JP2016135911A - 付加製造用の工作機械システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】付加製造技術を用いて粉体を、ニアネットシェイプ製品に製造する装置、およびそれを用いてニアネットシェイプ製品を製造する方法を提供する。【解決手段】制御装置と、前記制御装置からの指示に応答して、複数の次元で移動可能なワークプラットホームと、前記制御装置からの指示に従って動作する前記ワークプラットホームに近接するレーザとを備え、前記ワークプラットホーム上に供給された、付加材料を含むフィルムは、前記レーザによって加熱されたときに溶融し、前記レーザによる加熱を介して各層から前記付加材料が溶融される結果として、付加材料の連続する層が溶融によって形成されるニアネットシェイプ製の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、一般的なコンピュータ数値制御工作機械に関し、より詳細には、専用の付加材料を用いた方法及び装置に関する。

従来、材料は、粗い製造技術（例えば、鋳造、圧延、鍛造、押出し成形及びスタンピング）と、仕上げ製造技術（例えば、機械加工、溶接、はんだ付、研磨）との組み合わせを通じて、要求された形状及び組立品に処理される。最終的に複雑な組立品を生産するために、使用可能な形状（「ネットシェイプ」）、条件は、適正な形状に成形された適正な材料のみならず、適正な金属特性（例えば、様々な熱処理、加工硬化、複雑な微細構造）の組み合わせを有すること要求し、通常、時間、機械及び労力について、かなりの投資を要求する。

一以上の粗い処理及び仕上処理は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械を用いて実行される。このような工作機械は、旋盤、フライス盤、研削盤及び他のタイプの工作機械を含む。最近では、多様な工作機械の形式を有し、多様な異なる加工処理を実行可能な単一の機械であるマシニングセンタが開発された。マシニングセンタは、通常、一以上の工具を保持する主軸保持部及びタレット保持部などの一以上の工具保持部、並びに、一組のチャックなどのワーク保持部を含む。ワーク保持部は、工具がワークに接触させられている間、固定されているか、又は移動（平行移動、及び／又は回転）し、これによって、ワークから原料が除去される間、減法製造処理を実行する。

原価、費用、複雑さやその他の要因のために、最近では、従来の材料製造手順の一部又は全部を付加製造技術によって置き換えることを許容する代替技術に関心が集まっている。ワークからの原料の精密な除去に焦点を合わせた減法製造処理とは対照的に、付加製造処理は、通常、コンピュータによる制御環境で精密に材料を付加する。付加製造技術は、従来の製造技術を用いると、複数の構成部品から組み立てられる必要がある複雑な形状の構成体を、継ぎ目のないものにすることを可能にすることなどによって、製造の可能性を広げるであろう。本明細書及び添付された特許請求の範囲のために、「複数」という用語は常に「二以上」を意味する。付加技術が減法処理に置き換わる機会は、付加処理において使用可能な材料の範囲、付加技術を用いて達成可能な大きさ及び表面仕上げ、材料の付加速度など、幾つかの要素に依存している。付加処理は、有利には、複雑で精密なネットシェイプ部品を、使用のために前もって製造可能である。しかしながら、場合によっては、付加処理は、幾つかの段階の仕上げを必要とする「ニアネットシェイプ」製品を生成します。

しかしながら、幾つかの付加技術、特に、粉末をベースとした処理において、幾つかの欠点がある。幾つかの例では、製造される部品上に堆積される粉末の僅か５％が実際に処理されるが、回収され、リサイクルされるべき粉末として９５％が残る。多くのオペレータは現場で自らリサイクルを扱いたくないので、外部サービスの不便とコストを要する。粉末は、従来の適用ではかなり流動的であるので、しばしば支持構造は少しオーバハングするデザイン又は同様のデザイン上の特徴を含まなければならなかった。ついで、これらの支持構造物は、ミル又は他の工具を用い、ポストプロセシングによって除去されなければならない。また、粉体の流動性のために、粉体の均一な厚さに影響することから、重力を維持すべく、粉体は実質的に水平表面上に堆積されなければならない。各付加層が付加された後に、加工表面を新しい粉体で再被覆する必要性は、処理を遅らせ、また、部品を製造する間に失われる粉体の量を悪化させる。最後に、以前の粉体の残留によって新しい粉体が汚染されるのを防止するためにクリーニングが必要であることから、粉体の堆積及び必然的な粉体の「ダスト」の残留は、後の計画が、異なる粉体の合金間で迅速に切り換えるのを困難にする。

本発明の一つの態様において、工作機械は、制御装置と、前記制御装置からの指示に応答して、複数の次元で移動可能なワークプラットホームと、前記制御装置からの指示に従って動作するワークプラットホームに近接するレーザとを備える。フィルムは、前記レーザによって加熱されたときに溶融する、選択された付加材料を含み、ワークプラットホームに取り付けられるワークは、レーザによる加熱を介して各層から付加材料が溶融される結果として、付加材料の連続する層が溶融によって形成される。

本発明の他の態様は、ワークを形成するために、付加材料を堆積させる工程を備える方法であり、この方法は、付加材料を含むフィルムを供給する工程と、前記フィルムの第１の部分を、前記ワークを覆うように配置する工程と、付加材料の予め設定した領域において、ワーク上への溶融が生じるように、前記フィルムの第１の部分の予め設定した領域を加熱する工程と、加熱する間、前記予め設定した領域を酸化から保護する工程とを含んでいる。前記フィルムの第２の部分はワーク上に配置され、前記フィルムの第２の部分の予め設定された第２の領域は、この予め設定した第２の領域において、付加材料のワーク上への溶融が生じるように加熱される。

