JP2005089863A - 三次元成形物を製造するための装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時間が短縮され、製造のフレキシビリティと成形物の品質が向上する、三次元成形物を製造するための装置と方法を提供すること。
【解決手段】微粉成形材料（５７）の層を連続的に固めることによって三次元成形物を製造する。微粉成形材料（５７）は成形物（５２）のそれぞれの断面に対応した位置において電磁放射または粒子放射線によって固化される。本装置は、ビームを発生させるためのビーム源（１６）と、固化しようとする層の上にビームを偏向させるためのビーム偏向デバイス（１８）とを有し、形成しようとする成形物（５２）を受け入れるために処理室（２１）の中に配置されたキャリア（４３）を有し、少なくとも２つの加工ステーション（２１、２４）がその都度１つの処理室（２８）の中に形成され、処理室（２８）は密封ロックされて、互いに分離するように設計され、偏向デバイス（１８）と少なくとも２つの加工ステーション（２１、２４）を互いに加工位置に置く。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元成形物を製造するための装置と方法に関する。

本発明は、複雑な三次元構成要素が粉体の材料から層状に積み上げられる製造方法を取り扱う。本発明の適用分野は、急速プロトタイプ化と、急速ツーリングと急速製造の関連する訓練に加えて、特に一連のツールと機能部品の製造を含む。これらは例えば、表面の近くに冷却通路を有する射出成形型を含み、さらにまた医療技術、機械工学、航空機、自動車両などの製造のための個別部品、および少数の一連の複雑な機能的構成要素も含む。

本発明に関連する生成的な製造方法には、例えばＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ社の名によるドイツ特許第１９６４９８６５Ｃ１号で知られるレーザ溶融、および例えばＴｅｘａｓ大学の名による米国特許第４８６３５３８号で知られるレーザ焼結が含まれる。

ドイツ特許第１９６４９８６５Ｃ１号で知られるレーザ溶融では、構成要素は市販の金属粉体の材料から、結合剤またはその他の添加成分なしで製造される。この目的のために、粉体の材料をその都度薄い層として製造プラットフォームに設ける。この粉体の層を、所望の構成要素の外形にしたがって、レーザ・ビームを使用して局部的に融解させる。レーザ・ビームのエネルギーは、金属粉体の材料がレーザ・ビームの入射位置においてその層厚全体にわたって完全に融解するように選択される。同時に、例えば酸化によって生ずることもある構成要素における損傷を防止するために、レーザ・ビームが金属粉体の材料と相互作用するゾーンでは、遮蔽ガス雰囲気が維持されている。この方法を実施するためにドイツ特許第１９６４９８６５Ｃ１号の図１に示された装置を使用することが知られている。

米国特許第４８６３５３８号で知られるレーザ焼結法では、構成要素は、レーザ焼結のために特別に開発されて基礎材料の他に１つまたは複数の追加成分を含む粉体の材料から製造される。さまざまな粉体成分は特に融点の面で異なる。レーザ焼結の場合は、粉体の材料は薄い層として積層台の上に載せられる。この粉体層は、構成要素の外形データにしたがって局部的にレーザ・ビームによって照射される。粉体の材料の低融点成分は導入されるレーザのエネルギーによって融解し、一方その他は固体状態のままである。層は、融解した粉体構成要素によって前の層に固定され、融解した粉体構成要素は凝固によって結合剤を生じさせる。層が形成されると、製造プラットフォームは一層の厚さだけ低くなり、新しい粉体が貯蔵容器から加えられる。

ＥＯＳ ＧｍｂＨ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ社は、プラスチックＥＯＳＩＮＴ Ｐ ７００を処理するため、およびサンドＥＯＳＩＮＴ Ｓ ７５０を処理するためのレーザ焼結設備を提供しており、これらの設備は、１つの処理室、２つのレーザ、および２つの走査ユニットを有する。これらの設備の目的は、大容積の構成要素を迅速に積層することである。

ＷＯ ０２／３６３３１によれば、Ｃｏｎｃｅｐｔ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ社は、比較的大きな容積の構成要素を製造するために、電磁集束照射による焼結、材料の除去および／または刻み込みのための装置を提案しており、この装置では、スキャナが、モータ手段によって製造プラットフォームの上を複合スライドの形で変位可能なスキャナ・キャリアの上に配置されている。

この装置は、焼結、材料の除去および／または刻み込みのための取替え可能な技術モジュールを有するレーザ処理機械を含む。機械ハウジングの中には、複数の構築空間が設けられている。スキャナ・キャリアは、複数の構築空間をあらゆる所望の順序でカバーできるように、構築空間の間を往復動する。例として、単一の機械で同時かつ並行に４個の構成要素を積層または他の方法で処理するために、正方形に近似した配置で４つの構築空間を備えることが提案されている。この目的のために、機械の製造プラットフォームにおいて複数の構成要素を同時に製造できるようにするために、スキャナ・キャリアは製造プラットフォームの間を往復する必要がある。

この配置は、機械ハウジング内の個別の構築している空間への近づき易さが、複合スライドの形のモータ手段で移動させられ、構築空間を横切って延びるスキャナ・キャリアによって、より困難するという欠点を有する。さらにまた、個別の構築空間における並行活動様式は、別の製造プラットフォームにおいて仕上げを終えた構成要素と並行に仕上げられるべき成形物も完成したとき、仕上げられた構成要素を取り出して、必要な変更作業を実施することだけが可能であることを意味する。これは、最も長い時間を有する構成要素が取り出しおよび変更作業を決定するので、この装置の経済性には不利な影響を及ぼす。さらにまた、例えば温度や成形物を製造するときに飛ぶスパークなどの製造工程中に発生する影響は、例えば被覆や冷却などの、これに並行に進行するさらに別の作業にも不利な影響を及ぼす。
ドイツ特許第１９６４９８６５Ｃ１号 米国特許第４８６３５３８号 世界特許機構特許（ＷＯ）第０２／３６３３１号

