(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元体の順次の連続する横断面にそれぞれ融合すべき順次の部分が存在している粉末床の選択された区域で前記横断面を順次に融合することによって、三次元体を製造する方法であって、
粉末層を作業テーブルに加える工程と、
前記粉末層のために決定されている操作計画に従って、前記粉末層内の選択された区域に放射銃からエネルギーを供給する工程と、
三次元体の横断面を形成するため、前記操作計画に従って選択された粉末層の前記区域を融合する工程と
から成り、順次に連続して加えられる粉末層から、順次に連続して形成される横断面における部分と、これに隣接する横断面における部分との融合を順次に行って三次元体を形成することにより、三次元体を製造する、該方法において、
内部区域Ｉと端縁Ｒとを具える前記選択された区域を、複数個の一層小さい一部区域であって、各一部区域が、やはりそれぞれ内部区域Ｉと端縁Ｒとを具え、周縁における一部区域は、前記選択された区域の端縁Ｒの対応する一部を有するものとした、該一部区域に分割し、前記選択された区域内で乱数的に優先順位を決定された前記一部区域順に、前記一部区域に対して放射銃からエネルギーを供給することを特徴とする三次元体の製造方法。
【請求項２】
１組の隣接する一部区域の前記内部区域Ｉを第１処理工程で融合し、その後、次の第２処理工程において、前記隣接する前記一部区域に属する端縁Ｒを融合し、前記一部区域を連結することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
乱数発生器を利用して、前記複数個の一層小さい一部区域を処理する優先順位を決定するように、前記操作計画を配置することを特徴とする請求項１、又は２に記載の方法。
【請求項４】
多数の連続する粉末層のための第１処理工程において、前記端縁を融合し、その後、前記連続する粉末層のための共通する第２処理工程において、前記連続する粉末層の前記内部区域を融合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
主移動方向と、この主移動方向に直角な方向の成分を有し、前記主移動方向に加えられる干渉項とから成る前記放射銃のビームの焦点のための移動パターンの間に、前記内部区域を融合することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記放射銃のビームの主に直線移動の間に、前記端縁を融合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
各粉末層内の少なくとも１個の一部区域についてエネルギーバランスを計算し、前記一部区域の周囲から、この一部区域内に放射されるエネルギーが前記一部区域の画定された操作温度を維持するのに充分であるか否かを前記計算において、決定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記エネルギーバランスの計算の結果が前記一部区域の意図した操作温度を維持するために充分なエネルギーが無いと言うことであれば、前記一部区域を融合するための前記エネルギーに加えて、前記一部区域を加熱するためのエネルギーを供給し、前記一部区域の画定された操作温度を次に達成することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記一部区域に供給されるエネルギーをEｉｎ(i)とし、前記一部区域からの散逸、及び放射によるエネルギー損失をEｏｕｔ(i) とし、前記一部区域に蓄えられたえネルギーをEｈｅａｔ(i)として、各粉末層のエネルギーバランスをEｉｎ(i)＝Eｏｕｔ(i)＋Eｈｅａｔ(i) によって計算することを特徴とする請求項７、又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記一部区域のそれぞれについてエネルギーバランスを計算することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
三次元製品をその上に構築する作業テーブルと、粉末床を形成するため、前記作業テーブル上に、粉末の薄い層を分散させるように配置された粉末分配器と、前記粉末の融合が次に行われるように、前記粉末にエネルギーを送給する放射銃と、三次元体の順次の連続する横断面にそれぞれ融合すべき順次の部分が存在している前記粉末床の選択された区域で順次に融合させることによって、前記三次元製品の横断面を形成するよう、前記粉末床上に前記放射銃によって放出されたビームを案内する案内手段と、三次元製品を構築する三次元製品の連続する横断面についての情報を記憶する制御コンピュータとを具え、前記三次元体の横断面を形成する操作計画に従って、前記粉末床上に前記放射銃を案内する前記案内手段を制御するように、前記制御コンピュータを構成し、前記粉末分配器によって、順次連続的に形成された横断面の順次に連続する融合によって形成される三次元製品を製造する装置において、内部区域Ｉと端縁Ｒとを具える前記選択された区域を、複数個の一層小さい一部区域であって、各一部区域が、やはりそれぞれ内部区域Ｉと端縁Ｒとを具え、周縁における一部区域は、前記選択された区域の端縁Ｒの対応する一部を有するものとした、該一部区域に分割し、前記選択された区域内で乱数的に優先順位を決定された前記一部区域順に、前記一部区域に対して放射銃からエネルギーを供給するように前記制御コンピュータを構成したことを特徴とする三次元製品の製造装置。
【請求項１２】
１組の隣接する一部区域の前記内部区域Ｉを第１処理工程で融合し、その後、次の第２処理工程において、前記端縁Ｒを融合し、前記一部区域を連結するよう、前記放射銃を配置したことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
乱数発生器を利用して、前記複数個の一層小さい一部区域を処理する優先順位を決定するように、前記操作計画を配置したことを特徴とする請求項１１、又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
多数の連続する粉末層のための第１処理工程において、前記端縁を融合し、その後、前記連続する粉末層のための共通する第２処理工程において、前記連続する粉末層の前記内部区域を融合することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
主移動方向と、この主移動方向に直角な方向の成分を有し、前記主移動方向に加えられる干渉項とから成る移動パターンを使用して、前記内部区域内で、前記放射銃のビームの焦点を案内するように前記操作計画を配置することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記制御コンピュータによって決定された操作計画に従って、前記放射銃のビームの主に直線移動の間に、前記端縁を融合するように、前記放射銃を配置したことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
各粉末層内の少なくとも１個の一部区域についてのエネルギーバランスを計算するように前記制御コンピュータをも配置し、前記一部区域の周りから前記一部区域内に放射されるエネルギーが前記一部区域の画定された操作温度を維持するのに充分であるか否かを前記計算において、決定することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記エネルギーバランスの計算の結果、前記一部区域の意図した操作温度を維持するための充分なエネルギーを前記操作計画が提供するものでないならば、粉末層を融合するための前記エネルギーに加えて、前記粉末層を加熱するエネルギーを供給するため、前記操作計画を制御するように前記制御コンピュータを配置し、前記一部区域の画定された操作温度を次に維持することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記一部区域に供給されるエネルギーをEｉｎ(i)とし、前記一部区域からの散逸、及び放射によるエネルギー損失をEｏｕｔ(i) とし、前記一部区域に蓄えられたえネルギーをEｈｅａｔ(i)として、各粉末層のエネルギーバランスをEｉｎ(i)＝Eｏｕｔ(i)＋Eｈｅａｔ(i) によって計算するように、前記制御コンピュータを配置することを特徴とする請求項１７、又は１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記一部区域のおのおののためのエネルギーバランスを計算するよう、前記制御コンピュータを配置したことを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記粉末床内にある表面層の温度分布を検知する手段を前記製造装置が更に具えることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は作業テーブルに加えられた粉末層の選択された部分、部分を連続して融合することによって、三次元製品を製造する三次元製品の製造装置、及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
