JP2008542529A - レーザ焼結装置において成形材料を加熱するための放射加熱器 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ焼結装置において成形材料を加熱するための放射加熱器と、この種の放射加熱器を有するレーザ焼結装置に関する。放射加熱器は平らな熱放射素子（１１３，２１３，３１３）を備え、熱放射素子は好ましくは１．５・１０^−４ｍ^２／秒より高い熱拡散率を有し、かつ厚さが２ｍｍまたはそれ以下である熱慣性の低い材料で形成されることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の放射加熱器、および該放射加熱器を有するレーザ焼結装置に係る。

このような放射加熱器および三次元の物体を製造するためレーザ焼結装置については特許文献１から公知である。

１２００℃までの温度にて半導体ウェーハを加工するためのグラファイト製抵抗加熱素子については、特許文献２から公知となっている。この場合の抵抗素子の厚さは０．１インチ（２．５４ｍｍ）またはそれ以上である。抵抗加熱素子の厚さが大きいことから、その熱慣性が高くなっている。特に低温においては、それを用いた高速の温度制御や調節は不可能である。

レーザビームによって粉末材料から成る各層を順次固化することにより三次元の物体を製造する場合、三次元物体の品質を保証するためには材料温度を所定のプロセスウィンドウの範囲内に留める必要がある。この温度を高速かつ正確に調節制御するためには、放射加熱器の動的挙動が決定的に重要である。

国際公開９２／０８５６６号明細書 米国特許公開公報２００４／００７４８９８号明細書

従って、材料温度を高速かつ正確に調節制御できるレーザ焼結装置用放射加熱器、およびかかる放射加熱器を有するレーザ焼結装置を提供するという目的が本発明の根幹を成すものである。

この目的は、請求項１に記載の放射加熱器および請求項１４に記載の三次元物体を製造するためのレーザ焼結装置によって達成される。本発明のその他の成果については下位請求項に記載の通りである。

ランプや加熱ロッドと言った従来の放射ヒータを使用した場合と比較して、レーザ焼結装置にパネルラジエータを使用することで、低温でも同等の放射パワーで作動することができるという利点が得られる。これによって、プロセスチャンバの壁部へと向かう横方向の放射が減少し、プロセスチャンバ内の雰囲気が低温となる。

本発明の放射加熱器は、熱慣性の低い熱放射素子を有するという利点がある。従って、熱放射素子から放射されるパワーを迅速に変化させることができる。これによって、放射加熱によって加熱される材料の温度調節制御を高速かつ正確に行うことができるようになる。

また、本発明によると、高品質の三次元物体を短い製造時間で製造することが可能となる。

本発明の熱放射素子にグラファイトを使用することで、グラファイトの持つ高い熱伝導率と同時に低い比熱容量の利点が得られる。このことは、熱拡散率ａが高いことに相当する。熱拡散率ａは、比熱伝導率λ、密度ρ、比熱容量ｃから下記の式により計算することができる。

ａ＝λ／（ρ・ｃ）
熱拡散率が高くなると、それに伴って熱慣性が低くなり、熱放射素子の温度分布または放射パワーが均等となる。また、グラファイトには高温でも使用できるという利点がある。

本発明のその他の特長および利便性については、添付図面に基づく以下の実施態様の説明から明らかとなろう。

図１は本発明の放射加熱器を有するレーザ焼結装置を示す。このレーザ焼結装置は、上部を開放したコンテナ１を含む。形成しようとする物体３を支持する支持部２がコンテナ１内に設けられている。支持部２は、駆動部４によりコンテナ１内を垂直方向Ａに上下運動することができる。コンテナ１の上縁部が作業面５を規定する。照射装置６はレーザであり、作業面５の上方に配置されて有向レーザビームを照射し、有向レーザビームは偏向装置７によって作業面５に向けて偏向される。さらに、支持部２または予め固化した層の表面に固化用の粉末材料層を塗布する塗布装置８が設けられている。この塗布装置は、矢印Ｂによって略示する駆動部によって作業面５上を前後に移動することができる。塗布装置８は作製場の左右において２つの粉末貯蔵槽１０から２つの注入装置９を介して原料供給を受ける。さらに、２つのスピルオーバーコンテナ１１が作製場の左右に設けられており、粉末塗布の間に累積する余剰粉末を取集する。

