JP2020097240A - 三次元の部材の製造の為の装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー線や電子線のようなバンドル放射による硬化可能な粉末状の構成材料の層の連続的な固結による三次元の部材の製造の為の方法、特にＳＬＭ方法、又はＳＬＳ方法であって、構成チャンバーの内部で高さ変更可能な、部材の担持の為のキャリア装置を有する装置が設けられて、又は先に形成された層の上に構成材料の層をもたらすための層形成装置を有し、そして、構成材料の層の固結のための、この層の領域的な放射の為の放射装置が設けられ、高速かつ、構成空間環境にできるだけ少ない影響で実施されることができ、そして除去が意図的に実施されることが可能であるよう形成すること。【解決手段】層塗布の前に、層形成すべき面部分が、その層形成すべき表面の平坦性について走査され、所定の公差を越える非平坦性の場合には、この非平坦性が除去される、又は滑らかにされることによって解決される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー放射や電子放射のような電磁的な放射、特にバンドル放射によって硬化可能な粉末状の構造材料の層の連続的な固結による三次元の対象（物、物体）の製造の為の方法に関する。上述した方法において、構成材料の溶着の為の放射は、対照の各断面に相応する箇所へ向けられる。このため装置は、構成チャンバーの内部で高さを変更可能な、対象を担持するためのキャリア装置を有している。層形成装置を介して構成材料は、層から層へとキャリア装置上にもたらされ、そしてそれぞれ意図的に溶着され、冷却の後、材料は固形状の三次元体へと固まる。当該方法のために使用される装置の放射装置は、スキャナーを有する。これは、プロセス制御されてバンドル放射を、構成材料層の固結すべき箇所へと向ける。

上述したように、過程において層が一つづつ塗布され、そして固結される生成的構成過程は、しばしば極めて長い時間がかかる。構成過程の比較的後のフェーズで、固結エラー、又は層形成エラーが発生する。これらは、構成過程が、補正が行われることなく続けられ、そして仕上られると、製造される三次元の物体の不良へと通じるということが起こり得る。これは、例えば２４時間の構成過程が、２３時間順調に進んで、そして最後の１時間に固結する層の層形成エラー又は接合エラーが発生するということに通じ得る。特に接合エラーは、層のデラミネーションに通じる。つまり不十分な溶融解の結果、最後の層の領域が分解し（剥がれ）、これらが特に熱的な理由に基づいて高く盛り上がる結果、新たなる層の塗布は、構成過程の規定どおりの推移にとって薄すぎる層へと通じる。

特許文献１は、構成材料層形成装置の刃部装置に、せん断刃部を付設することが公知である。これによって、突き出した部分が、層形成すべき面から切り取られることが可能である。しかし、そのようなせん断刃部は、層形成すべき面から突き出した、材料の頂点部から生ずる部分を、後に続く層形成過程の邪魔とならないように切り取る、又は折り倒すということのみに適している。

基本的に特許文献２からも、層形成装置刃部の摩耗の防止の為に、研削装置を設けることが公知である。この研削装置によって構成ボリューム中に存在する形成体の処理面が完全に滑らかにされることが可能である。

ドイツ連邦共和国特許第１０３ ００ ９５９ Ｃ５号公報 ドイツ連邦共和国特許第ＤＥ １９８ ５３ ９７８ Ｃ１号公報

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載の特徴を有する方法を、高速かつ、構成空間環境にできるだけ少ない影響で実施されることができ、そして除去が意図的に実施されることが可能であるよう形成することである。この課題は、層塗布の前に、層形成すべき面部分が、その層形成すべき表面の平坦性について走査され、そして所定の公差を越える非平坦性の場合には、この非平坦性が除去される、又は滑らかにされることによって解決される。

よって当該方法は、まず、規則的に、つまり各層の塗布の後に、又は各第２、第３、第４の層の塗布の後に、層形成すべき面が実際に平らであるかどうかの検査を行うことを意図する。先行技術においては、上述したように、平滑化は、必要であるかどうかによらず、各層形成過程の前に実施される。これは構成領域の多大なる汚染に通じ、よってネガティブである。これに対して本発明は、層形成すべき領域の平滑化又は除去が本当に必要であるかを、意図的にチェックする。所定の公差を越えることが特定されたときのみ、平滑化過程、又は除去過程が導入され、そう出ないときは、平滑化が行わることなく層形成が行われる。

本発明の発展形においては、特定される非平坦性は、局所的に検出され、そしてまったくもって意図的にかつ局所的に制限されて、除去要素が使用される。次の一様な層塗布を妨害する非平坦性を除去する、又は滑らかにするためにである。その際、非平坦性座標がセンサーによって検出され、そして保管され、そしてこれを使って検出された非平坦性座標が、意図的な除去措置が行われる。

