特許 6483809 多波長レーザによる選択領域における高速成形システム及びその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6483809

(24)【登録日】2019年2月22日

(45)【発行日】2019年3月13日

(54)【発明の名称】多波長レーザによる選択領域における高速成形システム及びその方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/34 20140101AFI20190304BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20190304BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20190304BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20190304BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20190304BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20190304BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20190304BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20190304BHJP

   B29C 64/364 20170101ALI20190304BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/34

   B23K26/21 Z

   B23K26/00 P

   B22F3/105

   B22F3/16

   B29C64/268

   B33Y30/00

   B29C64/393

   B29C64/364

【請求項の数】9

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-510577(P2017-510577)

(86)(22)【出願日】2015年8月17日

(65)【公表番号】特表2017-532204(P2017-532204A)

(43)【公表日】2017年11月2日

(86)【国際出願番号】CN2015087237

(87)【国際公開番号】WO2016026415

(87)【国際公開日】20160225

【審査請求日】2017年4月11日

(31)【優先権主張番号】201410406399.3

(32)【優先日】2014年8月18日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】517053342

【氏名又は名称】中国科学院重慶緑色智能技術研究院

【氏名又は名称原語表記】ＣＨＯＮＧＱＩＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＧＲＥＥＮ ＡＮＤ ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＣＨＩＮＥＳＥ ＡＣＡＤＥＭＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥＳ

(74)【代理人】

【識別番号】110002262

【氏名又は名称】ＴＲＹ国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】段 宣明

(72)【発明者】

【氏名】劉 潔

(72)【発明者】

【氏名】曹 洪忠

(72)【発明者】

【氏名】范 樹遷

(72)【発明者】

【氏名】鄭 美玲

(72)【発明者】

【氏名】劉 基権

【審査官】 奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２７４１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３２１９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１６３７１７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

Ｂ２２Ｆ ３／００− ３／２６

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

Ｂ３３Ｙ １／００−９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光源、ダイクロイックミラー、光を折り曲げるための反射ミラー、レーザ伝播制御手段、レーザ集光走査手段、成形キャビティ、粉末搬送手段、粉末敷設手段、気体循環制御手段、リアルタイム監視手段、昇降手段、粉末回収手段及びコンピュータを含む多波長レーザによる選択領域における高速成形システムであって、
前記レーザ光源は、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームを供給するためのレーザ装置を含み、２つの波長のレーザビームを分離させるためのダイクロイックミラーが、前記第１波長のレーザビームと前記第２波長のレーザビームとを分離させ、
前記第１波長のレーザビームの波長範囲は２００ｎｍ〜１．１μｍであり、前記第２波長のレーザビームの波長範囲は７００ｎｍ〜１０．６μｍであり、前記第１波長のレーザビーム及び前記第２波長のレーザビームは、それぞれ連続レーザ、パルスレーザまたは準連続レーザであり、
前記レーザ伝播制御手段は、前記反射ミラーを介して前記第１波長のレーザビームを伝播させ前記第１波長のレーザビームのオンオフ、レーザの拡大、成形面に入射されるレーザパワーを制御する第１レーザ伝播制御手段と、前記反射ミラーを介することなく前記第２波長のレーザビームを伝播させ前記第２波長のレーザビームのオンオフ、レーザの拡大、成形面に入射されるレーザパワーを制御する第２レーザ伝播制御手段とを含み、
前記レーザ集光走査手段は、前記第１波長のレーザビーム及び前記第２波長のレーザビームをそれぞれ集光させるためのレーザフォーカスレンズと、同一の方向に伝播する同軸重畳レーザビームを形成するように前記第１波長のレーザビーム及び前記第２波長のレーザビームを重畳させるダイクロイックミラーと、成形平面においてレーザを走査させるための二次元ガルバノミラーとを含み、
前記リアルタイム監視手段は、成形溶融池の様子を監視するための画像形成ユニットと、溶融池の温度及び温度の分布を監視するための温度監視ユニットとを含むことを特徴とする多波長レーザによる選択領域における高速成形システム。

