JP2019183282A - 積層造形装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置および方法。【解決手段】装置は、作業区域を収容する構築チャンバ（１０１）と、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービーム（１１８）と、作業区域の少なくとも一部にわたってガス入口（１１２ａ）からガス出口（１１０ａ）へのガス流を生成する流れデバイス（１１０、１１２）とを備える。ガス入口（１１２ａ）およびガス出口（１１０ａ）は、構築チャンバ（１０１）内で可動となるように配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形装置および方法に関する。本発明は、レーザー凝固装置内の粉末床にわたってガス流を提供する限定的ではないが特定の応用例を有する。

物体を作製する積層造形または急速プロトタイピング方法は、レーザービームまたは電子ビームなどの高エネルギービームを使用した金属粉末材料などの材料の層ごとの凝固を含む。構築チャンバ内の粉末床上に粉末層が堆積され、粉末層のうち構築されている物体の横断面に対応する部分にわたってレーザービームが走査される。レーザービームは、粉末を溶融または焼結して、凝固された層を形成する。層の選択的な凝固後、粉末床は、新しく凝固された層の厚さだけ降下させられ、必要に応じて、粉末のさらなる層が表面全体に分散され、凝固される。

溶融または焼結処理中、砕片（例えば、凝縮物、粉末の凝固されていない粒子など）が構築チャンバ内に作製される。チャンバからガス流内に砕片を取り除く試みにおいて、構築チャンバを通ってガス流を導入することが知られている。例えば、EOS GmbH、Munich、Germanyによって作製されたＭ２８０機械モデルは、構築チャンバ内で粉末床の後ろに配置されたガス出口ノズルの連続を備え、これらのガス出口ノズルは、構築チャンバ内で粉末床の前に配置された排気口の連続へガスの流れを通す。このようにして、粉末床の表面にガス流の平面の層が作られる。RenishawのＡＭ２５０およびＡＭ１２５機械には類似の配置が提供され、構築チャンバ内で粉末床の両側の開口が粉末床にわたって実質上平面のガス流を提供する。

そのような配置によって生成されるガス流に伴う問題は、ガス流がすべての砕片を排気口へ運ぶのに十分ではない可能性があり、砕片の一部がまだ走査されていない粉末上へ吹き付けられる可能性があることである。この結果、物体が不正確に構築されることがある。例えば、粉末上へ吹き付けられた砕片は、構築されている物体へ凝固することがあり、その結果、床からの固体の突出部が生じ、突出部は、ワイパーが粉末の次の層を分散させるときにワイパーブレードに接触する。この突出部は、ワイパーブレードへの損傷を引き起こすことがあり、その結果、粉末の後の層が、ワイパーブレードのうち損傷された区域に対応する位置に稜線を有するようになる。これらの稜線は、構築の残りに対して各層内に作られ、物体が構築される精度に影響を与える。

さらに、異なる層および／または層の異なる部分に対するレーザーの走査方向を変動させることが知られており、例えば、特許文献１および特許文献２を参照されたい。例えば、参照により本明細書に組み込まれている特許出願の特許文献３および特許文献４に記載のように、ガス流方向に基づいて特定の方向にレーザーを走査することが望ましい可能性がある。しかし、上記の装置では、ガス流方向に基づく最適の走査方向と、異なる層および／または層の異なる部分に対して走査方向を変化させたいという望みとの間での妥協が必要になる可能性がある。

特許文献５は、保護ガス流を提供するノズルがレーザービームとともに移動する装置について記載している。

米国特許出願公開第２００８／０２４１３９２号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４２０２４号明細書 米国特許仮出願第６１／７９１６３６号明細書 米国特許仮出願第６１／７７４２１５号明細書 米国特許第６２１５０９３号明細書 国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット ＤＥ１０２００５０１４４８３Ａ１ ＧＢ１３１０２７６．９ ＥＰ１９９３８１２

本発明の第１の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供され、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、作業区域の少なくとも一部にわたってガス入口からガス出口へのガス流を生成する流れデバイスとを備え、ガス入口およびガス出口は、構築チャンバ内で可動となるように配置される。

可動のガス入口およびガス出口を提供することによって、ビームの走査経路に基づいて、作業区域にわたってガス入口およびガス出口の位置が変更され得る。例えば、ガス入口およびガス出口の位置は、連続する陰影線の連続が進行される方向に基づいて変化されることができ、および／またはガス入口およびガス出口が材料上のビームの衝撃点のより近くに配置されることができるように走査の進行と共に動くように変化され得る。

