DE112020007082T5

DE112020007082T5 - Vorrichtung zur additiven Herstellung und Verfahren zur additiven Herstellung

Info

Publication number: DE112020007082T5
Application number: DE112020007082.4T
Authority: DE
Inventors: Shun KAYASHIMA; Nobuyuki Sumi; Seiji Uozumi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2023-02-16
Also published as: JP6921361B1; CN115485096A; WO2022107196A1; CN115485096B; JPWO2022107196A1; US20230201964A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur additiven Herstellung stellt ein geformtes Objekt durch Aufschichten einer Raupe her, die ein verfestigtes Produkt eines Schweißzusatzes ist, das zum Schmelzen gebracht wird. Die Vorrichtung zur additiven Herstellung umfasst: eine Zuführungseinheit (7), die den Schweißzusatz einem Werkstück zuführt; eine Strahlquelle, die einen Strahl zum Schmelzen des zugeführten Schweißzusatzes ausgibt; und eine Positionsberechnungseinheit (31), die eine Spitzenposition des Schweißzusatzes auf der Grundlage einer Zuführungsgeschwindigkeit des dem Werkstück zuzuführenden Schweißzusatzes und einer Strahlleistung von der Strahlquelle berechnet, wobei die Spitzenposition eine Position ist, an der eine Temperatur einen Schmelzpunkt des Schweißzusatzes durch Bestrahlung mit dem Strahl erreicht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung und ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensional geformten Objekts.
Hintergrund
Als eine der Techniken zum Herstellen eines dreidimensional geformten Objekts ist eine Technik der additiven Herstellung (AM) bekannt. Gemäß einem System der gerichteten Energiedeposition (DED), welches zu einer Vielzahl von Systemen in der Technik der additiven Herstellung gehört, bildet eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eine Raupe, indem sie einen Bearbeitungspunkt bewegt, der eine Bestrahlungsposition eines Strahls ist, während sie dem Bearbeitungspunkt einen Schweißzusatz zuführt. Die Raupe ist ein verfestigtes Produkt, das durch die Verfestigung des geschmolzenen Schweißzusatzes erhalten ist. Die Vorrichtung zur additiven Herstellung stellt ein geformtes Objekt her, indem sie die Raupen nacheinander aufschichtet.
Einige Vorrichtungen der DED zur additiven Herstellung bilden eine Raupe, indem sie einem Werkstück einen Draht als einen Schweißzusatz zuführen und einen Spitzenabschnitt des Drahtes mit einem Laserstrahl lokal schmelzen. Bei einer Vorrichtung zur additiven Herstellung, die einen Draht, der einem Werkstück zugeführt wird, mit einem Laserstrahl schmilzt, kann ein Fall vorkommen, in dem der Draht an einer vom Werkstück entfernten Position schmilzt, und dadurch ein geschmolzenes Material auf dem Draht verbleibt. In diesem Fall wird dem Werkstück kein geschmolzenes Material zugeführt, während ein Tropfen, der eine Masse des geschmolzenen Schweißzusatzes darstellt, auf dem Draht verbleibt. Ein solches Phänomen wird als Tropfenphänomen bezeichnet. Ferner kann in einer solchen Vorrichtung zur additiven Herstellung, die einen Draht schmilzt, der einem Werkstück mit einem Laserstrahl zugeführt wird, ein Stummelphänomen vorkommen, bei dem der Draht vor dem Schmelzen mit dem Werkstück kollidiert.
In den Vorrichtungen zur additiven Herstellung kommt das Tropfenphänomen oder das Stummelphänomen vor, wenn eine Positionsbeziehung zwischen einer Drahtspitze und einem Werkstück während der Bearbeitung nicht angemessen ist. Wenn das Tropfenphänomen oder das Stummelphänomen vorkommt, ist es für die Vorrichtungen zur additiven Herstellung schwierig, eine stabile Bearbeitung fortzusetzen. Um eine stabile Bearbeitung fortzusetzen, müssen die Vorrichtungen zur additiven Herstellung in der Lage sein, eine angemessene Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und der Drahtspitze während der Bearbeitung beizubehalten. Um die angemessene Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und der Drahtspitze beizubehalten, müssen die Vorrichtungen zur additiven Herstellung in der Lage sein, die Position der Drahtspitze während der Bearbeitung zu schätzen.
Die Patentliteratur 1 offenbart ein Verfahren zum Berechnen eines Abstands zwischen einer Spitze, die ein Stromzuführungspunkt ist, und einem zu schweißenden Objekt während des Schweißens, um das Schweißen durchzuführen, während ein konstanter Abstand zwischen der Spitze und dem zu schweißenden Objekt beim Lichtbogenschweißen beibehalten wird, bei dem ein Lichtbogen zwischen dem zu schweißenden Objekt und einem Draht erzeugt wird. Bei dem in der Patentliteratur 1 beschriebenen Verfahren wird ein in einem Draht fließender Schweißstrom erfasst, und eine Schmelzgeschwindigkeit des Drahtes wird auf der Grundlage einer Drahtausdehnung und eines Wertes des erfassten Schweißstroms ermittelt. Bei dem in Patentschrift 1 offenbarten Verfahren wird eine Änderung der Drahtausdehnung auf der Grundlage der Schmelzgeschwindigkeit des Drahtes und einer Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes ermittelt, und der Abstand zwischen der Spitze und dem zu schweißenden Objekt wird unter Verwendung eines Berechnungsergebnisses der Änderung der Drahtausdehnung berechnet.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegung Nr. 2000-158136
Überblick über die Erfindung
Technisches Problem
Das Verfahren gemäß der Patentliteratur 1 ist ein Verfahren, das auf den Fall des Lichtbogenschweißens angewandt wird, und erfordert die Eingabe eines Erfassungsergebnisses des durch den Draht fließenden Schweißstroms, der elektrischen Leitfähigkeit des Drahtes und dergleichen, um zum Ermitteln des Abstands zwischen der Spitze und dem zu schweißenden Objekt zu berechnen. Bei einer Vorrichtung zur additiven Herstellung, die einen Draht mit einem Laserstrahl schmilzt, kann die Position einer Drahtspitze während der Bearbeitung nicht durch das Verfahren gemäß der Patentliteratur 1 ermittelt werden. Daher besteht gemäß der Technik der Patentliteratur 1 das Problem, dass bei der Bearbeitung, bei der ein einem Werkstück zugeführter Schweißzusatz durch Bestrahlung mit einem Strahl geschmolzen wird, die Position einer Spitze des Schweißzusatzes während der Bearbeitung nicht geschätzt werden kann.
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen gemacht, und ein Ziel davon ist es, eine Vorrichtung zur additiven Herstellung bereitzustellen, die bei der Bearbeitung, bei der ein einem Werkstück zugeführter Schweißzusatz durch Bestrahlung mit einem Strahl geschmolzen wird, eine Position einer Spitze des Schweißzusatzes während der Bearbeitung schätzen kann.
Lösung des Problems
Um die obigen Probleme zu lösen und ein Ziel zu erreichen, stellt eine Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der vorliegenden Offenbarung ein geformtes Objekt her, indem eine Raupe aufgeschichtet wird, die ein verfestigtes Produkt eines Schweißzusatzes ist, das zum Schmelzen gebracht wird. Die Vorrichtung zur additiven Herstellung umfasst: eine Zuführungseinheit, um den Schweißzusatz einem Werkstück zuzuführen; eine Strahlquelle, um einen Strahl zum Schmelzen des zugeführten Schweißzusatzes auszugeben; und eine Positionsberechnungseinheit, um eine Spitzenposition des Schweißzusatzes auf der Grundlage einer Zuführungsgeschwindigkeit des dem Werkstück zuzuführenden Schweißzusatzes und einer Strahlleistung der Strahlquelle zu berechnen, wobei die Spitzenposition eine Position ist, an der eine Temperatur einen Schmelzpunkt des Schweißzusatzes durch Bestrahlung mit dem Strahl erreicht.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der vorliegenden Offenbarung erzielt einen Wirkung, dass es bei der Bearbeitung, bei der ein einem Werkstück zugeführter Schweißzusatz durch Bestrahlung mit einem Strahl geschmolzen wird, möglich ist, eine Position einer Spitze des Schweißzusatzes während der Bearbeitung zu schätzen.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuervorrichtung zeigt, welche die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform steuert.
3 ist eine Ansicht zum Erläutern, wie ein geformtes Objekt durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform gebildet wird.
4 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Schätzen einer Spitzenposition eines Drahtes als eines Schweißzusatzes durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform.
5 ist eine Ansicht zum Erläutern einer Beziehung zwischen einem Bearbeitungszustand durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform und der Spitzenposition des Drahtes.
6 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Berichtigen eines Bearbeitungsbezugspunktes durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf bei der Herstellung eines geformten Objektes durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Vorversuchs zum Ermitteln einer Beziehung zwischen Grenzwerten einer Zuführungsgeschwindigkeit und der Laserleistung in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen den Grenzwerten der Zuführungsgeschwindigkeit und der Laserleistung zeigt, die in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der zweiten Ausführungsform ermittelt werden.
10 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuervorrichtung zeigt, welche die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß einer dritten Ausführungsform steuert.
11 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Beispiels, in dem ein Prozessparameter in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß einer vierten Ausführungsform geändert wird.
12 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Berechnen der Spitzenposition in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform.
13 ist eine erste Ansicht zum Erläutern der Schätzung der Spitzenposition einschließlich der Einstellung in Bezug auf ein Einschwingverhalten durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform.
14 ist eine zweite Ansicht zum Erläutern der Schätzung der Spitzenposition einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform.
15 ist eine Ansicht zum Erläutern der Berichtigung einer Position des Bearbeitungsbezugspunktes in einer Z-Achsenrichtung und einer Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß einer fünften Ausführungsform.
16 ist ein Diagramm zum Erläutern der Definition eines Winkels, der die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform darstellt.
17 ist eine Ansicht zum Erläutern der Einstellung eines Berichtigungsbetrags zum Berichtigen einer Position des Bearbeitungsbezugspunktes durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform.
18 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Schätzen der Höhe einer Raupe durch die Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform.
19 ist ein Diagramm, das eine Beispiel für Hardwarekonfiguration jeder numerischen Steuervorrichtung zeigt, die in der Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß der ersten bis fünften Ausführungsformen enthalten ist.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden eine Vorrichtung zur additiven Herstellung und ein Verfahren zur additiven Herstellung gemäß jeder Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung ist eine Bearbeitungsvorrichtung, die ein dreidimensional geformtes Objekt herstellt, indem sie einen geschmolzenen Schweißzusatz einem Werkstück zuführt. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung schmilzt den Schweißzusatz durch Bestrahlung mit einem Strahl. Bei der ersten Ausführungsform ist der Strahl ein Laserstrahl 4, und der Schweißzusatz ist ein aus Metall gefertigter Draht 5.
