JP2001504897A - 融点における選択的レーザー焼結 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、成型品（鋳造品）を製造する方法に関する。特に製品のプロトタイプまたは部材、工具のプロトタイプまたはスペアパーツを、成型品モデルの三次元ＣＡＤデータに従って、粉末の金属材料の層を形成することによって、製造する方法に関する。粉末の数層は連続して別の層の一番上に１つずつ層を形成させることで積層される。ここで、次の層を形成する前に、成型品のモデルの選択的断面積に相当する特定の領域に集束したレーザー光線をあてることによって、一定の温度まで粉末の各層を加熱する。粉末の各層をその下の層に固定する方法で、モデルの選択的断面領域のＣＡＤ断面データに従って、レーザー光線を粉末の各層にあてる。この方法の特徴は、粉末状の金属材料を結合剤または融剤を含まない金属粉末を適用すること、融点になるまでレーザー光線で金属粉末を加熱すること、上記のレーザー光線衝撃点で金属粉末の層が完全に溶融するように、レーザー光線のエネルギーを選択すること、レーザー光線の各ランが部分的に前のランに重なるような方法で、いくつかのランが粉末の特定領域を通過するようにレーザー光線をあてること、そしてレーザー光線と金属粉末の相互作用部分より上を保護ガス雰囲気で維持することである。

Description

【発明の詳細な説明】 融点における選択的レーザー焼結 本発明は、成型品（鋳造品）を製造する方法に関する。特に製品のプロトタイ プまたは部品（部材）、工具のプロトタイプまたはスペアパーツを、成型品モデ ルの三次元ＣＡＤデータに従って、粉末の金属材料の層を形成することによって 、製造する方法に関する。粉末の数層は、連続して別の層の一番上に１つずつ層 を形成させることで積層される。ここで次の層を形成する前に、成型品のモデル の選択的断面積に相当する特定の領域に集束したレーザー光線をあてることによ って、一定の温度まで粉末の各層を加熱する。粉末の各層をその下の層に固定す る方法で、モデルの選択的断面領域のＣＡＤ断面データに従って、レーザー光線 を粉末の各層にあてる。 競争の激化により、企業は常に高品質で経済的に製品を製造するだけでなく、 益々製品開発の領域における時間とコストの節約をするように強いられる。製品 の寿命は、継続的に短くなっている。製品の品質およびコストだけでなく、製品 を市場に導入するタイミングが製品の成功のために益々重要になってきている。 多くの産業部門では、プロトタイプを大量生産の前に製造して、試験準備の中 で機能的な部材であるかどうかという試験目的のためにプロトタイプを取り付け ることが必要である。好ましくは、かかるプロトタイプはシリーズ製品に対して 形状だけで対応するのでなく、適用の間にかかるプロトタイプを試験できる材料 という点でシリーズ製品にできる限り近いものでなければならない。 上記の理由に基づいて、上記目的のための技術、すなわちステレオリソグラフ ィーとして知られている技術が開発された。ステレオリソグラフィーにおいては 、製造されるプロトタイプは、個々の層に分けられ、製造されるプロトタイプに ついての個々の層のデータが製造装置に提供される。かかる製造装置は、液体を 硬化させるために製造されるプロトタイプの形状および範囲に応じて紫外線が通 過する、紫外線硬化樹脂液入りの液体浴からなる。次に、設定されたデータに従 って第２の被覆を硬化させるために、この第一の層を決められた層の厚さまで低 下 させる。モデルまたはプロトタイプ全体が作成されるまで一層ずつこの工程を続 ける。薄いパイプ壁、空洞、または互いに関連する部材は、シリーズ製品に対応 する方法で製造され得る。層の仕切りの程度により、すなわち硬化した各層の厚 さにより、湾曲部でさえ細かく作成され得る。 紫外線を使って合成材料を硬化し、または重合するステレオリソグラフィーと は別に、金属粉末材料焼結体のプロトタイプを作る方法が知られている。かかる 方法は、ＰＣＴＷＯ９２／１０３４３に記載されている。この文献に記載の部材 を製造する方法によれば、焼結され得る粉末の第一の層を堆積させ、製造される 部分の層領域に従って粉末を焼結する。次に、新しい層を前に焼結した層に各回 ごとに積層し、そしてこれらの層が個々の層または製造される部材の断面領域に 対応するような方法でかかる方法を繰り返す。 １９９６年版４３号の"ＢＬＥＣＨ ＲＯＨＲＥ ＰＲＯＦＩＬＥ"「金属薄板 のパイプ・プロファイル」という雑誌の３１７ページから３１９ページまでに記 載されているＨｅｉｎｚ Ｈａｆｅｒｋａｍｐｔらの［金属薄板形成器具のレー ザー光線による焼結］で知られた方法は、集束したレーザー光線を使って前に積 層した金属粉末の層の中に、局部焼結または溶融によって金属構造を確立する方 法である。