(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ焼結システムを使用して物体をポリマー粉末から生成する方法であって、
（ｉ）物体の造形データを提供するステップであって、前記造形データは、前記物体の外形形状記述データによる複数の断面パターンを含み、前記断面パターンの各々は、前記断面における固化のための選択ポイントを特定するデータを含み、断面パターンにおける固化のために選択された前記選択ポイントの各々は、前記断面パターンにおいて固有の位置を有する、ステップと、
（ｉｉ）ポリマー粉末の層Ｌ0をレーザ焼結システムのベッド上に設けるステップと、
（ｉｉｉ）層Ｌ0に割り当てられた前記断面パターンに従って電磁放射線により導入されたエネルギーによって、前記層Ｌ0のポリマー粉末の選択ポイントを固化させるステップと、
（ｉｖ）前記造形データが、先行する層Ｌ-n及び後続の層Ｌ+nのうちの１又は２以上の第１の位置（ｘ，ｙ）で選択ポイントの固化を特定するか否かに応じて、前記層Ｌ0の第１の位置での選択ポイントを固化するように電磁放射線により導入される熱エネルギーを調整するステップと、を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
ｎは、正の整数であり、Ｌ-1は、層Ｌ0の直前の層であり、Ｌ-2は、Ｌ-1の直前の層であり、以下同様であり、Ｌ+1は、Ｌ0の直後の層であり、Ｌ+2は、Ｌ+1の直後の層であり、以下同様である、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、前記層Ｌ-nの前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、層Ｌ-1の前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、層Ｌ-1、Ｌ-2及びＬ-3の前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーは、前記造形データが、層Ｌ-nの前記第１の位置で選択ポイントの固化を特定しない場合に低減される、
請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、１又は２以上の層Ｌ-nの前記第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存し、前記１又は２以上の層Ｌ-nは、熱影響域にある、
請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記選択ポイントを固化させるステップにおいて、前記熱エネルギーはレーザ放射線により導入され、前記熱エネルギー量は、レーザ光強度、レーザビームの偏向速度、及び前記粉末層上の前記レーザビーム軌道の間の距離の変動のうちの１又は２以上の変動により少なくとも部分的に調整される、
請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記ポリマー粉末は、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＥＫＫのうちの１又は２以上から成る、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ポリマー粉末は、ＰＥＫＫから成る、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-n及び層Ｌ+nに依存した１又は２以上の第１の位置以外のポイントの固化を特定するか否かに依存しない、
請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
物体をポリマー粉末から生成するシステムであって、
チャンバを定めるハウジングと、
ポリマー粉末の１又は２以上の層及び内部に形成される何らかの部品を支持するために、前記チャンバ内に配置されかつ少なくとも１つの軸線に沿って内部で移動可能な支持プラットフォームと、
前記支持プラットフォームの上面に又はその上に堆積された粉末層の上面に定められたベッドにポリマー粉末層を設けるスプレッダと、
前記支持プラットフォーム上で最後に準備された前記粉末層の選択ポイントを照射する照射源と、
生成される物体の造形データを格納するデータベースであって、前記造形データは、外形形状記述データによる複数の断面パターンを含み、前記断面パターンの各々は、前記断面における固化のための選択ポイントを特定するデータを含み、断面パターンにおける固化のために選択された前記選択ポイントの各々は、前記断面パターンにおいて固有の位置を有する、データベースと、
前記造形データにおいて層Ｌ0に割り当てられた前記断面パターンに従って、照射装置によって制御される電磁放射線により導入される熱エネルギーによって、前記層Ｌ0の前記ポリマー粉末の選択ポイントを固化させるように前記照射装置を制御するコントローラと、
前記造形データが、先行する層Ｌ-n及び後続の層Ｌ+nのうちの１又は２以上の第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに応じて、
前記層Ｌの第１の位置での選択ポイントを固化するように電磁放射線により導入される熱エネルギーを調整する、前記コントローラ上で実行されるソフトウェアと、を備えている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
ｎは、正の整数であり、Ｌ-1は、層Ｌ0の直前の層であり、Ｌ-2は、Ｌ-1の直前の層であり、以下同様であり、Ｌ+1は、Ｌ0の直後の層であり、Ｌ+2は、Ｌ+1の直後の層であり、以下同様である、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、前記層Ｌ-nの前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、層Ｌ-1の前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、層Ｌ-1、Ｌ-2及びＬ-3の前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、層Ｌ-1からＬ-5の前記第１の位置で前記選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する、
請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、前記造形データが、１又は２以上の層Ｌ-nの前記第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存し、前記１又は２以上の層Ｌ-nは、熱影響域にある、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記選択ポイントを固化させるステップにおいて、前記熱エネルギーはレーザ放射線により導入され、前記熱エネルギー量は、レーザ光強度、レーザビームの偏向速度、及び前記粉末層上の前記レーザビーム軌道の間の距離の変動のうちの１又は２以上の変動により少なくとも部分的に調整される、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ポリマー粉末は、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＥＫＫのうちの１又は２以上から成る、
請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記ポリマー粉末は、ＰＥＫＫから成る、
