(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の原料粉末層に電磁放射線又は粒子放射線を照射することによって高品質の三次元ワークピースを生成することができる、方法と装置を提供する。【解決手段】キャリア１６上に原料粉末を塗布する工程と、生成的な積層造形法によりキャリア１６上の原料粉末からワークピースを製造するために、照射部１８によって、キャリア１６上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射する工程とを有しており、照射部１８は放射源２４と複数の光学要素３０、３２、３４、３５を備えており、照射部１８の作動を、照射部１８の少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて制御する三次元ワークピースの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元ワークピースの製造方法であって、
キャリア（１６）上に原料粉末を塗布する工程と、
生成的な積層造形法により前記キャリア（１６）上の原料粉末から前記ワークピースを製造するために、放射源（２４）と複数の光学要素（３０、３２、３４、３５）を備える照射部（１８）によって、前記キャリア（１６）上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射する工程とを有し、
前記照射部（１８）の作動を、該照射部（１８）の少なくとも１つの光学要素（３０、３２、３４、３５）の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて制御することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記照射部（１８）の作動を、該照射部（１８）の少なくとも１つの光学要素（３０、３２、３４、３５）の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化を補正するように制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記照射部（１８）の作動を、該照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれに応じて制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記照射部（１８）の作動を、該照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれを補正するように制御することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記照射部（１８）の作動を、該照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の出力に応じた、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれを表している補正関数に応じて制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記補正関数を、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の出力に応じた、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれの較正のための測定を通して得られたデータについて実行された回帰分析の結果により得ることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記較正のための測定を、火面測定方法及び高温測定方法の少なくとも一方により実行することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
三次元ワークピースの製造装置（１０）であって、
キャリア（１６）上に原料粉末を塗布するように適合された原料粉末塗布手段（１４）と、
放射源（２４）と複数の光学要素（３０、３２、３４、３５）を備え、かつ、生成的な積層造形法により前記キャリア（１６）上の原料粉末から前記ワークピースを製造するために、前記キャリア（１６）上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された照射部（１８）と、
前記照射部（１８）の少なくとも１つの光学要素（３０、３２、３４、３５）の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて前記照射部（１８）の作動を制御するように適合された制御部（３６）を具備するものであることを特徴とする装置。
【請求項９】
前記制御部（３６）は、前記照射部（１８）の少なくとも１つの光学要素（３０、３２、３４、３５）の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化を補正するように、前記照射部（１８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御部（３６）は、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれに応じて、前記照射部（１８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記制御部（３６）は、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれを補正するように、前記照射部（１８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