JPH01502890A - 選択的焼結によって部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 選択的焼結によって部品を製造する方法および装置 技術分野 本発明は、粉末を選択的に焼結して部品を製造するため指向エネルギービームを 使用する方法および装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は複数の 粉末層を選択的に焼結して所望の部品を積層的に構成するコンピュータ支援レー ザ装置に関するものである。本発明は、粉末層分与機構と、粉末温度を調整する ために目標区域に対して空気流を送る機構とに関するものである。

背景技術 通常の部品製造法の経済性は、一般に製造される部品の数量と、仕上がり部品の 所望の材質とに関連している。

例えば、大規模鋳造および押し出し技術は多くの場合にコスト的に有利であるが 、この生産方法は一般に少量生産、すなわち交換部品または原型の製造には不適 当である。このような通常の部品製造法の多くは特殊の機械加工を必要とする。

粉末冶金法さえも粉末成形用ダイス型を必要とするので、小規模生産には不向き である。

小数の部品のみが望まれる場合、一般にその製造のためには不利な機械加工を含 む通常の製造法が使用される。

このような不利な製造法においては、素材ブロックから材料を切り出して、これ を複雑な形状に加工する。機械加工の例は、フライス削り、穴あけ、研磨、旋盤 切断、炎切断、放電加工などである。このような通常の機械加工法は所望の部品 を製造するには有効であるが、多くの点において問題がある。

第１に、このような加工法は多量の廃棄物を生じる。

またこのような加工法は、適当な加工手順と工具の準備のために最初に多額の費 用を必要とする。準備時間そのものがコスト高の原因になるのみならず、これは 人間の判断と技能を多分に必要とする。もちろん、小数の部品のみを製造する場 合、これらの問題点がさらに重大となる。

このような通常の機械加工に伴う他の問題は工具の摩耗であって、これは、工具 の交換コストがかかるのみならず、工具が摩耗するに従って加工精度が低下する 。機械加工によって製造される部品の精度と公差に関するもう１つの制限的要因 は特定の工作機械に固有の公差限度である。例えば通常のフライス盤または旋盤 において、親ネジおよびウェイは一定の公差に製造され、この事が工作機械によ って部品を製作する際の公差を制限する。

もちろん工作機械の年齢と共に、得られる公差が減少する。

最後にこのような工作機械による加工法の問題は、多数の部品形状を製造する事 が困難または不可能な事である。すなわち、通常の加工法は一般に、対称形部品 および外部のみが加工される部品の製造に最も適している。

しかし所望の部品が異常な形状を有しあるいは内部特徴を有する場合、加工か困 難になり、またしばしば部品の製造のためにセグメントに分割しなければならな い。多くの場合、部品上の工具設置に関する制限の故に、特定の形状の部品製作 が不可能である。すなわち工具の寸法と形状から、所望構造の部品の製造のため の工具アクセスが困難となる。

さらに付加的な加工法が存在する。例えば、メッキ、クラツディング、およびあ る種の溶接工程は、素材基質に対して材料が付加されるが故に付加的加工である 。近年、他の型の付加的加工法が開発された。これは、レーザビームを使用して 、素材製品上に材料を被覆または堆積させるにある。例えば、米国特許第４．１ １７．３０２号、第４．４７４，８６１号、第４，３００．４７４号、および第 ４，３２３．７６５号がある。これら最近のレーザ加工法は、主として予め機械 加工された製品に対して被覆を被着するにある。このようなレーザ被覆法のみに よって得られる冶金学的特性を得るため、この方法がしばしば使用されている。

代表的にはこのレーザ被覆法において、素材製品を回転させ、被覆材料を製品上 に噴霧しなからレーザをその固定位置に指向すると、し特表平１−５０２８う） ｏ（４） 一ザが被覆を製品上に溶着する。

発明の開示 前述の問題点は大部分、本発明の方法および装置によって解決される。本発明は 指向されたエネルギービーム（レーザなど）を使用し、殆んどすべての三次元部 品の製造に適している。本発明の方法は付加法であって、目標区域に粉末が分与 され、そこでレーザが選択的に粉末を焼結して、焼結層を形成する。本発明は積 層法であって、仕上がり部品が形成されるまでに、各層が相互に接合される。本 発明の方法は特定の型の粉末に限定される事なく、プラスチック、金属、重合体 、セラミックスの粉末または複合材料に適用される。

一般的に言って、本発明の装置は、部品を製造する目標区域にビームを選択的に 放出するレーザまたはその他の指向性エネルギー源を含む。粉末分与系が目標区 域上に粉末を堆積する。目標区域上に展張された粉末層を焼結するために、レー ザ制御機構がレーザビームの標的を移動させ、またレーザを変調する。制御機構 は、部品の所望の層を生じるように、限定された境界内部の粉末のみを選択的に 焼結する。制御機構によってレーザが粉末層を逐次に選択的に焼結して、相互に 焼結された複数層から成る全体部品を形成する。各焼結区域の境界が部品のそれ ぞれの断面区域に対応する。好ましくは、制御機構は、各層について境界を特定 するためのコンピュータ、例えばＣＡＤ／ＣＡＭ系を含む。すなわち、コンビニ ー夕は部品の全体寸法と形状のデータを与えられると、各層について境界を特定 し、特定された境界に対応してレーザ制御機構を作動する。あるいは、最初から 各層の特定の境界をコンピュータにプログラミング入力する事ができる。

