JP2012506803A - 付加製造装置および方法 - Google Patents

Abstract

製造材料の層状付加によって三次元の物体(３０)を形成するための装置(１０)は、物体(３０)を形成中に支持するための製造支持体(１００)と、メッシュか、フィルムか、シートか、あるいは箔の形態にある除去可能な金属のベース層(１１０)とを有する。ベース層(１１０)は、製造支持体(１００)に対して除去可能に固定できる。

Description

本発明は、付加製造により、例えば選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）によって物品を作り出すための装置および方法に関する。

三次元物体を作り出すための付加製造や、高速製造または高速試作品製造法がこの分野においてよく知られている（例えば Deckard の特許文献１を参照のこと）。粉体の固化および高分子樹脂の硬化を含む付加製造に関する種々の周知の方法がある（非特許文献１）。ＳＬＭおよびＳＬＳ製造法は、レーザービームや電子ビームの如き合焦エネルギービームを用いて粉体の層ごとの固化を伴う。

典型的な選択的ＳＬＳまたはＳＬＭ法において、粉末の薄い層がＳＬＳまたはＳＬＭ装置内の製造領域、すなわち粉体層を覆って堆積する。造形される三次元物体の断面に対応した粉末層の部分を横切って合焦レーザービームが走査され、レーザーが走査した場所の粉末が焼結または溶着の何れかによって固化されるようになっている。この断面は、元の物品を走査することによってそれ自体生成される物品の３-Ｄ作図か、またはコンピューター援用設計（ＣＡＤ）データーから一般的に生成される。

層の固化後の製造面は、新たに固化される層の厚さだけ下げられ、さらなる粉末の層がこの表面に亙って拡散する。この表面の三次元物体の断面に対応する層の部分にレーザービームが再び照射され、新たに固化した層が最初に固化した層に接合される。この処理は、物体が完成するまで繰り返される。

典型的な付加製造装置は、物体を除去可能か、または代わりに完成物品に組み込むことができる堅い金属板、すなわち基板に物品を製造する。形成された物体を堅い基板から取り外す場合、これらの物体は、やすり掛けや、のこ挽き、フライス加工、火花放電などの如き機械的手段によって概ね取り外される。このような除去処理は、時間を消費すると共に費用がかかり、完成した物品に損傷を与えないように慎重に行われる必要がある。さらに、堅い金属製の基板は、それぞれ使用した後、これを別な製造のために用いることができるようにする前に再研磨する必要がある。このような再研磨は、基板の平面をフライス加工することによって一般的に行われている。このため、基板の層はこれが用いられる度ごとに一般的に失われ、従ってこのような基板は消耗品である。

堅い基板は、製造材料（すなわち、希望する物品を作るために用いられる材料）が処理中に溶着または接着するような材料で作られなければならない。基板が製造材料と同じ材料や類似の材料である必要が頻繁にある。このような消耗製造板は極めて高価になる可能性がある。例えば、選択的レーザー溶融装置にて用いるための縦が２５０mmで横が２５０mmの寸法を有するチタン製製造板は、１０００ポンドを越える費用が掛かる可能性がある。物品の機械的除去に関して膨らむコストや、製造板の再研磨、ならびに腐食による製造板の段階的な損失は、付加製造処理によって作り出される個々の物品のコストを著しく嵩上げする可能性がある。

物体が自由な粉体層に製造され、すなわち製造基板に阻害されることなく製造できることが理想的である。通常、これらが作り出される場合、物体に発生する高い熱応力があるので、ＳＬＭおよびＳＬＳの如き付加製造処理ではこれが不可能である。物体の初期の層の堆積中の変形は、完成した物品の品位に著しい悪影響を与える可能性がある。電子ビーム溶融（ＥＢＭ）または電子ビーム焼結（ＥＢＳ）の如き電子ビーム製造法は、ＳＬＭおよびＳＬＳと同様な方法である。ＥＢＭは、ＳＬＭよりも高い製造温度をしばしば用い、これは物体の熱応力が小さい可能性があることを意味する。従って、ＥＢＭは状況によって、基板に結合または接着する必要のない自立物品の製造を可能とする。しかしながら、ＥＢＭを用いた場合には一部を固定することが望ましいか、あるいは必要であり、このような場合での固定は、ＳＬＭ法のための上述したのと同様な方法でなされる。

典型的な従来技術の装置が特許文献２に開示されている。この特許文献２は、三次元物体を粉末の連続層の固化によって作り出すための装置を記述し、この装置は、固化した時に粉末が接着する材料から作られた堅い基板と、基板をこの装置の支持手段に対して除去可能に結合するための手段とを含む。

米国特許第４８６３５３８号明細書 米国特許第５７５３２７４号明細書

「光造形」専門図書館協会

本発明は、参照がここでなされるべき添付の独立請求項による装置および方法を提供する。本発明の好ましいか、または有利な特長が従属する下位の請求項に規定されている。

従って、本発明の第１の形態において、三次元物体を製造材料の層状付加によって形成するための装置を提供することができる。この装置は、形成中に物体を支持するための製造支持体と、ベース層とを具えている。このベース層は製造支持体に対して除去可能に固定できると共に三次元物体を形成中にベース層に固定することができる。

