JP2000517375A - 熱間等圧処理を用いるレーザー指向物品製造法 - Google Patents

熱間等圧処理を用いるレーザー指向物品製造法

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Abstract

(57)【要約】 十分に緻密な三次元金属物品を製造する方法が開示される。本発明の第1の実施の形態によれば、物品の内側部分(52)は粉末(50)の層の横断面にわたる選択的なレーザー焼結により形成される。粉末の層の形成後、その層において物品の内側部分(52)のまわりにガス不透過性のスキン(54)を形成するようにレーザーを導く。物品が完成するまでプロセスを繰り返す。次いで、スキン(54)により囲まれた物品(52)は熱間等圧圧縮を受け、物品を高密度化する。熱間等圧圧縮のための「カン」として作用するスキン(54)は、必要に応じ、物品(52)から除去してもよいし、除去しなくてもよい。本発明の第2の実施の形態によれば、カン(72)がレーザー発生によりまず形成され、次いで、熱間等圧圧縮前に、金属粉末(75)でカンを満たす。

Description

【発明の詳細な説明】 熱間等圧処理を用いるレーザー指向物品製造法 本発明は固体三次元物品の製造分野に属し、特に、部品や成形型の如き金属物 品の付加的な製造法に関する。発明の背景 自由形状の製造分野では、最近、計算機援用設計(CAD)データベースから 直接行われる物品の製造において多くの重要な進歩が生じている。このような進 歩は、その大半がプロトタイプ(原型)の部品やモールドダイス(成形型)の如 き物品の原型製作の分野におけるものであるが、特に、金属の如き材料のブロッ クを設計図に従って機械加工する普通の機械加工プロセスに比べて、物品の製造 に必要な時間及び費用を大幅に減少させている。設計図からプロトタイプの部品 を製造するのに必要な時間は、普通の機械類を使用した場合の数週間から、数時 間まで減少している。更に、このような新たな技術に従って現在製造できる物品 の複雑形状化及び正確さは普通の機械加工から得られるものよりも大幅に改善さ れる。 現代の迅速な原型製作技術の一例は、テキサス州オースチン(Austin)のDTM 社(DTM Corporation)から入手できる装置により行われる選択的なレーザー焼結 プロセスである。この技術によれば、物品は一層毎に配置されたレーザー溶融粉 末から層方向の態様で製造される。この粉末は物品の横断面に対応する粉末層の 部分にラスター走査態様で導かれる(誘導される)レーザーエネルギの作用によ り溶融又は焼結される。各層における粉末の溶融後、粉末の付加的な層を供給し 、処理を繰り返して、後の層の溶融部分を先の層の溶融部分に(物品にとって必 要な回数だけ)融着し、物品を完成させる。 選択的なレーザー焼結技術の詳細な記述は米国特許第4,863,538号、 同第5,017,753号、同第5,076,869号及び同第4,944,8 17号各明細書、並びに、米国特許第4,247,508号及び同第5,352 ,405号各明細書に見ることができる。選択的なレーザー焼結技術はワックス 、ポリカーボネート、ナイロンその他のプラスチックを含む種々の材料、及び、 ポ リマー被覆金属及びセラミックの如き複合材料から分解能(resolution)及び寸法 精度の高い三次元物品の直接製造を可能にしている。ワックスの部品は周知の「 ロストワックス」プロセスによりツーリング(工具細工)の生成に使用できる。 複合粉末材料の例は米国特許第4,944,817号、同第5,156,697 号及び同第5,284,695号各明細書に記載されている。 近年、部品の迅速原型製作の分野では、金属部品を含む多くの有用な物品のデ ザイン及びパイロット製造に使用される高強度、高密度の部品の提供において大 幅な改善がなされている。このような進歩は、10000モールドサイクル以上 にわたる工具の寿命を期待できる射出成形によるプロトタイプのツーリングの製 造に選択的なレーザー焼結プロセスを使用できるようにしている。 選択的なレーザー焼結による金属部品の製造では、従来、ポリマーで被覆され た金属粒子の粉末を使用し、この粉末から、ポリマーコーティングの選択的なレ ーザー焼結により粒子を互いに結合させて、「生の」(green)部品を製造する。 次いで、生の部品をポリマーの分解温度以上の温度に加熱し、ポリマーを駆逐す ると共に、金属基体粒子を互いに結合し、金属部品を形成する。物品が射出成形 用のモールドダイスである場合、ダイスはまた例えば銅の如き別の金属で含漬さ れて、強度、耐摩耗性及びツーリングの寿命を増大させる。別の従来の技術によ れば、生の部品を後プロセス焼なまし処理せずに、ポリマー/金属の複合部品又 はツーリングを形成できる。この技術においては、ポリマー被覆金属粉末の選択 的なレーザー焼結により形成された生の部品は液体樹脂で含漬される。樹脂は、 樹脂化学に応じて室温又はそれより高い温度で橋かけ結合し、ほぼ完全な密度の 複合物品が得られる。 選択的なレーザー焼結技術はまた、バインダーを使用せずに金属粉末からモー ルドの如き物品を直接製造するために適用されてきた。このような直接製造に使 用される金属粉末の例は銅/錫、銅/はんだ(はんだは70%の鉛と30%の錫 を含む)及び青銅/ニッケル系の2相金属粉末を含む。 このような方法で選択的なレーザー焼結により形成された金属物品は密度が高 い。例えば、(溶浸前の)十分緻密な70−80%の密度を有する。しかし、こ のような金属物品内には気孔がまだ残っており、物品の構造上の強度、従って、 一体性を制限している。例えば、このようにして製造された十分緻密でない物品 は、引き続き行われる溶融金属による溶浸の場合さえ、射出成形モールドダイス として使用されたときには、固形金属基体から機械加工されたダイスと同じ長さ の寿命を有しない。このような物品はまた、機械加工された部品に比べて、機械 類における実際の作業部品としては有用でない。 金属製の十分緻密な物品を製造するための金属の直接的で選択的なレーザー焼 結は、多くの重大な技術的障害に遭遇することが判明している。