JP2017035873A - 大型構成要素のための付加製造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製作チャンバ上の経路に沿って移動する１又は２以上の製作ユニットを使用して部品を製造する装置及び方法を提供する。【解決手段】付加製造装置１０は、予め定められた経路に沿って延びると共にその間に製作チャンバ１４を定める相隔たる第１の側壁２８及び第２の側壁３０と、予め定められた経路に沿って移動するように取り付けられた１又は２以上の製作ユニットと、を備え、１又は２以上の製作ユニットは、集合的に、製作チャンバ１４の上に位置決めされた粉体ディスペンサー４４と、製作チャンバ１４に供給された粉体をかき取るように構成されたアプリケータ４２と、かき取り済みの粉体を溶融させるように構成された指向性エネルギー源４６とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に付加製造装置に関し、より具体的には大型構成要素のための装置に関する。

本明細書で用いる場合、用語「付加製造」は、多層構造（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）又は付加製作を含むプロセスを呼ぶ（従来の機械加工プロセスのような材料除去とは対照的に）。このようなプロセスは「付加製造プロセス」と呼ぶこともできる。付加製造プロセスは、限定されるものではないが、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザジェットなどによる３Ｄプリンティング、光造形法（ＳＬＡ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、レーザ技術ネットシェイピング（ＬＥＮＳ）及び直接金属蒸着（ＤＭＤ）を含む。

現在、粉体床技術は、従来の金属付加製造技術の最善の分解能を示している。しかしながら、製作を粉体床において行う必要があるので、従来の機械は大量の粉体を使用し、例えば、粉体装填量は１３０ｋｇ（３００ポンド）を超える場合もある。このことは多数の機械を使用する工場環境を考えれば費用がかかる。部品に直接溶融しないが隣接した粉体床に貯蔵される粉体は、昇降システムに重みを加え、シール及びチャンバ圧力の問題を複雑にし、部品製作の最後での部品の取り出しに悪影響をもたらし、現在、大型構成要素に検討されている大型の床システムには扱いが難しいので問題である。

従って、大型部品を製作することができる付加製造装置及び方法に対するニーズが依然としてある。

米国特許出願公開第２０１５／００１７２７１号明細書

本発明は、前記のニーズを解消するものであり、製作チャンバ上の経路に沿って移動する１又は２以上の製作ユニットを使用することで部品を製造するための装置及び方法を提供する。

本発明の１つの態様では、付加製造装置は、予め定められた経路に沿って延びると共にその間に製作チャンバを定める相隔たる第１の側壁及び第２の側壁と、予め定められた経路に沿って移動するように取り付けられた１又は２以上の製作ユニットとを備え、１又は２以上の製作ユニットは、集合的に、製作チャンバの上に位置決めされた粉体ディスペンサーと、製作チャンバに供給された粉体をかき取るように構成されたアプリケータと、かき取り済みの粉体を溶融させるように構成された指向性エネルギー源とを含む。

本発明の他の態様では、付加製造方法は、予め定められた経路に沿って延びる相隔たる第１の側壁及び第２の側壁によって規定された製作チャンバの上に１又は２以上の製作ユニットを位置決めする段階と、１又は２以上の製作ユニットを製作チャンバに対して予め定められた経路に沿って移動させる段階と、１又は２以上の製作ユニットを使用して製作チャンバに包含された製作プラットフォーム上に粉体を堆積させて粉体の層増分を形成する段階と、１又は２以上の製作ユニットを使用して指向性エネルギー源からビームを送って粉体を溶融させる段階と、製作プラットフォーム、相隔たる第１の側壁及び第２の側壁、及び１又は２以上の製作ユニットのうちの少なくとも１つを層増分だけ移動させる段階と、堆積させる、送る、及び移動させる段階を周期的に繰り返して、完成するまで多層様式で部品を製作する段階と、を含む。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明の態様に従って構成された付加製造装置の断面図。 図１の溶融ユニットの概略断面図。 本発明の態様に従って構成された別の付加製造装置の断面図。 図３の装置の上面図。 図１の装置の概略上面図。 図１の装置の別の構成の上面図。 図６の装置の工程の概略側面図。 本発明の態様に従って構成された更に別の付加製造装置の断面図。 図８の装置の上面図。 図８の粉体ユニットの概略断面図。 図８の溶融ユニットの概略断面図。 別の駆動システムを有する製作ユニットを組み込んだ付加製造装置の一部の断面図。

種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１及び２は、本明細書に記載の技術に従って構成された例示的な付加製造装置１０を示す。基本的な構成要素は、ターンテーブル１２、製作プラットフォーム１６を取り囲む製作チャンバ１４、ハウジング１８、及びハウジング１８内に配置された溶融ユニット２０である。これらの構成要素の各々は以下に詳細に説明する。

