JP2016532781A - 粉体材料の選択的固化処理によりオブジェクトを構築するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、粉体材料の層状溶融によって、オブジェクトを構築するための、付加製造装置に関する。装置は、構築プラットフォーム（１０２）を含む構築チャンバ（１０１）、構築プラットフォーム（１０２）を横切って複数の層に粉体材料（１０４）を堆積させるための粉体ディスペンサ（１０８、１０９）、各層の粉体材料（１０４）を選択的に溶融するための高エネルギービーム、構築のために特定された粒径上限未満である、粉体材料中の構築粒子によって与えられる粉体材料の特性を制御するための制御装置を含む。本発明はまた、構築のために特定された粒径上限未満である、粉体材料中の構築粒子によって与えられる、粉体材料の特性、例えば、粒径分布を、構築の間、制御することを含む方法に関する。本発明はまた、連続的な構築を行う方法にも関し、構築の間に、構築のために特定された粒径上限未満である、粉体材料中の構築粒子によって与えられる、粉体材料の特性に影響を及ぼすために、粒子が、粉体材料に追加され、又は、粉体材料から削除される。本発明は、特に、微小構築粒子、例えば、１０、５又は１μｍの粒子未満の粒子の十分な割合が、粉体中に存在することを確実にするために、粒子を添加し、又は、除去することに関する。

Description

本発明は、粉体材料の選択的な固化処理によってオブジェクトを構築するための装置及び方法に関する。

オブジェクトを製造するための選択的な固化処理方法は、レーザービーム又は電子ビームのような高エネルギービームを用いて、金属粉体材料のような、材料の一層ずつの固化処理を含む。粉体層は、構築チャンバ内で粉体ベッドに堆積され、ビームが、構築されるオブジェクトの断面に対応する、粉体層の部分を横切って走査される。ビームは、固化層を形成するために、粉体を溶融又は焼結する。層の選択的な固化処理後に、必要に応じて、粉体ベッドは、新たに固化処理される層の厚みで下降させられ、粉体のさらなる層が、表面上に広げられ、固化処理される。

選択的固化処理装置は、構築チャンバから、粉体層に形成するための粉体を投与する粉体分配装置に、粉体を再循環させるための再循環ループを含み得る。オブジェクトの構築が、粉体再循環ループを用いて、装置内で進行するにつれ、構築の品質が変化することが知られている。

特許文献１は、未使用の粉体が、構築の終了時にレーザー焼結機から取り出され、後続の構築のために、レーザー焼結機において再利用される前に、別の機械／装置で処理される、システムを開示する。処理は、粉体材料を変更すること、例えば、限定された粒径未満の粒子を除去することを含む。しかしながら、粉体材料の移送で、粉体材料の汚染、例えば、酸化を避けるために、粉体を移送するために使用される、全ての装置およびホース中で、十分な質の不活性雰囲気を維持することが必要である。「微粉」と呼ばれる小さな粉体粒子は、比較的大きな表面積が、そのような粒子を、高い反応性にするため、大気の質の小さな差に、特に敏感である。

特許文献２は、伝えられるところでは、完全に緻密である焼結部を形成するために、粉体が、選択的レーザー焼結機で、焼結されることを可能にする、レーザー焼結性粉体を開示する。粒子の数の少なくとも８０％が、１１μｍから５３μｍであり、粒子の５％未満が、１８０μｍより大きい。

特許文献３は、成分分析装置、ミキサー、及び、材料補充ユニットを有する、粉体回収路を含む装置を開示する。回収された粉体の粒径分布が、元の粉体と異なる場合には、必要なサイズの粒子が、回収された粉体に添加され得る。微小粒子は、回収された粉体材料から飛散によって失われる傾向があるので、大径の粒子よりはむしろ、大量の微小粒子を材料に混合することが好ましい。サンプリング中に、成分分析装置が、材料の分析に加えて、細かさを計測することが好ましく、計測された粒子の細かさは、元の粉体の粒子の細かさと比較され、添加される材料及び量を決定する。

米国特許出願公開第２０１０／０１９２８０６号明細書 米国特許第５５２７８７７号明細書 特開２００５−３３５１９９号公報 国際公開２０１０／００７３９６号

本発明は、粉体ベッドを溶融するのに必要なエネルギーを制御することに特別の適応性を有する。

本発明の第一の態様によれば、粉体材料の層ごとの溶融によってオブジェクトを構築するための付加製造装置が提供され、装置は、構築プラットフォームを含む構築チャンバ、構築プラットフォームを横切って、複数の層に粉体材料を堆積させるための粉体ディスペンサ、各層の粉体材料を選択的に溶融するための高エネルギービーム、及び、構築のために特定された粒径上限以下である前記粉体材料中の構築粒子によって与えられる、前記粉体材料の特性を制御するための制御装置を含む。

粉体材料の特性を制御することは、構築又は連続構築の間、構築品質を維持し得る。特に、粉体材料が、粒径上限以下（いわゆる構築粒子）である粒子を含有するのみであること（又は少なくとも主として含有すること）を確認した後でさえ、残りの粉体材料の他の特性は、構築品質に影響を与え得る。したがって、これらの特性の一つ以上を、所望の範囲内にあるように制御することは、構築品質を向上させ得る。付加製造装置の一部として制御装置を有することによって、粉体材料は、汚染を避けるために、構築チャンバの雰囲気と共通する雰囲気にある、制御装置へ／制御装置から、移送され得る。

