DE112022004962T5

DE112022004962T5 - Vorrichtung zur additiven Fertigung und Bearbeitungskopf

Info

Publication number: DE112022004962T5
Application number: DE112022004962.6T
Authority: DE
Inventors: Yuji Nojiri; Kazuya Horio; Satoshi Hattori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2024-08-01
Also published as: JP7170952B1; CN118234594A; JPWO2023170950A1; WO2023170950A1

Abstract

Vorrichtung zur additiven Fertigung, umfassend: eine Drahtdüse (6) die ein drahtähnliches Material auf ein Werkstück (23) zuführt; und ein Bearbeitungskopf (3), der das auf das Werkstück (23) zugeführte Material mit einem Laserstrahl (L) bestrahlt, und Schutzgas (G) von einer Zufuhrquelle für das Schutzgas (G) ausbläst. Der Bearbeitungskopf (3) umfasst: ein Leitungssystem (301), das eine zylindrische Form aufweist und sich in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (L) erstreckt, wobei der Laserstrahl (L) durch das Leitungssystem (301) geführt wird; und eine Gaszufuhr-Öffnung, von welcher das Schutzgas (G) von der Zufuhrquelle zu dem Leitungssystem (301) zugeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung und einen Bearbeitungskopf, welche ein geformtes Objekt fertigen, indem sie ein Material, welches auf ein Werkstück zugeführt wird, mit einem Laserstrahl bestrahlen, um das Material zu schmelzen und das Material auszuhärten.
Technologischer Hintergrund
Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung ist eine Vorrichtung, welche ein geformtes Objekt fertigt, indem sie auf einem Werkstück Bearbeitungsobjekte übereinander schichtet, welche durch Schmelzen und Verfestigen eines auf dem Werkstück bereitgestellten metallischen Materials erhalten werden, mittels einer Wärmequelle. Da ein Bearbeitungsobjekt während der Fertigung/Bearbeitung der Luft bei hoher Temperatur ausgesetzt ist, neigt das Bearbeitungsobjekt dazu, oxidiert zu werden. Wenn das Bearbeitungsobjekt oxidiert wird, kann die Qualität eines geformten Objektes verschlechtert werden, oder die Fertigung kann unstabil werden. Insbesondere neigen die Bearbeitungsobjekte dazu, Wärme zu speichern, da Bearbeitungsobjekte übereinander gestapelt werden, wenn sie durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gefertigt werden. Zusätzlich benötigt es im Allgemeinen mehrere Stunden für die Fertigung eines einzelnen Bearbeitungsobjektes. Daher neigen Bearbeitungsobjekte dazu, leicht oxidiert zu werden, wenn sie durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gefertigt werden, im Vergleich zu einem Fall, indem ein Fertigungsverfahren wie beispielsweise Auftragsschweißen verwendet wird.
Entsprechend wird als eines der Verfahren zur Vermeidung einer Oxidation eines Bearbeitungsobjektes herkömmlicherweise ein Verfahren verwendet, bei welchem ein inertes Gas als Schutzgas in Richtung eines Bearbeitungspunktes ausgestoßen wird, um den Bearbeitungspunkt gegen Luft, welche Sauerstoff ist, abzuschirmen. Wenn jedoch das aus der Gasdüse ausgestoßene Schutzgas als eine turbulente Strömung strömt, wird die Luft, das ist Sauerstoff, in dem Schutzgas mitgerissen, wodurch Oxidation erleichtert wird. Daher besteht ein Bedarf an einer Gasdüse, die dazu in der Lage ist, die Erzeugung einer turbulenten Strömung zu vermeiden.
Patentliteratur 1 offenbart eine Strahlbearbeitungs-Düse die ein Lichtstrahlpfad-Bildungselement und ein Strömungspfad-Bildungselement umfasst. Das Lichtstrahlpfad-Bildungselement bildet einen Lichtstrahlpfad, durch welchen ein Lichtstrahl wie beispielsweise ein Laserstrahl läuft. Das Strömungspfad-Bildungselement ist um das Lichtstrahlpfad-Bildungselement herum vorgesehen und besitzt einen Gasströmungspfad, durch welchen ein Trägergas, welches Pulver enthält, strömt. In der in Patentliteratur 1 beschriebenen Strahlbearbeitungs-Düse läuft ein Lichtstrahl durch den Lichtstrahlpfad, der durch das Lichtstrahlpfad-Bildungselement gebildet wird, und wird von einer Spitze der Strahlbearbeitungs-Düse in Richtung eines Werkstückes ausgegeben, und das Trägergas, welches Pulver enthält, läuft durch den Gasströmungspfad, der durch das Strömungspfad-Bildungselement gebildet ist, und wird aus der Spitze der Strahlbearbeitungs-Düse in Richtung des Werkstückes ausgestoßen.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: WO 2016 / 135 907 A
Kurzbeschreibung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Jedoch wird in einem Fall, in dem das Trägergas, welches Pulver enthält, dazu veranlasst wird, in demselben Pfad zu strömen, wie der Lichtstrahl, das Pulver durch den Lichtstrahl in dem Pfad geschmolzen. Daher weist ein Bearbeitungskopf eine Struktur auf, in welcher ein Lichtstrahlpfad und ein Gasströmungspfad separat bereitgestellt werden, wie in der in Patentliteratur 1 beschriebenen Technik. Wenn der Lichtstrahlpfad und der Gaspfad separat bereitgestellt werden, wird der Bearbeitungskopf kompliziert. Zusätzlich besteht ein Problem darin, dass da das Trägergas in einer von dem Lichtstrahlpfad separaten Achse bereitgestellt wird, der Effekt des Geradeausrichtens des Gases verschlechtert wird, wodurch eine turbulente Strömung an einer Position verursacht wird, an welcher der Lichtstrahl angewendet wird.
Die vorliegende Offenbarung wurde angesichts des Vorstehenden gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitzustellen, welche dazu ausgebildet ist, die Erzeugung einer turbulenten Strömung eines Gases mit einer einfacheren Struktur als der herkömmlichen Struktur zu vermeiden, wenn eine Fertigung durchgeführt wird, indem das Gas zugeführt wird, während ein einem Werkstück zugeführtes Material mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
Mittel zur Lösung des Problems
Um die vorstehend genannten Probleme auszuräumen und die Aufgabe zu lösen weist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Offenbarung auf: eine Drahtdüse, um ein drahtartiges Material auf ein Werkstück zuzuführen; und einen Bearbeitungskopf, um das auf das Werkstück zugeführte Material mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, und Schutzgas aus einer Zufuhrquelle für das Schutzgas auszustoßen. Der Bearbeitungskopf umfasst: ein Leitungssystem (engl. pipeline), welches eine zylindrische Form aufweist, und sich in eine Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erstreckt, wobei der Laserstrahl durch das Leitungssystem hindurchgeführt wird; und eine Gaszufuhr-Öffnung, von welcher das Schutzgas von der Zufuhrquelle zu dem Leitungssystem zugeführt wird.
Wirkungen der Erfindung
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Wirkung erzielen, dass sie die Erzeugung einer turbulenten Strömung eines Gases mit einer Struktur verhindert, die einfacher ist, als die herkömmlichen Struktur, wenn sie eine Fertigung durchführt, indem sie das Gas zuführt, während ein einem Werkstück zugeführtes Material mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
Kurze Beschreibungen der Zeichnungen

1 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß der ersten Ausführungsform, welche schematisch ein Beispiel eines Aufbaus des Bearbeitungskopfes zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Teils in der Nähe einer Gaszufuhr-Düse zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer dritten Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Teils in der Nähe einer Gaszufuhr-Düse zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer vierten Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Teils in der Nähe einer Gaszufuhr-Düse zeigt.
