JP2003531034A - 三次元製品を製造する装置及び方法 - Google Patents

三次元製品を製造する装置及び方法

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Abstract

(57)【要約】 この三次元製品を製作しようとする作業テーブルと、パウダーベッドを形成するよう前記作業テーブルにパウダーの薄い層を敷設するパウダーディスペンサと、パウダー融合を生ずるようパウダーにエネルギを付与する放射線銃と、放射線銃から放出されるビームを前記パウダーベッドにわたり制御してこのパウダーベッドの一部を融合することにより前記三次元製品の断面を形成する制御部材と、前記三次元製品を構成する前記三次元製品の順次の断面に関する情報を記憶する制御コンピュータとを具える三次元製品製造装置であり、前記制御コンピュータにより前記三次元製品の断面を形成する移動スケジュールに従って前記パウダーベッドにわたり前記放射線銃を案内する前記制御部材を制御し、前記パウダーディスペンサによって順次に敷設されるパウダー層から順次形成される断面の順次融合によって前記三次元製品を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［技術分野］ 本発明は作業テーブル上に配置したパウダー層の選択した部分を順次溶融する
ことにより三次元製品を製造する方法及び装置に関するものである。
【０００２】 ［技術の背景］ 作業テーブル上に配置したパウダー層の選択した部分を順次溶融することによ
り三次元製品を製造する装置は既に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】 米国特許第４，８６３，５３８号明細書
【０００４】 この特許文献１の装置は、三次元製品を作製すべき作業テーブルと、この作業
テーブル上にパウダーの薄い層を敷設してパウダーベッドを形成するパウダーデ
ィスペンサと、パウダーにエネルギを付与してパウダーの溶融を生ぜしめる放射
線銃と、この放射線銃からパウダーベッドにわたり放出されてパウダーベッドの
一部を溶融することにより三次元製品の一断面を形成するよう制御する制御部材
と、三次元製品の順次の断面に関する情報を記憶する制御コンピュータとを有す
る。三次元製品は、順次付加されるパウダー層の選択した部分を溶融することに
より作製される。制御コンピュータは、放射線銃によって発生する放射線を、所
定のパターンを描く移動スケジュールに従ってパウダーベッドにわたり走査する
偏向素子を制御することを意図する。移動スケジュールが一つのパウダー層の所
要領域を溶融するとき、三次元物体の一つの断面が形成される。三次元製品は、
パウダーディスペンサによって順次敷設されるパウダー層の順次に形成される断
面の順次溶融により作製される。
【０００５】 従来技術の装置を使用して三次元製品を製造するとき、所要の形状、寸法及び
強度からのずれを生ずることがあることが分かっている。
【０００６】 ［発明の簡単な説明］ 本発明の目的は、作業テーブル上に敷設したパウダー層の選択した部分を順次
に溶融することにより三次元物体を製造し、三次元物体の所要の形状、寸法及び
強度からのずれをできるだけ減少することができる装置を得るにある。
【０００７】 この目的を達成するため、本発明装置は、特許請求の範囲の請求項１及び２５
の特徴部分を有する。パウダーベッド上に配置した表面層の表面特性を感知する
素子を設けることにより、表面特性の測定及び修正が可能になり、従って、所要
の寸法からのずれや、表面乱れを減少した製品が得られるようになる。本発明の
好適な実施例においては、パウダー粒子の溶融中の温度を測定し、これにより、
規定の温度範囲内で溶融が生じているかを確認し、例えば、材料の蒸発や沸騰に
より欠陥のある外観を生ずるというリスクを減少することができる。材料の蒸発
及び沸騰は、溶着スパークや他の表面乱れを生ずる。この素子は、パウダー層に
おける特定の溶融部分の冷却温度も測定することができ、溶融部分における何ら
かの表面張力による外観及び寸法のずれを生ずるリスクを減少し、従って、形状
の好ましくない変化を減少することができる。更に、断面寸法を測定することが
でき、これにより、形成した断面の寸法と意図する物体断面の寸法との比較を利
用して放射線銃の制御素子を較正することができる。この素子は、溶融しないパ
ウダーベッドの温度も測定し、プロセス上の観点から有利な温度管理をモニタす
ることができる。
【０００８】 本発明の好適な実施例においては、パウダーベッドの表面層における温度分布
に関する情報を制御コンピュータにフィードバックし、パウダーベッドの表面層
にわたる移動スケジュールを調整する。移動スケジュール、並びにビームのパワ
ー及び／又は外観を変更することにより、パウダーベッドの異なる部分で適正温
度に維持することができるようになる。
【０００９】 本発明の更に他の好適な実施例においては、パウダーベッドの表面層における
温度分布に関する情報を使用し、パウダーベッドの表面層の温度が低すぎる領域
内でのエネルギ供給を増大させ、また温度が高すぎる領域内でのエネルギ供給を
減少し、これにより、断面における作業温度の変動を少なくすることができるよ
うになる。特定部分へのエネルギ供給を適合させることにより、より適正な温度
分布が得られ、従って、製品の品質が向上する。
【００１０】 更に、本発明の他の好適な実施例においては、装置は現行の最上パウダー層内
で溶融した領域における溶融後の最大温度を限界範囲内にするように、放射線銃
からのエネルギ供給を制御するよう構成する。このようにエネルギ供給を制御す
ることによって、高すぎる温度を回避し、欠陥を引き起こす材料の沸騰及び蒸発
の危険性を減少することができる。
【００１１】 本発明の、更に他の好適な実施例においては、温度分布に関する情報を使用し
て、装置の一部をなす放射線銃から、パウダーベッドにおける現行の最上パウダ
