DE112021002635T5

DE112021002635T5 - Additives fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE112021002635T5
Application number: DE112021002635.6T
Authority: DE
Inventors: Hirotsugu Kawanaka; Noboru Saito; Shinji Matsushita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2023-03-09
Also published as: JP2022028322A; WO2022030042A1; US20230321728A1; JP7394032B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung schafft ein additives Fertigungsverfahren, durch das ein gleichmäßiges Pulverbett gebildet werden kann, selbst wenn das Innere einer Kammer drucklos ist und ein Pulverbett auf einem Tisch gebildet wird, während der Tisch vorgewärmt und ein Inertgas zugeführt wird. Ein additives Fertigungsverfahren für ein Formobjekt S enthält das Bilden eines Pulverbettes PB auf einem Tisch 51 in einer Kammer 10 und die Verschmelzung des Pulverbettes PB durch Laseremission. Gemäß diesem additiven Fertigungsverfahren ist der Druck in der Kammer 10 auf einen Druck verringert, der gleich oder höher als 8000 [Pa] und gleich oder niedriger als 30.000 [Pa] ist, und wird das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 gebildet, während der Tisch 51 vorgewärmt und ein Inertgas zugeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein additives Fertigungsverfahren.
Technischer Hintergrund
Eine Erfindung bezüglich eines Fertigungsverfahren für einen Einkristall ist seit Jahren bekannt gewesen (siehe PTL 1 im Folgenden). Das in PTL 1 beschriebene Fertigungsverfahren für einen Einkristall enthält einen Vorbereitungsschritt des Vorbereitens eines Impfkristalls und einen Wachstumsschritt des Zuführens eines anorganischen Materials unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnik auf den Impfkristall und das Verschmelzen des anorganischen Materials durch Wärmeenergie, um zu veranlassen, dass ein Einkristall auf dem Impfkristall wächst.
Eine Erfindung bezüglich eines Fertigungsverfahrens für eine Struktur, die eine intermetallische Verbindung enthält, ist außerdem bekannt (siehe PTL 2 im Folgenden). Dieses herkömmliche Fertigungsverfahren für die Struktur enthält: einen Mischschicht-Bildungsschritt des Verschmelzens von Pulverteilchen, die auf eine Metallbasis zugeführt werden und als ein Ausgangsstoff der Struktur dienen, und einer Oberflächenschicht der Metallbasis miteinander, um eine Mischschicht zu bilden, und einen Formgebungsschritt des Zuführens der Pulverteilchen auf die Mischschicht und des Verschmelzens der Pulverteilchen, um die Struktur zu bilden.
Diese herkömmlichen Fertigungsverfahren enthalten einen Schritt des Zuführens eines Inertgases, wie z. B. Argon oder Stickstoff, in eine Kammer, nachdem die Kammer evakuiert wurde, und des Vorwärmens der auf einem Formgebungstisch angeordnete Basis. In diesem Schritt kann die Basis ohne das Zuführen der Inertgases in die Kammer, nachdem sie evakuiert worden ist, vorgewärmt werden oder kann die Basis vorgewärmt werden, nachdem das Inertgas in die Kammer zugeführt wurde, die nicht evakuiert ist (siehe Absatz [0044] der PTL 1 und Absatz [0047] der PTL 2).
Die obigen herkömmlichen Verfahren enthalten ferner einen Schritt des Bildens eines Pulverbettes nach dem Vorwärmen der Basis. In diesem Schritt wird ein Kolben in einer Pulverzufuhrkammer nach oben bewegt, um einen Neubeschichter zu bewegen, der die Pulverteilchen ausstößt, und werden die ausgestoßenen Pulverteilchen einer Bettbildungskammer zugeführt und auf der Basis und dem Formgebungstisch abgelagert, um eine anorganische Schicht und ein Pulverbett zu bilden (siehe Absatz [0046] der PTL 1 und Absatz [0048] der PTL 2).
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

PTL 1: JP 2015-189618 A
PTL 2: JP 2017-109357 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass der Prozess der Drucklosmachens des Innenraums der Kammer und des Bildens des Pulverbettes auf der Basis, während die Basis vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird, wobei der Prozess als das herkömmliche Fertigungsverfahren ausgeführt wird, zu einem Fall, in dem das Pulverbett nicht gebildet werden kann, oder einem Fall, in dem sich das Pulverbett als ein unregelmäßiges Pulverbett erweist, führen kann. Die vorliegende Offenbarung schafft ein additives Fertigungsverfahren, durch das ein gleichmäßiges Pulverbett gebildet werden kann, selbst wenn das Innere einer Kammer drucklos ist und ein Pulverbett auf einem Tisch gebildet wird, wenn der Tisch vorgewärmt wird und ein Inertgas zugeführt wird.
Lösung des Problems
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein additives Fertigungsverfahren des Bildens eines Pulverbetts auf einem Tisch in einer Kammer und des Emittierens eines Laserstrahls auf das Pulverbett, um durch Verschmelzung ein Formobjekt zu fertigen. Das additive Fertigungsverfahren enthält: Verringern eines Drucks in der Kammer auf einen Druck, der gleich oder höher als 8000 [Pa] und gleich oder tiefer als 30.000 [Pa] ist; und Bilden des Pulverbetts auf dem Tisch, während der Tisch vorgewärmt wird und ein Inertgas zugeführt wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem obigen einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein additives Fertigungsverfahren geschaffen werden, durch das ein gleichmäßiges Pulverbett gebildet werden kann, selbst wenn das Innere einer Kammer drucklos ist und ein Pulverbett auf einem Tisch gebildet wird, wenn der Tisch vorgewärmt wird und ein Inertgas zugeführt wird.
Figurenliste

1 ist ein Ablaufplan, der eine Ausführungsform eines additiven Fertigungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer additiven Fertigungsvorrichtung zum Ausführen des additiven Fertigungsverfahrens nach 1.
3 ist ein Ablaufplan, der Einzelheiten eines Formgebungsvorbereitungsschritts nach 1 zeigt.
4 ist ein Ablaufplan eines additiven Fertigungsprozesses, der in einem additiven Fertigungsschritt nach 1 enthalten ist.
5 ist ein Ablaufplan eines Temperaturüberwachungsprozesses, der in dem additiven Fertigungsschritt nach 1 enthalten ist
6 ist ein Ablaufplan eines Sauerstoffmengen-Überwachungsprozesses, der in dem additiven Fertigungsschritt nach 1 enthalten ist.
7 ist ein Ablaufplan eines Drucküberwachungsprozesses, der in dem additiven Fertigungsschritt nach 1 enthalten ist.
8 ist eine Photographie eines Pulverbettes, das gebildet wird, wenn ein Tisch vorgewärmt wird und ein Inertgas zugeführt wird.
9 ist eine Photographie des Pulverbettes, das gebildet wird, wenn der Tisch vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird.
10 ist eine Photographie des Pulverbettes, das gebildet wird, wenn der Tisch vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird.
11 ist eine Photographie, die ein Ergebnis der Eindringprüfung eines Formobjekts zeigt, das durch ein additives Fertigungsverfahren eines ersten Beispiels gefertigt worden ist.
12 ist eine Photographie eines vergrößerten Querschnitts des durch das additive Fertigungsverfahren des ersten Beispiels gefertigten Formobjekts.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen eines additiven Fertigungsverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden bezüglich der Zeichnungen beschrieben.
Die additive Fertigung ist ein Prozess zum Erzeugen eines Objekts aus einer numerischen Darstellung einer dreidimensionalen Form durch Hinzufügen/Verbinden von Materialien zueinander/miteinander. Die additive Fertigung ist das Gegenteil der Fertigung, die Abtragungsprozesse/maschinelles Bearbeiten beinhaltet. Die additive Fertigung wird außerdem als „3D-Druck“ oder „Laminatformgebung“ bezeichnet und beinhaltet oft das Stapeln mehrerer Schichten zu einem Laminat.
