JP2024519266A - 付加製造用のマルチレーザーシステム - Google Patents

Abstract

付加製造のためのマルチレーザーシステム（１００）は、不活性ガスの雰囲気を有する環境において、複数のレーザー源と、電磁気放射線ビームを生成し、所定の処理セクター内に伝達するために必要な複数の光学及び／又は光学システム走査からなり、選択的な粉末溶融プロセスから生じるフューム及び／又は汚染物質を溶融層又は層の可能な限り近くで除去し、粉末床融着又は粉末床の処理に必要なプロセスガスを同一チャンバ内に局所的に導入することが可能な作業チャンバ内で使用されることが記載されている。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに従って、付加製造用のマルチレーザーシステムに関する。特に、粉末床溶融結合又は粉末床技術を有する付加製造用のマルチレーザーシステムが図示される。

付加製造（ＡＭ）とは、従来のサブトラクティブ技術（切粉除去のための機械加工、切削、穴あけ）とは対照的に、デジタルモデルから始まる一連の付加製造プロセスであり；機械制御システムに統合されたソフトウエアによって、層に分割される３Ｄ ＣＡＤモデル、又はオンラインサービスによって、様々なタイプの材料、特に金属、プラスチック、又は複合部材の堆積プロセス又は焼結のための工作機械によって加工される、得られた層のスキームが得られる。

本技術の主な特徴は、プロジェクト設計で要求される最終部品のものに非常に近い形状の部品を作製できる製造プロセスであることである。ＡＭのファミリーにおいて、レーザービームを用いた粉末床の選択的溶融／焼結（選択的レーザービーム溶融－ＳＬＢＭ、又は選択的レーザービーム焼結－ＳＬＢＳ、又は粉末床溶融結合又はＰＢＦとしても知られる）、レーザービームによる金属堆積（レーザービーム金属堆積－ＬＢＭＤ）、及び選択的電子ビーム溶融－ＳＥＢＭ等、幾つかの様々な技術が特定されることができる。

粉末床又はＰＢＦ技術において、レーザービームは、高出力密度を有する熱源として使用され、レーザービームは、三次元部品の作製のためにコンパクトな材料を取得する必要がある特定のゾーン又は所定の領域でのみ金属粉末を溶融するのに必要である。レーザービームの使用に関連する利点は、通常直径３０μｍ程度の小さな寸法やスポットに集光できるので、製造される部品の表面仕上げの点で、粉末の迅速な溶融及び良好なレベルの精度をもたらす高出力密度を保証する。これらの特徴は、航空宇宙から医療、自動車から宝飾品に至るまで、様々な分野の部品製造のために、粉末床技術の産業市場への参入を可能にしてきた。特に、従来の製造技術に比べて、粉末床技術の優れた柔軟性により、非常に高いレベルの部品のカスタマイズを達成することができる。

製造工程では、１つの層の溶融と次の層の溶融との間で、後続の処理を開始する前に、新しい粉体床の製図を完了するために、ドクターブレードやリコーターが待機する必要があるため、システムの生産性を制限する時間間隔がある。

製造プロセスは主に、放射線と物質の相互作用、電磁気放射線のエネルギーの材料の吸収特性、及び粉末床の温度に依存し、特に、材料の吸収特性は、密度、熱伝導率、比熱、及び放射率等のパラメータを含み、材料自体の温度によって変化し、粉末床又は粉末床溶融結合における付加製造技術では、材料の加工プロセスを決定する。

レーザー出力、粉末床上のレーザー走査速度、レーザービームの形状、使用される材料等のプロセスパラメータの選択は、製造される部品の構造及び表面品質、システムの生産性に影響を及ぼし、高い空間分解能、キャピラリープロセス制御、粉末床の前処理と新しく溶融した材料の後処理を実行する能力等の利点のおかげで、産業分野、特に鋳造及び／又は熱成形及び／又はダイカストによって網羅される今日の分野において、このタイプの機械を使用するための決定的なものとなる。

溶融プロセスは、複数の光学システム及び／又は走査システムの助けを借りて、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン等）雰囲気の環境下で、作業チャンバ内の１以上のレーザー源によって行われ、その内部では、粉末の提示（ａｄｄｕｃｔｉｏｎ）を制御するので、部品の実現を保証し、選択的溶融プロセスから派生するヒュームの吸引、及び製造プロセスをサポートするためのガスの注入を可能にする幾つかの処理装置がある。

