JP6203190B2 - 材料付加及び造形の組合せによる加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、材料付加（addition of material）及び造形（shaping）の組合せにより加工（machining）する方法及び装置に関する。本発明方法及び装置は、３次元形状又は表面の微細幾何学的（ジオメトリ）品質が材料付加及び造形を個別に適用することによる加工方法を使用しては得ることができない部品を形成する上で、とくに好適である。以下の説明において、作製している部品がマシン空間内で再位置決めされるとき、このような再位置決めがマシンの変更によって行われるか、又は部品がマウント部若しくは加工パレット上に維持されている部品をトランスファーマシンの１つのゾーンから他のゾーンに転送することによって行うかは、方法は別個に行われると見なされ、又は部品が同一マシンに取付けられたままで、このマシンの構成を大幅に変化させ、例えば、この変化を加工ヘッド交換により行い、これによりマシンの軸原点若しくは動的挙動が変更されるとき、又はマシンの数値制御システムにおいて保存される移動補償テーブルが変更される若しくは移動補償テーブルが同一構成ではマシンの挙動をもはや反映されない場合、方法は別個に行われると見なされる。本明細書の残りの部分において、用語「加工フェーズ（machining phase）」は、同一部品に対して実施する、しかも部品の加工ステーションを変更することなく、また加工ステーションの構成及び部品の位置決めを変更することなく実施する一連の加工オペレーションを意味する。

本明細書全体において、用語「加工（machining）」は機械加工の行為に適用し、また動詞「加工する（to machine）」は、マシンツール（工作機械）において材料又は部品を加工する一般的な意味であると理解されたい。

材料の付加及び除去双方による加工方法は従来既知である。特許文献１（特開第２０１０−２８０１７３号）は、同一マシンで付加加工方法及び材料除去を使用する加工方法の組合せを有する装置及び方法を記載している。その従来技術において、その方法の実施は、同一フレームに取付けるが、異なる移動軸を使用する２つの明確に異なる加工装置を使用する。したがって、この従来技術においては、一連のエフェクタによる第１シリーズを使用してパウダーベッドを堆積し、またパウダーベッドの一部をパウダーベッドにおける軌道がミラーの移動によって決定されるレーザービームによって焼結し、またフライス削りスピンドルを含む一連のエフェクタによる第２シリーズを使用し、フライス削りスピンドルの運動はミラーの移動を制御する軸線とは異なる数値制御軸線によって制御する。これらは、実際には同一フレームを共有する２つの異なるマシンである。従来技術による材料除去方法は、堆積した材料の表面をレタッチ（修整）することによって付加加工の実施条件を支援し、これによって表面のジオメトリを補正(correct)し、またすべての汚れを取り除いて後続オペレーション中に堆積される材料層の結合を支援する。したがって、この従来技術は、主に付加加工（additive machining）により形成した部品の材料における安定性確保を目的とし、複合加工オペレーションの精密性に関しては特に目的とはせず、付加オペレーションと材料除去オペレーションとの間におけるフェーズ変化に起因して精密性は得られない。

本発明は、とくに、ただし他を排除するものではないが、図１に示すような複雑形状を有する部品を形成することを目指す。何ら限定的ではなく、単に本発明が解決する技術的問題を説明することのみを意図する図１の実施例において、形成すべき部品１００は、中心に孔１１５を有して基板をなすフラットな堅固プレート１１０と、孔１１５を中心とする複雑な円錐形の形状を有する中空の突起物１２０とを備え、中空突起物１２０は材料を付加することによって得ることができる。部品１００の全体性は、複雑形状を有する突起物１２０の外側及び内側双方における表面条件に関連する制約を持って形成され、例えば、ＩＳＯ標準４２８７による算術平均表面粗さＲａを１.６μｍ（１０^−６メートル）とする。その他に、その部品は、ジオメトリに関する制約、例えば、プレートの孔１１５とこのプレートにおける円錐状突起物１２０の孔との間における同心性公差、及び突起物１２０の壁における厚さｅの製造公差をも持って形成されることがある。例えば、これら製造公差は０.０５ｍｍとする。従来技術の既知方法によれば、このような達成制約を有する部品１００は１回の位置決めだけでは作製できず、したがって、必要な精度を得ることは細心の注意を要し、また大量生産には適さない。

以下において、用語「基板（substrate）」は、部品の初期材料であり、この初期材料上に付加による加工を使用する方法によって材料が堆積される初期材料を意味し、このようにして堆積される材料は、基板材料と同一タイプとするか、又は異なるタイプとすることができる。

