(57)【要約】電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置であって、同一の電子ビーム放射集束走査装置（６）は、加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードで電子ビーム（６７、６８）を放射することができる。加熱モードの電子ビームを放射して粉末床（７）を走査予熱し、選択的溶融モードの電子ビーム（６７）を放射して、断面輪郭内の粉末（７１）を走査溶融して所望の部品の断面層を形成し、電子ビーム切断モードの電子ビーム（６８）を放射して部品の断面の内外の輪郭（７４、７５）に対して１回又は複数回の切断走査を行って、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得する。上記の加熱と、溶融堆積と、輪郭切断とのプロセスを繰り返して、最終的に所望の３次元実体部品を取得する。【選択図】  図１
2020505251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置であって、真空成形室と、成形領域が少なくとも前記真空成形室内に設けられる作業台装置と、粉末を前記成形領域に広げるための粉末供給装置と、走査範囲が少なくとも前記成形領域の一部をカバーする少なくとも一つの前記電子ビーム放射集束走査装置と、各前記電子ビーム放射集束走査装置の作動を制御して、加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードで電子ビームを放射させるコントローラと、を含み、前記粉末供給装置は、粉末を成形領域に広げて所定の厚さの粉末床を形成し、電子ビーム放射集束走査装置は、加熱モードである電子ビームを放射して前記粉末床を走査予熱し、粉末を加熱して予備焼結を発生させ、電子ビーム放射集束走査装置は、選択的溶融モードである電子ビームを放射して断面輪郭内の粉末を走査して溶融し、前記粉末を溶融堆積して、所望の部品の断面層を形成し、電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビーム切断モードである電子ビームを放射して前記部品の断面の内外の輪郭に対して１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得し、前記切断輪郭の部品の断面層に粉末を広げてから、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断を順次に行い、所望の３次元実体部品が得られるまで、上記の広げと、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断との分層製造プロセスを繰り返す、ことを特徴とする電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置。
【請求項２】
前記電子ビーム放射集束走査装置の電子ビーム加速電圧は、１０ｋＶ〜２００ｋＶで変化する、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、連続的電子ビームとパルス電子ビームを生成可能である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームの成形領域における走査速度は、０〜１００メートル／秒で任意に変化する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記加熱モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、成形平面の上方又は下方に集束され、走査速度は、０．０１メートル／秒〜５０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きい、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記選択的溶融モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、成形平面に集束され、走査速度は、０．０１メートル／秒〜１０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きい、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記選択的溶融モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビームのビーム強度と、成形平面における焦点移動速度と、隣接する走査パスの走査間隔と、間隔時間とを調整することによって溶融の深さを調整し、現在の成形層の下に部品実体があり、かつ現在の成形層がそれに熔合する必要がある領域である場合、溶融の深さは現在の成形層の厚さを超え、現在の成形層の下が粉末床又は切断された輪郭の縁部の領域である場合、溶融の深さは現在の成形層の厚さ以下である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記電子ビーム切断モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された連続的電子ビームは、部品の断面平面に集束され、走査速度は、１メートル／秒〜５０メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは完全に重畳するか、又は走査間隔は８ミクロンより小さい、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記電子ビーム切断モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射されたパルス電子ビームは、部品の断面平面に集束され、パルス周波数は、１Ｈｚから１００ｋＨｚであり、走査速度は、０．１メートル／秒〜５メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは重畳するか、又は走査間隔は８ミクロンより小さい、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記真空成形室の頂部に設けられ、かつ成形領域の真上に位置する、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記粉末は、セラミック粉末及び／又は金属粉末を含む、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１２】
二つの前記電子ビーム放射集束走査装置を含み、各前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、かつ二つの前記電子ビーム放射集束走査装置の走査領域は、縁部で重畳し、残りの９０％以上の走査領域は、互いに重畳していない、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１３】
アレイ状に配置される少なくとも四つの前記電子ビーム放射集束走査装置を含み、各前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、かつ各前記電子ビーム放射集束走査装置の走査領域は、縁部で重畳し、残りの８０％以上の走査領域は、互いに重畳していない、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記作業台装置に対して移動可能である、ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記作業台装置は、前記真空成形室内に移動可能に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記作業台装置は、前記成形領域が設けられる作業プラットフォームと、前記作業プラットフォームの下に設けられ、成形シリンダとピストン式昇降装置とを含み、前記成形シリンダの上縁は、前記作業プラットフォームと同一平面にあり、前記ピストン式昇降装置は、前記成形シリンダ内で昇降可能であるピストン式成形シリンダ装置と、を含む、ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記粉末供給装置は、前記粉末を前記作業プラットフォームの上面に供給する粉末供給器と、前記作業プラットフォームに設けられ、かつ前記粉末を前記成形シリンダ内に搬送し、平らにする粉末敷設器と、を含む、ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１８】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記真空成形室の外部に設けられるハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、電子ビームを生成するフィラメントと、前記ハウジング内にあり、かつ前記フィラメントの下に位置するカソードと、前記ハウジング内にあり、かつ前記カソードの下に位置するグリッドと、前記ハウジング内にあり、かつ前記グリッドの下に位置するアノードと、前記ハウジング内にあり、かつ前記アノードの下に位置する集束コイルと、前記ハウジング内にあり、かつ前記集束コイルの下に位置する偏向コイルと、を含む、ことを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形の分野に関し、具体的には、電子ビーム選択的溶融加熱材料を使用して、材料を層ごとに焼結又は溶融堆積しながら、電子ビームを使用して成形材料の輪郭を切断し、成形材料を粉末から分離させ、高性能、高効率及び高精度の３次元部品の積層造形装置を実現する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム選択的溶融（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｍｅｌｔｉｎｇ、ＥＢＳＭ）は、典型的な積層造形プロセスであり、複雑の構造と特殊な材料の３次元成形の点で大きい利点がある。電子ビーム選択的溶融プロセスは、高エネルギー電子ビームを熱源として使用して、粉末材料を層ごとに焼結又は溶融して、材料が層ごとに堆積されて成形するようにする。
