JP2002540945A - 成形部品を製造するために選択的レーザ溶解を行なうデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、成形部品を製造するために選択的レーザ溶解を行うデバイスに関する。本発明は、プロセス・チャンバの底部領域（４）の下に提供される成形部品（１６）用の製造ボリューム（７）と、プロセス・チャンバの底部領域の一区域を覆って材料粉末を一定の厚さの層として分配するためのレベリング手段とを含むプロセス・チャンバ（１）からなる。レベリング手段は、底部領域にわたって移動して材料粉末を分配する要素（２１）を備える。デバイスはさらに、製造ボリューム内に配置された成形部品の処理表面を平滑にする働きをする研磨手段としてローラ（２２）を備える。本発明のデバイスを用いると、レベリング要素の摩耗を回避し、かつ一定の層厚さを生成することができ、それによりより高い精度およびより改良された表面品質で構成要素を製造することができる。

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選択的レー
ザ溶解を行うデバイスに関する。

【０００２】 本発明は、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局所的に溶解さ
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】 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、完全にレーザ・ビームが入射す
る点で完全に溶解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。図１は、ドイツ特許
ＤＥ１９１６４９８６５Ｃ１に記載されているタイプの選択的レーザ溶解を行う
デバイスの一例を示す。

【０００５】 そのようなデバイスでは、金属材料粉末は、レベリング手段によって、例えば
リザーバ容器および製造ボリュームの上方でのスライドの直線移動によって、製
造プラットフォームを覆って、あるいは製造または構造的ボリューム全体にわた
って分配される。

【０００６】 レーザ・ビームによって処理される各層の完成後、スライドは、１層の厚さだ
け下げられた構成要素を覆って新たな粉末を分配する。しかし、レーザ・ビーム
によって処理された層は、理想的な平滑性を呈さない。部分的に層の厚さを超え
出る場合がある不整を呈する。これらの位置では、新たな粉末層が塗布されると
きに、スライドの下側が処理済み層にわたって研削する。したがって、層の数が
増すにつれて、研磨効果によりスライドの下側が摩耗する。スライドの底縁部の
摩耗により、塗布された粉末層内に不整（スコアリング）が生成され、今度はそ
れが、構成要素内の不整として反映される。さらに、粉末ベッドの平面は、スラ
イドの底縁部の摩耗が増大することにより上方向にシフトされる。この変動が、
Ｚ方向への構成要素の高さを過剰なものにする。

【０００７】 このため、製造プロセス中のスライドの摩耗は非常に不適当である。摩耗耐性
の非常に高い材料をスライドに使用することは、スライドと構成要素の接触が強
い場合に、スライド移動のための力が非常に大きくなるという欠点を伴う。これ
は、スライド駆動の過負荷、またはそれに対応する強い駆動による構成要素の破
壊をもたらす場合がある。

【０００８】 Ｍｕｒｐｈｙ等著「Ｔｈｅ Ｒａｐｉｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｍ
ｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｃｌａｄｄｉｎｇ」（Ｌａｓｅｒ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｅ
ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ ＬＡＮＥ ’９４，ｖｏｌ
．ＩＩ，Ｂａｍｂｅｒｇ １９９４，ｐｐ．８０３−８１４）は、「レーザ・ク
ラッディング技法」を適用して構成要素を層状に製造する方法を記述し、構成さ
れる構成要素のそれぞれの表面が溶解によって塗布され、レーザによってトラッ
クの形で金属粉末が同時に供給される。この方法は、不正確に動作し、そのため
、層の厚さを所望の値に正確に調節することができるようにするためには、各層
の機械加工の完了後に事後処理が必要である。この事後処理は、適切なミリング
・デバイスによって実施される。

【０００９】 ドイツ特許ＤＥ１９５１４７４０Ｃ１は、請求項１の導入部に対応するデバイ
スを開示し、ただし選択的レーザ焼結の方法に関して想定されている。このデバ
イスでは、スライドまたはクラッディング装置のブレードが、１つのクラッディ
ング縁部と１つの平滑な縁部とを有する非対称設計を有し、それにより摺動移動
の向きに応じて、スライドが何らかの材料を分配する、また固体化材料を圧縮し
て平滑にすることができる。この平滑および圧縮動作は、選択的レーザ焼結の場
合にのみ、固体化材料が柔らかいため可能である。

【００１０】 本発明の根底にある問題は、レベリング要素の摩耗を回避し、一定の厚さの層
の生成を可能にする選択的レーザ溶解を行うデバイスを提案することにある。

【００１１】 本発明によれば、このために、新たな粉末層をクラッディングする前に各処理
済み層の表面を平滑にすることができる研磨手段としてローラが提供される。そ
の結果、レベリング要素と構成要素との接触が回避され、層厚さの不変性を高め
ることができ、それにより摩耗が防止され、かつ構成要素の精度を高めることが
できる。

