JP7112397B2 - ダブルスキン付加製造機 - Google Patents

Description

本発明は、例えばレーザビーム、電子ビーム、又はダイオードなどのエネルギー又は熱供給源を用いて粉体の粒子を溶融させることによる粉体ベースの付加製造の分野に関する。

より詳細には、本発明は、より良い品質の構成部品を製造可能にすることを意図している。

構成部品を製造するために溶融を利用すると製造部品内に残留応力がもたらされ、これは製造部品内の欠陥につながり、製造部品の特定部分の破損につながる場合もある。

製造部品に欠陥があると、これらは廃棄され製造業者の損失を示す。さらに、新規な構成部品は、これらの構成部品を発注したクライアントのニーズを満たすように製作する必要がある。

他方で、製造部品の一部が残留応力の影響下で破損した場合、もはや、これを製造し続けることができない。特に、一般に崩壊するのは付加製造プレートにしっかり固定された構成部品のベース部なので、構成部品はもはや機械の製造基準フレームに固定保持されない。

さらに、粉体ベッドを堆積することによる付加製造との関連において、付加製造プレートにもはやしっかり固定されていない欠陥のある構成部品が移動して、作業領域上に粉体を分散配置するための装置であるスクラッパー又はローラーに損傷を与える可能性がある。

著しい残留応力は、付加製造プレートにしっかり固定された構成部品のベース部と製造される構成部品の横断面との間に大きな温度勾配が存在する場合に生じるので、付加製造プレートにしっかり固定された構成部品のベース部と製造される構成部品の横断面との間の温度勾配を低減するために、加熱用の又は他の装置によって加熱される製造プレートを用いることは公知の手法である。

加熱用の又は加熱されるプレートの使用は残留応力の発生を抑制することを可能にするが、それでもなお問題がある。

特に、プレートの熱は、製造部品に伝達されるが、これを取り囲む未固結粉体にも伝達される。従って、かなりの熱量が付加製造機の製造チャンバ内部の作業面から放射される。

さらに、この放射熱は、付加製造機の製造チャンバを取り囲む全ての部品を加熱する。特に、この放射熱は、粉体の粒子を溶融するのに使用されるエネルギー供給源又は熱供給源、並びにこの１又は複数の供給源を粉体ベッド上に案内及び移動させるのに使用される手段を支持する機械フレームの部品を加熱する可能性がある。加熱により、これらの機械フレームの部品が変形し、エネルギー又は熱供給源の変位が生じて、製造精度、結果的に製造部品の品質が低下する。

さらに、このようなフレームの変形は、シールの問題、従って粉体又は不活性ガスの危険な漏出を引き起こす可能性もある。特に、付加製造粉体は、有毒な化合物又は金属を含有する可能性がある。加えて、付加製造機の製造チャンバは、特定の付加製造粉体の酸化を防ぐために及びこれらの酸化性の粉体の一部の酸化に関連する爆発の危険性を回避するために不活性ガスで満たされるので、漏出時、不活性ガスが機械の周りで膨張し、機械が設置されている作業場に居るオペレータが酸欠になる場合がある。

最後に、作業領域からの熱放射は、付加製造チャンバ内部の温度上昇も引き起こし、これにより、粉体の結晶化がもたらされる可能性があり、これは粉体ベッドの品質、結果的に製造された構成部品の品質を害する可能性がある。

従って、本発明の目的は、粉体の粒子を溶融するのに使用されるエネルギー又は熱供給源、並びにこの１又は複数の供給源を粉体ベッド上に案内及び移動させるのに使用される手段を支持する機械フレームの部品を、特に作業面が加熱用の又は他の装置によって加熱されるプレート上に配置される場合に、作業面からの熱放射から保護することである。

