JP4112625B2 - 原料のレーザー融解を用いる高速製造システム - Google Patents

Description

発明の概要
新しい高速製造システムは、各種の縦断面図を持つ金属および非金属材料の薄層原料、例えば平角線の融解に基づく。
新しいシステムは原料、例えばステンレススチールの薄層条片を基板上に分配することにより三次元モデルを生成する。原料はそれぞれが原料の厚みを持つ連続して重畳する層状構造で、また部品の層を規定する範囲内でのパターンで基板に融解される。連続層は完全なモデルが構築されるまでこれまでに融解された層に付着される。
原料融解は原料の断面を事実上もとの形状を保ちながらこれまでの層への原料の信頼できるスポット溶接あるいは連続溶接に十分な大きさと出力密度を持つレーザー光線を用いて実行される。
第１層は部品の第１断面域に対応する。第１層はＸ−Ｙ平面で原料の融解部分を持つ基板をレーザー光線に沿った軸および基板と接触する原料供給点と関連して動かすことで構築される。
Ｘ−Ｙ平面での基板の移動は望ましい部品の各断面域の境界および内部をトレースする。原料分配ノズルはレーザー光線軸の周りで回転可能とされそれが早めにどの点においても原料送達軸を境界曲率に対して常に接線方向に位置決めすることを可能にする。原料の連続性が遮断されねばならない時には、付着レーザエネルギーは原料の切断に十分な水準にまで増加される。
ここで取り上げられる基本的なアプローチは従来の方法に固有の主要な問題を解決し、以下に詳細に説明される品質標的の仕様を達成することを可能にする。
この発明の高速製造システムは広範な金属および非金属材料から固体モデルを生産することができる。
各層の付着は限定された局所入熱で行われ、かくして三次元モデルの最大の寸法安定性を確実にする。この方法ではアフターキュアは伴われない。
モデルの寸法精度は立体石版印刷で作られたモデルの精度を著しく上回る。原料付着の制御は従来の数値制御機器の工具経路の精度と比較することができる。
このシステムは最終製品に使用される材料と同一もしくはそれに近い構造の材料を持つ原型の高速生産のための方法を提供する。
モデルの強度、寸法精度および熱安定性は従来の方法で作られたモデルよりも著しく高い。従ってこの発明のシステムに基づき生産された三次元モデルは機能テストに適している。
この発明の原形システムは、パーソナルコンピュータ、Ｘ，ＹおよびＺ位置決めステージ、回転ステージ、走査ステージ、および標準ソフトウェアユーティリティを持つステップモーターカードなどを使用する商業的に利用可能な構成材を組み合わせる。ＣＯ₂密封レーザシステムが採用される。
製造方法は既存の層に対する原料の信頼できるスポット溶接あるいは連続溶接に十分な大きさと出力密度のレーザー光線を伴う各種の縦断面図を持つ金属および非金属材料の薄層原料を融解し、一方原料断面を事実上もとの形状に保持し、限定された局所入熱を生産することを含む。三次元製品の高い精度と寸法安定性および優良な表面品質が結果として生じる。
基板はＸ−Ｙ平面で移動し、一方望ましい部品の各断面域の境界および内部をトレースする。原料分配ノズルはレーザー光線軸の周りを回転する。原料送達軸はモデルの境界曲率に接線方向で連続位置決めされる。原料は同時に供給されかつ原料を従来の層に融解する。
レーザー光線はレーザ源からの線形偏光光線を光線エキスパンダを通して移相ミラーに指向することで形成される。線形偏光光線はミラーで円形偏光レーザー光線に変換され、円形偏光光線は光線を原料のスポットに焦点を集めるレンズに指向される。
原料はスプールに貯蔵され、スプールから引き出されて原料駆動装置により分配ノズルに押し込まれる。窒素などのガスをノズルに導入し原料近くのノズルからガスを放出すると融解が一杯になる。
スプール、原料駆動装置、ノズルおよびレンズはアセンブリとしてレーザー光線の軸の周りを回転する。レーザー光線の軸およびアセンブリは原料が融解されるべき線に沿って移動する。アセンブリは線曲線として軸の周りを回転し、またレンズは移動し光線スポットは原料を切断するために原料を横断する。
望ましいモデル構築装置はフレームを含む。レーザー光線源および移相ミラーがこのフレームに配設される。原料送達モジュール支持体もフレームに配設される。回転ステージは原料送達モジュール支持体に配設され、回転アームは回転ステージに配設される。原料送り装置は回転アームに配設され、レーザー光線焦点レンズが回転アームに配設される。原料貯蔵スプールは回転アームに配設され、平らな線がスプールに貯蔵される。原料ノズルはスプールおよび送り装置から原料を受け入れるために、また原料をノズルの先端部から延ばすために回転アームに接続される。ノズルの先端部は、レーザー源からミラーに対しまた支持体、回転アームおよび回転台にある開口部を通じかつレンズを通じて投射されるレーザー光線と精密に調整される。直角可動ステージがフレームに関してＸ−Ｙ方向でのステージの相対的な移動に従って予め定められたパターンで原料を受け入れるためにノズルの下に位置決めされる。ノズル先端部から延びた原料は原料の連続層に付着し溶解することによりモデルを構築するために基板あるいは原料のこれまでに融解された層に融解される。
大型の物体を製造するために、基板は固定されたままであり、一方レーザースプールおよび先端部はＸ，ＹおよびＺ方向で動きレーザー光線の軸上で回転する。
送り装置はステッパーモーターで駆動されるピンチローラーを持つ。
レンズはレーザー光線の軸を横切り旋回心軸回転する取付け台に配設される。駆動装置が回転アームに配設され、レーザー光線スポットが原料を横切り原料を溶接し切断するように動くように旋回心軸の周りをレンズ取付け台を移動するためレンズ取付け台に接続される。
