JP2016014188A - 繊維強化を用いた付加製造方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維強化を用いた付加製造方法及びシステムを提供すること。【解決手段】繊維強化複合物体を製造する付加製造方法は、粉末材料の少なくとも第１の層を用意し、粉末材料の少なくとも第１の層に隣接して繊維材料を配設して繊維強化層を形成し、粉末材料の少なくとも第１の層にレーザーエネルギーを加えて粉末材料を繊維強化複合物体の繊維強化層に隣接した少なくとも第１のレーザー融着材料層に融着せしめることを含む。【選択図】 図１
Description
本明細書に開示された主題は、付加製造方法及びシステムに関し、より詳細には、繊維強化を用いた付加製造方法及びシステムに関する。
付加製造プロセスは、一般に、除去加工方法とは対照的に、最終形状又は最終形状近くの物体を作製するのに１つ以上の材料の積み重ねを伴う。「付加製造」は工業規格の用語（ＡＳＴＭ Ｆ２７９２）であるが、付加製造には、様々な名称により知られている種々の製造技法及び試作技法が包含され、フリーフォーム製造、３Ｄ印刷、迅速試作／ツーリングなどが含まれる。付加製造技法は、幅広い材料からから複雑なコンポーネントを製造することができる。一般に、独立している物体は、コンピュータを利用した設計（ＣＡＤ）モデルにより製造することができる。例示的な付加製造プロセスの１つは、エネルギービーム、例えば電子ビーム、又はレーザービームなどの電磁放射線を使用して粉末材料を焼結又は溶融し、粉末材料の粒子が共に接合されている固体の３次元物体を生成する。異なる材料システム、例えば、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマ、金属、及びセラミックスが使用され得る。レーザー焼結又はレーザー溶融は、機能的な試作品及びツールの迅速な製造のための例示的な付加製造プロセスの１つである。応用には、インベストメント鋳造用のパターン、射出成形及びダイカスト用の金型、砂型鋳造用の鋳型及びコア、並びに比較的複雑なコンポーネント自体が含まれ得る。設計段階中のコミュニケーションやコンセプト試験を助ける試作品の製造は、付加製造プロセスについて他の潜在的な使用である。同様に、鋳造又は鍛造を含む他の製造技法を受け入れにくい内部経路の設計などのより複雑な設計を含むコンポーネントは、付加製造方法を用いて製造することができる。
レーザー焼結は、微粉末を焼結又は溶融ためにレーザービームを用いて３次元（３Ｄ）物体を生産することを指し得る。具体的には、焼結は、粉末材料の融点未満の温度で粉末粒子を融着すること（塊にすること）を伴い得るのに対して、溶融は、粉末粒子を完全に溶融して固体の均一な塊を形成することを伴い得る。レーザー焼結又はレーザー溶融に関連した物理的プロセスは、粉末材料への熱伝達を含み、次いで粉末材料を焼結又は溶融の何れかを行う。レーザー焼結及びレーザー溶融のプロセスは、広範な粉末材料に適用することができるが、製造ルートの科学技術的態様、例えば、層製造プロセス中の焼結速度又は溶融速度、及び微細構造の発達に関する処理パラメータの影響は、様々な製造の考慮事項をもたらし得る。例えば、この製造方法は、熱、質量、及び運動量伝達、並びに化学反応の複数のモードにより達成することができる。
レーザー焼結する／溶融技法は、具体的には、基板（例えば、ビルドプレート）上の制御された量の粉末材料（例えば、粉末金属材料）上へレーザービームを投射し、それにより融着した粒子の層又はその上の溶融材料を形成することを伴い得る。しばしばスキャンパターンと呼ばれる予め定められた経路に沿って基板に対してレーザービームを移動させることにより、この層は、基板上で２次元（例えば、「ｘ」方向及び「ｙ」方向）に定められ得、（例えば、「ｚ」方向の）層の高さ又は厚さは、レーザービームと粉末材料とのパラメータにより一部決定される。スキャンパターンは、スキャンベクトル又はハッチラインとも呼ばれる平行な走査線を含むことができ、２本の隣接した走査線の間の距離は、ハッチ間隔と呼ばれ得、これはレーザービームの直径よりも小さいものとすることができ、粉末材料の完全な焼結又は溶融を確実にするのに十分な重なりを実現するようになっている。スキャンパターンの全部又は一部に沿ったレーザーの移動の繰り返しにより、更なる材料層が堆積され、次いで焼結又は溶融され、それにより３次元物体の製造を助けることができる。
