JP2001234206A - レーザ光線を用いて粉体を焼結するための機械および方法 - Google Patents

レーザ光線を用いて粉体を焼結するための機械および方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼結の不均一性の発生をさらに減少させるの
に適した、レーザ光線による、１つの温度検出面を用い
て、粉体を焼結するための機械を提供する。 【解決手段】 付加的に、温度検出時の位置に依存する
誤差を補償するための装置を有しており、この装置が誤
差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学的要素の変
化、レーザ光線（Ｌ）と熱線の集束作用の強さが異なる
時の色誤差、およびレーザ光線（Ｌ）と熱線を同軸的に
調節する時の調節誤差、のうち少なくとも１つを、粉体
（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置に依存して考慮す
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光線を用い
て粉体を焼結するための機械であって、レーザ光線を発
生させるための装置を有していて、該レーザ光線が移動
する焼結箇所において粉体の表面に当たるようになって
おり、前記焼結箇所の領域で移動する検出面における粉
体の温度を検出するための装置を有しており、レーザ光
線を制御するための装置を有していて、該装置が、粉体
の温度を検出するための装置の信号に依存して、レーザ
光線の出力を制御する形式のものに関する。また本発明
は、レーザ光線を用いて粉体を焼結するための方法であ
って、次の段階、すなわち、粉体の表面上での移動する
焼結箇所へレーザ光線を誘導する段階と、焼結箇所の領
域における移動する検出面での粉体の温度を検出する段
階と、検出された粉体の温度に依存してレーザ光線の出
力を制御する段階とを有する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光線を用いて粉体の焼結を行う機
械および方法は、欧州特許０７３１７４３号明細書によ
り公知である。
【０００３】生産技術、特に工業的なモデル構造におい
ては、新規で迅速な製造方法の開発が常に促進されてい
る。このような形式の迅速な製造方法の１つのグループ
は、ラピッド・プロトタイピング法（Rapid-Prototypin
g-Verfahren）と呼ばれる。この方法のグループに選択
的レーザ焼結（ＳＬＳ）が属している。
【０００４】レーザ焼結は、粉体状の材料を、高温化に
よって少なくとも一部溶融し、それにより、粉体の各粒
子が互いにくっつき合うようにする方法である。この高
温化は、ＳＬＳの場合には、粉体へのレーザの照射によ
って達成される。
【０００５】ＳＬＳによる部品の生産は、１層ずつ行わ
れる。ほぼ一定の出力のレーザ光線を連続的に１つの粉
体層上に誘導し、レーザ光線が当たったところで粉体粒
子が結合される。焼結されるべきでない領域では、レー
ザはスイッチオフされる。１つの層のレーザ処理が終わ
ると直ちに粉体層が下降され、この部分的に焼結された
層の上に、新たな１層の粉体が塗布される。以上のよう
な連続のプロセス段階が、新たな次の表面層に対しても
繰り返し、部品全体が終了するまで行われる。
【０００６】しかし、ほぼ一定のレーザ出力で行うＳＬ
Ｓは、不均一な材料特性を有する部品を生ぜしめる。粉
体層領域の完全な融解が起こる場合には、溝が生じてし
まう。また、粉体層領域が十分に溶けず、そのためすべ
ての粒子がくっつき合わないこともある。このような不
均一な焼結はプロセスを不正確にし、材料特性の悪化を
招く。
【０００７】この問題を解決するために、欧州特許第０
７３１７４３号明細書では、製造中に部品の熱収支を均
一にするために、焼結箇所の領域の移動する検出面にお
ける粉体の温度を検出し、レーザの出力を検出された温
度に依存して制御することが提案されている。このため
に、焼結箇所から放射対称に放射される熱線を、レーザ
光線を誘導する走査ミラーと同じ走査ミラーを介して誘
