JP2020506294A - 交換可能な付加製造システムのためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
付加製造システムは、上に配置された粉末金属材料を有する構築プレートを含んでいる。付加製造システムはまた、エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁と、コンベヤシステムと、複数の動作ステーションとを含んでいる。コンベヤシステムは、エアロック式構築チャンバ内に配置されている。コンベヤシステムは構築プレートを輸送するよう構成されている。複数の動作ステーションは、コンベヤシステムに隣接してエアロック式構築チャンバ内に配置されている。複数の動作ステーションの各動作ステーションは、構築プレート上に配置された粉末金属材料に対する少なくとも1つの付加製造動作の実行を容易にするよう構成されている。コンベヤシステムは、構築プレートを複数の動作ステーションのうちの第1動作ステーションから、複数の動作ステーションのうちの第2動作ステーションに移送するよう構成されている。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる2017年1月3日に出願された米国仮特許出願番号第62/441,669号明細書に対する優先権を主張する。
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる2017年1月3日に出願された米国仮特許出願番号第62/441,669号明細書に対する優先権を主張する。
本開示の分野は、一般に付加製造システムに関し、より詳細には、複数構築領域のための共有環境、移動式不活性ガスパージステーション、及び構築プラットフォームモジュール用の集中不活性ガスパージステーションを有する連続構築プロセスのためのシステム及び方法に関する。
少なくともいくつかの付加製造システムは、部品を製造するための粉末材料の蓄積を伴う。この方法は、高価な材料から複雑な部品を低コストで且つ製造効率を向上させて製造することができる。直接金属レーザ溶融(DMLM)システムなどの少なくともいくつかの既知の付加製造システムは、レーザ装置、構築プレート、及び、限定されないが、粉末金属などの粉末材料を使用して部品を製造する。レーザ装置は、レーザビームが粉末材料に入射する領域内及び領域の周囲で、構築プレート上で粉末材料を溶融するレーザビームを発生させ、その結果溶融プールが生じるいくつかの既知の部品は、部品の異なる部分に対して異なるレーザ温度及び異なる粉末材料を必要とし得る。そのため、いくつかの既知の部品は、その部品を完成させるために複数のDMLMシステムを必要とし得る。未完成の部品を第1DMLMシステムから第2DMLMシステムに移送することは、部品の構築時間を短縮することができる。しかしながら、部品を複数のDMLMシステムに移送し、DMLMシステムを不活性ガスでパージすることは、部品を完成させるためのコスト及び時間を増加させる可能性がある。
一態様では、付加製造システムが提供される。付加製造システムは、上に配置された粉末金属材料を有する構築プレートを含んでいる。付加製造システムはまた、エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁と、コンベヤシステムと、複数の動作ステーションとを含んでいる。コンベヤシステムは、エアロック式構築チャンバ内に配置されている。コンベヤシステムは構築プレートを輸送するよう構成されている。複数の動作ステーションは、コンベヤシステムに隣接してエアロック式構築チャンバ内に配置されている。複数の動作ステーションの各動作ステーションは、構築プレート上に配置された粉末金属材料に対する少なくとも1つの付加製造動作の実行を容易にするよう構成されている。コンベヤシステムは、構築プレートを複数の動作ステーションのうちの第1動作ステーションから、複数の動作ステーションのうちの第2動作ステーションに移送するよう構成されている。
別の態様では、移動式パージステーションが提供される。移動式パージステーションは、付加製造システムと流れ連通して結合するよう構成されている。付加製造システムは、エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁を含んでいる。移動式パージステーションは、容器及び輸送装置を含んでいる。容器は不活性ガスを収容するよう構成されている。容器はエアロック式構築チャンバと流れ連通して結合されている。輸送装置は、容器を付加製造システムに輸送するよう構成されている。容器は、不活性ガスをエアロック式構築チャンバ内に導くよう構成されている。
さらに別の態様では、付加製造システムが提供される。付加製造システムは、レーザ装置と、エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁と、構築プレートと、第1走査装置と、移動式パージステーションとを含んでいる。レーザ装置はレーザビームを発生させるよう構成されている。構築プレートはレーザ装置に対してある位置を有する。構築プレートはエアロック式構築チャンバ内に配置されている。第1走査装置は、構築プレートにわたってレーザビームを選択的に向けるよう構成されている。レーザビームは構築プレート内に溶融プールを生成する。移動式パージステーションは、容器及び輸送装置を含んでいる。容器は不活性ガスを収容するよう構成されている。容器はエアロック式構築チャンバと流れ連通して結合されている。輸送装置は、容器をエアロック式構築チャンバに輸送するよう構成されている。容器は、不活性ガスをエアロック式構築チャンバ内に導くよう構成されている。
さらなる態様では、付加製造設備が提供される。付加製造設備は、少なくとも1つの移動式構築プラットフォームモジュールと、集中不活性ガスパージステーションと、少なくとも1つの付加製造システムとを含んでいる。集中不活性ガスパージステーションは、少なくとも1つの移動式構築プラットフォームモジュールを不活性ガスでパージするよう構成されている。少なくとも1つの付加製造システムは、少なくとも1つの移動式構築プラットフォームモジュール内に固体部品を構築するよう構成されている。
本開示のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、図面を通して同様の文字は同様の部品を表す添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されよう。
特記しない限り、本明細書に提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を説明することを意図している。これらの特徴は、本開示の1又は複数の実施形態を含む多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示された実施形態の実施に必要な当業者に既知のすべての従来の特徴を含むことを意味しない。
以下の明細書及び特許請求の範囲において、以下の意味を有するように定義されるべきいくつかの用語が参照されるであろう。
単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数の言及を含んでいる。
「所望による(Optional)」又は「所望により(optionally)」は、続いて説明される事象又は状況が発生してもしなくてもよく、その説明にはその事象が発生した場合と発生しなかった場合が含まれることを意味する。
本明細書及び特許請求の範囲を通して本明細書で使用されるような近似表現は、それが関連する基本機能に変化をもたらすことなく許容可能に変化し得る任意の定量的表現を修正するために適用され得る。したがって、「約」、「およそ」及び「実質的に」などの1又は複数の用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの事例では、近似表現は値を測定するための計測器の精度に対応し得る。本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の制限は組み合わせ及び/又は交換することができ、文脈又は表現でそうでないことを示さない限り、そのような範囲は特定され、それに含まれるすべての部分範囲を含んでいる。
本明細書で使用されるとき、用語「プロセッサ」及び「コンピュータ」及び関連用語、例えば「処理装置」及び「計算装置」は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路だけに限定されず、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)、特定用途向け集積回路及び他のプログラム可能な回路を広く指し、これらの用語は本明細書では互換的に使用される。本明細書に記載の実施形態では、メモリは、ランダムアクセスメモリ(RAM)などのコンピュータ可読媒体、及びフラッシュメモリなどのコンピュータ可読不揮発性媒体を含むことができるが、それらに限定されない。あるいは、フロッピーディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ(CD−ROM)、光磁気ディスク(MOD)、及び/又はデジタル多用途ディスク(DVD)を使用することもできる。また、本明細書に記載の実施形態では、追加の入力チャネルは、マウス及びキーボードなどのオペレータインタフェースに関連するコンピュータ周辺機器であり得るが、それらに限定されない。あるいは、例えば、スキャナを含むがこれに限定されない他のコンピュータ周辺機器も使用することができる。さらに、例示的実施形態では、追加の出力チャネルは、オペレータインタフェースモニタを含むことができるが、これに限定されない。
本明細書で使用されるとき、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール及びサブモジュール、又は任意の装置内の他のデータなどの短期及び長期の情報記憶のための任意の方法又は技術で実装される任意の有形コンピュータベースの装置を表すことを意図する。したがって、本明細書に記載の方法は、記憶装置及び/又はメモリ装置を含むがこれらに限定されない、有形の非一時的コンピュータ可読媒体に組み込まれた実行可能な命令として符号化することができる。
そのような命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。さらに、本明細書で使用されるとき、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、非限定的に、非一時的コンピュータストレージ装置を含む、非限定的に、揮発性及び不揮発性媒体を含むすべての有形のコンピュータ可読媒体、並びにファームウェア、物理ストレージ及び仮想ストレージ、CD−ROM、DVDなどのリムーバブル及び非リムーバブル媒体、並びにネットワーク又はインターネット及び未開発のデジタル手段などの任意の他のデジタルソースを含み、唯一の例外は一時的な伝搬信号である。
