JP2021522072A - ３次元物体を製造するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

付加造形粉末の少なくとも１つの層（１５０）を保持するのに適するホルダ（１４０）と、レーザビーム（１１１）を放出するのに適するレーザソース（１１０）と、粉末層の少なくとも一部分を走査するために粉末層にわたってレーザビームを誘導するのに適する走査デバイス（１３０）と、走査デバイスの上流に置かれて走査経路を変調するためのデバイス（１２０）とを含み、変調デバイスが、レーザソースから出力されたレーザビームを反射してそれを走査デバイスに向けて誘導するのに適する変調ミラー（１２１）を含み、変調ミラー上にレーザソースによって出力されたレーザビームの入射角が、２０と４５°の間で構成される選択的付加造形によって３次元物体を製造するための装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、選択的付加造形の技術分野に関連する。

選択的付加造形は、粉末状材料（金属粉末、セラミック粉末など）の連続階層上の選択されたゾーンの圧密によって３次元物体を生成するする段階で構成される。圧密ゾーンは、３次元物体の連続断面に対応する。圧密は、圧密ソースを使用して実行される全体的又は部分的な選択的融合によって層毎に行われる。このソースは、従来、放射線ソース（例えば、高電力レーザビーム）又は粒子ビームソース（例えば、ＥＢＭとして公知の電子ビーム又はこの分野で一般的に使用される専門用語での電子ビーム溶融）である。

しかし、従来の付加造形機械は、今日では不十分と見なされる生産性速度を有する。

付加造形機械器の生産性を高めるために、レーザソースの数が増加される場合がある。しかし、これは、いくつかの欠点を有する。そのようなシステムの有効性は限られている。異なるレーザソースの存在は、空間の問題を呈する。同じく、レーザソースの増倍は、有意なコストを必然的に伴う。

本発明の目的は、上記に提示した欠点の少なくとも１つを軽減することである。

この目的に対して、
−付加造形粉末の少なくとも１つの層を支持するのに適する支持体と、
−レーザビームを放出するのに適するレーザソースと、
−粉末層の少なくとも一部分を走査するようにレーザビームを粉末層の上に向けるのに適する走査デバイスと、
−走査デバイスの上流に配置されて走査軌道を変調するためのデバイスであって、変調デバイスが、レーザソースによって放出されたレーザビームを反射するのにかつそれを走査デバイスに向けて誘導するのに適する変調ミラーを含み、変調ミラー上のレーザソースによって放出されるレーザソースの入射角が、２０と４５°の間である上記変調するためのデバイスと、
を含む、選択的付加造形によって３次元物体を製造するための装置を提供する。

有利なことに、本発明は、単独で又は技術的に実施可能なその組合せのうちのいずれかで取られる以下の特徴によって補足される：
−走査デバイスは、第１の走査ミラー及び／又は第２の走査ミラーを含み、走査デバイスは、第１の走査回転軸に対する第１の走査ミラーの及び／又は第２の走査回転軸に対する第２の走査ミラーの向きを修正するのに適している、
−変調デバイスは、第１の変調回転軸及び／又は第２の変調回転軸に対する変調ミラーの向きを修正するのに適している、
−走査デバイスは、第１の範囲の走査角度値にわたって第１の走査回転軸に対する第１の走査ミラーの及び／又は第２の範囲の走査角度値にわたって第２の走査回転軸に対する第２の走査ミラーの向きを修正するのに適している、
−変調デバイスは、第１の範囲の変調角度値にわたって第１の変調回転軸及び／又は第２の範囲の変調角度値にわたって第２の変調回転軸に対する変調ミラーの向きを修正するのに適している、
−走査角度値の第１及び／又は第２の範囲は、変調角度値の第１及び／又は第２の範囲よりも広い、
−走査デバイスは、走査回転速度で第１の走査回転軸に対する第１の走査ミラーの及び／又は第２の走査回転軸に対する第２の走査ミラーの向きを修正するように構成される、
−変調デバイスは、変調回転速度で第１の変調回転軸及び／又は第２の変調回転軸に対する変調ミラーの向きを修正するように構成される、
−走査回転速度は、変調回転速度よりも低い、
−走査デバイスは、第１の走査ミラー及び第２の走査ミラーを含み、第１の走査ミラーは、変調ミラーから出力されたレーザビームを反射してそれを第２の走査ミラーに向けて誘導するのに適しており、第２の走査ミラーは、第１の走査ミラーから出力されたレーザビームを反射してそれを付加造形粉末の層の上に向けるのに適しており、システムは、粉末層の平面内で２つの自由度でレーザビームによる粉末層の走査の軌道を制御するために第１の走査回転軸に対する第１の走査ミラーの及び第２の走査回転軸に対する第２のミラーの向きを制御するのに適している、
−変調デバイスは、１．５ｋＨｚよりも高い、好ましくは１０ｋＨｚよりも高いか又はそれに等しい周波数での振動を含む変調に従って軌道を変調するのに適している、
−変調ミラー上にレーザソースによって放出されるレーザビームの入射角は、２５と３５°の間である、
−変調ミラー上にレーザソースによって放出されるレーザビームの入射角は、２８と３２°の間である、
−変調ミラーは、炭化珪素を含む、
−変調ミラーは、楕円形状の平面ミラーである。

