JP6865690B2 - 付加製造装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料の層が層ごとに固化されて物体を形成する、付加製造装置内でエネルギービームを方向付けるための走査装置および方法に関する。本発明は、特に、その用途だけに限定されないが、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）および選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）装置などの選択的レーザ固化装置に応用する。

選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）および選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）装置は、レーザビームなどの高エネルギービームを使用して金属粉体材料などの材料の層ごとの固化によって物体を生み出す。粉体の山を粉体床に隣接して堆積し、この粉体の山を、ワイパを用いて粉体床に（一方の側から別の側に）広げて層を形成することによって、粉体層が、造形チャンバ内で粉体床上に形成される。レーザビームが、次いで、構築される物体の断面に対応する粉体層の領域上に走査される。レーザビームは、粉体を溶融または焼結して固化された層を形成する。層の選択的固化の後、粉体床は、新しく固化された層の厚さによって下降し、粉体のさらなる層が、必要に応じて表面上に広げられ固化される。そのようなデバイスの例が、特許文献１に開示される。層は、特許文献２に記載されるように、造形プラットフォームに対するワイパの回転動作によって形成され得る。

レーザビームを走査するために採られる方針は、造形中に生成された熱負荷および結果として生じた材料の固化された線の精度に影響を与え得る。造形中に発生した、過剰で、制御できない熱負荷は、造形されている部材の反りおよび／または巻き上げを引き起こす。

通常、レーザビームは、粉体上で走査路に沿って走査される。走査路の配置は、走査方法によって規定される。

特許文献３は、部材断面の輪郭（境界）を走査し、その後部材断面の内部（コア）を走査することを含む走査方法を説明する。部材の境界を走査することで、その部材の表面の解像、鮮明さ、および平滑性を向上させることができる。

特許文献３および特許文献４は、複数の平行走査路（ハッチ）内で領域を走査することを説明している（本明細書では「蛇行走査」と称される）。走査路の方向は、層間で回転されて造形中に生成される張力を均等化する。特許文献４は、この概念を一連の平行なストライプ内で走査することまで広げ、この場合、各ストライプは、ストライプの長手方向に対して垂直に通る複数の平行な走査路（ハッチ）からなる（本明細書では「ストライプ走査」と称される）。特許文献４はまた、固化される領域の部分的領域（一般的には正方形）を覆うストライプを開示し、ここでは、隣接する部分的領域のハッチは、互いに９０度である（本明細書では「格子走査」と称される）。

特許文献５は、層の個々の領域を連続的に照射することを含む、熱負荷を低減するための走査方法を開示しており、個々の領域は、この中間直径より大きい、または少なくともこれに等しい距離で互いから離れている。各々の個々の領域は、一連の平行走査路（ハッチ）内で照射される。

レーザが維持され、その間鏡が移動してレーザスポットを走査路に沿って方向付ける、連続モードのレーザ作動、または鏡がレーザスポットを種々の場所に走査路に沿って方向付けるときにレーザのパルス発振をオンオフする、パルスモードのレーザ作動を使用することが知られている。

米国特許第６０４２７７４号明細書 米国特許第８１７２５６２号明細書 米国特許第５１５５３２４号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２４１３９２Ａｌ号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４２０２４号明細書 国際公開第２０１０／０２６３９７号パンフレット 国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット 米国特許第６６８３７８０号明細書 ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５２８８７

「Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｓｃａｎｎｅｒｓ」、Ｇ．Ｒ．Ｂ．Ｅ．Ｒｏｍｅｒ、Ｐ．Ｂｅｃｈｔｏｌｄ、Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｄｉａ５６（２０１４）、２９−３９ 「Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｕｌｔｒａ−Ｆａｓｔ Ｔｏｏｌ Ｓｅｒｖｏｓ ｆｏｒ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｔｕｒｎｉｎｇ」Ｘｉａｏｄｏｎｇ Ｌｕ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００５

レーザによって生成された溶融プールは、材料の特性および溶融される容積部を取り囲む材料の（粉体かまたは固化されているかの）状態および温度に依存する。レーザ作動のモードは、隣接する材料の状態および温度に影響を与え得る。たとえば、走査路に沿ったレーザスポットの連続モードの走査は、レーザスポットのすぐ後方に沿ってドラッグされた大きい溶融プールを形成し、その結果、より大きく、あまり詳細でない固化された線を生じさせる。工具鋼および航空機クラスの超合金などの一部の材料の場合、溶融プールを層上で連続モードのレーザの作動でドラッグすることは困難になり得る。これらの問題は、レーザビームをパルスモードの作動で使用することによって軽減され得る。特に、パルス間の時間／露出点間の距離を十分長く設定して、事前に形成された溶融プールを隣接する溶融プールを形成する前に冷却することを可能にする結果、より正確な固化線を生じさせることができ、これは、境界走査に特に有益になり得る。

レーザビームは、通常、検流計によって必要とされる角度に傾斜することができる鏡の対を使用して粉体床上で操縦される。そのような走査装置の例は、特許文献６に説明される。検流計の限定された動的応答の結果、レーザビームは所望のパターン（上記で説明したような）から大きく逸脱することがある。特に、ハッチ線間の移行部において、鏡は、レーザビームを、方向の急な角度変化をもたらすのではなく、製造される部材内で見ることができる湾曲した経路内に方向付けることが見いだされる。パルスモードでレーザを走査するために、理想的には鏡は、レーザがオンであるときに、レーザビームを作用表面上の固定されたスポットに方向付け、パルス間の次の露出点にホップさせる（hop）。しかし、検流計の動的応答は、所望の点露出時間および露出間の時間に対して遅すぎ、それにより、鏡は露出中依然として動いている。この結果、連続的走査に類似する溶融特性を有する細長い溶融プールが作り出される。そのような問題は、鏡に、新しい位置に移動し整定する時間を与えるために露出間の時間を増大させることによって克服することができるが、これは造形時間を大幅に長くし得る。

