(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線を用いて粉体を焼結するための機械であって、レーザ光線（Ｌ）を発生させるための装置を有していて、該レーザ光線（Ｌ）が移動する焼結箇所（Ｓ）において粉体（Ｐ）の表面に当たるようになっており、前記焼結箇所（Ｓ）の領域で移動する検出面（Ｅ）における粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置を有しており、レーザ光線（Ｌ）を制御するための装置を有していて、該装置が、粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置の信号に依存して、レーザ光線（Ｌ）の出力を制御する形式のものにおいて、
付加的に、温度検出時の位置に依存する誤差を補償するための装置を有しており、該装置が、誤差原因、すなわち、移動する検出面（Ｅ）の幾何学的要素の変化、レーザ光線と熱線の集束作用の強さが異なる時の色誤差、およびレーザ光線と熱線とを同軸的に調節する時の調節誤差、のうち少なくとも１つを、粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置に依存して考慮することを特徴とする、粉体を焼結するための機械。
【請求項２】
温度検出時の位置に依存する誤差を補償するための前記装置が、表を記録するための装置を有しており、該表には、粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置に依存する誤差原因、すなわち、移動する検出面（Ｅ）の幾何学的要素、色誤差、および調節誤差、のうちの少なくとも１つに関連した補正係数がファイルされている、請求項１記載の機械。
【請求項３】
温度検出時の位置に依存する誤差を補償のための前記装置が、粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置とは無関係に、移動する検出面（Ｅ）がほぼ一定に保たれることを保証するための装置を有している、請求項１または２記載の機械。
【請求項４】
移動する検出面（Ｅ）がほぼ一定に保たれることを保証するための装置が、移動する検出面（Ｅ）の動力学的な再集束のための装置として構成されている、請求項３記載の機械。
【請求項５】
移動する検出面（Ｅ）がほぼ一定に保たれることを保証するための装置が、Ｆ-シータ光学系として構成されている、請求項３記載の機械。
【請求項６】
粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置が、検出面（Ｅ）に渡って平均化された温度を検出するように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の機械。
【請求項７】
粉体（Ｐ）の温度を検出するための装置が、高温計である、請求項１から６までのいずれか１項記載の機械。
【請求項８】
レーザ光線を用いて粉体を焼結するための方法であって、次の段階、すなわち、
粉体（Ｐ）の表面上での移動する焼結箇所（Ｓ）へレーザ光線（Ｌ）を誘導する段階と、
焼結箇所（Ｓ）の領域における移動する検出面（Ｅ）での粉体（Ｐ）の温度を検出する段階と、
検出された粉体（Ｐ）の温度に依存してレーザ光線（Ｌ）の出力を制御する段階とを有する方法において、
温度検出時の位置に依存する誤差を、位置に依存する誤差原因、すなわち、移動する検出面（Ｅ）の幾何学的要素の変化、レーザ光線と熱線の集束が異なる時の色誤差、およびレーザ光線と熱線を同軸的に調節する時の調節誤差、のうち少なくとも１つが、粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置に依存して考慮されるように補償することを特徴とする、粉体を焼結するための方法。
【請求項９】
補正係数を、少なくとも１つの、位置に依存する誤差原因に対して、粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置に依存して、表から読み取り、考慮する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
粉体（Ｐ）の表面上の検出面（Ｅ）の位置とは無関係に、移動する検出面（Ｅ）の大きさをほぼ一定に保つ、請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
移動する検出面（Ｅ）の大きさを、動力学的再集束によって、ほぼ一定に保つ、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
