JP3645262B2 - 多重ビームレーザ焼結 - Google Patents

Description

関連出願との相互関係
同時に出願された出願の米国特許出願（UTCドケットNo.R3668、温度制御レーザ焼結、はここに述べることに関連することを含んでいる。
技術分野
本発明はレーザ焼結に係り、特に二重ビームレーザ焼結に関する。
背景技術
製品モールドの急速な原型をとることを行うことは、ステレオグラフィの技術分野において知られている。周知のように、ステレオグラフィックの研究は、部品の所定の型から層から層および線から線まで原型を構築するために、単量体を重合する（すなわち、液体プラスチックを固体化する）を選択的に走査する紫外線を使用する。特に、レーザは、液体を重合する液体レジンの槽（浴）の一部に、集光される。ここで、槽ではレーザの集光点が液体に接触する（又は入射する）。この技巧は部品を急速に製造することが出来るようにするもので、そうでなければモールド処理する長い時間を要する。
液体のレーザ焼結を選択的に行うために赤外線を用いる急速な重合を行うことも周知である。周知のように、焼結は、粉体物質の温度がレーザによる熱処理によって軟化点まで上昇されることであり、それによって粉体の微粒子が加熱された領域において共に融合される。焼結に必要な温度レベルは焼結される物質に依存するが、高温であればその焼結はより急速である。例えば、鉄紛は、その粉体が充分に長い温度に残っていれば、1500℃で融けるが1000℃で焼結する。
焼結処理において、本質的に一定のパワーレベルのレーザビームは、粉体層に入射され、部品の横方向の層は、全ての層が走査されるまで、粉体の層を介しての連続する線におけるレーザビームの走査を繰り返すことによって作成される。レーザは、粉体が焼結されるべき点でオン，オフされる。一つの層が完全である時、焼結層は低下され、粉体の別の層は焼結層に拡散されるとともに、次の層は走査される。この処理は部品が完成するまで繰り返される。
しかしながら、レーザ焼結の１つの問題は、レーザビームの焼結点での強烈，小径の焦点と周囲の物質の間に存在する温度傾斜（温度差）により、焼結された層が回転する傾向にあることである。
この問題を明らかにするために使用されている一つの技術は、粉体層全体を、焼結温度以下の温度まで加熱し、それによりレーザビームと周囲物体間の温度傾斜を減少させる、ことである。この技術は、ポリマー粉体に対しては働くけれども、メタル又はセラミックが使用されるときは、高焼結および溶融温度のために非常に成巧することが少ない。第１に、粉体層により均一な温度を保つことが困難である。第２に、粉体が溶解温度のほぼ半分まで上昇すると、粉体はそれ自体が自づと焼結する。粉体層温度が溶解温度の半分よりも低ければ、これはカーリングの問題を全く解決できない。
従って、全焼結層の加熱を要することなく、しかも焼結物質のカールを減少させる焼結システムを考案することが望ましい。
発明の開示
本発明の目的は焼結物質のカールを減少させる焼結システムの提供を含んでいる。
本発明によれば、レーザ焼結装置は粉体の表面の焼結装置に入射される焼結レーザビームと、焼結位置の近くの焦点はずれ領域上に入射される少なくとも１つの焦点はずれビームを含み、該焦点はずれビームは焼結位置と周囲物質との間の所定の温度傾斜を供給する。
さらに本発明によれば、焦点はずれビームは粉体の表面で焼結ビームと重複する。また本発明によれば、焼結ビームは、粉体に入射される前に、所定の間隔で焦点はずれビーム内に拡がる。
さらにまた、本発明によれば、焼結ビームは焦点はずれビームの偏光に対して直角方向に偏光される。さらに本発明によれば、焼結ビームと焦点はずれビームの双方が同じ光源から発生する。
さらに、本発明によれば、検出手段は焦点はずれ領域の近くの検出点での粉体の温度を検出するために設けられている。
さらに本発明によれば、検出手段は焼結位置のまわりの複数の検出点で粉体の温度を検出するための手段を含んでいる。さらにまた、本発明によれば、検出手段からの検出信号に応答するとともに、焦点はずれレーザビームのパワーを制御するためのレーザ制御手段が設けられている。さらに本発明によれば、検出手段は、粉体から放射された熱放射を検出する。
本発明は、焼結された部品のカールを減少させることによって従来の焼結技術に勝る重大な改良を示す。もちろん、本発明は、全粉体層をカーリングを減少させるための高温度まで加熱する必要性も低減する。本発明は２つのビーム（粉体を焼結するしっかりと集光されたビームと、しっかりと集光されたビームの囲りの領域を加熱するより広く集光されたビーム）を供給する。かくして、本発明は焼結ビームと周囲物質との間の温度傾斜を減少させ、これによりカール効果を非常に減少させる。
また、本発明は、大きなビームと同様に、両方の焼結ビームの熱放射と温度を検出し、これにより両方のビームのパワーと関連する温度傾斜を正確に制御できる。さらに、本発明は、異なる偏光を有する２つのビーム又は２つの異なるレーザ源を使用することによって、ビームと強度の変化との間のコーヒレントの干渉の問題を避ける。さらに本発明は、焼結されるにつれて、粉体に対するボールアップ（又は固まり）を減少させる。
