JP2017530033A - 付加製造中に欠陥を１層ずつ除去するための方法 - Google Patents

Abstract

表面欠陥及び表面下の欠陥が、付加製造中に除去される。物体の層が粉末床に形成された後、物体が粉末床にある間に、層の部分が除去され、表面欠陥及び／又は表面下の欠陥が除去される。除去工程は、１層ずつ行われてもよい。指向エネルギービーム又は工具が使用され、層の浅い物体−粉末界面部分又は層のより深いスキン部分が除去されてもよい。この方法では、完成した物体が、表面粗さ及び表面下の欠陥を実質的に含まずに、粉末床から取り出され得る。

Description

（関連出願の相互参照）
[0001]
本出願は、題目「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌａｙｅｒ−ｂｙ−Ｌａｙｅｒ Ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｄｅｆｅｃｔｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」で２０１４年９月１９日に出願され、米国特許出願第６２／０５２，６３０号に割り当てられた仮特許出願に対する優先権を主張し、この出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
[0002]
本開示は、付加製造に関し、より詳細には、粉末床付加製造に関する。

[0003]
付加製造が使用され、複雑な、軽量の三次元物体が生産され得る。例えば、航空宇宙用サーボバルブは、付加製造によって作製される場合、他の方法よりも３０％〜５０％軽量であると見積もられる。付加製造は、これらの利点により、人気が高まっている。

[0004]
付加製造は、エネルギー源、例えばレーザービーム又は電子ビームを使用して、水平な粉末表面を溶融し、固体材料の薄層にすることにより、三次元物体を生産し得る。更なる粉末の水平面が、層が形成された後に適用され、この水平面の一部が、その後、先に形成された層に融合して、別の層を形成する。このプロセスは、三次元物体が１層ずつ構築されるまで繰り返される。このプロセスは、様々な他の名称で称され、他の名称としては、粉末床溶融及びレーザー選択溶融が挙げられる。プロセスは、金属、プラスチック、又は融合可能な他の材料に適用できる。

[0005]
付加製造中に、欠陥がそれぞれの層に形成され得ることがわかっている。これらの欠陥は、表面粗さ（surface roughness）（表面欠陥）、及び内部孔又は空隙（表面下の欠陥）の両方を含む。これらの欠陥は、完成物体における問題につながり得る。「印刷されたままの（as printed）」状態の部品の表面粗さは、脱落する傾向があり、又は、言い換えると、異物片（foreign object debris、FOD）を生じ得る。また、前述の欠陥は、応力集中部も生じさせることがあり、低い疲労性能に寄与し得る。

[0006]
表面粗さは、溶融粉末粒子と非溶融粉末粒子との間の界面（「物体−粉末界面」）で生じ得る。表面粗さは、物体の層の所望の幾何学的形状に対して部分的に内側にあり、部分的に外側にある粉末粒子が、溶融後に層に保持される場合に生じる。また、表面粗さは、溶融して物体層になるように意図される粉末粒子が、適切に物体層と融合せず、物体層に付着しない場合にも生じる。したがって、表面粗さは、粒子が層の所望の幾何学的形状を越えて突出する場所、及び表面粒子が所望の表面幾何学的形状から欠落している場所に存在する。

[0007]
表面下の欠陥（例えば孔又は空隙）は、存在する場合、典型的には、物体−粉末界面のおおよそ１００〜１５０μｍ以内の溶融層に生じる。孔又は空隙の形成を引き起こす正確な機構は多様であり得る。例えば、いくつかの粉末粒子は、溶融前に、中空又は多孔質であることがある。誤ったレーザーパラメータ又はレーザービームの分解能により、孔又は空隙が形成されることがある。また、孔又は空隙は、物体−粉末界面のすぐ内側の層の不適切な溶融によっても形成されることがある。