したがって、本発明は、製造時間が短縮され、製造のフレキシビリティと成形物の品質が向上する、三次元成形物を製造するための装置と方法を提供するという目的に基づくものである。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１による装置によって、および請求項２２による方法によって達成される。本発明の好都合の改善と構成は添付の特許請求の範囲に記載されている。

本発明による装置は、成形物製造の経済性を著しく改善する。成形物は第１処置室において完全に製造されるが、事前に製造された成形物の冷却と取り外しは、少なくとも１つの別の処理室において行われ、または処理室は、次に製造されるべき成形物のために変更または調整される。これは結果的に、ビーム源の容量の利用率を高くする。その理由は、少なくとも１つの別の処理室において次の成形物を製造するために、ビーム源が、成形物が製造された後に直ちに次の処理室に移されるからである。

そのうえに、少なくとも２つの密封ロックされた処理室の編成は、第１処理室において認めた材料を使用して成形物を生産することを可能にし、成形物を、同じ粉体の材料、または少なくとも１つの別の処理室において製造される第１成形物とは異なる粉体の材料を使用して、製造することができる。この配置は、使用される粉体の材料は非常に高純度であることが必要とされる、医療技術における使用のためには特に重要となる。

そのうえ、本発明による装置は、オペレータを必要とすることなく層を実現することができるという利点を有する。その理由は、処理室の数に対応する成形物の個数を、オペレータの介入なしに間断なく製造できるからである。

さらに、少なくとも１つのビーム偏向デバイスを処理室に直接位置決めることは、成形物を取り出して、必要に応じて処理室を次の加工処理のために変更または調整できるようにするため、第２すなわち次の処理室へのすぐれた近づき易さを提供する。

処理室の密封ロックされた構成はまた、直接隣接する転換作業、冷却工程、環境からの汚染物などの影響は全くなく、成形物を製造することが可能であるという利点を有する。

本発明の有利な構成によれば、各処理室が固化されていない成形材料のための抽出手段を有し、この抽出手段は少なくとも１つのバリア装置を含む。このバリア装置は、固化されていない成形材料の抽出がさらに別の処理室において実施されているときに、成形材料が、成形物の層化された製造を現在実施している処理室から抽出されないようにする。１つの処理室における加工処理工程は、隣接する処理室における加工処理工程から妨害されることなく、またこれらの工程とは独立して進行させることができる。

そのうえ、処理室に対して近い位置にバリア装置を配置することは、個別の粉体層を固めるための加工処理中に遮蔽ガス雰囲気が維持される、という利点を有する。これは処理の信頼性を増し、同時に遮蔽ガスの低消費しかなくなる。

本発明の別の有利な構成によれば、少なくとも２つの処理室のために１つのファンが備えられ、ファンと各処理室との間の抽出手段の中に少なくとも１つのバリア装置が設けられる。必要とされる全空間と費用を減らすために、例として、少なくとも２つの処理室のために働くように設計されたファンを準備する。これはまた構造の単純化を可能にする。処理室を密封ロックするため、およびこれらの処理室を互いに独立して動作させるために、少なくとも１つのバリア装置をファンと各処理室との間の抽出手段の中に配置し、これによって、ファンが動作すると吸引による抽出がこの処理室において実施され、この処理室の中では成形物が完全に作られているが、さらなる別の処理室については吸引による抽出はない。これによって、共通の構成部品が使用されるときに処理室が互いに影響し合うという可能性をなくすことができる。

処理室は複数の入口開口部を有し、入口開口部をバリア装置によって閉じることができるのは有利である。したがってバリア装置は処理室に直接割り当てられるので、さらなる破壊的な影響要因が排除される。入口開口部のバリア装置は、出口開口部のバリア装置と共に作動可能にすることもできる。

好ましい一実施態様によれば、バリア装置は少なくとも、成形室と粉体トラップと連絡している出口開口部に備えられている。これは処理室の密封ロックをもたらす。さらにまた、処理室の抽出中にかなりの容積流量を供給する給送開口部を備えることが可能で、同様にバリア装置によって閉鎖可能にすることも可能である。バリア装置のためには、手動抽出装置の出口開口部の中に備えられることが好ましい。この手動抽出装置は、粉体残留物の手動抽出のために使用される。したがって、密封ロックとファンの使用を最適化することができる。

各バリア装置を個別に、または制御演算ユニットによって各処理室のためにグループとして一緒に作動できることが好ましい。これによって、処理室と処理監視の自律動作が可能になる。

本発明の有利な一実施態様によれば、バリア装置がピンチ・バルブとして設計され、空気力学的に作動可能であることは好ましい。これらのピンチ・バルブは、事実上摩耗することなく、反応時間が短いという利点を有する。空気力学的作動の代替案として、流体力学的、電気的、または電磁的な作動を提供することも可能である。

そのうえ、各処理室を自律的にするために、固化されていない成形材料の抽出が分離装置やフィルタを含むようにすることは有利である。これによって、融解せず固化されていない成形材料は、例えば隣接する処理室からの別の材料から、不純物なしに再循環させることが可能になるので、使用材料を減らすこと、および同時に閉回路であるが故に処理された材料の純度を確証することが可能である。処理室から除去された粉体がさらにふるい分けなどによって処理されることは有利である。このさらなる処理または調製は、装置の中または外部に備えられた装置によって行われ、後者の外部選択の場合には、分離装置とのインタフェースを形成し、この目的のために収集容器を、粉体の外部精製および調製またはさらなる処理のために交換可能に設けることが好ましい。