好ましい実施態様において、レーザ制御機構は、目標区域中においてレーザビー ムを指向する機構と、目標区域中において粉末を選択的に焼結するためレーザビ ームをオンオフ変調する機構とを含む。１つの実施態様において、指向機構は、 レーザビームの標的を目標区域の連続ラスク走査モードで動かすように作動する 。レーザビームの標的がそれぞれの層の特定の境界内部にある時にのみ粉末が焼 結されるように、変調機構がレーザビームをオンオフ変調する。あるいはレーザ ビームがそれぞれの層の特定境界内部のみを連続的に焼結できるように、指向機 構がレーザビームを境界内部のみに指向する。

好ましい実施態様において、指向機構が、検流計によって駆動される一対の反射 鏡を使用して、レーザビームを目標区域の反復ラスク走査モードで移動させる。

第１反射鏡がレーザビームを第２反射鏡に反射し、この第２反射鏡がレーザビー ムを目標区域の中に反射する。検流計による第１反射鏡の運動がレーザビームを 目標区域中において第１方向に移動させる。同様に、第２反射鏡の運動がレーザ ビームを目標区域中において第２方向に移動させる。好ましくは、第１方向と第 ２方向が相互に直交するように、両方の反射鏡が相対的に配置される。このよう な構造により、本発明の好ましい実施態様としてのラスク走査パタンを含めて、 目標区域中の種々の型の走査バタンか可能である。

本発明の部品製造法は、粉末の第１部分を目標面上に堆積する段階と、目標面に 沿って指向エネルギービーム（好ましくはレーザビーム）の標的を走査する段階 と、第１粉末部分の第１層を目標面上において焼結する段階とを含む。第１層は 、部分の第１断面区域に相当する。

レーザビームの標的が第１層を画成する境界内部にある時に指向エネルギー源を 走査する事によって粉末を焼結する。粉末の第２部分を第１焼結層の上に堆積さ せ、レーザビームの標的を第１焼結層の表面に沿って走査する。

レーザビームの標的が第２粉末部分の第２層の境界内部にある時に指向エネルギ ー源を走査する事によって、第２層を焼結する。第２層の焼結は同時に第１層と 第２層を接合させて凝泉体を成す。先に焼結された層の上に逐次に粉末部分を堆 積させ、各堆積層を逐次焼結させる。

１つの実施態様として、粉末を連続的に目標区域の中に堆積させる。

好ましい実施態様において、レーザビームの標的がそれぞれの層の境界内部に指 向されている時に粉末が焼結されるように、レーザビームがラスク走査中にオン オフ変調される。好ましくはレーザビームはコンピュータによって制御される。

このコンピュータはＣＡＤ／ＣＡＭ系を含み、この場合、製造される部品の全体 寸法と形状に関するデータをコンビニー夕に与え、このコンピュータが部品の各 目標区域の境界を確定する。コンピュータは、確定された境界を使用して、部品 の断面区域に対応して各層の焼結を制御する。他の実施態様においては、コンピ ュータは部品の各断面区域の境界データのみをプログラミングされる。

さらに本発明の他の実施態様は、目標区域上に粉末を平坦層として分布する装置 を含む。好ましくは、この分布装置は、ドラムと、ドラムを目標区域に沿って移 動させる機構と、ドラムが移動する際にこれを逆回転させる機構とを含む。ドラ ム移動機構は、好ましくは所望厚さの粉末層を生じるように、ドラムを目標区域 上方に所望間隔に保持する。ドラムは逆回転されながら目標区域に沿って移動し 、運動方向に粉末を放出し、その背後に所望厚さの粉末層を残す。

さらに他の実施態様において、粉末温度を調整するための下向き送気機構が配備 される。この機構は、目標区域を画成する支持体と、目標区域に空気を送る機構 と、目標区域に達する前に空気温度を制御する機構とを含む。

支持体は、粉末を堆積させる多孔媒体と、この媒体に隣接するブレナムとを含む 。このようにして、温度制御された空気が目標区域中の粉末に送られ、目標区域 中の焼結粉末と非焼結粉末の温度制御を成す。

前記の説明から明らかなように、本発明の方法および装置は、公知の部品製造法 に伴う多くの問題を解決する。

第１に、原型部品の製造および限られた量の交換部品の製造に好適である。さら に本発明の方法および装置は、通常法によっては得られない複雑構造の部品の製 造が可能である。さらに本発明は、部品製造公差に対する制限要因としての工具 摩耗および機械設計誤差を除去する。

最後に本発明の装置をＣＡ　Ｄ　／　ＣＡ　Ｍ環境の中に入れた場合、多数の交 換部品をコンピュータの中にプログラミングし、最小限のセットアツプまたは人 間介入をもって容易に製造する事ができる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の装置の分解斜視図、 第２図は本発明によって製造される部品の一部および目標区域に対するレーザビ ームのラスタパクンを示す斜視図、 第３図はコンビニー夕、レーザおよび検流計の間に配置されるインターフェース ハードウェアを示すブロック線図、 第４図は本発明によって製造される部品の一例を示す斜視図、 第５図は第４図の部品の部分断面図、 第６図は本発明によるデータ計測プログラムの流れ図、第７図は第４図の７−７ 線に沿ってとられた断面図、第８図は第７図の層に沿ったレーザの１回の掃引と 制御信号との関係を示すダイヤフラム、 第９図は、製造される部品の層上に配置された粉末を分布させる装置の垂直断面 図、 第１０図は第９図の装置の斜視図、 また第１１図は粉末温度調整手段の断面図である。

発明を実施するための最良の形態 付図について述べれば、第１図は本発明による装置全体を示す。全体として、装 置１０はレーザ１２と、粉末分与器１４と、レーザ制御手段１６とを含む。さら に詳しくは、粉末分与器１４は、粉末２２を受けるホッパ２０を有し、このホッ パは排出口２４を有する。この排出口２４は粉末を目標区域２６の中に分与する ように配向され、この区域２６は第１図においては全体的に包囲構造２８によっ て画成される。もちろん、粉末２２を分与するために他の多くの実施態様が可能 である。