移動する検出面（Ｅ）の大きさを、Ｆ-シータ光学系によって、ほぼ一定に保つ、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
検出面（Ｅ）に渡って平均化された温度が検出される、請求項８から１２までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光線を用いて粉体を焼結するための機械であって、レーザ光線を発生させるための装置を有していて、該レーザ光線が移動する焼結箇所において粉体の表面に当たるようになっており、前記焼結箇所の領域で移動する検出面における粉体の温度を検出するための装置を有しており、レーザ光線を制御するための装置を有していて、該装置が、粉体の温度を検出するための装置の信号に依存して、レーザ光線の出力を制御する形式のものに関する。また本発明は、レーザ光線を用いて粉体を焼結するための方法であって、次の段階、すなわち、粉体の表面上での移動する焼結箇所へレーザ光線を誘導する段階と、焼結箇所の領域における移動する検出面での粉体の温度を検出する段階と、検出された粉体の温度に依存してレーザ光線の出力を制御する段階とを有する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光線を用いて粉体の焼結を行う機械および方法は、欧州特許０７３１７４３号明細書により公知である。
【０００３】
生産技術、特に工業的なモデル構造においては、新規で迅速な製造方法の開発が常に促進されている。このような形式の迅速な製造方法の１つのグループは、ラピッド・プロトタイピング法（Rapid-Prototyping-Verfahren）と呼ばれる。この方法のグループに選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）が属している。
【０００４】
レーザ焼結は、粉体状の材料を、高温化によって少なくとも一部溶融し、それにより、粉体の各粒子が互いにくっつき合うようにする方法である。この高温化は、ＳＬＳの場合には、粉体へのレーザの照射によって達成される。
【０００５】
ＳＬＳによる部品の生産は、１層ずつ行われる。ほぼ一定の出力のレーザ光線を連続的に１つの粉体層上に誘導し、レーザ光線が当たったところで粉体粒子が結合される。焼結されるべきでない領域では、レーザはスイッチオフされる。１つの層のレーザ処理が終わると直ちに粉体層が下降され、この部分的に焼結された層の上に、新たな１層の粉体が塗布される。以上のような連続のプロセス段階が、新たな次の表面層に対しても繰り返し、部品全体が終了するまで行われる。
【０００６】
しかし、ほぼ一定のレーザ出力で行うＳＬＳは、不均一な材料特性を有する部品を生ぜしめる。粉体層領域の完全な融解が起こる場合には、溝が生じてしまう。また、粉体層領域が十分に溶けず、そのためすべての粒子がくっつき合わないこともある。このような不均一な焼結はプロセスを不正確にし、材料特性の悪化を招く。
【０００７】
この問題を解決するために、欧州特許第０７３１７４３号明細書では、製造中に部品の熱収支を均一にするために、焼結箇所の領域の移動する検出面における粉体の温度を検出し、レーザの出力を検出された温度に依存して制御することが提案されている。このために、焼結箇所から放射対称に放射される熱線を、レーザ光線を誘導する走査ミラーと同じ走査ミラーを介して誘導し、その後、二色ビームスプリッタによって分離し、レンズを用いて赤外線センサに集束させる。
【０００８】
欧州特許第０７３１７４３号明細書に記載されている解決手段によって、部品の品質は向上するが、それでもまだ、高品質が要求される使用に対しては許容できない不均一性が生じ、ひいては商業的使用が制限される。
【０００９】
米国特許５３９３４８２号明細書、およびこれに対応する米国特許５５０８４８９号明細書では、重なり合った２つのレーザ光線、すなわち集束した光線とデフォーカスした光線とによる、多数の温度検出面を用いた粉体の焼結方法および機械が示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、このような不均一性の発生をさらに減少させるのに適した、レーザ光線による、１つの温度検出面を用いた、粉体を焼結するための機械および方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明の装置の手段によれば、付加的に、温度検出時の位置に依存する誤差を補償するための装置を有しており、該装置が、誤差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学的要素の変化、レーザ光線と熱線の集束作用の強さが異なる時の色誤差、およびレーザ光線と熱線とを同軸的に調節する時の調節誤差、のうち少なくとも１つを、粉体の表面上の検出面の位置に依存して考慮するようにした。本発明による装置の有利な実施態様および変化実施例は、従属請求項に記載されている（請求項２〜７）。
