DE112013003448T5

DE112013003448T5 - Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstands

Info

Publication number: DE112013003448T5
Application number: DE112013003448.4T
Authority: DE
Inventors: c/o Panasonic Corporation Fuwa lsao; c/o Panasonic Corporation Abe Satoshi; c/o Panasonic Corporation Matsumoto Isamu; c/o Panasonic Corporation Takenami Masataka; c/o Panasonic Corporation Kondo Masaki; c/o Panasonic Corporation Uchinono Yoshiyuki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2015-04-16
Also published as: WO2014010144A1; KR101666102B1; CN104428084B; JPWO2014010144A1; US9597836B2; KR20150023539A; CN104428084A; JP5764753B2; US20150183165A1

Abstract

Angegeben wird ein Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen geformten Objekts, wobei das Verfahren in der Lage ist, den örtlichen erhöhten abschnitt, der während der Lichtstrahlbestrahlung unter der Bedingung der aufgeteilten Sub-Bestrahlungsstrecken auftreten kann, geeignet zu reduzieren. Das Fertigungsverfahren entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Wiederholen einer Pulverschicht-Ausbildung und einer Festschicht-Ausbildung durchgeführt, wobei das Wiederholen die folgenden Schritte umfasst: (i) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Abtasten eines Lichtstrahls und damit durch Bestrahlen eines vorgegebenen Teils einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wodurch ein Sintern des Pulvers in dem vorgegebenen Teil oder ein Schmelzen und nachfolgendes Verfestigen desselben ermöglicht wird; und (ii) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht, gefolgt von dem Bestrahlen eines vorgegebenen Teils der Pulverschicht mit dem Lichtstrahl, wobei eine Bestrahlungsstrecke des Lichtstrahls für den vorgegebenen Teil in eine Vielzahl von Sub-Bestrahlungsstrecken aufgeteilt ist, die eine kurze Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge kürzer als eine vorgegebene Länge ist, und eine lange Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge die vorgegebenen Länge oder länger ist, enthält, und wobei ein Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls in den Schritten (i) und (ii) in Abhängigkeit der Längen der Sub-Bestrahlungsstrecken geändert wird.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstands. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstands mit einer Vielzahl von verfestigten Schichten, die durch wiederholte Schritte des Ausbildens der verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines vorgegebenen Teils einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl einstückig aufgeschichtet sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bisher war ein Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstands durch Bestrahlen eines Pulvers mit einem Lichtstrahl bekannt (ein derartiges Verfahren kann allgemein als „selektives Lasersinterverfahren” bezeichnet werden). Ein derartiges Verfahren kann durch Wiederholen des Schritts (i) des Bildens der verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines vorgegebenen Teils einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wodurch das Sintern des vorgegebenen Teils des Pulvers oder das Schmelzen und nachfolgende Festwerden desselben ermöglicht wird, und des Schritts (ii) des Ausbildens einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht, gefolgt von entsprechendem Bestrahlen der Pulverschicht mit dem Lichtstrahl, den dreidimensionalen Formgegenstand mit einer Vielzahl verfestigter Schichten, die einstückig aufgeschichtet sind, erzeugen (siehe JP-T-01-502890 oder JP-A-2000-73108 ). Der so erzeugte dreidimensionale Formgegenstand kann in einem Fall, in dem anorganische Pulvermaterialien, wie ein Metallpulver und ein Keramikpulver als Pulvermaterial verwendet werden, als Metallform eingesetzt werden. Andererseits kann der dreidimensionale Formgegenstand in einem Fall, in dem organische Pulvermaterialien, wie ein Kunstharzpulver oder ein Kunststoffpulver als Pulvermaterial verwendet werden, dagegen als ein Modell oder eine Replik genutzt werden. Diese Art Technologie ermöglicht es, den dreidimensionalen Formgegenstand mit einer komplizierten Kontourform in kurzer Zeit herzustellen.
Anhand eines Falls, in dem das Metallpulver als Pulvermaterial verwendet wird und der dreidimensionale Formgegenstand als Metallform verwendet wird, wird das selektive Lasersintern beschrieben. Wie in den 1A und 1B dargestellt, wird zuerst eine Pulverschicht 22 mit einer vorgegebenen Stärke „t1” auf einer Grundplatte 21 (siehe 1A) ausgebildet, und danach wird ein vorgegebener Teil der Pulverschicht 22 mit einem Lichtstrahl bestrahlt, um eine verfestigte Schicht 24 zu erzeugen. Danach wird eine weitere Pulverschicht 22 neu auf er so erzeugten verfestigten Schicht 24 bereitgestellt und dann wiederum mit dem Lichtstrahl bestrahlt, um eine weitere verfestigte Schicht zu erzeugen. Auf diese Weise werden die verfestigten Schichten wiederholt ausgebildet, wodurch es möglich wird, einen dreidimensionalen Formgegenstand mit einer Vielzahl von verfestigten Schichten 24, die einstückig aufgeschichtet sind, zu erzeugen (siehe 1B). Die unterste verfestigte Schicht kann in einem Zustand bereitgestellt sein, in dem sie an die Oberfläche der Grundplatte geklebt ist. Daher sind der dreidimensionale Formgegenstand und die Grundplatte miteinander integriert. Der integrierte „dreidimensionale Formgegenstand” und die „Grundplatte” können so, wie sie sind, als Metallform verwendet werden.
PATENTDOKUMENTE (PATENTDOKUMENTE DER EINSCHLÄGIGEN TECHNIK)

PATENTDOKUMENT 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. H01-502890
PATENTDOKUMENT 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2000-73108