[0008]
これまで、欠陥は、付加製造工程が完了し、全ての層が溶融した後に、物体から除去されている。例えば、物体が完成した後の積極的な洗浄（aggressive cleaning）又は表面処理が使用され、物体の外側部分が取り除かれてもよい。物体の積極的な洗浄及び表面処理は、時間がかかり、高価であり、有害物質を伴い、必要なプロセス工程の数を増加させる。また、これらは、物体が所望の幾何学的形状に対して余分の材料と共に設計され、減損が補填されることも必要とするが、この減損は多様であり得るので、設計は複雑であり得る。洗浄及び表面処理は、表面下の欠陥を十分に除去できないことがある。物体の幾何学的形状がより複雑であり、例えば、物体がより多くの内部通路を有する程、上記の方法を使用して全ての欠陥を除去できる可能性は低くなる。

[0009]
したがって、必要とされるのは、付加製造の改善された方法であり、より詳細には、付加製造に関係する欠陥を除去する方法である。

[0010]
本開示は、付加製造後の加工工程を必要とせずに、表面粗さ及び表面下の欠陥を物体から実質的に除去し得る付加製造の方法を提供する。方法は、一般に、指向エネルギービームを粉末床の所定の目標エリアで走査して、所定のエリアの粉末を溶融させることにより、物体の層を粉末床に形成する工程であって、層が、層の溶融粉末が粉末床の非溶融粉末に接触する境界に、物体−粉末界面を画定する、工程と、物体が粉末床にある間に、層の部分を除去する工程と、を含む。製造は、粉末の水平面を粉末床に適用し、別の層を形成し、その層の部分を除去することにより続いてもよい。この方法では、物体が１層ずつ構築され、表面粗さ及び表面下の欠陥を実質的に含まずに、粉末床から取り出され得る。

[0011]
一実施形態では、層の除去される部分は、物体−粉末界面のみを含む。別の実施形態では、層の除去される部分は、物体−粉末界面よりも深い層の周辺スキン部分を含む。層部分の除去は、指向エネルギービーム又は工具を使用して行われてもよく、材料は、物体−粉末界面に沿って、又は物体−粉末界面からわずかに内側にオフセットした経路に沿って、アブレーション（ablate）されてもよい。

[0012]
本開示の性質及び目的をより完全に理解するために、下記の詳細な説明を、添付図面と併せて参照するべきである。
本開示の実施形態による付加製造方法を示す斜視図である。 図１に示される粉末床の断面図である。 本開示の代替の実施形態による付加製造方法を示す、図２と同様の断面図である。 本開示の実施形態による付加製造方法の工程シーケンスを示すフローチャートである。

[0013]
図１及び図２は、本開示の第１の実施形態による付加製造方法による物体１０の形成を示す。例示のために、物体１０は、外径及び内径が、チューブの軸方向長さ全体にわたって一定を保っている円筒状チューブである。物体１０の具体的な形状は異なってもよく、図１及び図２に示される物体は、単なる例示である。物体１０は、付加製造により形成されるので、選択される材料の粉末粒子から構成される粉末床３０内に位置する。粉末粒子は一般に、球状、卵形、又は不規則な形状であってもよい。非限定例として、個別の粒子の直径又は最大寸法は、おおよそ１５μｍ〜４５μｍ程度であってもよい。物体１０は、１層ずつ形成される。それぞれの物体層１２は、指向エネルギービーム、例えばレーザービーム又は電子ビームを、粉末床３０の所定のエリアで走査して、所定のエリアの粉末を溶融させることにより形成される。形成層１２は、層１２の溶融粉末が粉末床３０の非溶融粉末に接触する境界に、少なくとも１つの物体−粉末界面を画定する。本例では、所定のエリアは環形状であり、内側の物体−粉末界面３４Ａ及び外側の物体−粉末界面３４Ｂが画定されるようになっている。それぞれの層１２の高さは、図２では例示のために誇張されており、おおよそ３０μｍ程度であってもよいが、他の寸法も可能である。

[0014]
本開示の第１の実施形態による方法では、物体−粉末界面３４Ａ及び３４Ｂの表面粗さは、物体１０が粉末床３０にある間に、層１２の部分を除去することにより最小化される。第１の実施形態では、層１２の除去される部分は、物体−粉末界面３４Ａ及び３４Ｂのみを含む。層１２の部分を除去する工程は、指向エネルギービーム３２を使用して行われてもよい。指向エネルギービーム３２は、層を形成するために使用されるビームと同じビーム（すなわち、同じビーム源からのビーム）であってもよい。あるいは、指向エネルギービーム３２は、第２の指向エネルギービーム、例えばレーザービーム又は電子ビームであって、層を形成するために使用される指向エネルギービームと異なるビーム（すなわち、異なるビーム源からのビーム）であってもよい。更なる代替として、除去工程は、高速微細加工工具、例えばマイクロ精密砥石車（micro-precision grinding wheel）を使用して行われてもよい。