御部（３６）は、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の出力に応じた、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれを表している補正関数に応じて前記照射部（１８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記補正関数は、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の出力に応じた、前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれの較正のための測定を通して得られたデータについて実行された回帰分析の結果より得られるものであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
さらに、火面測定方法による較正のための測定を実行するように適合された火面測定手段、及び、高温測定方法による較正のための測定を実行するように適合された高温検出手段（３９）の少なくとも一方を具備するものであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
三次元ワークピースの製造装置（１０）の製造方法であって、
生成的な積層造形法によりキャリア（１６）上の原料粉末から前記ワークピースを製造するために、放射源（２４）と少なくとも１つの光学要素（３０、３２、３４、３５）を備え、前記キャリア（１６）上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された照射部（１８）を提供する工程と、
前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の作動温度に依存したずれを決定する工程と、
前記照射部（１８）の放射源（２４）によって放射された放射ビーム（２２）の焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における温度に依存したずれが閾値未満である場合に、前記装置（１０）の最終的な据え付けに対して前記照射部（１８）の光学要素（３０、３２、３４、３５）を選定する工程とを有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の原料粉末層に電磁放射線又は粒子放射線を照射することによって三次元ワークピースを製造する方法と装置に関する。さらに、本発明は、複数の原料粉末層に電磁放射線又は粒子放射線を照射することによって三次元ワークピースを製造する装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末層融解は、粉末の、特に、金属、及び／又は、セラミックの原料を複雑な形状の三次元ワークピースに加工することができる累積的な積層プロセスである。この目的のために、原料粉末の層がキャリア上に塗布され、製造されるワークピースの所望の幾何学的形状に応じて、位置選択的な方法でレーザー放射される。粉末層の中に浸透したレーザー放射線は、原料粉末粒子を加熱し、その結果として、融解又は焼結を引き起こす。さらに、ワークピースが所望の形状と大きさになるまで、原料粉末の複数の層が、既にレーザー処理された、キャリア上の層に連続的に塗布される。粉末層融解は、ＣＡＤデータに基づいて、試作品、工具、交換部品、高価値部品又は医療人工器官、例えば歯科又は整形外科用の人工器官などの製造のために使用され得る。
【０００３】
粉末層融解プロセスによって粉末の原料から複数の成形体を製造する装置が、例えば、ＥＰ  １  ７９３  ９７９  Ｂ１に記載されている。その先行技術による装置は、製造される成形体用の複数のキャリアを収容するプロセスチャンバーを備えている。粉末層準備システムは、レーザービームで照射される原料粉末を複数のキャリア上に塗布するために、キャリアを横断して前後に移動することができる粉末貯蔵容器を有している。プロセスチャンバーは、そのプロセスチャンバー内に保護ガスの雰囲気を形成するために、保護ガスがプロセスチャンバーへ供給される際に通る供給路（ライン）を具備する保護ガス回路に接続されている。
【０００４】
例えば、粉末の原料に照射することによって複数の三次元ワークピースを製造する装置に用いられ得る照射部が、ＥＰ  ２  ３３５  ８４８  Ｂ１に記載されている。その照射部は、レーザー源と光学部を備えている。レーザー源によって放射されるレーザービームが供給される光学部は、ビームエキスパンダーとスキャナ部を備えている。スキャナ部内には、レーザービームを複数のレーザーサブビームに分割するために、ビーム路内に収められ得る複数の回折光学素子が、複数のレーザーサブビームを偏向するための偏向ミラーの前に配置される。スキャナ部によって放射されるレーザービーム又はレーザーサブビームは、ｆ−θレンズの形式で設計される対物レンズに供給される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、複数の原料粉末層に電磁放射線又は粒子放射線を照射することによって高品質の三次元ワークピースを生成することができる、方法と装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、このような装置を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの目的は、請求項１に記載の三次元ワークピースの製造方法、請求項８に記載の三次元ワークピースの製造装置、及び、請求項１５に記載の三次元ワークピースの製造装置の製造方法によって達成される。
