JP6963109B2 - マルチノズル金属付加製造装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年９月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／５５８，５８１号の優先権を主張する。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本出願は、改良された対称物体の直接金属堆積（ＤＭＤ：Direct Metal Deposition）加工に関する。より具体的には、本出願は、付加製造（積層造形、additive manufacturing）の分野におけるマルチノズルシステムを用いたＤＭＤ加工に関する。

工作物の上に材料を堆積するために様々な方法が用いられ、３次元の工作物の寸法特性（dimensional characteristics）及び耐久特性を高めている。このような方法の一つは、工作物に焦点を合わせたレーザビームを粉末の金属合金と共に注入し、合金を融解させて３次元の工作物の上に堆積する直接金属堆積（ＤＭＤ）として知られている。この方法は、技術的に実現可能であり、商業的にも見込みのあることが証明されてきたが、大型の物体を製造する際には、製造の加工品質を犠牲にすることのない高速加工速度の必要条件によって使用が時々制限される。

マルチノズル配置を用いて付加製造における堆積時間を最小化することが試みられている。発明の名称が「付加製造装置」である特許文献１は、３次元物体の異なるセグメント（部分）を同時に堆積するための多数の書き込みヘッド又はノズルの使用を開示している。このシステムは、物体が印刷（print）される工作物が置かれた固定された台を開示している。リニアアクチュエータによって独立して駆動される多数の書き込みヘッドは、同じ３次元物体の少なくとも一つのセグメント群を処理する。衝突の可能性を回避するためにノズル間の最小間隔の制限が維持されている。現在の層（レイヤー、layer）のセグメント群が処理されると、書き込みヘッドは、次の層のセグメント群における同一の又は新たな開始点へ戻る。この復路移動は、ノズルの衝突を回避するため、及び／又は、製造経路（build path）の同一方向を維持するためであり、このようなノズル配置に固有の非生産的な移動の動作である。

しかしながら、少なくとも２軸の対称軸を有する対称的な工作物の製造、例えば、中空の三角柱又は中空の円筒を製造しようとすると、特許文献１に開示されているシステムは、固定された工作物に対するセグメント毎のノズルの分担に起因する欠点を有する。この欠点は、ノズルヘッドの非生産的な復路移動の動作の処理待ち時間に起因する堆積時間の増加を含む。

発明の名称が「３次元プリントのためのシステム、装置及び方法」である特許文献２は、一連の並列押出機又はノズルを用いて３次元物体の異なる部分を同時に堆積することを開示している。このシステムは、物体が印刷（print）される工作物が置かれた固定された台を開示している。リニアアクチュエータによって連結されたように駆動する一連の並列押出機は、同じ３次元物体の異なるセグメント群を同時に処理する。選択的なノズルは、堆積層の製造中にその外形に応じてスイッチのオン／オフが切り替えられる。

しかしながら、少なくとも２軸の対称軸を有する対称的な工作物の製造、例えば、中空の三角柱又は中空の円筒を製造しようとすると、特許文献２で開示されているシステムは、固定された工作物を処理する一連の並列ノズルに起因する欠点を有する。この欠点は、隣り合うノズルの間の間隙を克服するための非生産的な移動の動作と同じ堆積層の（製造をする）間に選択的なノズルをアイドリングさせるような工作物に対する非効率なノズルの分担とに起因する堆積時間の増加を含む。

かなりの数の金属製の３次元プリント部品は少なくとも２つの回転対称軸を有する。このような場合には、特許文献１及び特許文献２で開示されているようなシステムでは、適切な効率を提供することができない。それゆえ、少なくとも２つの対称的な回転軸を有する工作物を増加した速度で加工するための装置を開発する必要性がある。

米国特許第９６２３６０７号明細書 米国特許第１００５２８２４号明細書

したがって 、本発明の目的は、少なくとも２つの対称的な回転軸を有する工作物を増加した速度で加工するためのマルチノズル金属積層造形装置を提供することにある。

直接金属堆積による対称物体の迅速な製造のための装置が開示されている。回転台は、当該回転台によって支持された物体に回転台の垂直軸回りの回転移動を提供する。複数のノズルは、直接金属堆積を実行し、回転台に支持された物体を製造するために回転台の上方側へ離間されている。複数のノズルの各々は、直線軸に沿って独立して移動可能、かつ、独立して回転軸の回りに旋回可能とされ、物体が台中心軸の回りに回転している間に物体の対称的な堆積構造に対応する対称移動を提供する。ノズルのシステムは、垂直なＺ軸に沿って移動可能とされ、付加製造の要求に応じて物体を層ごとに製造する。直接材料堆積は、金属合金、セラミック、又は、どのような材料の組み合わせの堆積を含むことは、当該技術分野における当業者により理解されるべきである。