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Hinsichtlich des Verfahrens des selektiven Lasersinterns beobachteten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass, wenn die Bestrahlung des Lichtstrahls in einem Zustand geteilter Bestrahlungsstrecken ausgeführt wird, ein Phänomen auftreten kann, das der Teilung der Strecke eigen ist. Genauer gesagt, haben die Erfinder beobachtet, dass in einem Fall, in dem die Bestrahlungsstrecke des Lichtstrahls in eine Vielzahl von Sub-Bestrahlungsstrecken aufgeteilt ist und die Bestrahlung des Lichtstrahls sequentiell auf einer Basis der aufgeteilten Sub-Bestrahlungsstrecken durchgeführt wird, ein Phänomen der Art auftreten kann, dass die verfestigte Schicht örtlich erhöht ist (siehe 14). In dieser Hinsicht beobachteten sie, dass der örtliche erhöhte Abschnitt tendenziell häufiger vorkommt, wenn die Lichtstrahl-Bestrahlung für kurze Sub-Bestrahlungsstrecken durchgeführt wird, die jeder eine vorgegebene oder kürzere Länge haben. Das Auftreten der örtlichen erhöhten Abschnitte wird besonders in einem Fall noch deutlicher, in dem die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke an einer Peripherie des bestrahlten Abschnitts (d. h. an einem Außenumfangsabschnitt der resultierenden verfestigten Schicht, die dem „Umfang des vorgegebenen Teils der Pulverschicht” entspricht) angeordnet ist. Ohne auf eine spezielle Theorie verweisen zu wollen, ist einer der angenommenen Gründe für das Auftreten der örtlichen erhöhten Abschnitte derjenige, dass die Temperatur in einer kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke leichter ansteigen kann und daher zu starkes Schmelzen des pulverförmigen/verfestigten Teils hervorgerufen werden kann. Der geschmolzene pulverförmige oder verfestigte Teil neigt aufgrund seiner Oberflächenspannung dazu, eine kugelartige Form anzunehmen. Wenn die große Menge des geschmolzenen Teils vorliegt, neigt die kugelartige Form dazu, größer zu werden, was das Bilden des „örtlichen erhöhten Abschnitts” bewirkt, nachdem der geschmolzene Teil abgekühlt und somit verfestigt ist. Ein weiterer angenommener Grund für das Auftreten des „örtlichen erhöhten Abschnitts” bei der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke an der Peripherie des bestrahlten Teils ist derjenige, dass der mit dem Lichtstrahl bestrahlte Teil schmilzt und das Einschließen des angrenzenden Pulver begleitet, was eine örtliche Anhäufung des geschmolzenen Teils aufgrund seiner Oberflächenspannung bewirkt.
Der örtliche erhöhte Abschnitt kann eine nachteilige Auswirkung mit sich bringen. Beispielsweise kann beim nachfolgenden Aufbringen des Pulvers eine Rakelklinge mit dem örtlichen erhöhten Abschnitt kollidieren, was das Ausbilden der gewünschten Pulverschicht unmöglich macht. Das bedeutet, dass eine gleichmäßige Durchführung des selektiven Lasersinterns nach Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts nicht länger beibehalten werden kann.
Unter diesen Umständen kam es zu der vorliegenden Erfindung. Das heißt, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fertigen des dreidimensionalen Formgegenstands bereitzustellen, wobei das Verfahren in der Lage ist, den örtlichen erhöhten Abschnitt, der während des Bestrahlens des Lichtstrahls unter der Bedingung der geteilten Sub-Bestrahlungsstrecken auftreten kann, geeignet zu reduzieren.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Um das obige Ziel zu erreichen, stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstand bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(i) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines vorgegebenen Teils einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wodurch das Sintern des Pulvers in dem vorgegebenen Teil oder ein Schmelzen und nachfolgendes Verfestigen desselben ermöglicht wird, wobei das Bestrahlen des Lichtstrahls durch ein Abtasten des Lichtstrahls durchgeführt wird; und
(ii) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Bilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht, gefolgt von der Bestrahlung eines vorgegebenen Teils der Pulverschicht mit dem Lasterstrahl, wobei der Schritt (ii) wiederholt durchgeführt wird,

