(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元ワークピースを製造する装置（１０）に使用され、第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）を具備する照射システム（２０）を制御する方法であって、
原材料粉末の層を受け取るように適合されたキャリア（１６）の表面上に第１の照射領域（１８ａ）を形成する工程と、
前記第１の照射部（２２ａ）の動作を、前記原材料粉末が予備加熱されるように制御しながら、前記第１の照射領域（１８ａ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を、前記照射システム（２０）の第１の照射部（２２ａ）によって、照射する工程と、
その後、前記第２の照射部（２２ｂ）の動作を、三次元ワークピースの層を形成するために、前記原材料粉末の焼結及び／又は溶融が可能となる温度に前記原材料粉末が加熱されるように制御しながら、前記第１の照射領域（１８ａ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を、前記照射システム（２０）の第２の照射部（２２ｂ）によって、照射する工程とを含み、
前記キャリア（１６）の表面上に第２の照射領域（１８ｂ）を形成する工程と、
前記第１の照射部（２２ａ）が、前記第１の照射領域（１８ａ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、前記第２の照射領域（１８ｂ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を、前記照射システム（２０）の第２の照射部（２２ｂ）によって、照射する工程及び／又は
前記第１の照射部（２２ａ）が、前記第２の照射領域（１８ｂ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、前記第１の照射領域（１８ａ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を、前記照射システム（２０）の第２の照射部（２２ｂ）によって、照射する工程
とをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）に関する出力パワー、放射ビームの大きさ、前記キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際に従う放射パターン、前記キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際のスキャン速度、又はそれらの組み合わせを適切に制御することによって、及び／又は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）に関する出力放射波長を選択することによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の照射部（２２ａ）は、電子ビーム、複数の放射ビーム、又はその両方を放射すること、及び／又は、前記第２の照射部（２２ｂ）は、レーザービームを放射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって照射される間に前記原材料粉末の温度を示す温度信号に応じて制御され、前記温度信号は、パイロメータ及び／又は熱画像カメラによって提供されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の及び／又は第２の照射領域（１８ａ、１８ｂ）を前記第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって連続して照射することを可能にするために、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせを、前記キャリア（１６）に対して動かすこと、及び／又は、前記第１の及び／又は第２の照射領域（１８ａ、１８ｂ）を前記第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって連続して照射することを可能にするために、前記キャリア（１６）、前記キャリアを収容するプロセスチャンバー（１２）、又はその両方を、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせに対して動かすことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の及び／又は第２の照射領域（１８ａ、１８ｂ）を前記第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって連続して照射することを可能にするために、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせを、前記キャリア（１６）に対して約１８０度回転させること、及び／又は、前記キャリア（１６）、前記キャリアを収容するプロセスチャンバー（１２）、又はその両方を、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせに対して約１８０度回転させることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
三次元ワークピースを製造する装置（１０）に使用され、第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）を具備する照射システム（２０）を制御する制御装置（２８）であって、
