(57)【要約】【課題】レーザ製造法手順中にレーザビームで加工物を予熱する装置を提供する。【解決手段】加工物（１０９）上に材料を堆積させ、堆積前、堆積中および／または堆積後にレーザビーム（１１５）を使用して加工物（１０９）の温度を制御することによって加工物（１０９）を製造および／または修理するための、レーザビーム（１０３）を使用するレーザ堆積装置（１００）を提供する。温度制御レーザビーム（１１５）は、加工物（１０９）の面（１１７）のところで、堆積に使用されるレーザビーム（１０３）よりも大きい断面積を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物（１０９）上に材料を堆積させるための堆積レーザビーム（１０３）と、前記加工物（１０９）の少なくとも一部分の温度を制御するための第２のレーザビーム（１１５）とを放出するレーザビーム放出システム（１００）を備えるレーザ堆積装置であって、
前記第２のレーザビーム（１１５）が前記加工物（１０９）のところで、前記加工物（１０９）のところの前記堆積レーザビーム（１０３）よりも大きい断面積を有する、レーザ堆積装置。
【請求項２】
前記レーザビーム放出システム（１００）が、前記堆積レーザビーム（１０３）を放出する第１のレーザ源（１０１）と、前記第２のレーザビーム（１１５）を放出する第２のレーザ源（１１３）とを含む、請求項１記載のレーザ堆積装置。
【請求項３】
前記堆積レーザビーム（１０３）がレーザネットシェイプ製造法で使用される、請求項１記載のレーザ堆積装置。
【請求項４】
前記レーザビーム放出システム（１００）が、前記堆積レーザビーム（１０１）および前記第２のレーザビーム（１１５）のうちの少なくとも１つを前記加工物（１０９）まで誘導するための少なくとも１つの光学アセンブリ（１０７）を備える、請求項１記載のレーザ堆積装置。
【請求項５】
前記第２のレーザビーム（１１５）の前記断面積が、前記加工物（１０９）の面（１１７）の少なくとも約５０％をカバーする、請求項１記載のレーザ堆積装置。
【請求項６】
前記光学アセンブリ（１０７）が、前記堆積レーザビーム（１０３）と前記第２のレーザビーム（１１５）の両方を前記加工物（１０９）まで誘導するために使用される、請求項４記載のレーザ堆積装置。
【請求項７】
前記光学アセンブリ（１０７）が、前記堆積レーザビーム（１０３）が放出されるときには前記加工物（１０９）から第１の距離に配置され、前記第２のレーザビーム（１１５）が放出されるときには前記加工物（１０９）から第２の距離に配置される、請求項６記載のレーザ堆積装置。
【請求項８】
前記第２のレーザビーム（１１５）が前記加工物（１０９）のところで、前記加工物（１０９）のところの前記堆積レーザビーム（１０３）とは異なるフルエンスを有する、請求項１記載のレーザ堆積装置。
【請求項９】
前記第２のレーザビーム（１１５）が、前記加工物（１０９）の少なくとも前記部分の温度変化の速度を制御する、請求項１記載のレーザ堆積装置。
【請求項１０】
加工物（１０９）上に材料を堆積させるための堆積レーザビーム（１０３）と、前記加工物（１０９）の少なくとも一部分の温度を制御するための第２のレーザビーム（１１５）とを放出するレーザビーム放出システム（２００）を備えるレーザ堆積装置であって、
前記第２のレーザビーム（１１５）が前記加工物（１０９）のところで、前記加工物（１０９）のところの前記堆積レーザビーム（１０３）よりも大きい断面積を有し、
前記レーザビーム放出システム（２００）が、前記堆積レーザビーム（１０３）および前記第２のレーザビーム（１１５）を放出する単一のレーザビーム源（２０１）を含む、レーザ堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工物をレーザビームで予熱することに関し、より詳細には、レーザ製造法手順中にレーザビームで加工物を予熱することに関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の航空機エンジンなどが動作時に被る高温および応力の故に、エンジン構成要素は、ニッケル、コバルトまたは鉄をベースとする超合金などの超合金でできていることが多い。しかし、これらの超合金は、航空機エンジンの厳しい動作環境には耐えることができるものの、製造するのが非常に困難である。
