DE112015004211T5

DE112015004211T5 - Düsenvorrichtung und additive herstellungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112015004211T5
Application number: DE112015004211.3T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Ohno
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2017-06-01
Also published as: US10974345B2; JP2016060062A; JP5969562B2; CN106715089A; WO2016042793A1; CN106715089B; US20170282297A1

Abstract

Eine Düsenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst drei oder mehr Schienenelemente, drei oder mehr Schiebeelemente, drei oder mehr Armelemente, einen Düsenabschnitt und einen Antriebsmechanismus. Die drei oder mehr Schiebeelemente sind jeweils mit den Schienenelementen verbunden. Die drei oder mehr Armelemente werden in den Schienenelementen jeweils durch die Schiebeelemente bewegbar und drehbar getragen. Der Düsenabschnitt ist mit den drei oder mehr Armelementen drehbar verbunden. Der Antriebsmechanismus umfasst zumindest fünf Aktoren, die eines von einer relativen Position und einem relativen Winkel zwischen jeder von Kombinationen von zwei verbundenen Elementen unter den Schienenelementen als Elemente, den Schiebeelementen als Elemente, den Armelementen als Elemente und dem Düsenabschnitt als Elemente einstellen.

Description

Gebiet der Erfindung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Düsenvorrichtung und eine additive Herstellungsvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Es ist eine additive Herstellungsvorrichtung zum Herstellen eines Objekts durch Addieren von Schichten bekannt. Die additive Herstellungsvorrichtung bildet eine Materialschicht aus, indem ein Pulvermaterial zugeführt wird und ein Laserstrahl aus einer Düse zum Schmelzen des Pulvers emittiert wird, und addiert Schicht auf Schicht des Materials, um ein Objekt herzustellen. Eine bekannte additive Herstellungsvorrichtung dieser Art umfasst einen bewegbaren Tisch, auf welchem ein hergestelltes Objekt angebracht ist.
Patentschriften

Patentschrift 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2006-200030
Patentschrift 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-018967

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Für diese Art von additiver Herstellungsvorrichtung ist es wichtig, z. B. eine Düsenvorrichtung und eine additive Herstellungsvorrichtung mit einer neuartigen Düsenbewegungsstruktur zu erhalten. Insbesondere ist es wünschenswert, einen Düsenantriebsmechanismus mit einer einfachen Struktur und guter Mobilität zu realisieren.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine Düsenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine additive Herstellungsvorrichtung. Die Düsenvorrichtung weist drei oder mehr Schienenelemente, drei oder mehr Schiebeelemente, drei oder mehr Armelemente, einen Düsenabschnitt und einen Antriebsmechanismus auf. Die drei oder mehr Schienenelemente umfassen jeweils Schienen, die parallel zueinander sind. Die drei oder mehr Schiebeelemente sind mit den Schienenelementen verbunden, um jeweils entlang der Schienen bewegbar zu sein. Die drei oder mehr Armelemente sind mit den Schiebeelementen verbunden und werden in den Schienenelementen durch jeweils die Schiebeelemente bewegbar und drehbar getragen. Der Düsenabschnitt ist mit den drei oder mehr Armelementen drehbar verbunden, um ein Material zu injizieren und einen Energiestrahl zu emittieren. Der Antriebsmechanismus umfasst zumindest fünf Aktoren, die eines von einer relativen Position und einem relativen Winkel zwischen jeder von Kombinationen von zwei miteinander verbundenen Elementen unter den Schienenelementen, den Schiebeelementen, den Armelementen und dem Düsenabschnitt als Elemente einstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine exemplarische schematische Ansicht einer additiven Herstellungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die einen exemplarischen Herstellungsprozess eines Objekts durch eine additive Herstellungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt.
3 ist ein exemplarisches schematisches Diagramm eines Teils einer Düsenvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel.
4 ist eine exemplarische schematische Querschnittsansicht eines Teils einer Düse gemäß dem Ausführungsbeispiel.
5 ist eine exemplarische schematische perspektivische Ansicht einer Kopplungsstruktur zum Koppeln eines Düsenabschnitts und eines Armelements gemäß dem Ausführungsbeispiel.
6 ist eine exemplarische schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines Tragemechanismus gemäß dem Ausführungsbeispiel.
7 ist eine exemplarische schematische perspektivische Ansicht des Tragemechanismus gemäß dem Ausführungsbeispiel.
8 ist eine Querschnittsansicht eines VIII-Gebiets von 6.
9 ist eine exemplarische schematische Draufsicht einer Basis gemäß dem Ausführungsbeispiel.
10 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel einer Position und einer Haltung der Düse gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt.
11 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Betrieb des Düsenabschnitts gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt.
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels von Positionen von installierten Schienenelementen gemäß dem Ausführungsbeispiel.
13 ist eine exemplarische schematische Draufsicht einer Basis gemäß einer ersten Modifikation des Ausführungsbeispiels.
14 ist eine exemplarische schematische Draufsicht einer Basis gemäß einer zweiten Modifikation des Ausführungsbeispiels.
15 ist eine exemplarische schematische Querschnittsansicht eines Teils eines Armelements gemäß einer dritten Modifikation des Ausführungsbeispiels.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel und Modifikationen werden nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Das folgende Ausführungsbeispiel und Modifikationen umfassen dieselben oder ähnliche Elemente. Im Folgenden sind dieselben oder ähnliche Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet.
(Ausführungsbeispiel)
Wie in 1 dargestellt, umfasst eine additive Herstellungsvorrichtung 1 einen Behandlungsbehälter 11, eine Plattform 12 (Tisch), eine Materialzufuhrvorrichtung 13 (Modellierungsmaterialzufuhrvorrichtung), eine Düsenvorrichtung 14, eine optische Vorrichtung 15, eine Messvorrichtung 16 und eine Steuervorrichtung 17.
Die additive Herstellungsvorrichtung 1 addiert eine Schicht auf eine Schicht eines Materials 121 (Modellierungsmaterial), das aus der Düsenvorrichtung 14 zugeführt wird, auf ein Objekt 110, das auf der Plattform 12 angeordnet ist, um ein Objekt 100 (additiv hergestelltes Objekt) einer vorbestimmten Form herzustellen.
Das Objekt 110 ist ein Zielobjekt, welchem das Material 121 durch die Düsenvorrichtung 14 zugeführt wird, und umfasst eine Basis 110a und eine Schicht 110b. Schichten 110b sind auf einer Fläche 110a1 der Basis 110a laminiert. Das Material 121 umfasst z. B. ein pulverisiertes Metall oder ein Harzmaterial. Alternativ kann das Material 121 ein lineares Material anstelle des pulverisierten Materials sein. Zur additiven Herstellung kann ein oder mehr Materialien 121 verwendet werden.
Der Behandlungsbehälter 11 umfasst eine Kammer 21 und eine Subkammer 22. Die Subkammer 22 ist neben der Kammer 21 vorgesehen. Zwischen der Hauptkammer 21 und der Subkammer 22 ist eine Tür 23 vorgesehen. Wenn die Tür 23 geöffnet ist, kommunizieren die Hauptkammer 21 und die Subkammer 22 miteinander, und wenn die Tür 23 geschlossen ist, ist die Hauptkammer 21 luftdicht versiegelt.
Die Hauptkammer 21 ist mit einem Lufteinlass 21a und einem Luftauslass 21b vorgesehen. Eine Luftzufuhrvorrichtung (nicht dargestellt) führt der Hauptkammer 21 durch den Lufteinlass 21a ein Inertgas, wie etwa Stickstoff oder Argon, zu. Eine Luftausstoßvorrichtung (nicht dargestellt) stößt ein Gas aus der Hauptkammer 21 durch den Luftauslass 21b aus.
Die Hauptkammer 21 umfasst außerdem eine Transfervorrichtung (nicht dargestellt). Eine Fördervorrichtung 24 ist auch vorgesehen, die sich von der Hauptkammer 21 zu der Subkammer 22 erstreckt. Die Transfervorrichtung transferiert das in der Hauptkammer 21 behandelte hergestellte Objekt 100 zu der Fördervorrichtung 24. Die Fördervorrichtung 24 empfängt das hergestellte Objekt 100 von der Transfervorrichtung und fördert es in die Subkammer 22. D. h., die Subkammer 22 speichert das in der Hauptkammer 21 behandelte hergestellte Objekt 100. Nachdem das hergestellte Objekt 100 in der Subkammer 22 gespeichert worden ist, wird die Tür 23 geschlossen, um die Subkammer 22 und die Hauptkammer 21 voneinander zu isolieren.