【請求項2】

前記レーザ伝播制御手段は、前記第１波長のレーザビーム及び前記第２波長のレーザビームをそれぞれ拡大するためのレーザ拡大ミラーと、レーザのオンオフを制御するためのレーザシャッターと、前記第１波長のレーザビーム及び前記第２波長のレーザビームのパワーをそれぞれ制御するためのレーザ減衰器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形システム。

【請求項3】

前記成形キャビティは、ワークを取り出すための成形キャビティドアと、観察に用いられる観察窓と、リアルタイムの監視に用いられる透光窓と、レーザを入力するためのレーザ入射窓と、気体循環及び雰囲気の制御を実現するための気体流通口とを含むことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形システム。

【請求項4】

前記成形キャビティ内には、成形基板が設置され、
前記成形基板は、昇降手段に接続されるとともに前記昇降手段によって昇降し、
前記成形キャビティの底部には、粉末を回収するための通路がさらに設置され、
通路口には、粉末回収手段が連結されることを特徴とする請求項３に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形システム。

【請求項5】

前記画像形成ユニットは、画像を撮像するためのＣＣＤと、画像を表示するためのモニターとを含むことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形システム。

【請求項6】

前記温度監視ユニットは、赤外線画像を撮像するためのサーモグラフィと、サーモグラフィのデータを収集してコンピュータに入力するデータ収集カードとを含むことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形システム。

【請求項7】

請求項１−６のいずれか一項に記載の高速成形システムを用いた多波長レーザによる選択領域における高速成形方法であって、
コンピュータの製図ソフトウェアで幾何学的モデルを構築し、データをスライスして分層し、走査経路を計画するステップ１）と、
成形キャビティを真空吸引し、必要に応じてシールドガスを注入するステップ２）と、
粉末搬送装置で粉末の前処理及び搬送を行い、成形基板上に成形しようとする粉末を粉末敷設装置で敷設するステップ３）と、
敷設された成形しようとする粉末を、集光した第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームで同時に走査して溶融させることで、単層構造を形成するステップ４）と、
成形基板を一層降下させ、粉末の敷設及び選択的なレーザ走査工程を繰り返し、設計された幾何学的モデルの溶融成形を完成するステップ５）と、
未溶融の金属粉末をクリーニングし、成形された構造を取り出すステップ６）と、を含むことを特徴とする多波長レーザによる選択領域における高速成形方法。

【請求項8】

前記粉末のサイズは、１０ｎｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項７に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形方法。

【請求項9】

前記成形しようとする粉末は、金属粉末、プラスチック粉末、セラミックス粉末、コーテッドサンド粉末及びポリマー粉末を含むことを特徴とする請求項７に記載の多波長レーザによる選択領域における高速成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３次元レーザ印刷技術に関し、特に、多波長レーザによる選択領域における高速成形システム及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

３次元印刷技術では、コンピュータによって数値化モデルを設計してインテリジェント制御することで、材料を積層成型させ、最終的に複雑な３次元構造の実体部品を作製することができる。３次元印刷技術は、典型的なデジタル・マニファクチャリング、グリーン且つインテリジェント製造技術であり、航空宇宙、防衛産業、自動車、金型、家庭用電化製品、生物医学などの分野への応用が期待されている。