前述のおよび他の本発明の目的，特徴および利点は、添付図面に示されているような模範的な実施例の次の詳細な説明によって、より明らかになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による２−ビーム焼結システムの概略ブロック図である。
第２図は、大きくかつ同様なビームに関連する熱放射を検出する光学系のブロアップのブロック図であり、かつ本発明によるテーピングオフ放射の他の実施例を示す。
第３図は、本発明による一方向にのみ偏光された光を供給するレーザを有する２−ビームレーザ焼結システムの他の実施例の概略図である。
第４図は各々レーザビームを供給する２つの独立したレーザを有する２−ビームレーザの他の実施例の概略図である。
第５図は、互いにその中に広がらない第２のビーム,2つの焦点はずれビームを供給するための、本発明による他の実施例の概略ブロック図である。
第６図は本発明による２−ビーム焼結システムを提供する他の実施例の概略ブロック図である。
第７図は、大きいビームを集中させた小さいビームを有する図（ａ），集中していない小さいビームを有する図（ｂ），および大きいビームの中心近くの楕円形状をした小さいビームを有する図（ｃ）からなる、本発明による、焼結粉体の表面での２つのビームの断面ブローアップ図である。
第８図は、焼結層の温度を検出するために使用される、本発明による光検出器による映像の断面図である。
第９図は、焼結層に入射される、本発明による、焼結ビームと、複数の焦点はずれビームの断面図である。
第10図は、焼結層に入射される、本発明による、焼結ビームと、中央の焦点はずれビームの断面図である。
第11図は、本発明による、焼結ビームと、焼結層の表面の下に焦点を有する複数の焦点はずれビームの図である。
第12図は、本発明による、焼結ビームと、焼結層の表面に焦点を有する焦点はずれビームの図である。
第13図は、本発明による、焼結されるべき直角な部分の斜視図である。
第14図は、本発明により焼結された第13図の部分を示す図（ａ）と、従来技術の焼結により第13図の部分を示す図（ｂ）からなる、第13図の端部図である。
第15図は、従来技術の焼結と本発明による焼結に対する、第13,14図の部分における上表面の曲率量を示すグラフである。
発明を実施するための最良な形態
第１図を参照すると、レーザ10は垂直および水平方向の偏光成分を持つ平行にされた出力ビーム12を供給する。平行にされたビーム12は、矢印18で示すように、水平軸に沿って偏光された光を通す偏光ビームスプリッターに入射されるとともに、ドット20で示すように、軸18（すなわち、頁の外）に垂直な軸に沿って偏光された光を反射する。結局、ビームスプリッター16は軸20に沿う偏光を有する光22を反射するとともに、軸18に沿う偏光を有する光24を通す。
通過した光24は、焼結制御回路30（後述されている）からのライン28上の信号によって制御されるシャッター26に入射される。シャッター26は、２つの状態、開と閉を持っており、開状態で減衰することなく光を通し、閉状態の時全ての光をブロックする。
焼結制御回路からのライン28上の信号は開／閉信号である。
シャツターは出力光32を光変調器32に供給する。
変調器34は、軸18に沿って変調された光のパワーを、パワー制御回路38（後述する）からのライン36上の信号に応答して変調し、変調された光ビーム40を供給する。光40はレーザ波長の光44を通過させ又は伝送する。
光40は10対１（10:1）のビームエキスパンダ46に入射される。ビームエキスパンダ46は一対の曲折ミラー48,50によって構成されている。ビーム44は、ミラー48を通して通過し、ミラー48に拡散ビーム52を供給するミラー50に至る。ミラー48は、拡散光をビーム46を、集光光学系（曲折されたミラー）56を反射しない平行ビーム54に変換する。ミラー56は、集光されたビーム58を走査ミラー60,62に供給する。ミラー60,62は集束レーザ光を反射し、直接制御され集束され（又は焼結）ビーム64を供給する。ビーム64は、焼結粉体層68に集光され、粉体を焼結する。
知られているように、走査ミラー60,62は焼結ビーム64を、粉体層68上のラインを介して走査するために、選択的に焼結する所望の位置に向ける。走査ミラー60,62はカルバノメトリックダイバー66,67例えばモデルジェネラルスキャニング社のG325DTによって駆動される。焼結制御回路30からの信号に応答して、ダイバー66,67は、もちろん、ライン74,76上の位置フィードバック信号を焼結制御回路30に供給する。ライン70,72,74,76は焼結制御回路30に接続されたライン78として集約的に示されている。
また、知られているように、焼結処理は所定のガス又は真空である部屋80において生じる。容器82は、部屋80内にあり、所定の位置で焼結されるべき粉体84を収納しており、所定形状の部分85を生成する。
容器82は、所定の深さを設定するピストン88からなる移動可能な底部を持っている。粉体の層が焼結されている時、ピストン88は下げられ、ローラ90は焼結するための粉体層90を介して粉体80をさらに回転させる。ピストン88はモータ92によって制御され、モータ92は焼結制御回路30からのライン94上の電気信号によって制御される。
