JPH05504377A - ガス相からの選択的なビームによる被覆 - 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】 ガス相からの選択的なビームによる被覆本発明は、指向性のエネルギービームを 使用して、ガス相から材料を選択的に被覆し、またはガス相から凝縮した材料を 選択的に蒸発させて、部品を形成する方法および装置に関する。特に本発明は、 ガス相から材料を連続的に被覆または蒸発させて所望の部品を層状に造るような コンピュータ補助されたレーザー装置またはその他の指向性のエネルギービーム 装置を使用して、部品を生産する方法に関する。

従来の部品製造方法に関連する経済面は、一般に生産される部品の品質および完 成製品に所望される材料特性に直接に関係している。例えば、大規模な製造にお ける鋳造や押出し加工技術はしばしばコスト面て育利であるか、それらを生産す る方法は一般に小量生産を許容せず、すなわち交換部品やプロトタイプ部品の生 産を許容しない。多くのこのような従来の部品生産方法は、高価な部品専用工具 を必要としている。粉末処理ですら粉末を成形するダイを必要とするので、粉末 を使用する方法は小量部品を生産する方法として関心を持たれる方法ではない。

はんの（蒼かな数の部品か望まれる場合、従来の製造方法では所望の部品を生産 するために、減少方向に加工を施す方法か一般に使用されている。このような減 少方向に加工する方法においては、材料はその初期ブロックから切削されて複雑 な形状を生み出す。減少方向に加工する機械工具による方法の例には、ミル加工 、ドリル加工、研磨加工、旋盤切削、炎切断、放電機械、等が含まれる。

このような従来の機械工具による減少方向に加工する方法は所望の部品を生産す る点て通常は有効であるか、多くの点において不十分である。

まず最初に、このような従来の機械工具によって減少方向に加工する方法は、大 量の廃材を生み出し、これを廃棄しなければならない。更に、このような機械工 具による方法は適当な機械加工のプロトコルおよび工具のセットアツプのために 一般に多額の初期費用を必要とする。

それなりにセットアツプ時間が高価となるばかりではなく、多大の人的判断およ び専門知識を必要とするのである。勿論これらの問題は小数部品が生産されると きには状況は更に感化する。

このような従来技術に関連する他の問題は、工具の摩耗である。これは交換のコ ストを発生させるだけではなく、工具か摩耗すると精度も低下させてしまう。従 来技術によって生産されるあらゆる部品の精度および公差に対する他の制約は、 その機械工具に固有の公差である。

例えば、従来のミル機械や旋盤においては、リードねしおよび盤台（ウェイ）は ある程度の公差で製造され、これか機械工具による部品製造において得られる公 差を制限するのである。勿論得られる公差は機械工具の経年数によって低下する 。

このような従来のａ械工具による減少方向への機械加工に伴う最後の難点は、多 くの部品形状を造るのが困難もしくは不可能なことである。すなわち、従来の機 械加工方法は対称部品、および外部だけを機械加工される部品、を生産するのに 通常は最適である。しかしながら、所望される部品か一般的でない形状であった り、内部に特徴を有する場合には、機械加工は困難になり、しばしばその部品は 数個のセグメントに分けて生産されねばならなくなる。多くの場合、特別な部品 形状は不可能とされる。何故ならば、部品に対する工具の配置によって制限か加 えられるからである。このように、切削工具の寸法形状か所望の形状を造り出す ためのその工具によるアクセスを許容しないのである。

例えばメッキ、クラット加工およびある種の溶接処理のようなその他の追加され る加工処理があり、これらは材料か初期基体に対して追加される加工である。最 近、他の追加形式の方法か開発されてきており、これは初期部品に対してレーザ ービームを使用して材料を被覆すなわち付着させるものである。例として米国特 許第４，１１７．３０２号、第４，４７４，８６１号、第４，３゜Ｏ，４７４号 および第４，３２３，７５６号が含まれる。

ここ最近、レーザーの使用は既に機械加工した部品に対してコーティングを追加 することに限られている。しばしばこのようなレーサービームコーティング方法 は、そのコーティング方法によってのみ得ることのできる成る種の金属学的特性 を達成するのに使用されている。典型的にはこのようなレーザーコーティング方 法においては、初期物品は回転され、レーサーは固定位置に指向され、物品上に コーティング材料か振りかけられて、これによりレーザーかコーティングを溶融 するようにする。

更に粉末を焼結させるためにレーザーを使用する方法か米国特許第４．８６３， ５３８号に示唆されている。

また、粉末を主体とした材料を焼結に先だってコヒーレント・マスに圧縮する方 法か米国特許第４，７５２，３５２号に示唆されている。

既に示唆した選択的に焼結する方法に伴われる難点は、焼結のために粉末相を一 様に付着させる問題に関係する。

レーザー焼結方法において上述にて概説した問題点および粉末の取扱い上の問題 点は、本発明の方法および装置によって大幅に解決される。本発明は部品をマク ロ規模およびミクロ規模にて製造する方法を提供する。マクロ規模の部品は典型 的に約１０μｍ以上の構造寸法を有して構成される。また、更に部品において垂 下スパンやオーバーハング構造を含んで構成されることができる。

ミクロ規模の部品は典覆的には垂下スパンやオーバーハング構造を含まず、１０ μｍ未満の構造寸法を具備することかできる。

本発明の好ましい方法は、第１ガス相を標的面積部分の近くに位置させ、少なく とも１つの指向性のエネルギービームの標的面積部分に対する目標を走査して、 第１ガス相から材料を標的面積部分上に第１層として選択的に付着させ、第２ガ ス相を標的面積部分の近くに位置させ、標的面積部分を横断して少なくとも１つ の指向性のエネルギービームの目標を走査して、第２ガス相から材料を標的面積 部分上に第２層として選択的に付着させる諸段階、を含んでなる。この第２の走 査段階は更に、その走査および第２層の付着の間に第１層および第２層を結合さ せ、引き続きガス相を標的面積部分の上に位置させ、標的面積部分の上で少なく とも１つの指向性エネルギービームの目標を走査し、材料を選択的に付着させて 先に付着されている層に結合された連続する層を形成し、このような複数の結合 された層を含んでなる部品を製造する副段階を含む。連続されるガス相は第１お よび第２ガス相を含むかこれに限定されるものではなく、実質的に同し科学組成 を存して構成されることもてきる。