多くの付加製造用のマルチレーザーシステムは、対象の３Ｄ製造用の作業領域を走査するのに適した１セットのレーザーからなるシステムに関する欧州特許出願公開第３０８３２５４号明細書、造形中の対象で実行される走査の数を減らして、造形の品質を向上させた、複数のレーザーを備えたシステムに関する中国特許出願公開第１１２２４８４３６号明細書、作業領域とレーザービーム伝送システムとの間に、レーザービーム及び送風及び吸引システムの複数の走査システムがある、粉末床技術用のシステムに関する中国特許出願公開第１１１８４２８８６、２つの排気口が、チャンバの左右の側板の下端にそれぞれ配置されている、４つのガルバノメーター、及び２つの吸気口、２つの排気口、及び濾過システムを含むシステムを記載する中国特許出願公開第２０９０６３５５９号明細書、部分的に作業領域及び接合領域の少なくとも上を通過するガス流を形成するように配置された流入ノズル及び流出ノズルを備えた、作業領域上のガスの流入及び吸引システムに関する欧州特許出願公開第３０５０６４８号明細書に開示されるように、当技術分野では知られている。

公知技術の主な欠点は、複数のレーザーを有するデバイスが、作業表面の特定のセクターに自律的に作動することができないシステム、又は複数のレーザー源を使用しても、走査数が製造速度の欠点に減少するシステム、及び更にプロセスヒュームの抽出及びサポートガスの導入が局在化されないが、作業チャンバの境界壁、又は制御不能な振動をダスト床（ｄｕｓｔ ｂｅｄ）に導入することができる構造に制限され、使用されるレーザーによって粉体の層で行われるプロセスに近接して局在化されないシステム、溶融材料、及びそれによって小さな及び／又は大きな寸法の最終部品に欠陥及び／又は含有物の形成を導入する制限に関連する。更に、これらは、レーザー源に関して、特に粉末床における層の局所的な加工に関して、スケーラブル（ｓｃａｌａｂｌｅ）が容易ではない装置である。

本発明の目的は、スケーラブルなシステムにより、付加製造用のマルチレーザーシステムによる上記従来技術の問題を解決することであり、前記スケーラブルなシステムは、予め確立された処理のセクターに沿って配置された電磁気放射線ビームを生成する複数のレーザー源の使用を可能にし、各セクターの能力で自律的に動作することができ、高い生産速度と組み合わせて作製される物体の高品質を保証する。別の目的は、ドクターブレードの通過中に、作業領域に関して完全に右／左に沿って移動する、作業領域の上に固定されたシステムの使用によって、粉末床内の制御不能な振動の可能性のない機械システムを使用することである。これは、作業表面に堆積された層が、後続の層の製図に関して変動及び／又は乱れ（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）を受けないことを確実にする。

以下の説明から明らかになるように、本発明の上記及び他の目的及び利点は、請求項１に記載されたもののような付加製造用のマルチレーザーシステムによって達成される。本発明の好ましい実施形態及び非自明な変形は、従属クレームの対象を形成する。

添付の特許請求の範囲はいずれも、本明細書の不可欠な部分を形成することが理解される。

添付の特許請求の範囲から明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、記載されているものに無数の変形や修正（例えば、形状、寸法、配置、同等の機能を有する部分に関するもの）を加えることができることは、直ちに明らかであろう。

本発明は、添付の図面を参照し、非限定的な例として提供される幾つかの好ましい実施形態によって更に詳しく説明される。

図１は、本発明による付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）を示す。 図２は、本発明による付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）の重複（ｏｖｅｒｌａｐ）領域の図を示す。 図３は、本発明による付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）の連続した重複領域の図を示す。 図４は、本発明による付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）の対応する作業領域におけるレーザー軌道の上面図を示す。 図５は、本発明による、方向（Ｘ＋）の並進運動段階におけるガス吸引及び吸入システム（１０５）を示す。 図６は、本発明による、方向（Ｘ－）の並進運動段階におけるガス取込及び吸入システム（１０５）を示す。 図７は、本発明による作業表面外のガス吸引及び吸入システム（１０５）を示す。

付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）は、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン等）雰囲気の環境で、作業チャンバ内で使用されるように設計され、所定の加工セクター内で電磁気放射線ビームを生成し、伝達するために必要とされる複数のレーザー源及び複数の光学システム及び／又は走査システムからなり、選択的粉体溶融プロセスから派生するヒューム及び／又は汚染物質を溶融層又は層の可能な限り近くで除去することが可能であるとともに、粉末床溶融結合又は粉末床の処理に必要なプロセスガスを同じチャンバ内に局所的に導入することが可能であり、前記マルチレーザーシステム（１００）は、スケーラブルであり、各専門分野で自律的に動作することができ、高い生産速度を組み合わせた製造される対象の高い品質を保証する。図１によって見られるように、付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）は、作業表面（１０１）の所定の領域に電磁気放射線ビーム（１０７）を伝達するように設計された独立した光学システムのマトリックス（１０３）、所謂前記作業面（１０１）の所定の領域において前記電磁気放射線ビーム（１０７）を１００％で重ねることができる独立した光学システムのマトリックス（１０３）であって、前記独立した光学システムのマトリックス（１０３）が、工作機械の上部表面に接続される独立した光学システムのマトリックス（１０３）と；ピストン（１０６）に作動可能に接続された、粉末床（１０２）を収容するように設計された作業表面（１０１）と、からなる。

有利なことに、図１から分かるように、前記独立した光学システムのマトリックス（１０３）は、レーザー及び光学システム及び／又はガルバノメトリック（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ）走査システムの複数のモジュール（１１１）においてスケーラブルかつモジュール化可能であり、特に、前記モジュール（１１１）は、少なくとも４つのレーザー及び光学及び／又はガルバノメトリック走査システムによって構成されることができ、前記モジュール（１１１）は、付加製造プロセスを実施するのに必要な作業領域に対応する４の倍数の単位で、生産量、製造される部品の寸法、及びプロセス速度に応じて増加させることができる。

更に、レーザー及び光学システム及び／又はガルバノメトリック走査システムの前記モジュール（１１１）は、自律的に動作し、各作業セクター（１１２）内で付加製造プロセスを実施することができ、特に、各レーザー源は、電磁気放射線（１０７）のビームを発し、即ち図２及び図３に示されるように、２つのレーザー源が動作する場合、１００％の全オーバーラップ（ｏｖｅｒｌａｐ）で、各作業セクター（１１２）内の対応する領域（１１９）において、且つ５０％の部分的オーバーラップで、各作業セクター（１１２）内の対応する領域（１１５）、（１１６）、（１１７）、及び（１１８）において、付加製造プロセスを実行することができる。

領域（１１５）、（１１６）、（１１７）、及び（１１８）では、第１のモジュール（１１１）の２つのレーザー源が、第２のモジュール（１１１）のレーザー源の２つと共に機能し、領域（２１９）における１００％の加工及び領域（２１５）、（２１６）、（２１７）、及び（２１８）における５０％の加工を実行することできるので、図３に示されるように、２つのレーザー源の重なりは、前記モジュール（１１１）のレーザー源の２つの助けを借りて、全体の周辺領域の１００％をカバーすることができる。したがって、図３から分かるように、領域（２１５）及び（１１８）の結合によって付与されるＡＡとして示される領域では、４つのレーザー源が働き、上記領域（２１５）及び（１１８）のそれぞれは、２つの近接したモジュール（１１１）のレーザー源によってカバーされる。この重複領域の管理により、光学システム及び／又はガルバノメトリック走査システムが作業領域により近くなり、前記電磁気放射線ビーム（１０７）のより小さなスポット径を使用して付加製造作業を実施することを可能にし、例えば、より大きな表面仕上げ、より優れた最終表面の精度、製造欠陥が含まれる確率の低下等、製造される最終部品に対する利点が得られる。

図５、図６、及び図７から分かるように、本発明の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）は、特定の処理セクター（１１２）にプロセスガスを導入することに適した中心拡散要素（１０８）によって、上記作業セクター（１１２）の範囲を定めるヒューム抽出及びサポートガス投入システム（１０５）、及びセクター（１１２）からのプロセスから派生するヒュームを除去するように設計された２つの吸引側要素（１０９）が装備され、上記中心拡散要素（１０８）及び上記吸引側要素（１０９）は、上記作業面（１０１）に対して、横方面に移動することができ、上記作業面（１０１）に動作可能に接続される。

特に、作業セクター（１１３）及び（１１４）を対応するモジュール（１１１）の電磁気放射線（１０７）に曝露するように設計された電気機械アクチュエータの助けを借りて、Ｘ軸に沿った並進システムにより、最終部品の構造的完全性及び性能を損なうことに寄与する、残留応力、内部欠陥、及び層又は層内の含有物（例えば、結合（ｗｅｌｄｅｄ）表面の領域内の多孔性又は構造的中断）のない対象を生成するために、上記ヒューム抽出及びサポートガス投入システム（１０５）は、流れの最大層状性能を保証することができ、それによって上記作業セクター（１１３）及び（１１４）における付加製造プロセスを完了することを可能にし、前記ヒューム抽出及びサポートガス投入システム（１０５）は、プロセスに必要なガスを上記作業表面（１０１）に局所的に導入し、上記作業表面（１０１）からプロセスヒュームを局所的に吸引することを可能にする。

並進プロセスは、ドクターブレード又はリコーター（１０４）と組み合わせた動作で行われ、前記ドクターブレード又はリコーター（１０４）は、作業表面（１０１）の端部の一方に配置され、上記ドクターブレード（１０４）と、ヒュームを吸引し、サポートガス（１０５）を導入するための上記システムとの間の相対的な動作を制御するのに必要な光学的又は容量性近接センサを備え、これらの動作は、工作機械に動作可能に接続された制御ユニット（１２０）によって管理される。

有利には、図７から見られるように、ヒューム吸引及びサポートガス投入システム（１０５）は、作業表面（１０１）から端部に向かってＸ方向に、及びドクターブレード（１０４）に対して反対方向に並進し（ｔｒａｎｓｌａｔｅ）、上記作業表面（１０１）内で前記ドクターブレード（１０４）の通過を可能にし、前記ドクターブレード（１０４）が粉末を拡散させるように設計されている。

更に、ヒュームの吸引及びサポートガスの導入のための上記システム（１０５）は、作業表面（１０１）の端部に向かってＸ方向に、及びドクターブレード（１０４）とは反対方向に並進し、前記作業表面（１０１）における前記ドクターブレード（１０４）の通過を可能にし、前記ドクターブレード（１０４）による粉体の拡散を可能にするように設計されている。

付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）は、生産ニーズに応じて汎用性があるように設計され、以下：
Ｘ方向に作業表面（１０１）に沿ってドクターブレード（１０４）を向け、上記作業表面（１０１）の端部を超えて粉末床（１０２）を拡散（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）させる段階と；
ガス吸引及び吸入システム（１０５）を前記作業表面（１０１）における粉末床（１０２）の上方に配置する段階と；
レーザー源及び独立した光学システム（１０３）又は別々のモジュール（１１１）のスイッチオン（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｎ）を配置し、中心拡散要素（１０８）と二つの吸引側要素（１０９）との間に置かれた作業セクター（１１２）にレーザービーム（１０７）を向ける段階と；
ガス取込及び吸入システム（１０５）をＸ軸に沿って粉末床（１０２）の上に並進させ、付加製造用途のために作業セクター（１１３）及び（１１４）を電磁放射（１０７）に曝露する段階と；
ガス吸引及び吸入システム（１０５）を前記作業表面（１０１）の端部に向かってＸ方向に、ドクターブレード（１０４）とは反対方向に並進させ、ピストン（１０６）をＺ方向に下方に移動させる段階と；
前記作業表面（１０１）に粉体を拡散させるために、ドクターブレード（１０４）の通過中にレーザー源をオフにする段階と；
前記作業表面（１０１）上にガス取込及び吸入システム（１０５）を配置し、レーザー源を作動させる段階と、
を含む。

Claims (10)

