(57)【要約】  積層造形を使用して一連の層として製品を形成するための走査命令を生成するコンピュータ実施方法が提供される。本方法は、製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧を決定するステップと、製品の層の各ハッチ領域について、ハッチ領域を形成するときに使用されるそれぞれのビーム電流を決定し、それぞれのビーム電流値を走査パターン命令ファイル内のハッチ領域記述に提供するステップと、各ハッチ領域の各線について、線に沿ってビームを走査するときに使用されるそれぞれのビームスポットサイズを決定し、それぞれのビームスポットサイズ値を走査パターン命令ファイル内の線記述に提供するステップと、線に沿ってビームを走査するときに使用されるそれぞれの一連のビームステップサイズおよびビームステップ滞留時間を決定し、それぞれの一連のビーム位置値およびビームステップ滞留時間を走査パターン命令ファイル内の線記述に提供し、それによってビームがどのように線に沿って走査されるかを定義するステップと、を含む。また、走査命令のファイル、積層造形装置、および積層造形装置を使用して製品を形成する方法も提供される。
2020505510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層造形装置を使用して製品を形成する方法であって、前記積層造形装置は、
コンピュータ可読ファイルにアクセスする積層造形装置のプロセッサを含み、前記コンピュータ可読ファイルは、
前記製品の形状の各層の形状を記述する、前記各層についての層記述であって、
各層について、前記各層の前記形状は、ビームによって走査される１つまたは複数のハッチ領域に分解され、各ハッチ領域が、前記各ハッチ領域の形状を記述する形状記述を含み、
各ハッチ領域について、前記各ハッチ領域の前記形状は、前記ビームによって走査される１つまたは複数の線に分解され、各線が線記述を含む、層記述と、
前記製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧と、
各ハッチ領域について、前記各ハッチ領域を形成するときに使用されるそれぞれのビーム電流と、
各線について、
（ｉ）前記各線に沿って前記ビームを走査するときに使用されるそれぞれのビームスポットサイズと、
（ｉｉ）前記各線に沿って前記ビームを走査するときに使用されるそれぞれの一連のビーム位置値、ビームステップサイズ、およびビーム滞留時間と
を含み、前記ビームステップサイズは、前記ビームが粉体床上の現在のビーム位置から前記粉体床上の次のビーム位置まで移動するステップのサイズであり、前記ビーム滞留時間は、前記ビームが前記粉体床上の各位置に保持される時間であり、
前記プロセッサは、前記積層造形装置を制御して、前記製品を一連の層として形成することによって前記コンピュータ可読ファイルに従って前記製品を形成し、各層が、所望の層形状を形成するために、荷電粒子ビームを使用して粉体床を走査することにより粉体床として堆積させた粉末を融合することによって形成され、
各層について、前記荷電粒子ビームを前記線記述の前記ビーム位置値で指定されるようなビーム位置からビーム位置まで走査することにより、および前記線記述の前記ビーム滞留時間に従って前記ビームを各位置に保持することにより前記粉末が融合されることによって、前記ビームを各線に沿って走査し、次に、前記ビームを各ハッチ領域上で走査して前記各層を完成させ、
前記方法は、前記粉末に堆積させたエネルギーを評価することに応答して、前記コンピュータ可読ファイルにおいて指定された前記ビームスポットサイズ、ビームステップサイズ、およびビーム滞留時間から前記ビームスポットサイズ、ビームステップサイズ、およびビーム滞留時間のうちの少なくとも１つを動的に調整する段階を備える、方法。
【請求項２】
各層について、前記各層の前記形状が１つまたは複数のフィーチャに分解され、各フィーチャの形状を記述するフィーチャ記述を含む、段階と、
各フィーチャについて、前記各フィーチャの前記形状が前記１つまたは複数のハッチ領域に分解され、各ハッチ領域についての前記形状記述が前記各ハッチ領域の前記形状を記述する、段階と
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ビーム加速電圧の値が、前記荷電粒子ビームを加速するために使用される加速電極または加速電極の集合に設定される電位である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
各ビーム電流値が、荷電粒子源の荷電粒子生成の速度を制御するために前記荷電粒子源に設定される値である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記各ビーム電流値が、前記荷電粒子源のフィラメントを通過する電流、またはウェーネルト電極に設定される電位に設定される値である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
各ビームスポットサイズ値が、前記荷電粒子ビームを集束させ、前記粉体床上で前記ビームのサイズを設定するように動作可能な集束電極または集束コイルに対する１つまたは複数の設定を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
決定された前記ビームステップサイズを連続したビーム位置値が反映するように、各ビーム位置値が、前記粉体床上のビーム位置を定義するビーム座標に相当する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
各ビーム位置値が、前記ビームを前記粉体床上の所望のビーム位置に設定するために偏向器電極に印加する偏向器電位、または前記ビームを前記粉体床上の前記所望のビーム位置に設定するために偏向器コイルを通過させる電流のいずれかを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
各線記述がスポットサイズ値および一連のビーム位置値を含み、ビーム滞留時間値が各ビーム位置値に提供される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記粉末に堆積させたエネルギーを評価することに応答して、前記コンピュータ可読ファイルにおいて指定された前記ビーム電流から前記ビーム電流を調整する段階を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、
形成される前記製品の三次元記述を取得する段階と、
前記製品の前記形状を一連の層に分解し、前記各層の前記形状を記述する層記述を各層について生成し、前記層記述を走査パターン命令ファイルに追加する段階と、
各層について、前記各層の前記形状を前記ビームによって走査される１つまたは複数のハッチ領域に分解し、前記各ハッチ領域の前記形状を記述する形状記述を各ハッチ領域について生成し、ハッチ領域記述を前記走査パターン命令ファイルに追加する段階と、
各ハッチ領域について、前記各ハッチ領域の前記形状を前記ビームによって走査される１つまたは複数の線に分解し、各線について線記述を生成し、前記線記述を前記走査パターン命令ファイルに追加する段階と、
前記製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧を決定し、ビーム加速電圧の値を前記走査パターン命令ファイルに提供する段階と、
各ハッチ領域について、前記各ハッチ領域を形成するときに使用されるそれぞれのビーム電流を決定し、それぞれのビーム電流値を前記走査パターン命令ファイルの前記ハッチ領域記述に提供する段階と、
各線について、
（ｉ）前記各線に沿って前記ビームを走査するときに使用されるそれぞれのビームスポットサイズを決定し、それぞれのビームスポットサイズ値を前記走査パターン命令ファイルの前記線記述に提供すること、
（ｉｉ）前記各線に沿って前記ビームを走査するときに使用されるそれぞれの一連のビームステップサイズおよびビーム滞留時間を決定し、それぞれの一連のビーム位置値およびビームステップ滞留時間を前記走査パターン命令ファイルの前記線記述に提供することによって前記ビームがどのようにして前記各線に沿って走査されるかを定義すること
を行う段階と
を備え、前記ビームステップサイズは、前記ビームが前記粉体床上の現在のビーム位置から前記粉体床上の次のビーム位置まで移動するステップのサイズであり、前記ビーム滞留時間は、前記ビームが前記粉体床上の各位置に保持される時間である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記製品の三次元記述と、前記層記述と、各層についての前記ハッチ領域記述と、各ハッチ領域についての前記線記述とを含むファイルをコンピュータメモリに保存する段階をさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源によって提供される荷電粒子から前記荷電粒子のビームを形成するように動作可能なビーム形成装置と、
ビームステアリング装置と、
粉末を供出するように動作可能な少なくとも１つのホッパーと、
粉体床を画定する容積内で前記少なくとも１つのホッパーによって供出された前記粉末を受け取るように配置されるテーブルであって、前記ビームステアリング装置は、前記粉体床上で前記ビームを走査するように動作可能である、テーブルと、