【０００３】
このような構成要素を製造し修理する既知の方法は、レーザネットシェイプ製造法（ＬＮＳＭ）と呼ばれる。ＬＮＳＭ中にレーザを使用して、堆積させるべき材料の顆粒（すなわち超合金顆粒）を加熱し液化する。次に、液化した材料を基板上に導き、そこに堆積させ、その部分が完成するまで反復流路で積み重ねる。従来の鋳造および溶接の方法に優るＬＮＳＭの利点の１つは、製造または修理された部品がネットシェイプに近いので、必要な追加加工が最小限になることである。
【０００４】
しかし、超合金によってはＬＮＳＭの工程が、基板またはその付近、層の接合点、および構築される部分内に形成される亀裂の原因になる。これらの亀裂により部品は、その目的の用途に適さないものになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
亀裂の発生を防止しようとして、従来技術の製造および修理の方法では、誘電加熱またはＳＷＥＴ（高温超合金溶接）加熱の使用を製造工程中に含む。しかし、これらの方法は、追加の高価な機器および特殊な作業環境を必要とするだけでなく、製造する人員を非常に高温の作業環境にさらす必要もあるので多大の費用がかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の例示的な一実施形態では、レーザ堆積装置がレーザビーム放出システムを含み、このシステムは、材料を加工物上に堆積させるための堆積レーザビームと、加工物の少なくとも一部分の温度を制御するための第２のレーザビームとを放出する。第２のレーザビームは加工物のところで、加工物のところの堆積レーザビームよりも大きい断面積を有する。
【０００７】
本発明の実施形態を用いる例示的な一方法は、堆積レーザビームを用いて加工物上に材料を堆積させるステップと、第２のレーザビームを用いて加工物の少なくとも一部分の温度を制御するステップとを含む。第２のレーザビームは、前記堆積レーザビームよりも広い加工物表面の領域をカバーし、制御ステップは、堆積ステップの前、間、または後に行われる。
【０００８】
本発明の利点、特質、および様々な付加的特徴は、図に概略的に記載されている本発明の例示的実施形態を考察すればより完全に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の例示的な一実施形態の図である。
【図２】本発明の別の例示的な一実施形態の図である。
【図３】本発明の一実施形態による加工物上のレーザのフットプリントの図である。
【図４】本発明の一実施形態による制御システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。図面は、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００１１】
図１および図２は、本発明の例示的な実施形態を示す。図１に示されたように、堆積システム１００は、堆積レーザ１０１と加熱レーザ１１３の両方を含む。図２は、以下でより完全に説明するように、堆積レーザと加熱レーザの両方を供給するのに単一のレーザ源２０１が使用されるシステム２００を示す。例示的な実施形態が図で説明または提示される順序は重要ではない。
【００１２】
さらに、以下の説明では、「加熱レーザ」を「堆積レーザ」とは異なるものとして一般的に指すことに留意されたい。しかし、「加熱レーザ」という名称は、「加熱すること」が必要であると過度に限定するものではない。本発明の様々な実施形態では、「加熱レーザ」はまた、加工物および／または堆積させるべき材料の所望の冷却速度を達成する、あるいは加工物を熱処理することになる、制御冷却／加熱のためにも使用できることが企図されている。
【００１３】