粉体材料の特性は、含水量によって、影響され得、制御装置は、粉体材料の含水量を制御するために配置される。例えば、制御装置は、粉体材料を加熱することによって、粉体材料中の水分を減少させ得る。

粉体材料の特性は、構築粒子の形態であり得、制御装置は、粉体材料中の異なる形状の構築粒子の分布を制御するように配置される。例えば、粉体材料中の粒子の形態は、充填密度に影響し得、したがって、形態は、特定された充填密度を維持するために制御され得る。粒子の形態は、粒子の反応性に影響を及ぼし得る。例えば、形態は、粒子が吸収し得るエネルギーの量、したがって、材料の溶融温度に到達するのに必要なエネルギーの量に影響を及ぼし得る。したがって、粉体材料中の異なる形状の構築粒子の分布は、溶融温度に到達するのに必要なエネルギーを低減するように制御され得る。制御装置は、形状によって粒子を分離するためのガス流式分級（エルトリエーション）装置を含み得る。

粉体材料の特性は、化学組成であり得、制御装置は、粉体材料中の構築粒子の化学組成を制御するように配置される。構築粒子の酸化は、構築品質に影響を与え得る。したがって、酸化構築粒子の数を減少させることは、構築品質を向上させ得る。

粉体材料の特性は、構築粒子の粒径分布であり得る。粉体材料における粒径分布を制御することは、構築品質の制御を提供する。いずれかの理論にも拘束されないが、構築品質は、従来の機械において、粉体材料の粒径分布の変化により変化すると信じられている。具体的には、ＳＬＭプロセスの間に生成された、粒径上限以下の構築粒子は、再循環粉体中に保持され、構築が進行するにつれ、又は、連続構築において、粉体材料の粒径分布を変える。より小さい構築粒子は、より大きい構築粒子よりも、より容易にエネルギーを吸収し得る。また、溶融プールの形成中に、より小さい粒子は、結果として生ずる、大きな未溶融粒子間の溶融流れを伴って、最初に溶融し得る。したがって、粒径分布の変化は、高エネルギービームを使用して生成された溶融プールの特性を変更し得、ひいては、構築されるオブジェクトの品質に影響を与える。例えば、粉体材料によって吸収されるエネルギーの量の増加は、固化される材料の多孔性を増大し得る。溶融プールのサイズの変更は、オブジェクトが構築され得る正確さ、及び／又は、最終的なオブジェクトの完全性に影響を及ぼし得る。

制御装置は、オブジェクトの構築中に、粉体材料中の構築粒子の粒径分布を制御するために配置され得る。このように、均一な溶融は、構築を通して維持され得る。加えて、又は、その代わりに、制御装置は、連続する構築間における、粉体材料中の構築粒子の粒径分布を制御するために配置され得る。

制御装置は、粉体材料中の微小構築粒子の割合を制御し得、微小構築粒子は、粒径上限の四分の一以下の、好ましくは五分の一以下の、より好ましくは十分の一以下の粒径を有する粒子である。微小構築粒子は、１０マイクロメートル以下、好ましくは５マイクロメートル以下のサイズを有する粒子、および、必要に応じて、ナノ粒子であり得る。典型的には、選択的レーザー溶融装置に使用される粉体材料の粒径上限は、より大きな粒径上限、例えば、１００マイクロメートルが、より高いレーザーパワー装置に対して使用されるだろうが、約５０マイクロメートルである。微小構築粒子の割合の変化が、エネルギーの吸収に最も大きな影響を有するであろうし、したがって、例えば、設定範囲内に維持するように、粉体材料中の微小構築粒子の割合を制御することで、所望の構築性能が達成され得る、と信じられている。

粉体材料中の微小又は大きな粒子の割合は、全体積、全重量、又は、粉体材料中の全粒子数に対する、体積、重量、又は、数の割合であり得る。

制御装置は、微小構築粒子を追加又は除去することで、及び／又は、大きい構築粒子を追加又は除去することで、粒径分布を変更し得、大きい構築粒子は、微小構築粒子よりも大きいが、粒径上限未満のサイズを有する粒子である。制御装置は、粉体材料から特定のサイズの構築粒子の部分のみを除去するように構成され得る。例えば、制御装置は、粉体材料から特定のサイズの構築粒子を除去するための構築粒子フィルタ、及び、特定のサイズの構築粒子の部分が、構築粒子フィルタをバイパスし、粉体材料中に残留することを可能にするためのバイパスを備え得る。粉体材料から除去された、特定のサイズの構築粒子の部分は、例えば、バイパスを通過する構築粒子の数を変更することによって、可変であり得る。特定のサイズは、例えば、１０マイクロメートル以下、好ましくは５マイクロメートル以下のサイズを有する粒子、及び、必要に応じて、ナノ粒子の粒径範囲であり得る。

制御装置は、粉体材料から特定のサイズの構築粒子の部分を除去するための、サイクロン分離器又は気体エルトリエーションシステムを含み得る。

制御装置は、供給源から材料の追加粒子を送達するための送達装置、及び、追加粒子を粉体材料と混合するためのミキサーを含み得る。例えば、追加粒子は、大きい及び／又は微小構築粒子の供給源のような、特定のサイズ分布を有する粒子を含み得、ミキサーは、構築チャンバから回収された粉体材料のブレンド前の粒径分布に基づいて、制御された態様で、追加粒子を混合するように構成され得る。供給源からの粒子は、微小粒子で被覆された大きい粒子を含み得る。単に微小粒子のバッチは、小さい粒径のため、乏しい流動性を有し得る。したがって、粉体材料のそのようなバッチは、移送して、構築チャンバから回収された粉体材料と混合するのが困難であり得る。しかしながら、１０マイクロメートルを超えるような、大きい構築粒子を導入することにより、微小粒子が、大きい粒子を被覆し、及び、大きい粒子の「抱き合わせ（piggy-backing）」システムを通して運ばれ得る。したがって、追加粒子の供給源は、微小粒子に対する、既知の割合の大きい粒子を含み得る。追加粒子は、３２％以下、好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下の、微小粒子の体積比を有し得る。これは、微小粒子を運ぶのに十分な大きい粒子が存在することを確実にし得る。