請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記層Ｌ0において前記第１の位置で前記選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される前記熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-n及び層Ｌ+nに依存した１又は２以上の第１の位置以外のポイントの固化を特定するか否かに依存しない、
請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、付加製造装置及びその使用法に関し、詳細には、空隙を有する物体を形成するためのポリマー粉末の選択的レーザ焼結を伴う付加製造装置及びこれを用いた方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
選択的レーザ焼結（「ＬＳ」）は、積層造形（ｌａｙｅｒ  ｗｉｓｅ）付加製造技術であり、この技術では、例えば、ＣＯ2レーザからの電磁放射線を用いて、粉末造形材料（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を選択ポイントで結合して所望の３次元形状を有する中実構造体を作り出すようになっている。造形材料は、プラスチック、金属（直接金属レーザ焼結）、セラミック、又はガラス粉末を含むことができる。一部の関連した技術、例えば、金属を使用する技術において、選択的レーザ溶融（「ＬＭ」）と呼ばれる技術が使用され、粉末は、焼結とは対照的に溶融される。各プロセスの間に類似点があるが、そこで使用されるプロセス及び粉末の両方において明確な違いがある。
【０００３】
一般に、ＬＳにより造形される物体のＣＡＤモデルは、公知のソフトウェアアプリケーションを使用して作成される。ＣＡＤモデルは、物体の造形データを作り出すために各層に切断される。造形データは、ＣＡＤモデルによる複数の断面パターンを含む。各層に関して、ＬＳ製造プロセスは以下の通りであり、造形材料の層が、レーザ焼結システムのベッド上に堆積される。設けられた層は、その層に関連した断面パターンに従って、制御された電磁放射線源によって選択箇所で走査されて固化される。断面が走査され、選択ポイントで固化が発生した後、ベッドは、１層分だけ下がり、粉末材料の新しい層がベッド上に堆積され、ベッドは、レーザにより再び走査される。このプロセスは、造形物が完成するまで繰り返される。走査に先立って、ＬＳ機械は、ベッド上に堆積された粉末材料を粉末の融点に近い温度まで予熱することができる。一般に、予熱は、１又は２以上の放射加熱器により達成される。粉末を予熱すると、レーザが粉末の温度を融点まで上昇させるのが容易になる。
【０００４】
積層造形プロセスの完了後、形成された物体は、多量の未融合粉末（ケーキと呼ぶ）内に置かれる。形成された物体は、ケーキから取り出され、未融合粉末は、物体の何らかの空隙から除去される。この工程を助けるために圧縮空気を使用することができる。造形部品に融合していないケーキの粉末は、回収されてふるいにかけられ、その後のＬＳ造形で使用することができる。
【０００５】
粉末材料からの物体の積層製造中に生じる公知の問題は、形成される物体の物理特性が、溶融体積要素ごとに工程間で変動することである。これは、ｚ軸における物体の機械的強度を低減する可能性がある。１つの理由は、特に金属ＬＭの場合、積層造形プロセス中の未固化体積に対する固化体積の増加により引き起こされた熱伝導率の変化である。比較的高い熱伝導率を有する材料の場合、それぞれの照射点への時間単位当たりのエネルギーの所定の印加によって引き起こされる温度上昇は、照射点の周囲の領域の熱伝導率に左右される。
【０００６】
金属の場合、粉末材料の熱伝導率は、造形物体の形成領域の熱伝導率とかなり異なることが多いという問題があり、この材料は、造形プロセス中に溶融により固化されたものである。それぞれの照射点が排他的に粉末材料で取り囲まれる場合、照射点で生じた熱は、あまり効率的に消散することができず、粉末材料の局所的な過熱が発生する場合があり、その結果、造形部品の機械的強度が低減する。他方、照射点が固化した材料で取り囲まれる場合、熱は、周囲の領域のより高い熱伝導率のためにより素早く消散することができ、照射点は、それほど容易には過熱されない。これらの影響に基づいて、造形物体の様々な領域は、著しく異なる温度で溶融し、結果的に物体内に機械的応力が形成されることが多かった。
【０００７】
Ｂｅｎｄａらの米国特許第５，４２７，７３３号（以下、Ｂｅｎｄａと呼ぶ」）には、温度制御された金属レーザ焼結を行う方法が開示されている。Ｂｅｎｄａは、レーザ出力を動的に調整することにより金属のＬＭに関連した上記の問題を解決しようとしている。Ｂｅｎｄａには、レーザ出力をベッド表面の温度の関数として制御する温度制御式レーザ焼結システムが開示されている。システムは、集束ミラー及び走査ミラーのセットによって焼結ベッド上に集束されるレーザビームを含む。焼結ベッドから出射された熱放射線は、走査ミラー及びダイクロイックビームスプリッタに投影され、ダイクロイックビームスプリッタは、このような放射線を反射するが、レーザビームの波長は通過させる。放射線は、光検出器上に集束され、光検出器は、電力制御回路へのライン上に信号を供給する。電力制御回路は、変調器を制御し、変調器は、熱放射線出射（従って、焼結ポイントでの温度）を実質的に一定のレベルに維持するようにレーザビームの出力を変調する。
【０００８】
また、Ｆｏｃｋｅｌｅの米国特許出願公開第２０１４０３３２５０７号（以下、Ｆｏｃｋｅｌｅと呼ぶ）は、積層造形ＬＭによる造形方法を用いる金属からの物体の製造を対象としている。Ｆｏｃｋｅｌｅは、エネルギーがレーザを用いて入力される場合に固化される層の温度不均一性を検討する必要性を認識している。Ｆｏｃｋｅｌｅは、ビームの入射点の周辺領域の異なる散逸能力を考慮して、この局所的周辺領域における各ボクセルに関して散逸能力を計算することを教示している。ビームの入射点での散逸能力を求めるために、Ｆｏｃｋｅｌｅは、現行の照射点の下の下方方向の、好ましくは少なくとも同じ幅の少なくとも１００層にわたる領域での散逸能力を考慮することを教示している。
【０００９】
また、Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｅｒらの米国特許出願公開第２０１６０３３２３７９号（以下、Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｅｒと呼ぶ）は、積層造形方法においてエネルギーを制御する方法を対象としている。Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｅｒは、固化領域の冷却の時問依存性を検討することにより再溶融温度の変動を最小限に抑えようとしている。Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｅｒに教示されている調整方法は、層内で露光される（固化される）領域の総露光時間が長いほど、これらの領域は、熱放射、熱伝導、又は対流により熱を放出する時間が長いという観察を前提としている。従って、層はより冷却されて、下層の溶融又は焼結に利用可能な全エネルギーはそれほど多くはない。結果的に、Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｅｒでは、破断時の伸びなどの機械的特性は、下層の悪化した付着に起因して悪化する状况にある。他方、層の短い総露光時間に関して、このような層はそれほど冷却されないので、下層の粉末は、より完全に溶融することができ、結果的により良好な機械的特性が得られる。この問題を解決するために、Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｅｒは、現行の露光される層より下方の層で固化されることになる領域の総露光時間に基づく、又は現行の露光される層で固化されることになる領域の総露光時間に基づく固化のために、単位面積当たりに入力される熱を調整することを開示している。