本発明の他の態様では、装置は、制御装置と、前記制御装置からの指示に応答して、複数の軸で移動可能なワークプラットホームと、前記制御装置により操作され、前記制御装置からの指示に応答し、少なくとも２つの軸において移動可能で、前記ワークプラットホームに近接するレーザとを備える。フィルムは金属からなる付加材料を含み、移送組立体は前記制御装置からの指示に応答して、前記フィルムの未使用部分を前記ワークプラットホームに移動させるように構成され、前記ワークプラットホームに連結される前記ワークは、レーザを用いた付加材料の溶融により連続的に堆積される付加材料層によって形成される。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記フィルムには箔として供給される金属付加材料が含まれる。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記フィルムには、付加材料に連結されたキャリアが含まれ、前記付加材料はレーザによって溶融されたとき、前記キャリアから分離するように更に選択される。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記キャリアは犠牲層を含み、前記付加材料は接着剤又は静電気の電荷の一つを用いて前記犠牲層に付着される。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記キャリアは第１及び第２の犠牲層を含み、前記付加材料は前記第１及び第２の犠牲層の間に配置される。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記キャリアは更に第３の犠牲層を含み、第２の付加材料が第２及び第３の犠牲層の間に配置される。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記第２の付加材料は前記付加材料とは異なっている。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記付加材料は前記キャリア中に埋め込まれている。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、繰出リール及び巻取リールが動作するように前記制御装置に連結されるとともに、前記制御装置からの指示に応答して前記フィルムを前記ワークに順次供給するように構成される。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、多軸機構は、前記制御装置からの指示に応答して、複数の配向位置の一つに前記フィルムを搬送するように構成されている。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記制御装置は、前記フィルムの以前の使用についての情報を利用して、次の溶融操作のために、未使用部分について前記フィルムを再配置するように構成されている。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記フィルムは、キャリアを有する一以上の半硬質のシートとしてのフィルムを供給することを含み、前記キャリアには付加材料が付着されている。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記フィルムの前記第１の部分及び第２の部分は、それぞれ形状が平面である別々のフィルムのシートであり、前記第２の部分を配列することは、前記第１の部分と平行に前記第２の部分を配置することを含む。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、前記第２の部分を配列することは、前記第１の部分の予め設定された領域を含むフィルムの未使用領域を配列することを含む。

本発明の他の態様では、ここで明らかにされた幾つかの態様の結合であり、ワークから材料を選択的に除去するために工具が提供される。

開示される方法及び装置のより完全な理解のために、付属図面により詳細に図示された実施態様が参照される。

図１は、安全扉が閉じた状態で示された、本発明の一実施形態に従ったコンピュータ数値制御工作機械の正面図である。

図２は、安全扉が開いた状態で示された、図１に示すコンピュータ数値制御工作機械の正面図である。

図３は、図１及び２に示されたコンピュータ数値制御工作機械の幾つかの内部要素を示す斜視図であり、加工主軸、第１チャック、第２チャック及びタレットを描写している。

図４は、図３について拡大された斜視図であり、加工主軸、並びに主軸を移動させるための水平及び垂直に配置されたレールを図示している。

図５は、図１に示されたマシニングセンタの第１チャック、加工主軸及びタレットの側面図である。

図６は、図５と同様の図であり、加工主軸がＹ軸方向に移動している。

図７は、図１に示されたコンピュータ数値制御工作機械の主軸、第１チャック及び第２チャックを示す正面図であり、この主軸の回転動作の可能な経路を描写する線を含んでいる。

図８は、図３について拡大された、図３に示される第２チャックの斜視図である。

図９は、図２に示された第１チャック及びタレットの斜視図であり、図２におけるタレットの位置に関連し、Ｚ軸方向におけるタレット及びタレットストックの動作を描写している。

図１０は、正面扉が開いた状態の、図１に示すコンピュータ数値制御工作機械の正面図である。

図１１は、図１に示した工作機械用の付加製造装置を示す図である。

図１２は、付加製造用の２つのキャリア及び材料を有するフィルムの側面図である。

図１３は、付加製造用の単一のキャリア及び材料を有するフィルムの側面図である。

図１４は、付加製造用の単一のキャリア及び材料を有するフィルムの側面図である。

図１５は、フィルムの平面図である。

図１６は、図１に示した工作機械用の、他の実施形態の付加製造装置を示す図である。

図１７は、付加製造動作中のワークを示した図である。

図１８は、異なる構成における付加製造動作中のワークを示した図である。

図１９は、付加製造用のキャリア及び材料を有するフィルムのシートを示した斜視図である。

図２０は、図１９のフィルムのシートを用いた付加製造動作中のワークを示した図である。

図２１は、異なる構成における、図１９のフィルムのシートを用いた付加製造動作中のワークを示した図である。

図２２は、他の異なる構成における、図１９のフィルムのシートを用いた付加製造動作中のワークを示した図である。

図２３は、更に他の異なる構成における、図１９のフィルムのシートを用いた付加製造動作中のワークを示した図である。

図２４は、ワーク製造方法のフローチャートである

図面は必ずしも縮尺通りではなく、また、開示された実施形態は時に概略的に、また、部分図に図示されていると理解されるべきである。或る例では、開示された方法及び装置の理解のために詳細は必要ないか、又は、他の詳細を理解させることが困難になる場合には省略されている。当然のことながら、この開示は、ここに図示された特定の実施形態に限定されないと理解されるべきである。