各々が０．１ｍｍから０．２ｍｍの厚さであるいくつかの層が別の層 の上に１つずつ形成され、保護アルゴンガス雰囲気中でレーザー光線でそれぞれ 照射される溶融を活用して、結合添加物を含まない粉末の材料で金属構造を製造 する。 ステレオリソグラフィーまたは金属粉末の焼結のような既存方法の共通した欠 点は、例えば自動車の排気管エルボのようなすぐに使用できるような応用に採用 され得る金属のプロトタイプの製造に直接利用できないことである。製造された 部材は、特に高温で高圧を加えられた時、操作機能テストができない合成材料、 金属、蝋または紙でできている。 焼結方法については、上記に引用された文献の通り、基本的に既存方法は２つ ある。そのひとつは直接焼結で、もうひとつは間接焼結である。間接焼結におい ては、金属粉末材料をポリマーまたはそれ自体が焼結できない金属に必要な焼結 剤のような別の焼結可能な薄板材料で被覆する。焼結工程では、ポリマー材 料または被覆材料だけを溶融または焼結してこの工程で金属粒子を結合させる。 しかし、この方法で製造されるいわゆるブランクには、まだ別の工程で後処理を 行う必要がある。その後処理とは、例えばポリマー材料でできている結合剤の表 面を滑らかにすること、または焼却することである。あるいは、後焼結および浸 透によって、かかる部材は、通常高密度化し硬化しなければならないが、その結 果収縮したり変形したりすることがあり得る。直接焼結では、粉末混合物は、低 融点材料と高融点材料からなる。処理中は、低融点部分だけが溶融し、それが高 融点粉末粒子の結合剤としての役割をする。かかる工程には、製造された部材の 密度は８０％未満で強度が劣っているという欠点がある。このため、直接的なテ ストまたは操作条件または極端な試験条件のもとでもかかる方法を変更したもの についても、かかる部材を使用できない。 ステレオリソグラフィーまたは金属粉末の焼結のような既存方法の共通した欠 点は、例えば自動車の排気管エルボのようなすぐに使用できるような応用に採用 され得る金属のプロトタイプの製造に直接利用できないことである。製造された 部材は、特に高温で高圧を加えられた時、操作機能テストができない合成材料、 金属、蝋または紙でできている。 焼結方法については、上記に引用された文献の通り、基本的に既存方法は２つ ある。そのひとつは直接焼結で、もうひとつは間接焼結である。間接焼結におい ては、金属粉末材料をポリマーまたはそれ自体が焼結できない金属に必要な焼結 剤のような別の焼結可能な薄板材料で被覆する。焼結工程では、ポリマー材料ま たは被覆材料だけを溶融または焼結してこの工程で金属粒子を結合させる。しか し、この方法で製造されるいわゆるブランクには、まだ別の工程で後処理を行う 必要がある。その後処理とは、例えばポリマー材料でできている結合剤の表面を 滑らかにすること、または焼却することである。あるいは、後焼結および溶浸に よって、かかる部材は、通常高密度化し硬化しなければならないが、その結果収 縮したり変形したりすることがあり得る。直接焼結では、粉末混合物は、低融点 材料と高融点材料からなる。処理中は、低融点部分だけが溶融し、それが高融点 粉末粒子の結合剤としての役割をする。かかる工程には、製造された部材の密度 は８０％未満で強度が劣っているという欠点がある。このため、直接的なテ ストまたは操作条件または極端な試験条件のもとでもかかる方法を変更したもの についても、かかる部材を使用できない。 従来の方法から生じる上述の課題および従来技術から始めて、本発明の目的は 、特に最低でもシリーズ製品がさらされる条件に相当する条件下でのテストが可 能である製品または部材のプロトタイプのような成型品を製造することである。 本発明によってかかるプロトタイプは、少なくとも完成品の強度および密度に近 づき、広範囲の修正段階が特別には必要でなくなる。 本発明では上述の方法から始まり、結合剤または融剤を含まない金属粉末の形 で金属粉末を適用すること、融点になるまでレーザー光線で金属粉末を加熱する こと、レーザー光線衝撃点で金属粉末の層が完全に溶融するようにレーザー光線 のエネルギーを選択すること、レーザー光線の各ランが部分的に前のランに重な るような方法で、いくつかのランが粉末の特定領域を通過するようにレーザー光 線をあてること、そしてレーザー光線と金属粉末の相互作用部分より上を保護ガ ス雰囲気で維持することで本発明の目的が達成される。 