(57)【要約】      （修正有）【課題】第１にプールの安定性を改善し、第２に溶融質量効率、再循環粉末質量効率、材料健全性及び構築速度を改善することに役立つＤＭＤ（直接金属堆積）法のために最適化された方法を提供する。【解決手段】粉末粒子が、プール温度より低温で各プールに到達し、前記プールの各々がθ＜９０°、Ｈapp／ｅapp／１及びＨＺＲ／Ｈapp≧０．６によって定義される形状を有し、ここでθが前記プールの最上表面と前記作業平面Ｐとの間の角度を表わし、Ｈappがフィレットの見かけ高さを表わし、ｅappがその幅を表わし、ＨＺＲが再溶融したゾーンの高さを表わすことを特徴とする方法。【選択図】図１
2019064268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を製造する方法において、
ａ）粉末ビーム（９４）を形成する粉末粒子（６０）の形をした材料を供給するステップと、
ｂ）高エネルギービーム（９６）を用いて粉末の溶融温度ＴFより高い温度まで第１の数量の前記粉末を加熱し、支持体（８０）の表面でこの溶融した粉末と支持体（８０）の一部分を含む第１のプールを形成するステップと、
ｃ）前記高エネルギービーム（９５）を用いて、第２の数量の前記粉末を、その溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、支持体（８０）の表面において第１のプールの下流側にこの溶融した粉末と支持体（８０）の一部分を含む第２のプールを形成するステップと、
ｄ）前記部品の第１の層（１０）が前記支持体（８０）上に形成されるまで、ステップｃ）を反復するステップと、
ｅ）高エネルギービーム（９５）を用いて、ｎ番目の数量の前記粉末をその溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、前記第１の層（１０）の一部分の上方にこの溶融した粉末を一部含むｎ番目のプールを形成するステップと、
ｆ）前記高エネルギービーム（９５）を用いて、ｎ＋１番目の数量の前記粉末をその溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、前記第１の層（１０）の一部分の上方に前記ｎ番目のプールから下流側でこの溶融した粉末を一部含むｎ＋１番目のプールを形成するステップと、
ｇ）前記第１の層（１０）の上方に前記部品の第２の層（２０）を形成するために、ステップｆ）を反復するステップと、
ｈ）前記部品が実質的にその最終形状になるまで、既に形成された層の上方に位置する各層についてステップｅ）〜ステップｇ）を反復するステップと、を含み、
前記粉末ビーム（９４）と前記高エネルギービーム（９５）が実質的に同軸であり、前記粉末粒子（６０）が、前記プールの温度に比べて低温である温度で、各プールに到達することを特徴とする方法。
【請求項２】
高エネルギービーム（９５）の焦点ＦLが作業平面Ｐの上方又は前記作業平面の中に位置し、粉末ビーム（９４）の焦点ＦPが作業平面Ｐの下に位置し、こうして、粉末粒子はいかなる時点でもノズル（１９０）からの出口と作業平面Ｐとの間で高エネルギービーム（９５）と交差しないようになっており、作業平面Ｐは、前記層が上に形成されつつある表面を含む平面として定義されることを特徴とする請求項１に記載の部品製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高エネルギービーム（９５）の焦点ＦL及び粉末ビーム（９４）の焦点ＦPを得るために、粉末ビーム（９４）の焦点外れ距離ＤｅｆｏｃPが増大させられ、かつ／又は、前記作業平面Ｐに対する垂線との関係におけるレーザービーム（９５）の発散半角βが減少させられるか、又は高エネルギーレーザービーム（９５）の焦点外れ距離ＤｅｆｏｃLが減少させられることを特徴とする請求項２に記載の部品製造方法。
【請求項４】
粉末粒子６０のサイズ分布が狭いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の部品製造方法。
【請求項５】
前記プールの各々がθ＜９０°、Ｈapp／ｅapp／１及びＨZR／Ｈapp≧０．６によって定義される形状を有し、ここでθが前記プールの最上表面と前記作業平面Ｐとの間の角度を表わし、Ｈappがフィレットの見かけ高さを表わし、ｅappがその幅を表わし、ＨZRが再溶融したゾーンの高さを表わすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の部品製造方法。
【請求項６】
３つの数量θ、Ｈapp／ｅapp及びＨZR／Ｈappが、１５°≦θ≦６０°、０．０４≦Ｈapp／ｅapp≦０．７５でかつ１≦ＨZR／Ｈapp≦６という関係式を満たすことを特徴とする請求項５に記載の部品製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギービーム（レーザービーム、電子ビーム…）を用いて粉末を溶融させることによる部品の製造の分野に関する。
