JP2003136604A - ラスター走査方向が最適化された選択的レーザ焼結 - Google Patents

ラスター走査方向が最適化された選択的レーザ焼結

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 選択的レーザ焼結方法及び装置において物体
の構築時間を短縮する。 【解決手段】 ３次元物体を１層ずつ作製するためのコ
ンピュータ制御型装置及び方法。可融合性粉末層の分配
後、レーザがラスター走査方式で制御されて粉末層の選
択された場所を照射し、粉末を融合させてその層に形成
されるべき物体断面にし、複数の融合断面が一つに融合
して物体になる。最適な充填走査時間を得るために各断
面に対してラスター走査線が定められる。最適充填走査
時間は、物体を形成するに必要な少なくとも１つの標本
充填走査に対して、複数の回転角で回転された断面のそ
れぞれについての充填走査時間をコンピュータで推定す
ることにより決定される。物体の選択的レーザ焼結に用
いられる実充填走査ベクトルは最短推定充填走査時間を
与える断面回転角にしたがって標的表面における座標軸
から回転される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高速試作の分野にあ
り、さらに詳しくは、選択的レーザ焼結による３次元物
体の作製に向けられる。
【０００２】
【従来の技術】比較的新しい高速試作の分野は、設計検
証及び試験生産に対して有用な、高強度で高密度の部品
の提供において相当な能力増進を提供してきた。“高速
試作”とは一般に、従来形式の技術図面による原型物体
の機械加工によるのではなく、コンピュータ支援設計
(ＣＡＤ)データベースからの自動化態様における直接の
物体製作を指す。この結果、技術設計から原型部品製作
までに要する時間が数週間からおよそ数時間にまで短縮
されている。
【０００３】背景として、高速試作技術の一例は、物体
がレーザ可融合粉末から一層ずつの態様で製作される、
米国テキサス州オースティン(Austin)のＤＴＭ社(DTM C
orporation)(現３Ｄシステムズ社(3D Systems, Inc.))
から入手できるシステムで実施される選択的レーザ焼結
プロセスである。このプロセスによれば、粉末の薄層が
分配され、次いで、その層における物体の断面に対応す
る粉末層部分においてレーザエネルギーにより、融合、
融成、または焼結される。ＤＴＭ社(現３Ｄシステムズ
社)から入手できるＳＩＮＴＥＲＳＴＡＴＩＯＮ２５０
０プラスシステムのような、従来の選択的レーザ焼結シ
ステムでは、レーザビームを偏向させるガルバノメータ
駆動ミラーによりレーザビームが位置決めされる。レー
ザビームの偏向は、レーザ自体の変調と組み合わせて、
可融合粉末層の、この層に形成されるべき物体断面に対
応する場所にレーザエネルギーを導くように制御され
る。ラスター方式により粉末層面内をレーザで走査する
ことができ、あるいはレーザをベクトル方式で導くこと
ができる。断面の外形線に沿ってベクトル方式で粉末を
融合すること及び、その前または後に、ベクトル描画外
形線内の領域を「充填」するラスター走査を行うことに
より、粉末層に物体断面が形成される用例もある。いず
れの場合にも、与えられた層における粉末の選択融合
後、物体が完成されるまで、次の粉末層が次いで分配さ
れ、上記のプロセスが繰り返されて、(物体に適切であ
るように)前の層の融合部分に後の層の融合部分が融合
される。
【０００４】選択的レーザ焼結技術のさらに詳細な説明
は、いずれもテキサスシステム大学理事会に譲渡され
た、米国特許第４,８６３,５３８号、米国特許第５,１
３２,１４３号及び米国特許第４,９４４,８１７号、並
びにＤＴＭ社(現３Ｄシステムズ社)に譲渡された米国特
許第４,２４７,５０８号により与えられる。上記特許は
全て本明細書に参照として含まれる。選択的レーザ焼結
システムのためのレーザパワー制御システムは、いずれ
もＤＴＭ社(現３Ｄシステムズ社)に譲渡された、２００
０年７月４日発行の米国特許第６,０８５,１２２号及び
２０００年１１月２１日発行の米国特許第６,１５１,３
４５号に述べられている。これらの特許も本明細書に参
照として含まれる。さらなる背景として、ＤＴＭ社(現
３Ｄシステムズ社)に譲渡され、本明細書に参照として
含まれる、１９９４年１０月４日発行の米国特許第５,
３５２,４０５号は、選択的レーザ焼結装置における、
粉末層の同じ領域の隣り合う走査線に対して一様なレー
ザ帰線時間を与え、よって同じ構築シリンダ内の複数の
部品のそれぞれの断面にかけて一様な熱条件を与えるた
めの、粉末層面内レーザ走査方法を述べている。
【０００５】選択的レーザ焼結技術は、ポリスチレン、
ナイロン、その他のプラスチック、及び高分子材被覆金
属またはセラミックのような複合材を含む様々な材料か
らの解像度及び寸法確度の高い３次元物体の直接製造を
可能にした。ポリスチレン部品は周知の「ロストワック
ス」法による金型作成に用いることができる。さらに、
選択的レーザ焼結は、作製された金型で成形されるべき
物体のＣＡＤデータベース表現からの金型の直接作製に
用いることができる。この場合には、粉末から雌型を直
接形成するために、形成されるべき物体のＣＡＤデータ
ベース表現を「反転」するように、コンピュータが動作
する。
【０００６】図１は、背景として、従来型選択的レーザ
焼結システム１００の構成及び動作を示す。図１に示さ
れるように、選択的レーザ焼結システム１００はチャン
バ１０２(明解さのため、チャンバ１０２のフロントド
ア及び天板は図１に示されていない)を備える。チャン
バ１０２は、物体作製に適切な温度及び雰囲気組成(一
般には窒素のような不活性雰囲気)を維持する。
【０００７】システム１００の粉末配送システムは、上
方に動いてある量の粉末を持ち上げるための、モーター
１１６で制御される供給ピストン１１４をチャンバ１０
２に備える。ＤＴＭ社(現３Ｄシステムズ社)から入手で
きるＳＩＮＴＥＲＳＴＡＴＩＯＮ２５００プラスシステ
ムに用いられているように、効率的でフレキシブルな粉
末配送のため、２つの供給ピストン１１４を部品ピスト
ン１０６の両側に装備することができる。部品ピストン
１０６は、処理されるべき粉末層のそれぞれの厚さを定
めるため、モーター１０８に制御されて、少しだけ、例
えば０.１２５ｍｍ、チャンバ１０２の床より下方に移
