JP2008508129A - 三次元物体の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電磁放射または素粒子放射で露光して三次元物体（３）の個々の断面に対応する位置で構築材料の層を局部的に凝固させる三次元物体（３）の製造装置および方法を提供すること。
【解決手段】
製造装置は、構築材料の層の部分領域である測定領域（１４）中の構築材料の温度を非接触に測定するための温度測定機構（１３）を備え、放射エネルギーで露光される領域の位置の変化とは独立して、温度測定機構（１３）の測定領域（１４）の位置を変化させる位置調整機構（１５）を備える。この機構は、各層の温度を測定するために表面の非露光領域に能動的にアクセスし、層内の測定領域（１４）の位置を変えることにより温度分布を検出するように用いることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁放射または素粒子放射の作用により三次元物体の個々の断面に対応する位置で構築材料の層を凝固させることにより、三次元物体を製造する製造装置及び製造方法に関するものである。

そのような製造装置及び製造方法は、特許文献１において公知である。
特許文献１では、焼結位置の領域内の移動する検出領域内の焼結粉末の温度をパイロメータ（pyrometer）で検出し、この検出温度に基づいてレーザー出力を調節するレーザー焼結装置が記載されている。

ここでは、焼結位置の熱放射が、パイロメータにより測定される温度に大きく影響する。 粉末の露光程度に応じて、表面の放射能力（同じ温度において黒体により放出される放射エネルギーに対する表面により放射される放射エネルギーの比）が変化し、それにより測定結果が誤ったものになる。
さらに、レーザー放射の反射により温度測定が誤ったものになる。
このような理由により、測定された温度は、粉末層の表面の温度を正確に測定していない。
しかし、レーザー焼結において、粉末層表面の温度は、使用する構築材料（焼結粉末）に基づいて製造される部品の品質に対して決定的なパラメータである。

特許文献２及び特許文献３は、それぞれ三次元物体の製造装置を開示しており、作業領域全体の粉末層表面の温度を、空間分解法により赤外線カメラを用いて同時に測定している。
１つの問題は、装置内で赤外線カメラの光学システムが汚れる可能性があることである。 この汚れは、送風により完全に回避することができず、測定位置に基づく方法では誤った測定結果を与える原因になる。
さらに、この温度測定には、パイロメータなどの非接触温度測定装置に比べて、赤外線カメラが非常に高価であるという不都合がある。
独国特許第１０００７７１１号明細書 欧州特許出願公開第１４６６７１８号明細書 欧州特許第１２９６７８８号明細書

このため、本発明は、電磁放射または素粒子放射を用いて三次元物体の特定の断面に対応する位置で構築材料の層を凝固させることにより三次元物体を製造するための、取り扱いが容易で費用対効果のよい製造装置および簡単で費用対効果のよい製造方法を提供することを目的とする。
前記製造装置及び製造方法は、高品質の三次元物体を製造するために用いることができる。

この課題は、請求項１に記載の三次元物体の製造装置及び請求項１０に記載の三次元物体の製造方法により解決される。
本発明の更なる展開は、従属請求項に記載されている。

本発明は、凝固すべき構築材料の温度を測定することによって、電磁放射または素粒子放射により構築材料を凝固させるために導入される放射エネルギーの影響を受けることなく、高精度に制御および／または調節することができるという特別な利点を有している。

また、本発明は、簡単で費用対効果のよいポイントパイロメータ（point pyrometer）を温度測定に用いることができ、赤外線カメラと異なり、ポイントパイロメータは冷却の必要がないという利点を有している。
さらに、ポイントパイロメータの処理室に必要な開口は、赤外線カメラに必要なものよりも大幅に小さい。
小さな開口は、プロセスガスにより生じる汚れの影響を送風によりきわめて容易になくすことができ、レーザーを放射源として用いる際に、レーザーの逆反射により温度測定機構が損傷を受ける可能性を減らしている。

