DE112019006101T5 - Additive Fertigungsvorrichtung - Google Patents

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Makoto Tano
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Abstract

Eine additive Fertigungsvorrichtung, die unter Verwendung eines Materials von einem pulverförmigen Material und einem linearen Material ein Formobjekt auf einer Basis ausbildet, umfasst eine Additivmaterial-Zuführeinheit, eine Lichtbestrahlungseinheit und eine Steuereinheit, die eine Zufuhr des einen Materials, eine Bestrahlung mit einem Lichtstrahl und eine Relativbewegung des Lichtstrahls steuert. Die Lichtbestrahlungseinheit umfasst einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil und einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil. Die Steuereinheit steuert getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils und sie erhöht einen Peak in einer Verteilungsform an Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls, sodass er größer als ein Peak in einer Verteilungsform an Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist, um das Formobjekt auszubilden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine additive Fertigungsvorrichtung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Wie in der JP 2015 - 196 265 A beschrieben ist, wird als eine Auftragstechnik (Teilsteuerungsbearbeitung physikalischer Eigenschaften), bei der Pulvermaterialien der gleichen Art oder verschiedene Arten von Metallen injiziert und einer Metallbasis zugeführt werden und mit Laserlicht bestrahlt werden, damit sie schmelzen, und die Pulvermaterialien dann erstarren gelassen werden, um zur Basis ein Formobjekt hinzuzufügen, ein Laserauftragsschweißverfahren (LMD-Verfahren) verwendet, das bei einer additiven Fertigungsvorrichtung Anwendung findet. Mit dem LMD-Verfahren kann ein Mischungsverhältnis einer Vielzahl von Pulvermaterialien eingestellt werden, um die Vielzahl von Pulvermaterialien zuzuführen, was sich mit einem selektiven Laserschmelzverfahren (SLM-Verfahren) schwer durchführen lässt, und verglichen mit dem SLM-Verfahren ergibt sich ein höherer Formgebungsfreiheitsgrad und es ist eine 5-mal bis 10-mal so schnelle Hochgeschwindigkeitsformgebung wie beim SLM-Verfahren möglich.
  • Wenn mit dem LMD-Verfahren zum Beispiel zu einer Basis aus Kohlenstoffstahl (S45C) ein hartes Formobjekt aus Wolframcarbid (WC) oder dergleichen hinzugefügt wird, kann es bei schneller Aufheizung zum Spritzen und bei schneller Erstarrung zu Rissen kommen, wobei sich die Qualität des harten Formobjekts verschlechtert.
  • Wenn außerdem zum Beispiel zu einer Basis aus einem eisenbasierten Material ein Formobjekt aus Kupfer (Cu) hinzugefügt wird, ist es mit dem LMD-Verfahren aufgrund eines Unterschieds bei der Laserabsorption (Wärmeleitfähigkeit) zwischen Eisen und Kupfer schwierig, das aus Kupfer bestehende Formobjekt stabil zu der aus Kohlenstoffstahl bestehenden Basis hinzuzufügen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt eine additive Fertigungsvorrichtung, die dazu imstande ist, ein Formobjekt hoher Qualität hinzuzufügen, und eine additive Fertigungsvorrichtung, die dazu imstande ist, stabil ein Formobjekt hinzuzufügen, zur Verfügung.
  • - 1. Ausführungsform Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Gemäß einer Ausgestaltung einer additiven Fertigungsvorrichtung der Erfindung umfasst die additive Fertigungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung eines Materials von einem pulverförmigen Material und einem linearen Material ein Formobjekt auf einer Basis ausbildet: eine Additivmaterial-Zuführeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das eine Material der Basis zuführt; eine Lichtbestrahlungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Zuführabschnitt auf der Basis mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wobei der Zuführabschnitt ein Abschnitt ist, dem das eine Material zugeführt wird; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Zufuhr des einen Materials durch die Additivmaterial-Zuführeinheit, eine Bestrahlung mit einem Lichtstrahl durch die Lichtbestrahlungseinheit und eine Relativbewegung des Lichtstrahls zur Basis steuert.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit umfasst einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil, der einen zentralen Abschnitt des Zuführabschnitts des einen Materials mit einem zentralen Lichtstrahl bestrahlt, und einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls mit einem Außenseitenlichtstrahl bestrahlt. Der Lichtstrahl umfasst den zentralen Lichtstrahl und den Außenseitenlichtstrahl. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert. Der zentrale Lichtstrahl hat eine Leistungsdichte, die mit der Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil zusammenhängt. Der Außenseitenlichtstrahl hat eine Leistungsdichte, die mit der Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls erhöht, sodass er größer als ein Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist, um das Formobjekt auszubilden.
  • Da gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung mit dem Außenseitenlichtstrahl eine Vorheizbearbeitung als eine Vorbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts durchgeführt werden kann, ist es nicht notwendig, den Peak in einem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls stark zu erhöhen. Dementsprechend kann eine schnelle Aufheizung durch den zentralen Lichtstrahl reduziert werden und es kann das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Da mit dem Außenseitenlichtstrahl eine Temperaturerhaltungsbearbeitung als eine Nachbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts durchgeführt werden kann, kann eine schnelle Erstarrung des Formobjekts unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden. Daher kann zur Basis ein Formobjekt hoher Qualität hinzugefügt werden.
  • - 2. Andere Ausführungsform Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung einer additiven Fertigungsvorrichtung der Erfindung umfasst die additive Fertigungsvorrichtung, die so konfiguriert, dass sie unter Verwendung einer Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien ein Formobjekt auf einer Basis ausbildet: eine Additivmaterial-Zuführeinheit, die eine Mischungsverhältnis-Einstelleinheit umfasst, die ein Mischungsverhältnis der Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien einstellt und die so konfiguriert ist, dass sie der Basis injizierend ein eingestelltes, pulverförmiges Material zuführt, wobei das eingestellte, pulverförmige Material ein Material ist, dessen Mischungsverhältnis die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit eingestellt hat; eine Lichtbestrahlungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Zuführabschnitt auf der Basis mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wobei der Zuführabschnitt ein Abschnitt ist, dem das eingestellte, pulverförmige Material zugeführt wird; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Zufuhr des eingestellten, pulverförmigen Materials durch die Additivmaterial-Zuführeinheit, eine Bestrahlung mit einem Lichtstrahl durch die Lichtbestrahlungseinheit und eine Relativbewegung des Lichtstrahls zur Basis steuert.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit umfasst einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil, der einen zentralen Abschnitt des Zuführabschnitts des eingestellten, pulverförmigen Materials mit einem zentralen Lichtstrahl bestrahlt, und einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls mit einem Außenseitenlichtstrahl bestrahlt, und der Lichtstrahl umfasst den zentralen Lichtstrahl und den Außenseitenlichtstrahl.
  • Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie gemäß einer Änderung des Mischungsverhältnisses getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert, wenn sie auf einer Oberfläche der Basis ein Zwischenformobjekt ausbildet, in dem sich das Mischungsverhältnis allmählich in einer Dickenrichtung ändert.
  • Gemäß der obigen anderen Ausgestaltung der Erfindung kann ein Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einer Umfangsfläche der Basis und dem Zwischenformobjekt so ausgebildet werden, dass er zu einer Grenze zwischen der Umfangsfläche der Basis und dem Zwischenformobjekt hin allmählich abnimmt. Ein Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Zwischenformobjekt und dem Formobjekt kann so ausgebildet werden, dass er zu einer Grenze zwischen dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF hin allmählich abnimmt. Wenn das Zwischenformobjekt FC zur Basis B hinzugefügt wird und das Formobjekt FF zum Zwischenformobjekt FC hinzugefügt wird, kann dementsprechend das Auftreten von Rissen aufgrund des Unterschieds beim Wärmeausdehnungskoeffizienten deutlich unterdrückt werden.
  • - 3. Andere Ausführungsform Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung einer additiven Fertigungsvorrichtung der Erfindung umfasst die additive Fertigungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung eines pulverförmigen Materials ein Formobjekt auf einer Basis ausbildet: eine Additivmaterial-Zuführeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie der Basis injizierend das pulverförmige Material zuführt; eine Lichtbestrahlungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Zuführabschnitt auf der Basis mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wobei der Zuführabschnitt ein Abschnitt ist, dem das pulverförmige Material zugeführt wird; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Zufuhr des pulverförmigen Materials durch die Additivmaterial-Zuführeinheit, eine Bestrahlung mit einem Lichtstrahl durch die Lichtbestrahlungseinheit und eine Relativbewegung des Lichtstrahls zur Basis steuert.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit umfasst einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil, der einen zentralen Abschnitt des Zuführabschnitts des pulverförmigen Materials mit einem zentralen Lichtstrahl bestrahlt, und einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls mit einem Außenseitenlichtstrahl bestrahlt. Der Lichtstrahl umfasst den zentralen Lichtstrahl und den Außenseitenlichtstrahl. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie gemäß einer Lichtstrahlabsorption des pulverförmigen Materials eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert. Der zentrale Lichtstrahl hat eine Leistungsdichte, die mit der Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil zusammenhängt. Der Außenseitenlichtstrahl hat eine Leistungsdichte, die mit der Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls und einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls einstellt, um das Formobjekt auszubilden.
  • Auch wenn die Lichtstrahlabsorption eines Pulvermaterials hoch ist, kann dementsprechend eine schnelle Aufheizung verhindert werden, sodass das Auftreten von Spritzen unterdrückt wird. Auch wenn die Lichtstrahlabsorption des Pulvermaterials gering ist, ist es darüber hinaus möglich, die Temperatur zu erhöhen, um die Lichtabsorption proportional zur Temperatur zu verbessern. Dann kann eine Gesamtlaserleistung des zentralen Lichtstrahls und des Außenseitenlichtstrahls aufrechterhalten werden und es ist eine Hochgeschwindigkeitshinzufügung des Formobjekts möglich.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Schaubild einer additiven Fertigungsvorrichtung gemäß ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
    • 2A ist eine Perspektivansicht, die eine Basis darstellt, zu der durch die additive Fertigungsvorrichtung von 1 ein Formobjekt hinzugefügt werden soll.
    • 2B ist eine Ansicht der Basis von 2A, zu der das Formobjekt hinzugefügt ist, von einer Mittelachsenrichtung aus gesehen.
    • 3A ist eine Kurve, die in einem Fall, in dem ein Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung von 1 zur Basis hinzugefügt werden soll, einen Zusammenhang zwischen einer Leistungsdichte und einem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer ersten Stufe (Anfangsvorheizbehandlung einer Umfangsfläche einer Basis) darstellt.
    • 3B ist eine Kurve, die in einem Fall, in dem das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung von 1 zur Basis hinzugefügt wird, einen Zusammenhang zwischen einer Leistungsdichte und einem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer zweiten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung eines Formobjekts) darstellt.
    • 4A ist eine Schnittansicht, die zu dem Zeitpunkt, wenn das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird, einen Anfangszustand eines zu einer Basis hinzugefügten Formobjekts darstellt.
    • 4B ist eine Schnittansicht, die zu dem Zeitpunkt, wenn das Scannen von dem Zustand von 4A weitergeht, einen Zwischenzustand und einen hinzugefügten Zustand des zur Basis hinzugefügten Formobjekts darstellt.
    • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Arbeitsweise der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
    • 6A ist eine erste Darstellung, die in einem Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel jeden Scanzustand eines Lichtstrahls darstellt.
    • 6B ist eine zweite Darstellung, die im Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel jeden Scanzustand des Lichtstrahls darstellt.
    • 6C ist ein drittes Schaubild, das im Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel jeden Scanzustand des Lichtstrahls darstellt.
    • 7 ist eine Kurve, die eine Temperaturänderung eines Abschnitts J auf einer Umfangsfläche der Basis in den Zuständen der 6A bis 6C darstellt.
    • 8 ist eine schematische Darstellung einer additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dritten und vierten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
    • 9 entspricht 2B und ist eine Ansicht einer Basis, zu der ein Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß den dritten und vierten Ausführungsbeispielen hinzugefügt ist, von einer Mittelachsenrichtung aus gesehen.
    • 10A ist eine Kurve, die in einem Fall, in dem ein Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung von 8 im dritten Ausführungsbeispiel zu der Basis hinzugefügt werden soll, einen Zusammenhang zwischen einer Leistungsdichte und einem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer ersten Stufe (Anfangsvorheizbearbeitung einer Umfangsfläche einer Basis) darstellt.
    • 10B ist eine Kurve, die in einem Fall, in dem das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung von 8 im dritten Ausführungsbeispiel zur Basis hinzugefügt wird, einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer zweiten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung eines Zwischenformobjekts) darstellt.
    • 10C ist eine Kurve, die in einem Fall, in dem das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung von 8 im dritten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird, einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer dritten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts) darstellt.
    • 11A ist eine Schnittansicht, die zu dem Zeitpunkt, wenn das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird, einen Anfangszustand eines zu einem Zwischenformobjekt FC hinzugefügten Formobjekts darstellt.
    • 11B ist eine Schnittansicht, die zu dem Zeitpunkt, wenn das Scannen von dem Zustand von 11A weitergeht, einen Zwischenzustand und einen hinzugefügten Zustand des zum Zwischenformobjekt FC hinzugefügten Formobjekts darstellt.
    • 12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Arbeitsweise der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darstellt.
    • 13 ist ein Ablaufdiagramm, das die Arbeitsweise der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel darstellt.
    • 14A ist eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen einer Leistungsdichte und einem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer ersten Stufe (Vorheizbearbeitung einer Umfangsfläche einer Basis) darstellt, in der ein Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hinzugefügt werden soll.
    • 14B ist eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer Anfangsphase einer zweiten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung eines Zwischenformobjekts) darstellt, in dem das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird.
    • 14C ist eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer mittleren Phase der zweiten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts) darstellt, in der das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird.
    • 14D ist eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer Endphase der zweiten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts) darstellt, in der das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird.
    • 14E ist eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer Anfangsphase einer dritten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung eines oberen Formobjekts) darstellt, in der das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird.
    • 14F ist eine Kurve, die einen Zusammenhang zwischen der Leistungsdichte und dem Laserlichtbestrahlungsbereich in einer Endphase der dritten Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des oberen Formobjekts) darstellt, in der das Formobjekt durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird.
    • 15A ist eine Schnittansicht, die einen Anfangszustand eines zur Basis hinzugefügten Zwischenformobjekts darstellt, wenn durch die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ein oberes Formobjekt hinzugefügt wird.
    • 15B ist eine Schnittansicht, die zu dem Zeitpunkt, wenn das Scannen von dem Zustand von 15A weitergeht, einen Zwischenzustand des zur Basis hinzugefügten Zwischenformobjekts und einen hinzugefügten Zustand des zur Basis hinzugefügten oberen Formobjekts darstellt.
    • 16 ist ein schematisches Schaubild, das ein anderes Ausführungsbeispiel einer Lichtbestrahlungseinheit einer additiven Fertigungsvorrichtung darstellt.
  • BESCHREIBUNG AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • <Erstes Ausführungsbeispiel>
  • - 1-1. Überblick Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Es wird nun ein Überblick über eine additive Fertigungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben. Die additive Fertigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel fügt ein Formobjekt mit dem LMD-Verfahren zu einer Basis hinzu, indem sie eine Art von Pulvermaterial verwendet. Das Pulvermaterial und die Basis können verschiedene Arten von Materialien oder die gleiche Art von Material sein.
