DE112019003093T5

DE112019003093T5 - Vorrichtung zur dreidimensionalen gestaltung und verfahren zur dreidimensionalen gestaltung

Info

Publication number: DE112019003093T5
Application number: DE112019003093.0T
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Maehana; Daisuke Noda; Tsunemoto Kuriyagawa; Masayoshi Mizutani
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2021-03-04
Also published as: JP7084224B2; CN112236253A; JP2019218600A; US20210114108A1; CN112236253B; WO2019244416A1

Abstract

Die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung (100) ist mit einer Pulverzufuhrvorrichtung (10) versehen, um Pulver (90) durch Fallenlassen des Pulvers auf eine Oberfläche (81) eines Werkstücks (80) als Gestaltungsobjektes zuzuführen, wobei die Oberfläche beispielsweise eine gekrümmte Oberfläche ist. Ferner ist die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung (100) mit einer Laserlichtbestrahlungsvorrichtung (20) versehen, um eine Schicht des Pulvers (90), das von der Pulverzufuhrvorrichtung (10) zugeführt und abgelagert wird, mit einem Laserlicht (25) als Energiestrahl zu bestrahlen. Auf diese Weise werden eine dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung und ein dreidimensionales Gestaltungsverfahren bereitgestellt, die in der Lage sind, eine Balkenstruktur auf einer gekrümmten Oberfläche eines Gestaltungsobjektes zu formen.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Gestaltung bzw. Formgebung bzw. dreidimensionale Formgebungs- bzw. Gestaltungsvorrichtung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Gestaltung bzw. dreidimensionales Gestaltungsverfahren.
STAND DER TECHNIK
Als dreidimensionale Gestaltungstechnik werden häufig die beiden folgenden technischen Fertigkeiten eingesetzt. Das heißt, die eine ist ein Pulverbett-Schmelzverbindungsverfahren (im Folgenden als PBF(Powder-Bed-Fusion)-Verfahren bezeichnet) (siehe z.B. Patentschrift 1). Die andere ist ein direktes Energie-Abscheidungsverfahren (im Folgenden als DED(Direct Energy Deposition)-Verfahren bezeichnet) (siehe z.B. Patentschrift 2).
Beim PBF-Verfahren wird ein Pulver mit Hilfe einer Walze bzw. Rolle oder eines Blatts bzw. einer Klinge horizontal ausgebreitet bzw. verteilt, dann wird ein programmiertes Laserlicht darüber gescannt bzw. gerastert, so dass das Pulver geschmolzen und verbunden wird. Entsprechend einer Scanner- bzw. Rasterspur wird eine gestaltete bzw. geformte Schicht mit einer gezielten Form gebildet. Danach wird eine solche gestaltete Schicht wiederholt laminiert, so dass eine dreidimensionale komplexe Form entsteht. Bei diesem Verfahren wird in einem Zustand, in dem Massen als Teile eines Produkts durch Schmelzen des Pulvers und ungeschmolzenes Pulver, das zwischen die Massen gefüllt ist, als ein unterer Teil des Produkts angeordnet bzw. abgelagert werden, wobei eine neue Pulverschicht nacheinander darauf bzw. darüber laminiert wird. Das ungeschmolzene Pulver wird nicht entfernt, bis das endgültige dreidimensionale Produkt fertiggestellt ist. Das gefüllte, ungeschmolzene Pulver wird zur Basis für das Pulver, das eine obere bzw. darüberliegende Schichtstruktur bilden soll, so dass eine Struktur (im Folgenden „Strahlstruktur“ bzw. „Balkenstruktur“) mit einer Form, in der Strahl- bzw. Balkenteile und Säulen- bzw. Spaltenteile zu einer komplexen Struktur geformt werden, geformt werden kann.
Auf diese Weise ist das PBF-Verfahren in der Lage, eine hohle, komplexe Form zu gestalten, die nicht durch Entfernungs- bzw. Abtragbearbeitung realisiert werden kann. Insbesondere kann mit dem PBF-Verfahren eine Balkenstruktur wie z.B. eine Gitterstruktur oder eine poröse Struktur hergestellt werden. Durch Anwendung dieser Balkenstruktur auf einen Teil der Form eines bestehenden Bauteils bzw. einer bestehenden Komponente kann beispielsweise ein Bauteil mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht hergestellt werden. Auf diese Weise können verschiedene Vorteile erzielt werden. Darüber hinaus wird die Aufmerksamkeit auf die Entwicklung verschiedener Produkte durch Anwendung der Balkenstruktur gelenkt.
Andererseits ist das DED-Verfahren ein Verfahren, bei dem durch eine Düse injiziertes bzw. eingespritztes Pulver in ein durch Laserlichtbestrahlung gebildetes Schmelzbad zugeführt wird, so dass das Pulver geschmolzen wird, um zu einem Teil des Schmelzbades zu werden und dann erstarrt bzw. kristallisiert wird und eine Aufbauschicht bildet. Bei dem DED-Verfahren steuert ein Roboter einen Düsenbrenner, der Laserlicht und Pulver emittiert, wodurch eine Aufbaureparatur für ein verlorenes Teil auf einem Bauteil mit beliebiger Form durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ist das DED-Verfahren auch in der Lage, einem bestehenden Bauteil eine neue Form zu geben oder es zu gestalten. Darüber hinaus wird das DED-Verfahren auf die Möglichkeit neuer funktioneller Produkte untersucht, indem eine Struktur mit einem Material, das sich von dem Basiselement unterscheidet, gegeben oder gestaltet wird.