さらに、本装置は放射加熱器１２を備える。放射加熱器１２は、作業面５の上方に配置されて、未焼結の塗布粉末層を焼結に適する作業温度Ｔ_Ａまで予熱する。放射加熱器１２は塗布粉末層を均等に加熱できるように構成されている。

作業面５の上方には温度測定装置１３が距離をおいて配設されており、予め塗布された粉末層または最上粉末層の温度を非接触測定する働きをする。

作業領域はプロセスチャンバ１６により周囲から隔離されている。これによって必要に応じて粉末の酸化およびプロセスガスの放出を防止することができる。

制御および／または調節装置１７は、放射加熱器１２のパワーと共に照射装置６のパワーを制御および／または調節する働きをする。この目的で、制御および／または調節装置１７は放射加熱器１２、温度測定装置１３及び照射装置６に接続されている。

図２は放射加熱器の第１の実施態様を示す。

第１の実施態様による放射加熱器１１２は、熱放射素子として抵抗素子１１３を備える。抵抗素子１１３は、温度２０℃で熱拡散率ａが１．５・１０^−４ｍ^２／秒より高く、２．０ｍｍの厚さｄを有するグラファイト板（例えば、エスジーエル・カーボン社（ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ）の炭素繊維強化グラファイト板、シグラボンド（ＳｉｇｒａＢｏｎｄ：登録商法））で形成される。抵抗素子１１３は実質的に矩形形状を有し、レーザビーム用の方形開口部１１４を備えており、温度測定装置の光路がその中心に位置決めされる。方形開口部を取り囲む抵抗素子は、その周縁部においてギャップ１１５により中断されている。ギャップの両側において、それぞれ銅帯として形成された接点１１６，１１６’が抵抗素子に取り付けられている。高電流（電圧３０〜６０Ｖにおいて約２０〜４０Ａ）用に構成された可変電圧源１１７が接点１１６，１１６’に接続される。開口部１１５の角から抵抗素子の外縁の角に向けてスリット１１８が延びており、抵抗素子の接点１１６，１１６に電圧が印加されるとすぐに、外周角部の領域における電流密度の分布をより均等にすると共に、加熱パワーを増加させる働きをしている。

次に、上述のレーザ焼結装置と本発明の放射加熱器の動作について説明する。

まず、塗布装置８により支持部２上に第１粉末層を塗布する。

完成した物体の品質上特に重要なのが、未固化の最上粉末層の温度をプロセスウィンドウの所定範囲内の温度とすることである。プロセスウィンドウより高くなると、粉末はさらに放射エネルギーを与えなくても既に焼結される、一方、温度がプロセスウィンドウより低くなると固化層に反りが生じる恐れがある。固化層の縁が上に折れ曲がったり、巻き上がったりする所謂カール効果についても、最上粉末層の温度が低すぎることに起因することが多い。従って、良好な結果を得るため、特に製造物の反りを防止するためには、塗布装置によって塗布された粉末層を固化する前にプロセスウィンドウ内の作業温度Ｔ_Ａまで放射加熱器１２により加熱する必要がある。

この目的で、粉末層の塗布後、温度測定装置１３により粉末層の温度を非接触で測定する。こうして測定した温度に応じて放射加熱器１２の加熱パワーが決定される。最上粉末層を作業温度Ｔ_Ａまで加熱した後、物体の断面に相当する位置の粉末層をレーザ照射により固化させる。

粉末層を固化した後、支持部２を層の厚さに相当する距離だけ降下させ、先に照射した層の上に新たな粉末層を塗布装置８により塗布する。その後、三次元の物体の製造を完了するまで、上記のステップを繰り返し行う。

図３に第１の実施態様の変形例が示されている。この変形例による熱放射素子１１３’が図２の熱放射素子と異なる点は、蛇行状の領域経路を含む点であり、それによって、オーミック抵抗値、ひいては抵抗素子に印加される一定の電圧に対する加熱パワーを増加させることができる。

図４は本発明の放射加熱器の第２の実施態様を示す断面図である。

第２の実施態様による放射加熱器２１２においては、グラファイト箔２１３（例えば、エスジーエル・カーボン社（ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ）のグラファイト箔、シグラフレックス（Ｓｉｇｒａｆｌｅｘ：登録商標））が熱放射素子として設けられており、該グラファイト箔は、温度２０℃において箔に対して平行な方向の熱拡散率ａが２．１４・１０^−４ｍ^２／秒であり、０．５ｍｍの厚さｄを有する。

