DE112019005219T5

DE112019005219T5 - 3D-Druckvorrichtung und 3D-Druckverfahren

Info

Publication number: DE112019005219T5
Application number: DE112019005219.5T
Authority: DE
Inventors: Daiji Morita; Nobuhiro Shinohara; Yoshikazu Nakano; Yoshikazu Ukai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2021-07-15
Also published as: WO2020079870A1; CN112867579A; JPWO2020079870A1; JP6877576B2; US20210323092A1; CN112867579B

Abstract

Eine 3D-Druckvorrichtung umfasst: eine Materialzuführungseinheit, die ein Aufbaumaterial einem Bearbeitungsbereich (26) an einer Zielfläche (22) zuführt; eine Bestrahlungseinheit, welche den Bearbeitungsbereich (26) mit einem Laserstrahl (24) bestrahlt, welcher das Aufbaumaterial schmilzt; und eine Steuervorrichtung, die die Materialzuführungseinheit und die Bestrahlungseinheit zum Erzeugen wenigstens eines Teils eines Objekts unter Verwendung einer punktförmigen Wulst steuert, wobei die punktförmige Perle aus dem Aufbaumaterial gebildet wird, welches durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl (24) geschmolzen wird. Die 3D-Druckvorrichtung kann die Formgenauigkeit des Objekts verbessern.

Description

Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung und ein 3D-Druckverfahren für den 3D-Druck und die Bearbeitung unter Drahtzufuhr.
Hintergrund
Ein bekanntes Beispiel für eine herkömmliche Technik zur Erzeugung eines dreidimensionalen festen Objekts ist eine 3D-Druckvorrichtung, welche eine Technik verwendet, die 3D-Druck (englisch „additive manufacturing“, AM) genannt wird. Patentliteratur 1 offenbart ein 3D-Drucksystem zum Herstellen eines Objekts, welches eine gewünschte Gestalt aufweist, indem wiederholt ein Draht in eine Tröpfchengestalt geschmolzen wird und Drahttröpfchen an einem Werkstück abgeschieden werden. Bei dem in Patentliteratur 1 beschriebenen 3D-Drucksystem wird dem Schmelzmaterialdraht ein Strom zugeführt, wodurch geschmolzene Tröpfchen an dem Ende des Schmelzmaterialdrahts gebildet werden. Dann werden die geschmolzenen Tröpfchen in einem Schmelzbad abgeschieden, welches an der Oberfläche des Werkstücks gebildet wird, wodurch ein Objekt gebildet wird.
Zi tierungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2016-179501
Überblick
Technisches Problem
Bei dem in Patentliteratur 1 beschriebenen 3D-Drucksystem wird ein dem Draht zuzuführender Strom gesteuert, um hierdurch den Draht zu schmelzen und Tröpfchen von dem Draht abzutrennen. Wenn in diesem Fall eine Funkenentladung zwischen dem Draht und dem Werkstück auftritt, kann das Werkstück zerstört werden. Aus diesem Grund benötigt das in Patentliteratur 1 beschriebene 3D-Druckverfahren die Steuerung des dem Draht zuzuführenden Stroms auf eine solche Weise, dass das Auftreten einer Funkenentladung zwischen dem Draht und dem Werkstück verhindert, was zu einer langen Schmelzzeit führt. Je länger die Schmelzzeit ist, umso größer sind die Tröpfchen, was zu einer Verschlechterung der Formgenauigkeit des Objekts führt.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dessen getätigt, und es ist deren Ziel derselben, eine 3D-Druckvorrichtung zu erhalten, die in der Lage ist, die Formgenauigkeit eines Objekts zu verbessern.
Lösung des Problems
Um das Problem zu lösen und das Ziel zu erreichen, ist eine 3D-Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine 3D-Druckvorrichtung, um ein Objekt an einer Zielfläche eines Werkstücks zu erzeugen. Die 3D-Druckvorrichtung umfasst: eine Materialzuführungseinheit, um ein Aufbaumaterial einem Bearbeitungsbereich der Zielfläche zuzuführen; eine Bestrahlungseinheit, um den Bearbeitungsbereich mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, um das Aufbaumaterial zu schmelzen; und eine Steuervorrichtung, um die Materialzuführungseinheit und die Bestrahlungseinheit zum Erzeugen wenigstens eines Teils des Objekts zu steuern, und zwar unter Verwendung einer punktförmigen Wulst, wobei die punktförmige Wulst aus dem Aufbaumaterial gebildet wird, welches durch die Bestrahlung des Laserstrahls geschmolzen wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die 3D-Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Verbesserung der Formgenauigkeit eines Objekts erreichen.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, welches eine 3D-Druckvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern eines Bearbeitungsbereichs gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Blockdiagramm, welches die Hardwarekonfiguration einer Steuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der 3D-Druckvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches den Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zeigt.
6 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem das Ende eines zu dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung geförderten Drahts in Kontakt mit einer Zielfläche ist.
7 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
8 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Zufuhr des Drahts zu dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gestartet wird.
9 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht von dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung weggezogen wird.
10 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung mit dem Laserstrahl gestoppt wird.
11 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem ein Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung sich zu dem nächsten Bearbeitungsbereich bewegt.
12 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Erzeugen eines Objekts mit der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung.
13 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern der Reihenfolge, in der Punktwülste durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung gebildet werden.
14 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der 3D-Druckvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse des Laserstrahls zeigt, wobei der Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zu einer zweiten Position bewegt ist.
16 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht zu einer Position gefördert wird, wo das Ende des Drahts die zentrale Achse des Laserstrahls bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung schneidet.
17 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem das Ende des Drahts der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung in Kontakt mit der Zielfläche ist.
18 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung sich zu dem nächsten Bearbeitungsbereich bewegt.
19 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in welchem durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung eine vierte Punktwulstschicht gebildet wird.
20 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
21 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse des Laserstrahls zeigt, wobei der Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zu einer ersten Position bewegt ist.
22 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht zu einer Bereitschaftsposition der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gefördert wird.
23 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl gestartet wird.
24 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Zuführung des Drahts zu dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gestartet wird.
25 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Berechnen der Endposition des Drahts gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
26 ist eine Liste von Bedingungen zum Erläutern des Verfahrens zum Berechnen der Endposition des Drahts gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
27 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
28 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung sich nach oben bewegt.
29 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht von dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung weggezogen wird.
30 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel der Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung des Arbeitskopfs und der Zuführungsrichtung des Drahts gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
31 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
32 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse des Laserstrahls zeigt, wobei der Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zu der ersten Position bewegt ist.
33 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem das Ende des zu dem Bearbeitungsbereich geförderten Drahts in Kontakt mit der Zielfläche ist, bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung.
34 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Zuführung des Drahts zu dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gestartet wird.
35 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl in der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gestartet ist.
36 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem ein geschmolzener Draht an die Zielfläche geschweißt ist, bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung.
37 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines weiteren Beispiels des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform.
38 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das die Position der zentralen Achse des Laserstrahls zeigt, wobei der Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zu der ersten Position bewegt ist.
39 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht zu einer Position gefördert ist, wo das Ende des Drahts bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung nicht in Kontakt mit der Zielfläche ist.
40 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Zufuhr des Drahts zu dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gestartet ist.
41 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung mit dem Laserstrahl gestartet ist.
42 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung geschmolzener Draht an die Zielfläche geschweißt ist.
43 ist ein Diagramm, bei dem bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung ein Messsystem bereitgestellt ist.
44 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform.
45 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das die Position der zentralen Achse des Laserstrahls zeigt, wobei der Arbeitskopf der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zu der ersten Position bewegt ist.
46 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung der Draht zu einer Position gefördert wird, bei der das Ende des Drahts nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist.
47 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl gestartet ist.
48 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung die Zuführung des Drahts zu dem Bearbeitungsbereich gestartet ist.
49 ist ein Diagramm, welches ein Bild des mit einer übermäßigen Zuführgeschwindigkeit zugeführten Drahts bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zeigt.
50 ist ein Diagramm, welches ein Bild des mit einer normalen Zuführgeschwindigkeit zugeführten Drahts bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden eine 3D-Druckvorrichtung und ein 3D-Druckverfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung basierend auf den Zeichnungen im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen begrenzt.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, welches eine 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern eines Bearbeitungsbereichs 26 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 3D-Druckvorrichtung 100 erzeugt ein dreidimensionales Objekt durch additive Bearbeitung, bei der ein Material, welches durch Bestrahlung mit einem Strahl geschmolzen wird, einer Hinzufügungszielfläche eines Werkstücks hinzugefügt wird. Bei der ersten Ausführungsform ist der Strahl ein Laserstrahl 24, und das Material ist ein drahtförmiges Aufbaumaterial, nämlich ein Draht 5 aus Metall. Es sei angemerkt, dass das drahtförmige Aufbaumaterial ein Material sein kann, welches von Metall verschieden ist.
Die 3D-Druckvorrichtung 100 bildet eine metallische Abscheidung 18 an einer Oberfläche eines Basismaterials 17 durch Abscheiden einer Wulst an dem Basismaterial 17. Eine Wulst ist ein Körper oder die Abscheidung 18, welche durch Verfestigung des geschmolzenen Drahts 5 gebildet wird. In der ersten Ausführungsform werden punktförmige Wülste als Wülste gebildet. Nachfolgend werden punktförmige Wülste als Punktwülste bezeichnet. Dies bedeutet, dass der geschmolzene Draht 5 in Punktwülsten verfestigt wird, welche punktförmiges Metall sind. Das Basismaterial 17 wird an einem Objekttisch 15 angeordnet. Als Werkstück wird das Basismaterial 17 oder die Abscheidung 18 bezeichnet. Als das Objekt wird die Abscheidung 18 bezeichnet, welcher Material in Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm hinzugefügt wird. Das in 1 gezeigte Basismaterial 17 ist ein Plattenmaterial. Das Basismaterial 17 kann ein Material sein, welches von einem Plattenmaterial verschieden ist.
Die 3D-Druckvorrichtung 100 umfasst einen Bearbeitungskopf 10, der eine Strahldüse 11, eine Drahtdüse 12 und eine Gasdüse 13 umfasst. Die Strahldüse 11 emittiert den Laserstrahl 24 hin zu dem Werkstück. Der Laserstrahl 24 ist eine Wärmequelle zum Schmelzen des Materials. Die Drahtdüse 12 schiebt den Draht 5 hin zu der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 an dem Werkstück vor.
Die Gasdüse 13 stößt ein Schutzgas zum Verhindern von Oxidation der Abscheidung 18 und zum Kühlen der Punktwülste hin zu dem Werkstück aus. In der ersten Ausführungsform ist das Schutzgas ein Inertgas 25. Die Strahldüse 11, die Drahtdüse 12 und die Gasdüse 13 sind an dem Bearbeitungskopf 10 so befestigt, dass ihre Positionsbeziehung eindeutig festgelegt ist. Dies bedeutet, dass die relative Positionsbeziehung zwischen der Strahldüse 11, der Gasdüse 13 und der Drahtdüse 12 durch den Bearbeitungskopf 10 festgelegt ist.
Ein Laser 12 erzeugt den Laserstrahl 24. Der Laserstrahl 24 von dem Laser 2, welcher eine Strahlquelle ist, verläuft durch ein Faserkabel 3, welches eine optische Übertragungsleitung ist, zu dem Bearbeitungskopf 10. Der Laser 2, das Faserkabel 3 und der Bearbeitungskopf 10 bilden eine Bestrahlungseinheit, welche das Werkstück mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt, welcher den Draht 5 schmilzt. Der Laserstrahl 24, der von der Strahldüse 11 auf das Werkstück gestrahlt wird, und die zentrale Achse CW des Drahts 5 können koaxial oder nicht koaxial sein. Der Laserstrahl 24, der von der Strahldüse 11 auf das Werkstück gestrahlt wird, und die zentrale Achse CW des Drahts 5 können koaxial angeordnet sein, indem ein ringförmiger Ringstrahl („donut-shaped donut beam“) als der Laserstrahl 24 verwendet wird, oder indem eine Mehrzahl von verzweigten Laserstrahlen als der Laserstrahl 24 verwendet wird. Es sei angemerkt, dass die erste Ausführungsform einen Fall angibt, bei dem der Laserstrahl 24, der von der Strahldüse 11 auf das Werkstück abgestrahlt wird, und die zentrale Achse CW des Drahts 5 nicht koaxial sind. Eine Gaszuführungsvorrichtung 7 führt der Gasdüse 13 über ein Rohr 8 Gas zu. Die Gaszuführungsvorrichtung 7, das Rohr 8 und die Gasdüse 13 bilden eine Gaszuführungseinheit, die das Inertgas 25 zu dem Bearbeitungsbereich hin ausstößt.
Eine Drahtspule 6, um welche der Draht 5 gewunden ist, ist eine Materialquelle. Ein Drehantriebsmotor 4, der ein Servomotor ist, wird angetrieben, um die Drahtspule 6 zu drehen, und der Draht 5 wird entsprechend von der Drahtspule 6 abgewickelt. Der von der Drahtspule 6 abgewickelte Draht 5 wird der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 über die Drahtdüse 12 zugeführt. Rückwärtsdrehung des Drehantriebsmotors 4 in die Richtung, die der Richtung zum Abwickeln des Drahts 5 von der Drahtspule 6 entgegengesetzt ist, ermöglicht es, den der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 zugeführten Draht von der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 wegzuziehen. In diesem Fall wird ein nahe der Drahtspule 6 gelegener Teil des Drahts 5, der von der Drahtspule 6 abgewickelt wurde, auf die Drahtspule 6 aufgewickelt. Der Drehantriebsmotor 4, die Drahtspule 6 und die Drahtdüse 12 bilden eine Drahtzuführungseinheit 19.
Es sei angemerkt, dass die Drahtdüse 12 einen Wirkmechanismus zum Wegziehen des Drahts 5 von der Drahtspule 6 aufweisen kann. Die 3D-Druckvorrichtung 100 umfasst den Drehantriebsmotor 4 der Drahtspule 6 und/oder den Wirkmechanismus der Drahtdüse 12, so dass der Draht 5 der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 zugeführt werden kann. In 1 ist der Wirkmechanismus der Drahtdüse 12 nicht dargestellt.
Eine Kopfantriebsvorrichtung 14 bewegt den Arbeitskopf 10 in die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z-Richtung. Die X-, Y- und Z-Achsen sind drei aufeinander senkrechte Achsen. Die Z-Achsen-Richtung ist die Vertikalrichtung. Die Kopfantriebsvorrichtung 14 umfasst einen Servomotor, der einen Betriebsmechanismus zum Bewegen des Arbeitskopfs 10 in die X-Achsenrichtung bereitstellt, einen Servomotor, der einen Betriebsmechanismus zum Bewegen des Arbeitskopfs 10 in die Y-Achsenrichtung bereitstellt, und einen Servomotor, der einen Betriebsmechanismus zum Bewegen des Arbeitskopfs 10 in die Z-Achsenrichtung bereitstellt. Die Kopfantriebsvorrichtung 14 ist ein Betriebsmechanismus, der es ermöglicht, dass der Arbeitskopf 10 Translationsbewegungen in jede Richtung der drei Achsen durchführt. In 4 sind die Servermotoren nicht dargestellt. Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 bewegt die Kopfantriebsvorrichtung 14 den Arbeitskopf 10, um hierdurch die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 an dem Werkstück zu bewegen. Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 kann sich der Objekttisch 14 bewegen, um hierdurch die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 an dem Werkstück zu bewegen.
Der in 1 dargestellte Bearbeitungskopf 10 richtet den Laserstrahl 24 ausgehend von der Strahldüse 11 in die Z-Achsen-Richtung. Die Drahtdüse 12 ist an einer Position bereitgestellt, die von der Strahldüse 11 in der XY-Ebene beabstandet ist, und sie schickt den Draht 5 in eine Richtung, die schräg zu der Z-Achse steht. Es sei angemerkt, dass die Drahtdüse 12 an dem Arbeitskopf 10 in einer anderen Richtung befestigt sein kann, so dass sie den Draht 5 in eine Richtung parallel zu der Z-Achse vorschiebt. Die Drahtdüse 12 wird dazu verwendet, das Vorrücken des Drahts 5 zu beschränken, so dass der Draht 5 an eine gewünschte Position zugeführt wird.
