JP2014519996A - 粉末を選択的に溶融させることによって部品を製造するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ビーム（例えば、レーザビームまたは電子ビーム）を生成するための手段と、粉末の層へのビーム衝突の点を移動させるための手段とを備えており、粉末を選択的に溶融させることによって部品を製造するための装置に関する。装置は、ビーム（１１）を通すための開口（１５）を有しており、ビーム（１１）による粉末の局所的な溶融の際に生じる溶融した粉末の飛散物（２４）を収集するための収集要素と、前記収集要素（１４）を粉末の層の上方でビーム（１１）と一緒に移動させるように設計された手段とをさらに備える。

Description

本発明は、レーザビームまたは電子ビームの助けによって粉末を選択的に溶融させることによって部品を製造するための装置に関し、そのような手法は、直接金属レーザ焼結法または電子ビーム溶融法としても知られている。

粉末からなる逐次の層を、製作すべき逐次の層の各点の三次元座標が記録されたデータ処理システムによって制御されるレーザビームまたは電子ビームで溶融させることによって部品を製造することからなる方法が、当技術分野において公知である。現実には、粉末の第１の層が、平行移動可能なプレートによって構成された底部を有する容器に配置され、これらの粉末は、スクレーパまたはローラの助けによって配置される。レーザビームまたは電子ビームが、プレート上に配置された層の上面へと向けられ、この表面を移動する。ビームによってもたらされるエネルギによって、粉末の局所的な溶融が生じ、溶融した粉末が凝固することで、金属部品の第１の層が形成される。

この第１の層の形成後に、プレートが、１つの層の厚さに相当する距離だけ下げられ、次いで第２の粉末層が、先行の層の上へとスクレーパによってもたらされる。次いで、金属部品の第２の層が、ビームの助けによって、先ほどと同じ方式で製作される。

これらの作業が、部品が完全に製作されるまで繰り返される。

この方法は、とくには、薄肉の部品や、複雑であって鋳造または従来からの機械加工では製作困難な形状を有する部品を製作するために、使用することができる。

粉末が溶融させられているときに、溶融した金属の滴が、液体浴、すなわち未凝固の溶融領域から飛散し、溶融させられていない粉末またはすでに溶融させられた金属に付着する。これらの滴が、凝固時に粉末の粒子サイズよりも大きいサイズの固体粒子を形成する。

その寸法（例えば、３００ミクロン（μｍ）程度）ゆえに、これらの粒子は、ビームによって溶融させることが不可能である。結果として、後にビームによって走査される領域へと落下したすべての粒子が、完成後の部品の芯に周囲の材料との付着がない状態で存在する結果となる。それらは、部品を弱体化させ、部品の機械的な特性を損なう欠陥を構成する。

これらの飛散物に起因する欠陥は、時間のかかる高価な拡散の熱処理によらなければ抑えることができない。

本発明の特段の目的は、この問題に対する簡単、効果的、かつ高価でない解決策を提供することにある。

この目的のため、本発明は、ビーム（例えば、レーザビームまたは電子ビーム）を生成するための手段と、粉末の層へのビーム衝突の点を移動させるための手段とを備えており、粉末を選択的に溶融させることによって部品を製造するための装置であって、ビームによる粉末の局所的な溶融の際に生じる溶融した粉末の飛散物を収集するための収集要素と、前記収集要素を粉末の層の上方でビームと一緒に移動させるように設計された手段とを備えており、前記要素が、該要素に衝突し、あるいは該要素へと落下する溶融した粉末の飛散物を、凝固時に該要素へと付着するような方式で収集するために適しており、ビームを通すための開口を有していることを特徴とする装置を提供する。