【００１０】
提案された解決策の欠点は、単位面積当たりに入力される熱を造形材料の熱伝導率に基づく固化のために調整する点にある。さらに、先に提案された解決策は、金属粉末のＬＭに関係し、金属粉末は、相対的に高い熱伝導率を固化状態で、相対的に低い熱伝導率を粉末形態で有する。例えば、「選択的レーザ溶融によって作製された金属粉末及び固結物の熱伝導率」という名称の最近の研究では、粉末形態のステンレス鋼は、０．１４Ｗ／（ｍ*Ｋ）の熱伝導率を有し、このバルク形態の材料は、４２．７０Ｗ／（ｍ*Ｋ）の熱伝導率を有することが分かっている。
【００１１】
検討されている方法は、粉末形態とバルク形態との間の熱伝導率の差異が著しく少ないポリマー材料のＬＳには適用できない。例えば、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）ポリマーは、ＬＳプロセスにおいて特に興味深く、その理由は、ＰＡＥＫ粉末又はＰＡＥＫ粒から製造された部品は、低い着火性、良好な生体適合性、並びに加水分解及び放射線に対する高い耐性を特徴とするからである。高温耐熱性並びに耐化学性により、ＰＡＥＫ粉末は、通常のプラスチック粉末と区別される。ＰＡＥＫポリマー粉末は、ポリエーテルエーテルケトン（「ＰＥＥＫ」）、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）、ポリエーテルケトン（「ＰＥＫ」）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（「ＰＥＥＫＫ」）、又はポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＥＫＫ」）から成る群からの粉末とすることができる。例えば、ＰＥＫＫは、ＬＳプロセスにおいて興味深い。利用可能な出版物及び試験データによれば、粉末ＰＥＫＫの熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ*Ｋ）あるが、バルクＰＥＫＫの熱伝導率は、ほぼ０．２Ｗ／（ｍ*Ｋ）ある。
【００１２】
積層造形技術においてレーザ出力を調整する公知の方法の別の欠点は、部品の形状寸法に寛容である点である。ポリマー（例えばＰＥＫＫ）のＬＳにおいて、粉末は、約１２５μｍの厚さを有するベッド表面上に堆積される。ＬＳ中にこの厚さのＰＥＫＫ材料に対する通常定格レーザ出力の使用により、ＬＳベッドの下層への貫通が発生し、その結果、さらなる熱エネルギーが入射点の真下の層に供給される。レーザによるエネルギー入力により影響を受ける入射点より下方の領域は、一般に熱影響域、つまりＨＡＺと呼ばれる。ＰＥＫＫ及び他のＰＡＥＫポリマーの場合、ＨＡＺは、レーザ出力、材料、及び層の厚さ応じて、通常は入射点より下方の１〜５層にある。
【００１３】
発明者らは、ＨＡＺは、特に造形物体の空隙の造形に関係する場合に、部品の形状寸法に著しい影響を与える可能性があることを発見した。例えば、このような空隙を物体内に造形する場合、未焼結材料の連続領域を有する複数の層がベッド上に堆積される。未焼結材料は、造形が完了した場合に最終的に除去されることになり、プロセス中に焼結された周囲材料の表面により定められた空隙が残る。一般に、空隙は上側表面によって定められることになる。
【００１４】
ＬＳの公知の方法の欠点は、ダウンスキン層を焼結させる際に、ＨＡＺに起因して、ダウンスキン層より下方の層が焼結されること、及び／又は造形中の物体に付着することになり、完成部品の外形形状が、ＣＡＤモデルで特定された外形形状から実質的に外れる点である。この影響は、厳しい許容差を必要とする部品の製造において特に不利である可能性がある。例えば、米国コネチカット州サウスウィンザーに所在のオックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社は、ＬＳ技術を使用してＯｓｔｅｏＦａｂ（登録商標）Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｃｒａｎｉａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ（ＯＰＳＣＤ）、ＯｓｔｅｏＦａｂ（登録商標）Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｆａｃｉａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ（ＯＰＳＦＤ）、及びＯｓｔｅｏＦａｂ（登録商標）Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｆａｃｉａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ（ＯＰＳＦＤ）を含む、ＰＥＫＫ製特殊医療用インプラントを製造している。また、オックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社は、ＬＳ積層造形法を使用して航空宇宙部品及び工業部品を製造している。これらの用途において、造形部品がＣＡＤモデルに幾何学的に適合することを保証することが必須である。部品の造形後、形状寸法は、いくつかの異なる技術を使用してＣＡＤモデルと比較することができる。
【００１５】
公知の解決策の別の欠点は、アンダーハング領域、すなわちオーバーハングの反対側の逆加熱を考慮していない点である。逆加熱により、後続の層における望ましくない層間融合が発生する。明確ではないが、新しく焼結された層部分の潜熱によって、上層に設けられた後続の層の直接隣接した未焼結部分がアンダーハングに付着することになり、その結果、部品の形状寸法のさらなる狂いが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５，４２７，７３３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４０３３２５０７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１６０３３２３７９号明細書
【特許文献４】米国特許第３，０６５，２０５号明細書
【特許文献５】米国特許第３，４４１，５３８号明細書
【特許文献６】米国特許第３，４４２，８５７号明細書
【特許文献７】米国特許第３，５１６，９６６号明細書
【特許文献８】米国特許第４，７０４，４４８号明細書
