JP2023526261A - 粉体層から物体を付加製造する方法 - Google Patents

Abstract

粉体層から物体を付加的に製造するための方法であって、本方法は、粉体を溶融させるために、粉体層の表面にスポットの形態のエネルギービームを投射するステップ（２００）と、スポットが、走査長手方向への並進運動と、揺動方向への少なくとも１つの成分を有する揺動運動とからなる運動で表面上を移動するように、エネルギービームで表面を走査するステップ（２０２）と、走査長手方向への並進運動に応じて、しかし揺動方向への揺動運動の成分を考慮することなく、走査中にエネルギービームの焦点を調整するステップ（２０４）と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、粉体層から物体を付加製造する方法、及びそのような方法を実施するのに適した装置に関する。

付加製造は、互いに重ね合わせた粉体層を溶融させることによって物体を製造するものである。これらの層は、製造される物体の様々な断面に対応する。

粉体層を溶融させるために、エネルギー供給源は、この粉体層の表面にエネルギービームを投射し、このような溶融が起こるスポットを形成する。その後、この溶融を層の表面全体に広げるために、表面を走査するようにエネルギービームを制御する。
従来、エネルギービームは、表面の様々なゾーンを長手方向に、往路方向（ｏｕｔｂｏｕｎｄ ｓｅｎｓｅ）と復路方向（ｒｅｔｕｒｎ ｓｅｎｓｅ）とに交互に走査していた。

さらに、スポットが長手方向に完全に直線的な並進運動ではなく、長手方向の並進運動と揺動（ｗｏｂｂｌｉｎｇ）運動からなる運動で表面上を進むように、エネルギー供給源を制御することが提案されている。揺動運動は、溶融プールを広げるように、特に横方向に高い周波数及び小さな振幅で振動する。揺動運動は、通常、ビームを振り子のような方法で所定の角度範囲で配向することによって得られる。

さらに、単位面積当たりの層へのエネルギー付与量が過度に変動しないように、スポットサイズを細かく制御することが望ましい。スポットサイズは、エネルギー供給源と表面との間でビームが進む距離に依存し、それ自体は、表面に対するビームの傾斜角によって変化する。従って、揺動運動は、スポットサイズを高い周波数で変化させることに貢献する。これを説明するために、図１は、表面に投射されたエネルギービームの経路を、長手方向に垂直な平面で示す。図１では、横方向は水平である。ビームの経路は、長手方向と平行な軸の周りを動くことができ、固定点Ｐを通過する。表記法は以下の通りである。
・Ｓは、ビームが表面に投射される形態のスポットの中心である。
・ｒは、点ＰとＳとの間の最小距離である。
・αは、ビームの揺動の半角である。
・Ｌは、点Ｐと、角度αで傾斜したビームが進む表面Ｓとの間の距離である。
・Ａは、表面上の点Ｓの横方向への揺動の半振幅である。

揺動の間、点Ｐと点Ｓの間のビームが進む距離は、次のような距離のズレｄによって変わる。

このズレｄの値は非常に小さい。例示的に、ｒ＝７００ｍｍ、Ａ＝０．３ｍｍの場合、ｄ＝０．０６μｍが得られる。

走査の間、スポットサイズを完全に一定に維持するためには、集束装置は、揺動を考慮する必要があり、従って、この非常に小さな距離のズレｄを考慮する必要がある。

本発明の１つの目的は、物体の付加製造中にエネルギービームによって粉体層に付与される単位面積当たりのエネルギー量に対して微調整を行うことができ、一方でそれと同時に、エネルギービームを放出するエネルギー供給源が早期消耗することなく、拡大した溶融プールを得ることである。

この目的のために、本発明の第１の態様は、粉体層から物体を付加製造のための方法を提案し、本方法は、
－粉体を溶融させるように粉体層の表面にスポットの形態のエネルギービームを投射するステップと、
－スポットが、走査長手方向への並進運動と、揺動方向への少なくとも１つの成分を有する揺動運動とからなる運動で表面上を移動するように、エネルギービームで表面を走査するステップと、
－走査長手方向への並進移動に応じて、しかし揺動方向への揺動運動の成分を考慮することなく、走査中にエネルギービームの焦点を調整するステップと、
を含む。

揺動に応じてエネルギービームの焦点を調整する集束装置は、理論的には経時的に不変のスポットサイズを得ることを可能にする。しかしながら、本発明者らは、このように構成された集束装置は、揺動振動の周波数が高く振幅が小さいため、早期に消耗してしまうことを見出している。

従って、第１の態様による方法のように、走査の過程で、揺動運動の揺動方向の成分を考慮することなくエネルギービームの焦点を調整することにより、そのような早期消耗を回避することが可能になる。
それにもかかわらず、長手方向の並進運動に応じてエネルギービームの焦点を調整することは、並進運動によって引き起こされるスポットサイズの著しい変動を制限することを可能にする。従って、第１の態様による方法を用いて単位面積当たりに付与されるエネルギー量は、依然として許容される割合で変化する。

第１の態様による方法は、それが技術的に可能である場合、以下の任意の特徴を、別々に又は組み合わせて有することができる。
好ましくは、揺動運動は、走査長手方向に対して垂直な走査横方向における横方向成分を含み、エネルギービームの焦点は、揺動運動の横方向成分を考慮することなく調整される。

好ましくは、揺動運動の横方向成分は、少なくとも１ｋＨｚの周波数で振動する。

好ましくは、揺動運動の横方向成分は、１００マイクロメートルから２ミリメートルの間の振幅で振動する。

好ましくは、揺動運動は、走査長手方向における長手方向成分を含み、エネルギービームの焦点は、揺動運動の長手方向成分を考慮することなく調整される。

好ましくは、揺動運動の横方向成分は、少なくとも１ｋＨｚの周波数で振動する。

好ましくは、揺動運動の長手方向成分は、１００マイクロメートルから２ミリメートルの間の振幅で振動する。

好ましくは、経路は、走査長手方向に互いにオフセットされた一連のループからなる。

好ましくは、ビームの焦点は、エネルギービームの投射の前に計算された事前計算集束パラメータ値を用いて調整され、事前計算集束パラメータ値の各々は、表面上のスポットの位置に関連付けられる。

同様に、本発明の第２の態様は、粉体層から物体を付加製造するための装置を提案し、本装置は、
－粉体を溶融させるようにスポットの形態で粉体層の表面にエネルギービームを投射し、－スポットが、走査長手方向への並進運動と、揺動方向への少なくとも１つの成分を有する揺動運動とからなる運動で表面上を移動するように、エネルギービームで表面を走査するように命令し、
－走査の間、走査長手方向への並進運動に応じてエネルギービームの焦点を調整するが、揺動方向の揺動運動の成分を考慮しない、
ように構成されたエネルギー供給源を備える。

本発明の他の特徴、目的及び利点は、添付図面を参照して読む必要がある以下の単に例示的かつ非限定的な説明から明らかになるであろう。

上述のように、表面上に投射されるエネルギーの揺動ビームの横方向への移動を図式的に示す。 １つの実施形態による付加製造装置の概略図である。 １つの実施形態による付加製造方法のステップを示すフローチャートである。 図３に関連する方法の実施中に、表面へのエネルギービームの投射によって生じるスポットがたどる経路を示す。

全ての図面において、類似の要素には同一の参照符号が付与されている。
付加製造装置
図２を参照すると、付加製造装置は、エネルギー供給源１及び支持体１４０を備える。
支持体１４０は、長手方向と長手方向に垂直な横方向との２方向に広がる、典型的には平面である自由表面を有する。以下では、長手方向を慣習的にＸと表記し、横方向をＹと表記する。

支持体１４０の自由表面は、粉体層１５０又は互いに積層された複数の層１５０のための支持面１４０として機能することが意図される。
一般に、エネルギー供給源１は、支持体１４０に向かってエネルギービームを投射するように設計されている。粉体層１５０が支持体１４０上に堆積されると、このエネルギービームは、スポットの形態でこの層１５０の上面に投射される。

エネルギー供給源１は、特に、エネルギービームを発生させるように構成された発生器１１０を備える。発生器１１０は、例えば、レーザー光源であり、発生するビームは、光子を含むレーザービーム、換言すると光ビームである。あるいは、発生器１１０は、電子ビームを発生するように設計されたＥＢＭ（電子ビーム溶融）タイプである。以下において、非限定的に、レーザービームが考慮されることになる。

エネルギー供給源１は、光ビームの焦点を調整するように設計された集束装置をさらに備える。従って、この集束装置は、ビームが支持体１４０上に堆積された粉体層１５０の上面に投影される形態のスポットのサイズを変えることができる。

集束装置は、例えば、集束素子１１０２と、集束素子に対してレンズの光軸と平行に並進移動可能な集束レンズ１１０１とを備える。集束レンズ１１０１は、ビーム発生器１１０の下流に配置される。以下、用語「上流」及び「下流」は、発生器１１０から支持体１４０までの光学経路上のエネルギービームの伝搬方向を暗示的に指す。
集束装置は、集束レンズ１１０１を集束素子１１０２に対して移動させるためのアクチュエータを備える。

エネルギー供給源１は、このビームが投射される形態のスポットが、支持体１４０に対して、層１５０の表面上で、長手方向及び横方向に対して移動できるように、エネルギーのビームを配向するように設計された走査装置１３０をさらに備える。
走査装置１３０は、集束装置の下流に配置される。

走査装置１３０は、例えば、第１の回転軸１３３の周りで支持体１４０に対して回転移動可能な第１の走査ミラー１３１と、第１の回転軸とは異なる第２の回転軸１３４の周りで支持体１４０に対して回転移動可能な第２の走査ミラー１３２とを備える。２つの走査ミラー１３１、１３２のうちの一方は、他の走査ミラーの下流に配置され、発生器１１０からのエネルギービームは、支持体１４０の方に向けられる前に、２つの走査ミラーで順に反射されるようになっている。

変形例として、走査装置１３０は、第１の回転軸１３３及び第２の回転軸１３４の周りで支持体１４０に対して回転運動可能な単一の走査ミラーを備える。その場合、この単一の走査ミラーは、発生器１１０からのエネルギービームが、支持体１４０の方に向かって放射される前に、この走査ミラーで反射されるようになっている。

さらに、走査装置１３０は、少なくとも１つのアクチュエータ（使用される各走査ミラーに対して１つ）を備える。各アクチュエータの目的は、走査ミラーを少なくとも１つの回転軸の周りで走査角の範囲にわたって回転移動させることである。
走査角の範囲は、例えば、スポットが層１５０の全表面又は少なくともその大部分をカバーすることができるように調整される。

走査装置の所定の構成について、発生器１１０から生じるビームの中心軸は、特定の点で支持体１４０の表面と交差する。従って、その点の座標（ｘ、ｙ）と走査ミラー１３１、１３２の角度位置との間には、数学的関係が存在する。

走査装置１３０は、詳細には、粉体層１５０の表面に投射されたスポットの複合運動を引き起こすように構成されている。この複合運動は、走査長手方向の並進である、往路方向の並進及び往路方向とは逆の復路方向の並進を含み、これらは互いに交互に行われ、走査長手方向は、支持体１４０の長手方向及び横方向から独立して選択される。
複合運動はさらに、支持体１４０上に堆積した粉体層１５０の表面上で、スポットの少なくとも１つの方向の揺動運動を含む。

レーザー光源１１０及び走査装置１３０は、例えば、表面溶融速度、すなわち単位時間当たりレーザースポットによってカバーされる粉体層１５０の面積が、１０００ｃｍ²／ｍｉｎより大きく、例えば２０００ｃｍ²／ｍｉｎより大きく、例えば４０００ｃｍ²／ｍｉｎより大きく、例えば１５０００ｃｍ²／ｍｉｎより小さく、例えば１００００ｃｍ²／ｍｉｎより小さく、例えば６０００ｃｍ²／ｍｉｎの程度にできるよう配置されている。
走査装置１３０は、例えば、０．５から１０ｍ／ｓの間、例えば１から５ｍ／ｓの間、例えば１又は２ｍ／ｓに等しいスポットの移動速度を可能にするように構成されている。

エネルギー供給源１は、集束装置及び走査装置１３０を制御するように構成された制御ユニットをさらに備える（制御ユニットは図示されていない）。この制御ユニットは、詳細には、これらの様々な装置のそれぞれのアクチュエータを制御するように構成されている。

制御ユニットは、支持体１４０の自由表面の平面における座標（ｘ、ｙ）の様々なペアに対して事前に計算された集束パラメータ値のテーブルを記憶するメモリを備えること又はそれに接続することができる。従って、スポットが支持体の表面の座標（ｘ、ｙ）の点に中心を置く場合、制御ユニットは、事前に計算された値のテーブル内のそのペアに関連する集束パラメータ値を用いて集束装置に命令するように構成されている。

付加製造方法
図３を参照すると、本明細書に記載された装置を用いた付加製造方法は、以下のステップを含む。
図１に示すように、少なくとも１つの粉体層１５０を支持体１４０上に堆積する。粉体層１５０は、支持体の長手方向及び支持体の横方向に広がる自由表面を有する。

粉体の粒子は、例えば１０から１００μｍの間、例えば２０から６０μｍの間、例えば４０μｍに等しい粒径を有する。
粉体層１５０又は各粉体層１５０の材料は、例えば０．５から１０Ｊ／ｍｍ²の間、例えば１から５Ｊ／ｍｍ²の間、例えば２Ｊ／ｍｍ²に等しい流動性を有する。

粉体層１５０又は各粉体層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。

発生器１１０は、エネルギービームを放射するように作動される。このエネルギービームは、集束装置及び走査装置１３０を通過し、スポットの形態で粉体層１５０の自由表面上に投射される（ステップ２００）。従って、粉体層１５０は、このスポットの領域で、その粒子の溶融点まで加熱される。

走査装置１３０は、スポットが表面上の走査長手方向に並進的に移動するようにビームを配向する（ステップ２０２）。
ステップ２０２の間、走査装置１３０は、この並進運動が揺動運動によって変調されるように、エネルギービームを揺動させる。従って、スポットは、上記の複合運動で移動する。

揺動運動は、多くの方法で具現化することができる。
第１の実施形態では、揺動運動は走査横方向のみに行われ、この走査横方向は走査長手方向に対して垂直である。従って、スポットがたどる経路はジグザグ経路である。

第２の実施形態では、揺動運動は、走査横方向の揺動成分と走査長手方向の揺動成分とを含み、走査横方向は走査長手方向と垂直である。換言すると、この揺動運動は、スポットに、走査横方向だけでなく、走査長手方向にも粉体層１５０の表面で揺動するようにさせる。

これら２つの成分の組み合わせにより、２次元の揺動運動を規定すること、従って、走査長手方向に互いにオフセットした一連のパターンからなるスポット経路を規定することができ、これらのパターンの形状は、これら２つの成分の特定のパラメータ、特にその周波数、その振幅及びその位相シフトに依存する。

例えば、揺動の２つの成分が同じ周波数で振動する場合、揺動運動は円形又は楕円形になることができる。この円形又は楕円形の動きと、走査装置１３０によって行われる上記の並進とを組み合わせることによって、図４に示されるように、層１５０の表面において、スポットは、長手方向に互いにオフセットした一連のループからなる経路をたどるように工夫することができる。図４において、点線の矢印は、長手方向における走査装置の上述の並進移動を表す。

変形例では、この揺動運動は、他の形状、例えば８の字の形状又は無限記号の形状（つまり８の字を横にした形状）とすることができる。その場合、スポットは、単純なループよりも複雑な一連のパターンからなる経路をたどる。

揺動運動が横方向成分を有する場合、この横方向成分は、好ましくは、少なくとも１ｋＨｚの周波数で振動する。この周波数は、典型的には、エネルギービームがレーザービームである場合には、１ｋＨｚから１０ｋＨｚの間であり、エネルギービームが電子ビームである場合には、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間である。さらに、揺動運動の横方向成分は、１００マイクロメートルから２ミリメートルの間の振幅で振動することができる。

同様に、揺動運動が長手方向成分を有する場合には、この長手方向成分は、好ましくは、少なくとも１ｋＨｚの周波数で振動する。この周波数は、典型的には、エネルギービームがレーザービームである場合には、１ｋＨｚから１０ｋＨｚの間であり、エネルギービームが電子ビームである場合には、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間である。さらに、揺動運動の横方向成分は、１００マイクロメートルから２ミリメートルの間の振幅で振動することができる。

走査の間、集束装置は、エネルギービームの焦点を調整する必要がある。このような調整を行うために、集束レンズ１１０１は、集束要素１１０２に対して並進移動し、これは、粉体層１５０の表面に対し供給源１によって形成される光学系の像焦点面を移動させる効果を有する。

集束装置によって行われる集束調整は、走査装置１３０によって行われる、スポットを長手方向に並進移動させる走査を考慮する。従って、走査に起因するスポットサイズの変動は、この調整によって制限される。
より具体的には、焦点調節によって調整されるビーム焦点距離は、走査装置の走査ミラーの角度位置に応じて変化する。

上述のように、走査装置１３０の所定の構成について、供給源１によって投射されたエネルギービームの中心軸は、座標（ｘ、ｙ）を有する特定の点で支持体１４０の表面と交差する。従って、その点の座標（ｘ、ｙ）と走査ミラーの角度位置との間には数学的関係が存在する。基材上に堆積した層１５０の平均厚さを考慮することにより、走査の過程でビームの焦点を修正するために集束装置が使用するパラメータ値を事前に計算し、これらを制御ユニットが使用するメモリに格納することが可能である。従って、制御ユニットは、集束装置に命令を出すために計算を行う必要がない。

対照的に、集束装置が行う焦点調整は、走査装置１３０によって生じる揺動を考慮しない。より具体的には、ビーム焦点距離は、揺動によってもたらされるビーム角度位置に依存しない。
換言すると、集束装置は、ビームの揺動が存在しないかのように動作するように構成されている。

上述のステップは、走査横方向における表面の複数の隣接するゾーン上で繰り返される。これらのゾーンは、走査長手方向に走査されるが、粉体層１５０の表面の２次元走査プロセスを加速するために、互いに交互になる往路方向と復路方向とで走査される。

上述した方法は、他の変形例の対象とすることができる。
第１に、エネルギービームは、本明細書で説明した装置１２０以外の他のタイプの揺動誘発装置によって揺動させることができ、本明細書で説明した装置以外の他のタイプの集束装置によって集束させることができる。上述の方法は、エネルギー供給源の内部構造、詳細には複合運動の様々な成分の生成を可能にする構造に無関係に、スポットの形態で表面上に投射されるエネルギービームの焦点を変更し、この表面上の並進運動及び揺動運動からなる複合運動でこのスポットを動かすことができる何らかのタイプのエネルギー供給源に適用することができる。

第２に、好ましい実施形態である本明細書に記載された方法の実施形態では、エネルギービームの焦点を調整するために、揺動運動のどの成分も考慮されない。このことは、光源、特に集束装置の早期消耗を回避する利点を提供する。変形例として、揺動運動が横方向及び長手方向の２つの成分を有する場合、ビームの集束が揺動運動の２つの成分のうちの一方にだけに依存することを想定することができる。確かに、これは、供給源の大きな消耗をもたらすが、ビームに対する焦点の制御はより正確になる。

第３に、集束パラメータ値を事前に計算することは、大きな計算負担を避けるために非常に有利であるが、そのような値は、走査中にその場で計算することが依然として可能である。

Claims (10)

1. 粉体層から物体を付加製造するための方法であって、
   －粉体を溶融させるように前記粉体層の表面にスポットの形態のエネルギービームを投射するステップ（２００）と、
   －前記スポットが走査長手方向への並進運動と、揺動方向への少なくとも１つの成分を有する揺動運動とからなる運動で前記表面上を移動するように、前記エネルギービームで前記表面を走査するステップ（２０２）と、
   －前記走査長手方向への前記並進運動に応じて、しかし前記揺動方向への前記揺動運動の前記成分を考慮することなく、前記走査中に前記エネルギービームの焦点を調整するステップ（２０４）と、を含む
   ことを特徴とする方法。
2. 前記揺動運動は、前記走査長手方向に対して垂直な走査横方向における横方向成分を含み、前記エネルギービームの前記焦点は、前記揺動運動の横方向成分を考慮することなく調整される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記揺動運動の前記横方向成分は、少なくとも１ｋＨｚの周波数で振動する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記揺動運動の前記横方向成分は、１００マイクロメートルから２ミリメートルの間の振幅で振動する、
   請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記揺動運動は、前記走査長手方向における長手方向成分を含み、前記エネルギービームの前記焦点は、前記揺動運動の前記長手方向成分を考慮することなく調整される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記揺動運動の前記横方向成分は、少なくとも１ｋＨｚの周波数で振動する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記揺動運動の前記長手方向成分は、１００マイクロメートルから２ミリメートルの間の振幅で振動する、
   請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記経路は、前記走査長手方向に互いにオフセットされた一連のループからなる、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ビームの前記焦点は、前記エネルギービームの投射の前に計算された事前計算集束パラメータ値を用いて調整され、前記事前計算集束パラメータ値の各々は、前記表面上の前記スポットの位置に関連付けられる、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 粉体層から物体を付加製造するための装置であって、前記装置は、粉体を溶融させるようにスポットの形態で前記粉体層の表面にエネルギービームを投射するように構成されたエネルギー供給源を備え、前記エネルギー供給源は、
    －前記スポットが、走査長手方向への並進運動と、揺動方向への少なくとも１つの成分を有する揺動運動とからなる運動で前記表面上を移動するように、前記エネルギービームを用いて前記表面を走査するように命令し、
    －前記走査の間に、前記走査長手方向への前記並進運動に応じて前記エネルギービームの焦点を調整するが、前記揺動方向の前記揺動運動の成分を考慮しない、
    ように構成された制御ユニットを備える、
    ことを特徴とする装置。

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