JP6938624B2

JP6938624B2 - ３ｄオブジェクト形成装置

Info

Publication number: JP6938624B2
Application number: JP2019516031A
Authority: JP
Inventors: カミッレーリ，スティーブン; ダグラス，ライエル; ジャレット，トビー; ケネディ，バイロン
Original assignee: エフュージョンテックアイピーピーティーワイリミテッド
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-05-15
Also published as: JP2019523830A; CN109476086A; US11344951B2; EP3463812C0; WO2017210718A1; EP3463812A4; EP3463812A1; US20190344343A1; BR112018074073A2; EP3463812B1; CN109476086B

Description

発明の分野
本発明は、金属粉末のストリームから３Ｄオブジェクトを形成するための装置に関する。

背景
オブジェクトに５００〜１０００ｍｓ^−１の速さで金属粉末をコールドスプレーしてオブジェクトに保護コーティングを付与することが知られている。しかしながら、すべての機能的な目的のために、これらは単なる２Ｄ表面コーティングであり、３Ｄ特徴部を付与するために使用されない。２Ｄコーティングを塗布するための知られているデバイスは、粉末の経路と、粉末の経路が接触するオブジェクトとの間の関係を、３Ｄ特徴部の作製を可能にするのに十分に制御することができない。当業者はこれまで、スプレーされる金属粉末に基づく３Ｄ作製技術を開発することを思い付かなかった。この理由として、粉末ストリーム中でストリームの中心の粒子が周囲よりも速い速度で移動する傾向があり、その結果、粒子の堆積が均一にならないことが考えられる。このことは２Ｄコーティングにとって考慮すべき事柄ではないが、それが３Ｄオブジェクトを形成することを実行不可能にする。

詳しく説明すると、スプレー断面の中心の粒子のより速い速度により、およびスプレー断面の周囲のより遅い速度により、円錐状の構成が基材と粉末のストリームとの間の界面に生じる傾向があり得る。堆積される材料およびストリームによって提供される表面角度は堆積速度の重要な因子であると考えられるので、この円錐状の構成は、効果的な堆積を遅らせる、または妨げる可能性がある。結果として、基材の一点上にスプレーを静止した状態に保持すると、一時的に形成され、その後、残りの粉末粒子が円錐の斜めの側面を跳ね返るだけであるので止まる円錐形状をもたらし得る。本出願人は、粉末ストリームに対して基材の堆積を適切に制御することによって、ターゲット３Ｄオブジェクトを都合よく形成できることを発見した。

「含む（comprising）」という用語が、特徴部またはステップの組み合わせに関連して本文書内で使用される場合、他の特徴部またはステップが存在するという選択肢を排除するように読むべきでない。その用語は限定的に解釈するべきでない。

発明の概要
本発明の一態様によれば、金属粉末から３Ｄオブジェクトを形成するための装置であって、
・金属粉末が基材上に固体塊を形成することを可能にするのに十分に速い速度で金属粉末の流れを放出するように適合された送達手段と、
・粉末が基材上に蓄積するにつれて、送達手段と基材との間の距離および／または角度を設定または調整するように適合された位置決め手段と、
・オブジェクトが構築されるにつれて、位置決め手段の調整を制御するように適合された制御手段と
を含む装置が提供される。

基材は装置の一部を形成してもしなくてもよく、形成しない場合、それでもなお他の構成要素の定義を容易にするために言及される。基材は、オブジェクトが形成されるベース、新しいオブジェクト用の３Ｄテンプレート、または既に形成されているが修正または修理が必要な３Ｄオブジェクトであってもよい。

任意選択的に、送達および位置決め手段は、同じ構成要素の異なる部分または態様であってもよい。さらなる選択肢として、それらは別個の構成要素であってもよい。

任意選択的に、粉末は、約２００〜２０００ｍ／ｓの速度で送達手段から基材に移動する。

任意選択的に、粉末は、直径が５〜５０マイクロメートルの平均サイズに霧化された純粋なまたは合金化された金属粉末を含む。

任意選択的に、粉末は、例えば−３２５メッシュのおよび水噴霧化された、銅粉末またはアルミニウム粉末などの商業的に入手可能な金属粉末を含む。Alcoa Corporationのグレード１２３純粋アルミニウム粉末は、本発明の少なくともいくつかの好ましい実施形態に適していると考えられる。

