JP2015530285A - 積層を利用して三次元立体物を製造する装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、積層を利用して三次元立体物を製造する装置に関し、この装置は、製造対象の各層に対して、焼結フィールドに置かれた粉末状の材料又は液体材料の層に対してレーザービーム処理を適用可能であり、前記装置は、ガルバノメータヘッド（１２）であって、所定の位置に位置しているときに、前記焼結フィールドの最大焼結ゾーンの各点に向けてレーザービームを制御することができるガルバノメータヘッド（１２）を備えている。この装置は更に、レーザービームの制御を、前記最大焼結ゾーンの内部に位置している有効焼結ゾーンに制限することができる、制限手段（３４）と、前記ガルバノメータヘッド（１２）を、前記焼結フィールドの面に平行な面において移動する移動手段であって、前記ガルバノメータヘッド（１２）を、少なくとも２箇所の異なる位置に位置付けることができ、有効焼結ゾーンが前記ガルバノメータヘッドの各位置と関連付けられている、移動手段（３０）と、を備えている。本発明はまた、三次元立体物を製造する方法にも関する。【選択図】図７

Description

本発明は、積層を利用して三次元立体物を製造する装置であって、製造対象の各層に対して焼結フィールドに置かれた粉末状の材料又は液体材料の層をレーザービームで凝固させることが可能な装置と、製造する方法と、に関する。

本発明は、レーザー処理、特に、レーザー焼結、により三次元立体物を製造する技術分野に属する。

レーザー焼結により、層ごとに積み上げる製造工程を利用して、任意の形状の三次元立体物を製造することが知られている。このような製造方法は、基板の上に、粉末状の材料又は液体材料の層を堆積させる工程を含み、この材料の層は、製造対象の立体物の、前もって凝固させた層であってもよい。粉末状の材料又は液体材料の層は、製造対象の立体物の二次元断面によって定義されるゾーンにおいて、レーザービームを照射することにより徐々に凝固され、レージングとも呼ばれる。このように、三次元立体物は、複数の層を積み重ねることにより製造され、各層は、製造対象の立体物の二次元断面に対応している。

既知の方法においては、積層を利用するレーザー処理によって製造するための設備は、レーザービームを照射できる電磁放射源又はレーザー源と、レーザー源から来るレーザービームを整形して焼結フィールドに導くことができる、ガルバノメータヘッドと、を備え、焼結フィールドは、平面ＸＹに位置付けられ、焼結フィールドには、レーザーにより凝固される液体材料又は粉末状の材料の層が位置づけられている。

ガルバノメータヘッドは、特に、レーザービームを整形する手段と、レーザービームを焼結面において偏向させる手段と、を備え、これらの手段は、焼結フィールドおいて種々の経路をたどるために、中央ユニットにより制御され、これにより、製造対象の立体物の任意の二次元断面を形成することができる。

ガルバノメータヘッドはまた、焼結面においてレーザービームの焦点合わせを可能にする装置を備え、この装置は、例えば、ビームの偏向手段の下流に置かれるフラットフィールドレンズであってよく、及び／又は、ビーム偏向手段の上流に置かれる、焦点距離を修正する装置であってよい。

従来から、ビーム偏向手段は、例えば、ガルバノメータモーター上に搭載されているミラー、例えば、軸が直交している２つのミラー、を備えている。ミラーの角度方向の移動距離は制限されており、焼結フィールドの最大焼結ゾーンもまた、ガルバノメータヘッドと焼結フィールド間の所定の距離に制限されている。最大焼結ゾーンのサイズもまた、レーザービームを焼結フィールドにおいて焦点合わせすることができる装置のタイプに依存し、フラットフィールドレンズの場合は、更に限定される。これが、積層のレーザー処理を利用する既知の製造設備の、第１の制限である。

更に、ミラーの反射係数は、レーザービームの入射角に依存して変化するということが、わかっている。４５°より小さい入射角に対しては、電磁波の９９％が反射されるが、この角度値を超えると、入射面において偏光された波は、相当に減衰される。このため、最大焼結ゾーンの中心と最大焼結ゾーンの縁部の間の反射強度には、大きなバラツキがある。

更に、最大焼結ゾーンの中心、従って、入射角ゼロにおける円形ビームは、最大焼結ゾーンの縁部上では、楕円形となることが指摘されている。この現象は、最大焼結ゾーンの縁部上で遮断されたビームの「楕円化」と呼ばれる。焼結ゾーン上で遮断されたビームの表面のバラツキは、電磁放射強度のバラツキを引き起こす。このため、レーザービーム処理は、最大焼結ゾーンの中心と、最大焼結ゾーンの縁部上では、均一ではなくなる。

焼結フィールドにおいてレーザービームの焦点合わせを可能にする装置がフラットフィールドレンズの場合、焼結フィールドにおける位置に基づいて、焼結フィールド上で遮断されたビームの半径におけるバラツキがあることも、観察されており、このバラツキは、放射される表面のバラツキ、従って、電磁放射強度のバラツキ、を引き起こす。