ターンテーブル１２は剛構造体であり、垂直方向（すなわち、ｚ軸に平行）に移動しかつ３６０度回転するように構成される。図示のように、ターンテーブル１２は、該ターンテーブル１２を選択的に回転させることができるモータ２２の端部取付け部に固定され、モータ２２は、ターンテーブル１２を垂直方向に上又は下に選択的に移動させることができるアクチュエータ２４の端部取付け部に固定される。アクチュエータ２４は、固定支持構造体２６に固定される。アクチュエータ２４は図１には概略的に示されている。本明細書で用いる用語「アクチュエータ」に関して、空気圧又は液圧シリンダ、ボールねじ又はリニアアクチュエータ等の装置をその目的で使用することができる。モータ２２は図１には概略的に示されているが、制御された回転運動をもたらすことができる何らかの装置をその目的で使用できることを理解されたい。

製作チャンバ１４は、製作チャンバ開口３２を定める内側側壁２８及び外側側壁３０を含む。図示のように、内側側壁２８及び外側側壁３０は、ターンテーブル１２から垂直方向上方に延びて図５に示すように連続製造を可能にする環状部３１の形態の経路を形成し、さらにターンテーブル１２と一体成形することができる。もしくは、図３に示すように、環状部は、ターンテーブルとは別体とすることができる。内側側壁２８及び外側側壁３０は、ターンテーブル１２から９０度以外の角度で上向きに延びることができることを理解されたい。図５及び６に示すように、内側側壁２８及び外側側壁３０は、環状部３１の形態の経路を形成するが、内側側壁２８及び外側側壁３０は、直線、曲線、多角形等の他の形態の経路を形成でき、種々の形状の経路の製作が可能であることを理解されたい。

製作プラットフォーム１６は、製作チャンバ開口３２の下で製作チャンバ１４内を垂直方向にスライド可能な板状構造体である。製作プラットフォーム１６は、製作チャンバ１４の全長に延び、ターンテーブル１２が回転する際に製作プラットフォーム１６を選択的に上又は下に移動させることができる１又は２以上のアクチュエータ３４の端部取付け部に固定される。アクチュエータ３４は図１では概略的に示されている。

ハウジング１８は、製作チャンバ１４の少なくとも一部を収容しかつ溶融ユニット２０が部品を製作するのを可能にする開口３６を含む。シール３８は、開口３６の周りに配置され、開口３６と、製作チャンバ１４の内側側壁２８及び外側側壁３０との間のシール係合を可能にする。シール３８は、汚染物質が製作プロセスを妨害するのを防ぎ、ハウジング１８を製作チャンバ１４に対して位置決めし、ターンテーブル１２が回転する際、ハウジング１８が最小限の干渉でもって内側側壁２８及び外側側壁３０に沿って摺動するのを可能にする。ハウジング１８は、製作プロセスの間にハウジング１８を選択的に上又は下に移動させることができるアクチュエータ４０の端部取付け部に固定され、溶融ユニット２０と製作される部品との間の所定の距離を維持する。また、アクチュエータ４０は、ハウジングの内側側壁２８及び外側側壁３０との係合を解除することができる。アクチュエータ４０は図１では概略的に示されている。

図２に示すように、溶融ユニット２０は、アプリケータ４２、粉体ディスペンサー４４、指向性エネルギー源４６、ビームステアリング装置４８、イメージング装置５０、真空ポンプ５２、及び制御装置５４を含む。溶融ユニット２０は、「製作ユニット」の一例であり、一般に、製作チャンバ１４の上に配置され、付加製作プロセスの１又は２以上のステップを実行するようになった何らかのユニットを意味する。以下に他のタイプの製作ユニットを説明する。

アプリケータ４２は、剛体の横方向に細長い構造体であり、使用時、製作プラットフォーム１６の上の固定距離に沿って粉体をかき取り、内側側壁２８と外側側壁３０との間で製作プラットフォーム１６上の粉体の層増分をもたらすようになっている（図７参照）。

粉体ディスペンサー４４は、製作プラットフォーム１６上に粉体Ｐを落下させるための排出口５８を有するホッパーの形態の供給コンテナ５６を備える。絞り弁６０は、排出口５８に配置される。使用時、絞り弁６０は、製作プラットフォーム１６のサイズ、所望の層増分厚さ、及び製作プラットフォーム１６と溶融ユニット２０との間の相対速度といった複数の因子に基づいて粉体Ｐの堆積速度を制御するために使用される。

