JP7130596B2

JP7130596B2 - 造形物を製造するためのａｍ装置およびａｍ装置におけるビームの照射位置を試験する方法

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Publication number: JP7130596B2
Application number: JP2019095153A
Authority: JP
Inventors: 弘行篠崎
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2022-09-05
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: CN113874142B; CN113874142A; EP3974084A1; WO2020235204A1; JP2020190009A; EP3974084A4; US20220212261A1

Description

本願は、造形物を製造するためのＡＭ装置およびＡＭ装置におけるビームの照射位置を試験する方法に関する。

三次元物体を表現したコンピュータ上の三次元データから、三次元物体を直接的に造形する技術が知られている。たとえば、Additive Manufacturing（ＡＭ）（付加製造）法が知られている。一例として、金属紛体を用いるＡＭ法においては、敷き詰められた金属紛体に対して、造形する部分に熱源であるレーザービームや電子ビームを照射して、金属紛体を溶融・凝固または焼結させることで三次元物体の各層を造形する。ＡＭ法においては、このような工程を繰り返すことで、所望の三次元物体を造形することができる。

特表２０１６－５３４２３４号公報特開２０１７－７７６７１号公報

ＡＭ法においては、造形対象である三次元物体を表現した三次元ＣＡＤデータから、各層ごとにレーザービームや電子ビームの照射位置やビーム軌跡などの実行データを作成する。ＡＭ装置は、コンピュータ制御により作成された実行データに基づいて、自動的に積層造形を行う。そのため、造形用に作成した実行データの検証は、実際に造形することで確認されることになる。コンピュータ上の仮想空間で造形のシミュレーションを実行することはできるが、実際のＡＭ装置の動作や、照射されたビームの位置などは、実際にＡＭ装置を動作させなければ検証することはできない。

実際に造形物を製造している途中にＡＭ装置の不具合や、作成された実行データにエラーがあると、意図した通りの造形物が出来なかったり、ＡＭ装置が造形の途中で停止したりすることがある。そうすると、材料や不具合を解消してから再び造形をやり直すことになり、材料や時間などが無駄になる。また、製造する造形物が大きくなれば、造形のやり直しの際の無駄が大きくなる。そこで、本願は、実際に造形を行う前に、ＡＭ装置を動作させて実行データおよびＡＭ装置の動作を検証する技術を提供することを１つの目的としている。

一実施形態によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、かかるＡＭ装置は、造形物を製造するための空間を画定するチャンバと、前記チャンバ内に配置される、造形物の材料を支持するベースプレートと、前記ベースプレート上の材料にビームを照射するためのビーム源と、造形物の三次元データからビームの照射位置を決定する計算機と、決定された照射位置に従ってビームを移動させる走査機構と、前記チャンバ内に照射されたビームの照射位置を検出するための検出器と、決定された照射位置と、検出された照射位置とを比較する評価機と、を有する。

一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。一実施形態による、空ＡＭ工程を行っているＡＭ装置を概略的に示す図である。一実施形態による、空ＡＭ工程を行う手順を示すフローチャートである。一実施形態による、ビームと検出器との位置合わせを行うときの様子を示す概略図であり、検出器の検出範囲とビームの走査範囲を示す図である。一実施形態による、ＡＭ装置を用いたＡＭ工程を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る造形物を製造するためのＡＭ装置の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、プロセスチャンバ１０２を含む。プロセスチャンバ１０２の底面１０４には、ビルドアップチャンバ１０６が取り付けられている。ビルドアップチャンバ１０６には、リフトテーブル１０８が設置されている。リフトテーブル１０８は、駆動機構１１０により上下方向（ｚ方向）に移動可能である。駆動機構１１０はたとえば、空圧式、油圧式の駆動機構としてもよく、モータおよびボールねじからなる駆動機構としてもよい。なお、図示しないが、プロセスチャンバ１０２に保護ガスを導入および排出するための入口および出口を配置してもよい。

一実施形態において、図１に示されるように、リフトテーブル１０８の上には、ＸＹステージ１１２が配置される。ＸＹステージ１１２は、リフトテーブル１０８の平面に平行な二方向（ｘ方向、ｙ方向）に移動可能なステージである。ＸＹステージ１１２の上には、造形物の材料を支持するためのベースプレート１１４が配置される。

