(57)【要約】  本発明は、材料床（１０４）を支持する支持体（１０２）を含むビルドチャンバ（１０１）と、材料床（１０４）の層を形成する層形成デバイス（１０８、１０９）と、レーザーまたは電子ビーム（１１８）を生成するレーザーまたは電子ビームソース（１０５）と、レーザーまたは電子ビーム（１１８）を操向し各層の選択されたエリアを固化して部品を形成するデバイス（１０６）と、マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、選択されたエリアに基づいて材料床（１０４）を異なるように加熱するように制御可能なマイクロ波またはラジオ波ソース（１１１、１１２、１１３、１１４）を備える、積層造形装置に関する。
2017536476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料床を支持する支持体を含むビルドチャンバ、前記材料床の層を形成する層形成デバイス、レーザーまたは電子ビームを生成するレーザーまたは電子ビームソース、前記レーザーまたは電子ビームを操向し各層の選択されたエリアを固化して部品を形成するデバイス、および、前記材料床を前記選択されたエリアに基づいて異なるように加熱するマイクロ波またはラジオ波フィールドを生成するように制御可能なマイクロ波またはラジオ波ソースを備えることを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、前記材料床を選択的に加熱するように制御可能であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、前記レーザーまたは電子ビームを用いた固化の前に各層の前記選択されたエリアを予熱するように制御可能であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、固化されるように選択されていない前記層の他のエリアよりも高い温度まで、前記選択されたエリアを予熱するように制御可能であることを特徴とする請求項３に記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、焼結温度以上まで前記選択されたエリアを予熱し、一方、選択されていないエリアは前記焼結温度未満のままであるように制御可能であることを特徴とする請求項４に記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースを制御して、前記マイクロ波またはラジオ波を前記材料床上の所望の位置へと操向するコントローラを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記コントローラが、前記マイクロ波またはラジオ波ソースを制御して前記マイクロ波またはラジオ波を操向し、固化した材料を冷却する間、前記固化した材料に近接している固化していない材料の選択部分を加熱して、熱伝導を調節するように構成されることを特徴とする請求項６に記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記レーザーまたは電子ビームを操向し、各層の前記選択されたエリアを溶融させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、前記レーザーもしくは電子ビームを用いて１つまたはより多くの前記層の前記選択されたエリアを固化させる前に、固化させるのと並行して、および／または固化させた後に、前記材料床を加熱するように制御されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、１つまたはより多くの前記層の選択されたエリアを固化させる間、前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを変更するように制御可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、前記マイクロ波またはラジオ波を使用して、層の第１の選択されたエリアを所望の温度まで予熱し、前記層の第２の選択されたエリアがそれに続くように制御可能であることを特徴とする請求項１０に記載の積層造形装置。
【請求項１２】
前記第１の選択されたエリアが前記レーザーまたは電子ビームを用いて固化されている間、前記マイクロ波またはラジオ波を用いて前記第２の選択されたエリアを予熱するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の積層造形装置。
【請求項１３】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースは、固化されるべき前記選択されたエリアが層から層へ変わるにつれて、前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを層間で変更するように制御可能であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、前記マイクロ波またはラジオ波を生成するマイクロ波またはラジオ波エミッタのアレイを備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記アレイは、各エミッタにより生成される前記マイクロ波またはラジオ波の相対位相を変動させて、前記アレイにより生成される前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを変更できるように制御可能であることを特徴とする請求項１４に記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、マイクロ波またはラジオ波エミッタと、前記エミッタによって放射された前記マイクロ波またはラジオ波を集めて、前記マイクロ波またはラジオ波を細いビームの形で前記材料床へ導く、移動可能な反射器またはレンズを備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記マイクロ波またはラジオ波ソースが、メーザービームを生成する少なくとも１つのメーザーと、前記メーザービームを前記材料床に操向するデバイスを備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１８】
材料層がレーザーまたは電子ビームを使用して層毎に固化されて物体を形成する、部品を造形する方法であって、材料床の層を形成するステップ、および、前記層にわたって前記レーザーまたは電子ビームで走査して前記層の選択されたエリアを固化させるステップを繰り返すこと、ならびに、前記材料床を前記選択されたエリアに基づいて異なるように加熱するようにマイクロ波またはラジオ波フィールドを生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の積層造形装置のプロセッサによって実行されたとき、前記積層造形装置に、前記材料床を前記選択されたエリアに基づいて異なるように加熱する前記マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成させることを特徴とする命令が記憶されたデータキャリア。
【請求項２０】
材料床を支持する支持体を含むビルドチャンバ、前記材料床の層を形成する層形成デバイス、レーザーまたは電子ビームを生成するレーザーまたは電子ビームソース、前記レーザーまたは電子ビームを操向して各層の選択されたエリアを固化して部品を形成するデバイス、および、各層の選択されたエリアそれぞれを、レーザーまたは電子ビームが前記選択されたエリアのうちの別のエリアを固化している間、予熱するように制御可能なさらなるエネルギーソースを備えることを特徴とする積層造形装置。
【請求項２１】
材料層がレーザーまたは電子ビームを使用して層毎に固化されて物体を形成する、部品を造形する方法であって、材料床の層を形成するステップ、および、前記層にわって前記レーザーまたは電子ビームで走査して前記層の選択されたエリアを固化させるステップを繰り返すこと、ならびに、前記レーザーまたは電子ビームとは別のエネルギーソースを用いて各層の前記選択されたエリアそれぞれを、前記レーザーまたは電子ビームが前記選択されたエリアのうちの別のエリアを固化している間、予熱するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
積層造形装置のプロセッサにより請求項２１に従って実行されたときに、前記積層造形装置に、各層の前記選択されたエリアそれぞれを、前記レーザーまたは電子ビームが前記選択されたエリアのうちの別のエリアを固化している間、前記エネルギーソースを用いて予熱させる命令を記憶したことを特徴とするデータキャリア。
【請求項２３】
材料床を支持する支持体を含むビルドチャンバ、前記材料床の層を形成する層形成デバイス、レーザーまたは電子ビームを生成するレーザーまたは電子ビームソース、前記レーザーまたは電子ビームを操向して各層の選択されたエリアを固化して部品を形成するデバイス、および、電磁放射の１つ以上のパターンを生成して前記材料床を加熱するように制御可能なフェーズドアレイを備えることを特徴とする積層造形装置。
【請求項２４】
材料層がレーザーまたは電子ビームを使用して層毎に固化されて物体を形成する、部品を造形する方法であって、材料床の層を形成するステップ、および、前記レーザーまたは電子ビームで前記層を走査して、前記層の選択されたエリアを固化させるステップを繰り返すこと、ならびに、フェーズドアレイを使用して生成される電磁放射の１つまたはより多くのパターンを用いて前記材料床を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
積層造形装置のプロセッサにより請求項２１に従って実行されたときに、前記積層造形装置に、前記材料床を、フェーズドアレイを使用して生成される電磁放射の１つまたはより多くのパターンを用いて加熱させる命令を記憶したことを特徴とするデータキャリア。
【請求項２６】
材料床を支持する支持体を含むビルドチャンバ、材料の層を形成して前記材料床を形成する層形成デバイス、レーザーまたは電子ビームを生成するレーザーまたは電子ビームソース、前記レーザーまたは電子ビームを操向して各層の選択されたエリアを固化して部品の固化した材料を形成するデバイス、前記材料床上の複数の位置へと操向可能なマイクロ波またはラジオ波を生成するマイクロ波またはラジオ波ソース、および、前記マイクロ波またはラジオ波ソースを制御して放射を操向し、冷却の間、前記固化した材料に近接している固化していない材料の選択部分を加熱して、前記固化した材料を通した熱伝導を調節するコントローラを備えることを特徴とする積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は積層造形装置および方法に関する。本発明は、粉体層を選択的に溶融または焼結させる前に粉体層を予熱する、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）システムに対する特定の用途であって排他的ではない用途を有する。