一つの実施形態では、装置は、各々金属合金粉末の供給源及びレーザビームを有する第１の直接金属堆積ノズル及び第２の直接金属堆積ノズルを含む。ノズルは水平スライドに沿って支持され、第１の水平旋回軸及び第２の水平旋回軸の回りに各々旋回可能とされている。装置は、さらに、回転台の垂直軸回りの回転移動を提供する回転台を含む。複数のノズルは、回転台の上方に配置され、回転台の上の工作物の少なくとも一部分を同時に形成できるように操作可能とされ、工作物は、垂直軸に対して回転対称とされ、工作物が回転している間に金属堆積を生じさせる。本発明の装置は、物体又は工作物の製造又は修理のための堆積時間の大幅な削減を与える。ノズル対を活用することによって選択するノズル対の数に応じて堆積時間を２分の１、４分の１、６分の１等に低減する。さらに、本発明の装置は、ノズルの対称的な配列と移動によって物体と工作物の対称構造を活用する。

添付の図面及び添付の特許請求の範囲に従って見たときに、本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、本発明の以下の記載から明らかにされる。

図１は、少なくとも２つの対称軸を備えた対称的な工作物を加工するためのシステムの基本構成を示す。 図２は、１対のノズルを備えたシステムの概略の平面図を示す。 図３は、２対のノズルを備えたシステムの概略の平面図を示す。 図４は、４対のノズルを備えたシステムの概略の平面図を示す。 図５Ａは、図１の装置を用いた工作物の第１の部分のＤＭＤを示す。 図５Ｂは、図１の装置を用いた工作物の第２の部分のＤＭＤを示す。 図５Ｃは、図１の装置を用いた工作物の第３の部分のＤＭＤを示す。

直接金属堆積（ＤＭＤ）は、金属の付加製造方法である。図１を参照すると、本発明の直接金属堆積（ＤＭＤ）装置は、概ね符号１０で示されている。ＤＭＤは、例えば、セラミックと金属合金との組み合わせ及び純粋なセラミックのような混成物及び非金属材料の付加製造を含む。回転台１２（以下、台１２と称する。）は、回転サーボモータ１４からの回転移動を受容する。台１２は、中心軸ａ（図２参照）の回りに回転し、ＤＭＤが実行される工作物１６を回転する。一つの実施形態では、工作物１６は、全てＤＭＤによって形成されている。もう一つの実施形態では、工作物１６は、部分的には打ち抜き加工又は鍛造といった別の製造方法によって形成され、ＤＭＤは、工作物１６を仕上げるために用いられている。さらに別の実施形態では、ＤＭＤは、再加工又は修理の一部として既存の工作物１６上で実行される。

第１のノズル１８（以下、ノズル１８と称する。）は、第１の水平スライド２０に取り付けられ、第２のノズル２２（以下、ノズル２２と称する。）は、第２の水平スライド２４に取り付けられている。各ノズル１８、２２は、直接金属堆積を実行するために米国特許第６５３４７４５号明細書において開示されているように構成されており、その内容は参照によって本明細書に含まれている。第１のノズル１８は、第１の回転軸Ｒ１の回りに旋回可能とされ、第２のノズル２２は、第２の回転軸Ｒ２の回りに旋回可能とされている。第１の回転軸Ｒ１と第２の回転軸Ｒ２とは水平かつ互いに平行とされている。第１の回転モータ２６は、第１のノズル１８を第１の回転軸Ｒ１の回りに旋回し、第２の回転モータ２８は、第２のノズル２２を第２の回転軸Ｒ２の回りに旋回する。第１の回転モータ２６及び第２の回転モータ２８は、以下にさらに説明するように同期方式で動作するサーボモータであることが意図されている。

水平スライド２０、２４は、各々のノズルに直線運動を提供し、異なる垂直高さにおいて物体の寸法が変化することによって要求されるノズルの位置を調整する。第１のモータ３０は、第１のノズル１８を第１の水平スライド２０に沿って水平方向に移動し、第２のモータ３２は、第２のノズル２２を第２の水平スライド２４に沿って水平方向に移動する。第１のモータ３０及び第２のモータ３２は、ノズル１８、２２を物体の中心に対して（台１２の）半径方向の内向き及び外向きへ同時に移動し、工作物１６を形成する間ずっと材料を対称に堆積する。第１の水平スライド２０は、第１のタワー３４に取り付けられ、第２の水平スライド２４は、第２のタワー３６に取り付けられている。第１の垂直モータ３８は、第１の水平スライド２０を第１のタワー３４に沿って垂直方向に移動し、第２の垂直モータ４０は、第２の水平スライド２４を第２のタワー３６に沿って垂直方向に移動する。垂直軸（第１のタワー３４及び第２のタワー３６）に沿った移動は、ロボットアーム（図示せず）又はガントリーシステム（図示せず）によって実現できることや回転軸Ｒ１、Ｒ２は、組み合わせたり又は傾斜した軸に取り付けたりできることも理解されるべきである。

