JP5108884B2 - ３次元物体を生成する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は高エネルギービームを照射することにより凝固され得る粉末材料を使用して層毎に３次元物体を生成する方法および装置に関する。特に、本発明は電子ビームを使用する粉末予熱プロセスに関する。

電磁放射または電子の高エネルギービームを照射することにより凝固または融合され得る粉末材料を使用して層毎に３次元物体を生成する設備は、たとえば、米国特許第４８６３５３８号、米国特許第５６４７９３１号およびスウェーデン特許第５２４４６７号より知られている。このような設備は、たとえば、粉末の供給機、粉末の層を垂直方向に調整可能なプラットフォームまたは作業エリア上に塗布する手段、および、ビームを作業エリアの上に向ける手段を含む。ビームが作業エリアの上を移動すると、粉末は、焼結または融解し、凝固する。

高エネルギービームを使用して粉末を融解または焼結するとき、粉末の蒸発温度を超えることを回避することが重要である。そうでなければ、粉末は意図された生成物を形成せずに単に蒸発することになる。米国特許出願公開第２００５／０１８６５３８号はこの問題を重点的に取り扱う方法を開示している。この方法では、融解相／焼結相中に、レーザービームが同じ粉末目標エリアへ繰返し向けられ、粉末温度を段階的に上昇させる。このようにすることで、高過ぎる粉末温度は回避される。

レーザービームの代わりに電子ビームを使用するとき、状況はいろいろな面において異なる。電子ビームが粉末に衝突するとき、電荷分布が電子標的エリアの周りに現れる。電荷分布密度が臨界限界に達するならば、粉末粒子は互いに反発するので、電気放電が生じるであろう。このような放電の結果、粉末層の構造が破壊される。電子ビームを装備した粉末融解／焼結装置に米国特許第２００５／０１８６５３８号による方法の適用は、該方法ではこのような放電を回避するための手段が講じられないため、悪い結果を生じさせる可能性が高い。

放電を回避する問題の一つの解決策は、粉末の導電率を増加するようにカーボンのような導電材料を粉末に添加することである。

しかしながら、この解決策では、このような粉末混合物の凝固プロセスの制御が困難であり、かつ、形成された生成物の特性が悪影響を受け得る、といった欠点がある。たとえば、機械的強度が減少され得る。

本発明の目的は、粉末材料からの３次元物体の層毎の生成のための方法および装置を提供することであり、この方法および装置は、粉末材料の制御された適切な融合を可能とし、且つ電子ビームおよびレーザービームの両方に適している。本目的は、独立請求項１および１１にそれぞれ規定されている方法および装置によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態、さらなる展開、および、変形を含んでいる。

本発明は高エネルギービームを照射することにより凝固され得る粉末材料を使用して層毎に３次元物体を生成する方法に関係する。本発明は、この方法が粉末材料を均一に予熱するという一般的な目的を有する予熱ステップと、予熱ステップの後に粉末材料を融合させるという一般的な目的を有する凝固ステップとを備え、予熱ステップは、予熱粉末層エリアの上に分布されたパスに沿ってビームを走査することにより予熱粉末層エリアを走査するサブステップを備え、連続的に走査されるパスが少なくも最小安全距離で分離され、最小安全距離は予熱粉末層エリア内における、連続的に走査されるパスからの望ましくない累積効果を防止するために適した距離であることを特徴とする。

本発明の方法の利点は、予熱ステップによって、後続の凝固ステップにおいて融解金属と粉末との間の界面に過度の温度勾配を持つことを避けるように、粉末層が均一に加熱されることである。連続的に走査されるパスからの累積効果を阻止するため適した安全距離を使用することにより、第１のパスの走査中に粉末に堆積したエネルギーが第１のパスの直後に走査された第２のパスの走査中に堆積したエネルギーに加わることを避けることが可能である。このようにして、大きな温度勾配が予熱ステージ中にも回避され得る。