Auf diese Weise ist das DED-Verfahren in der Lage, eine neue Struktur auf eine bestehende Komponente hinzuzufügen und eine bestehende Komponente zu reparieren. Mit anderen Worten, das PBF-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Gestaltungskörper vollständig mit einem teuren Pulver geformt wird, während das DED-Verfahren ein Verfahren ist, bei dem eine Struktur zu einem bestehenden Bauteil hinzugefügt wird. Aus diesem Grund wird bei dem DED-Verfahren ein kostengünstiger Schüttgutkörper als Basis verwendet und nur ein notwendiges Teil gestaltet wird, so dass bei dem DED-Verfahren weniger Pulver verwendet wird.
SCHRIFTEN DES STANDS DER TECHNIK
PATENTSCHRIFT

Patentschrift 1: JP 2004-124200 A
Patentschrift 2: JP 2016-078205 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
Im Falle der Überlegung, eine Balkenstruktur mit dem DED-Verfahren zu gestalten, wird jedoch, selbst wenn Pulver für eine Basis bzw. Unterlage mit irgendeinem Verfahren vorbereitet wird, ein niedrigeres bzw. darunterliegendes ungeschmolzenes Pulver, das eine Basis sein soll, durch einen Pulverinjektionsstrahl weggeblasen. Aus diesem Grund ist es schwierig, eine Balkenstruktur mit dem DED-Verfahren zu gestalten.
Andererseits ist es bei dem PBF-Verfahren, um zu verhindern, dass die Gestaltung Defekte erzeugt, notwendig, dass das Pulver vor der Gestaltung genau bzw. akkurat an einer gewünschten Stelle bzw. Position bereitgestellt wird und die Variation bzw. der Unterschied der Schichtdicke des Pulvers, das bereitgestellt werden soll, wird reduziert. Das heißt, bei dem PBF-Verfahren ist es notwendig, dass das Pulver genau bzw. akkurat bereitgestellt und akkurat entsorgt wird. Aus diesem Grund wird beim PBF-Verfahren das Pulver horizontal gestreut, während es durch eine Walze oder ein Blatt gepresst wird. Auf diese Weise ist das PBF-Verfahren in der Lage, eine Pulverschicht mit konstanter Dicke auf einer Ebene zu formen, aber es ist schwierig, eine Pulverschicht mit konstanter Dicke auf einem Bauteil mit einer Freiformfläche zu formen.
Wie oben erwähnt, ist bei dem DED-Verfahren die Gestaltung auf einer gekrümmten Oberfläche möglich, aber die Gestaltung einer Balkenstruktur ist nicht möglich. Andererseits ist im PBF-Verfahren die Gestaltung einer Balkenstruktur möglich, aber die Gestaltung auf einer gekrümmten Oberfläche ist nicht möglich. Mit anderen Worten, mit herkömmlichen dreidimensionalen Gestaltungstechniken ist es nicht möglich, eine Balkenstruktur auf einer gekrümmten Oberfläche eines bestehenden Bauteils (Werkstücks) als Gestaltungsobjekt bzw. - gegenstand zu gestalten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung und ein dreidimensionales Gestaltungsverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Balkenstruktur auf einer gekrümmten Oberfläche eines Gestaltungsobjekts zu gestalten.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Um die Probleme zu lösen, wird eine dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Pulverzufuhrvorrichtung versehen, um Pulver durch Fallenlassen des Pulvers auf eine Oberfläche eines Gestaltungsobjekts zuzuführen. Ferner ist die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung mit einer Energiestrahlbestrahlungsvorrichtung versehen, um eine Schicht des Pulvers, das von der Pulverzufuhrvorrichtung zugeführt und abgelagert wird, mit einem Energiestrahl zu bestrahlen.
Ein dreidimensionales Gestaltungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Pulverzufuhrprozess, um Pulver durch Fallenlassen des Pulvers auf eine gekrümmte Oberfläche eines Gestaltungsobjekts zuzuführen. Ferner umfasst das dreidimensionale Gestaltungsverfahren einen Energiestrahlbestrahlungsprozess, um eine Schicht des Pulvers, das in dem Pulverzufuhrprozess zugeführt und abgelagert wird, mit einem Energiestrahl zu bestrahlen.
EFFEKT BZW. WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung können eine dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung und ein dreidimensionales Formgebungsverfahren bereitgestellt werden, die in der Lage sind, eine Balkenstruktur auf einer gekrümmten Oberfläche eines Gestaltungsobjekts zu gestalten bzw. zu formen.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration bzw. Einrichtung einer dreidimensionalen Gestaltungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine in 1 gezeigte Pulverzufuhrvorrichtung zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine in 1 gezeigte Oberflächenformmessvorrichtung zeigt; und
4 ist ein Flussdiagramm, das die Inhalte eines dreidimensionalen Gestaltungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.

MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von Zeichnungen entsprechend ausführlich erläutert. Gemeinsame Komponenten oder ähnliche Bauteile werden in jeder Zeichnung mit demselben Symbol bzw. Bezugszeichen gekennzeichnet, und doppelte Erläuterungen werden weggelassen.
