JP7481356B2 - 付加製造のための方法およびシステム - Google Patents
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Description
材料(例えば粉末のジェット、特に1以上の金属材料から得られる金属粉末のジェット)を作業領域に堆積させること。
堆積と同時に、集束された熱エネルギー、すなわち堆積される材料を溶融するために集束されたエネルギー源(例えば、レーザービーム、電子ビーム、またはプラズマアーク)を用いて上記粉末を熱処理すること。
上述した固定ミラーからのレーザービームLの光路に沿って設置されると共に、適応型コリメーターの下流に設置された少なくとも1つの反射面を有し、連結されたアクチュエータA1を介して第1軸、例えば水平軸Xに沿って向き付け可能な第1可動ミラーM1と、
ミラーM1によって反射されたレーザービームLの光路に沿って設置された反射面を有し、連結されたアクチュエータA2を介して第1可動ミラーM1の向き付け可能性の第1軸に対して直交する(すなわち90度にセットされた)第2軸に沿って向き付け可能であり、垂直軸Zに沿って調整可能である、第2可動ミラーM2と
を備える。
部分A)に示されているように、速度Vで並進したときに、エピサイクロイド光路LPAを形成する円形パターンlを得ることができる。このような円形パターンは、例えば、第1ミラーM1を正弦関数に従って動かし、第2ミラーM2を余弦関数に従って動かす(またはその逆)ことで得られる;
部分B)に示されているように、速度Vで並進したときに、並進された楕円の形状を有する螺旋状の光路LSBを形成するエピサイクロイド光路パターンLBを得ることができる;
部分C)に示されるように、速度Vで並進したときに、V形状の光路LSCを形成する線形パターンLCを得ることができる。このような線形パターンは、例えば、2つのミラーのうちの1つだけ、例えば第2ミラーM2だけを、ミラーの向きを変えられる2つの最大角度の間のすべての位置を取り得るように動かすことで得られる。;
部分D)に示されるように、速度Vで並進したときに、二重螺旋を形成する8の字形状のパターンLP D が得られる。
1010:例えばノズル34を介して、1以上の粉末ジェット、特に金属粉末のジェットPJを作業表面110の領域上に向けることと、例えばスキャナモジュール12d内の光学系M1,M2を介して、レーザービームLを同時にそのような領域、特に堆積された粉末上に向けて、上記領域上にレーザービームLの焦点スポットLSを形成することとの両方のために構成された付加製造ヘッド12を準備すること;
1012:そのような粉末ジェットPJとそのようなレーザービームL,LSとを向けている間に、付加製造ヘッド12を、レーザービームLの方向に交差する方向に同時に並進させ、例えばX軸またはY軸に沿って並進速度Vで並進させ、特に光路LPのレーザー焦点スポットLによるそのような粉末に伝達されたパワーの結果、それによって粉末の溶融およびそれに続く固化を介して固体トレースMPPを形成すること;
1014:付加製造ヘッド12の横方向における動きの間、ヘッド12から放射された、例えば周波数ωを有するレーザービームLに動的な振動を付加すること。この振動は、レーザービームLの焦点スポットの大きさに依存しないトレースの幅cが得られるように構成されている。またこの振動は、レーザービームによりトレース(レーザービームによって遮断された粉末が凝固して、一連のメルトプールを形成し、結果的にトレース自体を形成する)に伝達されるパワーの分布が幅方向に沿って変化するように、例えば、2つの谷と1つの頂点を有するプロファイルを有するパワーの分布Dに従って変化するように構成されている。
Claims (13)
- 付加製造のための方法であって、
付加製造ヘッド(12)が、金属粉末の1以上の粉末ジェット(PJ)を作業面(110)の領域(PD)に向けることと、
前記付加製造ヘッド(12)が、前記領域(PD)にレーザービーム(L)を同時に向けて、前記領域(PD)上に前記レーザービーム(L)の焦点スポット(LS)を形成することと、
前記粉末ジェット(PJ)および前記レーザービーム(L)を前記領域(PD)に向けている間に、前記焦点スポット(LS)により前記粉末に伝達されるパワー(D)の結果として前記粉末が溶融することにより得られるトレース(MPP)を生じさせるように、前記付加製造ヘッド(12)が前記レーザービーム(L)の方向と交差する方向に同時に並進(1012)することと
を含み、
前記交差する方向における前記付加製造ヘッド(12)の並進(1012)の間に、前記付加製造ヘッド(12)に対する動的な動きがヘッド(12)により放射される前記レーザービーム(L)に付与(1014)され、
前記動的な動きは、前記レーザービーム(L)の前記焦点スポット(LS)の大きさに依存せず、前記トレース(MPP)の幅(c)に対応する幅を有する見かけのスポットの単純な並進によって生成されるものと同等の前記トレース(MPP)の幅(c)が得られるように、構成されており、
前記動的な動きは、前記レーザービーム(L)によって前記トレース(MPP)に伝達されるパワー(D)の分布が前記トレース(MPP)の幅(c)の方向に沿って変化するように、構成されており、
前記レーザービーム(L)に付与された動きは、前記粉末が前記トレース(MP,MP’)の中央領域においてより高いレベル(q、q’)で蓄積される傾向があるにも関わらず、前記幅(c)と比較して相対的に小さく、予め設定され制御された深さ(h)を有する前記トレース(MPP)が得られるように、前記トレースの中央領域が前記レーザービーム(L)から、前記トレースの側方領域よりも低いパワーを受けるようになっている、方法。 - 前記レーザービーム(L)に付与(1014)された前記動的な動きは、各サイクルにおいて前記レーザービーム(L)の前記焦点スポット(LS)が予め設定されたパターン(LP)を描くような周期運動である、請求項1に記載の方法。