作業テーブルに加えられた粉末層の選択された部分、部分を連続して融合することによって、三次元製品を製造する装置は例えば、米国特許第4863538 号から、以前から知られている。この既知の装置は三次元製品をその上で構築すべき作業テーブルと、粉末床を形成するため、作業テーブル上に粉末の薄い層を分散させるように配置された粉末分配器と、粉末の融合を生ずるよう粉末にエネルギーを送給する放射銃と、前記粉末床の部分、部分を融合によって、前記三次元製品の横断面を形成するため、放射銃によって放出されたビームを前記粉末床上に案内する手段と、三次元製品の連続する横断面についての情報を記憶する制御コンピュータとを具える。加えられた連続する粉末層の選択された部分、部分を融合することによって、三次元製品は構築される。所定のパターンを再現する操作計画に従って、粉末床上に、放射銃によって発生したビームを偏向させるための偏向手段を制御するように、制御コンピュータは意図されている。操作計画によって、粉末層の希望する区域を融合させた時、三次元製品の横断面が形成されている。粉末分配器によって、連続的に加えられた粉末層から、連続して形成される横断面の連続する融合によって、三次元製品が形成される。
【０００３】
製作工程中、生産されている三次元体の表面構造、及び表面温度を測定できるようにした三次元製品を製造する装置がスウェーデン特許ＳＥ 0001557-8号から既知である。その明細書に記載された装置を使用することによって、意図した形状に対して、製造された三次元体を一層合致させることを可能にしている。しかし、三次元製品の製作の工程では、製作された製品の表面応力のため形状が意図した形状から逸脱し、製品内の内部応力がクラックを形成する原因になることがわかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は三次元体によって生ずる表面応力、及び形状偏差の発生、及び最終製品における内部応力の発生を減少させることが可能な三次元体の製造方法を得るにある。
【０００５】
また本発明の他の目的は三次元体によって生ずる表面応力、及び形状偏差の発生、及び最終製品における内部応力の発生を減少させることが可能な三次元体の製造装置を得るにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の最初の目的は特許請求の範囲の請求項１の特徴とするの部分の構成によって達成することができる。この三次元体の製造方法において、三次元体の横断面に相当する粉末床の選択された区域を、内部区域と端縁とから成る複数個の一層小さな一部区域に分割することにより、製造される三次元体の頂部層の操作温度が許容温度範囲内に確実に維持されるよう、エネルギー供給が有利に行われる操作計画を得ることができる。操作温度を狭い温度範囲内に維持し得ると言うことは製造された製品の表面応力を減少させ得ることを意味する。表面応力は形状の偏差を引き起し、また製品の内部応力はクラックを形成する原因になる。
【０００７】
上記の本発明の他の目的は特許請求の範囲の請求項１１の特徴とするの部分の構成によって、達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
内部区域は内部区域を包囲している端縁の処理とは別個の処理工程において、処理するのが好適である。別個の処理工程とは内部区域の前、又は後に、端縁を仕上げることを意味する。
【０００９】
本発明の第１の好適な実施例によれば、第１処理工程において、１組の隣接する一部区域の内部区域を融合し、次に、第２の次の工程において、前記一部区域を連結する端縁を融合することにより、選択された区域の全表面に沿って、直線掃過パターンを使用して選択された区域を融合する場合よりも、内部応力の程度が低い三次元体を得ることができる。これは、堅固な物体に形成された２個の隣接する区域が共通境界線を形成している材料を融合することによって、これ等の２個の隣接する区域が互いに結合するまで、自由に移動できることに起因している。このようにして、相互の結合は応力が無い状態で生ずる。
【００１０】
第２の実施例によれば、選択された横断面を構成する一層小さな一部区域を処理する優先順序は乱数発生器を利用して決定される。このプロセスによって、密接して相互に連続する隣接する区域の融合の組織的な計画が行われる場合とは異なり、処理すべき全表面の加熱が比較的均一に行われる。選択された区域が非常に多数の、好ましくは１００又は１０００より多い多数の一層小さな一部区域に分割されていれば、この方法は特に有利である。丁度、加熱された区域に隣接する区域が次の区域として取り上げられる確率が低い場合、このランダムプロセスは理にかなった選択を行うことができる。この方法に使用するヒートカメラは含まれる全ての区域の温度を測定し、次に各一層小さい区域の温度に応じて、確率を調整するように配置することができる。もしも、Ｎ個の区域を使用し、粉末床の温度が、影響のない粉末床温度に相当する温度Ｔo から、丁度、融合した区域の温度に相当する温度ＴS まで変化すれば、選択される区域の確率はＰ（ｉ）＝ＴS −Ｔi /Σ(ＴS−Ｔn）に調整されるのが好適である。このようにして、丁度、融合した区域には、再び加熱される確率０が与えられる。全ての低温区域に対する確率は等しく、一方、処理のため、次の区域として選択されている区域の確率は融解する温度、即ち融合する温度に関係する温度に直線的に依存している。
【００１１】
三次元体の内部の部分に対する均質性の要求が低い場合に、有利に使用される第３の実施例によれば、多数の順次の粉末層のための第１処理工程において、代わりに、端縁を融合させることができ、その後、前記順次の粉末層のための共通第２処理工程で、前記順次の粉末層の内部区域を融合する。この手順により、平滑な外面と、内部端縁に相当する内部融壁が高度に堅固な本体が得られる。中間内部区域は融合度が低く、或る多孔性を得ることができる。この場合の製品はあまり均質でないが、利点もあり、即ち、内部多孔性の構造での移動の可能性により、内部応力を減少させるので、内部応力の発生の危険を減少させる。
【００１２】
本発明の第４の実施例によれば、主移動方向と、この主移動方向に直角方向の成分を有し、前記主移動方向に加えられる干渉項とを有する放射銃のビームの焦点のための移動パターンの間に、内部区域を融合する。干渉項は主移動方向からゼロドリフトに相当する時間平均値を有する。主移動方向は処理材料の融解帯域の伝播速度に対応するのが好適な伝播速度を有する。主移動方向は例えば、直線、湾曲、円形のようないかなる湾曲形状でもよい。主移動方向の外観は生成すべき物体の形状に適合したものである。しかし、干渉項は物体の形状に適合しておらず、焦点の周りの区域に一層好適な局部的な熱分布を生ずるように設計される。従って、ビームの移動パターンは放射銃のエネルギーを一層均一な強さで、粉末層に供給することができ、過熱の危険を減少させる。このことは、また形状の偏差の発生の危険を減少させ、最終製品の応力を減少させる。好適な実施例によれば、端縁の形状に従動している放射銃のビームの主に直線運動の間に、端縁を融合する。端縁の形状に従動する移動の間に、端縁を融合することによって、でき上がった物体の側面を確実に平滑にする。
【００１３】
本発明の好適な実施例によれば、各粉末層に対して、エネルギーバランスを計算し、操作計画に従って選択された粉末層の区域を融合するため、粉末層のために決定された操作計画に従って、放射銃からエネルギーの供給を行った時、粉末層内に送られるエネルギーが次の層の画定された操作温度を維持するのに十分であるか否かをこの計算において決定し、画定された温度を維持することができる情報が得られる。全ての層の生産中に、画定された操作温度を維持することによって、即ち、表面温度を所定の画定された温度範囲内に維持することによって、三次元体の冷却が余りにも大きい時に生ずる表面応力の発生を減少させることができる。これにより、最終製品の形状が所定の形状からずれることが少なくなり、また最終製品内の内部応力の発生も少なくなる。
【００１４】
本発明の第１の好適な実施例によれば、第１処理工程において、１組の隣接する一部区域の内部区域を融合し、次に、第２の次の工程において、前記一部区域を連結する端縁を融合するように、放射銃を配置し、選択された区域の全表面に沿って、直線掃過パターンを使用して選択された区域を融合する場合よりも、内部応力の程度が低い三次元体を得ることができる。これは、堅固な物体に形成された２個の隣接する区域が共通境界線を形成している材料を融合することによって、これ等の２個の隣接する区域が互いに結合するまで、自由に移動できることに起因している。このようにして、相互の結合は応力が無い状態で生ずる。
【００１５】