[0015]
層１２を溶融させるための指向エネルギービーム、及び層１２の部分を除去するためのエネルギービーム３２又は工具は、プログラマブル運動制御システムによって運動制御されてもよい。第１の実施形態では、指向エネルギービーム３２又は工具は、それぞれの物体−粉末界面３４Ａ及び３４Ｂに対応するそれぞれの経路に沿って動かされ、材料をアブレーションすることにより、それぞれの物体−粉末界面において、層１２を通る溝３６を形成する。除去は、それぞれの物体−粉末界面の全体に沿っていてもよく、又は特定の平滑度要件を有し得る物体−粉末界面の一部分に沿っていてもよい。除去は、あらゆる物体−粉末界面に沿っている必要はない。例えば、平滑度が、物体１０の内側円筒表面で非常に重要であるが、外側円筒表面では重要でない場合、除去は、内側の物体−粉末界面３４Ａに沿っており、外側の物体−粉末界面３４Ｂに沿っていなくてもよい。逆に、平滑度が、物体１０の外側円筒表面で非常に重要であるが、内側円筒表面では重要でない場合、除去は、外側の物体−粉末界面３４Ｂに沿っており、内側の物体−粉末界面３４Ａに沿っていなくてもよい。

[0016]
指向エネルギービーム３２は、超短パルスレーザーによって発せられるレーザービームであってもよく、超短パルスレーザーは、例えば、持続時間が数フェムト秒〜数百フェムト秒のパルスを発するフェムト秒レーザーである。超短パルスは、きれいなアブレーションを提供でき、任意の金属又はプラスチックの凝縮物又は蒸気が、付加製造機のフィルタに捕捉されることを可能にし得る。エネルギービーム３２のパラメータは、操作中の層以外の層への加熱を減少させるように制御されてもよい。例えば、エネルギービームは、特定のスポットサイズを有してもよく、このスポットサイズは、粉末粒子を溶融させるために使用されるスポットサイズよりも小さくてもよい。別の例では、このエネルギービームは、粉末粒子を溶融させるために使用されるビームよりも短いパルスを有してもよい。溶融レーザー操作後、融解した材料は、２以上の層の深さに浸透し、新しい層が適切に前の層に融合するようになっている。したがって、エネルギービーム３２により形成される溝３６は、後続の層のための粉末で、部分的に充填されるようになり得る。溝に充填されるこの新しい粉末は、後続の溶融操作により、部分的に又は完全に溶融し、溝に充填され得る。したがって、エネルギービーム３２は、新しく溶融する層よりも深い少なくとも１層を貫通して、溝３６に溶融材料がない状態を保つことを確実にすることが望ましい。

[0017]
図３は、本開示の第２の実施形態による付加製造方法による物体１０の形成を示す。第２の実施形態の方法は、第１の実施形態の方法と同様であるが、層の除去される部分は、層の周辺スキン部分３８を含み、この周辺スキン部分３８は、対応する物体−粉末界面３４Ａ又は３４Ｂよりも深く、物体１０内に延びている。スキン部分３８は、対応する物体−粉末界面３４Ａ又は３４Ｂを含むと共に、表面下の欠陥４０が通常見出される場所にある材料も含む。溝３６は、層１２を通って形成され、スキン部分３８を層１２の残部から分離する。スキン部分３８の深さは、表面下の欠陥４０の予想される深さ等の要因に応じて選択される。非限定例として、スキン部分３８を約１００μｍの内部深さまで除去することが、十分であってもよい。物体１０で確立される寸法公差に応じて、溶融材料のより大きな目標エリアが層１２に提供され、除去されるスキン部分３８を補填してもよい。除去されるスキン部分３８を、より小さな断片に更に切断して、粉末粒子の残りと共に後で除去することを容易にしてもよい。スキン部分３８をより小さな断片に切断することは、例えば、この断片が付加製造機器の外に、粉末粒子と共に流出することを可能にする。