そのような命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。さらに、本明細書で使用されるとき、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、非限定的に、非一時的コンピュータストレージ装置を含む、非限定的に、揮発性及び不揮発性媒体を含むすべての有形のコンピュータ可読媒体、並びにファームウェア、物理ストレージ及び仮想ストレージ、CD−ROM、DVDなどのリムーバブル及び非リムーバブル媒体、並びにネットワーク又はインターネット及び未開発のデジタル手段などの任意の他のデジタルソースを含み、唯一の例外は一時的な伝搬信号である。
さらに、本明細書で使用されるとき、用語「リアルタイム」は、関連するイベントの発生時間、所定のデータの測定及び収集の時間、データを処理する時間、並びにイベント及び環境にシステムが応答する時間のうちの少なくとも1つを指す。本明細書に記載の実施形態では、これらの活動及びイベントは実質的に瞬間的に発生する。
本明細書に記載の複数構築ステーション付加製造システムの実施形態は、エアロック式チャンバ内で複数の構築領域を有する部品を構築する。複数構築領域付加製造システムは、エアロック式構築チャンバ、コンベヤシステム、複数の動作ステーション、エアロック式入力チャンバ、及びエアロック式出口チャンバを含んでいる。動作ステーションは、エアロック式構築チャンバ内のコンベヤシステムに隣接して配置されている。構築プラットフォームがエアロック式入力チャンバに入り、エアロック式入力チャンバ内の大気が不活性ガスでパージされる。次に、構築プラットフォームはエアロック式構築チャンバに入り、コンベヤシステム上に配置される。コンベヤシステムは、構築プラットフォームを構築プラットフォームから動作ステーションへ輸送する。各動作ステーションは、構築プラットフォームで構築粉末に関するタスクを実行する。動作ステーションが構築プラットフォーム上の部品を完成すると、構築プラットフォームは、エアロック式出口チャンバを通ってエアロック式構築チャンバを出る。単一のエアロック式構築チャンバ内に複数の構築ステーションを有する部品を構築すると、構築時間及びコストが削減される。
さらに、本明細書に記載の移動式パージステーションの実施形態は、複数の直接金属レーザ溶融(DMLM)システムのエアロック式構築チャンバをパージする。移動式パージステーションは容器及び圧縮機を含んでいる。動作中、圧縮機は不活性ガスを、密封されたエアロック式構築チャンバに導く。不活性ガスは、エアロック式構築チャンバ内の大気酸素に取って代わる。移動式パージユニットが第1DMLMシステムをパージした後、移動式パージユニットは、第1DMLMシステムが部品を構成している間に他のDMLMシステムをパージすることができる。移動式パージステーションは、各DMLMシステム上の専用のパージステーションを排除することによって、DMLMシステムのコストを削減する。加えて、移動式パージステーションは、より小さく強力でない専用のパージステーションよりも速くエアロック式構築チャンバをパージすることができるより大きくより強力な圧縮機を有することができる。このように、移動式パージステーションは部品の構築時間を短縮する。
加えて、本明細書に記載の構築プラットフォームモジュール用の集中不活性ガスパージステーションは、複数の直接金属レーザ溶融(DMLM)システムの移動式構築プラットフォームモジュールをパージする。DMLMシステムは、封じ込められたガス環境を有する2つのチャンバ、移動式構築プラットフォームモジュール及び統合モジュールに分けられる。統合モジュールは、レーザスキャナ及び粉末分配ユニットを含んでいる。統合モジュールは、プロセス全体を通して不活性環境を維持する。動作中に、構築プレートが移動式構築プラットフォームモジュールにロードされる。集中不活性ガスパージステーションは、移動式構築プラットフォームモジュールを不活性ガスでパージする。移動式構築プラットフォームモジュールは統合モジュールに結合され、粉末分配ユニットは移動式構築プラットフォームモジュール内の構築プレートに粉末を分配する。レーザスキャナは移動式構築プラットフォームモジュール内の部品を構築し、移動式構築プラットフォームモジュールは統合モジュールから分離される。集中不活性ガスパージステーションは、各DMLMシステム上の専用のパージステーションを排除することによって、DMLMシステムのコストを削減する。加えて、集中不活性ガスパージステーションは、より小さく強力でない専用のパージステーションよりも速く移動式構築プラットフォームモジュールをパージすることができるより大きくより強力な圧縮機を有することができる。したがって、本明細書に記載の集中不活性ガスパージステーションは、部品の構築時間を短縮する。
図1は、直線構成の例示的な複数構築ステーション付加製造システム又は製造システム100の概略図である。製造システム100は、エアロック式構築チャンバ102、エアロック式入力チャンバ104、エアロック式出口チャンバ106、コンベヤシステム108、及び複数の動作ステーション110を含んでいる。動作ステーション110は、エアロック式構築チャンバ102内のコンベヤシステム108に隣接して配置されている。エアロック式入力チャンバ104はエアロック式構築チャンバ102の第1端部112に配置され、エアロック式出口チャンバ106はエアロック式構築チャンバ102の第2端部114に配置されている。
エアロック式入力チャンバ104は、入力チャンバ入口116及び入力チャンバ出口118を含んでいる。エアロック式構築チャンバ102は構築チャンバ入口120及び構築チャンバ出口122を含んでいる。エアロック式出口チャンバ106は、出口チャンバ入口124及び出口チャンバ出口126を含んでいる。入力チャンバ入口116、入力チャンバ出口118、構築チャンバ入口120、構築チャンバ出口122、出口チャンバ入口124、及び出口チャンバ出口126はすべて、エアロック式入力チャンバ104、エアロック式構築チャンバ102、及びエアロック式出口チャンバ106に出入りする材料の移送を可能にするドアを含んでいる。例示的実施形態では、入力チャンバ出口118と構築チャンバ入口120は同じ入口と出口である。しかしながら、他の実施形態(図示せず)では、入力チャンバ出口118と構築チャンバ入口120は異なる入口と出口であってもよい。同様に、例示的実施形態では、構築チャンバ出口122と出口チャンバ入口124は同じ入口と出口である。しかしながら、他の実施形態(図示せず)では、構築チャンバ出口122と出口チャンバ入口124は異なる入口と出口であってもよい。
エアロック式入力チャンバ、構築チャンバ及び出口チャンバ102、104、106は、エアロック式入力チャンバ、構築チャンバ及び出口チャンバ102、104、106内の大気を不活性ガスでパージするよう構成されている。例示的実施形態では、エアロック式入力チャンバ、構築チャンバ及び出口チャンバ102、104、106はアルゴンでパージされる。しかしながら、エアロック式入力チャンバ、構築チャンバ及び出口チャンバ102、104、106は、製造システム100が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の不活性ガスでパージされてもよい。
例示的実施形態では、コンベヤシステム108は、材料を動作ステーション110から動作ステーション110に移送するよう構成されたコンベヤベルトを含んでいる。コンベヤシステム108は、コンベヤベルトシステムを含むことに限定されない。むしろ、コンベヤシステム108は、製造システム100が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の搬送機構を含み得る。
例示的実施形態では、動作ステーション110は付加製造システム310を含む(図3参照)。動作ステーション110は、限定されないが、粉末散布、レーザ溶融(輪郭、ハッチ、追加処理)、検査、粉末除去、熱処理、又は機械加工を含む、製造システム100が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の動作を含み得る。製造システム100は、製造システム100が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の順序で列挙された動作を実行することができる。
動作中、エアロック式構築チャンバ102はアルゴンでパージされる。入力チャンバ入口116が開かれ、粉末構築材料(図示せず)を有する構築プレート128がエアロック式入力チャンバ104に移送される。エアロック式入力チャンバ104はアルゴンでパージされる。入力チャンバ出口118及び構築チャンバ入口120が開かれ、構築プレート128がエアロック式構築チャンバ102内及びコンベヤシステム108上に移送される。コンベヤシステム108は、エアロック式構築チャンバ102の第1端部112からエアロック式構築チャンバ102の第2端部114への方向130に、構築プレート128を動作ステーション110から動作ステーション110に移送する。コンベヤシステム108が構築プレート128を最後の動作ステーション110に移送した後、構築チャンバ出口122及び出口チャンバ入口124が開かれ、構築プレート128はエアロック式出口チャンバ106に移送される。次に出口チャンバ入口124は閉じられる。最後に、出口チャンバ出口126が開かれ、構築プレート128がエアロック式出口チャンバ106から移送される。
図2は、円形構成の別の例示的な複数構築ステーション付加製造システム又は製造システム200の概略図である。製造システム200は、製造システム100と全く同じ部品を含んでいるが、製造システム200がエアロック式構築チャンバ102ではなく円形エアロック式構築チャンバ202とコンベヤシステム108ではなく円形コンベヤシステム208とを含んでいることを除く。動作中、構築プレート128は、方向130などの直線方向ではなく周方向230に異なる動作ステーション110に移送される。
図3は、直接金属レーザ溶融(DMLM)システムの形態で示された例示的な動作ステーション又は付加製造システム310の概略図である。本開示の実施形態はDMLMシステムを参照して説明されているが、本開示は選択的レーザ焼結システムなどの他の種類の付加製造システムにも適用することができる。