【００１２】 本発明のデバイスは、プロセス・チャンバの床領域の下に提供される成形部品
用の製造ボリュームと、プロセス・チャンバの床領域の一区域を覆って材料粉末
を一定の厚さの層として分配するためのレベリング手段とを含むプロセス・チャ
ンバからなる。レベリング手段は、床領域にわたって移動して材料粉末を分配す
るスライドなどの要素を備える。本発明によれば、デバイスはさらに、プロセス
・チャンバ内に研磨手段としてローラを備え、これが、製造ボリューム内に配置
された成形体の処理領域を平滑にする働きをする。

【００１３】 材料粉末は、本発明では、例えばプロセス・チャンバ内のリザーバ・ボリュー
ムから、またはプロセス・チャンバの外側からでさえも供給することができる。

【００１４】 この研磨手段を使用して処理済み層の表面を平滑にする。研磨手段は、ローラ
の形態で設計され、その表面が好ましくは研磨媒体（コランダムやダイヤモンド
など）を備える。ローラは、ローラの最下端位置がスライドなどのレベリング要
素の底端部と同じレベルになるように配置される。

【００１５】 １つまたはいくつかの層がレーザ・ビームを用いて処理された後、ローラが、
直線移動で設備の製造または構造的空間を横切る。ローラは、好ましくは、例え
ば追加のベルト駆動システムを使用することによって、直線移動と同時に回転さ
れる。回転手段は、直線移動と回転移動の速度ベクトルが構成要素表面とローラ
との接触線で同じ向きを呈するように選択される。研磨媒体がローラ表面に接す
ることにより、表面の不整は、構成要素層の表面から研削して落とされ、それに
より層の表面が平滑にされる。

【００１６】 平滑化操作は、任意選択で、製造プラットフォームが下げられる前または後に
実施することができる。さらに、平滑化操作は、任意選択で、各層の処理後、い
くつかの層の後、または特定の選択された層で、例えばその表面が完成構成要素
の表面を同時に構成する層で実施することができる。平滑化プロセスは、個別の
独立操作ステップとして、またはスライド移動と並列して実施することができる
。平滑化操作がスライド移動と並列して実施されるとき、ローラがスライドの前
に配置され、ローラとスライドの直線移動が同時に行われる。そのような場合に
は、構成要素は、層の表面がローラによって平滑にされた後、かつスライドが構
成要素に達する前に、定義された層の厚さだけ下げられる。これらの提供により
、非常に一定な層厚さを達成することができる。

【００１７】 ただし、ローラは、個別直線移動を用いて、例えばスライド移動の向きと直交
する方向に、スライドから独立して構成要素を横切ることもできる。

【００１８】 本発明を以下に再び、一実施形態の例によって図面を参照しながら説明する。

【００１９】 ドイツ特許１９６４９８６５Ｃ１に記載されるデバイスなど選択的レーザ溶解
を行うデバイスの一例が、図１に概略的に示されている。デバイスは、プロセス
・チャンバの上側縁部の領域に配置された保護ガス用の入口２と、プロセス・チ
ャンバの底部領域４の区域に配置された、対向する縁部にある保護ガス用の出口
３とを含むプロセス・チャンバ１を備える。金属材料粉末６を充填された供給リ
ザーバ５と、製造または構造的チャンバ７とが、プロセス・チャンバの底部領域
４の下に提供される。どちらのボリュームにも、押上げテーブル８、９がそれぞ
れ配置され、駆動機構１４によって押上げピストン１０を介して駆動される。ス
キャン手段１１が、製造チャンバの区域にあるプロセス・チャンバの上方に提供
され、スキャン手段は、レーザ１２が発生するレーザ・ビーム１３を、製造プラ
ットフォームを備える押上げテーブル９上に向ける。

【００２０】 構成要素１６のプロトタイプなどの成形部品を製造するために、まず、構成要
素の座標が入力手段１７を介して中央処理装置１５に入力される。適切なデータ
処理に続いて、製造チャンバ７内の押上げテーブル９が、支持表面が底部領域４
のレベルに対応する第１の上側位置に移動される。供給リザーバ５の押上げテー
ブル８は、はじめに下側位置に移動されて、構成要素１６を形成することになる
金属の微細粒状粉末６が充填される。金属材料粉末６はその後、押上げテーブル
８によって底部領域４よりも高いレベルまで持ち上げられ、図１では点によって
概略的に示されているレベリング手段１９によって、同様に図１から明らかなよ
うにプロセス・チャンバ１の底部領域４を覆って薄層の形に分配される。このた
めに、レベリング手段１９は矢印２０の方向に移動される。同様に中央処理装置
１５に接続されたレベリング手段１９は、底部領域４からおよそ０．０１〜９．
１ｍｍの距離だけ離隔され、この距離は、製造すべき構成要素１６の１層の厚さ
に対応する。この準備処置の完了後、レーザ１２およびスキャン手段１１が、支
持表面を覆って分配された金属材料粉末上にレーザ・ビーム１３を向けるように
制御されて、構成要素１６の最下層に相当する座標に対じて粉末を溶解する。構
成要素１６の最下層の生成後、押上げテーブル９は、定義された距離だけ下方向
に移動され、それにより第１の層の上側が、やはり概ねプロセス・チャンバ１の
底部領域４の平面に位置される。次いで、レベリング手段１９が再び作動されて
、定義された粉末層を、下にある構成要素１６の層上に塗布する。その後、レー
ザ１３が再び、構成要素座標に応じて粉末にわたってトラックごとに移動され、
そこで粉末を溶解する。この操作が、完全な構成要素が製造されるまで繰り返さ
れる。

