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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren und eine Herstellungsvorrichtung für einen additiv geformten Gegenstand.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Zurückliegend wurde eine Entwicklung von Metall-additiver-Fertigung (AM) aktiv, die Sintern oder Schmelzen eines pulverförmigen Metalls durch Laserstrahlbestrahlung und dann Verfestigen des gesinterten oder geschmolzenen Metalls involviert, und Stapeln der verfestigten Schichten eine nach der anderen, um einen dreidimensional geformten Gegenstand herzustellen. Beispiele des für das Metall-AM verwendeten Metalls sind Maraging- (martensitaushärtbarer) Stahl, rostfreier Stahl, Titanstahl, Kupfer und Aluminium.
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Um jedoch die Festigkeiten von fertiggestellten additiv geformten Gegenständen zu erhöhen, besteht ein Marktbedarf für eine weitere Verbesserung der Absorption eines Laserstrahls in verschiedenen Metallen, um dabei das Metallpulver schnell zu schmelzen und zu verfestigen, um relative Dichten der additiv geformten Gegenstände stabil zu erhöhen. In Erwiderung auf diese Anforderung offenbart zum Beispiel die
japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2011-21218 (
JP 2011-21218 A ) eine Technik, eine Absorptionsfähigkeit durch Hinzufügen eines Laserabsorptionsmittels zu erhöhen, das eine hohe Absorptionsfähigkeit für einen Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs aufweist, zu einem Aluminiumpulver, das eine Absorptionsfähigkeit aufweist, die als niedrig insbesondere für einen Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs berücksichtigt ist. Folglich wird, wenn ein Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs angewendet wird, zuerst das Laserabsorptionsmittel durch Absorbieren des Laserstrahls einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs erwärmt, und dann die Wärme zu dem Aluminiumpulver übertragen, um dieses zu erhitzen und die Wärme des Aluminiumpulvers beizubehalten. Unter dieser Bedingung wird das Aluminiumpulver durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs und durch die Wärme von dem Laserabsorptionsmittel weiter erhitzt und geschmolzen.
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Jedoch wirkt in der Technik der
JP 2011-21218 A das mit dem Aluminiumpulver kombinierte Laserabsorptionsmittel als Unreinheiten, und beeinträchtigt daher die Festigkeit oder andere Eigenschaften eines Gegenstands nachteilig.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren und eine Herstellungsvorrichtung für einen additiv geformten Gegenstand bereitzustellen, die eine Erzeugung eines additiv geformten Gegenstands ermöglichen, der eine hohe relative Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands, einen Gegenstand durch Schmelzen eines Metallpulvers durch Bestrahlung mit einem formenden optischen Strahl und dann Verfestigen des geschmolzenen Metallpulvers additiv zu formen. Das Herstellungsverfahren hat: einen ersten Schritt, eine Mehrzahl Basismaterialpartikel und eine Mehrzahl Mikropartikel, die beide das Metallpulver bestimmen, zu einemr Bestrahlungsfläche des formenden optischen Strahls zuzuführen, und die Mikropartikel sind aus einem Metall ausgebildet, das in der Art identisch zu den Basismaterialpartikeln ist und weisen ein durchschnittliches Volumen auf, das kleiner als das durchschnittliche Volumen der Basismaterialpartikel ist; und einen zweiten Schritt, den formenden optischen Strahl an den in dem ersten Schritt zu der Bestrahlungsfläche zugeführten Mikropartikeln entsprechenden bestrahlten Oberflächen anzuwenden, die entsprechende Oberflächen an einer mit dem formenden optischen Strahl zu bestrahlenden Seite unter entsprechenden Oberflächen der Basismaterialpartikel sind, die in dem ersten Schritt zu dem Bestrahlungsbereich zugeführt wurden. Die zu dem Bestrahlungsbereich in dem ersten Schritt zugeführten Mikropartikel sind angeordnet, mit den entsprechenden bestrahlten Oberflächen der Basismaterialpartikel in Berührung zu sein.
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Wie voranstehend beschrieben wurde, werden in dem Verfahren zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands in dem ersten Schritt die Mikropartikel, die ein durchschnittliches Volumen aufweisen, das kleiner als das der Basismaterialpartikel ist, zu dem Bestrahlungsbereich zugeführt, um so angeordnet zu werden, dass sie mit den bestrahlten Oberflächen der Basismaterialpartikel in Berührung sind. Wenn in dem zweiten Schritt der formende optische Strahl auf die Mikropartikel angewendet wird, steigt die Temperatur der entsprechenden Mikropartikel, die aufgrund des kleineren durchschnittlichen Volumens eine kleinere Wärmekapazität aufweisen, schneller als die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit der Basismaterialpartikel an, die ein größeres durchschnittliches Volumen aufweisen, wenn der formende optische Strahl auf die Basismaterialpartikel angewendet ist, und entsprechend werden die Mikropartikel schnell in einen flüssigen Zustand geschmolzen.