また、本発明は、各層において測定領域を選択することができる、すなわち、測定領域を変更できるという利点を有している。
各層において、構築領域の特定の一定範囲を、温度測定のために除外しておく必要がない。
代わりに、各層において構築領域のいずれの領域でも温度測定のために占有することなく能動的に用いることができる。
位置調整機構を備えていない固定ポイントパイロメータ（fixed point pyrometer）を用いる温度測定と比較すると、こうした利点は構築領域の利用を改善することができる。

さらに、本発明は、構築材料の層において、最適な処理開口に放射エネルギーをより正確に導入するように調整するために、局部レーザー出力補正に使用可能な温度分布を検出することができるという利点を有している。
その結果として、さらに高品質の部品を得ることができる。

さらに、粉末層の位置対応型ヒータを制御するための入力変数として温度分布を用いることができる。
温度の局部変動を補償することにより、部品の品質がさらに向上する。

本発明の更なる特徴および適切な特性を、図面を参照して実施例により開示する。

図１は、本発明による製造装置の実施例であるレーザー焼結装置を示している。
本発明の実施例であるレーザー焼結装置は、頂部に向かって開かれた容器１を備えている。
構築すべき物体３を担持する支持部２が、容器１中に設けられている。
この支持部２は、駆動機構４により、容器１内の垂直方向Ａに上下に移動可能である。
そして、容器１の上端は、作業平面５を画定している。
作業平面５の上方に、レーザー方式の照射機構６が配置され、この照射機構６は、偏向機構７により作業平面５上に偏向される指向性レーザービーム１８を放射する。
さらに、支持部２の表面あるいは既に凝固された最後の層上に凝固すべき粉末構築材料の層を形成するためのコーティング機構８が設けられている。
このコーティング機構８は、矢印Ｂにより模式的に示すように、駆動機構により作業平面５上を移動可能になっている。
構築領域の左右にある２つの投入機構９は、２つの粉末タンク１０から粉末材料をコーティング機構８に供給している。
さらに、２つのオーバーフロー容器１１が構築領域の左右に設けられており、これらのオーバーフロー容器１１が、コーティングの間に余分に溜まった粉末を収容するようになっている。

製造装置は、作業平面５の上方に粉末層１９を加熱するための加熱機構１２を備えており、塗布されて固まってはいるが未焼結である粉末層を、焼結に適した作業温度ＴＡまで予熱している。
例えば、加熱機構１２が、１つまたは複数の赤外線放熱器などの放射ヒータ方式で構成されているとともに、塗布された粉末層が均一に加熱されるように作業平面５の上方に配置されている。

最後に塗布された粉末層あるいは最上部の粉末層の温度を非接触で測定する温度測定機構１３が、作業平面５から離れた上方に設けられている。
温度測定機構１３は、構築領域に塗布された粉末層よりも小さな面積からなる測定領域１４内の平均温度を測定している。
温度測定機構１３の測定領域１４の位置は、位置調整機構１５により、作業平面内において変えることが可能である。

作業空間は、処理室１６により周囲の環境から隔離されている。これにより、必要に応じて粉末の酸化を防ぐことができるようになっている。

制御／調整機構１７は、加熱機構１２のパワー、照射機構６のパワー、および、偏向機構７により行われる偏向を制御／調整し、位置調整機構１５を駆動し、さらに、温度測定機構１３により測定される粉末ベッド１９の温度を読み取る役割を果している。
これを達成するために、制御／調整機構１７は、加熱機構１２、温度測定機構１３、位置調整機構１５、偏向機構７および照射機構６に接続されている。

図２は、温度測定機構および位置調整機構の実施例を示している。

本実施例の温度測定機構１３は、筐体２１中に設けられたポイントパイロメータ(point pyrometer)２０を備えている。
筐体２１は、機械的および熱的な負荷からポイントパイロメータ２０を保護し、玉継手軸受２３を介して処理室１６の壁２２に接続されている。
そして、ポイントパイロメータ２０は、筐体２１の開口２４を介して、最上部の粉末層の測定領域１４からの熱放射を検出している。
プロセスガスにより開口２４が汚れるのを防ぐために、プロセスガスが開口２４に近づけないように、例えば、窒素ガスを開口２４に吹き付けている。

