JPH08260163A - 選択的焼結によって部品を製造するための装置 - Google Patents

選択的焼結によって部品を製造するための装置

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JPH08260163A
JPH08260163A JP7295716A JP29571695A JPH08260163A JP H08260163 A JPH08260163 A JP H08260163A JP 7295716 A JP7295716 A JP 7295716A JP 29571695 A JP29571695 A JP 29571695A JP H08260163 A JPH08260163 A JP H08260163A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な形状の部品を廃棄物を生産せず、精密
に製作するための装置を提供する。 【構成】 粉末から部品を１層ずつ積層的に製造するた
め、粉末層分与装置１４、エネルギー（レーザ）源１
２、レーザ制御手段１６、および焼結・非焼結粉末の温
度制御装置とを含むよう構成する。粉末は分与装置１４
から温度制御装置が取り付けられる目標区域２６で選ば
れた位置にエネルギービームの照射を受けて選択的に焼
結される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、指向エネルギービーム
を使用する、粉末を選択的に焼結して部品を製造するた
めの装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】通常の部品製造法の経済性は、一般に製
造される部品の数量と、仕上がり部品の所望の材質とに
関連している。例えば、大規模鋳造および押し出し技術
は多くの場合にコスト的に有利であるが、この生産方法
は一般に少量生産、すなわち交換部品またはプロトタイ
プの製造には不適当である。このような通常の部品製造
法の多くは特殊の機械加工を必要とする。粉末冶金法さ
えも粉末成形用ダイス型を必要とするので、小規模生産
には不向きである。
【０００３】少数の部品のみが望まれる場合、一般にそ
の製造のためには不利な機械加工を含む通常の製造法が
使用される。このような不利な製造法においては、素材
ブロックから材料を切り出して、これを複雑な形状に加
工する。機械加工の例は、フライス削り、穴あけ、研
磨、旋盤切断、炎切断、放電加工などである。このよう
な通常の機械加工法は所望の部品を製造するには有効で
あるが、多くの点において問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】第１に、前記のような
加工法は多量の廃棄物を生じる。またこのような加工法
は、適当な加工手順と工具の準備（セットアップ）のた
めに最初に多額の費用を必要とする。準備時間そのもの
がコスト高の原因になるのみならず、人間の判断と技能
を多分に必要とする。もちろん、少数の部品のみを製造
する場合、これらの問題点がさらに重大となる。
【０００５】このような通常の機械加工に伴う他の問題
は工具の摩耗であって、これは、工具の交換コストがか
かるのみならず、工具が摩耗するに従って加工精度が低
下する。機械加工によって製造される部品の精度と公差
に関するもう１つの制限的要因は特定の工作機械に固有
の公差限度である。例えば通常のフライス盤または旋盤
において、親ネジおよびウェイは一定の公差に製造さ
れ、このことが工作機械によって部品を製作する際の公
差を制限する。もちろん工作機械の年齢と共に、得られ
る公差が減少する。
【０００６】そしてこのような工作機械による加工法の
問題は、沢山な各種の部品の形状を製造することが困難
または不可能なことである。すなわち、通常の加工法は
一般に、対称形部品および外部のみが加工される部品の
製造に最も適している。しかし所望の部品が異常な形状
を有しあるいは内部特徴を有する場合、加工が困難にな
り、またしばしば部品の製造のためにセグメントに分割
しなければならない。多くの場合、部品上の工具設置に
関する制限の故に、特定の形状の部品製作が不可能であ
る。すなわち工具の寸法と形状から、所望構造の部品の
製造のための工具アクセスが困難となる。
【０００７】さらに付加的な加工法が存在する。例え
ば、メッキ、クラッディング、およびある種の溶接工程
は、素材基質に対して材料が付加されるが故に付加的加
工である。近年、他の型の付加的加工法が開発された。
これは、レーザビームを使用して、素材製品上に材料を
被覆または堆積させるにある。例えば、米国特許第４，
１１７，３０２号、第４，４７４，８６１号、第４，３
００，４７４号、および第４，３２３，７５６号があ
る。これら最近のレーザ加工法は、主として予め機械加
工された製品に対して被覆を被着するにある。このよう
なレーザ被覆法のみによって得られる冶金学的特性を得
るため、この方法がしばしば使用されている。代表的に
はこのレーザ被覆法において、素材製品を回転させ、被
覆材料を製品上に噴霧しながらレーザをその固定位置に