[0018]
ここで、物体１０がどのように、本開示の実施形態によって１層ずつ構築されるかを記載している図４を参照する。工程５０では、粉末水平面が粉末床３０に追加される。これは、最初の粉末水平面であってもよく、又は１以上の層１２の形成後に追加される粉末水平面であってもよい。付加製造の当業者は、粉末の水平面が、スプレッダ又はワイパ機構の使用により適用され、先行する物体層１２を均一な厚さの新しい粉末で被覆し得ることを理解するであろう。溝３６又は空洞が層内に形成されている場合、後続の粉末粒子の適用又はワイピングが、空洞を充填し得る。このような充填は、層の上部の後続の粉末粒子が水平であり、適切な寸法を有し、又は他に満足に広がり得るように、補われてもよい。例えば、粉末粒子の追加のワイプ若しくは適用が行われてもよく、又はより多くの粉末粒子が、ワイプ若しくは適用中に追加されてもよい。

[0019]
工程５２では、粉末床の目標エリアが、エネルギービームで走査され、溶融粉末の新しい層１２が形成される。工程５４では、新しく形成された層の部分が、第１の実施形態の方法（物体−粉末界面の浅い除去）又は第２の実施形態の方法（スキンのより深い除去）のいずれかにより除去される。上記のように、除去は、物体１０が粉末床３０にある間に実施される。層１２が形成され、層の部分が除去されると、決定ブロック５６に達する。物体１０がまだ完成していない場合、フローは工程５０に戻る。製造工程が連続的に繰り返され、物体１０を１層ずつ構築する。物体１０が完成すると、工程５８に従って、物体１０は粉末床３０から取り出される。

[0020]
本開示を実行する際には、修正が可能である。例えば、特定の層１２を処理する際に、又は形成された層から新しい層に進むときに、第１の実施形態（物体−粉末界面の浅い除去）と第２の実施形態（スキンのより深い除去）との間で切り替えることが考えられる。除去される部分は、予想される表面欠陥対表面下の欠陥の存在に応じて、又は他の要因に基づいて変わってもよい。別の例として、新しく溶融した層の部分を除去する工程は、全ての層で行われなくてもよく、実質的に欠陥を含まないことが必要とされる層のみで行われてもよい。また、除去工程を、複数の層で一度に実施することも考えられる。

[0021]
本明細書で開示される実施形態は、多くの異なる産業に適用できる。例えば、歯科装置、整形外科装置、自動車部品、航空宇宙用構成要素、又は冷却チャネルは、本明細書で開示される実施形態からの利益を享受できる。したがって、本明細書で開示される実施形態を使用する付加製造が使用され、例えば、バルブ構成要素、マニホールド構成要素、シール構成要素、電気的ハウジング構成要素、医療用インプラント、又は他の物体が作製されてもよい。平滑な摺動表面、ギャラリ、複雑な幾何学的形状を有する物体、又は少ないＦＯＤが望ましい用途で使用される物体は、本明細書に記載される実施形態を使用する具体的な利益を見出し得る。

[0022]
本明細書で開示される実施形態の使用により、物体が付加製造機器の粉末床から取り出された後に、表面欠陥又は表面下の欠陥を除去するために通常使用される工程、つまり、表面洗浄、研磨、ブラスト、機械加工又は他の追加のプロセス工程を減少又は除去できる。典型的には届き得ない、内部ギャラリ又はポケットの表面欠陥又は表面下の欠陥を除去することが可能である。また、これらの実施形態は、付加製造方法が、ＦＯＤに対して敏感な部品又は用途で、より一般に使用されることも可能にし得る。付加製造を使用して形成される物体の疲労特性は改善でき、付加製造を使用して形成される物体の全体のコストは低減できる。したがって、本明細書で開示される実施形態は、付加製造、例えばレーザー粉末床溶融技術を、これまでは不適切であると考えられていた用途に、更に使用することを可能にする。