原料の融解の間原料と不活性ガスを持つレーザー光線との相互作用を一杯にするために、不活性ガス通路がノズル内に配設される。反応性ガスを利用することができる。
線形偏光レーザー光線は、光線を円形偏光化し、基板にあるいはステージ上のこれまで融解された線の層に平角線を融解するために円形偏光光線を直線可動ステージに垂直に向けるようにレーザー源からミラーに投射する。円形偏光光線は回転ステージの中心を通し、また回転ステージの支持体および回転ステージに配設される回転アームを通して投射する。回転アームは線をスプールから引出し線をノズルに押し込むステッパー送り装置を支持する。ノズルは線に丸みをつけ、そのためそれは線が円形偏光レーザー光線の焦点スポットの近くで放出されるように平らで存在する。回転アームは旋回心軸上でレンズ取付け台を運び、そのため光線を焦点に集めるレンズは線を切断するために線を横断する。Ｘ−Ｙ方向での直線可動ステージの移動はモデルの断面の予め定められたパターンに従うようにコンピュータおよびステッパーモーターにより制御される。回転アームはモデル外形での曲率に接線で線を放出するように回転ステージ上で回転する。それぞれが層を完成する後に、ステージは一つの線厚みを下方に下げ、次の層が形成される。ノズルは線が融解するように不活性ガスで線を一杯にするためのガスジェット通路を含む。
新しい高速製造システムは金属あるいは非金属材料の薄層原料の融解に基づく。原料はそれぞれが原料の厚みを持つ連続した重畳の層状構造であり、また部品の層を規定する境界内でのパターンで基板に融解される。連続層は完全なモデルが構築されるまでこれまでに融解された層に付着される。
原料融解はこれまでの層への原料の信頼できるスポットあるいは連続溶接に十分な大きさと出力密度を持つレーザー光線で実行されるが、原料断面性は事実上もとの形状で保持される。
層は原料の融解部分を持つ基板をＸ−Ｙ平面で比例的に移動することにより構築される。Ｘ−Ｙ平面での移動は望ましい部品の各断面の境界および内部をトレースする。原料分配ノズルはレーザー光線軸の周りで回転可能であり、各断面の境界曲率に接線の方向で原料送達軸の位置決めを可能にする。原料送達はＸ−Ｙ平面での原料の融解部分の相対的な移動を同期される。
この配置は分配ノズル先端部と最終溶接スポットの間にある原料の部品に、曲げモーメントを適用することにより原料を持つ層の境界のトレーシングを可能にする。かくして原料ひずみの量は最終溶接と次のち溶接スポットの間に必要とされる曲率に対応する。
この原料の制御されたひずみは原料の基板への正確な位置決めを可能にし、既存の融解付着モデル化法の必要条件である付着に先立つ原料液化の必要性を排除する。
原料の連続性を妨げる必要がある時には、付着レーザーエネルギーを原料遮断に十分な水準にまで高める。
一つのシステムは多重原材料を用いて構築される。例えば材料のステンレススチール条片および有機あるいは無機条片が同じ厚みを持ち、そのそれぞれがそれ自身の分配ノズルを持つ。各断面は断面の内部の材料を変えることで構築することができる。かくして複合材料モデルの生産が可能となる。
高速製造システムは広範な金属、非金属および複合材料から固体モデルを生産することができる。チタン、ニッケル・クロムステンレススチール合金、ガラス、ポリプロピレンおよびポリエチレンなどの材料は素線、繊維あるいは条片の形態で容易に利用することができ、レーザー溶接し切断された優れた成果を上げてきた。
層付着は、限定された局所入熱で行われ、かくして三次元モデルの最大の寸法精度および寸法安定性を保証する。この方法ではアフターキュアを伴わない。原料付着の制御は従来の数値制御装置の工具経路の精度と比較される。
このシステムは最終製品に使用される材料と同一もしくはそれに近い構造の材料を持つ原型の高速生産に関する方法を提供するであろう。
これらおよびこの発明の更なる他の対象および特性はこの開示で明らかであり、それは前記および請求の範囲および図面を伴うこれから記載の仕様を含む。
【図面の簡単な説明】
図１は主要システム構成材を概略図で示す。
図２は分配ノズルを概略で示す。
図３はこの発明で使用されるコンピュータを示す。
図４はこの発明により構築されたタービンブレードのモデルのルート部分の部分側面立面図である。
図５は図４で示されたタービン・ブレードの断面端面図である。
図６は図３および４で示されたブレードの拡大詳細図である。
図７は素線の敷設および融解の方向を示すブレードの端部の詳細図である。
図８は素線の曲げ応力を図示する。
図９はその最初の寸法を保持する申立軸の断面図を示す。
図１０はこの発明の高速製造システムを示す。
図１１は窒素ノズルおよび原料送達ノズルの詳細図を示す。
図１２はコントローラーの概略表示を示す。
図１３は連続フィラメント繊維強化金属マトリックス複合材の代替ビルドアップの断面詳細図である。
図１４はコンプレッサーブレードの構造を示す。
図１５および１６はミリング無しおよびミリングありでの図１７のビルドアップの詳細図である。
図１７および１８は分離壁および接合区画を持つビルドアップ放物ノズルを示す図１７のＣ−Ｃ線に沿ってとられたそれぞれの垂直断面図および水平断面図である。
図１９はすべてこの発明により形成された図２０のＢ−Ｂ線に沿ってとられたハニカム内部で作られた三次元製品の断面平面図である。
図２０は図１９で示された構造のＥ−Ｅ線に沿ってとられた断面立面図である。
図２１Ａはおよび２１Ｂはこの発明に基づき作られた構造の立面図および端面図である。
図２２および２３はこの発明の多重および代替層製品の断面説明図である。
発明の詳細な説明