- 前記レーザービーム(L)に付与(1014)された前記動的な動きは、動的な振動(ω)の運動である、請求項1または2に記載の方法。
- 前記レーザービーム(L)に付与(1014)された前記動的な動きは、歳差運動に実質的に対応する振動(ω)の周期運動であり、前記歳差運動の各サイクルにおいて、前記レーザービーム(L)の前記焦点スポット(LS)は、予め設定されたパターン(LP)を描く、請求項3に記載の方法。
- 前記予め設定されたパターンは、円形パターン(LA,LPA)、楕円形パターン(LB,LPB)、線形パターン(LC,LPC)、および8の字形状のパターン(LD,LPD)を備える複数のパターンの中から選択される、請求項2または4に記載の方法。
- 前記付加製造ヘッド(12)の並進速度(V)および/または前記レーザービーム(L)の前記焦点スポット(LS)が前記レーザービーム(L)の振動の各サイクルにおけるパターン(LP)を描くときの速度(ω)は、前記トレース(MPP)の前記幅(c)の方向において、前記レーザービーム(L)により前記トレース(MPP)に伝達される所望のパワー(D)の分布が得られるように、予め決定されている、請求項1に記載の方法。
- 前記パターン(LP)、前記付加製造ヘッド(12)の並進速度(V)、および/または前記レーザービーム(L)の前記焦点スポット(LS)が前記レーザービーム(L)の振動の各サイクルにおける前記パターン(LP)を描くときの速度(ω)は、前記トレース(MPP)の前記幅(c)の方向に対して、前記レーザービーム(L)により前記トレース(MPP)に伝達される所望のパワーのプロファイル(D)が生じるように、選択される、請求項6に記載の方法。
- 付加製造のためのシステムであって、
作業面(110)の領域(PD)に1以上の金属粉末のジェット(PJ)を向けるための1以上のノズル(34)と、前記金属粉末のジェットを向けるのと同時に前記領域(PD)にレーザービーム(L)を向けて前記領域(PD)にレーザービーム焦点スポット(LS)を形成するレーザービーム集光・方向付け装置とを有する付加製造ヘッド(12)を備え、
前記付加製造ヘッド(12)は、前記金属粉末のジェット(PJ)および前記レーザービーム(L)を向けている間に、前記レーザービームの放射方向の横方向に並進(1014)するように構成されており、
前記付加製造ヘッド(12)は、
放射する前記レーザービームを方向付けるレーザービーム方向付け装置(12d)と、
前記付加製造ヘッド(12)の並進(1014)の動きを制御し、前記レーザービーム方向付け装置(12d)を制御する少なくとも1つの電子コントローラと
を備え、
前記少なくとも1つの電子コントローラは、前記横方向における前記付加製造ヘッド(12)の並進の間に、前記付加製造ヘッド(12)により放射された前記レーザービーム(L)に前記付加製造ヘッド(12)に対する動的な動きを付与(1014)するために、前記レーザービーム方向付け装置(12d)を制御するように構成されており、
付与された動的な動き(1014)は、前記レーザービーム(L)の焦点スポット(LS)の大きさに依存せず、トレースの幅(c)に対応する幅を有する見かけのスポットの単純な並進によって生成されるものと同等の前記トレースの幅(c)が得られるように、構成されており、
付与された動的な動きは、前記レーザービーム(L)によって前記トレース(MPP)に伝達されるパワー(D)の分布が前記トレース(MPP)の幅(c)の方向に沿って変化するように、構成されており、
前記付与された動的な動き(1014)は、前記粉末が前記トレース(MP,MP’)の中央領域においてより高いレベル(q、q’)で蓄積される傾向があるにも関わらず、前記幅(c)と比較して相対的に小さく、予め設定され制御された深さ(h)を有する前記トレース(MPP)が得られるように、前記トレースの中央領域が前記レーザービーム(L)から、前記トレースの側方領域よりも低いパワーを受けるようになっている、システム。 - 前記レーザービーム(L)に付与(1014)された前記動的な動きは、動的な振動(ω)であり、
前記動的な動き(ω)は、前記レーザービーム(L)の焦点スポット(LS)の大きさに依存せず、前記トレース(MPP)の幅(c)に対応する幅を有する見かけのスポットにより生成されるものと同等の金属トレースの幅(c)を得るように構成されており
前記動的な動き(ω)は、前記レーザービーム(L)から前記トレース(MPP)に伝達されるパワー(D)の分布が前記トレースの幅(c)の方向に沿って変化するように構成されている、請求項8に記載のシステム。 - 前記レーザービーム方向付け装置(12d)は、
前記レーザービーム(L)の光路に沿って順に配置され、互いに直交する軸(α,β)を中心にそれぞれ揺動するように取り付けられた一対のミラー(M1,M2)と、
前記ミラー(M1,M2)のそれぞれの揺動運動をそれぞれ制御する2つのアクチュエータ装置(A1,A2)と
を備える、請求項8に記載のシステム。 - 前記1以上のノズル(34)は、各アクチュエータを介して方向付けられる、請求項8に記載のシステム。
- 前記レーザービーム方向付け装置(12d)は、複数の光学部品を備える、請求項8に記載のシステム。
- 前記複数の光学部品は、回転プリズムおよび/または適応型コリメーターを含む、請求項12に記載のシステム。
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