホールドを示す。コリメートされたレーザビーム４６２は、全体的に４６４で示すドッキングマニホールドインタフェースを通してレーザ処理ヘッド４６０に供給される。ドッキングインタフェース４６４は、ドッキング運動がツール取付け運動によって達成されることを可能にするように配設され、受取りドッキングマニホールド４６６は、上側表面４６８を有し、上側表面４６８は、全体的に上方に方向付けられ、それにより、処理ヘッドがその上に取付けられるマシン上のスピンドルに処理ヘッドが接触状態になるよう移動すると、受取りドッキングマニホールド４６６の上側表面は供給ドッキングマニホールド４７２の下部表面と接触状態になる。コリメートされたレーザビーム４６２は、レーザ処理ヘッドによって下方に方向付けられ、全体的に４７４で示す被加工物に印加される。
【０１４１】
代替のマニホールドは、図４２及び４３を参照して以下で述べられる。
図９は、幾つかのピックアンドプレースグラバを示す。これらのエンドツールは、処理ヘッドに固定される可能性があり、また、被加工物上に材料を設置する、被加工物から一部分を除去する、コンポーネントを付加又は移動させる、処理ステップの間で利用される可能性がある。エンドツールは、構築プロセスの途中で被加工物にコンポーネントを付加するのに特に有用である場合がある。エンドツールは、構築プロセスの自動化を増やし、行われなければならない要員の介入の回数を減らすときに特に有用である。改善された自動化は、同様に、清浄な環境が維持され改善されることを可能にする。
【０１４２】
ピックアンドプレースグラバは、被加工物に適用され得るコンポーネントのマガジンを有するヘッドとの組合せについて特に適する。それは、センサ又はチップであり、センサ又はチップは、図４０及び４１に示すように、マガジンによって分配され、適したピックアンドプレースグラバによって被加工物上の又は被加工物内の所定の位置に設置され得る。
【０１４３】
図１０ａ及び１０ｂは、材料除去技法と組合せた付加製造（ＡＭ）を使用して作製される物品１００の一部分を示す。特に、図１０ａは、プロセスが一連の層を使用して作製するＡＭの場合のように、一連の層として物品１００を構築することから得られる段付き表面１０２を示す。物品の意図される最終表面は、段１０２の内側角を接続する段付ライン１０４として図１０ａにおいて見られる。そのため、その意図する表面１０４を作成するため、その後、その意図する表面１０４を超えて延在する材料を物品１００から除去する必要がある。
【０１４４】
図１０ｂは、この実施形態において、コンピュータ数値制御式（ＣＮＣ）マシンヘッド１０６を使用するプロセスであって、それにより、材料１０８を除去して、意図される仕上がり表面を提供する、プロセスを示す。
【０１４５】
材料がＡＭで使用される堆積ステップに従わない物品又は物品の少なくとも所定の部分を生成することが、同様に可能であり、これの簡潔な議論が、図１１を参照して次に続く。本明細書における物品に対する参照は、物品全体だけでなく、物品の一部分も意味すると解釈されるべきである。
【０１４６】
図１１は、ＡＭプロセスの単一パスにおいて載置される深さが増加すると、仕上がり表面の粗さが増加するが、物品が作製される速度は、より多くの材料が単一パスにおいて載置されるため、通常増加することを示す。そのため、図１１ａにおいて、物品２０２の意図する表面２００が、ＡＭプロセスの各パスにおいて少ない材料が載置された図１１ｂに示す物品２０６の意図する表面２０４と比較すると、内部により大きな段を有することが見てわかる。したがって、従来技術において、後処理の材料除去が使用されない限り、各パスにおいてより多くの材料を載置することによって物品を迅速に作製するかどうか、又は、改善された表面仕上げが必要とされるかどうかについての選択が行われ、それにより、物品が作製され得る速度を減少させる。
【０１４７】
使用される段サイズ（すなわち、ＡＭプロセスの各パスにおいて載置される材料の量）によらず、図１０に関して述べる仕上がり表面を提供するため材料を除去することが可能であることになることを当業者は認識するであろう。しかし、材料またしたがって廃棄物の量及び材料除去を行うために必要とされる時間は、物品又は物品の一部を作製するために使用される段サイズ（すなわち、ＡＭプロセスの各パスにおいて載置される材料の量）によって決定されることになる。
【０１４８】
図１２は、マシンツール３００を概略的に示し、マシンツール３００は、通常、マシンツール３００の締結機構内に保持され、ワーク体積内に保持された被加工物３０４（図１０の物品１００等）を処理するように配設された処理ヘッド３０２を備える。通常、被加工物３０４は、バイス等のような更なる締結機構によってワーク体積内に保持される。更に、マシンツール３００は、通常、コントローラ３０６（コンピュータと考えられてもよい）によって制御され、コントローラ３０６は、処理ヘッド３０２が被加工物３０４を処理するときに処理ヘッド３０２の位置を制御する。
【０１４９】
ほとんどのマシンツール３００は、正しい処理ヘッド３０２が目の前の作業のために提供されるために、処理ヘッド３０２が他の処理ヘッド３０２と相互交換されるように配設される。ミリングマシンの例を示すと、第１の処理ヘッドは、大まかな材料除去のために提供されてもよく、一方、第２の処理ヘッドは、細かい材料除去のために提供されてもよい。ミリング等の材料除去の場合、処理ヘッドは、しばしば、機械加工ヘッド又はミリングカッタと呼ばれてもよい。
【０１５０】
したがって、マシンツール３００は、ツールチェンジャ３０８を有し、ツールチェンジャ３０８は、通常、コントローラ３０６の制御下にあり、被加工物３０４を処理するため、マシンツール１００によって使用される処理ヘッド３０２を自動的に交換する。通常、ツールチェンジャは、同様に、コントローラ３０６の制御下にある。示す図において、４つの更なる処理ヘッド（機械加工ヘッドであってよい）３１０、３１２、３１４、３１６が、マシンツール３００内に既にある処理ヘッド３０２に加えて、格納場所３０８内に示される。
【０１５１】
図１３は、処理ヘッド４００を示し、処理ヘッド４００は、マシンツール１００の締結機構４０２を使用してマシンツール１００に接続し、また、処理ヘッド３０８の格納部（すなわち、ツールチェンジャ）に格納され、そのツールチェンジャによってマシンツール１００に自動的に接続される。ここで、処理ヘッド３０８は、マシンツール１００によって現在のところ使用されていない処理ヘッド、機械加工ヘッド等のための格納場所を提供してもよい。本明細書の議論は、締結機構４０２を参照し、締結機構４０２がその中に接続するスピンドルがマシンツール１００の一部であると仮定される。
【０１５２】
述べる実施形態において、処理ヘッド４００は、レーザビーム４０６を被加工物３０４上に収束させるように配設される。他の実施形態において、他のエネルギー源がレーザの代わりに利用されてもよい。そのため、処理ヘッドは、コントローラ３０６の制御下で、収束されたレーザビーム４０６（又は他のエネルギー源）によって被加工物３０４を処理するように配設される。
【０１５３】
図１３において、処理ヘッド４００を貫通する断面が示され、ミラー４０８等の反射体が、収束済みレーザビーム４０６を生成するため、収束レンズ４１２に入射するよう、到来するレーザビーム４１０を９０°移動させるように配設されることが見てわかる。
【０１５４】
レーザビーム及び光学コンポーネントに加えて、処理ヘッド４００は、同様に、媒体を送出する１つ又は複数のダクトを含む。例として、媒体は、エネルギー源によって溶融するように配設される輸送流体内にポリマー、セラミック、及び／又は金属粉末を含んでもよい。処理は、媒体が、処理ヘッドを通して送出され、媒体が被加工物３０４に達する前に媒体が溶融又は少なくとも半溶融になるようにエネルギー源の中に流されるように配設される。したがって、処理ヘッドは、被加工物上に材料を堆積させるために使用され、例えば部品を修理するために使用されてもよい堆積システムを提供し得る。そのため、処理ヘッドは、付加製造プロセスにおいて利用されてもよい。
