近年、一般に様々な形態の出力製品の成形又は機械加工を含んだ従来の物体、部品及び要素製造プロセスは、全体的に「積層材料」と称される技術又はAM製造技術の新たなクラスを含むように拡大している。これらの技術は、現在実現されるように、一般に、未完成の状態において時には毒性がある又は他の有害である積層材料の層が特定材料の堆積及び硬化スキームにしたがってインプロセス3D物体上に順次堆積されるプロセスをともなう。各層が3D物体形成プロセスにおいて積層されるのにともない、堆積された材料の新たな層が追加され、1つ以上の既存層に付着される。そして、各AM層は、3D物体造形プロセスにおける任意の次のAM層の堆積前に、少なくとも部分的に、個別に硬化されることができる。
AM製造技術は、これらに限定されるものではないが、3D印刷部品を製造するために使用可能な「3D印刷」技術と広く称されるようになっているそれらの技術を含む。3D印刷技術は、受像媒体基材上に印刷された2次元(2D)像を形成するための周知のプロセスに適合され且つ多くの点でそれと類似していると思われる1つ以上のプロセスを使用する。3D印刷技術によって生成される出力構造における有意な差異は、一般に、(1)3Dプリンタから出力3D印刷部品を形成するために使用される堆積された材料の組成と、(2)出力3D印刷部品の形態に層を造形するために堆積材料の比較的多数の連続(及び非常に薄い)層を堆積させる際に「印刷」ヘッドによって形成される多数の経路とに基づいている。
複雑な3Dプリンタを含む洗練されたAM製造システムにおいて、例えば、ロボットアームの端部におけるなど、複数の軸から変換するために蒸着システム又は印刷装置の能力は、3Dモデルのコピーにおいて及び/又は詳細なディジタルデータソースファイルに情報を形成する3Dモデリング若しくは物体の変換においてコンピュータの制御に応じて実質的に任意の形状のますます複雑な3D物体を生成するためにAM製造システム又は3Dプリンタの能力を提供する。
拡大する数のAM製造又は3D印刷プロセス及び技術が現在利用可能である。多数のこれらのAM製造又は3D印刷プロセス間の主要な顕著な特徴は、層が出力3D物体を作成するために堆積されるような方法及び出力3D物体を形成するために使用される材料である。
AM製造技術(この用語は、様々な3D物体層を指し且つ3D印刷を含む技術を構築するために本開示の残りの全体にわたって使用される)の一部は、例えば、選択的レーザ溶融又は入力材料の焼結などの技術を使用して造形層を生成するための材料を溶融又は軟化する。他のAM製造技術は、噴射(インク)材料「印刷」技術などのそれらの液体材料の堆積のための技術を使用して液体材料を堆積して硬化させる。
困難性は、それらがAM製造のために適合されるような通常の材料の堆積技術によって生じる。材料押出、材料噴射又は他の同様の堆積プロセスにおいて堆積されることになる固体材料の量は、堆積材料がAM堆積プロセス中にそれらのノズルを詰まらせることなく特に構成された材料堆積ノズルを通過することができるようにするために制限されなければならない。結果として、材料の非常に薄い層は、インプロセス3D物体を形成する既に堆積された層を横切って又はその周囲において堆積システムの各経路上に堆積される。大抵の場合、任意の次層の堆積前に各堆積層を硬化させる必要性と組み合わせた非常に薄い材料層を堆積するこの制限は、プロセスは非常に面倒にする傾向がある従来のAM製造プロセスにおける3D物体の造形速度と、特殊化された3D物体の制限されたランを製造する際の使用に十分な経済性又は効率性のみを制限する。
それゆえに、AM製造技術は、完成した部分における複雑性の点で成形又は機械加工を含む従来の部品製造技術に勝る利点を呈する。AM製造技術は、さらに、AM製造された3D物体が特定のカラースキームを有利に提示することが意図される場合、利用可能な材料の色域における一定の柔軟性を促進し、それにより、いくつかの物体形成後の追加の仕上げステップを回避する。3D印刷技術において、例えば、インク状材料は、印刷又は出力3D印刷部品の形成過程で異なる色のものであってもよい複数の材料を使用することができる。出力3D印刷部品を製造するために同時に複数色及び色の組み合わせで印刷するこれらの技術の能力は、一般に、追加の物体塗り/仕上げを排除する。AM製造システム及び装置は、一般に、同様に広いスペクトルの異なる材料を有する材料の堆積を行うことができる。これらの材料は、例えば、押出成形プラスチック及び熱可塑性樹脂、高密度ポリエチレン、(焼結金属、金属粉末及び/又は金属合金を含む)特定の金属、接着粉末混合物、セラミック材料及びセラミックマトリックス複合材、粘土、プラスター、及び、溶液中に懸濁した高濃度の固体成分の光硬化性及び/又は紫外線(UV)硬化インクを含む特定のインク状材料を含む。3Dプリンタは、料理分野において食品を製造するために食用材料の組成物の層を堆積するためにさらに使用することができる。
残念なことに、これらのAM製造システム及びスキームにおける利点は、とりわけ造形及び硬化する時間の明確な欠点によって現在でバランスがとれており、特にシナリオを形成する3D物体の大量生産においてこれらのAM製造技術をあまり確かには許容できなくしている。