本発明のさらに別の有利な構成によれば、少なくとも２つの処理室のための吸引ファンが備えられ、これはその都度、固化されていない成形材料を抽出するため、および処理室と好ましくは製造プラットフォームとの冷却のために、処理室に属する分離装置の下流に連結されている。これによって、それぞれの処理室において使用される成形材料の間の分離を維持するために、共通のファンを使用しながら固化されていない成形材料の隔離が可能になる。バリア装置を、処理室の近くのフィルタと分離装置の上流に備えることは好ましい。密封シールされた各処理室は、ビーム偏向デバイスに向いている閉鎖可能な開口部を通じて接近可能である。これは、ビーム偏向デバイスが別の処理室に位置決められるならば、処理室へのすぐれた近づき易さをもたらすことができる。

電磁放射を実質的に透過させ、かつ少なくとも１つの成形物を受け入れるためのリフティング・テーブルの上に備えた製造プラットフォームよりも少なくとも大きな領域を含む閉鎖可能な開口部を設けることは有利である。これは、電磁放射を導入するための十分な空間を作り出す。同時に、操作要員は処理室の目視検査と監視を行うことができる。閉鎖可能な開口部に備えられた透明領域は、好ましくは反射防止膜を備えた２つの表面を含むガラスから形成されることが好ましい。これは、製造しようとする層の上への放射線の最適ビーム導入と最適入射を可能にする。

処理室を密封ロックするために、成形材料を供給するための給送装置を、少なくとも成形材料が処理室の中に給送された後に処理室を閉じる位置に備えることは有利である。この構成によって、成形材料の融解中に空気の貫通による酸化を防止すること、および成形材料をさらに導入することによる不確定断面の積層を防止することができる。同時に、成形物の製造に続いて固化されていない成形材料を抽出する工程中に、積層を目的とする粉体が処理室の中に吸引されることを防止することができる。

処理室と開口部によって閉じることができるカバーとの間を密封する目的で、シールが備えられている。この結果、密封ロックのためのシールが簡単な方式で形成される。遮蔽ガスまたは不活性ガスが、層の製造中に処理室に供給され、処理室から排出される。閉鎖された処理室と管経路から結果として得られる閉回路が操業費を低減させる。

そのうえ、処理室を密封ロックするために、少なくとも１つのシール、または部品の密封構成を、成形物を受け入れるためのキャリアとキャリアの周りの成形室との間に備えるようにすることは有利である。融解中に、処理室は遮蔽ガスまたは不活性ガスによって満たされ、酸素が処理室に入ることを防止するために大気圧以上の圧力の下で動作する。

処理室を密封ロックするために、密封リングを有する包囲溝をキャリアの一部分であるリフティング・テーブルの上に配置することは有利である。この密封リング直径は、成形物の製造中に異なる加熱レベルの結果として密封接触を伴う構成が作られるように、僅かに可変であるように設計されることが好ましい。

密封リングが、成形室の周囲壁よりもかなりの程度摩耗する材料で形成されることは好ましい。この結果、成形室における密封された構成を達成するためには、多数回使用した後に密封リングを単に取り換えることで十分である。

成形室の周囲壁は、成形材料の表面硬度よりも高い表面硬度を有することが好ましい。この結果、メンテナンスの少ない成形室を形成することが可能になる。成形室が、好ましくはクロムめっきで表面コーティングされることが有利である。

そのうえ、第１シールを形成するために、密封リングまたはストリッパを製造プラットフォームの端面の隣接して備えるか、または端面に割り当てることが有利である。このストリッパはフェルト・リングとして設計されることが有利で、成形室の周囲壁と製造プラットフォームとの間の比較的大きな温度の変動を補償することができるという利点を有する。成形物の品質を向上するために製造プラットフォームを加熱し、こうして、製造プラットフォームと成形室の異なる膨張をもたらす温度差が、製造プラットフォームと成形室の周囲壁との間に生成し、ストリッパによって補償される。

そのうえ、処理室を密封ロックするために、リフティング・テーブルのリフティング・ロッドの上に備えられたシャフト・シールを備えるのが有利である。本発明の別の有利な構成によれば、個別の処理室に対して位置決めることができるビーム偏向デバイスが備えられる。これによって、共通のビーム源と共通のビーム偏向デバイスが処理室の数とは関係なく使用されるので、本発明による装置の製造費を低減させることが可能になる。

ビーム偏向デバイスの簡単で正確な位置決めのために、直線ガイドを備えることは有利であり、この直線ガイドに沿ってビーム偏向デバイスが変位可能であり、処理室に対する正確な位置決めができることは好ましい。直線ガイドはそれぞれの処理室の上で低い高さに配置されていることが有利であり、これによって、特に狭い幅の融解トラックを達成することを目的とした場合、成形物を作るために積層すべき層と偏向デバイスとの間の距離が短くなる。

本発明の一代替構成によれば、少なくとも２つの処理室がビーム偏向デバイスに対して変位可能に備えられる。例として、タレット構成形式を備えるか、または複数の処理室を一列に備えることが可能であり、これらの処理室は定置ビーム偏向デバイスに対して変位可能である。タレット状構成の場合には特に、ビーム源の非常に高い利用率と長期間にわたる成形物の無監督製造を達成することが可能である。

本発明の好ましい一実施形態によれば、少なくとも２つの密封ロックされた個別の処理室と、少なくとも２つの処理室に位置決めることができる１つのビーム源と１つのビーム偏向デバイスとを、１つの機械ハウジングの中に備えて、多室システムを形成するようになっている。この装置は、各処理室の自律的動作を確実にするこれらの構成要素が多様に設けられ、設備全体の機能に必要なこれらの構成要素が単に一回で備えられるという利点を有する。これによって、ビーム源の高い利用率を可能にして同時に生産費の点で最適化される装置を作ることができる。

特に、本発明による装置によれば、三次元成形物を製造するための工程を実施することが可能であり、三次元成形物の完全な製造は、完成した成形物の冷却と取出しを伴って第１処理室の中で実施され、さらに別の成形物を製造するための処理室の転換と調整が少なくとも第２処理室において並行して可能である。これは、成形物の経済的な製造のための条件を作り出す。さらにまた異なる材料を処理することも可能である。密封ロックされた処理室によって、成形物の製造、表面品質、低応力で亀裂のない製造に関する要件を満たすために、さまざまな工程パラメータを実行することができる。

