DE102019105484A1

DE102019105484A1 - Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, und eine additive Formgebungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019105484A1
Application number: DE102019105484.2A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Imoto; Koichi SHIIBA
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-09-12
Also published as: JP7067134B2; JP2019157151A; CN110238391A; US20190275614A1

Abstract

Ein Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, ist ein Formgebungsverfahren des additiven Formens eines geformten Gegenstands, indem Metallpulver durch Bestrahlung von einem formgebenden optischen Strahl geschmolzen wird und das geschmolzene Metallpulver dann ausgehärtet wird. Das Formgebungsverfahren hat einen ersten Schritt S10 des Vorbereitens einer ersten Schicht 15A des geformten Gegenstands, der auf einer Deckfläche der ersten Schicht 15A einen Rinnenabschnitt 43 hat, der auf eine vertiefte Weise entlang einer vorbestimmten Achse ausgebildet ist, in einer Bestrahlungsfläche Ar1 auf einer Grundplatte 27; einen zweiten Schritt S20 des Zuführens des Metallpulvers zu dem Rinnenabschnitt 43; und einen dritten Schritt S30 des Aufbringens des formgebenden optischen Strahls L1 auf das Metallpulver, das zu dem Rinnenabschnitt 43 zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen, nach dem Vorgang des zweiten Schritts S20.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, und die additive Formgebungsvorrichtung.
Beschreibung des Stands der Technik
Wie in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003-129862 beschrieben ist, war in letzter Zeit eine Entwicklung der Metalladditivherstellung (AM) aktiv, die ein Sintern oder Schmelzen von pulverförmigen Metall durch eine Laserstrahlbestrahlung und dann ein Aushärten des gesinterten oder geschmolzenen Metalls sowie ein Stapeln der ausgehärteten Schichten nacheinander einbezieht, um einen dreidimensional geformten Gegenstand herzustellen. Beispiele des Metalls, das für die Metall-AM verwendet wird, umfassen martensitaushärtenden Stahl, Edelstahl, Titanstahl, Kupfer und Aluminium. Unter ihnen sind Kupfer und Aluminium sehr gefragt.
Jedoch ist in Kupfer und Aluminium eine Absorption eines Laserstrahls mit einer Nahinfrarot-Wellenlänge im Allgemeinen gering, der gewöhnlich bei einer Metall-AM verwendet wird. Somit erfolgt eine Temperaturerhöhung von Kupfer oder Aluminium langsam, die mit einem Laserstrahl einer Nahinfrarot-Wellenlänge bestrahlt werden, was viel Zeit zum Schmelzen erfordert, wodurch es erschwert ist, einen Durchdringungsabschnitt in einem Bauteil auszubilden, der als eine Basis dient. Ferner haben sowohl Kupfer als auch Aluminium eine höhere Wärmeleitfähigkeit als es beispielsweise Eisen hat. Auch wenn Kupfer und Aluminium geschmolzen sind, wird Wärme in einem geschmolzenen Abschnitt somit schnell zu umgebendem Kupfer oder Aluminium übertragen, sobald eine Bestrahlung von einem Laserstrahl gestoppt ist, wodurch die Temperatur des geschmolzenen Abschnitts signifikant verringert wird. Aufgrund von dieser Temperaturverringerung nimmt eine Oberflächenspannung des geschmolzenen Abschnitts zu. Folglich kann in der Nähe des Schmelzpunkts die aufgrund der Temperaturverringerung erhöhte Oberflächenspannung bewirken, dass Kupfer und Aluminium in einem geschmolzenen Zustand eine unterbrochene (sphärische) Kugelform ausbilden, die ausgehärtet wird.
Ferner wird, auch wenn ein bevorzugt ausgehärteter Wulstabschnitt erfolgreich ausgebildet worden ist, Wärme ebenfalls zu Wulstabschnitten übertragen, die bereits ausgebildet worden sind, wenn ein Laserstrahl durch ein herkömmliches Verfahren aufgebracht wird, um einen neuen Wulstabschnitt auszubilden, sodass der neue Wulstabschnitt den bevorzugt ausgehärteten Wulstabschnitt größtenteils überlappt. Zu dieser Zeit haben die bereits ausgebildeten Wulstabschnitte keine bevorzugten Durchdringungsabschnitte und können somit nochmals geschmolzen werden und können aufgrund ihrer Oberflächenspannung in einer unterbrochenen (sphärischen) Kugelform ausgehärtet werden. Folglich nimmt die Dichte des geformten Gegenstands ab und gewünschte physikalische Eigenschaften können nicht erreicht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Formgebungsverfahren bereitzustellen, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, das eine Erzeugung eines additiv geformten Gegenstands ermöglicht, der sogar mit einem beliebigen Material eine hohe Dichte und bevorzugte physikalische Eigenschaften hat, und die additive Formgebungsvorrichtung bereitzustellen.
Ein Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Formgebungsverfahren des additiven Formens eines geformten Gegenstands, indem Metallpulver durch Bestrahlung mit einem formgebenden optischen Strahl geschmolzen wird und das geschmolzene Metallpulver dann ausgehärtet wird. Die additive Formgebungsvorrichtung hat eine Metallpulverzuführvorrichtung, die das Metallpulver zu einer Bestrahlungsfläche des formgebenden optischen Strahls zuführt; und eine Bestrahlungsvorrichtung für einen formgebenden optischen Strahl, die den formgebenden optischen Strahl auf eine vorbestimmte Position des Metallpulvers aufbringt, das zu der Bestrahlungsfläche zugeführt wurde, während einer Isolation von Außenluft. Das Formgebungsverfahren hat einen ersten Schritt des Vorbereitens einer ersten Schicht des geformten Gegenstands, der auf einer Deckfläche der ersten Schicht einen Rinnenabschnitt hat, der auf eine vertiefte Weise entlang einer vorbestimmten Achse ausgebildet ist, in der Bestrahlungsfläche auf einer Grundplatte; einen zweiten Schritt des Zuführens des Metallpulvers zu dem Rinnenabschnitt; und einen dritten Schritt des Aufbringens des formgebenden optischen Strahls zu dem Metallpulver, das zu dem Rinnenabschnitt zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen, nach dem zweiten Schritt.
Wie oben beschrieben ist, wird in dem ersten Schritt die erste Schicht des geformten Gegenstands vorbereitet, die den Rinnenabschnitt hat, der auf der Deckfläche der ersten Schicht auf eine vertiefte Weise ausgebildet ist. In dem zweiten Schritt wird das Metallpulver zu dem Rinnenabschnitt zugeführt und in dem dritten Schritt wird der formgebende optische Strahl auf das Metallpulver in dem Rinnenabschnitt aufgebracht, um das Metallpulver zu schmelzen. In anderen Worten wird das Metallpulver in den Rinnenabschnitt, das mit dem formgebenden optischen Strahl bestrahlt wird, in dem Rinnenabschnitt geschmolzen und wird in dem Rinnenabschnitt gespeichert. Somit bildet auch später, wenn Wärme des geschmolzenen Metalls, das in dem Rinnenabschnitt gespeichert ist, aufgrund von dessen hoher Wärmeleitfähigkeit nach außen übertragen wird und entsprechend die Temperatur des geschmolzenen Metalls signifikant abnimmt und die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials zunimmt, das geschmolzene Metall weniger wahrscheinlich eine (sphärische) Kugelform und nach der Erstarrung kann eine hohe Dichte erreicht werden.
Figurenliste
Das Voranstehende und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung ersichtlich, wobei ähnliche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Elemente darzustellen, und wobei:

1 ein schematisches Schaubild einer additiven Formgebungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
2 ein Graph ist, der einen Zusammenhang zwischen einer Wellenlänge und einer Absorption eines Nahinfrarot-Laserstrahls für jedes Metallmaterial darstellt;
3 eine Draufsicht einer Metallpulverzuführvorrichtung in 1 ist;
4 ein Schaubild zum Darstellen eines Aufbaus von einem Laserkopf ist;
5 ein Schaubild zum Erläutern eines Bestrahlungswegs H ist;
6 ein Ablaufdiagramm 1 eines additiven Formgebungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform ist;
7 eine perspektivische Ansicht von Wulsten ist;
8 ein Schaubild von 7 bei Betrachtung aus einer Q-Richtung ist;
9 ein Schaubild zum Erläutern der Form eines Wulsts ist;
10 ein Schaubild eines Zustands ist, in welchem eine Dünnfilmschicht 15b zu einer ersten Schicht zugeführt wird;
11 ein Schaubild ist, das einen Zustand von 10 darstellt, nachdem ein Nahinfrarot-Laserstrahl auf Rinnenabschnitte aufgebracht ist;
12 ein Schaubild zum Erläutern eines Zustands ist, in welchem der Strahlungsweg H um 90° gedreht ist;
13 ein Schaubild eines gestapelten Zustands eines additiv geformten Gegenstands gemäß der Modifikation 2 der ersten Ausführungsform ist;
14 ein Schaubild eines gestapelten Zustands eines additiv geformten Gegenstands gemäß der Modifikation 3 der ersten Ausführungsform ist;
15 ein Ablaufdiagramm 2 eines additiven Formgebungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform ist;
16 ein Schaubild ist, das einen Zustand darstellt, in welchem Rinnenabschnitte auf einer Oberfläche einer Grundplatte in der zweiten Ausführungsform ausgebildet sind;
17 ein schematisches Schaubild einer additiven Formgebungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform ist.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Als erstes wird ein Umfang einer additiven Formgebungsvorrichtung 100 (siehe 1) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die additive Formgebungsvorrichtung 100 ist eine Vorrichtung, die einen geformten Gegenstand formt, indem durch Bestrahlung mit einem formgebenden optischen Strahl Metallpulver geschmolzen wird, das zu einer Bestrahlungsfläche zugeführt wurde, und das geschmolzene Metallpulver dann schichtweise ausgehärtet wird.