図１に示す１回だけの位置決めによる部品１００の作製は、１つの回転運動及び２つの回転運動の使用であっても、付加加工オペレーション及び材料除去若しくは切除加工を含む加工オペレーション双方のために必要とする。代表的には、このような部品は、部品とツールとの間に少なくとも５個の相対運動軸を有するマシンで作製しなければならず、５軸は、例えば、３個の互いに直交する方向への変位及び互いに直交する軸線に沿う２個の回転軸を含む。このような部品を作製するため、５軸は連続的に使用しなければならず、すなわち、加工ツールは加工される表面に対して絶えず指向させねばならない。５軸マシンのアーキテクチャとしては様々なものが従来技術で既知である。加工プログラムを異なるマシン構成間である程度共用できるようにするために、プログラミングは、ツールの動的部分の端部運動を既知のかつ共通して使用される方法に従って記述することによって行う。マシンにプログラムを実装するためには、各ツールを、「ゲージ」すなわち、ツールをマシンのスピンドルに装着するときツールの動的部分の位置をマシン基準で定義する数値を有するファイルに関連付ける。ゲージファイルをマシンの制御システムのメモリに保存した運動学的作業テーブルに組込み、この運動学的作業テーブルは、プログラムした変位順番を電動軸の変位に翻訳し、必要な軌道を取得する。したがって、マシンのアーキテクチャが並列タイプであるとき、このような単純な変位は、アーキテクチャに基づいて５又はそれ以上の電動軸の運動を生ずる。

必要とされる加工精度を、とくに高い送り速度で得るため、従来技術を使用する数値制御加工マシンは補償テーブルを有する。これらテーブルは、マシン誤差、とくに、機械的誤差を修正することができる。このような誤差は様々なものに由来し、例えば、製造欠陥、剛性変動、変形、熱膨張等がある。したがって、すべての数値制御マシンは、精度及び性能が最適になる可動範囲を有し、その可動範囲外では性能が低下する。ゲージが最適可動範囲から逸脱移動する必要があるような、又は構造に追加される質量がその動的挙動を変更するようなツールを伴う軌道に従うことは、新しい補償テーブルを再ローディング（リロード）することが必要になる逆条件でマシンを動作させることになり、このことは、結局他のマシンを使用し、また加工フェーズを変化させることを意味する。

特許文献２（欧州特許第１６１４４９７号）は、同一マシンを使用して付加加工及び切除加工を組合せる加工装置及び方法を記載している。１つの加工モードから他のモードへの変化は、付加加工装置を加工ヘッドの端部に、又はマシンのスピンドルに直に取付けることによって行う。付加加工装置は、溶融手段、材料供給装置及びブロー成形手段を有する。したがって、その付加加工装置のマシンヘッドに対する取付けは、移動する質量を大幅に変更し、また付加加工中のマシン挙動が、切除加工中における同一マシンの挙動とは異なってくる。

特許文献３（欧州特許第０５２９８１６号）は、付加加工及び切除加工を組合せる加工装置及び方法を記載している。この付加加工装置は、切除加工スピンドル近傍に恒久的に取付け、したがって、マシン質量は双方の加工構成におけるのとほぼ同一である。特許文献３は、材料除去による既存加工マシンに付加加工装置を追加することを教示している。したがって、自動ツール交換能力を保持し、かつ切除加工オペレーション中における装置と部品との間の干渉を回避するためには、付加加工装置をマシンスピンドルから離して配置する。したがって、付加加工装置を使用するとき、マシンは最適可動範囲の境界における、又はその外側における範囲で作業することになる。その効果は、特許文献３に記載のように、マシンが一連のアーキテクチャを有し、また互いに直交する３つの線形移動軸だけを有するときに有効である。さらに、特許文献３は、プレフォーム、すなわち、素材ブランク様をなす材料ブロックの付加加工を教示する。精密度は切除加工によって得ており、したがって、付加加工に必要とされる精度は、マシンの精度よりも数分の１程度低い。この特許文献３が教示する技術的解決策は、付加加工又は切除加工のうち一方のオペレーションが、形成される表面に対してツール方向の連続制御を伴う運動を必要とするケースには適用できない。

特開第２０１０−２８０１７３号明細書 欧州特許第１６１４４９７号明細書 欧州特許第０５２９８１６号明細書

本発明は、従来技術の欠点を解決することを意図し、また、したがって、部品を加工する装置に関連し、本発明装置は、
ａ. 加工ヘッド及び作業空間として知られるマシン空間内で前記加工ヘッドを変位するための回転軸を含む電動軸と、
ｂ. 部品を前記作業空間内の所定位置に位置決めし、また保持する手段と、
を備え、
ｃ. 前記加工ヘッドは、材料造形ツールを支持する手段及び材料を供給できる供給手段を有する
ことを特徴とする。

このように、本発明装置によれば、同一の手段によって動作させられる同一加工ヘッドを使用して、付加加工から造形加工に、またその逆に移行できる。加工オペレーションが変化するとき構体の質量は同一のままとなる。

さらに、本発明は上述の装置によって実施する方法に関し、本発明方法は、
i. 付加オペレーション中、供給手段を使用して部品に材料の層を堆積するステップと、
ii. 造形オペレーション中、造形ツールにより前記部品の一部を造形するステップと、
を有し、
iii. 前記付加オペレーション及び前記造形オペレーションは、同一加工フェーズで空間に３次元的に延在する軌道に沿って実施し、また前記供給手段及び前記造形ツールを前記軌道に対して法線方向に指向させることを特徴とする。