一般に、本発明の様々な実施形態では、加工物に当たるレーザビームを放出する、少なくとも１つのレーザビーム放出デバイスを使用する。このレーザビームは、製造などの様々な工程中での加工物の温度を制御するため、あるいは加工物の温度変化の速度を制御するために使用される。単一のレーザ源を使用する一実施形態では、そのレーザ源は、堆積と制御加熱／冷却との両方に使用される（以下で図２を用いてより完全に説明する）。少なくとも２つのレーザ源を使用する一実施形態では（図１を用いて以下でより完全に説明する）、一方の発生源が堆積に使用され、他方の発生源が制御加熱／冷却に使用される。上述の実施形態のいずれか、ならびに他の実施形態において、制御加熱／冷却レーザビームは、以下のために使用することができる。（１）堆積の前に加工物を予熱すること。これは、堆積中および堆積後の加工物と堆積させた材料の間の応力を最小にするのを助ける。（２）堆積が起こる近くで加工物の熱傾斜を最小にするために、焦点をはずしたレーザビームを加工物に付与するように設計された作業距離で動作すること。（３）堆積工程中および／または堆積工程後（すなわち、層の堆積中および／または層の堆積後）の期間に、焦点をはずしたレーザビームを使用して加工物および／または堆積させた材料を加熱すること。および／または（４）堆積中および／または堆積後に、堆積させた材料および／または加工物の制御加熱（例えば冷却速度）を実現すること。
【００１４】
本発明は、上述のように複数の方法で使用することができるが、当業者であれば開示された方法のそれぞれでどのようにして本発明を用いるかを理解されるはずなので、図１から４に関する以下の説明は、これら様々な方法のそれぞれの範囲の中にはないことに留意されたい。以下の詳細な説明は単に、本発明の実施形態の例示的な応用例を対象とするにすぎない。さらに、以下の説明は主として製造に焦点が当てられているが、本発明はまた、構成要素を修理するのに使用できることにも留意されたい。
【００１５】
ここで、２レーザ実施形態を対象とする図１を参照すると、堆積レーザ１０１は、ＬＮＳＭに使用される任意の既知のレーザ、または一般に使用されるレーザである。レーザ１０１は堆積ビーム１０３を放出し、このビームは、レンズなどの光学構成要素（図示せず）を収容することもしないこともある粉末送出ノズル１０７を通過し、製造または修理される加工物１０９の堆積面１１７に衝突するように誘導される。この構造、および粉末送出ノズル１０７に収容される光学構成要素は、当業者には知られており、したがって本明細書では、その構造を詳細に説明しない。ノズル１０７は、レンズなど様々な光学構成要素／アセンブリを収容することができ、これらはじかに、または別な方法でビームを面１１７上に集束する。加工物１０９は製造または修理の間、作業ベンチ／テーブル１１１上に置くことができる。本発明の一実施形態では、ＬＮＳＭ工程中に面１１７上に堆積させる金属粉末（図示せず）が、粉末送出ノズル１０７を通して送出される。
【００１６】
金属粉末はどんな形状およびサイズでもよいが、本発明の一実施形態では、粉末は球形で１５０ミクロン未満である。堆積中、堆積ビーム１０３は、面１１７と堆積用の金属粉末の両方を加熱し、それによって加工物１０９を作り上げる。当業者にはＬＮＳＭ工程はよく知られているので、本明細書ではこの工程に関する詳細を詳しく説明しない。堆積中、ノズル１０７は面１１７の上に距離Ｄで配置される。本発明の一実施形態では、堆積中の距離Ｄは、粉末送出ノズル１０７の公称作業距離である。別の実施形態では、距離Ｄは、確実に適正な堆積になるように、設計とシステム１００の諸動作パラメータとに基づいて選択される。
【００１７】
図１に示された実施形態では、加熱レーザ１１３が、やはり粉末送出ノズル１０７を通って面１１７に当たるように誘導される加熱ビーム１１５を放出する。図１に示された実施形態では、加熱レーザ１１３は、その出所において堆積レーザ１０１と共軸ではない。しかし、加熱レーザ１１３は、堆積レーザ１０１がノズル１０７を通る経路と、それが面１１７に当たるときの経路とは共軸である。加熱ビーム１１５は、それが確実にノズルを通って面１１７に誘導されるとともに、ノズル１０７を通る堆積レーザ１０１の経路と共軸になるように、ビームスプリッタ１０５または同様の光学素子を用いてノズル１０７を通して誘導される。
【００１８】