【０００３】
しかし、他の積層造形プロセスと同様に、電子ビーム選択的溶融プロセスにより製造された部品の表面粗さが悪く、作業対象の部品の表面仕上げと精度を改善するために、後続の機械加工又は研磨が必要とする。これらの後続の加工ステップは、部品の製造効率を低下するだけでなく、一部の刃具が進入できない部位（内部チャンネルなど）に対して加工を実施することができず、その表面の品質を改善することができないことがさらに大切なことである。したがって、作業対象の部品の表面仕上げが悪くことは、積層造形技術の一つのボトルネックとなる。
【０００４】
このボトルネックを克服するために、関連技術では、積層造形作業対象の部品の表面の品質を改善するように、いくつかのオンライン切削加工の処理方法を提案する。すなわち「積層製造」（ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）と「減法製造」（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を組み合わせて積層製造と減法製造との組み合わせプロセスの発想である。発明特許出願ＣＮ１０４７４１６０９Ａと、ＣＮ１０４５２６３５９Ａと、ＣＮ１０５９４５５７８Ａは、それぞれ電子ビーム選択的溶融とヒューズ成形された過程で機械減法製造と、レーザ切断とを組み合わせて、機械的ミリングヘッド又はレーザ切断・走査によって部品の断面輪郭をリアルタイムに切削加工して、部品精度と表面仕上げを改善することを提供する。
【０００５】
これらの発明は、切削加工をオンライン積層造形プロセスに組み込まれているが、別の切削工具又はレーザシステムが必要であり、ワークが積層製造と減法製造との二つのステーションの間で連続的に移動する必要があり、加工精度に影響するか（例えば、ＣＮ１０４７４１６０９ＡとＣＮ１０５９４５５７８Ａ）、積層製造と減法製造の二つのシステムが同時に最適な加工位置に配置することができなく（例えば、ＣＮ１０４５２６３５９Ａのように、電子ビーム放射構造とレーザ切削ヘッドは、同時に成形／加工領域の真上の最適な場所に位置することができない）、加工品質にも影響することができる。一つの切削装置（切削カッター又はレーザ切削システム）を追加すると、ある程度で機器構造の複雑性を増加する。
【０００６】
発明特許出願ＣＮ１０５５３８７２８Ａは、レーザ選択的溶融積層造形プロセス中でパルスレーザビームを使用して輪郭の縁部を走査して表面粗さ部分を除去し、作業対象の部品の表面仕上げを改善することを提案する。当該特許は、同一走査検流計システムで、異なるレーザ光源によって放射された連続レーザとパルスレーザを入力して、積層製造と減法製造との組み合わせ加工を行う。上記の「積層製造」と「減法製造」の二つのレーザ走査システムが同時に最適な加工位置に位置できない構造的干渉の問題を避けたが、依然として二つの性質が異なるレーザ器と光路統合システムを配置する必要があるため、機器コストとデバッグの難しさを増加する。
【０００７】
また、当該特許が対するレーザ選択的溶融プロセスは、レーザが材料を溶融するときに酸化と材料の気化でレーザレンズの蒸発が発生することを防止するために、大気圧力より大きい正圧である不活性保護雰囲気で実行する必要があり、パルスレーザ切断材料の効率を大幅に制限する。当該発明は、パルスレーザで輪郭の縁部を走査して「表面粗さ部分を除去する」ことを提供するため、多くの材料を切削する必要があり、当該発明の実施の難しさがさらに増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願は、発明者が以下の事実と問題の発見と理解に基づいて行う。
現在のすべての電子ビーム選択的溶融プロセスでは、電子ビームは、熱源として粉末材料を予熱、溶融、保温、成形するために用いられ、粉末材料を層ごとに焼結又は溶融して、材料が層ごとに堆積成形されて、積層造形の「積層製造」の目的を達成する。電子ビーム選択的溶融プロセスでの部品の表面仕上げが良くない課題については、通常、後続工程で、「減法製造」という手段で表面の品質を向上させるため、部品製造の全体的な効率を低下するだけでなく、内部チャンネルなどの表面の加工を行うことができない課題が存在する。
【０００９】
電子ビーム選択的溶融プロセスでは、デジタル制御システムを使用して、電子ビーム走査の精度と任意の図形走査の能力を大幅に向上させることができ、電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断に所望な電子ビームパラメータと走査パラメータは、電子ビームの発生、加速、集束及び走査が完全に一つのシステムに統合することを実現することができる。レーザ選択的溶融とレーザ切断のような異なる性質のレーザ（連続レーザと超短パルスレーザ）を使用しなくてはいけない必要がなく、一つの電子銃（電子ビームの発生、加速、集束、走査機能を含む）のみを使用して、異なる作動パラメータ（低速走査と高速走査）又は作動モード（連続ビームとパルスビーム）を使用することによって、選択的溶融や輪郭切断加工にも用いられることを実現する積層製造と減法製造との組み合わせ製造である。
【００１０】
これにより、システムが簡素化され、機器コストが削減される。同時に、電子ビーム選択的溶融の真空環境では、材料の気化がもっと容易になり、電子ビーム切断の効率がレーザ切断の効率より高い。専用の切断ステーション又は切断工具を増加する積層製造と減法製造との技術（例えば、発明特許出願ＣＮ１０４７４１６０９Ａ、ＣＮ１０４５２６３５９Ａ、ＣＮ１０５９４５５７８Ａなど）に対して、システムがさらに簡素化され、一つの走査加工システムは、「積層製造」を完成し、「減法製造」も完成して、有効的に加工精度を保証する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、新型の電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置を提供し、当該積層造形装置は、電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断を組み合わせて複雑な３次元部品を成形することができる。
【００１２】
本発明の実施例に係る電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置は、真空成形室と、成形領域が少なくとも前記真空成形室内に設けられる作業台装置と、粉末を前記成形領域に広げて所定の厚さの粉末床を形成するための粉末供給装置と、走査範囲が少なくとも前記成形領域の一部をカバーする少なくとも一つの前記電子ビーム放射集束走査装置と、各前記電子ビーム放射集束走査装置の作動を制御して、加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードで電子ビームを放射させるコントローラと、を含み、その中、前記粉末供給装置は、粉末を成形領域に広げて所定の厚さの粉末床を形成し、電子ビーム放射集束走査装置は、加熱モードである電子ビームを放射して前記粉末床を走査予熱し、粉末を加熱して予備焼結を発生させ、電子ビーム放射集束走査装置は、選択的溶融モードである電子ビームを放射し、断面輪郭内の粉末を走査して溶融し、前記粉末を溶融堆積して、所望の部品の断面層を形成し、電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビーム切断モードである電子ビームを放射し、前記部品の断面の内外の輪郭に対して１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得し、前記切断輪郭の部品の断面層に粉末を広げてから、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断とを順次に行い、所望の３次元実体部品が得られるまで、上記の広げと、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断との分層製造プロセスを繰り返す。
【００１３】