このようにして、付加オペレーション及び造形オペレーション中に加工される部品の部分は、同一フェーズで、すなわち部品の位置の変化がなく、かつ加工ステーションの構成を変化することなく形成されるので、完全に互いに位置決めされる。軌道に対する加工ヘッドの法線方向は、堆積される材料を、厳密に必要とされ、作製される部品の表面品質を向上するような品質に制限することができる。

本発明は、以下に説明する有利な実施形態で実現することができ、これら実施形態は個別な又は任意に技術的運用上の組合せと見なすことができる。

有利には、本発明装置は、さらに、
ｄ. 前記加工ヘッドに配置した感知手段と、
ｅ. 前記電動軸上で、前記マシン空間内の前記感知手段の位置を測定する測定手段と
を備える。

このようにして、２つの加工オペレーションを結び付ける上でマシンに固有の精度に加えて、感知手段が２つの順次加工オペレーションを完全に結び付け、とくに、部品の熱膨張に起因するずれを補償することができる。

有利には、造形ツールは切削ツールとする。これにより、基板及び部品に堆積した材料双方を材料除去による加工を行い、寸法を修正（calibrate）し又は明確な表面条件を得ることができる。

本発明装置の一実施形態において、装置は、さらに、
ｆ. 前記切削ツールに切削運動を伝達する手段
を備える。
このようにして、本発明装置は、フライス削り又は研磨、とくに、研削ホイールによる材料除去オペレーションを完遂ことができる。

本発明装置の一実施形態において、装置は、さらに、
ｇ. 前記部品に切削運動を伝達する手段
を備える。

このようにして、本発明装置は、回転する部品に対して転回又は光沢仕上げオペレーションによる加工能力に適合し、切削運動によって回転対称が得られる。

有利には、本発明装置の造形ツールは、塑性変形によって前記材料を成形するツールとする。このようにして、本発明装置によれば、造形及び表面若しくは堆積した材料の造形及び歪み取り双方を行うための造形オペレーションを実現することができる。この実施形態は、上述の実施形態と両立できる。

有利には、本発明装置の材料供給手段は、
ci. 金属のパウダーを噴出するオリフィスを持つノズルと、
cii. 前記ノズルのオリフィスと同軸状のレーザービームを発生し、前記パウダーが噴出されるとき前記パウダーを溶融できるデバイスと
を有する。

このようにして、材料堆積は、材料付加ポイントが完全にマシン空間内で規定されるとき精密な軌道に沿って制御される。

有利には、本発明方法において、付加オペレーション及び造形オペレーションは、前記加工ヘッドの質量がほぼ一定で順次に実施する。このようにして、２つのオペレーションはマシンの補償テーブルを最適に利用する。

有利には、本発明方法を使用する付加加工及び造形加工は、空間に３次元的に延在する軌道に沿って実施し、また溶融パウダー噴射又は造形ツールの軸線をその軌道に対する法線方向に指向させる。

有利には、本発明方法を使用する造形オペレーションは、先行の付加オペレーション中に堆積した材料の層に対して実施する輪郭切削オペレーションとする。このようにして、堆積した材料の層は、輪郭及び厚さの点で修正することができる。

有利には、付加オペレーション中に堆積した材料の層（２２０，８２０）は、最初に受けた造形を有する表面上に付加する。このようにして、前記表面上に堆積する層の結合に有利となることに加えて、２つの方法の組合せにより、それぞれが所望形状形成に寄与するのを最適化することができる。

本発明方法の１つの有利な実施形態において、本発明方法は、さらに、
iv. 造形オペレーション又は付加オペレーションの前に部品感知オペレーションを行い、前記マシン空間における前記オペレーションを再調整できるようにするステップ
を有する。

このようにして、部品をより高い精度で作製し、いかなる幾何学的差異をも補正することができる。用語「感知（sensing）」は、本明細書ではより広い意味であって、非接触測定方法又は加工ヘッドに装着したデバイスを含むものと理解すべきである。

有利には、造形オペレーションは漸進的成形オペレーションとする。このようにして、本発明装置によれば、金属シートから開始して複雑な形状を得ることができる。

本発明方法の１つの特別な実施形態において、基板及び前記付加オペレーション中に堆積される材料は異なるタイプとする。このようにして、付加加工オペレーションによれば、形状形成した表面上に特別な特性、とくに、材料堆積層、ひいては形成した部品における硬度又は耐腐食性を付与することができる。

本発明方法の１つの有利な実施形態において、材料を堆積する表面に対する先行の造形は、漸進的成形オペレーションとする。このようにして、基板は、極めて成形が容易な材料から選択し、使用時の特性を堆積材料によって向上することができる。

