(57)【要約】  付加層製造を用いて生成物を形成する方法を提供する。本方法は、生成物を一連の層として形成する段階を含み、各層は、所望される層形状を形成するために、粉末床として堆積される粉末を荷電粒子ビームを用いる粉末床の走査により融合させて形成される。各層毎に、粉末は、比較的長距離の偏向器と比較的短距離の偏向器との組合せを用いる荷電粒子ビームの走査により粉末床の連続部位を溶融することによって融合され、比較的長距離の偏向器は、短距離の偏向器より大きい偏向角にわたって荷電粒子ビームを偏向する。対応する荷電粒子光学アッセンブリ、および付加層製造装置も提供する。
2019533579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加層製造を用いて生成物を形成する方法であって、
前記生成物を一連の層として形成する段階であって、各層は、所望される層形状を形成するために、粉末床として堆積される粉末を荷電粒子ビームを用いる前記粉末床の走査により融合させて形成される、段階
を備え、
各層毎に、前記粉末は、比較的長距離の偏向器と比較的短距離の偏向器との組合せを用いる前記荷電粒子ビームの走査により前記粉末床の連続部位を溶融することによって融合され、前記比較的長距離の偏向器は、前記短距離の偏向器より大きい偏向角にわたって前記荷電粒子ビームを偏向し、前記方法は、前記粉末床上の前記荷電粒子ビームの基底位置を設定するために、前記比較的長距離の偏向器を用いる段階と、前記比較的長距離の偏向器により設定される前記基底位置の周りで前記荷電粒子ビームを走査するために、前記比較的短距離の偏向器を用いる段階とを備える、
方法。
【請求項２】
前記粉末床上で所定の形状をトレースすべく前記荷電粒子ビームを走査するために、前記比較的短距離の偏向器を用いる段階を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記比較的長距離の偏向器を繰り返し用いて、前記粉末床上の前記荷電粒子ビームの異なる基底位置を設定する段階と、前記粉末床上で一連の所定の形状をトレースすべく、前記比較的短距離の偏向器を繰り返し用いて、前記比較的長距離の偏向器により設定される前記異なる基底位置の各々の周りで前記荷電粒子ビームを走査する段階とをさらに備え、前記所定の形状は、組合せによって前記所望される層形状を作り出す、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
一連の所定の形状をトレースするために、前記比較的短距離の偏向器を用いる段階を備え、前記一連の所定の形状の大部分は、共通のサイズおよび形状を有し、かつテッセレーションして前記所望される層形状の一部を形成する、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
各基底位置の辺りで前記荷電粒子ビームにより走査される前記所定の形状が間に隙間を残すことなくテッセレーションすることにより前記所望される形状の一部を形成している状態で、前記粉末床上の前記荷電粒子ビームの基底位置アレイを設定するために、前記比較的長距離の偏向器を用いる段階を備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記荷電粒子ビームを比較的低速で走査するために、前記比較的長距離の偏向器を用いる段階と、前記荷電粒子ビームを比較的高速で走査するために、前記比較的短距離の偏向器を用いる段階とを備える、請求項２〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記長距離の偏向器は、１コイル当たり巻数２５を超えるヘルムホルツコイルを備える電磁偏向器であり、かつ前記短距離の偏向器は、１コイル当たり巻数５未満のヘルムホルツコイルを備える電磁偏向器である、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記比較的短距離の偏向器を用いて前記荷電粒子ビームを走査し、前記走査の開始位置における前記粉末ビームの温度が、前記荷電粒子ビームが前記所定の形状をトレースするための前記走査を完了した時点の前記走査の終了位置における温度と略同一であるに足る速度で各所定の形状をトレースする段階を備える、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記粉末床上の各基底位置で前記同じ所定の形状をトレースすることにより前記粉末床の温度を前記所定の形状内で均一に上昇させかつ維持すべく、前記比較的短距離の偏向器を繰り返し用いて、前記荷電粒子ビームを走査する段階をさらに備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記比較的長距離の偏向器を、前記荷電粒子ビームを前記粉末床上の前記荷電粒子ビームの前記基底位置に位置合わせするように設定し、前記比較的長距離の偏向器の前記設定を、前記比較的短距離の偏向器の前記設定を前記比較的長距離の偏向器により設定される前記基底位置の周りで前記荷電粒子ビームを走査するように変えながら維持する段階を備え、かつさらに、
前記比較的長距離の偏向器の前記設定を、前記荷電粒子ビームを前記粉末床上の前記荷電粒子ビームの異なる基底位置に位置合わせするように変更する段階と、前記比較的長距離の偏向器の前記設定を、前記比較的短距離の偏向器の前記設定を前記比較的長距離の偏向器により設定される前記異なる基底位置の周りで前記荷電粒子ビームを走査するように変えながら維持する段階とを備える、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記比較的短距離の偏向器の前記設定を、前記比較的長距離の偏向器により設定される前記基底位置の周りで前記荷電粒子ビームを走査するように変えながら、前記比較的長距離の偏向器を、前記粉末床上の前記荷電粒子ビームの一連の基底位置を介して前記荷電粒子ビームを走査するように変える段階を備える、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
付加層製造に使用するための荷電粒子光学アッセンブリであって、
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源により提供される前記荷電粒子から、伝播方向に沿って進む荷電粒子ビームを形成するように動作可能なビーム形成装置と、
ビームステアリング装置と、
を備え、
前記ビームステアリング装置は、前記荷電粒子ビームを比較的大きい偏向角にわたって偏向し、かつ前記粉末床上に前記荷電粒子ビームの基底位置を設定するように動作可能な長距離の偏向器と、前記荷電粒子ビームを比較的小さい偏向角にわたってのみ偏向し、かつ前記比較的長距離の偏向器により設定される前記基底位置の周りで前記荷電粒子ビームを走査するように動作可能な短距離の偏向器とを有する、
荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１３】
前記長距離の偏向器は、前記荷電粒子ビームを前記伝播方向に対して横方向に偏向させるように配置される、
請求項１２に記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１４】
前記長距離の偏向器は、互いに対して、かつ前記伝播方向に対して直角に作用するように配置される第１の偏向器および第２の偏向器を含む、
請求項１３に記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１５】
前記短距離の偏向器は、前記荷電粒子ビームを前記伝播方向に対して横方向に偏向させるように配置される、
請求項１２〜１４のいずれかに記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１６】