プロセスチャンバ１０２内において、ビルドアップチャンバ１０６の上方に、造形物の材料を供給するための、材料供給機構１５０が配置されている。材料供給機構１５０は、造形物の材料となる粉末１５２、たとえば金属粉末を保持するための貯蔵容器１５４と、貯蔵容器１５４を移動させるための移動機構１６０と、を備える。貯蔵容器１５４には、材料粉末１５２をベースプレート１１４上に排出するための開口１５６を備える。開口１５６は、たとえば、ベースプレート１１４の一辺より長い直線状の開口１５６とすることができる。この場合、移動機構１６０を、開口１５６の直線に直行する方向にベースプレート１１４の他方の辺より長い範囲で移動させるように構成することで、ベースプレート１１４の全面に材料粉末１５２を供給することができる。また、貯蔵容器１５４は、開口１５６の開閉を制御するための弁１５８を備える。

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、レーザー光源１７０、およびレーザー光源１７０から発されたレーザー１７２をベースプレート１１４上の材料粉末１５２に向けて案内する走査機構１７４を備える。図示の実施形態において、レーザー光源１７０および走査機構１７４は、プロセスチャンバ１０２内に配置されている。走査機構１７４は、任意の光学系から構成することができ、ベースプレート１１４上の造形面（フォーカス面）の任意に位置にレーザー１７２を照射することができるように構成される。

一実施形態において、レーザー光源１７０に変えて、電子ビーム源を使用してもよい。
電子ビーム源を用いる場合、走査機構１７４は磁石等から構成され、ベースプレート１１４上の造形面の任意に位置に電子ビームを照射することができるように構成される。

図１に示される実施形態において、ＡＭ装置１００は制御装置２００を有する。制御装置２００は、ＡＭ装置１００の各種の動作機構、たとえば上述の駆動機構１１０、移動機構１６０、レーザー光源１７０、走査機構１７４、開口１５６の弁１５８などの動作を制御するように構成される。制御装置２００は、一般的なコンピュータまたは専用コンピュータから構成することができる。

図１に示される実施形態によるＡＭ装置１００で三次元物体をする場合、概ね、以下の手順で行われる。まず、造形対象物の三次元データＤ１が制御装置２００に入力される。制御装置２００は、入力された造形物の三次元データＤ１から、造形用のスライスデータを作成する。また、制御装置２００は、造形条件やレシピを含む実行データを作成する。すなわち、制御装置２００は、造形物の三次元データＤ１からビームの照射位置を決定する計算機として機能する。造形条件およびレシピは、たとえば、ビーム条件、ビーム走査条件、および積層条件を含む。ビーム条件は、レーザーを使用する場合、レーザー光源１７０の電圧条件やレーザー出力などを含み、また、電子ビームを使用する場合、ビーム電圧やビーム電流などを含む。ビーム走査条件は、走査パターン、走査ルート、走査速度、および走査間隔などを含む。走査パターンとしては、たとえば、一方向に走査する場合、往復方向に走査する場合、ジグザグに走査する場合、小さい円を描きながら横方向に移動する場合などがある。走査ルートは、たとえばどのような順序で走査を行うか、などを決定する。積層条件は、たとえば、材料の種類、粉末材料の平均粒形、粒形状、粒度分布、積層厚さ（造形する際に材料粉末を敷き詰める厚さ）、造形厚さ係数（積層厚さと実際に造形された造形物の厚さとの割合）などを含む。なお、上述の造形条件およびレシピの一部は、入力された造形物の三次元データに応じて作成および変更してもよく、入力された造形物の三次元データにかかわらず予め決定されていてもよい。

貯蔵容器１５４内に造形物の材料となる粉末１５２、たとえば金属粉末を入れる。ビルドアップチャンバ１０６のリフトテーブル１０８を上の位置まで移動させ、ベースプレート１１４の表面が、レーザー１７２のフォーカス面に来るようにする。次に、貯蔵容器１５４の開口１５６の弁１５８を開いて、貯蔵容器１５４を移動させて、材料粉末１５２をベースプレート１１４上に一様に供給する。材料供給機構１５０は、造形物の一層分に相当する（上述の「積層厚さ」に相当する）材料粉末１５２をフォーカス面に供給するように制御装置２００により制御される。次に、レーザー光源１７０からレーザー１７２が発せられ、走査機構１７４により、所定の範囲にレーザー１７２をフォーカス面に照射して、所定の位置の粉末材料を溶融、焼結させて、一層分の造形物Ｍ１を形成する。この時、必要であれば、リフトテーブル１０８の上に配置されているＸＹステージ１１２も移動さて、レーザー１７２の照射位置を変更してもよい。