Die Hauptkammer 21 umfasst die Plattform 12, die Düsenvorrichtung 14 und die Messvorrichtung 16. Die Plattform 12 trägt die Basis 110a.
Die Düsenvorrichtung 14 umfasst eine Düse 25 und eine Bewegungsvorrichtung 26. Die Bewegungsvorrichtung 26 bewegt die Düse 25. Die Düse 25 führt dem auf der Plattform 12 angeordneten Objekt 110 das Pulver-(oder das lineare)Material 121 zu (strahlt es aus). Die Düse 25 emittiert auch einen Laserstrahl L zu dem auf der Plattform 12 angeordneten Objekt 110. Die Düse 25 emittiert den Laserstrahl L, während das Material 121 zugeführt wird.
Die Materialzufuhrvorrichtung 13 umfasst eine Zufuhrvorrichtung 31 und ein Hohlzufuhrrohr 34 (Rohr). Das Material 121 wird der Düse 25 von der Zufuhrvorrichtung 31 durch das Zufuhrrohr (hohl) 34 zugeführt. Das Zufuhrrohr 34 ist flexibel und verformbar.
Die Zufuhrvorrichtung 31 weist einen Behälter 31a und einen Zuführer 31b auf. Der Behälter 31a speichert das Material 121. Der Zuführer 31b führt der Düse 25 eine vorbestimmte Menge des Materials 121 aus dem Behälter 31a zu. Für den Fall, dass das Pulvermaterial 121 verwendet wird, führt der Zuführer 31b der Düse 25 ein das Material 121 enthaltenes Trägergas (Gas) zu. Das Trägergas ist z. B. ein Inertgas, wie etwa Stickstoff oder Argon.
Die optische Vorrichtung 15 umfasst eine Lichtquelle 41 und ein Kabel 210. Die Lichtquelle 41 umfasst einen Oszillator (nicht dargestellt) und emittiert den Laserstrahl L durch Oszillation des Oszillators. Die Lichtquelle 41 kann eine Energiedichte (Intensität) des zu emittierenden Laserstrahls L ändern. Das Kabel 210 ist z. B. eine Glasfaser.
Die Lichtquelle 41 ist mit der Düse 25 durch das Kabel 210 verbunden. Die Lichtquelle 41 erzeugt den Laserstrahl L. Der von der Lichtquelle 41 emittierte Laserstrahl L wird durch das Kabel 210 zu der Düse 25 geleitet (zugeführt). Die Düse 25 emittiert den Laserstrahl L zu dem Objekt 110 oder stößt das Material 121 auf das Objekt 110 aus. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl L (Lichtstrahl) als ein Energiestrahl verwendet. Der Energiestrahl kann z. B. ein Elektronenstrahl oder eine elektromagnetische Welle im Bereich von Mikrowellen bis UV-Wellen sein, solange er das Material 121 wie mit dem Laserstrahl L schmelzt oder sintert. Die Lichtquelle 41 ist ein Beispiel einer Energiestrahlquelle.
Die Messvorrichtung 16 misst eine Form einer verfestigten Schicht 110b und eine Form eines hergestellten Objekts 100. Die Messvorrichtung 16 überträgt Informationen über die gemessene Form an die Steuervorrichtung 17. Die Messvorrichtung 16 umfasst z. B. eine Kamera 51 und einen Bildprozessor 52. Der Bildprozessor 52 führt eine Bildverarbeitung auf Basis von Informationen über eine Messung mit der Kamera 51 durch. Die Messvorrichtung 16 misst die Formen der Schicht 110b und des hergestellten Objekts 100 z. B. durch ein Interferenzverfahren oder ein Lichtabschnittsverfahren.
Die Steuervorrichtung 17 ist mit der Fördervorrichtung 24, der Bewegungsvorrichtung 26, der Zufuhrvorrichtung 31, der Lichtquelle 41 und dem Bildprozessor 52 durch eine Signalleitung 220 elektrisch verbunden.
Die Steuervorrichtung 17 steuert die Fördervorrichtung 24, um das hergestellte Objekt 100 zu der Subkammer 22 zu fördern. Die Steuervorrichtung 17 steuert die Zufuhrvorrichtung 31, um das Material 21 zuzuführen oder nicht zuzuführen, und eine Zufuhrmenge des Materials 121 einzustellen. Die Steuervorrichtung 17 steuert die Lichtquelle 41, um die Energiedichte des von der Lichtquelle 41 emittierten Laserstrahls L einzustellen. Die Steuervorrichtung 17 steuert die Bewegungsvorrichtung 26, um die Düse 25 zu bewegen.
Die Steuervorrichtung 17 umfasst einen Speicher 17a. Der Speicher 17a speichert Daten, die eine Form (Bezugsform) des herzustellenden Objekts 100 darstellen.
Die Steuervorrichtung 17 fungiert zum Bestimmen der Form der Schicht 110b oder des hergestellten Objekts 100. Beispielsweise vergleicht die Steuervorrichtung 17 die durch die Messvorrichtung 16 erhaltene Form der Schicht 110b oder des hergestellten Objekts 100 mit der in dem Speicher 17a gespeicherten Bezugsform, um zu bestimmen, ob ein Gebiet einer unbeabsichtigten Form (unbeabsichtigtes Gebiet) vorliegt.
Die Steuervorrichtung 17 fungiert außerdem zum Trimmen der Schicht 110b oder des hergestellten Objekts 100 in die vorbestimmte Form durch Entfernen des durch die Formbestimmung bestimmten Gebiets einer unbeabsichtigten Form. Beispielsweise steuert die Steuervorrichtung 17 die Lichtquelle 41, um den Laserstrahl L mit einer Energiedichte zu emittieren, die ausreicht, um das Material 121 des Gebiets der unbeabsichtigten Form in der Schicht 110b oder dem hergestellten Objekt 100 zu vaporisieren. Dann emittiert die Steuervorrichtung 17 den Laserstrahl L auf das Gebiet, um das Gebiet zu vaporisieren.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Objekts 100 durch die additive Herstellungsvorrichtung 1 mit Bezug auf 2 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, wird zunächst das Material 121 zugeführt, und der Laserstrahl L wird emittiert. Die Steuervorrichtung 17 steuert die Zufuhrvorrichtung 31, um das Material 121 aus der Düse 25 einem vorbestimmten Gebiet zuzuführen, und steuert die Lichtquelle 41, um das zugeführte Material 121 mit dem Laserstrahl L zu schmelzen. Dadurch wird, wie in 2 dargestellt, eine vorbestimmte Menge des geschmolzenen Materials 121 dem Gebiet auf der Basis 110a, in welchem die Schicht 110b ausgebildet ist, zugeführt. Das Material 121 wird ausgestoßen und auf der Basis 110a oder der Schicht 110b verformt, und bildet eine Masse des Materials 121 aus, wie etwa eine Schicht oder einen Dünnfilm. Alternativ wird das Material 121 durch das das Material 121 tragende Trägergas oder durch einen Wärmetransfer zu der Masse des Materials 121 gekühlt, und bildet eine Schicht eines Granulats und eine Masse eines Granulats aus.
Dann wird ein Glühen durchgeführt. Eine Glühvorrichtung (nicht dargestellt) kann für das Glühen außerhalb der additiven Herstellungsvorrichtung 1 vorgesehen sein, oder die additive Herstellungsvorrichtung 1 kann ein Glühen intern durchführen. Für den letzteren Fall steuert die Steuervorrichtung 17 die Lichtquelle 41, um den Laserstrahl L auf die Masse des Materials 121 auf der Basis 110a zu emittieren. Dadurch wird die Masse des Materials 121 erneut in die Schicht 110b geschmolzen.
Dann wird eine Formmessung durchgeführt. Die Steuervorrichtung 17 steuert die Messvorrichtung 16, um das geglühte Material 121 auf der Basis 110a zu messen. Die Steuervorrichtung 17 vergleicht die durch die Messvorrichtung 16 erhaltene Form der Schicht 110b oder des hergestellten Objekts 100 mit der in dem Speicher 17a gespeicherten Bezugsform.