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Somit wird die Absorptionsfähigkeit des formenden optischen Strahls in den geschmolzenen Mikropartikeln höher als wenn die Mikropartikel sich in einem festen Zustand befinden, und deren Temperatur steigt mit einer mehr bevorzugten Geschwindigkeit an. Zu dieser Zeit erhitzen die geschmolzenen Mikropartikel, deren Temperatur angestiegen ist, die Basismaterialpartikel, die mit den Mikropartikeln an den bestrahlten Oberflächen in Berührung sind, und behalten deren Hitze bei, und erhöhen dabei die Absorptionsfähigkeit des formenden optischen Strahls in den Basismaterialpartikeln. Wenn der formende optische Strahl direkt oder über geschmolzene Mikropartikel auf die Basismaterialpartikel angewendet wird, wird somit der formende optische Strahl bevorzugt durch die Basismaterialpartikel absorbiert, wodurch die Basismaterialpartikel in einem kurzen Zeitraum geschmolzen werden können. Durch dieses Verfahren kann ein additiv geformter Gegenstand hergestellt werden, der eine hohe relative Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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Eine Vorrichtung zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands, die einen Gegenstand durch ein Metallpulver durch Bestrahlung mit einem formenden optischen Strahl und dann Verfestigen des geschmolzenen Metallpulvers additiv formt. Die Herstellungsvorrichtung hat: eine Kammer, die in der Lage ist, eine im Inneren befindliche Luft von einer außerhalb befindlichen Luft zu isolieren; ein Lager, das eine Mehrzahl von Basismaterialpartikeln und eine Mehrzahl von Mikropartikeln lagert, die beide das Metallpulver bestimmen, wobei die Mikropartikel aus einem Metall ausgebildet sind, das in der Art identisch zu den Basismaterialpartikeln ist, und ein Durchschnittsvolumen aufweisen, das kleiner als das Durchschnittsvolumen der Basismaterialpartikel ist; ein Metallpulverzuführgerät, das innerhalb der Kammer bereitgestellt ist und die Basismaterialpartikel und die Mikropartikel, die in dem Lager gelagert sind, zu einem Bestrahlungsbereich des formenden optischen Strahls zuführt; und ein Gerät zum Bestrahlen eines formenden optischen Strahls, das den formenden optischen Strahl auf die Mikropartikel und entsprechende bestrahlte Oberflächen anwendet, die entsprechende Oberflächen an einer mit dem formenden optischen Strahl unter entsprechenden Oberflächen der zu dem Bestrahlungsbereich zugeführten Basismaterialpartikel bestrahlten Seite sind. In dem Bestrahlungsbereich sind die Mikropartikel so angeordnet, dass sie mit den entsprechenden bestrahlten Oberflächen der Basismaterialpartikel in Berührung sind. Mit dieser Konfiguration kann ein additiv geformter Gegenstand stabil hergestellt werden, der eine relativ hohe Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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Figurenliste
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Die voranstehend erwähnten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen deutlich werden, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und in denen:
- 1 ein Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Absorptionsfähigkeit eines Laserstrahls nahe des Infrarotbereichs für jedes Metallmaterial darstellt;
- 2 ein Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen einem Partikeldurchmesser von Mikropartikeln und einem Zeitraum darstellt, bis die Basismaterialpartikel schmelzen;
- 3 eine schematische Ansicht einer Herstellungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
- 4 eine Draufsicht eines Metallpulverzuführgeräts in der 3 ist;
- 5 eine Ansicht zum Erläutern einer dünnen Filmschicht ist;
- 6 ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform ist;
- 7 eine Ansicht zum Erläutern einer Basismaterialpartikelschicht in der dünnen Filmschicht ist;
- 8 eine erläuternde Ansicht eines Zustands ist, in dem ein Laserstrahl nahe des Infrarotbereichs auf die Mikropartikel in der dünnen Filmschicht angewendet wird; und
- 9 eine erläuternde Ansicht eines Zustands ist, in dem ein Laserstrahl nahe des Infrarotbereichs auf bestrahlte Oberflächen in der Basismaterialpartikelschicht angewendet ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Überblick einer Vorrichtung zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zuerst beschrieben. Der Gegenstand zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands ist eine Herstellungsvorrichtung, die einen additiv geformten Gegenstand herstellt, indem sie durch eine Bestrahlung mit einem formenden optischen Strahl ein zu einem Bestrahlungsbereich zugeführtes Metallpulver schmilzt und dann das geschmolzene Metallpulver verfestigt.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird als der formende optische Strahl ein Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs verwendet, der kostengünstig ist. Im Folgenden wird der Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs als ein Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 bezeichnet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 ist lediglich ein Beispiel, und als der formende optische Strahl kann nicht nur der Laserstrahl mit einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs (Nah-Infrarot-Laserstrahl L1) sondern auch ein CO2-Laser (Infrarotlaserstrahl) oder ein Halbleiter-Laser verwendet werden.
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Als ein Metallpulver, das ein Rohstoff des additiv geformten Gegenstands ist, wird ein Kupferpulver, das in dem Markt stark verlangt wird, als ein Beispiel unter verschiedenen verwendbaren Metallmaterialien verwendet. Kupfer ist ein Material mit einer niedrigen Absorptionsfähigkeit, das eine Absorptionsfähigkeit gleich wie oder niedriger als ein vorbestimmter Wert für den Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 bei Raumtemperatur aufweist. Der Ausdruck „gleich wie oder niedriger als ein vorbestimmter Wert“ bedeutet gleich wie oder niedriger als zum Beispiel 30%. Wie in der 1 abgebildet ist, ist die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 in Kupfer ungefähr 10% (nämlich gleich wie oder niedriger als 30%). Wie in der 1 abgebildet ist, schließen Beispiele des Materials mit niedriger Absorptionsfähigkeit Aluminium zusätzlich zu dem Kupfer ein.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Kupferpulver als das Metallpulver verwendet, das eine sehr niedrige Absorptionsfähigkeit für den Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 aufweist. Wenn jedoch der durchschnittliche Partikeldurchmesser ∅D der entsprechenden Partikel des Metallpulvers ausreichend groß ist (zum Beispiel 30 µm oder größer) und die entsprechenden Partikel ein Aggregat bestimmen, das aus Partikeln ausgebildet ist, die einen einzelnen Durchmesser aufweisen, kann ausgehend von zurückliegenden Erfahrungen nicht erwartet werden, dass das eine niedrige Absorptionsfähigkeit für den Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 aufweisende Metallpulver in seiner Temperatur schnell ansteigt und schmilzt.
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Unter Berücksichtigung davon haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf eine gut bekannte Erkenntnis den Schwerpunkt gerichtet, dass sogar, wenn das Metallpulver Kupfer(-Pulver) ist, ein Zeitraum bis eine Mehrzahl von Kupferpartikeln schmilzt, kurz ist, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Kupferpartikel kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Ein Grund davon kann sein, dass die Kupferpartikel, die einen kleineren durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweisen, eine kleinere Wärmekapazität aufweisen, was es ermöglicht, dass ihre Temperatur sogar ausreichend angehoben wird, falls die absorbierte Menge des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 klein ist. Folglich, sogar falls die Kupferpartikel, in denen die absorbierte Menge des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 klein ist, verwendet werden, kann deren Temperatur nahe an den Schmelzpunkt in einem relativ kurzen Zeitraum erhöht werden, der durchschnittliche Partikeldurchmesser ∅D kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
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Es gibt ebenfalls eine gut bekannte Erkenntnis, dass die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 in Kupferpartikeln in einem festen Zustand bei Raumtemperatur niedrig ist, aber die Absorptionsfähigkeit schnell ansteigt, wenn die Kupferpartikel in ihrer Temperatur ansteigen und sich in einem flüssigen Zustand ändern. Somit absorbieren die Kupferpartikel, die sich in einen flüssigen Zustand geändert haben, bevorzugt den Nah-Infrarot-Laserstrahl L1, um in ihrer Temperatur schnell anzusteigen. Somit heizen Kupferpartikel, deren Temperatur angestiegen ist, andere Kupferpartikel, die damit in Berührung sind, und behalten die Wärme bei, was es ermöglicht, dass diese anderen Kupferpartikel sich in einem kurzen Zeitraum in einen flüssigen Zustand ändern. Folglich kann ein Kupferpulver, das ein Aggregat von Kupferpartikeln ist, in Serie in einem kurzen Zeitraum geschmolzen werden, wodurch eine hohe Dichte und eine hohe Festigkeit erhalten werden können.