一層分の造形が終了したら、ビルドアップチャンバ１０６のリフトテーブル１０８を一層分下げる。再び、材料供給機構１５０により、造形物の一層分に相当する材料粉末１５２をフォーカス面に供給する。そして、走査機構１７４によりレーザー１７２をフォーカス面上で走査して、所定の位置の材料粉末１５２を溶融、焼結させて、一層分の造形物Ｍ１を形成する。これらの動作を繰り返すことで、目標とする造形物Ｍ１の全体を粉末１５２から形成することができる。

上述したように、実際に造形物Ｍ１を製造している途中にＡＭ装置の不具合や、作成された実行データにエラーがあると、意図した通りの造形物が出来なかったり、ＡＭ装置が造形の途中で停止したりすることがある。そこで、本開示の一実施形態によるＡＭ装置１００は、ＡＭ装置１００が、実際に造形物を製造できるように動作するかを検証するため
の構成を備える。なお、本明細書において、ＡＭ装置の動作を検証する工程を「空ＡＭ工程（air additive manufacturing process）」と称する。図２は、一実施形態による、空ＡＭ工程を行っているＡＭ装置を概略的に示す図である。なお、空ＡＭ工程は、材料粉末１５２が無い状態で行う。

一実施形態によるＡＭ装置１００は、照射されたビームの照射位置を検出するための検出器２０２を備える。図１に示される実施形態において、検出器２０２はカメラ２０２ａである。カメラ２０２ａは、プロセスチャンバ１０２内に配置されており、レーザー１７２のフォーカス面における走査範囲の全体を撮影可能に配置されている。また、カメラ２０２ａは、レーザー１７２のフォーカス位置を撮影可能なカメラとする。カメラ２０２ａは制御装置２００に接続されており、カメラ２０２ａで撮影したデータは制御装置２００で処理することが可能である。

本実施形態によるＡＭ装置１００は、カメラ２０２ａでレーザー１７２の照射位置を撮影することで、ＡＭ装置の実際の動作、特にレーザーの照射位置および走査軌道を確認することができる。入力された造形物の全ての層におけるレーザー１７２の照射位置および走査軌道を確認することで、入力された造形物を適切に製造できるようにＡＭ装置が動作するかどうかを確認することができる。かかる動作は、材料粉末１５２が無い状態で実行することができるので、実際に材料粉末１５２を使用して造形する前にＡＭ装置１００の動作を確認することができる。

一実施形態において、ＡＭ装置１００は、照射されたビームの照射位置を検出するための検出器２０２として、シート状の二次元の検出器２０２ｂを備えることができる（図２参照）。検出器２０２ｂは、レーザー１７２の光を検出できるものとし、レーザー１７２のフォーカス面における走査範囲の全体をカバーする寸法とすることができる。シート状の検出器２０２ｂをレーザー１７２のフォーカス面に配置することで、上述のカメラ２０２ａと同様に、レーザー１７２の照射位置および走査軌道を確認することができる。

なお、レーザー１７２に代えて電子ビームを用いるＡＭ装置とする場合、カメラ２０２ａは電子ビームを撮影することができるものとし、シート状の検出器２０２ｂは、電子ビームを検出できるものとする。

空ＡＭ工程を行う場合、レーザー１７２または電子ビームの強度は、実際に材料粉末１５２を焼結させるときよりも小さいビーム強度とすることが望ましい。一実施形態において、ＡＭ装置１００は、照射するビームの強度を調整するための調整装置１７１を備える。かかる調整装置１７１は、レーザー光源や電子ビーム源に供給する電力の大きさを調整するように構成することができる。

図３は一実施形態による、空ＡＭ工程を行う手順を示すフローチャートである。まず、制御装置２００に入力された造形対象物の三次元データＤ１から、ＡＭ装置１００で造形するための実行データを作成する。実行データは、ＡＭ装置１００で造形対象物を造形する際の各層におけるビームの照射位置や、造形条件、およびレシピなどを含む。

次に、照射するビームの基準位置とビームの照射位置を検出する検出器２０２の基準位置とを合わせる。図４は、ビームと検出器２０２との位置合わせを行うときの様子を示す概略図であり、検出器２０２の検出範囲とビームの走査範囲を示す図である。図４においては、外側の実線の四角形は検出器２０２の検出範囲２１０であり、具体的にはカメラ２０２ａの撮像領域であり、シート状の検出器２０２ｂの検出範囲である。図４中において破線はビームの走査範囲２１２を示しており、走査機構１７４によりビームを走査可能な範囲である。図４中の一点鎖線は、検出器２０２の検出範囲の中心を示している。

ビームの基準位置と検出器２０２の基準位置との位置合わせを行うには、まず、ビームの走査範囲２１２の全体が検出器２０２の検出範囲２１０に入るように検出器２０２を配置する。次に、ビームの走査範囲２１２の内側の任意の位置に基準マーク２１６を配置する。図４に示される例においては、基準マーク２１６は、ビームの走査範囲２１２の四隅に各々１つ配置されている。基準マークは１つのでもよい。基準マーク２１６をビームの走査範囲２１２の中央に配置してもよい。なお、基準マーク２１６は、ＡＭ装置１００のフォーカス面、たとえばベースプレート１１４の表面に予め設けられた特徴でもよい。

次に、基準マーク２１６の位置にビームを照射し、照射されたビームを検出器２０２で検出する。検出器２０２で検出したビーム位置（検出器２０２上での基準マーク２１６の位置）、およびＡＭ装置１００でビームを照射した位置、たとえば走査機構１７４の動作位置（基準マーク２１６の位置へビームを照射するための走査機構１７４の動作位置）、が分かるので、検出器２０２で検出した任意のビーム位置がＡＭ装置のフォーカス面のどの位置になるかを把握することができるようになる。

ビームと検出器２０２との位置合わせができたら、ＡＭ装置１００を用いて実行データに基づいてビームを照射する。ただし、照射するレーザー１７２または電子ビームの強度は、実際に材料粉末１５２を焼結させるときよりも小さいビーム強度とする。また、空ＡＭ工程においては、造形用の実行データに基づいて、ＸＹステージ１１２も動作させるが、リフトテーブル１０８の高さは変更しない。照射されたビームの位置は検出器２０２で検出される。空ＡＭ工程で検出されたビーム位置と、造形対象物の三次元データとを比較して、評価する。空ＡＭ工程で検出されたビーム位置と、造形対象物の三次元データＤ１とを比較および評価は制御装置２００で行うことができる。すなわち、制御装置２００は、空ＡＭ工程で検出されたビーム位置と、造形対象物の三次元データＤ１とを比較および評価するための評価器として機能する。検出されビーム位置が、造形対象物の三次元データと一致していなければ、実行データまたはＡＭ装置の動作、特に、走査機構１７４の動作にエラーがあると考えられる。検出されビーム位置が、造形対象物の三次元データと一致しておらず、かつ、ＡＭ装置１００が実行データのレシピ通りに動作しているのであれば、実行データの方にエラーがあると考えられる。また、補助的に、コンピュータ上の仮想空間で実行データに基づいて、ＡＭ装置を使用せずに仮想的に造形シミュレーションを実行することで、実行データを検証してもよい。空ＡＭ工程において、検出されビーム位置が造形対象物の三次元データと一致している場合でも、ＡＭ装置１００が意図通りに動作していない場合や、同じ位置が過剰に重複して照射されている場合はＡＭ装置および／または実行データにエラーがあると考えられる。

図５は、一実施形態による、ＡＭ装置を用いたＡＭ工程を示すフローチャートである。まず、造形対象物の三次元データが制御装置２００に入力される。制御装置２００は、造形条件やレシピを含む実行データを作成する。次に、ＡＭ装置は、上述の空ＡＭ工程を実施する。空ＡＭ工程で不具合がなければ、実際のＡＭ工程を実施して造形物を製造する。空ＡＭ工程で不具合があれば、不具合を修正し、再び空ＡＭ工程を実施する。

上述の実施形態によるＡＭ装置においては、造形対象物をＡＭ装置において実際に造形する前に、同一のＡＭ装置を用いて空ＡＭ工程を実施することができるので、ＡＭ装置の誤作動や、造形用データの不具合を製造前に発見することができる。そのため、造形のための材料を消費することなく、ＡＭ装置の動作や造形データ、レシピを検証することができる。ＡＭ装置１００のリフトテーブル１０８を駆動する駆動機構１１０や、ベースプレート１１４上のＸＹステージ１１２、走査機構１７４の動作などは、実際にＡＭ装置１００を動作させてみないと検証できないので、コンピュータ上の仮想シミュレーションではこれらのＡＭ装置１００の駆動機構の不具合を発見できない。本開示による実施形態にお
ける空ＡＭ工程は、実行データだけでなくＡＭ装置の動作機構の動作も検証できる。

