JP2020094249A - 付加製造装置 - Google Patents
付加製造装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020094249A JP2020094249A JP2018234110A JP2018234110A JP2020094249A JP 2020094249 A JP2020094249 A JP 2020094249A JP 2018234110 A JP2018234110 A JP 2018234110A JP 2018234110 A JP2018234110 A JP 2018234110A JP 2020094249 A JP2020094249 A JP 2020094249A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light beam
- powder material
- base
- peak
- power density
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 121
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 101
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 10
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 10
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 9
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 101150050055 LCP3 gene Proteins 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 101100455541 Drosophila melanogaster Lsp2 gene Proteins 0.000 description 3
- 101001090688 Homo sapiens Lymphocyte cytosolic protein 2 Proteins 0.000 description 3
- 101000984710 Homo sapiens Lymphocyte-specific protein 1 Proteins 0.000 description 3
- 101000637326 Homo sapiens Neuroguidin Proteins 0.000 description 3
- 101000596046 Homo sapiens Plastin-2 Proteins 0.000 description 3
- 101000762938 Homo sapiens TOX high mobility group box family member 4 Proteins 0.000 description 3
- 102100034709 Lymphocyte cytosolic protein 2 Human genes 0.000 description 3
- 102100027105 Lymphocyte-specific protein 1 Human genes 0.000 description 3
- 102100032139 Neuroguidin Human genes 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 102100026749 TOX high mobility group box family member 4 Human genes 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101150110438 Lcp4 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 238000007712 rapid solidification Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
【課題】高品質な造形物を付加できる付加製造装置を提供する。【解決手段】付加製造装置１００は、粉末材料Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の光ビーム吸収率に応じて、中央光ビーム照射部１２１の出力条件と外側光ビーム照射部１２３の出力条件を独立して制御することで、中央光ビームＬＣのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークと外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを調整して造形物ＦＣ，ＦＦを付加する制御装置１３０を備える。【選択図】図４Ｅ
Description
本発明は、付加製造装置に関する。
特許文献１に記載のように、付加製造装置に適用されるＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、金属の基台に対し同種や異種の金属の粉末材料を噴射して供給するとともにレーザ光を照射し、粉末材料を溶融凝固させて基台に造形物を付加する肉盛技術（物性の部分制御加工）として利用されている。ＬＭＤ法は、ＳＬＭ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）法では困難な複数の粉末材料の成分比を調整して供給でき、ＳＬＭ法に比べて形状自由度が高く、約５−１０倍の高速造形が可能である。
ＬＭＤ法では、例えば、鉄系材料で成る基台に銅（Ｃｕ）で成る造形物を付加する場合、鉄と銅のレーザ吸収率（熱伝導率）の違いから銅で成る造形物を炭素鋼で成る基台に安定して付加することが困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、造形物を安定して付加できる付加製造装置を提供することを目的とする。