前記ポイントパイロメータ２０の測定領域は、作業平面に対して旋回させることにより、変更可能である。
２つのサーボアーム２７と２７’によりポイントパイロメータ２０の筐体２１の作用点２６に作用する２つのサーボモータ２５と２５’によって、ポイントパイロメータは旋回するようになっている。
そして、前記サーボモータ２５は、ポイントパイロメータ２０の筐体２１をＹ軸の周りに旋回するために用い、サーボモータ２５’は、ポイントパイロメータ２０をＸ軸の周りに旋回させるために用いている。
特に、図３に示すように、測定領域１４の位置は、ポイントパイロメータ２０をＹ軸の周りに角度αだけ旋回させることにより、Ｘ軸に沿って長さΔＸだけ移動する。
したがって、測定領域の位置は、ポイントパイロメータ２０をＸ軸の周りに旋回させることにより、Ｙ軸に沿って移動する。
この方法では、作業平面内において照射機構６により生成するビームスポットの位置とは完全に独立して、ポイントパイロメータの測定領域１４の位置を変更調整することが可能である。
これは、測定領域１４の位置とビームスポットの位置との間に固定した位置決め関係がないことを意味している。

第１の実施例に対応する方法によるレーザー焼結装置の動作を以下に説明する。

まず、コーティング機構８により、第１の粉末層を支持部２上に塗布する。

特に、完成した物体の品質に決定的な影響を与える要因は、凝固すべき最上部の粉末層のある特定の許容範囲内の温度、すなわち、プロセスウィンドウ（process window）の温度である。
前記プロセスウィンドウより上の温度では、付加的な放射エネルギーがなくても、粉末は焼結により少なくとも部分的に凝固し、また、プロセスウィンドウより下の温度では、ひずみや望ましくないその他の熱的な影響が凝固層内に生じる。
凝固層の端部を湾曲あるいは丸くする原因となる、いわゆる、カール効果は、最上部の粉末層の温度が低過ぎるためであることが多い。
そのため、良好な結果を得るには、特に製造される物体内のひずみを防ぐために、凝固させる前に、コーティング機構により塗布される粉末層を加熱機構１２により、プロセスウィンドウ内の作業温度ＴＡに加熱することが必要である。

これを達成するために、塗布した後の粉末層の温度を温度測定機構１３により非接触な方法で測定している。
加熱機構１２の熱出力は、測定される温度との関係で決まっている。
測定領域１４がレーザーを照射することにより次の工程で凝固する層中の領域３０と重ならないように、温度測定機構１３の測定領域１４の位置を位置調整機構１５により調整している。
第１の実施例による方法を用いると、最上部の粉末層の表面の温度を測定するために、各層が凝固する前に各層内の露光されない領域が能動的にアクセスされる。

第１の実施例において、層内の露光されるべき領域から離れるように、かつ下部の既に凝固した層内の像形成領域から所定の距離だけ離れるように、測定領域を選択することが好ましい。
この所定の距離を大きくすればするほど、温度測定に対する露光領域の影響は小さくなる。
特に、圧縮焼結領域はより多くの熱を保持するので、小さい焼結構造と測定領域からの距離が同じである場合、圧縮焼結領域の方が小さい焼結構造よりも格段に大きな影響を与えることを考慮に入れることができる。

最上部の粉末層が作業温度ＴＡに加熱されると、物体の断面に対応する粉末層の位置がレーザー照射により凝固するようになっている。
作業温度ＴＡに到達した後も、レーザー照射中の最上部の粉末層の温度Ｔを計測し続け、それに関連して、プロセスウィンドウ内の温度Ｔに保つために加熱機構１２の熱出力を調整している。

層が凝固した後、層の厚さに対応する所定の距離だけ支持部２を下げ、コーティング機構８を用いて、レーザーにより露光した層上に新しい粉末層を塗布する。
その後、三次元物体の製造が完了するまで、これらの工程を繰り返す。