【背景技術】
【０００２】
選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）および選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）装置は、レーザービームなどの高エネルギービームを使用して、金属粉末材料などの材料を層毎に固化させることによって、物体を作成する。粉末の山を粉体層に隣接して堆積させ、ワイパを用いて粉末の山を粉体層全体に（片側から別の側まで）広げて層を形成することによって、ビルドチャンバ内で粉体層全体にわたって粉末層が形成される。次に、構築されている物体の断面に対応する、粉末層のエリアをレーザービームで走査する。レーザービームが粉末を溶融または焼結して、固化層が形成される。層を選択的に固化した後、必要に応じて、新しく固化した層の厚さ分、粉体層を降下させ、粉末のさらなる層を表面の上に広げ、固化させる。かかるデバイスの一例が、特許文献１に開示されている。
【０００３】
構築の間、固化した材料が冷却中に収縮するにつれて生じる力により、部品が上向きに丸まるなど、部品の歪みがもたらされる場合がある。部品を適所で保持するため、構築の一部として支持体を構築することが知られている。しかしながら、かかる支持体は構築の終わりに除去することが困難な場合がある。さらに、部品内の残留応力が、部品を支持体から解放するときに部品を歪ませる場合がある。
【０００４】
粉末材料の溶融／焼結の際、材料の蒸発を可能な限り少なくして、粉末を焼結／溶融温度に至らせることが望ましい。しかしながら、レーザーによる粉末層の加熱は、層厚全体を通して漸減的な温度勾配を作り出す。したがって、層厚全体を通して粉末を溶融するには、層の上部が焼結／溶融温度を大幅に上回る温度に達することを要することがあり、潜在的に粉末の蒸発（おそらくは、爆発的な蒸発）がもたらされる。蒸発および特に爆発的な蒸発によって、部品中に空隙が形成される場合がある。さらに、蒸発した材料が部品形成中に粉体層上の望ましくない場所で固化することにより、部品中に欠陥が形成されることがある。
【０００５】
レーザーによって粉末を溶融または焼結する前に、粉体層全体を溶融または焼結温度に近い温度まで加熱することによって、部品形成中にレーザーによって生成される温度勾配を低減することが知られている。特許文献２は、ビルドチャンバの境界壁の上部領域に位置する加熱コイルを開示している。特許文献３は、粉体層を支持するプラットフォーム上に加熱プレートを設けるか、プラットフォームに加熱プレートを統合して、部品形成の間粉体層を加熱することを開示している。特許文献４は、新たに加えられた粉末層を加熱する輻射ヒーターを開示している。
【０００６】
特許文献５は、焦点を外し均質化されたエネルギービームを使用して粉末層を予熱する装置を開示している。エネルギービームは、セラミックまたはガラスセラミック物品を作製するプロセス全体の間継続して適用され、堆積層の表面全体に、時間および面積当たり同じ量のエネルギーを提供する。予熱は、レーザー照射、電子照射、またはマイクロ波照射、好ましくはレーザー照射によって実施されてもよい。
【０００７】
床の異なる領域に対する熱入力を変動させる装置が知られている。特許文献６は、放射方向または円周方向のどちらかで熱入力を変動させることができる、粉末を予熱するゾーン型の輻射ヒーターを開示している。ゾーン型の輻射ヒーターは、粉体層温度を調整して、所望のセットポイント温度からの偏差を最小限に抑えるように制御される。特許文献７は、粉体層を加熱する８つのヒーターを含むヒータートレイを開示している。ヒーターは、均一な熱分布を粉体層に対して提供するように、ヒータートレイ上で再位置決めまたは調整されてもよい。特許文献８は、金属粉体層の温度を調節する一連のインダクタを開示している。インダクタは、ビルドプレートの周囲の周りに嵌め込まれ、造形されている物品を取り囲む。多くのインダクタが粉末層の周りに存在するので、粉末の温度をゾーン毎に調節することができる。
【０００８】
これらすべての例において、粉末を溶融する場合、レーザービームを用いて粉末を溶融させるときに粉末が蒸発する可能性を大幅に低減するには、粉末温度を焼結温度よりも高温にしなければならないことがある。しかしながら、粉末をこの温度よりも高温にすることによって、粉末がともに焼結され、「部品殻（part cake）」が形成される。粉末の焼結は、未溶融粉末をリサイクルし、さらなる構築に使用することが妨げられ得る。
【０００９】
特許文献９は、粉体層に焦点を有する焼結ビームと、焦点を合わせたビームの焦点付近の領域に入射する少なくとも１つの焦点を外したレーザービームを有する、レーザー焼結システムを開示している。焦点を外したビームは、焼結ビームを取り囲む材料の温度を焼結温度未満のレベルまで上昇させ、それによって焼結位置と周囲の材料の間の温度勾配を低減させる。特許文献１０は、レーザーまたは電子ビームが所定の位置を複数回照射する、自由形式の焼結および／または溶融によって製品を形成する方法を開示している。各位置は、最初に材料の溶融点未満の温度まで加熱され、それに続く照射の間、溶融温度を上回る温度まで加熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，０４２，７７４号明細書