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung schmilzt mit dem Laserstrahl 4 lokal einen Spitzenabschnitt des Drahtes 5, der einem Werkstück zugeführt wird, und bringt ein geschmolzenes Material des Drahtes 5 in Kontakt mit dem Werkstück, um dadurch eine Raupe 8 zu bilden. Die Raupe 8 ist ein verfestigtes Produkt aus dem durch die Bestrahlung mit dem Strahl geschmolzenen Schweißzusatz. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung stellt ein geformtes Objekt her, indem sie die Raupen 8 auf einem Substrat 10 aufschichtet. Das in 1 gezeigte Substrat 10 ist ein Plattenmaterial. Das Substrat 10 kann auch aus einem anderen Material als dem Plattenmaterial bestehen. Das Werkstück ist ein Gegenstand, dem der geschmolzene Schweißzusatz zugefügt wird, und ist das Substrat 10 oder die Raupe 8 auf dem Substrat 10. Eine geschmolzene Raupe 9 ist ein Teil der Raupe 8, die geschmolzen wird.
Eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse sind drei Achsen, die senkrecht zueinander stehen. Die X-Achse und die Y-Achse sind Achsen in horizontaler Richtung. Die Z-Achse ist eine Achse in vertikaler Richtung. In jeder der Richtungen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse kann eine durch einen Pfeil angezeigte Richtung als eine positive Richtung bezeichnet werden, und eine dem Pfeil entgegengesetzte Richtung kann als eine negative Richtung bezeichnet werden. Die Z-Achsenrichtung ist eine Aufschichtrichtung, d. h. eine Richtung, in der die Raupen 8 aufgeschichtet werden.
Ein Laseroszillator 1, der eine Strahlquelle ist, gibt den Laserstrahl 4 aus. Der vom Laseroszillator 1 ausgegebene Laserstrahl 4 breitet sich durch ein Faserkabel 2, das eine optische Übertragungsleitung ist, zu einem Bearbeitungskopf 3 aus. Eine Laserleistungssteuerung 14 steuert den Laseroszillator 1, um dadurch die Strahlleistung des Laseroszillators 1 zu steuern. In der folgenden Beschreibung wird die Strahlleistung auch als Laserleistung bezeichnet.
Der Bearbeitungskopf 3 bewegt sich sowohl in der X-Achsenrichtung als auch in der Y-Achsenrichtung und der Z-Achsenrichtung. Der Bearbeitungskopf 3 emittiert den Laserstrahl 4 zu dem Werkstück hin. Ein optisches Kollimationssystem, das den Laserstrahl 4 kollimiert, und eine Kondensorlinse, die den Laserstrahl 4 fokussiert, sind im Inneren des Bearbeitungskopfes 3 vorgesehen. Das optische Kollimationssystem und die Kondensorlinse sind nicht gezeigt. Eine Richtung der Mittellinie des Laserstrahls 4, mit der das Werkstück bestrahlt wird, ist die Z-Achsenrichtung.
Der Bearbeitungskopf 3 umfasst eine Gasdüse, die Schutzgas zu dem Werkstück hin einbläst. Als Schutzgas wird Argon verwendet, das ein Inertgas ist. Durch das Einblasen des Schutzgases verhindert die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Oxidation der Raupe 8 und kühlt die geformte Raupe 8. Das Schutzgas wird aus einem Gasbehälter zugeführt, die eine Versorgungsquelle für das Schutzgas darstellt. Eine Gasdurchflusssteuerung 15 steuert die Durchflussmenge des Schutzgases. Die Gasdüse und die Gasflasche sind nicht gezeigt.
Eine Schweißdrahtspule 6, die eine Versorgungsquelle für den Draht 5 darstellt, ist an der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung 100 angebracht. Der Draht 5 wird um die Schweißdrahtspule 6 herum gewickelt. Eine Zuführungseinheit 7 ist am Bearbeitungskopf 3 befestigt. Die Zuführungseinheit 7 führt dem Werkstück den Schweißzusatz zu. Die Zuführungseinheit 7 führt den Draht 5 von der Schweißdrahtspule 6 zu dem Werkstück hin zu. Ferner zieht die Zuführungseinheit 7 den zugeführten Draht 5 zu der Schweißdrahtspule 6 hin zurück. Die Richtung, in der der Draht 5 zugeführt wird, ist eine Richtung schräg zu der Richtung, in der der Laserstrahl 4 von dem Bearbeitungskopf 3 emittiert wird.
Das Substrat 10 ist an einer Drehhalterung 11 befestigt. Die Drehhalterung 11 dreht sich um die Z-Achse. Eine Drehhalterung 12 ändert die Neigung der Drehhalterung 11 durch Drehung um die Y-Achse. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung verändert die Lage des Substrats 10 durch die Betriebe der Drehhalterung 11 und 12. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung bewegt eine Bestrahlungsposition des Laserstrahls 4 auf dem Werkstück, indem sie die Lage des Substrats 10 verändert und den Bearbeitungskopf 3 bewegt.
Eine Antriebssteuerung 16 umfasst eine Kopfantriebseinheit 17, die den Bearbeitungskopf 3 antreibt, eine Drahtzuführungsantriebseinheit 18, die die Zuführungseinheit 7 antreibt, und eine Halterungsantriebseinheit 19, welche die Drehhalterung 11 und 12 antreibt.
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung umfasst eine numerische Steuerung (NC-Vorrichtung) 13, welche die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung steuert. Die NC-Vorrichtung 13 steuert die Gesamtheit der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung in Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm. Die NC-Vorrichtung 13 steuert den Laseroszillator 1, indem sie einen Laserleistungsbefehl an die Laserleistungssteuerung 14 ausgibt. Die NC-Vorrichtung 13 steuert den Bearbeitungskopf 3, indem sie einen Achsenbefehl an die Kopfantriebseinheit 17 ausgibt. Die NC-Vorrichtung 13 steuert die Zuführungseinheit 7, indem sie einen Zuführungsbefehl an die Drahtzuführungsantriebseinheit 18 sendet. Die NC-Vorrichtung 13 steuert die Drehhalterung 11 und 12, indem sie einen Drehbefehl an die Halterungsantriebseinheit 19 ausgibt. Die NC-Vorrichtung 13 steuert die Durchflussmenge des Schutzgases, indem sie einen Gaszuführungsbefehl an die Gasdurchflusssteuerung 15 ausgibt.
2 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration der numerischen Steuervorrichtung zeigt, welche die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform steuert. Ein Bearbeitungsprogramm 20, das ein NC-Programm ist, wird in die NC-Vorrichtung 13 eingegeben. Das Bearbeitungsprogramm 20 wird von einer computergestützten Herstellungsvorrichtung (CAM) erstellt.
Die NC-Vorrichtung 13 umfasst eine Programmanalyseeinheit 21, die das Bearbeitungsprogramm 20 analysiert, eine Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit 23, die eine Bearbeitungsbedingung einstellt, eine Achsenbefehlserzeugungseinheit 24, die einen Achsenbefehl erzeugt, eine Strahlbefehlserzeugungseinheit 25, die einen Laserleistungsbefehl erzeugt, und eine Zuführungsbefehlserzeugungseinheit 26, die einen Zuführungsbefehl erzeugt.
Die Programmanalyseeinheit 21 analysiert auf der Grundlage einer Beschreibung des Bearbeitungsprogramms 20 einen Bewegungspfad, entlang dessen der Bearbeitungskopf 3 bewegt wird. Die Programmanalyseeinheit 21 gibt ein Analyseergebnis des Bewegungspfads an die Achsenbefehlserzeugungseinheit 24 aus. Ferner bezieht die Programmanalyseeinheit 21 aus dem Bearbeitungsprogramm 20 Informationen zum Festlegen von Bearbeitungsbedingungen. Die Programmanalyseeinheit 21 gibt die Informationen zum Einstellen der Bearbeitungsbedingungen an die Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit 23 aus.
Die NC-Vorrichtung 13 umfasst eine Bearbeitungsbedingungstabelle 22, in der Daten verschiedener Bearbeitungsbedingungen gespeichert sind. Die Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit 23 stellt eine Bearbeitungsbedingung ein, indem sie Daten der Bearbeitungsbedingung aus der Bearbeitungsbedingungstabelle 22 in Übereinstimmung mit den Informationen zum Einstellen von Bearbeitungsbedingungen liest. Es sei angemerkt, dass die NC-Vorrichtung 13 die Daten der Bearbeitungsbedingung aus dem Bearbeitungsprogramm 20, in dem die Daten der Bearbeitungsbedingung beschrieben sind, beziehen kann, anstatt die Daten der bestimmten Bearbeitungsbedingung aus den Daten verschiedener Bearbeitungsbedingungen zu beziehen, die im Voraus in der Bearbeitungsbedingungstabelle 22 gespeichert sind.
Die Achsenbefehlserzeugungseinheit 24 erzeugt auf der Grundlage des Analyseergebnisses des Bewegungspfads einen Achsenbefehl, der eine Gruppe von Interpolationspunkten für jede Zeiteinheit auf dem Bewegungspfad ist. In der folgenden Beschreibung wird der Interpolationspunkt auch als Befehlspunkt bezeichnet. Die Strahlbefehlserzeugungseinheit 25 erzeugt einen Laserleistungsbefehl auf der Grundlage der von der Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit 23 eingestellten Bearbeitungsbedingung. Die Zuführungsbefehlserzeugungseinheit 26 erzeugt einen Zuführungsbefehl auf der Grundlage der von der Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit 23 eingestellten Bearbeitungsbedingung.
Die NC-Vorrichtung 13 umfasst eine Raupenformsteuerung 27, die eine Einstellung zum Verbessern der Formgenauigkeit der Raupe 8 durchführt, eine Vorsteuerung 30 und einen Addierer 28. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung umfasst verschiedene Sensoren wie eine Kamera, ein Thermometer und ein Profilometer. Die verschiedenen Sensoren sind nicht gezeigt. Die Ergebnisse der Erfassungen durch die verschiedenen Sensoren werden in die Raupenformsteuerung 27 eingegeben. Die Raupenformsteuerung 27 stellt Prozessparameter wie einen Befehlswert für eine Zuführungsgeschwindigkeit und einen Befehlswert für die Laserleistung auf der Grundlage der Ergebnisse der Erfassungen durch die verschiedenen Sensoren ein.
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung stellt die Höhe und Breite der zu bildenden Raupe 8 durch Einstellung der Prozessparameter ein, die von der Raupenformsteuerung 27 durchgeführt wird. Die Höhe der Raupe 8 ist die Höhe der Raupe 8 in der Aufschichtrichtung. Die Breite der Raupe 8 ist die Breite der Raupe 8 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der der Bearbeitungskopf 3 bewegt wird, und zu der Aufschichtrichtung. Wenn die Richtung, in der der Bearbeitungskopf 3 bewegt wird, die X-Achsenrichtung ist, wird die Breite der Raupe 8 in der Y-Achsenrichtung eingestellt.