1 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer dreidimensionalen Gestaltungsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In dieser Ausführungsform ist die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung 100 eine dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung, die einen dreidimensionalen Gestaltungskörper formt, indem es eine Schicht aus Metallpulver 90 mit einem Laserlicht 25 als Energiestrahl bestrahlt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung 100 eine Pulverzufuhrvorrichtung 10, eine Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 als Energiestrahlbestrahlungsvorrichtung, eine Bewegungsvorrichtung 30, eine Oberflächenformmessvorrichtung 40, eine Kameravorrichtung 50 und eine Steuervorrichtung 60. Die Pulverzufuhrvorrichtung 10 und die Bewegungsvorrichtung 30 sind in einer Kammer 70 untergebracht.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die die in 1 gezeigte Pulverzufuhrvorrichtung 10 schematisch zeigt. Wie in 2 dargestellt, liefert bzw. führt die Pulverzufuhrvorrichtung 10 das Pulver 90 zu, indem sie das Pulver 90 auf eine Oberfläche 81 eines Werkstücks 80 fallen lässt, wobei das Werkstück 80 ein bestehendes Bauteil (einschließlich eines fertigen Produkts) als Gestaltungsobjekt ist. Hier ist das Werkstück 80 eine gekrümmte Platte, und die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 ist z.B. eine gekrümmte Oberfläche wie eine Bogenoberfläche. Die Pulverzufuhrvorrichtung 10 kann unter Verwendung einer hochpräzisen Pulverwaage konstruiert bzw. aufgebaut werden, so dass das Pulver 90 stabil und kontinuierlich mit einer akkuraten Menge durch einen Zufuhranschluss 11 zugeführt werden kann.
Zum Beispiel kann eine Legierung bzw. ein Gemisch wie Aluminium, Eisen, Edelstahl, Titan, Metallnitrid als Metallpulver 90 verwendet werden. Um das Pulver 90 gleichmäßig auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 abzuscheiden, ohne dass es kristallisiert, wird bevorzugt, dass das Pulver 90 bis zu einem gewissen Grad eine gute Fluidität bzw. ein gutes Fließverhalten aufweist, d.h. der Reibungs- bzw. Schüttwinkel ist relativ klein. Hier ist der Schüttwinkel ein Winkel zwischen der Neigung eines Berges und der horizontalen Ebene, wenn das Pulver 90, nachdem es aus einer vorbestimmten Höhe gefallen ist, den Berg bildet, der stabil ist und nicht einstürzt. Es wird bevorzugt, dass die Partikelgröße des Pulvers 90 10 bis 45 µm ist. In einem Fall, in dem die Teilchengröße zu klein ist, wird die Fluidität der Teilchen des Pulvers 90 beeinträchtigt, so dass es schwierig wird, eine Schicht des Pulvers 90 zu formen, wobei die Schicht eine gleichmäßige Dicke hat. In einem Fall, in dem die Teilchengröße zu groß ist, wird es schwierig, eine akkurate Form eines Gestaltungskörpers zu erhalten.
In dieser Ausführungsform ist die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung 100 (siehe 1) mit Wandteilen 75 versehen, die das von der Pulverzufuhrvorrichtung 10 zugeführte Pulver 90 vorübergehend auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 halten. Jedes Wandteil 75 ist ein plattenförmiges Element, das vertikal auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 steht, um einen vorbestimmten Bereich von dem anderen Bereich zu trennen, wobei der vorbestimmte Bereich einen Gestaltungsbereich auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 umfasst bzw. einschließt. Die Wandteile 75 dieser Ausführungsform sind ein paralleles Paar plattenförmiger Elemente, die den oben erwähnten vorbestimmten Bereich sandwichartig zwischen sich einschließen, aber sind nicht auf diese beschränkt, und können vier plattenförmige Elemente sein, die den jeweiligen Seiten eines Rechtecks, einem Rahmenelement oder dergleichen entsprechen.
Die Wandteile 75 können z.B. auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 angeordnet bzw. abgesetzt werden, indem die Wandteile 75 beispielsweise durch einen Bewegungsmechanismus (nicht abgebildet), der an einer Basis 31 vorgesehen ist, an die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 herangeführt und von ihr wegbewegt werden. Es ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Wandteile 75 können auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 angeordnet werden, indem das Wandteil 75 durch eine Robotervorrichtung bewegt wird.
Es soll beachtet werden, dass die Wandteile 75 nicht unbedingt bereitgestellt werden müssen. Zum Beispiel können in einem Fall, in dem die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 eine Ebene oder eine gekrümmte Oberfläche mit mäßiger Neigung oder dergleichen ist, da das Pulver 90 durch eigene Haltekraft auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 gehalten werden kann, die Wandteile 75 weggelassen werden.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine in 1 gezeigte Oberflächenformmessvorrichtung 40 zeigt.
Wie in 3 dargestellt, misst die Oberflächenformmessvorrichtung 40 eine Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90, wobei die Schicht von der Pulverzufuhrvorrichtung 10 zugeführt und abgelagert wurde. Als Oberflächenformmessvorrichtung 40 kann zum Beispiel ein Laserwegmessgerät bzw. Laserverschiebungsmessgerät verwendet werden. Das Laserverschiebungsmessgerät bestrahlt ein Messobjekt bzw. ein zu messendes Objekt mit bandförmigem Laserlicht, empfängt das reflektierte Licht durch ein Lichtempfangselement und erzeugt nach dem Prinzip der Triangulation ein Gestaltungsprofil des Messobjekts.