焼結ビーム64は粉体層68の点96に入射される。温度は焼結ビーム64からのエネルギーによって上昇されるので（前述のように）、レーザビームからの熱は粉体部分84を溶解（又は焼結）させる。
焼結制御回路30は、シャッター26を駆動するために出力信号をライン28に供給し、ピストン88を駆動するためにライン90に供給するとともに、走査ミラー60,62を制御するためにライン70,72に出力信号を供給する。
焼結制御回路30は粉体層68上の焼結ビーム64を位置決めし、粉体層68を介して焼結ビーム64の走査を制御する。さらに、焼結制御回路30は、所定の部品を製作するための所定の焼結部分を焼結するのに適正な時間で、シャッター26を開／閉する。
焼結制御回路30は、コンピューターであって、レーザビームがシャッター26によってオン，オフされる時を決める。多くの異なる技巧は、焼結制御回路30として使用でき、使用されている制御回路は本発明には何ら影響を及ぼさない。
焼結制御回路30は、同時に出願された米国特許出願（UTC No,R−3668），温度制御レーザ焼結で述べられているように、当業者にとって周知である。
軸20に沿って偏光されたビームスプリッター16からの反射平行光22は回転ミラー（又はフラット）100に入射される。ミラー100は、反射ビーム102をシャッター104に供給し、同様にしてシャッター26に供給するとともに、焼結制御回路30からの信号に応じて入力光102を通過又はブロックする。シャッター104は、前述のように光出力を光変調器108に供給するとともに、変調器34に供給する。この変調器は、パワー制御回路30からのライン110上の信号に応じて出力光106を変調する。
変調器108は、出力ビーム110を集光ミラー112に供給する。集光ミラー112は、外れたビーム116を供給するところの走査ミラー60,62に、ミラー56の孔を通して集光ビーム114を供給する。ビーム116は焼結層68上の焦点118を有し、かつ焼結ビーム64の直径よりも広い層68の直径を持っている。
我々は、第２の焦点はずれビーム116を用いると、焼結ビーム64と周囲物質間の温度勾配は減少し、カール効果が減少することが分かった。また、我々は、粉体が焼結されるにつれて、溶解した物のボールアップ又は固化する傾向が減少することも分かった。
さらに、我々は、最良の性能として、焦点はずれビーム116は、高度の焼結ビーム64が表面を打つ前に、領域における初期の加熱を行うために、焼結ビームをオンすべきことも分かった。しかしながら、それらを同時にオフにすることも出来る。かくして、２つのシャッター26,104を制御する焼結制御回路を得るように放射されなければならない。
パワー制御回路38は、光検出器モジュ−ル120によって検出される熱放射にもとづいて、焼結ビーム64と焦点はずれビームのパワーを調節するために変調器34,108を制御する。
特に、粉体はビーム64,116が該粉体を加熱している領域に熱放射赤外線を放出する。放射は走査ミラーを通して映し出されかつ、逆向きの矢印122で示すように、ミラー56に入射される。放射は矢印124で示すようにミラー56から反射する。放射（副射）124は、サイズが10:1のテレスコープ（反対方向に進む）に減少されるとともに、矢印126で示すように小さいビームとして入る。副射126は、該副射126の波長での光を反射するディスクロイックビームスプリッターに入射されるとともに、反射光128を検出器モジュ−ル120に供給する。
検出器モジュ−ル120はライン122,124上の電気出力信号をパワー制御回路38に供給する。パワー制御回路38は、各ビーム64,116のパワーを制御し、本質的に一定の焼結温度と、焼結ビーム64と外れたビーム116と外れたビーム116と周囲物質間の本質的に一定の温度勾配を提供する。パワー制御回路38（詳細は示されていない）は、前述した同時特許出願（第３図）において述べたものと本質的に同様であるが、本発明による回路は一つの代わりに２つの制御ループを持っている。必要ならば他の制御技術を使用できる。
粉体層68に入射される２つのビーム64,116は直角方向の偏光である。これは、ビーム間の干渉を防ぐために行われるものであり、２つのビーム64,116間の光学路長の差における非常に小さな変化（例えば、波長の四分の一ほど小さい）による集光ビームにおいて、パワーの大きな変化（3:1）を生じる。このことは２つのビームの強度でなく大きさのために起こる。
第２図を参照すると、変調器モジュ−ル120の詳細な図によって、焼結ビームからの熱放射130と、焦点はずれビーム16からの熱放射132が示されている。検出器モジュ−ル120は、焼結ビーム64からの放射130と焦点はずれビーム116からの放射132の双方を、外部反射面を備えた孔140に集光させる。孔140における穴142は、粉体表面の焼結ビーム64の位置での放射を、検出器144上に写し出させる。検出器44は、焼結ビーム64からの放射のパワーレベルを示すライン122上の電気出力信号を供給する。