指向性エネルギー源４６は、製作プロセスの間に粉体を融解及び溶融させるための適切な出力及び他の作動特性のビームを発生することができる、何らかの公知の装置を備えることができ、以下に詳細に説明する。例えば、指向性エネルギー源４６はレーザとすることができる。電子ビーム銃等の他の指向性エネルギー源は、適切なレーザの代替案である。

ビームステアリング装置４８は、１又は２以上のミラー、プリズム、及び／又はレンズを備え、さらに適切なアクチュエータを備え、指向性エネルギー源４６からのビーム「Ｂ」が、所望のスポットサイズに集束されかつ製作プラットフォーム１６と一致したＸ−Ｙ平面の所望の位置に進むことができるように配置される。

真空ポンプ５２は、製作チャンバ１４に及ぶように構成されたノズル６２を含む。真空ポンプ５２は、アプリケータ４２が粉体を平らにした後でかつ溶融が起こる前に余分な粉体を除去するために使用することができる。

イメージング装置５０は、カメラ又は可視、ＩＲ、及び／又はＵＶスペクトルで作動する他のセンサ等の、製作チャンバ１４の内部の表面状態を示す信号又はデータを提供する何らかの装置とすることができる。イメージング装置５０により、ユーザは、製作プロセスを監視して溶融ユニット２０の作動パラメータを変更すること、及び／又はユーザが製作プロセスの不具合又は異常を検出した場合に製作プロセスを中断させることができる。また、イメージング装置５０は、自動品質管理プロセスを行うために制御装置５４に接続することができる。制御装置５４は、溶融ユニット２０の指向性エネルギー源４６、ビームステアリング装置４８、粉体ディスペンサー４４、及び真空ポンプ５２を制御する。イメージング装置５０は、製作プロセスの状態を示す信号を制御装置５４に供給する。例えば、制御装置５４は、イメージング装置５０からのデータを使用して粉体流動速度を制御すること、及び／又は不具合の検出時に製作プロセスを中断させることができる。

図３及び４は、付加製造装置１０の他の構成を示しており、参照符号１０’で示されている。装置１０と同様に、装置１０’は、前述のハウジング１８及び溶融ユニット２０を使用する。また、装置１０’は、付加製造装置１００を参照して以下に説明するように別個のレーザユニット及び粉体ユニットを使用することを理解された。装置１０と同様に、装置１０’は、ターンテーブル１２’と、製作プラットフォーム１６’を取り囲む製作チャンバ１４’とを含む。これらの構成要素の各々は、以下に詳細に説明する。

ターンテーブル１２’は、３６０度回転するように構成された剛構造体である。図示のように、ターンテーブル１２’は、該ターンテーブル１２’を選択的に回転させることができるモータ２２’の端部取付け部に固定される。モータ２２’は図３では概略的に示されている。

ターンテーブル１２’は、相隔たる下方プラットフォーム７２及び上方プラットフォーム７４を含む。上方プラットフォーム７４は、下方プラットフォーム７２と上方プラットフォーム７４との間に延びるストラット７６によって支持され、さらにスロット７８によって板状セクション７４Ａ、７４Ｂ、及び製作プラットフォーム１６’に分割される。上方プラットフォーム７４は、製作プラットフォーム１６’のみで形成することができることを理解された。図示のように、板状セクション７４Ａ、７４Ｂ、及び製作プラットフォーム１６’の各々は、ストラット７６によって個別に支持される。ストラット７６は固定長ストラットとして示されているが、上方プラットフォームセクションの垂直方向の移動を可能にするために、固定長ストラットの代わりにアクチュエータを使用できることを理解されたい。

製作チャンバ１４’は、製作チャンバ開口３２’を定める内側側壁２８’及び外側側壁３０’を含む。図示のように、内側側壁２８’及び外側側壁３０’はターンテーブル１２’に対して上方に延び、互いに平行で環状部３１’を形成し、連続製造を可能にするようになっている。図示のように、内側側壁２８’及び外側側壁３０’は、ターンテーブル１２’に対して垂直に延びるが、内側側壁２８’及び外側側壁３０’は９０度以外の角度で上方に延びることができることを理解されたい。図４に示すように、内側側壁２８’及び外側側壁３０’は、環状部３１’の形態の経路を形成するが、内側側壁２８’及び外側側壁３０’は、直線、曲線、多角形等の他の形態の経路を形成でき、種々の形状の経路の製作が可能であることを理解されたい。

環状部３１’は、ターンテーブル１２’の下方プラットフォーム７２に対して垂直方向で上又は下に移動させるためにアクチュエータ３４’の端部取付け部に結合される。環状部３１’の内側側壁２８’及び外側側壁３０’は、それぞれのスロット７８内に配置され、環状部３１’が、上方プラットフォームセクション７４Ａ、７４Ｂ、及び製作プラットフォーム１６’の間で垂直方向に移動できるようになっている。図示のように、環状部３１’は製作プラットフォーム１６’を取り囲み製作チャンバ１４’を形成する。アクチュエータ３４’は図３では概略的に示されている。