【特許文献９】米国特許第４，８１６，５５６号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，１７７，５１８号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｃｈｅｎｇ、Ｚ．Ｄ．ら共著「ポリ（アリールエーテルケトンケトン）内の多相性及び結晶構造識別」）Ｍａｃｒｏｍｏｌ．ｃｈｅｍ．ｐｈｙｓ．１９７、１８５〜２１３頁（１９９６年））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従って、ＬＳによる物体の製造のための改善されたシステム及び方法に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、１つの態様において、レーザ焼結システムを使用して物体をポリマー粉末から生成する方法に関する。本方法は、物体の造形データを提供するステップを含む。造形データは、物体の外形形状記述写データによる複数の横断面パターンを含む。各断面パターンは、断面における固化のための選択ポイントを特定するデータを含み、断面パターンにおける固化のために選択された選択ポイントの各々は、断面パターンにおいて固有の位置を有する。本方法は、ポリマー粉末の層Ｌ0をレーザ焼結システムのベッド上に設けるステップをさらに含む。本方法は、層Ｌ0に割り当てられた断面パターンに従って電磁放射線により導入されたエネルギーによって、層Ｌ0のポリマー粉末の選択ポイントを固化させるステップをさらに含む。本方法は、造形データが、先行する層Ｌ-n及び後続の層Ｌ+nのうちの１又は２以上の第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに応じて、層Ｌ0の第１の位置での選択ポイントを固化するように電磁放射線により導入される熱エネルギーを調整するステップをさらに含む。
【００２０】
本発明の一部の実施形態において、ｎは、正の整数であり、Ｌ-1は、層Ｌ0の直前の層であり、Ｌ-2は、Ｌ-1の直前の層であり、以下同様であり、Ｌ+1は、Ｌ0の直後の層であり、Ｌ+2は、Ｌ+1の直後の層であり、以下同様である。
【００２１】
層Ｌ0において第１の位置で選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-nの第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する。
【００２２】
本発明のさらなる実施形態において、層Ｌ0において第１の位置で選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-1の第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する。
【００２３】
本発明のさらなる実施形態において、層Ｌ0において第１の位置で選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-1、Ｌ-2及びＬ-3の第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する。
【００２４】
本発明のさらなる実施形態において、層Ｌ0において第１の位置で選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-1からＬ-5の第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存する。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態において、層Ｌ0において第１の位置で選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される熱エネルギーの調整は、造形データが、１又は２以上の層Ｌ-nの第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに依存し、前記１又は２以上の層Ｌ-nは、熱エネルギーの未調整の導入に起因する熱影響域にある。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態において、選択ポイントを固化させるステップにおいて、熱エネルギーはレーザ放射線により導入され、熱エネルギー量は、レーザ光強度、レーザビームの偏向速度、及び粉末層上のレーザビーム軌道の間の距離の変動のうちの１又は２以上の変動により少なくとも部分的に調整される。
【００２７】
本発明のさらなる実施形態において、ポリマー粉末は、５０：１より小さい固体粉末比を有する。
【００２８】
本発明のさらなる実施形態において、ポリマー粉末は、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＥＫＫのうちの１又は２以上から成る。
【００２９】
本発明のさらなる実施形態において、ポリマー粉末は、ＰＥＫＫから成る。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態において、層Ｌ0において第１の位置で選択ポイントを固化させるために電磁放射線により導入される熱エネルギーの調整は、造形データが、層Ｌ-n及び層Ｌ+nに依存した１又は２以上の第１の位置以外のポイントの固化を特定するか否かに依存しない。
【００３１】
本発明は、別の態様において、物体をポリマー粉末から生成するシステムにある。システムは、チャンバを定めるハウジングを備える。支持プラットフォームは、ポリマー粉末の１又は２以上の層及び内部に形成される何らかの部品を支持するために、チャンバ内に配置されかつ少なくとも１つの軸線に沿って内部で移動可能である。システムは、支持プラットフォームの上面に又はその上に堆積された粉末層の上面に定められたベッドにポリマー粉末層を設けるスプレッダをさらに含む。システムは、支持プラットフォーム上で最後に準備された粉末層の選択ポイントを照射する照射源をさらに含む。システムは、生成される物体の造形データを格納するデータベースを含み、造形データは、外形形状記述データによる複数の断面パターンを含む。断面パターンの各々は、断面における固化のための選択ポイントを特定するデータを含む。断面パターンにおける固化のために選択された選択ポイントの各々は、断面パターンにおいて固有の位置を有する。システムは、造形データにおいて層Ｌ0に割り当てられた断面パターンに従って、照射装置によって制御される電磁放射線により導入される熱エネルギーによって、層Ｌ0のポリマー粉末の選択ポイントを固化させるように前記照射装置を制御するコントローラをさらに含む。システムは、造形データが、先行する層Ｌ-n及び後続の層Ｌ+nのうちの１又は２以上の第１の位置で選択ポイントの固化を特定するか否かに応じて、層Ｌ0の第１の位置での選択ポイントを固化するように電磁放射線により導入される熱エネルギーを調整する、コントローラ上で実行されるソフトウェアをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の１つの実施形態によるＬＳ機械を示す。
【図２Ａ】物体の正面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ａの物体の上面図を示す。
【図３Ａ】公知のシステム及び方法に関連した過剰焼結の問題を示す。
【図３Ｂ】過剰焼結に対応するために従来技術において使用される方法を示す。
【図４Ａ】ＬＳ方法による物体の製造のための層に対応する複数の断面を示す。
【図４Ｂ】図４Ａに示す物体の一部の正面図を示す。
【図４Ｃ】図４Ｂに示す物体の一部の上面図を示す。
【図５】本発明により使用される造形データの図を示す。
【図６】本発明により使用される造形データの図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本開示は、図面に示した例示的な実施形態を参照して本発明の態様を説明するが、本発明の態様は、図面に示す例示的な実施形態に限定されない。本発明の態様はより多くの実施形態を含むことが当業者に明らかであろう。従って、本発明の態様は、図面に示す例示的な実施形態の観点から制限されるものではない。また、本開示の真の範囲から逸脱することなく変形及び修正を行うことは当業者には明らかであろう。例えば、一部の例において、１つの実施形態に関連して開示される１又は２以上の特徴は、単独で、もしくは１又は２以上の他の実施形態の１又は２以上の特徴に関連して使用することができる。