既存のAM製造技術は、一般に溶融堆積モデリング(FDM)及びマルチジェットモデリング(MJM)と称されるものを含む。上記で示されるように、これらの技術は、3D物体の試作及び短期製造のためにますます採用されている。FDMのようなAM材料製造技術は、例えば、押出可能である多くの異なる一般的な熱可塑性樹脂から3D物体を造形することが可能である。MJMのようなAM製造技術は、例えば、着色及び無着色インク状溶液中に懸濁させた同じ熱可塑性樹脂及び他の固体組成物を含む積層材料を堆積することによって3D物体を造形することが可能である。3D物体は、FDMにおける押出樹脂液滴の堆積によって又はMJMにおける噴射材料液滴の堆積によって層毎に面倒に造形される。これらのAM製造技術の応用における柔軟性の義務を活用しようと試みる産業及び他の応用が出現し、これらの技術によって利用可能な造形速度は許容できないままであるか、又は、いくつかは痛々しいほど遅いというであろう。上述したように、材料の液滴の非常に薄い層が堆積されるこれらの遅い速度は、大抵の場合、以前に堆積し且つ部分的に硬化した下層に付着されるべき次層を堆積する前に3D物体造形プロセスにおいて各層を少なくとも個別的且つ部分的に硬化する必要性によって構成される。
他の欠点は、材料及び材料造形プロセスにおいて有意に多くの空隙が存在する可能性があり、成形又は機械加工されることがあるものから低密部品をレンダリングすることから、従来製造されるAM3D物体が、一般に、例えば噴射成形プロセスにおいて製造される部品にあまり類似性がないことがあるということである。それゆえに、AM製造された3D物体は、一般に、それらの他の製造、成形又は機械加工された相手方ほど強力ではない。
しかしながら、利点は、AM製造された3D物体が、例えば、成形又は機械加工製造プロセスにおいてレンダリングすることは非常に難しいことがある形状に形成されることができることにある。さらに、これらの複雑さは、AM製造プロセスの実行において課題が存在する。例えば、新たに追加された部分が硬化機構にさらされてから下層の製造部品の一部を影にするようなAM製造プロセスにおいて形成することができるフランジを考える。通常はあまりにも、例えば空気によってのみその下方に支持される上層の特徴が存在する場合には、大抵の場合に第2の支持材料の形態の支持構造又は廃棄物材料から形成される犠牲特徴のいくつかの方法は、3D物体の造形プロセス中に空間に上構造を保持するために供給/提供されることができる。これは、従来の層毎のAM製造造形プロセスのさらなる既知の制限である。
上記欠点を考慮して、周知の基材の使用、現在の材料堆積技術と同様の設計自由度、及びはるかに高い造形速度を可能とする高度なAM製造プロセスを開発することが有利であろう。造形プロセスにおける廃棄物としての追加の支持構造材料含有要件を低減するか又は実質的に排除することがさらに有利であろう。
本開示にかかるAM製造された3D物体を形成及び/又は製造するためにラミネート層を造形するプロセスにおける局所的で且つ指向性のあるレーザ溶接接合技術を実現するシステム及び方法は、一般に、それらのシステム及び方法についてのこれらの特定の有用性に言及する。本開示に記載されて示される例示的な実施形態は、(1)そのAM製造3D物体形成システム又は要素、(2)開示された2Dスライスが切断されることができるAM製造システムの入力においてシートの形態で供給される個々の入力材料、(3)インプロセス3D物体に対する局所的なレーザエネルギの付与のためのレーザ装置の特定の構成、又は、(4)AM制御システム内での3D物体形成についてのレーザベースの層状AM製造プロセスを制御するための制御及び/又は処理要素のいかなる特定の構成にも具体的に限定されるものとして解釈されてはならない。本開示において詳細に述べられたものなどの装置及び方法を使用するインプロセス3D物体の位置へと2Dスライスの形態でAM層の個別の層毎の付着のために指向性のあるアドレス指定可能な及び/又は選択的なレーザエネルギを印加するためのスキームのいかなる有利な使用も、開示された例示的なシステム及び方法の範囲内に含まれるものとして意図されることが認識されるべきである。
開示されたシステム及び方法は、AM製造プロセスの入力においてシート形態の1つ以上の入力材料を提示することによってAM製造を実現するために使用するように特に適合されるものとして記載される。シート形態の入力材料は、それらから切断される2Dスライスを有するものとして記載されるが、FDM、MJM又は他の同様の堆積プロセスにおいて堆積される任意の材料層がレンダリングするよりもかなり大きい第3(高さ)の寸法において特定の厚さを有するものとして認識される。現在のFDM及びMJM技術は、比較的非常に薄い層のセットにおいて3D物体をレンダリングする。これらの従来のプロセスにかかる各層は、選択されたプロセスが支持する堆積材料に基づいてミリメートル厚さの一部のオーダーとすることができる。開示されたスキームの利点は、3D物体がそれぞれ1から5ミリメートルのオーダーの非常に厚い層にレンダリングされ、予め仕上げられた材料の入力シートから切断されるというものである。複数の入力材料及び潜在的に2Dスライス層の厚さの変動は、開示されたAM製造スキームに応じて単一の3D物体の形成に使用されることができる。
さらに、一般的な熱可塑性プラスチック、金属などの特定の入力材料から形成されるシートが言及されることができるが、これらの言及は、開示されたAM製造スキームにおいて使用することができる例示的な材料を例示するように意図される。これらの言及は、それらが開示されたシステムの入力においてシート形態で提示可能とすることができるもの以外の入力材料のいかなる特定のセット又はクラスにも開示されたシステム及び方法を限定するものとしてみなされるべきではない。一般的な言及は、本開示が特定の出力3D物体を製造するための任意のAM製造技術に特に限定されるものとして解釈されないために出力3D物体に対して行われる。
