DE102018007369A1

DE102018007369A1 - Düse, bearbeitungsvorrichtung und additive fertigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018007369A1
Application number: DE102018007369.7A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Ohno; Satoshi TSUNO; Mitsuo Sasaki; Tomohiko YAMADA; Yasutomo Shiomi; Shimpei FUJIMAKI
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Machine Co Ltd; Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Current assignee: Toshiba Corp; Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM); Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: CN109513923B; CN109513923A; US10780634B2; JP2019055484A; JP6943703B2; US20190084226A1; DE102018007369B4

Abstract

Eine Düse (34) gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Düseneinheit (34) und eine Führungsoberfläche (75c). Ein erster Durchgang (41), ein zweiter Durchgang (42) und die Führungsoberfläche (75c) sind an der Düseneinheit (34) ausgebildet. Der erste Durchgang (41) hat ein erstes offenes Ende (41a). Der zweite Durchgang hat ein zweites offenes Ende (42a) und einen Abschnitt (42b), welcher stromaufwärts des zweiten offenen Endes (42a) angeordnet ist und sich in einer zweiten Richtung (Dc) erstreckt. Die Führungsoberfläche (75c) hat eine Kante (75d) in einer ersten Richtung. Die Führungsoberfläche (75c) liegt auf einer äußeren Seite an der Kante (75d) frei, ist entlang einer dritten Richtung (Ds) an der Kante (75d), wobei die dritte Richtung (Ds) eine Richtung ist, die sich weiter als die zweite Richtung (Dc) von der Achse (Ax) entfernt, wenn die dritte Richtung (Ds) in der ersten Richtung verlängert wird. Ein aus dem zweiten offenen Ende (42a) ausgestoßener Strom eines Fluids (G) folgt der Führungsoberfläche (75c) und wird an der Kante (75d) von der Düseneinheit (34) getrennt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-179515 , angemeldet am 19 September 2017, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Fachgebiet
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf eine Düse, eine Bearbeitungsvorrichtung und eine Vorrichtung für additive Fertigung.
Hintergrund
Bekannt ist eine Vorrichtung wie eine Laserbearbeitungsmaschine oder eine Vorrichtung für additive Fertigung, die ein Zielobjekt durch Bestrahlen des Objekts durch Energiestrahlen bearbeitet oder formt. Um Reaktionen zwischen der Außenluft und einem mit Energiestrahlen bestrahlten Abschnitt zu unterbinden, stößt die Vorrichtung ein Fluid, wie beispielsweise ein Schutzgas, aus. Das Schutzgas wird so ausgestoßen, dass das Schutzgas den mit dem Energiestrahl bestrahlten Abschnitt umgibt. Ein Beispiel des Stands der Technik ist im Patent US 7,223,935 offenbart.
Wenn das ausgeströmte Schutzgas auf das bearbeitete Objekt trifft, können beispielsweise Turbulenzen im Schutzgas auftreten. Durch die Erzeugung einer Turbulenz kann die Außenluft in das Schutzgas gelangen.
Eine beispielhafte Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst werden soll, ist es, eine Düse, eine Bearbeitungsvorrichtung und eine Vorrichtung für additive Fertigung bereitzustellen, die in der Lage sind, die Möglichkeiten des Eindringens der Außenluft in das Schutzgas zu verringern.
Kurzfassung
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Düse eine Düseneinheit und eine Führungsoberfläche. Die Düseneinheit ist mit einem ersten Durchgang, durch den ein Energiestrahl durchtritt, und einem zweiten Durchgang, durch den ein Fluid durchtritt, versehen. Die Führungsoberfläche ist an der Düseneinheit vorgesehen. Der erste Durchgang erstreckt sich entlang einer Achse und hat ein erstes offenes Ende, das an einem Ende des ersten Durchganges in einer ersten Richtung entlang der Achse angeordnet ist und das sich zur Außenseite der Düseneinheit hin öffnet. Der zweite Durchgang hat ein zweites offenes Ende, das an einem Ende des zweiten Durchganges in der ersten Richtung angeordnet ist, das sich zur Außenseite der Düseneinheit hin öffnet und das weiter als das erste offene Ende von der Achse beabstandet ist, an einer äußeren Seite in einer Radialrichtung, und einen Abschnitt, welcher stromaufwärts des zweiten offenen Endes angeordnet ist, sich in einer zweiten Richtung erstreckt und durch den das Fluid in der zweiten Richtung strömt. Die Führungsoberfläche hat eine Kante, die an einem Ende der Führungsoberfläche in der ersten Richtung angeordnet ist, liegt an der äußeren Seite in der Radialrichtung wenigstens an der Kante frei, und befindet sich entlang einer dritten Richtung an der Kante, wobei die dritte Richtung eine Richtung ist, die sich weiter als die zweite Richtung von der Achse entfernt, wenn die dritte Richtung in der ersten Richtung verlängert wird. Die Führungsoberfläche ermöglicht einem Strom des Fluids in dem zweiten Durchgang oder einem Strom des Fluids, der aus dem zweiten offenen Ende ausgestoßen wird, der Führungsoberfläche zu folgen und an der Kante von der Düseneinheit getrennt zu werden.
Figurenliste

1 ist eine beispielhafte schematische Ansicht einer Vorrichtung für additive Fertigung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ist eine beispielhafte Schnittansicht einer Düse und eines Objekts gemäß der ersten Ausführungsform;
3 ist eine beispielhafte schematische Ansicht eines Beispiels eines Ablaufs eines Fertigungsverfahrens, das durch die Vorrichtung für additive Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird;
4 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht der Düse gemäß der ersten Ausführungsform;
5 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht einer Düse und eines Objekts gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform;
6 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht einer Düse und eines Objekts gemäß einer zweiten Ausführungsform;
7 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht einer Düse und eines Objekts gemäß einer dritten Ausführungsform;
8 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht der Düse gemäß der dritten Ausführungsform; und
9 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht einer Düse und eines Objekts gemäß einer vierten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform wird anhand der 1 bis 5 beschrieben. Grundsätzlich wird in der folgenden Beschreibung eine Richtung vertikal nach oben als Richtung nach oben und eine Richtung vertikal nach unten als Richtung nach unten definiert. Ferner werden in der folgenden Beschreibung eine Mehrzahl von Ausdrücken teilweise für eine Komponente gemäß der Ausführungsform oder für eine Erläuterung der Komponente genutzt. Es ist auch möglich, jegliche andere Ausdrücke als die hier für eine Komponente oder eine Erläuterung, für die eine Mehrzahl von Ausdrücken benutzt werden, zu benutzen. Ferner können auch jegliche andere Ausdrücke als die hier für eine Komponente oder eine Erläuterung der Komponente erwähnten Ausdrücke, für die nicht eine Mehrzahl von Ausdrücken benutzt werden, benutzt werden.
1 zeigt eine beispielhafte schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 für additive Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 ist ein Beispiel einer Bearbeitungsvorrichtung und einer Vorrichtung für additive Fertigung. Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist ein 3D-Drucker mittels Laser-Material-Auftrag. Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 fertigt ein hergestelltes Objekt 4 mit einer vorbestimmten Form additiv, indem beispielsweise Lagen eines Pulvermaterials 3 auf ein Objekt 2 aufgetragen werden. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung für additive Fertigung 1 eine Bearbeitungswanne 11, einen Objekttisch 12, eine Bewegungsvorrichtung 13, eine Düsenvorrichtung 14, eine optische Vorrichtung 15, eine Messvorrichtung 16, eine Steuerungsvorrichtung 18 und eine Mehrzahl von Signalleitungen 19.
In der folgenden Beschreibung werden eine X Achse, eine Y Achse und eine Z Achse wie in den Zeichnungen gezeigt definiert. Die X Achse, die Y Achse und die Z Achse schneiden sich orthogonal. Die Z Achse liegt beispielsweise entlang der vertikalen Richtung. Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 kann auch so angeordnet werden, dass die Z Achse gegenüber der vertikalen Richtung geneigt ist.
Das Material 3 wird von der Düsenvorrichtung 14 zugeführt und in Lagen auf das Objekt 2 aufgetragen. Das Material 3 ist beispielsweise ein thermoplastisches Kunststoffpulver. Das Material 3 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt und kann auch jegliches andere Material, wie ein anderer Kunststoff, Metall oder Keramik sein. Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 kann auch das hergestellte Objekt 4 mittels mehrerer Arten von Material 3 additiv fertigen.
Das Objekt 2 ist ein Objekt, dem das Material 3 von der Düsenvorrichtung 14 zugeführt wird. Das Objekt 2 hat eine Basis 2a und eine Lage 2b. Die Basis 2a ist aus dem gleichen Material wie das Material 3. Die Basis 2a kann auch aus irgendeinem anderen Material hergestellt sein. Die Basis 2a hat eine plattenartige Form und ist auf dem Objekttisch 12 platziert. Die Lage 2b ist aus dem Material 3, welches von der Düsenvorrichtung 14 zugeführt wird, und ist in Lagen auf die obere Fläche der Basis 2a aufgetragen.
Die Bearbeitungswanne 11 ist mit einer Hauptkammer 21 und einer Nebenkammer 22 ausgebildet. Der Objekttisch 12, die Bewegungsvorrichtung 13, ein Teil der Düsenvorrichtung 14 und die Messvorrichtung 16 sind in der Hauptkammer 21 angeordnet. Die Nebenkammer 22 ist benachbart zur Hauptkammer 21.
Eine Tür 23 ist zwischen der Hauptkammer 21 und der Nebenkammer 22 vorgesehen. Wenn die Tür 23 geöffnet ist, kommunizieren die Hauptkammer 21 und die Nebenkammer 22 miteinander und wenn die Tür 23 geschlossen ist sind die Hauptkammer 21 und die Nebenkammer 22 voneinander getrennt. Die Hauptkammer kann luftdicht abgedichtet werden, wenn die Tür 23 geschlossen wird.
Die Hauptkammer 21 ist mit einem Einlass 21a und einem Auslass 21b versehen. Eine Gaszufuhr ist beispielsweise außerhalb der Bearbeitungswanne 11 angeordnet und führt ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Argon, durch den Einlass 21a in die Hauptkammer 21. Eine Gasabführvorrichtung ist beispielsweise außerhalb der Bearbeitungswanne 11 angeordnet und führt Gas aus der Hauptkammer 21 durch den Auslass 21b ab. Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 kann auch ein Vakuum in der Hauptkammer 21 durch Abführen von Gas durch den Auslass 21b aus der Hauptkammer 21 erreichen.
Eine Fördervorrichtung 24 von der Hauptkammer 21 zur Nebenkammer 22 ist vorgesehen. Die Fördervorrichtung 24 transportiert das hergestellte Objekt 4, das in der Hauptkammer 12 bearbeitet wurde, in die Nebenkammer 22. Das in der Hauptkammer 21 bearbeitete hergestellte Objekt 4 wird in die Nebenkammer 22 aufgenommen. Nachdem das hergestellte Objekt 3 in die Nebenkammer 22 aufgenommen wurde, wird die Tür 23 geschlossen und die Nebenkammer 22 und die Hauptkammer 21 von einander getrennt.