例示的実施形態では、DMLMシステム310は、構築プレート312、レーザビーム316を発生させるよう構成されたレーザ装置314、構築プレート312にわたってレーザビーム316を選択的に向けるよう構成された第1走査装置318、レーザビーム316によって生成された溶融プール322を監視するための光学システム320、及び位置合わせシステム323を含んでいる。例示的なDMLMシステム310はまた、本明細書でより詳細に説明するように、計算装置324と、DMLMシステム310の1又は複数の部品を制御するよう構成されたコントローラ326とを含んでいる。
構築プレート312は、付加製造プロセス中に溶融され且つ再固化される粉末構築材料を含み、固体部品328を構築する。粉末構築材料は、これらに限定されないが、コバルト、鉄、アルミニウム、チタン、ニッケル、及びそれらの組み合わせのガス噴霧された合金を含む、そのような部品を形成するのに適した材料を含んでいる。他の実施形態では、粉末構築材料は、任意の適切な種類の粉末金属材料を含み得る。さらに他の実施形態では、粉末構築材料は、例えば、これらに限定されないが、セラミック粉末、金属被覆セラミック粉末、及び熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む、DMLMシステム310が説明したように機能することを可能にする任意の適切な構築材料を含み得る。
レーザ装置314は、構築プレート312の構築材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分なエネルギーのレーザビーム316を発生させるよう構成されている。例示的実施形態では、レーザ装置314は、約1070ナノメートル(nm)の波長を有するレーザビームを放射するよう構成されたイットリウムベースの固体レーザである。別の実施形態では、レーザ装置314はファイバレーザを含むマルチレーザダイオードアレイである。他の実施形態では、レーザ装置314は、CCレーザなど、DMLMシステム310が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切なタイプのレーザを含み得る。さらに、DMLMシステム310は単一のレーザ装置314を含むものとして図示及び説明されているが、DMLMシステム310は2つ以上のレーザ装置を含むことができる。一実施形態では、例えば、DMLMシステム310は、第1パワーを有する第1レーザ装置、第1レーザパワーとは異なる第2パワーを有する第2レーザ装置、又は実質的に同じパワー出力を有する少なくとも2つのレーザ装置を含み得る。さらに他の実施形態では、DMLMシステム310は、DMLMシステム310が本明細書で説明されるように機能することを可能にするレーザ装置の任意の組み合わせを含み得る。
図3に示すように、レーザ装置314は、レーザビーム316を構築プレート312上に集束させるのを容易にする光学素子330及び332に光学的に結合されている。例示的実施形態では、光学素子330及び332は、レーザ装置314と第1走査装置318との間に配置されたビームコリメータ330と、第1走査装置318と構築プレート312との間に配置されたFθレンズ332とを含んでいる。他の実施形態では、DMLMシステム310は、構築プレート312上にコリメート及び/又は集束レーザビームを提供する任意の適切な種類及び配置の光学素子を含み得る。
第1走査装置318は、構築プレート312の選択部分にわたってレーザビーム316を向けて固体部品328を作るよう構成されている。例示的実施形態では、第1走査装置318は、検流計制御モータ336(広義にはアクチュエータ)に動作可能に結合されたミラー34を含む検流計走査装置である。モータ336は、コントローラ326から受信した信号に応答してミラー334を移動(具体的には回転)させ、それによってレーザビーム316を構築プレート312の選択部分にわたって偏向させるよう構成されている。ミラー334は、ミラー334がレーザビーム316を構築プレート312に向けて偏向させることを可能にする任意の適切な構成を有し得る。いくつかの実施形態において、ミラー334は、レーザビーム316の波長に対応する反射スペクトルを有する反射コーティングを含み得る。
第1走査装置318は単一のミラー334及び単一のモータ336と共に示されているが、第1走査装置318は、第1走査装置318が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な数のミラー及びモータを含み得る。一実施形態では、例えば、第1走査装置318は、2つのミラー及び2つの検流計制御モータを含み、それぞれがミラーの1つに動作可能に結合されている。さらに他の実施形態では、第1走査装置318は、例えば2次元(2D)走査検流計、3次元(3D)走査検流計及び動的集束検流計など、DMLMシステム310が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な走査装置を含み得る。
光学システム320は、溶融プール322によって生成された電磁放射を検出し、溶融プール322に関する情報を計算装置324に送信するよう構成されている。例示的実施形態では、光学システム320は、溶融プール322によって生成された電磁放射340(「EM放射」とも呼ばれる)を検出するよう構成された第1光学検出器338と、第1光学検出器338にEM放射340を向けるよう構成された第2走査装置342とを含んでいる。より具体的には、第1光学検出器338は、溶融プール322によって生成されたEM放射340を受け取り、それに応答して電気信号344を生成するよう構成されている。第1光学検出器338は、計算装置324に通信可能に結合されており、電気信号344を計算装置324に送信するよう構成されている。
第1光学検出器338は、例えば、限定されないが、光電子増倍管、フォトダイオード、赤外線カメラ、電荷結合素子(CCD)カメラ、CMOSカメラ、高温計又は高速可視光カメラを含む、光学システム320が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の適切な光学検出器を含むことができる。光学システム320は単一の第1光学検出器338を含むものとして図示及び説明されているが、光学システム320は、DMLMシステム310が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な数及び種類の光学検出器を含み得る。一実施形態では、例えば、光学システム320は、赤外スペクトル内のEM放射を検出するよう構成された第1光学検出器と、可視光スペクトル内のEM放射を検出するよう構成された第2光学検出器とを含んでいる。2つ以上の光学検出器を含む実施形態では、光学システム320は、溶融プール322からのEM放射340を分割して対応する光学検出器に偏向するよう構成されたビームスプリッタ(図示せず)を含むことができる。
光学システム320は溶融プール322によって生成されたEM放射340用の「光学」検出器を含むものとして説明されているが、「光学」という用語の使用は「可視」という用語と同義ではないことに留意されたい。むしろ、光学システム320は、広いスペクトル範囲のEM放射を捕捉するよう構成され得る。例えば、第1光学検出器338は、紫外スペクトル(約200〜400nm)、可視光スペクトル(約400〜700nm)、近赤外スペクトル(約700〜1,200nm)及び赤外スペクトル(約1,200〜10,000nm)の波長を有する光に敏感であり得る。さらに、溶融プール322によって放出されるEM放射の種類は溶融プール322の温度に依存するので、光学システム320は溶融プール322の大きさ及び温度の両方を監視し測定することができる。
第2走査装置342は、溶融プール322によって生成されたEM放射340を第1光学検出器338に向けるよう構成されている。例示的実施形態では、第2走査装置342は、第1検流計制御モータ348(概してアクチュエータ)に動作可能に結合された第1ミラー346と、第2検流計制御モータ352(概して、アクチュエータ)に動作可能に結合された第2ミラー350とを含む検流計走査装置である。第1モータ348及び第2モータ352は、コントローラ326から受信した信号に応答して、第1ミラー346及び第2ミラー350をそれぞれ移動(具体的には回転)させて、EM放射340を溶融プール322から第1光学検出器338に偏向するよう構成されている。第1ミラー346及び第2ミラー350は、第1ミラー346及び第2ミラー350が溶融プール322によって生成されたEM放射340を偏向させることを可能にする任意の適切な構成を有することができる。いくつかの実施形態では、第1ミラー346及び第2ミラー350の一方又は両方は、第1光学検出器338が検出するよう構成されているEM放射に対応する反射スペクトルを有する反射コーティングを含んでいる。
第2走査装置342は、2つのミラーと2つのモータを含むように図示及び説明されているが、第2走査装置342は、光学システム320が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な数のミラーとモータを含み得る。さらに、第2走査装置342は、例えば2次元(2D)走査検流計、3次元(3D)走査検流計及び動的集束検流計など、光学システム320が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な走査装置を含み得る。
構築プレート312は、複数のDMLMシステム310と共に動作するよう構成されている。例示的実施形態では、第1DMLMシステム310が固体部品328の第1部分を製造し、第2DMLMシステム310が固体部品328の第2部分を製造する。構築プレート312は、構築プレート312上の固体部品328と共に第1DMLMシステム310から第2DMLMシステム310に移動される。構築プレート312は、第2DMLMシステム310と位置合わせされなければならない。
位置合わせシステム323は、構築プレート312をDMLMシステム310と位置合わせするよう構成されている。位置合わせシステム323は、第2光学検出器354及び基準マーク投影機356を含んでいる。基準マーク投影機356は、複数の基準マーク358を構築プレート312上に投影する。例示的実施形態では、基準マーク投影機356は3つの基準マーク358を投影する。しかし、基準マーク投影機356は、位置合わせシステム323が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の数の基準マーク358を投影することができる。各基準マーク358は、基準マーク投影機356によって構築プレート312上に投影された形状を含んでいる。基準マーク投影機356は、基準マーク358を構築プレート312上に投影する複数のレーザ(図示せず)を含んでいる。