放出係数を高くするために、グラファイト箔２１３は黒体スプレーで処理される。細い剛性プロファイルドバー２１４を介してグラファイト箔２１３が熱線２１５に押圧されることにより、熱線２１５とグラファイト箔２１３との間に良好な熱的接触が形成される。プロファイルドバーはまた、グラファイト箔の機械的安定性にも寄与する。

熱線２１５のグラファイト箔とは反対側に第１絶縁膜２１６が設けられる。第１絶縁膜２１６の底部側は熱放射に関して反射性となっている。第１絶縁膜の材料としては、機械的安定性の高いものが選択される。この第１絶縁膜２１６は、熱伝導率が低いグラファイト製硬質フェルト（例えばエスジーエル・カーボン社（ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ）のグラファイト製硬質フェルト、シグラサーム（ＳｉｇｒａＴｈｅｒｍ：登録商標））（グラファイト製硬質フェルト、シグラサーム（ＳｉｇｒａＴｈｅｒｍ：登録商標）の熱伝導率λは温度１０００℃以下で０．３Ｗ／ｍＫより低い）で形成するのが好ましい。

第１絶縁膜２１６の熱線２１５と反対側に第２絶縁膜２１７が設けられる。この第２絶縁膜に機械的安定性は必要ないが、断熱性の良いものであることが必要である。第２絶縁膜は、４００℃より低い温度における熱伝導率λが０．０３Ｗ／ｍＫまたはそれ以下である材料（たとえばプロマ社（Ｐｒｏｍａ）のプロマライト（Ｐｒｏｍａｌｉｇｈｔ：登録商標））で形成するのが好ましい。

グラファイト箔とは反対側の面、および第１および第２絶縁膜の両側面がステンレス鋼枠２１８によって取り囲まれており、プロファイルドバー２１４もこのステンレス鋼枠２１８に装着されている。また、機械的安定性を得るために、絶縁性材料から成るスペーサがグラファイト箔と第１絶縁膜２１６との間に横方向に設けられている。

図５は本発明の放射加熱器の第３の実施態様を示している。

第３の実施態様による放射加熱器３１２においても、第２の実施態様と同様に熱放射素子としてグラファイト箔３１３が設けられている。しかしながら、第２の実施態様とは異なり、このグラファイト箔は熱線ではなく、クラファイト箔の一面から距離をおいて配置された赤外線放熱器３１４によって加熱される。グラファイト箔とは反対側において、赤外線放熱器３１４は絶縁シェル３１５によって距離をおいて横方向に取り囲まれている。この絶縁シェルは、赤外線放熱器の側に向かう熱放射に対して反射性を有するという特徴があり、好ましくは低い熱伝導率を持つ。第２の実施態様の第１絶縁膜と第２絶縁膜とから成る断熱と同様に、絶縁シェル３１５も多層構造とすることにより、機械的安定性と良好な絶縁性とを併せ持つことが可能となる。

上述のレーザ焼結装置、放射加熱器、および上述の方法については代替および変更が可能である。

以上の説明では、本発明の放射加熱器を矩形の外形を有する熱放射素子を備えるものとした。この熱放射素子の形状は、矩形の目標領域を均等に加熱するのに特に適している。しかしながら熱放射素子の形状はこれに限定されるものではなく、対応する幾何学的比率に適合するものであれば任意の二次元形状とすることができる。例えば、熱放射素子を円形の外形を有するものとして形成しても良い。従って、方形開口部についても円形など異なる形状とすることができる。

また、複数の加熱帯を設けることも可能である。この場合、第１の実施態様による放射加熱器において複数の抵抗加熱素子を設けること、また第２の実施態様による放射加熱器において複数の熱線を設けること、第３の実施態様による放射加熱器において複数の赤外線放熱器を設けることができる。いずれの場合にもそれぞれ独立して動作できるようにすることで、相互に独立した複数の加熱帯を形成することができる。

第１の実施態様において、グラファイト板が熱放射素子の材料として説明されている。温度２０℃における熱拡散率ａの値が約１．５・１０^−４ｍ^２／秒より高ければ、異なる材料を用いても良い。特に、第２の実施態様のように、グラファイト箔を熱放射素子として使用することができる。熱放射素子が自立式でない場合、必要に応じて機械的安定性を与える要素を設けなければならない。例えば、グリッド上にグラファイト・ファイルを固定または貼付することができる。

