JP2002503632A5 - - Google Patents
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Description
【書類名】明細書
【発明の名称】粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法およびその装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザによる粉体または粉体混合物のプロトタイプ迅速形成方法において、
(1)作製される対象１２の三次元表現から前記対象（１２）の一連のデジタル化多層横断面１０を得る工程と、
(2)粉体または粉体混合物の焼結温度に近い温度に加熱した前記粉体または前記粉体混合物を薄層１４の形状に広げる工程と、
(3)前記作製される対象（１２）のデジタル化多層横断面のうちの一層（１０´）に相当する層の選択された部分（１８）をレーザビーム１６で掃過して当該層を焼結温度に上昇させる工程と
からなる工程を含み、
前記作製すべき対象のすべてのデジタル化多層横断面が得られるまで、前記工程(2)および(3)を反復し、層の前記選択された部分（１８）は、レーザからのエネルギー補足添加によって固相状態で焼結され、かつ、前記層（１４）の粉体または粉体混合物の密度が、焼結の前に増加される
ことを特徴とする粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項２】
前記粉体または粉体混合物は加熱され、およそ３００℃乃至９００℃の温度に保持されることを特徴とする請求項１記載のプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項３】
密度を増大するために前記薄層１４を機械的に圧縮することを特徴とする請求項１または２記載のプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項４】
使用するレーザが、パルスＹＡＧレーザであり、放射された放射波長は、短波長赤外域にあることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項５】
コンピュータ・インタフェースに従動する焼成制御装置３０を備えたレーザ２４と、
加熱手段７４およびレーザ２４のビーム３２の標的４３を備えた高温セル６２と、
前記セル６２内に配置され標的４３上に粉体の層９２を設置できる積層手段８６とを含み、
前記高温セル（６２）内に配置され焼結前に前記粉体の層（９２）を圧縮できる圧縮手段（８８）を含むことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成方法を行う装置。
【請求項６】
前記高温セル６２の下部が、２つの開口３４、３６を含む水平プレート２６によって区切られており、前記２つの開口が、第１シリンダ（３８）および第２シリンダ（４０）によってプレート２６の下方へ延長されており、
ピストン４４、４６が、各シリンダ内を並進でき、
ビーム３２の延長線上に配置された第１シリンダ３８が、標的４３を構成し、
第１シリンダの近傍に配置された第２シリンダ４０が、粉末状の原料を受容するタンクを構成し、
積層手段８６が、層９２の形状で粉体を配置するために粉体を第２シリンダから第１シリンダへ移送でき、圧縮手段８８が、前記粉体層９２を圧縮できることを特徴とする請求項５記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【請求項７】
前記２つのピストン４４、４６が、それぞれコンピュータ・インタフェースに従動する制御装置５２、５４を備えていることを特徴とする請求項６記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【請求項８】
前記高温セル６２の上部が、窓７８を含む断熱容器６０によって区切られており、
前記窓には、レーザビーム３２の延長線上に、濾波手段８０が設けられており、
前記濾波手段８０は、レンズ８２から構成され、レーザの近赤外線を前記高温セル６２の内部へ通過させるが、前記高温セル６２により構成される黒体からレーザへ放射された前記近赤外線を濾波することを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか１項記載プロトタイプ迅速形成装置。
【請求項９】
第１シリンダ３８内に配置されピストン４４の実際の高さを測定する手段５６を含むことを特徴とする請求項６〜８のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【請求項１０】
圧縮手段８８がローラ９４により実行され、積層手段８６が前記ローラ９４に接続されたスクレーパ９０により実行され、前記２つの手段８６、８８が、コンピュータ・インタフェースに従動する制御装置１００によって制御されることを特徴とする請求項５〜９のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体、特に、セラミック粉体の焼結によってプロトタイプを迅速に形成する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトタイプ迅速形成は、レーザで粉体多重層を焼結することによって、作製すべき部材の三次元イメージから工具を使用せずに且つ加工を要することなく複雑な形状の部材を得ることができるプロセスである。
【０００３】
粉体のレーザ焼結による第１のプロトタイプ形成法は、国際特許出願ＷＯ９６／０６８８１に記載されている。この方法によって、特に、ポリマー粉体を液相状態で焼結することによってポリマー製部材を得ることができる。この場合、レーザによって形成される温度レベルは、比較的低い。なぜならば、ポリマーの溶融温度は、高くなく、およそ１００度であるからである。この方法により、高強度の材料からなる部材を得たい場合は、いわゆる、ロストワックス成形法を利用する必要がある。高強度部材のこの製造プロセスは、時間がかかり、若干の用途に関して、得られる寸法精度は、若干の用途に関して、概ね並以下である。実際、各種プロセスによって誘起される多数のバラツキにもとづき、およそ±５０μｍの精密な寸法は得られない。
【０００４】
第２の方法は、材料の１つが比較的低くおよそ数百度の溶融温度を有するような粉体材料混合物を液相状態で焼結する方法である。この方法の場合、１つの材料の溶融温度が高くないので、レーザによって形成される温度レベルは、比較的低い。
【０００５】
ところで、一般に焼結と呼ばれる現象は、液相状態での焼結であり、粒子の接合により良く類似し、溶融温度の高くない材料が、接着剤として利用される。この場合、得られた部材は均一ではなく、寸法精度は概ね並以下である。実際、この場合、寸法精度の基準は重要ではない。なぜならば、作業者は、かくして得られた部材の面を加工によって容易に修正できるからである。