本発明はまた、そのような装置を用いて実施されてかつ以下の段階：
−走査軌道に沿って付加造形粉末の層の少なくとも一部を走査する指令に従う走査デバイスの制御の段階と、
−走査デバイスの制御と同時に、レーザビームが粉末層のレベルで変調された走査軌道に従うように走査軌道を変調する指令に従う変調デバイスの制御の段階と、
を含む、選択的付加造形によって３次元物体を製造する方法に関する。

本発明は、単独で又は技術的に実施可能なその組合せのいずれかで取られる以下の特徴によって有利に補足される：
−変調デバイスを制御する段階では、変調デバイスは、変調回転速度で第１及び／又は第２の変調回転軸に対する変調ミラーの向きを修正するように制御される、
−走査デバイスを制御する段階では、走査デバイスは、変調回転速度よりも低い走査回転速度で第１の走査回転軸に対する第１の走査ミラーの及び／又は第２の走査回転軸に対する第２の走査ミラーの向きを修正するように制御される。

本発明の更に別の目標、特徴、及び利点は、以下の図面を参照して単に例示のために与えられて限定ではない以下の説明を読むことから明らかになるであろう。

本発明の例示的実施形態による装置を概略的に描く図である。 図１からの装置の斜視図を描く図である。 本発明の例示的実施形態による軌道のパターンを描く図である。 本発明の例示的実施形態による軌道のパターンを描く図である。 本発明の例示的実施形態による軌道のパターンを描く図である。 本発明の例示的実施形態による軌道のパターンを描く図である。 本発明の例示的実施形態による軌道のパターンを描く図である。 本発明の例示的実施形態による方法を描く図である。

装置の全体構造
図１及び図２を参照して、装置１を説明する。装置１は、例えば付加造形により、例えば選択的付加造形によって物体を製造するための装置１とすることができる。物体は、３次元物体とすることができる。

装置１は、支持体１４０を含むことができる。支持体１４０は、材料、例えば付加造形材料の少なくとも１つの層１５０を支持するのに適切とすることができる。材料の層１５０は、粉末の例えば付加造形粉末の層１５０である場合がある。

装置１は、ソース１１０を含むことができる。ソース１１０は、圧密ソースである場合がある。ソース１１０は、放射線ソース、例えばレーザソース、例えばレーザビームを放出するのに適する例えばレーザ光ソースとすることができる。

装置１は、走査デバイス１３０を含むことができる。走査デバイスは、例えば、例えば走査軌道に沿って例えば層１５０の少なくとも一部を走査するように、レーザビームを例えば層１５０の上に向けるのに適切とすることができる。

装置１は、デバイス１２０、例えば変調デバイス１２０、例えば走査軌道を変調するためのデバイスを含む。デバイス１２０は、走査デバイス１３０の上流に配置することができる。デバイス１２０は、ミラー１２１、例えば変調ミラー１２１を含むことができる。ミラー１２１は、レーザソースによって放出されたレーザビームを反射するのに及び／又はそれを走査デバイスに向けて誘導するのに適切とすることができる。ミラー１２１上にレーザソースによって放出されるレーザビームの入射角αは、２０と４５°の間であり、及び／又はレーザソースによって放出されてデバイス１２０に向けて誘導されるレーザビームとデバイス１２０から出力されて走査デバイス１３０に向けて誘導されるレーザビームとの間に形成される角度は、４０と９０°の間である。

入射角は、レーザビームの伝播方向とレーザビームが遭遇するミラー面のレベルでのミラーに対する法線との間の角度である。

用語「上流」及び「下流」は、レーザソースによって放出されるレーザビームの光子の流束の方向に対して、すなわち、レーザビームの光路に対して上流及び下流を意味する。すなわち、事前変調を用いて走査デバイス１３０によって定められた主軌道を変調すること及び従って変調軌道を取得することが可能である。

実際に、軌道の変調は、レーザソースによって供給されるエネルギの分布の改善を可能にし、これは、溶融槽の拡幅又は溶融材料のより広いビード及びレーザ経路に対応するベクトル数の低減、及びその結果として融合速度の増加、すなわち、同じ時間単位に対するより大きい溶融表面積によって反映される。正しい融合を得るために、材料は、例えばＪ／ｍｍ²で表されるフルエンスと呼ばれる時間単位当たりのエネルギ量を必要とする。フルエンスが低すぎると、融合が完了せず、材料は、必要な特性を持たないことになる。フルエンスが高すぎると、レーザスポットのほぼ中心で溶融槽が動的になりすぎることになり、これは、しぶき、スパーク、レーザビームを邪魔するかなりの煙、又は泡立ちのような望ましくない現象に至ることになる。そのような望ましくない現象は、得られる材料の品質を低減する。すなわち、レーザスポットの所与の直径に対して、レーザエネルギ及び融合速度、及び従って生産性は、従来技術では制限される。コンパクト性及び有効性に悪影響を及ぼさない変調デバイスに起因して、本発明は、第２の軌道が粉末槽の上の主軌道上に重ね合わされることを可能にする変調の導入を可能にする。