動する。ローラー１１８は、粉末を供給ピストン１１４
から標的表面１０４に移す逆転ローラーである。本明細
書における説明のため、標的表面１０４は、部品ピスト
ン１０６の上に配される熱可融合粉末層の上表面を指
す。部品ピストン１０６上に配された焼結及び未焼結粉
末は、本明細書で部品床１０７と称される。既知の別の
粉末配送システムは、ローラーまたはスクレーパのよう
な配送装置の前面において、部品ピストン１０６の上方
から粉末を配送する。
【０００８】図１の従来型選択的レーザ焼結システム１
００において、レーザビームがレーザ１１０により発生
され、レーザビームを偏向させるガルバノメータ駆動ミ
ラーを一般に備える走査システム１４２により、標的表
面１０４に照準される。レーザビームの偏向は、レーザ
１１０自体の変調と組み合わされて、可融合性粉末層
の、この層に形成されるべき物体の断面に対応する場所
にレーザエネルギーを導くように制御される。走査シス
テム１４２は、ラスター走査方式またはベクトル方式で
粉末層面内をレーザビームで走査することができる。物
体の断面は、断面の外形線に沿うベクトル方式でのレー
ザビーム走査を、ベクトル描画外形線内の領域を「充
填」するラスター走査と組み合わせることで粉末層に形
成されることが多い。
【０００９】図２は、１つまたはそれより多くの物体の
４つの断面５０が従来の選択的レーザ焼結方法にしたが
って最上粉末層に形成されている目標表面１０４の一部
分を示す。本例において、断面５０は合同な長方形であ
るが、標的表面１０４のｘ−ｙ平面に関して互いに異な
る角方位にある。図２に示されるように、これらの断面
５０のそれぞれは、走査線６２に沿う、標的表面１０４
の粉末層面内のレーザビームラスター走査により形成さ
れる。同じく図２に示されるように、走査線６２のそれ
ぞれは標的表面１０４の座標系におけるｘ軸に平行であ
る。したがって、ｘ軸がレーザビームのラスター走査に
対する「速」走査軸であり、一方ｙ軸が、ラスター走査
線がそれぞれの掃引終了時に前進する方向であるから、
「遅」軸である。
【００１０】図２に示される従来技法にしたがえば、与
えられた断面５０を形成するに必要な一様間隔のラスタ
ー走査線の数は、標的表面１０４のｘ−ｙ座標平面にお
ける断面５０の方位に依存する。本例においては、４本
の走査線６２が、水平方向に配された断面５０ａを走査
するために必要である。角度を付けて配された断面５０
ｃ及び５０ｂに対しては、それぞれ１４本の走査線が必
要である。垂直に配された断面５０ｄには、１３本の走
査線６２が必要である。走査線６２の間隔は、得られる
物体の所望の構造強度、粉末層の厚さ、表面風合及び構
築速度のような要因に依存して、選択的レーザ焼結シス
テムの担当技術者により選択される。選択的レーザ焼結
プロセスにおけるレーザビームの走査にかかわる熱的要
因が、先に参照として含めた米国特許第５,３５２,４０
５号に説明されている。
【００１１】本発明に関連して、ラスター走査線(例え
ば図２の走査線６２)の数が、選択的レーザ焼結による
物体の構築に必要な総時間の重要な要因でいることがわ
かっている。したがって、本発明に関連して、走査線が
結果として長くなるとしても与えられた層に実施される
走査線の数の低減が構築時間の短縮に帰着するであろう
ことが発見されている。さらに、選択的レーザ焼結装置
がラスター走査線に対応するベクトルをメモリに格納し
なければならないことを考慮すれば、ラスター走査線数
の低減はコンピュータメモリに格納されるべきベクトル
を少なくすることになり、よってコンピュータリソース
をより効率的に利用できることになろう。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】選択的レーザ焼結にお
いて、物体の構築時間を短縮する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、物体の
断面のそれぞれに必要なラスター走査線の数を低減する
ことにより物体の構築時間が短縮される、選択的レーザ
焼結方法及び装置を提供することにある。
【００１４】本発明の別の目的は、制御ベクトルの格納
に対するコンピュータメモリ要件を最適化できる、上記
の方法及び装置を提供することにある。
【００１５】本発明のまた別の目的は、主軸に沿う引張
強さが最適化される、物体の作製のための上記の方法及
び装置を提供することにある。
【００１６】本発明のさらに別の目的は、ベクトル端点
による表面粗さを最小化できる、物体の作製のための上
記の方法及び装置を提供することにある。
【００１７】本発明のその他の目的及び利点は、以下の
説明を図面とともに参照する当業者には、明らかであろ
う。
【００１８】本発明は、物体の断面のそれぞれに対する
ラスター走査の方向が最適化される、選択的レーザ焼結
による物体作製のための方法及び装置に実施できる。選
択的レーザ焼結装置に付帯するコンピュータが、物体断
面のそれぞれに対する走査ベクトルを導出する。ベクト
ル導出において、断面のいくつかの試行方位を用いて、
物体断面の走査時間がシミュレートされるか、あるいは
その他の方法で計算される。次いで、走査ベクトルが断
面の最適方位に対して導出されて、コンピュータメモリ
に格納される。このプロセスが、与えられた粉末層に形
成されるべき断面のそれぞれに対し、また構築サイクル
における粉末層のそれぞれに対して、個別に繰り返され
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】上記の説明から明らかになるであ
ろうように、本発明は物体の、コンピュータ支援設計
(ＣＡＤ)あるいはコンピュータ支援製造(ＣＡＭ)システ
ムでつくられるような、その物体のコンピュータ読込可
能な表現からの作製にレーザを利用する高速試作システ
ムに適用される場合に有益である。本発明は、熱機構に
基づく高速試作法に適用される場合に特に有益であると
考えられる。技術上周知のように、選択的レーザ焼結は
物体を形成するために、連続する層のそれぞれの選択さ
れた場所にある粉末粒子がレーザエネルギーを受ける場
所において互いに融合する、熱機構を用いる高速試作手
法である。選択された場所における粒子の融合または結
合は、(伝統的な意味において)焼結、融解及び再固化、
(熱硬化を含む)化学反応の開始、あるいは何か他の熱に