このために、本発明の主題は付加製造機であり、この付加製造機は、内部で少なくとも１つの熱又はエネルギー供給源を使用して作業面上の付加製造粉体を溶融する製造チャンバを備え、製造チャンバは、少なくとも１つの作業平面、前壁、後壁、左側側壁、右側側壁、及び上壁によって形成され、これらの壁の少なくとも１つは付加製造粉体を溶融するために使用されるエネルギー又は熱供給源を支持する。

本発明によれば、付加製造機は、エネルギー又は熱供給源を支持する各壁の前でかつエネルギー又は熱供給源を支持する各壁から非ゼロの距離で製造チャンバの内部に配置される内側スキンを備え、内側スキンと、該内側スキンがその前に配置されるチャンバの各壁との間で、ガス流のための循環容積を形成し、付加製造機は、循環容積に接続する、ガス流を発生するための装置を備える。

内側スキン及びこの内側スキンを冷却するガス流により、エネルギー又は熱供給源を支持する各壁は、作業面から放射される熱の影響をあまり受けず、従って変形する可能性が低い。従って、構成部品は、正確に製造することができ、さらに製造チャンバのシール問題に起因する何らかの粉体の漏出が回避される。

好都合には、内側スキンと製造チャンバの各壁との間を循環することで、空気流は、製造チャンバ内の温度を調節して作業面の粉体の結晶化を防ぐことも可能にする。

本発明のさらなる特徴部及び利点は、以下の説明から明らかになるはずである。非限定的な例として与えられるこの説明は、添付図面を参照する。

本発明による付加製造機の概略図である。 本発明による付加製造機の断面図である。 本発明による付加製造機の縦断面図である。

本発明は、好ましくは粉体ベッドの堆積による付加製造法を用いる付加製造機１０に関する。特に、このような製造法に関して、大量の未結合粉体が製造部品を取り囲むので、製造プレートが加熱されるか又はこれが加熱用の場合にこの粉体から大量の熱が放射される。

本発明による付加製造機は、金属タイプ、又は例えばセラミックベースの非金属タイプの付加製造粉体を利用することができる。

付加製造法を実施するために、付加製造機１０は、その内部で少なくとも１つの熱又はエネルギー供給源１４が作業面１６の付加製造粉体を溶融するために使用される製造チャンバ１２を備える。この熱又はエネルギー供給源１４は、レーザビーム、電子ビーム、及び／又はダイオードとすることができる。好ましくは、製造チャンバ１２は、製造サイクル時にシール様態で密閉され、粉体の粒子の酸化を防ぐために窒素、アルゴンなどの不活性ガスで満たされている。

この製造チャンバ１２は、骨組み１８で支持され、少なくとも１つの作業平面２０、前壁２２、後壁２４、左側側壁２６、右側側壁２８、及び上壁３０で形成される。好ましくは、これらの壁は、シール様態で接合される。保守管理又は清掃作業のために製造チャンバ１２の内部へのアクセスを可能にするために、左側側壁２６及び右側側壁２８は、シール様態で密閉することができるドアの形をとることができる。同時に、例えば製造部品を回収するためにオペレータが製造チャンバ１２の内部を観察してアクセスするのを可能にするために、前壁２２は、ドア４６で閉じられた好ましくは透明な開口部４４を備え、この前壁２２は、グローブボックス４８を備える。

製造法が粉体ベッドの堆積を含む場合、作業面１６は、その上に複数の粉体層が分散されるプレート３４の形をとる。このために、付加製造機１０は、付加製造機１０の骨組み１８にしっかり固定されて作業平面２０に通じている製造スリーブ３５の内部でプレート３４を上昇及び降下させるためのシリンダ等のアクチュエータ４２を備える。さらに、付加製造機１０はまた、例えばスライドを有する少なくとも１つの粉体供給装置３６と、例えばローラー又はスクラッパーを有する粉体分散装置３８と、プレート３４で形成された作業面１６上でこの分散装置３８を移動させる例えばプーリー及びベルトを有する移動装置とを備える。好ましくは、粉体供給装置３６は、プレート３４のそれぞれの側に、結果的に作業面１６のそれぞれの側に付加製造機の長さＬ１０に沿って設けられている。