【０１５５】
マシンツール（スピンドルを含む）及び締結機構４０２は、図１３の波線ＸＸで示す縦軸を有する。機械加工ヘッド（ミリングカッタ等）が締結機構４０２内に存在すると仮定すると、機械加工ヘッドは軸ＸＸの周りに回転することになる。好都合には、述べる実施形態においてレーザビーム４０６であるエネルギー源は、被加工物３０４の表面上で実質的に軸ＸＸ上に存在するポイント、エリア等に収束される。
【０１５６】
他の実施形態において、収束レンズ４１２は、実際には、基材を予熱する（また、図１４のＤの処理ヘッド３１６によって示す）場合、被加工物を熱処置する場合、又は、或るタイプの熱スプレー等において、そうであるように、発散ビームをもたらすように配設されてもよい。
【０１５７】
図面には示さないが、本発明の幾つかの実施形態は、軸ＸＸに沿ってマシンツールのスピンドルを通して、すなわち、図１１に示す領域４０７からエネルギー源を送信するように配設されてもよい。こうした実施形態において、供給ユニットは、処理ヘッド４００に媒体を供給することになる。
【０１５８】
他の実施形態において、エネルギー源が領域４０７から又は他の所から提供されるかどうかによらず、軸ＸＸからオフセットした位置から堆積することが好ましい。
処理ヘッド４００及び締結機構４０２に隣接して、種々のコンポーネントが収容されるハウジングを提供する供給ユニット４１４が設けられる。処理ヘッド４００は処理ヘッドドッキングマニホールド４０１を備え、供給ユニット４１４は供給ドッキングマニホールドを備え、両方のマニホールドは、互いに嵌合して、図１３に示す状態で供給ユニット４１４を処理ヘッド４００に接続するように配設される。
【０１５９】
供給ユニット４１４の上部に、述べる実施形態においてレーザであるエネルギー源４１６が設けられる。レーザ４１６はビームを生成し、ビームは、供給ユニット４１４内に送信され、第１及び第２のレンズ４１８、４２０をそれぞれ備えるビームエキスパンダ４１７を通過する。ビームエキスパンダ４１７が利用されて、レーザビームの径を増加させ、それにより、被加工物３０４上でよりよい最終焦点を達成し、光学部品に対する熱負荷を減少させる。
【０１６０】
供給ユニット４１４は、同様に、レーザからの光ビームを、処理ヘッド４００及び処理ヘッド４００内の反射体４０８に向かって９０°に反射させるように配設された更なる反射体４２２を備える。参照されるように、ビームは、可変光学部品又は固定光学部品或いはこれらの光学部品の組合せ又はアレイの使用によって制御されてもよい。レーザビームの空間分布の例は、図２６ａ〜２６ｅに示される。レーザビームのパワー分布は、同様に変動する場合があり、例は図２５ａ〜２５ｅに示される。
【０１６１】
供給ユニット４１４は、同様に、種々の媒体の供給部４２４を備える。供給部４２４は、供給ユニット４１４が処理ヘッド４００に接続されると、マニホールドを通して処理ヘッド４００に接続する。媒体が、供給ユニットの供給マニホールドとドッキングすることによって供給されてもよいことが認識されるであろう。代替的に、媒体は、処理ヘッド内の内部リザーバ又はカートリッジから供給され得る。
【０１６２】
幾つかの実施形態において、媒体は、適した粉末であってよく、また、ポート又は環状供給ラインを通して処理ヘッドの側から供給されてもよい。被加工物への媒体の供給は、側面フィードによる、又は好ましくは、同軸に方向付けられたポート又は同軸環状アウトレットによってもよい。
【０１６３】
代替的に、媒体は、金属ワイヤ又はポリマーフィラメントの形態で提供されてもよく、また、供給ユニットから供給されてもよい。ワイヤは、被加工物に同軸にガイドに沿って給送されてもよく、又は、処理ヘッドから被加工物に複数のフィードで提供されてもよい。
【０１６４】
幾つかの場合には、媒体は、流体であってよく、また、被加工物の不活性シールディング又は成型のために使用されるガスであってよい。ガスは、供給ユニットから処理ヘッドに供給されてもよい。液体流体は、以下でより詳細に述べるように、処理ヘッドの冷却のために使用されてもよい。液体は、同様に、超音波洗浄、アブレーション、又は検査のため、処理ヘッドを被加工物に結合するために使用されてもよい。幾つかの他の実施形態において、液体は、被加工物のレーザショックピーニングで使用されるエネルギーパルスの閉じ込め用の媒体として使用されてもよい。
【０１６５】
被工作物３０４の周りの領域４２６が、通常、マシンツールの作業領域（又は体積）と呼ばれることを当業者は認識するであろう。
図２５は、述べる実施形態において、ツールチェンジャ３０８内に保持される種々の処理ヘッド３１０〜３１６を示す。この実施形態を示すために選択された特定のヘッドが例に過ぎず、他の実施形態が、他の処理ヘッド及び／又は機械加工ヘッドをおそらく利用することになることを当業者は認識するであろう。
【０１６６】
そのため、図１２の実施形態は、ハイブリッド法において使用されてもよい。ハイブリッド法は、ＡＭが実施されると共に、材料除去、検査等が実施されることを可能にする自動システムとしてツールチェンジャを使用する。こうしたハイブリッド法は、人間オペレータ、ロボット、又は他の自動解決策によってこれまで行われた技術間の被工作物３０４の移送に通常関連するコスト及び複雑さを低減する。複数の付加技術、減算技術、及び検査技術を含む、ここで混合され配備され得る技術のタイプに対して固有の制限は全く存在しない。
【０１６７】
ツールチェンジャ３０８の使用は、種々のレーザ処理ヘッド−それぞれが（図１３に示すヘッドに関連して示す）特定の作業について最適化された光学部品、パワー焦点、及びシールド用ガスを有する−の好都合な切替えを可能にする。或る選考された異なるヘッドを使用することは、単一処理ヘッドを使用して通常達成されるのに比べて広い範囲の有効な動作を開拓する。他の実施形態は、レーザ以外のエネルギー源を使用する、又は、レーザベースの処理ヘッドを使用する処理ヘッドを使用し、本明細書で述べる以外の機能を提供してもよい。
【０１６８】
図１４は、述べる実施形態の処理ヘッド３１０〜３１６をより詳細に示す。他の実施形態は、もちろん、他のヘッドを使用してもよい。第１のヘッド３１０は、従来の同軸レーザクラッディングヘッドである。第２のヘッド３１２は、ハイパワーマルチモードレーザのためにレーザ焦点内でパワー分布を最適化するための光学部品を有するレーザクラッディングヘッドである。第３のヘッド３１４は、最適化されたプロファイル及び高い圧力／速度不活性アシストガスを有するレーザカッティングヘッドである。第４のヘッド３１６は、洗浄するため（冷却剤残留物の除去のためを含む）、予熱するため、アニールするため、熱処置するため等のために使用される平行な又は発散性の焦点ヘッドを有する。ヘッド３１０〜３１６のこのセットを使用すると、述べる実施形態は、被加工物３０４を種々の方法で処理できる。例えば、タービンブレードの修理／修復において、クラッディング中に覆われたいずれの穴も、マシンツール１００によって使用される処理ヘッド３１０〜３１６を交換することによって、同じセットアップでレーザドリリングによって再びオープンされ得る。
【０１６９】
図１５は、選択され得る、処理ヘッド並びに幾つかの代替の空間分布及び関連するパワー出力を詳細に示す。空間出力は、レーザ処理ヘッド内の光学部品を選択することによって制御されてもよい。光学部品は可変又は固定であってよい。可変光学部品は、フリーフォームミラー、ガルバノメータ（複数可）、及びデジタルミラーデバイスから選択され得る。
【０１７０】