【0003】

レーザによる選択領域における高速成形技術は、高精度の３次元印刷技術であり、精密、複雑、小型の部品の製造に適する。現在、レーザによる選択領域における高速成形は、主にレーザによる選択領域における焼結及びレーザによる選択領域における溶融の２つの技術によって実現される。選択されるレーザ光源としては、通常、１０．６μｍのＣＯ_２レーザや１．０８μｍ程度のファイバレーザまたは固体レーザが用いられる。高速成形の製造工程において、レーザ走査領域内の材料を急熱・急冷することにより、製造した構造内に大きい熱応力が生じ、構造の変形、さらに、クラックが発生しやすくなる。成形キャビティ内において加熱及び保温の対策を立てることで、成形用レーザのエネルギー利用率を高めるとともに構造内部の熱応力を減らすことができるが、成形領域外の粉末を破壊しやすく、材料を繰り返し利用することができなくなることで、構造の成形コストが高くなる。成形領域外の材料を破壊せずに構造内部の熱応力を減らすために、Ｆ．Ａｂｅ等は、レーザによる選択領域における溶融で金属構造を製造する過程において、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザ及び波長が１．０６４μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて、成形面における２本のレーザビーム同士間の距離を調節することで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザで成形した後、ＣＯ_２レーザによる加熱で降温速度を下げて構造内部の熱応力を減らす方法を提案している。Ｆ．Ａｂｅ等、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１１１，２１０−２１３を参照されたい。また、史玉生等は、３本のレーザビームで金属粉末を複合的に走査して溶融させることで高速に成形させる方法を提案している。具体的には、波長が１０μｍよりも長い第１レーザビームで予熱し、波長が１．１μｍよりも短い第２レーザビームで溶融成形し、波長が１０μｍよりも長い第３レーザビームで後続の熱処理を行うことで、レーザによる成形の速度を加速するとともに、構造の熱応力を減らすことができる。史玉生等、３本のレーザビームで金属粉末を複合的に走査して溶融させることで高速に成形させる方法（公開番号：CN１０１６０７３１１Ａ、公開日：２００９年１２月２３日）を参照されたい。しかしながら、この方法では、３本のレーザビームを別々で走査を行うため、手間が掛かるほか、３本のレーザビームを前後に走査することにより成形効率を低下させ、異なるレーザの走査間隔において熱損失が発生し、エネルギー消費効率が低くなる。また、Ｊａｎ Ｗｉｌｋｅｓ等は、ＣＯ_２レーザによって照射面積が２０ｍｍ×３０ｍｍの成形領域を形成し、成形領域内においてＮａ：ＹＡＧレーザで走査を行うことでレーザによる選択領域における溶融によりセラミックス構造の製造を実現する。その結果、ＣＯ_２レーザによる予熱により、セラミックス構造の製造時における熱応力を良好に減らすことができる。Ｊａｎ Ｗｉｌｋｅｓ等、Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１３，１９，５１−５７を参照されたい。しかしながら、この方法では、大きいＣＯ_２レーザのスポットで成形領域を長時間照射しなければならず、高いレーザパワーが必要とされ、レーザのエネルギー消費効率が低いほか、照射領域における材料の無駄が発生する。このため、成形構造の熱応力を減らすとともに成形効率や成形精度を高めるほか、未成形領域の材料の破壊を軽減可能な新たな技術が求められている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、高精度かつ高性能、効率のよい同軸の多波長レーザによる選択領域における高速成形システム及びその方法を提供することである。本発明では、短波長のレーザビームで選択領域における溶融成形を行い、短波長のレーザビームと同軸的に重畳した長波長のレーザ装置で予熱及び後続の熱処理を行う。光と物質の相互作用からみると、短波長のレーザビームの集光スポットのサイズが小さく、フォントエネルギーが高いため、成形効率及び成形精度の向上に有利である一方、長波長のレーザビームの集光スポットのサイズが大きいため、短波長のレーザを完全にカバーして成形前後の予熱及び後続の熱処理の実行を保証することができ、その結果、レーザの成形効率をより一層高めるとともに構造の熱応力を減らすことができる。