開示された実施形態は、他の目的のうち、AM製造プロセスにおいて形成される3D物体の製造のために比較的速い造形速度を提供し、多くの従来のAM製造が日常的に直面する課題に対処し、それによってそれらの効率を制限し、したがって効率性をもたらすことが意図される。任意のインプロセス硬化ステップについての要件の除去は、(1)開示されたスキームにおいて利用可能な製造造形速度をさらに増加させ、(2)例えば、任意のインプロセス硬化が、過硬化することなく3D物体に関連付けられた材料の取り扱いの危険性を低減することによってインプロセス3D物体に損傷を引き起こすために全ての要素を効果的に硬化するために十分に徹底することがある問題を軽減する傾向がある。
図1は、本開示にかかる例示的なAM製造3D物体形成システム100の概略図を図示している。図1に示されるように、例示的なシステム100は、例示的なシステム100についての材料入力源としてシート形態で入力材料を保持する1つ以上の材料カセット110、112、114を含むことができる。材料カセット110、112、114のうちの1つ以上は、入力材料のシートのスタック又はロールを含むことができる。1つ以上の材料カセット110、112、114は、示された方法のように例示的なシステム100に対する入力材料シートの供給に対応するために垂直方向Aに平行移動可能とすることができる。シート形態の入力材料は、一般的な熱可塑性プラスチック、金属及び他のシート状材料を含むことができる。
入力材料の個々のシート120は、材料カセット110、112、114のうちの1つから、例示的なシステム100において2Dスライス又はラミネート作成領域を構成する第1の処理ステーションへと搬送されることができる。入力材料の個々のシートを搬送は、コンベヤ搬送システム190又は他の類似の搬送システムを介して行うことができる。コンベヤ搬送システム190は、コンベヤベルト192が循環するように構成される一連のコンベヤロール194、196を備えることができる。例示的なシステム100のラミネート作成領域は、例えば2軸シート材料ラミネートカッター132の反対側に材料切断支持台130を含むことができる。ラミネートカッター132は、レーザビーム134を出射するレーザカッターの形態とすることができるか、又は、機械的ミリングタイプカッター、ウォータージェットカッターを含む他の物理的材料カッター、又は、通常は材料のシートからラミネート部品を切断するために使用される他の既知の切断装置の形態とすることができる。
プロセッサ又はコントローラ170の制御下で、2Dスライス(ラミネート)のセットは、ラミネート作成領域内の材料シート120から切断されることができる。コントローラ170は、個々の2Dスライスがラミネートカッター132によって入力材料のシート120から切断される制御可能なプロセスを実行するために要素データに委譲又は解析された3D物体形成データを備えることができる。平面形態の個々の2Dスライステンプレートは、3D物体造形プロセスにおける個々の2Dスライス層のレベルにおいてインプロセス3D物体の仕上がった外容積に対して僅かにオーバーサイズとすることができる。多くの興味深い及び/又は複雑な部品について、開示されたスキームは、3D物体をレンダリングするために別個に一体に接合されるように本質的に完成した2Dスライスを別個に、正確に且つロバストに予め形成することができる。
そして、切断シート要素又は2Dスライスは、ラミネート作成領域から例示的なシステム100における物体造形領域を構成する第2の処理ステーションへと方向Bに任意の既知の材料搬送機構を介して搬送されることができる。既知の材料搬送システムは、コンベヤ搬送システム190の形態の同一又は別個のコンベヤ要素とすることができる。既知の材料搬送システムは、ロボットアーム182の先端における材料保持装置184を有する操作可能(及び潜在的に関節接合される)ロボットアーム182を含むロボットピックアンドプレース装置の形態の材料搬送装置180とすることができる。既知の材料搬送システムは、そのような装置の組み合わせとすることができるか、又は、処理ステーション間の2Dスライス搬送のための他の同様の既知の要素、ユニット若しくは装置を含むことができる。
物体造形領域は、例えば、2軸レーザ溶接装置142の反対側に造形プラットフォーム140を含むことができる。物体造形領域において、ラミネート作成領域から搬送される個々の次の2Dスライスは、インプロセス3D物体を造形するために、造形プラットフォーム140上に最初に配置することができるか、又は、造形プラットフォーム140上に下層の処理されたスタック又は他の2Dスライスの本体を追加することができる。造形プラットフォーム140は、物体造形領域におけるスタック及びレーザ溶接付着プロセスを支持するために方向Aに2Dスライス122のスタックとしてインプロセス3D物体を上昇及び下降させるためのいくつかの可動プラットフォームの形態とすることができる。
造形プラットフォーム140上の他の2Dスライスの下層の処理されたスタック上に次の2Dスライスを配置する前に、下層の処理されたスタックの上部2Dスライスの表面は、次の2Dスライスを受け入れるように表面仕上げされることができる。表面仕上げは、材料の出力ストリームとしてのIR吸収体の印刷を含むことができる。実施形態にかかるレーザ溶接付着プロセスについての表明仕上げは、非IR吸収2Dスライス材料についての例示的なレーザ溶接技術及びIR吸収2Dスライス材料についての例示的なレーザ溶接技術のそれぞれを例示及び記載する図2及び図3を参照して以下により詳細に記載される。実施形態において、レーザエネルギは、2軸レーザ溶接装置142からの制御されたビーム144において出射されることができ、上部2Dスライスの表面が使用されることになる特定のレーザ溶接技術に適するように表面仕上げされると、次の2Dスライスは、スタック上に配置され、本開示にかかるレーザ溶接技術を支持するようにスタックにクランプされることができる。