第２の実施態様は、熱線に押圧した熱放射素子を含むものとして説明されている。しかしながら、熱線は熱放射素子内に延設しても良く、特に熱放射素子の溝の中に延設することができる。また、熱線を圧締により２つのグラファイト素子の間に挟設しても良い。

第２および第３の実施態様では、熱放射素子としてグラファイト箔を使用すると説明されている。しかしながら、２０℃において熱拡散率ａが約１．５・１０^−４ｍ^２／秒より高い、好ましくは２・１０^−４ｍ^２／秒より高い別の材料を使用しても良い。特に、グラファイト板の使用も可能である。

以上の放射加熱器に関する各種実施態様では、ある厚さの熱放射素子を有するものとして説明されている。異なる厚さ、特により薄いもの使用できる。熱的特性の点ではより薄い厚さが望ましい。厚さの下限は機械的安定性によって決まる。

レーザ焼結装置の一例を示す概略図である。 第１の実施態様による放射加熱器を示す図である。 図２の放射加熱器の変形例を示す図である。 第２の実施態様による放射加熱器を示す図である。 第３の実施態様による放射加熱器を示す図である。

Claims (14)

1. 二次元熱放射素子（１１３，２１３，３１３）を備えるレーザ焼結装置において成形材料を加熱するための放射加熱器であって、
   前記熱放射素子（１１３，２１３，３１３）が熱慣性の低い材料から成ることを特徴とする放射加熱器。
2. 二次元熱放射素子（１１３，２１３，３１３）を備えるレーザ焼結装置において成形材料を加熱するための放射加熱器であって、
   前記熱放射素子（１１３，２１３，３１３）が温度２０℃において約１．５・１０^−４ｍ^２／秒より高い熱拡散率を有する材料から成ることを特徴とする放射加熱器。
3. 前記熱放射素子（１１３，２１３，３１３）が温度２０℃において約２・１０^−４ｍ^２／秒より高い熱拡散率を有する材料から成る、請求項１または２に記載の放射加熱器。
4. 前記熱放射素子（１１３，２１３，３１３）が約２ｍｍまたはそれ以下の厚さを有する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の放射加熱器。
5. 前記熱放射素子（２１３，３１３）がグラファイト箔から成る、請求項１〜４のいずれか一つに記載の放射加熱器。
6. 前記熱放射素子がグラファイト板（１１３）から成る、請求項１〜４のいずれか一つに記載の放射加熱器。
7. 電流端子（１１６，１１６’）が熱放射素子（１１３）に設けられており、電流が熱放射素子内を表面の方向に循環して前記熱放射素子を抵抗加熱素子として動作させるように構成されている、請求項１〜６のいずれか一つに記載の放射加熱器。
8. 熱放射素子（２１３）を加熱するために、熱線（２１５）が該熱放射素子（２１３）と接して設けられている、請求項１〜７のいずれか一つに記載の放射加熱器。
9. 熱放射素子（３１３）を加熱するために、赤外線放射ヒータ（３１４）が設けられている、請求項１〜８のいずれか一つに記載の放射加熱器。
10. 絶縁シェル（３１５）をさらに備え、
    前記絶縁シェル（３１５）と前記熱放射素子（３１３）との間に放射ヒータ（３１４）が設けられており、
    前記絶縁シェル（３１５）の放射ヒータ（３１４）側の面が放射ヒータ（３１４）によって放射される熱に対して反射性を有する、請求項９に記載の放射加熱器。
11. 熱放射素子（１１３，２１３，３１３）がその中心部にレーザビームを通過させるための開口部を備える、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の放射加熱器。
12. 熱放射素子（１１３’）の少なくとも一部が蛇行シート状経路の形状に形成されている、請求項７または８に記載の放射加熱器。
13. 前記熱放射素子の片側にグラファイトから成る絶縁膜（２１６）が距離をおいて設けられている、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の放射加熱器。
14. 放射熱によりそれぞれの断面に対応する位置において固化可能な粉末材料の各層を順次固化することにより三次元物体を製造するレーザ焼結装置であって、
    固化可能な前記材料を加熱するための請求項１〜１３のいずれか一つに記載の放射加熱器（１１２，２１２，３１２）を有することを特徴とするレーザ焼結装置。

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