これは、ハイブリッド化が現行のツールの柔軟性をどのように増加させるかの例である。レーザ処理をマシン内検査と組合せることは、システム内でインプロセス品質保証の別の層を構築し、それが、実際には、部品が単に高価なスクラップになる前に（材料の検出、除去、及び再付加によって）生じる問題を正す可能性がある。
【０１７１】
レーザ処理と検査を組合せる処理ヘッドは、図４７及び４８に示される。図４７は、図１３を参照して述べたレーザ処理ヘッドに対応するレーザ処理ヘッドを示す。この実施形態において、処理ヘッド４７００は、カメラ又はセンサ４７０２の形態の第２の処理機能を備える。溶融プールを観察するため位置決めされるカメラの使用は当技術分野で知られているが、ドッキング可能なマニホールドを通して１つ又は複数の堆積ヘッドを増強するためワーク領域にカメラを導入する能力は、導入に適しているヘッドを通してモニターし、カメラが使用中でないときに作業領域からカメラを安全に取外す能力を提供する。カメラ４７０２は、レーザビーム４７０４用のフィードに隣接して設けられる。レーザビーム４７０４は、レーザビームエネルギーをスピンドルの軸に向かって方向付ける部分反射体４７０６に方向付けられる。部分反射体４７０６は、反射体を通して同軸観察を可能にする。
【０１７２】
第２の反射体４７０８が設けられ、第２の反射体４７０８は、レーザビーム送出においてカメラに同軸見通し線を可能にする。カメラは、インプロセスフィードバック及び被加工物のモニタリングを提供するように設計され、また、レーザ処理ヘッドの機能に関してインプロセスフィードバックを提供するように適合され得る。
【０１７３】
カメラが、部分反射体に対する直接見通し線を有するカメラを取付けることによって、第２の反射体を使用することなく取付けられ得ることが認識されるであろう。任意選択で、複数のカメラが使用されて、異なるスペクトルをモニターしてもよい。図４８に概略的に示すように、被加工物又はヘッドからの他のデータをモニターするため、ヘッド上に代替のセンサを取付けることが簡単であることが認識されるであろう。第１のカメラ４７０２は、レーザビームフィードに隣接して取付けられ、反射体４７０８及び部分反射体４７０６によってレーザビームに対して同軸見通し線を有する。第２のカメラ４７１０は、第１のカメラ４７０２に隣接して取付けられる。第２の反射体４７１２は、レーザビームフィードに対して第２のカメラから同軸見通し線を提供する。
【０１７４】
本発明の幾つかの実施形態は、おそらくは、各材料について異なる処理ヘッドを提供することによって、被加工物３０４上に不同の材料を堆積させるように配設されてもよい。
そのため、述べる実施形態がどのように使用されるかの一例が、図１６のフローチャートに関して述べられる。
【０１７５】
第１のステップ６００として、マシンツール３００は、ツールチェンジャ３０８から第１の処理ヘッド３１２（レーザクラッディングヘッド）を選択するように配設される。このヘッドは、図１３で述べたヘッドと同様であり、被加工物３０４上に材料（この場合、金属）を堆積させるように配設される。
【０１７６】
コントローラ３０６は、当技術分野で知られているように、所望の物品を作製するため材料を堆積する（ステップ６０２）よう、マシンツール３００及び処理ヘッド３１２を制御するようにプログラムされる。本明細書で述べる技法が、物品全体を作成するために、又は、既存の物品を修正するために適することになることを当業者は認識するであろう。既存の物品を修正は、その物品の修理を含むことになる。
【０１７７】
先の図１０及び１１に関して述べたように、処理ヘッド３１２によって堆積された材料は、層で構築され、それが、被加工物３０６の外側表面上に明らかな段をもたらす。こうした段は、同様に、任意の内側表面上に生成することになる。
【０１７８】
したがって、プログラムの所定のポイントがコントローラ３０６によって実行されると、マシンツールは、処理ヘッド３１２を元のツールチェンジャ３０８内にドッキングさせるように配設される（ステップ６０４）。所定のポイントがプログラムによって決定されることになることを当業者は認識するであろう。幾つかの実施形態において、所定のポイントは、作製される物品用の材料の大部分が堆積されたときであってよい。他の実施形態において、物品用の材料の堆積は、反復的な方法で行われてもよい。すなわち、一部の材料が堆積され、処理ヘッドが変更され、他の処理が実施され、堆積ヘッドが戻され、更なる材料が堆積される。こうしたプロセスフローは、図１９に関連して述べられる。
【０１７９】
コントローラ３０６は、その後、マシンツールに、第２の処理ヘッドを選択させる（ステップ６０６）。第２の処理ヘッドは、この例では処理ヘッド３１０である。図１４を見ると、レーザビームが処理ヘッド３１０からその上に収束される領域が、処理ヘッド３１２用の領域より小さいことが見てわかる。したがって、処理ヘッド３１０は、処理ヘッド３１２と比較すると、より少ない量で材料を堆積することになる。そのため、処理ヘッド３１０は、その後、より微小な量で材料を堆積するように制御されてもよい（ステップ６０８）。
【０１８０】
コントローラは、格納場所に処理ヘッドのパラメータに関する情報を格納するように配設されるデータ格納コンポーネントを有し、所望の物品に基づいて適したヘッドを選択するように配設される。
【０１８１】
更に、コントローラは、被加工物を検査又は分析するように適合される処理ヘッドを選択し得る。コントローラは、ヘッドの分析によるデータに応じて、更なる処理のための適した処理ヘッドを選択するように配設される。
【０１８２】
図１７は、ヘッド３１２によって堆積される層７００ａ〜７００ｄが、ヘッド３１０によって堆積される層７０２ａ〜７０２ｃよりどれほど厚さが大きかを示す。例えば、プロセスステップ６０２は、層７００を堆積するために使用されており、プロセスステップ６０４は、層７０２を堆積するために使用されている。図１６が、処理ヘッドの１回の変更だけを示すが、他の実施形態が、被工作物を加工するため、複数回の処理ヘッド変更を行ってもよいことを当業者は認識するであろう。選択されるそれぞれのシーケンシャルな処理ヘッドは、ヘッドの検査又は分析による情報を使用して、また、作成される被加工物に応じて、コントローラによって制御され得る。
【０１８３】
しかし、作製される段状特質の表面部品７０４（すなわち、被加工物）を埋めるためにヘッド３１０が使用されたことが同様に見てわかるであろう。そのため、部品の表面は、所望の表面７０６に対するより近い近似になり、ステップ６０６で使用される第２の処理ヘッドは、作成される物品の所望の物品に対する忠実度を改善するために使用されており、それにより、物品の表面仕上げについての必要性を取除く又は少なくとも減少させる。更なるヘッドの特性に応じて、意図する表面に対してより高い忠実度が、図１７ｂ及び１７ｃに示すように達成されてもよい。
【０１８４】
図１７ｂは、更なる処理についての必要性なしで、最終の所望の表面７０６が実質的に達成されるのに十分な解決策により材料７１０ａ〜７１０ｅが堆積されることを、第２の処理ヘッドが可能にする実施形態を示す。
【０１８５】
図１７ｃは、液体が第２の処理ヘッドによって堆積されており、（固化する前の）その液体内での表面張力によって、堆積済みでかつ固化済みの材料７１２ａ〜７１２ｅは、所望７０６の最終表面をわずかに超えて延在する凸状表面を形成する。
【０１８６】
処理ヘッド３１０が、層７０２ａ〜７０２ｃ；７１０ａ〜７１０ｅ；７１２ａ〜７１２ｅ内により少ない量の材料を堆積させるために使用されると、表面は、許容可能な表面仕上げを有する場合がある。これが事実でない場合、更なる処理及び／又は機械加工ヘッドが使用されて、被加工物を更に加工してもよい。例えば、より少ない量の材料が、残りのステップ（例えば７０８）で層７００と７０２との間に堆積されて、表面を、所望の表面７０６に対する、より近い近似にすることができる。
【０１８７】