例えば、レーザー焼結及び溶融技法は、１０６４ｎｍ又はそれくらいで動作するＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの連続波（ＣＷ）レーザーを用いることを含み得る。そのような実施形態は、修理用途に特に適した比較的高い材料堆積速度を助けることができ、又はそこで続く機械加工動作が完成品を実現するために許容される。代替として又は加えて、他のレーザー焼結及び溶融技法が、１つ以上の３次元物体の製造を助けるために異なるタイプのレーザー、異なる出力／波長パラメータ、異なる粉末材料、又は様々なスキャンパターン、例えばパルスレーザーなどを利用することができる。しかし、３次元物体の結果として得られた物理特性（例えば、強度、重量、密度等）は、元の粉末材料の組成、及び粉末材料の焼結及び／又は溶融の続く影響に依存し得る。
したがって、代替の繊維強化を用いた付加製造方法及びシステムが、当業界で望まれている。
一実施形態では、繊維強化複合物体を製造する付加製造方法が開示されている。この方法は、粉末材料の少なくとも第１の層を用意し、粉末材料の少なくとも第１の層に隣接して繊維材料を配設して繊維強化層を形成し、粉末材料の少なくとも第１の層にレーザーエネルギーを加えて粉末材料を繊維強化複合物体の繊維強化層に隣接した少なくとも第１のレーザー融着材料層に融着せしめることを含む。
別の実施形態では、付加製造により製造される繊維強化複合物体が開示されている。繊維強化複合物体は、レーザーにより融着された粉末材料を含む複数のレーザー融着材料層と、隣接したレーザー融着材料層間に配設された１つ以上の繊維強化層とを含む。
さらに別の実施形態では、繊維強化複合物体を製造する付加製造システムが開示されている。付加製造システムは、ビルドプレートと、ビルドプレート上へ粉末材料層を配設する粉末リコーターと、ビルドプレート上へ繊維材料層を配設する繊維織工機とを備える。この付加製造システムは、繊維強化複合物体の複数のレーザー融着材料層を反復により構築するようにその上に配設された粉末材料層を焼結するようにビルドプレートに向って向けられるレーザービームを生成するレーザー生成システムであって、繊維材料の１つ以上の繊維強化層が隣接したレーザー融着材料層間に配設されたレーザー生成システムとをさらに備える。
本明細書で論じられた実施形態により与えられるこれら及び追加の特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明に鑑みてより十分に理解されよう。
図面に記載した実施形態は、本質的に例示的且つ代表的であり、特許請求の範囲により定められる本発明を限定するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読むとり理解できる。ここで、同様の構造は、同様の参照符号で示される。
以下、本発明の１つ以上の特定の実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を与えるために、実際の実施に係る全ての特徴は、本明細書に説明されていない可能性がある。何らかのエンジニアリング又は設計プロジェクトにおけるような、そのような任意の実際の実装の開発において、実装ごとに変わり得るシステム関連の制約及びビジネス関連の制約の順守などの開発者の特定の目的を実現するために、多数の実装に特有の決定がなされなければならないことを理解されたい。また、さらに、そのような開発努力は複雑で時間がかかり得るが、この開示の利益を受ける当業者にとっては、それでも設計、製造及び製造の普通の作業であることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」及び「ｓａｉｄ」はその要素が１つ以上あることを意味することを意図する。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する」は包括的であることを意図し、列挙される要素以外の追加の要素があってもよいことを意味する。