前述のように、製作プラットフォーム１６’は、上方プラットフォーム７４を貫通して延びるスロット７８によって境界付けされる。製作プラットフォーム１６’は板状構造体であり、ストラット７６によって下方プラットフォーム７２にしっかりと固定される。製作プラットフォーム１６’は、製作チャンバ開口３２’の下の製作チャンバ１４’に及び、製作チャンバ１４’の全長に延びる。製作プラットフォーム１６’に加えて、上方プラットフォームセクション７４Ａ及び７４Ｂは、ターンテーブル１２’が回転及び上下に移動する間の環状部３１’に対する追加のセンタリング支持をもたらす。

明瞭化のために、主要な製作プロセスは、付加製造装置１０を用いて説明することができる。付加製造装置１０及び１０’の間の差異は、必要に応じて製作プロセスの説明を通して正確に説明することになる。

前述の付加製造装置１０を使用する部品の製作プロセスを以下に説明する。粉体供給装置４４を粉体Ｐで満たすことで溶融ユニット２０を準備する。溶融ユニット２０を、ハウジング１８のシール３８が内側側壁２８及び外側側壁３０に係合するように位置決めする。溶融ユニット２０の位置決めは、アクチュエータ４０を使用して溶融ユニット２０を下降させることで及び／又はアクチュエータ２４を使用してターンテーブル１２を上昇させることで実現できることを理解されたい。付加製造ユニット１０’に関して、環状部３１’は、ターンテーブル１２’を上昇させる代わりに、アクチュエータ３４’を使用して上昇させることができる。

溶融ユニット２０を位置決めした状態で、製作プラットフォーム１６は、アクチュエータ３４によって初期の高位置（ｈｉｇｈ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に移動する。付加製造装置１０’に関して、環状部３１’は、製作プラットフォーム１６’が初期高位置になるまで下降する。また、ハウジング１８及び溶融ユニット２０は下降して、シール３８と内側側壁２８’及び外側側壁３０’との間の係合を維持することになる。初期高位置は、選択された層増分だけ、内側側壁２８及び外側側壁３０のそれぞれ上面８０及び８２の下方に位置決めされ、これは製作チャンバ開口３２を定める。層増分は、付加製造プロセスの速度及び部品の分解能に影響を与える。一例として、層増分は、約１０から５０ミクロン（０．０００４から０．００２インチ）とすることができる。次に、ターンテーブル１２は、モータ２２によって、溶融ユニット２０が製作プラットフォーム１６上に落下した粉体を溶解又は溶融して部品を形成するように選択された、予め定められた回転速度で回転する（図５参照）。２つ以上のハウジング１８及び溶融ユニット２０を使用できることを理解されたい。図６に示すように、溶融ユニット２０は、製作プロセスをスピードアップしてより効率的にするために環状部３１の周りに分散することができる。また、ターンテーブル１２を回転させる代わりに、溶融ユニットは、内側側壁２８及び外側側壁３０に沿って移動可能であることを理解されたい。

ターンテーブル１２が回転すると、次に、粉体「Ｐ」は、製作プラットフォーム１６上に落下する。アプリケータ４２は、製作プラットフォーム１６を横切って移動して製作プラットフォーム１６の上に隆起した粉体Ｐを平らに分散させる。余分な粉体Ｐは、ターンテーブル１２が回転する際に製作プラットフォーム１６に沿って推し進められ、連続した粉体の堆積及び拡散がもたらされる。

粉体が回転製作プラットフォーム１６上で堆積及び拡散されると、指向性エネルギー源４６を使用して、製作する部品の二次元断面又は層を溶融させる。指向性エネルギー源４６は、ビーム「Ｂ」を放射し、ビームステアリング装置４８を使用して、ビームＢの焦点を露出した粉体面上で適切なパターンで進ませる。粉体Ｐの露出層は、ビームＢによって溶融、流動、及び凝固が可能になる温度まで加熱される。このステップは、粉体Ｐの溶融ステップと呼ぶことができる。

