JP2017533996A - 積層造形製造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、チャンバ（101）と、チャンバ内で移動可能な構築プラットフォーム（102）であって、流動可能な材料の層が横切って連続的に形成され得る構築プラットフォーム（10２）と、流動可能な材料を固化するエネルギービームを生成するユニット（105）と、選択された領域内の材料を固化させるために各層の選択された領域にエネルギービームを導く走査ユニット（106）と、チャンバ（101）内の雰囲気から、酸素、窒素及び/又は水素を吸収するゲッター（１５５）と、を備える積層造形製造装置に関する。

Description

本発明は、対象物を形成するのに、材料層が層ごとに固化される積層造形製造装置及び方法に関する。本発明は、選択的レーザ溶融（SLM）及び選択的レーザ焼結（SLS）装置のような、選択的レーザ固化装置に特有であるが、限られるわけではない。

選択的レーザ溶融（SLM）及び選択的レーザ焼結（SLS）の装置は、レーザービームなどの高エネルギービームを使用して、金属粉体材料などの材料の層ごとの固化によって、物体を生成する。粉体層は、粉体床に隣接して粉体の山を堆積し、ワイパーでもって、粉体の山を粉体床に亘って（片側から別の側に）広げて層を形成することによって、構築チャンバ内の粉体床に亘って形成される。次いで、レーザービームが、構成されている物体の断面に対応する粉体層の部分にわたって走査される。レーザービームは、粉体を溶融又は焼結して固化層を形成する。層の選択的な固化の後に、粉体床は、新しく固化される層の厚さだけ下降され、必要に応じて、さらなる層の粉体が表面上に広げられて固化される。そのような装置の例は、特許文献１（US6042774）に開示されている。

このプロセスは、不活性ガス雰囲気中で行われる。何故ならば、金属粉体は、酸素などのガスとの反応性が高いからである。特許文献２（国際公開第2010/007394号）に記載されているように、最初に構築チャンバ内に真空を形成し、次いで、不活性ガスでチャンバを再充填して、結果として得られる雰囲気中の酸素含有量を低くすることは知られている。例えば、この技術を使用すると、チャンバ内の雰囲気の酸素含有量を1000ppmほどに低下させることができる。構築中、チャンバ内の残りの酸素は、形成されている部品における酸化物として消費されるので、酸素含有量はさらに低下することがある。吸収される酸素の量は、使用されている材料に依存する。例えば、チタンは、鋼又はアルミニウムよりもはるかに多くの酸素を吸収することができる。部品全体にわたる一貫した構築特性を達成するためには、構築全体にわたって、雰囲気中に一貫した酸素含有量を有することが望ましい。

米国特許第6、042、774号明細書 国際公開第2010/007394号 国際公開第2010/007396号

空気及び粉体中の水分は、部品の材料に吸収される水素となり、その結果、部品内に水素ガスの気孔が生じると考えられている。構築中において、不活性雰囲気中に窒素が存在することもまた、望ましくない可能性がある。

課題を解決する手段

本発明の第1の態様によれば、チャンバと、チャンバ内で移動可能な構築プラットフォームであって、流動可能な材料の層が横切って連続的に形成され得る構築プラットフォームと、流動可能な材料を固化するエネルギービームを生成するユニットと、選択された領域内の材料を固化させるために、各層の選択された領域にエネルギービームを導く走査ユニットと、チャンバ内の雰囲気から、酸素、窒素及び/又は水素を吸収するゲッター(getter)と、を備える積層造形製造装置が提供される。

装置は、チャンバを通ってガスを再循環させるために、チャンバに接続された入口と出口とを有するガス再循環回路を備え、ガス再循環回路は、再循環ガスから酸素、窒素及び/又は水素を吸収するゲッターを有している。

ゲッターは、酸素、窒素及び/又は水素のレベルを、構築チャンバを脱ガスし、不活性ガスで戻し充填する従来の方法によって達成できるレベルよりも低くすることができる。さらに、ゲッターは、酸素、窒素及び/又は水素のレベルが、構築を通じて実質的に安定したままであることを保証することができる。

ゲッターは、銅系ゲッターのような酸素ゲッターであってもよい。酸素は、特に金属の場合、固化中に材料によって吸収されることが多い。酸素ゲッターを設けることにより、固化中に材料に吸収される酸素の量を減少させることができる。別の実施形態では、ゲッターはチタン系ゲッターであってもよい。

ガス再循環回路は、ゲッターをチャンバ内の雰囲気から隔離することができるバルブを備えることができる。ゲッターは、過剰なレベルのガスに曝されると、永久的に損傷を受けることがある。隔離バルブを設けることにより、ゲッターにとって安全なレベルに、かかるガスが減圧されるまで、ゲッターがチャンバ内の雰囲気から隔離され得る。

チャンバは、積層造形製造装置を使用して構築された部品をチャンバから取り外すことができる、ドアを含むことができ、チャンバに対してドアが開かれたときに、ゲッターをチャンバから隔離するように、バルブが配置されてもよい。

積層造形製造装置は、ゲッターによって吸収される不要なガスをチャンバから除去する手段を含むことができ、ゲッターによって吸収されるガスが所定のレベルにとどまる間、バルブはゲッターをチャンバから隔離するように配置されている。

積層造形製造装置は、使用後にゲッターを再生する手段を備えていてもよい。ゲッターが定期的に装置から取り外される必要がないように、装置内でゲッターを再生することが望ましいかもしれない。ゲッターを再生する手段は、ゲッターを通過するガスを加熱するための加熱要素を含むことができる。酸素ゲッターを再生する手段は、水素ガス源を備えることができる。

装置は、ゲッターの再生から生成された水分を、装置から除去する手段を備えることができる。ゲッターの再生は、副産物として蒸気/水を生成する可能性があり、このような水分が構築中にチャンバの雰囲気中に存在することは望ましくない可能性があるので、除去することが望ましい。

積層造形製造装置は、ゲッターの再生の進行を示す特性を検出するためのセンサを備えていてもよい。センサは、ゲッターの材料の温度を監視するための温度センサ、ゲッターを出るガス中の水分量を検出するための水分検出器、及び/又はゲッターを出るガス中の水素濃度を検出するための水素センサであってもよい。

本発明の一実施形態による選択的レーザ固化装置の概略図である。 別の側からの選択的レーザ固化装置の概略図である。

図1、図2を参照するに、本発明の一実施形態によるレーザ固化装置は、構築チャンバ117を画定する隔壁115、116と、粉体を堆積させることができる表面とを有する主チャンバ101を備えている。構築プラットフォーム102は、選択的レーザ溶融粉体104によって構築される物体103を支持するために設けられている。当該プラットフォーム102は、物体103の連続層が形成されるにつれ、構築チャンバ117内で下降させることができる。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内に降下することができる程度によって画定される。

主チャンバ101は、装置を使用して構築された部品の取り出しのために、チャンバ101へのアクセスを可能にするドア170を含んでいる。

粉体の層104は、物体103が分配装置108と細長いワイパー109とによって構築されるときに形成される。例えば、分配装置108は、特許文献３（国際公開第2010/007396号）に記載されているような装置であってもよい。

レーザモジュール105は、コンピュータ130の制御下で光スキャナ106によって要求されるように向けられた、粉体104を溶融するためのレーザを生成する。レーザは、窓107を介してチャンバ101に入る。

光スキャナ106は、この実施形態では、レーザービームを粉体床104上の所望の位置に向けるための2つの可動ミラー106a、106bの操舵光学系と、この実施形態では、レーザービームの焦点距離を調節する一対の可動レンズ106c、106dの集束光学系とを備えている。モータ（不図示）が、ミラー106a及びレンズ106b、106cの動きを駆動し、モータはプロセッサ131によって制御される。

コンピュータ130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ユーザ入力装置134、光モジュール106及びレーザモジュール105などのレーザ溶融ユニットのモジュールへのデータ接続、及び外部データ接続135を含んでいる。メモリ132には、今や説明される方法を実行するように、処理ユニットに指示するコンピュータプログラムが格納されている。

プロセッサは、外部接続135を介して、各粉体層内の粉体の固化領域を取り込むための走査経路を記述する幾何学的データを受け取る。部品を構築するために、プロセッサは、幾何学的データに画定されている走査経路に従って、レーザービームを導くように、スキャナ106を制御する。この実施形態では、走査経路に沿っての走査を行うために、レーザ105とスキャナ106とが、走査経路に沿う一連の離散点（discrete point）をレーザービームに対して露出させるべく同期されている。各走査経路について、点の距離、点の露出時間、及びスポットの大きさが画定されている。別の実施形態では、スポットは走査経路に沿って連続的に走査されてもよい。そのような実施形態では、点の距離及び露出時間を画定するよりもむしろ、レーザスポットの速度が、各走査経路に対して指定されてもよい。

この装置は、ガス再循環回路150、及びチャンバ101を窒素又はアルゴンなどの不活性ガスで戻し充填するための入口160をさらに備えている。

ガス再循環回路150は、主チャンバ101に接続された入口151及び出口152と、溶融プロセスの間に発生される凝縮物を除去する、粉体床104にわたるガスナイフKを生成するために、ガス再循環回路150及び主チャンバ101を通してガスを再循環させるポンプ153とを備えている。ポンプ153はまた、脱気バルブ161に接続可能であり、ポンプ153がチャンバ101を粗い真空に脱気することを可能にする。ガス再循環回路150は、再循環ガスから粒子を除去するためのフィルタ154と、酸素ゲッター155とをさらに備えている。

この実施形態では、酸素ゲッター155は、リサーチキャタリスト社（Research Catalysts Inc.）によって供給される触媒、ゲッターマックス（GetterMax） 133又は233などの銅系酸素ゲッターを含んでいる。再循環されたガスは、再循環されたときに酸素ゲッター155の材料を通過してポンピングされる。銅系の酸素ゲッターは、酸化銅の形成によって酸素を吸収する。

再循環回路150は、再循環回路150内で搬送されるガスを加熱するための加熱要素162と、水素ガスの供給源164に接続可能なバルブ163とを備え、バルブ163は、再循環回路150に許容される水素ガスの量を制御するように制御可能である。熱電対165などの1つ以上の温度モニターが酸素ゲッター155の温度を監視し、水分含有量センサ166が酸素ゲッター155から出るガスの水分含有量を監視し、そして水素ガスセンサ167が酸素ゲッター155を出るガス中の水素量を監視する。酸素ゲッター155から水を凝縮させて除去する手段168が設けられてもよい。

使用時には、構築の前に、チャンバ101は真空に脱気され、その後、アルゴン又は窒素のような不活性雰囲気でもって注入口160を介して戻し充填される。構築は、ガスナイフKを形成するべく、構築中に再循環回路150を介してガスを再循環させながら、不活性雰囲気下で行われる。雰囲気中に残っている酸素は、酸素ゲッター155によって吸収される。この目的のために、構築が開始される前の所定の時間にわたり、雰囲気中の酸素が、構築が開始される前に、ゲッター155によっての酸素の吸収を介して所望の低レベルに低減されるように、不活性ガスが再循環されてもよい。

酸素ゲッターを再生するために、例えば各構築の終わりに、酸素ゲッター155は、還元によって活性化されねばならない。一実施形態では、ゲッターの還元が、装置から酸素ゲッターを除去することによって、装置の外部で行われる。しかしながら、この実施形態では、酸素ゲッターの活性化はガス再循環回路150において行われる。

酸素ゲッター155の再生は、酸素ゲッター155の材料床が175〜180℃の間のような所望の温度にあるように、加熱素子162でもって、ゲッター155を通って流れる窒素又はアルゴンなどの水素を含まない不活性ガスを加熱することを含むことができる。酸素ゲッター155の温度は、熱電対165によって監視することができる。

触媒が所定時間（例えば2時間）加熱されると、ゲッター155を流れるガスの温度を所望の温度に維持したまま、水素が、再循環回路内のガスにバルブ163を介して導入される。酸素ゲッター155の温度は、ガス中の水素が酸素と反応するにつれて増加する。酸素ゲッター155の温度上昇は、熱電対165を用いて監視され得る。酸素ゲッター155の温度が、225℃などの所定の値を超えると、酸素ゲッター155を流れるガスは、水素なしのガスに戻される。

活性化プロセスの完了は、熱電対165、水分センサ166、及び水素ガスセンサ167のうちの任意の1つ以上から決定されてもよい。活性化プロセスの完了は、
a）酸素ゲッターの材料床の安定温度、
b）水の形成の停止、及び/又は
c）酸素ゲッター155に入るガス中の水素濃度に等しい、酸素ゲッター155を出るガス中の水素濃度から、決定されてもよい。

活性化プロセスの結果として生成された水は、手段168によって除去されてもよい。

活性化後、再循環回路150は、再循環回路150が確実に水素を含まないことを保証すべく、アルゴン又は窒素などの水素を含まない不活性ガスでパージされてもよい。

再循環回路150は、ドア170が開かれたときに、ガス再循環回路150を構築チャンバ101から隔離するためのバルブ156及び157をさらに備えている。ドアが開かれているかどうかを検出するためのセンサ（図示せず）を設けて、ドアの開放が検出されたときに、バルブ156,157がプロセッサによって、自動的に起動されるようにしてもよい。酸素ゲッターが活性化状態にある場合、空気に曝されることが、酸素ゲッターの十分な加熱を生じさせ、酸素ゲッター155に永久的な損傷を与える可能性がある。

別の実施形態では、酸素ゲッターに加えて又はその代わりに、装置は水素又は窒素ゲッターを備える。

Claims (13)

1. チャンバと、
   チャンバ内で移動可能な構築プラットフォームであって、流動可能な材料の層が横切って連続的に形成され得る構築プラットフォームと、
   流動可能な材料を固化するエネルギービームを生成するユニットと、
   選択された領域内の材料を固化させるために各層の選択された領域にエネルギービームを導く走査ユニットと、
   チャンバ内の雰囲気から、酸素、窒素及び/又は水素を吸収するゲッターと、
   を備えることを特徴とする積層造形製造装置。
2. ゲッターは、酸素ゲッターであることを特徴とする請求項１に記載の積層造形製造装置。
3. 酸素ゲッターは、銅系ゲッターであることを特徴とする請求項２に記載の積層造形製造装置。
4. 前記チャンバを通ってガスを再循環させるために前記チャンバに接続された入口及び出口を有するガス再循環回路を備え、
   前記ガス再循環回路は、酸素、窒素及び/又は水素を再循環ガスから吸収するゲッターを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層造形製造装置。
5. 前記ガス再循環回路は、前記ゲッターを前記チャンバ内の雰囲気から隔離することができるバルブを備えていることを特徴とする請求項４に記載の積層造形製造装置。
6. 前記チャンバは、前記積層造形製造装置を使用して構築された部品が前記チャンバから取り出されるドアを備え、そして前記バルブは、前記チャンバへの前記ドアが開かれているとき、前記ゲッターを前記チャンバから隔離するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の積層造形製造装置。
7. 前記ゲッターによって吸収された不要なガスを前記チャンバから除去する手段を備え、前記バルブは、前記ゲッターによって吸収されたガスが所定のレベルを超えて留まっている間に、前記ゲッターを前記チャンバから隔離するように構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の積層造形製造装置。
8. 使用後に、前記ゲッターを再生する手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の積層造形製造装置。
9. 前記ゲッターを再生する手段は、前記ゲッターを通過して流れるガスを加熱する加熱素子を備えていることを特徴とする請求項８に記載の積層造形製造装置。
10. 前記酸素ゲッターを再生する手段は、水素ガス源を備えていることを特徴とする、請求項２を介して従属するときの請求項８又は９に記載の積層造形製造装置。
11. 前記ゲッターの再生により生成される水分を、前記装置から除去する手段を備えることを特徴とする請求項１０に記載の積層造形製造装置。
12. 前記ゲッターの再生の進行を示す特性を検出するセンサを備えることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の積層造形製造装置。
13. 前記センサは、前記ゲッターの材料の温度を監視する温度センサ、前記ゲッターを出るガス中の水分の量を検出する水分検出器、及び/又は前記ゲッターを出るガス中の水素濃度を検出する水素センサであることを特徴とする、請求項２を介して従属するときの請求項１２に記載の積層造形製造装置。

Images