JP2018083416A - 三次元的な物体を付加的に製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元的な物体を付加的に製造するための方法をより容易かつより迅速に実行することが可能であるように構成すること。
【解決手段】エネルギービームによって構造材料９の層を連続的に層ごとに選択的に凝固化することで三次元的な物体６を付加的に製造するための方法であって、構造材料９の凝固化が物体６を示すデータセットに基づきなされ、焼結及び／又は溶融のために設けられた構造材料範囲が構造材料９の凝固温度を下回る温度範囲で加熱される、前記方法において、構造材料範囲の加熱が加熱ビーム１７によってなされ、加熱ビームが、溶融のために用いられるメインビーム１８を部分的に包囲するか、又は該メインビーム１８に先行するか、若しくは追従し、メインビーム１８及び加熱ビーム１７が、共に同期して構造材料９の表面にわたってガイドされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１に、請求項１の前提部分の別の特徴を有する、物体を付加的に製造するための方法に関するものである。加えて、本発明は、請求項１４の特徴を有する装置に関するものである。

特にいわゆる３Ｄプリント方法の技術分野、特に選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）又は選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）の分野が取り上げられている。しかし、本発明は、いわゆるステレオリソグラフィ方法及びこれに属する装置も含むものであり、これら方法及び装置においては、層ごとの三次元的な物体を製造するために、液体状又はペースト状の構造材料が同様にビームエネルギーの作用によって凝固化された状態へ移行される。

これら全ての方法においては、構造材料層は、表面上へ、若しくはあらかじめ凝固化されたワークピース面上へ塗布されるか、又は構造モジュールにおいて、あらかじめ凝固化された部分の保持装置を下降させることで生成される。これら層は、適当なビーム源のフォーカスされたビームが構造材料層の凝固化されるべき箇所へ入射し、構造材料層のこれらの箇所が凝固化され、すなわち特に予備焼結され、又は直接焼結され、又は溶解されることでプロセス制御されて凝固化される。このために、付加的に製造されるべき物体を示すデータセットが準備される。

ここで、全ての方法は、特にＳＬＭ法又はＳＬＳ法において、ある程度のエネルギー入力によって構造材料が凝固点、特に溶融点を超えるという認識に基づくものである。凝固化されるべき構造材料層内のみならずその下方に位置する少なくとも１つの構造材料層へ到達するまで形成される溶融プールにより、構造材料が凝固化され、ＳＬＭ法においては、粉体状の構造が溶融される。ＳＬＳ法においては、構造材料の粉体粒子が少なくとも部分的に維持される。

構造材料を予熱又は予備加熱することが従来技術として知られている。このことは、構造プレートにわたる構造空間の個別の加熱によって、これに代えて構造チャンバのチャンバ壁部にわたる構造材料の加熱によって、又は構造材料の表面にわたる構造材料の加熱によって行われ、これら全ての方法では、構造チャンバ内に配置された構造材料全体が加熱される。さらに、構造材料を局所的にのみ予熱することも既に知られており、このとき、構造材料の溶融点を上回らないことに留意すべきである。このとき、構造材料の局所的な加熱は、構造レーザ（Ｂａｕｌａｓｅｒ）によって行われることができ、材料層の予熱された位置は、それぞれ多重に照射される。第１の照射時には、構造材料がまずは溶融温度より低い温度へもたらされ、これにつづく照射工程において、溶融温度より高い温度へもたらされる（特許文献１）。このような工程は、凝固化されるべき構造材料層にわたるレーザビームの複雑なガイドを必要とし、ビームは、前方及び後方へ向いた、例えば蛇行状の運動を行う必要がある。これにより、構造工程の制御が困難となることがあるとともに、構造工程が遅延することがある。

欧州特許第１５６８４７２号明細書

本発明の課題は、より容易かつより迅速に実行することが可能であるように請求項１の前提部分の特徴を有する方法を構成することにある。方法を実行するための装置は、同様に容易化されるべきである。