レーザ１２の構成要素を第１図において多少略示的に示し、これはレーザヘッド ３０、安全シャッタ３２およびフロントミラー組立体３４とを含む。使用される レーザの型は多くのファクタに依存し、特に焼結される粉末２２の型に依存して いる。第１図の実施態様においては、Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザ（レーザメトリッ クス９５００Ｑ）を使用した。これは、連続モードの１００ワツト最高出力を有 し、連続モードまたはパルスモードで作動する事ができる。レーザ１２のレーザ ビーム出力は、赤外線に近い約１１０６０ｎの波長を有する。第１図に図示のレ ーザ１２は、約１キロヘルツ乃至４０キロヘルツの選択範囲と約６ナノ秒の持続 時間とを有する内部パルスレート発生器を含む。パルスモードまたは連続モード のいずれにせよ、レーザ１２は第１図の矢印によって示された通路に沿って走行 するレーザビームを選択的に発生するように、オンオフ変調される事ができる。

レーザビームを焦点合わせするため、集束レンズ３６と３８が第１図に図示のよ うにレーザビームの走路に沿って配置されている。集束レンズ３８を使用するだ けでは、この集束レンズ３８とレーザ１２との間隔を変動する事によって真焦点 の位置を容易に調節する事ができない。レーザ１２と集束レンズ３８との間に配 置された集束レンズ３６は、この集束レンズ３６とレーザ１２との間に虚焦点を 作る。集束レンズ３８と虚焦点との間隔を変動させる事により、集束レンズ３８ のレーザ１２と反対側のレーザビーム走路に沿って真焦点を制御する事ができる 。近年、光学分野で多くの進歩が成され、レーザビームを一定の位置に効率的に 焦点合わせするためのそさらに詳しくは、レーザ制御手段１６はコンピュータ４ ０と走査系４２とを含む。好ましい実施態様において、コンピュータ４０はレー ザ制御用マイクロプロセッサと、データ発生用ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを含む。

第１図に図示の実施態様において、パソコンが使用され（Ｃｏｍａ＋ｏ−ｄｏｒ ｅ６４）、その主アトリビュートはアクセシブルインターフェースポートと、ノ ンマスカブル割り込みを発生するフラグラインとを含む。

第１図に図示のように、走査系４２は、レーザビームの走路を方向変換するプリ ズム４４を含む。もちろん装置１０の具体的レイアウトが、レーザビーム走路の 操作のために単数のプリズムを必要とするか複数のプリズム４４を必要とするか を決定する際の基本的ファクタである。また走査系４２はそれぞれの検流計４８ ．４９によって駆動される一対の反射ｆｆ１４６．４７を含む。検流計４８．４ ９は、それぞれの反射鏡４６．４７を選択的に配向するようにそれぞれの反射鏡 に連結される。検流計４８．４９は相互に直角に取り付けられ、従って反射鏡４ ６．４７が相互に直角に取り付けられる。関数発生ドライバー５０が検流計４８ の運動を制御しく検流計４９は検流計４８の運動に従属させられる）、従ってレ ーザビームの標的（第１図において矢印で示す）が目標区域２６の中において制 御される。第１図に図示のように、ドライバー５０はコンピュータ４０に対して 作動的に連結されている。走査系４２として使用するため、他の走査法、例えば 音響−光学スキャンナー、回転多角形反射鏡、および共鳴反射鏡スキャンナーを 使用する事ができる。

第２図において、部品５２の一部が略示され、これは４層５４−５７から成る。

レーザビーム６４の標的はラスタ走査バタン６６である。この明細書において、 「標的」は方向を示す中立的用話であって、レーザ１２の変調状態を意味するも のではない。便宜上、軸線６８は急速走査軸線とし、軸線７０は低速走査軸線と する。軸線７２は部品の形成方向である。

第９図と第１０図において、粉末分与器２ｏの他の実施態様を示す。全体として 、支持体１００が目標区域１０２を画成し、この区域に対してレーザビーム６４ の標的が指向される（第１図）。ホッパー１０４が粉末１０６を開口１０８から 目標区域１０２に分与する。計量ローラ（図示されず）が開口１０８に配置され 、このローラが回転された時に、一定量の粉末を目標区域１０２の末端１１０に 線状に配置する。

ならし機構１１４が粉末の山１０６を目標区域の他端１１２に向かって広げる。

ならし機構１１４は、外側にローレット面を備えた円筒形ドラム１１６を含む。

バー１２０上に取り付けられたモータ１１８が滑車１２２とベルト１２４を介し てドラム１１６に連結されてこれを回転させる。

またならし機構１１４はドラム１１６を目標区域の一端１１０と他端１１２との 間を移動させる機構１２６を備える。機構１２６は、バー１２０を水平方向およ び垂直方向に移動させるＸ／Ｙテーブル１２８を含む。すなわち、このテーブル １２８が固定され、プレート１３０がテーブル１２８に対して選択的に可動であ る。

製造中の製品の温度を制御するための他の実施態様を第１１図に示す。レーザビ ームによってまだ走査されていない粒子の温度と既に走査された粒子の温度との 差異の故に、製造中の製品の望ましくない収縮の生じる事が観察された。温度制 御された空気の目標区域を通しての下降流がこのような望ましくない温度差を調 整できる事が発見された。第１１図に示す温度制御された空気の下方送気装置１ ３２は焼結される粉末粒子の上層と空気との間の熱交換によって前記のような収 縮を低減させる。