プロセッサ、および、コンピュータ可読ファイルを記憶した、関連付けられるメモリと
を備える、積層造形装置であって、
前記コンピュータ可読ファイルは、
製品の形状の各層の形状を記述する、前記各層についての層記述であって、
各層について、前記各層の前記形状は、前記ビームによって走査される１つまたは複数のハッチ領域に分解され、各ハッチ領域が、前記各ハッチ領域の前記形状を記述する形状記述を有し、
各ハッチ領域について、前記各ハッチ領域の前記形状は、前記ビームによって走査される１つまたは複数の線に分解され、各線が線記述を有する、層記述と、
前記製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧と、
各ハッチ領域について、前記各ハッチ領域を形成するときに使用されるそれぞれのビーム電流と、
各線について、
（ｉ）前記各線に沿って前記ビームを走査するときに使用されるそれぞれのビームスポットサイズと、
（ｉｉ）前記各線に沿って前記ビームを走査するときに使用されるそれぞれの一連のビーム位置値、ビームステップサイズ、およびビームステップ滞留時間と
を含み、前記ビームステップサイズは、前記ビームが前記粉体床上の現在のビーム位置から前記粉体床上の次のビーム位置まで移動するステップのサイズであり、前記ビームステップ滞留時間は、前記ビームが前記粉体床上の各位置に保持される時間であり、
前記プロセッサは、前記コンピュータ可読ファイルにアクセスするように構成され、前記製品を一連の層として形成することによって前記コンピュータ可読ファイルに従って前記製品を形成すべく前記積層造形装置を制御するように構成され、各層が、所望の層形状を形成するために、荷電粒子ビームを使用して粉体床を走査することにより粉体床として堆積させた粉末を融合することによって形成され、
各層について、前記荷電粒子ビームを前記線記述の前記ビーム位置値で指定されるようなビーム位置からビーム位置まで走査することにより、および前記線記述の前記ビームステップ滞留時間に従って前記ビームを各位置に保持することにより前記粉末が融合されることによって、前記ビームを各線に沿って走査し、次に、前記ビームを各ハッチ領域上で走査して前記各層を完成させ、
前記プロセッサは、前記粉末に堆積させたエネルギーを評価することに応答して、前記コンピュータ可読ファイルにおいて指定された、前記ビームスポットサイズ、前記ビームステップサイズ、および前記ビームステップ滞留時間から前記ビームスポットサイズ、前記ビームステップサイズ、および前記ビームステップ滞留時間のうちの少なくとも１つを動的に調整するように構成されている、積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形を使用して製品を形成するために粉体床上で荷電粒子ビームを走査するための走査命令を生成することに関する。走査命令は、荷電粒子ビームの制御を通して所望の速度のエネルギーを粉体床に送達するように生成される。
【背景技術】
【０００２】
積層造形は、成熟分野である。本技法は、エネルギーを基材媒体に注入して基材の一部を変更し、例えば、基材を溶融、融合、または硬化させ、それにより、形成される製品の層を形成するものである。新しい基材媒体が追加され、次の層が形成される。このようにして、製品を層ごとに形成することができる。
【０００３】
基材媒体は、必要に応じて多くの異なる材料から選択することができる。例えば、プラスチックおよび金属は、基材媒体として一般に使用される。金属は、１つまたは複数のホッパーから粉末形態で提供され、ワークテーブル上に広げられて粉体床を形成することができる。各層が形成されるにつれ、ワークテーブルを粉体床の深さだけ下降させ、新しい粉体床を部分形成された製品上に堆積させる。
【０００４】
エネルギー源は、典型的には、レーザビームまたは電子ビームのいずれかである。本発明は、主として電子ビーム源に関するが、他のタイプの荷電粒子ビームにまで及ぶ。そのような電子ビーム源は、例えば電磁偏向器を使用して、電子ビームを誘導もしくは調節するために電界および／または磁界を使用して制御される。これらの電磁偏向器は、基材媒体を横切って電子ビームを走査することができ、それにより、基材媒体上でパターンを走査またはトレースすることができる。
【０００５】
設計段階では、形成される製品は、ＸＹＺデカルト座標にマッピングされる。次いで、最終製品を製作するために、製品を連続的に形成される層に「分解」または「スライス」することができる。形成される各層は、ＸＹデカルト座標を使用して記述される（Ｚ座標は、各層に対して固定されている）。電磁偏向器は、ＸＹ座標をアドレス可能なグリッドとして使用して定義された所望の経路に従って電子ビームを走査するために使用される。粉体床において形成される層の形状は、ビームが走査パターンを辿ると共に、ビームによって形成される。走査パターンは、通常、ベクトルによって定義される（例えば、各直線について始点と終点を結ぶ）可変長の単純な線を定義する。層は、区画に分割されてもよく、各区画は、電子ビームが粉体床を横切って走査されるときに、電子ビームによってトレースされるかまたは「ハッチング」される。例えば、層の輪郭（すなわち、外周）を最初に走査することができ、次いで、層を塗りつぶすようにハッチ領域を走査することができる。走査線は、それらが形成するハッチ領域を含めて、組み合わさって層に対する所望の形状を形成する。
【０００６】
電子ビームが粉体床上で走査されるにつれ、エネルギーが粉末内に堆積され、その温度を上昇させる。電子ビームへの暴露は、エネルギーが送達される速度を制御するために注意深く制御されて、粉末の完全な溶融をもたらす。これにより、最上層内部の粉末粒子が相互に融合し、その結果、最上層内部の粉末粒子が前の層とも融合し、それによって固体製品が形成されることが保証される。しかしながら、欠陥の発生を防ぎ、材料の微細構造の正しい形成を確実にするために、粉体床へのエネルギーの堆積速度を制御する必要がある。
【０００７】
電子ビームがそのエネルギーを送達するにつれ、そして熱が金属粉末を通して伝導されるにつれ、溶融プールが形成される。粉体床のある特定の位置に滞留するように電子ビームを制御することによって、必要とされるエネルギーをすべてその位置に一度に堆積させるのではなく、電子ビームは、通常、溶融プール内で連続的に走査される。典型的には、電子ビームは、ある位置を複数回訪れる。電子ビームがある位置を通過するごとに、電子ビームは、粉末が溶融するまでその位置の温度を徐々に上昇させる。どの時点においても単に１つの溶融プールではなく、複数の別個の溶融プールを形成することも知られている。
【０００８】
例えば、粉末の溶融特性および発熱性を制御するために、粉体床に堆積させるエネルギーを制御できることが有利である。製品が形成されるときの粉体床へのエネルギーの堆積速度は、電子ビームの制御によって設定することができる。例えば、（例えば、ビーム加速電圧による）ビームエネルギー、ビーム電流、ビームスポットサイズ、およびビーム走査速度などのビームパラメータを予め決定して、後続の造形プロセスのためのエネルギー堆積速度を設定することが知られている。しかしながら、エネルギー堆積速度を制御するより柔軟な方法が有利であろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様から、本発明は、積層造形を使用して一連の層として製品を形成するための走査命令を生成するコンピュータ実施方法に属する。各層は、金属粉末を融合させて所望の層状を形成するために、粉体床上で荷電粒子ビームを走査することによって、粉体床として堆積させた金属粉末を融合させることによって形成される。
【００１０】
本方法は、形成される製品の三次元記述を得るステップを含む。例えば、本記述を含むファイルは、メモリから取り出されてもよく、または遠隔地からダウンロードされてもよい。あるいは、本方法は、例えば、レーザ走査装置を使用するなどして製品のモデルを走査することによって、三次元記述を生成するステップを含むことができる。
【００１１】
本方法は、製品の形状の記述を取得して、製品を形成するためにビームがどのように走査されるべきかを記述する走査パターン命令ファイルを生成するステップも含む。この目的のために、本方法は、製品の形状を一連の層に分解またはスライスして、その層の形状を記述する層記述を各層について生成し、これを走査パターン命令ファイルに追加するステップを含む。例えば、三次元記述は、ＸＹＺデカルト座標系を参照して提供することができ、層記述は、ＸＹ座標で層の形状の記述を提供することができ、層のＺ座標も提供することができる。
【００１２】
各層について、本方法は、層の形状をビームによって走査される１つまたは複数のハッチ領域に分解して、ハッチ領域の形状を記述する形状記述を各ハッチ領域について生成し、ハッチ領域記述を走査パターン命令ファイルに追加するステップを含む。ハッチ領域記述は、ＸＹ座標でハッチ領域の形状の記述を提供することができる。
【００１３】
各ハッチ領域について、本方法は、ハッチ領域の形状をビームによって走査される１つまたは複数の線に分解して、各線について線記述を生成し、線記述を走査パターン命令ファイルに追加するステップを含む。典型的には、各線記述は、ハッチ領域を塗りつぶすために走査される一連の線を定義する。例えば、走査線は、ラスタースキャンを定義することができる。線記述は、ビームが移動する一連のビーム位置を定義することができる。ビーム位置は、ＸＹ座標を使用して定義されてもよい。
