JP2020527462A5

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Publication number: JP2020527462A5
Application number: JP2019572480A
Authority: JP
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2038-06-29

Claims

溶融材料を堆積して、溶融池を形成するために、熱エネルギー源を生成する融解工具を含む、金属付加製造システムにおいて使用するための噴流装置であって、
前記噴流装置は、
冷却ガスを受け入れるための第１の入口、及び冷却ガスを吐出するためのノズルに接続された第１の開口を備える第１の導管と、
冷却ガスを受け入れるための第２の入口、及び冷却ガスを吐出するための第２のノズルに接続された第２の開口を備える第２の導管と
を備え、
前記第１の導管が、前記熱エネルギー源の一方側で、前記融解工具に取り付くように構成され、且つ前記第２の導管が、前記熱エネルギー源の反対側の第２の側で前記融解工具に取り付くように構成され、
前記第１のノズル又は前記第２のノズルの少なくとも１つは、材料堆積中に、前記冷却ガスが前記少なくとも１つの前記第１の導管又は前記第２の導管を出るとき、前記冷却ガスの乱流を生成するように構成され、並びに
前記第１ノズル及び前記第２のノズルは、前記冷却ガスを、溶融池に、溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に、及び前記溶融池の前記液固境界に、衝突するように方向付け、
前記熱エネルギー源に向けて冷却ガスを吹き付けるのを防止するように構成される、
噴流装置。
前記第１の導管と前記第２の導管の各々は、別々に制御される冷却ガス流れを有するノズルを備える、請求項１に記載の噴流装置。
溶融材料を堆積して、溶融池を形成するために、熱エネルギー源を生成する融解工具を含む、金属付加製造システムにおいて使用するための噴流装置であって、
前記噴流装置は、
冷却ガスを受け入れるための入口、及び材料堆積中に、前記冷却ガスを吐出するための１つ以上のノズル備える少なくとも１つの導管と、
前記噴流装置を前記金属付加製造システムの構成要素に接続するためのブラケットと
を備え、
前記１つ以上のノズルは、前記冷却ガスを、堆積され凝固した状態の材料の表面に、方向付け、
前記熱エネルギー源に向けて冷却ガスを吹き付けるのを防止するように構成される、
噴流装置。
少なくとも１つのノズルは、前記冷却ガスが前記ノズルを出るときに前記冷却ガスの乱流を生成するように構成される、請求項３に記載の噴流装置。
前記少なくとも１つの導管は、第１の外側導管と、前記第１の外側導管に隣接する中央導管と、前記中央導管に隣接する第２の外側導管とを備え、各々がそれ自体のガス供給源に別々に接続され、
前記第１の外側導管が、前記堆積ストリングの一側面に向けられた少なくとも１つのノズルを含み、
前記中央導管が、前記堆積ストリングの上面に向けられた少なくとも１つのノズルを含み、且つ
前記第２の外側導管が、前記堆積ストリングの他の側面に向けられた少なくとも１つのノズルを含む、
請求項３又は４に記載の噴流装置。
ワイヤ又は粉末送給器に取り付け可能であるように構成された、請求項３〜５のいずれか一項に記載の噴流装置。
耐熱材料で作製されるか又は耐熱材料を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の噴流装置。
前記耐熱材料が、チタン、チタン合金、タングステン、タングステン合金、及びこれらの合金、ステンレス鋼、クロムとニッケルとを含む合金、並びにニッケル、鉄、コバルト、銅、モリブデン、タンタル、タングステン、及びチタンのうちの２つ以上を含む合金の中から選択される、請求項７に記載の噴流装置。
前記冷却ガスの流れを測定する流量計を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の噴流装置。
少なくとも１つのノズルが、前記各々の導管の先端部に位置決めされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴流装置。
各々のノズルは、前記各々の導管に対して角度が９０°以下となるように位置決めされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴流装置。
前記導管のいずれか１つ又は複数が、
複数のノズルと、
前記導管内における複数のチャネル、パイプ、管、又はラインであって、前記チャネル、パイプ、管、又はラインの各々が、前記複数のノズルのうちの単一のノズルに別々に取り付けられる、前記複数のチャネル、パイプ、管、又はラインと
を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の噴流装置。
各ノズルが円筒形状を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の噴流装置。
