WO1982003798A1 - Method and device for manufacturing product by utilizing holography technique - Google Patents

Description

明 ホ 口 グ ラ フ ィ 一の技銜を利用 して製作物を 製作する方法及びその装量 技 術 分 野

本発明は、 情報の幾何学化を可能にす る ホ ロ グ ラ フ ィ 一の技術を利用 して所望の裟作物を直接的に製作す る方 法及びその装置に関する も の でる る。

背 景 技 術

従来一殺に提案されてい る工作檨¾は、 鉱物材料を融 溶精製 して素材をつ く ]? 、 その ^料を一定の形に固形イ匕 した後、 それを 刃物又は レーザー等を用いて 削 る と い う 製作工程を基調 と する も のてあ 、 工作機械 自 体が製作 物に対する加工性能上の限界を有 してい る。 したがって 従来の工作機械に よ っては、 道具 と して 内部構造の複雑 ¾、 ま た ト ボ ロ ジ カ ノレ ¾構造を有する製作物を直接的に 製作する こ と は、 それを設計する段港に おい て、 すでに 必然的 な限界 と して規定され、 具^的 製作物 と して実 物質化する こ と が困難で った：.

発 明 の ^ 示

本発明は、 上記従来の工作 が必然的に有す る欠点 を解決 した も のでぁ 、 その 目 的 と する所は、 電磁波又 は音波等.の波動エ ネ ル ギーの S 分 ¾を所定の三次元空 間領域に お て、 任意に実現する こ'と の 出来 る ホ ロ グ ラ フ ィ 一 、 えば計算襃ホ 口 グ ラ フ ィ 一の技荷を応用

_ Ο ΡΙ 一 V/I?0 製作物の設計情報を空間 エ ネ ル ギ ー分布 と して実現 し、 次にその空間化 した製作 の設計';青報を上記波動エ ネ ノレ ギ一の空間分布における高低差、 通常はその結果と して の温度差を利用 し、 気体化 した所望材料の昇華を通 して 実物質化する こ と に よ って製作 を製作する新規 方法 及び装置を提供する こ と に あ る：： 面 して本癸明に よ れば、 内部構造の複雜る、 ま た ト ロ ジ カ ル ¾構造を有する製 作物、 更には微小 製作物について も 容易に、 かつ直接 的に製作する こ と が出来る。

図面の簡単 説明

第 1 図は、 仮に遺^ した円拄状の製作物の形態を計算 機ホ 口 グ ラ フ ィ 一の実像と して表わ した状態を示す斜視 図、 第 2 図は、 製作掬の形を した空間をホ ロ グ ラ フ ィ 一 実像の空間の逆空間 と して表わ した状態を示す斜視図、 第 3 図は、 断層体積響の方法を示す斜視図、 第 4 図は、 第 3 図に おい て 内部構造がある場-合の細部を拡大 して示 した断面図、 苐 5 図は、 本発明に係る装置の一実^態様 を示す横^面図 （ 第 6 医の A— A ¾新面図 と して示され る。 ） 、 第 ό 図は、 同 じ く 本発 ¾に係る装量の綠新面図、 第 7 図は、 板状の大望 ¾ ¾を ¾ ^的 製作する場合に おける本発明に係る装量の ^の実 ¾態様を示す正面図、 苐 8 図は、 第 7 図の B — B 、^靣図でる る：

発明を実 ¾するための最良の形態

本発明 を よ 詳: 5 1?：逑するために、 以下添付図面 :て 従って これを！?」明する -

OMPI 一般的に レ ーザー を用い る ホ ロ グ ラ フ ィ 一は、 空間に 三次元の実像を合成する こ と が出来 る。 本発明は、 こ の 原理 を応用 した も ので ぁ 、 予め得 られた製作物の設計 データ 一 を計算 ¾処理 し、 実用上は、 これを 図化 して固 定的 な又は一時的 ¾若 し く は違続 して変化する ホ ロ グ ラ ム をつ く 、 これを例えば コ ヒ — レ ン ト 光で照射する こ と に よ 所謂計算機ホ σ グ ラ フ ィ 一 と して所定の三次元 空間に製作物の現寸大幾何学情報と して実像化 し、 次に、 これを実物質に置換する こ と に よ って所望の製作物を製 作する こ と を要旨 とする も ので あ る。

ホ ロ グ ラ ム をつ く る こ と 及び これを コ ヒ 一 レ ン ト 光で 照射す る こ と は、 所定の三次元空間に製作物の設計デー タ を再生するための一方法であ るに過 ぎず、 他の方法を 用いて実現する こ と も 可能で あ る。