本発明に係る付加製造装置は、粉末材料を用いて基台に造形物を付加する付加製造装置であって、前記基台に対し前記粉末材料を噴射して供給する粉末供給装置と、前記基台における前記粉末材料の供給部に対し光ビームを照射する光照射装置と、前記粉末供給装置の粉末供給及び前記光照射装置の光照射を制御するとともに、前記基台に対する前記光ビームの相対的な走査を制御する制御装置と、を備える。
前記光照射装置は、前記粉末材料の供給部の中央に前記光ビームとして中央光ビームを照射する中央光ビーム照射部及び前記中央光ビームの外側に前記光ビームとして外側光ビームを照射する外側光ビーム照射部を有し、前記制御装置は、前記粉末材料の光ビーム吸収率に応じて、前記中央光ビーム照射部の出力条件と前記外側光ビーム照射部の出力条件を独立して制御することで、前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークと前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを調整して前記造形物を付加する。
これにより、粉末材料の光ビーム吸収率が高くても、急加熱を防止してスパッタの発生の抑制が可能となる。また、粉末材料の光ビーム吸収率が低くても、温度を上昇させて温度に比例する光ビーム吸収率の向上が可能となる。そして、中央光ビームと外側光ビームのトータルのレーザ出力を維持することができ、造形物の高速付加が可能となる。
（１．付加製造装置の概要）
本発明の実施形態に係る付加製造装置の概要について説明する。付加製造装置は、ＬＭＤ法により１種又は複数種の粉末材料を用いて基台に造形物を付加する。粉末材料と基台は、異なる種類の材料でもよく、同一種類の材料でもよい。
本発明の実施形態に係る付加製造装置の概要について説明する。付加製造装置は、ＬＭＤ法により１種又は複数種の粉末材料を用いて基台に造形物を付加する。粉末材料と基台は、異なる種類の材料でもよく、同一種類の材料でもよい。
本例では、銅（Ｃｕ）の粉末材料（以下、第１粉末材料という）で成る造形物を、鉄（Ｆｅ）で成る基台Ｂに付加する場合について説明する。なお、詳細は後述するが、この付加製造の際には、第１粉末材料のバインダの役割を担う鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）の粉末材料（以下、第２粉末材料という）も用いる。
図１に示すように、付加製造装置１００は、粉末供給装置１１０、光照射装置１２０及び制御装置１３０等を備える。ここで、付加製造装置１００は、図２Ａに示すように、大径の円盤部材Ｂ１の両側面に小径の円筒部材Ｂ２，Ｂ２が同軸で一体化された形状の基台Ｂにおいて、円筒部材Ｂ２，Ｂ２の開放端部側の網線で示す周面Ｂ２Ｓ，Ｂ２Ｓに造形物を付加する場合について説明する。
この付加製造の際、付加製造装置１００は、基台Ｂを、モータＭ１（図１参照）により中心軸線Ｃ回りに回転するとともに、モータＭ２（図１参照）により中心軸線Ｃ方向に移動する。これにより、円筒部材Ｂ２，Ｂ２の開放端部側の周面Ｂ２Ｓ，Ｂ２Ｓ全体に造形物を付加できる。
粉末供給装置１１０は、第１ホッパ１１１、第２ホッパ１１２、成分比調整装置１１３、ガスボンベ１１４及び噴射ノズル１１５を備える。第１ホッパ１１１及び第２ホッパ１１２は、第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２をそれぞれ貯蔵する。なお、１種のみもしくは３種以上の粉末材料を貯蔵可能なホッパを備える構成としてもよい。
成分比調整装置１１３は、第１ホッパ１１１からの第１粉末材料Ｐ１と第２ホッパ１１２からの第２粉末材料Ｐ２の成分比を調整する。成分比調整装置１１３は、粉末導入バルブ１１３ａ，１１３ｂ、粉末供給バルブ１１３ｃ及びガス導入バルブ１１３ｄが接続される粉末攪拌機１１３ｅを備える。
粉末導入バルブ１１３ａ，１１３ｂは、第１ホッパ１１１及び第２ホッパ１１２と配管１１１ａ，１１２ａでそれぞれ接続され、粉末供給バルブ１１３ｃは、噴射ノズル１１５と配管１１５ａで接続され、また、ガス導入バルブ１１３ｄは、ガスボンベ１１４に配管１１４ａで接続される。
噴射ノズル１１５は、ガスボンベ１１４からの高圧の例えば窒素により、成分比調整装置１１３から送られてくる成分比が調整済の粉末材料（以下、第３粉末材料という）Ｐ３を、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓに対し噴射して供給する。噴射ノズル１１５は、本例では、２本を１８０度隔てて配置した場合を示すが、１本もしくは等角度間隔で配置される３本以上の噴射ノズルを備える構成としてもよい。また、第３粉末材料Ｐ３の供給用のガスは、窒素に限定されるものではなく、アルゴン等の不活性ガスでもよい。
光照射装置１２０は、中央光ビーム照射部１２１、中央光ビーム光源１２２、外側光ビーム照射部１２３及び外側光ビーム光源１２４を備える。光照射装置１２０は、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓ（第３粉末材料Ｐ３の供給部）に対し、中央光ビーム光源１２２から中央光ビーム照射部１２１を通して中央光ビームＬＣを照射するとともに、外側光ビーム光源１２４から外側光ビーム照射部１２３を通して外側光ビームＬＳを照射する。
本例では、中央光ビーム照射部１２１は、円形状の照射形状（中央光照射範囲ＣＳ）となる中央光ビームＬＣを照射し、外側光ビーム照射部１２３は、中央光ビームＬＣの外周を囲うリング状の照射形状（外側光照射範囲ＳＳ）となる外側光ビームＬＳを照射する。中央光ビームＬＣは、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓにおいて造形物を付加する役割を担う。外側光ビームＬＳの役割は後述する。なお、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳとしては、レーザ光を用いているが、レーザ光に限定されず、電磁波であれば例えば電子ビームでもよい。
制御装置１３０は、粉末供給装置１１０の粉末供給及び光照射装置１２０の光照射を制御するとともに、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓに対する中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの相対的な走査を制御する。すなわち、制御装置１３０は、粉末導入バルブ１１３ａ，１１３ｂの回転を制御して、第１粉末材料Ｐ１と第２粉末材料Ｐ２の成分比を調整し、粉末供給バルブ１１３ｃ及びガス導入バルブ１１３ｄの開閉を制御して、噴射ノズル１１５からの第３粉末材料Ｐ３の噴射供給を制御する。