【００１２】
この問題を解決した本発明の手段によれば、温度検出時の位置に依存する誤差を、位置に依存する誤差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学的要素の変化、レーザ光線と熱線の集束が異なる時の色誤差、およびレーザ光線と熱線を同軸的に調節する時の調節誤差、のうち少なくとも１つが粉体の表面上の検出面の位置に依存して考慮されるように補償するようにした。本発明による方法の有利な実施態様および変化実施例は、従属請求項に記載されている（請求項９〜１３）。
【００１３】
【発明の効果】
正確な温度検出のために重要であるのは、レーザスポットと熱線の検出面との面積比を同一に保つことである。
【００１４】
単一のレンズまたは１つの光学系を介してレーザ光線が集束される場合は、通常、構造面（Baufeld）の中央において最適となる。したがって、構造面の周辺領域に対しては、レーザスポットの拡大と歪み、およびこれによる焼結箇所の拡大と歪みが生じる。なぜならば、レーザ光線は集束部位の外側では広がるからであり、さらには構造面の表面に対して、傾斜角を成して当たるからである。したがって、構造面全域に渡る一定の焼結の質を保証するために、レーザ光線の広がり、およびそれによるレーザスポットと焼結箇所の幾何学的要素の変化が、レーザ光線の集束を調整する適当な光学系によって補償される。
【００１５】
同様の位置依存性は、移動する検出面から放射される赤外線の検出時にも現れ、これを考慮しないならば、温度検出での誤差が生じることになる。
【００１６】
レーザ光線および温度信号が、同一の光学系を介して誘導される場合には、焼結箇所と検出面の幾何学的要素の変化が、（２つの光線の相対的位置が変化しない限りにおいては、）ほぼ同じになっていた方がよい。
【００１７】
検出面の幾何学的要素の位置依存性は、次のように説明され、図１に示した例を明確にすることができる。
【００１８】
初期位置では、レーザ光線は焼結箇所Ｓ１において、粉体層表面に垂直に当たるものとする。検出面Ｅ１は同様に、垂直な方向から検出される。粉体層表面から放射される熱線は、欧州特許第０７３１７４３号明細書中で提案されているように、レーザ光線と同一の走査ミラーを介して誘導されてはいるが、レーザ光学系から分離され、別のレンズ系を介して集束されるようになっている。このレンズ系は、円形の観察窓を形成するように構成されているので、この初期位置における検出面は同様に円形をして現れる。焼結プロセスの間、レーザ光線は焼結箇所Ｓ２に誘導され、そこで、表面に対して所定の傾斜角で粉体層上に当たる。観察窓は従来通り円形をしているが、表面に対する傾きによって、この場合には楕円形をしている歪んだ検出面Ｅ２となる。構造面の中心から離れた位置で最適に合わせられている集束系と表面との距離がより大きくなっているために、Ｅ２はＥ１より明確に大きくなっている。
【００１９】
レーザ光線は線に沿って移動する。したがって、検出面の楕円の長軸に対するこのレーザ光線の走行線の配向が大変重要である。焼結線と楕円の長軸が重なり合う場合には、検出面Ｅにおける熱い焼結線Ｌの一部の長さは（同じ大きさの検出面の場合に）最大となり（Ｌ３：Ｅ３）、焼結線と楕円の長軸が互いに垂直になっている場合には最小となる（Ｌ４：Ｅ４）。レーザ光線および熱線が同一の光学系によって誘導される場合でも、レーザスポットの温度検出面に対する面積比、ひいては検出温度が変化する。温度検出面が、係数１から１．４１の間の値でレーザスポットより大きい場合には（つまり、レーザスポットの１〜１．４１倍である場合には）、Ｅ４の位置でより高い温度が表示される。この係数が１．４１を越える場合には、Ｅ３の位置でより高い温度が表示される。この係数が偶然１．４１ちょうどとなる場合には、表示される温度は位置に依存する。したがって、同じ大きさの２つの楕円の検出面において（Ｅ３およびＥ４）、レーザ出力が同じ場合に異なった温度が検出され得る。ゆえに、この例では、検出面の形状は放射対称に位置に依存するが、温度検出に関しては放射対称ではなく、レーザ光線の傾斜角にも構造面上の検出箇所の位置にも依存して、不均一である。
【００２０】