Der Objekttisch 12 trägt das Objekt 2. Der Objekttisch 12 trägt auch das hergestellte Objekt 4. Die Bewegungsvorrichtung 13 bewegt beispielsweise den Objekttisch 12 in den drei axialen Richtungen, die sich orthogonal schneiden. Ferner kann die Bewegungsvorrichtung 13 den Objekttisch 12 um zwei Achsen, die sich orthogonal schneiden, drehen.
Die Düsenvorrichtung 14 führt das Material 3 dem Objekt 2, das auf dem Objekttisch 12 platziert ist, zu. Ein Laserstrahl L wird von der Düsenvorrichtung 14 auf das zugeführte Material 3 und das auf dem Objekttisch platzierte Objekt 2 ausgegeben. Der Laserstrahl ist ein Beispiel eines Energiestrahls.
Der Laserstrahl L wird von der Düsenvorrichtung 14 zeitgleich mit dem Material 3 zugeführt. Ohne Beschränkung auf den Laserstrahl kann jeglicher anderer Energiestrahl durch die Düsenvorrichtung 14 zugeführt werden. Der Energiestrahl kann jeglicher Energiestrahl sein, soweit er dazu geeignet ist, das Material wie der Laserstrahl zu schmelzen oder zu sintern, und kann beispielsweise ein Elektronenstrahl oder eine elektromagnetische Welle im Mikrowellen- bis UV-Bereich sein.
Die Düsenvorrichtung 14 umfasst eine Materialzufuhrvorrichtung 32, eine erste Fluidzufuhrvorrichtung 32, eine zweite Fluidzufuhrvorrichtung 33, eine Düse 34, ein Materialzufuhrrohr 35, ein erstes Fluidzufuhrrohr 36, ein zweites Fluidzufuhrrohr 37 und einen Bewegungsmechanismus 38. Die Düse 34 ist ein Beispiel einer Düse und einer Düseneinheit. Die erste Fluidzufuhrvorrichtung 32 ist ein Beispiel einer Fluidzufuhrvorrichtung.
Die Materialzufuhrvorrichtung 31 führt das Material 3 durch das Materialzufuhrrohr 35 der Düse 34 zu. Die erste Fluidzufuhrvorrichtung 32 schickt ein Fluid durch das erste Fluidzufuhrrohr 36 zur Düse 34. Die zweite Fluidzufuhrvorrichtung 33 schickt ein Fluid durch das zweite Fluidzufuhrrohr 37 zur Düse 34.
Die Materialzufuhrvorrichtung 31 weist einen Behälter 31a und eine Materialzufuhreinheit 31b auf. Der Behälter 31a bevorratet das Material 3. Die Materialzufuhreinheit 31b führt das Material 3 in dem Behälter 31a der Düse 34 durch das Materialzufuhrrohr 35 zu. Somit ermöglicht die Materialzufuhreinheit 31b das Zuführen des Materials 3 zu dem Objekt 2 durch die Düse 34.
Die Materialzufuhreinheit 31b führt das Material 3 beispielsweise mit einem Trägergas der Düse 34 zu. Das Trägergas ist ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Argon. Auf diese Weise umfasst die Materialzufuhreinheit 31b beispielsweise einen Behälter, der das Trägergas bevorratet, eine Pumpe, die das Trägergas im Behälter dem Materialzufuhrrohr 35 zuführt, und eine Vorrichtung, die das Material 3 aus dem Behälter 31a in den Strom des Trägergases zuführt. Die Materialzufuhreinheit 31b kann das Material 3 auch auf andere Art in die Düse zuführen.
Die erste Fluidzufuhrvorrichtung 32 weist eine erste Fluidzufuhreinheit 32a auf. Die erste Fluidzufuhreinheit 32a führt das Schutzgas, welches das Fluid ist, der Düse 34 zu. Das Schutzgas ist ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Argon. Auf diese Weise umfasst die erste Fluidzufuhreinheit 32a beispielsweise einen Behälter, der das Schutzgas bevorratet, und eine Pumpe, welche das Schutzgas in dem Behälter in das erste Fluidzufuhrrohr 36 zuführt. Die erste Fluidzufuhreinheit 32a kann auch ein anderes Fluid, wie beispielsweise Wasser, der Düse zuführen.
Die zweite Fluidzufuhrvorrichtung 33 weist eine zweite Fluidzufuhreinheit 33a auf. Die zweite Fluidzufuhreinheit 33a führt ein Spülgas der Düse 34 zu. Das Spülgas ist ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Argon. Auf diese Weise umfasst die erste Fluidzufuhreinheit 32a beispielsweise einen Behälter, der das Spülgas bevorratet, und eine Pumpe, welche das Spülgas in dem Behälter in das zweite Fluidzufuhrrohr 37 zuführt.
2 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht der Düse 34 und des Objekts 2 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 2 gezeigt, hat die Düse 34 eine im Wesentlichen rohrförmige Form, die sich entlang einer zentralen Achse Ax erstreckt. Die zentrale Achse Ax ist ein Beispiel einer Achse und erstreckt sich entlang der Z Achse. Die zentrale Achse Ax kann sich auch diagonal zur Z Achse erstrecken.
Eine Spitze 34a der Düse 34 zeigt in Richtung des Objekts 2 mit einem Zwischenraum dazwischen. Der Strahlausgangspfad 41 ist ein Beispiel eines ersten Durchganges. Der Ausstoßpfad 42 ist ein Beispiel eines zweiten Durchganges. Der Zufuhrpfad 43 ist ein Beispiel eines dritten Durchganges.
Der Strahlausgangspfad 41 ist ein Loch, welches sich entlang der zentralen Achse Ax erstreckt und einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der innere Durchmesser der Strahlausgangspfads 41 wird kleiner in Richtung der Spitze 34a. Alternativ kann der innere Durchmesser des Strahlausgangspfads 41 auch konstant sein. Der Strahlausgangspfad 41 hat eine Strahlausgangsöffnung 41a. Die Strahlausgangsöffnung 41a ist ein Beispiel eines ersten offenen Endes.
Die Strahlausgangsöffnung 41a ist an einem Ende des Strahlausgangspfads 41 angeordnet, in der negativen Richtung der Z Achse (die entgegengesetzte Richtung des die Z Achse bezeichnenden Pfeils; die Richtung nach unten in 2). Die negative Richtung der Z Achse ist ein Beispiel einer ersten Richtung entlang der zentralen Achse. Die Strahlausgangsöffnung 41a entspricht einem Abschnitt in dem der Strahlausgangspfad 41 sich zur Außenseite der Düse 34 öffnet, an der Spitze 34a der Düse 34. Der Laserstrahl L läuft durch den Strahlausgangspfad 41 und tritt aus der Strahlausgangsöffnung 41a aus.
Der Strahlausgangspfad 41 ist mit dem zweiten Fluidzufuhrrohr 37, gezeigt in 1, verbunden. Somit führt die zweite Fluidzufuhreinheit 33a das Spülgas durch das zweite Fluidzufuhrrohr 37 in den Strahlausgangspfad 41. Das Spülgas durchtritt den Strahlausgangspfad 41 zusammen mit dem Laserstrahl L und wird aus der Strahlausgangsöffnung 41a ausgestoßen.
Der Ausstoßpfad 42 und der Zufuhrpfad 43 sind Löcher, die sich entlang der zentralen Achse Ax erstrecken und einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Ausstoßpfad 42 hat die zentrale Achse Ax in seinem Zentrum und ist an einer den Strahlausgangspfad 41 umgebenden Position angeordnet. Der Zufuhrpfad 43 wird von dem Ausstoßpfad 42 mit der zentralen Achse Ax in seinem Zentrum umgeben und ist an einer den Strahlausgangspfad 41 umgebenden Position angeordnet. In anderen Worten ist der Zufuhrpfad 43 zwischen dem Strahlausgangspfad 41 und dem Ausstoßpfad 42 in der Radialrichtung der zentralen Achse Ax angeordnet. Die Radialrichtung ist eine Richtung die sich senkrecht mit der zentralen Achse Ax schneidet.
Der Ausstoßpfad 42 hat eine Ausstoßöffnung 42a. Die Ausstoßöffnung 42a ist ein Beispiel eines zweiten offenen Endes. Die Ausstoßöffnung 42a ist an einem Ende des Ausstoßpfads 42 in der negativen Richtung der Z Achse angeordnet. Die Ausstoßöffnung 42a entspricht einem Abschnitt in dem der Ausstoßpfad 42 sich zur Außenseite der Düse 34 öffnet. Die Ausstoßöffnung 42a ist mehr bzw. weiter als die Strahlausgangsöffnung 41a von der zentralen Achse Ax beabstandet, auf der Außenseite in der Radialrichtung.
Der Ausstoßpfad 42 ist mit dem in 1 gezeigten ersten Fluidzufuhrrohr 36 verbunden. Somit liefert die erste Fluidzufuhreinheit 32a das Schutzgas G über das erste Fluidzufuhrrohr an den Ausstoßpfad 42. Das Schutzgas G ist ein Beispiel eines Fluids. Wie in 2 durch den Pfeil gezeigt, durchtritt das von der ersten Fluidzufuhreinheit 42a zugeführte Schutzgas G den Ausstoßpfad 42 und wird aus der Ausstoßöffnung 42a ins Äußere der Düse 34 ausgestoßen.
Der Zufuhrpfad 43 hat eine Zufuhröffnung 43a. Die Zufuhröffnung 43a ist ein Beispiel eines dritten offenen Endes. Die Zufuhröffnung 43a ist in der negativen Richtung der Z Achse am Ende des Zufuhrpfades 43 angeordnet. Die Zufuhröffnung 43a entspricht einem Abschnitt in dem sich der Zufuhrpfad 43 zur Außenseite der Düse 34 öffnet. Die Zufuhröffnung 43a ist auf der Außenseite in der Radialrichtung weiter als die Strahlausgangsöffnung 41a von der zentralen Achse Ax beabstandet. Ferner ist auf der Außenseite in der Radialrichtung die Ausstoßöffnung 42a des Ausstoßpfads 42 von der zentralen Achse Ax weiter entfernt als die Zufuhröffnung 43a.
Der Zufuhrpfad 43 ist mit dem in 1 gezeigten Materialzufuhrrohr 35 verbunden. Somit führt die Materialzufuhreinheit 31b das Pulvermaterial 3 und das Trägergas über das Materialzufuhrrohr 35 in den Zufuhrpfad 43 in der Düse 34 zu. Somit führt die Materialzufuhreinheit 31b das Pulvermaterial 3 und das Trägergas über das Materialzufuhrrohr 35 in den Zufuhrpfad 43 in der Düse 34 zu. Das von der Materialzufuhreinheit 31b zugeführte Material 3 und Trägergas durchtreten den Zufuhrpfad 43 und werden aus der Zufuhröffnung 43a in Richtung des Objekts 2 ausgestoßen.