本発明より提供される電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置は、電子ビーム選択的溶融プロセスでは、電子ビームの放射パラメータと走査パラメータなどを変更することによって、電子ビーム放射集束走査装置が粉末床の加熱機能と、選択的溶融堆積機能と、部品の断面の内外の輪郭切断機能とを備える、電子ビーム選択的溶融と電子ビーム輪郭切断を組み合わせて、「積層製造」と「減法製造」の同期組み合わせ加工を実現する。
【００１４】
電子ビーム放射集束走査装置における機能の統合を使用して、粉末材料を電子ビーム選択的溶融するとともに、電子ビームを使用して堆積されたばかりの部品の断面輪郭を切断し、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得する。このような電子ビーム選択的溶融堆積（すなわち「積層製造」プロセス）と内外の輪郭電子ビーム切断（すなわち「減法製造」プロセス）を交互に行って、最後に、サイズ精度と表面仕上げがいずれも高い３次元実体部品を取得することを保証し、特に、部品の内部チャンネルなどの加工しにくい部位の表面仕上げと精度を保証する。
【００１５】
また、本発明により提供される上記の電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置は、以下のような付加的な技術的特徴を有することもできる。
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置の電子ビーム加速電圧は、１０ｋＶ〜２００ｋＶで変化する。
【００１６】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置は、連続的電子ビームとパルス電子ビームを生成することができる。
【００１７】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームの成形領域の走査速度は、０〜１００メートル／秒で任意に変化する。
【００１８】
本発明の一例によれば、前記加熱モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、成形平面の上方又は下方に集束され、走査速度は、０．０１メートル／秒から５０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は、重畳しなく、走査間隔は、１０ミクロンより大きい。
【００１９】
本発明の一例によれば、前記選択的溶融モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、成形平面に集束され、走査速度は、０．０１メートル／秒から１０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は、重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きい。
【００２０】
本発明の一例によれば、前記選択的溶融モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビームのビーム強度と、成形平面における焦点移動速度と、隣接する走査パスの走査間隔と、間隔時間とを調整することによって溶融の深さを調整し、その中、現在の成形層の下に部品実体があり、かつ現在の成形層がそれに熔合する必要がある領域である場合、溶融の深さは現在の成形層の厚さを超え、現在の成形層の下が粉末床又は切断された輪郭の縁部の領域である場合、溶融の深さは現在の成形層の厚さ以下である。
【００２１】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム切断モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された連続的電子ビームは、部品の断面平面に集束され、走査速度は、１メートル／秒から５０メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは重畳し、走査間隔は８ミクロンより小さい。
【００２２】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム切断モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射されたパルス電子ビームは、部品の断面平面に集束され、パルス周波数は、１Ｈｚから１００ｋＨｚであり、走査速度は、０．１メートル／秒から５メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは重畳し、走査間隔は８ミクロンより小さい。
【００２３】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記真空成形室の頂部に設けられ、かつ成形領域の真上に位置する。
【００２４】
本発明の一例によれば、前記粉末は、セラミック粉末及び／又は金属粉末を含む。
【００２５】
さらに、前記電子ビーム放射集束走査装置は、走査範囲を拡大するために、前記作業台装置に対して移動可能である。
【００２６】
さらに、前記作業台装置は、走査範囲を拡大するために、前記真空成形室内に移動可能に設けられる。
【００２７】
本発明の一例によれば、二つの前記電子ビーム放射集束走査装置を含み、各前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、かつ二つの前記電子ビーム放射集束走査装置の走査領域は、縁部で重畳し、残りの９０％以上の走査領域は、互いに重畳していない。
【００２８】
本発明の一例によれば、アレイ状に配置される少なくとも四つの前記電子ビーム放射集束走査装置を含み、各前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、かつ各前記電子ビーム放射集束走査装置の走査領域は、縁部で重畳し、残りの８０％以上の走査領域は、互いに重畳していない。
【００２９】
本発明の一例によれば、前記作業台装置は、前記成形領域が設けられる作業プラットフォームと、前記ピストン式成形シリンダ装置は、前記作業プラットフォームの下に設けられ、成形シリンダとピストン式昇降装置とを含み、前記成形シリンダの上縁は、前記作業プラットフォームと同一平面にあり、前記ピストン式昇降装置は、前記成形シリンダ内で昇降可能なピストン式成形シリンダ装置と、を含む。
【００３０】
本発明の一例によれば、前記粉末供給装置は、前記粉末を前記作業プラットフォームの上面に供給する粉末供給器と、前記作業プラットフォームに設けられ、かつ前記粉末を前記成形シリンダ内に搬送し、平らにする粉末敷設器と、を含む。
【００３１】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記真空成形室の外部に設けられるハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、電子ビームを生成するフィラメントと、前記ハウジング内にあり、かつ前記フィラメントの下に位置するカソードと、前記ハウジング内にあり、かつ前記カソードの下に位置するグリッドと、前記ハウジング内にあり、かつ前記グリッドの下に位置するアノードと、前記ハウジング内にあり、かつ前記アノードの下に位置する集束コイルと、前記ハウジング内にあり、かつ前記集束コイルの下に位置する偏向コイルと、を含む。
【００３２】
本発明の付加的な特徴及び利点は、以下の説明において部分的に示され、この説明から一部が明らかになるか、または、本発明の実施により理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例に係る電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置の概略図である。
【図２】図１に示す装置の電子ビーム選択的溶融と切断領域の概略図である。
【図３】図１に示す装置の電子ビーム選択的溶融と切断領域の概略図である。
【図４】図１に示す装置の電子ビーム選択的溶融と切断領域の概略図である。
【図５】図１に示す装置の電子ビーム選択的溶融と切断領域の概略図である。
【図６】図１に示す装置の電子ビーム選択的溶融と切断領域の概略図である。
【図７】図１に示す装置の電子ビーム選択的溶融と切断領域の概略図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置の概略図である。
【図９】本発明のもう一つの実施例に係る電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置の概略図である。
【図１０】図９に示す装置の走査範囲及び目標領域の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。前記実施形態の例が図面に示されるが、同一または類似する符号は、常に、同一又は類似の部品、或いは、同一又は類似の機能を有する部品を表す。以下に、図面を参照しながら説明される実施形態は例示的なものであり、本発明を解釈するためだけに用いられ、本発明を限定するものと理解されてはならない。
【００３５】
以下、図面を組み合わせて本発明の実施例に係る積層造形装置に対して詳細に説明する。
【００３６】
