JP2009220576A - 三次元物体の製造装置 - 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取り扱いが容易で費用対効果のよい三次元物体の製造装置および方法を提供する。
【解決手段】電磁放射または素粒子放射の作用により三次元物体３の個々の断面に対応する位置で構築材料の層を凝固させる三次元物体の製造装置であって、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所定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に関するものである。

そのような三次元物体の製造装置については、特許文献１において公知である。
特許文献１には、焼結位置の領域内を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。

このような従来のレーザー焼結装置では、焼結位置の熱放射がパイロメータにより測定される測定温度に大きく影響している。
すなわち、粉末層の露光程度に応じて、粉末層の表面における放射能力（同じ温度において黒体より放出される放射エネルギーに対する粉末層の表面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っている。
さらに、レーザー放射の反射によっても、温度測定が誤ったものになっている。
このような理由により、測定された表面温度は、粉末層の表面温度を正確に測定したものとなっていない。
しかし、レーザー焼結において、粉末層の表面温度は、使用する構築材料（焼結粉末）に基づいて製造される三次元物体の品質に対して決定的なパラメータとなっている。

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、作業領域全体における粉末層の表面温度を、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。
しかし、１つの問題は、三次元物体の製造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。
このような光学システムの汚れは、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っている。
さらに、このような赤外線カメラによる温度測定は、パイロメータなどの非接触式の温度測定機構に比べて、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所定断面に対応する位置で構築材料となる粉末層を凝固させることにより三次元物体を製造する取り扱いが容易で費用対効果のよい製造装置を提供することを目的とする。
このような三次元物体の製造装置は、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開口よりも大幅に小さい。
したがって、本発明のような小さな開口は、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、レーザービームを放射源として用いる際に、レーザービーム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、各粉末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。
各粉末層において、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、各粉末層において構築領域のいずれの領域も、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ることなく固定された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、構築材料となる粉末層において、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、局部レーザーの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、さらに高品質の三次元物体を得ることができるようになっている。

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。
温度の局部な変動を補償することにより、三次元物体の品質がさらに向上する。

本発明の実施例である三次元物体の製造装置を示す概略図。 温度測定機構の詳細な断面図。 図１の三次元物体の製造装置における要部を示す概略図。

本発明の実施例を、図面を参照して開示する。

図１は、本発明である三次元物体の製造装置の一実施例として、レーザー焼結装置を示している。
まず、本実施例の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。
そして、構築すべき三次元物体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、上下駆動機構４により、容器１内の垂直方向Ａを上下に移動可能になっている。
容器１の上端は、作業平面５を画定している。
そして、この作業平面５の上方には、レーザー方式の照射機構６が配置され、この照射機構６が、偏向機構７により作業平面５上に偏向させる指向性のレーザービーム１８を放射している。
さらに、支持部２の表面あるいは既に凝固された最後の粉末層１９上に凝固すべき構築材料となる粉末層１９を形成するための粉末コーティング機構８が設けられている。
この粉末コーティング機構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つの粉末投入機構９は、２つの粉末タンク１０から粉末の構築材料を粉末コーティング機構８に供給している。
さらに、２つのオーバーフロー粉末容器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粉末容器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。

そして、本実施例である三次元物体の製造装置は、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１９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は、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るとともに作業平面５の上方に配置されて、塗布された粉末層１９が均一に加熱されるようになっている。

また、最後にあるいは最上部に塗布された粉末層１９の温度を非接触状態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、構築領域で塗布された粉末層１９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するようになっている。
温度測定機構１３による測定領域１４の位置は、位置調整機構１５により、作業平面５内で変えることができるようになっている。

そして、このような作業空間は、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、必要に応じて粉末材料の酸化を防ぐことができるようになっている。

図１に示す制御／調整機構１７は、加熱機構１２の能力、照射機構６の能力、および、偏向機構７により行われるレーザビーム１８の偏向を制御／調整するとともに、温度測定機構１３の測定領域１４の位置を変更する位置調整機構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層１９の温度を読み取る役割を果している。
したがって、上述した制御／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１３および位置調整機構１５の具体例を示している。

本実施例における温度測定機構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。
そして、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などを介して処理室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１９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、筐体２１の開口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、窒素ガスを筐体２１の開口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１４は、作業平面５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の作用点となる旋回機構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２０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の筐体２１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１４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。
この測定方法では、作業平面５内において照射機構６により生成するビームスポット領域３０の位置と完全に独立して、ポイントパイロメータ２０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領域３０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実施例における三次元物体の製造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、粉末コーティング機構８により、最初、粉末層１９を支持部２上に塗布する。

特に、完成した三次元物体３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１９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の温度より高い温度では、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の温度より低い温度では、ひずみや望ましくないその他の熱的な影響が凝固した粉末層１９内に生じる。
凝固した粉末層１９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１９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、特に製造される三次元物体３内のひずみを防ぐために、凝固させる前に、粉末コーティング機構８により塗布される粉末層１９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１９の温度を温度測定機構１３により非接触状態で測定している。
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粉末層１９中のビームスポット領域３０と重ならないように、温度測定機構１３の測定領域１４の位置が位置調整機構１５により調整されている。
第１実施例による製造方法を用いると、最上部の粉末層１９の温度を測定するために、それぞれの粉末層１９が凝固する前に、それぞれの粉末層１９内の露光されない非露光領域が能動的にアクセスされる。