【００２１】 図２は、レベリング手段１９が、材料粉末を分配するために矢印２０に沿って
移動するように適合されたスライド２１を備える一例を示す。この図は、押上げ
テーブル８および金属材料粉末６を備える供給リザーバ５と、製造プラットフォ
ーム９を備える製造ボリューム７との両方を示す。押上げテーブル８および製造
プラットフォーム９は、図１に例示されるデバイスを参照してすでに説明したの
と同様に、構成要素１６の製造中に矢印の方向に沿って移動される。ここでは、
ローラ２２がスライド２１の前に配置され、スライドに堅く接続されている。ス
ライドの移動中、ローラが駆動されて、矢印２３の方向に回転して材料粉末を分
配する。この構成では、はじめに、スライドの各移動によって、ちょうど処理が
済んだ構成要素１６の表面にわたるローラの移動が達成されて材料粉末を分配し
、その一方でローラは、前述の処理ステップをもたらす望ましくない不整２４を
平滑にする。このとき、ローラ２２は研磨材で被覆されている。ローラ２２の最
下端位置を底部領域４から離隔する距離は、スライド２１の最下端部と底部領域
４の間の距離に対応する。

【００２２】 スライド２１の駆動機構は、好ましくは、プロセス・チャンバ外部に配置され
る。駆動システムの移動はロッドによって伝達され、チャンバの側壁を介してス
ライドに渡る。特定の実施形態では、プロセス・チャンバの幅全体にわたって延
在するスライドが、チャンバ内部にある平鋼レール上で両側面に案内される。ス
ライドに固定された摺動要素は、この場合テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ （登録商標））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、磁気粉末材料の付着を避ける。ローラの直径は、例えば１０〜 ３０ｍｍの範囲内にすることができる。ローラの幅は、少なくとも製造ボリュー ムの幅に対応する。

【００２３】 本発明のデバイスは、好ましくは、ドイツ特許ＤＥ１９６４９８６５Ｃ１にど
ちらも詳細に例示されているデバイス、およびそれに関連する方法で使用される
。

【００２４】 本発明のデバイスを用いると、処理済み層の不整に接触することによるスライ
ドの摩耗を防止することができる。各層は、新たな粉末層を塗布する前に平滑に
することができる。これらの提供により、スライドの摩耗が回避され、より高い
精度およびより良い表面品質で構成要素を製造することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかるデバイスを適用できる選択的レーザ溶解用デバイスの一例を示
す図である。

【図２】 本発明にかかるデバイスにおいて、可能な１つの実施形態の例を示す図である
。

───────────────────────────────────────────────────── 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 マイネルズ， ヴィルヘルム ドイツ国 ア−ヘン デー−52072， フ ェルスターシュトラーセ 25 (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） 4E068 AH01 BB02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成形部品を製造するために選択的レーザ溶解を行うデバイス
   であって、 プロセス・チャンバの底部領域（４）の下に提供される前記成形部品（１６）
   用の製造ボリューム（７）と、底部領域の一区域を覆って材料粉末を一定の厚さ
   の層として分配するためのレベリング手段とを含むプロセス・チャンバ（１）を
   備え、前記レベリング手段が、前記底部領域にわたって移動して材料粉末を分配
   する要素（２１）を含み、 ローラ（２２）が前記プロセス・チャンバ（１）内に研磨手段として提供され
   、前記製造ボリューム（７）内に配置された前記成形部品（１６）の処理表面を
   平滑にする働きをすることを特徴とするデバイス。
2. 【請求項２】 前記材料粉末を分配するための前記要素（２１）の前記移動
   が前記処理表面にわたる前記ローラ（２２）の運動を生ずるように、前記ローラ
   （２２）が前記要素（２１）の前に固定され、ローラが、前記底部領域（４）か
   ら前記要素と同じ距離だけ離隔されていることを特徴とする請求項１に記載のデ
   バイス。
3. 【請求項３】 前記ローラ（２２）が駆動されて、前記処理表面にわたる運
   動中に回転し、前記回転手段が、前記処理表面の平面内での回転の速度ベクトル
   の向きが直線移動の速度ベクトルの向きに対応するように選択されていることを
   特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
4. 【請求項４】 前記ローラ（２２）が研磨材で被覆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項に記載のデバイス。