JP2019500505A - ３次元の金属成形体を製造する装置および方法 - Google Patents

Abstract

いわゆる３Ｄプリンタは金属分野において既に公知であり、３Ｄプリンタでは金属粉末がベースプレートの上方で放出され、次いで、重要なポイントにおいて、適正に方向付け可能なレーザを用いて溶接される。このとき、作業を層状に繰り返すことによって、成形体が形成され、この成形体は、プロトタイピングの枠内でコンピュータモデルに基づく個品として実際にプリントすることができる。しかしながら、金属粉末の放出、次いで行われる溶接、および最後に、この工程の多数回の繰り返しは、多くの時間を必要とし、かつ成形体の製造がゆっくりとなり、時間の掛かることが確認されている。金属粉末の渦動が発生するために、この工程は、キャリッジの比較的迅速な移動によっても、簡単に加速することができない。このような問題を解決する本発明では、レーザをキャリッジにおいて直接一緒に案内し、これによって、キャリッジによる横切り時に溶接工程を直接実施することができる。これによって、渦動のリスクを発生させることなしに、キャリッジを比較的迅速に移動させることができる一方、特にベースプレートを横切るキャリッジに複数のレーザエレメントおよび材料室をベースプレートの全幅にわたって平行に配置することによって、１つの横切り工程において複数の層を供給することが可能になる。

Description

本発明は、３次元の金属成形体を製造する装置であって、キャリッジに対して相対的に高さ調節可能なベースプレートと、キャリッジガイドと、キャリッジガイド内を走行しベースプレートを横切るキャリッジであって、ベースプレートの上方において金属粉末を放出する少なくとも１つの材料室を有するキャリッジと、放出された金属粉末を点状に溶融する少なくとも１つのレーザエレメントと、を備え、キャリッジは、互いに交互の順番で、キャリッジの移動方向において交互に配置されたレーザエレメントと材料室とを有している装置、および金属成形体を製造する対応する方法に関する。

このような解決策は、欧州特許出願公開第２５０２７２９号明細書に基づいて既に公知である。この公知の構成では、点形状のレーザの前に、互いに隣接する２つの室から金属粉末が提供され、次いで、レーザがこの金属粉末を、その下に位置する層と共に溶融することができ、これによって所望の形状を生じさせることができる。この構成には、必要とされる箇所にのみ材料が供給されるという利点がある。しかしながら、この場合には次のような問題点がある。すなわち、まさに狭幅の成長構造の場合に、新たに供給された金属粉末が流れ落ち、その結果、全構造空間の時間の掛かる運転停止において、点形状の分配によって均一な層を供給すること、所望のポイントにおいてのみレーザを使用すること、または供給された層の後ろで、金属粉末層を他の方法で追加することが必要になり、このようなことは、当該解決策の速度に関する利点を再び台無しにする。

独国特許出願公開第１０２００７０２９１４２号明細書には、これとは異なり金属粉末の面状の供給が開示されており、粉末層の均一化は、電圧の印加によって達成されるようになっている。

金属粉末を溶融するためにレーザを変向することができる調節装置は、独国特許出願公開第１０２００８００００３０号明細書に基づいて公知である。

米国特許第５９９３５５４号明細書には、新たに中央の点形状のレーザが開示されており、このレーザには、金属粉末が複数の供給部を介して提供される。

３次元の金属成形体を製造する公知の方法では、例えば切削または切除のような分離方法によって比較的大きなワークピースから成形体を加工し、このとき不要な部分を除去するようになっている。しかしながら、そのために必要な作業ステップは、確定された限界内においてしか実現することができない構造を前提とする。弓形の孔、アンダカットおよび中空室は、特定の条件下においてしか可能でなく、多くの場合、複数の個品から成形体を構成する必要がある。

このような問題に対する解決策は、いわゆる付加製造方法である。付加製造方法では、製造すべき成形体は、余分な部分の除去によってではなく、むしろ所望の部分を層状に積み重ねることによって形成される。いわゆるマルチジェットモデリングの方法では、例えば、複数のノズルを備えたプリントヘッドが、形成すべき対象の上方で走行し、成形可能な材料、例えばプラスチックの個々の液滴を、所望の箇所に供給し、次いでこの材料が硬化する。硬化は、例えばＵＶ照射によって行うことができる。