各ノズルが、円形、長円形、卵形、正方形、矩形、菱形、星形、五角形、六角形、及び八角形の中から選択された断面形状を有するか、又は前記ノズルが非対称断面形状を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の噴流装置。
各ノズルが、約５ｍｍ〜約５０ｍｍから選択された長さを有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の噴流装置。
各ノズルが、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍの壁厚を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の噴流装置。
各ノズルは、前記冷却ガスが通って流れるオリフィスを備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の噴流装置。
前記オリフィスが、前記ノズルの前記断面形状と同じか又は異なる断面形状を有し、且つ
前記オリフィスが、円形、長円形、卵形、正方形、矩形、菱形、六角形、八角形、及び非対称の断面形状の中から選択される、請求項１７に記載の噴流装置。
前記オリフィスが、前記ノズルの内径と同じか又はそれよりも小さい直径を有する、請求項１７又は１８に記載の噴流装置。
前記オリフィスが、約１ｍｍ〜約５ｍｍの直径を有する、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の噴流装置。
各導管が、前記導管を通って流れる冷却ガスと相互作用するバッフルを備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の噴流装置。
（ａ）各導管が、前記冷却ガスの層流を妨げて前記冷却ガスの乱流を促進するように、前記導管を通って流れる前記冷却ガスの流路内に突起若しくは窪み若しくはこれらの組み合わせを更に備え、又は
（ｂ）各ノズルが、前記冷却ガスの層流を妨げて前記冷却ガスの乱流を促進するように、前記ノズルを通って流れる前記冷却ガスの流路内に突起若しくは窪み若しくはこれらの組み合わせを更に備え、又は
（ｃ）各ノズルの前記オリフィスが、前記冷却ガスの層流を妨げて前記冷却ガスの乱流を促進するように、前記オリフィスを通って流れる前記冷却ガスの流路内に突起若しくは窪み若しくはこれらの組み合わせを更に備え、又は
（ｄ）（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の任意の組み合わせである、
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の噴流装置。
融解工具から前記噴流装置を断熱するために、又は
前記噴流装置と加工物における溶融池との間に、又は
ワイヤ送給器から前記噴流装置を断熱するために、
断熱材を更に備える、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の噴流装置。
冷却ガス供給源を更に備える、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の噴流装置。
各導管が、前記各導管自体の冷却ガス供給源に接続される、請求項２４に記載の噴流装置。
前記冷却ガス供給源が、前記導管に提供される冷却ガスの前記流量を調整するように手動又は自動で調節可能な調整器を備える、請求項２４又は２５に記載の噴流装置。
付加製造により金属物体を構築するためのシステムであって、
溶融金属の堆積前に母材を予熱するための第１の融解工具と、
金属源を溶融させて、前記予熱した母材上に又は前記母材上の液体溶融池内に堆積される金属溶融材料の溶滴にするために、熱エネルギー源を生成する第２の融解工具と、
前記溶融金属の堆積中に、第１の冷却ガスを、堆積され凝固した状態の材料の表面に、方向付けるための、請求項３に記載の第１の噴流装置と、
前記第１の冷却ガスの供給源と、
前記加熱装置及び前記噴流装置に対して前記母材を位置決めし移動させるためのシステムと、
形成すべき前記金属物体の設計モデルを読み込み、設計モデルを用いて、前記母材を位置決めし移動させるための前記システムの位置及び移動を調整することと、前記金属材料の連続した堆積物を前記母材上に融着させることにより物理的物体が構築されるように前記加熱装置及び前記噴流装置を動作させることが可能な制御システムと
を備える、システム。
コンピュータを更に備える、請求項２７に記載のシステム。
前記設計モデルが、形成すべき前記金属物体のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを含む、請求項２７又は２８に記載のシステム。
前記第１の融解工具が、ＰＴＡトーチ、レーザ装置、同軸型粉末送給ノズルレーザシステム、又はこれらの任意の組み合わせを含み、且つ前記第２の融解工具が、ＰＴＡトーチ、レーザ装置、同軸型粉末送給ノズルレーザシステム、又はこれらの任意の組み合わせを含む、請求項２７〜２９のいずれか一項に記載のシステム。
