JP6901470B2 - 粉末床レーザー溶融による積層造形システム及び積層造形プロセス - Google Patents

Description

本発明は、粉末床レーザー溶融による積層造形システム及び積層造形プロセスに関する。本発明の分野は、レーザー光溶融（Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｍｅｌｔｉｎｇ：ＬＢＭ）型、選択的レーザー溶融（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ；ＳＬＭ）型、又は選択的レーザー焼結（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ＳＬＳ）型の粉末床レーザー溶融による積層造形である。

実際には、上記プロセスを実施して製造される部品の形状精度及び表面状態は、使用する粉末の粒径、溶融・硬化する粉末層の厚さ（粉末粒子数個程度）及び粒子間における溶接ビードの生成精度によって制限される。これらの制限が、上記プロセスの発展を遅らせている。

機能性部品を得るためには、修正作業が頻繁に必要となる。修正技術としては、切削工具による加工、サンドブラスティング、電解エッチング、サンディング、研磨などが知られている。しかし、このような作業は、時間を要し、また、余計なコストがかかることを意味する。また、このような作業は、例えば部品の内面など実施が不可能な場合もある。

特許文献１は、粉末床レーザー溶融ではなく、レーザー光線の束に材料を噴霧する積層造形システム及び積層造形プロセスの様々な実施例を記載している。このシステムは、２つのレーザー部を備え、それぞれに光学部が設けられて、各光線が異なる光路を通って集束する。このようなシステムは、粉末床レーザー溶融用に設計されていない。さらに、構造が複雑で、加工精度に欠ける。

特許文献２は、粉末の噴霧・溶融による積層造形システム及び積層造形プロセスの様々な実施例を開示している。第１の実施例によれば、このプロセスは、前述のように、レーザー光線の束に材料を噴霧することを含む。第２の実施例によれば、このプロセスは、粉末を隣接する一連の粉末の円として噴霧し、レーザー光線によって一周ずつ部分的に溶融することを含む。このようなシステムは、粉末床レーザー溶融用に設計されていない。

国際公開ＷＯ２０１５／０１２９９２ 国際公開ＷＯ２０１５／１８１７７２

本発明の目的は、前述の欠点を改善させる積層造形システム及び積層造形プロセスを提案することにある。

そのため、本発明の目的は、粉末床のレーザー溶融による積層造形システムである。このシステムは、第１のレーザー光線を選択的に出射して粉末床を溶融することにより少なくとも１つの材料層を形成する第１のレーザー部と、第２のレーザー光線を選択的に出射して材料層の少なくとも一部を加工する第２のレーザー部と、第１のレーザー光線を溶融対象の粉末床に集束させ、且つ、第２のレーザー光線を加工対象の材料層に集束させることが可能な光学部とを備えることを特徴とする。このシステムは、溶融されて加工された材料層を連続的に積層することにより部品を製造できる。

このため、本発明は、製造される部品の形状精度及び表面状態を向上させることができる。第１のレーザー部の作用により粉末床を溶融・硬化して形成された各材料層は、第２のレーザー部の作用によりそのまま加工できる。上記レーザー加工は選択的である。つまり、形成された各材料層は、製造する部品の特徴により、加工されるか否かが選択可能である。最後の部分では、加工用光線の光路と溶融用光線の光路とが合わせられることにより、高い加工精度が得られ、また、システム構成が簡略化される。

本発明に係るシステムの、単独又は組み合わせたその他の好適な特徴によれば、
− 粉末は、プラスチック材料、セラミック材料、又は金属材料である。
− 第１のレーザー部は、連続レーザー光源を備える。
− 第２のレーザー部は、パルスレーザー光源を備える。
− パルスレーザー光源は、数フェムト秒から数十ピコ秒程度の長さのパルスを生成する。
− パルスレーザー光源は、３００フェムト秒から９００フェムト秒の間の長さのパルスを生成する。
− 光学部は、二軸スキャナと集束レンズとを備える。
− システムは、第１のレーザー光線又は第２のレーザー光線を光学部に選択的に誘導するよう構成された、光線誘導用の可動誘導手段を更に備える。