Die vorliegende Ausführungsform wird beschrieben, in welcher ein Laserstrahl einer Nahinfrarot-Wellenlänge, der günstig ist, als der formgebende optische Strahl verwendet wird. Nachfolgend wird der Laserstrahl einer Nahinfrarot-Wellenlänge als ein Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bezeichnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 ist lediglich ein Beispiel und nicht nur der Laserstrahl einer Nahinfrarot-Wellenlänge (Nahinfrarot-Laserstrahl L1), sondern auch ein CO₂-Laser (Langinfrarot-Laserstrahl) oder ein Halbleiter-Laser können als der formgebende optische Strahl verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird Kupferpulver (Cu), das auf dem Markt stark nachgefragt wird, als ein Beispiel von verschiedenen Metallmaterialien, die verwendet werden können, als ein Metallpulver verwendet, das ein Rohmaterial eines geformten Gegenstands ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird Kupferpulver (Cu) auf eine Deckfläche einer ebenen Grundplatte 27 zugeführt, die aus Kupfer gemacht ist und die einen untersten Schichtabschnitt (Basisabschnitt) des geformten Gegenstands bildet. Kupfer ist ein Niedrigabsorptionsmaterial, das bei Raumtemperatur eine Absorption des Nahinfrarot-Laserstrahl L1 hat, die gleich oder geringer ist als ein vorbestimmter Wert.
Der Ausdruck „gleich oder geringer als ein vorbestimmter Wert“ bedeutet hierin gleich oder niedriger als beispielsweise 30% zu sein. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Absorption des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 in Kupfer ungefähr 10% (d.h. gleich oder geringer als 30%). Wenn das oben beschriebene Kupferpulver (Metallpulver) mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt wird, um durch ein additives Formgebungsverfahren des Stands der Technik geschmolzen zu werden, benötigt die Temperatur des Kupferpulvers wegen der niedrigen Absorption des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 eine lange Zeit, um den Schmelzpunkt zu erreichen. Auch in diesem Fall ist die Grundplatte 27 (siehe 1) aus Kupfer gemacht, in welchem die Absorption des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 gering ist und dessen Wärmekapazität groß ist. Somit steigt die Temperatur der Grundplatte 27, wie die des Kupferpulvers, nicht leicht an und schmilzt nicht leicht, auch wenn der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 auf das Kupferpulver aufgebracht wird, das auf die Deckfläche der Grundplatte 27 zugeführt wurde.
Kupfer ist ein Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit (ungefähr 400 W/m·K), die größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise Eisen (ungefähr 80 W/ m·K) und das auch einen vergleichsweise hohen Schmelzpunkt hat (ungefähr 1080 °C). Aufgrund von diesen Eigenschaften fließt Wärme des geschmolzenen Kupfers durch einen ungeschmolzenen Abschnitt wie etwa die Grundplatte 27 nach außen, die damit in Kontakt ist, wenn Kupferpulver (Metallpulver) mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 durch das additive Formgebungsverfahren des Stands der Technik bestrahlt wird und wenn die Temperatur des Kupferpulvers den Schmelzpunkt erreicht, um das Kupferpulver zu schmelzen und eine Bestrahlung des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 gestoppt wird. Somit sinkt die Temperatur des geschmolzenen Kupfers in einer kurzen Zeit durch einen vorbestimmten Betrag, während dessen geschmolzener Zustand (Flüssigzustand) erhalten wird. Zu dieser Zeit sind das geschmolzene Kupfer und die Grundplatte 27 nicht vollständig verbunden, weil keine Durchdringung in der Grundplatte 27 ausgebildet ist, wie oben beschrieben ist.
Es ist bekannt, dass die Oberflächenspannung γ von Metall in einem Flüssigzustand in der Nähe des Schmelzpunkts für Materialien mit einem höheren Schmelzpunkt tendenziell größer ist (siehe 4 in Shiro Kohara, „Interface in Metal Matrix Composites and Wettability“, Bulletin of the Japan Institute of Metals, Volume 14, Issue 8). Somit wird in Kupfer in einem geschmolzenen Zustand (Flüssigzustand) aufgrund von dessen hohem Schmelzpunkt eine vergleichsweise hohe Oberflächenspannung γ erzeugt. Nachdem die Temperatur von Kupfer, das den geschmolzenen Zustand (Flüssigzustand) hält, durch einen vorbestimmten Betrag abnimmt, kann dessen große Oberflächenspannung γ (nicht gezeigt) das Kupfer veranlassen, eine unterbrochene verzerrte Kugelform auszubilden, und ausgehärtet zu werden.
Auch wenn Kupfer in einem geschmolzenen Zustand (Flüssigzustand) ausgehärtet worden ist, ohne eine Kugelform auszubilden, bildet das Kupfer einen neuen ausgehärteten Abschnitt. Wenn ein Laserstrahl durch eine herkömmliche Methode darauf aufgebracht wird, sodass dieser neue ausgehärtete Abschnitt den ausgehärteten Abschnitt größtenteils überlappt, der somit bevorzugt ausgehärtet ist, wird Wärme somit auch zu ausgehärteten Abschnitten übertragen, die bereits ausgebildet worden sind. Zu dieser Zeit haben die bereits ausgebildeten ausgehärteten Abschnitte keine bevorzugten Durchdringungsabschnitte und können somit aufgrund von Wärmeübertragung nochmals geschmolzen werden und dann aufgrund von der Oberflächenspannung γ in einer unterbrochenen (sphärischen) Kugelform ausgehärtet werden.
Wie oben beschrieben ist, ist es schwierig, Kupfer auszuhärten, während dessen geschmolzener Zustand (Flüssigzustand) erhalten wird. In anderen Worten ist es schwierig, einen zusammenhängenden geradlinigen ausgehärteten Abschnitt auszubilden, der ausgebildet wird, während dessen geschmolzener Zustand (Flüssigzustand) erhalten wird. Somit ist es schwierig, additiv geformte Gegenstände mit einer hohen Dichte herzustellen. Unter diesem Gesichtspunkt haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Experimente und Studien durchgeführt und haben ein additives Formgebungsverfahren und eine additive Formgebungsvorrichtung erfunden, die es ermöglichten, ausgehärtete Abschnitte (Wulste) zu erhalten, die jeweils nicht in einer unterbrochenen verzerrten Kugelform ausgebildet sind, sondern in einer geradlinigen und durchgängigen Form ausgebildet sind, und folglich additiv geformte Gegenstände mit einer hohen Dichte auszubilden, auch wenn Kupferpulver (Metallpulver), das die oben beschriebenen Eigenschaften hat, als Material für additiv geformte Gegenstände verwendet wird und wenn das Kupferpulver geschmolzen, abgekühlt und ausgehärtet wird. Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben.
Als erstes wird die additive Formgebungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein schematisches Schaubild einer additiven Formgebungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die additive Formgebungsvorrichtung 100 hat eine Kammer 10, eine Metallpulverzuführvorrichtung 20, eine Bestrahlungsvorrichtung für einen formgebenden optischen Strahl 30 und eine Steuervorrichtung 45. Die Steuervorrichtung 45 hat eine Metallpulverzuführsteuerung 25, eine Bestrahlungssteuerung des formgebenden optischen Strahls 49 und eine Formgebungseinheit 70.
Die Kammer 10 ist ein Gehäuse, das in einer im Wesentlichen rechtwinkligen Parallelepipedform ausgebildet ist, und ist ein Behälter, der in der Lage ist, Innenluft von Außenluft zu isolieren. Die Kammer 10 hat eine Vorrichtung (nicht gezeigt), die die Luft innerhalb der Kammer mit Inertgas wie etwa Helium, Stickstoff und Argon ersetzen kann. Anstatt eines Ersetzens der Innenluft mit Inertgas kann die Kammer 10 alternativ konfiguriert sein, sodass ein Inneres der Kammer evakuiert werden kann, indem Innenluft angesaugt wird, um im Wesentlichen einen Vakuumzustand herzustellen.
Die Metallpulverzuführvorrichtung 20 ist innerhalb der Kammer 10 vorgesehen. Die Metallpulverzuführvorrichtung 20 wird durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 der Steuervorrichtung 45 gesteuert und führt Metallpulver 15, das ein Rohmaterial eines additiv geformten Gegenstands ist, zu einer Bestrahlungsfläche Ar1 (siehe 3) für den Nahinfrarot-Laserstrahl L1 zu (der dem formgebenden optischen Strahl entspricht). Das Metallpulver 15 ist Pulver von Kupfer, wie oben beschrieben ist.
Wie in 1 und 3 gezeigt ist, hat die Metallpulverzuführvorrichtung 20 einen Formgebungsbehälter 21 und einen Pulverspeicherbehälter 22. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Hebetisch des geformten Gegenstands 23 innerhalb des Formgebungsbehälters 21 vorgesehen. Eine Grundplatte 27, die aus Kupfer gemacht ist, ist auf dem Hebetisch des geformten Gegenstands 23 angeordnet. Die Metallpulverzuführvorrichtung 20 führt eine Dünnfilmschicht 15a des Metallpulvers 15 (Cu), das eine Basis einer ersten Schicht 15A eines später beschriebenen geformten Gegenstands ist, auf die Bestrahlungsfläche Ar1 auf der Grundplatte 27 zu. Die Bestrahlungssteuerung des formgebenden optischen Strahls 49 veranlasst den Nahinfrarot-Laserstrahl L1, auf der Basis eines vorbestimmten Aufbringungsmusters auf die Dünnfilmschicht 15a aufgebracht zu werden, wodurch die erste Schicht 15A ausgebildet wird (vorbereitet wird).