粉体Ｐの第１の層増分が溶融した状態で、製作プラットフォーム１６は、層増分だけ垂直方向下方に移動し、粉体Ｐの別の層が同じ厚さで施工される（図７参照）。付加製造装置１０’の場合、環状部３１’が上昇して、粉体Ｐの別の層の施工が可能になる。指向性エネルギー源４６は、引き続きビームＢを放射し、ビームステアリング装置４８を使用して、ビームＢの焦点を露出した粉体面上で適切なパターンで進ませる。粉体Ｐの露出層は、ビームＢによって上層及び先に凝固した下層の両方の内部で溶融、流動、及び凝固が可能になる温度まで加熱される。部品は、該部品が完成した場合もしくは不具合又故障が検出された場合にのみ中断するプロセスで形成されるので、粉体Ｐを堆積するプロセス及び指向性エネルギー源４６を使用して粉体を溶融させるプロセスは連続することができることを理解されたい。また、複数の溶融ユニット２０を使用する場合、各ユニットは、単一の増分層を形成せるために又は複数の増分層を形成するために使用できることを理解されたい。

製作プラットフォーム１６を移動させ、粉体Ｐを施工し、次にエネルギーを送って粉体Ｐを溶融させるこのサイクルは、部品全体が完成するまで繰り返される。また、製作プラットフォーム１６又は環状部３１’の垂直方向の移動は、製作プロセスの間で連続することができ、部品は、らせん構成で連続的に製作されることに留意されたい。

部品が完成すると、真空ポンプ５２を使用して製作チャンバ１４から未使用のすべての粉体を除去することができる。次に、ターンテーブル１２を降下させ、ハウジング１８及び溶融ユニット２０を上昇させて内側側壁２８及び外側側壁３０のシール３８との係合を解除する。次に、製作プラットフォーム１６をアクチュエータ３４によって上昇させて、部品を内側側壁２８及び外側側壁３０の上方に露呈させる。付加製造装置１０’の場合、ハウジング１８及び溶融ユニット２０を上昇させ、環状部３１’を降下させて、部品を内側側壁２８’及び外側側壁３０’の上方に露呈させる。

図８−１１は、全体的に参照符号１００で示される別の付加製造装置を示す。基本的な構成要素は、ターンテーブル１１２、製作チャンバ１１４、ハウジング１１８、該ハウジング１１８に収容され溶融ユニット１２０、及び粉体ユニット１８４である。これらの構成要素の各々は以下に詳細に説明する。

ターンテーブル１１２は、ｚ−軸で垂直方向に移動すると共に３６０度回転するように構成された板状の剛構造体である。付加製造装置１０とは異なり、ターンテーブル１１２は、製作プラットフォームとして機能する。図示のように、ターンテーブル１１２は、該ターンテーブル１１２を選択的に回転させることができるモータ１２２の端部取付け部に固定され、モータ１２２は、ターンテーブル１１２を垂直方向に上又は下に選択的に移動させることができるアクチュエータ１２４の端部取付け部に固定される。アクチュエータ１２４は、支持構造体１２６に固定される。アクチュエータ１２４は図８においてモータ１２２と同様に概略的に示されている。

製作チャンバ１１４は、製作チャンバ開口１３２を定める内側側壁１２８及び外側側壁１３０を含む。図示のように、内側側壁１２８及び外側側壁１３０は互いに平行であり、ターンテーブル１１２から予め定められた角度で環状部１３１から上方に延びて連続製造を可能にする（図９参照）。内側側壁１２８及び外側側壁１３０の一方又は両方は、ターンテーブル１１２に対して直角ではない角度で延び、「角度付き」と呼ばれる。内側側壁１２８及び外側側壁１３０の一方又は両方は、非平面状とすること、及び随意的に互いに非平行とすることができる。内側側壁１２８は、ターンテーブル１１２に対して取り外し可能に固定され、内側側壁１２８は、ターンテーブル１１２から取り外すことができる。この構成により、製作プロセスが完了した場合に、部品１８６は、製作チャンバ１１４から容易に取り出すことができる。図示のように、内側側壁１２８はファスナ１８８によってターンテーブル１１２に固定されるが、他の適切な結合方式を使用できることを理解されたい。図９に示すように、内側側壁１２８及び外側側壁１３０は、環状部１３１の形態の経路を形成するが、内側側壁１２８及び外側側壁１３０は、直線、曲線、多角形等の他の形態の経路を形成でき、種々の形状の経路の製作が可能であることを理解されたい。

製作チャンバ１１４の角度付き側壁１２８及び１３０により、部品１８６の製作に必要な粉体Ｐの量を低減しながらテーパー付き断面の部品１８６の製作が可能になる。

製作ユニットの他の実施例の粉体ユニット１８４は、粉体ユニット１８４を選択的に上下に移動させることができるアクチュエータ１９０の端部取付け部に固定される。図示のように、粉体ユニットは、製作チャンバ１１４の内部で上下に移動して、粉体Ｐを堆積すると共に製作チャンバ１１４内に堆積された粉体Ｐをかき取るように構成される。図１０に示すように、粉体ユニット１８４は、アプリケータ１４２及び粉体ディスペンサー１４４を含む。アプリケータ１４２は剛体の横方向に細長い構造体であり、使用時、製作プラットフォーム１６に沿って粉体をかき取り、内側側壁１２８と外側側壁１３０との間で製作プラットフォーム１６上の粉体の層増分をもたらすようになっている。粉体ディスペンサー１４４は、製作プラットフォーム上に粉体Ｐを落下させるための排出口１５８を有するホッパーの形態の供給コンテナ１５６を備える。絞り弁１６０は、排出口１５８に配置される。