ー層で溶融しており、後続層との結合を生ずるべき領域へのエネルギ供給を制御
し、これら領域における最小温度が所定限界値よりも低下しないようにする。温
度が所定限界以下に低下することを確認することによって、製品の変形を生ずる
ことになる表面張力のリスクを回避することができる。
【００１２】 本発明の他の実施例においては、温度分布に関する情報を使用して、放射線銃
からパウダーベッドの表面層における未溶融領域へのエネルギ供給を制御し、こ
れら領域における温度が第２の所定限界値以下に低下しないようにすることがで
きる。パウダーベッドにおける或る温度を溶融しない程度に維持することによっ
て、既に溶融した又は溶融しようとしている領域における冷却プロセスを、一方
ではより厳密に制御し、他方では異なる溶融計画領域に達しようとして溶融すべ
きでない領域にビームが転移することにより生ずる乱れがないようにする。
【００１３】 更に、他の本発明の好適な実施例においては、表面乱れを、好適には、表面に
おける陰影情報を記録するカメラによって測定し、表面構造を読み取ることがで
きるようにする。例えば、溶融スパーク等により生ずる表面乱れの発生を記録し
た際に、放射線銃を認識した座標に照準を当てて認識した表面乱れを溶融するこ
とができる。
【００１４】 本発明の好適な実施例においては、パウダーベッド及び放射線銃をチャンバ内
に閉鎖し、このチャンバには透明窓を装備し、この透明窓を窓に沿って送ること
ができるフィルムによって保護し、新しいフィルムが供給されるようにする。被
覆しているフィルムを送ることにより、フィルム及び窓における透明性を維持す
ることができる。
【００１５】 本発明の第２の目的は、三次元物体の順次の断面に対応するパウダーベッドの
部分の順次の溶融により三次元物体を製造し、三次元物体の所要の形状、寸法及
び強度からのずれをできるだけ減少する製造方法を得るにある。
【００１６】 本発明は、特許請求の範囲の請求項１５の特徴部分によってこの目的を達成す
る。パウダーベッド上に配置した表面層の表面特性を感知する素子を設けること
によって、表面特性の測定及び修正ができるようになり、所要の寸法からのずれ
及び表面乱れを減少した製品を得ることができるようになる。好適な実施例にお
いては、パウダーベッドの表面層における温度分布を記録し、パウダー粒子の溶
融中の温度制御を可能にする。このことにより、溶融を規定温度範囲内で生ずる
ように確認することができ、例えば、材料の沸騰及び蒸発による欠陥発生のリス
クを減少することができる。この感知素子は、更に、パウダー層における特定の
溶融部分の冷却温度も測定でき、これにより、溶融部分における表面張力作用の
リスクを減少し、従って、好ましくない形状変化を発生するリスクを減少するこ
とができる。更に、断面の寸法を測定することができ、これにより、形成した断
面と意図する物体の断面との寸法を比較することにより、放射線銃の制御素子を
較正することができる。更に感知素子は、溶融していないパウダーベッドの温度
を測定し、プロセスの観点から有利な温度管理をモニタすることができるように
なる。
【００１７】 更に、本発明の好適な実施例においては、表面乱れを、好適には、表面の陰影
情報を記録するカメラによって測定し、表面構造を読み取ることができるように
する。例えば、溶融スパーク等によって生ずる表面乱れの発生を記録した際に、
放射線銃を認識した座標に照準を当てて認識した乱れを溶融する。
【００１８】 他の好適な実施例は特許請求の範囲の従属項に記載した。
【００１９】 ［実施例］ 以下に、添付図面につき本発明の詳細に説明する。
【００２０】 図１において、三次元製品を製造する装置を参照符号１で示す。この装置は、
三次元製品３を製作する作業テーブル２と、１個又はそれ以上のパウダーディス
ペンサ４と、パウダーベッド５を形成するため、作業テーブル２上にパウダーの
薄い層を敷設する敷設部材２８と、パウダーベッドにエネルギを放出してパウダ
ーベッドの一部を融合する放射線銃６と、放射線銃６により放出されるビームを
作業テーブルにわたり走査してパウダーの融合によって三次元製品の断面を形成
する制御部材７と、三次元製品を構成する順次の断面に関する情報を記憶する制
御コンピュータ８とを有する。作業サイクル中、パウダー層が付加される毎に放
射線銃に対して順次にテーブルを降下させる。この移動を可能にするため、本発
明の好適な実施例においては、作業テーブルは垂直方向即ち、矢印Ｐで示す方向
に移動可能にする。このことは、作業テーブルが初期位置２′からスタートし、
この初期位置２′では必要な厚さの第１パウダー層が敷設されている。その下側
の作業テーブルが損傷を受けないようにするため、またこの層が十分な特性を示
すようにするため、他の層よりも厚めにし、この第１層の貫通融合を回避する。
この後、三次元製品の新しい断面を形成するため、作業テーブルを新しいパウダ
ー層を敷設することに関連して降下させる。この目的のため、本発明の好適な実
施例においては、作業テーブルは足場９によって支持し、この足場９は歯１１を
有する少なくとも１個のラック１０を設ける。ギヤ１３を装備したステップエン
ジン又はサーボエンジン１２により作業テーブルを所要の垂直位置に位置決めす
る。当業者に既知の作業テーブルの作業高さを調整する他の装置を使用すること
もできる。例えば、調整ねじをラックの代わりに使用することができる。
【００２１】 部材２８は、材料を再充填するため、パウダーディスペンサと連係動作するよ
う構成する。更に、部材２８の作業表面にわたる掃引は、既知の方法でサーボエ
ンジン（図示せず）によって駆動し、このサーボエンジンは部材２８を案内レー
ル２９に沿ってパウダーベッド上で移動させる。
【００２２】 新しいパウダー層を敷設する際に、作業テーブルを先行層に対してどの程度下
降させたかによって、パウダー層の層厚を管理する。このことは、層厚は所要に