任意選択的に、粉末は、０℃〜５００℃（例えば、０℃〜３００°）で送達手段に供給される。

任意選択的に、粉末は、室温（例えば、２５℃）〜５００℃（例えば０℃〜３００°）で送達手段に供給される。

任意選択的に、位置決め手段は、送達手段に対して基材を移動可能である。いくつかの実施形態では、位置決め手段は、基材に対して送達手段を移動可能であり得る。

任意選択的に、位置決め手段は、送達手段と基材との間の垂直方向および水平方向の間隔を維持または調整可能である。

任意選択的に、位置決め手段は、送達手段と基材との間の角度関係を少なくとも２つの軸において維持または調整可能である。

任意選択的に、装置は、各層が金属粉末から形成される一連の層を適用することによって３Ｄオブジェクトを形成するように適合される。

任意選択的に、送達手段はスプレーノズルを含む。

任意選択的に、位置決め手段は、基材を把持する手段を有するアームを含む。

任意選択的に、制御手段は、形成される３Ｄオブジェクトに依存して制御信号を送達手段および位置決め手段に送るように適合されたコンピュータ化システムを含む。

任意選択的に、送達手段は、コールドスプレーノズルを含む。

任意選択的に、装置は、装置からの粉末の放出を防止または最小化するように適合されたハウジングを備える。

任意選択的に、装置は、制御手段に幾何学的形状データを提供する３Ｄスキャナを組み込み、そのデータに基づいて、制御手段は送達手段および位置決め手段にオブジェクトを正確に形成するように調整させる。

任意選択的に、位置決め手段は、完成時にオブジェクトの自動排出を促す基材グリッパを組み込む。

任意選択的に、位置決め手段は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）軸としても知られているリニアガイドレール上に取り付けられたスクリューまたはベルト駆動式モーション軸であって、基材または送達手段のどちらかに取り付けられ、他方が静止した状態に保持されるか、またはＣＮＣモーション制御軸を分離するように基材および金属粉末供給デバイスの両方が取り付けられるスクリューまたはベルト駆動式モーション軸を含む。

図面
次に本発明のいくつかの好ましい実施形態を例としておよび添付図面を参照して記載する。

３Ｄプリンタの等角図である。プリンタの特定の内部部品を示す等角図である。プリンタのいくつかの部品の詳細を示す等角図である。オブジェクトがプリンタによって形成され得る態様を示す。

詳細な説明
図１〜図３、特に図３を参照すると、３Ｄプリンタ１は、基材（図示せず）を保持するグリップ３を有するロボットアーム２と、スプレーノズル４とを有する。プリンタの使用時、基材はグリップ３によって保持され、加熱された加圧空気の高速流がノズル４から放出される。フィーダは、金属粉末が同じくノズルを高速で離れて基材に接触するように金属粉末を空気に供給する。アーム２は、金属粉末が所望の製品を形成するのに適した方法で基材に接触するように所望の距離および角度のベクトル内を移動するように調節可能である。粉末の層が基材上に蓄積すると、アーム２は基材に対する所望の距離および角度を維持または調整するように向きを変える。

図１を参照すると、プリンタは、容易に管理されるエンクロージャ５内に収容されている。図２は、エンクロージャを備えない、特にビルドチャンバ６内のプリンタを示している。ビルドチャンバは、手動で生成されるか、または自動的にコンピュータ処理される制御コマンドを設定しロボットアーム２およびスプレーノズル４へ提供するためのインタフェース７を備えたコンピュータ化システムを支持する。チャンバ６は、使用時にプリンタを好都合に見るための窓８と、熱気を逃がす上部通気口９とを有する。

コンピュータ化システムは、ＣＡＤ図面を解釈し、これらを使用して、ロボットアーム２およびスプレーノズル４に送られる制御信号のタイプおよび数を決定するように適合されてもよい。

図４は、円筒が軸６の周りに形成された基材１０を概略的に示している。この円筒は、粉末堆積段または層１１〜１５で作られている。図示されているように、円筒は直接直線的にではなくむしろ「膨らむ」ように蓄積され、各層は結合して全体的に直線的な垂直の寸法を作り出す。

３Ｄプリンタは好ましくは高速で動作するように形成され、それにより、オブジェクトの幾何学的形状に関して最小限の制約で粉末から正確に金属オブジェクトを印刷することができる。

好ましくは、ロボットアーム２は、金属粉末のビームが基材の接触点または基材上に形成された部分に対して実質的に垂直に留まるように金属粉末のビームを基材の表面を横切って移動させる。これは、プリンタのコンピュータ化システムの制御機能によって可能になる。プリンタはまた、例えば、所望の３Ｄ形状を形成するために、必要に応じてビームの角度を垂直未満に向け直すことを可能にする。

