JP2015120342A - 放射線検出装置を用いた三次元ワークピースの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元ワークピースを生成する製造プロセスを、正確に監視する
【解決手段】三次元ワークピースの製造装置１０は、原材料粉末１４を受けるように適合されたキャリア１２を有している。装置１０は生成的な積層造形法によって原材料粉末１４から造形されるワークピースを製造するために、キャリア１２上に塗布された原材料粉末１４を電磁放射線または粒子放射線で選択的に照射する照射部２０を有している。照射部２０は放射源２２と複数の光学部品を有している。装置１０の検出装置３４は、放射源２２によって放射されてから、照射部２０の少なくとも一つの光学部品を通過した放射ビーム２６の動作パラメーターを検出可能とするように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁放射線または粒子放射線で複数の原材料粉末を照射することにより、三次元ワークピースを製造する装置と方法に関する。

レーザー選択溶融又はレーザー選択焼結は、累積的に階層化する方法であり、粉末の、特に、金属及び／又はセラミックの原材料を複雑な形状の三次元ワークピースに加工することができる。そのために、原材料粉末の層をキャリア上へ塗布し、製造されるワークピースの所望の形状に依存する位置選択的方法でレーザー放射させる。粉末の層を貫通するレーザー放射によって、原材料粉末粒子を加熱し、その結果溶融又は焼結が生じる。その後、ワークピースが所望の形状及びサイズを有するまで、原材料粉末の複数の層が、レーザー処理がすでに行われたキャリア上の層に、連続的に塗布される。レーザー選択溶融又はレーザー選択焼結は、特に、ＣＡＤデータに基づいて、試作品、工具、交換部品又は医療人工器官、例えば歯科又は整形外科用の人工器官などの製造のために使用され得る。

レーザー選択溶融により粉末の原材料から成形体を製造する装置が、例えば、ＥＰ １ ７９３ ９７９ Ｂｌに記載されている。この従来技術の装置は、製造される成形体用の複数のキャリアを収容するプロセスチャンバーを備える。粉末の層の準備システムは、レーザービームによって照射されるキャリア上の原材料粉末を塗布するために、キャリアを横切る前後運動の可能な粉末収容ホルダを備える。プロセスチャンバーは、プロセスチャンバー内に保護ガス雰囲気を確立するために、保護ガスをプロセスチャンバーに供給することができる供給ラインを備える保護ガス回路に接続されている。

粉末の原材料を照射することによって三次元ワークピースを製造する装置に使用される照射部が、ＥＰ ２ ３３５ ８４８ Ａ１に記載されている。その照射部はレーザー光源と光学部を有している。レーザー光源によって放射されるレーザービームが供給される光学部は、ビームエキスパンダーとスキャナ部を有している。そのスキャナ部内部には、レーザービームを複数のレーザーサブビームに分割するためにビーム路の中に収めることができる回折光学素子が、レーザーサブビームを偏向するための偏向ミラーの前方に配置される。スキャナ部によって放射されるレーザービーム又はレーザーサブビームは、ｆ−θレンズの形式で設計される対物レンズに供給される。

本発明は、電磁放射線または粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを生成する製造プロセスを、正確に監視することが可能な製造装置と製造方法を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載の装置、及び請求項８に記載の方法によって達成される。

三次元ワークピースの製造装置は、原材料粉末を受けるように適合されたキャリアを有している。キャリアはプロセスチャンバー内の制御された雰囲気、特に、不活性雰囲気を維持できるようにするために、周囲の雰囲気に対して封止可能なプロセスチャンバー内に配置され得る。キャリアはしっかりと固定されたキャリアであってもよい。しかしながら、好ましくは、ワークピースが原材料粉末から層状に積み上げられる際、そのワークピースの製造高さが増すにつれて、キャリアが垂直方向における下方向に移動させられるように、キャリアが垂直方向に変位可能に設計される。原材料粉末は、好ましくは金属粉末であり、特には金属合金粉末であるが、セラミック粉末又は異なる物質を含有する粉末であってもよい。粉末はいかなる適切な粒子の大きさ、又は粒子の大きさの分布を有していてもよい。しかしながら、１００μｍ未満の大きさの粒子の粉末を加工処理することが好ましい。原材料粉末は、適切な粉末塗布手段によってキャリア上に塗布され得る。