制御装置は、粉体材料中の微小又は大きい構築粒子の割合が決定／推論され得る、粉体材料の特性を検出するセンサー、センサーからの信号に応答して制御される、フィルタ及び／又はミキサーを備え得る。例えば、センサーは、粉体材料を撮像するビデオカメラ、粉体材料の流れを計測する流量計、タップ密度計のような、粉体材料の密度を計測するための装置、レーザービームのような光の、粉体材料からの、回折や散乱から粒径を計測するための装置、又は、粉体材料が垂直方向に向けられたガス流中に注入されるガス流式分級器を含み得る。

代替的に又は付加的に、フィルタ及び／又はミキサーは、構築の進行に伴う粒径分布の予測される変化に基づいて制御され得る。例えば、変化は、付加製造工程のコンピュータモデルを用いて、又は、基準として前回の構築を使用することから予測され得る。

機械は、構築チャンバから粉体ディスペンサに粉体を再循環させるための再循環ループを含み得る。制御装置は、再循環ループから粉体ディスペンサに送給される粉体材料の粒径分布を制御するように構成され得る。例えば、制御装置のセンサーは、再循環ループ内の粉体材料の特性を検出し得、構築粒子フィルタ及び／又はミキサーのような、粒径分布を変更するための装置は、再循環ループ中の粉体材料に、特定サイズの構築粒子の部分を除去し、又は、特定サイズの構築粒子を加えて、再循環ループから粉体ディスペンサへ送られる粉体材料の粒径分布を変化させる。

機械は、粉体材料から、粒径上限を超えるサイズを有する粒子を除去するための、ふるいのような、閾値フィルタを含み得る。構築プロセス中に、粒径上限を超える粒子が形成され得、粉体材料が再利用される前に、粉体材料からこれらの粒子を除去することが望ましい。したがって、閾値フィルタは、再循環ループ内の粉体から粒径上限を超えるサイズを有する粒子を除去するために、再循環ループ内に設けられ得る。

粒径は、特定のメッシュサイズを有するふるいを通過する粒子の観点から定義され得る。 そのような定義は、構築粉体フィルタ及び／又は閾値フィルタがふるいである場合に、適切であり得る。

粒径は、粒径に基いた重量の観点から定義され得る。そのような定義は、構築粉体フィルタ及び／又は閾値フィルタが、サイクロンフィルタであり、粒子が、質量によって篩い分けされる場合に、適切であり得る。

本発明の第二の態様によれば、粉体材料の層毎の溶融によって、オブジェクトを構築する方法が提供され、方法は、構築チャンバ内の構築プラットフォームを横切って、粉体材料を複数の層に堆積させること、高エネルギービームを用いて、それぞれの層の粉体材料を選択的に溶融させること、構築中に、構築のために特定された粒径上限以下である粉体材料中の構築粒子によって与えられる粉体材料の特性を制御すること、を含む。

特性は、粉体材料中の構築粒子の粒径分布であり得る。

本発明の第三の態様によれば、粉体材料の層毎の溶融によって、オブジェクトを構築する方法が提供され、方法は、構築チャンバ内の構築プラットフォームを横切って、粉体材料を複数の層に堆積させること、及び、高エネルギービームを用いて、それぞれの層の粉体材料を選択的に溶融させることを含み、粒子が、粉体材料に添加されるか、粉体材料から除去される。

粒子は、粉体材料の溶融温度に到達するのに必要なエネルギー量を低減するために追加又は削除され得る。

粒子は、構築前又は構築中に、追加又は除去され得る。方法は、連続的な構築を行うことを含み得、構築の合間に、粒子は、粉体材料の溶融温度に到達するのに必要なエネルギー量を低減するため、粉体材料に追加され、又は、粉体材料から除去され得る。

粉体材料に追加される、又は、粉体材料から除去される粒子は、微小構築粒子、及び、必要に応じて、同じ材料のナノ粒子であり得る。

本発明の第四の態様によれば、高エネルギービームで粉体材料を選択的に溶融することによりオブジェクトを構築する付加製造装置に接続可能であり、付加製造装置に粉体材料を供給する粉体コンテナが提供され、コンテナは、１０マイクロメートル以下、好ましくは５マイクロメートル以下のサイズを有する微小粒子、最も好ましくは、ナノ粒子を含む、粉体材料を含む。

粉体材料は、０．１％、０．５％、１％、２％、３％、４％又は５％を超える、微小粒子の体積比を有し得る。粉体材料は、３２％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％又は５％以下の微小粒子の体積比を有し得る。微小粒子の３２％の体積比を超えると、微小粒子での大きい粒子の被覆を介して、システムを通して微小粒子を運ぶための、大きい粒子が不十分に存在し得る。微小粒子が小さければ小さいほど、大きい粒子上に被覆され得る微小粒子の体積割合は低い。