本明細書で使用される「走査」という用語は、高エネルギービームのスポットを表面全体にわたって連続して走らせることに限定されるものではなく、分離された個別の露出（またはホップ）の連続も含むことが理解されよう。例えば、光学系は、高エネルギービームを誘導して第１の位置をビームに露出させることができ、次いでビームはオフにされ、高エネルギービームが再びオンに切り替えられたとき、光学系は、第１の位置から隔置された第２の位置へエネルギービームを誘導するように向きを変えられる。高エネルギービームは、材料を結合させるのに十分なエネルギーを有するビームである。

ガス入口およびガス出口は、ガス入口およびガス出口の相対位置が固定されたままとなるようにともに可動とすることができる。例えば、ガス入口およびガス出口は、単一の可動のユニットとして構築され得る。

あるいは、ガス入口は、ガス出口とは別個に可動である。ガス入口およびガス出口は、ガス入口とガス出口の間の距離が変動され得るように可動とすることができる。特に、ガス入口およびガス出口は、ガス入口とガス出口の間の距離が、物体が構築される構築プラットホームなどによって画定される作業区域の幅より小さくなることができるように可動とすることができる。このようにして、ガス入口およびガス出口は、構築プラットホームのいずれかの側に固定されたノズルの場合よりともに近くに配置することができ、したがって、より均一のガス流を実現することができ、結合されているこの区域から排出された砕片は、ガス流によって捕獲され、ガス出口へ運ばれる可能性がより高くなる。この装置は、ガス入口とガス出口の間の距離に基づいて入口および／または出口を通るガス流を制御するガス流デバイスを備えることができる。

ガス入口およびガス出口は、少なくとも１つの線形軸に沿って入口および出口を動かすアセンブリ上に取り付けることができ、加えて、少なくとも１つの回転軸の周りで入口および出口を回転させるアセンブリ上に取り付けられ得る。ガス入口およびガス出口を回転させることは、走査方向に基づいてガス流の方向を変化させることを可能にすることができる。この動きは、物体が構築されたコンピュータによって制御され得る。

ガス入口および／またはガス出口は、作業区域の幅全体にわたって延出する細長い開口を備えることができ、ガス入口および／またはガス出口は、開口の長手方向軸に直交する線形方向に可動である。そのような配置は、開口が作業区域の幅全体にわたって流れを提供するとき、１つの線形方向のみに動くことができる。

しかし、別の実施形態では、ガス入口および／またはガス出口は、作業区域の幅より小さく延出する開口を備えることができ、ガス入口および／またはガス出口は、ガス入口から／ガス出口内へのガス流方向に直交する線形方向に可動である。このようにして、より小さいガス入口または出口を提供することができる一方で、ガス流方向に直交する方向のガス入口および／または出口の動きによって、作業区域を完全に覆うこともやはり実現され得る。より小さいガス入口および／または出口は、その結果、作業区域全体にわたって延出するより大きいユニットより迅速に作業区域にわたって動かされ得るより軽いユニットを得ることができるため、有益となり得る。

好ましくは、装置は、溶融（ＳＬＭ）または焼結（ＳＬＳ）などの選択的レーザー凝固装置であり、構築チャンバ内の作業区域にわたって粉末層が連続して堆積され、各粉末層のうち構築されている物体の横断面に対応する部分にわたってレーザービームが走査され、粉末のそれらの部分を結合させる。

装置は、作業区域にわたって粉末を分散させるワイパーをさらに備えることができる。ワイパーは、ガス入口およびガス出口の少なくとも１つと共に動くように取り付けられ得る。このようにして、粉末は、ガス入口および／またはガス出口の動きと同時に作業区域にわたって分散され得る。ワイパー（ガス入口およびガス出口の少なくとも１つと共に動くように取り付けられる）は、ワイパーが粉末に係合する延出位置から、ワイパーが粉末から離れて保持される後退位置へ可動とすることができる。このようにして、ガス入口および／またはガス出口は、延出位置と後退位置の間でワイパーを動かすことによって粉末を分散させるときもさせないときも動かされ得る。

装置は、構築されている物体の幾何形状を測定するプローブをさらに備えることができ、プローブは、ガス入口および／またはガス出口と共通の軸上を動くように取り付けられる。プローブとの共通軸上に取り付けられたガス入口および／またはガス出口は、第１の線形方向などの第１の方向に動くように配置することができ、プローブは、第１の方向および第１の線形方向に直交するさらなる線形方向などのさらなる方向に動くように配置される。プローブは、走査もしくはタッチプローブなどの接触プローブ、またはビデオプローブなどの非接触プローブとすることができる。

ガス入口は、構築チャンバ内へガスを推進させるためのものであり、ガス出口は、構築チャンバからガスを抜き取るためのものである。装置は、構築チャンバ内のガス入口および／またはガス出口の位置に基づいてガスがガス入口から構築チャンバ内へ推進される流速を制御するコントローラを備えることができる。装置は、構築チャンバ内のガス入口および／またはガス出口の位置に基づいてガスが構築チャンバからガス出口を通って抜き取られる流速を制御するコントローラを備えることができる。

本発明の第２の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形方法が提供され、この方法は、構築チャンバ内の作業区域内に材料を堆積させるステップと、作業区域にわたって高エネルギービームを走査させて材料を層ごとに結合させるステップと、作業区域の少なくとも一部にわたってガス入口からガス出口へのガス流を生成する流れデバイスを動作させるステップとを含み、物体の構築中にガス入口およびガス出口を動かすステップを含む。

方法は、ガス入口とガス出口の間の距離を変動させるようにガス入口およびガス出口を動かすステップを含むことができる。

方法は、作業区域にわたるガス流の方向を変更するようにガス入口およびガス出口を動かすステップを含むことができる。

方法は、構築チャンバ内のガス入口および／またはガス出口の位置に基づいてガスがガス入口から構築チャンバ内へ推進される流速を変更するステップを含むことができる。方法は、構築チャンバ内のガス入口および／またはガス出口の位置に基づいてガスが構築チャンバからガス出口を通って抜き取られる流速を制御するステップを含むことができる。

方法は、ガス入口およびガス出口を動かしながら材料を高エネルギービームで走査するステップを含むことができる。入口および出口は、高エネルギービームの走査経路に基づいて動かされ得る。例えば、ガス入口およびガス出口は、材料とともに／作業区域内で、高エネルギービームの衝撃点を追跡するように動かされ得る。

方法は、選択的レーザー凝固方法とすることができ、作業区域にわたって粉末層を連続して堆積させるステップと、各粉末層のうち構築されている物体の横断面に対応する部分にわたって高エネルギービームを走査させて粉末のそれらの部分を結合させるステップとを含むことができる。

本発明の第３の態様によれば、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たとき、プロセッサに本発明の第１の態様による積層造形装置を制御させて、本発明の第２の態様の方法を実施させる。

本発明の第４の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供され、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスであって、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成し、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスの少なくとも１つが、構築チャンバ内で可動となるように配置される、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスと、所定の走査計画に応じて高エネルギービームによる材料の走査を制御し、走査計画に基づいて第１の流れデバイスおよび／または第２の流れデバイスの動きを制御する制御ユニットとを備える。

本発明の第５の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形方法が提供され、この方法は、構築チャンバ内の作業区域内に材料を堆積させるステップと、作業区域にわたって高エネルギービームを走査させて所定の走査計画に応じて材料を層ごとに結合させるステップと、高エネルギービームで結合されている材料を含む作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスを動作させて、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成するステップとを含み、走査計画に基づく物体の構築中に構築チャンバ内で第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスの少なくとも１つを動かすステップをさらに含む。

本発明の第６の態様によれば、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たとき、プロセッサに本発明の第４の態様による積層造形装置を制御させて、本発明の第５の態様の方法を実施させる。

本発明の第７の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供され、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスであって、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成し、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスが、構築チャンバ内で可動となるように配置される、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスを備える。

本発明の第８の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形方法が提供され、この方法は、構築チャンバ内の作業区域内に材料を堆積させるステップと、作業区域にわたって高エネルギービームを走査させて材料を層ごとに結合させるステップと、高エネルギービームで結合されている材料を含む作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスを動作させて、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成するステップとを含み、物体の構築中に構築チャンバ内で第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスを動かすステップをさらに含む。

本発明の第９の態様によれば、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たとき、プロセッサに本発明の第７の態様による積層造形装置を制御させて、本発明の第８の態様の方法を実施させる。

本発明の第１０の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供され、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、構築されている物体の幾何形状を測定するプローブと、作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスであって、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成する第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスとを備え、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスの少なくとも１つは、構築チャンバ内で可動となるように配置され、プローブは、ガス入口および／またはガス出口と共通の軸上を動くように取り付けられる。

本発明の第１１の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供され、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスであって、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成し、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスの少なくとも１つが、構築チャンバ内で可動となるように配置される、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスと、作業区域にわたって粉末を分散させるワイパーであって、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスの少なくとも１つと共に動くように取り付けられたワイパーとを備える。

本発明の第１２の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形方法が提供され、この方法は、構築チャンバ内の作業区域内に材料を堆積させるステップと、作業区域にわたって粉末を分散させるワイパーを動かすステップと、作業区域にわたって高エネルギービームを走査させて材料を層ごとに結合させるステップと、高エネルギービームで結合されている材料を含む作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスを動作させて、第１の流れデバイスと第２の流れデバイスの間にガス流を生成するステップとを含み、この方法は、ワイパーを動かすと同時に物体の構築中に第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスの少なくとも１つを動かすステップをさらに含む。

本発明の第１３の態様によれば、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たとき、プロセッサに本発明の第１１の態様による積層造形装置を制御させて、本発明の第１２の態様の方法を実施させる。

本発明の第１４の態様は、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供し、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、高エネルギービームを作業区域上へ誘導する光学モジュールと、作業区域の上の容積からガスを抜き取って作業区域にわたってガス流を生成する流れデバイスであって、構築チャンバ内で可動となるように配置された流れデバイスと、流れデバイスが高エネルギービームによる作業区域の走査中に動かされるようにガス流デバイスおよび光学モジュールの動きを制御するコントローラを備える。

構築チャンバからガスを抜き取るガス出口は、材料の凝固によって作られた砕片が十分に取り除かれるのに十分な流れをガス出口近傍に作ることができる。したがって、凝固を出口近傍の範囲内に制限することは、入口と出口の間の層流がもはや必要とされないようにすることができるため、入口の配置に関してより大きい自由を可能にすることができる。例えば、入口は、作業区域に対して平行でない方向にガスを推進させることができ、および／または構築チャンバ内に固定の位置を有することができる。

積層造形装置は、構築チャンバから抜き取られたガスをガス出口内へ案内するガイドをさらに備えることができ、ガイドは、構築チャンバ内で可動である。ガイドは、ガス出口とともに可動とすることができる。ガイドは、構築チャンバ内のガスの所望の循環を容易にすることができる。

コントローラは、光学モジュールを制御して、高エネルギービームをガイドとガス出口の間の位置へ誘導させるように配置され得る。

本発明の第１５の態様によれば、材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置が提供され、この装置は、作業区域を収容する構築チャンバと、作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、高エネルギービームを作業区域上へ誘導する光学モジュールと、作業区域の上の容積内へガスを推進させおよび／または作業区域の上の容積からガスを抜き取って作業区域にわたってガス流を生成する流れデバイスであって、構築チャンバ内で可動となるように配置された流れデバイスと、作業区域にわたる高エネルギービームの動きとは別個に流れデバイスが動かされ得るようにガス流デバイスおよび光学モジュールの動きを制御するコントローラとを備える。

流れデバイスは、第１のモータによってレールまたはトラックなどのガイド上を動かされることができ、コントローラは、第１のモータを制御して流れデバイスの位置を調整させるように配置される。光学モジュールは、高エネルギービームを作業区域内の所望の位置へ誘導し、動きのためにアセンブリ上に取り付けられたレンズまたは鏡などの光学要素と、アセンブリ内で光学要素を動かす第２のモータとを備えることができ、コントローラは、第２のモータを制御して光学要素の位置を調整させるように配置される。コントローラは、第１のモータを制御して、光学要素が静止したままで流れデバイスを動かすように配置され得る。コントローラは、第２のモータを制御して、流れデバイスが静止したままで光学要素を動かすように配置され得る。

これは、装置の特定の走査方策および／または動作条件にとって望ましい可能性があり、流れデバイスと光学要素の両方の動きは必要とされない。例えば、物体の境界走査を実施するとき、流れデバイスが境界走査の持続時間にわたって指定の位置に固定されることが望ましい可能性がある。さらに、層の走査間で、ワイパーなどが作業区域を通り越すように流れデバイスを作業区域の外側の位置へ動かすことが望ましい可能性がある。