基づく機構を含む、多くの熱機構の内の１つによりおこ
る。本説明のため及び高速試作分野において整合するよ
うに、これらの機構の全てを「焼結」と称することとす
る。したがって、以下の説明は選択的レーザ焼結システ
ムに向けられることになる。本発明を熱機構を含む別種
の高速試作システムに有益に用い得ることは当然であ
る。
【００２０】所望の１つまたは複数の物体の断面の作製
は、本明細書で先に参照した米国特許に説明され、さら
にここで図３に関して説明されるような態様で走査シス
テム１４２により導かれるビームを提供する、レーザ１
１０により実施される。レーザ１１０は、レーザ自体に
加えて、例えばフロントミラーアセンブリ、並びに発散
及び収斂レンズのような集束素子を含む、上で参照した
米国特許第４,８６３,５３６号に述べられるような通常
の制御素子を備える。用いられるレーザ１１０のタイプ
は多くの要因に依存し、特に焼結される粉末のタイプに
依存する。通常タイプの粉末の多くに対して、好ましい
レーザは制御可能なパワー出力をもつ１００Ｗ ＣＯ２
型レーザであるが、パワー出力が２５Ｗと低いレーザも
ある種の材料には有用である。レーザ１１０は、オン時
には、図３に矢印で示される経路に概ね沿って進行する
レーザビーム１０５を発する。
【００２１】コンピュータ１４０及び走査システム１４
２が、レーザビーム１０５が標的表面１０４に入射する
ように、レーザビーム１０５の向きを制御する。本発明
のこの好ましい実施形態において、コンピュータ１０４
は走査システム１４２のための制御マイクロプロセッサ
を備え、製作される１つまたは複数の物体の寸法を定め
るための、そっくりそのままではないにせよ少なくとも
スライス毎の形式にある、ＣＡＤ／ＣＡＭデータベース
またはそのようなデータベースから生成されたデータフ
ァイルのような、製作される１つまたは複数の物体のコ
ンピュータ読込可能な表現を格納するためのシステムを
さらに備える。浮動小数点演算能力を備えるマイクロプ
ロセッサベースパーソナルコンピュータのような、通常
のパーソナルコンピュータワークステーションが、本発
明の好ましい実施形態のコンピュータ１４０としての使
用に適する。コンピュータ１４０は、レーザビーム１０
５を現在の粉末層につくられるべき物体の断面にしたが
って標的表面１０４内にわたって導くために、走査シス
テム１４２のスキャナプロセッサ１０３へのＡＩＭライ
ン上の信号を発生する。レーザパワー制御システム１５
０が、コンピュータ１４０からの制御信号及びスキャナ
プロセッサ１０３からのフィードバック信号に応答して
レーザ１１０のパワーを制御する。本発明のこの実施形
態とともに用いることができる高度なレーザパワー制御
の一例が先に参照として含めた米国特許第６,１５１,３
４５号に述べられている。
【００２２】走査システム１４２は、レーザビーム１０
５の進行経路の方向を変えるためのプリズム１４４を備
える。適切な場所にレーザビーム１０５を導くために必
要なプリズム１４４の数は、装置の物理的なレイアウト
に基づく。あるいは、技術上周知のように、システム１
００の特定のレイアウトに依存して、プリズム１４４の
代わりに１つまたはそれより多くの固定ミラーを、レー
ザビーム１０５を導くために用いることができる。走査
システム１４２は、ガルバノメータ１４８，１４９のそ
れぞれにより駆動される一対のミラー１４６，１４７を
さらに備える。ガルバノメータ１４８，１４９は、ミラ
ー１４６，１４７の向きを選択的に定め、レーザビーム
１０５の照準を制御するために、ミラー１４６，１４７
のそれぞれに結合される。ガルバノメータ１４８，１４
９は、ミラー１４６、１４７が互いに対して名目上直角
に取り付けられるように、互いに垂直に取り付けられ
る。走査システム１４２のスキャナプロセッサ１０３
が、標的表面１０４において粉末層に形成されるべき物
体の断面を定めるＣＡＤ／ＣＡＭデータベースから作ら
れたコンピュータ読込可能な表現にしたがって発生され
た、コンピュータ１４０からのＡＩＭライン上の信号に
応答して、レーザビーム１０５の照準を標的表面１０４
内で制御するためにガルバノメータ１４８，１４９の動
きを制御する。代わりに、例えば、光ファイバケーブル
を用いてエネルギービームを供給するｘ−ｙガントリー
システムを含む、その他の走査システムを本発明ととも
に用いることができる。
【００２３】次に図４を参照すれば、本発明の好ましい
実施形態にしたがうレーザビーム１０５の制御における
コンピュータ１４０の動作が詳細に説明される。この動
作は、与えられた構築サイクルに対してパラメータが確
立される(図４には示されていない)いくつかのプロセス
で始まる。技術上知られるように、構築サイクルは、１
つまたはそれより多くの物体が部品床１０７の一段階に
一層ずつの態様で形成される、図３のシステムの動作サ
イクルを指す。この構築サイクルに対し、技術上通常の
ように、所望の粉末材料は人間の使用者により選択され
る。続いてコンピュータ１４０が、レーザパワー、部品
床温度等のような様々な構築パラメータをロードするた
め、ファイルを読み込む。
【００２４】プロセスは、プロセス２００における選択
的レーザ焼結システム１００の人間の使用者による走査
方向最適化の起動で開始される。走査方向最適化は、選
択的レーザ焼結における任意選択機能となるべきである
と考えられ、したがって構築サイクルのそれぞれに対し
て使用者による選択が可能となるべきであると考えられ
る。走査方向最適化が起動されなければ、それぞれの粉
末層に対する充填ベクトルの生成は通常の態様で実施さ
れるであろう。プロセス２００における走査方向最適化
の起動に続き、プロセス２０１において、いくつかの構
築パラメータが人間の使用者により設定され、コンピュ
ータ１４０のメモリに格納される。これらの構築パラメ
ータは、分配されるべき粉末層の厚さ及び、充填走査線
間隔、すなわち隣り合うラスター走査線間のピッチを含
む、構築サイクルにおけるレーザビーム１０５の走査を
定めるに必要なパラメータを含む。レーザスポット径、
走査速度等のようなその他の関連パラメータも、コンピ
ュータ１４０に前もって格納されていなければ、プロセ
ス２０１で設定することができる。プロセス２０２にお
いて、システム１００の人間の使用者は、コンピュータ
１４０を援用して、その構築サイクルにおいて作製され
るべき１つまたは複数の物体を部品床１０７内に配置す