また、制御装置１３０は、中央光ビーム光源１２２及び外側光ビーム光源１２４の動作をそれぞれ制御して、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの各出力条件、すなわち中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの各レーザ出力や、中央光照射範囲ＣＳ及び外側光照射範囲ＳＳの各単位面積当たりのレーザ出力（パワー密度）の分布形状（レーザビームプロファイル）をそれぞれ独立して制御する。
また、制御装置１３０は、モータＭ１の回転を制御して基台Ｂを中心軸線Ｃ回りに回転し、モータＭ２の回転を制御して基台Ｂを中心軸線Ｃ方向に移動することで、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓに対する中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの相対的な走査を制御する。
（２．造形物の付加方法）
次に、造形物の付加方法について説明する。ここで、発明の解決課題で述べたように、ＬＭＤ法では、基台と造形物のレーザ吸収性（光ビーム吸収率、熱伝導率）が異なる場合、造形物を基台に安定して付加することが困難であるという問題がある。
次に、造形物の付加方法について説明する。ここで、発明の解決課題で述べたように、ＬＭＤ法では、基台と造形物のレーザ吸収性（光ビーム吸収率、熱伝導率）が異なる場合、造形物を基台に安定して付加することが困難であるという問題がある。
本発明者は、粉末材料の光ビーム吸収率に応じて、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの出力条件、すなわち各レーザ出力や各パワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークをそれぞれ独立して制御して調整する。さらに、造形物を径方向に２層構造にする。これにより、基台と造形物のレーザ吸収率が異なっていても造形物を基台に安定して付加できることを見出した。
具体的には、粉末材料のレーザ吸収率が比較的高い場合（本例では、鉄（Ｆｅ）である第２粉末材料Ｐ２）、中央光ビームＬＣのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークよりも低減する。これにより、中央光ビームＬＣの中央光照射範囲ＣＳの急加熱を防止できるので、スパッタの発生を抑制できる。また、中央光ビームＬＣと外側光ビームＬＳのトータルのレーザ出力を維持できるので、造形物の高速付加が可能となる。
また、粉末材料のレーザ吸収率が比較的低い場合（本例では、銅（Ｃｕ）である第１粉末材料Ｐ１）、中央光ビームＬＣのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークよりも増加する。これにより、中央光ビームＬＣの中央光照射範囲ＣＳの温度を上昇させて溶融池を形成することができ、中央光照射範囲ＣＳにおけるレーザ吸収率を向上できる。
そして、その後に中央光ビームＬＣのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークよりも低減する。中央光ビームＬＣの中央光照射範囲ＣＳの温度は既に上昇しており、これ以上の加熱はスパッタが発生するおそれがあるためである。これにより、中央光ビームＬＣと外側光ビームＬＳのトータルのレーザ出力を維持できるので、造形物の高速付加が可能となる。
さらに、図２Ｂに示すように、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓには、２層構造の造形物、すなわち、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の表面に中間造形物ＦＣを付加し、中間造形物ＦＣの表面に上部造形物ＦＦを付加する。中間造形物ＦＣは、第１粉末材料Ｐ１と第２粉末材料Ｐ２の成分比が段階的に異なる（徐変する）ように付加される。
詳しくは、中間造形物ＦＣは、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対し厚さ方向（径方向）に最も近い部分から最も遠い部分において、第２粉末材料Ｐ２が１００％から０％に段階的もしくは直線的に減少し、第１粉末材料Ｐ１が０％から１００％に段階的もしくは直線的に増加する、いわゆる傾斜層となっている。例えば、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓの上に第１粉末材料Ｐ１が１０％、第２粉末材料Ｐ２が９０％の混合で層を形成し、当該層の上に第１粉末材料Ｐ１が２０％、第２粉末材料Ｐ２が８０％に成分比を変えた混合で層を形成するという工程を繰り返し、最終的に第１粉末材料Ｐ１が９０％、第２粉末材料Ｐ２が１０％に成分比を変えた混合で層を形成するという段階的な傾斜層を付加する。そして、上部造形物ＦＦは、第１粉末材料Ｐ１が１００％、第２粉末材料Ｐ２が０％の層となっている。
基台Ｂの周面Ｂ２Ｓと第２粉末材料Ｐ２は、同一材料（鉄系材料（Ｆｅ））であるので、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓと中間造形物ＦＣのレーザ吸収率差は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓと中間造形物ＦＣの境界に対し厚さ方向に近付くにつれて徐々に減少することになる。一方、上部造形物ＦＦと第１粉末材料Ｐ１は、同一材料（銅（Ｃｕ））であるので、中間造形物ＦＣと上部造形物ＦＦのレーザ吸収率差は、中間造形物ＦＣと上部造形物ＦＦの境界に対し厚さ方向に近付くにつれて徐々に減少することになる。
