JP6634074B2 - レーザ焼結による積層造形用レーザ加工機およびそれに対応する方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動軸の第１の系を有し、作業基板上で焼結粉末ジェットを放出するための一つ以上のノズルを支持するように構成された移送機構と、前記粉末を焼結させるように前記作業基板上に集束されるレーザスポット（Ｓ）にレーザビーム（Ｌ）を伝送するためのレーザ手段とを備え、レーザ焼結によって対象物を積層造形するためのレーザ加工機に関する。

様々な実施形態は、熱可塑性または金属性の焼結粉末（ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、コバルト−クロム、ニッケル超合金、貴金属合金）を始めとして、それらの任意の組み合わせからなる大型の対象物の焼結に適用され得る。

レーザ焼結を行う積層造形処理は、複雑な幾何形状を構成するように焼結粉末の連続的な層の堆積からなる。自動車および宇宙の分野のような一部の製造生産分野では、大型の複雑な金属製または合金製の対象物を製造するためにこれらの処理が考慮されている。近年採用されている増大化技術には、生産される対象物のサイズの増大に限りがある。近年使用されている技術には以下の２種類がある。
・粉末床技術（powder bed technology）に基づく積層造形
・金属蒸着（metal deposition）による積層造形

粉末床技術では、空のチャンバに不活性ガスを充填して処理が行われる。粉末床は、層流で形成されている。単一モードのレーザ源に接続され、一定のサイズのレーザスポットを有するレーザスキャナは、粉末床に向かって、集束された放射線を誘導し、焼結を実行する。粉末床は、焼結材料になると同時に部品を構成するための支持体としても作用する。この技術の欠点は、大きなサイズ（２５０×２５０×２５０ｍｍ以上の寸法）のチャンバでの実現には限りがあることである。そのような状態での処理は、粉末を使用する際に非効率であることから不便であり、要求される幾何形状に焼結する際に変形を生じることがある。

金属蒸着の技術は、進化しており、金属コーティングないし被覆に使用されている。レーザ加工機のビームと整列される被覆用ノズルは、焼結に要求される金属粉末の射出を行うものである。この技術によって大型の部品の製造が可能となるが、処理の正確性が限られており、支持機械の移動軸が遅鈍であるために生産性が低く限られている。

ここで説明する実施形態は、前述の先行技術に記載の方法およびシステムを改良することを意図している。

様々な実施形態は、添付の特許請求の範囲を参照した特徴を有するレーザ焼結による対象物の積層造形用のレーザ加工機によってこの目的を達成する。

また、様々な実施形態は、レーザ焼結によって対象物を積層造形することに対応した方法にも関する。

特許請求の範囲は、本発明に関して本明細書で提供する技術的開示の不可欠な部分を形成している。

レーザ加工機の模式的な斜視図。 図１の二つの詳細図。 図１の加工機の詳細図。 図１の加工機の詳細図。 図１の加工機の詳細図。 本発明に係る方法の二つの動作モードを示す図。 上記加工機の制御構成を示す図。

以下では、添付の図面を参照して単に例として様々な実施形態を説明する。

以下の説明では、例示的な実施形態を最大限に理解するために数多くの具体的な詳細が記載されている。実施形態は、具体的な詳細の有無、または他の方法、要素、材料などに拘らず実施され得る。他の状況では、実施形態の態様を不明瞭にすることを避けるために、公知の材料構造または動作を詳細には図示または記載していない。ここでの「実施形態」の用語は、実施形態に関連する特定の特徴、構造、または特性が少なくとも一実施形態において含まれることを示している。従って、ここでの様々な箇所における「実施形態では」の用語の使用は、同じ実施形態に言及する必要はない。さらに特定の特徴、構造、または特性は、一つ以上の実施形態において適した態様で結合され得る。

ヘッダおよび参照は、単に読み手の便宜のためにここでは提供されており、実施形態の範囲または意義を定めるものではない。

簡単に、提案するレーザ加工機は、移送機構と、可動要素と、光学アセンブリとを備える。

移送機構は、第１の複数の軸、即ちデカルト座標の軸Ｘ，Ｙ，およびＺに沿った可動要素の移動を可能にする。好ましくは、これらの移動は、低い動的性をもって、特に低加速度で行われる。

平行運動（parallel kinematics）を伴う可動要素は、余剰（redundant）である複数の並進移動軸または回転移動軸をそれぞれ有しており、即ち可動要素を移動させる移送機構に関しての平行運動を伴う可動要素である。好ましくは、これらの軸は加速度および最大速度の観点から高い動的性能を備えており、従って高い動的性をもった移動で制御される。

ツールキャリアフレームは、特に円形のクラウンフレームであり、平行運動を伴う可動要素の軸と一体化しているか、または可能であれば、特に粉末および／または可能であれば遠隔に配置された供給システムから来る焼結粉末ジェット、および可能であれば保護ガスを放出する一つ以上のノズルが配置されている平行運動を伴うこの可動要素の軸の移動によって一つ以上の軸に従って傾動可能である。このフレームは、焼結のためのレーザビームの通過を許容する通過領域を内部に画定するような形状である。

光学アセンブリは、光学スキャン手段、即ち移送機構の鉛直移動軸ないしＺ軸と一体化された光学レーザスキャナを備え、さらに配向ミラーと、集束要素と、静止ミラーとを備える。