ベース層は、これが製造支持体に固定されるまで、物体を形成中に固定するために実質的に堅いものとして記述することができる。

ベース層を引張り状態に維持できることが有利である。張力を付与することは、ベース層が物体を製造するためのアンカーとして機能するように充分堅くすることができ、同時にベース層を製造支持体と緊密な接触状態へともたらすことができる。従って、ベース層は、これが張力下に置かれるまで、三次元物体の形成のためのアンカーとして機能できないようにすることができる。

この装置は、ベース層を張力下に置くための張力付与器具を具えることができる。このような器具は、ベース層を張力下に置くための固定システムか、ローラーか、または機械的手段を伴うことができる。

ベース層は、好ましくはフィルムか、シートか、箔か、またはメッシュの如き可撓性材料であり、これは製造材料が接着できる材料で好ましくは作られる。

従って、この発明の形態のベース層は使い捨ての物体である。結果として、従来技術の堅い基板を用いる場合に必要とされるような高価な再仕上げ処理のための必要性がない。さらに、ベース層は、堅い基板材料よりも著しく低コストである。上で与えた例において、チタン製基板は１０００ポンドを越える費用がかかる可能性がある。同じ製造領域を覆って用いるための本発明の第１の形態によるチタン製ベース層は、ほぼ１６ポンドの費用ですむ。

都合が良いことに、フィルムか、シートか、箔か、またはメッシュの如きそれほど堅くないか、柔軟か、または変形可能な材料であるベース層の使用は、できあがった物品をベース層から剥離手段または引き裂きによって除去可能にすることができる。

完成した物品を取り囲む箔を引き剥がしたり、引き裂いたりすることは、その固定層からの物体の除去に関し、堅い板を用いた場合に一般的に行われる機械加工法よりも相当安価な方法である可能性がある。さらなる利点は、本発明のこの形態によるベース層からの物体の除去は、完成物品が除去処理中に破損する危険性を少なくすることをもたらす可能性がある。ベース層は、仕上がった物品に何らかの損傷がある前に変形または裂断しよう。これは、物体が堅い板に製造される場合の状況と比較した場合であり、この板が完成した物品と同じ強度か、あるいはそれよりも強い可能性が高く、物体を除去する場合に完成した物品、すなわち物体の損傷を回避するための配慮をしなければならないことを意味する。

本発明のこの形態による基板の使用のさらなる利点は、付加製造装置の製造チャンバからのベース層の除去が、例えば堅い基板を製造チャンバから除去するよりも相当速い速度で行うことができるという可能性がある。

ベース層が金属製の箔か、シートか、またはフィルムである場合、これは厚みが２５０ミクロンよりも薄いことが好ましく、特に製造材料の第１の層がこれに固定されることを可能にするのに充分な厚みであることが好ましい。厚みの最適範囲は、製造材料や、製造層，レーザーまたは電子ビームの出力，製造材料の粒度，製造プロトコルの他の形態のために用いられる材料を含む多くの要因に依存しよう。都合が良いことに、このような厚みは、ベース層を完成した物品から剥離または引き裂くことによって除去するために低コストかつ充分に柔軟にすることを可能にできると同時に、製造支持体を本質的な構造上の損傷から保護する。

特に好ましくは、ベース層が５０ミクロンおよび１５０ミクロンとの間か、または７５ミクロンと１２５ミクロンとの間にある。

ベース層がメッシュの場合、これは相互に編組される一連のワイヤー、例えばこれらのワイヤーが相互にそれぞれ摺動することができるように、円柱状のワイヤーからなることが好ましい。このメッシュの寸法は、好ましくは物体を形成するために用いられる粉末がワイヤーのストランドの間に置かれることを可能にする程度のものである。これは、粉末とメッシュとの間の機械的な係合を可能にすることができ、粉末がメッシュによって拘束されるので、物体の初期の層の形成を促進することができる。従って、構造体の第１の層はメッシュのベース層を用いてより容易に作り出すことができる。

追加の製造処理にて用いられる典型的な粉末は、２０ミクロンから１００ミクロンまでの間の平均粒子径を有する。従って、好ましいメッシュは、同様な寸法であるメッシュを形成するワイヤーを用いて７５ミクロンから３００ミクロンまでの間の開口を有することができる。このようなメッシュは、１００ミクロンから５００ミクロンまでの間か、好ましくは２００ミクロンから４００ミクロンまでの間、例えば約３００ミクロンの厚みを有しよう。

ベース層としてメッシュを用いる１つの利点は、特に用いるメッシュが相互に摺動できるストランドを有する場合、製造支持体の表面を覆うメッシュに張力を付与することが箔よりも容易である可能性があることである。メッシュは、同様な厚みの箔よりもずっとしなやかである可能性が高く、ひずみにおける変形がしわになったり座屈したりせずに箔の場合よりも容易にメッシュによってさらに吸収可能である。

