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技術 粉末粒子が低温状態で浴に到達する、粉末を溶融させることによる部品製造方法

出願人 サフランエアークラフトエンジンズエムベデアフランス
発明者 クリストフコランジュリーメゾヌーブジェラールソッセロー
出願日 2018年11月19日 (1年7ヶ月経過) 出願番号 2018-216876
公開日 2019年4月25日 (1年2ヶ月経過) 公開番号 2019-064268
状態 未査定
技術分野 材料からの成形品の製造 粉末冶金 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード 定常温度状態 部分支持体 内側コーン 出力密度分布 中空コーン 最大数量 作業構成 希釈ゾーン
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

第1にプールの安定性を改善し、第2に溶融質量効率、再循環粉末質量効率、材料健全性及び構築速度を改善することに役立つDMD(直接金属堆積)法のために最適化された方法を提供する。

解決手段

粉末粒子が、プール温度より低温で各プールに到達し、前記プールの各々がθ<90°、Happ/eapp/1及びHZR/Happ≧0.6によって定義される形状を有し、ここでθが前記プールの最上表面と前記作業平面Pとの間の角度を表わし、Happがフィレット見かけ高さを表わし、eappがその幅を表わし、HZRが再溶融したゾーンの高さを表わすことを特徴とする方法。

概要

背景

複雑な三次元(3D)形状を有する機械部品を得ることを可能にする方法が公知である。これらの方法は、部品に望まれる形状が再構成されるまで層毎に部品を構築する。有利には、部品は、3Dコンピュータ支援設計CAD画像ファイルデータの処理から演繹されるコンピュータ援用設計及び製造(CADMファイルから直接再構成され得、ここではコンピュータ機械を制御し、機械はこうして、溶融され次に重なり合って凝固する材料の連続する層を形成し、ここで各層は、CADMファイルから定義されたサイズ及び形状の並置されたフィレットにより構成されている。

一例として、粉末を構成する粒子は、金属、金属間化合物セラミック又はポリマー粒子であり得る。

本出願においては、粉末が金属合金である場合、溶融温度TFは合金所与組成についての液相温度固相温度の間にある温度である。

構築支持体は、追加の機能を加えることが所望される他の何らかの部品の一部分であってよい。その組成は、投射される粉末粒子の組成と異なっていてよく、したがってそれは異なる溶融温度を有していてよい。

これらの方法には詳細には、レーザーによる投射又は「直接金属堆積」(DMD)、「選択的層溶融」(SLM)、及び「電子ビーム溶融」(EBM)が含まれる。

DMD方法の運用については、図2、4及び5を参照して以下で説明される。

材料の第1の層10が、不活性気体の調節された高い又は低い圧力にある局所的保護の下で又はエンクロージャの内部で、支持体80上の材料上にノズル190を通して粉末粒子を投射することによって形成される。粉末粒子60の投射と同時に、ノズル190は、発生器90に由来するレーザービーム95を発出する。粉末が支持体80上へと投射される時に通るノズル190の第1のオリフィス191は、レーザービーム95が発出される時に通る第2のオリフィス192を中心にして同軸であり、こうして粉末はレーザービーム95内に投射されるようになっている。粉末は粒子コーンを形成し、このコーンは中空で、一定の厚みを呈し(図4中の粉末ビーム94)、レーザービーム95は円錐形である。

作業平面Pは、上に層が構築及び/又は形成されつつある表面を含む平面として定義される。

第1の層を構築するためには、この表面は支持体80の上(自由)面S0である。[n+1]番目の層を構築するためには、この表面は[n]番目の層(整数nは1以上である)の上(自由)面である。

レーザービーム95は、レーザービームに曝露されている支持体80の領域を溶融させることにより支持体80上にプール102を形成する。粉末は、プール102に補給されるが、プールに到達する前にレーザービーム内のその経路上で溶融させられることから、このプール内には既に溶融状態到着する。

代替的には、一例として、ノズル90及びレーザーの焦点は、所与のサイズ分布の粉末がその異なるサイズの粒子全てが完全に溶融するのに充分な時間通過することがないような形で、調整及び/又は位置づけされてよく、こうして、これらの粒子は、レーザービーム95に曝露される支持体80の領域を溶融させることにより支持体80の表面上に先に形成されたプール102に到達した時点で溶融するようになっている。

作業距離WDは、ノズル190と作業平面Pの間の距離として定義される。

考慮されている作業距離WD全体にわたり、粉末は同様にして、レーザービーム95により溶融されないかもしれず、あるいは、粉末を構成する粒子の一部又は全てのサイズがそれらの溶融にとって過度に大きいものであることから、部分的にのみ溶融するかもしれない。図3を見ればわかるように、粉末粒子の平均直径DPが小さければ小さいほど、それらの加熱速度は速くなるが、それらが溶融温度に維持される時間は短かくその冷却速度は速くなる。その上、図3は、サイズ分布が狭くなればなるほど、所与の作業構成について、粉末の粒子全てがプールに到達した時に溶融する規模は大きくなることを示している。

全ての状況下で、粉末粒子は、プールへの補給を行なう前にレーザービーム95内を通過することによって加熱される。

レーザービーム95(又は支持体80)が下流側に移動する間、プール102はその位置に維持され、漸進的に凝固して支持体80上に凝固した材料105のフィレットを形成する。プロセスは続行されて、支持体80上に別の凝固したフィレットを形成し、このもう一方のフィレットは、例えば第1のフィレットと並置されている。こうして、上述の作業平面Pに平行な平面内でノズル190又は支持体80を移動させることにより、第1の材料層10が支持体80上に堆積させられ、この層は、CADMファイル内に画定された形状と適合する形状の一体成形品の形で第1の要素15を凝固により形成する。

