JP2005533172A - レーザ材料加工ユニット又は光造形ユニットにおいて三次元成形品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ材料加工ユニット又は光造形ユニットにおいて三次元成形品を製造する方法に関する。この方法によれば、層状の焼結材料又はペースト状材料のいずれかが供給装置から供給されて支持体に塗布され、被照射領域に応じて少なくとも部分溶融することによって前記焼結材料又はペースト状材料の成分が層状に結合して成形品を形成するように、領域単位でレーザ照射を行うことによって前記焼結材料又はペースト状材料が加熱される。そのため、前記レーザ照射は、第１のエネルギー密度及び／又は第１の集束径を用いて行われる。前記成形品の製造工程中又はその後に、前記成形品の領域は、エネルギー密度を増加させたレーザによって溶融されるか、あるいは除去される。

Description

本発明は、レーザ材料加工ユニット又は光造形ユニットにおいて三次元成形品を製造する方法に関し、また、本発明は、当該方法を実施するための装置に関する。

焼結材料、特に粉末状焼結材料を供給装置から供給して層単位で支持体に塗布し、被照射領域に応じて部分溶融することによって上記焼結材料の成分が互いに結合して成形品を形成するように、焼結レーザのレーザ放射によってこれを領域単位で照射することによって加熱する、自動レーザ焼結ユニットにおける三次元焼結成形品の製造が知られている。そして、このために、第１のエネルギー密度及び／又は第１の集束径のレーザ放射が用いられている。同様に、光造形法も原理的には知られている。

焼結法は、出発原料にもよるが、金属成形品やプラスチックで構成される成形品を製造するために、特に、粉末状焼結材料と共に用いられる。このような成形品は、表面が粗く、縁部が比較的不精密であるために、しばしば仕上げ加工を施す必要がある。これは、金属焼結工程が金属焼結粉末の最小加工粒径に関して限界を有していることに起因している。粒径がｋ≦２０μｍであると、粘性を呈する傾向があるために、このような粉末を用いたコーティングは困難となる。

さらに、一般に、上記焼結技術では、製造可能な最小焼結トラック幅に限界がある。一方、上記焼結工程は、特定の集束径のみでしか機能しないため、所望の小さいサイズの形状寸法を任意に選択することは不可能である。他方、上記焼結工程において、粉末の粒子は生成された焼結トラックに付着し、熱影響領域のために、表面構造がしばしば粗くなる。そして、その結果、設定された集束径よりもトラック幅が大きくなる。さらに、Ｚ軸（垂直軸）に対して直角に位置する全ての表面は、相当な粗さを有することが分かっている。

本発明は、成形品の構造が表面及び内部の両方において改善されるように、また、特に、非常に微細なスリット及びアンダーカットを原位置で形成することができるように、自動レーザユニットにおいて三次元成形品を製造するための方法を開発するという目的に基づいている。

この目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。下位の請求項２〜１２から有利な進歩が明らかとなり、上記方法を実施するための有利な装置に関連する請求項がこれらの後に続いて記載されている。

成形品の製造工程中又はその後に、レーザによって、このレーザのエネルギー密度を増加させることにより上記成形品の領域を溶融又は除去することが、本発明の本質であると考えられる。この場合、材料層を一度だけ走査して高密度化又は平滑化するならば、レーザビームの貫通深さを材料層の厚さにほぼ相当するようにしてもよい。しかし、上記貫通深さを若干小さくし、同じ材料層を数回走査することも可能である。このようにすれば、結果はさらに改善される。

これにより、成形品を精密な外寸で製造すること、特別な仕上げ作業を要さずに成形品の表面を最初から平坦にすること、全体としてより高密度な構成要素を製造すること、及び成形品を取り外して別の加工位置に設置し、そこで調整を行うことなく非常に微細な間隙を形成することが可能となる。上記の方法は、焼結成形品の製造を大幅に高速化及び低コスト化し、成形品の品質を著しく高めるという総合的な効果を有する。

少なくとも１つの材料層を領域単位で溶融又は除去するために、焼結レーザをパルス駆動させてもよい。しかし、エネルギー密度を増加させるための可能な方法は他にもあり、例えば、レーザビームの集束径を小さくする方法が挙げられ、溶融又は除去のためのレーザビームの集束径は、１０マイクロメートルと４００マイクロメートルとの間の範囲であってもよい。