本発明の一実施形態では、加熱ビーム１１５は、それが加熱レーザから放出されるとき、堆積ビーム１０３よりも大きい横断面を有している。このことにより、より大きなレーザフットプリントが加工物１０９の堆積面１１７上に確保される。別の実施形態では、加熱ビーム１１５は、それが加熱レーザ１１３から放出されるとき、堆積ビーム１０３と同じかまたはそれよりも小さい直径を有することができる。このような実施形態では、レンズ、鏡など周知の光学素子（図示せず）を用いて、光学素子と加工物面の間の所与の距離Ｄに対し、面１１７上の加熱ビーム１１３のフットプリントを大きくすることができる。当業者には、加工物上のレーザビームの横断面またはフットプリントを大きくする手段および方法はよく知られており、したがって、あり得る実施形態のすべては本明細書で説明しない。
【００１９】
本発明の一実施形態では、加熱レーザ１１３に必要なパワーは堆積レーザ１０１と異なる。本発明の一実施形態では、加熱レーザ１１３は、加工物１０９の加工温度を維持する加熱ビーム１１５を放出する。本発明の一実施形態では、加工温度は８００℃を超える。本発明の一実施形態では、加熱ビーム１１５の横断面は、面１１７の面積の少なくとも約５０％に加熱ビーム１１５が当たるようなものである。別の実施形態では、面１１７の面積の約１００％がビーム１１５でカバーされる。
【００２０】
本発明の例示的な一実施形態では、面１１７の上で相対的に均一な加熱を実施するように、加熱ビーム１１５を面１１７のまわりで移動／並進させる。この実施形態では、ビーム１１５または加工物１０９のどちらか、または両方を移動させる。さらに、この移動は手動で制御でき、あるいはコンピュータ制御システムによって制御することができる。ビーム１１５の移動は、一般に知られた任意の方法または手段によって実施できることが企図されている。例えば、１つの実施形態では、ノズル１０７を移動させることができ、別の実施形態では、ノズル１０７を固定したままで、周知の光学構成要素を使用してビーム１１５を面１１７のまわりに移動または並進させる。本発明は、この点で限定されない。本発明の一代替実施形態では、加熱工程中および／または制御された冷却工程中に、加熱ビーム１１５を面１１７の上に動かさずに保持する。もちろん、加熱ビーム１１５が堆積ビーム１０３と共軸に配置される範囲で、加熱ビームは、ノズル１０７および堆積ビーム１０３の経路に対して固定されているが、ノズル１０７および／または堆積ビーム１０３を移動できる、または移動させる範囲で、加熱ビーム１１５の経路をそれに応じて移動させる。
【００２１】
上記の説明は主として、本発明の、加熱ビーム１１５が堆積ビーム１０３とは異なる時間に放出される一実施形態を対象としていることに留意されたい。しかし、本発明はこの点で限定されない。具体的には、本発明の別の実施形態では、加熱ビーム１１５と堆積ビーム１０３の両方が同時に放出される。このような実施形態では、加熱ビーム１１５は、堆積中に加工物上で所望の温度を維持するために使用される。
【００２２】
本発明の別の実施形態では、加熱レーザ１１３は、堆積レーザ１０１の経路のどの部分とも共軸ではなく、したがって、別個の群の光学素子を使用する。例えば、加熱レーザ１１３は、堆積レーザ１０１と共軸にならずに加熱レーザ１１３を面１１７上に誘導する、別個の光学構造に誘導され通されることが企図されている。したがって、ノズル１０７の光学構成要素を使用するのではなく、別個の光学装置または光学構造が使用されることがある。
【００２３】
さらなる一実施形態では、ビーム１１５のパワー、および／または加工物１０９の面１１７の温度を調整するために、加熱レーザ１１３のレーザパワーが手動で、またはコンピュータ制御システムによって制御される。一実施形態では、加工物１０９の表面温度が光高温計、サイリスタ、熱電対または他の温度測定デバイスを用いて測定され、この温度読取値が、面１１７の温度を制御するために使用される。本発明の例示的な実施形態では、面１１７の温度は、（１）加熱レーザ１１３のパワー出力を増大または低減させる、および／または（２）面１１７上の加熱ビーム１１５のフットプリントを増大または低減させる（すなわち単位面積当たりのパワー、つまりフルエンス温度を増大または低減させる）、のいずれかまたはこれらの組合せによって調整される。