  • In diesem Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein Formobjekt, das aus einem (nachstehend als ein erstes Pulvermaterial bezeichneten) Pulvermaterial aus Wolframcarbid (WC) besteht, zu einer Basis B hinzugefügt wird, die aus Kohlenstoffstahl (S45C) besteht. Es ist zu beachten, dass bei der additiven Fertigung neben dem ersten Pulvermaterial auch ein (nachstehend als ein bindendes Pulvermaterial bezeichnetes) Pulvermaterial wie Nickel (Ni) oder Cobalt (Co) verwendet wird, das als ein Bindemittel für das erste Pulvermaterial dient.
  • Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine additive Fertigungsvorrichtung 100 eine Additivmaterial-Zuführeinheit 110, eine Lichtbestrahlungseinheit 120, eine Steuereinheit 130 und dergleichen. Es wird hier ein Fall beschrieben, in dem die additive Fertigungsvorrichtung 100, wie in 2A dargestellt ist, ein Formobjekt FF zu durch Maschenlinien angegebenen Umfangsflächen (Trageabschnitten von (nicht dargestellten) Lagern) B2S und B2S auf einer offenen Stirnseite von zylinderförmigen Elementen B2 und B2 in einer Basis B hinzufügt, die eine Form hat, bei der zylinderförmige Elemente kleinen Durchmessers B2 und B2 koaxial mit beiden Seitenflächen eines Scheibenelements großen Durchmessers B1 eine Einheit bilden.
  • Wie in 1 dargestellt ist, dreht die additive Fertigungsvorrichtung 100 während der additiven Fertigung die Basis B durch einen Motor M1 um eine Mittelachse C und bewegt die Basis B durch einen Motor M2 in Richtung der Mittelachse C. Dementsprechend kann das Formobjekt an der offenen Stirnseite der zylinderförmigen Elemente B2 und B2 zu den gesamten Umfangsflächen B2S und B2S hinzugefügt werden. Das Formobjekt hat einen einschichtigen Aufbau des Formobjekts FF (siehe 2B), wobei die Einzelheiten später beschrieben werden.
  • Die in 1 dargestellte Additivmaterial-Zuführeinheit 110 umfasst einen ersten Trichter 111, eine Gasflasche 114 und eine Injektionsdüse 115. Der erste Trichter 111 speichert ein erstes Pulvermaterial P1, das mit einem bindenden Pulvermaterial gemischt ist. Da das Formobjekt FF in diesem Beispiel aus einer großen Menge des ersten Pulvermaterials P1 und einer kleinen Menge des bindenden Pulvermaterials besteht, wird die Menge des bindenden Pulvermaterials, das mit dem ersten Pulvermaterial P1 gemischt wird, auf eine Menge eingestellt, die der Menge des bindenden Pulvermaterials in dem Formobjekt FF entspricht.
  • Mit dem ersten Trichter 111 ist durch ein Rohr 111a ein Pulvereinleitungsventil 113a verbunden. Mit der Injektionsdüse 115 ist durch ein Rohr 115a ein Pulverzuführventil 113c verbunden. Mit der Gasflasche 114 ist durch ein Rohr 114a ein Gaseinleitungsventil 113d verbunden.
  • Die Injektionsdüse 115 injiziert das erste Pulvermaterial P1 durch beispielsweise Hochdruckstickstoff, der aus der Gasflasche 114 zugeführt wird, zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B und führt es ihr zu. In diesem Beispiel wird exemplarisch ein Fall dargestellt, in dem zwei Injektionsdüsen 115 in einem Intervall von 180° angeordnet sind, wobei alternativ eine Konfiguration eingesetzt werden kann, in der eine Injektionsdüse vorgesehen wird oder drei oder mehr Injektionsdüsen, die in einem gleichen Winkelintervall angeordnet sind, vorgesehen werden. Das Gas zum Zuführen des ersten Pulvermaterials P1 ist nicht auf Stickstoff beschränkt und es kann ein Inertgas wie Argon sein.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit 120 umfasst einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121, eine Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 und eine Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124. Die Lichtbestrahlungseinheit 120 bestrahlt die Umfangsfläche B2S (einen Zuführabschnitt des ersten Pulvermaterials P1) des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B über den Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit einem zentralen Lichtstrahl LC aus der Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 und sie bestrahlt die Umfangsfläche B2S über den Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit einem Außenseitenlichtstrahl LS aus der Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124.
  • In diesem Beispiel strahlt der Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 den zentralen Lichtstrahl LC mit einer kreisförmigen Bestrahlungsform (einem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS) ab. Außerdem strahlt der Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 den Außenseitenlichtstrahl LS mit einer ringförmigen Bestrahlungsform (einem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS) ab, die einen Außenumfang des zentralen Lichtstrahls LC umgibt. Der zentrale Lichtstrahl LC spielt eine Rolle bei der Hinzufügung des Formobjekts FF zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B. Die Rolle des Außenseitenlichtstrahls LS wird später beschrieben. Als der zentrale Lichtstrahl LC und der Außenseitenlichtstrahl LS wird zwar Laserlicht verwendet, doch sind der zentrale Lichtstrahl LC und der Außenseitenlichtstrahl LS nicht auf Laserlicht beschränkt und sie können zum Beispiel Elektronenstrahlen sein, solange sie elektromagnetische Wellen sind.
  • Die Steuereinheit 130 steuert eine Pulverzufuhr der Additivmaterial-Zuführeinheit 110 und eine Lichtbestrahlung der Lichtbestrahlungseinheit 120 sowie ein relatives Scannen, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird. Und zwar steuert die Steuereinheit 130 das Öffnen und Schließen des Pulverzuführventils 113c und des Gaseinleitungsventils 113d, um eine Injektion und Zufuhr des ersten Pulvermaterials P1 aus der Injektionsdüse 115 zu steuern.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 130 jeweils den Betrieb der Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 und der Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 sowie getrennt jeweilige Ausgabebedingungen des zentralen Lichtstrahls LC und es Außenseitenlichtstrahls LS, das heißt jeweilige Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS und Verteilungsformen (Laserstrahlprofile) der Laserausgangsleistungen (Leistungsdichten) pro Flächeneinheit des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS und des Außenseitenlichtstrahlbereichs SS.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 130 den Motor M1, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen, und die Drehung des Motors M2, um die Basis B in Richtung der Mittelachse C zu bewegen, wodurch sie das relative Scannen steuert, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird.
  • - 1-2. Verfahren zum Hinzufügen Formobjekt -
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Hinzufügen eines Formobjekts beschrieben. Wie beim Stand der Technik beschrieben wurde, gibt es beim LMD-Verfahren, wenn ein hartes Formobjekt zu einer Basis hinzugefügt wird, hier insofern Probleme, als dass bei schneller Aufheizung Spritzen auftreten kann und bei schneller Erstarrung Risse auftreten können und dass die Genauigkeit des Formobjekts sinkt.
  • Da bei der Erfindung die jeweiligen Laserausgangsleistungen und Leistungsdichte-Laserstrahlprofile des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS getrennt gesteuert werden, wird das Auftreten von Spritzen und Rissen unterdrückt. Insbesondere wird, wie in 2B dargestellt ist, das Formobjekt FF zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B hinzugefügt.
  • In dem Verfahren zum Hinzufügen des Formobjekt FF wird als eine erste Stufe als eine Vorbearbeitung bei einer Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF eine Anfangsvorheizbearbeitung durchgeführt, bei der der Außenseitenlichtstrahl LS verwendet wird. Dabei ist die Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF gemäß der Erfindung eine Bearbeitung in einer zweiten Stufe. In einem Zustand, in dem die Umfangsfläche B2S der Basis B eine niedrige Temperatur hat, entweicht thermische Energie von der Laserbestrahlung leicht in die Basis B, was bei der in der zweiten Stufe durchgeführten Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF wahrscheinlich eine Ursache für einen Misserfolg beim Schmelzen sein wird, weswegen in der ersten Stufe die Umfangsfläche B2S der Basis B vorgeheizt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS bei der Anfangsvorheizbearbeitung so gesteuert, dass die Umfangsfläche B2S der Basis B eine vorbestimmte Temperatur erreicht, ohne zu schmelzen.
  • Das heißt, dass die Steuereinheit 130 in der ersten Stufe nicht die Zufuhr des ersten Pulvermaterials P1 durchführt und eine Steuerung durchführt, um, wie in der Leistungsdichte-Kurve von 3A gezeigt ist, einen Peak LCP1 in einem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC kleiner als einen Peak LSP1 in einem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS zu machen, während Messtemperaturen des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS von einem (nicht dargestellten) Temperaturmessgerät überwacht werden.
  • Der Grund, warum der Peak LCP1 an Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC reduziert wird, sodass er kleiner als der Peak LSP1 an Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls LS ist, ist der, dass sich Wärme, die durch den zentralen Lichtstrahl LC erzeugt wird, wahrscheinlich ansammelt, da der zentrale Lichtstrahl LC von dem Außenseitenlichtstrahl LS umgeben ist, und dass Wärme, die durch den Außenseitenlichtstrahl LS erzeugt wird, wahrscheinlich zur Außenseite entweicht. Da die Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC wie oben beschrieben gering ist, ist es möglich, das Auftreten von Spritzen aufgrund von übermäßigem Wärmeeintrag des zentralen Lichtstrahls LC zu unterdrücken. Da es außerdem möglich ist, als Gesamtlaserausgangsleistung eine große Menge an Energie einzutragen, während der Peak LCP1 unterdrückt wird, ist es möglich, das Vorheizen effizient durchzuführen, während das Auftreten von Spritzen unterdrückt wird.
  • Als Nächstes wird, wie in 4A dargestellt ist, als eine zweite Stufe eine (einer ersten Schmelzbearbeitung entsprechende) Schmelzbearbeitung durchgeführt, bei der die Umfangsfläche B2S der Basis B und das erste Pulvermaterial P1 durch die Bestrahlung mit dem zentralen Lichtstrahl LC im Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS geschmolzen werden, sodass sie ein (einem ersten Schmelzbad entsprechendes) Schmelzbad MP ausbilden. Zu diesem Zeitpunkt wird mit einem ersten Lichtstrahl Bei, der ein Teil des Außenseitenlichtstrahls LS ist, in einem Bestrahlungsbereich SSF auf einer Vorderseite in der Scanrichtung SD (siehe 4B) des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS zum gleichen Zeitpunkt wie eine Vorbearbeitung einer (einer ersten Ausbildungsbearbeitung entsprechenden) Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP eine (der ersten Vorheizbearbeitung entsprechende) Vorheizbearbeitung durchgeführt.
  • Wie in 4B dargestellt ist, wird das Schmelzbad MP dann vergrößert, indem ein Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC in der Scanrichtung SD (Scanrichtung SD) durchgeführt wird (in diesem Beispiel wird die Basis B gescannt, während sie gedreht wird, doch ist in 4B der Einfachheit halber dargestellt, dass beim Scannen der zentrale Lichtstrahl LC bewegt wird), und es wird das aus dem ersten Pulvermaterial P1 bestehende Formobjekt FF zur Basis B hinzugefügt.
  • Zu diesem Zeitpunkt werden zur gleichen Zeit mit dem ersten Lichtstrahl Be1 (Außenseitenlichtstrahl LS) in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP und mit einem zweiten Lichtstrahl Be2 als einem Teil des Außenseitenlichtstrahls LS in einem Bestrahlungsbereich SSB auf einer Rückseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS eine (einer ersten Temperaturerhaltungsbearbeitung entsprechende) Temperaturerhaltungsbearbeitung als eine Nachbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF durchgeführt.
  • Zu diesem Zeitpunkt führt die Steuereinheit 130 eine Steuerung durch, um, wie in 3B dargestellt ist, einen Peak LCP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Laserstrahls LC größer als einen Peak LSP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS zu machen. Die Leserausgangsleistung des zentralen Lichtstrahls LC wird auf eine Temperatur gesteuert, bei der das erste Pulvermaterial P1 geschmolzen werden kann, um das Schmelzbad MP auszubilden. Außerdem wird die Laserausgangsleistung des Außenseitenlichtstrahls LS (des ersten Lichtstrahls Be1 und des zweiten Lichtstrahls Be2) so gesteuert, dass das erste Pulvermaterial P1 und das Formobjekt FF eine vorbestimmte Temperatur erreichen, ohne zu schmelzen.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird mit dem ersten Lichtstrahl Be1 (Außenseitenlichtstrahl LS) in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt, wodurch die Umfangsfläche B2S der Basis B in einen Hochtemperaturzustand gebracht wird. Daher ist es nicht notwendig, den Peak LCP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC stark zu erhöhen.
  • Dementsprechend kann eine schnelle Aufheizung der Umfangsfläche B2S durch den zentralen Lichtstrahl LC reduziert werden und es kann das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Außerdem wird mit dem zweiten Lichtstrahl Be2 in dem Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS die Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt, wodurch eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden kann und das Auftreten von Rissen verhindert werden kann.
  • - 1-3. Arbeitsweise Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von 5 ein Vorgang des Hinzufügens des Formobjekt FF zur Umfangsfläche B2S eines zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durch die additive Fertigungsvorrichtung 100 beschrieben. Es wird angenommen, dass in dem ersten Trichter 111 das erste Pulvermaterial P1 gespeichert wird, das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischt ist.
  • Ein Ende der Umfangsfläche B2S des einen zylinderförmigen Elements B2 der Basis B wird an einer vorbestimmten Hinzufügungsposition der additiven Fertigungsvorrichtung 100 positioniert. Außerdem speichert die Steuereinheit 130 im Voraus die Laserausgangsleistungen und die Peaks LCP3 und LSP3 der Leistungsdichte-Laserstrahlprofile des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in den zuvor beschriebenen ersten und zweiten Stufen, die Zuführmenge des ersten Pulvermaterials P1, Daten der Drehzahl und Bewegungsgeschwindigkeit der Basis B und dergleichen.
  • Zunächst schaltet die Steuereinheit 130 zur gleichen Zeit, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein, um die oben beschriebene erste Stufe (Anfangsvorheizbearbeitung für die Umfangsfläche B2S der Basis B) auszuführen (Schritt S1 in 5). Und zwar treibt die Steuereinheit 130 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen.
  • Zur gleichen Zeit schaltet die Steuereinheit 130 die zentrale Lichtstrahl-Lichtquelle 122 ein, um die Umfangsfläche B2S der Basis B mit dem zentralen Lichtstrahl LC aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 zu bestrahlen, sie schaltet die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 ein, um die Umfangsfläche B2S der Basis B mit dem Außenseitenlichtstrahl LS aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 zu bestrahlen, und sie führt auf der Umfangsfläche B2S der Basis B die Anfangsvorheizbearbeitung aus.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 130, ob die Anfangsvorheizbearbeitung für die Umfangsfläche B2S der Basis B abgeschlossen ist (Schritt S2 in 5), und schaltet die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus, wenn die Anfangsvorheizbearbeitung abgeschlossen ist, und sie führt die Basis B auf eine Startposition der ersten Stufe zurück und stoppt die Drehung und Bewegung der Basis B (Schritt S3 in 5).
  • Um die oben beschriebene zweite Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF) auszuführen, schaltet die Steuereinheit 130 als Nächstes die Additivmaterial-Zuführeinheit 110 ein und schaltet zur gleichen Zeit, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein (Schritt S4 in 5). Und zwar öffnet die Steuereinheit 130 das Gaseinleitungsventil 113d und das Pulverzuführventil 113c und injiziert durch Hochdruckstickstoff aus der Gasflasche 114 das erste Pulvermaterial P1 aus der Injektionsdüse 115 und führt es der Umfangsfläche B2S der Basis B zu. Außerdem schaltet die Steuereinheit 130 die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 ein, um die Umfangsfläche B2S der Basis B mit dem zentralen Lichtstrahl LC aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 zu bestrahlen, und sie schaltet die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 ein, um die Umfangsfläche B2S der Basis B mit dem Außenseitenlichtstrahl LS aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 zu bestrahlen.