【００３４】
本発明は、ポリマー粉末を用いたＬＳに特に有用である。このようなポリマー粉末の１つの種類は、ポリアリールエーテルケトン（「ＰＡＥＫ」）ポリマーである。ＰＡＥＫは、ＬＳプロセスにおいて特に興味深く、その理由は、ＰＡＥＫ粉末又はＰＡＥＫ粒から製造された部品は、低い着火性、良好な生体適合性、並びに加水分解及び放射線に対する高い耐性を特徴とするからである。高温での熱抵抗並びに耐化学性により、ＰＡＥＫ粉末は、通常のプラスチック粉末と区別される。ＰＡＥＫポリマー粉末は、ポリエーテルエーテルケトン（「ＰＥＥＫ」）、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）、ポリエーテルケトン（「ＰＥＫ」）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（「ＰＥＥＫＫ」）、又は、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＥＫＫ」）から成る群からの粉末とすることができる。
【００３５】
ＰＥＫＫは、本技術分野において公知であり、以下の特許、すなわち米国特許第３，０６５，２０５号、米国特許第３，４４１，５３８号、米国特許第３，４４２，８５７号、米国特許第３，５１６，９６６号、米国特許第４，７０４，４４８号、米国特許第４，８１６，５５６号、及び米国特許第６，１７７，５１８号で説明される方法を含む、何らかの適切な重合技術を使用して調製することができ、これらの特許の各々は、全ての目的のために全体が引用により本明細書に組み込まれている。ＰＥＫＫポリマーは、ケトン−ケトン型の２つの異なる異性体を反復単位として含む場合が多い点で一般的なＰＡＥＫポリマー類と異なる。これらの反復単位は、以下の式Ｉ及びＩＩにより表すことができる。
【００３６】
式１
-Ａ-Ｃ（＝Ｏ）―Ｂ―Ｃ（＝Ｏ）―    （Ｉ）
式２
-Ａ-Ｃ（＝Ｏ）-Ｄ-Ｃ（＝Ｏ）―      （ＩＩ）
【００３７】
ここで、Ａがｐ，ｐ’−Ｐｈ−Ｏ−Ｐｈ基である場合、Ｐｈは、フェニレン基であり、Ｂは、ｐ−フェニレンであり、Ｄは、ｍ−フェニレンである。一般にＰＥＫＫにおけるＴ：Ｉ比と一般に呼ばれる式Ｉ：式ＩＩ異性体の比は、ポリマーの全体の結晶性を変えるように選択される。Ｔ：Ｉ比は、一般に５０：５０から９０：１０まで、一部の実施形態においては６０：４０から８０：２０まで変えることができる。６０：４０などの小さなＴ：Ｉと比較すると、８０：２０などのＴ：Ｉ比が大きいほど高い結晶性が得られる。
【００３８】
ＰＥＫＫの結晶構造、同質異像、及びホモポリマー形態は、例えば、Ｃｈｅｎｇ、Ｚ．Ｄ．ら共著「ポリ（アリールエーテルケトンケトン）内の多相性及び結晶構造識別」）Ｍａｃｒｏｍｏｌ．ｃｈｅｍ．ｐｈｙｓ．１９７、１８５〜２１３頁（１９９６年）で研究及び報告されており、この開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれている。この論文では、全てのパラフェニレン結合［ＰＥＫＫ（Ｔ）］、１つのメタフェニレン結合［ＰＥＫＫ（Ｉ）］、又は、交番Ｔ及びＩ異性体［ＰＥＫＫ（Ｔ／Ｉ）］を有するＰＥＫＫホモポリマーが研究されている。ＰＥＫＫ（Ｔ）及びＰＥＫＫ（Ｔ／Ｉ）は、結晶化状態及び方法に応じて結晶性同質異像を示す。
【００３９】
ＰＥＫＫ（Ｔ）において、２つの結晶形態、形態Ｉ及びＩＩが観察される。形態Ｉは、試料が低過冷時に溶融から結晶化する場合に生成することができ、一方、形態ＩＩは、一般に、溶媒誘起結晶化によって又は比較的高い過冷時にガラス状態からの低温結晶化により見られる。ＰＥＫＫ（Ｉ）は、ＰＥＫＫ（Ｔ）の形態Ｉ構造と同じ分類に属する１つの結晶単位格子のみをもっている。単位格子のｃ軸次元は、ジグザグ構造を有する３つのフェニレンとして決定され、メタフェニレンは、バックボーン平面上にある。ＰＥＫＫ（Ｔ／Ｉ）は、（ＰＥＫＫ（Ｔ）の場合と同様に）結晶形態Ｉ及びＩＩを示し、また、特定の状態では形態ＩＩＩを示す。
【００４０】
適切なＰＥＫＫは、様々な商標の下で複数の商業的供給源から販売されている。例えば、ポリエーテルケトンケトンは、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｃポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｃｅポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｄポリマー及びＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−ＳＰポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｎポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−ＥＳＤポリマーを含む、米国コネチカット州サウスウィンザーのオックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社から商標名ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）ポリマーとして販売されている。また、ポリエーテルケトンケトンポリマーは、Ａｒｋｅｍａからり製造及び供給されている。特定のＴ：Ｉ比を有するポリマーを使用することに加えて、ポリエーテルケトンケトン混合物を用いることができる。
【００４１】
これらの用途において使用される粉末は、細粉、空気粉砕、噴霧乾燥、凍結乾燥、又は直接溶融処理などの様々なプロセスによって微粉末に生成される。熱処理は、粉末が生成される前又は後に行うことができるが、粉末形成の前に熱処理を行う場合、粉末形成プロセスの温度は、溶融温度、又は熱処理プロセスで形成された結晶化度の大きさを有意に低減しないように調整する必要がある。
【００４２】
本開示は、ＰＡＥＫポリマー、詳細にはＰＥＫＫポリマーを参照して提示されるが、本開示はこれに限定されない。本開示を熟知する当業者であれば、本発明が、ＬＳで有用な他の形式のポリマーと共に、並びに限定されるものではないが金属及びセラミックを含むＬＳに有用な他の材料と共に使用できることを理解できるはずである。
【００４３】
図１を参照すると、本発明によるＬＳシステム１０が例示される。システム１０は、内部に配置された作動可能なピストン２４を有する第１のチャンバ２０を含む。ベッド２２が、ピストン２４の端部に配置される。用語「ベッド」は、ピストン上に支持された物理構造体、又はピストン上に堆積された粉末の最上層を意味することを理解されたい。
【００４４】
ベッド２２の温度は、ベッド２２内及びその周りの発熱体（図示せず）と通信するコントローラ６０によって可変制御することができる。さらに、本発明によるＬＳシステム１０は、ベッド２２の上方の加熱装置を含むことができ、加熱装置は、新しく設けられた粉末層を粉材の固化が生じる温度より低い動作温度まで予熱する。加熱装置は、電磁放射線を出射することによって、熱エネルギーを広い面積で新しく設けられた粉末層に導入することができる放射加熱装置（例えば、１又は２以上の放射加熱器）とすることができる。
【００４５】