【０００６】
米国特許第５１８２１７０号に記載の他のプロトタイプ迅速形成方法は、連続層として配置した粉体材料をレーザで加熱してガスと反応させる方法である。この方法によれば、高強度のある種のセラミックから窒化または浸炭のタイプの化学反応にもとづき部材を得ることができる。しかしながら、この方法は、すべてのセラミックには適用できない。もちろん、先行技術によって、焼結したセラミック粉体から均一な部材を得ることはできない。なぜならば、セラミックの溶融温度は、極めて高いからである。
【０００７】
上記方法に関連する装置は、一般に、焼結粉体層を連続的に配置した標的と、粉体積層手段と、レーザ照準の操作手段とを含んでいる。作製された部材は、上端で標的を構成するシリンダ内を並進できるピストンの上面に置かれる。上記装置は、一般に、高くない温度において使用され、精密な寸法の部材を製造することはできない。特に、セラミック製部材の製造の場合、寸法精度は、本質的基準である。なぜならば、操作後に得られた面の修正は、ダイヤモンド工具によらなければ不可能であり、加工を考慮できず一時しのぎの簡単な手直しにとどまるからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実状に鑑みなされたもので、任意の粉体、特に、セラミック粉体のレーザ焼結による迅速なプロトタイプ形成方法と、ほぼ９００℃の高温において使用でき、およそ±５０μｍの、即ち、先行技術の装置によって得られる精度の１／２の高い精度の部材を粉体のレーザ焼結によって得ることができる関連の装置を提案することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法であり、請求項１に記載の方法は、レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法において、(1)作製すべき対象の三次元表現から上記対象の一連のデジタル化多層横断面を作製する工程と、(2)粉体または粉体混合物を固相状態で焼結する温度に近い温度に加熱した上記粉体または上記粉体混合物を薄層の形に展開する工程と、(3)前記薄層をレーザビームで掃過して当該層を焼結温度に保持し、かくして、作製すべき対象のデジタル化した横断面の１つに対応する選択した粉体部分をレーザエネルギの補足供給にもとづき固相状態で焼結する工程とからなる工程を含み、作製すべき対象のデジタル化したすべての多層横断面が得られるまで、前記工程(2)および(3)を反復することを特徴とし、
また請求項２に記載の方法は、レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法において、(1)作製すべき対象の三次元表現から上記対象の一連のデジタル化多層横断面を作成する工程と、(2)粉体または粉体混合物を固相状態で焼結する温度に近い温度に加熱した上記粉体または上記粉体混合物を薄層の形に展開する工程と、(3)前記薄層の粉体の密度を増大する工程と、(4)前記薄層をレーザビームで掃過して当該層を焼結温度に保持し、かくして、作製すべき対象のデジタル化した横断面の１つに対応する選択した粉体部分をレーザエネルギの補足供給にもとづき固相状態で焼結する工程とからなる工程を含み、作製すべき対象のデジタル化したすべての多層横断面が得られるまで、前記工程(2)、(3)および(4)を反復することを特徴とするものである。
さらに本発明に係る粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法は、前記(2)の工程において、粉体または粉体混合物の加熱保持温度をおよそ３００℃乃至９００℃の温度とすることを特徴とし、また前記(3)の工程において、前記薄層を機械的に圧縮してその密度を増大することを特徴とし、さらにまた使用するレーザが、パルスＹＡＧレーザであり、放射ビームの波長が、短波長赤外域にあることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明方法を実施するための請求項６に記載の装置は、コンピュータ・インタフェースに従動する焼成制御装置を備えたレーザと、加熱手段およびレーザのビームの標的を備えた高温セルと、前記セル内に配置され標的上に粉体層を設置できる積層手段とを含むことを特徴とするものである。
またこの装置は、高温セル内に配置され焼結前に粉体層を圧縮できる圧縮手段を含むことを特徴とし、さらに前記セルの下部が、２つの開口を含む水平プレートによって限定されており、前記開口が、第１、第２シリンダによってプレートの下方へ延長されており、ピストンが、各シリンダ内を並進でき、ビームの延長線上に配置された第１シリンダが、標的を構成し、第１シリンダの近傍に配置された第２シリンダが、粉末状の原料を受容するタンクを構成し、積層手段が、層の形で配置するために粉体を第２シリンダから第１シリンダへ移送でき、圧縮手段が、前記粉体層を圧縮できることを特徴とし、また前記２つのピストンが、それぞれコンピュータ・インタフェースに従動する制御装置を備えていることを特徴とし、さらにまた前記高温セルの上部が、窓を含む断熱容器によって限定されており、上記窓には、レーザビームの延長線上に、少なくとも１つのレンズから構成され、レーザの近赤外線をセルの内部へ通過させるが、セルを構成する黒体からレーザへ放射されたビームを濾波する濾波手段が設けてあることを特徴とするものである。またこの装置は、前記第１シリンダ内に配置されピストンの実際の高さを測定する手段を含み、さらに前記圧縮手段がローラから実行され、積層手段が前記ローラに結合されたスクレーパから実行され、前記２つの手段が、コンピュータ・インタフェースに従動する制御装置によって制御されることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法の原理を示す説明図で、（ａ）は作製すべき対象と多層横断面を示す説明図、（ｂ）はレーザによって粉体または粉体混合物を焼結する方法を示す説明図、図２は本発明方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図、図３は同上装置の横断面図、図４Ａ〜図４Ｅは同上装置の機能を概括的に示す縦断面図であり、１０は多層横断面、１２は作製すべき対象、１４は薄層、１６はレーザビーム、１８は選択した粉体部分、２０は本発明装置、２２はフレーム、２４はレーザ、２６は水平プレート、２８は上面、３０は焼成制御装置、３２はビーム、３４、３６は円筒形開口、３８は第１シリンダ、４０は第２シリンダ、４２はカラー、４４、４６はピストン、４８、９６は連接棒、５０はアーム、５２、５４は制御装置、５６は測定手段、５８は目視読取り式定規、６０は断熱容器、６２は高温セル、６４は絶縁結合手段、６６はボール、６８は止め具、７０は凹み、７２は断熱材料層、７４は加熱手段、７６は温度監視手段、７８は窓、８０は濾波手段、８２は重畳レンズ、８６は積層手段、８８は圧縮手段、９０はスクレーパ、９２は連続層、９４は圧縮ローラ、９８はアーム、１００は制御装置、１０２はキャビティ、１０４は粉体容積、１０６は層、１０８は第１接触点、１１０はゾーン、１１２は第２接触点である。