【０００２】
本発明は、より詳細には、
ａ）粉末ビームを形成する粉末粒子の形をした材料を供給するステップと、
ｂ）高エネルギービームを用いて粉末の溶融温度ＴFより高い温度まで第１の数量の粉末を加熱し、支持体の表面でこの溶融した粉末と支持体の一部分を含む第１のプールを形成するステップと、
ｃ）高エネルギービームを用いて、第２の数量の粉末を、その溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、支持体の表面において第１のプールの下流側にこの溶融した粉末と支持体の一部分を含む第２のプールを形成するステップと、
ｄ）前記部品の第１の層が支持体上に形成されるまで、ステップｃ）を反復するステップと、
ｅ）高エネルギービームを用いて、［ｎ］番目の数量の粉末をその溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、第１の層の一部分の上方にこの溶融した粉末を一部含む［ｎ］番目のプールを形成するステップと、
ｆ）高エネルギービームを用いて、［ｎ＋１］番目の数量の粉末をその溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、前記第１の層の一部分の上方に前記［ｎ］番目のプールから下流側でこの溶融した粉末を一部含む［ｎ＋１］番目のプールを形成するステップと、
ｇ）前記第１の層（１０）の上方に部品の第２の層（２０）を形成するために、ステップｆ）を反復するステップと、
ｈ）部品が実質的にその最終形状になるまで、既に形成された層の上方に位置する各層についてステップｅ）〜ｇ）を反復するステップと、を含む方法に関する。
【０００３】
上述の方法において、第１の層を形成するためには［ｎ−１］の数量の粉末が必要とされる。
【背景技術】
【０００４】
複雑な三次元（３Ｄ）形状を有する機械部品を得ることを可能にする方法が公知である。これらの方法は、部品に望まれる形状が再構成されるまで層毎に部品を構築する。有利には、部品は、３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）画像ファイルデータの処理から演繹されるコンピュータ援用設計及び製造（ＣＡＤＭ）ファイルから直接再構成され得、ここではコンピュータが機械を制御し、機械はこうして、溶融され次に重なり合って凝固する材料の連続する層を形成し、ここで各層は、ＣＡＤＭファイルから定義されたサイズ及び形状の並置されたフィレットにより構成されている。
【０００５】
一例として、粉末を構成する粒子は、金属、金属間化合物、セラミック又はポリマー粒子であり得る。
【０００６】
本出願においては、粉末が金属合金である場合、溶融温度ＴFは合金の所与の組成についての液相温度と固相温度の間にある温度である。
【０００７】
構築支持体は、追加の機能を加えることが所望される他の何らかの部品の一部分であってよい。その組成は、投射される粉末粒子の組成と異なっていてよく、したがってそれは異なる溶融温度を有していてよい。
【０００８】
これらの方法には詳細には、レーザーによる投射又は「直接金属堆積」（ＤＭＤ）、「選択的層溶融」（ＳＬＭ）、及び「電子ビーム溶融」（ＥＢＭ）が含まれる。
【０００９】
ＤＭＤ方法の運用については、図２、４及び５を参照して以下で説明される。
【００１０】
材料の第１の層１０が、不活性気体の調節された高い又は低い圧力にある局所的保護の下で又はエンクロージャの内部で、支持体８０上の材料上にノズル１９０を通して粉末粒子を投射することによって形成される。粉末粒子６０の投射と同時に、ノズル１９０は、発生器９０に由来するレーザービーム９５を発出する。粉末が支持体８０上へと投射される時に通るノズル１９０の第１のオリフィス１９１は、レーザービーム９５が発出される時に通る第２のオリフィス１９２を中心にして同軸であり、こうして粉末はレーザービーム９５内に投射されるようになっている。粉末は粒子コーンを形成し、このコーンは中空で、一定の厚みを呈し（図４中の粉末ビーム９４）、レーザービーム９５は円錐形である。
【００１１】
作業平面Ｐは、上に層が構築及び／又は形成されつつある表面を含む平面として定義される。
【００１２】
第１の層を構築するためには、この表面は支持体８０の上（自由）面Ｓ0である。［ｎ＋１］番目の層を構築するためには、この表面は［ｎ］番目の層（整数ｎは１以上である）の上（自由）面である。
【００１３】
レーザービーム９５は、レーザービームに曝露されている支持体８０の領域を溶融させることにより支持体８０上にプール１０２を形成する。粉末は、プール１０２に補給されるが、プールに到達する前にレーザービーム内のその経路上で溶融させられることから、このプール内には既に溶融状態で到着する。
