JP5847084B2 - 少なくとも2種類の異なる粉末材料からレーザー処理によって物体を生成するための方法および関連設備 - Google Patents

少なくとも2種類の異なる粉末材料からレーザー処理によって物体を生成するための方法および関連設備 Download PDF

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Description

本発明は、少なくとも2種類の異なる粉末材料からレーザー処理によって物体を生成するための方法および当該方法を実施するための設備に関する。レーザー処理との用語は焼結あるいは融解に関する。
従来、スクレーパーあるいはローラーを用いて、連続粉末ベッドを生成する原理を用いる方法が知られている。特許文献1の内容を参照されたい。この公知の解決策は、貯蔵領域から、ある量の粉末材料を取り出し、そして当該材料の薄い層へと広げるための領域へと、それを移動させることからなる。
第1の層を形成するために、焼結あるいは融解などのレーザー処理が、この粉末材料の上で、続いて実施される。その後、第1の層の上に広がる付加的層を形成することも可能であり、その製造は上述したとおりである。この処理を繰り返すことによって、さまざまな層から形成された三次元物体が製造され、各層は当該物体の断面である。
だが、この公知の解決策には欠点がある。この方法では、形成される第1の層の面内で、粉末材料の粒子あるいは細粒の軌跡およびポジションを制御できない。言い換えれば、当該層の厚みだけが制御され、二つの別な空間的方向におけるその分布は制御されない。
この方法では、上記層の面内で、たとえば複雑なタイプの規定のジオメトリーを有する、粉末材料の少なくとも一つの薄い層を製造することは不可能であることが判明している。明らかに、満足できる様式での、複数の粉末材料の単一の層の存在は考えられない。なぜなら、同じ層内に複数の材料の部分的あるいは完全な混合が存在するからである。
さらに、代替解決策が知られており、これによれば、粉末は、特にスプレーガンによって、マウント上に局所的に射出される。こうした状況のもと、複数の異なる材料を単一の層内に、すなわち単一高さ領域のために堆積させることが考えられる。だが、別個の材料によって占有された、層のさまざまな領域は、十分な幾何学的に精度を示さない。
仏国特許出願公開第2 856 614号明細書
本発明の目的は、その製造の間、単一の三次元物体の機能のより優れた統合を可能とすることである。言い換えれば、本発明の目的は、少なくとも一つの単一の層内で、少なくとも二つの異なる粉末材料を含むそうした物体を、レーザー処理方法によって製造することである。
このために、それは、少なくとも2種類の異なる粉末材料から物体を生成するための方法に関し、当該方法は、以下のステップ、すなわち、
既定のジオメトリーを有する第1の通路をマスクに設けるステップと、
第1の通路がマウントと向き合って配置されるようにマスクを配置するステップと、
第1の材料からなる薄膜を通路を経てマウント上に堆積させるステップと、
第1の材料からなると共に物体の第1の層に属する第1の領域を形成するために、レーザービームを用いて、このようにして堆積させられた第1の材料を処理するステップと、
既定のジオメトリーを有する第2の通路をマスクに設けるステップと、
マスクを、第2の通路がマウントに向き合って配置されるように配置するステップと、
第2の材料の薄膜を、第2の通路を経て、マウントに対して堆積させるステップと、
第2の材料からなると共に同一の第1の層に属する第2の領域を形成するために、第2の材料をレーザービームを用いて処理するステップとを具備する。
さらなる特徴によれば、
金属メッシュおよび閉塞材料からなるマスクが使用され、
通路を形成するために、閉塞材料の一部を局所的に除去するために、マスクはレーザービームによって処理され、
二つのスプールの周囲に巻回されたシートによって形成されたマスクが使用され、
粉末材料は、通路の近傍において、マスクの表面上に堆積させられ、かつ、粉末材料は通路を経て、特にローラーおよび/またはスクレーパーによって押し出され、
少なくとも第1の領域が、領域の厚みを調整するために較正され、
第3の材料からなると共に第1の層に属する第3の領域が形成され、
別個の粉末材料からなる少なくとも二つの異なる領域を含む、第1の層に対して広がる、少なくとも第2の層が形成され、