この熱交換が焼結される粒子の上層の温度を調整し、上層の平均温度を制御し、 製造される製品から体積熱を除去する事によって製品が非焼結物質に成長する事 を防止する。流入する空気の温度は、粉末の軟化点以上とするが、十分な焼結の 生じる温度以下に調節される。

下方送気装置１３２は、目標区域１３６を画成する支持体１３４と、空気を目標 区域に向かって送る手段と、電気抵抗１４２など流入空気の温度を制御する機構 などを含む。空気を目標区域に送る手段は、支持体１３４を包囲するチャンバ１ ３８と、送気ファン１４０および／または吸引ファン１４１とを含む。窓１４４ がビーム６４（第１図）の標的を目標区域１３６に対して導入する。第１図また は第１０図に図示のような粉末分与機構（図示されず）が少なくとも部分的にチ ャンバ１３８の中に配置されて、粉末を目標区域１３６の上に分与する。

支持体１３４は蜂の巣状多孔媒体の上にフィルタ媒体１４６（細孔紙）を支持す る。空気を集めて出口１５２に送るためにブレナム１５０が配置される。もちろ ん出口１５２は真空源１４１またはその他の空気処理機構に接続される。

操　作 本発明の基本的着想は層ごとに部品を形成するにある。

すなわち部品は複数の別々の断面区域からなるものとみなされ、これらの区域が 積層されて部品の三次元構造を成す。それぞれの断面区域は二次元境界によって 画成され、もちろん各区域がそれぞれ独特の境界を有する事ができる。また好ま しくは各層の厚さく軸線７２方向の寸法）は一定とする。

本発明の方法においては粉末２２の第１部分が目標区域２６の中に配置され、レ ーザビーム６４によって選択的に焼結されて、第１焼結層５４を作る（第２図） 。この第１焼結区域５４は所望の部品の第１断面区域に相当する。レーザビーム は配置された粉末２２を画成された境界内部においてのみ選択的に焼結する。

もちろん、粉末２２を選択的に焼結する他の方法がある。一つの方法はレーザビ ームの標的を「ベクトル」方式で指向するにある。すなわちビームが実際に所望 の部分の各断面区域の輪郭と内部を実際にたどるにある。あルイはビーム６４の 標的を反復バタンで操作し、またレーザ１２を変調させる。第２図においてはラ スク操作パタン６６を使用するが、これはその実施の簡単さの故にベクトル方式 に勝っている。他の方法は、ベクトル方式とラスク操作方式とを組合せ、一つの 層の所望の境界をベクトル方式でたどり、境界の内部をラスク操作モードで照射 するにある。もちろん選ばれる方法について選択の余地がある。例えばラスタモ ードは、ベクトルモードと比較して、ラスタバタン６６の軸線６８．７０に対し て平行でない円弧および線を近似するにすぎない点で不利である。場合によって は、ラスタバタンモードで製造される時に部品の解像度が低下する。しかしラス タモードは実施の簡単差の故にベクトルモードに勝っている。

第１図に戻って、目標区域２６において連続ラスタバタンでレーザビーム６４の 標的が走査される。ドライバ５０はラスタバタン６６（第２図）を生じるように 検流計４８．４９を制御する。反射鏡４６の運動は急速走査軸線６８（第２図） に沿ったレーザビーム６４の標的の運動を制御するのに対して、反射鏡４７の運 動は低速走査軸線７０に沿ったレーザビーム６４の標的の運動を制御する。

ビーム６４の標的の現在位置はドライバ５０を通して、コンピュータ４０にフィ ードバックされる（第３図）。

下記に詳細に説明するように、コンピュータ４０は次に作られる部品の断面区域 に関する情報を保持している。

従って、バラバラの粉末２２の一部が目標区域２６の中に分与され、レーザビー ム６４の標的がその連続ラスタバタンで動かされる。ラスタバタン６６の中にお 、（１て所望の間隔でレーザビームを選択的に発生するように、コンピュータ４ ０がレーザ１２を変調する。このようにして、レーザ１２の指向ビームが目標区 域２６の中において粉末２２を選択的に焼結して、所望の断面区域の境界を有す る所望の焼結層が得られる。このプロセスを層ごとに繰り返し、各層を相互に焼 結して、凝集部品、例えば第２図の部品５２を製造する。

第１図に図示のレーザヘッド３０の比較的低い出力の故に、粉末２２はこの低い 出力と両立する低い溶融熱のプラスチック材料（例えばＡＢＳ）から成る。本発 明の装置１０によって製造された部品について、数種の後形成処理が考えられる 。例えば、このようにして製造された部品を原型モデル、すなわち砂形鋳造ある いはろう型鋳造の金型として使用する場合には、後形成処理は必要ない。また他 の場合には、製造された部品の一部を緊密な公差に設計するために、ある程度の 後形成加工力（実施される。あるいは、ある種の型の部品は特定の材料特性を有 する必要があり、これは部品の熱処理および／または化学処理によって実施され る。例えば、粉末２２の粒計は、開放気孔を有する部品を製造するように設定す る事ができ、またエポキシなどの物質を部品中に噴射すれば、所望の噴射特性、 例えば、圧縮強さ、耐摩性、均質性などが得られる。

粉末２２の性能を改良する２、３の特性が確認された。

第１に、カーボンブラックなどの顔料の添加１こよって、粉末の吸収エネルギー を制御′する事ができる。添剤のｊ１度と組成の調節によって、粉末の吸収率Ｋ を制御する事ができる。一般にエネルギー吸収率は下記の指数崩壊関係式によっ て支配される。