1 ist ein Ablaufplan, der eine Ausführungsform des additiven Fertigungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung zeigt. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer additiven Fertigungsvorrichtung 100 zum Ausführen des additiven Fertigungsverfahrens M nach 1. Wie in 1 gezeigt ist, enthält das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform z. B. einen Formgebungsvorbereitungsschritt P1 und einen additiven Fertigungsschritt P2, wobei es durch die in 2 gezeigte additive Fertigungsvorrichtung 100 ausgeführt werden kann. Im Folgenden wird zuerst ein Beispiel einer Konfiguration der additiven Fertigungsvorrichtung 100 beschrieben, wobei dann das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform unter Verwendung der additiven Fertigungsvorrichtung 100 beschrieben wird.
(Additive Fertigungsvorrichtung)
Die additive Fertigungsvorrichtung 100 enthält z. B. eine Kammer 10, eine Gaszufuhreinheit 20, einen Abpumpmechanismus 30, eine Materialzufuhreinheit 40, eine additive Fertigungseinheit 50, eine Rückgewinnungseinheit 60, einen Neubeschichter 70, eine Strahlquelle 80 und eine Steuereinheit 90.
Die Kammer 10 bringt z. B. die Einheiten, die die additive Fertigungsvorrichtung 100 bilden, mit Ausnahme der Strahlquelle 80 und des Abpumpmechanismus 30 unter. Die Kammer 10 weist z. B. ein Transmissionsfenster 12 auf, in das ein Schutzglas 12g einpasst ist. Das Transmissionsfenster 12 überträgt einen Laserstrahl L, der von der außerhalb der Kammer 10 angeordneten Strahlquelle 80 emittiert wird, und ermöglicht es, dass der Laserstrahl L ein Pulverbett PB erreicht, das auf einem Tisch 51 der additiven Fertigungseinheit 50 innerhalb der Kammer 10 angeordnet ist.
Die Kammer 10 ist z. B. eine Vakuumkammer, die durch den Abpumpmechanismus 30 abgepumpt wird, um in der Kammer eine drucklose Umgebung zu erzeugen, in der ein Innendruck niedriger als der Atmosphärendruck ist. Im Inneren der Kammer 10 sind z. B. ein Temperatursensor 13, ein Drucksensor 14, ein Sauerstoffsensor 15 und dergleichen angeordnet. Der Temperatursensor 13, der in 2 in einer vereinfachten Form gezeigt ist, enthält z. B. einen Temperatursensor vom Kontakttyp, wie z. B. ein Thermoelement, der die Temperatur des Tisches 51 misst, und einen berührungslosen Temperatursensor, wie z. B. ein Infrarot-Strahlungsthermometer, das die Temperatur des auf dem Tisch 51 gebildeten Pulverbettes PB misst. Der Drucksensor 14 und der Sauerstoffsensor 15 messen einen Druck bzw. eine Sauerstoffmenge (Sauerstoffkonzentration) in der drucklosen Umgebung der Kammer 10. Die Kammer 10 kann z. B. eine (nicht veranschaulichte) Kamera enthalten, die das auf dem Tisch 51 der additiven Fertigungseinheit 50 gebildete Pulverbett PB photographiert.
Die Gaszufuhreinheit 20 ist mit der Kammer 10 verbunden und führt ein Inertgas in die Kammer 10 zu. Die Gaszufuhreinheit 20 enthält z. B. eine Gaszufuhrquelle und ein (nicht veranschaulichtes) Steuerventil. Die Gaszufuhrquelle ist durch einen mit dem Inertgas gefüllten Hochdrucktank konfiguriert. Das Steuerventil ist durch die Steuereinheit 90 gesteuert und steuert die Durchflussmenge des von der Gaszufuhrquelle der Kammer 10 zugeführten Inertgases. Als das Inertgas kann z. B. ein Stickstoffgas oder ein Argongas verwendet werden.
Der Abpumpmechanismus 30 enthält z. B. eine Vakuumpumpe und ist über ein Rohr 31 zum Evakuieren mit der Kammer 10 verbunden. Der Abpumpmechanismus 30 ist z. B. durch die Steuereinheit 90 gesteuert und evakuiert die Kammer 10 von einem Gas, um den Innendruck der Kammer 10 auf einen Unterdruck zu verringern, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, wobei folglich eine drucklose Umgebung in der Kammer 10 erzeugt wird.
Die Materialzufuhreinheit 40 ist z. B. in einer ausgesparten Form ausgebildet, die ein Materialpulver P halten kann, und weist eine offene Oberseite auf, an der an einem oberen Ende eine Öffnung ausgebildet ist. Die Materialzufuhreinheit 40 enthält einen Tisch 41, der das Materialpulver P trägt und zuführt und der sich vertikal bewegen kann. Der Tisch 41 bildet eine Bodenwand der Materialzufuhreinheit 40. Der Tisch 41 ist so konfiguriert, dass er z. B. durch einen geeigneten Hebemechanismus in einem vorgegebenen Abstand aufwärts- und abwärtsbewegt werden kann. Der Hebemechanismus des Tisches 41 ist z. B. mit der Steuereinheit 90 verbunden und ist durch die Steuereinheit 90 gesteuert. Die Materialzufuhreinheit 40 kann das Materialpulver P nicht durch das Veranlassen, dass sich der Tisch 41 aufwärts- und abwärtsbewegt, sondern durch Fallenlassen des Materialpulvers P zuführen.
Das Materialpulver P, das zur additiven Fertigung eines Formobjekts S verwendet wird, ist nicht auf ein spezifisches Pulver eingeschränkt. Es kann z. B. ein Pulver eines derartigen Metallmaterials wie ein Warmarbeitsstahl, Kupfer, eine Titanlegierung, eine Nickellegierung, eine Aluminiumlegierung, eine Kobalt-Chrom-Legierung oder rostfreier Stahl, ein Pulver eines derartigen Harzmaterials wie ein Polyamid, ein Pulver einer Keramik oder dergleichen als das Materialpulver P verwendet werden. Die additive Fertigungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform kann z. B. ein Pulver eines Metallmaterials mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von etwa 30 µm und einem Teilchendurchmesserbereich von etwa 15 µm bis etwa 45 µm als das Materialpulver P verwenden.
Ähnlich zur oben beschriebene Materialzufuhreinheit 40 ist die additive Fertigungseinheit 50 z. B. in einer ausgesparten Form ausgebildet, die das Materialpulver P halten kann, wobei sie eine offene Oberseite aufweist, an der an einem oberen Ende eine Öffnung ausgebildet ist. Die additive Fertigungseinheit 50 enthält den Tisch 51, auf dem das Materialpulver P verteilt wird, um das Pulverbett PB zu bilden. Der Tisch 51 bildet eine Bodenwand der additiven Fertigungseinheit 50. Auf dem Tisch 51 sind das von der Materialzufuhreinheit 40 zugeführte Materialpulver P und das durch die additive Fertigung gefertigte Formobjekt S angeordnet.
Die Öffnung der additiven Fertigungseinheit 50 und die Öffnung der Materialzufuhreinheit 40 sind in der vertikalen Höhe etwa gleich und sind in der horizontalen Richtung etwa nebeneinander angeordnet. Ähnlich zum oben beschriebenen Materialzufuhrtisch 41 ist der Tisch 51 für die additive Fertigung so konfiguriert, dass er z. B. durch einen geeigneten Hebemechanismus um einem vorgegebenen Abstand aufwärts- und abwärtsbewegt werden kann. Der Tisch 51 ist z. B. mit einem Vorwärmmechanismus versehen, der eine Heizvorrichtung enthält, die den Tisch 51 vorwärmt. Der Hebemechanismus und der Vorwärmmechanismus des Tisches 51 sind z. B. mit der Steuereinheit 90 verbunden und sind durch die Steuereinheit 90 gesteuert.