金属粉末の材料は、結合剤および融剤を含まず、それぞれの時点で融点まで加 熱されるため、その層の厚みが完全に溶融される。そして使用する金属粉末の金 属の種類しだいで高温と高圧を加えられた時のどちらでも作業条件下でテストす ることができるような非常に密度の高いすぐれた強度の成型品を製造できる。こ の点に関して、金属粉末材料の層が、溶融工程の間にレーザー光線が通るランに 沿って、下に位置する既に溶融した層に透過すること、隣り合う領域がお互いに 溶け合うこと、そしてそのため溝または他の転移領域が生成されないことが重要 である。かかる重なり合いによって、金属粉末の溶融および隣り合う領域の溶融 、前に溶融したまたは粉末の層の下に位置する固体形状が一緒に溶融され、組み 合わせの溶融浴となり、この溶融浴が溶融金属結合を形成し、硬化後に均質の構 造を形成する。 この点においては、酸化が原因であるような不良品を回避するために、処理す る間にレーザー光線と金属粉末材料の間の相互作用領域において保護ガス雰囲気 を維持することも重要である。本発明によって、高い強度と非常に高密度を有す る、部材を製造できるだけでなく、材料の種類にかかわらず例えばステンレス鋼 、 アルミニウムまたはチタンなどの粉末状の様々な金属材料を使用して、製品に近 い最も重要なものをいくつか指定することができる。また、従来の焼結材料に比 べて、現在では高融点材料が使用されている。金属粉末には、事前処理が必要で なく、それほど限定されずに市場で入手可能な粉末を使用することができる。注 意すべき唯一の限定は、金属粉末の材料は、薄い個々の層を完全に形成すること ができるぐらい微細な粒子でなければならないということである。 上述の通り、隣り合うラン間のラン距離、すなわちレーザー光線によって溶融 されるランの距離の選択は、既に硬化したランも含んでいる十分に広い領域を溶 融することによって、後に溶融する各々のランを、前のランの中に溶融するよう な方法でランが重なるようにすることが重要である。かかる方法については、隣 り合うランのラン距離△ｙ_sは、ｄｓが溶融物の平面におけるレーザー光線の直 径である式２＞ｄｓ/△ｙｓ＞１.５に従うことが有益であると証明されている。 その上、レーザー光線の直径は、０．２ｍｍと０．５ｍｍとの間でなければなら ず、好ましくは約０．３５ｍｍである。例えば、レーザー光線の直径が０．５ｍ ｍと仮定し、上記に示された条件であると考えれば、レーザー光線は既に硬化し た前のランと、０．２５ｍｍという直径で重なり、前のランは再度溶融される。 隣り合い、硬化したランが十分残りの熱があり、融点までレーザー光線でラン をより早く加熱できる場合、前に硬化し、再度溶融したランと溶融した金属粉末 は特に良好な溶融と結合を達成できることがわかっている。この達成のために、 成型品の層状構造の各層は、それぞれレーザー光線が連続して通過する走査ベク トル長さに分けられる。これは、レーザー光線は一方向に短いラン長さだけ移動 し、その後前に溶融された金属粉末の層の次に戻るために逆方向へ動くことを意 味する。この逆向きの配列により、溶融され硬化した金属粉末材料がまだかなり 熱を有している場所に正しくレーザー光線をあてる。かかる走査ベクトルの長さ は最大２０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍに設定しなければならない。すなわち、レ ーザー光線は、その最後のランに対して平行に走査するために非常に短い距離を 通過するだけで方向を逆にする。すなわち、データ処理システムにより、レーザ ー光線が溶解する面に飛ぶことなく、前に溶融した層中に含まれる残熱を最大限 に利用するように、連続して少しずつ層全体をカバーするような方法で、部分領 域が分割される。 最大長走査ベクトルの長さは、レーザー光線の走査方向に部分領域の幅よりも 短いと考えることも望ましい。すなわち、レーザー光線は、長い帯状の金属粉末 の層の部分をその走査方向に対して垂直に走査し、溶融させる。 粉末被覆とレーザー光線の相互作用を強化するために、金属粉末層の法線面に 特定の角度、好ましくは４５度の角度でレーザー光線をあてなければならない。 かかる方法によってレーザー光線は、金属粉末の層の法線面に対して平行に同じ 強さのレーザー光線を当てた場合よりも深く浸透する。 金属粉末を均一に溶融して、転移の少ない結合を生成するために既に硬化して いる材料の十分な部分を再度溶融する毎に、０．０５ｍｍから０．２ｍｍとの間 での望ましい厚さで、好ましくは、約０．１ｍｍの厚さで金属粉末の層にレーザ ー光線を当てる。 レーザー光線の走査速度は、５０ｍｍ／ｓｅｃと１５０ｍｍ／ｓｅｃとの間の 値、好ましくは約１５０mm/secに設定する。 