JP2021000825A - セラミック及びその複合材料に適した積層造形法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高融点材料の積層造形の分野に属し、特に、セラミック及びその複合材料に適した積層造形法及び装置を開示する。【解決手段】前記方法は、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状スライス加工を行うステップＳ１と、各層状スライスの成形処理用の数値制御コードを生成するステップＳ２と、基板を予熱し、次に各層状スライスの数値制御コードに従って層ごとにスプレー堆積し、それと同時に、すべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまでスプレー領域を加熱して、成形部品を得るステップＳ３と、レーザ衝撃強化の方法によって成形部品の表面に対して表面改質処理を行うステップＳ４とを含む。前記装置は、データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを含む。本発明は、安定した組織性能および高い製造精度を有する成形部品を得ることができ、したがって、セラミック及びセラミック金属複合材料などの高融点材料の積層製造に特に適している。【選択図】図１

Description

本発明は、高融点材料の積層造形の分野に属し、より具体的には、セラミック及びその複合材料に適した積層造形方法及び装置に関する。

高融点材料の積層造形法には、主に高出力レーザ堆積成形、電子ビーム自由成形、プラズマアーク堆積などの成形法がある。
そのうち、高出力レーザ堆積成形は、高出力レーザを使用して、基板に送られる金属粉末を層ごとに溶融させ、急速に凝固して堆積して成形し、最終的にほぼ最終成形部品を得る方法である。該方法は、成形精度が高く、ワークの密度は選択的レーザ焼結部品の密度よりもはるかに高いが、成形効率、エネルギー及び材料の利用率は高くなく、完全な密度に到達しにくく、設備投資と運用コストが高い。電子ビーム自由成形法は、高出力電子ビームを使用して粉末材料を溶融させ、コンピュータモデルに従って電磁場を施して電子ビームの動きを制御し、部品全体が成形されるまで層ごとにスキャンする方法である。この方法は、高い成形精度と良好な成形品質を備えているが、そのプロセス条件は厳しく、成形プロセス全体を真空で行う必要があるため、成形寸法が制限され、設備投資と運用コストが高くなり、選択的焼結と同じ層ごとの粉末散布方法を使用するだけに、傾斜機能材料部品の成形に使用されにくい。プラズマ堆積成形法は、高度に圧縮された良いクラスタリング性プラズマビームを使用して、同期して供給される金属粉末またはワイヤー材料を溶融し、基板上に金属層または金型を層ごとに溶融させて堆積する方法である。この方法は、前の２つの方法よりも成形効率と材料利用率が高く、完全な密度を容易に取得でき、設備と運用コストが低くなるが、アークカラムの直径が前の２つよりも大きいため、成形サイズと表面精度は前の２つほど良くなく、高出力レーザ堆積成形法と同じように、成形が完了した後に仕上げを受ける必要があるのは普通である（文献参照：ＨａｉｏｕＺｈａｎｇ、ＪｉｐｅｎｇＸｕ、ＧｕｉｌａｎＷａｎｇ、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖ ．１７１（１−３） ２００３、ｐｐ ．１１２〜１１８：及び張海鴎、呉紅軍、王桂蘭、陳競、プラズマ堆積直接成形高温合金部品の組織構造研究、華中科技大学ジャーナル（自然科学版）、ｖ３３、ｎ１１、２００５、ｐ５４〜５６）。ただし、直接成形された加工しにくい材料の部品は、急冷凝固なので表面硬度が高くなって、これにより、加工が非常に困難になる。複雑な形状の部品は複数回クランプする必要があり、長い加工時間が必要となり、場合によっては製造サイクル全体の６０％以上を占めることさえあり、これは、高性能で加工しにくい部品を低コストで短いプロセスで成長および製造するのにとってボトルネックになっている。この目的のために、プラズマ堆積成形とフライス加工の複合モールドレス高速製造方法が登場し、つまり、プラズマビームを成形の熱源として使用して、層状またはセグメント化された堆積成形プロセスで、堆積成形と数値制御フライス仕上げを交互に行い、短いプロセスと低コストの直接かつ正確な製造を実現する（文献参照：特許番号ＺＬ００１３１２８８．Ｘ、特許名：金型と部品を直接かつ迅速に製造するための方法と装置、張海鴎、熊新紅、王桂蘭、高温合金ダブルスパイラル一体型インペラーをプラズマ堆積／フライス加工の複合で直接製造する、中国機械工学、２００７、Ｖｏ１１８、Ｎｏ．１４：Ｐ１７２３〜１７２５）。

上記の３つの方法のうち、高出力レーザ堆積成形法とプラズマアーク成形法は、サポートされていない、モールドレスで均質又は複合傾斜機能材料部品を堆積する成形法である。電子ビーム成形、選択的レーザ焼結／溶融、及び低融点の紙、樹脂、プラスチックなどを使用したＬＯＭ（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ紙積層成形）、ＳＬＡ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ光造形）、ＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ溶融堆積モデルリング）、（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ選択的レーザ焼結）等のサポートされるモールドレス堆積成形法に比べて、成形中にサポートを必要とするため、サポート材料を追加および削除する必要があることによる材料、プロセス、設備の多くの欠点を回避し、製造時間とコストを削減し、傾斜機能材料で部品を形成できるが、同時に、サポートがないので、カンチレバーを有する複雑な形状の部品を成形するプロセスでは、重力の作用で溶融材料が落下したり、流動したりすることがあることにより、堆積および成形が困難になる。プラズマ堆積フライス加工複合との製造方法は、層状成形及びフライス仕上げによって処理の複雑さを軽減するが、側面に大きな傾斜角がある複雑な形状の部品、特に横方向の張り出しの場合、堆積成形中に重力によって発生する流動、または崩壊は依然として回避できず、横方向に成長して成形しにくい。
この目的のために、ミシガン大学、サザンメソジスト大学、シンガポール国立大学などの外国の研究機関は、可変方向スライス技術を使用して、成形条件の主な方向として最もサポート条件が高い方向を選択するか、複雑な形状の部品をいくつかの単純な形状に分解して部品を順番に成形し、または５軸のモールドレス成形装置とソフトウェアを開発して、溶融成形材料をできるだけサポートする（文献参照：Ｐ．Ｓｉｎｇｈ、Ｄ．Ｄｕｔｔａ、Ｍｕｌｔｉ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｓｌｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ｌａｙｅｒｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００１、２、ｐｐ：１２９−１４２、Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ Ｒｕａｎ、Ｔｏｄｄ Ｅ ．Ｓｐａｒｋｓ、Ａｊａｙ Ｐａｎａｃｋａｌ ｅｔ ａｌ ．Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｓｌｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ａ Ｍｕｌｔｉａｘｉｓ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ．Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ．ＡＰＲｌＬ ２００７、Ｖｏｌ．１２９．ｐｐ：３０３−３１０、R．Ｄｗｉｖｅｄｉ、Ｒ．Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ、Ａｎ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｐｕｔｓ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｅｔａｌ ｄｅｐｏｓｌｔｉｏｎ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ、４６（２００６）ｐｐ．１８１１−１８２２）。
５軸加工技術を使用すると、成長と成形のサポート条件を大幅に改善し、材料の落下を回避できるが、複雑で微細な薄肉部品には、ガスシールドプラズマアーク／アーク、真空保護電子ビーム、スラグ保護エレクトロスラグ溶接、サブマージアーク溶接を使用した熱源堆積成形は、効率を向上させ、コストを削減できるが、これらの熱源で薄肉や微細な形状を成形しにくいため、成形精度と薄肉について高出力レーザ堆積成形法ほど良くなく（文献参照：Ａｌｍｅｉｄａ Ｐ Ｍ Ｓ、Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｓ、Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｃｏｌｄ ｍｅｔａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＣＭＴ）［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｏｆ ｔｈｅ ２１ ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ａｕｓｔｉｎ、Ｔｅｘａｓ、ＵＳＡ、２０１０：２５−２６）、レーザ成形よりも微細で薄い部品を得るのは難しい。

部品及び金型の表面特性を向上させるために表面に材料を取り付けるには、主にコールドスプレーとホットスプレー２つの方法がある。そのうち、ホットスプレーとは、燃料ガス、電気アーク、またはプラズマアークによって提供される熱を使用して、粉末、リボン、またはフィラメントコーティング材料を加熱して溶融させ、高速気流で非常に細かい粒子に霧化し、非常に高速でワークの表面にスプレーして、コーティングを形成することを指す。ニーズに応じて異なるコーティング材料を選択して、耐摩耗性、耐腐食性、耐酸化性、耐熱性などの１つまたは複数の特性を得ることができる。ホットスプレー技術は、超硬合金、セラミック、金属、グラファイトなどのほぼすべての固体エンジニアリング材料を溶射するために使用できる。しかしながら、これには多くの欠点もあり、１つ目は、溶射プロセスで金属粒子を溶融する必要があるため、溶射温度が高くなり、本体内部の熱応力と本体表面の熱変形が発生し、次に、フレーム溶射以外では手動操作ができないため危険である。さらに、従来のホットスプレープロセスでは、溶射面積と厚さを制御しにくいため、溶射効果が低く、デバイスを持ち運びできない。コールドスプレーは金属とセラミックの溶射プロセスであるが、従来のホットスプレーとは異なり、溶射しようとする金属粒子を溶融する必要はなく、それは、圧縮空気を使用して、金属粒子を臨界速度（超音速）に加速し、金属粒子は、基板の表面に直接当たった後、物理的な変形が発生し、基板との物理的な結合が発生する。金属粒子は基板の表面に衝突してしっかりと付着し、プロセス全体を通じても金属粒子は溶融しないため、スプレーされた基板の表面は、金属が酸化して相変化することとなるほどの高過ぎる温度を生成しない。上記の２つの表面強化溶射プロセスは、さまざまな角度から部品と金型の表面性能の向上を達成したが、当該両方は同時に、より大きな厚さと密度のコーティングを得にくく、現在の航空エンジンおよび他のハイエンド航空宇宙機器による、部品への表面改質のニーズを満たしにくい。
さらに、航空宇宙、エネルギー・電力業界では、部品組織のパフォーマンスと安定性に高い要件があり、既存のモールドレス積層造形法は、その急速加熱、急速凝固、自由成長成形という特徴のため、積層造形中の亀裂と細孔等を回避しにくく、組織のパフォーマンスと安定性における要件を満たすことができない。上記の問題は、堆積直接積層造形技術をさらに開発して産業的に適用できるかどうかを決定する主要な技術的困難およびボトルネックになって、緊急に解決する必要がある。したがって、製造精度を効果的に改善し、成形性と部品組織のパフォーマンスを改善できる新しい方法を開発する必要がある。

中国特許出願公開第１２９８７８０号明細書

ＨａｉｏｕＺｈａｎｇ、ＪｉｐｅｎｇＸｕ、ＧｕｉｌａｎＷａｎｇ、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖ．１７１（１−３）２００３、ｐｐ．１１２〜１１８及び張海鴎、呉紅軍、王桂蘭、陳競、プラズマ堆積直接成形高温合金部品の組織構造研究、華中科技大学ジャーナル（自然科学版）、ｖ．３３、ｎ１１、２００３、ｐ．５４〜５６ Ｐ．Ｓｉｎｇｈ、Ｄ．Ｄｕｔｔａ、Ｍｕｌｔｉ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｓｌｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ｌａｙｅｒｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００１、２、ｐｐ：１２９−１４２、Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ Ｒｕａｎ、Ｔｏｄｄ Ｅ．Ｓｐａｒｋｓ、Ａｊａｙ Ｐａｎａｃｋａｌ ｅｔ ａｌ．Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｓｌｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ａ Ｍｕｌｔｉａｘｉｓ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ．Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＡＰＲｌＬ ２００７、Ｖｏｌ．１２９．ｐｐ：３０３−３１０、Ｒ．Ｄｗｉｖｅｄｉ、Ｒ．Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ、Ａｎ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｐｕｔｓ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｅｔａｌ ｄｅｐｏｓｌｔｉｏｎ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ、４６（２００６）ｐｐ ．１８１１−１８２２ Ａｌｍｅｉｄａ Ｐ Ｍ Ｓ、Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｓ、Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｃｏｌｄ ｍｅｔａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＣＭＴ）［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｏｆ ｔｈｅ ２１ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ａｕｓｔｉｎ、Ｔｅｘａｓ、ＵＳＡ、２０１０：２５−２６

従来技術の上記の欠陥または改善の必要性を考慮して、本発明は、セラミックおよびその複合材料に適した積層造形法および装置を提供し、ここで、セラミックおよびセラミック金属複合材料の積層造形の特徴ならびにホットスプレーとコールドスプレープロセスの特徴を組み合わせ、ホットスプレーとコールドスプレープロセスを巧みに組み合わせて、コールドスプレーの固体堆積、希釈なし、低入熱、低酸化、低変形の利点を維持して元の粉末材料の組成と相を確保し、同時に、高融点材料（セラミックなど）を形成できないコールドスプレーの欠点と、成形部品へのホットスプレーによる熱処理による酸化、相変態、融蝕、結晶粒成長などの欠陥を克服し、よって、この製造方法は、安定した組織パフォーマンスと高い製造精度を持つ成形部品を得ることができるため、特にセラミックやセラミック金属複合材料などの高融点材料の積層造形に適している。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、
成形しようとするワークの形状、厚さ及び寸法精度の要件に応じて、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状のスライス加工を行い、その厚さ、形状、寸法精度及び材料の融点を含む複数の層状スライスのデータを取得するステップＳ１と、
各層状スライスのデータに従って成形経路を計画し、各層状スライス成形処理用の数値制御コードを生成するステップＳ２と、
基板を予熱し、次にステップＳ２で得られた各層状スライスの数値制御コードに従って、コールドスプレーにより層ごとにスプレー堆積して成形し、それと同時に、すべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまでスプレー領域を、温度が溶射粉末の融点温度−２００℃から溶射粉末の融点温度範囲内で加熱して、成形部品を得るステップＳ３と、
成形部品の表面が予め設定された圧縮残留応力を有するように、レーザ衝撃強化の方法によって成形部品の表面に対して表面改質処理を行うステップＳ４と、
を含むセラミック及びその複合材料に適した積層造形法を提供する。
さらに好ましいこととして、ステップＳ３において、スプレー領域を加熱することは、第一層の層状スライスを処理するとき、第一層の層状スライスのスプレー堆積が完了するまで基板を加熱することと、層状スライスの表面においてスプレー堆積を行うとき、すべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまで、一番上の層状スライスの表面を加熱することとを含む。
さらに好ましいこととして、ステップＳ３において、前記基板の予熱温度は６００℃〜１１００℃、前記スプレー領域の温度は８００℃〜１４００℃である。
さらに好ましいこととして、ステップＳ３において、スプレーブース外の加熱炉、スプレーブース内のプラズマ装置、電磁加熱コイルのいずれかを使用して、基板を加熱する。
さらに好ましいこととして、ステップＳ３において、層状スライスの表面を、レーザ加熱またはプラズマ加熱によって加熱する。
さらに好ましいこととして、ステップＳ３において、堆積中に、層状スライスの対応する成形層の厚さ、形状及び寸法精度について要件を満たさない場合、該成形する層状スライスを仕上げ、該仕上げは、成形する層状スライスの厚さ、形状及び寸法精度の要件が満たされるまで、ロール圧延方法で該成形する層状スライスの表面に対してプラスチック成形との質量不変更材料処理を実行することと、成形する層状スライスの厚さ、形状、および寸法精度の要件が満たされるまで、フライス加工、研削、または／および研磨を使用して、成形する層状スライスを減法製造することと、を含む。

本発明の別の態様によれば、上記の製造方法を実施するための装置を提供し、データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを含み、そのうち、
前記データ処理モジュールは、成形しようとするワークの形状、厚さ及び寸法精度の要件に応じて、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状スライス加工を行い、複数の層状スライスのデータを取得し、且つ各層状スライスのデータに従って成形経路を計画し、各層状スライス成形処理用の数値制御コードを生成するために用いられる。
前記スプレー堆積モジュールは、前記データ処理モジュールによって取得された各層状スライスの数値制御コードに従って、層ごとにスプレーして堆積するために用いられる。
前記加熱モジュールは、基板を予熱し、且つすべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまで、スプレー領域に溶射された粉末が溶融状態になるようにスプレー領域を加熱するために使用される。
前記レーザ衝撃強化モジュールは、成形部品の表面が予め設定された圧縮残留応力を有するように、成形部品の表面に対して表面改質処理を行うために用いられる。
さらに好ましいこととして、前記装置はまた、数値制御工作機械を含み、前記数値制御工作機械は、作業台、ガントリー工作機械、及び前記ガントリー工作機械に設けられた第一スピンドルを含み、前記作業台は、前記ガントリー工作機械の下方に設けられ、前記ガントリー工作機械は、前記データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを統合するために用いられ、そのうち、前記スプレー堆積モジュールは、高速コールドスプレーガン及び基板を含み、前記高速コールドスプレーガンは、前記第一スピンドルの底部に設けられ、前記基板は、前記作業台に設けられ、前記加熱モジュールは、第一加熱ユニット及び第二加熱ユニットを含み、前記第一加熱ユニットは、前記基板に設けられ、前記第二加熱ユニットは、前記第一スピンドルの底部に設けられる。
さらに好ましいこととして、前記装置はまた、温度センサ、第二スピンドル、フライス／研削装置及びマイクロ圧延装置を含み、そのうち、
前記温度センサは前記第一スピンドルの底部に設けられ、前記第二スピンドルは、前記ガントリー工作機械に設けられ、前記フライス／研削装置は、前記第二スピンドルの底部に設けられ、前記マイクロ圧延装置は、前記第一スピンドルの底部に設けられる。
さらに、前記高速コールドスプレーガンのノズルは、レーザ複合コールドスプレーノズルを使用し、該ノズルは、複合ノズル外壁と、前記複合ノズル外壁の内側に設けられた複合ノズル内壁とを含み、前記複合ノズル外壁と前記複合ノズル内壁との間に分光器が設けられ、前記複合ノズル内壁の上部に粉末入口が設けられ、前記複合ノズル内壁の側壁に高圧ガス導入口が設けられ、前記複合ノズル内壁の底部にノズルが設けられる。

一般的に言えば、従来技術と比較して、本発明によって着想された上記の技術的解決手段は、主に以下の技術的利点を有する。
１．本発明は、ホットスプレープロセスとコールドスプレープロセスを巧みに組み合わせ、高速コールドスプレーガンを使用して粉末材料を堆積させ、同時に熱源でリアルタイムにスプレー領域を加熱するため、加熱温度は溶射粉末の融点温度−２００℃から溶射粉末の融点温度までの温度範囲内で、高速コールドスプレーが低入熱の「冷間加工プロセス」であることを維持し、ホットスプレー、レーザ、電子ビーム、アーク、およびその他の「熱成形加工」プロセス中の溶融堆積の熱による悪影響を効果的に回避でき、同時に、成形部品に表面改質処理を施し、成形部品の表面に所定の残留圧縮応力を発生させる。本発明の方法は、金属、金属間化合物、サーメット、セラミックおよびそれらの複合傾斜機能材料の部品または金型を、高品質、高速および低コストで得ることができる。
２．本発明では、第一層の層状スライスを処理するとき、加熱温度を溶射粉末の融点温度−２００℃から溶射粉末の融点温度までの範囲内にして第一層の層状スライスのスプレー堆積が完了するまで基板を加熱し、成形する層状スライスの表面においてスプレー堆積を行うとき、加熱温度を溶射粉末の融点温度−２００℃から溶射粉末の融点温度までの範囲内にするために層状スライスの表面を加熱し、高速コールドスプレーが低入熱の「冷間加工プロセス」であることを維持し、ホットスプレー、レーザ、電子ビーム、アーク、およびその他の「熱成形加工」プロセス中の溶融堆積の熱による悪影響を効果的に回避できる。
３．本発明の前記基板の予熱温度は６００℃〜１１００℃、前記スプレー領域の温度は８００℃〜１４００℃であり、材料の種類に応じて、スプレー領域の温度が材料の溶融する温度と一致し、スプレーされた材料の融点以下になるように、予熱温度と加熱温度を調整できる。
４．本発明の方法では、堆積して成形するとき、層状スライスに対応する成形層の厚さ、形状及び寸法精度が要件を満たさない場合、該成形する層状スライスを仕上げ、該仕上げは、成形する層状スライスの成形厚さ、形状及び寸法精度の要件が満たされるまで、ロール圧延方法で該成形する層状スライスの表面に対してプラスチック成形を実行することと、成形する層状スライスの厚さ、形状、および寸法精度の要件が満たされるまで、フライス加工、研削、または／および研磨を使用して、成形する層状スライスをフライス加工することとを含み、実際のエンジニアリングの問題を解決し、調製された部品や金型には、細孔、収縮孔、未融合、スラグ巻き込み、希釈物、酸化、分解、相変化、変形、亀裂、流動、崩壊等の、熱による悪影響がなく、組織の機械的特性は高くないという問題もなく、硬質材料にも適し、スプレー可能な材料が幅広く、本発明の方法はまた、コールドスプレー後にコーティングの表面は先細りになって堆積速度は直線的に減少し、設備と運用コストが高くなる問題を克服する。
５．本発明は、部品または金型の表面修復または強化に使用されると、単一のコールドスプレーまたはホットスプレーと比較して、コーティングの厚さを効果的に向上させ、より優れた表面強化性能が達成され、従来の方法では、修復または強化完了後、焼入れ硬化した修復・強化層を後続仕上げ付けることは非常に困難であるという問題も克服する。
６．本発明の装置では、データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを統合して、それらの相互に連携することにより、調製された部品や金型には、細孔、収縮孔、未融合、スラグ巻き込み、希釈物、酸化、分解、相変化、変形、亀裂、流動、崩壊等の熱による悪影響がなく、組織の機械的特性は高くないという問題もなく、硬質材料にも適し、スプレー可能な材料が幅広く、本発明の方法はまた、コールドスプレー後にコーティングの表面は先細りになって堆積速度は直線的に減少し、設備と運用コストが高くなる問題を克服する。
７．本発明のノズルは、コールドスプレーガンとレーザ熱源を組み合わせて、レーザと高圧の粉末−ガス混合物を同軸で出力し、レーザによって生成されたレーザを分光器によってリングレーザに変換し、ノズルの出口から一定の距離で、粉末とガスの混合物と交差して、ホットスプレー領域を形成し、さらに、スプレーと積層造形の処理プロセスを継続し、装置の体積を減らし、本スプレー装置の柔軟性を高め、及びスプレーされた粉末と基材をより効果的に加熱して、熱損失を減らす。

本発明に係わるセラミック及びその複合材料に適した積層造形法のフローチャートである。 本発明のセラミック及びその複合材料に適した積層造形法を実現するための装置構造模式図である。 図２に係わる高速コールドスプレーガンのレーザ複合コールドスプレーノズルの構造模式図である。 すべての図面において、同じ参照符号は、同じ要素または構造を示すために使用される。

本発明の目的、技術的解決手段及び利点をより明確にするために、以下に図面及び実施例を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。理解すべきであるように、ここで説明する具体的な実施例は、本発明を説明するためにのみ使用され、本発明を限定することを意図するものではない。また、以下に説明する本発明の様々な実施形態に含まれる技術的特徴は、互いに矛盾しない限り組み合わせることができる。
本発明の方法は、高速コールドスプレー技術と、フライス加工または圧力加工成形技術を組み合わせているため、高速コールドスプレーの利点を最大限に活用でき、製造された製品には、熱間成形および高速コールドスプレープロセスの欠陥がなく、製品の最終的な精度とパフォーマンスを確保する。

図１に示すように、本発明のセラミック及びその複合材料に適した積層造形法は、以下のステップを含む。
ステップ１：成形しようとするワークの形状、厚さ及び寸法精度の要件に応じて、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状スライス加工を行い、その厚さ、形状、寸法精度を含む複数の層状スライスのデータを取得する。
ステップ２：層状スライスのデータに従って成形経路を計画し、各層の加工成形用数値制御コードを生成する。
ステップ３：基板９を予熱スプレーし、即ち基板９を指定の温度に予熱し、ここで、予熱温度範囲は６００℃〜１１００℃範囲内であり、次にステップＳ２で取得された各層の数値制御コードに応じて、基板において数値制御の高速コールドスプレーガン７を使用して、設定されたスキャントラックに従って、粉末材料を１層ずつコールドスプレー堆積し、レーザまたは電子ビームなどの熱源でスプレー領域を同期加熱し、スプレー領域とまもなくスプレーしようとする粉末材料を適切なスプレー温度に保つ。具体的には、第一層の層状スライスを印刷するとき、基板９の温度を印刷される溶融材料の温度と一致させ、即ち該加熱温度は溶射粉末の融点温度−２００℃から溶射粉末の融点温度までの範囲内であるようにレーザまたは電子ビームなどの熱源によって基板９を同期加熱し、基板９にスプレーされた粉末は、ホットスプレー、レーザ、電子ビーム、電子束、アークなどの「熱成形加工」プロセス中の熱による悪影響を効果的に回避でき、第一層の層状スライス印刷が完了した後、第二層のスライス印刷を実行するとき、印刷済みの第一層のスライスを印刷しようとする溶融材料の温度と一致させるように、レーザまたは電子ビームなどの熱源を使用して、印刷済みの第一層の型付けスライスを同期加熱し、同様に、すべてのスライスの印刷が完了するまで、レーザまたは電子ビームなどの熱源８を順次使用して、印刷および形成された最上層のスライスを同期加熱し、印刷および形成された最上層のスライスを印刷しようとする溶融材料の温度に一致させ、即ち該加熱温度は溶射粉末の融点温度範囲−２００℃から溶射粉末の融点温度までの範囲内にある。このようにして、コールドスプレーの固体堆積、希釈なし、低入熱、低酸化、低変形の利点を維持し、元の粉末材料の組成と相を確保し、同時に、高融点材料（セラミックなど）を形成できないコールドスプレーの欠点と、成形部品へのホットスプレーによって引き起こされる熱処理の酸化、相変態、融蝕、結晶粒成長などの欠陥を克服する。このうち、基板９の予熱は、スプレーブース外の加熱炉による予熱、スプレーブース内のプラズマ装置による予熱又はスプレー作業台への電磁加熱コイルの追加による予熱等により行われる。予熱温度は、堆積したセラミック及びその複合材料の特性に応じて選択され、一般的には、予熱温度範囲は６００℃〜１１００℃範囲内であり、そのうち、ジルコニアセラミック材料の場合、基板の予熱温度は９００°Ｃ〜１１００°Ｃ、アルミナセラミックの場合、基板の予熱温度は６００℃〜８００℃である。前記レーザ又は電子ビームなどの熱源は、スプレーガンと同期した、スプレーガンの同じフレームに配置された、または別個の機械アームによって制御されたレーザ発光装置を使用して、スプレー領域を加熱し、その出力、パルス幅、および周波数は、スプレーされた粉末の異なる材料特性に応じて調整される。
スプレーされた基板を予熱する、印刷された最上層のスライスを加熱するプロセス中に、温度センサ６を使用して、加熱領域の温度をリアルタイムで監視し、さまざまなスプレー材料の最適な堆積温度に応じてレーザまたは電子ビームパラメータ（出力、パルス幅、周波数）に対してリアルタイムの閉ループフィードバック調整を行い、これにより、予熱されたスプレー基板と、印刷された最上層スライスの温度を最適な堆積温度に保ち、同時に、レーザなどの熱源による加熱により、セラミック及びその合金などの高融点材料の堆積に必要な臨界速度と臨界温度を下げ、作動ガスの要件を減らし、すなわち、本発明の方法では、積層造形のコストを削減するために、Ｈｅの代わりにＮ₂ を使用することができる。本発明は、堆積プロセス中に堆積された表面層を同時に軟化して、堆積層の可塑性を高め、その結果、堆積プロセスをより安定して行うことができ、成形品質がより高くなる。前記溶射粒子は、セラミック、サーメット、セラミック複合材などの高融点材料から選択され、堆積成形中の作動ガスとしてアルゴンまたは窒素ガスなどを使用する。
ステップ４：堆積中に、層状スライスの成形層の厚さ、形状及び寸法精度が要件を満たさない場合、該成形する層状スライスを仕上げ、該仕上げは、成形する層状スライスの成形厚さ、形状及び寸法精度の要件が満たされるまで、ロール圧延方法で該成形する層状スライスの表面に対してプラスチック成形を実行することと、成形する層状スライスの厚さ、形状、および寸法精度の要件が満たされるまで、フライス加工、研削、または／および研磨を使用して、成形する層状スライスをフライス加工することとを含む。
ステップ５：成形部品のサイズと表面精度の要件に達した後、レーザ衝撃強化を使用し、高周波パルスレーザ装置を使用して成形部品の表面を表面改質し、それにより成形部品の表面に大きな残留圧縮応力を形成し、成形部品の疲労寿命を延ばす。

図２に示すように、本発明の別の態様によれば、セラミックおよびその複合材料の積層造形に適した装置を、上記の積層造形方法を実現するために提供する。データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを含み、そのうち、前記データ処理モジュールは、成形しようとするワークの形状、厚さ及び寸法精度の要件に応じて、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状スライス加工を行い、複数の層状スライスのデータを取得し、且つ各層状スライスのデータに従って成形経路を計画し、各層状スライス成形処理用の数値制御コードを生成するために用いられる。前記スプレー堆積モジュールは、前記データ処理モジュールによって取得された各層状スライスの数値制御コードに従って、層ごとにスプレーして堆積するために用いられる。前記加熱モジュールは、基板を予熱し、且つすべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまで、加熱温度が溶射粉末の融点温度−２００°Ｃから溶射粉末の融点温度の範囲内になるように、スプレー領域を加熱するために使用される。前記レーザ衝撃強化モジュールは、成形部品の表面が予め設定された圧縮残留応力を有するように、成形部品の表面に対して表面改質処理を行うために用いられる。
具体的には、この装置には数値制御工作機械も含まれ、前記数値制御工作機械は、作業台１０、ガントリー工作機械１及び前記ガントリー工作機械１に設けられた第一スピンドル５を含み、前記作業台１０は、前記ガントリー工作機械１の下方に設けられ、前記ガントリー工作機械１は、前記データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを統合するために用いられ、そのうち、前記スプレー堆積モジュールは、高速コールドスプレーガン７及び基板９を含み、前記高速コールドスプレーガン７は、前記第一スピンドル５の底部に設けられ、前記基板９は、前記作業台１０に設けられ、前記加熱モジュールは、第一加熱ユニット及び第二加熱ユニットを含み、前記第一加熱ユニットは、前記基板９に設けられ、前記第二加熱ユニットは、前記第一スピンドル５の底部に設けられる。該装置はまた、温度センサ６、第二スピンドル３、フライス／研削装置２及びマイクロ圧延装置４を含み、そのうち、前記温度センサ６は前記第一スピンドル５の底部に設けられ、前記第二スピンドル３は、前記ガントリー工作機械１に設けられ、前記フライス／研削装置２は、前記第二スピンドル３の底部に設けられ、前記マイクロ圧延装置４は、前記第一スピンドル５の底部に設けられる。該装置は、５軸リンケージ工作機械に配置および設置され、複合積層造形を実現するためのダブルガントリーまたはメカニカルアームを備えた装置であり、そのうち温度センサ６、高速コールドスプレーガン７、第二加熱ユニット８は一つのガントリーまたはメカニカルアーム、即ち第一スピンドル５の底部に取り付けられて同期して移動し、マイクロ圧延装置３、フライス／研磨削装置２は一つのガントリーまたはメカニカルアーム、即ち第二スピンドルの底部に取り付けられ、同時に、それぞれに独立して動作する持ち上げ装置が装備されており、独立して仕上げ機能を達成できる。作業台１０は、１自由度の並進と２自由度の回転を実現でき、成形部品の特性に応じて、処理プロセス中には、加工面がコールドスプレーガンに垂直する様態をいつも保ち、最高の成形効果を実現できる。
そのワークフローは次のとおりである。軌道計画は、印刷プロセスの数値制御プログラムを事前に生成し、同時に、さまざまな印刷材料に応じて、システムの予熱温度と補助熱源（レーザ／プラズマ／アーク）パラメータを設定し、二次開発された工作機械数値制御システムに数値制御プログラムと熱源パラメータなどのデータを書き込み、工作機械数値制御システムは、熱源パラメータと数値制御プログラムに従って印刷およびマイクロ圧延プロセスを自動的に実行し、印刷プロセス中に、温度センサは印刷層の温度を監視し、且つ温度の閉ループに従ってリアルタイムで熱源パラメータを調整し、印刷プロセスでは、ラインレーザセンサで表面形態を測定し、表面形態エラーが特定のしきい値（≧１ｍｍ）に達すると、フライスコードを自動的に呼び出し、成形部品の表面をフライスして、表面の滑らかさを制御する。

図３に示すように、装置の体積を減らし、本スプレー装置の柔軟性を高め、及びスプレーされた粉末と基材をより効果的に加熱して、熱損失を減らすために、本発明は、コールドスプレーガンとレーザ熱源を組み合わせて、レーザ複合コールドスプレーノズルを提供し、該ノズルは、上記高速コールドスプレーガン７に適用され、複合ノズル外壁１１と、前記複合ノズル外壁１１の内側に設けられた複合ノズル内壁とを含み、前記複合ノズルの外壁１１と前記複合ノズルの内壁との間にレーザによって生成された直接レーザをリングレーザに変換するための分光器１４が設けられ、前記複合ノズルの内壁の上部に粉末入口１５が設けられ、前記複合ノズルの内壁の側壁に高圧ガス入口１６が設けられ、前記複合ノズルの内壁の底部にノズル１３が設けられている。前記ノズル１３はラバル（ｌａｖａｌ）ノズルである。該ノズルはレーザと高圧の粉末−ガス混合物を同軸で出力し、レーザによって生成されたレーザを分光器によってリングレーザに変換し、ラバルノズルの出口から一定の距離で、そのレーザは粉末とガスとの混合物と交差して、ホットスプレー領域を形成し、その後、スプレーと積層造形の処理プロセスを継続する。
該ノズルのワークフローは次のとおりである。サーボパウダーフィーダーによって供給された予熱されたセラミックまたはセラミック複合材料の粉末は、粉末入口１５を介してレーザ複合コールドスプレーノズルに送られ、同時に、制御可能な圧力ガスが高圧ガス入口１６を通ってノズルに流れ込み、高圧ガスは粉末材料を巻き込んでｌａｖａｌノズルによってさらに加速された後、レーザ入口１７から入り、分光器１４によってリングレーザに変換されるレーザビームと、ノズル出口付近で重なり合い、高速の粉末とガスとの混合物は、レーザによってさらに加熱されて、堆積温度に到達し、基板または成形部品において成形プロセスを完了する。

（実施例１）
高温合金部品の性能要件に従って、高温合金粉末を高速コールドスプレー成形に使用した。
スプレーブースの外側の加熱または加熱コイルによる内側の加熱を使用して成形する基板を９００℃〜１０００℃に加熱し、部品の３次元ＣＡＤモデルから得られたデジタル積層造形の処理経路に従い、高速コールドスプレーガンを使用して成形された基板において移動して金属の堆積成形を行った。
成形プロセス中に、高速コールドスプレーガンの側面に固定された熱源がスプレー領域を同期加熱し、加熱温度は１２００℃〜１３００℃で、高速コールドスプレーガンの裏側に固定されたマイクロロールがガンとともに移動し、高速コールドスプレー成形と連続冷間鍛造圧延圧造を同時に行った。サイズと表面の精度が要件を満たしていない場合は、上記の同期成形プロセス中、層ごと、または複数の層でセグメント化してフライス装置を使用して表面を仕上げる必要があり、そのため、同期成形経路と組み合わせた研削および研磨経路に応じて計画し、同期成形プロセス中で、層ごとまたは複数の層でセグメント化して組み合わせて研削し、研磨して仕上げた。
金型キャビティ成形が完了し、サイズと表面精度が要件を満たすまで、該仕上げプロセスと同期成形プロセスを交互に行い、成形部品のサイズと表面精度の要件に達した後、レーザ衝撃強化を使用し、高周波パルスレーザ装置を使用して成形部品の表面を表面改質し、それにより成形部品の表面に大きな残留圧縮応力を形成し、成形部品の疲労寿命を延ばした。

（実施例２）
アルミニウム合金部品の使用性能要件に応じて、アルミニウム合金粉末を高速コールドスプレー成形に使用した。
スプレーブースの外側の加熱または加熱コイルによる内側の加熱を使用して成形する基板を６００℃〜８００℃に加熱し、部品の３次元ＣＡＤモデルから得られたデジタル積層造形の処理経路に従い、高速コールドスプレーガンを使用して成形された基板の上に移動して金属の堆積成形を行った。
成形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの側面に固定された熱源がスプレー領域を同期加熱し、加熱保持温度は９００℃〜１１００℃であり、高速コールドスプレーガンの裏側に固定されたマイクロロールがガンとともに移動し、高速コールドスプレー成形と連続冷間鍛造圧延圧造を同時に行った。サイズと表面の精度が要件を満たしていない場合は、上記の同期成形プロセス中、層ごとまたは複数の層でセグメント化してフライス設備を使用して表面を仕上げる必要があり、そのため、同期成形経路と組み合わせた研削および研磨経路に応じて計画し、同期成形プロセス中で、層ごとまたは複数の層でセグメント化して組み合わせて研削し、研磨して仕上げた。
金型キャビティ成形が完了し、サイズと表面精度が要件を満たすまで、該仕上げプロセスと同期成形プロセスを交互に行った。成形部品のサイズと表面精度の要件に達した後、レーザ衝撃強化を使用し、高周波パルスレーザ装置を使用して成形部品の表面を表面改質し、それにより成形部品の表面に大きな残留圧縮応力を形成し、成形部品の疲労寿命を延ばした。

（実施例３）
セラミック部品の使用性能要件に応じて、酸化ジルコニウムセラミック粉末を高速コールドスプレー成形に使用した。
スプレーブースの外側の加熱または加熱コイルによる内側の加熱を使用して成形する基板を９００℃〜１１００℃に加熱し、部品の３次元ＣＡＤモデルから得られたデジタル積層造形の処理経路に従い、高速コールドスプレーガンを使用して成形された基板の上に移動して金属の堆積成形を行った。
成形プロセス中に、高速コールドスプレーガンの側面に固定された第一加熱ユニットがスプレー領域を同期加熱し、加熱保持温度は１０００℃〜１２００℃であり、高速コールドスプレーガンの裏側に固定されたマイクロロールがガンとともに移動し、高速コールドスプレー成形と連続冷間鍛造圧延圧造を同時に行った。サイズと表面の精度が要件を満たしていない場合は、上記の同期成形プロセス中、層ごとまたは複数の層でセグメント化してフライス装置を使用して表面を仕上げる必要があり、そのため、同期成形経路と組み合わせた研削および研磨経路に応じて計画し、同期成形プロセス中で、層ごとまたは複数の層でセグメント化して組み合わせて研削し、研磨して仕上げた。
金型キャビティ成形が完了し、サイズと表面精度が要件を満たすまで、該仕上げプロセスと同期成形プロセスを交互に行った。成形部品のサイズと表面精度の要件に達した後、高周波パルスレーザ装置を使用してレーザ衝撃強化で成形部品の表面を表面改質し、それにより成形部品の表面に大きな残留圧縮応力を形成し、成形部品の疲労寿命を延ばした。

（実施例４）
金属とセラミックの勾配複合部品の使用性能要件に応じて、マルチチャネル同期サーボ粉末フィーダーと加速装置を、勾配複合材の高速コールドスプレー成形に使用した。
スプレーブースの外側の加熱または加熱コイルによる内側の加熱を使用して成形する基板を所定の温度に加熱し、部品の３次元ＣＡＤモデルから得られたデジタル積層造形の処理経路に従い、高速コールドスプレーガンが成形された基板の上に移動することで金属の堆積成形を行った。
成形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの側面に固定された第一加熱ユニットがスプレー領域を同期加熱し、高速コールドスプレーガンの裏側に固定されたマイクロロールがガンとともに移動し、高速コールドスプレー成形と連続冷間鍛造圧延圧造を同時に行った。サイズと表面の精度が要件を満たしていない場合は、上記の同期成形プロセス中、層ごとまたは複数の層でセグメント化してフライス装置を使用して表面を仕上げる必要があり、そのため、同期成形経路と組み合わせた研削および研磨経路に応じて計画し、同期成形プロセス中で、層ごとまたは複数の層でセグメント化して組み合わせて研削し、研磨して仕上げた。
金型キャビティ成形が完了し、サイズと表面精度が要件を満たすまで、該仕上げプロセスと同期成形プロセスを交互に行った。成形部品のサイズと表面精度の要件に達した後、高周波パルスレーザ装置を使用してレーザ衝撃強化で成形部品の表面を表面改質し、それにより成形部品の表面に大きな残留圧縮応力を形成し、成形部品の疲労寿命を延ばした。

本発明は、高融点に適したセラミック、セラミック金属複合材料などの積層造形法を提供し、金型なくて高融点材料の部品と金型を製造する従来の製造方法におけるいくつかの欠陥、例えば、金属溶融堆積「熱成形加工」の使用による気孔、収縮孔、未融合、スラグ巻き込み、希釈物、酸化、分解、相変化、変形、亀裂、落下、流動、崩壊などの、熱による悪影響、を効果的に解決できる。解決され得る問題の別の例として、単一の高速コールドスプレー堆積によって成形されたコーティング層の機械的特性は、密度、可塑性、靭性などが低く、硬い材料は効果的な堆積を達成しにくく、溶射される材料の範囲は狭く、連続コールドスプレー後、コーティング表面は先細りになって堆積速度が直線的に低下し、表面および寸法精度が低く、設備と運用コストが高いという問題である。

上記は本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定するものではないことを当業者が理解しやすい。本発明の精神と原則内で行われるすべての変更、同等の置換および改善は、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

１ ガントリー工作機械
２ フライス／研削装置
３ 第二スピンドル
４ マイクロ圧延装置
５ 第一スピンドル
６ 温度センサ
７ 高速コールドスプレーガン
８ 第二加熱ユニット
９ 基板
１０ 作業台
１１ 複合ノズルの外壁
１２ リングレーザ
１３ ノズル
１４ 分光器
１５ 粉末入口
１６ 高圧ガス入口
１７ 入射レーザ
１８ 成形された一部の部品

Claims (10)

1. 成形しようとするワークの形状、厚さ及び寸法精度の要件に応じて、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状スライス加工を行い、その厚さ、形状、寸法精度及び材料の融点を含む複数の層状スライスのデータを取得するステップＳ１と、
   各層状スライスのデータに従って成形経路を計画し、各層状スライス成形処理用の数値制御コードを生成するステップＳ２と、
   基板を予熱し、次にステップＳ２で得られた各層状スライスの数値制御コードに従って、コールドスプレーにより層ごとにスプレー堆積し、それと同時に、すべての層状スライスのスプレー堆積が完了して成形部品を得るまでスプレー領域を溶射粉末の溶融温度−２００℃から溶射粉末の融点温度に設定された加熱温度で加熱するステップＳ３と、
   成形部品の表面が予め設定された圧縮残留応力を有するように、レーザ衝撃強化の方法によって成形部品の表面に対して表面改質処理を行うステップＳ４と、
   を含むことを特徴とするセラミック及びその複合材料に適した積層造形法。
2. 造形法であって、ステップＳ３において、スプレー領域を加熱することは、
   第一層の層状スライスを処理するとき、第一層の層状スライスのスプレー堆積が完了するまで基板を加熱することと、層状スライスの表面でスプレー堆積を行うとき、すべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまで、一番上の層状スライスの表面を加熱することと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の積層造形法。
3. 造形法であって、ステップＳ３において、前記基板の予熱温度は６００℃〜１１００℃、前記スプレー領域の温度は８００℃〜１４００℃であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形法。
4. 造形法であって、スプレーブース外の加熱炉、スプレーブース内のプラズマ装置、電磁加熱コイルのいずれかを使用して、基板を加熱することを特徴とする請求項２に記載の積層造形法。
5. 造形法であって、レーザ加熱またはプラズマ加熱によって層状スライスの表面を加熱することを特徴とする請求項２に記載の積層造形法。
6. 造形法であって、ステップＳ３において、スプレー堆積中に、成形する層状スライスに対応する成形厚さ、形状及び寸法精度が要件を満たさない場合、該成形する層状スライスを仕上げ、該仕上げは、成形する層状スライスの成形厚さ、形状及び寸法精度の要件が満たされるまで、ロール圧延方法で該成形する層状スライスの表面でプラスチック成形という質量不変更材料処理を実行することと、成形する層状スライスの厚さ、形状、および寸法精度の要件が満たされるまで、フライス加工、研削、または／および研磨を使用して、成形する層状スライスを減法製造することと、を含むことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の積層造形法。
7. 請求項１−６のいずれか一項に記載の造形法を実現するための装置であって、
   データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを含み、そのうち、
   前記データ処理モジュールは、成形しようとするワークの形状、厚さ及び寸法精度の要件に応じて、成形しようとするワークの３次元ＣＡＤモデルに対して層状スライス加工を行い、複数の層状スライスのデータを取得し、且つ各層状スライスのデータに従って成形経路を計画し、各層状スライス成形処理用の数値制御コードを生成するために用いられて、
   前記スプレー堆積モジュールは、前記データ処理モジュールによって取得された各層状スライスの数値制御コードに従って、層ごとにスプレーして堆積するために用いられて、
   前記加熱モジュールは、基板を予熱し、且つすべての層状スライスのスプレー堆積が完了するまで、加熱温度が溶射粉末の融点温度−２００°Ｃから溶射粉末の融点温度の範囲内になるように、スプレー領域を加熱するために使用されて、
   前記レーザ衝撃強化モジュールは、成形部品の表面が予め設定された圧縮残留応力を有するように、成形部品の表面に対して表面改質処理を行うために用いられることを特徴とする装置。
8. 前記装置はまた、数値制御工作機械を含み、前記数値制御工作機械は、
   作業台（１０）、ガントリー工作機械（１）、及び前記ガントリー工作機械（１）に設けられた第一スピンドル（５）を含み、前記作業台（１０）は、前記ガントリー工作機械（１）の下方に設けられ、前記ガントリー工作機械（１）は、前記データ処理モジュール、スプレー堆積モジュール、加熱モジュール及びレーザ衝撃強化モジュールを統合するために用いられ、そのうち、前記スプレー堆積モジュールは、高速コールドスプレーガン（７）及び基板（９）を含み、前記高速コールドスプレーガン（７）は、前記第一スピンドル（５）の底部に設けられ、前記基板（９）は、前記作業台（１０）に設けられ、前記加熱モジュールは、第一加熱ユニット及び第二加熱ユニットを含み、前記第一加熱ユニットは、前記基板（９）に設けられ、前記第二加熱ユニットは、前記第一スピンドル（５）の底部に設けられることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記装置はまた、第二スピンドル（３）、温度センサ（６）、フライス／研削装置（２）及びマイクロ圧延装置（４）を含み、そのうち、前記第二スピンドル（３）は、前記ガントリー工作機械（１）に設けられ、前記フライス／研削装置（２）は、前記第二スピンドル（３）の底部に設けられ、前記温度センサ（６）及び前記マイクロ圧延装置（４）は、前記第一スピンドル（５）の底部に設けられることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記高速コールドスプレーガン（７）は、レーザ複合コールドスプレーノズルを使用し、該ノズルは、複合ノズル外壁（１１）と、前記複合ノズル外壁（１１）の内側に設けられた複合ノズル内壁とを含み、前記複合ノズル外壁（１１）と前記複合ノズル内壁との間に分光器（１４）が設けられ、前記複合ノズル内壁の上部に粉末入口（１５）が設けられ、前記複合ノズル内壁の側壁に高圧ガス導入口（１６）が設けられ、前記複合ノズル内壁の底部にノズル（１３）が設けられることを特徴とする請求項８に記載の装置。