図4は、DMLMシステム310の構築プレート312の概略図である。例示的実施形態では、構築プレート312は長方形の形状を有する。他の実施形態では、構築プレート312は、DMLMシステム310が本明細書で説明されるように機能することを可能にする任意の適切なサイズ及び形状を有し得る。基準マーク358が構築プレート312上に投影される。例示的実施形態では、基準マーク358は十字形を有する。他の実施形態では、基準マーク358の形状は、円形、三角形、又は位置合わせシステム323が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の形状を含み得る。
さらに、基準マーク358は、格子パターン、ドットパターン、市松模様パターン、又は位置合わせシステム323が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他のパターンを含むことができる。基準マーク358は構築プレート312に沿って移動可能である。より具体的には、基準マーク358の位置は、基準マーク投影機356を使用して調整することができる。さらに、基準マーク投影機356のサイズ及び形状は、基準マーク投影機356を使用して調整することができる。
さらに、基準マーク358は、格子パターン、ドットパターン、市松模様パターン、又は位置合わせシステム323が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他のパターンを含むことができる。基準マーク358は構築プレート312に沿って移動可能である。より具体的には、基準マーク358の位置は、基準マーク投影機356を使用して調整することができる。さらに、基準マーク投影機356のサイズ及び形状は、基準マーク投影機356を使用して調整することができる。
図3に示すように、第2光学検出器354は、構築プレート312上の基準マーク358の位置を検出し、それに応じて電気信号362を発生させるよう構成されている。第2光学検出器354は、第1走査装置318を介して構築プレート312上の基準マーク358の位置を検出する一方で、基準マーク投影機356は第1走査装置318を介して基準マーク358を投影しない。第2光学検出器354はレーザビーム316と位置合わせされている。したがって、第2光学検出器354は、DMLMシステム310に対する構築プレート312の位置を検出する。第2光学検出器354は、計算装置324に通信可能に結合されており、電気信号362を計算装置324に送信するよう構成されている。計算装置324は、DMLMシステム310内の構築プレート312の位置合わせ、第1走査装置318の位置合わせ、及びミラー334の位置合わせを制御するコントローラ326への制御信号360を発生させる。コントローラ326は、構築プレート312、第1走査装置318、及びミラー334の位置を変えることによって、基準マーク358の位置に応じて構築プレートを位置合わせさせる。したがって、構築プレート312は、異なるDMLMシステム310に移動され、その中で位置合わせすることができる。
例示的実施形態では、第2光学検出器354は、第2光学検出器354がレーザ装置314に対して基準マーク358を観察するように、レーザ装置314に結合されている。さらに、基準マーク投影機356は、基準マーク358が同じ位置で構築プレート312上に投影されるように、構築プレート312上に結合されている。別の実施形態では、第2光学検出器354は、第2光学検出器354が構築プレート312に対して基準マーク358を観察するように、構築プレート312に結合されている。さらに、基準マーク投影機356は、基準マーク358がレーザ装置314に対して同じ位置で構築プレート312上に投影されるように、レーザ装置314に結合されている。
計算装置324は、DMLMシステム310を動作させるために実行可能な命令を実行する少なくとも1つのプロセッサ(図1には示さず)を含むコンピュータシステムであり得る。計算装置324は、例えば、DMLMシステム310の較正モデルと、部品328などの部品に関連付けられた電子コンピュータ構築ファイルとを含み得る。較正モデルは、限定されないが、DMLMシステム310の所与の組の動作条件下(例えば、レーザ装置314の出力)での予想又は所望の溶融プールサイズ及び温度を含むことができる。構築ファイルは、DMLMシステム310の1又は複数の部品を制御するために使用される構築パラメータを含み得る。構築パラメータは、レーザ装置314の出力、第1走査装置318の走査速度、第1走査装置318(具体的にはミラー334)の位置及び向き、第2走査装置342の走査速度、並びに第2走査装置342(具体的には、第1ミラー346及び第2ミラー350)の位置及び向きを含んでもよいが、これらに限定されない。例示的実施形態では、計算装置324とコントローラ326は別個の装置として示されている。他の実施形態では、計算装置324及びコントローラ326は、それぞれが本明細書で記載されているように計算装置324とコントローラ326の両方として動作する単一の装置として組み合わせることができる。
例示的実施形態では、計算装置324はまた、部品328の製造中に少なくとも部分的にデータ取得装置として動作し、DMLMシステム310の動作を監視するよう構成されている。一実施形態では、例えば、計算装置324は、第1光学検出器338から電気信号344を受信し処理する。計算装置324は、電気信号344に基づいて溶融プール322に関連する情報を記憶してもよく、情報はDMLMシステム310に対する又はDMLMシステム310によって構築された特定の部品に対する構築プロセスの制御及び改良を容易にするために使用されてもよい。
さらに、計算装置324は、第1光学検出器338から受信した電気信号344に基づいて、リアルタイムで1又は複数の構築パラメータを調整するように構成することができる。例えば、DMLMシステム310が部品328を構築するとき、計算装置324は、データ処理アルゴリズムを使用して第1光学検出器338からの電気信号344を処理して、溶融プール322のサイズ及び温度を決定する。計算装置324は、較正モデルに基づいて、溶融プール322の大きさ及び温度を、予想される又は所望の溶融プールの大きさ及び温度と比較することができる。計算装置324は、コントローラ326にフィードバックされ、且つリアルタイムで1又は複数の構築パラメータを調整するために使用される制御信号360を発生させることができ、溶融プール322内の不一致を修正することができる。例えば、計算装置324が溶融プール322内の不一致を検出した場合、計算装置324及び/又はコントローラ326は、そのような不一致を修正するために構築プロセス中にレーザ装置314の出力を調整することができる。
コントローラ326は、DMLMシステム310が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な種類のコントローラを含み得る。一実施形態では、例えば、コントローラ326は、人間のオペレータからの命令に少なくとも部分的に基づいてDMLMシステム310の動作を制御するための実行可能な命令を実行する少なくとも1つのプロセッサと、少なくとも1つのメモリ装置とを含むコンピュータシステムである。コントローラ326は、例えば、DMLMシステム310によって製造される部品328の3Dモデルを含み得る。コントローラ326によって実行される実行可能な命令は、レーザ装置314のパワー出力を制御することと、第1走査装置318の位置及び走査速度を制御することと、第2走査装置342の位置及び走査速度を制御することとを含み得る。
コントローラ326は、例えば計算装置324内に記憶された構築ファイルに関連付けられた構築パラメータに基づいて、DMLMシステム310の1又は複数の部品を制御するよう構成されている。例示的実施形態では、コントローラ326は、DMLMシステム310を用いて製造される部品に関連付けられた構築ファイルに基づいて、第1走査装置318を制御するよう構成されている。より具体的には、コントローラ326は、部品328に関連付けられた構築ファイルによって画定された所定の経路に基づいて、モータ336を使用してミラー334の位置、移動及び走査速度を制御するよう構成されている。
例示的実施形態では、コントローラ326はまた、溶融プール322からのEM放射340を第1光学検出器338に向けるように第2走査装置342を制御するよう構成されている。コントローラ326は、第1走査装置318のミラー334の位置及び溶融プール322の位置の少なくとも1つに基づいて、第1ミラー346及び第2ミラー350の位置、移動及び走査速度を制御するよう構成されている。一実施形態では、例えば、構築プロセス中の所与の時点でのミラー334の位置は、ミラー334の位置を制御するために使用される構築ファイルの所定の経路に基づいて、計算装置324及び/又はコントローラ326を使用して決定される。コントローラ326は、決定されたミラー334の位置に基づいて、第1ミラー346及び第2ミラー350の位置、移動及び走査速度を制御する。別の実施形態では、第1走査装置318は、例えば、ミラー334位置に対応する位置信号をコントローラ326及び/又は計算装置324に出力することによって、ミラー334の位置をコントローラ326及び/又は計算装置324に伝達するよう構成され得る。さらに別の実施形態では、コントローラ326は、溶融プール322の位置に基づいて、第1ミラー346及び第2ミラー350の位置、移動及び走査速度を制御する。構築プロセス中の所与の時点での溶融プール322の位置は、例えばミラー334の位置に基づいて決定することができる。
コントローラ326はまた、レーザ装置314を含むがこれに限定されない、DMLMシステム310の他の部品を制御するよう構成されてもよい。一実施形態では、例えば、コントローラ326は、構築ファイルに関連する構築パラメータに基づいてレーザ装置314のパワー出力を制御する。
図5は、直接金属レーザ溶融(DMLM)システムの形態で示された移動式パージステーション506を有する例示的な付加製造システム510の概略図である。本開示の実施形態はDMLMシステムを参照して説明されているが、本開示は選択的レーザ焼結システムなどの他の種類の付加製造システムにも適用することができる。他に指示がない限り、DMLMシステム510の部品は、DMLMシステム310の部品(図3に示す)と実質的に同様である。
例示的実施形態では、DMLMシステム510は、構築プレート512、レーザビーム516を発生させるよう構成されたレーザ装置514、構築プレート512にわたってレーザビーム516を選択的に向けるよう構成された第1走査装置518、レーザビーム516によって生成された溶融プール(図示せず)を監視するための光学システム520及び移動式パージステーション506を含んでいる。例示的なDMLMシステム510はまた、本明細書でより詳細に説明するように、計算装置524と、DMLMシステム510の1又は複数の部品を制御するよう構成されたコントローラ526とを含んでいる。