本明細書に開示した付加製造方法及びシステムは、繊維強化複合物体の製造に利用することができる。具体的には、１つ以上の繊維強化層は、ビルドプレート上に繊維材料を配設する繊維織工機をビルドプレート上に粉末材料を配設する粉末リコーターと共に組み込む付加製造方法／システムによる複数のレーザー融着材料層と一体化することができる。レーザーは、それにより、１つ以上の繊維強化層を内部に組み込みつつ粉末材料の個々の層を焼結することができる。結果として得られた繊維強化複合物体は、それにより、繊維強化層の結果として、異なる物理的特性（例えば、強度、重さ、密度など）を持つことができる。具体的には、強度は、繊維材料の強度及び／又は配向に応じて、１つ以上の方向で増加し得る。さらに、繊維強化複合物体全体の重さは、粉末材料の少なくとも一部を繊維材料と置き換えることにより非繊維強化複合物体に対して変える（例えば、減少する）ことができる。さらにいくつかの実施形態では、加熱、冷却などを助けるために内部の気体及び／又は流体の流れ用の中空通路を設けることなどにより、繊維材料は、繊維強化複合物体への追加の機能を助ける中空管を備えることができる。これら及び追加の実施形態は、付加製造方法、付加製造システム、及びそれから製造された繊維強化複合物体が本明細書により詳細に開示されているので、より良く理解されるはずである。
本明細書に用いられる場合、「付加製造」は、３次元の物体という結果になる任意のプロセスを指し、この物体の１つの層の形状を一度に連続的に形成する段階を含むことも理解されたい。付加製造プロセスは、例えば、三次元印刷、レーザーネット形状製造法、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、プラズマトランスファアーク、フリーフォーム製造などを含む。付加製造プロセスの例示のタイプの１つは、粉末材料を焼結又は溶融するためにレーザービームを使用する。付加製造プロセスは、粉末材料又はワイヤを原材料として用いることができる。またさらに、付加製造プロセスは、一般に、複数の薄いユニット層を連続的に形成して物体を作成する物体（物品、コンポーネント、部品、製品など）を製造する迅速なやり方に関し得る。例えば、粉末材料の層が、設けられ（例えば、被せられ）、エネルギービーム（例えば、レーザービーム）で照射され得、各層内の粉末材料の粒子を連続的に焼結（融着）又は溶融して層を固化するようになっている。
次に、図１及び図２を参照すると、例示的な付加製造システム１０の図が示されている。付加製造システム１０は、一般に、繊維強化複合物体５０を製造するために組み合わされる複数のコンポーネントを収容する及び／又はそれと連通する（図２により詳細に示された）付加製造装置１００を備える。例えば、付加製造システム１０は、少なくともビルドプレート５５、粉末材料６０をビルドプレート５５に与える粉末リコーター１６０、ビルドプレート５５上に繊維材料８０を配設する繊維織工機１８０と、例えばビルドチャンバー５１内に全て組み込まれ得るレーザー生成システム４０とを備えることができる。
ビルドプレート５５は、構築プロセス中に粉末材料６０と繊維材料８０とを受け入れる任意の表面を備えることができる。いくつかの実施形態では、ビルドプレート５５は、移動可能にすることができる。例えば、ビルドプレート５５は、繊維強化複合物体５０の層ごとの構築プロセスを助けるために垂直方向に移動可能であり得る。さらにいくつかの実施形態では、ビルドプレート５５は、水平平面（例えば、図２に示したｘ−ｙ平面）方向に移動可能であり得る。さらにいくつかの実施形態では、ビルドプレート５５は、それが軸を中心にして回転することができるように移動可能であり得る。さらにビルドプレート５５は、任意の他の方向又は複数の方向にさらに移動可能とすることができ、任意の適切な機構（例えば、ギア、モータ、ピニオンとラック装置など）を介して移動することができる。移動可能なビルドプレート５５は、繊維織工機１８０に対して移動することにより、繊維材料８０の正確な堆積を促進するのを助けることができることを理解されたい。同様に、移動可能なビルドプレート５５は、レーザー生成システム４０に対して移動することにより、粉末材料６０の選択的焼結を促進するのを助けることができる。