【０００７】
三次元ワークピースの製造方法においては、原料粉末がキャリア上に塗布される。キャリアは、プロセスチャンバー内に制御された雰囲気、特に、不活性の雰囲気を維持可能とするために、周囲の雰囲気に対して密封可能とされるプロセスチャンバー内に配置されてよい。キャリアはしっかりと固定したキャリアでよい。しかしながら、好ましくは、ワークピースが原料粉末から層状に積み上げられる際、そのワークピースの製造高さが増すにつれて、キャリアが垂直方向における下方向に移動させられるように、キャリアが垂直方向に変位可能に設計される。原料粉末は、好ましくは金属粉末であり、特には金属合金粉末であるが、セラミック粉末又は異なる物質を含有する粉末であってもよい。粉末はいかなる適切な粒子の大きさ、又は粒子の大きさの分布を有していてもよい。しかしながら、１００μｍ未満の大きさの粒子の粉末を加工処理することが好ましい。原料粉末は、適切な粉末塗布手段によって、キャリア上に塗布され得る。
【０００８】
キャリア上に塗布された原料粉末は、生成的な積層造形法によりキャリア上の原料粉末からワークピースを製造するために、照射部によって、電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射される。照射部は、放射源と複数の光学要素を備えている。照射部は、１つの放射源だけを備えていてもよい。しかしながら、照射部は複数の放射源を備えることも考えられる。照射部が複数の放射源を備える場合には、複数の光学要素を具備する個々の光学部が各々の放射源に関連付けられてもよい。少なくとも１つの放射源は、例えば、ダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーのようなレーザー源でよい。さらに、複数の光学要素は、例えば、放射源によって放射された放射ビームを広げるビームエキスパンダー、スキャナ、及び対物レンズを含んでよい。その代わりに、複数の光学要素は、集束光学部品とスキャナ部を含むビームエキスパンダーを有していてもよい。スキャナ部により、ビーム路の方向とビーム路に垂直な面内の両方の放射ビームの焦点の位置は、変化され、調整されることができる。スキャナ部は、ガルバノメータースキャナの形式で設計されてよいし、対物レンズはｆ−θ対物レンズでもよい。
【０００９】
三次元ワークピースの製造方法においては、照射部の作動を、該照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて制御する。例えば、光ファイバー、レンズ、又は照射部の他の光学要素の屈折率、又は、幾何学的形状、特に照射部の光学要素を形成するレンズの曲率半径のような光学特性が、照射部の作動温度に応じて変化することが見出された。次には、照射部の作動温度は、照射部の放射源によって放射される放射ビームの出力（出力パワー）に主に依存する。三次元ワークピースの製造方法においては、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化が、照射部の作動を制御する際に考慮される。その結果として、照射部の作動をより正確に制御することができ、特に高品質の基準を満たす三次元ワークピースを得ることができる。
【００１０】
本質的に、三次元ワークピースが、単一の放射ビームを放射する単一の放射源を使用している照射部を用いて製造される時には、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じた、照射部の作動の制御を含む三次元ワークピースの製造方法が、有利に使用され得る。しかしながら、特には、三次元ワークピースが、複数の照射部によって提供される電磁放射線又は粒子放射線をキャリア上に塗布された原料粉末上に同時に照射することによって製造される場合には、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じた幾つかの照射部の制御により、各々の照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に関して、複数の照射部を同期させることができる。換言すれば、複数の照射部は、その複数の照射部に用いられる複数の光学要素の光学特性の異なった作動温度に依存した変化を同じにするか、又は、釣り合わせるように制御され得る。従って、幾つかの照射部の複数の光学要素が、その複数の光学要素の少なくとも１つの光学特性の異なった作動温度に依存した変化を受ける場合であっても、高品質のワークピースを製造し得る。
【００１１】
好ましくは、照射部の作動を、該照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化を補正するように制御する。これにより、照射部の放射源によって放射された放射ビームの出力、及び、それにより照射部の作動温度が、例えば、生成されるワークピースの異なる領域を製造するために変わるとき、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の変化によって影響されずに生成される三次元ワークピースの品質が、維持されることができる。
【００１２】
三次元ワークピースの製造方法の特に好ましい実施態様においては、照射部の作動を、該照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれに応じて制御する。一般に、照射部の光学要素の、例えば、曲率半径のような幾何学的形状における温度で誘起される変化のみならず、照射部の光学要素を製造するために使用される光学材料の屈折率における温度で誘起される変化が、照射部の放射源によって放射される放射ビームの焦点位置のずれにつながる。具体的には、照射部の作動温度が上昇するにつれて、照射部の光学要素の光学特性の、温度で誘起される変化により、放射ビームの焦点位置は、放射ビームのビーム路に沿って、それゆえに、座標系のｚ軸の方向に次第にずれる（シフトする）ことが見出された。ここで、ｘ軸及びｙ軸は照射される原料粉末の表面によって形成される平面を定義し、ｚ軸は照射部の方向に、ｘ軸及びｙ軸に垂直に延伸する。