応じて変化させることができることを意味する。従って、隣接する層間の形状変
化が大きい断面の場合には層を薄くすることができ、これにより、表面の微細度
を高め、また形状変化が小さかったり、まったくなかったりするときには、ビー
ムの最大貫入深さに等しい層厚にすることができる。
【００２３】 本発明の好適な実施例においては、放射線銃６を電子銃によって構成し、放射
線銃のビームのための制御部材７を偏向コイルによって構成する。偏向コイルは
電子銃によって発生したビームを制御する磁界を生じ、パウダーベッドの所要位
置の表面層を溶解する。更に、放射線銃は高電圧回路２０を有し、この高電圧回
路２０は既知の方法で放射線銃に対してエミッタ電極２１のための加速電圧を供
給する。エミッタ電極は既知の方法で電源２２に接続し、この電源２２はエミッ
タ電極２１を加熱するのに使用し、この加熱により電子を活性化する。放射線銃
の機能及び構成は当業者にとってはよく知られている。
【００２４】 偏向コイルは溶融すべき各層のための敷設移動スケジュールに従って、制御コ
ンピュータ８により制御し、所要の移動スケジュールに従うビーム制御が得られ
る。
【００２５】 移動スケジュールの生成及び修正に関して図４〜図６を参照して以下に詳細に
説明する。
【００２６】 更に、作業テーブル上のパウダーベッドの表面にビームを合焦させる少なくと
も１個の合焦コイル７′を設ける。
【００２７】 偏向コイル及び合焦コイルは、当業者によく知られている多数の実施例によっ
て構成することができる。
【００２８】 装置はハウジング１５内に収納し、このハウジング１５は放射線銃６及びパウ
ダーベッド２を包囲する。ハウジングは、パウダーベッドを包囲する第１チャン
バ２３と、放射線銃６を包囲する第２チャンバ２４とを有する。これら第１チャ
ンバ２３及び第２チャンバ２４はチャンネル２５で連通し、第２チャンバの高電
圧の磁界で加速された放出電子を通過して第１チャンバ内に進入させ、作業テー
ブル２上のパウダーベッドに照射させる。
【００２９】 好適な実施例においては、第１チャンバを真空ポンプ２６に接続し、第１チャ
ンバ２３内の圧力を、好適には、約１０−３〜１０−５ mBarの圧力に低下させ
る。第２チャンバ２４を真空ポンプ２７に接続し、第２チャンバ２４内の圧力を
、好適には、約１０−４〜１０−６ mBarの圧力に低下させる。他の実施例にお
いては、第１及び第２のチャンバの双方を同一の真空ポンプに接続することもで
きる。
【００３０】 制御コンピュータ８は、更に、放射線銃６にも接続して放出される放射線銃の
パワーを調整し、またステップも２に接続して順次敷設されるパウダー層間にお
ける作業テーブルの垂直位置２を調整し、パウダー層の個別の層厚を変更するこ
とができるようにすると好適である。
【００３１】 更に、制御コンピュータは、作業表面上にパウダーを敷設する敷設部材２８に
接続する。この敷設部材は作業表面にわたって掃引するよう構成し、これにより
、パウダー層を敷き詰める。この敷設部材２８は制御コンピュータ８によって制
御されるサーボエンジン（図示せず）によって駆動する。制御コンピュータは掃
引時間を制御し、パウダーを必要なだけ再充填するのを確実にする。このため、
充填インジケータを敷設部材２８に設け、制御コンピュータは敷設部材が空にな
ったことを知らせることができるようにする。
【００３２】 図２に示すように、装置には、更に、パウダーベッドにおける表面層の表面特
性を感知する部材１４を設ける。パウダーベッド５における表面層の温度分布を
感知するこの部材１４は、カメラによって構成すると好適である。本発明の好適
な実施例においては、カメラは、一方では表面層の温度分布を測定するのに使用
し、他方では表面の不規則さによって生ずる陰影で表面の乱れを測定するのに使
用する。温度分布の情報は、一方で表面層の溶融すべき部分にわたってできるだ
け均一な温度分布が得られるようにするのに使用し、また他方では、温度分布は
製品の形状に反映するため、形成した三次元製品と原型との間の測定誤差を制御
するのに使用する。本発明の好適な実施例においては、パウダーベッド５及び放
射線銃６を収納するケーシング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、ケーシングには透明窓１６を設ける。パウダーベッド５は
この窓からカメラで見ることができる。本発明の好適な実施例においては、図３
に示すように、窓１６を保護フィルム１７によってカバーする。この保護フィル
ムは供給ユニット１８から収集ユニット１９に供給し、フィルムを順次交換して
透明性を維持できるようにする。溶融プロセスが進むにつれて堆積を生ずるため
、保護フィルムは、必要である。
【００３３】 図４には、一次移動スケジュールを生成するための手順を線図的に示す。第１
ステップ４０では、例えば、ＣＡＤプログラムで製造すべき製品の３Ｄモデルを
生成し、あるいは、製造すべき製品の予生成３Ｄモデルを制御コンピュータ８に
供給する。この後、第２ステップ４１でマトリックスを生成し、この第２ステッ
プ４１では製品の断面の外形情報を含む。図７はハンマーのモデルを断面に沿っ
て示す。これら断面を図８の（ａ）〜（ｃ）に示す。これら断面は、完成した製
品を形成するため、溶融すべき個別の層の層厚に対応する密度で敷設する。有利
なことに、異なる層毎に層厚を変化させることができる。例えば、隣接の層間で
断面の外観に大きな変動がある領域では層厚を薄くすると有利である。このよう
にして、断面生成中にマトリックスを形成し、このマトリックスは、三次元製品
を構成するすべての断面の外観に関する情報を含む。
【００３４】 第３ステップ４２で断面生成が完了したとき、一次移動スケジュールを各断面
に対して生成する。一次移動スケジュールの生成は、一方では断面を構成する部
分の形状の認識に基づき、他方では、断面の局部的な部分の冷却温度に対して移
動スケジュールがどのように影響するかに基づいて行う。この目的は、次の層を