望ましいシステムは下記の主要モジュール：光線送達モジュール５０；原材料送達モジュール６０；加工部材テーブルモジュール７０およびＣＡＤ（コンピュータ援用設計）／ＣＡＭ（コンピュータ援用製造システム）データ創出ならびにシステム制御モジュール８０を含む。
図１を引用して、光線送達モジュール５０は線形偏光出力光線２を伴うＣＯ₂レーザー１、移相ミラー３、円形偏光出力光線４および撮像レンズ５を含む。
原材料送達モジュール６０は固定支持床１３上の回転ステージ１１を含む。望ましい実施例において、床１３、レーザー源１およびミラー３は固定フレーム上に配設される。選択肢として、可動フレームは望ましい経路に沿ってレーザー発振機、およびミラー３と共に移動する可動支持床１３を支持し、次いでモデル層のアウトラインが構築される。スプール６は例えば０．０１０インチ圧で０．０２０インチ幅の３０４ステンレススチール平角線条片の形態での原料供給材料７を含む。原料７は個別に回転可能スプールから引き出され、送り駆動機構９により分配アーム８を通じて推進される。駆動機構９は原料を分配ノズル１０を通じて押し出し、これから原料が基板１２に送達される。
不活性ガス、例えば窒素、あるいは反応ガスは図２で示されるように管路１６およびノズル２０を通じて融解点に送達される。
分配アーム８、送り駆動機構９、分配ノズル１０および撮像レンズ５は一つのユニットアセンブリ１７に接続され、このアセンブリ１７はレーザー光線４の軸の周りで制御された回転ステージ１１により回転可能である。撮像のレンズ５の光学的中心は光線４の幾何学的中心と一致する。
加工部材テーブルモジュール７０は基板１２を支持するＸ，Ｙ，Ｚ軸ステージよりなる。
図３で示されるように、ＣＡＤ／ＣＡＭデータ創出およびシステム制御モジュール８０はＩＢＭ ＰＣコンパチブル４８６マイクロプロセッサ・ベースコンピュータ１４および多軸制御装置ならびに入力／出力カード１８を含む。
このシステムのＣＡＤ／ＣＡＭはＧコードあるいは．ＳＴＬファイルの形で現在利用できるＣＡＤソリッドモデル化システムからの入力幾何学データとして使用する。
図形モジュールは三次元ＣＡＤモデルを薄層連続断面層に薄切りする。この薄片は部品の構築に使用されるように、例えば０１０インチなどの原料縦断面厚さに対応する。断面図を基礎にして、図形モジュールは数値制御装置Ｇ−コードに類似した形態で工具経路を生産する。システム運転の説明に使用される部品の例は航空機コンプレッサ・ブレードである。ブレードのルート部は図４および図５で示されており、これはＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−ＣおよびＤ−Ｄの部分を示す。
工具経路は部品の層を定義するパターンの境界に続けることで生成される。工具経路はＸおよびＹ軸での工作物テーブル、およびレーザー光線４の軸の周りの回転による分配ノズルの同時運動により達成される。
このシステムは原料条片７を基板に分配することにより、三次元モデルを生成する。直径約０．００６インチ（０．１５mm）のスポットサイズのレーザー光線４が基板１２でそれが接触する点で条片に指向される。原料は部品の層を定義する境界内でのパターンで、それぞれ原料の厚みを持つ連続した重畳層状構造で基板に融解される。
第１層は部品の第１断面に対応する。これは、原料の融解部分を持つ基板をＸ−Ｙ平面で、またレーザー光線および基板と接触する原料点とに沿った軸に比例して動かすことにより構築される。
Ｘ−Ｙ平面での基板の移動は、望ましい部品の各断面の境界および内部をトレースする。原料分配ノズルはレーザー光線軸の周りで回転可能であり、原料送達軸を常に各断面の境界曲率に対して接線方向に位置決めすることを可能にする。
原材料を横断する撮像レンズの小さな走査ストロークは原料切断およびもしくは溶切操作を可能にする。走査は原料配向に垂直な撮像レンズホルダー／たわみ１５の振れにより実行される。磁石２２および２３は必要なストロークを提供する。レンズホルダーの刻み目およびボールならびにばね装置２４は図１で示されるように、中立位置でのレンズホルダーの固定を提供する。
連続層は、完全なモデルが構築されるまで従来の融解層上に付着される。
このシステムは、例えばステンレススチール条片および同じ厚みを持ち、またそれぞれがそれ自身の分配ノズルを持つ材料の有機もしくは無機条片などの多重原材料で構築することができる。各断面は断面内部の材料を変更することで構築できる。かくして複合材料モデルの生産が可能である。
光線送達モジュール５０は密封ＣＯ₂レーザーおよびレーザー光線操作光学機器を含み、それらは高出力密度を産出する小さな焦点スポットを提供する。それは小さな熱影響部（ＨＡＺ）を提供し、これが隣接材料への熱の拡がりを最小にする。
レーザー光線の線形偏光化および光線偏光平面と関連する材料配向へのレーザー切断および溶接性の依存度の故で、移相ミラーの使用が望ましい。移相ミラーは線形偏光性を持つ光線を円形偏光性を持つ光線に変形し、これが材料配向に拘らず、一貫した溶接および切断操作を可能にする。
生成する円形偏光光線は、焦点レンズ５（Ｆ＝２．５インチ）で、原料最上面でレーザー光線の衝突点に横たわる撮像面にある望ましい点に焦点を合わせる。６３．５mm（２．５インチ）の焦点距離を持つメルズ・グリオット・セレン亜鉛収束レンズがレンズ５に使用される。
原材料送達モジュール６０は、エンコーダおよびホームマーカーを持つステッパーモーターで装備され、分当たり０．１アークのステージ分解能を持つアエロテック回転ステージＡＲＴ３００シリーズを使用する。回転ステージはレーザー光線が通過できようにその回転の中心に開口部が配設される。下記のサブアセンブリが回転ステージに付加される。