好ましい実施例において、非結合型の容易に取り外せる材料か、そのすぐ上の次 の層に垂下スパンやオーバーハング構造の形成されることを可能にする。二次的 な方法は煮沸、振動、または選択的な化学反応を含むがそれに限定するものでは なく、これにより垂下スパンやオーバーハング構造を所定位置に存する容易に取 り外せる材料の取り外しを可能にてきる。

本発明は単純金属または多成分金属、セラミック、ポリマー、複合物およびそれ らの組み合わせを含んで構成された部品を製造するのに使用できる。

本出願の全体を通じて述へるガス相は、有機金属、炭化水素、塩化物、フッ化物 、酸化物、窒化物、またはポリマー前駆（プリカーサ）物ガスを含めて多数のガ スを含むことかできるか、これに限定するものではない。この明細書を通して使 用されるガス相なる用語は、多成分ガスおよびガスプラズマを含むが、それに限 定されるものではない。更に、この明細書を通じて使用されるガス相およびガス キャリアは、ガスおよびガスプラズマを含むか、それに限定されるものではない 。各々の段階は接近して位置されているガス相を熱分解または光分解して標的面 積部分に材料を付着させるのが好ましい。更に、複数または１つのエネルギービ ームの波長は、所望のガス相から材料を選択的に付着させるように選択できる。

更に、標的面積部分は選択的に加熱されてガス相から選択的に材料を付着させる ように、また、更にガス相のガス分子を選択的に解離させることかできる。

本発明による部品の他の製造方法は、複数のガス相を標的面積部分の近くに位置 させ、標的面積部分に対する少なくとも１つの指向性エネルギービームの目標を 走査し、ガス相から材料を選択的に標的面積部分の上に第１層として付着させる 諸段階を含んでなる。次に、少なくとも１つ指向性エネルギービームの目標が標 的面積部分を横断して走査され、材料がガス相から第２層として側面上に付着さ れる。この段階には、その走査および第２層の付着の間に第１および第２層を結 合させ、引き続き標的面積部分を横断して少なくとも１つ指向性エネルギービー ムの目標を走査し、選択的に材料を付着させて、先の付着層に結合された連続す る層を形成して、複数の結合層を有する部品を製造するようになす副段階か含ま れる。好ましい実施例では、複数のガス相はガス相前駆材料およびガスキャリヤ 材料およびそのプラズマを含み、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈｓ　、ｙ 、ＣＯ２、Ａ１．（ＣＨ３）ｇ　、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｉ　（Ｃｏ）　４、Ｆ ｅ　（Ｃｏ）！、Ｎ、０１ＳｉＨ４、Ｓｉ、Ｈｅ、ＴｉＣｌ２、ＢＣｌｚ、およ び、ＷＦ、の１つ以上の組み合せか含まれるか、これに限定されるものではない 。更に、選択的に付着される材料はアモルファス、Ｃ１黒鉛Ｃ、ダイアモンド、 ＴｉＮ、Ｔｉ４Ｃ３、ＳｉＣ，５ｉｓＮ４．５ｉＯｚ、ＴｉＢ２、Ｎｉ、ＡＩ、 Ｆｅ、Ｗ、Ｓ　ｉ、Ａｌ□Ｏｓ　、ＴｉＯ２、および、ＴｉＣの１つ以上の組み 合わせを含むのか好ましいが、これに限定するものではない。好ましい実施例は 複合材料が予め定めた形状で直接に付着てきるようにする。

各々の走査段階は更に、１つまたは複数のエネルギービームの波長を選択して、 複数のガス相から材料を選択的に付着させるようにする副段階を含む。好ましい 実施例では、選択されたビームの波長は複数のガス相の熱分解を選択的に可能に する。池の好ましい実施例では、選択されたビームの波長は複数のガス相の選択 的な光分解を可能にする。更に他の好ましい実施例では、選択されたビームの波 長は複数のガス相の選択的な熱分解および光分解を可能にする。各走査段階は更 に、標的面積部分を選択的に加熱してガス相から選択的に材料を付着さらるよう にする、また更に、ガス相のガス分子を選択的に解離させるようにする副段階を 含む。

複数のガス相は複数の有機金属、炭化水素、塩化物、フッ化物、酸化物、窒化物 またはポリマー前駆ガス、そして、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ２およびＮ２を含むが限定す るものではないキャリヤガス、を含んで構成されるのが好ましい。

本発明の更に他の方法は、第１ガス相を表面付近に位置させ、表面温度を制圓し て第１ガス相の一部か表面上に第１層として凝縮できるようにさせ、表面を横断 して少なくとも１つの指向性エネルギービームの目標を走査し、そして選択的に 第１層から材料を蒸発させる、諸段階を含んでなる。補足される第１ガス相は、 適当であれば表面付近に位置され、凝縮され、選択的に蒸発されることができる 。この補足される第１ガス相は、５ｉ２Ｈｓ　、Ｃｚ　ＨｚおよびＡｒを含むか 限定するものではない容易に取り外せる材料を含んで構成され、凝縮した補足の 第１ガス相材料のすぐ上の次の層に垂下スパンやオーバーハング構造か形成でき るようにするのか好ましい。垂下スパンやオーバーハング構造の製造に使用され たこの容易に取り外せる材料はまた粉末を含んでなるか、これに限定されるもの ではない。