敷設する前に溶融した部分の冷却温度をできるだけ等しくするとともに、冷却温
度を所要範囲内に維持して製品における収縮ひずみが発生するリスクを軽減し、
また、製品の変形につながる製品内の収縮ひずみの度合いを減少するようにする
移動スケジュールを生成することである。
【００３５】 主に、一次移動スケジュールは断面に含まれる個別部分の形状に基づく。
【００３６】 従って、本発明の好適な実施例においては、どの移動スケジュールが断面の冷
却温度の良好な温度分布をもたらすかの経験に基づいて決められ、これにより、
製品の変形につながる製品の収縮ひずみの危険性を減少する。この目的のため、
異なる形状の領域のための移動スケジュールの組をメモリに記憶する。好適な実
施例では、このメモリは、移動スケジュールを修正することにより得られる成果
物を評価する際に更新され、従って、自己学習システムが得られる。
【００３７】 本発明の他の実施例においては、個別のコンピュータで生成した予形成断面を
制御コンピュータのメモリに供給し、この制御コンピュータで一次移動スケジュ
ールを生成する。この場合、情報は外部ソース４０ａから第３ステップ４２に直
接供給される。
【００３８】 図５には、放射線銃からのビームをパウダーベッドにわたり制御し、製品の断
面を生成する手順を線図的に示す。ステップ５０において、パウダーベッドにわ
たるビームの制御を、ステップ４２で確定した一次移動スケジュールに従って開
始する。次のステップ５１において、パウダーベッドの表面層の温度分布をカメ
ラで測定する。この後、温度分布マトリックスＴij-measured を測定した温度分
布から生成し、パウダーベッドの表面層上の小さいサブエリアの温度を記憶する
。マトリックスを生成するとき、マトリックスで測定した各温度値Ｔij-measure
d を、所要値Ｔij-desiredのマトリックスにおける所要値と比較する。大まかに
、パウダーベッドの表面層を３つのカテゴリに分割することができる。第１番目
は放射線銃で機械加工して溶融を生ずる領域である。この領域では最大溶融温度
Ｔij-maxが重要となる。第２番目は、既に溶融し、従って、冷却しつつある領域
である。この領域では、低すぎる冷却温度は引張力によって破断を生ずるため、
最小許容冷却温度Ｔij-cooing-minが重要となる。第３番目は放射線銃で機械加
工されない領域である。これら領域はベッド温度Ｔij-bedが重要となる。機械加
工領域のみで温度をひかくすることもでき、この場合、ベッド温度Ｔij-bedは記
憶されない、又は制御はされない、又はその双方とも行われない。
【００３９】 第３ステップ５２においては、Ｔij-measuredが所要値Ｔij-desiredからずれ
ているか、またこのずれが許容限界範囲を越えているかを判定する。３つの異な
るカテゴリに属するΔＴij-max，ΔＴij-cooing，及びΔＴij-bedの許容限界値
を制御コンピュータ８に記憶する。更に、ベッド温度を制御しないようにするこ
ともできる。この場合、これに属する限界値は記憶しない。第４ステップ５３に
おいて、Ｔij-measuredとＴij-desiredとのずれがこの限界範囲を越えていない
場合に、表面層の機械加工が完了したか否かを判定する。機械加工が完了してい
ない場合は、有効移動スケジュールに従って移動を続行し、更に上述のステップ
５０〜５３を時間を延長して行う。
【００４０】 Ｔij-measuredとＴij-desiredとのずれがいずれかの限界範囲を越える場合、
移動スケジュール４２の修正を第５ステップで行う。この修正は、図６に示す手
順で行うと好適である。本発明の好適な実施例においては、各層の機械加工が完
了するまでは新しいパウダー層を敷設せず、これにより、製品が仕上がるまでは
順次の溶融で形成される。この場合、一つの層における移動スケジュ―ルが完了
したことを第４ステップで認識したとして，製品全体が完了しない場合に、新し
い層は第５ステップの後に敷設が開始される。
【００４１】 好適な実施例においては、移動スケジュールは以下のステップを有する。第１
ステップ５６では、Ｔij-maxをＴij-max-desiredと比較する。Ｔij-maxがΔＴij
-maxを越えてＴij-max-desiredからずれている場合、ステップ５６ａにおいて、
ビームのパワーを変化させるか、又はビームの掃引速度を変化させるかのいずれ
かによって、パウダー層に供給されるエネルギを較正する。第２ステップにおい
ては、Ｔij-cooingをＴij-cooing-desiredに比較する。Ｔij-cooingがΔＴij-co
oingを越えてＴij-cooing-desiredからずれている場合には、ビームの移動スケ
ジュールをステップ５８ａで変化させる。ビームの移動スケジュールを変更する
には幾つかの方法がある。移動スケジュールを変更する一つの方法としては、領
域が冷却し過ぎない前にビームによって領域を予加熱することである。放射線銃
は、このとき、既に溶融している領域にわたり低いエネルギ強度及び／又は高い
掃引速度で掃引する。
【００４２】 第３ステップ６０においてＴij-bedがＴij-bed-desiredからずれているか否か
を判定する。このずれがΔＴij-bedを越える場合には、好適な実施例においては
、ベッドの温度をステップ６０ａで修正し、この場合、例えば、エネルギ供給の
ためにベッドにわたりビームを掃引する。ベッドを個別に加熱する装備を装置に
設けることもできる。
【００４３】 製造すべき物品の寸法制御は装置に据え付けた熱カメラを通して行う。上述し
たように、ベッド及び溶融した部分の測定を行う。記録された熱分布は形成すべ
き三次元物体の断面における物体形状に全体的に反映する。これにより、物体の
寸法制御を第４ステップ６２で行い、放射線銃ビームのＸ‐Ｙ偏向のフィードバ
ックを行う。本発明の好適な実施例においては、この制御はステップ６２ａにお