【0005】

本発明の目的は、多波長レーザによる選択領域における高速成形システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る多波長レーザによる選択領域における高速成形システムは、レーザ光源、レーザ伝播制御手段、レーザ集光走査手段、成形キャビティ、粉末搬送手段、粉末敷設手段、気体循環制御手段、リアルタイム監視手段、昇降手段、粉末回収手段及びコンピュータを含む。前記レーザ光源は、第１波長のレーザビームを供給するための第１レーザ装置と、第２波長のレーザビームを供給するための第２レーザ装置とを含むか、または第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームを同時に供給するためのレーザ装置を含む。前記レーザ集光走査手段は、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームをそれぞれ集光させるためのレーザフォーカスレンズと、同一の方向に伝播する同軸重畳レーザビームを形成するように第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームを重畳させるダイクロイックミラーと、成形平面においてレーザを走査させるための二次元ガルバノミラーとを含む。前記リアルタイム監視手段は、成形溶融池の様子を監視するための画像形成ユニットと、溶融池の温度及び温度の分布を監視するための温度監視ユニットとを含む。

【0007】

さらに、前記第１波長のレーザビームの波長範囲は２００ｎｍ〜１．１μｍであり、前記第２波長のレーザビームの波長範囲は７００ｎｍ〜１０．６μｍである。第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームは、それぞれ連続レーザ、パルスレーザまたは準連続レーザである。

【0008】

さらに、前記レーザ伝播制御手段は、レーザビームを折り曲げるためのレーザ反射ミラーと、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームをそれぞれ拡大するためのレーザ拡大ミラーと、レーザのオンオフを制御するためのレーザシャッターと、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームのパワーをそれぞれ制御するためのレーザ減衰器とを含む。

【0009】

さらに、前記成形キャビティは、ワークを取り出すための成形キャビティドアと、観察に用いられる観察窓と、リアルタイムの監視に用いられる透光窓と、レーザを入力するためのレーザ入射窓と、気体循環及び雰囲気の制御を実現するための気体流通口とを含む。

【0010】

さらに、前記成形キャビティ内には、成形基板が設置される。前記成形基板は、昇降手段に接続されるとともに前記昇降手段によって昇降する。前記成形キャビティの底部には、粉末を回収するための通路がさらに設置される。通路口には、粉末回収手段が連結される。

【0011】

さらに、前記画像形成ユニットは、画像を撮像するためのＣＣＤと、画像を表示するためのモニターとを含む。

【0012】

さらに、前記温度監視ユニットは、赤外線画像を撮像するためのサーモグラフィと、サーモグラフィのデータを収集してコンピュータに入力するデータ収集カードとを含む。

【0013】

本発明のもう１つの目的は、多波長レーザによる選択領域における高速成形方法を提供することである。本発明に係る多波長レーザによる選択領域における高速成形方法は、コンピュータの製図ソフトウェアで幾何学的モデルを構築し、データをスライスして分層し、走査経路を計画するステップ１）と、成形キャビティを真空吸引し、必要に応じてシールドガスを注入するステップ２）と、粉末搬送装置で粉末の前処理及び搬送を行い、成形基板上に成形しようとする粉末を粉末敷設装置で敷設するステップ３）と、敷設された成形しようとする粉末を、集光した第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームで同時に走査して溶融させることで、単層構造を形成するステップ４）と、成形基板を一層降下させ、粉末の敷設及び選択的なレーザ走査工程を繰り返し、設計された幾何学的モデルの溶融成形を完成するステップ５）と、未溶融の金属粉末をクリーニングし、成形された構造を取り出すステップ６）と、を含む。

【0014】

さらに、前記粉末のサイズは、１０ｎｍ〜２００μｍである。

【0015】

さらに、前記成形しようとする粉末は、金属粉末、プラスチック粉末、セラミックス粉末、コーテッドサンド粉末及びポリマー粉末を含む。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、短波長のレーザで材料を成形することで、成形における解像度や精度を向上させることができる。また、本発明によれば、２つの波長のレーザで同軸的かつ同時に走査することで、成形工程の効率を高めることができる。さらに、本発明によれば、長波長のレーザで予熱及び後続の熱処理を行うことで成形構造の熱応力を減らすことができるほか、選択的な予熱により、未成形領域の材料を破壊することがなく、材料のコストを削減することができる。