Der in 1 gezeigte Bewegungsmechanismus 38 bewegt die Düse 34 in den drei axialen Richtungen, die sich orthogonal schneiden. Der Bewegungsmechanismus 38 kann die Düse auch um zwei sich orthogonal schneidende Achsen rotieren. In anderen Worten bewegt der Bewegungsmechanismus 38 die Düse 34 relativ zum Objekttisch 12. Die Bewegungsvorrichtung 13 bewegt die Düse 34 auch relativ zum Objekttisch 12.
Die optische Vorrichtung 15 umfasst eine Lichtquelle 45, ein optisches System 46 und eine Mehrzahl von Kabeln 47. Die Lichtquelle 45 hat einen Oszillator und emittiert den Laserstrahl L durch Oszillation des Oszillators. Die Lichtquelle 45 kann die Leistung des auszugebenden Laserstrahls L ändern. Die Lichtquelle 45 kann auch in der Lage sein, die Wellenlänge des auszugebenden Laserstrahls L zu ändern.
Die Lichtquelle 45 ist über die Kabel 47, beispielsweise Hohlfasern, mit dem optischen System 46 verbunden. Die Lichtquelle 45 bewirkt, das der ausgegebene Laserstrahl L über die Kabel 47 auf das optische System 46 einfällt. Der Laserstrahl L durchtritt das optische System 46 und tritt in die Düse 34.
Das optische System 46 bestrahlt das Objekt 2 oder das auf das Objekt 2 gesprühte Material 3 mit dem Laserstrahl L, der von der Lichtquelle 45 ausgegeben wird, über den Strahlausgangspfad 41 in der Düse 34. Auf diese Weise stellt die optische Vorrichtung 15 den Laserstrahl L in den Strahlausgangspfad 41 in der Düse 34 bereit und ermöglicht eine Ausgabe des Laserstrahls L aus der Strahlausgangsöffnung 41a.
Das optische System 46 umfasst beispielsweise eine erste Linse 51, eine zweite Linse 52, eine dritte Linse 53, eine vierte Linse 54 und einen Galvano-Scanner 55. Die erste Linse 51, die zweite Linse 52, die dritte Linse 53 und die vierte Linse 54 sind fixiert. Das optische System 46 kann mit einer Anpassungsvorrichtung ausgestattet sein, die beispielsweise eine Bewegung der ersten Linse 51, der zweiten Linse 52, der dritten Linse 53 und der vierten Linse 54 in zwei axialen Richtungen, die sich (orthogonal) mit dem Strahlengang schneiden, ermöglicht.
Die erste Linse 51 kollimiert den Laserstrahl L, der auf das optische System 46 von der Lichtquelle 45 über die Kabel 47 einfällt, zu einem parallelen Strahl. Der kollimierte Laserstrahl L fällt dann auf den Galvano-Scanner 55.
Jede der zweiten Linse 52, der dritten Linse 53 und der vierten Linse 54 bündelt den von dem Galvano-Scanner 55 ausgegebenen Laserstrahl L. Der Laserstrahl L, der durch die zweite Linse gebündelt ist, tritt durch die Kabel 47 und erreicht die Düse 34. Das Objekt 2 wird durch die Laserstrahlen L, die durch die dritte Linse 53 und die vierte Linse 54 gebündelt sind, bestrahlt.
Der Galvano-Scanner 55 teilt das durch die erste Linse 51 kollimierte kollimierte Licht in auf die zweite Linse 52 einzufallendes Licht, auf die dritte Linse 53 einzufallendes Licht und auf die vierte Linse 54 einzufallendes Licht auf. Der Galvano-Scanner 55 umfasst einen ersten Galvano-Spiegel 57, einen zweiten Galvano-Spiegel 58 und einen dritten Galvano-Spiegel 59. Der erste bis dritte Galvano-Spiegel 57, 58, 59 sind ausgebildet, um Licht aufzuteilen und ermöglichen eine Änderung deren Neigungswinkeln (Ausgangswinkel).
Der erste Galvano-Spiegel 57 transmittiert einen Teil des durch die erste Linse 51 passierten Laserstrahls L und gibt den transmittierten Laserstrahl L an den zweiten Galvano-Spiegel 58 aus. Der erste Galvano-Spiegel 57 reflektiert den anderen Teil des Laserstrahls L und gibt den reflektierten Laserstrahl L an die vierte Linse 54 aus. Der erste Galvano-Spiegel 57 ändert eine mit dem durch die vierte Linse 54 transmittierten Laserstrahl L zu bestrahlende Position basierend auf dem Neigungswinkel des ersten Galvano-Spiegels 57.
Der zweite Galvano-Spiegel 58 transmittiert einen Teil des durch den ersten Galvano-Spiegel 57 transmittierten Laserstrahls L und gibt den transmittierten Laserstrahl L an den dritten Galvano-Spiegel 59 aus. Der zweite Galvano-Spiegel 58 reflektiert den anderen Teil des Laserstrahls L und gibt den reflektierten Laserstrahl L an die dritte Linse 53 aus. Der zweite Galvano-Spiegel 58 ändert eine mit dem durch die dritte Linse 53 transmittierten Laserstrahl L zu bestrahlende Position basierend auf dem Neigungswinkel des zweiten Galvano-Spiegels 58.
Der dritte Galvano-Spiegel 59 reflektiert den durch den zweiten Galvano-Spiegel 58 transmittierten Laserstrahl L und gibt den reflektierten Laserstrahl L an die zweite Linse 52 aus. Der Neigungswinkel des dritten Galvano-Spiegels 59 wird konstant gehalten.
Das optische System umfasst eine Schmelzvorrichtung 46a mit dem ersten Galvano-Spiegel 57, dem zweiten Galvano-Spiegel 58 und der dritten Linse 53. Die Schmelzvorrichtung 46a bildet eine Lage 2b und führt einen Härtungsprozess durch Aufheizen des von der Düse 34 bereitgestellten Materials 3 durch Bestrahlen des Materials 3 mit dem Laserstrahl L durch.
Das optische System 46 umfasst auch eine Entfernungsvorrichtung 46b, mit dem ersten Galvano-Spiegel 57 und der vierten Linse 54. Die Entfernungsvorrichtung 46b entfernt einen unnötigen Teil, der auf der Basis 2a oder der Lage 2b durch Bestrahlung des Teils mit dem Laserstrahl L geformt ist.
Die Entfernungsvorrichtung 46b entfernt Teile, die in einer vorbestimmten Form des hergestellten Objekts 4 nicht enthalten sind, wie beispielsweise einen unnötigen Teil, der durch während der Zufuhr von der Düse 34 verstreutes Material 3 geformt wurde oder der während der Formung der Lage 2b geformt wurde. Die Entfernungsvorrichtung 46b gibt einen Laserstrahl mit einer Leistung aus, die eine Entfernung solcher unnötigen Teile ermöglicht.
Die Messvorrichtung 16 misst eine Form der gehärteten Lage 2b und die Form des hergestellten Objekts 4, welches hergestellt wurde. Die Messvorrichtung 16 überträgt die Information der gemessenen Formen an die Steuerungsvorrichtung 18. Die Messvorrichtung 16 umfasst beispielsweise eine Kamera 65 und eine Bildbearbeitungsvorrichtung 66. Die Bildbearbeitungsvorrichtung 66 führt eine Bildbearbeitung basierend auf den von der Kamera 65 gemessenen Information durch. Die Messvorrichtung 16 misst die Formen der Lage 2b und des hergestellten Objekts 4 beispielsweise durch ein Verfahren wie Interferometrie oder Lichtschnitt-Verfahren.
Die Steuerungsvorrichtung 18 ist mit der Bewegungsvorrichtung 13, der Fördervorrichtung 24, der Materialzufuhrvorrichtung 31, der ersten Fluidzufuhrvorrichtung 32, der zweiten Fluidzufuhrvorrichtung 33, dem Bewegungsmechanismus 38, der Lichtquelle 45, dem Galvano-Scanner 55 und der Bildbearbeitungsvorrichtung 66 über Signalleitungen 19 elektrisch verbunden.
Die Steuerungsvorrichtung 18 umfasst eine Steuerungseinheit 18a, wie beispielsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Speichereinheit 18b, wie beispielsweise einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), eine Festplatte (HDD) oder andere verschiedene Arten von Vorrichtungen. Durch Veranlassen der CPU, ein in dem ROM oder in der HDD enthaltenes Computerprogramm auszuführen, steuert die Steuerungseinheit 18 jede Einheit der Vorrichtung für additive Fertigung (1), einschließlich der Lichtquelle 45.
Die Steuerungseinheit 18a bewegt den Objekttisch 12 in den drei Axialrichtungen durch Steuern der Bewegungseinheit 13. Die Steuerungseinheit 18a fördert ein hergestelltes Objekt 4, welches hergestellt wurde, durch Steuern der Fördervorrichtung 24 in die Nebenkammer 22.
Die Steuerungseinheit 18a stellt durch Steuerung der Materialzufuhrvorrichtung 31 ein, ob das Material 3 zugeführt wird oder nicht zugeführt wird, und stellt eine Zufuhrmenge ein. Die Steuerungseinheit 18a stellt durch Steuerung der ersten Fluidzufuhrvorrichtung 32 ein, ob das Schutzgas G zugeführt wird oder nicht zugeführt wird, und stellt eine Zufuhrmenge ein. Die Steuerungseinheit 18a stellt durch Steuerung der zweiten Fluidzufuhrvorrichtung 33 ein, ob das Spülgas zugeführt wird oder nicht zugeführt wird, und stellt eine Zufuhrmenge ein.
Die Steuerungseinheit 18a steuert die Position der Düse 34 durch Steuerung des Bewegungsmechanismus 38. Die Steuerungseinheit 18a stellt die Neigungswinkel des ersten Galvano-Spiegels 57, des zweiten Galvano-Spiegels 58 und des dritten Galvano-Spiegels 59 durch Steuerung des Galvano-Scanners 55 ein.
Die Steuerungseinheit 18a stellt die Leistung des Laserstrahls L, der von der Lichtquelle 45 ausgegeben wird, durch Steuern der Lichtquelle 45 ein. Die Steuerungseinheit 18a kann auch die Wellenlänge des Laserstrahls L, der von der Lichtquelle ausgegeben wird, durch Steuern der Lichtquelle 45 einstellen.
Die Speichereinheit 18b speichert beispielsweise Daten, die eine Form (Referenzform) des herzustellenden Objekts 4 angeben. Die Speichereinheit 18b speichert auch Daten, die die Höhen der Düse 34 und des Objekttischs 12 für jede der drei-dimensionalen Bearbeitungspositionen (jeder Punkt) angeben.
Die Steuerungseinheit 18a kann auch mit einer Funktion zur selektiven Zufuhr einer Mehrzahl von verschiedenen Materialien 3 durch die Düse 34 und zur Einstellung eines Anteils der Materialien 3 vorgesehen sein. Diese Funktion ermöglicht es, ein Objekt mit abgestuftem Material zu formen, in dem die Anteile der Mehrzahl von Materialien 3 sich abhängig von den Positionen in dem hergestellten Objekt 4 ändern.