適した装置は、ここに開示される方法とともに用いられる。幾つかの実施形態において、方法は、一般的に図１−１０に図示されるコンピュータ数値制御工作機械を用いて実行される。コンピュータ数値制御工作機械は他の実施形態において、それ自身提供される。図１−１０に示される工作機械１００は、本願の譲受人であるＤＭＧ／Ｍｏｒｉ Ｓｅｉｋｉ ＵＳＡから入手されるバージョンのＮＴシリーズに係る工作機械である。しかしながら、ここに開示される方法を実行するために他の工作機械を用いることができる。

図１−３に示されたＮＴシリーズの工作機械を参照すると、一般的に、一つの適したコンピュータ数値制御工作機械１００は、工具保持部（主軸１４４に結合される主軸保持部、又はタレット１０８に結合されるタレット保持部など）、又はワーク保持部（チャック１１０，１１２など）である少なくとも第１保持部及び第２保持部を有する。図示された実施形態において、コンピュータ数値制御工作機械１００は、主軸１４４，タレット１０８，第１チャック１１０及び第２チャック１１２を備えている。また、以下に詳細に説明するように、コンピュータ数値制御工作機械１００は、第１保持部及び第２保持部を制御するためにこれらに操作可能に結合されたコンピュータ制御システムを有する。幾つかの実施形態では、コンピュータ数値制御工作機械１００は上記要素の全ては含まず、また、他の実施形態では、コンピュータ数値制御工作機械１００は、ここで指定された要素以外の追加的な要素を含む。

図１及び２に示されるように、前記コンピュータ数値制御工作機械１００は、一般的に、ワーク（図示せず）上に様々な操作を生じさせる加工チャンバ１１６を有する。前記主軸１４４，タレット１０８，第１チャック１１０及び第２チャック１１２は、それぞれ前記加工チャンバ１１６内に、完全に又は部分的に配置される。示される実施形態では、２つの移動可能な扉１１８が、コンピュータ数値制御工作機械１００の動作中に、ユーザが傷つく又は干渉するのを防止するために、チャンバ１１６からユーザを分離する。安全扉１１８は、図２に示すように、チャンバ１１６へのアクセスを許可するために開かれる。ここでは、コンピュータ数値制御工作機械１００は、図４に描写される３つの直交直線軸（Ｘ，Ｙ及びＺ）について説明され、以下でより詳細に説明される。Ｘ，Ｙ及びＺ軸回りの回転軸は、それぞれ「Ａ」，「Ｂ」及び「Ｃ」回転軸を内包している。

コンピュータ数値制御工作機械１００は、このコンピュータ数値制御工作機械内の様々な手段を制御するためのコンピュータ制御システムを備えている。図示された実施形態では、工作機械は、２つの連結されたコンピュータシステムである、ユーザインターフェースシステム（図１において一般的に符号１１４で示される）を含む第１コンピュータシステムと、操作可能に前記第１コンピュータシステムに連結される第２コンピュータシステム（図示せず）とを備えている。前記第２コンピュータシステムは、前記ユーザインターフェース１１４がオペレータに第２コンピュータシステムを制御することを許可している間、工作機械の主軸，タレット及び他の手段の動作を直接制御する。要するに、機械制御システム及びユーザインターフェースシステムは、工作機械における動作制御のための様々な機構と共に、単一のコンピュータ制御システムと見做される。

コンピュータ制御システムは、メインメモリに接続された中央処理装置（ＣＰＵ）を有する機械制御回路を含んでいても良い。前記ＣＰＵは、ＩｎｔｅｌやＡＭＤによって製造された適当なプロセッサを含む。一例として、ＣＰＵは、マスタープロセッサ、スレーブプロセッサ、セカンダリプロセッサ又はパラレルプロセッサを含む複数のマイクロプロセッサを含んでいる。ここで用いられるような機械制御回路は、工作機械１００と、バス，他のコンピュータ，プロセッサ，デバイス，サービス又はネットワークとの間のデータ伝送を制御する、又はこれらと通信するように構成された当該工作機械１００の内部又は外部に設けられるハードウエア、ソフトウエア及びファームウエアの結合を含む。前記機械制御回路、より具体的には前記ＣＰＵは一以上のコントローラ又はプロセッサを含み、このような一以上のコントローラ又はプロセッサは互いに接近して配置される必要は無く、異なるデバイス又は異なる位置に配置されていても良い。前記機械制御回路、より具体的には前記メインメモリは、互いに接近して配置される必要が無く、また、異なるデバイス又は異なる位置に配置されていても良い、一以上のメモリディバイスを含む。前記機械制御回路は、ここに開示される様々な工作機械の方法及び他の処理の全てを実行するように動作可能である。

幾つかの実施形態では、ユーザは、機械にプログラミングを付与するためにユーザインターフェースシステムを操作し、他の実施形態では、プログラムは外部のソースを介して工作機械にロード又は転送される。例えば、プログラムは、ＰＣＭＣＩＡインターフェース，ＲＳ−２３２インターフェース，ユニバーサルシリアルバスインターフェース（ＵＳＢ）又はネットワークインターフェース，特にＴＣＰ／ＩＰネットワークインターフェースを介してロードされることが意図される。他の実施形態では、工作機械は従来のＰＬＣ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）機構（図示せず）を介して制御される。

更に、図１及び２に示されるように、コンピュータ数値制御工作機械１００は工具マガジン１４２及び工具交換装置１４３を有する。これらは、スピンドル１４４と協働して、複数の工具の内の一つを用いた動作を主軸に許容する。一般的に様々な工具が提供され、幾つかの実施形態では、同じタイプの複数の工具が提供される。