この方式で、粉末の溶融の全体を通して、溶融した粉末の飛散物が、製作中の部品の表面へと落下する恐れなく、凝固において収集要素に付着する。

好ましくは、収集要素が、フレームに搭載され、前記収集要素を移動させるための手段が、フレームを２つの直交する方向に移動させるための手段を備える。

本発明の１つの特徴によれば、収集要素が、フレームの内側に配置され、フレームが、接続アームを介して収集要素へと接続された周縁を有する。

一実施の形態においては、収集要素が、ビームおよび溶融した粉末の飛散物を通すための開口を有している例えば円板の形態のプレートであり、この開口が、ビームの断面よりも大きい断面を有する。

前記開口は、好ましくは上方へと末広がりであり、例えば円錐台の形状である。

これは、上方へと飛散し、おおむね放物線の形状の軌跡を辿る滴または粒子が、開口の内壁に触れることがなく、開口の内壁に集まることがないように保証する。したがって、溶融した粉末の滴または飛散物が、開口をそのまま通過し、収集プレートの上面へと落下し、そこで凝固する。

さらに、プレートの上面が、上方へと突き出す内周および外周縁を備えることができる。

この特徴は、プレートの上面に付着しなかった粒子が、粉末の床へと落下する可能性を回避することを可能にする。内周縁は、開口の縁によって定められる。

例えば、これらの突き出した縁は、開口の周囲の環状の凹形を有する上面によって形成される。

別の実施の形態においては、収集要素が管状であり、溶融した粉末の飛散物が、収集要素の内壁に収集される。

したがって、収集要素の材料を、溶融した粉末の飛散物が収集要素の内面に付着した状態となることが保証されるように、粒子の性質に応じて決定すべきである。

収集要素の高さは、好ましくは５ミリメートル（ｍｍ）よりも大きく、その中空領域が、先細りの部分を有する。

さらに本発明は、上述の形式の装置の助けによって粉末を選択的に溶融させることによって部品を製造する方法であって、粉末がビームによって溶融させられているときに形成される飛散物の少なくとも一部が、収集要素に衝突または収集要素へと落下した溶融粉末の飛散物の凝固により、収集要素によって収集されるような方式で、ビームと収集要素とを一緒に移動させることによって層ごとに部品を構築することからなる方法を提供する。

添付の図面を参照しつつあくまでも本発明を限定するものではない例として行われる以下の説明を検討することによって、本発明をよりよく理解することができ、本発明の他の詳細、特徴、および利点が明らかになる。

粉末の選択的な溶融によって金属部品を製造するための先行技術の装置の概略図である。 本発明の第１の実施の形態における収集要素および収集要素を搭載するフレームの斜視図である。 図２の収集要素の斜視図である。 図２および図３の収集要素の一部分の拡大図である。 本発明の第２の実施の形態における収集要素の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態における収集要素の斜視図である。

粉末の選択的な溶融によって金属部品を製造するための装置が、図１に示されている。装置は、金属粉末２を収容しており、棒４およびアクチュエータからの駆動のもとで平行移動することができる底部３を有しているタンク１を備えており、隣接の容器５が、やはりアクチュエータの棒７によって平行移動することができる可動のプレート６によって構成された底部を有している。

装置は、水平な平面Ａを移動することによって粉末をタンク１から容器５へと運ぶためのスクレーパ８またはローラを有するとともに、レーザビームまたは電子ビームを生成するための手段９をさらに有しており、この手段が、ビーム１１の指向および移動のための装置１０へと接続されている。

この装置の助けによって金属部品を製造する工程は、以下のとおりである。

最初に、タンク１の底部３が、特定の量の粉末２が水平な平面Ａよりも上方に位置するように、上方へと移動させられる。次いで、スクレーパ８が左方から右方へと動かされ、前記粉末の層２をタンク１の上部から掻き取り、容器５へと移動させる。粉末２の量およびプレート６の位置は、選択された一定の厚さを有する粉末の層１２が形成されるように決定される。

次いで、レーザビームまたは電子ビーム１１によって、容器５に形成された層１２の所定の領域の走査が、粉末２が走査された領域において局所的に溶融するような方式で行われる。溶融した領域が凝固することで、製造すべき部品のうちの第１の層１３が形成され、この層１３は、例えば１０μｍ〜１００μｍの範囲の厚さを有している。