図１〜図１０に示すように、本発明の実施例に係る電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置は、真空成形室１と、作業台装置と、粉末供給装置と、少なくとも一つの電子ビーム放射集束走査装置６と、コントローラ（図示せず）と、を含むことができる。
【００３７】
具体的には、前記作業台装置の成形領域は、少なくとも真空成形室１内に設けられる。
【００３８】
本発明の一実施例によって、前記作業台装置は、作業プラットフォーム２とピストン式成形シリンダ装置とを含む。前記成形領域は、作業プラットフォーム２に設けられる。前記ピストン式成形シリンダ装置は、作業プラットフォーム２の下に設けられ、成形シリンダ３１とピストン式昇降装置３２とを含む。成形シリンダ３１の上縁は、作業プラットフォーム２と同一平面にあり、ピストン式昇降装置３２は、成形シリンダ３１内で昇降可能である。
【００３９】
前記粉末供給装置は、粉末を前記成形領域に供給するために用いられる。本発明の一実施例によって、当該粉末は、セラミック粉末と金属粉末のうちの少なくとも一つであってもよいが、当該粉末は、積層造形に必要な部品のニーズに応じて適切な材料を選択しても良く、それも本発明の保護範囲内に含まれる。
【００４０】
本発明の一実施例によって、前記粉末供給装置は、粉末供給器４と粉末敷設器５とを含むことができる。図１を示すように、粉末供給器４は、粉末を作業プラットフォーム２の上面に供給する。粉末敷設器５は、作業プラットフォーム２に設けられ、粉末を成形シリンダ３１内に搬送し、平らにすることができる。
【００４１】
電子ビーム放射集束走査装置６は、電子ビーム放射集束走査装置６の走査範囲が少なくとも前記成形領域の一部をカバーするように設けられ、具体的な走査範囲は、成形ニーズなどによって設置することができる。図１を示すように、本発明のいくつかの実施例では、電子ビーム放射集束走査装置６内には、上から下にフィラメント６１と、カソード６２と、グリッド６３と、アノード６４と、集束コイル６５と、ｘ方向偏向巻線とｙ方向偏向巻線とを含む走査偏向コイル６６が順次的に設けることができる。
【００４２】
各電子ビーム放射集束走査装置６は、いずれも電子ビームを放射することができ、一つのビーム又は複数のビームの走査を行うために、各ビームの電子ビームは、いずれも十分な電力があり、加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、成形材料に対して加熱と、溶融と、焼結と、切断輪郭処理を行うことができる。また、ここに記載の走査と、加熱と、溶融と、焼結と、切断輪郭は、材料加工分野において一般的に理解されるべきであり、例えば、加熱は、連続的又は断続的な予熱、昇温などを含むことができる。
【００４３】
具体的には、図２と図３に示すように、本発明の実施例に係る積層造形装置が具体的に使用されている場合、電子ビーム放射集束走査装置６によって放射される電子ビーム６７がコントローラの制御で成形領域を走査するために用いられることができる。まず、電子ビーム放射集束走査装置６を使用して加熱モードである電子ビームを放射し、粉末床を走査予熱して、粉末を加熱して予備焼結を発生させることができ、次に、電子ビーム放射集束走査装置６を使用して選択的溶融モードである電子ビームを放射し、断面輪郭内の粉末を走査して溶融し、前記粉末を溶融堆積して、所望の部品の断面層を形成し、その後、電子ビーム放射集束走査装置６を使用して電子ビーム切断モードである電子ビームを放射し、前記部品の断面の内外の輪郭に対して１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得し、その後、切断輪郭の部品の断面層に粉末を広げることができ、次に、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断を順次に行い、所望の３次元実体部品が得られるまで、上記の広げと、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断との分層製造プロセスを繰り返す。
【００４４】
これにより、断面内の材料を徐々に昇温、焼結、溶融して、明瞭、連続、完全な断面とその輪郭を形成し、製造のプロセスにおける積層製造と減法製造を同期に行うことを実現することができ、後続の処理を不要又は減少することで、高性能と高精度の部品を取得することができる。
【００４５】
本発明の実施例に係る積層造形装置は、コントローラによって異なるパラメータを有する電子ビームを放射するように電子ビーム放射集束走査装置６を制御することができ、電子ビームが製造プロセスにおける成形領域の材料に対して柔軟に加熱、溶融、焼結、切断輪郭処理を行うことができ、電子ビーム選択的溶融と切断輪郭を組み合わせて、「積層製造」と「減法製造」との同期加工を実現し、製造のプロセス中に高性能と高精度の部品を取得することができ、後続の処理を不要又は減少することができる。
【００４６】
電子ビーム放射集束走査装置６の電子ビーム加速電圧は、１０ｋＶ〜２００ｋＶで変化することができる。電子ビーム放射集束走査装置６によって放射される電子ビームの成形領域の走査速度は、０〜１００メートル／秒で任意に変化することができる。これにより、コントローラによって電子ビーム放射集束走査装置６の電子ビーム加速電圧及び走査速度が所定の範囲内で変化するように制御することによって、電子ビームは異なるエネルギー及び作用時間を有し、加熱、溶融、焼結、切断輪郭機能を実現することができる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施例では、加熱モードにおいて、電子ビーム放射集束走査装置６によって放射された電子ビームは、成形平面の上方又は下方に集束されることができ、走査速度は、０．０１メートル／秒から５０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きい。これにより、より良い加熱効果及び加熱効率を実現することができる。例えば、電子ビームの加熱モードでの走査速度は、１０メートル／秒、２０メートル／秒、３０メートル／秒、又は４０メートル／秒などであってもよく、隣接する２回の走査の走査パスの走査間隔は、１５ミクロン、２０ミクロン、又は２５ミクロンなどであってもよい。
【００４８】
選択的溶融モードでは、電子ビーム放射集束走査装置６によって放射された電子ビームは、成形平面に集束されることができ、走査速度は、０．０１メートル／秒から１０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きく、溶融焼結効果及び焼結効率が良い。例えば、電子ビームの選択的溶融モードでの走査速度は、１メートル／秒、３メートル／秒、５メートル／秒、７メートル／秒、又は９メートル／秒などであってもよく、隣接する２回の走査の走査パスの走査間隔は、１５ミクロン、２０ミクロン、又は２５ミクロンなどであってもよい。
【００４９】
さらに、選択的溶融モードでは、電子ビーム放射集束走査装置６は、電子ビームのビーム強度と、成形平面における焦点移動速度と、隣接する走査パスの走査間隔と、間隔時間とを調整することによって溶融の深さを調整して、良好な溶融焼結効果を保証することができる。
【００５０】
本発明では、電子ビーム放射集束走査装置６は、連続的電子ビームとパルス電子ビームを生成することができる。有利には、電子ビーム切断処理を行うときの電子ビームは、パルス電子ビームであり、より良い切断効果を保証することができる。
【００５１】
なお、電子ビームを切断するときに、エネルギー密度が不足したり、又は作用時間が長すぎる場合、焦点周囲の材料が溶融し、気化して除去された部分は再充填されるため、切断ができなく、又は切断効率が低下され、また、温度勾配効果を起こして、亀裂が発生され、切断効果が理想的ではなく、製品の表面仕上げが悪い。切断効果を向上させるために、本願の発明者は、電子ビーム切断のいくつかのパラメータに対して最適な設計を行い、切断効果を著しく改善することができる。
【００５２】
例えば、本発明のいくつかの実施例では、電子ビーム切断モードにおいて、電子ビーム放射集束走査装置６は、連続的電子ビームを放射し、連続的電子ビームは部品の断面平面に集束され、走査速度は、１メートル／秒から５０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パスは完全に重畳するか、又は走査間隔は８ミクロンより小さい。これにより、切断深さを有効に深めることを保証することができる。例えば、電子ビームの電子ビーム切断モードにおける走査速度は、１０メートル／秒、２０メートル／秒、３０メートル／秒、又は４０メートル／秒などであってもよく、隣接する２回の走査パスの走査間隔は、０ミクロン、２ミクロン、４ミクロン、又は６ミクロンなどであってもよい。
【００５３】
さらに、例えば、本発明の別の実施例では、電子ビーム切断モードにおいて、電子ビーム放射集束走査装置６はパルス電子ビームを放射し、パルス電子ビームは部品の断面平面に集束し、パルス周波数は、１Ｈｚから１００ｋＨｚであり、走査速度は、０．１メートル／秒から５メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは重畳するか、又は走査間隔は８ミクロンより小さく、切断効果は良い。例えば、電子ビームの電子ビーム切断モードにおける走査速度は１メートル／秒、２メートル／秒、３メートル／秒、又は４メートル／秒などであってもよく、隣接する２回の走査の走査パスの走査間隔は０ミクロン、２ミクロン、４ミクロン、又は６ミクロンなどであってもよい。