焼結レーザを、これが成形品の表面上を移動できるように配置する場合、ある角度に設定されたレーザビームを用いて成形品の表面に作用を及ぼすことも可能であり、これにより、斜面を有するアンダーカットを形成することが可能となる。

上記方法は、塗布されて焼結された個々の材料層が除去又は過溶融によって次々と加工されるように実施することもできる。または、積層された粉末層上の最初の走査中に、同時に粉末粒子の完全溶融を行うことも可能であり、これによって上記層は非常に緻密となるため、焼結工程は粉末再溶融工程となる。最後に、まずいくつかの材料層を完成させてからこれらを加工する、すなわち、間隙用の切削又は除去及び過溶融を行うことも可能である。時間的な理由により、加工済みの金属板、特に、鋼板で成形品を構成し、除去レーザを用いて例えばスリットや穴等を形成することによって鋼板に間隙を形成し、焼結法を用いて鋼板の表面に高さを形成することが必要となる場合がある。これは、１つの複合的な方法であり、１つの同じレーザが、材料除去用及び完全に製造された部品又は加工前の部品の仕上げ加工用に、また、鋼板にさらなる高さを形成するための焼結レーザとして用いられるため、この方法は従来の自動焼結ユニット及び焼結方法では不可能である。

領域単位の除去又は溶融は、最後に塗布された材料層の冷却段階の後に行われるのが好ましい。これによれば、成形品の内部に極端に高い熱応力や過熱領域が発生して歪みが生じることを回避することができる。

材料層を溶融することによって構成要素全体を高密度化することは原理的には可能である。これは、最初に材料層同士が互いに融着されることを前提としている。その後、各材料層は再び溶融され、その結果、上記粒子がより密接に融着されて、高密度の成形品が得られる。

図面の実施の形態に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、図面において、
図１は、１つの構成要素層ａ）及びいくつかの構成要素層ｂ）を焼結又は融着する方法工程を示す模式図であり、
図２ａ）〜ｃ）は、異なる層厚を除去する方法工程を示す模式図であり、
図３ａ）〜ｄ）は、表面層を平滑化するための異なる可能な方法を示す模式図であり、
図４ａ）及びｂ）は、材料層を除去及び積層する方法工程を示す模式図であり、
図５は、精密な外寸を有する成形品を製造するための方法を示す模式図であり、
図６は、距離の測定及び制御によって三次元成形品を製造するための装置を示す模式図である。

図１は、レーザ材料加工ユニット又は光造形ユニットにおいて三次元成形品を製造するための方法の基本例を示している。この例においては、粉末状焼結材料１又は焼結可能な他のペースト状材料を供給装置から供給して層単位で支持体に塗布し、被照射領域に応じて少なくとも部分溶融することによって前記焼結材料１又は前記ペースト状材料の成分が互いに層状に結合して成形品を形成するように、レーザのレーザ放射によりこれを領域単位で照射することによって加熱する。これにより、材料層３が連続的に作製される。前記レーザビームは、参照符号２で示されている。この場合、第１のエネルギー密度及び第１の集束径ｄｆ₁ を有する、パワーＰ₁ （加工面）又は強度Ｉ₁ （動作焦点）及び露光速度ｖ₁ のレーザ放射が用いられ、これにより、ある特定の単位長さ当たりのエネルギーＥ₁ が生じる。

図２による次の方法工程においては、いくつかの代替例がａ）〜ｄ）に示されおり、成形品の製造工程中又はその後に、レーザによって、このレーザのエネルギー密度を増加させることにより成形品の領域が除去される。この場合、レーザビーム２は、露光速度ｖ₂ 及びレーザパワーＰ₂ （加工面）又は強度Ｉ₂ （動作焦点）を有し、結果として、単位長さ当たりのエネルギーＥ₂ を有している。加工面における焦点は、ｄｆ₂ で示されている。この場合、少なくとも１つの材料層３を除去するために、レーザビーム２の集束径ｄｆ₂ は小さくされる。溶融及び／又は除去のためのレーザビーム２の集束径は、１０μｍと４００μｍとの間にある。