Ähnlich zur oben beschriebenen Materialzufuhreinheit 40 ist die Rückgewinnungseinheit 60 z. B. in einer ausgesparten Form ausgebildet, die das MaterialpulverP halten kann, wobei sie eine offene Oberseite aufweist, an der an einem oberen Ende eine Öffnung ausgebildet ist. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist eine Bodenwand der Rückgewinnungseinheit 60 an ihrem unteren Ende befestigt. Die Bodenwand kann jedoch wie in den Fällen der Materialzufuhreinheit 40 und der additiven Fertigungseinheit 50 als ein Tisch vorgesehen sein, der sich aufwärts- und abwärtsbewegen kann. Die Öffnung der Rückgewinnungseinheit 60 und die Öffnung der additiven Fertigungseinheit 50 befinden sich etwa in der gleichen vertikalen Höhe und sind in der horizontalen Richtung etwa nebeneinander angeordnet. Die Rückgewinnungseinheit 60 gewinnt z. B. einen zusätzlichen Anteil des Materialpulvers P, das von der Materialzufuhreinheit 40 der additiven Fertigungseinheit 50 durch den Neubeschichter 70 zugeführt wird, zurück und lagert ihn.
Der Neubeschichter 70 transportiert das von der Materialzufuhreinheit 40 zugeführte Materialpulver P zu dem Tisch 51 der additiven Fertigungseinheit 50 und verteilt das Materialpulver P über den gesamten Tisch 51, wobei er folglich das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 bildet. Der Neubeschichter 70 ist z. B. mit einem Bewegungsmechanismus 75 versehen. Der Bewegungsmechanismus 75 ist z. B. ein Linearmotor und bewegt den Neubeschichter 70 entlang einer etwa horizontalen Bewegungsrichtung D ausgehend von der Materialzufuhreinheit 40 in Richtung der additiven Fertigungseinheit 50.
Als die Strahlquelle 80 kann z. B. eine Laserlichtquelle verwendet werden, die den Laserstrahl L mit einer Leistungsausgabe erzeugt, die von mehreren W bis zu mehreren kW reicht. Die Strahlquelle 80 der additiven Fertigungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform ist z. B. eine Laserlichtquelle, die einen Einmoden-Faserlaser, mit einer Wellenlänge von 1080 nm und einer Leistungsausgabe von 500 W, d. h., einen Laser, dessen Energieintensitätsverteilung der Gaußschen Verteilung entspricht, erzeugt. Die Strahlquelle 80 enthält z. B. einen Galvanometerscanner, der das Pulverbett PB mit dem Laserstrahl L abtastet.
Die Steuereinheit 90 ist z. B. durch einen Mikrocontroller und Firmware konfiguriert. Die Steuereinheit 90 enthält z. B. einen Prozessor, wie z. B. eine CPU, Speichervorrichtungen, wie z. B. einen RAM und einen ROM, Programme und Daten, die in den Speichervorrichtungen gespeichert sind, und eine Eingabe-/Ausgabeeinheit, die Signale mit jeder Einheit der additiven Fertigungsvorrichtung 100 austauscht. Die Steuereinheit 90 veranlasst den Prozessor, in den Speichervorrichtungen gespeicherte Programme auszuführen und dadurch die Gaszufuhreinheit 20, den Abpumpmechanismus 30, die Materialzufuhreinheit 40, die additive Fertigungseinheit 50 und die Strahlquelle 80 zu steuern. Zusätzlich werden die Detektionsergebnisse von dem Temperatursensor 13, dem Drucksensor 14 und dem Sauerstoffsensor 15, die Ausgabe von einer Kamera und dergleichen in die Steuereinheit 90 eingegeben.
(Additives Fertigungsverfahren)
Ein additives Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform unter Verwendung der additiven Fertigungsvorrichtung 100 wird anschließend beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, enthält das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform z. B. den Formgebungsvorbereitungsschritt P1 und einen additiven Fertigungsschritt P2.
3 ist ein Ablaufplan, der die Einzelheiten des Formgebungsvorbereitungsschritts P1 nach 1 zeigt. Im Formgebungsvorbereitungsschritt P1 führt ein Entwickler oder ein Ingenieur den P101: Datenvorbereitung aus. Im P101: Datenvorbereitung werden z. B. verschiedene Parameter zum Fertigen des Formobjekts S basierend auf dreidimensionalen Daten aus dreidimensionalen Daten, wie z. B. 3D-CAD-Daten über das Formobjekt S, das durch das additive Fertigungsverfahren M gefertigt werden soll, unter Verwendung einer dedizierten Bearbeitungsvorrichtung berechnet.
Zusätzlich in diesem P101: Datenvorbereitung erzeugt die dedizierte Bearbeitungsvorrichtung basierend auf den dreidimensionalen Daten Scheibendaten über das Formobjekt S. Ferner ist die Bearbeitungsvorrichtung mit der Speichereinheit der Steuereinheit 90 verbunden, um eine berechnete Laserbelichtungstrajektorie in der Speichervorrichtung zu speichern. Die Steuereinheit 90 berechnet basierend z. B. auf den erzeugten Scheibendaten eine Regelgröße zum Betreiben der Gaszufuhreinheit 20, des Abpumpmechanismus 30, der Materialzufuhreinheit 40, der additiven Fertigungseinheit 50, des Neubeschichters 70, der Strahlquelle 80 und dergleichen. Wenn die obigen Prozesse beendet sind, endet der P101: Datenaufbereitung.
Anschließend führt der Ingenieur den P102: Einrichten des Tisches 51 aus. Spezifisch wird die Oberseite des Tisches 51 an das Niveau einer Formgebungsfläche der additiven Fertigungseinheit 50 angepasst, um einen Zustand zu erzeugen, in dem das Materialpulver P auf der additiven Fertigungseinheit 50 verteilt werden kann. Danach führt die additive Fertigungsvorrichtung 100 gemäß der Steuerung durch die Steuereinheit 90 Prozesse gemäß einem Betriebsablauf aus.
Die Steuereinheit 90 führt den P103: Evakuieren der Kammer 10 aus. Spezifisch veranlasst die Steuereinheit 90 z. B. den Abpumpmechanismus 30, die Kammer 10 von einem Gas zu evakuieren, um ihren Innendruck auf einen Unterdruck zu verringern, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, wobei folglich eine drucklose Umgebung in der Kammer 10 erzeugt wird.
Während des Ausführens des P103: Evakuieren führt die Steuereinheit 90 z. B. den P104: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge, d. h. einer Sauerstoffkonzentration, gleichzeitig aus. Im P104 bestimmt die Steuereinheit 90 basierend auf den Detektionsergebnissen von dem Sauerstoffsensor 15, ob sich eine Sauerstoffmenge innerhalb eines spezifizierten Bereichs befindet. Der spezifizierte Bereich der Sauerstoffkonzentration in der drucklosen Umgebung ist z. B. auf 20 [ppm] oder weniger, 10 [ppm] oder weniger oder 0,3 [ppm] oder weniger festgelegt und ist in der Speichereinheit der Steuereinheit 90 gespeichert.
Wenn im P104 bestimmt wird, dass sich die Sauerstoffmenge außerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (nein), setzt die Steuereinheit 90 den P103: Evakuieren der Kammer 10 fort, wobei sie den P104 wiederholt ausführt, bis bestimmt wird, dass sich die Sauerstoffmenge innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja). Wenn im P104 bestimmt wird, dass sich die Sauerstoffmenge innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), führt die Steuereinheit 90 den P105: Vorwärmen des Tischs 51 aus.
Im P105: Vorwärmen des Tischs 51 steuert die Steuereinheit 90 z. B. einen Vorwärmmechanismus des Tischs 51, um den Tisch 51 vorzuwärmen. Während des Ausführens des P105: Vorwärmen des Tisches 51 führt die Steuereinheit 90 z. B. gleichzeitig den P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur des Tisches 51 aus. Im P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur bestimmt die Steuereinheit 90 basierend auf den Detektionsergebnissen von dem Temperatursensor 13, ob sich die Vorwärmtemperatur des Tischs 51 innerhalb eines spezifizierten Bereichs befindet. Der spezifizierte Bereich der Vorwärmtemperatur des Tischs 51 ist z. B. auf 90 [°C] oder höher und 110 [°C] oder niedriger oder 450 [°C] oder höher und 550 [°C] oder niedriger festgelegt und ist in der Speichereinheit der Steuereinheit 90 gespeichert.