１　（ｚ）−Ｉｏｅｘｐ　（ＫＺ） ここにＩ　（ｚ）は表面に対する垂直距離２：こおｔする粉末中の最適吸収エネ ルギー強さく単位面積当たり粉末）、ＩＯは■の表面値（表面におけるエネルギ ー強さ）、またＫは吸収率とする。吸収率にの調節と一定量のビームエネルギー 量を吸収する層の厚さの調節２こよって、この工程中に吸収されるエネルギーを 全体的に制御する里方くできる。

粉末の他の重要な特性は、粒子のアスペクト比（すなわち粒子の最大寸法と最小 寸法の比）である。すなわち、ある範囲のアスペクト比を有する粒子は、部品の 収縮中に湾曲する傾向がある。低いアスペクト比を有する粒子、すなわち殆んど 球形の粒子の場合、部品の収縮はより三次元的となり、より大きな湾曲を生じる 。高いアスペクト比を有する粒子（例えばフレーク状またはロッド状）の粒子を 使用する場合、収縮は主として垂直方向に生じ、部品の湾曲度を減少させまたは 除去する。高いアスペクト比の粒子はより大きな結合自由度を有するものと考え られ、粒子間接触は優先的に水平面に配向されて、収縮は主として垂直方向に生 じる。

第９図と第１０図について説明すれば、分与機構１１４は、製造中の部品を乱す 事なく目標区域１０２の中において制御された平坦な粉末層を生じる事が発見さ れた。秤量された粉末量１０６が目標区域１０２の末端１１０に配置される。粉 末が分与された時にドラム１１６を末端１１０から移動させる。第１０図に図示 のように、粉末が山状に分与された後、プレート１３０とバー１２０（および付 属の機構）が垂直に上昇される。

プレート１３０がホッパ１０４の方に移動して、ドラム１１６を末端１１０に沿 った粉末の山に隣接する位置にもってくる。そこでドラム１１６を下降させて粉 末の山と接触させ、目標区域１０２に沿って水平方向に移動させて、粉末の山を 平坦な層状に広げる。もちろん、テープル１２８に対するプレート１３０の正確 な位置を制御する事ができるので、ドラム１１６と目標区域１０２の間隔が正確 に制御されて、粉末層に所望の厚さを与える事ができる。好ましくは、ドラム１ １６と目標区域１０２との間隔は一定であって、平行運動を生じるが、これ以外 の間隔オプションも可能である。

ドラム１１６が目標区域１０２に沿って水平に末端１１０から他端１１２まで移 動される際に、モータ１１８が生かされて、ドラム１１６を逆回転させる。第９ 図に図示のように「逆回転」とは、ドラム１１６が目標区域１０２に沿って水平 に移動する方向Ｎ１に対して逆方向Ｒに回転される事を意味する。

さらに詳しくは、第９図においてドラム１１６は粉末の山１０６の後端と接触し て高速で逆回転される。粉末に対するドラムの機械的作用が粉末を運動方向Ｍに 放出するので、放出された粒子が粉末の山の先端区域１６２に落下する。第９図 に図示のように、ドラム１１６の背後に（ドラム１１６と末端１１０との間に） 平滑な平坦粉末層１６４が残される。

また第９図は、粉末１０６が先に焼結された粉末１６６あるいは焼結されていな い粉末１６８を撹乱する事なく、目標区域上に分布されうる事を示す。すなわち 、ドラム１１６は、先に形成された層に対して剪断作用を加える事なくまた製造 中の製品を撹乱する事なく、目標区域に沿って移動される。このような剪断作用 がないので、焼結された粒子１６６と非焼結粒子１６８とを含む目標区域の脆い 基層上に平滑な粉末層１０６を分布させる事ができる。

インターフェースとソウトウエア インターフェースハードウェアが作動的にコンピュータ４０をレーザ１２と検流 計４７．４８とに接続している。コンピュータ４０の出力ポート（第１図および 第３図参照）が直接にレーザ１２に接続されて、このレーザ１２を選択的に変調 する。パルスモードで作動される時、レーザ１２はそのパルスゲート入力に対す るデジタル入力によって容易に制御される。検流計４８は関数発生ドライバ５０ によって駆動されて、コンピュータ４０からの制御信号のいかんに係わらず、急 速走査軸線５８に沿ってビームを駆動する。しかし第３図に図示のように、検流 計４８からの位置フィードバック信号が電圧比較器７４に供給される。比較器７ ４の他方の入力はデジタル−アナログ変換器７６に接続され、この変換器７６は コンピュータ４０のユーザポートの少なくとも有効６ビツト（ビット０−５）を 表示する。第３図に図示のように、電圧比較器７４の出力はコンピュータ４０の ユーザポートのフラッグラインに接続されている。検流計４８からのフィードバ ック信号がＤ／Ａ変換器７６からの信号とクロスする事を比較器７４が確認した 時、フラッグラインがロウになって、ノンマスカブル割り込みを生じる。

下記に述べるように、ノンマスカブル割り込みは次のデータバイトをコンピュー タ４０のユーザボート上に出す。

最後に第３図に図示のように、低速走査軸線７０に沿ってレーザビーム６４の標 的を駆動する検流計４９は、第２Ｄ／Ａ変換器７８によって制御される。Ｄ／Ａ 変換器７８はカウンタ７９によって駆動され、このカウンタは急速走査軸線６８ に沿ってビーム６４の標的の掃引ごとに増分する。８バイトカウンタは、急速走 査軸線６８に沿った２５６走査後にオーバフローしてラスタ走査バタン６６の新 しいサイクルを開始するように設計されている。