エアロック式構築チャンバ502がDMLMシステム510を囲んでいる。エアロック式構築チャンバ502は、エアロック式構築チャンバ502内の大気を不活性ガスでパージするよう構成されている。例示的実施形態では、不活性ガスはアルゴンである。しかしながら、エアロック式構築チャンバ502は、DMLMシステム510が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の不活性ガスでパージされてもよい。エアロック式構築チャンバ502は、不活性ガスをエアロック式構築チャンバ502内に導くよう構成されたコネクタ504を含んでいる。
例示的実施形態では、移動式パージステーション506は、エアロック式構築チャンバ502を不活性ガスでパージする。移動式パージステーション506は容器508及び圧縮機511を含んでいる。容器508は、第1ホース513によって圧縮機511と流れ連通して結合されている。圧縮機511は、第2ホース515によってコネクタ504と流れ連通して結合されている。移動式パージステーション506は、圧縮機511及び容器508を異なるDMLMシステム510に輸送するよう構成された輸送装置517をさらに含んでいる。例示的実施形態では、輸送装置517は、複数の車輪519を有するカート516を含んでいる。しかしながら、輸送装置517は、DMLMシステム510が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の輸送方法を含み得る。例示的実施形態では、容器508はアルゴンガスボンベを含んでいる。しかしながら、容器508は、DMLMシステム510が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の不活性ガス源を含み得る。
別の実施形態では、移動式パージステーション506は圧縮機511を含まない。むしろ、容器508内の不活性ガスの圧力は、エアロック式構築チャンバ502をパージするのに十分である。エアロック式構築チャンバ502をパージするために圧縮機511を使用すると、エアロック式構築チャンバ502のパージ時間が短縮され、固体部品528の構築時間が短縮される。
動作中、構築プレート512はエアロック式構築チャンバ502内に配置され、エアロック式構築チャンバ502は密閉される。移動式パージステーション506はDMLMシステム510に輸送される。第1ホース513は容器508と圧縮機511に接続されている。第2ホース515は、コネクタ504と圧縮機511に接続されている。第1ホース513は容器508からの不活性ガスを圧縮機511に導く。圧縮機511は容器508からの不活性ガスを圧縮する。第2ホース515は、圧縮された不活性ガスを、圧縮機511からコネクタ504に導き、コネクタは、圧縮された不活性ガスをエアロック式構築チャンバ502に導く。
図6は、集中不活性ガスパージステーション602を有する例示的な複数ユニット付加製造システム600の概略図である。複数ユニット付加製造システム600は、集中不活性ガスパージステーション602と、複数の付加製造システム610と、中央粉末分配システム604とを含んでいる。集中不活性ガスパージステーション602は、不活性ガスで移動式構築プラットフォームモジュール606をパージするよう構成されている。付加製造システム610は、移動式構築プラットフォームモジュール606内に固体部品628を構築するよう構成された統合モジュール608を含んでいる。移動式構築プラットフォームモジュール606は統合モジュール608と接続するよう構成されている。中央粉末分配システム604は、粉末構築材料(図7参照)を統合モジュール608に移送するよう構成されており、統合モジュールは、粉末構築材料を移動式構築プラットフォームモジュール606に移送するよう構成されている。
移動式構築プラットフォームモジュール606は構築プレート612を囲んでいる。例示的実施形態では、移動式構築プラットフォーム606は透明ボックスを含んでいる。しかしながら、移動式構築プラットフォームモジュール606は、複数ユニット付加製造システム600が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の形状を含み得る。移動式構築プラットフォームモジュール606は、移動式構築プラットフォームモジュール606内の大気を不活性ガスでパージするよう構成されている。例示的実施形態では、不活性ガスはアルゴンである。しかしながら、移動式構築プラットフォームモジュール606は、複数ユニット付加製造システム600が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の不活性ガスでパージされてもよい。移動式構築プラットフォームモジュール606は、不活性ガスを移動式構築プラットフォームモジュール606内に導くよう構成されたコネクタ614を含んでいる。
例示的実施形態では、集中不活性ガスパージステーション602は、移動式構築プラットフォームモジュール606を不活性ガスでパージする。集中不活性ガスパージステーション602は、不活性ガス源616及び圧縮機618を含んでいる。不活性ガス源616は、第1ホース620によって圧縮機618と流れ連通して結合されている。圧縮機618は、第2ホース622によってコネクタ614と流れ連通して結合されている。例示的実施形態では、不活性ガス源616はアルゴンガスボンベを含んでいる。しかしながら、不活性ガス源616は、複数ユニット付加製造システム600が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の不活性ガス源を含み得る。
別の実施形態では、集中不活性ガスパージステーション602は圧縮機618を含まない。むしろ、不活性ガス源616内の不活性ガスの圧力は、移動式構築プラットフォームモジュール606をパージするのに十分である。移動式構築プラットフォームモジュール606をパージするために圧縮機618を使用すると、
移動式構築プラットフォームモジュール606のパージ時間が短縮され、固体部品728の構築時間が短縮される(図7参照)。
移動式構築プラットフォームモジュール606のパージ時間が短縮され、固体部品728の構築時間が短縮される(図7参照)。
動作中、構築プレート612は移動式構築プラットフォームモジュール606内に配置され、移動式構築プラットフォームモジュール606は密閉される。移動式構築プラットフォームモジュール606は集中不活性ガスパージステーション602に輸送される。第1ホース620は、不活性ガス源616と圧縮機618に接続されている。第2ホース622は、コネクタ614と圧縮機618に接続されている。第1ホース620は、不活性ガス源616からの不活性ガスを圧縮機618へ導く。圧縮機618は、不活性ガス源16からの不活性ガスを圧縮する。第2ホース622は、圧縮された不活性ガスを、圧縮機618からコネクタ614に導き、コネクタ614は、圧縮された不活性ガスを移動式構築プラットフォームモジュール606に導く。
集中不活性ガスパージステーション602が移動式構築プラットフォームモジュール606を不活性ガスでパージした後、移動式構築プラットフォームモジュール606は矢印624で示すように付加製造システム610に移送される。その後、移動式構築プラットフォームモジュール606は統合モジュール608に結合される。中央粉末分配システム604は、矢印626で示されるように粉末構築材料を統合モジュール608に移送する。次に統合モジュール608は、粉末構築材料を移動式構築プラットフォームモジュール606内の構築プレート612に移送する。次に、付加製造システム610は、移動式構築プラットフォームモジュール606内に固体部品728を構築する。最後に、移動式構築プラットフォームモジュール606は付加製造システム610から分離される。
図7は、直接金属レーザ溶融(DMLM)システムの形態で示された位置合わせシステム723の別の実施形態での例示的な付加製造システム710の概略図である。本開示の実施形態はDMLMシステムを参照して説明されているが、本開示は選択的レーザ焼結システムなどの他の種類の付加製造システムにも適用することができる。
例示的実施形態では、DMLMシステム710は、構築プレート712、レーザビーム716を発生させるよう構成されたレーザ装置714、構築プレート712にわたってレーザビーム716を選択的に向けるよう構成された第1走査装置718、レーザビーム716によって生成された溶融プール722を監視するための光学システム720、及び位置合わせシステム723を含んでいる。例示的なDMLMシステム710はまた、本明細書でより詳細に説明するように、計算装置724と、DMLMシステム710の1又は複数の部品を制御するよう構成されたコントローラ726とを含んでいる。
例示的実施形態では、DMLMシステム710は、移動式構築プラットフォームモジュール606内に収容される構築プレート712を除いて統合モジュール608内に収容される。統合モジュール608は不活性ガスでパージされた。統合モジュール608は、付加製造プロセス全体を通して不活性環境を維持する。DMLMシステム710は、矢印729で示すように、中央粉末分配システム604から粉末構築材料を受け取り、粉末構築材料を構築プレート712に分配するよう構成された粉末分配ユニット727を含んでいる。
構築プレート712は、付加製造プロセス中に溶融され且つ再固化される粉末構築材料を受け取り、固体部品728を構築する。粉末構築材料は、これらに限定されないが、コバルト、鉄、アルミニウム、チタン、ニッケル、及びそれらの組み合わせのガス噴霧された合金を含む、そのような部品を形成するのに適した材料を含んでいる。他の実施形態では、粉末構築材料は、任意の適切な種類の粉末金属材料を含み得る。さらに他の実施形態では、粉末構築材料は、例えば、これらに限定されないが、セラミック粉末、金属被覆セラミック粉末、及び熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む、DMLMシステム710が説明したように機能することを可能にする任意の適切な構築材料を含み得る。