代替の又は更なる実施形態において、ミリングヘッド等は、所望の表面を提供するため材料を除去するように選択されてもよい。こうした実施形態において、材料層７０２ａ〜７０２ｃが処理ヘッド３１０によって堆積されなかった実施形態と比較すると、より少ない材料が除去される必要があることが認識されるであろう。そのため、図１７に関して概説された方法を提供する実施形態が、層７０２ａ〜７０２ｃが堆積されなかった実施形態と比較すると、ｉ）材料除去を行うことなく許容可能である、又は、ｉｉ）仕上がり表面を提供するため、ずっと少ない材料の除去を必要とする表面仕上げを提供することが認識されるであろう。図１７の例において、層７００及び７０２内に堆積される材料は、大まかに同じであるが、材料堆積の割合／量は層７００と７０２との間で変動する。
【０１８８】
図１８は、材料がステップ６０２と６０６との間で変動する図１６の別の例を例示するために使用される。前記材料の組成を変動させることに加えて、堆積される材料の割合／量を変動させることが同様に可能であることになることが認識されるであろう。
【０１８９】
図１７の場合と同様に、プロセスステップ６０２は層７００ａ〜７００ｄを堆積させるために使用され、ステップ６０４は処理ヘッドを交換するために使用される。
ステップ６０６にて、第２の処理ヘッドが使用されて、層７００ａ〜７００ｄと比較すると、層８００ａ〜８００ｄ内に異なる特性を有する材料を堆積する。層８００ａ〜８００ｄが、この実施形態において、層７００ａ〜７００ｄの面上にあるものとして示されるが、これが事実である必要はないことを当業者は認識するであろう。
【０１９０】
図１８の実施形態において、異なる特性が、材料の異なるマイクロ構造によって提供される。特に、層８００ａ〜８００ｄ内に堆積される材料は、異なる熱処理を有し、一方、それは、層７００ａ〜７００ｄ内の材料と実質的に同じ材料である可能性があり、したがって、異なる硬度を有する。例えば、層８００ａ〜８００ｄは、硬化軸受表面、シリンダスリーブ等を構成してもよい。エネルギー入力、供給材料、添加剤、シールディングを含む処理パラメータを変えることによって、いろいろなナノ及びマイクロ特性が変えられ得ることを当業者は認識するであろう。いろいろなナノ及びマイクロ特性は、硬度、化学的耐性、磁性、残留応力、寸法安定性、熱伝導率、電気伝導性に対して対応する影響を及ぼす粒子サイズ、結晶構造、結晶配向、及び化学的性質を含む。
他の実施形態において、ステップ６０２と６０６との間で材料を変更することが可能である。例えば、ステップ６０２は材料を堆積するために使用されてもよく、ステップ６０６はプラスチックを堆積するために使用されてもよい。
【０１９１】
図１８に示す実施形態と同様な他の実施形態において、層８００ａ〜８００ｄは、更なる材料によって提供されなくてもよく、また、層７００ａ〜７００ｄの表面領域に対する熱処理によって提供されるだけであってもよい。こうした表面領域処理は、レーザ等の熱源によって提供されてもよい。代替の処理は、以下でより詳細に述べられる。
【０１９２】
そのため、図１８は、実施形態を例示するために使用される。実施形態において、ステップ６０６は、ステップ６０２で堆積される材料と比較して異なる特性（バルク構造か、ナノ／マイクロ構造か）の材料を堆積するために使用される。
【０１９３】
図１９は、図１６に関して概説されたプロセスの更なる例を例示するために使用される。ここで、第１の処理ヘッドが使用されて、一連の実質的に環状の層９００ａ〜９００ｄを堆積させる。層のそれぞれが示され、したがって、層のそれぞれの間の界面が図において見られる。層９００ａ〜９００ｄの間のこの界面が各層の環状部の外側と各層の内側の両方に存在することを当業者は認識するであろう。
【０１９４】
ここで、ステップ６０６で使用される第２の処理ヘッドは、ミリングマシン等のような材料除去ヘッドである。しかし、材料除去は、９０２で示すように、層の外側表面を平滑にするためだけでなく、同様な方法で環状部の内側を平滑にするためにも使用される。
【０１９５】
他の実施形態において、更なる材料が、第２の処理ヘッドを使用して堆積されて、図１７の外側表面に関して述べた方法と同様な方法で、物品の内側表面が所望の物品になるよう作成されるという忠実度を改善してもよい。
【０１９６】
したがって、こうした実施形態において、ステップ６０２にて第１の処理ヘッドを使用して堆積される層の数が、ステップ６０６で使用される第２の処理ヘッドが、被加工物９０２の内部に十分に遠く達し得る程度に制限されることを当業者は認識するであろう。
【０１９７】
しかし、第１と第２の両方の処理ヘッドを複数回使用し、それにより、複数のステージで物品を作成することによって、平滑化した内部表面を有するより大きな被加工物を構築することが可能である。
【０１９８】
こうして、図１９の例において、第２の処理ヘッドがステップ６０６にて終了すると、第１の処理ヘッドが再び使用され、更なる４つの層９０４ａ〜９０４ｄが、被加工物９０２の上部に堆積される。その後、第２の処理ヘッドが、ステップ６０６にて再び使用され、新しい層９０４ａ〜９０４ｄの内部表面及び外部表面が、被加工物９０６を生成するために処理される。
【０１９９】
内部表面がこうして平滑にされる実施形態は、ガス、液体、或いは他の流体又は流動材料が被加工物９０６を通して流れる実用用途を見出す場合がある。その理由は、平滑な内部表面がよりよい流体の流れをもたらし得ることが認識されるからである。こうした構造が有用である場合がある例は、燃料ライン、油圧ライン、冷却チャネル、フローチューブ等を含む。
【０２００】
層９００ａ〜９００ｄ、９０４ａ〜９０４ｄ等のそれぞれの内側表面領域の周りのマクロ又はマイクロ材料の変更を行うために、更なる処理ヘッド変更を行うことが可能であることになることを当業者は同様に認識するであろう。更に、実質的により平滑な内部表面は、平滑であることがより適切であると思われる場所を機械加工することなく、異なるサイズの堆積ヘッドの使用によって達成されてもよい。
【０２０１】
図２０は、図１６のプロセスがどのように利用されるかについての更なる例を説明するために使用される。
ステップ６０２にて、第１の材料が堆積される。図２０ａの例では、材料は、第１の材料の半分の円柱１０００として堆積される。この円柱１０００は、以降で述べる犠牲材料であることになる。
【０２０２】
第２の処理ステップにおいて、更なる材料１００２が、犠牲材料１０００を覆って堆積される。こうして、犠牲材料１０００は、アーチ１００４が作製され得るようにアーチ１００４を支持し、それにより、犠牲材料１０００は、後の処理ステップにおいて堆積される材料について支持を提供する。第２の処理ヘッドが終了し、更なる材料１００２が固化すると、犠牲材料１０００が除去され得る。更なる処理ステップが、犠牲材料１０００が除去される前に終了してもよいことを当業者は認識するであろう。
【０２０３】
こうした実施形態において、材料１００２の部分は、支持体として働くための任意の適した材料であってよい。しかし、支持材料と考えられる場合がある材料１００２の部分は、通常、溶解可能ポリマー材料或いは緩く結合した／閉じ込められた粒状体又は粉末であってよい。それは、ボイドを充填する中実部品内にあってよく、又は、指向性エネルギー堆積の技術分野で知られている制限に従って中空自己支持構造として作成されてもよい。例えば、支持構造は、大聖堂様アーチに似ている形態で作られ得る。支持構造は、同様に、機械加工によって容易に除去可能であるように作られ得る。
【０２０４】
図２１は、支持体又は犠牲材料が堆積されて、下にある物品の作製又は修理を促進する更なる例を提供する。ここで、作製される物品は、タービンブレード１１００である。タービンブレードの下側部分において、作製ステップ中に保持することが難しいモミの木の根部分１１０２が存在する。
【０２０５】