本発明のいくつかの実施形態では、ロボットアーム２は、５軸ＣＮＣフレームまたは６軸産業用アームを含むことができる。一方または他方の選択は、速度または精度が最も重要な考慮事項であるかどうかに依存し得る。

好ましい実施形態では、ビルドチャンバ６は、過剰な粉末を収集して再利用またはリサイクルできるように物理的に収容する働きをする。また、チャンバ６は、粉体への暴露によって損傷を受ける可能性のある近くの機器から粉末を遠ざける。

本発明のいくつかの実施形態では、過剰な粉末の量が感知され、制御パラメータが、それを低減するように、ひいては関連する危険性のリスクを低減するように調節される。

本発明のいくつかの実施形態では、プリンタは、ビルドチャンバ６内に３Ｄ表面スキャナを有する。これは、好ましくは、ロボットアーム２の手の届く範囲内に位置し、プリンタが粉末の堆積を中断する間にオブジェクトの蓄積レベルをチェックすることを可能にする。

本発明の好ましい実施形態では、基材またはスプレーノズル４またはその両方を、概ね垂直な粉末ビームの衝突角度を連続的に向け直しおよび維持することができるモーション制御システムに取り付けることが望ましい。さらに、高度なデジタル制御システムは、目標とする３Ｄオブジェクトの幾何学的形状を処理し、目標とする幾何学的形状に最も合致する３Ｄアイテムをもたらすように堆積を促す適切な工具経路を生成することができる。

いくつかの好ましい実施形態を例として記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく変更および改良が可能であることは理解されよう。

Claims

金属粉末から３Ｄオブジェクトを形成するための装置であって、
コールドスプレーノズルを備える送達手段であって、前記コールドスプレーノズルが、金属粉末が基材上に固体塊を形成することを可能にするのに十分に速い速度で金属粉末の線状の流れを放出する、送達手段と、
５軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）フレームまたは６軸産業用アームを含むロボットアームを備える位置決め手段であって、前記ロボットアームが、前記送達手段に対して前記基板を固定および移動させて、前記金属粉末が前記基材上に蓄積するにつれて前記送達手段と前記基材との間の距離または角度を設定または調整するようにされた、位置決め手段と、
前記金属粉末から３Ｄオブジェクトが形成される際に、前記金属粉末の線状の流れの衝突の垂直角度を実質的に維持するように、前記位置決め手段を再方向付けさせるためのコンピュータ化システムを備える制御手段と
を含む装置。
前記位置決め手段は、前記基材を保持するように適合されたグリップをさらに含む、請求項１に記載の装置。
前記粉末が２００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓの速度で前記送達手段から前記基材に移動する、請求項１または２に記載の装置。
前記粉末が、直径が５〜５０マイクロメートルの平均サイズに霧化された純粋なまたは合金化された金属粉末を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
前記粉末が０℃〜５００℃の温度である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
前記粉末が０℃〜３００℃の温度である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
前記位置決め手段が、前記送達手段に対して前記基材を移動可能である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
前記位置決め手段が、前記基材に対して前記送達手段を移動可能である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
前記位置決め手段が、前記送達手段と前記基材との間の垂直方向および水平方向の間隔を維持または調整可能である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
前記位置決め手段が、前記送達手段と前記基材との間の角度関係を少なくとも２つの軸において維持または調整可能である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
一連の層を適用することによって前記３Ｄオブジェクトが形成されるように、前記ロボットアームは前記送達手段に関して基板を固定および移動させる、各層が前記金属粉末から形成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
前記制御手段が、形成される３Ｄオブジェクトに依存して制御信号を前記送達手段および前記位置決め手段に送るように適合されたコンピュータ化システムを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
前記装置からの粉末の放出を防止または最小化するように適合されたハウジングを備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
前記制御手段に幾何学的形状データを提供する３Ｄスキャナを組み込み、そのデータに基づいて、前記制御手段は前記送達手段および前記位置決め手段に前記オブジェクトを正確に形成するように調整させる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
前記位置決め手段が、リニアガイドレール上に取り付けられたスクリューまたはベルト駆動式の軸であって、前記基材または前記送達手段のどちらかに取り付けられ、一方または他方が静止した状態に保持されるか、または軸を分離するように前記基材および前記金属粉末供給デバイスの両方が取り付けられるリニアガイドレール上に取り付けられたスクリューまたはベルト駆動式の軸を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
過剰な粉末を感知し、そのような過剰を減少するために調整を行う手段を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。