焦点はずれビーム116からの熱放射は、焦点レンズ148に入射するビーム146のように、孔140の表面を反射する。レンズ148は、集束された光の囲りの領域の像150を提する集束された光149を、第２の検出器152に供給する。
検出器150は焦点はずれビームの領域からの放射のパワーレベルを示すライン124に電気出力信号を供給する。
また、第２図は干渉ビームスプリッター42をミラー60,62と集光ミラー56間に配置することによって放射をタッピングオフするための別の実施例を示す。熱放射を反射させるためにビームスプリッター42を用いる代わりに、必要ならば、ビーム58,114が通る領域に穴を有するスクラッパーミラーを使用することが出来る。
第３図を参照すると、２つの偏光を持つ出力ビームを供給するレーザを使用する代わりに、矢印204に示されているように、単一方向に偏光される出力ビーム202を供給するところのレーザ200を使用することが出来る。ビーム202は一般のビームスプリッター206に入射される。ビームスプリッター206は光202の一部を光102として反射するとともに、光102の残りの部分は光210としてスプリッター206を通して通過する。技術分野において良く知られているように、反射される光208の量はコーティングとスプリッターの基材に依存する。
光210は、一対のミラー212,214に入射し、ドット218（頁外）によって示されているように入射光210の偏光から90度回転された偏光を有する反射ビーム24を供給する。
光線24,102は、他の光学要素と前述した第１図の点線ボックス220にあるコントローラに入射される。
第４図を参照すると、コーヒレント干渉の問題を避けるための他のアプローチは単に２つの独立のレーザ源230,232を使用することである。従って、単一レーザ源10（第１図における）からの導出ビーム24,102、又は200（第３図における）の代わりに、ボックス220（第１図）における部材に独立のレーザ230,232が設けられている。２つの独立の（同期されない）レーザ230,232を使用することによって、コーヒレントの干渉が防止される。その場合、他の変調器又は他の光学要素によって必要とされるような直角の偏光を持つこと又はビーム24,102を偏光することの必要がない。
第５図を参照すると、ビーム114を通過させるために穴を備えた集光する光学系56の代わりに、大きな集束光学系250をビーム54,110の両方を反射集光させるのに使用することが出来る。ビーム54は集束ビーム252としてミラー250から反射される。ビーム252は、ビーム254として走査ミラー62を反射し、かつ焼結ビーム64として他の走査ミラー60を反射して粉体層68の焦点96に入射される。
ビーム110はビーム54がミラー250を打つ所からミラーの異なる部分においてミラー250上に入射される。ビーム110は集光されたビーム260としてミラー250を反射する。ビーム260は、ビーム262として走査ミラー62を反射し、かつ焼結ビーム64の左に位置する焦点118を備えた焦点はずれビーム116として他の走査ミラー62を反射する。
しかしながら、焦点はずれビーム116はさらに粉体層68の焼結ビーム64に集まる。
第５図は、もちろん、ビームをいかにして粉体層68に向けるかのクローズアップ図を示す。
走査ミラー60又は62が回転するにつれて、集光ビームに対する角度例えば第５図で集光ビームが入射されるところでは、粉体層はもはや焦点ではないので、２つのビームは中心ではない。小さな走査角に対しては、これはあまり効果がない。しかしながら、大きな角度に対しては、効果が大きい。そのような効果を避けるために、ミラー250は走査ミラー60の回転に一致して左の方に移動し、それによりミラー250と粉体層68間の光路に沿った距離を本質的に一定に保つ。
第６図を参照すると、２つの光源ビーム301を備えた実施例が示されており、光源ビーム300は水平でもなく垂直でもない、例えば、45度の直線偏光である。
ボックス302の外側の光学部分は第１図について前述したものと同じである。ビーム301は偏光ビームスプリッター16に入射される。ビームスプリッター16は、軸20に沿って偏光されたビーム22を供給するとともに、第１図で述べたものと同様に、軸18に沿って偏光されたビーム24を供給する。変調器108からの出力ビーム110は集光レンズ303に入射され、レンズ303は回転ミラー（又はフラット）306に集光ビーム304を供給する。レンズ303は軸20に沿って偏光された光の焦点を移動させ、焦点はずれビーム116を発生させる。
ミラー306は、ビームスプリッター16と同様に、別の偏光ビームスプリッター310に反射光308を供給するとともに、ビームスプリッター16と同じ方向に発生される。変調器からのビーム40はビームスプリッター310に入射される。
ビームスプリッター310は、ビーム308をビーム312として反射するとともに、光40を光314として通過させる。
ビーム312,314は共にビームスプリッター316に広がり、ビームスプリッター316はレーザ波長の光を通過させる。ビーム312,314はビームエキスパンダ318に入射し、ビームエキスパンダ318は集光ビーム312,314を拡散ビーム320,322にそれぞれ変換し、それによりビームを拡散する。拡散ビーム320,322は集光光学系214に入射され、光学系214は集光ビーム114,58（第１図の）を供給する。ビーム114,58は走査ミラー60,62に入射され、ミラー60,62は、前述のように、焼結ビーム64と焦点はずれビーム116を供給する。