前記第２の融解工具がＰＴＡトーチを含み、並びに前記ＰＴＡトーチは、前記ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ消耗電極がアノードになるように、直流電源に電気的に接続される、請求項２７〜３０のいずれか一項に記載のシステム。
前記第２の融解工具に接続され、前記溶融金属の堆積中に、第２の冷却ガスを、溶融池に、溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に、及び前記溶融池の前記液固境界に、衝突するように方向付け、
前記熱エネルギー源に向けて冷却ガスを吹き付けるのを防止するように位置付けられる、第２の噴流装置をさらに備える、請求項２７〜３１のいずれか一項に記載のシステム。
前記噴流装置の各ノズルが、冷却ガスの乱流を生成する、請求項２７〜３２のいずれか一項に記載のシステム。
金属ワイヤを前記第２の融解装置に送出するワイヤ送給器を更に備える、請求項２７〜３３のいずれか一項に記載のシステム。
前記第１の噴流装置は、前記ワイヤ送給器に又は前記システムの構成要素に接続される、請求項３４に記載のシステム。
前記システムの第１の構成要素に取り付けられた第１の温度センサであって、前記堆積され凝固した状態の金属材料の前記表面の温度を前記第１の冷却ガスの適用前に測定するように位置決めされた前記第１の温度センサと、
前記システムの第２の構成要素に取り付けられた第２の温度センサであって、前記堆積され凝固した状態の金属材料の前記表面の温度を前記第１の冷却ガスの適用後に測定するように位置決めされた前記第２の温度センサと
を更に備える、請求項３５に記載のシステム。
前記システムの前記第１の構成要素及び前記第２の構成要素の各々が、独立して、前記ワイヤ送給装置を保持するブラケット、又は融解工具を保持するブラケット、又は前記ワイヤ送給装置と前記融解工具とを保持するブラケットである、請求項３５又は３６に記載のシステム。
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの各々が、赤外線温度計である、請求項３７に記載のシステム。
前記第１の噴流装置が、同素変態領域における表面に前記冷却ガスを方向付ける、請求項３６〜３８のいずれか一項に記載のシステム。
前記堆積され凝固した状態の金属材料がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、且つ
前記第１の噴流装置が、β−α遷移ゾーンにおける表面に前記冷却ガスを方向付ける、請求項３６〜３８のいずれか一項に記載のシステム。
前記コンピュータが、前記システムの１つ又は複数の構成要素と通信する、請求項２８に記載のシステム。
不活性雰囲気を収容する密閉室内に収容される、請求項２７〜４１のいずれか一項に記載のシステム。
前記不活性雰囲気が、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせを含む、請求項４２に記載のシステム。
金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより３次元物体が作製される、付加製造により前記金属材料の前記物体を製造するための方法であって、
第１の融解工具を使用して前記母材の表面の少なくとも一部分を予熱することと、
溶融金属材料を前記母材の前記予熱領域上に堆積させて液体溶融池を形成するように、第２の融解工具を使用して、熱エネルギー源を生成して、金属材料を加熱して溶融させることと、
請求項３に記載の第１の噴流装置を使用して、前記溶融金属の堆積中に、第１の冷却ガスを、堆積され凝固した状態の材料の表面に、方向付けることと、
溶融金属材料の前記連続した堆積物が凝固して前記３次元物体を形成するように、前記第１の加熱装置及び前記第２の加熱装置の位置に対して前記母材を所定のパターンで移動させることと
を含む、方法。
第２の噴流装置を使用して、前記溶融金属の堆積中に、第２の冷却ガスを、溶融池に、溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に、及び前記溶融池の前記液固境界に、衝突するように方向付け、前記第２の噴流装置が、前記熱エネルギー源に向けて前記第２の冷却ガスを吹き付けるのを防止するように構成されることを更に含む、請求項４４に記載の方法。
前記堆積され凝固した状態の金属材料がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、且つ
前記第２の噴流装置が、β−α遷移ゾーンにおける表面に前記第１の冷却ガスを方向付ける、請求項４５に記載の方法。
前記堆積され凝固した状態の材料に衝突する前記第１及び第２の冷却ガスが、約１０℃／秒〜約１５℃／秒のバルク冷却速度をもたらす、請求項４５又は４６に記載の方法。