第２のチャンバ３０は、第１のチャンバ２０の近傍にある。第２のチャンバ３０は、内部に配置されたピストン３４の端部上に配置されたテーブル面３２を含む。ＬＳシステム１０で使用される粉末３６は、焼結ステップの前に第２のチャンバ３０に貯蔵される。ＬＳシステムの特定の実施形態が開示されているが、本開示を熟知する当業者であれば、本発明は限定されるものではなく、公知の別のＬＳシステムを本発明の実施において使用できることを理解できるはずである。
【００４６】
ＬＳシステム１０の作動中、スプレッダ４０は、第１のチャンバ２０の上面を横切って並進し、ベッド２２の上面又はベッド２２上に先に配置された材料にわたって粉末３６の層を均一に分散させる。ＬＳシステム１０は、ベッド上に堆積された粉末材料３６を粉末の融点に近い温度まで予熱する。一般に、粉末層は、１２５μｍの厚さを有するように分散されるが、粉末層の厚さは、特定のＬＳプロセスに応じて、及びＬＳシステムの範囲内で増減させることができる。
【００４７】
レーザ５０及び走査装置５４が、ベッド２２の上方に配置される。レーザ５０は、ビーム５２を走査装置５４に送り、次に、走査装置５４は、造形データに従ってレーザビーム５６をベッド２２上に堆積された粉末３６の層を横切って分布させる。レーザは、堆積された粉末材料層を有するベッドの表面で、部品の３次元デジタル記述から生成された断面を走査することで粉末材料を選択的に融合させる。レーザ５０及び走査装置５４は、コントローラ６０と通信する。断面を走査した後、ベッド２２は、１層分だけ降下し（下向き矢印で示す）、スプレッダ４０によって粉末材料の新しい層がベッド２２上に堆積され、ベッド２２は、レーザにより再走査される。このプロセスは、造形物２８が完成するまで繰り返される。このプロセス中、第２のチャンバ内のピストン３４は漸進的に上昇し（上向き矢印で示す）、粉末３６の十分な供給を保証するようになっている。
【００４８】
図２Ａ〜図２Ｂを参照すると、本方法によって造形される空隙を有する物体１００が示されている。図２Ａは、物体１００の正面図を示し、図２Ｂは、物体１００の上面図を示す。物体１００は、ブロックである。ＬＳ積層造形法を使用して、原則的に無制限の数の外形形状を製造できることを理解されたい。
【００４９】
図２Ａ〜図２Ｂに示すブロック１００は、略直角柱矩形である。ブロック１００は、前面１２０、上面１１８、底面１１６、第１の側面１１２及び第２の側面１１４、並びに後面１２２を有する。ブロック１００は、前面１２０の第１の開口１３２と後面１２２の第２の開口１３４との間で軸線に沿ってブロックを貫通して延びるボア１３０を定める。ボア１３０は、略円筒形である。ボア１３０の断面は、ボア軸線に垂直な断面平面において円形である。ボア１３０の壁の上部１３３はオーバーハングを定める。オーバーハングは、ダウンスキンと呼ぶこともできる。造形プロセスにおいてブロック１００が配向される際にブロック１００の空隙よりも上方にあるので、上部１３３はオーバーハングと呼ぶことができる。また、ＬＳ積層造形プロセス中、上部１３３は未焼結粉末の先に堆積された層に隣接した連続的な層で焼結されるので、上部１３３はダウンスキンと呼ぶことができる。同様に、ボア１３０の壁の下部１３１はアンダーハングを定める。アンダーハングは、アップスキンと呼ぶこともできる。造形プロセスにおいてブロック１００が配向される際にブロック１００の空隙よりも下方にあるので、下部１３１はアンダーハングと呼ぶことができる。また、ＬＳ積層造形プロセス中、下部１３１は未焼結粉末の後で堆積された層に隣接した連続的な層で焼結されるので、下部１３１は、アップスキンと呼ぶことができる。
【００５０】
図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、図２Ａ〜図２Ｂに示すブロック１００の造形のための造形データ４００が表されている。実際には、部品（例えば、ブロック１００）は、ＣＡＤソフトプログラムを使用して作成される。造形物を作成する際、ＣＡＤモデルは、複数の層に切断され、各層は、ＬＳ造形プロセスにおける層に対応する。図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、造形データ４００の外周４１１が示されている。外周４１１は、造形チャンバの内部寸法に範囲が等しい。本発明は、例えば、ＥＯＳＩＮＴ  Ｐ  ８００付加製造システムを使用して実行することができる。Ｐ８００は、７００ｍｍ  ｘ３８０  ｍｍ×５６０ｍｍ（２７．６ｉｎｘ１５ｉｎｘ２２．０５ｉｎ）の造形容積を有する。単一の物体つまりブロック１００が造形データ４００に示されているが、ＬＳ造形物が複数のオブジェクトを含むことは一般的である。
【００５１】
ＣＡＤモデルは、ビルドの層に対応する複数の連続的な層に切断される。各層は、造形物体の断面パターンを有する。断面パターンは、断面において固化のための選択ポイントを特定するデータを含む。固化のための層内で各選択ポイントは、断面において固有のｘ座標及びｙ座標を有する。ソフトウェアプログラム、例えば、ＬＳ機械コントローラ上で又はＬＳ機械コントローラと通信するコンピュータ上で実行されるプログラムは、固化のための各選択ポイントに導入される熱エネルギー量を決定する。熱エネルギー量は、複数の異なる制御とすることができる。例えば、Ｐ８００において、レーザ出力、レーザ幅、レーザトラッキング速度、レーザ偏向速度、レーザハッチパターン、及び／又はレーザ輪郭パターンを調整することができる。選択ポイントで導入された熱エネルギー量は、材料及び所望の特性のタイプに関するものを含む、異なる入力に基づくことができる。
【００５２】
図４Ａを参照すると、各層における焼結のための造形データ４００の領域は、灰色４１０で示されているが、焼結されない、すなわち未焼結のままの領域は、白色４２０で示されている。ブロック１００を貫通して延びるボア１３０は、造形プロセス中に焼結されないので白色で示されている。例えば、ボアを含む断面を通して、熱エネルギーは、断面においてボアに対応する選択ポイントでは導入されない。
【００５３】
図４Ｂ〜図４Ｃを参照すると、図４Ａに示されかつ拡大円４２２によって識別され造形データ４００の一部の拡大部が示されている。図４Ｂは、拡大円４２２に包含された各層の正面図を示し、図４Ｃは、拡大円４２２に包含された各層の底面図を示す。本開示を熟知する当業者であれば、図４Ａの断面は、本発明を例示する目的でＺ方向により拡大されていることを理解できるはずである。実際には、各層は、一般に厚さ１２５μｍである。
【００５４】
図４Ｂを参照すると、ブロックの一部を含む個別の層が示されている（４１０）。造形データの個別の層は、Ｌnと呼ぶことができ、ｎは整数である。本開示において、Ｌ0は、造形データ４００の特定の層を指すことができる。Ｌ-1は、層Ｌ0の真下の層である。造形プロセス中、Ｌ-1が、ベッド上に堆積され、その後、造形データに従って焼結される。その後、Ｌ0が、ベッド上に堆積されて焼結される。Ｌ-2は、Ｌ-1より下方の層であり、以下同様である。同様に、Ｌ+1は、Ｌ0の後に準備される層であり、Ｌ+2は、Ｌ+1の後に準備される層であり、以下同様である。
【００５５】
さらに図４Ｂを参照すると、複数の層Ｌが示されている。また、ボア１３０の開口部が示されている。具体的には、ボアのダウンスキン部分が示されている。ＣＡＤモデルはボア１３０が円形断面を有することを示すが、ボア１３０は、連続的な層で焼結された複数のステップで製造される。ボアの壁を定める層の部分は、ダウンスキン焼結物を含む。ダウンスキンは、例えば、符号４４４、４４２、４４０で示されている。
【００５６】
係属中の本開示の背景技術セクションで論じたように、発明者らは、Ｌ0の選択ポイントを焼結させるように導入された熱エネルギーがＬ0より下方の複数の層を貫通することになることを発見した。これは、熱影響域（ＨＡＺ）と呼ばれる。ダウンスキン部分が焼結される場合に問題が生じ、その理由は、下方の層の未焼結粉末がダウンスキン層に付着することになり、その結果、ＣＡＤモデルの外形形状に対する形成された物体の外形形状の狂いが生じるからである。