【００１４】
本方法は、製品が形成されるときに荷電粒子ビームを制御するために使用されるパラメータを決定するステップを含む。これらのパラメータは、ビーム電流、ビーム形状およびサイズ、ならびにビームがどのように誘導されるかを設定することができる。次いで、これらのパラメータは、走査パターン命令ファイルに追加される。
【００１５】
本方法は、製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧を決定し、ビーム加速電圧の値を走査パターン命令ファイルに提供するステップを含む。ビーム加速電圧は、電極に設定された電圧または電極アレイに設定された電圧の集合であってもよく、いずれの場合も、粒子ビームの荷電粒子の速度、したがって、運動エネルギーを設定する。製品の形成全体にわたって使用される単一のビーム加速電圧が設定され、すなわち、ビームが各層を形成するために走査されるときに、常に同じ値が使用され、製品の各層にも同じ値が使用される。
【００１６】
各ハッチ領域について、本方法は、ハッチ領域を形成するときに使用されるビーム電流を決定し、ビーム電流値を走査パターン命令ファイルのハッチ領域記述に提供するステップを含む。ビーム電流値は、荷電粒子源、例えば、電子がフィラメントからの熱電子放出によって供給されるフィラメント電流に対する設定を含むことができる。ビーム電流値は、ビーム電流を制御する他のパラメータ、例えば、閉じ込め磁場を制御するおよび／または粒子ビームを形成するために荷電粒子の抽出を制御する（ウェーネルト電極に設定される電位などの）パラメータも含むことができる。したがって、ビーム電流は、ハッチ領域間で変えられてもよい。すなわち、１つのハッチ領域が走査された後、および次のハッチ領域が走査される前に、ビーム電流は、変えられてもよいが、各ハッチ領域が走査されるときには一定値に維持される。ビーム電流は、いくつかのハッチ領域間で維持されてもよい。
【００１７】
各線について、本発明は、線に沿ってビームを走査するときに使用されるビームスポットサイズを決定し、ビームスポットサイズ値を走査パターン命令ファイル内の線記述に提供するステップを含むことができる。ビームスポットサイズ値は、ビームの焦点を制御するために集束要素に設定されるパラメータを含むことができる。例えば、ビームスポットサイズ値は、ビームの焦点を制御する集束電極に対する設定であってもよい。単一のビームスポットサイズが各線記述に提供される。したがって、スポットサイズは、線ごとに変えられてもよいが、線に沿って走査する間は一定に保たれる。スポットサイズは、いくつかの線間で維持されてもよい。
【００１８】
また、各線について、本方法は、線に沿ってビームを走査するときに使用される一連のビーム位置値およびビームステップ滞留時間を決定するステップを含むことができる。ビーム位置値は、ビームステップサイズを指定することによって直接、または次のビーム位置を指定することによって間接的に、ビームが粉体床上の現在のビーム位置から粉体床上の次のビーム位置まで移動するステップのサイズを定義する。ビーム滞留時間は、ビームが粉体床上の各位置に保持される時間である。本方法は、一連のビーム位置値およびビームステップ滞留時間を走査パターン命令ファイルの線記述に提供し、それによってビームが線に沿ってどのように走査されるべきかを定義する。したがって、ビームステップサイズは、連続するビーム位置間で変化してもよく、連続するステップごとに変化することさえあるが、同じステップサイズがいくつかのステップに対して維持されてもよい。同様に、ビーム滞留時間は、連続するビーム位置において変化してもよく、連続するビーム位置ごとに変化することさえあるが、同じ滞留時間がいくつかのステップに対して繰り返されてもよい。ビームステップサイズおよびビーム滞留時間は、例えば、ビームが線に沿って走査されるときに、ビームによって送達されるエネルギーの滑らかな増加または減少を確実にするために、なんらかの数学関数に従って変化するように設定されてもよい。例えば、ステップサイズおよび／または滞留時間は、線形に変化してもよく、または指数関数的などのより複雑な関数に従って、もしくはガウス曲線などの他のなんらかの形状に従って変化してもよい。
【００１９】
上記したように、各ビーム位置値は、粉体床上のビーム位置を定義するビーム座標に相当してよく、それにより、連続するビーム位置値がビームステップサイズを設定する（すなわち、本方法は、連続するビーム位置を決定し、それによって、暗黙にビームステップサイズを決定するステップを含む）。ビーム位置値は、絶対位置、例えばビームの各位置の位置であってもよい。あるいは、ビーム位置値は、例えば、ビームをどれだけ遠くに移動させるか、そしてどの方向にビームを移動させるべきかを設定する相対値であってもよい。ビーム位置値は、ビームの位置を制御するビーム偏向器に適用される設定、例えば、走査電極に印加されるまたは走査コイルを介して駆動される電圧もしくは電流を含むことができる。
【００２０】
ビームステップ滞留時間は、本方法を実施するコンピュータに関連付けられたクロックを参照して提供されてもよい。いかなる場合も、コンピュータは、積層造形装置を直接制御しても、またはしなくてもよいスタンドアロンのコンピュータであってもよい。後者の場合、走査パターン命令ファイルが「オフライン」で生成され、次いで、その後の積層造形装置による取得および使用のために記憶されてもよい。あるいは、コンピュータは、すぐに使用するために走査パターン命令ファイルを生成するか、または後で使用するためにファイルを記憶する積層造形マシンのプロセッサもしくは他のプログラマブル論理素子であってもよい。
【００２１】
ビーム加速電圧、ビーム電流、ビームスポットサイズ、ビームステップサイズ、およびビーム滞留時間の制御は、造形プロセスが実行されている間に、粉体床に堆積されるエネルギーを変調するやり方を提供する。このようにして粉体床に堆積させるエネルギーを変調することによって提供される柔軟性は、例えば、溶融されるフィーチャおよび層のその部分の履歴に応じた粉末の溶融特性および発熱性の制御が可能になるため有利である。すなわち、この変調により、層内の熱分布を管理することができ、例えば、粉体床の一部が電子ビームによって既に走査され加熱されているために、そしてまた、金属粉末の熱伝導特性が未融合状態と融合状態との間で異なるために生じる粉体床に既に存在する熱分布を考慮に入れることができる。
【００２２】
走査パターン命令ファイルは、例えば動作条件を仮定して、最終製品において最高の品質を生み出すと予想される走査命令を生成することによって、製品が形成される前に生成されてもよい。加えて、造形プロセス中に実時間フィードバックを使用して、造形中にパラメータの一部を変更することができる。すなわち、造形物を測定し、測定に照らして変更が加えられてもよい。
【００２３】
例えば、粉末に堆積させるエネルギーは、例えば、熱画像カメラを使用することなどによって、粉体床の温度を測定することによって評価されてもよい。また、溶融前の粉体床および／または各層が形成された後の製品の表面の不規則性を検査することができる。これらの測定により許容範囲外の異常が明らかになった場合、走査パラメータを補償することができる。これは、点ごとに、線ごとに、またはハッチ領域ごとに行われてもよい。例えば、製品上のある場所の表面温度が熱すぎることがわかった場合、次の層のその位置に送達されるエネルギーは、例えば、ビーム滞留時間を減少させることおよび／またはその場所の点に対するビームステップサイズを増加させることによって減少させることができる。これらの変更は、「臨機応変に」、すなわち、パラメータが、走査パターン命令ファイルから読み込まれた後に、および造形プロセスに適用される前に行うことができる。あるいは、走査パターンファイルは、補償されるパラメータがファイルから読み込まれて、造形プロセスに適用される前に、補償される値がファイルに書き込まれるように修正されてもよい。
【００２４】
本発明は、造形プロセス全体にわたって、ビームエネルギー、ビームスポットサイズ、およびビーム走査速度を変調することによって、エネルギー堆積速度を迅速に、かつ高解像度で調整する能力をユーザに提供する。さらに、本発明は、フィーチャごとに、ハッチ領域ごとに、線ごとに、および点ごとにエネルギー堆積速度の変化を可能にする。したがって、本発明は、ビームパラメータを予め決定して、次いで、造形プロセス中に一定値に維持することを単に可能にする従来技術よりもはるかに大きな柔軟性を提供する。
【００２５】
本発明は、固体から液体への材料状態の変化の速度を制御するためにエネルギー堆積速度を制御する能力をユーザに提供するだけでなく、一度溶融された材料の冷却速度の制御、したがって、材料の微細構造を制御し調整する能力も可能にする。さらに、材料微細構造をフィーチャごとに、ハッチ領域ごとに、線ごとに、および点ごとに制御することができる。
【００２６】
従来技術と比較して本発明によって与えられるさらなる利点は、本発明が、変化させることができるいくつかのビームパラメータを提案するだけでなく、これらの値をどれくらいの頻度で変化させるべきかを提案することである。より良好な結果を生み出すことがわかっているため、一部のパラメータは、他のパラメータよりも頻繁に変化させる。例えば、ビーム電流は、ハッチ領域間でのみ変化させてもよいが、ビーム滞留時間は、各ビーム位置について変化させてもよい。
【００２７】
