JP4778895B2 - 粉末又は粉末混合物の少なくとも１つの薄層を配置するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉末又は粉末混合物の薄層を作るための装置に関する。より詳しくは、熱的エンクロージャ内に入れられた材料へのレーザの作用に基づく処理、特にレーザビームによる焼結処理で使用するためのセラミック若しくは金属の粉末又はセラミック若しくは金属の粉末混合物の薄層を作る方法に関する。

国際公開第９９／４２４２１号パンフレットは、レーザを使用して粉末又は粉末混合物の固相焼結を行うことに基づくラピッドプロトタイピング方法を開示する。その目的のために、市販の、任意の粒度又は粒度分布のセラミック若しくは金属粉末又はセラミック若しくは金属粉末混合物９００℃まで加熱された炉が使用される。かかる方法では、作業面には２つの井戸（ｐｕｉｔｓ）が設けられる。第１の井戸は供給源を形成し、そこから粉末又は粉末混合物が取り出されて第２の井戸の上面に移送され、そこで薄層に広げられ、その後、レーザビームを使用する焼結が行われる。粉末又は粉末混合物は、国際公開第０１／４１９３９号パンフレットに開示されている装置によって２つの井戸の間を移送される。かかる装置は並進方向に案内されて回転方向に移動可能である。粉末と接触するようになるその表面には、粉末又は粉末混合物を掻き取るための３つの刻み目が設けられている。このようにして形成されたスクレーパは、作業面に対して所定角度で移動することにより粉末をそれに対して部分的に圧縮する。国際公開第９９／４２４２１号パンフレットに記載されている方法においては、スクレーパは自在に回転してその自重によって並進方向に駆動されるローラに接続される。ローラはスクレーパの後部で作動して粉末又は粉末混合物を圧縮する。スクレーパ及びローラは作業面を移動する。作業面にはガイドレール及び、そのレールの側面上のスタッドが設けられており、それによりスクレーパは、その行程の末端で傾くことが可能となる。任意の粉末又は粉末混合物を使用する際、かかる装置においては、こうして付与される層に対して所望される厚さ、表面品質、及び形状を確実な方法で得ることは可能ではない。さらに、９００℃に到達し得る温度における雰囲気中では、かかる装置を使用して層を作ることは困難である。数回の通過の後、エンクロージャ内に位置する様々な部品に摩耗現象が生じる。摩耗により、こうして付与される層の均一性は損なわれる。さらに、こうした２つの部材は熱的エンクロージャ内に案内される。エンクロージャの範囲内は、９００℃もの高温になり得る温度にさらされ、スクレーパ及びローラを案内する手段は膨張しやすい。それらは必ずしも同等な量だけ膨張するわけではないので、粉末又は粉末混合物が層に配置される正確さを低下させる。さらに、ローラはその自重を受けて駆動するので、それが規則的かつ正確に案内されることは容易ではない。

ローラがガイドレール上に位置決めされる際の不規則性及び、スクレーパがかかるレール上を摺動することによる摩耗現象によって、層に配置される不正確さが増加する。

さらに、粉末を層に配置するためのかかる装置は、スクレーパ及び圧縮ローラという２つの別個の要素を有しており、その総合的なかさばりによって作業面及びエンクロージャにはかなりの長さが必要になる。この装置、特にエンクロージャ、の寸法によって、エンクロージャ内の温度を制御することが容易ではなくなっている。こうして温度勾配の上昇が頻繁に生じるので、先に観察されたスクレーパとローラとの膨張差が強調される。実際には、高額な製造コストに加えて、１００マイクロメータ（μｍ）よりも薄い厚さを有する薄層を複数連続して配置することは、このようなシステムにおいては実質的に不可能である。層が１００μｍよりも厚いとしても、粉末又は粉末混合物の粒度がそれを可能とする場合、こうして付与される層の厚さ及び均一性は、レーザが材料に作用して、特に部品が焼結されるには不十分であることが多い。