本発明の他の目的は、粉末床のレーザー溶融による積層造形プロセスである。このプロセスは、
ａ） 第１のレーザー光線の作用下で粉末床を溶融することにより少なくとも１つの材料層を形成することを含む形成ステップと、
ｂ） 第２のレーザー光線の作用下で材料層の少なくとも一部を加工することを含む加工ステップとを交互に備え、
溶融されて加工された材料層を連続的に積層することにより部品を製造する。

本発明に係るプロセスの、単独又は組み合わせたその他の好適な特徴によれば、
− 形成ステップにおいて、第１のレーザー光線を、連続レーザー光源を備える第１のレーザー部によって生成する。
− 加工ステップにおいて、第２のレーザー光線を、パルスレーザー光源を備える第２のレーザー部によって生成する。
− プロセスの間の少なくとも１つの加工ステップにおいて、第２のレーザー光線を用いて部品にテクスチャリング又は表面機能化を施す。
− プロセスの最後の加工ステップにおいて、第２のレーザー光線を用いて部品に表面テクスチャリング又は表面機能化を施す。
− 形成ステップ及び加工ステップにおいて、レーザー光線を、単一の光学部によって、溶融対象の粉末床上、或いは、加工対象の材料層上に集束させる。
− 形成ステップと加工ステップとの間において、可動誘導手段を、光学部の上流で、光線の共通の光路上に移動させ、２つのレーザー部が出射したそれぞれの光線が、スキャナを介して部品に向けられるようにする。

非制限的なごく一例としての以下の説明を添付の図面を参照して読むことにより、本発明をよりよく理解できるだろう。

図１は、本発明に係る積層造形システムの概略図であり、同じく本発明に係る積層造形プロセスの第１のステップを示す。 図２は、上記システムの概略図であり、上記プロセスの第２のステップを示す。

図１及び図２は、粉末床２のレーザー溶融によって部品を製造可能な積層造形システム１を示す。

システム１は、２つのレーザー部１０，２０と、光学部３０と、誘導機構４０とを備える。システム１は、簡便のため図示はしないが、基板３に粉末床２を堆積させる装置を更に備える。有利には、システム１を構成するこれらの要素は、比較的簡素且つ小型の構成を有する単一の装置として一体化できる。

第１のレーザー部１０は、コリメータを構成する第１のアフォーカル拡大装置１６に対して光ファイバー１４で接続された連続レーザー光源１２を備える。レーザー部１０は、粉末床２を溶融するためのレーザー光線Ｆ１を選択的に生成するよう設計されている。

第２のレーザー光線２０は、コリメータを構成する第２のアフォーカル拡大装置２６と連携するパルスレーザー光源２２を備える。レーザー部２０は、レーザー部１０が粉末床２を溶融することにより得られた材料層を加工するためのレーザー光線Ｆ２を選択的に生成するよう設計されている。ある実施例では、レーザー部２０は、部品の表面テクスチャリングや表面機能化を施すよう設計されている。上記表面機能化では、例えば、部品の内側や表面に対して、ナノ構造を作成することにより疎水性を付与することが可能となる。光源２２は、（数フェムト秒から数十ピコ秒程度の長さの）超短パルスを生成し、高ピーク出力（数十から数百マイクロジュール）を有する。このパルスは、３００フェムト秒から９００フェムト秒の間の長さのパルスであることが好ましい。フェムト秒レーザーの利点は、材料に対する熱的効果が極めて低いという点、及び、ミクロンレベルのパターニングを可能とする点である。

光学部３０は、集束レンズ３４に連結された二軸スキャナ３２を備える。光学部３０は、上流でスキャナ３２が受けたレーザー光線Ｆ１又はＦ２を、下流でレンズ３４が集束して、レーザー光線Ｆ１０又はＦ２０として粉末床２又は粉末床２の溶融により得られた材料層の正確な位置に選択的に向けるよう設計される。換言すると、同光学部３０は、レーザー光線Ｆ１０とレーザー光線Ｆ２０とを、溶融対象の粉末床２と加工対象の材料層との上に交互に集束させることを可能とする。

誘導機構４０は、レーザー部２０が出射したレーザー光線Ｆ２を光学部３０に誘導するために設けられる。図１及び図２の例では、誘導機構４０は、２つの相反する方向Ｄ１及び方向Ｄ２に沿って並進移動可能なミラー４２を備える。より具体的には、ミラー４２は、スキャナ３２と装置１６，２６との間に位置する領域において、光線Ｆ１の光路から離れるように、また、光線Ｆ２の光路上に位置するように移動可能である。

好ましくは、光源１２及び２２は、レーザー光線Ｆ１及びＦ２の波長が近くなるように選択される。よって、スキャナ３２の光学要素とレンズ３４の光学要素とに施される処理は、光線Ｆ１及びＦ２の両方に適したものである。例えば、光線Ｆ１及びＦ２はそれぞれ、１０３０ｎｍから１０８０ｎｍの間の波長を有する。

光線Ｆ１及びＦ２の波長が互いに大きく異なる場合は、スキャナ３２の光学要素とレンズ３４の光学要素とが、それぞれの波長用に特別な処理を受ける。この場合、誘導機構４０が固定ダイクロイック板を含み得る。例えば、光線Ｆ１が１０６０ｎｍから１０８０ｎｍの間の波長を有し、光線Ｆ２が８００ｎｍから１０３０ｎｍの間の波長を有する。

本発明の積層造形プロセスは、以下に詳述するように、ステップ１００とステップ２００とが交互に行われるシーケンスを含む。

まず、粉末床２が基板３上に堆積される。好ましくは、粉末床は、基板３上に均一に広げられる。または、粉末床は、異なる厚さで基板３上に広げられてもよい。

図１に示すステップ１００は、基板３に堆積された粉末床２を溶融することにより材料層を形成することを含む。レーザー部１０が連続レーザー光線Ｆ１を出射し、該レーザー光線Ｆ１は、装置１６により適切な直径にコリメートされ、光学部３０に送られる。スキャナ３２により、集束レンズ３４の手前で光線Ｆ１の進行方向が変更される。光学部３０は、部品を構築するための経路に沿って、集束したレーザー光線Ｆ１０を粉末床２上に向けて粒子を溶融することにより１以上の材料層を形成する。この部品を取り囲む未溶融の粉末は、該部品及び後続の粉末床のための支持体として用いられ得る。

図２に示すステップ２００は、ステップ１００にて形成された最後の材料層の少なくとも一部を加工することを含む。ステップ２００の最初において、ミラー４２が、方向Ｆ２に沿って並進して、光線Ｆ２の光路上に位置する。レーザー部２０がレーザー光線Ｆ２を出射し、該レーザー光線Ｆ２は、装置２６によって適切な直径にコリメートされ、その進行方向がミラー４２によって光学部３０へと向けられる。ミラー４２の位置調整により、光線Ｆ２を光線Ｆ１と同じ光路に沿って送ることが可能となる。光線Ｆ２は、集束レンズ３４の手前でスキャナ３２によってその進行方向が変更される。光学部３０は、加工対象の材料層に集束されたレーザー光線Ｆ２０を加工対象の輪郭又は領域上で移動させる。したがって、ステップ２００は、部品を構築するための経路に沿って、材料層が綺麗な切り口を得ることを可能とする。ある実施例では、ステップ２００は部品の表面のテクスチャリング又は機能化を含む。ステップ２００の最後において、ミラー４２は、方向Ｄ１に沿って並進して、光線Ｆ１の光路から外れる。

ステップ１００及びステップ２００は、部品を完成させるのに必要な回数だけ交互に繰り返される。各ステップ１００の前に、１以上の層が堆積されて、直前のステップ２００で得られた材料層の上に粉末床２が形成される。

有利には、プロセスを構成するステップ１００及びステップ２００のシーケンスは、システム１の実施により達成され得る。

実際には、システム１は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で図１及び図２とは異なる方法で適応させてもよい。

変形例（不図示）として、光源２２を、光ファイバーによって装置２６に接続してもよい。

別の変形例（不図示）において、誘導機構４０は、並進移動可能なミラー４２でなくてもよい。例えば、機構４０は、回転可能なミラー４２を備えてもよい。別の例では、機構４０は、少なくとも１つの固定ミラーと少なくとも１つの可動ミラーとを含むミラー群を備えてもよい。

別の例では、機構４０は、光線Ｆ２の光路から離れ、また、光線Ｆ１の光路上に位置するように構成されてもよい。別の例において、レーザー光源１２，２２が偏光源である場合、誘導機構４０は、偏光キューブを備えてもよい。上記別の例において、光線Ｆ１及びＦ２が互いに大きく異なる波長を有する場合、誘導機構４０は、固定ダイクロイック板を備えてよい。

さらに、上述の各種実施例及び変形例の技術的特徴同士を、全体的又は部分的に組み合わせてもよい。したがって、システム１は、コスト面、機能面、及び性能面で適応可能である。

Claims (14)

1. 粉末床（２）のレーザー溶融による積層造形システム（１）において、前記システム（１）は、
   − 第１のレーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０）を選択的に出射して前記粉末床（２）を溶融することにより少なくとも１つの材料層を形成する第１のレーザー部（１０）と、
   − 第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）を選択的に出射して前記材料層の少なくとも一部を加工する第２のレーザー部（２０）と、
   − 前記第１のレーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０）を溶融対象の前記粉末床（２）に集束させ、且つ、前記第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）を加工対象の前記材料層に集束させることが可能な単一の光学部（３０）とを備え、
   前記システム（１）は、溶融されて加工された材料層を連続的に積層することにより部品を製造でき、最後の部分では、加工用光線の光路と溶融用光線の光路とが合わせられることを特徴とするシステム（１）。
2. 前記第１のレーザー部（１０）が、連続レーザー光源（１２）を備える
   ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１）。
3. 前記第２のレーザー部（２０）が、パルスレーザー光源（２２）を備える
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のシステム（１）。
4. 前記パルスレーザー光源（２２）が、数フェムト秒から数十ピコ秒程度の長さのパルスを生成する
   ことを特徴とする、請求項３に記載のシステム（１）。
5. 前記パルスレーザー光源（２２）が、３００フェムト秒から９００フェムト秒の間の長さのパルスを生成する
   ことを特徴とする、請求項３又は４に記載のシステム（１）。
6. 前記光学部（３０）が、二軸スキャナ（３２）と集束レンズ（３４）とを備える
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム（１）。
7. 前記第１のレーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０）又は前記第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）を前記光学部（３０）に選択的に誘導するよう構成された可動誘導手段（４０）を更に備える
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム（１）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム（１）を使用する、粉末床（２）のレーザー溶融による積層造形プロセスにおいて、
   − 第１のレーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０）の作用下で前記粉末床（２）を溶融することにより少なくとも１つの材料層を形成することを含む形成ステップ（１００）と、
   − 第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）の作用下で前記材料層の少なくとも一部を加工することを含む加工ステップ（２００）とを交互に備え、
   溶融されて加工された材料層を連続的に積層することにより部品を製造することを特徴とするプロセス。
9. 前記形成ステップ（１００）において、前記第１のレーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０）を、連続レーザー光源（１２）を備える第１のレーザー部（１０）によって生成する
   ことを特徴とする、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記加工ステップ（２００）において、前記第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）を、パルスレーザー光源（２２）を備える第２のレーザー部（２０）によって生成する
    ことを特徴とする、請求項８又は９に記載のプロセス。
11. 前記プロセスの間の少なくとも１回の前記加工ステップ（２００）において、前記第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）を用いて前記部品に表面テクスチャリング又は表面機能化を施す
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のプロセス。
12. 前記プロセスの最後の前記加工ステップ（２００）において、前記第２のレーザー光線（Ｆ２，Ｆ２０）を用いて前記部品に表面テクスチャリング又は表面機能化を施す
    ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 前記形成ステップ（１００）及び前記加工ステップ（２００）において、前記レーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０；Ｆ２，Ｆ２０）を、単一の光学部（３０）によって、溶融対象の前記粉末床（２）上、或いは、加工対象の前記材料層上に集束させる
    ことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記形成ステップ（１００）と前記加工ステップ（２００）との間において、可動誘導手段（４０）を、前記光学部（３０）の上流で、前記レーザー光線（Ｆ１，Ｆ１０；Ｆ２，Ｆ２０）の共通の光路上に移動させる
    ことを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。

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