別の誤差原因は、色誤差である。一般的には、レーザ焼結の際に、１０．６μｍの波長を有するＣＯ２レーザが用いられる。温度検出のための熱放射は、１から１０μｍの波長を有する。温度検出時には、レーザ光線による妨害を除くために、適当なフィルタによって１０．６μｍの波長を取り除くことが試みられている。光学系の集束作用は、通常、波長が異なる場合には同じではない。温度検出面が、構造面の中心より縁部に向かって移動する場合には、傾斜角は次第に大きくなり、これにより、２つの光線のデフォーカスの相違も大きくなる。そのため、温度検出面に対するレーザスポットの面積比は、同様に位置に依存して変化する。
【００２１】
温度の測定ができるようになる前に、レーザ光線および熱線が同軸的に調節されるよう配慮しなければならない。実際には、注意深く調節した後でも、常に誤差が残る。この誤差は、傾斜角が大きくなる程大きくなる。これにより、もう１つの位置に依存する温度の測定誤差が生じる。
【００２２】
温度検出時の位置に依存する誤差、つまり、ａ）検出面の幾何学的要素（形状、大きさ、および検出面の長軸の配向）、ｂ）色誤差、ｃ）調節誤差、のうち少なくとも１つを補償するための装置は、欧州特許第０７３１７４３号明細書に基づく従来技術による温度決定に比べて、つまり上で述べたような考慮をしなかった場合に比べて、本質的により現実的な温度値を測定された温度値から決定することができる。それぞれの機械において共通に実現することは、構造的かつ経済的な理由から特に有利であり、温度検出する場合に非常に良好な結果をもたらす。このことは、レーザ出力の制御の本質的な改善、さらには部品の品質改善に結びつく。
【００２３】
本発明の機械の有利な実施形態では、移動する検出面の幾何学的要素を考慮するための装置が、表を記録するための装置を有しており、この表には、誤差原因、つまり、移動する検出面の幾何学的要素、色誤差、調節誤差、のうちの少なくとも１つに関連した補正係数が、粉体の表面上の検出面の位置に依存してファイルされる。
【００２４】
表を記録するのためのこのような装置を用いて、または直接このような表により、互いに近傍にある位置（これらの位置に対する補正係数が表中に記録されている）間を簡単に補間することによって、粉体表面上の検出面のすべての位置に対して、あらゆる補正係数が決定できる。これにより、後で行われる位置に依存する誤差への考慮が、著しく軽減される。この表の各値は、簡単に実験で算出することができる。このことは、特に、複雑な光学系を用いる場合に有利である。なぜならば、この場合、検出面の幾何学的パラメータを計算するのは労力がかかるからである。
【００２５】
本発明の機械の別の有利な実施形態では、補償のための装置は、粉体表面上の検出面の位置に依存しないで、移動する検出面の大きさをほぼ一定に保つことを保証するための装置を有している。
【００２６】
このようにして、検出面の大きさの位置依存性が考慮され、補償されるので、温度の誤差は、最初からすでに最小となる。
【００２７】
本発明の機械のこの有利な実施形態の特別な構成では、補償のための装置は、移動する検出面の動力学的再集束のための装置として、またはＦ-シータ光学系として実現されている。移動する検出面の動力学的再集束のための装置は、位置に依存する凹レンズを用いた方法によって、Ｆ-シータ光学系は、凹レンズおよび凸レンズの組み合わせによって、画像面の湾曲を補償する。
【００２８】
本発明の機械の別の有利な実施形態では、粉体温度の検出のための装置は、検出面に関して平均化された温度を検出するように構成されている。たいていの使用例に対して、温度の平均値はレーザ出力の制御のために十分の程度のものである。
【００２９】
本発明の機械の別の有利な実施形態では、粉体温度の検出のための装置は、高温計である。高温計は、比較的簡単で頑丈、かつ取り扱い易い温度検出の装置である。
【００３０】
本発明による方法の基本原理は、温度検出時の位置に依存する誤差を補償することである。この誤差とは、移動する検出面の幾何学的要素の変化、色誤差、調整誤差であり、粉体層の表面上で検出面の位置に依存して生じる。これによって、測定した温度から本質的に現実的な温度値を決定することができる。
【００３１】
本発明の方法の有利な実施形態では、表から補正係数を、粉体表面上の検出面の位置に依存する誤差原因、すなわち、移動する検出面の幾何学的要素、色誤差、および調節誤差のうち少なくとも１つに関連して読み取る。これがもたらす利点は、すでに記述した機械の説明のところで挙げた。
【００３２】
