JP2011525428A - 選択的レーザ溶解によって部材を生成する方法およびそのための処理室 - Google Patents

Abstract

本発明は、選択的レーザ溶解によって部材を生成する方法およびこの方法を実施するための処理室（１１）に関する。本発明では、レーザ（１７）による選択的レーザ溶解が、生成中の部材（１４）において粉末（１６）の組成とは異なる組成をもつ層領域（２５）を作り出すためにも使用されることが予定されている。このことは、粉末素材と反応するまたは反応性ガス内に存在する前駆体から部材（１４）上に材料を生成する反応性ガス（２７）を一時的に導入することによって遂行される。本発明による処理室では、反応性ガスの導入の目的のために、可能な限りレーザ（１７）の近傍で反応性ガスを供給することを許す付加的な供給管路（２８ａ、２８ｂ）が設けられている。

Description

本発明は、選択的レーザ溶解によって部材を生成するための方法であって、レーザビームで素材粒子を融解することによって粉末から部材が層ごとに製造されるものに関する。

冒頭に記載した方法は、例えば特許文献１から読み取ることができる。それによれば、選択的レーザ溶解によって例えば、投入材料と比較して大きな表面を有する複雑な三次元構造体を製造することが可能である。これらの構造体は、レーザ溶解によって触媒材料から得られることによって、触媒として実施することもできる。しかしながらこの方法では考慮すべき点として、触媒材料の機械的特性が一般の構造用素材の機械的性質よりもしばしば劣っており、例えば壁厚の設計時にそのことが考慮されねばならないことがある。

独国特許発明第１０２２３７９６号明細書

そこで本発明の課題は、機械的特性に関してもその他の特性（例えば触媒作用）に関しても複雑な要求形状を十分に満たすことのできる、選択的レーザ溶解によって部材を生成するための方法を明示することである。

この課題は、冒頭に記載した方法により本発明によれば、間欠的に（zeitweilig）供給される反応性ガスを利用して、生成する層領域に反応性ガスを持込むことによって、生成した部材上に部材素材とは異なる組成の層領域を局所的に生成するのにも選択的レーザ溶解を利用することによって解決される。これにより有利なことに、素材粒子を好適に選択することによって、高い機械的安定性を有し、それゆえにさまざまな応用に適した構造用素材を提供することが可能になる。特に、これにより例えば最少の材料支出で精巧繊細な三次元構造体も生成することができる。他方で、部材製造中に部材の特別な諸機能を保証できる層領域を生成することを好適な反応性ガスを選択することによって保証することができる。これらの層領域には例えば触媒材料から成る層領域が含まれるので、この部材は、例えば化学プロセス技術において応用することができる。別の応用は例えば、触媒による空気浄化に利用される構造体（オゾンフィルタ）であろう。

本発明の１構成によれば、層領域が１つまたは複数の最終層として部材に被着される。この被着は、部材上に密閉層が生じるように行われる。

これにより例えば部材の封止、つまり例えば部材の保護をもたらすことのできる密閉表面層を生成することができる。例えば、硬化表面を有する部材の製造が考えられ、金属素材粒子の材料と反応する窒素または酸素を反応性ガスとして供給することができる。

生成すべき部材のレーザビームとは反対側にある表面領域にも表面層を備えることができるようにするために、本発明の別の１構成により、層領域を１つまたは複数の第１層として部材に被着し、こうしてこの側面に密閉表面層を生じることも可能である。この表面層は既に述べたのと同じ諸機能を有することができる。

表面層の厚さは、反応性ガスを用いて生成した第１層もしくは最終層の数に依存している。つまり生成した１層の厚さは、プロセスに起因して選択的レーザ溶解によって限定されており、厚い層は単に複数の層を製造することによって生成することができる。

本発明の別の１構成では、層領域の生成後これらの層領域上に、この部材の専ら素材のみから成る他の層が堆積され、層領域が中間層を形成する。このことは、生成した部材の特性が部材内部の層領域にも依存していなければならないとき有利なことがある。例えば、部材とはまったく別の色を有する摩耗指標層を中間層として生成することが考えられる。これは、例えばさまざまなセラミック素材によって達成することができる。その場合摩耗指標は、中間層上にある部材領域が除去されたなら部材表面の色変化が生じるように機能する。その場合、これらの層領域は、例えば部材の再利用を可能とするために、再度の選択的レーザ溶解によって部材上に再び被着することができる。

