JP5135594B2 - ３次元物体を作るための方法 - 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って固化可能である粉末材料を用いて、３次元物体を層ごとに作るための方法及び装置に関する。

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って固化または融合可能な粉末材料を用いて、３次元物体を層ごとに作るための機器が、例えば米国特許第４８６３５３８号明細書、米国特許第５６４７９３１号明細書、及びスウェーデン国特許第５２４４６７号明細書から知られている。このような機器は、例えば粉末源と、垂直方向に調整可能な台または作業領域の上に粉末の層を塗布するための手段と、作業領域の上にビームを向けるための手段とを含む。ビームが作業領域の上を移動するとき、粉末は焼結または溶解して、固化する。

高エネルギービームを使用して粉末を溶解または焼結するとき、粉末の気化温度を超えないようにすることが重要であるが、その理由は、そのようにしないと、粉末は、意図した製品を形成せずに、単に蒸発することになるからである。米国特許出願公開第２００５／０１８６５３８号明細書が、この問題に焦点を合わせた方法を開示している。この方法では、溶解／焼結段階の間、粉末温度を段階的に上昇させるように、レーザビームが同じ粉末のターゲット領域に繰り返し向けられる。このようにして、高すぎる粉末温度が回避される。

レーザビームの代わりに電子ビームを使用するとき、状況はいくつかの観点で異なる。電子ビームが粉末に衝突するとき、電子のターゲット領域の周りに電荷の分布が発生する。この電荷は、被製作物体の作られた部分及び／または粉末床を経由して、接地の方へ導かれるのが望ましい。電荷分布の密度が臨界限界を超える場合、ビームが放射している位置の周りに、所定レベルを上回る電界強度を有する電界が成長する。所定レベルを上回る電界強度を有する電界をＥ_ｍａｘと呼ぶ。電界が粉末粒子を互いに反発させ、粒子が粒子の最上表面層を離れ、その表面の上に浮遊する粒子の分布を作る。浮遊する粒子は、表面の上に位置する雲に似ている。電界がＥ_ｍａｘを上回る電界強度を有する場合、電界すなわち粒子雲は、装置の分解能に好ましくない影響を及ぼすことになる。これは、粒子雲中の粒子が電子ビームをそらすことに一部起因している。電界がＥ_ｍａｘ未満の電界強度を有する場合、電界すなわち粒子雲は、装置の分解能に大きな影響を及ぼさない。したがって、Ｅ_ｍａｘ未満の電界強度が望ましい。

米国特許第４８６３５３８号明細書 米国特許第５６４７９３１号明細書 スウェーデン国特許第５２４４６７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１８６５３８号明細書

粒子は帯電されているため、それらは接地を探すことになり、それによっていくつかは雲を離れることがあり、その結果、真空室内部に置かれている装置の様々な部分を汚染することになる。このような臨界電界の結果は、粉末表面の構造が破壊されることになるということである。米国特許出願公開第２００５／０１８６５３８号明細書に記載の方法を、電子ビームを装備した粉末溶解／焼結装置に適用することは、悪い結果を招き易い。なぜなら、この方法には、前記所定のレベルを上回る電界強度を有して発生する臨界電界を回避するための対策がとられていないためである。

放電を回避するこの問題の解決策の一つは、炭素などの導電材料を粉末に加えて、粉末の導電性を増加させることである。しかし、この解決策の欠点は、このような粉末混合物を固化する過程は制御が困難な場合があること、及び形成された製品の特性に好ましくない影響を与える場合があることである。例えば、機械的強度が低下することがある。

本発明の目的は、粉末材料の制御且つ適切な同時の融合を可能にし、電子ビーム両方に十分適する、粉末材料から３次元物体を層ごとに作るための方法及び装置を提供することである。この目的は、独立請求項に定義された方法及び装置によって実現される。従属請求項は、有利な実施形態、さらには本発明の発展形態及び変形形態を含む。

本発明は、高エネルギービームを照射することによって固化可能である粉末材料を用いて、３次元物体を層ごとに作るための方法に関する。本発明は、その方法が、高エネルギービームが粉末材料に放射される位置のすぐ近傍に存在するイオンの量を制御するステップを含むことを特徴とする。高エネルギービームのすぐ近傍に存在するイオンの量を制御することによって、雲を作り上げる傾向が減ることが明らかになっている。したがって、高エネルギービームすなわち電子銃は、前記所定のレベルを上回る電界を作ることなく、高出力で動作できる。この効果は、高エネルギービームの放射点の近傍のイオンが前記近傍の電荷密度を低下させることによって実現される。高エネルギービームが電子銃である場合は、必然的にイオンは正となるだろう。イオンの数は、電界強度をＥ_ｍａｘ未満に維持するのに必要なレベルを上回ることが有利である。そうすることで、十分な量の粉末材料が中性化される。

本発明の第１の実施形態では、高エネルギービームが放射される位置のすぐ近傍に存在するイオンの量が、
補助ガスを装置の真空室内へ導入する方法ステップと、
ガスの圧力を所定の圧力レベルに制御する方法ステップとを
用いることによって制御され、そこで、前記補助ガスが、高エネルギービームによって照射されたとき、イオンを生成することができる。

イオンの生成数は、電界強度をＥ_ｍａｘ未満に維持するのに必要なレベルを上回ることが有利である。そうすることで、十分な量の粉末材料が中性化される。

真空室は、補助ガスが導入される前に、１＊１０^−４ｍｂａｒ未満の圧力を表示するのが適切である。補助ガスは真空室内の圧力を上げて、この圧力が１＊１０^−１ｍｂａｒと１０^−４ｍｂａｒとの間の区間にあるようにする。補助ガスを導入した後の圧力は、１０^−２ｍｂａｒと１０^−３ｍｂａｒとの間にあるのが好ましい。より高い圧力は、より多くのイオンが粉末層の表面で利用できることにつながり、したがって、雲を作ることなく電子銃のより大きな出力に対応できる。一方、圧力が高いと、電子銃からの電子線がより広範囲に分散されることにつながり、それによって、作られる部分の分解能の低下を招く。１０^−２ｍｂａｒと１０^−３ｍｂａｒとの間の補助ガスを導入することにより、これら２つの影響間の良いバランスをもたらすことが明らかになっている。

本発明の一実施形態では、不活性ガスが使用される。アルゴンは、チタン合金の製造と共に使用するのに特に適している。ヘリウムも検討することができる。窒素は、コバルト・クロム合金と共に最適に使用することができる。

本発明の第２の実施形態では、高エネルギービームが放射される位置のすぐ近傍に存在するイオンの量が、イオンを装置の真空室内へ導入する方法ステップを用いることによって制御される。

スパッタ装置またはプラズマ装置といったイオン源を使用して、イオンを真空室内へ導入することによって、真空室内の荷電イオンの数を制御することができる。したがって、引き続き十分な量の荷電イオンを利用しながら低圧で動作することができるため、電子銃の分散の影響をこうして減らすことができる。イオン濃度は、真空室内へ導入されたイオンの量を制御することによって得ることができる。イオンは、粉末材料に向けて送られるのが好ましい。粉末床内の粒子の電荷によって、導入されたイオンは負または正のどちらかに帯電される。最も一般的な場合は粉末床が負に帯電されているときであり、したがってこの場合は正に帯電されたイオンが使用される。

真空室内へ導入されるイオンの数は、高エネルギービームの出力に基づいて制御されるのが適切である。電子銃から供給された電子の大部分は、作られた物体の部分及び／または粉末床を経由して接地へ放電されることになるため、電子銃によって供給された電子のわずかな部分だけは補充が必要である。このように、真空室内へ導入されるイオンの流速を、電界強度をＥ_ｍａｘ未満に維持するのに必要なレベルを上回るように維持することが好ましい。

本発明はまた、高エネルギービームを照射することによって固化可能である粉末材料を用いて、３次元物体を層ごとに作るための装置にも関し、その装置は上記の方法ステップの少なくとも１つによって操作されるように適合される。

本発明の以下の説明の中で、次の図面が参照される。

３次元製品を作るための既知装置の例の概略図である。 本発明の方法の第１の実施形態を適用することができる、３次元製品を作るための装置の例の概略図である。 本発明の方法の第２の実施形態を適用することができる、３次元製品を作るための装置の例の概略図である。 電荷粒子雲を有する粉末材料の表面の例の概略図である。

図１は３次元製品を作るための既知の装置１の例を示す。装置１は、３次元製品３をその上に構築するための垂直方向に調整可能な作業台２と、１つまたは複数の粉末供給装置４と、粉末床５を形成するための作業台２の上に粉末の薄い層を分布させるように配列された手段２８と、電子銃の形をして、粉末床５の部分を同時に融合するように粉末床５にエネルギーを供給するための放射銃６と、放射銃６によって放射された電子ビームを前記作業台２の上に導くための偏向コイル７と、装置１の種々の部分を制御するように構成された制御ユニット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、粉末の新しい層が粉末床５の上に塗布され、電子ビームが、粉末床５の上層５’の選択された部分の上を走査する。原則として、このサイクルが、製品が完成するまで繰り返される。当業者は、３次元製品を作るための装置の一般的な機能及び構成を、図１に概略が示された種類に関して共に熟知している。完全な装置１は、真空ポンプ（図示せず）によって低圧が実現される真空室を構成する。真空室内の圧力は１０^−４ｍｂａｒ未満の圧力レベルに保持されるのが好ましい。

電子ビームが使用される場合、電子が粉末床５に衝突するときに粉末内に作られる電荷分布を考慮する必要がある。本発明は、電荷分布密度が以下のパラメータすなわち、ビーム電流、電子速度（加速電圧によって与えられる）、ビーム走査速度、粉末材料、及び粉末の導電性すなわち主に粉末粒間の導電性によって決まるという理解に、少なくとも一部は基づいている。後者は、同様に、温度、焼結の程度、及び粉末粒寸法／寸法分布といったいくつかのパラメータの関数である。

したがって、所与の粉末、すなわちある特定の粒子寸法分布を有するある特定材料の粉末、及び所与の加速電圧に対し、ビーム電流（したがってビーム出力）及びビーム走査速度を変化させることによって、電荷分布に影響を及ぼすことができる。

これらのパラメータを制御された方法で変化させることにより、粉末の温度を上昇させることによって、粉末の導電性を除々に上昇させることができる。高温の粉末はかなり高い導電性を得て、電荷は広い領域上に急速に拡散することができるため、その結果、電荷分布密度が低下する。予備加熱過程の間に粉末がわずかに焼結され得る場合、この効果は高まる。導電性が十分に高くなっているとき、ビーム電流及びビーム走査速度の任意の値を用いて、粉末を融合する、すなわち溶解または完全に焼結することができる。

任意の走査手順中に粉末内で成長する電荷密度を説明する一般的な関数は、時間及びビーム位置のかなり複雑な関数であり、その理由は、走査経路が空間的及び時間的に十分に分離されていない場合、１つの走査経路に沿って発生した電荷密度が、もう１つの走査経路に沿って発生した電荷密度によって影響を受けるためである。したがって、異なる経路間の加重効果を考慮しなければならない。

図２は、本発明の方法の第１の実施形態を使用することができる３次元製品を作るための装置２１の例を示す。装置２１はまた、図１に説明した部分に加えて、ガス注入口２２も備え、それを介して補助ガスをこの装置の真空室内へ導入することができる。ガス注入口は、制御ユニット８によって制御することができる制御弁２３によって調整される。制御弁２３、ひいては真空室内のガス圧力は、真空室内の圧力に関して制御することができる。この圧力は、制御ユニット８に接続された圧力センサ２４を用いて測定することができる。

図３は、本発明の方法の第２の実施形態を使用することができる３次元製品を作るための装置３１の例を示す。装置３１はまた、図１に説明した部分に加えて、スパッタ装置３２も備え、それによってこの装置の真空室内へイオンを導入することができる。スパッタ装置３２は、制御ユニット８によって制御することができる。イオンを生成するためのスパッタ装置３２内で使用されるガスは、アルゴンといった不活性ガスが好ましい。真空室内の圧力は、所定のレベルに維持され、１０^−４ｍｂａｒ未満に維持されるのが好ましい。真空室内の圧力は、制御ユニット８に接続された圧力センサ３４を用いて測定することができる。

図４は、帯電された粒子雲４１を有する粉末材料の粉末床５の上層５’を示す。この雲は、電子ビーム４２が粉末材料に放射される位置の周りに集中する。より強い電界により、より大きい雲が放射点の周りに発生することになる。したがって、この雲の寸法、すなわち高さを制限することが本発明の目的である。したがって、真空室内へ導入された、または真空室内で生成されたイオンの数は、この雲の中の十分な量の電荷を中性化するために、所定のレベルを上回るようにすべきである。この所定レベルは、電界強度をＥ_ｍａｘ未満に維持するように選択されるべきである。そうすることによって、十分な量の粉末材料が中性化される。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、後続の特許請求の範囲内で多数の追加の変形形態及び変更形態が可能であると理解すべきである。

Claims (8)

1. 高エネルギービームを照射することによって固化可能である粉末材料（５）を用いて、３次元物体（３）を層ごとに作るための方法において、
   補助ガスを機器の真空室内へ導入するステップと、
   前記ガスの圧力を所定の圧力レベルに制御するステップとを含み、
   前記補助ガスが、前記高エネルギービームによって照射されたときに、所定数のイオンを生成することができることを特徴とする方法。
2. 前記所定数のイオンが、電界強度をＥ_ｍａｘ未満に維持するのに必要なレベルを上回ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記真空室が、前記補助ガスが導入される前に、１＊１０^−４ｍｂａｒ未満の圧力を示すことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記真空室内の前記圧力が、前記補助ガスが導入された後に、１＊１０^−１ｍｂａｒと１＊１０^−４ｍｂａｒとの間の区間にあ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. 前記補助ガスが不活性ガスであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記不活性ガスがアルゴンであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記不活性ガスがヘリウムであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記真空室内の前記圧力が、前記高エネルギービームの出力に基づいて制御され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。

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