JP7397848B2 - ガス流ヘッドを用いる積層造形システム - Google Patents
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Description
[0001] 本出願は、2018年8月6日出願の35 U.S.C.§119(e)下において、米国仮特許出願第62/715,028号(表題「ADDITIVE MANUFACTURING SYSTEM WITH GAS FLOW HEAD」)の優先権を主張し、その全体を参照することにより本書に援用する。
[0002] 開示の実施形態は、積層造形(additive manufacturing)用のシステムに関する。
[0003] 金属積層造形の多くの方法が、現在、市場において入手可能である。方法は、材料源(粉末、ワイヤ、フィルムなど)、及び溶融/結合(レーザ溶融、電子ビーム溶融、溶接アーク、焼結など)を得るためのエネルギー付加の形態によって分けられ得る。所与の加工の最後の部分の解像度、精度、及び獲得可能なフィーチャー・サイズは、初期の材料の形態、及び金属融合(fusion)のためにエネルギーの配置を制御する能力に基づく。所与の加工の有効率(effective rate)は、一般に、エネルギーを造形面(build surface)に制御しながら送達する能力によって、制限されている。
[0006] 一実施形態では、積層造形システムが、造形面、1つ以上のレーザエネルギー源、及び造形面に対して可動であり且つレーザエネルギーを1つ以上のレーザエネルギー源から造形面の方へ向けるように構成されたオプティクスアセンブリを含む。造形面上の材料の層をレーザエネルギーにさらすことによって、材料の層の少なくとも一部分を溶融する。システムは、オプティクスアセンブリに結合され且つオプティクスアセンブリと造形面との間に部分的に囲まれた体積部を画成するガス流ヘッドをさらに含む。ガス流ヘッドは、供給ガスがガス流ヘッドに流入するガス流入部と、リターンガスがガス流ヘッドから流出するガス流出部と、レーザエネルギーを、ガス流ヘッドを通って造形面まで透過させることができるように配置されたアパーチャとを含む。供給ガス及びリターンガスは、ガス流ヘッド内のガス流プロフィールを規定する。
[0009] 添付図面は、縮尺通りではない。図面では、様々な図面に示されているそれぞれ同一又はほぼ同一の構成要素は、同様の符号で表され得る。明白にするために、全ての図面において全ての構成要素に符号が付されているわけではない。
[0031] 本発明人らは、造形面上の粉末材料層へのレーザの入射点における選択的レーザ溶融システム内での溶融プールのふるまいに多くの要因が影響を与え得ることを認識し且つ理解した。これらの要因は、加工で使用される金属粉末のタイプ、粉末層の厚さ、レーザビームの入射エネルギー、レーザビームの焦点サイズ、レーザビームの走査速度、以前の走査の熱履歴、及び周囲のガス環境のタイプを含み得る。全ての場合において、溶融プールの領域の近くで、溶融プール内の動力学は、溶融金属のヒューム発生及びある程度のガス化を生じる。場合によっては、これらの発生したヒュームは、レーザビームに干渉し得る。
Claims (27)
- 造形面と;
1つ以上のレーザエネルギー源と;
前記造形面に対して可動であり且つレーザエネルギーを前記1つ以上のレーザエネルギー源から前記造形面の方へ向けるように構成されたオプティクスアセンブリであって、前記造形面上の材料の層を前記レーザエネルギーにさらすことによって、前記材料の層の少なくとも一部分を溶融する、オプティクスアセンブリと;
前記オプティクスアセンブに結合され、且つ前記オプティクスアセンブリと前記造形面との間に、部分的に囲まれた体積部を画成するガス流ヘッドであって:
前記ガス流ヘッドの動作中に前記ガス流ヘッドに供給ガスが流入するガス流入部、
前記ガス流ヘッドの動作中に前記ガス流ヘッドからリターンガスが流出するガス流出部、及び
前記レーザエネルギーを、前記ガス流ヘッドを通って前記造形面まで透過させることができるように配置されたアパーチャであって、前記供給ガス及びリターンガスは、前記ガス流ヘッドの動作中の前記ガス流ヘッド内のガス流プロフィールを規定する、アパーチャ
を含む、ガス流ヘッドと
を含み、
前記ガス流ヘッドの動作中において、前記ガス流ヘッドに流入する前記供給ガスの第1の流量は、前記ガス流ヘッドから流出する前記リターンガスの第2の流量を下回り、且つ、前記第1の流量と前記第2の流量の差によって、前記ガス流ヘッドに掃気ガスを流入させる、積層造形システム。 - 前記ガス流ヘッド及びオプティクスアセンブリは、前記造形面を横切って実質的に同じ速度で動かされるように構成されている、請求項1に記載の積層造形システム。
- 前記アパーチャは、前記1つ以上のレーザエネルギー源のビーム面積の約10~約10,000倍に及ぶ面積を有する、請求項1に記載の積層造形システム。
- 前記ガス流ヘッドは、前記アパーチャの前記面積の約10~約100倍に及ぶ面積を有する、請求項3に記載の積層造形システム。
- ガス流ヘッドの前記面積は、前記造形面の面積の約0.05~約0.2倍である、請求項4に記載の積層造形システム。