6 ist eine perspektivische Ansicht der Gaszufuhr-Düse des Bearbeitungskopfes gemäß der vierten Ausführungsform, welche ein Beispiel eines Aufbaus der Gaszufuhr-Düse zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer fünften Ausführungsform, welche schematisch ein Beispiel eines Aufbaus des Bearbeitungskopfes zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden eine Vorrichtung zur additiven Fertigung und ein Bearbeitungskopf gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 ist eine Werkzeugmaschine, die ein dreidimensional geformtes Objekt durch Hinzufügen von geschmolzenem Zusatzmetall zu einem Werkstück 23 fertigt. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 schmilzt das Zusatzmetall durch Anwendung einer Wärmequelle. In der ersten Ausführungsform ist die Wärmequelle ein Laserstrahl L. Weiter ist das Zusatzmetall in der ersten Ausführungsform ein drahtförmiges metallisches Material.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 bildet eine Wulst 21 aus, indem sie mit dem Laserstrahl L lokal eine Spitze eines Drahtes 5 schmilzt, der als Zusatzmetall zu dem Werkstück 23 zugeführt wird, und indem sie den geschmolzenen Teil des Drahtes 5 in Kontakt mit dem Werkstück 23 bringt. Die Wulst 21 ist ein ausgehärtetes Produkt des Drahtes 5, der durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl L geschmolzen wurde. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 fertigt ein geformtes Objekt, indem sie die Wulste 21 auf einem Substrat 20 aufeinander schichtet. Das in 1 dargestellte Substrat 20 ist ein plattenförmiges Substrat. Das Substrat 20 kann ein anderes als das plattenförmige Substrat sein. Das Werkstück 23 ist ein Objekt, zu welchem geschmolzenes Zusatzmetall hinzuzufügen ist, und entspricht dem Substrat 20, oder der Wulst 21 auf dem Substrat 20. Eine geschmolzene Wulst 22 ist ein geschmolzener Teil der Wulst 21.
Eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse sind drei zueinander senkrechte Achsen. Die X-Achse und die Y-Achse sind horizontale Achsen. Die Z-Achse ist eine vertikale Achse. Eine Z-Achsen-Richtung ist eine Aufeinanderschichtungsrichtung, in welcher die Wulste 21 aufeinander geschichtet sind.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 umfasst einen Laseroszillator 1, eine Laser-Output-Steuerung 11, einen Bearbeitungskopf 3, einen Gasdurchflussraten-Regulierer 12, eine Drahtspule 4, eine Drahtdüse 6, einen Arbeitstisch 8, eine Antriebs-Steuerung 13, und ein numerisches Steuergerät (NC-Gerät) 17.
Der Laseroszillator 1 gibt den Laserstrahl L als eine Wärmequelle aus. Der von dem Laseroszillator 1 ausgegebene Laserstrahl L wird durch einen Lichtwellenleiter (engl. fiber cable) 2, der eine optische Übertragungsleitung ist, zu dem Bearbeitungskopf 3 übertragen. Die Laser-Output-Steuerung 11 passt den Laser-Output des Laseroszillators 1 an, welcher der Output / die Ausgabe des Laserstrahls L ist, indem sie den Laseroszillator 1 steuert.
Der Bearbeitungskopf 3 ist über einen Verbinder (nicht dargestellt) mit dem Lichtwellenleiter 2 verbunden, und emittiert den Laserstrahl L in Richtung des Werkstücks 23. Der Bearbeitungskopf 3 ist in jede von einer X-Achsen-Richtung, eine Y-Achsen-Richtung und die Z-Achsen-Richtung bewegbar. Der Bearbeitungskopf 3 umfasst ein kollimierendes optisches System und eine Kondensor-Linse. Das kollimierende optische System kollimiert den Laserstrahl L. Die Kondensor-Linse fokussiert den Laserstrahl L. Das kollimierende optische System und die Kondensor-Linse sind nicht dargestellt. Die Richtung einer Mittellinie des Laserstrahls L, welcher auf das Werkstück 23 anzuwenden ist, ist die Z-Achsen-Richtung.
Der Bearbeitungskopf 3 umfasst eine Gasdüse, aus welcher Schutzgas in Richtung des Werkstücks 23 ausgestoßen wird. Das Schutzgas ist ein Gas, das eine Oxidation aufgrund der Anwendung des Laserstrahls L an einem Bearbeitungspunkt verhindert. Ein inertes Gas wie beispielsweise ein Stickstoffgas oder Argongas wird als Schutzgas verwendet. Durch das Ausstoßen des Schutzgases wird eine Oxidation der Wulst 21 verhindert und wird die ausgebildete Wulst 21 gekühlt. Das Schutzgas wird von einer Gasflasche zugeführt, welche eine Zuführ-Quelle des Schutzgases ist. Der Gasdurchflussraten-Regulierer 12 reguliert die Flussrate des Schutzgases. Die Gasdüse und die Gasflasche sind nicht dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, bestrahlt in der ersten Ausführungsform der Bearbeitungskopf 3 den auf das Werkstück 23 zugeführten Draht 5 mit dem Laserstrahl L, und bläst auch das Schutzgas aus der Zufuhrquelle für das Schutzgas.
Die Drahtspule 4 ist eine Zufuhrquelle für den Draht 5. Der Draht 5 ist um die Drahtspule 4 herumgewickelt. Die Drahtdüse 6 ist mittels eines Tragelements 7 an dem Bearbeitungskopf 3 befestigt. Daher bewegt sich die Drahtdüse 6 gemeinsam mit dem Bearbeitungskopf 3. Die Drahtdüse 6 führt den Draht 5 zu dem Werkstück 23 zu. Die Drahtdüse 6 führt den Draht 5 von der Drahtspule 4 in Richtung zu dem Werkstück 23 zu. Zusätzlich zieht die Drahtdüse 6 den zugeführten Draht 5 zurück in Richtung der Drahtspule 4. Eine Richtung, in welche der Draht 5 zugeführt wird, ist eine Richtung die in Bezug auf die Richtung, in welcher der Laserstrahl L von dem Bearbeitungskopf 3 emittiert wird, geneigt ist.
Der Arbeitstisch 8 fixiert und trägt das Substrat 20. In einem Beispiel kann sich der Arbeitstisch 8 um die Z-Achse und die Y-Achse drehen. Die Neigung des Arbeitstisches 8 kann durch Drehen des Arbeitstisches 8 um die Y-Achse geändert werden. Das bedeutet, die Orientierung des Substrates 20 ist im Hinblick auf eine obere Oberfläche des Arbeitstisches 8 fixiert und kann durch Bewegung des Arbeitstisches 8 geändert werden. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 bewegt einen mit dem Laserstrahl L zu bestrahlenden Punkt auf dem Werkstück 23, indem sie die Orientierung des Substrates 20 ändert und den Bearbeitungskopf 3 bewegt.