【００１２】
本発明の粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法を図１に基づいて説明する。
レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法は、(1)作製すべき対象１２の三次元表現から上記対象の一連のデジタル化多層横断面１０を作製する工程と、(2)粉体または粉体混合物を固相状態で焼結する温度に近い温度に加熱した前記粉体または前記粉体混合物を薄層１４の形に展開する工程と、(3)薄層１４の粉体の密度を増大する工程と、(4)薄層１４をレーザビーム１６で掃過して前記層を焼結温度に保持し、かくして作製すべき対象１２のデジタル化した横断面１０´の１つに対応する選択した粉体部分１８をレーザエネルギの補足供給にもとづき固相状態で焼結する工程とからなる工程を含み、作製すべき対象１２のデジタル化したすべての多層横断面１０が得られるまで、前記工程(2)、(3)および(4)を反復する。
【００１３】
すなわち本発明法では、前記工程(1)において、デジタル化した三次元イメージで示した対象１２をソフトウエアによってカットして一連のデジタル化多層横断面１０を形成する。そして、工程(2)において、セラミック粉体またはセラミック粉体混合物をおよそ２００μｍの厚さの薄層１４の形に展開する。対象の製造速度を増大し且つ前記レーザビーム１６によって加えられるエネルギを節減するため、セラミック粉体またはセラミック粉体混合物をあらかじめ加熱し、操作中、９００℃に保持する。続いて工程(3)において、例えば、圧縮によって薄層１４の密度を増大してその気孔率を減少する。かくして、およそ１００μｍの厚さの層１４が得られる。そして最終の工程(4)において、レーザビーム１６を照射して薄層１４の選択した粉体部分１８を固相状態で焼結してデジタル化多層横断面１０´の１つを再現する。この工程では、固相状態における焼結を利用する。即ち、焼結温度は、使用したセラミック粉体の溶融温度よりも低く保持する。かくして焼結時、第１段階において、粒子の継ぎ目と呼ばれる連結ゾーンが、接触粒子の間に形成され、次いで、第２段階において、粒子間の残存気孔は、拡散現象および塑性流動にもとづき消失する。焼結粉体が、あらかじめ、圧縮、加熱されていれば、この焼結は、より急速に進行する。また粉体の加熱によって、レーザのエネルギは、９００℃の粉体温度を焼結温度に上昇するのに必要な熱量を与えるのに利用されるに過ぎない。従って、レーザによって与えられるエネルギが減少され、対象の製造速度が増大される。更に、セラミック粉体の薄層１４をあらかじめ圧縮することによって、粉体の気孔率が減少され、かくして、焼結開始時、残存気孔率は大きくなく、更に、製造速度が増大される。
【００１４】
なお使用するレーザは、パルスＹＡＧレーザであり、放射ビームの波長が短波長赤外域にあれば好ましい。更に詳細に云えば、レーザビームは１０６４ｎｍの波長を有する。
【００１５】
赤外線を吸収しないセラミック粉体の場合、ドーピング剤（例えば、ケイ酸ジルコニウム）を利用する。かくして得られた混合物は、レーザから放射された赤外線を吸収する。
【００１６】
上記レーザ焼結による本発明のプロトタイプ迅速形成法は、任意のセラミック粉体またはその混合物の焼結に利用できる。
【００１７】
次に、本発明方法を実施するための装置を図２、図３に基づいて説明する。図２、図３に示す装置は、セラミック粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成法を実施するための装置であり、作製すべき対象の三次元イメージから上記対象を複数の層にカットできるコンピュータ・インタフェース（図示してない）に配してある。
【００１８】
本発明装置２０は、レーザ２４の下方に設置されたフレーム２２と、フレーム２２の上部に設置され上面２８で作業面を形成する水平プレート２６とを含む。前記レーザ２４は、コンピュータ・インタフェースに帰属し且つ特にビーム３２を配向できる焼成制御装置３０を含む。プレート２６は、円筒形開口３４、３６の径に等しい内径を有する第１シリンダ３８および第２シリンダ４０によってプレート２６の下方へ延長された２つの円筒形開口３４、３６を含む。各シリンダは、カラー４２にもとづき、プレート２６の内面に図示してない固定手段（例えば、ネジ）によって固定されている。
【００１９】
開口３４から延長された第１シリンダ３８は、作業シリンダと呼ばれる。この第１シリンダ３８は、レーザビーム３２の下方に設置され、作業面を形成する上面２８と面一のシリンダ上端は、前記ビーム３２の標的４３を形成する。補足して、円筒形開口３６から延長され第１シリンダ３８の近傍に配置された第２シリンダ４０は、セラミック粉体からなる素材を貯蔵するのに役立つ。
【００２０】
ピストン４４、４６は、第１シリンダ３８および第２シリンダ４０内をそれぞれ並進変位されるよう構成されている。各ピストン４４、４６は、制御装置５２、５４に結合された各アーム５０に下端を固定した連接棒４８の上端に固定されている。前記制御装置５２、５４は、例えばステップモータから構成され、前記ピストンの上下動を制御するコンピュータ・インタフェースに帰属する。
【００２１】
ピストン４４の上面の実高さの測定手段５６は、機械的結合に起因する寸法バラツキおよび／または各要素の膨張による変形を補償しておよそ±５０μｍの寸法精度を達成するよう構成されている。この測定手段５６は、フレーム２２に第１シリンダ３８の近傍に固定された垂直な目視読取り式定規５８から構成されている。
【００２２】
断熱容器６０は、プレート２６とともに、プレート２６の上部に、高温セル６２を形成できる。プレート２６は、フレーム２２の方向のプレート２６の膨張に起因する変形の伝達を制限できる絶縁結合手段６４によってフレーム２２に結合されている。好ましい実施例にもとづき、この絶縁結合手段６４は、一方では、プレート２６が置かれるフレーム２２の上部に設けたボール６６を含み、他方では、フレーム２２の凹み７０（図３）に置かれプレート２６の側面に固定された止め具６８を含む。なお高温セル６２をできる限り断熱するため、補足して、断熱材料層７２がプレート２６の下方に設けてある。
【００２３】
他方、セル雰囲気をおよそ９００℃の温度に加熱するため、抵抗器から構成された加熱手段７４が高温セル６２の内部に設けてある。補足して、熱電対からなる温度監視手段７６は、セル内部の温度を調節できる。
【００２４】
第１シリンダ３８に実質的に等しい径の窓７８が、ビーム３２および第１シリンダ３８に垂直に断熱容器６０に構成されている。この断熱性の窓７８は、レーザの近赤外線を第１シリンダ３８の方向へ透過するが、高温セル６２を構成する黒体へレーザ２４から放射された光を濾波する濾波手段８０を含む。この濾波手段８０は、作動時、レーザ２４のヘッドの昇温を制限できる。前記濾波手段は、レンズホルダ８４に設置され高温に耐える２つの重畳レンズ８２から構成されている。