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Jedoch sind die Kosten der Herstellung einer großen Anzahl von feinen Kupferpartikeln, die einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D aufweisen, der kleiner als der vorbestimmte Wert ist, hoch, was es schwierig macht, die feinen Kupferpartikel in einer Massenerzeugung herzustellen und zu verwenden, zum Beispiel aus Rohmaterialien für additives Formen. Unter Berücksichtigung dieses Punktes haben die Erfinder entschieden, Kupferpartikel (die in einer Ausführungsform Mikropartikeln entsprechen), die einen kleinen Partikeldurchmesser aufweisen, der höhere Kosten erfordert, mit Kupferpartikeln (die in der vorliegenden Ausführungsform Basismaterialpartikeln entsprechen), die einen konventionellen Partikeldurchmesser (zum Beispiel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von ungefähr 30 µm) aufweisen, die mit niedrigen Kosten erzeugt werden können, in Berührung zu bringen, um die Mikropartikel als Heizmaterialien oder Heizreservematerialien zu verwenden, und dabei den Zeitraum zu verkürzen, bis die Kupferpartikel (Basismaterialpartikel, die den konventionellen Partikeldurchmesser aufweisen, schmelzen. Mit anderen Worten, um einen Kostenanstieg zu verhindern, haben die Erfinder entschieden, lediglich eine kleine Anzahl von teuren Mikropartikeln zu verwenden, um die bekannten kostengünstigen Kupferpartikel (Basismaterialpartikel) zu erwärmen und deren Hitze beizubehalten, und dabei den Zeitraum zu verkürzen, bis die Kupferpartikel (Basismaterialpartikel) schmelzen.
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Somit hat in der vorliegenden Ausführungsform ein Metallpulver 15 (das im Detail später beschrieben werden wird) entsprechend dem voranstehend beschriebenen Metallpulver eine Mehrzahl Basismaterialpartikel 15a und eine Mehrzahl Mikropartikel 15b. Mit anderen Worten, das Metallpulver 15 ist ein Aggregat der Basismaterialpartikel 15a und der Mikropartikel 15b. Die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b sind jeweils aus der gleichen Art von Kupfer ausgebildet.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b jeweils in einer Kugelform ausgebildet. Um jeden Partikel in einer Kugelform auszubilden, wird zum Beispiel eine bekannte Gasatomisierung verwendet. Die Gasatomisierung ist ein bekanntes Verfahren, und somit wird die ausführliche Beschreibung davon ausgelassen.
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Die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b sind derart ausgebildet, dass das Verhältnis des durchschnittlichen Partikeldurchmessers ∅D2 der Mikropartikel 15b, die jeweils in einer kugeligen Form ausgebildet sind, zu dem Durchschnittspartikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a, die jeweils in einer kugeligen Form ausgebildet sind, 1/6 (= ∅D2 / ∅D1) als ein Beispiel wird. Hierin wird der durchschnittliche Partikeldurchmesser durch ein bekanntes Laser-Diffraktions-und-Streuverfahren gemessen.
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In dem voranstehend Beschriebenen ist das Verhältnis (∅D2 / ∅D1) der durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D2 der Mikropartikel 15b zu dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a auf 1/6 eingestellt. Dies ist ein Wert, der ausgehend von CAE-Analyseergebnissen eingestellt wird, die in einem Diagramm der 2 gegeben sind. Das Diagramm der 2 zeigt Analyseergebnisse von, in einem Zustand, in dem Kupferpartikel (Basismaterialpartikel), die einen großen Partikeldurchmesser aufweisen, und Kupferpartikel (Mikropartikel), die einen kleinen Partikeldurchmesser aufweisen, miteinander in Berührung sind, wie voranstehend beschrieben wurde, eines Zeitraums, bis die Kupferpartikel (Basismaterialpartikel), die einen großen Partikeldurchmesser aufweisen, schmelzen, wenn der Laserstrahl L1 mit einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs auf die Mikropartikel angewendet ist. Die horizontale Achse des Diagramms stellt das Verhältnis des Partikeldurchmessers der Mikropartikel zu dem Partikeldurchmesser der Basismaterialpartikel dar, und die vertikale Achse davon stellt einen Zeitraum dar, bis die Basismaterialpartikel, die mit den Mikropartikeln in Berührung sind, schmelzen.
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Aus den Analyseergebnissen wurde herausgefunden, dass wenn das Verhältnis des Partikeldurchmessers der Mikropartikel zu dem Partikeldurchmesser der Basismaterialpartikel gleich wie oder kleiner als 2/5 (40%) ist, der Zeitraum, bis der Schmelzpunkt erreicht ist, im Vergleich mit einem bekannten Verfahren verkürzt wird (an dem linken Ende in der 2). Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass der Zeitraum, bis der Schmelzpunkt erreicht wird, am kürzesten ist, wenn das Verhältnis (∅D2 / ∅D1) unter den Bedingungen in der 2 1/6 beträgt.
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Ausgehend von diesen Ergebnissen ist das Verhältnis (∅D2 / ∅D1) des durchschnittlichen Partikeldurchmessers ∅D2 der Mikropartikel 15b zu dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a auf 1/6 eingestellt. Jedoch muss das Verhältnis (=∅D2 / ∅D1) des durchschnittlichen Partikeldurchmessers ∅D2 der Mikropartikel 15b zu dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a nicht 1/6 betragen, solange es gleich wie oder kleiner als 2/5 (40%) ist. Innerhalb dieses Bereichs können ähnliche Effekte erhalten werden. Ausgehend von den voranstehend beschriebenen Bedingungen werden die folgenden Ausführungsformen beschrieben.
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Die 3 ist eine schematische Ansicht einer Herstellungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Herstellungsvorrichtung 100 hat eine Kammer 10, ein Metallpulverzufuhrgerät 20, ein Gerät 30 zum Bestrahlen eines formenden optischen Strahls und Lager 40. Die Lager 40, die im Detail später beschrieben werden, haben ein Basismaterialpartikellager 41, das eine Mehrzahl der Basismaterialpartikel 15a lagert, und ein Mikropartikellager 42, das eine Mehrzahl Mikropartikel 15b lagert.
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Die Kammer 10 ist ein Gehäuse, das in einer im Wesentlichen rechteckigen Form eines Parallelepipeds ausgebildet ist, und ist ein Behälter, der in der Lage ist, die Luft innerhalb von der Luft außerhalb zu isolieren. Die Kammer 10 hat ein Gerät (nicht abgebildet), das die Luft innerhalb der Kammer mit einem Inertgas wie zum Beispiel Helium, Stickstoff oder Argon ersetzen kann. Alternativ kann die Kammer 10 so konfiguriert sein, dass das innere der Kammer 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt werden kann anstelle mit einem Inertgas ersetzt zu werden.
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Das Metallpulverzufuhrgerät 20 ist innerhalb der Kammer 10 bereitgestellt. Das Metallpulverzufuhrgerät 20 ist ein Gerät, das die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b, die voranstehend beschrieben wurden, zu einer Bestrahlungsfläche Ar1 (siehe 4) des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 (entsprechend dem formenden optischen Strahl) zuführt. Wie voranstehend beschrieben wurde, bestimmen in den vorliegenden Ausführungsformen die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b, die zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt werden, das Metallpulver 15.