指向すると、レーザが被覆を製品上に溶着する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
すべく、本発明者は粉末から部品を１層ずつ積層的に製
造する装置を発明した。この装置は、基本的に目標表面
に粉末層を分与しこの粉末第１層にエネルギーを指向し
て必要部分に選択的焼結を生起させて当該部分を融合さ
せ、その上に粉末第２層を分与して同様に選択的焼結を
起させてさらに融合させ、これを反復して１層ずつ積層
的に三次元部品を製造するという思想を実現するための
装置であり、従来の部品製造の概念とは画期的に異なる
製造装置に関する。
【０００９】本発明により、従来の通常の鋳造、押し出
し、粉末冶金、工作機械加工による製造、工具を使用す
る製造、付加加工による製造における問題点を一挙に消
滅することができた。
【００１０】本発明における基本概念は付加法であっ
て、目標区域に粉末が分与され、そこでレーザが選択的
に粉末を焼結して、焼結層を形成する。さらに積層法で
あって、仕上がり部品が形成されるまでに、各層が相互
に接合される。本発明は特定の型の粉末に限定されるこ
となく、プラスチック、金属、重合体、セラミックスの
粉末または複合材料に適用される。
【００１１】本発明の装置は、目標表面に粉末層を分与
する装置と；エネルギー源と；目標表面における粉末の
層の、製造しようとする部品の断面に対応する位置に前
記エネルギー源を指向し、その位置で前記粉末を融合さ
せるための制御装置と；目標表面で焼結したおよび非焼
結の粉末を加熱するための温度制御装置と、を含む、粉
末から部品を１層ずつ積層的に製造する装置に関する。
【００１２】一般的に言って、本発明の装置は、部品を
製造しようとする目標区域にビームを選択的に放出する
レーザまたはその他の指向性エネルギー源を含む。粉末
分与系が目標区域上に粉末を堆積する。目標区域上に分
与された粉末層を焼結するために、レーザ制御機構がレ
ーザビームの標的を移動させ、またレーザを変調する。
制御機構は、部品の所望の層を生じるように、形状を定
めるための境界内（ｗｉｔｈｉｎ ｄｅｆｉｎｅｄ ｂ
ｏｕｎｄａｒｉｅｓ）に堆積された粉末のみを選択的に
焼結する。制御機構によってレーザが断続的に粉末層を
次々に選択的に焼結して、相互に焼結された複数層から
成る全体部品を形成する。各焼結区域の境界が部品のそ
れぞれの断面区域に対応する。好ましくは、制御機構
は、各層について境界を特定するためのコンピュータ、
例えばＣＡＤ／ＣＡＭ系を含む。すなわち、コンピュー
タは部品の全体寸法と形状のデータを与えられると、各
層について境界を特定し、特定された境界に対応してレ
ーザ制御機構を作動する。あるいは、最初から各層の特
定の境界をコンピュータにプログラミング入力すること
ができる。
【００１３】好ましい実施態様において、レーザ制御機
構は、目標区域中においてレーザビームを指向する機構
と、目標区域中において粉末を選択的に焼結するためレ
ーザビームをオンオフ変調する機構とを含む。１つの実
施態様において、指向機構は、レーザビームの標的を目
標区域の連続ラスタ走査モードで動かすように作動す
る。レーザビームの標的がそれぞれの層の特定の境界内
部にある時にのみ粉末が焼結されるように、変調機構が
レーザビームをオンオフ変調する。あるいはレーザビー
ムがそれぞれの層の特定境界内部のみを連続的に焼結で
きるように、指向機構がレーザビームを境界内部のみに
指向する。
【００１４】好ましい実施態様において、指向機構が、
検流計によって駆動される一対の反射鏡を使用して、レ
ーザビームを目標区域の反復ラスタ走査モードで移動さ
せる。第１反射鏡がレーザビームを第２反射鏡に反射
し、この第２反射鏡がレーザビームを目標区域の中に反
射する。検流計による第１反射鏡の運動がレーザビーム
を目標区域中において第１方向に移動させる。同様に、
第２反射鏡の運動がレーザビームを目標区域中において
第２方向に移動させる。好ましくは、第１方向と第２方
向が相互に直交するように、両方の反射鏡が相対的に配
置される。このような構造により、本発明の好ましい実
施態様としてのラスタ走査パタンを含めて、目標区域中
の種々の型の走査パタンが可能である。
【００１５】本発明の製造装置は、目標区域上に粉末を
平坦層として分与する装置を含む。好ましくは、この分
布装置は、ドラムと、ドラムを目標区域に沿って移動さ
せる機構と、ドラムが移動する際にこれを逆回転させる
機構とを含む。ドラム移動機構は、好ましくは所望厚さ
の粉末層を生じるように、ドラムを目標区域上方に所望
間隔に保持する。ドラムは逆回転されながら目標区域に
沿って移動し、運動方向に粉末を放出し、その背後に所
望厚さの粉末層を残す。
【００１６】さらに本発明の製造装置は、粉末温度を調
整するための温度制御装置を有する。温度調整は粉末を
焼結温度より低い温度に加熱することによって行う。こ
のため、この装置に例えば下向き送気機構を配備する。
この送気機構は、目標区域を画成する支持体と、目標区
域に気体例えば空気を送る機構と、目標区域に達する前
に気体温度を制御する機構とを含む。支持体は、好まし
くは粉末を堆積させる多孔媒体と、この媒体に隣接する