図１及び図２をさらに参照すると、粉末リコーター１６０は、ビルドプレート５５上へ粉末材料６０を配設する（例えば、設ける）任意の装置を備えることができる。ビルドプレート５５上へ粉末材料６０を堆積することは、ビルドプレート５５上へ粉末材料６０を直接堆積すること、又はビルドプレート５５上へ構築された繊維強化複合物体５０上へ粉末材料６０を堆積することを含むことができることを理解されたい。具体的には、粉末リコーター１６０は、レーザー生成システム４０のレーザービーム４２による続く焼結のために、（上部に構築される任意の部分的な繊維強化複合物体５０を含む）ビルドプレート５５上へ粉末材料６０のフレッシュな層を繰り返し設けることができる。それにより、粉末リコーター１６０は、粉末材料６０の層ごとの付加を通じて繊維強化複合物体５０の製造を助けることができる。いくつかの実施形態では、粉末リコーター１６０は、ビルドプレート１６０の全体上に新しい粉末材料６０を設けることができる。他の実施形態では、粉末リコーター１６０は、（粉末材料６０の焼結が必要な部分だけなど）ビルドプレート５５の選択部分にだけ粉末材料６０を選択的に設けることができる。
粉末リコーター１６０は、個々の層をレーザー焼結するために任意の適切な厚さに粉末材料６０をさらに設けることができる。また、粉末リコーター１６０は、粉末材料６０の堆積を容易にするために任意の適切な方向に移動することができる。例えば、いくつかの実施形態では、粉末リコーター１６０は、単一の方向（例えば、図２に示したような「ｙ」方向）に平行移動することができる。他の実施形態では、粉末リコーター１６０は、側面（例えば、図２に示したｘ−ｙ平面）内の任意の方向に移動することができる。
粉末リコーター１６０により設けられた粉末材料６０は、レーザー生成システム４０のレーザービーム４２により焼結できる任意の材料を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、粉末材料は、粉末金属を含むことができる。そのような粉末金属には、非限定の例により、コバルトクロム合金、アルミニウム及びその合金、チタン及びその合金、ニッケル及びその合金、ステンレス鋼、タンタル、ニオブ、又はその組合せが含まれ得る。他の実施形態では、粉末材料６０は、粉末セラミック又は粉末プラスチックを含むことができる。さらに、粉末材料６０は、粉末リコーター１６０による堆積及びレーザー４０のレーザービーム４２による焼結に適した任意の粒径を備えることができる。例えば、粉末材料６０の粒径は、繊維強化複合物体５０の各ビルド層の所望の厚さに一部応じ得る。いくつかの特定の実施形態では、粉末材料は、約１０ミクロン乃至約１００ミクロンの平均粒径を備えることができる。
図１及び図２をさらに参照すると、繊維織工機１８０は、ビルドプレート５５上へ繊維材料８０を配設する（例えば、設ける）任意の装置を備えることができる。ビルドプレート５５上への繊維材料８０を堆積することは、ビルドプレート５５上へ繊維材料８０を直接堆積させること又はビルドプレート５５上に構築されている繊維強化複合物体５０上へ繊維材料８０を堆積させることを含み得ることも理解されたい。いくつかの実施形態では、繊維織工機１８０は、ビルドプレート５５上へ繊維材料８０を選択的に堆積させるために、繊維材料８０のスプールから解く装置を備えることができる。他の実施形態では、繊維織工機１８０は、領域全体をわたって繊維材料８０のブランケットを置くことができる。さらにいくつかの実施形態では、繊維織工機１８０は、選択位置で繊維材料を選択的堆積又は「印刷」することができる。
さらに、繊維織工機１８０は、繊維材料８０の堆積を助けるために任意の適切な方向に移動させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、繊維織工機１８０は、単一の方向（例えば、図２に示したような「ｘ」方向）に平行移動することができる。そのような実施形態は、同じビルドチャンバー５１内の直角方向（例えば、「ｙ」方向）に移動する粉末リコーター１６０を特に収容することができる。他の実施形態では、繊維織工機１８０は、側面（例えば、図２に示したｘ−ｙ平面）内の任意の方向に移動される。
