JP6880110B2 - ３次元の物体を付加製造する装置及び３次元の物体を付加製造する装置を構成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体を付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）するための装置に関し、この装置は、造形平面の少なくとも一部にわたってエネルギービームで走査するように構成された走査ユニットを備える。

そのような装置は、従来技術からよく知られており、造形材料層の領域を選択的に照射および固化するために、エネルギービーム、たとえばレーザビームまたは電子ビームが使用される。したがって、造形材料層を選択的に連続して照射することによって、物体を製造することができる。それぞれの造形材料層の事前に選択された領域の選択的な照射を実行するために、典型的には、造形平面の少なくとも一部にわたってエネルギービームで走査するように構成された走査ユニットが提供される。この印加中の造形平面は、造形材料が配置され、エネルギービームによって照射および固化することができる平面である。

造形平面にわたってエネルギービームで走査することができ、エネルギービームが事前定義された焦点位置内または事前定義された焦点（もしくは焦点外れ）内に集束されることを保証するために、エネルギービームの焦点位置の較正が必要である。典型的には、造形材料、特に造形平面内に位置する造形材料を搬送する搬送ユニットが、ｚ方向、すなわち上下に可動である。エネルギービームが造形平面内に集束されるエネルギービームの最適の焦点位置を見出すために、較正ルーチンが実行され、搬送ユニットが異なる対応するｚ位置に配置された状態で、エネルギービームによって複数のパターンが照射される。次に、異なるｚ方向に照射されたパターンが比較され、最良の焦点位置を有するパターンが、対応するパターンが照射された造形平面のｚ位置を決定すると評価される。

本発明の目的は、エネルギービームの較正が改善された、３次元の物体を付加製造するための装置を提供することである。

この目的は、本発明において、請求項１に記載の装置によって実現される。有利な実施形態は、従属請求項に準拠する。

本発明は、集束ユニット（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）が提供され、集束ユニットは、造形平面に対する、集束ユニットの少なくとも１つの光学部品の位置決めおよび／または集束ユニットの位置決めを介して、エネルギービームの焦点位置を制御するように構成されるという概念に基づいている。本発明によって、造形平面を動かすことによってエネルギービームの焦点位置を較正することに対する追加または代替として、集束ユニットを使用してエネルギービームの焦点位置を制御することが有利であることが認められた。したがって、焦点位置の変更が集束ユニットのみによって実行されまたは実行することができるため、造形平面は、較正ルーチン全体にわたって定位置に留まることができる。集束ユニットは、少なくとも１つの光学部品を備え、造形平面に対する少なくとも１つの光学部品の位置決めを介して、または造形平面に対する集束ユニット自体の位置決めを介して、エネルギービームの焦点位置を変えることができ、集束ユニット内の光学部品の位置は、一定のままとすることができる。

したがって、較正ルーチン全体にわたって、集束ユニットまたは集束ユニットの光学部品が異なる位置、特に異なるｚ位置にある状態で、少なくとも２つ（または複数）の露出を行うことができる。この印加中の集束ユニットの光学部品（光学構成要素）として、エネルギービームの広がり（収束または分散の程度）、すなわちエネルギービームが収束しているか、それとも分散しているかを変化させるように構成されたすべての光学部品を使用することができる。したがって、たとえば（電磁）レンズまたは（調整可能な）鏡など、任意の光学部品を使用することができる。したがって、造形平面をエネルギービームの焦点位置内へ動かすのではなく、画定された焦点（または焦点外れ）で造形平面内の造形材料を照射することができるように、エネルギービームの焦点位置を造形平面内へ動かす必要がある。

本明細書に記載する装置は、エネルギービームによって固化することができる粉末状の造形材料（「造形材料」）層を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体、たとえば技術的な構成要素を付加製造する装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、またはポリマーの粉末とすることができる。それぞれのエネルギービームは、レーザビームまたは電子ビームとすることができる。それぞれの装置は、たとえば、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ溶融装置、または選択的電子ビーム溶融装置とすることができる。