Die Antriebs-Steuerung 13 umfasst eine Kopf-Antriebseinheit 14, eine Drahtzuführungs-Antriebseinheit 15 und eine Arbeitstisch-Antriebseinheit 16. Die Kopf-Antriebseinheit 14 treibt den Bearbeitungskopf 3 an. Die Drahtzuführungs-Antriebseinheit 15 treibt die Drahtdüse 6 an. Die Arbeitstisch-Antriebseinheit 16 treibt den Arbeitstisch 8 an.
Das NC-Gerät 17 steuert die gesamte Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 gemäß eines Bearbeitungsprogramms. Das NC-Gerät 17 steuert den Laseroszillator 1 durch Ausgeben eines Laserausgabebefehls zu der Laser-Output-Steuerung 11. Das NC-Gerät 17 steuert den Bearbeitungskopf 3 durch Ausgeben eines Achsen-Befehls zu der Kopf-Antriebseinheit 14. Das NC-Gerät 17 steuert die Drahtdüse 6, indem sie einen Zuführ-Befehl zu der Drahtzuführungs-Antriebseinheit 15 sendet. Das NC-Gerät 17 steuert den Arbeitstisch 8, indem sie einen Drehbefehl an die Arbeitstisch-Antriebseinheit 16 ausgibt. Das NC-Gerät 17 steuert die Flussrate des Schutzgases, indem sie einen Gaszuführ-Befehl zu dem Gasdurchflussraten-Regulierer 12 ausgibt.
Als Nächstes wird der in der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 gemäß der ersten Ausführungsform zu verwendende Bearbeitungskopf 3 beschrieben. 2 ist eine Querschnittsansicht des Bearbeitungskopfes gemäß der ersten Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus des Bearbeitungskopfes zeigt. Der Bearbeitungskopf 3 umfasst einen Kopf-Grundkörper (engl. head body) 31, eine Gasausstoß-Düse 32, und eine Schutzplatte 33.
Der Kopf-Grundkörper 31 ist ein zylindrisches Element, das ein Leitungssystem (engl. pipeline) 311 aufweist, welches sich in die Z-Achsen-Richtung erstreckt, welches eine Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls L ist. In einem Beispiel ist der Kopf-Grundkörper 31 aus Aluminium gefertigt. Nicht nur der Laserstrahl L sondern auch Schutzgas G ist durch das Leitungssystem 311 hindurchgeführt. Das bedeutet, dass der Laserstrahl L und das Schutzgas G durch dasselbe Leitungssystem 311 hindurchlaufen. Der äußere Durchmesser des Kopf-Grundkörpers 31 und der Durchmesser des Leitungssystems 311 sind entlang der Z-Achsen-Richtung einheitlich. Die äußere Form des Kopf-Grundkörpers 31 und die Form des Leitungssystems 311 können eine zylindrische Form oder eine polygonale Säulenform sein.
In einem oberen Abschnitt des Kopf-Grundkörpers 31 ist ein Durchgangsloch 312 ausgebildet. Das Durchgangsloch 312 ist eine Gaszufuhr-Öffnung, von welcher aus das Schutzgas G dem Leitungssystem 311 zugeführt wird. Eine Leitung 35 wie beispielsweise ein Schlauch, der mit der Gasflasche (nicht dargestellt) verbunden ist, ist mittels eines Verbindungselements (nicht dargestellt) an dem Durchgangsloch 312 befestigt. Im Ergebnis wird das Schutzgas G, welches von dem Durchgangsloch 312 durch die Leitung 35 strömt, in das Leitungssystem 311 des Kopf-Grundkörpers 31 zugeführt. Das Durchgangsloch 312 ist vorzugsweise in dem oberen Abschnitt des Kopf-Grundkörpers 31 vorgesehen, das bedeutet in der Nähe einer Position eines Einfallens des Laserstrahls L. Es ist wünschenswert, dass der Abstand von einer oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3 zu dem Durchgangsloch 312 im Bereich von 1/3 der Länge des Bearbeitungskopfs 3 in der Z-Achsen-Richtung liegt. Dies liegt daran, dass, wenn der Abstand von der oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfs 3 zu dem Durchgangsloch 312 außerhalb des Bereichs von 1/3 der Länge des Bearbeitungskopfes 3 liegt, es schwierig für das Schutzgas G ist, gerade ausgerichtet zu werden, bevor die Gasausstoß-Düse 32 erreicht wird, aufgrund einer Abnahme der Distanz, die von dem Schutzgas G zu durchlaufen ist, welches in dem Leitungssystem 31 nach unten strömt. In einem Beispiel ist das Durchgangsloch 312 in einer seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 durch Bearbeitung ausgebildet. Weiter ist vorliegend das Durchgangsloch 312 in einer Richtung ausgebildet, die senkrecht zur seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 steht, welche parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls L ist. Das bedeutet, das Durchgangsloch 312 ist so vorgesehen, dass sich das Durchgangsloch 312 in eine Richtung parallel zu einer Richtung erstreckt, die senkrecht auf die seitliche Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 steht.
Die Gasausstoß-Düse 32 ist an einem Ende des Kopf-Grundkörpers 31 an der Seite vorgesehen, welche dem Arbeitstisch 8 zugewandt ist. Die Gasausstoß-Düse 32 ist ein Element, das den Laserstrahl L in Richtung eines Bearbeitungspunkts 231 ausgibt, und das Schutzgas G ausbläst. Der Bearbeitungspunkt 231 ist der Punkt auf dem Werkstück 23, der mit dem Laserstrahl L zu bestrahlen ist, und ist ein Bereich, welchem die Wulst 21 hinzugefügt wird. Der Draht 5 wird von der Drahtdüse 6 ebenfalls dem Bearbeitungspunkt 231 zugeführt. Die Gasausstoß-Düse 32 ist ein hohles Element, das ein Leitungssystem 321 aufweist, welches sich in die Z-Achsen-Richtung erstreckt. Der Durchmesser des Leitungssystems 321 ist auf der Seite, welche dem Arbeitstisch 8 zugewandt ist, kleiner als auf der Seite, welche dem Kopf-Grundkörper 31 zugewandt ist. Der Durchmesser des Leitungssystems 321 mag in Richtung des Arbeitstisches 8 kontinuierlich reduziert sein, oder mag stufenweise reduziert sein. In einem Beispiel umfasst die Gasausstoß-Düse 32 ein hohles Element mit einer Kegelstumpf-Form. In einem Beispiel ist die Gasausstoß-Düse 32 aus Aluminium gefertigt. Zusätzlich kann die Gasausstoß-Düse 32 einstückig mit dem Kopf-Grundkörper 31 ausgebildet sein, oder kann mit dem Kopf-Grundkörper 31 durch Schweißen oder dergleichen verbunden sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Leitungssystem 301 des Bearbeitungskopfes 3 das Leitungssystem 311 des Kopf-Grundkörpers 31 und das Leitungssystem 321 der Gasausstoß-Düse 32 umfasst.
Die Schutzplatte 33 ist auf eine solche Weise vorgesehen, dass sie eine Öffnung an einem Ende des Kopf-Grundkörpers 31 auf der Seite, welche der Gasausstoß-Düse 32 gegenüberliegt, abdeckt. Die Schutzplatte 33 umfasst ein Element, das bezogen auf die Wellenlänge des Laserstrahls L transparent ist. In einem Beispiel ist die Schutzplatte 33 aus Glas gebildet. Ein Verbinder 331, welcher den Lichtwellenleiter 2 befestigt, ist an einer oberen Oberfläche der Schutzplatte 33 vorgesehen. Die Schutzplatte 33 ist ein Element, das den Verbinder 331 vor Schweißspritzern oder Schwaden schützt, die erzeugt werden, wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Draht 5 mit dem Laserstrahl L bestrahlt.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt der Bearbeitungskopf 3 das Leitungssystem 301, welches sich in die Z-Achsen-Richtung erstreckt, und besitzt eine Struktur, bei welcher das Ende des Bearbeitungskopfes 3 auf einer Seite, an welcher der Laserstrahl L einfällt, geschlossen ist. Eine Einfallsebene des Laserstrahls L entspricht der Schutzplatte 33.