いて、断面における測定値間のずれを決定し、このずれが許容範囲より大きい場
合に放射線銃のＸ‐Ｙ偏向を修正する。
【００４４】 更に、カメラからの入力信号を利用し、例えば、発生しているスパークの形状
における表面乱れの発現を認識することができる。表面乱れの座標を認識したと
き、移動スケジュールを認識した座標に対して更新し、表面乱れをなくすように
する。
【００４５】 本発明は上述の実施例に限定されることなく、例えば、放射線銃をレーザによ
って構成することもでき、この場合、偏向部材は制御可能なミラー及び／又はレ
ンズによって構成する。
【００４６】 本発明は、更に、エネルギ源から製品素材にエネルギを転移させることによっ
て三次元製品を製造する装置にも使用することができ、この装置は、三次元製品
を作製する作業テーブルと、製品ベッドを形成するため作業テーブル上に製品素
材の薄い層を配置するよう構成したディスペンサと、製品ベッドの表面の選択し
た領域にエネルギを付与し、製品素材の相変位によってこの領域内の中実断面を
形成する部材と、及び三次元製品を構成する順次の断面に関する情報を記憶する
メモリを取り扱う制御コンピュータとを具え、制御コンピュータによってエネル
ギ放出部材を制御して選択した領域にエネルギを供給し、パウダーディスペンサ
により敷設したパウダー層から順次形成した断面を順次に結合することによって
三次元製品を形成する。
【００４７】 この場合、実施例は、放射線銃によってパウダーベッドの表面を照射してパウ
ダーを溶融することに限定されない。製品素材は相変位後に中実体を形成する素
材、例えば、溶融又は硬化後に固体化する素材であれば任意の材料で構成するこ
とができる。エネルギ放出部材は、作業表面にわたり走査を制御する電子銃、レ
ーザ、又は製品ベッド上に直接断面を投影することができるエネルギ放出部材に
よって構成することができる。
【００４８】 更に、上述の実施例に関連して説明したすべての特徴を具えた実施例とするこ
ともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の断面図である。
【図２】 透明な窓を設けたチャンバの側面図である。
【図３】 窓の透明性を維持するための保護フィルムを供給しまた固着する装置
の説明図である。
【図４】 一次移動スケジュールを生成するためのフローチャートである。
【図５】 装置の移動スケジュールのフローチャートである。
【図６】 この移動スケジュールを修正するフローチャートである。
【図７】 三次元物体を形成する際の線図である。
【図８】 図７の幾つかの断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１１月１１日（２００２．１１．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項２】 前記制御コンピュータを、前記温度分布を感知する感知部材から の パウダーベッドの表面層にわたる温度分布に関する情報に基づいて、放射線銃
のための移動スケジュールに反映させる構成とした請求項１に記載の装置。
【請求項３】 前記制御コンピュータを、前記パウダーベッドの表面層の温度分
布に関する情報を利用して放射線銃のための移動スケジュールに反映させる構成 とし 、パウダーベッドの表面層の温度が低すぎる領域におけるエネルギ供給を増
大させ、また温度が高すぎる領域におけるエネルギ供給を減少させ、断面におけ
る作業温度がより一層均一になるようにした請求項２記載の装置。
【請求項４】 前記制御コンピュータを、温度分布に関する情報に基づいて、
放射線銃からパウダーベッドの最上パウダー層の溶融領域に対するエネルギ供給
を制御し、これら領域における溶融後の最大温度が限界範囲内となるよう構成し
た請求項２又は３記載の装置。
【請求項５】 前記制御コンピュータを、温度分布に関する情報に基づいて、放
射線銃からパウダーベッドの溶融しており次の層の領域に結合すべき現行の最上
パウダー層の溶融領域における溶融後の最大温度が限界範囲内となるようエネル
ギ供給を制御する構成とし、これら領域における溶融後の最小温度が所定限界以
下にならないようにした請求項２乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】 前記制御コンピュータを、温度分布に関する情報に基づいて、放
射線銃からパウダーベッドの現行の最上パウダー層の溶融領域に対するエネルギ
供給を制御する構成とし、これら領域における溶融後の最小温度が所定限界以下
にならないようにした請求項２乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】 前記制御コンピュータを、温度分布に関する情報に基づいて、放
射線銃からパウダーベッドの現行の最上パウダー層の溶融されていない領域に対
するエネルギ供給を制御する構成とし、これら領域における温度が第２所定限界
以下にならないようにした請求項２乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】 前記放射線銃を制御する制御部材を、温度分布に関する情報を使 用して較正する構成とした 請求項２乃至７のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】 前記パウダーベッドの表面層の温度分布を感知する感知部材をカ
メラによって構成した請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】 前記製品ベッドを閉鎖したチャンバ内に配置し、閉鎖チャンバ
には透明窓を設け、カメラがこの透明窓を通してパウダーベッドの温度分布を記
録するようにした請求項９記載の装置。
【請求項１１】 前記透明窓をフィルムによって保護し、このフィルムを窓に沿
って送り可能に構成し、新しいフィルムを供給することによってフィルム及び窓
における透明性を維持するようにした請求項１０記載の装置。
【請求項１２】 前記放射線銃を電子銃によって構成し、パウダーベッド及び電
子銃を真空チャンバ内に閉鎖した請求項１乃至１１のうちのいずれか一項に記載
の装置。
【請求項１３】 パウダーベッドにおける三次元物体の順次の断面に対応する部
分を順次に溶融することによって三次元物体を製造するため、 作業テーブル上にパウダー層を敷設するステップと、 このパウダー層に対して所定の移動スケジュールに従って放射線銃からエネル
ギの供給するステップと、 前記移動スケジュールに従って選択したパウダー層の領域を溶融して三次元物
体の断面を形成するステップと、 順次敷設したパウダー層から順次に溶融して断面を形成することにより三次元
物体を形成するステップと よりなる三次元物体製造方法において、 前記パウダーベッドの表面層の温度分布を感知するステップを有することを特
徴とする方法。
【請求項１４】 前記感知した温度分布を使用して、適正溶融温度を得るために
放射線銃に対するエネルギ供給を較正する請求項１３記載の方法。
【請求項１５】 前記感知した温度分布に基づいて、前記移動スケジュールを変
更して適正な冷却温度を得るようにした請求項１３又は１４記載の方法。
【請求項１６】 前記冷却温度が低すぎる領域を予加熱する請求項１５記載の方
法。
【請求項１７】 前記冷却温度が高すぎる領域を感知した際に、移動スケジュー
ルを変更してこの領域における形成速度を減少させる請求項１５又は１６記載の
方法。
【請求項１８】 前記パウダーベッドの温度を検出し、検出した温度が所定限界
よりも低くなった場合にベッドを加熱する請求項１３乃至１７記載の方法。
【請求項１９】 前記感知した温度分布を使用してビームのＸ‐Ｙ偏向のために
放射線銃に配置した部材を較正する請求項１３乃至１８記載の方法。
【請求項２０】 エネルギ源から製品素材にエネルギを転移させることによって
三次元製品を製造するため、三次元製品を作製する作業テーブルと、製品ベッド
を形成するため作業テーブル上に製品素材の薄い層を配置するよう構成したディ
スペンサと、製品ベッドの表面の選択した領域にエネルギを付与し、製品素材の
相変位によってこの領域内の中実断面を形成する部材と、及び三次元製品を構成
する順次の断面に関する情報を記憶するメモリを取り扱う制御コンピュータとを
具え、制御コンピュータによってエネルギ放出部材を制御して選択した領域にエ
ネルギを供給し、パウダーディスペンサにより敷設した製品素材の層から順次形
成した断面を順次に結合することによって三次元製品を製造する装置において、
製品ベッドにおける表面層の温度分布を感知する部材を更に設けたことを特徴と
する三次元製品製造装置。
【請求項２１】 前記温度分布を感知する感知部材を、製品ベッドの表面層にわ
たる温度分布に関する情報を前記制御コンピュータに伝送し、前記制御コンピュ
ータがこの情報を利用して前記製品ベッドにエネルギを供給するための部材を制
限するようにした請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】 前記制御コンピュータを、前記温度分布に関する情報に基づい て 、製品ベッドにエネルギを供給する部材の較正を行う構成とした請求項２８記
載の装置。
【請求項２３】 前記温度分布を感知する部材をカメラによって構成した請求項 ２０ 乃至２２のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】 前記製品ベッドを閉鎖したチャンバ内に配置し、閉鎖チャンバ
には透明窓を設け、カメラがこの透明窓を通してパウダーベッドの表面特性を記
録するようにした請求項２３記載の装置。
【請求項２５】 前記透明窓をフィルムによって保護し、このフィルムを窓に沿
って送り可能に構成し、新しいフィルムを供給することによってフィルム及び窓
における透明性を維持するようにした請求項２４記載の装置。
【請求項２８】 表面の乱れを検出した際に、 表面乱れの座標を登録するステップと、 放射線銃で発生したビームをこの座標に案内し、表面乱れを溶融するステップ
と を行う請求項２７記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
【技術の背景】 作業テーブル上に配置したパウダー層の選択した部分を順次溶融することによ
り三次元製品を製造する装置は既に知られている（例えば、特許文献１参照）。 更に、融点の局部的温度を測定するセンサを設けた温度制御レーザ焼結装置は 既知である（例えば、特許文献２参照）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
【特許文献１】 米国特許第４，８６３，５３８号明細書
【特許文献２】 米国特許第５，４２７，７３３号明細書
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】 この目的を達成するため、本発明装置は、特許請求の範囲の請求項１及び２０ の特徴部分を有する。パウダーベッド上に配置した表面層の温度分布を感知する
素子を設けることにより、表面特性の測定及び修正が可能になり、従って、所要
の寸法からのずれや、表面乱れを減少した製品が得られるようになる。本発明に よれば 、規定の温度範囲内で溶融が生じているかを確認し、例えば、材料の蒸発
や沸騰により欠陥のある外観を生ずるというリスクを減少することができる。材
料の蒸発及び沸騰は、溶着スパークや他の表面乱れを生ずる。この素子は、パウ
ダー層における特定の溶融部分の冷却温度も測定することができ、溶融部分にお
ける何らかの表面張力による外観及び寸法のずれを生ずるリスクを減少し、従っ
て、形状の好ましくない変化を減少することができる。更に、断面寸法を測定す
ることができ、これにより、形成した断面の寸法と意図する物体断面の寸法との
比較を利用して放射線銃の制御素子を較正することができる。この素子は、溶融
しないパウダーベッドの温度も測定し、プロセス上の観点から有利な温度管理を
モニタすることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】 本発明によれば、パウダーベッドの表面層における温度分布に関する情報を制
御コンピュータにフィードバックし、パウダーベッドの表面層にわたる移動スケ
ジュールを調整する。移動スケジュール、並びにビームのパワー及び／又は外観
を変更することにより、パウダーベッドの異なる部分で適正温度に維持すること
ができるようになる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4F213 AC04 AD05 AR06 WA25 WA97 WB01 WL03 WL12 WL26 WL75 WL85 WL92 4K018 CA44 DA23 EA51 EA60

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 三次元製品を製造するため、この三次元製品を作製する作業テー
    ブルと、パウダーベッドを形成するため前記作業テーブル上にパウダーの薄い層
    を敷設する構成のパウダーディスペンサと、パウダーに溶融を生ぜしめるようパ
    ウダーにエネルギを付与する放射線銃と、この放射線銃から放出されたビームを
    パウダーベッドにわたり制御して前記パウダーベッドの一部を溶融することによ
    り三次元製品の断面を形成する制御部材と、三次元製品を構成する順次の断面に
    関する情報を記憶する制御コンピュータとを具え、前記制御コンピュータによっ
    て、三次元物体の断面を形成する移動スケジュールに従って前記放射線銃をパウ
    ダーベッドにわたり案内する前記制御部材を制御し、前記パウダーディスペンサ
    によって敷設した順次のパウダー層から順次に形成した断面を順次に溶融するこ
    とにより前記三次元製品を形成する装置において、 前記パウダーベッドにおける表面層の表面特性を感知する感知部材を更に設け
    たことを特徴とする三次元製品製造装置。
  2. 【請求項２】 前記表面特性を、パウダーベッドにおける表面層の温度分布とし
    た請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記表面特性を、パウダーベッドにおける表面層の滑らかさとし
    た請求項１又は２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記温度分布を感知する感知部材を、パウダーベッドの表面層に
    わたる温度分布に関する情報を前記制御コンピュータに伝送し、温度分布に関す
    る情報により放射線銃のための移動スケジュールに反映させるようにした請求項
    １乃至３のうちのいずれか一項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記パウダーベッドの表面層の温度分布に関する情報を利用し、
    パウダーベッドの表面層の温度が低すぎる領域におけるエネルギ供給を増大させ
    、また温度が高すぎる領域におけるエネルギ供給を減少させ、断面における作業
    温度がより一層均一になるようにした請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 温度分布に関する情報は、放射線銃からパウダーベッドの最上パ
    ウダー層の溶融領域に対するエネルギ供給を制御し、これら領域における溶融後
    の最大温度が限界範囲内となるようにした請求項４又は５記載の装置。
  7. 【請求項７】 温度分布に関する情報は、一方では、放射線銃からパウダーベッ
    ドの現行の最上パウダー層の溶融領域に対するエネルギ供給を制御し、他方では
    、次の層における領域に関連してエネルギを制御し、これら領域における溶融後
    の最小温度が所定限界以下にならないようにした請求項４乃至６のうちのいずれ
    か一項に記載の装置。
  8. 【請求項８】 温度分布に関する情報は、一方では、放射線銃からパウダーベッ
    ドの現行の最上パウダー層の溶融領域に対するエネルギ供給を制御し、これら領
    域における溶融後の最小温度が所定限界以下にならないようにした請求項４乃至
    ６のうちのいずれか一項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 温度分布に関する情報は、一方では、放射線銃からパウダーベッ
    ドの現行の最上パウダー層の溶融領域に対するエネルギ供給を制御し、これら領
    域における温度が第２所定限界以下にならないようにした請求項４乃至８のうち
    のいずれか一項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 温度分布に関する情報は、前記放射線銃を制御する制御部材を
    較正するのに使用する請求項４乃至９のうちのいずれか一項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記パウダーベッドの表面層における表面特性を感知する感知
    部材をカメラによって構成した請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の
    装置。
  12. 【請求項１２】 前記製品ベッドを閉鎖したチャンバ内に配置し、閉鎖チャンバ
    には透明窓を設け、カメラがこの透明窓を通してパウダーベッドの表面特性を記
    録するようにした請求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記透明窓をフィルムによって保護し、このフィルムを窓に沿