したがって、幾つかの実施形態は、このモミの木の根部分１１０２を犠牲材料１１０４のブロック（ここで、点線輪郭で示す）内に入れるように配設される。この犠牲材料１１０４は、その後、後続のステップの間にタービンブレード１１００を保持するために締結され得る。そのため、犠牲材料１１０４は、被加工物の物理的場所を補助する一時的な犠牲材料を提供する。
【０２０６】
コンポーネントが２つ以上のポイントで支持されることから利益を受ける場合があることが認識されるであろう。そのため、図２１の文脈において、一実施形態は、モミの木の根部分１１０２に対向する端領域に向かって犠牲材料１１０６の更なる部分を提供する。この更なる部分１１０６は、ブレード１１００が、犠牲材料１１０４、１１０６の領域において２つのポイントで保持されることを可能にし、ブレード１１００は、（バイス等のような）締結手段による損傷から保護される。
【０２０７】
タービンブレードの例が使用されたが、任意の他の部品がそのように処置され得ることを当業者は認識するであろう。
幾つかの実施形態において、処理ヘッドは、被加工物の表面領域を保護するように配設された保護材料を提供するために使用されてもよい。支持材料の場合と同様に、保護材料は、物品の作製時に後で除去される犠牲材料であってよい（又はでなくてもよい）。
【０２０８】
なお更なる実施形態において、先に簡潔に参照したように、処理ヘッドは、物品を検査するために使用されてもよい。こうした実施形態において、処理ヘッドは、以下のもののうちの任意の１つ又は複数であってよい。以下のものとは、画像記録装置；照明；接触プローブ；３Ｄ表面及び体積スキャナ；写真測量システム；センサ（酸素センサ；熱センサ；熱カメラ等）；渦電流発生器；超音波変換器（結合される空気、ゲル、及び液体用）；電磁波発生器等である。検査データは、検査を制御するため、処理ヘッドからコントローラに、また、コントローラから処理ヘッドに転送され得る。
【０２０９】
そのため、本発明の実施形態が被加工物に適用されてもよい種々の処理ステップを提供することが前記からわかる。どれでも１つの実施形態に関して述べる特徴が、述べる他の実施形態のうちの任意の実施形態に関して、必要な変更を加えて使用されてもよいことを当業者は認識するであろう。
【０２１０】
幾つかの実施形態は、処理ヘッドを洗い流してもよい。こうした実施形態は、処理ヘッドが次の使用のために清浄であることを保証するのを助け、材料の汚染を回避するのを助けるため有利である。更に、こうした実施形態は、処理ヘッド内に及び／又はその上に残った材料の粒子によるコンポーネントに対する摩耗を防止するのに役立つ。特に、述べる実施形態において、処理ヘッドは、ツールチェンジャ３０８に戻ると、圧縮空気によって洗い流される。他の実施形態において、他のガス（例えば、窒素等のような不活性ガス）が使用される場合がある。
【０２１１】
１つの特定の実施形態において、供給ユニット４１４から処理ヘッド４００へ４つの材料フィードが存在する。他の実施形態は、より少ない又はより多い材料フィードを有してもよい。材料フィールドは、インプロセス合金化を行うため、一度に１つ又は組合せて使用される。しかし、４つのフィードは、供給ユニット４１４から処理ヘッド４００に材料がどのように送出されるかについて柔軟性を提供するために使用される可能性があり、また、材料変更が行われ得る速度を改善し、同様に、汚染の機会を減少させるために使用され得る。
【０２１２】
一例において、第１の種類の材料は、２つのフィードを使用して処理ヘッド４００に給送されてもよい。その後、材料を切換えることが望ましいため、材料の流れが、停止される、又は、バイパス回路を使用して、処理ヘッド４００から離れて少なくとも分流される。述べる実施形態において、材料を、廃棄されないよう元のホッパに分流させ、それにより、処理ヘッドから洗い流され／分流される媒体を収集することが有利であることがわかった。ここで、フィードを停止するのではなく分流させることは、材料フィード内の圧力が著しく高く上昇しないことを保証するのに役立つ。
【０２１３】
第１の材料が分流される（すなわち、処理ヘッドに入るのを止められる）と、処理ヘッドは、空気によって洗い流され、その後、前に使用されなかった２つのフィードが、ここで、第２の材料を処理ヘッドに供給するために使用される。こうした実施形態は、材料の汚染が全く起こらないことを保証しながら、処理ヘッド４００を変更する又は供給ユニット４１４を変更する必要性なしで、供給材料が、第１の材料から第２の材料に迅速に切換えられることを可能にするため有利である。
【０２１４】
種々の動作は、第１の処理ヘッドから第２の処理ヘッドに変更することを支援するために実施されてもよい。
更に、また、述べる実施形態において、使用される処理ヘッドに関連するパラメータは、使用するためコントローラ３０６に付与される。そのため、図１６を参照すると、第１の処理ヘッドが第２の処理ヘッドに変更されるため、２つのヘッドの間の変更中の或るポイントで第２の処理ヘッドに関連するパラメータが、使用するためコントローラ３０６に付与される。
【０２１５】
パワー、給送速度、ガス流量等及び幾何形状要件によってトリガーされるこれらのうちのそれぞれについての変化レートを含むいろいろな処理パラメータが、各堆積ヘッドについて格納される。これらの設定は、別個のコントローラ内のデータベーステーブルに格納され、必要に応じて呼出されてもよい、又は、これらの設定は、マシンツールコントローラに完全に一体化され、カスタムＭコード又は他の適した信号を使用して呼出される。幾つかの場合には、堆積ヘッドについてのパラメータは、オフセット等の従来の切断ツールに既に関連付けられているコントローラの機能に関して使用されてもよい。実施形態は、（ミリングヘッドなどのような）機械加工ヘッドに関連して格納されたパラメータを再利用して、これらのパラメータが、（堆積ヘッド、プローブヘッド等のような）非機械加工処理ヘッドに関して使用されることを可能にしてもよい。例えば、以下のパラメータの少なくとも１つのパラメータが処理ヘッドについて格納されてもよい：
・各処理ヘッド長についてのツール長オフセット。通常、ツール長は、図１３に関連して述べる実施形態においてラインＸＸに沿っている、Ｚ軸と呼ばれることになるものに沿って測定される。ほとんどのマシンツール３００が、しばしばＧコードと呼ばれるパラメータであって、パラメータは、ビット又は他の材料除去器の測定済みでかつ格納済みの長さについて原点を調整するために使用されることが認識されるであろう。このパラメータは、処理ヘッドの長さを格納するために使用されてもよい。処理ヘッドの長さを格納する実施形態は、処理ヘッドが被加工物３０４と衝突する機会を減少させ得るため有利である。実施形態は、処理ヘッドについての原点を調整して、処理ヘッドが、同じマシンツール３００の複数のワーク体積の間で移動することを可能にしてもよい。このパラメータは、マシンツール３００の原点に対して行われる調整が、ＣＮＣテーブル上に２つのバイス（例えば、２つのワーク体積）が存在するとき等のように、固定具についてのデータをオフセットさせることを可能にする。述べる実施形態において、パラメータは、中心ラインからの偏位を記録するために使用される（全ての処理ヘッドが、中心ライン上で及び／又は幾つかの場合には意図されるオフセットについて、マシンツール３００によって使用されるように設けられるために微調整する）。
・固定具オフセットが使用されて、ヘッド位置がスピンドルの中心ライン上に実質的に維持されることを保証する微調整を行う、又は、前記中心ラインからの意図的なオフセットを指定し得る。これらのオフセットは、通常、Ｘ軸又はＹ軸上にあるものとして参照されることになり、Ｘ軸又はＹ軸は、図１３に関連して述べる実施形態において、ラインＸＸに垂直であることになる。
【０２１６】