In 2 ist der optische Pfad des Laserstrahls L durch durchgezogene Linien gezeichnet, und die Strömung des Schutzgases G ist durch gestrichelte Linien gezeichnet. Der Laserstrahl L wird von dem Lichtwellenleiter 2 über den Verbinder 331 zu dem Leitungssystem 301 des Bearbeitungskopfes 3 geführt. Der Laserstrahl L bewegt sich entlang der Z-Achsen-Richtung im Inneren des Leitungssystems 301, und wird von einer Spitze der Gasausstoß-Düse 32 ausgegeben. Zusätzlich wird das Schutzgas G über die Leitung 35 von dem Durchgangsloch 312 in das Leitungssystem 301 des Bearbeitungskopfes 3 zugeführt. Das Schutzgas G strömt von dem Durchgangsloch 312 zur Gasausstoß-Düse 32 nach unten. Das bedeutet, das Schutzgas G strömt in der Z-Achsen-Richtung durch das gleiche Leitungssystem 301 nach unten, wie das Leitungssystem 301, durch welches der Laserstrahl L läuft. Dann wird das Schutzgas G aus der Gasausstoß-Düse 32 in Richtung des Bearbeitungspunktes 231 ausgestoßen. Das über das Durchgangsloch 312 zugeführte Schutzgas G wird gerade ausgerichtet, wenn das Schutzgas G das Leitungssystem 301 nach unten strömt, und wird aus der Gasausstoß-Düse 32 ausgestoßen, aber erreicht den Bearbeitungspunkt 231 als eine laminare Strömung.
Da das Schutzgas G in der Nähe der Position des Einfalls des Laserstrahls L in das Leitungssystem 301 zugeführt wird, und an derselben Position das Schutzgas G ausgestoßen wird und der Laserstrahl L emittiert wird, ist die Richtung der makroskopischen Strömung des Schutzgases G im Leitungssystem 301 parallel zu dem optischen Pfad des Laserstrahls L. Dann wird davon ausgegangen, dass das Schutzgas G in dem Leitungssystem 301 durch das Strömen nach unten im Inneren des zylindrischen Leitungssystems 301 gerade ausgerichtet wird.
Im Ergebnis wird, während der Laserstrahl L auf den Bearbeitungspunkt 231 angewandt wird, das Schutzgas G als eine laminare Strömung in einen Bereich ausgestoßen, welcher den Laserstrahl L umfasst. Dies vermeidet die Erzeugung einer turbulenten Strömung, in welchem die Umgebungsluft, das ist Sauerstoff, mitgerissen wird.
Es ist bekannt, dass durch eine Reynolds-Zahl bestimmt werden kann, ob eine Strömung eine laminare Strömung oder eine turbulente Strömung wird. Eine Reynolds-Zahl R wird durch die nachstehende Formel (1) berechnet, wobei U₀ eine charakteristische Geschwindigkeit, d der Durchmesser einer Ausstoßöffnung, und v der kinematische Viskositätskoeffizient eines Luftstroms ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in dem Fall eines Fluids, welches in einer kreisförmigen Röhre strömt, eine durchschnittliche Geschwindigkeit als die charakteristische Geschwindigkeit verwendet werden kann. $R = U_{o} d / v$
Experimente und Simulationen zeigen, dass, wenn die Reynolds-Zahl R in einem Ausstoßöffnungs-Bereich des Durchgangsloches 312 auf 10100 oder weniger festgesetzt wird, das aus der Gasausstoß-Düse 32 ausgestoßene Schutzgas G eine laminare Strömung bildet. Das bedeutet, wenn die Reynolds-Zahl R 10100 in dem Ausstoßöffnungs-Bereich des Durchgangsloches 312 übersteigt, kann das Schutzgas G, welches aus der Gasausstoß-Düse 32 ausgestoßen wird, eine turbulente Strömung bilden. Wie vorstehend beschrieben, ist es im Fall einer turbulenten Strömung wahrscheinlich, dass Sauerstoff an dem Bearbeitungspunkt 231 mitgerissen wird, aber im Fall einer laminaren Strömung ist es weniger wahrscheinlich, dass Sauerstoff mitgerissen wird, so dass die Bearbeitungsqualität verbessert wird. Daher kann das Schutzgas G in dem Leitungssystem 301 gerade ausgerichtet werden, bevor es die Gasausstoß-Düse 32 erreicht, wenn die Reynolds-Zahl R in dem Ausstoßöffnungs-Bereich des Durchgangsloches 312 10100 oder weniger beträgt. Wie in Formel (1) gezeigt, ist es möglich, die Reynolds-Zahl R zu kontrollieren, indem die charakteristische Geschwindigkeit U₀ des Schutzgases G oder der Durchmesser d des Durchgangsloches 312 kontrolliert wird.
Der Bearbeitungskopf 3 der ersten Ausführungsform umfasst ein zylindrisches Element, welches das Leitungssystem 301 besitzt. Das Leitungssystem 301 erstreckt sich in die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls L, und der Laserstrahl L läuft durch das Leitungssystem 301 hindurch. Zusätzlich besitzt der Bearbeitungskopf 3 das Durchgangsloch 312, welches mit der Leitung 35 verbunden ist, die sich von einer Zufuhrquelle für das Schutzgas G erstreckt. Das Schutzgas G wird über das Durchgangsloch 312 dem Leitungssystem 301 zugeführt. Das bedeutet, das Schutzgas G läuft durch dasselbe Leitungssystem 301, wie der Laserstrahl L. Im Ergebnis ist es anders als bei der herkömmlichen Technik nicht erforderlich, ein Element vorzusehen, um einen Strömungspfad auszubilden, durch welchen das Schutzgas G separat von einem Leitungssystem strömt, durch welches der Laserstrahl L hindurchläuft. Daher kann eine günstige und einfache Struktur erhalten werden. Zusätzlich wird, da das Schutzgas G dasselbe Leitungssystem 301 durchläuft, wie der Laserstrahl L, das Schutzgas G in dem Leitungssystem 301 gerade ausgerichtet, so dass das Schutzgas G als eine laminare Strömung zu dem Bearbeitungspunkt 231 ausgestoßen werden kann, und somit ist es für Sauerstoff weniger wahrscheinlich, an den Bearbeitungspunkt 231 mitgerissen zu werden. Daher ist es durch Ausbilden einer laminaren Strömung möglich, die Bearbeitungsqualität zu verbessern und eine stabile Fertigung durchzuführen. Dies bedeutet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann eine Wirkung erzielen, welche die Erzeugung einer turbulenten Strömung des Schutzgases G mit einer einfacheren Struktur, als den herkömmlichen Strukturen, bei der Fertigung vermeidet, indem das Schutzgas G zugeführt wird, während der Draht 5, welcher dem Werkstück 23 zugeführt wird, mit dem Laserstrahl L bestrahlt wird.