レーザ装置714は、構築プレート712の構築材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分なエネルギーのレーザビーム716を発生させるよう構成されている。例示的実施形態では、レーザ装置714は、約1070ナノメートル(nm)の波長を有するレーザビームを放射するよう構成されたイットリウムベースの固体レーザである。別の実施形態では、レーザ装置714はファイバレーザを含むマルチレーザダイオードアレイである。他の実施形態では、レーザ装置714は、CCレーザなど、DMLMシステム710が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切なタイプのレーザを含み得る。さらに、DMLMシステム710は単一のレーザ装置714を含むものとして図示及び説明されているが、DMLMシステム710は2つ以上のレーザ装置を含むことができる。一実施形態では、例えば、DMLMシステム710は、第1パワーを有する第1レーザ装置、第1レーザパワーとは異なる第2パワーを有する第2レーザ装置、又は実質的に同じパワー出力を有する少なくとも2つのレーザ装置を含み得る。さらに他の実施形態では、DMLMシステム710は、DMLMシステム710が本明細書に記載のように機能することを可能にするレーザ装置の任意の組み合わせを含み得る。
図7に示すように、レーザ装置714は、レーザビーム716を構築プレート712上に集束させるのを容易にする光学素子730及び732に光学的に結合されている。例示的実施形態では、光学素子730及び732は、レーザ装置714と第1走査装置718との間に配置されたビームコリメータ730と、第1走査装置718と構築プレート712との間に配置されたFθレンズ732とを含んでいる。他の実施形態では、DMLMシステム710は、構築プレート712上にコリメート及び/又は集束レーザビームを提供する任意の適切な種類及び配置の光学素子を含み得る。
第1走査装置718は、構築プレート712の選択部分にわたってレーザビーム716を向けて固体部品728を作るよう構成されている。例示的実施形態では、第1走査装置718は、検流計制御モータ736(広義にはアクチュエータ)に動作可能に結合されたミラー734を含む検流計走査装置である。モータ736は、コントローラ726から受信した信号に応答してミラー734を移動(具体的には回転)させ、それによってレーザビーム716を構築プレート712の選択部分にわたって偏向させるよう構成されている。ミラー734は、ミラー734がレーザビーム716を構築プレート712に向けて偏向させることを可能にする任意の適切な構成を有し得る。いくつかの実施形態において、ミラー734は、レーザビーム716の波長に対応する反射スペクトルを有する反射コーティングを含み得る。
第1走査装置718は単一のミラー734及び単一のモータ736と共に示されているが、第1走査装置718は、第1走査装置718が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な数のミラー及びモータを含み得る。一実施形態では、例えば、第1走査装置718は、2つのミラー及び2つの検流計制御モータを含み、それぞれがミラーの1つに動作可能に結合されている。さらに他の実施形態では、第1走査装置718は、例えば2次元(2D)走査検流計、3次元(3D)走査検流計及び動的集束検流計など、DMLMシステム710が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な走査装置を含み得る。
光学システム720は、溶融プール722によって生成された電磁放射を検出し、溶融プール722に関する情報を計算装置724に送信するよう構成されている。例示的実施形態では、光学システム720は、溶融プール722によって生成された電磁放射740(「EM放射」とも呼ばれる)を検出するよう構成された第1光学検出器738と、第1光学検出器738にEM放射740を向けるよう構成された第2走査装置742とを含んでいる。より具体的には、第1光学検出器738は、溶融プール722によって生成されたEM放射740を受け取り、それに応答して電気信号744を発生させるよう構成されている。第1光学検出器738は、計算装置724に通信可能に結合されており、電気信号744を計算装置724に送信するよう構成されている。
第1光学検出器738は、例えば、限定されないが、光電子増倍管、フォトダイオード、赤外線カメラ、電荷結合素子(CCD)カメラ、CMOSカメラ、高温計又は高速可視光カメラを含む、光学システム720が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な光学検出器を含むことができる。光学システム720は単一の第1光学検出器738を含むものとして図示及び説明されているが、光学システム720は、DMLMシステム710が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な数及び種類の光学検出器を含み得る。一実施形態では、例えば、光学システム720は、赤外スペクトル内のEM放射を検出するよう構成された第1光学検出器と、可視光スペクトル内のEM放射を検出するよう構成された第2光学検出器とを含んでいる。2つ以上の光学検出器を含む実施形態では、光学システム720は、溶融プール722からのEM放射740を分割して対応する光学検出器に偏向するよう構成されたビームスプリッタ(図示せず)を含むことができる。
光学システム720は溶融プール722によって生成されたEM放射740用の「光学」検出器を含むものとして説明されているが、「光学」という用語の使用は「可視」という用語と同義ではないことに留意されたい。むしろ、光学システム720は、広いスペクトル範囲のEM放射を捕捉するよう構成され得る。例えば、第1光学検出器738は、紫外スペクトル(約200〜400nm)、可視光スペクトル(約400〜700nm)、近赤外スペクトル(約700〜1,200nm)及び赤外スペクトル(約1,200〜10,000nm)の波長を有する光に敏感であり得る。さらに、溶融プール722によって放出されるEM放射の種類は溶融プール722の温度に依存するので、光学システム720は溶融プール722の大きさ及び温度の両方を監視し測定することができる。
第2走査装置742は、溶融プール722によって生成されたEM放射740を第1光学検出器738に向けるよう構成されている。例示的実施形態では、第2走査装置742は、第1検流計制御モータ748(概してアクチュエータ)に動作可能に結合された第1ミラー746と、第2検流計制御モータ752(概して、アクチュエータ)に動作可能に結合された第2ミラー750とを含む検流計走査装置である。第1モータ748及び第2モータ752は、コントローラ726から受信した信号に応答して、第1ミラー746及び第2ミラー750をそれぞれ移動(具体的には回転)させて、EM放射740を溶融プール722から第1光学検出器738に偏向するよう構成されている。第1ミラー746及び第2ミラー750は、第1ミラー746及び第2ミラー750が溶融プール722によって生成されたEM放射740を偏向させることを可能にする任意の適切な構成を有することができる。いくつかの実施形態では、第1ミラー746及び第2ミラー750の一方又は両方は、第1光学検出器738が検出するよう構成されているEM放射に対応する反射スペクトルを有する反射コーティングを含んでいる。
第2走査装置742は、2つのミラーと2つのモータを含むように図示及び説明されているが、第2走査装置742は、光学システム720が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な数のミラーとモータを含み得る。さらに、第2走査装置742は、例えば2次元(2D)走査検流計、3次元(3D)走査検流計及び動的集束検流計など、光学システム720が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な走査装置を含み得る。
移動式構築プラットフォームモジュール606及び構築プレート712は、複数のDMLMシステム710と共に動作するよう構成されている。そのため、移動式構築プラットフォームモジュール606及び構築プレート712がDMLMシステム710に結合されるたびに、構築プレート312をDMLMシステム710と位置合わせしなければならない。位置合わせシステム723は、構築プレート712をDMLMシステム710と位置合わせするよう構成されている。位置合わせシステム723は、構築プレート712の底面702上に第2光学検出器754及び複数の基準マーク758を含んでいる。例示的実施形態では、構築プレート712は3つの基準マーク758を含んでいる。しかしながら、構築プレート712は、位置合わせシステム723が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の数の基準マーク758を含み得る。
位置合わせシステム723は、構築プレート712をDMLMシステム710と位置合わせするよう構成されている。位置合わせシステム723は、第2光学検出器754及び基準マーク投影機756を含んでいる。基準マーク投影機756は、複数の基準マーク758を構築プレート712上に投影する。例示的実施形態では、基準マーク投影機756は3つの基準マーク758を投影する。しかし、基準マーク投影機756は、位置合わせシステム723が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の数の基準マーク758を投影することができる。各基準マーク758は、基準マーク投影機756によって構築プレート712上に投影された形状を含んでいる。基準マーク投影機756は、基準マーク758を構築プレート712上に投影する複数のレーザ(図示せず)を含んでいる。
図8は、DMLMシステム710の構築プレート712の概略図である。例示的実施形態では、構築プレート712は長方形の形状を有する。他の実施形態では、構築プレート712は、DMLMシステム710が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切なサイズ及び形状を有し得る。基準マーク758が構築プレート712上に投影されている。例示的実施形態では、基準マーク758は十字形を有する。他の実施形態では、基準マーク758の形状は、円形、三角形、又は位置合わせシステム723が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の形状を含み得る。さらに、基準マーク758は、格子パターン、ドットパターン、市松模様パターン、又は位置合わせシステム723が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他のパターンを含むことができる。基準マーク758は構築プレート712に沿って移動可能である。より具体的には、基準マーク758の位置は、基準マーク投影機756を使用して調整することができる。さらに、基準マーク投影機756のサイズ及び形状は、基準マーク投影機756を使用して調整することができる。