上記で説明したように、ノズル１８、２２は、対称的にＤＭＤを実行する。それゆえ、ノズル１８、２２は、いくつかのモータによって対称的に移動される。連続するＤＭＤの層と共に工作物１６の直径が増加するならば、ノズルは、中心軸ａから半径方向の外向きに各々移動される。さらに、各ノズル１８、２２は、ＤＭＤの連続する各々の層と共に一纏めにして上昇方向に移動される。さらに、各ノズル１８、２２は、回転軸Ｒ１及びＲ２に対称的に旋回され、工作物１６の第１の傾斜壁（壁部）４２を堆積する。２つの対称的なノズル１８、２２を導入することは、工作物１６の製造時間を単一のノズルを使用する場合の２分の１に低減し、それによって製造処理量を２倍にする。

図２は、２つのノズル１８、２２の概略平面図を示す。ノズル１８、２２は、中心軸ａ及び工作物１６に関して対称とされている。対称的な配列は、各々の連続的な層と共に形成されるメルトプール（図示せず）に必要とされる冷却を許容する。回転台１２は、連続的に回転できるため、ノズル１８、２２は、連続的にＤＭＤを実行することができ、次の堆積経路を再計算するために堆積を停止する必要性を除外することも理解されるべきである。

図３は、符号４４に概して示された別の実施形態の概略平面図を示す。この実施形態では、第３のノズル４６と第４のノズル４８が、第１のノズル１８及び第２のノズル２２と共に含まれている。ノズル１８、２２、４６、４８は、中心軸ａの回りに対称的に離間されており、同期した態様でＤＭＤを実行する。示されていないが、追加されたノズル４６、４８のための追加的なタワー、水平スライド及び旋回するための回転軸並びに必要なサーボモータが各々含まれている。それゆえ、工作物のためのＤＭＤの処理時間は、四分され又は４分の１まで低減されている。

図４は、さらに、第５のノズル５０、第６のノズル５２、第７のノズル５４及び第８のノズル５６を含む別の実施形態を符号４５に概して示している。各ノズル１８、２２、４６、４８、５０、５２、５４、５６は、一つ前の実施形態に記載されている方法と同様に中心軸ａの回りに対称的に離間されている。それゆえ、ＤＭＤの処理時間は、８分の１まで低減されている。奇数個のノズルが用いられてもよいこと及び本出願の発明は偶数個のノズルに限定されないことも当該技術分野において通常の知識を有する者に理解されるべきである。対称物体は、常に円形状の空間の内部に最適に収容されるため、ノズル対は、通常円形に配置される。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、形成されている工作物１６を示し、工作物１６は、ダイロック構造のために従来のシートメタル成形では不可能な形状を有している。図５Ａは、中心軸ａに対して鈍角に形成されている第１の壁部４２を示しており、ノズル１８、２２は、中心軸ａへ向けて内向きに旋回することが要求されている。図５Ｂは、中心軸ａに対して平行に形成されている第２の壁部５８を示しており、ノズル１８、２２は、中心軸ａと平行になるように旋回することが要求されている。図５Ｃは、中心軸ａに対して鋭角に形成されている第３の壁部４５を示しており、ノズル１８、２２は、中心軸ａに対して鈍角になるように旋回することが要求されている。

本明細書では本発明を例示的に説明してきた。そして、使用されてきた用語は、限定ではなく説明の言葉の性質を意図するものであることが理解されるべきである。明らかに、上記の教示に照らして、本発明の多くの改良や変更が可能である。本発明は、添付の特許請求の範囲内において本明細書で具体的に説明されたもの以外の内容で実施することができる。

Claims (20)