本発明の特別な１構成が得られるのは、レーザビームのビーム方向に関してアンダカットを有する格子状構造体が部材として製造されるときである。その際、この層領域はそれぞれ、部材の次の生成過程におけるアンダカットの発生が、レーザビームにとって、これら層領域へのアクセスを妨げることになるよりも前に既に製造される。この方法態様では、同じ部材製造プロセスにおいて、層領域を製造することの諸利点が特別明確になる。部材製造後に、アクセス困難または全くアクセス不可能な領域にも、特別な層領域を設けておかねばならないほぼ任意の三次元構造体を生成することができる。このことは、プロセス内で触媒として応用される部材にとって特別有利である。つまり触媒効率は、利用可能な表面に依存している。本発明により生成される部材では、触媒機能は生成された層領域によって果たされる。層領域は、複雑な三次元格子構造体内に分散させておくことができ、これらの格子構造体は、例えば流体の強制流通によって流体反応を引き起こす。

層領域の製造には、基本的に特に２つの形成メカニズムが考えられる。本方法の１構成によれば、反応性ガスは融解された素材粒子と反応するような組成を有する。このようなガスは例えば酸素、窒素、または両方のガスの混合物とすることができる。選択的レーザ溶解のレーザ溶解浴に存在する温度によって素材と反応性ガスとの反応が起き、生成した層領域に反応性ガスが持込まれる。これにより、優れた触媒性質を有する例えば窒化物セラミックスまたは酸化物セラミックスまたは酸窒化物セラミックスを生成することができる。

有利には、この反応のために、つまり層領域を生成するために、反応性ガスが生成すべき層領域の材料の前駆体を含有していることに別の可能性がある。その際、いわゆるレーザＣＶＤに関連して既に先行技術である経験的知識を頼りとすることができる。レーザＣＶＤでは生成すべき層素材の前駆体が反応性ガスに混合され（すなわちこれらの前駆体はそれ自身ガス状であり）、レーザビームによって表面上に堆積される。例えば、この表面に存在する温度に関して、特定の材料組合せに関して一般文献から読み取ることができる特定のプロセス条件を考慮しなければならない。これら反応性ガスの幾つかが、前記プロセスパラメータと一緒に次掲の表に例示的に列挙してある。

本発明はさらに、選択的レーザ半田付け用の処理室に関する。この処理室は、部材製造用の受容板を備えて周囲に対して気密閉鎖された処理空間を有する。この処理空間はさらに、溶解浴の望ましくない反応を防止する不活性ガス用の入口と出口を有する。この出口は、選択的に処理空間の排気用にも利用することができる。

このような処理室が、例えばＤＥ１９８５３９４７Ｃ１に述べられている。この処理室は上記諸特徴を有し、入口および出口を通してアルゴンが不活性ガスとして吸入・排出される。処理室はさらにレーザビーム用窓の領域に他の入口を有し、この入口を通して処理室にヘリウムを吹き込むことができる。このヘリウムは窓の領域でアルゴンを排除し、場合によっては窓領域にあって窓を汚すことになる融解素材粉末の蒸気を排除する。

本発明の課題は、冒頭に記載した方法に適した処理室を提供することにある。

それゆえに本発明によれば、前記入口および出口を補足して、１つの反応性ガス供給管路が設けられている。つまりＤＥ１９８５３９４７Ｃ１による供給管路とは異なり、本供給管路には、不活性ガスではなく反応性ガスを含有した容器が接続されている。さらに、この供給は、窓の領域でではなくまさに生成された部材表面の領域で反応性ガスが不活性ガスを排除するように行わねばならない。このことは、層領域を製造する瞬間に反応性ガスとの反応が望ましく、それゆえに、部材素材の反応を防止するという不活性ガスの目的とは、逆であることで根拠付けることができる。しかし、不活性ガスと反応性ガスとの絶えざる完全交換が不可欠ではないので、処理過程を最適化することが追加された入口によって可能である。むしろ層領域製造間に反応性ガスは表面で反応を起こすことができるように反応室に送り込まれる。反応性ガスの導入が停止されるや、不活性ガスが反応性ガス残渣を部材表面から洗い流し、生成した部材素材は再び反応から保護される。