Dann wird ein Trimmen durchgeführt. Eine Trimmvorrichtung (nicht dargestellt) kann für das Trimmen außerhalb der additiven Herstellungsvorrichtung 1 vorgesehen sein, oder die additive Herstellungsvorrichtung 1 kann ein Trimmen intern durchführen. Für den letzteren Fall, wenn aus der Formmessung und dem Vergleich mit der Bezugsform bestimmt wird, dass das Material 121 auf der Basis 110a außerhalb der beabsichtigten Form abgelagert ist, steuert die Steuervorrichtung 17 z. B. die Lichtquelle 41, um das abgelagerte Material 121 zu vaporisieren. Im Gegensatz dazu, wenn aus der Formmessung und dem Vergleich mit der Bezugsform bestimmt wird, dass die Schicht 110b die beabsichtigte Form aufweist, führt die Steuervorrichtung 17 ein Trimmen nicht durch.
Nachdem die Schicht 110b ausgebildet worden ist, bildet die additive Herstellungsvorrichtung 1 eine neue Schicht 110b auf der ausgebildeten Schicht 110b aus. Die additive Herstellungsvorrichtung 1 addiert wiederholend die Schichten 110b und stellt das Objekt 100 her.
Im Folgenden wird die Düsenvorrichtung 14 detailliert beschrieben. Wie in 1 und 3 dargestellt, weist die Düse 25 der Düsenvorrichtung 14 einen Körper 61 auf. Der Körper 61 weist eine Rohrform auf, die sich entlang einer Achse Ax1 erstreckt (s. 4). Der Körper 61 weist Enden 61c und 61d (1) entlang der Achse Ax1 auf. Die Düse 25 stößt das Pulver-(oder das lineare)Material 121 aus und emittiert den Laserstrahl L aus dem Ende 61c. Das Ende 61d liegt dem Ende 61c gegenüber.
Wie in 4 dargestellt, ist der Körper 61 mit Durchlässen 61a und 61b vorgesehen. Die Durchlässe 61a und 61b erstrecken sich von dem Ende 61d (1) zu dem Ende 61c. Die Achse Ax1 des Körpers 61 verläuft durch den Durchlass 61b. Der Laserstrahl L wird aus der optischen Vorrichtung 15 in den Durchlass 61b eingeführt. In der Mitte des Durchlasses 61b ist ein optisches System angeordnet, welches eine Konversionslinse zum Konvertieren des Laserstrahls L in einen parallelen Strahl und eine Kondensorlinse zum Fokussieren des parallelen Laserstrahls L umfasst. Der Laserstahl L wird auf eine Fokusposition außerhalb des Körpers 61 durch die Kondensorlinse fokussiert. Die Fokusposition (Brennpunkt) des Laserstrahls L ist auf der Achse Ax1 angeordnet.
Ein oder mehr Durchlässe 61a sind radial außerhalb des Durchlasses 61b angeordnet. Jeder Durchlass 61a ist mit der Zufuhrvorrichtung 31 durch das Zufuhrrohr 34 verbunden. Für den Fall, dass das Pulvermaterial 121 verwendet wird, wird das Material 121 jedem Durchlass 61a aus der Zufuhrvorrichtung 31 zusammen mit dem Trägergas zugeführt. Ein Teil des Durchlasses 61a, der näher an dem Ende 61c ist, ist mit Bezug zu der Achse Ax1 des Körpers 61 geneigt, wenn sich die Achse Ax1 zu dem Ende 61c hin nähert.
Für den Fall, dass das Pulvermaterial 121 verwendet wird, stößt (injiziert) die Düse 25 das Material 121 zusammen mit dem Trägergas aus einem Auslass (Öffnung) des Durchlasses 61a zu der Außenseite des Körpers 61 (Durchlass 61a) aus. Alternativ, für den Fall, dass ein lineares Material 121 verwendet wird, extrudiert (injiziert) die Düse 25 das Material 121 aus dem Auslass des Durchlasses 61a zu der Außenseite des Körpers 61. Das ausgestoßene oder extrudierte Material 121 erreicht die Fokusposition des Laserstrahls L. Das durch die Düse 25 zugeführte Material 121 wird durch den Laserstrahl L geschmolzen, um eine Masse des geschmolzenen Materials 121 auszubilden. Das geschmolzene Material 121 wird gekühlt, z. B. durch das das Material 121 tragende Trägergas. Hier bildet der Durchlass 61a teilweise einen Kühler 35, der das mit dem Laserstrahl L bestrahlte Material 121 kühlt. Der Kühler 35 umfasst die Zufuhrvorrichtung 31, die das Trägergas zuführt.
Wie in 3 dargestellt, umfasst die Düse 25 ein Kopplungselement 27. Das Kopplungselement 27 ist ein Element zum Koppeln der Düse 25 und Armelemente 74 der Bewegungsvorrichtung 26. Das Kopplungselement 27 ist mit dem Ende 61d verbunden (befestigt). Wie in 5 dargestellt, weist das Kopplungselement 27 Flächen 27a, 27b und 27c auf. Die Fläche 27a (Endfläche) ist dem Ende 61d zugewandt. Die Fläche 27b (Endfläche) liegt der Fläche 27a gegenüber. Die Fläche 27c (Spannfläche) erstreckt sich zwischen der Fläche 27a und der Fläche 27b. Außerdem umfasst das Kopplungselement 27 drei Kugelempfänger 27d (Kopplungen). Die drei Kugelempfänger 27d sind mit im Wesentlichen gleichen Winkelintervallen von 120° um die Achse Ax1 beabstandet. Jeder der Kugelempfänger 27d (Empfangsfläche) weist eine eingelassene Form auf, die sich von der Fläche 27b zu der Fläche 27c erstreckt. Diese Kugelempfänger 27d enthalten jeweils drehbar eine Kugel 74b des Armelements 74. Der Kugelempfänger 27d und die Kugel 74b bilden eine Kugelverbindung (Koppler, Kopplungsstruktur) aus. D. h., die Kugel 74b und der Kugelempfänger 27d sind konfiguriert, um relativ zueinander dreidimensional drehbar zu sein (drehbar in einer beliebigen Richtung). Das Kopplungselement 27 ist außerdem mit Löchern 27e und 27f versehen. Die Löcher 27e und 27f erstrecken sich zwischen den Flächen 27a und 27b. Das Zufuhrrohr 34 ist in dem Loch 27e eingefügt, und das Material 121 wird dem Durchlass 61a aus dem Zufuhrrohr 34 zugeführt. Außerdem ist das Kabel 210 in dem Loch 27f eingefügt, und der Laserstrahl L wird aus dem Kabel 210 in den Körper 61 eingelassen. Das Kopplungselement 27 und die Düse 25 bilden einen Düsenabschnitt 28 aus.
Wie in 3 dargestellt, umfasst die Bewegungsvorrichtung 26 drei Tragemechanismen 71. Die drei Tragemechanismen 71 sind auf der Basis 110a angeordnet (s. 1). Die Bewegungsvorrichtung 26 trägt den Düsenabschnitt 28 an drei Positionen mit den drei Tragemechanismen 71. Die drei Tragemechanismen 71 können eine Position und eine Haltung des Düsenabschnitts 28 zumindest in einem Herstellungsgebiet S (Raum) auf der Fläche 110a1 der Basis 110a, in welcher das Objekt 100 hergestellt ist, ändern. Somit umfassen die drei Tragemechanismen 71 dieselben Komponenten. Dies kann die Struktur der Bewegungsvorrichtung 26 vereinfachen und eine Kostenreduktion erzielen.
Wie in 6 und 7 dargestellt, umfasst jeder Tragemechanismus 71 ein Schienenelement 72, ein Schiebeelement 73 und das Armelement 74. D. h., die Bewegungsvorrichtung 26 umfasst drei Schienenelemente 72, drei Schiebeelemente 73 und drei Armelemente 74. Die Schienenelemente 72 werden auf der Basis 110a getragen, die Schiebeelemente 73 werden in den Schienenelementen 72 getragen, und die Armelemente 74 werden durch die Schiebeelemente 73 getragen. Die Armelemente 74 tragen den Düsenabschnitt 28.
Die drei Schienenelemente 72 sind auf der Basis 110a angeordnet und stehen von der Fläche 110a1 der Basis 110a hervor (s. 1). Wie in 3 dargestellt, sind die drei Schienenelemente 72 angeordnet, um das Objekt 100 zu umgeben, während es während der Herstellung mit dem Material 121 bestrahlt wird und mit dem Laserstrahl L bestrahlt wird. Die Schienenelemente 72 werden entlang der Schienen 72d bis 72g auf der Basis 110a um einen Drehmittelpunkt Ax2 (Richtung D4) drehend getragen.