上記課題は、独立請求項１及び１４の特徴によって解決される。本発明の有利な発展形成は、従属請求項から明らかである。

（凝固化温度未満の）構造材料の加熱あるいは予熱、したがって加温又は昇温を担う加熱ビームが構造材料の溶融又は焼結を担うメインビームを包囲するか、又は凝固化軌道、すなわち特に溶融軌道又は焼結軌道に関してメインビームの直前若しくは直後を通過することが本発明の核心とみなされ、加熱ビームは、メインビームと共に同期して表面にわたってガイドされる。

このことは、方法に関して、第１に、第１に凝固化のために設定されていない構造材料範囲が共に予熱されず、したがってこの範囲における構造材料が何らかの熱作用の影響を受けることなく更なる構造プロセスへ用いられることができるという大きな利点を有している。

構造部材において熱的に誘起される（機械的な）応力は、減少された温度勾配により回避され、熱による延びに基づく構造部材における応力も回避される。

構造部材の寸法精度が向上する。溶融槽の固体−液体−移行時の収縮が回避される。なぜなら、溶融槽の周囲が既に高められた温度を有しているためである。全体として、応力が削減される。粉体の乾燥によるガス微小孔（Ｇａｓｐｏｒｅｎ）が回避され、冷却率の低減による構造部材の脆化が、熱衝撃による構造部材の変化と同様に達成される。

構造材料が直接的な周囲で凝固化がなされる箇所でのみ予熱されるため、熱循環の低減により材料負荷が低減される。

装置に関して、装置、特にスキャナ要素、特にスキャナミラーの制御は単純に構成されている。互いに分離した役割あるいは機能を有する両ビームは、１つ又は同一のスキャナミラーを介して同時にガイドされることが可能である。メインビーム及び加熱ビームの、特に制御技術的に複雑な連続ガイドは、方法にとっては不要である。

加熱ビームは、様々な態様で発生されることが可能である。一方では、メインビームからの加熱ビームの分離が可能であり、このことは、ビームスプリッタによって行われることができ、分離されたビームは典型的には拡大光学系によってガイドされ、その結果、加熱ビームは、メインビームよりも大きなビーム直径を有している。これらビームは、ビーム結合装置、略してビーム結合器によって再び統合されることができるとともに、ビーム結合器の後に例えばスキャナへ至り、このスキャナは、両ビームを同時に、かつ、場合によっては整向して構造部材表面へ導く。

しかし、メインビームと加熱ビームを発生させる異なるビーム源を使用することも可能である。構造材料の加熱又は溶融に用いられる場合には、これらビーム源は、異なる波長範囲を有する。

これらビームは、同軸に位置して構造材料へガイドされることができ、すなわち、加熱ビームは（ほぼ）円形状の断面を有しており、典型的には同様に（ほぼ）円形状の断面を有するメインビームは、（本質的に）メインビームの中央においてガイドされる。しかし、例えばだ円状の加熱ビームを構造材料表面へ入射させ、例えば加熱ビームの作用が構造材料の凝固化前にメインビームによっていくらかより長く、及びより強く行われるように、メインビームをだ円の範囲において更に前方又は後方へ配置することが可能である。メインビーム及び加熱ビームを分離して位置するように、すなわち空間的に分離して、短い間隔をもって構造材料表面へ入射させることも可能である。

このとき、メインビーム及び加熱ビームの分散化又は焦点形状をプロセス制御して変更することが可能である。しかし、加熱ビームは、メインビームに関して、メインビームの直接的な周辺のみ、又はメインビームについての先行範囲又は後続範囲が加熱されるように形成及びガイドされることが可能である。ビーム分割の割合及び構造材料表面へ入射する両ビーム（メインビーム及び加熱ビーム）のスポットサイズは、同様にプロセス制御されて変更されることが可能である。

構造材料表面へ入射する加熱構造を発生させるために、装置は少なくとも１つのビーム源及び少なくとも１つのビーム結合器を備える必要があり、このビーム結合器は、両ビーム（メインビーム及び加熱ビーム）を、これらビームが共通に同心状に、又は調整可能な間隔をもって構造材料表面へ入射できるように統合する。