第1に、金属の 溶融又は焼結温度が典型的には極めて高いため、十分緻密な物品として金属を溶 融するのに必要なレーザーパワーも極めて大きくなる。第2に、塊への金属粉末 層の大面積のレーザー溶融は、必然的に選択的なレーザー焼結装置において極め て大きな熱勾配を生じさせ、カールや成長の如き熱効果による部品の歪みの可能 性を大幅に増大させてしまう。このような勾配は、選択的なレーザー焼結室の周 囲温度を金属粉末の焼結温度近くまで上昇させることにより減少させることがで きるが、これを行うと、粉末が室内で分散するときに粉末の粘結が生じ、十分緻 密な金属物品を直接的に製造するこの技術の能力を更に制限する。 更なる背景として、別のレーザーを基礎とした原型製作方法は、Klocke 等の著者による書物「EARP-Newsletter」第6巻(1995年7月発行)「迅速 金属原型製作及びツーリング」(Rapid Metal Prototyping and Tooling)に記載 されており、これを「レーザー発生」(laser generating)として参照する。この 技術によれば、選択的なレーザー焼結とは異なり、粉末は、層方向の態様で分散 するのではなく、レーザーが合焦する位置により発生される溶融プール内へ供給 される。次いで、供給された粉末はその地点で物品に結合され、これに付加的な 粉末を供給して物品を更に成長させる。上記書物によれば、薄壁物品はレーザー 発生技術を使用して金属粉末(鉄及びコバルトを基礎とした金属)から形成され ている。 更なる背景として、金属物品を形成するための熱間等圧圧縮(HIP:hot iso static pressing)の使用がよく知られている。この技術によれば、多孔性の金属 物品は、好ましくは金属で作られ機械加工されたガス不透過性のシェル即ち「カ ン(缶)」により囲まれる。代わりに、前以て形として形成されていない金属粉 末でカンを満たすことができる。カン内の物品を圧力容器に入れ、炉内に置く。 HIPプロセスは、ワークピース(加工片)を不活性ガスで加圧しながら、ワー クピースの温度を、金属が軟化状態に達するのに十分な温度まで上昇させる。ガ スにより発生した圧力は、等圧であり、ガス不透過性のシェルに対して全方向で 等しい力を作用させる。従って、ワークピース(及びカン)の軟化した金属は等 方的に圧縮され、物品内から気孔を除去する。従って、前HIP状態から最少量 の縮みを伴った十分緻密な金属物品がHIP処理から得られる。次いで、例えば 、機械加工又はエッチングにより、カンを物品から除去する。しかし、HIP分 野で既知のように、機械加工の如き従来の技術を用いて行う場合は、「カン」の 製造は一般的にかなり難しい。このように、HIPプロセスにより製造された物 品の寸法上の分解能及び複雑形状化が典型的には制限される。 それ故、本発明の目的は、選択的なレーザー焼結により可能となる分解能及び 物体の複雑形状化の利点を与える態様で十分緻密なの金属物品を製造する方法を 提供することである。本発明の別の目的は、HIP処理された物品を十分緻密な 物品として製造でき、従来のHIP物品に比べて精度が改善され、一層複雑な物 品を作れる方法を提供することである。 本発明の他の目的は、物品を形成でき、HIP処理できるが、下側の物品と同 じ材料で「カン」が形成され、製造の完了後にカンを物品上に残しておくことの できる方法を提供することである。本発明の更に別の目的は、幅広い範囲の金属 材料からレーザー指向(laser-directed)プロセスの複雑形状化及び精度で十分 緻密な金属物品を製造できる方法を提供することである。当業者にとっては、本 発明の他の目的及び利点は図面を参照しての以下の説明から明らかとなろう。発明の概要 本発明は、好ましくは同じ金属材料で作られたガス不透過性のスキンにより囲 まれた金属物品を製造するために使用されるレーザー指向技術を用いて物品を製 造する方法に関する。例えば、選択的なレーザー焼結においては、スキンにおけ るレーザーの焼結部分の密度が装置における熱勾配を最小化しながら形成されて いる物品の密度より大きくなるように、増大したレーザーパワー又は減少した走 査速度で金属粉末の各層における物品のスキン部分を走査することにより、物品 が製造される。物品は層方向の態様で形成され、周囲の不要な金属粉末を除去し た後、普通の熱間等圧圧縮(HIP)プロセスを施し、物品の密度を増大させる 。選択的なレーザーで焼結された物品のガス不透過性のスキンはHIPプロセス における「カン(缶)」として作用し、密度増大後に機械加工により除去しても よいし、物品の外側層として残しておいてもよい。図面の簡単な説明 第1図は、本発明の好ましい実施の形態に係る十分緻密なの物品を製造する方 法の工程を示すフローチャートである。 第2図a及び第2図bは、本発明の好ましい実施の形態に係る十分緻密な物品 及び缶を準備するのに有用な選択的なレーザー焼結装置の概略部分破断斜視図で ある。 第3図a、第3図b及び第3図cは、本発明の好ましい実施の形態に係る第2 図a及び第2図bの選択的なレーザー焼結装置において形成されている物品の横 断面立平面図である。 第4図は、本発明の好ましい実施の形態で使用されるようなレーザーを基礎と する予備加熱動作を示す平面図である。 第5図は、本発明の好ましい実施の形態に係る物品を処理するのに有用なHI P装置の横断面図である。 第6図及び第7図は、本発明の別の実施の形態に係る第2図aの選択的なレー ザー焼結装置において形成されている物品の横断面立面図である。 第8図は、本発明の別の実施の形態に係る十分緻密な物品を製造する方法の工 程を示すフローチャートである。 第9図は、第8図に示す本発明の別の実施の形態に係る物品を製造するための 装置の概略斜視図である。好ましい実施の形態の詳細な説明 ここで、第1図を参照して、本発明の第1の好ましい実施の形態に係る物品の 製造方法を詳細に説明する。本発明のこの好ましい実施の形態によれば、この方 法はプロセス10で開始し、このプロセスにおいては、三次元金属物品は、ガス 不透過性のスキンが物品の本体を包囲するような方法で金属粉末の選択的なレー ザー焼結を行うことにより製造され、スキンは引き続いて行われる熱間等圧プロ セスにおけるカン(缶)として作用する。 