述べる実施形態を含む幾つかの実施形態において、格納されるツール長は、構築表面（すなわち、被工作物３０４の表面）からの処理ヘッドの設計された隔離距離を含むように、処理ヘッド長がその物理的長さを超えて増加するように修正又は補償されてもよい。ここで、隔離距離は、処理ヘッドと被工作物３０４との間の必要とされる距離であり、堆積幅を操作するために調整されてもよい。
【０２１７】
この実施形態において、コントローラ３０６は、隔離距離を変更して、したがって、処理ヘッドの格納済み長さを変更して、被加工物３０４に与えられるレーザビームパワーの分布を変更するように配設される。レーザが被加工物に向かって又は被加工物から離れて移動するにつれて、被加工物が、名目上設計された焦点に入る又はそこから出るように移動することになることを当業者は認識するであろう。したがって、隔離距離を含む処理ヘッド長を使用することで、処理ヘッドによって提供される任意のエネルギー源の収束を可能にすることができ、述べる実施形態においてレーザである。
【０２１８】
幾つかの実施形態は、被加工物３０４の表面からのレーザの後方反射の量を測定し、この量を最小にすることを目標とする。したがって、処理ヘッドは、処理ヘッドから被加工物に向けて方向付けられたエネルギー（すなわち、レーザ）からの、被加工物から戻るエネルギーを測定するように配設される。レーザが収束されると、最大パワーが被加工物３０４内に結合されることになること、また、したがって、表面から反射されるレーザ光の量が最小になることになることが認識されるであろう。理想的な焦点を決定するこのプロセスは、理想的な焦点を確立するため、或る範囲の隔離距離を通してヘッドを移動させる格納済みのルーチンであってよく、その後、プロセスの最適化された結果は、上述したように又は別途、ＣＮＣツール長テーブルに格納され得る。
【０２１９】
更に、堆積又は処理ポイントがスピンドル中心ライン上にないいずれの処理ヘッドも、固定具オフセットとして格納され、ヘッドがスピンドル内に付与されるときに呼出され、したがって、複数のヘッドの使用に対処するため、別の標準的なＣＮＣ機能を再利用し得る。
【０２２０】
更に、実施形態は、処理ヘッドについて更なるパラメータを格納してもよい。例えば、任意の媒体４２４の流速、任意のシールディングガスの流速等を決定する；任意のエネルギー源（レーザ４１６等）のパワーを決定する、パラメータが格納されてもよい。この節で述べたパラメータは、処理ヘッドの運動に従ってそれらがどのように変動すべきかを示してもよい。例えば、処理ヘッドがその経路内の転回部に近づくにつれて、その転回を達成するため、減速する必要があり得ることが認識されるであろう。したがって、処理ヘッドが遅くなるにつれて、実施形態が、媒体４２４の流量を減少させること；シールディングガスの流量を減少させること；及び任意のエネルギー源（レーザ４１６等）のパワーを減少させることが有利になる。
【０２２１】
幾つかの実施形態は、シリンジ１２０２或いは１つ又は複数のアルキメデスのねじ（図示せず）等の機械的手段を使用して、ヘッド１２００から材料１２０４を吐出又は押出してもよい。こうした実施形態は、供給ユニット４１４からの材料フィードによって働いてもよく、又は、処理ヘッド１２０６内でリザーバから媒体を更に供給してもよい。
【０２２２】
幾つかの実施形態は、（マシンツールの）スピンドルの回転を使用して、押出される材料の量を直接制御してもよい。例えば、シリンジベースの堆積を使用する、述べる図の処理ヘッド１２００の例の場合、シリンジ１２０２の変位をもたらすためのプランジャ又は他の手段は、ツールホルダによってスピンドルに結合され、それにより、スピンドルの運動を制御するコマンドが、堆積レートを制御する変位を変更する。
【０２２３】
一実施形態において、処理ヘッド内で材料を、通常、ポリマーを（通常、射出成形において知られている方法の後で材料をせん断することによって）可塑化するため相互作用するように配設される１つ又は複数のアルキメデスのねじが存在する。ねじを回転させるエネルギーは、スピンドルの回転から直接生じる場合がある。加熱器は、材料の可塑化を支援するために更に設けられ得る。加熱器は、スピンドルの運動から生成する電気によって駆動されてもよい。
【０２２４】
一実施形態において、処理ヘッドは、処理ヘッドが取付けられるマシンツールのスピンドル速度を検知し、そのスピンドル速度を使用してヘッド内の機械的手段を制御するように配設される。例えば、第１の回転速度から第２の回転速度への移行は、流れが開始すべきであることを示してもよい。高速から低速への移行は、流れが停止すべきであることを示す。
【０２２５】
他の実施形態は、更なる回転速度を使用して、更なる情報を処理ヘッドに渡してもよい。
図２３は、処理ヘッド１３００が、検査されている物品１３０２の上に位置決めされる更なる実施形態を示す。この物品は、依然として、製造されるプロセス中にあってもよく、検査ステップは、先の図のうちの任意の図に関連して述べたプロセスの一部として実施されてもよい。物品１３０２は、同様に、検査される仕上がり物品であり得る。
【０２２６】
図２３は、処理ヘッド１３００から吐出され、物品１３０２の表面に衝当する流体１３０４を示す。図２３の実施形態において、流体は、処理ヘッドが取付けられるマシンツールによって通常使用される冷却流体であって、ミリングされる、穿孔される、又は同様に処理される物品を冷却する。そのため、図に示すように、流体が表面１３０２から飛び散ること１３０６がわかる。物品に対する冷却流体の連通を促進するため、チャネル１３０８が、処理ヘッド１３００の中心領域に沿って設けられる。チャネルは、出来る限り遠くの流体１３０４が、層流を有することを保証するように配設される。その理由は、流体流内の乱流が物品１３０２に対する結合を減少させ得るからである。
【０２２７】
幾つかの実施形態において、流体１３０４は、スピンドル冷却剤を通る。
それでも、流体１３０４は、チャネル１３０８内に設けられ、チャネル１３０８内を流れる流体１３０４と連通状態にある超音波変換器１３１０についての十分な結合を提供して、変換器１３１０によって送信される超音波が物品１３０２に結合されるようにする。
【０２２８】
そのため、図２３に関連して述べる実施形態は、超音波を使用して物品１３０２を検査するために使用され得る。こうした検査が、物品１３０２内にボイド等の存在を判定するときに有用である場合があることを当業者は認識するであろう。
【０２２９】
他の実施形態において、流体は、表面上に堆積され、また、処理ヘッドによって後で使用されて、その処理ヘッドを部品に結合し、それにより、その流体を結合媒体として使用して、超音波検査等の検査を行ってもよい。ＣＮＣマシンがフラッド冷却剤能力を装備し、冷却剤が十分に清浄である場合、冷却剤を結合媒体として使用することが望ましい。しかし、その冷却剤が目的に合わない場合、別の流体が送出され得る。検査を行う処理ヘッドは、流体を堆積させる処理ヘッドと同じか又は異なってもよい。ここで、流体はゲル等であってよい。ゲルは、最終物品に行きつかないため、犠牲材料と呼ばれ、検査プロセスの一部として使用されてもよい。
【０２３０】
代替の処理ヘッド１７００は、チゼルの形態の１７０２を有する図２７に示される。被加工物の表面は、チゼル先端によって処置されて、被加工物又は被加工物の一部内の応力を減少させ得る。チゼル先端は、固定して維持されてもよく、又は、スピンドルの移動によって移動してもよい。代替的に、チゼル先端は、処理ヘッド内に設けられ得る機械的又は超音波的手段によって作動されることができる。
【０２３１】
図２８において、処理ヘッド１８００は、ピン１８０２の形態の先端を有する。ピンが使用されて、被加工物内の応力及び歪、特に引張り応力を逃がすことができる。処理ヘッドの先端の代替の構成が、図２９ａ〜２９ｄに示される。先端は、１つ、２つ、３つ、又はそれより多いピンを有してもよい。ピンのアレイは、図２９ｃ及び２９ｄに見られるように使用されることができる。コントローラは、ピンの特定の配置構成を有するヘッドを選択して、被加工物の必要とされる部分に圧力を印加する可能性があり、選択される配置構成は、被加工物の幾何形状に適する。代替的に、ヘッドの選択は、ＣＡＭソフトウェア等によるプラニングソフトウェアを使用して前もって決められることができる。