【００５４】
なお、本発明では、走査間隔は、前記電子ビームが前記粉末床又は部品の断面に走査して形成された隣接する二つの走査軌跡中心線又は走査トレース中心線の距離と理解することもでき、入力された前記電子ビーム放射集束走査装置の前記コントローラの走査データにより定義される隣接する二つの走査パスの距離と理解することもできる。
【００５５】
図１を示すように、本発明の一例によれば、電子ビーム放射集束走査装置６は、真空成形室１の上部に設けられ、成形領域の真上に位置する。これにより、取り付けが容易であるだけでなく、良好な成形効果を保証することができる。
【００５６】
有利には、電子ビーム放射集束走査装置６は、作業台装置に対して移動可能であり、つまり、電子ビーム放射集束走査装置６は、作業台装置に対して位置移動が発生することができるため、走査範囲を拡大することができる。さらに、作業台装置は、真空成形室１内に位置移動が発生して、電子ビーム放射集束走査装置６の走査範囲をさらに拡大することができる。
【００５７】
図８に示すように、本発明の一例によれば、積層造形装置は、二つの電子ビーム放射集束走査装置６を含むことができ、二つの電子ビーム放射集束走査装置６は、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つの異なる作動モードを有し、二つの電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域は、縁部のみ重畳し、残りの９０％以上の走査領域は、互いに重畳していない。これにより、走査範囲をさらに拡大することができ、積層造形装置が良好な成形効果と高い成形効率を有することができる。
【００５８】
選択可能に、二つの電子ビーム放射集束走査装置６は、真空成形室１の上部に並列に設けられる。これにより、取り付けが容易であるだけでなく、走査範囲を拡大することができ、成形品質と成形効率を向上させることができる。
【００５９】
図９に示すように、本発明の一例によれば、電子ビーム放射集束走査装置６を四つ含むことができ、電子ビーム放射集束走査装置６はアレイ状に分布することができ、アレイの各電子ビーム放射集束走査装置６は、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つの作動モードを有し、各電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域は、縁部のみ重畳し、残りの８０％以上の走査領域は、互いに重畳していない。これにより、走査範囲をさらに拡大することができ、積層造形装置が良好な成形効果と高い成形効率を有することができる。
【００６０】
選択可能に、四つの電子ビーム放射集束走査装置６は、真空室１の上部にアレイに設けられる。これにより、取り付けが容易であるだけでなく、走査範囲を拡大することができ、成形品質と成形効率を向上させることができる。
【００６１】
なお、本発明では、電子ビーム放射集束走査装置６の数が特に限定されず、三つ、五つ、又は五つより多いなどであってもよく、具体的な状況に応じて柔軟に設置することができる。
【００６２】
本発明の一例によれば、電子ビーム放射集束走査装置６は、ハウジング６０と、フィラメント６１と、カソード６２と、グリッド６３と、アノード６４と、集束コイル６５と、偏向コイル６６とを含むことができる。ハウジング６０は、真空成形室１の外部に設けられる。フィラメント６１は、ハウジング６０内に設けられて電子ビームを生成する。カソード６２は、ハウジング６０内のフィラメント６１の下に位置する。グリッド６３は、ハウジング６０内のカソード６２の下に位置する。アノード６４は、ハウジング６０内のグリッド６３の下に位置する。集束コイル６５は、ハウジング６０内のアノード６４の下に位置する。偏向コイル６６は、ハウジング６０内の集束コイル６５の下に位置する。
【００６３】
以上により、上記の電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置によって、電子ビーム選択的溶融と切断輪郭を組み合わせて、「積層製造」と「減法製造」との同期加工を実現し、高性能、高効率、高精度、材料適応面がより広い選択的溶融の積層造形技術を実現する。
【００６４】
電子ビーム放射集束走査装置によって放射された走査電子ビームは、成形領域の走査、粉末の予熱、冷却過程を制御するために用いられ、成形領域の温度場が適切な範囲になるようにすることができ、温度勾配を制御し、熱応力を低減し、部品の断面を走査し、内外の輪郭を切断することにより断面内の材料を徐々に昇温、焼結、溶融して、明瞭と、連続と、完全な断面とその輪郭を形成し、高性能と高精度の部品を取得する。
【００６５】
大きな成形領域に対して、真空室の上部に複数の電子ビーム放射集束走査装置６を配置することができ、複数の電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域は、大きな合成走査領域に構成され、各電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域間に隙間が存在してはならず、部分が重畳したり、又は隣接して、成形領域に走査できない箇所が存在するため、製造プロセスに影響することを避ける。
【００６６】
より大きな成形領域に対して、少なくとも一つの電子ビーム放射集束走査装置６は、真空成形室１上部の作業プラットフォーム２に対する移動位置によって、走査範囲を拡大することができる。選択可能に、より大きな成形領域に対して、真空成形室で成形シリンダ３１と作業プラットフォーム２の位置移動によって、前記電子ビーム放射集束走査装置の走査範囲を拡大することができる。
【００６７】
以下、図１〜図１０に開示された具体的な実施例を簡単に説明する。
【００６８】
実施例１
図１を示すように、本発明一実施例による電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置は、真空成形室１と、作業プラットフォーム２と、成形シリンダ３１と、ピストン式昇降装置３２と、粉末供給器４と、粉末敷設器５と、電子ビーム放射集束走査装置６と、コントローラとする制御コンピュータと、を含む。
【００６９】
電子ビーム放射集束走査装置６は、電子ビーム６７を生成するフィラメント６１と、カソード６２と、グリッド６３と、アノード６４と、集束コイル６５と、偏向コイル６６とを含み、電子ビーム６７を生成することは、成形領域を走査し、粉末を加熱、焼結、溶融し、成形材料内外の輪郭を切断するために用いられる。
【００７０】
真空成形室１は、選択的溶融プロセスに真空環境を提供し、作業プラットフォーム２を中間水平に設置する。
【００７１】
粉末供給器４は、作業プラットフォーム２の上方に設けられ、粉末を貯蔵し、粉末４１を定量的に供給するために用いられる。
【００７２】
粉末敷設器５は、作業プラットフォーム２で往復移動し、粉末を成形領域に搬送して平らにする。
【００７３】
成形シリンダ３１は、作業プラットフォーム２の下に設けられ、成形シリンダ３１には、ピストン式昇降装置３２がある。ピストン式昇降装置３２と成形シリンダ３１によって構成される高さ可変の収容チャンバ内には、粉末床７と、既に成形されたワークピース７２とが格納されている。
【００７４】
図１と図２に示すように、本発明一実施例による電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置の加工プロセスは、以下の、先の層の堆積層の成形が完了し、新しい堆積層の成形が開始する場合、ピストン式昇降装置３２は、作業プラットフォーム２に対して一つの粉末層の厚さほどの高さを降下して、粉末床７の上面と作業プラットフォーム２の表面は、一つの粉末層の厚さの差を形成する。制御コンピュータの制御によって、粉末供給器４は、一定量の成形材料粉末４１を出力して、作業プラットフォーム２の表面に落下し、その後、粉末敷設器５は粉末４１を成形シリンダ３１内に搬送し、粉末床７に平らにして１層の新しい粉末層を形成する。
【００７５】
電子ビーム放射集束走査装置６は、加熱モードの電子ビームを放射して新しい粉末層を組み合わせ走査し、成形領域内の粉末を加熱して予備焼結を発生させる。電子ビーム放射集束走査装置６は、選択的溶融モードの電子ビーム６７を放射して成形部品の断面内の粉末７１を走査溶融する。電子ビーム放射集束走査装置６は、切断モードの電子ビーム６８を放射して成形材料の内輪郭７５と外輪郭７４を切断し、１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭の粗さ部分と走査成形されなかった粉末を直接に切除する。ワーク７２の上面に新しい堆積層７１が堆積される。
【００７６】
このように繰り返して、逐次に層ごとにワーク７２に新しい堆積層が堆積され、ワーク７２の最終形状が取得されるまで、ワークの積層造形プロセスが完了する。
【００７７】