本発明方法の最後の有利な実施形態において、本発明方法は、漸進的成形によって最初に造形された前記表面上に対する材料付加オペレーションの終了時に、
v. 先に造形した前記表面上に堆積した材料の層（８２０）に対して切削オペレーションを実施するステップ
を有する。

このようにして、向上した表面品質に加えて、このオペレーションによれば、造形方法又は付加方法によっては、得ることができない微細細部を造形することができる。

有利には、本発明方法を実施するには、レーザービームを使用する材料付加加工用のヘッドを備える装置を使用し、本発明方法は、さらに、
vi. ステップ（i）〜（iii）で形成した部品上に追加ピースを配置するステップと、
vii.前記加工ヘッドの前記レーザービームを使用して前記追加ピースを前記部品に溶着するステップと
を有する。

このようにして、本発明方法は、基板と追加ピースとの間に含まれる表面を有する部品を作製することができる。

したがって、本発明は、最後の実施形態の本発明方法により得られる複合部品、いわゆる「サンドイッチ」部品に関連し、この部品は、
x. 加工した第１基板と、
y. 第１基板から隆起して延在する補強材であって、本発明の上述した実施形態のうち１つの方法により基板上に堆積した、該補強材と、
z. 前記補強材の頂部に配置しかつ溶着によって補強材に固着した第２基板と
を有する。

このようにして、本発明方法の異なる実施形態を組合せることによって、複雑なサンドイッチ部品、例えばハニカム部品を作り出すことができる。例えば、２つの基板は、互いに異なって平行でないように造形する、又は補強材の密度を部品の表面にわたり可変にすることができる。

有利には、第１基板、補強材及び第２基板は異なる材料で形成する。

本発明を以下に、限定的ではない好適な実施形態につき、図１〜１０を参照して説明する。

本発明による方法を使用して形成すべき部品の実施例を示す斜視図である。 ２Ａ〜２Ｆは、それぞれ図１の部品を本発明による方法及び装置を使用して形成するスタート時に対応する順次の第１オペレーション段階を示す部分断面図である。 本発明を実施するよう構成した数値制御マシンの基本構造の実施例を示す斜視図である。 本発明による加工ヘッドの例示的実施形態のケーシングを開放した状態の輪郭図である。 本発明による加工ヘッドの例示的実施形態の正面からみた斜視図である。 図５に示す加工ヘッドのケーシングがない状態における端部から見た斜視図である。 回転対称性を示す基板を有する部品の実施例を示す頂部から見た斜視図である。 ８Ａ〜８Ｃは、漸進的造形オペレーションを含む本発明による方法における順次のオペレーション例である。 本発明によるサンドイッチ部品の例示的実施形態における分解斜視図である。 本発明による方法の複雑実施形態のフローチャートである。

図１の部品１００を作製する第１オペレーションに対応する本発明による方法の例示的実施形態を示す図２Ａにおいて、この方法は、プレート１１０に孔１１５を形成する第１輪郭フライス削り加工ステップを有する。その目的のために、プレート１１０をマシン空間及び造形ツール（この場合フライスカッタ２４０を選択する）に位置決めする。

図２Ｂにおいては、孔が形成され、材料付加加工手段２５０を選択し、形状１２０の第１部分２２０を形成できるようにする。本発明による方法において、そのオペレーションは、マシンヘッドを交換することなく、またプレート１１０の位置決めを変更することなく実施し、これにより堆積した材料２２０と、初期に形成した孔１１５は完全に相対位置決めされ、なぜなら位置決め精度はマシンの軌道追跡精度にのみ依存するからである。１つの例示的実施形態において、材料付加加工方法は、溶融パウダー噴出方法であり、このようなパウダーはレーザービームによって溶融する。このような方法は、例えば、欧州特許第０５７４５８０号に記載されている。これは結合剤を要することなく材料付加加工することができる。したがって、堆積した材料は、注型方法によって実施するときと同一の材料における機械的特性に近似する機械的特性を有する。順次の層を堆積することにより、このようにして形成された表面上に隆起又は段差２２１を生ずる。

図２Ｃにおいて、本発明による方法の例示的実施形態で、上述のオペレーションの材料付加加工した部分２２０を輪郭フライス削りによって補修（rework）し、厚さｅを修正し、隆起を排除し、また必要な表面条件品質が得られるようにする。このようにして、この実施形態において、付加加工オペレーションのパラメータを最適化して、本発明方法により可能になる堆積材料の最良品質を、堆積材料２２０の正確なジオメトリ（幾何学的形状）に関する制約がなく、後続の輪郭フライス削りオペレーション中の補修により達成することができる。マシンは２つのオペレータ間で再構成することがなく、また部品の位置決めも変更せず、したがって、付加材料２２０の部分のマシン空間における位置は完全に把握される。輪郭フライス削りオペレーションは、軸の再調整することなく実施される。この輪郭フライス削りオペレーションを実施する精度は、マシン軌道追跡精度にのみ依存する。