第１の実施例によれば、層の凝固中に電磁放射または素粒子照射を行う領域（ビームスポット領域）の位置の調整とは独立して、層が凝固する前に、層内の測定領域１４の位置を変更および／または調整している。

これは、層の凝固中に、測定領域１４の位置とビームスポット領域の位置との間に一貫して固定された位置決め関係がないことを意味している。

各層における温度測定装置の測定領域の位置は、非露光領域にあるので、この領域のレーザー照射は、温度測定に干渉しない。
これにより、最上部の粉末層の温度を高精度に調整および／または制御することができる。
プロセスウィンドウは容易に検出できるので、高品質の物体を製造することが可能となる。

本発明による方法の第２の実施例において、測定領域の位置を露光中に変化させることも可能である。
層内の温度を種々の位置で測定して、温度分布を測定する。

測定される粉末層の表面の温度分布は、照射機構６の局部的なレーザー出力を制御することにより、および／または、露光する間構築領域における指向性レーザービームを移動させるために偏向機構７により行われる走査速度を制御することにより、レーザー照射により導入されるエネルギーを制御するために制御機構１７によって用いられる。

第１の実施例と同じように、ビームスポット領域の位置の変化とは独立して、層内の測定領域の位置を変更および／または調整可能である。

第２の実施例に対応する本発明による方法は、層内の温度分布の測定により、同じ層の隣接する既に露光された領域、あるいは最上部の層の直下に配置された層の露光された領域によって生じる最上部の層の局部的な温度上昇を検出することができるという利点を有している。
照射機構６の局部的なレーザー出力を補正することにより、および／または、露光する間構築領域における指向性レーザービームを移動させるために偏向機構７により行われる走査速度を制御することにより、粉末内に導入されるエネルギーのためのプロセスウィンドウをより正確に検出して、本方法により製造される物体の品質を大幅に改善することができる。

露光中に、凝固中あるいは既に凝固した層内の領域と測定領域とが重ならないように、測定領域の位置を変化させるのが好ましい。
第１の実施例と同じように、第２の実施例による方法も、レーザーによる露光が温度測定に干渉することを防止できる。

前記の装置及び方法についての代替例および変形例を考えることが可能である。

本発明による装置を、サーボモータにより旋回させることで温度測定装置の測定領域の位置を変化させるように説明したが、Ｘ軸および／またはＹ軸に沿った作業平面の全域に渡って温度測定装置を移動させるプロッタ機構を設けることにより、測定領域の位置を変えることも可能である。
しかし、これには温度測定装置用のプロッタ機構がレーザー光路を妨げる可能性があるという不都合がある。

作業平面における温度測定装置の測定領域の位置を変えることができる別の方法は、可変光学システムを調整することにより測定領域の位置を変化させるやり方で、測定領域からパイロメータ中の実際の熱放射センサ上への熱放射を映像化するために用いるパイロメータの光学システムで実現される。
特に、可変光学システムは、傾斜可能なミラーを備えており、ミラーはその角度位置により種々の方向からパイロメータ中の熱放射センサ上への熱放射を映像化するために用いることができる。

ポイントパイロメータを温度測定機構として用いるように、本発明による装置を説明したが、構築領域に対してより小さな測定領域を有するマルチポイントパイロメータあるいは赤外線カメラを用いることも同様に可能である。

Ｘ軸に沿って延びる測定領域を有し、測定領域の位置がＹ軸に沿って変化することができるシングルラインＣＣＤカメラ（single-line CCD camera）を用いることもできる。
逆もまた同様であり、Ｙ軸に沿って延びる測定領域を有し、測定領域の位置がＸ軸に沿って変化することができるシングルラインＣＣＤカメラを用いることも可能である。

偏向装置により作業平面上にレーザービームを選択的に偏向させて作業領域の種々の位置にレーザービームを指向させる代わりに、物体をレーザービームに対して移動させることも可能である。