【００２４】
本発明の一実施形態では、加熱レーザ１１３および加熱ビーム１１５は、製造時に加工物１０９内の亀裂が確実に最小限になるように使用される。しかし、ＳＷＥＴボックスまたは誘導加熱を使用するのではなく、レーザが使用される。したがって、本発明では、堆積レーザ１０１およびＬＮＳＭ工程を制御するために通常使用されるのと同じコンピュータ制御システムが、加熱工程および加熱レーザ１１３もまた制御できるようにする。本発明ではまた、加工物１０９をさらに制御して局部的に加熱する機能を操作員に提供し、それによって、加熱工程全体にわたりさらなる制御が可能になる。こうしたことは、ＳＷＥＴボックスデバイスなどで通常経験される高熱環境に操作員および他の構成要素をさらすことなく実現される。
【００２５】
次に、単一レーザ構成を対象とする図２を参照すると、単一レーザ２０１が堆積ステップと加熱ステップの両方に使用されている。以下の説明を簡単にするために、図１で使用されたのと同じ識別番号が図２の構成要素の多くに使用され、図１の同じ構成要素に対応していることに留意されたい。
【００２６】
図２の実施形態では、単一のレーザ２０１が、堆積ビーム１０３と加熱ビーム１１５の両方を放出するために使用される。この実施形態を用いる工程および方法は、単一レーザ源が使用されることを除いて、図１に関して上述したものと同様である。
【００２７】
この実施形態では、堆積ステップ中にレーザ２０１は堆積ビーム１０３を放出し、このビームは粉末送出ノズル１０７を通過し、面１１７に当たる。堆積工程中にノズル１０７は距離Ｄに保たれる。
【００２８】
加熱ステップ中に、レーザ２０１は加熱ビーム１１５（破線で示す）を放出し、このビームは面１１７に当たり、それを加熱する。図示のように、この実施形態では、加熱ビーム１１５はまたノズル１０７も通過する。しかし、加熱ステップでは距離「Ｄ」が変えられる。
【００２９】
図２に示された実施形態では、加熱ビーム１１５は、それがレーザ２０１から放出されるとき、堆積ビーム１０３よりも大きい断面積を有している。ビーム１１５の横断面は、所望の加熱を生じさせるように、ノズル１０７によって維持され、または変えられる。やはり、ビーム１１５の横断面を変化させることができるのは、ノズル１０７内の光学構造および／または構成要素である。これは、ノズル１０７、またはその中に配置されたレンズなどの光学構成要素を動かすことによって実現することができる。同一のレーザ２０１が堆積にも加熱にも使用されているので、図示の実施形態では、加熱ステップでレーザ２０１をより高いパワー出力で動作させる必要がある。具体的には、面１１７上のフットプリントが増大されるので、レーザ２０１のパワー／出力は、面１１７で必要なフルエンスが確実に得られるように増大されなければならない。
【００３０】
次に、本発明の実施形態を用いる例示的な方法を説明する。
【００３１】
本発明の一実施形態では、ＬＮＳＭ工程開始の前に、作業テーブル１１１の面、または加工物が配置されるどんな基板でも加熱するのに、加熱ビーム１１５を使用することができる。あるいは、テーブル１１１を加熱するのに誘導加熱を使用することもできる。テーブル１１１が所望の温度になると（加熱されようとされまいと）、加工物１０９に対し材料のレーザ堆積を始めることでＬＮＳＭ工程が開始する。図１に示された実施形態では、これは、堆積レーザ１０１、堆積ビーム１０３および粉末送出ノズル１０７を使用することによって実現される。堆積中、面１１７を作り出すときに堆積を相対的に均一にできるように、ビーム１０３またはテーブル１１１を移動させる。堆積工程を実施するために、ビーム１０３および／または加工物１０９の移動は手動で、あるいはコンピュータ制御工程によって制御される。
【００３２】
堆積工程中および／または制御加熱中に、アルゴンまたは窒素などの不活性ガスが堆積面１１７全体にわたって通される。本発明の一実施形態では、不活性ガスはまた、レーザ予熱ステップおよび制御加熱ステップ中にも面１１７全体にわたって通される。
