JP2004536229A - 精密な幾何学的形状の工作物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、精密な幾何学的形状と高い表面品質とを持つ工作物の製造装置と製造方法に関し、特に形成ツールに関する。好ましくは、互いの最上層に粉末コーティングをするという工程を用い、圧縮により、工作物を構成する。なお、上記工程はコンピューター制御されている。粉末が圧縮された後、その表面が、機械的方法により、精密に機械加工される。機械加工の間中、製造される工作物は粉末状の原料に包まれている。

Description

【０００１】
本発明は、電磁波または粒子の放射により、層をなして平行方向に付着している粉末状の原材料を連続的に圧縮して、２つの実質的に垂直な側面と１つの実質的に水平な上面とを含んでなる少なくとも１つのトレース（Spur）で構成されている各層が、順に、つくられる予定の次の層の土台を形成し、上記２つの垂直な側壁の少なくとも１つは、層をなして平行方向に付着している粉末状の原材料の圧縮の後に、機械的な仕上げ加工をされており、また、形成された工作物は、その製造の間原材料に包まれている。さらに、本発明は上記した方法を実施する装置のためのものである。
【０００２】
ＤＥ１９５ ３３ ９６０ Ｃ２は、各材料層を、トレースの形態で基部に付着させた後、それぞれをレーザービームにより融合または圧縮させる方法を開示している。続いて、第２層を付着させて圧縮し、同様にして、所望の工作物の高さに応じた数の層をレーザービームにより付着させて圧縮する。新しい層を付着させるにあたっては、この新しい層は、常に前に付着させられた層の表面に結合される。工作物による粉末や金材の生成は、切削工程による側面および表面双方の仕上げ加工に続いて起こる。この知られている方法の場合は、溶融されていない粉末を常に吹き付けや吸引により作業場所から取り除くことに留意しなければならない。
【０００３】
この知られている方法では、放射装置および機械加工装置をコンピューター制御した場合に、精密な寸法の工作物を比較的短い時間で製造できる。しかし、この知られている製造方法では、製造された工作物の端部すなわち側面部で、材料の密度が均一でなくなり、特に空隙が生じる可能性があることが問題となる。
【０００４】
この問題を解決するために、ＤＥ １９５ ３３ ９６０ Ｃ２は、所望の外形範囲を超えて材料を溶融し、続いて機械加工することにより、工作物の際立って突出した端部を取り除くことを提案している。この手順により、実際に多くの側面部の材料を取り除くことができ、均一な材料の密度を達成できる。しかし、これは費用がかかり、すなわち作業時間やツールのコストが高くなるので好ましくない。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、工作物の外形表面の機械的な仕上げ加工において、実質的に材料の費用を減らし、同時に高品質な外形表面を確保する方法を提供することである。
【０００６】
本発明に関して、上記目的は、電磁波または粒子の放射により、層をなして平行方向に付着させられている粉末状の原材料を連続的に圧縮し、これにより、２つの実質的に垂直な側面と１つの実質的に水平な上面とを含んでなる少なくとも１つのトレースで構成されている各層が、順に、つくられる予定の次の層の土台を形成するという工作物の製造方法であって、上記２つの垂直な側壁の少なくとも１つた、層をなして平行方向に付着させられている粉末状の原材料の圧縮の後に、機械的な仕上げ加工をされており、形成された工作物が、その製造の間原材料に包まれており、ｎ番目の層の垂直側壁の機械的な仕上げ加工がｎ＋ｘ番目の層の生成の後にのみ行われる方法によって解決される。
【０００７】
以下では、それぞれの最新の層、すなわちある時点で上方の最後の層を形成している層をｎ番目の層と称する。このｎ番目の層より下にあるすべての層をｎ−ｘ番目の層と称し、この時点において、これから製造されなければならないすべての層をｎ＋ｘ番目の層と称する。
【０００８】
本発明における好ましい方法では、ｎ番目の層の仕上げ加工は、ｎ番目の層からそれより上にあるｎ＋ｘ番目の層までの幾何学的距離が十分に大きく、ゆがみの効力をもつ温度衝撃がｎ番目の層に作用していないときにのみ始められる。
【０００９】