それゆえに、この供給管路のオリフィスが、前記入口よりも受容板に一層接近していると有利である。これにより、最少量の反応性ガスでもって、部材表面に相対的に強く吹き付けることが可能である。受容板と平行な平面において、この供給管路のオリフィスが移動可能であると特に有利である。この点について付記しなければならないこととして、特定の平面において層ごとの部材製造を可能とするために、受容板が層ごとに降下されるので、部材を製造する層はそれぞれ受容板と平行に設けられる。供給管路がそのすぐ上の平面で移動可能であるとき、反応性ガスの導入はさらに最適化することができる。つまり、レーザビームによって生成される溶解浴の近傍に反応性ガス導入部をもたらすことが可能であり、利用される反応性ガスの最適効率がそこで可能となる。

本発明のその他の詳細は以下で図面を基に説明される。図面の同一要素または対応する要素には同じ符号が付けてあり、個々の図の間に違いが生じる限りでのみ何度か説明される。

本発明に係る処理室の１実施例を示す。 本発明により製造された部材の実施例の要部を示す。 本発明により製造された部材の実施例の要部を示す。 本発明に係る方法の１実施例の選択した工程を示す。 本発明に係る方法の１実施例の選択した工程を示す。 本発明に係る方法の１実施例の選択した工程を示す。 本発明に係る方法の１実施例の選択した工程を示す。 本発明に係る方法の１実施例の選択した工程を示す。 本発明に係る方法の１実施例の選択した工程を示す。

図１による処理室１１が処理空間１２を有し、生成すべき部材１４用の板１３がこの処理空間内に設けられている。この受容板はアクチュエータ１５によって降下させることができ、部材１４は部材用素材粉末１６の貯蔵部内で製造することができ、受容板１３はレーザビーム１７による部材１４の１層の製造後にそれぞれこの層の厚さだけ降下される。調量弁１９とワイパーブレード２０とを有する可動貯蔵容器１８は、詳しくは図示しないが部材上を移動することができ、これにより受容板１３の降下後、部材１４の生成された層上に別の層の粉末を被着することができる。

レーザは処理室１１の外側に設置されており、詳しくは図示されていない。処理室が窓２１を有し、この窓を通してレーザビームは処理室内に到達する。処理室はさらに、幅広矢印２４に相応してプロセスガスを処理室内で誘導することを可能とする入口２２および出口２３を有する。この不活性ガスは部材１４の表面をさっと通り抜け、部材素材の溶解浴２５とガス状成分との望ましくない反応を防止し、部材素材の万一の蒸発生成物を出口２３から排出する。

これに加えて供給管路２６が設けられており、この供給管路を通して反応性ガスは細い矢印２７に応じて供給することができる。この反応性ガスにより、既に述べたように、部材素材とは異なる組成の層領域（例えば図２参照）が形成されることになる。供給管路２６は図１によれば２つの選択案で示してある。供給管路は、生成中の部材１４のすぐ近くに反応性ガスが誘導されるようにそのオリフィスが配置された固定ノズル２８ａによって形成しておくことができる。しかし、ノズル２８ｂが受容面と平行に移動可能であり、こうして溶解浴２５の直接的近傍に移動できるようにノズルを移動可能に設けることもできる。このために、反応性ガス用の弾性供給ホース２９が設けられている。

図２に部材１４の１実施例が示してある。この部材は部材組成とは異なる組成の層領域として表面層３０を有する。この表面層は例えば窒化チタンで構成することができ、チタンから成るこの部材１４は工具として利用される。

図３によれば層領域が中間層３３として実施されている。表面３１を形成する部材素材部分は、この部材の許容されたアブレシブ総摩耗にまさに一致した厚さｄを有する。この部材領域が除去されたなら、中間層３３の表面が現れ、そのことは例えば表面の色急変によって確認することができる。つまり中間層はこのため部材とは別の色を必要とする。

図４〜図９には部材１４のさまざまな生成段階が示してあり、この部材は触媒性質を有する層領域３２を備えた三次元格子を形成する。図９から読み取ることができるように、三次元格子構造体はその立体的整列のゆえにレーザビーム１７の方向から見て多数のアンダカット３４を有する。本発明に関連してアンダカットとは、アンダカットされた部材領域がその上に構造体を生成後にもはやレーザビーム１７が到達不可能であることを意味する。