Beispiele für eine Kamera sind eine Kamera für sichtbares Licht, eine Infrarotkamera und eine Hochgeschwindigkeitsmesskamera. Die Kamera misst die Form des Werkstücks, den Schmelzzustand des Werkstücks, eine Form eines Schmelzbads, eine Temperatur und dergleichen. Mit der darin umfassten Kamera kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung 100 die Form des Werkstücks, den Schmelzzustand des Werkstücks, einen Schmelzzustand des Drahtes 5, während der Bearbeitung erzeugten Rauch oder Spritzer, eine Position des Drahtes 5, eine Temperatur des Werkstücks, eine Temperatur des Drahtes 5, eine Temperatur des Schmelzbads und dergleichen beobachten. Das Thermometer erfasst das vom Werkstück emittierte Licht. Das Thermometer ist ein berührungsloses Thermometer wie beispielsweise ein Strahlungsthermometer oder eine Thermokamera. Das Profilometer ist ein Messgerät, das eine Form eines geformten Objekts misst, und ist ein Laserentfernungsmesser, eine Vorrichtung (OCT) zur optischen Kohärenztomographie (OCT), die eine optische Kohärenztomographie durchführt, oder dergleichen. Das Profilometer misst die Höhe des geformten Objekts in der Z-Achsenrichtung, die Länge des geformten Objekts in der X-Achsenrichtung oder die Breite des geformten Objekts in der Y-Achsenrichtung. Es sei angemerkt, dass ein Spektroskop, ein Phonometer oder dergleichen in den verschiedenen Sensoren umfasst sein können.
Die Raupenformsteuerung 27 gibt den eingestellten Laserleistungsbefehl an die Laserleistungssteuerung 14 und die Vorsteuerung 30 aus. Die Raupenformsteuerung 27 gibt den eingestellten Zuführungsbefehl an die Drahtzuführungsantriebseinheit 18 und die Vorsteuerung 30 aus.
Die Vorsteuerung 30 umfasst eine Positionsberechnungseinheit 31, welche die Spitzenposition des Drahtes 5 berechnet, und eine Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32, die einen Berichtigungsbetrag zum Berichtigen der Position des Bearbeitungskopfes 3 berechnet. Die Positionsberechnungseinheit 31 berechnet die Spitzenposition des Drahtes 5 auf der Grundlage der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 und der Laserleistung des Laseroszillators 1. Bei der ersten Ausführungsform berechnet die Positionsberechnungseinheit 31 die Spitzenposition des Drahtes 5 auf der Grundlage des eingestellten Laserleistungsbefehls in der Raupenformsteuerung 27 und des eingestellten Zuführungsbefehls in der Raupenformsteuerung 27. Die Positionsberechnungseinheit 31 gibt ein Berechnungsergebnis der Spitzenposition an die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 aus.
Ein Messwert für den Entfernungsbetrag von einer oberen Oberfläche des Werkstücks zum Befehlspunkt wird in die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 eingegeben. Der Entfernungsbetrag wird von einem Sensor wie beispielsweise einem Laserentfernungsmesser gemessen. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 berechnet einen Berichtigungsbetrag in der Aufschichtrichtung auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses der Spitzenposition und des Entfernungsbetrags. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 gibt ein Berechnungsergebnis des Berichtigungsbetrags an den Addierer 28 aus. Der Addierer 28 addiert den Berichtigungsbetrag zu dem von der Achsenbefehlserzeugungseinheit 24 erzeugten Achsenbefehl. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 und der Addierer 28 fungieren als eine Berichtigungseinheit, welche die Position des Bearbeitungsbezugspunktes in der Aufschichtrichtung auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses der Spitzenposition berichtigt. Der Bearbeitungsbezugspunkt wird später noch beschrieben. Der Addierer 28 gibt ein Ergebnis der Addition, d. h. den berichtigten Achsenbefehl, an die Kopfantriebseinheit 17 aus.
Es sei angemerkt, dass jede der oben beschriebenen Komponenten der NC-Vorrichtung 13 funktionell oder physikalisch in jeder Einheit verteilt sein kann. Beispielsweise kann die Raupenformsteuerung 27 in einer externen Vorrichtung umfasst sein, die mit der NC-Vorrichtung 13 verbunden ist.
3 ist eine Ansicht zum Erläutern, wie ein geformtes Objekt durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform gebildet wird. 3 zeigt schematisch, wie die Raupe 8 auf dem Substrat 10 gebildet wird.
„θ“ ist ein Winkel, der durch die Bewegungsrichtung des Drahtes 5, der von der Zuführungseinheit 7 auf das Werkstück gerichtet ist, und die X-Achse gebildet wird, die eine Achse senkrecht zu einer Mittellinie N des Laserstrahls 4 ist. „θ“ ist ein Parameter, der eine Richtung des dem Werkstück zuzuführenden Schweißzusatzes angibt, und ist einer der mechanischen Parameter, die mit der Struktur der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung zusammenhängen. „R“ ist der Durchmesser eines Flecks des Laserstrahls 4 in einer Ebene senkrecht zur Mittellinie N. Eine Spitzenposition 5a des Drahtes 5 ist eine Position im Draht 5, an der eine Temperatur den Schmelzpunkt des Drahtes 5 durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl 4 erreicht hat.
Ein Schnittpunkt der Mittellinie N des auf das Werkstück gerichteten Laserstrahls 4 und der von der Zuführungseinheit 7 auf das Werkstück gerichteten Bewegungsrichtung des Drahtes 5 wird als einen Bezugspunkt des Bearbeitungskopfes 3 definiert. In der folgenden Beschreibung wird der Bezugspunkt des Bearbeitungskopfes 3 als ein Bearbeitungsbezugspunkt RP bezeichnet. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung treibt den Bearbeitungskopf 3 so an, dass der Bearbeitungsbezugspunkt RP mit einer Position 35 des auf dem Bearbeitungsprogramm 20 basierenden Befehlspunktes übereinstimmt. In einem Bereich der oberen Oberfläche des Substrats 10 wird ein Schmelzbad 36 gebildet, auf das ein geschmolzenes Material des Drahtes 5 angeordnet wird. Die geschmolzene Raupe 9 wird auf dem Schmelzbad 36 gebildet.
Als Nächstes wird die Schätzung der Spitzenposition 5a des Drahtes 5 durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung beschrieben. 4 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Schätzen der Spitzenposition 5a des Drahtes 5 als eines Schweißzusatzes durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform.
Damit die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine stabile Bearbeitung fortsetzen kann, ohne das Tropfenphänomen oder das Stummelphänomen zu verursachen, ist es erforderlich, eine geeignete Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und der Spitzenposition 5a beizubehalten. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann die geeignete Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und der Spitzenposition 5a beibehalten, indem sie die Spitzenposition 5a schätzt und die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP auf der Grundlage eines Ergebnisses der Schätzung berichtigt. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung schätzt die Spitzenposition 5a durch Berechnen der Spitzenposition 5a in der Positionsberechnungseinheit 31.
„L“ ist ein Abstand zwischen einer Position, an der der Draht 5 in den Laserstrahl 4 zu Beginn der Bearbeitung eingetreten ist, und der Spitzenposition 5a, an der die Temperatur den Schmelzpunkt nach dem Eintritt des Drahtes 5 in den Laserstrahl 4 erreicht hat. „L“ ist ein Abstand in der Z-Achsenrichtung. 4 zeigt die Abstände „L“ in zwei Fällen, in denen die Zuführungsgeschwindigkeiten oder die Laserleistungen voneinander unterschiedlich sind. Im Falle von (b) der 4 ist die Zuführungsgeschwindigkeit niedriger oder die Laserleistung höher als im Falle von (a) der 4. Der Abstand „L“ im Falle von (b) der 4 ist kürzer als der Abstand „L“ im Falle von (a) der 4. Die Positionsberechnungseinheit 31 führt die Berechnung der Spitzenposition 5a aus einem Prozessparameter auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Spitzenposition 5a und dem Prozessparameter durch. Es sei angemerkt, dass sich die Berechnung der Spitzenposition 5a auf die Berechnung des Abstands „L“ bezieht.
Es wird hier angenommen, dass die dem Draht 5 zugeführten Wärme, abgesehen von der Absorptionswärme des Laserstrahls 4, ausreichend kleiner ist als die Absorptionswärme. Das heißt, die Wärmeleitung von dem Werkstück zu dem Draht 5 wird vernachlässigt, und es wird angenommen, dass die Temperatur des Drahtes 5 innerhalb des Laserstrahls 4 nur durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 4 bestimmt wird.
Die Temperatur „T“ des Drahtes 5 nach einer Zeitspanne „t“, die seit dem Eintritt des Drahtes 5 in den Laserstrahl 4 zu Beginn der Bearbeitung verstrichen ist, wird durch die folgende Formel (1) ausgedrückt. $T - T_{0} = (\frac{1}{C_{p}}) \cdot A \cdot P_{c} \cdot t$
„T₀“ ist eine Anfangstemperatur des Drahtes 5. Die Anfangstemperatur ist eine Temperatur des Drahtes 5 vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 4. Die Anfangstemperatur entspricht fast der Raumtemperatur. Die Einheit von „T₀“ ist [K]. „C_p“ ist die Wärmekapazität des Drahtes 5. Die Einheit von „C_p“ ist [J/K]. „A“ ist die Absorptionsrate des Drahtes 5. „P_c“ ist ein Befehlswert für die Laserleistung. Die Einheit von „P_c“ ist [W].
Eine Zeitspanne „t_melt“ von dem Zeitpunkt, zu dem der Draht 5 in den Laserstrahl 4 eintritt, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Spitzenabschnitt des Drahtes 5 einen Schmelzpunkt „T_melt“ des Drahtes 5 erreicht, wird durch die folgende Formel (2) ausgedrückt. Formel (2) wird durch Abwandeln von der Formel (1) und Einsetzen von „T_melt“ und „t_melt“ darin erhalten. Da „T₀“ in Bezug auf „T_melt“ ausreichend niedrig ist, wird „T₀“ in der Formel (2) vernachlässigt. $t_{m e l t} = (\frac{1}{A} \cdot P_{c}) \cdot C_{p} \cdot T_{m e l t}$
Da der durch die Bewegungsrichtung des Drahtes 5 und die X-Achse gebildete Winkel „θ“ ist, wird der Abstand „L“ durch die folgenden Formeln (3) und (4) mit „K“ als eine Konstante ausgedrückt. $L = t_{m e l t} \cdot F_{W C} \cdot sin θ$
$L = K \cdot (\frac{F_{W C}}{P_{c}})$
„F_WC“ ist ein Befehlswert für die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5. „K“ ist eine Konstante, die sich aus den Werten der physikalischen Eigenschaften des Drahtes 5 ergibt, wie der Wärmekapazität „C_p“, der Absorptionsrate „A“ und dem Schmelzpunkt „T_melt“, und „sin θ“ ist ein mechanischer Parameter der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung. „F_WC“ und „P_c“ sind Prozessparameter der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung.
Gemäß der oben ausgeführten Beschreibung ist es ersichtlich, dass sich die Spitzenposition 5a des Drahtes 5 nicht nur durch die Position 35 des Befehlspunktes basierend auf dem Bearbeitungsprogramm 20, sondern auch durch die Prozessparameter ändert. Es sei angemerkt, dass bei der ersten Ausführungsform die Konstante „K“ nach einem beliebigen Verfahren bestimmt werden kann. Als ein physikalischer Eigenschaftswert zum Bestimmen der Konstante „K“ kann ein in der Literatur beschriebener numerischer Wert oder dergleichen verwendet werden. Die Konstante „K“ kann durch einen Vorversuch bestimmt werden. Die Bestimmung der Konstante „K“ durch den Vorversuch wird bei einer zweiten Ausführungsform beschrieben.