このため、積層のレーザー処理を利用する既知の製造設備は、最大焼結ゾーンの全体にまたがる層の均一な処理をすることができず、最大焼結ゾーンのサイズもまた制限されることになる。

従って、そのような設備の焼結処理の品質と能力を改善する必要がある。

この目的のために、本発明は、積層を利用して三次元立体物を製造する装置であって、製造対象の各層に対して、焼結フィールドに置かれた粉末状の材料又は液体材料の層にレーザービーム処理を適用することが可能な装置を提案し、この装置は、ガルバノメータヘッドを備え、このガルバノメータヘッドは、所定の位置に位置付けられたときに、レーザービームを、焼結フィールドの最大焼結ゾーンの各点に向けて制御可能なガルバノメータヘッドである。

この装置は、更に
レーザービームの制御を、最大焼結ゾーン内部に位置する有効焼結ゾーンに制限することができる、制限手段と、
ガルバノメータヘッドを焼結フィールドの面に平行な面に移動し、ガルバノメータヘッドを、有効焼結ゾーンがガルバノメータヘッドの位置と関連付けられている、少なくとも２箇所の異なる位置に位置付けることを可能にする、移動手段と、
を備えることにおいて、注目に値する。

都合の良いことに、有効焼結ゾーンの総計である全体焼結ゾーンは、各有効焼結ゾーンが最大焼結ゾーンの内部に含まれている限り、均一な処理を確実にしながら拡張される。

積層を利用して三次元立体物を製造する装置は、
１つの有効焼結ゾーンは、最大焼結ゾーンにおいて、焼結フィールドへのレーザービームの垂直入射に対応する点の近くに、中心を置かれるという特徴と、
この装置は、レーザービームを偏向させる手段と、レーザービームを、この偏向手段の上流に置かれている焼結フィールドにおいて焦点合わせ可能な装置を更に備え、有効焼結ゾーンは、最大焼結ゾーンに対して中心をずらされているという特徴と、
装置は、移動手段を制御する手段であって、ガルバノメータヘッドを、複数の有効焼結ゾーンを有している全体焼結ゾーンをカバーするように複数の位置に位置付けることを制御可能な手段を更に備えているという特徴と、
全体焼結ゾーンをカバーする有効焼結ゾーンは隣接しているという特徴と、
全体焼結ゾーンをカバーする有効焼結ゾーンは、重なり合うゾーンを備えているという特徴と、
全体焼結ゾーンは、製造対象の三次元立体物の二次元断面であるという特徴と、
の１つ以上の特徴を有することも可能である。

第２の形態によれば、本発明は、積層を利用して三次元立体物を製造する方法に関し、この方法は、製造対象の各層に対して、焼結フィールドに置かれた粉末状の材料又は液体材料の層のレーザービーム処理のステップであって、所定の位置に位置しているガルバノメータヘッドにより、焼結フィールドの最大焼結ゾーンにおいて少なくとも１つのレーザービームを制御することにより実現されるステップを備えている。この方法は、１つの処理しようとする層の処理に対して、
有効焼結ゾーンを、ガルバノメータヘッドの所定の位置と関連付けて決定するステップであって、有効焼結ゾーンが、最大焼結ゾーンの内部に位置付けされる、ステップと、
少なくとも１つの全体焼結ゾーンを得るステップと、
少なくとも１つの全体焼結ゾーンをカバーするのに適している複数の有効焼結ゾーンと、各有効焼結ゾーンと関連付けられているガルバノメータヘッドの位置を決定するステップと、
ガルバノメータヘッドの、少なくとも１つの所定の位置への移動を制御し、ガルバノメータヘッドの位置と関連付けられている有効焼結ゾーンにおいてレーザービーム処理を適用するステップと、を備えているという点において、注目に値する。

積層を利用して三次元立体物を製造する方法は、本発明に係る積層を利用して三次元立体物を製造する装置の利点と類似している利点を有している。

１つの特徴によれば、複数の焼結ゾーンの少なくとも２つの有効ゾーンは、重なり合うゾーンを備え、この方法は、各有効ゾーンに対して、レーザービームによる走査経路であって、重なり合うゾーンを有している２つの有効ゾーンにおいて、重なり合うゾーンで互い違いに配置される経路を決定するステップを更に備えている。

１つの特徴によれば、複数の有効焼結ゾーンを決定するステップにおいて、各有効焼結ゾーンの位置付けは、処理しようとする層に先行する層に対して決定された有効焼結ゾーンの位置付けを考慮している。

第３の形態によれば、本発明は、積層を利用して三次元立体物を製造する設備に関し、この設備は、上記に簡単に記述したような、積層を利用して三次元立体物を製造する少なくとも２つの装置を備えており、この装置はそれぞれ、この装置と関連付けられている電磁放射源から来るレーザービームを、共有焼結フィールドに向けて制御可能である。