【００３３】
堆積レーザ１０１および堆積ビーム１０３を使用したいくつかのレーザ堆積ステップの後、堆積工程が停止され、加熱レーザ１１３および加熱ビーム１１５を使用する加熱工程が始まる。本発明の一実施形態では、加熱ステップは、加工物１０９上の各層の堆積後に行われる。一代替実施形態では、加熱ステップの前に何層かを加工物１０９上に堆積させる。例示的な一実施形態では、加熱ステップが１０層の堆積ごとにあり得る。加熱ステップの前に堆積させる堆積層の正確な数は、確実に亀裂が回避されるとともに加工物１０９の所望の構造的完全性を維持するのに十分な加熱が行われるように決定される。
【００３４】
一代替実施形態では、加熱ビーム１１５は、適正な加工物温度の維持を助けるために堆積ステップ中に放出される。さらなる実施形態では、ビーム１１５は、加工物と堆積させる材料との間の応力の最小化を助けるように加工物を予熱するために、堆積の前に使用される。さらに別の実施形態では、ビーム１１５が、加工物の冷却速度／制御加熱速度の維持および／または制御を助けるために使用されて、適正な製造が確実に実現される。もちろん、本発明の実施形態、および本発明を用いる方法は、上述の使い方の１つ、すべて、またはいくつかの組合せを実施するように、ＬＮＳＭ工程中に本発明を使用することを含むことが企図されている。
【００３５】
加熱ステップ中に、加熱レーザ１１３は加熱ビームを放出し、このビームはノズル１０７を通って面まで誘導される。一代替実施形態では、加熱ビーム１１５は、堆積ビーム１０３とは異なる光経路を通って誘導される。
【００３６】
本発明の一実施形態では、加熱ビーム１１５は、それが加熱レーザ１１３から出るときに、堆積ビーム１０３より大きい横断面を有している。加熱ビーム１１５は、ビームスプリッタ１０５などの光学素子と、ノズル１０７内の光学構成要素または光学装置とを使用して面まで誘導される。一実施形態では、加熱ビーム１１５は、面１１７に当たる前にノズル１０７を通って誘導される。
【００３７】
加熱ステップ中に距離Ｄは、堆積ステップ中に用いられたのと同じ距離Ｄに維持される。別の実施形態では、距離Ｄは、面１１７上に必要な加熱レーザ１１５のフットプリントを与えるために増大または低減される。一実施形態では、加熱ビーム１１５の断面積は、面１１７の面積の少なくとも約５０％になる大きさである。
【００３８】
本発明の一実施形態では、加熱ビーム１１５は固定して保持され、別の実施形態では、加熱ビーム１１５を面１１７に対して移動させる（実際にビームを移動させることによって、または加工物１０９を移動させることによって、あるいは両方を移動させることによって）。ビーム１１５の移動は、ノズル１０７を移動させること、および／またはノズル１０７内の光学構成要素または光学装置（例えばレンズなど）を移動させることによって行うことができる。
【００３９】
本発明の例示的な一実施形態では、加熱ビーム１１５は、加工物１０９の材料の加工温度が確実に維持されるようにするパワーに維持される。これを実現するために、ユーザは、所望の温度を維持するコンピュータ制御システム（図示せず）に材料の種類、および／または必要な温度設定値を入力することができる。別の実施形態では、面１１７の温度が温度測定デバイス（熱電対、高温計など）によって測定され、また制御システムが、様々なパラメータを調整するために使用されて、確実にその温度が維持されるようにする。
【００４０】
本発明の一実施形態では、ビーム１１５のフットプリントの領域および周辺内で面１１７の温度を上昇または低下させるために、レーザのパワーが一定に維持され、加熱ビーム１１５が面１１７上でそれぞれ集束され、または焦点はずれにされる。これは、ノズル１０７および／またはその内部光学構成要素を移動させることによって、あるいは同様に適切な他の光学的手段および方法によって行うことができる。別の実施形態では、加熱レーザ１１３のパワーは、加熱ビーム１１５のフルエンスおよびエネルギーレベルを変化させるために増大または低減される。レーザフルエンスを増大させることによって面１１７の温度が上昇し、フルエンスを低減させることによってその温度が低下する。温度および関連する調整は、手動により、かつ／またはコンピュータ制御システムによって制御することができる。