  • Dann treibt die Steuereinheit 130 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen. Wie oben beschrieben wurde, wird zu diesem Zeitpunkt mit dem Außenseitenlichtstrahl LS (dem ersten Lichtstrahl Be1), mit dem der Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlichtstrahls LS bestrahlt wird, die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt. Zur gleichen Zeit wird mit dem Außenseitenlichtstrahl LS (dem zweiten Lichtstrahl Be2), mit dem der Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlichtstrahls LS bestrahlt wird, die Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung für die Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF durchgeführt.
  • Dementsprechend kann in einem Zustand, in dem die Vorheizbearbeitung durchgeführt wird, nach und nach entsprechend dem Scannen in der Scanrichtung SD in dem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS, der mit dem zentralen Lichtstrahl LC bestrahlt wird, nachdem er mit dem ersten Lichtstrahl Be1 bestrahlt wurde, vorteilhaft das Schmelzbad MP ausgebildet werden. Außerdem wird nach und nach entsprechend dem Scannen in der Scanrichtung SD in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS, der mit dem zweiten Lichtstrahl Be2 (Außenseitenlichtstrahl LS) bestrahlt wird, die Temperatur des ausgebildeten Schmelzbads MP vorteilhaft aufrechterhalten. Dementsprechend wird das Formobjekt FF ohne Spritzen und Risse ausgebildet.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 130, ob die Hinzufügungsbearbeitung des zur Umfangsfläche B2S der Basis hinzugefügten Formobjekts FF abgeschlossen ist (Schritt S5 in 5). Wenn die Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF abgeschlossen ist, werden dann die Additivmaterial-Zuführeinheit 110 und die Lichtbestrahlungseinheit 120 abgeschaltet und es wird die Drehung und Bewegung der Basis B gestoppt (Schritt S6 in 5), was die gesamte Bearbeitung zu einem Ende bringt.
  • - 1-4. Wirkungen Erstes Ausführungsbeispiel -
  • Die additive Fertigungsvorrichtung 100 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung, die ein Formobjekt zur Basis B hinzufügt, indem sie ein Pulvermaterial verwendet. Die additive Fertigungsvorrichtung 100 umfasst die Additivmaterial-Zuführeinheit 110, die das erste Pulvermaterial P1 zur Basis B injiziert und zuführt, die Lichtbestrahlungseinheit 120, die einen Zuführabschnitt (Umfangsfläche B2S) des ersten Pulvermaterials P1 in der Basis B mit einem Lichtstrahl bestrahlt, und die Steuereinheit 130, die die Zufuhr des ersten Pulvermaterials P1 der Additivmaterial-Zuführeinheit 110 und die Lichtbestrahlung der Lichtbestrahlungseinheit 120 steuert und die das relative Scannen steuert, das mit dem Lichtstrahl bezüglich der Basis B durchgeführt wird.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit 120 umfasst den Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121, der eine Mitte des Zuführabschnitts (der Umfangsfläche B2S) des ersten Pulvermaterials P1 mit dem zentralen Lichtstrahl LC bestrahlt, und den Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls LC mit dem Außenseitenlichtstrahl LS bestrahlt. Die Steuereinheit 130 fügt dann das Formobjekt FF hinzu, indem sie den Peak LCP3 in dem Leistungsdichte-Strahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC erhöht, sodass er größer als der Peak LSP3 in dem Leistungsdichte-Strahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist, indem sie getrennt die Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils 121 und die Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils 123 steuert.
  • Da wie oben beschrieben mit dem ersten Lichtstrahl Be1 (Außenseitenlichtstrahl LS) die Vorheizbearbeitung (erste Vorheizbearbeitung) als die Vorbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF durchgeführt werden kann, ist es nicht notwendig, den Peak LCP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC zu erhöhen. Dementsprechend kann eine schnelle Aufheizung der Umfangsfläche B2S der Basis B aufgrund der Bestrahlung mit dem zentralen Lichtstrahl LC reduziert werden und es kann das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Da außerdem mit dem zweiten Lichtstrahl Be2 (Außenseitenlichtstrahl LS) die Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF durchgeführt werden kann, kann eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden. Dementsprechend kann zur Basis B ein Formobjekt FF hoher Qualität hinzugefügt werden.
  • Außerdem führt die Steuereinheit 130 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS in der gleichen Scanrichtung SD durch und sie führt die Ausbildungsbearbeitung (erste Ausbildungsbearbeitung) des Schmelzbads MP (ersten Schmelzbads) und die Schmelzbearbeitung (erste Schmelzbearbeitung) des ersten Pulvermaterials P1 in dem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS der Basis B mit dem zentralen Lichtstrahl LC durch. Die Steuereinheit 130 führt mit dem ersten Lichtstrahl Be1 auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlichtstrahls LS die Vorheizbearbeitung (erste Vorheizbearbeitung) als die Vorbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durch und sie führt mit dem zweiten Lichtstrahl Be2 auf der Rückseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlichtstrahls LS die Temperaturerhaltungsbearbeitung (erste Temperaturerhaltungsbearbeitung) als die Nachbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durch.
  • Da wie oben beschrieben durch einmaliges Scannen mit dem Lichtstrahl in der Scanrichtung SD gleichzeitig die Vorheizbearbeitung zum Ausbilden des Schmelzbads MP durchgeführt werden kann, kann wirksam eine schnelle Aufheizung reduziert werden und es kann das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Zur gleichen Zeit wird in dem Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite in der Scanrichtung SD des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS die Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt. Da auch in diesem Fall durch einmaliges Scannen mit dem Lichtstrahl die Temperaturerhaltungsbearbeitung des Schmelzblatts MP durchgeführt werden kann, kann effizient eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden.
  • <Zweites Ausführungsbeispiel>
  • - 2-1. Überblick Additive Fertigungsvorrichtung 200 -
  • Als Nächstes wird ein Überblick über eine additive Fertigungsvorrichtung 200 (siehe 1) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gegeben. Die additive Fertigungsvorrichtung 200 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der additiven Fertigungsvorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels bei den Verfahren der Vorheizbearbeitung und der Temperaturerhaltungsbearbeitung, die auf der Umfangsfläche B2S der Basis B durchgeführt werden, wobei die anderen Teile davon einander ähneln. Daher werden nur verschiedene Teile ausführlich beschrieben und es wird eine Beschreibung der ähnlichen Teile weggelassen. Die gleichen Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Wie in 1 dargestellt ist, umfasst die additive Fertigungsvorrichtung 200 des zweiten Ausführungsbeispiels die Additivmaterial-Zuführeinheit 110, die Lichtbestrahlungseinheit 120, eine Steuereinheit 230 und dergleichen. Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel fügt die additive Fertigungsvorrichtung 200 zu den durch Maschenlinien angegebenen Umfangsflächen (Trageabschnitten von (nicht dargestellten) Lagern) B2S und B2S auf einer offenen Stirnseite der zylinderförmigen Elemente B2 und B2 in der Basis B, die eine Form hat, bei der die zylinderförmigen Elemente kleinen Durchmessers B2 und B2 koaxial mit beiden Seitenflächen des in 2A dargestellten Scheibenelements B1 eine Einheit bilden, ein Formobjekt hinzu.
  • Die Steuereinheit 230 steuert eine Pulverzufuhr der Additivmaterial-Zuführeinheit 110 und eine Lichtbestrahlung der Lichtbestrahlungseinheit 120 und sie steuert ein relatives Scannen, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird. Die Einzelheiten werden später beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird wie auch im ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Stufe eine Anfangsvorheizbearbeitung durchgeführt, doch wird eine ausführliche Beschreibung davon weggelassen.
  • - 2-2. Verfahren zum Hinzufügen Formobjekt -
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Hinzufügen eines Formobjekts beschrieben. Und zwar wird ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B, wie in 2B dargestellt ist, ein einschichtiger Aufbau hinzugefügt. Bei dem Verfahren zum Hinzufügen des Formobjekts FF gemäß diesem Ausführungsbeispiel führt die Steuereinheit 230 in einer zweiten Stufe mehrmals ein Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS in einer Umfangsrichtung der Umfangsfläche B2S mit einem vorbestimmten Abstand L1 in derselben Richtung durch und es wird das Formobjekt FF hinzugefügt. Dabei ist einmal Scannen ein Scannen, das um die Mittelachse C des zylinderförmigen Elements B2 auf der Umfangsfläche B2S herum gerichtet ist, und bedeutet mehrmals Scannen, dass das Scannen mehrmals durchgeführt wird, während eine Bewegung in Richtung der Mittelachse C des zylinderförmigen Elements B2 erfolgt.
  • Dies wird unten genauer beschrieben. In der Beschreibung werden Scannen SC1 bis Scannen SC3 definiert. Wie in den 6A bis 6C dargestellt ist, in denen die Umfangsfläche B2S in der Umfangsrichtung entwickelt ist, wird ein Scannen, das sich in einer Scan-Serie Q1 des Lichtstrahls, die einmal Scannen entspricht, in Richtung der Mittelachse C in der Mitte befindet, als zweites Scannen SC2 definiert. Das zweite Scannen SC2 ist ein Scannen, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC durchgeführt wird. Außerdem wird ein Scannen, das mit dem (einem dritten Lichtstrahl Be3 entsprechenden) Außenseitenlichtstrahl LS in einer Scanrichtung des zentralen Lichtstrahls LC auf einer Seite (der rechten Seite in 6A) der linken und rechten Seiten durchgeführt wird, als erstes Scannen SC1 definiert. Außerdem wird ein Scannen, das mit dem (einem vierten Lichtstrahl Be4 entsprechenden) Außenseitenlichtstrahl auf der anderen Seite (der linken Seite in 6A) von den linken und rechten Seiten durchgeführt wird, als drittes Scannen SC3 definiert.
  • Die (der zweiten Ausbildungsbearbeitung entsprechende) Ausbildungsbearbeitung des (einem zweiten Schmelzbad entsprechenden) Schmelzbads MP in dem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS der Basis B und die (einer zweiten Schmelzbearbeitung entsprechende) Schmelzbearbeitung des ersten Pulvermaterials P1 werden mit dem zweiten Scannen SC2 des zentralen Lichtstrahls LC durchgeführt. Die (einer zweiten Vorheizbearbeitung entsprechende) Vorheizbearbeitung als Vorbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung zum Ausbilden des Schmelzblatts MP (Abschnitt J in 6A) wird mit dem ersten Scannen SC1 des dritten Lichtstrahls Be3 (dem Außenseitenlichtstrahl LS auf der einen Seite) durchgeführt. Außerdem wird die (einer zweiten Temperaturerhaltungsbearbeitung entsprechende) Temperaturerhaltungsbearbeitung als Nachbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP (Abschnitt K in 6A) mit dem dritten Scannen SC3 des vierten Lichtstrahls Be4 (des Außenseitenlichtstrahls LS auf der anderen Seite) durchgeführt. Das heißt, dass durch das gleichzeitige Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS (dem dritten Lichtstrahl Be3 und dem vierten Lichtstrahl Be4) in derselben Richtung mit dem vorbestimmten Abstand L1 gleichzeitig das zweite Scannen SC2 (die zweite Ausbildungsbearbeitung des zweiten Schmelzbads MP), das erste Scannen SC1 (die zweite Vorheizbearbeitung) und das dritte Scannen SC3 (die zweite Temperaturerhaltungsbearbeitung) abgearbeitet werden (siehe Q1 in den 6A, 6B und 6C). Bei Betrachtung mit Bezug auf das zweite Scannen SC2, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC durchgeführt wird, wird das Scannen zu diesem Zeitpunkt mehrmals derart mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS (dem dritten Lichtstrahl Be3 und dem vierten Lichtstrahl Be4) in derselben Richtung mit dem vorbestimmten Abstand L1 durchgeführt, dass das zweite Scannen SC2 von 6B, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC das nächste Mal durchgeführt werden soll, auf der einen Seite (der rechten Seite in den 6A und 6B) an das in 6A dargestellte zweite Scannen SC2 angrenzt, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC dieses Mal durchgeführt wird.
  • Wenn in der obigen Beschreibung das Formobjekt FF auf die Umfangsfläche B2S hinzugefügt wird, steuert die Steuereinheit 230 den Peak LCP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Laserstrahls LC so, dass er, wie in 3B dargestellt ist, größer als der Peak LSP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Wie oben beschrieben wurde, wird zu diesem Zeitpunkt eine Laserausgangsleistung des zentralen Lichtstrahls LC auf eine Temperatur gesteuert, bei der die Umfangsfläche B2S und das erste Pulvermaterial P1 geschmolzen werden können, um das Schmelzbad MP auszubilden. Außerdem wird die Laserausgangsleistung des Außenseitenlichtstrahls LS so gesteuert, dass das erste Pulvermaterial P1 und die Umfangsfläche B2S der Basis eine vorbestimmte Temperatur erreichen, ohne zu schmelzen.
  • Dann wird wie oben beschrieben das Scannen, das mit dem vorbestimmten Abstand L1 in der Umfangsrichtung der Umfangsfläche B2S durchgeführt wird, mehrmals in Richtung der Mittelachse C der Umfangsfläche B2S zur einen Seite hin (zur rechten Seite in 6A) durchgeführt, wodurch ein Teil des Formobjekts FF zur Umfangsfläche B2S hinzugefügt wird. Zu diesem Zeitpunkt sind die diesmalige Scanrichtung SD (die Scanrichtung) des zentralen Lichtstrahls LC des Außenseitenlichtstrahls LS und die nächstmalige Scanrichtung SD des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS wie oben beschrieben dieselben. Das heißt, dass die Position eines Startpunkts R bei jedem Scannen stets auf der gleichen Seite liegt.
  • Es wird nun eine Temperaturänderung des Abschnitts J in den 6A bis 6C beschrieben. Die Temperatur des Abschnitts J ändert sich, wie in der Kurve von 7 dargestellt ist. 7 ist eine Kurve, die eine Temperaturänderung am Startpunkt R des Abschnitts J beim Scannen SC1, SC2 und SC3 darstellt, wenn die horizontale Achse die Zeit repräsentiert und die vertikale Achse die Temperatur repräsentiert. In 6A ist der Abschnitt J ein Abschnitt, wo die Vorheizbearbeitung durchgeführt wird. In 6B ist der Abschnitt J ein Abschnitt, wo die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt wird. In 6C ist der Abschnitt J ein Abschnitt, wo das Schmelzbad MP der Temperaturerhaltungsbearbeitung unterzogen wird.
  • Wie aus 7 hervorgeht, wird bei der Vorheizbearbeitung beim Start des ersten Scannens SC1 auf der Umfangsfläche B2S durch den dritten Lichtstrahl Be3 (Außenseitenlichtstrahl LS) der Abschnitt des Startpunkts R des ersten Scannens SC1 erhitzt (siehe V in 7). Zu diesem Zeitpunkt wird eine Temperatur bei V so gesteuert, dass sie den Schmelzpunkt (Erstarrungspunkt) der Umfangsfläche B2S der Basis B nicht überschreitet. Da das erste Scannen SC1 mit dem dritten Lichtstrahl Be3 mit dem vorbestimmten Abstand L1 in einer Richtung weg vom Startpunkt R durchgeführt wird, nimmt danach die Temperatur des Startpunkts R ab (siehe Pfeil Ar1 in 7).