原材料粉末の層を受け取るように適合されたキャリア（１６）の表面上に第１の照射領域（１８ａ）を形成するように適合された定義部（３０）と、
前記原材料粉末を予備加熱するように、前記第１の照射領域（１８ａ）において前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を前記第１の照射部（２２ａ）によって照射するようにして、前記第１の照射部（２２ａ）の動作を制御するように適合され、その後、三次元ワークピースの層を形成するために、前記原材料粉末の焼結及び／又は溶融が可能となる温度に前記原材料粉末を加熱するように、前記第１の照射領域（１８ａ）において前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を前記第２の照射部（２２ｂ）によって照射するようにして、前記第２の照射部（２２ｂ）の動作を制御するようにさらに適合された制御部（３２）とを具備し、
前記定義部は、前記キャリア（１６）の表面上に第２の照射領域（１８ｂ）を形成するように適合され、前記制御部（３２）は、前記第１の照射部（２２ａ）が、前記第１の照射領域（１８ａ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、前記第２の照射領域（１８ｂ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を、前記照射システム（２０）の第２の照射部（２２ｂ）によって、照射するようにして、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作を制御するように適合され、及び／又は、前記制御部（３２）は、前記第１の照射部（２２ａ）が、前記第２の照射領域（１８ｂ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、前記第１の照射領域（１８ａ）において、前記キャリア（１６）上に塗布された原材料粉末の層を、前記照射システム（２０）の第２の照射部（２２ｂ）によって、照射するようにして、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作を制御するように適合されたものであることを特徴とする制御装置。
【請求項８】
前記制御部（３２）は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）に関する出力パワー、放射ビームの大きさ、前記キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際に従う放射パターン、前記キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際のスキャン速度、又はそれらの組み合わせを適切に制御することによって、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作を制御するように適合されたものであること、及び／又は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）に関する出力放射波長は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作を制御するように、適切に選択されるものであることを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
【請求項９】
前記第１の照射部（２２ａ）は、電子ビーム、複数の放射ビーム、又はその両方を放射するように適合されたものであること、及び／又は、前記第２の照射部（２２ｂ）は、レーザービームを放射するように適合されたものであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の制御装置。
【請求項１０】
前記制御部（３２）は、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって照射される間に前記原材料粉末の温度を示す温度信号に応じて、前記第１の及び／又は第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）の動作を制御するように適合され、前記温度信号は、パイロメータ及び／又は熱画像カメラによって提供されるものであることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記第１の及び／又は第２の照射領域（１８ａ、１８ｂ）を前記第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって連続して照射できるように、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせは、前記キャリア（１６）に対して可動であること、及び／又は、前記第１の及び／又は第２の照射領域（１８ａ、１８ｂ）を前記第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって連続して照射できるように、前記キャリア（１６）、前記キャリアを収容するプロセスチャンバー（１２）、又はその両方は、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせに対して可動であることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項１２】