次に、第２のガス相か表面付近に位置される。表面温度は制御され、第２ガス相 の一部か第１層の上に凝縮できるようになす。少なくとも１つ指向性エネルギー ビームの標的か表面を横断して走査され、選択的に第２層から材料を蒸発させる 。これには、凝縮および第２層の走査の間に第１および第２の層を結合させ、引 き続き表面付近にガス相を位置させ、表面を温度制御して引き続くガス相の一部 か表面上に引き続く層として凝縮して結合されるようにし、そして表面を横断し て少なくとも１つの指向性エネルギービームの標的を走査し、材料の層を選択的 に蒸発させ、複数の結合した層を含んでなる部品を製造するようになす、副段階 か含まれる。更に、各々の走査段階はまた、表面を横断して少なくとも１つの第 ２の指向性エネルギービームの標的を走査して、各材料層に付着ガスを選択的に 分解する段階を含むのが好ましい。更に、各走査段階は、更に各々の指向性エネ ルギービームの１つまたは複数の波長を制御する副段階を含むのか好ましい。

スパンまたはオーバーハング構造か形成された後、容易に取り外せる材料か二次 的な方法で取り外されるのが好ましい。二次的な方法は煮沸、振動または選択的 な化学反応を含むか、これに限定されるものではない。

本発明の更に池の方法は、表面付近に第１ガスを位置させ、表面温度を制御して 第１ガス相の一部か表面に第１層として凝縮できるようになし、表面を横断して 少なくとも１つの指向性エネルギービームの目標を走査し、第１層の材料を凝縮 した第１ガス相材料よりも高い融点を有する材料に選択的に変換させ、第２のガ ス相を表面付近に位置させ、表面温度を制御して第２ガス相の一部か第１層の上 に凝縮するようになし、表面を横断して少なくとも１つの指向性エネルギービー ムの目標を走査し、第２層の材料を凝縮した第２ガス相の材料よりも高い融点を 有する材料に選択的に変換させる諸段階を含んでなり、これにおいて、第２層の 凝縮および走査の間に第１および第２の層を結合させ、引き続きガス相を表面付 近に位置させ、表面温度を制御して引き続くガス相の一部か引き続く層として側 面上に凝縮して結合できるようにさせ、表面を横断して少なくとも１つの指向性 エネルギービームの目標を走査し、複数の結合された層を含んでなる部品を製造 するようになす、副段階か含まれる。更に、各々の走査段階は更に、表面を横断 して少なくとも１つの第２の指向性エネルギービームの目標を走査して、各々の 層の材料を選択的に分解させるようにする段階を含むのか好ましい。各々の走査 段階は、少なくとも１つの指向性エネルギービームの波長を制御する副段階を含 むのか好ましい。

本発明の付加的な方法は、一体の３次元物体を形成する方法を提供する。この方 法は、実質的にガスを含有てきるようにチャンバー内部に標的を位置し、ガス相 をチャンバー内部に導入し、エネルギービームを標的面積部分に当てる手段を使 用してガス相の少なくとも一部の特性を変化させて材料層を付着させるようにし 、この付着を繰り返して複数のこれらの層を形成する段階を使用する諸段階を含 んでなる。これらの各々の層は一体の３次元物体を形成する諸段階を使用するこ とて隣の隣接層に一体化するように結合される。

部品を製造する本発明の装置は、ガス相の実質的な閉し込めを可能にする標的面 積部分を収容するチャンバーハウソングと、ガス相をチャンバー内部へ導く装置 と、少なくとも１つ指向性エネルギービームを選択的に発生させる装置と、この ビームを標的面積部分に向け、標的面積部分をそのビームの目標で選択的パター ンにて走査させる装置と、ビームの作動を制御して、パターン走査の間にガス相 から標的面積部分上に材料を選択的に付着させる装置と、を含んで構成され、方 向決め装置に作動連結されてパターン走査の間にビームの目標をモニターするよ うになすコンピュータ装置が含まれる。このコンピュータ装置は、部品の複数の 断面領域における所望の境界を示す情報によって好ましくプログラムされる。こ のコンピュータ装置は更に、ビームの目標か第１断面領域の境界内部に位置して 標的面積部分に材料の第１層を付着させるようになされているときに、ビームを 変調させるように好ましく作動できるようになされている。また、ビームの目障 か第２断面領域の境界内部に位置して材料の第２層を付着させるととも第１およ び第２の材料層を結合させるようになされているときに、ビームを変調できるよ うになされている。また、コンピュータ装置は更に、ビームの目標か引き続く断 面領域の境界内部に位置して引き続く材料層を層に結合して所望の部品を形成す るようになされているときに、ビームを変調できるようになされている。

コンピュータ装置は複数の直列状態に配置された部品の平行な断面領域の所望の 境界に対してプログラムされるのか好ましい。本発明の１つの代替例によれば、 コンピュータ装置は部品の全寸法および形状によってプログラムされ、また、部 品を数値的に複数の一連の平行な個別の断面領域に分けるように作動し、また、 各領域に関して所望の境界を得ることかできる。

好ましい実施例において、走査装置はそれぞれガルバノメーターによって駆動さ れる一対のミラーを含んでいる。他の好ましい実施例においては、走査装置は標 的面積部分をビームに対して位置決めする装置を含んでいる。

更に、本発明の全ての好ましい実施例において、それぞれ個別のエネルギービー ムは少なくとも１つのレーザービーム、イオンビーム、電子ビーム、収束された プラズマビーム、またはそれらの組み合わせで構成されるのが好ましい。