配向ミラーは、二つの直交する軸のまわりの回転によって円錐空間内で焼結用のレーザビームをレーザスポットに向けるように高い動的性を持って移動可能である。

集束要素は、この円錐空間内で集束位置またはレーザスポットを変化させるように高い動的性をもって動作する。

静止ミラーは、集束要素から来た鉛直方向のレーザビームを特に水平方向に配向ミラーの方へ向ける。

図１は、実施形態に係るレーザ加工機の模式的な斜視図を示しており、レーザ加工機は参照符号１０によって全体に示されている。レーザ加工機１０は、基本的に鉛直方向の支持を行う支持部１１ｄを移動させるように構成されている移送機構１１を備える。支持部１１ｄには、第１の複数の軸、特に三つのデカルト座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに沿って移動可能な可動要素１２が一体的に連結されている。この目的のために、可動要素１２をモータ（図１には図示せず）によって軸Ｘ，Ｙに沿って移動させるための移送機構１１は、二つの直交するアーム１１ａおよび１１ｂを備える。特に、公知の態様では、アーム１１ａはアーム１１ｂ（Ｙ軸）のガイドに沿ってスライドするように動作する一方で、可動要素１２はアーム１１ａ（Ｘ軸）に沿ってガイド内でモータによって移動される。別のモータ（図示せず）は、アーム１１ａに対して可動要素１２をＺ軸に沿って移動させる。図１に示すように、この構成によれば可動要素１２の移動は作業空間１００内で行われる。作業空間１００は、基本的に平行六面体であり、その寸法は可動要素１２の水平な軸Ｘ，Ｙおよび鉛直な軸Ｚに沿ったストロークによって画定される。また、作業平面１１０が図１に示されており、それは基本的に作業空間１００の底面に一致する。作業平面１１０は、後述するように、製造される対象物の断面が加算的な態様で焼結される平面または作業基板である。代替的には、移送機構１１は、例えばポータルタイプであり得る。

さらに、図１では、１１ｃは懸垂線部を示している。懸垂線部１１ｃは、レーザ放射線を伝送する光ファイバを備え、場合によっては、可動要素と、移送機構１１の特に支持部１１ｄに連結された光学スキャナを含む光学レーザアセンブリ２０とにおいて、遠隔の供給装置から供給されるアルゴンまたは窒素のような保護ガスおよび焼結粉末をそれぞれ移送するためのケーブルを備える。

図１では、支持部１１ｄおよび可動要素１２の外側保護ケースまたはカバーのみが図示されている。図２ａの斜視図では、可動要素１２が下部にどのようなツールの端部を有しているかを示すためにこれが拡大されて図示されている。即ち、可動要素１２の下部に含まれており、ツールキャリアフレーム３０に取り付けられ、焼結粉末を放出するための複数のノズル３４が表されている。複数のノズル３４によって、流路面積をその内部に画定する周縁部が画定されている。特に、図２ａで説明される実施形態ではノズル３４によって画定されるこの周縁部は円であるため、ツールキャリアフレーム３０はノズル３４のクラウン３０を形成している。ノズル３４のこのクラウン３０をさらに詳細に示す図２ｂで最もよく確認できるように、好ましくは、ノズル３４は、ノズルの長手方向に延びるノズルの放射軸Ｕが周縁部の中心を通る軸に向かって、作業平面１１０とクラウンとを接続する鉛直軸に対して傾斜して配置されているため、これらのノズルの放射軸Ｕは粉末の堆積位置（ＰＤ）で互いに交差している。好ましい実施形態によれば、これらのノズル３４の一つ以上は保護ガスを散布するためのノズルである。図２ｂでは、これは３４ａで示されている。

図３，４，および５は、支持部１１ｄおよび外側保護ケーシングを外した可動要素１２の下からの平面図、および二つの側方からの側面図をそれぞれ、示している。

図４の側面図では、Ｘ軸が図の平面から出現する方向を示しているが、とりわけ可動要素１２が第１の複数の移動軸Ｘ，Ｙ，Ｚに沿って移動されるように、いかにして支持部１１ｄに一体的に固定されているかを確認できる。同様に、光学スキャナ２０を備える光学アセンブリは、支持部１１のＺ軸と一体に支持部１１ｄに固定されているが、可動要素１２には固定されておらず、レーザ放射線Ｌを作業空間１００内のレーザスポットＳ内に向け、かつ集束させている。

この目的のために、光学スキャナ２０は、焼結に適したパワー特性を有する、関連するレーザ源から連続的に出射されたレーザ放射線Ｌを可動な集束要素２４のミラー２２を介してＺ軸に沿って伝導するコリメータ２１を備える。可動な集束要素２４は、Ｚ軸に平行な光軸αの方向に沿ってリニアアクチュエータを介して可動であるレンズ２５を基本的に備えている。可動な集束要素２４の下流では、静止ミラー２６が配向ミラー２７に向かってレーザ放射線を鉛直方向または水平方向に反射する。配向ミラー２７は、移動可能であり、配向ミラー２７を回転させるようにガルバノメトリックアクチュエータ（図示せず）によって動かされる。それによってレーザビームＬは、二つの相互に直交する回転軸に沿って、即ち配向ミラー２７の前後軸に一致する第１の回転軸θと、それに直交してかつ軸Ｘと平行な第２の回転軸ωとに沿って反射される。これらの軸に沿って配向ミラー２７を動かすことによって、レーザ放射線Ｌを垂直入射軸Ｉに対して、例えば図４に示す方向Ｉ_１，Ｉ_２（軸ω）および図５に示すＩ_３，Ｉ_４（軸θ）の限界方向まで動かすことができる。従って、Ｘ，Ｙ方向における作業平面１１０上のレーザスポットＳと同様にこれらの限界方向Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，Ｉ_４によって画定される円錐空間内でレーザビームＬは動かされる。図４および図５から明らかであることは、これらの限界方向Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，Ｉ_４および円錐空間は、配向ミラー２７の中心とクラウン３０の周縁部とを結ぶ線によって画定されることである。しかしながら、レーザスポットＳは、回転軸θおよびωに起因して正確に球状のキャップに沿って移動するので、光軸αに沿って移動する集束要素２４の動作によって、集束レンズ２５の位置は、平坦面にレーザスポットＳを配置するように、集束位置即ちレーザスポットＳを移動させることによって補正され得る。また、明らかなことには、集束要素２４は、回転軸θおよびωの影響から独立したＺ軸に沿って集束されるレーザスポットＳの移動を可能にする。ここで説明される光学スキャナ２０は、同出願人による特許ＥＰ１２２８８３５にて公知のモデルの光学スキャナである。

支持部１１ｄの下部に連結されている可動要素１２を参照して、図３では、内部をレーザビームＬが通過するノズル３４のクラウン３０が図示されている。このクラウン３０は、第２の複数の並進移動軸および／または回転移動軸、特に二つの軸ｕおよびｖに従って移動される。二つの軸ｕおよびｖは、軸ＸおよびＹに平行であるため、これらの軸に関しては運動学的に余剰である。

可動要素１２によってクラウン３０を移動させるために、軸ｕおよび軸ｖについて、ボールねじ３３ｕまたは３３ｖ上でそれ自体公知の態様で動作するリニアモータ３２ｕまたは３２ｖによって得られるアクチュエータを備える二つのスライドシステム３１ｕおよび３１ｖが一般に使用されている。リニアモータ３２ｕまたは３２ｖは平行六面体形状のアーム３４ｕまたは３４ｖを担持しており、アーム３４ｕまたは３４ｖは各スライドガイド３５ｕまたは３５ｖのクラウン３０に向かう側に設けられており、各スライドガイド３５ｕまたは３５ｖはその内部で他のアーム３４ｖまたは３４ｕの動作の下でツールキャリアフレームまたはクラウン３０をスライドさせる。しかしながら、スライドする可動要素１２のこの種の軸の移動それ自体は、例えば同出願人による欧州特許ＥＰ１７９３９６３Ｂ１、ＥＰ１８３８４８６Ｂ１、および欧州特許出願ＥＰ１２９４５４４Ａ１にて公知であり、クラウン３０を移動させるための他の機械的配置が様々な実施形態において採用されてもよい。

図３，４，および５を参照して説明される実施形態では、スライドシステム３１ｕおよび３１ｖは、バランス質量体３７ｕ’および３７ｖ’の移動に関して各ボールねじ３２ｕ’および３２ｖ’上で動作する第２のリニアモータ３１ｕ’および３１ｖ’をそれぞれ備える。

可動要素の移動軸と連結されたこれらのバランス質量体は、可動要素１２の軸に関して通常要求される程度の動的性能が与えられる公知の方法によって、可動要素１２における加工機の移送機構への不必要な振動の伝播を減少させることを可能にし、移送機構に典型的である拡張作業空間での製造と生産の正確度を確保している。これらの可動なバランス質量体３７ｕおよび３７ｖは、連結された関連アーム３３ｕおよび３３ｖの変位の方向とはそれぞれ反対方向に、等しい速度および加速度で移動される。また、このバランスシステムは、例えば、欧州特許ＥＰ１７９３９６３Ｂ１にて説明されている。

図５は、支持部１１ｄ、光学スキャナ２０、および可動要素１２の別の正面図（Ｙ軸は図の平面から出現する）を示しており、図においてレーザスポットＳを移動させるための第３の複数の移動軸を構成する光学スキャナ２０の移動軸をより良く理解できる。確認できるように、第１の回転軸θおよび第２の回転軸ωは、互いに直交しており、配向ミラー２７の平面内に存在し、配向ミラー２７の中心を通っている。第２回転軸ωは、Ｘ軸に平行であり、静止ミラー２６と配向ミラー２７の中心を接続する軸に対して直交している。

図７は、アクチュエータ即ち移送機構１１のモータの制御を管理するための数値的な制御ユニット６０の構成の模式図を示している。移送機構１１のモータは、可動要素１２の軸Ｘ，Ｙ，Ｚを動かし、スライダ３１ｕ，３１ｖを動かして、光学スキャナ２０の軸ｕ，ｖを動かし、即ち並進軸αのリニアアクチュエータと、回転軸θおよびωのガルバノメータのアクチュエータとを動かす。このユニット６０は、二つのパーソナルコンピュータ６１および６２を備える。パーソナルコンピュータ６１は、指示および命令を二つ目のパーソナルコンピュータ６２に送るためのユーザインターフェースとして動作し、好ましくは二つ目のパーソナルコンピュータ６２は加工機を管理するためのリアルタイム型の延長部６２ｂと関連付けられた動作システム６２ａを備える。動作システムは、例えばリナックス（登録商標）型またはウィンドウズ（登録商標）型のものであってもよいし、または独自のソリューションによるものであってもよい。パーソナルコンピュータ６２は、アクチュエータを制御するためのＤＳＰ ＰＣＩ型のサーボ制御基板６３にて実行される軌道を提供する。

パーソナルコンピュータ６２およびサーボ制御基板６３では、レーザ加工機１０の軸の管理手順の特に余剰な軸の管理が実行される。これについて以下でさらに詳細に説明する。

数値的な制御ユニット６０は、現状の技術水準においてそれ自体公知の手順によって、決められた加速度と速度の特性を有する「仮想的な」加工機に対し、いわゆる「パートプログラム」に対応する一連の指示Ｐを生成する。この一連の指示Ｐは、パーソナルコンピュータ５１から来ており、オフラインの加工機の軌道および移動を設定するように適切なプログラムによって創られている。それに対し、一連の指示Ｐに基づいて動作する加工機の軌道を生成する補完関数が適用されている。加工機のこの軌道は、加工機の一点、例えば、関節または端部もしくは工具の中心点（ＴＣＰ）の運動を時間的に記述する運動力学的座標に対応している。この補完は、一連の指示Ｐの一部として伝送される作成コードまたはＧコードに応じて行われる。補完動作は、パーソナルコンピュータ６２上でソフトウェアを介して実行される。

注意すべきは、ここで説明されているレーザ加工機において、ユニット６０は、例えば、焼結粉末ジェットの流量および保護ガスの流量の調整に関する追加の命令を送るように構成されてもいることである。これらの命令は、加工機の軌道によって規定される決められた点および瞬間に行われるように一連の指示Ｐと関連付けられてもよい。

図１から図５に関する先の記載および図６ａにて後に詳細に説明される記載から明らかであるように、第１群の軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、第２群の軸（ｕ，ｖ）と、第３群の軸（α，θ，ω）とに応じて動作するレーザ加工機１０のアクチュエータは、二次元の軌道に応じた機能を可能にするが、三次元の軌道に応じた機能をも可能にする。

ここで注意すべきは、決められた軸に応じて機能する軌道を有すると、例えば、前記軸に対応した運動学的な変数の関数が予期されることである。対応する線形運動学的変数（変位、速度、加速度）は、軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，ｕ，ｖならびにレーザＬの焦点の変位を決定する並進軸αに関連する一方、回転軸θ，ωは対応する角度運動学的変数（回転角、角速度、および角加速度）に関連する。

さらに、図１から図５を参照して示すように、レーザ加工機１０は、二つの端部ないし動作端と、粉末堆積点ＰＤを画定するノズルのクラウンと、配向ミラー２７に関する部分において集束されるレーザスポットＳの位置を規定する光学スキャナ２０とを備える。より詳細には図６ａおよび６ｂを参照して、これらの端部は、必ずしも互いに一体に移動しないが、それぞれの製造経路に続くことができる。前述のように、特にノズルのクラウン３０は光学スキャナ２０に対して可動である。

従って、一般に、レーザ焼結によって対象物を積層造形する方法は、レーザ加工機１０に適用され得る。この方法は、作業平面１１０上で焼結される材料の粉末を、クラウン３０のノズル３４によって粉末の放出経路に従って放出する粉末放出経路を設定し、前記光学アセンブリ２０を介して、焼結を実行するために、前記第２放出経路に従って、前記放出される粉末上のレーザ焼結経路に沿って、レーザビームを集束スポットに伝送するためのレーザ焼結経路を設定し、加工機の軸によって軌道を実現するために数値的な制御ユニット５０およびサーボ制御モジュール５３によって加工機の軸と連結されたレーザ加工機のアクチュエータに命令し、前記経路での焼結および放出を実行させることを含んでおり、アクチュエータへの命令に関するこの機能は、前記可動要素１２のアクチュエータ３１ｕ，３１ｖを、光学ユニット２０に関して可動な態様でノズル３４のクラウン３０を移動させるように制御する動作モードを含んでいる。

従って、加工機１０のアクチュエータには、その位置が一般に移送機構１１と一体である光学スキャナ２０に対してクラウン３０を相対的に移動させる粉末放出経路に対応した軌道が与えられ得る。

さらに、第３群の軸における光学スキャナ２０の動作によって、レーザスポットＳは、粉末堆積点ＰＤに関する相対的な移動によっても移動され得る。従って、様々な実施形態では、これにより例えばクラウン３０を移動させる軸の同時動作および光学スキャナ２０またはむしろ構成要素２４，２５，２６，２７の軸の同時動作を想定した動作モードのような付加的な動作モードが可能となり、粉末堆積点ＰＤおよび集束スポットＳが互いに関連して移動可能となる。図４および図５を参照して説明したように、クラウン３０の周縁部および配向ミラー２７の中心の位置は、レーザビームＬおよびスポットＳが移動する円錐空間を画定する。一般に、クラウン３０が光学スキャナ２０に対して可動であると、この円錐空間は、斜円錐、特に説明した形状の斜円錐形状を有し得る。

レーザ加工機１０の特定の動作モードについて以下で詳細に説明する。

図６ａを参照して、対象物の決められた焼結される断面を得るための作業経路が与えられると、粉末放出経路ＰＰおよび作業平面１１０で集束されるレーザスポットＳの焼結経路ＬＰを設定することが想定される。特に、図６ａに示されたものに従って、様々な実施形態では、粉末放出経路ＰＰおよび焼結経路ＬＰは、空間座標の観点で基本的に合同である。この放出経路ＰＰおよび焼結経路ＬＰは、クラウン３０と光学スキャナ２０とによって同時に続かれることができる。またはむしろ、レーザスポットＳおよび堆積点ＰＤは、処理点で交差するように揃えられる。または、レーザスポットＳは、焼結経路ＬＰに従って時間遅れをもって粉末放出経路ＰＰに続くようにされてもよい。または、レーザスポットＳは、連続して堆積する粉末上において、即ち連続する粉末堆積点ＰＤにおいて、所定の時間遅れをもって動作する。これらのモードでは、粉末ジェットの流量のパラメータと、可能であれば保護ガスの流量と、レーザビームＬのパワーパラメータとが、様々な実施形態において、金属蒸着技術で使用されているものと基本的に対応している。さらに、図６ｂを参照して以下に例示されているように、粉末放出経路ＰＰおよび焼結経路ＬＰは、他の実施形態において、空間的に合同でなくてもよい。特に、粉末放出経路は、焼結経路がその領域内での形状に従う領域である粉末領域（局所的な粉末床）を決定し得るが、全領域が一致するものではない。

従って、レーザ焼結による対象物の積層造形方法は、粉末放出経路ＰＰの放出経路に従って作業平面１１０上で焼結される材料の粉末を放出し、前記放出経路ＰＰに従って放出される前記粉末のレーザ焼結経路ＬＰに従ってレーザビームＬの集束スポットＳを伝送することを含み、様々な実施形態では、ノズルの前記フレームを移動させるために前記可動要素のアクチュエータに前記放出経路によって生成される粉末の放出の軌道または前記軌道の成分が与えられ、光学アセンブリ２０の軸に対するアクチュエータに前記焼結経路ＬＰによって生成される焼結軌道または前記軌道の成分が与えられることを含んでいる。

軌道の成分が意味しているのは、粉末の放出または焼結の軌道の各々が、異なる基準によって加工機の余剰な力学を利用した軌道の成分に細分化され得ることである。例えば、動的基準（例えばローパスまたはハイパスフィルタを適用することによる）、または速度および／または加速度の値に関連した基準、または実行される経路または軌道によって画定される形状に関連した基準、もしくは角度に関連した基準のような基準が適用され得る。

実際には、可動要素１２および光学スキャナ２０には、それらの各々は移送機構１１に対してそれぞれの余剰な運動学を定義する軸システムに従って動作するように、軌道の全体または軌道の成分が与えられてもよい。可動要素１２は、軸Ｘおよび軸Ｙに対して余剰な移動軸ｕ，ｖを有している。前述のように、光学スキャナ２０は、鉛直な軸Ｚに対する余剰な位置決めを行う並進軸のみを与えている。しかしながら、前述のように、光学スキャナ２０の軸は、作業平面内において軸Ｘ，Ｙの変位に対して余剰である変位を得るように、または作業空間１００において三つの全ての軸Ｘ，Ｙ，Ｚの変位に対して余剰である変位を得るように採用されていてもよい。

従って、明らかに、三つの機械として、移送機構１１と、可動要素１２と、光学スキャナ２０とを基本的に有しており、さらに余剰な運動学を有しているレーザ加工機１０は、軌道の成分の異なる種類の分配を操作できる。

例えば、想定されるのは、前記移送機構１１の粉末放出経路および／または焼結軌道の成分の分配、特に前記移送機構１１の低い動的成分の分配を実行することである。

より詳細には、移送機構１１は、光学スキャナ２０および可動要素１２を作業空間１００内で、特に作業平面１１０内で軸線Ｘ，Ｙ，Ｚに沿って移送する。可動要素１２は各軸ｕ，ｖに従って移動するため、ノズル３４のクラウン３０の位置は光学スキャナ２０の位置に対して移動され得る。クラウン３０のこの移動は、軸Ｘ，Ｙに対して余剰である軸ｕ，ｖに従って起こる。実際には、移送機構１１および可動要素１２は余剰な軸を有するシステムを決定し、この余剰な軸は主な移送機構１１に対してノズル３４のクラウン３０の余剰な移動を決定する。この余剰性は、構造上かつ工程上の理由から、粉末堆積点ＰＤおよび集束されたレーザスポットＳとの間での交点によって与えられる処理点の移動として、移送機構１１の軸Ｘおよび軸Ｙに関しており、好ましくは作業平面１１０に沿って、またはむしろ製造される対象物の断面に沿って起こるものである一方、Ｚ軸上での進度は使用される粉末の直径および／または主な移送機構１１の移動軸の最小分解能に依存して、ある区間と別の区間との間の変位に一般に限定される。

金属蒸着と類似の方法で動作する可能な実施形態では、処理点即ち処理が実行される点は、ノズル３４の粉末の流れ即ちノズルの軸Ｕおよび保護ガスの流れと、レーザスポットＳ即ち集束されたレーザビームＬとの交点によって示されており、即ち堆積点ＰＤによって示されている。一連のこれらの処理点は、可動要素の余剰な軸、即ち可動要素１２の軸ｕ，ｖの典型的な動的性で好適にプログラムされた処理経路を表している。オフラインまたは処理中に軌道を分離するシステムは、それ自体公知の態様であり、例えば、同出願人による欧州特許ＥＰ１７５８００３に記載されたものがあり、本場合では大型であるかまたは遅鈍であることに対応する移送機構１１を制御するために、低い動的性（低加速度および低速度）の軌道を選択する。初期にプログラムされた、特に放出または焼結の軌道の差異成分は、クラウン３０を移動させる可動要素の余剰な軸を制御するために、要求される点での粉末およびガスの流れを集束させるようにオフラインまたは処理中に決定される。従って、焼結を行う点と、光学レーザ２０が一体化されている移送機構１１の位置する点とが与えられると、例えば逆運動計算を伴ってオフラインまたは処理中にレーザビームＬの配向および集束に関する命令と、焼結方法を実行するスポットＳとを決定することが想定される。

従って、様々な実施形態では、軌道の成分の分配には、前記放出または焼結の軌道から移送機構１１上で分配された成分を減算し、減算の結果生じる軌道の成分を可動要素１２にまたは光学スキャン手段２０のアクチュエータにそれぞれ割り当てることが含まれる。前述のように、図６ａを参照して、焼結軌道は、時間遅れをもって放出軌道に基本的に続く。

図６ｂを参照して、既に説明したように、異なる実施形態では、粉末床技術にさらに類似した類型の技術を使用した焼結用の加工機１０を使用することが想定される。粉末ジェットＵおよび保護ガスの流量を増加させることによって、使用される流速に依存して、任意の場合に金属蒸着技術の蒸着点ＰＤに採用される直径よりも大きい直径および平面形状を有する粉末床の減少型のものを局所的に実現できる。レーザスポットＳを誘導する点の同じ経路で、軌道を分配するモードが変更される。特に、先の場合のように移送機構１１を制御するための低い動的性をもったものが、オフラインまたは処理中に可動要素またはクラウン３０の高い動的性をもった作業経路によって選択される。しかしながら、この場合、余剰な可動要素１２の命令は差異によって決定されるのではなく、一連の局所的な粉末床の後に、余剰な可動要素の軸の非常に高い動的性をもった移動が続くように決定される。逆運動計算をオフラインまたは処理中に実行することによって、集束されるレーザスポットＳを局所的な粉末床ＰＢ内にある処理点に誘導する光学スキャナ２０の構造を決定することが可能である。従って、本実施形態は、前記粉末放出経路ＬＰを使用して前記経路ＬＰの所定点における放出流量を増加させることによって、作業平面１１０上の粉末領域に堆積させるための流量を調整し、かつ前記粉末床ＰＢ内での形状に従ってレーザスポットＳを移動させる焼結経路を制御する命令を設定することを想定している。

また、異なる実施形態は、幾何学的態様に関して、および／または製造工程に関連して、対象物の製造プログラムにおいて代替的に使用されてもよい。

その解決法および関連する利点は、説明されたものから明らかである。

粉末放出用のノズルが光学レーザに対して可動であることで、本発明に係るレーザ加工機は柔軟に動作できる。

本発明に係るレーザ加工機１０は、一方では、比較的広い空間における比較的低速度および低加速度を有するときの全ての可動要素の変位間での調整によって、他方では、高速度および高加速度の余剰な運動を有するときの可動要素、ひいては複数のノズルのジェット成分および集束されたレーザビームを積層させる粉末の焼結点に向けて誘導することを可能にするレーザスキャナの変位間での調整によって、大容積であり得る有用な空間内で極めて正確かつ迅速に動作可能である。このようにして、金属蒸着技術でのみ管理可能であった、大容積の空間で連続的に動作する粉末床技術の利点を局所的に再現できる。

可動要素の移動軸と動作上関連したバランス質量体が存在することで、高い動的性能を有するにも拘らず、可動要素の不必要な振動の伝播を劇的に減少できるため、移送機構に典型的である拡張作業空間における処理または生産の正確度を確保できる。

有利なことには、金属蒸着技術に典型的であった、レーザビームと粉末ジェットとの整列を排除することによって、作業環境に局所的に影響を及ぼす窒素またはアルゴンのようなガスを使用した保護ガスを処理中に使用できる。ここでは、保護ガスもまたレーザビームとは整列されていない。従って、処理することによって、小規模で、および全作業空間で、粉末床機械の製造チャンバの利点を再現できる。

また、特にレーザビームが通過するフレーム上における粉末ジェットと、粉末を堆積させる従来の機械に関するレーザとを異なる配置することによって、従来殆ど制御可能でなかった技術態様を分離かつ省略することが可能となっている。

当然のことながら、本発明の原理を損なうことなく、詳細および実施形態は、保護の範囲から逸脱することなく、一例として純粋に記載されているものに関しても有意に変化してもよい。この保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

様々な実施形態では、処理をより好適に制御するために粉末をノズル内で予熱してもよく、これにより様々な作業工程における金属蒸着中の熱衝撃に起因する表面張力を防止できる。

様々な実施形態では、局所的な粉末床の形状を調整するために、ノズルの流速は、製造されるべき形状、使用される粉末の種類、ひいては集束されるレーザビームの直径に合わせて変化してもよい。

様々な実施形態では、例えば超高速、またはむしろピコ秒オーダで継続するインパルス放出を伴うアブレーションに適した第２のレーザ源に関連した光学ユニットおよびスキャナヘッドに向けてレーザ放射線を伝導するために光ファイバを使用することによって、焼結処理と、積層製造に関する任意の加工欠陥を除去するためのレーザアブレーション処理とを交互に行うことができる。

様々な実施形態では、焼結が行われる領域をレーザと平行に監視して製造処理中の欠陥の存在を検出可能な視覚システムを関連付けるために、可動要素のモジュール構造を活用することが想定される。

ここで説明されている好ましい実施形態におけるレーザ加工機は、特に周縁部、さらに言えば円形の周縁部を画定する、ツールキャリアフレームと連結された複数のノズルを備える。この複数のノズルとそれらの特定の配置は、レーザビームの位置に関する柔軟性および単純性の観点から、また（特に保護ガス用のノズルを追加することによって）流れを整列させる観点から、特に有利である。しかしながら、しかし、上述した主な概念は、フレームまたは支持部が単一の粉末放出用のノズルを有する機械にも及ぶ。ここで、このノズルは、可動要素の第２の移動軸システムと関連付けられており、光学ユニットに対して可動である。

様々な実施形態では、例えば、ツールキャリアフレームが平面内に含まれる軸に従ってその平面を画定する場合、または単一のノズルの場合のように支持軸とは一致しない各軸に従って単に一つの支持軸を画定する場合、可動要素は、移動軸の系において一つ以上の軸に従ってツールキャリアフレームを傾動可能にするのに適した回転軸を備える。このようにして、これらの回転軸は、フレーム手段とともに粉末ジェットの配向を規定し、それにより、円弧上または球面上の粉末ジェットの移動が可能となる。従って、可動要素は、回転軸および／または並進軸を備えてもよく、特にデカルト座標の余剰（Ｘ，Ｙ，ｕ，ｖ）を伴う前述の実施形態に加えて、回転軸を備えてもよく、このときスライドシステムの下流に円形または球形の回転軸、またはむしろ並進軸ｕ，ｖを挿入するように注意する。粉末ジェットの配向手段を導入する利点の一つは、作業点の平面的管理から、複雑な形状の物体の場合に便利な三次元管理にすることができることである。これらの回転の余剰成分の組み合わせによって、レーザビームの角度とは異なる角度に従ってノズルの粉末ジェットを配向する粉末床ＰＢの準備が可能となる。

様々な実施形態では、可動要素の複数の軸は、前述の異なる実施形態の様々な利点を達成するために、所定の配向性または傾動性を有する三次元空間にツールキャリアフレームを配置するように構成された平行運動機械の配置によって得られる。特に、この平行運動学的な配置は、互いに余剰である並進軸と回転軸とを組み合わせることで得られる。ここで、可能であれば、並進軸と回転軸は、互いに接続されており、および／または受動的な角柱状のロボット関節および／または回転関節（一般的な形状のデカルト関節では、円筒形、回転形、および球形である）を介して、例えば平行マニピュレータまたはスチュワートプラットホームの形態でツールキャリアフレームと接続されている。前述のように、一般に可動要素内に余剰構造を導入することは、前記可動要素の全ての軸への命令を決定するために、それ自体当業者にとって公知の方法で、オフラインまたは処理中に制御のための逆運動学的な計算を実行することを含んでいる。

１０ レーザ加工機
１１ 移送機構
１１ａ，１１ｂ アーム
１１ｃ 懸垂線部
１１ｄ 支持部
１２ 可動要素
２０ 光学レーザアセンブリ（光学アセンブリ）（光学スキャン手段）（光学スキャナ）（光学ユニット）
２１ コリメータ
２２ ミラー
２４ 集束要素（光学スキャン手段）
２５ 集束レンズ（光学スキャン手段）
２５ レンズ
２６ 静止ミラー
２６ 固定ミラー（光学スキャン手段）
２７ 配向ミラー（光学スキャン手段）
３０ ツールキャリアフレーム（クラウン）
３１ アクチュエータ
３４ ノズル
３４ａ ノズル
６０ 制御ユニット
６１，６２ パーソナルコンピュータ
６２ａ 動作システム
６２ｂ 延長部
６３ サーボ制御基板
１００ 作業空間
１１０ 作業平面（作業基板）

Claims (20)

1. 作業空間（１００）内で可動であり、移動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の第１の系に従って動作し、作業基板上（１００，１１０）で焼結される焼結粉末ジェットを放出するための一つ以上のノズル（３４）を支持するように構成されている移送機構（１１）と、
   前記粉末を焼結させるように、前記作業基板（１００，１１０）上で集束されるレーザスポット（Ｓ）にレーザビーム（Ｌ）を伝送するための光学レーザアセンブリ（２０）と
   を備え、
   前記光学レーザアセンブリ（２０）は前記移送機構（１１）と一体的に連結されており、可動要素（１２）もまた移動軸（ｕ，ｖ）の第２の系に従って動作する前記移送機構（１１）と一体的に連結されており、前記可動要素（１２）はツールキャリアフレーム（３０）を備えており、前記ツールキャリアフレーム（３０）には前記焼結粉末ジェットを放出するための一つ以上のノズル（３４）が配置されており、前記ノズル（３４）は、移動軸（ｕ，ｖ）の前記第２の系と関連付けられており、前記光学レーザアセンブリ（２０）に対して可動であることを特徴とする、レーザ焼結による対象物の積層造形用のレーザ加工機。
2. 前記光学レーザアセンブリ（２０）は、前記作業空間（１００）内に前記レーザスポット（Ｓ）を配置するために、移動軸（α，θ，ω）の第３の系に従って動作する光学スキャン手段（２４，２５，２６，２７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の加工機。
3. 焼結粉末ジェットを放出するための複数のノズル（３４）は、前記ツールキャリアフレーム（３０）に配置されており、
   前記光学スキャン手段（２４，２５，２６，２７）は、前記焼結粉末ジェットを放出するための前記複数のノズル（３４）によって画定される周縁部内の作業平面（１１０）上に、前記レーザビーム（Ｌ）を伝送するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 保護ガスを放出するための一つ以上のノズル（３４ａ）もまた前記ツールキャリアフレーム（３０）に配置されていることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の加工機。
5. 前記ノズル（３４，３４ａ）は予加熱手段を備える、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の加工機。
6. 前記ノズル（３４）の放出軸（Ｕ）は、粉末堆積点（ＰＤ）で交差するように配向されている、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の加工機。
7. 前記ツールキャリアフレーム（３０）と、前記複数のノズル（３４）の前記配置とによって、円形の周縁部が画定されることを特徴とする、請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の加工機。
8. 前記移動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の前記第１の系は、デカルト座標系における三軸を備えることを特徴とする、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の加工機。
9. 前記移動軸（ｕ，ｖ）の前記第２の系は、前記ツールキャリアフレーム（３０）を傾動可能にするための一つ以上の回転軸を備え、前記回転軸は、前記移動軸（ｕ，ｖ）の前記第２の系に含まれている並進軸（ｕ，ｖ）の下流に配置されていることを特徴とする、請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の加工機。
10. 前記移動軸（ｕ，ｖ）の前記第２の系は、三次元空間に独自の配向性を有して前記ツールキャリアフレーム（３０）を配置するように構成されている平行運動機械によって実現されることを特徴とする、請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の加工機。
11. 前記移動軸（α，θ，ω）の前記第３の系は、前記作業平面（１１０）に入射する前記レーザビーム（Ｌ）の軸（Ｉ）の二つの互いに直交する回転軸（θ，ω）と、前記レーザビーム（Ｌ）の前記軸（Ｉ）に沿った並進軸（α）とを備えることを特徴とする、請求項３に記載の加工機。
12. 前記光学スキャン手段（２４，２５，２６，２７）は、
    光軸（α）に沿ってレーザビーム（Ｌ）を受け、前記レーザスポット（Ｓ）の移動を実行するために前記光軸（α）に沿って可動であるレンズ（２５）を備える集束要素（２４）と
    前記集束要素（２４）から出た前記レーザビーム（Ｌ）を受け、前記作業平面（１１０）に入射する前記レーザビーム（Ｌ）の前記軸（Ｉ）に沿って前記レーザビームを反射するように配置されている配向ミラー（２７）に向かって前記レーザビーム（Ｌ）を反射する固定ミラー（２６）と
    を備え、
    前記軸（Ｉ）は休止状態で前記作業平面に直交し、前記配向ミラー（２７）は前記二つの回転軸（θ，ω）に沿って前記軸（Ｉ）を配向するように動かされることを特徴とする、請求項１１に記載の加工機。
13. 前記光学レーザアセンブリ（２０）は、レーザアブレーション処理を実行するために、積層造形に関連して発生し得る加工欠陥を改良するように、前記焼結を実行する第１レーザ源に対して代替的に動作可能である第２レーザ源と関連付けられていることを特徴とする、請求項２から請求項１２のいずれか１項に記載の加工機。
14. 焼結が実行される作業平面（１１０）の領域を監視するために、加工処理で起こり得る欠陥の存在を検出するように、前記可動要素（１２）と関連付けられた視覚システムを備えることを特徴とする、請求項２から請求項１３のいずれか１項に記載の加工機。
15. 粉末放出経路（ＰＰ）に従って前記ツールキャリアフレーム（３０）における前記一つ以上のノズル（３４）を通じて作業平面（１１０）上で焼結される材料の粉末を放出するための前記粉末放出経路（ＰＰ）を設定し、
    焼結を実行するために前記粉末放出経路（ＰＰ）に従って放出された前記粉末上に、レーザ焼結経路（ＬＰ）に従って前記光学レーザアセンブリ（２０）を通じて前記レーザビーム（Ｌ）を集束点（Ｓ）に伝送するための前記レーザ焼結経路（ＬＰ）を設定し、
    前記レーザ焼結経路（ＬＰ）および前記粉末放出経路（ＰＰ）を実現するための各軸を介した軌道を実行するように、数値的な制御ユニット（５０）とサーボ制御モジュール（５３）とによって、加工機の軸に関連付けられたレーザ加工機（１０）のアクチュエータ（３１）に命令する
    ことを含み、
    前記アクチュエータに命令する動作は動作モードを含んでおり、前記可動要素（１２）の前記アクチュエータ（３１）は前記光学レーザアセンブリ（２０）に関して可動である態様の前記ツールキャリアフレーム（３０）を動かするように命令されている、請求項２から請求項１４のいずれか１項に記載のレーザ加工機によるレーザ焼結によって対象物を積層造形する方法。
16. 前記ツールキャリアフレーム（３０）を動かすための前記可動要素（１２）の前記アクチュエータに対して、前記粉末放出経路（ＰＰ）から生成される粉末放出軌道または前記軌道の成分を与え、
    前記光学レーザアセンブリ（２０）の前記光学スキャン手段（２４，２５，２６，２７）の前記アクチュエータに対して、前記レーザ焼結経路（ＬＰ）から生成される焼結軌道または前記軌道の成分を与える
    ことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記移送機構（１１）上で前記粉末放出軌道の成分および／または前記焼結軌道の成分の分配、前記移送機構（１１）の低い動的性の範囲の成分の分配を行うことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記分配は、前記粉末放出軌道または前記焼結軌道から前記移送機構（１１）上に分配された成分を減算し、前記減算から得られた軌道成分を、前記可動要素（１２）または前記光学スキャン手段（２４，２５，２６，２７）にそれぞれ割り当てることを含んでいることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記焼結軌道は、時間遅れをもって前記粉末放出軌道に続くことを特徴とする、請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記粉末放出経路（ＰＰ）の所定点における放出流量を増加させることによって前記作業平面（１１０）上で粉末領域（ＰＢ）に堆積させるように前記粉末放出経路（ＰＰ）とともに流量を調整する命令を送り、前記レーザ焼結経路（ＬＰ）が前記粉末領域（ＰＢ）内の形状に従ってレーザスポット（Ｓ）を移動させるように命令することを特徴とする、請求項１５または請求項１６に記載の方法。

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