JP2011173420A - 微細技術に適した三次元物体を製造する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細技術分野の製品に適している三次元物体を製造する方法及び装置の提供。
【解決手段】三次元物体３は、連続して固化可能な液体または粉末の製造用材料３ａを１層ごとに電磁放射７ａで固化することによって製造され、前記電磁放射７ａは、第１のパルス電磁放射と、第１のパルス電磁放射よりも周波数が高い第２のパルス電磁放射または連続電磁放射とを用いる。更に好ましくは、第１のパルス電磁放射を前記製造用材料３ａの層の第１の領域に照射し、第２のパルス電磁放射または連続電磁放射を前記製造用材料の前記層の第２の領域に照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は三次元物体を製造する方法および装置に関する。製造された物体は特に微細技術分野の製品に適している。

ＥＰ０７５８９５２Ｂは三次元物体を製造する公知の方法および装置を記載しており、この方法によれば、該物体は固化可能な液体や粉末を電磁放射により反応させて１層ずつ連続して固化することにより製造される。ここで、電磁放射は好ましくはパルスレーザ放射である。ＤＥ１００２８０６３Ａ１およびＤＥ１００６５９６０Ａ１は同様に、電磁放射がパルスレーザ放射である装置を開示している。

ＤＥ１０２５８９３４Ａ１は部材をレーザビームを用いて部分的に接続して保持する方法および装置を記載している。パルスレーザ放射が供給され、放射圧が粉末層の圧縮およびさらなる加熱に用いられる。

ＥＰ ０７５８９５２Ｂ１ ＤＥ １００２８０６３Ａ１ ＤＥ １００６５９６０Ａ１ ＤＥ １０２５８９３４Ａ１

上記のように、これらの方法は微細構造の製造に適している。しかしながら、公知の方法により製造可能な部材、特に金属部材は、空隙が残るため、微細技術分野における、ある種の部品には適していない。

そこで、本発明の目的は微細技術の分野で利用され得る三次元物体を製造する方法および装置を提供することにある。

上記した目的は、請求項１記載の特徴を有する三次元物体を製造する方法および請求項１５記載の特徴を有する三次元物体を製造する装置によって解決される。さらなる利点と改良は従属項の構成に記載されている。

本発明に係る方法および装置は三次元物体をマイクロメーターレベルの精度で形成するマイクロレーザ焼結（micro-LS）に好適にかつ有利に使用され得る。

このような方法および装置によって、高密度の三次元構造を製造することができ、これにより、三次元構造の機械特性も改善され得る。

本発明のさらなる特徴および利点は実施形態の記載および添付した図面から明らかにされる。

本発明の第１またはその他の実施形態に係る三次元物体を製造する装置の概略図である。

図１を参照すると、レーザ焼結装置は上方が開放されたフレーム１および、フレーム１内に垂直方向に移動可能に設けられた台座２を有している。台座２は製造される三次元物体３を移動させるものであり、内部の製造空間を規定している。台座２は、台座２を垂直方向に移動させ、固化される三次元物体３の層を作業面４上に配置するための昇降機構１２に接続されている。

さらに、粉末状の製造用材料３ａの層を供給するための被覆部５が設けられている。製造用材料３ａとしては、レーザ焼結可能なあらゆる粉末または複数の粉末の組み合わせ、例えばポリアミドおよび／またはポリスチレンのようなポリマー、金属、セラミクス、化合物、および、ＰＡＥＫ（ポリアリルエーテルケトン）のような耐熱性樹脂を用いることができる。金属含有粉末材料としては、あらゆる金属およびそれらの合金、あるいは金属化合物または非金属化合物との混合物が使用される。最初に、製造用材料３ａが貯蔵部６からフレーム１に供給される。その後、被覆部５が、粉末状の製造材料３ａが既に固化された層の上を所定の高さだけ覆うように、作業面４の所定の高さを移動する。装置はさらにレーザビーム７ａを生成するレーザ７を有しており、屈折装置８によって作業面のあらゆる点に収束される。これにより、レーザビーム７ａは粉末状の製造材料３ａを、製造される三次元物体の断面に対応する位置で選択的に固化できる。レーザとしては、製造材料に対応するレーザ焼結またはレーザ溶解にそれぞれ適したあらゆる単体または複数のレーザを用いることができ、例えばＣＯ_２レーザ、固体レーザ、および他のレーザが挙げられる。

