JP2016518516A - 高電力ダイオードに基づく付加製造のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

基板を成す粉末状物質に対し付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムを開示する。前記システムは、前記基板の粉末状物質を融解するのに十分な光シグナルを発生させるためのダイオードアレイを用いてもよい。前記基板に前記光シグナルの第１の所定部分が届ないようにし、さらに、第二の所定部分は前記基板に届くようにするためにマスクを用いてもよい。前記ダイオードアレイの出力を制御するために、少なくとも一つのプロセッサを用いてもよい。

Description

発明の詳細な説明

〔関連件との相互参照〕
本出願はＰＣＴ国際出願であり、２０１３年３月５日に出願された米国特許出願第２０１３−７８５４８４号の優先権を主張するものである。上記出願における全ての開示は、参照することによって本明細書に包含されている。

〔米国政府が有する権限〕
合衆国政府は、米国エネルギー省と有限責任会社ローレンス・リバモア国立安全保障機関との契約ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４条、ＬＬＣ、に基づき、本発明の内容をローレンス・リバモア国立研究所において実施する権限を有している。

〔技術分野〕
本発明の開示は物品および部品の立体作成のための付加製造のシステムおよび技術に関する。特に、ハイパワーダイオードシステムを用いた付加製造を行うためのシステムおよび方法に関する。

〔背景技術〕
この欄における記載は、単に、本発明に係わる背景技術の説明にすぎず、従来の技術を構成するわけではない。

３Ｄプリンティングとも呼ばれる付加製造（Additive Manufacturing, ＡＭ）は、物質を一層ずつ次々と重ねて、部品を形成する製造技術である。この技術は、物質の塊から段々削っていって最終的な目的の形に近づけていくという従来の機械技術とは対照的な方法である。ＡＭ成型加工においては、一定方向に向く動力源を用いて物質（多くの場合は紛体）を固めてゆき、目的の、略最終の形状を有する物品を成型する。３次元の物品は一回に一層ずつ、２次元での成層を重ねることで形成される。ＡＭ成型加工における第一の重要な利点は、例えば、内部の造作を有する部品など、複雑な形状を実現できることである。第二の重要な利点には、必要な材料が、目的の部品を形成するのに使用されるものに留められるということである。よって、ＡＭ成型加工には材料の無駄が大変少ないという利点がある。このことはコストが高い／使用が制限される物質には、特に重要な利点である。

金属成型へのＡＭの使用は比較的最近のことである。もともとは、プラスチックが、ＡＭを採用する商業的なシステムの中心であった。しかしながら、ＡＭにおける金属の使用は、多くの技術的構造の大部分は金属に非常に依存しているため、商業的および技術的に極めて重要である。金属ＡＭでは、金属紛体の融解、融合、および／または焼結のために比較的、高いパワーとより集中度の高いレーザー光線（通常１００Ｗから１，０００Ｗ程度）が必要である。前記の金属紛体は通例、ＡＭの行程中は紛体層の状態に置かれる。前記のレーザー光線は、前記紛体の表面に沿ってラスター照射され、一つのパスごとに２次元成層を形作る。一層形成し終えると、前記紛体層は後退し、形成が終わったばかりの層の上に新たな紛体が積層される。一般的な層の厚さがわずか５０〜１００ミクロンであることを考えると、このラスタリング工程が非常に時間のかかる工程であることは明らかである。このことが主な理由で、通常の機械成型なら２〜３時間で済む物品の成型が、ＡＭだと８時間以上かかるといったケースがあり得る。さらに、レーザー光線をラスター照射する必要があることから、成型できる部品のサイズに上限がある。現状、レーザー光線ラスター照射を用いるＡＭ技術で成型できる部品サイズは、２５ｃｍ×２５ｃｍが上限である。このように、ＡＭ技術を用いて物品、特に金属物を成型する際に、必要な時間を低減させることが強く望まれている。本発明が取り組む１つの重要な課題は、従来のＡＭ成型加工の工程に用いられるラスター走査スキャン操作によって余儀なくされる、この比較的遅い速度を解決することである。