前記第１の及び／又は第２の照射領域（１８ａ、１８ｂ）を前記第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）によって連続して照射できるように、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせは、前記キャリア（１６）に対して約１８０度回転可能であること、及び／又は、前記キャリア（１６）、前記キャリアを収容するプロセスチャンバー（１２）、又はその両方は、前記照射システム（２０）、前記第１の照射部（２２ａ）、前記第２の照射部（２２ｂ）、又はそれらの組み合わせに対して約１８０度回転可能であることを特徴とする請求項１１に記載の制御装置。
【請求項１３】
三次元ワークピースを製造する装置（１０）であって、
第１の及び第２の照射部（２２ａ、２２ｂ）を具備する照射システム（２０）と、
請求項７から請求項１２のいずれか一項に記載の照射システム（２０）を制御する制御装置とを具備する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射線又は粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを製造する装置に使用される照射システムを制御する方法、及び制御装置に関する。さらに、本発明は、電磁放射線又は粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを製造する装置であって、上記の制御装置を具備する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー選択溶融又はレーザー選択焼結は、累積的に階層化する方法であり、粉末の、特に、金属及び／又はセラミックの原材料を複雑な形状の三次元ワークピースに加工することができる。そのために、原材料粉末の層をキャリア上に塗布し、製造されるワークピースの所望の形状に依存する位置選択的方法でレーザー放射させる。粉末の層を貫通するレーザー放射によって、原材料粉末粒子を加熱し、その結果溶融又は焼結が生じる。その後、ワークピースが所望の形状及びサイズを有するまで、原材料粉末の複数の層が、レーザー処理がすでに行われたキャリア上の層に、連続的に塗布される。レーザー選択溶融又はレーザー選択焼結は、特に、ＣＡＤデータに基づいて、試作品、工具、交換部品、又は医療人工器官、例えば歯科又は整形外科用の人工器官などの製造のために使用され得る。
【０００３】
レーザー選択溶融により粉末の原材料から成形体を製造する装置が、例えば、ＥＰ  １  ７９３  ９７９  Ｂｌに記載されている。この従来技術の装置は、製造される成形体用の複数のキャリアを収容するプロセスチャンバーを備える。粉末の層の準備システムは、レーザー光線によって照射されるキャリア上の原材料粉末を塗布するために、キャリアを横切る前後運動の可能な粉末収容ホルダを備える。加熱手段が、レーザー選択溶融により加工処理される粉末を加熱するために設けられていてもよい。
【０００４】
未公開欧州特許出願第１３１８８０５５号には、電磁放射線又は粒子放射線で原材料粉末を選択的に照射することにより三次元ワークピースを製造する装置に使用される粉末加工処理装置であって、原材料粉末の層が電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されている間に該原材料粉末の層を保持するように適合された建造部分と、原材料粉末の層が電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射される前に、該原材料粉末の層を保持するように適合された少なくとも一つの移送部分とを具備するキャリア要素を有する装置が記載されている。この装置の加熱手段は、電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射される原材料粉末の層を形成するように、原材料粉末がキャリア要素の建造部分に塗布される前に、キャリア要素の移送部分によって保持された原材料粉末を予備加熱するように適合されている。
【０００５】
さらに、未公開欧州特許出願第１３１８８７０４号に記載されているように、大きな三次元ワークピースを製造するために、原材料粉末は、複数の照射部を具備する照射システムによって、電子放射線又は粒子放射線で照射されてもよく、各照射部は、照射される原材料粉末が塗布されるキャリアの表面上に形成された照射領域に関連付けられてもよい。照射システムの各照射部は、その照射部に関連付けられた照射領域に塗布された原材料粉末が、位置選択的方法で、かつ、その照射部に関連付けられていない方の照射領域の照射と独立して照射されるように制御される。このように、キャリア上に形成された各照射領域は、個々に、かつ独立して照射されてもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高品質な三次元ワークピースを製造することができるように、電磁放射線又は粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを製造する装置に使用され、複数の照射部を具備する照射システムを制御することを可能にする方法、及び制御装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、電磁放射線又は粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを製造する装置であって、複数の照射部を具備する照射システムを備え、高品質な三次元ワークピースの製造を可能にする装置を提供することを目的とする。
【０００７】