ハウジング１１８は、製作チャンバ１１４の少なくとも一部を収容して溶融ユニット１２０が部品を製作するのを可能にするように構成された開口１３６を含む。シール１３８は、開口１３６の周りに配置され、開口１３６と製作チャンバ１１４の内側側壁１２８及び外側側壁１３０との間のシール係合を可能にする。シール１３８は、汚染物質が製作プロセスを妨害するのを防ぎ、ハウジング１１８を製作チャンバ１１４に対して位置決めし、ターンテーブル１１２が回転する際、ハウジング１１８が最小限の干渉でもって内側側壁１２８及び外側側壁１３０に沿って摺動するのを可能にする。ハウジング１１８は、製作プロセスの間にハウジングを選択的に上又は下に移動させることができるアクチュエータ１４０の端部取付け部に固定され、溶融ユニット１２０と製作される部品との間の所定の距離を維持する。また、アクチュエータ１４０は、ハウジングの内側側壁１２８及び外側側壁１３０との係合を解除することができる。アクチュエータ１４０は図８では概略的に示されている。

図１１に示すように、製作ユニットの別の実施例の溶融ユニット１２０は、指向性エネルギー源１４６、ビームステアリング装置１４８、イメージング装置１５０、真空ポンプ１５２、及び制御装置１５４を含む。

指向性エネルギー源１４６は、製作プロセスの間に粉体を融解及び溶融させるための適切な出力及び他の作動特性のビームを発生することができる、何らかの公知の装置を備えることができ、以下に詳細に説明する。例えば、指向性エネルギー源１４６はレーザとすることができる。電子ビーム銃等の他の指向性エネルギー源は、適切なレーザの代替案である。

ビームステアリング装置１４８は、１又は２以上のミラー、プリズム、及び／又はレンズを備え、さらに適切なアクチュエータを備え、指向性エネルギー源１４６からのビーム「Ｂ」が、所望のスポットサイズに集束されかつ製作プラットフォームと一致したＸ−Ｙ平面の所望の位置に進むことができるように配置される。

真空ポンプ１５２は、製作チャンバ１１４に及ぶように構成されたノズル１６２を含む。真空ポンプ１５２は、アプリケータ１４２が粉体を平らにした後でかつ溶融が起こる前に余分な粉体を除去するために使用することができる。

メージング装置１５０は、前述の品質管理に使用することができる。制御装置１５４は、溶融ユニット１２０の指向性エネルギー源１４６、ビームステアリング装置１４８、及び真空ポンプ１５２を制御する。また、このイメージング装置１５０は、制御装置１５４に接続され、前述のプロセス制御及び／又は自動品質管理のための手段を提供することができる。

部品１８６の製作プロセスは、粉体ディスペンサー１４４を粉体Ｐで満たすことで始まる。溶融ユニット１２０を、ハウジング１１８のシール１３８が内側側壁１２８及び外側側壁１３０に係合するように位置決めする。溶融ユニット１２０の位置決めは、アクチュエータ１４０を使用して溶融ユニット１２０を下降させることで及び／又はアクチュエータ１２４を使用してターンテーブル１１２を上昇させることで実現できることを理解されたい。

溶融ユニット１２０を位置決めした状態で、アクチュエータ１９０を使用して粉体ユニット１８４を初期の低位置（ｌｏｗ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に下降させる。初期低位置は、選択された層増分だけ、ターンテーブル１１２（製作プラットフォーム）の上方に位置決めされる。層増分は、付加製造プロセスの速度及び部品の分解能に影響を与える。一例として、層増分は、約１０から５０ミクロン（０．０００４から０．００２インチ）とすることができる。次に、ターンテーブル１１２は、モータ１２２によって、溶融ユニット１２０が製作プラットフォーム上に落下した粉体を溶解又は溶融して部品１８６を形成するように選択された、予め定められた回転速度で回転する。２つ以上のハウジング１１８及び溶融ユニット１２０を使用できることを理解されたい。図９に示すように、溶融ユニット１２０及び粉体ユニット１８４は、粉体ユニット１８４が第１の位置、溶融ユニット１２０が第２の位置にあるように、環状部１３１に沿って配置される。