インプロセス3D物体のニアネットボリュームが最後の2Dスライスの配置及びレーザ溶接付着によって完成すると、ニアネットボリュームの3D物体は、その後、物体造形領域から例示的なシステム100における物体表面仕上げ領域を構成する第3の処理ステーションへと方向Bに任意の既知の材料搬送機構を介して搬送されることができる。物体表面仕上げ領域は、例えば、多軸関節表面仕上げ装置152の反対側に仕上げプラットフォーム150を含むことができる。多軸関節表面仕上げ装置152は、例えば、最小減法加工プロセスにおいて最終的な3D物体形状を作成するためのミリングビット154を有する6軸CNCミリングマシン又は他の同様の機械加工装置とすることができる。表面仕上げ装置は、完成した3D物体を材料物体出力部160へと出力する前に3D物体を表面仕上げするためにコントローラ170からの入力によってそれぞれ制御される方向A及びBにおける仕上げプラットフォームの移動と協働して方向A、B及び/又はCに可動とすることができる。物体表面仕上げは、最終的な3D物体の僅かに大きめのバージョンを表す2Dスライスのスタックの外側モールドラインを製造された3D物体の最終的な外側モールドラインまで低減する仕上げプロセスにおいて仕上げプラットフォーム150上の2Dスライスの完成したスタックで動作させることができる。
当業者は、上記スキームにしたがって作ることができない場合がある製造される3D物体についてのいくつかの複雑な形状又は複雑な構成部品が存在し得ることを認識するであろう。しかしながら、上記プロセスに役立つことがあるそれらの部分について、このプロセスは、例えば押出又は噴射材料のように堆積されたAM製造物質の各層の厚さの10倍以上とすることができる個々の積層2Dスライスの厚さに基づいてはるかに速い速度で行うことができる。したがって、開示されたスキームによって対処される特定の目的は、より速いAM製造プロセスにおける3D物体の生成である。開示されたスキームは、製造するのにはるかに迅速なより強力な3D物体をレンダリングするようにAM製造される要素の垂直(又は外向き)成長率を迅速に向ける。
上述したように、開示されたAM製造スキームは、一般に、積層及び減法材料製造技術の組み合わせから構成される。開示されたAM製造スキームは、例えば、FDM、MJM及び他の同様の3D物体形成プロセスによって形成される同様の3D要素よりも材料的に安定で、強力で及び/又はロバストな最終的な3D物体を形成するように意図される。形成された3D物体における任意の弱点は、それ自体の層内ではなく、むしろ個々の2Dスライスが固定され、付着され又は互いに係合された2Dスライス層間にのみ現れることができる。個々の2Dスライスの強度に基づいて、開示されたスキームにおける製造の強度についての集中は、層間付着プロセスに向けられる。
図2Aから図2Dは、本開示にかかる、2Dスライスが非IR吸収材料から形成されることができるAM製造スキームにおいて使用可能な局所的なレーザ溶接技術を説明するための層毎の概観の例示的な実施形態を図示している。図2Aに示されるように、造形プロセスにおける最上又は最外の2Dスライス210が提供されることができる。一般に上述されるように、開示された3D物体造形プロセスにおける各2Dスライスは、造形プロセスにおいて互いに2Dスライスに対して任意の形状を有することができることが認識される。各2Dスライスが切断される入力材料の材料厚さに応じて、各2Dスライスは、様々な所定の厚さを有することができる。図2Bは、次の2Dスライスが非IR吸収材料又はIR透過材料から形成されることができるレーザ溶接プロセスの支持において、IR吸収特徴220は、(潜在的にFDM及び/又はMJMを含む)既知の印刷方法に応じて選択的に印刷されることができる又は2Dスライス210の上面に堆積/形成されることができることを示している。IR吸収特徴220は、堆積した材料又は堆積した材料の不連続領域の「ビーズ」から構成されることができる。IR吸収材料は、例えば、2Dスライス210の上面に選択的に塗布される噴射可能又は押出可能材料を充填したカーボンブラックとすることができる。図2Cは、2Dスライス210に印刷されたIR吸収体の位置に配置された(及び必要に応じてクランプされた)次のIR透過2Dスライス230を示している。2つの2Dスライス(ラミネート)210、230及びIR吸収特徴220が配置されると、レーザエネルギがレーザ出射装置(図1を参照)から図2Cに示されるアセンブリを介して向けられることができる。レーザビームは、アセンブリに沿って走査することができる。いかなるIR吸収体も存在しない場合、レーザビームは、ビームダンプ(図示しない)までスタックを通過する。IR吸収体が存在する場合、ラミネートは、溶接接合部を形成するために局所的に十分に加熱される。アセンブリのレーザスキャンの終わりにおいて、2つの2Dスライス210、230が不可分のアセンブリ内で互いに接合されて結合される。図2Dを参照のこと。このレーザ溶接(又は接合)プロセスの特徴は、2Dスライス間の界面における温度上昇が局在化するということである。