る。複数の物体が作製される場合には、これらの物体が
部品床１０７内に収まるように配置されることは当然で
ある。本明細書を参照する当業者には、プロセス２０
０，２０１，２０２が任意の順序で実施され得ることが
明らかであろう。
【００２５】次いで、個々の層及び個々の層に形成され
るべき物体の個々の断面の処理が、プロセス２０４で開
始される。図４のプロセス２０４において、コンピュー
タ１４０が現在の選択的レーザ焼結構築サイクルで形成
されるべき物体のコンピュータ読込可能な表現を受け取
り、部品床１０７の最上粉末層における標的表面１０４
の座標系を基準にして、それぞれの粉末層で描画される
べき外形線ベクトル及び充填ベクトルのセットを生成す
る。プロセス２０４におけるベクトル生成は、例えば前
の層の選択的レーザ焼結中に次の層のためのベクトルを
生成することにより、構築そのものの間に実時間で実施
することができ、あるいはプロセス２０４は選択的レー
ザ焼結を開始する前に構築サイクルにおける全層につい
てバッチ処理で実行することができる。さらに、プロセ
ス２０４の全てまたは一部をシステム１００のコンピュ
ータ１４０により、あるいは別のオフラインコンピュー
タで実施することができる。本説明のため、プロセス２
０４はコンピュータ１４０により実施される実時間プロ
セスとして述べることとする。次に図５を参照すれば、
本発明の好ましい実施形態にしたがう、構築サイクルの
それぞれの層に形成されるべき１つまたはそれより多く
の物体断面に対する充填ベクトルの生成についてのプロ
セス２０４が詳細に説明される。
【００２６】本説明のため、コンピュータ１４０が充填
ベクトルを生成している現在の粉末層が層ｋとして指定
され、コンピュータ１４０が処理している現在の物体断
面が断面ｊとして指定される。同じ層内の複数の物体断
面が、所望の物体の特定の形状寸法に依存して、相異な
る物体に属し得るかまたは同じ物体に属し得ることは当
然である。以下の説明から明らかになるように、本発明
の好ましい実施形態にしたがえば、それぞれの層に対す
るベクトルは、レーザビーム１０５により選択的に焼結
されるべき現在の(または次の)粉末層ｋに対して、実質
的に一度に一層ずつについて生成される。したがって、
本発明の好ましい実施形態にしたがえば、メモリを節約
するために、前の層(例えば層ｋ-１、またはさらに前の
層)に対した格納されたベクトルを、これらの格納され
たベクトルが選択的レーザ焼結で用いられてしまえば、
コンピュータ１４０のメモリから廃棄するためのプロセ
ス２２０が最初に実施される。ベクトルが廃棄される層
は、コンピュータ１４０のメモリリソース及び実施され
るベクトル生成のいずれかの「パイプライン化」に依存
して、現在の層の直前の層とすることができ、あるいは
プロセスをさらにさかのぼった層とすることができる。
【００２７】本発明の好ましい実施形態にしたがえば、
次いでプロセス２２２において、現在の層ｋにおける現
在の断面ｊに対する一組の輪郭ベクトルが定められる。
これらの輪郭ベクトルは、システム１００の標的平面に
適用されるｘ−ｙ座標系に対して定められ、この座標系
の原点(及びｘ軸方向とｙ軸方向)は任意に指定される。
一般に、図３のシステム１００に関して上述したような
２ミラー走査システムにおいては、ミラー１４７が回転
されミラー１４６が固定されたままでいる場合にレーザ
ビーム１０５で掃引される線に速走査軸(例えばｘ軸)が
平行となり、一方ミラー１４６が回転されミラー１４７
が固定されたままでいる場合にレーザビーム１０５で掃
引される線に遅走査軸(例えばｙ軸)が平行となろう。
【００２８】層ｋにおける断面ｊの輪郭がプロセス２２
２でコンピュータ１４０により定められると、この断面
の走査時間が本発明の好ましい実施形態にしたがって最
適化され得るように、複数の回転角におけるこの断面の
充填走査時間を評価し、試験するためのプロセス２２５
が次いで実施される。要するに、現在の層ｋにおける現
在の断面ｊの走査を、プロセス２０２において配置され
た位置からのいくつかの回転位置において、コンピュー
タ１４０が有効にシミュレートすることになろう。これ
らのシミュレート結果から、この断面ｊを走査する速走
査軸に対する最適方位が決定されることになろう。この
最適方位は最短充填走査時間が得られる方位である。次
いで、本発明の好ましい実施形態にしたがうプロセス２
２５のステップの詳細な説明に関する、図６及び７に注
目する。
【００２９】図６は、システム１００の部品床１０７に
おける最上粉末層にある標的表面１０４に対応するｘ−
ｙ平面における一組の例示的な回転角を示す。本例にお
いては、無回転(すなわち０°回転)を含む＋９０°回転
から−６７.５°回転の範囲の８通りの可能な回転が示
される。別の、９０°から−６７.５°の前記８通りの
回転に対向する(＋１１２.５°から−９０°の回転)角
度は、これらの角度にともなう走査時間が対応する対向
角にともなう走査時間と同じであろうから、プロセス２
２４に含める必要はない。
【００３０】次に図７を参照すれば、プロセス２２５が
試験またはシミュレーションに用いられるべきいくつか
のパラメータの選択で開始される。プロセス２２５はシ
ミュレーションまたは計算であるから、物体の実構造強
度は関係せず、よってプロセス２２５における充填走査
線間隔は実際に用いられることになる間隔より広げるこ
とができる。したがって、実行されることになる実際の
走査を一定の割合で間引いて走査するに必要な時間をシ
ミュレートすることにより、走査時間の公平な比較を得
ることができると考えられる。したがってプロセス２３
４において、使用者は、現在の断面に対してプロセス２
２５において評価されることになる走査線数の、選択的
レーザ焼結システム１００がその断面を作製する際に実
際に実行することになる走査線数に対する比である、標
本比を選択する。１：２の比が、様々な回転についての
充填走査時間の正確な相対尺度を与えることが多く、同
時にシミュレーションのコンピュータ計算時間及びリソ
ースも低減するであろうと考えられる。プロセス２３４
においても、コンピュータ１４０の使用者がシミュレー
ションされる回転間の回転インクリメント角を選択す
る。図６の例では、インクリメント角Δは２２.５°で
ある。
【００３１】サンプルの充填時間の反復シミュレーショ
ン及び計算が、現在の断面ｊを回転指数ｍにしたがって