全体の層のいわば上研削又は除去が各新たな構成材料塗布の前に行われる成功技術における方法と反対に、本発明に係る方法では、まず一度、層を機械的な方法で、又は他の方法で滑らかにする処理がそもそも必要であるかの確認が行われる。この第一のステップの実施が肯定されると、エラー箇所座標の使用のもと、意図的に、除去過程が開始される。これは、本発明に係る方法は、先行技術における方法よりもはるかに高速に進行可能であるということを意味する。各回ごとに検索や他の方法での除去が行われれる必要がなく、常に、実際にエラー箇所が特定されたときのみ行われるからである。層は、全ての層領域にわたって処理されず、エラー箇所が特定されたところのみで処理されることが可能である。これは、構成空間環境をケアする。各層除去において、構成材料粒子が、例えば研削要素によって構成空間の保護ガス環境内へと飛ばされ、そしてそこで環境を汚染するからである。その上、構成中に存在する物体の機械的な、またが熱的な負荷が著しく防止される。本当に必要である箇所のみが機械的に処理され、そして常に面の全体の研削が行われるわけではないからである。

層形成すべき面の走査は、光学的に、例えば光学的なスキャナーによって行われる。このスキャナーは、つきだした部分、例えばデラミネーションを検出し、そして場所を特定することができる。この突き出した領域の座標は、正確に検出され、そして正確にそこで、かつ意図的に処理過程が開始される。しかしまた、面の走査は、音響的な方法、例えば超音波センサーでも行われることが可能である。これは、センサー高さと層の間の間隔を正確に検出することができる。検出された非平坦性は、局所的に機械的に除去を行われる。これとの関係で局所的にとは、例えばロボットアーム等を介して、比較的小さな面積の除去要素が、飛び出した層箇所へと案内され、そしてそこで除去過程が行われるということを意味する。エラーを有していない他の全ての層領域は、除去過程により影響を受けないままとなる。機械的な除去は、研磨ローラーによって行われることが可能である。これは例えば、ロボットアームの可動の自由端部に設けられている。その際、研削粒子のまったくもって意図的な吸引も行われることができる。しかしまた、特定された非平坦性を溶かす、又は層内に押し込む（独語：ｈｉｎｅｉｎｗａｌｚｅｎ）ことも可能である。このため、場合によっては非平坦性の局所的な加熱は目的に適っている。

層形成すべき表面の除去は、各層形成過程の前に行われることができる。当該方法を加速するために、層形成すべき面の除去が、発生する部材の縁部領域又は極限領域のみにおいて行うことは、十分であり得る。極限領域として、例えば部材壁部から突き出すリブ又はそのような比較的細い突出部が挙げられる。これらは、構成過程において比較的簡単にデラミネーションを起こしやすい。

更に、操作装置によって、前の除去過程において危機的であるとわかった層表面領域の局所的な後確認を行うことは有利であり得る。換言すると、新たな層形成過程および溶融過程の後に、場合によっては、すべての構成層が確認されず、先行する層形成過程及び溶融過程のうちの一つにおいてデラミネーションを起こしそうであった構成層領域のみが確認される。これもまた本方法を加速する。

検出の結果と処理について「記録をつける」、つまり特定された非平坦性をそのＸ座標及びＹ座標に関して品質マネジメントプロトコル（品質マネジメント記録）中に保持することはメリットを伴い可能である。その際、処理すべきであった層箇所の座標を記録するだけでなく、除去深さ又は除去過程の方式及び／又は除去面もまた保持することは目的に適っている。これによって部材の仕上のあとに、処理過程が仕上げられた部材の品質にネガティブな作用を有することが可能であったか検討されることが可能である。

本発明を図中の有利な実施例に基づき以下に詳細に説明する。

発明に係る方法が実施されることが可能である装置の簡略図 層形成すべき表面の品質マネジメントの実施の為の簡略シーケンス

図１に表された装置１は、ハウジング２を有する。この中にプロセスチャンバー３が設けられている。プロセスチャンバー底部４内には、特に粉末形状の構成材料の為の備蓄容器５高さ調整可能なキャリア７を有する構成チャンバー６及びが設けられている。構成材料９は、高さ調整可能な、調量チャンバー底部１０によってわずかに上に向かって押さえられており、そして水平に走行可能な層形成装置１２の刃部１１によって、部分完成された部材１４の層形成すべき表面１３上にもたらされることができる。過剰の構成材料はオーバーフロー容器８内へと廃棄される。

