JP5731393B2 - 識別可能な粉末を供給する方法と物体を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は特にレーザ焼結における粉末を供給する方法、および三次元物体の製造方法に関し、特にレーザ焼結を用いた方法に関する。

層状に物体を製造する方法、特にレーザ焼結法においては、製造される物体の品質は、使用された粉末の品質と特性に依存する。粉末の配合はいわゆる残留粉末と言われる、先の製造工程で用いられた粉末の混合条件が把握されていないので、使用された粉末の特性はしばしば、把握されていない。

粉末の特性を決定するために、例えば、粉末の溶融塊を生成し、粉末の溶融塊の粘度を決定し、さらに、融点を決定する、いわゆるメルトボリュームレート法（ＭＶＲ）が用いられ、粉末の熱履歴に関する情報を得ることができる。しかしながら、この方法は時間がかかり、また全てのケースに適用できる訳ではない。

また、ＤＥ１０２００６０２３４８４に記載のように、新品粉末と使用済み粉末の混合粉末が使用され、レーザ焼結により製造される物体の品質を改善し得る装置と方法が知られている。

ＤＥ１０２００６０２３４８４

本発明の目的は層形成法に用いられる、明確に識別可能な粉末を供給する方法および製造された物体の品質が追跡記録可能で、より改善された三次元物体の製造方法を提供することにある。

この目的は請求項１記載の方法および請求項１２記載の方法によって達成される。本発明のさらなる改良は従属項で各々規定されている。

本発明の方法の利点は、どの組成の粉末が、製造される物体に使用されたかが、いつでも把握できることである。例えば、新品粉末と残留粉末の割合（％）は粉末の総量とともに把握でき、全てのデータはＩＱＭＳ（Integrated Quality Management System）によって集中管理される。使用済み粉末とそれから製造された物体は、フローシートを用いることにより製造時に遡って追跡可能である。

個々の層の組成を決定することができる。製造される物体の品質はこのようにして検証可能である。製造される物体の品質を、このような方法で制御することによって、対応する認証（ＱＭＳ）が発行できる。さらに、レーザ焼結装置の製造パラメータを使用された粉末の特性に関連付けることが可能である。さらに、レーザ焼結装置は使用される粉末に対応するように、校正され得る。

さらなる利点として、全ての必要なパラメータが把握できるため、製造される物体の再現性が保証される。これは多くの航空機メーカのような、安全面での理由で非常に厳しい仕様が考慮されなければならない多くの製造メーカで必要とされていることである。

さらなる利点は、整備スタッフと顧客が、記録されたデータによって信頼性と機械の作業負荷に対する知見を得ることである。物体を層状に製造する方法を実行中の装置の状態、装置のパラメータ、および異常と不良はそれぞれ追跡可能である。生じた問題はこのようにして、速やかにかつ経済的に解決可能である。

本発明のさらなる目的と特徴は添付した図面に基づく実施形態の記載から明らかになる。図面は以下に示すものである。

レーザ焼結装置の概略図である。 本発明に係る粉末の供給のためのシステムを示す概略図である。 冷却工程、開放工程、収集工程、混合工程、製造工程を有する本発明の方法の概略図である。 材料のフロー図の例である。

以下、レーザ焼結を例にして第１の実施形態を図面に基づき説明する。

図１に例示されたレーザ焼結装置１は上面が開放された製造コンテナ１００を有し、製造コンテナ１００は、内部を垂直方向に移動可能であり、製造される物体２を保持し、製造領域を規定する支持部２００を有している。支持部２００は作業面４００上に固化される物体２の各層が設けられるように垂直方向に配置される。さらに、電磁放射で固化される粉末３を供給する供給装置５００が設けられる。粉末３は貯蔵コンテナ２４から計測装置６００によって、供給装置５００に所定の量が供給される。さらに、レーザ７００が設けられ、レーザビーム７００ａが生成される。レーザビーム７００ａは偏向手段８００によって偏向され、入射窓９００に入射され、そこから製造チャンバ１０００に入射され、作業面４００の所定の点に収束される。さらに、制御部１１０が設けられ、装置の各部は製造工程を進行するために、制御部１１０によって協調制御される。

物体２を製造する際は、供給装置５００によって粉末３が層状に作業面４００上に供給される。レーザビーム７００ａが物体２の各層の断面に対応する位置で粉末３を選択的に固化する。その後、移動可能な支持部２００が下降され、次の粉末３が供給装置５００によって作業面４００に供給される。物体２が完成するまで上記の工程が繰り返される。粉末３はポリマー粉末、金属粉末、被覆砂、セラミックス粉末、これらの混合物、またはこれらのペースト状の粉末化合物であってもよい。

既に１または複数回の製造工程を経たが、未だ固化されていない粉末３を、ここでは残留粉末４と呼ぶが、残留粉末４はこの工程における加熱により、変化した材料特性を有する。

本発明に係る方法では、物体２が製造される際の個々の製造動作（ジョブ）ごとに、粉末３の組成とこれから収集できる情報である粉末３の特性を検出する。この粉末組成および混合粉末物の特性に関する情報は次のジョブで製造パラメータの校正および試料の可能な認証(Quality Management System-QMS)のために用いられる。

図２に本発明に係る方法を行うための材料と粉末３をそれぞれ供給するためのシステムの概略図を示す。全ての工程データは中央粉末データベース６で管理されている。中央粉末データベース６は、レーザ焼結装置１、ウォッチドッグ、タイムサーバ７と情報を交換する。タイムサーバ７は製造工程の時間的順序を管理する。これは例えば２以上のレーザ焼結装置１が用いられる場合に重要である。タイムサーバ７は順に粉末追跡データベース８と情報を交換する。

粉末追跡データベース８は使用された粉末３を記録・監視する。即ち、システムに供給される、使用済みの残留粉末４および、未だどの製造工程も通過していない新品粉末５を記録・監視する。この方法では、どの組成の粉末３が製造される物体２に用いられるか正確に決定されることが保障される。粉末追跡データベース８は中央粉末データベース６と端末１１に接続され、ユーザ１２に操作され、あるいはソフトウェアを介して制御される。端末１１は残留粉末４と新品粉末５の使用を監視する。端末１１では、中央粉末データベース６によって提供された、システムから排出またはシステムに供給された粉末３の量やその特性等のデータは自動でユーザ１２によって入力することはできない。第１の計量器１４で計量された、排出された粉末３はＲＦＩＤチップ、バーコード、または他の識別マークのようなラベルが割り付けられる。同様に、粉末３は計量器によってシステムに導入され得る。

導入される残留粉末４の個々のバッチはレーザ焼結装置１の動作の結果、生成されたものである。事前に、残留粉末４はまたミキサー１７によって新品粉末５と混合される。混合率を選択することによって、後で完成する製品の例えば引っ張り強度、弾性係数、熱伝導率等の材料特性がこの早い段階ですでに規定される。よって、特性を決めるための複雑な個々の分析はこの工程では不要である。公知の混合率により、さらにレーザ焼結装置１のパラメータ、例えば使用される粉末３の融点に対するパラメータが最適に設定可能である。

新品粉末５がミキサー１７に満たされると、ユーザ１２またはＲＦＩＤ１３はそれぞれ、量、バッチ等に関する情報を、端末１１に送信し、端末１１はこの情報を粉末追跡データベース８に転送し、粉末追跡データベース８は同様にこのデータを中央粉末データベース６に転送する。

新品粉末５は残留粉末４と混合される前に第２の計量器１５によって計量される。使用された残留粉末４と新品粉末５の量は中央粉末データベース６に主に記録される。残留粉末４と新品粉末５の混合率もまた記録される。この方法では、システムはどの粉末３が、いつ、どこで、どのような組成で製造されたかいつでも把握できる。製造された物体２はその組成が正確に決定され得る。この目的のため、品質保証（ＱＭＳ）が製造者によって送付される。循環させる粉末の量の決定は例えば製造された物体２に使用された、粉末３を供給する手段の測定のパラメータ、製造工程に対する区域指数、製造高さ、供給された粉末３の混合率、および新品粉末５の計量された量の分析によって行われることができる。

インタフェース９およびＩＱＭ（Integrated Quality Management System）情報センター１０をそれぞれ介して、システム内部と外部のチェックと保守が可能である。ＩＱＭＳを用いることによって、製造中の誤りの検知と記録が可能である。製造途中に異常や不良が検知された物体２はその後、修正される。このようにして、製造された部品の高い品質（例えば表面品質）が保障され、記録される。さらに、レーザの動作の監視、レーザ操作と温度分布が把握できる。集められたデータは工程のさらなる最適化と品質保証の送付のために、製造工程において製造者によって用いられる。さらに、その製造工程により製造された部品が再生産可能である。

さらに、システムと通信する外部要素が設けられ得る。

図３はいくつかの方法工程「冷却」「開放」「収集」「混合」「製造」（レーザ焼結装置１）を有する第１の実施形態の方法の例を示す。

最初に、レーザ焼結装置１は１つまたはいくつかの物体２を同時に製造動作（ジョブ）毎に製造する。この情報は作業データベース１８に入力され、その後、タイムサーバ７によって呼び出される。タイムサーバ７は連続して粉末追跡データベース８に通知する。その間に、粉末３はレーザ焼結装置１の粉末コンテナ２５内に再充填される。ミキサー１７内で、残留粉末４および／または新品粉末５と混合されることにより、新たな粉末３が生成される。システムにおける粉末３の量と質のフローを取得する中央粉末データベース６は、新たな粉末３がどれだけ生成されたかに関する情報が入力され、粉末追跡データベース８はどのＩＤが生成された粉末３に割り付けられたかに関する情報を取得する。

もし、粉末コンテナ２５および／または粉末輸送路が空の場合、これらは粉末追跡データベース８によって制御され、ユーザ１２とＲＦＩＤ１３によって補完されるように再充填される。

１つの製造ジョブで、異なる粉末３によって、１つまたはそれ以上の物体２の形成が可能である。また、個々の層を異なる粉末３で製造することも可能である。以前使用した混合粉末と異なる新品粉末５、および混合粉末がそれぞれ供給されると、すぐに、システムによって物体２や層ごとに記録され、これは粉末３や製造高さが変わったことを意味する。レーザ焼結装置１の粉末計量手段によって粉末フローを検知することによって、システムは自動的に粉末３の特性が変化する時を把握する。

製造ジョブが終了するとすぐに、この情報は作業データベース１８に送信され、続いてタイムサーバ７に読込まれる。タイムサーバ７は同様に製造された新品粉末５が直ちに、計量のために通過できるように、粉末追跡データベース８に順に情報を伝える。例えば、この計量は物体２の製造において、粉末３の製造者から新品粉末５の一部を購入した場合、その粉末３からｋｇ単位の重量値のような、確実な、いくつかの製造工程の間に使用される粉末３の計量単位を有する値を取得する。この方法では、個々のレーザ焼結装置１に適合した粉末３のみが使用される。

製造工程を終了させることにより、固化されなかった残留粉末４と、製造された物体２のための新たな識別番号（ＩＤ番号）が生成される。ＩＤは粉末３が再生可能な取扱手順によって特定の粉末バッチに割り付けられる。粉末追跡データベース８は中央粉末データベース６に、システムにおいて変更された粉末３に関する情報を伝達する。製造された物体２のために使用された粉末３は結果物としてシステムに残る。製造された物体２は冷却ステーション３０内への移動および冷却のため、製造コンテナ１００（図１参照）から取り出される。物体２が冷却されると、さらに開放ステーション３１に搬送される。開放の際は、物体２および残留粉末４ごとの個々のＩＤが、生成されたいくつかのＩＤから得られる。

２つの残留粉末収集コンテナ３３を有する収集機３２が設けられている。１つの残留粉末収集コンテナ３３が満杯になると、当該コンテナは攪拌される。持続的な混合を行えるようにするため、残留粉末４は他の残留粉末収集コンテナ３３に搬送され、集められる。このようにして、ミキサー１７は分析された残留粉末４のみを供給する。例えば、特注品の製造用の特定の粉末３を貯蔵することも考えられる。これにより、特定の部品と物体２のそれぞれの正確な再生産の可能性を保証する。

複数の混合物がいくつかの製造作業（ジョブ）後に生じるため、いくつかのジョブの残留粉末４を収集し、その後再び新品粉末５と混合するのに有利である。この方法では、混合物は粉末３の安定した品質を保証するために比較可能であるという点で有利である。

収集機３２を用いずに上記した方法を行うこともあり得る。

続いて、残留粉末４はミキサー１７に搬送され、可能であればここで新品粉末５と混合される。

図４に、以下に示す９つの工程を有する材料のフロー図の例を示す。

まず、新品粉末５のバッチが供給される。この新品粉末５のバッチの一部は１つのジョブまたは１または複数のレーザ焼結装置１のいくつかのジョブに用いられる。新品粉末５は識別番号（ＩＤ）によって事前にラベル付けされ、（ｋｇで示す）量がシステム内で管理される。１以上のジョブの間に固化されなかった残留粉末４は、その後のジョブで再び使用される。製造の継続時間はシステムによっても検知される。いくつかのジョブを経た残留粉末４は新たな混合粉末に混合される。この新しい混合粉末は新たなＩＤを取得し、このＩＤはまたシステムによって検知される。粉末混合物の組成の比率はシステムによって把握される。

次の工程においては、生成された残留粉末４の混合物がさらに新品粉末５に加えられる。この情報はまた、例えば端末１１で新品粉末５の量を入力すると、システムによって検知される。新しい粉末混合物はおのおのが自己のＩＤを得る。

粉末３の量の違い、例えば工程１と２の粉末量の違い（工程１が１００ｋｇ、工程２が７５ｋｇ）は物体２が生成されたこと、および清掃や再生作業によってそれぞれ失われた粉末３に起因するものである。

工程９では、例えば粉末ＩＤ１１（４６ｋｇ）、ＩＤ１２（２４ｋｇ）、およびＩＤ１３（１７ｋｇ）が混合される。この際、ＩＤ１４を有する８７ｋｇの粉末３が得られる。このＩＤ１４の粉末３はバッチ２３４とバッチ３０２の一部を有している。バッチ２３４の一部は既に３つのジョブを経ており、バッチ３０２の一部には既に２つのジョブを経たものと１つのジョブを経たものがある。即ち、バッチ３０２（１回使用）の「最初に使用された粉末」の残留粉末４とバッチ３０２の「二番目に使用された粉末」の残留粉末４はＩＤ１４の粉末の一部である。

製造工程は任意にこの方法で続けることができる。記載されたレーザ焼結装置１に加えて、例えばさらなるレーザ焼結装置１を加えることができる。

材料フローのための最低限の情報として、ＩＤ（例えば識別番号）と、対応する粉末のバッチの重量が必要である。

可能であれば、製造と混合それぞれの時間を示すタイムスタンプ、機械の番号、ジョブの情報、粉末３が機械内部に滞留している時間、バッチ、現在の温度、材料のデータ等の情報のような、付加的な情報が追加され得る。これらの材料フロー図によって、材料組成および変化を個々の工程ごとに追跡し得る。例えば、機械ＳＩ７７７内のジョブ５の材料は最初の混合まで追跡可能である。これにより、製造される物体２の粉末の組成を決定することが可能となる。タイムスタンプの使用による材料フローの特別な形態もまた、レーザ焼結装置１内での作業中における、１または２以上の材料ＩＤの変更を可能とする。

さらに、本発明に係る方法はレーザ焼結装置に限定されない。さらに、この方法は、あらゆる層状製造法、特に粉末材料を用いた方法に適用可能である。

Claims (6)

1. 物体２の各層に対応する粉末３の層が選択的にレーザ焼結により固化されることによって物体２が形成される、三次元物体を製造する方法であって、
   少なくとも１つの特徴を有する第１の粉末バッチを供給し、
   前記第１の粉末バッチの前記少なくとも１つの特徴に関連するデータを検出し、
   前記第１の粉末バッチの前記少なくとも１つの特徴に関連するデータを保存し、
   前記第１の粉末バッチは、それによって取扱手順を追跡可能な識別番号（ＩＤ）によって割り付けられ、
   少なくとも１つの特徴を有し、少なくとも前記第１の粉末バッチを構成する粉末３の一部を含む少なくとも１つの第２の粉末バッチを供給し、
   前記第２の粉末バッチは、残留粉末４と前記第１の粉末バッチの粉末とを混合することにより供給され、前記第１の粉末バッチの粉末３は新品粉末５であり、前記新品粉末５は、前記粉末３のうち、製造工程に投入されたことがない粉末であり、
   前記残留粉末４は前記粉末３のうち、既に一回以上の製造工程に投入されたが、未だ固化されていない粉末であり、
   前記第２の粉末バッチの前記少なくとも１つの特徴に関連するデータを保存し、
   前記特徴は、前記第１または第２の粉末バッチを構成する前記粉末３の組成（残留粉末４と新品粉末５の割合）、または前記粉末３の熱履歴または前記粉末３の量であり、
   前記残留粉末４はいくつかの製造工程から集められ、前記新品粉末５と混合される前に混合され、さらに、
   製造工程の終わりに、集められた前記残留粉末４のための新しい識別番号（ＩＤ）が生成される、
   を工程に有することを特徴とする、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記粉末３のフローは、１つまたは複数の物体２の製造の間、記録され、および／または、フィードバック制御されることを特徴とする、方法。
3. 請求項２記載の方法であって、入力と出力が記録され、および／または、フィードバック制御され、前記入力は供給された粉末３から生成され、前記出力は生成された物体２および残留粉末４から生成されることを特徴とする、方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法であって、前記粉末３はポリマー粉末および／または金属粉末および／またはセラミック粉末であることを特徴とする、方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法であって、
   少なくとも１つの特徴を有するさらなる粉末バッチを供給し、
   前記さらなる粉末バッチの前記少なくとも１つの特徴に関するデータを保存する工程を有する、方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法であって、前記残留粉末４はＲＦＩＤチップ１３によって特徴付けられることを特徴とする、方法。

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