1. 作業表面（１０１）の所定の領域に電磁気放射線ビーム（１０７）を伝達するように設計された独立した光学システムのマトリックス（１０３）であり、前記独立した光学システムのマトリックス（１０３）が、前記作業表面（１０１）の所定の領域において、前記電磁気放射線ビーム（１０７）を１００％で重ねることができ、前記独立した光学システムのマトリックス（１０３）が工作機械の上部表面に接続される、独立した光学システムのマトリックス（１０３）と；
   ピストン（１０６）に作動可能に接続された、粉末床（１０２）を収容するように設計された作業表面（１０１）と、
   を含むことを特徴とする付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
2. 前記独立した光学システムのマトリックス（１０３）が、付加製造プロセスを実施するために必要な作業領域に対応して、レーザー及び光学システム及び／又はガルバノメトリック走査システムの複数のモジュール（１１１）においてスケーラブルで、モジュール化されていることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
3. 自律するモジュール（１１１）が、少なくとも４つのレーザーで設計され、そのそれぞれが、合計１００％のオーバーラップで、各作業セクター（１１２）の対応する領域（１１９）において付加製造を実行することができる電磁気放射線（１０７）のビームを発することを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
4. 自律するモジュール（１１１）が、少なくとも４つのレーザーで設計され、そのそれぞれが、５０％の部分的オーバーラップで、各作業セクター（１１２）の対応する領域（１１５）、（１１６）、（１１７）、及び（１１８）において付加製造を実行することができる電磁気放射線（１０７）のビームを発することを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
5. 作業セクター（１１２）が、ヒュームの抽出、作業領域からプロセスヒュームを局所的に除去するために必要なサポートガスの導入、及びプロセス支援ガスを導入するためのシステム（１０５）によって区切られ、ヒュームの抽出、サポートガスの導入のための前記システム（１０５）は、前記作業表面（１０１）に動作可能に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
6. ヒュームの吸引及びサポートガスの導入のためのシステム（１０５）が、作業セクター（１１２）内のプロセスガスに適した中心拡散要素（１０８）と、プロセスから生じるヒュームを前記作業セクター（１１２）から除去するように設計された二つの吸引側要素（１０９）とを備え、前記中心拡散要素（１０８）及び前記吸引側要素（１０９）が前記作業表面（１０１）に動作可能に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
7. ヒュームの吸引及びサポートガスの導入のためのシステム（１０５）が、作業セクター（１１３）及び（１１４）を付加製造用途の電磁気放射線（１０７）に曝露するために必要な軸Ｘに沿った並進運動を行うように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
8. ヒュームの吸引及びサポートガスの導入のためのシステム（１０５）が、作業表面（１０１）から端部に向かってＸ方向に、及びドクターブレード（１０４）に対して反対方向に並進し、前記作業表面（１０１）における前記ドクターブレード（１０４）の通過を可能にし、前記ドクターブレード（１０４）が粉末を拡散させることを可能にするように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
9. ヒュームの吸引及びサポートガスの導入のためのシステム（１０５）が、前記作業表面（１０１）におけるプロセスに必要なガスを局所的に導入することができ、前記作業表面（１０１）からプロセスヒュームを局所的に抽出することができることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造用のマルチレーザーシステム（１００）。
10. 付加製造用のマルチレーザー（１００）を使用して行われる付加製造方法であって、前記付加製造用のマルチレーザー（１００）が請求項８に記載の付加製造用のマルチレーザー（１００）であり、
    前記付加製造方法は、
    Ｘ方向に前記作業表面（１０１）に沿って前記ドクターブレード（１０４）を向け、前記作業表面（１０１）の端部を超えて前記粉末床（１０２）を拡散させる段階と；
    ガス吸引及び吸入システム（１０５）を前記作業表面（１０１）における前記粉末床（１０２）の上方に配置する段階と；
    レーザー源及び独立した光学システム（１０３）又は別々のモジュール（１１１）のスイッチオンを配置し、中心拡散要素（１０８）と二つの吸引側要素（１０９）との間に置かれた作業セクター（１１２）にレーザービーム（１０７）を向ける段階と；
    ガス取込及び吸入システム（１０５）をＸ軸に沿って前記粉末床（１０２）の上に並進させ、付加製造用途のために作業セクター（１１３）及び（１１４）を電磁放射（１０７）に曝露する段階と；
    ガス吸引及び吸入システム（１０５）を前記作業表面（１０１）の端部に向かってＸ方向に、前記ドクターブレード（１０４）とは反対方向に並進させ、前記ピストン（１０６）をＺ方向に下方に移動させる段階と；
    前記作業表面（１０１）に粉体を拡散させるために、前記ドクターブレード（１０４）の通過中にレーザー源をオフにする段階と；
    前記作業表面（１０１）上に前記ガス取込及び吸入システム（１０５）を配置し、レーザー源を作動させる段階と、
    を含むことを特徴とする、付加製造方法。

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