本発明の他の特徴と利点は、付随する図を参照して、情報のためであり非制限的な下記に提供される記述から明らかとなろう。

複数の層を利用するレーザー焼結により三次元立体物を製造する設備の模式図である。 本発明に係る、複数の層を利用するレーザー焼結により三次元立体物を製造する装置のブロック図である。 本発明の１つの実施形態に係る有効焼結ゾーンを示している。 本発明の第１の実施形態に係る、全体焼結ゾーンの有効焼結ゾーンへの分割を示している。 本発明の第２の実施形態に係る、幾つかの有効焼結ゾーンから構成されている全体焼結ゾーンを示している。 本発明の他の実施形態に係る有効焼結ゾーンを示している。 製造対象の三次元立体物の二次元断面のカバー範囲を示している。 本発明の１つの実施形態に係る、幾つかの有効焼結ゾーン間のガルバノメータヘッドの経路を示している。 連続する層を利用してガルバノメータヘッドを位置づけることを図示している。 ２つの異なる照射源から来るレーザービームによりそれぞれ処理される、凝固対象の１つの層の、複数の二次元断面を図示している。 ２つの有効焼結ゾーン間のレーザービーム経路の例の詳細図を示している。 ２つのガルバノメータヘッドより共有される有効焼結ゾーンを示している。 本発明の１つの実施形態に係る、層を利用するレーザー焼結により三次元立体物を製造する方法のフローチャートである。

図１は、積層のレーザー処理を使用する製造設備１を示している。設備１は、レーザービーム１１を照射できる電磁放射源又はレーザー源１０と、レーザー源１０から来るレーザービーム１１を整形可能であり、焼結フィールド１４においてレーザービーム１１の方向を制御可能なガルバノメータヘッド１２と、を備えており、焼結フィールド１４は空間における面ＸＹに位置しており、焼結フィールド１４の直交するＸＹＺの表示は図に示されており、焼結フィールド１４上に、レーザーにより凝固される液体材料又は粉末状の材料の層が位置している。

ガルバノメータヘッド１２は特に、レーザービーム１１を整形する手段１６と、レーザービームを焼結フィールド１４において偏向させる手段１８と、を備えている。レーザービームを偏向させる手段１８は、中央ユニット２０により方向を制御されて、焼結フィールド１４における種々の経路をたどり、これにより、製造対象の立体物の任意の形状を有している二次元断面を、徐々に凝固させることが可能になる。

１つの実施形態において、レーザービームを偏向させる手段１８は、ガルバノメータモーター上に搭載されている２つのミラーを備えており、この２つのミラーの軸は直交している。図１においては、１つのミラーのみが示されており、ガルバノメータモーターは、ミラーの動きを示している矢印により図示されている。

ガルバノメータヘッド１２はまた、レーザービームを焼結フィールド１４において焦点合わせすることを可能にする装置もまた備えており、第１の実施形態によれば、この装置はＦ‐シータ（Ｔｈｅｔａ）レンズとして知られているフラットフィールドレンズであり、ビーム偏向手段１８の下流に置かれている。

第２の実施形態によれば、焼結フィールド１４でのレーザービームの焦点合わせを可能にする装置は、いわゆる「第３の軸」装置２４であって、焦点距離を変更し、ビーム偏向手段１８の上流に置かれている。１つに実施形態において、装置２４は、ビーム１１の軸に沿ってモーター駆動されるレンズである。代替として、装置２４は、可変焦点レンズである。中央ユニット２０はまた、焦点距離を調整するために装置２４を制御可能である。

第３の実施形態によれば、焼結フィールド１４でレーザービームの焦点合わせを可能にする装置は、「第３の軸」タイプの装置とフラットフィールド焦点合わせレンズの組み合わせから構成されている。

ガルバノメータヘッド１２から来るビーム２５は、焼結フィールド１４と交差する。焼結フィールドにおけるビーム２５の移動の物理的限界、特に、偏向手段１８を構成しているミラーの角度方向の移動距離による物理的限界は、焼結フィールドにおける最大焼結ゾーンを画定する。例えば、±２０度に制限されているミラーの角度方向の移動距離に対して、及び、焼結フィールドからガルバノメータヘッドのジオプトリを作業距離と呼ばれている５００ｍｍ離している距離に対して、最大焼結ゾーンは、フラットフィールドレンズ２２を有する第１の実施形態においては、一辺が２９０ｍｍの正方形であり、いわゆる「第３の軸」装置２４を有している第２の実施形態に対しては、一辺が４１８ｍｍの正方形である。

ガルバノメータヘッド１２とレーザー電磁エネルギー源１０とは、光学処理チェーンを形成している。

層を利用するレーザー焼結により立体物を製造する装置２８は、図２に示されているが、図１を参照して上述した要素に加えて、ガルバノメータヘッドを、焼結フィールドの面に平行な面において平行移動させる手段３０を備えており、これにより、ガルバノメータヘッドを少なくとも２箇所の異なる位置に位置付けることと、レーザー処理を行うことが可能な全体焼結ゾーンを潜在的に拡張することと、が可能になる。手段３０は、任意の既知の機械的手段により実現される。これらの動きに対して実現されるシステムとしては、例えば、「ブラシレス」モーター又はリニアモーターにより駆動される、精密ボールを有する機械的なねじとナットのシステムがあり、精密レールとボールにより位置決めされ、案内される。