Wenn im P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 außerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (nein), führt die Steuereinheit 90 den P107: Steuern der Ausgabe aus dem Vorwärmmechanismus des Tischs 51 aus. Im P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur führt die Steuereinheit 90 wiederholt den P107: Steuern der Ausgabe aus dem Vorwärmmechanismus des Tischs 51 und den P105: Vorwärmen des Tischs 51 aus, bis bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja).
Wenn im P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur des Tischs 51 bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), startet die Steuereinheit 90 den P108: Zuführen eines Inertgases, während sie den P105: Vorwärmen fortsetzt. Die Steuereinheit 90 führt dann den P109: Einstellen eines Drucks in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10, den P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck und den P111: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate aus.
Spezifisch steuert die Steuereinheit 90 im P109: Einstellen eines Drucks in der Kammer 10 z. B. einen Öffnungsgrad eines Durchflussmengen-Steuerventils der Gaszufuhreinheit 20 und eine Ausgabe aus der Vakuumpumpe des Abpumpmechanismus 30. Die Steuereinheit 90 stellt folglich eine Menge der Zufuhr des Inertgases in die Kammer 10 und eine Menge der Evakuierung eines Gases aus der Kammer 10 ein, um einen Druck in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10 einzustellen. Es sollte beachtet werden, dass als das durch die Gaszufuhreinheit 20 zugeführte Inertgas z. B. ein Stickstoffgas, ein Argongas oder dergleichen verwendet werden kann und dass die Zufuhrmenge des Inertgases z. B. auf etwa 15 [I/min] festgelegt sein kann.
im P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck bestimmt die Steuereinheit 90 basierend auf den Detektionsergebnissen von dem Drucksensor 14, ob sich der Druck in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10 innerhalb eines spezifizierten Bereichs befindet, der in der Speichereinheit gespeichert ist. Wenn im P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck bestimmt wird, dass sich der Druck in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10 außerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (nein), wiederholt die Steuereinheit 90 den P109: Einstellen eines Drucks in der Kammer 10 und den P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck.
Ein geeigneter Bereich des Drucks in der drucklosen Umgebung variiert z. B. abhängig vom Typ des Inertgases und der Vorwärmtemperatur des Tischs 51. Aus diesem Grund wird der spezifizierte Bereich des Drucks in der drucklosen Umgebung z. B. gemäß dem Typ des Inertgases und der Vorwärmtemperatur des Tischs 51 festgelegt und in der Speichereinheit der Steuereinheit 90 gespeichert. Der spezifizierte Bereich des Drucks in der drucklosen Umgebung kann z. B. gemäß dem Typ des Inertgases und der Vorwärmtemperatur des Tischs 51 auf 8000 [Pa] oder höher und 30000 [Pa] oder niedriger festgelegt werden.
Wenn spezifischer das Inertgas ein Stickstoffgas ist, kann der spezifizierte Bereich des Drucks in der drucklosen Umgebung z. B. auf 8000 [Pa] oder höher und 30000 [Pa] oder niedriger festgelegt werden. Wenn das Inertgas ein Stickstoffgas ist und die Vorwärmtemperatur des Tischs 51 auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt ist, kann der Druck in der drucklosen Umgebung auf 12000 [Pa] oder höher und 30.000 [Pa] oder niedriger, spezifischer auf 12000 [Pa] oder höher und 14.000 [Pa] oder niedriger festgelegt werden.
Wenn das Inertgas ein Argongas ist, kann der spezifizierte Bereich des Drucks in der drucklosen Umgebung z. B. auf 12000 [Pa] oder höher und 30000 [Pa] oder niedriger festgelegt werden. Wenn das Inertgas ein Argongas ist und die Vorwärmtemperatur des Pulverbettes PB auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt ist, kann der Druck in der drucklosen Umgebung auf 20000 [Pa] oder höher und 30000 [Pa] oder niedriger festgelegt werden.
Wenn im P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck bestimmt wird, dass sich der Druck in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), führt die Steuereinheit 90 den P111: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate aus. Eine Druckänderungsrate in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10 bezieht sich z. B. auf eine Variation des Drucks in der drucklosen Umgebung, die innerhalb einer spezifizierten Zeit unmittelbar vor dem Schritt P110 gemessen wird. Spezifisch veranlasst die Steuereinheit 90 im P111: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate z. B. die Speichervorrichtung, einen durch den Drucksensor 14 während einer gegebenen Dauer detektierten Druck zu speichern, wobei sie eine Druckvariation in der gegebenen Dauer berechnet und die Druckvariation mit einer Obergrenze für die Variation vergleicht, die in der Speichervorrichtung im Voraus gespeichert worden ist. Die gegebene Dauer kann z. B. auf 180 [s] festgelegt sein, wobei die Obergrenze für die Variation z. B. auf 300 [Pa] festgelegt sein kann.
Wenn im P111: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate bestimmt wird, dass sich die Druckänderungsrate in der drucklosen Umgebung außerhalb eines spezifizierten Bereichs befindet (nein), wiederholt die Steuereinheit 90 den P109: Einstellen eines Drucks in der drucklosen Umgebung, den P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck und den P111: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate. Wenn im P111: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate bestimmt wird, dass sich die Druckänderungsrate in der drucklosen Umgebung innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), führt die Steuereinheit 90 den P112: Einstellen der Höhe des Tisches 51 aus.
Im P112: Einstellen der Höhe des Tisches 51 steuert die Steuereinheit 90 den Hebemechanismus des Tisches 51, um den Tisch 51 in demselben Ausmaß wie eine Zunahme der Höhe des Tisches 51 abzusenken, die sich aus der Wärmeausdehnung des vorgewärmten Tisches 51 ergibt. Die Zunahme der Höhe des Tisches 51 kann durch Berechnung der Wärmeausdehnung bestimmt werden oder durch einen berührungslosen Positionssensor oder dergleichen detektiert werden. Wenn die obigen Prozesse zu Ende sind, endet der Formgebungsvorbereitungsschritt P1.
Anschließend startet die Steuereinheit 90 den in 1 gezeigten additiven Fertigungsschritt P2. Die 4 bis 7 sind entsprechende Ablaufpläne eines additiven Fertigungsprozesses P2a, eines Temperaturüberwachungsprozesses P2b, eines Sauerstoffmengen-Überwachungsprozesses P2c und eines Drucküberwachungsprozesses P2d, die in dem additiven Fertigungsschritt P2 enthalten sind. Die Steuereinheit 90 führt z. B. nach dem Starten des additiven Fertigungsschritts P2 den additiven Fertigungsprozess P2a, den Temperaturüberwachungsprozess P2b, den Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c und den Drucküberwachungsprozess P2d gleichzeitig als eine Parallelverarbeitung aus.
Beim Starten des additiven Fertigungsprozesses P2a führt die Steuereinheit 90 zuerst den P201: Bilden des Pulverbettes PB aus. Im P201: Bilden des Pulverbettes PB veranlasst die Steuereinheit 90 z. B., dass sich der Tisch 41 der Materialzufuhreinheit 40 bis zu einer gegebenen Höhe aufwärtsbewegt. Im Ergebnis wird eine gegebene Menge des Materialpulvers P für die additive Fertigung bis zu einem Punkt oberhalb der Öffnung der Materialzufuhreinheit 40 geschoben. Die Steuereinheit 90 steuert dann den Bewegungsmechanismus 75 des Wiederbeschichters 70 an, um den Wiederbeschichter 70 in der Bewegungsrichtung D vorwärtszubewegen, so dass der Wiederbeschichter 70 die Öffnung der Materialzufuhreinheit 40 und die Öffnung der additiven Fertigungseinheit 50 überquert.
Im Ergebnis wird das bis zu dem Punkt über der Öffnung der Materialzufuhreinheit 40 geschobene Materialpulver P von der Materialzufuhreinheit 40 zur additiven Fertigungseinheit 50 transportiert und auf dem gesamten Tisch 51 verteilt, um das Pulverbett PB zu bilden. Der P201: Bilden des Pulverbettes PB ist folglich abgeschlossen. Anschließend führt die Steuereinheit 90 den P202: Bestimmen eines Zustands des Pulverbetts PB aus.