米国特許第５２５２２６４号明細書は、粗い外表面を有するローラを備えた装置を開示する。こうして、粉末はローラの刻み目の所定位置に保持される。ブレードが粉末を除去するために使用される。かかる装置を用いて粉末をローラ上に維持すること及び粉末を付与することは、すべての種類の粉末を用いて薄層を配置することには適していない。
国際公開第９９／４２４２１号パンフレット 国際公開第０１／４１９３９号パンフレット 米国特許第５２５２２６４号明細書 米国特許第５８７６５５０号明細書 仏国特許出願公開第２７７４９３１号明細書 米国特許出願公開第２００３／０５９４９２号明細書 米国特許第６３９１２５１号明細書

本発明は、より具体的には、粉末又は粉末混合物が約５μｍの最小厚さを有する薄くて均一な層に配置されることを可能にし、約１２００℃までの高温でこれを行うことが可能である一方で、層がレーザーが材料に作用するのに必要な品質となることを保証し、さらに一方で、温度勾配の影響及び、層を配置する手段への磨耗の影響を避けることを可能にする装置を提案することによって、こうした欠点を克服しようとするものである。

この目的のために、本発明は、粉末又は粉末混合物の少なくとも１つの薄層を配置するための装置を提供する。本装置は、レーザが熱的エンクロージャ内に入れられた材料に作用することを可能にするために使用される。本装置は、貯蔵手段と、粉末又は粉末混合物の供給手段と、前記貯蔵手段から取り出された前記粉末又は粉末混合物を付与するための付与領域と、前記付与領域に付与された粉末又は粉末混合物を圧縮するための手段と、を有する。本装置は円筒を有し、その円筒には、第１に、前記円筒の外表面に形成されて粉末又は粉末混合物を貯蔵手段から付与領域まで供給するように適合された少なくとも１つの溝が設けられており、第２に、前記付与領域に先に付与された粉末又は粉末混合物を圧縮するように適合された表面が設けられている。前記円筒、前記貯蔵手段、前記付与領域、及び粉末又は粉末混合物は、円筒が前記エンクロージャの外側から案内され及び駆動されることが可能である間高温に維持されるのに適した前記エンクロージャ内に位置する。

本発明によれば、かかる手段を使用して、高温に維持されたエンクロージャ内で供給と圧縮の両方の機能を果たす装置が提供され、それは連携して行われる。かかる装置は、小さな寸法であることに加え、正確かつ不変に案内されることが可能であるため、層が薄い場合であっても層が均一に配置されることが保証される。かかる装置は小さな寸法なので、エンクロージャの異なる領域間に存在する温度勾配によって生じ得る供給手段と圧縮手段との寸法差を克服することも可能になる。供給溝を使用することにより、粉末が最適に付与されることが可能になる一方、圧縮表面はその機能に適合された表面状態を有することが可能になる。こうして、単一の部材によって粉末が取り出され付与され及び圧縮される。

本発明の好ましいが必須ではない側面によれば、装置には以下の１つ以上の特徴が組み込まれている。
・圧縮に適合された表面は、前記円筒の外表面の少なくとも一部を有し、そこには少なくとも１つの溝が形成されている。
・溝は、円筒の２つの端部の間に、その部材の長手軸にほぼ平行な方向に延びる。
・溝は、ほぼ平底状のＶ字形状に構成された断面を有する。
・円筒の周囲は付与領域の直径よりも大きい。
・円筒の外表面の粗さは、付与領域の表面の粗さよりも小さく、円筒の外表面の粗さは、粉末の最小粒度よりも小さいか又は等しい。
・エンクロージャ及びその中に位置する要素が維持される温度は、室温から約１２００℃までである。
・円筒（１２）の位置決め、案内、及び駆動は、装置のエンクロージャの外側に位置する位置決め及び案内装置並びにアクチュエータによって行われる。
・エンクロージャの側面に位置するシャッタは、円筒が移動する際に円筒の長手軸が移動する平面に対して異なる方向に可動である。好ましくは、これらのシャッタは三角形状及び平行四辺形形状であり、邪魔板として互いに接触して配置され、エンクロージャに対して断熱を与える一方で、円筒が円筒の位置決め、案内、及び駆動を行うための部材に接続されることを可能にする。

単に例示として与えられ添付の図面を参照して行われる、以下に記載する本発明にかかる装置の２つの実施例に照らして、本発明はより良く理解され、本発明の他の利点はより明確になる。