いわゆるステレオリソグラフィの作業形態では、製造すべき対象が、液体のプラスチック浴内に構成され、このときそれぞれワークピースが液体内に沈降させられ、適宜な層厚さがワークピース上に供給されたままになるように再び持ち上げられる。そして液体プラスチックは、ワイパによってワークピース上に均一に分配され、次いで光線を用いて、構成すべきポイントにおいて硬化され、ワークピースは層状に構成される。

この方法に似た作業形態を有する、冒頭において述べた、金属成形体の付加製造では、液体プラスチックの代わりに、金属粉末が薄い層を形成するようにワークピースの上方において充填され、その都度最上位の層が、所望の箇所において、例えばレーザ光を用いて溶融され、その下に位置する層と溶接される。

そのための方法では例えば、昇降システムを介して金属粉末を放出し、例えばレーキまたはワイパの形態の分配器具を用いて構造領域の上方に拡げ、その後でレーザが新たに分配された粉末層にレーザ光を照射し、これによって計画された層のために設定されたポイントを溶接し、これにより次の層をワーク上に形成することができる。従って、材料に条件付けられて、層の供給は極めて長い時間を必要とする。なぜなら、個々の層のために全構造空間が少なくとも１回分配器具によって横切られねばならないからである。この場合、粉末材料の慣性のために速度を任意に高めることはできない。なぜなら、さもないと材料が渦動してしまい、かつ材料層の不均一な供給によってワークピース内に欠陥が生じるからである。

従って、個々のワークピースを製造するための所要時間に基づいて、このような方法は、いわゆるラピッドプロトタイピングのために特に良好に適している。なぜなら、工具の製造なしに、比較的僅かな手間で、任意に成形された個品を製造することができるからである。しかしながら、工業的な大量生産に比べて、かなり長い時間を要することに基づいて、公知の構成形態におけるこのような方法は、製品の持続的な製造のための特殊な事例にしか適していない。

上に述べた公知形態を出発点として、本発明の根底を成す課題は、３次元の金属成形体を製造する公知の装置および方法を改良して、製造工程を大幅に加速し、ひいては公知の方法を大量の製品を製造するためにより魅力的にすることである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載のように構成された、３次元の金属成形体を製造する装置によって解決される。同様に、この課題は、同じく独立請求項である請求項７の特徴部に記載のように構成された、このような成形体を製造する方法によって解決される。この装置および方法の好適な構成は、それぞれに所属の従属請求項に記載されている。

本発明によれば、従来技術に似て、金属粉末の層は、ベースプレートの上方において放出される。これは、キャリッジを用いて行われ、このキャリッジは、ベースプレートに対して相対的に高さ調節可能であり、つまり高さ調節可能なキャリッジガイドに保持されるか、または高さ調節可能なベースプレートの上方で走行する。これに加えて、キャリッジは、１つまたは複数の材料室を有しており、この材料室から金属粉末はベースプレートの上方において放出される。さらに、キャリッジは、少なくとも１つのレーザエレメントを有しており、このレーザエレメントを用いて、放出された金属粉末は点状に溶融され、かつその下に位置する層と溶接されることができる。

レーザエレメントが直接キャリッジに配置されていることによって、放出すべき金属粉末を備えたキャリッジを比較的迅速に走行させること、および金属粉末の放出直後において金属粉末の溶接を列状に実施することが可能である。これによって、キャリッジの終了点到達後にキャリッジは直ちに再び戻り走行することができるようになる。レーザ工程の完全な実施に到るまでの終了点における待機時間は省かれる。