プレナムとを含む。このように配備することにより、温
度制御された気体が目標区域中の粉末に向けられ、目標
区域中の焼結した粉末と焼結しなかった粉末の温度制御
を進行させる。
【００１７】前記の説明から明らかなように、本発明の
装置を使用することにより、公知の部品製造における多
くの問題が解決された。例えばプロトタイプ部品の製造
および限られた量の交換部品の製造が容易になり、さら
に通常法によっては得られない複雑な形状の部品の製造
が可能となった。さらに本発明は、部品製造公差に対す
る制限要因としての工具摩耗および機械設計誤差を除去
した。そして本発明の装置をＣＡＤ／ＣＡＭ環境の中に
入れた場合、多数の交換部品をコンピュータの中にプロ
グラミングし、最小限のセットアップで、または人間介
入をもって容易に製造することができるようになった。
【００１８】図面について述べれば、図１は本発明によ
る装置全体図を示す。全体として、装置１０はレーザ１
２と、粉末分与器１４と、レーザ制御手段１６とを含
む。さらに詳しくは、粉末分与器１４は、粉末２２を受
けるホッパ２０を有し、このホッパは排出口２４を有す
る。この排出口２４は粉末を目標区域２６の中に分与す
るように配向され、この区域２６は図１においては全体
的に包囲構造２８によって画成される。もちろん、粉末
２２を分与するために他の多くの実施態様が可能であ
る。
【００１９】レーザ１２の構成要素を図１において多少
略示的に示し、これはレーザヘッド３０、安全シャッタ
３２およびフロントミラー組立体３４とを含む。使用さ
れるレーザの型は多くのファクタに依存し、特に焼結さ
れる粉末２２の型に依存している。図１の実施態様にお
いては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（レーザメトリックス９５
００Ｑ）を使用した。これは、連続モードの１００ワッ
ト最高出力を有し、連続モードまたはパルスモードで作
動することができる。レーザ１２のレーザビーム出力
は、赤外線に近いほぼ１０６０nMの波長を有する。図１
に図示のレーザ１２は、ほぼ１キロヘルツ乃至４０キロ
ヘルツの選択範囲とほぼ６ナノ秒の持続時間とを有する
内部パルスレート発生器を含む。パルスモードまたは連
続モードのいずれにせよ、レーザ１２は図１の矢印によ
って示された通路に沿って走行するレーザビームを選択
的に発生するように、オンオフ変調されることができ
る。
【００２０】レーザビームを焦点合わせするため、集束
レンズ３６と３８が図１に図示のようにレーザビームの
走路に沿って配置されている。集束レンズ３８を使用す
るだけでは、この集束レンズ３８とレーザ１２との間隔
を変動することによって真焦点の位置を容易に調節する
ことができない。レーザ１２と集束レンズ３８との間に
配置された集束レンズ３６は、この集束レンズ３６とレ
ーザ１２との間に虚焦点を作る。集束レンズ３８と虚焦
点との間隔を変動させることにより、集束レンズ３８の
レーザ１２と反対側のレーザビーム走路に沿って真焦点
を制御することができる。近年、光学分野で多くの進歩
が成され、レーザビームを一定の位置に効率的に焦点合
わせするためのその他の多くの方法が存在する。
【００２１】さらに詳しくは、レーザ制御手段１６はコ
ンピュータ４０と走査系４２とを含む。好ましい実施態
様において、コンピュータ４０はレーザ制御用マイクロ
プロセッサと、データ発生用ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを
含む。図１に図示の実施態様において、パソコンが使用
され（Ｃｏｍｍｏｄｏｒｅ６４）、その主アトリビュー
トはアクセシブルインターフェースポートと、ノンマス
カブル割り込みを発生するフラグラインとを含む。
【００２２】図１に図示のように、走査系４２は、レー
ザビームの走路を方向変換するプリズム４４を含む。も
ちろん装置１０の具体的レイアウトが、レーザビーム走
路の操作のために単数のプリズムを必要とするか複数の
プリズム４４を必要とするかを決定する際の基本的ファ
クタである。また走査系４２はそれぞれの検流計４８，
４９によって駆動される一対の反射鏡４６，４７を含
む。検流計４８，４９は、それぞれの反射鏡４６，４７
を選択的に配向するようにそれぞれの反射鏡に連結され
る。検流計４８，４９は相互に直角に取り付けられ、従
って反射鏡４６，４７が相互に直角に取り付けられる。
関数発生ドライバー５０が検流計４８の運動を制御し
（検流計４９は検流計４８の運動に従属させられる）、
従ってレーザビームの標的（図１において矢印で示す）
が目標区域２６の中において制御される。図１に図示の
ように、ドライバー５０はコンピュータ４０に対して作
動的に連結されている。走査系４２として使用するた
め、他の走査法、例えば音響−光学スキャンナー、回転
多角形反射鏡、および共鳴反射鏡スキャンナーを使用す
ることができる。
【００２３】図２においては製造された部品５２の一部
と目標区域に対するレーザビームのラスタパタンが略示
されている。部品は４層５４−５７から成る。レーザビ
ーム６４の標的はラスタ走査パタン６６に向けられてい
る。この明細書において、「標的」は方向を示す中立的
