JP7125572B2 - 電磁補助による微細構造のオンライン検出及び調節制御のシステム並びにその方法 - Google Patents
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Description
一方では、高温溶融プールの急速な固化と層ごとの蓄積プロセスにおける、溶融プールでの金属の冶金学的ダイナミクス及びその結晶の核形成及び成長のプロセスは、積層成形で製造されたコンポーネントの冶金学的組織(結晶粒子サイズ、結晶粒子形態、結晶配向及び化学組成の均一性など)及び機械的性質に直接に影響を与える。単なる積層プロセスでは、粗く、不均一で異方性の微細構造となる傾向にあるため、微細構造を十分に調節できない場合、成形部品は機能が十分できなくて信頼できないこととなる。
もう一方では、成形部品の急激な冷却や加熱なので、温度勾配が大きすぎると変形が制御不能になり、残留応力が大きくなり、残留応力が大きすぎると成形部品の機械的特性が低下してマイクロクラックが発生したり、複雑な熱サイクルなので残留応力分布も複雑となって、よって成形部品の変形と亀裂が発生したりする。
これらの問題は、金属積層造形部品の機械的特性と信頼性を低下させ、それによって金属積層造形技術の普及と適用に制限をもたらす。
従って、金属積層造形が直面する主な問題を解決し、細粒で優れた性能を備えた金属積層造形部品を得るための効果的で制御可能な方法を見つけることが急務である。
前記成形装置は、事前に設定された軌道に沿って基板の上に層ごとにワークピースを形成し、前記検出装置と前記調節制御装置は、前記成形装置と同期して移動し、前記検出装置は、成形済み領域のワークピースの微細構造をリアルタイムで検出する、第1の工程と、
前記第1の工程において検出結果が正常な場合、前記第1の工程を繰り返し実行し、異常な微細構造が検出された場合、前記調節制御装置に検出結果を送信し、前記調節制御装置は、微細構造の調節制御を実行するために、電磁衝撃調節制御ユニットを用いて、形成されたばかりのマイクロゾーンに電磁衝撃を実行することにより、前記マイクロゾーンに塑性延性変形を生じさせるか、もしくは、電磁攪拌調節制御ユニットを用いて、溶融プールの電磁攪拌を実行することにより、前記溶融プールの温度を均一化し、対流を発生させる、第2の工程と、
ワークピースが形成されるまで前記第1の工程と前記第2の工程を繰り返し実行し、ワークピースの成形工程の間ずっと微細構造のオンライン検出と調節制御を実現する第3の工程とを含む。
1.本発明は、増積製造のプロセス中に、検出装置を介して凝固ゾーンの微細構造を検出し、さらなる溶融プール又は溶融プールの後方の高温凝固ゾーンの電磁微細構造調節制御の根拠を提供し、積層成形における金属部品微細構造のオンライン閉ループ検出と調節制御を実現し、従来の、積層成形後に検出してパラメータを調整する方法、又は、積層成形プロセス中、全プロセスにわたって単に微細構造についてパラメータを調節・制御する方法と比較して、本発明における検出装置および調節制御装置の協調した動作は、リアルタイムの検出及びリアルタイムの循環調節により、閉ループが調節制御可能であり、安定的であり、適用性が強いという効果を奏する。
また、勾配材料など、さまざまな領域でさまざまな微細構造を必要とするコンポーネントの場合は、事前に設計することによって、成形プロセス中に微細構造をリアルタイムで調節制御して期待される目標を達成できる。
2 マイクロゾーン
3 電磁衝撃調節制御ユニット
4 成形装置
5 電磁攪拌調節制御ユニット
6 溶融プール
7 形成済み領域
調節制御装置には、電磁衝撃調節制御ユニット3と電磁攪拌調節制御ユニット5が含まれ、成形装置4の周囲に位置している。調節制御装置は、励起電流の大きさとタイプ又は成形装置4に対する位置と傾斜角を変更することにより、溶融プール領域での電磁界発生器による磁場の大きさ、タイプ及び分布状況を変更し、さらに印加磁場の大きさ、タイプ及び方向を変更して、印加磁場により結晶粒子の成長プロセス、溶融プールの対流及び熱と質量の伝達の制御を達成する。
具体的には、電磁衝撃調節制御ユニット3と電磁攪拌著説制御ユニット5は、何れも励起コイルと磁気伝導性コアを含み、励起コイルは磁気伝導性コアに巻かれ、磁気伝導性コアは調節可能なブラケットを介して成形装置4に取り付けられている。磁気伝導性コアと溶融プールの相対的な位置関係と姿勢を調節することにより、磁場の分布を調整することができる。また、磁気伝導性コアには水冷却流路が設置されている。
成形装置4は、事前に設定された軌道に沿って基板の上に層ごとにワークピースを形成し、検出装置1と調節制御装置は、成形装置4と同期して移動し、検出装置1は、成形済み領域7のワークピースの微細構造をリアルタイムで検出する、第1の工程S1と、