作業平面上を前後に移動可能なようにコーティング機構を説明したが、構築材料を作業領域上に層形成するように噴射あるいは塗布することができれば、その他のどのような方法を用いてもよい。

放射源としてレーザーを用いるレーザー焼結装置により本発明を説明したが、構築材料内に電磁放射または素粒子放射を導入することができれば、その他のどのような放射源を用いてもよい。
例えば、非干渉性光放射、赤外線放射、Ｘ線放射あるいは電子放射用の放射源を放射源として用いてもよい。
この場合、それぞれの放射タイプにより凝固可能な構築材料を用いる必要がある。

前記製造装置において、作業平面上方の赤外線照射器を加熱機構として説明したが、構築材料を予め塗布した層を加熱するその他の可能性を考えることができる。
例えば、層を予備加熱するために加熱した空気あるいは加熱した窒素を循環させて用いることが可能であり、加熱した空気あるいは加熱した窒素は新しく塗布した層の全域に案内される。

前記と同様に、第２の実施例に対応する方法により測定された温度分布は、レーザー放射により導入されるエネルギーを制御するために用いることができる。
さらに、温度分布は、粉末層１９の表面を加熱するための加熱機構１２を駆動するために用いることもできる。
特に、複数のゾーンを有する加熱機構１２は、個々のゾーンの出力が異なることによって生じる温度分布の温度差を補償するために、測定した温度分布の部分領域を加熱機構１２の各ゾーンに割り当てて駆動することができる。

第１または第２の実施例による方法を用いると、前記のような測定領域１４の位置を調整あるいは変化させることに加えて、既に凝固済みあるいは凝固中の領域と測定領域１４とが時々重なるように、凝固中に測定領域１４の位置を変化させることも可能である。
測定された温度は、照射機構６の出力を監視および／または制御するために用いることができる。
さらに、熱容量ばかりでなくＸＹ方向またはＺ方向の熱伝導を、それぞれ、予め露光した領域の温度の進行から推測可能である。
ここで、熱容量および熱伝導は、凝固放射の出力あるいは走査速度および粉末の予備加熱の制御パラメータなどのプロセスパラメータを最適に選択するための決定的な変数である。
このように、プロセスパラメータ並びに部品の品質および構築時間は、以上説明した温度測定に基づいて最適化される。

三次元物体の製造装置の典型的な実施例を示す概略図。 温度測定装置の実施例の詳細な断面図。 図１に示す装置の詳細を示す概略図。

符号の説明

１ ・・・容器
２ ・・・支持部
３ ・・・物体
４ ・・・駆動機構
５ ・・・作業平面
６ ・・・照射機構
７ ・・・偏光機構
８ ・・・コーティング機構
９ ・・・投入機構
１０ ・・・粉末タンク
１１ ・・・オーバーフロー容器
１２ ・・・加熱機構
１３ ・・・温度測定機構
１４ ・・・測定領域
１５ ・・・位置調整気候
１６ ・・・処理室
１７ ・・・制御／調整機構
１８ ・・・指向性レーザービーム
１９ ・・・粉末ベッド
２０ ・・・ポイントパイロメータ
２１ ・・・筐体
２２ ・・・壁
２３ ・・・旋回機構
２４ ・・・開口
２５ ・・・サーボモータ
２６ ・・・旋回機構
２７ ・・・サーボアーム
３０ ・・・位置

Claims (21)