本発明の第２の実施例によれば、選択された横断面を構成している一層小さな一部区域を処理するための優先順位を決定するよう乱数発生器を配置する。このプロセスによって、密接して相互に連続する隣接する区域の融合の組織的な計画が行われる場合とは異なり、処理すべき全表面の加熱が比較的均一に行われる。選択された区域が非常に多数の、好ましくは１００又は１０００より多い多数の一層小さな一部区域に分割されていれば、この方法は特に有利である。丁度、加熱された区域に隣接する区域が次の区域として取り上げられる確率が低い場合、このランダムプロセスは理にかなった選択を行うことができる。この方法に使用するヒートカメラは含まれる全ての区域の温度を測定し、次に各一層小さい区域の温度に応じて、確率を調整するように配置することができる。もしも、Ｎ個の区域を使用し、粉末床の温度が、影響のない粉末床温度に相当する温度Ｔo から、丁度、融合した区域の温度に相当する温度ＴS まで変化すれば、選択される区域の確率はＰ（ｉ）＝ＴS −Ｔi /Σ(ＴS−Ｔn）に調整されるのが好適である。このようにして、丁度、融合した区域には、再び加熱される確率０が与えられる。全ての低温区域に対する確率は等しく、一方、処理のため、次の区域として選択されている区域の確率は融解する温度、即ち融合する温度に関係する温度に直線的に依存している。
【００１６】
三次元体の内部の部分に対する均質性の要求が低い場合に、有利に使用される第３の実施例によれば、多数の順次の粉末層のための第１処理工程において、端縁を融合させることができ、その後、前記順次の粉末層のための共通の第２処理工程で、前記順次の粉末層の内部区域を融合するように、放射銃を配置する。この手順により、平滑な外面と、内部端縁に相当する内部融壁が高度に堅固な本体が得られる。中間内部区域は融合度が低く、或る多孔性を得ることができる。この場合の製品はあまり均質でないが、利点もあり、即ち、内部多孔性の構造での移動の可能性により、内部応力を減少させるので、内部応力の発生の危険を減少させる。
【００１７】
本発明の第４の実施例によれば、主移動方向と、この主移動方向に直角方向の成分を有し、前記主移動方向に加えられる干渉項とを有する放射銃のビームの焦点のための移動パターンが得られるように、操作計画を配置する。干渉項は主移動方向からゼロドリフトに相当する時間平均値を有する。主移動方向は処理材料の融解帯域の伝播速度に対応するのが好適な伝播速度を有する。主移動方向は例えば、直線、湾曲、円形のようないかなる湾曲形状でもよい。主移動方向の外観は生成すべき物体の形状に適合したものである。しかし、干渉項は物体の形状に適合しておらず、焦点の周りの区域に一層好適な局部的な熱分布を生ずるように設計される。従って、ビームの移動パターンは放射銃のエネルギーを一層均一な強さで、粉末層に供給することができ、過熱の危険を減少させる。このことは、また形状の偏差の発生の危険を減少させ、最終製品の応力を減少させる。好適な実施例によれば、端縁の形状に従動している放射銃のビームの主に直線運動の間に、端縁を融合する。端縁の形状に従動する移動の間に、端縁を融合することによって、でき上がった物体の側面を確実に平滑にする。
【００１８】
本発明の好適な実施例では、この装置に含まれる制御コンピュータは各粉末層についてのエネルギーバランスを計算するように配置される。前記操作計画に従って選択された粉末層の区域を融合するよう、粉末層のために決定された操作計画に従って、放射銃からのエネルギーの前記供給が行われた時、粉末層内に送られたエネルギーが次の層の画定された操作温度を維持するのに十分であるかを、この計算において、決定する。画定された温度を維持するのを可能にする情報はこのバランス計算を通じて得られる。画定された操作温度を維持することによって、即ち、全ての層の生産中に、表面温度を所定の画定温度範囲内に維持することによって、三次元体の冷却が余りにも大きい時に生ずる表面応力の発生を確実に減らす。このことは次に、形状の偏差の発生が少ない最終製品となり、内部応力の発生が少ない最終製品が得られる。
【００１９】
添付図面に示す形態に関連して以下に、本発明を一層詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】
図１は三次元製品を生産する装置を符号１によって一般に示す。この装置は三次元製品３をその上で組み立てる作業テーブル２と、１個、又はそれ以上の個数の粉末分配器４と、粉末床５を形成するため、作業テーブル２上に粉末の薄い層を分散させるように配置された手段２８と、粉末床にエネルギーを送給し、次に粉末床の部分、部分を溶解させ、融合させる放射ガン６と、前記粉末を融合させることによって、前記三次元製品の横断面を形成するため、放射銃６によって放出されたビームを前記作業テーブル上に、案内する案内手段７と、三次元製品を構成しているが、三次元製品の順次の横断面に関する情報を記憶する制御コンピュータ８とを具える。図示の好適な実施例によれば、一作業サイクルでは、各粉末層を加えた後、放射銃に対し、作業テーブルを徐々に下降させる。この運動を可能にするため、本発明の好適な実施例では、作業テーブルを垂直方向に、即ち、矢印Ｐによって示す方向に移動できるように配置する。このことは必要な厚さの第１の粉末層を加えた出発位置２′において、作業テーブルが始動することを意味する。層の下にある作業テーブルを損傷しないようにするためと、この層に十分な品質を与えるため、加える他の層より、この層を一層厚くし、この第１層を通ずる溶解を避けるようにする。三次元製品の新たな横断面を形成するため、新たな粉末層を分散させることに関連して、次に作業テーブルを下降させる。本発明の一実施例では、この目的のため、歯１１を設けた少なくとも１個のボールねじ１０を具えるスタンド９によって、作業テーブルを支持する。歯車１３を設けたステップモータ、又はサーボモータ１２が作業テーブル２を希望する垂直位置に設定する。作業テーブルの作業高さを設定するため、専門家が知っている他の構成も使用することができる。例えば、ラックの代わりに、調整ねじを使用することもできる。本発明の代案の実施例によれば、上記の実施例におけるように、作業テーブルを下降させる代わりに、この装置内に含まれる粉末分散手段を徐々に上昇させることができる。
【００２１】
材料の補給のため、前記粉末分配器に相互に作用するように手段２８を配置する。更に、サーボモータ（図示せず）による既知の方法で、作業表面上に手段２８を駆動して掃過させる。このサーボモータは粉末床に沿って延びる案内レール２９に沿って、手段２８を動かす。
【００２２】
新たな粉末層を加える時、前の層に対して、どれだけ作業テーブルを下降させたかによって、粉末層の厚さが決定される。このことは、層の厚さは必要に応じて、変化させることができることを意味する。従って、隣接する層間で、横断面が形状に大きな変化を有する時、一層薄い層を作ることが可能であり、一層微細な表面を達成することができ、更に、横断面が形状に殆ど変化が無いか、全く変化がない時、ビームの最大貫入厚さを有する層を作ることができる。
【００２３】
本発明の好適な実施例では、放射銃６は電子銃から成り、放射銃のビームを案内する手段７は偏向コイル７″から成る。この偏向コイル７″は磁界を発生し、この磁界は電子銃によって発生したビームを案内し、溶解させることを希望する位置における粉末床の表面層を溶解させることができる。また、放射銃は高圧回路２０を具え、この高圧回路２０は放射銃内に配置されたエミッタ電極２１のための加速電圧を既知のように、放射銃に供給するように意図している。既知のように、エミッタ電極を電流源２２に接続し、この電流源を使用して、エミッタ電極２１を加熱し、次に電子を放出する。放射銃の機能、及び組立てはこの分野の専門家には良く知られている。
【００２４】
溶解させる各層のために、レイアウトされた操作計画に従って、偏向コイルを制御コンピュータ８によって制御し、希望する操作計画に従って、ビームを案内することができる。操作計画の本発明による状態の詳細は図２〜図９の説明に関連して、以下に説明する。
【００２５】
また、作業テーブル上の粉末床の表面にビームを焦点合わせするように、少なくとも１個の集束コイル７′を設ける。専門家には良く知られている多数の種々の配置の代案があるが、偏向コイル７″と、集束コイル７′とを配置することができる。
【００２６】
この構成をケーシング１５内に収容し、このケーシングによって放射銃６と粉末床２とを収容する。ケーシング１５は粉末床を包囲する第１室２３と、放射銃６を包囲する第２室２４とを具える。第１室２３と、第２室２４とは通路２５を通じて、相互に連通しており、この通路２５は第２室内の高圧磁界内で、加速された放出電子を第１室内に進行させ、次に作業テーブル２上の粉末床に衝突させる。
【００２７】
好適な実施例では、第１室を真空ポンプ２６に連結し、この真空ポンプ２６は第１室２３内の圧力を好適には、ほぼ１０-3〜１０-5ミリバールの圧力に減圧する。第２室２４を好適には真空ポンプ２７に連結し、この真空ポンプ２７は第２室２４内の圧力をほぼ１０-4〜１０-6ミリバールの圧力に減圧する。代案の実施例では、第１室、及び第２室の両方を同一の真空ポンプに連結することができる。
【００２８】
更に、放射銃の出力を規制するため、制御コンピュータ８を放射銃６に接続するのが好適であり、更に、粉末層を引き続いて加える間に、作業テーブル２の垂直位置を調整するため、制御コンピュータ８をステップモータ１２に接続し、これにより粉末層の個々の厚さを変化させることができる。
【００２９】
作業面に粉末を分散させる前記手段２８にも、制御コンピュータを接続する。作業表面上を掃過して、粉末の層を分散させるように、この手段２８を配置する。制御コンピュータ８によって、制御されるサーボモータ（図示せず）によって、手段２８を駆動する。制御コンピュータは粉末に沿う掃過を制御し、必要に応じて、粉末の補給を確実にする。この理由のため、手段２８内に負荷センサを配置し、空になっているか、又は、粉末層に突き刺さっているかの手段２８に関する情報を制御コンピュータが得ることができる。
【００３０】
本発明の好適な実施例によれば、また、各粉末層内の処理すべき、選択された区域について、エネルギーバランスを計算するように、制御コンピュータ８を配置し、この選択された区域の周りから、この選択された区域内に、放射されるエネルギーがこの選択された区域の画定された作動温度を維持するのに十分であるか否かを、この計算において、決定する。
【００３１】
図２は融合すべき区域３５を線図的に示す。この区域は端縁Ｒによって区切られた内部区域Ｉを具えている。本発明によれば、それぞれ端縁Ｒを有する１個、又はそれ以上の個数の内部区域Ｉに、融合すべき区域、即ち選択された区域を分割するように、操作計画を設計する。内部区域はこの内部区域を包囲する端縁の処理とは別個の処理工程において、処理するのが好適である。別個の処理工程とは内部区域の前か、後に端縁を仕上げることを意味する。
【００３２】
図３は融合すべき区域３５を線図的に示す。この区域はそれぞれ内部区域と端縁とを有する多数の一部区域８０〜９１に分割される。本発明の第１の好適な実施例によれば、第１処理工程において、１組の隣接する一部区域の内部区域Ｉを融合し、その後、次の第２の処理工程において、前記端縁Ｒを融合し、前記一部区域を連結する。この手順によって、冷却後の三次元体内の曲げ応力の発生を減少させる。
【００３３】
図４は第１操作計画１′を使用して、実施された内部区域８６の融合から成る第１処理工程において、どのように多数の隣接する内部区域が処理されるかの例を線図的に示す。示された操作計画１′は以下の説明によれば、一部重複する螺旋運動を具える。次に第２操作計画２′によって、内部区域８１を融合する。内部区域８０も第３操作計画３′によって、融合する。最後に、第４操作計画４′によって、内部区域８８を融合する。このようにして、第１処理工程において、１組の隣接する一部区域を融合し終わっている。次に、隣接する一部区域８０、８１、８６、８８を包囲している端縁を融合する。この融合は外部端縁を融合する第５操作計画５′と、一部区域を相互に区切る内部端縁を融合する第６操作計画６′とに従って行われる。
【００３４】
第２の好適な実施例によれば、乱数発生器を利用して、前記複数個の一層小さい一部区域を処理する優先順位を決定するように、操作計画を配置する。この目的のため、制御コンピュータ８は乱数発生器Ｓを具えている。この方法は選択された区域を非常に多くの、好適には１００、又は１０００の一層小さい一部区域に分割すれば特に有利である。このような分割の例を図５に示し、選択された区域３５を方形パターンに、非常に多くの内部区域に分割している。乱数優先順序はどのようにして一連の区域１″〜６″を連続して処理するかを示す。
【００３５】
好適な実施例によれば、丁度、加熱された区域に隣接する区域が次の区域として取り上げられる確率が低い場合、このランダムプロセスは理にかなった選択を行うことができる。この方法に使用するヒートカメラは含まれる全ての区域の温度を測定し、次に各一層小さい区域の温度に応じて、確率を調整するように配置することができる。もしも、Ｎ個の区域を使用し、粉末床の温度が、影響のない粉末床温度に相当する温度Ｔo から、丁度、融合した区域の温度に相当する温度ＴS まで変化すれば、選択される区域の確率はＰ（ｉ）＝ＴS −Ｔi /Σ(ＴS−Ｔn）に調整されるのが好適である。このようにして、丁度、融合した区域には、再び加熱される確率０が与えられる。全ての低温区域に対する確率は等しく、一方、処理のため、次の区域として選択されている区域の確率は融解する温度、即ち融合する温度に関係する温度に直線的に依存している。ヒートカメラを使用する代わりに、確率を論理的に制御することができ、点の選択に関しては、丁度選択された点からの距離によって確率を増大することができる。熱伝導の式からの情報に基づいて、この確率の計算は好適に準備される。非常に多くの一部区域を融合する時は、確率を調整するための計算は複雑になる。この理由のため、上述したヒートカメラを使用するのが有利である。
【００３６】
代案の実施例では、第１処理工程で、端縁を融合し、次の処理工程で、内部区域を融合することができる。このことは、非常に薄い粉末層が分散している時、適切な場合には、多数の内部支持隔壁によって、堅固な側面を生じ、有利である。このようにして、次の処理工程において、内部区域を融合することができ、この場合、数個の層にわたり、放射銃の共通の掃過において、数個の粉末層を融合する。これにより、内部区域を軽く焼結するが、このことは或る製品については有利である。本発明のこの第３の実施例によれば、多数の連続する粉末層に対して、第１処理工程において端縁を融合し、その後、前記の連続する粉末層について共通の第２処理工程において、前記連続する粉末層の内部区域を融合する。これを図６、及び図７に線図的に示す。
【００３７】
図６は多数の連続する層ｉ、ｉ−１、ｉ−２を示し、この場合、中間の新たな粉末を加えて、端縁１″′、２″′、３″′が融合されている。この後、内部区域Ｉ（図７参照）が数個の層ｉ、ｉ−1 、ｉ−２、に共通の処理工程で融合している。一層厚い層を加えているので、この方法は平滑な外面を有し、内部端縁に相当する内部隔壁が非常に堅固である本体を形成するのに特に適している。中間内部区域は融合の程度が低く、或る程度の多孔性を得ることができる。この場合の製品は全体的に、均質でないが、そのための利点もあり、内部多孔質構造内で、或る程度の移動の可能性が内部応力を減少させるので、内部応力を生ずる危険を減少させる。
【００３８】
本発明の好適な実施例によれば、主移動方向と、この主移動方向に直角な方向の成分を有していて、主移動方向に加えられる干渉項とを具える放射銃のビームの焦点の移動パターンを使用して、内部区域Ｉを融合する。この干渉項は方向を変換し、主移動方向からゼロドリフトに相当する時間平均値を有する。図８は干渉項の異なる外観の３つの異なる例を示しており、三角形波、正弦波、及び方形波の移動を生ずるものである。でき上がった三次元体の内部側面、又は外部側面を形成している少なくとも端縁は干渉項を付加することなく、端縁に従動する移動の間に、好適に融合する。
【００３９】
図９はどのように熱分布が本体内に現れるかを線図的に示しており、この場合、放射銃の直径Ｄを有する焦点が本体を加熱している。焦点の周りの温度分布はガウスのベルの形を有する。干渉項が無い焦点の周りの温度分布は（α）を付した曲線によって示されている。干渉項があれば、主移動方向に沿うビームの伝播のコース内の処理の足跡は広くなる。広くなった足跡を（β）を付した曲線によって示す。広くなった足跡も、一層小さい最大値を有する温度分布を有している。これにより、過熱が発生して、その結果、不規則部が形成される危険が減少する。
【００４０】
主移動方向に対し、直角な方向の干渉項の成分の振幅の２倍に基本的に相当する幅を有する溶解帯域を形成するような性質を干渉項が有するのが好適である。干渉項の方向の焦点の移動の絶対値の平均速度が材料内の熱の伝播速度を超過していのが好適である。主移動方向の速度が材料内の熱の伝播速度に相当しているのが好適である。干渉項が零の値を有する焦点の出発点から焦点が移動することができ、干渉項の最小値と、最大値とを焦点が通過することができ、熱伝播の波の前端が第１零位置から第２零位置まで移動するのに要する時間内に、焦点がその位置に復帰することができるように、干渉項の振幅と、周波数とを適合させるのが好適である。このことは図１０に線図的に示されている。図１０は第１位置５１から、干渉項の最大値５２と、干渉項の最小値５３とを経て、干渉項が零の値の第２位置５４を占めるまで、曲線５０に沿って、焦点がどのように移動するかを示している。この時間の間に、熱伝播の波の前端は第１位置５１から第２位置まで伝播し終わっている。干渉項の平均速度が余りに低いと、干渉項の終点によって画成されている通路内を走る湾曲溶解足跡が広い足跡の代わりに形成される。
【００４１】
好適な実施例によれば、干渉項は主移動方向に平行な方向の成分を有する。この場合の干渉項は二次元である。二次元の干渉項の例は図１１に示されている。
【００４２】
放射銃のビームの主に直線移動の間に、端縁Ｒが融合するのが好適である。
【００４３】
主移動方向と、この主移動方向に直角な方向の成分を有していて、この主移動方向に加えられる干渉項とを有する放射銃のビームの焦点に関する移動パターンで操作する目的は、一層広い足跡の場合、溶解帯域を一層遅く動かすことができ、しかも、従来の操作に比較して、比較的高速で、溶解することが可能なためである。
【００４４】
溶解帯域の一層遅い移動は、溶解材料の蒸発を減少させると共に、沸騰し、スプラッシュする溶解材料の発生を減少させることができる。連続する主に直線運動を使用して、端縁を融合させる目的はこれにより、でき上がった製品に平滑な表面構造が得られることにある。
【００４５】
焦点の螺旋形の運動を生ずる二次元干渉項を有する本発明の好適な実施例の場合の放射銃のビームの移動パターンの解析は次の通りである。