金属粉末の材料の粒子は、１００μｍ未満、好ましくは１０μm〜５０μmまで の平均の粒径である。エネルギー密度値が、鋼、チタン、およびアルミニウムの ような金属について良い結果を得られるように、溶融領域のエネルギー密度値は 、１Ｊ／ｍｍ²と３Ｊ／ｍｍ²との間に保つ。 酸化による被覆および溶解物の表面の汚れのために、硬化した輪郭の溶融物と 粉末の溶融物との間の結合が妨げられることが多い。このため、溶融物の酸化、 特に空気中の酸素による酸化を避けなければならない。そして適切な保護ガスの 配置によって、処理部分の周りの雰囲気から汚れを除去する。この目的の為に、 成型品を作成するために金属粉末の材料を溶融する間、成型品の表面上に層状保 護ガスの充満を維持する。保護ガスの例は、窒素、ヘリウムまたはアルゴンであ る。表面領域の中で個々の金属表面の酸化の原因になり得るガスだけでなく、金 属粉末材料間に入り込んだガスも除去できるようにするには、十分な充填が必要 である。金属粉末の材料が暖められ、特にガスが放出される時、流れている保護 ガスによって、これらのガスは連続して除去される。この層流により、成型品の 構造には不利になり得る粉体層の中で金属粉末の材料を攪拌しないというさらな る利点も与えられる。保護ガスで作られる成型品の表面領域全体をカバーするた めに、保護ガスは、好ましくは片側から成型品に保護ガスを送り込み、成型品の 反対側である別の側から除去される。保護ガスの流量を制限し、層の流れを決め るために、作成される成型品の上に少流量、好ましくは、成型品より上２０ｍｍ 以下の範囲で保護ガスを保持する。保護ガスは、０．１ＭＰａ以上、好ましくは ０．２ＭＰａと０．６ＭＰａの間の範囲の圧力に保たれなければならない。必要 な場合、ノズルを使って保護ガスを各々の溶融された領域の中に保持することも できる。このようなノズルは、レーザー光線の移動とともにまたは１つの部分領 域から次の部分領域まであてることができる。さらに、走査ベクトルの方向に対 して垂直である部分領域の範囲内でそれを当てることもできる。 本発明の方法のさらなる詳細および特徴、ならびにかかる方法を実行する装置 は、添付図面を参照しながら以下の典型的な実施態様の説明をみることにより、 より容易に明確になる。その図面は以下の通りである。 図１は、本発明の方法に従って成型品を製造する装置の概略図である。 図２は、オーバーヘッド図としてレーザー光線のラン距離の概略図である。その 図では、金属粉末材料の粉末層の一部が溶融されており、別の部分では、金属粉 末の粒子を見ることができる。 図３Ａから３Ｃは、硬化形状と溶融粉末の間の溶融金属結合の製造に関する３枚 連続の説明図である。 図４は、部材を示し、その部材の部分領域は走査ベクトル長さに分けられている 。 図５は、本発明の方法に従って製造された鋼製の見本の断面図を示している。 図６Ａは、プロセスチェンバの中のガスの流れを説明するための装置の概略側面 図である。 図６Ｂは、図６Ａの装置のオーバーヘッド図である。 図７Ａは、図６Ａの装置を示す。ガスノズルを使ってガスの流れを通用する。 図７Ｂは、図７Ａの装置のオーバーヘッド図である。 図１に示すように、本発明に係る方法を実施するために利用される装置は、プ ロセス・チェンバ１を含み、プロセス・チェンバ１の上部隅には、保護ガス吸入 口２、反対側の基底面４の隅には、保護ガス排出口３が備えられている。プロセ ス・チェンバ１の基底面４の一方側には、金属粉末６の入った貯蔵容器５が取り 付けられ、また、他方側には、ビルド・アップ・チェンバ７が取り付けられてい る。チェンバ５、７には、それぞれリフト・テーブル８、９が設置され、リフト ・テーブルは、それぞれ引上ピストン１０によって、両矢で示されたｚ方向に可 動する。プロセス・チェンバ１の上部の、ビルド・アップ・チェンバ７の領域側 には、レーザー１２が発したレーザー光線１３をリフト・テーブル９に向けて送 る、走査装置１１が設置される。レーザー１２、走査装置１１，保護ガスを保護 ガス吸入口２に供給するポンプ２５、および二つの引上ピストン１０の駆動機構 １４は、符号のつけられていない制御線によって中央演算処理装置（ＣＰＵ）１ ５につながっている。 例えば、部材１６のプロトタイプのような成型品を製造するには、まず、その 部材の座標が３次元的に、すなわち、ｚ方向に分割されたカットが個々に、入力 ユニット１７を介してＣＰＵ１５へ入力される。カットは、部材１６のｚ方向に ０．１ｍｍ間隔でなされ、例えば、１０００カットであれば、ｚ方向に１０ｃｍ の構造上の高さを有する部材ということになる。