  • Danach beginnt im Abschnitt J vom Scan-Startpunkt R aus das zweite Scannen SC2, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC durchgeführt wird. Dementsprechend steigt die Temperatur des Abschnitts J erneut an (siehe Pfeil Ar2 in 7) und überschreitet den Erstarrungspunkt (Schmelzpunkt), wobei die Umfangsfläche B2S geschmolzen wird, sodass das Schmelzbad MP (das zweite Schmelzbad) ausgebildet wird. Da zu diesem Zeitpunkt die Aufheizung des Abschnitts J durch den zentralen Lichtstrahl LC basierend auf einem Zustand beginnt, in dem der Abschnitt J durch das erste Scannen SC1 vorgeheizt ist, kann die Umfangsfläche B2S stabil geschmolzen werden, ohne schnell erhitzt zu werden, und es kann günstiger Weise das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden.
  • Danach geht das zweite Scannen SC2, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC durchgeführt wird, aufgrund dessen, dass es mit dem vorbestimmten Abstand L1 in der Richtung weg vom Startpunkt durchgeführt wird, vom Startpunkt R weg, weswegen die Temperatur am Startpunkt R abnimmt (siehe Pfeil Ar3 in 7). Bevor zu diesem Zeitpunkt jedoch die Temperatur der Metallschmelze, die das Schmelzbad MP bildet, kleiner oder gleich dem Erstarrungspunkt wird, beginnt im Abschnitt J vom Scan-Startpunkt R das dritte Scannen SC3, das mit dem vierten Lichtstrahl Be4 (Außenseitenlichtstrahl LS) durchgeführt wird, also das nächstes Scannen, durch das die Temperaturerhaltungsbearbeitung durchgeführt wird. Aus diesem Grund flacht ein Temperaturabnahmegradient der Metallschmelze, die schnell abzukühlen begonnen hat, von der Stelle eines Punkts W in 7 aus, wo die Temperaturerhaltungsbearbeitung beginnt, ab und danach erstarrt die Metallschmelze, da ihre Temperatur unter den Erstarrungspunkt fällt, und es wird das Formobjekt FF ausgebildet. Da das Formobjekt FF, wie oben beschrieben wurde, nicht durch schnelles Abkühlen, sondern durch sanftes Abkühlen ausgebildet wird, wird günstiger Weise das Auftreten von Rissen unterdrückt.
  • Das heißt, dass in diesem Ausführungsbeispiel der vorbestimmte Abstand L1 zum Durchführen des Scannens SC1, SC2 und SC3 derart eingestellt wird, dass das dritte Scannen SC3, das mit dem vierten Lichtstrahl Be4 (Außenseitenlichtstrahl LS) durchgeführt wird, im Abschnitt J von dem Scan-Startpunkt R aus beginnt, bevor die Temperatur der Metallschmelze, die das Schmelzbad MP bildet, kleiner oder gleich dem Erstarrungspunkt wird. Der vorbestimmte Abstand L1 ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner oder gleich einer Umfangslänge um die Mittelachse C auf der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 herum. Dabei ist vorzuziehen, dass der vorbestimmte Abstand L1 gleich der Umfangslänge der Umfangsoberfläche B2S oder eine Länge ist, die durch gleichmäßiges Teilen der Umfangslänge erzielt wird. Indem auf der Umfangsfläche B2S einmal Scannen in der Umfangsrichtung durchgeführt wird oder das Scannen eine ganzzahlige Anzahl von Malen durchgeführt wird, nachdem die Hinzufügung eines Teils des Formobjekts FF in Richtung der Mittelachse C abgeschlossen wurde, ist es möglich, das Formobjekt FF in der Umfangsrichtung der Umfangsfläche B2S ohne Spritzen und Risse zum gesamten Umfang hinzuzufügen.
  • - 2-3. Wirkungen Zweites Ausführungsbeispiel -
  • Die Steuereinheit 230 führt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS mit dem vorbestimmten Abstand L1 in derselben Richtung durch. Das heißt, dass beim zweiten Scannen SC2 mit dem zentralen Lichtstrahl LC in dem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS der Basis B die Ausbildungsbearbeitung (die zweite Ausbildungsbearbeitung) des Schmelzbads MP (des zweiten Schmelzbads) und die Schmelzbearbeitung (die zweite Schmelzbearbeitung) des ersten Pulvermaterials P1 durchgeführt werden. Außerdem wird beim ersten Scannen SC1 mit dem dritten Lichtstrahl Be3 die Vorheizbearbeitung (die zweite Vorheizbearbeitung) als die Vorbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt. Außerdem wird beim dritten Scannen SC3 mit dem vierten Lichtstrahl Be4 die Temperaturerhaltungsbearbeitung (die zweite Temperaturerhaltungsbearbeitung) als die Nachbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt. Danach wird das Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS mit dem vorbestimmten Abstand L1 in derselben Richtung durchgeführt, sodass das zweite Scannen SC2, das das nächste Mal mit dem zentralen Lichtstrahl LC durchgeführt werden soll, auf einer Seite an das zweite Scannen SC2 angrenzt, das dieses Mal durchgeführt wird.
  • Dementsprechend ist die Temperaturänderung des Abschnitts J in 6A zum Beispiel so, wie in 7 dargestellt ist. Das heißt, dass in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der einen Seite in der Scanrichtung SD durch die Durchführung der Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP die Umfangsfläche B2S der Basis B in einen Hochtemperaturzustand gebracht wird. Es ist daher nicht notwendig, den Peak LCP3 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC stark zu erhöhen.
  • Daher kann die schnelle Aufheizung durch den zentralen Lichtstrahl LC reduziert werden und es kann das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Außerdem kann in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSB auf der anderen Seite in der Scanrichtung SD durch die Durchführung der Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Scanrichtung SD des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS bei dem Scannen, das dieses Mal durchgeführt wird, dieselbe wie die Scanrichtung SD des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS bei dem Scannen, das das nächste Mal durchgeführt werden soll. Da die Temperaturaufrechterhaltung mit einer als Startpunkt R dienenden Position der niedrigsten Temperatur unter den Temperaturen der Metallschmelze in dem Schmelzbad MP begonnen werden kann, kann dementsprechend eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden.
  • Da außerdem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Temperaturaufrechterhaltung in einem Zustand begonnen werden kann, in dem die Temperatur des Schmelzbads MP zuverlässig bei der vorbestimmten Temperatur oder höher liegt, kann eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden. Die vorbestimmte Temperatur ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Erstarrungstemperatur der Metallschmelze, die in dem Schmelzbad MP geschmolzen ist. Dementsprechend kann der vorbestimmte Abstand L1 auch leicht entsprechend der Erstarrungstemperatur der Metallschmelze eingestellt werden, die im Schmelzbad MP geschmolzen ist.
  • Bei der additiven Fertigungsvorrichtung 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Ausgestaltung beschrieben, bei der die Vorheizbearbeitung durch das erste Scannen SC1 durchgeführt wird, das den dritten Lichtstrahl Be3 (den Außenseitenlichtstrahl LS auf der einen Seite) verwendet, und bei der die Temperaturerhaltungsbearbeitung durch das dritte Scannen SC3 durchgeführt wird, das den vierten Lichtstrahl Be4 (den Außenseitenlichtstrahl LS auf der anderen Seite) verwendet. Tatsächlich wird der Außenseitenlichtstrahl LS jedoch in einer Ringform ausgebildet. Daher tragen der erste Lichtstrahl Be1 (Vorderseite) und der zweite Lichtstrahl Be2 (Rückseite) im ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls zur Vorheizbearbeitung und zur Temperaturerhaltungsbearbeitung bei. Da das Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS in diesem Fall mit noch niedrigerer Energie gesteuert werden kann, ist sein Wirkungsgrad gut.
  • Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt, und falls gewünscht wird, den Einfluss des ersten Lichtstrahls Be1 (Vorderseite) und des zweiten Lichtstrahls Be2 (Rückseite) zu beseitigen, kann die Lichtbestrahlungseinheit derart konfiguriert werden, dass der Außenseitenlichtstrahl LS nicht ringförmig ist und der dritte Lichtstrahl Be3 und der vierte Lichtstrahl Be4 getrennt abgestrahlt werden können. Auch in diesem Fall können ausreichende Wirkungen erzielt werden.
  • <Drittes Ausführungsbeispiel>
  • - 3-1. Überblick Additive Fertigungsvorrichtung 300 -
  • Als Nächstes wird ein Überblick über eine additive Fertigungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben. Es ist zu beachten, dass bei der additiven Fertigung neben dem ersten Pulvermaterial P1 auch ein (nachstehend als bindendes Pulvermaterial bezeichnetes) Pulvermaterial wie Nickel (Ni) und Cobalt (Co) verwendet wird, das als ein Bindemittel für ein (nachstehend als zweites Pulvermaterial bezeichnetes) Pulvermaterial aus Kohlenstoffstahl (S45C) dient, wobei später Einzelheiten beschrieben werden.
  • Die additive Fertigungsvorrichtung 300 unterscheidet sich von den additiven Fertigungsvorrichtungen 100 und 200 der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele dadurch, dass das Formobjekt, das durch die additive Fertigungsvorrichtung 300 hinzugefügt werden soll, einen zweischichtigen Aufbau eines Zwischenformobjekts FC und eines Formobjekts FF hat (siehe 9). Die additive Fertigungsvorrichtung 300 fügt das Formobjekt durch das LMD-Verfahren unter Verwendung einer oder einer Vielzahl von Arten von Pulvermaterialien zur Basis B hinzu. Dabei können das Pulvermaterial und die Basis B verschiedene Arten von Materialien oder die gleiche Art von Material sein. Im Folgenden werden ausführlich hauptsächlich die Teile beschrieben, die von denen des ersten Ausführungsbeispiels verschieden sind, und es wird eine Beschreibung ähnlicher Teile weggelassen. Im Fall der gleichen Konfiguration können in den Zeichnungen außerdem die gleichen Bezugszeichen zugewiesen und dargestellt sein.
  • In diesem Beispiel wird ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel ein Fall beschrieben, in dem ein Formobjekt, das aus einem (nachstehend als erstes Pulvermaterial bezeichneten) Pulvermaterial aus Wolframcarbid (WC) besteht, zu der Basis B, die aus Kohlenstoffstahl (S45C) besteht, hinzugefügt wird. Wie in 8 dargestellt ist, umfasst die additive Fertigungsvorrichtung 300 eine Additivmaterial-Zuführeinheit 310, die Lichtbestrahlungseinheit 120, eine Steuereinheit 330 und dergleichen.
  • Zum Zeitpunkt der additiven Fertigung dreht die additive Fertigungsvorrichtung 300 die Basis B durch den Motor M1 um die Mittelachse C und bewegt die Basis B durch den Motor M2 in Richtung der Mittelachse C. Dementsprechend kann das Formobjekt an der offenen Stirnseite der zylinderförmigen Elemente B2 und B2 zu den gesamten Umfangsflächen B2S und B2S hinzugefügt werden. Das Formobjekt hat einen zweischichtigen Aufbau aus dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF (siehe 9), wobei Einzelheiten später beschrieben werden.
  • Die Additivmaterial-Zuführeinheit 310 umfasst den ersten Trichter 111, einen zweiten Trichter 112, eine Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113, die Gasflasche 114 und die Injektionsdüse 115. Der erste Trichter 111 und der zweite Trichter 112 speichern jeweils das erste Pulvermaterial P1, das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischt ist, und ein zweites Pulvermaterial P2, das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischt ist. Da das Formobjekt FF in diesem Beispiel aus einer großen Menge des ersten Pulvermaterials P1 und einer kleinen Menge des bindenden Pulvermaterials besteht, wird die Menge des bindenden Pulvermaterials, das mit dem ersten Pulvermaterial P1 gemischt wird, auf eine Menge eingestellt, die der Menge des bindenden Pulvermaterials in dem Formobjekt FF entspricht.
  • Da das Zwischenformobjekt FC aus einem Material besteht, in dem bei zunehmender Dicke von ihm die Mengen des bindenden Pulvermaterials und des zweiten Pulvermaterials P2 abnehmen und die Menge des ersten Pulvermaterials P1 zunimmt, wird außerdem die Menge des bindenden Pulvermaterials, die mit dem zweiten Pulvermaterial P2 gemischt wird, auf eine Menge eingestellt, die der Menge des ersten Pulvermaterials P1 in dem Zwischenformobjekt FC entspricht. Es ist zu beachten, dass ein Trichter bereitgestellt werden kann, der dazu imstande ist, nur eine Art oder drei oder mehr Arten von Pulvermaterialien zu speichern.
  • Die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 stellt ein Mischungsverhältnis des mit dem bindenden Pulvermaterial gemischten ersten Pulvermaterials P1 aus dem ersten Trichter 111 und des mit dem bindenden Pulvermaterial gemischten zweiten Pulvermaterials P2 aus dem zweiten Trichter 112 ein. Die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 umfasst einem Pulver-Rührer 113e, mit dem Pulvereinleitungsventile 113a und 113b, das Pulverzuführventil 113c und das Gaseinleitungsventil 113d verbunden sind.
  • Die Pulvereinleitungsventile 113a und 113b sind mit dem ersten Trichter 111 und dem zweiten Trichter 112 jeweils durch Rohre 111a und 112a verbunden, das Pulverzuführventil 113c ist mit der Injektionsdüse 115 durch das Rohr 115a verbunden, und das Gaseinleitungsventil 113d ist mit der Gasflasche 114 durch das Rohr 114a verbunden.
  • Die Injektionsdüse 115 injiziert und führt ein (nachstehend als drittes Pulvermaterial bezeichnetes) Pulvermaterial P3 zu, das ein eingestelltes Mischungsverhältnis hat und aus der Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 durch zum Beispiel Hochdruckstickstoff, der aus der Gasflasche 114 zugeführt wird, zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B gesandt wird. Da die Lichtbestrahlungseinheit 120 die gleiche Gestaltung wie die Lichtbestrahlungseinheit 120 des ersten Ausführungsbeispiels hat, wird eine Beschreibung von ihr weggelassen.
  • Die Steuereinheit 130 steuert eine Pulverzufuhr der Additivmaterial-Zuführeinheit 310 und eine Lichtbestrahlung der Lichtbestrahlungseinheit 120 und sie steuert ein relatives Scannen, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird. Und zwar steuert die Steuereinheit 330 die Drehung der Pulvereinleitungsventile 113a und 113b, um das Mischungsverhältnis des mit dem bindenden Pulvermaterial gemischten ersten Pulvermaterials P1 und des mit dem bindenden Pulvermaterial gemischten zweiten Pulvermaterials P2 einzustellen, und sie steuert das Öffnen und Schließen des Pulverzuführventils 113c und des Gaseinleitungsventils 113d, um die Injektion und Zufuhr des dritten Pulvermaterials P3 aus der Injektionsdüse 115 zu steuern.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 330 jeweils den Betrieb der Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 und der Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 sowie getrennt jeweilige Ausgabebedingungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS, das heißt jeweilige Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS und Verteilungsformen (Laserstrahlprofile) der Laserausgangsleistungen (Leistungsdichten) pro Flächeneinheit des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 330 die Drehung des Motors M1, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen, und die Drehung des Motors M2, um die Basis B in Richtung der Mittelachse C zu bewegen, wodurch sie das relative Scannen steuert, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird.
  • - 3-2. Verfahren zum Hinzufügen Formobjekt -
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Hinzufügen eines Formobjekts beschrieben. Wie in 9 dargestellt ist, wird auf der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B das Formobjekt hinzugefügt, das einen zweischichtigen Aufbau hat, und zwar wird zu einer Oberfläche des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B das Zwischenformobjekt FC und zu einer Oberfläche des Zwischenformobjekts FC das Formobjekt FF hinzugefügt. Das Zwischenformobjekt FC wird derart hinzugefügt, dass sich das Mischungsverhältnis des mit dem bindenden Pulvermaterial gemischten ersten Pulvermaterials P1 und des mit dem bindenden Pulvermaterial gemischten zweiten Pulvermaterials P2 schrittweise (allmählich) ändert.
  • Im Einzelnen ist das Zwischenformobjekt FC eine sogenannte gradierte Schicht, in der das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte zweite Pulvermaterial P2 von einem am nächsten an der Umfangsfläche B2S der Basis B liegenden Abschnitt in einer Dickenrichtung (Radialrichtung) zu einem am weitesten von der Umfangsfläche B2S der Basis B entfernt liegenden Abschnitt linear (schrittweise) von 100% bis 0% abnimmt und das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte erste Pulvermaterial P1 linear (schrittweise) von 0% bis 100% zunimmt. Das Formobjekt FF ist eine Schicht, in der das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte erste Pulvermaterial P1 100% einnimmt und das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte zweite Pulvermaterial P2 0% einnimmt.
  • Ein Abschnitt des Zwischenformobjekts FC nahe an der Umfangsfläche B2S der Basis B enthält eine große Menge des zweiten Pulvermaterials P2 (Kohlenstoffstahl (S45C)). Daher nimmt ein Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Umfangsfläche B2S (Kohlenstoffstahl (S45C)) der Basis B und des Zwischenformobjekts FC zu einer Grenze zwischen der Umfangsfläche B2S der Basis B und des Zwischenformobjekts FC hin allmählich ab. Andererseits enthält ein Abschnitt des Zwischenformobjekts FC nahe am Formobjekt FF eine große Menge des ersten Pulvermaterials (Wolframcarbid (WC)). Daher nimmt ein Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF (Wolframcarbid (WC)) zu einer Grenze zwischen dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF hin allmählich ab.
  • Durch die Hinzufügung des Zwischenformobjekts FC zur Basis B und des Formobjekts FF zum Zwischenformobjekt FC kann daher das Auftreten von Rissen aufgrund des Unterschieds beim Wärmeausdehnungskoeffizienten deutlich unterdrückt werden. In dem Verfahren zum Hinzufügen des Zwischenformobjekts FC und des Formobjekts FF wird als eine erste Stufe eine Anfangsvorheizbearbeitung als Vorbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC, die in einer zweiten Stufe durchgeführt werden soll, durchgeführt, indem der zentrale Lichtstrahl LC und der Außenseitenlichtstrahl LS verwendet werden. In einem Zustand, in dem eine Temperatur der Umfangsfläche B2S der Basis B niedrig ist, entweicht thermische Energie von der Laserbestrahlung leicht in die Basis B, was wahrscheinlich zu einer Ursache für einen Misserfolg beim Schmelzen wird, das in der zweiten Stufe durchgeführt werden soll, weswegen die Umfangsfläche B2S der Basis B in der ersten Stufe vorgeheizt wird. Die Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS werden zu diesem Zeitpunkt so gesteuert, dass die Umfangsfläche B2S der Basis B eine vorbestimmte Temperatur erreicht, ohne zu schmelzen.
  • Das heißt, dass die Steuereinheit 330 in der ersten Stufe keine Zufuhr des dritten Pulvermaterials P3 durchführt und dass sie eine Steuerung durchführt, um, wie in 10A dargestellt ist, einen Peak LCP4 in einem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC so zu verringern, dass er kleiner als ein Peak LSP4 in einem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist, während Messtemperaturen des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS von einem (nicht dargestellten) Temperaturmessgerät überwacht werden.
  • Der Grund, warum der Peak LCP4 an Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC so verringert wird, dass er kleiner als der Peak LSP4 an Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls LS ist, ist der gleiche wie der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Grund. Da die Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC gering ist, ist es möglich, das Auftreten von Spritzen aufgrund von übermäßigem Wärmeeintrag des zentralen Lichtstrahls LC zu unterdrücken. Da es außerdem möglich ist, als Gesamtlaserausgangsleistung eine große Energiemenge einzubringen, während der Peak LCP4 unterdrückt wird, ist es möglich, das Vorheizen effizient durchzuführen, während das Auftreten von Spritzen unterdrückt wird.
  • Als Nächstes wird als die zweite Stufe nicht das erste Pulvermaterial P1, aber das zweite Pulvermaterial P2 geschmolzen, um das Zwischenformobjekt FC hinzuzufügen. Und zwar überwacht die Steuereinheit 330 die Messtemperaturen des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS von dem (nicht dargestellten) Temperaturmessgerät, während sie das dritte Pulvermaterial P3 zuführt, das das oben beschriebene eingestellte Mischungsverhältnis hat. Durch diese Überwachung wird ein Peak LCP5 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC so gesteuert, dass er, wie in 10B dargestellt ist, kleiner als ein Peak LSP5 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist.
  • Die Peaks LCP5 und LSP5 des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in der zweiten Stufe liegen bei Werten, die größer als die der Peaks LCP4 und LSP4 des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in der ersten Stufe sind, da das zweite Pulvermaterial P2 geschmolzen werden muss. Da sich das Mischungsverhältnis ändert, wenn die Dicke des Zwischenformobjekts FC zunimmt, führt die Steuereinheit 330 außerdem eine Regelung durch, um die Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS zu ändern, während die Messtemperaturen des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS durch das (nicht dargestellte) Temperaturmessgerät überwacht werden. Es wird zuvor als eine Datenbank ein Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Laserausgangsleistung aufgrund des Unterschieds beim Mischungsverhältnis erstellt.
  • Auch in der zweiten Stufe wird aus dem gleichen Grund wie in der ersten Stufe der Peak LCP5 an Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC verringert, sodass er kleiner als der Peak LSP5 an Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Da die Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC niedrig ist, ist es möglich, ein Auftreten von Spritzen aufgrund von übermäßigem Wärmeeintrag des zentralen Lichtstrahls LC zu unterdrücken. Da es außerdem möglich ist, als Gesamtlaserausgangsleistung eine große Energiemenge einzubringen, während der Peak LCP5 unterdrückt wird, ist es möglich, das Zwischenformobjekt FC mit einer hohen Geschwindigkeit hinzuzufügen, während das Auftreten von Spritzen unterdrückt wird.
  • Als Nächstes wird in einer dritten Stufe in dem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS des Zwischenformobjekts FC durch Bestrahlung mit dem zentralen Lichtstrahl LC eine Schmelzbearbeitung durchgeführt, bei der das Zwischenformobjekt FC und das dritte Pulvermaterial P3 (eigentlich nur das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte erste Pulvermaterial) geschmolzen werden, um das Schmelzbad MP auszubilden (siehe 11A). Zu diesem Zeitpunkt wird in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD bezüglich des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS (siehe 11B) die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt.
  • Wie in 11B dargestellt ist, wird das Schmelzbad MP dann durch Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC vergrößert und es wird das Formobjekt FF, das aus dem dritten Pulvermaterial P3 (eigentlich nur dem mit dem bindenden Pulvermaterial bestehenden ersten Pulvermaterial) besteht, zu dem Zwischenformobjekt FC hinzugefügt.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP die Vorheizbearbeitung und in dem Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite der Scanrichtung SD als Nachbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF eine Temperaturerhaltungsbearbeitung durchgeführt.
  • Und zwar führt die Steuereinheit 330 eine Steuerung durch, um einen Peak LCP6 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC zu erhöhen, sodass er, wie in 10C dargestellt ist, größer als ein Peak LSP6 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Die Laserausgangsleistung des zentralen Lichtstrahls LC wird auf eine Temperatur gesteuert, bei der das dritte Pulvermaterial P3 (das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte erste Pulvermaterial P1) geschmolzen werden kann, um das Schmelzbad MP auszubilden. Die Laserausgangsleistung des Außenseitenlichtstrahls LS wird so gesteuert, dass das dritte Pulvermaterial P3 (das mit dem bindenden Pulvermaterial gemischte erste Pulvermaterial) und das Formobjekt FF eine vorbestimmte Temperatur erreichen, ohne zu schmelzen.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird das Zwischenformobjekt FC in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite der Scanrichtung SD durch die Durchführung der Vorheizbearbeitung als der Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP in einen Hochtemperaturzustand gebracht, weswegen es nicht notwendig ist, den Peak LCP6 in dem Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC stark zu erhöhen.
  • Daher kann eine schnelle Aufheizung durch den zentralen Lichtstrahl LC reduziert werden und es kann das Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Außerdem kann in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite in der Scanrichtung SD durch die Durchführung der Temperaturerhaltungsbearbeitung als der Nachbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP eine schnelle Erstarrung des Formobjekts FF unterdrückt werden und es kann das Auftreten von Rissen verhindert werden.
  • - 3-3. Arbeitsweise Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von 12 ein Vorgang zum Hinzufügen des Zwischenformobjekts FC und des Formobjekts FF zur Umfangsfläche B2S von einem zylinderförmigen Element B2 der Basis B durch die additive Fertigungsvorrichtung 300 beschrieben. In der Steuereinheit 330 werden im Voraus Daten wie die Laserausgangsleistungen und die Peaks der Leistungsdichte-Laserstrahlprofile des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in den ersten, zweiten und dritten Stufen, Zuführmengen des ersten Pulvermaterials P1 bis dritten Pulvermaterials P3 und eine Drehzahl und Bewegungsgeschwindigkeit der Basis B gespeichert.
  • Zunächst schaltet die Steuereinheit 330 zum gleichen Zeitpunkt, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein, um die oben beschriebene erste Stufe (Vorheizbearbeitung für die Umfangsfläche B2S der Basis B) auszuführen (Schritt S101 in 12). Im Einzelnen treibt die Steuereinheit 330 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen.
  • Zur gleichen Zeit schaltet die Steuereinheit 330 die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 an, um die Umfangsfläche B2S der Basis aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC zu bestrahlen, sie schaltet die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 an, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS zu bestrahlen, und sie führt auf der Umfangsfläche B2S der Basis B die Anfangsvorheizbearbeitung aus.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 330, ob die Anfangsvorheizbearbeitung für die Umfangsfläche B2S der Basis B abgeschlossen ist (Schritt S102), und wenn die Anfangsvorheizbearbeitung abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinheit 330 die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus und führt die Basis B zu einer Startposition der ersten Stufe zurück, und sie stoppt die Drehung und Bewegung der Basis B (Schritt S103). Um die oben beschriebene zweite Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC) auszuführen, schaltet die Steuereinheit 330 als Nächstes die Additivmaterial-Zuführeinheit 310 und zum gleichen Zeitpunkt, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein (Schritt S104).
  • Im Einzelnen öffnet und schließt die Steuereinheit 330 passend die Pulvereinleitungsventile 113a und 113b der Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113, um das Mischungsverhältnis des ersten Pulvermaterials P1 und des zweiten Pulvermaterials P2 einzustellen, um das dritte Pulvermaterial P3 zu erzielen. Dann werden das Gaseinleitungsventil 113d und das Pulverzuführventil 113c geöffnet und das dritte Pulvermaterial P3 wird aus der Injektionsdüse 115 durch Hochdruckstickstoff aus der Gasflasche 114 zur Umfangsfläche B2S der Basis B injiziert und zugeführt.
  • Dann treibt die Steuereinheit 330 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen. Zur gleichen Zeit wird die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC zu bestrahlen, und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 eingeschaltet, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS zu bestrahlen, und es wird die Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC ausgeführt.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 330, ob die Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC bezüglich der Umfangsfläche B2S der Basis B abgeschlossen ist (Schritt S105), und wenn die Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinheit 330 die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus und führt die Basis B zu einer Startposition der zweiten Stufe zurück, und sie stoppt die Drehung und Bewegung der Basis B (Schritt S106).
  • Um die oben beschriebene dritte Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF) auszuführen, schaltet die Steuereinheit 330 als Nächstes die Additivmaterial-Zuführeinheit 310 und zum gleichen Zeitpunkt, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein (Schritt S107). Im Einzelnen öffnet und schließt die Steuereinheit 330 entsprechend das Pulvereinleitungsventil 113a, während sie das Pulvereinleitungsventil 113b der Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 schließt, um nur das erste Pulvermaterial P1 als das dritte Pulvermaterial P3 zu erzielen. Dann werden das Gaseinleitungsventil 113d und das Pulverzuführventil 113c geöffnet und das dritte Pulvermaterial P3 wird aus der Injektionsdüse 115 durch Hochdruckstickstoff aus der Gasflasche 114 zur Umfangsfläche B2S der Basis B injiziert und zugeführt.
  • Dann treibt die Steuereinheit 330 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen. Zur gleichen Zeit wird die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC zu bestrahlen, und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 eingeschaltet, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS zu bestrahlen, und es wird die Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF ausgeführt.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 330, ob die Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF bezüglich des zur Umfangsfläche B2S der Basis B hinzugefügten Zwischenformobjekts FC abgeschlossen ist (Schritt S108), und wenn die Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinheit 330 die Additivmaterial-Zuführeinheit 310 und die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus, sie stoppt die Drehung und Bewegung der Basis B (Schritt S109) und sie beendet die gesamte Bearbeitung.
  • - 3-4. Wirkungen Drittes Ausführungsbeispiel -
  • Die Additivmaterial-Zuführeinheit 310 umfasst gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113, die das Mischungsverhältnis einer Vielzahl von Arten von Pulvermaterialien einstellt. Dementsprechend ist es möglich, das Zwischenformobjekt FC leicht als eine gradierte Schicht auszubilden, in der die Bestandteile in der Radialrichtung eingestellt sind.
  • Die additive Fertigungsvorrichtung 300 des dritten Ausführungsbeispiels umfasst Folgendes: die Additivmaterial-Zuführeinheit 310, die die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 umfasst, die das Mischungsverhältnis der Vielzahl von Arten von Pulvermaterialien einstellt und die das Pulvermaterial mit dem eingestellten Mischungsverhältnis zur Basis B injiziert und zuführt; die Lichtbestrahlungseinheit 120, die einen Zuführabschnitt des Pulvermaterials mit dem eingestellten Mischungsverhältnis in der Basis B mit einem Lichtstrahl bestrahlt; und die Steuereinheit 330, die die Pulverzufuhr der Additivmaterial-Zuführeinheit 310 und die Lichtbestrahlung der Lichtbestrahlungseinheit 120 steuert und die das relative Scannen steuert, das mit dem Lichtstrahl bezüglich der Basis B durchgeführt wird.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit 120 umfasst den Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121, der eine Mitte des Zuführabschnitts des Pulvermaterials mit dem eingestellten Mischungsverhältnis mit dem zentralen Lichtstrahl LC als Lichtstrahl bestrahlt, und den Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls LC mit dem Außenseitenlichtstrahl LS als Lichtstrahl bestrahlt. Dann führt die Steuereinheit 330 die Steuerung durch, um das Zwischenformobjekt FC, in dem sich das Mischungsverhältnis allmählich in der Dickenrichtung ändert, zur Oberfläche der Basis B hinzuzufügen, und sie steuert gemäß der Änderung des Mischungsverhältnisses beim Ausbilden des Zwischenformobjekts FC getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils 121 und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils 123.
  • Mit solch einer Gestaltung kann der Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Umfangsfläche B2S (Kohlenstoffstahl (S45C)) der Basis B und des Zwischenformobjekts FC so ausgebildet werden, dass er zur Grenzfläche zwischen der Umfangsfläche B2S der Basis B und des Zwischenformobjekts FC hin allmählich abnimmt. Der Abschnitt des Zwischenformobjekts FC nahe am Formobjekt FF kann eine große Menge des ersten Pulvermaterials (Wolframcarbid (WC)) enthalten. Daher kann der Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF (Wolframcarbid (WC)) zur Grenze zwischen dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF hin allmählich verringert werden. Durch die Hinzufügung des Zwischenformobjekts FC zur Basis B und des Formobjekts FF zum Zwischenformobjekt FC kann somit das Auftreten von Rissen aufgrund des Unterschieds beim Wärmeausdehnungskoeffizienten deutlich unterdrückt werden.
  • Wenn die Steuereinheit 330 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel das Zwischenformobjekt FC hinzufügt, erhöht sie außerdem den Peak LSP5 im Leistungsdichte-Strahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS, sodass er größer als der Peak LCP5 im Leistungsdichte-Strahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC ist. Während der Hinzufügung des Zwischenformobjekts FC ist wie oben beschrieben die Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC gering, weswegen es möglich ist, das Auftreten von Spritzen aufgrund von übermäßigem Wärmeeintrag des zentralen Lichtstrahls LC zu unterdrücken. Da es möglich ist, als gesamte Laserausgangsleistung eine große Energiemenge einzubringen, während der Peak LCP5 unterdrückt wird, ist es außerdem möglich, das Zwischenformobjekt FC mit einer hohen Geschwindigkeit hinzuzufügen, während das Auftreten von Spritzen unterdrückt wird.
  • Wenn die Steuereinheit 330 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel das Formobjekt FF (das obere Formobjekt) hinzufügt, erhöht sie außerdem den Peak LCP6 im Leistungsdichte-Strahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC, sodass er größer als der Peak LSP6 im Leistungsdichte-Strahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist, sie führt mit dem zentralen Lichtstrahl LC in dem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP der Basis B und die Schmelzbearbeitung des Pulvermaterials mit dem eingestellten Mischungsverhältnis durch, sie führt in der Scanrichtung des Außenseitenlichtstrahls LS auf der Vorderseite die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durch und sie führt in der Scanrichtung des Außenseitenlichtstrahls LS auf der Rückseite die Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung für die Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durch. In der Scanrichtung des Außenseitenlichtstrahls LS und des zentralen Lichtstrahls LC können dementsprechend die Vorheizbearbeitung, die Ausbildung des Schmelzbads MP und die Temperaturerhaltungsbearbeitung für das Schmelzbad MP leicht und effizient durchgeführt werden.
  • <Viertes Ausführungsbeispiel>
  • - 4-1. Überblick Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Es wird ein Überblick über eine additive Fertigungsvorrichtung 1000 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben. Die additive Fertigungsvorrichtung fügt ein Formobjekt durch das LMD-Verfahren zu einer Basis hinzu, indem sie eines oder eine Vielzahl von Arten von Pulvermaterialien verwendet. Das Pulvermaterial und die Basis können verschiedene Arten von Materialien oder die gleiche Art von Material sein.
  • Im vierten Ausführungsbeispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein Formobjekt, das aus einem (nachstehend als erstes Pulvermaterial bezeichneten) Pulvermaterial aus Kupfer (Cu) besteht, zu der Basis B hinzugefügt wird, die aus Eisen (Fe) besteht. Bei der additiven Fertigung wird auch ein (nachstehend als zweites Pulvermaterial bezeichnetes) Pulvermaterial aus Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) verwendet, das als ein Bindemittel für das erste Pulvermaterial dient, wobei Einzelheiten später beschrieben werden.
  • Wie in 8 dargestellt ist, umfasst die additive Fertigungsvorrichtung 1000 eine Pulverzuführeinheit 1110 (Additivmaterial-Zuführeinheit), die Lichtbestrahlungseinheit 120, eine Steuereinheit 1130 und dergleichen. Die additive Fertigungsvorrichtung 1000 unterscheidet sich von den additiven Fertigungsvorrichtungen 100 und 200 der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele dadurch, dass das Formobjekt, das durch die additive Fertigungsvorrichtung 1000 hinzugefügt werden soll, einen zweischichtigen Aufbau aus dem Zwischenformobjekt FC und dem Formobjekt FF hat (siehe 9).
  • Bei der additiven Fertigung dreht die additive Fertigungsvorrichtung 1000 die Basis B durch den Motor M1 um die Mittelachse C (siehe 8) und bewegt die Basis B durch den Motor M2 in Richtung der Mittelachse C (siehe 8). Dementsprechend kann das Formobjekt an der offenen Stirnseite der zylinderförmigen Elemente B2 und B2 zu den gesamten Umfangsflächen B2S und B2S hinzugefügt werden.
  • Die Pulverzuführeinheit 1110 umfasst den ersten Trichter 111, den zweiten Trichter 112, die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113, die Gasflasche 114 und die Injektionsdüse 115. Der erste Trichter 111 und der zweite Trichter 112 speichern jeweils ein erstes Pulvermaterial P101 und ein zweites Pulvermaterial P102. Es ist zu beachten, dass ein Trichter bereitgestellt werden kann, der dazu imstande ist, nur eine Art oder drei oder mehr Arten von Pulvermaterialien zu speichern.
  • Die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 stellt ein Mischungsverhältnis des ersten Pulvermaterials P101 aus dem ersten Trichter 111 und des zweiten Pulvermaterials P102 aus dem zweiten Trichter 112 ein. Die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 umfasst den Pulver-Rührer 113e, mit dem die Pulvereinleitungsventile 113a und 113b, das Pulverzuführventil 113c und das Gaseinleitungsventil 113d verbunden sind.
  • Die Pulvereinleitungsventile 113a und 113b sind mit dem ersten Trichter 111 und dem zweiten Trichter 112 jeweils durch die Rohre 111a und 112a verbunden, das Pulverzuführventil 113c ist mit der Injektionsdüse 115 durch das Rohr 115a verbunden, und das Gaseinleitungsventil 113d ist mit der Gasflasche 114 durch das Rohr 114a verbunden.
  • Die Injektionsdüse 115 injiziert durch beispielsweise Hochdruckstickstoff, der aus der Gasflasche 114 zugeführt wird, ein (nachstehend als drittes Pulvermaterial bezeichnetes) Pulvermaterial P103, das ein eingestelltes Mischungsverhältnis hat und aus der Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 zugesandt wird, zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B und führt es ihr zu. Im vierten Ausführungsbeispiel wird exemplarisch ein Fall beschrieben, in dem zwei Injektionsdüsen 115 in einem Winkel von 180° angeordnet sind, wobei alternativ eine Konfiguration eingesetzt werden kann, bei der eine Injektionsdüse vorgesehen wird oder drei oder mehr Injektionsdüsen vorgesehen werden, die in einem gleichen Winkelintervall angeordnet sind. Das Gas zum Zuführen des dritten Pulvermaterials P103 ist nicht auf Stickstoff beschränkt und es kann ein Inertgas wie Argon sein.
  • Die Lichtbestrahlungseinheit 120 umfasst den Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121, die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, den Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124. Die Lichtbestrahlungseinheit 120 bestrahlt die Umfangsfläche B2S (den Zuführabschnitt des dritten Pulvermaterials P103) des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B über den Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC aus der Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 und über den Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS aus der Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124.
  • Im vierten Ausführungsbeispiel strahlt der Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 den zentralen Lichtstrahl LC mit einer kreisförmigen Bestrahlungsform (einem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS) und der Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 den Außenseitenlichtstrahl LS mit einer ringförmigen Bestrahlungsform (dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS), der einen Außenumfang des zentralen Lichtstrahls LC umgibt, ab. Der zentrale Lichtstrahl LC spielt bei der Hinzufügung des Formobjekts zur Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B eine Rolle. Die Rolle des Außenseitenlichtstrahls LS wird später beschrieben. Als zentraler Lichtstrahl LC und Außenseitenlichtstrahl LS wird zwar Laserlicht verwendet, doch sind der zentrale Lichtstrahl LC und der Außenseitenlichtstrahl LS nicht auf Laserlicht beschränkt und sie können zum Beispiel Elektronenstrahlen sein, solange sie elektromagnetische Wellen sind.
  • Die Steuereinheit 1130 steuert eine Pulverzufuhr der Pulverzuführeinheit 1110 und eine Lichtbestrahlung der Lichtbestrahlungseinheit 120 und sie steuert ein relatives Scannen, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird. Und zwar steuert die Steuereinheit 1130 eine Drehung der Pulvereinleitungsventile 113a und 113b, um ein Mischungsverhältnis des ersten Pulvermaterials P101 und des zweiten Pulvermaterials P102 einzustellen, und sie steuert das Öffnen und Schließen des Pulverzuführventils 113c und des Gaseinleitungsventils 113d, um eine Injektion und Zufuhr des dritten Pulvermaterials P103 aus der Injektionsdüse 115 zu steuern.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 1130 jeweils den Betrieb der Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122 und der Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 sowie getrennt jeweilige Ausgabebedingungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS, das heißt jeweilige Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS und Verteilungsformen (Laserstrahlprofile) der Laserausgangsleistungen (Leistungsdichten) pro Flächeneinheit des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 1130 eine Drehung des Motors M1, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen, und eine Drehung des Motors M2, um die Basis in Richtung der Mittelachse C zu bewegen, wodurch das relative Scannen gesteuert wird, das mit dem zentralen Lichtstrahl LC und dem Außenseitenlichtstrahl LS bezüglich der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B durchgeführt wird.
  • - 4-2. Verfahren zum Hinzufügen Formobjekt -
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Hinzufügen eines Formobjekts beschrieben. Wie beim Stand der Technik beschrieben wurde, besteht hier beim LMD-Verfahren das Problem, dass es in einem Fall, in dem die Basis und das Formobjekt ein unterschiedliches Laserabsorptionsvermögen (Lichtstrahlabsorption, Wärmeleitfähigkeit) haben, schwierig ist, stabil ein Formobjekt zu einer Basis hinzuzufügen.
  • Bei der Erfindung werden die Ausgabebedingungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS, das heißt jeweilige Laserausgangsleistungen und jeweilige Peaks in den Leistungsdichte-Laserstrahlprofile, gemäß der Lichtstrahlabsorption des Pulvermaterials getrennt gesteuert und eingestellt. Außerdem wird das Formobjekt so ausgebildet, dass es in einer Radialrichtung einen zweischichtigen Aufbau hat. Selbst wenn die Laserabsorption der Basis von der des Formobjekts verschieden ist, wird das Formobjekt dementsprechend stabil zur Basis hinzugefügt.
  • Im Einzelnen wird, wenn die Laserabsorption des Pulvermaterials verhältnismäßig hoch ist (im vierten Ausführungsbeispiel ist das zweite Pulvermaterial P102 Eisen (Fe)), ein Peak im Leistungsdichte-Strahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC reduziert, sodass er kleiner als ein Peak im Leistungsdichte-Strahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Dementsprechend kann eine schnelle Aufheizung des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC verhindert werden und somit kann ein Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Da außerdem eine Gesamtlaserausgangsleistung des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS aufrechterhalten werden kann, ist eine Hochgeschwindigkeitshinzufügung des Formobjekts möglich.
  • Wenn die Laserabsorption des Pulvermaterials verhältnismäßig gering ist (im vierten Ausführungsbeispiel ist das erste Pulvermaterial P101 Kupfer (Cu)), wird der Peak im Leistungsdichte-Strahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC erhöht, sodass er größer als der Peak im Leistungsdichte-Strahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Dementsprechend kann eine Temperatur des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC erhöht werden, sodass ein Schmelzbad ausgebildet wird, und die Laserabsorption im Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS kann verbessert werden.
  • Danach wird der Peak im Leistungsdichte-Strahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC reduziert, sodass er kleiner als der Peak im Leistungsdichte-Strahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Das liegt daran, weil die Temperatur des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC bereits erhöht ist und eine weitere Aufheizung zu Spritzen führen kann. Da die Gesamtlaserausgangsleistung des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS aufrechterhalten werden kann, ist entsprechend eine Hochgeschwindigkeitshinzufügung des Formobjekts möglich.
  • Wie in 9 dargestellt ist, wird auf der Umfangsfläche B2S des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B das Formobjekt hinzugefügt, das einen zweischichtigen Aufbau hat, und zwar wird das Zwischenformobjekt FC zu einer Oberfläche des zylinderförmigen Elements B2 der Basis B und das obere Formobjekt FF zu einer Oberfläche des Zwischenformobjekts FC hinzugefügt. Das Zwischenformobjekt FC wird derart hinzugefügt, dass sich ein Mischungsverhältnis des ersten Pulvermaterials P101 und des zweiten Pulvermaterials P102 schrittweise (allmählich) ändert.
  • Im Einzelnen ist das Zwischenformobjekt FC eine sogenannte gradierte Schicht, in der das zweite Pulvermaterial P102 von einem am nächsten an der Umfangsfläche B2S der Basis B liegenden Abschnitt in einer Dickenrichtung (Radialrichtung) bis zu einem am weitesten von der Umfangsfläche B2S der Basis B entfernt liegenden Abschnitt schrittweise oder linear von 100% auf 0% abnimmt und das Pulvermaterial P101 schrittweise oder linear von 0% bis 100% zunimmt. Zum Beispiel wird die gradierte Schicht schrittweise durch einen Prozess hinzugefügt, bei dem durch Mischen von 10% des ersten Pulvermaterials P101 und 90% des zweiten Pulvermaterials P102 auf der Umfangsfläche B2S der Basis B eine Schicht ausgebildet wird, auf dieser Schicht dann eine andere Schicht durch Mischen eines geänderten Mischungsverhältnisses von 20% des ersten Pulvermaterials P101 und 80% des zweiten Pulvermaterials P102 ausgebildet wird ... und schließlich eine Schicht durch Mischen eines geänderten Mischungsverhältnisses von 90% des ersten Pulvermaterials P101 und 10% des zweiten Pulvermaterials P102 ausgebildet wird. Das obere Formobjekt FF ist eine Schicht, die 100% des ersten Pulvermaterials P101 und 0% des zweiten Pulvermaterials P102 enthält.
  • Da die Umfangsfläche B2S der Basis B und das zweite Pulvermaterial P102 aus dem gleichen Material (Eisenmaterial (Fe)) bestehen, nimmt ein Unterschied bei der Laserabsorption zwischen der Umfangsfläche B2S der Basis B und dem Zwischenformobjekt FC in der Dickenrichtung zu einer Grenze zwischen der Umfangsfläche B2S der Basis B und dem Zwischenformobjekt FC hin allmählich ab. Da andererseits das obere Formobjekt FF und das erste Pulvermaterial P101 aus dem gleichen Material (Kupfer (Cu)) bestehen, nimmt ein Unterschied bei der Laserabsorption zwischen dem Zwischenformobjekt FC und dem oberen Formobjekt FF in der Dickenrichtung zu einer Grenze zwischen dem Zwischenformobjekt FC dem oberen Formobjekt FF hin allmählich ab.
  • Durch die Hinzufügung des Zwischenformobjekts FC zur Basis B und des oberen Formobjekts FF zum Zwischenformobjekt FC können daher die Formobjekte FC und FF stabil zur Basis B hinzugefügt werden. Beim Verfahren zum Hinzufügen des Zwischenformobjekts FC und des oberen Formobjekts FF wird als eine erste Stufe unter Verwendung des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS eine Vorheizbearbeitung als eine Vorbearbeitung einer Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC, die in einer zweiten Stufe durchgeführt werden soll, durchgeführt. Die Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS werden zu diesem Zeitpunkt so gesteuert, dass die Umfangsfläche B2S der Basis B eine vorbestimmte Temperatur erreicht, ohne zu schmelzen.
  • Das heißt, dass die Steuereinheit 1130 keine Zufuhr des dritten Pulvermaterials P103 durchführt und Messtemperaturen des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS von einem (nicht dargestellten) Temperaturmessgerät überwacht. Durch diese Überwachung wird ein Peak LCP7 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC so gesteuert, dass er, wie in 14A gezeigt ist, kleiner als ein Peak LSP7 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist.
  • Der Grund, warum der Peak LCP7 an Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC reduziert wird, sodass er kleiner als der Peak LSP7 an Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls LS ist, ist, dass sich Wärme, die durch den zentralen Lichtstrahl LC erzeugt wird, wahrscheinlich ansammelt, da der zentrale Lichtstrahl LC vom Außenseitenlichtstrahl LS umgeben ist, und dass Wärme, die durch den Außenseitenlichtstrahl LS erzeugt wird, wahrscheinlich zur Außenseite entweicht. Da die Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls LC gering ist, ist es möglich, das Auftreten von Spritzen aufgrund von übermäßigem Wärmeeintrag des zentralen Lichtstrahls LC zu unterdrücken.
  • Als Nächstes werden als eine zweite Stufe das erste Pulvermaterial P101 und das zweite Pulvermaterial P102 geschmolzen, um das Zwischenformobjekt FC hinzuzufügen. Und zwar überwacht die Steuereinheit 1130 die Messtemperatur des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS von dem (nicht dargestellten) Temperaturmessgerät, während sie das dritte Pulvermaterial P103 zuführt, das das oben beschriebene eingestellte Mischungsverhältnis hat.
  • Durch diese Überwachung wird in einer Anfangsphase der zweiten Stufe ein Peak LCP8 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Laserstrahls LC so gesteuert, dass er, wie in 14B dargestellt ist, kleiner als ein Peak LSP8 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist.
  • In der Anfangsphase der zweiten Stufe liegen die Peaks LCP8 und LSP8 des zentralen Lichtstrahls LC und der Außenseitenlichtstrahl LS bei Werten, die kleiner als die der Peaks LCP7 und LSP7 des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in der ersten Stufe sind. Das liegt daran, weil die Umfangsfläche B2S der Basis B der Vorheizbearbeitung unterzogen wird und das zweite Pulvermaterial P102, das eine verhältnismäßig hohe Laserabsorption hat, weitaus mehr als das erste Pulvermaterial P101 ist, das eine relativ geringe Laserabsorption hat.
  • In einer mittleren Phase der zweiten Stufe wird ein Peak LCP9 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC so gesteuert, dass er, wie in 14C dargestellt ist, größer als ein Peak LSP9 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist.
  • In der mittleren Phase der zweiten Stufe liegen die Peaks LCP9 und LSP9 des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS bei Werten, die größer als die der Peaks LCP8 und LSP8 des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in der Anfangsphase der zweiten Stufe sind. Das liegt daran, weil das erste Pulvermaterial P101, das eine verhältnismäßig geringe Laserabsorption hat, mehr als das zweite Pulvermaterial P102 ist, das eine verhältnismäßig hohe Laserabsorption hat. Es wird zwar ein Fall beschrieben, in dem in 14C drei Peaks LSP9, LCP9 und LSP9 vorgesehen sind, doch kann dabei nur ein Peak LCP9 des zentralen Lichtstrahls LC vorgesehen werden.
  • In einer Endphase der zweiten Stufe wird ein Peak LCP10 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC so gesteuert, dass er, wie in 14D dargestellt ist, kleiner als ein Peak LSP10 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Das liegt daran, weil durch den zentralen Lichtstrahl LC in der mittleren Phase der zweiten Stufe ein Hochtemperaturzustand hergestellt wird.
  • In der zweiten Stufe führt die Steuereinheit 1130 eine Regelung durch, um die Laserausgangsleistungen des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS zu ändern, während sie die Messtemperaturen des Zentrallicht-Bestrahlungsbereichs CS des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsbereichs SS des Außenseitenlichtstrahls LS durch das (nicht dargestellte) Temperaturmessgerät überwacht. Im Voraus wird als eine Datenbank ein Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Laserausgangsleistung aufgrund des Unterschieds beim Mischungsverhältnis erstellt.
  • Wie in 15A dargestellt ist, wird als Nächstes in einer dritten Stufe eine Schmelzbearbeitung durchgeführt, bei der das erste Pulvermaterial P101 im Zentrallicht-Bestrahlungsbereich CS des Zwischenformobjekts FC durch den zentralen Lichtstrahl LC geschmolzen wird, um das Schmelzbad MP auszubilden. Zur gleichen Zeit wird im Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS im Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD (siehe 15B) die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP durchgeführt.
  • Wie in 15B dargestellt wird, wird das Schmelzbad MP dann vergrößert, indem ein Scannen mit dem zentralen Lichtstrahl LC (im vierten Ausführungsbeispiel wird die Basis B gescannt, während sie gedreht wird, doch ist in 15B der Einfachheit halber dargestellt, dass der zentrale Lichtstrahl LC beim Scannen bewegt wird) durchgeführt wird, und zu dem Zwischenformobjekt FC wird das obere Formobjekt FF hinzugefügt, das aus dem ersten Pulvermaterial P101 besteht.
  • Zur gleichen Zeit wird im Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSF auf der Vorderseite in der Scanrichtung SD die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP und im Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite in der Scanrichtung SD eine Temperaturerhaltungsbearbeitung als Nachbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des oberen Formobjekts FF durchgeführt.
  • In einer Anfangsphase der dritten Stufe führt die Steuereinheit 1130 eine Steuerung durch, um einen Peak LCP11 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC zu erhöhen, sodass er, wie in 14E dargestellt ist, größer als ein Peak LSP11 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist.
  • Die Laserausgangsleistung des zentralen Lichtstrahls LC wird derart gesteuert, dass eine Temperatur erreicht wird, bei der das erste Pulvermaterial P101 schmelzen kann, um das Schmelzbad MP auszubilden. Die Laserausgangsleistung des Außenseitenlichtstrahls LS wird so gesteuert, dass das dritte Pulvermaterial P103 (das erste Pulvermaterial) und das obere Formobjekt FF eine vorbestimmte Temperatur erreichen, ohne zu schmelzen. Es wird zwar ein Fall beschrieben, in dem in 14E drei Peaks LSP11, LCP11 und LSP11 vorgesehen sind, doch kann dabei nur ein Peak LCP11 des zentralen Lichtstrahls LC vorgesehen werden.
  • In einer Endphase der dritten Stufe wird ein Peak LCP12 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des zentralen Lichtstrahls LC so gesteuert, dass er, wie in 14F dargestellt ist, kleiner als ein Peak LSP12 im Leistungsdichte-Laserstrahlprofil des Außenseitenlichtstrahls LS ist. Das liegt daran, weil das obere Formobjekt FF durch den zentralen Lichtstrahl LC in einen Hochtemperaturzustand gebracht wird und die Laserabsorption des oberen Formobjekts FF erhöht ist, da die Temperatur und die Laserabsorption des oberen Formobjekts FF einen proportionalen Zusammenhang haben.
  • Daher können eine schnelle Aufheizung durch den zentralen Lichtstrahl LC reduziert und ein Auftreten von Spritzen unterdrückt werden. Außerdem kann in dem Außenseitenlicht-Bestrahlungsbereich SS des Außenseitenlichtstrahls LS in dem Bestrahlungsbereich SSB auf der Rückseite in der Scanrichtung SD durch das Durchführen der Temperaturerhaltungsbearbeitung als der Nachbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP eine schnelle Erstarrung des oberen Formobjekts FF verringert werden und es kann das Auftreten von Rissen unterdrückt werden.
  • - 4-3. Arbeitsweise Additive Fertigungsvorrichtung -
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von 13 ein Vorgang zum Hinzufügen des Zwischenformobjekts FC und des oberen Formobjekts FF zur Umfangsfläche B2S von einem zylinderförmigen Element B2 der Basis B durch die additive Fertigungsvorrichtung 1000 beschrieben. Das erste Pulvermaterial P101 und das zweite Pulvermaterial P102 werden jeweils in dem ersten Trichter 111 und dem zweiten Trichter 112 gespeichert.
  • Ein Ende der Umfangsfläche B2S des einen zylinderförmigen Elements B2 der Basis B wird an einer vorbestimmten Hinzufügungsposition der additiven Fertigungsvorrichtung 100 positioniert. In der Steuereinheit 1130 werden im Voraus Daten wie die Laserausgangsleistungen und die Peaks der Leistungsdichte-Laserstrahlprofile des zentralen Lichtstrahls LC und des Außenseitenlichtstrahls LS in den ersten, zweiten und dritten Stufen, Zuführmengen des ersten Pulvermaterials, zweiten Pulvermaterials und dritten Pulvermaterials P103 und eine Drehzahl und Bewegungsgeschwindigkeit der Basis B gespeichert.
  • Zunächst schaltet die Steuereinheit 1130 zum gleichen Zeitpunkt, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein, um die oben beschriebene erste Stufe (Vorheizbearbeitung für die Umfangsfläche B2S der Basis B) auszuführen (Schritt S1001 in 13). Im Einzelnen treibt die Steuereinheit 1130 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen.
  • Zur gleichen Zeit schaltet die Steuereinheit 1130 die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC zu bestrahlen, und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 ein, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS zu bestrahlen, und sie führt auf der Umfangsfläche B2S der Basis B die Vorheizbearbeitung aus.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 1130, ob die Vorheizbearbeitung für die Umfangsfläche B2S der Basis B abgeschlossen ist (Schritt S1002 in 13), und wenn die Vorheizbearbeitung abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinheit 1130 die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus und führt die Basis B zu einer Startposition der ersten Stufe zurück, und sie stoppt die Drehung und Bewegung der Basis B (Schritt S1003 in 13). Um die oben beschriebene zweite Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC) auszuführen, schaltet die Steuereinheit 1130 als Nächstes die Pulverzuführeinheit 1110 ein und sie schaltet zum gleichen Zeitpunkt, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein (Schritt S1004 in 13).
  • Im Einzelnen öffnet und schließt die Steuereinheit 1130 entsprechend die Pulvereinleitungsventile 113a und 113b der Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113, um ein Mischungsverhältnis des ersten Pulvermaterials P101 und des zweiten Pulvermaterials P102 einzustellen, um das dritte Pulvermaterial P103 erzielen. Dann werden das Gaseinleitungsventil 113d und das Pulverzuführventil 113c geöffnet und das dritte Pulvermaterial P103 wird durch Hochdruckstickstoff aus der Gasflasche 114 aus der Injektionsdüse 115 zur Umfangsfläche B2S der Basis B injiziert und zugeführt.
  • Dann treibt die Steuereinheit 1130 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen. Zur gleichen Zeit wird die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC zu bestrahlen, und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 eingeschaltet, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS zu bestrahlen, und es wird die Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC ausgeführt.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 1130, ob die Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekts FC bezüglich der Umfangsfläche B2S der Basis B abgeschlossen ist (Schritt S1005 in 13), und wenn die Hinzufügungsbearbeitung des Zwischenformobjekt FC abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinheit 1130 die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus und führt die Basis B zu einer Startposition der zweiten Stufe zurück und stoppt die Drehung und Bewegung der Basis (Schritt S1006 in 13).
  • Um die oben beschriebene dritte Stufe (Hinzufügungsbearbeitung des oberen Formobjekts FF) auszuführen, schaltet die Steuereinheit 1130 als Nächstes die Pulverzuführeinheit 1110 und zum gleichen Zeitpunkt, wie sie die Drehung und Bewegung der Basis B beginnt, die Lichtbestrahlungseinheit 120 ein (Schritt S1007 in 13). Im Einzelnen öffnet und schließt die Steuereinheit 1130 entsprechend das Pulvereinleitungsventil 113a, während sie das Pulvereinleitungsventil 113b der Mischungsverhältnis-Einstelleinheit 113 schließt, um als das dritte Pulvermaterial P103 nur das erste Pulvermaterial P101 zu erzielen. Dann werden das Gaseinleitungsventil 113d und das Pulverzuführventil 113c geöffnet und das dritte Pulvermaterial P103 wird durch Hochdruckstickstoff aus der Gasflasche 114 aus der Injektionsdüse 115 zur Umfangsfläche B2S der Basis B injiziert und zugeführt.
  • Dann treibt die Steuereinheit 1130 die Motoren M1 und M2 an, um die Basis B um die Mittelachse C zu drehen und in Richtung der Mittelachse C (in Richtung des anderen Endes der Umfangsfläche B2S) zu bewegen. Zur gleichen Zeit wird die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121 mit dem zentralen Lichtstrahl LC zu bestrahlen, und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 eingeschaltet, um die Umfangsfläche B2S der Basis B aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 mit dem Außenseitenlichtstrahl LS zu bestrahlen, und es wird die Hinzufügungsbearbeitung des oberen Formobjekts FF ausgeführt.
  • Dann bestimmt die Steuereinheit 1130, ob die Hinzufügungsbearbeitung des oberen Formobjekts FF bezüglich des zur Umfangsfläche B2S der Basis B hinzugefügten Zwischenformobjekts FC abgeschlossen ist (Schritt S1008 in 13), und wenn die Hinzufügungsbearbeitung des oberen Formobjekts FF abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinheit 1130 die Pulverzuführeinheit 1110 und die Lichtbestrahlungseinheit 120 aus und stoppt die Drehung und Bewegung der Basis B (Schritt S1009 in 13), um die gesamte Bearbeitung zu beenden.
  • <Sonstiges>
  • Der Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 strahlt gemäß den ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispielen einen ringförmigen Lichtstrahl als den Außenseitenlichtstrahl LS ab. Dies ermöglicht eine leichte Anordnung in gleichen Intervallen in den von vorne nach hinten und von links nach rechts gehenden Richtungen bezüglich des zentralen Lichtstrahls LC, was zu einer Kostensenkung beiträgt.
  • Im ersten Ausführungsbeispiel ist die Lichtbestrahlungseinheit 120 so konfiguriert, dass sie den Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil 121, die Zentrallichtstrahl-Lichtquelle 122, den Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 123 und die Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 umfasst. Allerdings kann die Lichtbestrahlungseinheit 120, wie in 16 dargestellt ist, so konfiguriert sein, dass sie anstelle des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils 123 und der Außenseitenlichtstrahl-Lichtquelle 124 einen Vorderseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil (Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil) 125, eine Vorderseitenlichtstrahl-Lichtquelle 126, einen Rückseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil (Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil) 127 und eine Rückseitenlichtstrahl-Lichtquelle 128 umfasst.