1. 電磁放射または素粒子放射の作用により三次元物体の個々の断面に対応する位置で構築材料の層を凝固させる三次元物体の製造装置であって、
   前記構築材料の層の部分領域である測定領域（１４）内の構築材料の温度を非接触に測定するための温度測定機構（１３）を備えているとともに、
   前記電磁放射または素粒子放射が作用する領域の位置の変化とは独立して前記温度測定装置（１３）の測定領域（１４）の位置を変化させるための位置調整機構（１５）を備えていることを特徴とする三次元物体の製造装置。
2. 前記位置調整機構（１５）が、前記構築材料の層に関して温度測定機構（１３）の角度位置を変化させる旋回機構（２３、２５、２６）を備えていることを特徴とする請求項１に記載された三次元物体の製造装置。
3. 前記位置調整機構（１５）が、前記構築材料の層の全域にわたって温度測定機構を移動させるように用いることが可能な機構を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された三次元物体の製造装置。
4. 前記位置調整機構（１５）が、前記温度測定機構（１３）中の測定領域から放出される熱放射を表示するとともに前記測定領域（１４）の位置を変えるために用いることが可能な光学システムを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
5. 前記温度測定機構（１３）が、ポイントパイロメータであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
6. 前記温度測定機構（１３）の測定領域（１４）が前記電磁放射または素粒子放射が作用中の層の領域と重ならないように、前記位置調整機構（１５）を制御する制御機構（１７）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
7. 前記温度測定機構（１３）により測定された温度とは独立して、作用する電磁放射または素粒子放射を制御する制御機構（１７）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
8. 前記構築材料のための加熱機構と、前記温度測定機構（１３）により測定された温度に基づいて構築材料のための加熱機構の出力を制御する制御機構（１７）とを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
9. レーザー焼結装置であ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た三次元物体の製造装置。
10. （ａ）電磁放射または素粒子放射により凝固すべき構築材料の層を基材または既に凝固した層上に塗布する工程と、
    （ｂ）物体の断面に対応する層内の位置（３０）に対して電磁放射または素粒子放射で露光することにより、構築材料の層を凝固させる工程と、
    （ｃ）三次元物体（３）が完成するまで前記工程（ａ）及び工程（ｂ）を繰り返す工程とからなる三次元物体の製造方法であって、
    前記構築材料の温度は、層の部分領域である測定領域（１４）において、温度測定機構（１３）により非接触に測定され、前記工程（ｂ）において電磁放射または素粒子放射が作用する領域の位置の変化とは独立して、位置調整機構（１５）により測定領域（１４）の位置を調整あるいは変化させることを特徴とする三次元物体の製造方法。
11. 前記測定領域（１４）と凝固中またはこの層より前に凝固した層内の領域とが重ならないように、前記位置調整機構（１５）により測定領域（１４）の位置を調整あるいは変化させることを特徴とする請求項１０に記載された三次元物体の製造方法。
12. 前記測定領域（１４）とまだ凝固中の層内の領域とが重ならないように、前記測定領域（１４）の位置を調整あるいは変化させることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載された三次元物体の製造方法。
13. 前記構築材料を加熱するために用いる加熱出力を前記温度測定機構（１３）により測定された温度に応じて調節することを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
14. 前記層内の構築材料の温度を互いに異なる複数の測定領域において測定することを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
15. 前記複数の測定領域に割り当てられた複数の加熱領域において当該領域に応じた方法で構築材料を加熱し、割り当てられた測定領域の温度に応じて種々の加熱領域に対する加熱出力を調節または制御することを特徴とする請求項１４に記載された三次元物体の製造方法。
16. 前記層を凝固させるための放射エネルギーの局部エネルギー導入を、前記温度測定機構（１３）により測定された温度に応じて調節することを特徴とする請求項１０乃至請求項１５のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
17. 前記温度測定機構（１３）の測定領域の位置を、前記構築材料の層に対して温度測定機構の角度位置（α）を変更することにより変化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１６のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
18. 前記温度測定機構（１３）の測定領域（１４）の位置を、前記構築材料の上方の平面内で温度測定機構（１３）を移動することにより変化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１７のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
19. 前記温度測定機構（１３）の測定領域（１４）の位置を、前記可変光学機構を調整することにより変化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１８のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
20. 前記測定領域（１４）を最上部の層内および直下の予め凝固した領域から所定の距離だけ離すように、前記測定領域（１４）の位置の調整を行うことを特徴とする請求項１０乃至請求項１９のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
21. 粉末構築材料を使用するとともに放射源（６）としてレーザーを使用することを特徴とする請求項１０乃至請求項２０のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。

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