〔発明の概要〕
一態様において、本発明は、基板を成す粉末状物質に対して、付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムに関する。前記システムは、基板の粉末状物質を融解、または、焼結するのに十分な光シグナルを生成するためのダイオードアレイを含んでもよい。マスクを使用し、光シグナルの第１の所定部分は基板に届かないようにし、さらに、第２の所定部分の光シグナルは基板に届くようにしてもよい。ダイオードアレイの出力を制御するために、少なくとも一つのコントローラを使用してもよい。

別の一態様において、本発明は、基板を成す粉末状物質に対して、付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムに関する。システムは、基板の粉末状物質を融解、または、焼結するのに十分な光強度を有するパルス光シグナルを生成するためのダイオードアレイを含んでもよい。ダイオードアレイと基板との間にマスクを設け、パルス光シグナルの第１の所定部分は基板に届かないようにし、さらに、第２の所定部分のパルス光シグナルは基板に届くようにしてもよい。マスクは、基板において選択したサブポーションがマスクを外されることを電気的に可能にするように、プロセッサによって制御され、アドレス可能になっている構成であってもよい。マスクを電気的に制御するため、プロセッサを用いてもよい。

さらに別の一態様において、本発明は、付加製造（ＡＭ）を実行するための方法に関する。前記方法は、基板が設けられる２次元層全体のうち、少なくとも実質的な部分を照射できるのに十分なパルス光シグナルを、基板の紛体層に照射する工程を含んでもよい。マスクを用いて、前記パルス光シグナルの第１のサブポーションを選択にブロックし、基板の第１の層に届かないようにしてもよい。第１の層の上には、粉末状物質からなる第２の層が設けられてもよい。第２の層には、パルス光シグナルが照射され、さらに、マスクを用いてパルス光シグナルの第２のサブポーションが、第２の層には届かないように選択的にブロックされていてもよい。

さらなる応用範囲は、本明細書中の記載により明らかになるであろう。本明細書および具体的な実施例は、あくまでも、説明することが目的であり、本発明の範囲を限定するように解釈されるべきものではない。

〔図面の簡単な説明〕
本明細書中に説明されている図面の目的は、あくまでも、説明が目的であり、決して本発明の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る、ハイパワーダイオードアレイとマスクとを用いた、付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムおよび方法を示す模式図である。

図２は、図１のシステムを模式的に示す側面図であり、成型加工中、ダイオードアレイから出る光線の一部が偏光ミラーによって反射され、それらの光線が基板に届かない様子を示すものである。

図３は、色々な種類の金属の融解に必要なパワーフラックス（power flux）の平均値を示す表である。

図４は、色々な物質の融解に必要な温度を、各物質を融解するのに必要な時間に沿って表した複数の曲線を示すグラフである。

図５は、本発明に係わるシステムの他の形態を示す図である。この形態では、前記ＡＭ成型加工行程中、基板の画素に相当する特定の「タイル」（所定領域）がデジタルに制御される。

図６は、本発明に係るシステムのさらに他の形態を示す図である。この形態では、複数の集束レンズが、ダイオードアレイから基板の複数の所定部分への出力を同時に集束し、別々の物質からなる層を同時に融解させる。

図７は、異なる紛体を同時に融解／焼成するためにダイオードアレイからの光照射がなされる前において粉末形態の状態である様々な異なる種類の物質を、堆積する方法を模式的に示す側面図である。

〔発明を実施するための形態〕
以下の説明は、あくまでも例示にすぎず、本発明の開示、用途、または、利用を限定するものではない。なお、図面の全範囲において参照する数字の一致は、類似の、または、一致する、部材および機能を示している。