よって、基台Ｂに中間造形物ＦＣを付加し、中間造形物ＦＣに上部造形物ＦＦを付加することで、基台Ｂに対する造形物ＦＣ，ＦＦを安定して付加できる。中間造形物ＦＣ及び上部造形物ＦＦの付加方法は、第一段階として、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳにより、第二段階で行う中間造形物ＦＣの付加処理の前処理として予熱処理を行う。このときの中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのレーザ出力は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓが溶融せずに所定の温度となるように制御される。
すなわち、制御装置１３０は、第３粉末材料Ｐ３の供給は行わず、図略の温度測定器からの中央光ビームＬＣの中央光照射範囲ＣＳ及び外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳの測定温度を監視する。そして、この監視により、図４Ａに示すように、中央光ビームＬＣのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ１を、外側光ビームＬＳのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ１より減少させる制御を行う。
第一段階の中央光ビームＬＣのパワー密度のピークＬＣＰ１を、外側光ビームＬＳのパワー密度のピークＬＳＰ１より減少させる理由は、中央光ビームＬＣは外側光ビームＬＳに囲まれるため、中央光ビームＬＣによる熱はこもり易く、外側光ビームＬＳによる熱は外方へ逃げ易いためである。そして、中央光ビームＬＣのパワー密度が低いことから、中央光ビームＬＣの過入熱によるスパッタの発生を抑制できる。
次に、第二段階として、第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２を溶融させて中間造形物ＦＣを付加する。すなわち、制御装置１３０は、上述した成分比が調整された第３粉末材料Ｐ３を供給しつつ、図略の温度測定器からの中央光ビームＬＣの中央光照射範囲ＣＳ及び外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳの測定温度を監視する。
そして、この監視により、第二段階の初期においては、図４Ｂに示すように、中央光ビームＬＣのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ２を、外側光ビームＬＳのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ２より減少させる制御を行う。
この第二段階の初期においては、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのピークＬＣＰ２，ＬＳＰ２は、第一段階の中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのピークＬＣＰ１，ＬＳＰ１よりも低い値となる。これは、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓが予熱処理されており、さらにレーザ吸収率の比較的高い第２粉末材料Ｐ２がレーザ吸収率の比較的低い第１粉末材料Ｐ１よりも圧倒的に多いためである。
そして、第二段階の中期においては、図４Ｃに示すように、中央光ビームＬＣのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ３を、外側光ビームＬＳのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ３より増加させる制御を行う。
第二段階の中期においては、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのピークＬＣＰ３，ＬＳＰ３は、第二段階の初期の中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのピークＬＣＰ２，ＬＳＰ２よりも高い値となる。これは、レーザ吸収率の比較的低い第１粉末材料Ｐ１がレーザ吸収率の比較的高い第２粉末材料Ｐ２よりも多くなるためである。なお、図４Ｃにおいては、３つのピークＬＳＰ３，ＬＣＰ３，ＬＳＰ３を持つ場合を説明したが、中央光ビームＬＣの１つのピークＬＣＰ３のみであってもよい。
そして、第二段階の終期においては、図４Ｄに示すように、中央光ビームＬＣのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ４を、外側光ビームＬＳのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ４より減少させる制御を行う。これは、第二段階の中期において、中央光ビームＬＣにより高温になっているからである。
第二段階においては、制御装置１３０は、図略の温度測定器による中央光ビームＬＣの中央光照射範囲ＣＳ及び外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳの測定温度を監視しつつ、中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのレーザ出力を変動させるフィードバック制御を行う。なお、成分比の違いによる温度とレーザ出力の関係は、予めデータベースとして構築しておく。
次に、第三段階として、図５Ａに示すように、中央光ビームＬＣで中間造形物ＦＣの中央光照射範囲ＣＳにおいて第１粉末材料Ｐ１を溶融して溶融池ＭＰを形成する溶融処理を行う。同時に、外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳにおける走査方向ＳＤ（図５Ｂ参照）の前側の照射範囲ＳＳＦで、溶融池ＭＰの形成処理の前処理として予熱処理を行う。
そして、図５Ｂに示すように、中央光ビームＬＣを走査（本例では、基台Ｂが回転して走査するが、図５Ｂでは便宜上、中央光ビームＬＣを走査）することで溶融池ＭＰを拡大させ、中間造形物ＦＣに第１粉末材料Ｐ１で成る上部造形物ＦＦを付加する。
同時に、外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳにおける走査方向ＳＤの前側の照射範囲ＳＳＦで、溶融池ＭＰの形成処理の前処理として予熱処理を行うとともに、外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳにおける走査方向ＳＤの後側の照射範囲ＳＳＢで、上部造形物ＦＦの付加処理の後処理として保温処理を行う。