図３〜図６には、本発明一実施例の電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる走査方式を示す。溶融堆積モードでは、電子ビーム放射集束走査装置６は、電子ビームのビーム強度、成形平面における焦点移動速度、隣接する走査パスの走査間隔、間隔時間などの走査パラメータを調整することによって、溶融の深さを調整することができる。
【００７８】
図３と図４は、現在の成形層が前の成形層（図の現在の成形層の下に位置する）以上の概略図であり、すなわち現在の成形層の外縁は、前の成形層を超えて外側に延びる。図５と図６は、現在の成形層が前の成形層（図の現在の成形層の下に位置する）より小さい概略図であり、すなわち前の成形層の外縁は、現在の成形層を超えて外側に延びる。その中、図３と図５は、電子ビーム切断輪郭を追加しないで成形される場合であり、このときに、選択的溶融モードのみの電子ビーム６７を使用して成形粉末を走査し、既に溶融成形されたワーク７２表面は処理されず、表面の品質は粗く、縁部はギザギザになり、図４及び図６は、電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断を組み合わせる走査領域の概略図である。
【００７９】
図４に示す上方の３層では、現在の成形層が前の成形層より大きい部分７６（図の白い断面線の部分）であり、その下が粉末床又は切断された輪郭の縁部の領域であるため、溶融の深さが現在の成形層の厚さ以下である必要があり、現在の成形層の下方の粉末が前の成形層の既に切断された表面に付着され、切断された表面の品質に影響することを回避し、下に部品実体があり、現在の成形層がそれに熔合する必要がある領域７７（図の灰色の中実部分）では、現在の成形層が前の成形層と完全に熔合するように、溶融の深さが現在の成形層の厚さを超える必要がある。これにより、上下の二つの成形層の接続効果を保証することができるだけでなく、より良い表面仕上げを保証することができる。
【００８０】
図４に示す下方の３層では、現在の成形層が前の成形層と等しい場合、つまり、現在の成形層の縁部が前の成形層の縁部と同一平面にある場合、現在の成形層の溶融の深さは、前の成形・切断された表面の品質に影響しないため、現在の成形層の溶融の深さは、いずれも現在の成形層の厚さを超えて、現在の成形層が前の成形層と完全に熔合し、切断平面が平らにするようにする必要がある。図６に示す現在の成形層が前の成形層より小さい場合、現在の成形層の溶融の深さは、前の成形層の切断された表面の品質を影響しないため、現在の成形層の溶融の深さも現在の成形層の厚さを超え、現在の成形層が前の成形層と完全に熔合して、切断効果及び成形品質を保証するようにする必要がある。
【００８１】
図７に示すように、本発明一実施例の電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断を組み合わせる走査方式では、電子ビーム切断モードである電子ビーム６８は、１回又は複数回の輪郭切断を行い、粗さ部分７８と走査成形されなかった粉末７３を直接に切除して、粗さ部分７８と走査成形されなかった粉末７３が、既に成形されたワーク７２から完全に分離し、より高い成形精度と表面仕上げの成形件を取得する。
【００８２】
実施例２
図８と図９には、本発明の他の実施例に係る電子ビーム選択的溶融と切断を組み合わせる積層造形装置を示す。複数の電子ビーム放射集束走査装置６が選択的溶融と切断を行う積層造形装置を含む。他の構成は実施例１と同様であり、その加工プロセスも実施例１と同様であり、ここでは詳細に説明しない。
【００８３】
その中、図８は、二つの電子ビーム放射集束走査装置６の組み合わせを示しており、前記二つの電子ビーム放射集束走査装置６によって放射される電子ビームは、いずれも加熱と、溶融堆積と、電子ビーム切断との三つの異なる作動モードを有し、二つの電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域は、縁部のみ重畳し、残りの９０％以上の走査領域は、互いに重畳していない。二つの電子ビーム放射集束走査装置６は、真空室１の上部に並列に設けられる。
【００８４】
図９は、四つの電子ビーム放射集束走査装置６の組み合わせを示しており、四つの電子ビーム放射集束走査装置６によって放射される電子ビームは、いずれも加熱と、溶融堆積と、電子ビーム切断との三つの異なる作動モードを有し、各電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域は、縁部のみ重畳し、残りの８０％以上の走査領域は、互いに重畳していない。例えば、四つの電子ビーム放射集束走査装置６は、２×２アレイに配置され、各電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域７７１、７７２、７７３、７７４の大きさが一致し、より大きい合成走査領域７７が構成され（図１０に示すように）、各電子ビーム放射集束走査装置６の走査領域間には、隙間が存在しなく（例えば、部分が重畳したり、又は隣接する）、成形領域に走査できない箇所が存在することを回避する。また、四つの電子ビーム放射集束走査装置６を一つの電子ビーム走査モジュールに構成することもでき、機械的に平行移動する運動機構を使用し、より大きな成形走査領域を取得し、より大きなサイズの３次元部品の積層造形を実現する。
【００８５】
本発明の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「頂」、「底」、「内」、「外」などの用語が示す方位又は位置関係は、図面に示す方位又は位置関係に基づき、本発明を便利にまたは簡単に説明するために使用されるものであり、指定された装置又は素子が所定の方位にあり、所定の方位において構造され操作されると指示又は暗示するものではないので、本発明に対する限定と理解してはいけない。本発明の説明で、特に明確で具体的に限定されない限り、「複数」との意味は少なくとも二つであり、例えば、二つ、三つなどである。
【００８６】
本発明において、明確な規定と限定がない限り、「取り付け」、「互いに接続」、「接続」、「固定」との用語の意味は広く理解されるべきである。例えば、固定接続や、着脱可能な接続や、あるいは一体的な接続でも可能である。机械的な接続や、電気的な接続や、相互の通信も可能である。直接的に接続することや、中間媒体を介して間接的に接続することや、二つの素子の内部が連通することや、あるいは二つの素子の間に相互の作用関係があることも可能である。当業者にとって、具体的な場合により上記用語の本発明においての具体的な意味を理解することができる。
【００８７】
本発明において、明確な規定と限定がない限り、第１特徴が第２特徴の「上」又は「下」にあることは、第１特徴と第２特徴とが直接的に接触することを含んでもよく、第１特徴と第２特徴とが中間媒体を介して接触することを含んでもよい。
【００８８】
本明細書の説明において、「実施例」、「示例」などの用語を参考した説明とは、当該実施形態例或いは示例に結合して説明された具体的な特徴、構成、材料或いは特徴が、本発明の少なくとも一つの実施形態例或いは示例に含まれることである。本明細書において、上記用語に対する例示的な説明は、必ずしも同じ実施例或いは示例を示すことではない。また又、説明された具体的な特徴、構成、材料或いは特徴は、いずれか一つ或いは複数の実施例又は示例において適切に結合することができる。なお、お互いに矛盾しない場合、当業者は本明細書で説明された異なる実施例或いは示例、及び異なる実施例或いは示例の特徴を結合且つ組み合わせることができる。
【００８９】
以上、本発明の実施例を示して説明したが、上記実施例は例示的なもので、本発明を限定するものであると理解してはいけない。当業者は、本発明の範囲内で、上記実施例に対して各種の変化、補正、切り替え及び変形を行うことができる。
【図１】
2020505251.tif 000003
【図２】
2020505251.tif 000004
【図３】
2020505251.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020505251.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020505251.tif 000009
【図８】
2020505251.tif 000010
【図９】
2020505251.tif 000011
【図１０】
2020505251.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月9日(2019.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置であって、
真空成形室と、
成形領域が少なくとも前記真空成形室内に設けられる作業台装置と、
粉末を前記成形領域に広げるための粉末供給装置と、
走査範囲が少なくとも前記成形領域の一部をカバーする少なくとも一つの前記電子ビーム放射集束走査装置と、
各前記電子ビーム放射集束走査装置の作動を制御して、加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードで電子ビームを放射させるコントローラと、を含み、
