DE102019111924A1

DE102019111924A1 - Vorrichtung zur additiven Fertigung und Verfahren zur additiven Fertigung

Info

Publication number: DE102019111924A1
Application number: DE102019111924.3A
Authority: DE
Inventors: Makoto Tano; Tetsuya Mitsui; Takaya NAGAHAMA; Hiroyuki Hoshino; Takashi Mizoguchi; Yuta MATSUO
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2019-11-14
Also published as: US20190344387A1; JP2019196523A

Abstract

Eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung hat Heizgeräte 50, 60, die konfiguriert sind, ein geschichtetes Metallpulver P, das aus einem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, auf eine Temperatur zu erwärmen, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als ein Schmelzpunkt ist, und ein Lichtstrahlabstrahlgerät 40, das konfiguriert ist, einen Lichtstrahl 40a auf das Metallpulver P abzustrahlen, das durch die Heizgeräte 50, 60 auf die Temperatur erwärmt ist, die gleich hoch wie oder höher als 150°C ist und niedriger als der Schmelzpunkt ist, um das Metallpulver P zu schmelzen und einen geformten Artikel W auszubilden. Der Lichtstrahl 40a wird in einem Bereich abgestrahlt, der enger als ein Heizbereich der Heizgeräte 50, 60, ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung und ein Verfahren zur additiven Fertigung.
Die Druckschriften JP 2018- 3087- A und JP 2017- 43805 A offenbaren ein Verfahren zur additiven Fertigung, um einen geformten Artikel durch wiederholtes Bestrahlen eines Lichtstrahls auf ein geschichtetes Metallpulver herzustellen. Die Druckschrift JP 2018- 3087 A und die Druckschrift JP 2017 - 43805 A beschreiben, dass das Metallpulver zusätzlich zu der Bestrahlung mit dem Lichtstrahl durch einen Heizer erwärmt (aufgeheizt) wird.
Der durch das Verfahren zur additiven Herstellung ausgebildete geformte Artikel wird hauptsächlich in der Herstellung von Prototypen während des Entwerfens eines Produkts verwendet. In zurückliegenden Jahren wurde der geformte Artikel auch in der Verwendung der Herstellung eines Produkts erzeugt. Es wurde Forschung auf die Verwendung des geformten Artikels gerichtet, der durch ein Verfahren zum additiven Fertigen als eine Guss-/ Schmiedematrize zur Herstellung eines Produkts ausgebildet ist. Legierte Werkzeugstähle (JIS G4404: 2006) können für die Guss-/ Schmiedematrize verwendet werden. Falls ein legiertes Stahlmaterial durch additives Fertigen ausgebildet wird, ist es jedoch wahrscheinlich, dass in dem geformten Artikel ein Riss ausgebildet ist. Deswegen ist es nicht einfach, den geformten Artikel durch additives Fertigen aus dem legierten Werkzeugstahl auszubilden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung und ein Verfahren zur additiven Fertigung bereitzustellen, die in der Lage sind, einen geformten Artikel aus einem legierten Werkzeugstahl auszubilden.
Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat:

ein Heizgerät, das konfiguriert ist, ein geschichtetes Metallpulver, das aus einem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, auf eine Temperatur zu erwärmen (aufzuheizen), die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als ein Schmelzpunkt (des Metalls) ist;
ein Lichtstrahlabstrahlgerät, das konfiguriert ist, einen Lichtstrahl auf das Metallpulver zu strahlen, das durch das Heizgerät auf die Temperatur gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als der Schmelzpunkt erwärmt wurde, um das Metallpulver zu schmelzen und einen geformten Artikel auszubilden, und der Lichtstrahl in einem Bereich abgestrahlt wird, der enger als ein Heizbereich des Heizgeräts ist.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass in dem Fall des legierten Werkzeugstahls ein Riss in dem geformten Artikel aufgrund einer bemerkenswerten thermischen Spannung ausgebildet wird. Deswegen wird das Metallpulver auf die Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt vorgewärmt, und das erwärmte Metallpulver wird geschmolzen, indem es mit dem Lichtstrahl bestrahlt wird. Der Strahlungsbereich des Lichtstrahls ist enger als der Heizbereich des Heizgeräts. Deswegen wird der Rand des mit dem Lichtstrahl bestrahlten Metallpulvers durch das Heizgerät erwärmt. Somit wird die Größe der thermischen Spannung des geschmolzenen Metallpulvers reduziert, da eine zeitliche Änderung in der Temperatur während sich eines Zeitraums verringert, in dem das Metallpulver sich verfestigt. Insbesondere erwärmt das Heizgerät das Metallpulver, das aus dem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, zu der Temperatur, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als der Schmelzpunkt ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass in dem Fall des Metallpulvers, das aus dem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, die Ausbildung des Risses in dem geformten Artikel durch das Erwärmen des Metallpulvers auf 150°C oder höher unterdrückt werden kann.
Es ist bekannt, dass ein Mikroriss ausgebildet wird, der kleiner als der Riss ist, und dass eine große Anzahl von Mikrorissen in dem Riss zusammen verbunden sind. Die Erfinder haben eine Evaluierung ausgeführt, ob der Riss ausgebildet ist, indem die Anzahl der Mikrorisse erfasst wird. Die Erfinder haben nämlich bestimmt, dass die Ausbildung des Risses in dem geformten Artikel derart unterdrückt werden kann, dass die Anzahl der Mikrorisse pro Einheitsfläche gleich hoch wie oder kleiner als eine vorbestimmte Anzahl gehalten bleibt.