主軸１４４は、Ｘ軸及びＺ軸に沿った運動を可能にするキャリッジ組立体１２０上、並びに主軸１４４がＹ軸方向に動かされるのを可能にするラム１３２上に設けられている。ラム１３２は、以下により詳細に説明されるように、主軸がＢ軸方向に回転するのを可能にするモータを備えている。図示されるように、キャリッジ組立体は、第１キャリッジ１２４及び主軸１４４のＸ軸における移動を生じさせる２つの垂直なねじ状のレール（符号１２６で示される一つのレール）に沿って跨る第１キャリッジ１２４を有する。また、キャリッジ組立体は、第２キャリッジ１２８及び主軸１４４のＺ軸における運動を可能にする、水平に配設された２つのねじ状のレール（図３において符号１３０で示されるもの）に沿って跨る第２キャリッジ１２８を含んでいる。各キャリッジ１２４，１２８は、複数のボールねじ装置を介してレールに係合しており、これにより、それぞれレール１２６，１３０が回転することで、Ｘ軸又はＺ軸でのキャリッジの移動を生じさせる。レールは、水平及び垂直に配設された各レール用のモータ１７０，１７２を備えている。

スピンドル１４４は、工具保持部１０６及び主軸接続手段によって工具１０２を保持する。主軸接続部１４５（図２に示される）は主軸１４４に接続され、主軸１４４内に含まれている。工具保持部１０６は、主軸接続部に接続され、工具１０２を保持する。主軸接続部の様々なタイプがこの分野で知られており、このコンピュータ数値制御工作機械１００で使用することができる。通常、主軸接続部は主軸の寿命のために主軸内に含まれている。図５及び６において、主軸１４４のためのアクセスプレート１２２が示されている。

第１チャック１１０は爪１３６を備えており、コンピュータ数値制御工作機械１００の基台１１１に対して固定されたストック１５０に配設される。また、第２チャック１１２は爪１３７を備えており、コンピュータ数値制御工作機械１００の基台１１１に対し移動可能になっている。より具体的には、工作機械１００は、これまで説明したように、ボールねじ機構を介して第２ストック１５２のＺ軸方向への移動を生じさせるために、ねじ状のレール１３８及びモータ１３９を備えている。削りくずの除去を補助するために、ストック１５２は遠い側の傾斜面１７４、並びにＺ軸方向に傾斜した面１７７，１７８を有するサイドフレーム１７６を備えている。チャック１１０，１１２のために、図１及び２に示される圧力計１８２及び制御ノブ１８４などの、油圧制御及びこれに関連する計器が提供される。各ストックは、チャックを回転させるためのモータ（それぞれ１６１，１６２）を備えている。

図５、６及び９において最も良く描写されるタレット１０８は、レール１３８に係合し、ボールねじ装置を介してＺ軸方向に移動するタレットストック１４６（図５）に設けられている。タレット１０８は、図９に図示されるように様々なタレットコネクタ１３４を備えている。各タレットコネクタ１３４は、工具保持部１３５又は工具に接続する他の接続具に接続可能になっている。タレット１０８は様々なタレットコネクタ１３４及び工具保持部１３５を持つことができるので、異なる様々な工具をタレット１０８によって保持することができ、動作せることができる。タレット１０８は、工具保持部の異なるもの（それ故、多くの実施形態では異なる工具）をワークに提供するために、Ｃ’軸方向に回転される。

したがって、広い範囲の多様な動作が実行されることが分かりる。工具保持部１０６に保持される工具１０２に関し、このような工具１０２はチャック１１０，１１２の一方又は両方によって保持されるワーク（図示せず）に対して押し付けられる。工具１０２の交換が必要であるか又は望ましいとき、代わりの工具１０２が工具交換装置１４３の手段によって工具マガジン１４２から取り出される。図４及び５に関し、主軸１４４はＸ軸及びＺ軸方向（図４に示される）、並びにＹ軸方向（図５及び図６に示される）に移動する。Ｂ軸における回転は図７に描写されており、図示された実施形態では、垂直の各側において１２０°の範囲内で回転可能となっている。Ｙ軸方向の運動及びＢ軸の回転はキャリッジ１２４の後に配設されたモータ（図示せず）によって動力が供給される。

図２及び７に見られるように、一般的に、工作機械は、チャンバ１１６の壁を画定し、このチャンバから削りくずが出るのを防止するために、複数の垂直に設けられたリーフ１８０、及び水平に設けられたリーフ１８１を備えている。

工作機械の要素１００は、これまで説明された要素に限定されない。例えば、幾つかの例では、追加のタレットが提供される。他の例では、追加のチャック及び／又は主軸が提供される。一般的に、工作機械はチャンバ１１６内に冷却液を導入するための一以上の機構を備えている。

図示された実施形態では、コンピュータ数値制御工作機械１００は多数の保持部備えている。爪１３６との組み合わせであるチャック１１０は保持部を形成し、爪１３７との組み合わせであるチャック１１２も同様である。多くの例では、これらの保持部はワークを保持するために用いられる。例えば、チャック及びこれが結合されるストックは、回転するワークに対して、ヘッドストック及び選択的なテールストックとして、旋盤と同様の方法で機能するであろう。主軸１４４及び主軸接続部１４５は他の保持部を形成する。同様に、タレット１０８は、複数のタレットコネクタ１３４を備えたとき、複数の保持部（図９に示される）を提供する。

コンピュータ数値制御工作機械１００は、この分野で知られた相当数の異なるタイプのいずれか、又は適当であると思われる他のものを用いることができる。例えば、工具１０２は、コンピュータ数値制御工作機械１００に対して適当であると思われる、フライス工具、穴あけ工具、研削工具、ブレード工具、ブローチ工具、旋削工具又は他のタイプの切削工具などの切削工具であって良い。以下でより詳細に説明するように、追加的に又は選択的に、工具は付加製造技術のために構成される。いずれの場合も、コンピュータ数値制御工作機械１００は一以上のタイプの工具を備え、工具交換装置１４３及びマガジン１４２の機構を介して、主軸１４４はある工具から他の工具へ交換される。同様に、タレット１０８は一以上の工具１０２を備え、オペレータは、新しいタレットコネクタ１３４を適位置に導くべくタレット１０８を回転させることにより、工具１０２間で切り換える。