導し、その後、二色ビームスプリッタによって分離し、
レンズを用いて赤外線センサに集束させる。
【０００８】欧州特許第０７３１７４３号明細書に記載
されている解決手段によって、部品の品質は向上する
が、それでもまだ、高品質が要求される使用に対しては
許容できない不均一性が生じ、ひいては商業的使用が制
限される。
【０００９】米国特許５３９３４８２号明細書、および
これに対応する米国特許５５０８４８９号明細書では、
重なり合った２つのレーザ光線、すなわち集束した光線
とデフォーカスした光線とによる、多数の温度検出面を
用いた粉体の焼結方法および機械が示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、このような不均一性の発生をさらに減少させる
のに適した、レーザ光線による、１つの温度検出面を用
いた、粉体を焼結するための機械および方法を提供する
ことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の装置の手段によれば、付加的に、温度検出時の位置
に依存する誤差を補償するための装置を有しており、該
装置が、誤差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学
的要素の変化、レーザ光線と熱線の集束作用の強さが異
なる時の色誤差、およびレーザ光線と熱線とを同軸的に
調節する時の調節誤差、のうち少なくとも１つを、粉体
の表面上の検出面の位置に依存して考慮するようにし
た。本発明による装置の有利な実施態様および変化実施
例は、従属請求項に記載されている（請求項２〜７）。
【００１２】この問題を解決した本発明の手段によれ
ば、温度検出時の位置に依存する誤差を、位置に依存す
る誤差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学的要素
の変化、レーザ光線と熱線の集束が異なる時の色誤差、
およびレーザ光線と熱線を同軸的に調節する時の調節誤
差、のうち少なくとも１つが粉体の表面上の検出面の位
置に依存して考慮されるように補償するようにした。本
発明による方法の有利な実施態様および変化実施例は、
従属請求項に記載されている（請求項９〜１３）。
【００１３】
【発明の効果】正確な温度検出のために重要であるの
は、レーザスポットと熱線の検出面との面積比を同一に
保つことである。
【００１４】単一のレンズまたは１つの光学系を介して
レーザ光線が集束される場合は、通常、構造面（Baufel
d）の中央において最適となる。したがって、構造面の
周辺領域に対しては、レーザスポットの拡大と歪み、お
よびこれによる焼結箇所の拡大と歪みが生じる。なぜな
らば、レーザ光線は集束部位の外側では広がるからであ
り、さらには構造面の表面に対して、傾斜角を成して当
たるからである。したがって、構造面全域に渡る一定の
焼結の質を保証するために、レーザ光線の広がり、およ
びそれによるレーザスポットと焼結箇所の幾何学的要素
の変化が、レーザ光線の集束を調整する適当な光学系に
よって補償される。
【００１５】同様の位置依存性は、移動する検出面から
放射される赤外線の検出時にも現れ、これを考慮しない
ならば、温度検出での誤差が生じることになる。
【００１６】レーザ光線および温度信号が、同一の光学
系を介して誘導される場合には、焼結箇所と検出面の幾
何学的要素の変化が、（２つの光線の相対的位置が変化
しない限りにおいては、）ほぼ同じになっていた方がよ
い。
【００１７】検出面の幾何学的要素の位置依存性は、次
のように説明され、図１に示した例を明確にすることが
できる。
【００１８】初期位置では、レーザ光線は焼結箇所Ｓ１
において、粉体層表面に垂直に当たるものとする。検出
面Ｅ１は同様に、垂直な方向から検出される。粉体層表
面から放射される熱線は、欧州特許第０７３１７４３号
明細書中で提案されているように、レーザ光線と同一の
走査ミラーを介して誘導されてはいるが、レーザ光学系
から分離され、別のレンズ系を介して集束されるように
なっている。このレンズ系は、円形の観察窓を形成する
ように構成されているので、この初期位置における検出