さらにキャリッジには、第２の材料室が対応配置されていてよく、このように構成されていると、材料室とレーザエレメントとは、縞状に交互に位置することになる。これによって、例えば２つの材料室とその間に位置する１つのレーザエレメントとが配置されている場合、キャリッジを両方向に作動させることができ、かつそれぞれの方向におけるベースプレートの走行時に、完全な材料供給と溶接工程とを実施することができる。走行方向において前方に位置している材料室が最初に、内部に収容された金属粉末を、存在している金属粉末層およびワークピースの上縁部の上に放出し、その後で、前方に位置する第１の材料室の直後に続くレーザエレメントが、今放出されたばかりの金属粉末を直ちに、そのために設けられたポイントにおいてワークピースと溶接する。このとき、第２の材料室は、さらなる材料層を同じ通過時に供給することができ、次いでなお別のレーザエレメントが追従してよい。この構成は、任意の回数繰り返すことができ、特に、上に記載したようにキャリッジを戻り路において後方に向かっても作動させることができるようにするために、最後に１つの材料室を配置することが提案されている。

詳しく述べると、レーザエレメントは、好ましくは、ベースプレートの全幅を完全にカバーすることができるように構成されている。そのために、レーザエレメントは、１つまたは複数のレーザおよび必要な場合には変向ミラーを有することができ、これらによってレーザ列の下に存在するすべてのポイントに達することができる。キャリッジの下に複数のレーザを配置することによって、各１つのレーザを特定の部分に対応配置させることにより、作業速度を高めることが可能である。個々のレーザに対応配置された部分が小さければ小さいほど、キャリッジはベースプレートの上方においてより迅速に走行することができる。

一般的に、レーザはプロセスコンピュータを介して駆動制御され、このプロセスコンピュータは、形成すべきワークピースの３Ｄモデルの層状に構成されたプランを記憶している。従って、プロセスコンピュータは、レーザの行毎の駆動制御のための命令を与え、レーザは、その都度所望のポイントに達するために、それ自体がその方向を調節可能であるか、または変向ミラーを用いて機能する。この変向ミラーはそれ自体が可動であり、それぞれのポイントに１つのレーザの領域にレーザが到達できるようになっている。

幾つかの利点を有する材料室の構成では、それぞれ１つまたは複数の材料室が一列に位置しており、この列がキャリッジの全幅にわたって延びていて、材料室によって、金属粉末の均一な層状の放出が可能である。金属粉末の均一な放出を達成するために、材料室に、材料放出を均一化する振動エレメントを対応配置することが可能である。このような振動エレメントとしては、圧電式の振動エレメントおよび偏心体エレメントまたはそのために通常適宜な挿入された他の増幅器が適している。

幾つかの利点を得るために、各レーザエレメントの領域には、レーザによってカバーされた領域の画像を記録する画像発信器が対応配置されている。このような画像発信器を介して、溶接工程が正確に実施され、かつこれにより品質確実な運転がなされたか否かを評価することができる。

最後に、従来技術において公知の、ハウジング内において上方に配置されたレーザを補足的に設けることも可能であり、このように構成されていると、キャリッジによる材料放出時に、走行方向において最後の材料室もそれぞれの通過時に材料をベースプレートの上方において放出し、最後に放出されたこの材料層を、次いで上方に位置する別のレーザエレメントによって溶接することができる。

従って、３次元の金属成形体のための製造方法は、１つのベースプレートの上方に、少なくとも１つの金属粉末層が放出されるようになっている。ベースプレート自体をワークピースの一部にしたくない場合には、複数の金属粉末層をベースとして放出し、ベースプレートの上方にある一定の高さが得られた場合に初めて、レーザによる第１の溶接を開始することができる。これに対して、ベースプレートをワークピースと結合したい場合には、第１の金属粉末層を点状にベースプレートと直接溶接することができる。

同様に、キャリッジによって層状に金属粉末層が放出され、各層において、ワークピースに所属のポイントが、キャリッジに対応配置されたレーザエレメントによって、金属粉末の放出直後に溶接される。キャリッジの通過中に、複数の金属粉末層が供給されて溶接される。

金属粉末層の放出が行われる、キャリッジの各通過後に、キャリッジとベースプレートとの間における間隔は拡げられ、この間隔の拡大は、キャリッジの上昇またはベースプレートの下降によって達成される。構成工程が完全に終了した後で、ワークピースはベースプレートと共にまたはベースプレートなしに取り出され、溶接されていない金属粉末が除去される。これによって、プロセスコンピュータに記憶されたプランに基づいて構成されたワークピースが残る。

