JP4964307B2 - レーザー焼結によって３次元物体を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー焼結によって３次元物体を製造する方法に関する。

レーザー焼結を使用して３次元物体を製造する方法は、たとえば特許文献１から既知である。この特許文献１においては、赤外線カメラが使用されて、頂部の粉末層の瞬間温度が検出される。記録された温度画像が使用されて、温度制御システムによって放射加熱システムが再調整される。したがって、部品床の頂部の層の望ましくない収縮を温度制御によって低減することができる。

電子銃によって、それぞれの層における物体に対応する位置においてパウダー材料層を溶融することによって３次元物体を製造する方法が、特許文献２から既知である。パウダーベッドにおける表面層の表面特性を検出するために、表面層の温度分布を部分的に測定すると共に、表面の不規則さの結果である表面乱れの発生を陰影情報によって部分的に検出するカメラが使用される。温度分布に関する得られた情報を使用して、表面における可能な限り一定の温度分布が得られる。陰影情報を使用して、製造された物体の寸法と目標寸法との間のずれが制御される。カメラは陰影情報に基づいて表面情報を検出するため、このような陰影情報を生成するにはさらなる照明が必要である。特許文献３も、粉末層を光学的に観察するときの側方光入射の使用を記載している。

概して、放熱器をクロスフェードするために電力消費が大きい照明が必要となり、そしてこれによって廃熱が生成され且つ同期した閃光照明が必要とされるため、光源を追加することは煩雑である。さらに、陰影情報は最終的には、照明構成に依存する。たとえば、陰影の生成は多くの場合、様々な方向からの照明を必要とする。そしてこれは、複数の記録と複数の光源とを必要とする。しかしながら、構造の認識がほとんど不可能である場合がある。

図４は、可視光における塗布された層の一例を上方の画像に示す。この層において、２つのアーチファクトを認識することができる。すなわち、画像の中央における深い窪みと、塗布された層を一切有しない楔形領域とである。楔形領域は、画像の幅のほぼ全体にわたって延在しており、ほとんど認識することができない下縁を有する。下方の画像から、自動画像認識ソフトウェアがこの下縁を正確に認識することができないということが分かる。下縁は、高感度のエッジフィルタであっても部分的にしか認識することができない。この代わりに、高感度に起因して、層が実際に正確である場所において縁が発見されることになる。したがって、塗布された層を有しない領域の正確な認識は不可能であり、その結果、塗布された層の欠陥を明確に補正することはできない。

欧州特許出願公開第１ ４６６ ７１８号明細書 欧州特許第１ ２９６ ７８８号明細書 独国特許第１０３ １０ ３８５号明細書

本発明の課題は、それぞれの層の物体に対応する位置において粉末材料の層を固化することによって３次元物体を製造する方法を提供することである。この方法においては、製造された物体の質が向上する。

この課題は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明のさらなる展開は従属請求項に明記されている。

本発明は、必要に応じて、製造工程中の計測及び層形成における欠陥が自動的に診断及び補正されるという利点を有する。したがって、製造工程中の一貫した質の制御が確実となる。

従来技術は陰影を評価するが、本発明による方法は、層の観察中に追加の照明を一切必要としない。したがって、可視光における機械の照明は煩雑でない。本方法はさらに、材料の色及び特性に依存しない。したがって、本方法は、添加物による従来の構成材料の変化を必要としない。

請求項１に記載の方法では、塗布された粉末層における不規則性／欠陥に関する情報は、専ら粉末層のＩＲ放射画像に基づいて取得される。或る領域からの赤外放射はその領域の温度のみに依存するのではなく、その放射率及び反射率にも依存するという利点が用いられる。

従来技術におけるように温度分布のみが対象である場合、他の量、すなわち放射率及び反射率の影響を補正によって補償することが望ましい。本発明によれば、塗布された粉末において異なる領域が存在する場合、３つ全ての量が赤外領域内で大きく変化するという利点が用いられる。放射率及び反射率の影響の補償は生じない。赤外スペクトルにおいて異なる特性を有するそれらの領域内に存在する高いコントラストに起因して、非常に正確な層観察が可能である。最近塗布された層の全体にわたって温度が同じままであっても、ＩＲ画像の色には差異が存在する。これは、層における不規則性（たとえば、縁、又は層厚さのずれ（schwankungen: deviations; fluctuations：変動）が異なる放射率及び反射率をもたらすためである。

さらなる利点及び目的は、図面に基づく実施形態の説明から導き出すことができる。

レーザー焼結装置の概略図である。 層を観察するための装置の概略図である。 層形成工程中に生じ得る欠陥を有するＩＲ放射画像の例である。 層形成工程中に生じ得る欠陥を有するＩＲ放射画像の例である。 層形成工程中に生じ得る欠陥を有するＩＲ放射画像の例である。 可視光における層観察中の問題の図である。