【００１３】
従って、好ましくは、照射部の作動を、該照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の上記で定義された座標系のｚ軸の方向における作動温度に依存したずれに応じて制御する。照射部の作動を制御する際に、放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向、好ましくは、上記で定義された座標系のｚ軸の方向における作動温度に依存したずれを考慮することは、比較的容易に達成されるが、それにもかかわらず、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて照射部の作動の制御を実施する非常に有効な方法である。
【００１４】
三次元ワークピースの製造方法の特に好ましい実施態様においては、照射部の作動を、該照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれを補正するように制御する。例えば、照射部の作動温度が変化した場合であっても、放射ビームの焦点位置を少なくとも１つの空間的な方向に一定に維持するように、少なくとも１つの空間的な方向の放射ビームの焦点位置が照射部の作動温度に応じて調整されるように、照射部が制御されてよい。好ましくは、照射部の作動を、該照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の上記で定義された座標系のｚ軸の方向における作動温度に依存したずれを補正するように制御する。
【００１５】
三次元ワークピースの製造方法の特に好ましい実施態様においては、照射部の作動を、該照射部の放射源によって放射された放射ビームの出力に応じた、照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれを表している補正関数に応じて制御する。好ましくは、その空間的な方向は、上記で定義された座標系のｚ軸の方向、すなわち、照射される原料粉末の表面によって定義された平面に垂直な方向である。補正関数を使用することにより、照射部の作動は、該照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて、放射ビームの取り得る出力値の全領域にわたって、制御されることができる。
【００１６】
補正関数を、照射部の放射源によって放射された放射ビームの出力に応じた、照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の１つの空間的な方向、好ましくは上記で定義された座標系のｚ軸の方向におけるずれの較正のための測定を通して得られたデータについて実行された回帰分析の結果により得ることが好ましい。一つの実施態様において、補正関数は、較正のための測定のデータについて実行された１次（線形）の回帰分析の結果として得られた１次関数（線形関数）でよい。しかしながら、もし、望ましくは、又は、必要であれば、補正関数を得るための回帰分析において、より高次の関数を使用することも考えられる。好ましくは、較正のための測定は、三次元ワークピースの製造を開始する前に実施され、例えば、三次元ワークピースの製造装置を製造する際に、一度だけ較正のための測定を実施することが考えられる。しかしながら、その代りとして、例えば、三次元ワークピースの製造装置に実施される保守（メンテナンス）作業の一部として、選択された時間間隔で較正のための測定を行うことも可能である。定期的な較正のための測定により、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の温度に依存した変化を経時的に補正することができる。
【００１７】
較正のための測定は、火面測定方法により実行されてよい。火面測定方法により、放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向、特には、上記で定義された座標系のｚ軸の方向における作動温度に依存したずれを高信頼性かつ高精度に決定することができる。例えば、放射ビームの焦点位置のずれは、最大出力の１０％、最大出力の２５％及び最大出力の１００％の放射ビームの出力において、決定されてよい。そして、回帰分析が、１次又は高次の補正関数を得るように、そのデータについて実施されてよい。しかしながら、較正のための測定を実施する火面測定方法の使用においては、一般的には三次元ワークピースの製造装置についての納入品の範囲の一部分ではない、火面測定手段を必要とする。従って、火面測定方法は、三次元ワークピースの製造装置を製造する際に、先だって較正のための測定を実施することに対して特に有利である。
【００１８】
その代わりに、較正のための測定は、高温測定方法により実行されてもよい。具体的には、照射部の放射源によって放射される放射ビームの出力に応じて、照射部の放射源によって放射される放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向、特には、上記で定義された座標系のｚ軸の方向におけるずれについてのデータを得るために、未公開の欧州特許出願ＥＰ  １４  １９４  ３７８に記載された高温検出手段が、較正のための測定を行うために使用されてよい。そして、較正のための測定は、三次元ワークピースの製造装置内にいずれにしろ存在する高温検出手段を用いて、別個の火面測定手段を必要とせずに実施されることができる。そして、較正のための測定は、例えば、標準の保守過程（プロセス）の間に実施されることができる。もちろん、三次元ワークピースの製造装置を製造する際に、先立つ較正又は品質検査（チェック）測定を実施するために火面測定方法を使用し、かつ、例えば、定期的な標準の保守過程の間に、定期的な時間間隔で較正のための測定を実施するために高温測定方法を使用することも考えられる。