【特許文献２】国際公開第９６／２９１９２号パンフレット
【特許文献３】欧州特許第１３５５７６０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０１５２７７１号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１２／０２３７７４５号明細書
【特許文献６】米国特許第６，８１５，６３６号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００８／０２６２６５９号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１３／０３０９４２０号明細書
【特許文献９】米国特許第５，５０８，４８９号明細書
【特許文献１０】米国特許第８，５０２，１０７号明細書
【特許文献１１】国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット
【発明の概要】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、材料床を支持する支持体を含むビルドチャンバと、材料床の層を形成する層形成デバイスと、レーザーまたは電子ビームを生成するレーザーまたは電子ビームソースと、レーザーまたは電子ビームを操向し各層の選択されたエリアを固化して部品を形成するデバイスを備える、積層造形装置が提供される。
【００１２】
装置は、材料床を選択されたエリアに基づいて異なるように加熱するマイクロ波またはラジオ波フィールドを生成するように制御可能なマイクロ波またはラジオ波ソースをさらに備えてもよい。
【００１３】
マイクロ波またはラジオ波ソースは、マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、材料床を選択的に加熱するように制御可能であってもよい。
【００１４】
第１の態様による本発明は、粉体層もしくは熱可塑性樹脂浴など、材料床の各層の選択されたエリアを、レーザーもしくは電子ビームを用いた溶融、焼結、または硬化による固化前に、マイクロ波またはラジオ波を用いて予熱することを可能にしてもよい。マイクロ波またはラジオ波フィールドを、固化されるように選択されていない層の他のエリアよりも高い温度まで選択されたエリアが予熱されるように、導いてもよい。特に、粉末が溶融によって固化される場合、選択されたエリアは焼結温度以上まで予熱されてもよく、一方、選択されていないエリアは焼結温度未満のままであってもよい。高温まで加熱される材料床のエリアは、それに対応する固化されるべき選択されたエリアを包含してもよいが、それよりもわずかに大きくてもよい。マイクロ波またはラジオ波ソースは、一般的に、材料層を固化するのに使用されるレーザーソースよりも安価であり、マイクロ波またはラジオ波のエネルギーを、各材料層の固化されないエリアを過度に加熱することを回避するように十分に導くことができる。したがって、固化されるエリアの温度は、電子またはレーザービームを用いて溶融させたときに材料が爆発的に蒸発しないようにし、一方、材料床の大きい領域が部品殻を形成しないように上昇させてもよい。
【００１５】
装置は、マイクロ波またはラジオ波を材料床上の所望の位置に操向するようにマイクロ波またはラジオ波ソースを制御するコントローラを備えてもよい。
【００１６】
コントローラは、マイクロ波またはラジオ波を操向し、固化した材料を冷却する間、固化した材料に近接している固化していない材料の選択部分を加熱して熱伝導を調節するように、マイクロ波またはラジオ波ソースを制御するように構成されてもよい。
【００１７】
このようにして、装置は、固化した材料の冷却を制御して、部品の歪みを引き起こし得る構築中または構築後に生じる力を低減してもよい。
【００１８】
マイクロ波またはラジオ波ソースは、レーザーもしくは電子ビームを用いて１つまたはより多くの層の選択されたエリアを固化させる前に、固化させるのと並行して、および／または固化させた後に、材料床を選択的に加熱するように制御されてもよい。
【００１９】
コントローラは、例えば固化したエリアの冷却を制御するため、マイクロ波またはラジオ波ソースを制御して、レーザーもしくは電子ビームを用いて１つまたはより多くの層の選択されたエリアを固化させるのと並行して、および／または固化させた後に、固化していない材料を選択的に加熱するように構成されてもよい。
【００２０】
マイクロ波またはラジオ波は、固化した材料の周りおよび／または固化した材料の表面の、粉末などの固化していない材料を加熱することによって、固化していない材料を加熱してもよい。マイクロ波またはラジオ波は、レーザー、電子ビーム、またはイオンビームよりも効率的に金属粉末に浸透して、装置が、最上層の固化した材料だけでなく、最上層の下にある複数の層の冷却も調節できるようにすることができる。さらに、中実金属体によって作られるファラデー遮蔽効果により、構築の間、マイクロ波またはラジオ波が構築された中空金属構造に浸透するのを防いで、部品の中空金属体内の粉末が、例えば焼結温度よりも高温まで加熱されないことを担保してもよい。したがって、マイクロ波またはラジオ波による粉末の加熱は、部品の固化した材料の外表面に隣接した粉末に制限されてもよく、それにより、部品内に含まれる粉末を構築の最後に簡単に除去することができる。
【００２１】
コントローラは、さらなる放射ソースを制御して、放射ソースによって生成される放射パターン、放射ソースによって生成されるビームの幅（１／ｅ2幅）、ビームの形状、材料床の表面に対するビームの角度、材料床を横切るビームの速度、放射ソースによって生成される放射に暴露される地点の間の地点間距離、および／または各地点の暴露時間を、変更するように構成されてもよい。加熱すべき固化していない材料の選択部分、例えば、選択部分のサイズおよび形状、選択されたエリアを加工するのに使用されるレーザーまたは電子ビームのパラメータ、部品の幾何学形状、層厚、ならびに／あるいは構築中の熱放散の熱的モデルに応じて、変更が行われてもよい。レーザーまたは電子ビームのパラメータは、レーザーまたは電子ビームの出力、レーザーまたは電子ビームスポットの走査速度、地点間距離、暴露時間、レーザーまたは電子ビームのスポット径、レーザーまたは電子ビームのスポット形状であってもよい。
【００２２】
コントローラは、マイクロ波またはラジオ波ソースを制御して、材料床へのマイクロ波またはラジオ波の浸透深さを制御するように構成されてもよい。コントローラは、マイクロ波またはラジオ波ソースを制御して、マイクロ波またはラジオ波の周波数を変更して浸透深さを変化させてもよい。
【００２３】
コントローラまたはラジオ波ソースは、レーザーまたは電子ビームを用いて１つまたはより多くの層の選択されたエリアを固化させる前に、および／または固化させるのと並行して材料床を選択的に加熱して、固化前に選択されたエリアを予熱するように制御されてもよい。
【００２４】
マイクロ波またはラジオ波ソースは、少なくとも１つまたはより多くの層の選択されたエリアを固化させる間、マイクロ波またはラジオ波フィールドを変更するように制御可能であってもよい。特に、第１の選択されたエリアが、マイクロ波またはラジオ波を使用して所望の温度まで予熱され、第２の選択されたエリアがそれに続いてもよい。装置は、第１の選択されたエリアがレーザーまたは電子ビームを用いて固化されている間、マイクロ波またはラジオ波を用いて第２の選択されたエリアを予熱するように構成されてもよい。
【００２５】
マイクロ波またはラジオ波ソースは、固化させるべき選択されたエリアが層から層へ変わるにつれて、マイクロ波またはラジオ波フィールドを層間で変更するように制御可能であってもよい。
【００２６】
マイクロ波またはラジオ波ソースは、構築の間、（材料床上で）異なるマイクロ波またはラジオ波パターンを生成するように制御可能であってもよい。
【００２７】
マイクロ波またはラジオ波ソースは、マグネトロンのアレイ、クライストロンのアレイ、進行波管のアレイ、ジャイロトロンのアレイ、またはアンテナアレイなど、マイクロ波またはラジオ波エミッタのアレイを備えてもよい。アレイは、加熱すべき選択されたエリアに応じて、異なるマイクロ波またはラジオ波パターンを生成するように制御可能であってもよい。アレイは、各エミッタによって生成されるマイクロ波またはラジオ波の相対位相を変動させて、アレイによって生成されるマイクロ波またはラジオ波パターンを変更できるように制御可能な、フェーズドアレイとして働いてもよい。このようにして、マイクロ波またはラジオ波を用いて加熱すべき材料層の選択されたエリアと一致する、１つまたはより多くの強度ピークを有するマイクロ波またはラジオ波パターンを生成するように、アレイを制御することができる。
【００２８】
代替的実施形態では、マイクロ波またはラジオ波ソースは、マイクロ波またはラジオ波エミッタと、放物型反射器（スポットを作り出す）、円筒型反射器（線を作り出す）もしくはマイクロ波レンズなど、エミッタによって放射されたマイクロ波またはラジオ波を集めて、マイクロ波またはラジオ波を細いビームの形で材料床へ導く、移動可能な反射器またはレンズを備える。
【００２９】
さらなる実施形態では、マイクロ波またはラジオ波ソースは、マイクロ波またはラジオ波を材料床の選択されたエリアへと導く、二次元で移動可能なガントリ上に装着されたマイクロ波またはラジオ波エミッタを備える。あるいは、マイクロ波またはラジオ波ソースは、マイクロ波またはラジオ波を材料床の選択されたエリアへと導くために各位置にマイクロ波またはラジオ波エミッタを移動させる、アーティキュレーションアーム上に装着されたマイクロ波またはラジオ波エミッタを備える。
【００３０】
さらに別の実施形態では、マイクロ波またはラジオ波ソースは、メーザービームを生成する少なくとも１つのメーザー、例えば固体メーザーと、メーザービームを材料床上の異なる位置に操向するデバイスを備える。
【００３１】
レーザーまたは電子ビームソースを使用し、材料を固化してもよく、一方、おそらくは低い精度の、狙いを定めたマイクロ波またはラジオ波ソースを使用し、材料を予熱してもよい。このようにして、材料床の大きい体積が部品殻に形成されることなく、構築時間が増加される。さらに、出力および精度に関する要件が低い可能性を所与として、マイクロ波またはラジオ波ソースは、レーザーまたは電子ビームよりも安価なエネルギーソースであってもよい。
【００３２】