ターンテーブル１１２が回転すると、次に、粉体「Ｐ」は、製作プラットフォーム上に落下する。アプリケータ１４２は、製作プラットフォームを横切って移動して製作プラットフォームの上に隆起した粉体Ｐを平らに分散させる。余分な粉体Ｐは、ターンテーブル１１２が回転する際に製作プラットフォームに沿って推し進められ、連続した粉体の堆積及び拡散がもたらされる。

粉体が回転製作プラットフォーム上で堆積及び拡散されると、指向性エネルギー源１４６を使用して、製作する部品の二次元断面又は層を溶融させる。指向性エネルギー源１４６は、ビーム「Ｂ」を放射し、ビームステアリング装置１４８を使用して、ビームＢの焦点を露出した粉体面上で適切なパターンで進ませる。粉体Ｐの露出層は、ビームＢによって溶融、流動、及び凝固が可能になる温度まで加熱される。このステップは、粉体Ｐの溶融ステップと呼ぶことができる。

粉体Ｐの第１の層増分が溶融した状態で、粉体ユニット１８４は、層増分だけ上向きに移動し、図７で説明したように粉体Ｐの別の層が同じ厚さで施工される。指向性エネルギー源１４６は、引き続きビームＢを放射し、ビームステアリング装置１４８を使用して、ビームＢの焦点を露出した粉体面上で適切なパターンで進ませる。粉体Ｐの露出層は、ビームＢによって上層及び先に凝固した下層の両方の内部で溶融、流動、及び凝固が可能になる温度まで加熱される。部品が形成される際に、粉体Ｐを堆積するプロセス及び指向性エネルギー源４６を使用して粉体を溶融させるプロセスは連続することができることを理解されたい。このプロセスは、部品が完成した場合もしくは不具合又故障が検出された場合にのみ中断する。

粉体ユニット１８４を移動させ、粉体Ｐを施工し、次にエネルギーを送って粉体Ｐを溶融させるこのサイクルは、部品全体が完成するまで繰り返される。また、粉体ユニット１８４の垂直方向の移動は、製作プロセスの間で連続することができ、部品は、らせん構成で連続的に製作されることに留意されたい。

部品が完成すると、真空ポンプ１５２を使用して製作チャンバ１１４から未使用のすべての粉体を除去することができる。次に、ターンテーブル１１２を降下させ、ハウジング１１８及び溶融ユニット１２０を上昇させて内側側壁１２８及び外側側壁１３０のシール１３８との係合を解除する。また、粉体ユニット１８４は、製作チャンバ１１４から外へ上昇する。次に、内側側壁１２８を取り外し、部品１８６を露呈させて取り出すことができる。

前述の製作ユニットは、それぞれの製作チャンバに対して製作ユニッを位置決めしかつ移動させるアクチュエータによって支持されるように記載されている。代替的に、前述の製作ユニットの一部は、外部のアクチュエータを使用することなく製作チャンバに対する移動を可能にする駆動手段を備えることができる。例えば、図１２は、図１のハウジング１８と類似のハウジング２１８内にアクチュエータ２２０を使用して支持された図１の溶融ユニット２０を示し、アクチュエータ２２０は、溶融ユニット２０を選択的に上又は下に移動させることができる。ハウジング２１８は、図１の製作チャンバ１４の一部の上に搭載される。ハウジング２１８は、製作チャンバ１４の内側側壁２８及び外側側壁３０の上に支えられた１又は２以上のローラ２２２を含む。ローラ２２２のうちの少なくとも１つはモータ２２４に連結される。モータ２２４が作動すると、ローラ２２２は製作チャンバ１４の縁部に沿ってハウジング２１８を駆動する（例えば、図１２に示すように頁の中に又はそこから外に）。ベルト、ギアラック、チェーン、リニアアクチュエータ等の製作ユニットと製作チャンバとの間の相対運動をもたら何らかの機構は、例示のローラ２２２及びモータ２２４に置き換わることができる。

以上、大型部品の付加製造のための装置及び方法について説明した。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

１０ 付加製造装置
１２ ターンテーブル
１４ 製作チャンバ
１６ 製作プラットフォーム
１８ ハウジング
２０ 溶融ユニット
２２ モータ
２４ アクチュエータ
２６ 固定支持構造体
２８ 内側側壁
３０ 外側側壁
３１ 環状部
３２ 製作チャンバ開口
３４ アクチュエータ
３６ 開口
３８ シール
４０ アクチュエータ
４２ アプリケータ
４４ 粉体ディスペンサー
４６ 指向性エネルギー源
８０ 上面
８２ 上面

Claims (22)