次に、上に記載した本発明を、実施形態を参照しながら詳説する。

３次元の金属成形体を製造する装置を切断して示す側面図である。 ３次元の金属成形体を製造する装置の択一的な実施形態を切断して示す側面図である。 ３次元の金属成形体を製造する装置の別の択一的な実施形態を切断して示す側面図である。

図１には、３次元の金属成形体８を製造する装置が示されており、この金属成形体８は、金属粉末のレーザ焼結によって層状に製造される。金属粉末は、層状に供給され、このとき、それぞれの層の、ワークピース８と結合されることが望ましいポイントは、溶接ポイント９において溶融され、かつワークピース８と溶接される。しかしながら、均一な金属粉末供給によって、ワークピース８は、金属粉末内においてどんどん深く沈降し、これに対して単に最上位の縁部だけが引き続き可視であり、かつ接近可能なままである。従って、図示の瞬間において、第１の金属粉末層１１が、キャリッジ１の第１の材料室２から放出される間、ワークピース８は、比較的古い金属粉末層１０内に位置している。このとき、キャリッジ１は、キャリッジ１の右側に示す矢印の方向に移動し、第１の材料室２から金属粉末を放出し、第１の金属粉末層１１の供給直後に、溶接ポイント９が第１の金属粉末層１１において形成される。これは、第１のレーザエレメント５を用いて行われ、この第１のレーザエレメント５は、キャリッジ１において第１の材料室２と第２の材料室３との間に配置されている。

終了点に達した後で、逆向きの移動方向におけるキャリッジの戻り路において、この第１の金属粉末層１１には、第２の材料室３を用いて、第２の金属粉末層が第１の金属粉末層１１の上に供給され、第１のレーザエレメント５を用いて同様に溶接ポイントにおいて溶接される。

図２に示す、上に述べた解決策とは択一的な解決策では、同様に第１の材料室２と第２の材料室３とが設けられているが、上に述べた方法とは異なり、両方の材料室２，３が同時に使用される。第１の材料室２から放出された第１の金属粉末層１１が、レーザエレメント５によって所望の箇所で必要な溶接ポイント９において溶接され、このときキャリッジ１は、第２の材料室３から放出された第２の金属粉末層１２を、事実上その後ろに引っ張っている。第２の金属粉末層１２において形成すべき溶接ポイント９は、従来技術において行われているように、高い位置に配置されたレーザエレメント７によって溶接される。この配置形態では、キャリッジは、場合によっては終了点で待機しなくてはならないが、これによって１回の通過で、ただ１つの金属粉末層の代わりに少なくとも２つの金属粉末層１１，１２が放出され、これによって方法の速度が大幅に向上する。

図３には、上に述べた実施形態の解決策に対して矛盾のない発展形態が示されている。この発展形態では、キャリッジ１に、全部で３つの金属粉末層１１，１２，１３を放出する３つの材料室２，３，４が設けられている。互いに隣接する２つの層の材料供給の間に、レーザエレメント５，６によって溶接が行われ、最後の材料室は、選択的に、図１における実施形態の原理に従って、戻り路のために保留されるか、またはキャリッジ１の後ろに溶接ポイントを形成する、高い位置に配置されたレーザエレメント７のための層を供給することができる。この場合、キャリッジ１の事実上任意の拡大が実現可能であり、通過毎に大きな層厚さおよび極めて多数の層の供給が適用される場合には、個々に高さ調節可能な材料室およびレーザエレメントが設けられてよい。

上には、３次元の金属成形体を製造する装置および方法が記載されており、このとき、１つまたは複数のレーザエレメントと１つまたは複数の材料室とが、キャリッジにおいて一緒に案内され、これによって、可能な限り多くの作業をキャリッジの移動中に同時に実施することができ、かつ、これによって、ワークピースの層状構成時における貴重な時間を節約することができる。

１ キャリッジ
２ 第１の材料室
３ 第２の材料室
４ 第３の材料室
５ 第１のレーザエレメント
６ 第２のレーザエレメント
７ 高められた位置に配置されたレーザエレメント
８ ワークピース
９ 溶接ポイント
１０ 比較的古い金属粉末層
１１ 第１の金属粉末層
１２ 第２の金属粉末層
１３ 第３の金属粉末層

Claims (9)

