(57)【要約】　　　（修正有）【課題】三次元オブジェクトを、精度を要求される箇所とそうでない箇所を均一なレーザー焦点を使用し、一層毎に生成的に製造する方法及び装置を提供する。【解決手段】照射レーザーを用いて以前に硬化付着した層に、選択的に硬化することにより三次元オブジェクトを一層毎に生成的に製造する装置及び方法であって、レーザー１は照射レーザーのモード構成を変えるためのスイッチング装置８を含んでいる。層を選択的に硬化する間、照射レーザーのモード構成を変えることにより、ビームの収束特性（焦点合わせ能力）は、高い構造的精度が要求される領域において強められる。照射される残余の領域においては、必要な照射時間は放射の強さを増すことにより短縮される。即ち、照射レーザーにモードを変えるスイッチング装置を備え、精度を要求される周縁領域と、そうでない内部領域でモードを変更することにより、全体の製造時間を短縮する。【選択図】図１
2004130793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　レーザー（１）、及び、放射レーザーを集光する焦点合わせユニット（６）を含み、レーザーを使用することによってオブジェクトの断面に対応する構築材料層の部分を選択的に硬化することにより三次元オブジェクトを一層毎に製造する装置であって、
　レーザー（１）が放射レーザーのモード構成要素を変える装置（８）を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
　モード構成要素を変える装置（８）は少なくとも一つのモードアパーチャ（３）を含むことを特徴とする請求項１に記載された装置。
【請求項３】
　ビームを拡大するユニット（４）によって特徴づけられる請求項１或いは２に記載された装置。
【請求項４】
　オブジェクトの断面に対応する層部分にレーザを照射することによって、３次元オブジェクトを一層毎に製造する方法であって、製造中、レーザーが調整可能なモード構成要素と共に操作されることを特徴とする方法。
【請求項５】
　モード構成要素が、所定量のエネルギーを供給するために、変更されることを特徴とする請求項４に記載された方法。
【請求項６】
　モード構成要素が、放射レーザーによって照射を受ける層の部分に依存して、より低い次数モード、好ましくは基本モードに変更されることを特徴とする請求項４或いは５に記載された方法。
【請求項７】
　モード構成要素は、層の一部領域である周縁領域中で基本モードに限定されて、放射レーザーの照射を受け、又、該モード構成要素は、層の一部領域である内部領域中で、基本モードに加え、より高い次数モードを含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載された方法。
【請求項８】
　放射レーザーが、層に照射される前に焦点合わせ、即ち、収束されることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載された方法。
【請求項９】
　放射レーザーが、そのモード構成要素に依存して、収束されることを特徴とする請求項８に記載された方法。
【請求項１０】
　放射レーザーは、層の一部領域である内部領域におけるよりも周縁領域において、より強く収束されることを特徴とする請求項９に記載された方法。
【請求項１１】
　収束されたビームが層を横切って移動する速度に依存してモード構成要素が変更されることを特徴とする請求項４から１０のいずれかに記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、三次元オブジェクトを製造する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　例えば、選択的レーザー溶解法或いは立体描画法を含んだ粉末焼結積層造形法等の生成的製造手順に於いて、三次元オブジェクトは、構築材料を層状に付着させ、オブジェクトの断面に対応する部分（サイト）を選択的に硬化させ、一層毎に製造すると共に、これらの層を結合させることにより得られる。
【０００３】
　この種の手順及びこの種の装置は知られており、例えば、欧州特許公開番号第０７３４８４２号（以下、特許文献１と呼ぶ）には、粉末構築材料の粉末焼結積層造形法が述べられている。特許文献１には、粉末材料の第１層が下降可能なキャリアーに塗布され、オブジェクトに対応する部分（サイト）がレーザー照射を受け、構築材料が照射されたサイト（部分）で焼結される。続いて、キャリアーは下降し、第２層は第１層に付着し、選択的に焼結され、第１層に連結される。このような方式で進められ、オブジェクトは一層毎に生成される。
【０００４】
　選択的に硬化するためにレーザービームが使用される場合、生成されるオブジェクトの構造分解能が高ければ高いほど、硬化される層へのビーム焦点は小さくなる。しかし、小さなビーム焦点を使用した場合、層の面積が広くなるにしたがって、照射時間が長くなってしまう。この理由により、例えば、特許文献１は照射中に、生成されるオブジェクトの断面を、小さな焦点で照射される周縁領域と、大きな焦点で照射される内部領域に分割するよう提案している。結果として、周縁領域で選択された小さなビーム焦点は高い構造分解能を達成し、内部領域で選択された大きなビーム焦点は硬化工程を短縮することができる。
【０００５】