用語であって、レーザ１２の変調状態を意味するもので
はない。便宜上、軸線６８は急速走査軸線とし、軸線７
０は低速走査軸線とする。軸線７２は部品の形成方向で
ある。
【００２４】図９と図１０において、粉末分与器２０の
他の実施態様を示す。図９は垂直断面図、図１０は斜視
図である。全体として、支持体１００が目標区域１０２
を画成し、この区域に対してレーザビーム６４の標的が
指向される（図１）。ホッパー１０４が粉末１０６を開
口１０８から目標区域１０２に分与する。計量ローラ
（図示されず）が開口１０８に配置され、このローラが
回転された時に、一定量の粉末を目標区域１０２の末端
１１０に線状に配置する。
【００２５】ならし機構１１４が粉末の山１０６を目標
区域の他端１１２に向かって広げる。ならし機構１１４
は、外側に刻み付き面（ｋｎｕｒｌｅｄ ｓｕｒｆａｃ
ｅ）を備えた円筒形ドラム１１６を含む。バー１２０上
に取り付けられたモータ１１８が滑車１２２とベルト１
２４を介してドラム１１６に連結されてこれを回転させ
る。
【００２６】またならし機構１１４はドラム１１６を目
標区域の一端１１０と他端１１２との間を移動させる機
構１２６を備える。機構１２６は、バー１２０を水平方
向および垂直方向に移動させるＸ／Ｙテーブル１２８を
含む。すなわち、このテーブル１２８が固定され、プレ
ート１３０がテーブル１２８に対して選択的に可動であ
る。
【００２７】製造中の製品の温度を制御するための粉末
温度制御装置の他の実施態様を図１１に示す。レーザビ
ームによってまだ走査されていない粒子の温度と、すで
に走査された粒子の温度との間に差異があり、このため
製造中の製品に望ましくない収縮が生じることがあるの
で、この場合焼結された粒子と焼結されない粒子の温度
を温度調整することが必要となる。このため雰囲気気体
例えば空気を温度調整して下降流として目標区域に通す
ことにより温度制御を行って、上記のような好ましくな
い温度差を解消し、製品の望ましくない収縮を避けるこ
とができる。雰囲気気体の温度調整は、粉末の軟化点以
上であるが、十分な焼結の起る温度以下に加熱して行
う。図１１の実施態様は下方送気装置１３２を備えてお
り、上記のように加熱して温度調整した空気を下方送気
して、焼結しようとする粉末の上層と温度調整した空気
との間に熱移動を行わせ温度制御を行って、前記したよ
うな収縮を低減させ得る。この熱交換が焼結される粒子
の上層の温度を調整し、上層の平均温度を制御し、製造
する製品から体積熱を除去することによって、製品が非
焼結物質中に生長することを防止するのである。
【００２８】下方送気装置１３２は、目標区域１３６を
画成する支持体１３４と、空気を目標区域に向かって送
る手段と、電気抵抗１４２など流入空気の温度を制御す
る機構などを含む。空気を目標区域に送る手段は、支持
体１３４を包囲するチャンバ１３８と、送気ファン１４
０および／または吸引ファン１４１とを含む。窓１４４
がビーム６４（図１）の標的を目標区域１３６に対して
導入する。図１または図１０に図示のような粉末分与機
構（図示されず）が少なくとも部分的にチャンバ１３８
の中に配置されて、粉末を目標区域１３６の上に分与す
る。
【００２９】支持体１３４はハニカム状多孔質媒体１４
８の上にフィルタ媒体１４６（細孔紙）を支持する。空
気を集めて出口１５２に送るためにプレナム１５０が配
置される。もちろん出口１５２は真空源１４１またはそ
の他の空気処理機構に接続される。
【００３０】本発明の基本的着想は層ごとに部品を形成
するにある。すなわち部品は複数の別々の断面区域から
なるものとみなされ、これらの区域が積層されて部品の
三次元構造を成す。それぞれの断面区域は二次元境界に
よって画成され、もちろん各区域がそれぞれ独特の境界
を有することができる。また好ましくは各層の厚さ（軸
線７２方向の寸法）は一定とする。
【００３１】本発明装置においては粉末２２の第１部分
が目標区域２６の中に配置され、レーザビーム６４によ
って選択的に焼結されて、第１焼結層５４を作る（図
２）。この第１焼結区域５４は所望の部品の第１断面区
域に相当する。レーザビームは分与された粉末２２を画
成された境界内部においてのみ選択的に焼結する。
【００３２】もちろん、粉末２２を選択的に焼結する他
の手段がある。１つの手段はレーザビームの標的を「ベ
クトル」方式で指向するにある。すなわちビームが実際
に所望の部分の各断面区域の輪郭と内部を実際にたどる
にある。あるいはビーム６４の標的を反復パタンで操作
し、またレーザ１２を変調させる。図２においてはラス
タ操作パタン６６を使用するが、これはその実施の簡単
さの故にベクトル方式に勝っている。他の手段は、ベク
トル方式とラスタ操作方式とを組合せ、１つの層の所望
の境界をベクトル方式でたどり、境界の内部をラスタ操
作モードで照射するにある。もちろん選ばれる手段につ
いて選択の余地がある。例えばラスタモードは、ベクト
ルモードと比較して、ラスタパタン６６の軸線６８，７
０に対して平行でない円弧および線を近似するにすぎな
い点で不利である。場合によっては、ラスタパタンモー
ドで製造される時に部品の解像度が低下する。しかしラ