前記短距離の偏向器は、互いに対して、かつ前記伝播方向に対して直角に作用するように配置される第１の偏向器および第２の偏向器を含む、
請求項１５に記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１７】
前記長距離の偏向器および前記短距離の偏向器の前記第１の偏向器は、前記荷電粒子ビームを共通の方向へ偏向するように配置され、かつ前記長距離の偏向器および前記短距離の偏向器の前記第２の偏向器は、前記荷電粒子ビームを共通の方向へ偏向するように配置される、
請求項１４に従属する場合の請求項１６に記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１８】
前記長距離の偏向器および前記短距離の偏向器双方の前記第１の偏向器および前記第２の偏向器は、前記荷電粒子ビームの経路の何れかの側に配置される他の電流伝送媒体のワイヤコイルを有するヘルムホルツコイルを含む、
請求項１７に記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項１９】
前記長距離の偏向器の前記コイルは、巻数５０〜１００のワイヤを含み、かつ／または前記短距離の偏向器の前記コイルは、巻数１〜５のワイヤを含む、
請求項１８に記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項２０】
前記長距離の偏向器および前記短距離の偏向器双方の前記第１の偏向器および前記第２の偏向器は、前記荷電粒子ビームの経路の何れかの側に配置される静電偏向器を含む、
請求項１２〜１７のいずれかに記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項２１】
前記荷電粒子は、電子であり、かつ前記荷電粒子源は、電子源である、
請求項１２〜２０のいずれかに記載の荷電粒子光学アッセンブリ。
【請求項２２】
請求項１２〜２１のいずれかに記載の荷電粒子光学アッセンブリと、
粉末を分配するように動作可能な少なくとも１つのホッパと、
前記少なくとも１つのホッパにより分配される前記粉末を、前記電子ビームを受け入れるための粉末床を画定する量で受け入れるように位置合わせされるテーブルと
を備える付加層製造装置。
【請求項２３】
前記長距離の偏向器は、前記電子ビームを、前記粉末床の面積の少なくとも半分にわたって走査するように動作可能であり、かつ前記短距離の偏向器は、前記電子ビームを、前記粉末床の前記面積の半分未満にわたって走査するように動作可能である、
請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
請求項１〜１１のいずれかに記載の方法を実行するようにプログラムされるコントローラをさらに備える、請求項２２または２３に記載の付加層製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な荷電粒子ビームステアリング装置を備える付加層製造装置に関し、かつ具体的には、新規な電子ビームステアリング装置に関する。本発明は、付加層製造装置における電子ビーム等の荷電粒子ビームをステアリングする方法にも及ぶ。
【背景技術】
【０００２】
付加層製造は、成熟した技術分野である。この技術は、基板媒体に注入されて基板のパーツを変造するエネルギー、例えば、形成されるべき生成物の一層を形成するように基板を溶融、融合または硬化させるエネルギーに注目する。新しい基板媒体の付加、および次層の形成が続く。このようにして、生成物は、一層ずつ形成され得る。
【０００３】
基板媒体は、必要に応じて多くの異なる材料から選択され得る。例えば、基板媒体として一般的に使用されるものは、プラスチックおよび金属である。金属は、１つまたは複数のホッパから粉末形態で提供され、かつ作業台上に散開されて粉末床に形成され得る。各層が形成されるにつれて、作業台が粉末床の深さ分だけ下降され、新しい粉末床が仕掛品上に堆積され得る。
【０００４】
エネルギー源は、典型的には、レーザビームまたは電子ビームの何れかである。本発明は、基本的には電子ビーム源に関するものであるが、他のタイプの荷電粒子ビームにも及ぶ。このような電子ビーム源は、電子ビームをステアリングまたは調整するために、電界および／または磁界を用いて制御される。一般に、電子ビームは、エネルギー源として使用され、かつ電磁偏向器を用いてステアリングされる。これらの電磁偏向器は、電子ビームが基板媒体にわたって走査されることを可能にし、よって、基板媒体上でパターンが走査またはトレースされ得る。
【０００５】
形成されるべき生成物は、設計段階でＸＹＺ直交座標にマッピングされる。生成物は、次に、最終製品を製造すべく連続的に形成される層に「分解」され得る。形成されるべき各層は、ＸＹ直交座標を用いて記述される（Ｚ座標は、各層毎に決まっている）。電磁偏向器は、電子ビームを、アドレス可能グリッドとしてのＸＹ座標を用いて画定される所望の経路に従って走査するために使用される。任意の特定の層について粉末床内に形成されるべき形状は、ビームが走査パターンを辿るに伴ってビームにより形成される。走査パターンは、通常、ベクトル（例えば、各直線の始点と終点とを結ぶ）により画定される可変長さの単純な線を含む。これらの線は、結合して、その層の所望される形状を形成する。
【０００６】
電子ビームが粉末床上で走査されるにつれて、粉末内にエネルギーが蓄積され、その温度を上昇させる。電子ビームへの暴露は、上層内の粉末粒子が融合し合い、かつ上層内の粉末粒子が先行層とも融合して固体生成物が形成されるように、粉末の完全な溶融が保証されるべく慎重に制御される。しかしながら、粉末床に蓄積されるエネルギーは、欠陥の発生を防止しかつ材料微細構造の正しい形成を保証するように制御されなければならない。
【０００７】
溶融池は、電子ビームがそのエネルギーを伝達するにつれて、かつ金属粉末を通して熱が伝導されるにつれて形成される。必要な全てのエネルギーを粉末床のある特定の場所に、電子ビームをその場所に留まるように制御することによって一回で堆積するのではなく、電子ビームは、通常、溶融池内で連続的に走査される。典型的には、電子ビームは、ある場所に複数回到来する。電子ビームがある場所を通るたびに、電子ビームは、その場所の温度を徐々に上昇させ、最終的に粉末が溶融する。任意の一時に、単に１つの溶融池ではなく、複数の別々の溶融池を形成することも知られている。従って、電子ビームは、ある特定の溶融池内で連続的に走査され、次に、粉末床を横断して比較的長い距離を別の溶融池へ、等々、と偏向され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電子ビームを溶融池から溶融池へ移動させることは、溶融を必要としない粉末床の部位が繰り返し横断されることにより、ビームの時間およびパワーが無駄になることを意味する。今日まで、この問題に対処する試みは、走査方針および熱制御を最適化するための走査アルゴリズムを開発することに集中している。例えば、努力の多くは、各層の形状を、溶融を必要としない粉末床部位の横断を最小にする走査パターンへと変形する最良の方法に集中されてきた。しかしながら、これらの技術は、複雑でありかつ幾何学的形状に依存する。概して、作られる生成物に対しては、個々に特注の走査パターンが開発されなければならない。
【０００９】
また、現在の走査パターンは、電子ビーム制御に対する要件が全く異なる。溶融池間で電子ビームを偏向させるためには、８０００ｍ／秒ものビーム偏向速度が報告されているが、各溶融池内での走査に際して妥当な溶融特性を達成するために必要な偏向速度は、毎秒数十メートルであるとされている。電磁偏向器の設計に際しては、溶融池間の走査とは対照的に、１つの溶融池内での走査に対する異なる要件を満たすことが大きな課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様によれば、本発明は、付加層製造を用いて生成物を形成する方法に存する。本方法は、生成物を一連の層として形成する段階を含み、各層は、所望される層形状を形成するために、粉末床として堆積される粉末を荷電粒子ビームを用いる粉末床の走査により融合させて形成される。各層毎に、粉末は、比較的長距離の偏向器と比較的短距離の偏向器との組合せを用いる荷電粒子ビームの走査により粉末床の連続部位を溶融することによって融合され、比較的長距離の偏向器は、短距離の偏向器より大きい偏向角にわたって荷電粒子ビームを偏向する。