図3Aから図3Dは、本開示にかかる、2DがIR吸収材料から形成されることができるAM製造スキームにおいて使用可能な局所的なレーザ溶接技術を説明するための層毎の概観の例示的な実施形態を図示している。図3Aに示されるように、造形プロセスにおいて最上又は最外の2Dスライス310が提供されることができる。一般に上述されるように、開示された3D物体造形プロセスにおける各2Dスライスは、造形プロセスにおいて互いに2Dスライスに対して任意の形状を有することができることが認識される。各2Dスライスが切断される入力材料の材料厚さに応じて、各2Dスライスは、様々な所定の厚さを有することができる。図3Bは、次の2Dスライス330がIR吸収材料又は非IR透過材料から形成されることができるレーザ溶接プロセスの支持において、次の2Dスライス330は、溶接レーザビームがレーザ溶接プロセスにおいて次の2Dスライス330を貫通するのを可能とする、切断される孔又は溝の形態の一連の貫通特徴320を有することができることを示している。図3Cは、レーザエネルギのレーザ溶接ビームがレーザ出射装置(図1を参照)からアセンブリを通って向けられることができることから、レーザ溶接ビームは、次の2Dスライス330が最初の2Dスライス310と交差する場所に形成された下部の内部又は外部のコーナーに直接隣接する下位の2Dスライス310にあたるように向けられることができることを図示するように意図される。各コーナーにおいて、レーザビームは、図3Cに示されるように局所的な溶接ビーズ325を形成することができる。アセンブリの向けられたレーザの照射の終わりにおいて、2つの2Dスライス310、330が不可分のアセンブリ内で互いに接合されて結合される。そして、制限される追加材料は、実質的に均一な上部2Dスライス層を提供するために特徴320を介してそれぞれに堆積されることができる。図3Dを参照のこと。このレーザ溶接(又は接合)プロセスの特徴は、2Dスライス間の界面における温度上昇が局在化するということである。
図4は、本開示にかかるインプロセス3D物体形成プロセスにおける局所的で且つ指向性のあるレーザ溶接接合技術を使用することを含むAM製造スキームを実現する例示的な制御システムのブロック図を図示している。例示的な制御システムは、図1に示されるようなシステムにおいてAM製造プロセスを実行するためのコントローラの要素に入力を提供することができるか又はそのコントローラの要素とすることができる。
例示的な制御システム400は、ユーザが例示的な制御システム400と通信することができる操作インターフェース410を含むことができる。操作インターフェース410は、AM製造又は3D物体形成装置に関連付けられた局所的にアクセス可能なユーザインターフェースとすることができる。操作インターフェース410は、例示的な制御システム400に対して情報を入力するのをユーザに許容することができる制御装置及び/又はコンピューティングデバイスに共通の1つ以上の従来の機構として構成されることができる。操作インターフェース410は、例えば、従来のキーボード、「ソフト」ボタン若しくは互換性のあるスタイラスとともに使用するための様々な要素を有するタッチスクリーン、音声認識プログラムによって「変換」されるようにユーザが例示的な制御システム400に対して口頭コマンドを提供することができるマイクロホン又はユーザが例示的な制御システム400に対して特定の操作命令を伝えることができる他の同様の装置を含むことができる。操作インターフェース410は、例示的な制御システム400が関連するAM製造若しくは3D物体形成装置に一体に若しくは関連付けられて搭載されるグラフィカルユーザインターフェース(GUI)の一部若しくは機能とすることができる。
例示的な制御システム400は、例示的な制御システム400を個別に動作させるための且つAM製造又は3D物体形成のために効果的な制御及び動作機能を実施するための、具体的には、(レーザ又は他の切断装置による)ラミネート切断ステップと、(コンベヤ、ロボットピックアンドプレース装置などのうちの1つ以上を使用することを含む)処理ステーション間のラミネート搬送ステップと、標的レーザ溶接技術によるラミネート積層、クランプ及び付着ステップと、(CNC機械加工又は他の同等のプロセスを介した)機械的表面仕上げステップとを含む多段階の3D物体形成スキームを実現するための1つ以上のローカルプロセッサ420を含むことができる。プロセッサ420は、例示的な制御システム400の特定の機能に向け且つ例示的な制御システム400によるAM製造若しくは3D物体形成プロセスを制御するための命令を解釈して実行する少なくとも1つの従来のプロセッサ又はマイクロプロセッサを含むことができる。
例示的な制御システム400は、1つ以上のデータ記憶装置430を含むことができる。そのようなデータ記憶装置430は、例示的な制御システム400、具体的にはプロセッサ420によって使用されることになるデータ又は動作プログラムを記憶するために使用されることができる。データ記憶装置430は、例えば、例示的な制御システム400が関連付けられたAM製造又は3D物体形成装置において3D物体を生成するために1つ以上の3D物体モデルに関する情報を記憶するために使用されることができる。記憶された3D物体モデル情報は、一般に上述したように3D物体を形成するために一連の僅かにオーバーサイズの2Dスライスを切断するためのデータに委譲されることができる。