繊維織工機１８０により設けられた繊維材料８０は、焼結された粉末材料６０がそのまわりに築きあげられつつ、繊維強化複合物体５０の内部に配設できる任意の材料を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、繊維材料８０は、隣接した粉末材料６０に焼結するときにレーザービーム４２のパワーによって繊維材料８０が溶融しないように選択され得る。いくつかの実施形態では、繊維材料８０は、繊維強化複合物体５０の強度又は他の物理特性の向上をもたらすように選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、繊維材料８０、１つ以上の材料又は合金を含むことができる。さらにいくつかの実施形態では、繊維材料８０は、炭素繊維材料を含むことができる。さらにいくつかの実施形態では、繊維材料８０は、中空管を含むことができる。そのような実施形態は、加熱、冷却などを助けるために、内部の気体及び／又は流体の流れ用の通路（すなわち、中空管）を設けること等により、繊維強化複合物体５０への追加の機能を助けることができる。さらに、繊維材料８０は、繊維強化複合物体５０内の配置に適している様々なサイズ及び直径を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、繊維材料８０は、ビルド層厚さｔ以下である直径（すなわち、レーザービーム４２により融着された粉末材料６０の各反復層の厚さ）を含むことができる。
繊維材料８０は、ビルドプレート５５に様々な構成で配設され得る。例えば、いくつかの実施形態では、繊維材料８０は、単方向性パターンで配設され得る。本明細書に用いられる場合、「単方向性パターン」は、同じほぼ平行な方向に全て並べられる複数の繊維を含む。例えば、単方向性パターンは、「ｘ」方向に全てが延びる複数の繊維を備えることができる。いくつかの実施形態では、繊維材料８０は、複数の方向のパターンに配設され得る。本明細書に用いられる場合、「複数の方向のパターン」は、複数の方向に配設される複数の繊維を含む。例えば、繊維は、一部が「ｘ」方向に延びると共に一部が「ｙ」方向に延びるように二方向のパターンで配設され得る。代替として、複数の方向のパターンは、２つの異なる方向以上のものを含み得る。さらにいくつかの実施形態では、複数の方向のパターンは、様々な方向の何れかに延びる線形及び／又は非線形な繊維の幅広いアレンジを含むことができる。繊維材料８０の方向は、１つ以上の向きにおける繊維強化複合物体５０の強度の増加又は他の物理特性の向上を助ける部分に基づいて選択され得ることを理解されたい。
図１及び図２をさらに参照すると、レーザー生成システム４０は、粉末材料６０を複数のレーザー融着材料層に焼結できるビルドプレート５５に向って向けられるレーザービーム４２を生成できる任意のタイプのレーザーシステムを備える（図３に示した要素６１を参照）。
具体的には、レーザー生成システム４０は、粉末材料６０の層ごとの局所的な融着（溶融又は焼結）を実行するように構成され得る。いくつかの実施形態では、レーザー生成システムは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを備える。いくつかの実施形態では、レーザー生成システム４０は、ファイバレーザー（すなわち、アクティブゲイン媒体がエルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ジスプロシウム、プラセオジム、及びツリウムなどの希土類元素でドープされた光ファイバのレーザー）を含む。そのような実施形態では、誘導ラマン散乱、又は四光波混合などの繊維の非線形性がゲインを与えることもでき、それによりファイバレーザー用のゲイン媒体として働く。さらにいくつかの実施形態では、レーザー生成システム４０は、ガウシアンスタイル封止チューブＣＯ2レーザーを含む。レーザー生成システム４０は、連続的な及び／又はパルス状であるレーザービーム４２を生成することができる。さらに、レーザー生成システム４０は、粉末材料６０を複数の層に融着するのに適した任意の一貫した又は可変のパワーを有するレーザービーム４２を生成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、レーザー生成システム４０は、約２００ワット乃至約１，０００ワット以上からのレーザービーム４２を生成することができる。しかし、代替として又は加えて、任意の他のタイプ及びパワーのレーザーが、粉末材料６０の特性等に基づいて利用することができることを理解されたい。