第１実施例において、粉末層１９内の露光されるべき露光領域から離れるように、かつ下部の既に凝固した粉末層１９内の像形成した露光領域から所定の距離だけ離れるように、測定領域１４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が、小さくなる。
特に、圧縮焼結された露光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１４からの距離が同じである場合、圧縮焼結された露光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１９が作業温度ＴＡに加熱されると、三次元物体３の所定断面に対応する粉末層１９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１９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。

粉末層１９がレーザービーム１８により露光されて凝固した後、この凝固した粉末層１９の厚さに対応する所定の距離だけ支持部２を下げ、粉末コーティング機構８を用いて、この凝固した粉末層１９上に新しい粉末層１９を塗布する。
その後、三次元物体３の製造が完了するまで、これらの工程を繰り返す。

第１実施例によれば、粉末層１９の凝固中に電磁放射または素粒子照射を行う領域３０（ビームスポット領域３０）の位置の調整とは独立して、粉末層１９が凝固する前に、粉末層１９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、粉末層１９の凝固中に、測定領域１４の位置とビームスポット領域３０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。

そして、それぞれの粉末層１９における温度測定機構の測定領域１４の位置は、非露光領域にあるので、この非露光領域では、レーザー照射が温度測定に干渉しないようになっている。
これにより、最上部の粉末層１９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、高品質の三次元物体３を製造することが可能となる。

本発明の第２実施例における三次元物体の製造方法において、測定領域１４の位置をレーザー照射の作用中、すなわち、露光中に変化させることも可能である。
要するに、粉末層１９内の構築材料の温度を種々の位置で測定してその温度分布を非接触状態で測定するようになっている。

測定される粉末層１９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のレーザービーム１８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放射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実施例と同様に、ビームスポット領域３０の位置の変化とは独立して、粉末層１９内の測定領域１４の位置を変更および／または調整可能である。

本発明の第２実施例は、粉末層１９内の構築材料の温度分布の測定により、同じ粉末層１９の隣接する既に露光された露光領域、あるいは、最上部の粉末層１９の直下に配置された粉末層１９の露光された露光領域によって生じる最上部の粉末層１９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のレーザービーム１８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放射エネルギーのためのプロセスウィンドウ内の温度Ｔをより正確に検出して、三次元物体の品質を大幅に改善することができるようになっている。

露光中に、凝固中あるいは既に凝固した粉末層１９内のビームスポット領域３０と測定領域１４とが重ならないように、測定領域１４の位置を変化させるのが好ましい。
第１実施例と同様に、第２実施例も、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。

前述した三次元物体の製造装置は、その代替例および変形例が可能である。

すなわち、本発明による三次元物体の製造装置を、サーボモータにより旋回させることで温度測定機構１３の測定領域１４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５の全域に渡って温度測定機構１３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１４の位置を変えることも可能である。
しかし、これには、温度測定機構１３を用いるため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５における温度測定機構１３の測定領域１４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１４の位置を変化させるやり方で、測定領域１４からポイントパイロメータ２０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ポイントパイロメータ２０の可変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、このようなミラーは、その角度位置により種々の方向からポイントパイロメータ２０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。

また、本発明による三次元物体の製造装置は、ポイントパイロメータ２０を温度測定機構１３として用いてその実施例を説明したが、構築領域に対してより小さな測定領域１４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。

例えば、Ｘ軸に沿って延びる測定領域１４を有し、測定領域１４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１４を有し、測定領域１４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。

偏向機構７により作業平面５上にレーザービーム１８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１８を指向させる代わりに、三次元物体３をレーザービーム１８に対して移動させることも可能である。

また、作業平面５上を前後に移動可能な粉末コーティング機構１８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ビーム１８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。

前述した三次元物体の製造装置において、作業平面５上方の赤外線照射器を加熱機構１２として説明したが、構築材料を予め塗布した粉末層１９を加熱するその他の可能性を考えることもできる。
例えば、粉末層１９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粉末層１９の全域に案内される。

前記と同様に、第２実施例における製造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放射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実施例または第２実施例による製造方法を用いると、前述したような測定領域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露光領域と測定領域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。
測定された表面温度は、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、予め露光した露光領域の表面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三次元物体の品質および構築時間は、以上説明したような温度測定に基づいて最適化されるようになっている。

１ ・・・容器
２ ・・・支持部
３ ・・・三次元物体
４ ・・・駆動機構
５ ・・・作業平面
６ ・・・照射機構
７ ・・・偏光機構
８ ・・・粉末コーティング機構
９ ・・・粉末投入機構
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 ・・・位置調整機構
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 ・・・ビームスポット領域

Claims (9)

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、
   前記構築材料を周囲から隔離する処理室（１６）と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状態で測定する温度測定機構（１３）とを備えているとともに、
   前記温度測定機構（１３）が、前記処理室（１６）の壁（２２）に接続する筐体（２１）を備えて前記測定領域（１４）からの熱放射を該筐体（２１）内の開口（２４）を介して検出しており、
   前記電磁放射または素粒子放射が作用する露光領域の位置の変化とは独立して前記温度測定機構（１３）の測定領域（１４）の位置を変化させる位置調整機構（１５）を備えて、前記測定領域（１４）内の構築材料の温度が電磁放射または素粒子放射の作用中に測定され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（α）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（１３）を移動させ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、前記測定領域（１４）から温度測定機構（１３）中へ放出される熱放射を映像化する可変光学システムを備え、前記測定領域（１４）の位置が、前記温度測定機構（１３）中に映像として表示されるとともに可変光学システムを介して変更できるようになっ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ビームスポット領域（３０）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、導入された放射エネルギーを調整する制御機構（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（１２）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（１２）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。
   
   

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