このためにスキャナが必ずしも用いられる必要はなく、同心状に、又は隣接して位置するビーム構造を構造材料表面にわたる光学系の移動によって制御するか、又は複数のビーム源をねらいをもってオン及びオフすることも可能である。

図面における実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。

第１の実施形態における、方法を実行するための装置の概略的な図である。 同心状の配置におけるメインビーム及び加熱ビームの照射範囲の概略的な図である。 メインビーム及び加熱ビームの照射範囲の概略的な図であり、加熱ビームがメインビームより先行して配置されている。 ２つのビーム源による方法を実行するための装置の概略的な図である。 メインビーム及び加熱ビームを発生させる複数のビーム源による方法を実行するための装置の概略的な図である。 支持部上に配置されたビーム源の概略的な図である。 メインビーム及び加熱ビームの同心状の照射範囲の概略的な図であり、メインビームが加熱ビームの照射面において偏心して配置されている。 メインビーム及び加熱ビームの照射範囲の概略的な図であり、加熱ビームがだ円状の面において構造材料表面へ入射し、加熱ビームがそれぞれだ円の端範囲に配置されている。 メインビーム及び加熱ビームの照射範囲の概略的な図であり、加熱ビームの形状が照射範囲において構造材料表面へ変更可能である。 メインビーム及び加熱ビームの照射範囲の概略的な図であり、加熱ビームが先行してメインビームと隣接している。 図７に基づく図示であり、加熱ビームがだ円状に構造材料表面へ入射している。

まず、図１を参照する。

図１に図示された装置１は図示的に示唆のみされたハウジング２を備えており、このハウジング内には、構造空間３及びプロセスチャンバ４が設けられている。構造空間３内には、製造されるべき物体６を支持するための支持装置５が配置されている。支持装置５は、高さ調整可能な支持部７を備えている。構造空間３のほかに配量装置８が配置されており、この配量装置によって、例えば水平に走行可能な塗布装置２０を用いて構造材料９が支持装置５上へ、又はあらかじめ形成された層上へ層ごとに設けられることが可能である。

プロセスチャンバ４内又はプロセスチャンバ４の上方には照射装置１０が設けられており、この照射装置は、構造材料９の層に照射するために用いられる。この実施例では、照射装置１０はレーザ１１及びスキャナ１２を含んでおり、スキャナ１２のミラーは、示唆のみされたプロセス制御装置１３を介して、付加的に製造されるべき三次元的な物体６を示すデータセットに基づき制御されることが可能である。

また、ハウジング２内には、構造材料層の一部を部分的に加熱、特に予熱又は再加熱するための装置１５が設けられている。

図１に示された実施例においては、装置１５は少なくとも１つのビーム結合装置１６を含んでおり、このビーム結合装置によって、両ビームが、共通に、かつ、同期して、構造材料層における加熱されるべき、又は凝固化されるべき表面範囲にわたってガイドされ得るように、材料表面範囲を加熱するために設けられた加熱ビーム１７は、構造材料の焼結工程又は溶融工程を生じさせるメインビーム１８とまとめられることができ、メインビーム１８の焦点は、加熱ビーム１７の直径内でガイドされているか、加熱ビーム１７の直径内で接するようにガイドされているか、又は加熱ビーム１７の直径に直接隣接するようにガイドされている。

図１ａにはメインビーム１８及び加熱ビーム１７の配置が示されており、メインビーム１８の照射点が、構造材料層の表面上で加熱ビーム１７の照射直径における中心に配置されている。これに対して、図１ｂにはメインビーム１８と加熱ビーム１７の離間した配置が示されており、加熱ビーム１７の照射点は、メインビーム１８の照射点からわずかな間隔をもって配置されているとともに、軌道方向１９においてメインビーム１８より先行している。

図２には、本質的に、ビーム装置１０及び加熱のための装置１５の要素のみが図示されている。図１に図示されている実施例とは異なり、図２による装置１は、２つのビーム源、すなわち第１のレーザ１１ａ及び第２のレーザ１１ｂを含んでおり、第１のレーザ１１ａはメインビーム１８を発生させ、第２のレーザ１１ｂは加熱ビーム１７を発生させるために設けられている。両ビーム１７，１８は、ビーム結合装置（略してビーム結合器）１６を介して統一され、更にスキャナ１２へ供給され、ここで、これら両ビームは、同期して、及び同心状に（ｉｎｅｉｎａｎｄｅｒｌｉｅｇｅｎｄ）、又は互いに近接して部材表面へガイドされる。

