JP2019500247A

JP2019500247A - 粉末の噴射および溶融による積層造形（３ｄプリント）のための装置

Info

Publication number: JP2019500247A
Application number: JP2018534786A
Authority: JP
Inventors: ジャン−イヴアスコエト; ジルカラバン
Original assignee: エコール・サントラル・ドゥ・ナント
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2016-12-31
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2036-12-31
Also published as: WO2017114964A1; JP6827471B2; FR3046367A1; CN108698060B; KR20180100359A; US20190009288A1; US10773268B2; EP3397394B1; EP3397394A1; CN108698060A

Abstract

本発明は、先細の間隙の流れに沿った粉末の噴射／溶融による積層造形（３Ｄプリント）のためのノズルに関し、以下の構成からなる：−外部錐体（２１０）と、−内部錐体と−および、中間錐体とからなり、粉末が、外部錐体（２１０）の内側面と中間錐体の外側面との間の細環状空間内に噴射され、外部錐体は、取り外し可能な手段（２１３）により、前記錐体の軸に沿って組み立てられる２つの部分（２１１、２１２）を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、粉末の噴射および溶融（fusion）による積層造形（３Ｄプリント additive manufacturing）装置に関する。本発明は、より詳細には、“ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＬａｓｅｒＡｄｄｉｔｉｖｅＤｉｒｅｃｔｅ”の頭文字である所謂ＣＬＡＤ（登録商標）メソッドの実装のための、レーザーによる金属粉末の噴射および溶融のためのノズルに関する。ＣＬＡＤ（登録商標）メソッドは、沈着（堆積、蒸着 deposition）による積層造形（３Ｄプリント）の方法であり、沈着材料（堆積、蒸着）からなる粉末の噴射／溶融を用いており、前記沈着材料（堆積、蒸着）の溶融は、前記粉末の沈着（堆積、蒸着）点においてレーザーによって正確に実行される。

図１は、従来技術に関し、この方法に係る実施例を図式的に示したものである。粉末の噴射／溶融のためのノズル（１００）は、それ自身同心円でもある先細環状空間（tapered annular spaces）で壁間を区切られた３つの同心錐体からなる。レーザー（１５０）は、前記錐体の軸を中心とする穴（ボア bore）を通って内部錐体（inner cone）（１３０）を通過（貫通 passes through）する。該レーザーは、製造される製品（item）（１９０）上の材料（material）の沈着（堆積、蒸着）（１９２）が行われる点（point）（１９１）に集中する。粉末（Powder）（１６０）は、外部錐体（outer cone）（１１０）の内側面と中間錐体（intermediate cone）（１２０）の外側面との間の先細環状空間内に噴霧され、一方で、ガスが、前記中間錐体（１２０）の内側面と内部錐体（１３０）の外側面との間の先細環状空間に吹き込まれる。相互に関連する錐体（１１０、１２０、１３０）のセンタリング（centring）、およびパラメータの調整は、粉末が円錐の間隙における流れに従って円錐噴射され、そこでは、頂点が、理想的には、レーザー（１５０）の焦点（focal point）（１９１）と混同（confounded）されるという結果をもたらす。材料沈着（堆積 material deposition）点（１９１）と外部錐体（１１０）の先端との間隔（distance）（１９３）は、一般的には約５ｍｍである。この小さい間隔は、特に、５つの軸の移動（置換 displacement）を実行する軌道（trajectories）に従って積層造形（３Ｄプリント）の操作が行われているときに、錐体（cone）と、製品（item）または機器のテーブルや締め具のような製造環境の構成要素との間の衝突（collision）のリスクを増加する。特定の環境（状態）においては、また、蓄積された粉末の堆積が、外部錐体（１１０）と中間錐体（１２０）との間の環状空間（annular space）の出口（outlet）に形成された状態でも同様に、粉末の流れの形状の変更（修正）となり、劣化した沈着（堆積）状態の原因となる。これらの状態では、外部錐体（１１０）の交換を必要とする。

従来技術によるこれらの修理作業（運用）は、それらが、この部品の末端のみが劣化しているにも拘らず、銅などそれ自身がしばしば高価な材質で作られる高価な部品である外部錐体の全体の交換が必要となるため、費用が掛かる。更に、その作業（運用）は、比較的長く掛かり、装置の停止、および、その期間全体を通して技能技術者を占拠する原因となる。