Figurenliste
Die voranstehend beschriebenen sowie 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:

Die 1 eine Skizze ist, die eine Vorrichtung zur additiven Fertigung darstellt;
die 2 eine vergrößerte Ansicht des Rands eines mit einem Lichtstrahl bestrahlten Abschnitts ist; und
die 3 ein Flussdiagramm ist, welches das Verfahren zur additiven Fertigung darstellt.

Die Struktur einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung wird mit Bezug auf die 1 beschrieben. Die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung bildet durch wiederholtes Bestrahlen eines Lichtstrahls auf ein geschichtetes Metallpulver P einen geformten Artikel W aus. Beispiele des Lichtstrahls sind ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl und verschiedene andere Strahlen, mit denen das Metallpulver P geschmolzen werden kann. Außerdem können ein Laser, der eine Wellenlänge nahe von dem Infrarotbereich aufweist, ein CO₂ Laser (ein Laser fern von dem Infrarotbereichs), ein Halbleiterlaser oder verschiedene andere Laser auf den Laserstrahl angewendet werden. Der Laserstrahl wird abhängig von dem Zielmetallpulver P bestimmt, wie geeignet ist.
Das Metallpulver P ist aus einem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt. Der legierte Werkzeugstahl hat Materialien, die in JIS G4404: 2006 definiert sind, und andere Materialien, die Komponenten analog zu denen der definierten Materialien enthalten. Der legierte Werkzeugstahl hat SKD- Materialien, SKS- Materialien und SKT- Materialien. Der legierte Werkzeugstahl ist ein Stahl, der C, Si, Mn, P, S und Cr enthält und ebenfalls W, V, Mo oder ähnliches abhängig von den Arten enthält. Der Kohlenstoffgehalt des SKD 61 beträgt 0,35% bis 0,42%. Der Kohlenstoffgehalt des SKD 11 beträgt 1,4% bis 1,6%. Der Kohlenstoffgehalt des SKS 93 beträgt 1% bis 1,1%. Zum Beispiel wird der geformte Artikel W, der durch das additive Fertigen aus dem Metallpulver P ausgebildet wird, das aus dem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, als eine Guss-/ Schmiedematrize verwendet. Der geformte Artikel W ist nicht darauf begrenzt, für die Guss-/ Schmiedematrize verwendet zu werden, sondern kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden.
Wie in der 1 dargestellt ist, hat die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eine Kammer 10, ein Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels, ein Leistungszufuhrgerät 30, ein Lichtstrahlabstrahlgerät 40, ein erstes Heizgerät 50, ein zweites Heizgerät 60 und einen Temperatursensor 70. Die Kammer 10 ist derart konfigurier, dass Innenluft durch ein Inertgas (Edelgas) wie zum Beispiel Helium, Stickstoff oder Argon ersetzt werden kann. Die Kammer 10 kann derart konfiguriert sein, dass der Innendruck reduziert werden kann, anstelle die Innenluft durch das Inertgas zu ersetzen.
Das Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels ist innerhalb der Kammer 10 bereitgestellt und ist aus Stützelementen zum Ausbilden des geformten Artikels W konstruiert. Das Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels hat einen Formbehälter 21, einen Anhebetisch 22 und eine Basis 23 als die Stützelemente. Der Formbehälter 21 weist oben eine Öffnung auf, und weist ebenfalls parallel zu einer vertikalen Achse liegende Innenwände auf. Der Anhebetisch 22 ist innerhalb des Formbehälters 21 so bereitgestellt, dass er in der vertikalen Richtung entlang der Innenwände beweglich ist. Die Basis 23 ist entfernbar an der oberen Fläche des Anhebetischs 22 angebracht. Die obere Fläche der Basis 23 ist ein Abschnitt zum Ausbilden des geformten Artikels W. Das Metallpulver P ist nämlich auf die obere Fläche der Basis 23 geschichtet, und der geformte Artikel W ist während des Formens durch die Basis 23 getragen.
Das Leistungszufuhrgerät 30 ist innerhalb der Kammer 10 so bereitgestellt, dass es sich zu dem Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels fügt. Das Leistungszufuhrgerät 30 hat einen Pulverbehälter 31, einen Zufuhrtisch 32 und einen Wiederbeschichter 33. Der Pulverbehälter 31 weist oben eine Öffnung auf. Die Höhe der Öffnung des Pulverbehälters 31 ist gleich der Höhe der Öffnung des Formbehälters 21. Der Pulverbehälter 31 weist Innenwände parallel zu einer vertikalen Achse auf. Der Zufuhrtisch 32 ist innerhalb des Pulverbehälters 31 so bereitgestellt, dass er in der vertikalen Richtung entlang der Innenwände beweglich ist. Der Pulverbehälter 31 enthält da Metallpulver P in einem Bereich oberhalb des Zufuhrtischs 32.
Der Wiederbeschichter 33 ist so bereitgestellt, dass er entlang einer Ebene mit der Öffnung des Formbehälters 21 und der Öffnung des Pulverbehälters 31 über die gesamten Bereiche von beiden Öffnungen hin- und her beweglich ist. Wenn der Wiederbeschichter 33 sich in der 1 von rechts nach links bewegt, trägt der Wiederbeschichter 33 das Metallpulver P, das von der Öffnung des Pulverbehälters 31 vorragt, zu dem Formbehälter 21. Der Wiederbeschichter 33 lagert das getragene Metallpulver P in eine Schicht auf der oberen Fläche der Basis 23 ab.