【００２５】
積層手段８６および圧縮手段８８は、第１シリンダ３８および第２シリンダ４０の中心を結ぶ直線によって定められた方向へ上面２８上を並進運動できる。このうちスクレーパ９０から実行された積層手段８６は、第２シリンダ４０から第１シリンダ３８へ向かってセラミック粉体を移送して、等厚の連続層９２の形の粉体を第１シリンダ３８内に配置する。また圧縮ローラ９４から実行された圧縮手段８８は、焼結前に連続層９２の粉体を圧縮できる。
【００２６】
圧縮ローラ９４の各端部に設置された２つの連接棒９６は、積層手段８６および圧縮手段８８の制御装置１００に結合されたアーム９８に固定された圧縮ローラ９４にスクレーパ９０を結合できる。ステップモータから実行されたこの制御装置１００は、同じく、以下に説明する如くピストン４４、４６の変位と同時にスクレーパ９０同じくローラ９４の変位を管理するコンピュータ・インタフェースに帰属する。
【００２７】
作業面を形成する上面２８には、開口３６に直径方向に対向する開口３４の側に、更に、キャビティ１０２が構成されている。このキャビティは、スクレーパ９０が第２シリンダ４０から第１シリンダ３８へ向かって粉体を移送する際に、過剰の粉体を受容できる容積を有する。
【００２８】
次に、同上装置の機能を図４Ａ〜図Ｅに基づいて説明する。
まず図４Ａのプロセスの段階０において、第１シリンダ３８のピストン４４は、２００μｍだけ下降し、一方、第２シリンダ４０のピストン４６は、２００μｍだけ上昇し、セラミック粉体の容積１０４が上面２８の上方に置かれる。
【００２９】
図４Ｂに示す段階１において、スクレーパ９０は、セラミック粉体の容積１０４を押圧し、第１シリンダ３８内に層１０６の形に均一に展開する。粉体容積１０４は、第１シリンダ３８内の粉体の不足を回避し、上面２８と面一の層１０６を得るのに十分でなければならない。
【００３０】
図４Ｃに示す段階２において、スクレーパ９０は、粉体容積１０４の展開を終了しており、ローラ９４は、第１シリンダ３８に対する前記ローラの第１接触点１０８の近傍にある点Ａに位置する。この時点において、第１シリンダ３８のピストン４４は、１００μｍだけ上昇し、従って、層１０６の一部は、上面の上方に置かれる。かくして、ローラ９４は、点Ａから第１シリンダ３８に対する前記ローラの第２接触点１１２の近傍にある層１０６の表面にある点Ｂまで延びる層１０６のゾーン１１０を圧縮する。
【００３１】
図４Ｄに示す段階３において、第１シリンダのピストン４４は、１００μｍだけ下降することにより、この第１シリンダ３８の縁の圧縮は避けられる。ローラ９４およびスクレーパ９０は、図４Ａに示した最初の位置にもどる。
【００３２】
図４Ｅに示した段階４において、圧縮されたゾーン１１０にあるセラミック粉体は、本発明の方法にもとづき、焼結され、かくして、対象の形状が得られる。焼結後、第１シリンダのピストンは、１００μｍだけ下降し、第２シリンダ４０のピストン４６は、２００μｍだけ上昇し、かくしてセラミック粉体の新たな容積１０４´が上面２８の上方に置かれ、段階１への移行が行われる。
【００３３】
かくして、所望の対象が得られるまで新しい各層について、段階１、２、３および４が反復される。これらのすべての段階中、加熱手段７４は、およそ９００℃の温度にセル６２を保持する。かくして焼結粉体は既に、およそ９００℃の温度にあり、従って焼結に必要なエネルギ量が制限され、対象製造速度が増大される。
【００３４】
なおここでは、セラミック粉体からの部材の製造に関して説明したが、本発明方法および装置は、異なるパラメータを単に適用することによって、任意の材料の粉体、特に、金属粉体から部材を製造にも容易に適用できることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明方法によれば、任意の粉体、特にセラミック粉体のレーザ焼結により、作製すべき部材の三次元イメージから工具を使用せずに且つ加工を要することなく複雑な形状の部材を得ることができ、また本発明装置によれば、ほぼ９００℃の高温において使用でき、およそ±５０μｍの、即ち、先行技術の装置によって得られる精度の１／２の高い精度の部材を粉体のレーザ焼結によって得ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法の原理を示す説明図で、（ａ）は作製すべき対象と多層横断面を示す説明図、（ｂ）はレーザによって粉体または粉体混合物を焼結する方法を示す説明図である。
【図２】
本発明方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図である。
【図３】
同上装置の横断面図である。
【図４Ａ】
同上装置による粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成プロセスの段階０における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｂ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階１における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｃ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階２における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｄ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階３における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｅ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階４における状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 多層横断面
１２ 作製すべき対象
１４ 薄層
１６ レーザビーム
１８ 選択した粉体部分
２０ 本発明装置
２２ フレーム
２４ レーザ
２６ 水平プレート
２８ 上面
３０ 焼成制御装置
３２ ビーム
３４、３６ 円筒形開口
３８ 第１シリンダ
４０ 第２シリンダ
４２ カラー
４４、４６ ピストン
４８、９６ 連接棒
５０ アーム
５２、５４ 制御装置
５６ 測定手段
５８ 目視読取り式定規
６０ 断熱容器
６２ 高温セル
６４ 絶縁結合手段
６６ ボール
６８ 止め具
７０ 凹み
７２ 断熱材料層
７４ 加熱手段
７６ 温度監視手段
７８ 窓
８０ 濾波手段
８２ 重畳レンズ
８６ 積層手段
８８ 圧縮手段
９０ スクレーパ
９２ 連続層
９４ 圧縮ローラ
９８ アーム
１００ 制御装置
１０２ キャビティ
１０４ 粉体容積
１０６ 層
１０８ 第１接触点
１１０ ゾーン
１１２ 第２接触点
【発明の名称】粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法およびその装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザによる粉体または粉体混合物のプロトタイプ迅速形成方法において、
(1)作製される対象１２の三次元表現から前記対象（１２）の一連のデジタル化多層横断面１０を得る工程と、
(2)粉体または粉体混合物の焼結温度に近い温度に加熱した前記粉体または前記粉体混合物を薄層１４の形状に広げる工程と、
(3)前記作製される対象（１２）のデジタル化多層横断面のうちの一層（１０´）に相当する層の選択された部分（１８）をレーザビーム１６で掃過して当該層を焼結温度に上昇させる工程と
からなる工程を含み、
前記作製すべき対象のすべてのデジタル化多層横断面が得られるまで、前記工程(2)および(3)を反復し、層の前記選択された部分（１８）は、レーザからのエネルギー補足添加によって固相状態で焼結され、かつ、前記層（１４）の粉体または粉体混合物の密度が、焼結の前に増加される
ことを特徴とする粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項２】
前記粉体または粉体混合物は加熱され、およそ３００℃乃至９００℃の温度に保持されることを特徴とする請求項１記載のプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項３】
密度を増大するために前記薄層１４を機械的に圧縮することを特徴とする請求項１または２記載のプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項４】
使用するレーザが、パルスＹＡＧレーザであり、放射された放射波長は、短波長赤外域にあることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成方法。
【請求項５】
コンピュータ・インタフェースに従動する焼成制御装置３０を備えたレーザ２４と、
加熱手段７４およびレーザ２４のビーム３２の標的４３を備えた高温セル６２と、
前記セル６２内に配置され標的４３上に粉体の層９２を設置できる積層手段８６とを含み、
前記高温セル（６２）内に配置され焼結前に前記粉体の層（９２）を圧縮できる圧縮手段（８８）を含むことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成方法を行う装置。
【請求項６】
前記高温セル６２の下部が、２つの開口３４、３６を含む水平プレート２６によって区切られており、前記２つの開口が、第１シリンダ（３８）および第２シリンダ（４０）によってプレート２６の下方へ延長されており、
ピストン４４、４６が、各シリンダ内を並進でき、
ビーム３２の延長線上に配置された第１シリンダ３８が、標的４３を構成し、
第１シリンダの近傍に配置された第２シリンダ４０が、粉末状の原料を受容するタンクを構成し、
積層手段８６が、層９２の形状で粉体を配置するために粉体を第２シリンダから第１シリンダへ移送でき、圧縮手段８８が、前記粉体層９２を圧縮できることを特徴とする請求項５記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【請求項７】
前記２つのピストン４４、４６が、それぞれコンピュータ・インタフェースに従動する制御装置５２、５４を備えていることを特徴とする請求項６記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【請求項８】
前記高温セル６２の上部が、窓７８を含む断熱容器６０によって区切られており、
前記窓には、レーザビーム３２の延長線上に、濾波手段８０が設けられており、
前記濾波手段８０は、レンズ８２から構成され、レーザの近赤外線を前記高温セル６２の内部へ通過させるが、前記高温セル６２により構成される黒体からレーザへ放射された前記近赤外線を濾波することを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか１項記載プロトタイプ迅速形成装置。
【請求項９】
第１シリンダ３８内に配置されピストン４４の実際の高さを測定する手段５６を含むことを特徴とする請求項６〜８のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【請求項１０】
圧縮手段８８がローラ９４により実行され、積層手段８６が前記ローラ９４に接続されたスクレーパ９０により実行され、前記２つの手段８６、８８が、コンピュータ・インタフェースに従動する制御装置１００によって制御されることを特徴とする請求項５〜９のうちいずれか１項記載のプロトタイプ迅速形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体、特に、セラミック粉体の焼結によってプロトタイプを迅速に形成する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトタイプ迅速形成は、レーザで粉体多重層を焼結することによって、作製すべき部材の三次元イメージから工具を使用せずに且つ加工を要することなく複雑な形状の部材を得ることができるプロセスである。
【０００３】
粉体のレーザ焼結による第１のプロトタイプ形成法は、国際特許出願ＷＯ９６／０６８８１に記載されている。この方法によって、特に、ポリマー粉体を液相状態で焼結することによってポリマー製部材を得ることができる。この場合、レーザによって形成される温度レベルは、比較的低い。なぜならば、ポリマーの溶融温度は、高くなく、およそ１００度であるからである。この方法により、高強度の材料からなる部材を得たい場合は、いわゆる、ロストワックス成形法を利用する必要がある。高強度部材のこの製造プロセスは、時間がかかり、若干の用途に関して、得られる寸法精度は、若干の用途に関して、概ね並以下である。実際、各種プロセスによって誘起される多数のバラツキにもとづき、およそ±５０μｍの精密な寸法は得られない。
【０００４】
第２の方法は、材料の１つが比較的低くおよそ数百度の溶融温度を有するような粉体材料混合物を液相状態で焼結する方法である。この方法の場合、１つの材料の溶融温度が高くないので、レーザによって形成される温度レベルは、比較的低い。
【０００５】
ところで、一般に焼結と呼ばれる現象は、液相状態での焼結であり、粒子の接合により良く類似し、溶融温度の高くない材料が、接着剤として利用される。この場合、得られた部材は均一ではなく、寸法精度は概ね並以下である。実際、この場合、寸法精度の基準は重要ではない。なぜならば、作業者は、かくして得られた部材の面を加工によって容易に修正できるからである。
【０００６】
米国特許第５１８２１７０号に記載の他のプロトタイプ迅速形成方法は、連続層として配置した粉体材料をレーザで加熱してガスと反応させる方法である。この方法によれば、高強度のある種のセラミックから窒化または浸炭のタイプの化学反応にもとづき部材を得ることができる。しかしながら、この方法は、すべてのセラミックには適用できない。もちろん、先行技術によって、焼結したセラミック粉体から均一な部材を得ることはできない。なぜならば、セラミックの溶融温度は、極めて高いからである。
【０００７】
上記方法に関連する装置は、一般に、焼結粉体層を連続的に配置した標的と、粉体積層手段と、レーザ照準の操作手段とを含んでいる。作製された部材は、上端で標的を構成するシリンダ内を並進できるピストンの上面に置かれる。上記装置は、一般に、高くない温度において使用され、精密な寸法の部材を製造することはできない。特に、セラミック製部材の製造の場合、寸法精度は、本質的基準である。なぜならば、操作後に得られた面の修正は、ダイヤモンド工具によらなければ不可能であり、加工を考慮できず一時しのぎの簡単な手直しにとどまるからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実状に鑑みなされたもので、任意の粉体、特に、セラミック粉体のレーザ焼結による迅速なプロトタイプ形成方法と、ほぼ９００℃の高温において使用でき、およそ±５０μｍの、即ち、先行技術の装置によって得られる精度の１／２の高い精度の部材を粉体のレーザ焼結によって得ることができる関連の装置を提案することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法であり、請求項１に記載の方法は、レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法において、(1)作製すべき対象の三次元表現から上記対象の一連のデジタル化多層横断面を作製する工程と、(2)粉体または粉体混合物を固相状態で焼結する温度に近い温度に加熱した上記粉体または上記粉体混合物を薄層の形に展開する工程と、(3)前記薄層をレーザビームで掃過して当該層を焼結温度に保持し、かくして、作製すべき対象のデジタル化した横断面の１つに対応する選択した粉体部分をレーザエネルギの補足供給にもとづき固相状態で焼結する工程とからなる工程を含み、作製すべき対象のデジタル化したすべての多層横断面が得られるまで、前記工程(2)および(3)を反復することを特徴とし、
また請求項２に記載の方法は、レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法において、(1)作製すべき対象の三次元表現から上記対象の一連のデジタル化多層横断面を作成する工程と、(2)粉体または粉体混合物を固相状態で焼結する温度に近い温度に加熱した上記粉体または上記粉体混合物を薄層の形に展開する工程と、(3)前記薄層の粉体の密度を増大する工程と、(4)前記薄層をレーザビームで掃過して当該層を焼結温度に保持し、かくして、作製すべき対象のデジタル化した横断面の１つに対応する選択した粉体部分をレーザエネルギの補足供給にもとづき固相状態で焼結する工程とからなる工程を含み、作製すべき対象のデジタル化したすべての多層横断面が得られるまで、前記工程(2)、(3)および(4)を反復することを特徴とするものである。
さらに本発明に係る粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法は、前記(2)の工程において、粉体または粉体混合物の加熱保持温度をおよそ３００℃乃至９００℃の温度とすることを特徴とし、また前記(3)の工程において、前記薄層を機械的に圧縮してその密度を増大することを特徴とし、さらにまた使用するレーザが、パルスＹＡＧレーザであり、放射ビームの波長が、短波長赤外域にあることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明方法を実施するための請求項６に記載の装置は、コンピュータ・インタフェースに従動する焼成制御装置を備えたレーザと、加熱手段およびレーザのビームの標的を備えた高温セルと、前記セル内に配置され標的上に粉体層を設置できる積層手段とを含むことを特徴とするものである。
またこの装置は、高温セル内に配置され焼結前に粉体層を圧縮できる圧縮手段を含むことを特徴とし、さらに前記セルの下部が、２つの開口を含む水平プレートによって限定されており、前記開口が、第１、第２シリンダによってプレートの下方へ延長されており、ピストンが、各シリンダ内を並進でき、ビームの延長線上に配置された第１シリンダが、標的を構成し、第１シリンダの近傍に配置された第２シリンダが、粉末状の原料を受容するタンクを構成し、積層手段が、層の形で配置するために粉体を第２シリンダから第１シリンダへ移送でき、圧縮手段が、前記粉体層を圧縮できることを特徴とし、また前記２つのピストンが、それぞれコンピュータ・インタフェースに従動する制御装置を備えていることを特徴とし、さらにまた前記高温セルの上部が、窓を含む断熱容器によって限定されており、上記窓には、レーザビームの延長線上に、少なくとも１つのレンズから構成され、レーザの近赤外線をセルの内部へ通過させるが、セルを構成する黒体からレーザへ放射されたビームを濾波する濾波手段が設けてあることを特徴とするものである。またこの装置は、前記第１シリンダ内に配置されピストンの実際の高さを測定する手段を含み、さらに前記圧縮手段がローラから実行され、積層手段が前記ローラに結合されたスクレーパから実行され、前記２つの手段が、コンピュータ・インタフェースに従動する制御装置によって制御されることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法の原理を示す説明図で、（ａ）は作製すべき対象と多層横断面を示す説明図、（ｂ）はレーザによって粉体または粉体混合物を焼結する方法を示す説明図、図２は本発明方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図、図３は同上装置の横断面図、図４Ａ〜図４Ｅは同上装置の機能を概括的に示す縦断面図であり、１０は多層横断面、１２は作製すべき対象、１４は薄層、１６はレーザビーム、１８は選択した粉体部分、２０は本発明装置、２２はフレーム、２４はレーザ、２６は水平プレート、２８は上面、３０は焼成制御装置、３２はビーム、３４、３６は円筒形開口、３８は第１シリンダ、４０は第２シリンダ、４２はカラー、４４、４６はピストン、４８、９６は連接棒、５０はアーム、５２、５４は制御装置、５６は測定手段、５８は目視読取り式定規、６０は断熱容器、６２は高温セル、６４は絶縁結合手段、６６はボール、６８は止め具、７０は凹み、７２は断熱材料層、７４は加熱手段、７６は温度監視手段、７８は窓、８０は濾波手段、８２は重畳レンズ、８６は積層手段、８８は圧縮手段、９０はスクレーパ、９２は連続層、９４は圧縮ローラ、９８はアーム、１００は制御装置、１０２はキャビティ、１０４は粉体容積、１０６は層、１０８は第１接触点、１１０はゾーン、１１２は第２接触点である。
