JP5555769B2 - 三次元物体を製作するための方法および装置 - 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って凝固させることができる粉状材料を使用して三次元物体を層ごとに製作するための方法および装置に関する。

電磁放射または電子ビームを照射することによって凝固させることができる粉状材料を使用して三次元物体を層ごとに製作するための設備は、例えば、米国特許第4863538号、米国特許第5647931号およびWO 2004/056511から知られている。そうような設備は、例えば、粉の供給、作業テーブルの作業領域に粉の層を塗布するための手段、および作業領域全体にわたってビームを向けるための手段を含む。ビームが作業領域をくまなく動く、または走査するときに、粉は焼結し、または溶けて凝固する。

製品品質の理由から、粉の塗布層が作業領域全体にわたって均一に分布し、層の厚さが明確で予め決められた値に一致していることが重要である。さらに、製作速度をできるだけ高く保つために、層を素早く塗布することが有利である。

従来、粉塗布手段は、供給要素および分布要素を含み、供給要素は、ある量の粉を粉供給から分布要素に移し、次に分布要素が粉を作業領域全体にわたって分布させる。WO 2006/121374は、他の異なるものを開示し、これでは、分布レーキが、供給要素兼分布要素として働くように粉供給の方へ動くことができてある距離だけその粉供給の中に入るように構成されている。

品質保証の理由から、また、例えば、粉分布が適切でない場合に粉の層を再塗布できるようにするために、作業領域に既に塗布された粉の層の厚さおよび一様性を決定することが望ましいかもしれない。しかし、簡単かつ効率的なやり方でこれをどのように行うかは、どのタイプの粉塗布手段が使用されるかにかかわらず明らかでない。したがって、一般に、粉塗布システムの信頼性を改善することに焦点が合わせられている。

選択的堆積モデリング(SDM)装置を使って層の表面高さ/厚さを監視するシステムの例が、米国特許出願公開第2002/0104973号に開示されている。このシステムは、非凝固構造材料の層に向かって下方に光ビームを向けるレーザなどの光源を使用する。光源に対してある角度に配置された光検出器が、非凝固層の表面および下の凝固層の表面からの散乱光を検出する。次に、非凝固層の厚さが、三角形分割を用いて計算される。説明された塗布は、液体構造材料を使用する。開示されたシステムは、ある特定の状況では申し分なく機能することができるが、金属粉などの不透明構造材料が使用されるときに適切に機能しない。さらに、このシステムは、いくつかのタイプの装置に取り付けるのが困難で費用のかかる追加の設備を必要とする。

したがって、作業領域に塗布された粉の層の厚さおよび分布を調べるためのシステム/方法が、特に金属粉が使用される場合に、依然として必要とされている。

米国特許第4863538号 米国特許第5647931号 WO 2004/056511 WO 2006/121374 米国特許出願公開第2002/0104973号

本発明の目的は、従来の方法に比べて層厚さの決定に関して改善された特性を示す方法を提供することである。この目的は、独立請求項1および9に含まれる技術的特徴によって定義される方法および対応する装置によって実現される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態、追加的な発展および変形物を含む。

本発明は、高エネルギービームを照射することによって凝固させることができる粉状材料を使用して三次元物体を層ごとに製作するための方法に関し、前記の方法は、作業領域の上に粉状材料の第1の層を塗布するステップと、高エネルギービームを照射することよって前記第1の層の一部を凝固させるステップと、第1の部分凝固層の上に粉状材料の第2の層を塗布するステップと、を含む。

本発明方法は、第1の層の上に塗布した後で、第2の層の温度が上昇する率を決定するステップを含むことを特徴とする。

熱い表面の上に配置されたより厚い層は、少なくとも層の表面温度に関して、より薄い層よりもゆっくりした率で熱くなるので、温度上昇率を層厚さに関係付けることができる。したがって、本発明方法は、温度変化の率を決定することによって層厚さを決定することを可能にする。

作業領域に塗布された粉層は、通常、下に位置する熱い部分凝固層からの比較的速い熱伝達のために比較的急速に熱くなる。塗布された粉層の表面の温度を測定するために、サーモグラフィ(IR)カメラまたはパイロメータなどの温度感知デバイスを使用することはよく知られている。しかし、この測定は、通常、凝固前の温度を調べる目的のために行われ、温度曲線が平らになった時点、すなわち塗布された粉層の温度が最高温度に達しこれを通り過ぎた時点に関係している。そのような従来の測定とは対照的に、本発明方法は、温度曲線が平らになる前に粉状材料の層の温度が上昇する率に関係するものである。

温度上昇率は、いくつかのやり方で表すことができる。一般に、塗布された粉層の表面のある特定の位置の温度は、その位置に粉を塗布してから経過した時間に依存する。さらに、ある特定の位置での温度上昇率、または微分係数dT/dtは、一般に、時間と共に減少し続けて漸近的にゼロに近づく(その理由は、駆動力、すなわち温度差が時間と共に減少するからである)。決定された温度上昇率を表す1つの例は、温度上昇率が、粉の塗布(ある特定の位置での)から最高温度に達した時点(同じ位置で)までの期間の長さに対応するということである。他の例は、ある特定の時点での実際の温度上昇率を決定することである。さらに他の例は、温度の時間依存性の測定データに数学関数をフィットさせ、この関数フィッティングから温度上昇率に対応するパラメータを生成することである。決定された温度上昇率がどのように表されるかにかかわらず、温度上昇率は、層厚さに関係付けることができる。

本発明の実施形態では、本方法は、温度感知デバイスを使用して前記第2の層の少なくとも1つの位置で温度を測定するステップを含む。これは、本発明方法を実施するためのデータを得る適切なやり方である。さらに、サーモグラフィカメラまたはパイロメータなどの温度感知デバイスは、多くの場合に、本明細書で述べられる三次元物体の製作のタイプに使用される装置の一部を既に形成している。

好ましくは、温度を測定するステップは、前記第2の層の同じ少なくとも1つの位置で複数の連続した温度測定を行うステップを含み、前記複数の測定は、第2の層が最高温度に達する前に行われる。このことは、第2の層の温度が上昇している期間に時間の関数として温度のデータ列が得られることを意味する。そのようなデータ列は、温度上昇率を決定するのに非常に有用である。

本発明の追加的な実施形態では、本方法は、前記第2の層の複数の位置で温度を測定するステップを含み、前記複数の位置は、第2の層全体にわたって分布している。これによって、第2の層のより大きな部分、好ましくは層全体にわたって温度上昇率を決定することが可能になり、このことで今度は、層が均一に分布しているかどうかを決定することができるようになる。

本発明の追加的な実施形態では、温度感知デバイスは、好ましくは第2の層の上面の方へ向けられているサーモグラフィカメラである。

本発明の追加的な実施形態では、本方法は、決定された温度上昇率を1つまたはいくつかの基準値と比較するステップを含む。そのような比較は、温度上昇率、したがって粉層の厚さが、ある特定の許容可能な幅内にあるかどうかを決定するために使用することができる。この比較は、また、実際の層厚さを決定するために使用することもできる。

本発明の追加的な実施形態では、本方法は、前記複数の連続した温度測定から得られたデータに数学関数をフィットさせるステップを含む。これは、測定データを処理する効率の良いやり方であり、さらに、フィットした関数、すなわちフィットしたパラメータは、温度上昇率を決定するのに有用である。好ましくは、フィッティングに使用される関数は、下にある層からの熱伝導および第2の上の層からの熱放射を含んだ温度平衡に関する適切な理論関数である。

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凝固させることができる粉状材料を使用して三次元物体を層ごとに製作するための装置に関し、この装置は、上記の方法に従って動作するように構成されている。

以下に示される本発明の説明において、次の図が参照される。

本発明方法を実施するのに適した装置の実施形態を示す模式図である。 「薄い」粉層の測定された温度データおよびフィットされた温度データの模式化された例を示す図である。 「厚い」粉層の測定された温度データおよびフィットされた温度データの模式化された例を示す図である。

図1は、エネルギービームを照射することによって凝固させることができる粉状材料を使用して三次元物体6を層ごとに製作するための発明の装置1の好ましい実施形態を模式図で示している。説明される装置1は、本発明方法を利用するのに適している。装置1は、真空チャンバ2中に電子ビーム4を発生させることができる電子銃3を備えている。粉ベッド7、すなわち互いに積み重ねられた複数の部分凝固層が、高さ調節可能な作業台9の上に置かれている。この例では金属材料から作られている粉が、粉供給(図示されない)から受け取られ、粉分布要素12を使用して作業台9の上に層ごとに塗布される。粉ベッド7の上の部分は作業領域5を形成し、その上を照射中に電子ビーム4が走査する。作業領域5の上に塗布された第1の上の粉層の選ばれた部分を照射し融合させた後で、第2の新しい層の粉8を粉ベッド7の上の作業領域5全体にわたって分布させる。これらの部品、並びに電子銃3を制御する方法、チャンバ2中に真空を生じさせる方法などは、当業者にはよく知られている。

本発明の装置1は、チャンバ2の外の、作業領域5の側の作業領域5より高い高さに位置付けされ、作業領域5の方へ、すなわち一番上の粉層の上面の方へ下向きにある角度で向けられたディジタルサーモグラフィカメラ14(ときには例えば「IRカメラ」とも呼ばれる)の形の温度感知デバイスをさらに備えている。関連する放射波長に対して透明な窓15がチャンバ2の壁に位置付けされて、カメラ14が作業領域5の温度を感知することができるようになっている。カメラ14は、制御ユニット11に電子的に接続され、次に制御ユニット11は、制御目的のために、例えば電子銃3および粉分布要素12を駆動する設備に電子的に接続されている。電子的接続は、破線13で示されている。カメラ14と作業領域5の間の角度を小さくするために、カメラ14および窓15は、代わりに、チャンバ2の上側の、電子銃3の脇に多少離れて配置することができる。

サーモグラフィカメラ14からの信号は、制御ユニット11で処理され、解析される。サーモグラフィカメラおよびそのようなカメラによって生成された信号の処理/解析は、よく知られており、本明細書では詳しく説明しない。言及できることであるが、信号処理は、カメラ14自体で行われるか、またはカメラ14および/または制御ユニット11に接続された補助ユニットで行われることがある。また、言及できることであるが、本明細書で説明されるタイプの従来技術の装置の少なくともいくつかは、温度感知デバイス、例えばサーモグラフィカメラを備えている。しかし、従来技術の装置の温度感知デバイスは、他の目的のために使用されている。

作業領域5の上に前に塗布された第1の部分凝固粉層の上に新しい第2の粉層8が塗布されたとき、本発明方法では、第1の層の上に塗布した後で、第2の層8の温度が上昇する率を決定するためにサーモグラフィカメラ14が使用される。この温度上昇率が、第2の層の厚さおよび一様性を調べるために使用される。

本発明方法の好ましい実施形態は、次のステップを含む。
A)第2の層8の複数の位置で複数の連続した温度測定を行うステップ。ここで、前記複数の測定は、第2の層8が最高温度T₁に達する前に行われ(下を参照されたい)、前記複数の位置は第2の層8全体にわたって分布している。
B)ステップAから得られたデータに数学関数をフィットさせるステップ。ここで、第2の層8の前記位置の各々に1つの関数がフィットされる。
C)ステップBからの結果を使用して前記位置の各々の温度上昇率を決定するステップ。
D)決定された温度上昇率を格納するステップ。
E)決定された温度上昇率の各々を1つまたは複数の基準値と比較するステップ。
F)決定された温度上昇率のいずれかが設定値よりも低いか高い場合に、作業領域5の上に粉状材料の層を再塗布するステップ。

ステップAでの測定は、制御ユニット11によって制御されるサーモグラフィカメラ14で行われる。カメラ14は、第2の層8の上面の方へ向けられ、このことは、カメラ14が基本的に第2の層8の表面温度を記録することができること(たとえその表面から僅かに下に位置する材料から放射された熱もカメラ14に達することがあるとしても)を意味している。カメラ14の位置および方向は、また、上記のステップAで言及された「位置」が基本的に横平面内の2次元領域単位、すなわち第2の層8の上面の一部であることも示している。各「位置」の大きさは、変更可能であり、例えば、カメラ14の分解能(ピクセル数)、カメラ14と第2の層8の間の距離、および各「位置」に使用されるピクセル数に依存する。

第2の層8が下の層からの熱伝導の結果として熱くなっている期間の間、分布する位置全てについて一連の温度測定を行うようにカメラ14は制御される。ある時間の後で、第2の層(の表面)は、最高温度T₁に達する(図2および3を参照されたい)。大雑把に言って、この時点で、熱が下の層から伝導される率は、熱が第2の層8の上面から放射されて逃げる率に等しい。その時点の後で、第2の層8の温度は下がる(適度の率で)。

温度上昇率は時間と共に減少し、さらに最高温度に達する時間はどちらかと言えば短く一般に上記の装置でおおよそ1秒であるから、連続した温度測定は、粉の塗布後できるだけ早く開始されるべきである。粉分布要素12は、作業領域5全体にわたって一方の側から他方の側まで動くので、作業領域5に粉層8が塗布される時点は層8の位置に依存して異なる。したがって、第2の層8の特定の位置での連続した温度測定は、その特定の位置に粉を塗布した後で、できるだけ早く始まるべきである。好ましくは、いくつかの温度測定が、第2の層8がその最高温度に達したときに、およびその後でも行われる。

カメラ14は、粉分布要素12が移動するときにもデータを記録する。このことは、要素12の直ぐ後ろの位置を「見る」ピクセルは、粉塗布直後(ほぼ0.1秒以内)の測定データを得るために使用することができることを意味している。

第2の層8が最高温度T₁に達する前に各位置で行われた複数の連続した温度測定は、少なくとも2つの温度測定を含む。特に、第2の層8が最高温度に達したときおよび/またはその後に少なくとも1つの追加的なデータ点も得られた場合、この2つのデータ点から温度上昇率を推定できることがある。しかし、温度上昇率は直線的でないので、第2の層8が最高温度T₁に達する前に少なくとも3つの温度測定を行うのが良いだろう。基本的に、データ点(すなわち、温度測定)の数が多ければ多いほど、関数フィットは良くなる。おおよそ10Hzの測定周波数、すなわち0.1秒ごとに1つの測定は、申し分なく機能することが明らかになった。

数学関数をデータ点にフィットさせることは、当業者にはよく知られている。この場合には、標準的なパラメータフィット(y=a₀+a₁x+a₂x²+...+a_nxⁿ)をおそらく使用することができるかもしれないが、このフィットは、好ましくは、下にある層からの熱伝導および第2の上の層からの熱放射を含んだ温度平衡に関する適切な理論関数を使用して行われる。そのような理論関数は、例えば、次のパラメータ、すなわち層厚さ、粉状材料の材料特性、および粉粒子サイズ分布を含むことがある。適切な理論関数を使用することの有利点は、結果として得られる層厚さが関連した物理関係から導き出されることである。

「(数学)関数をフィットさせる」という表現は、たった2つのデータ点が利用できる状況も含むと考えられる(この場合には、線または曲線が2つの点に「フィット」される)。

ステップAで得られた測定データの解析は、第2の層8全体にわたって分布する全ての位置について行われる。それらの位置が適切に分布している場合、この解析は、層8全体にわたった温度上昇率の情報を提供する。

関数フィットの後のステップで、前記の位置各々の温度上昇率が決定される。このステップは、フィッティングステップの一部と見なすことができる。一般に、フィッティングステップでパラメータが決定され、そのパラメータは温度上昇率を表している。この率が、今度は、第2の粉層8の厚さに直接関連付けられる。

決定された温度上昇率を、例えば制御ユニット11に接続されたメモリに格納することは、データを計算および比較のために利用できるようにするためだけでなく、品質保証の理由からも有用である。例えば、本発明方法で製作された物体が使用中にあるやり方で壊れた場合、製作データに戻って、粉層の厚さおよび/または一様性が適切であったかどうかを確かめることに役に立つ可能性がある。また、層厚さ測定が予め決められた品質値を満たしていない場合には、そのような製作された物体を製造後にスクラップすることもできる可能性がある。

次のステップで、決定された温度上昇率の各々が1つまたは複数の基準値と比較される。それらの決定された率(または、知られた方法で対応する率に関連付けられた他のパラメータ)のいずれかが設定値よりも低いか高い場合には、このステップの後で、作業領域5に粉状材料の層を再塗布するステップが行われる。このことは、第2の層が、例えば、作業領域5全体にわたって十分に一様に分布していない場合、粉分布要素12が別の層の粉状材料でこれを補償することを意味している。

図2は、「薄い」第2の粉層8(または、第2の層の、層が「薄い」位置)の測定およびフィット温度データの模式化された例を示す。比較として、図3は、「厚い」第2の粉層8(または第2の層の、層が「厚い」位置)の測定およびフィット温度データの模式化された例を示す。したがって、図3のデータは、図2のデータよりも厚い粉層を参照している。

図2のデータ点20は、連続した温度測定を表し、曲線21はデータ点20にフィットされた関数を表し、すなわち、曲線21は、粉層の表面の温度を表している。温度が最初は(粉塗布直後)非常に速く上昇することが分かり、このことは、温度上昇率、すなわち曲線21の微分係数が最初は非常に大きいことを意味している。温度上昇率は連続的に減少し、t=t₁でゼロになり、この時点に温度が最高温度T₁に達する。この後で、温度はゆっくり下がる。

図2に示された模式化された例では、連続した温度測定を表すデータ点20の数は6である。すなわち、温度が最高温度T₁に達する前の3点と最高温度T₁に達した時点t₁またはその後の3点である。

図2と同様に、図3のデータ点30は連続した温度測定を表し、曲線31はデータ点30にフィットされた関数を表し、すなわち曲線31は「厚い」粉層の表面の温度を表す。また、この場合には、データ点30の数が6であるが、この場合にそのうちの5つは、温度が最高温度T₁に達する前の期間を参照している。図3では、最高温度T₁に達した時点がt₂で示されている。

図2と3を比較することによって、異なる厚さの層間の主な差は、図3の「厚い」層の方で温度がゆっくり上昇するという点に見ることができ、このことは、温度上昇率が「厚い」層の方が小さいことを意味している。両方の場合に、温度上昇率は連続的に減少し、温度が最高温度T₁に達したときゼロになり、その最高温度T₁は両方の場合にほぼ同じ値である。しかし、最高温度T₁に達するまでに経過した時間は異なり、t₂>t₁である。

各個々の温度測定20、30、すなわち温度の各「サンプリング」は、好ましくは、その期間中の温度変化が無視できるほど小さいような短い期間に行われる。

従来技術の装置の温度感知デバイスは、一般に、凝固前の温度を調べるために使用され、温度曲線が平らになった時点、すなわち塗布された粉層の温度が最高温度に達しこれを通り過ぎた時点に関係している。そのような従来技術の温度測定は、図2および3に示された温度曲線のずっと右の1点に相当する。

ときには赤外(IR)カメラまたは熱カメラとも呼ばれるサーモグラフィカメラは、可視光を使用して画像を形成する一般的なカメラと同様に、赤外放射を使用して画像を形成することができるデバイスと一般に見なされる。ディジタルサーモグラフィカメラは、各ピクセルが個々の温度感知ユニットを形成している温度感知デバイスと見なすことができる。温度測定、すなわち図2および3のデータ点20、30は、個々のピクセルまたはいくつかのピクセルからの信号に基づいていることがある。

本発明は、上記の実施形態によって限定されず、特許請求の範囲内で様々なやり方で修正可能である。例えば、サーモグラフィカメラ14の代わりに、またはこれを補完するものとして、パイロメータを使用することができる。しかし、説明されたタイプのカメラは、層のいくつかの位置の温度上昇率を決定することを可能にし、それによって、次に、層の一様性(すなわち、粉層の垂直方向の均一性)を決定することができるようになるという点で、有利である。

さらに、高エネルギービームは、例示の電子ビームの代わりにレーザ光源によって発生されたレーザビームであってもよい。さらに、粉状材料は、必ずしも金属から作られる必要はなく、例えば、プラスチックまたは複合材料から作られてもよい。

作業領域5のある特定の位置に粉が塗布される時点が分かっていれば、その位置で(最高温度に達する前に)たった1つの温度測定を行うことが、温度上昇率を決定するために、または少なくとも推定するために十分であることがある。粉塗布のこの時点は、粉分布要素12の位置についての制御ユニット11による情報から、または光学的情報から得ることができる可能性がある。しかし、粉塗布の正確な時点を決定することは複雑であることがあり、さらに、温度上昇率を決定するためにたった1つの単一温度測定を使用することは、得られた結果に相当な不確実性をもたらす。温度曲線を「描く」複数の連続した温度測定を行うことで、粉塗布の時点を確定することは必ずしも必要でない。必要ならば、粉塗布の時点は、フィットされた関数を使用して計算することができる。

1 本発明の装置
2 真空チャンバ
3 電子銃
4 電子ビーム
5 作業領域
6 三次元物体
7 粉ベッド
8 第2の粉層
9 作業台
11 制御ユニット
12 粉分布要素
13 電子的接続
14 サーモグラフィカメラ
15 窓
20 データ点
21 データ点20にフィットされた関数を表す曲線
30 データ点
31 データ点30にフィットされた関数を表す曲線
T₁ 最高温度T₁

Claims (8)

1. 高エネルギービーム（４）を照射することによって凝固させることができる粉状材料（７）を使用して三次元物体（６）を層ごとに製作するための方法であって、
   ・作業領域（５）上に粉状材料の第１の層を塗布するステップと、
   ・高エネルギービームを照射することよって前記第１の層の一部を凝固させるステップと、
   ・前記第１の部分凝固層の上に粉状材料の第２の層（８）を塗布するステップと、
   を含み、
   ・前記第１の層の上に塗布した後で、前記第１の層における余熱を熱源として、前記第２の層（８）の温度が上昇する速度を決定するステップと、
   ・前記温度上昇速度を前記第２の層（８）の層厚さに関係付けるステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 温度感知デバイス（１４）を使用して前記第２の層（８）の少なくとも１つの位置で温度を測定するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の層（８）の同じ少なくとも１つの位置で複数の連続した温度測定を行うステップを含み、前記複数の測定が、前記第２の層（８）が最高温度（Ｔ１）に達する前に行われることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の層（８）の複数の位置で温度を測定するステップを含み、前記複数の位置が、前記第２の層（８）全体にわたって分布していることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記温度感知デバイスが、サーモグラフィカメラ（１４）であることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記サーモグラフィカメラ（１４）が、前記第２の層（８）の上面の方へ向けられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記決定された温度上昇速度を１つまたはいくつかの基準値と比較するステップを含むこと特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記複数の連続した温度測定から得られたデータに数学関数をフィットさせるステップを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。

Images