1. 予め定められた経路に沿って延びると共にその間に製作チャンバ（１４）を定める、相隔たる第１の側壁（２８）及び第２の側壁（３０）と、
   前記予め定められた経路に沿って移動するように取り付けられた１又は２以上の製作ユニットと、
   を備える付加製造装置（１０）であって、
   前記１又は２以上の製作ユニットは、集合的に、
   前記製作チャンバの上に位置決めされた粉体ディスペンサー（４４）と、
   前記製作チャンバに供給された粉体をかき取るように構成されたアプリケータ（４２）と、
   前記かき取り済みの粉体を溶融させるように構成された指向性エネルギー源（４６）と、
   を含む、装置。
2. 前記製作ユニットのうちの１つは、粉体ディスペンサー、アプリケータ、及び指向性エネルギー源を備える溶融ユニット（２０）である、請求項１に記載の装置。
3. 前記溶融ユニットは、イメージング装置（５０）を含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記溶融ユニットは、真空ポンプを含む、請求項２に記載の装置。
5. 前記製作ユニットのうちの少なくとも１つは、粉体ディスペンサー及びアプリケータを備える粉体ユニットであり、
   製作ユニットのうちの少なくとも１つは、指向性エネルギー源を備える溶融ユニットである、請求項１に記載の装置。
6. 前記予め定められた経路は、環状部である、請求項１に記載の装置。
7. 前記相隔たる第１の側壁と第２の側壁との間に配置された可動式製作プラットフォームをさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記相隔たる第１の側壁と第２の側壁とは、ターンテーブルから外向きに延びる、請求項１に記載の装置。
9. 前記ターンテーブルは、前記可動式製作プラットフォームを定める、請求項８に記載の装置。
10. 前記側壁の一方又は両方は、前記ターンテーブルに対して直角でない角度で延びる、請求項８に記載の装置。
11. 前記ターンテーブルは、上方プラットフォーム及び下方プラットフォームを含む、請求項６に記載の装置。
12. 前記上方プラットフォームは、スロットによって複数の小さなプラットフォームに分割され、前記相隔たる第１の側壁と第２の側壁は、前記スロットの内部を上下に移動可能である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記粉体ディスペンサーは、粉体の流動速度を制御するように構成された絞り弁を含む、請求項１に記載の装置。
14. 付加製造方法であって、
    予め定められた経路に沿って延びる相隔たる第１の側壁（２８）及び第２の側壁（３０）によって規定された製作チャンバ（１４）の上に１又は２以上の製作ユニットを位置決めする段階と、
    前記１又は２以上の製作ユニットを、前記製作チャンバに対して前記予め定められた経路に沿って移動させる段階と、
    前記１又は２以上の製作ユニットを使用して、前記製作チャンバに包含された製作プラットフォーム（１６）上に粉体を堆積させて粉体の層増分を形成する段階と、
    前記１又は２以上の製作ユニットを使用して、指向性エネルギー源（４６）からビームを送って前記粉体を溶融させる段階と、
    前記製作プラットフォーム、前記相隔たる第１の側壁及び第２の側壁、及び前記１又は２以上の製作ユニットのうちの少なくとも１つを、前記層増分だけ移動させる段階と、
    前記堆積させる、送る、及び移動させる段階を周期的に繰り返して、完成するまで多層様式で部品を製作する段階と、
    を含む方法。
15. 前記製作ユニットを移動させる段階、前記粉体を堆積させる段階、前記粉体を溶融させる段階、並びに前記製作プラットフォーム、前記相隔たる第１の側壁及び第２の側壁、及び前記１又は２以上の製作ユニットのうちの少なくとも１つを前記層増分だけ移動させる段階は、連続的に起こる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記１又は２以上の製作ユニットは、
    粉体ディスペンサー及びアプリケータを備える粉体ユニットと、
    指向性エネルギー源を備える溶融ユニットと、
    を含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記製作ユニットは、粉体ディスペンサー、アプリケータ、及び指向性エネルギー源を備える溶融ユニットである、請求項１４に記載の方法。
18. 前記予め定められた経路は、環状部である、請求項１４に記載の方法。
19. 前記相隔たる第１の側壁及び第２の側壁は、ターンテーブル上に位置決めされる、請求項１４に記載の方法。
20. 前記１又は２以上の製作ユニットを前記製作チャンバに対して移動させる段階は、前記ターンテーブルを回転させることで行われる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記粉体を堆積させる段階は、前記相隔たる第１の側壁及び第２の側壁の間の前記製作チャンバ内に粉体ディスペンサー及びアプリケータを入れる段階を含む、請求項１４に記載の方法。
22. 部品が完成した場合に、遊離した粉体を製作チャンバから排出する段階をさらに含む、請求項１４に記載の方法。