このため、任意のサイズ、例えば、１，０００ｍｍ×２，０００ｍｍの全体焼結ゾーンが達成可能である。

中央ユニット２０は手段３２を備え、手段３２は、例えば、ソフトウェアモジュールにより実現され、ガルバノメータヘッドを移動させる手段３０に対して方向制御命令を供給可能であり、そのため、ガルバノメータヘッドを、焼結フィールド１４に平行な面において所定の空間的位置に位置付けることが可能である。

更に、中央ユニット２０は、制限又は限定手段３４を有しており、手段３４は、例えば、ソフトウェアモジュールで実現され、ガルバノメータヘッド１２のレーザービームを偏向させる手段１８へ命令を送ることが可能であり、これにより、ビームをいわゆる有効焼結ゾーン（例えば、下記に詳細に記述する図３において３６で参照されるゾーン）に制限することを可能にし、有効焼結ゾーンは、最大焼結ゾーン（図３の４０）の内部に位置しており、ガルバノメータヘッドが所定の位置のときは、レーザービームにより全体を照射可能である。特に、ミラーの動きは、所定の角度方向の移動の間隔、例えば、６°から７°の最大振幅に制限されており、その間隔に対しては、ミラーの反射率は最適である。有効焼結ゾーンは、最大焼結ゾーンの内部に位置しており、好ましくは、反射強度と電磁放射強度の、より良好な均一性を確実にし、その有効焼結ゾーンにおいて焼結フィールドを遮断するレーザービームの如何なる楕円化効果をも削減するように置かれる。

図３は、焼結フィールドの上面図において、第１の実施形態を例示しており、有効焼結ゾーン３６は、光軸３８、すなわち、ガルバノメータヘッド１２から来るビーム２５に直交する入射点、を中心とする縮小ゾーンである。例えば、有効焼結ゾーンの面３６は、最大焼結面４０の約１／９の面積を有している（すなわち、最大正方形の一辺の１／３の辺を有する正方形）。

例えば、有効焼結ゾーンが、５００ｍｍの作業距離に対して１００×１００ｍｍに制限されている場合、有効焼結ゾーンの縁部上では、反射損失は１．２％に制限されることが観測されている。タイプｆ４２０のフラットフィールドレンズ２２を有する第１の実施形態においては、有効焼結ゾーンにおいて遮断されるビームの直径は、５５μｍと５７μｍの間でのみ変動するため、わずか３．６％の差であり、従って、放射表面の変動、従って、電磁放射強度の変動もまた、その場合は制限される。

図４は、隣接する有効焼結ゾーンＺ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、．．．、Ｚ_nを追加することにより全体焼結ゾーン４２を得ることを例示している。それぞれ４４、４６、４８と表記されている例示された有効焼結ゾーンは隣接しており、全体焼結ゾーンの１部分を形成している。各有効焼結ゾーンは、移動手段を用いて、焼結ヘッドを位置付けることにより得られる。図４の例においては、各有効焼結ゾーンは、焼結ヘッドの対応する位置と関連付けられている光軸上を中心としている。例えば、有効ゾーン４４と関連付けられているガルバノメータヘッドの位置は、図４において点線で例示されている。

図５に例示されている第２の実施形態によれば、全体焼結ゾーン５０を、それぞれが５２、５４、５６と表記されている有効焼結ゾーンＺ₁、Ｚ₂、Ｚ₃から形成することが考えられ、有効焼結ゾーンＺ₁、Ｚ₂、Ｚ₃は、ガルバノメータヘッドの位置に対応する２つの連続する有効焼結ゾーンの間の縁部でのレーザーの相互作用をうまく連続させるために、それぞれの部分５８と６０の上で重なり合い、これにより、製造対象の層の複数のゾーンの縁部で、対応する部分が目立つようになることを減少させることができる。

図６に例示されている他の実施形態によれば、製造装置が、上記の第２の実施形態に従って製造され、そのため、フラットフィールドレンズ２２ではなく、いわゆる「第３の軸」装置２４を備えている場合は、ガルバノメータヘッドの現在の位置に対応する最大焼結ゾーン６６の内部に位置しながら、光軸６４に対して中心をずらした有効焼結ゾーン６２を位置付けることは利点である。

実際、このように中心をずらすことは、ミラーの反射レベルを最大化することを可能にし、レーザービームの特性における変動を最小にすることができる。例えば、Ｍ１はミラー１を示すものとし、Ｍ２はミラー２を示すものとすると、ミラー１は、レーザービームが焼結面の法線に位置しているとき、すなわち、図６における参照番号６４の上に位置しているときは、アルファ１＝４５°のレーザービームの入射角を有しており、ミラー２は、レーザービームが図６の参照番号６４における焼結面の法線に位置しているときは、アルファ２＝３８．５°のレーザービームの入射角を有している。前述したように、各ミラーの最適振幅は約６°から７°であり、理想的には、Ｍ１の移動角は、３９°から４５°であり、Ｍ２の移動角は、３１．２°から３８．２°であり、これにより、図６のように焼結ゾーンを中心からずらして位置付ける。