第1図に示し、上述の発明の背景において述べたように、選択的なレーザー焼 結プロセス10は一体的に形成されたガス不透過性のスキンにより囲まれた物品 の本体を製造するために反復して遂行される一連の工程を有する。好ましくは、 プロセス10は上記DTM社から入手できるSINTERSTATION 20 00の如き選択的なレーザー焼結装置において遂行され、プロセス10の種々の 工程は単一のプロセス室内で行われる。ここで、本発明のこの好ましい実施の形 態を説明する目的で、第2図a及び第2図bを参照して、選択的なレーザー焼結 装置10を述べる。 第2図aに示すように、選択的なレーザー焼結装置100は、室102(図を 明瞭にするため、室102のフロントドア及び頂部は第2図aに示さない)を備 え、この室内でレーザー焼結プロセス10が行われる。説明の目的上、標的表面 104は、部品ピストン106上に置かれた熱溶融可能な粉末(存在する場合は 、先に焼結された部分を含む)の頂表面を言うものとし;部品ピストン106上 に位置する焼結された粉末及び焼結されていない粉末は、部品ベッド107とし て参照する。部品ピストン106の垂直運動は、モータ108により制御される 。レーザー110はビームを提供し、このビームは、上記の米国特許明細書に記 載され第2図bに示す方法で走査装置142により方向づけられる。 第2図bは、レーザー110及び走査装置142を示す。レーザー110は、 レーザー自体のほかに、上記米国特許第4,863,538号明細書に記載され たような普通の制御素子、例えば、安全シャッター、フロントミラー組立体、及 び、拡散及び収斂レンズの如き合焦素子を有する。もちろん、使用されるレーザ ー110の型式は多数の要因、特に焼結すべき粉末の型式に依存する。本発明の この実施の形態に従って使用されるような金属粉末に対しては、好ましいレーザ ーは、150ワットのNd/YAG型式のレーザーであり、好ましくは、制御可 能なパワー出力を有する。好ましくは、レーザー110は変調オン、オフするよ うに制御可能であり、オンの間は、レーザー110は第2図bの矢印にて示す経 路に実質上沿って進むレーザービーム105を発生させる。 レーザービームが標的表面104に衝突するときのレーザービームの方向を制 御するために、コンピュータ140及び走査装置142も設けてある。本発明の この好ましい実施の形態においては、コンピュータ140は、レーザー110を 制御するためのマイクロプロセッサを備え、更には、製造されている物品の寸法 を画定するデータを発生させるためのCAD/CAM装置を備える。ペンチウム クラス(Pentium-class)のマイクロプロセッサを基礎とし浮動ポイント能力を備 えたパーソナルコンピュータの如き普通のパーソナルコンピュータワークステー ションは、本発明の好ましい実施の形態におけるコンピュータ140として使用 するのに適する。 走査装置142は、レーザービーム105の進行経路を再方向決めするプリズ ム144を有する。レーザービーム105を適正な位置へ導くのに必要なプリズ ム144の数は、装置の物理的なレイアウトに基づく。代わりに、当業界で周知 のように、装置100の特定のレイアウトに応じて、レーザービーム105を導 くためにプリズム144の代わりに1又はそれ以上の固定のミラーを使用するこ とができる。走査装置142は更に、それぞれの検流計148、149により駆 動される一対のミラー146、147を有する。検流計148、149はそれぞ れのミラー146、147に結合され、ミラー146、147を選択的に方向づ け、レーザービーム105の照準を制御する。検流計148、149は互いに直 交するように装着され、ミラー146、147が互いに関して直角に装着される ようにする。走査装置142内の機能発生器ドライバは、検流計148、149 の運動を制御し、コンピュータ140内に記憶された標的表面104での粉末の 層において形成すべき物品の横断面を画定するCAD/CAMデータに従って、 コンピュータ140により制御される変調オン、オフに関連して、標的表面10 4内でレーザービーム105の照準を制御する。もちろん、上述の走査装置14 2の代わりに、音響光学スキャナー、回転ポリゴンミラー及び共振ミラースキャ ナーの如き装置を含む別の走査装置を使用することができる。 第2図aに戻ると、装置100内において、熱溶融可能な金属粉末の供給はモ ータ116により制御される粉末ピストン即ち送りピストン114と反対方向に 回転するローラ118との組み合わせにより達成される。上記米国特許第5,0 17,753号明細書に記載されているように、反対方向に回転するローラ11 8は室102の床の上方に持ち上げられた粉末を均一及びレベル様式で標的表面 104へ移送する。上記DTM社から入手できるSINTERSTATION 2000において使用されるような有効で融通性のある粉末の供給を目的として 、部品ピストン106の両側に2つの粉末ピストン114を配置するのが好まし い。 作動において、選択的なレーザー焼結プロセス10が装置100により開始さ れ、プロセス12を遂行して、金属粉末の層を標的表面104上に分配する。装 置100において、粉末は上方へ運動する送りピストン114により送給され、 ある体積の粉末を室102内に置く。ローラ118(好ましくは、塊の形成を防 止するスクレーパを具備する;このスクレーパは図を明瞭にするため第2図aに は示さない)は、上記米国特許第5,017,753号明細書に記載された方法 で、送りピストン114から部品ピストン106上の部品ベッド107の表面に おける標的表面104の方への(及びこれを横切っての)ローラの並進運動によ り、粉末を室102内及び標的表面104上で拡散させる。ローラ118が粉末 を送りピストン114から提供しているとき、標的表面104(そこに先の層が 存在していると否とに拘わらず)は、好ましくは少量(例えば、5ミル)だけ室 102の床の下方に位置し、処理すべき粉末のレーザーの厚さを画定する。粉末 の円滑で完全な分布のためには、送りローラ114により提供される粉末の量を 、部品ピストン106が許容できる量より多くして、ある過剰の粉末がローラ1 18の運動により標的表面104を横切るようにするのが好ましい。これは、部 品ピストン106が室102の床より下方に下がった距離(例えば、5ミル)よ り大きな距離(例えば、10ミル)だけ、室102の床の上方へ送りピストン1 14を上昇させることにより、達成できる。また、並進速度に対する回転速度の 比率が一定となるように、室102内で、ローラ118の反対方向の回転をロー ラ118の並進運動に隷属させるのが好ましい。 標的表面104は、典型的には、物品の部分が形成されてしまっていると否と に拘わらず、先に分配された粉末の層である。代わりに、後に更に詳説するが、 標的表面104は、部品ピストン106内の適所に位置しその上で物品が形成さ れる固形基体とすることができる。本発明のこの実施の形態によれば、プロセス 12で分配された粉末は生じうる十分緻密な物品を製造すべき材料の金属粉末で ある。本発明のこの実施の形態にとって有用な粉末は幅広い範囲の材料から選ぶ ことができ、その特定の例としては、超合金(例えば、InCoNel)、炭素 鋼、ステンレス鋼、銅鋼、ニッケル青銅鋼、チタン合金、ニッケルを基礎とする 合金の粉末、及び、金属の混合物(例えば、青銅粉末とニッケル粉末との混合物 )がある。本発明のこの実施の形態は、完全に焼結するのに必要な粉末の体積が 最小であるため、十分緻密な金属物品の製造における幅広い範囲の金属材料の使 用を可能にする。 プロセス12における粉末の層の分配後、次いで、プロセス14を遂行し、レ ーザービーム105で粉末の層上を走査し、その層内に形成すべき物品の内側横 断面に対応する粉末の部分を選択的に溶融する。第3図aはプロセス14により 内側物品部分52a、52bが形成される未溶融粉末の層50の例を示す平面図 である。第3図aに示すように、粉末の特定の層50として形成されるような内 側物品部分52a、52bの形状は、レーザー110の能力のため、比較的複雑 で、そのCAD表示に基づく物品の横断面を正確に画定する。 本発明のこの実施の形態によれば、好ましくは、プロセス14は横断面におけ る粉末の粒子を互いに結合するような方法で遂行されるが、十分緻密な金属部分 を形成する程度までには遂行されない。例えば、上記米国特許第5,352,4 05号明細書に記載されているように、内側物品部分52a、52bはラスター 走査態様でそこを横切るレーザービーム105の間挿重ね合わせ又は非重ね合わ せ走査により形成することができ、この場合、レーザー110は、内側物品部分 52a、52b上で合焦された場合はオンし、それ以外の場合はオフする。代わ りに、レーザービーム105をクロスハッチパターンで内側物品部分52a、5 2bを横切るように導くことができ、この場合、ラスター走査は第1のパスでは 1方向に行い、次のラスター走査は粉末の同じ層50の第2のパスで直交方向に 行う。いずれの場合も、プロセス14では、内側物品部分52a、52bをある 程度画定し固化して、熱間等圧処理中の物品の起こりうる収縮を最少化するのが 好ましい。しかし、上述のように、物品をこのように製造する際に必要な熱勾配 が物品の歪みを悪化させるので、内側物品部分52a、52bは、プロセス14 においては、レーザービーム105により十分に緻密に画定すべきではない。本 発明は、選択的なレーザー焼結プロセス10中に緻密な態様で形成される物品の 体積を最小化することによりこのような熱歪みを最少化する。 この時点で、選択的なレーザー焼結プロセス10は好ましくは金属粉末の酸化 が生じにくい条件の下で室102内にて遂行されることを諒解されたい。酸化の 防止は、粉末がチタン合金の如きある金属のみから成る場合に特に困難である。 これを達成するため、好ましくは、選択的なレーザー焼結プロセス10中、室1 02を窒素の如き不活性又は不酸化雰囲気で満たす。 プロセス14における内側物品部分52a、52bの画定に続き、選択的なレ ーザー焼結装置100によりプロセス16が遂行され、内側物品部分52a、5 2bの周辺部における粉末を少なくとも含む粉末層50の部分を予備加熱する。 内側物品部分52a、52bの周辺部における粉末のこれらの部分は、プロセス 18において選択的なレーザー焼結の動作によりガス不透過性の「スキン」が形 成される位置にあり、(プロセス14で加えられるエネルギに比べて)単位体積 当り大幅に一層大きなレーザーエネルギが加えられる位置でもある。プロセス1 6での予備加熱を遂行する種々の試みは、ガス不透過性のスキンを形成するプロ セス18の説明の後に説明する。 第3図bを参照すると、予備加熱プロセス16に続き又はその期間中、粉末の 層における内側物品部分52a、52bの周辺部においてこれを取り囲むガス不 透過性のスキン54を形成するために、プロセス18が遂行される。プロセス1 4と同様、プロセス18は選択的なレーザー焼結により遂行されるが、内側部分 を形成するためにプロセス14において使用される条件とは異なる条件の下で遂 行される。上述のように、プロセス14により形成された内側物品部分52a、 52bは十分緻密な状態ではなく、従って、ガス不透過性とならないようなある 程度の気孔を有する。本発明に従って引き続き遂行される熱間等圧圧縮(HIP )プロセスは、加圧ガスがスキン54を介して内側物品52により密度増大力を 作用させることができるように、HIPプロセスを受ける物品の外側がガス不透 過性であることを必要とする。従って、プロセス18において、スキン54は内 側物品部分52a、52bよりも大きな密度を提供するように層50における内 側 物品部分52a、52bの周辺部のまわりに形成される。 本発明の好ましい実施の形態によれば、好ましくは、プロセス18は、内側物 品部分52を形成するために使用されるエネルギよりも単位体積当り比較的一層 大きなエネルギを送給するように、内側物品部分52の周辺部のまわりへベクト ル引き出し(drawing)態様でレーザービーム105を導くことにより遂行される 。この増大したエネルギは、プロセス14において使用されるエネルギに関して プロセス18のためのレーザーエネルギを増大させることにより、または、スキ ン54の形成におけるレーザービーム105の休止時間が内側物品部分52の形 成における休止時間よりも大きくなるように走査速度を減少させることにより、 簡単に得ることができる。更に、プロセス18においては、スキン54は(非重 ね合わせ又はクロスハッチラスター走査により形成された)内側物品部分52の 周辺部の繰り返しの重ね合わせベクトル走査を遂行することにより形成できる。 これらの任意の又はすべての試みは、スキン54を形成するために個々に又は 組み合わせて使用することができる。もちろん、内側物品部分52に対するスキ ン54を形成するために供給される単位体積当りのエネルギの実際の差は、粉末 50の特定の金属材料に依存する。それ故、プロセス18の結果として、スキン 54は第3図bに示すように形成されて内側物品部分52を取り囲み、スキン5 4はガスに対して不透過性となるような密度となるが、内側物品部分52を形成 するのに使用された材料と同じ材料である。 スキン形成プロセス18に関しては、レーザービームのあるリアルタイム制御 、特に、ある幾何学的な依存効果の制御が、スキン54の均一な形成にとって有 益となる。例えば、第3図bを参照すると、スキン54の隅部55を形成するた めに提供されるエネルギは、その鋭利さ(シャープネス)のため、従って、スキ ン54を形成するためにそこに存在しなければならないレーザービーム105の 時間のため、過剰にすることができる。第3図bの隅部55の如き隅部について は、粉末の単位体積当りに供給されるレーザーエネルギが実質上均一状態を維持 するのを保証するために、隅部の如きベクトル引き出し幾何学形状の場合、レー ザー110により供給されるエネルギを減少させるのが好ましい。このような制 御は、普通のコンピュータ制御により維持することができ、熱歪み効果を最少に 抑えな がら、内側物品部分52の全周辺部に沿ってスキン54の厚さを均一にする。 プロセス16の予備加熱を参照すると、このプロセスは、個々の層におけるス キン54の形成の前又は形成中に遂行することができ、かつ、このプロセスは、 本発明のこの実施の形態においては、プロセス12において供給された場合の粘 結温度以下の温度に粉末を維持した状態でガス不透過性スキンを製造できる出来 るだけ低い値にレーザーパワーを維持するために好ましい。当業界で既知のよう に、本発明が意図する金属粉末を含む多くの粉末は焼結温度より十分低い温度で ある量の粒子間粘着を生じさせる。この効果のしきい温度は材料の「粘結」温度 として参照される。本発明のこの実施の形態に係る物品の製造の分解能を最大に するためには、プロセス12において供給される場合、従って、粘結温度以下で 、粉末が自由に流れることができることが重要である。粘結温度から十分緻密な 焼結が生じる温度まで大半の金属粉末を上昇させるのに必要なエネルギが重要な ので、プロセス16にて遂行された如き内側物品部分52a、52bの周辺部位 置の予備加熱は、普通のレーザー110での本発明のこの実施の形態に係る方法 の遂行を可能にするのに極めて有用である。 プロセス16を遂行するための第1の別の技術によれば、2つのレーザービー ムを前後させて内側物品部分52a、52bの周辺部に供給する。第4図を注目 すると、プロセス18と同時に行われるような予備加熱プロセス16の例が示さ れている。第4図に示すように、レーザービーム61は、好ましくはその層の未 溶融粉末50に重なるように、内側物品部分52の縁部に供給され、そして、後 述する方法でガス不透過性のスキン54を形成するために内側物品部分52の縁 部で粉末50を焼結しているレーザービーム63より先行する。好ましくは、ビ ーム61は(スポット62に比べて)大きなスポット60を提供するように合焦 され(ある場合は合焦されず)、粉末のこの部分を予備加熱するためにビーム6 1により供給される単位体積当りのエネルギが内側物品部分52自体の形成の際 にレーザー110により供給されるエネルギより小さくなるようにする。 好ましくは、ビーム61により供給されるエネルギは、粉末50及び内側物品 部分52の縁部を材料の焼結温度に近いがこれより低い温度まで加熱するように 選定される。この予備加熱の結果、スキン54を形成するためにビーム63によ り供給される増分的で付加的なパワーを最少化することができ、従って、スキン 54の製造の際の粉末層50における熱勾配を減少させる。この例においては、 2つのレーザー110又はレーザー分割(laser-splitting)装置は2つのレーザ ービーム61、63を同時に発生させるために使用できる。 代わりに、粉末50の熱条件に応じて、プロセス16の予備加熱はプロセス1 8でのスキンの予備形成に先んじて遂行することができる。この例においては、 内側物品部分52及びスキン54を形成するために使用するものと同じレーザー 110により、プロセス16の予備加熱を遂行することができ、このような予備 加熱は第4図に示すような未合焦ビーム61の如きものにより、内側物品52の 周辺部のまわりで別のベクトルパスにおいて生じる。しかし、本発明のこの例に よれば、層における熱条件は、スキン54を製造するためにレーザー110が合 焦状態に戻るまでプロセス16における局部的な予備加熱の遂行を維持できるの に十分なほど低いものとしなければならない。 予備加熱プロセス16を遂行するためにレーザーエネルギを使用する更に別の 技術は米国特許第5,393,482号明細書に記載されている。更に他の変形 例においては、予備加熱プロセス16は巨視的な方法で遂行することができる。 例えば、第2図aに示すような熱センサ134、136により又は粉末50を通 るガスの加熱された下向き気流(downsraft)により制御される放射ヒータ130 を使用することによって遂行することができる。しかし、このような巨視的な予 備加熱においては、もちろん、供給されている次の粉末層の温度を粘結温度以下 に維持することが重要である。 スキン形成プロセス18に続き、コンピュータ140により判定19が遂行さ れて、物品における更なる層の遂行が残っているか否かを判定する。残っていた 場合は、選択的なレーザー焼結プロセス10を層方向の態様で続行し、形成され ている物品の残りの層に対してプロセス12、14、16、18の各々を繰り返 す。例えば、第2図aを参照すると、粉末の付加的な層の供給は、部品ピストン 106を特定の距離だけ下降させ、次いで、前述のように反対方向に回転するロ ーラ118を介して送りピストン114から粉末を供給することにより、遂行さ れる。物品の選択的なレーザー焼結は、所望の形状の物品を形成するために、典 型的には先の層における横断面形状とは異なる横断面形状にて、次の層において 遂行される。 従って、選択的なレーザー焼結プロセス10は、その反復的な層方向の処理を 通じて、第3図cに垂直横断面として示すように、スキン54によりすべての側 部を囲まれた内側物品52を提供する。第3図cに示すように、物品52の形状 は部分52a、52b(第3図b)を連結する部分52cの如き張出し部分を含 む極めて複雑な形状をとることができる。この例においては、部分52cはこれ によって連結される部分52a、52bの後に形成される。従って、選択的なレ ーザー焼結プロセス10は物品を取り巻くガス不透過性のスキン即ちカンを備え た極めて複雑な物品の形成を可能にする。 第3図cに示すように、物品52はその側部、底部及び頂部を未溶融粉末層5 0により完全に囲まれるような方法で形成される。この構成においては、選択的 なレーザー焼結プロセス10において形成された層のうちのいくつかはそこに形 成された実質的なスキン部分54を有することができる。例えば、固化した部分 を有する第1の層たる層L1はそこに形成されたスキン部分541のみを有する。 層LKは小さな内側物品部分52Kと大きなスキン部分54Kとのみを有する。頂 部の層LTはそこに形成された大きなスキン部分54Tのみを有する。これらの比 較的大きなスキン表面54の形成では、選択的なレーザー焼結装置100の作動 を考慮しなければならない。隣接するスキン表面54の累積効果は、物品52の まわりに、引き続きの熱間等圧処理に使用されるガス不透過性の「カン」を提供 する。 判定19において、物品52及びスキン54の形成において更なる層を処理す る必要がないと判定された場合は、次いで、プロセス20が遂行され、物品52 及びスキン54を未溶融粉末50から取り出す。このプロセスは選択的なレーザ ー焼結の分野では普通のものであり、一般に「ラフ・ブレークアウト」(rough b reak-out)として参照される。典型的には、プロセス20は、部品ベッド107 を装置100から除去し、物品及び粉末の全体を別のワークステーション(作業 場所)へ移送し、次いで、物品52及びスキン54のまわりから未溶融粉末50 を機械的に取り除くことにより、遂行される。未使用の粉末50は保存され、引 き続きの組立て(build)作業で再使用できる。 プロセス20でのラフ・ブレークアウトに続き、物品52及びスキン54は熱 間等圧圧縮(HIP)プロセス30を受ける。HIPプロセス30は、物品52 及びスキン54を圧力容器内に収容して炉内に置き、金属物品を完全に高密度化 することにより、当業界では普通の方法で、遂行される。第5図は本発明のこの 実施の形態に従ってプロセス30を遂行するのに有用な処理室の一例であるHI P装置60を示す。HIP装置60は円筒状の本体62を有し、その頂部の開口 を通して、スキン54により囲まれた物品52のワークピース(この図では円筒 体として示すが、もちろん、選択的なレーザー焼結プロセス10により形成され た形状を有する)を室61内に配置する。底部閉鎖体65は本体62内で適所に 留まっている。頂部閉鎖体64は対応する開口内に配置されてワークピースを本 体62内に閉じ込め、シール63は室61内に圧力を維持させることができる。 HIP装置60は更に、熱バリヤ66と共働してHIPプロセス中に室61を加 熱する加熱素子68を有する。 プロセス30はHIP装置60内の室61を加熱及び加圧することにより遂行 され、加圧はHIP装置60の室61内へ射出されるアルゴン又はヘリウムの如 き不活性ガスにより遂行される。HIP処理の典型的な温度は500℃ないし2 000℃程度であり、圧力範囲は真空から200MPaまでである。当業界では 普通のことだが、使用される特定の温度及び圧力はHIP処理を受ける物品52 の材料に依存する。例えば、青銅/ニッケルの混合物でできた物品は1ないし3 時間で750ないし900℃程度の温度及び125MPa程度の圧力を受ける。 HIP分野で周知のように、温度公差(許容誤差)は、普通のHIP処理室によ り提供されるように、典型的には大半の材料に対して極めて小さい。 プロセス30の結果、室61内の高圧ガスは、スキン54のまわりに等方的に 等圧力を作用させる。しかし、スキン54はガスに対して不透過性なので、加圧 ガスにより加えられた力はスキン54の外表面を圧迫する。しかし、室61内の 温度がスキン54及び物品52の材料の軟化温度まで上昇するので、加圧ガスの この力は物品52を画定する。物品52及びスキン54がこの温度及び圧力状態 を適当な期間だけ受けた後、十分緻密な金属物品が提供される。この時点で、機 械加工により、スキン54のHIP「カン」を物品52から取り除くことができ る。代わりに、スキン54がHIPプロセス30を経て高密度化された物品52 と同じ材料で作られるので、スキン54を物品52の表面に残して、その一部と することができる。次いで、必要なら、仕上げ技術を物品52の外表面又はスキ ン54の外表面に施すことができる。 HIPプロセス30の高密度化においてある量の収縮が生じるが、この収縮は 比較的小さく、選択的なレーザー焼結プロセス10がほぼ十分緻密な物品を形成 する場合は特にそうである。収縮は選択的なレーザー焼結プロセス10に使用さ れるCADデータベース表示において考慮することができる。 従って、本発明のこの実施の形態はプロトタイプの部品又はモールドダイスの 如き十分緻密な三次元物品を提供し、この物品は複雑な形状、小さな特徴寸法及 び分解能を有するように金属から製造することができる。物品の製造に選択的な レーザー焼結を使用すると、短い形成時間でCADから物品への移転を提供し、 一方、HIP高密度化処理の使用は最小パワーレベルでの選択的なレーザー焼結 プロセスの遂行を可能にし、従って、熱歪みに対するプロセスの弱点を減少させ る。従って、使用される金属材料からの熱勾配の問題を切り離すことにより、本 発明の好ましい実施の形態に従って処理できる金属材料の範囲を広くすることが できる。 第3図cを参照すると、ある状況において、形成されたスキン54の面積が比 較的大きいため、L1、LK、LTの如き層が熱歪みを受け易くなっていることが 観察される。このような大きな表面の主たる熱歪みメカニズムは、歪みが冷却時 の強く焼結された領域の表面張力に由来するので、「カール」として参照される 。 ここで、第6図及び第7図を参照すると、比較的大きい平坦なスキン表面の熱 歪みを緩和するために使用できる本発明の別の実施の形態が示されている。第6 図は第3図cと同様の垂直横断面図で、第3図cにおける物品52と同様の形状 及び寸法を有する物品52とその上に形成されたスキン54とを示す。しかし、 この実施の形態においては、部品ピストン106内に基体56が設けられ、選択 的なレーザー焼結プロセス10によりスキン層54T及び物品52が基体の上に 形成される。第6図から明らかなように、物品52は第3図cに比べて上下逆さ まに位置し、この配置により、最もカールを受け易い平坦なスキン層54Tの最 大表面を基体56の適所に位置させることができる。スキン層の焼結中、基体へ のスキン層54Tの接着が生じる。この接着は、冷却時の表面張力効果に対抗す る傾向を有し、カールによる歪みを減少させる。従って、基体56は粉末の金属 に対して矛盾を生じない金属で作らねばならず、そして、例えば、粉末と同じ材 料とすることができる。物品は、HIPプロセス30前に基体56から取り外さ れる。 第7図は本発明の別の実施の形態を示し、この実施の形態では、基体56は「 カン」の一部として作用し、スキン54の残余部と協同して大きなスキン表面5 4Tを排除する。しかし、本発明のこの実施の形態においては、基体56は、H IPプロセス30において物品のまわりの「カン」の一部を構成するので、ガス 不透過性の材料としなければならない。従って、これらの各実施の形態は起こり うる物品の熱歪みを減少させるのに役立つ。 ここで、第8図及び第9図を参照して、本発明の更に他の実施の形態に係る物 品の製造プロセスを説明する。本発明のこの別の実施の形態によれば、レーザー 指向プロセスを設けて、製造すべき物品のためのカンを形成し、次いで、物品と なる焼結可能な粉末をこのカン内に供給することができる。 第8図を参照すると、本発明のこの実施の形態に係るプロセスは、プロセス7 0で開始し、レーザー発生によりカン72が形成される。第9図はレーザー発生 装置71を概略的に示し、この装置は、粉末分配装置76とレーザー78とを有 する。もちろん、これらの副装置は室(図示せず)内に収容され、大気及び温度 制御が選択的なレーザー焼結装置100に関して上述したのと同様に実行できる ようにする。Klocke等の著者による上記書物「EARP-Newsletter」第6巻 (1995年7月発行)「迅速金属原型製作及びツーリング」(Rapid Metal Pro totyping and Tooling)に記載されているように、レーザー発生は、レーザービ ームが合焦される位置に粉末を分配することにより物品を形成するプロセスを言 う。粉末は、この位置で物品の先に形成された部分に融着し、物品が徐々に成長 する。この作動を第9図に示す。レーザー78からのビームの作動により、地点 Pにて粉末分配装置76により供給されている粉末75を固化する。レーザー7 8は、カン72の縁部に沿ってその焦点Pを移動し、その運動中に物品を成長さ せる。もちろん、レーザー78がカン72の先に形成された部分に沿って走査す る方向は特定の状況及びカンの形状に応じて変化する。 次いで、プロセス80を遂行する。本発明のこの実施も形態においては、この プロセスは、好ましくはカン72を形成するために使用される材料と同じ材料の 金属粉末をカン72に充填する工程を含む。先に述べた本発明の第1の実施の形 態とは異なり、カン72内に置かれた粉末はカン72内への充填前は高密度化さ れない。高密度化はカン72の複雑な形状部分を粉末で満たす能力を制限してし まうからである。次いで、例えば、所望に応じて、カン内に供給された粉末の頂 表面をレーザー焼結することにより、または、その上に金属表面を取り付けるこ とにより、カン72がシールされる。次いで、本発明のこの実施の形態に係るプ ロセスが、金属粉末を収容したカン72に対して上述した方法で実行される熱間 等圧圧縮を行う(プロセス90)ことにより、完成される。次いで、所望に応じ て、カン72を物品から取り除いてもよいし、最終製品の一部として適所に残し ておいてもよい。 上述の第1の実施の形態と同様、本発明のこの別の実施の形態によれば、HI P処理を受けるように物品の幾何学形状を画定するために誘導されるレーザービ ームを使用することにより、物品のCAD表示から直接、複雑な部品の形成及び 高分解能の構築を可能にする。また、内側材料に対するカンの嵌合及び材料適合 性(両立性)は、HIP処理による物品の収縮を最小限に抑え、最終製品の構造 上の精度を更に改善する。 更に別の変形例においては、HIP処理の前に未溶融状態でスキン内に粉末を 残したままガス不透過性のスキンのみを形成するために上述の選択的なレーザー 焼結プロセスを使用することができる。代わりに、選択的なレーザー焼結により 形成されたスキンはその形成後にその中身を空にして、HIP処理の前に別の材 料の未溶融粉末で再充填することができる。これらいずれの変形例においても、 HIP処理はガス不透過性スキン内の未溶融粉末を高密度化し、上述した方法で 密度の高い金属物品を形成する。 好ましい実施の形態につき本発明を説明したが、もちろん、本発明の利点を達 成できるこれらの実施の形態に対する修正及び変形が可能であることは当業者に とって明らかであろう。このような修正及び変形は本発明の要旨内に含まれる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I L,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK ,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK, MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR ,TT,UA,UG,UZ,VN (72)発明者 ブーレル,デービッド・エル アメリカ合衆国テキサス州78749,オース チン,ウルフ・ラン 5403

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 三次元金属物品を製造する方法であって、 標的表面に金属粉末の層を供給する供給工程と; 金属粉末の層の選択された箇所を溶融する溶融工程と; 金属粉末の層の選択された箇所の周辺部の位置でガス不透過性のスキンの一部 を形成するため、当該位置で金属粉末を溶融するようにエネルギビームを導く誘 導工程と; 複数の層に対して供給工程、溶融工程及び誘導工程を繰り返し、後続の層の溶 融された箇所を直前の層の溶融された箇所に融着してガス不透過性のスキン内に 物品の内側部分を形成する工程と; 物品の内側部分及びスキンの組み合わせ体に高い温度及び高い圧力を作用させ ることにより、物品の内側部分を高密度化する工程と; を有することを特徴とする製造方法。 2. 請求の範囲第1項に記載の方法であって、溶融工程が金属粉末の層の選択 された箇所において粉末を溶融するために当該箇所にエネルギビームを導く誘導 工程を有することを特徴とする方法。 3. 請求の範囲第2項に記載の方法であって、誘導工程がレーザービームを金 属粉末へ導くことを特徴とする方法。 4. 請求の範囲第3項に記載の方法であって、物品の周辺部の位置で金属粉末 を溶融するようにレーザービームを導く工程が、金属粉末の層の選択された箇所 へレーザービームを導く工程より大きなエネルギを周辺部の位置へ導くことを特 徴とする方法。 5. 請求の範囲第4項に記載の方法であって、物品の周辺部の位置で金属粉末 を溶融するようにレーザービームを導く工程が、 周辺部の位置で金属粉末を予備加熱する予備加熱工程と; 周辺部の位置で粉末を溶融するように当該位置で予備加熱された金属粉末へレ ーザービームを導く工程と; を有することを特徴とする方法。 6. 請求の範囲第7項に記載の方法であって、予備加熱工程が標的表面で金属 粉末を加熱する工程を有することを特徴とする方法。 7. 請求の範囲第7項に記載の方法であって、予備加熱工程が物品の周辺部の 位置に沿って第1のレーザービームを導く工程を有することを特徴とする方法。 8. 請求の範囲第7項に記載の方法であって、第1のレーザービームが物品の 内側部分を形成するために金属の層の選択された箇所へレーザービームを導く工 程におけるエネルギよりも小さな単位体積当りのエネルギを物品に供給すること を特徴とする方法。 9. 請求の範囲第1項に記載の方法であって、供給工程が、第1の層に対して 、基体の表面へ金属粉末の層を供給する工程を有することを特徴とする方法。 10. 請求の範囲第9項に記載の方法であって、物品の内側部分のまわりにガ ス不透過性のスキンを形成するために物品の周辺部の位置で金属粉末を溶融する ようにエネルギビームを導く工程が、第1の層に対して、基体の表面においてガ ス不透過性のスキンを形成するために当該表面における粉末の第1の層の選択さ れた領域にわたってエネルギビームを導く工程を有することを特徴とする方法。 11. 請求の範囲第9項に記載の方法であって、金属粉末の層の選択された箇 所を塊に溶融する工程が、物品の内側部分が基体の表面に接触するように、基体 の表面で第1の層の部分を塊に溶融する工程を有することを特徴とする方法。 12. 請求の範囲第1項に記載の方法であって、金属粉末が金属合金であるこ とを特徴とする方法。 13. 請求の範囲第1項に記載の方法であって、金属粉末が鋼粉末であること を特徴とする方法。 14. 請求の範囲第1項に記載の方法であって、金属粉末が複数の金属粉末の 混合物であることを特徴とする方法。 15. 三次元金属物品を製造する方法であって、 金属粉末で物品の内側部分を形成する工程と; 物品の内側部分のまわりにガス不透過性のスキンを形成するために物品の周辺 部の位置で金属粉末を溶融するようにエネルギビームを導く工程と; 物品の内側部分及びスキンの組み合わせ体に高い温度及び高い圧力を作用させ ることにより、物品の内側部分を高密度化する高密度化工程と; 高密度化工程後に物品からスキンを除去する工程と; を有することを特徴とする製造方法。 16. 請求の範囲第15項に記載の方法であって、金属粉末が金属合金である ことを特徴とする方法。 17. 請求の範囲第15項に記載の方法であって、金属粉末が鋼粉末であるこ とを特徴とする方法。 18. 請求の範囲第15項に記載の方法であって、金属粉末が複数の金属粉末 の混合物であることを特徴とする方法。 19. 三次元金属物品を製造する方法であって、 物品の周辺部の位置でガス不透過性のスキンを形成するために、形成すべき物 品の周辺部の位置で金属粉末を溶融するようにエネルギビームを導く工程と; スキン内で物品の内側部分を形成するためにガス不透過性のスキンを金属粉末 で満たす工程と; 物品の内側部分及びスキンの組み合わせ体に高い温度及び高い圧力を作用させ ることにより、物品の内側部分を高密度化する高密度化工程と; を有することを特徴とする製造方法。 20. 請求の範囲第19項に記載の方法であって、金属粉末が金属合金である ことを特徴とする方法。 21. 請求の範囲第19項に記載の方法であって、金属粉末が鋼粉末であるこ とを特徴とする方法。 22. 請求の範囲第19項に記載の方法であって、金属粉末が複数の金属粉末 の混合物であることを特徴とする方法。
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