8 ist eine Photographie eines Beispiels des Pulverbettes PB, das auf dem Tisch 51 gebildet wird, wenn im P201: Bilden des Pulverbettes PB der Tisch 51 vorgewärmt wird und ein Inertgas in die drucklose Kammer 10 zugeführt wird. Im P202: Bestimmen eines Zustands des Pulverbetts PB bestimmt die Steuereinheit 90 z. B. basierend auf der Ausgabe von einer Kamera, die das Pulverbett PB photographiert, z. B. ob das Pulverbett PB gleichmäßig ist. Wie z. B. in 8 gezeigt ist, bestimmt die Steuereinheit 90, wenn das Pulverbett PB gleichmäßig ausgebildet ist, dass das Pulverbett PB gleichmäßig ist (ja), wobei sie den P203: Verschmelzung startet.
Wenn jedoch eine Unregelmäßigkeit oder ein Bruch im Pulverbett PB festgestellt wird oder der Tisch 51 teilweise freigelegt ist, bestimmt die Steuereinheit 90, dass das Pulverbett PB nicht gleichmäßig ist (nein). In diesem Fall führt die Steuereinheit 90 den P204: Aktualisieren der Anzahl der Bestimmungen und den P205: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Bestimmungen aus.
Im P204: Aktualisieren der Anzahl der Bestimmungen addiert die Steuereinheit 90 1 zu der Anzahl der Ausführungen von P202: Bestimmen eines Zustands des Pulverbetts PB, wobei die Anzahl der Ausführungen in der Speichereinheit gespeichert wird, um die Anzahl der Ausführungen zu aktualisieren, wobei folglich die in der Speichereinheit gespeicherte Anzahl der Ausführungen mit der aktualisierten Anzahl der Ausführungen überschrieben wird. Im P205: Bestimmen, ob die Anzahl der Bestimmungen gleich einer oder kleiner als eine spezifizierte Anzahl ist, bestimmt die Steuereinheit 90, ob die Anzahl der Bestimmungen, d. h., die Anzahl der Ausführungen des P202: Bestimmen eines Zustands des Pulverbetts PB, wobei die Anzahl der Ausführungen in der Speichereinheit gespeichert ist, gleich einer oder kleiner als eine spezifizierte Anzahl ist, die in der Speichereinheit gespeichert ist.
Wenn im P205 bestimmt wird, dass die Anzahl der Bestimmungen gleich der oder kleiner als die spezifizierte Anzahl ist (ja), wiederholt die Steuereinheit 90 den P201: Bilden des Pulverbettes PB und den P202: Bestimmen eines Zustandes des Pulverbettes PB. Wenn im P205 bestimmt wird, dass die Anzahl der Bestimmungen die spezifizierte Anzahl übersteigt (nein), beendet die Steuereinheit 90 den additiven Fertigungsprozess P2a, wobei sie das in 1 gezeigte additive Fertigungsverfahren M beendet.
Der P202: Bestimmen eines Zustands des Pulverbetts PB wird nicht notwendigerweise unbedingt ausgeführt. Der P203: Verschmelzung kann z. B. zu einem Zeitpunkt des Endes des P201: Bilden des Pulverbettes PB ohne den P202: Bestimmen eines Zustandes des Pulverbettes PB auszuführen, d. h., ungeachtet des Zustands des Pulverbettes PB gestartet werden. In einem derartigen Fall werden auch der P204: Aktualisieren der Anzahl der Bestimmungen und der P205: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Bestimmungen nicht ausgeführt
Wenn im P202: Bestimmen eines Zustands des Pulverbetts PB bestimmt wird, dass das Pulverbett PB gleichmäßig ist (ja), startet die Steuereinheit 90 den P203: Verschmelzung, wobei in diesem Fall die Steuereinheit 90 die in 2 gezeigte Strahlquelle 80 steuert und sie folglich veranlasst, den Laserstrahl L auf das Pulverbett PB zu emittieren, um das Materialpulver P zu schmelzen. Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuereinheit 90 den Galvanometerscanner der Strahlquelle 80 basierend auf einem Parameter und einer Regelgröße, die im P101: Datenvorbereitung des Formgebungsvorbereitungsschritts P1 berechnet werden, wobei sie folglich veranlasst, dass der Laserstrahl L das Pulverbett PB abtastet, indem er einer aus den Scheibendaten des Formobjekts S berechneten Trajektorie folgt und eine Zielschicht formt.
Wenn ein Prozess zum Formen einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, basierend auf den Scheibendaten, wobei der Prozess als P203: Verschmelzung ausgeführt wird, abgeschlossen ist, führt die Steuereinheit 90 den P206: Summieren der Anzahl der Schichten und den P207: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Schichten aus. Im P206: Addieren der Anzahl der Schichten addiert die Steuereinheit 90 1 zur Anzahl der geformten Schichten des Formobjekts S, wobei die Anzahl der geformten Schichten in der Speichereinheit gespeichert wird, wobei folglich die Anzahl der geformten Schichten in der Speichereinheit überschrieben wird. Im P207: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Schichten bestimmt die Steuereinheit 90, ob die Anzahl der geformten Schichten des Formobjekts S, wobei die Anzahl der geformten Schichten in der Speichereinheit gespeichert ist, gleich einer spezifizierten Anzahl von Schichten ist, die die Gesamtanzahl der Schichten des Formobjekts S ist.
Wenn im P207: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Schichten bestimmt wird, dass die Anzahl der geformten Schichten des Formobjekts S kleiner als die spezifizierte Anzahl ist (nein), führt die Steuereinheit 90 den P208: Einstellen der Höhe des Tisches 51 aus, wobei sie eine Schleife von Schritten wiederholt, die vom P201: Bilden des Pulverbettes PB bis zum P207: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Schichten reicht. Im P208: Einstellen der Höhe des Tischs 51 steuert die Steuereinheit 90 den Hebemechanismus des Tischs 51 basierend auf den Scheibendaten, um den Tisch 51 basierend auf der Höhe der einen Schicht, die das Formobjekt S bildet, abzusenken.
Wenn im P207: Ausführen einer Bestimmung an der Anzahl der Schichten bestimmt wird, dass die Anzahl der geformten Schichten des Formobjekts S gleich der spezifizierten Anzahl ist (ja), beendet die Steuereinheit 90 den additiven Fertigungsprozess P2a, wobei sie das in 1 gezeigte additive Fertigungsverfahren M beendet.
Während des Ausführens des obigen additiven Fertigungsprozesses P2a führt die Steuereinheit 90 gleichzeitig den in 5 gezeigten Temperaturüberwachungsprozess P2b aus. Beim Starten des Temperaturüberwachungsprozesses P2b führt die Steuereinheit 90 zuerst den P211: Messen der Temperatur des Tisches 51 und den P212: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur aus. Im P211: Messen der Temperatur des Tischs 51 misst die Steuereinheit 90 die Temperatur des Tischs 51 basierend auf den Detektionsergebnissen von dem Temperatursensor 13. Im P212: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur bestimmt die Steuereinheit 90, ob sich die im P211: Messen der Temperatur gemessene Temperatur des Tischs 51 innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereichs befindet, der in der Speichereinheit gespeichert ist.
Wenn im P212 bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs befindet (ja), wiederholt die Steuereinheit 90 den P211: Messen der Temperatur des Tischs 51 und den P212: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur, bis der additive Fertigungsprozess P2a endet. Wenn im P212 bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 außerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs befindet (nein), führt die Steuereinheit 90 den P213: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung abgeschlossen ist, aus.
Wenn im P213: Bestimmen, ob die Verschmelzung abgeschlossen ist, bestimmt wird, dass der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, nicht abgeschlossen ist (nein), wiederholt die Steuereinheit 90 den P213: Bestimmen, ob die Verschmelzung abgeschlossen ist, bis der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, abgeschlossen ist. Wenn im P213: Bestimmen, ob die Verschmelzung abgeschlossen ist, bestimmt wird, dass der P203: Verschmelzung einer Schicht abgeschlossen ist (ja), führt die Steuereinheit 90 den P214: Stoppen des additiven Fertigungsprozesses P2a, den P215: Einstellen der Ausgabe von dem Vorwärmmechanismus des Tisches 51, den P216: Messen der Temperatur des Tisches 51 und den P217: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur des Tisches 51 aus.