図１０において、コンピュータ数値制御工作機械１００は安全扉を開いた状態で図示されている。示されるように、コンピュータ数値制御工作機械１００は、少なくとも、主軸１４４に配設された工具保持部１０６、タレット１０８、一以上のチャック又はワーク保持部１１０，１１２、及びコンピュータ数値制御工作機械１００のコンピュータ制御システムに接続するように構成されたユーザインターフェース１１４を備えている。工具保持部１０６、主軸１４４、タレット１０８及びワーク保持部１１０，１１２はそれぞれ加工領域１９０内に配設され、選択的に回転可能、及び／又は一以上の様々な軸に沿って互いに相対的に移動可能になっている。

例えば、図１０に示されるように、Ｘ，Ｙ及びＺ軸は直交する移動方向を示し、一方、Ａ，Ｂ及びＣ軸はそれぞれＸ，Ｙ及びＺ軸回りの回転方向を示している。これらの軸は三次元空間内における描写された移動を助けるように提供される。したがって、付属する特許請求の範囲から逸脱することなく、同等の構成を用いることができる。加えて、描かれた移動のためのこれらの軸の使用は、互いに直交する実際の物理的な軸、並びに物理的には直交しないが、工具の経路がまるでそれらの軸が物理的に直交しているかのように振る舞うように、制御装置によって操作される仮想軸を包含することを意図している。

図１０に示された軸に関し、工具保持部１０６は、それが支持される主軸１４４のＢ軸の回りに回転し、一方、主軸１４４はそれ自身Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って移動可能である。タレット１０８は、Ｘ軸に実質的に平行なＸＡ軸、及びＺ軸に実質的に平行なＺＡ軸に沿って移動可能になっている。ワーク保持部１１０，１１２はＣ軸の回りに回転可能となっており、更に、加工領域１９０に関連する一以上の軸に沿って、独立して移動可能となっている。コンピュータ数値制御工作機械１００は６軸工作機械として表されているが、移動軸の数は単に典型的なものであると理解され、工作機械は、特許請求の範囲から逸脱することなく、６軸よりも少ない軸又は多い軸で移動することができる。

上述したように、ＣＮＣ工作機械１００はワークから材料を除去する減法操作に適している。図１１を参照すると、主軸１４４上に、又は主軸１４４に代えてレーザ２００を設け、また、付加材料供給システムを設けることによって、付加操作が実行される。この実施形態において、レーザ２００は、繰出リール２０８と巻取リール２１０との間にあるワークプラットホーム２０６上に搬送されるフィルム２０４を選択的に加熱するレーザビーム２０２を生成する。

図１２−１４及び図２５を簡単に参照すると、フィルム２０４の様々な実施形態がより詳細に表されている。これらの実施形態では、フィルムはリボンの形態である。シート形態のフィルムは以下で別に説明される。図１２は、第１キャリア層２４２及び第２キャリア層２４４を有するフィルム２４０を図示している。キャリア層間は十分に加熱されると溶融する金属粉末２４６などの付加材料である。図１２の実施形態は、層２４２，２４４間の金属粉末２４６を単に緩く捕捉している。図１３の実施形態は、接着剤２５４又は静電荷によってキャリアに接着された金属粉末２５２を有する単一のキャリア層２５０を有するフィルム２４８である。図１４は、キャリア層２６２に注入された金属粉末を有するフィルム２６０の実施形態を表している。キャリア、例えば、キャリア層２４２，２４４，２４６，２６２は、加熱処理の間又は次工程の加熱操作によって破壊されるか又は除去される犠牲層と見做すことができる。様々な実施形態において、キャリア層２４２，２４４，２４６，２６２は紙又はプラスチック製で良いが、他のキャリア層配合物を用いることができる。

図２５は、フィルム２０４の他の実施形態を図示している。フィルム２７０は第１キャリア層２７２、第２キャリア層２７６及び第３キャリア層２７８を含む。第１及び第２層２７２，２７６間は第１付加材料２７４である。第２層２７６と第３層２７８との間は他の付加材料２７７である。幾つかの実施形態において、第１及び第２付加材料２７４，２７６は同じものである。他の実施形態では、第１付加材料２７４は一の組成物であり、第２付加材料２７７は他の組成物である。この方法では、ワークを製造する付加処理は、耐久性や耐腐食性などの各々の異なる望ましい特徴を一体化するために、金属粉末，プラスチックなどの異なる配合物を含んでいても良い。

図１１を参照すると、フィルム２０４は金属粉末などの付加材料を搬送するか又は含んでいる。金属粉末の酸化を低減させるために、溶融処理において加熱されている間、数ある中で、アルゴン，ヘリウム又は二酸化炭素などのシールドガスが、ジェット又はノズルなどのシールドガス供給システムを用いた処理の間、フィルム２０４上に付与される。例えば、第１ガスジェット２１２は、レーザビーム２０２とフィルム２０４との接触点にシールドガス２１４を適用する。他のガスジェット２１６は、フィルム２０４が前進するように、捕捉される空気を移動させるべく、フィルム２０４とワークプラットホーム２０６との間にシールドガス２１８を適用する。他の実施形態において、ガスジェットは、シールドガスのより均一な補償範囲を提供するために、レーザビーム２０２の周りに環状に配置されていても良い。フィルム２０４が前進するにつれて、ワークはワークプラットホーム上に形成される。レーザ２００とワークプラットホーム２０６の一方又は両方は、次の層にワークを位置決めすべく、複数の軸で移動する。同様に、フィルム２０４及びリール２０８，２１０を含む移送組立体は、ワークに対して次の層を適切に位置決めするために、複数の軸で移動し、また、図１５について説明するように、フィルム２０４をより十分に使用すべく、フィルム２０４を再位置決めすることが可能である。