Die Steuerungseinheit 18a ist mit einer Funktion zur Bestimmung der Form der Lage 2b oder des hergestellten Objekts 4 vorgesehen. Beispielsweise bestimmt die Steuerungseinheit 18a ob irgendein Teil geformt wurde, der nicht in der vorbestimmten Form enthalten ist, indem die Form der Lage 2b oder des hergestellten Objekts 4, die durch die Messvorrichtung 16 erfasst wurde, mit der Referenzform, die in der Speichereinheit 18b gespeichert ist, verglichen wird.
Die Steuerungseinheit 18a ist ferner mit einer Funktion zum Trimmen und Polieren der Lage 2b oder des hergestellten Objekts 4 in die vorbestimmte Form vorgesehen, indem der unnötige Teil entfernt wird, bei dem als Ergebnis der Formbestimmung der Lage 2b oder des hergestellten Objekts 4 bestimmt wurde, dass er nicht in der vorbestimmten Form enthalten ist. Beispielsweise steuert die Steuerungseinheit 18a zu Beginn die Lichtquelle 45 auf derartige Weise, dass der Laserstrahl L, der von der vierten Linse 54 über den ersten Galvano-Spiegel 57 ausgegeben wird, eine solche Leistung hat, dass ein Verdampfen des Materials 3 ermöglicht wird. Die Steuerungseinheit 18a bestrahlt dann den Teil, der nicht in der vorbestimmten Form der Lage 2b oder des hergestellten Objekts 4 enthalten ist, mit dem Laserstrahl L durch Steuern des ersten Galvano-Spiegels 57.
Ein Beispiel des Herstellungsverfahrens des hergestellten Objekts 4 mittels der Vorrichtung für additive Fertigung 1 wird jetzt unter Bezugnahme auf 3 erläutert. 3 ist eine beispielhafte schematische Ansicht eines Beispiels des Ablaufs des Bearbeitungsprozesses (Bearbeitungsverfahren), der durch die Vorrichtung für additive Fertigung 1 gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
Wie in 3 gezeigt, führt die Vorrichtung für additive Fertigung 1 zu Beginn das Material 3 zu und gibt den Laserstrahl L aus. Die Steuerungseinheit 18a steuert die Materialzufuhrvorrichtung 31 und die Düse 34 in solcher Weise, dass das Material 3 durch die Düse 34 an einen vorbestimmten Bereich zugeführt wird. Die Steuerungseinheit 18a steuert auch die Lichtquelle 45 und das optische System 46 auf solche Weise, dass der Laserstrahl L das zugeführte Material 3 schmilzt oder sintert.
Wie in 2 gezeigt, bestrahlt das optische System 46 das aus der Düse 34 gesprühte Material 3 mit dem Laserstrahl L über die Düse 34. Das aus der Zufuhröffnung 43a der Düse 34 gesprühte Material 3 wird einem Bereich zugeführt, in dem die Lage 2b auf der Basis 2a geformt werden soll, während es durch den von der Strahlausgangsöffnung 41a ausgegebenen Laserstrahl L vorläufig erhitzt wird. Dem Material 3, welches geschmolzen ist während es zerstreut wurde, wird ermöglicht das Objekt 2 zu erreichen.
Das dem Objekt 2 zugeführte Material 3 schmilzt oder sintert und aggregiert sich während der Bestrahlung durch den Laserstrahl L. Die Aggregation des Materials 3 bildet einen geschmolzene Bereich 2c. Der geschmolzene Bereich 2c kann auch nicht nur das zugeführte Material 3 sondern auch einen Teil der Basis 2a oder der Lage 2b, die durch den Laserstrahl L bestrahlt werden, enthalten. Der geschmolzene Bereich 2c kann auch nicht nur das vollständig geschmolzene Material 3 sondern auch Teile von teilweise geschmolzenen Material 3, die miteinander verbunden sind.
Wenn der geschmolzene Bereich 2c erhärtet, wird eine Lagen-artige oder Dünnfilm-artige Aggregation des Materials 3 auf der Basis 2a oder der Lage 2b gebildet. Durch Kühlung über Wärmeübertragung an die Aggregation des Materials 3 kann das Material 3 in eine granuläre Lage und in eine granuläre Aggregation geformt werden.
Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 führt dann einen Härtungsprozess durch, wie in 3 gezeigt. Die Steuerungseinheit 18a steuert die Lichtquelle 45 und die Schmelzvorrichtung 46a in solcher Weise, dass die Aggregation des Materials 3 auf der Basis 2a durch den Laserstrahl L bestrahlt wird. Die Aggregation des Materials 3 wird erneut durch den Laserstrahl L geschmolzen oder gesintert und erhärtet in eine Lage 2b. Auf diese Weise bildet das optische System 46 eine Lage 2b des Materials 3, indem das Material 3 durch den von der Lichtquelle 45 ausgegebenen Laserstrahl L bestrahlt wird, geschmolzen oder gesintert wird und in eine Lage 2b erhärtet. Auf diese Weise bildet das optische System 46 eine Lage 2b des Materials 3, indem das Material 3 mit dem von der Lichtquelle 45 ausgegebenen Laserstrahl L bestrahlt wird, geschmolzen oder gesintert wird und das Material 3 erhärtet.
Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 führt dann eine Formmessung durch. Die Steuerungseinheit 18a steuert die Messvorrichtung 16, um das Material 3 an der Basis 2a nach dem Härtungsprozess zu messen. Die Steuerungseinheit 18a vergleicht die Form der Lage 2b oder des hergestellten Objekts 4, die durch die Messvorrichtung 16 erhalten wurde, mit der in der Speichereinheit 18b gespeicherten Referenzform.
Die Vorrichtung für additive Fertigung 1 führt dann ein Trimmen durch. Wenn beispielsweise durch den Vergleich zwischen der Formmessung und der Referenzform bestimmt wird, dass das Material 3 an der Basis 2a an einer Position angebracht ist, die sich von der in der vorbestimmten Form unterscheidet, steuert die Steuerungseinheit 18a die Lichtquelle 45 und die Entfernungsvorrichtung 46b auf eine solche Weise, dass das unnötige Material 3 verdampft wird. Wenn durch den Vergleich zwischen der Formmessung und der Referenzform bestimmt wird, dass die Lage 2b die vorbestimmte Form hat, so überspringt die Steuerungseinheit 18a das Trimmen.
Wenn die oben beschriebene Ausbildung der Lage 2b abgeschlossen ist, bildet die Vorrichtung für additive Fertigung 1 eine neue Lage 2b auf der Lage 2b. Die Vorrichtung für additive Fertigung stellt das hergestellte Objekt 4 auf additive Weise her, durch wiederholtes Ausbilden der Lagen 2b.
Die Düse 34 wird im Folgenden in mehr Detail beschrieben. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Düse 34 einen ersten rohrförmigen Abschnitt 71 und einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 72. In dieser Ausführungsform sind der erste rohrförmige Abschnitt 71 und der zweite rohrförmige Abschnitt 72 separate Komponenten. Ohne Beschränkung auf dieses Beispiel können der erste rohrförmige Abschnitt 71 und der zweite rohrförmige Abschnitt 72 als eine Komponente vorgesehen sein.
Der erste rohrförmige Abschnitt 71 hat eine im Wesentlichen rohrförmige Form, die sich entlang der zentralen Achse Ax erstreckt. Der erste rohrförmige Abschnitt 71 ist mit einem Strahlausgangspfad 41 und einem Zufuhrpfad 43 der Düse 34 vorgesehen. Der erste rohrförmige Abschnitt 71 hat eine Außenumfangsfläche 75 und eine erste Endfläche 76.
Die Außenumfangsfläche 75 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einem kleiner werdenden Außendurchmesser, wenn der Abstand zur ersten Endfläche 76 kleiner wird. Die Außenumfangsfläche 75 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
In dieser Ausführungsform bildet die erste Endfläche 76 die Spitze 34a der Düse 34. Die Spitze 34 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die erste Endfläche 76 ist in der negativen Richtung der Z-Achse ausgerichtet und liegt dem Objekt 2 mit einem Zwischenraum gegenüber. Die Strahlausgangsöffnung 41a und die Zufuhröffnung 43a sind beide in Richtung der ersten Endfläche 76 geöffnet.
Der erste rohrförmige Abschnitt 71 hat einen inneren Rohrkörper 81 und einen mittleren Rohrkörper 82. Der innere Rohrkörper 81 und der mittlere Rohrkörper 82 sind separate Komponenten. Ohne Beschränkung auf dieses Beispiel können der innere Rohrkörper 81 und der mittlere Rohrkörper 82 auch als eine Komponente vorgesehen sein.
Der innere Rohrkörper 81 hat eine im Wesentlichen rohrförmige Form, die sich entlang der zentralen Achse Ax erstreckt. Der innere Rohrkörper 81 hat eine äußere Oberfläche 81a, eine innere Oberfläche 81b und ein Ende 81c. Die äußere Oberfläche 81a ist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche, die in Radialrichtung zur Außenseite der Düse 34 zeigt, und einen Außendurchmesser hat, der kleiner wird, wenn der Abstand zum ersten Ende 81c kleiner wird. Die innere Oberfläche 81b ist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche, die in Radialrichtung zur Innenseite der Düse 34 zeigt und einen Innendurchmesser hat, der kleiner wird, wenn der Abstand zur ersten Endfläche 76 kleiner wird. Das Ende 81c ist ein Ende des inneren Rohrkörpers 81 in der negativen Richtung der Z-Achse und bildet einen Teil der ersten Endfläche 76 des ersten rohrförmigen Abschnitts 71.
Der mittlere Rohrkörper 82 hat eine im Wesentlichen rohrförmige Form, die sich entlang der zentralen Achse Ax erstreckt. Der mittlere Rohrkörper 82 hat eine äußere Oberfläche 82a, eine innere Oberfläche 82b und ein Ende 82c. Die äußere Oberfläche 82a ist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche, die in Radialrichtung zur Außenseite der Düse 34 zeigt, und einen Außendurchmesser hat, der kleiner wird, wenn der Abstand zum Ende 82c kleiner wird. Die äußere Oberfläche 82a bildet wenigstens einen Teil der Außenumfangsfläche 75 des ersten rohrförmigen Abschnitts 71. Die innere Oberfläche 82b ist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche, die in Radialrichtung zur Innenseite der Düse 34 zeigt, und einen Innendurchmesser hat, der kleiner wird, wenn der Abstand zur ersten Endfläche 76 kleiner wird. Das Ende 82c ist ein Ende des mittleren Rohrkörpers 82 in der negativen Richtung der Z-Achse und bildet einen Teil der ersten Endfläche 76 des ersten rohrförmigen Abschnitts 71.
Die äußere Oberfläche 81a des inneren Rohrkörpers 81 und die innere Oberfläche 82b des mittleren Rohrkörpers 82 sind im gleichen Winkel gegenüber der zentralen Achse Ax geneigt. In anderen Worten sind die äußere Oberfläche 81a des inneren Rohrkörpers 81 und die innere Oberfläche 82b des mittleren Rohrkörpers 82 sich im Wesentlichen parallel erstreckende Oberflächen. Die Winkel, die sich die äußere Oberfläche 81a des inneren Rohrkörpers 81 und die innere Oberfläche 82b des mittleren Rohrkörpers 82 gegenüber der zentralen Achse Ax neigen, können auch voneinander abweichen.
