JP2023500281A - レーザ衝撃波を使用して粒子を堆積するための機器および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、受け基板（１４０）の堆積面（１４１）上に少なくとも１つの粒子（１１）を衝撃波誘起噴霧することによって選択的に堆積するための機器（１００）に関し、前記機器は、レーザビーム（１０３）を放出するように構成される少なくとも１つのレーザ発生源（１０１）であって、前記レーザビームが一連の光パルスでできている、レーザ発生源（１０１）と、－基板（１４０）が固定される基板キャリア（１３０）と、－レーザビームに向けられる第１の面（１２１）および基板の堆積面（１４１）に向けられる第２の面（１２２）を備える衝撃波生成層（１２０）と、－前記レーザビームを、生成層の第１の面（１２１）の合焦領域に向けて合焦するための光学系（１０２）とを備え、－前記第２の面（１２２）が複数の空洞（１２３）を備え、空洞の各々が少なくとも１つの粒子（１１）を収容し、－基板（１４０）の堆積面（１４１）の方向に少なくとも１つの粒子（１１）を噴霧するために、前記レーザビームが、生成層の第１の面（１２１）上の合焦領域にプラズマ（１０４）、および、生成層（１２０）内で生成層の第１の面から第２の面（１２２）に伝播する衝撃波（１０５）を生成するように構成される。

Description

本発明は、レーザ衝撃波を使用して噴霧することによって粒子を堆積するための機器に関する。本発明は、レーザ衝撃波を使用して噴霧することによって粒子を堆積するための方法にも関する。より正確には、本発明の方法は、目標の領域の、局所的表面処理または機能付与を行う目的、または、目標領域への堆積を並置することにより３次元部品を作る目的で、目標の特定領域上に正しい位置および正しい速度で粒子毎に噴霧することによって、実行することにある。

本発明は、特に、基板または部品上で微視的および／またはメゾスコピックスケールでの複雑なパターンの作成に適用される。

本発明は、たとえば付加製造によって作成された部品の表面の粗さを低減するために、目標領域中に粒子毎に噴霧することにより堆積することによってコーティングの表面の標的処理にも適用される。

本発明の技術分野は、レーザ支援噴霧の分野として、一般的な様式で規定することができる。

数十マイクロメートルから数百、それどころか数千マイクロメートルの厚さを有する厚いコーティング層の基板または部品上の堆積を作成するために、自動車、航空機などの多くの産業分野で熱噴霧を使用することが知られている。

図１は、堆積される材料のための入口２およびエネルギー源のための入口３を備える、従来技術の熱噴霧器１の例を図示する。熱射出は、噴霧気体と呼ばれる気体４の中に、微粒子７の形で堆積される材料を導入することにある。気体は、微粒子７がコーティングされる部分へと加速し加熱し移送するため使用され、微粒子７は、基板５の表面６に衝突することになる。これらの微粒子７は、初期状態では固体であるが、噴霧気体の中に進んだ後は、液体、半溶融、またはそれどころか固体状態であってよい。したがって、基板上に噴霧される粒子は、粒子の運動状態、気体の中に進んだ後の粒子の状態、粒子の温度、基板の材料などに依存して、様々な方法で粉砕されて散布される。基板上の粒子の蓄積によって、これらの粒子を積み重ねることによりコーティングを実行することが可能になる。

熱噴霧によって、堆積物を作成するための多くの方法がある。１つの知られている技法は、金属コーティングまたはセラミックコーティングを作成することを可能にするプラズマ噴霧である。プラズマ噴霧は、より詳細には、様々な幾何形状およびサイズの部品をコーティングするための、セラミックコーティングの堆積のために使用される。プラズマ噴霧は、堆積される材料を、それらが加熱されて基板に向けて加速されるプラズマ媒体の中に粒子の形で噴出することにある。コーティングは、基板に衝突する、溶融または部分的に溶融した粒子を連続的に積み重ねることによって構築され、粒子は、基板で冷やされる。コーティングの厚さは、一般的に、両端を含めて５００μｍから１ｍｍの間である。

別の知られている技法は、冷間噴霧（ＣＳ）プロセスである。金属粉末は、新しい部品または修理される部品である目標上に、加圧気体（最高５０バールおよび１１００℃）によって非常に高速で噴霧される。鼓型チューブ（デラバルタイプ）によって、気体の温度および圧力を、運動エネルギーへと変換し、超音速へとその加速を推進し、１００℃未満の温度にそれを冷却することが可能になる。スプレーノズルの高圧領域の中に噴出される粉末は、１２００ｍ／ｓに達する場合がある速度に加速される。衝突における粒子の変形によって、非常に密な構造で非常に良好な接着性を有するコーティングを得ることが可能になる。