符号１０はフレーム１、台座２、昇降機構１２、および被覆部５が設けられた製造チャンバを示している。符号９はレーザビーム７ａが入射される製造チャンバ１０の開口部を示し、製造チャンバ１０内には好ましくは保護ガスが導入される。さらに、制御部１１が設けられる。この制御部を介して製造工程を進めるために装置が制御される。

レーザ焼結装置は、好ましい形態によれば、マイクロレーザ焼結装置であり得る。マイクロレーザ焼結は、非常に微細な粉末が使用され、非常に薄い層が形成されることを特徴としている。マイクロレーザ焼結を用いることにより、精度は１０〜２０μｍ以下に達する。上記粉末としては、粒径が約１ｎｍ〜約１００ｎｍのものが用いられる。粒径はDIN ISO 13320-1に基づくレーザ反射法により測定される。供給される粉末層の厚さは約１μｍ〜約１００μｍである。一般的に、マイクロレーザ焼結のためには、粒径と層の厚さは表面力が重力よりも大きくなるようにする。ビーム径は約１μｍ〜２０μｍのものが用いられ得る。レーザは、好ましくはファイバーレーザまたはＹＡＧレーザである。微細技術分野への適用に適したあらゆる材料の粉末が用いられ得る。好ましい態様においては、金属粉末が用いられる。

装置の動作の際には、第１の工程で台座２が昇降機構１２によって、その上端が、作業面４から１層分の厚さだけ下がった位置まで移動する。次に、製造用材料３ａの最初の層が貯蔵部６および被覆部５を介して台座２に供給され、製造用材料３ａが水平または平坦化される。その後、制御部１１が屈折装置８を制御して、屈折したレーザビーム７ａが、固化させる製造用物体の層の位置に選択的に照射されるようにする。これにより、製造用材料のこれらの部分が三次元物体が製造されるように固化または焼結される。

次の工程では、台座２は昇降機構１２によって１層分の厚さ分（製造用材料３ａが次に焼結される１層分の厚さ）だけ下降される。貯蔵部６と被覆部５によって、製造用物体の次の層が供給され、平坦化され、レーザビーム７ａによって選択的に固化される。これらの工程は所望の三次元物体が製造されるまで続けられる。

本発明の実施形態に係る方法および装置によって、レーザ７は制御部１１によって２つの異なる動作モードで制御される。第１の動作モードは、レーザ７の第１のパルス放射７ａを第１の周波数で行うものである。第２の動作モードは、第１のパルス放射よりも周波数の高い放射または連続放射である第２の放射を行うモードである。第１のパルス放射の周波数は、例えば６０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚであり、好ましくは、６０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚである。第２のパルス放射の周波数は例えば、２００ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚである。

パルス放射７ａはパルス励起またはレーザ７自身（Ｑスイッチまたはモード同期）によっても生成されることができる。パルスレーザ放射ビーム７ａはＣＷレーザ（Continuous Wave laser）のように連続して照射されず、パルス状に照射される。即ち、時間幅で規定されたパルスである。

好ましくは、レーザ７はパルス放射７ａと連続放射７ａの両方を照射可能に用いられる。パルス放射７ａのために、「励起光」を短周期でスイッチをＯＮ／ＯＦすることにより、ＣＷレーザがパルス状に動作される。二酸化炭素レーザはこのように動作され得る。また、１ｋＨｚ以上に励起され得る。他の実施形態では、パルスの生成はＣＷレーザと例えばチョッパのような簡易な変調器の組み合わせで行われる。

被覆部５によって製造材料３ａの層が平坦化されると、製造用材料３ａへの放射が以下の２つの工程で行われる。最初に、第１のパルス放射７ａが製造材料の層の第１の領域に照射され、続いて第２のパルス放射または連続放射７ａが製造材料の層の第２の領域に照射される。

好ましくは、第１および第２の領域は少なくとも一部が重なっている。上記領域は全体が重なっていてもよく、１層または全層の一部領域であってもよい。より好ましくは、第１のパルス放射７ａの製造用材料への照射と、前記第２のパルスまたは連続放射の間に、前記第１のパルス放射が前記製造用材料３ａを固化する間、時間間隔が与えられる。