製造部品内での残留応力の発生を制限するために、プレート３４は、例えば５００°Ｃに加熱される。そのために、プレート３４は、電気抵抗器、加熱ロッド、又はインダクタなどの熱発生装置を含むか、又は付加製造機１０は、熱を発生して例えば熱伝導で付加製造プレートに伝達する加熱装置５０を備え、加熱装置５０は製造プレート３４に隣接して、例えばこのプレートの下に固定される。

付加製造粉体を溶融するために使用されるエネルギー又は熱供給源を支持する製造チャンバ１２の壁の少なくとも１つを、作業面１６からの熱放射から保護するために、本発明による付加製造機は、内側スキン３２を備える。

より詳細には、この内側スキン３２は、エネルギー又は熱供給源１４を支持するこのチャンバの各壁の前、かつエネルギー又は熱供給源を支持するこのチャンバの各壁から非ゼロの距離で製造チャンバ１２の内部に配置される。従って、この内側スキン３２は、この内側スキン３２が前方に配置される各壁との間にガス流のための循環容積(循環空間)Ｖを形成するのを可能にする。

この循環容積Ｖと関連して、付加製造機１０は、循環容積Ｖに接続されガス流Ｆを発生させる装置５２を備える。このガス流Ｆは、循環容積Ｖに導入されてこの容積Ｖを通過することで、内側スキン３２を冷却することができる。

好ましくは、ガス流Ｆを発生させるのに使用されるガスは、アルゴン又は窒素などの製造チャンバ１２を不活性状態にするのに使用されるガスと同じである。

また、作業面１６からの熱放射から保護されるように、粉体分散装置３８を動かすための装置４１は、その一部がガス流Ｆの循環容積Ｖの中で内側スキン３２の後方に配置される。

製造チャンバ１２の左側側壁２６及び右側側壁２８は、ドアの形をとることができ、エネルギー又は熱供給源１４は、好ましくは後壁２４、前壁２２、及び上壁３０で支持される。また、この３つの壁を放射熱から保護するために、内側スキン３２は、後壁から非ゼロの距離Ｄ２４、前壁から非ゼロの距離Ｄ２２、及び上壁から非ゼロの距離Ｄ３０で、左側側壁２６と右側側壁２８との間に広がるトンネルの形をとる。

より詳細には、図２及び図３に示す付加製造機１０において、製造チャンバ１２の上壁３０は、エネルギー又は熱供給源１４、及び作業面１６を横切ってエネルギー又は熱ビームを動かすために使用される手段を保持する。従って、内側スキン３２は、エネルギー又は熱供給源１４の前に設けられた上方開口部５４を備える。この上方開口部５４によって、粉体の粒子を溶融するために使用されるエネルギー及び／又は熱ビームの経路がもたらされる。

同様に、チャンバ１２の前壁２２がドア４６で閉じられる主開口部４４を備えるので、内側スキン３２は、製造チャンバの前壁の主開口部４４に対向して設けられた前部開口部５６を備える。

好ましい実施形態において、内側スキン３２は、後方内壁５８、上方内壁６０、及び前方内壁６２を備え、これらは連結してトンネルを形成し、後方内壁５８は、製造チャンバの後壁２４の前で製造チャンバ１２中に配置され、上方内壁６０は、製造チャンバの上壁３０の前で、従ってその真下で製造チャンバ内に配置され、前方内壁６２は、製造チャンバの前壁２２の前で製造チャンバ内に配置される。

この好ましい実施形態において、前方内壁６２は、製造チャンバの前壁の主開口部４４に対向して設けられた前部開口部５６を備え、上方内壁６０は、エネルギー及び／又は熱ビームの経路用の上方開口部５４を備える。