その後、ノズル190及びレーザービーム95は、共に第2の走査を実施させられて、類似の形で第1の要素15の上に第2の材料層20を形成する。この第2の層20は第2の圧密された要素25を形成し、これら2つの要素15及び25は共に一体成形ブロックを形成する。第2層20の構築中に第1の要素15上に形成されるプール102は、概して、プール102に補給される粉末の粒子と共に、レーザービーム95に曝露されることで溶融した第1の要素15の一部分を少なくとも含んでいる。

支持体の最上表面S0に直交する垂直軸Z0及び支持体の表面S0によって構成される基準座標系を考慮する。この基準座標系は、支持体80に結びつけられるか、あるいはより正確には第1の材料層が堆積中の支持体の表面S0によってか又は直近に堆積した層の最上表面によって基準平面Pが画定される構築中の部品に結びつけられる。

層全般について、作業平面Pは、必ずしも表面S0に平行ではない。こうして、作業平面Pに直交するものとして定義される軸Zは必ずしも軸Z0に対し平行ではない。

2つの連続する層の間で、ノズルは軸Zに沿って、実際に堆積され(ノズルの経路とは無関係に)恒常でなければならずかつ構築が最適化され安定している場合充分に大きいものである材料の高さHappに理論上等しい値ΔZだけ移動する(図4及び5)。図5は、一部分支持体内に形成された液体プール横断面であり、プールの形状を示している。

支持体80の表面S0は、高さゼロにおける平面である。こうして、第1の層を構築している間、S0に対し平行で支持体内又は支持体の下方(軸Z0との関係において)に含まれた部分を有する平面は、負の高さにあり、支持体の表面S0の上方(軸Z0との関係において)の部分を伴うS0に平行な平面は正の高さにある。

[n]番目の層の構築に関係する所与の作業平面Pは、もう一方の平面の高さよりも大きい正の高さを有する場合、より低い層に付着されたこのもう一方の作業平面の上方にある。

支持体80及び部品に結びつけられたこの基準座標系内で、第2の層20は、第1の層10の作業平面の上方に位置する作業平面P上に構築され、これら2つの平面は、作業平面Pに直交する軸Zに沿って測定した場合距離ΔZだけ離隔されている。

概して、上位層の作業平面は先行する下位層の作業平面に対し平行である必要はなく、ここで上位層の軸Zは下位層の作業平面の軸Zとの関係において非ゼロ角度にあり、後者の軸Zに沿って測定した、下位層の各点の上方の距離ΔZは平均値である。

層毎に部品を調製するこのプロセスは、このとき、既に形成されアセンブリ全体にわたり追加層を加えることによって続行される。

先行技術を示す図4は、レーザービーム95と粉末ビーム94の構成をさらに詳細に示している。レーザービーム95は、(ノズル190の底面部分の中に位置する)その焦点FLから角度2βで発散してノズル190を離れ、支持体80の一領域を照射して、内部にプール102を創出するのに寄与する。

粉末ビーム94は、レーザービーム95の内部で支持体80の表面(作業平面P)の直ぐ上に(又はその上方に)あるその焦点FPに向かって角度2δで収束しながらノズル190を離れ、こうして、粉末粒子60はレーザービーム95内で最大限の長さの時間を費して加熱される。プールから上流側において粉末とレーザー間で大量の相互作用が行われることの利点は、摩耗した部品の表面を加増させてそれらを修理する場合及び硬質コーティングを堆積させる場合に頻繁に所望されるように高い堆積速度及び低い希釈度の両方を生み出すという点にある。

理論的溶融効率は、粉末ビーム94の直径φPでレーザービーム95の直径φLを除した比率として定義づけされ、これら2つの直径は作業平面Pの中で決定される。

代替的には、直径φLを液体プールの直径φBL置換し(図4参照)、こうして、なかでも選択されたパラメータ設定値、詳細にはレーザー出力PL、レーザービームの走査速度V及び粉末の質量流量率Dmによって左右される効率を評価してもよい。

焦点におけるレーザーの直径(すなわちφL0)は多くの場合、粉末焦点における粉末ビームの直径φP0よりもはるかに小さく、そのため、先行技術における作業構成では論理的に、集束された粉末ビーム(その焦点FPは、作業平面P上に位置する)について、又は作業平面Pの上方でレーザーの焦点FLの下方に焦点FPを有する非集束粉末ビームについて、レーザービームを非集束にする(その焦点FLは作業平面Pの上方に位置する)必要がある。これは、そうでなければ、構築中の構造が不安定なものとなりかつ許容できる溶融効率が全く保証されなくなるからである。上述の通り、概して、平面P内で測定されたレーザービームの直径φLは、凝固後のフィレットの幅(eappと記す)におおよそ等しいものである液体プールの直径φBLに対応していない(図4及び5)。

液体プールのこの直径φBLは、粉末粒子の熱物理特性に左右されることに加えて、φLひいてはφL0と同様、3重項(PL、V、Dm)及び同じくさまざまな粉末粒子のサイズDP及びそれらの速度VPによって定義される設定値関数であるものと仮定されている。

層毎に部品を構築するプロセス中、図4を見ればわかるように、ノズル190は、点FLとFPの間の距離を恒常に保ちながら(すなわちDefocL−DefocP=定数)、特に垂直方向に移動し、ここでDefocL及びDefocPはそれぞれ、以下に定義されるレーザー焦点外れ及び粉末焦点外れを表わす。
DefocL={FLから作業平面Pまでの距離}及び
DefocP={FPから作業平面Pまでの距離}