【００４１】
上記の説明では主として、ＬＮＳＭ工程における加熱ステップ中に加熱レーザ１１３を使用することに注目した。しかし、本発明では別の態様の工程で加熱レーザ１１３を使用できるので、本発明はこの点で限定されない。例えば、加熱レーザ１１３は、堆積開始前の予熱工程中に、または堆積させた材料の制御された冷却／加熱中に使用することができる。当業者は、これらおよび他の態様のレーザ堆積手順中に、本発明の様々な実施形態をどのようにして使用するかを理解されよう。
【００４２】
例えば、本発明の別の実施形態では、システムが、加工物および材料の熱処理を実施するために使用される。すなわち、本発明を、ＬＮＳＭ工程の前、後または間に制御加熱を行うために用いて、加工物および／または堆積させる材料の熱処理を実施することができる。
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態により構築されている加工物１０９の面１１７を示す。図示のように、堆積ビーム１０３の表面積は、加熱ビーム１１５よりもかなり小さい。加熱ビーム１１５は、面１１７の適正な加熱を確保するのに十分なだけ、また所望の構造的完全性の要件内で加工物１０９の製造を実施するのに十分なだけ大きい接触面積（すなわちフットプリント）を有する。本発明の一実施形態では、加熱ビーム１１５の接触面積は、加工物１０９の面１１７の面積の少なくとも約５０％である。別の実施形態では、その表面被覆率が約１００％である。
【００４４】
図３には、円形のレーザビーム１０３／１１５および面１１７が示されている。しかし、加工物１０９または面１１７の形状をどんな外形または形状にもできるので、本発明はこの点で限定されない。さらに本発明は、レーザビーム１０３／１１５の横断面の形状に関して限定されない。
【００４５】
本発明の別の実施形態では、加熱ビーム１１５のフットプリント（すなわち面積）は、焦点レンズまたは同様な光デバイス（図示せず）を使用して制御され、必要に応じて増大または縮小される。一実施形態では、焦点レンズおよび粉末送出ノズル１０７は同じ筐体内にあってよい。加熱レーザ１１５のフットプリントを変化させることが、本発明の、例えば予熱および制御冷却を含む様々な動作応用例中に用いられるということが企図されている。
【００４６】
次に図４を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による制御システム４００の簡略化した図が示されている。本発明が図示のシステムに限定されないこと、ならびに本発明の利益を依然として得ながら変形形態をつくることができることが企図されていることに留意されたい。さらに、図示のシステム４００が本発明の加熱態様のみを対象としていること、ならびに同一または異なる制御システムを使用して本発明のＬＮＳＭ態様を実施できることに留意されたい。
【００４７】
システム４００は、コンピュータ／ＣＰＵ  ４０１などによって制御される。コンピュータ／ＣＰＵ  ４０１は、任意の一般に知られたまたは使用されるユーザインターフェースデバイスからユーザ入力４０５を受け取る。ユーザ入力４０５は、ユーザによって入力された所望の温度またはパワーの設定値を含むことができる。さらに、ユーザ入力４０５は、堆積または加熱される材料を含むことができ、コンピュータ／ＣＰＵ  ４０１は、必要な設定値などをルックアップテーブルなどから取り出すことができる。さらなる入力が、面１１７の温度を読み取る温度センサ４０３（サイリスタ、熱電対など）からコンピュータ／ＣＰＵ  ４０１に供給される。ユーザ入力４０５および温度センサ４０３のどちらかまたは両方からの情報に基づき、コンピュータ／ＣＰＵ  ４０１は、面１１７上で所望の温度が確実に維持されるようにシステム４００の様々な構成要素を制御する。
【００４８】
加熱工程は、ユーザ入力４０５を使用したユーザの命令に従って、または設定された数の堆積サイクル後にコンピュータ／ＣＰＵ  ４０１によって自動的に制御されて、のどちらかで開始することが企図されている。