本発明にかかる方法にしたがって工作物を製造するとき、工作物の外形を越えた領域において基部上に層の厚さの粉末状の原材料を付着させる。次の工程では、放射の作用範囲に対応するトレースの幅において、トレースにこの粉末状原材料の圧縮がもたらされる。層の構成としては、通常複数のトレースからなり、しかし、少なくともただ１つのトレースからなり、これらのトレースは、個々のトレースの端部が隣接するトレースの端部と重なるように圧縮され、そして、隣接するトレースを圧縮する間に、均質なトレースが製造されるように圧縮される。トレースにより形成された層を製造する場合は、種々のトレーシングの方法を選ぶことができる。
【００１０】
例えば、最も外側の外形トレースが第１トレースにより形成され、続いてこの閉鎖された外形トレース内部に形成された内側の空間を、曲がりくねった形状のパターンにて埋める。これにより、最終的に均質な層が製造される。しかし、このように形成された上記内側の空間を、例えばらせん状に類似したパターンにて埋めることも可能である。
【００１１】
圧縮ビーム（電磁波ビームまたは粒子ビーム）の精密な制御により、さらに、端部外形の領域、すなわち工作物の最外の外形トレースの材料の性質を調節できる。
【００１２】
ビーム出力または領域ユニットごとのエネルギー供給を増やすことで、材料の溶融相の割合が増え、材料の高圧縮をもたらし、したがって良好な機械的性質をもたらす。しかし、工作物の直接の端部、すなわち側部表面の領域では、このような粉末状の材料の圧縮は、構造の不精密さを招くこととなる。高いビーム強度の欠点は、ｎ−１番目もしくはさらなる層において、結果として粉末の固着を招くような温度影響があることである。それぞれに繰り返される、すでに形成されたｎ−ｘ番目の層の温度衝撃により、いわゆる工作物の外形のゆがみが生じる可能性がある。
【００１３】
本発明にかかる方法は、一定の数の層を完了した後にのみ、機械的な仕上げ加工を行うことで、この工作物の外形への温度影響を考慮した。本発明によれば、現在製造されている層までのこれらの距離により、工作物のゆがみをもたらす温度衝撃を受けない層でのみ仕上げ加工が行われる。
【００１４】
本発明に従えば、いくつかの層が同時に仕上げ加工を受けられる。個々の層が次の詳細な記述のようなものであれば、当然これらは複数の個々の層からなる層のパッケージをも含んでなるものである。
【００１５】
仕上げ加工が行われる層の数の決定は、例えば、外形によって決められてもよい。勾配が頻繁に変わる外形の場合は、いくつかの層の仕上げ加工よりも、少ない層の仕上げ加工の方がより好ましい。
【００１６】
本発明による方法および装置は添付した図面の例の方法により説明される。
【００１７】
図１は、本発明にかかる方法を実行する場合の配置の模式的図面である。
【００１８】
図２から９は、本発明に係る方法の個々のステップを示したものであり、本発明にかかる方法をより良く図示するために層のパッケージを示している。
【００１９】
図２は、第１層のパッケージの製造の後の工作物の模式的な断面を示す図面である。図３は、第２層のパッケージを有する図２の工作物の模式的な断面を示す図面である。図４は、第１層のパッケージが仕上げ加工された図３の工作物の模式的な断面を示す図面である。図５は、さらなる層のパッケージを生成した後の図４の工作物の模式的な断面を示す図面である。図６は、さらなる層のパッケージの仕上げ加工を完了した後の図５の工作物の模式的な断面を示す図面である。図７は、最後の層のパッケージを生成した後の図６の工作物の模式的な断面を示す図面である。図８は、最後から２番目の層のパッケージの仕上げ加工を完了した後の図７の工作物の模式的な断面を示す図面である。図９は、最後の層のパッケージの仕上げ加工を完了した後の図８の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【００２０】
図１に従った配置では、製造される工作物が１として示されている。この製造は、精密に所定の層の厚さｓとなっている粉末状の原材料３を、リフティング装置７により、矢印方向２７に垂直に上下動可能な作業テーブル５に付着させることにより成立する。スターティング層の厚さは、図に示す層ｎ、層ｎ−１層、または層ｎ−２の層厚に等しい。粉末状の原材料が付着される領域は、工作物の所望の最終の外形を超えなければならない。
【００２１】
