JP2002530202A - 選択的レーザ溶解用のプロセス・チャンバ - Google Patents

選択的レーザ溶解用のプロセス・チャンバ

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JP2002530202A JP2000583659A JP2000583659A JP2002530202A JP 2002530202 A JP2002530202 A JP 2002530202A JP 2000583659 A JP2000583659 A JP 2000583659A JP 2000583659 A JP2000583659 A JP 2000583659A JP 2002530202 A JP2002530202 A JP 2002530202A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、成形部品を製造するために材料粉末の選択的レーザ溶解を行うためのプロセス・チャンバに関する。プロセス・チャンバは、底部領域、側壁、およびカバー領域（６）を有する閉じたチャンバ（１）と、前記底部領域内のリザーバ・ボリューム（３）および製造ボリューム（２）と、保護ガス用の第１の入口および出口開口（７、９）とからなる。製造ボリューム（２）の上方にあるカバー領域（６）では、隆起区域が側部領域を備え、隆起区域に、結合すべきレーザの放射線に対して透明なビーム注入窓（１０）が配置される。隆起区域の側部領域には、さらなるガス用の第２の入口開口（１３）が設けられる。本発明のプロセス・チャンバ設計では、保護ガスを案内する効率を損なうことなく、相互作用区域から上昇するガス状成分による汚損からビーム注入窓（１０）を効率的に保護することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、構成要素のプロトタイプなど成形部品を製造するために材料粉末の
選択的レーザ溶解を行うためのプロセス・チャンバに関する。
【０００２】 本発明は、詳細には、用語「高速プロトタイピング」によって知られている技
術に関する。高速プロトタイピング方法を製品開発に利用して、製品開発期間を
短縮し、かつ製品品質を改良する。これが可能になるのは、高速プロトタイピン
グ方法を利用することよって、直接的に、かつ非常に速く３Ｄ ＣＡＤモデルか
らプロトタイプを製造することができるからである。従来必要とされていた、時
間のかかるミリング用または侵食性機械加工用ＮＣプログラムの作成、および成
形ツールの製造は必要ない。
【０００３】 新たな高速プロトタイピング方法の開発、または既存の高速プロトタイピング
方法の改良は、製造シリーズの材料にできるだけ近い、または同一の材料を処理
することができることを狙いとする。これは主に、金属プロトタイプまたはプロ
トタイプ・ツールに当てはまる。知られている選択的レーザ溶解方法は、市販さ
れている鋼から構成要素を製造することを可能にする。全ての高速プロトタイピ
ング方法と同様に、構成要素は層として生成される。このために、材料は、製造
プラットフォームに当該の薄層として粉末の形で塗布される。レーザ・ビームを
使用すると、粉末が、製造すべき層の構成要素幾何形状に応じて溶解によって局
所的に塗布される。この方法を用いて鋼（例えば高品質鋼１．４４０４）から製
造される構成要素は、その密度および強度の点で、必要な材料仕様に適合する。
したがって、それらを機能プロトタイプとして使用する、あるいは完成構成要素
として直接使用することができる。
【０００４】 粉末状材料から金属構成要素を製造するための別の周知の高速プロトタイピン
グ方法は、いわゆる選択的レーザ焼結である。この方法は、同様にレーザ・ビー
ムを用いて各粉末層を局所的に処理することによって金属構成要素を製造するよ
うに適用される。しかし実際は、この方法では特別な複数成分粉末システムが使
用される。処理操作中、粉末全体を完全に溶解するのではなく、粉末システムの
ただ１つの成分のみが溶解によって塗布される。この成分は、固相として残って
いる成分に対する結合剤として働く。この方法では、例えば、低い融点を有する
金属が結合成分として混和される、または結合剤として働く合成材料によって囲
まれた金属として使用される。
【０００５】 しかし、この方法で使用される設備の欠点は、特にプロセス・チャンバの形状