幾何学情報 と しての実像を実物質化するための基本的 原理は、 ホ ロ グ ラ フ ィ 一に よ って生ずる空間の温度差 の利用に あ る。 こ こ で、 レーザー光束の低密度部分は相 対的に低温であ ]? 、 その高密度部分：' i相対的に高温 と ¾ る。 したがって、 真空中 に、 ホ ロ グ ラ フ ィ 一 に よ って レ 一ザ一光束の高 ' 低密 を設定 し、 これ らの空間に気体 化 した材料を清 して、 一方か ら冷却を行えば、 相対的に 低温であ る空間 Ώ分に昇華、 即 ち、 转晶 化 して、 その空 間の形 と して実 ¾ /質化する。 こ こ で、 実物質化に対応す す空間は、 低 ¾ 分の空間に相当す る の で、 ホ ロ グ ラ フ ィ —に よ る実 象 （ 実像 ¾分は、 レ ーザ一光束が高密窆 と

_c:.^i く V, I O な る ので高温化する： ） の逆空 Γ曰 3 が低温空間に る様 にする。 即 ち、 製作物の実像 1 ( こ の場合は、 高温空間 と る。 ） を、 逆に、 ホ ロ グ ラ フ ィ 一に よ る実像 2 の内 部に、 製作物の形態 3 を、 実像を結ば い逆空間 と して 実現すれば よ い。

材料の蒸気を送って结晶化させる時、 必ず、 昇華 （ 気 体か ら固体へ ） する よ う に し、 結晶化の過程で融溶、 即 ち液体化 し ない様にする。 その理由は二つあ ]? 、 第一の 理由は、 本発明に係る製作方法及び装置に おいては、 液 体は コ ン ト ロ ー ルに困萆が泮 ' う こ と 。 第二の理由は、 液 体の状態を通過 しての ^晶体は、 材質 と しての性能が低 く る る事であ る。

したがって、 昇'華'を確実に行 う 為に、 「 冷却制御 」 と 「 加熱制御 」 と を確実に行 う 必要があ る。 こ の こ と は、 又、 製作物の形を正窿にする為に も 必要 ¾事であ る。 即 ち、 製作物の実物質化した部分が、 予定外の部分におい て不整形に成長 した場合に、 その部分を加熱に因って再 び昇華、 即 ち、 気体化 して整形を保つ様にする。

冷却制御に関 しては、 次の様に な る。 結晶化 した部分 の冷却には伝導を利 し、 成形 した結晶体を端部か ら冷 却する。 ま た、 レーザー光柬ゃ材料の気体を、 送 ら い よ う にする事で、 相対的 冷却効果を生ずる。

加熱割御に関 しては、 次の様に る。 加熱は、 レーザ —光束のホ 口 グ ラ フ ィ 一の実像の ¾分において行 う 。 そ の場合、 すでに実物質 しえ ¾：分の、 結晶の不整形成長

0?ΛΡΙ を防 ぐ方法と して の加熱に関 して、 エ ネ ル ギ ー節約の手 法と して 「 限定空閭加熱法 」 が あ る。 即 ち、 第 4 図に示 す様に、 結晶化 した部分 9 'の回 j) の空間 1 0 のみを加熱 する こ と に よ って、 不整形結晶 の成長を阻止す る事が出 来る。 複教の方向か ら の レ ーザー光束の、 相互の干渉に よ る部分的消滅を 回避する場合は、 「 バ ル ス レ 一ザ一光 束に よ る方法 」 若 し く は 「 加熱空間を頗次ず らす走査に よ る方法 」 又は両者を組合せて行 う C

又、 レ ーザー光束を 目 的の空間 送 る方法 と して、 二 つの方法があ る。 第一の方法は 「 ガ' ン マ 一線等極短波長 レ ーザー ホ ロ グ ラ フ ィ 一 に よ る方法 」 であ i？ 、 その物質 透過力 に よ ！） 、 すでに結晶化 して実锪質化 した空間 を透 過 して 目 的の空間に実.像 結ばせる こ と が可能であ る。 第二の方法は、 物質透過力の無い レーザ一光束に よ るホ ロ グ ラ フ ィ 一 を用い る場合で、 「 実物'質化 した部分の、 表面の反射光束を用い る方法 」 でる る。 第 4 図に示す様 に、 製作物の外周の開 口部か らの入射光束 1 1 は、 内部 の結晶体の表面で反射 して各部に達する。 こ の方法が成 立する理 由は、 計算檨ホ ロ グ ラ フ ィ ーに よ って成形され た形態は、 予め設計情報 と して分ってい るの で、 レーザ 一光束の反射経路を計算出来るか ら であ る。