Das Lichtstrahlabstrahlgerät 40 strahlt einen Lichtstrahl 40a auf die Oberfläche des Metallpulvers P ab, das auf der oberen Fläche der Basis 23 geschichtet ist. Wie voranstehend beschrieben wurde, ist der Lichtstrahl 40a ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ähnliches. Durch das Abstrahlen des Lichtstrahls 40a auf das geschichtete Metallpulver P erwärmt das Lichtstrahlabstrahlgerät 40 das Metallpulver P auf eine Temperatur, die gleich hoch wie oder höher als der Schmelzpunkt des Metallpulvers P ist. Das Metallpulver P wird geschmolzen und dann verfestigt, und dabei eine verschmolzene Schicht des geformten Artikels W ausgebildet. Angrenzende Körner des Metallpulvers P werden nämlich durch ein Schmelzbonden zusammengeschmolzen.
Das Lichtstrahlabstrahlgerät 40 ist in der Lage, ausgehend von einem im Voraus eingestellten Programm die Strahlposition des Lichtstrahls 40a zu verschieben, und die Strahlintensität zu ändern. Durch das Verschieben der Strahlposition des Lichtstrahls 40a kann eine erwünschte Schicht des geformten Artikels W ausgebildet werden. Durch das Ändern der Intensität des Lichtstrahls 40a wird die in einem bestrahlten Abschnitt des Metallpulvers P eingehende Energie (Wärmemenge, die auf den bestrahlen Abschnitt aufgebracht wird) geändert. Somit kann die Bondfestigkeit der Körner des Metallpulvers P geändert werden. Der Lichtstrahl 40a kann in einem Bereich abgestrahlt werden, der enger als Heizbereiche des ersten Heizgeräts 50 und des zweiten Heizgeräts 60 ist, die später beschrieben werden.
Das erste Heizgerät 50 ist innerhalb der Kammer 10 an einer Position angeordnet, an der das erste Heizgerät 50 zu der oberen Fläche der Basis 23 gerichtet ist. Das erste Heizgerät 50 ist ein Strahlungsheizungsgerät. Zum Beispiel kann ein Infrarotheizer auf das erste Heizgerät 50 angewendet sein. Das erste Heizgerät 50 erwärmt durch Strahlungswärme direkt die Schichtoberfläche des Metallpulvers P, das auf die Basis 23 geschichtet ist. Die Schichtoberfläche des Metallpulvers P ist eine Oberfläche des geschichteten Metallpulvers P, das zu einer oberen Seite hin freigelegt ist.
Das erste Heizgerät 50 ist in der Lage, die Schichtoberfläche des Metallpulvers P mit einer Temperatur kontinuierlich zu erwärmen, die niedriger als der Schmelzpunkt des Metallpulvers P ist. Ungleich zu dem Lichtstrahl 40a schmilzt nämlich das erste Heizgerät 50 das Metallpulver P nicht. Das erste Heizgerät 50 ist in der Lage, ähnlich wie das Lichtstrahlabstrahlgerät 40den Heizbereich in eine horizontale Richtung zu verschieben.
Der Heizbereich des ersten Heizgeräts 50 ist breiter als der Bestrahlungsbereich des Lichtstrahls 40a eingestellt, und ist auf einen Bereich eingestellt, der teilweise den Strahlungsbereich des Lichtstrahls 40a hat. Das erste Heizgerät 50 heizt nämlich den Rand des Strahlungsbereichs des Lichtstrahls 40a in einer ebenen Richtung und einer Tiefenrichtung der Schichtoberfläche. Das erste Heizgerät 50 erwärmt das Metallpulver P direkt bevor es mit dem Lichtstrahl 40a geschmolzen wird, einen Abschnitt des geformten Artikels W, der zu verfestigen ist, nachdem das Metallpulver P geschmolzen wurde, und einen Abschnitt, der auf dem Rand des Bestrahlungsbereichs des Lichtstrahls 40a angeordnet ist und als das Metallpulver P verbleibt, ohne mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt zu werden.
In dieser Ausführungsform ist der Heizbereich des ersten Heizgeräts 50 in Zusammenwirkung mit der Bestrahlungsposition des Lichtstrahls 40a verschoben. Das erste Heizgerät 50 kann den gesamten Bereich der Schichtoberfläche des geschichteten Metallpulvers P erwärmen. In diesem Fall muss das erste Heizgerät 50 sich nicht in Zusammenwirkung mit der Bestrahlungsposition des Lichtstrahls 40a bewegen.
Das zweite Heizgerät 60 ist in den Hebetisch 22 eingebaut, der als das Stützelement dient. Das zweite Heizgerät 60 ist ein Heizer zum Erwärmen einer Metallmatrize. Zum Beispiel kann ein Spulenheizer, ein Kartuschenheizer, ein Düsenheizer, ein Ebenenheizer oder verschiedene andere Heizer als das zweite Heizgerät 60 angewendet sein. Das zweite Heizgerät 60 erwärmt den Hebetisch 22 und erwärmt die gesamte Basis 23 über den Hebetisch 22. Außerdem erwärmt das zweite Heizgerät 60 das Metallpulver P, das auf der oberen Fläche der Basis 23 abgelagert wurde, durch eine Wärmeübertragung über die Basis 23. Das zweite Heizgerät 60 ist in der Lage, das Metallpulver P kontinuierlich zu erwärmen, das auf die obere Fläche der Basis 23 geschichtet ist, mit einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt des Metallpulvers P ist. Ungleich zu dem Lichtstrahl 40a schmilzt nämlich das zweite Heizgerät 60 das Metallpulver P ähnlich wie das erste Heizgerät 50 nicht.