図１に示されている装置１は断熱エンクロージャを有し、断熱エンクロージャの上部には加熱手段（図示せず）が設けられている。エンクロージャは静止構造体によって支持されており、底部２を有し、全体的には、上にカバー３が配置された中空の平行六面体の形状に構成されている。カバー３には、例えばシリカ製の窓４が形成されている。窓４は、レーザビームが粉末又は粉末混合物に作用している間レーザビームを通過させる役割を果たす。底部２は静止しており、装置１の支持構造体に固定されている。カバー３は、底部２の内部容積へのアクセスを完全に引き出すように水平方向に案内される。

底部２は、装置１に形成された２つの井戸の開口部に対応する２つの円形穴６及び７が一部に設けられた内向面５を有する。各穴では、ピストン８又は９が、層を配置する部材の長手軸ＡＡ’が移動する平面Ｂにほぼ垂直な方向に移動し、各ピストンは対応する穴６又は７を一時的に閉じる役割を果たす。こうして、面５は連続的な作業面を形成する。ピストン８及び９は井戸を密閉し、エンクロージャ内の粉末又はガスが井戸の中に通じないようにする。ピストン８及び９は、対応する穴６又は７と、各々穴６又は７まで延びる円形ベースの各円筒井戸１０又は１１の内部との間を移動する。ピストン８及び９は互いに独立して移動する。各ピストンは駆動システムによって、特にステップモータ、精密なスクリュ・ボールナットシステム、又はその他の駆動装置によって、駆動される。それらが移動する際、ピストンは、例えばプレストレスト球（ｂｉｌｌｅｓ ｐｒｅｃｏｎｔｒａｉｎｔｓ）を備える案内要素のような案内手段によって案内される。案内装置は、装置１において出会う熱的ストレスを受けることがない。ピストン８及び９は井戸１０及び１１の底部と穴６及び７との間を正確に移動する。各ピストンに対して得られる精度は、付与された粉末層の厚さで約プラス又はマイナス１ミクロンである。

井戸１０に位置するピストン８の上面は、セラミック若しくは金属の粉末Ｐ又はセラミック若しくは金属の粉末の混合物が貯蔵される貯蔵庫の底部を形成する。これらは、広く市販されて入手可能な製品である。

ピストン９が井戸１１の内側を移動する際に貫通する穴７は、カバー３が閉じている場合は窓４のほぼ鉛直下に位置する。ピストン９は、粉末Ｐ又は粉末混合物が、レーザがその材料に作用する前に薄層で付与される付与領域を形成するプレート９０を支持する。

プレート９０は井戸１１に取り外し可能に位置決めされる。このため、部分が移送されることが可能であり、ひとたび作られると部分を直接扱う必要がない。プレート９０は、ピストン９上に正確に位置決めされて粉末又は粉末混合物の第１層が正確に配置されるのを保証する。この第１層は作られる部分を保持及び位置決めする役割を果たし、その後の層の品質を決定する。

ピストン８及び９の行程は、ピストンがその各々の上部行き止まり位置にある際にピストン８及びプレート９０が面５と同一平面になるように適合される。

底部２の外側では、駆動案内システム（図示せず）が、ピストン８とピストン９との間で粉末Ｐ又は粉末混合物を供給及び圧縮する部材１２を回転方向及び並進方向に移動させる役割を果たす。案内システムは、エンクロージャを断熱に維持したまま底部２を外側から案内するように適合される。外側からのこの案内により、エンクロージャの内側で出会う熱的及び機械的ストレスを避けることが可能になる。

部材１２は、好ましくはセラミック材料で作られる部品である。かかる材料と適切な形状及び寸法によって、部材１２は、エンクロージャが例えば約１２００℃まで加熱されても変形を受けないことを保証する高度の寸法及び形状の安定性を有する。同様にして、部材１２は高度の摩耗耐性を提供する。

部材１２は円筒形状であり、その両端の各々には中央位置に、円筒の長手軸ＡＡ’沿いに延びる２つの軸（ａｘｅｓ）１３、１４の各々が設けられている。これらの軸１３、１４は、底部２の側壁を貫通して底部２の外側に突出しており、その外側でモータ駆動の駆動案内装置と協働する。