内部構造の複綽 工作物、 又は、 大 き る工作物に関 し ては 「 新層体積層 の方法 」 が有効でる る。 こ の方法は、 第 5 図に示す様に ¾作物 4 の或形に関 して、 の厚さを 持つ ^層体 5 を実 ¾貫化 して、 頃次、 霜柱状に成長させ る方法であ る。 こ の方法は、 材科の気体をむ ら蒸 く 送る こ と や、 結晶化の速度を コ ン ト ロ ー ルする筝に よ 、 結 晶の質を調整する のに も 有効であ る - その他、 工作性能の向上の為に必要る事項 と して、 空 間の指定位置に正確に結像と 結晶化と を行 う 為に、 靂動 防止の手段が必要であ るが、 その為 :ては、 三次元方向へ の復元力 を も つ伸縮を可能 と した所謂 「 三次元サス へ ° ン シ ヨ ン 」 （ 日 本特許出 .頸番号 ： 5 0 - 0 2 54 2 1 参照 ） を 用 た対震動支持機構を併有させる镡造 とする。

次に、 上記の諸方法に よ って成立する、 ホ ロ グ ラ フ ィ ― · 工作接^の一実施例の ¾念図を示 し説明する。

第 5 図は、 その中心部分を示 した平面図 （ 第 ό 図に示 す A— Α 方向の切断に よ る平面図 ） 、 第 ό 図は、 その縦 断面図であ る。 工作室 1 2 、 例えば真空工作室の中央に 製作物 1 8 を設置する台 1 3 を設け、 局壁に設'鐘された レーザーホ ロ グ ラ フ ィ 一 レ ン ズ 1 5 ら癸射された レ 一 ザ—光束 2 1 に よ って、 製作物め設計情報を空間化 し、 気化材料供給ノ ズル 1 ό か ら 目 的空 に向けて、 気体化 した材料を放射する 。 1 7 は気化材科回収ノ ズルで、 こ こ で回収 し、 温度調整 して再度、 気化材料供袷ノ ズル 10 か ら放射する。 第 5 図及び芎 ό 医に ては、 「 新層体 積層の方法 」 に よ って ζ の部分を '貫化しつつ霜柱 状に成長させる過程を示 してい る。 ¾ ό 図 おいて製作 物は、 すでに物質化されえ部分 2 0 と ¾7質化の途上に あ る部分 1 9 と 物質化予定の S分 1 8 と に、 三分 して表わ

C ?I 、ノ .—:つ して あ る。 1 4 は製作物を冷却す る 為の伝導体で、 す で に物貧化された部分 2 0 に接^ して、 ^作物の冷却制御 を行 う 。 1 3 の台は、 上下動 して製作物の位 Sを調整す る と 同時に、 製作物を真空工作室 1 2 の外部に取出す為 の エ レベータ 一 と して も ^能 して い る。 - 次に、 複数の材料に よ って な る製作物を作る場合に お いて、 合金等を材質と する場合は、 混合気化材料を送つ て製作す る。 又、 部分が異種の材質か ら成 る場合は、 時 間的にず ら して、 気化材料を送って製作 し、 ま た別の方 法 と して、 空間的にず ら して、 気化材料を送って製作す 0

工作室 1 2 その他の部分に おける装置の ^熱性能に関 しては、 金属等の気化材料の密度が少 ¾い場合には、 熱 量が少 ¾いので特に高 ¾熱'を必要 と し ないが、 製作速度 を増すに応 じて、 よ 高い S†熱性能を必要 と して く る。

本発明に係る装置の実施態様 と しては、 次の様 ¾ も の カ あ る。

① 第 5 図、 第 ό 医に示す よ う る、 春別な工作室 1 2、 例えば真空工作室の 内部で裘作物を 作る も の。

③ 真空工作室を用い ない で、 通常の大気中、 又は、 真空の宇苗空 で製作する も の。

③ 第 7 図、 8 図に示す よ う る、 上記①、 ③の中 間 の ト ボ ロ ジ カ ル 真空工作室を持つ も の。

次に、 気化材料の ^晶化を コ ン ト ロ ー ルす る ホ ロ ダ ラ フ ィ 一に よ る実像を ¾現する方法に 関する実 ¾態様 と し ては、 次の様 も のが る .：

① 電磁波ホ ロ ダ ラ フ ィ 一を用いる も の。

② 音波ホ ロ グ ラ フ ィ ーを用い る も の。 但 し音波は、 真空中 を伝わ ら る ので、 不活^気体等の媒質中で 用い、 又は製作物のすでに実^質化 した部分を伝導 体 と して用い る必受カ sる る。