【００１９】
三次元ワークピースの製造装置は、キャリア上に原料粉末を塗布するように適合された原料粉末塗布手段を備えている。照射部は、生成的な積層造形法によりキャリア上の該原料粉末からワークピースを製造するために、キャリア上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合される。照射部は、放射源と複数の光学要素を備えている。制御部は、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化に応じて照射部の作動を制御するように適合される。
【００２０】
制御部は、照射部の少なくとも１つの光学要素の少なくとも１つの光学特性の作動温度に依存した変化を補正するように、照射部の作動を制御するように適合されてよい。
【００２１】
好ましくは、制御部は、照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれに応じて、照射部の作動を制御するように適合される。
【００２２】
具体的には、制御部は、照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向における作動温度に依存したずれを補正するように、照射部の作動を制御するように適合されてよい。
【００２３】
その装置の好ましい実施態様においては、制御部は、照射部の放射源によって放射された放射ビームの出力に応じた、照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれを表している補正関数に応じて照射部の作動を制御するように適合される。
【００２４】
その補正関数は、照射部の放射源によって放射された放射ビームの出力に応じた、照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の１つの空間的な方向におけるずれの較正のための測定を通して得られたデータについて実行された回帰分析の結果より得られてよい。
【００２５】
その装置は、さらに、火面測定方法による較正のための測定を実行するように適合された火面測定手段を具備してよい。火面測定手段は、較正のための測定を実施した後で、火面測定手段がその装置から取り外されることができる装置に、取り外し可能に接続されてよい。その代わりに、又は、それに加えて、その装置は、高温測定方法による較正のための測定を実行するように適合された高温検出手段を具備してよい。
【００２６】
三次元ワークピースの製造装置の製造方法において、生成的な積層造形法によりキャリア上の原料粉末からワークピースを製造するために、キャリア上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された照射部が提供される。その照射部は、放射源と少なくとも１つの光学要素を備えている。照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の少なくとも一つの空間的な方向における作動温度に依存したずれが、決定される。好ましくは、照射部の放射源によって放射される放射ビームの焦点位置の座標系のｚ軸の方向における作動温度に依存したずれが決定される。ここで、ｘ軸とｙ軸は照射される原料粉末の表面によって形成される平面を定義（形成）し、ｚ軸は照射部の方向に、ｘ軸及びｙ軸に垂直に延伸する。照射部の放射源によって放射された放射ビームの焦点位置の温度に依存したずれが閾値未満である場合に、照射部の少なくとも１つの光学要素が、装置の最終的な据え付けに対して選定される。
【００２７】
例えば、放射ビームの焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向、特には、上記で定義された座標系のｚ軸の方向におけるずれは、照射部の放射源によって放射された放射ビームの選択された出力値に対して決定されてよい。具体的には、放射ビームの焦点位置のずれは、最大出力の１０％、最大出力の２５％及び最大出力の１００％の放射ビームの出力において、決定されてよい。最大出力の１０％の出力においては、ほぼ、放射ビームの焦点位置のずれは発生しない。従って、最大出力の１０％の放射ビームの出力で測定された焦点位置のずれは、例えば、放射ビームの最大出力の２５％及び１００％での次に続く測定の参照値として使用されてよい。照射部の少なくとも１つの光学要素は、例えば、上記で定義された座標系のｚ軸に沿った焦点位置のずれが、放射ビームのレイリー長（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｌｅｎｇｔｈ）の０．５未満である場合にだけ、装置の最終的な据え付けに対して選定されてよい。もし要望があれば、照射部において使用され、装置内に最終的に据え付けられるように意図された複数の光学要素は、この方法で試験（テスト）され、選定されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の好ましい実施態様を、以下で添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
【図１】原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射することにより三次元ワークピースを製造する装置の概略図である。
【図２】放射ビームの出力に応じた、照射部の光学要素の光学特性の変化によって引き起こされる、図１の装置において使用される照射部の放射源によって放射される放射ビームの焦点位置のずれを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、三次元ワークピースの製造装置１０を示している。その装置１０は、プロセスチャンバー１２を有している。プロセスチャンバー１２内に配置される、粉末塗布手段１４は、キャリア１６上に原料粉末を塗布する機能を有する。ワークピースがキャリア１６上の原料粉末から層状に積み上げられる際、そのワークピースの製造高さが増すにつれて、キャリア１６が垂直方向における下方向に移動可能なように、キャリア１６が垂直方向に変位可能に設計される。
【００３１】
装置１０は、さらに、キャリア１６上に塗布された原料粉末にレーザー放射線を選択的に照射する照射部１８を有している。照射部１８によって、キャリア１６上に塗布された原料粉末は、製造されるワークピースの所望の幾何学的形状に応じて位置選択的な方法でレーザー放射され得る。照射手段１８は密封可能なハウジング２０を有している。放射源２４によって供給される放射ビーム２２、特に、例えば、約１０７０から１０８０ｎｍの波長のレーザー光を放射するダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーを備えることができるレーザー光源によって供給されるレーザービームが、開口部２６を通してハウジング２０の中に向けられる。
【００３２】
照射手段１８は、さらに、放射ビーム２２を誘導し、処理する光学部２８を備えている。光学部２８は、放射源２４によって放射される放射ビーム２２を広げるビームエキスパンダー３０、放射ビーム２２を収束する収束レンズ３２、スキャナ部３４、及び対物レンズ３５のような複数の光学要素を備えている。スキャナ部３４と対物レンズ３５は、例えば、ガルバノメータースキャナとｆ−θ対物レンズの形式で設計されてよい。スキャナ３４によって、ビーム路の方向とビーム路に垂直な面内の両方の放射ビーム２２の焦点の位置は、変化され、調整されることができる。照射部１８の作動は、制御部３６によって制御される。
【００３３】
プロセスチャンバー１２は、周囲の雰囲気に対して、すなわち、プロセスチャンバー１２を取り囲む環境に対して密封可能とされる。プロセスチャンバー１２は、ガス源４０によって提供されるガスがプロセスチャンバー１２へ供給され得る際に通るガス供給路（ライン）３８に接続されている。ガス源４０からプロセスチャンバー１２へ供給されるガスは、例えば、アルゴン又は窒素のような不活性ガスでよい。排出路（ライン）４２は、累積的な積層造形法により原料粉末よりなるワークピースを製造するために、キャリア１６上に塗布された原料粉末に電磁放射線又は粒子放射線を照射する間に、例えば、プロセスチャンバー１２からの原料粉末の粒子、又は溶接煙の粒子のような微粒子の不純物を含むガスを排出する機能を有する。微粒子の不純物を含むガスは、例えば、ポンプのような搬送手段４４によって、プロセスチャンバー１２から排出される。搬送手段４４の上流の排出路４２内に配置されたフィルター（濾過器）４６は、プロセスチャンバー１２から排出されたガス流から微粒子の不純物を濾過する機能を有する。フィルター４６を通過後、ガス流は、ガス供給路３８を経由してプロセスチャンバー１２内に再循環されてよい。最後に、装置１０は、未公開の欧州特許出願ＥＰ  １４  １９４  ３７８に記載された高温検出手段３９を備える。
【００３４】
例えば、照射部１８の光学要素３０、３２、３４、３５の屈折率、及び、幾何学的形状のような光学特性は、照射部１８の作動温度に応じて変化し、次には、照射部１８の作動温度が、照射部１８の放射源２４によって放射された放射ビーム２２の出力に主に依存する。これらの、光学要素３０、３２、３４、３５の幾何学的形状における温度で誘起される変化のみならず、光学要素３０、３２、３４、３５を製造するために使用される光学材料の屈折率における温度で誘起される変化が、放射源２４によって放射される放射ビーム２２の焦点位置のずれにつながる。具体的には、照射部１８の作動温度が上昇するにつれて、光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の、温度で誘起される変化により、放射ビーム２２の焦点位置は、放射ビーム２２のビーム路に沿って、それゆえに、座標系のｚ軸の方向に次第にずれる。ここで、ｘ軸及びｙ軸は照射される原料粉末の表面によって形成される平面を定義し、ｚ軸は照射部１８の方向に、ｘ軸及びｙ軸に垂直に延伸する。
【００３５】
三次元ワークピースの製造装置１０を製造する際に、照射部１８の品質検査を実施する。この目的のために、少なくとも１つの、しかし通常は光学素子３０、３２、３４、３５の全てを具備する照射部１８が、装置１０内に提供され、据え付けられる。その後、照射部１８の放射源２４によって放射される放射ビーム２２の焦点位置の少なくとも１つの空間的な方向、特には、座標系のｚ軸の方向における作動温度に依存したずれが、決定される。その際に、ｘ軸とｙ軸は照射される原料粉末の表面によって形成される平面を定義し、ｚ軸は照射部１８の方向に、ｘ軸及びｙ軸に垂直に延伸する。具体的には、第１のステップにおいて、放射ビーム２２の出力は最大出力の１０％に設定され、照射部１８の少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の、温度で誘起される変化によって引き起こされる焦点位置のずれの第１の値が測定される。放射ビーム２２の焦点位置のずれは最大出力の１０％の放射ビーム２２の出力においては、ほぼ発生しないので、最大出力の１０％の放射ビーム２２の出力で測定された焦点位置のずれについての値は、参照値として取得される。