図１において、システム１０は、付加製造（ＡＭ）成型加工の過程を実施すための本発明の一実施形態に従って示されている。システム１０はハイパワーダイオード１２と、コンピュータで制御されるエリア選択マスク１４（以下、単にマスク１４と記す）を備えていてもよい。適当な電源１６が前記ダイオード１２に電力を供給するために使用されていてもよい。コンピュータ１８、あるいは、他の適当な形態のプロセッサまたはコントローラを用いて、電源１６がダイオードアレイ１２への電源供給のＯＮ／ＯＦＦを制御し、マスク１４の選択的に（すなわちデジタル的に）制御し、かつ、光線を形成、または集束してもよい。加えて、複数の独立したプロセッサまたはコンピュータが、ダイオードアレイ１２とマスク１４とを制御するように用いられてもよい。コンピュータ１８にて選択的にマスク１４を電気制御することで、ダイオードアレイ１２からの光線が、基板２０（紛体層）を形成する紛体の、選択された特定の部分に届かなくし、これにより、基板２０のそれらの部分に光線が照射されないようにする。図１においては、網状の斜線を引いてある部分１５が、ダイオードアレイ１２からの出力光のうち、基板２０の粉末状物質に届かない部分を示している。

１つの好ましい形態において、ダイオードアレイ１２は、一本の大きなダイオードバーを含む構成でもよい。または、互いに隣り合った複数のダイオードバーがダイオードアレイ１２を構成してもよい。１つの好ましい形態において、ダイオードアレイは、約１ｃｍ×０．０１５ｃｍのダイオードバーのアレイのそれぞれが集まって約２５ｃｍ×２５ｃｍのダイオードアレイを構成していてもよい。なお、使用するダイオードバーの数は特に制限はなく、ダイオードバーの正確な数と構成は、それらが形成する部材と他の要素によって可変である。ダイオードアレイ１２を形成するのに適当なダイオードバーは、アリゾナ州ツーソンのLasertel社、カリフォルニア州サンホセのOclaro社、ワシントン州バンクーバーのnLight社、ニューヨーク州ニューヨークのQuantel社、アリゾナ州ツーソンのDILAS Diode Laser社、ドイツ国イェーナのJenoptik社をはじめ、広くから入手できる。ダイオードアレイ１２は、２パーセントのデューティサイクルでおよそ１０ｋＷ／ｃｍ^２以上、１００ｋＷ／ｃｍ^２未満の電力密度での出力が可能である。これにより、広範囲にわたる種類の物質を融解するのに十分な光強度を出力が可能となる。図３は様々な物質を融解するのに必要なパワーフラックス（power flux）の平均値を算出した値の表である。図４は、様々な金属の紛体（アルミニウム、チタン、鉄、タングステン）へのダイオードアレイ１２の効果を示すグラフであり、それら物質の全てを溶解するためのパワーフラックス（power flux）におけるものである。図４のグラフを得るのに必要な計算は、ＭＡＴＬＡＢにより、伝導ロス、放射ロスを考慮にいれて実施した。前記紛体層の厚さが１００μｍであれば、通例として吸光率は３０％であると想定した。

また、一つあるいは複数のダイオードバーを含むオードアレイを用いることの大きな利点は、組み立て品が、容易に拡大縮小可能であることである。したがって、特定のサイズの部分を作るといったニーズに合わせて、様々な大きさのダイオードアレイが構成可能である。たとえば、ダイオードアレイ１２を１メートル四方の大きさに構成した場合、この大きさに合わせて大型の部品を一度のＡＭ成型加工工程にて作ることができる。もちろん、この工程に必要な量の紛体を積載するのに適切な大きさの紛体層が必要である。もう一つの大きな利点は、部材を動かすことなく、システム１０を、従来のＡＭ成型加工システムに一体化できることである。従来は、ＯＤＳ（oxide dispersion strengthen：酸化物分散）鋼、または、これまで固体（非融解）処理技術を用いて形成され、形成や接合が困難であった合金などに、ＡＭ成型加工を適応することは難しかった。システム１０ではこれらの合金の使用が可能になる。

図２に示すように１つの好ましい形態において、マスク１４は、液晶モジュール（ＬＣＭ）１４ａと偏光素子１４ｂ、本例では、偏光ミラー（以下、単に「偏光ミラー」１４ｂと記す）とを含む「液晶偏光回転子」が形成されていている。偏光ミラー１４ｂは、液晶偏光回転子によって規定された光を方向付け、前記基板２０に放射される光線パターンを形作る。マスク１４の形成に役立つＬＣＭ１４ａは、一つあるいは複数の、二次元的、電気的（つまり、デジタル的）にアドレス可能な画素アレイから構成されていてもよい。アドレス可能な二次元画素アレイは、商業的に入手できる液晶偏光子により形成される。液晶偏光子は、流入する光子の極性を変化させることで稼働する。極性が変化した光子は、液晶偏光子により拒絶される。しかしながら、システム１０を用いると、偏光素子１４ｂは、光シグナルを集束および／または形成する補助に使用されるマスク１４の、個別の部材を構成してもよい。

図２において、マスク１４はダイオードアレイ１２から出力されＬＣＭ１４ａを照らす、光２２を受光する。ＬＣＭ１４ａの画素は、前記コンピュータ１８を用いて個々に独立してアドレスされ、基板２０の選択された特定の部位において光を拒絶する。ＬＣＭ１４ａおよび前記偏光ミラー１４ｂを用いて前記マスク１４を形成することで、ダイオードアレイ１２から発生する光が、必要に応じて基板２０の選択された箇所にのみ方向づけられるよう、制御することが可能となる。図２において、線２２ａで示される光は偏光ミラー１４ｂを透過できるが、線２２ｂで示される光は偏光ミラー１４ｂに拒絶される。コンピュータで制御されるＬＣＭ１４ａを用いることの重要な利点は、偏光ミラー１４ｂに吸収される光エネルギー量が非常に少なくなるため、ミラーへのダメージを予防できることである。

実際のＡＭ成型加工の操作中、粉末状物質の第１の層は、ダイオードアレイ１２にパルス照射（pulsing）させ、第１の層の選択された部分（あるいは第１の層全体の場合も考えられる）を融解することで、システムの作用を受けてもよい。つづいて、粉末状物質の次の層（つまり、第２の層）が、先にシステム１０が作用した層の上に追加され、上記工程が繰り返され得る。ダイオードアレイ１２は、前述の第２の層の一つまたはそれ以上のサブポーション（あるいは第２の層全体の場合も考えられる）を融解するようにパルス照射してもよい。各々の層について、システム１０はマスク１４の画素を電気的に制御し、基板２０の特定の所定部位に対する、ダイオードアレイ１２からのパルス光シグナルの照射をブロックする。この工程を各層について繰り返す。その際、コンピュータ１８がマスク１４を制御して、各層ごとに、マスク１４が、粉末状物質の一つまたはそれ以上のサブポーション（あるいは層全体の場合も考えられる）が、パルス光シグナルにさらされることをブロックする。各層の二次元領域全体が一度に、ダイオードアレイ１２からのパルス照射により融解あるいは焼成されることが望ましいが、二次元領域全体にダイオードアレイ１２が完全に照射できない場合には、二次元領域にダイオードアレイ１２をラスター走査することも可能である。

アドレス可能なマスク１４の代わりに、アドレス可能でないマスクを使用することもできる。アドレス可能でないマスクとしては、精密にカットされた金属片（タングステンなど）を使用して、光線の一部をシンプルにブロックするようにしてもよい。このように、機械加工されたマスクを、単純な形状を形成するように使用することが可能であるが、本明細書中に記載のシステム１０の効果は、マスク１４のようにアドレス可能なマスクを使用した際に最大限発揮され得る。

図５、６には、本発明の他の実施に従った代替可能な二つのシステムである、システム１００とシステム２００が図示されている。システム１００はダイオードアレイ１０２とダイオードリレーテレスコープ１０４とを含む。ダイオードリレーテレスコープ１０４は、基板２０（紛体層）中における「画素」のアレイ画像内における「タイル」をデジタル制御する。図６に示されるシステム２００は、ダイオードアレイ２００と、複数の集束レンズ２０６を備えている。前記の複数の集束レンズ２０６は、基板２０である複数の「シート」のそれぞれに、アレイからの光エネルギーを集束させるのに用いられる。