こうして、粉末ビームFPの焦点94はレーザービーム95の内部そして先に構築された層の表面(作業平面P)の直上(又は上方)にとどまる。

こうして、平面P上に焦点外れしたレーザービーム(DefocL>0)及び焦点外れした粉末ビーム(DefocP=0)又は平面Pの上方に焦点外れした粉末ビーム(DefocP>0)が存在し、2つの角度2β及び2δは、第1に、ノズルからの出口と平面Pの間の作業距離WDがプールからの放射によるノズルの底面の損傷を回避するのに充分大きいものとなるような形で、そして第2にノズルからの出口におけるレーザービームの開口が確実に内側コーンの直径より小さいものにとどまるようにする形で構成される必要がある。

支持体80を移動させること又はノズル190とレーザービーム95を含むアセンブリで走査することにより、各層に対して隣接する層とは独立した形状を付与することが可能となる。部品の下位層をアニールし、これらは、部品の上位層が形成されるにつれて漸進的に冷却する。

それでも、非網羅的な所与の1組のパラメータ設定値(粉末粒子のサイズ分布DP、粉末材料性質、粉末質量流量率Dm、ノズルとレーザービームを含むアセンブリの走行速度V、レーザーにより供給される出力PL、作業平面P上の出力密度分布レーザー源のタイプ(固体又は気体)、モード(パルス又は連続式)、同軸ノズル、粉末粒子を担持する気体の性質及びその流速Dgp、ノズルの軸と交差する保護気体の性質及びその流速Dg1、角度2β及び2δと同様、以上で定義された直径φL0及びφP0など)について、溶融質量効率Rm(すなわち完成部品を形成する材料の数量と部品を形成するためにノズルによって投射される材料の数量の比率)、再循環した粉末質量効率ζrecy(すなわち、例えばスクリーニングの後に得られるような形態学的に無欠である粉末及び凝集体と投射されている材料の数量の比率)、部品の表面で形成されるプールの安定性、及び製造される部品の材料健全性を改善する必要性が存在している。

概要

第1にプールの安定性を改善し、第2に溶融質量効率、再循環粉末質量効率、材料健全性及び構築速度を改善することに役立つDMD(直接金属堆積)法のために最適化された方法を提供する。粉末粒子が、プール温度より低温で各プールに到達し、前記プールの各々がθ<90°、Happ/eapp/1及びHZR/Happ≧0.6によって定義される形状を有し、ここでθが前記プールの最上表面と前記作業平面Pとの間の角度を表わし、Happがフィレットの見かけ高さを表わし、eappがその幅を表わし、HZRが再溶融したゾーンの高さを表わすことを特徴とする方法。

目的

それでもなお、図1に示されている実施形態においては、ノズル190が液体プール102に近接しているために放射により加熱されることからノズル190の(追加)冷却を提供する

効果

実績

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請求項1

部品を製造する方法において、a)粉末ビーム(94)を形成する粉末粒子(60)の形をした材料を供給するステップと、b)高エネルギービーム(96)を用いて粉末溶融温度TFより高い温度まで第1の数量の前記粉末を加熱し、支持体(80)の表面でこの溶融した粉末と支持体(80)の一部分を含む第1のプールを形成するステップと、c)前記高エネルギービーム(95)を用いて、第2の数量の前記粉末を、その溶融温度TFよりも高い温度まで加熱し、支持体(80)の表面において第1のプールの下流側にこの溶融した粉末と支持体(80)の一部分を含む第2のプールを形成するステップと、d)前記部品の第1の層(10)が前記支持体(80)上に形成されるまで、ステップc)を反復するステップと、e)高エネルギービーム(95)を用いて、n番目の数量の前記粉末をその溶融温度TFよりも高い温度まで加熱し、前記第1の層(10)の一部分の上方にこの溶融した粉末を一部含むn番目のプールを形成するステップと、f)前記高エネルギービーム(95)を用いて、n+1番目の数量の前記粉末をその溶融温度TFよりも高い温度まで加熱し、前記第1の層(10)の一部分の上方に前記n番目のプールから下流側でこの溶融した粉末を一部含むn+1番目のプールを形成するステップと、g)前記第1の層(10)の上方に前記部品の第2の層(20)を形成するために、ステップf)を反復するステップと、h)前記部品が実質的にその最終形状になるまで、既に形成された層の上方に位置する各層についてステップe)〜ステップg)を反復するステップと、を含み、前記粉末ビーム(94)と前記高エネルギービーム(95)が実質的に同軸であり、前記粉末粒子(60)が、前記プールの温度に比べて低温である温度で、各プールに到達することを特徴とする方法。

請求項2

高エネルギービーム(95)の焦点FL作業平面Pの上方又は前記作業平面の中に位置し、粉末ビーム(94)の焦点FPが作業平面Pの下に位置し、こうして、粉末粒子はいかなる時点でもノズル(190)からの出口と作業平面Pとの間で高エネルギービーム(95)と交差しないようになっており、作業平面Pは、前記層が上に形成されつつある表面を含む平面として定義されることを特徴とする請求項1に記載の部品製造方法。

請求項3

請求項2に記載の高エネルギービーム(95)の焦点FL及び粉末ビーム(94)の焦点FPを得るために、粉末ビーム(94)の焦点外れ距離DefocPが増大させられ、かつ/又は、前記作業平面Pに対する垂線との関係におけるレーザービーム(95)の発散半角βが減少させられるか、又は高エネルギーレーザービーム(95)の焦点外れ距離DefocLが減少させられることを特徴とする請求項2に記載の部品製造方法。

請求項4

粉末粒子60のサイズ分布が狭いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の部品製造方法。

請求項5

前記プールの各々がθ<90°、Happ/eapp/1及びHZR/Happ≧0.6によって定義される形状を有し、ここでθが前記プールの最上表面と前記作業平面Pとの間の角度を表わし、Happがフィレット見かけ高さを表わし、eappがその幅を表わし、HZRが再溶融したゾーンの高さを表わすことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の部品製造方法。