Wie in 1 dargestellt, bestrahlt die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 die Schicht des Pulvers 90, das von der Pulverzufuhrvorrichtung 10 zugeführt und mit dem Laserlicht 25 abgelagert wird. Die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 ist mit einer Laserlichtquelle 21, Spiegeln (Galvano-Spiegel) 22, 23 und einem Objektiv- bzw. Linsensystem 24 ausgestattet.
Die Laserlichtquelle 21 strahlt das Laserlicht 25 aus. Als Laserlichtquelle 21 kann ein Glasfaser- bzw. Faserlaser, ein CO₂-Laser o.ä. verwendet werden. Weiterhin wird bevorzugt, dass das Laserlicht 25 ein Pulsschwingungslaser ist. Eine Bestrahlung mit kleinerer Leistung bzw. Ausgabe ist durch den Einsatz eines Pulsschwingungslasers möglich. Somit ist es möglich, den Einfluss von Wärme auf ein Gestaltungsobjekt, das als Basis für die Gestaltung dient, zu reduzieren. Dadurch kann die Verformung des Gestaltungskörpers weiter unterdrückt werden. Das Laserlicht 25 ist jedoch nicht auf einen Pulsschwingungslasers beschränkt und kann ein CW(kontinuierliche Welle)-Laser sein.
Das Linsensystem 24 fokussiert das Laserlicht 25. Ferner wird durch Änderung des Winkels der Spiegel 22, 23 durch eine Antriebsvorrichtung (nicht abgebildet) eine Einstrahlrichtung des Laserlichts 25 geändert. Das heißt, eine Position, an der die Bestrahlung des Laserlichts 25 erfolgt, wird durch Drehungen der Spiegel 22, 23 eingestellt.
Die Kameravorrichtung 50 fotografiert eine Oberfläche der Schicht des Pulvers 90, nachdem die Bestrahlung mit dem Laserlicht 25 durchgeführt wurde. Mit anderen Worten, die Kameravorrichtung 50 fotografiert eine Oberfläche der Schicht des Pulvers 90, wobei die Schicht den Gestaltungsbereich, in dem das Pulver 90 durch Bestrahlung mit Laserlicht 25 geschmolzen, gebunden und kristallisiert wurde, und einen Bereich, in dem das Pulver 90 nicht mit Laserlicht 25 bestrahlt und somit nicht geschmolzen ist, umfasst.
Die Bewegungsvorrichtung 30 ist eine Vorrichtung zum Bewegen des Werkstücks 80. In dieser Ausführungsform ist die Bewegungsvorrichtung 30 mit einer Basis 31, auf die das Werkstück 80 gesetzt wird, und einem Antriebsmechanismus 32 zum Bewegen der Basis 31 versehen. Der Antriebsmechanismus 32 umfasst eine Führungsvorrichtung zur Führung der Bewegung der Basis 31 und eine Antriebsvorrichtung zur Erzeugung der Antriebskraft, um die Basis 31 zu bewegen. Der Antriebsmechanismus 32 kann die Basis 31 in einer X-Richtung, einer Y-Richtung und einer Z-Richtung bewegen, wobei die X-Richtung eine Links-Rechts-Richtung in 1 ist, die Y-Richtung eine Richtung orthogonal zum Blatt bzw. zur Blattebene von 1 ist und die Z-Richtung eine Oben-Unten-Richtung ist. Die Bewegungsvorrichtung 30 ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Einrichtung beschränkt und kann z.B. eine Robotervorrichtung sein, um die Haltung bzw. Stellung und Position des Werkstücks 80 zu ändern, während das Werkstück 80 gehalten wird.
Die Kammer 70 ist ein Gefäß bzw. ein Behälter aus Metall wie z.B. Edelstahl. Die Kammer 70 ist so eingerichtet, dass sie abgedichtet werden kann und der Druck in der Kammer 70 ist durch Evakuierung des Inneren der Kammer 70 mit Hilfe eines Absaugmechanismus (nicht abgebildet) reduzierbar. Darüber hinaus dient der Absaugmechanismus auch als Absaugöffnung bzw. -anschluss zum Absaugen von Metallrauch (Metalldampf), der aus dem vom Laser während der Bearbeitung geschmolzenen Pulver entsteht. Ein Inertgas wie Argon oder Stickstoff wird in das Innere der Kammer 70 geleitet, aus dem/der Sauerstoff durch Vakuumabsaugung entfernt wurde. Darüber hinaus ist die Kammer 70 mit einem Fenster (nicht abgebildet) für den Durchtritt des Laserlichts 25, einem weiteren Fenster zum Messen einer Oberflächenform und einem weiteren Fenster zum Fotografieren mit der Kameravorrichtung versehen.