格子状部材１４の立体的構造は、次のように表現できる。層領域３２用基板として役立つ平面３５が交互に形成され、次に各隣接平面を結ぶ柱３６が作製され、これらの柱が平面３５の間に空洞の生成を保証するものである。作製プロセスの間これらの空洞は、まだ粉末１６で満たされている。完成した構造体は、例えば触媒として利用することができ、その場合図示平面に垂直に流体を流通させる。

図４は、柱３６が完成した段階を示す。完成した構造体内で、新たな平面３５となる１つの層が生成される。この層はこの場合、完成した柱３６の上（そして選択的には、事前に製造された層領域３３上）にある。

図５には、形成中の平面３５が２つの隣接する柱３６を既に結合している様子が示してある。

図６では、新たに創成された平面３５上に第１層が生成される。まず、まだ不活性ガス２４の影響下で新たな柱３６用の柱基部３６が、この層の中に作られる。図７から読み取ることができるように、引き続きノズル２８ｂによって反応性ガス２７が現在の層の表面上に誘導され、柱基部３６の外側で平面３５上にレーザによって触媒性質を有する層領域３２が製造される。

図８には、層領域３２に続く層内でそれぞれ新たな柱３６用の柱基部のみが１「階層」だけ上乗せされる様子が示してある。

図９からは、図８と比較して、さらに３つの層が被着されたことを読み取ることができる。第１層では柱３６が再度延長されている（ここでは選択的に図１に示したのと同様に再び層領域３３を生成することもできよう）。第２層では新たな平面３５が製造され、現在加工される第３層では図６と図７の工程が繰り返される。こうして三次元格子は、この構造体が所望寸法に達するまで任意に拡充することができる。

１４ 部材
１６ 粉末
１７ レーザビーム
２７ 反応性ガス
３２ 層領域

Claims (11)

1. 選択的レーザ溶解によって部材（１４）を生成するための方法であって、レーザビーム（１７）で素材粒子を融解することによって粉末（１６）から前記部材（１４）が層ごとに製造されるものにおいて、間欠的に供給される反応性ガスを利用して、生成する層領域（３２）に反応性ガスを持込むことによって、生成した前記部材（１４）上に部材素材とは異なる組成の層領域（３２）を局所的に生成する目的のためにも前記選択的レーザ溶解が利用される方法。
2. 前記層領域（３２）が、前記部材（１４）上に密閉表面層（３０）を形成するように、１つまたは複数の最終層として前記部材に被着される請求項１記載の方法。
3. 前記層領域（３２）の生成後、これらの層領域上に前記部材（１４）の、前記素材からのみ成る他の層が堆積され、前記層領域が中間層（３３）を形成する請求項１記載の方法。
4. 前記層領域（３２）が、前記部材（１４）上に密閉表面層（３０）を形成するように、１つまたは複数の第１層として前記部材（１４）に被着される請求項１記載の方法。
5. 前記レーザビーム（１７）のビーム方向に対してアンダカット（３４）を有する格子状構造体が前記部材（１４）として製造され、その際前記層領域（３２）はそれぞれ、前記部材（１４）の次の生成過程において前記アンダカット（３４）の生成が前記レーザビーム（１７）にとって前記層領域（３２）へのアクセスを妨げるよりも前に製造される請求項１記載の方法。
6. 前記反応性ガスが、融解された前記素材粒子と反応するような組成を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記反応性ガスが、生成すべき前記層領域（３２）の材料の前駆体を含有している請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記前駆体の反応にとって必要な温度制御が、前記レーザビーム（１７）のエネルギー入力によって制御される請求項７記載の方法。
9. 部材（１４）製造用の受容板（１３）を備えて周囲に対して気密閉鎖された処理空間（１２）を有する選択的レーザ溶解用処理室であって、前記処理空間が不活性ガス用または前記処理空間を排気するための入口（２２）と出口（２３）を有するものにおいて、反応性ガス用の供給管路（２６）が付加的に設けられている処理室。
10. 前記供給管路（２６）のオリフィスが前記入口（２２）よりも前記受容板（１３）に一層接近している請求項９記載の処理室。
11. 前記供給管路（２６）の前記オリフィスが、前記受容板（１３）と平行な平面において移動可能である請求項９または１０のいずれかに記載の処理室。

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