角度φｍだけ「回転」させる、プロセス２３６で開始さ
れる。上述したように、回転角φｍは無回転、すなわち
φｍ＝０°を含む。プロセス２３８において、コンピュ
ータ１４０は、現在の角度φｍだけ回転された場合の、
層ｋの断面ｊの充填走査を実行する充填に要するはずの
時間を計算する。プロセス２３８のこの計算は、プロセ
ス２３４で選択された標本比により決定された走査線数
に対して実施されるが、速走査方向(ｘ方向)に沿う特定
の走査自体に必要な時間だけではなく、これと遅走査軸
(ｙ方向)でのインクリメント時間との和をとるように考
えられている。確度を高めるため、各走査線に対して追
加される時間には、先に参照として含めた米国特許第
６,０８５,１２２号に説明されているように、ベクトル
の端点における加速及び減速時間を含めることができ、
また断面ｊの外形線の外側をレーザビームで走査するに
必要ないかなる時間も含めることができる。充填走査線
の方位にかかわらず、断面ｊはほぼ同じ走査充填面積を
もつことを考慮すれば、これらの要因が、プロセス２３
８の実シミュレーション及び計算に重要である。充填走
査線の方位にかかわらず断面ｊがほぼ同じ走査充填面積
をもつことは、実際の真の走査時間が様々な回転にわた
り一定であることを示すが、それぞれの直線走査にとも
なって、その長さにかかわらず、関与するオーバーヘッ
ド時間のため、選択的レーザ焼結に対する最適断面方位
を決定することで走査数が好ましく最小化される。
【００３２】図８ａは、プロセス２０２において配置さ
れたｘ−ｙ平面上の位置における、言い換えれば０°の
回転角φｍにある、例示的断面２５２０を示す。図８ａ
では、標本としてとられた充填走査線がｘ軸に平行に表
わされている。これらの標本充填走査線は、プロセス２
３８がシミュレーションに過ぎず、したがって得られる
走査線に一体化断面を形成するほど密な間隔をとる必要
はないことを考慮して、上述したように、互いに比較的
広く隔てられている。実際、断面２５２０に対して実シ
ミュレートされた充填走査線自体を、プロセス２３８が
完了した後までコンピュータ１４０のメモリに格納する
ことは、コンピュータ１４０のメモリリソースを節約す
るためには、好ましいことではない。さらに、計算のた
めに断面２５２の位置を中心におくか、さもなければ平
行移動する必要はなく、よってコンピュータ計算リソー
スがさらに節約される。プロセス２３８において、コン
ピュータ１４０は、図８ａに示された態様において断面
２５２０を走査するに必要となるはずの時間の推定値を
計算し、この推定値をコンピュータ１４０のメモリに格
納する。
【００３３】次にコンピュータ１４０は、現在の断面ｊ
に対して推定すべき回転角がまだあるか否かを確認す
る。そうで(判定２３９がイエスで)あれば、プロセス２
４０において、回転角φｍに対する指数ｍがインクリメ
ントされ(その方が適当であれば、デクリメントされ)、
制御は、現在の断面ｊの回転及び推定標本充填走査時間
の計算のそれぞれのためのプロセス２３６，２３８に戻
される。
【００３４】図８ｂ及び８ｃは、無回転断面２５２０と
の比較のための、別の２つの例示的に回転された断面２
５２＋１，２５２-１を示す。図８ｂにおいて、断面２
５２ ＋１は、本例では２２.５°である正角方向の１イ
ンクリメント角Δだけ回転されている。図８ｂから明ら
かなように、シミュレートされる走査線はやはりｘ軸に
平行である。図８ｃにおいて、断面２５２−１は無回転
断面２５２０から、本例では−２２.５°である、負角
方向の１インクリメント角Δだけ回転されて示されてい
る。シミュレートされる走査線はやはりｘ軸に平行であ
る。
【００３５】回転された断面の走査充填時間を試験する
ためのプロセス２２５の実施において、コンピュータ１
４０が、断面の角方位を回転して走査方向を固定してお
く代わりに、断面の方位を固定しておきながらシミュレ
ートされる走査線の角度を回転し得ることが当然考えら
れる。本発明のこの実施形態にしたがい、現在利用可能
なＣＡＤルーチンを用いれば、断面自体の反復回転が、
コンピュータ計算上、より効率的である。
【００３６】現在の断面ｊの所望の回転が全てシミュレ
ートされ、それらの推定充填走査時間が格納されたこと
が確認される(判定２３９がノーである)と、本発明の好
ましい実施形態にしたがい、さらに１つのシミュレーシ
ョンが実施される。プロセス２４２において、コンピュ
ータ１４０はプロセス２２２で生成された現在の断面ｊ
の輪郭を参照し、最長外形線ベクトルセグメントが現在
の断面方位に向けられる角度を決定する。この角度がわ
かると、コンピュータ１４０は次いで、最長外形線ベク
トルセグメントがシミュレートされた(本例ではｘ軸に
平行な)走査線に平行である、回転された断面が得られ
るように、断面ｊを上記の角度の符号を反転させた角度
だけ回転させる。図８ａの例を引けば、断面２５２の最
長外形線ベクトルは、ｘ軸からほぼ−１８°の角度にあ
る、長方形の長辺である。したがって、本例では、プロ
セス２４２が断面２５２を＋１８°の角度だけ回転させ
るであろう。次いで、この回転及びメモリに格納された
結果に対して、標本シミュレート充填走査時間が、プロ
セス２４２においてコンピュータ１４０により計算され
る。
【００３７】改めて図５を参照すれば、プロセス２２５
における現在の断面ｊの所望の試行回転のそれぞれに対
する推定充填走査時間の計算に続いて、コンピュータ１
４０はプロセス２２６において、最短推定充填走査時間
及びこの最短推定時間にともなう回転を識別するため
に、格納された推定充填走査時間を調べる。図８ａから
８ｃの例に戻れば、３つの例示的に回転された断面２５
２の中では、断面２５２ ＋１が、他の２つより少ない走
査線が交差していることを考慮すれば、最短の充填走査
時間を有する。しかし、断面２５２は長方形であるか
ら、プロセス２４２で用いられたような最長辺に平行な
回転が真の最小を与えることとなり、したがって、本例
においては最適回転角はほぼ１８°であろう。
【００３８】プロセス２２８において、実際の選択的レ
ーザ焼結プロセスに用いるために、プロセス２２６で選
択され、コンピュータ１４０のメモリに格納された回転
に基づいて、現在の断面ｊに対する実充填走査線が生成
される。これらの充填走査線は、プロセス２２６で選択
された回転にともなう回転角φｍの符号を反転させた角