部材データが適切に処理された 後、ビルド・アップ・チェンバ７内のリフト・テーブル９が、第一の上部位置ま で移動する。つまり支持面１８が、基底面４のレベルまで移動する。貯蔵容器５ のリフト・テーブル８は、下部の位置に、例えば、図１で示された位置まで移動 し、部材１６を形成する金属の微粒子粉末６が貯蔵容器５に満たされる。微粒子 粉末６の粒径は、１０μｍ〜１００μｍの間の範囲内であり、実際の粒径は、部 材の仕様によって異なる。図１で矢印によって図示されたレベリング装置１９を 使って、このレベリング装置１９を矢印２０の方向に移動させることによって、 リフト・テーブル８を用いて基底面４より上に引上げられた金属粉末材料６を、 プロセス・チェンバ１の基底面４の一面に散布することにより、下面部４の上に 見られるような金属粉末材料の薄層が形成される。レベリング装置１９も、ＣＰ Ｕ１５に接続されており、形成される部材１６の一層分に相当する長さだけ、下 面部４より上の位置まで引上げられる。図からわかるように、これにより、薄い 粉末皮膜はリフト・テーブル９の上にも適用される。この準備処置が終了すると 、レーザー１２及び走査装置１１が作動し、レーザー光線１３は、支持面１８、 あ るいは座標に応じて、部材の最下層に相当する粉末を溶融するため、支持面上に 配置されている金属粉末材料に照射される。このため、図２で図示されるように 、レーザー光線１３は連続するランｎに沿ってｘ方向に移動し、図３Ａにも図示 されるように、金属粉末材料６を溶融する。部材１６の最下層Ｓが一旦形成され ると、リフト・テーブル９がΔｚ分の距離だけ下方に移動し、この第一の層Ｓの 最上面が、再び、ほぼプロセス・チェンバ１の基底面４のレベルになる。次に、 レベリング装置１９を再び作動させ、規定量の粉末層がその下の部材１６の層Ｓ の上に適用される。その後、粉末を溶融するため、部材の座標に応じて、レーザ ー光線１３が再びランごとに粉末上に照射される。金属粉末材料が溶融するだけ でなく、下方の層Ｓの表面及びそれぞれに隣接するランｎも溶融する。すなわち 、図２に示すように、ランｎ＋１に沿って移動するレーザー光線はランｎ上の一 部にも重なる。ここで、レーザー光線は、隣接するランの硬化した金属を溶融す るために、その直径の少なくとも３分の１は、前のラン上を移動する。その際、 ランｎの一部および、下方の層Ｓは、図３Ａに図示されるように溶融し、その結 果、図３Ｂにおいて符号番号２１で示された溶融部分が，レーザー光線の下方で 形成される。その後、溶融した粉末６は、図３Ｃで図示したように、前のランｎ の金属と共に硬化して、均質な層となる。このプロセスは、部材１６が完成する まで繰り返される。部材１６に示されるように、各々の時に接台された表面のみ ならず薄いウェブも形成し得ることがわかる。 前のランｎを基準にして、レーザー光線１３はこのランに平行に移動し、一般 式２＞ｄ_s／Δｙ_s＞１．５（式中ｄ_sはレーザー光線の直径を示し、Δｙ_sは隣接 するランの間の平均ラン距離を示す）を満たすように移動する。レーザー光線の 直径は、ｄ_s＝０．３５ｍｍで、ラン距離Δｙ_sは約０．２ｍｍである。 金属粉末材料６を完全に溶融するために、レーザー光線１３を使って金属粉末 材料６に照射される一般的なエネルギ一密度は、ステンレス鋼を処理する場合は 、２Ｊ／ｍｍ²の範囲である。このエネルギー密度は、例えば、典型的なレーザ ー・パワーが１００ｗ、光線の直径が約０．３〜０．４ｍｍ、図２に図示したｘ 軸方向の走査速度が約１４０ｍｍ／ｓｅｃ、粉末層の厚さ△ｚが０．１ｍｍの際 に実現される。 このプロセスに適切なレーザーは、使用する粉末の放射性吸収特性にもよるが 、ネオジムＹＡＧレーザー、ＣＯ₂レーザー及びダイオードレーザーである。 金属粉末材料６におけるレーザー光線１３の吸収率は、レーザー光線１３が粉 末層の法線面に対してある角度を持って、好ましくは４５度の角度で照射される 場合には非常に高くなる。なぜならば、レーザー放射は、角光線入射により、粉 末コーティングへより深く浸透し得るからである。いずれの空間角度もこの角度 を基準にして選択され得る。 金属粉末材料を均一に溶融する重要な手段は、隣接するランｎとその下の層Ｓ を基準にして、上述したように、隣接するランｎとランｎ＋１とを補い合うこと である。その際、レーザー光線１３の一部は粉末６を照射し、一方、別の一部は 前に処理されたランｎの硬化した輪郭を照射する。隣接するランの比較的平滑で 既に硬化した輪郭を照射するレーザー光線１３の一部は、溶融する粉末層を照射 するもう一部のレーザー光線よりも反射が非常に大きい。