本発明の好ましい一実施態様によれば、各処理室は、処理室の中に通じる少なくとも１つの入口開口部と、遮蔽ガスまたは不活性ガスのための処理室から出る少なくとも１つの出口開口部とを有する。この結果、適当な遮蔽ガスまたは不活性ガスを、成形物を積層するために使用される材料に応じて供給することができる。この結果、それぞれの処理室を互いに完全に独立して構成し、成形物製造の特定の要件に設定することができる。

本工程の有利な一実施態様によれば、少なくとも１つのさらに別の処理室のバリア装置が、固化されていない成形材料の抽出中、または処理室において製造された成形物の冷却中に、閉位置に保持されるようになっている。この結果、処理室は互いに密封ロックされ、それぞれの処理室において行われる実施中の加工ステップは互いに影響し合わない。これは装置の利用率を高め、成形物の品質を改善する。

さらに別の有利な実施態様が、さらに別の従属方法請求項に記載されている。

本発明と、本発明のさらなる有利な実施形態および改善内容を、図面に図解された実施例を基にして以下にさらに詳しく記載し説明する。本発明によれば、説明と図面の中で明らかにされる特徴は、それ自体およびあらゆる所望の組合せで使用することができる。

図１は、微粉成形材料の層を連続的に固めることによって三次元成形物を製造するための、本発明による装置１１を概略線図で示す。レーザ融解による成形物の製造は、例えばドイツ特許第１９６４９８６５Ｃ１号に記載されている。装置１１は、機械フレーム１４の中に配置されたレーザの形の直接ビームを放射するビーム源１６、例えば固体レーザを備えている。このビームは、例えば１つまたは複数の作動可能なミラーの形のビーム偏向デバイス１８を介して、処理室２１における加工平面上に偏向ビームとして集束される。ビーム偏向デバイス１８は、第１処理室２１と別の処理室２４との間の直線ガイド２２に沿ってモータ手段によって変位できるように配置されている。ビーム偏向デバイス１８は、駆動部の作動によって処理室２１、２４に対して正確な位置に移動することができる。さらに、機械フレーム１４は、装置１１を操作するため、および成形物を製造するために使用される加工工程の個別パラメータを設定するための、制御演算ユニット２６を設けている。

第１処理室２１と少なくとも１つの別の処理室２４は互いに別に配置され、互いに密封隔離されている。

図２は、処理室２１を例示的に断面で示す。処理室２１はハウジング３１を備え、少なくとも１つの閉鎖要素３３によって閉じることができる開口部３２を通じて接近可能である。閉鎖要素３３は、例えばトグル・レバー要素などの、ロック要素３４によって閉位置に固定できる回転可能カバーとして設計されることが好ましい。シール３６が、ハウジング３１の開口部３２の近くに備えられ、処理室２１を密封している。そのシールはエラストマ・シールとして形成されることが好ましい。閉鎖要素３３は、レーザ・ビームの電磁放射を透過させる領域３７を有する。上側と下側に反射防止膜を有するガラスまたは石英ガラスで作られた窓３８を使用することが好ましい。閉鎖要素３３は水冷設計とすることが好ましい。

処理室２１はベース面４１を備えている。成形室４２がこのベース面４１に向いて下から開いており、成形室４２の中にはキャリア４３が備えられ、上下動するように案内されている。キャリア４３は、リフティング・ロッドまたはリフティング・スピンドル４６によって上下方向に駆動される少なくとも１つのベースプレート４４を含む。この目的のために、取り付けられたリフティング・スピンドル４６を上下動させる駆動部４７、例えば歯付きベルト駆動部が備えられている。キャリア４３のベースプレート４４が流体媒質によって冷却される。この流体媒質は少なくとも製造中にベースプレート４４中の冷却通路を流れることが好ましい。機械的に安定した断熱材料によって作られた断熱層４８が、ベースプレート４４とキャリア４３の製造プラットフォーム４９との間に配置されている。これは、リフティング・スピンドル４６が製造プラットフォーム４９の加熱によって加熱されるのを防止し、キャリア４３の位置決めに関する効果も伴う。

成形材料５７を成形室４２の中に加える供給レベリング・デバイス５６が、処理室２１のベース面４１に沿って移動する。成形材料５７の選択的融解によって成形物５２の上に層が形成される。

成形材料５７は金属またはセラミックの粉体を含むことが好ましい。レーザ融解およびレーザ焼結に適した他の材料も使用される。個別の粉体の材料は、製造しようとする成形物５２に応じて選択される。

処理室２１は、一方の側に、遮蔽ガスまたは不活性ガスを供給するための入口ノズル６１を有する。反対側には、供給された遮蔽ガスまたは不活性ガスを除去するための抽出ノズルがある。成形物５２の製造中に、成形材料５７の融解中の酸化を避けるため、および閉鎖要素３３における窓３８を保護するため、遮蔽ガスまたは不活性ガスの層流を発生させる。密封ロックされた処理室は、例えば２０ｈＰａの大気圧以上の圧力に維持されることは好ましい。より高い圧力も可能である。これは、製造工程中に大気の酸素が外側から処理室２１の中に入ることができないことを意味する。遮蔽ガスまたは不活性ガスの循環中に、同時に冷却を実施することも可能である。遮蔽ガスまたは不活性ガスの冷却とろ過は、成形材料５７に伴う粒子を除去して処理室２１の外側に出すことが好ましい。

成形室４２は、円筒状の設計であることが好ましい。別の形状とすることもできる。キャリア４３または少なくともキャリア４３の部品は、成形室４２の形状に合致している。成形室４２の中では、キャリア４３が、層化製造を実施するためにベース面４１に対して下向きに移動する。成形室４２の高さは、成形物５２の製造される高さまたは最大高さに合致している。