非特許文献１は、鏡ベースの走査装置を電気的または音響的な光学偏向板と組み合わせることを開示しており、これは、材料の屈性率ｎの変化を利用してレーザビームの偏向を制御する。電気的および音響的な光学偏向板に伴う問題は、偏向板が、そこを通って進行する光の大部分を吸収することである。したがって、そのような偏向板は、起こるであろう、結果として生じる偏向板の加熱により、高出力のレーザビームとの使用には適さない。そのような加熱は、偏向板の水晶振動子の温度を必要に応じてキュリー温度の少し上になるように制御することを、不可能ではないが極めて難しくしている。

本発明の第１の態様によれば、エネルギービームを付加製造装置内で方向付けるための走査装置であって、エネルギービームを第１の寸法範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で偏向させるための第１のビーム操縦構成要素と、エネルギービームを第２の範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で偏向させるための第２のビーム操縦構成要素とを備え、第２のビーム操縦構成要素は、第１のビーム操縦構成要素より早い動的応答をもたらすが、これより小さい範囲のエネルギービームの運動をもたらす、走査装置が提供される。

このようにして、走査装置は、第１のビーム操縦構成要素を使用するだけでは達成不可能である方向の迅速な変化を達成しながら、エネルギービームを大きな範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で偏向させることができる。走査装置の動的能力により、上記で説明したものなどの理想的な走査方法により近い経路に沿ってエネルギービームを走査することが可能になり得る。

走査装置は、制御装置であって、第１のビーム操縦構成要素および第２のビーム操縦構成要素を制御して、第１のビーム操縦構成要素を使用してエネルギービームを第１の寸法範囲内で移動させるのと同期して、第２のビーム操縦構成要素のより早い動的応答を使用してエネルギービームを第１の寸法範囲内で加速／減速させるように構成された、制御装置を備えることができる。

制御装置は、第１のビーム操縦構成要素および第２のビーム操縦構成要素を制御するように構成することができ、それにより、第１のビーム操縦構成要素を作動させて一方向に連続動作をもたらすのと同期して、第２のビーム操縦構成要素は、エネルギービームが経路に沿って一連のスタッカート運動で移動するように振動動作をもたらすように作動される。結果として生じる動作は、一連の動きを実行するエネルギービームであることができ、この場合、エネルギービームは、比較的固定して保持されて、（たとえば、第１のビーム操縦構成要素の作用が、エネルギービームを、第２のビーム操縦構成要素の作用とは反対の方向に第１の寸法範囲内で移動させるものとし、場合によってはこの相反する作用が固定したエネルギースポットをもたらすことを取り消すとき）経路の領域をエネルギービームに露出させ、その後エネルギービームは、短く急な運動を行って、（たとえば、第１のビーム操縦構成要素および第２のビーム操縦構成要素が、エネルギービームを第１の寸法範囲内で同じ方向に移動させるように作用するとき）エネルギービームを経路の別の領域にホップさせる。ビーム操縦構成要素のそのような制御は、パルスエネルギービームと同期させることができ、それにより、「ホップする」間、エネルギービームはオフに切り替えられる。これは、付加製造に特に応用することができ、この場合粉体床上でエネルギースポットを「ホップして」一連の点を露出させることで、エネルギービームを表面上でドラッグすることによって引き起こされる球状化（balling）の低減または解消により、より細かい詳細を生み出すことができる。

制御装置は、第１のビーム操縦構成要素および第２のビーム操縦構成要素を制御するように構成することができ、それにより、第１のビーム操縦構成要素を作動させてエネルギービームの方向を第１の寸法範囲内で変更するのと同期して、第２のビーム操縦構成要素は、エネルギービームのより急な方向変化を第１の寸法範囲内でもたらすように作動される。特に、第１のビーム操縦構成要素の動的応答の方が遅い結果、所望より長い停止および加速距離を第１の寸法範囲内に生じさせ得る。制御装置は、第２のビーム操縦構成要素を制御して、第１のビーム操縦構成要素のみを使用して所望の経路に沿って走査することを試みた場合に起こり得る、所望の走査路からの逸脱を補償するように構成され得る。

エネルギービームは、レーザビームを含むことができる。第１のビーム操縦構成要素は、レーザビームを反射させるための光学構成要素であって、第１のアクチュエータの制御下で動作可能である、光学構成要素を備えることができ、第２のビーム操縦構成要素は、レーザビームを反射させるためのそのまたはさらなる光学構成要素であって、第２のアクチュエータの制御下で動作可能である、そのまたはさらなる光学構成要素を備えることができる。第２のアクチュエータは、第１のアクチュエータより早い動的応答をもたらすが、これより小さい範囲のレーザビームの運動をもたらし得る。レーザビームを反射することにより、光学構成要素内のレーザビームの大きな吸収を回避することができる。光学構成要素は、レーザビームの放射束の１％未満を吸収するように構成され得る。光学構成要素は、鏡またはブラッググレーティング（Bragg grating）反射体でよい。そのような反射体は、特定の付加製造プロセスにおいて使用される、５０Ｗを上回る、好ましくは１００Ｗを上回るレーザビームなどの、高パワーレーザビームと共に使用するのに適することができる。