のため、高級鋼１．４４０４などの市販されている単一成分粉末材料を、密度が
９８％よりも高い構成要素を製造することができるように処理することができな
いことにある。
【０００６】 ドイツ特許ＤＥ１９６４９８６５Ｃ１は、結合剤または溶剤のない金属材料粉
末を製造プラットフォームに塗布し、構成要素幾何形状に応じて溶解温度までレ
ーザ・ビームによって適切に加熱する方法を提案する。レーザ・ビーム・エネル
ギーは、金属材料粉末が層の全密度にわたって、レーザ・ビームが入射する点で
溶解によって完全に塗布されるように選択される。この方法では、レーザ・ビー
ムは、レーザ・ビームの各追従トラックが先行トラックに部分的に重なるように
、いくつかのトラックとして当該の材料層の所定区域を覆って案内される。同時
に、レーザ・ビームと金属材料粉末とが相互作用する各区間を覆って保護ガス雰
囲気が維持されて、酸化により生じる可能性がある障害を避ける。
【０００７】 それに関連する設備はこのとき、プロセス・チャンバの上側縁部の区域内に配
置された保護ガス入口と、プロセス・チャンバの底部領域の区域に配置された、
対向する縁部にある保護ガス出口とを設ける平坦正方形プロセス・チャンバを備
える。金属材料粉末を充填されたリザーバと、製造チャンバとが、プロセス・チ
ャンバの底部領域内に設けられる。どちらの空間もそれぞれ、押上げピストンに
よって駆動される上昇テーブルを備える。スキャン手段が、製造チャンバの区域
にあるプロセス・チャンバの上方に設けられ、レーザ・デバイスが発生するレー
ザ・ビームを、製造プラットフォームを含む上昇テーブル上に向ける。この設備
では、プロセス・チャンバ上面の透明領域として設計されたビーム注入窓によっ
て、レーザ・ビームが結合される。
【０００８】 プロセス・チャンバの設計は、構成要素の製造に決定的に重要である。前述の
プロセス・チャンバでは、レーザ放射線結合の損失をもたらす透明領域の汚損に
よって問題が生ずる。この汚損は主に、レーザ・ビームが機械加工面に当たった
ときに蒸発され、透明領域に付着する材料により生ずる。
【０００９】 本発明の問題は、比較的長い製造期間の間でさえもビーム注入窓が汚損される
ことなく高密度の構成要素を製造することができるようにするプロセス・チャン
バを提案することにある。
【００１０】 この問題は、請求項１によるプロセス・チャンバを用いれば解決される。プロ
セス・チャンバの有利な実施形態は、従属請求項の主題部分である。
【００１１】 プロセス・チャンバの使用は、高密度構成要素の製造に非常に重要である。
【００１２】 本発明のプロセス・チャンバは、底部領域、側壁、およびカバー領域を有する
閉じたチャンバと、どちらも底部領域に設けられるリザーバ・ボリュームおよび
製造ボリュームと、側壁の区域に保護ガス用に設けられた第１の入口および出口
開口と、結合すべきレーザ放射線に対して透明なビーム注入窓とからなる。この
プロセス・チャンバの特別な機能は、製造ボリュームの上方にあるカバー領域内
に、側壁を備える隆起区域が設けられ、その区域内にビーム注入窓が配置され、
第２のガス用の第２の入口開口が、隆起区域の側部領域に設けられるという準備
にある。
【００１３】 プロセス・チャンバが操作されて、選択的レーザ溶解が行われると、第２のガ
スが第２の入口開口を介して導入され、ここで第２のガスは、第１の入口開口を
介して導入される保護ガスの密度よりも低い密度を有する。その結果、より軽い
第２のガスのある種の緩衝ボリュームが隆起区域内部に形成され、それにより、
処理区域内で生成された蒸気が効率良くビーム注入窓から離される。同時に、高
密度構成要素の製造に必要とされる処理領域にわたる保護ガス流が、この準備に
よって影響を受けることはない。
【００１４】 したがって、本発明のプロセス・チャンバ設計は、選択的レーザ溶解の原理に
従って、市販されている単一成分粉末材料を処理して、密度が９８％よりも高い
構成要素を製造することを可能にする。
【００１５】 空気中の酸素による溶融金属の酸化を回避するためには、相互作用区域内に不
活性保護ガス雰囲気を維持する必要がある。保護ガスとして、例えばアルゴンを
使用することができる。このために、処理は、保護ガス雰囲気を生成することが
できる閉じたチャンバ内で実施すべきである。
【００１６】 同時に、相互作用区域にわたってガスが流れ、それにより相互作用区域から上
昇するガス状成分を即座に拿捕して、ガス流によって運び去ることができるよう