スタモードは実施の簡単さの故にベクトルモードに勝っ
ている。
【００３３】図１に戻って、目標区域２６において連続
ラスタパタンでレーザビーム６４の標的が走査される。
ドライバ５０はラスタパタン６６（図２）を生じるよう
に検流計４８，４９を制御する。反射鏡４６の運動は急
速走査軸線６８（図２）に沿ったレーザビーム６４の標
的の運動を制御するのに対して、反射鏡４７の運動は低
速走査軸線７０に沿ったレーザビーム６４の標的の運動
を制御する。
【００３４】ビーム６４の標的の現在位置はドライバ５
０を通して、コンピュータ４０にフィードバックされる
（図３）。下記に詳細に説明するように、コンピュータ
４０は次に作られる部品の断面区域に関する情報を保持
している。従って、バラバラの粉末２２の一部が目標区
域２６の中に分与され、レーザビーム６４の標的がその
連続ラスタパタンで動かされる。ラスタパタン６６の中
において所望の間隔でレーザビームを選択的に発生する
ように、コンピュータ４０がレーザ１２を変調する。こ
のようにして、レーザ１２の指向ビームが目標区域２６
の中において粉末２２を選択的に焼結して、所望の断面
区域の境界を有する所望の焼結層が得られる。このプロ
セスを層ごとに繰り返し、各層を相互に焼結して、凝集
部品、例えば図２の部品５２を製造する。
【００３５】図１に図示のレーザヘッド３０の比較的低
い出力の故に、粉末２２はこの低い出力と両立する低い
融解熱のプラスチック材料（例えばＡＢＳ）から成る。
この例において、被照射位置での粉末２２の焼結は液相
焼結であり、粉末２２の局部的溶融が起る。本発明の装
置１０によって製造された部品について、数種の後形成
処理が考えられる。例えば、このようにして製造された
部品をプロトタイプのモデル、すなわち砂形鋳造あるい
はろう型鋳造の金型として使用する場合には、後形成処
理は必要ない。また他の場合には、製造された部品の一
部を緊密な公差に設計するために、ある程度の後形成加
工が実施される。あるいは、ある種の型の部品は特定の
材料特性を有する必要があり、これは部品の熱処理およ
び／または化学処理によって実施される。例えば、粉末
２２の粒径は、開放気孔を有する部品を製造するように
設定することができ、またエポキシなどの物質を部品中
に噴射すれば、所望の噴射特性、例えば、圧縮強さ、耐
摩性、均質性などが得られる。
【００３６】粉末２２の性能を改良する２，３の特性が
確認された。第１に、カーボンブラックなどの顔料の添
加によって、粉末の吸収エネルギーを制御することがで
きる。添剤の濃度と組成の調節によって、粉末の吸収率
Ｋを制御することができる。一般にエネルギー吸収率は
下記の指数崩壊関係式によって支配される。
【００３７】Ｉ（ｚ）＝Ｉｏｅｘｐ（ＫＺ） ここにＩ（ｚ）は表面に対する垂直距離ｚにおける粉末
中の最適吸収エネルギー強さ（単位面積当たり粉末）、
ＩｏはＩの表面値（表面におけるエネルギー強さ）、ま
たＫは吸収率とする。吸収率Ｋの調節と一定量のビーム
エネルギー量を吸収する層の厚さの調節によって、この
工程中に吸収されるエネルギーを全体的に制御すること
ができる。
【００３８】粉末の他の重要な特性は、粒子のアスペク
ト比（すなわち粒子の最大寸法と最小寸法の比）であ
る。すなわち、ある範囲のアスペクト比を有する粒子
は、部品の収縮中に湾曲する傾向がある。低いアスペク
ト比を有する粒子、すなわち殆ど球形の粒子の場合、部
品の収縮はより三次元的となり、より大きな湾曲を生じ
る。高いアスペクト比を有する粒子（例えばフレーク状
またはロッド状）の粒子を使用する場合、収縮は主とし
て垂直方向に生じ、部品の湾曲度を減少させまたは除去
する。高いアスペクト比の粒子はより大きな結合自由度
を有するものと考えられ、粒子間接触は優先的に水平面
に配向されて、収縮は主として垂直方向に生じる。
【００３９】図９と図１０について説明すれば、分与機
構１１４は、製造中の部品を乱すことなく目標区域１０
２の中において制御された平坦な粉末層を生じることを
見出した。秤量された粉末量１０６が目標区域１０２の
末端１１０に堆積される。粉末が分与された時にドラム
１１６を末端１１０から移動させる。図１０に図示のよ
うに、粉末を山状に分与した後、プレート１３０とバー
１２０（および付属の機構）を垂直に上昇させる。プレ
ート１３０がホッパ１０４の方に移動して、ドラム１１
６を末端１１０に沿った粉末の山に隣接する位置にもっ
てくる。そこでドラム１１６を下降させて粉末の山と接
触させ、目標区域１０２に沿って水平方向に移動させ
て、粉末の山を平坦な層状に広げる。もちろん、テーブ
ル１２８に対するプレート１３０の正確な位置を制御す
ることができるので、ドラム１１６と目標区域１０２の
間隔が正確に制御されて、粉末層に所望の厚さを与える
ことができる。好ましくは、ドラム１１６と目標区域１
０２との間隔は一定であって、平行運動を生じるが、こ
れ以外の間隔オプションも可能である。
【００４０】ドラム１１６が目標区域１０２に沿って水
平に末端１１０から他端１１２まで移動される際に、モ
ータ１１８が生かされて、ドラム１１６を逆回転させ
る。図９に図示のように「逆回転」とは、ドラム１１６