円筒の外表面１２ａの表面状態は、「鏡面研磨」に近い品質であるか、または、少なくとも付与領域９の表面状態程度になめらかである。好ましくは、表面１２ａは０．０６μｍよりも小さいか又は等しい粗さＲａを有している。

エンクロージャの内側と外側の案内駆動手段と間の断熱は、単純な幾何学的形状の、特に各々三角形状及び平行四辺形状の、シャッタ２０及び２１の組み合わせによって与えられる。これらのシャッタ２０、２１は邪魔板を構成するようにしてエンクロージャの各側面に交互に配置される。シャッタは単純な機械的接触を行う。すなわち、それらは両者間で摩擦も摩耗もなく動作する。直角三角形状のシャッタ２０は協働して長方形を形成し、ピストン８及び９の変位に対してほぼ平行な方向に往復移動可能である。平行四辺形状のシャッタ２１はピストン８及び９の変位に対してほぼ垂直な方向に移動可能である。こうして、シャッタ２０及び２１によって構成される邪魔板は、エンクロージャが密閉されたままになることを保証する。

かかる構成を用いると、装置の全体的な大きさも小さなままとなる。こうして、円筒１２は正確に移動するように置かれており、それが両方の井戸１０及び１１上を連続して通過することを可能にするように適合された行程に沿った面５の上の平面Ｂ内を移動する。円筒１２をサーボ制御するためのパラメータ、例えばその位置及びその回転速度、は例えば粉末又は粉末混合物の、置かれる層の厚さの、及び温度のようなその他の作業パラメータの、関数として定義される。

円筒１２は、その円筒形状の外表面に長手方向の溝１５を有する。この溝１５は、円筒１２の長手軸ＡＡ’にほぼ平行な方向に延びている。溝１５は、ほぼＶ字形状の断面であり、溝１５の平面Ｐ₁₅に対して傾斜する１つの壁部１５ａを有する。

壁部１５ａ及び１５ｂは、溝１５の底部１５ｃに向かって収束する。溝の壁部の１つ１５ｂは、平面Ｐ₁₅が円筒１２の外側円筒表面１２ａと交わるエッジ１６で終端する。こうして、エッジ１６は、ピストン８上の粉末Ｐ又は粉末混合物を集めるのに適し、及び粉末又は粉末混合物を溝１５の底部１５ｃに向けて送るのに適したスクレーパを形成する。

円筒１２の周囲は、それがその軸ＡＡ’まわりの完全１回転を果たす際に、穴６又は７のいずれか１つの表面全体を覆うのに十分な距離を移動するように適合されている。

溝１５の内側の壁部１５ｂの傾斜角度は、円筒１２がピストン８の上を移動する際に粉末又は粉末混合物が有効に取り出されることを保証するように適合されている一方で、その後で粉末Ｐがプレート９０上に完全かつ迅速に付与されることを保証するように適合されている。

図４Ａに示されているように、まず、円筒１２は面５の一端の休止位置にあり、溝１５は空である。粉末Ｐ又は粉末混合物はピストン８上に貯蔵され、ピストンは、粉末Ｐ又は粉末混合物が面５のわずかに上に突出することを保証する程度に高い位置にある。プレート９０は、その穴７で、面５と同一平面内に位置決めされる。

円筒１２をその軸１３及び１４まわりに回動Ｒ₁させることによって、円筒１２は、溝１５の第１エッジ１６をピストン８の周縁近傍の粉末Ｐに接触させるように角度的に移動する。図４Ｂに示されているように、円筒１２を矢印Ｆ₁方向に並進移動させることによって、エッジ１６によって集められて溝１５に入れられた粉末Ｐは、円筒１２によってピストン８から取り出される。

図４Ｃに示されているように、円筒１２の並進方向Ｆ₁の移動が続く際に、溝１５はピストン９の周縁近傍に至り、そこで粉末Ｐがその周縁近傍において重力によりプレート９０上に付与される。

その後、図４Ｄに示されているように、円筒１２は回動Ｒ₂されて、その円筒表面１２ａの母線１７がプレート９０上に位置決めされる。粉末Ｐは、例えば並進方向Ｆ₁に円筒を移動させることによって、プレート９０上に均一かつ容易に分散される。母線１７は粉末をプレート９０上に広げるスクレーパのように作用する。ほぼ母線１７とエッジ１６との間に位置する円筒表面１２ａの一部１６ａも、粉末を広げることに貢献する。

粉末の付与と同時に、ピストン９は穴７に向かって移動し、プレート９０又は先に付与された層と円筒１２との間のギャップは、圧縮される前に広げられた粉末層の厚さにほぼ等しい。必要であれば、粉末又は粉末混合物を集めて広げる操作を複数回行うことも可能である。そうするために、層に対して中間厚さが設定される。粉末又は粉末混合物の性質に応じて、付与される層の厚さの進展が設定により決定される。例えば、この進展は下式のタイプの非線形で減少する場合がある。
ｙ=（ａｘ＋ｂ）／（ｃｘ＋ｄ）

この変位の終わりには、図４Ｅに示されているように、ひとたび円筒１２がその溝１５を空にして粉末Ｐがプレート９０上に分散されると、図４Ｅに示されているように、円筒１２はＲ₂方向に回動される。

この回転方向Ｒ₂は回転方向Ｒ₁とは逆になっており、図４Ｇに示されているように、円筒１２をその初期位置に向かう矢印Ｆ２に沿って戻す役割を果たす。この圧縮段階の間、ピストン８及びプレート９０は、層の最終的な厚さに対応する円筒１２に対するギャップを画定する。この回転Ｒ₂の間、円筒１２はプレート９０上を反対方向に通過し、円筒１２の外表面１２ａによって粉末Ｐが平滑化されて圧縮される。この通過の間、表面１２ａの表面状態が鏡面研磨に近いという事実によって、粉末の性質及び／又は粒度にかかわらず、粉末Ｐを付与してその後圧縮することが可能になる。表面１６ａもまた平滑化に貢献する。円筒１２の周囲は展開されるとプレート９０の直径よりも大きい。必要であれば、圧縮操作は所望の厚さが得られるまで繰り返されてよい。

圧縮操作の間は、必要であれば、ピストン９及びプレート９０は、円筒１２が移動Ｒ₂、Ｆ₂を行っている間に方向Ｆ₄又はＦ’₄に向かって移動する。

ピストン８を穴６に向かってＦ₃方向に移動させることによって、粉末Ｐは溝１５によって取り出される位置まで戻ることが可能になる。

ピストン９をＦ₄方向に移動させることによって、先に付与された層の上面は面５とほぼ同一平面上になる。

このようにして広げられた粉末又は粉末混合物の層は、その後、例えば焼結又は溶融処理のようなレーザビームの作用を受ける。すべての操作は、高温に維持されて気密に保たれたエンクロージャ内で行われる。

変形例として、粉末又は粉末混合物は、例えばエンクロージャが開放されたままのように、室温で層に配置される。

その後は、前述の段階を繰り返して、粉末又は粉末混合物の複数の層を連続して広げて圧縮すれば十分である。

かかる広げて圧縮する部材を使用して、５μｍもの薄い厚さの均一な層が、粉末へのレーザーによる作用の前に、使用される粉末Ｐの粒度に応じてプレート９０上に配置される。図５に示されているように、溝１５のエッジ１６によってではなく溝１５のエッジに取り付けられるフィッティング１８によって形成されたスクレーパを備える円筒１２を有してもよい。このフィッティング１８は、例えば溶接又はねじ締めのような確定的な方法で固定される。

このように、薄層を配置するためのかかる装置は、例えばカバー３が閉じられている間のような密閉された雰囲気において使用され得るが、オプションとして、高温若しくは超高温下で、又は、特に粉末の粒度及び性質上可能である場合には外気においてでもよい。外気において操作される場合はカバー３は開放されたままとなる。円筒１２並びにピストン８及び９の両方に対する案内手段は、作業エンクロージャの外側に置かれる。密閉断熱手段がそれらを粉末及び、もしもあるようであれば、高温から防護する。

別の構成においては、穴６及び７の直径並びに／又はそれらの間の間隔の関数として、円筒１２にオプションとして同一の複数の溝１５を設けて使用することも可能である。

同様に、溝１５の形状は図示とは異なっていてもよい。

変形例において、溝１５は円筒１２の長さの一部のみにわたって形成されてもよい。

本発明に係る装置の部分断面図である。ここで、貯蔵手段、付与領域、及び層を配置する部材が部分的にのみ示されている。層を配置するための部材は断面で示されており、閉じたエンクロージャの内側で、貯蔵領域上に粉末を付与するための位置にある。エンクロージャの外側にある案内システムは示されていない。 先の図に示されている装置の断面図である。層を配置する部材が図１の矢印Ｆ方向から見た正面図で示されている。 層を配置する部材の一部を単独で示す斜視図である。 図３のＩＩＩＡ平面沿いの断面図である。 図４Ａから４Ｇまでは、貯蔵手段から粉末を取り出して、粉末を付与して、粉末を広げて、及び粉末を付与領域で圧縮する際の様々な段階を示す模式図である。 別の実施例における、層を配置する部材の部分的な概略図である。 図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。ここで、層を配置する部材並びに案内要素及び駆動要素は示されていない。

Claims (9)

1. 温度が維持されたエンクロージャに入れられた材料にレーザが作用することを可能にするために使用される、粉末（Ｐ）又は粉末混合物の少なくとも１つの薄層を配置するための装置であって、この装置は前記粉末（Ｐ）又は粉末混合物の貯蔵手段（８）と、前記貯蔵手段（８）から取り出された前記粉末（Ｐ）又は粉末混合物を付与するための付与領域（９）と、前記粉末（Ｐ）又は粉末混合物の供給手段及び前記付与領域（９）に付与された粉末（Ｐ）又は粉末混合物の圧縮手段を有する円筒（１２）とを有し、
   前記円筒（１２）には、前記供給手段として、前記円筒（１２）の外表面に形成されて貯蔵手段から粉末又は粉末混合物を取り出して付与領域（９）に供給するように適合された少なくとも１つの長手方向の溝（１５）が設けられているとともに、前記圧縮手段として、前記付与領域に先に付与された粉末（Ｐ）又は粉末混合物を圧縮するように適合された表面（１２ａ、１６ａ）が設けられており、
   前記円筒（１２）、前記貯蔵手段（８）、前記付与領域（９）、及び前記粉末（Ｐ）又は粉末混合物は、前記エンクロージャ内に位置し、前記円筒（１２）の位置決め、案内、及び駆動は、装置のエンクロージャの外側に位置する位置決め及び案内装置並びにアクチュエータによって行なわれることを特徴とする装置。
2. 圧縮に適合された前記表面（１２ａ、１６ａ）は、前記円筒（１２）の外表面の少なくとも一部（１２ａ、１６ａ）を有し、そこには少なくとも１つの長手方向の溝（１５）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記溝（１５）は円筒（１２）の２つ端部の間に、前記円筒の長手軸（ＡＡ’）に平行な方向に延びることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記溝（１５）は、平底状のＶ字形状に構成された断面を有する請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 円筒（１２）の周囲は付与領域（９）の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記円筒（１２）の外表面（１２ａ）の粗さは、前記付与領域（９）の表面の粗さよりも小さく、外表面（１２ａ）の前記粗さは、０．０６μｍよりも小さいか又は等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. エンクロージャ及びその中に位置する要素（８、９、１２、Ｐ）は、室温から１２００℃までの温度に維持されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. エンクロージャの側面に配置されるシャッタ（２０、２１）は、シャッタ（２０）については、ピストン（８）及び（９）の変位に対して平行な方向に移動可能であり、シャッタ（２１）については、ピストン（８）及び（９）の変位に対して垂直な方向に移動可能
   であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. シャッタ（２０、２１）は、三角形状（２０）及び平行四辺形状（２１）であり、邪魔板を構成して互いに接触する配置であり、エンクロージャに対して断熱を与える一方で、前記円筒が前記円筒（１２）の位置決め、案内、及び駆動部材に接続されるとともにこれらの部材が装置のエンクロージャの外側に位置することを特徴とする請求項８に記載の装置。

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