Ein Verfahren des Zuführens der Dünnfilmschicht 15a auf die Bestrahlungsfläche Ar1 und das Aufbringungsmuster des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 auf die erste Schicht 15A, um beispielsweise die Dünnfilmschicht 15a auszubilden, werden später im Einzelnen beschrieben und werden hier nur kurz beschrieben. Ein Heizer 28 ist unter der Grundplatte 27 vorgesehen, d.h. auf der Seite, die der Seite davon gegenüberliegt, die mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebenden optischen Strahl) bestrahlt wird. Der Heizer 28 ist mit der Steuervorrichtung 45 verbunden und durch die Steuervorrichtung 45 gesteuert, die Dünnfilmschicht 15a über die Grundplatte 27 zu heizen (vorzuheizen), bevor die erste Schicht 15A ausgebildet wird. Die Dünnfilmschicht 15a wird mit dem Heizer 28 auf beispielsweise ungefähr 400 °C geheizt. Der Heizer 28 kann in einer beliebigen Form sein.
Obgleich nicht gezeigt, kann der Heizer 28 auf der Seite angeordnet sein, die mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt wird, um die Dünnfilmschicht 15a zu heizen. Alternativ kann der Heizer 28 weggelassen werden und der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 kann auf jeweilige Abschnitte der Dünnfilmschicht 15a aufgebracht werden, die für eine Ausbildung eines Formkörpers irrelevant sind, um die gesamte Dünnfilmschicht 15a zu beheizen. In diesem Fall muss die Bestrahlungsleistung des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 nur auf eine geringe Leistung eingestellt werden, um das Kupferpulver der Dünnfilmschicht 15a nicht zu schmelzen.
Wenn die erste Schicht 15A auf der Bestrahlungsfläche Ar1 ausgebildet worden ist, wird die Metallpulverzuführvorrichtung 20 durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 der Steuervorrichtung 45 gesteuert, wodurch der Hebetisch des geformten Gegenstands 23 abwärts bewegt wird. Die Metallpulverzuführvorrichtung 20 wird dann aktiviert, eine Dünnfilmschicht 15b des Metallpulvers 15 (Cu) bei einer vorbestimmten Dicke h, die später beschrieben wird, auf die erste Schicht 15A (erstes Mal) zuzuführen. Nachfolgend wird der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 nochmals auf die Dünnfilmschicht 15b aufgebracht, wodurch ein Teil der Dünnfilmschicht 15b geschmolzen wird und dann ausgehärtet wird, um eine zweite Schicht 15B auszubilden. Ein Verfahren des Zuführens der Dünnfilmschicht 15b auf beispielsweise die Bestrahlungsfläche Ar1 und das Aufbringungsmuster des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 auf die Dünnfilmschicht 15b, um beispielsweise die zweite Schicht 15B auszubilden, werden später im Einzelnen beschrieben und werden somit hier nur kurz beschrieben.
Wenn die zweite Schicht 15B ausgebildet worden ist, wird die Metallpulverzuführvorrichtung 20 durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 gesteuert, wodurch der Hebetisch des geformten Gegenstands 23 durch eine vorbestimmte Höhe abwärts bewegt wird. Auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben ist, wird das Metallpulver 15 (Dünnfilmschicht 15a) auf die zweite Schicht 15B auf den Hebetisch des geformten Gegenstands 23 zugeführt. Nachfolgend wird der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 nochmals auf die Dünnfilmschicht 15a aufgebracht, wodurch eine vorbestimmte Position der Dünnfilmschicht 15a geschmolzen wird und dann ausgehärtet wird, um nochmals eine erste Schicht 15A (zweites Mal) auszubilden. Zu dieser Zeit sind eine Ausrichtung, in welcher die erste Schicht 15A (erstes Mal) angeordnet ist, und die Ausrichtung, in welcher die erste Schicht 15A (zweites Mal) angeordnet ist, durch einen optionalen Winkel verschieden, welcher später im Einzelnen beschrieben wird. Nachfolgend wird auf der ersten Schicht 15A nochmals eine zweite Schicht 15B ausgebildet (zweites Mal). Diese Vorgänge werden wiederholt, wodurch ein gewünschter additiv geformter Gegenstand ausgebildet wird, der sich aufwärts erstreckt.
In dem Pulverspeicherbehälter 22 wird das Metallpulver 15 auf dem Zuführtisch 24 gespeichert und der Zuführtisch 24 wird aufwärts bewegt, wodurch das Metallpulver 15 durch eine vorbestimmte Höhe nach oben vorsteht, um zugeführt zu werden. Stützwellen 23a und 24a sind jeweils an dem Hebetisch des geformten Gegenstands 23 und dem Zuführtisch 24 angebracht. Die Stützwellen 23a und 24a sind mit einer Antriebsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die durch die Steuervorrichtung 45 gesteuert wird, und werden durch den Betrieb der Antriebsvorrichtung aufwärts und abwärts bewegt.
Die Metallpulverzuführvorrichtung 20 ist mit einem Überstreicher 26 versehen, der sich über alle Flächen der jeweiligen Öffnungen des Formgebungsbehälters 21 und des Pulverspeicherbehälters 22 bewegt. Der Überstreicher 26 wird in 1 und 3 von rechts nach links bewegt. Mit dieser Bewegung wird das Metallpulver 15, das durch eine Aufwärtsbewegung des Zuführtischs 24 zugeführt wurde, auf den Hebetisch des geformten Gegenstands 23 gefördert, wodurch Dünnfilmschichten 15a und 15b auf dem Hebetisch des geformten Gegenstands 23 ausgebildet werden. Zu dieser Zeit hängen die Dicken der Dünnfilmschichten 15a und 15b von dem Betrag der Abwärtsbewegung des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 ab. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Dicken der Dünnfilmschichten 15a und 15b bestimmt, sodass sie entsprechend der ersten Schicht 15A und der zweiten Schicht 15B entsprechen. Einzelheiten werden später beschrieben.
Die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 ist eine Vorrichtung, die den Nahinfrarot-Laserstrahl L1 auf vorbestimmte Positionen auf Oberflächen der Dünnfilmschichten 15a und 15b des Metallpulvers 15 aufbringt, die durch die Metallpulverzuführvorrichtung 20 zu der Bestrahlungsfläche Ar1 (siehe 1 und 3) in der Kammer 10 zugeführt wurden, während einer Isolation von Außenluft. Die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 wird durch die Bestrahlungssteuerung des formgebenden optischen Strahls 49 der Steuervorrichtung 45 gesteuert. Wie in 1 gezeigt ist, hat die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 einen Laseroszillator 31 und einen Laserkopf 32. Der Laseroszillator 31 hat eine optische Faser 35 zum Übertragen eines Nahinfrarot-Laserstrahls L1, der durch den Laseroszillator 31 zum Schwingen angeregt wird, zu dem Laserkopf 32.
Der Laseroszillator 31 erzeugt den Nahinfrarot-Laserstrahl L1, welcher ein Laserstrahl mit einer kontinuierlichen Welle (CW) ist, indem er oszilliert, sodass die Wellenlänge eine vorbestimmte Nahinfrarot-Wellenlänge wird, die im Voraus eingestellt ist. Beispielsweise könne als Nahinfrarot-Laserstrahl L1 insbesondere HoYAG (Wellenlänge: ungefähr 1,5 µm), Yttriumvanadat (YVO, Wellenlänge: ungefähr 1,06 µm) und Ytterbium (Yb, Wellenlänge: ungefähr 1,09 µm) verwendet werden. Somit kann der Laseroszillator 31 günstig produziert werden und kann aufgrund von dessen niedriger Energieaufnahme ebenfalls günstig betrieben werden.
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Laserkopf 32 in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche der Dünnfilmschicht 15a entfernt in der Kammer 10 angeordnet. Wie in 4 gezeigt ist, hat der Laserkopf 32 eine Kollimatorlinse 33, einen Spiegel 34, einen Galvanometerscanner 36 und eine fΘ-Linse 38. Die Kollimatorlinse 33, der Spiegel 34, der Galvanometerscanner 36 und die fΘ-Linse 38 sind in einem Gehäuse des Laserkopfs 32 angeordnet. Die Kollimatorlinse 33 kollimiert den Nahinfrarot-Laserstrahl L1, der von der optischen Faser 35 in parallelen Strahlen emittiert wird.
Der Spiegel 34 ändert die Ausbreitungsrichtung des Nahinfrarot-Laserstrahls L1, der somit kollimiert ist, sodass der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 in den Galvanometerscanner 36 einfällt. In der vorliegenden Ausführungsform ändert der Spiegel 34 die Ausbreitungsrichtung des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 um 90°.
Der Galvanometerscanner 36 ändert die Ausbreitungsrichtung des Nahinfrarot-Laserstrahls L1, sodass der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 durch die fe-Linse 38 auf vorbestimmte Positionen von Flächen der Dünnfilmschichten 15a und 15b aufgebracht wird. In anderen Worten kann der Laserkopf 32 durch Verwenden des Galvanometerscanners 36 den Aufbringungswinkel des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 flexibel ändern, der durch den Laseroszillator 31 zum Schwingen angeregt wird.
Als der Galvanometerscanner 36 wird beispielsweise ein üblicher Scanner verwendet, der ein Paar bewegbare Spiegel (nicht gezeigt) hat, die sich auf eine schwingende Weise in zwei Richtungen bewegen können, die zueinander senkrecht sind. Die fΘ-Linse 38 ist eine Linse, die den kollimierten Nahinfrarot-Laserstrahl L1 konzentriert, der von dem Galvanometerscanner 36 einfällt. Der von dem Laserkopf 32 emittierte Nahinfrarot-Laserstrahl L1 wird durch ein transparentes Glas oder Harz, das auf einer Deckfläche der Kammer 18 vorgesehen ist, in die Kammer 10 emittiert. Der Nahinfrarot-Laserstrahl L1, der in der obigen Beschreibung verwendet wird, wird durch einen YAG Laser erzeugt.