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Wie in der 3 und der 4 abgebildet ist, hat das Metallpulverzuführgerät 20 einen Formbehälter 21, einen Basismaterialpartikellagerbehälter 22a, einen Mikropartikellagerbehälter 22b, einen Formgegenstandhubtisch 23, einen Basismaterialpartikelzuführtisch 24, einen Mikropartikelzuführtisch 27, eine Metallpulverzuführsteuerung 25 (Steuereinheit), einen Wiederbeschichter 26 und eine Formsteuerung 28.
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Wie in der 3 abgebildet ist, ist innerhalb des Formbehälters 21 der Formgegenstandhubtisch 23 bereitgestellt, um nach oben und unten beweglich zu sein. Auf dem Formgegenstandhubtisch 23 wird eine dünne Filmschicht 15c des Metallpulvers 15 durch das Metallpulverzuführgerät 20 ausgebildet. Wie in der 5 abgebildet ist, hat die dünne Filmschicht 15c zum Beispiel jeweils eine aus einer Basismaterialpartikelschicht 15c1, die eine Mehrzahl von Basismaterialpartikeln 15a enthält, die in einem unteren Bereich der dünnen Filmschicht 15c angeordnet sind, und eine Mikropartikelschicht 15c2, die eine Mehrzahl von Mikropartikeln 15b enthält, die in einem oberen Bereich der Basismaterialpartikelschicht 15c1 angeordnet sind. Details werden später beschrieben. An dem Formgegenstandhubtisch 23 ist eine Stützwelle 23a angebracht. Die Stützwelle 23a ist mit einem Antriebsgerät (nicht abgebildet) verbunden und wird durch die Betätigung des Antriebsgeräts nach oben und unten bewegt. Das Antriebsgerät wird durch die Formsteuerung 28 gesteuert.
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Innerhalb des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a ist der Basismaterialpartikelzuführtisch 24 bereitgestellt, um nach oben und unten beweglich zu sein. Auf dem Basismaterialpartikelzuführtisch 24 ist eine Mehrzahl der Basismaterialpartikel 15a (Aggregat), die noch zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zuzuführen sind, gelagert. Durch das Bewegen des Basismaterialpartikelzuführtisches 24 nach oben wird verursacht, dass eine Mehrzahl der Basismaterialpartikel 15a, die zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zuzuführen ist, von einer Öffnung in dem obersten Bereich des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a vorragen.
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Auf diese Weise bestimmen der Basismaterialpartikellagerbehälter 22a und der Basismaterialpartikelzuführtisch 24 das Basismaterialpartikellager 41 (Lager 40), das die Basismaterialpartikel 15a lagert. An dem Basismaterialpartikelzuführtisch 24 ist eine Stützwelle 24a angebracht. Die Stützwelle 24a ist mit einem Antriebsgerät (nicht abgebildet) verbunden. Der Basismaterialzuführtisch 24 wird durch den Betrieb des Antriebsgeräts nach oben und unten bewegt. Das Antriebsgerät ist durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 gesteuert.
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Innerhalb des Mikropartikellagerbehälters 22b ist der Mikropartikelzuführtisch 27 bereitgestellt, um nach oben und unten beweglich zu sein. Auf dem Mikropartikelzuführtisch 27 ist eine Mehrzahl von Mikropartikeln 15b (Aggregat), die noch zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zuzuführen ist, gelagert. Durch das Bewegen des Mikropartikelzuführtisches 27 nach oben wird verursacht, dass eine Mehrzahl der Mikropartikel 15b, die zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zuzuführen sind, von einer Öffnung in dem obersten Bereich des Mikropartikellagerbehälters 22b vorragen.
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Auf diese Weise bestimmen der Mikropartikellagerbehälter 22b und der Mikropartikelzuführtisch 27 das Mikropartikelmikrolager 42, das die Mikropartikel 15b lagert. An dem Mikropartikelzuführtisch 27 ist eine Stützwelle 27b angebracht. Die Stützwelle 27b ist mit einem Antriebsgerät (nicht abgebildet) verbunden, und der Mikropartikelzuführtisch 27 wird durch den Betrieb des Antriebsgeräts nach oben und unten bewegt. Das Antriebsgerät wird durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 gesteuert.
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Der Wiederbeschichter 26, der in der 3 abgebildet ist, ist bereitgestellt, um in einer sich hin- und herbewegenden Weise über alle Flächen der entsprechenden Öffnungen des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a, des Formbehälters 21 und des Mikropartikellagerbehälters 22b in der seitlichen Richtung zu bewegen. Hierin sind die entsprechenden oberen Endoberflächen des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a, des Formbehälters 21 und des Mikropartikellagerbehälters 22b miteinander bündig. Somit wird der Wiederbeschichter 26 in einer sich hin- und herbewegenden Weise zwischen der rechten Seite des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a und der linken Seite des Mikropartikellagerbehälters 22b bewegt, die in der 3 abgebildet sind. Der Wiederbeschichter 26 ist mit einem Antriebsgerät (nicht abgebildet) verbunden und wird durch den Betrieb des Antriebsgeräts nach rechts und links bewegt. Das Antriebsgerät ist durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 gesteuert.
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Ausgehend von einem voreingestellten Programm dringt das Gerät 30 zur Bestrahlung des formenden optischen Strahls den Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 zu einer Oberfläche der dünnen Filmschicht 15c (die Basismaterialpartikelschicht 15c1 und die Mikropartikelschicht 15c2) des Metallpulvers 15 (der Basismaterialpartikel 15a und der Mikropartikel 15b), die zu der Bestrahlungsfläche Ar1 durch das Metallpulverzuführgerät 20 zugeführt wurden (siehe 4).
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Wie in der 3 abgebildet ist, hat das Gerät 30 zum Bestrahlen des formenden optischen Strahls einen Laseroszillator 31, einen Laserkopf 32 und eine Formsteuerung 28, die den Betrieb von jedem Gerät steuert. Der Laseroszillator 31 hat eine optische Faser 35 zum Übertragen eines Nah-Infrarot-Laserstrahls L1, von dem durch den Laseroszillator 31 bewirkt wird, dass er zu dem Laserkopf 32 oszilliert.
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Der Laseroszillator 31 erzeugt den Nah-Infrarot-Laserstrahl L1, der ein Laserstrahl eines Laserstrahls einer kontinuierlichen Welle (CW) durch Oszillieren derart ist, dass die Wellenlänge eine im Voraus eingestellte vorbestimmte Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs wird. Die Wellenlänge des Laserstrahls L1 nahe des Infrarotbereichs beträgt ungefähr 1,0 µm. Insbesondere kann als der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 HoYAG (Wellenlänge: ungefähr 1,5 µm), Yttrium-Vanadat (YVO, Wellenlänge: ungefähr 1,06 µm), Ytterbium (Yb, Wellenlänge: ungefähr 1,09 µm) und zum Beispiel ein Faserlaser verwendet werden.