データ記憶装置430は、ランダムアクセスメモリ(RAM)又は更新可能なデータベース情報を記憶することができ且つ例えばプロセッサ420によってシステム動作を実行するための命令を別個に記憶する他の種類の動的記憶装置を含むことができる。データ記憶装置430はまた、従来のROM装置又はプロセッサ420のための静的情報及び命令を記憶する他の種類の静的記憶装置を含むことができる読み出し専用メモリ(ROM)を含むことができる。さらに、データ記憶装置430は、例示的な制御システム400に一体化することができるか又はクラウドベースのデータ記憶要素を含んで例示的な制御システム400に外部に設けられて有線又は無線通信することができる。
例示的な制御システム400は、これらに限定されるものではないが、例示的な制御システム400が関連付けられることができるAM製造又は3D物体形成装置のGUI上の表示画面を含むユーザに情報を出力する1つ以上の従来の機構として構成されることができる少なくとも1つのデータ出力/表示装置440を含むことができる。データ出力/表示装置440は、例示的な制御システム400が装置内の複数の別個の処理ステーションのうちの1つ以上において個々に制御される要素の1つ以上の動作を含んで関連付けられることができる装置によって行われるAM製造又は3D物体を形成動作のユーザの状況を示すために使用されることができる。
例示的な制御システム400は、例示的な制御システム400が例示的な制御システム400の外部の要素と通信することができる1つ以上の別個の外部通信インターフェース450を含むことができる。外部通信インターフェース450の少なくとも1つは、3D物体形成動作における制御機能を実行するためのモデリング情報を記憶する外部CAD/CAM装置の接続をサポートするための入力ポートとして構成されることができる。例示的な制御システム400と外部及び/又は関連する要素との間の有線又は無線通信を提供するための任意の適切なデータ接続は、示される外部通信インターフェース450を包含することが意図される。
例示的な制御システム400は、委譲された3D物体モデリング情報に応じてインプロセス3D物体についての一連の2Dスライスを生成するラミネートカッターを制御するために使用することができる2Dスライスカッター制御ユニット460を含むことができる。2Dスライスカッター制御ユニット460は、1つ以上のデータ記憶装置430に連結されたプロセッサ420の一部又は機能として動作することができるか又は例示的な制御システム400における別個のスタンドアロン要素モジュール若しくは回路として動作することができる。プロセッサ420又は2Dスライスカッター制御ユニット460のいずれかは、それ自体、AM製造又は3D物体形成装置において層毎の2Dスライス材料切断スキームを判定して実行するために入力3D物体モデル情報を解析することができる。
例示的な制御システム400は、1つ以上のデータ記憶装置430に連結されたプロセッサ420の一部若しくは機能として又は例示的な制御システム400における別個のスタンドアロン要素モジュール若しくは回路として層間レーザ溶接制御ユニット470を含むことができる。層間レーザ溶接制御ユニット470は、IR吸収体を形成するための1つ以上の材料堆積要素の機能を制御するために且つ上記詳細に述べられたプロセス及び技術に応じて互いに個々の2Dスライスを接合するレーザ溶接付着技術を実行するためのレーザ溶接装置の指向及び/又は走査並びにレーザ溶接装置から出射されるレーザエネルギの強度を制御するために使用可能とすることができる。
例示的な制御システム400は、切断されて処理されたスタック及び減法加工プロセスにおいてレーザ溶接された2Dスライス上において最終的な3D物体シェイピングスキームを実行するための表面仕上げ制御ユニット480を含むことができる。上記列挙した他の別個の制御ユニットと同様に、表面仕上げ制御ユニット480は、仕上げ装置動作を実行するために1つ以上のデータ記憶装置430に連結されたプロセッサ420の一部又は機能として動作することができるか又は例示的な制御システム400における別個のスタンドアロン要素モジュール若しくは回路として動作することができる。
例示的な制御システム400の様々な要素の全ては、図4に示されるように、内部的に且つ1つ以上のデータ/制御バス490によって1つ以上のAM製造若しくは3D物体形成装置に接続されることができる。これらのデータ/制御バス490は、それらの要素の全てが一体に収容されるか又は外部にあって例示的な制御システム400が関連付けられることができるAM製造若しくは3D物体形成装置に接続されているかにかかわらず、例示的な制御システム400の様々な要素間の有線又は無線通信を提供することができる。
一体型ユニットとして図4に示されているが、例示的な制御システム400の様々な開示された要素は、個々の要素又は要素の組み合わせとしてサブシステムの任意の組み合わせで、例示的な制御システム400の単一ユニットに一体的に、又は外部にあって且つ単一ユニットと有線若しくは無線通信して配置されることができることが理解されるべきである。換言すれば、一体型ユニットとして又は支持ユニットとしての特定の構成は、図4における描写によって暗示されることはない。さらに、例示的な制御システム400に関する本開示において提供された詳細の理解を容易とするために個別ユニットとして示されているが、個々の示された要素、特に示された制御ユニットのそれぞれのいずれかの記載された機能は、例えば、1つ以上のデータ記憶装置430に接続されて通信する1つ以上のプロセッサ420によって行うことができることが理解されるべきである。