作業テーブル５の上には加工ユニット２０が配置され、加工ユニット２０はその全体を矢印方向２９に動かすことができ、好ましくは図の平面に垂直である。加工ユニット２０の動きは制御装置１１によりコンピューター制御されており、制御装置１１は同時に作業テーブル５のリフティング動作をも制御している。加工ユニット２０は、実質的に、放射源６と、アクチュエーターユニット１０により動かされる１つまたはいくつかの鏡、または、所望の部品外形に対応して、２調整の（Zwei-koordinatensteuerung）制御により放射源６から放射するビーム１８を作業台５にガイドするための同等のガイド装置と、からなる。放射装置６、８、１０に加えて、加工ユニット２０は機械的仕上げ加工のための加工装置も含んでいる。図１に示される加工装置は、制御ユニット１１に制御されている適切な駆動ユニット９を備えたミリングツール２である。図１に示されるように、ミリングツール２は機械的仕上げ加工のために粉末状の原材料３に進入し、これにより、その製造の間中およびしたがって機械的仕上げ加工の間中、工作物１が粉末状の仕上げ材３に包まれている。さらに、ドレシングバー４が加工ユニット２０に備えられており、これにより、作業テーブル５に関して加工加工ユニット２０を横方向に動かすことで、作業テーブル５に付着した粉末状の原材料３が一定の層厚に分布させられる。ドレシングバー４は同時に粉末状原材料３の供給装置として設計されていてもよい。
【００２２】
作業テーブル５に粉末状の原材料３の第１層を付着させた後、原材料は、対応するビーム１８の制御により、および、要求に応じて、付加的に加工ユニット２０の作業テーブル５への相対運動をさせることにより、所望のトレースに圧縮される。１つの層を付着させて圧縮させた後の各々の時間に、作業テーブル５をリフティング装置７により１つの層の厚さ分低くする。
【００２３】
１番目（ｎ番目の層）の形成のための放射と粉末状の原材料の圧縮に続いて、さらに（ｎ＋１番目；ｎ＋２番目；ｎ＋３番目；．．．；ｎ＋ｘ番目）の層が付着され、所望の、好ましくは記録に保存されている外形に対応したこの方法により圧縮される。この仕上げ加工されていない層の機械的仕上げ加工は、仕上げ加工されていない層から次に示す程度の間隔を空けて離れている新しい層が生成された後にのみ、開始される。上記間隔は、この新しい層から放射される温度効果が、仕上げ加工されていない層にどんなゆがみももたらすことがないもしくはできない程度の間隔である。
【００２４】
このｎ番目の層が、ｎ−ｘ番目の層に関して熱の影響をもたらさないという基準が満たされている場合に、ｎ−ｘ番目の層の仕上げ加工が始まる。最初に言及したように、同じことが、ｎ−ｘ番目の層のパッケージの仕上げ加工に関するｎ番目の層のパッケージにも適用できる。
【００２５】
図２の配置は、高さ△ｚで、２重のハッチング密度で表される、第１層のパッケージＡの製造後の工作物１を示している。工作物１は基部Ｓに搭載され、基部Ｓの高さはミリングオフセット△ｈに一致させることが有利である。工作物１は、外形２に一致した最終外形となる予定であり、外形体３内に位置する。この外形体３は、特定数の、高さ△ｈの層のパッケージから製造されており、パッケージはそれぞれ同様に複数の層からなる。外形体３と工作物１との間の寸法の違いは、機械的な仕上げ加工により除かれる。したがって、完成した工作物は最後の層のパッケージの機械的な仕上げ加工の後にできあがる。
【００２６】
図３は、第１層のパッケージＡの上部に第２層のパッケージＢを生成させた後の工作物１の状態を示し、第２層のパッケージＢも△ｚの高さを有している。しかし、それぞれの層のパッケージの高さは変化させることも可能であり、例えば最終外形の外形形状の関数によって変化させてもよい。実質的に表面の勾配が変わる外形の場合は、パッケージの高さを低くすることも有効である。同様に、層のパッケージの高さは、ミリング機のタイプによって決まる。基本的に層のパッケージの高さは、選択されたミリング機によって、所望の表面品質を保ちながら、あらゆる所望の外形が達成できるように選択されなければならない。実質的な技術的寸法は、例えばボールエンドミル（Kugelfraeser）の半径にしてもよい。
【００２７】
図４は、第１の機械的仕上げ加工を完了した後の層のパッケージＡの状態を示すものである。機械的仕上げ加工は、好ましくはエンドミルまたはボールエンドミルにより行われ、工作物１の外形体３と最終外形２との間の寸法の違いを取り除く。仕上げ加工の完了後、新しい層のパッケージが製造され、仕上げ加工は少なくとも次の層のパッケージが製造されるまで先送りされる。
【００２８】
図５は、２つの層のパッケージＭとＭ＋１の状態を模式的に示したものである。図６は仕上げ加工された層のパッケージＭを示す。図７に示されるように、層のパッケージＭ＋１の上に位置する最終層のパッケージＭ＋２は、実際の最終外形の高さｈよりも一定量Ｈ−ｈだけ突き出すような寸法とすることが有利である。最終層の層のパッケージＭ＋２の完了により、工作物１の層の構造は完成する。