図7に示すように、第2光学検出器754は、構築プレート712上の基準マーク758の位置を検出し、それに応じて電気信号762を発生させるよう構成されている。第2光学検出器754は、第1走査装置718を介して構築プレート712上の基準マーク758の位置を検出する一方で、基準マーク投影機756は第1走査装置718を介して基準マーク758を投影しない。第2光学検出器754はレーザビーム716と位置合わせされている。したがって、第2光学検出器754は、DMLMシステム710に対する構築プレート712の位置を検出する。第2光学検出器754は、計算装置724に通信可能に結合されており、電気信号762を計算装置724に送信するよう構成されている。計算装置724は、DMLMシステム710内の構築プレート712の位置合わせ、第1走査装置718の位置合わせ、及びミラー734の位置合わせを制御するコントローラ726への制御信号760を発生させる。コントローラ726は、構築プレート712、第1走査装置718、及びミラー734の位置を変えることによって、基準マーク758の位置に応じて構築プレートを位置合わせさせる。したがって、構築プレート712は、異なるDMLMシステム710に移動され、その中で位置合わせすることができる。
例示的実施形態では、第2光学検出器754は、第2光学検出器754がレーザ装置714に対して基準マーク758を観察するように、レーザ装置714に結合されている。さらに、基準マーク投影機756は、基準マーク758が同じ位置で構築プレート712上に投影されるように、構築プレート712に結合されている。別の実施形態では、第2光学検出器754は、第2光学検出器754が構築プレート712に対して基準マーク758を観察するように、構築プレート712に結合されている。さらに、基準マーク投影機756は、基準マーク758がレーザ装置714に対して同じ位置で構築プレート712上に投影されるように、レーザ装置714に結合されている。
計算装置724は、DMLMシステム710を動作させるために実行可能な命令を実行する少なくとも1つのプロセッサ(図3には示さず)を含むコンピュータシステムであり得る。計算装置724は、例えば、DMLMシステム710の較正モデルと、部品728などの部品に関連付けられた電子コンピュータ構築ファイルとを含み得る。較正モデルは、限定されないが、DMLMシステム710の所与の組の動作条件下(例えば、レーザ装置714の出力)での予想又は所望の溶融プールサイズ及び温度を含むことができる。構築ファイルは、DMLMシステム710の1又は複数の部品を制御するために使用される構築パラメータを含み得る。構築パラメータは、レーザ装置714の出力、第1走査装置718の走査速度、第1走査装置718(具体的にはミラー734)の位置及び向き、第2走査装置742の走査速度、並びに第2走査装置742(具体的には、第1ミラー746及び第2ミラー750)の位置及び向きを含んでもよいが、これらに限定されない。例示的実施形態では、計算装置724とコントローラ726は別個の装置として示されている。他の実施形態では、計算装置724及びコントローラ726は、それぞれが本明細書で記載されているように計算装置724とコントローラ726の両方として動作する単一の装置として組み合わせることができる。
例示的実施形態では、計算装置724はまた、部品728の製造中に少なくとも部分的にデータ取得装置として動作し、DMLMシステム710の動作を監視するよう構成されている。一実施形態では、例えば、計算装置724は、第1光学検出器738から電気信号744を受信し処理する。計算装置724は、電気信号744に基づいて溶融プール722に関連する情報を記憶してもよく、情報はDMLMシステム710に対する又はDMLMシステム710によって構築された特定の部品に対する構築プロセスの制御及び改良を容易にするために使用されてもよい。
さらに、計算装置724は、第1光学検出器738から受信した電気信号744に基づいて、リアルタイムで1又は複数の構築パラメータを調整するように構成することができる。例えば、DMLMシステム710が部品728を構築するとき、計算装置724は、データ処理アルゴリズムを使用して第1光学検出器738からの電気信号744を処理して、溶融プール722のサイズ及び温度を決定する。計算装置724は、較正モデルに基づいて、溶融プール722の大きさ及び温度を、予想される又は所望の溶融プールの大きさ及び温度と比較することができる。計算装置724は、コントローラ726にフィードバックされ、且つリアルタイムで1又は複数の構築パラメータを調整するために使用される制御信号760を発生させることができ、溶融プール722内の不一致を修正することができる。例えば、計算装置724が溶融プール722内の不一致を検出した場合、計算装置724及び/又はコントローラ726は、そのような不一致を修正するために構築プロセス中にレーザ装置714の出力を調整することができる。
コントローラ726は、DMLMシステム710が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の適切な種類のコントローラを含み得る。一実施形態では、例えば、コントローラ726は、人間のオペレータからの命令に少なくとも部分的に基づいてDMLMシステム710の動作を制御するための実行可能な命令を実行する少なくとも1つのプロセッサと、少なくとも1つのメモリ装置とを含むコンピュータシステムである。コントローラ726は、例えば、DMLMシステム710によって製造される部品728の3Dモデルを含み得る。コントローラ726によって実行される実行可能な命令は、レーザ装置714のパワー出力を制御することと、第1走査装置718の位置及び走査速度を制御することと、第2走査装置742の位置及び走査速度を制御することとを含み得る。
コントローラ726は、例えば計算装置724内に記憶された構築ファイルに関連付けられた構築パラメータに基づいて、DMLMシステム710の1又は複数の部品を制御するよう構成されている。例示的実施形態では、コントローラ726は、DMLMシステム710を用いて製造される部品に関連付けられた構築ファイルに基づいて、第1走査装置718を制御するよう構成されている。より具体的には、コントローラ726は、部品728に関連付けられた構築ファイルによって画定された所定の経路に基づいて、モータ736を使用してミラー734の位置、移動及び走査速度を制御するよう構成されている。
例示的実施形態では、コントローラ726はまた、溶融プール722からのEM放射740を第1光学検出器738に向けるように第2走査装置742を制御するよう構成されている。コントローラ726は、第1走査装置718のミラー734の位置及び溶融プール722の位置の少なくとも1つに基づいて、第1ミラー746及び第2ミラー750の位置、移動及び走査速度を制御するよう構成されている。一実施形態では、例えば、構築プロセス中の所与の時点でのミラー734の位置は、ミラー734の位置を制御するために使用される構築ファイルの所定の経路に基づいて、計算装置724及び/又はコントローラ726を使用して決定される。コントローラ726は、決定されたミラー734の位置に基づいて、第1ミラー746及び第2ミラー750の位置、移動及び走査速度を制御する。別の実施形態では、第1走査装置718は、例えば、ミラー734位置に対応する位置信号をコントローラ726及び/又は計算装置724に出力することによって、ミラー734の位置をコントローラ726及び/又は計算装置724に伝達するよう構成され得る。さらに別の実施形態では、コントローラ726は、溶融プール722の位置に基づいて、第1ミラー746及び第2ミラー750の位置、移動及び走査速度を制御する。構築プロセス中の所与の時点での溶融プール722の位置は、例えばミラー734の位置に基づいて決定することができる。
コントローラ726はまた、レーザ装置714を含むがこれに限定されない、DMLMシステム710の他の部品を制御するよう構成されてもよい。一実施形態では、例えば、コントローラ726は、構築ファイルに関連する構築パラメータに基づいてレーザ装置714のパワー出力を制御する。
本明細書に記載のエアロック式入力チャンバを有する複数構築ステーション付加製造システムの実施形態は、エアロック式チャンバ内で複数の構築領域を有する部品を構築する。複数構築領域付加製造システムは、エアロック式構築チャンバ、コンベヤシステム、複数の動作ステーション、エアロック式入力チャンバ、及びエアロック式出口チャンバを含んでいる。動作ステーションは、エアロック式構築チャンバ内のコンベヤシステムに隣接して配置されている。構築プラットフォームがエアロック式入力チャンバに入り、エアロック式入力チャンバ内の大気が不活性ガスでパージされる。次に、構築プラットフォームはエアロック式構築チャンバに入り、コンベヤシステム上に配置される。コンベヤシステムは、構築プラットフォームを構築プラットフォームから動作ステーションへ輸送する。各動作ステーションは、構築プラットフォームで構築粉末に関するタスクを実行する。動作ステーションが構築プラットフォーム上の部品を完成すると、構築プラットフォームは、エアロック式出口チャンバを通ってエアロック式構築チャンバを出る。単一のエアロック式構築チャンバ内に複数の構築ステーションを有する部品を構築すると、構築時間及びコストが削減される。
さらに、本明細書に記載の移動式パージステーションの実施形態は、複数の直接金属レーザ溶融(DMLM)システムのエアロック式構築チャンバをパージする。移動式パージステーションは、不活性ガス源及び圧縮機を含んでいる。動作中、圧縮機は不活性ガスを密封されたエアロック式構築チャンバに送る。不活性ガスは、エアロック式構築チャンバ内の大気酸素に取って代わる。移動式パージユニットが第1DMLMシステムをパージした後、移動式パージユニットは、第1DMLMシステムが部品を構成している間に他のDMLMシステムをパージすることができる。移動式パージステーションは、各DMLMシステム上の専用のパージステーションを排除することによって、DMLMシステムのコストを削減する。加えて、移動式パージステーションは、より小さく強力でない専用のパージステーションよりも速くエアロック式構築チャンバをパージすることができるより大きくより強力な圧縮機を有することができる。このように、移動式パージステーションは部品の構築時間を短縮する。