Der P215: Einstellen der Ausgabe aus dem Vorwärmmechanismus des Tischs 51, der P216: Messen der Temperatur des Tischs 51 und der P217: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur des Tischs 51 können in der gleichen Weise wie die Ausführung des P107: Steuern der Ausgabe aus dem Vorwärmmechanismus des Tischs 51, des P105: Vorwärmen des Tischs 51 und des P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur ausgeführt werden, wobei der P107, der P105 und der P106 in dem Formgebungsvorbereitungsschritt P1 enthalten sind. Wenn im P217: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur des Tischs 51 bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 außerhalb des spezifizierten Bereichs befindet.(nein), führt die Steuereinheit 90 den P215: Einstellen der Ausgabe von dem Vorwärmmechanismus des Tischs 51, den P216: Messen der Temperatur des Tischs 51 und den P217: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur des Tischs 51 wiederholt aus.
Wenn im P217: Ausführen einer Bestimmung der Temperatur des Tischs 51 bestimmt wird, dass sich die Temperatur des Tischs 51 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), führt die Steuereinheit 90 den P218: Neustart des gestoppten additiven Fertigungsprozesses P2a aus, wobei sie den Temperaturüberwachungsprozess P2b beendet. Die Steuereinheit 90 führt z. B. den Temperaturüberwachungsprozess P2b wiederholt aus, bis der additive Fertigungsprozess P2a zu Ende geht.
Während des Ausführens des obigen additiven Fertigungsprozesses P2a und des Temperaturüberwachungsprozesses P2b führt die Steuereinheit 90 gleichzeitig den in 6 gezeigten Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c aus. Beim Start des Sauerstoffmengen-Überwachungsprozesses P2c führt die Steuereinheit 90 zuerst den P221: Messen einer Sauerstoffmenge und den P222: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge aus. Im P221: Messen einer Sauerstoffmenge misst die Steuereinheit 90 eine Sauerstoffmenge in der Kammer 10 basierend auf den Detektionsergebnissen von dem Sauerstoffsensor 15. Im P222: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge bestimmt die Steuereinheit 90, ob sich eine Sauerstoffmenge in der Kammer 10, wobei die Sauerstoffmenge im P221: Messen einer Sauerstoffmenge gemessen wird, innerhalb eines spezifizierten Bereichs befindet, der in der Speichereinheit gespeichert ist.
Wenn im P222: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge bestimmt wird, dass sich die Sauerstoffmenge in der Kammer 10 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), wiederholt die Steuereinheit 90 den P221: Messen einer Sauerstoffmenge und den P222: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge, bis der additive Fertigungsprozess P2a endet. Wenn im P222: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge bestimmt wird, dass sich die Sauerstoffmenge in der Kammer 10 außerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (nein), führt die Steuereinheit 90 den P223: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung abgeschlossen ist, aus.
Wenn im P223: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung abgeschlossen ist, bestimmt wird, dass der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, nicht abgeschlossen ist (nein), wiederholt die Steuereinheit 90 den P223: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung abgeschlossen ist, bis der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, abgeschlossen ist. Wenn im P223: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung abgeschlossen ist, bestimmt wird, dass der P203: Verschmelzung einer Schicht abgeschlossen ist (ja), führt die Steuereinheit 90 den P224: Stoppen des additiven Fertigungsprozesses P2a, den P225: Evakuieren der Kammer 10 und den P226: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge aus. Der P225: Evakuieren und der P226: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge können in der gleichen Weise wie die Ausführung des P103: Evakuieren bzw. des P104: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge ausgeführt werden, wobei der P103 und der P104 in dem Formgebungsvorbereitungsschritt P1 enthalten sind.
Wenn im P226: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge bestimmt wird, dass sich eine Sauerstoffmenge innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), führt die Steuereinheit 90 den P227: Zuführen eines Inertgases, den P228: Einstellen eines Drucks, den P229: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck und den P230: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate aus, wobei der P227, der P228, der P229 und der P230 in dem Formgebungsvorbereitungsschritt P1 enthalten sind. Diese Schritte können in der gleichen Weise wie die Ausführung des P108: Zuführen eines Inertgases, des P109: Einstellen eines Drucks, des P110: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck und des P111: Ausführen einer Bestimmung an eine Druckänderungsrate ausgeführt werden, wobei der P108, der P109, der P110 und der P111 in dem oben beschriebenen Formgebungsvorbereitungsschritt P1 enthalten sind.
Wenn im P229: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck und im P230: Ausführen einer Bestimmung an einer Druckänderungsrate bestimmt wird, dass sich ein Druck in der Kammer 10 und eine Änderungsrate des Drucks innerhalb der spezifizierten Bereiche befinden (ja), führt die Steuereinheit 90 den P231: Neustart des additiven Fertigungsprozesses P2a aus. Nach der Ausführung der obigen Schritte geht der Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c zu Ende. Die Steuereinheit 90 führt den Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c wiederholt aus, bis der additive Fertigungsprozess P2a endet.
Während des Ausführens des obigen additiven Fertigungsprozesses P2a, des Temperaturüberwachungsprozesses P2b und des Sauerstoffmengen-Überwachungsprozesses P2c führt die Steuereinheit 90 gleichzeitig den in 7 gezeigten Drucküberwachungsprozess P2d aus. Beim Starten des Drucküberwachungsprozesses P2d führt die Steuereinheit 90 zuerst den P241: Messen eines Drucks und den P242: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck aus. Im P241: Messen eines Drucks misst die Steuereinheit 90 einen Druck in der Kammer 10 basierend auf Detektionsergebnissen von dem Drucksensor 14. Im P242: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck bestimmt die Steuereinheit 90, ob sich ein im P241: Messen eines Drucks gemessener Druck in der Kammer 10 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet, der in der Speichereinheit gespeichert ist.
Wenn im P242: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck bestimmt wird, dass sich der Druck in der Kammer 10 innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (ja), wiederholt die Steuereinheit 90 den P241: Messen eines Drucks und den P242: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck, bis der additive Fertigungsprozess P2a endet. Wenn im P242: Ausführen einer Bestimmung an einem Druck bestimmt wird, dass sich der Druck in der Kammer 10 außerhalb des spezifizierten Bereichs befindet (nein), führt die Steuereinheit 90 den P243: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, abgeschlossen ist, aus. Der P243: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, abgeschlossen ist, kann in der gleichen Weise wie die Ausführung des P213: Bestimmen, ob die Verschmelzung abgeschlossen ist, in dem Temperaturüberwachungsprozess P2b und des P223: Bestimmen, ob die Verschmelzung abgeschlossen ist, in dem Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c ausgeführt werden.
In dem Drucküberwachungsprozess P2d können die Schritte nach dem P243: Bestimmen, ob der P203: Verschmelzung einer Schicht, die das Formobjekt S bildet, abgeschlossen ist, d. h., die Schritte, die vom P224: Stoppen des additiven Fertigungsprozesses P2a bis zum P251: Neustart des additiven Fertigungsprozesses P2a reichen, in der gleichen Weise wie die Ausführung der Schritte, die vom P244: Stoppen des additiven Fertigungsprozesses P2a bis zum P231: Neustart des additiven Fertigungsprozesses P2a in dem Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c reichen, ausgeführt werden. Nach der Ausführung der obigen Schritte geht der Drucküberwachungsprozess P2d zu Ende. Die Steuereinheit 90 führt den Drucküberwachungsprozess P2d wiederholt aus, bis der additive Fertigungsprozess P2a endet.
Die Wirkungen, die das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform bietet, werden im Folgenden beschrieben.
Wie oben beschrieben worden ist, ist das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform das Verfahren des Bildens des Pulverbetts PB auf dem Tisch 51 in der Kammer 10 und des Emittierens des Laserstrahls L auf das Pulverbett PB, um das Formobjekt S durch Verschmelzung (P203) zu fertigen. Das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Kammer 10 auf einen Druck verringert ist, der gleich oder höher als 8000 [Pa] und gleich oder niedriger als 30.000 [Pa] ist, und dass das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 gebildet wird, während der Tisch 51 vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird.