プロセスチャンバー３の上、又はその上の領域内には、レーザー１６とスキャナー１７から成る放射装置１５が設けられている。レーザー１６の高エネルギーの放射１８は、スキャナー１７内へと導かれ、そしてそこでＸ方向及びＹ方向へと向けられ、意図的に部材１４の表面上の粉末層へ照射され、これによって固結を行う。スキャナー１７は、構成データによって制御される。構成データは、メモリ１９内に保管されており、そしてプロセッサー出口２１がスキャナー入口にスキャナー情報を提供することが可能であるよう、プロセッサー２０内で処理される。

構成チャンバー１６の上には更に、センサー３１が設けられている。これは、特に部材１４の層形成すべき表面１３を層形成装置１２による層形成過程の前にその平坦性に関して走査するように設けられ、および形成されている。走査は、センサー３１が光学的なセンサー（このセンサー自体がセンサー放射を放出し、そして表面から戻されてくる情報を分析する、またはこの為にスキャナーの放射を使用する）として形成されているよう行われることが可能である。いずれにせよ、センサー３１は、センサー操作過程の際に非平坦性座標を検出し、そして保管するのに適していることが必要である。層形成すべき表面に関するエラー箇所座標としても称されることが可能である非平坦性座標の保管は、メモリ３２内で行われることが可能である。メモリ３２内では、検出された非平坦性のＸ座標とＹ座標のみならず、更に層の番号も保管される。これは、部材データの為のメモリ１９から伝達されることが可能である。しかしまた、センサー３１は、例えば、エコーセンサー等の形式の超音波センサーとして形成されていることも可能である。

センサー３１が、特に部材１４の層形成すべき表面の非平坦性を特定すると、Ｘ，Ｙ，及びＺ座標（Ｚ座標は層番号である）がメモリ３２内に置かれ、そして、例えば研磨ローラー４０の形式のリムーバーが稼働させられる。この研磨ローラーは、メモリ１９，３２によって制御されるロボットアーム４１に取り付けられている。この研磨ローラー４０によって、局所的な付勢と特定された非平坦箇所（これらに対して座標がメモリ３２内に保管されている）の局所的な除去が行われる。しかしまた、特定された非平坦性を溶かすことも可能である、つまりレーザー１６の放射１８によって気化させることも可能であり、又は研磨ローラー４０と同様に取り付けられているローラーによって表面内に押し込めることも可能である。

センサー３１による表面１３の走査は、其々の新しい層形成過程の前に行われる。しかしまた、情況によっては、第二、第三、又は第四の各層形成過程の後にのみ、チェックを行うことも十分である。更に走査は、部材の縁部領域及び極限領域においてのみ行われる。つまり薄いリブにおいて等、相対的に高い変形危険性が存在するところで行われる。

メモリ３２内では、非平坦性が提示され（非平坦性が存在したこと）、そしてこれが除去されたことが保管されるのみならず、除去過程は、除去平面、除去深さ等に関して正確な記録も行う。というのは、これらから非平坦性はどのような形式であるかについてのリポートが行われ得る（…形式であるかについて把握可能である）からである。

図２には更に、層表面の特定と除去がどのように行われるかが、フローチャートで表されている。

第一の層では、構成材料によって層形成すべき表面が層形成される。このことは、上述したように層形成装置１２と層形成装置刃部１１によって行われることができる。そして第二のステップでは、スキャナー１７の使用のもとレーザーの放射１８によって層が意図的に、かつ局所的に固結される。その後、第三のステップでは、センサー３１によって層が平らかどうか特定される。これが工程されると、ステップ１に従い再度、構成材料による層形成が行われる。非平坦性が特定されると、ＸＹ座標と層番号が保持され、そして保管される。その後、ＸＹ座標の使用のもと、局所的な除去が行われ、そしてその後、Ｘ，Ｙ及びＺ座標の使用のもと除去の深さと形式を保管する。

その後、除去結果の再度の局所的なチェックが行われることが可能である。これから、層がいずれにせよ非平坦であることがわかると、層がどこで非平坦であり、そして更なる局所的な除去がどこで行われる必要があるか再度確認されることが可能である。これと反対に層が平坦であるとわかると、構成材料による新たな層の塗布がステップ１に従い行われる。

真に平坦でかつ滑らかな処理結果を保証するために、除去する処理の面が、非平坦性の実際の面よりもわずかに大きいことは、更に意味があると思われる。この実際の除去座標は、後に品質マネージメントリポートを行うことができるように、例えば装置のメモリ３２内に保持されることが可能である。