第２のアクチュエータは、圧電アクチュエータを含むことができる。圧電アクチュエータは、通常、検流計より速い動的応答をもたらすが、これより小さい範囲の運動をもたらし得る。あるいは、第２のアクチュエータは、１つまたは複数のボイスコイルでよい。別の実施形態では、第２のアクチュエータは、１つまたは複数の法線応力アクチュエータ、特に１つまたは複数のハード線形化された法線応力アクチュエータを含む。

第１のアクチュエータは検流計でよい。検流計は、通常、圧電モータより遅い動的応答をもたらすが、これより大きい範囲の運動をもたらす。

このおよび／またはさらなる光学構成要素は、傾斜可能な光学構成要素を含むことができる。あるいは、このおよび／またはさらなる光学構成要素は、レーザビームをさまざまな角度にわたって反射するようにアクチュエータによって変形され得る変形可能な構成要素でよい。

エネルギービームは、電子ビームを含むことができる。第１のビーム操縦構成要素は、第１の電磁コイルを備えることができ、第２のビーム操縦構成要素は、第２の電磁コイルを備えることができ、第２の電磁コイルは、電子ビームを第１の電磁石より小さい範囲の角度で偏向させるためにより小さい磁場を生成するように構成される。

第２の電磁石は、より小さいインダクタンスを有して、第１の電磁石より速い磁場の変化（より速い動的応答）を可能にする。しかし、結果として生じるより小さい磁場は、電子ビームをより小さい範囲の角度で偏向させる。第１の電磁石によって生成されたより大きい磁場は、電子ビームを第１の寸法範囲内でより大きい範囲の角度によって偏向させることを可能にする。

走査装置は、エネルギービームを、第１の寸法範囲と直交する第２の寸法範囲内で第３の範囲の角度にわたって偏向させるための第３のビーム操縦構成要素を備えることができる。このようにして、走査装置は、二寸法範囲領域にわたってエネルギービームを操縦することができる。走査装置は、エネルギービームを第２の寸法範囲内で第４の範囲の角度にわたって偏向させるための第４のビーム操縦構成要素を備えることができ、この場合第４のビーム操縦構成要素は、第３のビーム操縦構成要素より速い動的応答をもたらすが、これより小さい範囲のエネルギービームの動きをもたらす。

エネルギービームがレーザビームである場合、第３のビーム操縦構成要素は、レーザビームを反射するためのそのまたは追加の光学構成要素であって、第３のアクチュエータの制御下で動作可能である、光学構成要素を備えることができる。第４のビーム操縦構成要素は、レーザビームを反射するためのその、そのさらなる、または追加の光学構成要素であって、エネルギービームを第２の寸法範囲内で偏向させるように第４のアクチュエータの制御下で動作可能である、光学構成要素を備えることができる。あるいは、第４のビーム操縦構成要素は、レーザビームを第２の寸法範囲内で反射するように第４のアクチュエータの制御下で動作可能である、さらなる追加の光学要素を備えることができる。

エネルギービームが電子ビームである場合、第３のビーム操縦構成要素は、第３の電磁コイルを備えることができ、第４のビーム操縦構成要素は、第４の電磁コイルであって、電子ビームを第３の電磁石より小さい範囲の角度で第２の寸法範囲内で偏向させるためのより小さい磁場を生成するように構成される、第４の電磁コイルを備えることができる。

このようにして、走査装置は、第１の寸法範囲および第２の寸法範囲内の両方で増大した動的応答を有する。

制御装置は、上記で説明したように、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータの組み合わせと同様に、第３のアクチュエータおよび第４のアクチュエータの組み合わせを制御するように構成され得る。

本発明の第２の態様によれば、付加製造装置であって、造形チャンバと、造形チャンバ内で下降可能な造形プラットフォームであって、流動可能な材料の層を連続的に造形プラットフォーム上に形成することができる、造形プラットフォームと、エネルギービームを生成するための放射線発生装置と、エネルギービームを各々の層に方向付けて材料を選択的に固化するための走査装置であって、エネルギービームを第１の範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で偏向させるように動作可能であるビーム操縦構成要素と、エネルギービームを第２の範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で偏向させるための第２のビーム操縦構成要素とを備え、第２のビーム操縦構成要素は、第１のビーム操縦構成要素より速い動的応答をもたらすが、これより小さい範囲の運動をもたらす、走査装置とを備える、付加製造装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、レーザビームを走査する方法であって、本発明の第１の態様による走査装置を作動させて、第１のビーム操縦構成要素を使用してエネルギービームを第１の寸法範囲内で移動させるのと同期して、第２のビーム操縦構成要素のより速い動的応答を使用して第１の寸法範囲内でエネルギービームを加速／減速することを含む、方法が提供される。

方法は、層ごとの付加製造プロセスにおいて、レーザビームを材料の層上で走査する際に使用することができ、この場合、流動可能な材料の連続層が、造形プラットフォーム上に形成され、レーザビームは、各層の選択された領域上で走査されて選択された領域内でその材料を固める。

本発明の第４の態様によれば、命令が記憶されたデータキャリアであって、本発明の第１の態様による走査装置の制御装置によって実行されたとき、制御装置に走査装置の第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御させて本発明の第３の態様の方法を実行させる、データキャリアが提供される。

本発明の上記の態様のデータキャリアは、非一時的データキャリア、たとえばフロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷおよび＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ ＤＶＤ、ブルーレイ（ＢｌｕＲａｙ）（商標）ディスク、メモリ（Ｍｅｍｏｒｙ Ｓｔｉｃｋ（商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュカードなど）、ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁気／光学記憶装置など、または一時的データキャリア、たとえば有線または光ファイバー上の信号または無線信号、たとえば、有線もしくは無線ネットワーク上で送信された信号（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）などの、機械に命令を提供するための適切な媒体とすることができる。

本発明の第５の態様によれば、層ごとの付加製造プロセスを使用して部材を製造する方法であって、流動可能な材料の連続層を造形プラットフォーム上に堆積するステップと、本発明の第１の態様による走査装置を作動させてエネルギービームを各層の選択された領域上で走査して、選択された領域内で材料を固化するステップとを含み、エネルギービームは、第１のビーム操縦構成要素を使用してエネルギービームを第１の寸法範囲内で移動させるのと同期して、第２のビーム操縦構成要素のより速い動的応答を使用して第１の寸法範囲内で加速／減速される、方法が提供される。

本発明の第６の態様によれば、本発明の第５の態様の方法によって製造された部材が提供される。

本発明の実施形態による選択的レーザ固化装置の概略図である。 別の側からの、選択的レーザ固化装置の概略図である。 本発明の１つの実施形態による走査装置の概略図である。 本発明の１つの実施形態による走査装置の概略図である。 本発明の実施形態によるレーザビームの走査順序を示す図である。 圧電駆動される鏡によってレーザビーム上に付与された追加の動作の結果生じたレーザスポットがたどる経路と比較した、検流計で駆動される鏡の走査路を示す図である。 走査順序中の粉体床上でのレーザスポットの通常の変位を示すグラフである。 本発明のさらなる実施形態による走査方法を示す図である。 本発明のさらなる実施形態による、操縦可能な鏡および関連するアクチュエータの斜視図である。 図６ａに示す操縦可能な鏡および関連するアクチュエータの断面図である。 本発明のさらなる実施形態による操縦可能な鏡および関連するアクチュエータの斜視図である。

図１および２を参照すると、本発明の実施形態によるレーザ固化装置は、造形チャンバ１１７を画定するパーティション１１５、１１６と、粉体を堆積することができる表面とを中に有する主要チャンバ１０１を備える。造形プラットフォーム１０２は、選択性レーザ溶融粉体１０４によって造形された物体１０３を支持するために設けられる。プラットフォーム１０２は、物体１０３の連続層が形成されるときに造形チャンバ１１７内で下降させることができる。利用できる造形容積は、造形プラットフォーム１０２を造形チャンバ１１７内に下降させることができる程度によって規定される。

物体１０３が投与装置１０８および細長いワイパ１０９によって造形されるときに、粉体の層１０４が形成される。たとえば、投与装置１０８は、特許文献７に記載されるような装置でよい。

レーザモジュール１０５は、粉体１０４を溶融するために５００Ｗレーザを生成し、このレーザは、コンピュータ１３０の制御下、走査装置、この実施形態では光学モジュール１１０によって必要に応じて方向付けられる。レーザは、窓１０７を介してチャンバ１０１に入る。

光学モジュール１１０は、レーザビームを粉体床１０４上の所望の場所に方向付けるためのビーム操縦構成要素１０６と、レーザビームの焦点距離を調整するための焦点合わせ光学装置、この実施形態では移動可能なレンズ１１１、１１２の対とを備える。ビーム操縦構成要素１０６および焦点合わせ光学装置１１１、１１２のアクチュエータは、制御装置１３９によって制御される。

図３ａおよび３ｂを参照すると、１つの実施形態では、ビーム操縦構成要素１０６は、検流計１２１ａ、１２１ｂによって駆動される２つの移動可能な鏡１０６ａ、１０６ｂと、圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂによって駆動される第３の移動可能な鏡１０６ｃとを備える。鏡１０６ａは、鏡１０６ｂをその周りで回転させることができる軸Ｂに対して垂直な軸Ａ周りで回転可能であり、第３の移動可能な鏡１０６ｃは、２つの垂直軸Ｃ、Ｄ周りで操縦可能である。鏡１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃは、レーザが、焦点合わせ光学装置１１１、１１２を通って鏡１０６ｃまで進み、鏡１０６ｃがレーザを鏡１０６ａ上に偏向させるように配置される。鏡１０６ａは、レーザを鏡１０６ｂ上に偏向させ、鏡１０６ｂは、レーザを、光学モジュールから出て窓または開口部を通って粉体床１０４に至るように偏向させる。

圧電アクチュエータ１２０ａは、鏡１０６ｃを数度だけ軸Ｃ周りの方向に回転させるように動作可能であり、圧電アクチュエータ１２０ｂは、鏡１６０ｃを数度だけ軸Ｄ周りの方向に回転させるように動作可能である。圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂは、検流計１２１ａ、１２１ｂより速い動的応答（加速）もたらすが、これより小さい範囲の運動をもたらす。鏡１０６ｃを使用して、レーザビームを、鏡１０６ａおよび１０６ｃで達成できるのと同じ寸法範囲内でさまざまな角度によってレーザビームを偏向させることができる。通常、各検流計１２１ａ、１２１ｂは、関連する鏡１０６ａ、１０６ｂを、＋／−１０度の軸Ａ、Ｂ周りのさまざまな角度によって移動させることができるが、＋／−２０度までの範囲の角度を使用することができる。圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂは、通常、鏡１０６ｃを、鏡１０６ａ、１０６ｂの範囲の約１％でさまざまな範囲の角度によって軸ＣおよびＤ周りで操縦することができる。