In einer derartigen Konfiguration ist die Menge an Sauerstoff in der drucklosen Umgebung in der Kammer 10, in der das Formobjekt S geformt wird, ausreichend verringert. Im Ergebnis wird die Menge an Sauerstoff, die während der additiven Fertigung in das Formobjekt S aufgenommen wird, verringert, was die Oxidation der Materialien im P201: Bilden des Pulverbettes PB und im P203: Verschmelzung unterdrückt. Deshalb wird, selbst wenn Materialien mit hoher Rissanfälligkeit, d. h., Materialien mit hoher Härte und geringer Verformbarkeit, für die additive Fertigung des Formobjekts S verwendet werden, verhindert, dass diese Materialien in einen spröden Zustand übergehen oder spröde Eigenschaften bekommen, was es möglich macht, das Formobjekt S zu fertigen, während sein Reißen unterdrückt wird.
Durch das Ausführen des additiven Fertigungsprozesses P2a des Formobjekts S in der drucklosen Umgebung kann die von dem Tisch 51 in die Umgebung abgegebene Wärme im P105: Vorwärmen des Tischs 51 verringert werden, was den Energieverlust senkt. Durch das Ausführen der additiven Fertigung des Formobjekts S, während das Inertgas zugeführt wird, kann der im P203: Verschmelzung des Pulverbettes PB durch dessen Bestrahlung mit dem Laserstrahl L erzeugte Metalldampf durch eine Strömung des Inertgases aus der drucklosen Umgebung, in der das Formobjekt S geformt wird, abgeführt werden. Dies verbessert die Qualität des Formobjekts S.
Indem der Druck in der Kammer 10 innerhalb des oben spezifizierten Bereichs gehalten wird, wenn das Innere der Kammer 10 drucklos ist und das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 gebildet wird, während der Tisch 51 vorgewärmt wird (P105) und das Inertgas zugeführt wird, kann das gleichmäßige Pulverbett PB gebildet werden, wie in 8 gezeigt ist. Wenn im Gegensatz der Druck in der Kammer 10 auf einen Druck außerhalb des oben spezifizierten Bereichs verringert ist und das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 gebildet wird, während der Tisch 51 vorgewärmt wird (P105) und das Inertgas zugeführt wird, kann das gleichmäßige Pulverbett PB nicht gebildet werden, wie in den 9 und 10 angegeben ist. Der Grund, warum dies geschieht, ist unklar. Es wird dennoch vermutet, dass z. B. das Inertgas, das sich in der Nähe des mit dem Heizmechanismus ausgestatteten Tischs 51 ausdehnt, um eine hohe Temperatur zu führen, irgendeine Wirkung auf die Bildung des Pulverbettes PB aufweist.
Gemäß dem additiven Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform kann durch das Anwenden eines Stickstoffgases als das Inertgas, das in die Kammer 10 zugeführt wird, das Pulverbett PB in einem derartigen weiten Druckbereich gebildet werden, wie oben beschrieben worden ist. Wenn ein Stickstoffgas als das Inertgas angewendet wird, kann der Druck in der Kammer 10 auf 12000 [Pa] oder höher festgelegt werden, wobei die Vorwärmtemperatur des Tischs 51 auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt werden kann. Folglich kann, wie in 8 gezeigt ist, das Pulverbett PB, das flach und gleichmäßig ist, auf dem Tisch 51 gebildet werden, wenn das Innere der Kammer 10 drucklos ist und das Pulverbett PB gebildet wird, wenn der Tisch 51 vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird.
Gemäß dem additiven Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform wird durch das Anwenden eines Argongases als das Inertgas und das Festlegen des Drucks in der drucklosen Umgebung auf 12000 [Pa] oder höher das Bilden des Pulverbetts PB auf dem Tisch 51 möglich, während das Inertgas zugeführt wird und der Tisch 51 vorgewärmt wird. Wenn ein Argongas als das Inertgas angewendet wird, aber der Druck in der Kammer 10 auf niedriger als 12000 [Pa] festgelegt ist, wird das Bilden des Pulverbetts PB auf dem Tisch 51 jedoch schwierig, während das Inertgas zugeführt und der Tisch 51 vorgewärmt wird.
Gemäß dem additiven Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform ist es im Fall des Anwendens eines Argongases als das Inertgas bevorzugt, dass der Druck in der Kammer 10 auf 20000 [Pa] oder höher festgelegt ist, wenn die Vorwärmtemperatur des Tischs 51 auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt ist. Folglich kann, wie in 8 gezeigt ist, das Pulverbett PB, das flach und gleichmäßig ist, auf dem Tisch 51 gebildet werden, wenn das Innere der Kammer 10 drucklos ist und das Pulverbett PB gebildet wird, wenn der Tisch 51 vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird. Wenn im Gegensatz ein Argongas als das Inertgas angewendet wird und die Vorwärmtemperatur des Tisches 51 auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt ist, aber der Druck in der Kammer 10 auf niedriger als 20000 [Pa] festgelegt ist, wird das Bilden des Pulverbettes PB, das flach und gleichmäßig ist, in dem Fall schwierig, in dem das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 gebildet wird, während das Inertgas zugeführt und der Tisch 51 vorgewärmt wird, wie in 9 angegeben ist.
Das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform enthält den Temperaturüberwachungsprozess P2b, durch den die Vorwärmtemperatur des Tisches 51 gesteuert wird, um sie während des additiven Fertigungsprozesses P2a, in dem der P201: Bilden des Pulverbettes PB, Vorwärmen und der P203: Verschmelzung wiederholt werden, im spezifizierten Temperaturbereich zu halten. In dieser Weise kann durch Steuern der Vorwärmtemperatur des Tischs 51 das Reißen des Formobjekts S unterdrückt werden, wenn ein derartiges Material mit hoher Härte und geringer Verformbarkeit, wie oben beschrieben worden ist, verwendet wird.
Das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform enthält außerdem den Drucküberwachungsprozess P2d, durch den, wenn eine Druckvariation von 300 [Pa] oder höher in 180 [s] in der Kammer 10 während des additiven Fertigungsprozesses P2a gemessen wird, in dem der P201: Bilden des Pulverbettes PB, Vorwärmen und der P203: Verschmelzung wiederholt werden, der P245: Evakuieren der Kammer 10 und Einstellung der Sauerstoffmenge und des Drucks in der Kammer 10 ausgeführt werden, nachdem der P203: Verschmelzung bei der Messung der Druckvariation abgeschlossen ist. In dieser Weise wird durch Steuern der Änderungsrate des Drucks in der drucklosen Umgebung, um die Änderungsrate innerhalb des spezifizierten Bereichs zu halten, die Zufuhr und das Ablassen des Inertgases stabilisiert, was eine Fehlerrate des Formobjekts S verringern kann. Ein Anstieg des Drucks wird durch die Wirkungen einer Gaskomponente und den Metalldampf, der erzeugt wird, wenn das Pulverbett PB durch Laseremission geschmolzen wird, verursacht. Eine Abnahme des Drucks entsteht andererseits, wenn Gaszufuhrleistung und Gasablassleistung unausgeglichen sind, so dass die Gasablassleistung höher ist. Diese Faktoren führen zu einer Druckvariation.
Das additive Fertigungsverfahren M dieser Ausführungsform enthält außerdem den Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c, durch den, wenn eine Sauerstoffmenge, die gleich einem oder größer als ein spezifizierter Wert ist, in der Kammer 10 während des additiven Fertigungsprozesses P2a gemessen wird, in dem der P201: Bilden des Pulverbettes PB, Vorwärmen und P203: Verschmelzung wiederholt werden, der P225: Evakuieren der Kammer 10 und Einstellung der Sauerstoffmenge und des Drucks in der Kammer 10 ausgeführt werden, nachdem der P203: Verschmelzung, der unmittelbar nach der Messung der Sauerstoffmenge, die gleich dem oder größer als der spezifizierte Wert ist, ausgeführt wird, abgeschlossen ist. In dieser Weise kann durch Steuern der Sauerstoffmenge in der drucklosen Umgebung, um sie gleich dem oder kleiner als der spezifizierte Wert zu halten, die Oxidation des Materials wirksam unterdrückt werden. Selbst wenn ein Material mit hoher Härte und geringer Verformbarkeit verwendet wird, kann deshalb das Formobjekt S gefertigt werden, da sein Reißen unterdrückt wird.