【０２３２】
図２９ａ〜２９ｄにおいて、ピンは円形断面を有するが、当業者は、ピンが、代替的に、長方形の、六角形の、正方形の、又は他の断面を有してもよいことを認識するであろう。こうした断面は、ギャップ又はオーバラップが存在しないアレイが必要とされる場合に使用されてもよい。処理ヘッドは、被加工物に衝撃を与える又は圧力を印加するために作動される。このプロセスはピーニングと呼ばれる。圧力の印加は、引張り応力を逃がし、被加工物に圧縮応力を印加し、したがって、被加工物の特性を改善する。力は、材料圧縮をもたらし、材料圧縮は、多くの材料において、よりよい疲労寿命に寄与し、割れを伝播させにくくし、応力腐食、腐食疲労、及びキャビテーションエロージョンに対する耐性を改善する。当業者が、これらの実施形態で示すピーニング法を、ショット、ハンマー、フレイル（ロト）、ビブロ、タップ、ドット、ニードル、超音波、マイクロ、ナノ、及びレーザショックピーニングを含む全てのピーニングバラエティと相互交換可能であると見なすことになることが認識されるであろう。
【０２３３】
被加工物の表面を穿刺する又は超音波的にピーニングするために使用され得る代替のヘッドは、図３０ａ〜３０ｅに示される。図３０ａは、連続ホイール又はローラを有するヘッドを示し、連続圧力を印加するようにさせられ得る。図３０ｂ及び３０ｃの不連続ローラは、断続的に圧力を印加するために使用される可能性があり、また、マシンツールについて必要とされる剛性を減少させるために好ましい場合がある。マシンツール又は処理ヘッドが、被加工物に所望の量の圧力を印加するため力フィードバック機構を供給されることが望ましく、その所望の量の圧力は、記録され、計量ループで使用される可能性があり、計量ループは、フィードバック（力及び被加工物温度勾配を含む）をモニターし、プロセスを理想的にリアルタイムに調整して、各被加工物の一貫性のある処理を保証する。
【０２３４】
図３０ｄ及び３０ｅは、ホイール又はローラのアレイが使用される変形を示す。ローラが表面上をたどって走行するとき表面に一致するように個々の走行を有するように配設され得ることを当業者は認識するであろう。
【０２３５】
図３１は、処理ヘッドがローラのアレイのセットを備える実施形態を示す。一対のアレイはスピンドルに平行な軸の周りに回転するように配設され、ローラのアレイはスピンドルの軸に垂直な軸の周りに回転するように配設される。見てわかるように、ローラは、被加工物上で作成される壁部品の上側表面及び側部表面に作用するように配設される。
【０２３６】
図３２は、スピンドル軸の周りに回転するように配設されたローラのセットがより明瞭に見られ得る図３１の処理ヘッドの側面図である。
図３３〜３４は、図１３の実施形態の変形を示し、同じ参照数字は同じ特徴について使用された。図３３において、ローラはレーザクラッディングヘッドと組合される。これは、被加工物上に堆積させた直後に材料のホットローリングを可能にする。被加工物のホットローリングは、堆積された材料のマイクロ構造について利益を有する可能性があり、また同様に、材料特性に影響を与えるために必要とされる力の量を減少させることができる。先に参照したように、マニホールド及び処理ヘッドは、ヘッド内の内部通路にまたホイール又はローラに冷却流体を供給して、過熱を防止するように配設される。ローラは、スピンドルの周りで割出されて、ローリング動作が堆積の方向に実質的に平行であることを保証する。
【０２３７】
図３４は、処理ヘッドを示し、処理ヘッドは、レーザ堆積ヘッド及びヘッドの周りに一体化されたピーニングピンを有する。この配置構成は、被加工物のホットピーニング、ハンマリング、乱切り、及びチゼリングを可能にする。前と同様に、冷却剤が、処理ヘッドに供給され、ヘッドの周りで循環されて、ピンを冷たく維持する。ピーニングは、ブラックスミスのハンマーの使用に類似して、熱い部分の表面をたたくことによって実施され、軟化状態の加熱済み金属に対するピンの衝撃は最大にされ、一方、力は、コールドピーニングに比較して減少される。ピンの動作は、機械式であり、処理ヘッドによって制御されるが、マシンツールによる又は超音波の使用による動作の送出等の代替法が想定され得る。先のヘッドの場合と同様に、ヘッドは、ぐるりと割出されて、レーザによる加熱済み領域の跡を追って圧力を付加してもよい。ピンは、ピンによって適切な力が加えられると、数ｍｍの走行によってピンが変位されるように取付けられ得る。ヘッドの或る程度の走行を可能にするため、ピン作動は、ピンの運動がＣＮＣマシンのＺ軸に依存する場合にレーザを収束ずれさせないように、レーザパルス周波数に対して反循環的である可能性がある。レーザ熱源が、ここでは例として示されたが、アーク、電子ビーム、マイクロ波、誘導加熱器等が同様に使用可能である可能性があることが同様に認識されるであろう。
【０２３８】
力が大きいとき、また特に、力がスピンドル中心ラインの周りに実質的に対称でないとき、９０°又は他の角度のヘッドによって支援するため、当業者によって知られているようにスピンドルについてアンチ回転／トルクブロック及び／又はスラスト支援カラー及び／又はカウルマウントを有することが望ましい。幾つかの場合には、圧力、衝撃、又は応力逃し操作を行うときにスピンドルを回転させて、均一でない負荷によって軸受表面が（ディンプル加工等によって）損傷されることを防止するのに役立つことが望ましいことになる。
【０２３９】
上述したピーニングヘッドがレーザヘッドと独立して使用され得ることが認識されることになる。ピーニングは、その後、被加工物が冷たい又は少なくともそれほど熱くないときに被加工物に対して実施される。
【０２４０】
図３５は、図３４の処理ヘッドの変形であり、レーザ堆積ヘッド及びピーニングピンを有する処理ヘッドを有する。同じ参照数字は同じ特徴のために使用される。ヘッドは、図３６により詳細に示される。図３４のヘッドの場合と同様に、ピーニングピンは、ヘッドの周りに一体化される。しかし、図３４のヘッドにおいて、ヘッドは、堆積ラインに追従するため、ぐるりと割出され、このヘッドにおいて、異なるピンがアクティブ化されて、レーザによる加熱済み領域の跡を追って圧力を付加し得る。アクティブ化は、他のピンより前に表面に接触するように、ピーニングピンの作動によるか又は個々のピンの長さ増加によってもよい。別の配置構成において、ピンは、ピンに適切な力が加えられると数ｍｍの走行によってピンが変位するように処理ヘッドに取付けられる。レーザパルス周波数に対してピン作動を反循環的にすることが望ましく、そのことが、ピンの運動がＣＮＣマシンのＺ軸に依存する場合にレーザの収束ずれを防止することが見出された。エネルギー源が、アーク、電子ビーム、マイクロ波、誘導加熱器等の代替のエネルギー源又は他の等価なエネルギー源と交換されてもよいことが認識されるであろう。
【０２４１】
図４４及び４５は、２つのプロセスを実施するように適合された代替の処理ヘッドを示す。図４４及び４５のヘッドは、ポリマー押出しを被加工物に適用する。図４４において、処理ヘッドは、ツールホルダ４４０２に取付けられたポリマー押出しヘッド４４００を備える。押出しヘッドは、本体４４０４及びノズル４４０６を備える。ノズル４４０６は、圧密化フレーム４４０８によって囲まれる。加熱器４４１０は、押出しヘッドの本体４４０４の周りに位置する。ツールホルダ４４０２に接続されたねじ４４１２は、ヘッドのボア４４１４内で回転して、射出成形ペレット４４１６を媒体フィード４４１８からノズルに向かって移動させる。ペレットがボア４４１４を下方に移動すると、ペレットは、加熱器４４１０からの熱によって本体の周りで溶融する。ペレットが溶融すると、スピンドルによって押込まれるねじ４４１２は、ノズルから押出す準備ができるようペレット材料を可塑化する。材料がノズル４４０６から押出されるにつれて、圧密化フレーム４４０８は、上下に往復し、軟質材料４４２０上に圧力を印加して、全密度の押出し材料を達成する。