Die Formgebungseinheit 70 steuert einen Betrieb der Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 über die Bestrahlungssteuerung des formgebenden optischen Strahls 49. Die Formgebungseinheit 70 veranlasst die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30, den Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebenden optischen Strahl) auf die Dünnfilmschicht 15a entlang eines Bestrahlungswegs H (siehe 5) aufzubringen, der auf eine Oberfläche der Dünnfilmschicht 15a eingestellt ist, die zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wurde. Der Bestrahlungsweg H wird später im Einzelnen beschrieben.
Das Folgende beschreibt ein additives Formgebungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf das Ablaufdiagramm 1 in 6. Das Formgebungsverfahren ist ein Verfahren, das die additive Formgebungsvorrichtung 100 zum Ausbilden eines geformten Gegenstands verwendet, indem ein Teil von Dünnfilmschichten 15a und 15b durch Bestrahlung von dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 geschmolzen werden und dann ausgehärtet werden und die geschmolzenen Schichten gestapelt werden. Das Formgebungsverfahren hat einen ersten Schritt S10, einen zweiten Schritt S20 und einem dritten Schritt S30.
Der erste Schritt S10 ist ein Schritt des Vorbereitens einer ersten Schicht 15A eines geformten Gegenstands, der auf dessen Deckfläche Rinnenabschnitte 43 hat, die auf eine vertiefte Weise entlang des Bestrahlungswegs H (vorbestimmte Achse), der später beschrieben wird, ausgebildet sind, in der Bestrahlungsfläche Ar1 (siehe 3) auf der Grundplatte 27.
Der zweite Schritt S20 ist ein Schritt des Zuführens von Kupferpulver (Metallpulver) zu den Rinnenabschnitten 43. Der dritte Schritt S30 ist ein Schritt des Aufbringens des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 (formgebender optischer Strahl) auf das Kupferpulver 15 (Metallpulver), das zu dem Rinnenabschnitt 43 zugeführt wurde, um das Kupferpulver zu schmelzen, und des Aushärtens des geschmolzenen Kupferpulvers, nachdem der zweite Schritt S20 ausgeführt wurde. Der erste Schritt S10 hat einen ersten Zuführschritt S11, einen ersten Laserbestrahlungsschritt S12 und einen zweiten Laserbestrahlungsschritt S13. Die jeweiligen Schritte S11, S12 und S13 werden in dem folgenden Ablaufdiagramm im Einzelnen beschrieben.
Als erstes wird der Vorbereitungsschritt beschrieben. Zu Beginn wird das Metallpulver 15 in den Pulverspeichercontainer 22 geladen. Nachfolgend wird Luft innerhalb der Kammer 10 der additiven Formgebungsvorrichtung 100 durch eine Gasersetzungsvorrichtung (nicht gezeigt) mit beispielsweise Stickstoffgas ersetzt.
In einem einleitenden Schritt S1 wird eine Grundplatte 27 auf dem Hebetisch des geformten Gegenstands 23 platziert. Wie in 1 gezeigt ist, wird zu dieser Zeit die Höhe des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 durch die Metallpulverzuführsteuerung 25 (Steuervorrichtung 45) eingestellt, sodass die Deckfläche der Grundplatte 27 um die Dicke der ersten Schicht 15A unterhalb der Deckfläche des Formgebungsbehälters 21 positioniert ist. Wie oben beschrieben ist, ist die Grundplatte 27 ein Plattenelement, das aus Kupfer (Cu) gemacht ist. Die Grundplatte 27 ist auch ein Basiselement, das durch spanende Bearbeitung abgeschnitten wird, nachdem ein geformter Gegenstand (additiv geformter Gegenstand) auf der Grundplatte 27 ausgebildet ist.
Der Heizer 28 ist zwischen der Grundplatte 27 und der Deckfläche des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 vorgesehen. Der Heizer 28 wird durch die Steuervorrichtung 45 gesteuert, um die Grundplatte 27 zu heizen. Somit wird die Deckfläche der Grundplatte 27 bei ungefähr 400 °C gehalten.
Nachfolgend wird in dem ersten Zuführschritt S11 (erster Schritt S10) Kupferpulver (Metallpulver) zu der Bestrahlungsfläche Ar1 auf der Grundplatte 27 zugeführt. Für diesen Schritt veranlasst die Metallpulverzuführsteuerung 25 zu Beginn die Metallpulverzuführvorrichtung 20, den Zuführtisch 24 aufwärts zu bewegen, der das Metallpulver 15 trägt, wodurch das Metallpulver veranlasst wird, von der Deckfläche des Pulverspeicherbehälters S22 um eine vorbestimmte Höhe (nicht gezeigt) vorzustehen.
Nachfolgend wird der Überstreicher 26 von rechts nach links in 1 bewegt, wodurch das Kupferpulver 15 (Metallpulver) von dem Pulverspeicherbehälter 22 zu dem Formgebungsbehälter 21 zugeführt wird, um eine Dünnfilmschicht 15a des Kupferpulvers mit einer Dicke α auf der Grundplatte 27 auszubilden, wie in 1 gezeigt ist. Die Dünnfilmschicht 15a wird dann beispielsweise durch den Heizer 28 über die Grundplatte 27 auf ungefähr 400 °C aufgeheizt.
Bei dem ersten Laserbestrahlungsschritt S12 (erster Schritt S10) steuert die Formgebungseinheit 70 die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30, um die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 zu veranlassen, den Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebenden optischen Strahl) auf die Oberfläche der Dünnfilmschicht 15a, die auf die Bestrahlungsfläche Ar1 auf der Grundplatte 27 zugeführt wurde, entlang H1 des Bestrahlungswegs H aufzubringen, der auf die Oberfläche eingestellt ist, wie in 5 gezeigt ist.
Das Kupferpulver der Dünnfilmschicht 15a wird aufgeheizt, um durch diesen Schritt geschmolzen zu werden, und wird dann ausgehärtet, wodurch ein erster Wulst 41 (auf der linken Seite in 7 und 8) ausgebildet wird, der sich in der Richtung der vorbestimmten Achse geradlinig erstreckt und in dessen Querschnitt, der die vorbestimmte Achse schneidet, eine halbkreisartige Form hat. Zu dieser Zeit kann der erste Wulst 41 stabiler ausgebildet werden, indem er durch den Heizer 28 auf ungefähr 400 °C aufgeheizt worden ist. Ein zweiter Wulst 42, der später beschrieben wird, wird auf die gleiche Weise ausgebildet, wie oben beschrieben ist. Hierin verbleibt das Kupferpulver 15 auf Abschnitten, die anders sind als der Abschnitt, auf welchen der erste Wulst 41 ausgebildet ist.
Wie in 5 gezeigt ist, hat der oben beschriebene Bestrahlungsweg H Strahlungswege H1, H2, ..., Hn, die parallel zueinander sind. Die Bestrahlungswege H1, H2, ..., Hn entsprechen jeweils der vorbestimmten Achse. In der vorliegenden Ausführungsform ist Hn der Einfachheit der Beschreibung wegen als H3 ausgedrückt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Durchmesser Φd (nicht gezeigt) eines Punkts, der mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 beispielsweise auf die Oberfläche der Dünnfilmschicht 15a gestrahlt wird, ungefähr Φ 80 µm bis Φ 100 µm. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel und dieser Punktedurchmesser Φd kann wahlweise eingestellt werden.
Wie oben beschrieben ist, wird der erste Wulst 41 ausgebildet, sodass er sich geradlinig in der Richtung der vorbestimmten Achse erstreckt und in dessen Querschnitt, der die vorbestimmte Achse schneidet (siehe 8), eine halbkreisartige Form hat. Im Stand der Technik werden solche Wulste (ausgehärtete Abschnitte) im Allgemeinen ausgebildet, sodass sie jeweils eine abwärts vorstehende Form haben. Im Gegensatz dazu sind in der vorliegenden Erfindung die Wulste ausgebildet, sodass sie jeweils eine aufwärts vorstehende halbkreisartige Form (Vorsprungsform) haben. Dieses Merkmal ist von dem Stand der Technik signifikant verschieden.
Nachfolgend steuert die Formgebungseinheit 70 in dem zweiten Laserbestrahlungsschritt S13 (ersten Schritt S10) die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30, um die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 zu veranlassen, den Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebenden optischen Strahl) auf die Dünnfilmschicht 15a entlang des Bestrahlungswegs H2 darauf aufzubringen (d.h. der Bestrahlungsweg H (H2), der zu dem Bestrahlungsweg H (H1) benachbart ist, der gerade bestrahlt worden ist), wie in 5 gezeigt ist. Durch dieses Aufbringen wird das Kupferpulver 15 auf dem Bestrahlungsweg H2 aufgeheizt, sodass es geschmolzen wird, und wird dann ausgehärtet, wodurch der zweite Wulst 42, der oben beschrieben ist (siehe den mittleren Wulst 42 (41) in 7 und 8), in einem vorbestimmten Abstand von dem ersten Wulst 41 entfernt ausgebildet wird. Der zweite Wulst 42 (41) erstreckt sich geradlinig in der Erstreckungsrichtung des Bestrahlungswegs H2 (Richtung der vorbestimmten Achse) und hat in dessen Querschnitt, der den Bestrahlungsweg H2 (die vorbestimmte Achse) schneidet, eine halbkreisartige Form.