【００１４】
代替的には、一例として、ノズル９０及びレーザーの焦点は、所与のサイズ分布の粉末がその異なるサイズの粒子全てが完全に溶融するのに充分な時間通過することがないような形で、調整及び／又は位置づけされてよく、こうして、これらの粒子は、レーザービーム９５に曝露される支持体８０の領域を溶融させることにより支持体８０の表面上に先に形成されたプール１０２に到達した時点で溶融するようになっている。
【００１５】
作業距離ＷＤは、ノズル１９０と作業平面Ｐの間の距離として定義される。
【００１６】
考慮されている作業距離ＷＤ全体にわたり、粉末は同様にして、レーザービーム９５により溶融されないかもしれず、あるいは、粉末を構成する粒子の一部又は全てのサイズがそれらの溶融にとって過度に大きいものであることから、部分的にのみ溶融するかもしれない。図３を見ればわかるように、粉末粒子の平均直径ＤPが小さければ小さいほど、それらの加熱速度は速くなるが、それらが溶融温度に維持される時間は短かくその冷却速度は速くなる。その上、図３は、サイズ分布が狭くなればなるほど、所与の作業構成について、粉末の粒子全てがプールに到達した時に溶融する規模は大きくなることを示している。
【００１７】
全ての状況下で、粉末粒子は、プールへの補給を行なう前にレーザービーム９５内を通過することによって加熱される。
【００１８】
レーザービーム９５（又は支持体８０）が下流側に移動する間、プール１０２はその位置に維持され、漸進的に凝固して支持体８０上に凝固した材料１０５のフィレットを形成する。プロセスは続行されて、支持体８０上に別の凝固したフィレットを形成し、このもう一方のフィレットは、例えば第１のフィレットと並置されている。こうして、上述の作業平面Ｐに平行な平面内でノズル１９０又は支持体８０を移動させることにより、第１の材料層１０が支持体８０上に堆積させられ、この層は、ＣＡＤＭファイル内に画定された形状と適合する形状の一体成形品の形で第１の要素１５を凝固により形成する。
【００１９】
その後、ノズル１９０及びレーザービーム９５は、共に第２の走査を実施させられて、類似の形で第１の要素１５の上に第２の材料層２０を形成する。この第２の層２０は第２の圧密された要素２５を形成し、これら２つの要素１５及び２５は共に一体成形ブロックを形成する。第２層２０の構築中に第１の要素１５上に形成されるプール１０２は、概して、プール１０２に補給される粉末の粒子と共に、レーザービーム９５に曝露されることで溶融した第１の要素１５の一部分を少なくとも含んでいる。
【００２０】
支持体の最上表面Ｓ0に直交する垂直軸Ｚ0及び支持体の表面Ｓ0によって構成される基準座標系を考慮する。この基準座標系は、支持体８０に結びつけられるか、あるいはより正確には第１の材料層が堆積中の支持体の表面Ｓ0によってか又は直近に堆積した層の最上表面によって基準平面Ｐが画定される構築中の部品に結びつけられる。
【００２１】
層全般について、作業平面Ｐは、必ずしも表面Ｓ0に平行ではない。こうして、作業平面Ｐに直交するものとして定義される軸Ｚは必ずしも軸Ｚ0に対し平行ではない。
【００２２】
２つの連続する層の間で、ノズルは軸Ｚに沿って、実際に堆積され（ノズルの経路とは無関係に）恒常でなければならずかつ構築が最適化され安定している場合充分に大きいものである材料の高さＨappに理論上等しい値ΔＺだけ移動する（図４及び５）。図５は、一部分支持体内に形成された液体プールの横断面であり、プールの形状を示している。
【００２３】
支持体８０の表面Ｓ0は、高さゼロにおける平面である。こうして、第１の層を構築している間、Ｓ0に対し平行で支持体内又は支持体の下方（軸Ｚ0との関係において）に含まれた部分を有する平面は、負の高さにあり、支持体の表面Ｓ0の上方（軸Ｚ0との関係において）の部分を伴うＳ0に平行な平面は正の高さにある。
【００２４】
［ｎ］番目の層の構築に関係する所与の作業平面Ｐは、もう一方の平面の高さよりも大きい正の高さを有する場合、より低い層に付着されたこのもう一方の作業平面の上方にある。
【００２５】
支持体８０及び部品に結びつけられたこの基準座標系内で、第２の層２０は、第１の層１０の作業平面の上方に位置する作業平面Ｐ上に構築され、これら２つの平面は、作業平面Ｐに直交する軸Ｚに沿って測定した場合距離ΔＺだけ離隔されている。
【００２６】
概して、上位層の作業平面は先行する下位層の作業平面に対し平行である必要はなく、ここで上位層の軸Ｚは下位層の作業平面の軸Ｚとの関係において非ゼロ角度にあり、後者の軸Ｚに沿って測定した、下位層の各点の上方の距離ΔＺは平均値である。
【００２７】
層毎に部品を調製するこのプロセスは、このとき、既に形成されアセンブリ全体にわたり追加層を加えることによって続行される。
【００２８】