次いで、プレート６が、製作された層の厚さだけ下げられ、粉末２の新たな層が、上述と同じ方式で粉末の第１の層の上へともたらされる。ビーム１１の制御された移動によって、金属部品の第２の層が、第１の層１３の上に形成される。

これらの作業が、部品が完全に製作されるまで繰り返される。

部品がレーザビームの助けによって粉末２を選択的に溶融させることによって層ごとに構築されるとき、粉末２は、１０μｍ〜４０μｍの範囲の平均粒子サイズを有する。

部品が電子ビームの助けによって粉末２を選択的に溶融させることで層ごとに構築されるとき、粉末２は、５０μｍ〜１００μｍの範囲の平均粒子サイズを有する。

上述のように、溶融した金属の滴が、ビームの助けによる粉末の局所的な溶融の際に液体浴から飛散し、製造中の部品に付着する可能性がある。これらの滴が、凝固時に、後の溶融が不可能である大きなサイズの粒子を形成する。したがって、この方式で製作された部品は、強度を低下させる芯の欠陥を含む可能性がある。

これを避けるために、本発明は、これらの飛散物またはこれらの粒子の一部またはすべてを、収集要素の助けによって収集することを提案する。

本発明の第１の実施の形態が、収集要素が金属製またはセラミック製の円板状の皿１４である図２〜図４に示されている。収集要素１４は、ビーム１５を通過させ、溶融した粉末の飛散物も通過させるための中央の開口１５を有しており、この開口が、ビームの断面よりも大きい断面を有している。開口は、円錐台の形状であり、上方へと末広がりである。開口の下端１６における直径が、例えば約１ｍｍであってよい一方で、ビームの直径は、約５０μｍ〜１００μｍである。

収集要素１４の上面１７は、開口を囲む環状の凹面を有している。したがって、半径方向の内側および外側の周縁１８および１９は、中間の領域と比べて高くなっている。

収集要素１４は、矩形の周縁を有しており、４本の接続アーム２１を介して収集要素へと接続されているフレーム２０に搭載されている。収集要素１４は、好ましくはフレーム２０に対して中心に位置している。したがって、フレームは、２つの側縁２２と、これらの側縁に対して垂直な２つの長手縁２３とを有しており、アームが、各々の縁２２、２３を収集要素１４の半径方向外側の縁１９へと接続している。

フレーム２０が、その側縁２２および長手縁２３によって、粉末２の層１２の上方を、適切な手段の助けによって２つの互いに直交する方向に移動する。そのような移動手段は、当業者にとって周知であり、ここでは詳しくは説明しない。フレーム２０、したがって収集要素１４が、ビーム１１と一緒にビーム１１に同期して移動し、したがってビーム１１の位置にかかわらず、ビーム１１が収集要素１４に開口１５を常に通過する。

部品が、ビーム１１と収集要素１４とを一緒に移動させることによって、層ごとに構築される。ビーム１１が、開口１５を通過して粉末２の層１２に達し、粉末２の層１２を局所的に溶融させる。液体浴におけるビーム１１の影響が、先行技術のように作用し、実質的に放物線の軌跡を辿る滴または粒子２４の飛散が生じる。これらの飛散物が、開口１５の縁とビーム１１との間の環状の領域において開口１５を通過し、あるいはビーム１１を通って開口１５を通過し、次いで収集要素１４の凹状の上面１７へと再び落下する。液体浴と開口１５の上端１８との間の距離は、約１ｍｍである。

この収集要素１４の寸法は、とくにはビーム１１の出力などの装置のパラメータに応じて、滴が上面１７の半径方向外側の縁１９を越えて飛ぶことがないことを保証するように決定される。収集要素１４の直径は、例えば約５０ｍｍ〜１００ｍｍであってよい。

上面１７の凹状の形状が、上面１７へと落下する飛散物または粒子が上面１７の半径方向内側および外側の縁１８および１９を越えて転がって粉末２の層１２へと再び落下することを防止する。