以上、いくつかの例に基づいて本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

上述の実施形態から少なくとも以下の技術的思想が把握される。
［形態１］形態１によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、かかるＡＭ装置は、造形物を製造するための空間を画定するチャンバと、前記チャンバ内に配置される、造形物の材料を支持するベースプレートと、前記ベースプレート上の材料にビームを照射するためのビーム源と、造形物の三次元データからビームの照射位置を決定する計算機と、決定された照射位置に従ってビームを移動させる走査機構と、前記チャンバ内に照射されたビームの照射位置を検出するための検出器と、決定された照射位置と、検出された照射位置とを比較する評価器と、を有する。

［形態２］形態２によれば、形態１によるＡＭ装置において、照射するビームの強度を調整するための調整装置を有する。

［形態３］形態３によれば、形態１または形態２によるＡＭ装置において、前記ビーム源は、レーザー源である。

［形態４］形態４によれば、ＡＭ装置におけるビームの照射位置を試験する方法が提供され、かかる方法は、ＡＭ装置で製造する造形物の三次元データを用意するステップと、前記三次元データに基づいてビームの照射位置を決定するステップと、前記造形物の材料が存在しない状態において、前記決定されたビームの照射位置に従ってＡＭ装置を動作させてビームを照射するステップと、照射されたビームの位置を検出するステップと、前記決定されたビームの照射位置と、前記検出されたビームの位置とを比較するステップと、を有する。

［形態５］形態５によれば、形態４による方法において、前記ビームを照射するステップは、ＡＭ装置で造形物を製造するときに照射されるときのビーム強度よりも小さいビーム強度で行われる。

［形態６］形態６によれば、形態４または形態５による方法において、前記ビームはレーザーである。

１０２…プロセスチャンバ
１０６…ビルドアップチャンバ
１０８…リフトテーブル
１１０…駆動機構
１１２…ステージ
１１４…ベースプレート
１５０…材料供給機構
１５２…材料粉末
１５４…貯蔵容器
１６０…移動機構
１７０…レーザー光源
１７１…調整装置
１７２…レーザー
１７４…走査機構
２００…制御装置
２０２…検出器
Ｄ１…三次元データ
Ｍ１…造形物

Claims

造形物を製造するためのＡＭ装置であって、
造形物を製造するための空間を画定するチャンバと、
前記チャンバ内に配置される、造形物の材料を支持するベースプレートと、
前記ベースプレート上の材料にビームを照射するためのビーム源と、
造形物の三次元データからビームの照射位置を決定する計算機と、
決定された照射位置に従ってビームを移動させる走査機構と、
前記チャンバ内に照射されたビームの照射位置を検出するための検出器と、
決定された照射位置と、検出された照射位置とを比較する評価器と、
を有し、
前記ＡＭ装置は、造形物の製造に先立って、前記造形物の材料が存在しない状態において、前記計算機により決定されたビームの照射位置に従って前記ビーム源および前記走査機構を動作させてビームを照射し、前記検出器により検出された照射位置と前記計算機により決定されたビームの照射位置とを前記評価器により比較するように構成されている、ＡＭ装置。
請求項１に記載のＡＭ装置であって、
照射するビームの強度を調整するための調整装置を有する、
ＡＭ装置。
請求項１または２に記載のＡＭ装置であって、
前記ビーム源は、レーザー源である、
ＡＭ装置。
ＡＭ装置におけるビームの照射位置を試験する方法であって、
ＡＭ装置で製造する造形物の三次元データを用意するステップと、
前記三次元データに基づいてビームの照射位置を決定するステップと、
前記造形物の材料が存在しない状態において、前記決定されたビームの照射位置に従っ
てＡＭ装置を動作させてビームを照射するステップと、
照射されたビームの位置を検出するステップと、
前記決定されたビームの照射位置と、前記検出されたビームの位置とを比較するステップと、
前記造形物の材料が存在する状態において、前記決定されたビームの照射位置に従ってＡＭ装置を動作させてビームを照射するステップと、
を有する、
方法。
請求項４に記載の方法であって、
前記ビームを照射するステップは、ＡＭ装置で造形物を製造するときに照射されるときのビーム強度よりも小さいビーム強度で行われる、
方法。
請求項４または５に記載の方法であって、
前記ビームはレーザーである、
方法。