先行技術を示す図４は、レーザービーム９５と粉末ビーム９４の構成をさらに詳細に示している。レーザービーム９５は、（ノズル１９０の底面部分の中に位置する）その焦点ＦLから角度２βで発散してノズル１９０を離れ、支持体８０の一領域を照射して、内部にプール１０２を創出するのに寄与する。
【００２９】
粉末ビーム９４は、レーザービーム９５の内部で支持体８０の表面（作業平面Ｐ）の直ぐ上に（又はその上方に）あるその焦点ＦPに向かって角度２δで収束しながらノズル１９０を離れ、こうして、粉末粒子６０はレーザービーム９５内で最大限の長さの時間を費して加熱される。プールから上流側において粉末とレーザー間で大量の相互作用が行われることの利点は、摩耗した部品の表面を加増させてそれらを修理する場合及び硬質コーティングを堆積させる場合に頻繁に所望されるように高い堆積速度及び低い希釈度の両方を生み出すという点にある。
【００３０】
理論的溶融効率は、粉末ビーム９４の直径φPでレーザービーム９５の直径φLを除した比率として定義づけされ、これら２つの直径は作業平面Ｐの中で決定される。
【００３１】
代替的には、直径φLを液体プールの直径φBLで置換し（図４参照）、こうして、なかでも選択されたパラメータ設定値、詳細にはレーザー出力ＰL、レーザービームの走査速度Ｖ及び粉末の質量流量率Ｄmによって左右される効率を評価してもよい。
【００３２】
焦点におけるレーザーの直径（すなわちφL0）は多くの場合、粉末焦点における粉末ビームの直径φP0よりもはるかに小さく、そのため、先行技術における作業構成では論理的に、集束された粉末ビーム（その焦点ＦPは、作業平面Ｐ上に位置する）について、又は作業平面Ｐの上方でレーザーの焦点ＦLの下方に焦点ＦPを有する非集束粉末ビームについて、レーザービームを非集束にする（その焦点ＦLは作業平面Ｐの上方に位置する）必要がある。これは、そうでなければ、構築中の構造が不安定なものとなりかつ許容できる溶融効率が全く保証されなくなるからである。上述の通り、概して、平面Ｐ内で測定されたレーザービームの直径φLは、凝固後のフィレットの幅（ｅappと記す）におおよそ等しいものである液体プールの直径φBLに対応していない（図４及び５）。
【００３３】
液体プールのこの直径φBLは、粉末粒子の熱物理特性に左右されることに加えて、φLひいてはφL0と同様、３重項（ＰL、Ｖ、Ｄm）及び同じくさまざまな粉末粒子のサイズＤP及びそれらの速度ＶPによって定義される設定値の関数であるものと仮定されている。
【００３４】
層毎に部品を構築するプロセス中、図４を見ればわかるように、ノズル１９０は、点ＦLとＦPの間の距離を恒常に保ちながら（すなわちＤｅｆｏｃL−ＤｅｆｏｃP＝定数）、特に垂直方向に移動し、ここでＤｅｆｏｃL及びＤｅｆｏｃPはそれぞれ、以下に定義されるレーザー焦点外れ及び粉末焦点外れを表わす。
ＤｅｆｏｃL＝｛ＦLから作業平面Ｐまでの距離｝及び
ＤｅｆｏｃP＝｛ＦPから作業平面Ｐまでの距離｝
【００３５】
こうして、粉末ビームＦPの焦点９４はレーザービーム９５の内部そして先に構築された層の表面（作業平面Ｐ）の直上（又は上方）にとどまる。
【００３６】
こうして、平面Ｐ上に焦点外れしたレーザービーム（ＤｅｆｏｃL＞０）及び焦点外れした粉末ビーム（ＤｅｆｏｃP＝０）又は平面Ｐの上方に焦点外れした粉末ビーム（ＤｅｆｏｃP＞０）が存在し、２つの角度２β及び２δは、第１に、ノズルからの出口と平面Ｐの間の作業距離ＷＤがプールからの放射によるノズルの底面の損傷を回避するのに充分大きいものとなるような形で、そして第２にノズルからの出口におけるレーザービームの開口が確実に内側コーンの直径より小さいものにとどまるようにする形で構成される必要がある。
【００３７】
支持体８０を移動させること又はノズル１９０とレーザービーム９５を含むアセンブリで走査することにより、各層に対して隣接する層とは独立した形状を付与することが可能となる。部品の下位層をアニールし、これらは、部品の上位層が形成されるにつれて漸進的に冷却する。
【００３８】
それでも、非網羅的な所与の１組のパラメータ設定値（粉末粒子のサイズ分布ＤP、粉末材料の性質、粉末質量流量率Ｄm、ノズルとレーザービームを含むアセンブリの走行速度Ｖ、レーザーにより供給される出力ＰL、作業平面Ｐ上の出力密度分布、レーザー源のタイプ（固体又は気体）、モード（パルス又は連続式）、同軸ノズル、粉末粒子を担持する気体の性質及びその流速Ｄgp、ノズルの軸と交差する保護気体の性質及びその流速Ｄg1、角度２β及び２δと同様、以上で定義された直径φL0及びφP0など）について、溶融質量効率Ｒm（すなわち完成部品を形成する材料の数量と部品を形成するためにノズルによって投射される材料の数量の比率）、再循環した粉末質量効率ζrecy（すなわち、例えばスクリーニングの後に得られるような形態学的に無欠である粉末及び凝集体と投射されている材料の数量の比率）、部品の表面で形成されるプールの安定性、及び製造される部品の材料健全性を改善する必要性が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３９】