この装置は、その動作中に使用される複数の機能ユニットを備える。例示的な機能ユニットには、プロセスチャンバ、プロセスチャンバ内に配置された造形材料層を少なくとも１つのエネルギービームで選択的に照射するように構成された照射デバイス、および所与の流動特性、たとえば所与の流動プロファイル、流速など、でプロセスチャンバを通って少なくとも部分的に流れるガス状流体流を生成するように構成された流れ生成デバイスが挙げられる。ガス状流体流は、プロセスチャンバを通って流れる間に、固化されていない粒状の造形材料、特に装置の動作中に生成される煙または煙残留物で充填することが可能である。ガス状流体流は、典型的には不活性であり、すなわち典型的には不活性ガス、たとえばアルゴン、窒素、二酸化炭素など、の流れである。

この装置の第１の実施形態によれば、エネルギービーム源および／または集束ユニットが、この装置の特に造形チャンバ内の造形モジュールの画定された点に対して、エネルギービームの焦点位置を変化させるように構成された少なくとも１つの較正手段を伴う。したがって、たとえば調整ねじを介した走査ユニットまたは集束ユニットの位置の較正など、知られている較正方法と組み合わせて、集束ユニットによる焦点位置の変更を使用することができる。

集束ユニットは、少なくとも１つの光学レンズまたはレンズ系を備えることが、特に好ましい。レンズまたはレンズ系を介して、エネルギービームの焦点位置を変化させることが可能になる。したがって、レンズまたはレンズ系のレンズは、集束ユニットに対して、すなわち造形平面に対して可動である。レンズまたはレンズ系のレンズから造形平面までのエネルギービームの光路長を変動させることによって、エネルギービームの焦点位置を変えることができる。したがって、造形平面の位置ではなくエネルギービームの焦点位置が変化されるため、較正ルーチンにおいて造形平面を動かすことを省くことができる。

この装置の好ましい実施形態によれば、集束ユニットおよび／または走査ユニットを制御するように構成された制御ユニットが提供され、制御ユニットは、少なくとも１つの焦点決定ユニットの較正情報を受け取るように構成される。この実施形態によれば、焦点決定ユニットを介して、たとえば光センサ、特に造形平面上の露出パターンを記録するカメラを介して、エネルギービームの焦点または焦点位置を決定することができる。焦点決定ユニットによって決定され、制御ユニットによって受け取られる情報に応じて、エネルギービームの焦点位置を制御することができる。

さらに、焦点位置または焦点距離のオフセットを画定する焦点シフトが、制御ユニットへ供給可能である。したがって、エネルギービームの焦点位置または集束ユニットの少なくとも１つの光学部品の焦点距離にオフセットを加えることを可能にする焦点シフトを画定することができる。これにより、画定された焦点外れで造形材料層を選択的に照射することが可能になり、その結果、造形材料層の照射領域内への画定されたエネルギー入射を実現することができる。

さらに、本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体を付加製造するための装置を較正する方法に関し、本発明においては、エネルギービームの焦点位置が制御される。従来技術から知られている較正方法とは異なり、エネルギービームの焦点位置を一定のままにして造形平面の位置、すなわち搬送要素の位置を変動させるのではなく、エネルギービームの焦点位置が制御される。

この装置に関して記載するすべての詳細、特徴、および利点は、本発明の方法に移行可能であり、逆も同様であることが自明である。本発明の方法は、好ましくは、上述した本発明の装置を較正するために使用することができる。

特に好ましくは、３次元の物体を付加製造するための装置を較正する方法は、
・エネルギービームの現在の焦点位置を決定するステップと、
・標的焦点位置を決定するステップと、
・標的焦点位置に対する現在の焦点外れを決定するステップと、
・現在の焦点位置を標的焦点位置へ移動させるように、少なくとも１つの光学部品のパラメータ、特に造形平面に対する光学部品の距離を制御するステップと、を含む。

この実施形態によれば、第１に、エネルギービームの現在の焦点位置が決定される。焦点位置は、たとえば、焦点位置決定ユニット、特にフォトセンサ、たとえばカメラを介して測定することができる。その後、現在の造形ジョブ、特に層のうち現在照射すべき領域に応じて、標的焦点位置が決定される。

決定された現在の焦点位置および標的焦点位置によって、標的焦点位置に対する現在の焦点外れが評価される。次に、現在の焦点位置を標的焦点位置へ移動させるように、少なくとも１つの光学部品のパラメータが制御される。パラメータは、たとえば、造形平面からの光学部品の距離とすることができ、エネルギービームの焦点位置は、造形平面から活動中の（可動の）光学部品までの距離を変動させることによって変えられる。また、少なくとも１つの光学部品の焦点距離、たとえば調整可能な鏡の焦点距離を変化させることも可能である。

本発明の例示的な実施形態について、図を参照して説明する。

例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の原理図である。

唯一の図は、エネルギービーム４、５によって固化することができる造形材料層３を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体２を付加製造するための装置１を示し、装置１は、造形平面７にわたってエネルギービーム４、５で走査するように構成された走査ユニット６を備える。造形平面７は、装置１の造形モジュール９内を搬送要素８によって搬送される造形材料３の上面である。造形材料層３がエネルギービーム４、５によって照射された後、塗布ユニット１０、たとえば被覆装置（コーター）を介して、新しい造形材料３を投与モジュール１１から造形平面７へ運ぶことができる。装置１は、塗布ユニット１０を介して運ばれる余分な造形材料３を受け取る溢流モジュール１２をさらに備える。

さらに、この図は、エネルギービーム４、５を示し、エネルギービームの第１の較正には参照符号４が提供され、それによって焦点位置１３が造形平面７内に位置する。したがって、エネルギービーム４は、造形平面７上に集束される。この図はまた、較正されていないエネルギービームを示し、この較正されていないエネルギービームには参照符号５が提供され、エネルギービーム５の焦点位置１４は、造形平面７より下に位置し、その結果、エネルギービーム５は、造形平面７に対して焦点（集束）が外れている（焦点外れ）。

エネルギービーム５を較正するために、焦点位置１４を焦点位置１３へ移動させるようにエネルギービーム５の焦点位置１４を制御するように構成された集束ユニット１５が提供され、その結果、較正されたエネルギービーム４が得られる。さらに、画定された焦点外れを加えること、したがってエネルギービーム４、５の焦点位置１３、１４を画定されたオフセット位置へシフトさせることも可能である。

装置１は、エネルギービーム４、５の焦点もしくは焦点外れに関するおよび／またはエネルギービーム４、５の焦点位置１３、１４に関する較正情報を生成するように構成された焦点決定ユニット１６をさらに備える。較正情報は、集束ユニット１５および走査ユニット６を制御して、エネルギービーム４、５、特に造形平面７上のエネルギービーム４、５の位置および焦点位置１３、１４を制御するように構成された制御ユニット１７によって、それぞれ送ることができまたは受け取ることができる。

焦点位置１３、１４は、集束ユニット１５の光学部品（図示せず）が造形平面７に対して位置決めされ、かつ／または集束ユニット１５が造形平面７に対して位置決めされるという点で、集束ユニット１５を介して制御することができる。

Claims (9)