図３ｂは、鏡１０６および圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂをより詳細に示す。各圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂは、圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２５ａ、１２５ｂの２つの対１２２、１２３；１２４、１２５を備える。

各圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２５ａ、１２５ｂは、圧電素子のスタックを含み、圧電素子は、一緒に連結されて、組み合わされた構造体として、鏡１０６ｃの十分な範囲の運動をもたらす。圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２５ａ、１２５ｂは、支持基板（図示せず）によって所定位置に保持することができ、この支持基板は、圧縮力を圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２５ａ、１２５ｂにかける。

各対１２２、１２３、１２４、１２５の２つの圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ；１２３ａ、１２３ｂ；１２４ａ、１２４ｂ；１２５ａ、１２５ｂは、鏡１０６ｃの両側に位置し、鏡１０６ｃの同じセクションに力をかけるように位置合わせされる。各対１２２、１２３、１２４、１２５のスタック１２２ａ、１２２ｂ；１２３ａ、１２３ｂ；１２４ａ、１２４ｂ；１２５ａ、１２５ｂは、連携して作用し、圧電スタック１２２ａ、１２３ａ、１２４ａ、１２５ａの一方が収縮／延長するように作動し、このとき他方１２２ｂ、１２３ｂ、１２４ｂ、１２５ｂは、反対の動作（延長／収縮）を実行するように作動される。このようにして、各対１２２、１２３、１２４、１２５の圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ；１２３ａ、１２３ｂ；１２４ａ、１２４ｂ；１２５ａ、１２５ｂは、力を同じ方向に鏡１０６ｃにかける。

各アクチュエータ１２０ａ；１２０ｂの圧電スタックの２つの対１２２、１２３；１２４、１２５は、鏡１０６ａの周囲の、対応する軸Ｃ、Ｄの両側の他の対１２３、１２２；１２５、１２４から離間した場所に各々取り付けられる。圧電スタックの２つの対１２２、１２３；１２４、１２５は、連携して作用して、力を反対の（線形）方向にかけて、軸Ｃ、Ｄ周りの鏡１０６Ｃの回転を引き起こす。

適切な回路が、圧電スタック１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２５ａ、１２５ｂに連結されて、適切な電圧をスタックにかけてスタックの延長および収縮を制御する。

低パワー型レーザは、鏡１０６Ｃの方に方向付けられる監視レーザビーム１２６を生成することができ、センサ１２７は、レーザビーム１２６が鏡１０６ｃから反射される角度を検出するために設けられる。レーザビーム１２６の感知された位置をフィードバックとして使用して、軸ＣおよびＤ周りの鏡１０６ｃの角度を決定することができる。

アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａおよび１２１ｂは、光学モジュール１０６の制御装置１３９によって、図４ａから４ｃを参照して次に説明するような方法で制御される。通常、レーザビーム１１８は、一連のハッチ線内で固化される領域上で走査される。たとえば、レーザビーム１１８は、ストライプ、格子状、または蛇行走査方法を使用して領域上で走査され得る。鏡１０６ａおよび１０６ｂは、レーザビーム１１８の追加の操縦が鏡１０６ｃによってもたらされなかった場合に、レーザビーム１１８を経路１４０に沿って方向付けるように円滑に移動するように制御される。鏡１０６ａから１０６ｂの回転の速度および方向の急激な変化が、回避される。圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂは、制御装置１３９によって制御されて、曲折を経路１４０に付加し、その結果、レーザビーム１１８は、静的露出点１４１間で「ホップされる」。特に、圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂは、レーザビームスポットを、粉体床１０４上の点１４１において、時間の設定期間（露出時間）の間実質的に固定して維持するように制御され、これは鏡１０６ａ、１０６ｂの連続運動と反作用する。露出時間の終了時、圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂは、鏡１０６ｃを迅速に移動させてレーザビーム１１８を次の点１４１にハッチに沿って方向付ける。このようにして、鏡１０６ａおよび１０６ｂは、レーザビーム１１８の大規模な運動を粉体床１０４上にもたらし、鏡１０６ｃは、振動して小規模な曲折を大規模な運動に付与する。

経路１４０の最後では、鏡１０６ａ、１０６ｂの少なくとも１つは、レーザビーム１１８を次のハッチに沿って方向付けるために方向の変更を行う必要がある。検流計１２１ａ、１２１ｂの比較的低い動的応答により、経路１４０が、各ハッチの最後において点１４１によって必要とされるものより突発的な方向の変化に従うことができないことがある。しかし、制御装置１３９は、圧電アクチュエータ１２０ａ、１２０ｂを制御することができ、それにより、鏡１０６ｃは、鏡１０６ａ、１０６ｂによってもたらされる方向の遅い変化を補償して、レーザビームスポットを所要の露出時間でハッチの最後において点１４１間で移動させる。補償は、レーザビーム１１８が、鏡１０６ａ、１０６ｂだけで達成することができるものより急な方向変化で経路を走査するために、（図４ａに示す点走査モードではなく）連続作動モードで走査する場合でも依然として適用され得る。

図４ｂは、ハッチ線間で方向を変更するときに検流計によってトレースされる経路１４０のループ１４０ａと、点（図示せず）が沿うように走査される経路１４２とを示す。ループ１４０ａの長さおよび長さ２Ｌ₁は、検流計が経路１４０ａをトレースするのにかかる時間が、検流計が長さ２Ｌ₁の線形経路をトレースするのにかかる時間と等しいように選択される（レーザビームは、通常、長さＬ₂にわたって単一のジャンプで「ホップされる」ため、このセクションの長さを無視することができる。しかし、Ｌ₂が長さＬ₁と同じようにして走査される場合、ループ１４０ａおよび２Ｌ₁＋Ｌ₂の長さは、検流計が経路１４０ａをトレースするのにかかる時間が、検流計が長さ２Ｌ₁＋Ｌ₂の線形経路をトレースするのにかかる時間と等価であるように選択される）。検流計の少なくとも１つが、経路１４０ａに沿って方向を変更するために遅くなるとき、経路１４０ａは、長さ２Ｌｉよりも短くなることになる。このようにして、ハッチの最後における点露出時間および点露出間の時間を、ハッチの中央のものと一致させ続けることができる。

図４ｃは、時間ｔを用いた変位Ｄのグラフを示す。ハッチの中央部分を走査するために、鏡１０６ａおよび１０６ｂは、鏡１０６ｃが静的に保たれた場合、レーザスポットが、線Ｇによって示すように一定の速度で粉体床１０４上で変位されるように移動される。鏡１０６ｃは、鏡１０６ａおよび１０６ｂが静的に保たれた場合、レーザスポットが、線Ｐによって示す鋸歯プロファイルにしたがって粉体床１０４上で変位されるように移動される。線Ｌは、鏡１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの同期運動の結果、粉体床１０４上のレーザスポットの実際の変位を示す。鋸歯プロファイルの負の勾配は、線Ｇの正の勾配と同じ大きさを有する。したがって、この時間期間１４２中、粉体床１０４上のレーザスポットの運動に対する鏡１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃの作用は取り消され、それにより、レーザスポットは、固定して維持されて点１４１をレーザビームに露出させる。期間１４３中、鏡１０６ｃの運動が、鏡１０６ａ、１０６ｂの運動と同じ方向にレーザビームを変位させるものであるとき、レーザスポットは、粉体床「１０４」上の次の点の場所に「ホップされる」。期間１４３中、レーザ／レーザビームをオフに切り替えることができ、それにより、レーザスポットは、粉体床上で走査されない。このようにして、一連の離散点１４１が、レーザビームに露出される。

鏡１０６ａ、１０６ｂだけを使用して達成できるものより速い方向の動的な変化をもたらすこれらの方法はまた、境界線走査などの、ハッチ以外の他のタイプの走査にも適用することができる。

鏡１０６ｃはまた、検流計の整定時間を補償するために使用されてもよい。たとえば、走査線および／または走査される領域の間に空隙が存在するとき、検流計はすばやく移動してレーザビーム１１８をその後の走査線の開始部に向け直すことができる。たとえば、これは、格子状パターンの正方形またはストライプ内の最後のハッチ線から、後に続く正方形またはストライプの最初のハッチ線まで、または境界走査線間を移動するときに起こり得る。さらなる例は、一連の単一の露出を伴う微細な格子構造体または空隙が間置された非常に小さい走査線を形成するときである。そのようなシナリオでは、検流計は、走査線の開始点／露出点において、検流計が空隙を横断するように操作された後に「ぐらつく」ことがある。整定時間を設けて走査装置内の鏡を減速後の所望の位置に整定することができることが知られている。

本発明の走査装置では、鏡１０６ｃを使用して、減速中起こり得る検流計の望ましくない運動を補償することができる。このようにして、整定時間を解消または少なくとも低減することができる。これは、整定時間の解消／低減が造形時間を大幅に低減し得るため、多くの空隙を有する幾何学形状を走査するのに特に有利になり得る。検流計は、その角度の測定を実現するためのエンコーダを備えることができる。圧電鏡１０６ｃは、エンコーダからの読み取り値に応答して制御装置１３９によって制御されて、鏡１０６ａ、１０６ｂの望ましくない運動を補償することができる。

静的レーザスポットを有する一連の点露出１４１として固化される領域を露出するのではなく、この領域を、移動するレーザスポットに露出することができ、このレーザスポットは、鏡１０６ｃのより速い動的応答を使用して、少なくともハッチ／走査線方向に対して垂直な方向に移動される。露出された領域は、レーザスポットより大きい線またはスポットであることができる。そのような実施形態の一例が、図５に示される。この実施形態では、ハッチ線の露出領域２４１ごとに、鏡１０６ｃは、レーザスポット２４５を、（矢印で示すように）ハッチ線に対して垂直に移動させてほぼ線形状の領域２４１をレーザスポット２４５に露出させる。レーザスポット２４５は、次いで、ハッチ内で次の露出領域２４１に（図４ａから４ｃを参照して上記で説明した方法で）ホップされて、たとえば、レーザスポット２４５を、前の線形状の領域２４１とは反対の方向のハッチ方向に対して垂直に走査することによってさらなる線形状の領域２４１をレーザスポット２４５に露出させる。レーザスポットのエネルギーは、レーザスポットを方向付けるために検流計だけを使用するときより大きい領域上で設定時間内に広げることができるため、そのような走査方法は、より高いパワーのレーザをレーザスポットのエネルギーとして使用することを可能にし得る。

図６ａおよび６ｂは、検流計より速い動的応答を有する操縦能力をもたらすためのボイスコイルアクチュエータおよび鏡配置２００を示す。そのような配置２００は、圧電アクチュエータの代わりに使用することができる。配置２００は、鉄心２０２の周りに巻き付けられたワイヤのコイル２０１を備える。レーザビーム１１８を操縦するための鏡２０６が、鉄心２０２に装着される。４つのＵ字形状の電磁石２０３ａ、２０４ａ；２０３ｂ、２０４ｂ（その２つのみが図６ａに示される）が、中央に位置する鉄心２０２の周りに円周方向に装着される。鏡２０６は、平面ばね２０５によって中央位置に付勢される。平面ばね２０５は、「マン島」ばねでよく、その一例は、特許文献８に説明され、円形鏡２０６周りに円周方向にかつ径方向に延びる３本の脚部を有する。

使用においては、実質的に一定の電流が、コイル２０１に流され、プロセッサ１４１は、電磁石２０３ａ、２０４ａ；２０３ｂ、２０４ｂの各対を制御して磁場をワイヤのコイル２０１および鉄心２０２上にかけて、鉄心を必要に応じて軸ＣおよびＤ周りで枢動させる。鉄心２０２の枢動は、鏡２０６を平面ばね２０５の付勢に対して傾斜させる。電磁石２０３ａ、２０４ａ；２０３ｂ、２０４ｂの各対によって生成された、かけられた磁場の方向を使用して、鉄心が軸ＣおよびＤ周りを枢動する方向を制御することができる。

図６ａおよび６ｂに示す配置は、図４ａから４ｃを参照して説明する走査方法を実施するように制御され得る。

図６ａおよび６ｂに示すアクチュエータのより大きいバージョンを検流計の置き換え品として使用することができる。

図７は、検流計より速い動的応答を有する操縦能力をもたらすためのさらなる鏡配置３００を示す。鏡３０６の運動は、鏡３０６を１つの軸周りで回転させるための第１のアクチュエータ３０１と、鏡３０６を垂直軸周りで回転させる第２のアクチュエータ（図示せず）とによって制御される。各アクチュエータ３０１は、鏡３０６の対向縁に取り付けられた電機子３０４、３０５を線形に変位させることができる、ハード線形化された法線応力アクチュエータ３０２、３０３の対を備える。電機子３０４、３０４を反対方向に変位させることにより、鏡３０６が回転する。

各々のハード線形化されたアクチュエータ３０３、３０４は、軟質磁気材料から作製されたステータコア３０７、３０８と、コイル巻線３０９ａ、３０９ｂ、３１０ａ、３１０ｂと、永久磁石３１１、３１２と、電機子３０４、３０５とを備える。電機子３０４、３０５は、永久磁石３１１、３１２に対する電機子３０４、３０５のせん断動作を可能にするように、ゴムパッドなどのパッド３１３、３１４上で移動可能とすることができる。点線３１５、３１６は、永久磁石によって生成されたバイアス磁束と線３１７、３１８を示し、ＡＣ磁束は、コイル巻線３０９ａ、３０９ｂ、３１０ａ、３１０ｂを流れ抜ける電流の制御によって制御可能である。

コイル巻線３０９ａ、３０９ｂ、３１０ａ、３１０ｂに通された電流は制御されて、電機子３０４、３０５の両側に微分束を生成して、電機子３０４、３０５に対する正味の作動力を生み出す。作動力は、電流に比例する。

法線応力アクチュエータは、潜在的に、せん断応力アクチュエータより高い力密度、したがってより大きい加速（動的応答）を有する。

超高速のハード線形化された法線応力アクチュエータのより詳細な論議は、論文の非特許文献２において見いだすことができる。

本明細書において定義するような本発明の範囲から逸脱することなく、代替形態および改変形態を上記で説明した実施形態に加えることができることが理解されよう。

２つの垂直軸の周りを回転するように作動される単一の鏡１０６ｃ、２０３、３０６ではなく、別個の鏡を軸ごとに１つずつ設けることができ、各鏡は、検流計と比較してより速い動的応答を有するアクチュエータによって操縦される。

鏡１０６ｃ、２０３、３０６は、レーザ波長を反射することができるが、他の波長、たとえば特許文献９において説明するように、造形プロセスを監視するために使用することができる波長を伝送することもできる。

圧電アクチュエータおよび検流計は、共通の鏡を制御するように組み合わせることができ、それにより、鏡は、検流計の制御下で大きい範囲の角度によって運動を行うことができ、圧電アクチュエータの制御下でより急な、より動的な運動を行うことができる。

Claims (16)