図３に図示された実施例では、照射装置１０が複数のビーム源あるいはレーザ１１を備えている。ここで、メインビーム１８は、支持部３０に配置されたレーザ３１の第１のグループと、加熱ビーム１７のグループとによって、同様に支持部３０に配置されているレーザ３２の第２のグループによって発生される。メインビーム１８及び加熱ビーム１７は、例えば、加熱ビーム１７及びメインビーム１８がそれぞれ部分的に同心状に、又は互いに近接して構造材料表面１８へ照射されるように向けられている。このとき、支持部３０は、詳細に説明しないクロススライド装置（Ｋｒｅｕｚｓｃｈｌｉｔｔｅｎａｎｏｒｄｎｕｎｇ）に設けられているとともに、構造材料表面３３の上方でＸ方向及びＹ方向に走行可能である。

図３ａには、第１のグループに属するレーザ３１と第２のグループに属するレーザ３２の例示的な配置が示されている。

図４〜図８には、更に、メインビーム１８及び加熱ビーム１７の異なる照射点が図１ａ及び図１ｂと同様の平面図で示されている。図４では、加熱ビーム１７が円形状に構造材料表面３３へ照射され、メインビーム１８は、加熱ビーム１７の照射面のより大きな範囲が軌道方向１９においてメインビーム１８に先行するように加熱ビーム１７の照射面において偏心して配置されている。

図５では、加熱ビーム１７の照射面がだ円状に形成されている。メインビーム１８の照射面は、軌道方向１９が図５において右方へ延びているか、又は左方へ延びているかに応じて、加熱ビーム１７の照射だ円の第１の端範囲又は対向する第２の端範囲に位置している。

図６には、加熱ビーム１７の照射面内に位置するメインビーム１８の照射点がその空間位置において（リバーシブルに）変化し得るのと同様に、加熱ビーム１７の照射面がプロセス制御されて円形状からだ円状へ（リバーシブルに）変化し得ることが図示されている。

図７及び図８には、メインビーム１８がやはり加熱ビーム１７に隣接して照射され得ることが図示されており、図７における加熱ビーム１７は円形状を有しているとともに、図８における加熱ビーム１７はほぼだ円の形状を有している。メインビーム１８と加熱ビーム１７の間の間隔ｄは、プロセス制御されて（リバーシブルに）変更可能である。このとき、メインビーム１８と共に構造平面にわたって延びる加熱ビーム１７のガイドがなされる。

加熱ビーム１７のスポットサイズは、例えば、メインビーム１８のスポットサイズよりも大きく選択されている。これにより、メインビーム１８の直接的な周辺のみが凝固化の時点で、すなわち「記述（Ｓｃｈｒｅｉｂｅｎ）」とも呼ばれる溶融又は焼結の時点で選択的に加熱されることが保証される。ビーム１７，１８のビーム分割及びスポットサイズの比率を、プロセス中に変更することが可能である。構造材料９の加熱あるいは予熱は、実際の凝固化工程の時点、特に溶融若しくは焼結の時点においてのみ、又はその直前に本質的に同一の箇所あるいは凝固化の近傍において生じる。

１ 装置
２ ハウジング
３ 構造空間
４ プロセスチャンバ
５ 支持装置
６ 物体
７ 支持部
８ 配量装置
９ 構造材料
１０ 照射装置
１１ レーザ
１２ スキャナ
１５ 装置
１６ ビーム結合装置
１７ 加熱ビーム
１８ メインビーム
１９ 軌道方向

Claims (14)