従って、前記焼結材料の溶融には、添字１のパラメータが用いられ、一方、前記材料層の除去又は平滑化には、添字２のパラメータが用いられている。

前記少なくとも１つの材料層３を領域単位で溶融及び／又は除去するために、前記レーザをパルス駆動させてもよい。

図２ａ）〜ｃ）において、前記除去は、いくつかの材料層３が完成した後に行われ、図２ａ）においては、１つの材料層３よりも大きな領域が除去されている。一方、図２ｂ）においては、１つの材料層３の量又は厚さに相当する溶融層の領域が除去されている。図２ｃ）においては、１つの材料層３の厚さよりも小さい層が除去されている。図２ｄ）は、ある特定の合計層厚が除去されるまで、それぞれのケースにおいて、溶融した材料層３の領域が材料層３の厚さの数分の１ずつ次々と繰り返し除去されることを示している。

層単位の除去又は溶融は、最後に塗布された材料層３の冷却段階の後に行われるのが好ましい。これによれば、熱応力が概ね回避される。

図３ａ）〜ｄ）においては、図１による方法で作製された表面層を平滑化するための様々な可能な方法が示されている。また、この場合、露光速度ｖ₂ 、加工面におけるレーザパワーＰ₂ 、動作焦点における強度Ｉ₂ 及び加工面における焦点ｄｆ₂ などの個々のパラメータは、構成要素層の溶融時に設定されるパラメータとは異なり得ることも示されている。同時に、それぞれのケースにおける少なくとも１つのパラメータ（例えば、加工面における焦点）を変更せずに、パワー、強度及び／又は露光速度のみを変更するか、又は、その逆にすることもできる。さらなるパラメータとして、平滑化（Ｕ₂ ）の際の露光ベクトルの重複Ｕを、溶融（Ｕ₁ ）に対して変更させてもよい。

材料層３の平滑化は、レーザビーム２のエネルギー密度を増加させることによって行われる。図３ａ）においては、材料層３又はこの材料層３の一部の領域の平滑化が示されている。図３ｂ）は、表面ベクトルが垂直軸Ｚに対して平行である成形品の一部の領域の平滑化を示している。図３ｃ）においては、結合していない粉末を除去した後、レーザビームを常に垂直にして構成要素の輪郭全体の上を再び走査することによって構成要素の表面の平滑化が行われることが示されている。図３ｄ）は、加工点に対して垂直に並んだレーザビーム２を用いた構成要素の表面の平滑化を示している。

図５ａ）及びｂ）においては、表面層を除去することによる構成要素層の平滑化が示されている。図５ａ）は、構成要素の縁部に配置されたレーザビーム２を示している。図５ｂ）は、構成要素の輪郭を除去した後の結果を示しており、平均表面粗さＲ_z は、平滑化工程の前に比べて小さくなっている。前記平滑化は、図１にしたがって少なくとも１つ以上の材料層を溶融した後に続けて行われる。その後、構成要素の輪郭は、１層ごと又はｎ層ごとに輪郭を追従することによって除去される。このため、はっきりとした移行部分、平滑な外表面及び寸法の安定した層が形成される。同時に、ある一定の単位長さ当たりのエネルギーＥ₂ を付与し、均一な輪郭追従を保証するために、パワーを速度に依存して適合させる。レーザ出力装置が二軸送り台上に配置されている場合には、この二軸送り台を成形品上で移動させることによって成形品の表面にレーザビームが直角に当たるような効果を得ることが可能であり、これにより、除去精度はさらに改善される。

垂直軸に対して実質的に直角に位置する表面を有する全ての構成要素の表面の縁部領域において所定のサイズよりも大きく材料層３を作製し、その後、エネルギー密度を増加させたレーザ放射を用いて所定のサイズよりも大きい部分を除去することによって平滑な表面及び輪郭を得るようにしてもよい。同様に、材料層３を塗布した後、これらを溶融することによって再び高密度化してもよい。

図４ａ）及びｂ）においては、複合的な方法が示されている。この方法では、図４ａ）に示されるように、予め作製された基板上で最初に除去が行われ、その後、図４ｂ）に示されるように、金属粉末を再溶融することによって突出した領域が構成要素に形成される。この場合、１つの層が除去されるたびに、又は特定の数の層が除去された後に、距離の測定が行われ、ソフトウェアによる技術的制御プロセスにおいて、所望の除去深さが確実に達成される。