加えて、本明細書に記載の構築プラットフォームモジュール用の集中不活性ガスパージステーションは、複数の直接金属レーザ溶融(DMLM)システムの移動式構築プラットフォームモジュールをパージする。DMLMシステムは、封じ込められたガス環境を有する2つのチャンバ、移動式構築プラットフォームモジュール及び統合モジュールに分けられる。統合モジュールは、レーザスキャナ及び粉末分配ユニットを含んでいる。統合モジュールは、プロセス全体を通して不活性環境を維持する。動作中に、構築プレートが移動式構築プラットフォームモジュールにロードされる。集中不活性ガスパージステーションは、移動式構築プラットフォームモジュールを不活性ガスでパージする。移動式構築プラットフォームモジュールは統合モジュールに結合され、粉末分配ユニットは移動式構築プラットフォームモジュール内の構築プレートに粉末を分配する。レーザスキャナは移動式構築プラットフォームモジュール内の部品を構築し、移動式構築プラットフォームモジュールは統合モジュールから分離される。集中不活性ガスパージステーションは、各DMLMシステム上の専用のパージステーションを排除することによって、DMLMシステムのコストを削減する。加えて、集中不活性ガスパージステーションは、より小さく強力でない専用のパージステーションよりも速く移動式構築プラットフォームモジュールをパージすることができるより大きくより強力な圧縮機を有することができる。したがって、集中不活性ガスパージステーションは、部品の構築時間を短縮する。
本明細書に記載の方法及びシステムの例示的な技術的効果は、(a)単一のエアロック式チャンバ内に複数のDMLMシステムを収容することと、(b)構築プレートをエアロック式チャンバ内の複数のDMLMシステムに移動することと、(c)構築プレート上の基準マークの位置を検出することと、(d)構築プレートをDMLMシステムと位置合わせすることと、(e)構築プレートをコンベヤシステムを用いて別のDMLMシステムに移動することと、(f)部品の構築時間を短縮することと、(g)パージステーションを複数のDMLMシステムに移動することと、(h)複数のDMLMシステムのエアロック式構築チャンバをパージすることと、(i)DMLMシステムのコストを下げることと、(j)部品の構築時間を短縮することと、(k)移動式構築プラットフォームモジュールを集中不活性ガスパージステーションに結合することと、(l)移動式構築プラットフォームモジュールを不活性ガスでパージすることと、(m)移動式構築プラットフォームモジュールをDMLMシステムに結合することと、(n)DMLMシステムのコストを下げることと、(o)部品の構築時間を短縮することを含む。
いくつかの実施形態は、1又は複数の電子装置又は計算装置の使用を含んでいる。そのような装置は、典型的に、汎用中央処理装置(CPU)、グラフィック処理装置(GPU)、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ(RISC)プロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブルロジック回路(PLC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、デジタル信号処理(DSP)装置、及び/又は本明細書に記載の機能を実行することができる任意の他の回路又は処理装置などの、プロセッサ、処理装置又はコントローラを含んでいる。本明細書に記載の方法は、記憶装置及び/又はメモリ装置を含むがこれらに限定されない、コンピュータ可読媒体に組み込まれた実行可能な命令として符号化することができる。そのような命令は、処理装置によって実行されると、し処理装置に本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。上記の例は例示的なものにすぎず、したがって、プロセッサ及び処理装置という用語の定義及び/又は意味を決して限定することを意図するものではない。
構築プラットフォームモジュール用のエアロック式入力チャンバ、移動式パージステーション、及び集中不活性ガスパージステーションを有する複数構築ステーション付加製造システムの例示的実施形態が、上に詳細に説明されている。装置、システム及び方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、むしろ本方法の動作及びシステムの部品は、本明細書に記載の他の動作又は部品とは独立して別々に利用され得る。例えば、本明細書に記載のシステム、方法及び装置は、他の産業用途又は消費者用途を有してもよく、本明細書に記載の付加製造システムを用いた実施に限定されない。むしろ、1又は複数の実施形態を他の産業に関連して実装及び利用することができる。
本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面には示され、他の図面には示されないことがあるが、これは単に便宜上のものである。本開示の原理に従って、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照及び/又は特許請求され得る。
この書面の説明は、最良の形態を含む実施形態を開示し、また任意の装置又はシステムの製造及び使用並びに任意の組み込まれた方法の実行を含む実施形態を当業者が実施できるように例を使用する。本開示の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い浮かぶ他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが請求項の文言通りの表現と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが請求項の文言通りの表現とはわずかに異なる同等の構造要素を含む場合、請求項の範囲内にあることが意図される。
Claims (21)
- 粉末金属材料がその上に配置された構築プレートを含む付加製造システムであって、前記付加製造システムは、
エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁と、
前記エアロック式構築チャンバ内に配置されたコンベヤシステムであって、前記コンベヤシステムは前記構築プレートを輸送するよう構成された、コンベヤシステムと、及び
前記エアロック式構築チャンバ内の前記コンベヤシステムに隣接して配置された複数の動作ステーションであって、前記複数の動作ステーションの各動作ステーションは、前記構築プレート上に配置された前記粉末金属材料に対する少なくとも1つの付加製造動作の実行を容易にするよう構成され、前記コンベヤシステムは、前記構築プレートを前記複数の動作ステーションのうちの第1動作ステーションから前記複数の動作ステーションのうちの第2動作ステーションに移送するよう構成されている、複数の動作ステーションと、
を備える、付加製造システム。 - 前記エアロック式構築チャンバ及び前記コンベヤシステムが直線構成で構成されている、請求項1に記載の付加製造システム。
- 前記エアロック式構築チャンバ及び前記コンベヤシステムが円形構成で構成されている、請求項1に記載の付加製造システム。
- エアロック式入力チャンバを画定する少なくとも1つの壁をさらに備える、請求項1に記載の付加製造システム。
- エアロック式出口チャンバを画定する少なくとも1つの壁をさらに備える、請求項1に記載の付加製造システム。
- 前記複数の動作ステーションのうちの少なくとも1つの動作ステーションが直接金属レーザ溶融システムを備える、請求項1に記載の付加製造システム。
- 前記複数の動作ステーションのうちの少なくとも1つの動作ステーションが粉末除去システムを備える、請求項1に記載の付加製造システム。
- 付加製造システムと流れ連通して結合されるよう構成された移動式パージステーションであって、前記付加製造システムは、エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁を含み、前記移動式パージステーションは、
不活性ガスを収容するよう構成された容器であって、前記容器は前記エアロック式構築チャンバと流れ連通して結合される、容器と、及び
前記容器を前記付加製造システムに輸送するよう構成された輸送装置であって、前記容器は前記不活性ガスを前記エアロック式構築チャンバ内に導くよう構成されている、輸送装置と、
を備える、移動式パージステーション。 - 前記容器及び前記エアロック式構築チャンバと流れ連通して結合された圧縮機をさらに備える、請求項8に記載の移動式パージステーション。
- 前記圧縮機が前記不活性ガスを圧縮するよう構成されている、請求項9に記載の移動式パージステーション。
- 前記輸送装置がカートを備える、請求項8に記載の移動式パージステーション。
- 前記不活性ガスがアルゴンを含む、請求項8に記載の移動式パージステーション。
- 前記容器がガスボンベを備える、請求項8に記載の移動式パージステーション。
- 前記容器と前記エアロック式構築チャンバとに結合されたホースをさらに備える、請求項8に記載の移動式パージステーション。
- レーザビームを発生させるよう構成されたレーザ装置と、
エアロック式構築チャンバを画定する少なくとも1つの壁と、
前記レーザ装置に対する位置を有する構築プレートであって、前記構築プレートは前記エアロック式構築チャンバ内に配置されている、構築プレートと、及び
前記構築プレートにわたって前記レーザビームを選択的に向けるよう構成された第1走査装置であって、前記レーザビームが前記構築プレート内に溶融プールを生成する、第1走査装置と、
移動式パージステーションであって、
不活性ガスを収容するよう構成された容器であって、前記容器は前記エアロック式構築チャンバと流れ連通して結合される容器、及び
前記容器を前記エアロック式構築チャンバに輸送するよう構成された輸送装置であって、前記容器は前記不活性ガスを前記エアロック式構築チャンバ内に導くよう構成されている輸送装置、
を備える、移動式パージステーションと、
を備える、付加製造システム。 - 少なくとも1つの移動式構築プラットフォームモジュールと、
不活性ガスで前記少なくとも1つの移動式構築プラットフォームモジュールをパージするよう構成された集中不活性ガスパージステーションと、及び
少なくとも1つの付加製造システムであって、前記少なくとも1つの付加製造システムは前記少なくとも1つの移動式構築プラットフォームモジュール内に固体部品を構築するよう構成されている、少なくとも1つの付加製造システムと、
を備える、付加製造設備。 - 粉末材料を前記少なくとも1つの付加製造システムに移送するよう構成された中央粉末分配システムをさらに含む、請求項16に記載の付加製造設備。
- 前記少なくとも1つの付加製造システムが統合モジュールを含む、請求項17に記載の付加製造設備。
- 前記統合モジュールが直接金属レーザ溶融システムを囲んでいる、請求項18に記載の付加製造設備。
- 複数の移動式構築プラットフォームモジュールが構築プレートを備える、請求項16に記載の付加製造設備。
- 前記不活性ガスがアルゴンを含む、請求項16に記載の付加製造設備。
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