レーザー放射の吸収が 小さい部分を、隣接するランｎの表面上の既に硬化した輪郭を再溶融する程十分 にするには、レーザー光線を照射する際に、硬化した輪郭の温度ができる限り高 い状態である必要がある。これは、走査ベクトルの長さを限定すること、すなわ ち、レーザー光線が、次のランｎ＋１に移動する前に、ランｎに沿って極く短い 距離だけ移動することにより達成される。走査ベクトルが長い場合は、ランｎ＋ １が処理される前に一定の時間がかかる。この時間に、処理し終えたばかりのラ ンｎが冷却される。次のランが処理されると、前に処理したランは、照射してい るレーザー放射がもはやそれを再溶融できないほどまで冷却される。走査ベクト ルの長さが短い場合は、前に処理したランの冷却時間も短くなる。従って、処理 している最中のランのすぐ隣のランが冷却される時、ランの温度は依然として高 い状態にある。従って、照射しているレーザー放射は、既に硬化したランの表面 を再溶融するのに十分であり、粉末層の溶融部分は、図３Ａ〜３Ｃに図示される ように結合する。上記のパラメターを使うと、走査ベクトルの最大長は、約１０ ｍｍとなる。複雑な形状を形成するには、図４に示すように、部材の各層ｓを各 部分領域２２に分割するソフトウェアが使用され、各部分領域２２は、図示され た走査ベクトル２３に応じて、レーザー光線１３によってランごとに前後に移動 する。これは、次の走査ベクトル２３に沿って移動するために、レーザー光線の 向きを走査ベクトルの終わりで反転させるのに有利である。 図５は本発明の方法によって製造されたステンレス鋼部材の切断画像である。 図５を見れば、非常に均質で密度の高い成型品が、ごくわずかの介在物で形成さ れたということがわかる。部材の密度は、理論的材料密度の約９９％である。 硬化した部分及び粉末層を溶融する際に生じる問題は、金属材料表面の酸化で あり、それは、溶融プロセスにおける結合に逆作用を及ぼす。このため、図６Ａ 及び６Ｂにおいて、それぞれの矢で図示されているように、保護ガス層流２４を ビルド・アップ・チェンバ７の上部に発生させる。このために、例えば窒素、ヘ リウム、あるいはアルゴンの保護ガスが、保護ガス吸入口２を介して送られる。 図６Ａ及び６Ｂの場合には、保護ガス層流２４は、ポンプ装置２５を使って、プ ロセス・チエンバ１の上部から斜めに、スロット状に移動し、そして、反対側の プロセス・チェンバ１の基底面４の近くの下方部分で、スロット状の保護ガス排 気口３を介して排出される。保護ガス排出口３は、基底面４の近くの低い位置に あるので、保護ガス流２４はビルド・アップ・チェンバ７の上部より少し上に導 かれる。このように配置することにより、純粋な保護ガス雰囲気が、レーザー光 線によって溶融される粉末層の上部に維持されるだけでなく、粉末の隙間に隠れ た空気が除去される。保護ガス流の量を低く抑えるためには、プロセス・チェン バ１は非常に平坦に設計される必要があり、プロセス・チェンバ１の高さ２６は ２０ｍｍ以下である。保護ガス流の一般的な量は６０１／ｍｉｎであり、この部 分の圧力は０．２ＭＰａと０．６ＭＰａとの間であるべきである。 ビルド・アップ・チェンバ７より上に保護ガス流層を維持するためには、図６ Ａ及び図６Ｂのデザインの代わりに、図７Ａ及び図７Ｂで図示したようなデザイ ンにし得る。この別の実施態様では、保護ガス流２４はノズル２７を介して、溶 融する場所に送られる。このノズル２７は、局部的に限定した保護ガス流２４を 、溶融している場所で発生させる。粉末層６が溶融する全域に保護ガス流を供給 するために、ノズル２７はレーザー光線１３と一緒に移動する。ノズル２７の幅 が、走査ベクトルの最大長２３より大きい場合、溶融している部分は、走査方向 に対して水平方向には完全に遮蔽しているので、ノズル２７は、部分領域２２の 範囲 内で、走査方向に対し垂直にのみ移動する。この方法では、レーザー光線１３に よって溶融した部分に直接、効果的な層流を送ることができるので、粉末層の表 面の酸化や、前に溶融した表面と表面との境界での酸化が防止される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年２月１６日（１９９９．２．１６） 【補正内容】 １９９６年版４３号の"ＢＬＥＣＨ ＲＯＨＲＥ ＰＲＯＦＩＬＥ"「金属薄板の パイプ・プロファイル」という雑誌の３１７ページから３１９ページまでに記載 されているＨｅｉｎｚ Ｈａｆｅｒｋａｍｐｔらの［金属薄板形成器具のレーザ ー光線による焼結］で知られた方法は、集束したレーザー光線を使って前に積層 した金属粉末の層の中に、局部焼結または溶融によって金属構造を確立する方法 である。