電子ビームを使用するとき、予熱は粉末の導電率を増加するので更に有利な効果を有している。このことは、次に、高いビーム電流が後続の凝固ステップで使用され得るという効果を有している。また、安全距離は、電子ビームを使用するときに、予熱ステップ中に比較的冷たい粉末に過度の電荷密度を形成する危険性を除去するので付加的な利点を有している。そのため、粉末放電が阻止される。

粉末を予熱するための本発明によるビームの使用は、たとえば、加熱要素を使用して、粉末ベッド全体を加熱するためのかなり明らかな代替案に比べて幾つかの有利な点がある。一つの利点は、さらなる加熱設備が必要とされないことである。別の利点は、実際に加熱されるべき粉末ベッドの一部だけ、すなわち、粉末ベッドの上層の一部分だけが、実際に加熱されることである。このことは、プロセスを非常に効率的にする。

本発明の方法の第１の有利な実施形態では、予熱ステップが、予熱粉末層エリアを再走査するサブステップを更に備える。このようにすることで、予熱エリアは徐々に、かつ、均一に加熱されることができる。好ましくは、予熱粉末層エリアの再走査中に辿られるパスが、予熱粉末層エリアの前の走査中に辿られたパスに対して中間距離だけ変位されており、中間距離は最小安全距離より短い。このように、パスが最小安全距離より短いある距離によって物理的に分離されている走査パターンを使用することが必要である状況、すなわち、付加的なより接近して位置付けられたパスが必要とされる状況においても、均一に予熱された粉末層エリアを得ることが可能である。

本発明の方法の第２の有利な実施形態では、ビームのパワーが予熱ステップ中に増加される。このことは、ビームパワーが最初に十分に低いレベルに維持されて大きな電荷密度および／または温度勾配が回避できることに加えて、粉末の温度が上昇するにつれてビームパワーが増加され、可能な限り予熱プロセスが促進されるといった利点がある。本発明の方法の好ましい変形では、ビームのパワーが予熱粉末層エリアの連続的な走査と走査の間にまたは予熱粉末層エリアの連続的な再走査と再走査の間に段階的に増加される。このことは、プロセスを制御することを比較的に容易にし、粉末予熱エリアが均一に加熱されることを可能にする。

本発明の方法の第３の有利な実施形態では、ビームが電子ビームであり、ビームのパワーは、ビームの電流を増加することにより増加される。

好ましくは、パスは実質的に直線的かつ平行な線を形成する。このようなパスは、累積効果などを考慮して、パスパターンおよび実際に機能するパス走査順を見つける作業を単純化する。更に、直線的かつ平行なパスを使用すると、走査中のビームの制御が単純化される。プロセスを更に単純化するために、好ましくは、パスは一端から他端まで走査される。

本発明の方法の第４の有利な実施形態では、予熱粉末層エリアは、後続の凝固ステップで融合されるべき粉末層の対応する部分より広く、その対応する部分に関して安全マージンを形成する。このような安全マージンは、生成エリアの近接した周囲を含む生成エリア全体が適切に予熱される、すなわち、粉末層の温度および導電率が融合されるべき部分の外側境界で突然に変化しないことを保証する。このような安全マージンなしでは、過度の温度勾配および／または過度の電荷密度に起因する問題が生じる可能性が高い。

本発明は、本発明の方法に従って作動されるように構成されている装置にも関係する。

本発明に係る粉末材料から３次元物体を層毎に生成する方法および装置によれば、粉末材料の制御された適切な融合を可能とすると共に電子ビームおよびレーザービームの両方に適用することができる。

本発明の方法が適用され得る３次元生成物を生成する従来の装置の実施例を表す概略図である。 本発明の方法の第１の好適な実施形態の実施例を表している。 本発明の方法を様々な生成物形状に適用する仕方についての実施例を表している。

以下、図面を参照して、本発明を説明する。
図１は３次元生成物を生成する従来の装置１の実施例を表している。装置１は、３次元生成物３が積み重ねられる垂直方向に調整可能である作業台２と、１台以上の粉末ディスペンサ４と、粉末ベッド５を形成するために作業台２上に粉末の薄層を分布するように工夫されている手段２８と、粉末ベッド５の複数の部分を互いに融合するようにエネルギーを粉末ベッド５に届ける電子銃の形をしている放射線銃６と、上記作業台２の上で放射線銃６によって放出された電子ビームを導く偏向コイル７と、装置１の種々の部分を制御するように工夫されている制御ユニット８とを備える。典型的な作業サイクルでは、作業台２が下げられ、新しい粉末の層が粉末ベッド５に塗布され、電子ビームが粉末ベッド５の上層５’の選択された部分の上に走査される。主として、このサイクルは、生成物が仕上がるまで繰り返される。当該分野の専門家は、図１に概要が説明されたタイプと、電子銃の代わりにレーザー銃を装備している装置の両方に関して、３次元生成物を生成する装置の一般的な機能および構成に精通している。

電子ビームが使用される場合、電子が粉末ベッド５に衝突するときに粉末に作られる電荷分布を考慮することが必要である。本発明は、少なくとも部分的に、電荷分布密度が以下のパラメータ、すなわち、ビーム電流、（加速電圧によって与えられる）電子速度、ビーム走査速度、粉末材料、および、粉末の導電率、すなわち、主として粉末粒子間の導電率、に依存することの実現に基づいている。導電率もまた、たとえば、温度、焼結の程度、および、粉末粒子サイズ／サイズ分布のような幾つかのパラメータの関数である。

このように、所与の粉末、すなわち、ある特定の粒子サイズ分布をもつある特定の材料の粉末と、所与の加速速度とに対して、ビーム電流（つまり、ビームパワー）とビーム走査速度とを変化させることにより、電荷分布に影響を与えることが可能である。

これらのパラメータを制御された方式で変化させる間に、粉末の温度を上昇することによって粉末の導電率は徐々に増加され得る。電荷は広い領域に亘って素早く拡散し得るので、高い温度を有する粉末は、かなり高い伝導率を持つようになり、より低い電荷分布がもたらされる。この効果は、粉末が予熱プロセス中に僅かに焼結されることが可能であるならば、高められる。伝導率が十分に高くなったとき、粉末は、ビーム電流およびビーム走査速度が任意の値である状態で、共に融合、すなわち、融解、または、完全に焼結され得る。

放電を生じることなく伝導率が増加される本発明の方法の好ましい実施形態が図２に表されている。この場合、ビームは、粉末を予熱する目的のため、凝固されるべき粉末ベッド５の一部の上にある特定のパターンで分布されたパスに沿って走査される。予熱される粉末ベッド５の上層５’の一部は、予熱粉末層エリア１０、または、単に予熱エリア１０として示される（図３も参照のこと）。参照符号Ｌ_ｘおよびＬ_ｙは、本例の長方形では、予熱エリア１０の辺を表している。ビームは、直線的な平行線Ｐ１．１、Ｐ１．２などによって示されているパスを左から右へ、すなわち、ｘ＝０からｘ＝Ｌ_ｘまで辿る。線／パスの左側に、各パスの符号が与えられている。線／パスの右側に、パスが走査される順序が与えられている。よって、走査されるべき１番目のパスはＰ１．１であり、次のパスはＰ２．１であり、その後にパスＰ３．１が続き、以下同様である。このような連続的に走査されるパスは、更に後述される安全距離ΔＹによって物理的に分離されている。

予熱エリア１０の寸法、ビームパワー、および、ビーム走査速度のような特有の条件に依存して、均一に予熱された粉末層エリア１０を得るために、最小安全距離ΔＹより短いある距離でパスが物理的に分離されている走査パターンを使用することが必要となり得る。図２は、付加的な、より接近して位置付けられたパスが必要とされる場合の実施例を表している。付加的なパスは符号Ｐ１．２、Ｐ１．３などで示されている。Ｐ１．２０とＰ２．１またはＰ３．２とＰ３．３のような隣接したパスは、中間距離δＹによって物理的に分離されている。図２における線／パスの右側に見られるように、隣接したパスは、連続的に走査されたパスを安全距離ΔＹによって依然として分離するために、連続的な順序で走査されない。

図２に表されている実施例では、予熱エリア１０は、Ｐ１−Ｐ５の５つのサブエリアに分けられており、各サブエリアで走査されるパスの数は２０、たとえば1番目のサブエリアのＰ１．１−Ｐ１．２０、である。より一般的には、Ｍがサブエリア数、ＮがサブエリアＭのある特定のパスの数であるとき、該パスはＰＭ．Ｎと示すことができる。図２において、Ｍは１−５、Ｎは１−２０であって、これにより走査されるパスの合計は１００となる。ＭとＮの値は、たとえば、予熱エリア１０のサイズ、そして所望の予熱温度、および／または、粉末の所望の予備焼結の程度に依存して変化され得る。

図２でパス走査順序によって与えられるように、予熱エリア１０は、ｙ方向に複数回、本実施例では２０回走査される。１回目に予熱エリア１０が走査されるとき、走査手順は、各サブエリアＰ１乃至Ｐ５内の１番目のパスＰＭ．１が走査されるような手順である。この最初のステップが終了するとき、予熱エリア１０は各サブエリアＰ１乃至Ｐ５内の２番目のパスＰＭ．２を走査することにより再走査される。次の再走査において、各サブエリアＰ１乃至Ｐ５内の３番目のパスＰＭ．３が走査され、以下同様となる。この手順は、各サブエリアＰ１−Ｐ５のＮ番目のパスを備える単一走査パターンとして見ることもでき、該単一走査パターンは、単一走査パターン内の全パスの走査が完了すると、中間距離δＹに対応する距離で、図２においてｙ方向、すなわち、下方へ変位される。換言すると、再走査のパスは、前の走査のパスと相対的に距離δＹで平行に変位される。参照符号Ｎは予熱エリア１０の走査または再走査の順序を表し、ここで、Ｎは（１回目の走査のための）１から始まり、最大値、本実施例では（最後の走査のための）２０、まで進む。以下、Ｎの最大値はＮ_ｒで表されている。

予熱エリア１０の各走査または再走査は、粉末ベッドの温度を上昇させる効果があり、粉末ベッドの温度の上昇が次に粉末の導電率を増加する効果がある。したがって、ビーム電流は各（再）走査手順の後に増加され得る。走査と走査の間でビーム電流が増加され得る程度は前の走査中に伝導率が増加され得る程度に依存する。

重要な点は、ビーム電流、ビーム走査速度、及び走査されるべきパスが、ビームが粉末に衝突する位置周辺の電荷密度が放電を引き起こす限界を超えることを妨げるように適合していることである。

二つのパスが空間的かつ時間的に非常によく分離されていないならば、一方の走査パスに沿って発生される電荷密度は別の走査パスに沿って発生される電荷密度による影響を受けるので、任意の走査手順で粉末に現れる電荷密度を記述する一般的な関数は、時間およびビーム位置のかなり複雑な関数であろう。かくして、異なるパスの間の累積効果が考慮されなければならない。

図２および３に表されている走査手順に類似した直線的かつ平行の走査パスを使用する所定の走査手順では、累積効果は非常に容易に制御できる。単一の直線パスの場合、Ｉがビーム電流であり、Ｖ_ｓが粉末ベッドに対するビーム走査速度であるとき、電荷密度は比Ｉ／Ｖ_ｓに依存する。この比が大き過ぎると、過度の電荷が粉末の単位パス長さ当たりに堆積されるであろう。生成の観点から、粉末を予熱するため要する時間を最小限に抑えるため温度を効率的に上昇させることが望ましい。このように、ビーム電流およびビーム速度は、電荷密度の限界を超えることなく、できる限り高くすべきである。しかし、電荷はある程度の時間に亘って走査されたパスの周りに残るので、異なる走査と走査の間の電荷密度の累積が考慮されなければならない。重要な点は、ある特定の最小期間ｔ_０が経過するまで、同じ位置又は同じ位置の直近にビームが戻らないことである。

このように、予熱エリア１０内の所与のパス長の場合に、ビーム走査速度は、比Ｉ／Ｖ_ｓだけによって決定されるのではなく、ビームが同じ位置に戻ることができるまでに経過すべき期間ｔ_０によっても決定される。電荷密度は、時間と共に減少するだけでなく、前に走査された位置からの距離と共に減少するので、粉末層のある特定の位置が走査できるまでに経過することが許可されるべき所要の期間は、前に走査された位置からの距離が増加するのに伴って減少する。１次近似では、この距離に依存する安全期間ｔ_ｐは、ビーム電流に依存しないとみなすことができ、
ｔ_ｐ＝ｔ_０−ｋ_ｒ＊ｒ
に設定され得る。ここで、ｔ_０はビームがｔ＝０であったときと同じ位置へ戻ることができるまでに経過すべき時間であり、ｒはｔ＝０であったときのビーム位置とｔであったときの新しいビーム位置との間の距離であり、ｋ_ｒは比例係数である。ここで、ｔ_ｐは０とｔ_０との間の値を取ることが仮定され、累積効果は十分に大きなｒの値に対し無視できると考えられることを意味している。

その結果として、予熱エリア１０のパスの走査は、予熱粉末層エリア１０内の望ましくない電荷累積効果を回避するためパスが時間的および／または空間的に十分に分離されるように工夫されるべきである。このことは、上述された電荷累積効果と、局所的に温度を過度に高く上昇させるように２本のパスに沿って堆積したエネルギーの量が合算されるエネルギー蓄積効果の両方に成り立つ。図２におけるＰ４．２およびＰ５．２のような連続的に走査されるパスは、（パスが等しい長さであり、１つずつの個別のパスの走査の開始の間の期間が等しいならば）連続的に走査されるパスの間に経過する期間が短いので、他の走査されるパスより高い程度で物理的に分離されるべきである。

所与のビーム走査速度Ｖ_ｓおよび所与のパスの長さＬ_ｘから、所要の距離依存性安全期間ｔ_ｐを、最小期間より容易に実際に取り扱うことができる最小安全距離ΔＹに変換することが可能である。この距離ΔＹの所要の長さは、ビームがｘ＝０に戻る速さの程度に依存する。かくして、ΔＹは、パスの長さＬ_ｘの減少とビーム走査速度Ｖ_ｓの増加と共に増加する。図２において、Ｐ４．２およびＰ５．２のような連続的に走査されるパスは最小安全距離ΔＹによって分離されている。

上述されているように、異なるパスが走査され得る前にある特定の期間が経過されるべきである。粉末を予熱するため要する総時間を短縮するために、ビームは、ｔ_ｐによって設定される「静止の期間」に制約されない予熱エリア１０の一部を走査することが重要である。

以下の実施例では、次のパラメータが使用される。

Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ＝予熱粉末層エリア１０の辺の長さ、
Ｖ_ｓ＝ビーム走査速度、
Ｉ_０＝初期ビーム電流、
ΔＩ＝予熱エリア１０の再走査と再走査の間のビーム電流増加、
Ｎ_ｒ＝予熱エリア１０が走査される回数、
ΔＹ＝連続的に走査される２本のパスの間の距離、すなわち、最小安全距離、および、
δＹ＝隣接した２本のパスの距離、すなわち、中間距離
所与の粉末層エリアに対し、すなわち、Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙの値が与えられている場合に、問題になっている粉末エリアの適切な予熱のため必要とされるＶ_ｓ、Ｉ_０、ΔＩ、Ｎ_ｒ、ΔＹおよびδＹの値を経験的に取得することが可能である。

表１は、ある特定の粉末層エリア（Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ）、ある特定の加速電圧（６０ｋＶ）、および、ある特定の市販されている粉末（ガス噴霧式ＥＬＩ Ｔｉ６ＡＩ４Ｖ）に対するＶ_ｓ、Ｉ_０、ΔＩ、Ｎ_ｒ、ΔＹおよびδＹの適切な値の実施例を表している。

ビームが異なるパスの間を「ジャンプ」するために必要な時間は無視できると仮定し（ビームの「ジャンプ」速度は通常、ビームの走査速度より遙かに大きいので通常は正しい仮定である）、直線的な関係が有効であると仮定すると、Ｌ_ｘおよびＬ_ｙの任意の値に使用され得る関係を生み出すために表１内のパラメータ値を使用することが可能である。最も正確な経験値を獲得するために、これらの値は、できる限り小さい粉末エリアを使用して生成されるべきであり、すなわち、Ｌ_ｘおよびＬ_ｙの値はできる限り小さくすべきである。しかし、十分に正確であるかもしれない近似的な経験値がより広い粉末エリア（より大きなＬ_ｘおよびＬ_ｙ）で始めることによってより高速に獲得され得る。好ましくは、δＹもまた完成した３次元生成物の表面仕上げに影響を与えるので、同じδＹの値がＬ_ｘおよびＬ_ｙの値とは無関係に使用される。単位エリア当たりに堆積した総エネルギーが、Ｌ_ｘおよびＬ_ｙの値とは無関係に問題としている粉末エリアの上でできる限り均一に温度を保つために、均一に分布されることも重要である。

表１に関して、以下の関係および制限パラメータが有効である。

ｔ_０＝（Ｌ_ｙ／ΔＹ）・Ｌ_ｘ／Ｖ_ｓ、
ｋ_ｒ＝（ｔ_０−Ｌ_ｘ／Ｖ_ｓ）／ΔＹ、
ｋ_１＝Ｉ_０／Ｖ_ｓ、
ｋ_２＝ΔＩ／Ｖ_ｓ、および、
ｋ_３＝（Ｉ_０＋Ｎ_ｒ・ΔＩ）・Ｎ_ｒ／（Ｖ_ｓ・δＹ・２）
式中、ｔ_０は、ビームが前に走査されたパスの直近に戻る前に経過することが許されるべき最小期間であり（すなわち、ｔ_０はビームが、たとえば、線ＰＭ．Ｎから線ＰＭ．Ｎ＋１へ戻ることができる前に経過すべき期間であり）、ｋ_ｒは前に走査されたパスから距離ΔＹにあるビームがｘ＝０へ戻る前に経過すること許されるべき期間を決定するため使用される倍率であり、ｋ_１は予熱エリア１０の１回目の走査中にパスの単位ｍｍ当たりに堆積した最大電荷量に比例し、ｋ_２は予熱エリア１０の再走査毎に単位ｍｍ当たりの最大電荷堆積増加に比例し、ｋ_３は粉末表面をある特定の温度に保つため必要とされる単位ｍｍ^２当たりの平均エネルギー堆積に比例する。

ここで、ｔ_０およびｋ_ｒは最小値であり、一方、ｋ_１およびｋ_２は超えてはならない最大値である。倍率ｋ_３はガイドライン値の形式であるが、プロセスを促進する目的のため超えてはならない最大値とみなすことも可能である。

これらの制限パラメータの値は表１の経験的に獲得された値を使用して獲得され得る。これらの制限パラメータを獲得した後、これらの制限パラメータは、δＹがほぼ同じ値に維持される限り、Ｌ_ｘおよびＬ_ｙの任意の値に対して５個の未知パラメータＶ_ｓ、Ｉ_０、ΔＩ、Ｎ_ｒおよびΔＹを計算するため使用され得る。比Ｌ_ｙ／ΔＹおよびΔＹ／δＹは整数であることが必要であるため、ある程度の注意が払われるべきである。かくして、パラメータは、たとえば、Ｌ_ｘが一定に維持され、Ｌ_ｙおよびδＹがやや変化することが許容される、反復的な方式で決定されてもよい。

本明細書に与えられている情報に基づくその他のタイプの粉末に対して表１に与えられている値のような経験値を獲得する作業は、当業者にとって定型的な作業であると考えられる。一般的な規則は、ｔ_０が、したがって、ｔ_ｐが粉末の伝導率の減少と共に増加することである。かくして、低い伝導率をもつ粉末に対し、Ｉ_０およびΔＩの小さな値と併せて、Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、Ｖ_ｓ、Ｎ_ａおよびΔＹの大きな値が必要とされるであろう。

上述されているように、粉末層の予熱は、融合されるべき粉末の全ての部分を囲む長方形の粉末層エリアの上で実行されることがある。しかし、これは、生成されるべき生成物の形に依存して、不必要に大きな粉末エリアが加熱されるかもしれないので、不十分なアプローチである。

図３は、生成物３の一部を形成するために融合されるべき粉末層の異なる形状の３つの実施例を垂直方向図で概略的に表している。図３は、対応する予熱エリア１０（破線）と、予熱走査中に辿られるべきある選択されたパスＰ（太い実線）とを更に表している。図３ａは、少なくともこの特有の層内に、中央に穴が空いている楕円形状を有している生成物３を表し、図３ｂおよび３ｃは、それぞれに長方形形状および円形形状を有している生成物３を表している。

図３においてわかるように、予熱エリア１０の形状は、生成物、すなわち、融合されるべき粉末層の形状、と同じ主形状を有しているが、予熱エリア１０は共に融解されるべき部分を囲むように拡大されている。各予熱エリア１０のサイズは、ある特定の安全マージン１２が融合されるべき粉末層の対応する部分３に関して形成されるように適している。安全マージン１２は、生成物エリアの接近した周囲を含む生成物エリア３の全体が適切に予熱されることを保証するため、すなわち、粉末層の温度および導電率が融合されるべき部分の外側境界で突然に変化しないように、十分でなければならない。表１と関連して記載されたＴｉ６ＡＩ４Ｖ粉末の場合、安全マージン１２は少なくとも６ｍｍとされるべきである。一般に、安全マージン１２の大きさは粉末の熱伝導率および／または電気伝導率の減少と共に増加されるべきである。

図３ａおよび３ｃにおいてわかるように、パスの長さは変化してもよい。このような場合、あるパスは走査するため要する時間がより短いことを考慮して、最小安全距離ΔＹのようなある種のパラメータを調整することが必要とされることがある。

使用される粉末が非常に低い導電率を有する場合、および／または、距離が融合されるべき粉末層の部分の間で非常に長い場合、ビームが融合されるべき部分の間を「ジャンプ」することを可能にさせるために融合されるべきでない粉末層の部分を同様に予熱することが必要であるかもしれない。そうでなければ、同じ融合されるべきでないエリアの上を繰返しジャンプするとき、このエリア内の電荷分布密度は臨界値を超えることがある。

用語「ジャンプ」は、ビームが一方の位置から別の位置へ、たとえば、パスの終了位置から走査される次のパスの開始位置へ、急速に動かされるときの状況を指している。ある種の用途では、ビームのオンとオフを切り換えるのではなく、「ジャンプ」する方が好ましいことがある。

予熱方法のステップが終了すると、ビームエネルギーが粉末粒子を一緒に融解または焼結するため更に増加され得る凝固方法のステップが続くことがある。制御された正確な方式で予熱方法のステップを実行することにより、後に続く凝固ステップが適切に実行されることを保証することが可能である。

本発明の方法の殆どの利点は電子ビームを使用するときに達成され得るが、本方法はレーザービーム用途においても有利である。一例を挙げると、本発明の方法によれば、均一に焼結された粉末層エリアを生成することができる。このような焼結されたエリアは、粉末内の熱伝導率を増加し、よって、後続の融解ステップにおいて融解金属と粉末との間の界面に過度の温度勾配をもつ可能性を最小限に抑えることとなる。

本発明は、上述された実施形態によって限定されないが、請求項の範囲内で様々に変更され得る。たとえば、比Ｌ_ｘ／Ｖ_ｓが大きいならば、後続のパスを直前に走査されたパスの近くに位置付けることが可能である。このような場合、安全距離ΔＹは中間距離δＹと等しく設定されることができ、すなわち、同じパスが各再走査において走査される。

図２に関して説明された順序とは異なる順序でパスを走査することが更に可能である。たとえば、各サブグループ内の１番目のパス（Ｐ１．１、Ｐ２．１など）は、各サブグループ内の２番目のパス（Ｐ１．２、Ｐ２．２など）が走査される前に数回走査され得る。時に、特に、比Ｌ_ｘ／Ｖ_ｓが大きい場合、中間にあるその他のパスを走査することなく同じパスを数回に亘って走査することも可能である。

更に、パスは必ずしも直線的かつ平行な線でなくてもよい。しかし、このようなパスパターンは、累積効果などを考慮して、パスパターンを見つける作業と、実際に機能するパス走査順序を単純化する。直線的かつ平行なパスを使用することは、走査中のビームの制御も単純化する。

Claims (11)

1. 高エネルギーの電子ビームを照射することにより凝固され得る粉末材料（５）を使用して層毎に３次元物体（３）を生成する方法において、
   前記粉末材料（５）を均一に予熱するという一般的な目的を有する予熱ステップと、
   前記予熱ステップの後に前記粉末材料を融合させるという一般的な目的を有する凝固ステップと、
   を備え、
   前記予熱ステップが、予熱粉末層エリア（１０）の上に分布されたパス（Ｐ１．１−Ｐ５．２０）に沿って前記ビームを走査することにより前記予熱粉末層エリア（１０）を走査するサブステップを備え、
   連続的に走査されるパス（ＰＭ．Ｎ，Ｐ（Ｍ＋１）．Ｎ）が少なくとも最小安全距離（ΔＹ）で分離され、前記最小安全距離（ΔＹ）は前記予熱粉末層エリア（１０）内における、前記連続的に走査されるパスからの望ましくない電荷累積効果を防止するために適した距離である、ことを特徴とする方法。
2. 前記予熱ステップが前記予熱粉末層エリア（１０）を再走査するサブステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記予熱粉末層エリア（１０）の再走査中に辿られる前記パスが、前記予熱粉末層エリア（１０）の前の走査中に辿られた前記パスに対して中間距離（δＹ）だけ変位されており、前記中間距離（δＹ）は前記最小安全距離（ΔＹ）より短いことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ビームのパワーが前記予熱ステップ中に増加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記電子ビームのパワーが前記予熱粉末層エリア（１０）の連続的な走査と走査の間にまたは前記予熱粉末層エリア（１０）の連続的な再走査と再走査の間に段階的に増加されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記電子ビームのパワーは、前記電子ビームの電流を増加することにより増加されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. 前記パス（ＰＭ．Ｎ）が一方の端（ｘ＝０）から他方の端（ｘ＝Ｌ_ｘ）まで走査されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記パス（ＰＭ．Ｎ）が実質的に平行であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記パス（ＰＭ．Ｎ）が実質的に直線を形成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記予熱粉末層エリア（１０）が、後続の前記凝固ステップで融合されるべき前記粉末層の対応する部分（３）より広く、該対応する部分（３）に関して安全マージン（１２）を形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 高エネルギーのビームを照射することにより凝固され得る粉末材料（５）を使用して層毎に３次元物体（３）を生成する装置（１）において、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法に従って作動されるように構成されていることを特徴とする装置。

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