JP2019022980A - ３次元の物体を付加製造する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形材料が周囲空気に接触しないこと、又はモジュールの不活性化が改善されることを、それぞれ確実にすること。【解決手段】移動経路に沿って少なくとも２つの位置間を可動する少なくとも１つのモジュール（２）を備える、エネルギービームによって固化することができる造形材料層（１３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置（１）において、流れ生成ユニット（６）が、モジュール（２）の移動経路（５）に沿って第１の位置（３）と第２の位置（４）との間でモジュール（２）上へ少なくとも部分的に流れるプロセスガス（７）の流れを生じさせるように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、移動経路に沿って少なくとも２つの位置間を可動する少なくとも１つのモジュールを備える、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）する装置に関する。

そのような装置は、従来技術からよく知られており、エネルギービームを使用して、現在の造形材料層の画定された領域を照射し、それによって材料を固化する。材料は、移動経路に沿って２つの位置間を可動する少なくとも１つのモジュール内に収容される。モジュールは、たとえば、投与モジュールとして構築することができ、たとえば、モジュールが装置内で使用される第１の位置と、投与モジュール内へ造形材料が補充される第２の位置、たとえば補充ステーションとの間を可動とすることができる。また、このモジュールを造形モジュールとすることも可能であり、物体は層ごとに造形され、造形モジュールは、装置内の第１の位置と、容易に造形された物体が取り出されるたとえば取扱いステーション内の第２の位置との間を可動である。さらに、造形材料が周囲空気、特に周囲空気中に含有される酸素に接触するのを回避するために、プロセスガス、特にアルゴンなどの不活性ガスが使用されることが従来技術から知られている。

たとえば、造形材料を収容するモジュールが、装置内又は工場内の１つの位置からその装置内又は工場内の別の位置へ動かされている間に、材料が酸素に接触しないことを確実にするために、造形材料を収容するそれぞれのモジュール上にカバーが配置される。さらに、モジュール内の材料の上にプロセスガスの体積を生じさせることが可能であり、その結果、造形材料の上にプロセスガスの特定の体積、すなわち「海」が位置し、造形材料が周囲空気に接触するのを回避する。

したがって、モジュールが第１の位置から第２の位置へ動かされるとき、モジュールのチャンバの内部の上に位置するプロセスガスの保護体積又は保護層が渦を巻く可能性がある。

したがって、本発明の目的は、造形材料が周囲空気に接触しないこと、又はモジュールの不活性化が改善されることを、それぞれ確実にすることである。

この目的は、請求項１に記載の装置によって実現される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に準拠する。

本発明は、モジュールの移動経路に沿って第１の位置と第２の位置との間をモジュール上へ少なくとも部分的に流れるプロセスガスの流れを生じさせるように構成された流れ生成ユニットが使用されるという概念に基づいている。したがって、本発明によって、モジュールが移動経路に沿って第１の位置から第２の位置へ動いている間に、造形材料の上に位置するプロセスガスの体積又は層を維持又は回復することができる。したがって、周囲空気による造形材料の接触又は封じ込めがそれぞれ回避又は防止される。したがって、モジュールは、造形材料の上に位置するプロセスガス層が渦を巻くというリスクを冒さずに、移動経路に沿って動かすことができる。モジュール上へのプロセスガスの流れが、移動経路の一部又は複数の部分上のみで生成されるように、又はプロセスガスの流れをモジュールの経路に沿って第１の位置と第２の位置との間で連続して生成することができるように、流れ生成ユニットを配置することが可能であることは自明である。

本明細書に記載する装置は、エネルギービームによって固化することができる粉末状の造形材料（「造形材料」）層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体、たとえば技術的構成要素（構成部品）を付加製造する装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、又はポリマーの粉末とすることができる。それぞれのエネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームとすることができる。それぞれの装置は、たとえば、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ融解装置、又は選択的電子ビーム融解装置とすることができる。

装置は、その動作中に使用される複数の機能ユニットを備える。例示的な機能ユニットには、プロセスチャンバ、プロセスチャンバ内に配置された造形材料層を少なくとも１つのエネルギービームで選択的に照射するように構成された照射デバイス、及び所与の流動特性、たとえば所与の流動プロファイル、流速など、でプロセスチャンバを通って少なくとも部分的に流れるガス状流体流を生成するように構成された流れ生成デバイスが挙げられる。ガス状流体流は、プロセスチャンバを通って流れる間に、装置の動作中に生成される固化されていない粒状の造形材料、（特に）煙又は煙残留物で充填することが可能である。ガス状流体流は、典型的には不活性であり、すなわち典型的には、不活性ガス、たとえばアルゴン、窒素、二酸化炭素などの流れである。