本発明は、従来技術の不利な点を克服することを目指しており、先細の間隙の流れに沿った粉末の噴射／溶融による積層造形（３Ｄプリント）のためのノズルに関するこの目的で、以下の構成からなる：
−外部錐体（outer cone）と、
−内部錐体（inner cone）と
−および、中間錐体（intermediate cone）とからなり、
粉末が、外部錐体の内側面と中間錐体の外側面との間の細環状空間内に噴射され、外部錐体は、前記錐体の軸に沿って取り外し可能な手段により組み立てられる２つの部分を有する。

それゆえに、第一の錐体の第二部分は置き換えることができ、後者（latter）が劣化した時には容易に交換することができる。

本発明は、有利なことには、実施例および以下開示される変形（例）に従って実装され、それらは、個々に、またはあらゆる技術的な展開可能な組合せに従って考察される。

有利な実施例によれば、外部錐体は、内部先細穴（inner tapered bore）からなる輪（リング状 ring）および前記先細穴と同軸の外部センタリング装置（outer centring device）を有し、外部錐体の第二部分（second portion）が前記センタリング装置の中心となっている。この実施例は、前記錐体の第一部分（first portion）との関係で、他のあらゆる調整を要求せずに、外部錐体の第二部分の完全なセンタリングを提供する。

本発明に係るノズルの実施例によれば、外部錐体の第一および第二部分は、異なる材質によって形成される。すなわち、その材質は、これら２つの部分の主な機能に対応するために最適化されている。

詳細な実施例によれば、外部錐体の第二部分の内部先細穴は、第一部分の先細穴のものとは異なるコニシティ（conicity）からなる。この実施例は、ノズルの末端との関係で、流れの形状および、とりわけ流れの焦点距離を変更することを可能にする。

有利なことには、外部錐体の第二部分は、定められた（強靭な determined）力の下では壊れ、または変形し得る可融性を有する部分（fusible portion）からなる。それゆえに、製造された製品との衝突が起きた場合に、製品が損傷しないように力が決定される。あるいは、可融性部分は、中間錐体を損傷するそれらの変形の前に壊れるように設計される。

有利なことには、本発明のノズルは、外部錐体の可融性部分の破裂を検出する手段を有する。すなわち、深刻な衝突が起きた場合に、製造された製品の品質が回復できないほどに低下しないように、錐体の破裂が検知され、積層造形（３Ｄプリント）が中断される。

本発明は、本発明は、その好ましい実施例に沿って、以下に開示されるものであり、それら実施例によって何らの限定をするものではなく、以下の図１および図２において参照されるものである：

図１は、従来技術に関し、断面透視図によるＣＬＡＤメソッドを用いた３つの錐体を示す；

そして、図２は、図１と同じ部分の正面図であって、本発明に係る噴射ノズルの外部錐体そのものの実施例を示す。

図２は、本発明に係るノズルの外部錐体（２１０）の実施例であり、２つの部分（２１１、２１２）を有する。この実施例によれば、外部錐体（２１０）の第一部分（２１１）は、積層造形（３Ｄプリント）工法の間に噴射される粉末の摩耗作用に耐え得るスチールからなる。この第一部分は、リング状（輪）に形成されており、第一の（最初の）コニシティによる先細穴（２２１）を有し、末端がセンタリング部分（２３１）からなる。この実施例によれば、前記部分（２３１）は、シリンダ状の雄部からなる。あるいは、このセンタリング部分（２３１）は、前記第一部分（２１１）の端部にシリンダ状または先細のカウンタボア（座ぐり）を有する。第一の錐体の第二部分（２１２）は、第一部分のセンタリング部分（２３１）と協調することを可能にするセンタリング部分（２３２）を有する。第二部分は、先細穴（２２２）を有し、この実施例によれば、延伸する第一部分の先細穴（２２１）と同じコニシティである。２つの部分（２１１、２１２）のセンタリングのための手段（２３１、２３２）は、２つの先細穴の同軸性（coaxiality）を提供する。別の実施例（図示せず）によれば、２つの孔（２２１、２２２）のコニシティは、例えば、ノズルの出口（outlet）における流れの形状およびその焦点（focal point）を変更（修正）するように、大きく異なっている。