An dem in 1 gezeigten Bearbeitungskopf 10 ist die Gasdüse 13 koaxial mit der Strahldüse 11 an der Außenumfangsseite der Strahldüse 11 in einer X-Y-Ebene vorgesehen, und sie stößt Gas entlang der zentralen Achse des Laserstrahls 24 aus, der von der Strahldüse 11 ausgegeben wird. Dies bedeutet, dass die Strahldüse 11 und die Gasdüse 13 koaxial zueinander angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass die Gasdüse 13 das Gas in eine Richtung ausstoßen kann, die schräg zu der Z-Achse orientiert ist. Dies bedeutet, dass die Gasdüse 13 Gas in eine Richtung ausstoßen kann, die schräg zu der zentralen Achse des Laserstrahls 24 orientiert ist, der von der Strahldüse 11 ausgegeben wird.
Ein Drehmechanismus 16 ist ein Betriebsmechanismus, der es ermöglicht, den Objekttisch 15 um eine erste Achse zu drehen, und der es ermöglicht, den Objekttisch 15 um eine zweite Achse zu drehen, die senkrecht zu der ersten Achse orientiert ist. Bei dem in 1 gezeigten Drehmechanismus 16 ist die erste Achse eine zu der X-Achse parallele Achse, und die zweite Achse ist eine zu der Y-Achse parallele Achse. Der Drehmechanismus 16 umfasst einen Servomotors, der einen Betriebsmechanismus bereitstellt, um den Objekttisch 15 um die erste Achse zu drehen, und er umfasst einen Servomotor, der einen Betriebsmechanismus bereitstellt, um den Objekttisch 15 um die zweite Achse zu drehen. Der Drehmechanismus 16 ist ein Betriebsmechanismus, der es ermöglicht, dass der Objekttisch 15 Drehbewegungen um jede der zwei Achsen ausführt. In 1 sind die Servomotoren nicht dargestellt. Die 3D-Druckvorrichtung 100 kann die Stellung oder Position des Werkstücks durch Drehen des Objekttischs 15 unter Verwendung des Drehmechanismus 16 ändern. Dies bedeutet, dass die 3D-Druckvorrichtung 100 die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 an dem Werkstück durch Drehen des Objekttischs 15 bewegen kann. Die Verwendung des Drehmechanismus 16 ermöglicht es, eine komplizierte Gestalt, welche eine sich verjüngende Gestalt aufweist, zu erzeugen.
Eine Steuervorrichtung 1 steuert die 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß einem Bearbeitungsprogramm. Die Steuervorrichtung 1, welche die Zuführungseinheit, die Bestrahlungseinheit und die Gaszuführungseinheit steuert, ist für die Steuerung zum Erzeugen eines Objekts 101 mit einer Vielzahl von Punktwülsten 32 zuständig, welche aus dem geschmolzenen Draht 5 gebildet werden. Die Steuervorrichtung 1 ist beispielsweise eine numerische Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung 1 gibt einen Bewegungsbefehl an die Kopfantriebsvorrichtung 14 aus, um die Kopfantriebsvorrichtung 14 zur Bewegung des Arbeitskopfs 10 anzutreiben und zu steuern. Die Steuervorrichtung 1 gibt einen Befehl an den Laser 2 in Übereinstimmung mit den Bedingungen des ausgegebenen Strahls aus, um den Laservorgang des Lasers 10 zu steuern.
Die Steuervorrichtung 1 gibt einen Befehl an den Drehmotor 4 in Übereinstimmung mit den Bedingungen der Materialzuführungsmenge aus, um den Drehmotor 4 anzutreiben und zu steuern. Durch das Antreiben und das Steuern des Drehmotors 4 stellt die Steuervorrichtung 1 die Geschwindigkeit des Drahts 5 ein, der von der Drahtspule 6 zu der Bestrahlungsposition läuft. In der nachfolgenden Beschreibung kann diese Geschwindigkeit als die Zuführungsgeschwindigkeit bezeichnet werden. Die Zuführungsgeschwindigkeit repräsentiert die Menge an Material, welche pro Stunde zugeführt wird.
Die Steuervorrichtung 1 steuert die Zuführungsmenge an Inertgas 25 von der Gaszuführungsvorrichtung 7 an die Gasdüse 13 durch Ausgeben eines Befehls an die Gaszuführungsvorrichtung 7 in Übereinstimmung mit den Bedingungen der Gaszuführungsmenge. Die Steuervorrichtung 1 treibt und steuert den Drehmechanismus 16 durch Ausgeben eines Drehbefehls an den Drehmechanismus 16. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung 1 die gesamte 3D-Druckvorrichtung 100 durch Ausgabe verschiedener Befehle steuert.
Das Objekt 101 wird durch Abscheiden eines geschmolzenen Drahts 21 in dem Bearbeitungsbereich 26 unter Verwendung des Laserstrahls 24 gebildet, der von der Strahldüse 11 abgestrahlt wird. Wie in 2 gezeigt, wird dem Bearbeitungsbereich 26 der Draht 5 zugeführt und der Draht 5 wird mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt. In dem Bearbeitungsbereich 26 schmilzt eine Zielfläche 22, welche aus einer Oberfläche des Basismaterials 17 oder einer Oberfläche der Abscheidung 18 besteht, zu einem Schmelzbad 23. Dann wird in dem Bearbeitungsbereich 26 der geschmolzene Draht 21, der durch Schmelzen des Drahts 5 erzeugt wird, in das Schmelzband 23 geschmolzen. Die Zielfläche 22 ist eine Bearbeitungszielfläche zur 3D-Druckbearbeitung, welche den geschmolzenen Draht 21 an die Zielfläche 22 anschweißt, um daran die Abscheidung 18 zu bilden. Der Bearbeitungsbereich 26 ist ein Bereich, in dem der 3D-Druck an der Zielfläche 22 ausgeführt wird.
Die Kopfantriebsvorrichtung 14 und der Drehmechanismus 16 werden zusammen betrieben, um den Bearbeitungskopf 10 und den Objekttisch 15 zu bewegen, wodurch die Position des Bearbeitungsbereichs 26 geändert werden kann und das Objekt 101 mit einer gewünschten Gestalt erhalten werden kann.
Die Hardwarekonfiguration der Steuervorrichtung 1 wird nun beschrieben. Die in 1 gezeigte Steuervorrichtung 1 ist durch Hardware implementiert, welche ein Steuerprogramm ausführt, welches ein Programm zum Ausführen der Steuerung der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist.
3 ist ein Blockdiagramm, welches die Hardwarekonfiguration der Steuervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Steuervorrichtung 1 umfasst eine zentrale Prozessierungseinheit (CPU) 41, welche verschiedene Prozesse ausführt, einen Wahlzugriffsspeicher (RAM) 42, welcher einen Datenspeicherbereich umfasst, einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 43, welches ein nichtflüchtiger Speicher ist, eine externe Speichervorrichtung 44 und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 45 zum Eingeben von Information an die Steuervorrichtung 1 und zum Ausgeben von Information von der Steuervorrichtung 1. Die in 3 gezeigten Komponenten sind miteinander über einen Bus 46 verbunden.
Die CPU 41 führt Programme aus, die in dem ROM 43 und der externen Speichervorrichtung 44 gespeichert sind. Die gesamte Steuerung der 3D-Druckvorrichtung 100 durch die Steuervorrichtung 1 ist unter Verwendung der CPU 41 implementiert.
Die externe Speichervorrichtung 44 ist ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder ein Festkörperspeicher-Laufwerk (SSD). Die externe Speichervorrichtung 44 speichert das Steuerprogramm und verschiedene Daten. Das ROM 43 speichert Software oder ein Programm zum Steuern von Hardware, insbesondere einen Boot-Loader, wie etwa ein Basis-Eingabe-/Ausgabe-System (Basic Input/Output System, BIOS) oder eine vereinheitlichte erweiterbare Firmware-Schnittstelle (Unified Extensible Firmware Interface, UEFI), welches ein Programm für die grundlegende Steuerung eines Computers oder einer Steuerung ist, welche als die Steuervorrichtung 1 dienen. Es sei angemerkt, dass das Steuerprogramm in dem ROM 43 gespeichert werden kann.
Programme, die in dem ROM 43 oder der externen Steuervorrichtung 44 gespeichert sind, werden in das RAM 42 geladen. Die CPU 41 entwickelt das Steuerprogramm in dem RAM 42 und führt verschiedene Prozesse aus. Die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 45 ist eine Schnittstelle zur Verbindung mit einer Vorrichtung außerhalb der Steuervorrichtung 1. Ein Bearbeitungsprogramm wird der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 45 eingegeben. Die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 45 gibt verschiedene Befehle aus. Die Steuervorrichtung 1 kann eine Eingabevorrichtung, wie etwa eine Tastatur und eine Zeigevorrichtung, und eine Ausgabevorrichtung wie etwa eine Anzeige umfassen.
Das Steuerprogramm kann in einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sein. Die Steuervorrichtung 1 kann das in dem Speichermedium gespeicherte Steuerprogramm in der externen Speichervorrichtung 44 speichern. Das Speichermedium kann ein tragbares Speichermedium sein, welches eine flexible Platte oder ein Flashspeicher ist, welches ein Halbleiterspeicher ist. Das Steuerprogramm kann von einem anderen Computer oder einer Servervorrichtung für einen Computer oder eine Steuerung installiert werden, welche als die Steuervorrichtung 1 über ein Kommunikationsnetzwerk dient.
Die Funktionen der Steuervorrichtung 1 können durch Verarbeitungsschaltungen implementiert sein, welche dedizierte Hardware zum Steuern der 3D-Druckvorrichtung 100 sind. Die Verarbeitungsschaltungen können durch eine einzige Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, einen programmierten Prozessor, einen parallelen programmierten Prozessor, eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) oder eine Kombination derselben sein. Es sei angemerkt, dass einige der Funktionen der Steuervorrichtung 1 durch dedizierte Hardware implementiert sein können und andere Funktionen durch Software oder Firmware implementiert sein können.
Nachfolgend wird der Betrieb der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 4 bis 11 beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches den Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zeigt. 6 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem das Ende des Drahts 5, der dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zugeführt wird, in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist. 7 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. 8 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 1 gestartet wird. 9 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht 5 von dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 weggezogen wird. 10 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 mit dem Laserstrahl 24 gestoppt wird. 11 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Bearbeitungskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 sich zu dem nächsten Bearbeitungsbereich 26 bewegt. Die 5 bis 11 zeigen den Umgebungsbereich des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22. Man beachte, dass das Inertgas 25 in den 7 bis 10 nicht gezeigt ist.
In dem Schritt S10 bewegt sich der Bearbeitungskopf 10 zunächst zu einer vorbestimmten ersten Position oberhalb des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22 des Basismaterials 17 und stoppt dort. Die Zielfläche 22 ist hier die Oberfläche des Basismaterials 17 und insbesondere die obere Oberfläche des Basismaterials 17, welches an dem Objekttisch 15 angeordnet ist. An der Zielfläche 22 ist die Punktwulst 32 abzuscheiden. Wie in 5 gezeigt, bewegt sich der Bearbeitungskopf 10 an die erste Position, wo die zentrale Achse CL des von der Strahldüse 11 abgestrahlten Laserstrahls 24 an der zentralen Position des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22 angeordnet ist.
In Schritt S20 schiebt die Drahtdüse 12 dann, wie in 6 gezeigt, den Draht 5 schräg von oberhalb des Bearbeitungsbereichs 26 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 vor und bringt das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22. Dies bedeutet, dass in der ersten Ausführungsform das Ende des Drahts 5 mit der Zielfläche 22 in Kontakt gebracht wird, bevor der Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. Den Draht 5 vorschieben bedeutet, dass der Draht 5 sich aus der Drahtdüse 12 heraus bewegt und hin zu der Bestrahlungsposition des Laserstrahls 24 in dem Bearbeitungsbereich 26 der Zielfläche 22 zugeführt wird.
Hierbei ist es bevorzugt, dass die zentrale Achse CW des Drahts 5, der von der Drahtdüse 12 abgegeben wird und in Kontakt mit der Zielfläche 22 gebracht wird, und die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24, der auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird, sich an der Oberfläche der Zielfläche 22 schneiden, oder dass die zentrale Achse CW des Drahts 5 die Oberfläche der Zielfläche 22 innerhalb des Strahlradius des Laserstrahls 24 zwischen der Drahtdüse 12 und der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 schneidet, der auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird. Dies ermöglicht es, dass die Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 so gebildet wird, dass die gebildete Punktwulst 32 ihr Zentrum an der Schnittstelle zwischen der zentralen Achse CW des Drahts 5 und der zentralen Achse CL des Laserstrahl 24 hat, der auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird.
Dann wird in Schritt S30, wie in 7 gezeigt, der Laserstrahl 24 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 gestrahlt, so dass der Draht 5, der in dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 angeordnet ist, mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. Zusammen mit der Bestrahlung des Laserstrahls 13 wird das Ausstoßen des Inertgases 25 aus der Gasdüse 13 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Inertgas 25 von der Gasdüse 13 um eine vorbestimmte feste Zeit vor der Bestrahlung der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 ausgestoßen wird. Dies ermöglicht es, dass aktives Gas, wie etwa in der Gasdüse 13 verbleibender Sauerstoff, aus der Gasdüse 13 entfernt wird.
In Schritt S40 startet die Drahtdüse 12 dann, den Draht 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 zuzuführen, wie dies in 8 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Drahtdüse 12 den Draht 5 weiter hin zu der Zielfläche 22 schiebt. Das führt dazu, dass ein Teil des Drahts 5, der vorab in dem Bearbeitungsbereich 26 angeordnet wurde, und ein Teil des Drahts 5, der nach dem Start der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführt wurde, schmelzen, um den geschmolzenen Draht 21 zu bilden, so dass der geschmolzene Draht 21 an die Zielfläche 22 geschweißt wird. Folglich wird die Punktwulst 32, welches die Abscheidung 18 ist, in dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 gebildet. Hiernach wird die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 für eine vorbestimmte Zuführungszeit fortgesetzt.
Die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 kann durch die Drehgeschwindigkeit des Drehantriebsmotors 4 eingestellt werden. Die Zuführgeschwindigkeit des Drahts 5 ist durch die Ausgabe des Laserstrahls 24 begrenzt. Dies bedeutet, dass es einen Zusammenhang zwischen der Zuführgeschwindigkeit des Drahts 5 und der Ausgabe des Laserstrahls 24 gibt, um ein geeignetes Anschweißen des geschmolzenen Drahts 21 an dem Bearbeitungsbereich 26 zu erreichen. Es ist möglich, die Bildungsgeschwindigkeit der Punktwulst 32 durch Erhöhen der Ausgabe des Laserstrahls 24 zu erhöhen.
Wenn die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 in Bezug auf die Ausgabe des Laserstrahls 24 zu schnell ist, bleibt der Draht 5 ungeschmolzen. Wenn die Zuführgeschwindigkeit des Drahts 5 in Bezug auf die Ausgabe des Laserstrahls 24 langsam ist, wird der Draht 5 überhitzt und es fällt somit geschmolzener Draht 21 von dem Draht 5, und zwar in Form von Tröpfchen, ohne dass diese in eine gewünschte Gestalt geschweißt werden.
Die Größe der Punktwulst 32 kann durch Ändern der Zuführungszeit des Drahts 5 und die Bestrahlungszeit des Laserstrahls 24 eingestellt werden. Das Erhöhen der Zuführungszeit des Drahts 5 und der Bestrahlungszeit des Laserstrahls 24 ermöglicht es, die Punktwulst 32 mit einem größeren Durchmesser zu bilden. Das Verkürzen der Zuführungszeit des Drahts 5 und der Bestrahlungszeit des Laserstrahls 24 hingegen ermöglicht es, die Punktwulst 32 mit einem kleineren Durchmesser zu bilden.
In Schritt S50 wird dann, wie in 9 gezeigt, der Draht 5 von dem Bearbeitungsbereich 26 weggezogen.
In Schritt S60 wird dann, wie in 10 gezeigt, der Laser 2 gestoppt, um die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 zu stoppen. Hierbei stoppt die Gasdüse 13 nicht, sondern setzt das Ausstoßen des Inertgases 25 hin zu dem Werkstück fort. Dies bedeutet, dass nach dem Stoppen des Lasers 2 die Gasdüse 13 weiterhin Inertgas 25 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 über eine vorbestimmte Zeitdauer hinweg ausstößt.