が目標区域１０２に沿って水平に移動する方向Ｍに対し
て逆方向Ｒに回転されることを意味する。
【００４１】さらに詳しくは、図９においてドラム１１
６は粉末の山１０６の後端と接触して高速で逆回転され
る。粉末に対するドラムの機械的作用が粉末を運動方向
Ｍに放出するので、放出された粒子が粉末の山の先端区
域１６２に落下する。図９に図示のように、ドラム１１
６の背後に（ドラム１１６と末端１１０との間に）平滑
な平坦粉末層１６４が残される。
【００４２】また図９は、粉末１０６が先に焼結された
粉末１６６あるいは焼結されていない粉末１６８を撹乱
することなく、目標区域上に分布されうることを示す。
すなわち、ドラム１１６は、先に形成された層に対して
剪断作用を加えることなくまた製造中の製品を撹乱する
ことなく、目標区域に沿って移動される。このような剪
断作用が加えられないので、焼結された粒子１６６と非
焼結粒子１６８とを含む目標区域の脆い基層上に平滑な
粉末層１０６を分布させることができる。
【００４３】インターフェースとソフトウェア インターフェースハードウェアが作動的にコンピュータ
４０をレーザ１２と検流計４７，４８とに接続してい
る。コンピュータ４０の出力ポート（図１および図３参
照）が直接にレーザ１２に接続されて、このレーザ１２
を選択的に変調する。パルスモードで作動される時、レ
ーザ１２はそのパルスゲート入力に対するデジタル入力
によって容易に制御される。検流計４８は関数発生ドラ
イバ５０によって駆動されて、コンピュータ４０からの
制御信号のいかんに係わらず、急速走査軸線５８に沿っ
てビームを駆動する。しかし図３に図示のように、検流
計４８からの位置フィードバック信号が電圧比較器７４
に供給される。比較器７４の他方の入力はデジタル−ア
ナログ変換器７６に接続され、この変換器７６はコンピ
ュータ４０のユーザポートの少なくとも有効６ビット
（ビット０−５）を表示する。図３に図示のように、電
圧比較器７４の出力はコンピュータ４０のユーザポート
のフラッグラインに接続されている。検流計４８からの
フィードバック信号がＤ／Ａ変換器７６からの信号とク
ロスすることを比較器７４が確認した時、フラッグライ
ンがロウになって、ノンマスカブル割り込みを生じる。
下記に述べるように、ノンマスカブル割り込みは次のデ
ータバイトをコンピュータ４０のユーザポート上に出
す。
【００４４】最後に図３に図示のように、低速走査軸線
７０に沿ってレーザビーム６４の標的を駆動する検流計
４９は、第２Ｄ／Ａ変換器７８によって制御される。Ｄ
／Ａ変換器７８はカウンタ７９によって駆動され、この
カウンタは急速走査軸線６８に沿ってビーム６４の標的
の掃引ごとに増分する。８バイトカウンタは、急速走査
軸線６８に沿った２５６走査後にオーバフローしてラス
タ走査パタン６６の新しいサイクルを開始するように設
計されている。
【００４５】好ましくは、各ラスタ走査パタン６６に対
する制御情報（すなわち断面区域の境界）データは、製
造される部品の全体寸法と形状を与えられたＣＡＤシス
テムによって決定される。各ラスタ走査パタン６６に対
する制御情報データは、プログラミングされるにせよ誘
導されるにせよ、コンピュータメモリの中に一連の８ビ
ットワードとして記憶される。データ書式は、レーザ１
２の「オン」区域と「オフ」区域のパタンと、ビーム６
４の標的によってラスタ走査パタン６６に沿って走行さ
れる距離との対比を示す。このデータは「トグルポイン
ト」書式で記憶され、この書式においてデータは、各ラ
スタ走査パタン６６に沿ってレーザが変調される（すな
わちオンからオフまたはオフからオンに転換される）距
離を表示する。「ビットマップ」書式を使用することも
できるが、高解像度部品の製造のためには、トグルポイ
ント書式の方が有効であることが発見された。
【００４６】各８ビットワードについて、少なくとも有
効６ビット（ビット０〜５）は、次のトグルポイント、
すなわちレーザ１２の次の変調箇所を表示する。次のビ
ット（ビット６）は、少なくとも有効６ビットによって
同定されたトグルポイントの直前においてレーザがオン
であるかオフであるかを表示する。最上位ビット（ＭＳ
Ｂまたはビット７）はルーピングとレーザビーム標的の
低速走査軸線７０の制御とのために使用される。Ｃｏｍ
ｍｏｄｏｒｅ６４は限られたメモリを有するので、ルー
ピングが必要であった。これより大きいメモリを有する
コンピュータ４０はルーピングを必要としないことは理
解されよう。
【００４７】図６はデータ計測プログラムの流れ図であ
る。フラグラインがロウになってノンマスカブル割り込
みを生じた時に（図３）、常にデータメタリングプログ
ラムが実行される。ノンマスカブル割り込みによって、
コンピュータ４０のマイクロプロセッサは、割り込みに
際してプログラム制御が転送されるメモリ中の位置を示
す２バイト割り込みベクトルを検索する。図６に図示の
ように、データメタリングプログラムが先ずレジスタを
スタック上に押し、次に後続のデータバイトをアキュム
レータの中にロードする。データワードはまたユーザポ
ートに対する出力であって、レーザ１２の変調のために
６ビットが使用される（図３）。
【００４８】図６に図示のようにアキュムレータ中のデ