熱噴霧技法では、基板上のコーティング層の良好な機械的接着性を得るために、粒子を固着させることができるよう基板の表面上に凹凸を作り出すため、砂、コランダム、および／または氷などの研磨材料を使用して表面を準備することが必要である。仕様に対して十分な範囲の接着性を規定するために、一般的に、堆積の前に、知られた方法である接着試験が実行される。実際に、接着性が並である場合、堆積期間に基板の表面に粒子を付着させることができない、または、得られたコーティングが、たとえば、部品の製造期間に容易に取れてしまう可能性がある。表面準備技法は、基板の表面上に残留物をもたらす場合があり、したがって、すべての基板またはすべての部品に好適であるわけではない。

さらに、プラズマ噴霧は、約１０マイクロメートルより大きい粒径を有する付加材料として粉末を使用する。ナノメートルまたはミクロンの構造物を得る場合には、このことによって、基本粒子のサイズの縮小が必要になる。さらに、ベクトルガスによって、プラズマジェットの中に粒子を噴出するには、粒子が噴霧気体の中に良好に浸透するのを可能にするため、粒子の運動の量が、噴霧気体のものと一致する、または、後者より少なくともわずかに大きいことが必要になる。したがって、粒子の質量が減少する場合、目標上への粒子の最適な噴霧軌道を得るために、ジェットの中の粉末の分散が制限されるように、粒子サイズの分布および噴出パラメータ（気体流量、噴出器直径、およびジェットに対する噴出器の位置）の良好な制御が必要になる。

原則として、従来技術の解決策では、たとえば、特にミクロンの空間分解能での、部品の特定の領域における粒子毎噴霧による選択的堆積が可能にならない。

さらに、従来技術の解決策では、たとえば、多相コーティングを生成するような様式で、目標領域上で局所的に異なる材料を堆積することが可能にならない。多相コーティングという言葉によって、少なくとも２つの異なる材料または少なくとも２つの材料相で形成される複合コーティングを意味する。

さらに、本発明が改善することを意図する別の問題は、ノズルからの粒子の堆積にリンクした難点に関する。実際に、高い空間分解能を得るために、ノズルの部分および粒子の密度を制御することが必要である。

また、本発明は、基板の表面の準備に頼ることなく、優れた、または改善した接着特性を有する微細構造コーティングを得るために、基板および部品上で材料の粒子毎の堆積を高精度で実行することを可能にする機器および方法を提案することによって、従来技術の欠点を改善することを意図する。特に、本発明の機器および方法によって、特に粒子毎の集合体に基づいた複合多相パターンを形成するような様式での、広範囲な材料の堆積が可能になる。

受け基板の堆積面上に少なくとも１つの粒子を衝撃波誘起噴霧することによって選択的に堆積するための機器が提案され、前記機器が、
－レーザビームを放出するように構成される少なくとも１つのレーザ発生源であって、前記レーザビームが一連の光パルスでできている、レーザ発生源と、
－基板が固定される基板キャリアと、
－レーザビームに向けられる第１の面および基板の堆積面に向けられる第２の面を備える衝撃波生成層と、
－前記レーザビームを、生成層の第１の面の合焦領域に向けて合焦するための光学系と
を備え、
－前記第２の面が複数の空洞を備え、空洞の各々が少なくとも１つの粒子を収容し、
－基板の堆積面の方向に少なくとも１つの粒子を噴出するために、前記レーザビームが、生成層の第１の面上の合焦領域にプラズマ、および、生成層内で生成層の第１の面から第２の面に伝播する衝撃波を生成するように構成される。

本開示の意味における「粒子」という言葉によって、金属粒子、特にミクロン粒子を意味する。

ミクロン粒子という言葉によって、両端を含めて１μｍから１００μｍの間であるサイズを有する粒子を意味する。

本発明による機器および方法によって、有利なことに、基板の表面上で粒子毎の、選択的な様式での粒子を堆積するためのレーザ衝撃波技法の使用、および粒子から形成される３次元部品の目標領域における構築が可能になる。

本開示で提案される解決策のおかげで、粒子の機械的固着に有利に働く表面の粗さを増加させるために、サンドブラストなどといった、事前の基板の表面の準備を実行するのは、もはや必要がない。言い換えると、コーティングと基板の間の接着性を確実にするため、基板の表面の状態を変更する必要がもはやない。このために、たとえば、壊れやすい部品、特に医療用部品または宝飾部品上の、粒子の堆積物を作成することが可能である。

本発明による機器および方法によって、有利なことに、複雑な形状の基板もしくは部品上にミクロンスケールでパターンを作成すること、または、基板の対象の区域を局所的に機能的にすることが可能になる。

基板の堆積面上に１つずつ粒子を噴霧するために、キャリアガスの使用をなくし、プラズマによって発生した衝撃波だけを使用することによって、提案される技術的解決策により、従来技術でのように粒子の運動量を制御することおよびノズルの部分を制御することにリンクした技術的制約および問題を回避すること、基板の表面の性質、粒子の性質、基板の形状および幾何形状が何であれ堆積を可能にすることが可能になる。

１つずつ選択的な様式での粒子の堆積のおかげで、既存の金属部品の目標領域上に２Ｄもしくは３Ｄミクロンパターンを構築すること、または、互いの上の粒子の蓄積によって部品を得ることが可能である。

本開示によって提案される解決策によって、付加製造によって得られる部品の表面粗さを扱うことも可能になる。実際に、付加製造プロセスによって得られる部品は、一般的に、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの、外形の算術的粗さ（Ｒａ）を有する。この粗さは、付加製造プロセスに特有の連続する層の積み重ね、さらにまた部品の表面上で一緒に凝集した粉末の粒子の存在に関連する。本発明の方法によって、表面粗さを低減させるために、部品の材料と同じ性質の粒子の堆積を、粗い領域中で１つずつ行うことが可能になる。

提案される解決策によって、部品の疲労特性を改善するために、部品の目標領域の密度を上げることがやはり可能になる。

本発明の一実施形態によれば、機器は、レーザビームの波長で透過性があり生成層の第１の面をカバーする閉込め層をさらに備え、前記閉込め層が、生成層の第１の面のレベルで生成したプラズマを閉じ込めるように構成される。この閉込め層は、ガラスの層または水の層である。

本発明の一実施形態によれば、機器は、レーザビームのエネルギーレベルを指令するように構成される、レーザ発生源を制御するためのシステムをさらに備える。

本発明の一実施形態によれば、制御システムは、粒子のサイズ、粒子の材料、受け基板の材料、生成層の材料、および生成層の厚さの関数としてデジタルモデルに基づいて、レーザビームの最適なエネルギーレベルを決定するように構成されるコンピュータを備える。

本発明の一実施形態によれば、機器は、基板を加熱するための加熱手段をさらに備える。

本発明の一実施形態によれば、機器は、基板の温度を測定するように構成される温度センサをさらに備える。

本発明の別の実施形態によれば、機器は、ビデオカメラなどの画像取得システムをさらに備える。

以下の項で開示される特徴を、任意選択で採用することができる。特徴は、互いに独立に、または互いと組み合わせて採用することができる。
－閉込め層が、両端を含めて２００μｍから５０００μｍの間である厚さを有する。
－衝撃波生成層が、両端を含めて２００μｍから３０００μｍの間である厚さを有する。
－レーザ発生源が、両端を含めて１ナノ秒から５ナノ秒の間であるパルス持続時間を有し、両端を含めて１ジュールから１０ジュールの間であるエネルギーレベルを有する一連の光パルスでできているレーザビームを放出するように構成される。
－各空洞が少なくとも２つの筐体を備え、筐体の各々が粒子を収容する。
－粒子が、両端を含めて５μｍから１００μｍの間である直径を有する。

別の態様によれば、本発明は、上で記載した堆積機器を使用して粒子を堆積する方法であって、以下のステップ、すなわち、
－第１のステップ（Ｅ１）において、一連の光パルスでできているレーザビームを生成するステップと、
－第２のステップ（Ｅ２）において、レーザビームを生成層の第１の面に向け、生成層の第１の面上の合焦領域のレベルにレーザビームを合焦させるステップと、
－第３のステップ（Ｅ３）において、レーザビームのエネルギーレベルを、衝撃波生成層の第１の面のレベルでプラズマを生成するような様式に調整するステップと、
－第４のステップ（Ｅ４）において、生成層中に衝撃波を生成するステップであって、衝撃波が、第１の面から生成層の第２の面の方向に伝播して、基板の堆積面の方向に少なくとも１つの粒子を噴出する、ステップと
を備える方法をやはり提案する。

本発明の一実施形態によれば、レーザビームのエネルギーレベルは、粒子のサイズ、粒子の材料、受け基板の材料、生成層の材料、生成層の厚さの関数としてデジタルモデルに基づいて計算される。

本発明の別の実施形態によれば、方法は、以下のステップ、すなわち
－ステップＥ１からＥ４を繰り返して、基板の堆積面の校正領域上に少なくとも１つの粒子を堆積するステップと、
－基板の堆積面上での前記粒子の衝突領域の少なくとも１つの画像を取得するステップと、
－粒子の、および基板の堆積面の衝突領域の塑性変形を、レーザビームのエネルギーレベルの関数として評価するステップと、
－レーザビームの最適なエネルギーレベルを決定するステップと
を備える、レーザビームのエネルギーレベルの校正の予備的ステップ（Ｅ０）をさらに備える。

本発明の他の特徴、詳細、および利点は、以下の詳細な説明を読み、添付図面を分析して明らかになるであろう。

従来技術の熱粒子噴霧デバイスを示す図である。 レーザ衝撃波噴霧による粒子の選択的堆積のための、本発明の一実施形態による機器を示す図である。 図２の機器によって作成されるパターンの例を示す図である。 目標の表面上での粒子の衝突における粒子の状態を示す概略図である。 ４つの粒子から構成されるパターンの表面の、光学顕微鏡を通して観測された３Ｄ画像であって、パターンが、本発明の一実施形態による機器によって作成された３Ｄ画像である。 粒子を堆積する、本発明の一実施形態による方法のフローチャートである。

以降の図および記載は、本質的に、ある種の性質の要素を含む。したがって、それらは、本発明をより良好に説明するだけでなく、必要に応じてその規定を与えることにも役立つ。

図２において、レーザ衝撃波誘起噴霧による選択的堆積のための、本発明の一実施形態による機器１００が示されている。本実施形態によれば、機器は、以下のパラメータ、すなわち、レーザの波長、周波数、エネルギー、直径、およびパルス持続時間によって規定されるレーザビーム１０３を放出するように構成されるレーザ発生源１０１を備える。レーザ発生源のパラメータは、好ましくは、パラメータのうちの少なくとも１つ、特に、そのエネルギーレベルを調整するように設定することができる。

例として、特に、５００ｍ／ｓの速度で４つの粒子を堆積するため粒子堆積機器を使用する例（図５）では、レーザパルスの流れは、１０６４ｎｍの波長で４０ｎｓに等しい持続時間を有する。レーザビームは、１０Ｊのエネルギーで放出される。

機器は、機器によって噴霧される粒子を受け取ることが意図される受け基板１４０が固定される基板キャリア１３０をやはり備える。より正確には、受け基板は、レーザビームに向けられる第１の自由な堆積面１４１、および支持体に固定される第２の面を備える。支持体は、粒子の堆積の位置を動かすため、レーザビームの方向に垂直な水平面（Ｘ，Ｙ）で動く可動プレート上に取り付けられる。支持体１３０は、粒子と堆積面の間の接着性を最大化するような様式で、レーザビームに垂直に堆積面に提供するため３つの方向に向けることができる。さらに、この種類の支持体によって、複雑なパターンを作成するのが可能になる。

本開示において、堆積面１４１は、第１の層の粒子用の基板の表面、または、次の層の粒子用の受け基板上に堆積される層の表面に対応する。

堆積機器１００は、堆積面に垂直な軸Ｚに沿った焦点の調整を可能にする光学系１０２をさらに備える。

レーザ発生源１０１および光学系１０２は、これ以上記載されない。というのは、それらは当業者に知られており、従来技術のものと同様であってよいためである。

堆積機器は、少なくとも１つの粒子ドナー支持体１５０をやはり備える。

図２に図示したように、本発明の一実施形態によれば、ドナー支持体１５０は、プラズマ閉込め層１１０および衝撃波生成層１２０を備える。

閉込め層１１０は、レーザビームに向けられる第１の自由な面１１１および第２の面１１２を有する。衝撃波生成層１２０は、閉込め層１１０の第２の面１１２との接触界面を有する第１の面１２１および自由な第２の面１２２を有する。自由な第２の面１２２は、複数の空洞１２３を備え、空洞の各々が粒子１１を収容するように構成される。

こうして、プラズマ閉込め層１１０と衝撃波生成層１２０が、スタックの形で粒子ドナー支持体１５０を形成する。

堆積機器は、ドナー支持体１５０が取外し可能に取り付けられる第２の可動プレート（図示せず）をやはり備え、可動プレートは、レーザビームの方向に垂直な水平面Ｘ、Ｙに動く。したがって、第２の可動プレートのおかげで、基板１４０の堆積面１４１の目標領域上に１つずつ粒子を選択的に噴霧するような様式で、レーザビームの焦点の位置を、衝撃波生成層１２０の第１の面１２１上で動かすことが可能になる。こうして、特定の１つの粒子１１を選択し、その選択した粒子を堆積面の特定の領域上に噴霧することが可能になる。

本発明の一実施形態によれば、堆積機器は、複雑な形状を生成するために、マイクロメートル精度を有し６軸に関して方向付け可能なプレートを介した、受け基板１４０およびドナー基板１５０の運動の指令および制御のためのシステムを備える。

本発明の別の実施形態によれば、堆積機器は、各プレート用の指令および制御システムを備える。

閉込め層１１０は、レーザビームの波長で透過性がある材料でできている。この層は、同様に、容器中の水であってよい。光学系１０２は、レーザビーム１０３を、閉込め層を通して、衝撃波生成層の第１の面１２１上に合焦するように構成される。

この閉込め層１１０の機能は、高圧を生成し、そのことによって、衝撃波生成層１２０の第１の面の圧力を増加させることを可能にするような様式で、界面１２１に生成したプラズマの体積の拡大を減速させることである。さらに、閉込め層の存在によって、圧力を印可する持続時間を増加することも可能になる。閉込め層１１０は、好ましくは、両端を含めて２００μｍから５０００μｍの間である厚さを有する。閉込め層は、誘電体層である。閉込め層は、好ましくはガラスでできている。閉込め層は、同様に蒸留水または透明な粘着テープの膜で置き換えることができる。

衝撃波生成層１２０は、金属たとえばアルミニウム、または、レーザビームの波長で吸収性であるプラスチック材料でできている。衝撃波生成層１２０は、両端を含めて２００μｍから３０００μｍの間である厚さを有する。知られている物理現象によれば、短い持続時間で高パワーの光子パルスが生成層１２０の第１の面１２１上に合焦される場合、生成層の厚み内にレーザビームが浸入すると、レーザ材料相互作用が最初に反映され、レーザエネルギーを吸収する領域が作成される。固体中の光波の浸入の厚さは、数ナノメートルの程度のものである。パルスの持続時間が非常に短く、ビームのパワーが高いために、温度がこの領域でとても上昇し、生成層の材料の非常に薄い厚さが昇華する。次いでイオン化した蒸気がレーザビームと接触し、熱くて密なプラズマを生成し、プラズマは、パルスの持続時間を通してエネルギーを吸収し続ける。

生成層の第１の面のレベルで生成されるプラズマの拡大によって、生成層の第１の面上に圧力が加わる。この面の圧力によって、衝撃波生成層１２０の厚さ内部に圧縮波が生成され、第２の面１２２の方向に伝播する数十ギガパスカルに届く可能性がある振幅を有する機械的衝撃波が生じる。この方法で作られた衝撃波は、生成層の第１の面１２１から生成層の第２の面１２２に局所的に伝播する。空洞に収容された粒子に圧力を加える衝撃波の効果のために、その粒子は、受け基板１４０の堆積面１４１の方向に噴霧される。

粒子は、両端を含めて５μｍから１００μｍの間である直径を有する。基板は、両端を含めて５００μｍから２０００μｍの間である厚さを有する。粒子は、１０６４ｎｍの波長および、両端を含めて１ｎｓから５ｎｓの間であるパルス持続時間を有するレーザビームの生成を可能にするレーザ発生源を用いて堆積される。焦点におけるレーザビームの直径は、一般的に、両端を含めて５００μｍから２０００μｍの間である。レーザビームのエネルギーは、両端を含めて５ジュールから１０ジュールの間である。

図示されない本発明の別の実施形態によれば、空洞が複数の筐体を備えることができ、筐体の各々が粒子を受け取るようにサイズ決定される。

有利な様式では、衝撃波生成層の自由な面１２２上の空洞の配置によって、堆積面上に写すのが望まれるパターンが直接形成される。したがって、粒子が受け基板の堆積面上に噴霧されると、堆積した粒子が直接必要なパターンを形成する。こうして粒子を噴霧することによって、それらを堆積し、同時にパターンを転写することが可能になる。

空洞は、円形もしくは楕円形の断面、または他の幾何形状の断面を有する。空洞は、特に、知られているレーザテクスチャ処理によって作ることができる。この方法で生成した空洞は、粒子と同じ程度の大きさのミクロンの寸法を有する。

したがって、本発明の機器によって、レーザ衝撃波を使用して、ドナー支持体から基板の堆積面上に、粒子毎堆積によってパターンを作ることが可能になる。

パターンは、複数の粒子から形成される単一の層を備えることができる。パターンは、図２に図示されるような複数の層を同様に備えることができ、層の各々は、複数の粒子から形成される。

本発明の一実施形態によれば、選択的堆積機器は、複数の粒子ドナー支持体１５０を支持するためのフレームを備え、支持体の各々が、１つのタイプの粒子および１つのパターンを備える。フレームは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の系と関連する。様々な支持体がフレームに固定され、ドナー支持体を基板の堆積面の前に動かすような様式で、Ｘ方向およびＹ方向に動かされる。

図３は、基板の堆積面１４１上に粒子の配列を形成する粒子のパターン１０の例を図示する。この例によれば、パターンは、一定の間隔Ｌで配置される４つのタイプの粒子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを備える。

本発明の一実施形態によれば、図２が図示するように、レーザビーム１０３および粒子の噴霧の方向は、重力と反対の方向に向けられる。図２に図示される構成では、衝撃波生成層１２０の自由な面１２２は、基板の堆積面１４１の方向に、上向きに向けられる。噴霧期間に、粒子が収容された空洞から、粒子が、重力と反対方向の上向き方向に噴出される。したがって、この構成で、粒子を、衝撃波生成層の中の空洞に容易に保持することができる。閉込め層１１０が水から構成される状況では、衝撃波生成層が水の中に浸される。

基板上の粒子の衝突の瞬間における粒子の最適な臨界速度の決定
基板への粒子の接着性は、コーティングの性能の決定における支配的な要因である。

本開示の意味において「接着性」という言葉によって粒子と基板が結合される状態が意味される。

基板上の粒子の接着性は、主に、粒子の衝突の臨界速度によって支配される。

本開示の意味において「臨界速度」という言葉によって、それ未満では、粒子が基板に接着しない速度が意味される。

最適な条件下では、衝突速度は、せん断力をもたらす。２つの固体材料間の摩擦およびそれらが受ける塑性変形によって、材料中の局所的な温度上昇が引き起こされる。粒子および基板の衝突領域は、粒子と基板間の結合を作り出す塑性変形を受ける。

図４は、粒子１１によって受ける塑性変形および基板１４０上の粒子の衝突の瞬間における基板の衝突領域１４２を概略的に図示する。基板の中への粒子の推進および衝突領域のレベルにおける中空領域１４３の形成で、接着性が反映される。

基板への衝突の瞬間における高速で到達する粒子の挙動が、平面上への球体衝突について、有限要素計算によってシミュレーションされた。知られているモデルを使用して、基板上の粒子の衝突を、Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋタイプの挙動法則によってモデル化した。このモデルに基づいて、基板上の粒子の衝突について粒子の塑性変形の現象をシミュレーションし、粒子のサイズ、粒子の材料、および基板の材料を備えるパラメータの関数として、基板上の粒子の接着性について最適な臨界運動速度を計算することが可能である。

粒子の噴出速度の決定
基板上の粒子の接着を可能にする最適な臨界速度は、衝撃波の効果によって、粒子が空洞から噴出される速度に直接リンクされる。したがって噴出速度は、衝撃波生成層中のレーザビームによって生成される衝撃波にリンクされる。

知られているモデルによれば、ユゴニオの関係式（媒体中の状態の保存則）、ミーグリューンアイゼンの状態方程式、および衝撃波の速度と材料の速度をリンクする直線関係式に基づいて、生成層中の衝撃波の伝播をモデル化することが可能である。したがって、これらの方程式に基づいて、レーザビームによって誘起される衝撃波の振幅、したがって、レーザビームによって作られるプラズマにより加えられる圧力の関数として粒子が噴出される速度を決定することが可能となった。このため、次いで、生成層の材料および生成層の厚さの関数として粒子を噴霧する最適な速度を得るために、レーザビームの最適なエネルギーレベルを決定することが可能である。

したがって、衝撃波の効果および基板上の衝突の瞬間における粒子の臨界速度のため、粒子を噴霧する速度は、粒子のサイズ、粒子の材料、基板の材料、衝撃波生成層の厚さおよび材料、ならびにレーザビームのエネルギーレベルの関数として変化する。

粒子と基板の堆積面の間に良好な接着性を得るために、粒子のサイズ、粒子の材料、受け基板の材料、生成層の厚さおよび材料を知ると、基板上の粒子の衝突の瞬間における粒子の臨界運動エネルギーを得るため、レーザビームのエネルギーレベルを調整することが可能である。

図５は、レーザ衝撃波を使用してアルミニウム基板上に銅の４つの粒子を堆積する例を図示する。

生成層１１０は、５００μｍの厚さを有するアルミニウム層である。閉込め層は、ガラスの層であり、５ｍｍの厚さを有する。生成層の自由な面１２２は、各々が銅粒子を含む４つの空洞を含む。

衝撃波によって、４つの粒子を堆積面上に噴霧することが可能になった。粒子の速度は、経験値である５００ｍ／ｓである。

基板の堆積面上のレーザ衝撃波噴霧によって粒子を堆積する本発明の一実施形態にしたがった方法が、図６を参照して次いで以降で詳細に記載される。

第１のステップ（Ｅ１）では、ビームの最適なエネルギーレベルが、コンピュータ中で、知られている数値モデルから計算される。このモデルでは、粒子のサイズ、粒子の材料、受け基板の材料、受け基板の厚さ、衝撃波生成層の厚さ、生成層の材料は知られているパラメータである。したがって、粒子と基板の堆積面の間に良好な接着性を得るために、基板上の粒子の衝突の瞬間における粒子の臨界運動エネルギーを得るため、レーザビームのエネルギーレベルを調整することが可能である。

第２のステップ（Ｅ２）では、レーザ発生源の制御システムは、必要なパラメータ、すなわち、コンピュータにより送信されるエネルギーレベル、波長、パルス持続時間で、レーザビームを放出するようにレーザ発生源に指令する。レーザビームは、閉込め層を介して生成層の第１の面上に合焦される。本開示の図５に図示される例では、レーザ発生源は、たとえば、１０６４ｎｍの波長で、５．１ｎｓのパルス持続時間および１ジュールのエネルギーレベルを有して動作する。

第３のステップ（Ｅ３）では、閉込め層１１０と衝撃波生成層１２０の間の界面の表面にプラズマが生成される。これは、生成層によるレーザビームのエネルギーの吸収の結果である。プラズマは、レーザビームの吸収の後の、極端に短い時間期間、典型的には数ナノ秒にわたって作られる。

第４のステップ（Ｅ４）では、生成層中で衝撃波が生成され、粒子を担持する自由な第２の面１２２の方向に伝播する。この衝撃波は、生成層の表面上の、プラズマにより加えられる圧力の結果である。自由な面１２２に到達する衝撃波が、基板１４０の堆積面１４１の方向への、第２の面１２２の空洞に収容された粒子の噴霧を引き起こす。

本発明の一実施形態によれば、方法は、粒子の臨界速度の校正の予備的ステップ（Ｅ０）を備え、臨界速度は、粒子と基板の間に良好な接着性を得るために、基板の堆積面上の粒子の衝突の瞬間における粒子の速度である。したがって、この校正ステップによって、試験基板上でレーザ衝撃波を使用して粒子を堆積する実験的な試験で、数値モデルを検証することが可能になる。この校正ステップは、校正専用の基板の特定領域上で実行することもできる。

この予備的校正ステップは、数値モデルに基づいて計算されるレーザビームの異なるエネルギーレベルで、基板の堆積面の校正領域上に粒子を堆積するために、ステップＥ１からＥ４を繰り返すことにある。

この予備的ステップでは、ステップＥ４に続けて、以下のステップがある。
－基板の堆積面上での前記粒子の衝突領域の少なくとも１つの画像を取得するステップ、次いで
－粒子の、および受け基板の堆積面の衝突領域の塑性変形を、レーザビームのエネルギーレベルの関数として評価するステップ、
－レーザビームの最適なエネルギーレベルを決定するステップ。

本発明の第１の実施形態によれば、粒子堆積機器は、高速ビデオカメラなどの画像取得システムを備え、１０００Ｈｚと５００００Ｈｚの間のその画像取得周波数は、レーザ発生源のパルス周波数と同期される。画像取得システムによって、堆積手順期間に、計算されたレーザビームの様々なエネルギーレベルの関数としての、基板の堆積面上の粒子の衝突の直後の粒子の状態についての少なくとも１つの画像の、実時間取得が可能になる。

粒子の状態の３次元特性によって、粒子の、および基板の堆積面の衝突領域の塑性変形の定性的制御、ならびに、粒子と基板の間の接着性の品質の評価が可能になる。予備的校正ステップによって、複雑なパターンまたは部品を形成するための、粒子を堆積するのに続けて使用されるレーザビームの最適なエネルギーレベルの決定が可能になる。

本発明は、特に、以下を作るための用途を見つけることができる。
－複雑な幾何形状を有する宝飾品
－医療用構成要素
－特に付加製造によって得られる部品の表面の粗さを低減するための、目標領域中の仕上げコーティング
－領域の物理的特性の変更を可能にするコーティング
－電気機能性コーティング
－抗腐食性コーティング

非限定の例として、粒子は、以下でできていてよい。
－貴重な材料：金、銀、プラチナ、またはやや貴重な材料
－セラミック材料
－標準的金属

非限定の例として、基板は、以下でできていてよい。
－貴重な材料：金、銀、プラチナ、またはやや貴重な材料
－金属
－複合材料
－セラミックス

１ 熱噴霧器
２ 入口
３ 入口
４ 気体
５ 基板
６ 表面
７ 微粒子
１０ パターン
１１ 粒子
１１Ａ 粒子
１１Ｂ 粒子
１１Ｃ 粒子
１１Ｄ 粒子
１００ 機器、堆積機器
１０１ レーザ発生源
１０２ 光学系
１０３ レーザビーム
１０４ プラズマ
１０５ 衝撃波
１１０ 閉込め層、プラズマ閉込め層
１１１ 第１の自由な面
１１２ 第２の面
１２０ 衝撃波生成層
１２１ 第１の面、界面
１２２ 第２の面、自由な第２の面、自由な面
１２３ 空洞
１３０ 基板キャリア、支持体
１４０ 受け基板
１４１ 堆積面、第１の自由な堆積面
１４２ 衝突領域
１４３ 中空領域
１５０ 粒子ドナー支持体、ドナー基板
１７０ 制御システム
１８０ 加熱手段
１８１ 温度センサ
２００ 方法

Claims (15)

1. 受け基板（１４０）の堆積面（１４１）上に少なくとも１つの粒子（１１）を衝撃波誘起噴霧することによって選択的に堆積するための機器（１００）であって、
   レーザビーム（１０３）を放出するように構成される少なくとも１つのレーザ発生源（１０１）であって、前記レーザビームが一連の光パルスでできている、レーザ発生源（１０１）と、
   前記基板（１４０）が固定される基板キャリア（１３０）と、
   前記レーザビームに向けられる第１の面（１２１）および前記基板の前記堆積面（１４１）に向けられる第２の面（１２２）を備える衝撃波生成層（１２０）と、
   前記レーザビームを、前記生成層の前記第１の面（１２１）の合焦領域に向けて合焦するための光学系（１０２）と
   を備え、
   前記第２の面（１２２）が複数の空洞（１２３）を備え、前記空洞の各々が少なくとも１つの粒子（１１）を収容し、
   前記受け基板（１４０）の前記堆積面（１４１）の方向に少なくとも１つの粒子（１１）を噴出するために、前記レーザビームが、前記生成層の前記第１の面（１２１）上の前記合焦領域にプラズマ（１０４）、および、前記生成層（１２０）内で前記生成層の前記第１の面（１２１）から前記第２の面（１２２）に伝播する衝撃波（１０５）を生成するように構成される、機器（１００）。
2. 前記レーザビームの波長で透過性があり前記生成層の前記第１の面（１２１）をカバーする閉込め層（１１０）をさらに備え、前記閉込め層が、前記生成層（１２０）の前記第１の面（１２１）のレベルで生成した前記プラズマを閉じ込めるように構成される、請求項１に記載の堆積機器。
3. 前記閉込め層がガラスの層または水の層である、請求項２に記載の堆積機器。
4. 前記閉込め層が、両端を含めて２００μｍから５０００μｍの間である厚さを有する、請求項２または３に記載の堆積機器。
5. 前記レーザビームのエネルギーレベルを指令するように構成される前記レーザ発生源を制御するためのシステム（１７０）をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の堆積機器。
6. 前記制御システム（１７０）が、前記粒子のサイズ、前記粒子の材料、前記受け基板の材料、前記生成層の材料、および前記生成層の厚さの関数としてデジタルモデルに基づいて、前記レーザビームの最適なエネルギーレベルを決定するように構成されるコンピュータを備える、請求項５に記載の堆積機器。
7. 前記基板（１４０）を加熱するための加熱手段（１８０）をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の堆積機器。
8. 前記基板の温度を測定するように構成される温度センサ（１８１）をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の堆積機器。
9. ビデオカメラなどの画像取得システムをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の堆積機器。
10. 前記レーザ発生源（１０１）が、両端を含めて１ナノ秒から５ナノ秒の間であるパルス持続時間を有し、両端を含めて１ジュールから１０ジュールの間であるエネルギーレベルを有する一連の光パルスでできているレーザビームを放出するように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の堆積機器。
11. 各空洞（１２３）が少なくとも２つの筐体を備え、前記筐体の各々が粒子を収容する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の堆積機器。
12. 前記粒子が、両端を含めて５μｍから１００μｍの間である直径を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の堆積機器。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の堆積機器（１００）を使用して粒子を堆積する方法（２００）であって、
    第１のステップ（Ｅ１）において、一連の光パルスでできているレーザビーム（１０３）を生成するステップと、
    第２のステップ（Ｅ２）において、前記レーザビームを前記生成層（１２０）の前記第１の面（１２１）に向け、前記生成層の前記第１の面上の合焦領域のレベルに前記レーザビームを合焦させるステップと、
    第３のステップ（Ｅ３）において、前記レーザビームの前記エネルギーレベルを、前記衝撃波生成層の前記第１の面のレベルでプラズマを生成するような様式に調整するステップと、
    第４のステップ（Ｅ４）において、前記生成層（１２０）中に衝撃波を生成するステップであって、前記衝撃波が、前記第１の面から前記生成層の前記第２の面の方向に伝播して、前記基板（１４０）の前記堆積面（１４１）の方向に少なくとも１つの粒子を噴出する、ステップと
    を含む方法（２００）。
14. 前記レーザビームの前記エネルギーレベルが、前記粒子のサイズ、前記粒子の材料、前記受け基板の材料、前記生成層の材料、前記生成層の厚さの関数としてデジタルモデルに基づいて計算される、請求項１３に記載の堆積方法。
15. ステップＥ１からＥ４を繰り返して、基板の前記堆積面の校正領域上に少なくとも１つの粒子を堆積するステップと、
    前記基板の前記堆積面上での前記粒子の前記衝突領域の少なくとも１つの画像を取得するステップと、
    前記粒子の、および前記受け基板の前記堆積面の前記衝突領域の塑性変形を、前記レーザビームの前記エネルギーレベルの関数として評価するステップと、
    前記レーザビームの最適なエネルギーレベルを決定するステップと
    を含む、前記レーザビームの前記エネルギーレベルの校正の予備的ステップ（Ｅ０）をさらに含む、請求項１３または１４に記載の堆積方法。

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