すなわち、軌道の中に変調を導入することにより、局所的レーザスポット及び直線的軌道に固有の制限を回避することが可能である。

装置は、すなわち、材料へのエネルギ伝達の効率の増加を可能にする。実際に、レーザビームの電力は、高度に局在化されるので、粉末のような材料は、急速に溶融し、得られる溶融槽は、光子に対してミラーとして作用する。その結果は、この関連では供給されるエネルギの有意な再放出である。

すなわち、、関連コストを制限しながら実施するのが単純に留まるより有効なソリューションを取得することが可能である。

複数のレーザソースの追加とは対照的に、レーザソースの取得及びその使用に必要な電力の両方にリンクするコストを制限することが可能である。

軌道の変調は、溶融槽の冷却動力学のより良い制御及び従って形成された材料の状態、特に金属の場合に冶金学的状態の改善も可能にする。

更に、変調パターンの選択により、変調は、例えば溶融槽の縁部と中心の間又は１つの縁部、中心、及び別の縁部の間のエネルギを調節してしぶき及び／又はスパークのような望ましくない現象を制限するために溶融槽の幅にわたって堆積されるエネルギの量を制御することを可能にする。

同じく、ソース、変調デバイス、及び走査デバイスの間の相対的な配置の選択により、有効かつコンパクトなデバイスを取得することが可能である。

実際に、装置は、いくつかのレーザソースを備えたソリューションと比較して特にコンパクトである。主張する配置は、単一レーザのみを必要とし、かつ付加造形の観点から品質を低減することなく特にコンパクトである。

特に、角度のそのような選択は、反射ゾーンの低減及び従って変調ミラーの寸法及び従ってその慣性の低減を可能にする。すなわち、例えば１．５ｋＨｚよりも高い高振動周波数を達成すること及び従って変調デバイスの効率を高めることが可能である。

同じく、そのような装置は、走査デバイスの広範囲な修正の必要なく、例えば走査デバイスのアクチュエータを制御するためのシステムに干渉することなく、既存の機器を修正することによって取得することができる。

レーザソース
レーザソース１１０は、例えばレーザファイバ、例えば連続レーザ、例えばガウスエネルギ分布を有する単一モードレーザを含む。

レーザビームは、２５０Ｗよりも高いか又はそれに等しい、例えば５００Ｗよりも高いか又はそれに等しい、例えば５０００Ｗよりも低いか又はそれに等しい、例えば３０００Ｗよりも低いか又はそれに等しい、例えば７５０と２５００Ｗの間、例えば１０００又は２０００Ｗに等しい電力を有することができる。

レーザビームは、粉末層１５０と接触する状態になり、レーザスポット又はスポットを形成することができる。スポットは、例えば５０よりも大きいか又はそれに等しい又は６０μｍ、例えば３００よりも小さいか又はそれに等しい又は２５０μｍ、例えば５０と２５０μｍの間、例えば７０又は１５０又は２５０μｍに等しい所与の直径を有することができる。

使用するレーザビームは、例えば、１０７０ｎｍの波長を有することができる。

装置１は、焦点距離を制御するための光学要素１１０１、例えばレーザソースからの出力に配置された焦点距離を制御するための光学レンズを含むことができる。焦点距離を制御するための光学要素は、焦点距離を調節するために移動可能であり、例えば、レーザソース１１０により近く及び／又はそこから更に離れるように移動するように移動可能であり、例えばレーザソースを離れるレーザビーム１１１によって形成される軸に沿って移動可能である場合がある。

装置１は、例えばレーザソース１１０と変調デバイス１２０の間に配置された焦点距離を制御するための光学要素との間に集束デバイス１１１０２を含むことができる。

装置１は、例えばトップハットタイプ又はドーナツタイプのエネルギ分布を取得するために、例えば走査された粉末層の部分の面、例えば上面に送出されるエネルギを均質化するようにレーザビームを成形するためのデバイスを含むことができる。成形デバイスは、回折レンズ又は屈折要素である又はそれを含むことができる。

走査デバイス
走査デバイス１３０は、第１の走査ミラー１３１及び／又は第２の走査ミラー１３２を含むことができる。走査デバイス１３０は、すなわち、例えば走査角度値の範囲にわたって１又は２以上の回転軸に対する第１の走査ミラー１３１の及び／又は第２の走査ミラー１３２の向きを修正するのに適切とすることができる。走査デバイス１３０は、例えば走査角度値の第１の範囲にわたって第１の走査回転軸１３３に対する第１の走査ミラー３１１の向きを修正するのに適切とすることができる。走査デバイス１３０は、例えば走査角度値の第２の範囲にわたって第２の走査回転軸１３４に対する第２の走査ミラー１３２の向きを修正するのに適切とすることができる。

走査デバイス１３０は、走査回転速度で第１の走査回転軸１３３に対する第１の走査ミラー１３１の及び／又は第２の走査回転軸１３４に対する第２の走査ミラー１３２の向きを修正するように構成することができる。

第１の走査ミラー１３１は、変調ミラー１２１から出力されたレーザビーム１１２を反射してそれを第２の走査ミラー１３２に向けて誘導するのに適している及び／又はそのように制御することができる。第２の走査ミラー１３２は、第１の走査ミラー１３２から出力されたレーザビームを反射してそれを層１５０の上に向けるのに適切とすることができる。システムは、例えば粉末層の平面の２つの方向に例えば粉末層の平面内で２つの自由度でレーザビームによる層１５０の走査の軌道を制御するために、第１の走査回転軸１３３に対する第１の走査ミラー１３２の及び第２の走査回転軸１３４に対する第２のミラー１３２の向きを制御するのに適切とすることができる。粉末層の平面は、粉末層の面、例えば上面に対応する平面とすることができる。