この目的は、請求項１に記載の方法、請求項８に記載の制御装置、及び請求項１５に記載の装置によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の三次元ワークピースを製造する装置に使用され、複数の照射部を具備する照射システムを制御する方法において、第１の照射領域は、原材料粉末の層を受け取るように適合されたキャリアの表面上に形成される。キャリアは、三次元ワークピースを製造する装置のプロセスチャンバー内に配置されてもよく、しっかりと固定されていてもよいが、好ましくは、ワークピースが原材料粉末から層状に積み上げられる際に、そのワークピースの建造高さが増すにつれて、キャリアを垂直方向の下方向に動かすことができるように、垂直方向に変位可能に設計される。プロセスチャンバーは、制御された雰囲気、特にプロセスチャンバー内の不活性雰囲気を維持することを可能にするために、周囲の雰囲気に対して、即ち、プロセスチャンバーを取り巻く環境に対して密封可能とされてもよい。キャリア上に塗布される原材料粉末は、好ましくは金属粉末であり、特には金属合金粉末であるが、セラミック粉末又は異なる物質を含有する粉末であってもよい。粉末は、任意の適切な粒径又は粒径分布を有していてもよい。しかしながら、１００μｍ未満の粒径を有する粉末を加工処理することが好ましい。
【０００９】
制御される照射システムは、好ましくは、キャリア上に塗布された原材料粉末を電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射する役割を果たす。特に、キャリア上に塗布された原材料粉末は、製造される三次元ワークピースの所望の形状に依存して、位置選択的な方法で電磁放射線又は粒子放射線を受けてもよい。照射システムは、好ましくは、放射線で原材料粉末を照射し、それによって該原材料粉末の位置選択的な溶融が生じるように適合される。
【００１０】
キャリア上に塗布された原材料粉末の層は、第１の照射領域において、照射システムの第１の照射部によって照射され、このとき、上記第１の照射部の動作は、原材料粉末を予備加熱するように制御される。その後、キャリア上に塗布された原材料粉末の層は、第１の照射領域において、照射システムの第２の照射部によって照射され、このとき、上記第２の照射部の動作は、三次元ワークピースの層を形成するために、原材料粉末の焼結及び／又は溶融が可能となる温度に原材料粉末を加熱するように制御される。
【００１１】
例えば、照射システムの第１の照射部によって原材料粉末を照射する際に、該原材料粉末を焼結及び／又は溶融が可能となる温度より低い温度に予備加熱してもよい。しかしながら、照射システムの第１の照射部によって原材料粉末を照射する際に、該原材料粉末が部分的に又は全体的に溶融することも考えられる。しかし、照射システムの第１の照射部によって原材料粉末を照射する際に、該原材料粉末が溶融したとしても、第１の及び第２の照射部は依然として、第１の照射部が単に原材料粉末の予備加熱をする役割を果たし、第２の照射部によって原材料粉末を照射する間に、最終的な成形がなされる原材料粉末の焼結及び／又は溶融が生じるようにして制御される。
【００１２】
本発明の照射システムを制御する方法では、三次元ワークピースの層を形成するために、原材料粉末は、実際に焼結される前に、非常に正確かつ均一に予備加熱されてもよい。この予備加熱は、原材料粉末の量の増加、特にワークピースが原材料粉末から層状に積み上げられる際、そのワークピースの建造高さが増すにつれて、キャリア上にある複数の原材料粉末の層の「堆積」の高さが増加することに依存せずに行うことができる。これによって、電磁放射線又は粒子放射線で実際に照射された原材料粉末の粒子の温度と、すでに形成されたワークピースの層の温度や照射領域の外側に配置された原材料粉末の粒子の温度との差により生じる温度勾配を最小限に抑えることができ、ワークピース内の熱応力を最小限に抑えることもまた可能になる。その結果、クラックの発生がなく、高強度かつ高品質のワークピースを得ることができる。
【００１３】
第１の及び／又は第２の照射部の動作は、第１の及び／又は第２の照射部に関する出力パワー、放射ビームの大きさ、キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際に従う放射パターン、キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際のスキャン速度、又はそれらの組み合わせを適切に制御することによって制御されることが好ましい。例えば、第１の照射部の出力パワーは、第２の照射部の出力パワーと異なるように、特に、第２の照射部の出力パワーよりも低くなるように制御されてもよい。さらに、第１の照射部によって放射される放射ビームの大きさは、第２の照射部によって放射される放射ビームの大きさと異なるように、特に、より大きくなるように制御されてもよい。また、キャリア上に塗布された原材料粉末上に第１の照射部によって放射される放射ビームを導く際のスキャン速度は、キャリア上に塗布された原材料粉末上に第２の照射部によって放射される放射ビームを導く際のスキャン速度と異なるように制御されてもよい。第１の照射部によって放射される放射ビームのスキャン速度は、原材料粉末の種類、及び所望する原材料粉末の加工処理に応じて、第２の照射部によって放射される放射ビームのスキャン速度よりも遅くても、速くてもよい。
【００１４】
キャリア上に塗布された原材料粉末上に第１の及び第２の照射部によって放射される放射ビームを導く際に従う放射パターンは、例えば、チェス盤パターン、縞状パターン、又は任意の形状を有する複数の区画を含むパターンなど、任意の適切な放射パターンであってもよい。放射パターンの個々の区画は、複数のスキャンベクトルによって形成されてもよい。第１の照射部によって放射される放射ビームは、キャリア上に塗布された原材料粉末上に第２の照射部によって放射される放射ビームを導く際に従う放射パターンとは異なる放射パターンに従って、キャリア上に塗布された原材料粉末上に導かれてもよい。例えば、第１の照射部によって放射される放射ビームが縞状パターンに従う一方で、第２の照射部によって放射される放射ビームはチェス盤パターンに従ってもよい。しかしながら、キャリア上に塗布された原材料粉末上に第１の及び第２の照射部によって放射される放射ビームを導く際に従う放射パターンが、同じ種類のパターンだが、ハッチングの間隔が異なるもの、即ち、放射パターンの隣接する線分の間隔が異なるものであることも考えられる。