この実施例によれば、外部錐体の第二部分（２１２）は、ビームが直接または反射によって前記第二部分の壁面に当たり得る場合において、レーザーに対する感度を制限するため、銅製からなる。実施例によれば、この第二部分の厚さは、製造された製品または装置の一部に対する錐体のこの部分（２１２）の衝突の場合、対向・対立する部分が損傷しないで前記部分（２１２）が変形するように、選択される。

図示しない他の実施例によれば、本発明の錐体の第二部分（２１２）の全部または一部が、例えば、セラミック（陶磁器製）のような砕けやすい材質から構成される。この実施例では、該当する場合（実現するとすれば where applicable）、この第二部分は、噴射された金属粉末の通過に起因する摩耗に良く耐えること、および、他方で、定められた（強靭な）力のもとで壊れることを許容している。すなわち、それ自体が過度に変形することにより、衝突時に前記第二部分（２１２）が中間錐体を損傷することを予防している。有利なことには、手段（図示せず）が、可融性部分の破裂を検出することにより、衝突時に機器を停止することを可能にしている。これらの手段は、例えば、変形ゲージ（deformation gauge）によって形成され、錐体の第二部分（２１２）の可融性部分、または可融性部分と前記第二部分の残り（部分）との間に固定装備される。これらの手段は、前記第二部分に予め設置され、製造機器のスピンドル（軸 spindle）上のコネクターに対する電気接続（electrical connection）手段を有する。

この実施例によれば、外部錐体（２１０）の第二部分（２１２）は、前記錐体の第一部分（２１１）のシリンダ状のねじ部（cylindrical threaded portion）にかみ合わされるナット（２１３）によって、前記錐体の第一部分（２１１）に固定される。この実施例によれば、ねじ部は、この第一部分の雄状のセンタリング装置（部分）（２３１）の直径より大きい直径からなる。別の方法として、錐体の第二部分（２１２）は、第一部分の末端において複数のねじ（ボルト）によって固定される。更に別の方法として、錐体の第二部分は、第一部分に、例えば、２つの部分（２１１、２１２）のセンタリングと締め付けの両方を相互に提供する先細ねじ部（tapered threading）によってねじ留めされる。

上述の説明および実施例は、本発明が目標とする目的を達成することを示しており、特に、ノズルの外部錐体における２つの分離可能な部分の構造から利益が得られ、衝突した場合のノズルの交換および修理にかかるコストを削減するだけでなく、粉末の噴射による積層造形（３Ｄプリント）の工法・方法の実施や安全性において、追加の利益を提供する。

Claims

先細の間隙の流れに沿った粉末の噴射／溶融による積層造形（３Ｄプリント）のためのノズルが、
−外部錐体（２１０）と、
−内部錐体と
−および、中間錐体とからなり、
粉末が、外部錐体（２１０）の内側面と中間錐体の外側面との間の細環状空間内に噴射され、外部錐体は、内部先細穴（２２１）からなる輪（リング状）（２１１）および前記先細穴と同軸のセンタリング装置（２３１）を有する第一部分を有しており、第二部分（２１２）は、第一部分とともに、取り外し可能な手段（２１３）により錐体の軸に沿って組み立てられて、前記センタリング装置の中心となり、外部錐体の第二部分（２１２）は、第一部分を損傷しない定められた（強靭な）力の元で壊れ、または変形し得る可融性を有する部分からなることによって特徴付けられる、粉末の噴射／溶融による積層造形（３Ｄプリント）のためのノズル。
外部錐体の第一部分（２１１）および第二部分（２１２）は、異なる材質によって形成されることを特徴とする請求項１記載のノズル。
外部錐体の第二部分（２１２）の内部先細穴（２２２）は、第一部分（２１１）の先細穴（２２１）のものとは異なるコニシティからなることを特徴とする請求項１記載のノズル。
第二部分の可融性部分の破裂を検出する手段を有することを特徴とする請求項１記載のノズル。