　特許文献１には、レーザーの外部に配置されたビーム光学機構を用いて、ビーム焦点の直径を変化させることが提案されている。しかしながら、焦点直径の変動範囲は光学系の配置で制限される。これは、放射レーザーの焦点機能（焦点能力）が使用される光学系のみならず、レーザービーム源によって決定される、いわゆるビームパラメータ積によって特徴づけられるビーム品質に依存しているからである。図３に示されるとおり、ビームパラメータ積は、ビームパラメータの積、即ち、ビームウェストに於ける半径ｗと光軸Ｏ（図３参照）に対するダイバージェンス角度Ｔの積として定義される。したがって、ビーム品質が良ければ良いほど、ビームウェストに於ける半径とダイバージェンス角度の積は小さくなる。最適なビーム品質は、いわゆるガウスの基本モードにて達成され、放射レーザーの波長によって決定される。
【特許文献１】欧州特許出願公開第０７３４８４２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
　したがって、本発明の目的は、三次元オブジェクトを一層毎に生成的に製造する方法及び装置を提供することであり、その方法及び装置において、ビーム特性は、生成されるオブジェクトの異なった領域で、それぞれ要求される照射に適合するよう調整することが出来る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　本目的は、請求項１に記載された装置及び請求項４に記載された方法によって達成される。
【０００８】
　本発明の更なる展開は従属した請求項に述べている。
【０００９】
　本発明の他の特性及び機能は、図面と関連し、実施形態の記述より明らかとなる。
【発明の効果】
【００１０】
　本発明によれば、オブジェクトに照射されるレーザービームのビームサイズを照射位置に応じて柔軟に変更し、これによって、領域に応じた速度で構築材料を焼結することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
　図１は本発明の第１の実施形態にしたがった装置を示す。図１に示すレーザー１は、レーザー活性手段（レーザー媒体）１ａ及び二つに鏡２より成る共振器（レゾネーター）を含んでいる。レーザー１より発したレーザービームは、硬化されることが必要な層７の領域に、ビーム偏向ユニット５によって方向付けられる。ビーム拡大ユニット４はレーザー１とビーム偏向ユニット５間のビーム経路に配置される。焦点合わせ、即ち、ビーム収束ユニット６は、ビーム偏向ユニット５と、硬化されることが必要な層７の平面の間のビーム経路に配置され、該焦点合わせユニット６は、硬化されることが必要な層７の平面上でビームの焦点を合わせるために、即ち、収束するために使用される。スイッチング装置８はレゾネーター中に挿入されたモードアパーチャ３の変更を可能にしている。
【００１２】
　小モードアパーチャは、レーザー中で抑制された高次ＴＥＭモードによって与えられる。この場合、最大限のビーム品質を与えるために、照射（放射）レーザーはガウスの基本モード内でのみ理想的に発振し、その中で光軸に垂直である断面に対する強度分布はガウス分布形状を取る。したがって、ビームパラメータ積は、波長に依存した放射レーザーの中で最低値を取る。波長が与えられた場合、レーザー関連手段によるレーザーの収束について物理的な最適状態が、これらの条件下で、達成される。このことは、焦点直径（収束直径）に関する影響は、下流に位置する光システムを適切に設計することによってのみ、作動距離とアパーチャ直径を変えることが可能である。
【００１３】
　逆に、大きなアパーチャ直径によるアパーチャモードを使用すると、より高次の放射レーザー横断モードの放射が可能となる。これらの状況の下、ビームのビームパラメータ積はより大きくなる。したがって、より大きな焦点直径は、同じ設計の光システムでのみ達成可能となる。
【００１４】
　上述の装置において、スイッチング装置８を用いてレーザー１のモードアパーチャを変えると、レーザービームの焦点合わせ機能を変更するのに使用出来る。これは、オブジェクトの断面に対応する各層毎の部分（サイト）にレーザーを照射することにより、三次元オブジェクトを生成的に、一層毎に製造する最適な方法を提供できる。この種の方法は、キャリアーに、或いは以前に付着した層に、構築材料の層を当てるステップと、レーザー照射を用いてこの層の領域を選択的に硬化させるステップを交互に行うことより成り立っている。部分（サイト）でレーザービームの直径を変えることにより、層に照射し、図２を使って示されるとおり照射時間と硬化する工程での構造的な精度の間における最適な妥協案を提示することが可能となる。
【００１５】
　図２は層の領域例２４を示し、該領域２４は硬化されることが必要であり、製造されるオブジェクトの一断面領域に対応している。硬化工程の間、領域２４は周縁或いは輪郭領域２５と、内部領域２６に区分されている。周縁領域２５の範囲では微小分解能を得ることが重要である。この為、この領域でレーザービームは出来るだけ小さく収束されることが好ましい。このように、周縁領域２５を硬化するには、レーザービームをこの領域に照射され、スイッチングユニットは小さなモードアパーチャ３を選ぶのに使用される。結果として、レーザーはガウス基本モードのみを発し、層に照射されるレーザービームは、小さな焦点直径Φ１を提供することとなる。収束ユニット６を更に何等変えることなく、単に小モードアパーチャ３を選択すれば、放射レーザーはより良く収束されるので、焦点直径は、より小さくなる。周縁領域が硬化されることに必要な構築材料に充分なエネルギーが、供給されることを確実にするために、レーザービームの通路送り速度を下げることが出来る。周縁領域は通常、全体領域の中で、内部領域よりもより小さな部分を占めているので、全体の工程時間を大きく増加されることは無い。
【００１６】
　周縁領域２５に比し、内部領域２６では分解能を微細にする必要性は低い。更に、内部領域２６の面積は通常、周縁領域２５よりも可也大きい。したがって、内部領域の硬化時間を出来る丈短くするために、周縁領域２５に対するよりも内部領域２６に対し、より大きなビーム焦点を選択する方が有利である。この目的のために、収束ユニット６にいかなる変更を加える必要なく、周縁領域２５への照射のために選択された際よりも、大きなアパーチャ直径を有するモードアパーチャ３が、スイッチングユニット８によって選択される。結果として、照射レーザーは、より高い次数モードを含み、周辺領域２５と同様には収束させることは出来ないが、照射されるレーザー全体のパワーは増加する。大きな領域への照射に於いて、全体的な照射時間を短縮することが望ましいので、より強力であって、より焦点合わせされないビームにて作業することが有利である。より大きなモードアパーチャ３が採用された場合、ビーム品質は低下する。しかし、“ハッチ”テクニックでたびたび照射される内部領域では、その重要度は低い。速い工程速度を与えるために、小さいモードアパーチャから大きいモードアパーチャへの、或いはその逆の切り替えは、迅速なスイッチング素子によって容易に実行できる。
【００１７】
　焦点合わせユニット６を用いることによって、モードアパーチャ３を用いて変えるビーム焦点合わせ（収束）をより簡単に行うことができる。結果として、ビーム焦点は、光学的に焦点を変える必要なく、モードアパーチャを変えることにより、簡単に変えることができる。収束ユニットは、以前に決められた最適のセッティング（焦点セッティング）に固定される。
【００１８】
　更に上述の方法は、層を硬化させることを、より速く進めることを可能にする。ビーム収束を収束ユニット６を用いてのみで行われる場合、結果として、より小さな焦点直径を有するビームは、より大きな焦点直径を有するビームに比較して、高いエネルギー密度を常時有することとなる。硬化工程で層の全ての部分（サイト）に均一なエネルギー量で付着させるためには、より小さな焦点直径を有するビームのエネルギー密度を減少させて、レーザーエネルギーを減らすか、或いは、より小さな焦点直径を有するビームをより大きな焦点直径を有するビームよりも、より速く移動しなくてはならない。しかし、領域の割合によって、対象物における関係は丁度逆になり、内部領域２６の面積が周縁領域２５の面積よりも大きいため、より大きな焦点直径を持つビームは、より小さな焦点直径を有するビームよりも更に速く移動しなくてはならない。
【００１９】
　一方、対照的に、照射レーザーは付加モードを含んでいるから、実際のレーザー中のモードアパーチャサイズの増大によって照射ビームのパワーは増大する。モードアパーチャを使用して、より大きな焦点直径を有するビームを速く移動させ、ビームを広げることはビームのエネルギー密度を低減させ、硬化時間を短縮させる対策となる。
【００２０】
　種々のモードアパーチャの選択によってモード構成要素を変えることにより、エネルギーの所定量を照射したり、所定位置に導くことができる。例えば、更に高い構成材料の密度を確立するために、或る空間領域を更に強く照射することが望ましいかもしれない。
【００２１】
　第２の実施形態においては、硬化工程の間に光学焦点合わせ機構６に追加変更が為されている。これは第１の実施形態に比し、ビームに適した焦点直径を選択する場合、より大きな選択度を提供している。
【００２２】
　更なる実施形態において、レーザー放射の拡大要素はビーム拡大装置４を用いて照射される間も又、変更することが可能である。これは、焦点直径を設定する場合、更なる自由度を提供する。
【００２３】
　２個以上の異なったモードアパーチャの使用が考えられることは明らかである。それゆえ、２個以上の違ったビーム直径から選択することが可能である。
【００２４】
　更に、場合によっては、直径或いは幾何学的形状の違ったモードアパーチャを採用することによって、照射中異なる、より高い次数モード構成を作り出すという利点があることもある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の形態にしたがった、装置の概略図である。
【図２】生成されるオブジェクトの模範的断面の概略図である。
【図３】ビームパラメータ積の概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
　１　　　　　レーザー
　１ａ　　　　レーザー活性手段
　２　　　　　鏡
　３　　　　　モードアパーチャ
　４　　　　　ビーム拡大ユニット
　５　　　　　ビーム変更ユニット
　６　　　　　焦点合わせ（収束）ユニット
　７　　　　　硬化が必要な層
　８　　　　　スイッチング装置（モード構成を変える装置）
　２４　　　　領域
　２５　　　　周縁領域
　２６　　　　内部領域
　２７　　　　収束ビーム
　Φ１　　　　小さな焦点直径
　Φ２　　　　大きな収束直径
　ｗ　　　　　半径
　Ｔ　　　　　ダイバージェンス角度
　Ｏ　　　　　光軸
【図１】
2004130793.tif 000003
【図２】
2004130793.tif 000004
【図３】
2004130793.tif 000005