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Somit kann der Laseroszillator 31 kostengünstig hergestellt werden und kann aufgrund seines geringen Energieverbrauchs ebenfalls kostengünstig betrieben werden. Wie in der 1 abgebildet ist, die ein Verhältnis zwischen der Wellenlänge (µm) eines Laserstrahls und der Absorptionsfähigkeit (%) des Laserstrahls für jedes Material darstellt, ist die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 in Kupfer und Aluminium relativ niedrig, und die Absorptionsfähigkeit davon ist nicht höher als 30%.
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Wie in der 3 abgebildet ist, ist der Laserkopf 32 an einem vorbestimmten Abstand getrennt von der Oberfläche der dünnen Filmschicht 15c des Metallpulvers 15 vorgesehen, die in der Bestrahlungsfläche Ar1 innerhalb der Kammer 10 derart ausgebildet ist, dass eine Achse C1 des Laserkopfs in der vertikalen Richtung ausgerichtet ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dies begrenzt, sondern der Laserkopf 32 kann derart vorgesehen sein, dass die Achse C1 in einen vorbestimmten Winkel mit Bezug auf die vertikale Richtung ausgerichtet ist.
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Der Laserkopf 32 hat einen 3D- oder 2D-Galvanometer-Abtaster (nicht abgebildet) und kann flexibel den durch den Laseroszillator 31 erzeugten Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die Oberfläche der dünnen Filmschicht 15c an einer vorbestimmten Position unter Verwendung der Funktionen des Galvanometer-Abtasters, der durch die Formsteuerung 28 gesteuert wird, aufbringen. Die Verwendung des 3D- oder 2D-Galvanometer-Abtasters ist eine gut bekannte Technik und somit wird eine ausführliche Beschreibung davon hier ausgelassen.
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Die vorbestimmte Position, an der der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 angewendet wird, wird im Detail später beschrieben. Der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1, der von dem Laserkopf 32 abgegeben wird, wird durch ein durchsichtiges Glas oder Harz, das an einer obersten Oberfläche der Kammer 10 bereitgestellt ist, in die Kammer 10 angewendet und erreicht die vorbestimmte Position auf der Oberfläche der dünnen Filmschicht 15c.
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Das Folgende beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines additiv geformten Gegenstands mit Bezug auf das Flussdiagramm in der 6. In dem Herstellungsverfahren wird Luft innerhalb der Kammer 10 zum Beispiel mit Ar-Gas durch ein Gasaustauschgerät (nicht abgebildet) ersetzt. Jedoch wird die Beschreibung für diesen Vorgang ausgelassen.
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In dem Basismaterialpartikellagerbehälter 22a, der das Basismaterialpartikellager 41 bestimmt, werden die voranstehend beschriebenen Basismaterialpartikel 15a (Aggregat) derart eingefüllt, dass der Basismaterialpartikellagerbehälter 22a damit bis zu dem offenen Ende an dem obersten Bereich gefüllt ist. Innerhalb des Mikropartikellagerbehälters 22b, der das Mikropartikellager 42 bestimmt, werden die voranstehend beschriebenen Mikropartikel 15b (Aggregat) derart eingefüllt, dass der Mikropartikellagerbehälter 22b damit bis zu dem offenen Ende an dem obersten Bereich gefüllt ist.
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Das Verfahren zur Herstellung des additiv geformten Gegenstands hat einen ersten Schritt S10 und einen zweiten Schritt S20. Der erste Schritt S10 ist ein Schritt, die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b zu der Bestrahlungsfläche Ar1 auf dem Formgegenstandhubtisch 23 zuzuführen. Die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b bilden die voranstehend beschriebene dünne Filmschicht 15c (die Basismaterialpartikelschicht 15c1 und die Mikropartikelschicht 15c2) des Metallpulvers 15 aus. Details werden später beschrieben werden.
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Obwohl dies nicht abgebildet ist, ist tatsächlich die oberste Oberfläche des Formgegenstandhubtisches 23, die die Bestrahlungsfläche Ar1 ausbildet, unter dem offenen Ende (obere Endoberfläche) des Formbehälters 21 um eine vorbestimmte Länge positioniert, wodurch eine Aussparung zwischen inneren Seitenoberflächen des Formbehälters 21 und der obersten Oberfläche des Formgegenstandhubtischs 23 ausgebildet wird. Die vorbestimmte Länge hierin ist eine Höhe, die gleichwertig zu einer Schicht der Basismaterialpartikelschicht 15c1 ist, die die dünne Filmschicht 15c des Metallpulvers 15 bestimmt.
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Hierin bedeutet, falls ein Teil der dünnen Filmschicht 15c (die Basismaterialpartikelschicht 15c1 und die Mikropartikelschicht 15c2) bereits verfestigt worden ist und auf dem Formgegenstandhubtisch 23 aufgestapelt ist, die oberste Oberfläche des Formgegenstandhubtischs 23 eine oberste Oberfläche der dünnen Filmschicht 15c, die bereits darauf aufgestapelt wurde. Die 3 stellt einen Zustand dar, in dem die dünne Filmschicht 15c, von der ein Teil verfestigt wurde, in Mehrzahl auf dem Formgegenstandhubtisch 23 aufgestapelt ist. Das verfestigte Teil bedeutet hierin einen Teil eines erwünschten additiv geformten Gegenstands, der mit dem Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt wurde und dann verfestigt ist.
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Das Folgende beschreibt den ersten Schritt S10. Wie voranstehend beschrieben wurde, ist der Schritt S10 ein Schritt, zu der Bestrahlungsfläche Ar1 des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 (formender optischer Strahl) eine Mehrzahl Basismaterialpartikel 15a zuzuführen, die das Metallpulver 15 bestimmen, und eine Mehrzahl der Mikropartikel 15b, die aus einem Metall (Kupfer) ausgebildet sind, das in der Art identisch zu dem Basismaterialpartikeln 15a ist, und die ein Durchschnittsvolumen V2 aufweisen, das kleiner als das Durchschnittsvolumen V1 der Basismaterialpartikel 15a ist.
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Insbesondere umfasst der erste Schritt S10 einen Basismaterialpartikelzuführschritt S10a und einen Mikropartikelzuführschritt S10b. Der Basismaterialpartikelzuführschritt S10a, der in der 6 abgebildet ist, ist ein Schritt, die Basismaterialpartikelschicht 15c1 zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zuzuführen. In dem Basismaterialpartikelzuführschritt S10a wird gesteuert durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 der Basismaterialpartikelzuführtisch 24 um eine vorbestimmte Länge angehoben. Entsprechend wird verursacht, dass einige der Basismaterialpartikel 15a, die in dem Basismaterialpartikellager 41 gelagert sind, aus dem offenen Ende (obere Endoberfläche) des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a vorragen. Die vorbestimmte Länge hierin ist zum Beispiel ein Wert, der geringfügig größer als der durchschnittliche Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a ist.
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Darauffolgend wird gesteuert durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 der Wiederbeschichter 26 in der 3 und der 4 von rechts nach links bewegt, wodurch eine Mehrzahl der Basismaterialpartikel 15a, die von dem offenen Ende (obere Endoberfläche) des Basismaterialpartikellagerbehälters 22a vorragen, auf die oberste Oberfläche des Formgegenstandhubtischs 23 gefördert werden, und die Basismaterialpartikel 15a werden über die gesamte Bestrahlungsfläche Ar in der Aussparung verstreut, um die Basismaterialpartikelschicht 15c1 auszubilden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Tiefe der Aussparung hierin geringfügig größer als der durchschnittliche Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a. Dies ermöglicht es, dass die Basismaterialpartikel 15a, die einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 aufweisen, nacheinander in die Aussparung verstreut werden, wie in der 7 abgebildet ist.
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Darauffolgend wird der Wiederbeschichter 26, nachdem er über die Aussparung von rechts nach links geführt wurde, von rechts nach links über den Mikropartikellagerbehälter 22b. Zu dieser Zeit ist der Mikropartikellagerbehälter 22b mit einer Mehrzahl Mikropartikel 15b (Aggregat) bis zu dem offenen Ende (obere Endoberfläche) an dem obersten Bereich des Mikropartikellagerbehälters 22b gefüllt, aber die Mikropartikel 15b ragen von dem offenen Ende nicht nach oben vor. Somit, sogar falls der Wiederbeschichter 26 über den Mikropartikellagerbehälter 22b geführt wird, während er überzählige Basismaterialpartikel 15a fördert, werden die Basismaterialpartikel 15a bevorzugt über eine Mehrzahl Mikropartikel 15b in dem Mikropartikellagerbehälter 22b geführt, und zu der linken Seite des Mikropartikellagerbehälters 22b gefördert. Der Wiederbeschichter wird keine Mikropartikel 15b in dem Mikropartikellagerbehälter 22b zusammen scharren.
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In dem Mikropartikelzuführschritt S10b wird der Wiederbeschichter 26 von links nach rechts in der 3 und der 4 bewegt, wodurch die Mikropartikelschicht 15c2 zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wird. Für diesen Vorgang, um damit zu beginnen, wird der Mikropartikelzuführtisch 27 durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 gesteuert, um eine vorbestimmte Länge angehoben zu werden. Entsprechend wird verursacht, dass einige der Mikropartikel 15b, die in dem Mikropartikellager 42 gelagert sind, von dem offenen Ende (obere Endoberfläche) des Mikropartikellagerbehälters 22b vorragen. Die vorbestimmte Länge zum Anheben hierin ist zum Beispiel ein Wert, der geringfügig größer als der durchschnittliche Partikeldurchmesser ∅D2 der Mikropartikel 15b ist.
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Zu dieser Zeit wird gesteuert durch die Metallpulverzufuhrsteuerung 25 die oberste Oberfläche des Formgegenstandhubtischs 23 um eine vorbestimmte Länge von dem offenen Ende (obere Endoberfläche) des Formbehälters 21 abgesenkt. Die vorbestimmte Länge hierin ist eine Höhe, die gleichwertig einer Schicht der Mikropartikelschicht 15c2 ist, die die dünne Filmschicht 15c bestimmt. Mit anderen Worten ist die vorbestimmte Länge eine Höhe, die geringfügig größer als der durchschnittliche Partikeldurchmesser ∅D2 der Mikropartikel 15b ist.
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In diesem Zustand wird der Wiederbeschichter 26 durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 gesteuert, um in der 3 und der 4 von links nach rechts bewegt zu werden. Entsprechend verursacht die Metallpulverzuführsteuerung 25, dass eine Mehrzahl von Mikropartikeln 15b, die von dem offenen Ende (obere Endoberfläche) des Mikropartikellagerbehälters 22b vorragen, in die durch die oberste Oberfläche des Formgegenstandhubtischs 23 ausgebildete Aussparung gefördert werden, und auf oberen Oberflächen in der Basismaterialpartikelschicht 15c1 angeordnet werden, die in der Aussparung (Bestrahlungsfläche Ar1) in dem Basismaterialpartikelzuführschritt S10a verteilt wurde (siehe 5).
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Mit anderen Worten sind in der Bestrahlungsfläche Ar1 die Mikropartikel 15b so angeordnet, dass sie mit entsprechenden bestrahlten Oberflächen 15a1 in Berührung geraten, die entsprechenden Oberflächen in der Basismaterialpartikel 15a auf einer mit dem formenden optischen Strahl L1 zu bestrahlenden Seite (obere Seite in der 5) in Berührung sind, und dabei die Mikropartikelschicht 15c2 (dünne Filmschicht 15c) ausbilden. Zu dieser Zeit sind die Mikropartikel 15b stabil in Hohlräumen angeordnet, die auf der Seite der bestrahlten Oberflächen 15a1 in der Basismaterialpartikelschicht 15c1 ausgebildet sind, die in der Bestrahlungsfläche Ar1 verteilt sind, wie in der 5 abgebildet ist.
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Das Folgende beschreibt den zweiten Schritt S20. In dem zweiten Schritt S20 wird gesteuert durch die Formsteuerung 28, die in dem Gerät 30 zum Abstrahlen des formenden optischen Strahls vorhanden ist, der Laseroszillator 31 aktiviert. Auf einer Oberfläche der dünnen Filmschicht 15c (die Basismaterialpartikelschicht 15c1 und die Mikropartikelschicht 15c2), die zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wurde, wird an einer bestimmten Position darauf der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 (formender optischer Strahl) angewendet. Die vorbestimmte Position ist bevorzugt, eine Position zu sein, wo die Mikropartikel 15b in der dünnen Filmschicht 15c angeordnet sind. Es ist anzumerken, dass die vorbestimmte Position eine Position ist, die auf Schichtdaten (gerändertes Muster) eines zu erzeugenden additiv geformten Gegenstands basiert, und eine Position ist, wo beabsichtigt ist, dass der additiv geformte Gegenstand ausgebildet wird.
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Somit müssen beide Fälle berücksichtigt werden, nämlich ein Fall, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die Mikropartikel 15b angewendet wird, und ein Fall, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die bestrahlten Oberflächen 15a1 der Basismaterialpartikel 15a angewendet wird. Jeder der Fälle wird beschrieben.
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Das Folgende beschreibt zuerst den Fall, in dem der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die Mikropartikel 15b in der Bestrahlungsfläche Ar1 angewendet wird. Wie in der 8 abgebildet ist, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf einen Mikropartikel 15b(A) in der dünnen Filmschicht 15c angewendet wird, steigt der Mikropartikel 15b(A), der einen kleinen durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D2 und eine kleine Wärmekapazität aufweist, in der Temperatur schneller als in dem Fall, in dem der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf einem Basismaterialpartikel 15a angewendet wird, der einen großen durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 und eine große Wärmekapazität aufweist. Somit heizt der Mikropartikel 15b(A), dessen Temperatur angestiegen ist, die Basismaterialpartikel 15a(A), die damit in Berührung sind, und behält deren Wärme bei. Wenn der Mikropartikel 15b sich von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand ändert, steigt die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 plötzlich an. Entsprechend absorbiert der Mikropartikel 15b(A) eine größere Menge des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1, um in der Temperatur anzusteigen, und heizt außerdem die Basismaterialpartikel 15a(A), die damit in Berührung sind. Folglich werden auch die Basismaterialpartikel 15a(A) in einem kurzen Zeitraum ähnlich zu dem Mikropartikel 15b(A) geschmolzen.
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Das Folgende beschreibt den Fall, in dem der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die bestrahlten Oberflächen 15a1 der Basismaterialpartikel 15a in der Bestrahlungsfläche Ar1 angewendet wird. Wie in der 9 abgebildet ist, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die bestrahlte Oberfläche 15a1 eines Basismaterialpartikels 15a(B) in der dünnen Filmschicht 15c angewendet wird, steigt die Temperatur des Basismaterialpartikels 15a(B) langsam, da die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 darin niedrig ist. Jedoch erhöht die Temperatur, die geringfügig durch das Absorbieren des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 angestiegen ist, die Temperatur der Mikropartikel 15b(B), die mit dem Basismaterialpartikel 15a(B) in Berührung sind. Entsprechend dienen die Mikropartikel 15b(B), deren Temperatur angestiegen ist, als Heizreservematerialien für den Basismaterialpartikel 15a(B), der damit in Berührung ist, und sind dabei in der Lage, den Temperaturanstieg des Basismaterialpartikels 15a(B) zu beschleunigen, der mit dem Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt wurde. Auf diese Weise kann auch in dem Fall, in dem der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die bestrahlte Oberfläche 15a1 des Basismaterialpartikels 15a(B) angewendet wird, die Schmelzzeit des Basismaterialpartikels 15a durch das Austauschen von Wärme mit den Mikropartikeln 15b(B) verkürzt werden.
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Darauffolgend wird durch das Abkühlen der Basismaterialpartikel 15a und der Mikropartikel 15b, die in einem kurzen Zeitraum geschmolzen sind, eine verfestigte dünne Filmschicht ausgebildet, die eine hohe Festigkeit aufweist. Hierin, wie voranstehend beschrieben wurde, sind in der vorliegenden Ausführungsform die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b derart ausgebildet, dass das Verhältnis des durchschnittlichen Partikeldurchmessers ∅D2 der Mikropartikel 15b, die jeweils in einer kugeligen Form ausgebildet sind, zu dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a, die jeweils in einer kugeligen Form ausgebildet sind, 1/6 (=∅D2 / ∅D1) wird. Aufgrund dieses Verhältnisses unter den Bedingungen in der 2 werden die Basismaterialpartikel 15a schnell geschmolzen und dann verfestigt, und die relative Dichte eines somit verfestigten Abschnitts in der dünnen Filmschicht 15c wird erhöht. Durch das Wiederholen eines solchen Schmelzens und der Verfestigung wird der verfestigte Abschnitt, der eine hohe relative Dichte aufweist, einer nach dem anderen gestapelt, wodurch ein additiv geformter Gegenstand mit einer hohen Festigkeit ausgebildet wird.
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In dem voranstehend beschriebenen Vorgang verbleibt, nachdem der additiv geformte Gegenstand vollendet wurde, Metallpulver 15 (eine Mehrzahl von Basismaterialpartikeln 15a und eine Mehrzahl von Mikropartikeln 15b), die nicht verfestigt wurden, nämlich verbleibendes Metallpulver um den additiv geformten Gegenstand. Dieses verbleibende Metallpulver kann durch Filtrierung mit einem Filter in einer Mehrzahl der Basismaterialpartikel 15a und eine Mehrzahl der Mikropartikel 15b getrennt werden, die wiederzuverwerten sind, was effizient ist.
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In der ersten Ausführungsform, die voranstehend beschrieben wurde, sind jeweils eine Mehrzahl von Basismaterialpartikeln 15a und eine Mehrzahl von Mikropartikeln 15b in einer kugeligen Form ausgebildet. Die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b sind derart ausgebildet, dass das Verhältnis des durchschnittlichen Partikeldurchmessers ∅D2 der Mikropartikel 15b, die jeweils in einer kugeligen Form ausgebildet sind, zu dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a, die jeweils in einer kugeligen Form ausgebildet sind, zum Beispiel 1/6 (=∅D2 / ∅D1) wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b können jeweils in einer anderen Form als der kugeligen Form ausgebildet sein.
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Da jeder Mikropartikel 15b nicht eine kugelige Form aufweist, sind in diesem Fall, anstelle die durchschnittlichen Partikeldurchmesser zu verwenden, die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b derart ausgebildet, dass das Verhältnis des durchschnittlichen Volumens V2 der Mikropartikel 15b zu dem durchschnittlichen Volumen V1 der Basismaterialpartikel 15a gleich wie oder kleiner als 6,4% wird. Auf diese Weise können ähnliche Effekte wie die in der voranstehend beschriebenen Ausführungsform erhalten werden, und somit kann die vorliegende Erfindung für ein nicht kugeliges Pulver verwendet werden, das zum Beispiel durch eine kostengünstige Wasseratomisierung erzeugt wurde.
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In der Ausführungsform sind die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b in getrennten Lagern 40 gelagert (das Basismaterialpartikellager 41 und das Mikropartikellager 42), und werden jeweils durch das Metallpulverzuführgerät 20 zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt, um darin das Metallpulver 15 auszubilden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Bevor sie zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt werden, können die Basismaterialpartikel 15a mit einer Mehrzahl der Mikropartikel 15b an ihren äußeren Randoberflächen angebracht in einem Lager 40 gelagert sein. Wenn die Mikropartikel 15b, die an dem gesamten Umfang von jedem Basismaterialpartikel 15a angebracht sind, zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt werden, sind in diesem Fall einige der angebrachten Mikropartikel 15b so angeordnet, dass sie mit entsprechenden bestrahlten Oberflächen, die entsprechende Oberflächen der Basismaterialpartikel auf einer mit dem Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 (formender optischer Strahl) zu bestrahlenden Seite sind, in Berührung sind. Somit können ähnliche Effekte zu denen der Ausführungsform erhalten werden.
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Die Ausführungsform, in der Kupfer als ein Material des Metallpulvers 15 verwendet wird, wurde beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf das begrenzt, sondern stattdessen kann Aluminium verwendet werden. In diesem Fall können ebenfalls Effekte ähnlich zu denen der Ausführungsform erhalten werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Gesichtspunkt der Ausführungsform begrenzt, und wenn die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt werden, können die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b von oben fallen gelassen werden, um in den Bereich nahe des Wiederbeschichters 26 zugeführt zu werden, und die entsprechenden zugeführten Partikel können zu der Bestrahlungsfläche Ar1 durch den Betrieb des Wiederbeschichters 26 gefördert werden. In diesem Fall ist die Struktur der Lager 40 (das Basismaterialpartikellager 41 und das Mikropartikellager 42) unterschiedlich von dem in der vorliegenden Ausführungsform). In diesem Fall können ebenfalls ähnliche Effekte erhalten werden.