請求項6

3つの数量θ、Happ/eapp及びHZR/Happが、15°≦θ≦60°、0.04≦Happ/eapp≦0.75でかつ1≦HZR/Happ≦6という関係式を満たすことを特徴とする請求項5に記載の部品製造方法。

技術分野

0001

本発明は、高エネルギービームレーザービーム電子ビーム…)を用いて粉末溶融させることによる部品の製造の分野に関する。

0002

本発明は、より詳細には、
a)粉末ビームを形成する粉末粒子の形をした材料を供給するステップと、
b)高エネルギービームを用いて粉末の溶融温度TFより高い温度まで第1の数量の粉末を加熱し、支持体の表面でこの溶融した粉末と支持体の一部分を含む第1のプールを形成するステップと、
c)高エネルギービームを用いて、第2の数量の粉末を、その溶融温度TFよりも高い温度まで加熱し、支持体の表面において第1のプールの下流側にこの溶融した粉末と支持体の一部分を含む第2のプールを形成するステップと、
d)前記部品の第1の層が支持体上に形成されるまで、ステップc)を反復するステップと、
e)高エネルギービームを用いて、[n]番目の数量の粉末をその溶融温度TFよりも高い温度まで加熱し、第1の層の一部分の上方にこの溶融した粉末を一部含む[n]番目のプールを形成するステップと、
f)高エネルギービームを用いて、[n+1]番目の数量の粉末をその溶融温度TFよりも高い温度まで加熱し、前記第1の層の一部分の上方に前記[n]番目のプールから下流側でこの溶融した粉末を一部含む[n+1]番目のプールを形成するステップと、
g)前記第1の層(10)の上方に部品の第2の層(20)を形成するために、ステップf)を反復するステップと、
h)部品が実質的にその最終形状になるまで、既に形成された層の上方に位置する各層についてステップe)〜g)を反復するステップと、を含む方法に関する。

0003

上述の方法において、第1の層を形成するためには[n−1]の数量の粉末が必要とされる。

背景技術

0004

複雑な三次元(3D)形状を有する機械部品を得ることを可能にする方法が公知である。これらの方法は、部品に望まれる形状が再構成されるまで層毎に部品を構築する。有利には、部品は、3Dコンピュータ支援設計CAD画像ファイルデータの処理から演繹されるコンピュータ援用設計及び製造(CADMファイルから直接再構成され得、ここではコンピュータ機械を制御し、機械はこうして、溶融され次に重なり合って凝固する材料の連続する層を形成し、ここで各層は、CADMファイルから定義されたサイズ及び形状の並置されたフィレットにより構成されている。

0005

一例として、粉末を構成する粒子は、金属、金属間化合物セラミック又はポリマー粒子であり得る。

0006

本出願においては、粉末が金属合金である場合、溶融温度TFは合金所与組成についての液相温度固相温度の間にある温度である。

0007

構築支持体は、追加の機能を加えることが所望される他の何らかの部品の一部分であってよい。その組成は、投射される粉末粒子の組成と異なっていてよく、したがってそれは異なる溶融温度を有していてよい。

0008

これらの方法には詳細には、レーザーによる投射又は「直接金属堆積」(DMD)、「選択的層溶融」(SLM)、及び「電子ビーム溶融」(EBM)が含まれる。

0009

DMD方法の運用については、図2、4及び5を参照して以下で説明される。

0010

材料の第1の層10が、不活性気体の調節された高い又は低い圧力にある局所的保護の下で又はエンクロージャの内部で、支持体80上の材料上にノズル190を通して粉末粒子を投射することによって形成される。粉末粒子60の投射と同時に、ノズル190は、発生器90に由来するレーザービーム95を発出する。粉末が支持体80上へと投射される時に通るノズル190の第1のオリフィス191は、レーザービーム95が発出される時に通る第2のオリフィス192を中心にして同軸であり、こうして粉末はレーザービーム95内に投射されるようになっている。粉末は粒子コーンを形成し、このコーンは中空で、一定の厚みを呈し(図4中の粉末ビーム94)、レーザービーム95は円錐形である。

0011

作業平面Pは、上に層が構築及び/又は形成されつつある表面を含む平面として定義される。

0012

第1の層を構築するためには、この表面は支持体80の上(自由)面S0である。[n+1]番目の層を構築するためには、この表面は[n]番目の層(整数nは1以上である)の上(自由)面である。

0013

レーザービーム95は、レーザービームに曝露されている支持体80の領域を溶融させることにより支持体80上にプール102を形成する。粉末は、プール102に補給されるが、プールに到達する前にレーザービーム内のその経路上で溶融させられることから、このプール内には既に溶融状態到着する。

0014

代替的には、一例として、ノズル90及びレーザーの焦点は、所与のサイズ分布の粉末がその異なるサイズの粒子全てが完全に溶融するのに充分な時間通過することがないような形で、調整及び/又は位置づけされてよく、こうして、これらの粒子は、レーザービーム95に曝露される支持体80の領域を溶融させることにより支持体80の表面上に先に形成されたプール102に到達した時点で溶融するようになっている。

0015

作業距離WDは、ノズル190と作業平面Pの間の距離として定義される。

0016

考慮されている作業距離WD全体にわたり、粉末は同様にして、レーザービーム95により溶融されないかもしれず、あるいは、粉末を構成する粒子の一部又は全てのサイズがそれらの溶融にとって過度に大きいものであることから、部分的にのみ溶融するかもしれない。図3を見ればわかるように、粉末粒子の平均直径DPが小さければ小さいほど、それらの加熱速度は速くなるが、それらが溶融温度に維持される時間は短かくその冷却速度は速くなる。その上、図3は、サイズ分布が狭くなればなるほど、所与の作業構成について、粉末の粒子全てがプールに到達した時に溶融する規模は大きくなることを示している。