度だけ公称速走査軸(例えばｘ軸)から回転され、よっ
て、選択的レーザ焼結プロセスにおいて、現在の断面ｊ
がプロセス２２６で決定された最適回転角φｍで走査さ
れることになろう。さらに、プロセス２２８で得られた
充填走査線の間隔は、プロセス２１８で選択され、格納
された、充填走査線間隔パラメータＬの値に対応する。
【００３９】図８ｄは、最適回転に基づいて断面２５２
に施された、プロセス２２８の結果を示す。図８ｄに示
されるように、断面２５２’は無回転位置にあり、言い
換えれば図８ａに示される無回転断面２５２０に対応す
る。しかし、断面２５２’における充填走査線は図８ａ
から８ｃの推定値におけるようにｘ軸に平行ではなく、
代わりに最適回転の符号を反転させた角度だけｘ軸から
回転されている。本例においては、選択された最適断面
２５２＋１は＋１８°の回転にあったから、図８ｄの断
面２５２’における充填走査線のそれぞれはｘ軸から−
１８°だけ回転される。
【００４０】本出願と同時に出願され、本明細書に参照
として含まれる、名称を「充填走査がインターリーブ化
された選択的レーザ焼結」とする、同時継続英国特許出
願第０１１８６５２.７号に説明されるように、現在の
断面ｊに対してプロセス２３８で生成される充填走査線
は、充填走査線間隔パラメータＬの値だけ互いに隔てら
れる上に、断面ｊ自体の輪郭に対してではなく、ｘ−ｙ
座標平面に対して位置決めされる。さらに充填走査線の
位置は、選択的レーザ焼結で形成される物体の構造強度
を最大化するために、連続する層ｋにおいて、充填走査
線間隔パラメータＬの値の２分の１だけ互いにオフセッ
トされる。
【００４１】プロセス２２８において、層ｋの現在の断
面ｊに対する最適回転における充填走査線が生成され、
格納されると、充填走査線が生成されるべき別の断面が
まだあるか否かを確認するために、判定２２９がコンピ
ュータ１４０により実施される。そうで(判定２２９が
イエスで)あれば、プロセス２３０において現在の層内
の断面に対する指数ｊがインクリメントされ、次の断面
に対する外形線輪郭ベクトル及び最適充填走査線の生成
のためのプロセス２２２に制御が戻される。
【００４２】当業者であれば、現在の層ｋに複数の断面
がある場合、それぞれの断面は、層ｋにおける他の断面
の最適化走査方向とは無関係に得られた、それぞれ自身
の最適化走査方向をもつことを認めるであろう。図９
は、それぞれの充填走査線６２が上述した本発明の好ま
しい実施形態にしたがって生成されて示される、標的表
面１０４にある長方形の断面２５０ａ，２５０ｂ，２５
０ｃ，２５０ｄを平面図で示す。図９の断面２５０は、
図２の断面５０と同じ形状、寸法及び位置に対応する。
断面２５０に対する充填走査線６２の、断面５０の充填
走査線６２との比較により、本発明により得られる最適
化が示される。断面２５０のそれぞれは、それぞれの方
位にかかわらず、最小の走査線数(例えば、４本)を有す
る。対照的に、それぞれがｘ軸に平行な同じ速走査方向
にある充填走査線６２を有する、図２の断面５０に対し
ては、(最長辺がたまたまｘ軸に平行な方位にある)断面
５０ａだけが最適化され、断面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ
は全て、最適化された、最小の充填走査線数より多くの
数の、充填走査線６２を必要とする。
【００４３】処理されるべき他の断面が残っていないこ
とが確認される(判定２２９がノーである)と、現在の層
における充填ベクトルの生成は完了する。制御は次い
で、選択レーザ制御による１つまたは複数の物体の１層
ずつの実際の作製を開始するために、プロセス２０６の
最初の段階に渡される(図４)。あるいは、上で論じたよ
うに、プロセス２０４は実際の構築を開始する前に構築
サイクルの全層についてバッチ処理として実施すること
ができるか、あるいは構築中に実時間で実施することが
できる。
【００４４】改めて図４を図３と合わせて参照すれば、
本発明の好ましい実施形態にしたがう物体の作製方法
は、プロセス２０６における、例えば、先に参照として
含めた米国特許第５,０７６,８６９号に説明されるよう
に、逆転ローラー１１８(図１)を平行移動させて剪断応
力が最小の粉末層を形成することによる、部品床１０７
表面での粉末層の分配に続く。例えば、移動するローラ
ーまたはスクレーパの前面における、部品床１０７表面
の上方からのある量の粉の配送を含む、その他の粉末層
の分配のためのシステムを代わりに用いることができ
る。
【００４５】プロセス２１０において、部品床１０７表
面にある現在の粉末層における物体断面の内の１つが、
プロセス２０４でその層におけるその断面に対して生成
された充填走査ベクトルにしたがって、コンピュータ１
４０及び走査システム１４２の制御の下で、レーザビー
ム１０５によりラスター走査される。上で論じたよう
に、現在の層における物体断面のそれぞれに対する充填
走査線の方向は最速走査時間に最適化される。様々な断
面の間での走査方向最適化の独立性のため、与えられた
いずれの層においても複数の断面は相異なる速軸方向に
走査されるはずである。したがって、ラスター走査され
るべき別の物体断面が現在の層にまだあるか否かを確認
するために、判定２１１が実施される。そうで(判定２
１１がイエスで)あれば、次の断面に対する充填走査を
実施するために制御はプロセス２１０に戻される。
【００４６】プロセス２１０において現在の層内のそれ
ぞれの断面に対するラスター走査、すなわち充填走査が
完了すると(判定２１１がノーであると)、現在の層にお
ける物体断面のそれぞれの外形線ベクトル描画を行うた
めのプロセス２１２が任意選択で実施される。あるい
は、それぞれの断面の外形線を、それぞれの充填走査の
直前または直後に、またはその層の別の断面の充填走査
後に、または現在の層の断面の内のいずれか１つの充填
走査の前に、描画することができる。次いでコンピュー
タ１４０は、現在の構築サイクルにおいて選択的に焼結
されるべき別の層がまだあるか否かを確認するための判
定２１３を実行する。そうで(判定２１３がイエスで)あ
れば、コンピュータ１４０が層の指数ｋをインクリメン
トし、次の層内の最初の断面を指すように指数ｊを初期
化する、プロセス２１４に制御が渡される。制御は次い
で、上記次の層における断面に対する最適化充填ベクト
ルの生成のため、プロセス２０４に戻される。