その製造装置はさらに、生成的な積層造形法によって原材料粉末から造形されるワークピースを製造するために、キャリア上に塗布された原材料粉末を電磁放射線または粒子放射線で選択的に照射する照射部を有している。その照射部は放射源と複数の光学部品を有している。その放射源は、レーザー光源、例えばダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーを有していてもよい。

さらにその製造装置は、放射源によって放射されてから、放射部の少なくとも一つの光学部品を通過した放射ビームの動作パラメーターを検出可能とするように配置された検出装置を有している。このようにして、検出装置によって検出された動作パラメーターは、放射源と、放射ビームの動作パラメーターが検出される前に放射ビームが通過する、照射部の少なくとも一つの光学部品の両方の影響を受けている。それゆえ、検出装置は放射源の動作状態を監視可能なだけでなく、少なくともある程度は照射部の少なくとも一つの光学部品の動作を監視することが可能である。

好ましくは、検出装置は放射ビームの出力パワーを検出するように適合される。放射ビームの出力パワーは放射源自体の影響を受けるが、照射部の少なくとも一つの光学部品の影響も受ける。例えば、検出装置によって検出される放射ビームの出力パワーは、放射源の欠陥の結果減少し得るが、照射部の少なくとも一つの光学部品の欠陥又は汚染によっても減少し得る。このように放射ビームの出力パワーは、放射源の動作状態だけでなく、照射部の少なくとも一つの光学部品の状態も特に好適に監視できる動作パラメーターである。

製造装置の好ましい実施態様において、検出装置は放射ビームの出力パワーを連続的に検出するように適合されている。このことで、放射源と照射部の少なくとも一つの光学部品の動作は特に正確に監視することができる。例えば、放射ビームの出力パワーの経時的な、軽微であるが連続的な減少は、放射源の性能の劣化、又は照射部の少なくとも一つの光学部品の汚染が次第に増えてゆくことを示すものとして解釈され得る。

好ましくは、検出装置は放射ビームの動作パラメーターの検出値を制御部に出力するように適合される。制御部は検出値が設定範囲内にあるか否かを決定するように適合される。その設定範囲は、例えば装置の生産者によって決められた所定の設定範囲であってもよい。しかしながら、その設定範囲は、例えば装置によって製造されるワークピースの所望の品質に依存して、ユーザーによって制御部に入力されることも考えられる。さらに、制御部は検出値が設定範囲外にあることが決定された場合は、ユーザーインターフェースへメッセージを出力するように適合され得る。その代わりに、又はそれに加えて、制御部はユーザーが手動で制御部の出力を評価できるように、ユーザーインターフェースへ、設定範囲に加え検出値を表示するダイヤグラムを単純に出力してもよい。

しかしながら好ましくは、制御部は、検出値がいつ設定範囲外になったかの時刻の表示、検出値がどれくらいの時間設定範囲外にあったかの期間の表示、及び製造課程で検出値が設定範囲外にあった状態で、生成的な積層造形法に従って製造されるワークピースの層の表示の少なくとも一つの表示を含むユーザーインターフェースへのメッセージを出力するように適合される。三次元ワークピースを生成する製造プロセスの完了後に、メッセージは分析され、報告された問題の原因が調査され、解明され得る。さらに問題の重要性に応じて、生成されたワークピースが要求品質を満たしていることが明らかにされ得るか、又は分別され得る。

照射部は好ましくは、放射源によって放射された放射ビームが、照射部の少なくとも一つの光学部品を通過した後のビーム路の中に配置されたビームスプリッターを有している。そのビームスプリッターは好ましくは、放射ビームのサブビームを検出装置に向けるように適合される。そのビームスプリッターは、必要に応じ照射部内部に、即ち照射部の所望の光学部品が放射源と共に監視され得る位置に配置されてもよい。

放射ビームの動作パラメーターを検出装置によって検出する前に、放射源によって放射された放射ビームが通過する、照射部の少なくとも一つの光学部品は、集束光学部品であってもよい。この場合、その集束光学部品は好ましくは３Ｄ−スキャン対物レンズを有している。照射部はさらにスキャナ部を有してよいが、そのスキャナ部は好ましくは放射ビームの動作パラメーターが検出された後の放射ビームのビーム路の中に配置される。

その代わりとして、放射ビームの動作パラメーターを検出装置によって検出する前に、放射源によって放射された放射ビームが通過する、前記照射部の少なくとも一つの光学部品は、ビームエキスパンダーであってもよい。この場合、照射部は好ましくはさらに、放射源によって放射された放射ビームの所望の動作パラメーターを検出した後の放射ビームのビーム路の中に配置されるスキャナ部を有している。さらに照射部は、例えばｆ−θレンズを備える集束光学部品を有してもよい。その集束光学部品は好ましくは、スキャナ部の後方の放射ビームのビーム路の中に配置される。

三次元ワークピースを製造する方法では、原材料粉末の層がキャリア上に塗布される。キャリア上に塗布された原材料粉末は、生成的な積層造形法によってキャリア上の原材料粉末から造形されるワークピースを製造するために、照射部によって電磁放射線または粒子放射線で選択的に照射される。照射部は照射源と複数の光学部品を有している。放射源によって放射され、放射部の少なくとも一つの光学部品を通過した放射ビームの動作パラメーターは、検出装置によって検出される。

好ましくは、検出装置は放射ビームの出力パワーを検出する。検出装置は放射ビームの所望の動作パラメーターを連続的に、特に放射ビームの出力パワーを連続的に検出する。

検出装置は放射ビームの動作パラメーターの検出値を制御部へ出力してよい。次いで制御部は検出値が設定範囲内にあるか否かを決定し、検出値が設定範囲外にあることが決定された場合は、ユーザーインターフェースへメッセージを出力する。

好ましくは、制御部は、検出値がいつ設定範囲外になったかの時刻の表示、検出値がどれくらいの時間設定範囲外にあったかの期間の表示、及び製造課程で検出値が設定範囲外にあった状態で、生成的な積層造形法に従って製造されたワークピースの層の表示の少なくとも一つの表示を含むユーザーインターフェースへのメッセージを出力する。

照射部は、放射源によって放射された放射ビームが、照射部の少なくとも一つの光学部品を通過した後のビーム路の中に配置されたビームスプリッターを有する。ビームスプリッターは放射ビームのサブビームを検出装置に向けるように適合され得る。

三次元ワークピースの製造方法において、放射ビームの動作パラメーターを検出装置によって検出する前に、放射源によって放射された放射ビームが通過する、照射部の少なくとも一つの光学部品は、集束光学部品であり得る。

それに代わり、放射ビームの動作パラメーターを検出装置によって検出する前に、放射源によって放射された放射ビームが通過する、照射部の少なくとも一つの光学部品は、ビームエキスパンダーであり得る。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の模式図を参照して詳細に説明する。

電磁放射線または粒子放射線で原材料粉末を選択的に照射することにより、三次元ワークピースを製造する装置の第一の実施態様を示す図である。 電磁放射線または粒子放射線で原材料粉末を選択的に照射することにより、三次元ワークピースを製造する装置の第二の実施態様を示す図である。

図１は、レーザー選択溶融（ＳＬＭ、登録商標）により三次元ワークピースを製造する装置１０による第一の実施態様を示している。装置１０は、原材料粉末１４の複数の層が粉末塗布装置１６によって塗布され得るキャリア１２を有している。ワークピース１８がキャリア１２上の原材料粉末から層状に積み上げられる際、そのワークピース１８の製造高さが増すにつれて、キャリア１２が垂直方向における下方向に移動させられるように、キャリア１２が垂直方向に変位可能に設計される。キャリア１２は不図示のプロセスチャンバー内に配置される。プロセスチャンバーは雰囲気に対し封止可能である。

製造装置はさらに、キャリア１２上に塗布された原材料粉末１４を選択的に照射するための照射部２０を有している。照射部２０によって、原材料粉末は製造されるワークピースの所望の形状に依存する位置選択的な方法で放射される。照射部２０は放射源２２を有している。放射源２２は、約１０６４ｎｍの波長のレーザー光を放射するレーザー光源の形式で設計され得る。

さらに、図１に示した装置１０の照射部２０は、集束光学部品２４を有している。集束光学部品２４は、３Ｄ−スキャン対物レンズを有し、放射源２２によって放射される放射ビーム２６のビーム路の中で、ビームスプリッター２８の前方に配置される。ビームスプリッター２８は、集束光学部品２４から出た放射ビーム２６を、二つのサブビーム２６ａ、２６ｂに分割する。

ビームスプリッター２８の後方の第一のサブビーム２６ａは、偏向ミラー３０を有するスキャナ部に向けられる。さらに、スキャナ部はビーム路の中に収めることができ、偏向ミラー３０の前方又は後方に配置されることができる一つ以上の回折光学素子を有してもよい。最終的に、サブビーム２６ａは安全ガラス３２を通って、プロセスチャンバー内に、従ってキャリア１２上に塗布された原材料粉末１４上に向けられる。

一方、第二のサブビーム２６ｂは検出装置３４に向けられる。検出装置３４は、放射源２２によって放射されてから、収束光学部品２４を通過した後の放射ビーム２６の出力パワーに相当するサブビーム２６ｂの出力パワーを、連続的に検出するように適合される。そのため、検出装置３４は、放射ビーム２６が少なくとも一つの光学部品、即ち照射部２０の収束光学部品２４を通過した後で、放射源２２によって放射された放射ビーム２６の動作パラメーターを検出することができるように配置される。

検出装置３４は、サブビーム２６ｂの出力パワーの連続的に検出された値を制御部３６へ出力する。制御部３６は、サブビーム２６ｂの出力パワーの経時的な測定値を示すダイヤグラム３８をユーザーインターフェースへ出力する。そのユーザーインターフェースは例えばスクリーンとユーザーが操作可能なコントロールパネルを有することができる。検出装置３４によって検出されるサブビーム２６ｂの出力パワーの予期せぬ増減が放射源２２の不調又は集束光学部品２４の欠陥や汚染のいずれかによって生じ得るので、ユーザーはこのように、放射源２２と集束光学部品２４の両方の動作状態をリアルタイムで監視できる。

さらに、制御部３６はサブビーム２６ｂの出力パワーの検出値が設定範囲内にあるか否かを決定する。検出値が設定範囲外にある場合は、制御部３６はユーザーインターフェースへメッセージを出力する。特に制御部３６は、検出値がいつ設定範囲外になったかの時刻の表示、検出値がどれくらいの時間設定範囲外にあったかの期間の表示、及び製造課程で検出値が設定範囲外にあった状態で、生成的な積層造形法に従って製造されたワークピースの層の表示を含むメッセージを出力する。

制御部３６による出力されるデータに基づいて、ワークピース１８を製造する製造プロセスが完了した後に、ユーザーは放射源２２と集束光学部品２４の動作状態を即座に分析し、必要に応じて点検修理作業を計画し実行することができる。加えて、制御部３６によって出力されるデータは、高い信頼性を維持する定期点検修理間隔を立案することに使用でき、それにより装置１０の停止時間が低減され得る。

図２に示された装置１０の実施態様は、照射部２０が異なる構造を有しているという点で図１に記載の装置と異なっている。特に、図２による装置１０の照射部２０は、放射源２２とビームスプリッター２８の間の、放射ビーム２６のビーム路の中に配置されたビームエキスパンダー４０を有している。図１による装置１０に関連して前述のように設計可能なスキャナ部は、ビームスプリッター２８の後方のビーム路の中に配置されて、それによりビームスプリッター２８を通過した放射サブビーム２６ａがそのスキャナ部へ供給される。最終的に、照射部２０は、スキャナ部の後方のサブビーム２６ａのビーム路の中に配置された集束光学部品４２を有している。その集束光学部品４２は、ｆ−θ対物レンズを有している。

このように、図２による装置１０において、放射サブビーム２６ｂの出力パワーの検出値は、放射源２２とビームエキスパンダー４０の動作状態を表している。他の点においては、図２に示された装置１０の構造と動作方式は、図１による装置の構造と動作方式に一致する。

Claims (14)

1. 三次元ワークピースの製造装置（１０）であって、
   原材料粉末を受けるように適合されたキャリア（１２）と、
   放射源（２２）と複数の光学部品を有し、生成的な積層造形法によって前記キャリア上の前記原材料粉末から造形されるワークピースを製造するために、前記キャリア（１２）上に塗布された前記原材料粉末を電磁放射線または粒子放射線で選択的に照射する照射部（２０）と、
   前記放射源（２２）によって放射され、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品を通過した放射ビーム（２６）の動作パラメーターを検出可能とするように配置された検出装置（３４）と、
   を有するものであることを特徴とする装置。
2. 前記検出装置（３４）は、前記放射ビーム（２６）の出力パワーを連続的に検出するように適合されたものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記検出装置（３４）は、前記放射ビーム（２６）の動作パラメーターの検出値を制御部（３６）に出力するように適合され、該制御部（３６）は前記検出値が設定範囲内にあるか否かを決定し、前記検出値が前記設定範囲外にあることが決定された場合は、ユーザーインターフェースへメッセージを出力するように適合されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記制御部（３６）は、前記検出値がいつ前記設定範囲外になったかの時刻の表示、前記検出値がどれくらいの時間前記設定範囲外にあったかの期間の表示、及び製造課程で前記検出値が前記設定範囲外にあった状態で、生成的な積層造形法に従って製造された前記ワークピースの層の表示の少なくとも一つの表示を含むユーザーインターフェースへのメッセージを出力するように適合されたものであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記照射部（２０）は、前記放射源（２２）によって放射された放射ビーム（２６）が、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品を通過した後のビーム路の中に配置されたビームスプリッター（２８）を有し、該ビームスプリッター（２８）は前記放射ビーム（２６）のサブビーム（２６ｂ）を前記検出装置（３４）に向けるように適合されたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記放射ビーム（２６）の動作パラメーターを前記検出装置（３４）によって検出する前に、前記放射源（２２）によって放射された前記放射ビーム（２６）が通過する、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品は、集束光学部品（２４）であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記放射ビーム（２６）の動作パラメーターを前記検出装置（３４）によって検出する前に、前記放射源（２２）によって放射された前記放射ビーム（２６）が通過する、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品は、ビームエキスパンダー（４０）であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
8. 三次元ワークピースの製造方法であって、
   キャリア（１２）上に原材料粉末を塗布する工程と、
   生成的な積層造形法によって前記キャリア（１２）上の前記原材料粉末から造形されるワークピースを製造するために、前記キャリア（１２）上に塗布された前記原材料粉末を放射源（２２）と複数の光学部品を有する照射部（２０）によって電磁放射線または粒子放射線で選択的に照射する工程と、
   前記放射源（２２）によって放射され、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品を通過した放射ビーム（２６）の動作パラメーターを検出装置（３４）によって検出する工程と、
   を有することを特徴とする方法。
9. 前記検出装置（３４）は、前記放射ビーム（２６）の出力パワーを連続的に検出することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記検出装置（３４）は、前記放射ビーム（２６）の動作パラメーターの検出値を制御部（３６）に出力し、該制御部（３６）は前記検出値が設定範囲内にあるか否かを決定し、前記検出値が前記設定範囲外にあることが決定された場合は、ユーザーインターフェースへメッセージを出力することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の方法。
11. 前記制御部（３６）は、前記検出値がいつ前記設定範囲外になったかの時刻の表示、前記検出値がどれくらいの時間前記設定範囲外にあったかの期間の表示、及び製造課程で前記検出値が前記設定範囲外にあった状態で、生成的な積層造形法に従って製造された前記ワークピースの層の表示の少なくとも一つの表示を含むユーザーインターフェースへのメッセージを出力することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記照射部（２０）は、前記放射源（２２）によって放射された放射ビーム（２６）が、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品を通過した後のビーム路の中に配置されたビームスプリッター（２８）を有し、該ビームスプリッター（２８）は前記放射ビーム（２６）のサブビーム（２６ｂ）を前記検出装置（３４）に向けるように適合されることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記放射ビーム（２６）の動作パラメーターを前記検出装置（３４）によって検出する前に、前記放射源（２２）によって放射された前記放射ビーム（２６）が通過する、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品は、集束光学部品（２４）であることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記放射ビーム（２６）の動作パラメーターを前記検出装置（３４）によって検出する前に、前記放射源（２２）によって放射された前記放射ビーム（２６）が通過する、前記照射部（２０）の少なくとも一つの光学部品は、ビームエキスパンダー（４０）であることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。

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