【００４９】
図４に示されたように、コンピュータ／ＣＰＵ  ４０１は、レーザパワー４０７、ビームサイズ４０９、距離「Ｄ」４１１、ノズル焦点４１３、およびビーム移動４１５を制御する。もちろん、この実施形態は例示的なものであり、本発明の他の実施形態では、所望の温度を維持するために上記のパラメータのうちの１つだけ、またはその組合せがコンピュータ／ＣＰＵ  ４０１によって制御されることが企図されている。
【００５０】
前に説明したように、ビームサイズ４０９を制御することは、ビームサイズを発生源レーザによって、またはレーザと面１１７の間の様々な光学素子によって変化させることを含むことができる。こうすることは、例えば、既知の光学素子、ノズル１０７およびその中に配置された光学構成要素、および／またはノズル１０７の外部の光学構成要素を使用することによって達成することができる。ビームサイズを変化させることはまた、面１１７の放出レーザとの距離を変化させることを含むこともできる。
【００５１】
距離「Ｄ」を変化させることは、ベンチ／テーブル１１１もまた移動させることができるので、ノズル１０７を移動させることに限定されない。
【００５２】
ビームの所望の変更を行うためにノズル焦点４１３を変化させることは、ノズル１０７と面の間の距離を変化させること、および／またはノズル１０７内の光学構成要素の方向、位置または焦点を変化させることを含むことができる。
【００５３】
ビーム移動４１５は、面１１７に対して加熱ビーム１１５のフットプリントを移動させることを含み、ビーム１１５、ノズル１０７、ノズルの内部光学構成要素（図示せず）、および／または面１１７を移動させることによる影響を受ける可能性がある。
【００５４】
上述の制御システムは、堆積工程の後に加工物を加熱するために本発明の一実施形態を使用することに関して説明してきた。もちろん、同じシステム４００を使用して、本発明の様々な実施形態をそれらの使用法のすべての態様で制御することができる。さらに、別個の制御システムを使用して異なる機能を実行できることも企図されている。例えば、ビーム１１５がまた制御冷却を行うためにも使用される一実施形態では、同じまたは異なるセンサを用いた別個の制御システムを使用して、加工物および／または堆積させた材料の冷却速度の制御を行うことができる。つまり、加工物の冷却速度を制御する場合に、制御システムは、センサからのデータを用いて加熱レーザのパワーおよび／または強度を制御して、必要な冷却速度が確実に維持されるようにすることができる。さらに、距離「Ｄ」など他の様々な変数を変えて必要な制御を行うこともできる。当業者であれば、本発明の様々な実施形態を利用し使用する多くの方法を実施するための制御システムを十分に開発し使用することができよう。
【００５５】
本発明を以上では特に航空機構成要素製造法の応用例に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されず、ＬＮＳＭまたは類似の製造技法を用いるどんな製造法応用例にも使用できることに留意されたい。
【００５６】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、その趣旨および特許請求の範囲内での改変して実施できることが当業者には理解されよう。
【符号の説明】
【００５７】
１００  堆積システム
１０１  堆積レーザ
１０３  堆積ビーム
１０５  ビームスプリッタ
１０７  送出ノズル
１０９  加工物
１１１  作業テーブル
１１３  加熱レーザ
１１５  加熱ビーム
１１７  面
２００  堆積システム
２０１  単一レーザ源
４００  システム
４０１  コンピュータ／ＣＰＵ
４０３  温度センサ
４０５  ユーザ入力
４０７  レーザパワー
４０９  ビームサイズ
４１１  距離「Ｄ」
４１３  ノズル焦点
４１５  ビーム移動
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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