Die Dauer ist eine Zeitdauer, über die das Ausstoßen des Inertgases 25 von der Gasdüse 13 hin zu dem Werkstück fortgesetzt wird, nachdem der Laser 2 gestoppt wird, und zwar bis die Temperatur der Punktwulst 32, die an dem Bearbeitungsbereich 26 angeschweißt ist, auf eine vorbestimmte Temperatur abnimmt. Die Dauer wird basierend auf verschiedenen Bedingungen, wie etwa dem Material des Drahts 5 und der Größe der Punktwulst 32 bestimmt und vorab in der Steuervorrichtung 1 gespeichert. Wenn dann nach dem Stoppen des Lasers 2 die vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, wird das Ausstoßen von Inertgas 25 von der Gasdüse 13 zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestoppt, und die Bildung einer Punktwulst 32 ist abgeschlossen.
In dem Schritt S70 wird dann, wie in 11 gezeigt, der Bearbeitungskopf 10 zu der Position zur Bildung der nächsten Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 des Basismaterials 17 bewegt. Der Pfeil 51 in 11 gibt die Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfs 10 an.
12 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Erzeugen des Objekts 101 mit der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100. Das Wiederholen der vorangehend erläuterten Schritte ermöglicht es, an der Zielfläche 22 eine erste Punktwulstschicht 27a zu bilden. Die erste Punktwulstschicht 27a ist eine Schicht von Punktwülsten 32, die das Objekt 101 bereitstellen. Dann führt, wie in 12 gezeigt, das Wiederholen der vorangehend erläuterten Schritte an der ersten Punktwulstschicht 27a zu einer zweiten Punktwulstschicht 27b darauf, gefolgt von einer dritten Punktwulstschicht 27c und darauffolgenden Punktwulstschichten, die aufeinander liegen, so dass eine Vielzahl von Punktwulstschichten zusammen laminiert wird, wodurch das Objekt 101 mit einer gewünschten Gestalt gebildet wird. Bei dem 3D-Druck zum Bilden der Punktwülste an der zweiten Schicht und darauffolgenden Schichten ist die Zielfläche 22 die obere Oberfläche der Punktwulstschicht, die bereits gebildet wurde.
Da die 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform, wie vorangehend beschrieben, den Laserstrahl 24 als eine Wärmequelle zum Schmelzen des Drahts 5 verwendet, kann die Wärmequelleneingabezeit, die nötig ist, um den Draht 5 zu schmelzen und den geschmolzenen Draht 21 von dem Draht 5 zu trennen, verkürzt werden. Im Ergebnis kann die 3D-Druckvorrichtung 100 die Punktwulst 32 verringerter Größe bilden, so dass die Formgenauigkeit des Objekts 101 verbessert werden kann. Die Wärmequelleneingabezeit ist die Zeitdauer, über die der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird.
Da die 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 bringt, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, wird der geschmolzene Draht 21 stabil an die Zielfläche 22 geschweißt, wodurch verhindert wird, dass der geschmolzene Draht 21 nicht an die Zielfläche 22 geschweißt wird.
Unmittelbar nachdem die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 gestartet wurde, wird ein Bereich der Zielfläche 22 unterhalb des Endbereichs des Drahts 5 nicht mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt. Deshalb ist die Temperatur der Zielfläche 22, die unterhalb dem Endbereich des Drahts 5 angeordnet ist, niedriger als die des mit dem Laserstrahl 24 bestrahlten oberen Bereichs des geschmolzenen Drahts 21, welches der geschmolzene Endbereich des Drahts 5 ist. Zudem ist die Temperatur des oberen Bereichs des geschmolzenen Drahts 21, welches der geschmolzene Endbereich des Drahts 5 ist, relativ zu der Temperatur des unteren Bereichs des geschmolzenen Drahts 21, welches der geschmolzene Endbereich des Drahts 5 ist, größer.
Wenn der Draht 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, tritt deshalb unmittelbar nachdem die Bestrahlung des Drahts 5 mit dem Laserstrahl 24 gestartet wird, ein „Hochlaufphänomen“ auf. Das „Hochlaufphänomen“ ist ein Phänomen, bei dem der untere Bereich des geschmolzenen Drahts 21 nicht von dem ungeschmolzenen Bereich des Drahts 5 getrennt wird, sondern von dem oberen Bereich des geschmolzenen Drahts 21 angezogen wird, welcher eine relativ größere Temperatur aufweist. Das Auftreten eines solchen Hochlaufphänomens macht es wahrscheinlich, dass der geschmolzenen Draht 21 nicht an die Zielfläche 22 angeschweißt wird. Dies liegt daran, dass die Benetzbarkeit des oberen Bereichs des geschmolzenen Drahts 21 zunimm t.
Der geschmolzene Draht 21, welcher von dem oberen Bereich mit einer hohen Temperatur angezogen wird, ohne von dem ungeschmolzenen Bereich des Drahts 5 getrennt zu werden, wird schließlich von den ungeschmolzenen Bereich des Drahts 5 getrennt und tropft auf die Zielfläche 22. In diesem Fall kann unglücklicherweise die Punktwulst 32 nicht an der gewünschten Position gebildet werden, was zu einer Verschlechterung der Formgenauigkeit des Objekts 101 führt.
Da die 3D-Druckvorrichtung 100 das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 bringt, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, ist es möglich, dass das vorangehend beschriebene Hochlaufphänomen unmittelbar nach dem Start der Bestrahlung des Drahts 5 mit dem Laserstrahl 24 auftritt, wodurch verhindert wird, dass der geschmolzene Draht 21 nicht mit der Zielfläche 22 verschweißt wird. Im Ergebnis kann die 3D-Druckvorrichtung 100 den Draht 5 zuverlässig an die Zielfläche 22 schweißen und das Objekt 101 mit hoher Formgenauigkeit herstellen. In dem vorangehend beschriebenen Fall sind der von der Strahldüse 11 auf das Werkstück gestrahlte Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 nicht koaxial. Dies bedeutet, dass in dem vorangehend beschriebenen Fall der Draht 5 schräg von oberhalb des Bearbeitungsbereichs 26 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 geschoben wird. Der von der Strahldüse 11 auf das Werkstück gestrahlte Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 können koaxial sein, in welchem Fall eine Wirkung erreicht werden kann, die der vorangehend beschriebenen Wirkung ähnlich ist, indem das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 gebracht wird, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird.
In dem Fall des Bildens des Objekts 101 durch wiederholtes Abscheiden von Punktwülsten 32 ist die Anzahl der Male, dass der geschmolzene Draht 21 geschmolzen wird, gleich der Anzahl von Punktwülsten 32. Deshalb ist das Verhindern des Nicht-Anschweißens an die Zielfläche 22 sehr wirksam im Hinblick auf das Verbessern der Formgenauigkeit des Objekts 101.
In dem vorangehend beschriebenen Schritt S20 müssen sich die zentrale Achse CW des Drahts 5, der von der Drahtdüse 12 ausgegebenen wird und mit der Zielfläche 22 in Kontakt gebracht wird, und die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24, der auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird, nicht an der Oberfläche der Zielfläche 22 schneiden. In diesem Fall wird, solange der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, der Draht 5 geschmolzen, um sich zu verteilen und dem Bereich der Zielfläche 22, der mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, zu verschmelzen.
Wenn die zentrale Achse CW einen Punkt hat, der an der Zielfläche 22 näher an der Drahtdüse 12 und weg von dem Punkt der zentralen Achse CL an der Zielfläche 22 liegt, wenn der Draht 5 die Zielfläche kontaktiert, wobei der Laserstrahl 24 auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird, ist der Draht 5 schwieriger zu schmelzen. Wenn die zentrale Achse CW einen Punkt hat, der auf der Zielfläche 22 weiter entfernt von der Drahtdüse 12 liegt als von dem Punkt auf der zentralen Achse CL auf der Zielfläche 22 wenn der Draht 5 die Zielfläche 22 kontaktiert, wobei der Laserstrahl 24 auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird, ist der Draht 5 deutlich leichter zu schmelzen.
Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 ist die Position des Bearbeitungskopfs 10 fest, ohne dass sie während des Schmelzen des Drahts 5 an die Zielfläche 22 bewegt wird. Dies bedeutet, dass der Bearbeitungsbereich 26 mit dem Laserstrahl 24 während einer vorbestimmten Bestrahlungszeit bestrahlt wird, während der Draht 5 von einer festgelegten Position zu dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführt wird. Nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl auf den Bearbeitungsbereich 26 während der vorbestimmten Bestrahlungszeit werden die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 und die Zuführung des Drahts 5 gestoppt. Dies hilft beim Bilden einer Mehrzahl von Punktwülsten 32, da unabhängig von dem Pfad, entlang dem die Vielzahl von Punktwülsten 32 gebildet wird, die Punktwülste 32 mit gleichförmigen Gestalten an der Zielfläche 22 gebildet werden können, wodurch die Genauigkeit der Gestalt des Objekts 101 verbessert wird.
Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 bewegt sich nach dem Stoppen des Lasers 2 der Arbeitskopf 10 nicht sofort hin zu dem nächsten Bearbeitungsbereich 26, sondern das Ausstoßen des Inertgases 25 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 wird vielmehr über eine vorbestimmte Dauer fortgesetzt. Dies bedeutet, dass bei der 3D-Druckvorrichtung 100 das Inertgas 25 zu dem Bearbeitungsbereich 26 während der Dauer, in der der Bearbeitungsbereich 26 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, ausgestoßen wird. Nachdem der Laser 2 gestoppt wird, wird der Ausstoß des Inertgases 25 zu der Punktwulst 32, welches die an die Zielfläche 22 geschweißte Abscheidung ist, während der Dauer fortgesetzt. Als Folge davon ist es möglich, Oxidation der Punktwulst 32 zu verhindern und die Punktwulst 32 zu kühlen.
Da die 3D Druckvorrichtung 100 die Punktwülste 32 aufeinander abscheidet, um das Objekt 101 zu bilden, wird der Freiheitsgrad des Bearbeitungspfads für jede der Punktwulstschichten beim Bilden der Abscheidung der Schichten von Punktwülsten 32, die das Objekt 101 bereitstellen, verbessert. Dies bedeutet, dass die 3D-Druckvorrichtung 100 separate Positionen, an welchen die Punktwulst 32 in einer einzigen Schicht von Punktwülsten gebildet werden soll, frei definieren kann.
13 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern der Reihenfolge, in der die Punktwülste 32 durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung 100 gebildet werden. Zum Beispiel kann, wie in 13 gezeigt, eine Vielzahl von Punktwülsten 32 an der Zielfläche 22 gebildet werden, wobei ein Spalt zwischen benachbarten Punktwülsten 32 besteht, und nachfolgend kann eine weitere Punktwulst 32 so gebildet werden, dass sie den Spalt füllt. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung 1 die Steuerung zum Bilden der Vielzahl von ersten Punktwülsten mit einem Spalt zwischen benachbarten Punktwülsten steuert und nachfolgend eine zweite Punktwulst in dem Spalt oder einer den ersten Punktwülsten benachbarten Fläche bildet.
Wie in 13 gezeigt, werden eine Punktwulst 321, eine Punktwulst 322, eine Punktwulst 323 und eine Punktwulst 324 in dieser Reihenfolge mit einem Spalt zwischen einander gebildet, um hierdurch die erste Punktwulstschicht 27a zu bilden. Danach werden eine Punktwulst 325, eine Punktwulst 326 und eine Punktwulst 327 an der Zielfläche 22 in dieser Reihenfolge gebildet, um die Lücken zwischen den zuvor gebildeten Punktwülsten 32 zu füllen.
Dann werden eine Punktwulst 328, eine Punktwulst 329, eine Punktwulst 3210, eine Punktwulst 3211, eine Punktwulst 3212, eine Punktwulst 3213, eine Punktwulst 3214 und eine Punktwulst 3215 in dieser Reihenfolge an der ersten Punktwulstschicht 27a gebildet, um die zweite Punktwulstschicht 27b zu bilden.
In diesem Fall stehen die Punktwülste 321, 322, 323 und 324 der ersten Punktwulstschicht 27a, welche mit den Lücken gebildet werden, nicht in Kontakt mit einer Punktwulst 32. Dies bedeutet, dass die nächste Punktwulst 32 an einer Position gebildet wird, die von der Punktwulst 32 entfernt ist, die unmittelbar vor dieser nächsten Punktwulst 32 gebildet wurde. Deshalb hat jede der Punktwülste 32, die mit den Lücken gebildet werden, eine gewünschte Größe wie geplant, ohne durch die Oberflächenspannung der benachbarten Punktwülste 32 beeinflusst zu werden.
Deshalb haben die Punktwulst 321, die Punktwulst 322, die Punktwulst 323 und Punktwulst 324 eine größere Oberfläche als im Vergleich zu dem Fall, in dem die Punktwülste 32 unter Kontakt miteinander gebildet werden. Als Folge davon ist die gerade gebildete Punktwulst mit der benachbarten Punktwulst 32 nicht direkt und thermisch verbunden. Es wird somit möglich, die Wärme jeder Punktwulst 32 abzuführen. Dies bedeutet, dass dann, wenn die erste Punktwulstschicht 27a gebildet wird, die zugeführte Wärme über verschiedene Orte abgeführt werden kann. Als Folge davon nimmt die Temperatur jeder Punktwulst 32 schneller ab als im Vergleich zu dem Fall, in dem die Punktwülste 32 in gegenseitigem Kontakt gebildet werden.
Die Punktwülste 325, 326 und 327 der ersten Punktwulstschicht 27a, welche gebildet werden, um die Lücken zu füllen, haben eine größere Temperatur als jede der zuvor mit den Lücken gebildeten Punktwülste 32, und deshalb werden die Punktwülste 325, 326 und 327 durch die Oberflächenspannung der zuvor gebildeten Punktwülste 32 weniger beeinflusst. Die Temperatur der Punktwülste 32, welche zuvor mit den Lücken gebildet wurden, nimmt in einem solchen Ausmaß ab, dass es keinen Unterschied in der Temperatur zwischen den zuvor gebildeten Punktwülsten 32 zu dem Zeitpunkt gibt, in dem die lückenfüllenden Punktwülste 32 gebildet werden. Als Folge davon werden die lückenfüllenden Punktwülste 32 von keiner der benachbarten Punktwülste 32 angezogen. Folglich wird jede der lückenfüllenden Punktwülste 32 entlang der Gestalt der benachbarten Punktwülste 32 gebildet, so dass deren Gestalt nur durch die Oberflächenspannung der lückenfüllenden Punktwulst 32 selbst eingestellt wird. Dies bedeutet, dass die lückenfüllenden Punktwülste 32 entlang den benachbarten Punktwülsten 32 gebildet werden und deshalb eine verbesserte Kontrolle von deren Gestalt ermöglichen, was zu einer verbesserten Formgenauigkeit führt.
Jede lückenfüllende Punktwulst 32 in der ersten Punktwulstschicht 27a wird gebildet, ohne dass sie eine Punktwulst 32 in der ersten Punktwulstschicht 27a kontaktiert. Dies bedeutet, dass jede lückenfüllende Punktwulst 32 in der ersten Punktwulstschicht 27a so gebildet wird, dass die nächste Punktwulst 32 an einer Position gebildet wird, die von der Punktwulst 32 entfernt ist, die unmittelbar vor dieser nächsten Punktwulst 32 gebildet wurde. Ähnlich wird jede lückenfüllende Punktwulst 32 in der zweiten Punktwulstschicht 27b gebildet, ohne dass sie mit einer der Punktwülste 32 in der zweiten Punktwulstschicht 27b in Kontakt steht. Dies bedeutet, dass jede lückenfüllende Punktwulst 32 in der zweiten Punktwulstschicht 27b so gebildet wird, dass die nächste Punktwulst 32 an einer Position gebildet wird, die von der Punktwulst 32 entfernt ist, die unmittelbar vor dieser nächsten Punktwulst 32 gebildet wurde. Deshalb weist jede der Punktwülste 32, die mit den Lücken gebildet wurden, eine gewünschte Gestalt wie geplant auf, ohne dass sie durch die Oberflächenspannung der benachbarten Punktwülste 32 beeinträchtigt wird.
Wie in 13 gezeigt, umfasst die zweite Punktwulstschicht 27b die Punktwulst 3214 und die Punktwulst 3215, welche an entgegengesetzten Kanten derselben angeordnet sind. Die Punktwulst 3214 und die Punktwulst 3215 werden in dem Prozess zum Bilden der zweiten Punktwulstschicht 27b zuletzt gebildet. Die Punktwulst 3214 wird in Kontakt mit der Punktwulst 3211 gebildet. Die Punktwulst 3215 wird in Kontakt mit der Punktwulst 3210 gebildet.
In diesem Fall wird die Punktwulst 3214 durch die Oberflächenspannung der Punktwulst 3211 angezogen, wodurch die Störung der Gestalt der Punktwulst 3214 verhindert wird, d. h. die Abweichung der Gestalt der Punktwulst 3214 von der geplanten Gestalt verhindert wird. Dies bedeutet, dass die Punktwulst 3214 eine gute Gestalt aufweist, indem sie die Oberflächenspannung der Punktwulst 3211 verwendet. Im Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass die Kante der zweiten Punktwulstschicht 27b hinsichtlich ihrer Gestalt gestört wird.
Ähnlich wird die Punktwulst 3215 durch die Oberflächenspannung der Punktwulst 3210 angezogen, wodurch die Störung der Gestalt der Punktwulst 3215 verhindert wird, d. h. die Abweichung der Gestalt der Punktwulst 3215 von der geplanten Gestalt verhindert wird. Dies bedeutet, dass die Punktwulst 3215 eine gute Gestalt aufweist, indem die Oberflächenspannung der Punktwulst 3210 verwendet wird. Im Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass die Kante der zweiten Punktwulstschicht 27b hinsichtlich ihrer Gestalt gestört wird.
Beim Bilden der dritten Punktwulstschicht und darauffolgender Punktwulstschichten werden Punktwülste, die den Kanten der Punktwulstschichten entsprechen, zuletzt gebildet, wodurch eine Wirkung erzielt wird, die der vorangehend geschilderten Wirkung ähnlich ist. Im Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass die Seitenflächen und die Kante des Objekts 101 oben hinsichtlich der Gestalt gestört werden.
Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 wird nach dem Stoppen des Lasers 2 das Ausstoßen des Inertgases 25 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 fortgesetzt, bis die Temperatur der Punktwulst 32 auf eine vorbestimmte Temperatur abnimmt. Dies kann die Oxidation der Punktwulst 32 und des gesamten Objekts 101 verhindern. Da es möglich ist, das dreidimensionale Objekt 101 unter Verhinderung der Oxidation zwischen den Schichten der Punktwülste 32 zu bilden, können die mechanischen Eigenschaften des Objekts 101 verbessert werden.
Es sei angemerkt, dass die 3D-Druckvorrichtung 100 auch eine Vielzahl von linear zusammenhängenden Linienwülsten bilden kann, um das Objekt 101 zu bilden. In diesem Fall bildet die Gasdüse 13 während der Bewegung eine einzige Linienwulst. Im Ergebnis wird der Hochtemperaturbereich der Linienwulst außerhalb des Ausstoßbereichs des Inertgases 25 belassen, bevor die Temperatur des Hochtemperaturbereichs der Linienwulst abnimmt. Da eine Oxidationsreaktion wahrscheinlich in dem Hochtemperaturbereich der Wulst auftritt, werden die Linienwülste und das gesamte Objekt wahrscheinlich oxidiert.
Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 kann der Ausstoß des Inertgases 25 während der Bewegung des Bearbeitungskopfs 10 gestoppt werden, und insbesondere auch nach der Bildung der Punktwulst 32. Dies bedeutet, dass der Ausstoß des Inertgases 25 nach Ablauf der vorangehend beschriebenen Dauer bis zur nächsten Bestrahlung des Laserstrahls 24 gestoppt werden kann. Infolgedessen kann der Verbrauch an Inertgas 25 reduziert werden.
Wie vorangehend beschrieben kann die 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform die Wirkung der Verbesserung der Formgenauigkeit des Objekts erreichen.
Zweite Ausführungsform
In der zweiten Ausführungsform wird eine weitere Art des 3D-Drucks durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung 100 beschrieben. Nachfolgend wird der Betrieb der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 14 bis 18 beschrieben. 14 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 15 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zeigt, wobei der Bearbeitungskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zu einer zweiten Position bewegt ist. 16 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht 5 zu einer Position ausgegeben wird, wo das Ende des Drahts 5 die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 schneidet. 17 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem das Ende des Drahts 5 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist. 18 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Bearbeitungskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung sich zu dem nächsten Bearbeitungsbereich 26 bewegt. Die 15 bis 18 zeigen den Zustand eines Umgebungsbereichs des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22.
In Schritt S 110 bewegt sich der Bearbeitungskopf 10 zunächst an eine vorbestimmte zweite Position oberhalb des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22 des Basismaterials 17 und stoppt dort. Wie in 15 gezeigt, bewegt sich der Bearbeitungskopf 10 zu der zweiten Position, wo die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24, der von der Strahldüse 11 ausgegeben wird, an der zentralen Position des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22 angeordnet ist.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der Bearbeitungskopf 10 an einer Höhenposition angeordnet, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, und zwar nachdem der Draht 5 zu einer Position ausgegeben wurde, wo die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und der Draht 5 sich schneiden. Dies bedeutet, dass die Drahtdüse 12 in einer Höhenposition angeordnet ist, wo das Ende des Drahts 5 mit der Zielfläche 22 nicht in Kontakt ist, selbst nachdem der Draht 5 zu einer Position ausgegeben wurde, wo die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und der Draht 5 sich schneiden. Deshalb ist die zweite Position höher als die vorangehend beschriebene erste Position.
Dies bedeutet, dass in Schritt S110 der Bearbeitungskopf 10 an einer Position angeordnet wird, die höher ist als die Höhenposition, an der der Bearbeitungskopf 10 in dem Schritt S10 der ersten Ausführungsform angeordnet wird. Da die Strahldüse 11, die Drahtdüse 12 und die Gasdüse 13 an dem Bearbeitungskopf 10 befestigt sind, werden im Schritt S 110 die Strahldüse 11 und die Gasdüse 13 auch an einer Position angeordnet, die höher ist als die Position in Schritt S10 der ersten Ausführungsform.
In Schritt S120 stößt, wie in 16 gezeigt, die Drahtdüse 12 dann den Draht 5 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 aus, um eine Position zu erreichen, wo das Ende des Drahts 5 die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24 schneidet.
In Schritt S130 wird, wie in 17 gezeigt, der Bearbeitungskopf 10 dann nach unten hin zu der Zielfläche 22 bewegt, um das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 zu bringen.
Dann werden auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform die Schritte S30 bis S60, die vorangehend beschrieben wurden, wie in den 7 bis 10 gezeigt ausgeführt.
Nach Ablauf der vorbestimmten Dauer nach dem Stoppen des Lasers 2 bewegt sich der Bearbeitungskopf 10 dann in Schritt S140 hin zu der Bildungsposition der nächsten Punktwulst 32 an der Zielfläche des Basismaterials 17, wie in 18 gezeigt. Beim Bewegen nach oberhalb der Bildungsposition der nächsten Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 bewegt sich der Bearbeitungskopf 10 nach oben, wie dies durch den Pfeil 52 in 18 angegeben ist, und er bewegt sich in eine Richtung parallel zu der Zielfläche 22, wie dies durch den Pfeil 53 in 18 angegeben ist. Es sei angemerkt, dass der Bearbeitungskopf 10 beim Bewegen nach oberhalb der Bildungsposition der nächsten Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 sich auch nur in eine Richtung nach schräg oben bewegen kann.
Der 3D-Druck nach der vorangehend beschriebenen zweiten Ausführungsform wirkt dahingehend, dass die zweite Punktwulstschicht und darauffolgende Punktwulstschichten gebildet werden, wenn die 3D-Druckvorrichtung das Objekt 101 bildet. 19 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die vierte Punktwulstschicht durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung 10 gebildet wird. 19 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die vierte Punktwulstschicht durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung gebildet wird. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in dem die Zielfläche 22 die dritte Punktwulstschicht 27c ist, wie dies in 19 gezeigt ist. In 19 wird der Draht 5 in eine nach unten links orientierte Richtung von der rechten Seite in 19 vorgeschoben, d. h. von dem äußeren Randbereich des Laserstrahls 24. In dem Fall des Bildens einer Abscheidung von Schichten aus Punktwülsten 32 ist es wahrscheinlich, dass die bereits gebildeten Punktwülste 32 die Höhe erreichen, an der das Ende des Drahts 5 bereitgestellt wird. Dann wird der Unterschied zwischen der tatsächlichen Höhe Ha und der geplanten Höhe Hd größer wenn sich der Unterschied zwischen der tatsächlichen Höhe und der geplanten Höhe einer einzigen Schicht von Punktwülsten 32 aufaddiert.
Beispielsweise kann die tatsächliche Höhe Ha der dritten Punktwulstschicht 27c größer sein als die erwartete geplante Höhe Hd der dritten Punktwulstschicht 27c. D. h., es ist wahrscheinlich, dass die bereits gebildeten Punktwülste 32 die Höhe erreichen, an der das Ende des Drahts 5 bereitgestellt wird. Die Differenz zwischen der tatsächlichen Höhe Ha und der geplanten Höhe Hd wird größer, indem sich die Differenz zwischen der tatsächlichen Höhe und der geplanten Höhe einer einzelnen Schicht von Punktwülsten 32 addiert.
In diesem Fall kollidiert, wie in 19 gezeigt, das Ende des Drahts 5, der von der Drahtdüse 12 ausgegeben wird, mit der oberen Oberfläche der Punktwulst 32 an einer Position, die in eine Richtung parallel zu der Zielfläche 22 zu der Spitze der Punktwulst 32 in dem Bearbeitungsbereich 26 versetzt ist. Dann schneiden sich die zentrale Achse CW des Drahts 5, dessen Ende in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, und die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24, der auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird, nicht an der Oberfläche der Zielfläche 22, d. h. an der Oberfläche der Punktwulst 32 in dem Bearbeitungsbereich 26. Dies bedeutet, dass sich die Addition der Differenz zwischen der tatsächlichen Höhe der gebildeten Punktwulst 32 und der geplanten Höhe der Punktwulst 32 zu einer Situation führt, in der das Ende des Drahts 5 die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 nicht erreicht.
In diesem Fall kann die Punktwulst 32 an einer Position gebildet werden, die bezüglich der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 versetzt ist, oder die Punktwulst 32 kann nicht gebildet werden. Eine solche Situation kann in der zweiten Schicht oder in nachfolgenden Schichten der Punktwülste 32 auftreten. Die in einer solchen Situation gebildete Punktwulst 32 wird an einer Position gebildet, die bezüglich des kreisförmigen Bereichs, der auf der zentralen Achse des Laserstrahls 24 zentriert ist, welches die erwartete Bildungsposition ist, versetzt ist.
Bei dem 3D-Druck gemäß der zweiten Ausführungsform wird, bevor der Draht 5 vorgeschoben wird, die Drahtdüse 12 an einer Höhenposition angeordnet, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, selbst nachdem der Draht 5 zu einer Position vorgeschoben wird, wo der Draht 5 die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24 schneidet. Dann wird der Draht 5 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 vorgeschoben, um eine Position zu erreichen, wo sich die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und das Ende des Drahts 5 schneiden. Dann wird der Draht 5 hin zu der Zielfläche 22 nach unten bewegt, wodurch das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 gebracht wird. Deshalb ist es bei der zweiten Ausführungsform möglich, die vorangehend beschriebene Situation zu vermeiden, in der das Ende des Drahts 5 die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 nicht erreicht, und es ist möglich, die Punktwulst 32 an der erwarteten Bildungsposition der Punktwulst 32 zuverlässig zu bilden.
Deshalb kann das 3D-Druckverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform einen Fehler vermeiden, der aufgrund der Addition der Differenz zwischen der tatsächlichen Höhe und der geplanten Höhe der Punktwulst 32 beim Bilden einer Mehrzahl von Punktwulstschichten auftritt.
Dritte Ausführungsform
In der dritten Ausführungsform wird eine weitere Art des 3D-Drucks mit der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 beschrieben. Der 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem 3D-Druck gemäß der vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsform hinsichtlich der Position des Endes des Drahts 5, der vorgeschoben wird, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird.
Wenn der Draht 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 gebracht wird, bevor der Draht 5 durch den Laserstrahl 24 bestrahlt wird, entsteht, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, ein Hochlaufphänomen unmittelbar nach dem Starten der Bestrahlung des Drahts 5 mit dem Laserstrahl 24. Wie vorangehend beschrieben, ist das Hochlaufphänomen ein Phänomen, bei dem der untere Bereich des geschmolzenen Drahts 21 durch den oberen Bereich des geschmolzenen Drahts 21 angezogen wird. Das Hochlaufphänomen macht es wahrscheinlich, dass der geschmolzene Draht 21 nicht an die Zielfläche 22 geschweißt wird.
Die dritte Ausführungsform stellt einen 3D-Druck zum Verhindern eines Hochlaufphänomens bereit, und zwar unter Verwendung eines Verfahrens, welches von dem der ersten Ausführungsform verschieden ist. Nachfolgend wird der Betrieb der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 20 bis 24 beschrieben. 20 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der dritten Ausführungsform. 21 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zeigt, wobei der Bearbeitungskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zu der ersten Position bewegt ist. 22 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem der Draht 5 zu einer Bereitschaftsposition der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 geschoben wird. 23 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 mit der in 1 gezeigten 3D Druckvorrichtung 100 gestartet wird. 24 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gestartet wird. Die 21 bis 24 zeigen den Zustand eines Umgebungsbereichs des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22.
Zunächst wird, wie in 21 gezeigt, der vorangehend beschriebene Schritt S10 ausgeführt.
In Schritt S310 schiebt die Drahtdüse 12 dann den Draht 5 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26, wie dies in 22 gezeigt ist. Hier wird der Draht 5 zu einer Position geschoben, wo der Abstand L zwischen der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und dem Ende des Drahts 5 in dem Bereich des 0,5 bis 2,3-fachen des Radius des Laserstrahls 24 liegt, welches ein Betrag von etwa dem Strahlradius ω ist, wie er durch den Strahlradius definiert ist, der durch eine D4σ genannte zweite Schwerpunktsbreite in Ebenenrichtung der Zielfläche 22 definiert ist. Der durch die D4σ genannte zweite Schwerpunktsbreite definierte Strahlradius ist zweimal die Standardabweichung σ der Strahlintensitätsverteilung. Die Position, wo der Abstand L in dem Bereich des 0,5 bis 2,3-fachen des Radius des Laserstrahls 24 liegt, ist eine Bereitschaftsposition, bei der Energie, die den Schmelzpunkt des Drahts 5 übersteigt, dem Draht 5 nicht zugeführt wird, wenn der Draht 5 von außerhalb des Laserstrahls 24 in den Laserstrahl 24 hin zu der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zugeführt wird. Dies bedeutet, dass, anders als in dem Fall der ersten Ausführungsform, das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 gebracht wird, bevor der Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird.
In dem Schritt S320 wird dann der Laserstrahl 24 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt, wie dies in 23 gezeigt ist. Zusammen mit der Bestrahlung durch den Laserstrahl 24 wird der Ausstoß des Inertgases 25 von der Gasdüse 13 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet.
In Schritt S330 wird dann die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet, wie dies in Figur 24 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Drahtdüse 12 den Draht 5 weiter hin zu der Zielfläche 22 schiebt. Dies führt dazu, dass der Draht 5 in den Laserstrahl 24 geschoben wird und der Draht 5 geschmolzen wird. Dann wird der geschmolzene Draht 21 an die Zielfläche 22 geschweißt, und die Punktwulst 32, welches die Abscheidung 18 ist, wird in dem Bearbeitungsbereich der Zielfläche 22 gebildet.
Hiernach werden die vorangehend beschriebenen Schritte S50 bis S70 auf die gleiche Weise ausgeführt wie in der ersten Ausführungsform und in den 9 bis 11 gezeigt.
Bei dem Vorgang des Bildens der zweiten Punktwulstschicht ist die Zielfläche 22 die obere Oberfläche der bereits gebildeten Schicht von Punktwülsten 32.
Es sei angemerkt, dass das Steuerverfahren gemäß der vorangehend beschriebenen zweiten Ausführungsform auf den 3D-Druck der dritten Ausführungsform angewendet werden kann.
Wie vorangehend beschrieben, wird bei dem 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform der Draht 5, bevor der Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, zu einer Position geschoben, wo der Abstand L zwischen der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und dem Ende des Drahts 5 in dem Bereich des 0,5 bis 2,3-fachen des Radius des Laserstrahls 24 liegt, welches eine Größe von etwa dem Strahlradius ω ist, wie er durch den Stahlradius definiert ist, der durch eine D4σ genannte zweite Schwerpunktsbreite definiert ist. Dann wird der Laserstrahl 24 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt, wobei das Ende des Drahts 5 an einer Position zwischen dem 0,5-fachen und dem 2,3-fachen des Laserstrahls 24 angeordnet ist. Hiernach wird der Draht 5 in den Laserstrahl 24 hineingeführt.
In dem Fall des 3D-Druckverfahrens gemäß der vorangehend beschriebenen dritten Ausführungsform ist es möglich, es zu verhindern, dass der Draht 5 durch den Laserstrahl 24 über den Schmelzpunkt geheizt wird, bevor die Zuführung des Drahts 5 gestartet wird, und es ist möglich, ein Hochlaufphänomen in dem geschmolzenen Draht 21 zu vermeiden. Bevor der Draht 5 in den Laserstrahl 24 geschoben wird und bevor er schmilzt, steigt die Temperatur der Zielfläche 22, die eine Oberfläche des Basismaterials 17 definiert, an, und die Zielfläche 22 schmilzt zu dem Schmelzbad 23. Hiernach wird der Draht 5 in den Laserstrahl 24 geschoben, und der Draht 5 wird in dem Laserstrahl 24 geschmolzen.
Da der geschmolzene Draht 21 zur Seite mit der höheren Temperatur gezogen wird, wird der geschmolzene Draht 21 nicht zu dem ungeschmolzenen Bereich des Drahts 5 nahe der Drahtdüse 12 gezogen, sondern zu dem Schmelzbad 23, dessen Temperatur ansteigt. Deshalb tritt bei dem 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform ein Hochlaufphänomen in dem geschmolzenen Draht 21 nicht auf, der geschmolzene Draht 21 wird leicht mit der Zielfläche 22 verschweißt, und der Draht 5 kann zuverlässig mit der Zielfläche 22 verschweißt werden.
Im Fall eines Hochlaufphänomens, wo der untere Bereich des geschmolzenen Drahts 21 hin zu dem oberen Bereich des geschmolzenen Drahts 21 gezogen wird, und einem Hochlaufphänomen, wo der geschmolzene Draht 21 hin zu dem ungeschmolzenen Bereich des Drahts 5 nahe der Drahtdüse 12 gezogen wird, ist es, wie vorangehend beschrieben, notwendig, eine relativ lange Zuführungszeit des Drahts 5 einzustellen, um ausreichend Zeit sicherzustellen, um den geschmolzenen Draht 21 zuverlässig gegen die Zielfläche 22 zu drücken, so dass der geschmolzene Draht 21 an die Zielfläche 22 geschweißt wird.
Da bei dem 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform der Draht 5 in den Laserstrahl 24 in einem Zustand geschoben werden kann, wo das vorangehend beschriebene Hochlaufphänomen nicht auftritt, ist es hingegen nicht notwendig, eine relativ lange Zuführungszeit für den Draht 5 einzustellen, und die Zuführungszeit des Drahts 5 kann verkürzt werden. Da die Zuführungszeit des Drahts 5 verkürzt ist, kann eine kleinere Punktwulst 32 mit einer kürzeren Schmelzzeit des Drahts 5 hergestellt werden, wobei die Menge des geschmolzenen Drahts 21 kleiner ist als in dem Fall der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform.
Der 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform verhindert es, dass der Draht 5 durch den Laserstrahl 24 über den Schmelzpunkt erhitzt wird, bevor die Zuführung des Drahts 5 startet, und es wird deshalb das Schmelzbad 23 gebildet, bevor die Zuführung des Drahts 5 gestartet wird, wodurch das Hochlaufphänomen in dem geschmolzenen Draht 21 verhindert wird. Im Ergebnis kann die Zeit zum Drücken des geschmolzenen Drahts 21 gegen die Zielfläche 22 zum Zeitpunkt des Starts des Schmelzens des Drahts 5 verkürzt werden, und die Zuführungszeit des Drahts 5 kann verkürzt werden. Folglich wird die Menge des Drahts 5, die beim Bilden der Punktwulst 32 zugeführt wird, reduziert, sodass eine kleine Punktwulst 32 erzeugt werden kann und die Herstellungsgenauigkeit des Objekts 101 verbessert werden kann.
Wenn eine relativ lange Zuführungszeit des Drahts 5 aufgrund des vorangehend beschriebenen Hochlaufphänomens eingestellt wird, beträgt eine solche Zuführungszeit des Drahts 5 nur etwa 0,2 Sekunden mehr als die, die aufgrund der Annahme entsteht, dass ein Hochlaufphänomen nicht auftritt. Dies bedeutet, dass die Menge an geschmolzenem Draht 21, die beim Bilden der Punktwulst 32 zugeführt wird, nicht signifikant zunimmt, und es ist dennoch möglich, das Objekt 101 im Hinblick auf die Bildungsgenauigkeit mit hoher Genauigkeit zu erhalten. Der 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform kann das Objekt 101 mit hoher Bildungsgenauigkeit herstellen.
Der Bereich des vorangehend beschriebenen Abstands L zwischen der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und dem Ende des Drahts 5 wird nun beschrieben. Der Bereich des Abstands L wird basierend auf den folgenden Bedingungen bestimmt.
Die Vorbedingungen werden zunächst wie folgt eingestellt.

- Die Punktwulst 32 wird mit der Bestrahlungszeit des Laserstrahls 24 erzeugt, die auf 0,3 Sekunden oder weniger eingestellt ist.
- Bevor der Draht 5 die Zielfläche 22 erreicht, wird die Zielfläche 22 geschmolzen, um das Schmelzbad 23 zu bilden.
- Die Zeit, die notwendig ist, um das Schmelzbad 23 mit mehr als 1,2 mm zu bilden, welches der Drahtdurchmesser (mm) des Drahts 5 ist, beträgt etwa 0,1 Sekunden, wobei das Material des Drahts 5 SUS304 ist, der Drahtdurchmesser (mm) des Drahts 5 1,2 mm ist, die Ausgabe (W) des Laserstrahls 24 800 W ist, und der Strahldurchmesser C (mm) des Laserstrahls 24 2,0 mm ist.

Nun wird ein Verfahren zum Berechnen der Endposition des Drahts 5 unter Bezugnahme auf die 25 und 26 beschrieben. 25 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern des Verfahrens zum Berechnen der Endposition des Drahts 5 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 26 ist eine Liste von Bedingungen zum Erläutern des Verfahrens zum Berechnen der Endposition des Drahts 5 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter den obigen Vorbedingungen sei der Zuführungswinkel F des Drahts 5 45 Grad, die Drahtzuführungsgeschwindigkeit A (mm/min) des Drahts 5 sei 737 mm/min, und die Drahtzuführungsgeschwindigkeit B (mm/sec) des Drahts 5 sei 737 mm/60 min = 12,3 mm/sec.
Dann sei das Drahtpositionsverhältnis D 0,85, welches das Verhältnis des Abstands von der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zu dem Ende des Drahts 5 relativ zu dem Strahlradius gesehen in Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls 24 ist. Deshalb ist der Drahtendabstand E, welches der Abstand von der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zu dem Ende des Drahts 5 ist, 0,85 mal dem Strahlradius des Laserstrahls 24. Dies bedeutet, dass das Drahtende 0,85 mm (2,0 mm/2×0,85 = 0,85 mm) von der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24, gesehen in Strahlungsrichtung des Laserstrahls 24, beabstandet. Deshalb ist die Endposition des Drahts 5 0,85 mm vor der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 in Strahlradiusrichtung.
Der Drahtzuführungswinkel F, welches der Zuführungswinkel des Drahts 5 ist, ist der Winkel zwischen der Richtung der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 und der Richtung der zentralen Achse CW des Drahts 5, der von der Drahtdüse 12 ausgegeben wird, und zwar gesehen in die Strahlungsrichtung des Laserstrahls 24. Die Position, die vor der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 angeordnet ist, ist als eine Position auf einer Seite der Drahtdüse 12 relativ zu dem Laserstrahl 24, und zwar gesehen in die Richtung senkrecht zu der Strahlungsrichtung des Laserstrahls 24. In diesem Fall ist der Drahtzuführungsabstand G für den Draht 5, der von der Endposition des Drahts 5 zu der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zugeführt wird E × 1/cos (F) = 1,2 mm. Die Ankunftszeit H, die das Ende des Drahts 5 benötigt, um die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24 von der Strahlendposition zu erreichen, ist 0,1 sec.
Im Fall des Erzeugens der Punktwulst 32 bei Einstellung der Bestrahlungszeit des Laserstrahls 24 auf 0,3 Sekunden oder weniger, wobei 0,1 sec an Zuführungszeit des Drahts 5 berücksichtigt werden, kann das Ende des Drahts 5 mit einem Abstand von der Position positioniert werden, die das Drahtpositionsverhältnis D von 0,85 bereitstellt, so dass 0,2 sec nötig sind bis das Ende des Drahts 5 die Position erreicht, die das Drahtpositionsverhältnis D von 0,85 bereitstellt. Nach Berechnung unter den obigen Bedingungen ist die Position des Endes des Drahts 5 vor der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24, und zwar um einen Abstand von dem 1,7-fachen des Strahlradius. Unter den obigen Bedingungen legt die Position des Endes des Drahts 5 in dem Bereich, wo der Abstand L 0,85 bis 1,7-mal dem Strahlradius ist.
Der Abstand L ändert sich, wenn sich der Zuführungswinkel ändert. Unter der Annahme, dass der Zuführungswinkel in dem Bereich zwischen 20 und 70 Grad liegt, liegt die Position des Endes des Drahts 5 in dem Bereich, wo der Abstand L zwischen dem 0,5-fachen und dem 2,3-fachen des Strahlradius liegt.
In dem vorangehend beschriebenen Fall sind der Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 nicht koaxial. Die vorangehend beschriebene Wirkung kann jedoch auch erreicht werden, wenn der Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 koaxial sind. In dem Fall, in dem der Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 koaxial sind, wird der Draht 5 zu der Bereitschaftsposition zugeführt, wo der Abstand zwischen der Zielfläche 22 und dem Ende des Drahts 5 in dem Bereich von 0,5 bis 2,3-mal dem Radius des Laserstrahls 24 liegt, wonach der Bearbeitungsbereich 26 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird und der Draht 5 dem Bearbeitungsbereich 26 weiter zugeführt wird. Hierdurch kann die vorangehend beschriebene Wirkung auch erhalten werden, wenn der Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 koaxial sind. In dem Fall, in dem der Laserstrahl 24 und die zentrale Achse CW des Drahts 5 koaxial sind, ist es bevorzugt, den Draht 5 zu einer Bereitschaftsposition zuzuführen, wo der Abstand zwischen der Zielfläche 22 und dem Ende des Drahts 5 in dem Bereich des 0,6-fachen bis 1,2-fachen des Radius des Laserstrahls 24 liegt, und dann den Bearbeitungsbereich 26 mit dem Laserstrahl 24 zu bestrahlen und den Draht 5 dem Bearbeitungsbereich 26 weiter zuzuführen.
Der 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform umfasst weder die Operation, den geschmolzenen Draht 21 in Kontakt mit der Zielfläche 22 zu bringen, noch die Operation, den geschmolzenen Draht 21 gegen die Zielfläche 22 zu drücken. Wir vorangehend beschrieben, kann sich die Differenz zwischen der tatsächlichen Höhe der Punktwulst 32 und der geplanten Höhe der Punktwulst 32 aufaddieren, wenn eine Vielzahl von Punktwulstschichten gebildet wird. Infolgedessen kann eine Situation auftreten, wo die bereits gebildeten Punktwülste 32 die Höhe erreichen, zu der das Ende des Drahts 5 geliefert wird.
Um in einer solchen Situation die Punktwulst 32 zuverlässig zu bilden, ist es bevorzugt, die Endposition des Drahts 5 und den Abstand in Höhenrichtung zwischen dem Draht 5 und der Zielfläche 22 streng zu kontrollieren. Die Höhenrichtung ist die Z-Achsenrichtung.
Durch strenge Kontrolle des Abstands in Höhenrichtung zwischen dem Draht 5 und der Zielfläche 22 ist es möglich, eine Situation zu vermeiden, wo das Ende des Drahts 5 die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 an der oberen Oberfläche der Punktwulst 32 als Zielfläche 22 nicht erreicht. Im Ergebnis ist es möglich, es zu verhindern, dass die neue Punktwulst 32 an einer Position gebildet wird, die bezüglich der Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 versetzt ist, oder zu verhindern, dass die Punktwulst 32 nicht erzeugt wird.
In einem Fall, in dem die Zielfläche 22 beispielsweise die zweite Punktwulstschicht oder höhere Punktwulstschicht ist, detektiert die Steuervorrichtung 1 die Höhe der Zielfläche 22 und die Höhe der Endposition des Drahts 5, indem ein Sensor oder eine Bildverarbeitungstechnik zwischen den Schritten S310 und S330 verwendet wird. Dann bestimmt die Steuervorrichtung 1 basierend auf dem Detektionsergebnis, ob das Ende des Drahts 5 die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 an der oberen Oberfläche der Punktwulst 32 als Zielfläche 22 erreichen kann, wenn der Draht 5 in dem Schritt S330 hin zu der Zielfläche 22 gefördert wird.
In Antwort auf das Bestimmen, dass das Ende des Drahts 5 die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 an der oberen Oberfläche der Punktwulst 32 als die Zielfläche 22 nicht erreicht, führt die Steuervorrichtung 1 eine Steuerung zum Ausführen des Schritts S330 durch, nachdem die Höhenposition des Arbeitskopfs 10 erhöht wurde. D. h., die Steuervorrichtung 1 führt die Steuerung zum Ausführen des Schritts S330 aus, nachdem der in Schritt S310 an der Bereitschaftsposition angeordnete Draht nach oben an eine solche Höhe bewegt wurde, dass das Ende des Drahts 5 die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 an der oberen Oberfläche der Punktwulst 32 als Zielfläche 22 erreichen kann, wenn der Draht 5 in dem Schritt S330 hin zu der Zielfläche 22 gefördert wird. Dies ermöglicht es dem Ende des Drahts 5, die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 an der oberen Oberfläche der Punktwulst 32 als Zielfläche 22 immer zu erreichen, so dass die Formgenauigkeit des Objekts 101 verbessert werden kann.
Die Steuerung der Höhe des Drahts 5 basierend auf der Endposition des Drahts 5 und dem Abstand in Höhenrichtung zwischen dem Draht 5 und der Zielfläche 22 ist auch bei dem 3D-Druck gemäß der vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsform wirksam.
Wie vorangehend beschrieben kann der 3D-Druck gemäß der dritten Ausführungsform die Wirkung erzielen, dass ein Hochlaufphänomen an dem geschmolzenen Draht 21 nicht auftritt, der geschmolzene Draht 21 leicht an die Zielfläche 22 geschweißt wird und der Draht 5 zuverlässig an die Zielfläche 22 geschweißt wird.
Vierte Ausführungsform
Bei der vierten Ausführungsform wird eine weitere Art des 3D-Drucks mit der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 beschrieben. Der 3D-Druck gemäß der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem 3D-Druck gemäß der vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsform hinsichtlich des Verfahrens zum Wegziehen des Drahts 5 von dem Bearbeitungsbereich 26. Nachfolgend wird der Betrieb der 3D-Druckvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 27 bis 29 beschrieben. 27 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform. 28 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Draht 5 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 sich nach oben bewegt. 29 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Draht 5 aus dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 herausgezogen wird.
Zunächst werden, wie in den 5 bis 8 gezeigt, die vorangehend beschriebenen Schritte S10 bis S40 auf die gleiche Weise ausgeführt wie bei der ersten Ausführungsform.
Dann wird der Draht 5 in zwei Stufen aus dem Bearbeitungsbereich 26 herausgezogen. Zuerst wird die erste Stufe in Schritt S410 durchgeführt. In der ersten Stufe bewegt sich der Bearbeitungskopf 10, wie in 28 gezeigt, um eine vorbestimmte Strecke in Z-Richtung, wodurch die Drahtdüse 12 nach oben bewegt wird. Hierdurch bewegt sich der dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführte Draht 5 nach oben, und die Position, wo der geschmolzene Draht 21 erzeugt wird, bewegt sich nach oben. Hierbei wird der Draht 5 so weit nach oben bewegt, dass der Draht 5 nicht von dem geschmolzenen Draht 21 getrennt wird. Die Zuführung des Drahts 5 wird fortgesetzt, während der Draht 5 nach oben bewegt wird. Die vorbestimmte Strecke ist beispielsweise 3 mm oder weniger.
Dann wird die zweite Stufe in Schritt S420 durchgeführt. In der zweiten Stufe wird der Draht 5 aus dem Bearbeitungsbereich 26 herausgezogen, wie dies in 29 gezeigt ist.
Hiernach werden die vorangehend beschriebenen Schritte S60 und S70 auf die gleiche Weise ausgeführt wie bei der ersten Ausführungsform und wie in den 10 und 11 gezeigt.
Es sei angemerkt, dass das Steuerverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform oder das Steuerverfahren gemäß der vorangehend beschriebenen dritten Ausführungsform auf den 3D-Druck gemäß der vierten Ausführungsform angewendet werden kann.
Wie vorangehend beschrieben wird bei dem 3D-Druck gemäß der vierten Ausführungsform der Draht 5 soweit nach oben bewegt, dass der Draht 5 nicht aus der Masse von geschmolzenem Draht 21 herausgelangt, welcher an die Zielfläche 22 geschweißt ist, und der Draht 5 wird dann in die Richtung herausgezogen, die der Zuführungsrichtung des Drahts 5 entgegengesetzt ist. Diese zwei Stufen zum Herausziehen des Drahts 5 aus dem geschmolzenen Draht 21, der an die Zielfläche geschweißt ist, machen es möglich, die Zuführungsposition des geschmolzenen Drahts 21 nach oben zu bewegen, welcher der Masse an geschmolzenem Draht 21, der an die Zielfläche 22 geschweißt ist, neu zugeführt wurde, wodurch die Höhe der Punktwulst 32 erhöht wird. Das Erhöhen der Höhe der Punktwulst 32 macht es möglich, die Punktwulst mit einem kleinen Durchmesser selbst dann zu bilden, wenn der Draht 5 für eine lange Zeit zugeführt wird. Deshalb kann das Objekt 101, welches eine schmale Breite aufweist, gebildet werden.
Der Draht 5 schmilzt nicht sofort nach dem Eintritt in den Laserstrahl 24. Vielmehr erreicht die Temperatur des Drahts 5 den Schmelzpunkt, wenn sich der Draht 5 der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 annähert, und der Draht 5 schmilzt dann. In einem Fall, in dem die Zuführungszeit des Drahts 5 auf einen relativ großen Wert von beispielsweise einer Sekunde oder länger eingestellt ist, um die Punktwulst 32 mit einem großen Durchmesser zu bilden, verbleibt deshalb ein langer Teil des Drahts 5 ungeschmolzen in der Masse an geschmolzenem Draht 21, der an die Zielfläche 22 geschweißt ist. Wenn der ungeschmolzene Teil des Drahts 5 in der Masse des geschmolzenen Drahts 21 lang ist, wird der Oberflächenbereich der Masse des geschmolzenen Drahts 21 durch den ungeschmolzenen Teil des Drahts 5 gezogen, wenn der Draht 5 aus der Masse des geschmolzenen Drahts 21 herausgezogen wird. Deshalb kann die Gestalt der Punktwulst 32 gestört sein.
Der vorangehend beschriebene Betrieb des Herausziehens des Drahts 5 über die zwei Stufen führt hingegen dazu, dass der ungeschmolzene Endbereich des Drahts 5 sich in der Masse des geschmolzenen Drahts 21 nach oben bewegt, so dass die Länge des ungeschmolzenen Teils des Drahts 5, der aus der Masse des geschmolzenen Drahts 21 herausgezogen wird, verkürzt werden kann und es verhindert werden kann, dass die Punktwulst 32 eine gestörte Gestalt bekommt. Deshalb wird die Reproduzierbarkeit der Gestalt der Punktwulst 32 verbessert, und die Formgenauigkeit des Objekts 101 kann verbessert werden.
Fünfte Ausführungsform
Bei der 3D-Druckvorrichtung 100 wird der Draht 5 in einer nicht koaxialen Beziehung zu der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zugeführt. In einem Fall, in dem die Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfs 10 und die Zuführungsrichtung des Drahts 5 so eingestellt sind, dass der Draht 5 so positioniert ist, dass er sich über eine zuvor gebildete Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 hinwegbewegt, kann das Ende des Drahts 5 mit der Punktwulst 32 zusammenstoßen, wenn sich der Bearbeitungskopf 10 bewegt, und zwar je nach Höhe der Punktwulst 32 und der Höhe des Endes des Drahts 5. Ein Zusammenstoßen zwischen dem Ende des Drahts 5 und der Punktwulst 32 führt dazu, dass sich der Draht 5 biegt und ein unerwarteter Spalt zwischen dem Ende des Drahts 5 und der Zielfläche 22 gebildet wird. Infolgedessen kann ein Bearbeitungsfehler, bei dem das Anschweißen des Drahts 5 nicht durchgeführt wird, auftreten.
Die Steuervorrichtung 1 kann diesen Bearbeitungsfehler vermeiden, da die Steuervorrichtung 1 beim Bewegen des Bearbeitungskopfs 10 die Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfs 10 und die Zuführrichtung des Drahts 5 so steuert, dass der Bearbeitungskopf 10 sich so bewegt und der Draht 5 in solche Richtungen bewegt wird, dass es nicht möglich ist, dass der Draht 5 beim Bewegen über die bereits an der Zielfläche 22 gebildete Punktwulst 32 zugeführt wird. Solche Richtungen, die es nicht erlauben, dass der Draht 5 beim Bewegen über die bereits an der Zielfläche gebildete Punktwulst 32 zugeführt wird, sind Richtungen, die es nicht erlauben, dass der Draht 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführt wird, um mit der bereits an der Zielfläche 22 gebildeten Punktwulst 32 in einer Ebene der Zielfläche 22 zu überlappen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, den vorangehend beschriebenen Bearbeitungsfehler durch Steuern der Bewegungsrichtung der Drahtdüse 12 und der Zuführungsrichtung des Drahts 5 zu verhindern, so dass sich die Drahtdüse 12 bewegt und der Draht 5 in solche Richtungen zugeführt wird, die es nicht erlauben, dass der dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführte Draht 5 mit der bereits an der Zielfläche 22 gebildeten Punktwulst 32 in einer Ebene der Zielfläche 22 überlappt.
30 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung 54 des Bearbeitungskopfs 10 und der Zuführungsrichtung 5 des Drahts 5 gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Es ist beispielsweise möglich, den vorangehend beschriebenen Bearbeitungsfehler zu vermeiden, indem die Bewegungsrichtung 54 des Bearbeitungskopfs 10 und die Zuführungsrichtung 55 des Drahts 5 so eingestellt werden, dass die Richtungen 54, 55 einander entgegengesetzte Komponenten in Ebenenrichtung der Zielfläche 22 aufweisen, wie dies in 30 gezeigt ist.
In einem Fall, in dem das Werkstück unter Verwendung des Drehmechanismus 16 gedreht wird, um die Position des Bearbeitungsbereichs 26 ohne Bewegen des Bearbeitungskopfs 10 zu bewegen, ist es möglich, den vorangehend beschriebenen Bearbeitungsfehler zu vermeiden, indem die Drehrichtung des Werkstücks und die Zuführungsrichtung des Drahts 5 so gesteuert werden, dass das Werkstück in eine solche Richtung gedreht wird und der Draht 5 in eine solche Richtung zugeführt wird, dass der dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführte Draht 5 nicht mit der bereits an der Zielfläche gebildeten Punktwulst 22 in einer Ebene der Zielfläche 22 überlappen kann. Es sei angemerkt, dass die vorangehend beschriebene Steuerung angewendet werden kann, wenn der Drehmechanismus 16 verwendet wird, um das Werkstück um die zweite Achse zu drehen, um hierdurch runden 3D-Druck in einer Ebene der Zielfläche 22 durchzuführen. Die vorangehend beschriebene Steuerung kann auch angewendet werden, wenn der Bearbeitungskopf 10 so bewegt wird, dass es der Materialzuführungseinheit und der Bestrahlungseinheit möglich ist, sich in einem Kreis in der Ebenenrichtung der Zielfläche 22 zu bewegen, um hierdurch runden 3D-Druck in der Ebenenrichtung der Zielfläche 22 durchzuführen.
Sechste Ausführungsform
Bei der sechsten Ausführungsform wird eine weitere Art des 3D-Drucks mit der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 beschrieben. Der 3D-Druck gemäß der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von dem 3D-Druck gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen dahingehend, dass die Zuführungsoperation des Drahts 5 gestartet wird, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird.
Die Zuführungsoperation des Drahts 5 startet bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. Insbesondere wurde die Zuführungsoperation für den Draht 5 bereits gestartet, bevor die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 gestartet wird. Deshalb wird der geschmolzene Draht 21 glatt an die Zielfläche 22 geschweißt. Im Ergebnis wird der geschmolzene Draht 21 stabil an die Zielfläche 22 geschweißt, wodurch verhindert wird, dass der geschmolzene Draht 21 nicht an die Zielfläche 22 geschweißt wird.
Nachfolgend wird der 3D-Druck mit der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der sechsten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 31 bis 36 beschrieben. 31 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der sechsten Ausführungsform. 32 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zeigt, wobei der Bearbeitungskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zu der ersten Position bewegt ist. 33 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, bei dem das Ende des dem Bearbeitungsbereich 26 zugeführten Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 in der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung steht. 34 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gestartet ist. 35 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gestartet ist. 36 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der geschmolzene Draht 21 an die Zielfläche 22 in der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung geschweißt ist. Die 32 bis 36 zeigen den Zustand eines Umgebungsbereichs des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22.
Zunächst wird, wie in 32 gezeigt, der vorangehend beschriebene Schritt S10 durchgeführt.
Dann wird, wie in 33 gezeigt, der vorangehend beschriebene Schritt S20 durchgeführt. D. h., dass die Drahtdüse 12 den Draht 5 schräg von oberhalb des Bearbeitungsbereichs 26 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 zuführt, wie dies in 33 gezeigt ist, und das Ende des Drahts 5 in Kontakt mit der Zielfläche 22 bringt. D. h., dass das Ende des Drahts 5 mit der Zielfläche 22 in Kontakt gebracht wird, bevor der Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird.
Hierbei ist es bevorzugt, dass die zentrale Achse CW des aus der Drahtdüse 12 ausgegebenen und in Kontakt mit der Zielfläche 22 gebrachten Drahts 5 und die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 sich an der Oberfläche der Zielfläche 22 schneiden. Alternativ ist es bevorzugt, dass die zentrale Achse CW des Drahts 5 die Oberfläche der Zielfläche 22 innerhalb des Strahlradius des Laserstrahls 24 zwischen der Drahtdüse 12 und der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 schneidet. Als Folge davon kann die Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 so gebildet werden, dass die gebildete Punktwulst ihr Zentrum an dem Schnittpunkt der zentralen Achse CW des Drahts 5 und der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 angeordnet hat.
In dem Schritt S510 startet die Drahtdüse 12 dann mit der Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich, wie dies in 34 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Drahtdüse den Draht 5 weiter hin zu der Zielfläche 22 führt. Hiernach wird die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 über eine vorbestimmte Zuführungszeit fortgesetzt.
In Schritt S520 wird dann, wie in 35 gezeigt, der Laserstrahl 24 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 gestrahlt, so dass der in dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 angeordnete Draht 5 mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. In Zusammenhang mit der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 wird der Ausstoß von Inertgas 25 aus der Gasdüse 13 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet. Als Folge davon werden der vorab in den Bearbeitungsbereich 26 angeordnete Draht 5 und der dem Bearbeitungsbereich 26 nach dem Start der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 zugeführte metallische Draht geschmolzen, um den geschmolzenen Draht 21 zu bilden, welcher dann an die Zielfläche 22 geschweißt wird, wie dies in 36 gezeigt ist. Folglich wird die Punktwulst 32, welches die Abscheidung 18 ist, in dem Bearbeitungsbereich der Zielfläche 22 gebildet.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Inertgas 25 aus der Gasdüse 13 bereits eine vorbestimmte Zeit vor der Bestrahlung der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 ausgestoßen wird. Dies ermöglicht es, dass aktives Gas, wie etwa in der Gasdüse 13 verbleibender Sauerstoff, aus der Gasdüse 13 entfernt wird.
Hiernach werden die vorangehend beschriebenen Schritte S50 bis S70 auf die gleiche Weise ausgeführt wie in der ersten Ausführungsform, wie in den 9 bis 11 gezeigt.
Es sei angemerkt, dass das Steuerverfahren in den Schritten S 110 bis S 130 gemäß der vorangehend beschriebenen zweiten Ausführungsform auf den vorangehend erläuterten 3D-Druck angewendet werden kann.
Wie vorangehend beschrieben, wird die Zuführungsoperation des Drahts 5 gestartet, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. Dies bedeutet, dass die Zuführoperation des Drahts 5 bereits zu der Zeit gestartet hat, zu der die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 startet. Deshalb wird der geschmolzene Draht 21 glatt an die Zielfläche 22 geschweißt.
Wie vorangehend beschrieben, wird das Ende des Drahts 5 mit der Zielfläche 22 in Kontakt gebracht, bevor der Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. Dies bedeutet, dass der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, nachdem die Zuführoperation des Drahts 5 gestartet wird. Deshalb kann die Laserbestrahlungszeit zum Bilden der gewünschten Punktwulst 32 auf den unteren Grenzwert der Laserbestrahlungszeit verkürzt werden, die notwendig ist, um die Punktwulst 32 zu bilden. Im Ergebnis kann deshalb die verkleinerte Punktwulst 32 gebildet werden, und die Punktwulst 32, welche einen kleinen Durchmesser hat, kann gebildet werden, so dass die Formgenauigkeit des Objekts 110 verbessert werden kann.
Nun wird ein weiteres Beispiel des 3D-Drucks mit der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der sechsten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 37 bis 42 beschrieben. 37 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines weiteren Beispiels des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der sechsten Ausführungsform. 38 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zeigt, wobei der Arbeitskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zu der ersten Position bewegt ist. 39 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Draht 5 zu einer Position ausgegeben wird, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 ist. 40 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 36 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gestartet ist. 41 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 bei der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gestartet ist. 42 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der geschmolzene Draht 21 an die Zielfläche 22 in der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung geschweißt ist. Die 38 bis 42 zeigen den Zustand eines Umgebungsbereichs des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22.
Zuerst wird, wie in 38 gezeigt, der vorangehend beschriebene Schritt S10 durchgeführt.
Dann schiebt die Drahtdüse 12 in Schritt S610 den Draht 5 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26, wie dies in 39 gezeigt ist. Hierbei wird der Draht 5 an eine Position ausgegeben, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 steht, d. h. zu einer Position, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist. Der Draht 5 wird beispielsweise zu einer Position ausgegeben, die innerhalb des Radius des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 und entfernt von der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls angeordnet ist, und zwar in Richtung hin zu der Drahtdüse 12. D. h., der Draht 5 wird zu einer Position an dem Außenumfang des Laserstrahls 24 auf Seiten der Drahtdüse 12 ausgegeben.
Es sei angemerkt, dass vor dem Starten der Zuführung des Drahts 5 das Ende des Drahts 5 zu einer Position geführt werden kann, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, wobei die Position außerhalb des Radius des auf den Bearbeitungsbereich 26 gerichteten Laserstrahls 24 und auf Strahldüsenseite der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Strahls angeordnet ist. Alternativ kann vor dem Start der Zuführung des Drahts 5 das Ende des Drahts 5 zu einer Position geführt werden, wo das Ende des Drahts 5 innerhalb des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 liegt aber nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, wobei die Position auf der Drahtdüsenseite der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 liegt.
Hierbei ist es bevorzugt, dass die zentrale Achse CW des von der Drahtdüse 12 ausgegebenen Drahts 5, der nicht in Kontakt mit der Zielfläche ist, und die zentrale Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 sich an der Oberfläche der Zielfläche 22 schneiden. Alternativ schneidet die zentrale Achse CW des Drahts 5 die Oberfläche der Zielfläche 22 innerhalb des Strahlradius des Strahls 24 zwischen der Drahtdüse 12 und der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24. Als Folge davon kann die Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 so gebildet werden, dass die gebildete Punktwulst ihr Zentrum an dem Schnittpunkt zwischen der zentralen Achse CW des Drahts 5 und der zentralen Achse CL des auf dem Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 aufweist.
Um die Formgenauigkeit der Punktwulst 32 zu verbessern, ist es bevorzugt, dass der Abstand L1 zwischen dem Draht 5 und dem Bearbeitungsbereich 26 gleich oder größer ist als eine Strecke, um die der Draht 5 während der Zeit vorgeschoben wird, in der die Zuführgeschwindigkeit des Drahts 5 einen vorbestimmten Wert erreicht, nachdem die Zuführung des Drahts 5 gestartet wurde, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Die Erfinder haben durch Experimente herausgefunden, dass es etwa 0,2 bis 0,5 Sekunden dauert, bis die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 den vorgeschriebenen Wert erreicht. Beispielsweise in einem Fall, in dem der vorgeschriebene Wert der Zuführgeschwindigkeit des Drahts 5 737 mm/min ist, ist es deshalb bevorzugt, dass der Draht 5 entfernt von dem Bearbeitungsbereich 26 angeordnet wird, und zwar um eine Strecke L1 im Bereich von 16 bis 40 µm oder mehr als 40 µm.
Deshalb ist es, wie nachfolgend beschrieben wird, bevorzugt, dass der Draht 5 um eine Strecke entfernt angeordnet ist, wobei es 0,2 Sekunden oder länger zwischen dem Start der Zuführung des Drahts 5 bis zur Ankunft des Drahts 5 an dem Bearbeitungsbereich 26 dauert. Der Draht 5 wird um eine Strecke entfernt angeordnet, wobei es zur Überwindung dieser Entfernung 0,2 Sekunden oder mehr benötigt zwischen dem Start der Zuführung des Drahts 5 bis zur Ankunft des Drahts 5 an dem Bearbeitungsbereich 26. Die Zuführungsoperation des Drahts 5 wird gestartet, bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird. Infolgedessen kann sichergestellt werden, dass die Zuführgeschwindigkeit des Drahts 5 den vorgeschriebenen Wert zum Zeitpunkt des Starts der Bestrahlung des Drahts 5 mit dem Laserstrahl 24 erreicht.
In Schritt S620 startet die Drahtdüse 12 dann mit der Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26, wie in 40 gezeigt. Dies bedeutet, dass die Drahtdüse 12 den Draht 5 dann weiter hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 fördert. Hiernach wird die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 für eine vorbestimmte Zuführungszeit fortgesetzt.
In Schritt S630 wird dann, wie in 41 gezeigt, der Laserstrahl 24 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 gestrahlt, so dass der in dem Bearbeitungsbereich 26 an der Zielfläche 22 angeordnete Draht 5 mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. In Zusammenhang mit der Bestrahlung durch den Laserstrahl 24 wird das Ausstoßen des Inertgases 25 von der Gasdüse 13 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet. Infolgedessen werden der Draht 5, der vorab in dem Bearbeitungsbereich 26 angeordnet wurde, und der metallische Draht, der dem Bearbeitungsbereich 26 nach dem Start der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 zugeführt wird, geschmolzen, um den geschmolzenen Draht 21 zu bilden, der dann an den Bearbeitungsbereich 26 geschweißt wird, wie dies in 42 gezeigt ist. Folglich wird die Punktwulst 32, welches die Abscheidung 18 ist, in dem Bearbeitungsbereich 26 der Zielfläche 22 gebildet.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Inertgas 25 von der Gasdüse 13 bereits eine vorbestimmte feste Zeit vor der Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 ausgestoßen wird. Dies ermöglicht es, dass ein aktives Gas, wie etwa in der Gasdüse 13 verbleibender Sauerstoff, aus der Gasdüse 13 entfernt wird.
Um die Formgenauigkeit der Punktwulst 32 zu verbessern, ist es bevorzugt, dass der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 zur gleichen Zeit bestrahlt wird, wie der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht. Mit Fortschreiten der Erzeugung des Objekts 101 kann jedoch der Bearbeitungsbereich 26 von der erwarteten Höhe abweichen, in welchem Fall es schwierig sein kann, den Abstand L1 an dem eingestellten Wert zu halten.
Um dieses Problem anzugehen, wird die Höhe des Bearbeitungsbereichs 26 gemessen, bevor die Punktwulst 32 gebildet wird, und die Vorschubposition des Drahts 5 in dem Schritt S610 wird gesteuert, so dass der Abstand L1 auf den eingestellten Wert justiert wird. Alternativ wird in Schritt S610 die Position des Endes des Drahts 5 unter Verwendung eines Sensors oder eines Messsystems 61 beobachtet, welches an der oberen Position des Arbeitskopfs 10 angebracht ist, und die Vorschubposition des Endes des Drahts 5 wird so gesteuert, dass der Abstand L1 auf den eingestellten Wert justiert wird.
43 ist ein Diagramm, in welchem das Messsystem 61 in der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 vorgesehen ist. Eine bildgebende Vorrichtung, wie etwa eine Kamera, und eine Bildverarbeitungsvorrichtung können für das Messsystem 61 verwendet werden. Als Folge davon kann der Abstand L1 auf dem eingestellten Wert gehalten werden, und der Draht 5 kann mit dem Laserstrahl 24 zur gleichen Zeit bestrahlt werden, zu der der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht, so dass die Formgenauigkeit der Punktwulst 32 verbessert werden kann.
In dem Fall, in dem die Position des Drahts 5 mit der an dem oberen Bereich des Arbeitskopfs 10 angebrachten Kamera beobachtet wird, wird der Moment, an dem der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht, aus einem Bild identifiziert, welches durch die Kamera aufgenommen wurde, wodurch es möglich wird, den Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 zu der gleichen Zeit zu bestrahlen, zu der der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung 1 den Zeitpunkt zur Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 basierend auf dem Beobachtungsergebnis der Position des Endes des Drahts 5 steuert.
Hiernach werden die vorangehend beschriebenen Schritte S50 bis S70 auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt, wie dies in den 9 bis 11 gezeigt ist.
Es sei angemerkt, dass das Steuerverfahren in den Schritten S 110 bis S 130 gemäß der vorangehend beschriebenen zweiten Ausführungsform auf den oben erwähnten 3D-Druck angewendet werden kann.
In einem weiteren Beispiel des 3D-Drucks durch die 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der vorangehend beschriebenen sechsten Ausführungsform führt die Steuervorrichtung 1 eine Steuerung zum Vorschub des Drahts 5 in eine Nicht-Kontaktposition, in der das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 der Zielfläche 22 ist, zur Zuführung des Drahts 5 weiter hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 und zur nachfolgenden Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 durch. Die Nicht-Kontaktposition ist eine Position, die mit einem Abstand entfernt angeordnet ist, welcher Abstand 0,2 Sekunden oder mehr benötigt, und zwar ab dem Start der Zuführung des Drahts 5 von der Nicht-Kontaktposition zu dem Bearbeitungsbereich 26 bis zur Ankunft des Endes des Drahts 5 an dem Bearbeitungsbereich 26.
Durch Starten der Zuführungsoperation des Drahts 5 bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, ist es, wie vorangehend beschrieben, möglich, den Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 zur gleichen Zeit zu bestrahlen, zu der der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht. Die Zuführungsoperation des Drahts 5 wurde bereits gestartet, wenn die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 24 gestartet wird, wodurch der geschmolzene Draht 21 glatt an den Bearbeitungsbereich 26 angeschweißt wird.
Durch Starten der Zuführungsoperation des Drahts 5 vor der Bestrahlung des Drahts 5 mit dem Laserstrahl 24 ist es möglich, den Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 zur gleichen Zeit zu bestrahlen, zu der der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht. Folglich kann die Laserbestrahlungszeit zum Bilden der gewünschten Punktwulst 32 auf den unteren Grenzwert für Laserbestrahlung verkürzt werden, die notwendig ist, um die Punktwulst 32 zu bilden. Somit kann die verkleinerte Punktwulst 32 gebildet werden, und die Punktwulst 32 mit einem kleinen Durchmesser kann gebildet werden, so dass die Formgenauigkeit des Objekts 101 verbessert werden kann.
Durch Starten der Zuführungsoperation des Drahts 5 bevor der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 bestrahlt wird, ist es möglich, den genau vorgeschriebenen Wert als die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 zu verwenden, so dass die Formgenauigkeit des Objekts 101 verbessert werden kann.
In dem Schritt S610 wird die Position des Endes des Drahts 5 durch das Messsystem 61 beobachtet, und die Vorschubposition des Endes des Drahts 5 wird so gesteuert, dass der Abstand L1 auf den eingestellten Wert justiert wird, wodurch der Abstand L1 auf dem eingestellten Wert gehalten werden kann. Folglich kann der Draht 5 mit dem Laserstrahl 24 zur gleichen Zeit bestrahlt werden, zu der der Draht 5 den Bearbeitungsbereich 26 erreicht, und die Laserbestrahlungszeit zum Bilden der gewünschten Punktwulst 32 kann auf den unteren Grenzwert für die Laserbestrahlungsdauer verkürzt werden, die zum Bilden der Punktwulst 32 notwendig ist. Als Folge davon kann die verkleinerte Punktwulst 32 gebildet werden, und die Punktwulst 32 mit einem kleinen Durchmesser kann gebildet werden, so dass die Formgenauigkeit des Objekts verbessert werden kann.
Wie vorangehend beschrieben, kann der 3D-Druck gemäß der sechsten Ausführungsform die Wirkung erreichen, dass der geschmolzene Draht 21 glatt an den Bearbeitungsbereich 26 geschweißt wird, der geschmolzene Draht 21 somit stabil an die Zielfläche 22 geschweißt wird und es hierdurch verhindert wird, dass der geschmolzene Draht 21 nicht an die Zielfläche 22 geschweißt wird.
Siebte Ausführungsform
In der siebten Ausführungsform wird eine weitere Art des 3D-Drucks durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung 100 beschrieben. Der 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform unterscheidet sich von dem 3D-Druck gemäß der vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 erhöht ist.
Nachfolgend wird der 3D-Druck mit der 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der siebten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 44 bis 48 beschrieben. 44 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gemäß der siebten Ausführungsform. 45 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches die Position der zentralen Achse CL des Laserstrahls 24 zeigt, wobei der Bearbeitungskopf 10 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zu der ersten Position bewegt ist. 46 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem der Draht 5 zu einer Position vorgeschoben ist, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 ist. 47 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Bestrahlung des Bearbeitungsbereichs 26 mit dem Laserstrahl 24 in der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gestartet ist. 48 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, in dem die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 gestartet ist. Die 45 bis 48 zeigen den Zustand eines Umgebungsbereichs des Bearbeitungsbereichs 26 an der Zielfläche 22.
Zunächst wird der vorangehend beschriebene Schritt S10 ausgeführt, wie dies in 45 gezeigt ist.
In Schritt S710 führt die Drahtdüse 12 dann den Draht 5 dem Bearbeitungsbereich 26 zu, wie dies in 46 gezeigt ist. Hierbei wird der Draht 5 zu einer Position geführt, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 ist, d. h., zu einer Position, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist. Beispielsweise wird der Draht 5 zu einer Position geführt, die um den Radius des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 von der zentralen Achse CL des auf dem Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 entfernt ist, und zwar hin zu der Drahtdüse 12. D. h., der Draht 5 wird zu einer Position am Außenumfang des Laserstrahls 24 auf Seiten der Drahtdüse 12 gefördert.
Es sei angemerkt, dass, bevor die Zuführung des Drahts 5 gestartet wird, das Ende des Drahts 5 zu einer Position gefördert werden kann, wo das Ende des Drahts 5 nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, wobei die Position außerhalb des Radius des auf den Bearbeitungsbereich 26 gerichteten Laserstrahls 24 und auf einer Drahtdüsenseite der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 angeordnet ist. Alternativ kann, bevor die Zuführung des Drahts 5 gestartet wird, das Ende des Drahts 5 zu einer Position gefördert werden, wo das Ende des Drahts 5 innerhalb des Radius des auf den Bearbeitungsbereich 26 gerichteten Laserstrahls 24 angeordnet ist, wobei es allerdings nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, wobei die Position auf der Drahtdüsenseite der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 liegt.
Hierbei ist es bevorzugt, dass sich die zentrale Achse CW des Drahts 5, der von der Drahtdüse 12 ausgegeben wird und nicht in Kontakt mit der Zielfläche 22 ist, und die zentrale Achse CL des Laserstrahls 24, der auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt wird, an der Oberfläche der Zielfläche 22 schneiden. Alternativ schneidet die zentrale Achse CW des Drahts 5 die Oberfläche der Zielfläche 22 innerhalb des Strahlradius des Laserstrahls 24 zwischen der Drahtdüse 12 und der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24. Als Folge davon kann die Punktwulst 32 an der Zielfläche 22 so gebildet werden, dass das Zentrum der gebildeten Punktwulst an dem Schnittpunkt der zentralen Achse CW des Drahts 5 mit der zentralen Achse CL des auf den Bearbeitungsbereich 26 gestrahlten Laserstrahls 24 angeordnet ist.
In Schritt S720 wird dann der Laserstrahl 24 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestrahlt, wie dies in 47 gezeigt ist. In Zusammenhang mit der Bestrahlung durch den Laserstrahl 24 wird das Ausstoßen des Inertgases 25 von der Gasdüse 13 hin zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet.
In Schritt S730 wird dann die Zuführung des Drahts 5 zu dem Bearbeitungsbereich 26 gestartet, wie dies in 48 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Drahtdüse 12 den Draht 5 weiterhin zu dem Bearbeitungsbereich 26 vorschiebt. Hierdurch wird der Draht 5 zu dem Laserstrahl 24 geliefert und der Draht 5 wird geschmolzen. Dann wird der geschmolzene Draht 21 an die Zielfläche 22 geschweißt, und die Punktwulst 32, welches die Abscheidung 18 ist, wird in dem Bearbeitungsbereich 26 der Zielfläche 22 gebildet.
In der siebten Ausführungsform ist der Draht 5 in dem Schritt S710 nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26. In der siebten Ausführungsform wird deshalb im Vergleich zu dem Fall des Starts der Zuführung des Drahts 5 bei Kontaktierung des Drahts 5 mit dem Bearbeitungsbereich 26 von dem Laserstrahl 24 zusätzliche Wärme zugeführt, und zwar während der Zeitdauer zwischen dem Start der Zuführung des Drahts 5 bis zur Ankunft des Endes des Drahts 5 an dem Bearbeitungsbereich 26. Folglich kann bei dem 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 erhöht werden, und zwar im Vergleich zu dem Fall des Startens der Zuführung des Drahts 5 mit in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 stehendem Draht 5. Dies bedeutet, dass bei dem 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform der Draht 5 mit einer schnelleren Zuführungsgeschwindigkeit zugeführt wird als in dem Fall des Startens der Zuführung des Drahts 5 bei in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 stehendem Draht 5, wie in dem Fall der vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsform.
Folglich kann der 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform ein Hochlaufphänomen in dem geschmolzenen Draht 21 verhindern und die Geschwindigkeit erhöhen, mit der die Punktwulst 32 gebildet wird. Die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 in dem 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform bezieht sich auf die Drahtzuführungsgeschwindigkeit zwischen dem Start der Zuführung des Drahts 5 und dem Ende der Zuführung des Drahts 5, oder auf die maximale Drehgeschwindigkeit des Drehantriebsmotors 4.
49 ist ein Diagramm, welches ein Bild des Drahts 5 zeigt, der mit einer übermäßigen Zuführungsgeschwindigkeit beim 3D-Druck durch die in 1 gezeigte 3D-Druckvorrichtung 100 zugeführt wurde. 50 ist ein Diagramm, welches ein Bild des Drahts 5 zeigt, der mit einer normalen Zuführungsgeschwindigkeit beim 3D-Druck mit der in 1 gezeigten 3D-Druckvorrichtung 100 zugeführt wurde. Eine Drahtzuführungsgeschwindigkeit für den 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform ist in einem Fall überhöht, in dem der Draht 5 mit einer solchen Drahtzuführungsgeschwindigkeit zugeführt wird, bei der der Draht 5 in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 ist. Dies führt zu dem in 49 gezeigten Phänomen, wo die Position der zentralen Achse während der Zuführung des Drahts 5 von der Position der zentralen Achse beim Start der Zuführung des Drahts 5 abweicht, und zwar bei Betrachtung in der Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls 24.
Der 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform wird zu dem Zweck durchgeführt, die Formgenauigkeit der Punktwulst 32 zu verbessern und die Formgenauigkeit des Objekts 101 zu verbessern. Die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 wird als überhöht bestimmt, wenn die Größe der Abweichung der Position der zentralen Achse während der Zuführung des Drahts 5 von der Position der zentralen Achse beim Start der Zuführung des Drahts 5 1/10 des Durchmessers des Drahts 5 übersteigt. Wenn die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahts 5 überhöht ist, kann der Draht 5 von dem Bearbeitungsbereich 26 abweichen.
Bei dem 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform ist hingegen, wie in 50 gezeigt, die Position der zentralen Achse während der Zuführung des Drahts 5 gleich der Position der zentralen Achse beim Start der Zuführung des Drahts 5. Dies bedeutet, dass das Phänomen, bei dem die Position der zentralen Achse während der Zuführung des Drahts 5 von der Position der zentralen Achse beim Start der Zuführung des Drahts 5 abweicht, nicht auftritt.
Deshalb wird beim 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform der Draht 5 mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die dazu führt, dass die Position der zentralen Achse während der Zuführung des Drahts 5 von der Position der zentralen Achse beim Start der Zuführung des Drahts 5 in dem Fall abweicht, in dem die Zuführungsoperation des Drahts 5 gestartet wird, wenn der Draht 5 in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 ist. Bei dem 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform wird der Draht 5 insbesondere mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die dazu führt, dass die Größe der Abweichung der Position der zentralen Achse während der Zuführung des Drahts 5 von der Position der zentralen Achse beim Start der Zuführung des Drahts 5 1/10 des Durchmessers des Drahts 5 in dem Fall übersteigt, in dem die Zuführoperation des Drahts 5 gestartet wird, wenn der Draht 5 in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich 26 ist. Im Ergebnis ist es mit dem 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform möglich, ein Hochlaufphänomen in dem geschmolzenen Draht 21 zu vermeiden und die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die Punktwulst 32 gebildet wird, wodurch die Geschwindigkeit zur Bildung des Objekts 101 erhöht wird.
Hiernach werden die vorangehend beschriebenen Schritte S50 bis S70 auf die gleiche Weise durchgeführt, wie in der ersten Ausführungsform und wie in den 9 bis 11 gezeigt.
Es sei angemerkt, dass das Steuerverfahren in den Schritten S 110 bis S130 gemäß der vorangehend beschriebenen zweiten Ausführungsform auf den oben erwähnten 3D-Druck angewendet werden kann.
Wie vorangehend beschrieben, kann der 3D-Druck gemäß der siebten Ausführungsform die Wirkung erzielen, dass ein Hochlaufphänomen in dem geschmolzenen Draht 21 nicht auftritt, die Geschwindigkeit, mit der die Punktwulst 32 gebildet wird, schneller wird und die Geschwindigkeit, mit der das gebildete Objekt 101 gebildet wird, schneller wird.
Die in den oben erwähnten Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen geben Beispiele der Inhalte der vorliegenden Erfindung an. Die Techniken der Ausführungsformen können miteinander und mit anderen wohlbekannten Techniken kombiniert werden, und einige der Konfigurationen können weggelassen oder abgeändert werden, und zwar in einem Rahmen, der nicht von dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abweicht.
Bezugszeichenliste

1: Steuervorrichtung;
2: Laser;
3: Faserkabel;
4: Drehantriebsmotor;
5: Draht;
6: Drahtspule;
7: Gaszuführungsvorrichtung;
8: Rohr;
10: Bearbeitungskopf;
11: Strahldüse;
12: Drahtdüse;
13: Gasdüse;
14: Kopfantriebsvorrichtung;
15: Objekttisch;
16: Drehmechanismus;
17: Basismaterial;
18: Abscheidung;
19: Drahtzuführungseinheit;
21: geschmolzener Draht;
22: Zielfläche;
23: Schmelzbad;
24: Laserstrahl;
25: Inertgas;
26: Bearbeitungsbereich;
27a: erste Punktwulstschicht;
27b: zweite Punktwulstschicht;
27c: dritte Punktwulstschicht;
32: Punktwulst;
41: CPU;
42: RAM;
43: ROM;
44: externe Speichervorrichtung;
45: Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle;
46: Bus;
51, 52, 53: Pfeil;
54: Bewegungsrichtung;
55: Zuführungsrichtung;
61: Messsystem;
100: 3D-Druckvorrichtung;
101: Objekt;
321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 329, 3210, 3211, 3212, 3213, 3214, 3215: Punktwulst;
A, B: Drahtzuführungsgeschwindigkeit;
C: Drahtdurchmesser;
CL, CW: zentrale Achse;
D: Drahtpositionsverhältnis;
E: Drahtendabstand;
F: Drahtzuführungswinkel;
G: Drahtzuführungsstrecke;
H: Ankunftszeit;
L: Abstand.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016179501 [0003]

Claims

3D-Druckvorrichtung zum Erzeugen eines Objekts an einer Zielfläche eines Werkstücks, wobei die 3D-Druckvorrichtung umfasst: eine Materialzuführungseinheit zum Zuführen eines Aufbaumaterials zu einem Bearbeitungsbereich der Zielfläche; eine Bestrahlungseinheit zum Bestrahlen des Bearbeitungsbereichs mit einem Laserstrahl, um das Aufbaumaterial zu schmelzen; und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Materialzuführungseinheit und der Bestrahlungseinheit, um wenigstens einen Teil des Objekts zu erzeugen, und zwar unter Verwendung einer punktförmigen Wulst, wobei die punktförmige Wulst aus dem Aufbaumaterial gebildet wird, das durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl geschmolzen wird.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbaumaterial drahtförmig ist und wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um ein Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich zu bringen und daraufhin den Bearbeitungsbereich mit dem Laserstrahl zu bestrahlen.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um das drahtförmige Aufbaumaterial hin zu dem Bearbeitungsbereich zu bewegen, um das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich zu bringen, nachdem das drahtförmige Aufbaumaterial zu einer Höhenposition zugeführt wurde, in der das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist, und zwar in einem Fall, in dem das drahtförmige Aufbaumaterial zu einer Position zugeführt wird, in der das drahtförmige Aufbaumaterial eine zentrale Achse des Laserstrahls schneidet, oder nachdem das drahtförmige Aufbaumaterial zu einer Höhenposition zugeführt wurde, in der das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist, und zwar in einem Fall, in dem das drahtförmige Aufbaumaterial zu einer Position zugeführt wird, in der eine zentrale Achse des drahtförmigen Aufbaumaterials in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbaumaterial drahtförmig ist, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung zum Bestrahlen des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl und zum Zuführen des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich ausführt, und zwar nach dem Zuführen des drahtförmigen Aufbaumaterials zu einer Ruheposition, in der ein Abstand zwischen einer zentralen Achse des Laserstrahls und einem Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in einer Ebenenrichtung der Zielfläche in einem Bereich von 0,5 bis 2,3-mal einem Radius des Laserstrahl in einem Fall liegt, in dem der Laserstrahl und eine zentrale Achse des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht koaxial sind, oder nach dem Zuführen des drahtförmigen Aufbaumaterials zu einer Ruheposition, in der ein Abstand zwischen der Zielfläche und dem Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in den Bereich von 0,5 bis 2,3-mal dem Radius des Laserstrahls in einem Fall liegt, in dem der Laserstrahl und die zentrale Achse des drahtförmigen Aufbaumaterials koaxial sind.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei in einem Fall, in dem die Zielfläche eine zweite Schicht punktförmiger Wülste oder eine Schicht punkförmiger Wülste höherer Ordnung ist, das Objekt bereitstellt, die Steuervorrichtung vor dem Bestrahlen des Laserstrahls das drahtförmige Aufbaumaterial nach oben bewegt, an eine Höhenposition basierend auf einer Höhe der Zielfläche und einer Höhe einer Endposition des drahtförmigen Aufbaumaterials, welches der Bereitschaftsposition zugeführt wird, wobei es die Höhenposition ermöglicht, dass das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials eine Position der zentralen Achse des Laserstrahls erreicht, der auf den Bearbeitungsbereich zu strahlen ist, und die Steuervorrichtung daraufhin das drahtförmige Aufbaumaterial dem Bearbeitungsbereich weiter zuführt.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung durchführt, um die Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials und die Bestrahlung mit dem Laserstrahl nach dem Bestrahlen des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl für eine vorbestimmte Bestrahlungszeit während der Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich zu stoppen, wobei die Zuführungsposition des drahtförmigen Aufbaumaterials festgehalten wird.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei nach dem Stoppen der Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um das drahtförmige Aufbaumaterial in eine Richtung herauszuziehen, die einer Zuführungsrichtung des drahtförmigen Aufbaumaterials entgegengesetzt ist, und um die Bestrahlung mit dem Laserstrahl zu stoppen.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, umfassend eine Gaszuführungseinheit, um unter der Steuerung der Steuervorrichtung ein Inertgas zu dem Bearbeitungsbereich auszustoßen, wobei die Steuervorrichtung die Steuerung zum Ausstoßen des Inertgases zu dem Bearbeitungsbereich während einer Zeitdauer, in der der Bearbeitungsbereich mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, und während einer vorbestimmten Dauer ausführt, nachdem die Bestrahlung mit dem Laserstrahl gestoppt wurde.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung zum Stoppen des Ausstoßes des Inertgases nach Ablauf der Zeitdauer bis zu einer nächsten Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausführt.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Steuervorrichtung das drahtförmige Aufbaumaterial so weit nach oben bewegt, dass das drahtförmige Aufbaumaterial nicht aus dem geschmolzenen Draht herausgezogen wird, wobei der geschmolzene Draht das geschmolzene drahtförmige Aufbaumaterial ist, das an den Bearbeitungsbereich angeschweißt ist.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Steuervorrichtung nach dem Bewegen des drahtförmigen Aufbaumaterials nach oben eine Steuerung ausführt, um das drahtförmige Aufbaumaterial in eine Richtung herauszuziehen, die einer Zuführungsrichtung des drahtförmigen Aufbaumaterials entgegengesetzt ist.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Steuervorrichtung eine Bewegungsrichtung der Materialzuführungseinheit und eine Zuführungsrichtung des drahtförmigen Aufbaumaterials so steuert, dass sich die Materialzuführungseinheit in eine solche Richtung bewegt und das drahtförmige Aufbaumaterial in eine solche Richtung zugeführt wird, dass es dem dem Bearbeitungsbereich zugeführten drahtförmigen Aufbaumaterial nicht möglich ist, in einer Ebene der Zielfläche mit der punktförmigen Wulst zu überlappen, die bereits an der Zielfläche gebildet ist.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 12, umfassend einen Drehmechanismus, der in der Lage ist, das Werkstück oder einen Bewegungsmechanismus zu drehen, um die Materialzuführungseinheit und die Bestrahlungseinheit in einem Kreis in einer Ebene der Zielfläche zu bewegen, wobei die Steuervorrichtung eine Zuführungsrichtung des drahtförmigen Aufbaumaterials und eine Drehrichtung des Werkstücks so steuert, dass das drahtförmige Aufbaumaterial in eine solche Richtung zugeführt wird und das Werkstück in eine solche Richtung gedreht wird, dass es nicht möglich ist, dass das dem Bearbeitungsbereich zugeführte drahtförmige Aufbaumaterial in einer Ebene der Zielfläche mit der an der Zielfläche bereits gebildeten punktförmigen Wulst überlappt.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung zum Bilden einer Mehrzahl von ersten punktförmigen Wülsten mit einem Abstand zwischen einander benachbarten punktförmigen Wülsten ausführt und daraufhin eine zweite punktförmige Wulst in der Lücke oder einem Bereich benachbart zu den ersten punktförmigen Wülsten bildet.
3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um eine Vielzahl von punktförmigen Wülsten zu bilden, welche eine Schicht punktförmiger Wülste bilden, wobei die Vielzahl der punktförmigen Wülste eine punktförmige Wulst umfasst, die einer Kante der Schicht punktförmiger Wülste entspricht, und wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um die der Kante entsprechende punktförmige Wulst später zu bilden als jede andere punktförmige Wulst der Schicht punktförmiger Wülste.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbaumaterial drahtförmig ist, und wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um die Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich zu starten und um nachfolgend den Bearbeitungsbereich mit dem Laserstrahl zu bestrahlen.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um das drahtförmige Aufbaumaterial einer Nicht-Kontaktposition zuzuführen, in der ein Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist, um die Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials weiter zu dem Bearbeitungsbereich zu starten, und um nachfolgend den Bearbeitungsbereich mit dem Laserstrahl zu bestrahlen.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Nicht-Kontaktposition eine Position ist, die eine Strecke entfernt angeordnet ist, wobei die Strecke 0,2 Sekunden oder mehr benötigt, um sie vom Start der Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials von der Nicht-Kontaktposition zu dem Bearbeitungsbereich bis zur Ankunft des Endes des drahtförmigen Aufbaumaterials an den Bearbeitungsbereich zurückzulegen.
3D-Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Steuervorrichtung basierend auf einem Beobachtungsergebnis einer Position des Endes des drahtförmigen Aufbaumaterials einen Zeitpunkt steuert, zu dem der Bearbeitungsbereich mit dem Laserstrahl zu bestrahlen ist.
3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbaumaterial drahtförmig ist, die Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um das drahtförmige Aufbaumaterial hin zu einer Position zu fördern, wo ein Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist, um den Bearbeitungsbereich mit dem Laserstrahl zu bestrahlen und daraufhin das drahtförmige Aufbaumaterial weiter dem Bearbeitungsbereich zuzuführen, und wobei die Steuervorrichtung nach dem Bestrahlen des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl das drahtförmige Aufbaumaterial dem Bearbeitungsbereich mit einer Geschwindigkeit zuführt, die dazu führt, dass das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials von dem Bearbeitungsbereich in einem Fall abweicht, in dem das drahtförmige Aufbaumaterial dem Bearbeitungsbereich zugeführt wird, wobei das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist.
3D-Druckverfahren zum Durchführen von 3D-Druck durch Steuern: einer Materialzuführungseinheit zum Zuführen eines Aufbaumaterials zu einem Bearbeitungsbereich einer Zielfläche eines Werkstücks; und einer Bestrahlungseinheit zum Bestrahlen der Zielfläche mit einem Laserstrahl, um das Aufbaumaterial zu schmelzen, wobei das 3D-Druckverfahren einen Schritt des Bildens einer punktförmigen Wulst durch Schmelzen des Aufbaumaterials durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl umfasst.
3D-Druckverfahren nach Anspruch 21, wobei das Aufbaumaterial drahtförmig ist und wobei das 3D-Druckverfahren umfasst: einen Schritt des Startens der Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich; und einen Schritt des Bestrahlens des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl nach dem Start der Zuführung des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich.
3D-Druckverfahren nach Anspruch 21, wobei das Aufbaumaterial drahtförmig ist und wobei das 3D-Druckverfahren umfasst: einen Schritt des Förderns des drahtförmigen Aufbaumaterials zu einer Position, in der ein Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist; einen Schritt des Bestrahlen des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl; und einen Schritt des Zuführens des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich und wobei in dem Schritt des Zuführens des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich das drahtförmige Aufbaumaterial dem Bearbeitungsbereich mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, die dazu führt, dass das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials von dem Bearbeitungsbereich in einem Fall abweicht, in dem das drahtförmige Aufbaumaterial dem Bearbeitungsbereich weiter zugeführt wird, wobei das Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in Kontakt mit dem Bearbeitungsbereich ist.
3D-Druckverfahren zum Durchführen von 3D-Druck durch Steuern: einer Materialzuführungseinheit zum Zuführen eines drahtförmigen Aufbaumaterials zu einem Bearbeitungsbereich einer Zielfläche eines Werkstücks; und einer Bestrahlungseinheit zum Bestrahlen der Zielfläche mit einem Laserstrahl, der das Aufbaumaterial schmilzt, wobei das 3D-Druckverfahren umfasst: einen Schritt des In-Kontakt-Bringens eines Endes des drahtförmigen Aufbaumaterials mit dem Bearbeitungsbereich; und einen Schritt des Bestrahlens des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl.
3D-Druckverfahren zum Durchführen von 3D-Druck durch Steuern: einer Materialzuführungseinheit zum Zuführen eines drahtförmigen Aufbaumaterials zu einem Bearbeitungsbereich einer Zielfläche eines Werkstücks; und einer Bestrahlungseinheit zum Bestrahlen der Zielfläche mit einem Laserstrahl, der das Aufbaumaterial schmilzt, wobei das 3D-Druckverfahren umfasst: einen Schritt des Zuführens des drahtförmigen Aufbaumaterials zu einer Ruheposition, in der ein Abstand zwischen einer zentralen Achse des Laserstrahls und einem Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in einer Ebenenrichtung der Zielfläche in einem Bereich von 0,5 bis 2,3-mal einem Radius des Laserstrahl in einem Fall liegt, in dem der Laserstrahl und eine zentrale Achse des drahtförmigen Aufbaumaterials nicht koaxial sind, oder Zuführen des drahtförmigen Aufbaumaterials zu einer Ruheposition, in der ein Abstand zwischen der Zielfläche und dem Ende des drahtförmigen Aufbaumaterials in den Bereich von 0,5 bis 2,3-mal dem Radius des Laserstrahls in einem Fall liegt, in dem der Laserstrahl und die zentrale Achse des drahtförmigen Aufbaumaterials koaxial sind; einen Schritt des Bestrahlens des Bearbeitungsbereichs mit dem Laserstrahl; und einen Schritt des Zuführens des drahtförmigen Aufbaumaterials zu dem Bearbeitungsbereich.