【0017】

本発明の他の利点、効果及び特徴については、後述する明細書でより詳しく説明する。なお、本発明の他の利点、効果及び特徴は、当業者が後述する明細書を参照、研究したり、本発明を実施したりすることにより容易に想到し得るものである。
以下、本発明の目的、技術内容及び利点をより明確にするために、実施形態の説明に必要な添付図面を参照しながら本発明を詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係るシステムの構成を示す図である。

【図2】本発明の他の実施形態に係るシステムの構成を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態の多波長レーザによる選択領域における高速成形方法を示すフローチャートである。

【図4】本発明のレーザが集光して形成されるレーザスポットを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

下記本発明の好適な実施形態について詳しく説明する。本発明の好適な実施形態は、本発明を説明するためのものであり、決して本発明を限定するものではないことを理解されたい。

【0020】

図１は、本発明の一実施形態に係るシステムの構成を示す図である。図１に示すように、このシステムは、第１光路に位置する第１レーザ装置１及びそのレーザ伝播制御手段３と、第２光路に位置する第２レーザ装置２及びそのレーザ伝播制御手段４と、レーザ集光走査手段５と、成形基板６と、粉末搬送手段７と、粉末敷設手段８と、リアルタイム監視手段９と、昇降手段１０と、粉末回収手段１１と、コンピュータ１２とを含む。

【0021】

第１レーザ装置１及び第２レーザ装置２は、それぞれ波長の異なるレーザビームを供給する。また、レーザ伝播制御手段３、４は、第１レーザ装置１及び第２レーザ装置２から出力されるレーザビームのオンオフ、レーザの拡大、成形面に入射されるレーザパワーを制御する。

【0022】

レーザ集光走査手段５は、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームをそれぞれ集光、重畳させるとともに、成形面において走査を行う。

【0023】

成形キャビティの底部には、成形基板６が設置され、上方には、粉末の搬送及び前処理を行うための漏斗状の粉末搬送手段７が設置される。成形キャビティの粉末搬送手段に対応する下方には、粉末を成形基板上に敷設するための粉末敷設手段８が設置される。

【0024】

リアルタイム監視手段９は、成形溶融池の様子を監視するための画像形成ユニットと、溶融池の温度及び温度の分布を監視するための温度監視ユニットとを含む。画像形成ユニットは、画像を撮像するためのＣＣＤと、画像を表示するためのモニターとを含む。温度監視ユニットは、赤外線画像を撮像するためのサーモグラフィと、サーモグラフィのデータを収集してコンピュータに入力するデータ収集カードとを含む。

【0025】

成形基板６は、昇降手段１０に接続され、昇降手段１０によって昇降する。

【0026】

成形キャビティの底部には、粉末を回収するための通路がさらに設置される。通路口には、未成形粉末を回収するための粉末回収手段１１が連結される。
コンピュータ１２は、レーザ伝播制御手段３、４と、レーザ集光走査手段５と、成形基板６と、粉末搬送手段７と、粉末敷設手段８と、リアルタイム監視手段９と、昇降手段１０と、粉末回収手段１１とに接続されて、成形工程中のレーザのオンオフ、レーザパワー、焦点距離の変更、走査速度、成形基板の昇降、粉末の搬送、粉末の敷設、溶融池の画像や温度データの収集、及び粉末の回収を制御する。

【0027】

図２は、本発明の他の実施形態に係るシステムの構成を示す図である。図２に示すように、このシステムは、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームを供給するレーザ装置１と、２つの波長のレーザビームを分離させるためのダイクロイックミラーと、光を折り曲げるための反射ミラーと、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームのレーザ伝播制御手段３、４と、レーザ集光走査手段５と、成形基板６と、粉末搬送手段７と、粉末敷設手段８と、リアルタイム監視手段９と、昇降手段１０と、粉末回収手段１１と、コンピュータ１２とを含む。
レーザ伝播制御手段３、４は、レーザ装置から出力される第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームのオンオフ、レーザの拡大、成形面に入射されるレーザパワーを制御する。