Bei der ersten Ausführungsform schätzt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a auf der Grundlage der Zeitspanne „t_melt“ in einem Fall, in dem es keine Änderung der Prozessparameter gegeben hat, seitdem der Draht 5 in den Laserstrahl 4 eingetreten ist, d. h. in einem stabilen Zustand. Die Schätzung der Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten aufgrund einer zeitlichen Änderung eines Prozessparameters wird bei einer vierten Ausführungsform beschrieben.
Als Nächstes wird eine Beziehung zwischen einem Zustand der Bearbeitung durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung und der Spitzenposition 5a des Drahtes 5 beschrieben. 5 ist eine Ansicht zum Erläutern der Beziehung zwischen dem Zustand der Bearbeitung durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform und der Spitzenposition 5a des Drahtes 5. 5 zeigt schematisch den Zustand der Bearbeitung in vier Fällen, in denen die Zuführungsgeschwindigkeiten oder die Laserleistungen voneinander unterschiedlich sind. Die Spitzenpositionen 5a in der Z-Achsenrichtung sind in den vier Fällen voneinander unterschiedlich. Der Fall von (a) der 5 ist ein Fall, in dem sich die Spitzenposition 5a unter den vier Fällen vertikal am höchsten befindet. In 5 befindet sich die Spitzenposition 5a von (a) vertikal am höchsten, gefolgt von den Spitzenpositionen 5a von (b), (c) und (d) in dieser Reihenfolge.
Im Falle von (a) der 5 ist die Spitzenposition 5a von der geschmolzenen Raupe 9 senkrecht darüber getrennt. In einem solchen Fall bildet sich ein Tropfen 37 am Spitzenabschnitt des Drahtes 5 aufgrund des Schmelzens des Drahtes 5 an einer von der geschmolzenen Raupe 9 entfernten Position. D. h., das Tropfenphänomen kommt vor.
Im Falle von (b) der 5 befindet sich die Spitzenposition 5a senkrecht über einer oberen Oberfläche der geschmolzenen Raupe 9. Ferner wird zwischen der Spitzenposition 5a und der geschmolzenen Raupe 9 eine durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials verursachte Verbindung 38 gebildet. In einem solchen Fall kann die Bearbeitung fortgesetzt werden, da die Spitzenposition 5a über die Verbindung 38 mit der geschmolzenen Raupe 9 verbunden ist. Da jedoch die Verbindung 38 aufgrund einer Störung oder dergleichen leicht gelöst werden kann, kann festgestellt werden, dass der Zustand im Falle von (b) ein Zustand ist, der leicht in den Zustand im Falle (a) übergeht und leicht das Vorkommen des Tropfenphänomens verursacht.
Im Falle von (c) der 5 befindet sich die Spitzenposition 5a senkrecht unter der oberen Oberfläche der geschmolzenen Raupe 9 und senkrecht über einer unteren Oberfläche des Schmelzbades 36. In einem solchen Fall wird der Kontakt zwischen dem geschmolzenen Material des Drahtes 5 und der geschmolzenen Raupe 9 beibehalten, wodurch das Tropfenphänomen nicht vorkommt. Zudem wird ein Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Schmelzbades 36 und der Spitzenposition 5a beibehalten, wodurch das Stummelphänomen nicht vorkommt. Im Falle von (c) kommt weder das Tropfenphänomen noch das Stummelphänomen vor, und die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann die stabile Bearbeitung fortsetzen.
Im Falle von (d) der 5 befindet sich die Spitzenposition 5a senkrecht unter der unteren Oberfläche des Schmelzbades 36. Alternativ wird der Draht 5 so zugeführt, dass die Spitzenposition 5a von einem Zustand, in dem der Draht 5 die untere Oberfläche des Schmelzbades 36 erreicht hat, weiter vertikal nach unten vordringt und dadurch die Spitze des Drahtes 5 gegen die untere Oberfläche des Schmelzbades 36 gedrückt wird. Im Falle von (d) kommt das Stummelphänomen vor.
Wie oben beschrieben, kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die stabile Bearbeitung in einem Zustand fortsetzen, in dem sich die Spitzenposition 5a zwischen der oberen Oberfläche der geschmolzenen Raupe 9 und der unteren Oberfläche des Schmelzbades 36 befindet. Es ist schwierig für die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung, eine stabile Bearbeitung in einem Zustand fortzusetzen, in dem die Spitzenposition 5a von der geschmolzenen Raupe 9 vertikal darüber getrennt ist, oder in einem Zustand, in dem der Draht 5 so zugeführt wird, dass sich die Spitzenposition 5a vertikal unterhalb der unteren Oberfläche des Schmelzbades 36 befindet.
Als Nächstes wird die Berichtigung der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung beschrieben. 6 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Berichtigen des Bearbeitungsbezugspunktes RP durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform. (a) der 6 zeigt schematisch einen Zustand der Spitzenposition 5a und des Werkstücks, bevor die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP berichtigt wird. (b) der 6 zeigt schematisch einen Zustand der Spitzenposition 5a und des Werkstücks nach der Berichtigung der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP. Durch das Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP geht der Zustand der Spitzenposition 5a und des Werkstücks von dem in (a) der 6 dargestellten Zustand in den in (b) der 6 dargestellten Zustand über.
In dem in 6 unter (a) dargestellten Zustand ist die Spitzenposition 5a von der geschmolzenen Raupe 9 vertikal darüber getrennt. Ein Laserleistungsbefehlswert nach Einstellung durch die Raupenformsteuerung 27 und ein Zuführungsgeschwindigkeitsbefehlswert nach Einstellung durch die Raupenformsteuerung 27 werden in die Positionsberechnungseinheit 31 eingegeben. Die Positionsberechnungseinheit 31 berechnet den Abstand „L“ auf der Grundlage der oben beschriebenen Formel (4). Die Positionsberechnungseinheit 31 gibt ein Berechnungsergebnis des Abstands „L“ an die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 aus.
Der Betrag der Entfernung „h“ von der oberen Oberfläche des Substrats 10, welches das Werkstück ist, zum Bearbeitungsbezugspunkt RP wird von einem Sensor wie beispielsweise einem Laserentfernungsmesser gemessen. Ein Messwert des Entfernungsbetrags „h“ wird in die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 eingegeben.
Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 berechnet einen Abstand zwischen der oberen Oberfläche des Substrats 10 und der Spitzenposition 5a in der Z-Achsenrichtung als den Berichtigungsbetrag. „ΔZ“, das der Berichtigungsbetrag ist, wird durch die folgende Formel (5) ausgedrückt. $Δ Z = - h - (\frac{R}{2}) tan θ + L$
Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 berechnet „ΔZ“ auf der Grundlage der Formel (5). Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 gibt ein Berechnungsergebnis von „ΔZ“ an den Addierer 28 aus. Der Addierer 28 addiert „ΔZ“ zu dem von der Achsenbefehlserzeugungseinheit 24 erzeugten Achsenbefehl. Der Bearbeitungskopf 3 wird entsprechend dem berichtigten Achsenbefehl gesteuert, und dadurch wird die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP um „ΔZ“ gegenüber der Position in dem in (a) der 6 dargestellten Zustand abgesenkt. Aufgrund der abgesenkten Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP kommt die Spitzenposition 5a in Kontakt mit der geschmolzenen Raupe 9, wie in (b) der 6 dargestellt.
Wie oben beschrieben, berichtigt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP in der Aufschichtrichtung auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses der Spitzenposition 5a. Selbst wenn sich einer der Prozessparameter während der Bearbeitung ändert, kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a in Kontakt mit der geschmolzenen Raupe 9 bringen, indem sie die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP berichtigt. Indem die Spitzenposition 5a ständig mit der geschmolzenen Raupe 9 in Kontakt gebracht wird, kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung einen Zustand beibehalten, der eine stabile Bearbeitung ermöglicht.
Als Nächstes wird ein Ablauf eines Verfahrens zur additiven Herstellung beschrieben, bei dem die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform ein geformtes Objekt herstellt. 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf bei der Herstellung eines geformten Objekts durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
Im Schritt S1, der ein Zuführungsschritt ist, führt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung den Draht 5 als einen Schweißzusatz dem Werkstück zu. Im Schritt S2, der ein Strahlausgabeschritt ist, gibt die Vorrichtung zur additiven Herstellung den Laserstrahl 4 aus dem Laseroszillator 1 aus, um dadurch das Werkstück mit dem Laserstrahl 4 zu bestrahlen. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung schmilzt den so zugeführten Draht 5 mit dem Laserstrahl 4, um die Raupe 8 zu bilden.
Im Schritt S3, der ein Positionsberechnungsschritt ist, berechnet die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a des Drahtes 5 auf der Grundlage der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 im Schritt S1 und der Laserleistung im Schritt S2. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung schätzt die Spitzenposition 5a während der Bearbeitung im Schritt S3. Im Schritt S4, der ein Berichtigungsschritt ist, berichtigt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses der Spitzenposition 5a im Schritt S3. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung 100 wiederholt den Betrieb des Bildens der Raupen 8, während die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP berichtigt wird. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung stellt ein geformtes Objekt her, indem sie die Raupen 8 auf dem Substrat 10 aufschichtet.
Gemäß der ersten Ausführungsform berechnet die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a des Drahtes 5 auf der Grundlage der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5, bei dem es sich um einen dem Werkstück zuzuführenden Schweißzusatz handelt, und der Strahlleistung der Strahlquelle. Infolgedessen erzielt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine Wirkung, dass es bei der Bearbeitung, bei der ein einem Werkstück zugeführter Schweißzusatz durch Bestrahlung mit einem Strahl geschmolzen wird, möglich ist, eine Spitzenposition des Schweißzusatzes während der Bearbeitung zu schätzen. Zudem kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung durch Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP in der Aufschichtrichtung auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses der Spitzenposition 5a einen Zustand beibehalten, in dem eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden kann.
Zweite Ausführungsform.
Bei der ersten Ausführungsform kann die Konstante „K“ nach einem beliebigen Verfahren bestimmt werden. Bei der zweiten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bestimmen der Konstante „K“ auf der Grundlage des Vorversuchs beschrieben. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann die Spitzenposition 5a genau schätzen, indem sie die Konstante „K“ auf der Grundlage eines Ergebnisses des Vorversuchs bestimmt, bei dem ein Schweißzusatz und die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung verwendet werden, die tatsächlich bei der Bearbeitung eingesetzt werden. Bei der zweiten Ausführungsform werden dieselben Komponenten wie bei der ersten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es werden hauptsächlich Konfigurationen beschrieben, die sich von denen bei der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Bei der zweiten Ausführungsform ermittelt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine Beziehung zwischen den Grenzwerten einer Zuführungsgeschwindigkeit und der Laserleistung des Laseroszillators 1 durch den Vorversuch. Ein Grenzwert der Zuführungsgeschwindigkeit ist ein Minimalwert der Zuführungsgeschwindigkeit in einem Fall, in dem der dem Laserstrahl 4 zugeführte Draht 5 den Laserstrahl 4 durchläuft, ohne geschmolzen zu werden. Die Positionsberechnungseinheit 31 berechnet die Konstante „K“ auf der Grundlage der Beziehung zwischen den Grenzwerten der Zuführungsgeschwindigkeit und der Laserleistung.