③ 電子線ホ 口 グ ラ フ ィ ーを用いる も の。

上の利用可能性

従来の工作 ¾械に よつては製作する こ と が出来 ¾い、 道具 と して内部構造の複繞 ¾、 ま た ト ボ ロ ジ カ ル な構造 を有する製作物や微小 ¾製 i 物につ て も 自 由かつ容易 に製作する こ と がで き る工作' と して有用であ J9 、 し たがって本発明を利用する こ と に よ ]? 製作物に对する設 計の 自 由性や変化性を期待する こ と が出来る

Claims

請 求 の 範 囲

1. ¾磁波又は音波等波動エ ネ ル ギーの空間分布を所定 の三次元空間領域において任意に実現する こ とが出来 るホ ロ グ ラ フ ィ ーの技術を応用 して、 製作物の設計情 報を空間エ ネ ル ギ ー分布と して実像化し、 上記波動ェ ネ ルギ—の空間分布における高低差、 通常は温度差を 利用 して気.体化 した材料の昇華を通 して、 空間化した 製作物の設計情報を実物質化する こ と を特徵とするホ 口 グラ フ ィ 一の技術を利用 して製作物を製作する方法 _c 2. ホ ロ グ ラ フ ィ ー の技術 と し て 、 所謂計算檨 ホ ロ ダ ラ フ ィ 一を用い る こ と を特徵とする請求の範囲第 1 項記 載のホ 口 ダ ラ ブ イ 一の技術を利用 して製作物を製作す る方法。 ' δ. 結晶化 した回 j) の限定された空間のみを加熱する こ と に よ 実物質化 した部分における不整形結晶の成長 を阻止する こ と を特徵とする請求の範囲第 1 項又は第 2 項記載のホ 口 ダ ラ フ ィ 一の技術を利用して製作物を 製作する方法。

4. パ ル ス レーザー光束若 し く は加熱空間を jl頁次ず らす こ と が出来る走查檨構又は上記両者を併用する こ と に ょ 、 複数の方向か ら照射される レーザ一光束の相互 干渉に因る部分的消 '或を回避する こ と を特鬵とする請 求の範囲第 1 項、 第 2 項又は第 3 項記載のホ ロ グ ラ フ ィ 一の技術を利用 して製作物を製作する方法。

5. ガ ン マ ー裱等 ¾短波長 レーザ一ホ ロ グ ラ フ ィ ーを用 AG

1 い、 すでに結晶化 して実物質化 した空間を透過 して 目 的の空間に実像を結ばせる こ と を特遨 と する請求の範 囲第 1 項、 第 2 項、 第 5 項又は苐 4 項記載のホ ロ ダ ラ フ ィ 一の技銜を利用 して製作物を製作する方法。

5 6. 実物質化 した部分の、 表面の反射光采を用いて 目 的 の空間に実像を結ばせる こ と を特兹 と する請求の範 S 第 1 項、 第 2 項、 第 5 項又は第 4 項記載のホ D グ ラ フ ィ —の技術を利用 して製作物を製作する方法。

7. 断層体積層の方法に よ ) 気体化 した材料を霜柱状にD 順次昇華成長させて製作物を実物質化する こ と を特徵とす る請求の範囲第 1 項又は第 2 項記載のホ ロ グ ラ フ ィ 一 の技術を利用 して製作物を製作する方法。

8. 工作物（12)内の略中央部分に製作物を载置する台 ' (13)を設ける と共に、 所定の局壁部分に工作室（12)内5 に向って レーザー光束（21 )を発射する 1 又は 2 以上の レーザーホ 口 ダ ラ フ ィ 一発射装 « ( 15 )と 目 的空間に向 けて気体化 した材料を放射する 1 又は 2 以上の気化材 料供给ノ ズル（ 1 ό )と 目 的空 ^内 における残余の気体化 してい る材料を回収す る 1 又は 2 以上の気化材料回収0 ノ ズル（17)を配置 し、 更に上記台（15)には冷却剞御を 行. う ための伝導体（14)を取付けた こ と を特 とする ホ 口 グ ラ フ ィ 一の技術を利用 して製作物を製作する装置 _c

9. 工作室が真空工作室で あ る こ と を特徵と する請求の 範囲第 8 項記戴のホ ロ グ ラ フ 'ィ 一の技 を利用 して裏5 作物を製作する装量。

0. 工作室が ト ボ ロ ジ カ ル る真空工作室であ る こ と を特 徵 と する請求の範 a苐 8 項記載の ホ ロ ダ ラ フ ィ 一 の技 術を利用 して製作物を製作する装置。