第１のパルス放射と第２のパルス放射または連続放射の組み合わせは相乗作用を有する。まず、第１のパルス放射７ａは製造用材料３ａ中の粉末の表面張力の開放を引き起こし、さらに粉末粒を結合させる。また、第２のパルスまたは連続放射７ａはさらに既に第１のパルス放射７ａが照射された製造用材料３ａ中の空孔焼結構造の圧縮を引き起こす。このようにして、第２の放射で溶解ビーズの形成が抑制される。

代替的な実施形態としては、時間毎に交互に層の第１の領域が第１のパルス波に照射され、次に層の第１の領域と重ならない第２の領域に第２の連続放射が照射されてもよい。そのため、第１の領域と第２の領域は複数あってもよい。

パルス状または連続に照射され、部分的または完全に重なり、あるいは重ならない第１の領域と第２の領域で層を分割することによって、層へのエネルギーまたは熱の入力が、層内の応力が減少するように有利に制御、調整することができる。

上記した本発明の実施形態の方法とそれに対応する装置はマイクロレーザ焼結（micro-LS）に有利に適用でき、マイクロメートル単位の精度を有する三次元物体の製造ができる。

本発明の範囲は上記した実施形態に限定されず、添付した請求項に定義された範囲に該当する限り、他の均等物や改良も含まれる。

本発明はレーザ焼結法だけでなく、光造形法やレーザ溶解法にも適用できる。
また、電磁放射としてレーザ放射を用いる代わりに、例えば電子放射のような粒子放射を用いることもできる。
さらに、１つのレーザの変わりに２以上のレーザ源を用いても良い。

Claims (17)

1. 三次元物体３を製造する方法であって、前記三次元物体３は連続して固化可能な液体または粉末の製造用材料３ａを１層ごとに電磁放射７ａで固化することによって製造され、前記電磁放射７ａは、第１のパルス電磁放射と、第１のパルス電磁放射よりも周波数が高い第２のパルス電磁放射または連続電磁放射とが用いられる、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、以下の工程を有する方法。
   第１のパルス電磁放射を前記製造用材料３ａの層の第１の領域に照射する。
   第２のパルス電磁放射または連続電磁放射を前記製造用材料の前記層の第２の領域に照射する。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１のパルス電磁放射はパルスレーザ放射である方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法であって、前記第２のパルス電磁放射または連続電磁放射はパルスまたは連続レーザ放射である方法。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１の領域と前記第２の領域は少なくとも部分的に重なっている、方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１のパルス電磁放射の周波数は約６０〜約３００ｋＨｚである、方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法であって、前記第２のパルス電磁放射の周波数は、約２００〜約４５０ｋＨｚである、方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法であって、第１のパルス電磁放射の製造用材料への照射と、前記第２のパルス電磁放射または連続電磁放射の間に、前記第１のパルス電磁放射が前記製造用材料３ａを固化する間、時間間隔を設けることを特徴とする、方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１のパルス電磁放射と第２のパルス電磁放射または連続電磁放射が行われる層が部分的および／または時間的に異なることを特徴とする、方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１のパルス電磁放射に照射された層の領域は、次に、さらに前記第２のパルス電磁放射または連続電磁放射により照射されることを特徴とする、方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法を用いたレーザ焼結またはレーザ溶解方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法であって、粒径が約１ｎｍ〜約１００ｎｍの粉末が用いられることを特徴とする、方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法であって、前記粉末が供給される前記層の厚さは、約１μｍ〜約１００μｍであることを特徴とする、方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法であって、前記ビーム径は１μｍ〜約２０μｍであることを特徴とする、方法。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法を用いて三次元物体を製造する装置。
16. 請求項１５記載の装置であって、第１のパルス電磁放射と第２のパルス電磁放射または連続電磁放射の両方を照射可能な１つのレーザ７を有する、装置。
17. 請求項１５記載の装置であって、パルス電磁放射を照射する第１のレーザと、パルス電磁放射または連続電磁放射を照射する第２のレーザとを有する、装置。

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