図７において例示されている１つの実施形態によれば、立体物の二次元断面７０の処理を行うために、ガルバノメータヘッドを、Ｚ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、及びＺ₄と表記されている重なり合うゾーンに対応する連続する位置に位置付け、全体焼結ゾーン７２全体をカバーすることなく、焼結対象の表面を適切にカバーすることが提供される。このため、本実施形態においては、複数の有効焼結ゾーンと、複数の有効焼結ゾーンに関係付けられたガルバノメータヘッドの複数の位置付けは、処理対象の二次元断面に基づいて達成される。

同様に、製造対象の立体物が、処理しようとする層において幾つかの二次元断面を備えている場合は、立体物の製造を最適化するために、達成可能な全体焼結ゾーン全体を照射することなく、ゾーンを有効ゾーンに分割して、ガルバノメータヘッドを位置付けるという同じ方法が、各ゾーンに対して適用される。

図８は、全体焼結ゾーン８０の上面図を示しており、全体焼結ゾーン８０においては、４つの有効焼結ゾーン８２、８４、８６、及び８８のみが処理される。この場合、ガルバノメータヘッドは空間の４箇所の位置に連続して置かれ、各位置において有効焼結ゾーンを作ることを可能にする。矢印９０は、ガルバノメータヘッドの動きを示している。この代替の実施形態によれば、レーザービームの照射は、ガルバノメータヘッドの移動中も含めて連続して行われ、電磁放射源の停止と再スタートを行うことを回避する。

上記に説明した種々の実施形態に対して、製造対象の立体物の二次元断面は、層ごとに処理され、各層に対しては、レーザービームの照射は、幾つかの有効焼結ゾーンにおいて行われ、同時に、各有効焼結ゾーンに対して適切なようにガルバノメータヘッドが位置される。

他の実施形態によれば、有効焼結ゾーン間の非連続効果が、連続する層を使用する処理により強くなることを防止するため、図９に示されているように、２つの連続する層間の有効焼結ゾーンの位置をずらすことが提案されている。

図９は、幾つかの連続する層上の有効焼結ゾーンの位置の例を断面において図示している。

この例においては、５つの有効焼結ゾーンを１つの層において想定し、これらのゾーンの間にはわずかな隙間がある。断面においては、層ｊの各ゾーンｉは、ゾーン開始点Ｓ_jiとゾーン終了点Ｅ_jiによりゾーンが区切られている。図では、幾つかのゾーン開始及び終了点を示しており、それぞれが、Ｓ₁₁、Ｅ₁₁、Ｓ₁₂、Ｅ₁₂、Ｓ₂₁、Ｅ₂₁、及びＳ₈₁、Ｅ₈₁と表記されている。この実施形態においては、例えば、それぞれが層１と層２の第１の有効ゾーンの開始点である点Ｓ₁₁とＳ₂₁のように、ゾーン開始点、従ってゾーン終了点も、連続する２つの層の間ではずれている。

図９のイラストにおいては、ある有効ゾーンの終了点と、これに続く焼結ゾーンの開始点の間の空間はずれているが、代替として繋がっていてもよい。１つの層から次の層までの間のずれは、この場合でも有効であり、有効焼結ゾーンの境界上の表面の影響を回避する。

同様に、２つの連続する層間の有効焼結ゾーンの間に隙間を位置付けることは、有効焼結ゾーンが重なっている場合にも適用される。

品質を損なうことなく、層を利用して三次元立体物を製造する装置の生産性を増大するために、装置に、幾つかの光学処理チェーンを装備することが考えられ、各光学処理チェーンは、電磁放射源とガルバノメータヘッドを備えており、同時に幾つかのレーザービームを焼結フィールド上に向けることを可能にする。

図１０は、第１のガルバノメータヘッドから来る第１のレーザービームにより処理されるゾーン１０２と、第２のガルバノメータヘッドから来る第２のレーザービームにより処理されるゾーン１０４、１０６、１０８、１１０を備えている焼結フィールド１００の上面図を示している。この例は、処理対象の幾つかの二次元断面を示している。この図から分かるように、二次元断面は、２つの光学処理チェーンの１つのみからくるレーザービームによって全体を処理されても、又は第１のガルバノメータヘッドから来る第１のレーザービームによって一部を、第２のガルバノメータヘッドから来る第２のレーザービームによって一部を処理されてもよい。

２つの光学処理チェーンが使用される場合は、全体焼結ゾーンは２つの等しい、又は等しくない部分に分割可能であり、各部分は、光学処理チェーンの１つに割り当てられる。各光学処理チェーンに対して、カバーされる焼結ゾーンは、複数の有効焼結ゾーンに分割され、ガルバノメータヘッドの関連付けられている位置は、上記の種々の代替例に従って決定される。

２つの光学処理チェーンは互いに独立しているので、ガルバノメータヘッドと、ガルバノメータヘッドと関連付けられている有効焼結ゾーンを位置付けるパラメータの何れも、製造対象の立体物の各層に対して独立して、最適に決められる。