メッシュは、粉末のレーザー凝固の間に起こる可能性があるような熱応力のために座屈する傾向がほとんどない可能性がある。熱応力は、箔全体への膜応力のように分散するというよりはむしろ個々のストランドの圧縮および引張りによって吸収可能である。

メッシュ、すなわち網製のベース層の構造はまた、製造中の一定量のコンプライアンスも可能にすることができる。このようにして製造中に発生する応力およびひずみを吸収することができ、これらは、その形成中の物体に蓄積する少量の残留応力になる可能性がある。

ベース層は、製造材料の第１の層が次の残りの層の形成のためのアンカーとして機能するように実質的に接合する材料であることが重要である。このベース層は、製造材料と共に完全な溶着体を作ることができるか、焼結結合や拡散結合を形成することができるか、または（例えば噛み合わせによるか、または表面張力の作用によって）行われるべき製造のために単に実質的に接着可能である。ベース層は、製造材料とほぼ同じ化学的組成のものであることが有利な可能性がある。例えば、製造材料がチタン合金の場合、この場合にはベース層が同じチタン合金か、または同様なチタン合金であることが有利な可能性がある。これは、製造材料がベース層に接合するという利点と、ベース層の化学的要素の拡散によって最終物品の汚染が起こりそうもないというさらなる利点とを有する。製造材料が例えば溶接によってベース層と完全に一体となる場合において、次の製造材料と同じ化学的組成のベース層の使用は、ベース層をこのベース層の固定領域のまわりから単に引き裂くか、または切り取ることによって、最終物品をベース層から除去することを可能にする。この場合、製造材料と一体化されたベース層は、でき上がった物品の一部になるか、または次の機械加工によって除去されることができる。

好ましくは、この装置は、物体を形成するために選択的に接合するか、または出力領域を固化させるための手段をさらに具えている。このような手段の好ましい例は、レーザー発生システムおよび電子ビーム発生システムを含む。レーザーおよび電子ビームの両システムは、ある個所で粉末の焼結または溶融を可能にするために充分に高いエネルギー密度をその１個所に送出することができる高エネルギービームを作り出す。従って、この装置は、好ましくは選択的レーザー溶融か、選択的レーザー焼結か、電子ビーム溶融か、または電子ビーム焼結によって物体を作り出すための装置である。

都合が良いことに、この装置は、ベース層を製造支持体に固定するためのクランパーを具えることができる。固定することは、ベース層を固定する手段を実現することが簡単であるという利点を有する。固定部材は、製造支持体を覆って製造層に張力を与えるように、製造支持体の両側に配されることができるか、または製造支持体の３つまたは４つの側に配されることができる。好ましくは、このクランパーは、これがその領域のほぼすべてを覆う製造支持体と接触状態に保たれるように、ベース層を固定する。

都合が良いことに、ベース層を製造支持体に固定するための手段は、製造支持体を横切るベース層に張力を与えるためのローラー機構を含むことができる。このようなローラー手段は、ベース層が調整可能に張力を付与できることを可能にし、これが製造支持体に対して拘束され、製造支持体に対してこれを実質的に覆うか、またはその領域に接触するようになっている。好ましくは、このようなローラー手段は、製造支持体よりも低い位置にあるように配され、すなわちベース支持体に固定された場合のベース層は、ベース層に張力を与えるためのローラー手段よりも装置内のより高い位置にある。このようなローラー手段は、製造支持体の両側にて一方が装置内に取り付けられる２つのローラーを具えることができる。

真空の利用によってベース層を製造支持体に固定することができる。例えば、この製造支持体は、真空が装置の製造チャンバ内の雰囲気に関する圧力を低下させることができる穴または溝を含むことができる。この状況において、製造支持体に加えられるベース層は、圧力差によって所定場所に保持されよう。ベース層を製造支持体に固定するための真空の使用は、真空圧を加え、従ってベース層が迅速に交換されることを可能にする速度にて除去されることが可能であるので、有利である可能性がある。真空の使用はまた、この装置に組み込まなければならないクランプ機構の必要性を排除することができ、これらは払拭アームによる製造材料の連続層の塗布を妨げないようになっている。

このベース層はまた、除去可能な物理的結合によって製造支持体に固定されることができる。このような結合の例は、接着剤か、はんだ付けか、またはろう付けを含むことができる。一例として、間に固定される低融点合金と共にベース層を製造支持体に接合することができる。次に、このアセンブリを低融点合金の融点以上の炉で加熱することができ、その後、この合金を冷却して再び凝固させることを可能にする。従って、この合金は、製造支持体とベース層との間にろう付け継手の部分を形成することができる。このような継手は、逆の処理によって、すなわち低融点合金が融け、次いで製造支持体からベース層を除去するまで、炉内で完成した製造物品を保持する製造支持体およびベース層のアセンブリを加熱することによって、除去することができる。

