JP6374479B2 - レーザービームを使用する粉末の凝固と変形吸収部材の挿入による物体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザービームを使用する粉末の凝固と変形吸収部材の挿入による物体の製造方法に関する。

本明細書において、粉末という用語は、粉末又は粉末混合物を意味するものと理解される。この粉末又はこの粉末混合物は、無機質、たとえば、セラミック又は金属であってもよい。凝固という用語は、粉末又は粉末混合物の複数の被覆層を連続的に凝固することによって、物体を製造する方法を示す。これらの層は、予め作業領域として機能するプレート上で広げられ圧縮される。粉末又は粉末混合物層はそれぞれ、レーザービームを使用して、物体の壁を構成する領域で凝固される。かかる凝固は焼結も意味し、この用語は以下で使用される。

厚い壁及び／又は大きな物体を製造する場合、一部変形した外観がみられることがある。これらの変形は、物体、すなわち凝固された粉末の構成材料が、レーザービームによる処理後に一定の温度に達したときに生じる。物体の壁を構成する、焼結された粉末の層に達する温度は、レーザービームによって提供される熱エネルギーだけでなく、凝固された粉末の熱伝導率よっても変化する。さらに、粉末の大きさ、粉末の形状、及び／又は粉末の種類により、物体は所定の線膨張係数を有する。物体が剛性材料からなるプレート上で製造される場合、このプレートは、固有の熱伝導率及び膨張係数も有する。

製造工程において、物体は、温度が製造中に変化し、すなわち、レーザービームの通過毎に上昇する。物体の温度上昇と同時に、作業領域として機能するプレートの温度上昇がみられる。

焼結された物体の温度は、原則として、レーザービームによって放出されたエネルギーを物体が受けるため、プレートの温度よりも常に高い。プレートの膨張係数が、物体の膨張係数よりも大きい場合、プレートの第１の型の変形がみられる。この場合、プレートは、物体の相補的な面に接するように、面を有し、この面は凸面である。このように、プレートのこの変形は、相補的な変形を示す物体に影響を与える、すなわち、物体は、プレートの凸面に接するように、少なくとも１つの凹面を有する。

一方、物体の膨張係数がプレートよりも大きい場合、物体の温度がプレートよりも常に大きいので、別の型の変形がみられる。この場合、プレートに接するように、物体の少なくとも１つの面は凹面である。この場合、プレートは相補的な変形を示す。すなわち、少なくとも１つの凸面で、物体に接する。

物体の温度がプレートに達する温度よりも低い場合、物体及びプレートそれぞれの膨張係数にかかわらず、プレートの相補的な面は凹面であるのに対し、凸面でありプレートに接するようになされた物体の１つの面に変形がみられる。

これらの変形を改善するための公知の解決策のうちの１つは、プレート及び物体の両方を製造するための材料を使用するものであり、熱伝導率及び／又は膨張係数は、同等のプレート及び物体の大きさの変化と十分に類似している。これは、すべての物体が、少なくとも機械的性質の点から、プレートを構成する材料の膨張係数と同様の膨張係数を有する粉末から製造されるとは限らないので、実行するのが困難である。さらに、物体及びプレートの温度は製造工程時に変化する。この理由により、変形によって、ある程度の温度変化が生じる場合がある。

特許文献１には、物体の製造時に、物体の周囲に配置された複数の形状のブレースによってフレームの位置に保持された物体の製造方法が記載されている。物体がプレートに接する底壁面を保持する場合、これらのブレースは、変形した外観を防止するのに有効ではない。さらに、これらのブレースは、大量の粉末、及び、完成した物体のプレートよりも比較的大きな寸法のプレートの使用を必要とし、満足のいくものではない。

欧州特許出願公開第２０２２６２２号明細書

本発明は、より具体的には、実施するのが容易であり、かつ、ほとんどの変形を軽減する方法の提供により、これらの短所を改善することを目的とする。

このために、本発明は、請求項１に規定するような、粉末の凝固によって物体を製造する方法に関する。

このようにして、物体の製造時に、物体とプレートとの間に配置された変形吸収部材により、物体及びプレートの温度、熱伝導率、及び／又は膨張係数にかかわらず、いかなる変形も、プレート及び物体上で吸収される。