Die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die verfestigte Schicht unter Berücksichtigung von „lang und kurz” betreffend die Längen der Sub-Bestrahlungsstrecken, die durch die Aufteilung der Bestrahlungsstrecke erzeugt werden, geeignet ausgebildet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist hinsichtlich des Lichtstrahls für die Sub-Bestrahlungsstrecken die Energie des Lichtstrahls für die „kurze Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge kürzer als eine vorgegebene Länge ist” niedriger als die der „langen Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge die vorgegebene Länge oder länger als diese ist”. Insbesondere wird vorzugsweise eine niedrige Leistung für die Bestrahlung, eine große Strahlverdichtungsgröße oder ein großer Abstand der Strahlstrecken für den Lichtstrahl für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke bereitgestellt, wobei die niedrige Leistung niedriger ist, die große Strahlverdichtungsgröße und der große Abstand größer sind als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke.
Beispielsweise kann die Bestrahlungsstrecke so aufgeteilt sein, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke an einer äußersten Peripherie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die kurze und die lange Sub-Bestrahlungsstrecke, die aneinander angrenzen, seriell miteinander vereinigt, um eine weitere neue lange Sub-Bestrahlungsstrecke zu erzeugen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wird in einem Fall, in dem eine Vielzahl der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken in einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke parallel aneinander angrenzen, das Abtasten des Lichtstrahls in einer derartigen senkrechten Richtung durchgeführt, dass seine Streckenlänge länger als jede Länge der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken wird, wobei die senkrechte Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken ist.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wird in einem Fall, in dem Strecken „a” und „b” der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken in einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der Strecken „a” und „b” parallel aneinander angrenzen, wird die Lichtstrahl-Bestrahlung für sie Strecke „a” durchgeführt, und nachfolgend wird die Lichtstrahl-Bestrahlung für die Strecke „b” mindestens nach einem Temperaturrückgang eines verfestigten Teils der Strecke „a” durchgeführt.
Bei wieder einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein diskretes Abtasten des Lichtstrahls so durchgeführt, dass die benachbarten kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken nicht einer durchgehenden Bestrahlung des Lichtstrahls ausgesetzt sind, wobei die benachbarten Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen.
Bei wieder einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Bestrahlungsstrecke auf der Basis einer Umrisslinie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht so aufgeteilt, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke nicht an einer äußersten Peripherie des vorgegebenen Teils liegt.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Auftreten des „örtlichen erhöhten Abschnitts” (d. h. eine örtliche Aufwölbung der verfestigten Schicht) verhindern. Insbesondere kann das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts an dem Bereich der „kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke” verhindert werden. Das bedeutet, dass der dem „örtlichen erhöhten Abschnitt” zugeschriebene Nachteil des Stands der Technik gemäß dem Fertigungsverfahren der vorliegenden Erfindung vermieden werden kann. Beispielsweise kann das Fertigungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen derartigen Nachteil verhindern, dass die Rakelklinge bei dem nachfolgenden Aufbringen des Pulvers mit dem örtlichen erhöhten Abschnitt kollidiert und diese Kollision der Rakelklinge das Ausbilden der gewünschten Pulverschicht unmöglich mach. Das Fertigungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ebenso einen derartigen Nachteil vermeiden, dass die Schwankung in der Stärke der Pulverschicht hervorgerufen wird, wobei die Schwankung dem Vorhandensein des örtlichen erhöhten Abschnitts zugeschrieben wird.
Mit anderen Worten: Auch wenn die Bestrahlungsstrecke des Lichtstrahls in eine Vielzahl von Sub-Bestrahlungsstrecken aufgeteilt wird und die Bestrahlung des Lichtstrahls sequentiell auf einer Basis der aufgeteilten Sub-Bestrahlungsstrecken durchgeführt wird, kann für jede der verfestigten Schichten, die durch solche sequentiellen Abtastungen erzeugt werden, annähernd die gleichmäßige Stärke erreicht werden. Dies resultiert in einer insgesamt gleichmäßigeren verfestigten Schicht. Die gleichmäßigere verfestigte Schicht ermöglicht es, ein nachfolgendes Aufbringen der Pulverschicht durch die Gleitbewegung der Rakelklinge geeignet durchzuführen, was zu einer annähernd gleichmäßigen Stärke der Pulverschicht führt. Die annähernd gleichmäßige Stärke der Pulverschicht kann das Sicherstellen einer Gleichmäßigkeit der verfestigten Dichte der verfestigten Schicht, die aus einer solchen Pulverschicht entsteht, fördern.
Als solches ermöglicht das Ausbilden der verfestigten Schicht nach der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das geeignete Durchführen der nachfolgenden Ausbildung der Pulverschicht, was schließlich zu einer effektiven Fertigung des dreidimensionalen Formgegenstands mit einer gewünschten Qualität führt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind Schnittansichten, die Operationen einer Lasersinter/Bearbeitungs-Hybridmaschine schematisch darstellen.
2A und 2B sind perspektivische Ansichten, die eine Vorrichtung um Durchführen des Lasersinterns (d. h. des selektiven Lasersinterverfahrens) schematisch darstellen, wobei 2A insbesondere eine Hybridvorrichtung mit einem Bearbeitungsmechanismus zeigt und 2B insbesondere eine Vorrichtung ohne Bearbeitungsmechanismus zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform, in der ein selektives Lasersinterverfahren durchgeführt wird, schematisch darstellt.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau einer Lasersinter/Bearbeitungs-Hybridmaschine, durch die ein selektives Lasersinterverfahren durchgeführt wird, schematisch darstellt.
5 ist ein Flussdiagramm von Operationen einer Lasersinter/Bearbeitungs-Hybridmaschine.
6 ist eine schematische Ansicht, die einen Lasersinter/Bearbeitungs-Hybridprozess über die Zeit zeigt.
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform zeigt, bei der eine Bestrahlungsstrecke in Sub-Bestrahlungsstrecken, einschließlich der „kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge kürzer als eine vorgegebene Länge ist”, und der „langen Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge die vorgegebenen Länge oder länger als diese ist”.
8A bis 8C sind schematische Ansichten, die Ausführungsformen zeigen, bei denen Bestrahlungsmodi des Lichtstrahls in Abhängigkeit der Längen der Sub-Bestrahlungsstrecken geändert sind.
9 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der „seriell vereinigten Sub-Bestrahlungsstrecke” zeigt.
10 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform des „senkrechten Abtastens im Bereich der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken” zeigt.
11 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der „gesteuerten Abkühlzeit” zeigt.
12 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform des „diskreten Abtastens im Bereich der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke” zeigt.
13 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform des „Erzeugens von Sub-Bestrahlungsstrecken auf Basis des Umrisses” zeigt.
14 ist eine Darstellung zum Erläutern einer Ausführungsform, bei der ein örtlich erhöhter Abschnitt gebildet ist (Einschlägige Technik).