図１５は、キャリア層２５０及びキャリア層２５０上に配置された金属粉末２５２を有する図１３に示した典型的なフィルム２４８の平面を図示している。図において、パターン領域２８４，２８６及び２８８はレーザビーム２０２に晒され、金属粉末２５２及び対応するキャリア層が除去される。しかしながら、フィルム２４８は、繰出リール２０８と巻取リール２１０との間で前後に移動させることができ、また、フィルム２４８は、例えば、５軸機構を用いることによって、それ自身位置決めできるので、フィルム２４８は、これが用いられる部分をより多くするために、選択的に再位置決めされる。図示されるように、例え、パターン領域２８６がパターン領域２８８よりも走行方向に更に延びていたとしても、フィルムはパターン領域２８８を使用することができるように巻き戻される。完全なワークとするための形状が知られている場合、フィルム２４８上に異なるパターンを効率的に配置するためにパターンプログラムを使用することができる。例えば、領域２９０，２９２及び２９４は、パターン領域２８８上に配置される連続的なより大きな層を同定する位置を示している。補強されたエッジ２８０及び２８２は、フィルム２４８の移動と配列に使用するためにキャリア層２５０に付加されている。フィルムの他の実施形態は同様の形式で使用される。

図１６は、レーザ３０３を用いてフィルム３１０から選択的に金属を溶融することによって形成されるワーク３１２を有するワークプラットホーム３０８の平面的な手段を示している。この実施形態では、フィルム３１０は金属箔の形態で提供される。したがって、フィルムは、キャリア層を有するか、又は有しないシート形態で提供される金属材料を含んでいる。フィルム３１０は、ワーク３１２とフィルム３１０との間にガスが供給されるように、ワークプラットホーム３０８の上方に上げられている。この結果、溶融された金属箔は、フィルム３１０をワーク３１２又はワークプラットホーム３０８に結合させることなく、フィルム３１０からワーク３１２上に落下する。上述したように、フィルム３１０は繰出リール３００から巻取リール３０２に移送される。ジェット３０４及び３０６を介してシールドガスが付与される。ワークプラットホーム３０８は一以上の軸で移動するが、以下でより詳細に説明されるように、追加的な軸での移動が付加製造動作の柔軟性を向上させる。

図１７は、レーザ２００を用いてフィルム３１０から金属粉末を連続的に堆積させることによって形成されるワーク３１２を保持するワークプラットホーム３０８を示している。明確のために、シールドガスジェットは描かれていない。しかしながら、金属粉末を移送するためにフィルム３１０を用いる場合でも、幾つかの形状を形成する際には、特別な考慮が要求される。レーザ２００は金属の液状の溜りを生じさせるので、自立支持構造を形成することができない角度が存在する。即ち、液溜りは、ワーク３１２の先の層を滑り落ちる前に固化しないのである。図１７の例示的な実施形態で示される角度は４５度である。この角度は、使用される合金のタイプ、レーザーの電力、レーザスポット及び対応する液溜りの大きさなどによって様々である。図１７に示すように、表面３１６及び３１８によって囲まれた領域３１４は、これらの理由により階層化手法を用いて製造することができないことがある。

しかしながら、フィルム３１０は単一の水平な面での適用に限定されないので、緩い金属粉末と同様に、代替的な構成を用いることができる。図１８は、全ての外表面の角度が例示的な限界角度である４５度以内の角度となるように、ワークプラットホーム３０８及びフィルム３１０を配置し直した構成を示している。これは、表面３１６及び３１８に関連する構造要素が、緩い粉末付加製造装置において要求される追加的な支持構造を用いることなく形成されることを可能にする。

図１９は、上述した付加技術で使用されるフィルムのリボン形態に係る代替実施形態を示している。図１９の実施形態では、フィルム３４０は硬質又は半硬質のシート形態である。キャリア３４２は犠牲的であり、厚紙、プラスチックシートの様々な重量の物、その他の配合物を用いることができる。金属粉末３４４などの付加材料はキャリア３４２に接着されるか、キャリア３４２に含浸される。上述したように、形状３４６，３４８は、レーザを介した加熱によって、フィル３４０から除去され、ワーク３８６上に溶融する。

フィルム３４０の使用は、更に図２０−２３に示されている。フィルム３４０の厚さ金属粉末の大きさは、説明のために誇張されている。図２０は、フィルム３４０の連続シートが、シートフィーダ、ロボットアームなどを用いて互いの上に配置され、各層内で、ワーク３８６を創るためにレーザによって選択的に加熱される、水平な手段を示している。この実施形態では、連続動作の間、フィルム３４０の個々のシートがワークプラットホーム３８２上に残り、ワーク３８６が完成した後に、洗浄又はエッチングによって除去される。この方法では、フィルム３４０の下層の未使用（非加熱）部分は上述した構造の支持部として作用する。したがって、上述した表面の最大角は適用されない。即ち、実質的に任意の構成の不規則な形状は、当該形状がその下のフィルム３４０の層を越えて延びていない限り形成することができる。レーザ３８０の電力は、要求されるワーク３８６の形状を創り出すとともに、支持部として作用するように下側のフィルム３４０をもとのままの状態に維持するために、フィルム３４０の一番上の層を越えて貫かないように制御される。緩い金属粉末の適用において使用される支持構造はワークと同様に加熱／溶融処理を用いて形成され、ワーク３８６の状態で物理的に剛体である。これらの以前の適用とは異なり、フィルム３４０の未使用領域は、加工、研削によって除去しなければならない剛体構造ではなく、むしろそれは溶解又は緩やかな加熱を用いて除去される。例えば、ワーク３８６は工作機械１００から取り除かれ、未使用フィルム３４０を除去するために溶解槽の中に入れられる。これは、未使用の粉末が工作機械１００の中にやむを得ず位置するような緩やかな粉末を適用する場合とは異なり、未使用材料、例えば金属粉末を溶解槽で分離する。除去された材料は、過剰な緩い金属粉末よりもより簡単に回収され、未使用金属粉末のリサイクル、並びに加工の異なる構成及び合金への変更を簡単にする。

