(57)【要約】【課題】  高速な３Ｄ印刷装置を提供する。【解決手段】  立体的に延びる製品を製造するための３Ｄ印刷装置であって、レーザビーム（１，１’，１’’）を出射可能な、少なくとも１つのレーザ光源と、３Ｄ印刷のための、レーザビーム（１，１’，１’’）でぶつけるべき出発材料が導かれる、または導くことが可能である作業領域（４）であって、レーザビーム（１，１’，１’’）が作業領域（４）に入射するように、３Ｄ印刷装置に配設される作業領域（４）と、可動ミラー（２，１２，１３）として形成される走査手段であって、レーザビーム（１，１’，１’’）を作業領域（４）の所望の場所に導くことが可能である走査手段と、を含む３Ｄ印刷装置において、３Ｄ印刷装置の作動中、レーザビームの複数の入射点または入射領域が、互いに離間して、作業領域（４）上に生じるように、レーザ光源が構成されてなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体的に延びる製品を製造するための３Ｄ印刷装置であって、
レーザビーム（１，１’，１’’）を出射可能な、少なくとも１つのレーザ光源と、
３Ｄ印刷のための、レーザビーム（１，１’，１’’）でぶつけるべき出発材料が導かれる、または導くことが可能である作業領域（４）であって、レーザビーム（１，１’，１’’）が作業領域（４）に入射するように、３Ｄ印刷装置に配設される作業領域（４）と、
可動ミラー（２，１２，１３）として形成される走査手段であって、レーザビーム（１，１’，１’’）を作業領域（４）の所望の場所に導くことが可能である走査手段と、を含む３Ｄ印刷装置において、
３Ｄ印刷装置の作動中、レーザビームの複数の入射点または入射領域が、互いに離間して、作業領域（４）上に生じるように、レーザ光源が構成されてなることを特徴とする３Ｄ印刷装置。
【請求項２】
３Ｄ印刷装置の作動中、作業領域（４）中の、互いに離間された、レーザビームの複数の入射点または入射領域を通過して、粉体状の出発材料は、同時に複数の箇所で、固化されることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項３】
走査手段は、少なくとも１つの可動ミラー（１２，１３）と、少なくとも１つの非可動ミラー（２）とを含み、少なくとも１つの可動ミラー（１２，１３）は、少なくとも１つの非可動ミラー（２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項４】
それぞれからレーザビーム（１，１’，１’’）を出射することが可能である、少なくとも２つのレーザ光源を含み、一平面における、該少なくとも２つのレーザ光源の出射面（５）は、各レーザビーム（１，１’，１’’）の中間伝播方向に対して垂直に互いに離間されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項５】
走査手段は、複数の非可動ミラー（２）を含み、レーザビーム（１，１’，１’’）のそれぞれは、これら非可動ミラー（２）の少なくとも１つに配設され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３Ｄ印刷装置。
【請求項６】
走査手段は、１または複数の可動ミラー（１２，１３）を含み、３Ｄ印刷装置の作動中、レーザビーム（１，１’，１’’）のいくつか、または全部が回折され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３Ｄ印刷装置。
【請求項７】
走査手段は、作業領域（４）上のレーザビームの入射点または入射領域は、入射点または入射領域が相並んで配設された方向に移動可能であるように構成されてな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３Ｄ印刷装置。
【請求項８】
走査手段と作業領域（４）との間に配設され、Ｆシータ対物レンズ、またはフラットフィールド走査対物レンズとして形成された光学手段（３）を含み、光学手段（３）は、レーザビーム（１，１’，１’’）を作業領域（４）内に集束させることが可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項９】
少なくとも２つのレーザ光源と走査手段との間に、追加の光学手段（３’）が設けられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項１０】
追加の光学手段（３’）は、走査手段と作業領域との間に配設された光学手段（３）に似ている、または対応しており、追加の光学手段（３’）も、Ｆシータ対物レンズ、またはフラットフィールド走査対物レンズとして形成されることを特徴とする、請求項９に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項１１】
少なくとも２つのレーザ光源と走査手段との間には、さらなる光学手段が配設されていないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項１２】
レーザビーム（１，１’，１’’）は、少なくとも２つのレーザ光源からコリメートされて出射することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項１３】