In einem Zustand, in dem ein Teil des geformten Artikels W auf der oberen Fläche der Basis 23 ausgebildet ist, erwärmt das zweite Heizgerät 60 über die Basis 23 und das Teil des geformten Artikels W das Metallpulver P, bevor es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird. Der Heizbereich des zweiten Heizgeräts 60 ist breiter als der Strahlbereich des Lichtstrahls 40a und der Heizbereich des ersten Heizgeräts 50 eingestellt, und ist auf einen Bereich eingestellt, der teilweise den Strahlbereich des Lichtstrahls 40a und den Heizbereich des ersten Heizgeräts 50 hat. Das zweite Heizgerät 60 kann innerhalb der Basis 23 oder des Formbehälters 21 anstelle des Hebetischs 22 bereitgestellt sein.
Der Temperatursensor 70 ist innerhalb der Kammer 10 an einer Position angeordnet, an der der Temperatursensor 70 zu der oberen Fläche der Basis 23 gerichtet ist. Der Temperatursensor 70 erfasst die Temperatur des Metallpulvers P, das auf der Basis 23 abgelagert ist. Insbesondere erfasst der Temperatursensor 70 die Temperatur in dem Heizbereich des ersten Heizgeräts 50. Der Temperatursensor 70 ist in der Lage, die Erfassungsposition in der horizontalen Richtung ähnlich zu dem Lichtstrahlabstrahlgerät 40 und dem ersten Heizgerät 50 zu verschieben. Der Temperatursensor 70 erfasst die Temperatur des Metallpulvers P direkt bevor es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird.
Als nächstes wird der Zustand des Rands des mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlten Abschnitts mit Bezug auf die 2 beschrieben. Die 2 stellt einen Fall dar, in dem der Lichtstrahl 40a in der 2 in einem Zustand von rechts nach links bewegt wird, in dem das Metallpulver P geschichtet ist. Das Metallpulver P wird geschmolzen, indem es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird. Wie in der 2 dargestellt ist, hat ein Schmelzbereich Ar1 des Metallpulvers P eine Oberfläche, die mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt ist, eine Oberfläche, die geringfügig den Rand der bestrahlten Oberfläche hat, und einen Bereich in einer Richtung der Tiefe von diesen Oberflächen nach. Der Bereich in der Richtung der Tiefe der Oberflächen nach ist an der Mitte mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlten Oberfläche am tiefsten, und ist seichter, wenn der Bereich weiter von der Mitte weg angeordnet ist.
An einem Abschnitt, der davor liegt, dass er mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird, nämlich einem Abschnitt vor dem Lichtstrahl 40a in dessen Bewegungsrichtung, ist das Metallpulver P in einem pulverförmigen Zustand vorhanden. An einem Abschnitt, der mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt ist, nämlich einem Abschnitt hinter dem Lichtstrahl 40a in dessen Bewegungsrichtung, wird das geschmolzene Metallpulver P verfestigt, indem es abgekühlt wird. Der verfestigte Abschnitt dient als ein Teil des geformten Artikels W. An einem Abschnitt, der nicht mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird, verbleibt das Metallpulver P in dem pulverförmigen Zustand.
Das erste Heizgerät 50 erwärmt direkt die Schichtoberfläche des geschichteten Metallpulvers P durch eine Strahlungswärme von oberhalb der Schichtoberfläche des Metallpulvers P. Ein Heizbereich Ar2 des ersten Heizgeräts 50 ist ein Bereich, der durch eine breite kontinuierliche Linie in der 2 umgeben ist. Der Heizbereich Ar2 ist an dem Rand des Schmelzbereichs Ar1 angeordnet, während der Schmelzbereich Ar1 im Wesentlichen an der Mitte des Heizbereichs Ar2 angeordnet ist. Der Heizbereich Ar2 ist nämlich breiter als der Schmelzbereich Ar1. Ein Bereich, in dem die Strahlungswärme des ersten Heizgeräts 50 angewendet ist (Strahlungsbereich), ist breiter als der Strahlungsbereich des Lichtstrahls 40a.
Das erste Heizgerät 50 erwärmt das Metallpulver P, das in dem Heizbereich Ar2 vorhanden ist, nämlich das Metallpulver P direkt bevor es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird. Außerdem erwärmt das erste Heizgerät 50 einen Abschnitt des geschmolzenen Metallpulvers P, das in dem Heizbereich Ar2 vorhanden ist, und nicht mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird. Das erste Heizgerät 50 erwärmt nämlich Abschnitte des Metallpulvers P direkt vor und direkt nach dem Schmelzen. Außerdem erwärmt das erste Heizgerät 50 einen Abschnitt, der an dem Rand des Strahlungsbereichs des Lichtstrahls 40a vorhanden ist und als das Metallpulver P verbleibt, ohne mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt zu werden.
Das zweite Heizgerät 60 erwärmt das geschichtete Metallpulver P durch die Wärmeübertragung über die Stützelemente 21, 22 und 23, die das Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels bestimmen. Das zweite Heizgerät 60 erwärmt nicht nur das Metallpulver P vor dem Schmelzen, sondern auch einen Abschnitt des geschmolzenen Metallpulvers P vor der Verfestigung und einen Teil des geformten Artikels W, der bereits verfestigt wurde. Das zweite Heizgerät 60 erwärmt nämlich alle die Abschnitte, die durch das Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels gestützt sind. Somit erwärmt das zweite Heizgerät 60 einen breiten Bereich mit dem Heizbereich Ar2 des ersten Heizgeräts 50.
Wie voranstehend beschrieben wurde, arbeiten das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 zusammen, um den Heizbereich Ar2 breiter als den Schmelzbereich Ar1 zu erwärmen. Insbesondere erwärmen das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 den Heizbereich Ar2 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs, der später beschrieben werden wird (150°C oder höher und 250°C oder niedriger). Somit wird das Metallpulver P auf eine Temperatur vorgewärmt, die niedriger als der Schmelzpunkt ist, und das erwärmte Metallpulver P wird dadurch geschmolzen, dass es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird. Nachdem das Metallpulver P geschmolzen wurde und der Lichtstrahl 40a bewegt wird, wird ein Abschnitt des geschmolzenen Metallpulvers P vor der Verfestigung durch das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 auf die Temperatur erwärmt, die niedriger als der Schmelzpunkt ist. Der Rand des geschmolzenen Metallpulvers P wird ebenfalls durch das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 auf die Temperatur erwärmt, die niedriger als der Schmelzpunkt ist.