この装置の好ましい実施形態によれば、モジュールは、第１の位置で装置のプロセスチャンバ内に少なくとも部分的に一体化され、モジュールは、第２の位置でプロセスチャンバの外側に位置する。したがって、モジュールは、第１の位置でプロセスチャンバ内に少なくとも部分的に一体化され、装置のプロセスチャンバは、製造サイクル又は少なくとも造形プロセスの主要なステップが実行されるチャンバである。たとえば、プロセスチャンバ内には造形モジュールの造形平面が位置し、造形材料は、エネルギービームを介して造形平面上で照射される。プロセスチャンバは不活性化されており、その結果、モジュールは、第１の位置で不活性化された体積内に位置し、プロセスチャンバ内に少なくとも部分的に一体化されることは自明である。モジュールが第２の位置、すなわちプロセスチャンバの外側へ動かされるときはいつでも、モジュールは、プロセスチャンバの内側で維持されている不活性化された環境を離れる。したがって、流れ生成ユニットによって生成されたモジュール上へ流れるプロセスガスの流れを介して、造形材料の上に事前定義された間隔でもってプロセスガスの保護層を維持又は回復することが必要である。

この装置は、流れ生成ユニットが、移動経路の少なくとも一部に沿ってプロセスガスをモジュールへ案内し、分散させるように構成された案内構造、特にチャネル、に接続されるか、又はそのような案内構造を備えることで、さらに改善することができる。この実施形態によれば、モジュールが第１の位置から第２の位置へ進む途中で動かされる移動経路の少なくとも一部を覆う案内構造が提供される。流れ生成ユニットは、案内構造に接続され、又は案内構造を備え、プロセスガスの流れは、移動経路に沿って連続して、又は事前定義された位置で、モジュール上へ案内され、分散させることができる。したがって、案内構造は、流れ生成ユニットによって生成されたプロセスガスを案内し、分散させるために使用され、プロセスガスは、モジュール内に収容された造形材料の上のプロセスガスの保護層を維持又は回復するために、モジュールへ案内される。

案内構造は、好ましくは、少なくともプロセスガスがモジュールへ案内又は分散される壁要素及び／又はチャネル及び／又はノズルとして構築されるか、又はそれ、それらを備える。案内構造は、円形若しくは３角形又は任意の断面を有する壁要素を備えることができる。

案内構造は、第１の位置と第２の位置との間に少なくとも部分的に延び、案内構造は、モジュールの移動経路の上に位置することが特に好ましい。したがって、案内構造、特にチャネルは、移動経路に沿ってモジュールが動かされるとき、それぞれモジュールの移動経路上又はモジュールの上に位置する。流れ生成ユニットは、案内構造を介して案内又は分散されるプロセスガスの流れを生成し、したがって、案内構造を介してプロセスガスの流れをモジュール上へ上から案内し、又は分散させることが可能である。したがって、造形材料の上のプロセスガス層は、移動経路に沿って連続して、又は事前定義された位置で、維持又は回復することができ、新しいプロセスガスが、モジュールの移動経路の上に位置する案内構造からモジュール上へ流れる。さらに、プロセスガスの流れを、モジュールに対して事前定義された角度で案内することも可能である。たとえば、モジュールに対して平行に進むプロセスガスの流れの生成も実行可能である。

この装置の別の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの流動特性、特に少なくとも１つのガス出口の開放状態及び／又はガス圧力及び／又はガス流量及び／又はガス流速及び／又は温度を制御するように構成された制御ユニットが提供される。制御ユニットは、好ましくは、少なくとも１つのパラメータを判定し、判定したパラメータに応じて少なくとも１つの流動特性を制御するように構成される。流動特性や流動特性の少なくとも１つを変動させる際、モジュール上へ流れるプロセスガスの流れを調節することができる。したがって、プロセスガスの流れは、現在の状況に対して変動させることができる。

したがって、制御ユニットは、移動経路に沿って位置する少なくとも１つの出口、たとえばノズルの開放状態を制御するように構成される。ガス出口又は案内構造を通って流れるプロセスガスの流れは、ガス流速及び／又はガス流量及び／又はガス圧力の点でさらに変動させることができる。それによって、制御ユニットは、モジュールの中又は上へどれだけ速くどれだけ多くのガスが流れているかを調節し、それぞれ造形材料の上又はモジュールのチャンバ内に位置するプロセスガスの体積又は層を維持又は回復するように構成される。したがって、案内構造内の少なくとも１つの開口は、プロセスガスがモジュール上へ流れる必要に応じて、少なくとも部分的に開放及び／又は閉鎖することができる。