原料スプール６は平角線０．０１０″×０．０２０″が貯蔵されている。平角線送り機構９はスプールから連続線を引き出し線を分配ノズル１０を通じて続く融解のために基板に送達される。送り機構はステッパーモーターにより駆動されるフリクションローラー２５およびエンコーダ・エスキャップＰ３００シリーズを含む。送り速度はシステム制御装置により制御される。
原料分配ノズル内は分配ノズル内で平角線の摺動運動を可能にする形状と寸法の線案内溝を組み入れる。ノズルの先端部は図２で示されるように現在の層の最上面の少し上に位置付けられる。ノズル案内溝は平角線を基板に接線方向で送達するために平角線にラジアル形状にされる。
この特性は線融解工程の初期化の間平角線と基板の初期の密接な接触を可能にする。この密接な接触は優れた溶接操作にとって重要である。基板あるいは従来の層との密接な接触は分配ノズル先端部から離れた基板運動により誘導される線のまっすぐに伸ばす力の故でいつも維持される。
平角線の送りはいずれか一定のモーメントで断面境界の周りでの基板の運動に同期されまたそれに対応する。
加工部材テーブルモジュール７０はアエロテックプレシジョンＸＹ−Ｚ ＡＴ０２０シリーズステージを使用する。このステージはエンコーダを装備したステッパーモーターにより駆動される。
システム制御モジュール８０は従来のＣＮＣ装置Ｇ−コードを支持する。このモジュールはホストＩＢＭ ＰＣコンピュータがＣＮＣ制御装置としてプログラムされることを可能する。制御装置はエアロテックＸ−Ｙ−Ｚ線形運動ステージ、回転ステージおよび平角線送り装置のエスキャップＰ３００ステッパーモーターの８軸同時制御の能力を持つ多軸である。ＯＰＴＯ−２２などの８個位置入力／出力カードが直接制御装置に結合でき、レンズ走査アクチュエータおよび窒素流量制御ソレノイド・バルブの制御を可能にする。
システム操作の説明のために使用された部品の例は図４および５で示される航空機タービン・ブレードである。ＣＡＤソフトウエアで提示されたタービン・ブレード断面図を基礎にして、原料経路が部品の層を定義する境界およびパターンに続いて生成される。
このブレードは外壁が０．０８０インチ（２mm）厚である中空構造を有する。この壁厚みは０．０２０インチ幅の原料の４個の経路を必要とする。
図６および７は初期断面Ａ−Ａの展開を示す。原料素線１の基板への融解に先立ち、原料の末端形状は図７、部分Ｂで示されるように鋭角に事前に切断される。事前切断はＸ−Ｙテーブルのモデル生成域の外側にある原料事前切断域３５で実行される（図１０）。素線１の融解の末端で、連続原料７は最終の溶接点近くで、またその送達軸に対し垂直方向で切断される。
原料が送達ノズルから分離された後、素線１の端部の最終形成を実行することができる（図７、部分Ｂ）。素線２，３および４の融解のための手順は前に記述したものに類似する。
図８は溶接の間に除去される形成対象での周方向応力および横応力を示す。
図９は原料の曲げの間に起こるひずみを示す。
図１０を引用して、レーザーヘッド１は同じくフレーム上で支持される移相ミラー３に光線エキスパンダー２５を通じてレーザー光線２を投射するためにフレーム上で支持される。再指向光線４は回転アセンブリを通じて焦点レンズ５に指向され、このレンズはそれがステージ１０で形成されるように製品１２に光線エネルギーに焦点を合わせる。原料７は送りモーター９の端部に光線エネルギーを焦点に合わせる。原料７は送りモーター９の端部に配設された送りローラーを通じてリール６から送達される。リールおよび送り構造はフレーム８に配設され、そのフレームは回転ステージ１１に配設される。回転ステージ１１はステージ１１の後部で示されるモーターおよび減速ギヤにより矢印Ｃで示される方向で駆動される。ミリングモーターは左側で拡張して示されているようにミル３１を駆動し、このミル３１は生成物１２の最上層の平面度を維持するために使用される。ミルモーターおよびシャフトアセンブリは原料の端部にある面取り部を生成するため図示される角αを通して回転する。これは図１８で示されるように、取り替えられた現在の層とこれまでの層の円滑な移行を提供する。ステージ１０は１３で示されるように、Ｘ，ＹおよびＺ方向で移動する。原料調製ステーション３５は付着に先立ち線の調製を準備する。アクチュエータはステーション３５をレーザーの焦点面に保持する。ミル３１は生成物までもたらされる。望ましくはテーブルは生成物をミルと接触させるためにＸおよびＹ方向に移動する。追加もしくは代替原材料はリール６に類似するリール３２に保持される。類似の原料駆動機構９はリール３２の下部の類似フレーム８に配設される。可動ステージ２２は、原料送達システムと関連して、レーザー光線、焦点レンズおよびガスノズルアセンブリを相対的に配置するため使用される。窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガスは入口１６経由で導入される。
大型構造物では製品保持ステージは静止したままであり、レーザー光線および原料送達システムはＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動し、一方原料送達システムは回転する。
図１１で示されるように、ガスは原料送達ノズル２１から送達される原料の溶接域にあふれる光線を取り囲むようにノズル２０を通じて送達される。
図１２はレーザーヘッド１に対しまた原料駆動機構９、回転ステージ駆動機構１１および送り機構位置決めアクチュエータ２２に対し、同じく図１０で示されるＸ，Ｙ，Ｚステージ１３に対する出力を持つ多重アクセス制御装置を持つ制御装置１４を示す。図１２で示される制御装置１４はまたミル３０に対しおよび内部ガス制御入力１６に対し出力を供給する多重機能のカード１３を有する。