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Proportionen der Abmessungen in den Zeichnungen rein illustrativen Zwecken dienen und somit nicht die gleichen wie die der tatsächlichen Teile oder Elemente sind.
Der Begriff „Pulverschicht”, wie er in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet beispielsweise „Metallpulverschicht, bestehend aus einem Metallpulver” oder „Kunstharzpulverschicht, bestehend aus einem Kunstharzpulver”. Ferner bezeichnet der Begriff „vorgegebener Teil einer Pulverschicht” im Wesentlichen einen Teil eines herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstands. Daher wird ein Pulver, das in einem solchen vorgegebenen Teil vorhanden ist, mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wodurch das Pulver ein Sintern oder ein Schmelzen und sein anschließendes Verfestigen zum Bilden einer Form eines dreidimensionalen Formgegenstands durchläuft. Ferner bedeutet der Begriff „verfestigte Schicht” im Wesentlichen „gesinterte Schicht”, wenn die Pulverschicht eine Metallpulverschicht ist, während der Begriff „verfestigte Schicht” im Wesentlichen „ausgehärtete Schicht” bedeutet, wenn die Pulverschicht eine Kunstharzpulverschicht ist.
[Selektives Lasersinterverfahren]
Zuerst wird ein selektives Lasersinterverfahren beschrieben, auf dem eine Ausführungsform des Fertigungsverfahrens der vorliegenden Erfindung basiert. Der Einfachheit halber ist das Lasersinterverfahren, das beschrieben werden wird, eines, bei dem Pulvermaterial aus einem dafür vorgesehenen Vorratsbehälter zugeführt wird, worauf es mittels einer Rakelklinge geglättet wird, um daraus eine Pulverschicht zu bilden. Darüber hinaus wird beispielhaft das selektive Lasersinterverfahren beschreiben, bei dem zusätzlich ein Bearbeitungsprozess an dem Formgegenstand durchführt wird (d. h. die Verfahrensausführung, wie sie in 2A, nicht in 2B dargestellt ist). Die 1A, 1B, 3 und 4 zeigen Funktionen und Strukturen, die ein Ausführen des selektiven Lasersinterverfahrens ermöglichen, in Bezug auf eine Metall-Lasersinter-Hybrid-Fräsmaschine. Die Lasersinter/Fräs-Hybridmaschine 1 ist hauptsächlich ausgestattet mit einem „Pulverschicht-Ausbildungsmittel 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht durch Bereitstellen eines Pulvers, wie beispielsweise eines Metallpulvers oder eines Kunstharzpulvers mit einer vorgegebenen Stärke”; einem „Formgebungstisch 20, der in der Lage ist sich in einem Formgebungsbehälter 29, dessen Außenumfang mit einer Wand 27 umgeben ist, durch einen Zylinderantrieb vertikal zu heben/senken”; einer „Grundplatte 21 für den Formgegenstand, die auf dem Formgebungstisch 20 angeordnet ist und als Standfläche des Formgegenstands dient”; einem „Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel 3 zum Bestrahlen einer gewünschten Stelle mit einem ausgesendeten Lichtstrahl L”; und einem „Bearbeitungsmittel 4 zum Fräsen des Umfangs des Formgegenstands”. Wie in den 1A und 1B dargestellt, besteht das Pulverschicht-Ausbildungsmittel 2 hauptsächlich aus einem „Pulvertisch 25, der in der Lage ist, sich in einem Vorratsbehälter für Pulvermaterial 28, dessen Außenumfang mit einer Wand 26 umgeben ist, durch einen Zylinderantrieb zu heben/senken” und einer „Rakelklinge 23 zum Bilden einer Pulverschicht 22 auf der Grundplatte 21 für den Formgegenstand oder auf dem Formgebungstisch”. Wie in den 3 und 4 gezeigt, besteht das Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel 3 hauptsächlich aus einem „Lichtstrahlgenerator 30 zum Aussenden eines Lichtstrahls 1” und einem „Galvanometerspiegel 31 (d. h. einem optischen Abtastsystem) zum Führen eines Lichtstrahls L auf eine Pulverschicht 22”. Optional ist das Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel 3 mit einem Strahlformkorrekturmittel zum Korrigieren einer Form eines Lichtstrahlpunkts (z. B. einem Mittel bestehend aus einem Paar zylindrischer Linsen und einem Drehmechanismus zum Drehen der Linse um eine Längslinie des Lichtstrahls) und einer fθ Linse ausgestattet. Das Bearbeitungsmittel 4 besteht hauptsächlich aus einem „Fräskopf 40 zum Fräsen des Umfangs des Formgegenstands” und einem „X-Y-Betätiger 41 (41a, 41b), der den Fräskopf 40 zum Bewegen zu der zu fräsenden Stelle antreibt” (siehe 3 und 4).
Arbeitsschritte der Metall-Lasersinter-Hybrid-Fräsmaschine 1 werden unter Bezugnahme auf die 1A, 1B, 5 und 6 ausführlich beschrieben. 5 zeigt einen allgemeinen Arbeitsfluss einer Metall-Lasersinter-Hybrid-Fräsmaschine. 6 zeigt schematisch und einfach einen Lasersinter/Bearbeitungs-Hybridprozess.
Die Arbeitsschritte der Metall-Lasersinter-Hybrid-Fräsmaschine bestehen hauptsächlich aus einem Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1), in dem eine Pulverschicht 22 ausgebildet wird; einem Festschicht-Ausbildungsschritt (S2), in dem die Pulverschicht 22 mit einem Lichtstrahl L bestrahlt wird, um eine verfestigte Schicht 24 auszubilden; und einem Bearbeitungsschritt (S3), in dem eine Oberfläche eines Formgegenstands gefräst wird. In dem Pulverschicht-Ausbildungsprozess (S1) wird zuerst der Formgebungstisch 20 um Δt1 abgesenkt (S11). Nachfolgend wird ein Pulvertisch 25 um Δt1 angehoben, und danach wird die Rakelklinge 23 so angetrieben, dass sie sich in Richtung des Pfeils „A” bewegt, wie in 1A gezeigt. Dies ermöglicht, dass ein auf dem Pulvertisch 25 angeordnetes Pulver (z. B. ein „Eisenpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm bis 100 μm” oder ein „Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 30 μm bis 100 μm, beispielsweise ein Nylon-, Polypropylen- oder ABS-Pulver”) so verteilt wird, dass es eine Pulverschicht 22 einer vorgegebenen Stärke Δt1 bildet (S13), während es auf die Grundplatte 21 übertragen wird (S12). Nach diesem Schritt wird der Festschicht-Ausbildungsschritt (S2) durchgeführt. In dem Festschicht-Ausbildungsschritt wird ein Lichtstrahl L (z. B. Kohlendioxidgas-Laser (ungefähr 500 W), Nd:YAG-Laser (ungefähr 500 W), Faser-Laser (ungefähr 500 W) oder UV-Licht) von dem Lichtstrahlgenerator 30 abgegeben (S21), und danach wird ein Lichtstrahl L mittels des Galvanometerspiegels 31 auf eine gewünschte Stelle der Pulverschicht 22 geführt (S22). Der geführte Lichtstrahl L kann bewirken, dass das Pulver geschmolzen und dann verfestigt wird, was zur Bildung der verfestigten Schicht 24 führt, die mit der Grundplatte 21 integriert ist (S23). Hinsichtlich der Übertragung des Lichtstrahls in der Luft besteht keine Einschränkung, und der Lichtstrahl kann auch durch eine optische Faser oder dergleichen übertragen werden.
Der Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1) und der Festschicht-Ausbildungsschritt (S2) werden wiederholt ausgeführt, bis die Stärke der aufgeschichteten Schichten 24 einen derartigen vorgegebenen Wert erreichen, der ausgehend von einer Werkzeuglänge des Fräskopfs 40 bestimmt wird (siehe 1B). Bei einem Sintern des Pulvers oder einem Schmelzen und anschließendem Verfestigen des Pulvers wird die neu aufgeschichtete verfestigte Schicht mit der verfestigten Schicht integriert, die bereits ausgebildet worden war und darunter angeordnet ist.
Wenn die Stärke der aufgeschichteten verfestigten Schichte eine vorgegebene Stärke erreicht, wird der Bearbeitungsschritt (S3) gestartet. Bei der Ausführungsform, wie sie in 1B und 6 gezeigt ist, wird der Fräskopf 40 so betätigt, dass er das Ausführen des Bearbeitungsschritts (S31) beginnt. In einem Fall, in dem das Werkzeug (Kugelschaftfräser) des Fräskopfs 40 einen Durchmesser von 1 mm und eine effektive Fräslänge von 3 mm hat, kann beispielsweise ein Fräsvorgang mit einer Frästiefe von 3 mm ausgeführt werden. Wenn Δt1 gleich 0,05 mm ist, wird also der Fräskopf dann betätigt, wenn 60 verfestigte Schichten gebildet sind. Der Fräskopf 40 wird mittels des X-Y-Betätigers 41 (41a, 41b) in die X- und die Y-Richtung bewegt und der aus geschichteten verfestigten Schichten 24 zusammengesetzte Formgegenstand wird der Oberflächenbearbeitung unterzogen (S32). Wenn noch nicht der gesamte dreidimensionale Formgegenstand gefertigt worden ist, geht der Schritt zu dem Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1) zurück. Danach werden die Schritte S1 bis S3 wiederholt ausgeführt, um die verfestigten Schichten 24 weiter aufeinander zu schichten, was zu einem Fertigen des gewünschten dreidimensionalen Formgegenstand führt (siehe 6).