面は同様に円形をして現れる。焼結プロセスの間、レー
ザ光線は焼結箇所Ｓ２に誘導され、そこで、表面に対し
て所定の傾斜角で粉体層上に当たる。観察窓は従来通り
円形をしているが、表面に対する傾きによって、この場
合には楕円形をしている歪んだ検出面Ｅ２となる。構造
面の中心から離れた位置で最適に合わせられている集束
系と表面との距離がより大きくなっているために、Ｅ２
はＥ１より明確に大きくなっている。
【００１９】レーザ光線は線に沿って移動する。したが
って、検出面の楕円の長軸に対するこのレーザ光線の走
行線の配向が大変重要である。焼結線と楕円の長軸が重
なり合う場合には、検出面Ｅにおける熱い焼結線Ｌの一
部の長さは（同じ大きさの検出面の場合に）最大となり
（Ｌ３：Ｅ３）、焼結線と楕円の長軸が互いに垂直にな
っている場合には最小となる（Ｌ４：Ｅ４）。レーザ光
線および熱線が同一の光学系によって誘導される場合で
も、レーザスポットの温度検出面に対する面積比、ひい
ては検出温度が変化する。温度検出面が、係数１から
１．４１の間の値でレーザスポットより大きい場合には
（つまり、レーザスポットの１〜１．４１倍である場合
には）、Ｅ４の位置でより高い温度が表示される。この
係数が１．４１を越える場合には、Ｅ３の位置でより高
い温度が表示される。この係数が偶然１．４１ちょうど
となる場合には、表示される温度は位置に依存する。し
たがって、同じ大きさの２つの楕円の検出面において
（Ｅ３およびＥ４）、レーザ出力が同じ場合に異なった
温度が検出され得る。ゆえに、この例では、検出面の形
状は放射対称に位置に依存するが、温度検出に関しては
放射対称ではなく、レーザ光線の傾斜角にも構造面上の
検出箇所の位置にも依存して、不均一である。
【００２０】別の誤差原因は、色誤差である。一般的に
は、レーザ焼結の際に、１０．６μｍの波長を有するＣ
Ｏ２レーザが用いられる。温度検出のための熱放射は、
１から１０μｍの波長を有する。温度検出時には、レー
ザ光線による妨害を除くために、適当なフィルタによっ
て１０．６μｍの波長を取り除くことが試みられてい
る。光学系の集束作用は、通常、波長が異なる場合には
同じではない。温度検出面が、構造面の中心より縁部に
向かって移動する場合には、傾斜角は次第に大きくな
り、これにより、２つの光線のデフォーカスの相違も大
きくなる。そのため、温度検出面に対するレーザスポッ
トの面積比は、同様に位置に依存して変化する。
【００２１】温度の測定ができるようになる前に、レー
ザ光線および熱線が同軸的に調節されるよう配慮しなけ
ればならない。実際には、注意深く調節した後でも、常
に誤差が残る。この誤差は、傾斜角が大きくなる程大き
くなる。これにより、もう１つの位置に依存する温度の
測定誤差が生じる。
【００２２】温度検出時の位置に依存する誤差、つま
り、ａ）検出面の幾何学的要素（形状、大きさ、および
検出面の長軸の配向）、ｂ）色誤差、ｃ）調節誤差、の
うち少なくとも１つを補償するための装置は、欧州特許
第０７３１７４３号明細書に基づく従来技術による温度
決定に比べて、つまり上で述べたような考慮をしなかっ
た場合に比べて、本質的により現実的な温度値を測定さ
れた温度値から決定することができる。それぞれの機械
において共通に実現することは、構造的かつ経済的な理
由から特に有利であり、温度検出する場合に非常に良好
な結果をもたらす。このことは、レーザ出力の制御の本
質的な改善、さらには部品の品質改善に結びつく。
【００２３】本発明の機械の有利な実施形態では、移動
する検出面の幾何学的要素を考慮するための装置が、表
を記録するための装置を有しており、この表には、誤差
原因、つまり、移動する検出面の幾何学的要素、色誤
差、調節誤差、のうちの少なくとも１つに関連した補正
係数が、粉体の表面上の検出面の位置に依存してファイ
ルされる。
【００２４】表を記録するのためのこのような装置を用
いて、または直接このような表により、互いに近傍にあ
る位置（これらの位置に対する補正係数が表中に記録さ
れている）間を簡単に補間することによって、粉体表面
上の検出面のすべての位置に対して、あらゆる補正係数