本発明の第五の態様によれば、本発明の第一の態様による機械を制御する方法が提供され、方法は、粉体の粒径分布を示す計測信号を受信すること、粉体材料の粒径分布を調整するための制御装置に制御信号を送信することを含む。

本発明の第六の態様によれば、そこに格納された命令を有するデータキャリアが提供され、命令は、プロセッサによって実行されるとき、プロセッサが、本発明の第五の態様の方法を実行することを可能にする。

本発明の第七の態様によれば、粉体材料の層毎の溶融によってオブジェクトを構築するための付加製造装置が提供され、装置は、構築プラットフォームを含む構築チャンバ、構築プラットフォームを横切って粉体材料を複数の層に堆積させるための粉体ディスペンサ、各層の粉体材料を選択的に溶融するための高エネルギービーム、及び、粉体材料の特性を測定するためのセンサーを含む。

特性は、構築のために特定された粒径上限以下である、粉体材料中の構築粒子によって、粉体材料に与えられる特性であり得る。

構築粉体の特性を検知することは、使用者が、構築は要求される品質の粉体で進んでいることを検証することを可能にし得る。センサーが、粉体の特性が許容範囲外であることを検知すると、粉体が、変更されるか、及び／又は、付加製造装置が、粉体材料が仕様外に陥った原因を決定するために検査され得る。

粉体材料の特性は、含水量によって検知され得る。センサーは、熱重量分析器を含み得る。

粉体材料の特性は、形態であり得る。センサーは、ビデオカメラ、及び、ビデオカメラで撮影された粉体の画像を自動的に解析し、粒子材料の粒子の形状を特定する、プロセッサであり得る。代替的に又は付加的に、センサーは、ガス流式分級器を含み得、粉体材料は、垂直方向に向けられたガス流中に注入される。

粉体材料の特性は、化学的組成であり得る。センサーは、分光計を含み得る。

粉体材料の特性は、構築粒子の粒径分布であり得る。センサーは、粉体材料を撮像するためのビデオカメラ、及び、カメラで撮影された粉体材料の画像から、自動的に粒径を決定するためのプロセッサ、粉体材料の流れを計測するための流量計、タップ密度計のような、粉体材料の濃度を計測するための装置、粉体材料からの、レーザービームまたはマイクロ波のような光の回折又は散乱から粒径を計測するための装置、または、粉体材料が、垂直に向けられたガス流に注入されるガス流式分級器を含み得る。

機械は、構築チャンバから粉体ディスペンサに粉体を再循環させるための再循環ループを含み得る。センサーは、再循環ループから粉体ディスペンサに送給される粉体材料の特性を検出するように構成され得る。

機械は、機械における粉体材料経路に沿って、異なる位置に配置された複数のセンサーを含み得、その結果、経路に沿った異なる位置間での粉体材料の特性の変化が同定され得る。 例えば、センサーは、フィルタが思うとおりに動作しているかどうかを決定するために、フィルタの前と後の両方に配置され得る。

本発明の第八の態様によれば、粉体材料の層毎の溶融によってオブジェクトを構築する方法が提供され、方法は、構築チャンバ内の構築プラットフォームを横切って、粉体材料を複数の層に堆積すること、高エネルギービームで、各層の粉体材料を選択的に溶融すること、構築中に、粉体材料の特性を検出することを含む。

特性は、構築のために特定された粒径上限界未満である、粉体材料中の構築粒子によって粉体材料に与えられる特性であり得る。

本発明の第九の態様によれば、そこに格納された命令を有するデータキャリアが提供され、命令は、プロセッサによって実行されるとき、プロセッサが、本発明の第八の態様の方法を実行することを可能にする。

本発明の上記の態様のデータキャリアは、例えば、フロッピーディスク、ＣＤ ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷ及び＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ ＤＶＤ、ブルーレイ（登録商標）ディスク、メモリ（例えば、メモリースティック（登録商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュ（登録商標）カードなど）、ディスクドライブ（例えば、ハードディスクドライブ）、テープ、磁気／光記憶装置のような非一時的データキャリア、または、電線または光ファイバ上の信号、または、ワイアレス信号、例えば、有線または無線ネットワークを通して送られる信号（例えば、インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）のような一時的データキャリアなど、機械に命令を提供するための好適な媒体であり得る。

本発明の一実施形態による付加製造装置を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態による付加製造装置を概略的に示す図である。 本発明の別の実施形態による付加製造装置及び篩い分け装置を概略的に示す図である。 図１〜３に示された付加製造装置において使用され得る粉体材料に適した粒径分布の粒径分布特徴の曲線である。

図１を参照すると、発明の実施形態によるレーザー固化処理機は、その中に、構築チャンバ１１７を画定するパーティション１１５を有する、メインチャンバ１０１を含む。構築プラットフォーム１０２は、選択的レーザー溶融粉体材料１０４によって構築されるオブジェクト１０３を支持するために設けられる。オブジェクト１０３の連続層が形成されるにつれて、プラットフォーム１０２は、構築チャンバ１１７内で下降させられ得る。利用可能な構築容積は、構築プラットフォーム１０２が、構築チャンバ１１７内に下降させられ得る限度によって画定される。メインチャンバ１０１は、オブジェクトの構築中に、不活性雰囲気が、メインチャンバ１０１内に維持され得るように、密封された環境を提供する。ポンプ（図示せず）と、不活性ガスの供給源（図示せず）は、チャンバ１０１内の不活性雰囲気を生成するために提供され得る。