【００５７】
図３Ａは、空隙を有する物体の製造に関連する場合に、ＨＡＺにより引き起こされた問題を示す。ブロック２００は、これを貫通して延びる、ボア軸線に垂直な平面において一定の円形断面を有するボア２３６を含む。破線２３０は、ＣＡＤモデルによって特定された円形断面を示す。公知のＬＳ製造方法は、ダウンスキン焼結に対応していない。その結果、ダウンスキンの選択ポイントに導入された熱エネルギーは、過剰焼結を引き起こし、複数の下層を結合する。これにより、結果的に、ボアのオーバーハング部分は、特定された円形断面とは対照的に平面を有する。外形形状の差異は、図３Ａの中間領域２４０で示す。
【００５８】
この問題を是正する現在の一般的な手法は、ボアがより長円形又は卵形である断面を有するようにＣＡＤ設計を修正することである。この手法の目的は、空隙の上部に加わる修正された外形形状を塞ぐ過剰焼結に依存する円形断面を有するボアに到達することである。この方法は図３Ｂに示されており、ブロック３００は、長円形断面３３０を定めるボア３３６を有する。ダウンスキンでの材料の過剰焼結により、円形断面のボアを有するブロックがもたらされる。この方法の欠点は、適正な外形形状の変更形態を決定して所望の結果を得ることが非常に難しい点である。さらに、好適な外形形状の変更形態が分かっている場合、この変更形態を同じ外形形状を有する、異なる大きさの空隙にスケール調整することは非常に難しい。最後に、複雑な幾何学的なパターンを有する空隙を準備する際にこの補正方法を実行することは非常に難しい。
【００５９】
発明者らは、過剰焼結に関する問題、詳細には固化のための選択ポイントがＬＳプロセス中に固化しなかった先に堆積された層の選択ポイントに融合するという問題を軽減させるために、層の選択ポイントに導入される熱エネルギーを調整する方法を発見した。
【００６０】
本発明による調整因子は、以下の方程式によって簡潔に説明することができ、以下の方程式において、Ｅadjustedは、所定の位置で実際に導入された単位面積当たりの熱エネルギー量であり、Ｅstandardは、造形データ並びに先行する又は後続の層を考慮しない単位面積当たりの熱エネルギー量であり、Ｋは、先行する及び／又は現行の層において固化される領域の総露光時間に依存する前因子（ｐｒｅ−ｆａｃｔｏｒ）である。
【００６１】
式３
Ｅadjusted＝Ｋ・Ｅstandard      （１）
【００６２】
前因子は、以下の方法によって決定して適用することができる。前因子の決定は、例えば、３次元物体を製造するものとする同じ付加製造装置での予備テストで経験的に行うことができる。その際に、物体の実際の製造前に、テスト物体を同じ造形材料から製造して評価する。
【００６３】
本方法は、ＬＳシステムでの造形のために物体の造形データを提供するステップを含む。造形データは、物体のＣＡＤモデに由来し、物体の外形形状記述による複数の断面パターンを含む。これは、例えば、ＣＡＤファイルとすることができる。各断面パターンは、積層製造プロセスでの層に対応する。従って、各断面は、ｚ軸において、ＬＳシステムにおいて設けられた層の厚さに対応する厚さを有することができる。断面パターンは、固化のために断面内の選択ポイントを特定するデータを含む。固化のための選択された断面パターンの選択ポイントの各々は、断面パターン内の固有の位置を有する。選択ポイントは、例えば、（ｘ，ｙ）平面において直交座標で表すことができる。
【００６４】
ＬＳ機械は、ポリマー粉末の層Ｌ0をレーザ焼結システムのベッド上に設ける。Ｌ0の厚さは、造形データの断面の厚さに対応することができる。その後、ＬＳ機械は、Ｌ0に割り当てられた断面パターンに従って制御された電磁放射線によって熱エネルギーを選択ポイントに導入することにより、層Ｌ0のポリマー粉末の選択ポイントを固化させる。熱エネルギー量は、最初は製造部品の外形形状に対応しない、詳細には選択ポイントに近接した未焼結材料層（例えば、空隙）に対応しない従来公知の方法に従って設定される。これらの空隙に対応するために、本方法は、電磁放射線で導入される熱エネルギーを調整して、造形データが、先行する層Ｌ-n及び後続の層Ｌ+nのうちの１又は２以上での第１の位置での選択ポイントの固化を特定するか否かに応じて、層Ｌ0の第１の位置での選択ポイントを固化させるようになっている。
【００６５】
上述した方法において、ｎは、正の整数であり、Ｌ-1は、層Ｌ0の直前の層であり、Ｌ-2は、Ｌ-1の直前の層であり、以下同様であり、Ｌ+1は、層Ｌ0の直後の層であり、Ｌ+2は、Ｌ+1の直後の層であり、以下同様である。ダウンスキンビルド上での過剰焼結を是正するために、本方法は、電磁放射線で導入される熱エネルギーを調整して、造形データが、層Ｌ-nの第１の位置での選択ポイントの固化を特定するか否かに応じて、層Ｌ0の第１の位置での選択ポイントを固化させるようになっている。すなわち、本方法は、現行の層Ｌ0より下方で先に堆積された層に着目している。本発明の一部の実施形態において、本方法は、造形データが層Ｌ-1の第１の位置での選択ポイントの固化を特定するか否かに基づいて、導入される熱エネルギーを調整することになる。本発明の他の実施形態において、本方法は、造形データが層Ｌ-1、Ｌ-2及びＬ-3の第１の位置での選択ポイントの固化を特定するか否かに基づいて、導入される熱エネルギーを調整することになる。本発明のさらに他の実施形態において、本方法は、造形データが層Ｌ-1〜Ｌ-5の第１の位置での選択ポイントの固化を特定するか否かに基づいて、導入される熱エネルギーを調整することになる。本方法は、熱エネルギー量の未調整の導入、すなわち公知の方法によって最初に特定された熱エネルギーで引き起こされたＨＡＺの１又は２以上の層Ｌ-nの造形データに着目することが好ましい。発明者らは、ＰＥＫＫポリマーに関して、これは一般に造形層より下方の最初の３層であるということを発見した。本開示を熟知する当業者は、ＨＡＺが、ｚ方向で判定した場合、材料及び該材料に導入された熱エネルギーに基づいて変動することを理解できるはずである。
【００６６】
図５は、ダウンスキン層Ｌ0５４０の造形を示す。貫通して延びる円形断面のボア５２０を有するブロック５１０は、本開示のＬＳ方法に従って造形されている。造形において、複数の層は、ＬＳ法によって造形されている（Ｌ-1、Ｌ-2、Ｌ-3．．．５４２）。先行して造形された層５４２は、灰色で示されている。本方法は、ベッドに設けられた層Ｌ0５４０を焼結するように現在準備中である。造形データは、後続の層Ｌ+1、Ｌ+2、Ｌ+3．．．５４４の情報を含む。
【００６７】
図５は、本発明を例示するためにＬ0の固化のための複数の選択ポイントを示す。固化のための選択ポイントは、ｘ1、ｙ1、ｚn５３１であり、ｚnはＬ0である。造形に先立って、システムは、第１の位置での固化のための選択ポイントに導入される熱エネルギー量を特定する。図示の実施例において、熱量は、先行する層の第１の位置での選択ポイントが造形プロセス中に固化したか否かに基づいて調整される。この判定は、造形データを作成するためのＣＡＤモデルの分析中に造形に先立って行うことができることに留意されたい。選択ポイント５３１の場合、本方法は、先行する層Ｌ-1、Ｌ-2、Ｌ-3．．．５４２の造形データに着目している。詳細には、本方法は、先行する層５４２の第１の位置での造形データに着目している。換言すると、（ｘn、ｙn）平面での層Ｌ0の選択ポイントと同じ位置の層である。例えば、調整は、造形データが先行する３層Ｌ-1、Ｌ-2、Ｌ-3の固化を特定するか否かに基づいて行われる。図示する実施例において、先行する層ｘ1、ｙ1、Ｌ-1の第１の位置での選択ポイントの造形データは固化を特定しない。同様に、ｘ1、ｙ1、Ｌ-2及びｘ1、ｙ1、Ｌ-3の第１の位置でも同様である。従って、ｘ1、ｙ1、Ｌ0に導入される熱エネルギーは、ｘ1、ｙ1、Ｌ0より下方の層の過剰焼結及び望ましくない融合を抑制するために低減され、その結果、より幾何学的に正確な部品が造形される。