【0028】

レーザ集光走査手段５は、第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームをそれぞれ集光、重畳させるとともに、成形面において走査を行う。

【0029】

成形キャビティの底部には、成形基板６が設置される。また、成形キャビティの上方には、粉末の搬送及び前処理を行うための漏斗状の粉末搬送手段７が設置される。成形キャビティの粉末搬送手段に対応する下方には、粉末を成形基板上に敷設するための粉末敷設手段８が設置される。

【0030】

リアルタイム監視手段９は、成形溶融池の様子を監視するための画像形成ユニットと、溶融池の温度及び温度の分布を監視するための温度監視ユニットとを含む。画像形成ユニットは、画像を撮像するためのＣＣＤと、画像を表示するためのモニターとを含む。温度監視ユニットは、赤外線画像を撮像するためのサーモグラフィと、サーモグラフィのデータを収集してコンピュータに入力するデータ収集カードとを含む。

【0031】

成形基板６は、昇降手段１０に接続され、昇降手段１０によって昇降する。

【0032】

成形キャビティの底部には、粉末を回収するための通路がさらに設置される。通路口には、未成形粉末を回収するための粉末回収手段１１が連結される。

【0033】

コンピュータ１２は、レーザ伝播制御手段３、４と、レーザ集光走査手段５と、成形基板６と、粉末搬送手段７と、粉末敷設手段８と、リアルタイム監視手段９と、昇降手段１０と、粉末回収手段１１とに接続されて、成形工程中のレーザのオンオフ、レーザパワー、焦点距離の変更、走査速度、成形基板の昇降、粉末の搬送、粉末の敷設、溶融池の画像や温度データの収集、及び粉末の回収を制御する。

【0034】

図３は、本発明の一実施形態に係る多波長レーザによる選択領域における高速成形方法を示すフローチャートである。図３に示すように、この方法は、コンピュータの製図ソフトウェアで幾何学的モデルを構築し、データをスライスして分層し、走査経路を計画するステップ１）と、成形キャビティを真空吸引し、必要に応じてシールドガスを注入するステップ２）と、粉末搬送装置で粉末の前処理及び搬送を行い、成形基板上に成形しようとする粉末を粉末敷設装置で敷設するステップ３）と、敷設された成形しようとする粉末を、集光した第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームで同時に走査して溶融させることで、単層構造を形成するステップ４）と、成形基板を一層降下させ、粉末の敷設及び選択的なレーザ走査工程を繰り返し、設計された幾何学的モデルの溶融成形を完成するステップ５）と、未溶融の金属粉末をクリーニングし、成形された構造を取り出すステップ６）と、を含む。

【0035】

粉末のサイズは、１０ｎｍ〜２００μｍである。

【0036】

成形しようとする粉末は、金属粉末、プラスチック粉末、セラミックス粉末、コーテッドサンド粉末及びポリマー粉末を含む。

【0037】

図４は、本発明のレーザが集光して形成されるレーザスポットを示す図である。図４に示すように、成形面には、波長が２００ｎｍ〜１．１μｍの第１波長のレーザビームによってレーザスポット１３が形成され、波長が７００ｎｍ〜１０．６μｍの第２波長のレーザビームによってレーザスポット１４が形成される。第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームは、成形面において同軸的に照射されて集光する。波長が２００ｎｍ〜１．１μｍの第１波長のレーザビームによって成形面において形成されたレーザスポット１３は、波長が７００ｎｍ〜１０．６μｍの第２波長のレーザビームによって成形面において形成されたレーザスポット１４よりも小さい。なお、レーザスポット１３は、レーザスポット１４と重畳するとともに、レーザスポット１４に取り囲まれる。波長が７００ｎｍ〜１０．６μｍの第２波長のレーザビームによって成形面において形成されたレーザスポット１４は、粉末の予熱及び後続の熱処理を行うことができるとともに、波長が２００ｎｍ〜１．１μｍの第１波長のレーザビームと共に成形面の重畳領域における粉末の溶融成形を引き起こす。