オブジェクト１０３が構築されるとき、粉体材料１０４の層を形成するために、粉体ディスペンサは、貯蔵ホッパー１２１から粉体材料を投与するための投与装置１０８、及び、作業領域にわたって投与粉体を広げるためのワイパー１０９を含む。例えば、投与装置１０８は、特許文献４に記載されているような装置であり得る。レーザーモジュール１０５は、粉体材料１０４を溶融するためのレーザーを生成し、レーザーは、コンピュータ１２２の制御下で、光モジュール１０６によって、必要に応じて、方向づけられ、及び、焦点を当てられる。レーザーは、窓１０７を介して、チャンバ１０１に入る。

再循環ループ１２０は、オブジェクトを構築するのに使用されない粉体材料を、貯蔵ホッパー１２１に戻して、再循環させるために設けられる。再循環ループ１２０は、構築チャンバ１０１と気体連通状態にあり、構築チャンバ１０１及び再循環ループ１２０は、共通の不活性ガス雰囲気を共有する。ワイパー１０９が移動する方向の構築チャンバ１１７の両端に、作業領域から拭い落とされる粉体材料を収集するためのシュート１１６が存在する。シュート１１６は、回収ホッパー１２８へ粉体を運ぶ。回収ホッパー１２８に付随して、回収された粉体材料の特性を測定するためのセンサー１２９が存在する。例えば、センサー１２９は、粉体材料の化学的特性を測定するための分光計であり得る。センサー１２９からの信号は、コンピュータ１２２に送信され（二点鎖線で示される）、粉体材料の酸化のレベルが高すぎるとみなされた場合、コンピュータは、使用者に通知するための警報を生成する。使用者は、その後、機能不全シールのような、酸素濃度の増加の原因を決定するために調査し得る。

回収ホッパー１２８へ向う粉体は、構築のために特定された、粒径上限を超えるサイズを有する粒子を篩い分ける、閾値フィルタ１２６に供給される。一般的に、サイズ上限は５０と１００マイクロメートルの間であろう。閾値フィルタ１２６は、適切なメッシュサイズを有するふるいであり得る。

閾値フィルタ１２６によって篩い分けられた粉体材料は、中間ホッパー１１８に出力される。センサー１１９が、中間ホッパー１１８にからの出力に設けられ、中間ホッパー１１８から分配される粉体材料中の、微小構築粒子、この実施形態では、１０マイクロメートル未満の粒子の割合を検出する。センサー１１９からの信号は、コンピュータ１２２に送られる（二点鎖線で示される）。例えば、センサー１１９は、レーザー光の回折や散乱から粒径を決定するための装置である得る。

中間ホッパー１１８から出力された粉体材料は、可動バッフル１２３によって、微小構築粒子フィルタ１２４、又は、フィルタ１２４をバイパスするためのバイパスライン１２５に向けられる。バッフル１２３は、フィルタ１２４とバイパスライン１２５に流入する粉体材料の割合を変化させるために可動であり、コンピュータ１２２によって制御される。

フィルタ１２４とバイパスライン１２５からの粉体材料は、遠位ホッパー１２７に集まる。付加的な粒径センサー１３０は、所望の粒径分布が達成されたことの確認を提供するために、ホッパー１２７へのライン上に設けられる。センサー１３０からの信号は、コンピュータ１２２に送られる（二点鎖線で示される）。

ホッパー１２７に付随して、ホッパー１２７内の粉体材料を計量するためのセンサー１３５と、ヒータ１３６が存在する。ホッパー１２７内の粉体材料は、ヒータ１３６で加熱され、センサー１３５を使用して記録される粉体材料の重量に変わり得る。そのような重量変化から、粉体材料の含水量が推定され得る。コンピュータ１２２は、センサー１３５からの信号を受信し、含水量が、所定の閾値から外れた場合に、警告を生成するように構成され得る。粉体材料は、ホッパー１２７から貯蔵ホッパー１２１に、例えば、機械的手段によって、搬送される。

コンピュータ１２２は、プロセッサユニット１３１、メモリ１３２、ディスプレイ１３３、キーボード、タッチスクリーンなどの、使用者入力装置１３４、プラットフォームを下降させるためのモータ（図示せず）、光モジュール１０６、レーザーモジュール１０５、投与ユニット１０８、ワイパー１０９、センサー１１９、１２９、１３０及び１３５、並びに、可動バッフル１２３のような、レーザー溶融ユニットのモジュールへのデータ接続を含む。モジュールは、メモリ１３２に記憶されたコンピュータプログラムの指示にしたがってコンピュータによって制御される。

ＭＴＴファイル形式のような、適切なファイル形式で定義されたオブジェクトは、コンピュータ１２２に格納されたコンピュータプログラムにインポートされる。使用時には、オブジェクトは、レーザーユニットのモジュールの適切な制御によって、ファイル内のオブジェクト定義にしたがって構築され、オブジェクトは、レーザービームで、粉体材料の連続層を選択的に溶融することによる、層毎のプロセスにおいて構築される。

構築時には、余分なパウダーは、ワイパー１０９によって、シュート１１６に押し込まれ、重力によって、回収ホッパー１２８に送給される。回収ホッパー１２８において、粉体材料の化学組成が、センサー１２９を使用して分析され、構築チャンバ１０１内の条件が許容できるかどうかを決定する。回収ホッパー１２８からの粉体は、回収された粉体材料から、溶融プロセス中に形成された集塊を除去する、閾値フィルタ１２６に通される。篩い分けられた粉体材料は、中間ホッパー１１８に集まる。