レーザー生成装置４０は、それにより、粉末材料６０の連続した層を融着する（焼結する又は溶融する）ためにレーザービーム４２を生成することができる。例えば、粉末材料６０の各層は、約５ミクロン乃至約２，０００ミクロンのビルド層厚さｔを有することができる。いくつかの実施形態では、粉末材料６０の各層は、約１０ミクロン乃至約２００ミクロン、又はさらには、約２０ミクロン乃至約５０ミクロンのビルド層厚さｔを有することができる。さらにいくつかの実施形態では、粉末材料のビルド層厚さは、レーザービーム４２のパワーで拡縮することができる。
図１及び図２をさらに参照すると、いくつかの実施形態では、１つ以上のガス７０が付加製造装置１００のビルドチャンバー５１内などの付加製造システム１０内で利用できる。例えば、いくつかの実施形態では、付加製造プロセスは、不活性雰囲気下で実行され得る。いくつかの実施形態では、このガスには、ヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素、空気、亜酸化窒素、アンモニア、二酸化炭素、及びそれらの組合せが含まれ得る。
さらにいくつかの実施形態では、付加製造システム１０は、粉末材料６０がレーザービーム４２により融着される前に、加熱ガス７０を通じてなど、粉末材料６０を加熱することができ得る。さらに、加熱ガス７０は、粉末材料６０のすでに処理された層の温度を融着される層の温度の近くで維持することを助けることができるように、ビルドチャンバー５１内の他の物体を加熱することができる。
付加製造システム１０は、ビルドプレート５５、粉末リコーター１６０、繊維織工機１８０、及び／又はレーザー生成システム４０を、制御信号３２を介して制御するコントローラー３０をさらに備えることができる。代替として、異なるコンポーネントのそれぞれは、付加製造システム１０全体を動作させるように組み合わされている個々の又は部分的に共有されたコントローラー３０を備えることができる。さらにいくつかの実施形態では、コンポーネントの１以上は、コントローラー３０に加えて又はその代わりに操作者により少なくとも一部手動で制御することができる。
例えば、動作時、繊維強化複合物体５０の形態及び材料ビルドアップは、コンピュータ内などの設計データファイル２０として与えられ得る。設計データファイル２０は、様々な形態をとることもできる。例えば、設計データファイル２０は、コンピュータを利用した設計（ＣＡＤ）ファイル又はスキャンデータであり得る。３次元電子表現のＣＡＤファイルは、ステレオリソグラフすなわち標準トライアングル言語（ＳＴＬ）ファイル形式などの業界で利用できる別のファイル形式に変換され得る。次いで、ＳＴＬ形式は、任意の適切なスライス用プログラムによって処理されて、繊維強化複合物体５０を、（図３に例示的に示したような）レーザー融着材料層６１及び繊維強化層８１を含む２次元スライスとして表される繊維強化複合物体５０を含むＳＴＬフォーマットファイルに変換する電子ファイルを生成することができる。
このプロセスから発生した層情報は、次いで、コントローラー３０の中に入力でき、コントローラー３０は、付加製造装置１００のコンピュータ（図示せず）へ送られる制御信号３２を生成してビルドプレート５５、粉末リコーター１６０、繊維織工機１８０、及び／又はレーザー生成システム４０を制御して繊維強化複合物体５０を層ごとに構築する。
図１及び図２に示した付加製造システム１０及び付加製造装置１００は、異なる環境が実装され得るやり方に対する物理的及び／又はアーキテクチャ的制限を示唆することを意味していないと理解されたい。例えば、図１及び図２中の機能コンポーネントとして示した異なるコンポーネントは、特定の実装に応じて追加のブロックに組み合わされてもよいし、又は追加のブロックにさらに分離されてもよい。
次に図３をさらに参照すると、付加製造システム１０が、繊維強化複合物体５０を製造するために利用され得る。繊維強化物体５０は、複数のレーザー融着材料層６１を備え、それぞれがレーザーにより融着された粉末材料を含む。本明細書で論じる場合、複数のレーザー融着材料層６１の各々は、コバルトクロム合金などの様々な粉末材料を融着することにより形成することができる。さらに、各レーザー融着材料層６１は、元の粉末材料６０及びレーザービーム４２に基づいているビルド層厚さｔを備えることができる。例えば、各レーザー融着材料層６１は、約５ミクロン乃至約２，０００ミクロンのビルド層厚さｔを備えることができる。さらにいくつかの実施形態では、異なるレーザー融着材料層６１は、異なる材料、異なる厚さ、又は他の異なる特性を有し得る。