になっている必要がある。さらに、レーザ放射線がそこを介して閉じたプロセス
・チャンバ内に入るビーム注入窓は、上昇するガス状成分による汚損から保護さ
れなければならない。これらの要件は、本発明のプロセス・チャンバ設計によっ
て満たされている。
【００１７】 したがって、本発明のプロセス・チャンバ設計は、プロセスに特に重要である
保護ガスを案内する効率を損なうことなく、相互作用区域から上昇するガス状成
分による汚損からビーム注入窓を効率良く保護することができる。その結果、市
販されている金属粉末をレーザ・ビームによって完全に溶解して塗布することに
より、９８％よりも良い密度を有する構成要素を首尾良く製造することができる
。
【００１８】 本発明を以下に再び、一実施形態を図面と共に参照しながら説明する。
【００１９】 図１によるこの実施形態では、プロセス・チャンバ１は、２つのシリンダ、す
なわち製造シリンダ２および粉末リザーバ・シリンダ３からなる。（構成要素１
６を有する）製造シリンダ２のピストンは、新たな粉末層で製造ボリュームを被
覆するために、対応する層の厚さだけ下げられ、粉末リザーバ・シリンダ３のピ
ストンは、およそ１．５倍の距離だけ上昇される。
【００２０】 スライド４は、粉末シリンダ３から製造シリンダ２上へ線形移動で粉末（図示
せず）を押すレベリング・システムとして使用される。
【００２１】 プロセス・チャンバ１は閉じた設計であり、そこを介して保護ガスが流れる（
長い矢印）。プロセス・チャンバは、非常に平坦な設計を与えられており、処理
区域内の保護ガスの効率良い流れを達成する。製造平面５とチャンバ・カバー６
との間のスペーシングは、この例では２０ｍｍほどの短さである。これは、スラ
イド４のための駆動手段がプロセス・チャンバ外部に取り付けられることにより
可能となる。駆動手段の運動は、チャンバの側壁を介してスライドに案内される
ロッドによって伝達される。スライドは、チャンバ内部の平鋼レール上で両側面
に案内される。スライドに取り付けられた摺動要素は、テフロンからなる。スラ
イドの高さは１０ｍｍに達する。スライドは非磁性材料からなり、磁性粉末材料
の付着を回避する。
【００２２】 保護ガスを取り込む入口７がスライド４の上方に設けられ、ガスは、分配器８
によって、チャンバの幅全体にわたって流れる。分配器８は、円形断面を有する
チューブである。１０ｍｍ離隔された小さな穴が、チャンバの内部に面するチュ
ーブの側部に設けられる。穴の直径は、穴の断面積の合計がチューブの断面積に
等しくなるように設計される。この準備は、分配器チューブ内を流れるガスが、
全ての小さな穴を介して均等な分配でプロセス・チャンバ内に流れることを保証
する。
【００２３】 保護ガスの排出用の出口開口９がチャンバの反対側に設けられる。したがって
、図１に長い矢印によって概略的に示したように、保護ガスは、処理平面の上方
２０ｍｍのレベルで管路内を流れる。
【００２４】 チャンバ・カバー６は、構成シリンダ２の区域内に、レーザ放射線に対して透
明なビーム注入窓１０を備える。ビーム注入窓１０は、より広い距離だけ構成平
面５から離隔される。これは、レーザ・ビーム１２を用いた処理操作中に生ずる
蒸気１１（短い連続矢印）および飛沫（ｓｐｌａｓｈ）による汚損から窓１０を
保護しなければならないためである。このために、この実施形態では、チャンバ
・カバー６が、ビーム注入窓１０の区域内で６０ｍｍだけ上げられている。それ
でもこの区域内での保護ガスの流れを維持するため、第２のガス流（点線矢印に
よって概略的に示される）が、入口開口１３を介してビーム注入窓１０のすぐ下
にあるチャンバ１内に循環的に導入される。頂部から流れるガスは、横方向に導
入されるガスよりも低い密度を呈する。より軽量のガスがチャンバの隆起区域に
充填される。その結果、蒸気と、より重い保護ガスとは共に、図中に当該の矢印
の向きによって概略的に示されるように、チャンバの下側区域内に留まる。した
がって、ビーム注入窓１０が汚損から保護されるだけではなく、側部から供給さ
れる保護ガスに関する平坦流路が維持される。
【００２５】 ビーム注入窓または隆起区域の断面は、本発明のプロセス・チャンバでは複数
の形状を有することができ、例えば円形、長方形、または多角形状である。
【００２６】 処理される材料が鋼であるとき、例えば約１５リットル／分の体積流量でアル
ゴンが供給され、１０リットル／分の流量で頂部からヘリウムが導入される。そ
のような構成では、窓１０は、数時間にわたって続く製造プロセスであっても汚
損から保護され、同時に、処理操作での保護ガス流の効果が維持される。
【００２７】 最後に、図２は、これもまた設備全体を示し、しかし平面図である。この図で
は、構成シリンダ２、粉末リザーバ・シリンダ３、ガス入口７、分配器８、およ
び横方向に供給される保護ガス用のガス出口９だけでなく、主にスライド４と、
それに関連する案内レール１４、ならびにプロセス・チャンバ外部に取り付けら
れたスライド駆動手段１５も明確に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるプロセス・チャンバの設計の一例を示す概略側面図である。
【図２】 図１に示されるプロセス・チャンバの平面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｌｅｏｎｒｏｄｓｔｒａｓｓｅ 54， Ｄ −80636 Ｍｕｎｃｈｅｎ Ｄｅｕｃｈｌ ａｎｄ (72)発明者 ヴィッセンバッハ， コンラッド ドイツ国 ヘルツォーゲンラート デー− 52134， ルンペナー シュトラーセ 95 (72)発明者 ガッセル， アンドレス ドイツ国 アーヘン デー−52066， ア ム パーペルヴァイヤー 32 Ｆターム(参考） 4E093 FA12 FC04 FC10 4K018 EA51 EA60

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 材料粉末の選択的レーザ溶解を行うためのプロセス・チャン
    バであって、 底部領域、側壁、およびカバー領域（６）を有する閉じたチャンバ（１）と、 前記底部領域の下に配置されたリザーバ・ボリューム（３）および製造ボリュ
    ーム（２）と、 前記側壁の区域内に配置された第１のガス用の第１の入口および出口開口（７
    、９）と、 結合すべきレーザ放射線に対して透明なビーム注入窓（１０）と からなり、 側部領域を備える隆起区域が、前記製造ボリューム上方の前記カバー領域（６
    ）内に設けられ、その区域内に前記ビーム注入窓（１０）が配置され、前記隆起
    区域の側部領域には、第２のガス用の第２の入口開口（１３）が設けられること
    を特徴とするプロセス・チャンバ。
  2. 【請求項２】 前記隆起区域が回転対称設計を呈することを特徴とする請求
    項１に記載のプロセス・チャンバ。
  3. 【請求項３】 前記隆起区域が円筒形状を有することを特徴とする請求項２
    に記載のプロセス・チャンバ。
  4. 【請求項４】 前記第２の入口開口（１３）が、前記ビーム注入窓（１０）
    の周りに円形状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
    項に記載のプロセス・チャンバ。
  5. 【請求項５】 前記第１の入口および出口開口（７、９）が前記側壁に設け
    られ、前記出口開口（９）が、前記入口開口（７）に対向する側壁に位置するこ
    とを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプロセス・チャンバ。
  6. 【請求項６】 前記第１の入口開口（７）の断面積の合計が、前記保護ガス
    を前記入口開口（７）に供給するための供給管路の断面積に等しいことを特徴と
    する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロセス・チャンバ。
  7. 【請求項７】 第１のガスが、前記第１の入口開口（７）を介して保護ガス
    として導入され、第２のガスが、前記第２の入口開口（１３）を介して導入され
    、前記第２のガスが、前記第１のガスよりも低い密度を有することを特徴とする
    前記請求項1乃至６のいずれか一項に記載のプロセス・チャンバを操作する方法
    。
  8. 【請求項８】 前記第２のガスとしてヘリウムが使用されることを特徴とす
    る請求項７に記載の方法。
JP2000583659A 1998-11-23 1999-11-16 選択的レーザ溶解用のプロセス・チャンバ Withdrawn JP2002530202A (ja)

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