ビーム加速電圧は、造形プロセスの開始時に設定することができるが、動的に変更することは、実際的でないことがわかった。したがって、本発明は、単一のビーム加速電圧値を設定し、これを造形プロセス全体にわたって維持する。
【００２８】
ビーム電流の変更は、比較的ゆっくりしたプロセスであることも認識された。例えば、ビーム電流の制御は、積層造形装置の電子銃アセンブリに設けられたウェーネルト電極を使用することによって行うことができる。ビーム電流を特に動的に調整することはできないが、ビーム電流値は、例えば各ハッチ領域に対して、比較的少ない頻度で変更されてもよい。
【００２９】
ビームスポットサイズの変更は、例えば、積層造形装置の電子光学アセンブリ内の集束レンズを使用することによって比較的動的に達成することができる。これは、線ごとに達成されてもよいが、好ましくは点ごとには実施されないのが有利である。
【００３０】
最後に、ビームステップサイズおよびビーム滞留時間を変化させることによるビーム走査速度の変更は、エネルギー送達速度も変更し、非常に迅速に変えられ得る。その結果、ビームステップサイズおよびビーム滞留時間の変化は、点ごとに行われてもよい。
【００３１】
各層をハッチ領域に分割することに加えて、より大きな領域への分割が行われてもよい。例えば、これにより、ビーム電流および／またはビームスポットサイズなどのある特定のパラメータを連続するハッチ領域間で維持することが可能になる。その結果、各層の形状を１つまたは複数のハッチ領域に分解して、各ハッチ領域ついて形状記述を生成するステップは、各層について、層の形状を１つまたは複数のフィーチャに分解して、フィーチャの形状を記述するフィーチャ記述を各フィーチャについて生成するステップを含むことができる。
【００３２】
層をフィーチャおよびハッチ領域に分解することは、いずれかのステップを最初に実行して形成されてもよい。例えば、層をフィーチャに分割することができ、次いで、フィーチャをハッチ領域にさらに分割することができる。あるいは、層をハッチ領域に分割することができ、隣接するハッチ領域の後の領域をフィーチャにグループ化することができる。
【００３３】
前者の場合、層を、層の複数の異なる部分の性質に従って最初にフィーチャに分割することができる。例えば、層のエッジ（外周）をフィーチャとして設定することができ、または複数のフィーチャに分割することができる。これにより、層のエッジが未溶融粉末と境界を接し、全体的に溶融粉末の境界領域を有するハッチング領域と対比させ得るという事実に合わせて調整されるビームパラメータを設定することができる。エネルギー送達速度は、「オーバハング」などの、層のその部分の下に以前に溶融粉末が存在していない、層内の孤立したフィーチャに対しても変化させることができる。この状況では、熱伝導を制限する必要があるため、エネルギー堆積速度を低くする必要があり、他の領域については、下層の一部を再溶融して層間融合を確実にするが、これは、層のオーバハング部分には望ましくない。
【００３４】
したがって、各層の形状を１つまたは複数のハッチ領域に分解して、ハッチ領域の形状を記述する形状記述を各ハッチ領域について生成するステップは、各層について、層の形状を１つまたは複数のフィーチャに分解して、フィーチャの形状を記述するフィーチャ記述を各フィーチャについて生成するステップを含むことができる。次いで、各フィーチャについて、本方法は、フィーチャの形状を１つまたは複数のハッチ領域に分解して、ハッチ領域の形状を記述する形状記述を各ハッチ領域について生成するステップを含むことができる。
【００３５】
あるいは、ハッチ領域および線記述は、最初に生成され、次いで、フィーチャにグループ化されてもよい。例えば、ハッチ領域が生成され、それらの構成線、ビームスポットサイズ、ビームステップサイズ、およびビームステップ滞留時間が計算されてもよい。これを行うことで、例えば、共通のビームスポットサイズを有する隣接するハッチ領域をフィーチャにグループ化することによって、共通の値を有する隣接するハッチ領域を一緒にグループ化して、フィーチャを形成することができる。
【００３６】
任意選択で、各線記述は、スポットサイズ値および一連のビーム位置値を含み、ビーム滞留時間値が各ビーム位置値に提供される。
【００３７】
本発明、上述した方法のいずれかに従って生成された走査パターン命令ファイルにも属する。本発明は、積層造形装置を使用して製品を形成する方法にも存在し、積層造形装置のプロセッサがそのようなコンピュータ可読ファイルにアクセスする。次いで、本方法は、プロセッサが、積層造形装置を制御して、製品を一連の層として形成することによってコンピュータ可読ファイルに従って製品を形成するステップを含み、各層が、所望の層形状を形成するために、荷電粒子ビームを使用して粉体床を走査することによって粉体床として堆積させた粉末を融合することによって形成される。本方法はまた、各層について、線記述のビーム位置値によって指定されるようなビーム位置からビーム位置まで荷電粒子ビームを走査することによって、および線記述のビーム滞留時間に従って各位置でビームを保持することによって粉末を融合し、それによってビームを各線に沿って走査し、次に、各ハッチ領域上でビームを走査して層を完成させるステップも含む。
【００３８】
本発明はまた、荷電粒子源と、荷電粒子源によって提供される荷電粒子から荷電粒子ビームを形成するように動作可能なビーム形成装置と、ビームステアリング装置と、を備える積層造形装置にも属する。積層造形装置は、粉末を供出するように動作可能な少なくとも１つのホッパーと、粉体床を画定する容積内で少なくとも１つのホッパーによって供出された粉末を受け取るように配置されたテーブルと、をさらに備える。ビームステアリング装置は、粉体床上でビームを走査するように動作可能である。積層造形装置はまた、プロセッサと、上述したものと類似したコンピュータ可読ファイルを内部に記憶した関連付けられたメモリと、を含む。
【００３９】
プロセッサは、コンピュータ可読ファイルにアクセスし、積層造形装置を制御して、製品を一連の層として形成することによってコンピュータ可読ファイルに従って製品を形成するように構成され、各層が、所望の層形状を形成するために、荷電粒子ビームを使用して粉体床を走査することによって粉体床として堆積させた粉末を融合することによって形成される。各層について、プロセッサは、線記述のビーム位置値によって指定されるようなビーム位置からビーム位置まで荷電粒子ビームを走査することによって、および線記述のビーム滞留時間に従って各位置でビームを保持することによって粉末を融合するように構成され、それによってビームを各線に沿って走査し、次に、各ハッチ領域上でビームを走査して層を完成させる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
本発明をより容易に理解することができるように、ここで、単なる例として添付の図面を参照する。
【００４１】
【図１】本発明を使用することができる積層造形装置である。
【図２ａ】本発明の実施形態による電子ビームを提供し、かつ電子ビームを走査するように動作可能な電子光学アセンブリの概略側面図である。
【図２ｂ】図２ａの直線Ｂ−Ｂを通る図である。
【図３ａ】積層造形を使用して製作される製品の側面図である。
【図３ｂ】製品が粉体床上に形成されているときの製品の平面図であり、製品の製造が図３ａの線ｂ−ｂに達したときに相当する。
【図３ｃ】製品が粉体床上に形成されているときの製品の平面図であり、製品の製造が図３ａの線ｃ−ｃに達したときに相当する。
【図３ｄ】製品が粉体床上に形成されているときの製品の平面図であり、製品の製造が図３ａの線ｄ−ｄに達したときに相当する。
【図３ｅ】製品が粉体床上に形成されているときの製品の平面図であり、製品の製造が図３ａの線ｅ−ｅに達したときに相当する。
【図４】図３ｅのスライスをどのようにして層、フィーチャ、およびハッチ領域に分割することができるかを示す図である。
【図５ａ】本発明の実施形態による走査命令を生成する方法の概略図である。
【図５ｂ】本発明の実施形態による走査命令を生成する方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明の実施形態を実施することができる積層造形装置１００を示す。装置１００は、電子ビームを使用して、金属粉末から製品を積層造形するためのものである。
【００４３】
この目的のために、装置１００は、以下でより詳細に説明するように、電子ビーム１０３を形成し、調節し、誘導する電子光学アセンブリ１０１を備える。装置１００は、金属粉末１２２を含む粉末ホッパー１２１および可動テーブル１３０をさらに備える。ホッパー１２１は、テーブル１３０上に粉末の薄層を置くように粉末を供出する。任意の数のホッパー１２１を使用することができ、図１に示す２つは、単に例にすぎない。スクレーパまたはブレード（図示せず）などの機構を使用して、テーブル１３０上に粉末１２２を均等に分散させることができる。電子光学アセンブリ１０１は、電子ビーム１０３が粉体床１２３上を走査されるように電子ビーム１０３を誘導して粉末１２２を融合させ、固体製品１５０を形成する。
【００４４】
製品１５０の各層が形成された後、テーブル１３０を矢印１３１によって示された方向に下降させる。粉体床１２３の頂面が電子ビーム１０３に対して常に同じ高さで形成されるようにテーブル１３０を下降させる。粉体床１２３の最初の層は、粉末１２２をテーブル１３０と融合させる可能性があるテーブル１３０への熱伝導を最小限に抑えるために、後続の層よりも厚くなるように堆積させてもよい。したがって、製品１５０が形成されるとき、その下に未溶融粉末１２４の完全な層が残される。
【００４５】
電子ビームを使用する積層造形は、一般に、真空条件下で行われ、したがって、装置１００は、封入真空チャンバ１４０を備える。真空チャンバ１４０内部の真空は、一般的に入手可能な任意のポンピングシステム、例えば粗引きポンプによってバックアップされたターボ分子ポンプなどのポンピングシステム１４４によって生成され、維持される。ポンピングシステム１４４は、コントローラ１１０によって制御されてもよい。図１に示すように、ポンピングシステム１４４を使用して、電子光学アセンブリ１０１を収容する真空チャンバ１４０の一部を排気することができる。真空チャンバ１４０内の圧力は、１×１０−３ｍｂａｒ〜１×１０−６ｍｂａｒの範囲にあってもよい。
【００４６】
図２ａおよび図２ｂは、電子光学アセンブリ１０１をより詳細に示す。装置１００は、電子を生成するための電子源１０２と、電子源１０２からの電子を抽出および調節するのを支援するウェーネルト電極２４５と、電子ビーム１０３をさらに調節し形成するためのレンズ２２０と、電子ビーム１０３を誘導するための電磁偏向器２５０と、を含む電子光学アセンブリ１０１を備える。電子源１０２および偏向器２５０の動作は、適切にプログラムされたコンピュータなどのコントローラ１１０によって制御される。電子源１０２、ウェーネルト電極２４５、およびレンズ２２０の任意の従来の装置を使用することができ、そのため、ここでは詳細に説明しない。
【００４７】
本質的に、電子源１０２、ウェーネルト電極２４５、およびレンズ２２０は、電子光学アセンブリ１０１の中心軸２０２に沿って進む集束電子ビーム１０３を送達する。次いで、電磁偏向器２５０は、粉体床１２３を横切って電子ビーム１０３を誘導するように作用し、それによって所望の走査パターンに従って電子ビーム１０３を走査する。偏向器２５０は、ヘルムホルツコイルのような対になった通電コイルを備える従来の電磁偏向器、または適切な電位に設定された対になった導電性プレートを備える従来の静電偏向器であってもよい。いずれの場合も、当技術分野ではよく知られているように、偏向器は、コントローラ１１０によって操作されて所望の偏向を提供する。
【００４８】
偏向器２５０は、電子ビーム１０３を中心軸２０２から遠ざけるように誘導する（または電子ビーム１０３が中心軸２０２に沿って進む状態を保つ）ために、電子ビーム１０３の経路に対して横方向に作用する。この誘導は、別々の偏向器によって制御される直交成分に分離される。それに応じて、偏向器２５０は、図２ｂに示すように直交配置された対として提供され、Ｘ座標およびＹ座標の両方で電子ビーム１０３の制御を行う。したがって、偏向器２５０には４つの要素がある。例えば、図２ｂは、２つのヘルムホルツコイルを備える偏向器２５０を示す。第１の対のコイル２５０ｘは、電子ビーム１０３の両側に位置付けられ、Ｘ座標方向に分離され、それによって電子ビーム１０３をＸ方向に誘導することができる。第２の対のコイル２５０ｙは、電子ビーム１０３の両側に位置付けられ、Ｙ座標方向に分離され、それによって電子ビーム１０３をＹ方向に誘導することができる。
【００４９】
偏向器２５０は、電子ビーム１０３を例えば、０．１ｍ、０．２ｍ、０．３ｍ、０．４ｍ、０．５ｍ、またはそれ以上の距離にわたって走査することができるはずであるが（ＸおよびＹ座標の両方において）、矩形のメインフィールドも生じ得るように、Ｘ偏向範囲とＹ偏向範囲を一致させて正方形のメインフィールドを提供する必要はない。この偏向範囲を提供するために、偏向器２５０は、約１〜１０Ａの電流を運び、約１００ｋＨｚの周波数で動作する、コイル当たり典型的には５０〜１００の巻線を有するヘルムホルツコイルとして設計することができる。あるいは、正負両方のＸ方向およびＹ方向に電子ビーム１０３を偏向させるために、約±５，０００Ｖの大きさの可変電圧が両端に印加される平行電極プレートを各軸に使用することができる。
【００５０】
上述したような積層造形装置１００を複数の異なるやり方で使用して、電子ビーム１０３によって粉体床１２３に送達されるエネルギー量を制御できることがわかった。特に、積層造形装置１００の複数の異なる部分が、エネルギー送達速度の制御を提供することができ、複数の異なる応答時間も提供することができる。複数の異なる周波数で電子ビーム１０３の複数の異なる特性を変化させることによって複数の異なる応答時間に適応させる。例えば、変更が特に動的でない場合は、変更は、希に行われ、または造形プロセスの開始時に設定され、次いで、造形プロセス全体にわたって維持される。ハッチ領域を走査するのに必要な時間フレームまたはそれよりも長い時間フレームのいずれかに適合する頻度で、他の変更がより頻繁に行われてもよく、その場合、一連のハッチ領域を層のフィーチャにグループ化することができる。例えば、層のエッジをフィーチャとなるように設定し、層のエッジから離れた内部フィーチャであってもよい次のフィーチャに対するパラメータを変更する前に、ある特定の組のビームパラメータで走査することができる。他の変更が、依然としてより頻繁に、例えば、線ごとにまたは点ごとに行われてもよい。
【００５１】
ここで、製品１５０をどのようにして層、フィーチャ、およびハッチ領域に分解することができるかの例を、図３および図４を参照して説明する。
【００５２】
図３ａの側面図からわかるように、製品は、ベース部１５１と、頂部１５２と、中央開孔１５４によって分離された２つの側部１５３と、を含む。製品１５０が粉体床１２３上に形成されるにつれて得られる４つの平面図が、図３ｂ〜図３ｅに示されており、各図は、製造が図３ａの線ｂ−ｂ、線ｃ−ｃ、線ｄ−ｄ、および線ｅ−ｅにそれぞれ達したときに相当する。したがって、平面図のそれぞれは、走査パターンに従って電子ビーム１０３を走査することによって形成された製品１５０の層１５９を実質的に示している。図３ｂは、製品１５０のベース部１５１の一部を形成する下方の層１５９に相当する。図３ｃは、製品の中央区画の一部を形成する中間層１５９に相当し、層１５９は、開孔１５４を形成する間隙によって分離された２つの側部１５３を含む。各側部１５３は、層１５９のフィーチャ４０２と考えられてもよい。すなわち、その層１５９内の各側部１５３を形成するために走査されるハッチ領域は、グループ化されてフィーチャ４０２を形成することができる。しかしながら、各側部は、２つ以上のフィーチャ４０２に分割されてもよい。
【００５３】
図３ｄおよび図３ｅは、開孔１５４が終了し、２つの側部１５３が接合して頂部１５２を形成する場所の真下および真上に位置付けられる層１５９を示す。したがって、図３ｄは、開孔１５４の頂部に非常に近いところからの層１５９を示し、そのため、２つの側部１５３を含む層１５９を示す。図３ｅは、２つの側部１５３が接合して頂部１５２を形成する場所のすぐ上から得られたものであり、そのため、頂部１５２を含む層１５９を示す。この層１５９は、３つの別々の区画に分割することができる。２つの端部区画１５６は、下にある側部１５３のすぐ上に位置付けられ、そのため、これらの端部区画１５６を形成するために溶融される粉末１２２は、前に溶融された金属粉末１２２上に堆積する。しかしながら、下にある開孔１５４のすぐ上に位置付けられ、中央オーバハング区画１５５もあり、そのため、オーバハング区画１５５を形成するために溶融される粉末１２２は、前に電子ビーム１０３に曝されなかった未溶融粉末１２４上に堆積する。
【００５４】
図４は、図３ｅの層１５９をフィーチャ４０２とハッチ領域４５０とに分割する例示的なやり方を示す。層１５９の２つの端部区画１５６およびオーバハング区画１５５が図４に示されている。
【００５５】
各端部区画１５６は、エッジフィーチャ４１１と内部フィーチャ４３１とに分割される。エッジフィーチャ４１１は、層１５９の外周に延在し、粉末１２２は、下方の層１５９からの溶融金属上に堆積するが、下方の層１５９からの未溶融粉末１２４と境界を接する。内部フィーチャ４３１は、下方の層１５９からの溶融金属上に堆積した粉末に相当し、下方の層１５９からのいかなる未溶融粉末からも十分に離れている。したがって、エッジフィーチャ４１１および内部フィーチャ４３１からの熱放散は、異なり、そのため、複数の異なる電子ビーム１０３パラメータがこれらの異なるフィーチャに対して使用される。
【００５６】
オーバハング区画１５５は、内部フィーチャ４３３と２つのエッジフィーチャ４２１とに分割される。エッジフィーチャ４２１は、層１５９の端部区画１５６と境界を接し、そのため、下方の層１５９からの未溶融粉末１２４上に堆積するが、下方の層１５９からの（下方の層１５９の端部区画１５６からの）溶融粉末と境界を接する金属粉末１２２を含む。対照的に、オーバハング区画１５５の内部フィーチャ４３３は、下方の層１５９からの未溶融粉末上に堆積した粉末に相当し、下方の層１５９からのいかなる溶融粉末からも十分に離れている。そのため、オーバハング区画１５５のエッジフィーチャ４２１および内部フィーチャ４３３からの熱放散は、異なり、そのため、複数の異なる電子ビーム１０３パラメータがこれらの異なるフィーチャ４０２に対して使用される。
【００５７】
オーバハング区画１５５の内部フィーチャ４３３に使用されるビームパラメータは、端部区画１５６の内部フィーチャ４３１に使用されるものとは非常に異なる可能性があり、その理由は、前者は、未溶融粉末によって取り囲まれているが、後者は、溶融粉末によって取り囲まれているためであることに留意されたい。オーバハング区画１５５のエッジフィーチャ４２１に使用されるビームパラメータは、端部区画１５６のエッジフィーチャ４１１に使用されるものと同じでもよく、または同じでなくてもよい。
【００５８】
図４はまた、各ハッチ領域４５０をハッチングするまたは塗りつぶすように走査される走査線４５５と共に、フィーチャ４０２をどのようにしてハッチ領域４５０に分割することができるかの例を提供する。本実施形態では、走査線４５５は、ラスターパターンを形成する。以下に説明するように、ビームパラメータのうちのいくつかは、走査線４５５間で変更されてもよい。本図は、電子ビーム１０３を隣接するハッチ領域４５０間でどのようにして移動させることができるかを示す。以下に説明するように、ビームパラメータのうちのいくつかは、ハッチ領域４５０間で変更されてもよい。一般に、電子ビーム１０３を別のフィーチャ４０２に移動させる前に、１つのフィーチャ４０２のすべてのハッチ領域４５０が走査され、次いで、新しいフィーチャ４０２のすべてのハッチ領域４５０が走査される。以下に説明するように、ビームパラメータのうちのいくつかは、フィーチャ４０２間で変更されてもよい。図４の最後の詳細はまた、各走査線がどのようにして複数のビーム位置に相当する一連の点４５６を含むかを示す。電子ビーム１０３は、電子ビーム１０３が走査線４５５に沿って移動するように、点から点へと走査される。すなわち、現在の点４５６から次の点４５６に電子ビーム１０３を偏向させるように電位または電流が偏向器２５０に設定される。間隔ｄ（図４参照）は、点４５６間のステップサイズを表し、ステップごとに変化させることができる。さらに、以下でより詳細に説明するように、各点４５６における電子ビーム１０３の滞留時間も変化させることができる。
【００５９】
電子ビーム１０３の様々なパラメータを調整することにより、ユーザは、ビームエネルギー、ビームスポットサイズ、およびビーム走査速度を変調することによってエネルギー堆積速度を細かくかつ迅速に調整することができる。さらに、これは、造形プロセス全体にわたって、フィーチャごとに、形状ごとに、線ごとに、および点ごとにプロセス要件の変化を可能にしながら行うことができる。本発明は、エネルギー堆積の速度および密度、したがって、固体から液体への粉末状態の変化の速度を制御する能力をユーザに与えるだけでなく、一度溶融した金属材料の冷却速度をユーザが制御することを可能にし、したがって、材料微細構造を制御し調整する能力も提供する。
【００６０】
粉体床１２３へのビームエネルギー送達の速度を変化させることができるように、いくつかの制御がユーザに提供される。電子ビーム１０３のパワーは、ユーザがビーム加速電圧またはビーム電流のいずれかを変えることによって変更することができる。ビーム加速電圧は、電子源１０２および周囲の要素にかけられる電位、例えば電子源１０２と加速電極（図示せず）との間の電位差を変えることによって調整されてもよい。実際には、ビーム加速電圧を動的に変更することは、実際的でないことがわかった。それゆえ、本発明によると、ビーム加速電圧は、造形プロセスの最初に設定されてもよい。ビーム電流の変更は、比較的ゆっくりしたプロセスであり、電子光学アセンブリ１０１のウェーネルト電極２４５を使用して行われてもよい。ビーム電流の変更は、特に動的ではないことがわかったが、ビーム電流値は、フィーチャごとに設定することができる。
【００６１】
ビームスポットサイズは、電子光学アセンブリ１０１の集束レンズ２２０を使用して動的に変更することができることがわかった。これにより、「面積エネルギー」または粉体床１２３に送達される単位面積当たりのエネルギーを高速で細かく調整することが可能になり、線ごとに容易に調整することができる。
【００６２】
電子ビーム１０３の走査速度の変更は、粉体床へのエネルギー送達速度も変更する。電子ビーム１０３のこの走査速度は、非常に迅速に変えることができ、形状ごとに、線ごとに、さらには点ごとにさえも行うことができる。
【００６３】
これらの技法を使用することによって、電子ビーム１０３が各走査線に沿って走査されるときに粉体床１２３に堆積させるエネルギーを変化させることができる。粉体床１２３に送達される「線形のエネルギー」を考慮することは有用であり、この線形のエネルギーは、エネルギーを堆積させる速度を、ビームが走査線に沿って移動する速度で割ったものとして定義される。これは、パワーを走査速度で割ったもの、すなわちＷ／ｍｓ−１またはＪ／ｍである。
【００６４】
図５ａおよび図５ｂは、合わせて、走査パターン命令ファイルを生成する方法５００を示す。本方法は、コンピュータが、形成される製品１５０の三次元記述を取得するステップ５０２で始まる。例えば、ユーザは、ＣＡＤプログラムを使用して、製品１５０の三次元モデルを作成することができ、製品１５０を記述するファイルを保存することができる。このファイルは、形成される製品１５０の三次元記述を得るためにコンピュータによって取得され得る。コンピュータは、ファイルを読み込んで製品１５０の三次元記述にアクセスすることができる。コンピュータは、上記のコントローラ１１０であってもよく、または走査パターン命令ファイルを作成し、そのファイルを積層造形装置１００による使用のために提供するスタンドアロンのコンピュータであってもよい。
【００６５】
ステップ５０４では、コンピュータは、走査パターン命令ファイルを生成し、走査パターン命令ファイルをコンピュータに関連付けられたメモリに保存する。
【００６６】
次いで、ステップ５０６では、コンピュータは、製品１５０の三次元記述を取得して、製品１５０の形状を一連の層１５９に分解する。コンピュータは、例えば、製品１５０の全体的なサイズ、または製品１５０の層１５９内に形成されている任意の細部の細かさに基づいて、各層１５９に適した層の高さを選択することができる。これらの技法は、よく知られており、ここではさらに説明しない。次いで、コンピュータは、各層１５９について層記述を生成し、各層の記述を走査パターン命令ファイルに書き込む。これは、層１５９を特定し、この層にさらなる走査パターン詳細が追加される区画を走査パターン記述ファイルに単に追加することを含むことができる。あるいは、層記述は、層１５９の形状、例えば層１５９の輪郭を記述するデータを含むことができる。
【００６７】
ステップ５０８では、コンピュータは、形成される製品１５０の層１５９を選択し、その層１５９をフィーチャ４０２に分割する。例えば、フィーチャ４０２は、層１５９のエッジ領域について作成され、さらなるフィーチャ４０２は、層１５９の内部領域について作成されてもよい。他のフィーチャ４０２が、オーバハングまたはアイランドに相当してもよい。コンピュータは、各フィーチャ４０２のフィーチャ記述を生成し、これをその層１５９の層記述に書き込む。これは、フィーチャ４０２を特定し、このフィーチャにさらなる走査パターン詳細が追加される区画を層記述に単に追加することを含むことができる。あるいは、フィーチャ記述は、フィーチャ４０２の形状、例えばフィーチャ４０２の輪郭を記述するデータを含むことができる。コンピュータがどの層１５９を最初に選択するかは問題ではないが、コンピュータが、造形プロセス中に形成される最初の層１５９になる最下層１５９を最初に選択することが好ましい。
【００６８】
次いで、ステップ５１０では、コンピュータは、現在の層１５９からフィーチャ４０２を選択し、層１５９の形状を、造形プロセス中に電子ビーム１０３によって走査される１つまたは複数のハッチ領域４５０に分解する。当技術分野でよく知られているように、ハッチ領域４５０のサイズは、層１５９の断面積、フィーチャ４０２の断面積、および電子光学アセンブリ１０１の能力などのいくつかの要因に従って選択されてもよい。次いで、コンピュータは、ハッチ領域４５０の形状を記述する形状記述を各ハッチ領域４５０について生成し、そのハッチ領域記述を走査パターン命令ファイルに書き込む。これは、ハッチ領域４５０を特定し、このハッチ領域にさらなる走査パターン詳細が追加される区画をフィーチャ記述に単に追加することを含むことができる。あるいは、ハッチ領域記述は、ハッチ領域４５０の形状、例えばハッチ領域４５０の輪郭を記述するデータを含むことができる。どのフィーチャ４０２が最初に選択されるかは問題ではない。
【００６９】
ステップ５１２では、コンピュータは、現在のフィーチャ４０２からハッチ領域４５０を選択し、ハッチ領域４５０の形状を電子ビーム１０３によって走査される１つまたは複数の線４５５に分解する。線４５５は、ハッチ領域４５０を実質的に塗りつぶし、すなわち、走査線４５５に沿って電子ビーム１０３を走査することによって、ハッチ領域４５０のすべての金属粉末１２２が溶融される。上述したように、線４５５は、ラスタースキャンを形成することができる。線間隔を含む線パターンの決定は、当技術分野でよく知られており、そのため、さらに説明しない。次いで、コンピュータは、各線４５５について線記述をハッチ領域記述に書き込む。これは、線４５５を特定し、この線にさらなる走査パターン詳細が追加される区画をハッチ領域記述に単に追加することを含むことができる。あるいは、線記述は、線４５５の形状、例えばその始点および終点を記述するデータを含むことができる。
【００７０】
このようにして第１のハッチ領域４５０が処理されると、図５ａのループ５１４によって示すように、ステップ５１２は、現在のフィーチャ４０２の他のすべてのハッチ領域ついて繰り返される。ハッチ領域４５０は、任意の順番で処理されてもよい。例えば、隣接するハッチ領域４５０が順次に処理されてもよいが、一部の実施形態では、隣接するハッチ領域４５０を順次に処理しないこと（すなわち、処理している１つのハッチ領域４５０と任意の隣接するハッチ領域４５０との間に間隙を残すこと）が有利である場合がある。現在のフィーチャ４０２のすべてのハッチ領域４５０が処理されると、本方法は、さらなるループ５１６に沿って進み、次のフィーチャ４０２を選択する。したがって、このループ５１６は、各フィーチャ４０２が順番に処理されることを保証する。各フィーチャ４０２について、ステップ５１０が繰り返され、ステップ５１２がループ５１４のために複数回繰り返される。したがって、本方法５００により、各フィーチャ４０２がハッチ領域に分割された、各ハッチ領域４５０が線４５５に分割されるのがわかる。
【００７１】
現在の層１５９のすべてのフィーチャ４０２が処理されると、本方法は、今説明したのと同じやり方ですべての層１５９を処理し続ける。図５ａは、すべての層１５９が確実に処理されるように、本方法が外側ループ５１８を辿ることを示す。好ましくは、層１５９は、順番に選択され、造形プロセス中に形成される最初の層１５９である最下層１５９から開始して、各層１５９を順番に製品１５０にまで仕上げる。
【００７２】
入れ子のループ５１４、５１６、および５１８により、すべての層１５９が処理され、すべての層１５９がフィーチャ４０２に分割され、すべてのフィーチャ４０２がハッチ領域４５０に分割され、すべてのハッチ領域が線４５５に分割されるのがわかる。このプロセスの終わりに、走査パターン命令ファイルは、各層１５９の記述を含む。各層１５９の記述は、その層１５９の各フィーチャ４０２の記述を含み、各フィーチャ記述は、そのフィーチャ４０２の各ハッチ領域４５０の記述を含む。あらゆるハッチ領域記述は、線記述を含む。このようにして走査パターン命令ファイルが生成されると、本方法は、ステップ５１９（図５ｂの第１のステップ）に続くことができる。
【００７３】
ステップ５１９では、コンピュータは、造形プロセス期間中に使用されるビーム加速電圧を決定する。対応するビーム加速電圧の値は、走査パターン命令ファイルに書き込まれる。ビーム加速値がとることができる形態の例は、上に提供されている。
【００７４】
次に、コンピュータは、造形プロセスを完了するのに必要なビームパラメータを決定する。これは、すべての層１５９、すべてのフィーチャ４０２、すべてのハッチ領域４５０、およびすべての線４５５について行われる。これを達成するために、入れ子のループ５３０、５３２、５３４、および５３６が入れ子のループ５１４、５１６、および５１８と同様に使用される。
【００７５】
コンピュータプロセスは、各層１５９を順番に処理する。したがって、ステップ５２０では、コンピュータは、最初の層１５９を選択する。前述したように、最下層１５９が好ましくは最初に選択される。外側ループ５３６は、すべての層１５９が順番に、好ましくは造形プロセス中に形成される最初の層１５９である最下層１５９から開始して、各層１５９を順番に製品１５０にまで仕上げる順番で処理されることを保証する。
【００７６】
各層１５９について、コンピュータは、ステップ５２２に示すように、およびループ５３４に従って、各フィーチャ４０２を順番に選択する。各フィーチャ４０２について、コンピュータは、ステップ５２４に示すように、およびループ５３２に従って、各ハッチ領域４５０を順番に選択する。
【００７７】
各ハッチ領域４５０について、コンピュータは、ハッチ領域４５０を走査するときに使用されるビーム電流を決定し、ビーム電流値を走査パターン命令ファイル内の対応するハッチ領域記述に書き込む。したがって、各ハッチ領域記述は、ハッチ領域４５０が走査されている間に維持されるビーム電流を設定するために使用される単一ビーム電流値を含む。ビーム電流値をどのように制御することができるかの例は、上に示されている。
【００７８】
次いで、コンピュータは、ハッチ領域４５０内の各線４５５を処理し続ける。ステップ５２６、５２８、および５３０は、ループになった選択プロセスを示す。各ステップ５２６において、コンピュータは、現在の線４５５に対するビーム１０３のスポットサイズを決定する。具体的には、コンピュータは、線４５５に沿ってビーム１０３を走査するときに使用されるビームスポットサイズを決定し、ビームスポットサイズ値を走査パターン命令ファイルの線記述に書き込む。したがって、各線記述は、線４５５が走査されている間に維持されるビームスポットサイズ値を含む。ビームスポットサイズをどのように制御することができるかの例は、上に示されている。
【００７９】
ステップ５２８では、コンピュータは、現在の線に対するビーム１０３の走査速度を決定する。具体的には、コンピュータは、現在の線４５５に沿ってビーム１０３を走査するときに使用される一連のビームステップサイズおよびビームステップ滞留時間を決定する。ビームステップサイズは、ビーム１０３を現在のビーム位置から次のビーム位置まで移動させるステップのサイズである。ビーム滞留時間は、ビーム１０３が各位置に保持される時間である。コンピュータは、一連のビーム位置値およびビームステップ滞留時間を線記述に書き込み、それによってビーム１０３が線４５５に沿ってどのように走査されるべきかを定義する。ビームステップサイズおよびビーム滞留時間をどのように制御することができるかの例は、上に示されている。上記したように、各ビーム位置値は、連続したビーム位置値が、決定されたビームステップサイズを反映するように、粉体床１２３上のビーム位置を定義するビーム座標に相当してよい。ビームステップサイズは、電子ビームのスポットサイズに合わせて設定される。ステップサイズは、線走査に沿った溶融の不規則性を防止するために、スポットサイズに対してあまり大きくすべきではない。例えば、ステップサイズは、ビームスポットサイズとほぼ同程度の大きさに設定されてもよい。
【００８０】
ビームステップサイズおよびビーム滞留時間は、各点について独立に決定されてもよい。あるいは、ビームステップサイズおよびビーム滞留時間は、ある数学関数に従って変化するように、連続した点について決定されてもよい。例えば、ビームステップサイズおよび／またはビーム滞留時間は、ビームが線に沿って走査されるときに、ビームによって送達されるエネルギーの滑らかな増加または減少を確実にするように変えられてもよい。例えば、ステップサイズおよび／または滞留時間は、線形に変化してもよく、または指数関数またはガウス曲線などのより複雑な関数に従って変化してもよい。
【００８１】
方法５００が完了すると、粉体床１２３上で電子ビーム１０３を層ごとに走査することによって所望の製品１５０を作成するのに必要な全命令を含む走査パターン命令ファイルが作成され記憶される。走査パターン命令ファイルは、ビーム１０３が走査されなければならないすべてのビーム位置、ならびに各ビーム位置におけるビーム滞留時間を含む。これらのビーム位置およびビーム滞留時間は、走査線記述にまとめられる。各走査線記述は、その線４５５に対して維持されるビームスポットサイズ値も含む。線記述も、ハッチ領域記述にまとめられる。各ハッチ領域記述は、そのハッチ領域４５０に対して維持されるビーム電流値を含む。ハッチ領域記述は、フィーチャ記述にまとめられる。これにより、同一または同様のビーム電流値を有するハッチ領域をグループ化することができる。最後に、フィーチャ記述は、層記述にまとめられる。
【００８２】
次いで、この走査パターン命令ファイルは、製品１５０を作成するために、本明細書に記載された装置１００などの積層造形装置によって使用されてもよい。すなわち、装置１００のコントローラ１１０は、ファイルを読み込み、電子ビーム１０３を制御する装置１００の適切な部分の制御を通してファイルが含む命令を実施することができる。
【００８３】
上記したように、造形プロセス中に実時間フィードバックを使用して、造形中にパラメータの一部を変えることができる。例えば、粉体床１２３の温度は、熱画像カメラによって測定することができ、それに応じてパラメータを変えることができる。また、溶融前の粉体床１２３および／または各層が形成された後の製品１５０の表面の不規則性を検査することができる。許容範囲外の期待値からの偏差などの異常が見出された場合、走査パラメータを調整してこれらの不規則性を補償することができる。これらの変更は、「臨機応変に」、すなわち、パラメータが、走査パターン命令ファイルから読み込まれた後に、および造形プロセスに適用される前に行うことができる。あるいは、走査パターンファイルは、補償されるパラメータがファイルから読み込まれて、造形プロセスに適用される前に、補償される値がファイルに書き込まれるように修正されてもよい。
【００８４】
当業者は、添付された特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に変更を加えることができることを認識するであろう。
［項目１］