【0038】

（実施例１）
以下、図１及び図３を参照しながら、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３セラミックスの多波長レーザによる選択領域における高速成形を例として本発明を詳しく説明する。本実施例において、選択されたＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３セラミックス粉末は、粒径が３０〜６０μｍの略球状の粉末である。

【0039】

まず、成形するセラミックス構造を設計するとともに、データをスライス、分層して走査経路を計画する。次に、成形キャビティを真空吸引する。粉末搬送装置で粉末の前処理及び搬送を行い、成形基板６上に成形しようとするセラミックス粉末を粉末敷設手段８で敷設する。なお、敷設される単層のセラミックス粉末の厚さを６０μｍにする。５３２ｎｍの緑色レーザ装置から出力されるレーザビームを第１波長のレーザビームとして選択し、そのレーザパワーが５０〜１５０Ｗである。また、ＣＯ_２レーザ装置から出力される、波長が１０．６μｍのレーザビームを第２波長のレーザビームとして選択し、そのレーザパワーが１００〜４００Ｗである。集光した第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームを用いて、敷設された、成形しようとする粉末を約２００〜４００ｍｍ／ｓの速度で同時に走査して溶融させることで、単層構造を形成する。なお、成形中における溶融池の様子及びその温度の分布をリアルタイム監視手段で監視する。

【0040】

昇降手段１０により成形基板６を６０μｍ降下させ、設計構造の溶融成形が完成するまで粉末の敷設及び選択的なレーザ走査の工程を繰り返す。次に、昇降手段１０により、成形基板６の上面を成形前の所定位置まで上昇させ、未溶融のセラミックス粉末をクリーニングし、成形された構造を取り出す。

【0041】

（実施例２）
以下、図２及び図３を参照しながら、チタンの多波長レーザによる選択領域における高速成形を例として本発明を詳しく説明する。本実施例において、選択されたチタン粉末は、粒径が２０〜３０μｍの略球状の粉末である。

【0042】

まず、成形するチタン構造を設計するとともに、データをスライス、分層して走査経路を計画する。次に、成形キャビティを真空吸引し、Ａｒガスをシールドガスとして注入する。粉末搬送手段で粉末の前処理及び搬送を行い、成形基板６上に成形しようとするチタン粉末を粉末敷設手段８で敷設する。なお、敷設される単層のチタン粉末の厚さを５０μｍにする。図２に示すレーザ装置から出力される５３２ｎｍの緑色レーザビームを第１波長のレーザビームとして選択し、そのレーザパワーが３０〜５０Ｗである。また、レーザ装置から出力される１０６４ｎｍの近赤外レーザビームを第２波長のレーザビームとして選択し、そのレーザパワーが１５０〜２００Ｗである。集光した第１波長のレーザビーム及び第２波長のレーザビームを用いて、敷設された、成形しようとする粉末を約３００〜４００ｍｍ／ｓの速度で同時に走査して溶融させることで、単層構造を形成する。なお、成形中における溶融池の様子及びその温度の分布をリアルタイム監視手段で監視する。

【0043】

昇降手段１０により成形基板６を５０μｍ降下させ、設計構造の溶融成形が完成するまで粉末の敷設及び選択的なレーザ走査の工程を繰り返す。次に、昇降手段１０により、成形基板６の上面を成形前の所定位置まで上昇させ、未溶融の金属粉末をクリーニングし、成形された構造を取り出す。

【0044】

以上より、本発明の好適な実施形態は、本発明の技術的手段を説明するためのものであり、決して本発明を限定するものではない。上記好適な実施形態を参照しながら本発明を詳しく説明したが、当業者であれば、本発明の特許請求の範囲の保護範囲を逸脱しない限り、本明細書に記載された実施形態の形式及びその詳細に様々な変更を行うことが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】