第６図の構造のものを使用するとき、２つのビーム64,116間のパワー比を変えるために、ボックス330内の光学部材は入力ビーム301と出力ビーム312,314の共通の光学軸332について回転される。そのような回転は手動、又は第１図で述べたように、制御システムによって自動的に制御される。
第７図の図（ａ）を参照すると、焼結ビーム64（第１図）の円状焦点352は、ほぼ0.012インチの直径を有し、焼結させる。もちろん、焦点はずれビーム（第１図）の円形断面部350は、約0.12（すなわち、集光ビームからの約10:1比）の直径を有するとともに、焼結された領域の囲りの領域を加熱し、それにより集光ビームと周囲物質間の熱勾配を減少させる。10:1ビーム直径比に対して、焦点はずれビームに対する集光ビームのパワー比は約10:1に設定すべきである。しかしながら、他の焦点と断面直径を使用でき、必要ならば、固定又は可変の他のビームパワーを使用できる。
ビーム直径とパワー比を設計するときに考慮すべき要素は次の例に示されている。集光ビームのパワーが10ワットでビームの断面領域が１平方ミリメートルであれば、集光ビームの強度は10ワット/mm²である。また、焦点はずれビームのパワーが100ワットでビームの断面積が10ミリメートルであれば、焦点はずれビームの強度は、１ワット/mm²で、集光ビームの10分の１である。しかしながら、焦点はずれビームは集光ビームよりも10倍の大きさであるので、焼結層上の粉体のスポットは、ビームがスポットを介して走査されるにつれて10倍長い時間に対する焦点はずれビームの強さに見える。かくして、この例では、焦点はずれビームによる加熱量は集光ビームによるものとほぼ同じである。
第７図の図（ｂ）を参照すると、焼結ビーム64の断面352は粉体層68（第１図）での焦点はずれビーム116の断面からの心ずれしており、多少の焦点はずれビーム116は移動する走査の方向又は反対方向に露出され、必要ならば特別な加熱又はトレーニング加熱する。
第７図の図（ｃ）を参照すると、焼結ビーム64の断面部352は焦点はずれビーム116の断面350の内側で楕円形になっている。これは集光が粉体層68上に入射される角度によるものである。また、焦点はずれビーム116の断面は集光ビームと同じかまたは加えてわずかに楕円形である。
第２図および第８図を参照すると、焦点はずれ位置で粉体の温度を検出するために単一の検出器152を用いる代わりに、複数のセンサを放射の像の部分を検出するために用いることが出来る。例えば、円360が検出器（第２図）上の像150を示すならば、集光ビームの囲りの領域（又は四分円）362〜368を別々の検出器によって各四分円を検出することによって測定できる。
これによって、より詳細な方向情報にもとづいてパワーを調節するために、焦点はずれビームを制御できる。例えば、４つの四分円のうちの３つが温度が低いということを示す時のみ、焦点はずれビーム116のパワーは上昇されるべきである。これにより、一つの領域のみに存在する非常に低い温度によるビーム全体の温度上昇を避けることが出来るとともに、ある温度しきい以上の四分円を保持するために、他の領域を焼結点まで加熱できる。また、必要ならば、検出された焼結ビーム64の囲りの多少の領域と、検出器の適正な数を使用できる。
第９図を参照すると、第８図で論じた焼結ビーム64の囲りの領域における温度制御をより正確にするために、複数の焦点はずれビーム370〜376を、焼結層68上の焼結ビーム64を囲む領域を加熱するのに使用できる。これにより、検出器152によって検出された各領域の温度制御をより直接にできる。もし、そのような構造が使用され、かつ一つのレーザのみがあれば、ビームは重複することなく、前述したような干渉じまの生成が避けられる。しかしながら、２つ又はそれ以上のビームの重複が望まれるならば、重複ビームは、前述したことと同様に干渉じまの生成を避けるために、独立のレーザ源からのものであるべきか、又は直角方向に偏光されるべきである。
第10図を参照すると、焼結ビーム64と単一の焦点はずれビーム116を使用する代わりに、必要ならば、複数の中心（又は偏心）焦点はずれビームを使用できる。そのような構成により、焼結ビーム64と粉体層における物質との間の徐々な温度変化を得るために、複数の勾配段階が得られる。もしそのような構成が使用されると、前述したことと同様に干渉じまの生成を避けるために、重複するビームは、独立のレーザ源からのものであり、異なって偏光されるべきであるか、又は重複を避けるドーナッ状ビームでなければならないことを、理解すべきである。
第11図を参照すると、コーヒレントの干渉を避けるためにドーナッ形のビームを第１図と第３図の２つのビームアプローチにおいても使用できる。その場合、焦点はずれビーム116の焦点118は焼結層68の下である。これにより、ビームの２つの偏光の必要性又は２つのレーザの必要性が避けられる。