（付記）
以上の開示から、以下の付記が提案される。
＜実施態様１＞
部材（１４）の各断面に相当する箇所における、電磁的な放射（１８）、特に、レーザー線や電子線のようなバンドル放射による硬化可能な粉末状の構成材料（９）の層の連続的な固結による三次元の部材（１４）の製造の為の方法、特にＳＬＭ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ）方法、又はＳＬＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方法であって、構成チャンバー（６）の内部で高さ変更可能な、部材（１４）の担持の為のキャリア装置（７）を有する装置が設けられており、キャリア装置、又は先に形成された層の上に構成材料（９）の層をもたらすための層形成装置（１２）を有し、そして、構成材料（９）の層の固結のための、この層の領域的な放射の為の放射装置（１５）が設けられている方法において、
新たな層塗布の前に、表面（１３）の層形成すべき部分が、その平坦性に関して走査され、そして所定の公差領域を越える非平坦性の場合には、これら非平坦性が除去される、又は滑らかにされることを特徴とする方法。
＜実施態様２＞
表面の層形成すべき部分が、センサーによる非平坦性座標の検出のもと走査されることを特徴とする実施態様１に記載の方法。
＜実施態様３＞
局所的に検出された非平坦性が、検出された非平坦性座標の使用のもと、意図的に局所的に除去される、又は滑らかにされることを特徴とする実施態様２に記載の方法。
＜実施態様４＞
層形成すべき表面（１３）の走査が光学的に行われることを特徴とする実施態様１から３のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様５＞
表面（１３）の走査が、音響的な方法、特に超音波法によって行われることを特徴とする実施態様１から４のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様６＞
検出された非平坦性が、局所的に機械的に除去されることを特徴とする実施態様１から５のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様７＞
機械的な除去が研磨ローラー（４０）によって行われることを特徴とする実施態様６に記載の方法。
＜実施態様８＞
特定された非平坦性が溶かされることを特徴とする実施態様１から７のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様９＞
機械的な非平坦性が平らにされることを特にプレートの実施態様１から８のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１０＞
平坦化過程が非平坦性の局所的な加熱フェーズの後に行われることを特徴とする実施態様９に記載の方法。
＜実施態様１１＞
層形成すべき表面（１３）の走査が、各層形成過程の前に行われることを特徴とする実施態様１から１０のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１２＞
層形成すべき表面（１３）の走査が、部材の縁部領域または張り出し領域のみにおいて行われることを特徴とする実施態様１から１１のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１３＞
走査によって、部材（１４）のすでに固結された層のデラミネーションが検出されることを特徴とする実施態様１から１２のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１４＞
除去過程の間に複数の層形成過程があることを特徴とする実施態様１から１３のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１５＞
機械的なリムーバー（４０，４１）がＸ方向、及びＹ方向において除去すべき表面（１３）にわたって制御可能であることを特徴とする実施態様１から１４のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１６＞
検出過程及び／又は除去過程が、非平坦として特定され、及び／又は部分除去される構造層に関してと、割り当てられたＸ座標及びＹ座標と層番号（部材内におけるＺ座標）に関して、各部材（１４）に対して作られる品質マネジメントプロトコル中に自動的に保存されることを特徴とする実施態様１から１５のいずれか一項に記載の方法。
＜実施態様１７＞
Ｘ座標とＹ座標の他に、除去の方法及び／又は除去深さが自動的に保存されることを特徴とする実施態様１６に記載の方法。

１ 装置
２ ハウジング
３ プロセスチャンバー
４ プロセスチャンバー底部
５ 調量容器
６ 構成チャンバー
７ キャリア
８ オーバーフロー容器
９ 構成材料
１０ 調量チャンバー底部
１１ 刃部
１２ 層形成装置
１３ 表面
１４ 部材
１５ 放射装置
１６ レーザー
１７ スキャナー
１８ １６の放射
１９ メモリ
２０ プロセッサー
２１ ２０の出口

３１ センサー
３２ メモリ

４０ 研磨ローラー
４１ ロボットアーム

Claims (15)

1. 三次元の物体を付加製造するための方法であって、
   粉末状の構成材料の連続的に塗布される複数の層の各層の少なくとも一部を溶融または焼結させるように構成された電磁放射源からの電磁放射により選択的に照射されることで、連続的に照射される複数の面の各層をもたらし、
   スキャナーからの走査入力の少なくとも一部に基づいて、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分でのデラミネーションを含む非平坦性を規定する非平坦性座標セットを決定し、
   前記スキャナーは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の少なくとも一部を走査し、
   前記非平坦性が閾値を超えるとき、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層を塗布する前に、
   平滑化ローラーを前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分に案内し、
   前記平滑化ローラーを用いて、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分から材料を、前記局所的な部分の外側の前記連続的に照射される複数の面の前記各層を乱すことなく機械的に平滑化し、
   前記非平坦性が前記閾値を下回るとき、前記非平坦性が決定されても、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層の塗布を可能にする、方法。
2. 前記連続的に照射される複数の面の前記各層が、光学的に走査される、請求項１に記載の方法。
3. 前記連続的に照射される複数の面の前記各層が、音響的に走査される、請求項１に記載の方法。
4. 前記材料を機械的に平滑化することから生じる粒子が、吸引により除去される、請求項１に記載の方法。
5. 前記非平坦性が前記閾値を超えるとき、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層を塗布する前に、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の前記局所的な部分において、一部の材料を溶融することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記材料を機械的に平滑化することは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の前記局所的な部分において、材料を押し込めることを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記材料を機械的に平滑化することは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の前記局所的な部分において、加熱の後に押し込めることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記スキャナーは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層に、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層を塗布する前に、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の少なくとも一部を走査する、請求項１に記載の方法。
9. 前記スキャナーは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の一つまたは複数の縁部領域または張り出し領域のみを操作する、請求項１に記載の方法。
10. 前記スキャナーが前記連続的に照射される複数の面の前記各層の少なくとも一部を走査する連続する過程の間に、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層が塗布され、選択的に照射される、請求項１に記載の方法。
11. 前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分から材料を機械的に平滑化することは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層にわたってＸ方向およびＹ方向に前記平滑化ローラーを制御することを含む、請求項１に記載の方法。
12. 各層番号および／またはＺ座標に関連付けて、前記非平坦性座標セットおよび／またはＸＹ座標セットを格納して、前記非平坦性座標セットにおいて前記材料を機械的に平滑化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記非平坦性座標セットおよび／または前記ＸＹ座標セットに対応する除去および／または除去深さの形式に関するデータを格納することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 付加製造装置であって、
    電磁放射源と、スキャナーと、機械的除去要素を含み、
    前記付加製造装置は、さらにプロセッサーを含むか、またはプロセッサーと通信可能に接続され、前記プロセッサーは、前記付加製造装置に、三次元の物体を付加製造する方法を実行させるように構成され、
    前記方法は、
    粉末状の構成材料の連続的に塗布される複数の層の各層の少なくとも一部を溶融または焼結させるように構成された前記電磁放射源からの電磁放射により選択的に照射されることで、連続的に照射される複数の面の各層をもたらし、
    前記スキャナーからの走査入力の少なくとも一部に基づいて、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分でのデラミネーションを含む非平坦性を規定する非平坦性座標セットを決定し、
    前記スキャナーは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の少なくとも一部を走査し、
    前記非平坦性が閾値を超えるとき、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層を塗布する前に、
    前記機械的除去要素を前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分に案内し、
    前記機械的除去要素を用いて、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分から材料を、前記局所的な部分の外側の前記連続的に照射される複数の面の前記各層を乱すことなく機械的に平滑化し、
    前記非平坦性が前記閾値を下回るとき、前記非平坦性が決定されても、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層の塗布を可能にする方法である、付加製造装置。
15. コンピュータにより読み取り可能な記憶媒体であって、
    付加製造装置に通信可能に接続されたプロセッサーにより実行されると、前記付加製造装置に三次元の物体を付加製造する方法を実行させるコンピュータ実行可能指示を含み、
    前記方法は、
    粉末状の構成材料の連続的に塗布される複数の層の各層の少なくとも一部を溶融または焼結させるように構成された電磁放射源からの電磁放射により選択的に照射されることで、連続的に照射される複数の面の各層をもたらし、
    スキャナーからの走査入力の少なくとも一部に基づいて、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分でのデラミネーションを含む非平坦性を規定する非平坦性座標セットを決定し、
    前記スキャナーは、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の少なくとも一部を走査し、
    前記非平坦性が閾値を超えるとき、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層を塗布する前に、
    除去要素を前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分に案内し、
    前記除去要素を用いて、前記連続的に照射される複数の面の前記各層の局所的な部分から材料を、前記局所的な部分の外側の前記連続的に照射される複数の面の前記各層を乱すことなく機械的に平滑化し、
    前記非平坦性が前記閾値を下回るとき、前記非平坦性が決定されても、前記粉末状の構成材料の連続的に塗布される前記複数の層の次の層の塗布を可能にする方法である、記憶媒体。