ータワードの最上位ビット（ＭＳＢまたはビット７）を
調べる。もしこの最上位ビットの値が１であれば、これ
はループの末端に到達していないことを意味する。従っ
てデータポインタが増分され、レジスタがスタックから
復元され、データメタリングプログラムがエグジットさ
れて、制御をマイクロプロセッサの割り込み位置に戻
す。アキュムレータ中の最上位ビットがゼロであれば、
データワードはループ中の最後のワードである。データ
ワードがループ中の最後のワードであれば、メモリ中の
次のビットはループカウンタであって、次の２バイトが
ループの頂点を示すベクトルである。図６に見られるよ
うに、最上位ビットがゼロ（ループ末端）に等しけれ
ば、ループカウンタ（次のビット）が減分されて分析さ
れる。ループカウンタがなおゼロより大であれば、デー
タポインタがループカウンタの次の２メモリバイトから
値を取って、レジスタがスタックから復元され、プログ
ラム制御が割り込み位置に戻る。他方、ループカウンタ
がゼロであればデータポインタが３だけ増分され、ルー
プカウンタはプログラムをエグジットする前に１０にリ
セットされる。コンピュータ４０のメモリサイズが十分
であれば、このようなルーピングの必要性が解除される
ことは理解されよう。
【００４９】
【実施例】図４と図５において、部品５２が図示されて
いる。この図から明らかなように部品５２は対称的でな
い異常な形状を有するので、通常の機械加工法を使用し
て製造することは困難である。さらに詳しくは、この部
品５２は内側空孔部８２と、同空孔部８２の中に配置し
た柱８４とを有する外側基本構造８０を含む（図４参
照）。図５は、図１に図示の目標区域２６を画成する区
画構造２８の内部に配置された部品５２を示す。この図
５に見られるように、粉末２２の一部は緩いが、粉末の
他の部分は焼結されて部品５２の構造を成している。図
５は垂直断面図であって、部品５２の焼結された一体化
結合部分を斜線で示す。
【００５０】図７は図４の７−７線に沿ってとられた水
平断面区域を示す。この図７は、製造される部品の断面
区域の別個の層８６を示している。この焼結された区域
８６は図２のシングルラスタパタン６６の生産物であ
る。
【００５１】参考のために、焼結層８６を通る掃引線を
「Ｌ」で示した。図８は掃引Ｌ中のソフトウェアおよび
ハードウェアのインターフェース動作を示す。一番上の
グラフは、急速軸線検流計４８からのフィードバック信
号の位置と、第１デジタル／アナログ変換器７６の出力
信号の位置を示す（図３参照）。これらのフィードバッ
ク信号と第１Ｄ／Ａ出力信号がクロスするたびに、電圧
比較器７４がコンピュータ４０のフラッグラインに対し
て出力信号を発生する。
【００５２】図８の一番上のグラフにおいて、これらの
点はトグルポイントを表示するＴで示されている。図８
の最下グラフに見られるように、フラグラインは各トグ
ルポイントＴに対応するノンマスカブル割り込み信号を
発生する。各データワードの第６ビットが分析され、レ
ーザ１２の現状がこの値を反映する。図８の下から２番
目のグラフは図７の掃引線Ｌに対するレーザ変調信号を
示す。図８の第２グラフは最上位ビットの立ち上がり線
が急速走査軸線６８に沿ったレーザビーム６４の標的の
各掃引の末端と一致することを示す。図３と図６に図示
のようにカウンタ７９は立ち上がり縁に対して増分し第
２Ｄ／Ａ変換器７８に信号を出力して、低速軸線検流計
４９を駆動する。
【００５３】
【産業上の利用可能性】図示の実施例から明らかなよう
に、本発明の装置は複雑な形状の部品を比較的容易に製
造することができる。当業者には明らかなように、図４
に示す部品は通常の機械加工法によって製造することが
困難である。特にこの部品が比較的小寸法の場合、キャ
ビティ８２と柱８４を工作機械によって製造することは
不可能ではないまでも困難である。
【００５４】通常の工具を使用する場合の問題点を除く
ほか、本発明による製造精度は、工具の摩耗度および機
械成分の精度に依存しないことが理解されよう。すなわ
ち、本発明の装置によって製造される部品の精度と公差
は主としてエレクトロニクス、光学および使用されるソ
フトウェアの品質に依存している。もちろん伝熱作用と
素材の問題が達成される公差に影響する。
【００５５】当業者には明らかなように、通常の機械加
工技術は人間の相当の介入と判断とを必要とする。例え
ばフライス削りなどの加工の場合、工具の選択、部品の
割り付け、切削の手順など人間の思考を必要とする。テ
ープ制御フライス削り機の制御テープの製造の場合、こ
のような判断はさらに重要となる。これに対して、本発
明では、製造される部品の各断面区域に関するデータの
みが必要である。このようなデータは簡単にコンピュー
タ４０の中にプログラミングすることができるが、好ま
しくはコンピュータ４０がＣＡＤ／ＣＡＭシステムを含
む。すなわちＣＡＤ／ＣＡＭ部分が製造される製品の全
体的寸法と形状を与えられ、コンピュータがこの部品の
各断面区域の境界を決定する。このようにして部品情報
の広大なインベントリーが記憶され、選択的にコンピュ
ータ４０に対して送られる。本発明の装置１０は、セッ