【００４７】技術上周知のように、選択的レーザ焼結に
おいては、例えば１０分の数ミリメータ程度の厚さの、
極めて薄い層が一般に用いられる。そのような薄い層で
は、多くの場合、物体断面の形状が層毎に大きく変わり
はしないことが多い。したがって、本発明の好ましい実
施形態による最適化充填走査の計算は必ずしも層毎に実
施する必要はなく、代わりに、シーケンス内で間欠的に
層に適用するだけで済ませることができる。走査方向の
最適化におけるそのような層のサンプリングは、コンピ
ュータ１４０のための計算能力が限られたシステム、ま
たは選択的レーザ焼結構築サイクルに関わる別の作業に
よりコンピュータ１４０に負担がかかっているシステム
において、特に有用であろう。別形においてさらに、コ
ンピュータ１４０は、構築サイクルに含まれる１つまた
は複数の物体を解析し、構築においてどの特定の層が走
査方向最適化のために処理されるべきかを決定するため
の、ルールベースまたはその他の適応アルゴリズムを適
用できる。例えば、コンピュータ１４０は、物体断面に
かなりの変化が存在する層を識別できる。
【００４８】次の層に対する最適化充填ベクトルの生成
に続いて、前に焼結された層の上に次の粉末層を分配す
るために、プロセス２０６が次に実施される。次いでプ
ロセス２１０がレーザビーム１０５を制御して、上述し
た態様で、新しい層における断面の充填走査を行う。
【００４９】プロセスは、判定２１３を経由して、構築
サイクルが完了する(判定２１３がノーとなる)まで継続
する。次いで、焼結された１つまたは複数の物体を載せ
た部品床１０７の、用いられた材料に適切な冷却が実行
され、続いて物体の周囲から遊離粉末が取り除かれる。
次いで、物体の特性を向上させるための、物体の焼きナ
マシまたは別の材料の含浸のような、後処理が所望に応
じて実施されて、物体の作製が完了する。
【００５０】本発明は選択的レーザ焼結、特に選択的レ
ーザ焼結システムの効率及び生産能力の向上において重
要な利点を提供する。本発明の実施により総構築サイク
ル時間をかなり短縮できると考えられる。この構築サイ
クル時間改善を得るための費用は、システムコンピュー
タの計算リソースを除き、わずかでしかない。最新のマ
イクロプロセッサ及びコンピュータシステムの能力にお
ける相当な進歩を考慮すれば、本発明にしたがって用い
るに十分な計算リソースを利用できると考えられる。
【００５１】本発明をその好ましい実施形態にしたがっ
て説明したが、これらの実施形態の改変及び変更例であ
って、本発明の利点及び恩恵を有するような改変及び変
更例が、本明細書及び図面を参照する当業者には明らか
であろうことは、当然考えられる。そのような改変及び
変更例は、本明細書で特許請求される本発明の範囲内に
あると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型選択的レーザ焼結装置を示す簡略な斜視
図
【図２】複数の物体断面が従来技術にしたがって形成さ
れる粉末層部分の平面図
【図３】本発明の好ましい実施形態を利用する選択的レ
ーザ焼結装置を示す簡略な斜視図
【図４】本発明の好ましい実施形態にしたがう、一層ず
つの態様で物体を作成する方法を示すフローチャート
【図５】本発明の好ましい実施形態にしたがう図４の方
法における、それぞれの層におけるそれぞれの物体断面
に対する充填ベクトルを生成する方法を示すフローチャ
ート
【図６】本発明の好ましい実施形態にしたがう図５の方
法に用いられる一組の回転角の例を示す座標平面図
【図７】本発明の好ましい実施形態にしたがう図５の方
法において最適な走査方向を決定するために、標本とし
てとられた物体断面の回転を試験する方法を示すフロー
チャート
【図８ａ】本発明の好ましい実施形態にしたがう図７の
方法の一例を示す平面図
【図８ｂ】本発明の好ましい実施形態にしたがう図７の
方法の一例を示す平面図
【図８ｃ】本発明の好ましい実施形態にしたがう図７の
方法の一例を示す平面図
【図８ｄ】本発明の好ましい実施形態にしたがう図７の
方法の一例を示す平面図
【図９】複数の物体断面が本発明の上記の好ましい実施
形態にしたがって形成される粉末層部分の平面図
【符号の説明】
５０，２５０，２５２ 物体断面 １００ 選択的レーザ焼結システム １０３ スキャナプロセッサ １０４ 標的表面 １０５ レーザビーム １０７ 部品床 １１０ レーザ １４０ コンピュータ １４２ 走査システム １４４ プリズム １４６，１４７ ミラー １４８，１４９ ガルバノメータ １５０ レーザパワー制御システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャオシュ シュ アメリカ合衆国 テキサス州 78717 オ ースティン オリーヴ ヒル ドライヴ 14744 Ｆターム(参考） 4F213 AC04 WL10 WL23 WL43 WL46 WL64 WL67 WL73 WL74 WL75 WL76 WL85 WL87 WL95 4K018 BC30 DA23 DA35 DA50 HA10 JA02

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの３次元物体を作製する
    方法において：前記少なくとも１つの物体のコンピュー
    タ読込可能な表現を受け取る工程；前記少なくとも１つ
    の物体の複数の層のそれぞれに対して：前記それぞれの
    層に形成されるべき少なくとも１つの断面の位置を定め
    る工程；複数の回転角のそれぞれに対して、前記少なく
    とも１つの断面のラスター走査に対する充填走査時間を
    推定する工程；前記複数の回転角の内の、最短推定充填
    走査に対応する１つを選択する工程；座標系における、
    座標軸に対して前記選択された回転角に対応する角度に
    ある複数の線との前記少なくとも１つの断面の共通部分
    に対応する充填走査ベクトルを導出する工程；及び前記
    導出されたベクトルをコンピュータメモリに格納する工
    程；を含む工程動作シーケンスを実施するようにコンピ
    ュータを動作させる工程；標的表面に粉末層を分配する
    工程；前記コンピュータメモリに格納された前記ベクト
    ルにしたがって前記粉末層の選択された場所をエネルギ
    ービームで走査する工程；前記物体を形成するために複
