JP2016519711A - 選択的レーザ溶融粉末床付加製造プロセスのための中断なしのフィルタリングシステム - Google Patents

Abstract

固体自由形状製造システムは、粉末ベースの付加製造装置を収容する製造チャンバを含む。製造チャンバは環境制御チャンバに接続される。環境制御チャンバは、ファン、フィルタ、及び不活性ガス源を含む環境制御装置を収容する。環境制御チャンバと製造チャンバとの間の相互接続部は、不活性な、汚染のない製造環境を可能にする。

Description

本発明は、一般に、付加製造の分野に関する。特に、本発明は、付加製造環境での雰囲気制御に関する。

付加製造は、仕上がり部分が複数の薄い材料シートの層状構造によって作製されることで特徴付けられる分類区分の製造方式を指す。付加製造は、液体材料又は粉末材料を加工台に適用し、次いで、層を作製するべく焼結、硬化、溶融、及び／又は切断のいくつかの組み合わせを行うことを含む場合がある。プロセスは、所望の仕上がり部品又は物品を構築するために数千回まで繰り返される。

種々のタイプの付加製造が公知である。例は、光造形法（硬化された感光性液体の層からオブジェクトを付加製造する）、電子ビーム溶融（供給原料として粉末を使用し、電子ビームを使用して粉末を選択的に溶融する）、レーザ付加製造（供給原料として粉末を使用し、レーザを使用して粉末を選択的に溶融する）、及びレーザオブジェクト製造（材料の薄い固体シートを加工台の上に適用し、望ましくない部分を切除するためにレーザを使用する）を含む。

付加製造プロセスは、通常、製品を劣化又は汚染から保護するために管理された環境を必要とする。不活性な或いはその反対で非反応性のガス流の雰囲気が典型的である。アルゴン、窒素、及び一部の例では真空環境が、当該技術分野で公知である。付加製造プロセスの環境制御システムは、システムの重要な構成要素である。

固体自由形状製造システムは、粉末ベースの付加製造装置を収容する製造チャンバを含む。製造チャンバは環境制御チャンバに接続される。環境制御チャンバは、ファン、フィルタ、及び不活性ガス源を含む環境装置を収容する。環境制御チャンバと製造チャンバとの間の相互接続部は、不活性な、汚染のない環境で製造が進むことを可能にする。

固体自由形状オブジェクトを製造する方法は、製造チャンバを環境制御チャンバに接続することによって製造チャンバ内に不活性な汚染のない環境を生み出すことを含む。不活性環境は、環境制御チャンバ内の環境制御装置から濾過された不活性ガスを製造チャンバとの相互接続部を通して製造チャンバに吹き込むことによって、製造チャンバを通して循環される。環境制御装置のフィルタが詰まった場合、中断なしに製造が進むようにするために製造チャンバに別の環境制御装置が接続される。

付加製造構成の概略図である。 本発明の製造チャンバでの例示的な付加製造プロセスの概略図である。 冗長雰囲気制御を有する付加製造構成の概略図である。

図１は、付加製造プロセスの概略図である。プロセス１０は、付加製造によって固体自由形状オブジェクトを造形する装置を収容する製造チャンバ１２を含む。本発明に係るオブジェクトを製作する実施形態は、直接レーザ焼結（ＤＬＳ）製造、直接レーザ溶融（ＤＬＭ）製造、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）製造、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）製造、レーザエンジニアリングネットシェイピング（ＬＥＮＳ）製造、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）製造、直接金属堆積（ＤＭＤ）製造、及び当該技術分野では公知の他の製造によって造形される場合がある。

製造は、製造制御システム１４によって制御される。制御システム１４は、製造チャンバ１２での付加製造プロセスの全自動制御、半自動制御、又は手動制御を可能にする。

製造チャンバ１２内の製造環境は、環境制御チャンバ１８によって制御される。環境制御チャンバ１８は、構造的一体性、寸法精度、及び要求される表面仕上げを有する傷のない固体自由形状オブジェクトを造形するのに必要とされる環境を提供する。本発明の粉末ベースの付加製造プロセスは粉末供給原料の部分的又は完全な溶融を必要とするので、保護雰囲気がほとんどの場合に必要とされる。保護雰囲気は、アルゴン、ヘリウム、窒素、又はそれらの混合物などの不活性な又は反応性の低いガスを含む場合がある。他の場合には、真空環境が必要とされることがある。

環境制御チャンバ１８は、例えば矢印２１の方向にダクト２０を通してチャンバ１２に不活性ガスを充填することによって、チャンバ１２内に不活性なビルド雰囲気を提供する。ガスは、チャンバ１８のブロワシステム１１８でチャンバ１２の中に輸送される。新鮮な環境を絶えず提供するために、ダクト２０内のチャンバ１２に入るガスは、矢印２３の方向にダクト２２を通して環境制御チャンバ１８に戻される。ダクト２２を通して戻されるガスは、付加製造ビルドプロセスから遊離した粉末を自然に含有する。結果として、ダクト２０を通してチャンバ１２に入るガスは、フィルタされる必要がある。フィルタシステム１２０は、粉末ベースの付加製造のための環境制御チャンバ１８の必要とされる構成要素である。ブロワ１１８、バルブ１２２、及び不活性ガス源１２４などの環境制御チャンバ１８のすべての構成要素は、環境制御システム２４によって自動的に、半自動的に、又は手動で制御される場合がある。環境制御システム２４と製造チャンバ制御システム１４との両方は、システム１０全体の自動制御、半自動制御、及び手動制御をもたらすことができるマスター制御システム１６の制御下にある。

本発明の実施形態が図２に例示され、製造チャンバ１２内に格納された選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）装置４０が示される。ＳＬＳ装置４０は、粉末貯蔵チャンバ４２、ビルドチャンバ４４、レーザ４６、及び走査ミラー４８を備える。ＳＬＳ装置４０の稼働中に、粉末５０が、ピストン５２によって上方に送られ、ローラ５６によってビルドプラットフォーム５４の上に広げられる。粉末５０がビルドプラットフォーム５４上に平らな層として広げられた後で、レーザ４６及び走査ミラー４８が、ＳＴＬメモリファイルに記憶されたオブジェクト６０のコンピュータモデルに従ってレーザビームをビルドプラットフォーム５４の上に誘導し、粉末５０の選択的領域を焼結して、固体オブジェクト６０の単一の層５８を形成し、焼結された領域を下にあるプラットフォームに付着させるように作動される。次のステップで、ローラ５６が開始位置に戻され、ピストン５２が粉末の別の層を露出させるべく前進し、ビルドプラットフォーム５４が１層分の厚さだけ下方に下がる（index down)。次いで、ローラ５６が、選択的に焼結された領域を含むビルドプラットフォーム５４の表面の上に粉末５０を広げる。レーザ４６及び走査ミラー４８が作動され、堆積された層の選択的領域が再び焼結され、下にある層に接合される。プロセスは、固体自由形状部分６０が完成するまで繰り返される。プロセス４０は、固体自由形状製造プロセスの単なる例であって、本発明を当該技術分野で公知のどのような単一のプロセスにも限定することを意図していない。

固体自由形状製造プロセスのビルド時間の持続時間は、加工物材料、粉末送りシステム、焼結機構、雰囲気純度、及び他の多くの因子に依存する。一部の例では、ビルドプロセスの時間が、環境制御装置１８のフィルタが完全に詰まるのにかかる時間を超えることがある。その場合、フィルタが取り替えられる間、ビルドが中断される必要があり、製造環境が酸素又は他の望ましくない化学種によって汚染されることがある。中断は、構築中の部分に取り返しのつかない損傷をもたらす場合がある。

この問題に対処する実施形態が図３に示される。改善された付加製造プロセス５０は、フィルタ故障に起因して環境制御装置１８が稼働を止める場合に追加の雰囲気制御を提供するべくシステム１０に制御システム３２が追加された、環境制御チャンバ２６を含む。フィルタシステム１２６、ブロワ１２８、バルブ１３０、不活性ガス源１３２、及び制御システム３２を含む環境制御チャンバ２６は、環境制御チャンバ１８及び制御システム２４と同一である場合がある。このシステムは、ダクト２８及び３０によって製造チャンバ１２に及びマスター制御システム１６に相互接続され、不活性ガスは、図示されるように、矢印２９の方向にダクト２８を通して製造チャンバ１６に入り、矢印３１の方向にダクト３０を通して環境制御装置２６に戻る。

ビルド中に、環境制御チャンバ１８が稼働を止める場合に、環境制御チャンバ１８をシャットダウンすることができ、環境制御チャンバ２６を、中断なしに環境のサポートを提供するべく稼働させることができ、これにより、任意の持続時間の固体自由形状のビルドを行うことが可能となる。環境制御チャンバ１８及び２６と、対応する制御システム２４及び３２は、それぞれ、遠隔の自立型のユニットとして図３に示される。他の実施形態では、それらは、設計による要求に応じて、単一の遠隔の構造体内に格納される場合があり、又は製造チャンバ１２に組み込まれる場合がある。２つだけの環境制御ユニットが示されているが、他のものが必要に応じて追加されてもよい。

（可能な実施形態の説明）
以下は、本発明の可能な実施形態の排他的でない説明である。

固体自由形状オブジェクト製造システムは、粉末ベースの付加製造装置を収容する製造チャンバと、環境制御装置を収容する第１の環境制御チャンバと、製造チャンバと環境制御チャンバとの間の相互接続部とを含むことができる。

上記項のシステムは、随意的に、付加的に、及び／又は代替的に、以下の特徴、構成、及び／又は付加的な構成要素のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。

付加製造装置は、直接レーザ焼結装置、直接レーザ溶融装置、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ溶融装置、レーザエンジニアドネットシェイピング装置、電子ビーム溶融装置、及び直接金属堆積装置からなる群から選択される場合がある。

環境制御装置は、少なくともブロワ、フィルタ、制御システム、及び不活性ガス源を含む場合がある。

不活性ガス源は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、及びそれらの混合物を含む場合がある。

相互接続部は、配管、バルブ、及び制御システムを含む場合がある。

バルブ操作は、自動、半自動、又は手動オーバーライドである場合がある。

環境制御装置のフィルタは、フィルタの詰まりに起因する有限の寿命を有する場合がある。

少なくとも第２の環境制御チャンバがシステムに追加される場合がある。

追加された環境制御チャンバは、製造チャンバに相互接続される場合がある。

相互接続部は、配管、バルブ、及び制御システムを含む場合がある。

バルブ操作は、自動、半自動、又は手動オーバーライドである場合がある。

自由形状オブジェクトを製造する方法は、環境制御チャンバを製造チャンバに接続することによって製造チャンバ内に不活性環境を生み出すことと、環境制御チャンバ内の第１の環境制御装置から濾過された不活性ガスを製造チャンバとの相互接続部を通して吹き込むことによって製造チャンバを通して不活性環境を循環させることと、自由形状オブジェクトを造形するのにかかる時間にわたって製造チャンバ内の付加製造装置を稼働させることと、稼働時間が第１の環境制御装置のフィルタが詰まるのにかかる時間を超える場合に、ビルドを確実に成功させるために、不活性ガスの流れを途切れさせることなく製造チャンバとの相互接続部を通じて不活性ガス源を第２の環境制御チャンバ内の第２の環境制御装置に切り換えることと、を含む。

上記項の方法は、随意的に、付加的に、及び／又は代替的に、以下の特徴、構成、及び／又は付加的な構成要素のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。

第１の環境制御装置及び第２の環境制御装置は、少なくともブロワ、フィルタ、制御システム、及び不活性ガス源を含む場合がある。

環境制御装置のフィルタは、フィルタの詰まりに起因する有限の寿命を有する場合がある。

製造チャンバと環境制御チャンバとの間の相互接続部は、配管、バルブ、及び制御システムを含む場合がある。

バルブ操作は、自動、半自動、又は手動オーバーライドである場合がある。

付加製造装置は、直接レーザ焼結装置、直接レーザ溶融装置、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ溶融装置、レーザエンジニアドネットシェイピング装置、電子ビーム溶融装置、及び直接金属堆積装置からなる群から選択される場合がある。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されているが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変化が加えられてもよいことが当業者には分かるであろう。

この問題に対処する実施形態が図３に示される。改善された付加製造プロセス５０は、フィルタ故障に起因して環境制御装置１８が稼働を止める場合に追加の雰囲気制御を提供するべくシステム１０に制御システム３２が追加された、環境制御チャンバ２６を含む。フィルタシステム１２６、ブロワ１２８、バルブ１３０、不活性ガス源１３２、及び制御システム３２を含む環境制御チャンバ２６は、環境制御チャンバ１８及び制御システム２４と同一である場合がある。このシステムは、ダクト２８及び３０によって製造チャンバ１２に及びマスター制御システム１６に相互接続され、不活性ガスは、図示されるように、矢印２９の方向にダクト２８を通して製造チャンバ１２に入り、矢印３１の方向にダクト３０を通して環境制御装置２６に戻る。

Claims (17)

1. 固体自由形状オブジェクト製造システムであって、
   粉末ベースの付加製造装置を収容する製造チャンバと、
   環境制御装置を収容する第１の環境制御チャンバと、
   前記製造チャンバと前記第１の環境制御チャンバとの間の相互接続部と、
   を備えるシステム。
2. 前記付加製造装置が、
   直接レーザ焼結装置と、
   直接レーザ溶融装置と、
   選択的レーザ焼結装置と、
   選択的レーザ溶融装置と、
   レーザエンジニアドネットシェイピング装置と、
   電子ビーム溶融装置と、
   直接金属堆積装置と、
   からなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記環境制御チャンバが、少なくともブロワ、フィルタ、制御システム、及び不活性ガス源を収容する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記不活性ガス源が、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、及びそれらの混合物を含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記相互接続部が、配管、バルブ、及び制御システムを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記バルブ操作が、自動、半自動、又は手動オーバーライドである、請求項３に記載のシステム。
7. 前記環境制御チャンバのフィルタがフィルタの詰まりに起因する有限の寿命を有する、請求項３に記載のシステム。
8. 少なくとも第２の環境制御チャンバが前記製造チャンバに相互接続される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記相互接続部が、配管、バルブ、及び制御システムを含む、請求項７に記載のシステム。
10. 前記バルブ操作が、自動、半自動、又は手動オーバーライドである、請求項７に記載のシステム。
11. 自由形状オブジェクトの製造方法であって、
    第１の環境制御チャンバを製造チャンバに接続することによって前記製造チャンバ内に不活性環境を生み出すことと、
    第１の環境制御チャンバから濾過された不活性ガスを前記製造チャンバとの相互接続部を通して吹き込むことによって前記製造チャンバを通して不活性環境を循環させることと、
    自由形状オブジェクトを造形するのにかかる時間にわたって前記製造チャンバ内の付加製造装置を稼働させることと、
    前記稼働時間が前記第１の環境制御チャンバのフィルタが詰まるのにかかる時間を超える場合に、ビルドを確実に成功させるために、前記不活性ガスの流れを途切れさせることなく前記製造チャンバとの相互接続部を通じて第２の環境制御チャンバに切り換えることと、
    を含む、方法。
12. 前記第１の環境制御チャンバ及び前記第２の環境制御チャンバが、それぞれ、少なくともブロワ、フィルタ、制御システム、及び不活性ガス源を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記環境制御チャンバのフィルタがフィルタの詰まりに起因する有限の寿命を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記製造チャンバと前記環境制御チャンバとの間の前記相互接続部が、配管、バルブ、及び制御システムを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記バルブ操作が、自動、半自動、又は手動オーバーライドである、請求項１４に記載の方法。
16. 前記付加製造装置が、
    直接レーザ焼結装置と、
    直接レーザ溶融装置と、
    選択的レーザ焼結装置と、
    選択的レーザ溶融装置と、
    レーザエンジニアドネットシェイピング装置と、
    電子ビーム溶融装置と、
    直接金属堆積装置と、
    からなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
17. 前記製造チャンバ及び前記環境制御チャンバがマスター制御システムの制御下にある、請求項１１に記載の方法。

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