上記方法を実施するための装置は、エネルギー密度を増加させるための素子を有するレーザを備えている。しかし、図面の図６において、同装置に関するこれ以上の詳細は示されていない。前記素子は、光学集束調整器を含み、また、焼結レーザのパルス駆動用のファイヤリング回路を含んでいてもよい。図６に原理的に示されている装置において、所望の除去深さ又は積層高さを確実にするための距離の測定及び制御が示されている。この目的で、例えば赤外光又はその他のスペクトル範囲の光源を用いて距離を測定する距離計７が設けられている。調整軸８は、造形台６を全方向に調整し、造形台６を回転させることを可能にする。コンピュータ９には、所望のデータを入力することができる。また、コンピュータ９は、測定された構成要素の寸法を入力されたデータと比較し、調整軸８を閉ループ制御又は開ループ制御に設定する。モニタ１０により、オペレータは、データを常に簡単にチェックすることができる。

レーザ又はビームの偏向器もしくは分岐器それ自体は、造形台６の上部にある電子的に制御可能な二軸送り台駆動装置上に配置されるが、全体を分かりやすくするために、装置５にはこの駆動装置は含まれていない。上記制御構成は、ある角度で成形品の表面に当たるレーザビーム２を自動的に再集束するための機能を有していてもよい。

１つの構成要素層ａ）及びいくつかの構成要素層ｂ）を焼結又は融着する方法工程を示す模式図 ａ）〜ｃ）は、異なる層厚を除去する方法工程を示す模式図 ａ）〜ｄ）は、表面層を平滑化するための異なる可能な方法を示す模式図 ａ）及びｂ）は、材料層を除去及び積層する方法工程を示す模式図 精密な外寸を有する成形品を製造するための方法を示す模式図 距離の測定及び制御によって三次元成形品を製造するための装置を示す模式図

Claims (17)

1. 焼結材料又はその他のペースト状材料のいずれかを供給装置から供給して層単位で支持体に塗布し、被照射領域に応じて少なくとも部分溶融することによって前記焼結材料又は前記ペースト状材料の成分が互いに層状に結合して成形品を形成するように、レーザのレーザ放射によりこれを領域単位で照射することによって加熱し、この目的のために第１のエネルギー密度及び／又は第１の集束径を有するレーザ放射を用いる、レーザ材料加工ユニット又は光造形ユニットにおいて三次元成形品を製造する方法であって、
   前記成形品の製造工程中又はその後に、レーザによって、前記レーザのエネルギー密度を増加させることにより前記成形品の領域を溶融又は除去することを特徴とする三次元成形品の製造方法。
2. 前記少なくとも１つの材料層を領域単位で溶融及び／又は除去するために、前記レーザをパルス駆動させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの材料層を溶融及び／又は除去するために、前記ビームの集束径を小さくすることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
4. 溶融の際、集束径を大きくすると同時に前記エネルギー密度を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 溶融及び／又は除去のための前記ビームの集束径が１０マイクロメートルと４００マイクロメートルとの間の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記レーザ又はこれに付随するビーム偏向ユニットが、前記成形品の表面上を移動することが可能であることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
7. 前記方法が焼結金属成形品又は溶融金属成形品に用いられることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
8. 前記領域単位の除去を、いくつかの材料層が完了した後に行い、いくつかの材料層を貫通させることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
9. 前記領域単位の除去又は溶融が、最後に塗布された材料層の冷却段階の後に行われることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
10. １つ又はそれ以上の材料層を作製した後、エネルギー密度を増加させたレーザビームによって構成要素の輪郭を追従して、前記成形品の縁部を除去及び／又は平滑化することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
11. 前記材料層を塗布した後、これらを溶融することによって構成要素を高密度化することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
12. Ｚ軸（垂直軸）に対して実質的に直角に位置する表面を有する全ての構成要素の表面の縁部領域において所定のサイズよりも大きく前記材料層を作製し、その後、エネルギー密度を増加させたレーザ放射を用いて前記所定のサイズよりも大きい部分を除去することによって平滑な表面及び輪郭、並びに高精度の構成要素を得ることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
13. エネルギー密度を増加させるための素子を有するレーザを備えたことを特徴とする先行する請求項１〜１２のいずれかに記載の方法を実施するための装置。
14. 前記素子が光学集束調整部を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記素子が前記レーザのパルス駆動用に設計されたファイヤリング回路を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 前記レーザ又はビーム偏向部もしくは分岐部が、前記レーザ材料加工ユニット又は前記光造形ユニットの加工面の上部にある電子的に制御可能な二軸送り台駆動装置上に配置されていることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記成形品の表面に対してある角度で当たる前記レーザビームを自動的に再集束するための制御構成を有することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の装置。

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