実際、図３の例示的実施形態において、本発明による装置は、エフェクタ３４０を支持する加工ヘッド３７０を有するマシン３００備える。この発明において、このエフェクタは、造形ツール又は付加加工用ノズルを有し、付加加工手段及び造形加工手段は常に加工ヘッドに一緒に存在し、したがって、加工ヘッドの質量は、造形ツールの重量範囲内でほぼ一定である。この加工ヘッド３７０は、マシンの作業空間内において数値制御システムで制御される電動軸によって移動する。非限定的なこの実施形態において、マシン３００は、互いに直交する３つの変位軸、すなわち、
・マシンにおけるテーブル３６１の変位に対応する水平軸３１１（いわゆるＸ軸）と、
・上述した水平軸３１１に直交し、加工ヘッド３７０を支持するラム３６２によって担持される水平軸３１２（いわゆるＹ軸）と、
・上述した他の２つの水平軸に直交し、ラム３６２をカラム３６３に沿って案内するよう力を伝達する垂直軸３１３と
を有する。

変位移動に対応するこれら３つの軸は、この例示的実施形態において、２つの回転変位軸、すなわち、
・加工ヘッド３７０に与えられるＹ軸周り（いわゆるＢ軸周り）の回転運動軸３１４、
・それ自体テーブル３６１に連結されたプラテン３６４によって担持され、Ｚ軸周り（いわゆるＣ軸周り）の回転運動軸３１５
に関連する。

これらすべての軸は数値制御システム（図示せず）によって制御され、この数値制御システムは適切なセンサによって各軸の位置を測定し、したがって、各軸の位置はマシンに連結した基準ポイント３１０において知得される。マシンにおける部品１００の位置決めは、この部品の、すなわちその表面のマシン基準ポイント３１０に対する位置及び方向を決定する。直列アーキテクチャとして知られているアーキテクチャを有するマシンのこの実施形態は唯一のものではなく、他の有利な実施形態において、マシンは並列アーキテクチャとして構成した電動軸を有する。すべてのケースにおいて、本発明による加工装置は十分な数の変位軸を有し、これにより造形ツール及び付加加工ツール双方ともに、作業空間内で３次元的に延在する軌道に対する法線に沿うよう連続的に指向させることができる。

従来技術の通常のまた既知の特性とともに、数値制御システムは、第１に、軸位置センサ及び変位センサから受取るマシンの基準におけるジオメトリ情報を、ツール又は一般的に加工ヘッドに取付けたエフェクタの位置及び方向に変換することができる数値テーブル、また第２に、マシン変形、移動の不精度又は熱膨張さえも補償でき、これら分散源にも係わらずエフェクタ３７０の実際の軌道とプログラムした軌道との間における整合を確実にする補償テーブルとして知られるテーブルを有する。

このように、部品１００を所定位置に配置したり、マシン空間における所定位置に戻したり又は位置変更したりすることは、マシン空間における部品の位置決め及び方向を不確実にし、この不確実性は、その位置の測定手段及びその位置状態をマシンの軸制御に変換する能力の精度に依存する。この問題は、マシン空間内で再位置決めする表面が複雑形状の表面であるとき、なお一層正確にしなければならないと感じられる。

同様に、従来技術におけるような１つのタイプのエフェクタから他のタイプのエフェクタに移行するといった加工ヘッド３７０又は他の変位軸使用の変化は、先ず、マシンにおける新たなヘッドの不正確な位置決めをもたらし、これはとくに、ジオメトリ変換及び補償用の新たな数値テーブルをローディングする必要性に起因する。このようなオペレーションは、同一加工プログラムにおいて実施することはできない。したがって、数値制御マシンにおけるヘッド交換は、結局マシン交換に等しく、また部品がヘッド交換中にマシン上における所定位置に留まる場合であっても、マシン基準における有効な位置及び方向は軌道に対して変更されることになる。したがって、本発明による装置は、マシン構成の変化及び部品の再位置決めの双方を回避することにより、費用効果を向上し、また図２Ｃに示す厚さ寸法ｅのような精密寸法を迅速に得ることができる。

図２Ｄに示すように、とくに、レーザービームによって溶融したパウダー噴出のようなホット付加加工方法の場合、部品の形状は、２つの材料付加オペレーション相互間で、主に部品１００の熱膨張に起因して変化し易い。本発明による装置は、有利には部品の精密な形状を測定でき、したがって、付加加工軌道又は造形加工軌道を再調整できるようにする感知手段２６０を有する。

図２Ｅに示すように、本発明による方法の例示的実施形態では、感知オペレーションから得られるジオメトリ情報を使用して、再び付加加工手段２５０を選択することにより、第２区域２３０を第１区域２２０上に正確に堆積する。この例示的実施形態において、５個の変位軸を有するマシン３００を使用することにより、複雑形状を形成するよう付加加工手段２５０を指向させることができる。