Es wird hier der Vorversuch beschrieben. 8 ist eine Ansicht zum Erläutern des Vorversuchs zum Ermitteln der Beziehung zwischen den Grenzwerten der Zuführungsgeschwindigkeit und der Laserleistung in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der zweiten Ausführungsform.
Bei dem Vorversuch wird der Bearbeitungskopf 3 veranlasst, in einer Position zu verharren, die senkrecht über seiner Position zum Zeitpunkt der Bearbeitung liegt. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung bestrahlt den Laserstrahl 4 mit beliebiger Laserleistung, während der Bearbeitungskopf 3 stationär bleibt, und führt den Draht 5 dem Laserstrahl 4 zu. 8 zeigt einen Zustand, in dem der Draht 5 in zwei Fällen zugeführt wird, in denen die Zuführungsgeschwindigkeiten voneinander unterschiedlich sind, während ein Befehlswert der Laserleistung auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Im Falle von (b) der 8 ist die Zuführungsgeschwindigkeit höher als im Falle von (a) der 8.
Im Falle von (a) der 8 schmilzt der Spitzenabschnitt des Drahtes 5, nachdem der Draht 5 in den Laserstrahl 4 eingetreten ist und bevor der Draht 5 den Laserstrahl 4 durchläuft. Der Tropfen 37 wird an dem Spitzenabschnitt des Drahtes 5 gebildet. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung erhöht sequentiell die Zuführungsgeschwindigkeit ausgehend von der im Falle (a) der 8 und führt den Draht 5 wiederholt zu. Wenn die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 einen bestimmten Wert überschreitet, durchläuft der Draht 5 den Laserstrahl 4. Die Zuführungsgeschwindigkeit, bei der der Draht 5 beginnt, den Laserstrahl 4 zu durchlaufen, ist ein Grenzwert. Auf diese Weise ermittelt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung Grenzwerte, die den Befehlswerten der Laserleistung entsprechen. Die von verschiedenen Sensoren ermittelten Erfassungsergebnisse können verwendet werden, um festzustellen, ob der Draht 5 den Laserstrahl 4 durchlaufen hat.
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung wiederholt den obigen Betrieb zum Erfassen eines Grenzwerts mehrere Male, während ein Befehlswert der Laserleistung geändert wird. Infolgedessen ermittelt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine Vielzahl von Sätzen von (P_cn, F_WCn), die Sätze sind, die jeweils einen Befehlswert P_cn der Laserleistung und einen Grenzwert F_WCn umfassen. „n“ steht für die Anzahl der Abtastungen, die der oben genannte Betrieb zum Erfassen eines Grenzwertes ist, und ist irgendeine ganze Zahl von 2 oder größer. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung speichert eine Vielzahl von Sätzen von (P_cn, F_WCn).
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen den Grenzwerten der Zuführungsgeschwindigkeit und der Laserleistung zeigt, die in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der zweiten Ausführungsform ermittelt werden. In dem in 9 dargestellten Diagramm stellt die vertikale Achse die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 dar, und die horizontale Achse stellt die Laserleistung dar. Jeder in 9 gezeigte Punkt wird durch Auftragen jedes der mehreren Sätze von (P_cn, F_WCn) ermittelt. Eine gestrichelte gerade Linie, die in 9 gezeigt ist, stellt einen ungefähren Ausdruck der Vielzahl von Sätzen von (P_cn, F_WCn) dar. 9 zeigt sechs Punkte, welche die Ergebnisse von sechs Stichproben darstellen, und einen aus den Ergebnissen ermittelten ungefähren Ausdruck.
Jeder der Vielzahl von Sätzen von (P_cn, F_WCn) erfüllt die folgenden Formeln (6) und (7). Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung berechnet die Konstante „K“ unter Verwendung einer Methode der kleinsten Quadrate auf der Grundlage der Vielzahl von Sätzen von (P_cn, F_WCn) und der Beziehung der Formel (7). $R tan θ = K \cdot \frac{F_{W C} n}{P_{C} n}$
$K = R tan θ \cdot \frac{P_{c} n}{F_{W C} n}$
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung berechnet die Spitzenposition 5a des Drahtes 5 durch Berechnung unter Verwendung der berechneten Konstante „K“. Die Konstante „K“ wird vor der Bearbeitung berechnet, bei der der Draht 5 aus einem anderen Material besteht als dem, das in der Vergangenheit in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung für den Draht 5 verwendet wurde. Die Konstante „K“ kann zum Zeitpunkt der Herstellung der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung berechnet werden.
Gemäß dem Verfahren der zweiten Ausführungsform kann die Konstante „K“, die sich aus den physikalischen Eigenschaftswerten des Drahtes 5 und den mechanischen Parameter ergibt, für den Draht 5 und die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung, die tatsächlich verwendet werden, berechnet werden. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann Fehler in der Konstante „K“ in Bezug auf die physikalischen Eigenschaftswerte des tatsächlich verwendeten Drahtes 5 und die mechanischen Parameter der tatsächlich verwendeten Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung reduzieren. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a genau schätzen.
Dritte Ausführungsform.
Bei der ersten und zweiten Ausführungsform wird die Spitzenposition 5a durch Berechnung unter Verwendung des Befehlswertes der Zuführungsgeschwindigkeit und des Befehlswertes der Laserleistung berechnet. Bei einer dritten Ausführungsform berechnet die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a durch Berechnung unter Verwendung eines Rückführungswertes der Zuführungsgeschwindigkeit und eines Rückführungswertes der Laserleistung. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung in Bezug auf ein Berechnungsergebnis der Spitzenposition 5a Fehler reduzieren, die durch eine Reaktionsverzögerung der Hardware auf den Befehl verursacht werden. Bei der dritten Ausführungsform werden dieselben Komponenten wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es werden hauptsächlich Konfigurationen beschrieben, die sich von denen der ersten oder zweiten Ausführungsform unterscheiden.
10 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuervorrichtung zeigt, welche die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der dritten Ausführungsform steuert. In einer NC-Vorrichtung 13A wird ein Rückführungswert „F_Wfb“ der Zuführungsgeschwindigkeit von der Zuführungseinheit 7 in die Positionsberechnungseinheit 31 eingegeben, anstelle der Eingabe des Befehlswertes der Zuführungsgeschwindigkeit von der Raupenformsteuerung 27 in die Positionsberechnungseinheit 31. In der NC-Vorrichtung 13A wird ein Rückführungswert „P_fb“ der Laserleistung vom Laseroszillator 1 in die Positionsberechnungseinheit 31 eingegeben, anstelle der Eingabe des Befehlswertes der Laserleistung von der Raupenformsteuerung 27 in die Positionsberechnungseinheit 31.
Die Positionsberechnungseinheit 31 berechnet den Abstand „L“, indem sie den Rückführungswert „F_Wfb“ der Zuführungsgeschwindigkeit und den Rückführungswert „P_fb“ der Laserleistung in die oben beschriebene Formel (4) einsetzt. D. h., die Positionsberechnungseinheit 31 berechnet die Spitzenposition 5a durch Berechnung unter Verwendung des Rückführungswertes „F_Wfb“ der Zuführungsgeschwindigkeit und des Rückführungswertes „P_fb“ der Laserleistung.
Gemäß der dritten Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung in Bezug auf das Berechnungsergebnis der Spitzenposition 5a Fehler reduzieren, die durch die Reaktionsverzögerung verursacht werden, indem der Rückführungswert der Zuführungsgeschwindigkeit und der Rückführungswert der Laserleistung für die Berechnung in der Positionsberechnungseinheit 31 verwendet werden.
Vierte Ausführungsform.
Bei der ersten bis dritten Ausführungsform wird die Spitzenposition 5a auf der Grundlage der Zeitspanne „t_melt“ geschätzt, in dem es keine Änderung der Prozessparameter gibt, seitdem der Draht 5 in den Laserstrahl 4 eingetreten ist, d. h. in einem stabilen Zustand. Wenn einer der Prozessparameter geändert wird, nachdem der Draht 5 in den Laserstrahl 4 eingetreten ist, erreicht der geschmolzene Zustand des Drahtes 5 einen stabilen Zustand, der dem geänderten Prozessparameter entspricht, und zwar zu einem Zeitpunkt, der von dem Zeitpunkt der Änderung eines der Prozessparameter abweicht. Das Einschwingverhalten bezieht sich auf einen Zustand ab dem Zeitpunkt, zu dem der Prozessparameter geändert wird, bis zum Erreichen des stabilen Zustands. Die Spitzenposition 5a ändert sich allmählich aufgrund des Einschwingverhaltens ab dem Zeitpunkt, zu dem der Prozessparameter geändert wird. Mit zunehmender Änderung des Prozessparameters nimmt der Einfluss des Einschwingverhaltens auf das Schätzungsergebnis der Spitzenposition 5a zu.
Bei der vierten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Berechnen der Spitzenposition 5a beschrieben, das den Einfluss des Einschwingverhaltens auf das Schätzungsergebnis der Spitzenposition 5a verringern kann. Bei der vierten Ausführungsform werden dieselben Komponenten wie bei der ersten bis dritten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird hauptsächlich eine Konfiguration beschrieben, die sich von der bei der ersten bis dritten Ausführungsform unterscheidet.
11 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Beispiels, in dem ein Prozessparameter in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform geändert wird. 11 zeigt, wie eine Schicht 42 der Raupe 8 auf ein Substrat 41 aufgeschichtet wird. Eine obere Oberfläche des Substrats 41, das ein Werkstück ist, weist eine Stufe 43 auf, an der sich die Höhe in der Z-Achsenrichtung ändert. In dem in 11 gezeigten Beispiel ändert die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Höhe der Schicht 42 in der Z-Achsenrichtung, um ein geformtes Objekt 40 in einer flachen Form durch Aufschichten der Schicht 42 auf dem Substrat 41 zu bilden. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung bildet die Schicht 42, indem sie den Bearbeitungsbezugspunkt RP in der positiven Richtung in der X-Achsenrichtung bewegt.
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung verringert sofort die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5, wenn der Bearbeitungsbezugspunkt RP die Stufe 43 erreicht. Durch die Verringerung der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 wird die Höhe der Schicht 42, die in einem Bereich auf einer positiven Seite in der X-Achsenrichtung ab der Stufe 43 zu bilden ist, niedriger als die in einem Bereich auf einer negativen Seite in der X-Achsenrichtung ab der Stufe 43. Auf diese Weise bildet die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung das geformte Objekt 40 in einer flachen Form.
Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung reduziert die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5, indem sie in der Raupenformsteuerung 27 eine Einstellung durchführt, um den Befehlswert der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 zu reduzieren. Während der Bearbeitung stellt die Raupenformsteuerung 27 den Prozessparameter auf der Grundlage eines Messergebnisses der Form des Werkstücks dynamisch ein.