前記粉末供給装置は、粉末を成形領域に広げて所定の厚さの粉末床を形成し、
電子ビーム放射集束走査装置は、加熱モードである電子ビームを放射して前記粉末床を走査予熱し、粉末を加熱して予備焼結を発生させ、
電子ビーム放射集束走査装置は、選択的溶融モードである電子ビームを放射して断面内の粉末を走査して溶融し、前記粉末を溶融堆積して、所望の部品の断面層を形成し、
電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビーム切断モードである電子ビームを放射して前記部品の断面の内外の輪郭に対して１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得し、
前記切断輪郭の部品の断面層に粉末を広げてから、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断を順次に行い、所望の３次元実体部品が得られるまで、上記の広げと、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断との分層製造プロセスを繰り返す、
ことを特徴とする電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置。
【請求項２】
前記電子ビーム放射集束走査装置の電子ビーム加速電圧は、１０ｋＶ〜２００ｋＶで変化する、
ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、連続的電子ビームとパルス電子ビームを生成可能である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームの成形領域における走査速度は、０〜１００メートル／秒で任意に変化する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記加熱モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、成形平面の上方又は下方に集束され、走査速度は、０．０１メートル／秒〜５０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きい、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記選択的溶融モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、成形平面に集束され、走査速度は、０．０１メートル／秒〜１０メートル／秒であり、２回の隣接する走査パス間は重畳しなく、走査間隔は１０ミクロンより大きい、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記選択的溶融モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビームのビーム強度と、成形平面における焦点移動速度と、隣接する走査パスの走査間隔と、間隔時間とを調整することによって溶融の深さを調整し、
現在の成形層の下に部品実体があり、かつ現在の成形層がそれに熔合する必要がある領域である場合、溶融の深さは現在の成形層の厚さを超え、現在の成形層の下が粉末床又は切断された輪郭の縁部の領域である場合、溶融の深さは現在の成形層の厚さ以下である、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記電子ビーム切断モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された連続的電子ビームは、部品の断面平面に集束され、走査速度は、１メートル／秒〜５０メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは完全に重畳するか、又は走査間隔は８ミクロンより小さい、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記電子ビーム切断モードにおいて、前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射されたパルス電子ビームは、部品の断面平面に集束され、パルス周波数は、１Ｈｚから１００ｋＨｚであり、走査速度は、０．１メートル／秒〜５メートル／秒であり、かつ２回の隣接する走査パスは重畳するか、又は走査間隔は８ミクロンより小さい、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記真空成形室の頂部に設けられ、かつ成形領域の真上に位置する、
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記粉末は、セラミック粉末及び／又は金属粉末を含む、
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１２】
二つの前記電子ビーム放射集束走査装置を含み、各前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、かつ二つの前記電子ビーム放射集束走査装置の走査領域は、縁部で重畳し、残りの９０％以上の走査領域は、互いに重畳していない、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１３】
アレイ状に配置される少なくとも四つの前記電子ビーム放射集束走査装置を含み、各前記電子ビーム放射集束走査装置によって放射された電子ビームは、いずれも加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードを有し、かつ各前記電子ビーム放射集束走査装置の走査領域は、縁部で重畳し、残りの８０％以上の走査領域は、互いに重畳していない、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記作業台装置に対して移動可能である、
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記作業台装置は、前記真空成形室内に移動可能に設けられる、
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記作業台装置は、
前記成形領域が設けられる作業プラットフォームと、
前記作業プラットフォームの下に設けられ、成形シリンダとピストン式昇降装置とを含み、前記成形シリンダの上縁は、前記作業プラットフォームと同一平面にあり、前記ピストン式昇降装置は、前記成形シリンダ内で昇降可能であるピストン式成形シリンダ装置と、を含む、
ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記粉末供給装置は、
前記粉末を前記作業プラットフォームの上面に供給する粉末供給器と、
前記作業プラットフォームに設けられ、かつ前記粉末を前記成形シリンダ内に搬送し、平らにする粉末敷設器と、を含む、
ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の積層造形装置。
【請求項１８】
前記電子ビーム放射集束走査装置は、
前記真空成形室の外部に設けられるハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、電子ビームを生成するフィラメントと、
前記ハウジング内にあり、かつ前記フィラメントに接続されるカソードと、
前記ハウジング内にあり、かつ前記フィラメントの下に位置するグリッドと、
前記ハウジング内にあり、かつ前記グリッドの下に位置するアノードと、
前記ハウジング内にあり、かつ前記アノードの下に位置する集束コイルと、
前記ハウジング内にあり、かつ前記集束コイルの下に位置する一対のＸ／Ｙ偏向コイルと、を含む、
ことを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の積層造形装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
このボトルネックを克服するために、関連技術では、積層造形作業対象の部品の表面の品質を改善するように、いくつかのオンライン切削加工の処理方法を提案する。すなわち「積層製造」（ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）と「減法製造」（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を組み合わせて積層製造と減法製造との組み合わせプロセスの発想である。発明特許出願ＣＮ１０４７４１６０９Ａと、ＣＮ１０４５２６３５９Ａと、ＣＮ１０５９４５５７８Ａは、それぞれ電子ビーム選択的溶融とヒューズ成形された過程で機械減法製造と、レーザ切断とを組み合わせて、機械的ミリングヘッド又はレーザによって部品の断面輪郭をリアルタイムに切削加工して、部品精度と表面仕上げを改善することを提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