第1の層の少なくとも第1の領域を較正するためのステップが実行され、この結果、第1の層の最も厚い領域を含むが第1の層の他の領域を除く、層の全ての領域の全てが同じ厚みを有する。
本発明はまた上記方法を実施するための設備に関し、当該設備は、
マスクと、
マスクに、既定されたジオメトリーを有する少なくとも一つの通路を形成するための手段と、
少なくとも一つの第1および一つの第2の粉末材料を供給するための手段と、
通路を経て、第1および第2の材料の薄膜をマウント上に堆積させるよう構成された手段と、
各フィルムの方向にレーザービームを発生させるよう構成されたレーザーステーションとを具備してなる。
以下、本発明について、単に非限定的実施例として提示した図面を参照して説明する。
本発明に基づく方法の実施のための設備を示す側面図である。 本方法の範囲内のシートを示す平面図である。 本方法の第1のステップを実施した後のシートを示す平面図である。 本方法の第1のステップを実施した後のシートを示す線IV‐IVに沿った長手方向断面図である。 本方法に含まれる各ステップの実施を示す、図1に対応する正面図である。 本方法に含まれる各ステップの実施を示す、図1に対応する正面図である。 本方法に含まれる各ステップの実施を示す、図1に対応する正面図である。 本方法に含まれる各ステップの実施を示す、図1に対応する正面図である。 本方法に含まれる各ステップの実施を示す、図1に対応する正面図である。 本方法に含まれる各ステップの実施を示す、図1に対応する正面図である。 図5ないし図10のあるステップを示す拡大正面図である。 図5ないし図10のあるステップを示す拡大正面図である。 図5ないし図10のあるステップを示す拡大正面図である。 有利な代替実施形態の実施を示す、図11ないし図13に対応する正面図である。 有利な代替実施形態の実施を示す、図11ないし図13に対応する正面図である。 本発明のさらなる代替実施形態の実施を示す正面図である。
図1は、本発明に基づく製造方法を実施するための設備を示している。当該設備は、第一に、図示していない好適な手段によって、概ね水平方向に沿って移動させられるのに適した、可動ユニット1を備える。当該ユニットは、マスク4を(スプール間に配置された領域において)形成するシートを巻回することによって形成された、二つのスプール2および3を備える。
このシートは、第一に、メッシュ5と、このメッシュによって形成された開口を閉塞するための材料6とを備える。グリッドとして機能する、このメッシュ5は耐性および柔軟性を有する。このメッシュは、特に金網タイプのワイヤからなり、したがって、以下で説明するように、それを通って、堆積させられる粉末材料が流動できるメッシュとして機能する。非限定的例として、メッシュを形成するワイヤの断面は概ね40ミクロンであってもよい。さらに、2本の隣接するワイヤを隔てる距離は、概ね106ミクロンであってもよい。
やはり非限定的例として、ワイヤ断面および2本の隣接するワイヤ間の距離の最小値を概ね20ミクロンとすることも考えられる。最大値に関して、非限定的様式で、ワイヤが0.6mmの断面を有し、かつ、2本の隣接するワイヤを1.5mmの距離だけ分離させることが考えられる。典型的な最小値および最大値と同様に関連する上記数値の目安は、言うまでもなく、本発明に基づく必須要件として解釈すべきではない。
閉塞材料6(これはメッシュによって形成される多様な孔を完全に塞ぐ)は、いかなる好適なタイプのものであってもよい。方法の要件の観点から、それは、メッシュの構成素材のそれよりも、特に熱抵抗に関して、低い抵抗を有するべきである。
可動ユニット1はさらに、第1の粉末材料(Aで示す)を供給するためのステーション8と、当該材料の吸引のためのステーション10と、ローラー12とを備える。当該ローラー(これは、マスクに沿って移動するために、その軸線を中心として回転するよう構成される)は、以下で説明するように、粉末材料を広げるためのものである。
本発明に基づく設備はさらに、マスク4に向かってレーザービームを向けるよう構成された第1のレーザーステーション20を備える。この第1のステーション20は、以下で詳しく説明するこの機能のために好適な、いかなるタイプのものであってもよい。