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Wie aus dem voranstehend Beschriebenen deutlich ist, werden in dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform in dem ersten Schritt S10 (S10a und S10b) die Mikropartikel 15b, die ein durchschnittliches Volumen V2 aufweisen, das kleiner als das der Basismaterialpartikel 15a ist, zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt, um in Berührung mit den bestrahlten Oberflächen 15a1 der Basismaterialpartikel 15a angeordnet zu werden. In dem zweiten Schritt S20, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 (formender optischer Strahl) auf die Mikropartikel 15b angewendet wird, steigt die Temperatur der entsprechenden Mikropartikel 15b, die eine kleinere Wärmekapazität aufgrund des kleineren durchschnittlicheren Volumens V2 aufweisen, schneller als die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit der Basismaterialpartikel 15a, die ein größeres durchschnittlicheres Volumen V1 aufweisen, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die Basismaterialpartikel 15a angewendet wird, und entsprechend werden die Mikropartikel 15b schnell in einen flüssigen Zustand geschmolzen.
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Somit wird die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 (formender optischer Strahl) in den geschmolzenen Mikropartikeln 15b höher als, wenn die Mikropartikel sich in einem festen Zustand befinden, und die Temperatur davon steigt mit einer bevorzugteren Geschwindigkeit an. Zu dieser Zeit heizen die geschmolzenen Mikropartikel 15b, deren Temperatur angestiegen ist, die Basismaterialpartikel 15a, die mit den Mikropartikeln 15b an den bestrahlten Oberflächen 15a1 in Berührung sind, und behalten deren Wärme bei, und erhöhen damit die Absorptionsfähigkeit des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 (formender optischer Strahl) in den Basismaterialpartikeln 15a. Somit, wenn der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 auf die Basismaterialpartikel 15a direkt oder über die geschmolzenen Mikropartikeln 15b angewendet wird, wird der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 bevorzugt durch die Basismaterialpartikel 15a absorbiert, wodurch die Basismaterialpartikel 15a in einem kurzen Zeitraum geschmolzen werden können. Da die Mikropartikel 15b und die Basismaterialpartikel 15a aus der gleichen Art von Metall ausgebildet sind, wird hierin das geschmolzene Metall nicht mit Unreinigkeiten kontaminiert. Unter diesen Bedingungen kann ein additiv geformter Gegenstand stabil hergestellt werden, der eine hohe relative Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform hat der erste Schritt S10 den Basismaterialpartikelzuführschritt S10a und den Mikropartikelzuführschritt S10b. In dem Basismaterialpartikelzuführschritt S10a werden die Basismaterialpartikel 15a zu der Bestrahlungsfläche Ar1 des Nah-Infrarot-Laserstrahls L1 (formender optischer Strahl) zugeführt. In dem Mikropartikelzuführschritt S10b werden die Mikropartikel 15b so zugeführt, dass sie in Berührung mit den entsprechenden bestrahlten Oberflächen der Basismaterialpartikeln 15a angeordnet sind, die in dem Basismaterialpartikelzuführschritt S10a zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wurden. Auf diese Weise werden die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b getrennt zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt, was zuverlässig ein Positionsverhältnis zwischen den Basismaterialpartikeln 15a und den Mikropartikeln 15b ermöglicht, damit sie sich in einem erwünschten Zustand befinden, und folglich kann ein additiv geformter Gegenstand hergestellt werden, der eine hohe Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform weisen die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b jeweils eine kugelige Form auf, und das Verhältnis des durchschnittlichen Partikeldurchmessers ∅D2 der Mikropartikel 15b zu dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 der Basismaterialpartikel 15a ist gleich wie oder kleiner als 2/5. Da die Basismaterialpartikel 15a und die Mikropartikel 15b ein derartiges Verhältnis aufweisen, können ausgehend von dem Diagramm der 2 die Mikropartikel 15b und die Basismaterialpartikel 15a in einem kurzen Zeitraum geschmolzen werden, wodurch ein additiv geformter Gegenstand stabil hergestellt werden kann, der eine hohe Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform ist das Verhältnis des durchschnittlichen Volumens V2 der Mikropartikel 15b zu dem durchschnittlichen Volumen V1 der Basismaterialpartikel 15a gleich wie oder kleiner als 6,4%. Dieses Verhältnis ist gleichwertig einem Verhältnis (∅D2 / ∅D1) von 2/5 oder weniger, wenn die durchschnittlichen Volumen in die durchschnittlichen Partikeldurchmesser ∅D1 und ∅D2 der Basismaterialpartikel 15a und der Mikropartikel 15b in der ersten Ausführungsform umgewandelt werden. Durch diese Einstellung können die Mikropartikel 15b und die Basismaterialpartikel 15a in einem kurzen Zeitraum geschmolzen werden, wodurch ein additiv geformter Gegenstand stabil hergestellt werden kann, der eine hohe Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform ist der Nah-Infrarot-Laserstrahl L1 (formender optischer Strahl) ein Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs, und das Metallpulver ist aus Kupfer oder aus Aluminium ausgebildet. Kupfer oder Aluminium ist ein Material, das eine sehr niedrige Absorptionsfähigkeit für einen Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs bei Raumtemperatur aufweist. Somit können in dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform größere Effekte erwartet werden als die, wenn ein unterschiedliches Metall von dem Beginn der Herstellung an verwendet wird, das eine hohe Absorptionsfähigkeit für einen Laserstrahl einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs aufweist.
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Mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform kann ein additiv geformter Gegenstand stabil hergestellt werden, der eine hohe relative Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist, die gleichwertig zu dem additiv geformten Gegenstand ist, der durch das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform hergestellt wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines additiv geformten Gegenstands hat: einen ersten Schritt S10, eine Mehrzahl Basismaterialpartikel 15a und eine Mehrzahl Mikropartikel 15b zu einer Bestrahlungsfläche Ar1 eines formenden optischen Strahls L1 zuzuführen, die beide ein Metallpulver 15 bestimmen; und einen zweiten Schritt S20, den formenden optischen Strahl auf die Mikropartikel 15b und entsprechende bestrahlte Oberflächen anzuwenden, die entsprechende Oberflächen der Basismaterialpartikel 15a auf einer mit dem formenden optischen Strahl L1 zu bestrahlenden Seite sind. Die Mikropartikel 15b sind aus einem Metall ausgebildet, das in der Art identisch zu den Basismaterialpartikeln 15a ist, und weisen ein durchschnittliches Volumen V2 auf, das kleiner als das durchschnittliche Volumen V1 der Basismaterialpartikel 15a ist. Die in dem ersten Schritt zu der Bestrahlungsfläche zugeführten Mikropartikel 15b sind angeordnet, mit den entsprechenden bestrahlten Oberflächen der Basismaterialpartikel 15a in Berührung zu sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 201121218 [0003]
- JP 2011021218 A [0003, 0004]