12 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Berechnen der Spitzenposition 5a in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform. 12 zeigt schematisch eine Beziehung zwischen den Positionen in der X-Achsenrichtung und der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 zu dem Zeitpunkt des Bildens der Schicht 42 sowie den Zustand des Drahtes 5 an jeder Position in der X-Achsenrichtung. In 12 ist die Schicht 42 nicht gezeigt. (a) der 12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Positionen in der X-Achsenrichtung und der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 zeigt. (b) der 12 zeigt ein Schätzungsergebnis der Spitzenposition 5a in einem Fall, in dem keine Einstellung für das Einschwingverhalten durchgeführt wird. (c) der 12 zeigt einen Zustand des Drahtes 5 in einem Fall, in dem die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP auf der Grundlage des Schätzungsergebnisses berichtigt wird, wenn keine Einstellung für das Einschwingverhalten durchgeführt wird. (d) der 12 zeigt ein Schätzungsergebnis der Spitzenposition 5a und einen Zustand des Drahtes 5 in einem Fall, in dem eine Einstellung für das Einschwingverhalten durchgeführt wird.
In dem Fall, in dem eine Einstellung für das Einschwingverhalten nicht durchgeführt wird, ändert sich das Schätzungsergebnis der Spitzenposition 5a nur in Abhängigkeit von dem Prozessparameter. Daher wird angenommen, dass sich die Spitzenposition 5a allmählich ähnlich wie die Zuführungsgeschwindigkeit ändert, wenn die Zuführungsgeschwindigkeit sofort abnimmt. D. h., wie in (b) der 12 dargestellt, wird geschätzt, dass ein Bewegungspfad 44 der Spitzenposition 5a sofort nach oben geht, wenn der Bearbeitungsbezugspunkt RP die Stufe 43 zu demselben Zeitpunkt erreicht.
In einem tatsächlich geschmolzenen Zustand ändert sich die Spitzenposition 5a jedoch allmählich aufgrund des Einschwingverhaltens ab dem Zeitpunkt, zu dem der Prozessparameter geändert wird. In einem Fall, in dem die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP auf der Grundlage des in (b) der 12 gezeigten Schätzungsergebnisses berichtigt wird, geht der in (c) der 12 gezeigte berichtigte Bewegungspfad 44 allmählich nach oben, wenn der Bearbeitungsbezugspunkt RP die Stufe 43 erreicht. Daher kollidiert der Spitzenabschnitt des Drahtes 5 mit dem Substrat 41. D. h., es kommt das Stummelphänomen vor. Wie oben beschrieben, kann bei der Bearbeitung, bei der sich der Bearbeitungsbezugspunkt RP von einer unteren Seite zu einer höheren Seite der Stufe 43 bewegt, das Stummelphänomen vorkommen, wenn keine Einstellung für das Einschwingverhalten durchgeführt wird. Es sei angemerkt, dass bei der Bearbeitung, bei der sich der Bearbeitungsbezugspunkt RP von der höheren Seite zur unteren Seite der Stufe 43 bewegt, das Tropfenphänomen vorkommen kann, wenn die Einstellung für das Einschwingverhalten nicht durchgeführt wird.
Daher schätzt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung bei der vierten Ausführungsform die Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten. Indem eine Einstellung für das Einschwingverhalten durchgeführt wird, kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a berichtigen, um die Spitzenposition 5a sofort anzuheben, wenn der Bearbeitungsbezugspunkt RP die Stufe 43 erreicht, wie in (d) der 12 dargestellt. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine stabile Bearbeitung fortsetzen, selbst wenn der Prozessparameter während der Bearbeitung geändert wird, ähnlich wie im Falle des stabilen Zustands.
Als Nächstes wird die Schätzung der Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten beschrieben. Um die Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten schätzen zu können, ist es erforderlich, eine genaue Wärmeverteilung im Draht 5 zu ermitteln. Bei der vierten Ausführungsform unterteilt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung den Draht 5 in eine Vielzahl von winzigen Bereichen und führt eine Simulation durch, bei der die zugeführte Wärmemenge durch Aufsummieren für jeden der winzigen Bereiche ermittelt wird, wenn sich der Draht 5 innerhalb des Laserstrahls 4 bewegt. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung schätzt eine Temperatur für jeden winzigen Bereich auf der Grundlage der zugeführten Wärmemenge, um die Spitzenposition 5a zu berechnen. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann die Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten schätzen, indem sie die Temperatur für jeden winzigen Bereich des Drahtes 5 schätzt.
13 ist eine erste Ansicht zum Erläutern der Schätzung der Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform. Bei der Simulation durch die Positionsberechnungseinheit 31 wird der Draht 5 in eine Vielzahl von winzigen Bereichen unterteilt, deren Positionen in der Bewegungsrichtung des Drahtes 5, der von der Zuführungseinheit 7 auf das Werkstück gerichtet ist, voneinander verschieden sind. Jeder der sechs in 13 gezeigten Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d, 45e und 45f ist ein winziger Bereich. Die Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d, 45e und 45f weisen die gleiche Breite in der Bewegungsrichtung des Drahtes 5 auf, wobei die Breite „dw“ ist.
Die Positionsberechnungseinheit 31 ermittelt für jeden der winzigen Bereiche einen Bereich des Temperaturanstiegs aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 4 und den Betrag der Bewegung, die das Zuführen des Drahtes 5 für jede „Δt“, die eine Abtastzeit ist, begleitet. Infolgedessen kann die Positionsberechnungseinheit 31 die Temperatur eines jeden winzigen Bereiches und die Position eines jeden winzigen Bereiches ermitteln. Durch das Ermitteln der Temperatur jedes winzigen Bereiches und der Position jedes winzigen Bereiches kann die Positionsberechnungseinheit 31 die Spitzenposition 5a unter Berücksichtigung des geschmolzenen Zustands des Drahtes 5 während des Einschwingvorgangs schätzen.
Die Simulation wird unter der Bedingung durchgeführt, dass die Abtastzeit auf „Δt“ gesetzt wird und der Draht 5 in eine Vielzahl von winzigen Bereichen unterteilt wird, von denen jeder eine Breite von „dw“ in der Bewegungsrichtung des Drahtes 5 aufweist. Zudem wird angenommen, dass bei der Simulation der Einfluss der Wärmeleitung im Draht 5 vernachlässigt wird und die Temperatur des Teils des Drahtes 5, der sich außerhalb des Laserstrahls 4 befindet, konstant ist.
Nachfolgend wird eine Vorgehensweise bei der Simulation beschrieben. 13 zeigt einen Zustand des Drahtes 5 zu einem Zeitpunkt „t“. Der Bereich 45a befindet sich an einer Spitze auf einer Werkstückseite des Drahtes 5. Im Draht 5 sind die winzigen Bereiche in der Reihenfolge der Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d, 45e und 45f von der Spitze auf der Werkstückseite zu der Zuführungseinheit 7 hin angeordnet. Die Positionsberechnungseinheit 31 speichert einen Temperaturwert für jeden winzigen Bereich.
In 13 befinden sich drei Bereiche 45a, 45b und 45c innerhalb des Laserstrahls 4. Drei Bereiche 45d, 45e und 45f befinden sich außerhalb des Laserstrahls 4. Die Temperaturen „T_k(t)“, „T_k+1(t)“, „T_k+2(t)“, „T_k+3(t)“, „T_k+4(t)“ und „T_k+5(t)“ der Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d, 45e und 45f erfüllen die folgenden Relationen: T_k(t)>T_k+1(t)>T_k+2(t)>T_k+3(t)=T_k+4(t)=T_k+5(t). „L(t)“ ist ein Abstand in der Z-Achsenrichtung zwischen der Position des Drahtes 5 beim Eintritt des Drahtes 5 in den Laserstrahl 4 und der Spitze des Drahtes 5 zu dem Zeitpunkt „t“.
14 ist eine zweite Ansicht zum Erläutern der Schätzung der Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der vierten Ausführungsform. 14 zeigt einen Zustand des Drahtes 5 zu einem Zeitpunkt „t + Δt“.
Wenn die Zuführungsgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt „t“ mit „F_W(t)“ bezeichnet wird, bewegt sich die Gesamtheit des Drahtes 5 zu dem Abtastzeitpunkt „Δt“ um „F_W(t) · Δt“ zu dem Werkstück hin. Bei einem Rückführungswert der Zuführungsgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt „t“, der mit „F_Wfb(t)“ bezeichnet wird, beträgt die Bewegungsstrecke des Drahtes 5 „F_Wfb(t) · Δt“. Die Positionsberechnungseinheit 31 bestimmt einen winzigen Bereich innerhalb des Laserstrahls 4 auf der Grundlage von „F_Wfb(t) · Δt“. In 14 befinden sich fünf Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d und 45e innerhalb des Laserstrahls 4. Vier Bereiche 45f, 45g, 45h und 45i befinden sich außerhalb des Laserstrahls 4. Die Positionsberechnungseinheit 31 bestimmt, dass die fünf Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d und 45e winzige Bereiche innerhalb des Laserstrahls 4 sind.
Wenn ein Rückführungswert der Laserleistung zu dem Zeitpunkt „t“ mit „P_fb(t)“ bezeichnet wird, erhalten die Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d und 45e innerhalb des Laserstrahls 4 zu dem Abtastzeitpunkt „Δt“ Wärme von „P_fb(t) · Δt “. Die Temperaturen der Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d und 45e steigen in Abhängigkeit von der zu dem Abtastzeitpunkt „Δt “ zugeführten Wärmemenge.
In jedem winzigen Bereich innerhalb des Laserstrahls 4 zu dem Zeitpunkt „t + Δt“ wird die zugeführte Wärmemenge von „P_fb(t) · Δt “ zu der Wärmemenge zu dem Zeitpunkt „t“ addiert. Die Positionsberechnungseinheit 31 kann eine Temperatur „Tn(t + Δt)“ jedes winzigen Bereiches innerhalb des Laserstrahls 4 zu dem Zeitpunkt „t + Δt“ unter Verwendung der folgenden Formel (8) ermitteln. $T n (t + Δ t) = T n (t) + A \cdot C p \cdot P_{f b} (t) \cdot Δ t$
In Formel (8) stellt Tn(t + Δt) die Temperaturen „T_k(t + Δt)“, „T_k+1(t + Δt)“, „T_k+2(t + Δt)“, „T_k+3(t + Δt)“ und „T_k+4(t + Δt)“ der jeweiligen Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d und 45e zu dem Zeitpunkt „t + Δt“. Tn(t) steht für „T_k(t)“, „T_k+1(t)“, „T_k+2(t)“, „T_k+3(t)“ und „T_k+4(t)“. Die Positionsberechnungseinheit 31 ermittelt die Temperatur „Tn(t + Δt)“ jedes winzigen Bereiches, um dadurch den für jeden der Bereiche 45a, 45b, 45c, 45d und 45e gespeicherten Temperaturwert zu aktualisieren.
Die Positionsberechnungseinheit 31 vergleicht die Temperatur „Tn(t + Δt)“ nach der Aktualisierung mit dem Schmelzpunkt des Drahtes 5 und entfernt einen winzigen Bereich, in dem die Temperatur „Tn(t + Δt)“ den Schmelzpunkt bei der Simulation überschreitet. In einem Fall, in dem „T_k(t + Δt)“, d. h. die Temperatur des Bereiches 45a, höher ist als der Schmelzpunkt, kann davon ausgegangen werden, dass der Bereich 45a zwischen dem Zeitpunkt „t“ und dem Zeitpunkt „t + Δt“ geschmolzen ist. In diesem Fall entfernt die Positionsberechnungseinheit 31 den Bereich 45a bei der Simulation.