Die Querschnittsform dieses mittleren zweiten Wulsts 42 ist die gleiche wie die Querschnittsform des ersten Wulsts 41. In einem Raum zwischen dem ersten Wulst 41 und dem zweiten Wulst 42 ist ein Rinnenabschnitt 43 (in der folgenden Beschreibung wird der Rinnenabschnitt, der anfangs ausgebildet worden ist, der Einfachheit der Beschreibung wegen „Rinnenabschnitt 43a“ genannt) ausgebildet (festgelegt). Zu dieser Zeit sind der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 bevorzugt mit einem Abstand dazwischen angeordnet, sodass deren Basisabschnitte in Kontakt miteinander sind, wie in 8 gezeigt ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und, wie durch die langgestrichelt doppelt-kurzgestrichelten Linien in 8 gezeigt ist, können der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 angeordnet sein, sodass sie einander um T1/2 überlappen, wenn die Breiten der Basisabschnitte des ersten Wulsts 41 und des zweiten Wulsts 42 entsprechend T1 und T2 sind. Alternativ können der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 angeordnet sein, sodass deren Basisabschnitte nicht in Kontakt miteinander sind und voneinander beabstandet sind (nicht gezeigt).
Der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 haben bevorzugt eine halbkreisartige Form (Vorsprungsform) in deren Querschnittsform (siehe 9), die einen Kontaktwinkel Θ hat, der gleich oder weniger als 90° ist. Der Kontaktwinkel Θ bedeutet hierin ein Winkel, der durch eine Tangentenlinie L2 und eine Grenze zwischen dem ersten Wulst 41 (dem zweiten Wulst 42) und der Grundplatte 27 ausgebildet ist. Die Tangentenlinie L2 ist eine Tangente zu einer Oberfläche des ersten Wulsts 41 (des zweiten Wulsts 42) an einem Punkt D, wo der erste Wulst 41 (der zweite Wulst 42) und die Grundplatte 27 in Kontakt miteinander sind. Indem der Kontaktwinkel Θ zu 90° oder weniger bestimmt wird, können der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 leicht und stabil ausgebildet werden und auch Kupferpulver 15 (Metallpulver) kann leicht bei einer hohen Dichte in einen Rinnenabschnitt 43 (43a, 41b) geladen werden, der zwischen jedem ersten Wulst 41 und dem entsprechenden zweiten Wulst 42 ausgebildet ist.
Nachfolgend wird in einem Bestimmungsschritt S14 überprüft, ob alle Wulste in der Dünnfilmschicht 15a ausgebildet worden sind, die ausgebildet werden sollen. Wie oben beschrieben ist, hat der Bestrahlungsweg H in der vorliegenden Ausführungsform H1, H2 und H3. Somit ist in dem Bestrahlungsweg H3 noch kein Wulst ausgebildet worden. Somit wird „Nein“ bestimmt und der Vorgang geht zu dem zweiten Laserbestrahlungsschritt S13 zurück. Nachfolgend wird der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebender optischer Strahl) in dem zweiten Laserbestrahlungsschritt S13 auf die Dünnfilmschicht 15a entlang des Bestrahlungswegs H3 darauf aufgebracht, wodurch ein zweiter Wulst 42 ausgebildet wird.
In dem Bestimmungsschritt S14 und den nachfolgenden Schritten wird der zweite Wulst 42, der gerade ausgebildet worden ist, als ein erster Wulst 41 verwendet und ein neu zu formender Wulst wird als ein zweiter Wulst 42 angenommen, wenn ein neuer Wulst ausgebildet wird. Mit diesem Vorgang wird der zweite Rinnenabschnitt 43b (Rinnenabschnitt 43) zwischen dem zweiten Wulst 42 und dem ersten Wulst 41 (zweiten Wulst 42) ausgebildet, wodurch die erste Schicht 15A vervollständigt ist. Falls Wulste auf allen Bestrahlungswegen ausgebildet worden sind, wird „Ja“ bestimmt und der Vorgang geht zu dem zweiten Schritt S20.
In dem zweiten Schritt S20 wird Kupferpulver (Metallpulver) in die Rinnenabschnitte 43a und 43b der ersten Schicht 15a in die Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt. In diesem Vorgang veranlasst die Metallpulverzuführsteuerung 25 die Metallpulverzuführvorrichtung 20, zu arbeiten (sich aufwärts zu bewegen), wodurch der Zuführtisch 24, der das Metallpulver 15 trägt, durch eine vorbestimmte Höhe aufwärts bewegt wird, sodass das Metallpulver von der Deckfläche des Pulverspeicherbehälters 22 vorsteht (nicht gezeigt).
Nachfolgend wird der Überstreicher 26, der zu der ursprünglichen Position zurückgekehrt ist, von rechts nach links in 1 bewegt, wodurch das Metallpulver 15 von dem Pulverspeicherbehälter 22 zu dem Formgebungsbehälter 21 zugeführt wird, um eine Pulverdünnfilmschicht 15b auf der ersten Schicht 15A auf der Grundplatte 27 auszubilden. Zu dieser Zeit werden Positionen von Spitzen A1, A2 und A3 der jeweiligen ersten Wulste 41 und der entsprechenden zweiten Wulste 42, die in der ersten Schicht 15A enthalten sind, d.h. Positionen von oberen Enden der Rinnenabschnitte 43a und 43b, geringfügig unterhalb von der Deckfläche des Pulverspeicherbehälters 22 positioniert.
Die Dünnfilmschicht 15b ist somit ausgebildet, wie in 10 gezeigt ist. In anderen Worten wird das Metallpulver 15 zugeführt, sodass die Höhe h der Dünnfilmschicht 15b geringfügig größer wird als die Tiefe β der Rinnenabschnitte 43a und 43b (h > β). Es ist anzumerken, dass die Höhe h der Dünnfilmschicht 15b gleich der Tiefe β der Rinnenabschnitte 43a und 43b sein kann (h = β). Die Dünnfilmschicht 15b wird durch den Heizer 28 über die Grundplatte 27 und die erste Schicht 15A auf ungefähr 400 °C aufgeheizt.
In einem dritten Laserbestrahlungsschritt S31 (dritter Schritt S30) steuert die Formgebungseinheit 70 die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30, um die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl 30 zu veranlassen, den Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebenden optischen Strahl) auf die Dünnfilmschicht 15b entlang des Rinnenabschnitts 43 (43a) darauf aufzubringen. Somit wird das Kupferpulver in dem Rinnenabschnitt 43a aufgeheizt, sodass es schmilzt, und wird dann ausgehärtet. Zu dieser Zeit ist das Kupferpulver, das in den Rinnenabschnitt 43a zugeführt wurde, zugeführt worden, sodass die Höhe davon größer wird als die Tiefe β des Rinnenabschnitts 43a. Jedoch nimmt das scheinbare Volumen des Kupferpulvers ab, sowie das Kupferpulver geschmolzen wird, weil Zwischenräume darin entsprechend gefüllt werden, und folglich wird der Rinnenabschnitt 43a vollständig mit geschmolzenem Kupfer gefüllt (siehe 11).
Das geschmolzene Kupfer wird in dem Rinnenabschnitt 43a gespeichert, bevor es ausgehärtet wird. Somit ist während der Aushärtung eine solche Verformung durch Innenwände des Rinnenabschnitts 43a begrenzt, auch wenn das geschmolzene Kupfer aufgrund von dessen Oberflächenspannung γ tendenziell in eine Kugelform verformt wird. Dies verhindert, dass das ausgehärtete Kupfer eine unterbrochene verzerrte Kugelform annimmt. Folglich werden Kupfer des ersten Wulsts 41 und des zweiten Wulsts 42 und Kupfer in dem Rinnenabschnitt 43a zusammengebunden.
Nachfolgend wird in einem Bestimmungsschritt S32 (dritter Schritt S30) bestimmt, ob die gesamte gewünschte Bestrahlung des Rinnenabschnitts 43 in der Dünnfilmschicht 15b vervollständigt worden ist. Wie oben beschrieben ist, sollen in der vorliegenden Ausführungsform der Rinnenabschnitt 43a und der Rinnenabschnitt 43b bestrahlt werden. Der Rinnenabschnitt 43b ist jedoch noch nicht bestrahlt worden. Somit wird „Nein“ bestimmt und der Prozess geht zu dem dritten Laserbestrahlungsschritt S31 zurück.
Nachfolgend wird der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 auf die Dünnfilmschicht 15b entlang des Rinnenabschnitts 43b darauf aufgebracht und das Kupferpulver in dem Rinnenabschnitt 43b wird aufgeheizt, sodass es schmilzt, und wird dann ausgehärtet. Somit sind die erste Schicht 15A und die zweite Schicht 15B ausgebildet und die jeweiligen ersten Wulste 41 und die entsprechenden zweiten Wulste 42, Kupfer in dem Rinnenabschnitt 43a und Kupfer in dem Rinnenabschnitt 43b sind zusammengebunden (siehe 11). Nachfolgend wird in dem Bestimmungsschritt S32 „Ja“ bestimmt und der Prozess geht zu einem finalen Bestimmungsschritt S41 weiter.
In dem finalen Bestimmungsschritt S41 wird bestimmt, ob alle gewünschten Ausbildungen der ersten Schicht 15A und der zweiten Schicht 15B vervollständigt worden sind. Im Allgemeinen werden nachfolgend eine Vielzahl von kombinierten Schichten, die jeweils die erste Schicht 15A und die zweite Schicht 15B haben, aufeinander ausgebildet. Der Einfachheit der Beschreibung wegen ist die Beschreibung jedoch unter der Annahme gemacht worden, dass in der vorliegenden Ausführungsform nur eine weitere kombinierte Schicht ausgebildet werden soll. Somit wird in dem finalen Bestimmungsschritt S41 „Nein“ bestimmt und der Prozess geht zu dem ersten Zuführschritt S11 (erster Schritt S10) zurück.
Nachfolgend, nachdem Prozesse von den ersten Zuführschritt S11 (erster Schritt S10) zu dem Bestimmungsschritt S32 (dritter Schritt S30) nacheinander ausgeführt wurden, wird in dem finalen Bestimmungsschritt S41 „Ja“ bestimmt und dieses Ablaufdiagramm ist beendet.