この第三段階の初期においては、図４Ｅに示すように、制御装置１３０は、中央光ビームＬＣのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ５を、外側光ビームＬＳのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ５より増加させる制御を行う。
中央光ビームＬＣのレーザ出力は、第１粉末材料Ｐ１を溶融して溶融池ＭＰが形成できる温度となるように制御される。外側光ビームＬＳのレーザ出力は、第３粉末材料Ｐ３（第１粉末材料）及び上部造形物ＦＦが溶融せずに所定の温度となるように制御される。なお、図４Ｅにおいては、３つのピークＬＳＰ５，ＬＣＰ５，ＬＳＰ５を持つ場合を説明したが、中央光ビームＬＣの１つのピークＬＣＰ５のみであってもよい。
そして、第三段階の終期においては、図４Ｆに示すように、中央光ビームＬＣのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ６を、外側光ビームＬＳのパワー密度のレーザビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ６より減少させる制御を行う。これは、上部造形物ＦＦは中央光ビームＬＣにより高温状態になっており、上部造形物ＦＦの温度とレーザ吸収率は比例関係にあることから、上部造形物ＦＦのレーザ吸収率が高くなっているためである。
よって、中央光ビームＬＣによる急加熱を低減でき、スパッタの発生を抑制できる。また、外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳにおける走査方向ＳＤの後側の照射範囲ＳＳＢで、溶融池ＭＰの形成処理の後処理として保温処理を行うことで、上部造形物ＦＦの急冷凝固を低減でき、割れの発生を抑制できる。
（３．付加製造装置の動作）
次に、付加製造装置１００により基台Ｂの一方の円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓに中間造形物ＦＣ及び上部造形物ＦＦを付加する動作について図３のフローチャートを参照して説明する。なお、第１ホッパ１１１及び第２ホッパ１１２には、第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２がそれぞれ貯蔵されているものとする。
次に、付加製造装置１００により基台Ｂの一方の円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓに中間造形物ＦＣ及び上部造形物ＦＦを付加する動作について図３のフローチャートを参照して説明する。なお、第１ホッパ１１１及び第２ホッパ１１２には、第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２がそれぞれ貯蔵されているものとする。
また、基台Ｂの一方の円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓの一端は、付加製造装置１００における所定の付加位置に位置決めされているものとする。また、制御装置１３０には、上述の第一、第二、第三段階における中央光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの各レーザ出力や各パワー密度のレーザビームプロファイルのピーク、第１、第２、第３粉末材料Ｐ３の供給量、基台Ｂの回転速度及び移動速度のデータ等は予め記憶されているものとする。
先ず、制御装置１３０は、上述の第一段階（基台Ｂの周面Ｂ２Ｓの予熱処理）を実行するため、基台Ｂの回転及び移動を開始すると同時に、光照射装置１２０をオンにする（図３のステップＳ１）。具体的には、制御装置１３０は、モータＭ１，Ｍ２を駆動して基台Ｂを中心軸線Ｃ回りに回転するとともに中心軸線Ｃ方向（周面Ｂ２Ｓの他端方向）に移動する。
同時に、制御装置１３０は、中央光ビーム光源１２２をオンにして中央光ビーム照射部１２１から中央光ビームＬＣを基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに照射するとともに、外側光ビーム光源１２４をオンにして外側光ビーム照射部１２３から外側光ビームＬＳを基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに照射し、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓの予熱処理を実行する。
そして、制御装置１３０は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対し予熱処理が完了したか否かを判断し（図３のステップＳ２）、予熱処理が完了したら、光照射装置１２０をオフにして基台Ｂを第一段階の開始位置に戻し、基台Ｂの回転及び移動を停止する（図３のステップＳ３）。次に、制御装置１３０は、上述の第二段階（中間造形物ＦＣの付加処理）を実行するため、粉末供給装置１１０をオンにし、基台Ｂの回転及び移動を開始すると同時に、光照射装置１２０をオンにする（図３のステップＳ４）。
具体的には、制御装置１３０は、成分比調整装置１１３の粉末導入バルブ１１３ａ，１１３ｂを適宜開閉して、第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２の成分比を調整して第３粉末材料Ｐ３とする。そして、ガス導入バルブ１１３ｄ及び粉末供給バルブ１１３ｃを開いて、ガスボンベ１１４からの高圧の窒素により第３粉末材料Ｐ３を噴射ノズル１１５から基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに噴射して供給する。
そして、制御装置１３０は、モータＭ１，Ｍ２を駆動して基台Ｂを中心軸線Ｃ回りに回転するとともに中心軸線Ｃ方向（周面Ｂ２Ｓの他端方向）に移動する。同時に、中央光ビーム光源１２２をオンにして中央光ビーム照射部１２１から中央光ビームＬＣを基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに照射するとともに、外側光ビーム光源１２４をオンにして外側光ビーム照射部１２３から外側光ビームＬＳを基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに照射し、中間造形物ＦＣの付加処理を実行する。