図２Ｆに示すように、先行の付加加工オペレーション中に堆積した区域２３０は、その内側面及び外側面を材料除去加工手段２４０によって仕上げ加工し、区域２３０の形状、厚さ、及び表面条件を修正する。特別な実施形態において、その仕上げオペレーションは、適切なツール２４１により先行付加オペレーション中に堆積した区域２３０の頂部を補修することを含み、後続付加加工オペレーション中に堆積する材料層の結合を最適化できる形状にする。これら切除加工オペレーションのそれぞれに関し、ツール２４０，２４１は、作業空間におけるツールの有効端部が追従する軌道に対してほぼ法線方向に指向させると有利である。用語「ほぼ法線方向」は、過剰切削又は干渉を回避することを意図して法線方向に近似する方向を考慮している。

図２Ｄ〜２Ｆに示す上述のシーケンスは、仕上げした部品が形成されるまで繰り返す。材料除去加工オペレーション及び付加加工オペレーションを交互に行うことにより、他の造形技術によっては絶対に不可能である、完成しかつ全体的に仕上がった形状を形成することができる。

これら例示的実施形態における材料除去加工のオペレーションは輪郭フライス削り及び端部フライス削りの形態として示したが、本発明による方法は、あらゆるタイプの材料除去加工に適用可能であり、とくに、光沢仕上げ又は研磨のような研削加工オペレーションに適用可能である。

図４に示す例示的実施形態において、本発明による加工ヘッド３７０は、ケーシングがない状態で示し、少なくとも２つのタイプのエフェクタを連続して有する。すなわち、
・パウダーを噴射しかつ溶融させる付加加工ノズル４５１、及び
・材料除去加工するフライス削りスピンドル４４０
を有する。

締結インタフェース４７６により加工ヘッドを工作機械のラムに連結することができる。

図５に示す本発明による装置の有利な実施形態において、加工ヘッド３７０は連続して４個のエフェクタ、すなわち、第１付加加工ノズル４５１及びフライス削りスピンドル４４０に加えて、
・感知デバイス４６０、及び
・第２付加加工ノズル４５２
を有する。

この例示的実施形態において、各付加加工デバイス又はノズル４５１，４５２は、パウダー形態の材料を供給する手段４５３と、この材料をノズルで噴射するよう、封じ込め流体として知られる流体とを有する。各ノズルは、さらに、このように、噴射されるパウダーを溶融することができるレーザービームを生ずる手段４５４に接続する。

一例示的実施形態において、使用されるレーザーは定格出力が約４０００ワットのダイオードレーザーとする。このタイプのレーザーは、第１にパウダー材料を放出する手段と組み合せるとき付加加工オペレーションのために適用し、第２に単独で使用するとき溶着オペレーションのために適用される。

図６において、付加加工ノズル４５１，４５２はガイド６５１，６５２上で加工ヘッドに装着する。したがって、ノズルは造形オペレーション中に加工ヘッド内に後退し、ノズルと部品又はマシンコンポーネントとの間の衝突のリスクを回避する。２つの付加加工ノズル４５１，４５２を使用することにより、堆積する材料の量及び細部の微細度に応じて、同一加工フェーズ中に堆積した材料の性質を変更したり、又は堆積される材料の異なる出力量を使用したりすることができるようになる。

この例示的実施形態において、造形ツールはスピンドル４４０に標準的なアタッチメント４４１を介して取付け、このアタッチメント４４１によれば自動ツール交換を行うことができるようになる。非限定的実施例として、このアタッチメントはＩＳＯ標準１２１６４−１によるＨＳＫシリーズから、スピンドルの定格出力及び回転速度に適合する寸法のものを選択する。従来技術の既知の形態において、このようなアタッチメントは、ツールに関するジオメトリ情報を含むマイクロチップを有し、この場合、スピンドルは各ツール交換中に情報を自動的に読取り、したがって、情報を軌道計算に組入れることができるリーダを装備する。このように、本発明による方法を実施するマシンは自動ツール交換器を装備すると有利である。このときノズル４５１，４５２は各ツール交換時に後退する。

スピンドルは高速切削速度で材料を除去加工するよう構成すると有利である。したがって、部品表面は低減した切削力で仕上げ、これらオペレーション中におけるマシン及び部品双方の変形を制限できるようになる。

すべてのエフェクタ４５１，４５２，４４０，４６０は常に加工ヘッドに存在し、これにより本発明方法によって実現される異なる加工オペレーションは、造形ツールの重量の範囲内におけるほぼ一定のマシン質量で実施することができる。

上述の例示的実施形態において、材料除去による造形オペレーションは、切削運動をツールに伝達することによるフライス削りで実施される。

図７に示すように、軸線７１０周りの回転対称である表面を有する部品７００を形成するのに適した一例示的実施形態において、この部品は、転回を使用する造形方法により、部品の対称軸線７１０周りに部品に回転運動を与えて形成すると有利である。