中間ホッパー１１８によって出力された粉体は、流れの中の微小粒子の割合を検出する、センサー１１９を通り過ぎて落下する。センサー１１９から生成された信号に応答して、コンピュータは、バイパスライン１２５及びフィルタ１２４を通過する粉体材料の流れの割合を制御するために、バッフル１２３を制御し、ホッパー１２７内の微小粒子の要求される比率を提供する。生成された微小粒子の量が所望のレベルを超えている場合、流れの一定割合が、フィルタ１２４を通って導かれる。この割合は、流れ中の微小粒子の数が変化すると変更される。このように流れを制御することにより、ホッパー１２１に再循環される粉体材料の粒径分布が制御／調節される。

コンピュータ１２２は、また、閾値フィルタ１２６が機能しているかどうかを、必要に応じて、決定するために、センサー１１９からの信号を使用し得る。例えば、センサー１１９が、粒径の上限を超える粒子のかなりの割合を検出する場合、これは、閾値フィルタが、機能不全である、例えば、穴が、その中に形成されたことを示し、フィルタ１２６の交換を必要とする。コンピュータ１２２が、粒径上限を超える粒子の割合は、予め設定された閾値以上であると決定するなら、警告が、例えば、ディスプレイ１３３上に、生成され得る。

所望の粒径分布は、粉体の流動性と、機械のシールを介する、より小さな粒子の高い割合を含む粉体材料の増大する損失に対して、バランスのとれた、粉体材料の溶融温度に到達するのに必要なエネルギー量を低減させる、分布であり得る。

溶融温度を達成するために入力される所望のエネルギー、及び、したがって、全構築粒子に対する微小構築粒子の所望の割合は、溶融される材料、レーザーパワー、スポットサイズ、ハッチ距離、スキャン速度などのような、多くの要因に依存して変化するであろう。コンピュータは、粉体材料中の微小粒子の一定した割合を達成するために、バッフル１２３を制御するようにプログラムされ得る。これを達成するために、粉体材料の初期の供給は、微小粒子の所望の割合を含み得る。典型的には、微小粒子の体積割合は、３２％未満であり、そして、より典型的には、０．１と１０％の間であり、さらにより典型的には、０．１と５％の間であるだろう。図４は、粒径分布に対する典型的な曲線を示し、微小構築粒子に対しての１つと、大きい構築粒子に対しての１つの、２つのピークが存在する。

構築の終わりに、粉体ベッドに含まれる粉体材料１０４は、構築プラットフォーム１０２を上昇させることにより、シュート１１６内に押し込まれ得る。この粉体材料は、篩い分けられ、次の構築のためにホッパー１２１に再循環される。

図２を参照すると、機械の別の実施形態が示される。この実施形態において、図１を参照して説明された実施形態の構成と類似の、又は、同一の構成は、同様の参照番号が与えられているが、２００番台である。

この実施形態において、微小構築粒子を含む追加のホッパー２３７が、提供される。弁２３８が、ホッパー２３７からの微小構築粒子の流れを制御し、ホッパー２３７から送給される粉体材料は、ホッパー２２７から搬送される粉体材料と混合される。弁２３８は、コンピュータ２２２によって制御される。微小粒子のこの供給源は、搬送される材料中に、微小粒子の不十分な量が存在するなら、微小粒子が、粉体材料に添加されることを可能にする。微小粒子は、機械の表面に捕捉され得、したがって、微小粒子が、たとえ、溶融プロセスによって生成されているとしでも、これらの粒子は、ホッパー２２１に再循環されることに失敗し得る。したがって、追加のホッパー２３７は、必要に応じて、微小粒子を補充するための微小粒子の供給源を提供する。

ホッパー２３７は、弁２３８を通して微小粒子を搬送して再循環粉体と混合するための、微小粒子で被覆されたキャリア粒子を含み得る。１０マイクロメートル未満の細かな粒子は、乏しい流動性を有する傾向がある。キャリア粒子を提供することにより、微細粒子の流れは、容易にされ得る。キャリア粒子は、大きな構築粒子であり得る。

図３を参照すると、機械の更なる実施形態が示される。この実施形態において、図１及び図２を参照して説明された実施形態の構成と類似の、又は、同一の構成は、同様の参照番号が与えられているが、３００番台である。

図３において、粉体材料は、構築プロセス中にホッパー３１８に回収される。構築プロセスの終了時に、ホッパー３１８は、付加製造機３００から除去され、別の篩い分け装置３４０に移される。篩い分け装置３４０において、粉体材料は、１つ以上のフィルタを通して、重力で、ホッパー３２１に送給される。１つ以上のフィルタは、ホッパー３１８から重力で供給された粉体材料から微小構築粒子を篩い分けるフィルタ３２４を含む。バイパスループ３２５は、微小構築粒子フィルタ３２４の周囲に延び、可動バッフル３２３が、微小構築粒子フィルタ３２４を通してホッパー３１８から送給される粉体材料の割合を制御する。可動バッフル３２３は、ホッパー３１８内に含まれる粉体材料中の微小粒子の割合に基づいて、流れの必要な割合を、微小構築粒子フィルタを通して導くために、コンピュータ（図示せず）によって制御される。ホッパー３１８内の微小粒子の割合は、粉体の試料を採取し、分析装置に試料を通過させることによって決定され得る。１つ以上のフィルタはまた、構築のために特定された粒径の上限を超える集塊を除去するための閾値フィルタを含み得る。代わりに、（図１及び図２に示したものと同様に）閾値フィルタは、粉体材料がホッパー３１８に到達する前に、大きな集塊の粉体材料を篩い分けるために、付加製造機３００に設けられ得る。