Die Positionsberechnungseinheit 31 bestimmt aus den winzigen Bereichen innerhalb des Laserstrahls 4 die winzigen Bereiche „Tn(t + Δt)“, die gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt sind. Ferner bestimmt die Positionsberechnungseinheit 31 von den bestimmten winzigen Bereichen einen winzigen Bereich, der dem Werkstück in Bewegungsrichtung des Drahtes 5 am nächsten liegt, als die Spitzenposition 5a. In einem Fall, in dem „T_k+1(t + Δt)“, d. h. die Temperatur des Bereiches 45b, gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt ist, fällt der Bereich 45b infolge der Entfernung des Bereiches 45a unter einen winzigen Bereich „Tn(t + Δt)“, dessen Temperatur gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt ist und der dem Werkstück in der Bewegungsrichtung des Drahtes 5 am nächsten liegt. In diesem Fall bestimmt die Positionsberechnungseinheit 31, dass der Bereich 45b die Spitzenposition 5a ist. Wie oben beschrieben, berechnet die Positionsberechnungseinheit 31 die Spitzenposition 5a, indem sie die in jeden der Vielzahl von winzigen Bereichen des Schweißzusatzes zugeführte Wärmemenge auf der Grundlage der Zuführungsgeschwindigkeit und der Strahlleistung ermittelt und die Temperatur für jeden winzigen Bereich auf der Grundlage der zugeführten Wärmemenge schätzt.
Gemäß der vierten Ausführungsform schätzt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung die Spitzenposition 5a einschließlich der Einstellung in Bezug auf das Einschwingverhalten. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann den Einfluss des Einschwingverhaltens auf das Schätzungsergebnis der Spitzenposition 5a reduzieren. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine stabile Bearbeitung fortsetzen.
Fünfte Ausführungsform.
In einem Fall, in dem die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP wie bei der ersten bis vierten Ausführungsform berichtigt wird, kann der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP berühren. Bei einer fünften Ausführungsform wird die Einstellung des Berichtigungsbetrages „ΔZ“ zum Trennen des Drahtes 5 vor dem Schmelzen von der Raupe 8 beschrieben. Mit der Einstellung des Berichtigungsbetrages „ΔZ“ kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine Verschlechterung der Qualität des geformten Objekts, die durch den Draht 5 vor dem Schmelzen beim Berühren mit der Raupe 8 verursacht wird, verringern oder verhindern. Bei der fünften Ausführungsform werden dieselben Komponenten wie bei der ersten bis vierten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird hauptsächlich eine Konfiguration beschrieben, die sich von denen der ersten bis vierten Ausführungsform unterscheidet.
15 ist eine Ansicht zum Erläutern der Berichtigung einer Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP in der Z-Achsenrichtung und einer Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform. Der von der Zuführungseinheit 7 dem Werkstück zuzuführende Draht 5 ist in der X-Achsenrichtung in Bezug auf die Z-Achse in der negativen Richtung geneigt. Im Falle von (a) der 15 ist die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP die positive Richtung in der X-Achsenrichtung. Im Falle von (b) der 15 ist die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP die negative Richtung in der X-Achsenrichtung.
16 ist ein Diagramm zum Erläutern der Definition eines Winkels, der die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform darstellt. Jeder der in 16 gezeigten Winkel „0° (360°)“, „90°“, „180°“ und „270°“ stellt eine Richtung in einer zweidimensionalen Ebene der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung dar. Bei der fünften Ausführungsform ist die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP in einer Ebene senkrecht zu der Aufschichtrichtung durch einen beliebigen Winkel zwischen 0° und 360° definiert. Wenn die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP eine Richtung des in 16 gezeigten Pfeils ist, beträgt die Bewegungsrichtung 45°. Die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP in (a) der 15 ist 0°. Die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP in (b) der 15 beträgt 180°.
Im Falle von (a) der 15, wenn der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt wird, sodass die Spitzenposition 5a in Kontakt mit der geschmolzenen Raupe 9 kommt, kann der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berühren. Wenn der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt wird, kommt im Draht 5 ein Schnittpunkt 51 zwischen dem Draht 5 und einem Ende des Laserstrahls 4 auf einer negativen Seite in der X-Achsenrichtung zuerst in Kontakt mit der Raupe 8. Das Phänomen, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berührt, kann in Abhängigkeit von der Höhe der Raupe 8 in der Z-Achsenrichtung vorkommen oder nicht vorkommen.
Wenn sich der Bearbeitungskopf 3 bewegt, während der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 weiterhin berührt, können streifige Spuren auf der Raupe 8 zurückbleiben, wodurch die Qualität des geformten Objekts beeinträchtigt werden kann. Auf der anderen Seite berührt der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 nicht, wenn der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt wird, sodass die Spitzenposition 5a mit der geschmolzenen Raupe 9 in Kontakt kommt im Falle (b) der 15.
In einem Fall, in dem die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP im Bereich von 0° bis 90° oder 270° bis 360° liegt, besteht eine Möglichkeit, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen mit der Raupe 8 in Kontakt kommt, wenn der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt wird, sodass die Spitzenposition 5a mit der geschmolzenen Raupe 9 in Kontakt kommt. Daher kann in dem Fall, in dem die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP im Bereich von 0° bis 90° oder 270° bis 360° liegt, das Phänomen vorkommen, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berührt.
Auf der anderen Seite, wenn die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP im Bereich von 90° bis 270° liegt, kommt der Draht 5 vor dem Schmelzen nicht in Kontakt mit der Raupe 8, wenn der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt wird, sodass die Spitzenposition 5a in Kontakt mit der geschmolzenen Raupe 9 kommt. Daher kommt in dem Fall, in dem die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP im Bereich von 90° bis 270° liegt, das Phänomen, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berührt, nicht vor.
Als Nächstes wird die Einstellung von „ΔZ“ beschrieben, bei der es sich um einen Berichtigungsbetrag zum Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP handelt. 17 ist eine Ansicht zum Erläutern der Einstellung des Berichtigungsbetrags zum Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform. (a) der 17 zeigt schematisch einen Zustand der Spitzenposition 5a und des Werkstücks, bevor die Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP berichtigt wird. (b) der 17 zeigt schematisch einen Zustand der Spitzenposition 5a und des Werkstücks nach der Berichtigung der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP.
Die Berechnungseinheit für den Berichtigungsbetrag 32 stellt „ΔZ“ ein, wenn die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP im Bereich von 0° bis 90° oder im Bereich von 270° bis 360° liegt und L<h_b gilt. „h_b“ stellt die Höhe der auf dem Werkstück gebildeten Raupe 8 in der Z-Achsenrichtung dar. Ein Verfahren zum Schätzen von „h_b“ wird später beschrieben.
Der eingestellte Berichtigungsbetrag „ΔZ“ zum Trennen des Drahtes 5 vor dem Schmelzen von der Raupe 8 wird durch die folgende Formel (9) ausgedrückt. $Δ Z = - h - (\frac{R}{2}) tan θ + h_{b} + B$
„B“ steht für einen Abstand zwischen der Raupe 8 und dem Schnittpunkt 51, wenn der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt ist. „B“ ist auf etwa 100µm bis 200µm eingestellt. Wenn „B“ auf Null eingestellt ist, berührt der Draht 5 die Raupe 8. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 berechnet den eingestellten „ΔZ“ auf der Grundlage der Formel (9). Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 gibt „ΔZ“, den eingestellten Berichtigungsbetrag, an den Addierer 28 aus.
Durch die Steuerung des Bearbeitungskopfes 3 auf der Grundlage des Achsenbefehls, zu dem der eingestellte „ΔZ“ addiert wurde, wird ein Spalt mit dem Abstand „B“ zwischen der Raupe 8 und dem Draht 5 vor dem Schmelzen in einem Zustand bereitgestellt, in dem der Bearbeitungskopf 3 abgesenkt wird, sodass die Spitzenposition 5a in Kontakt mit der geschmolzenen Raupe 9 kommt. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung das Phänomen verhindern, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berührt.
Auf der anderen Seite kommt der Draht 5 vor dem Schmelzen nicht mit der Raupe 8 in Kontakt, wenn die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP im Bereich von 90° bis 270° liegt oder wenn L≥h_b gilt. In diesem Fall berechnet die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 „ΔZ“ ähnlich wie in den Fällen der ersten bis vierten Ausführungsform, ohne die oben beschriebene Einstellung durchzuführen.
Wie oben beschrieben, stellt die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 den Berichtigungsbetrag „ΔZ“ zum Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP auf der Grundlage der Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP in der Ebene senkrecht zu der Aufschichtrichtung und der Höhe der Raupe 8 in der Aufschichtrichtung ein. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine Verschlechterung der Qualität des geformten Objekts verhindern, indem sie das Phänomen verhindern, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berührt.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Schätzen von „h_b“, d. h. der Höhe der Raupe 8, beschrieben. 18 ist eine Ansicht zum Erläutern des Verfahrens zum Schätzen der Höhe der Raupe 8 durch die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der fünften Ausführungsform. Es wird hier eines der Vielzahl von Verfahren beschrieben, welche als Verfahren zum Schätzen der Höhe der Raupe 8 gelten. Die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung kann die Höhe der Raupe 8 durch ein anderes Verfahren als das nachfolgend beschriebene Verfahren schätzen.
Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 schätzt die Höhe der Raupe 8 auf der Grundlage der Querschnittsfläche der Raupe 8, der Querschnittsform der Raupe 8 und der Breite der Raupe 8. Die Querschnittsfläche ist die Fläche eines YZ-Querschnitts der Raupe 8. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 führt die Schätzung auf der Grundlage des Volumens der Raupe 8 pro Längeneinheit in Richtung des Bewegungspfads 44 durch. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 kann die Schätzung auf der Grundlage der Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 5 und der axialen Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes 3 durchführen. Die Querschnittsfläche kann ein Ergebnis des Unterteilens der Zuführungsgeschwindigkeit durch die axiale Geschwindigkeit sein. Die Querschnittsform ist die Form des YZ-Querschnitts der Raupe 8. Es wird angenommen, dass die Querschnittsform ein Abschnitt ist, der einen Kreisbogen umfasst. Die Breite der Raupe 8 ist eine Breite in einer Richtung senkrecht zur Aufschichtrichtung und zur Richtung des Bewegungspfads 44. Es wird angenommen, dass die Breite der Raupe 8 gleich „R“, dem Durchmesser des Laserstrahls 4, ist. Die Berichtigungsbetragsberechnungseinheit 32 kann „h_b“ unter Verwendung einer geometrischen Beziehung von Kreisen berechnen.
Gemäß der fünften Ausführungsform stellt die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung den Berichtigungsbetrag zum Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes RP auf der Grundlage der Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes RP und der Höhe der Raupe 8 in der Aufschichtrichtung ein, wodurch das Phänomen verhindert werden kann, dass der Draht 5 vor dem Schmelzen die Raupe 8 berührt. Infolgedessen kann die Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung eine Verschlechterung der Qualität des geformten Objekts verhindern und das geformte Objekt mit hoher Qualität herstellen.
Als Nächstes wird eine Hardwarekonfiguration der NC-Vorrichtungen 13 und 13A, die in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform umfasst sind, beschrieben. 19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Hardwarekonfiguration jeder numerischen Steuervorrichtung zeigt, die in der Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform umfasst ist. 19 zeigt eine Hardwarekonfiguration in einem Fall, in dem die Funktionen jeder der NC-Vorrichtungen 13 und 13A unter Verwendung von Hardware implementiert werden, die ein Programm ausführt.