原料縦断面図の割合に依存して、新しい方法は何らの支柱構造もなしで水平面に約１５°までの角度で張り出し構造を作ることができる。例えば、０．０１０″厚および０．０４０″幅の原料サイズで、支柱構造なしで水平面に約１８°の張り出し壁を作ることができる。
ＳＦＦＤ工程は部品の断面内で各種材料を変更することにより連続フィラメント繊維強化金属マトリクス複合材（ＭＭＣ）材料の生産に力を貸す。
図１３における例はいかにしてこの工程が０．０２０″幅と０．０１０″厚を持つ金属平角線原料および０．０４０″幅と約０．０１０″厚を持つ予備含浸炭素繊維テープを用いてＭＭＣ構成材の製造に利用できるかを示す。構成材は外板を持ち、この外板の壁は約０．０８５″厚である。壁は外表面（素線４１および４３）が金属から作られまた内壁構造が金属条片の間で層状に置かれた連続炭素繊維テープ４２の組合せとなるように構築される。
ＳＦＦＤシステムの操作は、図１３および１４で図示された航空機コンプレッサブレードエーロフォイルなどのような複合横断縦断面図の製造例をもとにして説明される。ＣＡＤソフトウエアで表示されるブレード断面をもとにして、原料経路３９が部品の層を規定する境界およびパターンに従って創出される。ブレード内部４４は中空である。壁４５は図１３で示されるように作られる。
原料素線の基板への融解に先立ち、原料の端部形状は必要に応じて事前切断される。
図１３はＳＦＦＤシステムで作られた部品外板の壁の断面を示す。図１４の矢印は原料ノズルの配向および層形成の間での原料送達方向を示す。システムの回転範囲は±３６０°つまり多重である。部品は渦巻上に作られる。
階段は重畳あるいは層状部品積重ねにとっては共通の精度問題の一つである。端部ミル装置（図１０，３１）は図１５および１６で示されるように張出し構造から階段５２を動かす５１。シリング特性はいずれの層状組成製造でも存在する「階段効果」を除去するために使用される。図１７は図１５で示される「段階効果」を持つものと思われる部品を示している。階段は図１０で示されるミリング工具３１と共に図１６で示されるように除去される。ミリング工具はいろいろな度合の「階段」に適応するように面取り角を変更するための角調節部を持つ。同じ工具、例えば端部ミルはＺ方向で最終層の平面度および許容差を維持するために、新しく付着した層の最上面をクリーニングするために使用することができる。端部ミル工具の後者の役割は層の最上面をクリーニングするより早い方法である別個の砥石車工具により行うことができる。この特性は図１７および１８で示されるように、チタニウムからの複合三次元部品−同軸放物ノズルの生産の間に使用される。部品は１．２５″および１″の外径および内径の基部を持ち高さは１″である。
図１７および１８は架橋６５により分離された内層および外装６１，６３を持つノズルを示し、それは層および架橋が形成されるように内層および外層に突合せ溶接６７される。
図１９および２０は多重素線外壁７１および突合せ溶接ハニカム内部７３で形成された構造を示す。
図２１Ａおよび２１Ｂはこの発明に従って作られた梁構造７５の立面図および端面図である。梁は、例えば図１３，２２および２３で示されるような複合構造を持つか、あるいは図１９および２０で示されるようなハニカム内部を持つ。梁はレーザー融解あるいは硬化セラミック材料の層で作られる。直接の硬化の故で、すべての材料の改質は素線が製品に案内されるように補正される。
この発明はいずれかの組合せで原材料の融解あるいは焼結に向けられる。個別の金属あるいは非金属原材料は厳密に金属あるいは厳密に非金属の部品を製造するために使用される。金属および非金属の同時使用は多重原料で使用される。断面内で材料を変更することより、複合材料部品が製造される。複合材料部品は金属および非金属の組合せよりなる単一原材料を用いて製造することもできる。
この発明は広範な金属、非金属および複合材料から固体モデルを生産する。チタン、ニッケル−クロムステンレス鋼合金、ガラス、ポリプロピレンおよびポリエチレンなどの材料は線、繊維あるいは条片の形で容易に利用することができ、またレーザー溶接され、優れた成果で切断される。原料の連続が遮断されねばならない時には、付着レーザーエネルギーは原料カットに十分な水準にまで上昇する。
ＳＦＦＤ工程に使用することのできる潜在的な関心のある金属および非金属は広範に存在するけれども、限られた数の材料およびその組合せが記述されている。チタン、３０４ＳＳＴおよび黒鉛繊維エポキシプリプレグテープなどの材料がここで記述される材料である。
加えて、サーメットおよびセラミック材料も使用される。
金属および非金属材料の他、サーメット材料などの新しいクラスの材料も使用される。
競合する高速製造技術は望ましい部品を生成するためにまず「未焼結」セラミックスラリ（セラミック粒子プラス液状結合剤）を押出し成形して層状セラミック部品を生産し、次いで「未焼結部品」は部品を高温および高圧環境に置くことで焼結が使用される。その後結合材材料を焼成し部品を圧縮強化するために加熱処理される。材料の焼結縮みに起因する焼結ひずみおよびひずみは最終部品の達成できる精度を制約する。円形断面の形状で一般に利用され、また送り機構内で２個の対向する平らな側面を持つ形状に押出し成形するための十分な可搬性のある商業的に利用可能な「未焼結」セラミック繊維が存在する。
この工程は、金属平角線の付着に類似した「未焼結」平繊維の付着を可能にする。