開示された実施形態は、局所的で且つ指向性のあるレーザ溶接接合技術を使用することを含む3D物体形成のためのAM製造スキームを実現するための例示的な方法を含むことができる。図5A及び図5Bは、2Dスライスが非IR吸収材料又はIR透過材料から形成されることができるインプロセス3D物体形成プロセスにおけるそのような技術を実現する第1の例示的な方法のフローチャートを図示している。図6A及び図6Bは、2DスライスがIR吸収材料又は非IR透過材料から形成されることができるインプロセス3D物体形成プロセスにおけるそのような技術を実現する第2の例示的な方法のフローチャートを図示している。本方法のステップは、いくつかの同様のステップを含むことから、それらは、一緒にとりあげられる。図5A及び図5B並びに図6A及び図6Bに示されるように、本方法の動作は、ステップS5000/S6000において開始し、ステップS5050/S6050に進む。
ステップS5050/S6050において、3D物体形成データがAM製造システムにおけるデータソースから受信されることができる。本方法の動作は、ステップS5100/S6100に進む。
ステップS5100/S6100において、受信した3D物体形成データは、入力材料スライシングスキームに委譲、解析又は変換されることができる。入力材料スライシングスキームは、2D材料切断装置によって入力材料のシートから一連の2D材料スライスを切断するためにニアネットシェイプ(平面形態)に指定することができる。本方法の動作は、ステップS5150/S6150に進む。
ステップS5150/S6150において、入力材料のシートは、入力材料の積層又は巻回されたシートを格納する材料カセットを含むシート材料入力ユニットからAM製造システムにおける材料スライシングステーションへと搬送されることができる。本方法の動作は、ステップS5200/S6200に進む。
ステップS5200/S6200において、最初の2Dスライスは、材料スライシングステーションに提示された入力材料のシートから指定されたニアネットシェイプ(平面形態)に切断されることができる。本方法の動作は、ステップS5250/S6250に進む。
ステップS5250/S6250において、切断された最初の2Dスライスは、材料スライシングステーションから搬送され、AM製造システムにおける物体造形ステーションの造形プラットフォーム上に上部2Dスライスとして配置されることができる。本方法の動作は、ステップS5300/S6300に進む。
ステップS5300/S6300において、入力材料の他のシートは、必要に応じて、シート材料入力ユニットからAM製造システムにおける材料スライシングステーションへと搬送されることができる。本方法の動作は、ステップS5350/S6350に進む。
ステップS5350において、IR透過材料から形成された2Dスライスをレーザ溶接する方法のサポートにおいて、次の2Dスライスは、提示された入力材料のシート又は必要に応じて提示された入力材料の他のシートから指定されたニアネットシェイプに切断されることができる。本方法の動作は、ステップS5400に進む。
ステップS5400において、IR透過材料から形成された2Dスライスをレーザ溶接する方法のさらなるサポートにおいて、複数のIR吸収体がAM製造システムにおける物体造形ステーションにおいて上部2Dスライス上に形成(又は印刷)されることができる。本方法の動作は、ステップS5450に進む。
ステップS6350において、次の2Dスライスは、提示された入力材料のシート又は必要に応じて提示された入力材料の他のシートから指定されたニアネットシェイプに切断されることができる。IR吸収材料から形成された2Dスライスをレーザ溶接する方法のサポートにおいて、切断は、次の2Dスライスを通る孔又は溝の形態の一連の貫通特徴の切断又は形成を含むことができる。本方法の動作は、ステップS6400の次において孔又は溝の形態の特徴に進む。
ステップS5450/6400において、切断された次の2Dスライスは、材料スライシングステーションから搬送され、物体造形ステーション上に次の上部2Dスライスとして配置されることができる。本方法の動作は、ステップS5500/S6450に進む。
ステップS5500/S6450において、次の上部2Dスライスは、AM製造システムにおける物体造形ステーション上において2Dスライスのスタックの上部の所定位置にクランプされることができる。本方法の動作は、ステップS5550/S6500に進む。
ステップS5550において、IR透過材料から形成された2Dスライスをレーザ溶接する方法のサポートにおいて、レーザエネルギは、AM製造システムにおける物体造形ステーション上において2Dスライスのスタック上の所定位置に次の上部2Dスライスを局所的にレーザ溶接するように次の上部2Dスライスを通って向けられることができる。レーザビームは、上部2Dスライスに沿って走査されることができる。いかなるIR吸収体も存在しない場合、レーザビームは、ビームダンプまで2Dスライスのスタックを通過することができる。IR吸収体が存在する場合、2Dスライスは、溶接接合部を形成するために十分に局所的に加熱される。レーザ走査の終わりにおいて、上部2つの2Dスライスは、不可分アセンブリにここで接合される。本方法の動作は、ステップS5600に進む。