1. 少なくとも１つのエネルギービームによって構造材料（９）の層を連続的に層ごとに選択的に凝固化することで三次元的な物体（６）を付加的に製造するための方法であって、前記構造材料（９）の連続的で層ごとの選択的な凝固化が、前記付加的に製造されるべき三次元的な物体（６）を示すデータセットに基づきなされ、焼結及び／又は溶融若しくは溶解のために設けられた構造材料範囲が前記構造材料（９）の凝固温度を下回る温度範囲で加熱される、前記方法において、
   前記構造材料範囲の加熱が少なくとも１つの加熱ビーム（１７）によってなされ、該加熱ビームが、融解、溶融又は溶解のために用いられる少なくとも１つのメインビーム（１８）を部分的に包囲するか、又は該メインビーム（１８）に先行するか、若しくは追従し、前記メインビーム（１８）及び前記加熱ビーム（１７）が、共に同期して前記構造材料（９）の表面にわたってガイドされることを特徴とする方法。
2. 加熱、特に加温又は昇温のために用いられる前記加熱ビーム（１７）が、前記メインビーム（１８）に対して同軸にガイドされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱ビーム（１７）が、融解、溶融又は溶解のために使用される前記メインビーム（１８）からのビーム分離によって得られることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記加熱ビーム（１７）が、前記メインビーム（１８）からの分岐後にビーム拡大光学系によってガイドされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記加熱ビーム（１７）がビーム結合装置（１６）において前記メインビーム（１８）と再び統一されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記メインビーム（１８）も、また前記加熱ビーム（１７）も、１つの同一のスキャナ（１２）を介してガイドされることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記メインビーム（１８）の焦点が、前記加熱ビーム（１７）の照射範囲内に位置するように前記構造材料の表面へ導かれることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記メインビーム（１８）及び前記加熱ビーム（１７）の互いの内部へ位置する配置が、構造材料表面上でプロセス制御されて変位されるか、又は分散されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記構造材料の表面の、前記加熱ビーム（１７）によって検出される周囲範囲が、前記構造材料の層上における、前記メインビーム（１８）によって検出される表面範囲よりも大きく、特に少なくとも２倍であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記メインビーム（１８）の直接的な周辺のみが、前記加熱ビーム（１７）によって、凝固化工程の時点で、特に溶融工程又は焼結工程の時点で選択的に加熱されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. メインビーム（１８）及び加熱ビーム（１７）におけるビーム分割の割合並びに前記構造材料の表面上における前記メインビーム（１８）及び前記加熱ビーム（１７）のスポットサイズがプロセス中に変更されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記メインビーム（１８）及び前記加熱ビーム（１７）が異なるビーム源（１１ａ，１１ｂ）によって発生され、該ビーム源のビームが、前記スキャナ（１２）への入射前にビーム結合装置（１６）において統合されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
13. 前記メインビーム（１８）の前記ビーム源（１１ａ）及び前記加熱ビーム（１７）の前記ビーム源（１１ｂ）が異なる波長で放射することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. ハウジング（２）と、該ハウジング内に収容されたプロセスチャンバ（４）と、製造されるべき物体（６）を支持するための高さ調整可能な支持部（７）を有する支持装置（５）が配置された構造空間（３）と、構造材料（９）の層を前記支持装置（５）上へ、又はあらかじめ形成された層上へ塗布するための塗布装置と、前記構造材料（９）を供給するための配量装置（８）と、前記物体（６）の各断面に対応する箇所へ前記構造材料（９）の層を照射するための少なくとも１つの照射装置とを有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法を実行するための装置（１）であって、前記構造材料の層の一部を部分的に加熱するための装置（１５）が前記ハウジング（２）内に設けられている前記装置において、
    前記装置（１５）が少なくとも１つのビーム結合装置（１６）を含んでおり、構造材料表面範囲を加熱するために、特に加温又は昇温するために設定された加熱ビーム（１７）が、前記構造材料（９）の凝固化工程、特に焼結工程又は溶融工程を生じさせるメインビーム（１８）と、前記加熱ビーム（１７）及び前記メインビーム（１８）が加熱されるべき、及び凝固化されるべき構造材料表面範囲にわたって共通にガイド可能であるように、前記ビーム結合装置によって統合されており、前記メインビーム（１８）の焦点が、前記構造材料（９）上における前記加熱ビーム（１７）の照射範囲に配置されていることを特徴とする装置。

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