好ましくは、各ラスタ走査バタン６６に対する制御情報（すなわち断面区域の境 界）データは、製造される部品の全体寸法と形状を与えられたＣＡＤシステムに よって決定される。各ラスタ走査バタン６６に対する制御情報データは、プログ ラミングされるにせよ誘導されるにせよ、コンビコータメモリの中に一連の８ビ ツトワードとして記憶される。データ書式は、レーザ１２の「オン」区域と「オ フ」区域のバタンと、ビーム６４の標的によってラスタ走査バタン６６に沿って 走行される距離との対比を示す。このデータは「トグルポイント」書式で記憶さ れ、この書式においてデータは、各ラスタ走査バタン６６に沿ってレーザが変調 される（すなわちオンからオフまたはオフからオンに転換される）距離を表示す る。

「ビットマツプ」書式を使用する事もできるが、高解像度部品の製造のためには 、トグルポイント書式の方が有効である事が発見された。

各８ビツトワードについて、少なくとも有効６ビツト（ビット０〜５）は、次の トグルポイント、すなわちレーサ丁２の次の変調箇所を表示する。次のビット（ ビット６）は、少なくとも有効６ビツトによって同定されたトグルポイントの直 前においてレーザがオンであるかオフであるかを表示する。最上位ビット（ＭＳ Ｂまたはビット７）はルーピングとレーザビーム標的の低速走査軸線７０の制御 とのために使用される。Ｃｏｍｍｏｄｏｒｅ　６４は限られたメモリを有するの で、ルーピングが必要であった。これより大きいメモリを有するコンピュータ４ ０はルーピングを必要としない事は理解されよう。

第６図はデータ計測プログラムの流れ図である。フラグラインがロウになってノ ンマスカブル割り込みを生じた時に（第３図）、つねにデータメタリングプログ ラムが実行される。ノンマスカブル割り込みによって、コンピュータ４０のマイ クロプロセッサは、割り込みに際してプログラム制御が転送されるメモリ中の位 置を示す２バイト割り込みベクトルを検索する。第６図に図示のように、データ メタリングプログラムが先ずレジスタをスタック上に押し、つぎに後続のデータ バイトをアキニムレークの中にロードする。データワードは、またユーザポート に対する出力であって、レーザ１２の変調のために６ビツトが使用される（第３ 図）。

第６図に図示のようにアキュムレータ中のデータワードの最上位ビット（ＭＳＢ またはビット７）を調べる。

もしこの最上位ビットの値が１であれば、これはループの末端に到達していない 事を意味する。従ってデータポインタが増分され、レジスタがスタックから復元 され、データメタリングプログラムがエグジットされて、制御をマイクロプロセ ッサの割り込み位置に戻す。アキュムレータ中の最上位ビットがゼロであれば、 データワードはループ中の最後のワードである。データワードがループ中の最後 のワードであれば、メモリ中の次のビットはループカウンタであって、次の２バ イトがループの頂点を示すベクトルである。第６図に見られるように、最上位ビ ットがゼロ（ループ末端）に等しければ、ループカウンタ（次のビット）が減分 されて分析される。ループカウンタがなおゼロより大であれば、データポインタ がループカウンタの次の２メモリバイトから値を取って、レジスタがスタックか ら復元され、プログラム制御が割り込み位置に戻る。他方、ループカウンタがゼ ロであればデータポインタが３だけ増分され、ループカウンタはプログラムをエ グジットする前に１０にリセットされる。

コンピュータ４０のメモリサイズが十分であれば、このようなルーピングの必要 性が解除される事は理解されよ第４図と第５図において、部品５２が図示されて いる。

この図から明らかなように部品５２は対称的でない異常な形状を有するので、通 常の機械加工法を使用して製造する事は困難であろう。さらに詳しくは、この部 品５２は外側基本構造８０を有し、その内部キャビティ８２と、このキャビティ ８２の中に配置された柱８４とを有する（第４図）。第５図は、第１図に図示の 目標区域２６を画成する区画構造２８の内部に配置された部品５２を示す。この 第５図に見られるように、粉末２２の一部は緩いが、粉末の他の部分は焼結され て部品５２の構造を成している。第５図は垂直断面図であって、部品５２の焼結 された凝集部分を斜線で示す。

第７図は第４図の７−７線に沿ってとられた水平断面区域を示す。この第７図は 、製造される部品の断面区域の別個の層８６を示している。この焼結された区域 ８６は第２図のシングルラスクバタン６６の生産物である。

参考のために、焼結層８６を通る掃引線をｒＬＪで示した。第８図は掃引し中の ソウトウエアおよびハードウェアのインターフェース動作を示す。一番上のグラ フは、急速軸線検流計４８からのフィードバック信号の位置と、第１デジタル／ アナログ変換器７６の出力信号の位置を示す（第３図参照）。これらのフィード バック信号と第１Ｄ／Ａ出力信号がクロスするたびに、電圧比較器７４がコンピ ュータ４０のフラッグラインに対して出力信号を発生する。

第８図の一番上のグラフにおいて、これらの点はトグルポイントを表示するＴで 示されている。第８図の最下グラフに見られるように、フラグラインは各トグル ポイントＴに対応するノンマスカブル割り込み信号を発生する。各データワード の第６ビツトが分析され、レーザ１２の現状がこの値を反映する。第８図の下か ら２番目のグラフは第７図の掃引線しに対するレーザ変調信号を示す。第８図の 第２グラフは姦上位ビットの立ち上がり縁が急速走査軸線６８に沿ったレーザビ ーム６４の標的の各掃引の末端と一致する事を示す。第３図と第６図に図示のよ うにカウンタ７９は立ち上がり縁に対して増分し第２Ｄ／Ａ変換器７８に信号を 出力して、低速軸線検流計４９を駆動する。