    数の粉末層に対して前記分配工程及び走査工程を繰り返
    す工程；を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記層の内の少なくとも１つに対して、
    複数の断面が定められること；及び前記複数の断面のそ
    れぞれに対して、前記推定工程、選択工程、導出工程及
    び格納工程が繰り返されること；を特徴とする請求項１
    記載の方法。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つの断面に対して、前記断
    面の輪郭に対応する外形線ベクトルを導出する工程をさ
    らに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記走査工程での使用のために、前記導
    出された外形線ベクトルを前記コンピュータメモリに格
    納する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 前記複数の回転角の内の１つが前記座標
    軸に対する前記断面の最長外形線ベクトルの角度に対応
    することを特徴とする請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記走査工程での使用のために、前記導
    出された外形線ベクトルを前記コンピュータメモリに格
    納する工程をさらに含むことを特徴とする請求項５記載
    の方法。
  7. 【請求項７】 充填走査線間隔値を前記導出工程におい
    て導出された前記充填走査ベクトルの内の隣り合うベク
    トル間の選択されたピッチとしてコンピュータメモリに
    格納する工程；及び前記選択されたピッチに対応する前
    記充填走査ベクトルの密度の分率に対応する標本比を格
    納する工程；をさらに含むことを特徴とする請求項１記
    載の方法。
  8. 【請求項８】 前記標的表面における最初の粉末層の前
    記分配工程に先立ち、前記格納工程が前記複数の層のそ
    れぞれに対して実施されることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 ３次元物体を作製するための装置におい
    て：連続する粉末層を散布するための、粉末配送システ
    ム；レーザビームを発生するためのレーザ；粉末層の表
    面における標的平面に前記レーザビームを制御して導く
    ための、走査システム；及び前記走査システムに接続さ
    れ：前記層に形成されるべき少なくとも１つの断面の位
    置を定める工程；複数の回転角のそれぞれに対して、前
    記少なくとも１つの断面のラスター走査に対する充填走
    査時間を推定する工程；前記複数の回転角の内の最短推
    定充填走査時間に対応する１つを選択する工程；座標系
    における、座標軸に対して前記選択された回転角に対応
    する角度にある複数の線との前記少なくとも１つの断面
    の共通部分に対応する充填走査ベクトルを導出する工
    程；前記導出された充填走査ベクトルをコンピュータメ
    モリに格納する工程；及び前記導出されて格納された充
    填走査ベクトルにしたがって前記レーザビームを前記標
    的表面に導くために前記走査システムを制御する工程；
    を含む複数の工程動作を実行するようにプログラムされ
    るコンピュータ；を備えることを特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 前記複数の工程動作が、前記少なくと
    も１つの断面に対して、前記断面の輪郭に対応する外形
    線ベクトルを導出する工程をさらに含むことを特徴とす
    る請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記コンピュータが、前記導出された
    外形線ベクトルにしたがって前記レーザビームを導くた
    めに前記走査システムを制御するようにもプログラムさ
    れることを特徴とする請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 新しく散布された粉末層のそれぞれに
    より形成される前記標的平面が前記走査システムから実
    質的に同じ距離にあるように、連続する粉末層の散布毎
    に前記走査システムから離れる方向に移動させることが
    できる、前記連続する粉末層を支持するための可動部品
    ピストン；をさらに備えることを特徴とする請求項９記
    載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記複数の回転角の内の１つが、前記
    座標軸に対する前記断面の最長外形線ベクトルの角度に
    対応することを特徴とする請求項９記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記コンピュータが、前記層の内の少
    なくとも１つに対して、複数の断面を定めるように動作
    させられること；及び前記推定、選択、導出及び格納工
    程動作が前記複数の断面のそれぞれに対して前記コンピ
    ュータにより繰り返されること；を特徴とする請求項９
    記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記複数の工程動作が：充填走査線間
    隔値を前記導出工程において導出された前記充填走査ベ
    クトルの内の隣り合うベクトル間の選択されたピッチと
    してコンピュータメモリに格納する工程；及び前記選択
    されたピッチに対応する前記充填走査ベクトルの密度の
    分率に対応する標本比を格納する工程；をさらに含むこ
    とを特徴とする請求項９記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記標的平面における最初の粉末層の
    分配工程に先立ち、前記コンピュータが前記複数の層の
    それぞれに対する前記格納工程動作を実施することを特
    徴とする請求項９記載の装置。
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