0017

全ての状況下で、粉末粒子は、プールへの補給を行なう前にレーザービーム95内を通過することによって加熱される。

0018

レーザービーム95(又は支持体80)が下流側に移動する間、プール102はその位置に維持され、漸進的に凝固して支持体80上に凝固した材料105のフィレットを形成する。プロセスは続行されて、支持体80上に別の凝固したフィレットを形成し、このもう一方のフィレットは、例えば第1のフィレットと並置されている。こうして、上述の作業平面Pに平行な平面内でノズル190又は支持体80を移動させることにより、第1の材料層10が支持体80上に堆積させられ、この層は、CADMファイル内に画定された形状と適合する形状の一体成形品の形で第1の要素15を凝固により形成する。

0019

その後、ノズル190及びレーザービーム95は、共に第2の走査を実施させられて、類似の形で第1の要素15の上に第2の材料層20を形成する。この第2の層20は第2の圧密された要素25を形成し、これら2つの要素15及び25は共に一体成形ブロックを形成する。第2層20の構築中に第1の要素15上に形成されるプール102は、概して、プール102に補給される粉末の粒子と共に、レーザービーム95に曝露されることで溶融した第1の要素15の一部分を少なくとも含んでいる。

0020

支持体の最上表面S0に直交する垂直軸Z0及び支持体の表面S0によって構成される基準座標系を考慮する。この基準座標系は、支持体80に結びつけられるか、あるいはより正確には第1の材料層が堆積中の支持体の表面S0によってか又は直近に堆積した層の最上表面によって基準平面Pが画定される構築中の部品に結びつけられる。

0021

層全般について、作業平面Pは、必ずしも表面S0に平行ではない。こうして、作業平面Pに直交するものとして定義される軸Zは必ずしも軸Z0に対し平行ではない。

0022

2つの連続する層の間で、ノズルは軸Zに沿って、実際に堆積され(ノズルの経路とは無関係に)恒常でなければならずかつ構築が最適化され安定している場合充分に大きいものである材料の高さHappに理論上等しい値ΔZだけ移動する(図4及び5)。図5は、一部分支持体内に形成された液体プール横断面であり、プールの形状を示している。

0023

支持体80の表面S0は、高さゼロにおける平面である。こうして、第1の層を構築している間、S0に対し平行で支持体内又は支持体の下方(軸Z0との関係において)に含まれた部分を有する平面は、負の高さにあり、支持体の表面S0の上方(軸Z0との関係において)の部分を伴うS0に平行な平面は正の高さにある。

0024

[n]番目の層の構築に関係する所与の作業平面Pは、もう一方の平面の高さよりも大きい正の高さを有する場合、より低い層に付着されたこのもう一方の作業平面の上方にある。

0025

支持体80及び部品に結びつけられたこの基準座標系内で、第2の層20は、第1の層10の作業平面の上方に位置する作業平面P上に構築され、これら2つの平面は、作業平面Pに直交する軸Zに沿って測定した場合距離ΔZだけ離隔されている。

0026

概して、上位層の作業平面は先行する下位層の作業平面に対し平行である必要はなく、ここで上位層の軸Zは下位層の作業平面の軸Zとの関係において非ゼロ角度にあり、後者の軸Zに沿って測定した、下位層の各点の上方の距離ΔZは平均値である。

0027

層毎に部品を調製するこのプロセスは、このとき、既に形成されアセンブリ全体にわたり追加層を加えることによって続行される。

0028

先行技術を示す図4は、レーザービーム95と粉末ビーム94の構成をさらに詳細に示している。レーザービーム95は、(ノズル190の底面部分の中に位置する)その焦点FLから角度2βで発散してノズル190を離れ、支持体80の一領域を照射して、内部にプール102を創出するのに寄与する。

0029

粉末ビーム94は、レーザービーム95の内部で支持体80の表面(作業平面P)の直ぐ上に(又はその上方に)あるその焦点FPに向かって角度2δで収束しながらノズル190を離れ、こうして、粉末粒子60はレーザービーム95内で最大限の長さの時間を費して加熱される。プールから上流側において粉末とレーザー間で大量の相互作用が行われることの利点は、摩耗した部品の表面を加増させてそれらを修理する場合及び硬質コーティングを堆積させる場合に頻繁に所望されるように高い堆積速度及び低い希釈度の両方を生み出すという点にある。

0030

理論的溶融効率は、粉末ビーム94の直径φPでレーザービーム95の直径φLを除した比率として定義づけされ、これら2つの直径は作業平面Pの中で決定される。

0031

代替的には、直径φLを液体プールの直径φBL置換し(図4参照)、こうして、なかでも選択されたパラメータ設定値、詳細にはレーザー出力PL、レーザービームの走査速度V及び粉末の質量流量率Dmによって左右される効率を評価してもよい。

0032

焦点におけるレーザーの直径(すなわちφL0)は多くの場合、粉末焦点における粉末ビームの直径φP0よりもはるかに小さく、そのため、先行技術における作業構成では論理的に、集束された粉末ビーム(その焦点FPは、作業平面P上に位置する)について、又は作業平面Pの上方でレーザーの焦点FLの下方に焦点FPを有する非集束粉末ビームについて、レーザービームを非集束にする(その焦点FLは作業平面Pの上方に位置する)必要がある。これは、そうでなければ、構築中の構造が不安定なものとなりかつ許容できる溶融効率が全く保証されなくなるからである。上述の通り、概して、平面P内で測定されたレーザービームの直径φLは、凝固後のフィレットの幅(eappと記す)におおよそ等しいものである液体プールの直径φBLに対応していない(図4及び5)。