成形室４２の周囲壁８３は、ベース面４１と直接連結され、下方に延びている。この周囲壁８３はベース面４１から垂下している。少なくとも１つの入口開口部１１２が周囲壁８３に備えられている。この入口開口部１１２は、ハウジング３１の外側でフィルタ１２６に接続された給送管路１１１と連絡している。周囲の空気が、フィルタ１２６と供給管路１１１とを介して、入口開口部１１２を通じて成形室４２の中に給送される。さらに、成形室４２は周囲壁８３の中に少なくとも１つの出口開口部１１３を有し、この出口開口部に排出管路１１４が連結され、この排出管路１１４はハウジング３１から出て、分離装置１０７へ開いている。分離装置１０７の下流にはフィルタ１０８があり、このフィルタ１０８は、連結管路１１８を介して成形室４２から排出された流れを排出する。入口開口部１１２と出口開口部１１３が互いに整列していることは有利である。開口部１１２、１１３を、高さの点および半径方向の給送位置の点で互いにずらして、または成形室４２の縦軸に直角に配置することも可能である。

製造プラットフォーム４９は、加熱板１３６と冷却板１３２から構成されている。加熱素子８７が加熱板１３６の中に点線で示されている。さらに、加熱板１３６は温度センサ（さらに詳細には図示せず）を備えている。加熱素子８７と温度センサが供給管路９１、９２に連結され、これらの供給管路はリフティング・スピンドル４６を通じて製造プラットフォーム４９に至っている。１つまたは複数の密封リング８２が中に固定されている周囲溝８１が、製造プラットフォーム４９の外周９３に備えられ、１つまたは複数の密封リング８２の直径を僅かに変えて、取付け状況と温度の変動に合わせることができる。１つまたは複数の密封リング８２は、成形室４２の周囲壁８３を圧迫する。この密封リング８２は、周囲壁８３よりも低い表面硬度を有する。周囲壁８３が、成形物５２のために提供される成形材料５７の硬度よりも高い表面硬度を有することは有利である。これによって、長い使用中に周囲壁８３に決して損傷を与えないようにすることが可能で、密封リング８２のみを摩耗部分としてメンテナンス間隔で取り替えるだけでよくなる。成形室４２の周囲壁８３を、例えばクロムめっきで表面被覆することは有利である。

ベースプレート４４は、少なくとも成形物５２が製造されている間に動作状態にある水冷システムを含む。冷却液は、リフティング・スピンドル４６を通じてベースプレート４４に達する冷却管路８６を介して、ベースプレート４４の中に備えられた冷却通路に給送される。準備される冷却媒体は水であることが好ましい。冷却によって、ベースプレート４４を例えば２０℃から４０℃までにある実質的に一定の温度に設定することができる。

成形物５２を受け入れるために、キャリア４３は、保持手段および／または方向付け支援手段によってキャリア４３に固定式または解除可能に位置決められた基板５１を有する。成形物５２の製造が始まる前に、成形物５２を低応力で亀裂なしに製造することができるように、加熱板１３６は３００℃と５００℃の間の動作温度にまで加熱される。温度センサ（さらに詳細には図示せず）は、成形物５２が製造されている間に加熱温度または動作温度を記録する。

製造プラットフォーム４９は、好ましくは製造プラットフォーム４９全体にわたって横切って延びる冷却通路１０１を有する。１つまたは複数の冷却通路４９を備えることが可能である。冷却通路１０１の位置は、例えば、例示的な実施形態によれば断熱層４８に隣接して図示されている。代替案として、冷却通路１０１を加熱素子８７の直下のみならず、加熱素子８７の上および／または間にも延在させることが可能である。

成形物５２が完成した後に、キャリア４３は、図２に示す位置から第１位置または冷却位置１２１に降下される。この位置は図３に示されている。キャリア４３が降下されている間でも、周囲環境からの容積流量を、フィルタ１２６と供給管路１１１を介して成形室４２に給送し、出口開口部１１３と排出管路１１４を介して成形室４２から排出することができる。成形室４２を、この段階で早急に、また成形物５２が製造されている間にも冷却することができる。

キャリア４３の冷却位置１２１は、製造プラットフォーム４２の冷却通路１０１が、成形室４２の周囲壁８３にある少なくとも１つの入口開口部１１２と少なくとも１つの出口開口部１１３と整列するようにされる。容積流量は冷却通路１０１を通って流れ、これによって少なくとも１つの製造プラットフォーム４９を冷却する。冷却をパルス吸引流によって実施することもできる。成形物５２の冷却速度は、パルス／休止比によって決定することができる。所定の期間だけ均一に冷却して、成形物５２内の内部応力の発生を最小限にすることは好ましい。冷却は、量的に連続して増減する容積流量によって行うこともできる。所望の冷却速度を得るために、増減を交互に繰り返すことも可能である。冷却速度は、加熱板１３６に備えられた温度センサによって記録できる。同時に、成形物５２の残留温度をこの温度センサから引き出すことができる。この冷却位置１２１は、成形物５２が例えば５０℃以下の温度に冷却されるまで維持される。同時に、ベースプレート４４をさらにこの位置１２１で冷却することができる。加えて、冷却通路または冷却ホースを準備して、成形室４２の周囲壁８３に隣接して、または成形室４２の周囲壁８３の中に設けることも可能で、これらの冷却通路または冷却ホースは成形室４２、成形物５２、キャリア４３の冷却にも貢献する。