本発明によれば付着される材料は、レーザービームによって焼結させるために標 的面積部分における粉末の装置を機械的に付着させるような試みに伴って発生す る材料のレベリングおよび一様付着における問題点を回避するのである。本発明 を使用した材料の付着は所望の部品を製造するために互いに結合されたレベル層 を好ましく形成するのである。更に、本発明を使用した代替例において、所望の 部品を製造するためにガス相から凝縮された材料を蒸発させるために、レベル層 も形成され、焼結のために粉末層の一様な分散に伴って発生される問題が大幅に 回避されるのである。

第１図は、本発明による第１の好ましい実施例および例とする部品の断面図。

第２図は、実質的にほぼ完成された第１図の部品の断面図。

第３図は、第２の部分的な斜視図。

第４図は、本発明による第２の実施例の装置の線図。

第５図は、本発明により製造された部品の積み重なった層の一部を示す概略図。

図面を参照すれは、本発明の方法および装置は、様々な部品の製造を可能にする 。本発明を使用して作られた部品は約１０μｍ以上の直径を有する構造とされる のか好ましい。第３図はそのような部品を示している。例とする部品２はその中 に配置されたキャビティ６を宵する外側ヘース情造４を示している。ピラー８お よびそのピラーから延在されているオーバーハング１０かキャビティ６の内部に 位置されている。

第１図はチャンバー２２の内部てガス相２４て囲まれた部品２を示している。ガ ス相は実質的にチャンバー２２内に収容されている。ガス入口およびバルブ２３ はガス相２４かチャンバー２２の中に流入できるようにしている。ガス出口およ びバルブ２５はガス相２４かチャンバー２２から流出てきるようになす。チャン バー２２の頂部は部品２の取り出しを可能にするように、取り外しできるのか好 ましい。ガス相２４は有機金属、炭化水素、塩化物、フッ化物、酸化物、窒化物 、またはポリマー前駆ガス、またはＨｅ、Ａｒ、Ｈ２およびＮ２を含むか限定す るものではない複数の前記ガスとされるのか好ましい。有機金属ガスは、Ａ　１ ２　（ＣＨｚ　）　ｓ、Ｎｉ　（ＣＯ）、　、およびＦＥ　ＣＣ０）、　、を含 むか、これに限定するものではない。炭化水素ガスはＣＨ，、Ｃ２Ｈ２、Ｃ！　 Ｈ−、Ｃ２Ｈ＠を含むか、これに限定するものではない。ポリマー前駆ガスはハ ロゲン化アルキルおよびアミンを含むか、これに限定するものではない。

ガス相は、十分な熱エネルギー、分解エネルギーもしくは解離エネルギーを供給 する指向性エネルギービームに露出されたときに、分解、焼結および／またはポ リマライジングの性質を有する単数または複数のガスを含んで構成される。

第１図および第２図は本発明によって部品を製造する装置を示している。例とし て、製造される部品、すなわち部品２はチャンバー２２の中に配置される。ガス 相２４かチャンバー２２内に実質的に収容される。チャンバー２２は更にビーム 透過ウィンドウ４４を含み、このウィンドウを通してレーサービームすなわちビ ーム４６か通過する。レーザービームはレーザービーム発生および走査装置４８ によって発生される。この装置はコンピュータ５０によって制御される。作動に おいても、コンピュータ制御装置５０は部品２を形成するために付着される複数 の層の各々の２次元像を決定するのに十分な情報を含んでいる。この情報はレー サービーム発生および走査袋（Ｎ４８に伝達され、レーサービーム４６を制御す る。

レーザービーム４６は部品２の製造か行われている間に最上層４２を連続して走 査し、また、部品２の各層を製造するために必要なパターンにてガス相２４から 結合型材料１２または非結合型材料１４を付着させるように選択的に作動される 。レーザービーム４６は、材料付着か部品２のその時点での最上層４２を作り出 すために必要とされる場合に活性化される。チャンバートップ２１の取り外しは 、完成部品２をチャンバー２２から取り出せるようにする。米国特許第４，８６ ３，５３８号はレーサービーム発生および走査装置の制御にコンピュータを使用 することを開示しており、参照することてここに明確に組み入れられる。

垂下スパンやオーバーハング構造か形成されるべき部品に作り出すことか望まれ る場合には、垂下スパンやオーバーハング構造を形成する第１＠か付着されるよ り前に、非結合型の容易に取り外してきる材料Ｉ４か適当な単数または複数の者 として付着される。非結合型材料は、部品の製造の間に垂下スパンやオーバーハ ング構造を支持するように好ましく働く。また、材料か非結合型の性質であるこ とから、二次的処理によって容易に取り外してきるのである。この取り外しは部 品か製造された後に実施されるのか好ましい。これにより、垂下スパンやオーバ ーハング構造か残される。引き続くガス相２４は引き続く結合型材料１２および 非結合型材料１４の付着を可能にする。

第１図および第２図を参照すれば、好ましい実施例において、ガス相２４は複数 のガスまたは複数のガス相を含んでいる。レーザービーム４６はシングルレーザ ービームまたはガス相２４を選択的に熱分解、光分解またはその他の分解を行っ て標的面積部分２６に材料付着を行えるように調整された複数のレーザービーム を含んで構成される。

コンピュータ制御装置５０およびレーザービーム発生および走査装置４８はレー ザービーム４６に発生されるエネルギー量およびその波長４６を制御できるのか 好ましい。それ故に、好ましい実施例では、ガス相２４は複数のガスを含み、レ ーザービーム４６に関して選択されたエネルギーレヘルまたは選択された波長、 もしくはそれらの組み合わせかガス相２４の選択的な分解を可能にする。ガス相 ２４の分解はガス相から最上層４２に対する材料の付着を生じて、新たな最上層 を形成する。最初のレーザービームとは異なるパワーおよび波長のレーザービー ムかコンピュータ制御装置５０およびレーザービーム発生および走査袋！４８に よって活性化され、第２のガス相を分解してその第２ガス相から材料４２の引き 続く最上層に付着させる。この好ましい実施例において、異なる材料の層かガス 相２４を含む複数のガスから選択的に付着されるのである。明白なことに、単一 層は、第１ガス相を準備して第１面積部分を横断してエネルギービームを選択的 に走査し、次に第２ガス相を準備して、第２の面積部分を横断してエネルギービ ームを選択的に走査することによって、第１の付着材料の第１の面積部分と第２ の付着材料の第２の面積部分とを含んで構成されることかできる。