【０２４２】
図４５は、図４４のヘッドの修正を示す。同じ参照数字は同じ特徴のために使用される。図４５において、更なる特徴は、連続ファイバ４４２２が同軸方向にヘッド内に給送されることである。ファイバ４４２２は、溶融ポリマーを通して給送され、押出しポリマー４４２０と共にノズル４４０６を通して押出される。ナイフ４４２４が設けられており、ナイフ４４２４は、ファイバが押出されると、ファイバを定期的に切断するように動作する。ナイフは、ファイバが各連続フィードによって終了すると、ファイバを切断し得る。他の実施形態において、ファイバは、定期的にチョップされて、押出し材料のチョップ式ファイバ強化を生成する。
【０２４３】
代替の配置構成において、ポリマー及びファイバが、別個のノズルから同じヘッド上に給送される可能性があり、又は、異なるヘッドによって適用される可能性があり、処理ヘッドが堆積ステップの間で切換えられることが認識されるであろう。
【０２４４】
ねじが、ツールホルダに接続される必要があるのではなく、受取りドック内に又は更に供給ドック内に位置してもよいことを当業者は同様に認識するであろう。ポリマーは、マシンツール内で溶融され、処理ヘッドの本体に接続された又は接続可能な加熱済みチューブによって処理ヘッドに給送されるだけであってよい。
【０２４５】
図３７は、電極３７０１が被加工物３７０２にエネルギーを供給し、ワイヤ３７０３が溶融プール３７０４内に給送される従来技術の堆積処理ヘッドを示す。通常、これは、電極のすぐ前方で行われる。その理由は、電極の前方にワイヤを給送することで、ワイヤが基材上にひっかかることを防止するからである。全体的に３７０５で示す領域は、希釈層及び熱影響を受けるゾーンである。
【０２４６】
図３８は、被加工物３８０２にエネルギーを提供する電極３８０１及び媒体フィード３８０３を備える新規な堆積ヘッドを示す。ヘッドは、電極と被加工物との間に延在するアーク３８０５を屈曲するように配設される一体型電磁場３８０４を生成するための手段を備える。
【０２４７】
電磁場３８０４は、電極３８０１のわずかに前方になるようアーク３８０５を屈曲させる。ワイヤの形態の媒体フィード３８０３は、電極に実質的に平行に給送され、したがって、自動化を促進し得る。ワイヤは、溶融プール３８０６内に常に真っ直ぐに給送され、フィード方向の変化に影響を受けない。フィード方向の変化が必要であると仮定すると、アークの屈曲は、アークに印加される電磁場を変更することによって制御され得る。電磁場３８０４は、場を誘起するために使用される電気のモードを変更することによって制御され得る、又は、１つ又は複数の磁石の位置を制御することによって変更され得る。
【０２４８】
図３９は、図３８のヘッドを使用して溶融プールの場所において達成され得る制御を示す。電極の位置は変更されなかったが、電磁石を駆動する場の極性が反転された。この場合、溶融プールの場所は約１０ｍｍだけ移動した。溶融プールの変位は、ワイヤが電極と同軸に給送されることを可能にする。アークが、所望される場合、ワイヤの同軸場所と異なる代替の位置に意図的にシフトされてもよいことが認識されるであろう。
【０２４９】
図４０及び４１は、種々のコンポーネント４００２を保持し得る処理ヘッド４００１を示す。図４１において、コンポーネント４００２は、処理ヘッド４００１の内部でリザーバ又は格納施設４００４内に保持され、ヘッド４００１は、必要に応じてコンポーネント４００２を分配するように配設される。図４１の実施形態において、処理ヘッド４００１は、４００８で概略的に示すように、ドック４００６を通して補充されることができる。
【０２５０】
図４２は、本体４６００及びノズル４６０２を有する代替の処理ヘッドを示す。処理ヘッドは、キャリッジに接続可能であり、本体の側部面４６０６上に位置する受取りマニホールド４６０４を有する。受取りマニホールド４６０４は、閉鎖部４６１０を有する開口４６０８を備え、閉鎖部４６１０は、閉鎖部が開口を覆うクローズ位置と図４２及び４３で見られるオープン位置４６１４との間でトラック４６１２上を可動であるように配設される。アクチュエータ（見えない）は、ドッキング動作時に閉鎖部をクローズ位置からオープン位置に移動させるように、また、ドッキング解除動作時に閉鎖部をオープン位置からクローズ位置に移動させるように配設される。クローズ位置において、処理ヘッドの内部は環境から密封される。オープン位置において、パワー及び媒体供給のドッキングは開口を通して配設されることができる。ドッキング済み位置において、開口を通り、処理ヘッドに入るパワー及び媒体供給についての経路は、環境から密封される。
【０２５１】
幾つかの異なる概念が本明細書で述べられたことが認識されるであろう。これらの概念が、単独で又は本明細書で述べる他の概念と組合せて使用されてもよいことを当業者は認識するであろう。
【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１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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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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【図２５】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【図２６ｃ】
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【図２６ｄ】
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【図２６ｅ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９ａ】
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【図２９ｂ】
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【図２９ｃ】
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【図２９ｄ】
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【図３０ａ】
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【図３０ｂ】
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【図３０ｃ】
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【図３０ｄ】
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【図３０ｅ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４−４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【国際調査報告】
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