都合が良いことに、製造支持体は高熱伝導性材料を具えることができる。特に適当な材料は銅か、または銅合金を含む。物体の製造中に大量の熱が製造材料を溶融または焼結するためにエネルギービームによって与えられる。この熱を制御された方法で物体から除去できることが有利であり、従って物体と、ベース層と、このベース層が支持される製造支持体との間の熱流路は好都合である可能性がある。銅色か、銅合金か、または他の高熱伝導性材料は、あらゆる高温個所を迅速に等温化可能にすることができ、これによってあらゆる熱ひずみを軽減する。

都合が良いことに、製造支持体は、空冷通路または水冷通路の如き冷却手段を含むことができる。

都合が良いことに、製造支持体はベース層の変形を減らすために丸い端縁を有することができる。製造支持体の形状に対するこのような注意は、ベース層がクランプ手段か、またはローラー張力付与装置によって製造支持体に固定されることが重要である可能性がある。このような固定機構に関し、製造支持体の鋭い端縁は、ベース層がしわを寄せたり、あるいはさもなければベース層に脆弱個所を作り出す可能性があり、それによってベース層およびその支持能力ならびに製造中の物体の拘束の完全性を低減する。

製造支持体およびベース層を異なる材料から作ることは有利である可能性がある。従って、ベース層が選択した製造材料に接着する適当な特性を有すると同時に、製造支持体が高熱容量の如き他の特性を満たす材料から作ることができる。製造支持体およびベース層を加熱に対して相互に容易に結合しない材料から作ることもまた、有利である可能性がある。これは、物体の初期の層の堆積中にベース層が製造支持体に対して溶着か、または焼結するという可能性を減らすことができる。

第２の形態において、本発明は形成中に物体を支持するための製造支持体と、形成中に物体を固定できる製造支持体に対して除去可能に固定できるベース層とを具え、製造材料の層状付加によって三次元物体を形成するための装置を提供することができ、ベース層は真空の適用によって製造支持体に対して固定される。

本発明の第１の形態に関して上述したように、真空で固定する手段または機構は、ベース層の組み込み速度および製造の終端でのベース層の除去速度の如き利点を提供することができる。

第３の形態において、本発明は、製造材料の層状付加によって三次元物体を形成するための装置の製造支持体に除去可能なベース層を固定するステップと、物体の第１の層をベース層に形成し、これがベース層に固定されるようにするステップと、三次元物体が形成されるまで第１の層にこれに続く複数の層を形成するステップと、ベース層と、三次元物体をこの装置のベース層から除去するステップとを具えた製造材料の層状付加によって三次元物体を形成する方法を提供することができる。好ましくは、このベース層は製造支持体に張力を与えるまでか、または固定されるまで、形成中の物体を固定するためにそれほど硬質ではない。好ましくは、このベース層は製造材料を接合することができる材料から作られるメッシュか、フィルムか、シートか、または箔である。

この方法は、物体が選択的レーザー溶融か、選択的レーザー焼結か、電子ビーム溶融か、または電子ビーム焼結によって形成される場合、有利に用いられることができる。

都合が良いことに、この方法は、三次元物体からのベース層を剥がすステップをさらに具えることができる。ベース層を剥がすことは、あらゆる特別な細工のための工具を必要とせず、ベース層から物体を迅速に除去して費用効果の高い方法である可能性がある。

代わりに、ベース層からの物体の除去は、三次元物体の周りのベース層を切り裂くか、または切断するステップを具えることができる。次に、機械的か、または化学的な処理によって、例えば研削加工によるか、エッチング加工によるか、またはメッシュの場合にはベース層を分解することによって、三次元物体をベース層から除去することができる。メッシュの分解は、完成した物品の周りのメッシュか、その一部を切断し、次いでこの部分から個々のストランドを個別に除去するステップを伴うことができる。このような分解処理は、ベース層の除去をより容易にすることができる。

代わりに、ベース層を三次元物体に組み入れることができる。

都合が良いことに、ベース層を真空の適用によるか、あるいはクランプ手段またはローラー固定手段の適用によって、製造支持体に固定することができる。このような固定手段は、本発明の第１の形態に関して上述した。

ベース層の厚みが５００ミクロン未満、好ましくは厚みが２５０ミクロン未満、特に好ましくは厚みが５０ミクロンから１５０ミクロンまでの間にあることが好ましい。

さらなる形態において、本発明は、可撓性のメッシュか、シートか、または箔と、付加製造処理によって可撓性のメッシュか、シートか、または箔に付加される構造部材との両方を含む物体を形成する方法を提供することができる。従って、ベース層の少なくとも一部はでき上がった物品の一体部分となる。この形態による方法は、ベース層に付加される構造体によってはベース層から除去または切り取られないという相違と共に上のすべての形態に対して上述したように行われる。

従って、本発明は流体の動的な流れを制御するための共形幾何を作る方法を提供することができる。例えば、ベース層に作り出される構造体は、流体の流れか、または空気流に作用する、例えば乱流を引き起こすか、境界層を変更するか、または混合に影響を与えるように設計されることができる。作り出される物体は、これに作られる望ましい構造体を有するシートまたは箔であり、このシートまたは箔は、異なる形状の表面に用いることができる。

本発明はまた、記述したような流量を変更するための物体を提供することもできる。

共形幾何流体流の一例は、主翼のいたるところに気流を変える、例えば飛行機の翼の表面に用いられ、この翼を通過する空気流を変更するためのシートである。この物体は、複数の気流修正構造体が作成された厚みの薄い、例えば５０ミクロンから１５０ミクロンまでの間の可撓性材料のシートを具えている。このシートは、接着か、拡散接合か、あるいはシートを構造体に装着するあらゆる一般的な方法によって、既存の構造体に容易に装着させることができる。

ここで記述したような幾何学的流体流れは、流体流れの変更が望まれる様々な用途、例えばタービンブレードや潜水艦に対して用いることができる。

さらなる形態において、本発明は、コンフォーマルアンテナおよびこのようなアンテナを作る方法を提供することができる。アンテナ構造体を適当な箔やシートに（上のすべての形態にて記述したような付加製造を用いて）製造することができ、そしてコンフォーマルアンテナはこの箔やシートを一体化されたアンテナ構造体と共に具えることができる。このようなコンフォーマルアンテナは、物体の表面、例えば複数のアンテナ構造体を有する表面が臨まれる船のマストに装着可能である。

ここで記述したようなコンフォーマルアンテナは、例えば構造体の電磁気特性を変更するために用いられることができる。一例として、構造体のレーダー反射特性は、適当なアンテナ構造体をこの表面に装着することによって変更可能である。

アンテナ構造体のためのベース層としての可撓性材料の使用は、調整可能なアンテナを例えば調整可能なアンテナのベース層をこの層に形成される種々のアンテナ物品の空間的関係を変更するように変形させることにより、生産可能にすることができる。

さらなる形態において、本発明は、製造材料の層状付加によって三次元物体を形成するため、装置の製造支持体に対して除去可能なベース層を真空の適用によって固定するステップと、ベース層に物体の第１の層を形成してこれがベース層に固定されるようにするステップと、三次元物体が形成されるまで、第１の層に続く複数の層を形成するステップと、ベース層を除去すると共に機械のベース層から三次元物体を取り外すステップとを具え、製造材料の層状付加によって三次元物体を形成する方法を提供することができる。

好ましくは、物体の第１の層は、ベース層を介して溶融するのには低すぎるビーム出力やビーム出力密度を用いて形成される。従って、ベース層は製造支持体に溶着または接着せず、製造支持体の完全性を損なわないままにしておく。

好ましくは、上述したあらゆる方法による方法は、これが次に続く層を作り出すために用いられるよりも低い入射ビーム出力密度を用いて物体の第１層と２０層との間、好ましくは第１層と１０層との間で形成するステップを含むことができる。すなわち、ベース層に画成される初期の層は、低ビーム出力密度またはビーム出力を用いて作り出され、そして次に続く層は、望ましい物体を形成するために必要とされる通常のビーム出力密度またはビーム出力を用いて作り出される。

典型的なＳＬＭ装置における製造チャンバの概念図である。 本発明の一形態による製造支持体に固定されるベース層を例示する。 ＳＬＭ装置に取り付けられた図２のベース層および製造支持体を例示する。 図２によるベース層に形成された複数の三次元物体を例示する。 本発明の一形態による製造支持体に固定されたベース層を例示する。 本発明の一形態による真空チャックを例示する。 製造支持体に埋め込まれた構造部分を用いることによって、製造支持体に製造物を固定するための別な方法を示す。 メッシュベース層から除去処理状態にある三次元物体を例示する。

さて、本発明の好ましい実施形態が図面を参照して記述されよう。

図１は、典型的な選択的レーザー溶融装置１０を例示している。この装置は、三次元物体３０がその中で作り出される製造チャンバ２０を画成し、三次元物体３０が支持され、より低くできる製造プラットホーム４０を具えている。製造チャンバ２０はまた、粉末５５の層を製造プラットホームの表面全体に拡散させるための粉末投与被覆装置５０を収容する。（製造チャンバ内か、あるいはその外側の何れかに収容される）光モジュール６０は、製造面４５の全体に分散した粉末に照射するためのレーザービーム６５を送出する。製造プラットホーム４０は製造シリンダ７５の穴７０内でより低くできるように配置され、製造面４５が機械内のほぼ同じ位置に留まることを可能にすると同時に、物体３０は連続した粉末層から形成される。製造プラットホームには、物体３０をその形成中に固定することができる製造支持体および製造支持体に対して除去可能に固定できるベース層の両方が組み入れられる。ベース層は、物体が製造される間、製造支持体を物体との物理的接触から保護する。

図２は、この発明の一形態による製造支持体およびベース層を例示している。製造プラットホーム４０は、ステンレス鋼板から構成され、製造シリンダの穴内により低くできるように配置されている。製造プラットホームの上面４１に配置されているのは、銅板から作られる製造支持体１００である。銅は、その優れた熱伝導率のために製造支持材料として用いられる。製造支持体の上面を覆って固定されているのはベース層１１０である。このベース層は、１００マイクロメートルの厚みの箔であって、クランプ手段１２０により製造支持体の表面を覆って固定され、製造プラットホームに締結されて箔が製造支持体の上面を覆って張り詰めて引っ張られる、すなわち張力を与えることをもたらす。箔１１０は、形成される物体が接合するような材料から作られることができる。箔材料が物体を形成する粉体と同じ組成であることは、しばしば有利であり、例えば、形成される物体が航空宇宙産業において一般的に用いられるような６４チタン合金（Ｔi-６Ａl-４Ｖ）の場合、その場合には箔が１００μｍの厚みのＴi-６Ａl-４Ｖ合金の箔であることが有利である。箔および製造材料に対して同じ材料を使用することは、製造材料を物体の構築の初期段階中にベース層の箔に係留でき、しかもベース層のはぐれ合金部材によって形成される物体または物体の汚染を阻止するのを確実に補助できるようにする。

この特定の実施形態において、箔をベース層として用いたけれども、メッシュを代わりに用いることができる。上述したように、メッシュを用いることは、箔の使用以上の追加の利益をもたらすことができる。

図２における例示は、製造支持体の両側にクランプされる箔を示すけれども、製造支持体の３つの側または製造支持体の４つの側に追加の束縛のためのクランパーを付与可能であることは容易に想像できる。

使用中に、箔１１０は、この箔を製造支持体の片側の製造プラットホームに拘束し、製造支持体を横切って箔を引き延ばし、次いで第２のクランプ部材を用いて箔を製造支持体の他方側にクランプするクランプ部材の手段によって、製造プラットホームの表面にクランプされ、箔の表面を製造支持体に対して押し付けるための充分な張力があるようになっている。図３は、ＳＬＭ装置の製造チャンバ内の銅製造支持体を覆い、クランプ手段によって固定される商業的純チタン箔のベース層を例示する。中実の製造板を用いる典型的なＳＬＭ方法において、物体の少数の第１の層は、この第１の層が支持体に対して強固に接合または融合されることを確実にするため、通常、相対的に高出力のレーザーを用いて作り出される。次に、この製造物の大部分が僅かに低出力のレーザーにて作り出される。本発明の種々の形態にて規定したようなベース層の使用に関し、物体すなわち製造物の初期の層は、この物体がベース層の直下の製造支持体に接合するように作り出されないことが重要である。ベース層を「介して焼成」せずに初期の層を堆積されるために必要とされる出力は、材料の種類やベース層の厚み、材料の粒度、製造支持体の熱特性などを含む多くの要因に依存しよう。従って、製造物がベース層を介して製造支持体に接合される可能性をより低くするため、製造物の大部分と同じ出力か、または製造物の大部分に対しより低い出力にて初期の層を作り出すことが有利である可能性がある。

図４に例示した一実施形態において、商業的純チタン箔がベース層として銅製造支持体にＭＣＰ Realizer II 選択的レーザー溶融装置のクランプシステムを用いて固定された。この装置は、縦が２５０mmで横も２５０mmの製造領域を有し、１０２１ナノメートルの波長を持つ２００ワットのイッテルビウムファイバーレーザーを作動させる。商業的純チタン粉末から作成される８つの物品が作り出される。採用された製造プロトコルは、７０ワットのレーザー出力にて作り出される下側の１０層を伴った。次いでこのレーザー出力が物体の次の層の製造のために９２ワットまで増大された。（この製造体が中実の板に対して行われた場合、この場合には次の層のために９２ワットまで出力を減少させる前に初期の層が高出力、例えば１２１ワットのレーザーにて一般的に製造されていたことを私は確認している。）この低出力の使用は、物体の初期の層をベース層に固定するために充分であり、（図４に例示されるような）望ましい物体の形状がうまく作り出されることができるようになっている。

製造物が完成すると、箔のベース層は、製造プラットホームからアンクランプすることによって装置から迅速に除去される。次に、ベース層を物体から剥離することによって除去する。物体とベース層との間の高い結合度のために剥離を失敗するベース層の柔軟な性質は、ベース層を剥離するか、あるいは裂くかの何れかによって、これが物体から除去されることを可能にする。従って、物体はベース層から迅速に除去され、その後に必要とされるあらゆる仕上げ操作のために送出されることができる。

図５は、ベース層を本発明の一形態による製造支持体に固定するための代わりの手段を例示する。見ることができるように、ベース層５１０は、製造支持体５００を覆って固定される可撓性材料、すなわち箔である。ベース層は、第１ローラー５２０および第２ローラー５３０の両端部に巻かれている。ローラーは、ベース層の張力が製造支持体を覆ってこれを固定するために必要とされるように調整されることを可能にする。