好ましい代替例において、単一ガス相２４かガス入口およびバルブ２３を通して チャンバ−２２内部に配置される。レーサービーム４６はガス相２４を熱分解ま たは光分解して最上層４２を形成する。この方法か繰り返されて第２層を製造す るか、またはガス相かチャンバーからガス出口およびバー３５を通して排出され 、次の最上層４２か付着される前に他のガス相と交換されることかできる。

更に、レーサービーム４６は標的面積部分２６を選択的に加熱してガス分子をガ ス相２４から選択的に解離させ、標的面積部分２６に材料を付着させることかで きる。

例として、ガス相かＣ２Ｈ２およびＮ２を含み、レーサービームか０．１５ミク ロン（μｍ）の波長で約２０ワツトのエネルギーを有する場合、材料であるガラ スカーホンか標的面積部分に付着される。

他の例として、ガス相に触媒か組み入れられて選択された材料を標的面積部分に 付着させて部品を製造するようになすことかできる。Ｎ１（Ｃ○）４をＮ１触媒 のガス前駆物質として使用し、Ｃ１Ｈｔをガス相として使用し、レーザービーム か約２０ワツトのエネルギーを有し、波長かｌ００６μｍであると、黒鉛材料か 付着される。

本発明の更に他の好ましい実施例は、第１ガス相２４を標的面積部分２６の近く に位置させる段階を含む。標的面積部分２６の温度、そして好ましくはチャンバ ー２２の温度は制御されて、標的面積部分２６かチャンバー２２の壁部の温度以 下の温度となされ、第１ガス相２４の一部か標的面積部分２６の面上に第１層と して凝縮できるようにされる。第５図を更に参照すれば、層５２は部品２の第１ の凝縮層である。レーザービーム４６は標的面積部分２６を走査し、層５２から 材料を選択的に蒸発させる。この処理はレーザー５３．５４および５５によって 図示されたように繰り返される。第５図はガス相から凝縮した材料の層５５を走 査するレーサービーム４６を示している。第５図は、ラスター走査パターン５６ を示し、ビーム４６は軸線５８に沿って選択的に走査する。選択的な走査は下の 面積部分か走査されて、例とする部品２の適当な層か形成される迄、軸線５７に 沿ってビームか前進しつつ、実行される。部品かは軸線５９の方向へ響を並へて 作り上げられる。本発明の全ての好ましい実施例におけるように、本発明は垂下 スパンやオーバーハング構造を部品に形成することかできる。既に説明したよう に、材料の非結合型の単数または複数の層は製造の間に垂下スパンやオーパーツ １ング構造を支持するように、付着される。この非結合型材料はしかる後に二次 的方法によって取り外され、この方法には煮沸や振動または選択的な化学反応か 含まれるが、限定するものではない。非結合型材料か取り外されると、垂下スパ ンまたはオーバーハング構造は部品に残されるのである。

本発明の更に他の好ましい実施例は、標的面積部分２６の近くに第１ガス相２４ を位置決めする段階を含む。

標的面積部分２６の温度は制御され、第１ガス相２４の一部か標的面積部分２６ の面上に第１Ｎとして凝縮できるようにする。レーザービーム４６は第５図に示 すように面５２を横断して走査し、相５２から選択的に材料を活性化させる。選 択的に活性化された材料は凝縮した第１のガス相の材料よりも高い融点を有する 。この方法が繰り返される。部品は全ての好ましい実施例におけるように、層を 並へて形成され、各層は選択的に走査されて先行の層に結合される。本発明の好 ましい実施例におけるように、垂下スパンやオーパーツ１ング構造か部品に好ま しい形成される。これは、低い融点の相材料のような非結合型材料を使用して、 垂下スパンやオーハーフ１ングの下側に単数または複数の層を形成し、標的面積 部分２６の温度か増大されたときに非活性化の凝縮ガス相か蒸発して、選択的に 活性化された材料の付着を残すようにされる、ことて形成されるのである。

走査に先行して材料か標的面積部分２６上に凝縮した場合、ガス相２４はチャン バー２２の制御可能な雰囲気温度以下の沸点を存するガスを含む。例として、ガ ス相２４はＣ２Ｈ２、ＣＨ，ＣＩ□および （ＣＨ３）２　ＮＨ４のようなポリマー前駆物質を含むか、これに限定されるも のではない。

第５図は部品２の各層から望まれない部分を蒸発させる本発明を示す。逆に第１ 図は部品２の適当な層に材料を選択的に付着させることを示している。

本発明の好ましい実施例の全ては付着処理の間に結合材料の各層を結合させる副 段階を含む。材料か選択的に付着される場合、レーザー４６は引き続く各々の層 を付着させ、新たに付着された層を既に付着しである層に結合させて複数の結合 された層を有する部品を製造するのである。

レーザービーム４６か層から凝縮した材料を蒸発させる場合、各層は材料の凝縮 の間に先行する層に結合される。これにより複数の結合層を存する部品か製造さ れる。

本発明の好ましい実施例の全てにおいて、コンビュ−夕制御装置は完成された部 品における所望される境界をプログラムされた後、あるいは、部品２の複数の直 列状態に配置された平行な断面領域における所望される境界かプログラムされた 後、部品２の複数の断面領域の境界を決定することかできる。

複数のレーザービームか本発明において使用される場合は、ビームは追加的に使 用されて、複数のレーサービームか集中する点だけの所望のエネルギーレベルま たは波長の組み合わせを作り出すようにすることかできる。

２つのレーザービームを使用した好ましい実施例が第４図に示されている。例と する部品２はチャンバー６８の中に収容され、チャンバー６８は実質的にガス相 ２４を収容する。コンピュータ制御装置６０は第２レーサービームの発生および 走査装置６２と、第２レーサービームの発生および走査装置６４ととの両方を制 御するのが好ましい。第ル−サービーム装ｆｉｉ６２からの第２レーサービーム フ４、および第２レーサービーム装置６４からの第２レーザービーム７６は、第 １ビーム透過ウインドウ７０および第２ビーム透過ウインドウ７２をそれぞれ通 してチャンバー６８の内部に入る。第２レーサービームフ４および第２レーサー ビーム７６は交差し、アクティブポイント６６にて集中されるのか好ましい。レ ーサービーム７４および７６は所望レベルのレーサーエネルギーまたは所望の波 長の組み合わせを生しるように選択され、所望の材料の分解を生じて、部品２の 最上層４２に材料か付着されるようになす。

複数のレーザービームが使用される場合、ガス相２４は熱分解や光分解を可能に する特徴を有する複数のガスを含んで構成される。このような特徴を有するガス はＣ２Ｈ２、（ＣＨ３＞２　ＮＨおよびＮ１（Ｃｏ）４を含むか限定するもので はない。

好ましい代替例において、アクティブポイント６６は最上層４２から凝縮材料の 所望の蒸発を発生させる。複数のレーザービームかガス相２４から凝縮材料を蒸 発させるのに使用されると、ガス相２４はビームに露出される面積部分て制御さ れて沸騰されることのできる特徴を有する複数のガスを好ましく含む。これらの 特徴を存するガスはハロゲン化アルキル、アミン、そしてキャリヤガスと混合さ れた炭化水素を含むか限定するものではない。ここでキャリヤガスはＨｅ、Ａｒ およびＮ２を含むか限定するものではない。

明らかなように、複数のレーザーが本発明において使用でき、レーザーは所望の アクティブポイントの回りに複数の角度位置に配置される。第４図に示されたレ ーサービーム７４およびレーザービーム７６の間の９０’の角度は、本発明の方 法および装置の複数ビームを使用した特定の好ましい実施例を単に示しているだ けであって、限定するものではない。

第５図は更に第ル−サーポシショナー７８および第２レーサーボンノヨナ−８０ を示しており、これらは何れもコンピュータ制御装置６ｏによって制御されるの が好ましい。当業者には明確となるように、制御可能なミラーおよびその他の知 られた装置がレーサービーム７４および７６の位置を調整するために使用できる 。

本発明の装置および方法の更に他の改良および代替実施例かこの説明に鑑みて当 業者に明白となろう。従って、この記述は説明だけのための、また、当業者に本 発明の実施方法を知らせるだけのためのものと解釈されねばならない。ここに示 し説明した本発明の形態は、現在好ましいとされる実施例として理解されるべき である。様々な変更か形状寸法や部材の配置になし得る。例えば、同等部材や材 料をここに図示し説明したものと置き換えることかできる。部品は逆にすること ができる。また、本発明のある特徴は他の特徴と別個に使用できる。これらの全 ては、本発明のこの説明の利点を得た当業者に明白となる通りである。

ガス相から材料の層を選択的に付着させて複数の付着層を含んでなる部品を製造 する方法および装置である。

この装置は、レーサーのような指向性エネルギービームを制御するコンピュータ を含み、ガス相を実質的に収容するチャンバーの中にレーサーエネルギーを導い て、ガス相の光分解または熱分解を好ましく発生させ、また、部品の所望される 断面領域の境界内部にて材料の選択的な付着を好ましく引き起こす。各々の断面 に関しては、レーザービームの目標か標的面積部分の上から走査され、ビームは 断固の境界内部で材料を付着させるようにスイッチオンされる。引き続く層の各 々は直前の層に結合され、こりにより複数の結合された層を含んでなる部品か製 造される。本発明の代替例ては、ガス相は表面に凝縮され、レーサービームかこ れを選択的に蒸発させるのに使用され、変換されて各層において材料を活性化ま たは分解させる。引き続く層は凝縮および蒸発される。変換活性化または分解の 段階は繰り返され、複数の結合された層を含んでなる部品を製造する。本発明の 装置はコンピュータ制御されたレーサー発生走査装置を好ましくは含む。この装 置は、少なくとも１つのビームをチャンバー内へ照射することを目標とする。こ のチャンバーは少なくとも１つのガス相を含み、選択的に材料を付着または蒸発 させて、部品を製造する。

手続補正書泪発） 特許□長官、　祖４年旺諏 ガス相からの選択的なビームにょる彼キ５−補正命令の日付 ６一ネｍ正ζこより増り口する請求項の数７−Ｍ１正の対象 明細書、請求の範囲及び要約１翻訳又 明ＭＥＮ、請求の範囲及び要約１翻訳ズの浄Ｎ（内容に変更なし）国際調査報告 国際調査報告 ＩＩｓ　９００７０８４ Ｓ＾　４３３２４