【００１１】
荷電粒子ビームは、電子ビームであってもよく、よって以下、荷電粒子ビームは、電子ビームであるものとする。しかしながら、以下で電子ビームが記述される場合、これは、荷電粒子ビームの説明でもあって、本発明が電子ビームに限定されないことは理解されるべきである。粉末は、金属粉末であってもよい。
【００１２】
ビームのステアリングおよび制御には２つの態様があり、かつこれらの２つの態様が分離可能であることは、認識されている。第１に、ビームが粉末床の全ての部位にアクセスできるようにする長距離偏向が存在する。この長距離偏向は、溶融池間で電子ビームを走査するために使用されてもよい。したがって、比較的長距離の偏向器は、粉末床上に荷電粒子ビームの位置を設定するために使用されてもよい。
【００１３】
第２に、電子ビームにより所望される走査パターンを達成するために使用される電子ビームの短距離偏向が存在する。したがって、比較的短距離の偏向器は、比較的長距離の偏向器によって設定される位置の近くで電子ビームを走査するために使用されてもよい。比較的長距離および短距離の偏向器の精度は、同じであってもよい。すなわち、比較的長距離および短距離の偏向器は、粉末床上の電子ビームの位置を同じ精度で設定可能であってもよい。精度は同じであり得るが、比較的長距離の偏向器は、概して、比較的短距離の偏向器より大きいステップサイズを有する位置間で電子ビームを移動させるために使用される。
【００１４】
長距離偏向が、比較的長距離の偏向器である第１の偏向器（本明細書では、「メインフィールド」偏向器と呼ばれることもある）によって実行され、かつ精密偏向が、比較的短距離の偏向器である第２の偏向器（本明細書では、「サブフィールド」偏向器と呼ばれることもある）により小規模な偏向として実行され得ることは、認識されている。比較的長距離の偏向器は、粉末床の全範囲にわたって、または少なくとも粉末床の大部分にわたって電子ビームを偏向してもよい。一方で、比較的短距離の偏向器は、遙かに短い距離にわたって電子ビームを偏向してもよい。例えば、比較的短距離の偏向器は、電子ビームを、比較的長距離の偏向器の範囲のほんの一部、例えば前記範囲の１０％以下、または１％以下の範囲にわたって偏向してもよい。比較的長距離の、および比較的短距離の偏向器は、役割が分かれていることから、これらの偏向器の設計は、その個々の役割に対して最適化されてもよい。例えば、遅速である比較的長距離の偏向器は、電子ビームの長距離移動を実行するために使用されてもよいのに対して、より速い、比較的短距離の偏向器は、電子ビームの遙かに短い距離の移動を実行するために使用されてもよい。
【００１５】
比較的短距離の偏向器を用いる電子ビームでは、遙かに速い走査速度が達成され得ることから、粉末床内へのエネルギー蓄積は、粉末床内への熱エネルギーの制御された分散に適する速度で行われてもよい。これにより、ある場所の温度が、電子ビームがその場所に到来するにつれて、例えば電子ビームへの暴露間の温度降下よりも、連続して上昇されることが可能になる。したがって、実際に、ある部位の温度は、従来技術による「線走査」方法により達成される互い違い式にではなく、同時的に上昇されることが可能である。したがって、本発明は、「ラインスキャナ」としてではなく、「エリアスキャナ」として考えられてもよい。すなわち、走査速度は、粉末床を介する熱の伝播より何倍も速いことから、走査部位は、極めて特有の形状を有する単一のビームに暴露されたかのように考えられ得る。部位の温度プロファイルは、その部位の境界条件を補正し、かつ均一な溶融を保証するように調整されることが可能である。
【００１６】
したがって、本発明の方法は、粉末床上の電子ビームの基底位置を設定するために、比較的長距離の偏向器を用いる段階と、比較的長距離の偏向器により設定される基底位置の周りで電子ビームを走査するために、比較的短距離の偏向器を用いる段階とを含んでもよい。本方法は、粉末床上で所定の形状をトレースすべく電子ビームを走査するために、比較的短距離の偏向器を用いる段階を含んでもよい。所定の形状、または本明細書では別段で「プリミティブ」と称されるものは、このような所定のプリミティブのライブラリから選択されてもよい。プリミティブには、正方形、長方形、三角形および六角形等の形状が含まれてもよい。また、不規則なプリミティブが使用されることもある。また、プリミティブは、比較的長距離の偏向器により設定される基底位置の辺りに、例えば２つの長方形を組み合わせてＬ字型の複合形状を形成することにより、複合形状を形成するように組み合わされてもよい。
【００１７】
本方法は、さらに、粉末床上で一連の所定の形状をトレースすべく、比較的長距離の偏向器を繰り返し用いて、粉末床上の電子ビームの異なる基底位置を設定する段階と、比較的短距離の偏向器を繰り返し用いて、比較的長距離の偏向器により設定される異なる基底位置の各々の周りで電子ビームを走査する段階を含んでもよく、前記所定の形状は、組合せによって所望される層形状を作り出す。例えば、所定の形状は、当接または重なり合いによって所望される層形状を果たすように配置されてもよい。所定の形状の大部分は、共通のサイズおよび形状を有してよく、テッセレーションして所望される層形状の一部を形成してよい。所定の形状は、全てが同じであるとは限らない。例えば、層形状の大部分は、同じ所定の形状を用いて形成され得るが、層形状に必要な縁部の作製には、他の形状が必要とされることがある。例えば、層形状の内部の形成には、正方形が使用され得るのに対して、これに必要な縁は、一連の三角形を用いて近づけられてもよい。
【００１８】
本方法は、各基底位置の辺りで電子ビームにより走査される所定の形状が間に隙間を残すことなくテッセレーションすることにより所望される形状の一部が形成されている状態で、粉末床上の電子ビームの基底位置アレイを設定するために、比較的長距離の偏向器を用いる段階を含んでもよい。例えば、所定の形状の大部分には、正方形が使用されてもよく、その場合は、粉末床上の正方形の位置アレイ間で電子ビームを移動させるために、比較的長距離の偏向器が使用されてもよい。
【００１９】
比較的長距離の偏向器は、好ましくは、電子ビームを比較的低速で走査するために使用され、かつ比較的短距離の偏向器は、電子ビームを比較的高速で走査するために使用される。比較的長距離の偏向器および比較的短距離の偏向器の何れかまたは双方においては、静電偏向器または電磁偏向器が使用されてもよい。１つまたは複数の電磁偏向器が使用される場合、これらは、典型的には、ワイヤまたは他の通電材料のコイル巻数を含む。比較的長距離の偏向器からは大きい偏向が要求されることから、（比較的短距離の偏向器を通る電流より）比較的大きい電流により駆動され得る比較的多数の巻数が使用されてもよい。比較的長距離の偏向器における大電流および多い巻数は、それが（この場合も、比較的短距離の偏向器よりも）比較的高いインダクタンス、延いては比較的遅いスルーレートを有することを意味する。対照的に、比較的短距離の偏向器に要求されることは、小さい偏向の電子ビームを提供することのみであって、比較的少ない巻数が使用されてもよく、かつ比較的小さい電流を用いてコイルが駆動されてもよい。これは、比較的短距離の偏向器が比較的低いインダクタンス、延いては比較的高いスルーレートを有することを意味する。その結果、溶融池内で所望される走査パターンを辿りながら電子ビームが達成可能な走査速度は、従来技術よりも増加する。単なる例として、比較的長距離の偏向器は、１コイル当たり巻数２５を超えるヘルムホルツコイルを備える電磁偏向器であってもよく、かつ比較的短距離の偏向器は、１コイル当たり巻数５未満のヘルムホルツコイルを備える電磁偏向器であってもよい。