    って送り可能に構成し、新しいフィルムを供給することによってフィルム及び窓
    における透明性を維持するようにした請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記放射線銃を電子銃によって構成し、パウダーベッド及び電
    子銃を真空チャンバ内に閉鎖した請求項１乃至１３のうちのいずれか一項に記載
    の装置。
  15. 【請求項１５】 パウダーベッドにおける三次元物体の順次の断面に対応する部
    分を順次に溶融することによって三次元物体を製造するため、 作業テーブル上にパウダー層を敷設するステップと、 このパウダー層に対して所定の移動スケジュールに従って放射線銃からエネル
    ギの供給するステップと、 前記移動スケジュールに従って選択したパウダー層の領域を溶融して三次元物
    体の断面を形成するステップと、 順次敷設したパウダー層から順次に溶融して断面を形成することにより三次元
    物体を形成するステップと よりなる三次元物体製造方法において、 前記パウダーベッドの表面層の表面特性を感知するステップを有することを特
    徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 前記表面特性感知ステップは、パウダーベッドにおける表面層
    の表面の滑らかさを測定するものとした請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記表面特性感知ステップは、パウダーベッドにおける表面層
    の温度分布を測定するものとした請求項１５又は１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記感知した温度分布を使用して、適正溶融温度を得るために
    放射線銃に対するエネルギ供給を較正する請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記感知した温度分布を使用して、前記移動スケジュールを変
    更して適正な冷却温度を得るようにした請求項１７又は１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記冷却温度が低すぎる領域を予加熱する請求項１９記載の方
    法。
  21. 【請求項２１】 前記冷却温度が高すぎる領域を感知した際に、移動スケジュー
    ルを変更してこの領域における形成速度を減少させる請求項１９又は２０記載の
    方法。
  22. 【請求項２２】 前記パウダーベッドの温度を検出し、検出した温度が所定限界
    よりも低くなった場合にベッドを加熱する請求項１７乃至２１記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記感知した温度分布を使用してビームのＸ‐Ｙ偏向のために
    放射線銃に配置した部材を較正する請求項１７乃至２２記載の方法。
  24. 【請求項２４】 表面の乱れを検出した際に、 表面乱れの座標を登録するステップと、 放射線銃で発生したビームをこの座標に案内し、表面乱れを溶融するステップ
    と を行う請求項１６乃至２３記載の方法。
  25. 【請求項２５】 エネルギ源から製品素材にエネルギを転移させることによって
    三次元製品を製造するため、三次元製品を作製する作業テーブルと、製品ベッド
    を形成するため作業テーブル上に製品素材の薄い層を配置するよう構成したディ
    スペンサと、製品ベッドの表面の選択した領域にエネルギを付与し、製品素材の
    相変位によってこの領域内の中実断面を形成する部材と、及び三次元製品を構成
    する順次の断面に関する情報を記憶するメモリを取り扱う制御コンピュータとを
    具え、制御コンピュータによってエネルギ放出部材を制御して選択した領域にエ
    ネルギを供給し、パウダーディスペンサにより敷設した製品素材の層から順次形
    成した断面を順次に結合することによって三次元製品を製造する装置において、
    製品ベッドにおける表面層の表面特性を感知する部材を更に設けたことを特徴と
    する三次元製品製造装置。
  26. 【請求項２６】 前記表面特性を、製品ベッドにおける表面層の温度分布とした
    請求項２５記載の装置。
  27. 【請求項２７】 前記表面特性を、製品ベッドにおける表面層の滑らかさとした
    請求項２５又は２６記載の装置。
  28. 【請求項２８】 前記温度分布を感知する感知部材を、製品ベッドの表面層にわ
    たる温度分布に関する情報を前記制御コンピュータに伝送し、前記制御コンピュ
    ータがこの情報を利用して前記製品ベッドにエネルギを供給するための部材を制
    限するようにした請求項２５乃至２７のうちのいずれか一項に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 前記温度分布に関する情報は、製品ベッドにエネルギを供給す
    る部材の較正を行う測定値として使用するようにした請求項２８記載の装置。
  30. 【請求項３０】 前記表面特性を感知する部材をカメラによって構成した請求項
    ２５乃至２９のうちのいずれか一項に記載の装置。
  31. 【請求項３１】 前記製品ベッドを閉鎖したチャンバ内に配置し、閉鎖チャンバ
    には透明窓を設け、カメラがこの透明窓を通してパウダーベッドの表面特性を記
    録するようにした請求項３０記載の装置。
  32. 【請求項３２】 前記透明窓をフィルムによって保護し、このフィルムを窓に沿
    って送り可能に構成し、新しいフィルムを供給することによってフィルム及び窓
    における透明性を維持するようにした請求項３１記載の装置。
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