好ましくは、光学処理チェーンに割り当てられる部分への分割は、２つのチェーンが、製造対象の立体物の層の処理を同時に完了するように行われる。このため、処理時間、従って製造装置の生産性は最適化される。

使用される２つの光学処理チェーンが、それぞれが、焼結フィールド上へレーザービームを向けることが可能なガルバノメータヘッドを備えている場合は、如何なる境界効果をも回避するため、特に、製造中の立体物の機械的又は冶金的特性が部分的に弱まることを回避するために、図１１に示されているように、特に重なったゾーンを処理することが推奨される。

既に上記で説明したように、ガルバノメータヘッドの所定の位置に対しては、レーザービームは、一連の経路、例えば、直線経路に沿って向けられて、有効焼結ゾーンに位置している製造対象の立体物の二次元断面を移動し、これにより、製造中の層の材料の凝固を次々と進めることができる。

図１１は、有効焼結ゾーン１２２を有している第１のガルバノメータヘッドＡ（図示されてない）と、関連付けられている有効焼結ゾーン１２４を有している第２のガルバノメータヘッドＢ（図示されてない）の２つのガルバノメータヘッドから来るレーザービームにより処理される、製造対象の立体物の二次元断面１２０の上面図を示している。有効ゾーン１２２と１２４は、重なりゾーン１２６上で重なっており、重なりゾーン１２６は、有効焼結ゾーン１２４の縁部１２８と、有効焼結ゾーン１２２の縁部１３０により範囲が定められている。

第１のガルバノメータヘッドは、経路１３２をたどることが可能であり、経路１３２は、水平な直線経路であり、各経路は２つの点により定義され、そのうちの１つの点は処理対象の二次元断面の幾何学的輪郭に属しており、他方の点は、重なりゾーン１２６の縁部１２８又は１３０の何れかの上に位置している。

同様に、第２のガルバノメータヘッドは、経路１３４をたどることが可能であり、経路１３４は水平な直線経路であり、各経路は２つの点により定義され、そのうちの１つの点は処理対象の二次元断面の幾何学的輪郭に属しており、他方の点は、重なりゾーン１２６の縁部１２８又は１３０の何れかの上に位置している。

好ましくは、図に示されているように、経路は重なりゾーン１２６において互い違いに配置されており、従って、１つおきの経路は同じガルバノメータヘッドがたどることになる。このため、例えば、経路１３２に対しては、１つおきの経路は、縁部１２８上に終了点を有し、次の経路は、縁部１３０上に終了点を有している。同様に、経路１３４もまた縁部１２８まで、又は縁部１３０までたどられる。２つのガルバノメータヘッドにより同時にレーザーが照射されると、重なりゾーンを含む断面１２０の全体は、平行に処理される。

重なりゾーン１２６における経路のそのような互い違いの配置は、ゾーン１２２と１２４が、単一光学処理チェーンのガルバノメータヘッドの２箇所の異なる位置に対応する２つの有効焼結ゾーンの場合にも行うことが可能である。この場合、各有効焼結ゾーンにおいてたどられる経路は、互い違いに配置する方法を用いて定義すれば十分である（例えば、上記のような１つおきの経路）。そして、ガルバノメータヘッドが、関連付けられている焼結ゾーンとして有効焼結ゾーン１２２を有している第１の位置に位置しているときは、レーザービームがすべての経路１３２に沿って照射され、次に、ガルバノメータヘッドが、関連付けられている焼結ゾーンとして有効焼結ゾーン１２４を有している第２の位置に位置しているときは、レーザービームがすべての経路１３４に沿って照射される。

このため、二段階で、そして２つの光学処理チェーンが使用される場合のようにほぼ同時でなく、レーザーが照射されることにより、上記と同様な結果が得られる。

図１２は、２つの光学処理チェーンを使用する本発明の代替の実施形態を示しており、各光学処理チェーンのガルバノメータヘッドが、処理の質と均一性を損なうことなく、中心からずれた有効焼結ゾーンが考慮されている、いわゆる「第３の軸」装置を備えているときに適している実施形態である。

図１２は、第１のガルバノメータヘッド１４０が、有効焼結ゾーン１４２に対してずれた中心を有している上面図を示している。ガルバノメータヘッド１４４もまた関連付けられている有効焼結ゾーンとしてゾーン１４２を有している。各ガルバノメータヘッドの光軸は、図において、＋印１４６と１４８で印が付けられている。このため、２つのガルバノメータヘッドは、同一の有効焼結ゾーンに作用し、その焼結ゾーン１４２における立体物の層の同時処理が可能となる。このため、製造生産性は最適化される。「第３の軸」装置を有するこの実施形態は、単一且つ同一の立体物上の、所定の焼結ゾーン全体におけるレーザービームの品質を最適化することを可能にする。

図１３は、本発明の１つの実施形態に係る、層ごとの焼結を利用して三次元立体物を製造する方法のフローチャートである。

このような方法は、好ましい実施形態においては、中央ユニット２０のソフトウェア手段３２と３４により実現され、ソフトウェア手段３２と３４は、層を利用する焼結により立体物を製造する装置のガルバノメータヘッドを制御することができる。