成形物５２が所望の温度または事前設定温度に冷却された後に、キャリア４３は、図４に示すさらに別の位置または吸引位置１２８に移転される。例として示されたこの吸引位置１２８は、成形物５２の製造中に固化されなかった成形材料５７を特定の吸い出しによって除去するために使用される。成形室４２は、成形室４２を通って流れる吸引流が加えられる前に閉鎖要素１２３によって閉じられる。この閉鎖要素１２３は、閉鎖要素１２３を成形室４２にしっかり固定するために開口部３２に対して、または開口部３２の中で作用する固定要素１２４を有する。閉鎖要素１２３は、固化されていない成形材料５７の吸出しを監視することができるように透明な設計であることが好ましい。成形室４２を通って流れる吸引流は成形室４２の中に渦巻を発生させ、この結果、固化されていない成形材料５７は吸い出されて、分離装置１０７とフィルタ１０８に給送される。同時に、さらに吸引は成形室４２、成形物５２、製造プラットフォーム４９を冷却する責務がある。加えて、閉鎖要素１２３の中の少なくとも１つのノズルを介して、空気のさらなる供給を実施することができる。

成形材料５７の吸出しは、一定容積流量、パルス容積流量、または処理量が増減する容積流量によって動作可能である。吸出しは、所定の吸出し継続時間の後に、または操作スタッフによって設定可能な期間の後に終了する。

成形物５２を取り出すために、閉鎖要素１２３が成形室４２から除去され、キャリア４３が上位置に移動し、成形物５２は、取り出すことができるように処理室２１のベース面４１の上に少なくとも部分的に位置決められる。

図５は、給送装置７２を介して成形材料５７を処理室２１に給送するための例示的な実施形態を示す。この部分断面図は、収集容器または貯蔵容器（さらに詳細には図示せず）に連絡して成形材料５７を提供する給送通路７１を示している。給送装置７２は、スロット状開口部７４を有することが好ましいスライド７３を含み、スライド７３は、第１位置にあるときには成形材料５７を開口部７４に通すことができる。スライド７３が第２位置に位置決めされると、開口部７４の中に蓄積された成形材料５７は、ギャップ７６を介して供給レベリング・デバイス５６の中に運ばれ、次に供給レベリング・デバイス５６は、矢印７７で示す往復動の結果として成形材料５７を成形室４２の中に移す。過剰な成形材料５７はカットアウト７９を通って容器または粉体トラップ８０の中に排出される。カットアウト７９は、供給レベリング・デバイス５６の往復動のためにベース面４１の反転点に設けられている。したがって、成形材料５７が成形室４２の中に導かれると、ベース面４１には実質的に成形材料５７はない。給送装置７２のこの構成によって、処理室２８への成形材料５７の分割供給が可能になる。そのうえ、この給送装置７２は、成形材料５７を処理室２１の中へ事実上残留物なしに導くことができるので、ある成形材料５７から他の成形材料５７への急速で簡単な変更を可能にする。給送装置７２の構成に関するさらに別の解決策も同様に可能である。例として、成形材料５７の分割供給を、給送量を決定する制御可能な閉鎖要素とセンサ素子とによって実施することもできる。上記の供給レベリング・デバイス５６の代替物として、印刷工程の方式で成形材料５７を成形室４２の中に導く装置を使用することも可能である。

本発明による装置１１の概略平面図を示す図６を参照して、また先の図も参照して、２室または多室の原理を説明する。

各処理室２１、２４はフィルタ１２６を含み、このフィルタを通じて浄化された周囲空気が給送管路１１１を介して成形室４２に給送される。排出管路１１４は成形室４２から容積流量を排出し、この流れは、ハウジング３１の外側で分離装置１０７に給送される。分離装置１０７の下流にはフィルタ１０８が連結されている。そのうえ、処理室２１、２４はその都度、ハウジング３１から粉体トラップ８０の中に収集された成形材料５７を排出する管路１０６を含み、これを分離装置１０７または排出管路１１４に給送する。この管路１０６は、ハウジング３１における粉体トラップ８０の出口開口部と連絡しており、これを通じて不必要な成形材料５７は収集される。

各処理室２１、２４は、遮断弁として設計されたバリア装置１７６に割り当てられている。好ましい一実施形態では、これらのバリア装置１７６は、排出管路１１４の出口開口部１１３と粉体トラップ８０の出口開口部に備えられ、これらの中に、粉体を排出するための管路が開いている。そのうえ、これらのバリア装置１７６は、排出管路１１４の一管路区画と分離装置１０７の上流の管路１０６との間に備えられている。さらに、バリア装置１７６が、固化されていない成形材料５７の手動抽出用ノズル１１６の吸引管路１１７にも備えられるか、またはノズル１１６に割り当てられることも有利である。加えて、信頼性を高めるために、さらに別のバリア装置１７６を備えることも可能である。例として、給送管路１１１の入口開口部１１２にバリア装置１７６を備えることが可能である。さらにまた、さらなる安全機能を形成するために、その都度、処理室２１、２４からファン１０９の中に開く連結管路１１８の中にバリア装置１７６を備えることも可能である。

バリア装置１７６を別々に作動させるか、または機能群に組み合わせることができるので、作動は、成形物の製造、キャリアの冷却、および固化されていない成形材料５７の抽出などの、個別の作業工程に組み込まれる。これによって、例えば固化されていない成形材料５７の抽出中、または処理室２１におけるキャリア４３の冷却中に、処理室２４は、処理室２４のバリア装置１７６を閉じることによって処理室２１から確実に密封ロックされる。使用されるバリア装置１７６は、使用寿命が長いピンチ・バルブであることが好ましい。

バリア装置１７６は、成形室４２におけるキャリア４３の位置に応じて作動されることが好ましい。さらにまた、バリア装置１７６を作動するための信号を、ファン１０９を作動するための信号と結合させることも可能である。すべてのバリア装置１７６をその停止位置に閉じて、処理室２１、２４における吸引および／または冷却中に必要とされるバリア装置１７６だけを開くようにすることが好ましい。