1. ３次元の金属成形体を製造する装置であって、キャリッジ（１）に対して相対的に高さ調節可能なベースプレートと、キャリッジガイドと、該キャリッジガイド内で走行し前記ベースプレートを横切るキャリッジ（１）であって、前記ベースプレートの上方において金属粉末を放出する少なくとも１つの材料室（２，３，４）を有するキャリッジ（１）と、放出された前記金属粉末を点状に溶融する少なくとも１つのレーザエレメント（５，６，７）と、を備え、前記キャリッジ（１）は、互いに交互の順番で、前記キャリッジ（１）の移動方向において交互に配置されたレーザエレメント（５，６）と材料室（２，３，４）とを有している、装置において、
   前記レーザエレメント（５，６）は、複数のレーザから形成されており、該レーザを用いて、前記キャリッジ（１）の下で該キャリッジ（１）の全幅における複数のポイントが照射可能であり、１つの材料室（２，３，４）、または複数の材料室から成る１つの材料室アセンブリが、前記キャリッジ（１）の全幅にわたって延びており、１つまたは複数の前記材料室（２，３，４）内に収容された前記金属粉末を放出する１つまたは複数の放出開口を、前記キャリッジ（１）の全幅の下に有していることを特徴とする装置。
2. 前記レーザエレメント（５，６）の１つまたは複数のレーザは、それ自体が方向調節可能であるか、または方向調節可能な変向ミラーに向けられている、請求項１記載の装置。
3. １つまたは複数の前記材料室（２，３，４）に、材料放出を均一化する少なくとも１つの振動エレメントが対応配置されている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記少なくとも１つの振動エレメントは、偏心体エレメントまたは圧電式の振動エレメントである、請求項３記載の装置。
5. 前記少なくとも１つのレーザエレメント（５，６）によって照射される、前記キャリッジ（１）の下における溶接ポイント（９）に向けられており、かつ評価装置にデータ接続されている、少なくとも１つの画像発信器が、前記キャリッジ（１）に対応配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記ベースプレートの上に放出された前記金属粉末を点状に溶融する別のレーザエレメント（７）が、高い位置に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. ３次元の金属成形体を製造する方法であって、ベースプレートの上方でキャリッジガイド内を走行可能なキャリッジ（１）が、少なくとも１つの材料室（２，３，４）を備えており、前記ベースプレートを横切る間に、前記少なくとも１つの材料室（２，３，４）から金属粉末を放出し、前記キャリッジ（１）に、前記少なくとも１つの材料室（２，３，４）に隣接するレーザエレメント（５，６）が対応配置されており、該レーザエレメント（５，６）を用いて、前記ベースプレートの上方における前記少なくとも１つの材料室（２，３，４）から放出された前記金属粉末を、前記レーザエレメント（５，６）にデータ接続されたプロセスコンピュータによって予め設定された、前記ベースプレート上における溶接ポイント（９）で溶融し、かつ取り囲む材料層と溶接してワークピース（８）を形成する、方法において、
   前記レーザエレメント（５，６）は、複数のレーザから形成されており、該レーザを用いて、前記キャリッジ（１）の下で該キャリッジ（１）の全幅における複数のポイントを照射し、１つの材料室（２，３，４）、または複数の材料室から成る１つの材料室アセンブリが、前記キャリッジ（１）の全幅にわたって延びており、前記キャリッジ（１）の全幅の下にある１つまたは複数の放出開口を用いて、１つまたは複数の前記材料室（２，３，４）内に収容された前記金属粉末を放出することを特徴とする方法。
8. 互いに平行に配置された前記材料室（２，３，４）が前記ベースプレートを横切る過程において、前記金属粉末を放出して複数の層を形成し、前記金属粉末を、互いに連続する層の間で、互いに隣接する前記材料室（２，３，４）の間に配置されたレーザエレメント（５，６）を用いて溶融し、かつ取り囲む材料層と溶接してワークピース（８）を形成する、請求項７記載の方法。
9. 前記ベースプレートの上方において前記キャリッジ（１）が既に完全に横切った領域における前記金属粉末を、前記ベースプレートの上方の高い位置に配置された追加的なレーザエレメント（７）を用いて溶接する、請求項７または８記載の方法。

Images