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. １．部品を製造する方法であって、 標的面積部分の近くに第１ガス相を位置し、前記標的面積部分に対して少なくと も１つの指向性エネルギービームの目標を走査して、前記標的面積部分の上に第 １層として前記第１ガス相から材料を選択的に付着させ、 前記標的面積部分の近くに第２ガス相を位置し、前記標的面積部分に対して少な くとも１つの指向性エネルギービームの目標を走査して、前記標的面積部分の上 に第２層として前記第２ガス相から材料を選択的に付着させ、これにおいて、 前記第２層の走査および付着の間に前記第１および第２層を結合させ、 引き続きガス相を前記標的面積部分の上に位置し、少なくとも１つの指向性エネ ルギービームの目標を前記標的面積部分の上で走査し、材料を選択的に先行の層 に選択的に結合させるようにして、複数の結合した層を含んで構成された部品を 製造する、副段階を含む、 諸段階を包含してなる部品の製造方法。
2. ２．請求の範囲第１項の方法であって、前記第１および第２ガス相が有機金属、 炭化水素、塩化物、フッ化物、酸化物、窒化物、およびポリマー前駆ガスを含ん でなる群から選択された少なくとも１つのガスを含んでなる方法。
3. ３．請求の範囲第１項の方法であって、前記第１および第２ガス相か実質的に同 じ科学組成を有している方法。
4. ４．請求の範囲第１項の方法であって、前記走査段階が前記ガス相の各々の少な くとも１つを熱分解させる副段階を含んでなる方法。
5. ５．請求の範囲第１項の方法であって、前記走査段階が前記ガス相の各々の少な くとも１つを光分解させる副段階を含んでなる方法。
6. ６．請求の範囲第１項の方法であって、前記走査段階が更に、前記ガス相から選 択的に材料を付着させるために、前記少なくとも１つのエネルギービームの少な くとも１つの波長を選択する副段階を含んでなる方法。
7. ７．請求の範囲第６項の方法であって、前記波長選択副段階が更に、前記ガス相 を選択的に分解する副段階を含んでなる方法。
8. ８．請求の範囲第１項の方法であって、前記走査段階が更に、前記ガス相から選 択的に材料を付着させるために、前記少なくとも１つのエネルギービームの少な くとも１つの波長を選択する副段階を含んでなる方法。
9. ９．請求の範囲第１項の方法であって、前記走査段階が更に、前記ガス相から選 択的に材料を付着させるために、前記標的面積部分を選択的に加熱する副段階を 含んでなる方法。
10. １０．請求の範囲第９項の方法であって、前記選択的加熱副段階が更に、前記ガ ス相のガス分子を選択的に解離させる副段階を含んでなる方法。
11. １１．請求の範囲第１項の方法であって、前記少なくとも１つの指向性エネルギ ービームが少なくとも１つのレーザービームを含んでなる方法。
12. １２．請求の範囲第１項の方法であって、前記少なくとも１つの指向性エネルギ ービームが少なくとも１つのイオンビームを含んでなる方法。
13. １３．請求の範囲第１項の方法であって、前記少なくとも１つの指向性エネルギ ービームが少なくとも１つの電子ビームを含んでなる方法。
14. １４．請求の範囲第１項の方法であって、前記少なくとも１つの指向性エネルギ ービームが少なくとも１つの収束プラズマビームを含んでなる方法。
15. １５．部品を製造する方法であって、 標的面積部分の近くに複数のガス相を位置し、前記標的面積部分に対して少なく とも１つの指向性エネルギービームの目標を走査して、前記標的面積部分の上に 第１層として前記ガス相から材料を選択的に付着させ、 前記標的面積部分を横断して少なくとも１つの指向性エネルギービームの目標を 走査して、前記標的面積部分の上に第２層として前記ガス相から材料を選択的に 付着させ、これにおいて、 前記第２層の走査および付着の間に前記第１および第２層を結合させ、 前記標的面積部分を横断して少なくとも１つの指向性エネルギービームの目標を 引き続き走査し、材料を選択的に付着させて既に付着された装置に対して引き続 く層を結合させるようにして、複数の結合した層を含んで構成された部品を製造 する、 副段階を含む、 諸段階を包含してなる部品の製造方法。
16. １６．請求の範囲第１５項の方法であって、前記複数のガス相がガス椙複合材料 を含んでなり、前記選択的に付着された材料が複合材料を含んでなる方法。
17. １７．請求の範囲第１５項の方法であって、前記複数のガス相が有機金属、炭化 水素、塩化物、フッ化物、酸化物、窒化物、およびポリマー前駆ガスを含んでな る群から選択された複数のガスを含んでなる方法。
18. １８．請求の範囲第１５項の方法であって、前記走査段階が前記複数のガス相か ら選択的に材料を付着させるために、前記少なくとも１つのエネルギービームの 少なくとも１つの波長を選択する副段階を含んでなる方法。
19. １９．請求の範囲第１８項の方法であって、前記波長選択副段階が、前記少なく とも１つの波長を選択し、前記少なくとも１つのエネルギービームが前記複数の ガス相を選択的に分解可能にする副段階を含んでなる方法。
20. ２０．請求の範囲第１５項の方法であって、前記各々の走査段階が更に、前記ガ ス相から選択的に材料を付着させるために、前記標的面積部分を選択的に加熱す る副段階を含んでなる方法。
21. ２１．請求の範囲第２０項の方法であって、前記選択的加熱副段階が、前記ガス 相のガス分子を選択的に解離させる副段階を含んでなる方法。
22. ２２．部品を製造する方法であって、 表面の近くに第１のガス相を位置し、 前記表面の温度を制御して、前記第１ガス相の一部を前記表面の上に第１層とし て凝縮させるようになし、前記表面に対して少なくとも１つの第１の指向性エネ ルギービームの目標を走査して、前記第１層から材料を選択的に蒸発させ、 前記表面の近くに第２のガス相を位置し、前記表面の温度を制御して、前記第２ ガス相の一部を前記第１層の上に凝縮させるようになし、前記表面を横断して少 なくとも１つの第１の指向性エネルギービームの目標を走査して、前記第２層か ら材料を選択的に蒸発させ、これにおいて、 前記第２層の凝縮および走査の間に、前記第１および第２層を結合させ、 前記表面の近くに引き続きガス相を位置し、前記表面の温度を制御して前記引き 続くガス相の一部が前記表面の上に凝縮して引き続く層として結合されるように なし、また、前記表面を横断して少なくとも１つの第１の指向性エネルギービー ムの目標を走査して、前記材料の層を選択的に蒸発させ、複数の結合した層を含 んで構成された部品を製造する、 副段階を含む、 諸段階を包含してなる部品の製造方法。