図２１及び２２は図２０の構成の異なる実施形態を示している。例えば、図２１は水平方向に対して角度を持たせて配置したワークプラットホームを示している。図２２は、角度をもって配置されたワークプラットホーム３８２、並びにワークプラットホーム３８２及び／又はワーク３８６に対して正常な状態となるように再配置したレーザ３８０を示している。この配置は、レーザスポットの大きさを制御するのに役立ち、それ故、堆積される材料のより良い形態を提供する。

図２３は、フィルム３４０の他の構成の層であって、様々な理由のために、そのような層が完成されるワーク３８６に対して配向される場合、又は、ちょうどインフォーマルな支持構造を持ち、溜りの動力学が異なる方向を決定する場合に、ワークプラットホーム３８２に対して必ずしも平行になっていないフィルム３４０を示している。図示されるように、レーザ３８０は、ワークプラットホーム３８２又はフィルム３４０に対して直交するように配向されるが、ワーク３８６を形成するための要求に従って、他の角度で支持されていても良い。

図２４は、ワーク上に金属粉末の形態で材料を堆積させる方法４００のフローチャートである。ブロック４０２では、ワークプラットホーム２０６，３０８，３８２が工作機械１００の一部として提供される。ブロック４０４では、フィルム２０４，３１０，３４０がワークプラットホーム２０６，３０８，３８２及び／又はワーク３１２，３８６に提供される。フィルム２０４，３１０，３４０は少なくともキャリア２６２又はキャリア層２５０など、並びに金属粉末２５２，２６２，３４４などの堆積された材料からなる。

選択的に、ブロック４０６では、ワークプラットホーム２０６，３０８，３８２及び／又はレーザ２００，３０３，３８０は、工作機械１００の能力に関連する５軸を含む２以上の軸で配向される。ブロック４０８では、フィルム２０４，３１０，３４０の第１の部分がワークプラットホーム２０６，３０８，３８２又はワーク３１２，３８６上に配置される。上述したように、フィルム２０４，３１０，３４０は、限定されるものではないが、様々な形状の柔軟なロールまたはシートを含むいろいろな形態である。フィルムの第１の部分は、以前に使用されていないフィルム２０４，３１０，３４０の任意の領域であり、新しい領域か又は既に使用された部分に隣接するかその後ろの領域である。

ブロック４１０では、第１の部分の予め設定された領域がレーザ２００，３０３，３８０を用いて加熱され、フィルム２０４，３１０，３４０に取り付けられた金属粉末がワーク３１２，３８６上、又は最初の層である場合には、ワークプラットホーム２０６，３０８，３８２上に溶融される。キャリア２４２，２６２，３４２などは、処理中に気化される。

ブロック４１２では、フィルム２０４，３１０，３４０の第２の部分をワーク３１２，３８６上に配置することによって処理が繰り返され、ブロック４１４では、ワーク３１２，３８６上に材料の他の層を創り出すために、フィルムの予め設定された第２の領域が溶融される。フィルム２０４，３１０，３４０及び／又はワークプラットホーム２０６，３０８，３８２の再配置の工程は、ワーク３１２，３８６を完成させるために必要な回数繰り返される。

これら付加工程に混合する工程は、上述した穴あけ、成形又はパターン化する様々な工具を備えた工作機械１００を用いた選択的な減法工程であり、ワーク３１２，３８６は付加工程を通し、又は初期対象物に付加層が結合されるか、又はその両方により作成される。

付加処理と減法処理との結合をワークに対して、特に同じ工作機械１００上で許容することにより、より複雑な部品をタイムリーに完成させることができる。それを越えて、金属粉末などの付加材料をワーク３１２，３８６に移送及び配置するためにフィルム２０４，３１０，３４０を使用することは、複雑な形状を作成する可能性を改善し、除去のために後の第２の加工動作を必要とするプラスチック支持構造物の数を減少させる。フィルム２０４，３１０，３４０は、緩い金属粉末では不可能な角度に付加材料を位置させることを可能にする。更に、フィルムのリボン上に保有するか、又は溶解若しくは加熱を介して除去するかどうかで、未使用の金属粉末は緩い金属粉末に比べて除去及びリサイクルがいっそう簡単であり、異なる工具又は合金のための、工作機械１００の浄化及び再構成をよりいっそう促進する。