Deswegen wird eine Größe einer Wärmespannung des geschmolzenen Metallpulvers P reduziert, da eine vorübergehende Änderung der Temperatur während eines Zeitraums, in dem das Metallpulver P geschmolzen und dann verfestigt wird, sich im Vergleich mit einem Fall verringert, in dem das Metallpulver P nicht durch das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 erwärmt wird.
Der Temperatursensor 70 erfasst die Temperatur des Metallpulvers P, das in dem Heizbereich Ar2 des ersten Heizgeräts 50 vorhanden ist, nämlich des Metallpulvers direkt bevor es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird. Der Temperatursensor 70 erfasst nämlich die Temperatur in dem Heizbereich Ar2, der in Zusammenwirkung durch das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 erwärmt wird.
Als nächstes wird ein Verfahren zur additiven Fertigung unter Verwendung der Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit Bezug auf die 3 beschrieben. Zuerst ist das Metallpulver P in dem Pulverbehälter 31 des Pulverzufuhrgeräts 30 im Voraus in einem Zustand enthalten, in dem der Zufuhrtisch 32 an dem Boden positioniert ist.
Dann beginnt das erste Heizgerät 50 das Erwärmen (S1: Erwärmungsschritt), und das zweite Heizgerät 60 beginnt ebenfalls das Erwärmen (S2: Erwärmungsschritt). In einem Zustand, in dem das Metallpulver P nicht zu der Basis 23 zugeführt wird, erwärmt das erste Heizgerät 50 direkt die obere Fläche der Basis 23. Das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 können das Erwärmen zu der gleichen Zeit oder zu unterschiedlichen Zeiten beginnen. Um die gesamte Oberfläche der Basis 23 zu erwärmen, ist es geeignet, dass das zweite Heizgerät 60 das Erwärmen zuerst beginnt.
Dann wird das Metallpulver P auf die obere Fläche der Basis 23 geschichtet (S3). Insbesondere wird der folgende Vorgang durchgeführt. Der Zufuhrtisch 32 wird angehoben, um einen Zustand zu erlangen, in dem eine gewünschte Menge des Metallpulvers P von der Öffnung des Pulverbehälters 31 herausragt. Ähnlich wird die Basis 23 des Geräts 20 zum Tragen des geformten Artikels an der oberen Fläche des Anhebetischs 22 angebracht, und der Anhebetisch 22 wird so positioniert, dass die obere Fläche der Basis 23 in der Höhe geringfügig tiefer als die Öffnung des Formbehälters 21 angeordnet ist. Außerdem wird der Wiederbeschichter 33 von dem Pulverzufuhrgerät 30 zu dem Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels bewegt. Somit wird das Metallpulver P in dem Pulverzufuhrgerät 30 auf die obere Fläche der Basis 23 bewegt, und wird mit einer gleichförmigen Dicke auf die obere Fläche der Basis 23 geschichtet.
Dann erfasst der Temperatursensor 70 eine Temperatur Temp der Schichtoberfläche des auf der Basis 23 geschichteten Metallpulvers P. Insbesondere erfasst der Temperatursensor 70 die Temperatur der Schichtoberfläche des geschichteten Metallpulvers P an einer Position, an der die Bestrahlung des Lichtstrahls 40a begonnen wird. Dann wird bestimmt, ob die Temperatur Temp der Schichtoberfläche des Metallpulvers P, das auf der Basis 23 geschichtet ist, gleich hoch wie oder höher als ein vorbestimmter Wert Teth ist (S4). Der vorbestimmte Wert Teth ist eine Temperatur, die auf 150°C oder höher und 250°C oder niedriger eingestellt ist. In dieser Ausführungsform ist der vorbestimmte Wert Teth auf 150°C eingestellt. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist (S4: Nein), wird die Bestimmung fortgeführt, bis die Bedingung erfüllt ist.
Wenn die Temperatur Temp der Schichtoberfläche gleich hoch wie oder höher als der vorbestimmte Wert Teth ist (S4: Ja), beginnt das Lichtstrahlabstrahlgerät 40, den Lichtstrahl 40a abzustrahlen (S5: Lichtstrahlbestrahlungsschritt). Der Lichtstrahl 40a wird ausgehend von einem vorbestimmten Programm abgetastet. Das Lichtstrahlabstrahlgerät 40 erwärmt das Metallpulver P mit einer Temperatur, die gleich hoch wie oder höher als der Schmelzpunkt des Metallpulvers P ist. Das mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlte Metallpulver P wird nämlich geschmolzen und dann verfestigt. Auf diese Weise werden die Körner des Metallpulvers P an der Position, an der der Lichtstrahl 40a bestrahlt wird, durch eine große Kraft zusammengeschmolzen.
Zu dieser Zeit wird der Heizbereich Ar2 des ersten Heizgeräts 50 (in der 2 dargestellt) zusammen mit der Verschiebung der Bestrahlungsposition des Lichtstrahls 40a verschoben. Während der Bestrahlung des Lichtstrahls 40a erfasst der Temperatursensor 70 kontinuierlich die Temperatur des Metallpulvers P direkt bevor es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird.
Dann wird bestimmt, ob die Bestrahlung aller Schichten vollständig ist (S6). Wenn die Bestrahlung aller Schichten nicht vollständig ist (S6: Nein), werden die Verarbeitungsvorgänge von S3 bis S5 wiederholt. Es werden nämlich die zweite und darauffolgenden Schichten des geschichteten Metallpulvers P ähnlich durch das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 erwärmt, bevor der Lichtstrahl 40a abgestrahlt wird. Wenn die Temperatur Temp der Schichtoberfläche des erwärmten Metallpulvers P gleich hoch wie oder höher als der vorbestimmte Wert Teth ist, wird das Metallpulver P mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt. Somit wird jede Schicht des Metallpulvers P mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt, nachdem die Temperatur Temp der Schichtoberfläche des Metallpulvers P gleich hoch wie oder höher als der vorbestimmte Wert Teth ist.
Wenn die Bestrahlung aller Schichten vollständig ist (S6: Ja), beendet das erste Heizgerät 50 das Erwärmen (S7), und das zweite Heizgerät 60 beendet ebenfalls das Erwärmen (S8). Somit ist der geformte Artikel W auf der oberen Fläche der Basis 23 vollständig. Dann wird der vollständige geformte Artikel W von der Basis 23 entfernt.
In dem Verfahren zur additiven Herstellung, das voranstehend beschrieben wurde, beginnen das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 das Erwärmen, bevor die erste Schicht des Metallpulvers P zugeführt wird, aber das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 können das Erwärmen beginnen, nachdem die erste Schicht des Metallpulvers P zugeführt worden ist.
Es wurde ein Versuch durchgeführt, um Risse und Mikrorisse zu evaluieren, die in dem geformten Artikel W ausgebildet werden, wenn das Verfahren zur additiven Fertigung, das voranstehend beschrieben wurde, angewendet wurde, um den geformten Artikel W auszubilden, während die Heiztemperatur von jedem aus dem ersten Heizgerät 50 und dem zweiten Heizgerät 60 geändert wurde.
Es ist bekannt, dass ein Mikroriss ausgebildet wird, der kleiner als ein Riss ist, und eine große Anzahl von Mikrorissen zusammen in einen Riss verbunden werden. Deswegen wurde eine Evaluierung, ob ein Riss ausgebildet wurde, durch das Erfassen der Anzahl der Mikrorisse durchgeführt. Es wurde nämlich berücksichtigt, dass die Ausbildung eines Risses in dem geformten Artikel W derart unterdrückt werden könnte, dass die Anzahl der Mikrorisse pro Einheitsfläche gleich hoch wie oder oder kleiner als eine vorbestimmte Zahl gehalten wurde. Die Evaluierung wurde durchgeführt, wie folgt.
Die durch den Temperatursensor 70 erfasste Temperatur Temp betrug 100°C, 150°C und 250°C. Der Fall, in dem die durch den Temperatursensor 70 erfasste Temperatur Temp 150°C beträgt, bedeutet, dass die Temperatur des Metallpulvers P direkt bevor es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wird, 150°C beträgt. Das Metallpulver P war aus SKD 61 zusammengesetzt. Zum Beispiel war der geformte Artikel W ein rechteckiger Festkörper (Quader).
Der Riss wurde als sichtbarer Riss definiert, der 5mm oder länger ist. Der Mikroriss wurde als kleiner unsichtbarer Riss definiert, der 1mm oder kürzer ist. Die Evaluierung wurde durchgeführt, ob der Riss vorhanden war. Wenn kein Riss vorhanden war, wurde die Anzahl der Mikrorisse pro Einheitsfläche evaluiert. Der Mikroriss wurde evaluiert durch das Abbilden des Querschnitts des geformten Artikels W, der in der Mitte in der Richtung in der Höhe nach mit einem abtastenden Elektronenmikroskop (SEM) genommen wurde, Extrahieren eines vorbestimmten Bereichs in einem erhaltenen SEM-Bild, Zählen der Anzahl der Mikrorisse in dem vorbestimmten extrahierten Bereich, und Berechnen der Anzahl der Mikrorisse pro Einheitsfläche. Da der Riss durch eine große Anzahl von Mikrorissen ausgebildet wurde, die zusammen verbunden sind, wurde der Mikroriss nicht evaluiert, wenn der Riss vorhanden war. Tabelle 1

Durch den Temperatursensor erfasste Temperatur 100°C 150°C 250°C

Vorhandensein/ Abwesend sein eines Risses vorhanden abwesend abwesend

Mikroriss (Zahl/mm²) - 5 1
Die Tabelle 1 zeigt Evaluierungsergebnisse. Wenn die durch den Temperatursensor 70 erfasste Temperatur Temp 100°C betrug, wurde der Riss in dem geformten Artikel W ausgebildet. Wenn die durch den Temperatursensor 70 erfasste Temperatur Temp 150°C und 250°C betrug, wurde kein Riss ausgebildet. Die Anzahl der Mikrorisse pro Einheitsfläche betrug in dem Fall von 150°C fünf, und in dem Fall von 250°C betrug sie eins.
Die Evaluierungsergebnisse haben ergeben, dass die Ausbildung des Risses durch das Einstellen der Temperatur der Schichtoberfläche des Metallpulvers P auf 150°C oder höher unterdrückt werden kann. Die Anzahl der Mikrorisse verringert sich, wenn die Temperatur der Schichtoberfläche des Metallpulvers P über 150°C ansteigt. Insbesondere, wenn die Temperatur der Schichtoberfläche des Metallpulvers P 250°C beträgt, beträgt die Anzahl der Mikrorisse eins, wodurch die Ausbildung des Risses stark unterdrückt werden kann.
Ausgehend von den voranstehend beschriebenen Versuchsergebnissen ist berücksichtigt, dass der Riss aufgrund einer bemerkenswerten Wärmespannung in dem Fall der SKD- Materialien, die einen hohen Kohlenstoffanteil aufweisen, ausgebildet wird. Deswegen wurde das Metallpulver P innerhalb eines Bereichs auf 150°C oder höher erwärmt, der breiter als der Bestrahlungsbereich des Lichtstrahls 40a ist, und das erwärmte Metallpulver P wurde geschmolzen, indem es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wurde. Der Rand des Metallpulvers P, das mit dem Lichtstrahl 40a geschmolzen wurde, wurde nämlich auf 150°C oder mehr erwärmt. Somit ist berücksichtigt, dass die Größe der Wärmespannung des geschmolzenen Metallpulvers P reduziert wurde, da die zeitliche Änderung der Temperatur während des Zeitraums, in dem das Metallpulver P verfestigt wurde, im Vergleich mit dem Fall verringert wurde, in dem das Metallpulver P nicht vorgewärmt wurde. Insbesondere wurde in dem Fall des Metallpulvers P, das aus dem SKD- Material zusammengesetzt ist, bestätigt, dass die Ausbildung des Risses in dem geformten Artikel W derart unterdrückt werden könnte, dass das Metallpulver P direkt vor dem Schmelzen auf 150°C oder höher erwärmt wurde.
Insbesondere, nachdem das Metallpulver P geschmolzen wurde, indem es mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wurde, wurde der Abschnitt des geschmolzenen Metallpulvers P, das nicht mit dem Lichtstrahl 40a bestrahlt wurde, durch das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 auf 150°C oder mehr erwärmt. Somit ist berücksichtigt, dass die Größe der Wärmespannung reduziert wurde, da die zeitliche Änderung der Temperatur während des Zeitraums, in dem das bestrahlte Metallpulver P geschmolzen und dann verfestigt wurde, verringert wurde. In dem Fall des Metallpulvers P, das aus dem SKD- Material zusammengesetzt ist, wurde bestätigt, dass die Ausbildung des Risses in dem geformten Artikel W derart unterdrückt werden konnte, dass der Abschnitt des Metallpulvers P direkt darauffolgend auf das Schmelzen auf 150°C oder mehr erwärmt wurde.
Es wurde gezeigt, dass eine ausreichende Wirkung erlangt wurde, wenn die Temperatur des Metallpulvers P direkt vor dem Schmelzen und die Temperatur des Abschnitts des Metallpulvers P direkt darauffolgend auf das Schmelzen 250°C betrug. Somit ist berücksichtigt, dass die Wirkung der Reduzierung des Grunds der Ausbildung des Risses sich sogar dann nicht stark ändert, falls die Temperaturen höher als 250°C sind. Deswegen ist berücksichtigt, dass die Temperaturen idealerweise gleich hoch wie oder niedriger als 250°C sind. Falls die Temperaturen höher als 250°C sind, steigen die Kosten des ersten Heizgeräts 50 und des zweiten Heizgeräts 60 an. Die Kosten steigen ebenfalls, falls die Wärmewiderstände der Stützelemente erhöht werden, die das Gerät 20 zum Tragen des geformten Artikels bestimmen.
Deswegen ist es geeignet in S4 der 3 zu bestimmen, ob die erfasste Temperatur Temp als der vorbestimmte Wert Teth gleich hoch wie oder höher als 150°C ist. Gemäß der 3 strahlt das Lichtstrahlabstrahlgerät 40 den Lichtstrahl 40a auf das Metallpulver P ab, dessen Schichtoberfläche ausgehend von einem Erfassungsergebnis von dem Temperatursensor 70 auf eine Temperatur von 150°C oder mehr und 250°C oder weniger erwärmt ist.
Es ist geeignet, dass das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 so gesteuert sind, dass die durch den Temperatursensor 70 erfasste Temperatur Temp gleich hoch wie oder niedriger als 250°C ist. In S5 der 3 strahlt das Lichtstrahlabstrahlgerät 40 den Lichtstrahl 40a ab, wenn die erfasste Temperatur Temp als der vorbestimmte Wert Teth gleich hoch wie oder höher als 150°C ist und als ein oberer Grenzwert Temax gleich hoch wie oder niedriger als 250°C ist.
Die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung hat das erste Heizgerät 50 und das zweite Heizgerät 60 als Heizgeräte. Das erste Heizgerät 50 erwärmt direkt die Schichtoberfläche des Metallpulvers P durch Strahlungswärme. Das zweite Heizgerät 60 erwärmt das Metallpulver P und den geformten Artikel W, der auf der oberen Fläche der Basis 23 abgelegt ist, in einem breiten Bereich durch die Wärmeübertragung über die Basis 23 und den auf der Basis 23 ausgebildeten geformten Artikel W. Wenn die Höhe des geformten Artikels W (Höhe des abgelegten Metallpulvers P) ansteigt, steigt der Abstand zwischen der Schichtoberfläche des Metallpulvers P und der Basis 23 an. Deswegen ist es weniger wahrscheinlich, dass Wärme von dem zweiten Heizgerät 60 zu der Schichtoberfläche des Metallpulvers P übertragen wird. Somit kann eine Ungleichmäßigkeit in der Temperatur der Schichtoberfläche des Metallpulvers P auftreten. Da das erste Heizgerät 50 direkt die Schichtoberfläche des Metallpulvers P durch Strahlungswärme erwärmt, kann die Schichtoberfläche des Metallpulvers P stabil ohne Einfluss der Höhe des geformten Artikels W geheizt werden (Höhe des abgelagerten Metallpulvers P).
Wie voranstehend beschrieben wurde, führt das erste Heizgerät 50 das Heizen in einem engen Bereich durch, und das zweite Heizgerät 60 führt das Heizen in einem breiten Bereich durch. Somit kann die thermische Leistungsfähigkeit verbessert werden. Zum Beispiel kann das zweite Heizgerät 60 das Metallpulver P und den geformten Artikel W auf ungefähr auf 100°C erwärmen, und das erste Heizgerät 50 kann lediglich den örtlichen Heizbereich Ar2 auf 150°C oder höher erwärmen. Es ist nicht notwendig, dass der Bereich, der durch das zweite Heizgerät 60 erwärmt werden kann, insgesamt auf 150°C oder höher eingestellt ist. Jedoch ist es notwendig den Heizbereich Ar2, direkt bevor der Lichtstrahl 40a abgestrahlt wird, auf 150°C oder höher zu erwärmen. Dieser Heizvorgang kann durch das Verwenden des ersten Heizgeräts 50 und des zweiten Heizgeräts 60 erlangt werden.
Insbesondere ist das erste Heizgerät 50 in Zusammenhang mit der Bestrahlungsposition des Lichtstrahls 40a von dem Lichtstrahlabstrahlgerät 40 beweglich. Somit kann das erste Heizgerät 50 das Heizen in einem engen Bereich durchführen. Entsprechend kann der voranstehend beschriebene Erwärmungsvorgang wirkungsvoller durchgeführt werden.
Eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung hat Heizgeräte 50, 60, die konfiguriert sind, ein geschichtetes Metallpulver P, das aus einem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, auf eine Temperatur zu erwärmen, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als ein Schmelzpunkt ist, und ein Lichtstrahlabstrahlgerät 40, das konfiguriert ist, einen Lichtstrahl 40a auf das Metallpulver P abzustrahlen, das durch die Heizgeräte 50, 60 auf die Temperatur erwärmt ist, die gleich hoch wie oder höher als 150°C ist und niedriger als der Schmelzpunkt ist, um das Metallpulver P zu schmelzen und einen geformten Artikel W auszubilden. Der Lichtstrahl 40a wird in einem Bereich abgestrahlt, der enger als ein Heizbereich der Heizgeräte 50, 60, ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018 A [0002]
JP 2017 A [0002]
JP 2017 [0002]
JP 43805 A [0002]

Claims

Vorrichtung zur additiven Fertigung, mit: einem Heizgerät, das konfiguriert ist, ein geschichtetes Metallpulver das aus einem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, auf eine Temperatur zu erwärmen, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als ein Schmelzpunkt ist; einem Lichtstrahlabstrahlgerät, das konfiguriert ist, einen Lichtstrahl auf das Metallpulver abzustrahlen, das durch das Heizgerät auf die Temperatur erwärmt wurde, die gleich hoch wie oder höher als 150°C ist und niedriger als der Schmelzpunkt ist, um das Metallpulver zu schmelzen und einen geformten Artikel auszubilden, wobei der Lichtstrahl in einem Bereich abgestrahlt wird, der enger als ein Heizbereich des Heizgeräts ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 1, wobei das Heizgerät konfiguriert ist, das geschichtete Metallpulver so zu erwärmen, dass eine Schichtoberfläche des geschichteten Metallpulvers die Temperatur aufweist, die gleich hoch wie oder höher als 150°C ist und niedriger als der Schmelzpunkt ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 2, außerdem mit einem Temperatursensor, der konfiguriert ist, eine Temperatur der Schichtoberfläche des geschichteten Metallpulvers zu verfassen, wobei das Lichtstrahlabstrahlgerät konfiguriert ist, den Lichtstrahl abzustrahlen, wenn die Schichtoberfläche des Metallpulvers ausgehend von einem Erfassungsergebnis des Temperatursensors auf die Temperatur erwärmt ist, die gleich hoch wie oder höher als 150°C ist und niedriger als der Schmelzpunkt ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizgerät derart konfiguriert ist, dass, nachdem das Metallpulver geschmolzen wurde, indem es mit dem Lichtstrahl bestrahlt worden war, ein Abschnitt des geschmolzenen Metallpulvers, der nicht mit dem Lichtstrahl bestrahlt worden war, auf eine Temperatur erwärmt wird, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als der Schmelzpunkt ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Heizgerät ein erstes Heizgerät hat, das konfiguriert ist, die Schichtoberfläche des geschichteten Metallpulvers direkt zu erwärmen.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 5, außerdem mit einem Stützelement, das konfiguriert ist, das geschichtete Metallpulver zu stützen, wobei das Heizgerät außerdem ein zweites Heizgerät hat, das in das Stützelement eingebaut ist und konfiguriert ist, das Stützelement zu erwärmen, um das geschichtete Metallpulver über das Stützelement zu erwärmen, und das erste Heizgerät in Zusammenwirkung mit einer Bestrahlungsposition des Lichtstrahls von dem Lichtstrahlabstrahlungsgerät beweglich ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Heizgerät konfiguriert ist, das Metallpulver auf 150°C oder höher und auf 250°C oder weniger zu erwärmen.
Verfahren zur additiven Fertigung, mit: Erwärmen eines geschichteten Metallpulvers, das aus einem legierten Werkzeugstahl zusammengesetzt ist, auf eine Temperatur, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als ein Schmelzpunkt ist; Abstrahlen eines Lichtstrahls auf das Metallpulver, das auf die Temperatur erwärmt wurde, die gleich hoch wie oder höher als 150°C und niedriger als der Schmelzpunkt ist, um das Metallpulver zu schmelzen und einen geformten Artikel auszubilden, wobei der Lichtstrahl in einem Bereich abgestrahlt wird, der enger als ein Heizbereich ist.