1. エネルギービーム（４、５）によって、造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）であって、
   粉末状の造形材料層によって画定された造形平面（７）の少なくとも一部にわたって前記エネルギービーム（４、５）で走査するように構成された走査ユニット（６）と、
   光学レンズまたはレンズ系を含む集束ユニット（１５）と、
   を含み、
   前記集束ユニット（１５）は、
   少なくとも部分的に較正情報に基づいて前記エネルギービーム（４、５）の焦点位置（１３、１４）を制御するように構成され、
   少なくとも部分的には、標的焦点位置に対するエネルギービームの画定された焦点外れを引き起こすために、前記画定された焦点外れは、粉末状の造形材料層の少なくとも１つの照射領域に画定されたエネルギ入射を与えるように選択され、
   前記エネルギービーム（４、５）の焦点位置を変更することなく、前記造形平面（７）に対してｚ方向に集束ユニット（１５）を移動させることによって、前記焦点位置（１３、１４）を制御し、
   前記エネルギービーム（４、５）は、付加的に製造された３次元物体を形成するために粉末状の造形材料層を連続的に照射し、固化するように構成されている、
   装置。
2. 造形モジュール（９）を含み、
   前記集束ユニット（１５）が、前記造形モジュール（９）の画定された点に対して、前記エネルギービーム（４、５）の前記焦点位置を変化させるように、前記造形平面（７）に対して、前記ｚ方向に、移動するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも部分的に較正情報に基づいて、前記造形平面（７）に対して、前記ｚ方向に、前記集束ユニット（１５）を移動するように構成されている制御ユニット（１７）を含む、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 前記較正情報を決定するように構成されている焦点決定ユニット（１６）を含む、
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記制御ユニット（１７）は、焦点シフトに対応する距離、前記造形平面（７）に対して、前記ｚ方向に、前記集束ユニット（１５）を移動させることにより、少なくとも部分的に、前記造形平面（７）に対して、前記ｚ方向に、焦点位置（１３、１４）のオフセットを画定する前記焦点シフトを加えるように構成されている、
   請求項３に記載の装置。
6. エネルギービーム（４、５）によって、造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）を較正する方法であって、
   少なくとも部分的に較正情報に基づいて造形平面（７）に対してｚ方向に光学レンズまたはレンズ系を含む集束ユニット（１５）を移動し、
   走査ユニット（６）を使用して、前記造形平面（７）の少なくとも一部にわたって前記エネルギービーム（４、５）で走査し、
   前記造形平面は、粉末状の造形材料層によって画定され、
   前記エネルギービーム（４、５）の焦点距離を変化させることなく、前記集束ユニットで、前記エネルギービーム（４、５）の焦点位置（１３、１４）を制御し、
   少なくとも部分的には、標的焦点位置に対するエネルギービームの画定された焦点外れを引き起こすために、前記画定された焦点外れは、粉末状の造形材料層の少なくとも１つの照射領域に画定されたエネルギ入射を与えるように選択され、
   前記エネルギービーム（４、５）は、付加的に製造された３次元物体を形成するために粉末状の造形材料層を連続的に照射し、固化するように構成されている、
   方法。
7. 前記エネルギービーム（４、５）の現在の焦点位置（１３、１４）を決定し、
   前記エネルギービーム（４、５）の標的焦点位置（１３、１４）を決定し、
   前記エネルギービーム（４、５）の前記標的焦点位置（１３、１４）で、前記エネルギービーム（４、５）の前記焦点位置（１３、１４）を検出するように、前記エネルギービーム（４、５）の前記焦点距離を変化させることなく、前記造形平面（７）に対して、前記ｚ方向に、前記集束ユニット（１５）を移動させる、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記エネルギービーム（４、５）の現在の焦点外れを決定し、
   前記エネルギービーム（４、５）の標的焦点外れを決定し、
   前記エネルギービーム（４、５）の標的焦点位置（１３、１４）を決定し、
   前記エネルギービーム（４、５）の前記標的焦点位置は、前記エネルギービーム（４、５）の前記標的焦点外れに対応する調整を含み、
   前記エネルギービーム（４、５）の前記標的焦点外れに対応する前記調整を含む前記エネルギービーム（４、５）の前記標的焦点位置（１３、１４）で前記エネルギービーム（４、５）の前記焦点位置（１３、１４）を検出するように、前記エネルギービーム（４、５）の前記焦点距離を変化させることなく、前記造形平面（７）に対して、前記ｚ方向に、前記集束ユニット（１５）を移動させる、
   請求項６または請求項７に記載の方法。
9. 請求項１〜５の何れか１項に記載の装置（１）のエネルギービーム（４、５）の前記焦点位置（１３、１４）を較正することを含む、請求項６〜請求項８の何れか１項に記載の方法。

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