【００２９】
図８に示される次の作業ステップでは、層のパッケージＭ＋１の機械的な仕上げ加工がなされる。ここでは、外形形状の理由により、突出している層のパッケージＭ＋２の一部もすでに除かれている。そのとき残されている、層のパッケージＭ＋２の突出部の残りは、図９に示すように、最後の機械的仕上げ加工によりに取り除かれる。この最後の作業ステップにより、工作物１の作成は完全に完了する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による方法を実行する場合の配置の模式的な図面である。
【図２】第１層のパッケージの製造の後の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図３】第２層のパッケージを有する図２の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図４】第１層のパッケージが仕上げ加工された図３の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図５】さらなる層のパッケージを生成した後の図４の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図６】さらなる層のパッケージの仕上げ加工を完了した後の図５の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図７】最後の層のパッケージを生成した後の図６の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図８】最後から２番目の層のパッケージの仕上げ加工を完了した後の図７の工作物の模式的な断面を示す図面である。
【図９】最後の層のパッケージの仕上げ加工を完了した後の図８の工作物の模式的な断面を示す図面である。

Claims (6)

1. 電磁波または粒子の放射により、層をなして平行方向に付着している粉末状の原材料（３）を連続的に圧縮し、これにより、２つの実質的に垂直な側面と１つの実質的に水平な上面とを含んでなる少なくとも１つのトレースで構成されている各層が、順に、つくられる予定の次の層の土台を形成する工作物の製造方法であって、
   上記２つの垂直な側壁の少なくとも１つが、層をなして平行方向に付着している上記粉末状の原材料（３）の圧縮の後に、機械的な仕上げ加工をされ、
   形成される上記工作物（１）が、その製造の間粉末状の原材料（３）に包まれており、ｎ番目の層の垂直側壁の機械的な仕上げ加工はｎ＋ｘ番目の層の生成の後にのみ行われる工作物の製造方法。
2. ｎ番目の層の製造とこの層の機械的仕上げ加工の始まりとの間に、少なくとも１つのさらなる層が製造される請求項１に記載の方法。
3. 複数の層が同時に仕上げ加工される請求項１または２に記載の方法。
4. 複数の層が含まれた層のパッケージを形成している請求項１に記載の方法。
5. ｎ−１番目の層のパッケージの機械的仕上げ加工がｎ番目の層のパッケージの生成後に始まることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 特に請求項１から５の何れか１項に記載の方法を実行する工作物の製造装置であって、
   粉末状の原材料（３）により覆われた、低位置の作業テーブル（５）と、
   垂直方向および水平方向に移動可能に設計され、作動のために制御装置（１１）と接続できる加工ユニット（２０）と、を有し、
   上記加工ユニット（２０）が、少なくとも１つの放射源（６）と、アクチュエーティングユニット（１０）により制御可能な少なくとも１つの鏡ユニット（８）と、を含んでなり、これにより、上記放射源（６）から放射されるビーム（１８）を、所望の部品の外形に対応して２調整の制御により制御できる少なくとも１つの鏡ユニット（８）を介して、作業テーブル（５）にガイドでき、
   上記加工ユニットがさらに、実質的に垂直な面の機械的仕上げ加工のための加工装置を含んでなり、
   制御装置（１１）がさらに、ｎ番目の層の機械的仕上げ加工について、製造される工作物の熱特性に依存して、ｎ＋ｘ番目の層の完成に関する時間遅延の制御をする手段を含んでなる工作物の製造装置。

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