【００４６】
ｘ軸線の周りに回転し、このｘ軸線に沿って、Vxで移動する焦点の位置は次の式１である数１から求めることができる。
【００４７】
【数１】
0004639087.tif 000002
【００４８】
ここに、Ax、及びAyはそれぞれｘ方向、及びｙ方向の振幅である。代表的な「スピニング曲線」は図１２に示すものに類似して現れる。
【００４９】
図１２に示すパターンはωを次の式２である数２のように設定すれば得ることができる。
【００５０】
【数２】
0004639087.tif 000003
【００５１】
焦点の速度は次の式３である数３によって与えられる。
【００５２】
【数３】
0004639087.tif 000004
【００５３】
従って、焦点の絶対速度は次の式４である数４のとおりである。
【００５４】
【数４】
0004639087.tif 000005
【００５５】
上の式に従って、焦点が移動すれば、その速度は変化し、回転の方向に従って、ｘ軸線の下方の最大値、上方の最小値を示すか、又はこの逆にｘ軸線の上方の最大値、下方の最小値の速度を示す。図１２のスピニング曲線に沿って、一定速度で移動する焦点を得るためには、平均速度をまず次の式５である数５によって計算する。
【００５６】
【数５】
0004639087.tif 000006
【００５７】
ここに、Ｔは次の式数６によって示すことができる。
【００５８】
【数６】
0004639087.tif 000007
【００５９】
Vaverageは焦点を動かすべき速度である。時間ｔで焦点が移動した距離は
S＝t*Vaverage である。
この距離は時間ｔ′でスピニング曲線の長さに等しくなければならない。従って、次の式６である数７が成立する。
【００６０】
【数７】
0004639087.tif 000008
【００６１】
０＜ｔ＜Ｔについて式６を解けばｔの関数としてｔ′が得られる。次に、このｔ′を式１に使用すれば、時間ｔの関数として、このスポットの位置が与えられる。
【００６２】
表面から0.1 〜0.15mm下の溶解帯域は1.8Ay のおよその幅を有していることが種々の速度、及びAyを使用する多数のシミュレーションが示している。２個のスピンライン間のホップはホップスピン＝1.8Ay−0.3であるべきである。
【００６３】
端縁から出発点までの距離はほぼスタートホップ＝0.8Ay−0.15 である。
【００６４】
図１３はこの線図中に矢印で示したｘ方向に伝播する連続する広い溶解端縁を示している。直径Ｄを有する焦点がこの線図中に示されている。焦点の外側の区域内で融合が生ずるのを重複するパターンによって確実にしている。そのような区域を符号δによって示している。同時に、これ等の区域は矢印ｘによって示された方向に伝播する全体の区域を形成している。
【００６５】
本発明の好適な実施例によれば、各粉末層内の融合すべき少なくとも選択された区域についてのエネルギーバランスを計算するように、制御コンピュータを配置し、選択された区域の周囲から、選択された区域内に放射されるエネルギーが、この選択された区域の画定された操作温度を維持するのに十分であるか否かを、この計算において、決定する。
【００６６】
粉末層について、エネルギーバランスを計算する目的は物体の表面を所定の温度に維持するために必要なパワーを計算することである。このパワーは全表面にわたり一定であると仮定する。
【００６７】
本発明の実施例において、同時に１個の層について、計算を行う場合に、どのようにして、エネルギーバランスの計算を行うかを以下に説明する。
【００６８】
そのために、リアルタイムで、パワーを計算できるようにするため、簡単化が必要である。
１．温度はｘ方向、及びｙ方向に一定であり、温度はｚ方向のみで変化するものと仮定する。言い換えれば、全表面は同一温度であると仮定する。
２．ｚ方向の温度はjLt に従って変化し、ここにｊは層の数であり、Ltは層の厚さである。
３．溶解中の温度分布は変化がないものと仮定する。
【００６９】
次のパラメータは計算に効力を有する。
種々のインデックス
ｉ＝最上の層のインデックス
ｊ＝１からｉまでの層のインデックス
【００７０】
対象物のデータ
Lt＝溶解すべき層の厚さ［ｍ］
Lcont(j)＝層ｊの外形長さ［ｍ］
Apowt(z)＝Apow(j) ＝層ｊについて粉末に面する面積［ｍ2］
A(z)＝A(j) ＝層ｊ について溶解した全表面積［ｍ2］
【００７１】
材料の性質
λmet ＝材料の熱伝導率［W/mK]
σmet ＝金属表面の放射定数［W/m2K]
σmetpow＝粉末で覆われた金属表面の放射定数［W/m2K]
σpow ＝粉末表面についての放射定数［W/m2K]
λpow ＝粉末の熱伝導率［W/mK]
ｈpow(Z)＝対象物から粉末への伝熱係数［W/m2K]
α＝材料によって利用された放射パワーの割合
【００７２】
温度［Ｋ］
Tsur(i) ＝層ｉが溶解する時、表面に影響を及ぼす周囲の温度（熱遮断上で測定することができる。）
Tpow(z) ＝粉末内の温度
T(z)＝対象物内の温度
Tsurf(i) ＝T(iLt)＝ 層ｉが溶解する時の対象物の表面上の希望する温度(AMAに設定される)
Tbott(i)＝層ｉが開始される前の対象物の底部の温度（かきならす直前に測定され、又は計算される。以下の説明を参照）
【００７３】
対象物内にどのように温度が分布しているかを決定するため、粉末内への熱損失を考慮した熱供給源の項を含む一次元固定熱伝導率式を解く。その式は次の数８のとおりである。
【００７４】
【数８】
0004639087.tif 000009
【００７５】
この場合の表面、及び底面における境界条件の式は数９のとおりである。
【００７６】
【数９】
0004639087.tif 000010
【００７７】
ここに、Ａ、及びＢは２つの常数である。
これ等の式を代わりの微分式として書き直すと、数１０のとおりである。ｊは各層に対するインデックスである。
【００７８】
【数１０】
0004639087.tif 000011
【００７９】
ここに１≦ｊ≦ｉ−２である。
【００８０】
表面温度はT(i)によって決定されるので、対象物内の温度分布に関する限り、表面上の境界条件は実際上、何も新たなものを提供しない。しかし、表面上の温度をT(i)に保つために必要なパワーであるPin を決定するためには境界条件は必要である。ここで、T(j)は次の式数１１から得ることができる。
【００８１】
【数１１】
0004639087.tif 000012
【００８２】
T(1)に関して、表示されている圧力を挿入して、この問題を一次方程式として式化すると次の式数１２のようになる。
【００８３】
【数１２】
0004639087.tif 000013
【００８４】
マトリックスの形であると次のようになる。
Ａｘ＝ｂ
この各要素は次の数１３のように示される。
【００８５】
【数１３】
0004639087.tif 000014
【００８６】
これ等の式を解くことが可能であるためには、粉末の温度Tpow(j) と、伝熱係数hpow(j) が既知であることが必要である。このプログラムではTpow(z) は次の数１４のように設定される。
【００８７】
【数１４】
0004639087.tif 000015
【００８８】
ｉ−１はTpow(j) を決定するため、前の層のための温度を使用することを意味する。
hpow(j) のために使用する関数は次のグラフのように表される。
【００８９】
0004639087.tif 000016
【００９０】
値Ｌ１、及びＬ２は面積と無関係であると仮定されており、hconst1、hconst2、hconst3 はA(j)に依って変化するものと仮定されている。Tpow、及びhpowの両方の式の中の全ての常数は簡単な幾何学形状を有する対象物についての3D FEMの計算に、上の１D モデルを適合させることによって、生ぜしめている。
【００９１】
熱供給源の項のための式にはApow(j) が含まれており、このApow(j) は実際上、各層の粉末に面する全面積である。大きな面積の変化がある場合には、この値は非常に大きくなり、このことは熱供給源の項の値が急増したことを意味する。このような不連続の急増は解を不安定にする。このことを防止するため、好適な実施例によれば、Apow(j) をLcont(j)*Lt に設定する。面積の変化によって生ずるパワー損失は代わりに後に加えられる。パワー損失の大きさはそれぞれの下にある区域よりも面積の変化がどれだけ大きいか、及び頂部の層のどれだけ下方にそれが存在しているかによって定まる。種々の面積の変化の値、及び種々の深さの値は3D FEMシミュレーションによって得ていた。任意の面積の変化に関しては、内挿法によって付加的パワーが得られる。
【００９２】
パワーを計算する前に、プログラムは各層に対するLcont(j)*Lt 、及びA(j)の種々の値を読み取る。スクリプト・ファイルの助けを借りて、種々の方法で、これ等の値に影響を与える。このようにして、各層についてのパワーを制御することが可能である。どのように、種々の幾何学的パラメータが影響を受けるかはどのようにスクリプトが機能するかの記載から明らかである。
【００９３】