その目的のため、図３に戻って説明すると、部品を固定するマシンのプラテン３６４は、特別な例示的実施形態において、プラテン３６４に適切な切削運動を伝達することができる電動手段に結合する。代案として、部品を水平方向又は垂直方向の転回中心を有する指標付きマンドレルに固定する。

図７に戻って説明すると、部品７００は、さらに、付加加工で形成した部品７２０を有する。代替的実施形態において、この部品は中空であり、また回転対称又は非回転対称のものとすることができる。

図８に示すように、本発明方法の例示的実施形態において、本発明方法はシート状の基板８１０を使用し、この基板は、図８Ａに示す漸進的成形（incremental forming）を使用する第１造形オペレーションを受ける。漸進的成形は、例えば、米国特許第３，３４２，０５１号に記載されている塑性変形を使用する造形方法であり、軌道を追従するツールを使用して素材ブランクを局部的に延伸することにより構成する。

図８Ａに示すように、金属シート８１０は、その端縁を型８４１におけるブランクホルダ８６０によって保持する。造形は、マシンのヘッドに装着した漸進的成形ツール８４０によって行う。

図８Ｂに示すように、造形後、ブランク８１０は型８４１の形状に追随する。次に付加加工装置２５０を使用して、例えば、延伸により生ずるブランクの厚さにおける局部的損失を補償する。本発明方法によれば、ブランク８１０を形成する金属は成形特性(formability characteristics)を考慮して選択することができ、このとき有利にも付加加工方法を使用して、ブランクに他の特性、例えば、初期ブランクの成形特性では両立できない硬度又は耐酸化性を与えるようブランクにコーティングを堆積することができる。一実施形態において、付加加工オペレーションを使用して、漸進的成形では得ることができない形状を作り出すことができる。例えば、造形した部品の厚さを局部的に補強して、例えば固定具を収容するよう設計したボスを形成することができる。

図８Ｃに示すように、付加加工オペレーション中に堆積した材料層８２０を、材料除去加工により補修して、局部的に精密な厚さにしたり、表面品質を画定したりすることができる。

同一加工フェーズにおけるこれらすべてのオペレーションの性能によれば、造形によって得られる表面形状に対して材料の付加及び除去を精密に位置付けし、したがって、部品を大量生産することができる。

図９に示すように、本発明による方法の例示的実施形態において、本発明方法は、ハニカム構造として知られている部品を挟み込んだ複合サンドイッチ部品９００を形成し得る。一例示的実施形態において、第１基板９１０は、例えば、材料除去によって加工して、所望のジオメトリ特性を与える。補強材９２０を基板上に付加加工により堆積し、必要であれば求められるジオメトリ特性に基づいて仕上げ加工する。第２基板９３０は、補強材９２０の頂部に配置し、また付加加工ノズルのうち１つにおけるレーザービームが補強材まで透過して補強材に溶着する。一例示的実施形態において、第１補強材９２０とは形状又は向きが異なる他の補強材（図示せず）を第２基板９３０上に配置し、他の補強材に第３基板を溶着し、またこれらを繰返して多層ラミネート複合材を形成する。

一例示的実施形態において、第１基板９１０、第２基板９３０及び補強材９２０は異なる材料で形成する。

図９の例示的実施形態は、ほぼ平坦なサンドイッチ部品９００の場合を示す。本発明方法は、展開的でないこともあり得る複雑形状を有するサンドイッチ部品を作製するのに適し、この場合、複雑形状は、材料除去、材料付加及び塑性変形を含む加工オペレーションのすべて又は一部の組合せにより作製する。

図１０に示すように、複雑な例示的実施形態において、第１基板をマシンのテーブル上に配置した型に位置決めする（ステップ１０１０）。その第１基板は、成形性を考慮して選択した金属シートの形態をとる。造形オペレーション中（ステップ１０２０）、第１基板を漸進的成形によって型にプレスする。コーティングオペレーション中（ステップ１０３０）、材料層を付加加工により基板の表面上に堆積する。これにより、その層の厚さ分増加した厚さを有する基板は堅固になる。切除加工オペレーション中（ステップ１０４０）、先行オペレーションで堆積した材料層を厚さが均一になるよう加工する。付加加工中（ステップ１０５０）、補強材、例えばハニカム補強材を基板表面上に堆積する。一例示的実施形態において、堆積したハニカムセルの寸法は、基板の端縁から中心に向かって可変にする。その堆積オペレーション（ステップ１０５０）は、順次の付加加工オペレーション（ステップ１０５１）と切除加工オペレーション（ステップ１０５２）を有する。切除加工オペレーション（ステップ１０６０）によりハニカムセルの頂部の補修をし、これによりハニカムセルの頂部は第１基板の表面に平行ではない表面を有する。金属シートの形態の第２基板をマシンに配置し（ステップ１０７０）、シート端縁でブランクホルダにクランプする。漸進的造形オペレーション（ステップ１０８０）中、第２基板をハニカムセルの頂部に押付ける。最終的に透過溶着オペレーション（ステップ１０９０）中、第２基板をハニカムセルの頂部に溶着する。このようにして、本発明装置によって実施する本発明方法によれば、表面に対して可変補強をもたらす補強材によって離間する２つの平行でない側面を有する複雑形状の複合部品を、マシンから部品を取出すことなく、得ることができる。