Jedes Schienenelement 72 ist säulenförmig (stangenförmig) als Ganzes in einer Richtung D1 ausgebildet. Die Richtung D1 kann eine vertikale Richtung oder eine Richtung orthogonal zu der vertikalen Richtung sein. Das Schienenelement 72 weist einen Körper 72a und Wellen 72b und 72c auf. Der Körper 72a erstreckt sich in der Richtung D1, und die Wellen 72b und 72c sind an beiden Enden des Körpers 72a in der Richtung D1 vorgesehen.
Wie in 6 bis 8 dargestellt, umfasst der Körper 72a vier Schienen 72d bis 72g. Die vier Schienen 72d bis 72g erstrecken sich in der Richtung D1 im Wesentlichen parallel zueinander. Die vier Schienen 72d bis 72g sind um den Drehmittelpunkt Ax2 voneinander beabstandet. Die Schiene 72d und die Schiene 72g sind ein Schienenpaar 72h (erstes Schienenpaar), und die Schiene 72e und die Schiene 72f sind ein weiteres Schienenpaar 72i (zweites Schienenpaar).
Die Welle 72b ist an einem Ende des Körpers 72a näher an der Basis 110a vorgesehen, und die Welle 72c ist an dem anderen Ende des Körpers 72a vorgesehen. Die Wellen 72b und 72c sind säulenförmig um den Drehmittelpunkt Ax2 ausgebildet (im Folgenden stellt der Drehmittelpunkt eine Drehachse dar). Die Welle 72b wird an einer Halterung 110a2 der Basis 110a um den Drehmittelpunkt Ax2 drehend getragen. Wie in 9 dargestellt, sind die drei Halterungen 110a2 auf der Fläche 110a1 der Basis 110a an Eckpunkten eines virtuellen Dreiecks P bei Betrachtung entlang des Drehmittelpunkts Ax2 (Richtung D1) angeordnet. Die Welle 72c kann auch durch eine nicht dargestellte Halterung drehend getragen werden.
Wie in 6 bis 8 dargestellt, ist jedes Schiebeelement 73 mit dem Schienenelement 72 verbunden (wird getragen), um entlang der Schienen 72d bis 72g (Richtung D1) bewegbar zu sein, und ist mit dem Schienenelement 72 um einen Drehmittelpunkt Ax3 drehend verbunden (wird getragen), der den Drehmittelpunkt Ax2 kreuzt (z. B. orthogonal dazu ist). Das Schiebeelement 73 umfasst ein Gehäuse 73a und Wellen 73b und 73c.
Das Gehäuse 73a ist zwischen dem Schienenpaar 72h und dem Schienenpaar 72i angeordnet. Das Gehäuse 73a weist eine im Wesentlichen Quaderform (Hexaederform) auf. Das Gehäuse 73a weist Flächen 73d bis 73i auf. Die Fläche 73d ist dem Schienenpaar 72h zugewandt, und die Fläche 73f ist dem Schienenpaar 72i zugewandt. Die Fläche 73e ist von einem Raum zwischen der Schiene 72d und der Schiene 72e freigelegt, und die Fläche 73g ist von einem Raum zwischen der Schiene 72f und der Schiene 72g freigelegt. Das Gehäuse 73a umfasst eine Kugelgewindemutter (bzw. Spindelmutter) 73k (Schraubelement). Die Kugelgewindemutter 73k ist zu der Fläche 73e hin geöffnet. Die Kugelgewindemutter 73k ist an dem Gehäuse 73a befestigt.
Die Welle 73b steht von der Fläche 73d entlang des Drehmittelpunkts Ax3 hervor, und die Welle 73c steht von der Fläche 73f entlang des Drehmittelpunkts Ax3 hervor. Die Wellen 73b und 73c sind um den Drehmittelpunkt Ax3 säulenförmig ausgebildet. Die Welle 73b ist zwischen der Schiene 72d und der Schiene 72g angeordnet, und die Welle 73c ist zwischen der Schiene 72e und der Schiene 72f angeordnet. Die Welle 73b ist mit der Schiene 72d und der Schiene 72g verbunden, um entlang der Schienen 72d und 72g bewegbar zu sein, und um den Drehmittelpunkt Ax3 drehbar zu sein. Die Welle 73c ist mit der Schiene 72e und der Schiene 72f verbunden, um entlang der Schienen 72e und 72f bewegbar zu sein, und um den Drehmittelpunkt Ax3 drehbar zu sein.
Das Schiebeelement 73 wird entlang der Schienen 72d bis 72g durch einen Antreiber 76 (6 und 8) bewegt. Wie in 6 und 8 dargestellt, umfasst der Antreiber 76 einen Motor 76a, eine Kugelgewindewelle 76b, ein Gehäuse 76c und eine Kugelgewindemutter (bzw. Spindelmutter) 76d.
Die Kugelgewindewelle 76b (Schraubelement) erstreckt sich entlang der Schienen 72d bis 72g (Richtung D1). Das Gehäuse 76c ist zylinderförmig mit zwei geschlossenen Enden ausgebildet. Das Gehäuse 76c umfasst die Kugelgewindemutter 76d (Schraubelement). Die Kugelgewindemutter 76d steht mit einem Kugelgewinde 77 durch Kugeln (nicht dargestellt) im Eingriff. Das Gehäuse 76c bringt einen Motor 77a unter (8). Das Gehäuse 76c ist mit der Welle 73b durch den Motor 77a gekoppelt. Die Kugelgewindewelle 76b und die Kugelgewindemutter 76d bilden das Kugelgewinde. Der Motor 76a umfasst eine mit der Kugelgewindewelle 76b verbundene Drehwelle. Der Motor 76a ist z. B. ein Schrittmotor.
Wenn der Motor 76a die Kugelgewindewelle 76b dreht, wandeln die Kugelgewindewelle 76b und die Kugelgewindemutter 76d die Drehung der Kugelgewindewelle 76b in eine lineare Bewegung des Gehäuses 76c um, um das Schiebeelement 73 zusammen mit dem Gehäuse 76c in der Richtung D1 zu bewegen. Durch Drehung der Drehwelle des Motors 76a in einer Richtung (Vorwärtsdrehung), wird das Schiebeelement 73 zusammen mit dem Gehäuse 76c in einer Richtung D1 bewegt (z. B. aufwärts in 1 und 5). Durch die Drehung der Drehwelle des Motors 76a in der entgegengesetzten Richtung (Rückwärtsdrehung), wird das Schiebeelement 73 zusammen mit dem Gehäuse 76c in der entgegengesetzten Richtung D1 bewegt (z. B. abwärts in 1 und 5). Während die Drehwelle mit einem Drehen aufhört, hält der Motor 76a (arretiert bzw. sperrt) die Positionen des Gehäuses 76c und des Schiebeelements 73 (Positionen in der Richtung D1). D. h., der Motor 76a kann eine relative Position zwischen dem Schienenelement 72 und dem Schiebeelement 73 (Positionen in der Richtung D1) einstellen. Der Motor 76a ist ein Beispiel eines ersten Aktors.
Das Schiebeelement 73 wird um den Drehmittelpunkt Ax3 durch einen Antreiber 77 gedreht. Wie in 8 dargestellt, umfasst der Antreiber 77 den Motor 77a. Der Motor 77a ist z. B. ein Schrittmotor. Der Motor 77a ist in dem Gehäuse 76c untergebracht und wird dort getragen. Der Motor 77a umfasst eine mit der Welle 73b verbundene Drehwelle. Zusammen mit der Drehwelle des Motors 77a in einer Richtung (Vorwärtsdrehung), wird das Schiebeelement 73 um den Drehmittelpunkt Ax3 in einer Richtung D2 gedreht. Zusammen mit der Drehung der Drehwelle des Motors 77a in der entgegengesetzten Richtung (Rückwärtsdrehung), wird das Schiebeelement 73 um den Drehmittelpunkt Ax3 in der entgegengesetzten Richtung D2 (Rückwärtsrichtung) gedreht. Wenn die Drehwelle ein Drehen aufhört, hält der Motor 77a den Winkel des Schiebeelements 73 (Armelement 74) relativ zu dem Schienenelement 72 aufrecht (arretiert bzw. sperrt ihn). Der Antreiber 77 kann konfiguriert sein, um einen zwischen dem Motor 77a und der Welle 73b eingefügten Energieübertragungsmechanismus (nicht dargestellt) zu umfassen.