少なくとも２つのレーザ光源それぞれから出射するレーザビーム（１，１’，１’’）の中間伝播方向は、互いにある角度を形成しており、特に、１０°よりも小さい角度を形成していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項１４】
レーザ光源は、光ファイバ（７）の端部として形成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項１５】
レーザ光源は、レーザ装置として構成されてなることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の３Ｄ印刷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に従った、立体的に延びる製品を製造するための３Ｄ印刷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の３Ｄ印刷装置では、粉末状に供給される出発材料が、たとえば、レーザビームによって、たとえば、出発物質の溶融または焼結などのプロセスが、それらが行われる場所で開始されるようなエネルギ量で、点状形式で、塗布されていく。この場合、このプロセスによって、出発材料の核が結合することになる。作業領域にわたって、レーザビームを格子状に走査することによって、製造されるべき製品が層状に生み出されてくる。
【０００３】
冒頭で挙げたタイプの装置は、たとえば、Sabina Luisa Campanelli, Nicola Contuzzi, Andrea Angelastro and Antonio Domenico Ludovico (2010), Capabilities and Performances of the Selective Laser Melting Process, New Trends in Technologies: Devices, Computer, Communication and Industrial Systems, Meng Joo Er (Ed.), ISBN: 978-953-307-212-8, InTech（http://www.intechopen.com/books/new-trends-in-technologies--devices--computer--communication-and-industrial-systems/capabilities-and-performances-of-the-selective-laser-melting-processも参照）から知られる。知られた装置の一部を図１に示す。
【０００４】
図１において、左から、コリメートされたレーザビーム１が、２つの移動可能なミラー２上にぶつかる。２つのミラーの内図示されているのは１つだけである。これら２つのミラー２は、作業面４において互いに依存しない２つの方向においての走査を可能とするために、互いに垂直な２つの方向においてレーザビーム１を回折させる。ミラーはたとえば、ガルバノミラーとして形成することが可能である。このミラーから、レーザビームは、Ｆシータ対物レンズとして形成された光学手段３を介して、作業面４上に導かれ、したがって、レーザビーム１の焦点面は、実質的に作業面４内に位置することになる。この場合、ミラー２は、たとえば、粉体形状の出発材料が、レーザビームが入射すべき作業面４内の点に、レーザビームを向けることが可能である。ミラー２と光学手段３とは、通常、標準的なレーザヘッド内に統合される。
【０００５】
この３Ｄ印刷装置の場合、点形式で作業面を走査して比較的大きな製品を製造するためには、事情によっては、非常に長い時間が必要とされるという点が欠点である。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の根底にある課題は、より効率的な、特に、技術水準から知られる装置よりも速い、３Ｄ印刷装置を提供することである。
【０００７】
これは、発明に従えば、請求項１の特徴を有する、冒頭で述べたタイプの３Ｄ印刷装置によって解決される。下位の請求項は、本発明の好ましい実施形態に関連している。
【０００８】
請求項１に従えば、少なくとも１つのレーザ光源は、装置が作動しているとき、レーザビームの複数の入射点または入射領域が、作業領域上に、互いに間隔を空けて生じるように構成されてなる。
【０００９】
その場合、３Ｄ印刷装置が作動しているとき、レーザビームが、作業面内の互いに離間した、複数の入射点または入射領域を通過することによって、粉体形状の出発材料が、複数の箇所で固定されるように構成することが可能である。このような方法で、製品を製造するための時間が低減される。
【００１０】
走査手段は、少なくとも１つの可動ミラーと、少なくとも１つの非可動ミラーとを含むことが可能であり、特に、この場合、該少なくとも１つの可動ミラーは、該少なくとも１つの非可動ミラーよりも大きい。
【００１１】
また、３Ｄ印刷装置は、それぞれからレーザビームを出射することが可能である少なくとも２つのレーザ光源を含むことが可能であり、特にこの場合、一平面における、該少なくとも２つのレーザ光源の出射面は、各レーザビームの中間伝播方向に対して垂直に互いに離間されてなる。該少なくとも２つのレーザ光源のレーザビームを、作業面内へと同時に目標どおりに導くことが可能となることを達成することが可能であり、したがって、それに応じて、加工時間が短縮される。
【００１２】
走査手段は、複数の非可動ミラーを含むことが可能であり、その場合、各レーザビームは、該非可動ミラーの少なくとも１つに関連付けられている。
【００１３】
走査手段は、１または複数の可動ミラーを含み、これらのミラーによって、３Ｄ印刷装置の可動中に、レーザビームのいくつかが、特にレーザビームのすべてが、回折されるように構成することが可能であるこの方法では、たとえば、１または２つの大きな可動ミラーを設けることが可能であり、このミラーによって、レーザビームのいくつか、特に、全レーザビームが、回折される。この大きなミラーは、大きなレーザ出力に対して比較的感受性がないものとすることができる。さらにまた、大きなミラーの移動のために、電動アクチュエータ以外の移動システムを用いることが可能であるので、したがって、本システムは総じて頑丈で、コスト的にも好ましいものにすることが可能である。
【００１４】
走査手段は、レーザビームの作業面上への入射点または入射領域を、その入射点または入射領域が互いに相並んで配設されている方向において移動可能であるように構成することが可能である。この移動によって、作業面のレーザビームがぶつかる点または領域に、レーザビームが何回も短く、順に、ぶつけられる。順次レーザビームをぶつけていくことによって、出発材料を溶融するのに十分なエネルギをその領域に投入することが可能であるので、各焦点位置での作用時間を短縮することが可能である。この方法においては、作業面にわたって焦点位置を移動する速度を上げることが可能である。したがって、全体としては、加工時間を短くすることが可能となる。
【００１５】
さらに詳しくは、本発明は、立体的に延びる製品を製造するための３Ｄ印刷装置であって、
レーザビーム（１，１’，１’’）を出射可能な、少なくとも１つのレーザ光源と、
３Ｄ印刷のための、レーザビーム（１，１’，１’’）でぶつけるべき出発材料が導かれる、または導くことが可能である作業領域（４）であって、レーザビーム（１，１’，１’’）が作業領域（４）に入射するように、３Ｄ印刷装置に配設される作業領域（４）と、
可動ミラー（２，１２，１３）として形成される走査手段であって、レーザビーム（１，１’，１’’）を作業領域（４）の所望の場所に導くことが可能である走査手段と、を含む３Ｄ印刷装置において、
３Ｄ印刷装置の作動中、レーザビームの複数の入射点または入射領域が、互いに離間して、作業領域（４）上に生じるように、レーザ光源が構成されてなることを特徴とする３Ｄ印刷装置である。
【００１６】
本発明において、３Ｄ印刷装置の作動中、作業領域（４）中の、互いに離間された、レーザビームの複数の入射点または入射領域を通過して、粉体状の出発材料は、同時に複数の箇所で、固化されることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、走査手段は、少なくとも１つの可動ミラー（１２，１３）と、少なくとも１つの非可動ミラー（２）とを含み、少なくとも１つの可動ミラー（１２，１３）は、少なくとも１つの非可動ミラー（２）よりも大きいことを特徴とする。
【００１８】
本発明において、それぞれからレーザビーム（１，１’，１’’）を出射することが可能である、少なくとも２つのレーザ光源を含み、一平面における、該少なくとも２つのレーザ光源の出射面（５）は、各レーザビーム（１，１’，１’’）の中間伝播方向に対して垂直に互いに離間されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明において、走査手段は、複数の非可動ミラー（２）を含み、レーザビーム（１，１’，１’’）のそれぞれは、これら非可動ミラー（２）の少なくとも１つに配設されることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、走査手段は、１または複数の可動ミラー（１２，１３）を含み、３Ｄ印刷装置の作動中、レーザビーム（１，１’，１’’）のいくつか、または全部が回折されることを特徴とする。
【００２１】
本発明において、走査手段は、作業領域（４）上のレーザビームの入射点または入射領域は、入射点または入射領域が相並んで配設された方向に移動可能であるように構成されてなることを特徴とする。
【００２２】
本発明において、走査手段と作業領域（４）との間に配設され、Ｆシータ対物レンズ、またはフラットフィールド走査対物レンズとして形成された光学手段（３）を含み、光学手段（３）は、レーザビーム（１，１’，１’’）を作業領域（４）内に集束させることが可能であることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、少なくとも２つのレーザ光源と走査手段との間に、追加の光学手段（３’）が設けられることを特徴とする。
【００２４】
本発明において、追加の光学手段（３’）は、走査手段と作業領域との間に配設された光学手段（３）に似ている、または対応しており、追加の光学手段（３’）も、Ｆシータ対物レンズ、またはフラットフィールド走査対物レンズとして形成されることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、少なくとも２つのレーザ光源と走査手段との間には、さらなる光学手段が配設されていないことを特徴とする。
【００２６】
本発明において、レーザビーム（１，１’，１’’）は、少なくとも２つのレーザ光源からコリメートされて出射することを特徴とする。
【００２７】
本発明において、少なくとも２つのレーザ光源それぞれから出射するレーザビーム（１，１’，１’’）の中間伝播方向は、互いにある角度を形成しており、特に、１０°よりも小さい角度を形成していることを特徴とする。
【００２８】
本発明において、レーザ光源は、光ファイバ（７）の端部として形成されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明において、レーザ光源は、レーザ装置として構成されてなることを特徴とする。
【００３０】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して、好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】技術水準に従った３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図２】本発明に従った３Ｄ印刷装置の第１実施形態の概略図である。
【図３】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための複数のレーザ光源の概略図である。
【図４】図２に従った、本発明に従った３Ｄ印刷装置の機能を説明するための概略図である。
【図５】本発明に従った３Ｄ印刷装置の第２実施形態の概略図である。
【図６】本発明に従った３Ｄ印刷装置の第３実施形態の概略図である。
【図７ａ】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための複数のレーザ光源の出射面の第１の配設の概略図である。
【図７ｂ】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための複数のレーザ光源の出射面の第２の配設の概略図である。
【図７ｃ】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための複数のレーザ光源の出射面の第３の配設の概略図である。
【図７ｄ】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための複数のレーザ光源の出射面の第４の配設の概略図である。
【図８】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための作業面における焦点位置の第１の配設の概略図である。
【図９】本発明に従った３Ｄ印刷装置のための作業面における焦点位置の第２の配設の概略図である。
【図１０】本発明に従った３Ｄ印刷装置の第４実施形態の概略図である。
【図１１】第２実施形態の図５に対応する図であり、作業面における焦点位置の顕著な移動も示している。
【図１２】第４実施形態の図１０に対応する図であり、作業面における焦点位置の顕著な移動も示している。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図面において、同一の部分、および機能的に同一の部分には同一の参照符号が付されている。
【００３３】
発明に従った３Ｄ印刷装置の図２に示す実施形態の場合、第１レーザ光源に加えて、第２レーザ光源が設けられ、したがって、追加のレーザビーム１が生み出される。第２レーザ光源の出射面は、一平面において、レーザビーム１，１’の中間伝播方向に対して垂直に、第１レーザ光源の出射面から離間しており、特に、１０μｍ〜１０ｍｍ、たとえば、１００μｍ離間している。作業面４に、レーザビーム１，１’は、互いに離間してぶつかる（たとえば図２参照）。
【００３４】
レーザビーム１，１’は、互いに対していくらか傾斜しており、したがって、それらは、ミラー２上に、またはその少し前ないしは後ろで、ほぼ一緒に入射する。
【００３５】
３Ｄ印刷装置は、ミラー２の前方に、さらにまた光学手段３’を含み、その光学手段３’は、特に、Ｆシータ対物レンズとして形成されてもよく、たとえば、正に光学手段３に対応する。しかしながら、たとえば、光学手段３とは別の焦点距離を有する、別の光学手段３’を含んでもよい。
【００３６】
さらにまた、光学手段３’を設けずに、レーザビーム１とレーザビーム１’とを、さらにコリメートされたレーザビームとしてミラー２上に入射させることも可能である。この場合も、レーザビーム１，１’の伝播方向は、いくらか互いに傾けられており、したがって、レーザビーム１，１’はミラー２上に、またはその少し前もしくは後ろに一緒に入射する。
【００３７】
２つのレーザ光源の代わりに、２より多いレーザ光源、たとえば、図２に示されているように、２５のレーザ光源、または２５より多いレーザ光源を用いることも可能である。図７ａ〜図７ｄは、複数のレーザ光源からの出射面５の配設の例を示している。これらは、たとえば、一列状（図７ｄ）、または十字形状（図７ｂ）に配設される。円形状（図７ｄ）または、比較的大きな間隔（図７ｃ）を設けた列状でも示されている。またさらに、他の配設も可能である。
【００３８】
たとえば、作業面４におけるより複数の互いに隣接した焦点によって、複数の場所で同時に、粉体状出発材料が硬化され、したがって、それによって、製品を製造するための時間を短縮することが可能になる。このことは、レーザ光源の出射面の他の配設にもあてはまる。
【００３９】