レーザー焼結により製造される三次元立体物の、処理しようとする層に対しては、方法の第１のステップ１６０は、装置のガルバノメータヘッドの所定の位置と関連付けられている有効焼結ゾーンを決定することから構成されている。有効ゾーンの決定は、ガルバノメータヘッドの所定の位置と関連付けられている最大焼結ゾーンに対して、有効ゾーンの面積と、有効ゾーンの位置と、を決定することから構成されている。このため、ガルバノメータヘッドの位置を知ることで、焼結フィールドにおける関連付けられている有効焼結ゾーンの位置を導出可能であり、逆に、焼結フィールドにおける関連付けられている有効焼結ゾーンの位置を知ることで、その位置から、ガルバノメータヘッドの関連付けられている位置を導出可能である。

上記の種々の代替例、特に、最大焼結ゾーンにおいて中心に位置付けること、又は中心からずれて位置付けることを考える。

１つの代替例によれば、このステップ１６０は、処理対象の各層に対して１度行われるのではなく、製造対象の立体物の層の組の処理の前に１度行われる。

次に、全体焼結ゾーンを形成する処理対象の１つ以上のゾーンが、ステップ１６２において得られる。

第１の代替例によれば、全体焼結ゾーンは、所定のサイズの長方形又は正方形ゾーンである。

第２の代替例によれば、全体焼結ゾーンは、製造対象の立体物の処理しようとする層に対応する二次元断面として決定される。

次に、ステップ１６４は、複数の有効ゾーンを決定することを可能にし、これにより、処理対象の全体焼結ゾーンのすべてのゾーンをカバーすることを可能にする。有効焼結ゾーンは、ステップ１６０で得られる一定のサイズを有しているので、ステップ１６４では、カバー範囲を設定する方法を用いて、全体焼結ゾーンのカバー範囲を得るために、焼結フィールドにおける各有効焼結ゾーンに対する複数の空間位置を決定する必要がある。上記に説明したように、カバー範囲は隣接する有効ゾーン又は重なりを有している有効ゾーンにより得られる。

更に、各有効ゾーンを位置付けることは、図９において上記に例示した代替例によれば、以前に処理された層が存在するのであれば、以前に処理された層の有効ゾーンの位置付けに依存してもよい。この代替例を実現するために、例えば、処理済みの層における各有効ゾーンの左上隅の位置を格納し、これらの位置を利用して、次の層における有効ゾーンの位置を選択することは有用である。ほぼゾーンの半分であってよい所定の値の隙間がその後に適用される。

全体焼結ゾーンの全体をカバーすることを可能にする複数の有効焼結ゾーンのゾーンは、所定の順序、例えば、左から右へ、上から下へという焼結フィールドの移動順に並べられる。

各有効焼結ゾーンＺｉは、ステップ１６０を参照して上記に説明したように、ガルバノメータヘッドＰｉの関連付けられている位置を有している。

次に、選択された順序で有効焼結ゾーンを指定するように設計されているカウンタｉがステップ１６６で初期化される。

ステップ１６８において、位置付けるコマンド（指示）が、ゾーンＺｉに対応する位置Ｐｉに、ガルバノメータヘッドを位置付ける。実際は、図２を参照して説明したように、ガルバノメータヘッドを平行移動させる手段が作動されて、所定の空間における位置に到達する。

製造対象の立体物の二次元断面に基づいて、有効焼結ゾーンＺｉにおいてレーザービームにより照射される経路を決定するステップ１７０が行われる。各有効焼結ゾーンＺｉに対する経路の決定は前もって、例えば、ステップ１６４の後に予め行っておくことも可能であるということに留意されたい。

１つの代替の実施形態においては、ステップ１７０において、経路の定義の際は、図１１を参照して上記に説明したように、２つの連続するゾーン間の重なりゾーンの存在を考慮し、経路は、重なりゾーンにおいて互い違いになるように定義される。

有効焼結は、ステップ１７２においてガルバノメータヘッドを使用して、レーザービームを、ゾーンＺｉにおいて定義された経路に沿って照射することによって行われる。例えば、経路の移動順序や経路の開始点のような焼結のオプションは、既知の方法を使用して行われる。

次に、ステップ１７４において指標ｉが１だけ増加され、指標ｉの処理対象の有効ゾーンが残っているかどうかが検証される。

処理対象の有効ゾーンが残っている場合は、方法はステップ１６８に戻り、ガルバノメータヘッドの移動を命令する。上記の代替の実施形態によれば、レーザー焼結は、平行移動の間は連続していても、していなくてもよい。

処理対象の有効ゾーンが残っていない場合は、方法はステップ１７６で終了する。

代替として、図８を参照して上記に説明したように、製造時間を最適化するために、レーザー焼結は、幾つかの有効焼結ゾーンに対応する所定の経路に沿って行われ、これにより、ガルバノメータヘッドは、所定の有効焼結ゾーンによって定義されるすべての経路を終了する前に移動される。

種々の実施形態が上記に記述されたが、本発明はこれらの実施形態に制限されず、当業者により想到される代替例も本発明に含まれる。特に、２つの光学処理チェーンを有する上記に記述した実施形態は、任意の数の光学処理チェーンにも等しく適用され、その適用が２つの光学処理チェーンの使用のみに制限されることは決してない。

Claims (11)

1. 積層を利用して三次元立体物を製造する装置であって、製造対象の各層に対して、焼結フィールドに置かれた粉末状の材料又は液体材料の層にレーザービーム処理をすることができ、前記装置が、
   ガルバノメータヘッド（１２）であって、所定の場所に位置しているときに、レーザービームを、前記焼結フィールド（１４）の最大焼結ゾーンの各点に向けて制御することができる、ガルバノメータヘッド（１２）を備え、
   更に、前記レーザービームの制御を、前記最大焼結ゾーンの内部に位置する有効焼結ゾーンに制限することができる、制限手段（３４）と、
   前記ガルバノメータヘッド（１２）を、前記焼結フィールド（１４）の面に平行な面に移動させる移動手段（３０）であって、前記ガルバノメータヘッド（１２）を、有効焼結ゾーンを前記ガルバノメータヘッドの位置に関連付ける、少なくとも２箇所の異なる位置に位置付けることを可能にする、移動手段（３０）と、
   を備えることを特徴とする、装置。
2. １つの前記有効焼結ゾーン（３６）は、前記最大焼結ゾーン（４０）において、前記レーザービームの前記焼結フィールド（１４）上への垂直入射に対応する点（３８）の近くに、中心を置かれていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記レーザービームを偏向させる手段（１８）と、前記偏向させる手段（１８）の上流に置かれ、前記レーザービームを前記焼結フィールド（１４）で焦点合わせすることが可能な装置（２４）と、を更に備え、
   前記有効焼結ゾーン（６２）が、前記最大焼結ゾーン（６６）に対して中心をずらされていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記移動手段（３０）を制御する手段（３２）であって、複数の有効焼結ゾーンを有する全体焼結ゾーンをカバーするために、複数の位置において前記ガルバノメータヘッドの位置付けの制御を行うことができる手段（３２）を、更に備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記全体焼結ゾーンをカバーしている前記複数の有効焼結ゾーンが、隣接していることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記全体焼結ゾーンをカバーしている前記複数の有効焼結ゾーンが、重なり合うゾーンを備えることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
7. 前記全体焼結ゾーンが、製造対象の三次元立体物の二次元断面（７０）であることを特徴とする、請求項４から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 積層を利用して三次元立体物を製造する方法であって、前記方法が、
   製造対象の各層に対して、焼結フィールドに置かれた粉末状の材料又は液体材料の層のレーザービーム処理のステップを備え、前記レーザービーム処理が、少なくとも１つのレーザービームを、所定の位置に位置付けされているガルバノメータヘッドによって、前記焼結フィールドの最大焼結ゾーンにおいて制御することによって行われ、
   前記方法が、１つの処理しようとする層の前記レーザービーム処理に対して、
   有効焼結ゾーンを、前記ガルバノメータヘッドの所定の位置と関連付けて決定するステップ（１６０）であって、前記有効焼結ゾーンが前記最大焼結ゾーンの内部に位置付けされている、ステップと、
   少なくとも１つの全体焼結ゾーンを得るステップ（１６２）と、
   前記少なくとも１つの全体焼結ゾーンをカバーするのに適している複数の有効焼結ゾーンと、各有効焼結ゾーンに関連付けられた前記ガルバノメータヘッドの位置と、を決定するステップ（１６４）と、
   前記ガルバノメータヘッドの、少なくとも１つの所定の位置への移動を制御し、前記ガルバノメータヘッドの前記位置と関連付けられた前記有効焼結ゾーンにおいてレーザービーム処理を行うステップ（１６８）と、
   を備えることを特徴とする、方法。
9. 前記複数の焼結ゾーンのうちの少なくとも２つの有効ゾーンが、重なり合うゾーンを備え、
   前記有効ゾーンの各々に対して、前記レーザービームによる走査経路を決定するステップ（１７０）であって、前記走査経路が、重なり合うゾーンを有する２つの有効ゾーンにおいて、前記重なり合うゾーンで互い違いに配置されている経路であるステップを、更に備えることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 複数の有効焼結ゾーンを決定する前記ステップにおいて、各有効焼結ゾーンの位置付けが、前記処理しようとする層に先行する層に対して決定された有効焼結ゾーンの位置付けを考慮することを特徴とする、請求項８又は９に記載の方法。
11. 積層を利用して三次元立体物を製造する設備であって、請求項１から７のいずれか１項に記載の、積層を利用して三次元立体物を製造する装置を、少なくとも２つ備え、前記装置が、それぞれ、前記装置と関連付けられている電磁放射源から来るレーザービームを、共有されている焼結フィールドに向けて制御することができることを特徴とする、設備。

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