【００３６】
その後、照射部１８の少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の、温度で誘起される変化によって引き起こされる焦点位置のずれの値が、最大出力の２５％及び最大出力の１００％の放射ビーム２２の出力において測定される。照射部１８の少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５は、照射部１８の放射源２４によって放射された放射ビーム２２の焦点位置の温度に依存したずれが閾値未満である場合だけ、装置１０内での最終的な据え付けに対して選定される。特に、少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５は、その少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の作動温度に依存した変化によって引き起こされる、上記で定義された座標系のｚ軸に沿った焦点位置のずれが、放射ビーム２２のレイリー長の０．５未満である場合にだけ、要求された品質基準を満たすことが決定される。
【００３７】
少なくとも１つの光学要素３０、３２、３４、３５が、装置１０内に据え付けるための要求された品質基準を満たすことが決定された場合に、較正のための測定が実施される。上述した品質検査の測定と同様に、さらに以下で記載される較正のための測定も、装置１０に取り外し可能に設けられ、従って、その較正のための測定の完了後に装置１０から取り外されてよい、火面測定手段４８を用いて火面測定方法（ｃａｕｓｔｉｃ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）により実行される。その較正のための測定において、照射部１８の光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の、温度で誘起される変化によって引き起こされる焦点位置のずれは、図２のグラフに示される複数の測定値を得るために、放射ビーム２２の選択された出力値において測定される。
【００３８】
具体的には、その複数の測定値は、光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の作動温度で誘起される変化によって引き起こされる（生じる）、放射ビーム２２の焦点位置の上記で定義された座標系のｚ軸の方向におけるずれを示している。図２から明らかなように、ほぼ、放射ビーム２２の焦点位置のずれは最大出力の１０％の放射ビーム２２の出力においては発生していない。放射ビーム２２の出力が増加するにつれ、ずれは次第に増加する。
【００３９】
放射ビーム２２の焦点位置のずれの複数の測定値に基づいて、放射ビーム２２の出力に応じた、焦点位置の１つの空間的な方向における、すなわち、上記で定義された座標系のｚ軸の方向におけるずれを表している補正関数が決定される。図２のグラフにおいて、補正関数は、複数の測定値について実行された１次の回帰分析の結果より得られたものである。しかしながら、補正関数を得るために、回帰分析において、より高次の関数を使用することも考えられる。その補正関数は、制御部３６に入力される。例えば、その補正関数は、制御部３６の記憶装置（メモリー）の中に保存されてよい。
【００４０】
三次元ワークピースを製造するために装置１０を稼働させている間、制御部３６は、照射部１８の光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の作動温度に依存した変化に応じて照射部１８の作動を制御する。具体的には、制御部３６は、光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の作動温度に依存した変化を補正するように、照射部１８の作動を制御する。補正関数を用いて、制御部３６は、焦点位置の作動温度に依存したずれを補正するように、放射ビーム２２の焦点位置の作動温度に依存したずれに応じて照射部１８の作動を制御する。これにより、放射ビーム２２の出力、及び、それにより照射部１８の作動温度が、例えば、生成されるワークピースの異なる領域を製造するために変わるとき、光学要素３０、３２、３４、３５の光学特性の、作動温度で誘起される変化によって影響されずに生成される三次元ワークピースの品質が、維持されることができる。
【００４１】
上述した較正のための測定を、例えば、装置１０を製造する際に、一度だけ実施してもよい。しかしながら、較正のための測定を、例えば、三次元ワークピースの製造装置１０に実施する保守作業の一部として、定期的な時間間隔で行うことも考えられる。高温測定手段３９が、定期的な較正のための測定を行うために用いられてよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０…三次元ワークピースの製造装置、  １２…プロセスチャンバー、              
１４…粉末塗布手段、  １６…キャリア、  １８…照射部、  ２０…ハウジング、    
２２…放射ビーム、  ２４…放射源、  ２６…開口部、  ２８…光学部、            
３０…ビームエキスパンダー（光学要素）、  ３２…収束レンズ（光学要素）、      
３４…スキャナ部（光学要素）、  ３５…対物レンズ（光学要素）、                
３６…制御部、  ３８…ガス供給路、  ３９…高温検出手段、  ４０…ガス源、      
４２…排出路、  ４４…搬送手段、  ４６…フィルター（濾過器）、                
４８…火面測定手段。
【図１】
2016191144.tif 000003
【図２】
2016191144.tif 000004