図４は、異なるレーザビーム１，１’の作業面における焦点位置は、同時に移動させられることを示している。そのために、いろいろなミラー配置が示されている。
【００４０】
図８は、作業面における焦点位置１１の線形配設を示している。これは、矢符ｖによって示されるように、長手方向に移動される。この長手方向における移動によって、作業面の、レーザビームがぶつかるべき範囲は、レーザビームによって何回も順に短時間ずつ打たれる。したがって、たとえば、このように順にレーザビームをぶつけることによって、出発材料を溶融するのに十分なエネルギをその領域に投入することが可能であるので、各焦点位置１１の作用時間を短縮することが可能である。
【００４１】
このような方法で、作業面にわたる焦点位置１１の移動の速度を、上げることが可能である。これによって、全体として処理時間も短縮することが可能である。
【００４２】
図９は、作業面の焦点位置１１の互いに平行な複数の線における配設に関する実施例を示している。これは、矢符ｖによって示されるように、平行な線の長手方向に移動される。
【００４３】
平行な線の長手方向の移動によって、作業面の、レーザビームが同時にぶつかるべき複数の領域には、レーザビームが、複数回短時間順にぶつけられる。したがって、順にレーザビームをぶつけることによって、たとえば、出発材料を溶融するのに十分なエネルギをその領域に投入することが可能であるので、各焦点位置１１の作用時間を短縮することが可能である。
【００４４】
図８とは異なり、図９の実施形態における溶融は、複数の領域において並行して行われる。したがって、処理時間は総じて、一層短縮することが可能である。
【００４５】
図３は、複数の、特に２５の、概略的に示されたレーザ光源６によって、たとえば、レーザビーム１，１’，・・・のための複数の、特に２５の出射面の菱形形状の配設をどのようにして実施可能であるかを示している。
【００４６】
図示の実施形態では、レーザ光源は、光ファイバ７の出射端部として示されている。他のレーザ光源を使用することももちろん可能である。
【００４７】
光ファイバ７の両端部は、菱形形状の断面を有する線束の形態において配設され、その場合、それらから出射するレーザビーム１，１’・・・は、適切なミラー８において回折して、さらなる光学手段３’上に入射する。
【００４８】
図５は、複数のレーザ光源および複数のレーザヘッドから適切に選択することによって、複数のミラー２と複数の光学手段（図示せず）で、作業面内に、たとえば１００より多い、焦点位置１１の列をどのように達成することが可能であるかを示している。さらにまた、複数のレーザヘッドは、ミラー２と共に互いに隣接して配設され、それぞれ、複数の、たとえば１０のレーザビーム１，１’，１’’，・・・が対応する。ミラー２は、互いに垂直に、または２つの互いに垂直な軸回りに、揺動可能である。
【００４９】
図６は、２つの異なる側からのレーザビーム１，１’，・・・の場合の比較可能な配設を示しており、これらのレーザビーム１，１’，・・・は、２つの互いに平行な列９，９’に配設されたミラー２にぶつかる。この場合も、たとえば１００またはそれより多くの焦点位置１１の長い列が作業面に生じる。
【００５０】
図１０は、図５とは異なり、互いに垂直に並んだミラー２は、移動可能ではなく、移動しない、配設を示している。図５の場合のように、経路ごとに、またはレーザ光源ごとに、このミラー２が２つ設けられている。
【００５１】
ミラー２が移動不可であっても、作業面において焦点位置を移動するために、少なくとも１つの移動可能なミラー１２，１３が、ミラー２の前または後ろに設けられる。このミラー１２，１３は、長形をなし、レーザビーム１，１’，１’’のいくつか、または全部を同時に回折することが可能である。特に、ミラー１２，１３の向きの変更は、圧電アクチュエータ１４，１５によって達成される。
【００５２】
その場合、第１ミラー１２の移動が、複数の焦点位置１１が互いに隣接して並ぶ長手方向１６における焦点位置１１の移動を引き起す。第２ミラー１３の移動は、長手方向１６に垂直な方向における焦点位置１１の移動を引き起こす。
【００５３】
作業面４において焦点位置１１を所望のように移動するために、第１ミラーは、たとえば、±０．１５°の範囲において、６０Ｈｚの周波数で移動させることが可能であり、それに対して、第２ミラー１３は、±１５°の範囲において、０．００５Ｈｚの周波数で移動させることが可能であることが示されている。このようなゆっくりとした移動、またはわずかの振幅の移動であるので、ガルバノミラーの代わりに、たとえば圧電アクチュエータ１４，１５などの、他の実施形態の駆動装置を利用することも可能である。
【００５４】
第１方向と、それに垂直な第２方向とにおける移動から、ビームのジグザグ形状の移動を行うことが可能である。図１１は、各焦点位置１１のジグザグ形状の移動を、図５に対応した表示方法で、概略的に示したものである。図１２は、各焦点位置１１のジグザグ形状の移動を、図１０に対応した表示方法で、概略的に示したものである。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2017115244.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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