システム１０、１００、２００は、単一パスにて各層の融解および焼成することができる。または、他に置き換えると、ダイオードアレイ１２のパルス操作一回にて各層の融解および焼成ができる。したがって、光線のラスター走査を何十回、何百回（あるいはそれ以上）と表面に往復させる必要はなくなる。これにより、ＡＭ成型加工工程において粉末状物質の各層の融解および焼成にかかる時間が大きく低減される。

図７に示すシステム３００において、紛体形態状である異なる種類の物質を堆積する方法が図示されている。ノズル３０１、３０２、および３０３は、基板２０上の、種々の物質の紛体３０４の層を堆積することができる。ノズルヘッド３０１、３０２、および３０３は、部品の表面をラスター走査し、プログラム制御が可能なソースによりアドレスされた物質で該当部位表面を覆ってゆく。システム１０の説明の箇所で触れたように、ダイオードアレイ１２からの照射およびマスク１４の作動はともに、ノズル３０１、３０２、および３０３から堆積される各物質が、制御された融解または焼成のために適切な量の光エネルギーを照射されるように制御され得る。

様々な実施形態が記載されており、当業者は、本発明から逸脱することなく、改良または変更を認識し得る。実施例は、様々な実施形態を説明し、本発明を限定することを意図していない。したがって、明細書および特許請求の範囲は、関連する公知技術を考慮して、必要されるような限定としてのみ、偏見なく解釈されるべきである。

本発明の一実施形態に係る、ハイパワーダイオードアレイとマスクとを用いた、付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムおよび方法を示す模式図である。 図１のシステムを模式的に示す側面図であり、成型加工中、ダイオードアレイから出る光線の一部が偏光ミラーによって反射され、それらの光線が基板に届かない様子を示すものである。 色々な種類の金属の融解に必要なパワーフラックス（power flux）の平均値を示す表である。 色々な物質の融解に必要な温度を、各物質を融解するのに必要な時間に沿って表した複数の曲線を示すグラフである。 本発明に係わるシステムの他の形態を示す図である。この形態では、前記ＡＭ成型加工行程中、基板の画素に相当する特定の「タイル」（所定領域）がデジタルに制御される。 本発明に係るシステムのさらに他の形態を示す図である。この形態では、複数の集束レンズが、ダイオードアレイから基板の複数の所定部分への出力を同時に集束し、別々の物質からなる層を同時に融解させる。 異なる紛体を同時に融解／焼成するためにダイオードアレイからの光照射がなされる前において粉末形態の状態である様々な異なる種類の物質を、堆積する方法を模式的に示す側面図である。

Claims (22)

1. 基板を成す粉末状物質に対し付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムであって、
   前記基板の粉末状物質を融解または焼成するのに十分な光シグナルを発生させるためのダイオードアレイと、
   前記光シグナルの第１の所定部分は前記基板に届かないようにし、さらに、第２の所定部分のパルス光シグナルは前記基板に届くようにするためのマスクと、
   前記ダイオードアレイの出力を制御する、少なくとも一つのプロセッサと、を備えているシステム。
2. 前記ダイオードアレイは複数のダイオードバーを備えている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ダイオードアレイは、２％のデューティサイクルで、少なくともおよそ１０ｋＷ／ｃｍ^２の電力密度を供給する構成になっている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記マスクは、
   液晶モジュールと、
   前記基板から離間した前記液晶モジュールの作用を受けている、前記光シグナルの部分を反射するように作動する偏光素子と、
   を備えている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記液晶モジュールは、前記プロセッサによりデジタル制御されるように構成された、コンピュータ制御可能な液晶モジュールを備えている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記偏光素子は、偏光ミラーを備えている、請求項４に記載のシステム。
7. 基板を成す粉末状物質に対し付加製造（ＡＭ）成型加工工程を実行するためのシステムであって、
   前記基板の粉末状物質を融解するのに十分な光強度のパルス光シグナルを発生させるためのダイオードアレイと、
   前記ダイオードアレイと前記基板との間に設けられ、前記パルス光シグナルの第１の所定部分は前記基板に届ないようにし、さらに、第２の所定部分のパルス光シグナルは前記基板に届くようにするためのマスクであり、前記基板において選択されたサブポーションが、マスクを外されることを電気的に可能にするように、プロセッサによって制御され、アドレス可能になっている前記マスクと、
   前記マスクを電気的に制御するためのプロセッサと、を備えているシステム。
8. 前記ダイオードアレイは電気的に制御されるように構成されており、
   ここで、前記プロセッサは、前記ダイオードアレイが前記ダイオードアレイのＯＮおよびＯＦＦの操作を制御するように、前記ダイオードアレイを電気的に制御する構成となっている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記マスクは、前記プロセッサによってデジタル制御される構成となっている、請求項７に記載のシステム。
10. 前記マスクは液晶モジュールを備えており、前記液晶モジュールは、前記基板において選択された領域が、前記ダイオードアレイからのパルス光シグナルにさらされないように、前記プロセッサによって電気的にアドレス可能になっている、請求項７に記載のシステム。
11. 前記マスクは偏光素子を備えている、請求項７に記載のシステム。
12. 前記偏光素子は、前記ダイオードアレイからの前記パルス光シグナルが進行してくる平面に対し４５度の角度に設けられた偏光ミラーを備えている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ダイオードアレイは、およそ２％のデューティサイクルで、少なくともおよそ１０ｋＷ／ｃｍ^２の電力を出力する構成になっている、請求項７に記載のシステム。
14. 付加製造（ＡＭ）成型加工を実行するための方法であって、
    基板が位置する二次元領域全体の少なくとも実質的な部分を照射するのに十分なパルス光シグナルを用いて、前記基板の紛体層に照射する工程と、
    マスクを用いて、前記パルス光シグナルの第１のサブポーションを選択的にブロックし、前記基板の前記第１の層に届かないようにする工程と、
    前記第１の層の上に粉末状物質の第２の層を設ける工程と、
    前記マスクを用いて、前記パルス光シグナルの第２のサブポーションが、前記基板の前記第２の層に届かないように選択的にブロックした状態で、前記パルス光シグナルを用いて前記第２の層に照射を行う工程と、を備えている方法。
15. パルス光シグナルを用いて基板の紛体層に照射を行う前記工程は、パルスダイオードアレイを用いて前記パルス光シグナルを発生させる工程を含んでいる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記パルスダイオードアレイを用いる前記工程は、少なくともおよそ１０ｋＷ／ｃｍ^２の電力密度を発生させるように構成されたパルスダイオードアレイを用いる工程を含んでいる、請求項１５に記載の方法。
17. マスクを用いて、前記パルス光シグナルの第１のサブポーションを選択的にブロックする前記工程は、デジタル的、電気的にアドレス可能なマスクを用いて、前記パルス光シグナルの第１のサブポーションを選択的にブロックする工程を含んでいる、請求項１４に記載の方法。
18. デジタル的、電気的にアドレス可能なマスクを用いる前記工程は、液晶モジュールと偏光素子とを用いる工程を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
19. コンピュータを用いて、デジタル的、電気的にアドレス可能な前記マスクを制御する工程をさらに含んでいる、請求項１７に記載の方法。
20. コンピュータを用いて、前記パルスダイオードアレイを制御する工程をさらに含んでいる、請求項１５に記載の方法。
21. 可動式の、電気的にアドレス可能な吹付けソースを用いて、異なる少なくとも二種類の物質を堆積させ、前記第１の層および第２の層のうち少なくとも一つを形成する工程をさらに含んでいる、請求項１４に記載の方法。
22. 照射が行われる、異なる少なくとも二種類の前記物質に応じて前記マスクを制御する工程をさらに含んでいる、請求項２１に記載の方法。