各々が０．１ｍｍから０．２ｍｍの厚さであるいくつかの層が別の層の 上に１つずつ形成され、保護アルゴンガス雰囲気中でレーザー光線でそれそれ照 射される粉末の材料で金属構造を製造する。［ここに３ａを挿入する］ ステレオリソグラフィーまたは金属粉末の焼結のような既存方法の共通した欠 点は、例えば自動車の排気管エルボのようなすぐに使用できるような応用に採用 され得る金属のプロトタイプの製造に直接利用できないことである。製造された 部材は、特に高温で高圧を加えられた時、操作機能テストができない合成材料、 金属、蝋または紙でできている。 焼結方法については、上記に引用された文献の通り、基本的に既存方法は２つ ある。そのひとつは直接焼結で、もうひとつは間接焼結である。間接焼結におい ては、金属粉末材料をポリマーまたはそれ自体が焼結できない金属に必要な焼結 剤のような別の焼結可能な薄板材料で被覆する。焼結工程では、ポリマー材料ま たは被覆材料だけを溶融または焼結してこの工程で金属粒子を結合させる。しか し、この方法で製造されるいわゆるブランクには、まだ別の工程で後処理を行う 必要がある。その後処理とは、例えばポリマー材料でできている結合剤の表面を 滑らかにすること、または焼却することである。あるいは、後焼結および浸透に よって、かかる部材は、通常高密度化し硬化しなければならないが、その結果収 縮したり変形したりすることがあり得る。直接焼結では、粉末混合物は、低融点 材料と高融点材料からなる。処理中は、低融点部分だけが溶融し、それが高融点 粉末粒子の結合剤としての役割をする。 この公知の方法は、例えば青銅およびニッケルといういくつかの材料の物理的混 合物からなる粉末システムを使用する。このため 「迅速試作製造」（ラピッド プロトタイピング）という名でも知られている当該原則に従い、物理的混合（多 材料システム）を使用する。ここでは、物理的混合物とは、１つの材料（青銅） の粉末粒子を別の材料（ニッケルまたはアルミニウム）の粉末粒子に混合すると いうことをいう。著しく融点が違う材料を組み合わせるような材料混合が選択さ れる。本文献では、第２節の１行目の「方法の原則」において局部焼結または層 の中に共に溶融すること、そして、後に溶融段階中にかかる処理を実行すること が述べられている。上述の「溶融段階」では、物理的粉末混合物の低融点材料に ついて言及している。例えば、青銅およびニッケルの材料混台物では900℃から1 ,000℃までが処理温度である。ニッケルの融点は1,455℃なので、900℃から1,00 0℃までの上記の温度範囲では青銅粉末粒子だけが溶融される。それは、青銅の 融点は900℃より低いと分類され得るからである。本文献の粉末システムは、結 合剤を含まないと記述されているが、しかし、特定の応用については、低融点材 料、つまり青銅は、固体相に残存する高融点材料粒子を結合することから、結合 剤であると見なされる。このことは、本文献の318ページ、第2段落6行〜10行目 においても明確に述べられている。「迅速な試作製造」によって製造された部材 の形成から、「初期材料の密度に対して100％より著しく低い」構造になる。（3 18ページ、最初の段落の３列目を参照）低強度、腐食性、ならびに低耐熱性のた め、機能的な部材としての適用の可能性が限定されているという追加的記述があ る（319ページ、２段落目の最後の４行を参照）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガッサァ，アンドレス ドイツ連邦共和国 アーヘンＤ―52066, アム パッペルヴァイヤァ32

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に、製品、部材または工具のプロトタイプまたはスペアパーツの成型品を 、成型品モデルの３次元ＣＡＤデータに従って、粉末状の金属材料の複数の 層を形成することによって成型品を製造する方法であって、 粉末の層が連続して数毎に重ねられ、 成型品モデルの選択断面に対応する特定の領域に集束したレーザー光線を照 射することにより、粉末の各層が次の層が重ねられる前に所定の温度にまで 加熱され、その粉末の各層をその下の層に固定するように、成型品モデルの 選択断面のＣＡＤ断面データに従って、レーザー光線がその各層の上に導か れ、 前記粉末状の金属材料が、結合剤及び融剤を含まない金属粉末状で適用され 、融点になるまで加熱され、金属粉末層が前記レーザー光線の衝撃点で完全 に溶融するように前記レーザー光線のエネルギーが選択され、前記レーザー 光線の各ランが部分的に前のランと重なるような方法で、複数のランにおい て粉末の所定領域に前記レーザ光線が導かれ、そして保護ガス雰囲気が前記 レーザー光線と前記金属粉末の作用領域より上に維持されることを特徴とす る成型品の製造方法。 ２．隣接するランとランとの間のラン距離△ｙ_sが一般式２＞ｄ_s／△ｙ_s＞１． ５に従って維持され、式中ｄ_sが溶融した面における前記レーザー光線の直 径であることを特徴とする請求項１に記載される成型品の製造方法。 ３．前記レーザー光線の直径が０．２ｍｍと０．５ｍｍとの間であり、好ましく は最大０．３５ｍｍに設定されることを特徴とする請求項２に記載される成 型品の製造方法。 ４．前記レーザー光線の直径が最大０．３５ｍｍに設定されることを特徴とする 請求項３に記載される成型品の製造方法。 ５．層状構造の各層が各部分領域に分割され、次に、各部分領域が前記レーザー 光線が連続的に移動する走査ベクトルの長さに分割されることを特徴とする 請求項３に記載される成型品の製造方法。 ６．前記走査ベクトルの最大長が２０ｍｍに設定されることを特徴とする請求項 ５に記載される成型品の製造方法。 ７．前記走査ベクトルの最大長が略１０ｍｍに設定されることを特徴とする請求 項６に記載される成型品の製造方法。 ８．前記走査ベクトルの各々の長さが、前記レーザー光線の前後の動きで処理さ れることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載される成型品の製造方法 。 ９．前記レーザー光線が、粉末層の法線面に対してある角度で照射されることを 特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載されることを特徴とする 成型品の製造方法。 １０．レーザー光線が粉末層の法線面に対して略４５度の角度で照射されること を特徴とする請求項９に記載される成型品の製造方法。 １１．金属粉末材料から成る前記粉末層の各々が０．０５ｍｍと０．２ｍｍとの 間の厚みで適用されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか に記載される成型品の製造方法。 １２．金属粉末材料から成る前記粉末層の各々が、略０．１ｍｍの厚みで適用さ れることを特徴とする請求項１１に記載される成型品の製造方法。 １３．前記レーザー光線の走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃと２５０ｍｍ／ｓｅｃと の間の値に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか に記載される成型品の製造方法。 １４．前記レーザー光線の走査速度が、略１５０ｍｍ／ｓｅｃの値に設定される ことを特徴とする請求項１３に記載される成型品の製造方法。 １５．前記溶融した部分に１Ｊ／ｍｍ²と３Ｊ／ｍｍ²との間のエネルギー密度が 発生することを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載される 成型品の製造方法。 １６．前記金属粉末材料が溶融して成型品を形成する間、保護ガス流が前記成型 品の表面に維持されることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか に記載される成型品の製造方法。 １７．前記保護ガス流が前記成型品の一方側に供給され、他方側で除去されるこ とを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載される成型品の製 造方法。 １８．前記保護ガス流が、形成される前記成型品より上に、狭い範囲の限定され た量で維持されることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載される 成型品の製造方法。 １９．前記保護ガス流が、形成される前記成型品より最大２０ｍｍ上で維持され ることを特徴とする請求項１８に記載される成型品の製造方法。 ２０．前記保護ガスが、０．１ＭＰａより大きな圧力で維持されることを特徴と する請求項１６乃至請求項１９のいずれかに記載される成型品の製造方法。 ２１．前記保護ガスが、０．２〜０．６ＭＰａの圧力で維持されることを特徴と する請求項２０に記載される成型品の製造方法。 ２２．前記保護ガス流が、各溶融した部分の領域にノズルを使って維持され、該 ノズルが前記レーザー光線と共に導かれることを特徴とする請求項１６に記 載される成型品の製造方法。 ２３．前記粉末状の金属材料の粒径が、１００μｍ未満であることを特徴とする 請求項２２に記載される成型品の製造方法。