【００１５】
また、第１の及び／又は第２の照射部の動作は、第１の及び／又は第２の照射部に関する出力放射波長を選択することによって制御されてもよい。基本的に、第１の及び第２の照射部は、一つの放射ビーム源に関連付けられてもよい。一つの放射ビーム源によって供給される放射ビームを、関連付けられた複数の照射部に向けるために、該放射ビームを、例えばビームスプリッター及び／又はミラーなどの適切な手段によって、必要に応じて分割、及び／又は偏向してもよい。しかしながら、各照射部が、適切に選択された出力放射波長を有する放射ビーム源を備えることも考えられる。好ましくは、第１の及び第２の照射部は、異なる出力放射波長を有する放射ビーム源をそれぞれ備える。
【００１６】
本発明の放射システムを制御する方法の好ましい実施形態において、第１の照射部は、電子ビームを放射する。電子ビームをキャリア上に塗布された原材料粉末に向けるために、第１の照射部は、偏向手段、又は電子ビームを導き、偏向し、制御するための別の適切な手段を備えていてもよい。電子ビームは、デフォーカス法でキャリア上に塗布された原材料粉末に導かれることが好ましい。電子ビームは、特に金属原材料粉末を約４００〜６００℃の温度に迅速に予備加熱するために適している。その結果、溶接が難しい材料を、第２の照射部によって照射する際に焼結及び／又は溶融するための準備を行うことができる。
【００１７】
さらに、第１の照射部が電子ビームを放射するか、別の放射ビームを放射するかに関わらず、第１の照射部は、複数の放射ビームを放射してもよい。特に、第１の照射部は、原材料粉末を非常に効率よく、かつ均一に予備加熱するため、原材料粉末に導かれ得る放射ビームの配列を放射してもよい。量子カスケードレーザーは、複数の放射ビームを放射する第１の照射部の放射ビーム源として特に適している。
【００１８】
第２の照射部は、レーザービームを放射してもよい。特に、第２の放射部に関連付けられた放射ビーム源は、約１０７０〜１０８０ｎｍの波長のレーザー光を放射するダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーを含んでもよい。さらに、第２の照射部は、放射ビーム源によって放射され、第２の照射部に供給される放射ビームを誘導、及び／又は処理するための少なくとも一つの光学部を含んでもよい。光学部は、例えば、対物レンズ、特にｆ−θレンズ、及びスキャナ部などの光学要素を含んでもよく、上記スキャナ部は回折光学素子と屈折鏡を含むことが好ましい。
【００１９】
第１の及び／又は第２の照射部の動作は、第１の及び／又は第２の照射部によって照射される間に原材料粉末の温度を示す温度信号に応じて制御されることが好ましい。第１の又は第２の照射部のうちいずれかによって原材料粉末を照射する際に、該原材料粉末の温度を測定することによって、原材料粉末の予備加熱と、焼結及び／又は溶融とを確実な方法で制御することができる。第１の及び／又は第２の照射部の動作を制御するために用いられる温度信号は、パイロメータ及び／又は熱画像カメラによって提供されることが好ましい。
【００２０】
本発明の照射システムを制御する方法の好ましい実施形態において、キャリアの表面上に第２の照射領域を形成してもよい。第１の照射部が、第１の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、第２の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を、照射システムの第２の照射部によって照射してもよい。これに代わって、又はこれに加えて、第１の照射部が、第２の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、第１の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を、照射システムの第２の照射部によって、照射してもよい。その結果、第１の及び第２の照射領域を同時に照射することができ、これによって、三次元ワークピースの製造速度を速めることができる。
【００２１】
特に、キャリアの表面上に形成された第１の及び第２の照射領域が、第１の及び第２の照射部によって同時に照射される場合、第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射することを可能にするために、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせを、キャリアに対して動かしてもよい。即ち、キャリアの表面上に形成された第１の及び／又は第２の照射領域を、まず第１の照射部によって、それ以降を第２の照射部によって、連続して照射することができるような位置に、第１の及び第２の照射部を配置するために、キャリアに対して照射システム全体を動かしてもよいし、あるいはキャリアに対して第１の及び第２の照射部を別々に動かしてもよい。
【００２２】
これに代わって、又はこれに加えて、第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射することを可能にするために、キャリア、キャリアを収容するプロセスチャンバー、又はその両方を、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせに対して動かしてもよい。即ち、第１の及び／又は第２の照射領域を、まず第１の照射部によって、それ以降を第２の照射部によって、連続して照射することができるような位置にキャリアを配置するために、照射システムに対して、特に第１の及び第２の照射部に対して、キャリア、キャリアを収容するプロセスチャンバー全体、又はその両方を動かすことも可能である。
【００２３】
特に、第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射することを可能にするために、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせを、キャリアに対して約１８０度回転させてもよい。これに代わって、又はこれに加えて、キャリア、キャリアを収容するプロセスチャンバー、又はその両方を、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせに対して約１８０度回転させてもよい。照射システム又はその部分と、キャリア又はキャリアを収容するプロセスチャンバーとを、互いに対して約１８０度回転させることによって、左右に並んだ第１の照射部と第２の照射部とに表面が分割されたキャリアを、望むように照射することができる。
【００２４】
照射システムにおいて、第１の及び第２の照射部は、キャリアの表面上に形成された複数の照射領域のうち一つの領域のみを照射するように適合されてもよい。即ち、第１の及び第２の照射部は、照射システムとキャリアの相対位置に依存して、第１の又は第２の照射領域のみを照射するように適合されてもよい。しかしながら、照射システムとキャリアの相対位置に関わらず、第１の及び第２の照射部によって照射され得る重複領域を、キャリアの表面上に形成することも考えられる。必要に応じて、キャリアの表面全体を第１の及び第２の照射部によって照射され得る重複領域とすることもできる。この場合、キャリアの表面上に形成されたそれらの照射領域を照射システムのそれらの照射部によって連続して照射することを可能にするために、照射システムとキャリアの相対位置を変更することは、省略することができる。その結果、工程を単純化することが可能となり、三次元ワークピースをより速く製造することができる。
【００２５】
さらに、照射システムは、３つ以上の照射部、例えば４つの照射部を具備していてもよい。キャリアの表面上に重複領域が形成される場合、２つ以上の照射部、例えば２つ又は４つの照射部は、キャリアの表面上に形成された重複領域上に塗布された原材料粉末を同時に照射するように動作し得る。しかしながら、この場合、照射部の動作は、複数の照射部によって放射される放射ビーム間の望ましくない干渉を避けるようにして制御されるべきである。
【００２６】
本発明の三次元ワークピースを製造する装置に使用され、第１の及び第２の照射部を具備する照射システムを制御する制御装置は、原材料粉末の層を受け取るように適合されたキャリアの表面上に第１の照射領域を形成するように適合された定義部を具備する。この制御装置は、原材料粉末を予備加熱するように、第１の照射領域においてキャリア上に塗布された原材料粉末の層を第１の照射部によって照射するようにして、第１の照射部の動作を制御するように適合された制御部をさらに具備する。さらに、この制御部は、その後、三次元ワークピースの層を形成するために、原材料粉末の焼結及び／又は溶融が可能となる温度に該原材料粉末を加熱するように、第１の照射領域においてキャリア上に塗布された原材料粉末の層を第２の照射部によって照射するようにして、第２の照射部の動作を制御するように適合されている。
【００２７】
制御部は、第１の及び／又は第２の照射部に関する出力パワー、放射ビームの大きさ、キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際に従う放射パターン、キャリア上に塗布された原材料粉末上に放射ビームを導く際のスキャン速度、又はそれらの組み合わせを適切に制御することによって、第１の及び／又は第２の照射部の動作を制御するように適合されることが好ましい。これに代わって、又はこれに加えて、第１の及び／又は第２の照射部に関する出力放射波長は、例えば、第１の及び／又は第２の照射部に関連付けられた放射ビーム源を適切に選択することによって、第１の及び／又は第２の照射部の動作を制御するように、適切に選択されてもよい。
【００２８】
第１の照射部は、電子ビームを放射するように適合されたものであることが好ましい。これに代わって、又はこれに加えて、第１の照射部は、複数の放射ビーム、特に放射ビームの配列を放射するように適合されてもよい。第２の照射部は、レーザービームを放射するように適合されたものであってもよい。
【００２９】
制御部は、第１の及び／又は第２の照射部によって照射される間に原材料粉末の温度を示す温度信号に応じて、第１の及び／又は第２の照射部の動作を制御するように適合されてもよく、上記温度信号は、特にパイロメータ及び／又は熱画像カメラによって提供されるものであってもよい。
【００３０】
定義部は、キャリアの表面上に第２の照射領域を形成するようにさらに適合されてもよい。さらに、制御部は、第１の照射部が、第１の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、第２の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を、照射システムの第２の照射部によって照射するようにして、第１の及び／又は第２の照射部の動作を制御するように適合されてもよい。これに代わって、又はこれに加えて、制御部は、第１の照射部が、第２の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を照射する間、第１の照射領域において、キャリア上に塗布された原材料粉末の層を、照射システムの第２の照射部によって照射するようにして、第１の及び／又は第２の照射部の動作を制御するように適合されてもよい。