【００２０】
効果的には、本方法は、比較的短距離の偏向器を用いて電子ビームを走査し、走査開始位置における粉末床の温度と、電子ビームが所定の形状をトレースするための走査を完了した時点の走査終了位置における温度とが略同一であるに足る速度で各所定形状をトレースする段階を含んでもよい。本方法は、さらに、粉末床上の各基底位置で同じ所定の形状をトレースすることにより粉末床の温度を所定の形状内で均一に上昇させかつ維持すべく、比較的短距離の偏向器を繰り返し用いて電子ビームを走査する段階を含んでもよい。先に述べたように、本方法は、「ラインスキャナ」としてではなく、「エリアスキャナ」として考えられてもよい。すなわち、走査速度は、粉末床を介する熱の伝播より何倍も速いことから、所定の形状を作り出すための走査部位は、所定の形状を有する単一のビームに暴露されたかのように考えられ得る。さらに、溶融池の縁が周囲の非加熱粉末床へより多くの熱を失うことにより引き起こされるエッジ効果にも対処することができる。すなわち、部位の温度プロファイルは、その部位の境界条件を補正し、かつ均一な溶融を保証するように調整されることが可能である。
【００２１】
比較的長距離および短距離の偏向器を用いる電子ビームの移動は、一緒に、または別々に実行されてもよい。
【００２２】
別々に実行される場合、本方法は、比較的長距離の偏向器を、電子ビームを粉末床上の電子ビームの基底位置に位置合わせするように設定して、比較的長距離の偏向器の設定を、比較的短距離の偏向器の設定を比較的長距離の偏向器により設定される基底位置の周りで電子ビームを走査するように変えながら維持する段階を含んでもよい。よって、本方法は、さらに、比較的長距離の偏向器の設定を、電子ビームを粉末床上の電子ビームの異なる基底位置に位置合わせするように変更して、比較的長距離の偏向器の設定を、比較的短距離の偏向器の設定を比較的長距離の偏向器により設定される異なる基底位置の周りで電子ビームを走査するように変えながら維持する段階を含んでもよい。従って、一連の所定の形状は、電子ビームが、比較的長距離の偏向器により設定される基底位置の辺りを走査して所定の形状を、比較的長距離の偏向器を用いて電子ビームを次の形状をトレースするための次の基底位置上へ移動させる前に形成すること、等々、によってトレースされてもよい。
【００２３】
比較的長距離の偏向器と比較的短距離の偏向器とが一緒に使用される場合、本方法は、比較的短距離の偏向器の設定を、比較的長距離の偏向器により設定される基底位置の周りで電子ビームを走査するように変えながら、比較的長距離の偏向器を、粉末床上の電子ビームの一連の基底位置を介して電子ビームを走査するように変える段階を含んでもよい。例えば、比較的長距離の偏向器は、粉末床にわたる電子ビームの低速走査を生じさせるために使用されてもよく、一方で、比較的短距離の偏向器は、比較的長距離の偏向器により設定される基底位置の辺りで電子ビームの高速走査を実行させるために使用されてもよく、これにより、所望される形状が形成される。効果的には、電子ビームの制御が２つの異なる偏向器間で分割されることから、高速走査速度および高速スルーレート用に最適化され得る比較的短距離の偏向器を使用すれば、単一の偏向器を用いて粉末床にわたる電子ビームの長距離、低スルーレートの走査、ならびに短距離、高スルーレートの高速走査の双方を実行した場合より、遙かに高速である電子ビームの走査を実行し得る。
【００２４】
さらなる態様によれば、本発明は、付加層製造に使用するための荷電粒子光学アッセンブリに存する。本アッセンブリは、荷電粒子源と、荷電粒子源により提供される荷電粒子から、伝播方向に沿って進む荷電粒子ビームを形成するように動作可能なビーム形成装置とを備える。本アッセンブリは、さらに、ビームステアリング装置を備え、本ビームステアリング装置は、荷電粒子ビームを比較的大きい偏向角にわたって偏向するように動作可能な長距離の偏向器と、荷電粒子ビームを比較的小さい偏向角にわたってのみ偏向するように動作可能な短距離の偏向器とを備える。大小の偏向角は、粉末床上にわたる荷電粒子ビームの長距離および短距離移動として捉えられる。先に述べたように、荷電粒子ビームは、電子ビームであってもよく、よって以下、荷電粒子ビームは、電子ビームであるものとする。しかしながら、以下で電子ビームが記述される場合、これは、荷電粒子ビームの説明でもあって、本発明が電子ビームに限定されないことは理解されるべきである。
【００２５】
長距離の偏向器は、電子ビームを伝播方向に対して横方向に偏向させるように配置されてもよい。長距離の偏向器は、互いに対して、かつ伝播方向に対して直角に作用するように配置される第１の偏向器および第２の偏向器を備えてもよい。
【００２６】
短距離の偏向器は、電子ビームを伝播方向に対して横方向に偏向させるように配置されてもよい。短距離の偏向器は、互いに対して、かつ伝播方向に対して直角に作用するように配置される第１の偏向器および第２の偏向器を備えてもよい。上述のように、長距離の偏向器および短距離の偏向器の双方が第１の偏向器および第２の偏向器を備える場合、長距離の偏向器および短距離の偏向器の第１の偏向器は、電子ビームを共通の方向へ偏向するように配置されてもよい。同じく、長距離の偏向器および短距離の偏向器の第２の偏向器も、電子ビームを共通の方向へ偏向するように配置されてもよい。したがって、伝播方向がデカルト座標系のＺ軸を画定するとされる場合、長距離および短距離の偏向器の第１の偏向器は、電子ビームをＸ方向へ偏向するように配置されてもよく、よって第２の偏向器は、電子ビームをＹ方向へ偏向するように配置されてもよい。
【００２７】
全てを含む、偏向器のうちの何れかは、例えばヘルムホルツコイルである電磁偏向器を備えてもよい。ヘルムホルツコイルは、電子ビーム経路の何れかの側に配置される他の電流伝送媒体のワイヤコイルを備えてもよい。ヘルムホルツコイルが長距離の偏向器の第１の偏向器および第２の偏向器の一方または双方に使用される場合、各コイルは、巻数５０〜１００のワイヤを備えてもよい。ヘルムホルツコイルが短距離の偏向器の第１の偏向器および第２の偏向器の一方または双方に使用される場合、各コイルは、巻数１〜５のワイヤを備えてもよい。
【００２８】
電子ビームのステアリングには、電磁偏向よりむしろ、静電偏向が使用されてもよい。したがって、長距離の偏向器および短距離の偏向器双方の第１の偏向器および第２の偏向器は、電子ビーム経路の何れかの側に配置される静電偏向器を備えてもよい。
【００２９】
荷電粒子として電子が使用される場合、荷電粒子光学アッセンブリは、荷電粒子源として作用する電子源を備えてもよい。よって、ビーム形成装置は、電子ビームを形成してもよく、かつビームステアリング装置は、電子ビームをステアリングしてもよい。
【００３０】
本発明は、付加層製造装置にも存し、本付加層製造装置は、上述の電子光学アッセンブリのうちの何れかと、粉末を分配するように動作可能な少なくとも１つのホッパと、少なくとも１つのホッパにより分配される粉末を、電子ビームを受け入れるための粉末床を画定する量で受け入れるように位置合わせされるテーブルとを備える。
【００３１】
場合により、長距離の偏向器は、電子ビームを粉末床エリアの少なくとも半分にわたって、例えば粉末床エリアの少なくとも７５％、９０％または９５％にわたって走査するように動作可能である。場合により、短距離の偏向器は、電子ビームを粉末床エリアの半分未満にわたって、例えば粉末床エリアの２５％、１０％、５％または１％未満にわたって走査するように動作可能である。
【００３２】
付加層製造は、さらに、上述の方法のうちの何れかを実行するようにプログラムされるコントローラを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
次に、本発明をより容易に理解できるように、添付の図面を単に例として参照する。
【００３４】
【図１】本発明を使用できる付加層製造装置を示す。
【図２ａ】本発明の実施形態による、電子ビームを供給しかつ電子ビームを走査するように動作可能な電子源および電磁偏向器アッセンブリを示す側面略図である。
【図２ｂ】本発明の実施形態による、電子ビームを供給しかつ電子ビームを走査するように動作可能な電子源および電磁偏向器アッセンブリを示す、図２ａの線Ｂ−Ｂに沿った図である。
【図３】電子ビームにより走査されるべきメインフィールドを形成する粉末床、およびメインフィールドをサブフィールドおよびプリミティブに分割し得る方法を示す略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、付加層製造中に生成物の層を形成する方法を示す略図である。
【図５】粉末床、形成されるべき別の生成物の層、および生成物の層を覆うプリミティブの別の配置を示す略図である。
【図６】付加層製造を用いて生成物を形成するための走査パターンの生成方法を示す略図である。
【図７】付加層製造の間に生成物を形成するための走査パターンの生成方法を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、本発明の実施形態が実装され得る付加製造装置１００を示す。装置１００は、電子ビームを用いて金属粉末から生成物を付加層製造するためのものである。
【００３６】
この目的に沿って、装置１００は、後により詳細に説明するように、電子ビーム１０３を形成し、調整しかつステアリングする電子光学アッセンブリ１０１を備える。装置１００は、さらに、金属粉末１２２を入れる粉末ホッパ１２１と、可動テーブル１３０とを備える。ホッパ１２１は、テーブル１３０上へ粉末の薄層を置くように粉末を分配する。任意の数のホッパ１２１が使用されてよく、よって、図１に示す２つは、単に一例である。
【００３７】
粉末１２２をテーブル１３０上へ均等に分配するために、スクレーパまたはブレード（不図示）等の機構が使用されてもよい。電子光学アッセンブリ１０１は、電子ビーム１０３が粉末床１２３上で走査されて粉末１２２が融合されかつ固体生成物１５０が形成されるように、電子ビーム１０３をステアリングする。生成物１５０の各層が形成された後、テーブル１３０は、矢印１３１が示す方向へ下げられる。テーブル１３０は、粉末床１２３の上面が電子ビーム１０３に対して常に同じ高さで形成されるように下げられる。粉末床１２３の最初の層は、粉末１２２をテーブル１３０と融合させ得るテーブル１３０への熱伝導を最小限に抑えるために、後続層より厚くなるように堆積されてもよい。したがって、非溶融粉末１２４の完全な層が、生成物１５０の形成に伴ってその下に残される。
【００３８】
電子ビームを用いる付加製造は、概して真空条件下で実行され、よって、装置１００は、封入真空チャンバ１４０を備える。真空チャンバ１４０内の真空は、任意の一般的に利用可能なポンピングシステム、例えば粗引きポンプで裏打ちされるターボ分子ポンプ等のポンピングシステム１４４によって生成されかつ保持される。ポンピングシステム１４４は、コントローラ１１０によって制御されてもよい。図１に示すように、ポンピングシステム１４４は、真空チャンバ１４０の、電子光学アッセンブリ１０１を収容する部分を排気するために使用されてもよい。真空チャンバ１４０内の圧力は、１×１０−３ミリバール〜１×１０−６ミリバールの範囲内であってもよい。
【００３９】
この目的に沿って、装置１００は、電子を発生するための電子源１０２と、放出される電子から電子ビーム１０３を調整して形成するためのレンズ２２０と、電子ビーム１０３をステアリングするための電磁偏向器２４０、２５０とを含む電子光学アッセンブリ１０１を備える。電子源１０２および偏向器１０４の動作は、適切にプログラムされるコンピュータ等のコントローラ１１０によって制御される。
【００４０】
図２ａおよび図２ｂは、電子光学アッセンブリ１０１をより詳細に示す。電子光学アッセンブリ１０１は、電子を発生するための電子源１０２と、放出される電子から電子ビーム１０３を形成しかつ調整するためのレンズ２２０と、電子ビーム１０３をステアリングするための電磁偏向器２４０、２５０とを備える。電子源１０２、レンズ２２０および偏向器２４０、２５０の動作は、適切にプログラムされるコンピュータ等のコントローラ１１０によって制御される。電子源１０３およびレンズ２２０の配置は、従来のものが任意に使用されてもよく、よって、ここでは詳述しない。基本的に、電子源１０３およびレンズ２２０は、電子光学アッセンブリ１０１の中心軸２０２に沿って進む集束電子ビーム１０３を送達する。
【００４１】
次に、電磁偏向器２４０および２５０は、電子ビーム１０３を粉末床１２３を横切るように方向づけステアリングすることにより、電子ビーム１０３を所望される走査パターンに従って走査する。これらの偏向器うちの第２の偏向器２５０は、電子ビームをより長い距離にわたって偏向し、よって本明細書では、これをメインフィールド偏向器２５０と称する。このメインフィールド偏向器２５０は、電子ビーム１０３のより長い範囲のステアリングを提供し、電子ビーム１０３を粉末床１２３の全範囲（または「メインフィールド」）にわたってステアリングすることができる。電子ビームをより短い距離にわたって偏向する偏向器は、メインフィールド偏向器２５０により生成される電磁場に小さい動的外乱を効果的に加えるサブフィールド偏向器２４０である。この動的外乱は、メインフィールド偏向器２５０により設定される位置の辺りで電子ビーム１０３を走査する。したがって、サブフィールド偏向器２４０の使用により、粉末床１２３の、メインフィールド偏向器２５０により設定される基底位置の辺りの小さいエリアまたは「サブフィールド」を介して電子ビーム１０３を走査することができる。後により詳細に説明するように、メインフィールド偏向器２５０を用いて電子ビーム１０３を粉末床１２３の異なるエリアへ動かすことにより、異なるサブフィールドが走査されてもよい。
【００４２】
上述の偏向器２４０、２５０は各々、ヘルムホルツコイルのような通電コイル対を備える従来の電磁偏向器であっても、適切な電位に設定される導電プレート対を備える従来の静電偏向器であってもよい。何れの場合も、偏向器は、技術上周知であるように、コントローラ１１０によって、所望される偏向を提供するように動作させられる。
【００４３】
メインフィールド偏向器２５０およびサブフィールド偏向器２４０は、電子ビーム１０３の経路を横断する方向に作用して、電子ビーム１０３を中心軸２０２から離れるようにステアリングする（または、電子ビーム１０３の中心軸２０２に沿った進行を保つ）。このステアリングは、別々の偏向器により制御される直交成分に分離される。したがって、偏向器２４０、２５０は、図２ｂに示すように、Ｘ座標およびＹ座標の双方で電子ビーム１０３の制御を実行するために、直交配置された対で設けられる。したがって、各偏向器には、４つのエレメントが存在する。例えば、図２ｂは、２つのヘルムホルツコイルを備えるメインフィールド偏向器２５０を示している。第１のコイル対２５０ｘは、電子ビーム１０３の両側に位置決めされてＸ座標方向に分離され、これにより、電子ビーム１０３のＸ方向におけるステアリングが可能にされる。第２のコイル対２５０ｙは、電子ビーム１０３の両側に位置決めされてＹ座標方向に分離され、これにより、電子ビーム１０３のＹ方向におけるステアリングが可能にされる。この配置は、サブフィールド偏向器２４０についても繰り返される。
【００４４】
メインフィールド偏向器２５０は、０．１ｍ、０．２ｍ、０．３ｍ、０．４ｍ、０．５ｍ等の距離にわたって、またはこれを超える距離にもわたって電子ビーム１０３を走査できるはずのものである（ＸおよびＹ座標の双方について言えるが、ＸおよびＹ方向の偏向距離は、正方形のメインフィールドを提供するように一致される必要はなく、長方形のメインフィールドも発生し得る）。この比較的大きい偏向距離を提供するために、メインフィールド偏向器２５０は、典型的には１コイル当たり巻数５０〜１００のワイヤを有する、約１〜１０Ａの電流を流しかつ約１００ｋＨｚの周波数で動作するヘルムホルツコイルとして設計されてもよい。あるいは、電子ビーム１０３を正および負双方のＸおよびＹ方向へ偏向するために、各軸内に、±約５，０００Ｖの可変電圧が印加される平行電極プレートが使用されてもよい。
【００４５】
サブフィールド偏向器２４０は、遙かに細かい偏向距離、例えば（ＸおよびＹ方向双方に）０．００１ｍ、０．０２５ｍ、０．００５ｍ、０．０１ｍまたは０．０５ｍの距離、を生成するが、メインフィールド偏向器２５０より遙かに速く電子ビームを駆動することができるはずのものである。したがって、サブフィールド偏向器２４０は、異なる設計である可能性がある。例えば、ヘルムホルツコイルが使用される場合、各コイルは、典型的には単に１回巻きまたは数回巻きのワイヤを含み、典型的には数百ミリアンペア〜１Ａの電流を伝送しかつ約２５ＭＨｚの周波数で動作する。あるいは、メインフィールド偏向器２５０の場合と同様に、サブフィールド偏向器２４０において平行電極プレートが使用されてもよいが、印加電圧要件は下がり、±２００Ｖ等である。
【００４６】
次に、図３を参照して、メインフィールド、サブフィールドおよび「プリミティブ」についてさらに説明する。先に述べたように、メインフィールド偏向器２５０により提供される電子ビーム１０３の偏向距離は、メインフィールドのサイズおよび形状を画定する。典型的には、ＸおよびＹ方向の偏向距離は、正方形のメインフィールドが生じるように同じである。図３は、０．３ｍ×０．３ｍで広がるメインフィールドの一例３００を示す。粉末床１２３は、このサイズに一致する場合も、しない場合もある。例えば、粉末床１２３は、粉末床１２３の縁からの粉末が装置１００の周囲部分と融合しないように、メインフィールド３００の周囲に余裕を持たせるべく僅かに大きくてもよい。
【００４７】
先に述べたように、電子ビーム１０３は、メインフィールド偏向器２５０を用いてメインフィールドにおける任意の位置へ設定されてもよい。次に、電子ビーム１０３は、サブフィールド偏向器２４０を用いて走査されてもよい。各サブフィールドのサイズは、サブフィールド偏向器２４０により提供される移動距離によって設定される。ＸおよびＹ方向の偏向距離は、正方形のサブフィールドが生じるように一致される可能性がある。メインフィールド偏向器２５０を用いる電子ビーム１０３の移動は、メインフィールド全体、または少なくともメインフィールドの、形成されるべき生成物１５０の現行層が延在する部分を覆うサブフィールドアレイが生じるように実行されてもよい。
【００４８】
図３の円３０５内の詳細は、メインフィールド３００がこうしてサブフィールド正方形３１０のアドレス可能グリッドに分割され得る方法を示す。サブフィールド３１０は、重なり合うアドレス可能座標なしにパッチワークパターンで隣り合わせに配置されている。各サブフィールド３１０のサイズは、０．００５ｍ×０．００５ｍであって、サブフィールド偏向器２４０の移動距離に一致する。
【００４９】
電子ビーム１０３をサブフィールド位置のうちの何れへも偏向することができるメインフィールド偏向器２５０は、電子ビーム１０３をこれらのサブフィールド３１０内へ順番に配置する。例えば、メインフィールド偏向器２５０は、電子ビーム１０３を、３２０に示すような各サブフィールド３１０の右下の基底位置に位置合わせしてもよい。よって、電子ビーム１０３の開始位置がサブフィールド３１０内のどこであるかに関わらず、サブフィールド偏向器２４０は、サブフィールド３１０内の粉末を溶融する、またはその温度を上げるように電子ビーム１０３を走査する。
【００５０】
走査により、電子ビーム１０３がサブフィールド３１０のエリア全体を横断する場合もあれば、電子ビーム１０３がサブフィールド３１０のエリアの一部のみを横断する場合もある。電子ビーム１０３がサブフィールド３１０内で走査されるにつれて電子ビーム１０３によりトレースされる形状を、本明細書では「プリミティブ」と称する。プリミティブは、サブフィールドより小さい場合もあれば、サブフィールドと同じサイズである場合もある。
【００５１】
典型的には、正方形または三角形等の単純な形状に一致するプリミティブが使用される。図３の例において、サブフィールド３１０は正方形であり、よって正方形のプリミティブを用いてサブフィールド全体が走査される。さらに、プリミティブは、サブフィールド内で組み合わされて複合形状を形成してもよい。例えば、サイズが異なる２つの正方形プリミティブを用いてＬ字形が画定されてもよい。また、例えば、生成物１５０の不規則な縁を形成できるように、不規則なプリミティブが使用されてもよい。異なる形状のプリミティブの例については、図４〜６を参照して後に提示する。
【００５２】
プリミティブは、サブフィールド偏向器２４０を用いて電子ビーム１０３を走査し、所望される形状をなぞって描くことにより形成される。例えば、サブフィールド偏向器２４０は、電子ビーム１０３が終了位置３４０に達するまで、電子ビーム１０３に図３の線３３０で示されるラスタパターンを辿らせてもよい。このようにして、サブフィールド３１０全体を満たす正方形のプリミティブが生成される。走査線３３０の間隔は、電子ビーム１０３のサイズ、走査速度およびビーム出力、および材料、パターン密度および近傍特徴等の他のアプリケーション固有パラメータに従って設定されてもよい。
【００５３】
高速のサブフィールド偏向器２４０は、粉末床１２３内に電力が、粉末１２２内での熱エネルギーの管理された分散を可能にする制御された速度で蓄積されることを可能にする。
【００５４】
さらなる利点は、サブフィールド３１０内で粉末床１２３を暴露するために必要な走査が、従来技術のマシンを用いて達成可能なものより遙かに速くかつより正確な走査ケイパビリティを有するサブフィールド偏向器２４０によって実行され、一方で、より遅速のメインフィールド偏向器２５０が、単に電子ビーム１０３を必要なサブフィールド開始位置３２０に極めて正確に位置決めするために使用されることにある。
【００５５】
粉末床１２３内に電力が、粉末１２２内での熱エネルギーの設計された分散に適する制御された速度で蓄積されることを可能にする高速のサブフィールド偏向器２４０には、実質的な利点がある。具体的には、実際に、サブフィールド３１０の全エリア内の温度の慎重な制御を可能にするエリア走査を実行することができる。
【００５６】
速い走査速度は、走査間の熱分散が比較的小さくなるように１つの部位が複数回走査されることを可能にし、よって、走査部位は、あたかもそれが極めて特異な形状（すなわち、プリミティブの所望される形状または所望される複合形状、例えば、電子ビーム１０３が図３に示す例示的なサブフィールド３１０内のエリア全体を走査する場合には正方形）の単一の大きい電子ビーム１０３に暴露されたかのように考えることができる。したがって、電子ビーム１０３は、もはや単純なガウスビームプロファイルを有するものとされる必要はなく、むしろ、所望されるプリミティブおよび複合形状を形成するために画定された部位を溶融することができる拡張形状を有するものとされる。
【００５７】
したがって、電子ビーム１０３がサブフィールド３１０からサブフィールド３１０へ移動されるにつれて、形成されている生成物１５０の層は、サブフィールド毎に効果的に走査される。その結果、生成物１５０の層は、各サブフィールド３１０内でプリミティブまたは複合形状を瞬時に形成することにより、順番に効果的に形成される。したがって、電子光学アッセンブリ１０１は、プリミティブおよび複合形状が粉末床１２３へ「プリント」されることを可能にする、シェイプジェネレータとして想定されることが可能である。したがって、形成されるべき層は、従来技術で行われているような走査線への分解ではなく、これらのプリミティブ形状に分解されてもよい。