産業上の利用可能性 図示の実施例から明らかなように、複雑な形状の部品を比較的容易に製造する事 ができる。当業者には明らかなように、第４図に示す部品は通常の機械加工法に よって製造する事が困難である。特にこの部品が比較的小寸法の場合、キャビテ ィ８２と柱８４を工作機械によって製造する事は不可能ではないまでも困難であ る。

通常の工具を使用する場合の問題点を除くほか、本発明による製造精度は、工具 の摩耗度および機械成分の精度に依存しない事が理解されよう。すなわち、本発 明の方法および装置によって製造される部品の精度と公差は主としてエレクトロ ニクス、光学および使用されるソフトウェアの品質に依存している。もちろん伝 熱作用と素材の問題が達成される公差に影響する。

当業者には明らかなように、通常の機械加工技術は人間の相当の介入と判断とを 必要とする。例えばフライス削りなどの加工の場合、工具の選択、部品の割り付 け、切削の手順など人間の思考を必要とする。テープ制御フライス削り機の制御 テープの製造の場合、このような判断はさらに重要となる。これに対して、本発 明の装置は、製造される部品の各断面区域に関するデータのみが必要である。こ のようなデータは簡単にコンピュータ４０の中にプログラミングする事ができる が、好ましくはコンピュータ４０がＣＡＤ／ＣＡＭシステムを含む。すなわちＣ Ａ　Ｄ　／　ＣＡ　Ｍ部分が製造される製品の全体的寸法と形状を与えられ、コ ンピュータがこの部品の各断面区域の境界を決定する。このようにして部品情報 の広大なインベントリ−が記憶され、選択的にコンピュータ４０に対して送られ る。本発明の装置１０は、セットアツプ時間、部品の特殊加工または人間の介入 なしで、特定の部品を製造する事ができる。粉末冶金法および通常の鋳造法に伴 う複雑で高価なダイス型の使用が避けられる。

従来の製造技術を使用しても大量生産ラインおよび一部の部品の材料特性を効果 的に利用する事ができるが、本発明の方法および装置１０は多くの関係において 有効である。特に原型と鋳造模型を容易にまた安価に製造する事ができる。例え ば砂型、ロウ型またはその他の鋳造技術において鋳造模型を容易に使用する事が 可能となる。

さらに製造数量が非常に少ない場合、例えば老朽取り替え部品などの場合、装置 １０によるこれらの部品の製造は非常に有利である。最後に船舶上または宇宙空 間など、製造設備の寸法が限られている場合に、装置１０を使用する事は有効で ある。