上述の説明及び例示的実施形態は、本発明が求めていた目的を達成することを示す。とくに、材料の除去、付加及び変形を含む複合加工方法により部品を自動的に作製することができ、この部品は、幾つかの材料で構成され、また各加工方法の軌道を互いに関連するよう再調整する可能性を提供する同一の数値制御プログラムを使用して作製することができる。本発明は、とくに、内部補強材、特別にはハニカム補強材を有する複合部品を製造するのに好適である。

Claims (13)

1. 部品（１００，７００）を加工する装置において、
   ａ. 加工ヘッド（３７０）、及び、作業空間として知られるマシン空間内で前記加工ヘッドを変位するための回転軸（３１４、３１５）を含む電動軸（３１１，３１２，３１３，３１４，３１５）、と、
   ｂ. 部品（１００）を前記作業空間内の所定位置に位置決めし、また保持する手段と、を備え、
   ｃ. 前記加工ヘッド（３７０）には、材料造形ツールを支持する手段（４４０）及び材料を供給できる供給手段（２５０，４５１，４５２）が恒久的に保持されており、
   前記供給手段は、金属のパウダーを噴出する２つの手段を備え、前記２つの手段それぞれが、
   ci. 前記パウダーを噴出するオリフィスを持つノズル（４５１，４５２）と、
   cii. 前記ノズルのオリフィスと同軸状のレーザービームを発生し、前記パウダーが噴出されるとき前記パウダーを溶融できるデバイス（４５４）と、を有し、
   前記供給手段は、前記加工ヘッド（３７０）内に後退可能なように、ガイド（６５１，６５２）上で前記加工ヘッド（３７０）に装着されている装置。
2. 請求項１記載の装置によって実施する方法において、
   i. 付加オペレーション中、供給手段（２５０）を使用して部品に材料の層（２２０，８２０）を堆積するステップと、
   ii. 造形オペレーション中、造形ツール（２４０，８４０）により前記部品（２２０，１１０，８１０）の一部を造形するステップと、
   を有し、
   iii. 前記付加オペレーション及び前記造形オペレーションは、同一加工フェーズで、ほぼ一定質量の前記加工ヘッド（３７０）により、空間に３次元的に延在する軌道に沿って実施し、また前記供給手段及び前記造形ツールを前記軌道に対して法線方向に指向させ、
   前記造形オペレーションは漸進的成形オペレーションである方法。
3. 請求項１記載の装置において、さらに、
   ｄ. 前記加工ヘッド（３７０）に配置した感知手段（２６０，４６０）と、
   ｅ. 前記電動軸（３１１，３１２，３１３，３１４，３１５）上で、前記マシン空間内の前記感知手段の位置を測定する測定手段と
   を備える、装置。
4. 請求項１記載の装置において、前記造形ツールは切削ツール（２４０）とした、装置。
5. 請求項４記載の装置において、さらに、
   ｆ. 前記切削ツール（２４０）に切削運動を伝達する手段（４４０，４４１）
   を備える、装置。
6. 請求項４記載の装置において、さらに、
   ｇ. 前記部品（７００）に切削運動を伝達する手段（３６４）
   を備える、装置。
7. 請求項１記載の装置において、前記造形ツールは塑性変形によって前記材料を成形するツール（８４０）とする、装置。
8. 請求項２記載の方法において、前記造形オペレーションは、先行の付加オペレーション中に堆積した材料の層（２２０，８２０）に対して実施する輪郭切削オペレーションとする、方法。
9. 請求項２記載の方法において、前記付加オペレーション中に堆積した材料の層（２２０，８２０）は、最初に受けた造形を有する表面上に付加する、方法。
10. 請求項３記載の装置で実施する請求項２記載の方法において、さらに、
    iv. 造形オペレーション又は付加オペレーションの前に部品感知オペレーションを行い、前記マシン空間における前記造形オペレーション又は前記付加オペレーションを再調整できるようにするステップ
    を有する、方法。
11. 請求項２記載の方法において、部品の初期材料、及び、前記初期材料上に前記付加オペレーション中に堆積される材料（２２０，８２０）、は異なるタイプとする、方法。
12. 請求項９記載の方法において、前記先行の造形オペレーションは漸進的成形オペレーションとする、方法。
13. 請求項１２記載の方法において、漸進的成形によって最初に造形された前記表面上に対する材料付加オペレーションの終了時に、
    v. 先に造形した前記表面上に堆積した材料の層（８２０）に対して切削オペレーションを実施するステップ
    を有する、方法。

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