- 前記アパーチャの最大寸法は、前記1つ以上のレーザエネルギー源の最大ビーム幅よりも、15mm未満大きい、請求項1に記載の積層造形システム。
- 前記第1及び第2の流量は、約0.5cm3/s~約1.5cm3/sである、請求項1に記載の積層造形システム。
- 前記ガス流ヘッドは、前記造形面に隣接する下面、及び前記オプティクスアセンブリと前記下面との間に位置決めされた上面をさらに含む、請求項1に記載の積層造形システム。
- 前記アパーチャは、前記上面に位置決めされた第1のアパーチャであり、及び前記ガスヘッドは、前記下面に位置決めされた第2のアパーチャをさらに含む、請求項8に記載の積層造形システム。
- 前記第1のアパーチャ及び前記第2のアパーチャは互いに整列されている、請求項9に記載の積層造形システム。
- 前記第1のアパーチャの第1の最大寸法は、前記1つ以上のレーザエネルギー源のビーム幅よりも1~2mm大きく、及び前記第2のアパーチャの第2の最大寸法は、前記第1の最大寸法よりも5~15mm大きい、請求項9に記載の積層造形システム。
- 前記第1のアパーチャを覆い且つ前記第1のアパーチャにレーザエネルギーを透過させることができるように配置された光学窓をさらに含む、請求項9に記載の積層造形システム。
- 前記ガス流ヘッド内に位置決めされたガス速度発生器をさらに含む、請求項1に記載の積層造形システム。
- 前記ガス速度発生器は、前記ガス流ヘッド内に、回転可能なディスクを含んで、前記ディスクの前記回転に対する接線方向に沿ってガス速度を発生させる、請求項13に記載の積層造形システム。
- 前記ディスクは、光学的に透明な材料から形成されている、請求項14に記載の積層造形システム。
- 前記ガス流ヘッド内に、前記ガスの流れを方向付けるように配置された1つ以上のフローガイドをさらに含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の積層造形システム。
- 前記ガス流ヘッド内の前記ガス流プロフィールは、前記材料の層を前記レーザエネルギーにさらすことによって発生した放出粒子及び/又はヒュームを流れに取り込むように構成されている、請求項1から16のいずれか一項に記載の積層造形システム。
- 前記ガス流ヘッドは、前記造形面の方へ向かって延在する一対のバッフルプレートをさらに含み、各バッフルプレートは、前記ガス流ヘッドの走査方向に対して実質的に平行である、請求項1に記載の積層造形システム。
- 各バッフルプレートは、伸長位置と引込み位置との間で選択的に作動可能である、請求項18に記載の積層造形システム。
- レーザエネルギーを、1つ以上のレーザエネルギー源からオプティクスアセンブリを通して造形面の方へ方向付けることであって、前記オプティクスアセンブリは、前記造形面に対して可動であること;
造形面上の材料の層を前記レーザエネルギーにさらすこと;
前記材料の層の少なくとも一部分を、前記レーザエネルギーに前記部分をさらすことに起因して、溶融すること;
ガス流ヘッドのガス流入部を通して第1の流量で前記ガス流ヘッドに供給ガスを流入させることであって、前記ガス流ヘッドは前記オプティクスアセンブリに結合されていること;
前記第1の流量を上回る第2の流量で前記ガス流ヘッドのガス流出部を通して前記ガス流ヘッドからリターンガスを流出させること;及び
少なくとも一部には、前記ガス流ヘッドに流入する前記供給ガスの前記第1の流量と前記ガス流ヘッドから流出する前記リターンガスの前記第2の流量の差に起因して、前記ガス流ヘッド内にガス流プロフィールを生成することであって、掃気ガスを前記ガス流ヘッドに流入させることを含む、生成すること
を含む、積層造形方法。 - 前記オプティクスアセンブリの動きの速度と実質的に等しい速度で前記造形面に対して前記ガス流ヘッドを動かすことをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第1及び第2の流速は、約0.5cm3/s~約1.5cm3/sに及ぶ、請求項20に記載の方法。
- ガス速度発生器によって、前記ガス流ヘッド内にガス速度を発生させることをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記ガス速度発生器は、前記ガス流ヘッド内に、回転可能なディスクを含み、及び前記ディスクを回転させることによって、前記ディスクの前記回転に対して接線方向に沿ってガス速度を発生させる、請求項23に記載の方法。
- 前記ディスクは光学的に透明な材料で形成される、請求項24に記載の方法。
- 1つ以上のフローガイドによって、前記ガス流ヘッド内での前記ガスの流れを方向付けることをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記ガス流ヘッド内の前記ガス流プロフィールは、前記材料の層を前記レーザエネルギーにさらすことによって発生した放出粒子及び/又はヒュームを流れに取り込むように構成されている、請求項20に記載の方法。
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