【００３１】
第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射できるように、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせは、キャリアに対して可動であってもよい。これに代わって、又はこれに加えて、第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射できるように、キャリア、キャリアを収容するプロセスチャンバー、又はその両方は、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせに対して可動であってもよい。
【００３２】
特に、第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射できるように、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせは、キャリアに対して約１８０度回転可能であってもよい。これに代わって、又はこれに加えて、第１の及び／又は第２の照射領域を第１の及び第２の照射部によって連続して照射できるように、キャリア、キャリアを収容するプロセスチャンバー、又はその両方は、照射システム、第１の照射部、第２の照射部、又はそれらの組み合わせに対して約１８０度回転可能であってもよい。
【００３３】
本発明の三次元ワークピースを製造する装置は、第１の及び第２の照射部を具備する照射システムを具備する。さらに、この装置は、照射システムを制御する上述の制御装置を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の模式図を参照してより詳細に説明する。
【図１】三次元ワークピースを製造する装置を示す模式図である。
【図２】図１に示す装置のキャリアの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１はレーザー選択溶融（ＳＬＭ、登録商標）により三次元ワークピースを製造する装置１０を示す。装置１０は、プロセスチャンバー１２を具備する。プロセスチャンバー１２は、周囲の雰囲気に対して、即ちプロセスチャンバー１２を取り巻く環境に対して、密封可能である。プロセスチャンバー１２内に配置される粉末塗布装置１４は、原材料粉末をキャリア１６上に塗布する役割を果たす。図１において、ワークピースがキャリア１６上の原材料粉末から層状に積み上げられる際、矢印Ａで示されるように、そのワークピースの建造高さが増すにつれて、キャリア１６を垂直方向の下方向に動かすことができるように、キャリア１６は垂直方向に変位可能に設計される。第１の及び第２の照射領域１８ａ、１８ｂは、キャリア１６の表面上に左右に並んで形成される。即ち、図１に示される装置１０では、キャリア表面の左半分に第１の照射領域１８ａが形成され、キャリア表面右半分に第２の照射領域１８ｂが形成される。
【００３６】
装置１０は、キャリア１６上に塗布された原材料粉末を選択的に照射する照射システム２０をさらに具備する。キャリア１６上に塗布された原材料粉末は、照射システム２０によって、製造されるワークピースの所望の形状に依存する位置選択的な方法で、レーザー放射されてもよい。照射システム２０は、第１の及び第２の照射部２２ａ、２２ｂを具備する。第１の照射部２２ａは、キャリア１６の表面上に形成された第１の照射領域１８ａを照射するように適合され、電子ビーム２４ａを放射する電子ビーム管を含む。このように、第１の照射領域１８ａに塗布された原材料粉末は、第１の照射部２２ａによって、電子ビーム２４ａとして構成された放射ビームで照射されてもよい。
【００３７】
第２の照射部２２ｂは、キャリア１６の表面上に形成された第２の照射領域１８ｂを照射するように適合され、レーザービーム源２６、例えば、約１０７０〜１０８０ｎｍの波長のレーザー光を放射するダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーに関連付けられる。第２の照射部２２ｂは、レーザービーム源２６によって放射されて第２の照射部２２ｂに供給される放射ビームを誘導、及び／又は処理するための光学部を有していてもよい。光学部は、放射ビームを拡張するためのビームエキスパンダー、スキャナ、及び対物レンズを有していてもよい。これに代わって、光学部は、集束光学部品及びスキャナ部を含むビームエキスパンダーを有していてもよい。このスキャナ部によって、放射ビームの焦点の位置を、ビーム進路の方向とビーム進路に垂直な平面内の両方に変化させ、調整することができる。スキャナ部は、ガルバノメータースキャナの形式で設計されてもよく、対物レンズはｆ−θ対物レンズであってもよい。このように、第２の照射部２２ｂによって、第２の照射領域１８ｂに塗布された原材料粉末をレーザービーム２４ｂとして構成された放射ビームで照射してもよい。
【００３８】
照射システム２０の動作は、制御装置２８によって制御される。制御装置２８は、キャリア１６の表面上に第１の及び第２の照射領域１８ａ、１８ｂを定義する役割を果たす定義部３０を具備する。制御装置２８の制御部３２は、第１の及び第２の照射部２２ａ、２２ｂの動作を制御するように適合される。制御部３２の制御下で、照射システム２０の第１の照射部２２ａは、第１の照射領域１８ａにおいて、キャリア１６上に塗布された原材料粉末の層を電子ビーム２４ａで照射して、原材料粉末が予備加熱されるように動作する。例えば、原材料粉末が第１の照射部２２ａによって照射される際に、該原材料粉末は、その焼結及び／又は溶融温度より低い温度まで予備加熱されてもよい。特に、第１の照射部２２ａによって放射される電子ビーム２４ａは、溶接することが難しい金属原材料粉末を５００〜６００℃の温度に非常に速く予備加熱するために用いることができる。しかしながら、原材料粉末が第１の照射部２２ａによって照射される際に、該原材料粉末が部分的又は全体的に溶融されることも考えられる。