発明特許出願ＣＮ１０５５３８７２８Ａは、レーザ選択的溶融積層造形プロセス中でパルスレーザビームを使用して輪郭の縁部を走査して表面の凹凸を除去し、作業対象の部品の表面仕上げを改善することを提案する。当該特許は、同一走査検流計システムで、異なるレーザ光源によって放射された連続レーザとパルスレーザを入力して、積層製造と減法製造との組み合わせ加工を行う。上記の「積層製造」と「減法製造」の二つのレーザ走査システムが同時に最適な加工位置に位置できない構造的干渉の問題を避けたが、依然として二つの性質が異なるレーザ器と光路統合システムを配置する必要があるため、機器コストとデバッグの難しさを増加する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
また、当該特許が対するレーザ選択的溶融プロセスは、レーザが材料を溶融するときに酸化と材料の気化でレーザレンズの蒸発が発生することを防止するために、大気圧力より大きい正圧である不活性保護雰囲気で実行する必要があり、パルスレーザ切断材料の効率を大幅に制限する。当該発明は、パルスレーザで輪郭の縁部を走査して「表面の凹凸を除去する」ことを提供するため、多くの材料を切削する必要があり、当該発明の実施の難しさがさらに増大する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の実施例に係る電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置は、真空成形室と、成形領域が少なくとも前記真空成形室内に設けられる作業台装置と、粉末を前記成形領域に広げて所定の厚さの粉末床を形成するための粉末供給装置と、走査範囲が少なくとも前記成形領域の一部をカバーする少なくとも一つの前記電子ビーム放射集束走査装置と、各前記電子ビーム放射集束走査装置の作動を制御して、加熱と、選択的溶融と、電子ビーム切断との三つのモードで電子ビームを放射させるコントローラと、を含み、その中、前記粉末供給装置は、粉末を成形領域に広げて所定の厚さの粉末床を形成し、電子ビーム放射集束走査装置は、加熱モードである電子ビームを放射して前記粉末床を走査予熱し、粉末を加熱して予備焼結を発生させ、電子ビーム放射集束走査装置は、選択的溶融モードである電子ビームを放射し、断面内の粉末を走査して溶融し、前記粉末を溶融堆積して、所望の部品の断面層を形成し、電子ビーム放射集束走査装置は、電子ビーム切断モードである電子ビームを放射し、前記部品の断面の内外の輪郭に対して１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得し、前記切断輪郭の部品の断面層に粉末を広げてから、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断とを順次に行い、所望の３次元実体部品が得られるまで、上記の広げと、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断との分層製造プロセスを繰り返す。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、本発明により提供される上記の電子ビーム選択的溶融と電子ビーム切断とを組み合わせた積層造形装置は、以下のような付加的な技術的特徴を有することもできる。
本発明の一例によれば、真空形成室の圧力は、１０Ｐａ未満であり、不均衡な要素の過剰な蒸発を防ぐように、不活性ガスで再充填される。不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、窒素を含むが、これらに限定されていない。
本発明の一例によれば、前記真空形成室の圧力は、１Ｐａ〜１０−３Ｐａである。
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置の電子ビーム加速電圧は、１０ｋＶ〜２００ｋＶで変化する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
本発明の一例によれば、前記電子ビーム放射集束走査装置は、前記真空成形室の外部に設けられるハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、電子ビームを生成するフィラメントと、前記ハウジング内にあり、かつ前記フィラメントに接続されるカソードと、前記ハウジング内にあり、かつ前記フィラメントの下に位置するグリッドと、前記ハウジング内にあり、かつ前記グリッドの下に位置するアノードと、前記ハウジング内にあり、かつ前記アノードの下に位置する集束コイルと、前記ハウジング内にあり、かつ前記集束コイルの下に位置する一対のＸ／Ｙ偏向コイルと、を含む。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
具体的には、前記作業台装置の成形領域は、少なくとも真空成形室１内に設けられる。
本発明の一例によれば、真空形成室１の圧力は、１０Ｐａ未満であり、不均衡な要素の過剰な蒸発を防ぐように、不活性ガスで再充填される。不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、窒素を含むが、これらに限定されていない。好ましくは、前記真空形成室の圧力は、１Ｐａ〜１０−３Ｐａである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
電子ビーム放射集束走査装置６は、電子ビーム放射集束走査装置６の走査範囲が少なくとも前記成形領域の一部をカバーするように設けられ、具体的な走査範囲は、成形ニーズなどによって設置することができる。図１を示すように、本発明のいくつかの実施例では、電子ビーム放射集束走査装置６内には、上から下にフィラメント６１と、カソード６２と、グリッド６３と、アノード６４と、集束コイル６５と、ｘ方向偏向巻線とｙ方向偏向巻線とを含む一対の走査偏向コイル６６が順次的に設けることができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
具体的には、図２と図３に示すように、本発明の実施例に係る積層造形装置が具体的に使用されている場合、電子ビーム放射集束走査装置６によって放射される電子ビーム６７がコントローラの制御で成形領域を走査するために用いられることができる。まず、電子ビーム放射集束走査装置６を使用して加熱モードである電子ビームを放射し、粉末床を走査予熱して、粉末を加熱して予備焼結を発生させることができ、次に、電子ビーム放射集束走査装置６を使用して選択的溶融モードである電子ビームを放射し、断面内の粉末を走査して溶融し、前記粉末を溶融堆積して、所望の部品の断面層を形成し、その後、電子ビーム放射集束走査装置６を使用して電子ビーム切断モードである電子ビームを放射し、前記部品の断面の内外の輪郭に対して１回又は複数回の切断走査を行い、輪郭上の粗い縁部と熔接された粉末を除去又は切除して、正確で滑らかな部品の断面の内外の輪郭を取得し、その後、切断輪郭の部品の断面層に粉末を広げることができ、次に、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断を順次に行い、所望の３次元実体部品が得られるまで、上記の広げと、加熱と、溶融堆積と、輪郭切断との分層製造プロセスを繰り返す。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
本発明の一例によれば、電子ビーム放射集束走査装置６は、ハウジング６０と、フィラメント６１と、カソード６２と、グリッド６３と、アノード６４と、集束コイル６５と、一対の偏向コイル６６とを含むことができる。ハウジング６０は、真空成形室１の外部に設けられる。フィラメント６１は、ハウジング６０内に設けられて電子ビームを生成する。カソード６２は、ハウジング６０内のフィラメント６１に接続される。グリッド６３は、ハウジング６０内のフィラメント６１の下に位置する。アノード６４は、ハウジング６０内のグリッド６３の下に位置する。集束コイル６５は、ハウジング６０内のアノード６４の下に位置する。一対のＸ／Ｙ偏向コイル６６は、ハウジング６０内の集束コイル６５の下に位置する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
電子ビーム放射集束走査装置６は、電子ビーム６７を生成するフィラメント６１と、カソード６２と、グリッド６３と、アノード６４と、集束コイル６５と、一対のＸ／Ｙ偏向コイル６６とを含み、電子ビーム６７を生成することは、成形領域を走査し、粉末を加熱、焼結、溶融し、成形材料内外の輪郭を切断するために用いられる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
真空成形室１は、選択的溶融プロセスに真空環境を提供し、作業プラットフォーム２を中間水平に設置する。前記真空環境の圧力は、１０Ｐａ未満であり、好ましくは、１Ｐａ〜１０−３Ｐａであり、不活性ガスで再充填される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2020505251.tif 000013
【国際調査報告】
2020505251.tif 000014
2020505251.tif 000015
2020505251.tif 000016
2020505251.tif 000017