濾過粉体材料は、ホッパー３２１に集まり、ホッパー３２１は、投与機構３０８に粉体材料を供給するために、篩い分け装置３４０から取り外し可能であり、付加製造機３００に配置可能である。複数のホッパー３１８、３２１は、製造機３００が、一組のホッパー３１８、３２１を使用して構築を実行し得、一方、篩い分けが、装置３４０によって、別の組のホッパー３１８、３２１で行われるように提供され得る。

変更及び修正は、特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、上述された実施形態に対してなされ得ることが理解されるであろう。例えば、粉体材料から微小粒子を篩い分けすること、又は、粉体材料へ微小粒子を追加することに加え、又は、その代わりに、１０マイクロメートルより大きく、構築のために特定された粒径上限未満のサイズを有する、大きな構築粒子が、所望の粒径分布を達成するために、篩い分けられ、及び／又は、粉体材料に付加され得る。

Claims (45)

1. 粉体材料の層ごとの溶融によってオブジェクトを構築するための付加製造装置であって、該装置は、構築プラットフォームを含む構築チャンバ、前記構築プラットフォームを横切って、複数の層に前記粉体材料を堆積させるための粉体ディスペンサ、各層の粉体材料を選択的に溶融させるための高エネルギービーム、及び、構築のために特定された粒径上限以下である、前記粉体材料中の構築粒子によって与えられる、前記粉体材料の特性を制御するための制御装置を含むことを特徴とする付加製造装置。
2. 請求項１の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料中の構築粒子の粒径分布を制御するために配置されることを特徴とする付加製造装置。
3. 請求項２の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料中の微小構築粒子の割合を制御し、前記微小構築粒子は、粒径上限の四分の一以下の粒径を有する粒子であることを特徴とする付加製造装置。
4. 請求項２または３の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料中の微小構築粒子の割合を制御し、前記微小構築粒子は、粒径上限の五分の一以下の粒径を有する粒子であることを特徴とする付加製造装置。
5. 請求項２〜４のいずれかの付加製造装置であって、前記微小構築粒子は、１０マイクロメートル以下の粒径を有する粒子であることを特徴とする付加製造装置。
6. 請求項５の付加製造装置であって、前記微小構築粒子は、５マイクロメートル以下のサイズを有する粒子であることを特徴とする付加製造装置。
7. 請求項６の付加製造装置であって、前記微小構築粒子は、ナノ粒子であることを特徴とする付加製造装置。
8. 請求項３〜７のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、前記微小構築粒子を追加又は除去することで、前記粒径分布を変更するように配置されることを特徴とする付加製造装置。
9. 請求項３〜８のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、大きい構築粒子を追加又は除去することで、前記粒径分布を変更するように配置されており、大きい構築粒子は、前記微小構築粒子よりも大きいが、粒径上限未満のサイズを有する粒子であることを特徴とする付加製造装置。
10. 請求項２〜９のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料から特定のサイズの構築粒子の部分のみを除去するように配置されることを特徴とする付加製造装置。
11. 請求項１０の付加製造装置であって、前記粉体材料から除去される、前記特定のサイズの構築粒子の部分は、可変であることを特徴とする付加製造装置。
12. 請求項１０または１１の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料から前記特定のサイズの構築粒子を除去するための構築粒子フィルタ、及び、前記特定のサイズの構築粒子の部分が、前記構築粒子フィルタをバイパスし、前記粉体材料中に残留することを可能にするためのバイパスを含むことを特徴とする付加製造装置。
13. 請求項１２の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記バイパスを通過する前記構築粒子の割合を変更するように配置されることを特徴とする付加製造装置。
14. 請求項１０〜１３のいずれかの付加製造装置であって、粒径が、１０マイクロメートル以下のサイズを有する粒子であることを特徴とする付加製造装置。
15. 請求項１０〜１４のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料から特定のサイズの構築粒子の部分を除去するための、サイクロン分離器又は気体エルトリエーションシステムを含むことを特徴とする付加製造装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、供給源から材料の粒子を送給するための送達装置、及び、前記粉体材料への前記供給源からの粒子の追加を制御するためのミキサーを含むことを特徴とする付加製造装置。
17. 請求項１２〜１６のいずれかの付加製造装置であって、請求項３に従属する場合、前記制御装置は、前記粉体材料中の微小又は大きい構築粒子の割合が決定され得る、前記粉体材料の特性を検出するためのセンサー、前記センサーからの信号に応答して制御される、フィルタ及び／又はミキサーを含むことを特徴とする付加製造装置。
18. 請求項１〜１７のいずれかの付加製造装置であって、前記構築チャンバから前記粉体ディスペンサに粉体を再循環させるための再循環ループを含むことを特徴とする付加製造装置。
19. 請求項１８の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記再循環ループから前記粉体ディスペンサに送給される前記粉体材料の粒径分布を制御するように配置されることを特徴とする付加製造装置。