Insbesondere ist es durch Setzen der Reynolds-Zahl R in dem Durchgangsloch 312 auf 10100 oder weniger möglich, das Schutzgas G, welches durch das Leitungssystem 301 nach unten strömt, gerade auszurichten, und das Schutzgas G dazu zu veranlassen, auf den Bearbeitungspunkt 231 in Form einer laminaren Strömung ausgestoßen zu werden.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Abschnitts in der Nähe einer Gaszufuhr-Düse zeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen bildenden Elemente wie diejenigen in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, und dass auf ihre Beschreibung verzichtet wird. Somit wird ein Unterschied von der ersten Ausführungsform nachfolgend beschrieben.
Der Bearbeitungskopf 3 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst weiter eine Gaszufuhr-Düse 34, welche mit dem Durchgangsloch 312 verbunden ist. Die Gaszufuhr-Düse 34 ist mit der Leitung 35 verbunden, und umfasst ein Leitungs-Verbindungsteil 341 und ein Einführ-Teil 342. Das Leitungs-Verbindungsteil 341 ist außerhalb der seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 angeordnet. Das Einführ-Teil 342 ist in das Durchgangsloch 312 eingeführt. Das Leitungs-Verbindungsteil 341 ist ein scheibenähnliches Element, und ist durch Befestigungselemente (nicht dargestellt) an dem Kopf-Grundkörper 31 befestigt. In einem Beispiel sind die Befestigungselemente Schrauben, die in Schraublöcher geschraubt sind, die in dem Leitungs-Verbindungsteil 341 und in dem Kopf-Grundkörper 31 vorgesehen sind. Das Einführ-Teil 342 ist mit einer der Oberflächen des Leitungs-Verbindungsteils 341 verbunden. Zusätzlich ist ein innerer Flusspfad 343 auf eine solche Weise bereitgestellt, dass er das Leitungs-Verbindungsteil 341 und das Einführ-Teil 342 durchdringt. Ein Einlass 343a des inneren Flusspfades 343 ist in dem Leitungs-Verbindungsteil 341 bereitgestellt, und ein Auslass 343b ist in dem Einführ-Teil 342 bereitgestellt. Ein Durchmesser des Auslasses 343b ist kleiner als ein Durchmesser des Einlasses 343a. Hier wird ein Beispiel gezeigt, in welchem der Durchmesser des inneren Flusspfades 343 auf eine abgestufte Weise in der Nähe einer Grenze zwischen dem Leitungs-Verbindungsteil 341 und dem Einführ-Teil 342 reduziert wird, aber der Durchmesser des inneren Flusspfades 343 kann auch kontinuierlich reduziert werden. Der Auslass 343b der Gaszufuhr-Düse 34 entspricht einer Gaszufuhr-Öffnung. Weiter sind der Einlass 343a und der Auslass 343b der Gaszufuhr-Düse 34 in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls L an derselben Position angeordnet. Genauer gesagt sind die Mittelpunkte des Einlasses 343a und des Auslasses 343b der Gaszufuhr-Düse 43 in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls L an derselben Position angeordnet.
Da der Durchmesser des Auslasses 343b kleiner als der Durchmesser des Einlasses 343a der Gaszufuhr-Düse 34 ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases G, welches aus der Gaszufuhr-Düse 34 ausgestoßen wird, größer als die Flussgeschwindigkeit des Schutzgases G, welches durch die Leitung 35 strömt. Im Ergebnis ist, unter der Annahme, dass die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Leitung 35 strömenden Schutzgases G unverändert ist und die Gaszufuhr-Düse 34 nicht vorhanden ist, ist der Anteil des Schutzgases G, welches aus dem Durchgangsloch 312 strömt und mit einer dem Durchgangsloch 312 zugewandten Wandoberfläche des Leitungssystems 301 kollidiert, gering, aber wenn die Gaszufuhr-Düse 34 vorgesehen ist, kollidiert das Schutzgas G mit der dem Auslass 343b zugewandten Wandoberfläche des Leitungssystems 301. Wenn das Schutzgas G mit der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 kollidiert, wird das Schutzgas G zerstreut, und der dynamische Druck nimmt temporär ab, was dazu führt, dass die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt. Dann wird die Geschwindigkeitsverteilung in dem Leitungssystem 301 einheitlich. Das bedeutet, da die Geschwindigkeitsverteilung in dem Leitungssystem 301 nicht ungleichmäßig ist, wird der Effekt des Geradeausrichtens / Begradigungseffekt verstärkt. Im Ergebnis erreicht das Schutzgas G, welches aus der Gasausstoß-Düse 32 ausgestoßen wird, den Bearbeitungspunkt 231 als eine laminare Strömung.
Ganz allgemein kann, um eine Ausstoßströmung zu bilden, die keine turbulente Strömung sondern eine laminare Strömung ist, jede der folgenden Maßnahmen ergriffen werden: Herabsetzung der Strömungsrate des Schutzgases G, Erhöhung des Durchmessers der Öffnung des Bearbeitungskopfes 3, oder gerade Ausrichten des Schutzgases G in dem Bearbeitungskopf 3. Um jedoch das Abschirmungsvermögen sicherzustellen, ist es erforderlich, eine konstante Strömungsrate sicherzustellen. Weiter führt eine Erhöhung des Durchmessers der Öffnung des Bearbeitungskopfes 3 zu zunehmenden Bedenken hinsichtlich beispielsweise einer Kollision mit einem geformten Objekt während des Formungsvorgangs. Daher kann der Durchmesser der Öffnung nicht ohne sorgfältige Überlegung erhöht werden. Weiter wird im allgemeinen in einem Fall, in dem ein gerades Ausrichten in dem Bearbeitungskopf 3 durchgeführt wird, ein Diffuser-Panel oder Filter verwendet. Jedoch wird in dem Bearbeitungskopf 3 gemäß der zweiten Ausführungsform der Laserstrahl L ebenfalls zusammen mit dem Schutzgas G durch das Leitungssystem 301 hindurchgeführt. Daher ist es nicht möglich, ein Diffuser-Panel oder einen Filter verwenden, da der optische Pfad des Laserstrahls L durch das Diffuser-Panel oder den Filter blockiert wird.
In der zweiten Ausführungsform ist in dem Durchgangsloch 312 die Gaszufuhr-Düse 34 bereitgestellt, in welcher der Durchmesser des Auslasses 343b kleiner als der Durchmesser des Einlasses 343a ist. Im Ergebnis kollidiert die Ausstoßströmung des Schutzgases G aus der Gaszufuhr-Düse 34 mit der inneren Wand des Leitungssystems 301, welche der Gaszufuhr-Düse 34 zugewandt ist, um die Geschwindigkeitsverteilung des Schutzgases G in dem Leitungssystem 301 gleichförmig zu machen. In der Folge kann ein Effekt des Geradeausrichtens im Vergleich zu dem Fall der ersten Ausführungsform weiter verbessert werden. Im Ergebnis kann das Schutzgas G als laminare Strömung zu dem Bearbeitungspunkt 231 geführt werden.