Wenn eine Folge von Prozessen von dem ersten Schritt S10 zu dem dritten Schritt S30 eine Vielzahl von Malen wiederholt ausgeführt werden, werden von Rinnenabschnitten 43 (43a und 43b), die sich in den Richtungen der vorbestimmten Achsen erstrecken, die den jeweiligen Malen entsprechen, die Erstreckungsrichtung von Rinnenabschnitten 43 (43a und 43b), die in der vorigen Folge von Prozessen ausgebildet wurden, und die Erstreckungsrichtung von Rinnenabschnitten 43 (43a und 43b), die in einer Folge von Prozessen ausgebildet wurden, die nachfolgend zu der vorigen Folge von Prozessen ist, in Richtungen angeordnet, die sich durch 90° unterscheiden.
In anderen Worten wird die Richtung, in welcher sich der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 erstrecken, die in dem ersten Schritt S10 ausgebildet wurden, ein jedes Mal, wenn der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 eine Vielzahl von Malen gestapelt werden (siehe den Bestrahlungsweg H (H1 bis H3), der durch durchgängige Linien in 12 gezeigt ist), zu einer Richtung geändert, die sich durch 90° unterscheidet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und die Richtungen können sich durch einen optionalen Winkel unterscheiden, der anders ist als 90°. Dieser optionale Winkel kann zu einem Winkel eingestellt werden, der sich ein jedes Mal unterscheidet. Somit wird eine Stärke des additiv geformten Gegenstands (geformten Gegenstands) geeignet erhöht.
In dem Voranstehenden ist ein Prozess des Änderns der Erstreckungsrichtung um 90° oder einen optionalen Winkel in Bezug auf das Ablaufdiagramm nicht ein jedes Mal beschrieben, wenn der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 gestapelt werden. Als ein tatsächliches Verfahren dafür wird vor dem ersten Schritt S10 jedoch beispielsweise ein Zähler vorgesehen und der Zähler wird ein jedes Mal um eins inkrementiert, wenn der Zähler durchlaufen wird. Eine Steuerung kann ausgeführt werden, sodass die Erstreckungsrichtung des ersten Wulsts 41 und des zweiten Wulsts 42 bei 0° eingestellt wird, wenn der Zählerstand des Zählers eine ungerade Zahl ist, und sodass die Erstreckungsrichtung bei 90° (oder einen optionalen Winkel) eingestellt wird, wenn der Zählerstand eine gerade Zahl ist. Es ist jedoch unnötig zu erwähnen, dass dies lediglich ein Beispiel ist und die Steuerung auf eine beliebige andere Weise ausgeführt werden kann.
Wie oben beschrieben ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform nach dem Prozess des dritten Schritts S30 der erste Schritt S10 des Vorbereitens (Ausbildens) nochmals der ersten Schicht 15A auf dem geformten Gegenstand ausgeführt. Nachfolgend, nach dem ersten Schritt S10, der nach dem Prozess des dritten Schritts S30 ausgeführt worden ist, werden der zweite Schritt S20 und der dritte Schritt S30 nachfolgend und wiederholt ausgeführt, bis der geformte Gegenstand vervollständigt ist.
Das Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform hat den ersten Schritt S10 des Ausbildens (Vorbereitens) einer ersten Schicht 15A eines geformten Gegenstands, der auf dessen Deckfläche einen Rinnenabschnitt 43a (43) hat, der auf eine vertiefte Weise entlang einer vorbestimmten Achse ausgebildet ist, in der Bestrahlungsfläche Ar1 auf einer Grundplatte 27; den zweiten Schritt S20 des Zuführens vom Kupferpulver (Metallpulver) zu dem Rinnenabschnitt 43a (43); und den dritten Schritt S30 des Aufbringens des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 (formgebenden optischen Strahls) auf das Kupferpulver (Metallpulver), das zu dem Rinnenabschnitt 43a (43) zugeführt wurde, um das Kupferpulver zu schmelzen, nach dem Prozess des zweiten Schritts S20.
Wie oben beschrieben ist, wird in dem dritten Schritt S30 das Kupferpulver (Metallpulver) in dem Rinnenabschnitt 43a, 43b, der mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt wurde, in dem Rinnenabschnitt 43a, 43b geschmolzen und in dem Rinnenabschnitt 43a, 43b gespeichert. Somit bildet das geschmolzene Kupfer (geschmolzene Metall) weniger wahrscheinlich eine (sphärische) Kugelform und ein geformter Gegenstand mit einer hohen Dichte kann nach der Aushärtung erhalten werden, auch wenn später Wärme von dem geschmolzenen Kupfer (geschmolzenen Metall), das in dem Rinnenabschnitt 43a, 43b gespeichert ist, aufgrund von dessen hoher Wärmeleitfähigkeit nach außen geleitet wird und entsprechend die Temperatur des geschmolzenen Metalls signifikant abnimmt und die Oberflächenspannung γ davon zunimmt. Bei dem Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform hat der erste Schritt S10, um die erste Schicht 15A auszubilden (vorzubereiten): den ersten Zuführschritt S11 des Zuführens des Kupferpulvers (Metallpulvers) zu der Bestrahlungsfläche Ar1 auf der Grundplatte 27; den ersten Laserbestrahlungsschritt S12 des Aufbringens des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 (formgebenden optischen Strahls) auf das Kupferpulver, das zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wurde, um das Kupferpulver zu schmelzen, und dann des Erstarrens des geschmolzenen Kupferpulvers, wodurch ein erster Wulst 41 ausgebildet wird, der sich geradlinig in einer Richtung des Bestrahlungswegs H1 (Richtung der vorbestimmten Achse) erstreckt und in dessen Querschnitt, der den Bestrahlungsweg H1 (vorbestimmte Achse) schneidet, eine halbkreisartige Form hat; und einen zweiten Laserbestrahlungsschritt S13 des Aufbringens des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 auf das Kupferpulver, das von dem Kupferpulver (Metallpulver), das zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wurde, in der Nähe des ersten Wulsts 41 angeordnet ist, des Schmelzens des Kupferpulvers und dann des Aushärtens des geschmolzenen Kupferpulvers, wodurch ein zweiter Wulst 42 ausgebildet wird, der sich geradlinig in der Richtung des Bestrahlungswegs H2, H3 (Richtung der vorbestimmten Achse) bei einem vorbestimmten Abstand von dem ersten Wulst 41 entfernt erstreckt, in dessen Querschnitt, der den Bestrahlungsweg H2, H3 (vorbestimmte Achse) schneidet, eine halbkreisartige Form hat und den Rinnenabschnitt 43a, 43b (43) durch einen Raum zwischen dem ersten Wulst und dem zweiten Wulst 42 festlegt.
Wie oben beschrieben ist, kann der Rinnenabschnitt 43a, 43b (43) durch den ersten Wulst 41 und den zweiten Wulst 42 festgelegt sein, die durch Bestrahlung mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 ausgebildet wurden, und somit kann das Verfahren einfacher bei geringeren Kosten ausgeführt werden als in dem Fall des Ausbildens des Rinnenabschnitts in einem zusätzlichen Schritt.
Nach dem Prozess des dritten Schritts S30 wird in dem Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der erste Schritt S10 des Vorbereitens der ersten Schicht 15A auf dem Formkörper ausgeführt und nach dem ersten Schritt S10, der nach dem Prozess des dritten Schritts S30 ausgeführt wurde, werden der zweite Schritt S20 und der dritte Schritt S30 nachfolgend und wiederholt ausgeführt. Dies ermöglicht ein Herstellen eines additiv geformten Gegenstands mit einer großen Dichte.
Wenn eine Folge von Prozessen von dem ersten Schritt S10 zu dem dritten Schritt S30 wiederholt ausgeführt werden, sind bei dem Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform die Erstreckungsrichtung des Rinnenabschnitts 43a, 43b (43), der in der vorigen Folge von Prozessen ausgebildet wurde, und die Erstreckungsrichtung des Rinnenabschnitts 43a, 43b (43) verschieden, der in einer Folge von Prozessen ausgebildet wurde, die nachfolgend zu der vorigen Folge von Prozessen ist. Somit kann ein geformter Gegenstand mit anisotropen Ausrichtungen ausgebildet werden und die Festigkeit kann erhöht werden.
Bei dem Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform wird das Kupferpulver (Metallpulver), das zu den Rinnenabschnitt 43a, 43b (43) zugeführt wurde, in dem zweiten Schritt S20 zugeführt, sodass die Höhe h davon gleich oder größer wird als die Tiefe β des Rinnenabschnitts 43a, 43b (43). Somit werden, wenn das Kupferpulver geschmolzen ist, Zwischenräume in dem Kupferpulver mit geschmolzenem Kupfer gefüllt, wodurch der Raum des Rinnenabschnitts 43a, 43b (43) vorteilhaft gefüllt werden kann. Folglich kann die Oberfläche der zweiten Schicht 15B auf eine ebene Weise zusammen mit der ersten Schicht 15A ausgebildet werden.
Bei dem Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform ist der formgebende optische Strahl ein Laserstrahl von einer Nahinfrarot-Wellenlänge und das Metallpulver ist Kupferpulver. Kupfer ist ein Material, das bei Raumtemperatur eine sehr niedrige Absorption des Laserstrahls einer Nahinfrarot-Wellenlänge (Nahinfrarot-Laserstrahl L1) hat. Wenn ein Material verwendet wird, das eine sehr niedrige Absorption des Laserstrahls einer Nahinfrarot-Wellenlänge (Nahinfrarot-Laserstrahl L1) hat, ist es schwierig, durch ein herkömmliches Verfahren einen Durchdringungsabschnitt in einem Element auszubilden, das als eine Basis dient, und somit bildet das Material aufgrund von dessen Oberflächenspannung während der Aushärtung tendenziell eine Kugelform aus. Durch das Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform kann eine additive Formgebung jedoch sogar mit einem solchen Material leicht und vorteilhaft ausgeführt werden.