20. 請求項１９の付加製造装置であって、前記制御装置のセンサーは、前記再循環ループ内の前記粉体材料の特性を検出し、前記粒径分布を変更するための装置は、前記再循環ループ中の前記粉体材料から、特定サイズの構築粒子の部分を除去し、又は、特定サイズの構築粒子を加えて、前記再循環ループから前記粉体ディスペンサへ送給される粉体材料の粒径分布を変化させることを特徴とする付加製造装置。
21. 請求項１〜２０のいずれかの付加製造装置であって、前記粉体材料から、粒径上限を超えるサイズを有する粒子を除去するための閾値フィルタを含むことを特徴とする付加製造装置。
22. 請求項２１の付加製造装置であって、請求項１８に従属する場合、閾値フィルタは、再循環ループ内の粉体から粒径上限を超えるサイズを有する粒子を除去するために、前記再循環ループ内に設けられることを特徴とする付加製造装置。
23. 請求項１〜２２のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、前記オブジェクトの構築中、粉体の特性を制御するように構成されることを特徴とする付加製造装置。
24. 請求項１〜２３のいずれかの付加製造装置であって、前記制御装置は、連続する構築間における、前記粉体材料中の構築粒子の粒径分布を制御するように配置されることを特徴とする付加製造装置。
25. 請求項１〜２４のいずれかの付加製造装置であって、前記粉体材料の特性は、含水量であることを特徴とする付加製造装置。
26. 請求項１〜２５のいずれかの付加製造装置であって、前記粉体材料の特性は、前記構築粒子の形態であることを特徴とする付加製造装置。
27. 請求項２６の付加製造装置であって、前記制御装置は、前記粉体材料中の異なる形状の構築粒子の分布を制御するように配置されることを特徴とする付加製造装置。
28. 請求項１〜２７のいずれかの付加製造装置であって、前記粉体材料の特性は、化学組成であることを特徴とする付加製造装置。
29. 粉体材料の層毎の溶融によって、オブジェクトを構築する方法であって、該方法は、構築チャンバ内に粉体材料を堆積させること、構築プラットフォームを横切って堆積された前記粉体材料を層に広げること、高エネルギービームを用いて、選択的に、それぞれの層の粉体材料を溶融させること、及び、構築中に、構築のために特定された粒径上限以下である前記粉体材料中の構築粒子によって与えられる前記粉体材料の特性を制御することを含むことを特徴とする方法。
30. 請求項２９の方法であって、前記特性は、前記粉体材料中の構築粒子の粒径分布であることを特徴とする方法。
31. 請求項３０の方法であって、構築中、前記粉体材料中の構築粒子粒径分布を制御することは、構築中、前記粉体材料に、粒子を加えること、または、前記粉体材料から粒子を除去することを含むことを特徴とする方法。
32. 粉体材料の層毎の溶融によって、オブジェクトを構築する方法であって、該方法は、構築チャンバ内に粉体材料を堆積させること、構築プラットフォームを横切って堆積された前記粉体材料を層に広げること、高エネルギービームを用いて、選択的に、それぞれの層の粉体材料を溶融させることを含み、前記粉体材料の溶融温度に到達するのに必要なエネルギー量に影響を及ぼすように、粒子が、粉体材料に添加されるか、粉体材料から除去されることを特徴とする方法。
33. 請求項２９〜３２のいずれかの方法であって、連続的な構築を実行することを含み、構築の合間に、前記粉体材料の溶融温度に到達するのに必要なエネルギー量に影響を及ぼすように、粒子が、前記粉体材料に追加され、又は、前記粉体材料から除去されることを特徴とする方法。
34. 請求項３１〜３３のいずれかの方法であって、前記粉体材料に追加され、又は、前記粉体材料から除去される粒子は、微小構築粒子であり、該微小構築粒子は、粒径上限の四分の一以下の粒径を有する粒子であることを特徴とする方法。
35. 請求項３４の方法であって、微小粒子は、１０マイクロメートル以下のサイズを有する粒子であることを特徴とする方法。
36. 請求項３５の方法であって、前記微小粒子は、５マイクロメートル以下のサイズを有する粒子であることを特徴とする方法。
37. 請求項３６の方法であって、前記微小粒子は、ナノ粒子であることを特徴とする方法。
38. 高エネルギービームで粉体材料を選択的に溶融することによりオブジェクトを構築する付加製造装置に接続可能であり、前記付加製造装置に粉体を供給するための、粉体コンテナであって、該コンテナは、１０マイクロメートル以下のサイズを有する微小粒子を含む粉体材料を含むことを特徴とする粉体コンテナ。
39. 請求項３８の粉体コンテナであって、前記微小粒子は、５マイクロメートル以下のサイズを有することを特徴とする粉体コンテナ。
40. 請求項３９の粉体コンテナであって、前記微小粒子は、ナノ粒子であることを特徴とする粉体コンテナ。
41. 請求項３８〜４０のいずれかの粉体コンテナであって、前記粉体材料は、０．１％、０．５％、１％、２％、３％、４％又は５％を超える、微小粒子の体積比を有することを特徴とする粉体コンテナ。
42. 請求項３８〜４１のいずれかの粉体コンテナであって、前記粉体材料は、３２％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％又は５％以下の微小粒子の体積比を有ることを特徴とする粉体コンテナ。
43. 請求項１〜２２のいずれかによる装置を制御する方法であって、該方法は、構築のために特定された粒径上限以下である、粉体材料中の構築粒子によって与えられる前記粉体材料の特性に対する値を示す計測信号を受信し、上記特性に対する値を変更するために、上記粉体材料を調整するための制御信号を前記制御装置に送信することを特徴とする方法。
44. 請求項４３の方法であって、前記特性は、粒径分布であることを特徴とする方法。
45. それに格納された命令を有するデータキャリアであって、前記命令は、プロセッサによって実行されるとき、プロセッサが、請求項４３または４４の方法を実行することを可能にすることを特徴とする方法。

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