Die Steuervorrichtung 60 ist mit einer CPU („Central-Processing-Unit, engl. Für zentrale Verarbeitungseinheit) und einem Speicherteil, wie z.B. einem Speicher, einer nicht gezeigten Festplatte, versehen. Im Speicherteil werden dreidimensionale Formdaten einer dreidimensional zu formenden Struktur und Verarbeitungsbedingungsdaten reserviert bzw. gespeichert. Die dreidimensionalen Formdaten und die Verarbeitungsbedingungsdaten können durch die Steuervorrichtung 60 oder durch eine externe Vorrichtung erzeugt werden, um sie in die Steuervorrichtung 60 einzugeben. Die Steuervorrichtung 60 steuert die Laserlichtquelle 21, die Spiegel 22, 23 und das Linsensystem 24 in Abhängigkeit von den Verarbeitungsbedingungsdaten, um die Ausgabeeigenschaften bzw. -merkmale des Laserlichts 25, eine Abtastgeschwindigkeit, ein Abtastintervall und eine Bestrahlungsposition einzustellen.
Die Steuervorrichtung 60 steuert die Bewegungsvorrichtung 30, um das Werkstück 80 zu bewegen. Darüber hinaus steuert die Steuervorrichtung 60 die Oberflächenformmessvorrichtung 40, um eine Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90 zu messen, und steuert die Kameravorrichtung 50, um eine Oberfläche der Schicht des Pulvers 90 zu fotografieren.
Die Steuervorrichtung 60 umfasst einen Berechnungsteil 61 und einen Bildverarbeitungsteil 62. Der Berechnungsteil 61 und der Bildverarbeitungsteil 62 werden realisiert, indem ein im Speicherteil der Steuervorrichtung 60 gespeichertes Programm auf bzw. in dem Speicher ausgeführt wird. Der Berechnungsteil 61 berechnet eine Dicke der Schicht bzw. Schichtdicke des Pulvers 90 auf der Grundlage einer Änderung der Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90, die von der Oberflächenformmessvorrichtung 40 vor und nach der Zufuhr des Pulvers 90 gemessen wird. Konkret wird eine Schichtdicke des Pulvers 90 aus einer Verschiebung einer Oberfläche der Schicht des Pulvers 90 in Z-Richtung (oben-unten-Richtung) berechnet. Darüber hinaus unterscheidet der Bildverarbeitungsteil 62 den Gestaltungsbereich auf der Grundlage eines Bildes der Oberfläche der Schicht des Pulvers 90, wo die Bestrahlung mit dem Laserlicht 25 erfolgt, wobei das Bild von der Kameravorrichtung 50 aufgenommen wird. Insbesondere kann auf der Oberfläche der Schicht des Pulvers 90 beispielsweise ein Bereich mit einer Farbe, die sich von der eines Randbereichs mit ungeschmolzenem Pulver 90 unterscheidet, als der Gestaltungsbereich bestimmt werden, in dem das Pulver 90 mit dem Laserlicht 25 bestrahlt wurde und geschmolzen, gebunden und kristallisiert wurde.
Eine Anzeigevorrichtung 63 und eine Eingabevorrichtung 64 sind mit der Steuervorrichtung 60 verbunden. Die Anzeigevorrichtung 63 ist z.B. eine Flüssigkristallanzeige (LCD). Die Anzeigevorrichtung 63 zeigt verschiedene Informationen an, wie z.B. eine Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90, die von der Oberflächenformmessvorrichtung 40 gemessen wurde, ein Bild einer Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90, das von der Kameravorrichtung 50 fotografiert wurde, einen Betriebsbildschirm und eine Warnmeldung. Die Eingabevorrichtung 64 ist z.B. eine Tastatur oder eine Maus und empfängt die Operationen bzw. die Bedienung des Benutzers zur Erstellung oder Eingabe der dreidimensionalen Formdaten und/oder der Verarbeitungsbedingungsdaten und gibt verschiedene Informationen wie z.B. eine Startanweisung für dreidimensionale Gestaltungsarbeiten ein.
4 ist ein Flussdiagramm, das die Inhalte des dreidimensionalen Gestaltungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.
Wie in 4 dargestellt, wird zunächst das zu fixierende Werkstück 80 auf die Basis 31 der Bewegungsvorrichtung 30 gesetzt (S1). Dann wird, nachdem die Vakuumabsaugung auf das Innere der Kammer 70 angewendet wurde, Inertgas in das Innere der Kammer 70 zugeführt.
Als nächstes wird eine Form der Oberfläche 81 (Oberflächenform) des Werkstücks 80 mit dem Oberflächenformmessgerät 40 gemessen (S2). Hier steuert die Steuervorrichtung 60 die Oberflächenformmessvorrichtung 40, um die Form der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 zu messen, während die Steuervorrichtung 60 die Bewegungsvorrichtung 30 steuert, um das Werkstück 80 in einer horizontalen Richtung (z.B. in der links-Richtung in 1, wobei die links-Richtung eine Richtung von einer Position unter der Oberflächenformmessvorrichtung 40 zu einer Position unter der Pulverzufuhrvorrichtung 10 ist) mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen.
Als nächstes wird eine angemessene bzw. geeignete Menge des Pulvers 90 zugeführt (S3), indem es von der Pulverzufuhrvorrichtung 10 auf die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 fallen gelassen wird, wobei die Oberfläche 81 beispielsweise gekrümmt ist. Hier steuert die Steuervorrichtung 60 die Pulverzufuhrvorrichtung 10, um eine bestimmte Menge des Pulvers 90 auf die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 fallen zu lassen, während die Steuervorrichtung 60 die Bewegungsvorrichtung 30 steuert, um das Werkstück 80 in horizontaler Richtung (in die rechts-Richtung in 1) mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen. Dies ermöglicht die Bildung einer dünnen Schicht des Pulvers 90, die auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 abgelagert wird.
Als nächstes wird eine Oberflächenform der Schicht des auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 abgelagerten Pulvers 90 mit der Oberflächenformmessvorrichtung 40 gemessen (S4). Dabei steuert die Steuervorrichtung 60 die Oberflächenformmessvorrichtung 40, um die Oberflächenform der Schicht des abgelagerten Pulvers 90 zu messen, während die Steuervorrichtung 60 die Bewegungsvorrichtung 30 steuert, um das Werkstück 80 in der horizontalen Richtung (in die rechts-Richtung in 1) mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen.
Im Schritt S5 berechnet die Steuervorrichtung 60 eine Schichtdicke des Pulvers 90 aufgrund einer Änderung der Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90 vor und nach der Zufuhr des Pulvers 90. Dabei wird in einem Fall, in dem eine Dicke der zuerst gebildeten untersten Schicht berechnet wird, die Dicke auf der Grundlage der zuvor gemessenen Änderung der Oberflächenform (siehe Schritt S2) der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 berechnet. Und die Steuervorrichtung 60 beurteilt, ob die berechnete Dicke der Schicht des Pulvers 90 innerhalb eines voreingestellten akzeptablen Bereichs einer Dicke von einer Schicht liegt oder nicht.
In einem Fall, in dem die Schichtdicke des Pulvers 90 nicht innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt (Nein bei S5), beendet die Steuervorrichtung 60 die dreidimensionale Gestaltungsarbeit nach Durchführung eines vorbestimmten Warnvorgangs (S6). Der vorbestimmte Warnvorgang wird z.B. so durchgeführt, dass auf der Anzeigevorrichtung 63 eine Warnmeldung angezeigt wird, die besagt bzw. anzeigt, dass die Schichtdicke des Pulvers 90 außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt.
In einem Fall, in dem die Schichtdicke des Pulvers 90 innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt (Ja bei S5), erfolgt die Erwärmung durch Bestrahlung mit dem Laserlicht 25 (S7). Das heißt, die Steuervorrichtung 60 steuert die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20, um die Schicht des Pulvers 90 mit dem Laserlicht 25 zu bestrahlen, nachdem die Steuervorrichtung 60 die Bewegungsvorrichtung 30 steuert, um das Werkstück 80 in eine Position unter der Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 zu bewegen. Dadurch kann der Gestaltungsbereich gebildet werden, in dem das Pulver 90 geschmolzen, gebunden und kristallisiert wurde.
Dann wird die Oberfläche der Schicht des Pulvers 90 von der Kameravorrichtung 50 fotografiert (S8), nachdem das Laserlicht 25 emittiert wurde. Während hier die Steuervorrichtung 60 die Bewegungsvorrichtung 30 steuert, um das Werkstück 80 in der horizontalen Richtung (in links-Richtung in 1) mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, steuert die Steuervorrichtung 60 die Kameravorrichtung 50, um die Oberfläche der Schicht des Pulvers 90 zu fotografieren, wobei die Oberfläche mit dem Laserlicht 25 bestrahlt wurde.
Im Schritt S9 bestimmt die Steuervorrichtung 60 den Gestaltungsbereich auf der Grundlage des Bildes der Oberfläche der Schicht des Pulvers 90, wobei die Oberfläche mit dem Laserlicht 25 bestrahlt wurde. Dann beurteilt die Steuervorrichtung 60, ob der bestimmte Gestaltungsbereich innerhalb eines voreingestellten akzeptablen Bereichs des Gestaltungsbereichs liegt oder nicht.
In einem Fall, in dem der Gestaltungsbereich nicht innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt (Nein bei S9), beendet die Steuervorrichtung 60 die dreidimensionale Gestaltungsarbeit nach Durchführung eines vorbestimmten Warnvorgangs (S10). Der vorbestimmte Warnvorgang wird z.B. so durchgeführt, dass auf der Anzeigevorrichtung 63 eine Warnmeldung angezeigt wird, die anzeigt, dass der Gestaltungsbereich außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt.
In einem Fall, in dem der Gestaltungsbereich innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt (Ja bei S9), wird die Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90 durch die Oberflächenformmessvorrichtung 40 gemessen (S11), wobei die Schicht mit dem Laserlicht 25 bestrahlt wurde. Hier, während die Steuervorrichtung 60 die Bewegungsvorrichtung 30 steuert, um das Werkstück 80 in der horizontalen Richtung (in links-Richtung in 1) mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, steuert die Steuervorrichtung 60 die Oberflächenformmessvorrichtung 40, um die Oberfläche der Schicht des Pulvers 90 zu messen, wobei die Schicht mit dem Laserlicht 25 bestrahlt wurde. Diese Oberflächenformmessung ermöglicht die Bestätigung, ob die Höhe der laminierten Form eine angestrebte Höhe erreicht oder nicht. Diese Messung bedeutet Messung der Oberflächenform, bevor das Pulver 90 für die zweite und die folgenden Schichten zugeführt wird.
In Schritt S12 wird beurteilt, ob die dreidimensionale Gestaltung bis zur letzten Schicht beendet bzw. durchgeführt wurde oder nicht. Das heißt, die Steuervorrichtung 60 beurteilt, ob die dreidimensionale Gestaltung, bei der Schichten des Gestaltungsbereichs, die durch Bestrahlung des vorbestimmten Bereichs der Schicht des Pulvers 90 mit dem Laserlicht 25 kristallisiert wurden, Schicht für Schicht laminiert wurden, bis zur letzten Schicht (der obersten Schicht) beendet bzw. durchgeführt wurde oder nicht.
In einem Fall, in dem beurteilt wird, dass die dreidimensionale Gestaltung noch nicht bis zur letzten Schicht (Nein bei S12) beendet wurde, steuert die Steuervorrichtung 60, um zu Schritt S3 zurückzukehren und die dreidimensionale Gestaltung der nächsten Schicht durchzuführen bzw. zu implementieren (S3 bis S12). Es ist zu beachten, dass das Pulver 90, das nicht für die Gestaltung in der vorherigen Schicht verwendet wurde, nicht entfernt wird, und erneut eine geeignete Menge des Pulvers 90 zugeführt wird (S3), indem es auf die vorherige Schicht fallen gelassen wird, um die nächste Schicht mit einer konstanten Dicke zu bilden. Wenn andererseits beurteilt wird, dass die dreidimensionale Gestaltung bis zur letzten Schicht beendet wurde (Ja bei S12), beendet die Steuervorrichtung 60 die dreidimensionale Gestaltungsarbeit.
Wie oben erwähnt, ist die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform mit der Pulverzufuhrvorrichtung 10 versehen, die das Pulver 90 durch Fallenlassen auf die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 zuführt, wobei die Oberfläche z.B. eine gekrümmte Fläche ist.
In einer solchen Einrichtung gibt es keine solche Arbeit, dass das Pulver 90 horizontal durch eine Walze oder eine Klinge verteilt wird, wie es bei der Anwendung des PBF-Verfahrens der Fall ist, daher ist es möglich, dass die Schicht des Pulvers 90 mit einer konstanten Dicke auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 gebildet wird, wobei die Oberfläche 81 eine gekrümmte Oberfläche hat. Außerdem ist es nicht bedenklich, dass ungeschmolzenes Pulver 90 in der unteren Schicht, die eine Basis sein soll, durch den Strahlstrom des Pulvers 90 weggeblasen wird, wie es bei der Anwendung des DED-Verfahrens der Fall ist. Daher ist es möglich, die Balkenstruktur herzustellen.
Somit kann gemäß dieser Ausführungsform die Balkenstruktur auf der gekrümmten Oberfläche 81 des Werkstücks 80 hergestellt werden.
Die dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform ist mit der Bewegungsvorrichtung 30 zum Bewegen des Werkstücks 80 versehen. Eine solche Einrichtung erlaubt es dem Pulver 90, auf die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 zu fallen, während das Werkstück 80 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird. Mit anderen Worten, es ist nicht notwendig, dass die Pulverzufuhrvorrichtung 10 für die Zufuhr des Pulvers 90 bewegt werden muss, so dass sie fixiert werden kann. Daher liefert die fixierte Pulverzufuhrvorrichtung 10 ständig und kontinuierlich eine genaue Menge des Pulvers 90, so dass die Schicht des Pulvers 90 mit einer gleichmäßigeren Dicke auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 gebildet werden kann. Weiterhin wird das Werkstück 80 zwischen der Pulverzufuhrvorrichtung 10 und der Laserlichtbestrahlungseinrichtung 20 reziprok bzw. hin- und herbewegt, so dass die Schicht des Pulvers 90 und die durch Bestrahlung mit dem Laserlicht 25 kristallisierte Schicht des Gestaltungsbereichs abwechselnd, kontinuierlich und leicht geformt werden kann.
Darüber hinaus kann die obere Seite der Schicht des Pulvers 90 auf einer konstanten Höhe gehalten werden, indem das Werkstück 80 nach unten bewegt wird, während eine Schicht des Gestaltungsbereichs nacheinander laminiert wird. Auf diese Weise können die Schicht des Pulvers 90 und die durch Bestrahlung mit Laserlicht 25 kristallisierte Schicht des Gestaltungsbereichs genauer geformt werden.
In dieser Ausführungsform wird die Schichtdicke des Pulvers 90 auf der Grundlage einer Änderung der Oberflächenform der Schicht des Pulvers 90 berechnet, die von der Oberflächenformmessvorrichtung 40 gemessen wurde. Daher ist es möglich, dass das Auftreten von Gestaltungsdefekten bzw. - fehlern durch die Prüfung von Schwankungen der Dicke der Schicht des Pulvers 90 im Voraus verhindert wird.
Bei dieser Ausführungsform wird der Gestaltungsbereich auf der Grundlage eines Bildes bestimmt, das mit der Kameravorrichtung 50 aufgenommen wurde. Daher ist es möglich, das Auftreten von Gestaltungsdefekten zu verhindern, indem geprüft wird, ob der bestimmte tatsächliche Gestaltungsbereich mit dem vorgegebenen Gestaltungsbereich übereinstimmt oder nicht.
Bei dieser Ausführungsform wird das von der Pulverzufuhrvorrichtung 10 zugeführte Pulver 90 durch die Wandteile 75 auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 gehalten. Somit bildet sich die Schicht des Pulvers 90 stetig auf der Oberfläche 81 des Werkstücks 80 aus.
Da es sich bei dem Pulver 90 um Metallpulver handelt, ist es in dieser Ausführungsform möglich, ein starkes Metallprodukt zu formen.
In den obigen Ausführungen wurde die vorliegende Erfindung auf der Grundlage der Ausführungsform beschrieben, ist aber nicht auf die in der Ausführungsform beschriebene Einrichtung beschränkt. In der vorliegenden Erfindung wird die in der Ausführungsform beschriebene Einrichtung in geeigneter Weise kombiniert oder ausgewählt, und die Einrichtung kann ferner innerhalb des Umfangs bzw. Bereichs des Gegenstandes in geeigneter Weise geändert werden. Ferner kann ein Teil der Einrichtung der Ausführungsform gelöscht, ersetzt oder hinzugefügt werden.
Zum Beispiel ist das Pulver 90 in der Ausführungsform Metallpulver, ist aber nicht darauf beschränkt und kann z.B. Pulver wie das von bzw. aus Keramikmaterial sein.
In der Ausführungsform ist die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 eine gekrümmte Oberfläche einer gekrümmten Platte, wie z.B. eine Bogenoberfläche, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Oberfläche 81 des Werkstücks 80 eine Seitenoberfläche einer Spalte bzw. Säule oder eine Oberfläche einer Kugel (sphärische Oberfläche) sein.
In der Ausführungsform erfolgt die Gestaltung auf dem Werkstück 80, das ein bestehendes Bauteil (einschließlich eines fertigen Produkts) als Gestaltungsobjekt ist, ist aber nicht darauf beschränkt, und kann auf einem Basiselement wie einem allgemeinen Basiselement (Grund- bzw. Basisplatte) geformt werden. Mit anderen Worten, ein Gestaltungsobjekt ist nicht auf das Werkstück 80 beschränkt und kann ein beliebiges Basiselement sein.
In der Ausführungsform ist ein Energiestrahl zur Bestrahlung der Schicht des Pulvers 90 das Laserlicht 25, ist aber nicht darauf beschränkt und kann z.B. ein Elektronenstrahl sein.
Bezugszeichenliste

10: Pulverzufuhrvorrichtung
20: Laserlichtbestrahlungsvorrichtung (Energiestrahlbestrahlungsvorrichtung)
25: Laserlicht (Energiestrahl)
30: Bewegungsvorrichtung
40: Oberflächenformmessvorrichtung
50: Kameravorrichtung
60: Steuervorrichtung
61: Berechnungsteil
62: Bildverarbeitungsteil
75: Wandteile
80: Werkstück
81: Oberfläche
90: Pulver

100: Dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004124200 A [0006]
JP 2016078205 A [0006]

Claims

Dreidimensionale Formgebungs- bzw. Gestaltungsvorrichtung, die umfasst: eine Pulverzufuhrvorrichtung zum Zuführen von Pulver durch Fallenlassen des Pulvers auf eine Oberfläche eines Gestaltungsgegenstandes bzw. -objektes; und eine Energiestrahlbestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen einer Schicht des von der Pulverzufuhrvorrichtung zugeführten und abgelagerten Pulvers mit einem Energiestrahl.
Dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Gestaltungsobjektes umfasst.
Dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die ferner umfasst: eine Oberflächenformmessvorrichtung zum Messen einer Oberflächenform der Schicht des abgelagerten Pulvers; und ein Berechnungsteil zur Berechnung einer Schichtdicke bzw. einer Dicke der Schicht des Pulvers auf der Grundlage einer Änderung der Oberflächenform, die durch die Oberflächenformmessvorrichtung vor und nach der Zufuhr des Pulvers gemessen wird.
Dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner umfasst: eine Kameravorrichtung zum Fotografieren einer Oberfläche der Schicht des Pulvers, wobei die Oberfläche mit dem Energiestrahl bestrahlt wurde; und ein Bildverarbeitungsteil zur Unterscheidung eines Formgebungs- bzw. Gestaltungsbereichs auf der Grundlage eines von der Kameravorrichtung aufgenommenen Bildes.
Dreidimensionale Formgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner ein Wandteil umfasst, um das von der Pulverzufuhrvorrichtung zugeführte Pulver auf der Oberfläche des Gestaltungsobjektes zu halten.
Dreidimensionale Gestaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Pulver ein Metallpulver ist.
Dreidimensionales Formgebungs- bzw. Gestaltungsverfahren, das umfasst: einen Pulverzufuhrprozess zum Zuführen von Pulver durch Fallenlassen des Pulvers auf eine bzw. in Richtung einer gekrümmten Oberfläche eines Gestaltungsobjektes; und einen Energiestrahlbestrahlungsprozess zum Bestrahlen einer Schicht des im Pulverzufuhrprozess zugeführten und abgelagerten Pulvers mit einem Energiestrahl.
Dreidimensionales Gestaltungsverfahren nach Anspruch 7, wobei der Pulverzufuhrprozess das Fallenlassen des Pulvers auf die bzw. in Richtung der Oberfläche des Gestaltungsobjektes umfasst, während das Gestaltungsobjekt in einer horizontalen Richtung mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird.