层叠造型方法及层叠造型装置与流程

本公开涉及层叠造型方法及层叠造型装置，其用于在金属制层叠面上对金属制粉末材料进行层叠造型。

背景技术：

作为现有的3d造型技术，可以举出：擅长复杂的细微结构的造型的激光焊接法(slm)、可以实现高速和局部的造型而没有尺寸限制的激光金属沉积(lmd)。但是，由于这些现有技术都是将材料熔化而造型的技术，所以变形量大，难以应用于不能熔化的材料、容易产生缺陷的材料(例如2000系列铝等)。

另一方面，作为接合技术而非造型技术，摩擦搅拌接合(fsw)是公知的，无需使接合部分熔化就能够将部件彼此接合。fsw是如下方法：在使前端有突起的圆筒状的工具旋转的同时，使突起贯入要接合的部件的接合部而通过摩擦热使部件软化，并且通过工具的旋转力使接合部周边塑性流动进行揉捏，从而使部件彼此接合。例如，在专利文献1及2中记载有与这种fsw有关的发明。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2017/0043429号说明书

专利文献2：专利第3735296号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

作为本发明人的深入研究的结果，很显然，使用fsw的原理，可以在不使材料熔化的情况下进行层叠造型。另外，专利文献1及2中都没有记载可以使用fsw的原理层叠造型的技术。

鉴于上述情况，本公开的至少一个实施方式的目的在于，提供一种层叠造型方法及层叠造型装置，其可以在不使材料熔化的情况下进行层叠造型。

解决技术问题所采用的技术方案

本公开的至少一个实施方式提供一种层叠造型方法，用于在金属制母材的表面上对金属制粉末材料进行层叠造型，其中，包括：将所述粉末材料供给到所述母材的所述表面上的步骤；摩擦搅拌所述粉末材料及所述表面，使所述粉末材料以非熔化的状态与所述表面接合的步骤；将所述粉末材料供给到使所述粉末材料接合于所述表面而构成的接合部上的步骤；对所述粉末材料及所述接合部进行摩擦搅拌，使所述粉末材料以非熔化的状态与所述接合部接合的步骤。

根据上述方法，可以在使粉末材料以非熔化的状态接合于金属制母材的表面而构成接合部之后，使粉末材料以非熔化的状态接合于接合部，因此可以在不使材料熔化的情况下进行层叠造型。

在某些实施方式中，也可以是，将所述粉末材料接合于所述表面，对相对于所述表面突出的立体形状的层叠造型体进行层叠造型。

在某些实施方式中，也可以是，在将所述粉末材料供给到所述接合部的同时对所述粉末材料及所述接合部进行摩擦搅拌，使所述粉末材料接合于所述接合部上。

在某些实施方式中，也可以是，在使所述粉末材料接合于所述表面的步骤之前，还可以具备准备能旋转的旋转工具的步骤，所述旋转工具具备：形成有凹陷面的前端面；由所述凹陷面划定的保持空间；以及连通所述保持空间和所述旋转工具的外部的连通部；通过在使所述粉末材料经由所述连通部流入所述保持空间的同时使所述旋转工具旋转来进行摩擦搅拌。

在某些实施方式中，也可以是，在准备所述旋转工具的步骤之后，还具备准备导向部件的步骤，该导向部件沿着所述旋转工具的旋转方向围绕所述旋转工具。

在某些实施方式中，也可以是，在将所述粉末材料供给到所述母材的所述表面上的步骤之前，还具备准备供给部件的工序，所述供给部件用于供给所述粉末材料，所述粉末材料通过所述供给部件供给到所述导向部件的内部。

在某些实施方式中，也可以是，所述金属是铝、铝合金、镍基合金、铁系材料、钛合金、铜合金、不锈钢或镍铁合金。

本公开的至少一个实施方式提供一种层叠造型装置，用于在金属制层叠面上对金属制粉末材料进行层叠造型，其中，所述层叠造型装置具备能旋转的旋转工具，所述旋转工具具备：形成有凹陷面的前端面；销，所述销设置为比所述前端面中从所述凹陷面最突出的部分更突出。

根据上述构成，由于能够在将粉末材料保持在由形成于前端面的凹陷面划定的保持空间内的状态下摩擦搅拌粉末材料，所以能够减少在没有摩擦搅拌的情况下散落在旋转工具的周围的粉末材料，旋转工具能够可靠地摩擦搅拌粉末材料。

在某些实施方式中，也可以是，所述旋转工具形成有连通部，该连通部将由所述凹陷面划定的保持空间和所述旋转工具的外部连通。

根据上述构成，在使层叠造型装置沿着供给到层叠面上的粉末材料移动时，粉末材料经由连通部进入保持空间内，因此能够将粉末材料容易地导入保持空间内。

在某些实施方式中，也可以是，在所述前端面上形成有螺旋状的螺旋槽，该螺旋槽沿着所述旋转工具的旋转方向在朝向所述前端面的外周缘的方向上延伸。

根据上述构成，当旋转工具旋转时，粉末材料沿着螺旋槽朝向前端面的中心移动，因此促进了保持空间内的粉末材料的搅拌，并且能够提高粉末材料的摩擦搅拌的效果。

在某些实施方式中，也可以是，还具备将所述粉末材料供给到所述层叠面上的供给部件。

根据上述构成，由于能够在将粉末材料供给到层叠面上的同时进行摩擦搅拌，所以与将粉末材料供给到层叠面上以后进行摩擦搅拌的情况相比，能够有效地进行层叠造型。

本公开的至少一个实施方式提供一种层叠造型装置，用于在金属制层叠面上对金属制粉末材料进行层叠造型，其中，所述层叠造型装置具备：能旋转的旋转工具，该旋转工具具有前端面及从该前端面突出的销；以及导向部件，该导向部件沿着所述旋转工具的旋转方向围绕所述旋转工具。

根据上述构成，由于能够通过导向部件减少在没有摩擦搅拌的情况下散落在旋转工具的周围的粉末材料，所以旋转工具能够可靠地摩擦搅拌粉末材料。

在某些实施方式中，也可以是，所述旋转工具具有圆柱形状的外表面，在该外表面形成有螺旋状的螺旋槽，该螺旋槽沿着所述旋转工具的旋转方向在远离所述前端面的方向上延伸。

根据上述构成，通过旋转工具旋转，处在导向部件的内周面和旋转工具的外表面之间的粉末材料沿着螺旋槽朝向前端面移动，容易进入前端面和层叠面之间，因此旋转工具能够可靠地摩擦搅拌粉末材料。

在某些实施方式中，也可以是，所述导向部件具有面向所述层叠面的第一缘部和与该第一缘部对置的第二缘部，在所述导向部件上形成有从所述第一缘部朝向所述第二缘部被切除的缺口部。

根据上述构成，当层叠造型装置移动时，粉末材料接合于层叠面而构成的接合部通过缺口部，因此能够抑制导向部件被接合部挂住，从而使层叠造型装置顺畅地移动。

在某些实施方式中，也可以是，在所述导向部件上形成有用于供冷却流体流通的流路。

根据上述构成，由于在摩擦搅拌过程中，导向部件被冷却流体冷却，所以能够减少旋转工具和导向部件之间的烧熔。

在某些实施方式中，也可以是，还具备用于将所述粉末材料供给到所述导向部件的内部的供给部件。

根据上述构成，由于能够在将粉末材料供给到层叠面上的同时进行摩擦搅拌，所以与将粉末材料供给到层叠面上之后再进行摩擦搅拌的情况相比，能够有效地进行层叠造型。

在某些实施方式中，也可以是，在所述销的外周面形成有螺纹槽，该螺纹槽沿着所述旋转工具的旋转方向从所述销的基端朝向前端延伸。

根据上述构成，在摩擦搅拌粉末材料时，粉末材料沿着螺纹槽从销的前端朝向基端移动，因此促进了粉末材料的搅拌，能够提高粉末材料的摩擦搅拌的效果。

发明效果

根据本公开的至少一个实施方式，能够在使粉末材料以非熔化的状态接合于金属制母材的表面而构成接合部之后，使粉末材料以非熔化的状态接合于接合部，因此能够在不使材料熔化的状态下进行层叠造型。

附图说明

图1是表示本公开的实施方式1的层叠造型装置的构成的示意图。

图2是用于说明本公开的实施方式1的层叠造型装置的层叠造型方法的图。

图3是用于说明通过摩擦搅拌使粉末材料接合于层叠面的机制的图。

图4是表示本公开的实施方式2的层叠造型装置的旋转工具的构成的剖视示意图。

图5是本公开的实施方式2的层叠造型装置的旋转工具的仰视图。

图6是用于说明通过使用了本公开的实施方式2的层叠造型装置的旋转工具的摩擦搅拌使粉末材料接合于层叠面的机制的图。

图7是表示形成于本公开的实施方式2的层叠造型装置的旋转工具的前端面上的凹陷面的变形例的剖视图。

图8是表示形成于本公开的实施方式2的层叠造型装置的旋转工具的前端面上的凹陷面的另一变形例的剖视图。

图9是表示本公开的实施方式3的层叠造型装置的构成的示意图。

图10是表示本公开的实施方式2的层叠造型装置的旋转工具的构成的正面示意图。

图11是表示本公开的实施方式2的层叠造型装置的导向部件的构成的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。但是，本发明的范围不限于后面将描述的实施方式。后面将描述的实施方式中记载的构成零件的尺寸、材质、形状以及它们的相对配置等只不过是说明例，而不是将本发明的范围仅限定于此的意思。

(实施方式1)

如图1所示，实施方式1的层叠造型装置1具备能旋转地设置的旋转工具2和作为供给金属制粉末材料9的供给部件的粉末供给喷嘴3。粉末供给喷嘴3与存储粉末材料9的存储部4连通。粉末材料9从存储部4向粉末供给喷嘴3的供给可以利用粉末材料9的自重，也可以利用未图示的送料器等。

旋转工具2具有抓持部5和摩擦搅拌部6，该抓持部5用于供用于使旋转工具2旋转的未图示的旋转装置抓持，该摩擦搅拌部6包括与粉末材料9接触并且摩擦搅拌粉末材料9的平坦的前端面7。在前端面7上，以从前端面7突出的方式设置有销8。

下面，对使用实施方式1的层叠造型装置1的层叠造型方法进行说明。

在实施方式1中，如图2所示，通过层叠造型装置1，在金属制层叠面10上即金属制母材11的表面11a上层叠造型粉末材料9。在此，构成粉末材料9及母材11的金属可以是相同的金属也可以是不同的金属，作为能使用的金属，是包括铝、镍基合金以及铁系材料在内的普通金属。另外，作为能使用的金属，还可以举出铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢或镍铁合金等。

在由层叠造型装置1进行的层叠造型中，旋转工具2在以其旋转轴线l为中心沿箭头a方向旋转的同时，相对于母材11的表面11a平行移动。用箭头b表示该移动方向。在移动方向b上，在旋转工具2的前方，将粉末材料9从粉末供给喷嘴3供给到表面11a上。当旋转工具2沿移动方向b移动时，粉末材料9被夹在表面11a和旋转工具2的前端面7(参照图1)之间。旋转工具2通过在沿箭头a的方向旋转的同时对粉末材料9施加压力，来摩擦搅拌粉末材料9。

需要说明的是，旋转工具2的旋转速度及旋转工具2的移动速度(或者也可以说是粉末供给喷嘴3的移动速度)分别可以根据所使用的金属的种类、其他条件适当地变更，但是，例如，母材11及粉末材料9均是铝合金的情况下，可以将旋转速度设为150～400rpm，更理想的是设为250～400rpm，可以将移动速度设为5～15英寸/分钟，更理想的是设为7～14英寸/分钟。

如图3所示，由于当旋转工具2旋转时销8也会旋转，所以销8在与表面11a中被粉末材料9覆盖的部分抵接的同时旋转。即，销8摩擦搅拌表面11a中被粉末材料9覆盖的部分。这样一来，通过销8和表面11a的抵接部分产生的摩擦热和压力，构成母材11的金属塑性流化。另一方面，粉末材料9也通过前端面7的摩擦搅拌而塑性流化。塑性流化的母材11及粉末材料9的金属彼此混合。

由于旋转工具2沿移动方向b移动，所以在移动方向b上，在旋转工具2的后侧，塑性流化的金属失去摩擦热并迅速冷却固化，因此母材11及粉末材料9的塑性流化的金属彼此混合在一起并以完全一体化的状态接合，在表面11a上形成接合部12。由于金属塑性流化的温度远低于其熔点，所以母材11和粉末材料9的接合属于固相接合的范畴。即，母材11和粉末材料9的接合在非熔化的状态下进行。因此，在整个接合过程中，输入到金属的热量很小，并且不会发生伴随凝固收缩的应力，因此不易发生由于接合部12附近的热应变导致的变形和裂纹。

如图2所示，在表面11a上形成接合部12之后，在将粉末材料9供给到接合部12的同时，通过由前端面7摩擦搅拌粉末材料9、同时由销8(参照图1)摩擦搅拌接合部12，从而，粉末材料9在非熔化的状态下被接合于接合部12上。需要说明的是，当粉末材料9接合于接合部12时，层叠面10成为接合部12的表面12a。通过重复该动作，可以在表面11a上形成任意一种立体形状的接合部12即层叠造型体。

这样，由于能够摩擦搅拌金属制粉末材料9及金属制层叠面10并且在非熔化的状态下使粉末材料9接合于层叠面10，所以能够在不使材料熔化的情况下进行层叠造型。

(实施方式2)

下面，对实施方式2的层叠造型装置及层叠造型方法进行说明。实施方式2的层叠造型装置及层叠造型方法相对于实施方式1变更了旋转工具2的构成。需要说明的是，在实施方式2中，与实施方式1的构成要件相同的部分标注相同的参照符号，省略其详细的说明。

如图4所示，在实施方式2中，旋转工具2的摩擦搅拌部6的前端面7包括凹陷面20和以围绕凹陷面20的方式形成的圆环形状的平坦面21。由凹陷面20划定出截锥形的保持空间25。另外，在前端面7上设置有销8。销8的基端8b位于凹陷面20上，销8的前端8a比前端面7中从凹陷面20最突出的部分更突出，即比平坦面21更突出。

虽然在实施方式2中不是必需的构成，但也可以在摩擦搅拌部6上形成连通保持空间25和旋转工具2的外部的连通部24。例如，连通部24可以设为从平坦面21沿着旋转工具2的长度方向被切除的狭缝24a。狭缝24a的宽度、长度以及个数等可以任意确定。另外，连通部24也可以是贯通摩擦搅拌部6的贯通孔。在连通部24是贯通孔的情况下，贯通孔的形状、开口面积以及个数等可以任意确定。

虽然在实施方式2中不是必需的构成，但也可以在销8的外周面8c上形成螺纹槽22。理想的是，螺纹槽22形成为沿着旋转工具2的旋转方向a从销8的基端8b朝向前端8a延伸。

虽然在实施方式2中不是必需的构成，但如图5所示，也可以在平坦面21上形成螺旋状的螺旋槽23。理想的是，螺旋槽23形成为沿着旋转工具2的旋转方向a在朝向前端面7的外周缘7a的方向上延伸，换句话说，在实施方式2中，在朝向平坦面21的外周缘21a的方向上延伸。螺旋槽23也可以通过在平坦面21上形成以螺旋状延伸的凹陷即槽而构成，也可以通过安装以从平坦面21突出的方式螺旋状延伸的部件而构成。需要说明的是，螺旋槽23不限于仅形成在平坦面21上，也可以从平坦面21起连续地形成于凹陷面20上。

其他构成与实施方式1相同。

在实施方式2中，粉末材料9(参照图1)接合于层叠面10(参照图1)的原理和层叠造型装置1的层叠造型方法的基本部分与实施方式1相同。于是，下面对有关仅实施方式2的层叠造型装置1具有的构成要件的动作及从中获得的作用效果进行说明。

如图6所示，当旋转工具2在沿箭头a方向旋转的同时沿箭头b方向移动时，狭缝24a周期性地朝向箭头b方向。当狭缝24a朝向箭头b方向时，粉末材料9(参照图1)经由狭缝24a进入保持空间25内，因此能够容易地将粉末材料9导入保持空间25内。另外，通过保持被导入保持空间25内的粉末材料9，能够减少没有被摩擦搅拌而散落在旋转工具2的周围的粉末材料9，因此旋转工具2能够可靠地摩擦搅拌粉末材料9。

如图4所示，在销8的外周面8c上形成有螺纹槽22的情况下，当旋转工具2沿箭头a方向旋转时，保持空间25内的粉末材料9沿着螺纹槽22移动。当螺纹槽22形成沿着旋转工具2的旋转方向a从销8的基端8b朝向前端8a延伸时，则粉末材料9沿着螺纹槽22从销8的前端8a朝向基端8b移动。其结果是，促进了保持空间25内的粉末材料9的搅拌，能够提高粉末材料9的摩擦搅拌的效果。

如图5所示，在平坦面21上形成有螺旋槽23的情况下，当旋转工具2沿箭头a方向旋转时，粉末材料9沿着螺旋槽23移动。当螺旋槽23沿着旋转工具2的旋转方向a在朝向平坦面21的外周缘21a的方向上延伸时，粉末材料9朝向保持空间25移动并且被导入保持空间25内，在保持空间25内被摩擦搅拌。如果旋涡槽23不仅形成于平坦面21上，而且还从平坦面21起连续地形成于凹陷面20上，则粉末材料9在保持空间25内沿着螺旋槽23朝向前端面7的中心移动。其结果是，促进了保持空间25内的粉末材料9的搅拌，能够提高粉末材料9的摩擦搅拌的效果。

这样，在实施方式2中，由于能够在将粉末材料9保持在形成于前端面7上的保持空间25内的状态下摩擦搅拌粉末材料9，所以能够减少没有摩擦搅拌而散落在旋转工具2的周围的粉末材料9，旋转工具2能够可靠地摩擦搅拌粉末材料9。

在实施方式2中，保持空间25具有截锥形状，但不限于这种形状。保持空间25可以是任何形状，只要是能够保持粉末材料9的形状即可，例如，也可以是如图7所示的圆锥形状和图8所示的圆柱形状等。

在实施方式2中，销8的基端8b位于凹陷面20上，但不限于这种实施方式。销8的基端8b也可以位于平坦面21上。

(实施方式3)

下面，对实施方式3的层叠造型装置及层叠造型方法进行说明。相对于实施方式1，实施方式3的层叠造型装置及层叠造型方法使得旋转工具2被导向部件围绕。需要说明的是，在实施方式3中，与实施方式1的构成要件相同的部分标注相同的参照符号，省略其详细的说明。

如图9所示，实施方式3的层叠造型装置1具备：能旋转地设置的旋转工具2；沿着旋转工具2的旋转方向a围绕旋转工具2的圆筒形状的导向部件30；将粉末材料9供给到导向部件30内的粉末供给喷嘴3。

如图10所示，旋转工具2的摩擦搅拌部6具有圆柱形状的外表面6b。虽然在实施方式3中不是必需的构成，但也可以在外表面6b上形成螺旋状的螺旋槽31。理想的是，螺旋槽31形成为沿着旋转工具2的旋转方向a在远离前端面7的方向上延伸。螺旋槽31可以通过在外表面6b上形成以螺旋状延伸的凹陷即槽而构成，也可以通过安装一从外表面6b突出的方式以螺旋状延伸的部件而构成。

如图11所示，圆筒形状的导向部件30具有面向层叠面10(参照图1)的第一缘部30a和与第一缘部30a对置的第二缘部30b。虽然在实施方式3中不是必需的构成，但也可以在导向部件30上形成从第一缘部30a朝向第二缘部30b被切除的缺口部32。缺口部32的宽度w必须大于接合部12(参照图1)的宽度。另外，虽然在实施方式3中不是必需的构成，但也可以在导向部件30中，形成用于供像冷却水这样的冷却流体流通的流路33。在层叠造型过程中，流路33与冷却流体的未图示的供给源连通。

其他构成与实施方式1相同。

在实施方式3中，粉末材料9(参照图1)接合于层叠面10(参照图1)的原理和由层叠造型装置1实现的层叠造型方法的基本部分与实施方式1相同。于是，下面对有关仅实施方式3的层叠造型装置1具有的构成要件的动作及从中获得的作用效果进行说明。

如图9所示，在实施方式3中，旋转工具2摩擦搅拌经由粉末供给喷嘴3供给到导向部件30内的粉末材料9。这样一来，由于能够通过导向部件30减少没有摩擦搅拌而散落在旋转工具2的周围的粉末材料9，所以旋转工具2能够可靠地摩擦搅拌粉末材料9。

经由粉末供给喷嘴3供给到导向部件30内的粉末材料9的一部分位于旋转工具2的摩擦搅拌部6的外表面6b(参照图10)和导向部件30的内周面之间。在这种状态下，旋转工具2沿箭头a方向旋转时，在外表面6b上形成有螺旋槽31(参照图10)的情况下，粉末材料9沿着螺旋槽31移动。如果螺旋槽31形成为沿着旋转工具2的旋转方向a在远离前端面7的方向上延伸，则粉末材料9沿着螺旋槽31朝向前端面7移动。其结果是，由于粉末材料9容易进入前端面7和层叠面10(参照图1)之间，所以旋转工具2能够可靠地摩擦搅拌粉末材料9。

另外，在层叠造型装置1的层叠造型中，由于摩擦热使得粉末材料9及母材11(参照图1)的温度上升。如图11所示，在导向部件30上形成有供冷却流体流通的流路33的情况下，在摩擦搅拌过程中，导向部件30被冷却流体冷却，因此能够减少旋转工具2和导向部件30之间的烧熔。

而且，如果在导向部件30上形成有缺口部32，则在层叠造型装置1(参照图9)移动时，所形成的接合部12(参照图2)会通过缺口部32，因此能够抑制导向部件30被接合部12挂住，从而使层叠造型装置1顺畅地移动。

这样，在实施方式3中，由于能够通过导向部件30减少没有摩擦搅拌而散落在旋转工具2的周围的粉末材料9，所以旋转工具2能够可靠地摩擦搅拌粉末材料9。

在实施方式1及3的每一个中，可以在销8的外周面8c上形成实施方式2的螺纹槽22，另外，也可以在前端面7上形成实施方式2的螺旋槽23。

在实施方式1～3的每一个中，层叠造型装置1也可以不具有粉末供给喷嘴3。在这种情况下，可以预先将粉末材料9供给到层叠面10上，之后，使用旋转工具2进行摩擦搅拌。

附图标记说明

1层叠造型装置；2旋转工具；3粉末供给喷嘴(供给部件)；4存储部；5抓持部；6摩擦搅拌部；6b(摩擦搅拌部的)外表面；7前端面；7a(前端面的)外周缘；8销；8a(销的)前端；8b(销的)基端；8c(销的)外周面；9粉末材料；10层叠面；11母材；11a(母材的)表面；12接合部；12a(接合部)的表面；20凹陷面；21平坦面；21a(平坦面的)外周缘；22螺纹槽；23螺旋槽；24连通部；24a狭缝；25保持空间；30导向部件；30a第一缘部；30b第二缘部；31螺旋槽；32缺口部；33流路。