Wie oben beschrieben worden ist, kann gemäß dieser Ausführungsform selbst dann, wenn das Innere der Kammer 10 drucklos ist und das Pulverbett PB auf dem Tisch 51 gebildet wird, wenn der Tisch 51 vorgewärmt wird und das Inertgas zugeführt wird, das gleichmäßige Pulverbett PB gebildet werden, wobei das additive Fertigungsverfahren M, das einen stabilen P203: Verschmelzung ermöglicht, bereitgestellt werden kann.
Die Ausführungsform des additiven Fertigungsverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung ist bezüglich der Zeichnungen ausführlich beschrieben worden. Spezifische Konfigurationen sind nicht auf die in dieser Ausführungsform beschriebenen Konfigurationen eingeschränkt, wobei entwurfsbezogene Modifikationen und dergleichen, die nicht vom Wesentlichen der vorliegenden Offenbarung abweichen, in der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
Im Folgenden werden ein erstes Beispiel und ein zweites Beispiel gemäß dem additiven Fertigungsverfahren der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
[Erstes Beispiel]
Im ersten Beispiel wird ein Pulver aus Warmarbeitsstahl (JIS SKD 61) als das Materialpulver P verwendet, wobei das Formobjekt S durch das additive Fertigungsverfahren M gefertigt wird, das den Formgebungsvorbereitungsschritt P1 und den additiven Fertigungsschritt P2 enthält, die in der obigen Ausführungsform beschrieben worden sind. Der spezifizierte Bereich der Sauerstoffmenge im P222: Ausführen einer Bestimmung an einer Sauerstoffmenge in dem Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c ist auf 0,3 [ppm] oder weniger festgelegt. Der Bereich der Vorwärmtemperatur des Tischs 51 im P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur im Formgebungsvorbereitungsschritt P1 und im P212: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur im Temperaturüberwachungsprozess P2b ist auf einen Bereich von 450 [°C] oder höher und 550 [°C] oder niedriger festgelegt. Als das Inertgas wird Stickstoff verwendet, wobei eine Zufuhrmenge des Inertgases auf 15 [I/min] festgelegt ist, während der Druck in der Kammer 10 gesteuert wird, um bei 12000 [Pa] oder höher und 14000 [Pa] oder niedriger gehalten zu werden.
11 ist eine Photographie, die ein Ergebnis der Eindringprüfung des Formobjekts S gemäß dem ersten Beispiel zeigt. 12 ist eine Photographie eines vergrößerten Querschnitts des Formobjekts S gemäß dem ersten Beispiel. Im Ergebnis der Eindringprüfung ist an dem Formobjekt S gemäß dem ersten Beispiel kein Riss bestätigt worden.
[Zweites Beispiel]
Im zweiten Beispiel wird als das Werkstoffpulver P ein Pulver einer Legierung auf Nickelbasis (Legierung 718) verwendet, wobei das Formobjekt S durch das additive Fertigungsverfahren M gefertigt wird, das den Formgebungsvorbereitungsschritt P1 und den additiven Fertigungsschritt P2 enthält, die in der obigen Ausführungsform beschrieben worden sind. Der spezifizierte Bereich der Sauerstoffmenge im P222: Ausführen einer Bestimmung an der Sauerstoffmenge im Sauerstoffmengen-Überwachungsprozess P2c ist auf 0,3 [ppm] oder weniger festgelegt. Der Bereich der Vorwärmtemperatur des Tischs 51 im P106: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur im Formgebungsvorbereitungsschritt P1 und im P212: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur im Temperaturüberwachungsprozess P2b ist auf einen Bereich von 60 [°C] oder höher und 80 [°C] oder niedriger festgelegt. Als das Inertgas wird ein Argongas verwendet, wobei die Zufuhrmenge des Argongases auf 15 [I/min] festgelegt ist, während der Druck in der drucklosen Umgebung in der Kammer gesteuert wird, um bei 12000 [Pa] oder höher und 14000 [Pa] oder niedriger gehalten zu werden. Das im zweiten Beispiel verwendete Werkstoffpulver P aus einer Legierung auf Nickelbasis ist ein Material, das bei der additiven Fertigung keine Vorwärmung erfordert. Durch das additive Fertigungsverfahren des zweiten Beispiels ist die Sauerstoffmenge in der drucklosen Umgebung verringert worden, wobei folglich die in das Formobjekt S aufgenommene Sauerstoffmenge auf etwa 90 [ppm] verringert worden ist.
Bezugszeichenliste

10: Kammer
51: Tisch
L: Laser
M: additives Fertigungsverfahren
P2a: additiver Fertigungsprozess
P102: Den Tisch einrichten
P105: Den Tisch vorwärmen
P203: Verschmelzung
P215: Die Ausgabe steuern (die Vorwärmtemperatur steuern)
P216: Die Temperatur messen (die Vorwärmtemperatur steuern)
P217: Ausführen einer Bestimmung an der Temperatur (die Vorwärmtemperatur steuern)
P225: Evakuieren (die Sauerstoffmenge einstellen)
P226: Ausführen einer Bestimmung an der Sauerstoffmenge (die Sauerstoffmenge einstellen)
P228: Den Druck einstellen
P245: Evakuieren (die Sauerstoffmenge einstellen)
P246: Ausführen einer Bestimmung an der Sauerstoffmenge (die Sauerstoffmenge einstellen)
P248: Den Druck einstellen PB-Pulverbett
S: Formobjekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015189618 A [0005]
JP 2017109357 A [0005]

Claims

Additives Fertigungsverfahren des Bildens eines Pulverbetts auf einem Tisch in einer Kammer und Emittierens eines Laserstrahls auf das Pulverbett, um ein Formobjekt durch Verschmelzung zu fertigen, wobei das additive Fertigungsverfahren umfasst: Verringern eines Drucks im Inneren der Kammer auf einen Druck, der gleich oder höher als 8000 [Pa] und gleich oder niedriger als 30.000 [Pa] ist; und Bilden des Pulverbettes auf dem Tisch, während der Tisch vorgewärmt wird und ein Inertgas zugeführt wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Stickstoffgas als Inertgas verwendet wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 2, wobei ein Druck in der Kammer auf 12000 [Pa] oder höher festgelegt ist, und eine Vorwärmtemperatur des Tischs auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Argongas als das Inertgas verwendet wird, und ein Druck in der Kammer auf 12000 [Pa] oder höher festgelegt ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 4, wobei ein Druck in der Kammer auf 20000 [Pa] oder höher festgelegt ist, und eine Vorwärmtemperatur des Tischs auf 200 [°C] oder höher und 650 [°C] oder niedriger festgelegt ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorwärmtemperatur gesteuert wird, um Vorwärmtemperatur während der additiven Fertigung, bei der die Bildung des Pulverbettes und die Verschmelzung wiederholt werden, innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereiches zu halten.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn während der additiven Fertigung, bei der die Bildung des Pulverbettes und die Verschmelzung wiederholt werden, in der Kammer eine Druckvariation von 300 [Pa] oder höher in 180 [s] gemessen wird, das Evakuieren der Kammer und die Einstellung einer Sauerstoffmenge und eines Drucks in der Kammer ausgeführt werden, nachdem die Verschmelzung bei der Messung der Druckvariation abgeschlossen ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn während der additiven Fertigung, bei der die Bildung des Pulverbettes und die Verschmelzung wiederholt werden, eine Sauerstoffmenge, die gleich einem oder größer als ein spezifizierter Wert ist, in der Kammer gemessen wird, das Evakuieren der Kammer und die Einstellung einer Sauerstoffmenge und eines Drucks in der Kammer ausgeführt werden, nachdem die Verschmelzung, die unmittelbar nach der Messung der Sauerstoffmenge, die gleich dem oder größer als der spezifizierte Wert ist, ausgeführt wird, abgeschlossen ist.