[0023]
本開示の方法は、物体を粉末床内で構築するのにかかる時間を増加させるが、物体を製造するための全体の時間及びコストは、後処理で実現される省略により、著しく減少する。本開示は、追加の工具、作業者及び／又は施設若しくはステーション間での製品の移送が必要な、付加製造後に行われる欠陥除去及び表面処理操作の必要性を除去する。本開示の方法は、既知の後処理操作よりも高い割合の表面欠陥及び表面下の欠陥を除去し、全体のスループットを増加させる。

[0024]
本開示は、１以上の具体的な実施形態に関して記載されているが、本開示の範囲を逸脱することなく、本開示の他の実施形態を作成できることが理解されるであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその合理的な解釈のみによって限定されると考えられる。

[0024]
本開示は、１以上の具体的な実施形態に関して記載されているが、本開示の範囲を逸脱することなく、本開示の他の実施形態を作成できることが理解されるであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその合理的な解釈のみによって限定されると考えられる。
（項目１）
指向エネルギービームを粉末床の所定のエリアで走査して、前記所定のエリアの粉末を溶融させることにより、物体の層を前記粉末床に形成する工程であって、前記層が、前記層の溶融粉末が前記粉末床の非溶融粉末に接触する境界に、物体−粉末界面を画定する、工程と、
前記物体が前記粉末床にある間に、前記層の一部分を除去する工程と、
を含む、付加製造の方法。
（項目２）
前記層の前記除去される部分は、前記物体−粉末界面のみを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記層の前記除去される部分は、前記物体−粉末界面よりも深い前記層のスキン部分を含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記層の部分を除去する工程は、前記層を形成するために使用される前記指向エネルギービームを使用して行われる、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記指向エネルギービームがレーザービームである、項目４に記載の方法。
（項目６）
前記指向エネルギービームが電子ビームである、項目４に記載の方法。
（項目７）
前記層の部分を除去する工程が、前記層を形成するために使用される前記指向エネルギービームとは異なる第２の指向エネルギービームを使用して行われる、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記第２の指向エネルギービームがレーザービームである、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記第２の指向エネルギービームが電子ビームである、項目７に記載の方法。
（項目１０）
前記層の部分を除去する工程が、高速度工具を使用して行われる、項目１に記載の方法。
（項目１１）
粉末の水平面を前記粉末床に適用する工程を更に含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記粉末の水平面を適用する工程、前記物体の前記層を形成する工程、及び前記層の前記部分を除去する工程が連続的に繰り返され、前記物体が１層ずつ構築される、項目１１に記載の方法。

Claims (12)

1. 指向エネルギービームを粉末床の所定のエリアで走査して、前記所定のエリアの粉末を溶融させることにより、物体の層を前記粉末床に形成する工程であって、前記層が、前記層の溶融粉末が前記粉末床の非溶融粉末に接触する境界に、物体−粉末界面を画定する、工程と、
   前記物体が前記粉末床にある間に、前記層の一部分を除去する工程と、
   を含む、付加製造の方法。
2. 前記層の前記除去される部分は、前記物体−粉末界面のみを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記層の前記除去される部分は、前記物体−粉末界面よりも深い前記層のスキン部分を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記層の部分を除去する工程は、前記層を形成するために使用される前記指向エネルギービームを使用して行われる、請求項１に記載の方法。
5. 前記指向エネルギービームがレーザービームである、請求項４に記載の方法。
6. 前記指向エネルギービームが電子ビームである、請求項４に記載の方法。
7. 前記層の部分を除去する工程が、前記層を形成するために使用される前記指向エネルギービームとは異なる第２の指向エネルギービームを使用して行われる、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の指向エネルギービームがレーザービームである、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の指向エネルギービームが電子ビームである、請求項７に記載の方法。
10. 前記層の部分を除去する工程が、高速度工具を使用して行われる、請求項１に記載の方法。
11. 粉末の水平面を前記粉末床に適用する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記粉末の水平面を適用する工程、前記物体の前記層を形成する工程、及び前記層の前記部分を除去する工程が連続的に繰り返され、前記物体が１層ずつ構築される、請求項１１に記載の方法。

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