Bevor der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebender optischer Strahl) in dem ersten Laserbestrahlungsschritt S12 (S10) und dem zweiten Laserbestrahlungsschritt S13 (S10) aufgebracht wird, wird das Kupferpulver (Metallpulver), das zu der Bestrahlungsfläche Ar1 zugeführt wurde, bei dem Formgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform durch den Heizer 28 vorgeheizt. Somit können der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 stabiler ausgebildet werden, wenn sie in dem ersten Schritt S10 durch Bestrahlung von dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 ausgebildet werden.
In der ersten Ausführungsform wird Kupferpulver als das Metallpulver verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und das Metallpulver kann Aluminiumpulver wie in Modifikation 1 (nicht gezeigt) sein. Wie Kupferpulver hat Aluminiumpulver bei Raumtemperatur eine geringe Absorption von dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 und hat ebenfalls eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit. Daher können Wirkungen erwartet werden, die ähnlich zu jenen mit dem Kupferpulver sind.
Wenn eine Folge von Prozessen von dem ersten Schritt S10 zu dem dritten Schritt S30 eine Vielzahl von Malen wiederholt ausgeführt wird, werden in der ersten Ausführungsform die Erstreckungsrichtung der Rinnenabschnitte 43 (43a und 43b), die in der vorigen Folge von Prozessen ausgebildet wurden, und die Erstreckungsrichtung von Rinnenabschnitten 43 (43a und 43b), die in einer Folge von Prozessen ausgebildet wurden, die nachfolgend zu der vorigen Folge von Prozessen ist, in Richtungen angeordnet, die sich (beispielsweise um 90°) unterscheiden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und wie in den Modifikationen 2 und 3 kann die Erstreckungsrichtung der Rinnenabschnitte 43 (43a und 43b), die in der vorigen Folge von Prozessen ausgebildet wurden, und die Erstreckungsrichtung von Rinnenabschnitten 43 (43a und 43b), die in einer Folge von Prozessen ausgebildet wurden, die nachfolgend zu der vorigen Folge von Prozessen ist, gleich sein.
Wie in 13 gezeigt ist, sind in der Modifikation 2 die jeweiligen ersten Wulste 41 und die entsprechenden zweiten Wulste 42 in der zweiten Lage auf den entsprechenden ersten Wulste 41 und den entsprechenden zweiten Wulste 42 in der ersten Lage gestapelt, um einen geformten Gegenstand auszubilden. Wie oben beschrieben ist, wird in diesem Fall das Kupferpulver 15 in dem zweiten Schritt S20 zu den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) in jeweils der ersten Schicht (unteren Schicht) und der zweiten Schicht (oberen Schicht) zugeführt, nachdem die jeweiligen ersten Wulste 41 und die entsprechenden zweiten Wulste 42 ausgebildet sind. Nachfolgend wird in dem dritten Schritt S30 das Kupferpulver 15 in den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt, sodass es schmilzt, und wird dann ausgehärtet, um eine jeweilige Schicht auszubilden.
Wie in 14 gezeigt ist, sind zwischen den jeweiligen ersten Wulsten 41 und den entsprechenden zweiten Wulsten 42 in der ersten Schicht, d.h. auf den Rinnenabschnitten 43a und 43b in der ersten Schicht, der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 gestapelt, sodass sie einen geformten Gegenstand ausbilden. In dem Fall der Modifikation 3 wird das Kupferpulver 15 in dem zweiten Schritt S20 zu den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) zugeführt. Nachfolgend wird in dem dritten Schritt S30 das Kupferpulver 15 in den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt, sodass es schmilzt, und wird dann ausgehärtet, wodurch die Rinnenabschnitte 43a, 43b (43) in der ersten Schicht gefüllt werden und eine Ausbildung des ersten Wulsts 41 und des zweiten Wulsts 42 in der zweiten Schicht gleichzeitig ausgeführt werden.
Weil ein Füllen der Rinnenabschnitte 43a und 43b (43) und ein Ausbilden des ersten Wulsts 41 und des zweiten Wulsts 42 somit gleichzeitig ausgeführt werden kann, können Arbeitsstunden zur Herstellung signifikant verringert werden. In der Modifikation 3 wird das Kupferpulver 15 für die oberste Schicht beim Stapeln in dem zweiten Schritt S20 zu den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) auf die gleiche Weise zugeführt, wie in der ersten Ausführungsform. Nachfolgend kann das Kupferpulver 15 in dem dritten Schritt S30 in den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 bestrahlt werden, sodass es schmilzt, und kann dann ausgehärtet werden, wodurch die Deckfläche des geformten Gegenstands ausgebildet werden kann, sodass sie mit den oberen Enden der Rinnenabschnitte 43a und 43b (43) bündig ist.
In der ersten Ausführungsform werden die Dünnfilmschichten 15a und 15b durch den Heizer 28 vorgeheizt, der zwischen der Grundplatte 27 und der Deckfläche des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und wie in der Modifikation 4 (nicht gezeigt) kann das Vorheizen ausgeführt werden, indem der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebende optische Strahl) auf Abschnitte des Metallpulvers aufgebracht wird, die in den jeweiligen Dünnfilmschichten 15a und 15b enthalten sind, die für eine Ausbildung eines geformten Gegenstands irrelevant sind, um die Dünnfilmschichten aufzuheizen. In diesem Fall muss nur eine Bestrahlungsleistung des Nahinfrarot-Laserstrahls L1 auf oder unter eine solche Leistung verringert werden, die das Metallpulver nicht schmilzt. Auch in diesem Fall können ähnliche Wirkungen erwartet werden.
Das Folgende beschreibt ein Formgebungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform in Bezug auf das Ablaufdiagramm 2 in 15. Die zweite Ausführungsform ist bei dem Formgebungsverfahren von der ersten Ausführungsform nur in dem ersten Schritt S10 verschieden. Somit werden nur unterschiedliche Punkte beschrieben und eine Beschreibung ähnlicher Punkte wird weggelassen. In der ersten Ausführungsform werden in dem ersten Schritt S10 der erste Wulst 41 und der zweite Wulst 42 durch Bestrahlung mit dem Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebenden optischen Strahl) mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen parallel zueinander ausgebildet. Die Rinnenabschnitte 43a und 43b (43) sind durch Räume zwischen den jeweiligen ersten Wulsten 41 und den entsprechenden zweiten Wulsten 42 festgelegt. Die erste Schicht 15A wird auf diese Weise vorbereitet (ausgebildet).
Wie in 15 gezeigt ist, wird jedoch in der zweiten Ausführungsform in dem ersten Schritt S110 eine erste Schicht 115A vorbereitet, die vorab in einem zusätzlichen Schritt ausgebildet wurde, indem sie durch einen Werker auf der Deckfläche des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 platziert wird. Wie in 16 gezeigt ist, werden durch gewöhnliche spanende Bearbeitung insbesondere auf der Oberfläche der Grundplatte 27 Rinnenabschnitte 143a und 143b (143) ausgebildet, die die gleichen Formen wie die Rinnenabschnitte 43a und 43b (43) haben, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind (sie werden auf eine vertiefte Weise ausgebildet) und die Grundplatte wird auf der Deckfläche des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 platziert.
Zu dieser Zeit wird die Grundplatte 27, die mit den Heizer 28 auf dessen unterer Oberfläche versehen ist, auf der Deckfläche des Hebetischs des geformten Gegenstands 23 platziert, sodass die Rinnenabschnitte 143a und 143b (143) aufwärts zeigen. In anderen Worten wird die erste Schicht 115A einstückig mit der Grundplatte 27 auf der Grundplatte 27 ausgebildet und ist somit vorbereitet. Es ist anzumerken, dass, wenn die Prozesse des ersten Schritts S110, des zweiten Schritts S20 und des dritten Schritts S30 wiederholt ausgeführt werden, die Rinnenabschnitte 143a und 143b in der zweiten Runde und danach bevorzugt durch die gleichen Schritte (S11 bis S14) ausgebildet werden, wie in dem ersten Schritt S10 in der ersten Ausführungsform.
Anstatt der additiven Formgebungsvorrichtung 100, die in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet wird, kann die vorliegende Erfindung auf eine additive Formgebungsvorrichtung 200 (siehe 17) angewendet werden, die als eine dritte Ausführungsform Kupferpulver in der Atmosphäre ohne eine Kammer additiv formt. Die additive Formgebungsvorrichtung 200 ist eine bekannte additive Formgebungsvorrichtung, die eine sogenannte Laser-Metall-Deposition (LMD) verwendet.
Die additive Formgebungsvorrichtung 200 hat auf der Außenumfangsseite eines Laserkopfs 232, der einen Laserstrahl emittiert, einstückig eine Metallpulverzuführvorrichtung 220, die der Metallpulverzuführvorrichtung 20 entspricht. Bei der additiven Formgebungsvorrichtung 200 wird Kupferpulver 15 (Metallpulver) durch die Metallpulverzuführvorrichtung 220 von einem Außenumfangsabschnitt des Laserkopfs 232 in die Bestrahlungsfläche Ar1 eingespeist und dann wird der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 (formgebende optische Strahl) auf das Kupferpulver 15 (Metallpulver) in der Bestrahlungsfläche Ar1 aufgebracht.
Zur gleichen Zeit, zu der der Nahinfrarot-Laserstrahl L1 aufgebracht wird, wird ein Schutzgas SG (z.B. Stickstoffgas) von der Außenumfangsseite des Laserkopfs 232 in die Bestrahlungsfläche Ar1 eingeleitet, wodurch verhindert wird, dass das Kupferpulver 15 oxidiert wird, wenn es geschmolzen wird. Mit dieser Konfiguration wird in der Bestrahlungsfläche Ar1 auf der Grundplatte (erster Schritt) eine erste Schicht (nicht gezeigt) vorbereitet, die Rinnenabschnitte 43a und 43b (43) hat, die ähnlich zu jenen der ersten Schicht 15A (siehe 7 und 8) sind, die in der ersten Ausführungsform vorbereitet (ausgebildet) werden.
Nachfolgend werden ein zweiter Schritt des Einspeisens von Kupferpulver 15 (Metallpulver) von dem Außenumfangsabschnitt des Laserkopfs 232 in die Bestrahlungsfläche Ar1, um das Kupferpulver (Metallpulver) in die Rinnenabschnitte 43a und 43b (43) zuzuführen, und ein dritter Schritt des Aufbringens des Nahinfrarot-Laserstrahl Lis (formgebender optischer Strahl) und Einleitens des Schutzgases SG zu dem Metallpulver nach dem zweiten Schritt ausgeführt, das zu den Rinnenabschnitten 43a und 43b (43) zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen. Auch mit der additiven Formgebungsvorrichtung 200 gemäß der dritten Ausführungsform können, wie oben beschrieben ist, Wirkungen erhalten werden, die ähnlich zu jenen in der ersten Ausführungsform sind.
Mit den additiven Formgebungsvorrichtungen 100 und 200 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform kann ein geformter Gegenstand mit einer hohen Dichte stabil hergestellt werden, der ähnlich zu dem geformten Gegenstand ist, der durch das Formgebungsverfahren gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt wird.
Ein Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, ist ein Formgebungsverfahren des additiven Formens eines geformten Gegenstands, indem Metallpulver durch Bestrahlung von einem formgebenden optischen Strahl geschmolzen wird und das geschmolzene Metallpulver dann ausgehärtet wird. Das Formgebungsverfahren hat einen ersten Schritt S10 des Vorbereitens einer ersten Schicht 15A des geformten Gegenstands, der auf einer Deckfläche der ersten Schicht 15A einen Rinnenabschnitt 43 hat, der auf eine vertiefte Weise entlang einer vorbestimmten Achse ausgebildet ist, in einer Bestrahlungsfläche Ar1 auf einer Grundplatte 27; einen zweiten Schritt S20 des Zuführens des Metallpulvers zu dem Rinnenabschnitt 43; und einen dritten Schritt S30 des Aufbringens des formgebenden optischen Strahls L1 auf das Metallpulver, das zu dem Rinnenabschnitt 43 zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen, nach dem Vorgang des zweiten Schritts S20.

Claims

Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, die einen geformten Gegenstand additiv formt, indem Metallpulver durch Bestrahlung mit einem formgebenden optischen Strahl geschmolzen wird und das geschmolzene Metallpulver dann ausgehärtet wird, wobei die additive Formgebungsvorrichtung eine Metallpulverzuführvorrichtung, die das Metallpulver zu einer Bestrahlungsfläche des formgebenden optischen Strahls zuführt; und eine Bestrahlungsvorrichtung für einen formgebenden optischen Strahl hat, die den formgebenden optischen Strahl auf eine vorbestimmte Position des Metallpulvers aufbringt, das zu der Bestrahlungsfläche zugeführt wurde, während einer Isolation von Außenluft, und das Formgebungsverfahren einen ersten Schritt des Vorbereitens einer ersten Schicht des geformten Gegenstands, der auf einer Deckfläche der ersten Schicht einen Rinnenabschnitt hat, der auf eine vertiefte Weise entlang einer vorbestimmten Achse ausgebildet ist, in der Bestrahlungsfläche auf einer Grundplatte; einen zweiten Schritt des Zuführens des Metallpulvers zu dem Rinnenabschnitt; und einen dritten Schritt des Aufbringens des formgebenden optischen Strahls auf das Metallpulver hat, das zu dem Rinnenabschnitt zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen, nach dem zweiten Schritt.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach Anspruch 1, wobei um die erste Schicht vorzubereiten, der erste Schritt einen ersten Zuführschritt des Zuführens des Metallpulvers zu der Bestrahlungsfläche auf der Grundplatte; einen ersten Laserbestrahlungsschritt des Aufbringens des formgebenden optischen Strahls auf das Metallpulver, das zu der Bestrahlungsfläche zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen, und dann des Aushärtens des geschmolzenen Metallpulvers, wodurch ein erster Wulst ausgebildet wird, der sich geradlinig in einer Richtung der vorbestimmten Achse erstreckt und in einem Querschnitt des ersten Wulsts, der die vorbestimmte Achse schneidet, eine halbkreisartige Form hat; und einen zweiten Laserbestrahlungsschritt des Aufbringens des formgebenden optischen Strahls auf das Metallpulver hat, das von dem Metallpulver, das zu der Bestrahlungsfläche zugeführt wurde, in der Nähe des ersten Wulsts angeordnet ist, des Schmelzens des Metallpulvers und dann des Aushärtens des geschmolzenen Metallpulvers, wodurch ein zweiter Wulst ausgebildet wird, der sich in der Richtung der vorbestimmten Achse bei einem vorbestimmten Abstand von dem ersten Wulst entfernt geradlinig erstreckt, der in einem Querschnitt des zweiten Wulsts, der die vorbestimmte Achse schneidet, eine halbkreisartige Form hat, und durch einen Raum zwischen dem ersten Wulst und dem zweiten Wulst den Rinnenabschnitt festgelegt.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach Anspruch 2, wobei nach dem dritten Schritt der erste Schritt des Vorbereitens der ersten Schicht auf dem geformten Gegenstand ausgeführt wird und nach dem ersten Schritt, der nach dem dritten Schritt ausgeführt worden ist, der zweite Schritt und der dritte Schritt nachfolgend und wiederholt ausgeführt werden.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach Anspruch 3, wobei wenn eine Folge von Vorgängen von dem ersten Schritt zu dem dritten Schritt wiederholt ausgeführt werden, eine Erstreckungsrichtung des Rinnenabschnitts, der in der vorigen Folge von Vorgängen ausgebildet wurde, und eine Erstreckungsrichtung des Rinnenabschnitts verschieden sind, der in einer Folge von Vorgängen ausgebildet wurde, die auf die vorige Folge von Vorgängen folgt.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem zweiten Schritt das Metallpulver, das zu dem Rinnenabschnitt zugeführt wurde, zugeführt wird, sodass eine Höhe des Metallpulvers gleich oder größer als eine Tiefe des Rinnenabschnitts ist.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der formgebende optische Strahl ein Laserstrahl einer Nahinfrarot-Wellenlänge ist und das Metallpulver Kupferpulver oder Aluminiumpulver ist.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei bevor der formgebende optische Strahl in dem ersten Laserbestrahlungsschritt und dem zweiten Laserbestrahlungsschritt aufgebracht wird, ein Vorheizen auf dem Metallpulver ausgeführt wird, das zu der Bestrahlungsfläche zugeführt wurde.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach Anspruch 7, wobei das Vorheizen durch einen Heizer ausgeführt wird, der auf einer Seite vorgesehen ist, die einer Seite gegenüberliegt, die mit dem formgebenden optischen Strahl bestrahlt wird.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach Anspruch 7, wobei das Vorheizen ausgeführt wird, indem das Metallpulver mit dem formgebenden optischen Strahl bestrahlt wird, der eine Leistung hat, die verringert ist, um das Metallpulver nicht zu schmelzen.
Formgebungsverfahren, das eine additive Formgebungsvorrichtung verwendet, nach Anspruch 1, wobei in der ersten Schicht des geformten Gegenstands, die in dem ersten Schritt auf der Grundplatte vorbereitet wurde, der Rinnenabschnitt durch spanende Bearbeitung auf eine vertiefte Weise auf der Fläche der Grundplatte ausgebildet wird.
Additive Formgebungsvorrichtung, die einen geformten Gegenstand additiv formt, indem Metallpulver durch Bestrahlung mit einem formgebenden optischen Strahl geschmolzen wird und das geschmolzene Metallpulver dann ausgehärtet wird, wobei die additive Formgebungsvorrichtung eine Metallpulverzuführvorrichtung, die das Metallpulver zu einer Bestrahlungsfläche des formgebenden optischen Strahls zuführt; eine Bestrahlungsvorrichtung für einen formgebenden optischen Strahl, der den formgebenden optischen Strahl auf eine vorbestimmte Position des Metallpulvers aufbringt, das zu der Bestrahlungsfläche zugeführt wurde, während einer Isolation von Außenluft; und eine Steuervorrichtung hat, die die Metallpulverzuführvorrichtung und die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl steuert; wobei die Steuervorrichtung eine Metallpulverzuführsteuerung, die die Metallpulverzuführvorrichtung steuert, um die Metallpulverzuführvorrichtung zu veranlassen, das Metallpulver zu einem Rinnenabschnitt einer ersten Schicht des geformten Gegenstands zuzuführen, der in der Bestrahlungsfläche auf einer Grundplatte vorbereitet wird, wobei der Rinnenabschnitt auf einer Deckfläche der ersten Schicht auf eine vertiefte Weise entlang einer vorbestimmten Achse ausgebildet ist; und eine Bestrahlungssteuerung des formgebenden optischen Strahls hat, der, nachdem das Metallpulver durch die Metallpulverzuführsteuerung veranlasst wurde, zu dem Rinnenabschnitt zugeführt zu werden, die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl steuert, um die Bestrahlungsvorrichtung für den formgebenden optischen Strahl zu veranlassen, den formgebenden optischen Strahl auf das Metallpulver aufzubringen, das zu dem Rinnenabschnitt zugeführt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen.