JP3630678B2 - 粉体焼結装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は輻射加熱の分野に関し、更に詳細には、選択的レーザー焼結を行う上での輻射加熱を利用した粉体焼 結装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
選択的レーザー焼結は、部品及び他のフリーフォーム中実品を次々に層を重ねることによって製造するための比較的新しい方法である。この方法は、このような物品を焼結のメカニズムで形成し、外部からエネルギを加えることによって粒子を中実の塊に形成する任意の方法に関する。選択的レーザー焼結によれば、レーザーを制御することによって外部エネルギを集束し且つ制御し、熱融合性粉体の選択された位置を焼結する。次々に層を重ねることによってこの方法を実施することによって、機械加工のような、材料を減少する方法では容易につくることのできない複雑な部品及びフリーフォーム中実品を迅速に且つ正確につくることができる。従ってこの方法は、原型品の製造に特に有利であり、コンピュータ援用設計データベースから直接このような部品及び物品を注文製作する上で特に有利である。
【０００３】
選択的レーザー焼結は、熱融合性粉体の層をターゲット表面に重ねることによって行われる。粉体の種類の例には、金属粉、焼結後にインベストメント鋳造に使用できるワックスのようなポリマー粉、セラミック粉、及びABSプラスチック、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリカーボネート、及び他のポリマーのようなプラスチックが含まれる。製造されるべき部品の断面層に対応する粉体層の部品を、方向がコンピュータの制御下で鏡によって制御されるレーザーが発生するビームのような、集束され且つ方向が制御されたエネルギビームに当てる。層の選択された部分をこのように焼結即ち結合した後、前に選択的に焼結した層に別の粉体層を重ね、製造されるべき部品の次の断面層に従ってエネルギビームを新たな層の焼結部分に差し向ける。各層の焼結は、層内に中実の塊を形成するばかりでなく、新たに焼結した部分の下にある前に焼結した粉体への各層の焼結も行う。このようにして、選択的レーザー焼結法は層を重ねる方法で部品を形成し、融通性、正確性、及び製造速度が従来の機械加工の方法よりも優れている。
【０００４】
選択的レーザー焼結法及びこれを実施するための装置は、1989年９月５日付けの米国特許第4,863,538号、1990年７月３日付けの米国特許第4,938,816号、1990年７月31日付けの米国特許第4,944,817号、及び1988年４月21日に公開されたPCT公開WO 88/02677号に詳細に記載されており、これらの特許について触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組み入れたものとする。
【０００５】
選択的レーザー焼結の分野で遭遇する問題点は、熱の効果によって部品が狂ったり（反ったり）収縮したりすることである。このような狂いは、焼結した層が、前に焼結した真下にある層に接着しないようにカーリングするため明らかになり、この狂いは、部品の層が互いに接着していても、部品自体が狂う場合、例えば平らな底面が縁部で上方にくるんとカールして下方に凸状になった湾曲面となる場合に別の形で明らかになる。この狂いの大きな原因は、焼結した層が焼結中のその温度から焼結前の温度まで下がることによる熱収縮であると考えられ、これは、極端な場合には、個々の層が互いに接着しないようにする。更に、層を重ねる製造中の、部品の不等冷却、例えば、部品の一番上の層が下の層よりも迅速に冷却されることが狂い及びカーリングを引き起こすということが観察された。
【０００６】
このような狂いを少なくする上で、製造される物品の温度を制御することが重要な要因であることが観察された。部品温度を制御するための装置は、上文中で引用したPCT公開WO 88/02677号に記載されており、この装置は温度が制御された空気をターゲット領域（即ち粉体及び製造中の部品）に通す。通風によるこのような制御は、焼結工程中及び焼結工程後に部品に加えられる温度差を小さくし、冷却による収縮を小さくし、前に焼結した層の温度を十分高い温度に維持して緩和を行うものと考えられる。
【０００７】
選択的レーザー焼結の分野で遭遇する問題点は、エネルギビームによって構成された容積を越える、製造される部品の望ましからぬ成長（growth）である。周知のように、レーザービームのスポット径は極めて小さくすることができ、そのため、レーザー走査によって部品の容積を構成する選択的レーザー焼結法によれば、製造される部品の解像度は理論的には極めて高い。しかしながら、焼結により生じる熱の伝導によりレーザー走査の外側の粉体粒子が、直接焼結された部分に焼結されることがある。これによって、断面層はレーザー走査によって構成された断面層よりも大きくなる。更に、成長は、例えば、焼結による十分な熱が層の焼結した部分に、次の粉体層をその上に置いたときに、残っている場合、層から層へ起こり、そのため、次の粉体層はレーザービームへの露呈なしに前の層に焼結する。上文中で説明した下向き通風装置は、焼結を受ける層から粗熱を伝達してこのような層間成長の程度を小さくすることがわかっている。
【０００８】
しかしながら、対流式温度制御の使用は、製造される層の温度を一様に制御する上での角度が限定されている。これは、製造される部品を空気の通風が通過するときに必然的に通過しなければならない行路（通風路を制御する部品の構成）が定まっておらず且つ一様でないためである。従って、製造される部品の温度を制御しようとする試みで使用された別の技術は、ターゲット表面の近くに配置された輻射加熱器である。このような輻射加熱器には、投光機、水晶ロッド、及び従来の平らな輻射パネルが含まれる。
【０００９】
輻射熱を選択的レーザー焼結ターゲット表面に与えるための平らな輻射パネルを有する従来の装置を第１図を参照して以下に説明する。第１図には、DTM社が製造し且つ販売しているSLS125型机上製造システムの似略図が示してある。第１図の装置は、室２（明瞭化を図るため、室２の前扉及び天板は第１図には示してない）を有し、この室内で選択的焼結工程が行われる。ターゲット表面４は、本明細書中で説明する目的のため、部分ピストン６上に置かれた熱融合性粉体の上面（存在する場合には前に焼結した部分を含む）に関する。部分ピストン６の垂直方向運動は、モータ８によって制御される。レーザー10がビームを提供し、このビームはガルバノメータによって制御される鏡12（明瞭化を図るため、一つだけを示す）によって、上文中で言及した米国特許に記載された方法で反射される。この装置には、モータ16によって制御される粉体ピストン14が更に設けられている。上文中で引用したPCT公開WO 88/02677号に記載されているように、粉体をターゲット表面４に一様に且つ平らに移送するため、逆回転ローラ18が設けられている。
【００１０】
作動では、第１図の装置は粉体を粉体シリンダ14を介して室２に供給し、粉体は、粉体シリンダ14をモータ16で上方に部分的に移動させることによって室２内に配置される。ローラ18（好ましくは堆積を防ぐためのスクレーパを備えた）（明瞭化を図るため、前記スクレーパは第１図には示してない）は、粉体シリンダ14から部分ピストンＧの上部にある粉体表面のターゲット表面４に向かって及びこのターゲット表面に亘って並進することによって、前記PCT公開WO 88/02677号に記載された方法で粉体を室内に拡げる。ローラ18が粉体を粉体ピストン14から与えるとき、ターゲット表面４は（前の層が置かれているかどうかに関わらず）、好ましくは、室２の床の僅か、例えば５ミル、下にあり、処理されるべき粉体層の厚さを構成する。粉体を滑らかに且つ全体に亘って分布させるため、粉体シリンダ14によって与えられる粉体の量は、部分シリンダ６が受入れることのできる量よりも多いのが好ましく、そのため幾分過剰の粉体がローラ18の運動によってターゲット表面４上に拡げられる。これは、粉体ピストン14を、ターゲット表面４が設定された室２の床の下の距離よりも大きく上方へ（例えば、５ミルに対して10ミル）移動することによって行われる。更に、並進速度に対する回転速度の比が一定であるように、ローラ18の逆回転を室２内でのローラ18の並進に従属させるのが好ましい。
【００１１】
更に、作動では、粉体をターゲット表面４に移送し、ローラ18を粉体ピストン14近くのその本来の位置に戻した後、レーザー10は、製造されるべき部品の層の断面に対応するターゲット表面４の粉体の部分を上文中で引用した米国特許及びPCT公開公報に記載された方法で選択的に焼結する。粉砕の特定の層について選択的焼結を完了した後、部分ピストン６を次の層の厚さに対応する量だけ下方に移動させローラ18から粉体の次の層が与えられるものを待つ。
【００１２】
第１図のこの従来技術の装置には、輻射熱パネル20が設けられ、これらのパネルは室２の天板から吊り下げられている。この従来の構成の輻射熱パネル20は、従来の平らな矩形の熱パネルであり、これらのパネルの各々は、エネルギをその表面に亘って単位面積当たりほぼ一様に放出する。この構成では、輻射熱パネル20は、レーザー10からのビームがこれらのパネルの間を通過できるように互いから隔てられており、上述のように、成長及びカーリングを小さくするため表面温度を制御できるようにターゲット表面４を加熱するため、ターゲット表面４に対して所定の角度で配置されている。
【００１３】
第１図の装置の使用にあたり、ターゲット表面４の温度が一様でないことが観察された。このようなターゲット表面の温度の非一様性は、製造される部品の一部（即ち最も高温の場所）の成長と同時に部品の他の部分（即ち最も低温の場所）でのカーリング又は他の狂いを引き起こす。従って、第１図の装置では、この非一様性のため、これらの有害な効果が起こらないようにするためにターゲット表面４の温度を最適化することが困難である。
【００１４】
更に、理論的には、ターゲット表面に対して実際上無限の大きさを持つ平らな輻射加熱器要素を加熱されるべき表面に平行に配置することによって、表面を一様に輻射加熱することができるということに注目されたい。しかしながら、このような加熱器を閉鎖室内で使用する場合、過度に大きな室はその中の周囲温度を制御する能力を低下させるため、このような大型の加熱器を設けることは実際的でなく、大型の「フットプリント」を必要とする関連した費用のため、商業的な用途について好ましくない。更に、このような平らな加熱器は、レーザーを通すための貫通開口部が設けられていないため、必然的に選択的レーザー焼結に適しないということに注目されたい。
【００１５】
【発明の開示】
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、粉体焼結装置を提供することであり、この粉体焼結装置は、輻射加熱要素を備え、この輻射加熱要素から距離を隔てられたほぼ平らな表面に、この平らな表面に入射する単位面積当たりの全エネルギがほぼ一様であるようにエネルギを放出する。
【００１７】
本発明の別の目的は、加熱器から距離を隔てられた平らな表面の温度を一様にすることである。
本発明の別の目的は、選択的レーザー焼結を行うため の装置に特に適合する輻射加熱要素を持つ、選択的レー ザー焼結を行うための装置を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、表面温度の調節を行うことができるようにする制御自在のセグメントを備えた輻射加熱要素を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ターゲット平面に集中したエネルギビーム を提供するエネルギ源と、ターゲット平面に粉体を配置 する手段と、単位面積当たりに発散される輻射エネルギ の量が各ゾーン間で異なるようにゾーン分けされた同心 のゾーンを有し、これら各ゾーンからの輻射エネルギに より、ターゲット平面では単位面積当たりほぼ一様な量 の輻射エネルギが伝達されるようになっている輻射加熱 要素とを有し、輻射加熱要素は、該輻射加熱要素を貫通 する開口を規定する内縁部を有し、輻射加熱要素は、前 記エネルギビームが前記内縁部により規定された開口を 通過するように配置されている、粉体焼結装置を提供す る。
【００２０】
【発明を実施するための最良の形態】
次に、第２図及び第３図を参照して本発明の第１の好ましい実施例を以下に詳細に説明する。本発明のこの第１の好ましい実施例の輻射加熱器30は、面に導線がはんだ付けしてあるパッドのような、接続部32を持つ抵抗加熱器である。
【００２１】
加熱器30は、パッド32間で加熱器に電流を通すことによって熱を発生する。
加熱器30内の抵抗材料は、蝕刻を施したフォイル又はニッケル−クロムの銅線のような、輻射加熱器でよく用いられる抵抗フィラメントである。
【００２２】
変形例では、リングの材料自体が抵抗を持つ発熱材料として役立つのがよく、この場合には、電流を強制的に流して効率を改善するため、加熱器30がパッド32間（即ち短い移動方向）に隙間又は誘電障壁を持つのが好ましい。別の変形例では、電流が加熱器30の側部に沿った同じ部分を流れるように、パッド32が加熱器30の面上で互いに直径方向反対方向に間隔を隔てられていてもよい。
【００２３】
しかしながら、この場合には、加熱器30は効果の上では並列の二つの抵抗器であり、そのため抵抗値が小さくなり、I²Rの電力の放散及び加熱器30の発熱を減少させることとなるため、最も非効率である。
【００２４】
加熱器30上に設けたパッド32の他の形状及び配置は、本明細書中の記載を参照した当業者には明らかであると考えられる。
本発明のこの実施例による輻射加熱器30を使用した実験を、以下に説明するように、従来のリング形状の電熱器を輻射加熱器30として使用して行う。加熱器30として使用されるこの従来の要素は、クロマラックスＡ−903/240型として販売されている1800ワット（ｗ）のリング形状ストリップ加熱器である。クロマラックスストリップ加熱器は、バット及び他の液体等用の容器を加熱するための電熱器として製造され且つ販売されている。
【００２５】
本発明のこの実施例によるリング形状輻射加熱器30の、加熱器30と加熱されるべき表面との間の距離に対する寸法は、加熱されるべき表面での温度の一様性を高める上で非常に重要であると考えられる。以下に詳細に説明するように、これらの寸法を決定するのにこのような輻射加熱器の熱伝達のモデル化を使用するのがよい。
【００２６】
基本的な熱伝達理論によれば、熱源本体（本体１）とターゲット本体（本体２）との間のエネルギ伝達量ｑは、以下のように表現される。
ｑ＝F_EF_GσA₁（T₁ ⁴−T₂ ⁴）
ここで、F_Eは、二つの本体の放射率で決まる放射率係数であり、F_Gは、以下に説明する幾何学的「視認係数（ビューファクター）」であり、σはシュテファン−ボルツマン定数であり、A₁は熱源本体の面積であり、T₁及びT₂は、夫々、熱源本体及びターゲット本体の温度である。例えば、ホルツマンの「熱伝達」第２版（マッグロウヒル社1963年）を参照されたい。
【００２７】
輻射加熱器30に適用できる例におけるように、熱源本体が拡散表面である場合には、輻射エネルギは等方性をなして放射される。従って、熱源本体から放射された放射エネルギのほんの僅かな部分だけがターゲット本体に到達する。勿論、これは、熱源本体及びターゲット本体の形状に左右される。かくして、幾何学的視認係数F_Gは、熱源本体によって放射されたエネルギの、ターゲット本体に到達する部分を与えるため、上掲の関係で使用される。全ての他の係数を等しく保つことによって、熱源本体の形状の関数としての、及び関連したターゲット本体の位置の関数としてのエネルギ伝達量の依存関係を決定することができる。好ましくは、この決定に必要な計算を行うのにコンピュータモデル化プログラムを使用するのがよい。
【００２８】
視認係数F_Gの計算は、簡単な形状についても非常に複雑であるということに着目されたい。熱伝達の分野で周知の文献が、視認係数及び特定の表に載っていない形状について視認係数を決定できる代数学的原理を公にしている。例えば、ハウエルの「輻射形状係数」（マッグロウヒル社）を参照されたい。例えば、平行で同心の円盤間の視認係数は以下のように表現されるということは周知である。
【００２９】
F₁→_２＝1/2｛Ｘ−［X²−４（R₂/R₁）^２］^1/2｝
ここで、F₁→_２、熱源円盤についてのターゲット円盤に対する視認係数であり、ここで、R₁及びR₂は、熱源円盤及びターゲット円盤の夫々の半径であり、円盤間の距離（第３図に距離ａとして示す）によって除せられる。ここで、
Ｘ＝１＋（１＋R₂ ²）/R₁ ²
である。輻射加熱器30のようなリング形状熱源円盤について、及び円形のターゲット表面について、先ず最初に上述の関係に従って二つの視認係数F₁→_2a及びF₁→_2bを計算することによって視認係数F_1R→_２を得るのに代数学的視認係数の原理を使用した。これらの視認係数は、円盤状熱源１から二つの同心の円盤状ターゲット2a及び2bまでの視認係数に対応する。ここで、円盤2aの半径は円盤2bの半径よりも大きい。次いで、円盤状ターゲット2aと同じ外形Raを有し且つ円盤状ターゲット2bと同じ内径Rbを持つリング状熱源からの視認係数F_1R→_２を視認係数F₁→_2a及びF₁→_2bから以下のように計算することができる。
【００３０】
F_1R→_２＝（F₁→_2a−F₁→_2b）A₁/（A_2a−A_2b）
第２図を参照すると、輻射加熱器30は、以上の表現で用いられた慣用と対応して外径Ra及び内径Rbを持つものとして示してある。
【００３１】
ターゲット表面に亘るエネルギ分布の一様性を決定するため、上文中で得られた視認係数をターゲット表面（即ち本体２）全体についてでなくターゲット表面の小さな部分について考慮する必要がある。この場合、勿論、エネルギ伝達量ｑをターゲット表面の種々の部分について比較することによって一様性を計測することができる。この分析では、熱源本体がリング形状であり、ターゲット表面と平行であり且つ同心であるため、ターゲットの中央から同じ半径方向距離にあるターゲット表面の全ての部分について視認係数（及び従ってエネルギ伝達量）が同じであると仮定することができる。従って、リング形状熱源本体からターゲット本体の異なるリング形状要素までの視認係数を代数学的視認係数の原理から以下のように容易に得ることができる。
【００３２】
F_1R→_2R＝F_1R→₂|_r+Δ_ｒ−F_1R→₂|_r
これは、視認係数を、ターゲット本体即ちターゲット表面の内径ｒで且つ外径ｒ＋Δｒの異なるリング形状部分に合わせて計算する。かくして、ターゲット表面の異なる要素について視認係数F_1R→_2Rを計算し、算出した視認係数の各々を異なるターゲット要素の面積で除し、エネルギ伝達量の密度（即ち単位面積当たりの量ｑ）を得ることによって、ターゲット表面のリング形状部分の各々についてエネルギ伝達量ｑの比較を行うことができる。
【００３３】
次に第４図及び第５図を参照すると、従来使用されていたような円盤形状の平らな輻射加熱器からのエネルギ伝達の一様性と、本発明の第１の実施例によるリング形状輻射加熱器30からのエネルギ伝達の一様性との比較を以下に説明する。第４図及び第５図のプロットは、以上説明した熱伝達モデルを使用して得られたものである。
【００３４】
第２図及び第３図を参照すると、モデル化したシステムの寸法の例示として、第４図に対してモデル化した円盤形状加熱器の半径は21.8cmであり、第５図に対してモデル化したリング形状加熱器の外径Raと等しい。モデル化した輻射加熱器30の内径Rbは15.25cmであった。第４図及び第５図の両方について、モデルにおけるモデル化した加熱器とターゲット表面４（第３図参照）との間の距離は22cmであり、ターゲット表面４の半径R₂は15cmであり、距離増分Δｒは0.25cmであった。
【００３５】
第４図は、ターゲット表面４に亘る平均エネルギ伝達密度（即ちq/単位面積）に対して正規化した従来の円盤形状加熱器についてのモデル化の結果を示す。
第４図の結果から、このような従来の円盤形状加熱器を使用した場合にはターゲット表面４の中心での温度が周囲よりも高いと結論付けることができる。本発明のこの実施例によるリング形状輻射加熱器30についてモデル化した結果を例示する第５図は、第４図の結果をもたらす円盤形状加熱器よりも一様性が顕著に改善されたことを示す。
【００３６】
同様に、上文中で言及したクロマラックス電熱器の寸法と適合するリング加熱器のモデル化、及びクロマラックス加熱器自体についての実験的計測を行ってモデルを証明する。モデル化した実際のクロマラックス加熱器の寸法には13.93cmの外径Ra及び10.79cmの内径Rbが含まれる。このモデル化の数値上の結果によれば、クロマラックス加熱器の寸法に従って伝達された輻射加熱器30についての単位面積当たりに伝達されたエネルギパーセントでの最大偏差（即ち最小と最大との間の差）は、約24.5％であると予想される。
【００３７】
装置に第１図に示すように配置され、ターゲット表面の温度を23℃の周囲温度から約70℃まで上昇するように制御された1800wのクロマラックス電熱器について計測を行った。周囲温度の偏差をパーセントで計算したターゲット表面４の温度の計測された（熱電対で計測を行った）偏差の総計は、約19.4％であり、上文中で論じたモデル化したエネルギ伝達偏差の結果とぴったりと適合する。従って、上述のモデルは、輻射加熱器30のような輻射加熱器から、この加熱器から距離を隔てられた平行な表面へのエネルギ伝達の一様性を予想する上で極めて正確であると考えられる。
【００３８】
クロマラックス電熱器の例は、同じ大きさの円盤状加熱器に対して改善された結果をもたらすけれども、第５図に関してモデル化された輻射加熱器30の例の寸法は、クロマラックス電熱器の寸法に対して好ましいと考えられる。
【００３９】
従って、第５図に示すように、本発明のこの実施例による輻射加熱器30は、かくして、平行なターゲット表面の温度の一様性について、従来の輻射加熱器の形体と比較して顕著な改善をもたらす。
【００４０】
モデル化及び実験から、所与の大きさの輻射加熱器30について輻射加熱器30とターゲット表面４との間の距離や、リングの幅（即ち外径Raと内径Rbとの差）のような輻射加熱器30の特定の寸法の変化が、ターゲット表面４に放出されたエネルギの一様性に大きな影響を与えることがあるということも観察された。
【００４１】
第６図及び第７図を参照すると、これらの図には、輻射加熱器30とターゲット表面４との間の距離を変化させることによって得られる効果が上述の方法で行った熱伝達のモデル化の結果として示してある。第６図及び第７図の目的についてモデル化した輻射加熱器30の寸法は、第５図についてモデル化した寸法と同じである。第６図は、ターゲット表面４からの距離の関数としての、リング形状輻射加熱器30のモデル化された正規化輻射エネルギ分布を例示する。第６図に示すように、輻射加熱器30をターゲット表面４に近付けると、ターゲット表面４の周囲が中央部よりも大量のエネルギを不釣り合いに受入れ、輻射加熱器30をターゲット表面４から十分に距離を隔てると、ターゲット表面４の中央部は、周囲よりも単位面積当たりに大量のエネルギを受入れるようにバランスが変化する。第７図を参照すると、偏差パーセント（第６図を作るのに用いた結果から計算した）が輻射加熱器30とターゲット表面４との間の距離に対してプロットしてあり、輻射加熱器30によって放射された、ターゲット表面４に放出された全エネルギのパーセントがプロットしてある。予想されたように、22cmの距離ａで偏差が最小になるということがわかる。更に、ターゲット表面４へのエネルギ放出効率は、距離ａの増大に従って減少するということもわかる。従って、輻射加熱器30とターゲット表面４との間の距離ａは、ターゲット表面４に放出される輻射エネルギの量において重要であるばかりでなく、このような放出の一様性においても重要な要因である。
【００４２】
次に、リングの幅の変化（第２図の内径Rbの変化）がターゲット表面に放出されるエネルギの一様性に及ぼす効果を第８図を参照して説明する。第８図の結果を得る上でのモデル化の条件には、輻射加熱器30の外径Raが一定であること、輻射加熱器30とターゲット表面４との間の距離が一定であることが含まれる。ターゲット表面４が受け取る単位面積当たりのエネルギは、内径Rbが増大するに従って、中央よりも周囲が大きくなり、逆に、内径Rbが減少する（これによってリングが幅広になり、上文中に説明したように円盤形状の加熱器と似てくる）に従って、周囲よりも中央が大きくなるということがわかる。
【００４３】
リング形状輻射加熱器30の寸法を輻射加熱器30とターゲット表面４との間の距離に対してモデル化するための上述の関係は、上述のように単位面積当たりのエネルギ伝達量が一様であるという利点を得るような方法で、当業者が輻射加熱器30を特定の用途について設計する上で使用できると考えられる。
【００４４】
輻射加熱器30について上文中で説明した理論、形体、及び形状についての特徴は、加熱器の代わりに、リング形状要素がこの要素に平行な平らな表面を冷却するのに役立つ場合にも同様に適用できるものと考えられる。このような冷却要素は、輻射加熱器30と同じ形状の本体として形成されるのがよく、冷媒を通して循環させることのできる導管を備えている。例えば、アルミニウムが伝熱性に優れているため、導管を備えたアルミニウム製の本体がよく、この本体に液化窒素、フルオロカーボン、又は水のような冷却流体が循環される。かくして、リング形状冷却要素を冷却されるべき表面の近くに配置すると、輻射加熱器について上文中で説明した理論及び関係に従って、冷却されるべき表面からリング形状冷却要素へ輻射熱がほぼ一様に伝達される結果が得られるものと考えられる。
【００４５】
選択的レーザー焼結の特定の用途について、本発明のこの実施例による輻射加熱器30が特に有利である。これは、放出するエネルギの単位面積当たりの一様性が改善されることによるばかりでなく、ターゲット表面と同心に配置できると同時に、これを通してエネルギビームをターゲット表面４に通すことができるようにするその構造による。次に、本発明による輻射加熱器30を含む選択的レーザー焼結を行うための装置の好ましい実施例を第９図を参照して以下に説明する。この装置の、第１図の従来技術の装置に含まれるのと同じ要素には同じ参照番号が附してあるということに注意されたい。
【００４６】
上述のように、第９図の実施例では、ターゲット表面４を上述の方法で一様に加熱するのにリング形状輻射加熱器30が使用される。輻射加熱器30は、チェーン、ワイヤ、固定ブラケット又は他の適当な取り付け装置のいずれかでこの加熱器を室２の頂部（図示せず）から吊り下げることによって取り付けられるのがよい。第９図に示すように、輻射加熱器30に設けられた開口部により、鏡12によって制御されたレーザー10からのビームをこの開口部に通してターゲット表面４に当てることができ、この際、輻射加熱器30を円形のターゲット４と同心にす る。これによって、ターゲット表面の温度をレーザー10のビームが届く面積に亘って一様にすることができる。このように温度を一様に制御することによって、上記選択的レーザー焼結法で製造した部品の成長及びカーリングが最小になるように、ターゲット表面４の温度を最適化することができる。
【００４７】
輻射加熱器30は、選択的レーザー焼結の開始前にターゲット表面４で温度を設定でき（例えば、ターゲット表面４に配置した熱電対又は温度計によって計測される）、焼結工程中にはこれ以上の温度制御を行わないように、選択的レーザー焼結装置に組み込むことができるということに着目されたい。しかしながら、ターゲット表面４の温度は、選択的レーザー焼結中の発熱により、工程前のその最初の状態から変化し易い。ワックスのような特定の材料では、成長、カーリング、及び他の狂い（反り）、及び製造された部品の歪みを無くす上で、工程に亘って温度を精密に制御することが必要であることが観察された。従って、選択的レーザー焼結装置に計測、フィードバック、及び制御を行う或る種の装置が含まれるのが好ましい。
【００４８】
ターゲット表面４の温度を制御するための従来の方法では、第１図のパネル20のような輻射加熱器が使用され、ターゲット表面４のところに又はターゲット表面の近くに組み込んである熱電対は、例えば、部分ピストン６の頂部近くに配置されている。しかしながら、この実施例では、ターゲット表面４、ローラ18によってターゲット表面４上に配置された粉体、及び選択的レーザー焼結法によって粉体につくりだされた部品の温度計側は、非接触技術で行われるのが好ましい。従って、第９図の装置の好ましい実施例は、粉体及びそこで作りだされた部品を含むターゲット表面４の適当な部分に差し向けられた赤外線温度センサ34を有する。センサ34の出力は、輻射加熱器32に加えられる電流又は他のエネルギを制御するための従来の装置（図示せず）で監視できる。
【００４９】
選択的レーザー焼結で使用される材料のうちの或るものは、粉体の形体を保つため、比較的低温に保たれなければならない。例えば、選択的レーザー焼結は、部品をワックス粉から製造するのに特に有利であることがわかった。ワックス部品は、次いで、「ロストワックス」技術に従ってインベストメント鋳造法を行うための金型の製造に使用される。ワックス粉の選択的レーザー焼結には、上述のように、成長及びカーリングの問題があり、ターゲット表面４の温度制御を必要とする。しかしながら、レーザーからエネルギを受け取っていないワックス粉の部分が溶けたり互いにくっついたりしないように、室２の周囲温度を比較的低温に、例えば50℃以下に保たねばならない。従って、センサ34が検出する温度は比較的低い。
【００５０】
しかしながら、このような低温の検出を行うに当たって、ターゲット表面４の粉体から反射されてセンサ34に届く輻射加熱器30からの赤外線エネルギの量は、このような低温で粉体自体から放射される赤外線エネルギと比べて大きいのがよい。従って、赤外線センサ34が検出する温度はターゲット表面４に配置された熱電対が検出する温度と異なっていることが観察される。
【００５１】
第９図の装置では、輻射加熱器32の輻射を計測するため輻射加熱器32に差し向けられた第２赤外線センサ36を設けることによって、温度計側の精度を改善した。センサ36の出力は、センサ34の出力と同様に監視される。かくして、赤外線センサ36は、輻射加熱器30が放射した輻射を直接的に計測する。これによって、センサ34が検出したターゲット表面４からの輻射を加熱器30からの反射された輻射について補正でき、その結果、ターゲット表面４での粉体及び部品の正しい温度を得ることができる。必要とされる補正の量は、加熱器と粉体床とセンサとの間の幾何学的関係、粉体の反射能、及び粉体の温度のような種々の要因に左右される。センサ34からの信号を補正して正しい温度を得るための補正曲線又は等式を提供するため、室２及び輻射加熱器30の時間ゼロでの特性決定を熱電対又は接触計測装置を用いて、特定の粉体について温度に亘って行うのがよいと考えられる。
【００５２】
第９図の選択的レーザー焼結装置でリング形状輻射加熱器30を使用する代わりに、同じ形状の要素を冷却要素として使用してもよい。上文中で説明したように、輻射加熱器30の理論及び性質は、リング形状要素がターゲット表面に対して冷却器である場合にも同様に適用できる。例えば、液化窒素、フルオロカーボン、又は水のような冷却液をリング形状アルミニウム本体の導管を通して循環するのがよい。選択的レーザー焼結で有用な材料についてこのような輻射冷却装置を設けるのが好ましいが、この場合には、材料は、粉体の形体を保つため、焼結時に、室温よりも低い温度に保たれねばならない。更に、選択的レーザー焼結を行う上でターゲット表面４を冷却することがターゲット表面４の温度を輻射加熱で加熱する場合でも、成長及びカーリングを制御する上で有用であることが周知であるため、第９図の選択的レーザー焼結装置の変形例は輻射加熱器30及び同様のリング形状の冷却要素の両方を含むのがよく、加熱器及び冷却要素は互いに同心に配置されている。輻射冷却要素を組み込んだ他の変形及び変更は、当業者には明らかであると考えられる。
【００５３】
次に、本発明による輻射加熱器の変形例の斜視図を示す第10図を参照する。第９図について上文中で説明したように、輻射加熱器30が輻射した全エネルギのうち、ターゲット表面４に届くエネルギは、特に一様性が最適化された距離で50％以下である。第10図の輻射加熱器40は、加熱器20の平らな形状でなく截頭円錐形形状を持つようにつくられたリング形状輻射加熱器である。輻射加熱器40は、好ましくは、加熱されるべき表面からその内縁部がその外縁部よりも大きく間隔を隔てられるように取り付けられる。
【００５４】
この構造により、輻射加熱器40について一様性が最大になる距離ａを平らな輻射加熱器30について一様性が最大になる距離ａよりも小さくすることができる。このことは、加熱器をターゲット表面４に対して最適の距離よりも近くに配置するとターゲット表面４の中央部が受入れるエネルギが周囲よりも少なくなるということを平らな輻射加熱器30について示す第６図からわかる。第10図の輻射加熱器40は、その形状のため、ターゲット表面４の周囲及びターゲット表面４の境界の外側に向かって差し向けられるエネルギよりも多くのエネルギをターゲット表面４の中心に向かって差し向ける。多くのエネルギを中心に向かって与えることによって、輻射加熱器40は、加熱器を表面に近づけると中心が少ないエネルギを受入れる第６図に示す効果を補正する。従って、輻射加熱器40について一様性が最大になる距離ａは、輻射加熱器30の場合よりもターゲット表面４に近くなる。第７図に示すように、加熱器40をターゲット表面４に更に近づけることによって、放射した全エネルギのうちターゲット表面４に届く部分が増大し、輻射加熱器40の効率を改善する。
【００５５】
輻射加熱器40の形状は、外径と内径との間に真っ直ぐな側部を持つ截頭円錐形であるが、輻射加熱器40について別の形状を使用してもよい。例えば、輻射加熱器の側部は、所望であれば、輻射加熱器40からターゲット表面４にエネルギを別の態様で分配するため真っ直ぐでなく放物線であってもよい。輻射加熱器40の他の有用な形状は、本明細書及び添付図面を参照した当業者には明らかであると考えられる。
【００５６】
更に、輻射加熱器40の形状は、上述のように、ターゲット表面から要素への輻射熱の伝達を改善する上で同じ形状の冷却要素にも適用できるということに注目されたい。
【００５７】
第９図の選択的レーザー焼結装置に対し、輻射加熱器40の中心に開口部が設けられているため、この場合も、レーザー10からのビームをターゲット表面４の粉体に当てることができる。かくして、輻射加熱器40は、上文中に記載した別の利点を選択的レーザー焼結に対するその適用において提供する。
【００５８】
本明細書の別の実施例による輻射加熱器50を第11図を参照して以下に詳細に説明する。上述のように、一様な輻射加熱が望ましい用途では、加熱される表面の点について熱の伝導及び対流が不均等であってもよい。例えば、選択的レーザー焼結の用途では、室２は、工程を室の外部から視認できるようにするため、正面に窓を備えた扉を有する。更に、選択的に焼結される層内の成長（即ち、レーザーによって発生された熱がビームに露呈されなかった粉体粒子に伝導することによる、レーザーエネルギを受け入れた部分からの部品の成長）を最小にするためには、ターゲット表面を対流冷却することが上述の輻射加熱とともに有用であることがわかった。このような冷却は、好ましくは、粉体の面及び製造される部品に亘って空気流をターゲット表面４に平行な方向に差し向けることによって行われる。更に、上文中で引用したPCT公開WO 88/02677号に記載されているように、ガス又は空気流の下向き通風をターゲット表面４に垂直な方向で粉体に通すのがよい。
【００５９】
しかしながら、このような空気又はガスの流れは、輻射加熱器30又は40が輻射エネルギを、ターゲット表面４に亘って単位面積当たりの所定の非常に一様な量で、ターゲット表面４に伝達する場合でも、ターゲット表面４での温度分布を不均等にする。更に、上述の輻射加熱器30及び40は、輻射エネルギをこのように一様に伝達しようとするものであるが、それでも幾らかの偏差が残り易い。更に、上文中に説明したように、輻射エネルギの伝達効率は、輻射加熱器がターゲット表面に近づくにつれて、特に輻射加熱器がその一様性が最大になる距離ａよりもターゲット表面４に近づいたとき、増大する。更に、輻射エネルギの伝達が一様でないということは、選択的レーザー焼結での従来の輻射加熱、例えば第１図の装置において大きな問題である。
【００６０】
次に、第11図を参照し、リング形状の形体を持つ同心 にゾーン分けした輻射加熱器50を以下に詳細に説明する。以下に説明するゾーン分けもまた第１図の輻射加熱パネル20のような従来の輻射加熱器に有用であり、このような場合、ターゲット表面４への輻射エネルギの伝達の非一様性を改善する。
【００６１】
この実施例による輻射加熱器50は、その表面に配置された抵抗体52、54及び56から輻射エネルギを発生する。抵抗体52、54、及び56は、従来の加熱器で使用された抵抗体のような従来の抵抗体、例えば、導線を半田付けするなどして電気的に接続された接続パッド32を各端部に備えたニッケルクロム等でできたフィラメントである。この実施例では、加熱器50の単位面積当たりの抵抗体52、54、及び56の長さの密度は、半径方向で変化する。第11図は、明瞭化を図る目的で抵抗体52、54、及び56を非常に大きな間隔で示す。
【００６２】
実際には、抵抗体52、54、及び56は、好ましくは、更に高い密度を持つように形成されている。更に、実際には、接続パッド32は、好ましくは、加熱器50の面に亘る所望の温度分布に悪影響を与えないような大きさにされ且つ配置されている。抵抗体52a、52b、及び52cは、加熱器50の外周近くに配置され、互いに電気的に絶縁されており、単位面積当たりの抵抗の密度が互いにほぼ同じである。抵抗体54a及び54bは、抵抗体52よりも加熱器50の中心近くに配置され、これらの抵抗体の各々の単位面積当たりの抵抗長さの密度は、抵抗体52よりも大きい（抵抗体54a及び54bの単位面積当たりの抵抗長さの密度はほぽ等しい）。抵抗体56は、抵抗体54よりも加熱器50の中心近くに配置され、この実施例では、単位面積当たりの抵抗長さの密度が抵抗体52及び54と比べて最低である。輻射加熱器50のこの実施例では、第９図の例におけるように加熱器50を選択的レーザー焼結を行う装置に設置したときにレーザー10からのビームがこれを通過できるように、その中心に穴が設けてある。
【００６３】
ゾーン分けした輻射加熱器50は、輻射熱をターゲット表面４に加える上での融通性が非常に大きく、特に選択的焼結装置で有用である。例えば、抵抗体52、54、及び56の各々に同じ電流を加えると、単位面積当たりの輻射エネルギの放射が加熱器50の中心から半径方向に、中心近くの放射が最低であり外周近くの放射が次に高く、これらの間での放射が最高であるように変化する。更に、抵抗体52、54、及び56に通される電流を互いに対して変化させて、放射密度を、単に単位面積当たりの抵抗体の長さの密度を変化さけるだけによる加熱器50に組み込んだ放射密度とは異なるものにすることができ、電流を互いに対して変化させることによって、例えば、抵抗長さ密度の変化を正確に補正することができ、その結果、放射される輻射エネルギの量を加熱器50の全体に亘って単位面積当たりに一様にすることができる。勿論、抵抗体52、54、及び56を通る電流を他の方法で互いに対して変化させることによって、他の半径方向放射密度分布を実施してもよい。
【００６４】
更に、別々の抵抗体52a、52b、及び52c、並びに54a及び54bを設けることによって、単位面積当たりの輻射エネルギ放射量を角度的に変化させることができる。例えば、抵抗体52aの下にあるターゲット表面４の部分が抵抗体52b及び52cの下にある部分よりも低温である場合には、抵抗体52aに加えられる電流を抵抗体52b及び52cを通る電流と比べて増大させて抵抗体52aを含む加熱器50の部分から放射される輻射エネルギを増大させるのがよい。かくして、個々の抵抗体52及び54をこのように制御することによって、第９図の選択的レーザー焼結装置の室２内での伝導又は対流等によるターゲット表面４に亘る温度の非一様性を補正することができる。更に、ターゲット表面４での温度の非一様性は選択的レーザー焼結自体によってもたらされることがある。例えば、抵抗体52b及び52cの下にあるターゲット表面４の粉体の部分が抵抗体52aの下にある部分よりも大きい程度まで焼結される場合には、抵抗体52aを通る電流を増大させてその下にある焼結熱の不足分を補い、ターゲット表面４及び粉体及びターゲット表面のところに配置された部分の一様性を改善する。
【００６５】
この実施例のゾーン分けした加熱器50はリング形状であるけれども、変形例では、選択的レーザー焼結を行うための装置のターゲット表面４での温度、及び粉体及びターゲット表面のところにある部品の温度を一様にするため、従来の矩形又は円形の輻射熱パネルを同様にゾーン分けしてもよい。更に、この実施例のゾーン分けした加熱器50は上文中で説明したゾーン分けしてない加熱器30と同様に平らなリングであるけれども、変形例では、ゾーン分けした加熱器50で使用されたゾーン分けの方法を上述の截頭円錐形加熱器40に同様に適用でき且つこの加熱器40で使用してもよい。
【００６６】
各抵抗体52、54、及び56について半径方向及び角度方向の両方向で多数のパッド32を持つ輻射加熱器50は、選択的レーザー焼結工程中、及び選択的レーザー焼結の開始前に特定の粉体材料及び工程条件（周囲温度、空気流、レーザー出力、等）について行う特定の室の特徴付け中、温度を実時間制御するのに特に適する。従って、本明細書を読んだ当業者は、熱電対のような監視装置又は上文中で説明した赤外線センサ34のような非接触式センサを、監視、フィードバック、及び制御を行う従来の装置とともに、本発明のこの実施例のゾーン分けした加熱器50に実施できるものと考えられる。
【００６７】
更に、ゾーン分けした制御可能な加熱器50に対する変形例では、ゾーンを固定した加熱器を本発明から利点を得るような方法で使用することができる。選択的レーザー焼結装置の室２の特定の設計について、上述のように、ゾーン分けした制御可能な加熱器50を使用することによって、半径方向及び角度方向の両方向で輻射エネルギ放射密度のパターンを得ることができ、この放射密度パターンは、粉体材料、周囲温度、レーザー出力、及び他のパラメータの変化に関わらず、室の特定の設定について大きく変化することがないと考えられる。従って、このような場合には、輻射エネルギを加熱器から非一様なパターンで放射するが、対流又は他の要因に対する補正によりターゲット表面での温度が一様になるように密度を変化させた単一の抵抗体を含む輻射加熱器50を使用するのがよい。このような加熱器は、例えば、抵抗体の各端部に一つづつ配置されたパッド32を二つだけ有し、加熱器の実施及びその制御を簡単にする。
【００６８】
本発明をその好ましい実施例について説明したが、本発明の利点を得る変形及び変更は、本明細書を読み且つ添付図面を参照した当業者には明らかであると考えられる。このような変更及び変形は以下の請求の範囲の本発明の範囲内にあるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に従ってレーザー焼結を行うための装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の第１の好ましい実施例による輻射加熱器の平面図である。
【図３】第２図の輻射加熱器を加熱されるべき表面と関連して示す正面図である。
【図４】従来の輻射加熱器及び第２図及び第３図による加熱器の夫々の単位面積当たりの伝達エネルギ量のグラフである。
【図５】従来の輻射加熱器及び第２図及び第３図による加熱器の夫々の単位面積当たりの伝達エネルギ量のグラフである。
【図６】第１実施例による輻射加熱器の特定の寸法についての単位面積当たりの伝達エネルギ量の依存関係のグラフである。
【図７】第１実施例による輻射加熱器の特定の寸法についての単位面積当たりの伝達エネルギ量の依存関係のグラフである。
【図８】第１実施例による輻射加熱器の特定の寸法についての単位面積当たりの伝達エネルギ量の依存関係のグラフである。
【図９】第２図及び第３図の実施例による輻射加熱器を備えた、選択的にレーザー焼結を行うための装置の斜視図である。
【図１０】本発明の第２の好ましい実施例による輻射加熱器の斜視図である。
【図１１】本発明の第３の好ましい実施例による輻射加熱器の概略図である。

Claims (15)

1. ターゲット平面４に集中したエネルギビームを提供するエネルギ源10と、
   前記ターゲット平面４に粉体を配置する手段14,18と、
   単位面積当たりに発散される輻射エネルギの量が各ゾー ン間で異なるようにゾーン分けされた同心のゾーンを有 し、これら各ゾーンからの輻射エネルギにより、前記タ ーゲット平面４では単位面積当たりほぼ一様な量の輻射 エネルギが伝達されるようになっている輻射加熱要素と を有し、
   前記輻射加熱要素は、該輻射加熱要素を貫通する開口を規定する内縁部を有し、前記輻射加熱要素は、前記エネルギビームが前記内縁部により規定された開口を通過するように配置されていることを特徴とする粉体焼結装置。
2. 請求項１記載の粉体焼結装置であって、前記内縁部が前記輻射加熱要素の外縁部と実質的に同一平面にあることを特徴とする粉体焼結装置。
3. 請求項１記載の粉体焼結装置であって、前記内縁部は前記前記輻射加熱要素の外縁部と同一平面ではなく、前記輻射加熱要素は、前記内縁部が前記ターゲット平面から前記外縁部よりも更に離れた状態で配置されていることを特徴とする粉体焼結装置。
4. 請求項３記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素40は截頭円錐形形状であることを特徴とする粉体焼結装置。
5. 請求項１記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素30,40,50は、
   輻射熱を発生する電気抵抗体52a、52b、52cと、
   前記電気抵抗体52a、52b、52cに電気的接続部を形成するための接続パッド32とを有することを特徴とする粉体焼結装置。
6. 請求項５記載の粉体焼結装置であって、前記加熱要素の単位面積当たりの前記電気抵抗体52a、52b、52cの密度が前記内縁部と前記輻射加熱要素の外縁部との間で半径方向に変化することを特徴とする粉体焼結装置。
7. 請求項５記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素の単位面積当たりの前記電気抵抗体52a、52b、52cの密度が角度的に変化することを特徴とする粉体焼結装置。
8. 請求項１記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素は、
   輻射熱を発生する第１、第２の電気抵抗体52,54と、
   前記第１及び第２の電気抵抗体に電流を互いに独立して供給するための複数の接続部32とを有することを特徴とする粉体焼結装置。
9. 請求項８記載の粉体焼結装置であって、前記第１及び第２の電気抵抗体52,54は、単位面積当たりの抵抗体の密度が同じであることを特徴とする粉体焼結装置。
10. 請求項８記載の粉体焼結装置であって、前記第１及び第２の電気抵抗体52,54は、単位面積当たりの抵抗体の密度が異なることを特徴とする粉体焼結装置。
11. 請求項８記載の粉体焼結装置であって、前記第１及び第２の電気抵抗体52,54は、前記輻射加熱要素に、ほぼ同じ半径方向距離のところで配置されていることを特徴とする粉体焼結装置。
12. 請求項８記載の粉体焼結装置であって、前記第１の抵抗体は、前記輻射加熱要素内であって前記第２の抵抗体と前記内縁部との間に配置されていることを特徴とする粉体焼結装置。
13. 請求項１記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素はリング形状であり、前記ターゲット平面４とほぼ平行な円形の外縁部を有し、前記内縁部は円形であり前記外縁部と同心であることを特徴とする粉体焼結装置。
14. 請求項１記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素は長方形であることを特徴とする粉体焼結装置。
15. 請求項14記載の粉体焼結装置であって、前記輻射加熱要素は、
    輻射熱を発生する電気抵抗体と、
    前記電気抵抗体に電気的に接続する接続パッドとを備え、
    前記電気抵抗体の単位面積当たりの密度が角度的に変化することを特徴とする粉体焼結装置。

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