第１図と第12図を参照すると、焦点はずれビームの焦点118は、焼結ビーム64と同じように、焼結層68にあることを理解すべきである。これは、集束光学系56,112に至るに先立って、焦点はずれビームの集束された部分110の直径の10倍に集束された部分44の直径を増加させるために10:1のテレスコープ46を使用することによって達成される。そのようなビームの広がりによって焦点スポット径ｄを焦点はずれビーム116の焦点スポット径よりも10倍小さくできる。そのような結果は公知の関係ｄ＝２λf/Dに基づくものであり、ここでＤは入力ビーム径、ｆは焦点スポット径、λは光の波長である。かくして、大きなビーム116は焦点はずれビームとされ、それは焼結ビーム64と同じ点に集光され、かつ大きなビーム116は粉体層68の表面には集束されない。
第13,14,15図を参照すると、我々は、本発明の二重ビーム焼結を使用することによって、焼結ビーム64と周囲物質との間の温度勾配によって起こるカーリングを非常に減少できることが、わかった。特に、従来の単一ビームを使用して、長さｌが約1.5cm,幅ｗが約1cm,高さが約1mmの鉄−ブロンズ粉体の正方形のスラブ400を焼結するにあたって、ダッシュ線402で示すように、部品はＺ−軸方向に沿ってカールが発生する。この効果は第14図においてＹ−軸を見おろすように示されている。本発明を使用して焼結された第13図の部品は第14図の図（ａ）に示されており、従来技術の焼結処理を使用して焼結された部品は第14図の図（ｂ）に示されている。
本発明による２つのビームアプローチを使用すると、第15図のグラフに示すように、従来技術の単一ビームを使用して焼結された同じ部品に比べて、Ｚ−軸に沿って約0.4mmのカール減少があった。わずかな粗さと不完全さはこの図では無視されている。
長方形のスラブ400（第13図）は、長さｌ（1.5cm）および２層厚さに沿う約40隣接走査による本発明の２ビーム焼結処理を用いて、生成された。各層は約0.01インチである。しかしながら、第１の層はバージンパウダーについて行われるので、厚いものである。必要ならば、他の走査幅と走査深さを用いることが出来る。また、代表的に、多くの層が焼結される場合、各新しい層が部品（すなわち、カールによって生成される谷に入る）を介して広がるので、部品の上面は平らになり、これにより半平坦上面、カールした底部、および二つの端部よりも厚い中央領域が部品に残る。
我々は、多重ビーム焼結によれば、粉体が、焼結されるにつれて、ボールアップまたは固まる傾向が減少されることを、見出した。
２つの変調器34,108を用いる代わりに、単一の変調器（図示せず）をビーム12の通路に配設することが出来る。その場合、２つのビーム64,116間のパワー比は光学構造によって予め定められる。また、２つのシャッター26,106の代わりに、必要ならば、単一のシャッター（図示せず）を、両方のビームを同時にオン，オフするために、ビーム12の通路に配置することも出来る。
本発明は粉体の表面にビームを位置決めするための如何なる技術にも使用できるものである。例えば、種々のピッチの走査ミラー60,62を使用する代わりに、Ｘ−Ｙプロッタタイプの装置を座標を設定するとともにレーザビームを走査するために使用することが出来る。その場合、方向光学系は、前述の同時出願の第10,11図で述べたと同様に、レールに取り付けられた摺動可能なハウジングに配設される。その場合、集光ミラー56,112（第１図の構造に対して）、又はミラー250（第５図の構造に対して）、又は光学系318,324（第６図の構造に対して）は、装置の摺動部分に配置される。また、その場合、検出光学系122（第２図）は、前述の同時特許出願で論じたように、摺動可能なハウジングに取り付けられる。
もちろん、移動ミラーの代わりに、焼結台自身を一つ又は複数の水平方向に動かすことが出来る。さらに、本発明は、粉体制御回路38を使用しなくても、同じように働くものである。
本発明は例えばプラスッチク，ワックス，金属，セラミックス，および他のもののような、いかなるタイプの焼結物質をも使用できる。もちろん、２つ又はそれ以上の物質粉体成分例えばメタルーブロンズを使用できる。さらに、焼結を行うためのビーム36に代して、コンバージェント（集束された）ビームを使用する代わりに、平行にされたビームを使用できる。このビームは、パワーレベルが充分に高く、かつビーム径は焼結を提するように充分に小さいものである。
変調器34,108,シャッター26,104およびレーザ源は分離した要素として示されているけれども、これらの要素のいくつか又は全てがパワーレベル制御および／若しくは各偏光，例えばDuo−Lase57−2RF励起CO₂ガスに対する速いオン／オフビーム制御を提する単一のレーザパッケージ内に含ませることが出来る。２つの独立したレーザ230,232（第４図）に対して、シャッターおよび／若しくは変調器は各レーザ230,232内に組み込むことができる。
また、両方のビームのパワーは、単一の変調器、又は同じ駆動信号によって制御される２つの変調器によって同時に変調される。しかしながら、その場合、２つのビーム64,116間のパワー比は一定である。
また、変調器および／若しくはシャッターは、所望の焼結を得るためにビームが変調又はスイッチされるシステムのどこにでも配置できる。
さらに、一定のビームが粉体層68に入射される点で温度を正確に検出する代わりに、検出器は、焦点の前後又は側面のいずれかにおける点での温度を測定し、所望の焼結を提するためにレーザビームの適正なパワーを予測又は決定することを助けることが出来る。また、必要ならば、２つのビームの一つのみによる加熱による温度を検出することも出来る。
もちろん、第１図において、集光ミラー56,112の代わりに、フラットおよび集光レンズ（図示せず）を、集束ビーム46,116を得るために、それぞれ、ビーム54,110の通路に配置できる。さらに、第５図において、ミラー250の代わりに、走査ミラー60,62に集束ビーム252,260を供給する集光レンズ（図示せず）とすることも出来る。その場合、光はレンズ（第５図におけるように方向を変えることなく）を通して直進し、走査ミラー60,62はミラー250の右側になる。
さらに、本発明は熱放射検出による検出温度として述べられているが、熱放射検出又は追加として、温度に関連する他のパラメータ、例えばプラズマ（エネルギーが減衰している間に放出されるカバーガスのレーザ励起原子状態）又はプリューム（加熱又は蛍光によって発光する粉体表面から出る蒸気化又は粒子化された物質）を検出することが出来る。
発明は模範的な実施例に関して開示されているけれども、前述のおよび種々の他の変形，省略および追加を発明の精神と範囲から逸脱することなく行えることは当業者によって理解されるべきことである。

Claims (35)

1. 粉体の表面の焼結位置に入射される焼結レーザビームと、
   前記焼結位置と周囲の粉体との間の温度勾配が、粉体の 焼結された部分のカールが大幅に減少される所定の値ま で減少されるように、前記焼結レーザビームよりも広く 集光または焦点はずれされ、前記焼結位置の近くの加熱領域に入射される少なくとも１つの加熱レーザビームと、
   を生成するためのレーザ手段によって、構成されていることを特徴とするレーザ焼結装置。
2. 前記焼結位置の近くの検出点で前記粉体の温度を検出する検出手段によってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
3. 前記検出手段からの検出信号に応答し前記焼結レーザビームのパワーを制御するレーザ制御手段によってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載のレーザ焼結装置。
4. 前記レーザ制御手段が、前記温度を実質的 に一定レベルに保持するために、前記焼結レーザビームのパワーを制御するための手段によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載のレーザ焼結装置。
5. 前記加熱領域の近くの検出点での前記粉体の温度を検出するための検出手段によってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
6. 前記検出手段が、前記焼結位置の囲りの複数の検出点で前記粉体の温度を検出するための手段によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第５項に記載のレーザ焼結装置。
7. 前記検出手段からの検出信号に応答し前記加熱レーザビームのパワーを制御するためのレーザ制御手段によってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第６項に記載のレーザ焼結装置。
8. 前記検出手段が前記粉体からの放射された熱放射を検出することを特徴とする、特許請求の範囲第２項または第５項に記載のレーザ焼結装置。
9. 前記放射された熱放射を前記検出手段に向けるための光学手段によってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第８項に記載のレーザ焼結装置。
10. 前記粉体を介して前記焼結レーザビームを走査するための走査手段と、
    前記熱放射を前記走査手段を通して前記検出手段に向ける走査手段と、
    によってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第８項に記載のレーザ焼結装置。
11. 前記レーザ制御手段が、前記検出手段に応答し前記焼結レーザビームの所望のパワーを示すパワー制御信号を供給するための信号処理手段によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載のレーザ焼結装置。
12. 前記レーザ制御手段が、前記パワー制御信号に応答し前記焼結レーザビームのパワーを制御するための変調器手段によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第11項に記載のレーザ焼結装置。
13. 前記レーザ制御手段が、前記検出手段に応答し前記加熱レーザビームの所望のパワーを示すパワー制御信号を供給するための信号処理手段によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載のレーザ焼結装置。
14. 前記レーザ制御手段が、前記パワー制御信号に応答し前記加熱レーザビームのパワーを制御するための変調器手段によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第13項に記載のレーザ焼結装置。
15. 前記加熱レーザビームが前記粉体の表面で前記焼結レーザビームに重複することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
16. 前記加熱レーザビームが前記粉体の表面で前記焼結レーザビームに重複しないことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
17. 前記焼結レーザビームが、前記粉体に入 射される前に、前記加熱レーザビーム内に、所定の距離広がることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
18. 前記焼結レーザビームが、前記粉体に入射される前に、前記加熱レーザビームの外側に、所定の 距離広がることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
19. 前記焼結レーザビームが前記加熱レーザビームの偏光に対して直角方向に偏光されることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
20. 前記焼結レーザビームと前記加熱レーザビームが両方とも無偏光であることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
21. 前記焼結レーザビームと前記加熱レーザビームが両方とも同じビーム源から発生することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
22. 前記加熱レーザビームが集束ビームであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
23. 前記焼結レーザビームが集束ビームであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
24. さらに、複数の前記加熱レーザビームを 発生することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
25. 前記加熱レーザビームの各々のパワーレベル個々に制御されることを特徴とする、特許請求の範囲第２４項に記載のレーザ焼結装置。
26. 前記加熱レーザビームが焦点はずれレーザビームであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
27. 前記加熱レーザビームが、前記焼結レーザビームよりも広く集光される集光レーザビームであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ焼結装置。
28. 焼結レーザビームを粉体の表面の焼結位置に向けるステップと、
    少なくとも１つの加熱レーザビームを前記焼結位置の近くの加熱領域に向けるステップと、
    からなり、前記焼結位置と周囲の粉体との間の温度勾配 が、粉体の焼結された部分のカールが大幅に減少される 所定の値まで減少されるように、前記加熱レーザビーム は、前記焼結レーザビームよりも広く集光されるレーザ ビームまたは焦点はずれレーザビームであることを特徴とする、レーザ焼結方法。
29. 前記焼結位置の近くの検出点で前記粉体の温度を検出するステップによってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第２８項に記載のレーザ焼結方法。
30. 前記検出点での前記粉体の前記温度に応答して前記焼結レーザのパワーを調節するステップによってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第２９項に記載のレーザ焼結方法。
31. 前記加熱領域の近くの検出点で前記粉体の温度を検出するステップによってさらに構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第２８項に記載のレーザ焼結方法。
32. 前記検出点での前記粉体の前記温度に応答して前記焦点はずれレーザのパワーを調節するステップによって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第２８項に記載のレーザ焼結方法。
33. 焦点はずれレーザビームの形態の加熱レーザビームを用いることを特徴とする、特許請求の範囲第28項に記載のレーザ焼結方法。
34. 前記焼結レーザビームより広く集光される集光レーザビームの形態の加熱レーザビームを用いることを特徴とする、特許請求の範囲第28項に記載のレーザ焼結方法。
35. 鉄粉体から成る粉体を用いることを特徴 とする、特許請求の範囲第28項に記載のレーザ焼結方 法。

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