が決定できる。これにより、後で行われる位置に依存す
る誤差への考慮が、著しく軽減される。この表の各値
は、簡単に実験で算出することができる。このことは、
特に、複雑な光学系を用いる場合に有利である。なぜな
らば、この場合、検出面の幾何学的パラメータを計算す
るのは労力がかかるからである。
【００２５】本発明の機械の別の有利な実施形態では、
補償のための装置は、粉体表面上の検出面の位置に依存
しないで、移動する検出面の大きさをほぼ一定に保つこ
とを保証するための装置を有している。
【００２６】このようにして、検出面の大きさの位置依
存性が考慮され、補償されるので、温度の誤差は、最初
からすでに最小となる。
【００２７】本発明の機械のこの有利な実施形態の特別
な構成では、補償のための装置は、移動する検出面の動
力学的再集束のための装置として、またはＦ-シータ光
学系として実現されている。移動する検出面の動力学的
再集束のための装置は、位置に依存する凹レンズを用い
た方法によって、Ｆ-シータ光学系は、凹レンズおよび
凸レンズの組み合わせによって、画像面の湾曲を補償す
る。
【００２８】本発明の機械の別の有利な実施形態では、
粉体温度の検出のための装置は、検出面に関して平均化
された温度を検出するように構成されている。たいてい
の使用例に対して、温度の平均値はレーザ出力の制御の
ために十分の程度のものである。
【００２９】本発明の機械の別の有利な実施形態では、
粉体温度の検出のための装置は、高温計である。高温計
は、比較的簡単で頑丈、かつ取り扱い易い温度検出の装
置である。
【００３０】本発明による方法の基本原理は、温度検出
時の位置に依存する誤差を補償することである。この誤
差とは、移動する検出面の幾何学的要素の変化、色誤
差、調整誤差であり、粉体層の表面上で検出面の位置に
依存して生じる。これによって、測定した温度から本質
的に現実的な温度値を決定することができる。
【００３１】本発明の方法の有利な実施形態では、表か
ら補正係数を、粉体表面上の検出面の位置に依存する誤
差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学的要素、色
誤差、および調節誤差のうち少なくとも１つに関連して
読み取る。これがもたらす利点は、すでに記述した機械
の説明のところで挙げた。
【００３２】本発明の方法の別の有利な実施形態では、
移動する検出面の大きさは、粉体の表面上の検出面の位
置に依存しないで、ほぼ一定に保たれる。このようにし
て、検出面の大きさを位置に依存して考慮し、補償する
ことによって、温度の誤差決定が最初からすでに最小に
なる。別の影響パラメータ（移動する検出面の形状およ
び配向、色収差、並びに調節誤差）は、例えば表から読
み取り、考慮し、同様に補償し、それによって最適な温
度決定がなされる。
【００３３】本発明の方法のこの有利な実施形態の特別
な構成には、移動する検出面の大きさは、移動する検出
面の動力学的な再集束によって、またはＦ-シータ光学
系によって、ほぼ一定に保たれている。
【００３４】本発明の方法の別の有利な実施形態では、
検出面に関して平均化された温度が検出される。このよ
うにして、レーザ出力の制御が十分正確に、しかも比較
的簡単に達成される。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳しく説明する。
【００３６】従来技術による機械および方法によるＳＬ
Ｓでは、図１に示されているように検出面Ｅの幾何学的
要素が変化する。
【００３７】出口位置では、焼結箇所Ｓ１におけるレー
ザ光線は垂直に粉体層の表面に当たる。検出面Ｅ１は、
同一の光学系によって、およびひいては同様に垂直な方
向から検出される。
【００３８】前述の焼結箇所の大きさの位置依存性およ
び検出面の大きさは、画像面の湾曲を調整するＦ-シー
タ光学系によって補償され、これにより、粉体層表面上
の検出面の位置に依存することなしに、検出面Ｅがほぼ
一定の大きさであることが保証される。別の影響パラメ
ータ（移動する検出面の形状および配向、色収差、並び
に調節誤差）は、表より読み取られ、計算による補償に