Eine Bestrahlungsstrecke des Lichtstrahls L in dem Festschicht-Ausbildungsschritt (S2) und eine Frässtrecke in dem Bearbeitungsschritt (S3) werden zuvor unter Verwendung von 3-D CAD-Daten festgelegt. In diesem Fall wird die Bearbeitungsstrecke durch Anwendung der Umrisslinienverarbeitung festgelegt. Beispielsweise werden bei dem Festschicht-Ausbildungsschritt (S2) die Umrissformdaten jedes der scheibchenweise angeordneten Abschnitte verwendet, die regelmäßig beabstandete (z. B. 0,05 mm Abstand, wenn Δt1 gleich 0,05 mm ist) scheibchenweise angeordnete Abschnitte von aus einem 3-D CAD-Modell erzeugten STL-Daten sind.
[Fertigungsverfahren der vorliegenden Erfindung]
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Festschicht-Ausbildungsschritt bei dem oben beschriebenen selektiven Lasersinterverfahren durchgeführt wird. Sie ist insbesondere durch eine sogenannte „Schraffier-Strecke” gekennzeichnet, die beim Ausbilden der verfestigten Schicht durch die Lichtbestrahlung des vorgegebenen Teils der Pulverschicht bereitgestellt ist, und/oder ist durch einen Bestrahlungszustand des Lasers gekennzeichnet. Die „Schraffier-Strecke” ist eine Bestrahlungsstrecke für das Führen des Lichtstrahls, basierend auf welcher der vorgegebene Teil der Pulverschicht bestrahlt wird, als wäre sie verschmiert. Insbesondere wird ein Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit der jeweiligen Längen der Schraffier-Strecke, d. h. der jeweiligen Längen der Bestrahlungsstrecken verändert. Beispielsweise ist, wie in 7 gezeigt, in dem Bestrahlungsbereich der Pulverschicht (d. h. in dem Bereich der Pulverschicht, der für die Bildung der verfestigten Schicht zu bestrahlen ist) die Bestrahlungsstrecke in die „kurze Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge kürzer als eine vorgegebene Länge ist”, und die „lange Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge die vorgegebene Länge oder länger als diese ist”, aufgeteilt, in welchem Fall der Bestrahlungsmodus de Lichtstrahls in Abhängigkeit der Längen der aufgeteilten Strahlungsstrecken geändert wird. Das bedeutet, dass, wenn die „kurze Bestrahlungsstrecke” und die „lange Bestrahlungsstrecke” beide als eine Einheit einer nahtlosen Strecke bereitgestellt sind, ausgehend von welcher der Lichtstrahl diskontinuierlich bestrahlt wird, der Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls entsprechend der Länge einer solchen Streckeneinheit, d. h. der Länge der nahtlosen langen oder kurzen Strecke geändert wird. Mit anderen Worten: Die Änderung des Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls wird in Abhängigkeit davon ausgeführt, ob die Strecke für die Bestrahlung lang oder kurz ist. Der Grund weshalb die Bestrahlungsstrecke in die Sub-Bestrahlungsstrecken aufgeteilt/segmentiert wird, liegt darin, dass das kontinuierliche Führen des Lichtstrahls von einem zum anderen Ende des vorgegebenen Teils der Pulverschicht (z. B. das kontinuierliche Führen des Lichtstrahls von Kante „a” zu Kante „b”, wie in 7 gezeigt) eine große Schrumpfung (d. h. große Restspannung) beim Bilden der verfestigten Schicht bewirken kann, was ein Verziehen des resultierenden Formgegenstands fördern kann. Siehe J. P. Kruth, et al.: Selective laser melting of iron-based powder. Journal of Materials Processing Technology, Bd. 149, Nr. 1–3 (2004), S. 616–622.
Das Aufteilen der Bestrahlungsstrecke kann wie in 7 gezeigt erfolgen. Das heißt, die Bestrahlungsstrecke kann so aufgeteilt werden, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke an einer äußersten Peripherie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht liegt. Angesichts der Tatsache, dass der „örtliche erhöhte Abschnitt” im Allgemeinen eher auftritt, wenn die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke an der äußersten Peripherie (d. h. an der Peripherie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht) liegt, kann das Fertigungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Auftreten derartiger „örtlicher erhöhter Abschnitte” effektiv reduzieren.
Die Formulierung „Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls wird geändert”, wie sie in dieser Beschreibung und diesen Ansprüchen verwendet wird, bedeutet verschiedene Arten von modifiziertem Modus des Lichtstrahls, außer nur der Änderung einer Abtastgeschwindigkeit des Lichtstrahls. Mit anderen Worten: Beispiele für den geänderten Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls beinhalten nicht die Änderung nur der Abtastgeschwindigkeit des Lichtstrahls.
Bei dem Fertigungsverfahren entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Energie des Lichtstrahls, welche als einer der Bestrahlungsmodi betrachtet wird, in Abhängigkeit der Längen der Sub-Bestrahlungsstrecken geändert werden (siehe 8A). Genauer gesagt, kann der Lichtstrahl für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge kürzer als die vorgegebene Länge ist, eine niedrigere Energie als derjenige für die lange Sub-Bestrahlungsstrecke haben, deren Länge die vorgegebene Länge oder länger als diese ist. Das heißt, die Energie des Lichtstrahls für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke ist niedriger als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke. Dies kann das Auftreten des örtlich erhöhten Abschnitts besser verhindern. In dieser Hinsicht kann beispielsweise eine Leistung „p” für die Bestrahlung in der kurzen Sub-Bestrahlungstrecke geringer als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke sein (siehe 8B). Die geringere Leistung „p” für die Bestrahlung kann den Temperaturanstieg in dem Bereich der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke unterdrücken, wenn ein solcher Bereich mit dem Lichtstrahl bestrahlt wird. Alternativ kann eine Verdichtungsgröße/ein Verdichtungsdurchmesser des Lichtstrahls (d. h. der Punktdurchmesser ⌀ des Lichtstrahls) in der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke größer als bei der langen Sub-Bestrahlungsstrecke sein (siehe 8C). Die größere Verdichtungsgröße des Lichtstrahls kann ein rapides Aufheizen des bestrahlten Bereichs aufgrund der gestreuten Energie der Lichtstrahlbestrahlung verhindern. Alternativ kann ein Streckenabstand des Lichtstrahls (d. h. ein Abstand der parallel zueinander verlaufenden Bestrahlungsstrecken) für die kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken größer oder breiter als für die langen Sub-Bestrahlungsstrecken sein (siehe 8c). Der größere oder breitere Abstand der Strecken kann ebenfalls ein rapides Aufheizen des bestrahlten Bereichs aufgrund der gestreuten Energie der Lichtstrahlbestrahlung verhindern. Die niedrigere Leistung „p” für die Bestrahlung, die größere Strahlverdichtungsgröße und der größere Strahlstreckenabstand können nach Bedarf miteinander kombiniert werden. Ferner können die niedrigere Leistung „p” für die Bestrahlung, die größere Strahlverdichtungsgröße und/oder der größere Strahlstreckenabstand nach Bedarf mit einer anderen Änderung, z. B. der Änderung der Abtastgeschwindigkeit des Lichtstrahls (z. B. höhere Abtastgeschwindigkeit des Lichtstrahls) kombiniert werden. Beispielsweise kann die Bestrahlung des Lichtstrahls für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke unter Berücksichtigung der niedrigeren Leistung „p” für die Bestrahlung, der größeren Strahlverdichtungsgröße und des größeren Strahlabstands bezüglich der folgenden Werte der langen Sub-Bestrahlungsstrecke durchgeführt werden:
Beispiel der Werte für die lange Sub-Bestrahlungsstrecke (Lasertyp: CO₂-Laser, Stärke der Pulverschicht: 0,05 mm, Streckenlänge: 5 mm)