そして、制御装置１３０は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対し中間造形物ＦＣの付加処理が完了したか否かを判断し（図３のステップＳ５）、中間造形物ＦＣの付加処理が完了したら、光照射装置１２０をオフにして基台Ｂを第二段階の開始位置に戻し、基台Ｂの回転及び移動を停止する（図３のステップＳ６）。
次に、制御装置１３０は、上述の第三段階（上部造形物ＦＦの付加処理）を実行するため、粉末供給装置１１０をオンにし、基台Ｂの回転及び移動を開始すると同時に、光照射装置１２０をオンにする（図３のステップＳ７）。具体的には、制御装置１３０は、成分比調整装置１１３の粉末導入バルブ１１３ｂは閉じたままで、粉末導入バルブ１１３ａを適宜開閉して、第１粉末材料Ｐ１のみを第３粉末材料Ｐ３とする。そして、ガス導入バルブ１１３ｄ及び粉末供給バルブ１１３ｃを開いて、ガスボンベ１１４からの高圧の窒素により第３粉末材料Ｐ３を噴射ノズル１１５から基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに噴射して供給する。
そして、制御装置１３０は、モータＭ１，Ｍ２を駆動して基台Ｂを中心軸線Ｃ回りに回転するとともに中心軸線Ｃ方向（周面Ｂ２Ｓの他端方向）に移動する。同時に、中央光ビーム光源１２２をオンにして中央光ビーム照射部１２１から中央光ビームＬＣを基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに照射するとともに、外側光ビーム光源１２４をオンにして外側光ビーム照射部１２３から外側光ビームＬＳを基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに照射し、上部造形物ＦＦの付加処理を実行する。
そして、制御装置１３０は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに付加した中間造形物ＦＣに対する上部造形物ＦＦの付加処理が完了したか否かを判断し（図３のステップＳ８）、上部造形物ＦＦの付加処理が完了したら、粉末供給装置１１０及び光照射装置１２０をオフにし、基台Ｂの回転及び移動を停止して（図３のステップＳ９）、全ての処理を終了する。
＜４．その他＞
上記実施形態では、光照射装置１２０は、中央光ビーム照射部１２１、中央光ビーム光源１２２、外側光ビーム照射部１２３及び外側光ビーム光源１２４を備える構成とした。しかし、図６に示すように、光照射装置１２０は、外側光ビーム照射部１２３及び外側光ビーム光源１２４の代わりに、前側光ビーム照射部（外側光ビーム照射部）１２５、前側光ビーム光源１２６、後側光ビーム照射部（外側光ビーム照射部）１２７、後側光ビーム光源１２８を備える構成としてもよい。
上記実施形態では、光照射装置１２０は、中央光ビーム照射部１２１、中央光ビーム光源１２２、外側光ビーム照射部１２３及び外側光ビーム光源１２４を備える構成とした。しかし、図６に示すように、光照射装置１２０は、外側光ビーム照射部１２３及び外側光ビーム光源１２４の代わりに、前側光ビーム照射部（外側光ビーム照射部）１２５、前側光ビーム光源１２６、後側光ビーム照射部（外側光ビーム照射部）１２７、後側光ビーム光源１２８を備える構成としてもよい。
前側光ビーム照射部１２５は、中央光ビームＬＣの走査方向ＳＤの前側に円形状の照射形状（前側光照射範囲ＦＳＳ）となる前側光ビーム（外側光ビーム）ＦＬＳを照射する。後側光ビーム照射部１２７は、中央光ビームＬＣの走査方向ＳＤの後側に円形状の照射形状（後側光照射範囲ＢＳＳ）となる後側光ビーム（外側光ビーム）ＢＬＳを照射する。前側光ビームＦＬＳの前側光照射範囲ＦＳＳで、溶融池ＭＰの形成処理の前処理として予熱処理を行い、後側光ビームＢＬＳの後側光照射範囲ＢＳＳで、上部造形物ＦＦの付加処理の後処理として保温処理を行う。
また、上記実施形態では、基台Ｂに付加する造形物ＦＣ，ＦＦは、異種材料で成る場合について説明したが、同一材料で成る場合でも同様に適用できる。その場合、中間造形物ＦＣの付加は不要である。また、同一材料でなくても熱膨張係数が近い材料同士の場合も、中間造形物ＦＣの付加は不要である。
１００；付加製造装置、 １１０；粉末供給装置、 １１３；成分比調整装置、 １２０；光照射装置、 １２１；中央光ビーム照射部、１２３；外側光ビーム照射部、 １３０；制御装置、 Ｂ；基台、 Ｐ１；第一粉末材料、 Ｐ２；第二粉末材料、 Ｐ３；第三粉末材料、 ＬＣ；中央光ビーム 、ＬＳ；外側光ビーム、 ＦＣ；中間造形物、 ＦＦ；上部造形物
Claims (5)
- 粉末材料を用いて基台に造形物を付加する付加製造装置であって、
前記基台に対し前記粉末材料を噴射して供給する粉末供給装置と、
前記基台における前記粉末材料の供給部に対し光ビームを照射する光照射装置と、
前記粉末供給装置の粉末供給及び前記光照射装置の光照射を制御するとともに、前記基台に対する前記光ビームの相対的な走査を制御する制御装置と、
を備え、
前記光照射装置は、前記粉末材料の供給部の中央に前記光ビームとして中央光ビームを照射する中央光ビーム照射部及び前記中央光ビームの外側に前記光ビームとして外側光ビームを照射する外側光ビーム照射部を有し、
前記制御装置は、前記粉末材料の光ビーム吸収率に応じて、前記中央光ビーム照射部の出力条件と前記外側光ビーム照射部の出力条件を独立して制御することで、前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークと前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを調整して前記造形物を付加する、付加製造装置。 - 前記粉末供給装置は、複数種の前記粉末材料の成分比を調整可能な成分比調整装置を有する、請求項１に記載の付加製造装置。
- 複数種の粉末材料を用いて基台に造形物を付加する付加製造装置であって、
前記複数種の粉末材料の成分比を調整可能な成分比調整装置を有し、前記基台に対し前記成分比が調整済の粉末材料を噴射して供給する粉末供給装置と、