Der Strahlausgangspfad 41 ist innerhalb des inneren Rohrkörpers 81 vorgesehen. In anderen Worten definiert die innere Oberfläche 81b des inneren Rohrkörpers 81 den Strahlausgangspfad 41. Die Strahlausgangsöffnung 41a öffnet sich am Ende 81c des inneren Rohrkörpers 81.
Der mittlere Rohrkörper 82 umgibt den inneren Rohrkörper 81 mit einem Zwischenraum in Radialrichtung. Somit weisen die äußere Oberfläche 81a des inneren Rohrkörpers 81 und die innere Oberfläche 82b des mittleren Rohrkörpers 82 mit einem Zwischenraum aufeinander zu. Der Zufuhrpfad 43 ist zwischen der äußeren Oberfläche 81a des inneren Rohrkörpers 81 und der inneren Oberfläche 82b des mittleren Rohrkörpers 82 vorgesehen. In anderen Worten definieren die äußere Oberfläche 81a des inneren Rohrkörpers 81 und die innere Oberfläche 82b des mittleren Rohrkörpers 82 wenigstens einen Teil des Zufuhrpfads 43.
Der zweite Rohrabschnitt 72 kann auch als äußerer Rohrkörper bezeichnet werden. Der zweite Rohrabschnitt 72 hat eine im Wesentlichen rohrförmige Form, die sich entlang der zentralen Achse Ax erstreckt. Der zweite Rohrabschnitt 72 umgibt den mittleren Rohrkörper 82 des ersten Rohrabschnitts 71 mit einem Zwischenraum. In anderen Worten erstreckt sich der zweite Rohrabschnitt 72 entlang der zentralen Achse Ax auf der Außenseite des ersten Rohrabschnitts 71. Der zweite Rohrabschnitt 72 hat eine innere Umfangsfläche 91 und eine zweite Endfläche 92.
Die zweite innere Umfangsfläche 91 weist in Radialrichtung zur Innenseite der Düse 34. In anderen Worten ist die innere Umfangsfläche 91 in eine sich der zentralen Achse Ax nähernden Richtung orientiert. Die innere Umfangsfläche 91 ist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche mit einem Innendurchmesser, der kleiner wird, wenn der Abstand zur zweiten Endfläche 92 kleiner wird. Die innere Umfangsfläche 91 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Die zweite Endfläche 92 ist in die negative Richtung der Z-Achse ausgerichtet und liegt einem Objekt 2 mit einem Zwischenraum gegenüber. Die zweite Endfläche 92 ist von der ersten Endfläche 76 in der positiven Richtung der Z-Achse (der Richtung in welche der die Z-Achse anzeigende Pfeil zeigt; eine Richtung nach oben in 2) beabstandet.
Die innere Umfangsfläche 91 des zweiten Rohrabschnitts 72 weist mit einem Zwischenraum zu der äußeren Umfangsfläche 75 des ersten Rohrabschnitts 71. Der Ausstoßpfad 42 ist zwischen einem Teil der äußeren Umfangsfläche 75 und der inneren Umfangsfläche 91 vorgesehen. In anderen Worten definieren ein Teil der äußeren Umfangsfläche 75 und der inneren Umfangsfläche 91 wenigstens einen Teil des Ausstoßpfads 42.
Die äußere Umfangsfläche 75 des ersten Rohrabschnitts 71 hat eine erste Oberfläche 75a, eine zweite Oberfläche 75b und eine Führungsoberfläche 75c. In anderen Worten hat die Düse 34 eine erste Oberfläche 75a, eine zweite Oberfläche 75b und eine Führungsoberfläche 75c. Die erste Oberfläche 75a ist ein Beispiel einer inneren Oberfläche. Die zweite Oberfläche 75b ist ein Beispiel einer sich verjüngenden Oberfläche.
Jede der ersten Oberfläche 75a, zweiten Oberfläche 75b und Führungsoberfläche 75c bildet einen Teil der äußeren Umfangsfläche 75 und ist eine im Wesentlichen rohrförmige Oberfläche, die entlang der Umfangsrichtung um die zentrale Achse Ax kontinuierlich ist. Die Umfangsrichtung ist eine Richtung, die sich um die zentrale Achse Ax dreht.
Die erste Oberfläche 75a, die zweite Oberfläche 75b und die Führungsoberfläche 75c sind nebeneinander entlang der zentralen Achse Ax angeordnet. Die Führungsoberfläche 75c ist zwischen der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Oberfläche 75b positioniert. Die erste Oberfläche 75a ist benachbart zur Führungsoberfläche 75c in der positiven Richtung der Z-Achse. In anderen Worten ist die erste Oberfläche von der ersten Endfläche 76 weiter entfernt als die Führungsoberfläche 75c. Die zweite Oberfläche 75b ist benachbart zur Führungsoberfläche 75c in der negativen Richtung der Z-Achse. Die zweite Oberfläche 75b ist zwischen der ersten Endfläche 76 und der Führungsoberfläche 75c positioniert.
Jede der ersten Oberfläche 75a und zweiten Oberfläche 75b erstreckt sich entlang der zentralen Achse Ax und ist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche mit einem Außendurchmesser, der kleiner wird, wenn der Abstand zur ersten Endfläche 76 kleiner wird. In anderen Worten sind die erste Oberfläche 75a und die zweite Oberfläche 75b konische Oberflächen, die sich der zentralen Achse Ax nähern, wenn diese Oberflächen weiter in negative Richtung der Z-Achse verlängert werden.
In einem Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, wie in 2 gezeigt, erstrecken sich die Kontourlinie der ersten Oberfläche 75a und die Kontourlinie der zweiten Oberfläche 75b beide entlang der gleichen Linie, die die zentrale Achse Ax diagonal schneidet. In anderen Worten ist die Kontourlinie der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, jeweils eine Verlängerung der anderen. Die Kontourlinie kann beispielsweise auch als eine erzeugende Linie oder eine Kante des Schnitts bezeichnet werden. Die erste Oberfläche 75a und die zweite Oberfläche 75b teilen sich auch eine gemeinsame Tangentenebene. Somit sind die erste Oberfläche 75a und die zweite Oberfläche 75b in Bezug auf die zentrale Achse Ax um den gleichen Neigungswinkel geneigt.
Die Führungsoberfläche 75c ist in dieser Ausführungsform eine in einer konvexen Form zur zentralen Achse gewölbte gekrümmte Oberfläche, die von der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Oberfläche 75b, die die anderen Oberflächen der äußeren Umfangsfläche 75 sind, zurückgesetzt ist. In anderen Worten ist die Führungsoberfläche 75c eine gewölbte Oberfläche, die von der konischen Oberfläche, die eine virtuelle Verlängerung der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Oberfläche 75b ist, in einer konvexen Form zur zentralen Achse hin gewölbt zurückgesetzt ist. Auf diese Weise ist die Führungsoberfläche 75c ein Beispiel einer ersten gewölbten Oberfläche mit einer zur zentralen Achse Ax gewölbten konvexen Form.
Die Führungsoberfläche 75c hat eine erste Kante 75d und eine zweite Kante 75e. Die erste Kante 75d ist ein Beispiel einer Kante. Die erste Kante 75d ist entlang einem Ende der Führungsoberfläche 75c in der negativen Richtung der Z-Achse positioniert. Die zweite Kante 75e ist entlang einem Ende der Führungsoberfläche 75c in der positiven Richtung der Z-Achse positioniert.
Die erste Kante 75d ist mit der zweiten Oberfläche 75b verbunden. In anderen Worten erstreckt sich die zweite Oberfläche 75b ausgehend von der ersten Kante 75d. Die zweite Kante 75e ist mit der ersten Oberfläche 75a verbunden. In anderen Worten erstreckt sich die erste Oberfläche 75a ausgehend von der zweiten Kante 75e.
Im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, wie in 2 gezeigt, hat die Führungsoberfläche 75c eine bogenförmige Kontourlinie. In anderen Worten hat die Führungsoberfläche 75c eine Kontourlinie, die im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, glatt verläuft und die als stetige differenzierbare Funktion ausgedrückt werden kann. In anderen Worten kann die Kontourlinie der Führungsoberfläche 75c als differenzierbare Funktion im X-Z Koordinatensystem, das durch die X-Achse und die Z-Achse in 2 definiert ist, ausgedrückt werden. Die Führungsoberfläche 75c kann beispielsweise eine elliptische bogenförmige Kontourlinie oder eine parabolische Kontourlinie haben. Die Führungsoberfläche 75c ist eine Oberfläche, die als eine total differenzierbare Funktion ausgedrückt werden kann.
Im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, kann die Kontourlinie der gesamten äußeren Umfangsfläche 75 nicht als stetig differenzierbare Funktion ausgedrückt werden, obwohl die Kontourlinie der ersten Oberfläche 75a und die Kontourlinie der zweiten Oberfläche 75b als stetig differenzierbare Funktion ausgedrückt werden können.
Im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, ist die Kontourlinie der äußeren Umfangsfläche 75 über die Grenze (der zweiten Kante 75e) zwischen der ersten Oberfläche 75a und der Führungsoberfläche 75c stetig aber nicht differenzierbar. In anderen Worten sind die erste Oberfläche 75a und die Führungsoberfläche 75c nicht glatt stetig.
Im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, ist ferner die Kontourlinie der äußeren Umfangsfläche 75 über die Grenze (der ersten Kante 75d) zwischen der zweiten Oberfläche 75b und der Führungsoberfläche 75c stetig aber nicht differenzierbar. In anderen Worten sind die zweite Oberfläche 75a und die Führungsoberfläche 75c nicht glatt stetig.
4 ist eine beispielhafte Schnittansicht, die die Düse 34 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In dem Schnitt, der die zentrale Achse Ax wie in 4 dargestellt enthält, sind die Kontourlinien der ersten Oberfläche 75a und die Kontourlinie der zweiten Oberfläche 75b in Bezug auf die zentrale Achse Ax um einen Winkel Θ1 geneigt. In anderen Worten sind die Tangentialebenen auf der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Oberfläche 85b in Bezug auf die zentrale Achse Ax um den Winkel Θ1 geneigt. Im Folgenden wird der Winkel Θ1 als positiver Winkel behandelt.
Im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, ändert sich die Neigung der Kontourlinie der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax abhängig von der Position auf der Führungsoberfläche 75c. Die Neigung der Kontourlinie der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, ist die Neigung der Kontourlinie der Führungsoberfläche 75c an jedem Punkt davon in dem in 2 gezeigten X-Z Koordinatensystem.
Im Schnitt, der die zentrale Achse Ax enthält, wird in dieser Ausführungsform die Neigung der Kontourlinie der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax kleiner, wenn die Position von der zweiten Kante 75e zur ersten Kante 75d bewegt wird. In anderen Worten wird die Neigung der Tangentialebenen auf der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax kleiner, wenn der Tangentialpunkt von der zweiten Kante 75e zur ersten Kante 75d bewegt wird. Eine andere Ausdrucksweise benutzend, nimmt der Winkel zwischen dem Normalenvektor der Tangentenebene an jedem Punkt auf der Führungsoberfläche 75c und einem Einheitsvektor in der negativen Richtung der Z-Achse zu, wenn der Tangentialpunkt weiter in die negative Richtung der Z-Achse bewegt wird.
An der ersten Kante 75d ist die Neigung der Kontourlinie der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax ein Winkel Θ2. In anderen Worten ist die Neigung der Tangentenebene an der ersten Kante 75d in Bezug auf die zentrale Achse Ax der Winkel Θ2.
Der Winkel Θ2 ist ein negativer Winkel. Im Gegensatz dazu ist die Neigung der Tangentenebene an der zweiten Kante 75e in Bezug auf die zentrale Achse Ax ein positiver Winkel. Die Neigung der Tangentenebene an der zweiten Kante 75e in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist größer als der Winkel Θ1, der die Neigung der Tangentenebene an der ersten Kante 75d in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist. Die Neigung der Tangentenebene auf der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax wird kleiner, wird parallel mit der zentralen Achse Ax und wird dann ein negativer Winkel, wenn der Tangentialpunkt von der zweiten Kante 75e zur ersten Kante 75d bewegt wird.
Der Winkel Θ2 ist kleiner als die Neigung der Tangentenebene an der äußeren Umfangsfläche 75 in Bezug auf die zentrale Achse Ax, wenn der Tangentialpunkt weiter von der ersten Endfläche 76 entfernt positioniert ist als die erste Kante 75d. Beispielsweise ist der Winkel Θ2 kleiner als die Neigung der Tangentenebene auf der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax, wenn der Tangentialpunkt weiter von der ersten Endfläche 76 entfernt positioniert ist als die erste Kante 75d, und ist kleiner als der Winkel Θ1, der die Neigung der Tangentenebene an der ersten Oberfläche 75a in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist. Der Winkel Θ2 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Wie obenstehend erwähnt ist die Führungsoberfläche 75c in einer konvexen Form zur zentralen Achse Ax zurückgesetzt. Somit hat die Führungsoberfläche 75c eine gewölbte Oberfläche, die sich der zentralen Achse Ax erst annähert und dann von der zentralen Achse Ax entfernt, wenn der Tangentialpunkt von der zweiten Kante 75e zur ersten Kante 75d bewegt wird. Somit hat die Führungsoberfläche 75c einen Abschnitt der näher an der zentralen Achse Ax ist als die erste Kante 75d. Die Tangentenebene an der ersten Kante 75d der Führungsoberfläche 75c erstreckt sich in einer Richtung, die sich von der zentralen Achse Ax entfernt, wenn der Tangentialpunkt in die negative Richtung der Z Achse bewegt wird.
Die zweite Endfläche 92 des zweiten Rohrabschnitts 72 ist in der positiven Richtung der Z Achse von der ersten Kante 75d der Führungsoberfläche 75c beabstandet. Die zweite Endfläche 92 ist in der negativen Richtung der Z Achse von der zweiten Kante 75e der Führungsoberfläche 75c beabstandet. In anderen Worten ist die zweite Endfläche 92 zwischen der ersten Kante 75d und der zweiten Kante 75e der Führungsoberfläche 75 in der axialen Richtung entlang der zentralen Achse Ax positioniert.
Wie bereits erwähnt ist der Ausstoßpfad 42 zwischen einem Teil der äußeren Umfangsfläche 75 und der inneren Umfangsfläche 91 vorgesehen. Der Ausstoßpfad 42 hat einen konischen Abschnitt 42b. Der konische Abschnitt 42b ist ein Beispiel eines Abschnitts. Der konische Abschnitt 42b ist stromaufwärts der Ausstoßöffnung 42a positioniert und ist benachbart zur Ausstoßöffnung 42a.
Der konische Abschnitt 42b ist zwischen einem Teil mit der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Kante 75e der Führungsoberfläche 75c, innerhalb der äußeren Umfangsfläche 75 des ersten Rohrabschnitts 71 und der inneren Umfangsfläche 91 des zweiten Rohrabschnitts 72 vorgesehen. In anderen Worten definieren ein Teil der ersten Oberfläche 75a und der Führungsoberfläche 75c in der äußeren Umfangsfläche 75 des ersten Rohrabschnitts 71 und der inneren Umfangsfläche 91 des zweiten Rohrabschnitts 72 den konischen Abschnitt und sind in dem konischen Abschnitt positioniert.
Der konische Abschnitt 42b ist ein Strömungspfad mit einer im Wesentlichen konischen Form, die sich in einer konvergierenden Richtung Dc erstreckt. Die konvergierende Richtung Dc ist ein Beispiel einer zweiten Richtung. Der Abschnitt ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die konvergierende Richtung Dc ist eine Richtung, die sich der zentralen Achse Ax nähert, wenn die Richtung weiter in die native Richtung der Z Achse verlängert wird. Das Schutzgas G, welches durch die in 1 gezeigte erste Fluidzufuhrvorrichtung 32 zugeführt wird, strömt durch den konischen Abschnitt 42b in der konvergierenden Richtung Dc. Die Neigung der konvergierenden Richtung Dc in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist der in 4 gezeigte Winkel Θ1.
Die Führungsoberfläche 75c des ersten Rohrabschnitts 71 und die innere Umfangsfläche 91 des zweiten Rohrabschnitts 72 definieren die Ausstoßöffnung 42a. In anderen Worten wird das Schutzgas G aus der Ausstoßöffnung 42b, die ein Spalt zwischen der Führungsoberfläche 75c und der inneren Umfangsfläche 91 ist, ausgestoßen.
Wie bereits erwähnt, definiert der Teil mit der zweiten Kante 75e der Führungsoberfläche 75c den konischen Abschnitt 42b des Ausstoßpfads 42 und ist in dem konischen Abschnitt 42b des Ausstoßpfads 42 positioniert. Im Gegensatz dazu ist der Teil mit der ersten Kante 75d der Führungsoberfläche 75c an der Außenseite in der Radialrichtung freiliegend. In anderen Worten ist die Führungsoberfläche 75c an der Außenseite in der Radialrichtung an der ersten Kante 75d freiliegend. Auf diese Weise ist die Führungsoberfläche 75c stetig vom Inneren des Ausstoßpfads 42 zum Äußeren des Ausstoßpfads 42. Somit wird beispielsweise der Strom des Schutzgases G, wie durch den Pfeil in 2 gezeigt, aus der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßen und folgt der Führungsoberfläche 75c aufgrund des Coandä-Effekts.
Fluid strömt aufgrund des Coandä-Effekts entlang einer Kontourlinie, die durch eine stetige differenzierbare Funktion ausgedrückt werden kann. Anders formuliert, strömt Fluid entlang einer Oberfläche, die als total differenzierbare Funktion ausgedrückt werden kann. Wenn das Fluid eine Kante der Oberfläche mit einer Kontourlinie, die als differenzierbare Funktion ausgedrückt werden kann, erreicht, wird das Fluid an der Kante getrennt.
Der Strom des Schutzgases G, der der Führungsoberfläche 75c folgt, wird an der ersten Kante 75d von der Düse 34 getrennt. Die erste Kante 75d der Führungsoberfläche 75c ist auf eine Weise vorgesehen, die einer Trennungsrichtung (Ausstoßrichtung) Ds folgt. Die Trennungsrichtung Ds ist ein Beispiel einer dritten Richtung und ist eine Richtung, die sich weiter als die konvergierende Richtung Dc von der zentralen Achse Ax entfernt, wenn die Richtung weiter in die negative Richtung der Z Achse verlängert wird. In anderen Worten ist die Trennungsrichtung Ds eine Richtung, die weiter in der Radialrichtung zur Außenseite hin abweicht als es die konvergierende Richtung Dc tut, wenn die Trennungsrichtung Ds weiter in die negative Richtung der Z Achse verlängert wird. Die Neigung der Trennungsrichtung Ds in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist ein in 4 gezeigter Winkel Θ2. Der Strom des Schutzgases G, der von der ersten Kante 75d der Düse abgetrennt wurde, strömt allgemein in die Trennungsrichtung Ds.
In dieser Ausführungsform ist die Trennungsrichtung Ds eine Richtung, die sich von der zentralen Achse Ax weiter entfernt, wenn sie weiter in die negative Richtung der Z Achse verlängert wird. Somit entfernt sich der Strom des Schutzgases G, der von der ersten Kante 75d der Düse 34 getrennt wurde, immer weiter, wenn der Strom sich weiter in die negative Richtung der Z Achse bewegt. In anderen Worten verbreitert sich der Strom des Schutzgases G, wenn das Schutzgas sich weiter in die negative Richtung der Z Achse bewegt. Ein Teil des Schutzgases G kann aufgrund von Faktoren wie dem Druck und einem geringen Coandä-Effekt in die sich an die zentrale Achse Ax annähernde Richtung strömen, wenn sich das Schutzgas G weiter in die negative Richtung der Z Achse bewegt.
Die Ströme des Schutzgases G breiten sich aus während sie strömen und vermindern somit eine Kollision zwischen ihnen. Somit behält das Schutzgas G eine laminare Strömung bei, bis das Gas das Objekt 2 erreicht und strömt entlang dem Objekt 2. Da der Laserstrahl L oder der geschmolzene Bereich 2c von dem Schutzgas G, welches seine laminare Strömung beibehält, umgeben ist, ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Außenluft in das Schutzgas G eindringt und mit dem geschmolzenen Bereich 2c reagiert, zu vermindern.
5 ist eine beispielhafte Schnittansicht, die eine Düse 34 und das Objekt 2 gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Wie in 5 gezeigt, kann die Länge der zweiten Oberfläche 75b in der axialen Richtung viel kürzer sein als die Länge der Führungsoberfläche 75c. Ferner kann die Neigung der Tangentenebene an der ersten Kante 75d in Bezug auf die zentrale Achse Ax 0 Grad oder annähernd 0 Grad sein. In anderen Worten kann die Tangentenebene an der ersten Kante 75d im Wesentlichen parallel zur zentralen Achse Ax sein.
In der Vorrichtung für additive Fertigung 1 mit der Düse 34 gemäß der ersten Ausführungsform hat der Ausstoßpfad 42 einen konischen Abschnitt 42b, der sich in der konvergierenden Richtung Dc, die sich der zentralen Achse Ax annähert, wenn weiter in der negativen Richtung der Z Achse verlängert, erstreckt, und das Schutzgas G strömt durch den konischen Abschnitt 42b in die konvergierende Richtung Dc. Die Führungsoberfläche 75c ist an der Außenseite in der Radialrichtung an der ersten Kante 75d freiliegend und die Führungsoberfläche 75c ist entlang der der Trennungsrichtung Ds an der ersten Kante 75d, wobei die Trennungsrichtung Ds eine Richtung ist, die sich weiter von der zentralen Achse Ax entfernt als es die konvergierende Richtung Dc tut, wenn die Trennungsrichtung Ds in der negativen Richtung der Z Achse verlängert wird. Das Schutzgas G im Ausstoßpfad 42 oder das von der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßene Schutzgas G strömt entlang der Führungsoberfläche 75c und wird an der ersten Kante 75d von der Düse 34 getrennt. Auf diese Weise strömt das Schutzgas G beispielsweise aufgrund des Coandä-Effekts entlang der Führungsoberfläche 75c und trennt sich an der ersten Kante 75d von der Düse 34, welche sich entlang der Trennungsrichtung Ds erstreckt. Das von der Düse 34 getrennte Schutzgas G strömt in die Trennungsrichtung Ds. Auf diese Weise ist es möglich, verglichen mit einer Anordnung, in der das Schutzgas G in der konvergierenden Richtung Dc ausgestoßen wird, eine Kollision zwischen den Strömen von Schutzgas G, die durch die plötzliche Konvergenz des Schutzgases G, welches aus der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßen wurde, bewirkt wird, zu vermindern. Es ist daher möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Außenluft aufgrund von Turbulenzen, die von dem aus der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßenen Schutzgas G bewirkt werden, ins Innere des Schutzgases G eindringt. In anderen Worten ist es beispielsweise möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass der Laserstrahl L eine Reaktion zwischen dem Objekt 2 und Außenluft bewirkt, zu verringern, weil das Innere des von der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßenen Schutzgases G von der Außenseite isoliert ist.
Ferner ist die Führungsoberfläche 75c in Radialrichtung an der Außenseite zumindest an der ersten Kante 75d freiliegend. In anderen Worten ist es nicht notwendig, die gesamte Führungsoberfläche 75c in Radialrichtung von außen abzudecken, da der Coandä-Effekt ermöglicht, den Fluss des Schutzgases G entlang der Führungsoberfläche 75c zu führen. Somit kann die Neigung der Richtung, in der das Schutzgas G in Bezug auf die zentrale Achse Ax strömt, auf jede gewünschte Neigung eingestellt werden, ohne die Führungsoberfläche 75c abzudecken. Auf diese Weise kann die Größe der Düse 34 in Radialrichtung weiter reduziert werden. Infolgedessen ist es beispielsweise möglich, eine Aufstauung von Hitze, die durch das Bestrahlen des Objekts 2 mit dem Laserstrahl L erzeugt wurde, zwischen der Düse 34 und dem Objekt 2 und ein Anhaften von Spritzern, die von dem Objekt 2 oder dem Material 3 auf die Düse abgegeben werden, zu unterdrücken.
Die Führungsoberfläche 75c ist eine gewölbte Oberfläche mit einer konvexen Form, die sich zur zentralen Achse Ax hin wölbt. Mit dieser Struktur kann die Größe der Düse 34 in der Radialrichtung weiter verringert werden und es ist beispielsweise möglich, eine Aufstauung von Hitze, die durch das Bestrahlen des Objekts 2 mit dem Laserstrahl L erzeugt wurde, zwischen der Düse 34 und dem Objekt 2 und ein Anhaften von Spritzern, die von dem Objekt 2 oder dem Material 3 auf die Düse 34 abgegeben werden, zu unterdrücken.
Der Winkel, der durch den Normalenvektor der Tangentenebene an jedem Punkt der Führungsoberfläche 75c und den Einheitsvektor, der sich entlang der negativen Richtung der Z-Achse erstreckt, gebildet wird, wird an einer Position, die weiter auf der Seite der negativen Richtung der Z-Achse ist, größer. Mit dieser Konfiguration kann der Fluss des Schutzgases G, der sich von dem konischen Abschnitt 42b zu der Führungsoberfläche 75c bewegt, glatt von der konvergierenden Richtung Dc näher an die Trennungsrichtung Ds gebracht werden und eine Erzeugung von Turbulenzen im Schutzgas G unterdrückt werden, im Vergleich mit einer Konfiguration, in der der Winkel der durch den Normalenvektor der Tangentenebene der Führungsoberfläche 75c und den Einheitsvektor, der sich entlang der negativen Richtung der Z-Achse erstreckt, gebildet wird, konstant bleiben. Somit ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit zu vermindern, dass Außenluft in das aus der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßene Schutzgas G eindringt.
Die Führungsoberfläche 75c hat einen Teil, der näher an der zentralen Achse Ax als die erste Kante 75d ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Größe der Düse 34 in Radialrichtung weiter zu verringern, um eine Aufstauung von Hitze, die durch das Bestrahlen des Objekts 2 mit dem Laserstrahl L erzeugt wurde, zwischen der Düse 34 und dem Objekt 2 und ein Anhaften von Spritzern, die von dem Objekt 2 auf die Düse 34 abgegeben werden, zu unterdrücken.
Die zweite Oberfläche 75b erstreckt sich von der ersten Kante 75d und nähert sich der zentralen Achse Ax, wenn die zweite Oberfläche 75b weiter in die negative Richtung der Z Achse verlängert wird. Auf diese Weise kann die Größe der Düse 34 in Radialrichtung in der negativen Richtung der Z Achse weiter verringert werden. Infolgedessen ist es beispielsweise möglich, Beschädigungen der Düse 34 durch von dem mit dem Laserstrahl L bestrahlen Objekt 2 erzeugte Hitze oder von dem mit dem Laserstrahl L bestrahlen Objekt 2 abgegebene Spritzer, zu unterdrücken.
Die Trennungsrichtung Ds ist eine Richtung, die sich von der zentralen Achse Ax weiter entfernt, wenn die Trennungsrichtung Ds weiter in die negative Richtung der Z-Achse verlängert wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, Kollisionen zwischen den Strömen des Schutzgasstroms G, die durch eine Konvergenz des Schutzgases G, das von der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßen wird, zu verringern und die Erzeugung von Turbulenzen des Schutzgases G zu vermeiden. Somit ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Außenluft in das von der Ausstoßöffnung 42b ausgestoßene Schutzgas G eindringt, verringert.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform wird jetzt unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. In den folgenden Erläuterungen der Mehrzahl von Ausführungsformen sind die Komponenten, die die gleichen Funktionen haben, wie die bereits Erläuterten, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und Erläuterungen werden teilweise ausgelassen. Die Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen haben nicht zwangsweise die vollständigen gleichen Funktionen oder Eigenschaften und können abhängig von den Ausführungsformen verschiedene Funktionen und Eigenschaften umfassen.
6 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht, die die Düse 34 und das Objekt 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigen. Wie in 6 gezeigt, umfasst die äußere Umfangsfläche 75 gemäß der zweiten Ausführungsform die erste Oberfläche 75a und die Führungsoberfläche 75c. Die erste Kante 75d der Führungsoberfläche 75c ist mit der ersten Endfläche 76 verbunden.
Wie vorstehend als die zweite Ausführungsform erläutert, ist es möglich, die zweite Oberfläche 75b gemäß der ersten Ausführungsform bei der äußeren Umfangsfläche 75 wegzulassen. In dieser Konfiguration ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Schutzgas G der zweiten Oberfläche 75b folgt und in eine sich der zentralen Achse Ax annähernden Richtung strömt, zu verringern.
Dritte Ausführungsform
Eine dritte Ausführungsform wird jetzt unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben. 7 ist eine beispielhafte Schnittansicht, die die Düse 34 und das Objekt gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. Wie in 7 gezeigt, ist die Führungsoberfläche 75c gemäß der dritten Ausführungsform eine gewölbte Oberfläche mit einer konvexen Form, die sich zur zentralen Achse Ax hin wölbt, aber ist nicht gegenüber der ersten Oberfläche 75a zurückgesetzt und ist zwischen der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Oberfläche 75b vorgesehen.
In der dritten Ausführungsform schließt sich die Führungsoberfläche 75c glatt an die erste Oberfläche 75a an. In anderen Worten haben die erste Oberfläche 75a und die Führungsoberfläche 75c eine Kontourlinie, die stetig glatt ist und als differenzierbare Funktion mit Stetigkeit ausgedrückt werden kann.
Die Neigung der Tangentenebene an der zweiten Kante 75e in Bezug auf die die zentrale Achse Ax ist gleich dem Winkel Θ1, der die Neigung der Tangentenebene an der ersten Oberfläche 75a in Bezug auf die die zentrale Achse Ax ist. Die Neigung der Tangentenebene an der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax wird kleiner, wenn der Tangentialpunkt von der zweiten Kante 75e zur ersten Kante 75d bewegt wird.
Die Neigung der Tangentenebene an der ersten Oberfläche 75a in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist gleich der Neigung der Tangentenebene an der zweiten Oberfläche 75b in Bezug auf die zentrale Achse Ax aber die Tangentenebene an der zweiten Oberfläche 75b ist von der zentralen Achse Ax an der gleichen Position in der axialen Richtung weiter entfernt als die Tangentenebene der ersten Oberfläche 75a.
8 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht der Düse 34 gemäß der dritten Ausführungsform. Wie in 8 gezeigt, ist der Winkel Θ2, der die Neigung der Tangentenebene an der ersten Kante 75d in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist, kleiner als der Winkel Θ1, der die Neigung der Tangentenebene an der ersten Oberfläche 75a und der zweiten Oberfläche 75b in Bezug auf die zentrale Achse Ax ist. In der dritten Ausführungsform sind die Winkel Θ1 und Θ2 beides positive Winkel. Somit bleibt die Trennungsrichtung Ds in der dritten Ausführungsform weiter von der zentralen Achse Ax entfernt als die konvergente Richtung Dc, wenn die Trennungsrichtung Ds weiter in die negative Richtung der Z Achse verlängert wird, aber nähert sich weiterhin der zentralen Achse Ax an, wenn die Trennungsrichtung Ds weiter in die negative Richtung der Z Achse verlängert wird, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform.
In der Axialrichtung ist die zweite Endfläche 92 des zweiten Rohrabschnitts 72 näher an der ersten Kante 75d als die zweite Kante 75e der Führungsoberfläche 75c. Somit wird ein größerer Bereich der Führungsoberfläche 75c von dem zweiten Rohrabschnitt 72 abgedeckt und es ist daher möglich, ein Anhaften von Spritzern an die Führungsoberfläche 75c zu unterdrücken.
In der Vorrichtung für additive Fertigung 1 mit der Düse 34 gemäß der dritten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben wurde, schließt sich die Führungsoberfläche 75c glatt an die erste Oberfläche 75a an, die in dem konischen Abschnitt 42b positioniert ist. Mit dieser Konfiguration kann der Strom des sich von dem konischen Abschnitt 42b zur Führungsoberfläche 75c bewegenden Schutzgases G auf glatte Weise von der konvergierenden Richtung näher an die Trennungsrichtung Ds gebracht werden und somit ist es möglich, eine Entstehung einer Turbulenz des Schutzgases G zu unterdrücken. Daher ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Außenluft in das von der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßene Schutzgas G eindringt, zu reduzieren.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform wird jetzt mit Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht der Düse 34 und des Objekts 2 gemäß einer vierten Ausführungsform. Wie in 9 gezeigt, hat die äußere Umfangsfläche 75 gemäß der vierten Ausführungsform die erste Oberfläche 75a, die zweite Oberfläche 75b, die Führungsoberfläche 75c und eine Verbindungsoberfläche 75f. Die Verbindungsoberfläche 75f ist ein Beispiel einer zweiten gekrümmten Oberfläche 75f.
In der vierten Ausführungsform ist die Neigung der Tangentenebene an der Führungsoberfläche 75c in Bezug auf die zentrale Achse Ax konstant. In anderen Worten ist die Führungsoberfläche 75c eine konische oder zylindrische Oberfläche. Die Führungsoberfläche 75c erstreckt sich in der Trennungsrichtung Ds.
Die Verbindungsoberfläche 75f ist eine gekrümmte Oberfläche mit einer konvexen Form, die zur zentralen Achse Ax hin gewölbt ist, und ist eine im Wesentlichen rohrförmige gekrümmte Oberfläche, die in Umfangsrichtung kontinuierlich ist. Die Verbindungsoberfläche 75f ist zwischen der Führungsoberfläche 75c und der ersten Oberfläche 75a positioniert. In anderen Worten ist die Verbindungsoberfläche 75f mit der ersten Oberfläche 75a und mit der zweiten Kante 75e der Führungsoberfläche 75c verbunden.
Die Verbindungsoberfläche 75f schließt sich glatt an die erste Oberfläche 75a an und schließt sich glatt an die Führungsoberfläche 75c an. In anderen Worten haben die erste Oberfläche 75a, die Führungsoberfläche 75c und die Verbindungsoberfläche 75f in der Schnittansicht, die die zentrale Achse Ax umfasst, wie in 9 gezeigt, eine Kontourlinie, die glatt stetig ist und die als eine stetige, differenzierbare Funktion ausgedrückt werden kann.
In der Vorrichtung für additive Fertigung 1 mit der Düse 34 gemäß der vierten Ausführungsform ist die Verbindungsoberfläche 75f gekrümmt in einer konvexen Form, die sich zur zentralen Achse Ax wölbt und sich glatt an die erste Oberfläche 75a, die in dem konischen Abschnitt 42b positioniert ist, anschließt und sich glatt an die Führungsoberfläche 75c anschließt. Mit dieser Konfiguration kann der Strom der Schutzgases G, der sich über die Verbindungsoberfläche 75f von dem konischen Abschnitt 42b zur Führungsoberfläche 75c bewegt, glatt von der konvergenten Richtung Dc näher an die Trennungsrichtung Ds gebracht werden, und somit ist es möglich, die Erzeugung von Turbulenzen im Schutzgas G zu unterdrücken. Daher ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Außenluft in das von der Ausstoßöffnung 42a ausgestoßene Schutzgas eindringt, zu verringern.
In wenigstens einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Schutzgas ein Beispiel eines Fluids. Jedoch kann jedes Fluid, beispielsweise ein anderes Gas oder Wasser das eine Beispiel sein. Wenn Wasser als Fluid aus dem Ausstoßpfad 42 ausgestoßen wird, kann das mit dem Laserstrahl L bestrahlte Objekt 2 oder Material 3 einfacher gekühlt werden.
Gemäß wenigstens einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen hat der zweite Durchgang den Abschnitt, der sich in eine zweite Richtung erstreckt, die sich der zentralen Achse annähert, wenn die zweite Richtung weiter in Richtung der ersten Richtung verlängert wird, und das Fluid in der zweiten Richtung durch den Abschnitt strömt. Die Führungsoberfläche ist an der Außenseite in der Radialrichtung an der Kante freiliegend und die Führungsoberfläche ist entlang einer dritten Richtung an der Kante, wobei die dritte Richtung eine Richtung ist, die sich von der zentralen Achse weiter entfernt als die zweite Richtung, wenn die Richtung weiter in Richtung der ersten Richtung verlängert wird. Der Strom des Fluids in dem zweiten Durchgang oder der Strom des aus dem zweiten offenen Ende ausgestoßenen Fluids folgt der Führungsoberfläche und wird an der Kante von der Düseneinheit getrennt. Das von der Düseneinheit getrennte Fluid strömt in die dritte Richtung. Verglichen mit einer Konfiguration in der das Fluid in der zweiten Richtung ausgestoßen wird, ermöglicht diese Konfiguration es, Kollisionen zwischen den Strömen der Fluidströme zu verringern, die durch eine plötzliche Konvergenz des aus dem zweiten offenen Ende ausgestoßenen Fluids erzeugt werden. Somit ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass aufgrund einer Turbulenz des aus dem zweiten offenen Ende ausgestoßenen Fluids, Außenluft in das Fluid eindringt, zu verringern.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur als Beispiele dargestellt und sie sind nicht angelegt, den Schutzbereich der Erfindungen zu beschränken. In der Tat können die hier beschriebenen neuen Verfahren und Systeme in ein Vielfalt von anderen Formen ausgeführt sein; ferner können verschiedene Auslassungen, Austausch und Änderungen in der Form der hier beschriebenen Verfahren und Systeme durchgeführt werden, ohne vom Geist der Erfindung abzukommen. Die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente sind beabsichtigt, derartige Formen und Modifikationen, die in den Schutzbereich und den Geist der Erfindung fallen, abzudecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017179515 [0001]
US 7223935 [0003]

Claims

Düse (34), umfassend: eine Düseneinheit (34) mit einem ersten Durchgang (41), durch welchen ein Energiestrahl (L) durchtritt, und einem zweiten Durchgang (42), durch welchen ein Fluid (G) durchtritt; und eine Führungsoberfläche (75c), die an der Düseneinheit (34) vorgesehen ist, wobei der erste Durchgang (41) sich entlang einer Achse (Ax) erstreckt und ein erstes offenes Ende (41a) aufweist, welches an einem Ende des ersten Durchganges (41) in einer ersten Richtung entlang der Achse (Ax) angeordnet ist und sich nach außerhalb der Düseneinheit (34) öffnet, der zweite Durchgang (42) ein zweites offenes Ende (42a), welches an einem Ende des zweiten Durchganges (42) in der ersten Richtung angeordnet ist und sich nach außerhalb der Düseneinheit (34) öffnet, und welches weiter als das erste offene Ende (41a) von der Achse (Ax) beabstandet ist, an einer äußeren Seite in einer Radialrichtung, und einen Abschnitt (42b), welcher stromaufwärts des zweiten offenen Endes (42a) angeordnet ist, sich in einer zweiten Richtung (Dc) erstreckt und durch den das Fluid (G) in der zweiten Richtung (Dc) strömt, aufweist, die Führungsoberfläche (75c) eine Kante (75d) aufweist, die an einem Ende der Führungsoberfläche (75c) in der ersten Richtung angeordnet ist, die an der äußeren Seite in der Radialrichtung wenigstens an der Kante (75d) freiliegt, und die entlang einer dritten Richtung (Ds) an der Kante (75d) ist, wobei die dritte Richtung (Ds) eine Richtung ist, die sich weiter als die zweite Richtung (Dc) von der Achse (Ax) entfernt, wenn die dritte Richtung (Ds) in der ersten Richtung verlängert wird, und die Führungsoberfläche (75c) einem Strom des Fluids (G) in dem zweiten Durchgang (42) oder einem aus dem zweiten offenen Ende (42a) ausgestoßenen Strom des Fluids (G) ermöglicht, der Führungsoberfläche (75c) zu folgen und an der Kante (75d) von der Düseneinheit (34) getrennt zu werden.
Düse (34) gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Führungsoberfläche (75c) innerhalb des zweiten Durchganges (42) angeordnet ist.
Düse (34) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei sich die zweite Richtung (Dc) der Achse (Ax) annähert, wenn die zweite Richtung (Dc) in der ersten Richtung verlängert wird.
Düse (34) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Führungsoberfläche (75c) eine erste gekrümmte Fläche (75c) aufweist, die eine zur Achse (Ax) gekrümmte konvexe Form hat.
Düse (34) gemäß Anspruch 4, wobei ein Winkel zwischen einem Normalenvektor einer Tangentenebene an jedem Punkt der Führungsoberfläche (75c) und einem Einheitsvektor der ersten Richtung zunimmt, wenn der Punkt in der ersten Richtung weiter bewegt wird.
Düse (34) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Führungsoberfläche (75c) einen Abschnitt aufweist, der näher bei der Achse (Ax) ist als die Kante (75d).
Düse (34) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine sich verjüngende Oberfläche (75b), die an der Düseneinheit (34) vorgesehen ist, welche sich von der Kante (75d) aus erstreckt und die sich der Achse (Ax) annähert, wenn die sich verjüngende Oberfläche (75b) in der ersten Richtung verlängert wird.
Düse (34) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dritte Richtung (Ds) sich von der Achse (Ax) entfernt, wenn die dritte Richtung (Ds) in der ersten Richtung verlängert wird.
Düse (34) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine innere Oberfläche (75a), die an der Düseneinheit (34) vorgesehen ist, welche in dem Abschnitt (42b) angeordnet ist und einer Außenseite der Düseneinheit (34) in der Radialrichtung gegenüberliegt, wobei sich die Führungsoberfläche (75c) glatt an die innere Oberfläche (75a) anschließt.
Düse (34) gemäß Anspruch 3, ferner umfassend: eine innere Oberfläche (75a), die an der Düseneinheit (34) vorgesehen ist, welche in dem Abschnitt (42b) angeordnet ist und einer Außenseite der Düseneinheit (34) in der Radialrichtung gegenüberliegt; und eine zweite gekrümmte Fläche (75f), die eine zur Achse (Ax) gekrümmte konvexe Form hat, sich glatt an die innere Oberfläche (75a) anschließt und sich glatt an die Führungsoberfläche (75c) anschließt.
Bearbeitungsvorrichtung (1), umfassend: die Düse (34) gemäß einem der der Ansprüche 1 bis 10; eine optische Vorrichtung (15), welche den Energiestrahl (L) in den ersten Durchgang (41) zuführt; und eine Fluidzufuhrvorrichtung (32), welche das Fluid (G) in den zweiten Durchgang (42) zuführt.
Vorrichtung für additive Fertigung (1), umfassend: die Düse (34) gemäß einem der der Ansprüche 1 bis 10; eine optische Vorrichtung (15), welche den Energiestrahl (L) in den ersten Durchgang (41) zuführt; eine Fluidzufuhrvorrichtung (32), welche das Fluid (G) in den zweiten Durchgang (42) zuführt; und eine Materialzufuhrvorrichtung (31), welche ein Pulvermaterial (3) in die Düse (34) zuführt, wobei die Düseneinheit (34) einen dritten Durchgang (43) aufweist, durch welchen das Material (3) durchtritt, der dritte Durchgang (43) ein drittes offenes Ende (43a) aufweist, welches an einem Ende des dritten Durchganges (43) in der ersten Richtung angeordnet ist, sich nach außerhalb der Düseneinheit (34) öffnet und welches weiter als das erste offene Ende (41a) von der Achse (Ax) beabstandet ist, an einer äußeren Seite in der Radialrichtung, und das zweite offene Ende (42a) weiter von der Achse (Ax) als das dritte offene Ende (43a) beabstandet ist, an der äußeren Seite in der Radialrichtung, die Düse (34) das Material (3), welches aus dem dritten offenen Ende (43) ausgestoßen wird, mit dem Energiestrahl (L) schmilzt oder sintert.