  • Der Vorderseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 125 bestrahlt eine Vorderseite in der Scanrichtung SD des zentralen Lichtstrahls LC mit einem Vorderseitenlichtstrahl FLS (Außenseitenlichtstrahl, ersten Lichtstrahl Be1), der eine kreisförmige Bestrahlungsform (einen kreisförmigen Vorderseitenlicht-Bestrahlungsbereich FSS) hat. Der Rückseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil 127 bestrahlt eine Rückseite in der Scanrichtung SD des zentralen Lichtstrahls LC mit einem Rückseitenlichtstrahl BLS (Außenseitenlichtstrahl, zweiten Lichtstrahl Be2), der eine kreisförmige Bestrahlungsform (einen kreisförmigen Rückseitenlicht-Bestrahlungsbereich BSS) hat. Dann wird in dem Vorderseitenlicht-Bestrahlungsbereich FSS des Vorderseitenlichtstrahls FLS die Vorheizbearbeitung als die Vorbearbeitung der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads MP und im Rückseitenlicht-Bestrahlungsbereich BSS des Rückseitenlichtstrahls BLS die Temperaturerhaltungsbearbeitung als die Nachbearbeitung der Hinzufügungsbearbeitung des Formobjekts FF durchgeführt. Auch in den zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispielen kann ähnlich wie in der obigen Beschreibung ein Bestrahlungsteil vorgesehen werden, der getrennt einen ersten Lichtstrahl Bei bis vierten Lichtstrahl Be4 abstrahlt.
  • In den oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen wird zwar ein Fall beschrieben, in dem das Formobjekt FF aus einer großen Menge des ersten Pulvermaterials P1 und einer kleinen Menge des bindenden Pulvermaterials ausgebildet wird, doch kann das Formobjekt FF in einem Fall, in dem es nur aus dem ersten Pulvermaterial P1 ausgebildet wird, das nicht das bindendes Pulvermaterial enthält, ähnlich wie in den ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen hinzugefügt werden. Wenn darüber hinaus ein Formobjekt, das aus einem anderen Hartmaterial als Wolframcarbid (WC) besteht, zu der Basis B hinzugefügt wird, die aus einem weichen Material besteht, ist es möglich, ein Zwischenformobjekt hinzuzufügen, in dem ein Mischungsverhältnis des weichen Materials und des harten Materials auf die gleiche Weise wie im dritten Ausführungsbeispiel eingestellt wird, ohne dass ein bindendes Pulvermaterial enthalten ist, und das Formobjekt, das nur aus dem harten Material besteht, ohne das bindendes Pulvermaterial zu enthalten, ähnlich wie im dritten Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird.
  • In den dritten und vierten Ausführungsbeispielen wird zwar ein Fall beschrieben, in dem das Zwischenformobjekt FC und das Formobjekt FF (das obere Formobjekt), die zu der Basis B hinzugefügt werden, aus verschiedenen Arten von Materialien bestehen, doch kann die Erfindung auch ähnlich in einem Fall eingesetzt werden, in dem das Zwischenformobjekt FC und das Formobjekt FF aus dem gleichen Material bestehen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, das Zwischenformobjekt FC hinzuzufügen. Außerdem ist die Hinzufügung des Zwischenformobjekts FC auch dann nicht notwendig, wenn die Materialien nicht das gleiche Material sind, aber ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
  • In den oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen injizieren die Additivmaterial-Zuführeinheiten 110 und 310 zwar das Pulvermaterial zur Basis B und führen es ihr zu, doch ist die Erfindung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt und die Additivmaterial-Zuführeinheit kann ein lineares Metallmaterial wie einen Draht zuführen, um das Formobjekt FF zur Basis B hinzuzufügen. Auch in diesem Fall können ähnliche Wirkungen wie die des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels erwartet werden.
  • Die Anmeldung beruht auf der am 6. Dezember 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-228886 , der am 14. Dezember 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-234110 und der am 3. Juli 2019 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-124359 , deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme aufgenommen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015196265 A [0002]
    • JP 2018228886 [0171]
    • JP 2018234110 [0171]
    • US 2019124359 [0171]

Claims (18)

  1. Additive Fertigungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung eines Materials von einem pulverförmigen Material und einem linearen Material ein Formobjekt auf einer Basis ausbildet, wobei die additive Fertigungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Additivmaterial-Zuführeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das eine Material der Basis zuführt; eine Lichtbestrahlungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Zuführabschnitt auf der Basis mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wobei der Zuführabschnitt ein Abschnitt ist, dem das eine Material zugeführt wird; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Zufuhr des einen Materials durch die Additivmaterial-Zuführeinheit, eine Bestrahlung mit einem Lichtstrahl durch die Lichtbestrahlungseinheit und eine Relativbewegung des Lichtstrahls zur Basis steuert, wobei die Lichtbestrahlungseinheit einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil, der einen zentralen Abschnitt des Zuführabschnitts des einen Materials mit einem zentralen Lichtstrahl bestrahlt, und einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls mit einem Außenseitenlichtstrahl bestrahlt, umfasst und der Lichtstrahl den zentralen Lichtstrahl und den Außenseitenlichtstrahl umfasst, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert, wobei der zentrale Lichtstrahl eine Leistungsdichte hat, die mit der Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt, und der Außenseitenlichtstrahl eine Leistungsdichte hat, die mit der Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt, und wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls und einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls einstellt, um das Formobjekt auszubilden.
  2. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie den Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls erhöht, sodass er größer als der Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist, um das Formobjekt auszubilden.
  3. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass: sie eine erste Ausbildungsbearbeitung, bei der ein erstes Schmelzbad ausgebildet wird, das einem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich der Basis entspricht, der mit dem zentralen Lichtstrahl bestrahlt wird, und eine erste Schmelzbearbeitung, bei der das eine Material geschmolzen wird, durchführt; sie vor der ersten Ausbildungsbearbeitung des ersten Schmelzbads in der von vorne nach hinten gehenden Richtung, in der der Lichtstrahl bewegt wird, mit einem ersten Lichtstrahl des Außenseitenlichtstrahls, der in der von vorne nach hinten gehenden Richtung auf einer Vorderseite vorgesehen ist, eine Vorheizbearbeitung durchführt; und sie nach der ersten Ausbildungsbearbeitung des ersten Schmelzbads in der von vorne nach hinten gehenden Richtung, in der der Lichtstrahl bewegt wird, mit einem zweiten Lichtstrahl des Außenseitenlichtstrahls, der in der von vorne nach hinten gehenden Richtung auf einer Rückseite vorgesehen ist, eine erste Temperaturerhaltungsbearbeitung durchführt.
  4. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie eine erste Steuerung durchführt, bei der der zentrale Lichtstrahl und der Außenseitenlichtstrahl in der von vorne nach hinten gehenden Richtung mit einem vorbestimmten Abstand bewegt werden, wobei der Außenseitenlichtstrahl bezüglich der von vorne nach hinten gehenden Richtung auf linken und rechten Seiten an den zentralen Lichtstrahl angrenzt, wobei die Steuereinheit bei der ersten Steuerung so konfiguriert ist, dass: sie eine zweite Ausbildungsbearbeitung, bei der ein zweites Schmelzbad ausgebildet wird, das einem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich der Basis entspricht, der mit dem zentralen Lichtstrahl bestrahlt wird, und eine zweite Schmelzbearbeitung, bei der das eine Material geschmolzen wird, durchführt; sie vor der zweiten Ausbildungsbearbeitung des zweiten Schmelzbads mit einem dritten Lichtstrahl des Außenseitenlichtstrahls, der auf einer Seite der linken und rechten Seiten vorgesehen ist, eine zweite Vorheizbearbeitung durchführt; und sie nach der zweiten Ausbildungsbearbeitung des zweiten Schmelzbads mit einem vierten Lichtstrahl des Außenseitenlichtstrahls, der auf der anderen Seite der linken und rechten Seiten vorgesehen ist, eine zweite Temperaturerhaltungsbearbeitung durchführt, und wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie im Anschluss an die erste Steuerung eine zweite Steuerung durchführt, bei der sie den zentralen Lichtstrahl und den auf den linken und rechten Seiten an den zentralen Lichtstrahl angrenzenden Außenseitenlichtstrahl in der von vorne nach hinten gehenden Richtung mit dem vorbestimmten Abstand entlang einer Richtung bewegt, in der sich bei der ersten Steuerung der dritte Lichtstrahl des Außenseitenlichtstrahls bewegt, der auf der einen Seite vorgesehen ist.
  5. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Richtung, in der sich bei der ersten Steuerung der zentrale Lichtstrahl und der auf den linken und rechten Seiten an den zentralen Lichtstrahl angrenzende Außenseitenlichtstrahl bewegen, dieselbe wie eine Richtung ist, in der sich bei der zweiten Steuerung der zentrale Lichtstrahl und der auf den linken und rechten Seiten an den zentralen Lichtstrahl angrenzende Außenseitenlichtstrahl bewegen.
  6. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der vorbestimmte Abstand derart eingestellt ist, dass: während bei der ersten Steuerung im vorbestimmten Abstand mit dem zentralen Lichtstrahl die zweite Ausbildungsbearbeitung, bei der das zweite Schmelzbad ausgebildet wird, und die zweite Schmelzbearbeitung, bei der das eine Material geschmolzen wird, durchgeführt werden, bei der ersten Steuerung mit dem dritten Lichtstrahl die zweite Vorheizbearbeitung abgeschlossen wird und der dritte Lichtstrahl auf der einen Seite der Basis bewegt wird; und nachdem bei der ersten Steuerung im vorbestimmten Abstand der vierte Lichtstrahl auf der anderen Seite der Basis bewegt wurde und die zweite Temperaturerhaltungsbearbeitung durchgeführt wurde, eine Temperatur einer Metallschmelze in dem zweiten Schmelzbad größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, wenn bei der ersten Steuerung der vierte Lichtstrahl zu einem Bereich bewegt wird, in dem mit dem zentralen Lichtstrahl das zweite Schmelzbad ausgebildet ist.
  7. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte Temperatur eine Erstarrungstemperatur der Metallschmelze ist, die im zweiten Schmelzbad geschmolzen ist.
  8. Additive Fertigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche ein 1 bis 7, wobei das pulverförmige Material eine Vielzahl von Arten an pulverförmigen Materialien umfasst und wobei die Additivmaterial-Zuführeinheit eine Mischungsverhältnis-Einstelleinheit umfasst, die ein Mischungsverhältnis der Vielzahl von Arten an pulverförmigen Materialien einstellt.
  9. Additive Fertigungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung einer Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien ein Formobjekt auf einer Basis ausbildet, wobei die additive Fertigungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Additivmaterial-Zuführeinheit, die eine Mischungsverhältnis-Einstelleinheit umfasst, die ein Mischungsverhältnis der Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien einstellt und die so konfiguriert ist, dass sie der Basis injizierend ein eingestelltes, pulverförmiges Material zuführt, wobei das eingestellte, pulverförmige Material ein Material ist, dessen Mischungsverhältnis die Mischungsverhältnis-Einstelleinheit eingestellt hat; eine Lichtbestrahlungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Zuführabschnitt auf der Basis mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wobei der Zuführabschnitt ein Abschnitt ist, dem das eingestellte, pulverförmige Material zugeführt wird; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Zufuhr des eingestellten, pulverförmigen Materials durch die Additivmaterial-Zuführeinheit, eine Bestrahlung mit einem Lichtstrahl durch die Lichtbestrahlungseinheit und einer Relativbewegung des Lichtstrahls zur Basis steuert, wobei die Lichtbestrahlungseinheit einen Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteil, der einen zentralen Abschnitt des Zuführabschnitts des eingestellten, pulverförmigen Materials mit einem zentralen Lichtstrahl bestrahlt, und einen Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil, der eine Außenseite des zentralen Lichtstrahls mit einem Außenseitenlichtstrahl bestrahlt, umfasst und der Lichtstrahl den zentralen Lichtstrahl und den Außenseitenlichtstrahl umfasst.
  10. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie gemäß einer Änderung beim Mischungsverhältnis getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert, wenn sie auf einer Oberfläche der Basis ein Zwischenformobjekt ausbildet, in dem sich das Mischungsverhältnis allmählich in einer Dickenrichtung ändert.
  11. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der zentrale Lichtstrahl eine Leistungsdichte hat, die mit der Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt, und der Außenseitenlichtstrahl eine Leistungsdichte hat, die mit der Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt, und wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls erhöht, sodass er größer als ein Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls ist, wenn sie das Zwischenformobjekt ausbildet.
  12. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie einen Peak in einer Verteilungsform einer Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls erhöht, sodass er größer als ein Peak in einer Verteilungsform einer Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist, wenn sie das Formobjekt ausbildet, und wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass: sie eine Ausbildungsbearbeitung, bei der ein Schmelzbad ausgebildet wird, das einem Zentrallicht-Bestrahlungsbereich der Basis entspricht, der mit dem zentralen Lichtstrahl bestrahlt wird, und eine Schmelzbearbeitung, bei der das eingestellte, pulverförmige Material geschmolzen wird, durchführt; sie vor der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads in einer von vorne nach hinten gehenden Richtung, in der der Lichtstrahl bewegt wird, mit dem Außenseitenlichtstrahl, der in der von vorne nach hinten gehenden Richtung auf einer Vorderseite vorgesehen ist, eine Vorheizbearbeitung durchführt; und sie nach der Ausbildungsbearbeitung des Schmelzbads in der von vorne nach hinten gehenden Richtung, in der der Lichtstrahl bewegt wird, mit dem Außenseitenlichtstrahl, der in der von vorne nach hinten gehenden Richtung auf einer Rückseite vorgesehen ist, eine Temperaturerhaltungsbearbeitung durchführt.
  13. Additive Fertigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Außenseitenlichtstrahl, der aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil abgestrahlt wird, eine Ringform hat.
  14. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie gemäß einer Lichtstrahlabsorption des pulverförmigen Materials getrennt die Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und die Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert.
  15. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei das pulverförmige Material eine Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien umfasst und wobei die Additivmaterial-Zuführeinheit eine Mischungsverhältnis-Einstelleinheit umfasst, die dazu imstande ist, ein Mischungsverhältnis der Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien einzustellen.
  16. Additive Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie gemäß einer Lichtstrahlabsorption eines Zwischenformobjekts getrennt eine Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und eine Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert, wenn sie auf der Oberfläche der Basis das Zwischenformobjekt ausbildet, in dem sich das Mischungsverhältnis allmählich in einer Dickenrichtung ändert, wobei der zentrale Lichtstrahl eine Leistungsdichte hat, die mit der Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt, und der Außenseitenlichtstrahl eine Leistungsdichte hat, die mit der Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils zusammenhängt, und wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass: sie einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls und einen Peak in einer Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls einstellt; und sie, wenn sie auf einer Oberfläche des Zwischenformobjekts ein oberes Formobjekt ausbildet, das unter der Vielzahl von Arten von pulverförmigen Materialien eine Art des pulverförmigen Materials hat, den Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls und den Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls einstellt, indem sie gemäß einer Lichtstrahlabsorption des oberen Formobjekts getrennt die Ausgabebedingung des Zentrallichtstrahl-Bestrahlungsteils und die Ausgabebedingung des Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteils steuert.
  17. Additive Fertigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass: sie, wenn die Lichtstrahlabsorption des pulverförmigen Materials verhältnismäßig hoch ist, den Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls reduziert, sodass er kleiner als der Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist; und sie, wenn die Lichtstrahlabsorption des pulverförmigen Materials verhältnismäßig gering ist, den Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls erhöht, sodass er größer als der Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist, und danach den Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des zentralen Lichtstrahls reduziert, sodass er kleiner als der Peak in der Verteilungsform der Leistungsdichte des Außenseitenlichtstrahls ist.
  18. Additive Fertigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Außenseitenlichtstrahl, der aus dem Außenseitenlichtstrahl-Bestrahlungsteil abgestrahlt wird, eine Ringform hat.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015196265A (ja) 2014-03-31 2015-11-09 三菱重工業株式会社 三次元積層装置及び三次元積層方法
US20190124359A1 (en) 2017-10-23 2019-04-25 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Block size dependent interpolation filter selection and mapping

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