本発明の第２の態様によれば、材料層がレーザーまたは電子ビームを使用して層毎に固化されて物体を形成する、部品を造形する方法が提供され、方法は、材料床の層を形成することと、層にわたってレーザーまたは電子ビームで走査して、層の選択されたエリアを固化させることを繰り返すことを含む。
【００３３】
方法は、マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、選択されたエリアに基づいて材料床を異なるように加熱することをさらに含んでもよい。
【００３４】
方法は、マイクロ波またはラジオ波フィールドを生成して、材料床を選択的に加熱することをさらに含んでもよい。
【００３５】
方法は、レーザーまたは電子ビームが選択されたエリアのうちの別のエリアを固化している間、マイクロ波またはラジオ波フィールドを用いて各層の選択されたエリアそれぞれを予熱することをさらに含んでもよい。
【００３６】
方法は、マイクロ波またはラジオ波を操向し、冷却の間、固化した材料に近接している固化していない材料の選択部分を加熱して、固化した材料を通した熱伝導を調節することをさらに含んでもよい。
【００３７】
方法は、フェーズドアレイを使用して生成される電磁放射の１つまたはより多くのパターンを用いて、材料床を加熱することをさらに含んでもよい。
【００３８】
本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様による積層造形装置のプロセッサによって実行されたとき、マイクロ波またはラジオ波ソースに、選択されたエリアに基づいて材料床を異なるように加熱するマイクロ波またはラジオ波フィールドを生成させる命令が記憶されたデータキャリアが提供される。
【００３９】
命令は、プロセッサによって実行されたとき、マイクロ波またはラジオ波ソースに、材料床を選択的に加熱するマイクロ波またはラジオ波フィールドを生成させてもよい。
【００４０】
命令は、プロセッサによって実行されたとき、放射ソースに、冷却の間、固化した材料に近接している固化していない材料の部分を選択的に加熱させて、固化した材料を通した熱伝導を調節してもよい。
【００４１】
本発明の第４の態様によれば、本発明の第１の態様による積層造形装置のプロセッサによって実行されたとき、積層造形装置に、レーザーまたは電子ビームが選択されたエリアのうちの別のエリアを固化している間、さらなるエネルギーソースを用いて各層の各選択されたエリアを予熱させる命令が記憶されたデータキャリアが提供される。
【００４２】
本発明の第５の態様によれば、本発明の第１の態様による積層造形装置のプロセッサによって実行されたとき、積層造形装置に、フェーズドアレイを使用して生成される電磁放射の１つまたはより多くのパターンを用いて材料床を加熱させる命令が記憶されたデータキャリアが提供される。
【００４３】
本発明の上述の態様のデータキャリアは、例えば、フロッピィディスク（登録商標）、ＣＤ  ＲＯＭ、ＤＶＤ  ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷおよび＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ  ＤＶＤ、ブルーレイ（商標）ディスク、メモリ（メモリスティック（商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュカードなど）、ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁気／光学記憶装置などの非一時的データキャリア、あるいはワイヤもしくは光ファイバ上の信号または無線信号、例えば有線または無線ネットワーク（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）を通じて送られる信号などの一時的データキャリアなど、機械に命令を提供するのに適した媒体であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態による選択的レーザー固化装置を示す概略図である。
【図２】別の角度から見た図１に示される選択的レーザー固化装置を示す概略図である。
【図３】上から見た図１および２に示される選択的レーザー固化装置を示す概略図である。
【図４】図１から３に示される装置を使用して実施することができる、本発明の一実施形態による方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１から３を参照すると、本発明の一実施形態によるレーザー固化装置は、ビルドチャンバ１１７を画成する仕切り１１５、１１６と、粉末を上に堆積させることができる表面１１０とを中に有する主要チャンバ１０１を備える。粉体層１０４と、選択的レーザー溶融粉末１０４によって構築される１つ以上の物体１０３を支持する、ビルドプラットフォーム１０２が設けられる。プラットフォーム１０２は、物体１０３の連続層が形成されるにつれて、ビルドチャンバ１１７内で降下させることができる。利用可能な構築体積は、ビルドプラットフォーム１０２をどの程度ビルドチャンバ１１７内へ降下させることができるかによって定義される。
【００４６】
構築は、粉末を表面１１０上に添加する分配装置１０８と、粉末を床１０４全体に広げる細長いワイパ１０９を使用して、粉体層１０４全体に粉末の層を連続して堆積させることによって進行する。例えば、分配装置１０８は、特許文献１１に記載されているような装置であってもよい。ワイパ１０９は、ビルドプラットフォーム１０２を横切って直線方向で移動する。
【００４７】
レーザーモジュール１０５は、粉末１０４を溶融するレーザーを生成し、レーザーは、コンピュータ１３０の制御下で光学スキャナ１０６によって必要に応じ導かれる。レーザーは、窓１０７を介してチャンバ１０１に入る。この実施形態では、レーザーモジュール１０５は、ｎｄ：ＹＡＧファイバレーザーなどのファイバレーザーである。
【００４８】
光学スキャナ１０６は、操向光学部品、この実施形態では、レーザービームを粉体層１０４上の所望の位置へと導く２つの可動ミラー１０６ａ、１０６ｂと、集束用の光学部品、この実施形態では、レーザービームの焦点長を調整する一対の可動レンズ１０６ｃ、１０６ｄを備える。モーター（図示なし）は、ミラー１０６ａ、レンズ１０６ｂ、および１０６ｃ、１０６ｄの移動を駆動し、モーターはコンピュータ１３０によって制御される。
【００４９】
装置は、マイクロ波またはラジオ波を生成するアンテナ１１１のアレイを備える、フェーズドアレイをさらに備える。アンテナアレイは電源１１４によって電力供給される。電源１１４からの電力は、各アンテナに送達される電力信号の大きさを制御する電力分割器１１３と、各アンテナ１１１に送られる電力信号の位相を制御する移相器１１２とによって、アンテナ１１１に分配される。電源１１４、電力分割器１１３、および移相器１１２は、コンピュータ１３０によって制御される。図３に示されるように、アンテナ１１１のアレイは、レーザービーム１１８が粉体層１０４に送達される空間を設けるため、窓１０７の周りで不連続的であってもよい。
【００５０】
コンピュータ１３０は、プロセッサ装置１３１と、メモリ１３２と、ディスプレイ１３３と、キーボード、タッチスクリーンなどのユーザ入力デバイス１３４と、光学モジュール１０６、レーザーモジュール１０５、電源１１４、電力分割器１１３、および移相器１１２などの、レーザー溶融ユニットのモジュールに対するデータ接続と、外部データ接続１３５を備える。メモリ１３２に記憶されるのは、本明細書に記載するような方法を実施するように処理装置に命令するコンピュータプログラムである。
【００５１】
使用の際、プロセッサ装置１３１は、例えば、外部接続１３５を介して、各粉末層の粉末の固化するエリアを考慮した走査経路を説明している幾何学データを受信する。部品を構築するため、プロセッサ装置１３１は、フェーズドアレイのモジュール（粉末源１１４、電力分割器１１３、および移相器１１２）を制御して、粉末１０４の溶融点付近などの所望の温度まで、固化させるべき粉体層１０４の選択されたエリアを加熱する一方、粉体層１０４の固化させない他のエリアの粉末１０４はこの温度未満のまま、好ましくは粉末１０４の焼結温度未満のままにする、粉末層１０４内のマイクロ波またはラジオ波フィールドを生成する。コンピュータ１３０は、幾何学データから、所望の温度まで加熱すべきエリアを決定することができる。
【００５２】
フェーズドアレイを用いて粉体層を加熱するのと同時に、コンピュータ１３０は、幾何学データに定義された走査経路に従って、スキャナ１０６を制御してレーザービーム１１８を導く。この実施形態では、走査経路に従って走査を行うため、レーザー１０５およびスキャナ１０６を同期させて、走査経路に沿った一連の離散的な地点をレーザービームに暴露する。各走査経路に対して、地点間距離、地点の暴露時間、およびスポット径が定義される。代替的実施形態では、スポットは走査経路に沿って連続的に走査されてもよい。かかる実施形態では、地点間距離および暴露時間を定義するのではなく、レーザースポットの速度が各走査経路に対して指定されてもよい。
【００５３】
フェーズドアレイは、レーザービームが粉末１０４の選択されたエリアを溶融し始める前に、層の粉末１０４を加熱し始めて、溶融すべき最初のエリアが所望の温度まで上昇することを担保してもよい。フェーズドアレイによって生成されるフィールドパターンが、粉末層を溶融する間に変更されて、走査経路に沿ったレーザービーム１１８の進行と同期して、粉末層の異なるエリアの温度を上昇させてもよい。特に、フィールドパターンは、溶融すべき選択されたエリアがレーザービーム１１８によって溶融される直前など、その少し前に、そのエリアを所望の温度まで予熱するように変更されてもよい。
【００５４】
フェーズドアレイによって所望の温度まで加熱される各粉末層のエリアは、溶融されるエリアよりもわずかに大きくてもよい。したがって、これにより、少量の焼結粉末が部品の周りで溶融しなくてもよい。構築の終わりに、この焼結材料を部品から除去することができる。後に続く構築のために構築後に回収される粉末をふるいにかけて、焼結粉末の凝集塊を除去してもよい。
【００５５】
フェーズドアレイを用いて粉末をその溶融点付近まで加熱することによって、次に、５から１０ワットのレーザーなど、予熱なしの場合に必要な出力（一般的に、少なくとも１００ワットのレーザーを要する）よりも低出力のレーザーを使用して、粉末の選択されたエリアを固化させることができると考えられる。低出力レーザーを用いて、したがって粉体層表面におけるより小さいスポット径を用いて、より良好なビーム品質（Ｍ2）を達成することが可能となり得る。低出力レーザーの代替として、装置は、複数の低出力レーザービームに分割されて、複数の選択されたエリアを一度に固化させる、高出力レーザーを備えてもよい。かかる装置は、各レーザービームに対して１つずつ、複数のスキャナ１０６を要することがある。
【００５６】
別の実施形態では、フェーズドアレイではなく、導き可能なマイクロ波またはラジオ波が、メーザーと、それに対応する、マイクロ波またはラジオ波ビームを粉体層上の求められる位置に操向する移動可能なレンズ／反射器とによって提供されてもよい。移動可能な反射器は、ビームをライン状で粉体層１０４全体にわたって導くポリゴンスキャナであってもよい。メーザーは、予熱すべき選択されたエリアの位置に基づいて、各ラインに沿って導かれる際にオンオフが切り替えられてもよい。
【００５７】
上述の実施形態と別個に、またはそれと併せて実施されてもよいさらなる実施形態について、図４を参照して以下に記載する。上述のように、使用の際、プロセッサ装置１３１は、例えば、外部接続１３５を介して、各粉体層の粉末の固化するエリアを考慮した走査経路を説明している幾何学データを受信する。部品を構築するため、プロセッサ装置１３１は、幾何学データに定義された走査経路に従って、スキャナ１０６を制御してレーザービーム１１８を導き、粉末の選択されたエリアを溶融して部品を形成する。局所的に、レーザービームは粉末を溶融して溶融プール１２１を形成し、その後それを冷却して固化材料１２２を形成する。
【００５８】
この実施形態では、走査経路に沿って走査を行うため、レーザー１０５およびスキャナ１０６を同期させて、走査経路に沿った一連の離散的な地点をレーザービームに暴露する。各走査経路に対して、地点間距離、地点の暴露時間、およびスポット径が定義される。代替的実施形態では、スポットは走査経路に沿って連続的に走査されてもよい。かかる実施形態では、地点間距離および暴露時間を定義するのではなく、レーザースポットの速度が各走査経路に対して指定されてもよい。
【００５９】
粉末層の選択されたエリアをレーザービーム１１８で走査する間、処理装置１３１は、フェーズドアレイのモジュール（電源１１４、電力分割器１１３、および移相器１１２）を制御してマイクロ波またはラジオ波ビーム１２３を生成し、固化した材料１２２の選択部分を取り囲む粉末１０４ａを選択的に加熱する。固化した材料１２２の周りの高温の粉末１０４ａは、例えば、固化した材料中の、また固化した材料と粉末の間の温度勾配を低減することで、固化した材料１２２／溶融プール１２１が冷える速度を低減することによって、固化した材料１２２の冷却パターンを変化させてもよい。太い点線および細い点線は、溶融プール１２１が冷える際のそこから離れる方向の熱伝導、およびマイクロ波またはラジオ波によって加熱された粉末１０４ａから固化した材料１２２への熱伝導を概略的に示している。固化した材料１２２のその部分が冷える速度を低減することで、固化した材料１２２が冷えるときに起こる収縮の速度を低減することができ、したがって、部品を歪ませることがある力を低減できる。固化した材料が冷える容認可能な速度は、部品の幾何学形状、および／または構築中の部品の配向に応じて決定され得る。
【００６０】
マイクロ波またはラジオ波は、レーザービーム１１８よりも深く粉体層１０４内に浸透することができるので、レーザービームによって溶融されている粉末層の下方にある固化した材料１２２の層が加熱されて、部品内への下方向の熱伝導、ならびに溶融されている現在の層を水平に横切る熱伝導の速度が低減される。部品を取り囲む粉末１０４ａの加熱は、この粉末の焼結をもたらしてもよい。しかしながら、マイクロ波またはラジオ波は、固化した金属部品の表面を越えてこの部品の内部には浸透しない。したがって、マイクロ波またはラジオ波は、部品に浸透して、固化した材料のキャビティ１２４内に位置する粉末材料１０４ｂを加熱することはなく、そのため、（キャビティが形成される前にこの粉末１０４ｂは加熱されないと仮定して）この粉末１０４ｂは焼結されない。キャビティ内の未焼結粉末は、構築の終わりに簡単に除去することができる。部品の外表面に焼結された粉末の殻は、構築の終わりに削り取られてもよい。
【００６１】
マイクロ波またはラジオ波の粉末中への浸透深さは、マイクロ波またはラジオ波の周波数を変化させることによって制御されてもよい。
【００６２】
マイクロ波／ラジオ波ビームによって加熱される固化した材料１２２の部分は、部品が構築される際の部品の熱的変化をモデル化することによって決定されてもよい。
【００６３】
別の実施形態では、フェーズドアレイではなく、操向可能なマイクロ波またはラジオ波が、メーザーと、それに対応するレンズ／反射器であって、マイクロ波またはラジオ波ビームを粉体層上の求められる位置に操向する移動可能なレンズ／反射器によって提供されてもよい。移動可能な反射器は、ビームをライン状で粉末層１０４全体にわたって導くポリゴンスキャナであってもよい。
【００６４】
上記した実施形態に対して、本発明の範囲から逸脱することなく、変更および修正が行われてもよい。粉体層の選択されたエリアに導き可能な他のマイクロ波またはラジオ波以外の供給源が、粉末を予熱するのに使用されてもよい。例えば、ＣＯ2レーザー、１つまたはより多くの集束ＩＲソース、他の電磁放射ソース、またはプラズマ（イオン）ソースなど、大型の多重アームレーザーソース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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