モジュールが空であり、すなわち造形材料を収容していない場合、モジュール内で保護プロセスガス層を維持又は回復することも可能であることは自明である。すなわち、たとえば、投与モジュールが空であり、かつ補充ステーションへ動かされている場合、まだ不活性化されている投与モジュール内へ造形材料を補充するステップを可能にするために、不活性化を維持又は回復することがやはり必要である。

さらに、制御ユニットによる十分な温度調節を介して、モジュール上へ流れているプロセスガスの温度を制御することが可能である。したがって、モジュール内で周囲と造形材料との間に温度差が生じた場合、造形材料の上に位置するプロセスガスの保護層を介して、造形材料を分離することができる。加えて、プロセスガスの流れの温度は、制御ユニットによって制御することができるため、モジュール内の造形材料は、プロセスガスの流れを介して、画定された温度に調節することができ、したがって造形材料の上に位置するプロセスガス層又はモジュールの上又は中へ流れているプロセスガスと、モジュール内の造形材料との間の温度交換を介して、モジュール内の造形材料又は造形された物体の温度制御が可能になる。たとえば、造形ジョブを終了した後、内側に物体を有する造形モジュールを取扱いステーション内へ動かすことができ、取扱いステーションでは、制御ユニットがプロセスガスの流れの温度を適切に調節するため、プロセスガス流れを介して、造形された物体を事前定義されたやり方で冷却することができる。

この装置の別の好ましい実施形態によれば、制御ユニットは、モジュールの位置に応じて少なくとも１つの流動特性を制御するように構成される。これにより、モジュールが現在位置決めされている正確な位置にプロセスガスの流れを分散させ、及び／又は案内することが可能になる。したがって、案内構造に沿って、すなわち移動経路に沿って、複数のガス出口を設けることができる。制御ユニットは、モジュールの位置に応じて複数のガス出口のそれぞれを開放及び／又は閉鎖するように構成される。それによって制御ユニットは、モジュールが下に位置する対応するガス出口を開放し、したがってモジュール上へプロセスガスの流れを生じさせ、他の出口は閉鎖して、普通ならモジュールの周りの環境へ流されるはずのプロセスガスを節約する。

この装置は、少なくとも１つのセンサが、モジュール近傍における及び／又はモジュールのチャンバ内のプロセスガスの量に関する情報を判定するように構成され、制御ユニットは、センサ情報を受け取り、このセンサ情報に応じて少なくとも１つの流動特性を制御するように構成されることで、さらに改善することができる。

この実施形態によって、モジュール近傍及び／又はモジュールのチャンバ内のプロセスガスの量を判定し、制御ユニットへ送ることができ、このセンサ情報に応じて、流動特性の少なくとも１つを制御することができる。したがって、それぞれモジュール上へ若しくはモジュールのチャンバ内へプロセスガスを流す必要があるかどうか、又はどれだけのプロセスガスを流す必要があるかを評価することができる。チャンバ内又はモジュール近傍のプロセスガスの量が、周囲空気からの造形材料の分離（隔離）を確実にするのに十分なほど多い場合、それぞれの流動特性を低減させることができ、モジュール近傍及び／又はモジュールのチャンバ内のプロセスガスの量の評価により、プロセスガスが必要とされる場合、周囲空気からの造形材料の分離（隔離）を確実にするために、それぞれの流動特性を増大させることができる。

この装置の別の実施形態は、第１の位置及び／又は第２の位置で、モジュールのカバーが除去されて、モジュールのチャンバを露出し、流れ生成ユニットが、モジュールのチャンバ内へ少なくとも部分的に流れるプロセスガスの流れを生じさせるように構成されることを提案する。

この実施形態によれば、モジュールのカバーは、第１の位置及び／又は第２の位置で除去することができる。これにより、たとえばモジュールがより長い距離を移動する必要があるとき、及び／又はモジュールがモジュール保管部内に保管されているとき、モジュールのチャンバを覆うことが可能になる。カバーを除去してモジュールのチャンバを露出することができ、したがって造形材料を周囲空気から分離するために、プロセスガスの流れが必要とされる。したがって、流れ生成ユニットは、造形材料が周囲空気と反応できないこと又は周囲空気によって汚染されないことを確実にするために、モジュールのチャンバ内へ少なくとも部分的に流れるプロセスガスの流れを生成する。

さらに、この装置は、第１の位置が、投与チャンバ及び／又は造形チャンバ及び／又は溢流（オーバーフロー）チャンバ内にあり、第２の位置が、取扱いステーション及び／又は補充ステーション及び／又は濾過ステーション内にあり、移動経路が、トンネル構造内を少なくとも部分的に通ることで、改善することができる。

この実施形態によれば、モジュールは、投与モジュール及び／又は移動モジュール及び／又は溢流モジュールとすることができる。溢流モジュールは、造形モジュールの造形平面を被覆することによって搬送される余分な造形材料を受け取るモジュールである。したがって、第１の位置は、プロセスチャンバ内とすることができ、その際、投与モジュールは、モジュールのチャンバが投与チャンバとして機能するように位置し、又は造形モジュールは、造形チャンバの位置に位置し、又は溢流モジュールは、溢流チャンバの位置に位置する。したがって、第２の位置は、取扱いステーション及び／又は補充ステーション及び／又は濾過ステーション内にあり、対応するモジュールは、必要に応じて第１の位置から第２の位置へ移動する。第１の位置及び第２の位置が逆でも当てはまることは自明である。したがって、第１の位置及び第２の位置を任意に再画定又は交換することができる。好ましくは、第１の位置及び第２の位置はトンネル構造によって連結され、流れ生成ユニットは、流れ生成ユニットによって生じるプロセスガスの流れをモジュール上へ分散させ、及び／又は案内するように、トンネル構造内に部分的に一体化することができる。

前述の実施形態によれば、モジュールは投与モジュールであり、チャンバは、造形材料を収容する投与チャンバであるか、又はモジュールは造形モジュールであり、チャンバは造形チャンバであるか、又はモジュールは溢流モジュールであり、チャンバは溢流チャンバである。したがって、モジュールは、前述したように、３次元の物体を製造する装置に使用されるモジュールのいずれかとすることができる。

さらに、本発明は、本発明の少なくとも２つの装置を備える工場に関し、第１の位置は、少なくとも部分的に第１の装置内に位置し、第２の位置は、少なくとも部分的に第２の装置内に位置する。

本発明の例示的な実施形態について、図を参照して説明する。

例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の原理的な側面図である。

この図は、移動経路５に沿って第１の位置３と第２の位置４との間を可動するモジュール２を備える、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置１を示す。装置１は、モジュール２の移動経路５に沿って第１の位置３と第２の位置４との間をモジュール２上へ流れるプロセスガス７の流れを生じさせるように構成された流れ生成ユニット６をさらに備える。

続いて、第１の位置３は、モジュール２が装置１のプロセスチャンバ（図示せず）内に少なくとも部分的に配置される位置を指す。第２の位置４は、装置１のプロセスチャンバの外側の位置を指す。第１の位置３が装置１のプロセスチャンバの外側になり、第２の位置４が装置１のプロセスチャンバの内側になるように、両方の位置を交換することができることは自明である。

この図は、装置１が、プロセスガス７の流れを複数のガス出口９へ案内し、分散させるように構成された案内構造８を備えることをさらに示す。案内構造８は、第１の位置３から第２の位置４へ動かされるとき、移動経路５の上、したがってモジュール２の上に位置する。この図には第３の位置１０が示されており、モジュール２は破線の形状で示されており、第３の位置１０は、第１の位置３と第２の位置４との間の位置である。

モジュール２が第３の位置１０にあるとき、モジュール２は、案内構造８の下、したがってガス出口９の複数又はいくつかの下に位置する。モジュール２がプロセスチャンバの不活性化された雰囲気を離れるとき、モジュール２のチャンバ１２内でプロセスガス７の層１１を維持又は回復するために、流れ生成ユニット６によってプロセスガス７の流れが生成される。プロセスガス７の層１１は、チャンバ１２内の造形材料１３を雰囲気から分離する。

装置１は、プロセスガス７の流れの少なくとも１つの流動特性を制御するように構成された制御ユニット１４をさらに備える。さらに、装置１は、制御ユニット１４に連結されたセンサ１５を備え、その結果、センサ１５によって判定されたセンサ情報を制御ユニット１４へ送り又は制御ユニット１４によって受け取ることができる。したがって、制御ユニット１４は、プロセスガス７の流れの流量並びに流速を制御するように構成される。センサ１５のセンサ情報に応じて、制御ユニット１４は、第３の位置１０でモジュール２上へ流れるプロセスガス７の量を調節することができる。第３の位置１０は、当然ながら例示的のみを目的とし、任意の位置とすることができ、モジュール２は、少なくとも部分的に案内構造８の下にある。したがって、センサ情報は、チャンバ１２内又はモジュール２近傍内のプロセスガス７の量に関する情報を含むことができる。したがって、制御ユニット１４は、造形材料１３が周囲空気に接触しないことを確実にするために、保護プロセスガス７の層１１を維持又は回復することができるように、プロセスガス７の流れの流動特性を調節することができる。

加えて、制御ユニット１４は、モジュール２の現在の位置に応じて、ガス出口９の開放状態を制御することができる。したがって、プロセスガス７、たとえばアルゴンを節約するために、第３の位置１０でモジュール２の上にあるガス出口９だけを開放することができる。この図に示す状況では、チャンバ１２の上に位置するガス出口１６のグループだけが開放されており、他のガス出口９は閉鎖されている。モジュール２の上のガス出口９だけが開放されて層１１内のプロセスガス７を補充することを確実にするために、モジュール２が移動経路５に沿って進むにつれて、隣接するガス出口９の開放状態が、それに対応して適合される。

制御ユニット１４は、適切な加熱手段及び／又は冷却手段を介して、プロセスガス７の流れの温度を制御するようにさらに構成される。したがって、チャンバ１２内の造形材料１３、又はたとえば造形された物体を、それに対応して調節することができる。

Claims (12)

1. 移動経路に沿って少なくとも２つの位置間を可動する少なくとも１つのモジュール（２）を備える、エネルギービームによって固化することができる造形材料層（１３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置（１）において、前記モジュール（２）の移動経路（５）に沿って第１の位置（３）と第２の位置（４）との間で前記モジュール（２）上へ少なくとも部分的に流れるプロセスガス（７）の流れを生じさせるように構成された流れ生成ユニット（６）を有することを特徴とする装置。
2. 前記モジュール（２）が、前記第１の位置（３）で前記装置（１）のプロセスチャンバ内に少なくとも部分的に一体化され、前記モジュール（２）が、前記第２の位置（４）で前記プロセスチャンバの外側に位置することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記流れ生成ユニット（６）が、前記移動経路（５）の少なくとも一部に沿って前記プロセスガス（７）を前記モジュール（２）へ案内し、及び分散させるように構成された案内構造（８）、特にチャネルに接続されるか、又はそのように構成された案内構造（８）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記案内構造（８）が、前記モジュール（２）の前記移動経路（５）に沿って分散された少なくとも２つのガス出口（９）、特に複数のガス出口（９）、好ましくはノズルを備えることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記案内構造（８）が、第１の位置（３）と第２の位置（４）との間で少なくとも部分的に延び、前記案内構造（８）が、前記モジュール（２）の前記移動経路（５）の上に位置することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 制御ユニット（１４）が、少なくとも１つの流動特性を、特に少なくとも１つのガス出口（９）の開放状態及び／又はガス圧力及び／又はガス流量及び／又はガス流速及び／又は温度を、制御するように構成されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の装置。
7. 前記制御ユニット（１４）が、前記モジュール（２）の位置（３、４、１０）に応じて少なくとも１つの流動特性を制御するように構成されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記モジュール（２）近傍及び／又は前記モジュール（２）のチャンバ（１２）内のプロセスガス（７）の量に関するセンサ情報を判定するように構成された少なくとも１つのセンサ（１５）を有し、前記制御ユニット（１４）が、前記センサ情報を受け取り、前記センサ情報に応じて少なくとも１つの流動特性を制御するように構成されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記第１の位置（３）及び／又は前記第２の位置（４）で、前記モジュール（２）のカバーが除去されて、前記モジュール（２）のチャンバ（１２）を露出し、前記流れ生成ユニット（６）が、前記モジュール（２）の前記チャンバ（１２）内へ少なくとも部分的に流れる前記プロセスガス（７）の流れを生じさせるように構成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
10. 第１の位置（３）が、投与チャンバ（１２）及び／又は造形チャンバ（１２）及び／又は溢流チャンバ（１２）内にあり、前記第２の位置（４）が、取扱いステーション及び／又は補充ステーション及び／又は濾過ステーション内にあり、前記移動経路（５）が、トンネル構造内を少なくとも部分的に通ることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の装置。
11. 前記モジュール（２）が投与モジュール（２）であり、前記チャンバ（１２）が粉末チャンバ（１２）であるか、又は前記モジュール（２）が造形モジュール（２）であり、前記チャンバ（１２）が造形チャンバ（１２）であるか、又は前記モジュール（２）が溢流モジュール（２）であり、前記チャンバ（１２）が溢流チャンバ（１２）であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一つに記載の装置（１）を少なくとも２つ備える工場であって、前記第１の位置（３）が、少なくとも部分的に第１の装置（１）内に位置し、前記第２の位置（４）が、少なくとも部分的に第２の装置（１）内に位置する、工場。

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