さらにまた、処理室２１、２４と処理室２１、２４の他の周辺を手動で清浄化するためのノズル１１６を有する吸引管路１１７は、分離装置１０７の中に開いている。

ノズル１１６またはそのノズル１１６を受け入れるためのフレームにはセンサ素子が備えられており、このセンサ素子は、吸引による手動抽出のためにノズル１１６がホルダから除去されるときに、自動的にファン１０９をオンに切り換えるので、ノズル１１６の作動準備ができた状態となる。さらなるバリア装置１７６は閉じたままである。

さらに、少なくとも２つの処理室２１、２４の各々は、ハウジング３１の中およびハウジング３１における構成要素を冷却する個別の冷却システム１０３（図１）を有することが好ましい。

したがって、成形室４２から排出された空気／ガスと排出された成形材料５７は各々、各処理室２１、２４に割り当てられた分離装置１０７と、その下流に連結されたフィルタ１０８に給送される。分離装置１０７は収集容器を含み、この中に排出された成形材料５７が収集される。この収集された成形材料５７を、分離装置１０８と収集容器の間に配置されたシーブによって浄化することができ、または、成形物５２のさらなる製造のために給送装置７２を介して後で使用するために、外部調製設備に給送することができる。各処理室２１、２４のために準備される個別の吸引は、成形材料５２の混合または汚染を防止しながら、異なる成形材料の使用を可能にする。特に、バリア装置１７６は、各処理室２１、２４のために形成されたそれぞれの回路が互いに影響し合うこと、または互いに混合することを防止する。

さらに、本発明による装置が、各処理室２１、２４のために備えられて、それぞれの吸引システムの中に少なくとも部分的に統合された消火設備を有することは有利である。吸引システムの中には、吸引システム内の温度を監視する温度監視素子がある。成形材料５７に設定して適合することができる限界値を超えると直ちに、この監視素子は緊急停止信号を制御演算ユニット２６に発信する。するとファン１０９は遮断される。同時に管路１０６、１１４、１１７、１１８は、フィルタ１０８と分離装置１０７と同様に、遮蔽ガスまたは不活性ガスによって満たされ、バリア装置１７６は閉じられる。この処置の結果、可能な燃焼に必要な酸素は遮蔽ガスによって置き換えられる。この消火装置は、清浄化工程に続いてすべての構成部分を成形物５２のさらなる製造に使用することができるという利点を有する。

少なくとも２つの処理室２１、２４が、１つのファン１０９によって共に動作させられる。このファン１０９はラジアル・ファンとして設計されることが好ましく、連結管路１１８を介して処理室２１、２４のそれぞれの分離装置１０７とフィルタ１０８に連結されている。処理室２１、２４のこの有利な配置と構成、さらには構成部品の割当てやバリア装置１７６の組込みによって、処理室２１、２４は自律的になり密封ロックされることが可能になる。共通のビーム源１６と共通のビーム偏向デバイス１８も備えられている。さらに別の構成要素が、処理室２１、２４の個数に対応する個数だけ備えられ、成形材料５７および遮蔽ガスまたは不活性ガスの両方のために閉材料回路を作ることを可能にする。

成形物５２が処理室２１の中で成形され製造されている間に、少なくとも別の処理室２４において、隣接する１つまたは複数の処理室が影響されることなく、切り替え作業を実施すること、または固化されていない成形材料５７を吸い出すこと、および／または成形物５２を冷却することが可能である。これによってビーム源１６の最適利用が可能になる。加えて、異なる成形材料５７と製造パラメータの異なる成形物５２を各処理室２１、２４において製造することができる。

上述の原理は２室システムに限られるものではない。そうではなく、３つまたはそれ以上の処理室２１、２４と互いに関連させることも可能である。ビーム偏向デバイス１８は、そらされたビームを加工平面中の望みの個所に案内するために、その都度処理室２１、２４に対して位置決めることができる。代替案として、ビーム源１６とビーム偏向デバイス１８を定置式に設計すること、および処理室２１、２４をビーム偏向デバイス１８に対して移動させることも可能である。例として、タレット装置も考えることができる。この構成では、ビーム偏向デバイス１８および／または放射線源１６および処理室２１、２４の両方を、互いに変位可能に配置することも可能である。

本発明による装置の概略側面図である。 成形物を製造中の、加工位置における処理室の概略断面図である。 冷却位置にある、成形物の製造後の図２に示す処理室の概略側面図である。 抽出位置にある、成形物の製造後の図２に示す処理室の概略断面図である。 給送装置を有する処理室の概略部分断面図である。 ２つの処理室と関連構成要素間の連結を示す概略図である。

符号の説明

…１４…機械フレーム、１６…ビーム源、１８…ビーム偏向デバイス、２１…第１処理室、２２…直線ガイド、２４…第２処理室、２６…制御演算ユニット、２８…処理室、３１…ハウジング、３２…開口部、３３…閉鎖要素、３４…ロック要素、３６…シール、３８…窓、４１…ベース面、４２…成形室、４３…キャリア、４４…ベースプレート、４６…リフティング・スピンドル、４７…駆動部、４８…断熱層、４９…製造プラットフォーム、５１…基板、５２…成形物、５６…供給レベリング・デバイス、５７…成形材料、６１…入口ノズル、７１…給送通路、７２…給送装置、７３…スライド、７４…スロット状開口部、７６…ギャップ、７９…カットアウト、８０…粉体トラップ、８１…周囲溝、８２…密封リング、８３…周囲壁、８７…加熱素子、９１…供給管路、９２…供給管路、９３…外周、１０１…冷却通路、１０７…分離装置、１０６…管路、１０８…フィルタ、１０９…ファン、１１１…供給管路、１１２…入口開口部、１１３…出口開口部、１１４…排出管路、１１６…ノズル、１１７…吸引管路、１１８…連結管路、１２１…冷却位置、１２３…閉鎖要素、１２４…固定要素、１２６…フィルタ、１２８…吸引位置、１３２…冷却板、１３６…加熱板、１７６…バリア装置

Claims (25)

1. 微粉成形材料（５７）の層を連続的に固めることによって三次元成形物を製造するための装置において、微粉成形材料（５７）は成形物（５２）のそれぞれの断面に対応した位置において電磁放射または粒子放射線によって固化され、ビームを発生させるためのビーム源（１６）と、固化しようとする層の上にビームを偏向させるためのビーム偏向デバイス（１８）とを有し、形成しようとする成形物（５２）を受け入れるために処理室（２１）の中に配置された成形室（４２）の中にキャリア（４３）を有する、装置であって、
   少なくとも２つの処理室（２１、２４）が備えられ、
   各処理室（２１、２４）が密封式に閉じられ、その際、隣接する処理室（２４、２１）が分離されるように設計されていること、および
   ビーム偏向デバイス（１８）と少なくとも２つの処理室（２１、２４）が、互いに１つの処理位置に位置決めされること
   を特徴とする装置。
2. 各処理室（２１、２４）が、固化されていない成形材料（５７）のための抽出手段を有し、この抽出手段は少なくとも１つのバリア装置（１７６）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも２つの処理室（２１、２４）のファン（１０９）が備えられ、ファン（１０９）と各処理室（２１、２４）との間で、抽出手段の中に少なくとも１つのバリア装置（１７６）が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 処理室（２１、２４）が、バリア装置（１７６）によって閉鎖可能な少なくとも１つの入口開口部を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
5. バリア装置（１７６）が少なくとも１つの出口開口部の中に設けられ、出口開口部は、成形室（４２）、粉体トラップ（８０）、好ましくは手動抽出のためのノズル（１１６）と連絡していることを特徴とする請求項２から４までのいずれか一項に記載の装置。
6. バリア装置（１７６）が、制御演算ユニット（２６）によって各処理室（２１、２４）のために個別にまたは群として作動させられることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一項に記載の装置。
7. バリア装置（１７６）がピンチ・バルブとして設計され、好ましくは空気力学的、電気的、電子的、電磁的、または流体力学的に作動可能であることを特徴とする請求項２から６までのいずれか一項に記載の装置。
8. 処理室（２１、２４）が密封式に封止され、閉鎖可能な開口部（３２）を通じて接近可能であり、開口部（３２）が、ビーム偏向デバイス（１８）に向いており、電磁放射を透過する領域（３７）を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
9. 給送装置（７２）が、微粉成形材料（５７）の給送の後に、少なくとも処理室（２１、２４）を閉じる位置に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
10. 処理室（２１、２４）が、処理室（２１、２４）の中に通じる少なくとも１つの入口ノズル（６１）と、好ましくは遮蔽ガスまたは不活性ガスのために処理室（２１、２４）から出ている少なくとも１つの出口ノズル（６２）とを有することを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも１つのシール（８２、９４、９７）が、成形室（４２）のキャリア（４３）とそのキャリア（４３）を取り囲む周囲壁（８３）との間に備えられていることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
12. シール（８２）がグラファイト材料から形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 成形室（４２）の周囲壁（８３）が、キャリア（４３）と、そのキャリア（４３）の中に配置された少なくともシール（８２）、またはキャリア（４３）の成形室（４２）に向いている周囲表面に面し、周囲壁（８３）は、キャリア（４３）のシール（８２）または周囲表面における摩耗を生成する材料の組合せを含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 成形室（４２）の周囲壁（８３）の表面硬度が、成形材料（５７）の表面硬度よりも高くなるように設計されていることを特徴とする請求項１１または１３に記載の装置。
15. 端面（９６）に隣接するかまたは端面（９６）に近い製造プラットフォーム（４９）がストリッパ要素（９７）を有し、ストリッパ要素（９７）は成形室（４２）の周囲壁（８３）をシールとして圧迫することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. ストリッパ要素（９７）がフェルト・リングとして設計されていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 固化されていない成形材料（５７）のために処理室（２１、２４）に割り当てられた抽出手段が、少なくとも分離装置（１０７）とフィルタ（１０８）とを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
18. 少なくとも２つの処理室（２１、２４）のためにファン（１０９）が備えられ、ファン（１０９）はその都度、処理室（２１、２４）に属する分離装置（１０７）とフィルタ（１０８）の下流に連結されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
19. 各処理室（２１、２４）が成形材料（５７）のために個別の貯蔵給送装置（７２）を含むことを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
20. ビーム偏向デバイス（１８）が、少なくとも２つの処理室（２１、２４）の間に変位可能に配置されていることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
21. 少なくとも２つの処理室（２１、２４）が、ビーム偏向デバイス（１８）に対して変位されることを特徴とする請求項１から２０までのいずれか一項に記載の装置。
22. 特に前記請求項の一項または複数項に記載の装置を使用して、三次元成形物を製造する方法であって、第１処理室（２１）における製造が、電磁放射または粒子放射線によって固化される微粉成形材料（５７）の層を連続的に固めることによって実施され、成形物（５２）を製造し、少なくとも第２処理室（２４）においては、少なくとも冷却、固化されていない成形材料（５７）の抽出、完成された構成要素の取出し、新しい成形物（５２）を製造するための変更または調整が実施されることを特徴とする方法。
23. 処理室（２１、２４）において成形物（５２）の製造が完了した後に、ビーム偏向デバイス（１８）が、積層による成形物（５２）の製造のために事前に変更および調整された少なくとも１つの別の処理室（２１、２４）に変位させられることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 少なくとも成形物（５２）の成形のために層を連続的に固める間に、遮蔽ガスまたは不活性ガスが各処理室（２１、２４）を通って流れることを特徴とする請求項２２または２３記載の方法。
25. 少なくとも１つのさらに別の処理室（２１、２４）のバリア装置（１７６）が、少なくとも固化されていない成形材料（５７）の抽出中、または処理室（２１、２４）における製造された成形物（５２）の冷却中に、閉位置に保持されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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