上述の式系統を解く時、表面をTsurf(j)に維持するために必要な全パワーは表面についての境界条件から得られる。その際の式は次の数１５である。
【００９４】
【数１５】
0004639087.tif 000017
【００９５】
或る層を溶解させる時、表面にわたり、異なる電流、及び速度を使用する。その目的のため、必要な種々の電流を計算することを可能にするため、使用する全てのパワーの平均値をPin に等しく設定する。そしてni個の種々の電流を使用して、或る層を溶解するものとすれば次の式数１６が成立する。
【００９６】
【数１６】
0004639087.tif 000018
【００９７】
ここに、tik は各電流Iik についての溶解時間である。
Iik は溶解長さである。
Vik は溶解速度である。
Ttotは層ｉについての全溶解時間である。
Ｕは加速電圧である。
【００９８】
そのため、電流を計算するのを可能にするため、速度は既知でなければならない。電流と速度との間の関係を示す速度関数として知られているものから、これ等の速度は得られる。これ等の関数は分析可能でないので、全ての電流と速度とを決定するためには反復法を使用しなければならない。計算のプログラムにおいては、Iik の各出発値が推測される。次に、種々の速度が得られる。次に、パワーの平均値がPin の計算値を丁度超過するまで、電流の値を増加させる。
【００９９】
ここで、表面をTsurf(i)に維持するために、必要なエネルギーよりも、材料に送給されるエネルギーが少なくなるような速度と電流とで、種々の一部区域を溶解させようと、我々が希望しているものと仮定する。次に、表面を加熱しなければならない。表面を加熱するために必要な回数は電力の平均値に関する式に加熱の項を加えることによって得られる。その式は数１７である。
【０１００】
【数１７】
0004639087.tif 000019
【０１０１】
更に時間Ttotの式に、加熱時間を加えるとその式は数１８である。
【０１０２】
【数１８】
0004639087.tif 000020
【０１０３】
ここに、ｎはどれだけ多くの回数、表面を加熱しなければならないかを示す。
上に示した計算のルーチンは全体の粉末層に対して、使用することができる。代案の実施例では、計算は粉末層の種々の一部区域について、行うことができる。上に示した式はこの場合も同様に使用することができる。しかし、溶解した部分に密接する内側端縁では異なる境界条件が得られる。
【０１０４】
図１４は順次の粉末層i-1 、i-2 、i-3 、i-4 内の一部区域３１〜３４によって、でき上がった融合体３０の側面図である。本発明により製造された実際の融合体はこの例に示したものよりも一層多くの層を有し得ることはもちろんである。
【０１０５】
頂部粉末層ｉは融合体の上に分散している。この頂部粉末層内に選択された区域３５がある。この選択された区域３５は操作計画に従って、融合すべき区域から成る。層ｉ内の選択された区域３５は外側端縁３６によって区切られている。この選択された区域は外側端縁と内側端縁とを有しているものと考えられることもちろんである。エネルギーバランス計算は選択された区域全体について行うべきである。図１５に示すように、選択された区域３５は複数個の一層小さい一部区域に分割されるのが好適であり、これ等の一部区域のため、別々に計算することが可能である。
【０１０６】
図１５は複数個の一層小さな一部区域３８〜５３に分割された選択された区域３５を示し、前記１組の別個の一部区域３８〜５３のそれぞれについて、エネルギーバランスを計算する。選択された区域は外部端縁７２によって区切られている。もちろん、選択された区域も内部端縁を具えることができる。
【０１０７】
本発明の他の好適な実施例によれば、前記１組の別個の区域３８〜５３は端縁が全体として、選択された区域３５内にある第１グループの区域５４〜５８と、端縁が少なくとも一部、選択された区域の端縁７２に一致している第２グループの区域３８〜５３とを具えている。適切な場合には、前記第２グループの区域内の区域は細部の区域３８ａ、３９ｂ、４８ａ〜４８ｄに分割することができる。前記第１グループの区域を作り上げている各一部区域５４〜５８は同一の形状を有しているのが好適である。図示の例においては、これ等の区域は方形である。長方形、三角形、及び六角形の区域も有利に使用することができる。このグループ内の境界条件も可能性がある温度差を除いて、類似している。類似した形状を使用すれば一部共通な計算を行うことができるので、計算の業務が簡単化される。
【０１０８】
エネルギーバランスは原理的にはEin(i)＝Eout(i)＋Eheat(i) によって計算され、ここに、Ein はこの一部区域に送られたエネルギーを表し、Eout(i) はこの一部区域からの消散、及び放射によるエネルギー損失を表し、Eheat(i)はこの一部区域に蓄えられたエネルギーを表す。供給されたエネルギーは一方では、エネルギーバランスを計算するためのこの一部区域３５内に放射して入るか、又は流入するか、又はこの一部区域３５の周囲から、熱伝導によって、この区域３５内に流入したエネルギーEin(c)と、他方では放射銃６から放射流入したえネルギーEin(s)とである。従って、エネルギーがこの一部区域３５に供給される前に、エネルギーバランスが計算されると、Ein(s)＝ 0である。本発明の好適な実施例によれば、放射銃６によって、エネルギーが供給される前に、この一部区域３５のための、少なくとも第１回のエネルギーバランス計算を遂行する。
【０１０９】
図１６はこの一部区域△1 のエネルギーバランスの計算の基礎になるモデルを線図的に示す。この場合、一部区域△1 は粉末ｉの選択された区域の一部に相当している。この場合、エネルギーバランスの計算のための式はEin(△1)＝Eout(△1)＋Eheat(△1) の形を有し、ここに、Ein(△1)はこの一部区域に供給されたエネルギーを表し、Eout(△1) はこの一部区域△1 から消散と放射とによって失われたエネルギーを表し、Eheat(△1)はこの一部区域△1 に蓄えられたえネルギーを表す。供給されたエネルギーは一方では、この一部区域△1 内に放射流入するか、又はこの一部区域△1 の周囲から、熱伝導によって、この一部区域△1 内に流入したエネルギーEin(c)(△1) と、他方では放射銃６から放射流入したエネルギーEin(s)△1 とである。
【０１１０】
図１７は層ｉの中の選択された区域３５内の第２の一部区域△2 についてのエネルギーバランスの計算の基礎となるモデルを線図的に示す。この場合、第２の一部区域△2 は粉末層ｉの選択された区域３５の一部に相当する区域であり、この区域３５の一部はまだ融合しておらず、粉末層ｉ内の第１の一部区域△1 に隣接している区域であり、第１の一部区域△1 から第２の一部区域△2 に熱放射、又は熱伝導とが生じている。この場合、エネルギーバランスの計算のための式はEin(△2)＝Eout(△2)＋Eheat(△2) の形を有し、ここで、Ein(△2)は第２の一部区域に供給されたエネルギーを表し、Eout(△2) はこの一部区域△2 から消散と放射とによって失われたエネルギーを表し、 Eheat(△2) はこの一部区域△2 に蓄えられたえネルギーを表す。供給されたエネルギーは一方では、この一部区域△2 内に放射流入するか、又はこの一部区域△2 の周囲から、熱伝導によって、この一部区域△2 内に流入したエネルギーEin(c)(△2) と、他方では放射銃６から放射流入したエネルギーEin(s)△2 とである。熱伝導を通じて供給されたエネルギーEin(c)(△2) は前の層から供給されたエネルギーに相当するエネルギー成分Ein(s)(△2,i-1) と、第１の一部区域△1 から消散され、即ち放射され、第２の一部区域△2 に供給されたエネルギーに相当するエネルギー成分Eout(△1,△2) とから成る。
【０１１１】
図１８によれば、本発明の好適な実施例の構成は粉末床内にある表面層の表面の性質を検知する手段１４を具えている。粉末床５内にある表面層の温度分布を検知するこの手段１４はカメラから成るのが好適である。本発明の好適な実施例では、一方では、このカメラを使用して表面層上の温度分布を測定し、他方では表面の不規則性から生ずる影の形成によって、表面の不規則性の発生を測定する。一方、温度分布に関する情報を使用して、溶解すべき表面層のこれ等の部分の温度分布をできるだけ均一にし、他方では、温度分布が製品の形状を反映するので、でき上がった三次元製品と原設計との間の寸法の相違をチェックするため、情報を使用することができる。本発明の好適な実施例では、粉末床５と放射銃６とを包囲しているケーシング１５の外側に、ビデオカメラを取り付ける。温度測定を可能にするため、このケーシングに透明な窓１６を設ける。この窓を通して、カメラにとって粉末床を見ることができる。
【０１１２】
図１９に示す本発明の好適な実施例では、窓１６を保護フィルム１７によって覆う。保護フィルムを供給ユニット１８から捕集ユニット１９に送り、フィルムが徐々に位置を変えるようにして、透明性を維持できるようにする。溶解処理の結果として、コーティングが形成されるので、保護フィルムが必要である。
【０１１３】
操作計画を作成し、修正することに関する詳細な説明は図２０の説明に関連して以下に説明する。
【０１１４】