前記第１の融解工具が、前記溶融金属材料を堆積させるべき位置において前記母材を予熱するか、若しくは前記金属材料を堆積させるべき前記位置において前記母材に溶融池を形成するか、又はその両方である、請求項４４〜４７のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の融解工具が第１のＰＴＡトーチを含み、且つ前記第２の融解工具が第２のＰＴＡトーチを含む、請求項４４〜４８のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の融解工具がレーザ装置を含み、且つ
前記第２の融解工具がＰＴＡトーチを含む、請求項４４〜４８のいずれか一項に記載の方法。
前記ＰＴＡトーチは、前記ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ
前記金属材料が、アノードになる消耗電極であるように、直流電源に電気的に接続される、請求項５０に記載の方法。
前記第１の融解工具がＰＴＡトーチを含み、且つ
前記第２の融解工具がレーザ装置を含む、請求項４４〜４８のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の融解工具が同軸型粉末送給ノズルレーザシステムを含み、且つ
前記第２の融解工具がレーザ装置を含む、請求項４４〜４８のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の融解工具が同軸型粉末送給ノズルレーザシステムを含み、且つ
前記第２の融解工具がＰＴＡトーチを含む、請求項４４〜４８のいずれか一項に記載の方法。
前記第１及び第２の冷却ガスが、各々、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、及びこれらの組み合わせの中から選択された不活性ガスを含む、請求項４４〜５４のいずれか一項に記載の方法。
前記第１及び第２の冷却ガスが、各々、約１Ｌ／分〜約１６０Ｌ／分の流量を有する、請求項４４〜５５のいずれか一項に記載の方法。
前記第１及び第２の冷却ガスの各々が、定常流で適用されるか、又は間欠的に適用されるか、又は脈動流で提供される、請求項４４〜５６のいずれか一項に記載の方法。
前記第１及び第２の冷却ガスの温度が約２５℃以下である、請求項４４〜５７のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の噴流装置の少なくとも１つのノズルが前記第１の冷却ガスの乱流を生成し、又は前記第１の冷却ガスの速度が、前記第１の噴流装置の少なくとも１つのノズルを出る前記第１の冷却ガスに乱流を生じさせるのに十分である、請求項４５〜５８のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の噴流装置が、乱流を生み出すように互いに衝突するガス噴流を生成するように構成された少なくとも２つのノズルを備える、請求項４５〜５９のいずれか一項に記載の方法。
各々の噴流装置が、成形３次元物体の進行方向に沿って約５ｍｍ〜約５０ｍｍの長さをカバーする冷却ガスを送出する、請求項４５〜６０のいずれか一項に記載の方法。
各々の噴流装置が、前記成形３次元物体の前記進行方向に沿って約１５ｍｍ〜約３０ｍｍの長さをカバーする冷却ガスを送出する、請求項４５〜６１のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の冷却ガスが、前記第２の冷却ガスの吐出流量よりも多い流量で、吐出する、請求項４５〜６２のいずれか一項に記載の方法。
前記方法の各ステップが、不活性雰囲気を収容する密閉室内で行われる、請求項４４〜６３のいずれか一項に記載の方法。
前記不活性雰囲気が、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせを含む、請求項６４に記載の方法。
付加製造金属製品における粗い柱状凝固構造を最小限に抑えるか又は排除する方法であって、
請求項１に記載の噴流装置を使用して、溶融材料の堆積中に、乱流冷却ガス噴流を、溶融池に、溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に、及び前記溶融池の前記液固境界に、衝突するように適用することを含み、
前記冷却ガス噴流が、前記溶融池の表面における対向する凝固前面の成長を誘起するか若しくは加速させるか又はその両方である、方法。
付加製造金属製品の微細構造を微細化する方法であって、
バルク冷却速度を少なくとも５℃／秒だけ増加させるために、請求項３に記載の冷却噴流装置を使用して、溶融材料の堆積中に、乱流である冷却ガス噴流を、堆積され凝固した状態の材料に適用することを含む、方法。
付加製造チタン合金物体における塑性変形の均一性を高める方法であって、
物体の堆積され凝固した状態の領域の冷却速度を増加させ、それにより、典型的に生成されるコロニー／ラメラ微細構造ではなく、かご織り微細構造の形成を促進するために、請求項３に記載の噴流装置を使用して、溶融チタン合金の堆積中に、冷却ガスの噴流を前記チタン合金物体の堆積され凝固した状態の領域の表面に適用することを含む、方法。