図１から分かるように、本発明によるレーザー焼結装置は、上側及び下側が開いている構築フレーム（build-up frame）１を備え、上方周縁部２を備える。構築フレーム内には構築段３が設けられる。この構築段は、構築段３を垂直方向において上下に動かす垂直駆動装置４に接続される。上方周縁部２の上方には、固化手段がレーザー６及びビーム偏向手段７として配置される。さらに、粉末材料を塗布する層形成装置８が設けられる。たとえば、層形成装置は、構築領域にわたって延在すると共に粉末で満たされることができる容器を含む。この容器は、その下側において、構築領域にわたって延在する放出開口５を備える。さらに、層形成装置は従来通りに、所定の厚さを有する粉末層を生成するために少なくとも１つのブレード８ａを備える。レーザー６、ビーム偏向装置７、層形成装置８、及び垂直駆動装置４は制御装置９によって制御される。図１の描写では、非固化材料１１によって囲まれる構築された物体１０が示されている。粉末材料として、たとえばポリアミド又はポリスチレンのような合成粉末材料が使用される。本発明による方法は、これらの材料に特に適している。しかしながら、金属粉末、セラミック粉末、細砂、及びレーザー焼結に適している任意の他の材料のような他の材料を使用することができる。

図２は、レーザー焼結装置の構成の詳細を示している。新たに塗布された粉末層１３がフレーム１の上方周縁部２において構築領域内に設けられる。構築領域の上方では、放射加熱器１４が配置される。これらの放射加熱器は、制御装置（図示せず）に接続され、レーザービームを用いる照明が行われる前に、新たに塗布された粉末層を加工温度において加熱する役割を果たす。さらに、赤外線カメラ１５が構築領域の上方に設けられ、この際、赤外線カメラ１５は構築領域全体を見渡すようにされる。実施形態による赤外線カメラ１５は、１μｍ〜約１４μｍの波長範囲内で高感度を有する。したがって、赤外線カメラ１５は、合成粉末のレーザー焼結中に生じる温度に適している。しかしながら、カメラの波長感度は、使用される材料に従って選択される。赤外線カメラは、レーザービームのための複数の入射窓１６のうちの１つの傍らに、又は入射窓の後ろで外側において置くことができる。

本発明の方法によれば、粉末材料は、層単位で段３上、及び以前に固化された層上に塗布される。そして粉末材料は、物体に対応する位置においてレーザービームによって固化される。層形成装置８が構築領域の上方で移動し、新たな粉末層を塗布するとき、新たに塗布された層において欠陥が生じる場合があるか、又は不規則性が形成される場合がある。たとえば、層形成装置が、構築領域の幅又は長さに沿って不規則に粉末を塗布する場合がある。その結果、別の側よりも粉末がより多く塗布された側が存在し、塗布された粉末層の厚さが構築領域において変化することになる。さらに、ブレード８ａの汚染物によって、塗布された層内に１つ又は複数の溝が形成される場合がある。さらに、粗い粉末不純物によって、又はたとえば、カールのような熱変形効果に起因して層水準から突出する固化された領域によって、新たに塗布された粉末層において不規則性が形成される場合がある。新たに塗布された粉末層におけるこれらの欠陥及び／又は不規則性は、粉末を塗布した後赤外線カメラによって、異なる温度及び／又は異なる放射率及び／又は異なる反射率に基づいて検出される。同時に、異なる層の厚さを有する領域が、層の表面特性を示す異なる色によって再現される。したがって、新たに塗布された各層を、層ごとに実際の値と目標値とを比較することによって、カラー画像の画像処理によって観察することができる。欠陥又は不規則性が検出される場合、これらの不規則性を補償する間に追加の層形成ステップを層形成装置によって実施することができるか、又はその代わりに、後続の層の層パラメータを、形成された物体全体の不規則性が全く又は実質的に全く効果を有しないように適応させることができる。

ＩＲビーム画像は赤外線カメラによって、新たに塗布された各層において、又は特定のサンプルを観察することによって特定の層に関してのみ求めることができる。

図３ａ〜図３ｃは、欠陥及び不規則性の場合の異なるＩＲビーム画像を示している。図３ａ及び図３ｃの場合、それぞれのＩＲビーム画像が上方の図において示されており、下方の図は、従来の画像処理ソフトウェアによって処理された後の同じ画像を示している。本方法によれば、特定の画像処理方法の適用は重要ではない。画像処理の結果は単に、本発明による方法が粉末塗布における欠陥の自動認識の改善をどのようにもたらすかを示しているだけである。

図３ａのＩＲビーム画像には、上方部分において溝の形状の幅が狭い筋が存在する。この筋は、層形成装置のブレードに付着している汚染物からもたらされるものである。ＩＲビーム画像に基づいて、溝を、画像処理ソフトウェアによって左上方の部分における明るい欠陥と同様にして認識することができる。

図３ｂは、汚染からもたらされる幅が広い線条と、上方右部分における不均一な層の厚さとを示している。塗布された層がＩＲビームを、厚さに応じて可変に、該塗布された層の下の材料から通過させるため、不均一な層の厚さも良好に赤外スペクトルにおいて認識されることに留意されたい。

図３ｃは、層形成装置内の放出された粉末を示している。層の厚さは層塗布の最後においてはより小さくなる。粉末は依然として明るい上方の画像領域では塗布されたが、３０度まで上昇した温度に基づく変更された色によって下方の画像領域では粉末が無いことが認識される。変更された色は、画像処理によって自動的に認識することができる。不鮮明な縁であっても、一体を成す複数の領域の認識を複雑化させない。

さらなる変更形態として、検出されたＩＲビーム画像を使用して、最近塗布された粉末の表面上で不均一な温度が検出される場合、放射加熱器１４の加熱力を調節することもできる。さらなる変更形態として、非定常ガスの渦又は流れを赤外線カメラによって検出することができる。これらは、粉末床からの熱放射を遮る。

さらなる変更形態として、部品の正確な位置に関して、既に照明された領域を調べることができる。焼結された部品の光学的に測定される温度が焼結されていない粉末の光学的に測定される温度よりも高いため、構築領域内の該部品の位置をＩＲ放射画像内で正確に求めることができる。

赤外線カメラによる層の観察は追加の光源を一切必要としない。光照射に従って生じる陰影の問題は起こらない。

レーザー焼結の方法及びレーザー溶融の方法を上記に記載してきたが、本発明による方法は、エネルギーを粉末層に選択的に加える他の方法によって実現することができる。たとえば、ランプのような他の光源をレーザーの代わりに使用することができる。さらに、固化のためのエネルギーは、電磁放射としてのみでなく、電子ビームのような粒子ビームとしても供給することができる。本発明による方法は、ビームを粉末層の関連部分に連続的に当てることによってエネルギーが加えられるか、又はマスク及び（シリカランプのような）無指向性放射の使用によってエネルギーが選択的に加えられるかに関して影響を受けない。粉末の選択的固化のための結合剤が加えられる方法の適用も可能である。

本方法は、３次元物体を製造する装置が１つ又は複数の放射加熱器１４を備える場合に特に適している。これは、最近塗布された粉末層が放射加熱器１４からの熱放射を赤外線カメラ１５に向けて反射するためである。したがって、粉末層から赤外線カメラに向けて放出される反射光の割合がより高い。したがって、放射率及び温度の差に加えて層内の反射率の差がさらに考慮に入れられ、それによって、コントラストが層内に存在する不規則性によって増大する。

放射加熱器１４が３次元物体を製造する装置内に存在する間は、本発明による方法の精度を、表面放射器が放射加熱器１４として好ましい様態で配置される場合に向上させることができる。このような表面放射器は、たとえばドイツ特許出願公開第１０ ２００５ ０２４ ７９１号明細書に記載されている。石英管放射器の使用と比較して、このような表面放射器の使用は本発明による方法において利点を有する。これは、塗布された粉末層の均一な照射が可能であるためである。したがって、層の反射率の検出される差は不均一な照射によって干渉されない。

Claims (9)

1. ３次元物体を製造する方法であって、該物体は、各層における該物体に対応する位置において粉末材料を層単位で固化することによって形成され、
   塗布された粉末層から放出されるＩＲ放射が局所的に検出され、それによってＩＲ放射画像が取得され、
   前記塗布された粉末層の欠陥及び／又は幾何学的不規則性が前記ＩＲ放射画像に基づいて検出され、
   前記固化することは、電磁放射又は粒子放射を前記塗布された粉末層に当てることによって行われ、
   前記欠陥及び／又は前記幾何学的不規則性は、前記粉末層を固化する前に追加の層を塗布、形成することによって補正されることを特徴とする、方法。
2. 層を選択的に固化する間又は固化後に、該層の固化された領域の完全性及び正確な位置が評価される、請求項１に記載の方法。
3. 非定常ガスの渦又は流れが存在するかどうかが、測定された前記ＩＲ放射画像に基づいて検出される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 新たに塗布された粉末層が、熱放射によって又は別のエネルギー供給によって加工温度に設定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記新たに塗布された層の前記ＩＲ放射画像が加熱時間中に検出され、不均一性が存在する場合に加熱力が調節される、請求項４に記載の方法。
6. 加熱工程は表面放射器によって実施される、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記ＩＲ放射画像は赤外線カメラによって検出される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記粉末材料として、合成粉末又は金属粉末が使用される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記粉末材料として、ポリアミド若しくはポリスチレンが使用される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

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