Obwohl in 3 ein Fall dargestellt worden ist, in dem die Gaszufuhr-Düse 34 in dem Durchgangsloch 312 bereitgestellt wird, ist es möglich, denselben Effekt durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases G mit dem Aufbau des Bearbeitungskopfes 3 der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit dem Aufbau zu erzielen, welche die Gaszufuhr-Düse 34 verwendet, in welcher der Durchmesser des Auslasses 343b gleich dem Durchmesser des Einlasses 343a in 3 ist. Zusätzlich wird angenommen, dass das Schutzgas G in einem Fall, in dem das Schutzgas G dazu veranlasst wird, mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit bei dem Aufbau des Bearbeitungskopfes 3 der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform, in welcher keine Gaszufuhr-Düse 34 vorgesehen ist, oder bei dem Aufbau, der die Gaszufuhr-Düse 34 verwendet, in welchem der Durchmesser des Auslasses 343b gleich dem Durchmesser des Einlasses 343a von 3 ist, zu strömen, nicht mit der Wandoberfläche des Leitungssystems 301 kollidiert, welches dem Durchgangsloch 312 zugewandt ist. In diesem Fall ist es selbst bei der gleichen Strömungsgeschwindigkeit möglich, das Schutzgas G aus dem Durchgangsloch 312 auszustoßen, um mit der Wandoberfläche des Leitungssystems 301, welche dem Durchgangsloch 312 zugewandt ist, zu kollidieren, in dem der Bearbeitungskopf 3 durch den Bearbeitungskopf 3 ersetzt wird, der das Leitungssystem 301 mit einem kleineren Durchmesser aufweist. Wie vorstehend beschrieben es ist auch möglich, den gleichen Effekt durch Reduzierung des Durchmessers des Leitungssystems 301 des Bearbeitungskopfes 3 zu erzielen. Weiter ist auch in der zweiten Ausführungsform die Reynolds-Zahl R an einem Ausstoßöffnungs-Bereich der Gaszufuhr-Düse 34 auf 10100 oder weniger eingestellt. Im Ergebnis bildet das Schutzgas G an dem Bearbeitungspunkt 231 eine laminare Strömung.
Dritte Ausführungsform.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer dritten Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Abschnitts in der Nähe einer Gaszufuhr-Düse zeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen bildenden Elemente wie diejenigen in der ersten und zweiten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und auf ihre Beschreibung daher verzichtet wird. Somit wird nachfolgend ein Unterschied zu den ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben.
In dem Bearbeitungskopf 3 gemäß der dritten Ausführungsform ist das Durchgangsloch 312 an der seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 mit einem Strömungspfad ausgebildet, der sich schräg nach oben geneigt erstreckt. Das bedeutet, die Position des Durchgangsloches 312, welches dem Leitungssystem 311 zugewandt ist, ist oberhalb der Position des Durchgangsloches 312 angeordnet, welche der Außenseite des Kopf-Grundkörpers 31 zugewandt ist. Insbesondere ist die Position des Mittelpunktes des Durchgangsloches 312, welches dem Leitungssystem 311 zugewandt ist, oberhalb der Position des Mittelpunktes des Durchgangsloches 312 angeordnet, welche der Außenseite des Kopf-Grundkörpers 31 zugewandt ist. Ein Fall, in dem die Gaszufuhr-Düse 34 bereitgestellt ist, ist als ein Beispiel in 4 gezeigt. Das Durchgangsloch 312 besitzt eine Öffnung, deren Größe ausreichend ist, es zu erlauben, dass das Einführ-Teil 342 der Gaszufuhr-Düse 34 in die Öffnung eingeführt wird. Zusätzlich weist das Durchgangsloch 312 eine weitere Öffnung auf, die einen kleineren Durchmesser als den Durchmesser der Öffnung besitzt und die sich von einem Ende der Öffnung schräg nach oben geneigt erstreckt.
Mit einem solchen Aufbau des Durchgangsloches 312 kollidiert das aus der Gaszufuhr-Düse 34 ausgestoßene Schutzgas G mit der oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3, welche die Ebene des Einfalls des Laserstrahls L ist, also mit der Schutzplatte 33, die in dem oberen Abschnitt des Kopf-Grundkörpers 31 angeordnet ist. In der dritten Ausführungsform wird das Schutzgas G dazu veranlasst, auch mit der Schutzplatte 33 zu kollidieren. Daher kann die Geschwindigkeitsverteilung des Schutzgases G in dem Leitungssystem 301 wie in der zweiten Ausführungsform gleichförmig gemacht werden. Zusätzlich zeigen Experimente und Simulationen, dass wenn das Schutzgas G dazu veranlasst wird, mit der oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3 zu kollidieren, eine Uneinheitlichkeit des Schutzgases G in Bezug auf den Querschnitt des Leitungssystems 301 in einem Vergleich zu einem Fall, in dem das Schutzgas G dazu veranlasst wird, mit der Wandoberfläche des Leitungssystems 301 zu kollidieren, welche dem Durchgangsloch 312 zugewandt ist, reduziert wird, so dass eine Wirkung erzielt wird, bei welcher der Effekt des Geradeausrichtens in dem Leitungssystem 301 hoch ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist es möglich, das Schutzgas G einheitlich zu einer Ausstoßöffnungs-Oberfläche zuzuführen, welche einer Endoberfläche der Gasausstoß-Düse 32 entspricht, indem das Schutzgas G dazu veranlasst wird, mit der oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3 zu kollidieren. Im Ergebnis ist es möglich, die Wirkung des Geradeausrichtens des Schutzgases G in dem Leitungssystem 301 des Bearbeitungskopfes 3 im Vergleich zu dem Fall der zweiten Ausführungsform zu verbessern. Dann kann, verglichen mit dem Fall der zweiten Ausführungsform, das Schutzgas G zu dem Bearbeitungspunkt 231 als eine laminare Strömung bereitgestellt werden, mit einem Effekt des Geradeausrichtens, der verbessert worden ist. Weiter ist auch in der dritten Ausführungsform die Reynolds-Zahl R im Ausstoßöffnungs-Bereich der Gaszufuhr-Düse 34 auf 10100 oder niedriger eingestellt. Im Ergebnis bildet das Schutzgas G an dem Bearbeitungspunkt 231 eine laminare Strömung.
Es wird darauf hingewiesen, dass obwohl 4 einen Fall darstellt, in dem die Gaszufuhr-Düse 34 so vorgesehen ist, dass der innere Flusspfad 343 senkrecht zur seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 ist, die Gaszufuhr-Düse 34 auch schräg an einer seitlichen Oberfläche des Bearbeitungskopfes befestigt werden kann, so dass sich der innere Flusspfad 343 in Richtung der oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3 erstreckt. Weiter kann der Bearbeitungskopf 3 einen Aufbau aufweisen, in welchem die Gaszufuhr-Düse 34 nicht vorgesehen ist, und dafür die Leitung 35 an dem Durchgangsloch 312 befestigt ist.
Vierte Ausführungsform.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer vierten Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Abschnitts in der Nähe der Gaszufuhr-Düse zeigt. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Gaszufuhr-Düse des Bearbeitungskopfes gemäß der vierten Ausführungsform, die ein Beispiel eines Aufbaus der Gaszufuhr-Düse zeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen bildenden Elemente wie diejenigen der ersten bis dritten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, und dass ihre Beschreibung weggelassen wird. Somit wird nachfolgend ein Unterschied zu den ersten bis dritten Ausführungsformen beschrieben.