「未焼結」セラミックス材料の付着および部品の構築についてのこの工程の重要な利点は、結合材料の同時付着、蒸着および焼結にある。材料の焼結および高密度化は原料融解工程の間に生じる。同時原料融解、焼結および高密度化は部品の幾何学的形状が構築されている間に生じる。
焼結される材料の質量がエネルギー源光線スポットで影響を受ける細い繊維の小区画に閉じ込められるために、繊維のこの小区域での冷却は早い。焼結から生じる材料焼結縮みの影響は最終部品の精度に最小の効果を与えられるように部品構築の工程に組み込まれる。最終部品の精度は競合する技術の場合と同じように構築後熱処理により影響されない。
チタンは高温耐性（１０００°Ｆ）、低密度、高強度および剛性、高損傷耐性、および腐蝕耐性などのいくつかの理由で航空機用構築構成材として魅力的な金属である。チタンは優れたレーザー溶接能を持ち、従ってＳＦＦＤ工程の適用には十分な将来性がある。
ＭＭＣ材料は従来の金属よりも数多くの利点を提供する。その優れた軽量性、強度および剛性は航空機ペイロード限界性能を改善するのに役立ち、サブシステムを小型化する概念を提供することができる。０．０１０″×０．０４０″の断面を持つ無方向性黒鉛繊維エポキシプリプレグテープが使用される。
図２２および２３で示されるように、層が相対的配置配置を積重ねた後にＭＭＣ製品が製作される。例えば図２２で示されるように、０°金属、９０°金属、０°金属と黒鉛、０°金属、９０°金属と黒鉛、最終の２個の選択肢のいくつかの繰返しおよび最終１２０°金属がそれである。この工程の間の特殊な注意がその酸化および損傷を防止するために融解中に黒鉛繊維の近くで適切な不活性環境を保証する。
新しいＳＦＦＤシステムの性能に適用されたように、また０．０１０″乃至０．０２０″厚および０．０２０″乃至０．０４０″幅の原料厚みを考慮すると、１００乃至３００インチ／分の溶接速度を達成することができる。それは、１．６ １ｂ／時間乃至２．３ １ｂ／時間の間での金属付着の率で実現される。明らかに付着率はまた部品の幾何学的形状に依存し、また特定の構成材に適用されるように原料厚みおよび幅の適切な選択により改善することができる。
新しいＳＦＦＤ工程での金属付着の高い割合は低熱入溶接運転を行うためにレーザー能力と組み合わされる。このレーザー性能を理解する鍵はレーザー運転パルス幅を検討することにある。例えば１０ジュール、４ミリ秒パルス及び１０ヘルツのパラメーダでのレーザー運転を考えてみると、平均出力は１００ワット（１０ジュール×１０ヘルツ）であり、パルスピーク出力は２．５キロワット（１０ジュール／４mm秒）である。かくして溶接工程を行うために非常に少量のエネルギーで十分である。
新しいＳＦＦＤ工程は完全にこの低熱出力レーザー溶接と共に生成する低熱増強および低変形という基本的な利点を利用し、それを所有精密制御原料形状輪郭形性能と組合せる。これは高い生産割合を持つ複合構造チタンおよびＭＭＣ構成材の手頃な製造についての優れた方法、および真の高速製造工程を産み出す。
金属および連続フィラメント金属−マトリクス複合体（ＭＭＣ）材料から手頃な複合三次元構造構成材を生成する能力を持つ完全自動化高速製造−自由形式製作システムは、連続フィラメント金属−マトリクス複合体材料を生産するために完全密度金属付着工程およびシステムに依存する。ニッケル合金から直接にシステムで生産されたサンプル三次元部品の評価は複合金属およびＭＭＣ構成材の高速かつ手頃な製造でのこの工程の性能およびその適用を示している。
新しいシステムの一つの要素は固体原料自由形式付着（ＳＦＦＤ）工程であり、ここでは金属あるいは非金属材料の固体平面原料が基板上にレーザー融解され、一方同時に望ましい幾何学的形状に形成される。
原料が完全密度材料であり、その基板への融解がレーザー融解の従来の方式で行われるために、材料付着の前に液化の必要はない。これは融解工程で付着するエネルギーの著しい減少となり、また部品内での内部残存応力の減少、少ない変形、および部品のより良い精度を意味する。
この発明は同一層内で隣接する原料の側面に並ぶ原料の融解能力を提供する。原料長軸を横切るエネルギー光線の走査は隣接する側の突合せ溶接を可能にする。それは同一層内での原料の多重経路を提供する。
光線走査は原料を横切るだけでなく原料の長軸に沿っても生じる。追加の運動は図１８および１９で示されるように、同一層内で従来敷かれた原料溶接層への原料端部の突合せ溶接を可能にする。
新しい工程についての下記の性能はその手頃な費用、高生産割合を示すと共に、それを従来の高速製造工程と区別する。
ａ．後処理は必要とされない。レーザー溶接パラメータの適切な選択は基礎材料に等しい機械特性を持つ高品質での低熱影響部を保証する。その結果は残存応力の低下と高精度部品、高価な後処理工具類および生産サイクルタイムの節約である。
ｂ．平板固体原料の使用は他の高速製造法で使用される時間のかかる「犠牲的材料層」すなわち支持構造を必要とすることなく大型「張出し」構造を持つ部品の生産を可能にする。
ｃ．構築の材料は多孔が常に存在する紛体焼結材料とは異なり完全密度のものである。
ｄ．室温で常圧でまた繊維のスペースを取る精密制御で連続繊維ＭＭＣ材料を生産する能力がある。
図１０は新しいＳＦＦＤシステムを図示する。図１３〜２３はこのシステムで生産され得る複合三次元３０４ＳＳＴ部品の例を示す。完全機能的ＳＦＦＤシステムは前記の特性および性能をとり込んでいる。新しい多重原料モジュール（ＭＦＭ）は、このシステムの変形および全体としての製作精度、高出力レーザーおよびその品質ならびに融解速度への作用に影響する。
多重材料付着技術および黒鉛繊維テープ付着ならびに被包技術が使用される。黒鉛テープ／金属空調設置は金属空調への黒鉛テープの信頼できる設置および続く基板への融解結合を提供する。