ステップS6500において、IR吸収材料から形成された2Dスライスをレーザ溶接する方法のサポートにおいて、レーザエネルギは、AM製造システムにおける物体造形ステーション上におけるこれらの界面において2Dスライスのスタック上の所定位置に次の上部2Dスライスを局所的にレーザ溶接するように次の上部2Dスライスにおける孔を通って且つ次の上部2Dスライスがスタックの上部と交差するさらされたコーナーにおいて向けられることができる。レーザビームは、次の上部2Dスライスの下部内部コーナーにすぐ隣接する上部2Dスライスから第2の上面にあたるように向けられることができる。それゆえに、レーザビームは、各貫通特徴の下部において且つ各さらされたコーナー溶接部を局所的に形成する。本方法の動作は、ステップS6550に進む。
ステップS6550において、材料は、実質的に均一な上層をレンダリングするために次の上部2Dスライスに残る空洞を埋めるために追加されることができる。本方法の動作は、ステップS6600に進む。
ステップS5600/S6600は、受信した3D物体形成データによって指定された2Dスライスの全てが、切断及びレーザ溶接された2Dスライスのニアネットシェイプの3D物体を形成するために、AM製造システムにおける物体造形ステーション上の2Dスライスのスタック上の所定位置において局所的にレーザ溶接されたかどうかが判定される判定ステップである。
ステップS5600/S6600において、インプロセス3D物体の2Dスライスの全てが所定位置においてレーザ溶接されていないと判定された場合、本方法の動作は、ステップS5300/6300に復帰する。
ステップS5600/S6600において、インプロセス3D物体の2Dスライスの全てが所定位置においてレーザ溶接されたと判定された場合、本方法の動作は、ステップS5650/6650に進む。
ステップS5650/6650において、2Dスライスの完成したスタックは、AM製造システムにおける物体造形ステーションから仕上げステーションへと搬送されることができる。本方法の動作は、ステップS5700/6700に進む。
ステップS5700/6700において、2Dスライスの完成したスタックは、AM製造システムにおいて2Dスライスのニアネットシェイプスタックを表面仕上げされた3D物体に最終的に形成するために減法材料機械加工法で表面仕上げされることができる。本方法の動作は、ステップS5750/6750に進む。
ステップS5750/6750において、形成されて表面仕上げされた3D物体は、AM製造システムから出力されることができる。本方法の動作は、ステップS5800/6800に進み、本方法の動作は停止する。
上記で示されるように、本方法は、AM製造システムにおいて形成された仕上げられた出力3D物体を製造するために以前に実現できなかったレベルの造形プロセスにおける速度を積極的に提供することができる。
開示された実施形態は、プロセッサによって実行されたときにプロセッサに上記概観した本方法のステップの全て又は少なくとも一部を実行させることができる命令を記憶する非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体を含むことができる。
上述した例示的なシステム及び方法は、本開示の主題が親しみ及び理解を容易とするために実現することができる適切な動作、製造プロセス及び3D物体形成若しくはAM製造環境の簡潔で一般的な説明を提供するために特定の従来の要素に言及する。要求されないが、本開示の実施形態は、記載された特定の機能を実行するために、ハードウェア回路、ファームウェア又はソフトウェアコンピュータ実行可能命令の形態で少なくとも部分的に提供されることができる。これらは、プロセッサによって実行される個々のプログラムモジュールを含むことができる。
当業者は、開示された主題の他の実施形態が多くの異なる構成の様々な積層及び減法方法を含むAM製造装置において実施することができることを理解するであろう。
上記で示されるように、本開示の範囲内の実施形態は、開示されたAM製造スキームを制御するために1つ以上のプロセッサによってアクセスされ、読み取られ及び実行されることができるコンピュータ実行可能命令又はデータ構造が記憶されたコンピュータ読み取り可能媒体を含むことができる。そのようなコンピュータ読み取り可能媒体は、プロセッサ、汎用又は専用コンピュータによってアクセスされることができる任意の利用可能な媒体とすることができる。限定されるものではないが、例として、そのようなコンピュータ読み取り可能媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD−ROM、フラッシュドライブ、データメモリカード、又は、アクセス可能なコンピュータ実行可能命令若しくはデータ構造の形態で所望のプログラム要素若しくはステップを担持若しくは記憶するために使用可能である他のアナログ若しくはディジタルデータ記憶装置を含むことができる。
コンピュータ実行可能命令は、例えば、個別に又は様々な組み合わせでプロセッサに特定の上述した機能を実行させるようにそれぞれ実行されてアクセスされることができる非一時的な命令及びデータを含む。コンピュータ実行可能命令はまた、プロセッサによるアクセス及び実行のために遠隔に記憶されているプログラムモジュールを含むことができる。
それらの実行可能な命令を実行するための実行可能命令又は関連するデータ構造の例示的な示されたシーケンスは、上記概観した例示的な方法のステップに記載された機能を実現するための動作の対応するシーケンスの1つの例を表す。例示的な示されたステップは、開示された実施形態の目的を実行するために任意の合理的な順序で実行されることができる。特定の方法ステップが任意の他の方法ステップの実行に必要な前提条件である場合を除き、開示された方法のステップに対する特定の順序は、必ずしも、図5A及び図5B並びに図6A及び図6Bにおける描写によって暗示されない。