1. 回転対称性を有する物体の直接金属堆積による迅速な製造のための装置であって、
   回転台であって、前記回転台によって支持された物体の台中心軸の回りの回転移動を提供する回転台と、
   前記回転台に支持された前記物体に直接金属堆積を行うために前記回転台の上方側へ離間する複数のノズルと、を備え、
   前記複数のノズルの各々は、共通の水平軸に沿って独立して移動可能とされると共に第１の回転軸及び第２の回転軸の回りに独立して回転可能とされ、前記物体が前記台中心軸の回りに回転している間に前記回転台に支持された前記物体の対称的な堆積構造に対応する対称移動を提供するために垂直軸に沿って連結して移動可能とされた、装置。
2. 前記複数のノズルは、材料を堆積して前記物体の少なくとも１つの点を３次元的に構築するために、直線軸に沿って独立して駆動され、かつ、回転軸の回りに独立して駆動される、直線的に連結した一対のノズルヘッドを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数のノズルは、材料の単一の層を同時に堆積するための、個別に共通の水平軸を有する複数のノズル対を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数のノズルは、少なくとも２つの対称軸を含む多角形の柱形状又は円柱形状の工作物に直接金属堆積を行う、請求項１に記載の装置。
5. 前記ノズル対の各々は、水平軸及び垂直軸に沿った同時直線移動並びに互いに平行な前記第１の回転軸又は前記第２の回転軸の回りの旋回移動のために結合された、請求項３に記載の装置。
6. 前記ノズルの各々は、直線的に連結されると共に、前記回転台の上方において、直線軸に沿って独立して駆動され、かつ、回転軸の回りに独立して駆動され、少なくとも２つの対称軸を含む多角形の柱形状又は円柱形状の製造のために、材料を堆積する、請求項１に記載の装置。
7. 前記ノズルの各々の水平移動及び互いに平行な前記第１の回転軸又は前記第２の回転軸の回りの旋回移動を提供するために前記ノズルの各々に２つの分離した駆動機構をさらに含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記ノズルの前記駆動機構の各々は、前記物体の３次元形状を堆積するために前記回転台と共に回転する前記物体に対する同時移動を維持するモーションコントローラによって同期される、請求項７に記載の装置。
9. 前記複数のノズルは、直接金属堆積を実行するために構成され、それによって３次元印刷による前記対称的な堆積構造を製造又再加工する、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数のノズルは、直接金属堆積を実行するために、個別に共通の水平軸を有する複数のノズル対を含む、請求項１に記載の装置。
11. 直接金属堆積のための装置であって、
    各々レーザ光線と金属合金粉末の供給源とを含む、第１の直接金属堆積ノズル及び第２の直接金属堆積ノズルと、
    前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルを支持する水平スライドであって、前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルは、各々互いに平行な第１の旋回軸及び第２の旋回軸の回りに前記水平スライドに対して旋回可能であり、前記水平スライドに沿って独立して移動する、水平スライドと、
    物体の台中心軸の回りの回転移動を提供する回転台であって、前記回転台は、前記水平スライドの下方に配置され、前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルは、前記回転台の上の工作物の少なくとも一部分を同時に成形するように適合され、前記工作物は、前記工作物が中心軸の回りに回転している間に金属堆積を生じるように前記中心軸の回りの回転対称性を有する、回転台と、を備える、装置。
12. 前記水平スライドは、前記第１の直接金属堆積ノズルを支持する第１のスライド部分と、前記第２の直接金属堆積ノズルを支持する第２のスライド部分と、を含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第１のスライド部分と前記第２のスライド部分とを各々支持する第１のタワーと第２のタワーとをさらに含む、請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１の直接金属堆積ノズルを前記第１の旋回軸の回りに旋回するための第１の回転モータをさらに含む、請求項１１に記載の装置。
15. 前記第２の直接金属堆積ノズルを前記第２の旋回軸の回りに旋回するための第２の回転モータをさらに含む、請求項１４に記載の装置。
16. 前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルの前記水平スライドに沿った移動を制御する第１のモータ及び第２のモータをさらに含む、請求項１１に記載の装置。
17. 前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルは、調和して前記水平スライドに沿って径方向内向きに移動するように動作可能とされた、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルは、調和して前記水平スライドに沿って径方向外向きに移動する、請求項１７に記載の装置。
19. 前記回転台の垂直軸は、前記水平スライドの中央に配置され、前記第１の旋回軸及び前記第２の旋回軸は、前記垂直軸に対して垂直な方向に沿って配置されている、請求項１１に記載の装置。
20. 前記回転台の上方側で支持され、前記第１の直接金属堆積ノズル及び前記第２の直接金属堆積ノズルと調和して動作可能な第３の直接金属堆積ノズル及び第４の直接金属堆積ノズルをさらに含む、請求項１１に記載の装置。

Images