走査デバイス１３０は、例えば第１の走査ミラー１３１及び／又は第２の走査ミラー１３２の向きを修正するための少なくとも１つのアクチュエータを含むことができる。従って、走査デバイス１３０は、第１の走査回転軸１３３に対する第１の走査ミラー１３１の向きを修正するための第１のアクチュエータと、第２の回転軸１３４に対する第２の走査ミラー１３２の向きを修正するための第２のアクチュエータとを含むことができる。

第１の走査ミラー１３１及び／又は第２の走査ミラー１３２は、平面ミラー及び／又は例えば切断形状、楕円形、又は矩形、例えば正方形、又は円形に成形されたミラーとすることができる。

走査デバイス１３０は、付加造形粉末の層１５０の少なくとも一部のレベルで走査軌道又は主軌道をレーザビームに対して課す又はそれに沿ってレーザビームを誘導するのに適切とすることができる。走査軌道又は主軌道は、変調デバイス１２０による変調がない場合にレーザビームによって辿られると考えられる経路に対応する。それは、すなわち、走査デバイス１３０のある一定の制御に対応する。最終的な軌道は、すなわち、以下に説明するように主軌道及び２次軌道に依存する。

主軌道は、１又は２以上の例えば直線部分を含むことができる。これらの部分は、変調がない場合にビームが粉末層１５０に実質的に到達し、従って、これらの部分を辿るスポットを形成すると考えられる軌道の各部分に対応する。これらの部分は、例えばベクトルを形成する。

軌道は、対応する瞬間にレーザビームが放出されない又は走査デバイス１３０に到達しないので変調がない場合にレーザビームが粉末層１５０に実質的に到達しないと考えられる部分に対応する２つの部分を分離する１又は２以上のジャンプを含むことができる。

少なくとも２つの部分、例えば、２つの連続部分は、ベクトルギャップと呼ばれるギャップによって分離することができる。主軌道の連続部分は、例えば、同じギャップによって分離される。ギャップは、例えば１００μｍよりも大きく、例えば２００μｍよりも大きく、例えば４００μｍよりも大きく、例えば１０００μｍよりも小さく、例えば７００μｍよりも小さく、例えば５００μｍに等しい。変調デバイスを含む装置は、従来技術と比較してベクトルギャップの増加を可能にし、従って、主軌道の長さ及び従って製造時間を短縮することによってより高い効率を可能にする。

走査デバイス１３０は、３軸走査ヘッドを含むことができる。装置１は、次に、好ましくは、焦点距離１１０１を制御するための光学要素及び／又は上述の集束デバイス１１１０２を含むことができる。

走査デバイス１３０は、２軸走査ヘッドを含むことができる。装置１は、次に、好ましくは、走査デバイス１３０と層１５０の間に集束デバイス１を含むことができる。集束デバイス１は、例えばレンズ、例えば平面視野レンズ、例えばＦ−シータレンズを含む。

変調デバイス
変調デバイス１２０は、変調角度値の範囲にわたって例えば少なくとも１つの回転軸に対して例えば回転によって変調ミラー１２１の向きを修正するのに適切とすることができる。変調デバイス１２０は、例えば変調値の第１の範囲にわたって例えば第１の変調回転軸１２２に対する変調ミラー１２１の向きを修正するのに適切とすることができる。これに代えて又はこれに加えて、変調デバイス１２０は、例えば第２の変調値の範囲にわたって第２の変調回転軸１２３に対する変調ミラー１２１の向きを修正するのに適切とすることができる。第１の変調回転軸１２２及び第２の変調回転軸１２３は、２つの直交軸とすることができる。

変調値の第１の範囲及び／又は変調値の第２の範囲は、例えば、±０．００２５ｒａｄと±０．００１５ｒａｄの間、例えば±０．００２ｒａｄの振幅を有する。

走査角度値の範囲は、変調角度値の範囲よりも広い場合がある。走査角度値の第１及び／又は第２の範囲は、変調角度値の第１及び／又は第２の範囲よりも広い場合がある。実際に、変調は、例えば、走査デバイス１３０の制御からもたらされる主軌道上に重ね合わされる２次軌道を課すことにより、主軌道を決定する走査の変調を意図している。

変調デバイス１２０は、変調回転速度で第１の変調回転軸１２２及び／又は第２の変調回転軸１２３に対する変調ミラー１２１の向きを修正するように構成することができる。走査回転速度は、変調回転速度よりも低くすることができる。実際に、変調デバイスは、従って、より大きい反応性を提供することができる。

変調デバイス１２０は、例えば変調ミラー１２１の向きを修正するための少なくとも１つのアクチュエータを含むことができる。変調デバイス１２０は、すなわち、第１の変調回転軸１２２に対する変調ミラーの向きを修正するための第１のアクチュエータと、第２の変調回転軸１２３に対する変調ミラーの向きを修正するための第２のアクチュエータとを含むことができる。

少なくとも１つのアクチュエータ、例えば、第１のアクチュエータ及び／又は第２のアクチュエータは、例えば、少なくとも１ｋＨｚよりも高いか又はそれに等しい、例えば１．５ｋＨｚよりも高い、例えば２ｋＨｚよりも高い、例えば１５ｋＨｚよりも低い、例えば１２ｋＨｚよりも低い、例えば１．５と１０ｋＨｚの間の振動周波数で振動するのに適する圧電アクチュエータである又はそれを含むことができる。そのようなアクチュエータは、コンパクトかつ低コストに留まりながら高周波数が達成されることを可能にする。同じく、そのようなアクチュエータは、変調中の位置、すなわち、振幅の制御に対して及び変調がない場合に対応する基準位置への復帰に対して高い角度精度を可能にする。

少なくとも１つのアクチュエータ、例えば、第１のアクチュエータ及び／又は第２のアクチュエータは、電磁気又は機械アクチュエータである又はそれを含むことができる。

少なくとも１つのアクチュエータ、例えば、第１のアクチュエータ及び／又は第２のアクチュエータは、例えば、少なくとも１０ｋＨｚよりも高い、例えば１５ｋＨｚよりも高い、例えば２０ｋＨｚに等しい振動周波数で振動するのに適するＭＥＭＳとしても公知の微小電気機械システムである又はそれを含むことができる。そのような高変調周波数は、層上の満足できるパターン密度を保持しながら主走査速度の増加を可能にする。

少なくとも１つのアクチュエータ、例えば、第１のアクチュエータ及び／又は第２のアクチュエータは、検流計である又はそれを含むことができる。

ミラー１２１上にレーザソースによって放出されるレーザビームの入射角αは、２５と３５°の間とすることができ、及び／又はレーザソースによって放出されてデバイス１２０に向けて誘導されるレーザビームとデバイス１２０から出力されて走査デバイス１３０に向けて誘導されるレーザビームとの間に形成される角度は、５０と７０°の間とすることができる。

レーザビームは、それが変調ミラー上で反射された時に２０と４０ｍｍの間の直径、例えば約２３ｍｍ直径、及び／又は粉末層の面で５０と１００μｍの間の直径を有することができる。

４５°の入射角αに対して、変調ミラー上で反射された時に約３０ｍｍ直径のレーザビームに関して、変調ミラーは、少なくとも長さ４２ｍｍと幅３０ｍｍの楕円反射ゾーンを有するべきである。しかし、３０°の入射角に対して、変調ミラーは、長さ３５ｍｍと幅３０ｍｍの楕円反射ゾーンを有することができる。関連の質量は、従って、１８％の程度だけ低減される。

変調ミラー上にレーザソースによって放出されるレーザビームの入射角は、２８と３２°の間、例えば３０°に等しいとすることができる。

変調ミラー１２１は、例えば、切断形状又は楕円形の例えば平面又は成形ミラーであるミラーとすることができる。そのような形状は、材料の量を制限するのに特に適しており、粉末層の面上にレーザによって到達することができるゾーンを制限することなく高速振動を可能にする。

例えば、楕円ミラーは、Ｄ_f／ｃｏｓ（α）と２Ｄ_f／ｃｏｓ（α）の間の長さを有し、Ｄ_fは、レーザビームの直径であり、αは、変調ミラー上にレーザソースから放出されるレーザビームの入射角であり、例えば１．６Ｄ_f／ｃｏｓ（α）に等しい。ミラーは、例えば、Ｄ_fと１．１Ｄ_fの間、例えばＤ_fに等しい幅を有する。Ｄ_fは、例えば、１／ｅ²でのレーザビームの直径又はガウススポットのエネルギの８６％パーセントでのＤ８６である。

これに代えて、変調ミラー１２１は、矩形ミラー、例えば正方形、又は円形ミラーである場合がある。

変調ミラー１２１は、基板及び反射面コーティングを含むことができる。そのようなコーティングは、ミラー上の光子の反射を改善することができる。そのようなコーティングは、ミラーによるレーザビームのエネルギの吸収を防止又は制限するのを補助し、かつミラーの加熱を防止又は制限し、加熱は、変形に至り、かつビームの品質を低減する。そのようなコーティングは、従って、変調ミラーの使用寿命の延長を可能にする。変調ミラー１２１は、例えば、炭化珪素を含む。ミラーは、例えば、基板を含み、基板は、例えば、炭化珪素である及び／又は実質的に炭化珪素から形成される。炭化珪素は、ベリリウムのような材料に固有の欠点、例えば、毒性及び供給困難性及び供給コストを有することなく、質量／剛性の観点から良好な性能を提供する。すなわち、変調ミラーの質量及び従って慣性を更に低減し、従って、変調デバイス１２０のアクチュエータの振動周波数を更に高めることが可能である。

変調デバイス１２０は、変調に従って軌道を変調するのに適切とすることができる。変調デバイス１２０は、すなわち、付加造形粉末の層１５０の少なくとも一部のレベルで主軌道上に重ね合わされる変調軌道又は２次軌道をレーザビームに対して課す又はそれに沿ってレーザビームを誘導するのに適切とすることができる。

変調ミラー１２１は、例えば、少なくとも１つの軸、例えば２つの軸に対して、例えば第１の変調回転軸１２２及び／又は第２の変調回転軸１２３に対して振動するのに適切とすることができる。変調ミラー１２１は、すなわち、２つの軸、例えば第１の変調回転軸１２２及び／又は第２の変調回転軸１２３に対して同時に及び／又は独立に振動するのに適切とすることができる。

変調ミラー１２１は、すなわち、第１の変調回転軸１２２に対して第１の振動を使って及び／又は第２の変調回転軸１２３に対して第２の振動を使って振動するのに適切とすることができる。変調ミラー１２１は、例えば正弦波又は円形パターンを発生させるために第１の変調回転軸１２２に対して第１の振動を使って及び第２の変調回転軸１２３に対して第２の振動を使って同時に振動するのに適切とすることができる。第１の変調回転軸１２２及び／又は第２の変調回転軸１２３に対する振動は、例えば、２つの軸１２２と１２３の間で独立に振幅及び／又は周波数を制御することができる。

第１の変調回転軸１２２に対する振動は、第２の回転軸１２３に対する振動に対して相対的な位相オフセットを有するように制御することができる。例えば、位相オフセットを制御することは、パターン形状、パターン形状の変化、及び／又は走査方向に対するパターンの向きの調節を可能にする。

振動は、例えば、１００μｍよりも大きい、例えば２００μｍよりも大きい、例えば２０００μｍよりも小さい、例えば１０００μｍよりも小さい、例えば７５０μｍよりも小さい、例えば５００μｍに等しい振幅で粉末層１５０のレベルでの例えば２次軌道に固有の得られる振動を可能にする。振動は、同じスポット移動速度と同じフルエンスに対して溶融槽の幅を広げることを可能にすることができる。従って、ベクトルギャップ及び従って比面積生産性を相応に増大することが可能である。

変調ミラーは、例えば、第１の変調回転軸１２２及び／又は第２の変調回転軸１２３に対して１．５ｋＨｚよりも高い、好ましくは２．５ｋＨｚよりも高い、好ましくは１０ｋＨｚよりも高い周波数で振動するのに適切とすることができる。変調は、パターン、例えば、１．５ｋＨｚよりも高い、好ましくは２．５ｋＨｚよりも高い、好ましくは例えば１０ｋＨｚよりも高い周波数で繰り返される周期パターンを含むことができる。パターンは、例えば、振動である。変調は、パターンを形成することができる。従って、変調デバイスを使用して変調を導入することが可能である。

２次軌道は、例えば、パターンを粉末層の一部の面で主軌道上に重ね合わせることができるようなパターンを含むことができる。

図３ａから３ｃを参照すると、例示的パターンが示されている。パターンは、正弦波である。

図３ａ上では、太字の要素は、ギャップ３０３及びジャンプ３０２によって分離された各部分３０１を含む主軌道を表しており、一方で細い線内の要素は、レーザスポット３０４が通過する正弦波振動を提示するために２次軌道の重ね合わせ後の変調軌道を表している。

図３ｂ上では、２次軌道又は対応する変調軌道は、時間の関数としての軸に沿った変動として示されている。

図３ｃは、時間の関数として第１の変調回転軸３０５に関連付けられた制御と第２の変調回転軸３０６に関連付けられた制御との間の２次軌道を詳細に示している。この例では、変調ミラーは、専ら第２の変調回転軸の周りで振動する。

図４ａ及び４ｂを参照すると、例示的パターンが示されている。パターンは、円形である。

図４ａ上では、第２の軌道又は対応する変調軌道は、時間の関数としての軸に沿った変動として示されている。

図４ｂは、時間の関数として第１の変調回転軸４０５に関連付けられた制御と第２の変調回転軸４０６に関連付けられた制御との間の２次軌道を詳細に示している。この例では、変調ミラーは、第１の変調回転軸の周囲と第２の変調回転軸の周囲の両方で振動する。

レーザソース１１０、変調デバイス１２０、及び走査デバイス１３０は、例えば、１０００ｃｍ²／ｍｉｎよりも大きい、例えば２０００ｃｍ²／ｍｉｎよりも大きい、例えば４０００ｃｍ²／ｍｉｎよりも大きい、例えば１５，０００ｃｍ²／ｍｉｎよりも小さい、例えば１０，０００ｃｍ²／ｍｉｎよりも小さい、例えば６０００ｃｍ²／ｍｉｎの程度である面融合速度、すなわち、単位時間当たりのレーザスポットによって覆われる粉末層の面積を可能にするように配置される。変調デバイスが存在に起因して、本発明による装置は、面融合速度及び従って比面積生産性の劇的な増加を可能にする。

変調デバイス１２０及び走査デバイス１３０は、例えば、０．５と１０ｍ／ｓの間、例えば１と５ｍ／ｓの間、例えば１又は２ｍ／ｓに等しいレーザスポットの移動速度を可能にするように配置される。

変調ミラー１２１は、走査デバイス１３０が３軸走査ヘッドを含む場合に、例えば、集束デバイス１１１０２の下流のレーザソース１１０によって放出されるレーザビームの収束部のレベルに配置することができる。従って、レーザビームの品質の乱れを制限することが可能である。実際に、焦点距離１１０１を制御するための光学要素を離れるレーザビームは、発散性であり、集束デバイス１１１０２を離れた後にのみ収束する。変調デバイス１２０を他の場所、特に更に上流に配置することは、レーザビームを偏心させることによって光学機能を乱す危険を冒すと考えられる。

層及び支持体
支持体は、例えば、層が追加される時に移動されるように意図したレートを含む。

上記又は各粉末層１５０は、例えば、１０と１００μｍの間、例えば２０と６０μｍの間、例えば４０μｍに等しい厚みを有する。

上記又は各粉末層１５０の材料は、例えば、０．５と１０Ｊ／ｍｍ²の間、例えば１と５Ｊ／ｍｍ²の間、例えば２Ｊ／ｍｍ²に等しいフルエンスを有する。

上記又は各粉末層１５０の材料は、チタン及び／又はアルミニウム及び／又はインコネル及び／又はステンレス鋼及び／又はマルエージング鋼を含むことができる。上記又は各粉末層１５０の材料は、チタン及び／又はアルミニウム及び／又はインコネル及び／又はステンレス鋼及び／又はマルエージング鋼で構成することができる。

他のソース
レーザソース１１０と同様に、装置は、第２のソースを含むことができる。第２のソースは、粒子ビームソース、例えば電子ビームソース、例えば電子ビーム溶融ソース（この分野で一般的に使用されている専門用語での）、例えば電子銃とすることができる。

従って、装置１は、選択的融合を達成するためにいくつかのエネルギソースを含むハイブリッド装置とすることができる。第２のソースは、物体のコアで選択的融合を実行するのに適する１次エネルギソースを形成することができる。レーザソース１１０は、周囲ゾーンで、例えば物体の表皮に又はその縁部で選択的融合を実行するのに適する２次エネルギソースを形成することができる。

このようにして、その周囲のレベルで及びその容積が異なる機械的又は金属組織学的特性を有する物体を取得することが可能である。

装置１はまた、例えば、上述のレーザソースのような１又は２以上の他のレーザソース１１０を含むことができる。１又は２以上の他のレーザソース１１０、例えば各他のレーザソース１１０は、走査デバイス１３０、例えば上述のような走査デバイス１３０、及び／又は変調デバイス１２０、例えば上述のような変調デバイス１２０を含むことができる。従って、１又は複数の粉末層の異なるゾーンを処理するためにいくつかのレーザソース及び／又は走査デバイス及び／又は変調デバイスを並行して使用して大きい支持体及び大きい粉末層を通じて大きい構成要素を製造することが可能である。

制御手段
装置１は、装置を制御するのに、例えば、レーザソース１１０及び／又は変調デバイス１２０及び／又は走査デバイス１３０を制御するのに適する制御手段を含むことができる。

制御手段は、例えば、制御ユニットを含む又はそれを形成する。

制御手段は、例えばデータストレージ手段、例えばデータストレージユニット、例えばＲＡＭメモリ及び／又はＲＯＭメモリを含む。ストレージ手段は、以下に説明する方法に対応する命令を格納するのに適切とすることができる。

制御手段は、例えば計算手段、例えばプロセッサを含む。

制御手段は、以下に説明するような方法を実施するように構成することができる。

方法
図５を参照して、方法を選択的付加造形工程による３次元物体の製造に関して説明する。

本方法は、装置１を用いて実施することができる。

本方法は、走査軌道又は主軌道に沿って付加造形粉末の層１５０の少なくとも一部を走査する指令に従って走査デバイス１３０を制御する段階４００を含むことができる。

本方法は、走査軌道を変調する指令に従って変調デバイス１２０を制御するために段階４００での走査デバイスの制御と同時に実施される段階４０２を含むことができる。走査軌道を変調する指令は、例えば、第２の軌道又は変調軌道に対応する。

段階４００及び４０２は、レーザビームが粉末層１５０のレベルで変調された走査軌道に従うように実施することができる。変調された走査軌道は、走査軌道上の変調軌道の重ね合わせに対応することができる。

走査デバイス１３０を制御する段階４００では、走査デバイスは、走査回転速度で第１の走査回転軸１３４に対する第１の走査ミラー１３１の及び／又は第２の走査ミラー１３２の向きを修正するように制御することができる。変調デバイス１２０を制御する段階４０２では、変調デバイス１２０は、変調回転速度で第１の変調回転軸１２２及び／又は第２の変調回転軸１２３に対する変調ミラー１２１の向きを修正するように制御することができる。走査回転速度は、変調回転速度よりも低い場合がある。

詳細な例
７０μｍのスポット径、２ｍ／ｓのスポット移動速度、４０μｍの層厚、２Ｊ／ｍｍ²のフルエンスに対して、変調デバイス１２０なしの従来技術の例示的装置は、それが６００ｃｍ²／ｍｉｎの面融合速度を達成すると考えられるような５０μｍのギャップを必要とし、かつ２００Ｗのレーザ電力に制限されると考えられ、一方、変調デバイス１２０を含む上述の装置のような例示的装置は、例えば、５００μｍのギャップと５００μｍの２次軌道の振動幅とを可能にし、かつより大きいレーザ電力、例えば１０００から２０００Ｗを使用し、３０００から６０００ｃｍ²／ｍｉｎの面融合速度及び従って５対１０の比だけ改善される比面積生産性を可能にすると考えられる。

１ 選択的付加造形によって物体を製造するための装置
１１０ レーザソース
１２０ 変調デバイス
１３０ 走査デバイス
１５０ 粉末層

Claims (11)

1. 選択的付加造形によって３次元物体を製造するための装置であって、
   付加造形粉末の少なくとも１つの層（１５０）を支持するのに適する支持体（１４０）と、
   レーザビーム（１１１）を放出するのに適するレーザソース（１１０）と、
   前記粉末層の少なくとも一部分を走査するために前記レーザビームを該粉末層の上に向けるのに適する走査デバイス（１３０）と、
   前記走査デバイスの上流に配置されて走査軌道を変調するためのデバイス（１２０）であって、該変調デバイスが、前記レーザソースによって放出された前記レーザビームを反射してそれを該走査デバイスに向けて誘導するのに適する変調ミラー（１２１）を含み、該変調ミラー上に該レーザソースによって放出される該レーザビームの入射角が２０°と４５°の間である前記デバイス（１２０）と、
   を含むことを特徴とする装置。
2. 前記走査デバイス（１３０）は、第１の走査ミラー（１３１）、及び／又は、第２の走査ミラー（１３２）を含み、該走査デバイスは、第１の走査回転軸（１３３）に対する該第１の走査ミラーの向き、及び／又は、第２の走査回転軸（１３４）に対する該第２の走査ミラーの向きを修正するのに適しており、前記変調デバイス（１２０）は、第１の変調回転軸（１２２）、及び／又、は第２の変調回転軸（１２３）に対する前記変調ミラーの向きを修正するのに適していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記走査デバイスは、走査角度値の第１の範囲にわたって前記第１の走査回転軸（１３３）に対する前記第１の走査ミラー（１３１）の向き、及び／又は、走査角度値の第２の範囲にわたって前記第２の走査回転軸（１３４）に対する前記第２の走査ミラー（１３２）の前記向きを修正するのに適しており、
   前記変調デバイス（１２０）は、変調角度値の第１の範囲にわたって第１の変調回転軸（１２２）、及び／又は、変調角度値の第２の範囲にわたって前記第２の変調回転軸（１２３）に対する前記変調ミラーの前記向きを修正するのに適しており、
   走査角度値の前記第１の範囲、及び／又は、前記第２の範囲は、変調角度値の前記第１の範囲、及び／又は、第２の範囲よりも広い、
   ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記走査デバイスは、第１の走査回転軸（１３３）に対する前記第１の走査ミラー（１３１）の向き、及び／又は、前記第２の走査回転軸（１３４）に対する前記第２の走査ミラー（１３２）の前記向きを走査回転速度で修正するように構成され、
   前記変調デバイス（１２０）は、前記第１の変調回転軸（１２２）及び／又は前記第２の変調回転軸（１２３）に対する前記変調ミラー（１２１）の前記向きを変調回転速度で修正するように構成され、
   前記走査回転速度は、前記変調回転速度よりも低い、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の装置。
5. 前記走査デバイスは、第１の走査ミラー（１３１）及び第２の走査ミラー（１３２）を含み、該第１の走査ミラーは、前記変調ミラー（１２１）から出力された前記レーザビームを反射してそれを該第２の走査ミラーに向けて誘導するのに適しており、該第２の走査ミラーは、該第１の走査ミラーから出力された該レーザビームを反射してそれを付加造形粉末の前記層（１５０）に向けて誘導するのに適しており、
   このシステムが、前記粉末層の平面内で２つの自由度で該レーザビームによる該粉末層の走査の軌道を制御するために、前記第１の走査回転軸に対する該第１の走査ミラーの向き及び前記第２の走査回転軸に対する該第２のミラーの向きを制御するのに適していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記変調デバイス（１２０）は、１．５ｋＨｚよりも高い、好ましくは１０ｋＨｚよりも高いか又はそれに等しい周波数の振動を含む変調に従って前記軌道を変調するのに適していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記変調ミラー上に前記レーザソースによって放出される前記レーザビームの入射角が、２５°と３５°の間であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記変調ミラー（１２１）は、炭化珪素を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記変調ミラー（１２１）は、楕円ミラーであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記装置を用いて実施される３次元物体を選択的付加造形によって製造する方法であって、
    走査軌道に沿って付加造形粉末の前記層（１５０）の少なくとも一部を走査する指令に従って前記走査デバイス（１３０）を制御する段階と、
    前記走査デバイスの制御と同時に、前記レーザビームが前記粉末層（１５０）のレベルで変調走査軌道に従うように前記走査軌道を変調する指令に従って前記変調デバイス（１２０）を制御する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記変調デバイス（１２０）を前記制御する段階では、該変調デバイスは、変調回転速度で前記第１及び／又は第２の変調回転軸（１２２、１２３）に対する前記変調ミラー（１２１）の前記向きを修正するように制御され、
    前記走査デバイス（１３０）を前記制御する段階では、該走査デバイスは、前記変調回転速度よりも低い走査回転速度で前記第１の走査回転軸（１３３）に対する前記第１の走査ミラー（１３１）の及び／又は前記第２の走査回転軸（１３４）に対する前記第２の走査ミラー（１３２）の前記向きを修正するように制御される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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