In der vierten Ausführungsform ist das Durchgangsloch 312 des Kopf-Grundkörpers 31 des Bearbeitungskopfes 3 ähnlich den Durchgangslöchern 312 der ersten und zweiten Ausführungsformen. Das bedeutet, das Durchgangsloch 312 ist durch einen Strömungspfad senkrecht zu der seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 ausgebildet. Das bedeutet, die Position des Durchgangsloches 312 in einer äußeren Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 fällt mit der Position des Durchgangsloches 312 an einer inneren Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31 zusammen.
Derweil ist in der vierten Ausführungsform wenigstens ein Teil des inneren Flusspfades 323 der Gaszufuhr-Düse 34 auf eine solche Weise ausgebildet, dass er sich schräg nach oben geneigt erstreckt. In dem Leitungs-Verbindungsteil 341 erstreckt sich der innere Flusspfad 343 in eine Richtung senkrecht zur seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31, aber in dem Einführ-Teil 342 erstreckt er sich schräg geneigt nach oben, so dass der Auslass 343b des inneren Flusspfades 343 oberhalb des Einlasses 343a angeordnet ist. Das bedeutet, der innere Flusspfad 343 umfasst eine erste Flusspfad-Komponente 3431 und eine zweite Flusspfad-Komponente 3432. Die erste Flusspfad-Komponente 3431 erstreckt sich in eine Richtung senkrecht zu der seitlichen Oberfläche des Kopf-Grundkörpers 31. Die zweite Flusspfad-Komponente 3432 ist mit der ersten Flusspfad-Komponente 3431 verbunden und erstreckt sich schräg geneigt nach oben.
Durch Verbinden der Gaszufuhr-Düse 34, welche einen solchen Aufbau aufweist, mit dem Durchgangsloch 312 des Kopf-Grundkörpers 31 und mit der Leitung 35 ist es möglich, zu veranlassen, dass das Schutzgas G mit der oberen Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3 kollidiert, und eine Geschwindigkeitsverteilung des Schutzgases G in dem Leitungssystem 301 einheitlich zu machen, wie in den zweiten und dritten Ausführungsformen.
Wie vorstehend beschrieben, kann, da der Laserstrahl L ebenfalls zusammen mit dem Schutzgas G durch das Leitungssystem 301 läuft, eine Platte oder dergleichen zum Führen des Schutzgases G nicht in dem Leitungssystem 301 bereitgestellt werden. Daher ist der innere Flusspfad 343, der sich schräg geneigt nach oben erstreckt, in der Gaszufuhr-Düse 34 ausgebildet, und das Schutzgas G wird in das Leitungssystem 301 des Bearbeitungskopfes 3 ausgestoßen. Im Ergebnis ist es möglich, einfach und mit geringen Kosten das Schutzgas G auf die obere Oberfläche des Bearbeitungskopfes 3 anzuwenden, ohne das Erfordernis einer zusätzlichen Komponente in dem Leitungssystem 301. Im Ergebnis kann dieselbe Wirkung wie die in der dritten Ausführungsform auch in der vierten Ausführungsform erzielt werden. Weiter ist auch in der vierten Ausführungsform die Reynolds-Zahl R in dem Ausstoßöffnungs-Bereich der Gaszufuhr-Düse 34 auf 10100 oder niedriger eingestellt. Im Ergebnis bildet das Schutzgas G an dem Bearbeitungspunkt 231 eine laminare Strömung.
Fünfte Ausführungsform.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer fünften Ausführungsform, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus des Bearbeitungskopfes zeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Beschreibung dieselben bildenden Elemente wie diejenigen der ersten bis vierten Ausführungsformen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet werden, und auf ihre Beschreibung verzichtet wird. Somit wird nachfolgend ein Unterschied zu den ersten bis vierten Ausführungsformen beschrieben werden.
Der Bearbeitungskopf 3 gemäß der fünften Ausführungsform unterscheidet sich im Aufbau des Kopf-Grundkörpers 31 von dem Bearbeitungskopf 3 der ersten Ausführungsform. Genauer gesagt umfasst der Kopf-Grundkörper 31 einen Reduzier-Teil 313, um die Querschnittsfläche des Strömungspfades, welcher das Leitungssystem 311 ist, in einem Pfad von der Gaszufuhr-Düse 34 zu der Gasausstoß-Düse 32 auf eine abgestufte Weise zu reduzieren.
In dem in 7 gezeigten Beispiel umfasst der Kopf-Grundkörper 31 eine erste Grundkörper-Komponente 31a, eine zweite Grundkörper-Komponente 31b und das Reduzier-Teil 313. Die erste Grundkörper-Komponente 31a besitzt das Durchgangsloch 312. Die zweite Grundkörper-Komponente 31b ist hinsichtlich der Querschnittsfläche des Leitungssystems 311 kleiner als die erste Grundkörper-Komponente 31a. Das Reduzier-Teil 313 ist an einer Grenze zwischen der ersten Grundkörper-Komponente 31a und der zweiten Grundkörper-Komponente 31b vorgesehen und veranlasst eine Änderung der Querschnittsfläche des Leitungssystems 311 auf eine abgestufte Weise. Die Gasausstoß-Düse 32 ist an einem Ende der zweiten Grundkörper-Komponente 31b bereitgestellt. Das Reduzier-Teil 313 ist ein das Leitungssystem bildendes Element, das senkrecht zu einer Richtung, in welcher sich der Kopf-Grundkörper 31 erstreckt, eine Oberfläche aufweist, und die erste Grundkörper-Komponente 31a und die zweite Grundkörper-Komponente 31b verbindet.
Das Schutzgas G in dem Leitungssystem 301 des Bearbeitungskopfes 3 besitzt eine Komponente, die entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 nach unten strömt. Wenn das Schutzgas G die Gasausstoß-Düse 32 entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 erreicht, tritt im Hinblick auf die Ausstoßöffnungs-Oberfläche der Gasausstoß-Düse 32 eine Uneinheitlichkeit auf, welche eine turbulente Strömung verursacht. Zusätzlich zeigen Simulationen, dass die Komponente des Schutzgases G, welche entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 strömt, eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, welche dazu neigt, eine turbulente Strömung zu verursachen. Daher ist es wünschenswert, die Komponente, welche entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 strömt, so weit wie möglich zu entfernen. Daher ist in dem Kopf-Grundkörper 31 das Reduzier-Teil 313 vorgesehen, wie es in 7 dargestellt ist. Im Ergebnis dient das Reduzier-Teil 313 als eine Barriere gegen die Komponente des Schutzgases G, welche entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 strömt, und entfernt die Komponente des Schutzgases G, welche entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 strömt. Das bedeutet, die Komponente des Schutzgases G, welche entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 strömt, wird daran gehindert, direkt die Gasausstoß-Düse 32 zu erreichen. Im Ergebnis wird das Schutzgas G der Ausstoßöffnungs-Oberfläche der Gasausstoß-Düse 32 einheitlicher zugeführt. Somit kann ein Effekt des Geradeausrichtens verbessert werden.
7 stellt einen Fall dar, in dem der Kopf-Grundkörper 31 ein einzelnes Reduzier-Teil 313 umfasst, aber er kann zwei oder mehr Reduzier-Teile 313 umfassen. In diesem Fall sind die mehreren Reduzier-Teile 313 so vorgesehen, dass die Querschnittsfläche des Leitungssystems 311 stufenweise von der Gaszufuhr-Düse 34 hin zu der Gasausstoß-Düse 32 abnimmt.