このシステムは複合構造成分で見出されるハニカム構造および他の特性などの金属およびＭＭＣ複合体形状を製造するために使用される。
この発明は特異的実施例を引用して説明されてきたが、この発明の修飾および変更は下記の請求範囲で定義されるこの発明の範囲を逸脱することなく構築することができる。

Claims (33)

1. 一つの三次元製品構築方法であって、各種の縦断面図を持つ金属および非金属材料薄層原料を原料分配ノズルを通じて望ましい位置に送り、既存の融解層に原料の信頼できるスポットあるいは連続溶接に十分な局所限定熱入力を産出するサイズと出力密度のレーザー光線で原料を融解し、一方原料断面を事実上もとの形状に維持し、また三次元モデル生成物の高精度および寸法安定性ならびに良好な表面品質を産出することを含む三次元製品構築方法。
2. 請求の範囲第１項に記載の方法であって、更にその上でレーザー光線を横断する平面上で層が産出される基板をＸ−Ｙ方向に移動し、また原料の送り部の下側で望ましい部品の各断面域の境界および内部をトレースし、原料分配ノズルをレーザー光線の軸の周りで回転させ、また原料が既存の層に融解される点で境界曲率に接線の方向で原料の送達軸を連続的に位置決めすることを含むことを特徴とする方法。
3. 請求の範囲体２項に記載の方法であって、更にレーザー源からの線形偏光光線を移相ミラーに向けることによりレーザー光線を形成し、ミラーで線形偏光光線を円形偏光光線に転換し、また円形偏光光線をレンズに向けレンズで光線を原料上のスポットに焦点を集めることを含むことを特徴とする方法。
4. 請求の範囲第２項記載の方法であって、更に原料をスプールに貯蔵し、原料をスプールから取り出し原料を原料駆動装置で分配ノズルに押し込み、原料をノズルから放出する前に分配ノズル間で原料を曲線に曲げ、ガスをノズル内に導入しガスを原料近くのノズルから放出することを含むことを特徴とする方法。
5. 請求の範囲第４に記載の方法であって、更にスプール、原料駆動装置、ノズルおよびレンズをアセンブリとしてレーザー光線軸の周りで回転させ、原料が融解される線に沿ってレーザー光線軸およびアセンブリを相対的に移動し、アセンブリを線曲線としての軸周りで回転させ、またレンズを移動かつ原料を溶接し切断するために原料を横切り光線スポットを横断させることをと含むことを特徴とする方法。
6. 一つの製品構築装置であって、フレーム、フレームに配設されたレーザー光線源、フレームに配設された光線エキスパンダおよびミラー、およびフレームに配設された原料送達モジュール支持体、原料送達モジュール支持体に配設された回転ステージおよび回転ステージに配設された回転アーム、回転アームに配設された原料送り装置および回転アームに配設されたレーザー光線焦点レンズ、回転アームに配設された原料貯蔵スプールおよびスプールに貯蔵された平角線原料、スプールと送り装置から原料を受け入れるためまたノズルの先端部からの原料を延ばすために回転アームに接続された原料ノズル、ここでこのノズルの先端部はレーザー源からミラーにまた支持体、回転アームと回転ステージとレンズを通じて投射されるレーザー光線と整列され、原料の連続層を付着し融解することでモデルを構築するために、ノズル先端部から拡張する原料を受け入れ基板あるいは原料の既存の融解層に原料を融解するようにフレームと関連してＸ−Ｙ方向でのステージの相対的な移動に従って予め定められたパターンで原料を受け入れるノズルの下に位置決めされた直角可動ステージを含む製品構築装置。
7. 請求の範囲第６項に記載の装置であっで、ここでスプールおよび回転ステージならびにレンズがレーザー光線軸と整列されることを特徴とする装置。
8. 請求の範囲第６項に記載の装置であって、ここで原料送り装置がステッパーモーターで駆動されるピンチローラーを含むことを特徴とする装置。
9. 請求の範囲第６項に記載の装置であって、ここでレンズがレーザー光線軸を横切り旋回心軸回転される取付け台に配設され、更に回転アームに配設されかつ原料を溶接し切断するための原料を横切りレーザー光線スポットを横断するため旋回心軸に沿ってレンズ取付け台を移動させるようにレンズ取付け台に接続された駆動装置を含むことを特徴とする装置。
10. 請求の範囲第６項に記載の装置であって、更に原料の融解の間原料とレーザー光線の交差部を不活性ガスで一杯にするためにノズルに配設された不活性ガス通路を含むことを特徴とする装置。
11. 請求の範囲第６項に記載の装置であって、ここでレーザー源が線形偏光光線を産出し、またここでミラーが線形偏光光線を円形偏光光線に転換し、更にまたここで円形偏光光線が光ズルから放出されたばかりの原料にレンズを通して通過することを特徴とする装置。
12. 請求の範囲第６項に記載の装置であって、ここでノズルが、基板あるいは原料の既存の融解層と接線方向に原料を放出するために半径内に原料を曲げノズルの原料路内に半径を持つ原料通路を持つことを特徴とする装置。
13. 請求の範囲第６項に記載の装置であって、更に直角可動ステージ、回転ステージおよび原料送り機構を制御するための多軸制御装置を持つコンピュータを含むことを特徴とする装置。
14. 一つの製品構築装置であって、製品が構築されるステージ、レーザー光線を製品に向けるレーザーシステム、製品上のレーザー光線が衝突した位置を不活性ガスで一杯にするためにステージから間隔を置いた不活性ガスノズル、ステージから間隔を置いた複数の材料貯蔵所、ガスノズルを支持するステージから間隔を置いた支持体、ここで材料貯蔵所はこの支持体に配置され、支持体に配設され製品にレーザー光線の衝突の際に製品に材料を送るための複数の材料貯蔵所に接続された複数の送り装置、材料貯蔵スプール及び原料を回転させるために支持体に接続されたモーター、およびステージあるいは支持体およびレーザーシステムをＸ−Ｙ−Ｚ方向で前後、左右および上下に相対的に移動させるためにステージあるいは支持体に接続された機械装置を含む一つの製品構築装置。
15. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、更に支持体に配設されたミル駆動装置、および製品が構築されあるいは原料が送達されて製品あるいは原料の表面がミル化されることに対してミル工具を位置決めするためにミル駆動装置に接続されたミル工具を含むことを特徴とする装置。
16. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、ここで材料貯蔵所が第１および第２もしくは多重貯蔵スプールを含み、また第１および第２もしくは多重材料が貯蔵スプールに貯蔵された材料の第１および第２もしくは多重リボンを含むことを特徴とする装置。
17. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、ここでレーザーシステムが更にレーザー光線を生産し、レーザー光線を拡張し、またレーザー光線を製品に再指向するためにレーザーヘッド、光線エキスパンダおよび移相ミラーを含むことを特徴とする装置。
18. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、ここで支持体が固定操作架台、固定操作架台と関連して移動する固定操作架台に接続された可動操作架台、および固定操作架台に関連して可動操作架台を移動させるために固定操作架台と可動操作架台の間で接続された駆動装置を含むことを特徴とする装置。
19. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、更にレーザー光線を構築される製品に焦点を集めるために支持体に接続されたレンズを含むことを特徴とする装置。
20. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、ここで材料が連続融解され、焼結されまた密度を高められた平らな未焼結セラミック繊維原料であり一方部品の幾何学的形状は構築され、未結晶原料の焼結縮みは最終部品精度の増加した完全に密な複合体セラミック構成材の生産を可能にする制御された送り機構により補償されることを特徴とする装置。
21. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、ここで金属および非金属の単一多重材料が使用されることを特徴とする装置。
22. 請求の範囲第１４項に記載の装置であって、ここで製品が同一もしくは補助送り装置で同一の層に突き合わせ溶接された異なった材料の隣接条片から構築されることを特徴とする装置。
23. 請求の範囲第１５項に記載の装置であって、ここで製品が横方向移動層で構築され、また生成段階が滑らかな移行のために研磨されることを特徴とする装置。
24. 前もって送り込まれ融解された材料層に異なった材料の層を交互に送り込み融解することにより、条片材料の薄層を送り込み融解することにより構築される一つの多層製品。
25. エネルギー量を少なくして結合材料あるいは他の材料の前もって融解された層に原料の結合を可能にする結合材料で被覆された非金属平角原料を送り込むことにより構築される一つの多層製品。
26. 請求の範囲第２５項に記載の製品であって、ここで製品が滑らかに研磨された傾斜外壁を持つことを特徴とする製品。
27. 請求の範囲第２５項に記載の製品であって、ここで製品が先行する層と関連して角度で相殺される層を持つことを特徴とする製品。
28. 形状を持つ製品を生成する一つの方法であって、第１材料の第１条片を製品の望ましい位置に送り込み更に第１材料を製品上に置き、一方適所にある材料を同時にエネルギーを与え固定し、材料条片を繰返しあるいは連続して移動することにより材料条片を曲げ、一方材料を送り込み材料条片を製品の新しい位置までエネルギーを与え固定し、材料の第１の条片を切断し、第２材料の第２条片を製品に送り込み、材料の第１の条片にエネルギーを与え製品に固定し、材料の第２条片を移動することで第２条片を曲げ、更に材料の第２条片を曲げ、エネルギーを与えかつ製品上の更に先の位置で固定することを含む方法。
29. 請求の範囲第２８項に記載の方法であって、更に材料の異なった層を製品で変更することを含むことを特徴とする方法。
30. 請求の範囲第２８項に記載の方法であって、更にエンドミル工具を製品と接触するように進め製品の側面を研磨することを含むことを特徴とする方法。
31. 請求の範囲第３０項に記載の方法であって、更にレーザーシステムおよび操作架台を製品から間隔をあけた固定位置で支持し、回転操作架台を固定操作架台上で支持し、多重材料条片の材料供給量を回転操作架台上で支持し、またエンドミル工具を持つミリング機器を回転操作架台上で支持することを含むことを特徴とする方法。
32. 請求の範囲第３１項に記載の方法であって、更に区別された材料条片の研磨および製品への送り出しを制御し、条片送り出し装置の動きを制御しまたコンピュータ内の多機能多軸制御装置により製品の動きを制御することを含むことを特徴とする方法。
33. 請求の範囲第２８項に記載の方法であって、ここで、同一層に横方向に隣接する製品に交互に並ぶ条片を送り出しまた融解し、および同時に隣接条片を融解することを含むことを特徴とする方法。

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