積層造形を一連の層として使用して製品を形成するための走査命令を生成するコンピュータ実装方法であって、各層が、金属粉末を融合し所望の層形状を形成するために、粉体床上で荷電粒子ビームを走査することにより粉体床として堆積させた金属粉末を融合することによって形成され、方法は、形成される製品の三次元記述を取得する段階と、製品の形状を一連の層に分解し、層の形状を記述する、各層についての層記述を生成し、層記述を走査パターン命令ファイルに追加する段階と、各層について、層の形状をビームによって走査される１つまたは複数のハッチ領域に分解し、ハッチ領域の形状を記述する、各ハッチ領域についての形状記述を生成し、ハッチ領域記述を走査パターン命令ファイルに追加する段階と、各ハッチ領域について、ハッチ領域の形状をビームによって走査される１つまたは複数の線に分解し、各線についての線記述を生成し、線記述を走査パターン命令ファイルに追加する段階と、製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧を決定し、ビーム加速電圧の値を走査パターン命令ファイルに提供する段階と、各ハッチ領域について、ハッチ領域を形成するときに使用されるそれぞれのビーム電流を決定し、それぞれのビーム電流値を走査パターン命令ファイルのハッチ領域記述に提供する段階と、各線について、（ｉ）線に沿ってビームを走査するときに使用されるそれぞれのビームスポットサイズを決定し、それぞれのビームスポットサイズ値を走査パターン命令ファイルの線記述に提供すること、（ｉｉ）線に沿ってビームを走査するときに使用されるそれぞれの一連のビームステップサイズおよびビームステップ滞留時間を決定し、それぞれの一連のビーム位置値およびビームステップ滞留時間を走査パターン命令ファイルの線記述に提供することによってビームがどのようにして線に沿って走査されるかを定義することを行う段階とを備え、ビームステップサイズは、ビームが粉体床上の現在のビーム位置から粉体床上の次のビーム位置まで移動するステップのサイズであり、ビーム滞留時間は、ビームが粉体床上の各位置に保持される時間である、コンピュータ実装方法。
［項目２］
各層の形状を１つまたは複数のハッチ領域に分解し、ハッチ領域の形状を記述する、各ハッチ領域についての形状記述を生成する段階は、各層について、層の形状を１つまたは複数のフィーチャに分解し、フィーチャの形状を記述する、各フィーチャについてのフィーチャ記述を生成した後に、各フィーチャについて、フィーチャの形状を１つまたは複数のハッチ領域に分解し、ハッチ領域の形状を記述する、各ハッチ領域についての形状記述を生成する段階を含む、項目１に記載の方法。
［項目３］
ビーム加速電圧の値が、荷電粒子ビームを加速するために使用される加速電極または加速電極の集合に設定される電位である、項目１または２に記載の方法。
［項目４］
各ビーム電流値が、荷電粒子源の荷電粒子生成の速度を制御するために当該源に設定される値、例えば、当該源のフィラメントを通過する電流である、前述の項目のいずれかに記載の方法。
［項目５］
各ビームスポットサイズ値が、荷電粒子ビームを集束させ、粉体床上でビームのサイズを設定するように動作可能な集束電極または集束コイルに対する１つまたは複数の設定を含む、前述の項目のいずれかに記載の方法。
［項目６］
決定されたビームステップサイズを連続したビーム位置値が反映するように、各ビーム位置値が、粉体床上のビーム位置を定義するビーム座標に相当する、前述の項目のいずれかに記載の方法。
［項目７］
各ビーム位置値が、ビームを粉体床上の所望のビーム位置に設定するために偏向器電極に印加する偏向器電位、またはビームを粉体床上の所望のビーム位置に設定するために偏向器コイルを通過させる電流のいずれかを含む、項目６に記載の方法。
［項目８］
各線記述がスポットサイズ値および一連のビーム位置値を含み、ビーム滞留時間値が各ビーム位置値に提供される、前述の項目のいずれかに記載の方法。
［項目９］
製品記述と、層記述と、各層についてのハッチ領域記述と、各ハッチ領域についての線記述とを含むファイルをコンピュータメモリに保存する段階をさらに備える、前述の項目のいずれかに記載の方法。
［項目１０］
積層造形により製品を一連の層として形成するための走査パターン命令を備えるコンピュータ可読ファイルであって、各層が、金属粉末を融合し所望の層形状を形成するために、粉体床上で荷電粒子ビームを走査することにより粉体床として堆積させた金属粉末を融合することによって形成され、当該ファイルは、製品を形成するときに使用されるビーム加速電圧の値と、層記述であって、各層記述が、形成される製品の層の形状を記述する、層記述と、各層記述について、ハッチ領域記述であって、各ハッチ領域記述が、ビームにより走査されるハッチ領域の形状を記述し、かつ、当該ハッチ領域を形成するときに使用されるそれぞれのビーム電流値を含む、ハッチ領域記述と、各ハッチ領域記述について、線記述であって、各線記述が、ビームにより走査される線を記述し、かつ、線に沿ってビームを走査するときに使用されるそれぞれのビームスポットサイズ値と、それぞれの一連のビーム位置値およびビーム滞留時間の対とを含む、線記述とを備え、ビーム位置値およびビーム滞留時間の各対は、ビームが移動する粉体床上の位置と、ビームが粉体床上の当該位置にとどまる時間とを定義する、コンピュータ可読ファイル。
［項目１１］
各層記述について、フィーチャ記述であって、各フィーチャ記述が、ビームにより走査されるフィーチャの形状を記述する、フィーチャ記述をさらに備え、フィーチャ内のハッチ領域のハッチ領域記述が、当該フィーチャについてのフィーチャ記述に含まれる、項目１０に記載のコンピュータ可読ファイル。
［項目１２］
ビーム加速電圧の値が、荷電粒子ビームを加速するために使用される加速電極または加速電極の集合に設定される電位である、項目１０または１１に記載のコンピュータ可読ファイル。
［項目１３］
各ビーム電流値が、荷電粒子源の荷電粒子生成の速度を制御するために当該源に設定される値、例えば、ウェーネルト電極に設定される電位である、項目１０から１２のいずれかに記載のコンピュータ可読ファイル。
［項目１４］
各ビームスポットサイズ値が、荷電粒子ビームを集束させ、粉体床上でビームのサイズを設定するように動作可能な集束電極または集束コイルに対する１つまたは複数の設定を含む、項目１０から１３のいずれかに記載のコンピュータ可読ファイル。
［項目１５］
各ビーム位置値が、粉体床上のビーム位置を定義するビーム座標に相当する、項目１０から１４のいずれかに記載のコンピュータ可読ファイル。
［項目１６］
各ビーム位置値が、ビームを粉体床上の所望のビーム位置に設定するために偏向器電極に印加する偏向器電位、またはビームを粉体床上の所望のビーム位置に設定するために偏向器コイルに印加する電流のいずれかを含む、項目１５に記載のコンピュータ可読ファイル。
［項目１７］
積層造形装置を使用して製品を形成する方法であって、積層造形装置は、項目１０から１６のいずれかに記載のコンピュータ可読ファイルにアクセスする積層造形装置のプロセッサを備え、プロセッサは、製品を一連の層として形成することによりコンピュータ可読ファイルに従って製品を形成すべく積層造形装置を制御し、各層が、所望の層形状を形成するために、荷電粒子ビームを使用して粉体床を走査することにより粉体床として堆積させた粉末を融合することによって形成され、各層について、荷電粒子ビームを線記述のビーム位置値で指定されるようなビーム位置からビーム位置まで走査することにより、および線記述のビーム滞留時間に従ってビームを各位置に保持することにより粉末が融合されることによって、ビームを各線に沿って走査し、次に、ビームを各ハッチ領域上で走査して各層を完成させる、方法。
［項目１８］
荷電粒子源と、荷電粒子源によって提供される荷電粒子から荷電粒子のビームを形成するように動作可能なビーム形成装置と、ビームステアリング装置と、粉末を供出するように動作可能な少なくとも１つのホッパーと、粉体床を画定する容積内で少なくとも１つのホッパーによって供出された粉末を受け取るように配置されるテーブルであって、ビームステアリング装置は、粉体床上でビームを走査するように動作可能である、テーブルと、プロセッサ、および、項目１０から１６のいずれかに記載のコンピュータ可読ファイルを記憶した、関連付けられるメモリとを備える、積層造形装置であって、プロセッサは、コンピュータ可読ファイルにアクセスするように構成され、製品を一連の層として形成することによりコンピュータ可読ファイルに従って製品を形成すべく積層造形装置を制御するように構成され、各層が、所望の層形状を形成するために、荷電粒子ビームを使用して粉体床を走査することにより粉体床として堆積させた粉末を融合することによって形成され、各層について、荷電粒子ビームを線記述のビーム位置値で指定されるようなビーム位置からビーム位置まで走査することにより、および線記述のビーム滞留時間に従ってビームを各位置に保持することにより粉末が融合されることによって、ビームを各線に沿って走査し、次に、ビームを各ハッチ領域上で走査して層を完成させる、積層造形装置。
【図１】
2020505510.tif 000003
【図２ａ】
2020505510.tif 000004
【図２ｂ】
2020505510.tif 000005
【図３ａ】
2020505510.tif 000006
【図３ｂ】
2020505510.tif 000007
【図３ｃ】
2020505510.tif 000008
【図３ｄ】
2020505510.tif 000009
【図３ｅ】
2020505510.tif 000010
【図４】
2020505510.tif 000011
【図５ａ】
2020505510.tif 000012
【図５ｂ】
2020505510.tif 000013
【国際調査報告】
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