（原文に記載なし）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４０】
本発明は、第１にプールの安定性を改善し、第２に溶融質量効率、再循環粉末質量効率、材料健全性及び構築速度を改善する（ΔＺと記されるノズルのＺ上昇増分を最大化する）ことに役立つＤＭＤ法のために最適化された方法、より詳細には作業構成（ＤｅｆｏｃL、ＤｅｆｏｃP、ＷＤにより定義される）を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
この目的は、粉末粒子が、プールの温度に比べて低い温度で各プールに到達するという事実によって達成される。
【００４２】
これらの想定を用いると、溶融質量効率（Ｒm）に再循環粉末効率（ζrecy）を加えた合計として定義づけされる本方法の質量効率ηPは、粉末粒子がプールに高温で、さらには部分的に又は全面的に溶融した状態で到達した場合の本方法の質量効率よりも高い。さらに、プールに到達した時点で、粉末粒子は、希釈されるゾーンの幅及び高さ（平面Ｐの下方に存在するプールの体積）を増大させることなく、プールの体積そして特に平面Ｐの上方のその体積を増大させる一方で、液体プールの温度ＴBLを低減させるのに役立つ（これは、これらの粉末粒子がプールよりもはるかに低温であり、粒子はプール内に進入する前は実質的に周囲温度にあるからである）。こうして、不可避的に、液体表面とプールの蒸気の間の表面張力は急速に増大し、その結果、プールのより優れた安定性がもたらされることになる。
【００４３】
さらに、各堆積層内でこのようにして大量の希釈を促進することは、製造上の欠陥を最小限に抑えるのに役立つ。
【００４４】
有利には、高エネルギービームの焦点ＦLは、作業平面Ｐの上方又はこの平面内に位置し、粉末ビームの焦点ＦPは作業平面Ｐの下方に位置し、こうして粉末粒子はいかなる時でも、ノズルからの出口と作業平面Ｐの間で高エネルギービームと交差しない。詳細には、粉末ビームの焦点ＦPは、特に初期層を堆積させる時点では支持体の内部に位置していてよい。一定数の層が堆積された時点で、粉末ビームの焦点ＦPは先に堆積された層の内部に位置していてよい。
【００４５】
こうして、粉末粒子の大部分は、それらが部品の既に構築された部分の上に予め形成されたプールに到達する時、低温である。
【００４６】
これらの粒子はこのとき、Ｖに対するφLの比率により定義される通り、レーザー／プールの相互作用の時間中ノズルにより投射される全ての粒子の最大数量及び最大部分を取り込むのに充分な幅（φBL＞φP）及び充分な深さ（ＨZR＞Ｈapp：図５に関して以上で記した定義を参照のこと）を有するプール内に進入する。
【００４７】
さらに、残留粉末粒子は高エネルギービームにより加熱されず無欠であることから、再循環に完全に好適である。
【００４８】
さらに、粉末ビーム及び高エネルギービームは実質的に同軸であってよい、すなわちそれらの軸は間に３０°未満、好ましくは２０°未満、より好ましくは１０°未満、さらに一層好ましくは５°未満の角度を形成し得る。こうして高エネルギービームは、形状が複雑である部品の製造中、粉末ビームに容易に追従することができる。投射又は溶融がオフセットされている場合、すなわち粉末ビームと高エネルギービームが実質的に同軸でない場合には、製造のために部品の形状を追跡することがはるかに困難である。
【００４９】
本発明は、非限定的な例として示されている一実施形態についての以下の詳細な説明を読んだ時点で充分に理解でき、その利点が明らかになる。説明は、添付図面を参照して行なわれる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の方法において高エネルギービームと粉末ビームを位置づけするための１つの可能性を示す略図である。
【図２】上述の通り、先行技術の方法を説明するための略図であり、ＤＭＤ法用の装置を示す。
【図３】上述の通り、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ粉末粒子が液体プールに到達した場合のノズルからの出口におけるその温度に対するその直径ＤPの効果を示す。
【図４】上述の通り、先行技術の方法における高エネルギービーム及び粉末ビームの位置づけを示す略図である。
【図５】上述の通り、支持体内に形成された液体プールの概略的横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明において、粉末粒子は、先行する層（又は支持体）の表面に形成されたプールに到達した時点で低温である。「低温」という用語は、粒子の温度がプールの温度よりもはるかに低いことを意味する。プール内に進入する前は、粒子の温度は、例えば約２０℃である周囲温度に実質的に等しい。
【００５２】
これに比べて、液体プールの温度ＴBLは、粉末を構成する材料の溶融温度ＴFよりも高いものの、この材料の沸騰温度よりも低い。この溶融温度は、アルミニウム合金の場合５５０℃超であり、ニッケル系合金の場合１３００℃超であり、鋼の場合１４５０℃超であり、チタン合金の場合１５５０℃超である。
【００５３】
図１は、先行する層（又は支持体）の表面内に形成されたプールに到達した時点で粉末粒子が低温であることができるようにする本発明の一実施形態を示す。このような実施形態は同様に、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを用いて軸上のプールをより容易に検分して、オンラインで方法を監視できるようにするという利点も有し、これは、方法の工業化に有用である。
【００５４】
図１は、支持体８０上に既に堆積させられた第１の材料層１０を伴う支持体８０の断面図である。第２層が次に第１層１０上に堆積させられる。第２層２０のフィレット１０５が、その構築中の状態で示されており、ここでフィレット１０５は左から右へ、そして上流側から下流側に（フィレット１０５の順方向走行方向又は液体プール１０２の等価の要領で）前進する。こうして、プール１０２は、ノズル１９０の下でフィレット１０５から直ぐ下流側に位置し、このノズル１９０からレーザービーム９５及び粉末ビーム９４が出現する。このとき、第１の層１０の最上表面は、構築中の第２の層との関係における作業平面Ｐを構成し、この作業平面Ｐから、レーザー焦点外れ距離ＤｅｆｏｃL、粉末焦点外れ距離ＤｅｆｏｃP、作業距離ＷＤ、レーザービームの直径φL及び粉末ビームの直径φPが測定される。
【００５５】
粉末粒子６０を投射するのと同時に、ノズル１９０は、発生器９０に由来するレーザービーム９５を発出する。粉末が支持体８０上に投射される時に通るノズル１９０の第１のオリフィス１９１は、レーザービーム９５が発出される時に通る第２のオリフィス１９６と同軸であり、こうして粉末がレーザービーム９５内に投射されるようになっている。粉末は粒子コーンを形成し、この中空コーンは一定の厚みを呈し（粉末ビーム９４）、レーザービームは円錐形である。
【００５６】
本発明において、ノズル１９０は、高エネルギービーム９５の焦点ＦLが作業平面Ｐの上方又はこの平面内に位置し、粉末ビーム９４の焦点ＦPが作業平面Ｐの下に位置し、こうして、粉末粒子６０はいかなる時点でもノズルからの出口と作業平面Ｐとの間で高エネルギービームと交差しないような形で構成され位置づけされている。
【００５７】
図１に示されているもの以外の実施形態では、粉末ビームの焦点ＦPは、支持体の内部に存在してよい。このような状況下では、粉末焦点外れ距離ＤｅｆｏｃPは図１に示されているものよりも小さい。その結果、平面Ｐ内のレーザービームの直径φLは、所与のパラメータ設定値（ＰL、Ｖ、Ｄm）について、平面Ｐ内の粉末ビームの直径φPにより近いものとなる。
【００５８】
一例として、平面Ｐ内のレーザービームの直径φLは、平面Ｐ内の粉末ビームの直径φPよりもわずかに小さい。
【００５９】
図１に示されている通り、このような構成は、ノズル１９０を先行技術の構成（図４）に比べて作業平面Ｐにより近づくように移動させることによって、すなわち作業距離ＷＤを削減することによって得られる。
【００６０】
このような作業構成は、幅広のフィレット１０５すなわちレーザーの焦点における高エネルギービーム９５の直径φL0よりも大きい幅のフィレット１０５を作製するために特に適している。
【００６１】
このとき、液体プールの直径φBLはより大きくなり、より多くの低温粉末粒子が液体プール１０２に到達し、これは以上で説明した通り有益である。
【００６２】
高エネルギービーム（９５）の焦点ＦLは代替的には作業平面Ｐ内に位置していてよく、これは、より小さい幅の細いフィレットを作製する場合に好ましい。このような状況下では、粉末ビーム９４の焦点ＦPは作業平面Ｐ内に位置していてよい。粉末ビーム９４の焦点ＦPは同様に、作業平面Ｐの下方に位置していてもよい。
【００６３】
本発明の方法を最適化するために、いくつかのパラメータ設定値、詳細にはレーザー出力ＰL、走査速度Ｖ及び／又は粉末質量流量率Ｄmを相応して適応させることが可能である。
【００６４】
それでもなお、図１に示されている実施形態においては、ノズル１９０が液体プール１０２に近接しているために放射により加熱されることからノズル１９０の（追加）冷却を提供する必要があるかもしれない。このような冷却には、高価な装置が求められる。
【００６５】
この問題を軽減し、こうして粉末ビームが高エネルギービームと交差するのを回避しながら、充分なものである作業距離ＷＤ（プールからのノズルの距離）を保つために、発明者らは、有利には距離ＤｅｆｏｃLを削減することかあるいは軸Ｚとの関係におけるレーザービーム９５の発散半角βを削減させることのいずれかからなる（これらはどちらにしてもφLを削減してそれが確実にφPよりも小さくなるようにする）一実施形態を考案した。
【００６６】
代替的には、ＷＤを増大させた時のφPの減少を補償するため粉末ビーム９４の距離ＤｅｆｏｃPは増大させられ、こうしてφPはφLより大きく保たれる。
【００６７】
距離ＤｅｆｏｃL及び角度βのこの削減、そして距離ＤｅｆｏｃPのこの増大は、一緒に行なわれる。
【００６８】
これら３つの変数のこれらの変動は、独立してか又は作業距離ＷＤの増大に加えて実施されてよい。実際には、こうしてノズル１９０は、レーザービーム９５により網羅されている作業平面Ｐのゾーンの外側直近で粉末粒子６０が作業平面Ｐに到達するような形で構成され位置づけされている。
【００６９】
こうして、液体プール１０２は伝動によりそのゾーンをわずかに超えて延在していることから、粉末粒子６０の大部分は、レーザービーム９５と相互作用することなくプール１０２内に落下する。粉末粒子６０は、こうして、プール１０２内に進入する前はなおも低温である。プール１０２から上流側でのレーザーと粉末の間の相互作用がこのように欠如していることの利点は、形状の変化をことごとく回避し、凝集体の形成を回避し、かつ粉末粒子６０の有害な酸化を回避するということにある。
【００７０】
高温である間にあるいは実際部分的又は完全に溶融された状態にある間に粉末がプールに到達した場合の溶融質量効率よりも、本発明の方法における溶融質量効率Ｒmの方が高いことを発明者らの行った試験が示している理由は、これによって説明がつく。
【００７１】
さらに、粉末粒子６０はプール１０２を迅速に冷却する（これにより、プールの蒸気と液体の間の表面張力が増大し、「低温」粉末を加えプール内部の温度勾配を変えることによって液体の密度が変化する結果として、プール内部の対流運動の変化が極めて確実に導かれる）ため、プール１０２は熱的により安定している。
【００７２】
本発明の方法のさらなる利点は、液体プールを形成するのに関与しなかった（プール１０２の外側に落下していることが理由である）粉末粒子６０が、低温のままにとどまり、こうしてそのほぼ全てが再循環に好適であるという点にある。こうして、本発明の（溶融＋再循環）方法の合計質量効率は、実際に先行技術の合計質量効率よりも高い。
【００７３】
有利には、構築中の部品内のプールの周りにひとたび定常温度状態が局所的に確立された時点でプール１０２の安定性をより高め、材料の健全性をより良くするために、プールは、θ＜９０°、Ｈapp／ｅapp＜１、及びＨZR／Ｈapp≦０．６により定義される細長い形状を有し、ここでθは、作業平面Ｐとプール１０２の最上表面が成す角度であり、Ｈappは、フィレット（作業平面Ｐの上方の浴１０２の部分）のみかけの高さでありｅappはその幅、ＨZRは、再溶融したゾーン又は希釈ゾーン（作業平面Ｐの下方のプールの部分）の高さである（図５参照）。
【００７４】
好ましくは、３つの数量θ、Ｈapp／ｅapp及びＨZR／Ｈappは、以下の関係を満たす。
１５°≦Θ≦６０°、０．０４＜Ｈapp／ｅapp≦０．７５、及び１≦ＨZR／Ｈapp≦６
【００７５】
修理を目的として材料が部品上に加増されている場合、これらの数量は好ましくは、以下の関係を示す。
３０°≦θ≦６０°、０．１５＜Ｈapp／ｅapp≦０．２５、及び０．０１≦ＨZR／Ｈapp≦０．０２５
【００７６】
有利には、粉末粒子６０のサイズ分布は狭いものである（これは、全て実質的に同じサイズを有する粒子に対応し、このサイズは、レーザー／プールの相互作用の持続時間全体を通して液体プールを常に溶融状態におく温度及び体積に適したものである）。このような状況下で、レーザービーム９５が先に進む（そしてこうしてプール１０２の加熱を停止する）前に粉末粒子６０の全てがプール１０２中で溶融する充分な時間を有する確率は高い。低温でかつ狭いサイズ分布を有する粉末粒子をプールに補給することからなる方法は、プールの温度がより急速に低下しフィレットのみかけの高さがより大きくなるために、このとき安定性及び構築速度に関してより有効なものである。粒子がプール１０２内に進入するにつれてプールの温度は漸進的に低下し恒常にとどまる（凝固閾値に達する）ため、このみかけの高さは、粒子が細かくなれば増大する。
【００７７】
例えば、粉末粒子６０は、２５マイクロメートル（μｍ）から７５μｍの範囲内にあるサイズを呈する。好ましくは、これらのサイズは、２５μｍ〜４５μｍの範囲内にある。
【００７８】
先行技術の方法では、粉末粒子６０の分布が広ければ広がるほど有害である。レーザーと粉末の間に相互作用が存在する場合、異なるサイズの粉末粒子６０が異なる温度でプールに達し、こうしてプールの温度変動を導き、プールを不安定にするリスクがある。
【００７９】