【００５８】
粉末床１２３に入射する電力密度は、サブフィールド偏向器２４０と、電子ビーム１０３が横断する単位時間当たりの面積によって容易に制御されることが可能である。粉末床１２３へ送達される電力密度を電子ビーム１０３の電流およびエネルギーから除外する能力は、ユーザに、ジョブのプロセスパラメータを開発するための別の自由度を与える。さらに、サブフィールド走査速度およびサブフィールド偏向器２４０の高い精度は、サブフィールド３１０内に形成される溶融池の精密制御を可能にし、かつ複数の溶融池を同時に運転する必要性を克服する。また、より低いインダクタンスのサブフィールド偏向器２４０が、メインフィールド偏向器２５０より遙かに速い位置整定時間を有することも留意されるべきである。
【００５９】
図３のメインフィールド３００は、電子銃アッセンブリ１０１の基本基準グリッドを示している。メインフィールド３００は、０．３ｍ×０．３ｍのサイズで示されているが、これは、マシンモデルに依存するパラメータとなる。サブフィールド３１０のサイズは、ユーザによる選択が可能であって、製造されている生成物１５０に依存する。図３の例では、各サブフィールド３１０のサイズは０．００５ｍ×０．００５ｍとして選択されていて、メインフィールド３００内に３６０，０００個のサブフィールドが存在する。走査解像度の最小画素サイズ（すなわち、電子ビーム１０３の個々のアドレス指定可能位置）は、ユーザにより、サブフィールド３１０のサイズより適度に小さい数に設定される。例えば、隣接するピクセル位置は、ＸおよびＹ方向の双方に１×１０−６ｍだけ分離されてもよい。また、このパラメータは、ユーザにより、作られる生成物１５０に従って設定されてもよい。この例では、サブフィールド３１０当たり２５０，０００個のアドレス指定可能画素位置が存在していて、プリミティブ形状の詳細な画定、およびメインフィールド３００における９×１０１０個のアドレス指定可能画素位置が可能にされる。
【００６０】
メインフィールド偏向器２５０の分解能および精度は、コントローラ１１０によって、例えばコントローラ１１０のデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）によって設定される。メインフィールド偏向器２５０は、より広いエリアを走査しなければならないことから、より小さいエリア（約１２ビット）をカバーするサブフィールド偏向器２４０よりも高いビット数（約１６ビット）を必要とする。
【００６１】
先に述べたように、本発明は、形成されるべき生成物１５０の層が、結合して暴露されるべき二次元パターンを記述するプリミティブ形状に分解されることを可能にする。これは、始点と終点および横断速度による単純な線のみを表すプリミティブ形状を用いる従来技術とは対照的である。
【００６２】
次に、図４〜６を参照して説明するように、異なる形状の生成物１５０を記述するために、「プリミティブ」形状のライブラリが使用されてもよい。例えば、ある層は、正方形、長方形、三角形、六角形および平行四辺形、およびこれらの任意の組合せに一致するプリミティブ形状に分解されてもよい。他の形状もまた、可能である。
【００６３】
図４は、粉末床１２３における、形成されるべき生成物の一層１５０を示す。図中には、メインフィールド３００の範囲が、メインフィールド３００のサブフィールド３１０への分割と共に示され、かつ層１５１がプリミティブに分解され得る方法の２例も示されている。第１の例において、層１５１は、サブフィールド３１０に一致する正方形のプリミティブ４１０ａを用いて形成されている。すなわち、各サブフィールド３１０は、サブフィールド偏向器２４０をその最大偏向距離を介して駆動することにより完全に埋められる。図４の詳細は、正方形のサブフィールド３１０およびプリミティブ４１０ａが、層１５１内に形成されるべき角１５２を埋めるために配置され得る方法も示している。すなわち、メインフィールド偏向器２５０により設定される電子ビーム１０３の位置は、結果として生じるサブフィールド３１０が図４の詳細に示される縁に沿って整列するように選ばれてもよい。
【００６４】
図４の第２の詳細は、テッセレーションした三角形プリミティブ４１０ｂに分解された層１５１を示す。三角形のサイズは、異なる大きさの、または異なる形状のプリミティブ４１０の使用を回避すべく層１５１の形状を可能な限り密に埋めるように選ばれてもよい。電子ビーム１０３が各プリミティブ形状４１０ｂをトレースできるように、サブフィールド３１０は、重複するものが画定されてもよい。あるいは、三角形４１０ｂは、隣接する４つの三角形４１０ｂが単一の正方形サブフィールド３１０を埋めるような大きさにされてもよい。次に、三角形４１０ｂは、単一のサブフィールド３１０内で順次、メインフィールド偏向器２５０がそのサブフィールド３１０内に電子ビーム位置を維持する場合は連続して、あるいは、メインフィールド偏向器２５０が他のサブフィールド３１０へ電子ビーム１０３を送るために使用された後に、別の三角形４１０ｂをトレースすべくサブフィールド３１０に戻ってくる場合は、間隔をおいて、トレースされてもよい。
【００６５】
認識されるであろうが、層１５１の形状が全て同一形状のプリミティブ４１０への分解に適するわけではない。図５は、こうした一例を示す。ここでは、層１５１の大部分が、各サブフィールド３１０を埋める正方形のプリミティブ５１０ａに分解されている。しかしながら、層１５１の縁については、層１５１が辿る縁に沿って次々に変わり得る不規則な形状のプリミティブで塞ぐ必要がある。図５の詳細は、曲がった境界を有する一連の異なる形状のサブフィールド５１０ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、他で埋められる曲がった角１５２を示す。
【００６６】
プリミティブ４１０、５１０を走査する順序の決定には、異なる戦略が使用されてもよい。例えば、電子ビーム１０３は、１つのプリミティブ４１０、５１０から隣りのプリミティブ４１０、５１０へ、等々と移動されてもよい。しかしながら、他の段取りも可能である。例えば、既に走査されている何れかの隣接するプリミティブ４１０、５１０が周囲温度に、または周囲温度近くに戻るまで、プリミティブ４１０、５１０を走査しないことが効果的である場合もある。材料の熱冷却特性を管理するための最も効率的な走査戦略は、アプリケーションによって決まる。この戦略は、溶融後熱管理を見込むものであって、これにより、電子ビーム１０３を熱環境の修正に用いて所望される材料特性を作り出すことができる。
【００６７】
図６は、本発明の一実施形態による、生成物１５０の一層１５１を形成する方法６００を示す。方法６００は、６１０で始まる。本例において、電子ビーム１０３は、段階６１０で開始される。これは、常に必要というわけではない。例えば、先行する層１５１が形成されたばかりであるとすると、新しい粉末床１２３が堆積される間、電子ビーム１０３のスイッチは、入ったままであり得る。この場合、粉末１２２がその堆積に伴って溶融されないことを保証するために、電子ビーム１０３は、粉末床１２３から離れるように偏向され得る。電子ビーム１０３のスイッチが層間でオンにされたままである場合、電子流は、減じられることがあり、その場合、電子ビーム１０３を粉末床１２３から離れるように偏向させる必要はないことがある。
【００６８】
段階６２０において、コントローラ１１０は、メインフィールド偏向器２５０を用いて、電子ビーム１０３を、処理されるべき第１のサブフィールド３１０内の一アドレスへ移動させる。このアドレスは、コントローラ１１０がアクセス可能にされる走査パターンファイルにおいて指定される。先に述べたように、粉末床１２３を横断する電子ビーム１０３の走査速度は、メインフィールド偏向器２５０によって動かされることから、サブフィールド偏向よりも遅くなる。
【００６９】
電子ビーム１０３が特定の第１のサブフィールド３１０内の位置にある状態で、コントローラ１１０は、段階６３０に示されるように、サブフィールド偏向器２４０を用いて電子ビーム１０３をサブフィールド３１０内で走査し、所望されるプリミティブ形状をトレースしかつ充填する。先に述べたように、プリミティブ４１０、５１０内の粉末１２２は、プリミティブ４１０、５１０により画定される形状を有する単一のエリアとして効果的に溶融される。同じく先に述べたように、プリミティブは、２つ以上のプリミティブで形成される複合形状であってもよい。プリミティブは、プリミティブ形状の何れであってもよいが、単純に組み合わされて必要な複合形状を形成する。この実施形態では、各プリミティブは、段階６３０毎にトレースされ、すなわち、電子ビーム１０３は、全てのプリミティブが走査され、よって複合形状が完成するまでサブフィールド３１０内に留まる。
【００７０】
段階６４０において、コントローラ１１０は、処理を必要とする層１５１内の全てのサブフィールドが処理されたかどうかを判定する。処理を必要とする全てのサブフィールド３１０の処理が完了していなければ、本方法は、経路６４５を介してループバックし、段階６２０へ戻る。段階６２０において、コントローラ１１０は、再びメインフィールド偏向器２５０を用いて、今度は電子ビーム１０３を、走査パターンにおける次に指定されたサブフィールド３１０内の規定された開始位置へ移動させる。次に、本方法は、段階６３０へと続き、次のサブフィールド３１０が、コントローラによる指示の通りにサブフィールド偏向器２４０を用いて電子ビーム１０３により処理されることを確認する。段階６４０は、処理を必要とする全てのサブフィールド３１０が処理されるまで段階６２０〜６４０を介する複数のループが実行されて、走査を必要とする現行層１５１内の全てのサブフィールド３１０が処理されているかどうかに関する別のチェックを確認する。この段階で、段階６４０における結果は肯定となり、よって方法６００は、段階６５０へ進む。
【００７１】
この例では、段階６５０において、電子ビーム１０３がオフにされる。しかしながら、代替として、電子ビーム１０３は、電流を減少され、またはスイッチが入ったたままで、粉末１２２が堆積して次層１５１用の粉末床１２３が形成されるように移動されてもよい。
【００７２】
図７は、付加層製造の間に使用される、生成物１５０を形成するための走査パターンを生成する方法７００を示す。方法７００は、段階７１０で始まり、生成物１５０のモデルが得られる。これは、モデルを生成する段階を含む場合も、モデルの記述を含むコンピュータファイルを受信する、またはこれにアクセスする段階を含む場合もある。いずれにしても、段階７１０は、形成されるべき生成物１５０のサイズおよび形状を記述するコンピュータファイルを所有するコンピュータを確認する。このようなファイル、およびその作成方法は、周知であり、よって、詳述しない。
【００７３】
段階７２０において、コンピュータは、生成物１５０のモデルを層１５１に分解し、各層１５１は、付加層製造の間に単一の支持テーブル１３０の位置で形成される、生成物１５０を介する一層１５１を表す。各層１５１は、Ｚ座標によって画定され、かつ層１５１の形状は、ＸおよびＹ座標を用いて画定される。
【００７４】
次に、段階７３０において、コンピュータは、未処理の層１５１を選択する。この層１５１は、最下層１５１であってもよい。段階７４０において、コンピュータは、選択された層１５１の形状をサブフィールド３１０に分解する。層１５１がサブフィールド３１０に分解された状態で、コンピュータは、次に、メインフィールド偏向器２５０を用いて全てのサブフィールド３１０間で電子ビーム１０３を移動させるための命令を生成する。
【００７５】
次に、段階７５０において、コンピュータは、未処理のサブフィールド３１０を選択し、かつ段階７６０において、そのサブフィールドの１つまたは複数のプリミティブ形状を走査するための命令を生成する。これらの命令は、所望される１つまたは複数のプリミティブ形状を画定するために、サブフィールド偏向器２４０を用いて制御される通りに電子ビーム１０３を各サブフィールド３１０内で走査する方法を決定する。先に述べたように、これは、２つ以上のプリミティブで形成される複合形状であってもよい。この段階７６０は、サブフィールド１５２の形状を分析し、かつプリミティブ形状のライブラリからプリミティブ４１０、５１０の適切に一致する形状を見つけることによって実行されてもよい。
【００７６】
段階７７０において、コンピュータは、現行層１５１内の全てのサブフィールド３１０が処理されているかどうかを判定する。処理されていなければ、方法７００は、経路７７５に沿って段階７５０へループバックし、ここで未処理のサブフィールド３１０が選択され、続いてさらなる段階７６０に従って処理され、段階７７０において、再び決定が下される。この繰り返しループは、段階７７０での判定が、現行層１５１内の全てのサブフィールド３１０が処理されていることを示すまで続く。図７に示すように、段階７７０で肯定的な判定が下されると、方法７００は、段階７８０へ続き、ここでコンピュータにより別の判断が下される。
【００７７】
すなわち、全ての層１５１について命令が生成されたことを確認する決定が行われる。図７に略示されているように、段階７８０において、コンピュータは、実際には、全ての層１５１が処理されているかどうかを判定する。処理されていなければ、方法７００は、経路７８５を遡って段階７３０に戻り、段階７３０で次層１５１が選択され、かつ段階７４０〜７７０で処理され、等々により、最終的に全ての層１５１が処理されて生成物１５０における全ての層１５１を画定する走査命令セットが生成されていることを確実にする。
【００７８】
全ての層１５１がこうして処理されると、方法７００は、段階７９０へ進み、ここでコンピュータが、完全な走査命令を含むファイルを出力する。このファイルは、メモリに保存されても、上述のコントローラ１１０のようなコントローラへ送信されてもよい。実施形態によっては、コントローラ１１０は、コンピュータの機能を実行し、すなわち、コントローラ１１０は、図７の方法７００を実行してスキャン命令を生成してもよく、次に、図６の方法６００を実行することにより走査命令を実行してもよい。走査命令は、ユーザによる再検討および承認を経て初めて実行されてもよい。
【００７９】
当業者には、上述の実施形態に対し、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を逸脱することなく、変更を加え得ることが認識されるであろう。
【００８０】
例えば、上述の実施形態は、全て、粉末１２２を溶融するために電子ビーム１０３を用いる。しかしながら、電子ビーム１０３の代わりに他のタイプの荷電粒子ビームが使用されてもよい。
【００８１】
図７では、段階７４０でサブフィールド３１０が画定され、プリミティブ４１０、５１０は、その後段階７６０で画定されている。この場合、プリミティブ４１０、５１０は、先に画定されたサブフィールド３１０が嵌まるように作られなければならない。しかしながら、企図される他の実施形態では、段階７４０〜７７０を組み合わせることによってさらなるフレキシブルさが達成されてもよい。すなわち、各層１５１毎に、層１５１は、サブフィールド３１０およびプリミティブ４１０、５１０へ同時に分解される。こうすることにより、サブフィールド３１０の配置は、プリミティブ４１０、５１０の選択を最適化するように決定され得る。例えば、図４に示す詳細を参照して先に述べた角の充填方法は、この方法で実装されてもよい。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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