浄書（内容に変更なし） 浄書（内容に変更なし） 浄書（内容に変更なし） テ”１７−Ｆ’ｒＭ５Ｂ

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザビームを選択的に放射するレーザ手段と、製品の製造のための目標区 域を画成する構造と、前記目標区域に粉末を分与する手段と、前記目標区域の中 に分与された粉末層を所定の境界内部において選択的に焼結するため、レーザビ ームの標的を移動させレーザを変調させるレーザ制御手段とを含み、前記制御手 段は粉末層を順次にそれぞれの限定された境界内部において選択的に焼結して、 相互に焼結された複数層から成る部品を製造する事のできる部品製造装置。
2. ２．前記制御手段は、レーザビームの標的を前記目標区域に方向付ける手段と、 目標区域の粉末を選択的に焼結するためレーザビームをオンとオフに切り替える 事によってレーザを変調する手段とを含む事を特徴とする請求項１に記載の装置 。
3. ３．前記の方向付け手段はレーザビームの標的を目標区域のラスタ走査パタンに 沿って移動させる事を特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ４．前記方向付け手段はレーザを焦点合わせするための単数または複数のレンズ を含む事を特徴とする請求項２に記載の装置。
5. ５．前記方向付け手段はレーザ手段から放射されたレーザビームの方向を変換す るプリズムを含む事を特徴とする請求項２に記載の装置。
6. ６．前記方向付け手段はレーザビームの標的を前記目標区域内において反復パタ ンで移動させる走査系を含む事を特徴とする請求項２に記載の装置。
7. ７．部品温度を調整するため制御された温度の空気を部品に対して送る手段を含 む事を特徴とする請求項１に記載の装置。
8. ８．前記制御手段は、ビームの標的が目標区域内部を移動される際にレーザビー ムをオンオフ切り替えするコンピュータおよびインターフェースハードウェアを 含む事を特徴とする請求項１に記載の装置。
9. ９．コンピュータは部品の各層の限定された境界をプログラミングされ、ビーム の標的が各層の境界内部にある時にビームをオンに切り替える事を特徴とする請 求項８に記載の装置。
10. １０．コンピュータは部品の全体寸法データを与えられてその各層の限定された 境界を確定するように作動する事を特徴とする請求項８による装置。
11. １１．前記粉末分与手段は、粉末を受けるホッパと、粉末を目標区域に対して送 る秤量排出口と、粉末を目標区域内部に分布するために目標区域に沿って移動さ れる逆回転ドラムとを含む事を特徴とする請求項１に記載の装置。
12. １２．前記分与手段は、プラスチックセラミックス、重合体または金属粉末を分 与する事を特徴とする請求項１に記載の装置。
13. １３．粉末の第１部分を目標面上に配置する段階と、方向付けられたレーザビー ム標的を目標面全体に沿って走査する段階と、 部品の第１断面区域によって画成された境界内部にビームの標的が存在する時に ビームを生かす事によってこの断面区域に対応する第１粉末の第１層を焼結する 段階と、 前記の焼結された第１粉末層上に第２粉末部分を堆積させる段階と、 方向付けられたレーザビームの標的を第１焼結層の表面に沿って走査する段階と 、 部品の第２断面区域によって画成された境界内部にビームの標的が存在する時に ビームを生かす事によってこの断面区域に対応する第２粉末の第２層を焼結する 段階と、 前記第２層の焼結中に前記第１層と第２層が接合される段階と、 先に焼結された層の上に順次に粉末部分を堆積させ、各粉末部分の層を焼結させ て、複数の焼結層から成る部品を製造する段階とを含む部品製造法。
14. １４．レーザビーム方向付け機構に作動的に連結された制御手段を備える段階と 、 部品の各断面区域の境界データを前記制御手段に供給する手段とを含む事を特徴 とする請求項１３に記載の方法。
15. １５．コンピュータを有する制御手段を備える段階と、 前記コンピュータに対して部品の全体寸法データを供給し、コンピュータが部品 の各断面区域の境界を確定する段階とを含む事を特徴とする請求項１３に記載の 方法。
16. １６．走査段階は、ビームの標的をそれぞれの断面区域のそれぞれの境界内部に のみ指向する段階を含む事を特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. １７．走査段階および焼結段階は、ビームの標的をラスタ走査バタンに沿って移 動させる段階と、標的が境界内部にある時にラスタ走査中にビームをオンオフ切 り替える段階とを含む事を特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. １８．ラスタ走査はビームを第１方向に方向付け、次に第１方向から第２方向に ビームを方向変換して、全体として平坦な目標面を照射する事によって実施され る事を特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. １９．それぞれの検流計に連結された一対の反射鏡を使用してレーザビームを方 向付け、第１反射鏡は目標区域においてビームの標的を第１方向に運動させるよ うに移動され、第２反射鏡は目標区域においてビームの標的を前記の第１方向に 対して垂直な第２方向に運動させるように移動される事を特徴とする請求項１７ に記載の方法。
20. ２０．部分を接着剤をもって含浸する段階を含む事を特徴とする請求項１３に記 載の方法。
21. ２１．粉末は連続的に目標面上に堆積される事を特徴とする請求項１３に記載の 方法。
22. ２２．前記の堆積段階は、 目標面の一端に近接して粉末の山を分与する段階と、前記目標面の一端から他端 まで逆回転ドラムを前記粉末の山と接触させながら移動させ、このドラムの背後 に粉末層を残す段階とを含む事を時数とする請求項１３に記載の方法。
23. ２３．一つの区域の一階の粉末の山をこの区域中に粉末層として分与する装置に おいて、 ドラム手段と、 前記の区域と前記ドラムとの間に所定スペースをもって、前記区域の一端から他 端までドラムを移動させる手段と、 前記区域の一端から他端までのドラムの移動方向と逆方向に前記ドラムを回転さ せる手段とを含み、前記ドラムは、逆回転されて前記一端から他端まで移動され る時に、前記粉末の山と接触して粉末を前記運動方向に放出し、このドラム手段 と前記一端の間に、近似的に前記所望のスペースの厚さを有する粉末層を残すよ うに成された粉末分布装置。
24. ２４．前記の所望のスペースが一定である事を特徴とする請求項２３に記載の装 置。
25. ２５．前記区域が平坦であり、前記所望のスペースは一定であって、ドラム手段 が前記区域に対して平行である事を特徴とする請求項２３に記載の装置。
26. ２６．前記ドラム手引は実質的に均一な円形断面を有する事を特徴とする請求項 ２３に記載の装置。
27. ２７．前記円筒体はローレットを具備する外側面を有する事を特徴とする請求項 ２６に記載の装置。
28. ２８．前記粉末の山を前記一端に近接して堆積する手段を含む事を特徴とする請 求項２３に記載の装置。
29. ２９．１つの区域に粉末層を分布する方法において、前記区域の一端に近接して 粉末の山を堆積する段階と、前記区域の一端から他端への方向にドラムを移動さ せる段階と、 前記一端から他端への運動方向と逆方向に、前記ドラムを回転させる段階と、 前記逆回転ドラムが前記他端に向かって移動する際に、粉末の山を前記ドラムと 接触させる段階と、前記ドラムと粉末の山との接触面から前記ドラムの運動方向 に粉末を放出し、前記移動するドラムの背後に、このドラムの前記一端との間に 粉末層を残す段階とを含むことを特徴とする粉末層分布法。
30. ３０．前記ドラム移動段階は、ドラムと前記区域との間に所望のスペースを保持 する事を特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. ３１．前記所望のスペースは一定の間隔であって、前記区域は平坦である事を特 徴とする請求項３０に記載の方法。
32. ３２．目標区域中において焼結されている粉末の温度を調整する装置において、 目標区域を画成する支持体であって、空気を透過する多孔性媒体および目標区域 から前記媒体を通して空気を通過させるプレナムを含む支持体と、 目標区域中に粉末を分与する手段と、 目標区域中において選択的に粉末を焼結する手段と、目標区域に空気を送る手段 と、 目標区域に達する以前の空気温度を制御する手段とを含む粉末温度調整装置。
33. ３３．前記の空気を送る手段は、前記目標区域を包囲するチャンバと、空気をチ ャンバ中に強制送入するブロワファンとを含む事を特徴とする請求項３２に記載 の装置。
34. ３４．前足の選択的焼結手段は、指向されたエネルギービームと、前記ビームの 標的を制御しビームを変調する手段とを含む事を特徴とする請求項３２に記載の 装置。
35. ３５．前記の分与手段は、ドラムと、前記ドラムを目標区域の一端から他端まで 移動させる手段と、前記ドラムを逆回転させる手段と、粉末の山を前記一端の近 傍に堆積させる手段とを含む事を特徴とする請求項３２に記載の装置。
36. ３６．前記の温度制御手段は空気中に配置された加熱素子を含む事を特徴とする 請求項３２に記載の装置。