本発明の方法の別の有利な実施形態では、移動する検出面の大きさは、粉体の表面上の検出面の位置に依存しないで、ほぼ一定に保たれる。このようにして、検出面の大きさを位置に依存して考慮し、補償することによって、温度の誤差決定が最初からすでに最小になる。別の影響パラメータ（移動する検出面の形状および配向、色収差、並びに調節誤差）は、例えば表から読み取り、考慮し、同様に補償し、それによって最適な温度決定がなされる。
【００３３】
本発明の方法のこの有利な実施形態の特別な構成には、移動する検出面の大きさは、移動する検出面の動力学的な再集束によって、またはＦ-シータ光学系によって、ほぼ一定に保たれている。
【００３４】
本発明の方法の別の有利な実施形態では、検出面に関して平均化された温度が検出される。このようにして、レーザ出力の制御が十分正確に、しかも比較的簡単に達成される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて詳しく説明する。
【００３６】
従来技術による機械および方法によるＳＬＳでは、図１に示されているように検出面Ｅの幾何学的要素が変化する。
【００３７】
出口位置では、焼結箇所Ｓ１におけるレーザ光線は垂直に粉体層の表面に当たる。検出面Ｅ１は、同一の光学系によって、およびひいては同様に垂直な方向から検出される。
【００３８】
前述の焼結箇所の大きさの位置依存性および検出面の大きさは、画像面の湾曲を調整するＦ-シータ光学系によって補償され、これにより、粉体層表面上の検出面の位置に依存することなしに、検出面Ｅがほぼ一定の大きさであることが保証される。別の影響パラメータ（移動する検出面の形状および配向、色収差、並びに調節誤差）は、表より読み取られ、計算による補償によって、最適な温度決定をもたらすように考慮される。影響パラメータおよび影響パラメータの補正係数は、予め経験的に、および/または理論的に決定される。
【００３９】
焼結プロセスの間、レーザ光線は焼結箇所Ｓ２に誘導され、そこで表面に対して所定の傾斜角で粉体層に当たる。温度検出のための観察窓は従来通り円形であるが、表面に対する傾斜によって、楕円形をした歪んだ検出面Ｅ２′が生じる。しかし、検出面Ｅ２′の増大は、Ｆ-シータ光学系によって補償され、これにより、各表面の焼結に関わる領域の温度決定における誤差が最小限に抑えられる。図１では、未補正の検出面Ｅ（外側の楕円）および補正された検出面Ｅ′（内側の楕円）がそれぞれ示されている。
【００４０】
検出面Ｅがほぼ一定の大きさを有することによって、検出面Ｅに関する平均温度値の検出は、高品質で、かつ効果的なレーザ出力の制御を保証するには全く十分である。
【００４１】
したがって、温度の検出は高温計を用いて行われる。検出された温度に依存して、レーザパルス幅を変調させることによってレーザ出力が制御される。レーザ光線および検出面の集束は、この例では、同一の光学系を介して行われる。
【００４２】
本発明の機械および本発明の方法は、以上述べた実施例では、例えば欧州特許０７３１７４３号明細書に記載されているような通常のＳＬＳの場合に、レーザ制御の最適化に特に適しているということが明らかである。
【００４３】
本発明は、前記の実施例に限定されるだけでなく、別の実施例に転用することもできる。
【００４４】
例えば、欧州特許０７３１７４３号明細書で提案されているように、温度検出を、レーザの光学系からの温度検出を部分的に、または完全に分離して、別個の光学系に誘導することが考えられる。これは、通常使用されるレーザ光学系の反射防止コーティングによって、温度信号の減衰が大きくなりすぎる場合に有利である。さらに、２つの光学系を互いに独立させて、それにより、それぞれの要求に対してより有効に最適な状態を得ることができる。しかし、この構成において重要なことは、欧州特許０７３１７４３号明細書に記載の構成とは異なり、例えば固有のＦ-シータ光学系または固有の動力学的な再集束のための装置との組み合わせによって、検出面Ｅの位置依存性が考慮されているということである。
【００４５】
さらに、特別な高温計、いわゆる比率高温計（Quotientenpyrometer）は有利である。比率高温計は２つの波長を測定し、したがって、２つの波長を適当に選択した場合には、熱い焼結線と検出面のその他の部分とを区別することができる。このようにして、幾何学的パラメータをさらに考慮し、ひいては温度検出の誤差原因をさらに減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉体表面の位置に依存する検出面Ｅの幾何学的要素の変化を示した概略図である。
【符号の説明】
Ｓ  焼結箇所、  Ｅ  検出面、  Ｌ  焼結線
【図１】
0004741092.tif 000002