– Leistung für die Bestrahlung [W]: 100–1000
– Verdichtungsgröße [mm]: 0,1–2,0
– Streckenabstand [mm]: 0,01–2,0

Die vorgegebene Länge, d. h. der Schwellenwert zum Unterscheiden zwischen „kurzer Sub-Bestrahlungsstrecke” und „langer Sub-Bestrahlungsstrecke” kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 bis 2,0 mm (z. B. 1,5 mm), vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm (z. B. 0,5 mm) liegen. Was das betrifft, wird in einem Fall, in dem die vorgegebene Länge, d. h. der Schwellenwert 1,5 mm ist, eine Strecke, deren Länge kürzer als 1,5 mm ist, als „kurze Sub-Bestrahlungsstrecke” bezeichnet, und eine Strecke, deren Länge 1,5 mm oder darüber beträgt, wird als „lange Sub-Bestrahlungsstrecke” bezeichnet. Die maximale Länge der langen Sub-Bestrahlungsstrecke kann beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 15 mm liegen.
Hinsichtlich des selektiven Lasersinterverfahrens, bei dem die Bestrahlungsstrecke aufgeteilt ist, kann der örtlich erhöhte Abschnitt entsprechend verschiedenen Ausführungsformen reduziert werden. Beispielsweise kann der örtliche erhöhte Abschnitt durch die folgenden Ausführungsformen entsprechend dem Fertigungsverfahren der vorliegenden Erfindung reduziert werden, wobei die Bestrahlungsstrecke des Lichtstrahls in die „kurze Sub-Bestrahlungsstrecke” und die „lange Sub-Bestrahlungsstrecke” aufgeteilt ist.
(Seriell vereinigte kurze Sub-Bestrahlungsstrecke)
Eine Ausführungsform einer „seriell vereinigten kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke” ist in 9 gezeigt. Entsprechend dieser Ausführungsform sind die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke und die daran angrenzende lange Sub-Bestrahlungsstrecke seriell miteinander vereinigt, um eine weitere neue lange Sub-Bestrahlungsstrecke zu erzeugen. Als Folge davon ist zu einem Zeitpunkt, zu dem die Bestrahlung mit dem Lichtstrahl tatsächlich durchgeführt wird, keine „kurze Sub-Bestrahlungsstrecke” als Bestrahlungsstrecke für den vorgegebenen Teil der Pulverschicht bereitgestellt. Das Nicht-Vorhandensein der „kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke” kann das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts verhindern, das einer solchen kurzen Strecke zugeschrieben wird, was zur Ausbildung der annähernd gleichmäßigen verfestigten Schicht als Ganzes führt. Dies ermöglich es, die nachfolgende Pulverschicht geeignet auszubilden, was letztlich zu einer effektiven Produktion des dreidimensionalen Formgegenstands mit seiner gewünschten Qualität führt.
Entsprechend dieser Ausführungsform werden die vorgegebene „kurze Sub-Bestrahlungsstrecke” und diejenige „lange Sub-Bestrahlungsstrecke”, die in Abtastrichtung der Zielstrecke neben einer derartigen vorgegebenen Strecke liegt, zusammen genommen als eine einzige Sub-Bestrahlungsstrecke betrachtet. Dies ist aus einer in 9 gezeigten Ausführungsform ersichtlich. Somit bedeutet die Formulierung „seriell vereinigt/serielle Vereinigung”, wie sie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, dass die Aufteilung zwischen den Sub-Bestrahlungstrecken, die in der gleichen Streckenrichtung nebeneinander liegen, aufgehoben wird, sodass aus ihnen eine neue einzige Sub-Bestrahlungsstrecke erzeugt wird.
(Senkrechtes Abtasten im Bereich kurzer Sub-Bestrahlungsstrecken)
Eine Ausführungsform des „senkrechten Abtastens im Bereich kurzer Sub-Bestrahlungsstrecken” ist in 10 dargestellt. Entsprechend dieser Ausführungsform wird in einem örtlichen Bereich, der so beschaffen ist, dass eine Vielzahl der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken darin angeordnet ist, ein Abtasten des Lichtstrahls in einer Richtung derart senkrecht gegenüber der Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken ausgeführt, dass ihre Streckenlänge länger als jede Länge der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken wird. Genauer gesagt: In einem Fall, in dem viele der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen, wird das Abtasten des Lichtstrahls in einer solchen senkrechten Richtung durchgeführt, dass seine Streckenlänge länger als jede Länge der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken wird, wobei die senkrechte Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken ist. Siehe 10. Mit anderen Worten: Die Lichtstrahlbestrahlung wird derart durchgeführt, dass die Abtastrichtung des Lichtstrahls in dem Bereich der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken anders wird als die anderer Bereiche.
Eine solche andere Richtung des Abtastens in dem Bereich der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken kann das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts, das solchen kurzen Strecken zugeschrieben wird, verhindern, was zum Ausbilden der annähernd gleichmäßigen verfestigten Schicht als Ganzes führt. Dies ermöglicht es, die nachfolgende Pulverschicht geeignet auszubilden, was letztlich zu einer effektiven Produktion des dreidimensionalen Formgegenstands mit seiner gewünschten Qualität führt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „senkrechte Richtung/senkrecht”, wie er in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, nicht notwendigerweise „90°” zur Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke bedeutet. Der Begriff „senkrechte Richtung/senkrecht” bezeichnet einen etwas anderen Grad des Winkelbereichs als „90°”, z. B. den Grad des Winkels im Bereich von 90° ± 20°. Es kann sich in einigen Fällen um den Grad in dem Bereich von 90° ± 10° handeln.
(Geregelte Abkühlzeit)
Eine Ausführungsform der „geregelten Abkühlzeit” ist in 11 dargestellt. Entsprechend dieser Ausführungsform wird zu einem Zeitpunkt nach einem Rückgang der Temperatur des vorhergehenden Bereichs kurzer Strecken die Lichtstrahlbestrahlung für einen neben diesem liegenden weiteren Bereich kurzer Strecken durchgeführt. In einem Fall, in dem Strecken „a” und „b” der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken, wie in 11 gezeigt, in einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der Strecken „a” und „b” parallel aneinander angrenzen, wird die Bestrahlung des Lichtstrahls für die Strecke „a” zuerst durchgeführt, und nachfolgend wird die Bestrahlung des Lichtstrahls für die Strecke „b” mindestens nach einem Temperaturrückgang eines verfestigten Teils der Strecke „a” durchgeführt. Beispielsweise wird die Bestrahlung des Lichtstrahls für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke „b” zu einem Zeitpunkt nach der vorgegebenen Zeit nach dem Beenden der Lichtstrahlbestrahlung für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke „a” gestartet. Eine solche vorgegebene Zeit kann im Bereich von 50 bis 700 ms, vorzugsweise im Bereich von 80 bis 600 ms liegen.
Das Berücksichtigen der Abkühlzeit für den verfestigten Teil der vorhergehenden Sub-Bestrahlungsstrecke kann das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts verhindern, das solchen kurzen Strecken zugeschrieben wird, was zum Ausbilden der annähernd gleichmäßigen verfestigten Schicht als Ganzes führt. Dies ermöglicht es, die nachfolgende Pulverschicht geeignet auszubilden, was letztlich zu einer effektiven Produktion des dreidimensionalen Formgegenstands in seiner gewünschten Qualität führt.
Zum Zwecke des Messens der Temperatur des verfestigten Teils in der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke „a” kann beispielsweise in kontaktloses Thermometer (z. B. Thermografie) verwendet werden. In diesem Fall kann der Temperaturrückgang des verfestigten Teils in der Lichtstrahlbestrahlung für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke „a” durch das kontaktlose Thermometer zu einem Zeitpunkt nach der Lichtstrahlbestrahlung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke „a” bestätigt werden. Nach einer solchen Bestätigung des Temperaturrückgangs kann eine folgende Lichtstrahlbestrahlung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke „b” durchführt werden.
(Diskretes Abtasten im Bereich kurzer Sub-Bestrahlungsstrecken)
Eine Ausführungsform des „diskreten Abtastens im Bereich kurzer Sub-Bestrahlungsstrecken” ist in 12 gezeigt. Entsprechend dieser Ausführungsform wird für die kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken, die parallel aneinander angrenzen, keine kontinuierliche Bestrahlung bereitgestellt. Genauer gesagt, wird das diskrete Abtasten des Lichtstrahls so durchgeführt, dass die benachbarten kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken keiner kontinuierlichen Abtastung ausgesetzt sind, da die benachbarten kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen.
Mit anderen Worten: In einem Fall, in dem eine Vielzahl der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzt, werden die aneinander angrenzenden Sub-Bestrahlungsstrecken nicht der kontinuierlichen Abtastung unterzogen. Beispielsweise wird die Bestrahlung des Lichtstrahls so durchgeführt, dass eine der parallel angeordneten kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken einmal übersprungen wird und die übersprungene Strecke schließlich nach der Bestrahlung der umgebenden kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken bestrahlt wird. Unter Bezugnahme auf 12 können die Bestrahlungen des Lichtstrahls für die kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken entsprechend der Reihenfolge (1) → (2) → (3) ... durchgeführt werden, in welchem Fall die Bestrahlung des Lichtstrahls für die lange Sub-Bestrahlungsstrecke auf interventionellem Weg während einer solchen Bestrahlung der kurzen Strecken durchgeführt werden kann.
Die diskrete Bestrahlung des Lichtstrahls kann das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts in dem Bereich der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken (d. h. in dem Bereich, in dem eine Vielzahl der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel angeordnet ist), verhindern, was zur Ausbildung annähernd der gleichmäßigen verfestigten Schicht als Ganzes führt. Dies erlaubt es auch, die nachfolgende Pulverschicht geeignet auszubilden, was letztlich zu einer effektiven Produktion des dreidimensionalen Formgegenstands in der gewünschten Qualität führt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Formulierung „diskretes Abtasten des Lichtstrahls”, wie sie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet, dass in einem Fall, in dem viele der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen, das Abtasten des Lichtstrahls im Skip-Modus, bzw. Modus des Überspringens so durchgeführt wird, dass keine kontinuierliche Bestrahlung für die nebeneinander liegenden kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken bereitgestellt wird.
(Erzeugen kurzer Sub-Bestrahlungsstrecken basierend auf dem Umriss)
Eine Ausführungsform des „Erzeugens kurzer Sub-Bestrahlungsstrecken basierend auf dem Umriss” ist in 13 gezeigt. Entsprechend dieser Ausführungsform wird die Bestrahlungsstrecke basierend auf einer Umrisslinie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht derart aufgeteilt, dass die kurze Bestrahlungsstrecke nicht an einer äußersten Peripherie des vorgegebenen Teils angeordnet ist.
An der Peripherie des bestrahlten Teils, wo die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke angeordnet ist, kann ein solches Phänomen auftreten, dass der mit dem Lichtstrahl bestrahlte Teil schmilzt und das Einschließen des angrenzenden Pulvers begleitet, was eine Anhäufung des geschmolzenen Teils aufgrund seiner Oberflächenspannung bewirkt. Als Folge davon neigt der örtliche erhöhte Abschnitt dazu, häufiger in der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke aufzutreten, die hauptsächlich an der Peripherie des bestrahlten Teils liegt, als in der Strecke, die in dem inneren Bereich des bestrahlten Teils liegt. Was das betrifft, erzeugt die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine neue Schraffierstrecke basierend auf dem Umriss des zu bestrahlenden vorgegebenen Teils, sodass keine kurze Strecke an der Kante des Modells für den Formgegenstand (d. h. an der Peripherie des „vorgegebenen Teils” der Pulverschicht) vorliegt. Siehe 13. Mit anderen Worten: Die Schraffierstrecke für die Lichtbestrahlung wird neu erzeugt, indem ein Punkt auf dem Umriss des vorgegebenen Teils als ein Ausgangspunkt der Strecke betrachtet wird. Das bedeutet, dass das Neu-Erzeugen der Sub-Bestrahlungsstrecken so durchgeführt wird, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke im inneren Bereich des Modells für den Formgegenstand angeordnet ist (d. h. auf der inneren Seite des vorgegebenen Teils).
Das Anordnen der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecke auf der inneren Seite des vorgegebenen Teils kann das Auftraten des örtlichen erhöhten Abschnitts verhindern, was zum Ausbilden der annähernd gleichmäßigen verfestigten Schicht als Ganzes führt. Das Neu-Erzeugen der Sub-Bestrahlungsstrecken, wie es in 13 gezeigt ist, kann nämlich das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts (insbesondere des dem oben erwähnten Phänomen zugeschriebenen „örtlichen erhöhten Abschnitts”) verhindern. Dies ermöglicht es auch, die nachfolgende Pulverschicht geeignet auszubilden, was letztlich zu einer effektiven Produktion des dreidimensionalen Formgegenstands mit seiner gewünschten Qualität führt.
Zwar wurden vorstehend einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, doch ist die vorliegenden Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können die obigen verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die alle dazu dienen, das Auftreten des örtlichen erhöhten Abschnitts zu verhindern, jeweils durchgeführt werden, und können alternativ in Kombinationen davon ausgeführt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, die folgenden Aspekte beinhaltet:
Der erste Aspekt: Ein Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstands durch Wiederholen einer Pulverschicht-Ausbildung und einer Festschicht-Ausbildung, wobei das Wiederholen die folgenden Schritte umfasst:

(i) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines vorgegebenen Teils einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wodurch ein Sintern des Pulvers in dem vorgegebenen Teil oder ein Schmelzen und nachfolgendes Verfestigen desselben ermöglicht wird, wobei die Bestrahlung des Lichtstrahls durch ein Abtasten des Lichtstrahls durchgeführt wird; und
(ii) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht, gefolgt von dem Bestrahlen eines vorgegebenen Teils der Pulverschicht mit dem Lichtstrahl,

Der zweite Aspekt: Das Verfahren entsprechend dem ersten Aspekt, wobei eine Energie des Lichtstrahls, die für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke verwendet wird, niedriger ist als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke.
Der dritte Aspekt: Das Verfahren entsprechend dem zweiten Aspekt, wobei eine niedrige Leistung für die Bestrahlung, eine große Strahlverdichtungsgröße oder ein großer Strahlstreckenabstand für den Lichtstrahl bereitgestellt werden, der für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke eingesetzt wird, wobei die niedrige Leistung niedriger, die große Strahlverdichtungsgröße größer und der große Abstand größer sind als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke.
Der vierte Aspekt: Das Verfahren entsprechend einem des ersten bis dritten Aspekts, wobei die Bestrahlungsstrecke so aufgeteilt ist, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke an einer äußersten Peripherie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht angeordnet ist.
Der fünfte Aspekt: Das Verfahren entsprechend einem des ersten bis vierten Aspekts, wobei die kurze und die lange Sub-Bestrahlungsstrecken, die aneinander angrenzen, seriell vereinigt werden, um eine andere neue lange Sub-Bestrahlungsstrecke zu erzeugen.
Der sechste Aspekt: Das Verfahren entsprechend einem des ersten bis fünften Aspekts, wobei in einem Fall, in dem zahlreiche der kurzen Sub-Bestrahlungsgrenzen entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen, ein Abtasten des Lichtstrahls in einer solchen senkrechten Richtung durchgeführt wird, dass seine Streckenlänge länger als jede Länge der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken wird, wobei die senkrechte Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken ist.
Der siebte Aspekt: Das Verfahren entsprechend einem des ersten bis sechsten Aspekts, wobei in einen Fall, in dem Strecken „a” und „b” der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der Strecken „a” und „b” parallel aneinander angrenzen, die Lichtstrahlbestrahlung für die Strecke „a” durchgeführt wird, und nachfolgend die Lichtstrahlbestrahlung für die Strecke „b” mindestens nach einem Temperaturrückgang eines verfestigten Teils der Strecke „a” durchgeführt wird.
Der achte Aspekt: Das Verfahren entsprechend einem des ersten bis siebten Aspekts, wobei ein diskretes Abtasten des Lichtstrahls so durchgeführt wird, dass die aneinander angrenzenden kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken nicht einer kontinuierlichen Bestrahlung des Lichtstrahls ausgesetzt sind, wobei die aneinander angrenzenden kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen.
Der neunte Aspekt: Das Verfahren entsprechend einem des ersten bis achten Aspekts, wobei die Bestrahlungsstrecke basierend auf einer Umrisslinie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht so aufgeteilt ist, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke nicht an einer äußerten Peripherie des vorgegebenen Teils angeordnet ist.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Der durch das Fertigungsverfahren entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugte dreidimensionale Formgegenstand kann als verschiedene industrielle Artikel verwendet werden. In einem Fall, in dem die Pulverschicht eine Metallpulverschicht (d. h. anorganische Pulverschicht) ist, und die verfestigte Schicht somit einer gesinterten Schicht entspricht, kann der dreidimensionale Formgegenstand beispielsweise als eine Metallform für ein Kunststoff-Spritzgießen, ein Formpressen, ein Druckgießen, ein Gießen oder ein Schlagpressen verwendet werden. Wenn andererseits die Pulverschicht eine Kunstharzpulverschicht (d. h. organische Pulverschicht) ist und die verfestigte Schicht somit der ausgehärteten Schicht entspricht, kann der dreidimensionale Formgegenstand dagegen als ein Kunstharzformartikel verwendet werden.
QUERVERWEIS ZUR VERWANDTEN PATENTANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht das Prioritätsrecht der japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-153738 (eingereicht am 9. Juli 2012, Titel der Erfindung: „METHOD FOR MANUFACTURING THREE-DIMENSIONAL SHAPED OBJECT”), deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hier einbezogen ist.
Bezugszeichenliste

1: Lasersinter/Bearbeitungs-Hybridmaschine
2: Mittel zum Ausbilden einer Pulverschicht
3: Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel
4: Bearbeitungsmittel
19: Pulver/Pulverschicht (z. B. Metallpulver/Metallpulverschicht oder Kunstharzpulver/Kunstharzpulverschicht
20: Formgebungstisch (d. h. Auflagetisch)
21: Grundplatte für den Formgegenstand
22: Pulverschicht (z. B. Metallpulverschicht oder Kunstharzpulverschicht)
23: Rakelklinge
24: verfestigte Schicht (z. B. gesinterte Schicht oder ausgehärtete Schicht) oder daraus erzeugter dreidimensionaler Formgegenstand
25: Pulvertisch
26: Wand des Vorratsbehälters für Pulvermaterial
27: Wand des Formgebungsbehälters
28: Vorratsbehälter für Pulvermaterial
29: Formgebungsbehälter
30: Lichtstrahlgenerator
31: Galvanometerspiegel
32: Reflexionsspiegel
33: Kondensor
40: Fräskopf
41: X-Y-Betätiger
41a: X-Achsen-Betätiger
41b: Y-Achsen-Betätiger
42: Werkzeugmagazin
50: Kammer
52: Fenster zum Durchlassen von Licht
L: Lichtstrahl

Claims

Verfahren zum Fertigen eines dreidimensionalen Formgegenstands durch Wiederholen einer Pulverschicht-Ausbildung und einer Festschicht-Ausbildung, wobei das Wiederholen die folgenden Schritte umfasst: (i) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines vorgegebenen Teils einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wodurch ein Sintern des Pulvers in dem vorgegebenen Teil oder ein Schmelzen und nachfolgendes Verfestigen desselben ermöglicht wird, wobei die Bestrahlung des Lichtstrahls durch ein Abtasten des Lichtstrahls durchgeführt wird; und (ii) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht, gefolgt von dem Bestrahlen eines vorgegebenen Teils der Pulverschicht mit dem Lichtstrahl, wobei eine Bestrahlungsstrecke des Lichtstrahls für den vorgegebenen Teil in eine Vielzahl von Sub-Bestrahlungsstrecken aufgeteilt ist, die eine kurze Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge kürzer als eine vorgegebene Länge ist, und eine lange Sub-Bestrahlungsstrecke, deren Länge die vorgegebenen Länge oder länger ist, enthält, und wobei ein Bestrahlungsmodus des Lichtstrahls in den Schritten (i) und (ii) in Abhängigkeit der Längen der Sub-Bestrahlungsstrecken geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Energie des Lichtstrahls für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke niedriger ist als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine niedrige Leistung für die Bestrahlung, eine große Strahlverdichtungsgröße oder ein großer Strahlstreckenabstand für den Lichtstrahl für die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke bereitgestellt wird, wobei die niedrige Leistung niedriger, die große Strahlverdichtungsgröße größer und der große Abstand größer sind als die der langen Sub-Bestrahlungsstrecke.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlungsstrecke so aufgeteilt ist, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke an einer äußersten Peripherie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kurze und die lange Sub-Bestrahlungsstrecke, die aneinander angrenzen, seriell vereinigt werden, um eine andere neue lange Sub-Bestrahlungsstrecke zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Fall, in dem zahlreiche der kurzen Sub-Bestrahlungsgrenzen entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen, ein Abtasten des Lichtstrahls in einer solchen senkrechten Richtung durchgeführt wird, dass seine Streckenlänge länger als jede Länge der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken wird, wobei die senkrechte Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Fall, in dem Strecken „a” und „b” der kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken entlang einer Richtung senkrecht zu einer Abtastrichtung der Strecken „a” und „b” parallel aneinander angrenzen, die Lichtstrahlbestrahlung für die Strecke „a” durchgeführt wird, und nachfolgend die Lichtstrahlbestrahlung für die Strecke „b” mindestens nach einem Temperaturrückgang eines verfestigten Teils der Strecke „a” durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein diskretes Abtasten des Lichtstrahls so durchgeführt wird, dass die aneinander angrenzenden kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken nicht einer kontinuierlichen Bestrahlung des Lichtstrahls ausgesetzt sind, wobei die aneinander angrenzenden kurzen Sub-Bestrahlungsstrecken parallel aneinander angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlungsstrecke basierend auf einer Umrisslinie des vorgegebenen Teils der Pulverschicht so aufgeteilt ist, dass die kurze Sub-Bestrahlungsstrecke nicht an einer äußerten Peripherie des vorgegebenen Teils angeordnet ist.