トアップ時間、部品の特殊加工または人間の介入なし
で、特定の部品を製造することができる。粉末冶金法お
よび通常の鋳造法に伴う複雑で高価なダイス型の使用が
避けられる。
【００５６】従来の製造技術を使用しても大量生産ライ
ンおよび一部の部品の材料特性を効果的に利用すること
ができるが、本発明の装置１０は多くの関係において有
効である。特にプロトタイプと鋳造模型を容易にまた安
価に製造することができる。例えば砂型、ロウ型または
その他の鋳造技術において鋳造模型を容易に使用するこ
とが可能となる。さらに製造数量が非常に少ない場合、
例えば老朽取り替え部品などの場合、本発明装置１０に
よるこれらの部品の製造は非常に有利である。そして船
舶上または宇宙空間など、製造設備の寸法が限られてい
る場合にも、装置１０を使用することは有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】分解斜視図。
【図２】本発明装置を使用して製造される部品の一部お
よび目標区域に対するレーザビームのラスタパタンを示
す斜視図。
【図３】コンピュータ、レーザおよび検流計の間に配置
されるインターフェースハードウェアを示すブロック線
図。
【図４】本発明装置によって製造される部品の一例を示
す斜視図。
【図５】図４の部品の部分断面図。
【図６】本発明におけるデータ計測プログラムの流れ
図。
【図７】図４の７−７線に沿ってとられた断面図。
【図８】図７の層に沿ったレーザの１回の掃引と制御信
号との関係を示すダイヤフラム。
【図９】製造される部品の層上に配置された粉末を分布
させる装置の垂直断面図。
【図１０】図９の装置の斜視図。
【図１１】粉末温度調整手段の断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｃ 67/04 8413−4Ｆ Ｂ２９Ｃ 67/04 (72)発明者 デッカード，カール アール. アメリカ合衆国テキサス州、オースチン、 レイク、オースチン、ブールバード、ユ ー、ティー、エム、エッチ、ピー、ナンバ ー、94

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 目標表面に粉末層を分与する装置と；エ
    ネルギー源と；目標表面における粉末の層の、製造しよ
    うとする部品の断面に対応する位置に前記エネルギー源
    を指向し、その位置で前記粉末を融合させるための制御
    装置と；目標表面で焼結したおよび非焼結の粉末を加熱
    するための温度制御装置と、を含む、粉末から部品を１
    層ずつ積層的に製造する装置。
  2. 【請求項２】 前記加熱手段が、気体を加熱するための
    ヒーターと；加熱した気体を目標表面に向ける手段とを
    含む請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記加熱手段が、導入した加熱気体を目
    標表面の近傍から排出するための排出手段をさらに含む
    請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記排出手段が目標表面の下方に配置さ
    れ、それにより加熱気体は、目標表面で粉末を通過して
    流れる請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記エネルギー源がレーザから成る請求
    項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記制御装置が、コンピュータと、レー
    ザからのビームの標的を指向するよう前記コンピュータ
    によって制御される鏡とを含む請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記制御装置が、前記コンピュータと密
    接に結びついていて、レーザの標的が目標表面に沿って
    移動するに従ってレーザをオンオフ切り替えするインタ
    ーフェースハードウェアをさらに含む請求項６に記載の
    装置。
  8. 【請求項８】 コンピュータが部品の各断面を定める境
    界をプログラムされている請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 コンピュータが部品の形状に基づいて部
    品の各層の定められた境界を確定するよう操作可能なも
    のである請求項７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記分与手段は、目標表面近くに粉末
    を分与する手段と；該粉末を目標表面上に分布するため
    目標表面に沿って移動できる逆回転ドラムとを含む請求
    項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記分与手段はプラスチック、セラミ
    ック、金属、ポリマーまたは複合材料粉末を分布するよ
    う操作可能である請求項１に記載の装置。
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