繊維強化複合物体５０は、隣接したレーザー融着材料層６１間に配設された１つ以上の繊維強化層８１をさらに備える。繊維強化層８１は、炭素繊維又は任意の他の金属若しくは合金の繊維などの繊維材料８０を含む。繊維強化層８１の繊維材料８０は、単方向の繊維、複数の方向の繊維、中実の繊維、中空管、また他の変形形態のように様々な構成を有することができる。
いくつかの実施形態では、繊維強化複合物体５０は、レーザー融着材料層６１と繊維強化層８１との交互の層を備えることができる。しかし、いくつかの実施形態では、複数のレーザー融着材料層６１は、繊維強化層８１間に配設することができる。さらに、レーザー融着材料層６１と同様に、異なる繊維強化層８１が、異なる材料、異なる厚さ、異なる配向、又は他の異なる特性を有し得る。
結果として得られた繊維強化複合物体５０は、それにより、意図された用途における性能を助けるように様々なカスタマイゼーションを用いて設計及び製造することができる。いくつかの実施形態では、繊維強化複合物体５０は、燃焼段又は熱いガス路段に用いられるコンポーネントなどのガスタービンコンポーネントを含むことができる。他の実施形態では、繊維強化複合物体５０は、レーザー融着材料層６１と繊維強化層８１との組合せを含むのに適した任意の他のタイプのコンポーネントを含むことができる。
次に図４をさらに参照すると、本明細書に開示及び説明された付加製造システム１０などを用いることなどで、上で論じたように繊維強化複合物体５０を製造する方法２００が示されている。
方法２００は、段階２１０において、粉末材料６０からなる少なくとも第１の層を用意し、段階２２０において、粉末材料の少なくとも第１の層６０に隣接して繊維材料８０を配設して繊維強化層８１を形成することを含む。段階２１０において、粉末材料６０を用意し、段階２２０において繊維材料８０を配設することは、例えば、本明細書に開示したような付加製造システム１０を用いて、手動で、又はそれらの組合せで達成することができる。この方法２００は、段階２３０において、粉末材料の少なくとも第１の層６０にレーザー生成システム４０などによってレーザーエネルギーを加えて、粉末材料６０を少なくとも第１のレーザー融着材料層６１に融着するようになっていることをさらに含む。それにより、本明細書で論じたように、第１のレーザー融着材料層６１及び隣接した繊維強化層８１は組み合わさって繊維強化複合物体５０を少なくとも一部形成する。いくつかの実施形態では、段階２３０において、レーザーエネルギーを加えて粉末材料６０を融着することは、レーザーの複数の通過を含み得、すなわち、レーザーが複数回反復して目標領域に当たって粉末材料６０を融着するのに十分なエネルギーを与える。
具体的には、方法２００は、繊維強化複合物体５０が完成しているか判定する処理段階２４０をさらに含むことができる。方法２００が完了していない場合、この方法２００は、段階２１０に戻ることができ、粉末材料６０の少なくとも第２の層を用意し、段階２３０において、粉末材料６０の少なくとも第２の層にレーザーエネルギーを続けて加える。繊維強化複合物体５０の設計に応じて、この繰り返しは、段階２２０において、追加の繊維材料８０を配設して追加の繊維強化層８１を形成することを含むこともできる。それによって、方法２００は、段階２５０において最終的な繊維強化複合物体５０が完成するまで、任意の所望の個数及び順序のレーザー融着材料層６１及び繊維強化層８１を設けるように反復することができる。
本発明を限られた個数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されたい。むしろ、本発明は、以上に記載されていなくても本発明の趣旨及び範囲に見合う任意の個数の変形例、代替例、置換例、又は均等な構成を組み込むように修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の各態様は、説明した実施形態の一部だけを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明により限定されるとみなされるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
１０ 付加製造システム
２０ 設計データファイル
３０ コントローラー
３２ 制御信号
４０ レーザー生成システム
４２ レーザービーム
５０ 繊維強化複合物体、繊維材料、ビルドチャンバー
５１ ビルドチャンバー
５５ ビルドプレート
６０ 粉末材料
６１ レーザー融着材料層
７０ ガス、加熱ガス
８０ 繊維材料
８１ 繊維強化層
１００ 付加製造装置
１６０ 粉末リコーター、ビルドプレート
１８０ 繊維織工機
２０ 設計データファイル
３０ コントローラー
３２ 制御信号
４０ レーザー生成システム
４２ レーザービーム
５０ 繊維強化複合物体、繊維材料、ビルドチャンバー
５１ ビルドチャンバー
５５ ビルドプレート
６０ 粉末材料
６１ レーザー融着材料層
７０ ガス、加熱ガス
８０ 繊維材料
８１ 繊維強化層
１００ 付加製造装置
１６０ 粉末リコーター、ビルドプレート
１８０ 繊維織工機
Claims (20)
- 繊維強化複合物体を製造する付加製造方法であって、
粉末材料の少なくとも第１の層を用意し、
粉末材料の少なくとも第１の層に隣接して繊維材料を配設して繊維強化層を形成し、
粉末材料の少なくとも第１の層にレーザーエネルギーを加えて粉末材料を繊維強化複合物体の繊維強化層に隣接した少なくとも第１のレーザー融着材料層に融着せしめることを含む方法。 - 粉末材料の少なくとも第２の層を用意し、
粉末材料の少なくとも第２の層にレーザーエネルギーを加えて粉末材料を繊維強化複合物体の少なくとも第２のレーザー融着材料層に融着せしめることをさらに含む、請求項１記載の付加製造方法。 - 粉末材料の少なくとも第２の層に隣接した追加の繊維材料を配設して追加の繊維強化層を形成することをさらに含む、請求項２記載の付加製造方法。
- 粉末材料がコバルトクロム合金を含む、請求項１記載の付加製造方法。
- 繊維材料が繊維を含む、請求項１記載の付加製造方法。
- 繊維材料が中空管を含む、請求項１記載の付加製造方法。
- 粉末材料の少なくとも第１の層にレーザーエネルギーを加えることが、レーザーエネルギーの複数の通過を含む、請求項１記載の付加製造方法。
- 繊維材料の直径が粉末材料のビルド層の厚さ以下である、請求項１記載の付加製造方法。
- 付加製造により製造される繊維強化複合物体であって、
レーザーで融着させた粉末材料を含む複数のレーザー融着材料層と、
隣接したレーザー融着材料層間に配設された１以上の繊維強化層とを備える繊維強化複合物体。 - 繊維強化層がほぼ単方向性パターンで配設された複数の繊維を含む、請求項９記載の繊維強化複合物体。
- 繊維強化層が複数の方向のパターンに配設された複数の繊維を含む、請求項９記載の繊維強化複合物体。
- 粉末材料がコバルトクロム合金を含む、請求項９記載の繊維強化複合物体。
- 繊維材料が繊維を含む、請求項９記載の繊維強化複合物体。
- 繊維材料が中空管を含む、請求項９記載の繊維強化複合物体。
- 繊維強化複合物体を製造する付加製造システムであって、
ビルドプレートと、
ビルドプレート上へ粉末材料層を配設する粉末リコーターと、
ビルドプレート上へ繊維材料層を配設する繊維織工機と、
繊維強化複合物体の複数のレーザー融着材料層を反復により構築するようにその上に配設された粉末材料層を焼結するようにビルドプレートに向って向けられるレーザービームを生成するレーザー生成システムであって、繊維材料の１以上の繊維強化層が隣接したレーザー融着材料層間に配設されたレーザー生成システムと
を備える付加製造システム。 - ビルドプレートが移動可能である、請求項１５記載の付加製造システム。
- 粉末リコーター、繊維織工機、及びレーザー生成システムを制御するコントローラーをさらに備える、請求項１５記載の付加製造システム。
- コントローラーがビルドプレートの移動をさらに制御する、請求項１７記載の付加製造システム。
- 繊維材料が繊維を含む、請求項１５記載の付加製造システム。
- 繊維材料が中空管を含む、請求項１５記載の付加製造システム。
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