さらにこの好ましい実施形態において、粉体分散装置３８を動かすための装置４０は、分散装置３８を平行移動で駆動及び案内するための前方装置６４及び後方装置６６を備え、前方駆動及び案内装置６４は、内側スキンの前方内壁６２と製造チャンバの前壁２２との間に置かれたハウジング６８内に配置され、後方駆動及び案内装置６６は、内側スキンの後方内壁５８と製造チャンバの後壁２４との間に置かれたハウジング７０内に配置される。作業平面２０と一致して置かれた作業面１６を横切って動く分散装置３８に関して、ハウジング６８及び７０は、製造チャンバ１２の下部に、結果的にチャンバ及び内側スキンの壁の下部に置かれる。本発明によれば、このハウジング６８及び７０は、ガス流Ｆの循環容積Ｖに属している。

製造チャンバの前壁に主開口部４４が存在し、内側スキンの前方内壁６２に前部開口部５６が存在するので、隔壁７２は、製造チャンバの前壁の主開口部４４を、前方内壁６２の前部開口部５６に接続する。従って、循環容積Ｖは、製造チャンバの前壁と内側スキンの前方内壁６２との間のこの隔壁７２の周囲に広がる。ガス流Ｆが製造チャンバ１２に流入できるように、この隔壁７２は、これらの開口部４４、５６の至る所に設けられた種々の穴７４を備える。

内側スキンの上方内壁６０に上方開口部５４が存在するので、隔壁７６は、上方開口部５４を製造チャンバの上壁３０に接続する。従って、循環容積Ｖは、製造チャンバの上壁３０と内側スキンの上方内壁６０との間でこの隔壁７６の周囲に広がる。

製造チャンバの前壁に主開口部４４が存在し、内側スキンの前方内壁６２に前部開口部５６が存在するので、製造チャンバ１２の上壁３０がエネルギー又は熱供給源１４を保持しかつ内側スキン３２がエネルギー又は熱供給源１４の前に設けられた上方開口部５４を備えると仮定すると、本発明は、好ましくは、発生装置５２から流入するガス流Ｆが製造チャンバ１２の後壁２４と内側スキンの後方内壁５８との間に導入されるようにする。このために、ガス流Ｆを発生させる装置５２に接続された導入ダクト７８が、製造チャンバ１２の後壁２４に開口している。

好ましくは、種々の電気ケーブルを収容することが意図された電気区画８０が、製造チャンバ１２の後壁２４と内側スキンの後方内壁５８の間で、後方駆動及び案内装置６６を保持するハウジング７０の上方に設けられており、ダクト７８は、製造チャンバ１２の後壁２４の上部に開口している。

内側スキンの前方内壁６２が開いているので、循環容積Ｖは、製造チャンバの後壁２４と内側スキンの後方内壁５８との間、次に製造チャンバの上壁３０と内側スキンの上方内壁６０との間、次に製造チャンバの前壁２２と内側スキンの前方内壁６２との間に広がり、最後に内側スキン３２を通って、特に隔壁７２に設けられた穴を通って作業面１６の上に開口する。

このように規定されると、循環容積Ｖによって、ガス流Ｆは、製造チャンバの後壁２４と内側スキンの後方内壁５８との間、次に製造チャンバの上壁３０と内側スキンの上方内壁６０との間、次に製造チャンバの前壁２２と内側スキンの前方内壁６２との間を循環し、最後に内側スキン３２の内部で作業面１６の上方に到達する。

内側スキンの内壁で形成される循環容積Ｖによって、ガス流Ｆは、熱又はエネルギー供給源１４を支持するチャンバの３つの壁を熱から効果的に保護することができる。

作業面１６の上を循環し、かつこの作業面１６から放射される熱Ｃによって加熱されたガス流Ｆを排気するために、ガス流Ｆのための吸気ダクト８２は、内側スキン３２を通って作業面１６の上に開口する前に、製造チャンバの後壁２４及び内側スキンの後方内壁５８を貫通する。より詳細には、ガス流Ｆを良好に吸い込むために、吸気ダクト８２は、付加製造機１０の長さＬ１０に沿って広がる開口８４の形で内側スキンの後方内壁５８に開口する。