【００６８】
さらに図５を参照すると、複数のさらなる実施例が示されている。軸線（ｘ2、ｙ2、ｚn）５３２に沿った選択ポイントを参照すると、本発明の方法では、先行する層の第１の位置での選択ポイントの造形データが固化を特定するか否かに基づいて、選択ポイントｘ2、ｙ2、Ｌ0に導入される熱を調整する。ｘ2、ｙ2、Ｌ-1での第１の位置は固化が特定される。しかしながら、ｘ2、ｙ2、Ｌ-2及びｘ2、ｙ2、Ｌ-3での第１の位置は固化が特定されない。従って、ｘ2、ｙ2、Ｌ0に導入される熱エネルギーは、ｘ2、ｙ2、Ｌ0より下方の層の過剰焼結及び望ましくない融合を抑制するために低減され、その結果、より幾何学的に正確な部品が造形される。これは、ＨＡＺが入射層より下方の複数の層まで広がる可能性があるからである。本発明の一部の実施形態において、熱エネルギーは低減されるが、このような低減は、第１の位置において未焼結層が直前の層にあり、下方に未焼結位置を特定する選択ポイントに適用される低減よりも少ない。
【００６９】
ｘ3、ｙ3、Ｌ0５３３での選択ポイントを参照すると、先行する３層の第１の位置での造形データは固化を特定する。従って、ｘ3、ｙ3、Ｌ0５３３に導入される熱エネルギーを調整する必要性がない。しかしながら、ＨＡＺが３層より多くに広がる場合、本方法は、造形データがｘ3、ｙ3、Ｌ4の第１の位置での固化を特定しないので、選択ポイントに導入される熱エネルギーを低減することができる。ｘ4、ｙ4、Ｌ0５３４での選択ポイントを参照すると、全ての先行する層の第１の位置での造形データは固化を特定する。従って、ｘ4、ｙ3、Ｌ0５３４で導入される熱エネルギーに対する調整は行わない。
【００７０】
本方法において、第１の位置で選択ポイントに導入される熱エネルギーに対する調整は、これが熱影響域の面積なので、造形データが先行する層の第１の位置での固化を特定するか否かに基づいて行われる。この方法は、造形される物体及び内部の空隙の外形形状により正確に対応することができるので、固化のための選択ポイントの近傍で大きな３次元体積の熱伝導率に依存する従来技術よりも好都合である。本発明の一部の実施形態において、選択ポイントを層Ｌ0の第１の位置で固化させるために、電磁放射線によって導入される熱エネルギーの調整は、造形データが層Ｌ-n及び層Ｌ+nに依存した１又は２以上の第１の位置以外のポイントの固化を特定するか否かを考慮しない。
【００７１】
前述のように、開示された方法は、ＬＳプロセスでのアップスキン焼結の固化における後続の層の融合を抑制するためにも使用される。一般に、ポリマーは、ＬＳ又はＬＭ技術で一般的に使用される金属と比較すると、相対的に低い熱伝導率を有する。金属に対するこのようなポリマー粉末の低い熱伝導率は、１つには、材料の固体粉末比に由来する。ＬＳ又はＬＭ技術で使用される金属は、通常、１００：１の固体粉末比を有する。比較すると、本明細書で説明するポリマー粉末は、５０：１未満の固体粉末比を有することができる。特に、粉末形態に対して固体形態において非常に大きな熱伝導率を有することができる金属において、一般に、固体粉末比が高いほど大きな熱伝導率に対応する。
【００７２】
従って、本明細書で説明するポリマー粉末は、比較的低い熱伝導率を有する。例えば、ポリマー粉末は１．０Ｗ未満／Ｋ*Ｍの熱伝導率を有することができる。加えて、焼結ポリマーと粉末ポリマーとの間で熱伝導率の変化は皆無かそれに近い。その結果として、断面の固化された部分は、熱を所定の期間にわたって保持することができ、後続の層がベッド上に堆積される際に、焼結部分に保持された熱は、新しく堆積された層の融合を引き起こすことができる。ダウンスキン焼結に関連した過剰焼結の問題と、潜熱により引き起こされる後続の未焼結層の望ましくない融合によるアップスキン焼結で引き起こされる問題とは異なるが、開示された方法は、後者の問題をさらに軽減するために使用することができる。
【００７３】
図６は、アップスキン層Ｌ0６４０の造形を示す。貫通して延びる円形断面のボア６２０を有するブロック６１０は、本開示のＬＳ法に従って造形されている。造形において、複数の層は、ＬＳ法によって造形されている（Ｌ-1、Ｌ-2、Ｌ-3．．．６４２）。先行して造形された層６４２は、灰色で示されている。本方法は、ベッドに設けられた層Ｌ0６４０を焼結させるように現在準備中である。造形データは、後続の層Ｌ+1、Ｌ+2、Ｌ+3．．．６４４の情報を含む。
【００７４】
図６は、本発明を例示するＬ0での固化のための複数の選択ポイントを示しており、アップスキン焼結での望ましくない層間融合を最小限に抑えることに関連する。固化のための選択ポイントは、ｘ1、ｙ1、ｚn６３１であり、ｚnはＬ0である。造形に先立って、システムは、第１の位置での固化のための選択ポイントに導入される熱エネルギー量を特定する。図示の実施例において、熱エネルギー量は、後続の層の第１の位置での選択ポイントが造形プロセス中に固化されるべきか否かに基づいて調整される。この判定は、造形データを作成するためにＣＡＤモデルの分析中に造形に先立って行うことができることに留意されたい。選択ポイント６３１の場合、本方法は、先行する層Ｌ+1、Ｌ+2、Ｌ+3．．．６４４の造形データに着目している。詳細には、本方法は、後続の層６４４の第１の位置での造形データに着目している。例えば、調整は、造形データが後続の３層Ｌ+1、Ｌ+2、Ｌ+3６４４の固化を第１の位置において特定するか否かに基づいて行われる。図示の実施例において、後続の層ｘ1、ｙ1、Ｌ+1の第１の位置での選択ポイントの造形データは固化を特定しない。同様に、ｘ1、ｙ1、Ｌ+2及びｘ1、ｙ1、Ｌ+3の第１の位置でも同様である。従って、ｘ1、ｙ1、Ｌ0に導入された熱エネルギーは、ｘ1、ｙ1、Ｌ0の後続の１又は２以上の層での望ましくない融合を抑制するために低減され、その結果、より幾何学的に正確な部品が造形される。
【００７５】
さらに図６を参照すると、複数のさらなる実施例が示されている。軸線（ｘ2、ｙ2、ｚn）６３２に沿った選択ポイントを参照すると、本発明の方法では、後続の層の第１の位置での選択ポイントの造形データが固化を特定するか否かに基づいて、選択ポイントｘ2、ｙ2、Ｌ0に導入される熱を調整する。ｘ2、ｙ2、Ｌ+1は固化が特定される。しかしながら、ｘ2、ｙ2、Ｌ+2及びｘ2、ｙ2、Ｌ+3での第１の位置は固化が特定されない。従って、ｘ2、ｙ2、Ｌ0に導入される熱エネルギーは、ｘ2、ｙ2、Ｌ0より上方の層の望ましくない融合を抑制するために低減され、その結果、より幾何学的に正確な部品が造形される。ｘ3、ｙ3、Ｌ0６３３での選択ポイントを参照すると、後続の３層の第１の位置での造形データは、固化を特定する。従って、ｘ3、ｙ3、Ｌ0６３３に導入される熱エネルギーを調整する必要はない。ｘ4、ｙ4、Ｌ0６３４での選択ポイントを参照すると、全ての後続の層の第１の位置での造形データは、固化を特定する。従って、ｘ4、ｙ4、Ｌ0６３４に導入される熱エネルギーに対する調整は行わない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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