Die NC-Vorrichtungen 13 und 13A umfassen jeweils einen Prozessor 61, der verschiedene Prozesse ausführt, einen Speicher 62, bei dem es sich um einen eingebauten Speicher handelt, eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 63, bei der es sich um eine Schaltung zum Eingeben von Informationen in die NC-Vorrichtung 13 oder 13A und zum Ausgeben von Informationen aus der NC-Vorrichtung 13 oder 13A handelt, und eine Speichervorrichtung 64, die Informationen speichert.
Der Prozessor 61 ist eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Der Prozessor 61 kann ein Verarbeitungsgerät, ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) sein. Der Speicher 62 ist ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festwertspeicher (ROM), ein Flash-Speicher, ein löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM) oder ein elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM (eingetragene Marke)).
Die Speichervorrichtung 64 ist ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder ein Solid State Drive (SSD). In der Speichervorrichtung 64 ist ein Programm gespeichert, das einen Computer veranlasst, als NC-Vorrichtung 13 oder 13A zu arbeiten. Der Prozessor 61 liest ein in der Speichervorrichtung 64 gespeichertes Programm in den Speicher 62 und führt das Programm aus.
Bei dem Programm kann es sich um ein Programm handeln, das in einem Speichermedium gespeichert ist, das von einem Computersystem gelesen werden kann. Jede der NC-Vorrichtungen 13 und 13A kann das in dem Speichermedium aufgezeichnete Programm in dem Speicher 62 speichern. Das Speichermedium kann ein tragbares Speichermedium sein, das eine flexible Platte ist, oder ein Flash-Speicher, der ein Halbleiterspeicher ist. Das Programm kann auf dem Computersystem von einem anderen Computer oder einem Servergerät über ein Kommunikationsnetzwerk installiert werden.
Die Funktionen der Programmanalyseeinheit 21, der Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit 23, der Achsenbefehlserzeugungseinheit 24, der Strahlbefehlserzeugungseinheit 25, der Zuführungsbefehlserzeugungseinheit 26, der Raupenformsteuerung 27, des Addierers 28 und der Vorsteuerung 30 werden durch eine Kombination aus dem Prozessor 61 und Software implementiert. Die Funktionen können durch eine Kombination aus dem Prozessor 61 und der Firmware oder durch eine Kombination aus dem Prozessor 61, der Software und der Firmware implementiert werden. Die Software oder die Firmware wird als Programm beschrieben und in der Speichereinrichtung 64 gespeichert. In jeder der NC-Vorrichtungen 13 und 13A werden das Bearbeitungsprogramm 20, die Tabelle der Bearbeitungsbedingungen 22 und verschiedene Arten von Daten, die in der oben beschriebenen Berechnung verwendet werden, in der Speichervorrichtung 64 gespeichert.
Die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 63 empfängt Signale von verschiedenen Sensoren, die mit der Hardware verbunden sind. Ferner überträgt die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 63 jeweils einen Befehl an die Laserleistungssteuerung 14, die Gasdurchflusssteuerung 15 und die Antriebssteuerung 16.
Die in den jeweiligen Ausführungsformen oben beschriebenen Konfigurationen sind lediglich Beispiele für den Inhalt der vorliegenden Offenbarung. Die Konfigurationen der jeweiligen Ausführungsformen können mit anderen bekannten Technologien kombiniert werden. Die Konfigurationen der jeweiligen Ausführungsformen können in geeigneter Weise kombiniert werden. Ein Teil der Konfigurationen der jeweiligen Ausführungsformen kann weggelassen oder modifiziert werden, ohne vom Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Laseroszillator;
2: Faserkabel;
3: Bearbeitungskopf;
4: Laserstrahl;
5: Schweißdraht;
5a: Spitzenposition;
6: Schweißdrahtspule;
7: Zuführungseinheit;
8: Raupe;
9: geschmolzene Raupe;
10, 41: Substrat;
11, 12: Drehhalterung;
13, 13A: numerisch gesteuerte Vorrichtung;
14: Laserleistungssteuerung;
15: Gasdurchflusssteuerung;
16: Antriebssteuerung;
17: Kopfantriebseinheit;
18: Drahtzuführungsantriebseinheit;
19: Halterungsantriebseinheit;
20: Bearbeitungsprogramm;
21: Programmanalyseeinheit;
22: Bearbeitungsbedingungstabelle;
23: Bearbeitungsbedingungseinstellungseinheit;
24: Achsenbefehlserzeugungseinheit;
25: Strahlbefehlserzeugungseinheit;
26: Zuführungsbefehlserzeugungseinheit;
27: Raupenformsteuerung;
28: Addierer;
30: Vorsteuerung;
31: Positionsberechnungseinheit;
32: Berichtigungsbetragsberechnungseinheit;
35: Position;
36: Schmelzbad;
37: Tropfen;
38: Verbindung;
40: geformtes Objekt;
42: Schicht;
43: Stufe;
44: Bewegungspfad;
45a, 45b, 45c, 45d, 45e, 45f, 45g, 45h, 45i: Bereich;
51: Schnittpunkt;
61: Prozessor;
62: Speicher;
63: Eingabe-/Ausgabeschnittstelle;
64: Speichervorrichtung;
100: Vorrichtung zur additiven Herstellung;
N: Mittellinie;
RP: Bearbeitungsbezugspunkt.

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 2000158136 [0006]

Claims

Vorrichtung zur additiven Herstellung, die ein geformtes Objekt durch Aufschichten einer Raupe herstellt, die ein verfestigtes Produkt eines Schweißzusatzes ist, das zum Schmelzen gebracht wird, wobei die Vorrichtung zur additiven Herstellung umfasst: eine Zuführungseinheit, um den Schweißzusatz einem Werkstück zuzuführen; eine Strahlquelle, um einen Strahl zum Schmelzen des zugeführten Schweißzusatzes auszugeben; und eine Positionsberechnungseinheit, um eine Spitzenposition des Schweißzusatzes auf der Grundlage einer Zuführungsgeschwindigkeit des dem Werkstück zuzuführenden Schweißzusatzes und einer Strahlleistung von der Strahlquelle zu berechnen, wobei die Spitzenposition eine Position ist, an der eine Temperatur einen Schmelzpunkt des Schweißzusatzes durch Bestrahlung mit dem Strahl erreicht.
Vorrichtung zur additiven Herstellung nach Anspruch 1, wobei die Positionsberechnungseinheit die Spitzenposition auf der Grundlage eines physikalischen Eigenschaftswertes des Schweißzusatzes, eines Parameters, der eine Richtung des dem Werkstück zugeführten Schweißzusatzes angibt, der Zuführungsgeschwindigkeit und der Strahlleistung berechnet.
Vorrichtung zur additiven Herstellung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionsberechnungseinheit die Spitzenposition durch Berechnung unter Verwendung eines Befehlswertes der Zuführungsgeschwindigkeit und eines Befehlswertes der Strahlleistung berechnet.
Vorrichtung zur additiven Herstellung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionsberechnungseinheit die Spitzenposition durch Berechnung unter Verwendung eines Rückführungswertes der Zuführungsgeschwindigkeit und eines Rückführungswertes der Strahlleistung berechnet.
Vorrichtung zur additiven Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Positionsberechnungseinheit die Spitzenposition auf der Grundlage der Zuführungsgeschwindigkeit und der Strahlleistung berechnet, indem sie eine zugeführte Wärmemenge in jedem einer Vielzahl von winzigen Bereichen des Schweißzusatzes ermittelt, und indem sie eine Temperatur jedes der winzigen Bereiche auf der Grundlage der zugeführten Wärmemenge schätzt, wobei sich die Positionen der winzigen Bereiche in einer Bewegungsrichtung des Schweißzusatzes, die von der Zuführungseinheit auf das Werkstück gerichtet ist, voneinander unterscheiden.
Vorrichtung zur additiven Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: eine Berichtigungseinheit, um eine Position eines Bearbeitungsbezugspunktes in einer Aufschichtrichtung, in der die Raupe aufgeschichtet wird, zu berichtigen, wobei der Bearbeitungsbezugspunkt ein Schnittpunkt zwischen einer Mittellinie des auf das Werkstück gerichteten Strahls und einer von der Zuführungseinheit auf das Werkstück gerichteten Bewegungsrichtung des Schweißzusatzes ist, wobei die Berichtigungseinheit die Position des Bearbeitungsbezugspunktes auf der Grundlage eines Berechnungsergebnisses der Spitzenposition berichtigt.
Vorrichtung zur additiven Herstellung nach Anspruch 6, wobei die Berichtigungseinheit einen Berichtigungsbetrag zum Berichtigen der Position des Bearbeitungsbezugspunktes auf der Grundlage einer Bewegungsrichtung des Bearbeitungsbezugspunktes in einer Ebene senkrecht zur Aufschichtrichtung und einer Höhe der Raupe in der Aufschichtrichtung einstellt.
Verfahren zur additiven Herstellung, bei dem eine Vorrichtung zur additiven Herstellung ein geformtes Objekt durch Aufschichten einer Raupe herstellt, die ein verfestigtes Produkt eines Schweißzusatzes ist, das zum Schmelzen gebracht wird, wobei das Verfahren zur additiven Herstellung umfasst: einen Zuführungsschritt des Zuführens des Schweißzusatzes zu einem Werkstück; einen Strahlausgabeschritt des Ausgebens eines Strahls zum Schmelzen des zugeführten Schweißzusatzes; und einen Positionsberechnungsschritt des Berechnens einer Spitzenposition des Schweißzusatzes auf der Grundlage einer Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißzusatzes in dem Zuführungsschritt und einer Strahlleistung in dem Strahlausgabeschritt, wobei die Spitzenposition eine Position ist, an der eine Temperatur einen Schmelzpunkt des Schweißzusatzes durch Bestrahlung mit dem Strahl erreicht.
Verfahren zum additiven Herstellung nach Anspruch 8, wobei in dem Positionsberechnungsschritt die Spitzenposition durch Berechnung unter Verwendung von Werten der Zuführungsgeschwindigkeit und der Strahlleistung und einer Konstante berechnet wird, und wobei die Konstante auf der Grundlage einer Beziehung zwischen einem Minimalwert der Zuführungsgeschwindigkeit und der Strahlleistung berechnet wird, wenn das dem Strahl zugeführten Schweißzusatzes den Strahl durchläuft, ohne geschmolzen zu werden.
Verfahren zur additiven Herstellung nach Anspruch 8 oder 9, umfassend: einen Berichtigungsschritt des Berichtigens einer Position eines Bearbeitungsbezugspunktes in einer Aufschichtrichtung, in der die Raupe aufgeschichtet wird, wobei der Bearbeitungsbezugspunkt ein Schnittpunkt zwischen einer Mittellinie des auf das Werkstück gerichteten Strahls und einer Bewegungsrichtung des in dem Zuführungsschritt auf das Werkstück gerichteten Schweißzusatzes ist, wobei in dem Berichtigungsschritt die Position des Bearbeitungsbezugspunktes auf der Grundlage eines Berechnungsergebnisses der Spitzenposition berichtigt wird.