ここで述べられた公開、特許出願及び特許を含む全ての参照は、参照することによって、組み込まれる。「好ましい」実施形態としての或る実施形態の説明、実施形態の他の記述、特徴又は好ましいとされる範囲は限定であると解してはならない。特許請求の範囲は、現在においては好ましいとまでは考えられない実施形態を包含すると解される。ここで述べられた全ての方法は、ここで異なる示唆が無い限り、又は文脈から明らかに矛盾しない限り、任意の適当な順で実行され得る。任意の及び全ての例、又はここで用いられる例示的な用語（例えば、「など」）の使用は、開示される主題の説明を意図しており、特許請求の範囲の限定を持ち出すものではない。例示的な実施形態の性質又は利益についてのここでのいかなる陳述も限定を意図するものではなく、付属された特許請求の範囲がそのような陳述によって限定されるとは解されない。より一般的には、明細書中の用語は、請求された主題の実施に不可欠なものであるとして、非請求の要素を指すものと解釈されるべきではない。適用可能な法律によって許されるように、特許請求の範囲は、全ての修正及びここに述べられた主題の均等物を含む。その上、全ての可能なバリエーションにおける上述した要素の任意の組み合わせは、ここで異なる示唆が無い限り、又は文脈から明らかに矛盾しない限り、特許請求の範囲によって包含される。ここでの任意の引用文献又は特許についての説明は、「従前」として示されていても、そのような引用文献又は特許が本発明に対する先行技術として利用可能であることを容認するものではない。

図２４は、ワーク製造方法のフローチャートである。 図２５は、付加製造用の３つのキャリア及び材料を有するフィルムの側面図である。

Claims (20)

1. 制御装置と、
   前記制御装置からの指示に応答して複数の次元で移動可能なワークプラットホームと、
   前記制御装置からの指示に従って動作するワークプラットホームに近接するレーザと、
   前記レーザによって加熱されたときに溶融する、選択された付加材料を含むフィルムとを備え、
   前記ワークプラットホームに取り付けられるワークは、レーザによる加熱を介して各層から付加材料が溶融される結果として、付加材料の連続する層の溶融によって形成される工作機械。
2. 前記フィルムは、箔として供給される金属付加材料を含む請求項１記載の工作機械。
3. 前記フィルムは、前記付加材料に連結されたキャリアを含み、前記付加材料は、更に、レーザによって溶融されたとき、前記キャリアから分離するように選択される請求項１記載の工作機械。
4. 前記キャリアは犠牲層を含み、前記付加材料は接着剤又は静電気の電荷の一つを用いて前記犠牲層に付着されている請求項３記載の工作機械。
5. 前記キャリアは第１及び第２の犠牲層を含み、前記付加材料は前記第１及び第２の犠牲層の間に配置されている請求項３記載の工作機械。
6. 前記キャリアは更に第３の犠牲層を含み、第２の付加材料が前記第２及び第３の犠牲層の間に配置されている請求項５記載の工作機械。
7. 前記第２の付加材料は前記付加材料とは異なっている請求項６記載の工作機械。
8. 前記付加材料は前記キャリア中に埋め込まれている請求項３記載の工作機械。
9. 動作するように前記制御装置に連結されるとともに、前記制御装置からの指示に応答して前記フィルムを前記ワークに順次供給するように構成された、繰出リール及び巻取リールを更に備えている請求項１記載の工作機械。
10. 前記制御装置からの指示に応答して、複数の配向位置の一つに前記フィルムを搬送するように構成された多軸機構を更に備えている請求項１記載の工作機械。
11. 前記制御装置は、前記フィルムの以前の使用についての情報を利用して、次の溶融操作のために、未使用部分について前記フィルムを再配置するように構成されている請求項１記載の工作機械。
12. ワークを形成するために付加材料を堆積する方法であって、
    付加材料を含むフィルムを供給し、
    前記ワークを覆うように前記フィルムの第１の部分を配置し、
    前記フィルムの前記第１の部分の予め設定された領域を加熱して、前記予め設定された領域で、前記付加材料の前記ワーク上への溶解を生じさせ、
    加熱する間、前記予め設定した領域を酸化から保護し、
    前記ワークを覆うように前記フィルムの第２の部分を配置し、
    前記フィルムの前記第２の部分の第２の予め設定された領域を加熱して、前記第２の予め設定された領域で、前記付加材料の前記ワーク上への溶解を生じさせるようにした方法。
13. 前記フィルムの供給は、箔のシートとしての金属付加材料を供給することを含む請求項１２記載の方法。
14. 前記フィルムの供給は、付加材料が付着されたキャリアを有する一以上の半硬質シートとしてのフィルムを供給することを含む請求項１２記載の方法。
15. 前記フィルムの第１の部分及び第２の部分は、それぞれ形状が平面であるフィルムの分離したシートであり、前記第２の部分の配置は、前記第１の部分と平行な第２の位置への配置を含んでいる請求項１２記載の方法。
16. 前記フィルムの第２の部分の配置は、前記第１の部分の予め設定された領域を含むフィルムの未使用の領域を配置することを含んでいる請求項１２記載の方法。
17. 制御装置と、
    前記制御装置からの指示に応答して複数の軸で移動可能なワークプラットホームと、
    前記制御装置によって操作され、前記制御装置からの指示に応答して、前記ワークプラットホームに近接する少なくとも２つの軸で移動可能になったレーザと、
    金属からなる付加材料を含むフィルムと、
    前記制御装置からの指示に応答して前記ワークプラットホームに前記フィルムの未使用部分を移動させる移送組立体とを備え、
    前記ワークプラットホームに連結される前記ワークは、レーザを用いた付加材料の溶融によって連続的に堆積される付加材料層により形成される装置。
18. 前記移送組立体は、前記ワークを横切って前記フィルムを移動させるようにそれぞれ駆動される繰出リール及び巻取リールを含んでいる請求項１７記載の装置。
19. 前記ワークから材料を選択的に除去するための工具を更に備えている請求項１７記載の装置。
20. 前記フィルムは、前記付加材料に連結されたキャリアを含み、前記付加材料はレーザによって溶融されたとき、前記キャリアから分離するように選択される請求項１７記載の装置。
    

Images