JP4970496B2 - 三次元物体の製造装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、焼結位置の領域内を移動する検出領域内の焼結粉末の温度をパイロメータ(pyrometer)で検出し、この検出温度に基づいてレーザー出力を調節するレーザー焼結装置が記載されている。
すなわち、粉末層の露光程度に応じて、粉末層の表面における放射能力(同じ温度において黒体より放出される放射エネルギーに対する粉末層の表面より放射される放射エネルギーの比)が変化し、それにより測定結果が誤ったものになっている。
さらに、レーザー放射の反射によっても、温度測定が誤ったものになっている。
このような理由により、測定された表面温度は、粉末層の表面温度を正確に測定したものとなっていない。
しかし、レーザー焼結において、粉末層の表面温度は、使用する構築材料(焼結粉末)に基づいて製造される三次元物体の品質に対して決定的なパラメータとなっている。
しかし、1つの問題は、三次元物体の製造装置内で赤外線カメラの光学システムが汚れる可能性があることである。
このような光学システムの汚れは、送風により完全に回避することができず、測定位置に基づく方法では誤った測定結果を与える原因になっている。
さらに、このような赤外線カメラによる温度測定は、パイロメータなどの非接触式の温度測定機構に比べて、赤外線カメラが非常に高価であるという不都合がある。
このような三次元物体の製造装置は、高品質の三次元物体を製造するために用いることができる。
本発明の更なる展開は、従属請求項に記載されている。
さらに、ポイントパイロメータの処理室に必要な開口は、赤外線カメラに必要な開口よりも大幅に小さい。
したがって、本発明のような小さな開口は、プロセスガスにより生じる汚れの影響を送風によりきわめて容易になくすことができ、レーザービームを放射源として用いる際に、レーザービームの逆反射により温度測定機構が損傷を受ける可能性を減らしている。
各粉末層において、構築領域の特定の一定範囲を、温度測定のために除外しておく必要がない。
代わりに、各粉末層において構築領域のいずれの領域も、温度測定のために占有することなく能動的に用いることができる。
位置調整機構を備えることなく固定されたポイントパイロメータ(fixed point pyrometer)を用いる温度測定と比較すると、こうした利点は構築領域の利用を改善することができる。
その結果として、さらに高品質の三次元物体を得ることができるようになっている。
温度の局部な変動を補償することにより、三次元物体の品質がさらに向上する。
まず、本実施例のレーザー焼結装置は、頂部に向かって開かれた容器1を備えている。
そして、構築すべき三次元物体3を担持する支持部2が、容器1中に設けられている。
この支持部2は、上下駆動機構4により、容器1内の垂直方向Aを上下に移動可能になっている。
容器1の上端は、作業平面5を画定している。
そして、この作業平面5の上方には、レーザー方式の照射機構6が配置され、この照射機構6が、偏向機構7により作業平面5上に偏向させる指向性のレーザービーム18を放射している。
さらに、支持部2の表面あるいは既に凝固された最後の粉末層19上に凝固すべき構築材料となる粉末層19を形成するための粉末コーティング機構8が設けられている。
この粉末コーティング機構8は、矢印Bにより模式的に示すように、駆動機構により作業平面5上を移動可能になっている。
構築領域の左右にある2つの粉末投入機構9は、2つの粉末タンク10から粉末の構築材料を粉末コーティング機構8に供給している。
さらに、2つのオーバーフロー粉末容器11が構築領域の左右に設けられており、これらのオーバーフロー粉末容器11が、コーティングの間に余分に溜まった粉末を収容するようになっている。
例えば、加熱機構12は、1つまたは複数の赤外線放熱器などの放射ヒータ方式で構成されるとともに作業平面5の上方に配置されて、塗布された粉末層19が均一に加熱されるようになっている。
温度測定機構13は、構築領域で塗布された粉末層19よりも小さな面積からなる測定領域14内の平均温度を測定するようになっている。
温度測定機構13による測定領域14の位置は、位置調整機構15により、作業平面5内で変えることができるようになっている。
これにより、必要に応じて粉末材料の酸化を防ぐことができるようになっている。
したがって、上述した制御/調整機構17は、加熱機構12、温度測定機構13、位置調整機構15、偏向機構7および照射機構6に接続されている。
そして、筐体21は、機械的および熱的な負荷からポイントパイロメータ20を保護し、玉継手軸受23などを介して処理室16の壁22に接続されている。
そして、ポイントパイロメータ20は、筐体21の開口24を介して、最上部の粉末層19の測定領域14からの熱放射を検出している。
プロセスガスにより、筐体21の開口24が汚れるのを防ぐために、プロセスガスが開口24に近づけないように、例えば、窒素ガスを筐体21の開口24に吹き付けている。
2つのサーボアーム27と27’によりポイントパイロメータ20の筐体21の作用点となる旋回機構26に作用する2つのサーボモータ25と25’によって、ポイントパイロメータ20は旋回するようになっている。
そして、前記サーボモータ25は、ポイントパイロメータ20の筐体21をY軸の周りに旋回するために用い、サーボモータ25’は、ポイントパイロメータ20の筐体21をX軸の周りに旋回させるために用いている。
特に、図3に示すように、測定領域14の位置は、ポイントパイロメータ20をY軸の周りに角度αだけ旋回させることにより、X軸に沿って長さΔXだけ移動する。
したがって、測定領域14の位置は、ポイントパイロメータ20をX軸の周りに旋回させることにより、Y軸に沿って移動する。
この測定方法では、作業平面5内において照射機構6により生成するビームスポット領域30の位置と完全に独立して、ポイントパイロメータ20の測定領域14の位置を変更調整することが可能である。
これは、測定領域14の位置とビームスポット領域30の位置との間に固定した位置決め関係がないことを意味している。
前記プロセスウィンドウの温度より高い温度では、付加的な放射エネルギーがなくても、粉末は焼結により少なくとも部分的に凝固し、また、プロセスウィンドウの温度より低い温度では、ひずみや望ましくないその他の熱的な影響が凝固した粉末層19内に生じる。
凝固した粉末層19の端部を湾曲あるいは丸くする原因となる、いわゆる、カール効果は、最上部の粉末層19の温度が低過ぎるためであることが多い。
そのため、良好な結果を得るには、特に製造される三次元物体3内のひずみを防ぐために、凝固させる前に、粉末コーティング機構8により塗布される粉末層19を加熱機構12により、プロセスウィンドウ内の作業温度TAに加熱することが必要である。
加熱機構12の熱出力は、測定される温度との関係で決まっている。
測定領域14がレーザーを照射することにより次の工程で凝固する粉末層19中のビームスポット領域30と重ならないように、温度測定機構13の測定領域14の位置が位置調整機構15により調整されている。
第1実施例による製造方法を用いると、最上部の粉末層19の温度を測定するために、それぞれの粉末層19が凝固する前に、それぞれの粉末層19内の露光されない非露光領域が能動的にアクセスされる。
この所定の距離を大きくすればするほど、温度測定に対する露光領域の影響が、小さくなる。
特に、圧縮焼結された露光領域はより多くの熱を保持するので、小さい焼結構造と測定領域14からの距離が同じである場合、圧縮焼結された露光領域の方が小さい焼結構造よりも格段に大きな影響を与えることを考慮に入れることができる。
作業温度TAに到達した後も、レーザー照射中の最上部の粉末層19の温度Tを計測し続け、それに関連して、プロセスウィンドウ内の温度Tに保つために加熱機構12の熱出力を調整している。
その後、三次元物体3の製造が完了するまで、これらの工程を繰り返す。
これにより、最上部の粉末層19の温度を高精度に調整および/または制御することができる。
プロセスウィンドウは容易に検出できるので、高品質の三次元物体3を製造することが可能となる。
要するに、粉末層19内の構築材料の温度を種々の位置で測定してその温度分布を非接触状態で測定するようになっている。
照射機構6の局部的なレーザー出力を補正することにより、および/または、露光する間、構築領域における指向性のレーザービーム18を移動させるために偏向機構7により行われる走査速度を制御することにより、粉末内に導入される放射エネルギーのためのプロセスウィンドウ内の温度Tをより正確に検出して、三次元物体の品質を大幅に改善することができるようになっている。
第1実施例と同様に、第2実施例も、レーザーによる露光が温度測定に干渉することを防止できる。
しかし、これには、温度測定機構13を用いるためのプロッタ機構がレーザー光路を妨げる可能性があるという不都合がある。
特に、可変光学システムは、傾斜可能なミラーを備えており、このようなミラーは、その角度位置により種々の方向からポイントパイロメータ20中の熱放射センサ上への熱放射を映像化するために用いることができる。
逆もまた同様であり、Y軸に沿って延びる測定領域14を有し、測定領域14の位置がX軸に沿って変化することができるシングルラインCCDカメラを用いることも可能である。
例えば、非干渉性光放射、赤外線放射、X線放射あるいは電子放射用の放射源を放射源として用いてもよい。
この場合、それぞれの放射タイプにより凝固可能な構築材料を用いる必要がある。
例えば、粉末層19を予備加熱するために加熱した空気あるいは加熱した窒素を循環させて用いることが可能であり、加熱した空気あるいは加熱した窒素は新しく塗布した粉末層19の全域に案内される。
さらに、温度分布は、粉末層19の表面を加熱するための加熱機構12を駆動するために用いることもできる。
特に、複数のゾーンを有する加熱機構12は、個々のゾーンの出力が異なることによって生じる温度分布の温度差を補償するために、測定した温度分布の部分領域を加熱機構12の各ゾーンに割り当てて駆動することができる。
測定された表面温度は、照射機構6の出力を監視および/または制御するために用いることができる。
さらに、熱容量ばかりでなくXY方向またはZ方向の熱伝導を、それぞれ、予め露光した露光領域の表面温度の進行から推測可能である。
ここで、熱容量および熱伝導は、凝固放射の出力あるいは走査速度および粉末の予備加熱の制御パラメータなどのプロセスパラメータを最適に選択するための決定的な変数である。
このように、プロセスパラメータ並びに三次元物体の品質および構築時間は、以上説明したような温度測定に基づいて最適化されるようになっている。
2 ・・・支持部
3 ・・・三次元物体
4 ・・・駆動機構
5 ・・・作業平面
6 ・・・照射機構
7 ・・・偏光機構
8 ・・・粉末コーティング機構
9 ・・・粉末投入機構
10 ・・・粉末タンク
11 ・・・オーバーフロー容器
12 ・・・加熱機構
13 ・・・温度測定機構
14 ・・・測定領域
15 ・・・位置調整機構
16 ・・・処理室
17 ・・・制御/調整機構
18 ・・・指向性レーザービーム
19 ・・・粉末ベッド
20 ・・・ポイントパイロメータ
21 ・・・筐体
22 ・・・壁
23 ・・・旋回機構
24 ・・・開口
25 ・・・サーボモータ
26 ・・・旋回機構
27 ・・・サーボアーム
30 ・・・ビームスポット領域
Claims (20)
- 電磁放射または素粒子放射の作用により三次元物体の個々の断面に対応する位置で構築材料の粉末層を凝固させる三次元物体の製造装置であって、
前記構築材料を周囲から隔離する処理室(16)と、
前記構築材料の粉末層(19)の部分領域内で複数の測定領域(14)からなる構築材料の温度分布を、前記測定領域(14)からの熱放射を前記処理室(16)の壁(22)に接続する筐体(21)内の開口(24)を介して検出することにより、電磁放射または素粒子放射の作用中に非接触状態で測定する温度測定機構(13)と、
前記電磁放射または素粒子放射が作用する露光領域の位置の変化と独立して温度測定機構(13)の各々の測定領域(14)の位置を変化させることができる位置調整機構(15)と、
を備えていることを特徴とする三次元物体の製造装置。 - 前記位置調整機構(15)が、前記構築材料の粉末層に関して温度測定機構(13)の角度位置(α)を変化させる旋回機構(23、25、26)を備えていることを特徴とする請求項1に記載された三次元物体の製造装置。
- 前記位置調整機構(15)が、前記構築材料の粉末層(19)の全域にわたって温度測定機構(13)を移動させることが可能な機構を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された三次元物体の製造装置。
- 前記位置調整機構(15)が、前記測定領域(14)から温度測定機構(13)中へ放出される熱放射を映像化する可変光学システムを備え、前記測定領域(14)の位置が、前記温度測定機構(13)中に映像として表示されるとともに可変光学システムを介して変更できるようになっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
- 前記温度測定機構(13)が、ポイントパイロメータであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
- 前記温度測定機構(13)の測定領域(14)が前記電磁放射または素粒子放射が作用中の粉末層(19)のビームスポット領域(30)と重ならないように、前記位置調整機構(15)を制御する制御機構(17)を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
- 前記温度測定機構(13)により測定された温度とは独立して、導入された放射エネルギーを調整する制御機構(17)を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
- 前記構築材料のための加熱機構(12)と、前記温度測定機構(13)により測定された温度に基づいて構築材料のための加熱機構(12)の出力を制御する制御機構(17)とを備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
- レーザー焼結装置であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載された三次元物体の製造装置。
- (a)周囲の環境から隔離された処理室(16)内において電磁放射または素粒子放射により凝固すべき構築材料の粉末層を基材または既に凝固した粉末層上に塗布する工程と、
(b)物体の断面に対応する粉末層内のビームスポット領域(30)に対して電磁放射または素粒子放射で露光することにより、構築材料の粉末層を凝固させる工程と、
(c)三次元物体(3)が完成するまで前記工程(a)及び工程(b)を繰り返す工程とからなる三次元物体の製造方法であって、
前記構築材料の温度が、前記構築材料の粉末層の部分領域内における複数の測定領域(14)で、温度測定機構(13)により非接触に測定され、
前記温度測定機構(13)が、前記処理室(16)の壁(22)に接続する筐体(21)を備えて前記測定領域(14)からの熱放射を該筐体(21)内の開口(24)を介して検出しており、
前記工程(b)において電磁放射または素粒子放射が作用する露光領域の位置の変化とは独立して、前記各々の測定領域(14)の位置を位置調整機構(15)により調整あるいは変化させ、
前記各々の測定領域(14)内の異なる位置で前記構築材料の温度分布が電磁放射または素粒子放射の作用中に測定され、
前記測定領域(14)と凝固中またはこの粉末層より前に凝固した粉末層内のビームスポット領域(30)とが重ならないように、前記位置調整機構(15)により各々の測定領域(14)の位置を調整あるいは変化させることを特徴とする三次元物体の製造方法。 - 前記測定領域(14)とまだ凝固中の粉末層内のビームスポット領域(30)とが重ならないように、前記測定領域(14)の位置を調整あるいは変化させることを特徴とする請求項10に記載された三次元物体の製造方法。
- 前記構築材料を加熱するために用いる加熱出力を前記温度測定機構(13)により測定された温度に応じて調節することを特徴とする請求項10または11に記載された三次元物体の製造方法。
- 前記粉末層内の構築材料の温度を互いに異なる複数の測定領域(14)で測定することを特徴とする請求項10乃至請求項12のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
- 前記複数の測定領域(14)に割り当てられた複数の加熱領域において構築材料を加熱し、割り当てられた測定領域(14)の温度に応じて種々の加熱領域に対する加熱出力を調節または制御することを特徴とする請求項13に記載された三次元物体の製造方法。
- 前記粉末層を凝固させるための粉末層の局部に照射により導入されるエネルギーを、前記温度測定機構(13)により測定された温度に応じて調節することを特徴とする請求項10乃至請求項14のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
- 前記温度測定機構(13)の測定領域(14)の位置を、前記構築材料の粉末層に対して温度測定機構の角度位置(α)を変更することにより変化させることを特徴とする請求項10乃至請求項15のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
- 前記温度測定機構(13)の測定領域(14)の位置を、前記構築材料の上方の平面内で温度測定機構(13)を移動することにより変化させることを特徴とする請求項10乃至請求項16のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
- 前記温度測定機構(13)の測定領域(14)の位置を、前記温度測定機構(13)の可変光学システムを調整することにより変化させることを特徴とする請求項10乃至請求項17のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
- 前記測定領域(14)を最上部の粉末層内および直下の予め凝固した露光領域から所定の距離だけ離すように、前記測定領域(14)の位置の調整を行うことを特徴とする請求項10乃至請求項18のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
- 粉末からなる構築材料を使用するとともに放射源(6)としてレーザービーム(18)を使用することを特徴とする請求項10乃至請求項19のいずれかに記載された三次元物体の製造方法。
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