1. レーザビームを流動可能な材料の層上に方向付けて前記材料を選択的に固化して物体を層ごとに形成するための走査装置を備える付加製造装置であって、前記走査装置は、
   第１のアクチュエータと、
   前記レーザビームを第１の範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で反射するように前記第１のアクチュエータの制御下で動作可能である光学構成要素と、
   第２のアクチュエータと、
   前記レーザビームを第２の範囲の角度にわたって前記第１の寸法範囲内で反射させるように前記第２のアクチュエータの制御下で動作可能である前記光学構成要素、または、さらなる光学構成要素と
   を備え、
   前記第２のアクチュエータは、前記第１のアクチュエータより速い動的応答をもたらすが、前記第１のアクチュエータより小さい範囲の前記レーザビームの運動をもたらし、
   制御装置であって、前記第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御して、前記レーザビームを前記第１のアクチュエータを使用して前記第１の寸法範囲内で移動させる間同期して、前記第２のアクチュエータの前記より速い動的応答を使用して前記第１の寸法範囲内で前記レーザビームを加速／減速するように構成される、制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御するように構成され、それにより、前記第１のアクチュエータを作動させて一方向に前記レーザビームの連続動作をもたらすのと同期して、前記第２のアクチュエータは、前記レーザビームが経路に沿って一連のスタッカート運動で移動するように振動動作をもたらすように作動される、付加製造装置。
2. 前記制御装置は、前記第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御するように構成され、それにより、前記レーザビームは、相対的に固定して保持されて前記経路の領域を前記レーザビームに露出し、その後前記レーザビームは、短く急な運動を行って前記レーザビームを前記経路の別の領域に「ホップする」請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記制御装置は、パルスレーザビームと同期化されるように構成され、それにより、「ホップ」中、前記レーザビームはオフに切り替えられる請求項２に記載の付加製造装置。
4. 前記制御装置は、前記第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御するように構成され、それにより、前記第１のアクチュエータを作動させて前記レーザビームの方向を前記第１の寸法範囲内で変更するのと同期して、前記第２のアクチュエータは、前記第１の寸法範囲内でより急な前記レーザビームの方向変化をもたらすように作動される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の付加製造装置。
5. 前記第２のアクチュエータは、圧電アクチュエータを含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載の付加製造装置。
6. 前記第２のアクチュエータは、１つまたは複数のボイスコイルを備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の付加製造装置。
7. 前記第２のアクチュエータは、１つまたは複数の法線応力アクチュエータを含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載の付加製造装置。
8. 前記第１のアクチュエータは、検流計である請求項１乃至７のいずれか一項に記載の付加製造装置。
9. 前記光学構成要素は、前記レーザビームを前記範囲の角度にわたって反射するように回転させることができる傾斜可能な光学構成要素を含む請求項１乃至８のいずれか一項に記載の付加製造装置。
10. 前記光学構成要素は、前記レーザビームを前記範囲の角度にわたって反射させるように前記アクチュエータによって変形させることができる変形可能な構成要素を含む請求項１乃至９のいずれか一項に記載の付加製造装置。
11. 前記光学構成要素は、鏡を備える請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の付加製造装置。
12. 第３のアクチュエータと、
    レーザビームを第３の範囲の角度にわたって、前記第１の寸法範囲に直交する第２の寸法範囲内で反射するように前記第３のアクチュエータの制御下で動作可能である、追加の光学構成要素を備える請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の付加製造装置。
13. 第４のアクチュエータと、
    前記光学構成要素、前記さらなる光学構成要素、前記追加の光学構成要素、またはさらなる追加の光学構成要素は、レーザビームを第４の範囲の角度にわたって前記第２の寸法範囲内で反射させるように前記第４のアクチュエータの制御下で動作可能であり、前記第４のアクチュエータは、前記第３のアクチュエータより速い動的応答をもたらすが、前記第３のアクチュエータより小さい範囲の運動をもたらす請求項１２に記載の付加製造装置。
14. 付加製造装置であって、
    造形チャンバと、
    前記造形チャンバ内で下降可能であって、流動可能な材料の層を連続的に前記造形プラットフォーム上に形成することができるような、造形プラットフォームと、
    エネルギービームを生成するための放射線発生装置と、
    前記エネルギービームを各々の層に方向付けて前記材料を選択的に固化するための走査装置であって、
    前記エネルギービームを第１の範囲の角度にわたって第１の寸法範囲内で偏向させるための第１のビーム操縦構成要素と、
    前記エネルギービームを第２の範囲の角度にわたって前記第１の寸法範囲内で偏向させるための第２のビーム操縦構成要素と
    を備え、
    前記第２のビーム操縦構成要素は、前記第１のビーム操縦構成要素より速い動的応答をもたらすが、前記第１の操縦構成要素より小さい範囲の前記エネルギービームの運動をもたらす、走査装置と、
    制御装置であって、前記第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御して、前記レーザビームを前記第１のアクチュエータを使用して前記第１の寸法範囲内で移動させる間同期して、前記第２のアクチュエータの前記より速い動的応答を使用して前記第１の寸法範囲内で前記レーザビームを加速／減速するように構成される、制御装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを制御するように構成され、それにより、前記第１のアクチュエータを作動させて一方向に前記レーザビームの連続動作をもたらすのと同期して、前記第２のアクチュエータは、前記レーザビームが経路に沿って一連のスタッカート運動で移動するように振動動作をもたらすように作動される、付加製造装置。
15. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の付加製造装置を使用して部材を製造するための方法であって、
    流動可能な材料の層を造形プラットフォーム上に堆積するステップと、
    走査装置を作動させて前記レーザビームを各層の選択された領域上で走査して、前記材料を前記選択された領域内で固めるステップと
    を含み、
    前記レーザビームは、前記レーザビームを前記第１の寸法範囲内で前記第１のアクチュエータを使用して移動させるのと同期して、前記第２のアクチュエータのより速い動的応答を使用して前記第１の寸法範囲内で加速／減速される、付加製造装置を使用して部材を製造する方法。
16. 命令が記憶されたデータキャリアであって、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の付加製造装置の制御装置によって実行されたとき、前記付加製造装置に請求項１５の方法を実施させるデータキャリア。

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