【００３９】
第１の照射領域１８ａにおいて、キャリア１６上に塗布された原材料粉末の所望の予備加熱を達成するために、制御部３２によって制御され得る第１の照射部２２ａの動作パラメータは、第１の照射部２２ａの出力パワー、第１の照射部２２ａによって放射される電子ビーム２４ａの大きさ（電子ビーム２４ａはデフォーカスされることが好ましい）、原材料粉末上に電子ビーム２４ａを導く際に従う放射パターン、及び原材料粉末上に電子ビーム２４ａを導く際のスキャン速度を含む。第１の照射部２２ａの動作パラメータは、第１の照射部２２ａによって照射される間に原材料粉末の温度が示す温度信号に応じて、制御部３２によって制御される。これらの温度信号は、例えばパイロメータ及び／又は熱画像カメラなどの適切な温度検出装置３４によって提供される。
【００４０】
予備加熱工程が完了した後、第１の照射部２２ａの動作は中断され、キャリア１６を収容するプロセスチャンバー１２は、照射システム２０に対してＺ軸周りに１８０度の角度で回転させられる。その結果、キャリア１６の表面上に形成された第１の照射領域１８ａは、第１の照射領域１８ａが第２の照射部２２ｂによって放射されるレーザービーム２４ｂで照射され得る位置に導かれる。これに代わって、第２の照射部２２ｂによって放射されるレーザービーム２４ｂで照射される位置に第１の照射領域１８ａを配置するため、照射システム２０をキャリア１６に対して回転させることも考えられる。更なる代替案として、第１の及び第２の照射部２２ａ、２２ｂは、キャリア１６の表面全体を照射することができるようにして、キャリア１６に対して設計され、配置されてもよい。この場合、照射システム２０とキャリア１６の相対的な移動は、省略されてもよい。
【００４１】
次いで、制御部３２の制御下で、照射システム２０の第２の照射部２２ｂは、第１の照射領域１８ａにおいて、キャリア１６上に塗布され、予備加熱された原材料粉末の層をレーザービーム２４ｂで照射するように動作する。特に、第２の照射部２２ｂの動作は、三次元ワークピースの層を形成するために、予備加熱された原材料粉末を該原材料粉末の焼結及び／又は溶融が可能となる温度に最終的に加熱するようにして制御される。このようにして、原材料粉末が第２の照射部２２ｂによって照射される間に、層形成焼結工程が起こる。
【００４２】
また、第１の照射領域１８ａにおいて、キャリア１６上に塗布された原材料粉末の所望の最終的な焼結及び／又は溶融を達成するために、制御部３２によって制御され得る第２の照射部２２ｂの動作パラメータは、第２の照射部２２ｂの出力パワー、第２の照射部２２ｂによって放射されるレーザービーム２４ｂの大きさ、原材料粉末上にレーザービーム２４ｂを導く際に従う放射パターン、及び原材料粉末上にレーザービーム２４ｂを導く際のスキャン速度を含む。さらに、第１の照射部２２ａによって原材料粉末を照射する際と同様に、第２の照射部２２ｂの動作パラメータもまた、第２の照射部２２ｂによって照射される間の原材料粉末の温度を示す、温度検出装置３４により提供される温度信号に応じて、制御部３２によって制御される。
【００４３】
さらに、第２の照射部２２ｂが、第１の照射領域１８ａにおいて、キャリア１６上に塗布された原材料粉末を照射する間、第１の照射部２２ａは、第２の照射領域１８ｂにおいて、キャリア上に塗布された原材料粉末を照射して、予備加熱するように動作する。第２の照射領域１８ｂにおいて原材料粉末の予備加熱が完了し、第１の照射領域１８ａにおいて原材料粉末の焼結及び／又は溶融が完了した後、プロセスチャンバー１２は、再びＺ軸周りに１８０度の角度で回転させられ、第２の照射部２２ｂは、第２の照射領域１８ｂにおける原材料粉末の照射を直ちに開始することができる。第２の照射領域１８ｂにおける原材料粉末の焼結及び／又は溶融が完了した後、新たな原材料粉末が、粉末塗布装置によってキャリア１６上に塗布され、上述の工程が繰り返される。
【００４４】
上述したように、キャリア１６上に塗布された原材料粉末は、例えば電子ビーム２４ａを放射するように構成された第１の照射部２２ａによって、キャリア１６の広い領域に亘って予備加熱され得る。しかしながら、図２に示されるように、レーザービームを放射するように適合された照射部を第１の照射部２２ａとして使用することも考えられる。このとき、第１の照射部２２ａによって放射されるレーザービームは、所望の放射パターン３８を用いて、キャリア１６上に塗布された原材料粉末の選択された領域３６を予備加熱するために使用されてもよい。予備加熱の完了後、第２の照射部２２ｂによって放射される放射ビームを、放射パターン４０に従って、選択された領域３６に導いてもよい。特に、第１の及び第２の照射部２２ａ、２２ｂによって放射される放射ビームを原材料粉末上に導く際に従う放射パターン３８、４０は、互いに対して９０度の角度で回転されたものであってもよい。第１の及び第２の照射部２２ａ、２２ｂは、連続して、又は同時に動作させられてもよい。しかしながら、照射部２２ａ、２２ｂの動作は、いかなる場合であっても、照射部２２ａ、２２ｂによって放射される放射ビーム間の望ましくない干渉を避けるようにして制御されるべきである。
【図１】
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【図２】
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