図２０は本発明による三次元体を製造する方法を線図的に示す。三次元体は粉末床の選択された区域の順次の融合によって形成されるが、選択された区域の部分は三次元体の順次の横断面に対応している。
【０１１５】
この方法の第１工程１００において、粉末層を作業テーブルに加える。この粉末層を加えるのは作業テーブル２上に粉末の薄い層を分散させる上述の手段２８によって行われる。
方法の第２工程１１０において、粉末層のために決定されている操作計画に従って、粉末層の選択された区域に、放射銃６からエネルギーを供給し、前記作業計画に従って選択された粉末層の区域を融合し、次に、三次元体の横断面を形成する。順次加えられた粉末層から形成された順次の横断面を順次融合することによって、三次元体が形成される。順次の横断面はそれぞれ端縁Ｒを有する１個、又はそれ以上の個数の内部区域Ｉに分散される。
【０１１６】
本発明の第１実施例によれば、第１処理工程において、１組の隣接する一部区域の内部区域Ｉを放射銃が融合し、その後、次の第２処理工程において、前記端縁Ｒを融合し、前記一部区域を連結するように、操作計画を設計する。
【０１１７】
本発明の代案の実施例によれば、多数の連続する粉末層に対して、第１処理工程で、端縁を融合し、その後、前記連続する粉末層に対して、共通の第２処理工程で、前記連続する粉末層の内部区域を融合する。
【０１１８】
本発明の第２実施例によれば、乱数発生器を利用して、前記複数個の一層小さな一部区域を処理する優先順序を決定するように、操作計画を配置する。
【０１１９】
１１９本発明の好適な実施例では、主移動方向と、この主移動方向に直角な方向の成分を有し、前記主移動方向に加えられる干渉項とを具えている放射銃のビームの焦点の移動パターンの間に、内部区域を融合する。好適な実施例によれば、放射銃のビームの主に直線移動の間に、端縁を融合する。
【０１２０】
好適な実施例では、各粉末層内の融合すべき、少なくとも選択された区域について、この方法の第３工程１２０において、エネルギーバランスを計算し、この選択された区域の周囲から、この選択された区域に放射されたエネルギーがこの選択された区域の画定された操作温度を維持するのに、充分であるか否かをこの計算において決定する。計算は上に示したモデルに従って行われる。
【０１２１】
図２１は主要な操作計画を生み出す手順を線図的に示す。第１工程４０では、例えば、製作すべき製品のＣＡＤプログラムにおいて、３Ｄモデルを生み出しており、又は代案として、製作すべき製品の、既に生じている３Ｄモデルを制御コンピュータ８に入力する。次に、第２工程４１において、製品の横断面の外観に関する情報を含むマトリックスを生ずる。図２５は関連する横断面３１〜３３の例の場合のハンマーのモデルを示す。また、これ等の横断面を図２６のa-a 〜c-c に示す。仕上がった製品を形成するため、融合すべ種々の層の厚さに対応する密度で横断面は分布している。この厚さは種々の層の間で有利に変化させることができる。特に、隣接する層の間の横断面の外観が大きく変化している区域において層が一層薄くするのが有利である。従って、横断面が生じている時、三次元製品を相互に作り上げる全ての横断面の外観についての情報を含むマトリックスを生ぜしめる。
【０１２２】
横断面が一旦、生ずると、第３工程４２における各横断面に対して基本操作計画を作成する。基本操作計画の作成は一方では横断面を作る各部の形状の確認と、他方では横断面の局部的な部分の冷却温度に操作計画がどのように影響を及ぼすかの認識とに基づいている。その狙いとするところは製品に現れる収縮応力の危険を減少させ、製品に発生する収縮応力、及びその結果として生ずる製品の変形を減少させるため、冷却温度を希望する範囲内に維持するのと同時に、次の層を加える前に、融合する部分内の冷却温度をできるだけ均一にする操作計画を作成することである。
【０１２３】
まず第一に、横断面の別個の構成部分の形状に基づいて、基本操作計画を作成する。この基本操作計画を作成した時、各横断面の端縁と、内部区域とを確認する。適切な場合には、それぞれ端縁を有している１組の内部区域を形成する。本発明によれば、上に述べたように、主移動方向と、この主移動方向に対し直角な方向に成分を有し、主移動方向に加えられる干渉項とを具える放射銃の焦点の移動パターンを有している操作計画を内部区域のために作成する。端縁では、放射銃の焦点は主に直線運動のパターンで移動する。このことは、放射銃は端縁の形状に従うことを意味する。
【０１２４】
本発明の好適な実施例では、横断面の冷却温度の良好な温度分布を生ずる操作計画の経験に基づいて、基本操作計画を企画する。従って、製品内に収縮応力を生じ、その結果として製品の変形を生ずる危険を減少させることができる。この目的のため、種々の形状の区域に対する１組の操作計画を記憶装置に記憶する。主移動方向と、この主移動方向に直角な方向の成分を有していて、主移動方向に加えられる干渉項とを具える移動パターンで、内部区域Ｉ内で、放射銃の焦点が移動するように、本発明による操作計画は設計されている。この情報の他に、１組の内部区域を処理する指令のリスト、加熱が異なる区域に関する情報、エネルギー供給、及び掃過速度に関する情報を操作計画は有することができる。好適な実施例では、操作計画の修正の結果が評価される際、この記憶を更新する。このようにして、自己学習システムが得られる。
【０１２５】
本発明の代案の実施例では、独立したコンピュータによって発生した既にでき上がっている横断面を制御コンピュータの記憶装置に入力し、ここで前記基本操作計画を作成する。この場合、外部情報源４０ａを通じて、情報を第３工程４２に直接提供する。
【０１２６】
図２２は三次元体を作製するため、層について、エネルギーバランスを計算する方法工程を有する手順を線図的に示す。この方法の第１工程１３０では、エネルギーバランスの計算の基礎となるパラメータを決定する。この方法の第２工程１４０では、少なくとも選択された区域３５についてのエネルギーバランスの計算が行われる。計算は前に図示した方法によって行われる。
【０１２７】
この方法の第３工程１５０では、計算されたエネルギーバランスに従って、操作計画が更新される。エネルギーバランスの結果が希望する操作温度を維持するため充分な熱エネルギーがこの一部区域に保存されているのであれば、余分なエネルギー供給は行わない。本発明の一実施例によれば、エネルギーバランスの結果が希望する操作温度を維持するための充分な熱エネルギーがこの一部区域に保存されていないと言うことであれば、融合を行う前に、一部区域の予熱の形で、余分なエネルギー供給を行う。この予熱は放射銃をこの区域の上に、非常に早く掃過させて行うか、又は通常の時よりも一層低いパワーで、この区域の上に放射銃を掃過させるか、又は代案として、これ等両方の組合せを行う。予熱はこの方法の第４工程１６０で行われる。この方法の第５工程１７０では、一部区域上に放射銃を掃過させることによって、融合が行われる。
【０１２８】
図２３は操作計画を作成し、修正をするため、適切な場合に、上述の方法を利用する本発明の実施例を線図的に示す。この方法の第１工程１８０では、選択された区域の１個、又はそれ以上の内部区域を確認する。この方法の第２工程１９０では、前記内部区域に関連し、前記内部区域をそれぞれ包囲している端縁、又は複数個の端縁Ｒを確認する。この方法の第３工程２００では、放射銃によって放出されたビームの一部重複する円運動を行っている間に、前記内部区域Ｉを融合させる。この方法の第４工程２１０では、ビームの直線運動の間に、前記端縁を融合する。修正の大きさは干渉項を有する移動パターンを用いる本発明による方法を使用するプロセスに関して、また、エネルギーバランスの計算を行うプロセスに関して、一層小さい。しかし、更に、最終結果を向上させるため、修正を使用することができる。
【０１２９】
本発明の一実施例によれば、前記複数個の内部区域内で、同時に、１区域内の粉末を連続して、融合させるように、操作計画を手配する。
【０１３０】
本発明の好適な実施例によれば、各粉末層内の表面を１組の別個の区域に分割するように、制御コンピュータを配置する。また、前記第１グループの区域内の１組の区域の前記内部区域が放射銃のビームの一部重複する円運動の間に、融合することが確実に行われるよう制御コンピュータを配置する。
【０１３１】
本発明の一実施例においては、前記第２グループの区域内の内部区域の融合は上述の干渉項を有する焦点の運動によって行われる。本発明の代案の実施例では、前記第２グループの区域内の内部区域内での融合は主に直線運動によって生ずる。
【０１３２】
本発明の好適な実施例によれば、選択された表面を一層小さい表面部分に、分割することに関する上述の実施例の場合に、ビームのパワーのキャリブレーションに関する操作計画を制御すると共に、最終の融合が起きる前に、粉末床を加熱するためのエネルギーを供給するため、上述のエネルギーバランスの計算を使用する。
【０１３３】