【００１２】
本発明の粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法を図１に基づいて説明する。
レーザによって粉体または粉体混合物、特に、セラミック粉体を固相状態で焼結することによるプロトタイプを迅速に形成する方法は、(1)作製すべき対象１２の三次元表現から上記対象の一連のデジタル化多層横断面１０を作製する工程と、(2)粉体または粉体混合物を固相状態で焼結する温度に近い温度に加熱した前記粉体または前記粉体混合物を薄層１４の形に展開する工程と、(3)薄層１４の粉体の密度を増大する工程と、(4)薄層１４をレーザビーム１６で掃過して前記層を焼結温度に保持し、かくして作製すべき対象１２のデジタル化した横断面１０´の１つに対応する選択した粉体部分１８をレーザエネルギの補足供給にもとづき固相状態で焼結する工程とからなる工程を含み、作製すべき対象１２のデジタル化したすべての多層横断面１０が得られるまで、前記工程(2)、(3)および(4)を反復する。
【００１３】
すなわち本発明法では、前記工程(1)において、デジタル化した三次元イメージで示した対象１２をソフトウエアによってカットして一連のデジタル化多層横断面１０を形成する。そして、工程(2)において、セラミック粉体またはセラミック粉体混合物をおよそ２００μｍの厚さの薄層１４の形に展開する。対象の製造速度を増大し且つ前記レーザビーム１６によって加えられるエネルギを節減するため、セラミック粉体またはセラミック粉体混合物をあらかじめ加熱し、操作中、９００℃に保持する。続いて工程(3)において、例えば、圧縮によって薄層１４の密度を増大してその気孔率を減少する。かくして、およそ１００μｍの厚さの層１４が得られる。そして最終の工程(4)において、レーザビーム１６を照射して薄層１４の選択した粉体部分１８を固相状態で焼結してデジタル化多層横断面１０´の１つを再現する。この工程では、固相状態における焼結を利用する。即ち、焼結温度は、使用したセラミック粉体の溶融温度よりも低く保持する。かくして焼結時、第１段階において、粒子の継ぎ目と呼ばれる連結ゾーンが、接触粒子の間に形成され、次いで、第２段階において、粒子間の残存気孔は、拡散現象および塑性流動にもとづき消失する。焼結粉体が、あらかじめ、圧縮、加熱されていれば、この焼結は、より急速に進行する。また粉体の加熱によって、レーザのエネルギは、９００℃の粉体温度を焼結温度に上昇するのに必要な熱量を与えるのに利用されるに過ぎない。従って、レーザによって与えられるエネルギが減少され、対象の製造速度が増大される。更に、セラミック粉体の薄層１４をあらかじめ圧縮することによって、粉体の気孔率が減少され、かくして、焼結開始時、残存気孔率は大きくなく、更に、製造速度が増大される。
【００１４】
なお使用するレーザは、パルスＹＡＧレーザであり、放射ビームの波長が短波長赤外域にあれば好ましい。更に詳細に云えば、レーザビームは１０６４ｎｍの波長を有する。
【００１５】
赤外線を吸収しないセラミック粉体の場合、ドーピング剤（例えば、ケイ酸ジルコニウム）を利用する。かくして得られた混合物は、レーザから放射された赤外線を吸収する。
【００１６】
上記レーザ焼結による本発明のプロトタイプ迅速形成法は、任意のセラミック粉体またはその混合物の焼結に利用できる。
【００１７】
次に、本発明方法を実施するための装置を図２、図３に基づいて説明する。図２、図３に示す装置は、セラミック粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成法を実施するための装置であり、作製すべき対象の三次元イメージから上記対象を複数の層にカットできるコンピュータ・インタフェース（図示してない）に配してある。
【００１８】
本発明装置２０は、レーザ２４の下方に設置されたフレーム２２と、フレーム２２の上部に設置され上面２８で作業面を形成する水平プレート２６とを含む。前記レーザ２４は、コンピュータ・インタフェースに帰属し且つ特にビーム３２を配向できる焼成制御装置３０を含む。プレート２６は、円筒形開口３４、３６の径に等しい内径を有する第１シリンダ３８および第２シリンダ４０によってプレート２６の下方へ延長された２つの円筒形開口３４、３６を含む。各シリンダは、カラー４２にもとづき、プレート２６の内面に図示してない固定手段（例えば、ネジ）によって固定されている。
【００１９】
開口３４から延長された第１シリンダ３８は、作業シリンダと呼ばれる。この第１シリンダ３８は、レーザビーム３２の下方に設置され、作業面を形成する上面２８と面一のシリンダ上端は、前記ビーム３２の標的４３を形成する。補足して、円筒形開口３６から延長され第１シリンダ３８の近傍に配置された第２シリンダ４０は、セラミック粉体からなる素材を貯蔵するのに役立つ。
【００２０】
ピストン４４、４６は、第１シリンダ３８および第２シリンダ４０内をそれぞれ並進変位されるよう構成されている。各ピストン４４、４６は、制御装置５２、５４に結合された各アーム５０に下端を固定した連接棒４８の上端に固定されている。前記制御装置５２、５４は、例えばステップモータから構成され、前記ピストンの上下動を制御するコンピュータ・インタフェースに帰属する。
【００２１】
ピストン４４の上面の実高さの測定手段５６は、機械的結合に起因する寸法バラツキおよび／または各要素の膨張による変形を補償しておよそ±５０μｍの寸法精度を達成するよう構成されている。この測定手段５６は、フレーム２２に第１シリンダ３８の近傍に固定された垂直な目視読取り式定規５８から構成されている。
【００２２】
断熱容器６０は、プレート２６とともに、プレート２６の上部に、高温セル６２を形成できる。プレート２６は、フレーム２２の方向のプレート２６の膨張に起因する変形の伝達を制限できる絶縁結合手段６４によってフレーム２２に結合されている。好ましい実施例にもとづき、この絶縁結合手段６４は、一方では、プレート２６が置かれるフレーム２２の上部に設けたボール６６を含み、他方では、フレーム２２の凹み７０（図３）に置かれプレート２６の側面に固定された止め具６８を含む。なお高温セル６２をできる限り断熱するため、補足して、断熱材料層７２がプレート２６の下方に設けてある。
【００２３】
他方、セル雰囲気をおよそ９００℃の温度に加熱するため、抵抗器から構成された加熱手段７４が高温セル６２の内部に設けてある。補足して、熱電対からなる温度監視手段７６は、セル内部の温度を調節できる。
【００２４】
第１シリンダ３８に実質的に等しい径の窓７８が、ビーム３２および第１シリンダ３８に垂直に断熱容器６０に構成されている。この断熱性の窓７８は、レーザの近赤外線を第１シリンダ３８の方向へ透過するが、高温セル６２を構成する黒体へレーザ２４から放射された光を濾波する濾波手段８０を含む。この濾波手段８０は、作動時、レーザ２４のヘッドの昇温を制限できる。前記濾波手段は、レンズホルダ８４に設置され高温に耐える２つの重畳レンズ８２から構成されている。