さらに、以下で説明するように粉末材料を処理することを意図された、第2のレーザーステーション22が考えられる。このステーション22は、垂直方向に移動可能なプランジャ24と係合するよう構成されている。プランジャ24上に載るマウント26は、さまざまな粉末材料を収容することを意図されている。
本発明に基づく方法の第1の段階では、閉塞材料の一部が、二つのスプールとして機能するシート内で、局所的に除去される。この除去処理は、ステーション20によって発生させられるレーザービームFを用いて実施される。
図示する例では、この処理は、環形状を有する開口を形成するために用いられるが、これは、メッシュ5の構成ワイヤを出現させる(図3および図4参照。後者は拡大図である)。したがって、粉末材料は、隣接する閉塞材料によって保持されながら、この開口28を経て通過するのに適していることが分かる。
続いて、この開口28の形成後、可動ユニットは第2のレーザーステーション22に向かって移動させられる(図5の矢印f)。マウント26とマスク4との接触を回避するために、その移動の間、プランジャ24が好適なストロークに沿って降下させられる。
この動作に続いて、環状開口28は、その中心がプランジャ軸線(これは図では垂直である)と整列するように配置される。プランジャは、続いて、マウント26の上端面がマスク4の底面と接触状態に置かれるように上昇させられる(矢印f')。第1の粉末材料Aの用量Dが、続いて、供給器8によって堆積させられ、この用量は、開口28から距離を置いて、マスク4の上面に注がれる。
続いて、供給および吸引ステーションが持ち上げられ、そしてローラー12が作動させられ(図6)、この結果、それは、開口28の周囲に配置された、マスクの領域に沿って移動する。したがって、このローラーはまた、この開口28と直交するよう移動する。単なる非限定的実施例においては、このローラーの動作は、たとえば、本願出願人が所有する仏国特許第2856614号の内容に基づく。
このステップに続いて、ローラーは、マウント26の上端面の方向に、スクリーンメッシュ5を経て、開口28から材料を押しやる。ローラー12のこの動作は、有利なことには、水平方向に沿った往復動作である。言い換えれば、このローラーは、それにリターンが続く外向きストロークを描き、すなわち、それは、その本来のポジションに復帰する前に開口28の上で2回の横断を行う。代替実施形態では、ローラーは、上記初期ポジションへと復帰する前に、複数のリターン動作を行ってもよい。図示していないさらなる代替実施形態では、開口28を経て粉末材料を導入する目的で、ローラー12に代えて、あるいはそれと組み合わせて、スクレーパーを使用することも可能である。
ローラーの上記移動の後、マウント26は、その結果として、第1の粉末材料の薄膜Pで覆われるが、これは、この例では、リングに沿って、所望の幾何学形状に基づいて配置される。続いて、マスクの底面から距離を置いて当該薄膜を配置するために、プランジャが適切なストロークだけ降下させられる(図7の矢印f'')。
ローラー12は上昇させられ、そして、図の右側に配置されたスプール3が巻き取られる(図8の矢印f1)。したがって、これによって右側へのシート全体の移動が引き起こされる。この動作によって、二つのスプール2および3間に、新しいマスク4'を、すなわちブランクシートの完全に閉塞された新しい部分を配置することが可能となる。さらに、シートのこの移動によって、その回収の目的で、吸引ステーション10の方向に粉末のオーバーフローを向けることが可能となる。続いて、吸引ステーションが持ち上げられ、そして可動ユニット1がその本来のポジションへと、すなわち第1のレーザーステーションと直交するよう移動させられる(図9の矢印f2)。
粉末材料の薄膜Pを担持したマウントは、続いて、マスク4を挿入することなく、レーザー処理ステーション22と向き合うように配置される。続いて、それ自体公知の様式で、融解あるいは焼結によって、レーザー処理を実施するために、ビームF'を発生させることができる(図9)。この処理は、有利なことには、それ自体公知のタイプの、較正ローラー30の移動によって完結されるが(図10)、これは、レーザーを用いて処理された第1の材料の領域の厚みを、正確な様式で、較正するのに使用される。
上記処理に続いて、マウント26は、本発明に基づいて製造された物体の第1の層に属する、第1の材料の領域によって覆われる。第1の材料Aおよび第1の層Iに関連する、この領域(Aで指し示す)は、図11以降に拡大して示す。
通常、本発明に基づく方法の範囲内で使用される粉末材料は、そのレーザー処理の間、圧密化現象にさらされることに留意されたい。言い換えれば、最終領域Aの厚みは、上記レーザー処理前の粉末材料の薄膜Pのそれよりも小さなものである。通常、この圧密化比は約2であり、すなわち、薄膜Pの厚みは、レーザー処理された粉末材料からなる最終領域Aの厚みの概ね2倍である。
本発明によれば、続いて、上記第1の層Iに、Aとは異なる、粉末材料Bからなる領域Bを形成することができる。このために、以下に列記するように、上記処理が繰り返される。
・マスクに所与のジオメトリーを有する、さらなる切欠きを形成する。
・マウントおよび領域Aの降下と同時に、レーザーステーション22に向かって可動ユニットを移動させる。
・適量の第2の材料を堆積させる。このために、供給ステーション全体を変更すること、あるいはこれに代えて、材料Bが注がれた同じステーションを使用することが可能である。
・ローラーを移動させ、第2の切欠きを経て第2の材料を通過させる。
・可動ユニットを撤去する。
・第1の層内に第2の材料からなる第2の領域Bを形成するためにレーザー処理を行い、その後、較正を行う。
その後、適切ならば、同じ第1の層Iにおいて、別な物質からなる、さらなる領域を形成することが可能である。第1の層において、第3の材料で形成された領域はCで示し、これを繰り返すことによって、同じ第1の層において第nの材料で形成される領域はNで示す。
別個の材料からなるさまざまな領域から、この第1の層が形成されたならば、この第1の層の上に、少なくとも一つの付加的層を形成することが可能である。このために、第2の層は、第1の層を形成するために使用した粉末材料の全てあるいは一部からなる、複数の領域からなっていてもよい。コンクリートの第2の層は、第1の層のために使用されていない付加的材料を含んでいてもよいことに留意されたい。たとえば、第1、第2、第3、第nまでの粉末材料からなる上記第2の層IIのさまざまな領域は、AII,BII,CII、そしてこれを繰り返すことによってNIIで示す。
上記処理を繰り返すことで、本発明の実施によって、多数の(Mで示す)連続した層からなる、三次元物体が生み出される。さらに、上記説明から明らかであるように、上記層のそれぞれは、さまざまな粉末材料からなることができ、こうした材料の数および性質は、ある層と別のものとでは任意に異なる。アイディアを説明するために、Mが最終層、すなわち層Iと対向する自由層である場合、第1、第2、...、第nの粉末材料からなる上記層Mのさまざまな領域はA,B,...,Nで示す。したがって、本発明によって、同じ層内に少なくとも二つの別個の材料を含む三次元物体を形成することが可能である。
粉末材料は、その化学的組成および/またはその粒子サイズ分布および/またはその粒度によって特徴付けられ、かつ、区別されることに留意されたい。実際、こうした基準の少なくともただ一つは、粉末材料を固有のものとするのに十分である。
したがって、本発明は、その製造の間、同じ三次元物体における、機能のより優れた統合を可能とする。そうした機能は、特に、熱伝導性、電気伝導あるいは絶縁、摩擦促進あるいは滑り係数、温度に対する抵抗性、腐食に対する抵抗性、表面硬度、耐火機能増大、表面条件あるいは生産条件に関する改善、精度、生産性、内部残留応力の低減などであってもよい。さらに、本発明によって、別個の粉末材料からなる、同じ層のさまざまな領域に、完全に画定されたジオメトリーを付与することが可能となることに留意されたい。
領域Bの形成に関して、マスク4'の底面は領域Aの上端面に載り(図11参照)、そして、マウント26には直接載っていない。こうした条件のもとで、開口28'を通過した後にマウントを覆う上記第2の材料の薄膜P'(図12参照)は、第1の材料の薄膜Pのそれよりも大きな厚みを有し、その堆積は先に説明したとおりである。このようにして、レーザー処理中の材料Bの圧密化の後に、上記領域Bの厚みは領域Aのそれよりも大きなものとなり、シフトの形成はその自由端部である(図13)。
これら二つの材料の第2の層が堆積させられるならば、このシフトが上記第2の層の領域上で生じることもまた考えられる。同じことは、同一の層内に2種類以上の材料が堆積させられる場合にも当てはまる。
だが、本発明の有利な機能によれば、第1の層の最終領域を含むが当該第1の層の第1の領域を除く領域の全ては同じ厚みを有する。言い換えれば、2種類の材料が使用されるならば(図14)、第1の層Iの第2の領域B、すなわち最も厚みの大きな領域を含むが、他方では、第1の層の第1の領域A、すなわち最初に堆積させられた領域を含まない、領域AII,AIII,BIIおよびBIIIの全ては同じ厚みEを有する。図14において、第2および第3の層はIIおよびIIIで示されている。一般化して言うと、層当たりN領域の場合、第1の層の(N−1)第1の領域を除くが当該第1の層の最も厚みの大きな領域を含む、領域の全ては同じ厚みを有する。
各領域の厚みは、最も最初に予め堆積させられた領域の厚み、マスクの高さおよび圧密化比に直接依存する。2種類の材料の場合、最初に堆積させられた第1の層の領域を除く、各層の各領域において実現されるべき厚みはEで示される。
第1の層の第1の材料の薄膜は、マスクのそれと実質的に同じ厚みを伴って、マウント上に直接堆積させられる。続いて、レーザー処理の後、処理された粉末材料はXで示す厚みを有する(図15参照)。だが、これは製造の中間段階からなる。というのは、この処理された材料は、厚みEを有する最終層Aを形成するために、その高さを低減することを可能とする較正ステップを受けるからである。以下の式、すなわち、
=X−Δ
が考えられ、ここで、Δは、較正ステップ中に除去された、レーザー処理された材料の体積Vの厚みからなる。
この値Eが、先に規定した、所望の厚みEの既定の割合と等しいように、上記較正ステップを制御することが有利である。その厚みEが所望の厚みEの半分と等しいように、第1の領域を較正することによって、同じ厚みEを有する領域を得ることが可能となる。
同様に、2よりも大きな数Nの領域が同じ層内に堆積させられるならば、第1の領域Aの較正は、厚みEがE/Nと等しいように実施される。較正後、第2の材料の領域BはEの2倍の厚みを有し、一方、第3の材料はEの3倍に等しい厚みを有する。このようにして、1からNまで変化するJに関して、第Jの材料の領域Jの厚みは(J*E)と等しい。
当業者は、上述したように、方法パラメーターの変化に従って、上記較正値を適合させることができるであろう。この較正は、特に、上記材料の圧密化比が変化した場合、異なったものとなるであろう。
このようにして、図12および図13を参照すると、領域Bの高さは薄膜P'の(図12においてZで示す)それの半分と等しい。実際、圧密化比は2である。一般に、比Tに関して、この高さはZ*(1/T)と等しい。
図16は、本発明のさらに有利な代替実施形態を示している。この図には、A,B,AIIおよびBIIで示す二つの連続した層領域上に生じた2種類の粉末材料AおよびBが示されている。これら領域はFおよびFで示すアンダーカット面を有することに留意されたい。
有利なことには、粉末材料は、上記領域を形成することを意図された位置においてだけでなく、その近傍にも堆積させられる。これによって、レーザー処理セクションの近傍において、SおよびSで示す、粉末材料からなるマウントを形成することが可能となる。
本発明は図示説明した実施例に限定されない。
このようにして、この例では、マスクが第1のレーザービームによって形成される。だが、代替実施形態では、各開口28あるいは28'を予め形成しておくことも考えられる。この方法では、シートの形成の間、所望のジオメトリーを有する開口を形成するために、閉塞材料がメッシュ全体を覆わないように、節約マスクを用いてメッシュを覆うことができる。
1 可動ユニット
2,3 スプール
4 マスク
5 メッシュ
6 閉塞材料
8,10 ステーション
12 ローラー
20 第1のレーザーステーション
22 第2のレーザーステーション
24 プランジャ
26 マウント
28 開口

Claims (13)

  1. 少なくとも2種類の異なる粉末材料(A,B)から物体を生成するための方法であって、
    既定のジオメトリーを有する第1の開口(28)をマスク(4)の第1の部分に設けるステップと、
    前記第1の開口がマウント(26)と向き合って配置されるように前記マスク(4)を配置するステップと、
    第1の粉末材料(A)からなる薄膜(P)を、前記第1の開口(28)を介して、前記マウント上に堆積させるステップと、
    前記第1の粉末材料からなると共に前記物体の第1の層(I)に属する、第1の領域(A)を形成するために、レーザービーム(F')を用いて、このようにして堆積させられた前記第1の粉末材料を処理するステップと、
    既定のジオメトリーを有する第2の開口(28')を前記マスク(4)の第2の部分に設けるステップと、
    前記マスク(4)を、前記第2の開口が前記マウントに向き合って配置されるように配置するステップと、
    第2の粉末材料(B)の薄膜(P')を、前記第2の開口(28')を経て、前記マウントに対して堆積させるステップと、
    前記第2の粉末材料からなると共に前記第1の層(I)に属する第2の領域(B)を形成するために、前記第2の粉末材料をレーザービームを用いて処理するステップと、
    を具備することを特徴とする方法。
  2. マスク(4)が金属メッシュ(5)および閉塞材料(6)からなることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1および第2の開口(28,28')を形成するために、前記閉塞材料(6)の一部を局所的に除去するために、前記マスク(4)はレーザービーム(F)によって処理されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記マスク(4)は、二つのスプール(2,3)の周囲に巻回されたシートによって形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記第1の粉末材料は、前記第1の開口(28)の近傍において、前記マスク(4)の表面上に堆積させられ、かつ、前記第1の粉末材料は前記第1の開口(28)を経て押し出されることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記第2の粉末材料は、前記第2の開口(28')の近傍において、前記マスク(4)の表面上に堆積させられ、かつ、前記第2の粉末材料は前記第2の開口(28')を経て押し出されることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記第1または第2の粉末材料は、ローラーによって押し出されることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の方法。
  8. 前記第1または第2の粉末材料は、スクレーパーによって押し出されることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の方法。
  9. 少なくとも前記第1の領域(A)が、前記第1の領域の厚みを調整するために較正されることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 第3の材料(C)からなると共に前記第1の層に属する第3の領域(C)が形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 別個の粉末材料からなる少なくとも二つの異なる領域(AII,BII)を含む、前記第1の層(I)に対して広がる、少なくとも第2の層(II)が形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記第1の層(I)の少なくとも前記第1の領域(A)を較正するためのステップが実行され、この結果、前記第1の層の領域(A)を除く、前記層の全ての前記領域の全てが同じ厚みを有することを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の方法を実施するための設備であって、
    マスク(4)と、
    前記マスク(4)に、既定されたジオメトリーを有する少なくとも一つの開口(28,28')を形成するための手段(20)と、
    少なくとも2種類の異なる粉末材料(A,B)を供給するための手段(8)と、
    前記開口を経て、前記粉末材料の薄膜(P,P')をマウント上に堆積させるよう構成された手段(12)と、
    各フィルムの方向にレーザービームを発生させるよう構成されたレーザーステーション(22)と、を具備してなることを特徴とする設備。
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