第1の工程S1において検出結果が正常な場合、第1の工程S1を繰り返し実行し、異常な微細構造が検出された場合、調節制御装置に検出結果を送信し、調節制御装置は、微細構造の調節制御を実行するために、電磁衝撃調節制御ユニット3を用いて、形成されたばかりのマイクロゾーン2に電磁衝撃を実行し、マイクロゾーン2に塑性延性変形を生じさせるか、もしくは、電磁攪拌調節制御ユニット5を用いて、溶融プール6の電磁攪拌を実行し、溶融プール6の温度を均一化し、対流を発生させる、第2の工程S2と、
ワークピースが形成されるまで第1の工程S1と第2の工程S2を繰り返し実行し、ワークピースの成形工程の間ずっと微細構造のオンライン検出と調節制御を実現する第3の工程S3とを含む。
Claims (9)
- 電磁補助による微細構造のオンライン検出及び調節制御のシステムであって、
成形装置(4)、検出装置(1)、調節制御装置及び基板を含み、
前記成形装置(4)、前記検出装置(1)及び調節制御装置は前記基板の上方に配置され、前記検出装置(1)は調節制御装置と接続され、前記調節制御装置には電磁衝撃調節制御ユニット(3)と電磁攪拌調節制御ユニット(5)が含まれ、
前記成形装置(4)は、前記基板上にワークピースを層ごとに成形し、また、前記検出装置(1)及び前記調節制御装置と同期して移動し、
前記検出装置(1)は、形成済み領域(7)の微細構造をリアルタイムで検出し、検出結果を前記調節制御装置に送信し、
検出結果に応じて、電磁衝撃調節制御ユニット(3)を用いて、形成されたばかりのマイクロゾーン(2)に電磁衝撃を実行するか、もしくは電磁攪拌調節制御ユニット(5)を用いて、溶融プール(6)の電磁攪拌を実行することにより、ワークピースの微細構造を調節制御し、微細構造の検出と調節制御を完了することを特徴とする、
システム。 - 前記検出装置(1)は、電磁渦電流検出装置であることを特徴とする、
請求項1に記載のシステム。 - 前記検出装置(1)の軸ラインが、前記基板に対して垂直であることを特徴とする、
請求項1に記載のシステム。 - 前記電磁衝撃調節制御ユニット(3)と前記電磁攪拌調節制御ユニット(5)は、それぞれ励起コイルと磁気伝導性コアを含み、前記励起コイルは磁気伝導性コアに巻かれ、前記磁気伝導性コアは調整可能なブラケットを介して前記成形装置(4)に取り付けられていることを特徴とする、
請求項1に記載のシステム。 - 前記磁気伝導性コアには水冷却流路が設置されていることを特徴とする、
請求項4に記載のシステム。 - 前記成形装置(4)は、電気アーク成形装置、レーザー成形装置、又は電子ビーム成形装置の何れかであることを特徴とする、
請求項1乃至5の何れかに記載のシステム。 - 請求項1乃至6の何れかに記載のシステムにおいて実行される電磁補助による微細構造のオンライン検出及び調節制御の方法であって、
前記成形装置(4)は、事前に設定された軌道に沿って基板の上に層ごとにワークピースを形成し、前記検出装置(1)と前記調節制御装置は、前記成形装置(4)と同期して移動し、前記検出装置(1)は、成形済み領域(7)のワークピースの微細構造をリアルタイムで検出する、第1の工程(S1)と、
前記第1の工程(S1)において検出結果が正常な場合、前記第1の工程(S1)を繰り返し実行し、異常な微細構造が検出された場合、前記調節制御装置に検出結果を送信し、前記調節制御装置は、微細構造の調節制御を実行するために、電磁衝撃調節制御ユニット(3)を用いて、形成されたばかりのマイクロゾーン(2)に電磁衝撃を実行することにより、前記マイクロゾーン(2)に塑性延性変形を生じさせるか、もしくは、電磁攪拌調節制御ユニット(5)を用いて、溶融プール(6)の電磁攪拌を実行することにより、前記溶融プール(6)の温度を均一化し、対流を発生させる、第2の工程(S2)と、
ワークピースが形成されるまで前記第1の工程(S1)と前記第2の工程(S2)を繰り返し実行し、ワークピースの成形工程の間ずっと微細構造のオンライン検出と調節制御を実現する第3の工程(S3)とを含む、
方法。 - 前記検出装置(1)は、ワークピースの成形済み領域(7)に対して電磁渦電流非破壊検出を行い、検出された電磁信号と所定の電磁信号および微細構造との関係を示すデータベースとに基づいて成形済み領域(7)の微細構造の検出を実現することを特徴とする、
請求項7に記載の方法。 - 前記検出装置(1)、前記電磁衝撃調節制御ユニット(3)及び前記電磁攪拌調節制御ユニット(5)に印加される磁場は、交互磁場及びパルス磁場のうちの任意の1つ又は複数であることを特徴とする、
請求項8に記載の方法。
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