0033

液体プールのこの直径φBLは、粉末粒子の熱物理特性に左右されることに加えて、φLひいてはφL0と同様、3重項(PL、V、Dm)及び同じくさまざまな粉末粒子のサイズDP及びそれらの速度VPによって定義される設定値関数であるものと仮定されている。

0034

層毎に部品を構築するプロセス中、図4を見ればわかるように、ノズル190は、点FLとFPの間の距離を恒常に保ちながら(すなわちDefocL−DefocP=定数)、特に垂直方向に移動し、ここでDefocL及びDefocPはそれぞれ、以下に定義されるレーザー焦点外れ及び粉末焦点外れを表わす。
DefocL={FLから作業平面Pまでの距離}及び
DefocP={FPから作業平面Pまでの距離}

0035

こうして、粉末ビームFPの焦点94はレーザービーム95の内部そして先に構築された層の表面(作業平面P)の直上(又は上方)にとどまる。

0036

こうして、平面P上に焦点外れしたレーザービーム(DefocL>0)及び焦点外れした粉末ビーム(DefocP=0)又は平面Pの上方に焦点外れした粉末ビーム(DefocP>0)が存在し、2つの角度2β及び2δは、第1に、ノズルからの出口と平面Pの間の作業距離WDがプールからの放射によるノズルの底面の損傷を回避するのに充分大きいものとなるような形で、そして第2にノズルからの出口におけるレーザービームの開口が確実に内側コーンの直径より小さいものにとどまるようにする形で構成される必要がある。

0037

支持体80を移動させること又はノズル190とレーザービーム95を含むアセンブリで走査することにより、各層に対して隣接する層とは独立した形状を付与することが可能となる。部品の下位層をアニールし、これらは、部品の上位層が形成されるにつれて漸進的に冷却する。

0038

それでも、非網羅的な所与の1組のパラメータ設定値(粉末粒子のサイズ分布DP、粉末材料性質、粉末質量流量率Dm、ノズルとレーザービームを含むアセンブリの走行速度V、レーザーにより供給される出力PL、作業平面P上の出力密度分布レーザー源のタイプ(固体又は気体)、モード(パルス又は連続式)、同軸ノズル、粉末粒子を担持する気体の性質及びその流速Dgp、ノズルの軸と交差する保護気体の性質及びその流速Dg1、角度2β及び2δと同様、以上で定義された直径φL0及びφP0など)について、溶融質量効率Rm(すなわち完成部品を形成する材料の数量と部品を形成するためにノズルによって投射される材料の数量の比率)、再循環した粉末質量効率ζrecy(すなわち、例えばスクリーニングの後に得られるような形態学的に無欠である粉末及び凝集体と投射されている材料の数量の比率)、部品の表面で形成されるプールの安定性、及び製造される部品の材料健全性を改善する必要性が存在している。

先行技術

0039

原文に記載なし)

発明が解決しようとする課題

0040

本発明は、第1にプールの安定性を改善し、第2に溶融質量効率、再循環粉末質量効率、材料健全性及び構築速度を改善する(ΔZと記されるノズルのZ上昇増分最大化する)ことに役立つDMD法のために最適化された方法、より詳細には作業構成(DefocL、DefocP、WDにより定義される)を提案しようとするものである。

課題を解決するための手段

0041

この目的は、粉末粒子が、プールの温度に比べて低い温度で各プールに到達するという事実によって達成される。

0042

これらの想定を用いると、溶融質量効率(Rm)に再循環粉末効率(ζrecy)を加えた合計として定義づけされる本方法の質量効率ηPは、粉末粒子がプールに高温で、さらには部分的に又は全面的に溶融した状態で到達した場合の本方法の質量効率よりも高い。さらに、プールに到達した時点で、粉末粒子は、希釈されるゾーンの幅及び高さ(平面Pの下方に存在するプールの体積)を増大させることなく、プールの体積そして特に平面Pの上方のその体積を増大させる一方で、液体プールの温度TBLを低減させるのに役立つ(これは、これらの粉末粒子がプールよりもはるかに低温であり、粒子はプール内に進入する前は実質的に周囲温度にあるからである)。こうして、不可避的に、液体表面とプールの蒸気の間の表面張力は急速に増大し、その結果、プールのより優れた安定性がもたらされることになる。

0043

さらに、各堆積層内でこのようにして大量の希釈を促進することは、製造上の欠陥を最小限に抑えるのに役立つ。

0044

有利には、高エネルギービームの焦点FLは、作業平面Pの上方又はこの平面内に位置し、粉末ビームの焦点FPは作業平面Pの下方に位置し、こうして粉末粒子はいかなる時でも、ノズルからの出口と作業平面Pの間で高エネルギービームと交差しない。詳細には、粉末ビームの焦点FPは、特に初期層を堆積させる時点では支持体の内部に位置していてよい。一定数の層が堆積された時点で、粉末ビームの焦点FPは先に堆積された層の内部に位置していてよい。

0045

こうして、粉末粒子の大部分は、それらが部品の既に構築された部分の上に予め形成されたプールに到達する時、低温である。

0046

これらの粒子はこのとき、Vに対するφLの比率により定義される通り、レーザー/プールの相互作用の時間中ノズルにより投射される全ての粒子の最大数量及び最大部分を取り込むのに充分な幅(φBL>φP)及び充分な深さ(HZR>Happ:図5に関して以上で記した定義を参照のこと)を有するプール内に進入する。

0047

さらに、残留粉末粒子は高エネルギービームにより加熱されず無欠であることから、再循環に完全に好適である。

0048

さらに、粉末ビーム及び高エネルギービームは実質的に同軸であってよい、すなわちそれらの軸は間に30°未満、好ましくは20°未満、より好ましくは10°未満、さらに一層好ましくは5°未満の角度を形成し得る。こうして高エネルギービームは、形状が複雑である部品の製造中、粉末ビームに容易に追従することができる。投射又は溶融がオフセットされている場合、すなわち粉末ビームと高エネルギービームが実質的に同軸でない場合には、製造のために部品の形状を追跡することがはるかに困難である。

0049

本発明は、非限定的な例として示されている一実施形態についての以下の詳細な説明を読んだ時点で充分に理解でき、その利点が明らかになる。説明は、添付図面を参照して行なわれる。

図面の簡単な説明

0050

本発明の方法において高エネルギービームと粉末ビームを位置づけするための1つの可能性を示す略図である。
上述の通り、先行技術の方法を説明するための略図であり、DMD法用の装置を示す。
上述の通り、Ti−6A1−4V粉末粒子が液体プールに到達した場合のノズルからの出口におけるその温度に対するその直径DPの効果を示す。
上述の通り、先行技術の方法における高エネルギービーム及び粉末ビームの位置づけを示す略図である。
上述の通り、支持体内に形成された液体プールの概略的横断面図である。

実施例

0051

本発明において、粉末粒子は、先行する層(又は支持体)の表面に形成されたプールに到達した時点で低温である。「低温」という用語は、粒子の温度がプールの温度よりもはるかに低いことを意味する。プール内に進入する前は、粒子の温度は、例えば約20℃である周囲温度に実質的に等しい。

0052

これに比べて、液体プールの温度TBLは、粉末を構成する材料の溶融温度TFよりも高いものの、この材料の沸騰温度よりも低い。この溶融温度は、アルミニウム合金の場合550℃超であり、ニッケル系合金の場合1300℃超であり、鋼の場合1450℃超であり、チタン合金の場合1550℃超である。

0053

図1は、先行する層(又は支持体)の表面内に形成されたプールに到達した時点で粉末粒子が低温であることができるようにする本発明の一実施形態を示す。このような実施形態は同様に、例えば電荷結合素子(CCD)カメラを用いて軸上のプールをより容易に検分して、オンラインで方法を監視できるようにするという利点も有し、これは、方法の工業化に有用である。

0054

図1は、支持体80上に既に堆積させられた第1の材料層10を伴う支持体80の断面図である。第2層が次に第1層10上に堆積させられる。第2層20のフィレット105が、その構築中の状態で示されており、ここでフィレット105は左から右へ、そして上流側から下流側に(フィレット105の順方向走行方向又は液体プール102の等価の要領で)前進する。こうして、プール102は、ノズル190の下でフィレット105から直ぐ下流側に位置し、このノズル190からレーザービーム95及び粉末ビーム94が出現する。このとき、第1の層10の最上表面は、構築中の第2の層との関係における作業平面Pを構成し、この作業平面Pから、レーザー焦点外れ距離DefocL、粉末焦点外れ距離DefocP、作業距離WD、レーザービームの直径φL及び粉末ビームの直径φPが測定される。

0055

粉末粒子60を投射するのと同時に、ノズル190は、発生器90に由来するレーザービーム95を発出する。粉末が支持体80上に投射される時に通るノズル190の第1のオリフィス191は、レーザービーム95が発出される時に通る第2のオリフィス196と同軸であり、こうして粉末がレーザービーム95内に投射されるようになっている。粉末は粒子コーンを形成し、この中空コーンは一定の厚みを呈し(粉末ビーム94)、レーザービームは円錐形である。

0056

本発明において、ノズル190は、高エネルギービーム95の焦点FLが作業平面Pの上方又はこの平面内に位置し、粉末ビーム94の焦点FPが作業平面Pの下に位置し、こうして、粉末粒子60はいかなる時点でもノズルからの出口と作業平面Pとの間で高エネルギービームと交差しないような形で構成され位置づけされている。

0057

図1に示されているもの以外の実施形態では、粉末ビームの焦点FPは、支持体の内部に存在してよい。このような状況下では、粉末焦点外れ距離DefocPは図1に示されているものよりも小さい。その結果、平面P内のレーザービームの直径φLは、所与のパラメータ設定値(PL、V、Dm)について、平面P内の粉末ビームの直径φPにより近いものとなる。

0058

一例として、平面P内のレーザービームの直径φLは、平面P内の粉末ビームの直径φPよりもわずかに小さい。

0059

図1に示されている通り、このような構成は、ノズル190を先行技術の構成(図4)に比べて作業平面Pにより近づくように移動させることによって、すなわち作業距離WDを削減することによって得られる。

0060

このような作業構成は、幅広のフィレット105すなわちレーザーの焦点における高エネルギービーム95の直径φL0よりも大きい幅のフィレット105を作製するために特に適している。

0061

このとき、液体プールの直径φBLはより大きくなり、より多くの低温粉末粒子が液体プール102に到達し、これは以上で説明した通り有益である。

0062

高エネルギービーム(95)の焦点FLは代替的には作業平面P内に位置していてよく、これは、より小さい幅の細いフィレットを作製する場合に好ましい。このような状況下では、粉末ビーム94の焦点FPは作業平面P内に位置していてよい。粉末ビーム94の焦点FPは同様に、作業平面Pの下方に位置していてもよい。

0063

本発明の方法を最適化するために、いくつかのパラメータ設定値、詳細にはレーザー出力PL、走査速度V及び/又は粉末質量流量率Dmを相応して適応させることが可能である。

0064

それでもなお、図1に示されている実施形態においては、ノズル190が液体プール102に近接しているために放射により加熱されることからノズル190の(追加)冷却を提供する必要があるかもしれない。このような冷却には、高価な装置が求められる。

0065

この問題を軽減し、こうして粉末ビームが高エネルギービームと交差するのを回避しながら、充分なものである作業距離WD(プールからのノズルの距離)を保つために、発明者らは、有利には距離DefocLを削減することかあるいは軸Zとの関係におけるレーザービーム95の発散半角βを削減させることのいずれかからなる(これらはどちらにしてもφLを削減してそれが確実にφPよりも小さくなるようにする)一実施形態を考案した。

0066

代替的には、WDを増大させた時のφPの減少を補償するため粉末ビーム94の距離DefocPは増大させられ、こうしてφPはφLより大きく保たれる。

0067

距離DefocL及び角度βのこの削減、そして距離DefocPのこの増大は、一緒に行なわれる。

0068

これら3つの変数のこれらの変動は、独立してか又は作業距離WDの増大に加えて実施されてよい。実際には、こうしてノズル190は、レーザービーム95により網羅されている作業平面Pのゾーンの外側直近で粉末粒子60が作業平面Pに到達するような形で構成され位置づけされている。

0069

こうして、液体プール102は伝動によりそのゾーンをわずかに超えて延在していることから、粉末粒子60の大部分は、レーザービーム95と相互作用することなくプール102内に落下する。粉末粒子60は、こうして、プール102内に進入する前はなおも低温である。プール102から上流側でのレーザーと粉末の間の相互作用がこのように欠如していることの利点は、形状の変化をことごとく回避し、凝集体の形成を回避し、かつ粉末粒子60の有害な酸化を回避するということにある。

0070

高温である間にあるいは実際部分的又は完全に溶融された状態にある間に粉末がプールに到達した場合の溶融質量効率よりも、本発明の方法における溶融質量効率Rmの方が高いことを発明者らの行った試験が示している理由は、これによって説明がつく。

0071

さらに、粉末粒子60はプール102を迅速に冷却する(これにより、プールの蒸気と液体の間の表面張力が増大し、「低温」粉末を加えプール内部の温度勾配を変えることによって液体の密度が変化する結果として、プール内部の対流運動の変化が極めて確実に導かれる)ため、プール102は熱的により安定している。

0072

本発明の方法のさらなる利点は、液体プールを形成するのに関与しなかった(プール102の外側に落下していることが理由である)粉末粒子60が、低温のままにとどまり、こうしてそのほぼ全てが再循環に好適であるという点にある。こうして、本発明の(溶融+再循環)方法の合計質量効率は、実際に先行技術の合計質量効率よりも高い。

0073

有利には、構築中の部品内のプールの周りにひとたび定常温度状態が局所的に確立された時点でプール102の安定性をより高め、材料の健全性をより良くするために、プールは、θ<90°、Happ/eapp<1、及びHZR/Happ≦0.6により定義される細長い形状を有し、ここでθは、作業平面Pとプール102の最上表面が成す角度であり、Happは、フィレット(作業平面Pの上方の浴102の部分)のみかけの高さでありeappはその幅、HZRは、再溶融したゾーン又は希釈ゾーン(作業平面Pの下方のプールの部分)の高さである(図5参照)。

0074

好ましくは、3つの数量θ、Happ/eapp及びHZR/Happは、以下の関係を満たす。
15°≦Θ≦60°、0.04<Happ/eapp≦0.75、及び1≦HZR/Happ≦6

0075

修理を目的として材料が部品上に加増されている場合、これらの数量は好ましくは、以下の関係を示す。
30°≦θ≦60°、0.15<Happ/eapp≦0.25、及び0.01≦HZR/Happ≦0.025

0076

有利には、粉末粒子60のサイズ分布は狭いものである(これは、全て実質的に同じサイズを有する粒子に対応し、このサイズは、レーザー/プールの相互作用の持続時間全体を通して液体プールを常に溶融状態におく温度及び体積に適したものである)。このような状況下で、レーザービーム95が先に進む(そしてこうしてプール102の加熱を停止する)前に粉末粒子60の全てがプール102中で溶融する充分な時間を有する確率は高い。低温でかつ狭いサイズ分布を有する粉末粒子をプールに補給することからなる方法は、プールの温度がより急速に低下しフィレットのみかけの高さがより大きくなるために、このとき安定性及び構築速度に関してより有効なものである。粒子がプール102内に進入するにつれてプールの温度は漸進的に低下し恒常にとどまる(凝固閾値に達する)ため、このみかけの高さは、粒子が細かくなれば増大する。

0077

例えば、粉末粒子60は、25マイクロメートル(μm)から75μmの範囲内にあるサイズを呈する。好ましくは、これらのサイズは、25μm〜45μmの範囲内にある。

0078

先行技術の方法では、粉末粒子60の分布が広ければ広がるほど有害である。レーザーと粉末の間に相互作用が存在する場合、異なるサイズの粉末粒子60が異なる温度でプールに達し、こうしてプールの温度変動を導き、プールを不安定にするリスクがある。

0079

有利には、ノズル190の位置づけ、すなわち作業距離WDは、作業平面Pの空間的変動(予めプログラミングすることによってノズル190のZ軸を上に向う上昇増分ΔZが一定に保たれている一方での、構築すべき部品の一層の圧密された材料の高さHappの変動)に合わせてサーボ制御され、こうして各層について、レーザービーム95の焦点FLは、作業平面Pの上方で同じ高さに位置し、粉末ビーム94の焦点FPは作業平面Pの下方で同じ高さに位置するようになっている。

0080

代替的には、増分ΔZは、層の圧密材料高さHappの変動に合わせてサーボ制御されてもよい。

0081

このようなサーボ制御は、本明細書中では記述の必要のない公知のタイプのプロセス制御プログラムを使用することによって実施される。

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