有益ではあるが任意選択の本方法の態様を、請求項２〜５に規定する。

本発明は、より十分に理解され、また、本発明の更なる利点が、例として提供されるにすぎない、レーザーを使用して粉末を凝固することによる、本発明に係る製造方法の２つの実施形態に関する以下の説明を、添付の図面を参照して理解することで、より明確に明らかになるであろう。

先行技術に係る方法による物体製造の概略側面図であり、物体が部分的に完成していることを表す。 作業領域として機能するプレート上の位置における、凝固後の完成した物体の概略側面図であり、全体として変形していない。 双方の公知の型の変形の場合における、完成した物体及びプレートの側面図を示し、変形していない物体及びプレートを仮想線で示す。 双方の公知の型の変形の場合における、完成した物体及びプレートの側面図を示し、変形していない物体及びプレートを仮想線で示す。 図３に示す変形型を吸収する場合における、図３及び４の完成した物体及びプレートの一方の側面の図であり、変形吸収部材は、本発明の第１の実施形態による方法によって作製され、変形を仮想線で示す。 図５の詳細ＶＩの尺度を大きくした図である。 図４で示す変形型の場合における図５及び６と同等の図である。 図４で示す変形型の場合における図５及び６と同等の図である。

図１において、プレート１は、作業領域として機能する。プレート１は、粉末３を広げる平面２を有する。この例での粉末という用語は、粉末の性質、すなわち、無機質又は金属にかかわらず、粉末又は粉末混合物を表す。

この粉末３は、レーザービーム４を使用して凝固され、すなわち、焼結され、物体Ｏの壁が作製される。プレート１は、図１に対し垂直方向に沿って並進して移動することができる。プレート１は、矢印Ｆに沿って、スリーブ５において降下するように移動可能であり、このため、（それ自身図示せず、公知の）粉末を広げて供給するための部材が、同じレベルで、粉末３の更なる層６に備えられ得る。明確に読みやすくするために、太い実線によって表されるこの層６は、レーザーの使用による凝固前に、既に焼結された粉末の層上に予め広げられ圧縮される。換言すれば、この方法を用いて、層ごとに、物体Ｏの壁が作製される。物体は、概略的に長方形の形状で表されるが、より複雑な形状であってもよいことが理解される。凝固された粉末の層はそれぞれ、物体Ｏの壁の断面を表す。

焼結された粉末３の領域７の一方の側面において、未焼結の圧縮された粉末３の層６の領域が残存する。レーザービーム４によって焼結された領域７は、図１〜５及び７に示す物体Ｏの少なくとも１つの面８０、８１、８２、９の一部に相当する。

完成し、変形していない、かかる物体Ｏを、図２のプレート１上の位置に示す。この場合、プレート１及び物体Ｏに接する面、すなわち、図２を参照して、プレート１の上面２、及び物体Ｏの底壁の底壁面９は、平坦であり、変形していない。換言すれば、プレート１及び物体Ｏの面２、９はそれぞれ、それぞれの領域全体で接している。このように、物体Ｏは最適な特性を有する。

図３に示すように、焼結された物体Ｏの温度Ｔ０が、同じ焼結法において、プレート１の温度Ｔ１よりも大きいが、物体の膨張係数Ｄ０が、プレート１の膨張係数Ｄ１よりも大きい場合、すなわち、Ｔ０＞Ｔ１及びＤ０＞Ｄ１である場合、物体Ｏは、最初に膨張し、物体Ｏの大きさ及びその容積に起因して、プレート１にも影響を及ぼす変形型を誘発する。レーザーによって放出されたエネルギーが、まず主に物体Ｏに対し影響を与えるので、概して、物体Ｏの温度Ｔ０が、プレート１の温度Ｔ１よりも大きいことに留意すべきである。

この場合、接触における物体Ｏ及びプレート１の面９、２は、平坦ではないが、面２に対して凹面であり、面９に対して凸面である。したがって、面２、９の凹部２１、９１は、図３を参照すると、上方に配向されている。

図４に示すように、一旦焼結された、物体Ｏに達する温度Ｔ０が、同じ焼結法において、プレート１に達する温度Ｔ１よりも大きく、また、物体の膨張係数Ｄ０が、プレート１の膨張係数Ｄ１以下である場合、すなわち、Ｔ０＞Ｔ１及びＤ０≦Ｄ１である場合、物体Ｏの同様の変形を誘発するプレート１の第２の型の変形がみられる。

この場合、接触におけるプレート１及び物体Ｏの面２、９は、もはや平坦ではないが、面２は凸面であり、また、面９は凹面である。面２、９のかかる変形は、プレート１及び物体Ｏの他の面の同様な変形を誘発する。換言すれば、面２、９の凹部２０、９０が、同じ方向に配向されるように、すなわち、図４を参照すると、下方に、プレート１及び物体Ｏからなる組立体は湾曲する。

換言すれば、この設計において、プレート１及び物体Ｏ組立体は、図３に表す組立体を参照すると、反対方向に湾曲する。

物体Ｏ及びプレート１の膨張係数Ｄ０及びＤ１が類似しており、すなわち、Ｄ０≒Ｄ１であり、また、プレート１が、物体Ｏの温度Ｔ０よりも低い温度Ｔ１にある場合、すなわち、Ｔ１＜Ｔ０である場合、図３に示す変形型に類似している変形型がみられる。面２、９の凹部２１、９１は、図３を参照すると、上方に配向される。

物体の製造方法において、これらの凹面若しくは凸面の変形した外観を防止するために、又はこれを少なくとも制限するために、物体Ｏの面９、２とプレート１との間に挿入された、変形吸収部材１２が、製造方法において作製される。面９は、少なくとも物体Ｏの底壁部分の一部である。この吸収部材１２は、変形型にかかわらず、温度Ｔ０、Ｔ１及び／又は膨張係数Ｄ０、Ｄ１の間の相違による影響に起因した変形を吸収するのに適した基材を備える。

この変形可能な基材１２は、粉末３の焼結方法において、すなわち、レーザーを使用して粉末を凝固することによる物体の製造方法において、有利に作製される。この例において、レーザービーム４を使用し、粉末３の第１の層６に対し第１の凝固を行って、物体Ｏの底壁を形成する前に、基材１２が作製される。

このため、基材１２は、物体Ｏを構成する粉末と同じ種類の粉末の層６に形成される。または、使用される粉末は、物体Ｏを構成する粉末とは異なる。

図５〜８に表すように、基材は、製造される物体の基部の表面積と同等の表面積に分布して、複数の平坦なストリップ１２０から形成されることが好適である。ストリップ１２０はそれぞれ、製造される物体の壁幅に対応する最小の長さを有し、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さに対して、２ｍｍ〜１０ｍｍの高さを有する。各ストリップ１２０の最大の長さは、およそ３０ｍｍである。３０ｍｍを超える物体Ｏの幅の変形の吸収を最適化するために、複数のストリップ１２０は、およそ０．５ｍｍ間隔で、相互の裏側に配置され、これらのストリップ１２０が同じ長さであることが保証される。たとえば、３１ｍｍの物体Ｏの幅において、２つのストリップ１２０が、０．５ｍｍ間隔の長さで１５．２５ｍｍで作製される。

これらのストリップ１２０は、等間隔に間隔が置かれ、変形のない状態で相互に平行である。２つの隣接するストリップ１２０の間の空間Ｅは、０．１ｍｍ〜１ｍｍである。この空間Ｅは、製造される物体Ｏの形状に適合している。ストリップ１２０はそれぞれ、その一方の端部１３でプレート１に取り付けられており、他方の端部１４で物体Ｏに取り付けられている。

図５及び７に示すように、ストリップ１２０は、同一であり、プレート１の相補的な面２に面するように、物体Ｏの面９の利用可能な表面積全体を占める。図示しない他の実施形態において、これらのストリップ１２０は、単に、これらの面２、９の一部に、この例において、物体の完成した側面に対応する領域に配置されるにすぎない。

図示しない一実施形態において、ストリップは、同一ではなく、ストリップの形状及び／又は大きさは、ストリップの占める位置によって変化する。

ストリップ１２０の密度及び位置のためにされる選択は、完成した物体の予想される変形及び／又は大きさによる。

基材１２を作製するためのストリップ１２０を使用することにより、２つの隣接するストリップ１２０の間の空間Ｅによって、レーザービーム４により供給された熱エネルギーの一部をヒートシンクに対し同様に放出し、また、物体及びプレートへの変形に関する増幅方法において、変形し、かつ変形を吸収する、プレート１と物体Ｏとの間の十分に可撓性を有した連結を形成することを可能にする。換言すれば、ストリップ１２０は、より急速に、そして、物体Ｏ及びプレート１よりも大きな振幅で変形する。このように、ストリップ１２０は、ほとんどの変形を吸収し、これによって、物体Ｏ及びプレート１の公称寸法特性の保持を最適化することを可能にする。

物体Ｏが完成されると、物体Ｏとプレート１との間のかかる可撓性を有した連結は、ストリップ１２０の各端部１３、１４の大きさに応じて、それ自体公知の方法によって、たとえば、鋭利な道具を用いて剪断することによって、ストリップ１２０、物体Ｏ、及びプレート１の間を容易に分離できる程度に、十分脆弱である。換言すれば、ストリップ１２０は、物体が製造され、プレートから同様に分離しようとする場合に、壊れやすく、物体Ｏの更なる機械加工を制限する。

図５は、ストリップ１２０が変形を吸収する場合における、面２、９の凹部２１、９１による第１の型の変形を示し、この変形を、上方への仮想線で示す。この場合、ストリップ１２０、少なくとも、吸収部材１２の周囲に近接するストリップ１２０は、物体Ｏの方に傾く。図５に示すように、この傾きは変化し得る。物体Ｏの側面近傍の周囲における傾きは、吸収部材１２の中心における傾きよりも概して大きい。中心位置に位置するストリップ１２０は、変形の吸収時においても、依然として、プレート１の面２に対して略垂直である。

図７及び８は、図５及び図６に関して他の方向に配向された（すなわち、図７を参照して、底壁の方に位置する）面２、９の凹部２０、９０による、第２の型の変形を示す。上述するように、凹部２０、９０を仮想線で表す。そして、ストリップ１２０は、吸収部材１２の外側の方に配向される傾向がある。最も傾いたストリップ１２０は、物体Ｏの側面近傍の周囲に位置する。中心位置に位置するストリップもまた、変形の吸収時においても、依然として、プレート１の面２に対して実質的に垂直である。

また、かかる吸収部材は、少なくとも１つの物体の少なくとも２つの領域の間にも位置し得る。すなわち、プレート１と物体Ｏとの間について説明されている変形可能な基材だけでなく、物体Ｏの２つの領域の間、又は、変形しやすい２つの物体の間における、変形可能な基材の製造工程が含まれていてもよい。これは、たとえば、これらが同じ熱膨張係数ではなく、及び／又は、２つの異なる材料から製造されるからである。この場合、物体の一方の面は、圧縮され焼結される粉末を受け入れる作業領域として機能する。

Claims (10)

1. レーザービームを使用して粉末を凝固することによる物体の製造方法であって、
   ａ）プレートによって構成された作業領域上に粉末の第１の層を堆積する工程と、
   ｂ）前記第１の層を圧縮する工程と、
   ｃ）レーザービームを使用して、工程ｂ）で圧縮した前記第１の層の第１の領域を凝固する工程であって、該第１の領域が、完成した物体の底壁の断面に相当する工程と、
   ｄ）前記物体が得られるまで、工程ａ）〜ｃ）を繰り返す工程と、
   ｅ）工程ｃ）の前に、レーザービームを使用して粉末を凝固することによって、前記作業領域と、工程ｃ）で作製された完成した前記物体の前記底壁の断面に相当する領域の一部である領域との間に配置された変形吸収部材を作製する工程と、を少なくとも含む方法において、
   工程ｅ）で作製された前記変形吸収部材が、製造される前記物体の前記底壁の表面積と同等の前記作業領域の表面積に亘り分布する変形可能な基材を含み、該基材が、前記物体の前記底壁の面を構成する前記第１の領域に、前記作業領域の面を連結するのに適した複数のストリップからなり、
   前記ストリップが、変形のない状態で相互に平行であることを特徴とする方法。
2. 前記ストリップが、等間隔に間隔が置かれることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記変形可能な基材を構成する粉末が、少なくとも、前記物体を構成する粉末のうちの前記第１の層を構成する粉末と同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記変形可能な基材を構成する粉末が、少なくとも、前記物体を構成する粉末のうちの前記第１の層を構成する粉末と異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ストリップが、平坦なストリップであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ストリップはそれぞれ、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ストリップはそれぞれ、２ｍｍ〜１０ｍｍの高さを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. ２つの隣接する前記ストリップの間の距離が、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ストリップが、互いに同一であり、相補的な前記作業領域の前記面に面するように、前記物体の前記底壁の前記面の利用可能な表面積全体を占めることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ストリップが、３０ｍｍの最大の長さを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

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