23. ２３．請求の範囲第２２項の方法であって、前記走査段階が更に、前記表面を横 断して少なくとも１つの第２の指向性エネルギービームの目標を走査して、前記 材料層の各々において前記ガスを選択的に分解させる段階を含んでなる方法。
24. ２４．請求の範囲第２２項の方法であって、各々の前記走査段階が更に、前記少 なくとも１つの指向性エネルギービームの波長を制御する副段階を含んでなる方 法。
25. ２５．部品を製造する方法であって、 表面の近くに第１のガス相を位置し、 前記表面の温度を制御して、前記第１ガス相の一部を前記表面の上に第１層とし て凝縮させるようになし、前記表面に対して少なくとも１つの第１の指向性エネ ルギービームの目標を走査して、前記第１層の材料を前記凝縮した第１ガス相材 料よりも融点の高い材料に選択的に変換し、 前記表面の近くに第２のガス相を位置し、前記表面の温度を制御して、前記第２ ガス相の一部を前記第１層の上に凝縮させるようになし、前記表面を横断して前 記少なくとも１つの第１の指向性エネルギービームの目標を走査して、前記第２ 層の材料を前記凝縮した第２ガス相材料よりも融点の高い材料に変換し、これに おいて、 前記第２層の凝縮および走査の間に前記第１および第２層を結合させ、 前記表面の近くに引き続きガス相を位置し、前記表面の温度を制御して前記引き 続くガス相の一部が前記表面の上に凝縮して引き続く層として結合されるように なし、また、前記表面を横断して少なくとも１つの第１の指向性エネルギービー ムの目標を走査して、前記材料の層を選択的に変換して複数の結合した層を含ん で構成された部品を製造する、 副段階を含む、 諸段階を包含してなる部品の製造方法。
26. ２６．請求の範囲第２５項の方法であって、各々の前記走査段階が更に、前記表 面を横断して少なくとも１つ第２の指向性エネルギービームの目標を走査し、各 々前記材料層を選択的に分解する段階を含んでなる方法。
27. ２７．請求の範囲第２５項の方法てあって、各々の前記走査段階が更に、前記少 なくとも１つの指向性エネルギービームの波長を制御する副段階を含んでなる方 法。
28. ２８．一体の３次元物体を形成する方法であって、ガス相を実質的に収容できる チャンバー内部に標的を波長し、 前記ガス相を前記チャンバー内部に導き、エネルギービームを標的面積部分に導 くために手段を使用し、材料の層を付着させるために前記ガス相の少なくとも一 部特性を変化させ、 前記付着を操り返して、複数の前記層を形成するための段階を使用し、 一体的な３次元物体を形成するために前記段階を使用することによって、前記層 の各々が隣の前記層に対して一体的に結合される、 諸段階を包含してなる方法。
29. ２９．部品を製造する装置であって、 標的面積部分を収容するハウジングと、前記チャンバー内部にガス相を導く手段 と、少なくとも１つの指向性エネルギービームを選択的に発生させる手段と、 前記ビームを前記標的面積部分に方向決めし、前記標的面積部分を選択的なパタ ーンの前記ビームの目標で走査する手段と、これにおいて パターン走査の間に前記ビームの目標をモニターするために方向決め手段に作動 連結されたコンピュータ手段と、 前記コンピュータ手段が前記部品の複数の断面領域における所望の境界を示す情 報によりプログラムされ、前記コンピュータ手段は、前記標的面積部分に材料の 第１層を付着させるために、前記ビームの目標が第１断面領域の所望の境界内部 に位置されているときに前記ビームを変調させるように作動可能であり、また、 材料の引き続く層を付着させて前記層を結合し、前記部品を形成するようになす ために、前記ビームの目標が引き続断面面領域の引き続く所望の境界内部にある とき、前記ビームを変調させるように作動可能であり、 また、材料の第２層を付着させて材料の前記第１および第２層を結合させるため に、前記ビームの目標が第２断面領域の所望の境界内部にあるとき、前記ビーム を変調させるように作動可能であり、ことを含んでいる、 諸段階を包含する方法。
30. ３０．請求の範囲第２９項の方法であって、前記チャンバーが前記ガス相を実質 的に収容する方法。
31. ３１．請求の範囲第２９項の方法てあって、前記コンピュータ手段が前記部品の 複数の一連の平行な断面領域の所望される境界でプログラムされた方法。
32. ３２．請求の範囲第２９項の方法であって、コンピュータ手段が前記部品の全体 寸法および形状でプログラムされ、 コンピュータ手段が更に、前記部品を数値的に処理して部品の一連の平行な別個 の断面領域に分け、各領域に関する所望の境界を導き出すように作動可能とされ ている、 方法。
33. ３３．請求の範囲第２９項の方法であって、前記指向性エネルギービームが少な くとも１つのレーザービームを含んでなる方法。
34. ３４．請求の範囲第２９項の方法であって、前記指向性エネルギービームが少な くとも１つのイオンビームを含んでなる方法。
35. ３５．請求の範囲第２９項の方法であって、前記指向性エネルギービームが少な くとも１つの電子ビームを含んでなる方法。
36. ３６．請求の範囲第２９項の方法であって、前記指向性エネルギービームが少な くとも１つの収束プラズマビームを含んでなる方法。
37. ３７．請求の範囲第２９項の方法であって、前記走査手段がそれぞれガルバノメ ーターで駆動される一対のミラーを含んでなる方法。
38. ３８．請求の範囲第２９項の方法であって、前記走査手段が前記標的面積部分を 前記少なくとも１つの指向性エネルギービームに対して位置決めする手段を含ん でなる方法。