前記基台における前記成分比が調整済の粉末材料の供給部に対し光ビームを照射する光照射装置と、
前記粉末供給装置の粉末供給及び前記光照射装置の光照射を制御するとともに、前記基台に対する前記光ビームの相対的な走査を制御する制御装置と、
を備え、
前記光照射装置は、前記成分比が調整済の粉末材料の供給部の中央に前記光ビームとして中央光ビームを照射する中央光ビーム照射部及び前記中央光ビームの外側に前記光ビームとして外側光ビームを照射する外側光ビーム照射部を有し、
前記制御装置は、前記基台の表面に前記成分比が厚さ方向に徐変する中間造形物を付加する際、前記中間造形物の光ビーム吸収率に応じて、前記中央光ビーム照射部の出力条件と前記外側光ビーム照射部の出力条件を独立して制御することで、前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークと前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを調整し、さらに前記中間造形物の表面に前記複数種の粉末材料のうち１種類の前記粉末材料で成る上部造形物を付加する際、前記上部造形物の光ビーム吸収率に応じて、前記中央光ビーム照射部の出力条件と前記外側光ビーム照射部の出力条件を独立して制御することで、前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークと前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを調整する、付加製造装置。 - 前記制御装置は、
前記粉末材料の光ビーム吸収率が比較的高い場合、前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークよりも低減し、
前記粉末材料の光ビーム吸収率が比較的低い場合、前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークよりも増加し、その後に前記中央光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークを前記外側光ビームのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークよりも低減する、請求項１−３の何れか一項に記載の付加製造装置。 - 前記外側光ビーム照射部は、前記外側光ビームとしてリング状の光ビームを照射する、請求項１−４の何れか一項に記載の付加製造装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018234110A JP7243167B2 (ja) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | 付加製造装置 |
| PCT/JP2019/047814 WO2020116609A1 (ja) | 2018-12-06 | 2019-12-06 | 付加製造装置 |
| US17/311,050 US20220023950A1 (en) | 2018-12-06 | 2019-12-06 | Additive manufacturing device |
| DE112019006101.1T DE112019006101T5 (de) | 2018-12-06 | 2019-12-06 | Additive Fertigungsvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018234110A JP7243167B2 (ja) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | 付加製造装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020094249A true JP2020094249A (ja) | 2020-06-18 |
| JP7243167B2 JP7243167B2 (ja) | 2023-03-22 |
Family
ID=71084647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018234110A Active JP7243167B2 (ja) | 2018-12-06 | 2018-12-14 | 付加製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7243167B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113351887A (zh) * | 2021-06-07 | 2021-09-07 | 华中科技大学 | 一种能够使焊丝与粉料同步送入的送粉头和3d打印装置 |
| EP4104962A1 (en) * | 2021-06-17 | 2022-12-21 | Rolls-Royce plc | Electron beam welding |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016172893A (ja) * | 2015-03-17 | 2016-09-29 | セイコーエプソン株式会社 | ３次元形成装置および３次元形成方法 |
| JP2017179575A (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | キヤノン株式会社 | 三次元造形装置、及び三次元造形方法 |
| JP2017530260A (ja) * | 2014-06-09 | 2017-10-12 | ハイブリッド マニュファクチュアリング テクノロジーズ リミテッド | 材料処理方法及び関連装置 |
| KR101787718B1 (ko) * | 2016-06-21 | 2017-11-16 | 한국기계연구원 | 3차원 레이저 프린팅 장치 및 방법 |
-
2018
- 2018-12-14 JP JP2018234110A patent/JP7243167B2/ja active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017530260A (ja) * | 2014-06-09 | 2017-10-12 | ハイブリッド マニュファクチュアリング テクノロジーズ リミテッド | 材料処理方法及び関連装置 |