好ましくは、吸気ダクト８２は、電気区画を貫通する。

閉じた冷却回路とするために、吸気ダクト８２は、ガス流Ｆを発生させる装置５２に接続する。

吸気ダクト８２と導入ダクト７８との間で、好ましくは、発生装置５２は、粉体の溶融が付加製造機１０の適切な作動に害を及ぼす多数の粒子を発生するという理由での濾過装置８６と、濾過ガスを冷却するための熱交換器８８と、製造チャンバ１２の各壁と内側スキンの各内壁との間に導入される冷却ガス流Ｆを発生するベンチレータ９０と、回路を閉鎖するためのバルブ９２とを備える。

好ましくは、循環容積Ｖが適切に満たされることを保証するために、ガス流Ｆは乱流である。このために、ガス流Ｆは、５から１５ｍ／ｓの速度及び１００から３００ｍ³／ｈの流量で循環容積Ｖの中に導入され、ガス流Ｆの速度及び流量は、製造チャンバ１２の容積に依存してその数値の間で変わる。

冷却ガス流Ｆの回路と並列に、発生装置５２は、製造時の溶融によってもたらされた煙霧を排気することを意図した第２のガス流Ｆ’の回路を備えることもできる。このために、ダクト９４が、発生装置５２のベンチレータ９０にバルブ９６を介して接続される。このダクト９４は、チャンバ１２の前壁２２の下部及び内側スキン３２の前方内壁６２の下部を貫通し、作業面１６の上及び内側スキン３２の内部に低角度で開口する。

閉じた煙霧排気回路とするために、他のダクト９８が、発生装置５２の濾過装置８６に接続される。この他のダクト９８は、チャンバ１２の後壁２４の下部及び内側スキン３２の後方内壁５８の下部を貫通し、作業面１６の上及び内側スキン３２の内部に低角度で開口する。

好ましくは、煙霧を排気するためのガス流Ｆ’は層状である。このために、ガス流Ｆ’は、１～５ｍ／ｓの速度、及び２０～１００ｍ³／ｈの流量で循環容積Ｖの中に導入され、ガス流Ｆ’の速度及び流量は、製造チャンバ１２の容積に依存してその数値の間で変わる。

Claims (9)

1. 内部で少なくとも１つの熱又はエネルギー供給源（１４）を使用して作業面（１６）上の付加製造粉体を溶融する製造チャンバ（１２）を備えている付加製造機（１０）であって、
   前記製造チャンバは、少なくとも１つの作業平面（２０）、前壁（２２）、後壁（２４）、左側側壁（２６）、右側側壁（２８）、及び上壁（３０）によって形成され、前記壁の少なくとも１つは前記付加製造粉体を溶融するのに使用される前記エネルギー又は熱供給源（１４）を支持し、
   前記エネルギー又は熱供給源（１４）を支持する前記チャンバの前記壁の各々の前でかつ前記エネルギー又は熱供給源（１４）を支持する前記壁の各々から非ゼロの距離（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）で前記製造チャンバ（１２）の内部に配置される内側スキン（３２）を備え、前記内側スキン（３２）と、前記内側スキンがその前に配置される前記チャンバの前記壁の各々との間で、ガス流（Ｆ）のための循環容積（Ｖ）を形成し、
   前記付加製造機（１０）は、前記循環容積（Ｖ）に接続されたガス流（Ｆ）を発生する装置（５２）を備え、
   前記エネルギー又は熱供給源（１４）は、前記チャンバ（１２）の前記後壁（２４）、前壁（２２）、及び上壁（３０）によって支持され、前記内側スキン（３２）は、前記後壁から非ゼロの距離（Ｄ２４）、前記前壁から非ゼロの距離（Ｄ２２）、及び前記上壁から非ゼロの距離（Ｄ３０）で、前記左側側壁（２６）と前記右側側壁（２８）との間に広がるトンネルの形式をとり、
   前記製造チャンバ（１２）の前記上壁（３０）が前記エネルギー又は熱供給源（１４）を支持し、前記内側スキン（３２）は、前記エネルギー又は熱供給源の前に設けられた上方開口部（５４）を備え、
   隔壁（７６）が、上方開口部（５４）を前記製造チャンバの前記上壁（３０）に接続する、
   ことを特徴とする付加製造機（１０）。
2. 前記付加製造機は、前記作業面（１６）上に粉体を分散させる分散装置（３８）及び前記作業面を横切って前記分散装置を移動させるための移動装置（４０）を備え、前記移動装置は、前記ガス流（Ｆ）の前記循環容積（Ｖ）内の前記内側スキン（３２）の後方に配置されている、
   請求項１に記載の付加製造機（１０）。
3. 前記製造チャンバ（１２）の前記前壁（２２）がドア（４６）で閉鎖される主開口部（４４）を備え、前記内側スキン（３２）は、前記製造チャンバの前記前壁の開口部（４４）に対向して設けられた前部開口部（５６）を備えており、
   隔壁（７２）が、製造チャンバの前記前壁の（２２）の前記主開口部（４４）を、前記前方内壁（６２）の前記前部開口部（５６）に接続し、この隔壁（７２）は、これら開口部（４４、５６）の全周に設けられた種々の穴（７４）を備える、
   請求項１又は２に記載の付加製造機（１０）。
4. 前記内側スキン（３２）は、トンネルを形成するように連結された後方内壁（５８）、上方内壁（６０）、及び前方内壁（６２）を備え、前記後方内壁（５８）は、前記製造チャンバの前記後壁（２４）の前で前記製造チャンバ（１２）の内部に配置され、前記上方内壁（６０）は、前記製造チャンバの前記上壁（３０）の前で、従ってその真下で前記製造チャンバの内部に配置され、前記前方内壁（６２）は、前記製造チャンバの前記前壁（２２）前で前記製造チャンバの内部に配置されている、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の付加製造機（１０）。
5. 前記発生装置（５２）から流入する前記ガス流（Ｆ）は、前記製造チャンバ（１２）の前記後壁（２４）と前記内側スキンの前記後方内壁（５８）との間に導入される、
   請求項４に記載の付加製造機（１０）。
6. 前記内側スキンの前記前方内壁（６２）は開口しており、前記循環容積（Ｖ）は、前記製造チャンバの前記後壁（２４）と前記内側スキンの前記後方内壁（５８）との間、次に、前記製造チャンバの前記上壁（３０）と前記内側スキンの前記上方内壁（６０）との間、次に前記製造チャンバの前記前壁（２２）と前記内側スキンの前記前方内壁（６２）との間に広がり、最後に前記内側スキン（３２）を通って前記作業面（１６）の上に開口する、
   請求項５に記載の付加製造機（１０）。
7. 前記ガス流（Ｆ）用の吸気ダクト（８２）が、前記内側スキン（３２）を通って前記作業面（１６）の上に開口する前に、前記製造チャンバの前記後壁（２４）及び前記内側スキンの前記後方内壁（５８）を貫通する、
   請求項４ないし６のいずれか１項に記載の付加製造機（１０）。
8. 前記吸気ダクト（８２）は、前記ガス流（Ｆ）を発生させる前記装置（５２）に接続する、
   請求項７に記載の付加製造機（１０）。
9. 前記ガス流（Ｆ）を発生させる前記装置（５２）は、前記吸気ダクト（８２）によって吸い込まれた前記ガスを冷却するための熱交換器（８８）を備える、
   請求項８に記載の付加製造機（１０）。

Images