図２３は粉末床の表面上の温度分布を測定するカメラから得る情報の助けを借りて、操作計画の修正を行う手順を線図的に示す。この手順によれば、製品の横断面を発生するため、放射銃からのビームを粉末床上に案内する。第１工程５０では、工程４２で明確にした基本操作計画に従って、粉末床上のビームの案内を開始する。次の工程５１では、粉末床の表面層上の温度分布をカメラによって測定する。次に、測定された温度分布から、温度分布マトリックスTij-measuredを発生し、粉末床の表面層の小部分の区域の温度をこのマトリックスに保存する。このマトリックスが生じた時、このマトリックス内の各温度Tij-measuredを希望値マトリックスTij-desired value 内の希望値に比較する。粉末床の表面層はほぼ３つのカテゴリーに分割することができる。第１に、放射銃による処理によって、融合が生ずる区域である。これ等の区域では、最高融合温度Tij-max が重要である。第２に、既に融合している区域が冷却しつつある。これ等の区域では、最低許容冷却温度Tij-cooling-min が重要であり、これは冷却が余りにも激しいと、応力を発生し、従って、表面層の変形を起こすからである。第３に、放射銃によって、処理されなかった区域である。これ等の区域では、粉末床温度Tij-bed が重要である。また、温度に関しては処理された区域のみで比較することが可能であり、Tij-bed は記憶されず、及び／又はチェックされない。
【０１３４】
第３工程５２では、Tij-measuredが希望する値Tij-desired value から偏差しているか、即ちずれを有しているかどうか、及びこの偏差が許容限界値より大きいか否かを調査する。３つの異なるカテゴリーに関連する限界値△Tij-max 、△Tij-cooling 、及び△Tij-bed は制御コンピュータ８に記憶される。粉末床温度をチェックしないことも可能である。この場合、関連する限界値は記憶されない。Tij-measuredとTij-desired value との間の偏差がこの限界値を超過していなければ、第４工程５３において、表面層が完全に処理されているか否かを調査する。もし完全に処理されていなければ、現在の操作計画による操作を継続し、上述の工程５０〜５３をもう一度行う。
【０１３５】
Tij-measuredとTij-desired value との間の偏差が限界値の一つを越えていれば、第５工程で、操作計画４２の補正を行う。好適な実施例では、前記補正を図２４に示すシステムに従って実施する。
【０１３６】
本発明の好適な実施例では、各層が完成した後でのみ、新たな粉末層を分散させ、製品が仕上がるまで、粉末層の順次の融合によって製品を作製する。この場合、層のための操作計画が完了していると言うことが第４工程５３で確立している時、全体としての製品が仕上がっていないならば、第６工程５５の後に新たな層を開始する。
【０１３７】
好適な実施例では、操作計画の補正は次のような方法の工程から成る。即ち、第１工程５６で、Tij-max をTij-max-desired value に比較する。Tij-max がTij-max-desired value に対して、△Tij-max を超過する偏差を有していれば、ビームのパワーを変えるか、又はビームの掃過速度を変えるかすることによって、工程５６ａで粉末層へのエネルギー供給を調整する。
【０１３８】
第２工程５８では、Tij-cooling をTij-cooling-desired value に比較する。Tij-cooling がTij-cooling-desired value に対し、△Tij-cooling を超過する偏差を有していれば、ビームの操作計画を工程５８ａで変更する。ビームの操作計画を変更する多くの方法がある。操作計画を変更する一つの方法は区域が余りにも冷却されてしまう前に、ビームにより、これ等の区域を再加熱することである。次に、既に融合している区域の上を低いエネルギー強さ、及び／又は一層高い掃過速度で、放射銃を掃過させることである。
【０１３９】
第３工程６０では、Tij-bed がTij-bed-desired value から偏差しているか否かを調べる。その偏差が△Tij-bed より一層大きければ、本発明の一実施例では、例えば、粉末床上にビームを掃過させて、エネルギーを供給することにより、ビームの温度を工程６０ａで修正することができる。別個の粉末床加熱装置をこの装置に連結することも可能である。
【０１４０】
製作されている物品の寸法チェックをこの装置に設置されたヒートカメラによって実施することも可能である。上述したように、粉末床と、融合した部分とを測定する。測定された熱分布は作製すべき三次元体の断面における物品の形状を完全に反映する。物品の寸法のチェックをこのようにして、第４工程６２で、実施することができ、放射銃のビームのＸ方向、Ｙ方向の偏向のフィードバックも可能である。本発明の好適な実施例では、横断面の寸法間の偏差のこのチェックを工程６２ａで実施し、偏差が許容値より大きければ、放射銃のＸ方向、及びＹ方向の偏向を修正する。
【０１４１】
更に、前記カメラからの入力信号を使用して、例えば溶着火花の形で表面の不規則性、即ち凹凸を確認することができる。表面の不規則性の座標データを確認した時、操作計画を更新することができ、表面の不規則性を崩壊させるため、確認した座標データ部に放射銃を適用する。
【０１４２】
本発明は上述の図示した実施例に限定されない。放射銃は例えばレーザを使用することができ、この場合、偏向手段は案内可能な鏡、及び／又はレンズから成る。
【０１４３】
更に、エネルギー源から製品原材料までエネルギーを移送することによって、
三次元製品を生産するための装置に、本発明を使用することができ、この装置は形成すべき前記三次元製品をその上で製造する作業テーブルと、製品の粉末床を形成するため、作業テーブル上に製品原材料の薄い層を分散させるように配置された分散器と、製品の粉末床の表面の選択された区域にエネルギーを送給するための手段と、前記区域内に確固とした横断面を形成するため、製品原材料の位相を変換する手段と、三次元製品を形成する順次の横断面についての情報を保管する記憶装置を管理する制御コンピュータとを具え、エネルギーを送給する手段を制御コンピュータによって制御し、前記選択された区域にエネルギーを供給し、分配器によって順次加えられた製品原材料から、順次形成された横断面を順次、合体させて、前記三次元製品を形成する。
【０１４４】
この場合、実施例は粉末床の表面を照射する放射銃によって、粉末を融合することに限定されない。製品原材料は例えば溶解後、凝固、又は硬化するように、位相変換後、固体を形成するいかなる材料から成るものでもよい。エネルギー送給手段は電子銃から成ることができるが、作業表面上に案内されるレーザであってもよく、又は代案として、製品の粉末床上に直接、横断面を投影し得るエネルギー送給手段であってもよい。
【０１４５】
更に、上述の実施例は前に説明した実施例に関連して説明した全ての要旨を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明装置の横断面を示す。
【図２】内部区域と端縁とを有する融合すべき区域を示す。
【図３】それぞれ内部区域と端縁とを有する１組の別個の区域に、融合すべき区域に、更に分割した状態を示す。
【図４】第１工程で、多数の隣接する内部区域をどのように処理し、その後、次の第２工程で、前記隣接する一部区域に属する端縁をどのように、融合するかの例を線図的に示す。
【図５】方形パターンに、非常に多くの内部区域に、分割された選択された区域を示す。
【図６】中間の新たな粉末を加えて、端縁を融合し、その後、共通の次の処理工程で、数個の粉末層の内部区域を処理する多数の連続する粉末層を示す。
【図７】図６の粉末層を上方から見た状態に示す。
【図８】一次元干渉項を有する一組の種々の曲線形状を示す。
【図９】干渉項がある場合と、干渉項が無い場合について、放射銃の直径Ｄの焦点が三次元体を加熱した時、どのように熱分布が三次元体内に現れるかを線図的に示す。
【図１０】主移動方向に沿う焦点の移動に関連する焦点の移動の例を示す。
【図１１】二次元干渉項を有する場合の種々の曲線形状の組を示す。
【図１２】本発明の好適な実施例による焦点の移動パターンを示す。
【図１３】焦点、及び融合が起きる拡大区域の位置決めを示す。
【図１４】多数の粉末層、及び頂部の粉末層によって、形成された三次元体の横断面を線図的に示す。
【図１５】一組の別個の区域に分割された選択された区域を示す。
【図１６】エネルギーバランス計算するための線図的モデルを示す。
【図１７】エネルギーバランス計算するための他の線図的モデルを示す。
【図１８】透明窓を設けた室の側面図である。
【図１９】窓の透明を維持するため保護フィルムを送り、固定する装置を示す。
【図２０】三次元体を製造する方法を線図的に示す。
【図２１】基本操作計画を作成するためのフローダイヤグラムを示す。
【図２２】この装置の操作計画のフローダイヤグラムを示す。
【図２３】前記操作計画を修正するためのフローダイヤグラムを示す。
【図２４】粉末床の表面上の温度分布を測定するカメラから得られた情報の助けを借りて、操作計画を修正する手順を線図的に示す。
【図２５】操作計画を修正するための手順を線図的に示す。
【図２６】三次元物品の線図的な構造を示す。
【図２７】図２６の物品の多数の横断面を示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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