Das Armelement 74 ist mit dem Schiebeelement 73 entlang einer Achse Ax4 (Drehmittelpunkt, Drehachse) des Armelements bewegbar verbunden. Eine Richtung D3 der Achse Ax4 kreuzt die Richtung D1 entlang des Drehmittelpunkts Ax2 und eine Richtung entlang des Drehmittelpunkts Ax3. Wie in 3, 5 und 6 dargestellt, umfasst das Armelement 74 eine Kugelgewindewelle 74a und die Kugel 74b. Die Kugelgewindewelle 74a (Schraubelement) dringt durch das Gehäuse 73a (Flächen 73e und 73g), während es mit der Kugelgewindemutter 73k des Schiebeelements 73 durch Kugeln (nicht dargestellt) im Eingriff steht. Die Kugelgewindewelle 74a ist mit der Kugelgewindemutter 73k in der Axialrichtung D3 bewegbar verbunden. Die Kugelgewindewelle 74a und die Kugelgewindemutter 73k bilden ein Kugelgewinde.
Wie in 3 und 5 dargestellt, ist die Kugel 74b (Kopplung) mit einem Ende der Kugelgewindewelle 74a verbunden (befestigt). Die Kugel 74b ist mit dem Kugelempfänger 27d des Kopplungselements 27 gekoppelt. Das Armelement 74 trägt den Düsenabschnitt 28.
Das Armelement 74 wird entlang der Achse Ax4 durch einen Antreiber 78 bewegt. Der Antreiber 78 umfasst einen Motor 78a (8) und einen Energieübertragungsmechanismus (nicht dargestellt). Der Motor 78a wird in dem Gehäuse 73a getragen. Der Motor 78a ist z. B. ein Schrittmotor. Der Motor 78a ist mit der Kugelgewindewelle 74a durch den Energieübertragungsmechanismus verbunden. Der Energieübertragungsmechanismus kann eine Kugelgewindemutter (bzw. Spindelmutter) umfassen, die relativ zu dem Gehäuse 73a des Schiebeelements 73 drehbar ist.
Eine Antriebskraft des Motors 78a dreht die Kugelgewindewelle 74a relativ zu der Kugelgewindemutter 73k, um die Kugelgewindewelle 74a entlang der Achse Ax4 zu bewegen. Zusammen mit der Drehung des Motors 78a in einer Richtung (Vorwärtsdrehung) wird das Armelement 74 in einer Axialrichtung D3 (z. B. nach links in 8) bewegt. Zusammen mit der Drehung des Motors 78a in der entgegengesetzten Richtung (Rückwärtsdrehung) wird das Armelement 74 in der entgegengesetzten Axialrichtung D3 (z. B. nach rechts in 8) bewegt. Wenn die Drehwelle mit einem Drehen aufhört, hält (arretiert bzw. sperrt) der Motor 78a die Position des Armelements 74 relativ zu dem Schiebeelement 73. In der vorstehenden Konfiguration kann eine Entfernung (Entfernung in der Axialrichtung D3) zwischen einer Verbindung 71a (s. 1 und 6) zwischen dem Armelement 74 und dem Schiebeelement 73, und einer Verbindung 71b (s. 2 und 5) zwischen dem Armelement 74 und dem Düsenabschnitt 28 geändert werden. Der Motor 78a kann eine relative Position zwischen der Verbindung 71a und der Verbindung 71b einstellen. Die Verbindung 71a ist ein Beispiel einer ersten Verbindung, die Verbindung 71b ist ein Beispiel einer zweiten Verbindung, und der Motor 78a ist ein Beispiel eines dritten Aktors.
Das Armelement 74 wird zusammen mit dem Schiebeelement 73 entlang der Schienen 72d bis 72g durch den Antreiber 76 bewegt. Das Armelement 74 wird zusammen mit dem Schiebeelement 73 relativ zu dem Schienenelement 72 durch den Antreiber 77 gedreht. D. h., das Armelement 74 ist mit dem Schiebeelement 73 verbunden und wird in dem Schienenelement 72 durch das Schiebeelement 73 bewegbar und drehbar getragen. Der Motor 77a des Antreibers 77 kann einen relativen Winkel (Winkel um den Drehmittelpunkt Ax3) zwischen dem Schienenelement 72 und dem Armelement 74 einstellen. Der Motor 77a ist ein Beispiel eines zweiten Aktors.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst die Bewegungsvorrichtung 26 drei Antreiber 76, drei Antreiber 77 und drei Antreiber 78. Die drei Antreiber 76, die drei Antreiber 77 und die drei Antreiber 78 bilden einen Antriebsmechanismus 80 (s. 6). Somit umfasst der Antriebsmechanismus 80 drei Motoren 76a, drei Motoren 77a und drei Motoren 78a. Die Motoren 76a, 77a und 78a können eines von der relativen Position und dem relativen Winkel zwischen zwei miteinander verbundenen Elementen (das Schienenelement 72, das Schiebeelement 73 und das Armelement 74) einstellen. Beispielsweise kann jeder Motor 76a die relative Position zwischen dem Schienenelement 72, dem Schiebeelement 73 und dem Armelement 74 einstellen. Jeder Motor 77a kann den relativen Winkel zwischen dem Schienenelement 72, dem Schiebeelement 73 und dem Armelement 74 einstellen. Jeder Motor 78a kann die relative Position zwischen dem Schiebeelement 73 und dem Armelement 74 einstellen. Mit einer Änderung der relativen Position und dem relativen Winkel unter den jeweiligen Elementen wird das Schienenelement 72 um den Drehmittelpunkt Ax2 gedreht, indem eine Kraft von dem Armelement 74 durch das Schiebeelement 73 empfangen wird. Durch den vorstehenden Betrieb der Motoren 76a, 77a und 78a kann die Bewegungsvorrichtung 26 die Position und die Haltung des Düsenabschnitts 28 ändern.
Die Position und die Haltung der Düse 25 in einem X-Y-Z-Koordinatensystem werden im Folgenden mit Bezug auf 10 beschrieben. In 10 korrespondiert ein Endpunkt eines Vektors V in dem X-Y-Z-Koordinatensystem zu einem Verarbeitungspunkt (Herstellungspunkt) der Düse 25, und eine Richtung des Vektors V korrespondiert zu einer Richtung der Achse Ax1 der Düse 25. Außerdem läuft in 10 eine Linie X1 durch Startpunktkoordinaten (x, y, z) des Vektors V und ist parallel zu der X-Achse, eine Linie Y1 läuft durch die Startpunktkoordinaten (x, y, z) des Vektors V und ist parallel zu der Y-Achse, und eine Linie Z1 läuft durch die Startpunktkoordinaten (x, y, z) des Vektors V und ist parallel zu der Z-Achse. Der Winkel zwischen der Linie Z1 und dem Vektor V ist als θ1 definiert, und der Winkel zwischen der Linie X1 und einer (Projektionslinie) des Vektors V zu einer Ebene einschließlich der Linie X1 und der Linie Y1 ist als θ2 definiert. In diesem Fall können die Position und die Haltung des Vektors V durch die Startpunktkoordinaten (x, y, z) des Vektors V, den Winkel θ1 und den Winkel θ2 ausgedrückt werden. Somit können die Position und die Haltung der Düse 25 (Düsenabschnitt 28) eingestellt werden, wenn sie mit fünf Freiheitsgraden angetrieben wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Schienenelement 72 um den Drehmittelpunkt Ax2 drehbar, das Schiebeelement 73 ist in der Richtung D1 bewegbar und um den Drehmittelpunkt Ax3 drehbar, das Armelement 74 ist in der Axialrichtung D3 bewegbar, und das Armelement 74 und der Düsenabschnitt 28 sind drehbar verbunden, wodurch ein Antreiben mit den fünf Freiheitsgraden erzielt wird.
Ein Beispiel eines Betriebs einer solchen Düsenvorrichtung 14 für die Herstellung wird mit Bezug auf 11 beschrieben. Für den Fall eines Addierens der Schichten 110b in der Richtung D1 (11(a)), bewegt die Bewegungsvorrichtung 26 zunächst den Düsenabschnitt 28, um mit der in der Richtung D1 orientierten Achse Ax1 und dem der Basis 110a zugewandten Ende 61c in Haltung angeordnet zu sein. Dann bewegt die Bewegungsvorrichtung 26 den Düsenabschnitt 28 zu einer unterschiedlichen Position, hält die Haltung aufrecht, um den Laserstrahl L zu emittieren und das Material 121 daraus auszustoßen. Zum Addieren einer Schicht 110b an den Seitenflächen (die Richtung D1 kreuzende Flächen) der so ausgebildeten Schichten 110b, ordnet die Bewegungsvorrichtung 26 den Düsenabschnitt 28 in einer Haltung an, in welcher z. B. die Achse Ax1 die Richtung D1 kreuzt (z. B. orthogonal dazu ist), und das Ende 61c den Seitenflächen zugewandt ist (11(b)). Dann, während die Haltung des Düsenabschnitts 28 gehalten wird, bewegt die Bewegungsvorrichtung 26 den Düsenabschnitt 28 zu einer unterschiedlichen Position, um den Laserstrahl L zu emittieren und das Material 121 daraus auszustoßen. Dadurch kann die Schicht 110b an den Seitenflächen (die Richtung D1 kreuzende Flächen) der Schichten 110b (11(c)) ausgebildet werden (Ausbilden einer Wandfläche).
Die Bewegungsvorrichtung 26 kann auch die Position des Düsenabschnitts 28 ändern, während eine konstante Entfernung zwischen der Verbindung 71a zwischen jedem Armelement 74 und dem Schiebeelement 73, und der Verbindung 71b zwischen jedem Armelement 74 und dem Düsenabschnitt 28 aufrechterhalten wird. In dieser Konfiguration wird das Schiebeelement 73 in der Richtung D1 bewegt und um den Drehmittelpunkt Ax3 gedreht, und das Armelement 74 wird um den Drehmittelpunkt gedreht. In diesem Fall wird die Haltung des Düsenabschnitts 28 konstant aufrechterhalten. Während die Position des Schiebeelements 73 in der Richtung D1 gehalten wird, bewegt die Bewegungsvorrichtung 26 die Armelemente 74 in der Axialrichtung D3, um den Düsenabschnitt 28 in der Axialrichtung D3 zu bewegen. Die Bewegungsvorrichtung 26 kann auch den Düsenabschnitt 28 gegenüber der Basis 110a in einem durch die Armelemente 74 umgebenen Raum anordnen.
Der Düsenabschnitt 28 gemäß dem vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst drei oder mehr (z. B. drei) Schienenelemente 72, drei oder mehr (z. B. drei) Schiebeelemente 73, drei oder mehr (z. B. drei) Armelemente 74, den Düsenabschnitt 28 und den Antriebsmechanismus 80. Die drei oder mehr Schienenelemente 72 umfassen jeweils die Schienen 72d bis 72g, die im Wesentlichen parallel zueinander sind. Die drei oder mehr Schiebeelemente 73 sind mit den jeweiligen Schienenelementen 72 entlang der Schienen 72d bis 72g bewegbar verbunden. Die drei oder mehr Armelemente 74 sind mit den jeweiligen Schiebeelementen 73 verbunden und werden durch die Schienenelemente 72 jeweils durch die Schiebeelemente 73 bewegbar und drehbar getragen. Der Düsenabschnitt 28 ist mit den drei oder mehr Armelementen 74 drehbar verbunden, um das Pulver-(oder das lineare)Material 121 auszustoßen und den Laserstrahl L (Energiestrahl) zu emittieren. Der Antriebsmechanismus 80 umfasst zumindest fünf Motoren 76a, 77a und 78a (Aktoren), welche eines von der relativen Position und dem relativen Winkel zwischen jeder von Kombinationen von zwei verbundenen Elementen unter den Schienenelementen 72, den Schiebeelementen 73 und den Armelementen 74 als Elemente einstellen. Somit können die Düsenvorrichtung 14 und die additive Herstellungsvorrichtung 1 mit einer neuartigen Struktur zum Bewegen des Düsenabschnitts 28 (Düse 25) erhalten werden. D. h., das Objekt 100 muss nicht relativ zu dem Düsenabschnitt 28 während einer Herstellung mit dem Düsenabschnitt 28 bewegt werden. Somit können, z. B. während einer Herstellung mit dem Düsenabschnitt 28, Schwingungen von dem Bewegungsobjekt 100 gehemmt (bzw. unterbunden) werden. Dadurch kann eine Formgenauigkeit des hergestellten Objekts 100 verbessert werden. Für den Fall, dass eine befestigte Düse verwendet wird und ein Tisch oder ein Objekt bewegt wird, ist ein Antriebsmechanismus mit großen Ausmaßen zum Bewegen einer schweren Last in einem größeren Bewegungsgebiet auf dem Tisch erforderlich. Das Objekt nimmt bei fortschreitendem Herstellungsprozess an Gewicht zu, wodurch die Mobilität verringert wird und eine Verringerung der Herstellungsgeschwindigkeit und der Herstellungsgenauigkeit bewirkt werden. Für den Fall, dass die Düse durch Roboterarme bewegt wird, tendieren die dreidimensionalen Bewegungsgebiete der Arme angesichts einer Biegehaltung von jedem Arm dazu, aus dem Herstellungsgebiet zu fallen. Im Gegensatz dazu, bewegt der Antriebsmechanismus 80 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. die Armelemente 74 oder den Düsenabschnitt 28 innerhalb eines Gebiets in der Nähe des Herstellungsgebiets S. Somit kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die additive Herstellungsvorrichtung bezüglich ihrer Struktur kompakter sein, als z. B. diejenige, welche den Tisch oder das hergestellte Objekt bewegt, oder als diejenige, welche Roboterarme zum Bewegen der Düse umfasst. Außerdem umfasst die Bewegungsvorrichtung 26 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Tragemechanismen 71 mit einer ähnlichen Struktur. Dies vereinfacht die Gesamtstruktur der Bewegungsvorrichtung 26, was zu einer potentiellen Kostenreduktion führt. Die Lichtquelle 41 und die Materialzufuhrvorrichtung 13 sind von der Düse 25 beabstandet. D. h., die Düse 25 muss nicht direkt die Lichtquelle 41 und die Materialzufuhrvorrichtung 13 umfassen, und kann bezüglich ihres Gewichts verringert sein. Dadurch kann die Düse 25 ihre Mobilität verbessern, wodurch eine Verbesserung der Herstellungsgeschwindigkeit und der Herstellungsgenauigkeit realisiert wird.
Der Antriebsmechanismus 80 umfasst die Motoren 76a (erster Aktor), die eine relative Position zwischen den Schienenelementen 72 und den Schiebeelementen 73 einstellen. Somit kann die relative Position zwischen den Schienenelementen 72 und den Schiebeelementen 73 mit den Motoren 76a bestimmt werden.
Der Antriebsmechanismus 80 umfasst außerdem die Motoren 77a (zweiter Aktor), die den relativen Winkel zwischen den Schienenelementen 72 und den Armelementen 74 einstellen. Somit kann der relative Winkel zwischen den Schienenelementen 72 und den Armelementen 74 mit den Motoren 77a bestimmt werden.
Die Schienenelemente 72 sind um den Drehmittelpunkt Ax2 in der Erstreckungsrichtung der Schienen 72d bis 72g drehbar vorgesehen. Somit sind die Schienenelemente 72, die Schiebeelemente 73 und die Armelemente 74 um den Drehmittelpunkt Ax2 integral drehbar.
Der Düsenabschnitt 28 kann die Entfernung zwischen den Verbindungen 71a (erste Verbindung) zwischen den Armelementen 74 und den Schiebeelementen 73, und den Verbindungen 71b (zweite Verbindung) zwischen den Armelementen 74 und dem Düsenabschnitt 28 ändern. Der Antriebsmechanismus 80 umfasst die Motoren 78a (dritter Aktor), welche die relative Position zwischen den Verbindungen 71a und den Verbindungen 71b einstellen. Somit kann die relative Position zwischen den Verbindungen 71a und den Verbindungen 71b mit den Motoren 78a bestimmt werden.
Die Armelemente 74 sind mit den Schiebeelementen 73 bewegbar verbunden. Somit können die Schiebeelemente 73 bewegt werden, um die Verbindungen 71b zwischen den Armelementen 74 und dem Düsenabschnitt 28 zu bewegen.
Der Düsenabschnitt 28 ist mit zumindest einem Teil (Durchlass 61a) des Kühlers 35, der das mit dem Laserstrahl L bestrahlte Material 121 kühlt, vorgesehen. Somit wird z. B. während einer Wandflächenherstellung das geschmolzene Material 121 durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl L verfestigt, indem es durch den Kühler 35 gekühlt wird, wodurch ein Tropfen des Materials 121 gehemmt (bzw. unterbunden) werden kann.
Außerdem kann, ohne dass die Lichtquelle 41 umfasst ist, der Düsenabschnitt 28 bezüglich seines Gewichts verringert werden, wodurch eine Last auf den Motoren 76a, 77a und 78a verringert werden kann. Dadurch kann eine Anordnungsgenauigkeit des Düsenabschnitts 28 verbessert werden.
Der Düsenabschnitt 28 ist von dem Objekt 100 während der Herstellung getrennt. Dies verhindert, dass eine reaktive Kraft (Last) von dem Objekt 100 auf die Bewegungsvorrichtung 26 wirkt. Somit kann das Gewicht der Bewegungsvorrichtung 26 verringert werden.
Außerdem kann die Düsenvorrichtung 14 in den Düsenabschnitt 28 und die drei Tragemechanismen 71 auseinander gebaut werden. Somit ist die Düsenvorrichtung 14 leicht transportierbar.
Die Düsenvorrichtung 14 wird entfernt, indem die Schienenelemente 72 von der Basis 110a entfernt werden und das Zufuhrrohr 43 und das Kabel 210 von dem Düsenabschnitt 28 entfernt werden.
Die drei Tragemechanismen 71 weisen dieselbe Struktur auf, wodurch die Bewegung der drei Tragemechanismen 71 leicht steuerbar ist.
Die drei Tragemechanismen 71 sind an den jeweiligen Eckpunkten des virtuellen Dreiecks P angeordnet, sodass jeder der Tragemechanismen 71 relativ leicht steuerbar ist.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat das Beispiel beschrieben, bei welchem die drei Schienenelemente 72 angeordnet sind, um das Objekt 100 während der Herstellung zu umgeben, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Wie in 12 dargestellt, können die drei Schienenelemente 72 angeordnet sein, um das Objekt 100 während der Herstellung nicht zu umgeben. Außerdem kann die additive Herstellungsvorrichtung 1 einen Überhang zu dem Objekt 100 ausbilden, das Material 121 unter dem Überhang aufwärts ausstoßen oder extrudieren, und die Schichten 110b auf einem Boden des Überhangs additiv ausbilden.
(Erste Modifikation)
Eine additive Herstellungsvorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Modifikation weist eine Konfiguration ähnlich zu der der additiven Herstellungsvorrichtung 1 auf. Allerdings ist die additive Herstellungsvorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Modifikation von der additiven Herstellungsvorrichtung 1 hauptsächlich darin verschieden, dass die Anordnung der drei Schienenelemente 72 änderbar ist.
Wie in 13 dargestellt, ist in der vorliegenden Modifikation eine Anzahl (drei in 13) an Halterungen 110a2 auf einer Basis 110a für jedes Schienenelement 72 vorgesehen. Die zu einem Schienenelement 72 korrespondierenden Halterungen 110a2 sind in einer Richtung, die eine Richtung (Richtung D1) entlang der Schienen 72d bis 72g kreuzt (orthogonal dazu ist), voneinander beabstandet.
In der vorstehenden Konfiguration kann die Anordnung der drei Schienenelemente 72 geändert werden, indem die Position (Halterung 110a2) von zumindest einem Schienenelement 72 geändert wird. Dies ermöglicht, dass z. B. die Entfernungen unter den drei Schienenelementen 72 in Abhängigkeit von der Größe des herzustellenden Objekts 100 geändert werden. Somit sind, für den Fall, dass ein relativ kleines Objekt 100 hergestellt wird, die drei Schienenelemente 72 mit kleinen Entfernungen dazwischen angeordnet, was in einer Hemmung (bzw. Unterbindung) einer Ablenkung der Armelemente 74 aufgrund des Gewichts des Düsenabschnitts 28 resultiert. Es ist zu beachten, dass die Positionen der drei Schienenelemente 72 geändert werden können, indem die Position von zumindest einem Schienenelement 7 geändert wird, und somit ist die vorliegende Modifikation nicht auf die drei Schienenelemente 72 beschränkt, von welchen alle eingestellt sind, um bezüglich ihrer Positionen änderbar zu sein. D. h., die Position von einem oder zwei der Schienenelemente 72 kann änderbar eingestellt sein.
(Zweite Modifikation)
Eine additive Herstellungsvorrichtung 1B gemäß der vorliegenden Modifikation weist eine Konfiguration ähnlich zu der der additiven Herstellungsvorrichtung 1 auf. Allerdings ist die additive Herstellungsvorrichtung 1B gemäß der vorliegenden Modifikation von der additiven Herstellungsvorrichtung 1 hauptsächlich darin verschieden, dass die Anordnung der drei Schienenelemente 72 änderbar ist.
Wie in 14 dargestellt, ist bei der vorliegenden Modifikation eine Basis 110a mit einem Schiebeelement 90 für jedes Schienenelement 72 vorgesehen. Die Schiebeelemente 90 umfassen jeweils eine Halterung 110a2. Die Schienenelemente 72 werden an den Halterungen 110a2 getragen.
Die Basis 110a ist mit eingelassenen Halterungen 110a3 vorgesehen. Jede Halterung 110a3 umfasst eine Schiene 110a4 auf einer Bodenfläche. Die Halterung 110a3 und eine Schiene 110a4 erstrecken sich in einer Richtung, welche die Richtung (Richtung D1) entlang der Schienen 72d bis 72g kreuzt (orthogonal dazu ist). Die Schiebeelemente 90 werden an den Schienen 110a4 bewegbar getragen. Die Schiebeelemente 90 können manuell oder durch eine Antriebskraft einer Antriebsquelle, wie etwa einen Motor, bewegt werden.
Bei der vorstehenden Konfiguration sind die Positionen der drei Schienenelemente 72 änderbar, indem die Position (Halterung 110a2) von zumindest einem der Schienenelemente 72 geändert wird. Somit kann diese Modifikation einen Effekt ähnlich zu dem der ersten Modifikation erzielen. Außerdem können z. B. von dem Start bis zur Beendigung der Herstellung des Objekts 100 die Schiebeelemente 90 manuell oder automatisch durch die Antriebsquelle bewegt werden, um die Schienenelemente 72 von jeweiligen vorbestimmten Positionen (Sollpositionen) zu Positionen (Rückzugspositionen) mit größeren Entfernungen dazwischen, als denen unter den Sollpositionen, zu bewegen. Dadurch kann das hergestellte Objekt 100 leicht extrahiert werden.
(Dritte Modifikation)
Eine additive Herstellungsvorrichtung 1C gemäß der vorliegenden Modifikation weist eine Konfiguration ähnlich zu der der additiven Herstellungsvorrichtung 1 auf. Allerdings ist die additive Herstellungsvorrichtung 1C gemäß der vorliegenden Modifikation von der additiven Herstellungsvorrichtung 1 hauptsächlich in dem Zufuhrrohr 34 und dem Kabel 210, welche in dem Armelement 74 eingefügt sind, verschieden.
Wie in 15 dargestellt, umfasst das Armelement 74 ein Rohrelement 74c und ein Verbindungselement 74d, zusätzlich zu der Kugelgewindewelle 74a und der Kugel 74b.
Das Verbindungselement 74d ist mit der Kugel 74b verbunden (befestigt). Das Verbindungselement 74d weist Wände 74g bis 74i auf. Die Wand 74g ist mit der Kugel 74b verbunden. Die Wände 74h sind gegenüber der Wand 74g angeordnet. Die Wände 74h erstrecken sich zwischen der Wand 74g und den Wänden 74h. Die Wände 74h und 74i sind mit Öffnungen 74k und 74m versehen. Die Öffnungen 74k und 74m stehen mit dem Inneren des Verbindungselements 74d in Verbindung.
Die Kugelgewindewelle 74a weist eine Rohrform auf. Die Kugelgewindewelle 74a umfasst Flansche 74e an einem Ende, das näher an der Kugel 74b ist. Die Kugelgewindewelle 74a ist in den Öffnungen 74k eingefügt, und die Flansche 74e sind im Inneren des Verbindungselements 74d angeordnet. Die Flansche 74e sind den Innenflächen der Wände 74h zugewandt. Die Kugelgewindewelle 74a ist mit dem Verbindungselement 74d verbunden und relativ zu dem Verbindungselement 74d drehbar.
Das Rohrelement 74c ist in der Kugelgewindewelle 74a enthalten. Das Rohrelement 74c ist entlang der Kugelgewindewelle 74a rohrförmig ausgebildet. Das Rohrelement 74c ist vorgesehen, um relativ zu der Kugelgewindewelle 74a drehbar zu sein. Ein Lagerelement kann zwischen dem Rohrelement 74c und der Kugelgewindewelle 74a vorgesehen sein. Das Rohrelement 74c umfasst Flansche 74f an einem Ende, das näher an der Kugel 74b ist. Die Flansche 74f überlappen die Flansche 74e. Das Rohrelement 74c ist mit dem Verbindungselement 74d befestigt.
Das Zufuhrrohr 34 und das Kabel 210 erreichen die Düse 25 durch das Rohrelement 74c, das Verbindungselement 74d und die Öffnung 74m. Das Zufuhrrohr 34 kann in zumindest einem der Armelemente 74 vorgesehen sein. Das Kabel 210 kann auch in zumindest einem der Armelemente 74 vorgesehen sein. Das Zufuhrrohr 34 und das Kabel 210 können in demselben Armelement 74, wie in der vorliegenden Modifikation beschrieben, oder in unterschiedlichen Armelementen 74 vorgesehen sein. Das Zufuhrrohr 34 ist ein Beispiel eines Durchlasses für das Material 121, und das Kabel 210 ist ein Beispiel eines Übertragungspfads für den Laserstrahl L (Energiestrahl).
Wie vorstehend beschrieben, umfasst zumindest eines der Armelemente 74 das Zufuhrrohr 34 (Durchlass) für das Material 121, und das Kabel 210 für den Laserstrahl L (Übertragungspfad). Somit können das Zufuhrrohr 34 und das Kabel 210 geschützt werden.
Das vorstehende Ausführungsbeispiel und Modifikationen können z. B. so konfiguriert sein, dass die Zufuhrvorrichtung 31 der Düse 25 unterschiedliche Arten von Materialien 121 zuführt, um die unterschiedlichen Arten von Materialien 121 von der Düse 25 mit eingestellten (geänderten) Anteilen selektiv zuzuführen. Dadurch kann ein Gradientenmaterial (funktionales Gradientenmaterial) als das hergestellte Objekt 100 einschließlich der Materialien 121 mit geänderten (graduell verringerten oder graduell erhöhten) Anteilen gemäß der Position (Anordnung) desselben hergestellt werden. Insbesondere steuert die Steuervorrichtung 17 z. B. zum Ausbilden der Schicht 110b die Zufuhrvorrichtung 31, um die Materialien 121 mit den korrespondierend zu jeder Position des hergestellten Objekts 100 in dreidimensionalen Koordinaten eingestellten (gespeicherten) Anteilen zuzuführen. Dadurch kann das Objekt 100 als das Gradientenmaterial (funktionales Gradientenmaterial) hergestellt werden, in welchem die Anteile der Materialien 121 in einer beliebigen Richtung in drei Dimensionen geändert werden. Eine Größe der Änderung (Änderungsrate) der Anteile des Materials 121 pro Vorrichtungslänge kann auch verschiedenartig eingestellt werden. In diesem Fall kann das Zufuhrrohr 34 für jedes Material vorgesehen sein, oder das Zufuhrrohr 34 kann intern aufgeteilt sein, um Durchlässe für die jeweiligen Materialien in dem Zufuhrrohr 34 vorzusehen. Außerdem kann die Zufuhrvorrichtung 31 einen Mischer umfassen, der die unterschiedlichen Arten von Materialien 121 im Voraus mischt, und die gemischten Materialien 121 der Düse 25 zuführt.
Wie vorstehend beschrieben, können die Düsenvorrichtung 14 und die additiven Herstellungsvorrichtungen 1, 1A, 1B und 1C gemäß dem Ausführungsbeispiel und den Modifikationen mit einer neuartigen Struktur zum Bewegen des Düsenabschnitts 28 (Düse 25) erhalten werden.
Bestimmte Ausführungsbeispiele sind beschrieben worden, allerdings sind diese Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft dargestellt worden, und sie beabsichtigen nicht, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Die neuartigen Ausführungsbeispiele können in einer Vielzahl von anderen Formen dargestellt werden, und außerdem können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen gemacht werden, ohne von dem Geiste der Erfindung abzuweichen. Die begleitenden Patentansprüche und ihre Äquivalente beabsichtigen, solche Ausführungsbeispiele oder Modifikationen abzudecken, die in den Umfang und Geiste der Erfindung fallen würden.
Beispielsweise kann die Anzahl der Tragemechanismen 71 (Schienenelemente 72, Schiebeelemente 73 und Armelemente 74) drei oder mehr, z. B. vier, sein. Mit vier vorgesehenen Tragemechanismen 71 können die Schienenelemente 72 an z. B. den Eckpunkten eines virtuellen Vierecks angeordnet sein. Außerdem kann die Düse 25 die Lichtquelle 41 umfassen. Die Düse 25 kann außerdem ein Windgebläse als Kühler zum Kühlen des geschmolzenen Materials 121 durch Gebläseluft umfassen. Außerdem können sich die Armelemente 74 als Element zum Ändern der Entfernung zwischen den Verbindungen 71a und den Verbindungen 71b ausfahren und zusammenziehen. Der Antriebsmechanismus 80 kann einen Motor (Aktor) zum Einstellen eines relativen Winkels zwischen den Armelementen 74 (Element) und dem Düsenabschnitt 28 (Element) umfassen.

Claims

Düsenvorrichtung für eine additive Herstellungsvorrichtung, aufweisend: drei oder mehr Schienenelemente, die jeweils Schienen umfassen, die parallel zueinander sind, drei oder mehr Schiebeelemente, die mit den Schienenelementen verbunden sind, um jeweils entlang der Schienen bewegbar zu sein, drei oder mehr Armelemente, die mit den Schiebeelementen verbunden sind, und in den Schienenelementen jeweils durch die Schiebeelemente bewegbar und drehbar getragen werden, einen Düsenabschnitt, der mit den drei oder mehr Armelementen drehbar verbunden ist, um ein Material zu injizieren und einen Energiestrahl zu emittieren, und einen Antriebsmechanismus, der zumindest fünf Aktoren umfasst, die eines von einer relativen Position und einem relativen Winkel zwischen jeder von Kombinationen von zwei miteinander verbundenen Elementen unter den Schienenelementen als Elemente, den Schiebeelementen als Elemente, den Armelementen als Elemente und dem Düsenabschnitt als Elemente einstellen.
Düsenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Aktoren des Antriebsmechanismus einen ersten Aktor umfassen, der eine relative Position zwischen den Schienenelementen und den Schiebeelementen einstellt.
Düsenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aktoren des Antriebsmechanismus einen zweiten Aktor umfassen, der einen relativen Winkel zwischen den Schienenelementen und den Armelementen einstellt.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schienenelemente um eine Drehachse, die sich entlang der Schienen erstreckt, drehbar vorgesehen sind.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Entfernung zwischen ersten Verbindungen und zweiten Verbindungen änderbar ist, wobei die ersten Verbindungen Verbindungen zwischen den Armelementen und den Schiebeelementen sind, die zweiten Verbindungen Verbindungen zwischen den Armelementen und dem Düsenabschnitt sind, und die Aktoren des Antriebsmechanismus einen dritten Aktor umfassen, der eine relative Position zwischen den ersten Verbindungen und den zweiten Verbindungen einstellt.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Armelemente mit den Schiebeelementen bewegbar verbunden sind.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die drei oder mehr Schienenelemente angeordnet sind, um ein Objekt zu umgeben, während es während der Herstellung mit dem Material bestrahlt und mit dem Energiestrahl bestrahlt wird.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest eines der Armelemente mit einem Durchlass für das Material vorgesehen ist, und zumindest eines der Armelemente mit einem Übertragungspfad für den Energiestrahl vorgesehen ist.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Positionen der drei oder mehr Schienenelemente änderbar sind.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Düse zumindest einen Teil eines Kühlers umfasst, der das mit dem Energiestrahl bestrahlte Material kühlt.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Material ein Pulver ist.
Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Material ein lineares Material ist.
Additive Herstellungsvorrichtung, aufweisend: die Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, eine Energiestrahlquelle, und eine Materialzufuhrvorrichtung.
Additive Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Energiestrahl ein Lichtstrahl ist, die Energiestrahlquelle eine Lichtquelle ist, und die Lichtquelle der Düse den Lichtstrahl durch eine Glasfaser zuführt.
Additive Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Materialzufuhrvorrichtung ein Rohr umfasst, und das Material der Düse durch das Rohr zugeführt wird.