有利には、ノズル１９０の位置づけ、すなわち作業距離ＷＤは、作業平面Ｐの空間的変動（予めプログラミングすることによってノズル１９０のＺ軸を上に向う上昇増分ΔＺが一定に保たれている一方での、構築すべき部品の一層の圧密された材料の高さＨappの変動）に合わせてサーボ制御され、こうして各層について、レーザービーム９５の焦点ＦLは、作業平面Ｐの上方で同じ高さに位置し、粉末ビーム９４の焦点ＦPは作業平面Ｐの下方で同じ高さに位置するようになっている。
【００８０】
代替的には、増分ΔＺは、層の圧密材料高さＨappの変動に合わせてサーボ制御されてもよい。
【００８１】
このようなサーボ制御は、本明細書中では記述の必要のない公知のタイプのプロセス制御プログラムを使用することによって実施される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月19日(2018.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を製造する方法において、
ａ）粉末ビーム（９４）を形成する粉末粒子（６０）の形をした材料を供給するステップと、
ｂ）高エネルギービーム（９５）を用いて粉末の溶融温度ＴFより高い温度まで第１の数量の前記粉末を加熱し、支持体（８０）の表面でこの溶融した粉末と支持体（８０）の一部分を含む第１のプールを形成するステップと、
ｃ）前記高エネルギービーム（９５）を用いて、第２の数量の前記粉末を、その溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、支持体（８０）の表面において第１のプールの下流側にこの溶融した粉末と支持体（８０）の一部分を含む第２のプールを形成するステップと、
ｄ）前記部品の第１の層（１０）が前記支持体（８０）上に形成されるまで、ステップｃ）を反復するステップと、
ｅ）高エネルギービーム（９５）を用いて、ｎ番目の数量の前記粉末をその溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、前記第１の層（１０）の一部分の上方にこの溶融した粉末を一部含むｎ番目のプールを形成するステップと、
ｆ）前記高エネルギービーム（９５）を用いて、ｎ＋１番目の数量の前記粉末をその溶融温度ＴFよりも高い温度まで加熱し、前記第１の層（１０）の一部分の上方に前記ｎ番目のプールから下流側でこの溶融した粉末を一部含むｎ＋１番目のプールを形成するステップと、
ｇ）前記第１の層（１０）の上方に前記部品の第２の層（２０）を形成するために、ステップｆ）を反復するステップと、
ｈ）前記部品が実質的にその最終形状になるまで、既に形成された層の上方に位置する各層についてステップｅ）〜ステップｇ）を反復するステップと、を含み、
前記粉末ビーム（９４）と前記高エネルギービーム（９５）が実質的に同軸であり、前記粉末粒子（６０）が、前記プールの温度に比べて低温である温度で、各プールに到達し、
前記プールの各々がθ＜９０°、Ｈapp／ｅapp／１及びＨZR／Ｈapp≧０．６によって定義される形状を有し、ここでθが前記プールの最上表面と前記作業平面Ｐとの間の角度を表わし、Ｈappがフィレットの見かけ高さを表わし、ｅappがその幅を表わし、ＨZRが再溶融したゾーンの高さを表わすことを特徴とする方法。
【請求項２】
高エネルギービーム（９５）の焦点ＦLが作業平面Ｐの上方又は前記作業平面の中に位置し、粉末ビーム（９４）の焦点ＦPが作業平面Ｐの下に位置し、こうして、粉末粒子はいかなる時点でもノズル（１９０）からの出口と作業平面Ｐとの間で高エネルギービーム（９５）と交差しないようになっており、作業平面Ｐは、前記層が上に形成されつつある表面を含む平面として定義されることを特徴とする請求項１に記載の部品製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高エネルギービーム（９５）の焦点ＦL及び粉末ビーム（９４）の焦点ＦPを得るために、粉末ビーム（９４）の焦点外れ距離ＤｅｆｏｃPが増大させられ、かつ／又は、前記作業平面Ｐに対する垂線との関係におけるレーザービーム（９５）の発散半角βが減少させられるか、又は高エネルギーレーザービーム（９５）の焦点外れ距離ＤｅｆｏｃLが減少させられることを特徴とする請求項２に記載の部品製造方法。
【請求項４】
粉末粒子（６０）のサイズ分布が狭いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の部品製造方法。
【請求項５】
３つの数量θ、Ｈapp／ｅapp及びＨZR／Ｈappが、１５°≦θ≦６０°、０．０４≦Ｈapp／ｅapp≦０．７５でかつ１≦ＨZR／Ｈapp≦６という関係式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の部品製造方法。
【外国語明細書】
2019064268000001.pdf