| JP2016172893A (ja) * | 2015-03-17 | 2016-09-29 | セイコーエプソン株式会社 | ３次元形成装置および３次元形成方法 |
| JP2017179575A (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | キヤノン株式会社 | 三次元造形装置、及び三次元造形方法 |
| KR101787718B1 (ko) * | 2016-06-21 | 2017-11-16 | 한국기계연구원 | 3차원 레이저 프린팅 장치 및 방법 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113351887A (zh) * | 2021-06-07 | 2021-09-07 | 华中科技大学 | 一种能够使焊丝与粉料同步送入的送粉头和3d打印装置 |
| EP4104962A1 (en) * | 2021-06-17 | 2022-12-21 | Rolls-Royce plc | Electron beam welding |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7243167B2 (ja) | 2023-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2020094269A (ja) | 付加製造装置 | |
| RU2641578C2 (ru) | Головка для нанесения при производстве по аддитивной технологии | |
| EP2895293B1 (en) | Laser cladding system filler material distribution apparatus | |
| Gadagi et al. | A review on advances in 3D metal printing | |
| JP5607031B2 (ja) | パルス状の電流およびワイヤによるｍｉｇ法を用いた金属部品の一部分の製造 | |
| JP6067852B2 (ja) | 三次元物体を層状に製造する装置及び方法 | |
| US20100193480A1 (en) | Deposition of materials with low ductility using solid free-form fabrication | |
| US20160230283A1 (en) | Fused Material Deposition Microwave System And Method | |
| JP7439520B2 (ja) | 付加製造装置 | |
| US20140072438A1 (en) | Superalloy laser cladding with surface topology energy transfer compensation | |
| US20070122560A1 (en) | Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation | |
| JP7243167B2 (ja) | 付加製造装置 | |
| JP2006200030A (ja) | 立体造形物の製造方法及び製造装置 | |
| JP2019104986A (ja) | 境界と領域の分離のための走査ストラテジ | |
| US7301120B2 (en) | Ion fusion formation process including precise heat input and temperature control | |
| CN112974845A (zh) | 一种金属构件非连续式激光增材制造方法 | |
| CN115846686A (zh) | 一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法 | |
| US20210260701A1 (en) | Additive manufacturing with rotatable deposition head | |
| WO2020116609A1 (ja) | 付加製造装置 | |
| US7342195B2 (en) | Customizable ion fusion formation system and process | |
| JP2021188111A (ja) | 付加製造装置 | |
| CA2897012C (en) | Laser deposition using a protrusion technique | |
| JP2023182215A (ja) | 付加製造装置 | |
| KR102091778B1 (ko) | 석출경화형 금속을위한 외부열을 추가한 동시석출 적층가공 방법 | |
| AU2019325191A1 (en) | Additive manufacture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20210301 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211111 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20221004 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221129 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230207 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230220 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7243167 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |