JP6771076B2 - 三次元の部材の生成的な製造の為の装置 - Google Patents

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Description

本発明は、三次元の部材の生成的な製造の為の装置、つまりレーザー焼結装置又はレーザー溶融装置であって、請求項１に記載の更なる特徴を有するものに関する。
そのような装置は、構成材料の溶着又は融着による放射の作用によって、構成材料、特に粉末材料からの個々の層の連続的な固結によって部材を製造する。点形状又は線形状のエネルギー入力によって発生される溶融領域は、センサー装置によってその寸法、形状又は温度に関して測定を行われる。これから、部材品質の評価の為のセンサー値が導かれる。溶融領域によって発生されるセンサー値の生成の為に使用される放射は、溶融エネルギー入力の為に使用されるスキャナーを通過する。そのような装置は例えば特許文献１から公知である。
しかしまた代替として、溶融放射の焦点変更は、構成レベルとスキャナー光学装置の間の距離の変更によって、つまり構成プラットフォームの下降及び上昇によって行われることも可能である。
ドイツ連邦共和国実用新案第 ２０ ２０１０ ０１０ ７７１ Ｕ１号
本発明は、請求項１の上位概念に係る特徴を有する装置を、レーザー焦点の変更の場合に、そしてこれに伴って現れるレーザー焦点変化の場合に、プロセス監視の最適な実施が保証されることが可能であるよう形成することである。この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。有利な発展形は、下位の請求項から生ずる。
本発明に係る装置は、まず、焦点送りと、そしてこれに伴いスポットサイズ変更も可能とする装置を有する。これは、一方で、いわゆる３Ｄスキャン光学装置によって行われることが可能である。これによって焦点送り、つまり溶融すべき上面上でのレーザー焦点のスポットサイズ変更がプロセス中に可能である。
更に、装置のスキャナーと、プロセス監視システムのセンサー装置の間に光学的な焦点追尾装置を設けることが意図されている。これは、プロセスシーケンスの際に装置内で使用される、焦点追尾の為の電気的な機械データによって制御可能である。
この措置によって、溶融点の領域における粉末表面上での、プロセスにおいて進行する実際の実情への「視界」の自動的な適合が行われる。溶融放射の焦点が拡大すると、プロセス監視システムの視線角度が、使用されるプロセスデータによって自動的に、拡大された溶融点がプロセス監視システムによって完全に、つまりその縁部領域においても検出可能であるよう拡張され、これによって十分正確なデータがプロセス監視のために提供される。同じことは溶融点の縮小の場合にも言え、その際、電気的な機械データによって制御される光学的な焦点追尾装置によって、縮小された溶融プールが正確に調べられることが可能であり、この事は、同様に、プロセス監視結果の明らかな改善にも通じる。
例えばプロセス監視システムの対象レンズシステムの手動の調整による手動の追尾は、省略されることが可能であり、プロセス監視過程は、自動的に焦点に合わせられる。これによって粉末は溶着される。
プロセス監視システムの焦点追尾の為に使用される機械データは、例えば、装置のＰＣスキャナー制御カードのスキャナー制御データであることが可能である。これは、いわゆる３Ｄスキャナーが存在する場合、スキャナーレンズの焦点を制御する。機械データは、しかしまた、構成プロセスパラメーターから導き出されている、又はそのようなものを有するデータでもあり得る。
焦点追尾装置は、モーターによって移動可能な少なくとも一つの光学的焦点要素、例えば焦点レンズを有する。この焦点要素は、しかしまたモーターによって移動可能なレンズセットとして形成されることも可能である。
いずれにせよ、プロセス監視の改善を保証するために、焦点追尾光学装置によって、粉末層上に導かれる溶融放射の焦点調整の前にプロセス監視システムの 実施されると、特に有利である。これは、スキャナーデータが、まずプロセス監視システムの焦点調整を実施し、そして溶融放射の為の焦点調整が、同様に機械データに制御されて、プロセス監視システムの焦点調整に時間的に続くことを意味する。これは、簡単な遅延切替、又は遅れての制御によって行われることができる。これは、例えば溶融放射の焦点調整が、プロセス監視システムが既に新しい焦点に調整されているときに初めて行われる。
センサー装置は、複数の感光要素を有することが可能である。これら要素は、選択的に、又は共通して、プロセス監視システムの放射中に、又は部分放射中に挿入可能である。これは、転向ミラー、又は放射分割器等によって行われることができる。放射分割器が使用されると、センサー装置の複数の感光要素が、又は全ての感光要素が平行に動かし、そして場合によっては、異なるスペクトル領域における平行測定を実施することを可能とする。これらは、プロセス監視に影響を与えることができる。考え得るセンサー領域は、例えば７８０−９５０ｎｍの波長領域であり、更に場合によって該当する波長領域は、１２００ｎｍ周辺に選択されることが可能である。
いずれにせよ、溶融放射焦点調整は、プロセス監視の領域において焦点追尾装置によって補償されるということが保証される必要がある。
以下に本発明を、図中の実施例に基づいて詳細に説明する。
光学的焦点追尾を有するプロセス監視システムを有するレーザー溶融装置の形式の三次元の部材の生成的な製造の為の装置の基本的なコンポーネントの簡略図
図１に表された装置１は、三次元の部材２の生成的な製造の為に使用される。このような部材は、放射の作用による構成材料５の溶着（独語：Ａｕｆｓｃｈｍｅｌｚｅｎ）による、硬化可能な構成材料からの個々の層３の連続的な固結によって製造される。点形状又は線形状のエネルギー入力によって発生する、構成レベル７における溶融領域６は、プロセス監視システムのセンサー装置８によって、その寸法形状に関して、及び／又はその温度に関して計測を行われる。これから、部材品質の評価の為のセンサー値が導き出される。その際、溶融領域６によって発生される、センサー値の生成の為に使用される放射９は、溶融エネルギー入力の為に使用されるスキャナー１０を、いわば逆行方向に通過し、そしてこれから、プロセス監視のセンサー装置８へと導かれる。プロセス監視システム（このプロセス監視システムにおいて溶融領域によって発生される反射された放射がスキャナーによって逆行方向にセンサー装置へと導かれる）は、いわゆるコアキシアルプロセス監視システムである。というのは、レーザーによって発生されるエネルギー入力の為の放射と、プロセス監視システムの為の反射された放射がスキャナーを同軸に通過するからである。
センサー装置８は、カメラ１５又はフォトダイオード１６を有することが可能であり、又は複数の感光要素を有することも可能である。その際、センサー値の生成の為に使用される放射９は、放射分割器１７を通過する。この放射分割器は、放射を、例えばカメラ、又はフォトダイオード、又は別の感光要素に分割する。
発明に従い、プロセス監視システムのセンサー装置８とスキャナー１０の間には、焦点追尾装置２０が設けられている。この焦点追尾装置は、焦点追尾の為の電気的な機械データ２１，２２によって後制御可能である。
焦点追尾装置は、少なくとも一つのモーターによって調整可能な光学焦点要素、例えばモーターにより移動可能なレンズセット２３を有する。これは、センサー値の生成の為に使用される放射９の後焦点合わせの為に使用される。
少なくとも放射源とスキャナーを有する、装置の放射経路が、溶融照射焦点調整の為の光学的な調整装置３を設けられているか、又は、溶融放射の焦点調整が構成レベル７の機械的な移動によって行われるとき、後焦点合わせが行われる。
機械データは、一方でスキャナー制御カードからのスキャナー制御データであることが可能であるか、又はそのようなものを有することが可能であり、その際そのようなスキャナー制御データは、主として３ＤスキャナーにＺ軸焦点合わせに関して影響を及ぼす。
しかしまた、機械データは、構成プロセスパラメーターから導き出されるデータ、特に、構成レベルの高さ調整の為に援用されるデータであることも可能であるか、又はそのようなものを有することが可能である。構成レベルの高さ調整は同様に溶融放射の焦点外しにも通じる可能性からである。
焦点追尾装置２０に供給される機械データでは、時間によってセンサー値の生成の為に使用される放射９の焦点追尾が、焦点追尾装置２０によって、３Ｄスキャナー１０のＺ軸調整の前に、又は構成レベルの高さ調整に通じるように制御されることが可能である。これによって、レーザー放射の開始の際、及びこれに伴う、監視すべき溶融プールの発生の際、センサー値の生成の為に使用される放射９が既にその焦点に関して最適化されていることが保証されている。
センサー装置８のデータ、つまりカメラ１５からのカメラデータと、フォトダイオード１６からのセンサーデータを評価することができるように、プロセッサーユニットが設けられており、この中でデータが処理され、保管され、そして場合によっては例えばリバースエンジニアリングの為、３Ｄデータ可視化を可能とするフォーマットへと変換されることが可能である。
１ 装置
２ 構成部材
３ 層
４ 放射
５ 構成材料
６ 溶融領域
７ 構成レベル
８ センサー装置
９ 放射
１０ スキャナー

１５ カメラ
１６ フォトダイオード
１７ 放射分割器

２０ 焦点追尾装置
２１ 機械データ
２２ 機械データ
２３ レンズセット

Claims (19)

  1. 三次元の部材（２）の生成的な製造の為の装置は、
    溶融ビームを放射し、前記溶融ビームは、構成面（７）を形成する構成材料の各層（３）を溶融させて連続的に硬化させる照射を含み、前記溶融ビームの照射は溶融部分（６）を前記構成面（７）に生じさせる、レーザー（４）と、
    センサー装置（８）を備えるプロセス監視システム（２０）であって、前記センサー装置（８）は反射された放射（９）からセンサー値を生じ、前記放射（９）は前記溶融部分(６)から検知され、前記センサー値は前記溶融部分(６)に相当する寸法、形状又は温度、もしくは部材(２)の質を示す、プロセス監視システム（２０）と、
    電気的機械データによって制御される光学的焦点追尾装置（２０）であって、前記電気的機械データは少なくとも一部が前記センサー値から導かれて、前記プロセス監視システム（２０）が検知した反射された放射(９)に対する第１焦点調整に用いられ、続いて前記レーザー（４）が放射した溶融ビームに対する第２焦点調整が実施される、光学的焦点追尾装置（２０）と、を備える、装置。
  2. 前記第２焦点調整は少なくとも一部が前記構成面（７）の機械的調整によって実施される、請求項１に記載の装置。
  3. 光学的調整装置（３０）が前記溶融ビームの経路に配置され、前記第２焦点調整は少なくとも一部が前記光学的調整装置（３０）によって実施される、請求項１又は請求項２に記載の装置。
  4. 前記プロセス監視システム（２０）は遅延回路を備え又は前記第２焦点調整を前記第１焦点調整の後に実施する遅延制御を行う、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記光学焦点追尾装置（２０）はモーターによって移動可能なレンズセットを備える、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記センサー装置（８）は複数の感光性要素(１５、１６）を備える、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記センサー装置（８）の少なくとも一部は７８０−９５０ｎｍの波長領域のために構成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記センサー装置（８）の少なくとも一部は１２００ｎｍの波長領域のために構成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記センサー装置(８)はカメラ(１５)、光ダイオード(１６)およびビームスプリッタ(１７)を備え、前記ビームスプリッタ(１７)は前記反射された放射(９)の第１の部分を前記カメラ（１５）に向かわせ、前記反射された放射(９)の第２の部分を前記光ダイオード(１６)に向かわせる、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 三次元の部材（２）の生成的な製造の方法は、
    レーザー(４)からの放射による溶融ビームを照射して、前記溶融ビームは構成面を（７）形成する構成材料の各層（３）を溶融させて連続的に硬化させ、前記溶融ビームは溶融部分（６）を前記構成面（７）に生じさせ、
    前記溶融部分(６)から反射された放射(９)を、センサー装置(８)を備えるプロセス監視システム（２０）によって検知し、前記センサー装置(８)は前記溶融部分（６）に相当する寸法、形状又は温度もしくは部材(２)の質を示すセンサー値を生じ、
    第１焦点調整を、光学的焦点追尾装置(２０)を使用して、前記プロセス監視システム(２０)が検知した反射された放射(９)に実施し、前記光学的焦点追尾装置(２０)は電気的機械データによって制御可能であり、前記電気的機械データは少なくとも一部が前記センサー値から導かれ、
    前記第１焦点調整の後で、第２焦点調整が前記レーザー(４)が照射した前記溶融ビームに実施される、方法。
  11. 前記第２焦点調整の実施は、前記構成面（７）の機械的な調整である、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第２焦点調整の実施は、前記溶融ビームの経路に配置された光学的調整装置(３０)を移動させて行う、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
  13. 前記プロセス監視システムは、遅延回路を備え又は前記第２焦点調整を前記第１焦点調整の後に実施する遅延制御を行う、請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 第１焦点調整の実施は、前記光学的焦点追尾装置(２０)のレンズセットを移動させることを含む、請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記センサー装置（８）は複数の感光性要素を備える、請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記センサー装置（８）の少なくとも一部は７８０−９５０ｎｍの波長領域のために構成されている、請求項１０から請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記センサー装置（８）の少なくとも一部は１２００ｎｍの波長領域のために構成されている、請求項１０から請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記センサー装置(８)はカメラ(１５)、光ダイオード(１６)およびビームスプリッタ(１７)を備え、前記ビームスプリッタ(１７)は前記反射された放射(９)の第１の部分を前記カメラ（１５）に向かわせ、前記反射された放射(９)の第２の部分を前記光ダイオード(１６)に向かわせる、請求項１０から請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
  19. コンピュータで読み取られることができる媒体であって、前記媒体はコンピュータで実行可能な指示を含み、前記指示はプロセッサで実施されるときに前記プロセッサに請求項１０から請求項１８に記載のいずれかの方法を実施させる、媒体。
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