図５に例示したような張力を付与するローラーの使用のさらなる利点は、でき上がった物品がベース層から引き裂くか、または剥離することによって除去されることができ、次いで使用した部分が第１のロール５２０に巻き取られると共に新たなベース層が第２のロール５３０から製造支持体を覆って放出されるように、ベース層を単に前方へと転がすことができるということである。このようなシステムは、段取り替えでの効率を増大させることができる。

図６は、ベース層を製造支持体に固定するさらなる方法を例示する。この実施形態において、製造支持体は相互にボルト締めされる２枚の銅板で作られたモジュール式物品である。下部銅板６００は、気体溝６１０と、Ｏリング６２０を収容するためのリムとを画成する。気体溝６１０は下板６３０の端縁を通って画成され、第１の板６４０の上面の中央となる皿状領域まで延在する。Ｏリング６５０が下板の稜部６２０に着座し、上板がそこ６６０に締結されている。上板はその厚み６７０を通る複数の穴を画成する。従って、上部および下部の板を間のＯリングと共に相互にクランプした場合、実質的に中空の内部および溝６１０と穴６７０との間の気体の連通を有する１つのユニットを形成する。同じ働きをするこのような構造体や、あるいは他の同様な構造体は、真空チャックと呼称されることができる。

使用中において、気体溝６１０は真空ポンプに結合され、従って（空気か、あるいは製造チャンバ内の雰囲気を形成するあらゆる気体であってよい）気体がチャックの中央部分から除去される。溝６１０と穴６７０とは気体連通状態にあり、真空ポンプによって溝６１０から除去された気体は、複数の穴６７０を通って真空チャックに入る気体と置き換えられる。

図６に例示されるように、除去可能なベース層が真空チャックの上面に配された場合、真空によってもたらされる差圧は、ベース層が真空チャックの表面に固定されることを結果として生ずる。

このようなシステムは、ベース層、特に可撓性材料であるベース層を製造支持体（すなわち真空チャック）に設ける効率的な方法である可能性がある。このベース層が本発明の一形態による真空チャックの機能を持った可撓性材料である必要性がないことに注意されたい。

例えばクランパーを覆う真空チャックの利点は、ベース層が単に真空チャックを覆って配されることが単に必要であって、製造作業のためにベース層を固定する目的で真空を使用できることであり、これによって潜在的に厄介なクランプ作業の可能性を排除する。

図７は、製造物を製造支持体に固定する別な方法を例示する。製造支持体８００は、製造プラットホームに（例えばボルトによって）取り付け可能な板からなる。このプラットホームは、その上面にベース材料（例えば商業的純チタン製品を作る場合には商業的純チタン）の対応する係合部を係合させることができる例えばＴ字またはＬ字断面の多数の切欠き部を画成する。使用中において、物体の初期の層は、埋め込まれた部分の間の間隙を埋めることによって形成される。形成されたならば、これらの部分を摺動させることによってプラットホームから除去し、切欠き部を製造物から除去することができる。

図８は、ＳＬＳ処理によってメッシュベース層９１０に形成される三次元物体９００（この場合はチェスの駒のルーク）の特定の一実施形態を例示する。メッシュベース層は、製造面に亙ってメッシュに張力を付与するクランプ手段によりＳＬＳ装置内に固定された。物体９００は、これがメッシュに対して完全に溶着しないような状態のもとで形成された。この方法は、物体を箔ベース層に形成することに関して上述している。図８から見ることができるように、メッシュを物体のベースから剥離することによって、物体９００を容易にメッシュ９１０から除去することができる。

Claims (36)

1. 製造材料の層状付加によって三次元物体を形成するための装置であって、
   形成中に物体を支持するための製造支持体と、
   物体を形成中に固定することができるように、前記製造支持体に対して除去可能に固定できるベース層と
   を具え、前記ベース層が金属製のメッシュか、フィルムまたは箔であって前記製造材料が接着できる材料から作られていることを特徴とする装置。
2. 前記ベース層に張力を付与するための張力付与器具をさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ベース層の厚みが５００μｍよりも薄く、好ましくは２５０μｍよりも厚みが薄いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記ベース層の厚みが５０μｍと１５０μｍとの間にあることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の装置。
5. 前記ベース層が前記製造材料と実質的に同じ化学的組成のものであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の装置。
6. 粉末の領域を選択的に接合して前記物体を形成するための手段をさらに具えたことを特徴とする製造材料粉末から物体を形成するための請求項１から請求項５の何れかに記載の装置。
7. 選択的レーザー溶融か、選択的レーザー焼結か、電子ビーム溶融か、あるいは電子ビーム焼結によって物体を製造するための請求項１から請求項７の何れかに記載の装置。
8. 前記ベース層を前記製造支持体に固定するため、および/または前記ベース層に張力を付与するためのクランパーを具えたことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の装置。
9. 前記ベース層に張力を付与するためのローラー手段を具えたことを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の装置。
10. 前記ベース層は、除去可能な物理的結合、例えば接着剤か、はんだまたはろう付けか、あるいは同様な熱接合によって前記製造支持体に固定されることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の装置。
11. 前記製造支持体が高熱伝導性材料、特に銅または銅合金を具えたことを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の装置。
12. 前記製造支持体が冷却手段、例えば冷却水路を組み込んでいることを特徴とする請求項１から請求項１１の何れかに記載の装置。
13. 前記ベース層を形成後の前記物体から剥がすことができることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れかに記載の装置。
14. 前記製造支持体が丸い端縁を有して前記ベース層の変形を減らすようになっていることを特徴とする請求項１から請求項１３の何れかに記載の装置。
15. 前記ベース層が前記製造支持体に固定されてこれらの間に熱的つながりを与えるようになっていることを特徴とする請求項１から請求項１４の何れかに記載の装置。
16. 前記製造支持体および前記ベース層が異なる材料から作られていることを特徴とする請求項１から請求項１５の何れかに記載の装置。
17. 製造材料の層状付加によって三次元物体を形成する方法であって、
    除去可能なベース層を装置の製造支持体に固定し、製造材料の層状付加によって三次元の物体を形成するステップと、
    前記物体の第１の層を前記ベース層に形成し、これが前記ベース層に固定されるようにするステップと、
    三次元物体が形成されるまで、前記第１の層にこれに続く複数の層を形成するステップと、
    前記ベース層および前記三次元の物体を前記機械の前記ベース層から取り外すステップと
    を具え、前記ベース層が金属製のメッシュかフィルムまたは箔であって、前記製造材料が接着できる材料で作られていることを特徴とする方法。
18. 前記物体が選択的レーザー溶融か、選択的レーザー焼結か、電子ビーム溶融または電子ビーム焼結によって形成されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記ベース層を前記三次元の物体から剥がすステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の方法。
20. 前記三次元の物体を取り囲む前記ベース層を引き裂くかまたは切り取り、必要に応じて前記物体からベース層を機械的および／または化学的処理によって除去するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の方法。
21. 前記ベース層が前記製造支持体に対してクランパーの適用によって固定されることを特徴とする請求項１７から請求項２０の何れかに記載の方法。
22. ベース層の厚みが５００μｍよりも薄く、好ましくは厚みが２５０μｍよりも薄く、より好ましくは厚みが５０μｍと１５０μｍとの間にあることを特徴とする請求項１７から請求項２１の何れかに記載の方法。
23. 柔軟なメッシュか、シートか、フィルムか、あるいは箔を具えた製品であって、前記柔軟なメッシュか、シートか、フィルムか、あるいは箔の表面に組み込まれた構造体を有し、この構造体は付加的製造処理によって作り出されることを特徴とする製品。
24. 前記構造体が流体の流れ、例えば気流を変更するように作られていることを特徴とする請求項２３に記載の製品。
25. 飛行機の翼または翼の一部に追従してこれを通る気流を変えることを特徴とする請求項２４に記載の製品。
26. 前記構造体がアンテナとして機能するように設計されていることを特徴とする請求項２３に記載の製品。
27. 表面で用いるための適合アンテナであることを特徴とする請求項２６に記載の製品。
28. 可変調アンテナであることを特徴とする請求項２６に記載の製品。
29. 前記第１の層は、前記ベース層を通って融けるには低すぎるビーム出力またはビーム出力密度を用いて形成されることを特徴とする請求項１７から請求項２２の何れかに記載の方法。
30. 最初に形成される第１層から第２０層までの間、好ましくは第１層から第１０層までの間がこれ以降に続く層を作るために用いられるよりも小さな入力ビーム出力密度を用いて形成されることを特徴とする請求項１７から請求項２２および請求項２９の何れかに記載の方法。
31. 前記ベース層が前記三次元の物体を固定するために充分剛体であるように、このベース層に張力を付与するステップを具えたことを特徴とする請求項１７から請求項２２および請求項２９ならびに請求項３０の何れかに記載の方法。
32. 図面を参照してここに実質的に記述したような装置。
33. 図面を参照してここに実質的に記述したような方法。
34. 図面を参照してここに実質的に記述したような製品。
35. 製造材料の層状付加によって三次元の物体を形成するための装置であって、
    形成中に前記物体を支持するための製造支持体と、
    この製造支持体に除去可能に固定でき、物体が形成中に固定できるベース層と
    を具え、前記ベース層が前記製造支持体に固定されるまで、前記物体を固定するのに不充分な剛体であることを特徴とする装置。
36. 三次元の物体を製造材料の層状付加によって形成する方法であって、
    製造材料の層状付加によって前記三次元の物体を形成するために除去可能なベース層を装置の製造支持体に固定するステップと、
    前記物体の第１の層を前記ベース層に形成し、これが前記ベース層に固定されるようにするステップと、
    第１の層に続く複数の層を前記三次元の物体が形成されるまで形成するステップと、
    前記ベース層および前記三次元の物体を前記機械の前記ベース層から除去するステップと
    を具え、前記ベース層が前記製造支持体に固定されるまで、前記物体を固定するのに不充分な剛体であることを特徴とする方法。