よって、最適な温度決定をもたらすように考慮される。
影響パラメータおよび影響パラメータの補正係数は、予
め経験的に、および/または理論的に決定される。
【００３９】焼結プロセスの間、レーザ光線は焼結箇所
Ｓ２に誘導され、そこで表面に対して所定の傾斜角で粉
体層に当たる。温度検出のための観察窓は従来通り円形
であるが、表面に対する傾斜によって、楕円形をした歪
んだ検出面Ｅ２′が生じる。しかし、検出面Ｅ２′の増
大は、Ｆ-シータ光学系によって補償され、これによ
り、各表面の焼結に関わる領域の温度決定における誤差
が最小限に抑えられる。図１では、未補正の検出面Ｅ
（外側の楕円）および補正された検出面Ｅ′（内側の楕
円）がそれぞれ示されている。
【００４０】検出面Ｅがほぼ一定の大きさを有すること
によって、検出面Ｅに関する平均温度値の検出は、高品
質で、かつ効果的なレーザ出力の制御を保証するには全
く十分である。
【００４１】したがって、温度の検出は高温計を用いて
行われる。検出された温度に依存して、レーザパルス幅
を変調させることによってレーザ出力が制御される。レ
ーザ光線および検出面の集束は、この例では、同一の光
学系を介して行われる。
【００４２】本発明の機械および本発明の方法は、以上
述べた実施例では、例えば欧州特許０７３１７４３号明
細書に記載されているような通常のＳＬＳの場合に、レ
ーザ制御の最適化に特に適しているということが明らか
である。
【００４３】本発明は、前記の実施例に限定されるだけ
でなく、別の実施例に転用することもできる。
【００４４】例えば、欧州特許０７３１７４３号明細書
で提案されているように、温度検出を、レーザの光学系
からの温度検出を部分的に、または完全に分離して、別
個の光学系に誘導することが考えられる。これは、通常
使用されるレーザ光学系の反射防止コーティングによっ
て、温度信号の減衰が大きくなりすぎる場合に有利であ
る。さらに、２つの光学系を互いに独立させて、それに
より、それぞれの要求に対してより有効に最適な状態を
得ることができる。しかし、この構成において重要なこ
とは、欧州特許０７３１７４３号明細書に記載の構成と
は異なり、例えば固有のＦ-シータ光学系または固有の
動力学的な再集束のための装置との組み合わせによっ
て、検出面Ｅの位置依存性が考慮されているということ
である。
【００４５】さらに、特別な高温計、いわゆる比率高温
計（Quotientenpyrometer）は有利である。比率高温計
は２つの波長を測定し、したがって、２つの波長を適当
に選択した場合には、熱い焼結線と検出面のその他の部
分とを区別することができる。このようにして、幾何学
的パラメータをさらに考慮し、ひいては温度検出の誤差
原因をさらに減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉体表面の位置に依存する検出面Ｅの幾何学的
要素の変化を示した概略図である。
【符号の説明】
Ｓ 焼結箇所、 Ｅ 検出面、 Ｌ 焼結線

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光線を用いて粉体を焼結するため
    の機械であって、レーザ光線（Ｌ）を発生させるための
    装置を有していて、該レーザ光線（Ｌ）が移動する焼結
    箇所（Ｓ）において粉体（Ｐ）の表面に当たるようにな
    っており、前記焼結箇所（Ｓ）の領域で移動する検出面
    （Ｅ）における粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置
    を有しており、レーザ光線（Ｌ）を制御するための装置
    を有していて、該装置が、粉体（Ｐ）の温度を検出する
    ための装置の信号に依存して、レーザ光線（Ｌ）の出力
    を制御する形式のものにおいて、 付加的に、温度検出時の位置に依存する誤差を補償する
    ための装置を有しており、該装置が、誤差原因、すなわ
    ち、移動する検出面（Ｅ）の幾何学的要素の変化、レー
    ザ光線と熱線の集束作用の強さが異なる時の色誤差、お
    よびレーザ光線と熱線とを同軸的に調節する時の調節誤
    差、のうち少なくとも１つを、粉体（Ｐ）の表面上の検
    出面（Ｅ）の位置に依存して考慮することを特徴とす
    る、粉体を焼結するための機械。
  2. 【請求項２】 温度検出時の位置に依存する誤差を補償
    するための前記装置が、表を記録するための装置を有し
    ており、該表には、粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）
    の位置に依存する誤差原因、すなわち、移動する検出面
    （Ｅ）の幾何学的要素、色誤差、および調節誤差、のう
    ちの少なくとも１つに関連した補正係数がファイルされ
    ている、請求項１記載の機械。
  3. 【請求項３】 温度検出時の位置に依存する誤差を補償
    のための前記装置が、粉体（Ｐ）の表面上の検出面
    （Ｅ）の位置とは無関係に、移動する検出面（Ｅ）がほ
    ぼ一定に保たれることを保証するための装置を有してい
    る、請求項１または２記載の機械。
  4. 【請求項４】 移動する検出面（Ｅ）がほぼ一定に保た
    れることを保証するための装置が、移動する検出面
    （Ｅ）の動力学的な再集束のための装置として構成され
    ている、請求項３記載の機械。
  5. 【請求項５】 移動する検出面（Ｅ）がほぼ一定に保た
    れることを保証するための装置が、Ｆ-シータ光学系と
    して構成されている、請求項３記載の機械。
  6. 【請求項６】 粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置
    が、検出面（Ｅ）に渡って平均化された温度を検出する
    ように構成されている、請求項１から５までのいずれか
    １項記載の機械。
  7. 【請求項７】 粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置
    が、高温計である、請求項１から６までのいずれか１項
    記載の機械。
  8. 【請求項８】 レーザ光線を用いて粉体を焼結するため
    の方法であって、次の段階、すなわち、 粉体（Ｐ）の表面上での移動する焼結箇所（Ｓ）へレー
    ザ光線（Ｌ）を誘導する段階と、 焼結箇所（Ｓ）の領域における移動する検出面（Ｅ）で
    の粉体（Ｐ）の温度を検出する段階と、 検出された粉体（Ｐ）の温度に依存してレーザ光線
    （Ｌ）の出力を制御する段階とを有する方法において、 温度検出時の位置に依存する誤差を、位置に依存する誤
    差原因、すなわち、移動する検出面（Ｅ）の幾何学的要
    素の変化、レーザ光線と熱線の集束が異なる時の色誤
    差、およびレーザ光線と熱線を同軸的に調節する時の調
    節誤差、のうち少なくとも１つが、粉体（Ｐ）の表面上
    の検出面（Ｅ）の位置に依存して考慮されるように補償
    することを特徴とする、粉体を焼結するための方法。
  9. 【請求項９】 補正係数を、少なくとも１つの、位置に
    依存する誤差原因に対して、粉体（Ｐ）の表面上の検出
    面（Ｅ）の位置に依存して、表から読み取り、考慮す
    る、請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の
    位置とは無関係に、移動する検出面（Ｅ）の大きさをほ
    ぼ一定に保つ、請求項８または９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 移動する検出面（Ｅ）の大きさを、動
    力学的再集束によって、ほぼ一定に保つ、請求項１０記
    載の方法。
  12. 【請求項１２】 移動する検出面（Ｅ）の大きさを、Ｆ
    -シータ光学系によって、ほぼ一定に保つ、請求項１０
    記載の方法。
  13. 【請求項１３】 検出面（Ｅ）に渡って平均化された温
    度が検出される、請求項８から１２までのいずれか１項
    記載の方法。
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