この凹状の形状は、すでに凝固した飛散物の回収をより容易にするためにも役に立つ。

図示されていない実施の形態においては、収集要素が、単に開口（好ましくは、レーザビームの通過を可能にするための狭い開口）を有するプレートである。この実施の形態においては、飛散物が、プレートの下面に衝突して凝固する。

図５または図６が、収集要素１４が管状であり、ビーム１１を通すための開口１５を形成する中空領域を有しており、粒子２４が中空領域の内壁２５へと収集される本発明の別の実施の形態を示している。管状の収集要素１４の高さは、約２０ｍｍである。

中空領域の断面は、図６に示されるように、円形または先細りであってよい。先細りの断面は、ビーム１１の助けによって粉末２を溶融させることによって形成される液体浴の断面に対応している。この浴は、ビーム１１によって瞬間ｔにおいて溶融させられる領域に相当する実質的に円形の上流部分と、先行して溶融させられた凝固中の領域に相当する先細りの下流領域とを有している。

この収集要素１４を、ビームと一緒に移動するように上述したフレームと同様のフレームに取り付けることができる。

これらの実施の形態の各々において、本発明は、粉末２の溶融の全体を通して、液体浴から飛散する滴または粒子２４が、製造中の部品へと再び落下する恐れなく収集要素１４に付着して凝固するような方式で、収集要素１４へと衝突し、あるいは収集要素１４へと落下する装置を提案する。

特定の好ましい実施の形態において、本発明は、いかなる吸引手段および／または送風手段も有さない。

Claims (10)

1. 例えばレーザビームまたは電子ビームなどのビームを生成するための手段と、粉末（２）の層（１２）へのビーム衝突の点を移動させるための手段とを備えており、粉末を選択的に溶融させることによって部品を製造するための装置であって、
   ビーム（１１）による粉末（２）の局所的な溶融の際に生じる溶融した粉末の飛散物（２４）を収集するための収集要素（１４）であって、該要素に衝突し、あるいは該要素へと落下する溶融した粉末の飛散物（２４）を、凝固時に該要素へと付着するような方式で収集するために適しており、ビーム（１１）を通すための開口（１５）を有している収集要素（１４）と、
   前記収集要素（１４）を粉末（２）の層（１２）の上方でビーム（１１）と一緒に移動させるように設計された手段とを備えることを特徴とする、装置。
2. 収集要素（１４）が、フレーム（２０）に搭載され、前記収集要素を移動させるための手段が、フレーム（２０）を２つの直交する方向に移動させるための手段を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 収集要素（１４）が、フレーム（２０）の内側に配置され、フレーム（２０）が、接続アーム（２１）を介して収集要素（１４）へと接続された周縁（２２、２３）を有していることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 収集要素（１４）が、ビーム（１１）および粒子（２４）を通すための開口（１５）を有している例えば円板の形態のプレートであり、前記開口が、ビーム（１１）の断面よりも大きい断面を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記開口（１５）が、上方へと末広がりであり、例えば円錐台の形状であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. プレート（１４）が、上方へと突き出す内周および外周縁（１８および１９）を有していることを特徴とする、請求項４または５に記載の装置。
7. 収集要素（１４）が、管状であり、飛散物（２４）が、収集要素（１４）の内壁（２５）に収集されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
8. 収集要素（１４）の高さが、５ｍｍよりも大きいことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 収集要素（１４）が、先細りの断面の中空領域を有していることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の装置の助けによって粉末（２）を選択的に溶融させることによって部品を製造する方法であって、粉末（２）がビーム（１１）によって溶融させられているときに形成される飛散物（２４）の少なくとも一部が、収集要素（１４）に衝突または収集要素（１４）へと落下した溶融粉末の飛散物（２４）の凝固により、収集要素（１４）によって収集されるような方式で、ビーム（１１）と収集要素（１４）とを一緒に移動させることによって層ごとに部品を構築することからなる、方法。

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