【００２５】
積層手段８６および圧縮手段８８は、第１シリンダ３８および第２シリンダ４０の中心を結ぶ直線によって定められた方向へ上面２８上を並進運動できる。このうちスクレーパ９０から実行された積層手段８６は、第２シリンダ４０から第１シリンダ３８へ向かってセラミック粉体を移送して、等厚の連続層９２の形の粉体を第１シリンダ３８内に配置する。また圧縮ローラ９４から実行された圧縮手段８８は、焼結前に連続層９２の粉体を圧縮できる。
【００２６】
圧縮ローラ９４の各端部に設置された２つの連接棒９６は、積層手段８６および圧縮手段８８の制御装置１００に結合されたアーム９８に固定された圧縮ローラ９４にスクレーパ９０を結合できる。ステップモータから実行されたこの制御装置１００は、同じく、以下に説明する如くピストン４４、４６の変位と同時にスクレーパ９０同じくローラ９４の変位を管理するコンピュータ・インタフェースに帰属する。
【００２７】
作業面を形成する上面２８には、開口３６に直径方向に対向する開口３４の側に、更に、キャビティ１０２が構成されている。このキャビティは、スクレーパ９０が第２シリンダ４０から第１シリンダ３８へ向かって粉体を移送する際に、過剰の粉体を受容できる容積を有する。
【００２８】
次に、同上装置の機能を図４Ａ〜図Ｅに基づいて説明する。
まず図４Ａのプロセスの段階０において、第１シリンダ３８のピストン４４は、２００μｍだけ下降し、一方、第２シリンダ４０のピストン４６は、２００μｍだけ上昇し、セラミック粉体の容積１０４が上面２８の上方に置かれる。
【００２９】
図４Ｂに示す段階１において、スクレーパ９０は、セラミック粉体の容積１０４を押圧し、第１シリンダ３８内に層１０６の形に均一に展開する。粉体容積１０４は、第１シリンダ３８内の粉体の不足を回避し、上面２８と面一の層１０６を得るのに十分でなければならない。
【００３０】
図４Ｃに示す段階２において、スクレーパ９０は、粉体容積１０４の展開を終了しており、ローラ９４は、第１シリンダ３８に対する前記ローラの第１接触点１０８の近傍にある点Ａに位置する。この時点において、第１シリンダ３８のピストン４４は、１００μｍだけ上昇し、従って、層１０６の一部は、上面の上方に置かれる。かくして、ローラ９４は、点Ａから第１シリンダ３８に対する前記ローラの第２接触点１１２の近傍にある層１０６の表面にある点Ｂまで延びる層１０６のゾーン１１０を圧縮する。
【００３１】
図４Ｄに示す段階３において、第１シリンダのピストン４４は、１００μｍだけ下降することにより、この第１シリンダ３８の縁の圧縮は避けられる。ローラ９４およびスクレーパ９０は、図４Ａに示した最初の位置にもどる。
【００３２】
図４Ｅに示した段階４において、圧縮されたゾーン１１０にあるセラミック粉体は、本発明の方法にもとづき、焼結され、かくして、対象の形状が得られる。焼結後、第１シリンダのピストンは、１００μｍだけ下降し、第２シリンダ４０のピストン４６は、２００μｍだけ上昇し、かくしてセラミック粉体の新たな容積１０４´が上面２８の上方に置かれ、段階１への移行が行われる。
【００３３】
かくして、所望の対象が得られるまで新しい各層について、段階１、２、３および４が反復される。これらのすべての段階中、加熱手段７４は、およそ９００℃の温度にセル６２を保持する。かくして焼結粉体は既に、およそ９００℃の温度にあり、従って焼結に必要なエネルギ量が制限され、対象製造速度が増大される。
【００３４】
なおここでは、セラミック粉体からの部材の製造に関して説明したが、本発明方法および装置は、異なるパラメータを単に適用することによって、任意の材料の粉体、特に、金属粉体から部材を製造にも容易に適用できることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明方法によれば、任意の粉体、特にセラミック粉体のレーザ焼結により、作製すべき部材の三次元イメージから工具を使用せずに且つ加工を要することなく複雑な形状の部材を得ることができ、また本発明装置によれば、ほぼ９００℃の高温において使用でき、およそ±５０μｍの、即ち、先行技術の装置によって得られる精度の１／２の高い精度の部材を粉体のレーザ焼結によって得ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成方法の原理を示す説明図で、（ａ）は作製すべき対象と多層横断面を示す説明図、（ｂ）はレーザによって粉体または粉体混合物を焼結する方法を示す説明図である。
【図２】
本発明方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図である。
【図３】
同上装置の横断面図である。
【図４Ａ】
同上装置による粉体のレーザ焼結によるプロトタイプ迅速形成プロセスの段階０における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｂ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階１における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｃ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階２における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｄ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階３における状態を示す縦断面図である。
【図４Ｅ】
同じくプロトタイプ迅速形成プロセスの段階４における状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 多層横断面
１２ 作製すべき対象
１４ 薄層
１６ レーザビーム
１８ 選択した粉体部分
２０ 本発明装置
２２ フレーム
２４ レーザ
２６ 水平プレート
２８ 上面
３０ 焼成制御装置
３２ ビーム
３４、３６ 円筒形開口
３８ 第１シリンダ
４０ 第２シリンダ
４２ カラー
４４、４６ ピストン
４８、９６ 連接棒
５０ アーム
５２、５４ 制御装置
５６ 測定手段
５８ 目視読取り式定規
６０ 断熱容器
６２ 高温セル
６４ 絶縁結合手段
６６ ボール
６８ 止め具
７０ 凹み
７２ 断熱材料層
７４ 加熱手段
７６ 温度監視手段
７８ 窓
８０ 濾波手段
８２ 重畳レンズ
８６ 積層手段
８８ 圧縮手段
９０ スクレーパ
９２ 連続層
９４ 圧縮ローラ
９８ アーム
１００ 制御装置
１０２ キャビティ
１０４ 粉体容積
１０６ 層
１０８ 第１接触点
１１０ ゾーン
１１２ 第２接触点
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