Weiter ist, obwohl 7 einen Fall darstellt, in dem ein äußerer Durchmesser des Kopf-Grundkörpers 31 an dem Reduzier-Teil 313 zusammen mit der Querschnittsfläche des Leitungssystems 311 von der Gaszufuhr-Düse 34 hin zu der Gasausstoß-Düse 32 ebenfalls abnimmt, der Aufbau des Bearbeitungskopfes 3 gemäß der fünften Ausführungsform nicht hierauf beschränkt, solange die Querschnittsfläche des Leitungssystems 311 abnimmt. Daher kann der Bearbeitungskopf 3 gemäß der fünften Ausführungsform so konfiguriert sein, dass der äußere Durchmesser des Kopf-Grundkörpers 31 konstant ist, und dass die Querschnittsfläche des Leitungssystems 311 von der Gaszufuhr-Düse 34 zu einem Verbindungteil zur Verbindung mit der Gasausstoß-Düse 32 abnimmt.
Weiter kann, obwohl 7 einen Fall darstellt, in dem das Reduzier-Teil 313 in dem Bearbeitungskopf 3 der zweiten Ausführungsform bereitgestellt ist, das Reduzier-Teil 313 in dem Bearbeitungskopf 3 der ersten, dritten oder vierten Ausführungsform bereitgestellt sein.
In der fünften Ausführungsform besitzt der Bearbeitungskopf 3 das Reduzier-Teil 313, um die Querschnittsfläche des Leitungssystems 301 stufenweise von der Gaszufuhr-Düse 34 hin zu der Gasausstoß-Düse 32 zu reduzieren. Im Ergebnis ist es möglich, die Komponente des Schutzgases G, welche entlang der Innenwand-Oberfläche des Leitungssystems 301 strömt, und welche im Verdacht steht, eine turbulente Strömung zu verursachen, zu entfernen, so dass die geradeausrichtende Wirkung verglichen mit den ersten bis vierten Ausführungsformen weiter verbessert werden kann. Somit kann das Schutzgas G noch einheitlicher zu der hinteren Pulveroberfläche der Gasausstoß-Düse 32 bereitgestellt werden. Im Ergebnis kann das Schutzgas G als eine laminare Strömung zu dem Bearbeitungspunkt 231 zugeführt werden. Weiter wird auch in der fünften Ausführungsform die Reynolds-Zahl R in dem Ausstoßöffnungs-Bereich der Gaszufuhr-Düse 34 auf 10100 oder niedriger eingestellt. Im Ergebnis bildet das Schutzgas G an dem Bearbeitungspunkt 231 eine laminare Strömung.
Die Aufbauten in den vorstehenden Ausführungsformen zeigen Beispiele, und es ist möglich, die Aufbauten mit anderen bekannten Techniken zu kombinieren, oder die Ausführungsformen miteinander zu kombinieren, und es ist auch möglich, die Aufbauten teilweise wegzulassen oder abzuändern, ohne von dem Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Laseroszillator;
2: Lichtwellenleiter;
3: Bearbeitungskopf;
4: Drahtspule;
5: Draht;
6: Drahtdüse;
7: Tragelement;
8: Arbeitstisch;
11: Laser-Output-Steuerung;
12: Gasdurchflussraten-Regulierer;
13: Antriebs-Steuerung;
14: Kopf-Antriebseinheit;
15: Drahtzuführungs-Antriebseinheit;
16: Arbeitstisch-Antriebseinheit;
17: NC-Gerät;
20: Substrat;
21: Wulst;
22: geschmolzene Wulst;
23: Werkstück;
31: Kopf-Grundkörper;
31 a: erste Grundkörper-Komponente;
31b: zweite Grundkörper-Komponente;
32: Gasausstoß-Düse;
33: Schutzplatte;
34: Gaszufuhr-Düse;
35: Leitung;
100: Vorrichtung zur additiven Fertigung;
231: Bearbeitungspunkt;
301, 311, 321: Leitungssystem;
312: Durchgangsloch;
313: Reduzier-Teil;
331: Verbinder;
341: Leitungs-Verbindungsteil;
342: Einführ-Teil;
343: innerer Flusspfad;
343a: Einlass;
343b: Auslass;
3431: erste Flusspfad-Komponente;
3432: zweite Flusspfad-Komponente;
G: Schutzgas;
L: Laserstrahl.

Claims

Vorrichtung zur additiven Fertigung, aufweisend: eine Drahtdüse, um einem Werkstück ein drahtähnliches Material zuzuführen; und einen Bearbeitungskopf, um das auf das Werkstück zugeführte Material mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, und Schutzgas von einer Zufuhrquelle für das Schutzgas auszustoßen, wobei der Bearbeitungskopf umfasst: ein Leitungssystem, das eine zylindrische Form aufweist, und sich in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erstreckt, wobei der Laserstrahl durch das Leitungssystem geführt wird; und eine Gaszufuhr-Öffnung, über welche das Schutzgas von der Zufuhrquelle zu dem Leitungssystem zugeführt wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 1, wobei die Gaszufuhr-Öffnung ein Durchgangsloch ist, welches eine seitliche Oberfläche des Bearbeitungskopfes parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls durchsetzt.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 2, wobei das Durchgangsloch die seitliche Oberfläche in einer Richtung senkrecht zu der seitlichen Oberfläche durchsetzt.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 2, wobei eine Position des Durchgangsloches, welche dem Leitungssystem zugewandt ist, näher an einer Ebene des Einfalls des Laserstrahls in dem Bearbeitungskopf angeordnet ist, als eine Position des Durchgangsloches, welche einem Äußeren des Bearbeitungskopfes zugewandt ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 4, wobei der Bearbeitungskopf weiter eine Gaszufuhr-Düse umfasst, die einen inneren Flusspfad besitzt, und die Gaszufuhr-Düse mit dem Durchgangsloch verbunden ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 1, wobei der Bearbeitungskopf weiter eine Gaszufuhr-Düse umfasst, die einen inneren Flusspfad besitzt, die Gaszufuhr-Düse in einem Durchgangsloch vorgesehen ist, welches in einer seitlichen Oberfläche des Bearbeitungskopfes parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bereitgestellt ist, und die Gaszufuhr-Öffnung der Auslass der Gaszufuhr-Düse ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 6, wobei der Einlass und der Auslass der Gaszufuhr-Düse in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls an einer selben Position angeordnet sind.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 6, wobei in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls eine Position des Auslasses der Gaszufuhr-Düse näher an einer Ebene eines Einfalls des Laserstrahls in dem Bearbeitungskopf angeordnet ist, als eine Position des Einlasses.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Bearbeitungskopf ein Reduzier-Teil besitzt, um eine Querschnittsfläche des Leitungssystems in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls stufenweise zu reduzieren.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Reynolds-Zahl in einem Ausstoßöffnungs-Bereich der Gaszufuhr-Öffnung gleich 10100 oder niedriger ist.
Bearbeitungskopf zum Bestrahlen eines drahtähnlichen Materials mit einem Laserstrahl, wobei das Material von einer Drahtdüse auf ein Werkstück zugeführt wird, und zum Ausstoßen von Schutzgas von einer Zufuhrquelle des Schutzgases, der Bearbeitungskopf aufweisend: ein Leitungssystem, das eine zylindrische Form aufweist und sich in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erstreckt, wobei der Laserstrahl durch das Leitungssystem geführt wird; und eine Gaszufuhr-Öffnung, von welcher das Schutzgas von der Zufuhrquelle dem Leitungssystem zugeführt wird.