本発明の上記の態様のデータキャリアは、非一時的データキャリア、例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷおよび＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ ＤＶＤ、Ｂｌｕ Ｒａｙ（商標）ディスク、メモリ（メモリスティック（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（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の光磁気ストレージ、またはワイアもしくは光ファイバ上の信号もしくは無線信号などの一時的データキャリア、例えば有線もしくは無線ネットワーク（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）を介して送られた信号など、命令を有する機械を提供するのに適したメディアとすることができる。

本発明の一実施形態による積層造形装置の概略図である。 別の側からの図１の積層造形装置の概略図である。 物体の中核領域の構築中の装置のガス流デバイスの平面図である。 物体の周辺領域の構築中のガス流デバイスの平面図である。 ワイパーを使用した粉末層の堆積中のガス流デバイスの平面図である。 固定の長さのガス再循環ループを備える本発明の別の実施形態の斜視図である。 固定の長さのガス再循環ループの別の実施形態の平面図である。 構築されている物体の属性を測定する計量デバイスを備える本発明によるガス流デバイスのさらなる実施形態を示す図である。 構築されている物体の属性を測定する計量デバイスを備える本発明によるガス流デバイスのさらなる実施形態を示す図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの平面図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの平面図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの平面図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの平面図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの平面図である。 拡大されたガス出口を有するガス流デバイスを有する本発明の一実施形態による積層造形装置を示す図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの斜視図である。 ワイパーブレードが後退可能である、図１１ａのガス流デバイスに対する修正形態の斜視図である。 図１１に示す流れデバイスを備える積層造形装置の概略図である。 異なる側からの図１２に示す積層造形装置の概略図である。 本発明の別の実施形態によるガス流デバイスの斜視図である。 本発明のさらに別の実施形態によるガス流デバイスの斜視図である。

図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態によるレーザー凝固装置が、構築容積１１６を画定する区画１１４、１１５を有する構築チャンバ１０１を備え、構築容積１１６の表面上へ粉末が堆積され得る。構築プラットホーム１０２が、粉末１０４の選択的レーザー溶融によって物体１０３が構築される作業区域を画定する。プラットホーム１０２は、物体１０３の連続層が形成されるにつれて、機構１１７を使用して構築容積１１６内で降下され得る。利用可能な構築容積は、構築プラットホーム１０２が構築容積１１６内へ降下される得る範囲によって画定される。分注装置１０８およびワイパー１０９によって物体１０３が構築されるにつれて、粉末１０４の層が形成される。例えば、分注装置１０８は、特許文献６に記載の装置とすることができる。レーザーモジュール１０５が、粉末１０４を溶融するレーザーを生成し、レーザーは、コンピュータ１６０の制御下にある光学モジュール１０６によって必要とされると、粉末床１０４上へ誘導される。レーザーは、窓１０７を介してチャンバ１０１に入る。

ガス流デバイスが、ガス入口１１２ａを備える可動のガスノズル１１２と、ガス出口１１０ａを備える可動のガス排気管１１０とを備える。ガスノズル１１２およびガス排気管１１０は、構築プラットホーム１０２上に形成された粉末床１０４の一部または全部にわたってガス流を生成するように可動である。ガス入口１１２ａおよびガス出口１１０ａは、矢印１１８によって示されるように、入口から出口への流れ方向を有する層流を生じさせる。ガスは、やはりチャンバ１０１内に配置されたガス再循環ループ１１１を通って、排気管１１０からノズル１１２へ再循環される。ポンプ１１３が、ガス入口１１２ａおよびガス出口１１０ａで所望のガス圧力を維持する。流れの中に混入したガス凝縮物を除去するために、再循環ループ１１１内にフィルタ１１９が提供される。再循環ループ１１１は、ガス入口１１２ａとガス出口１１０ａの間の相対的な距離の変化によってガス再循環ループの長さを変化させる手段を有する。図１および図２では、ガス再循環ループ１１１をノズル１１２および排気管１１０の位置の変化に適合可能とするために、蛇腹１１１ａが使用される。

コンピュータ１６０は、プロセッサユニット１６１と、メモリ１６２と、ディスプレイ１６３と、キーボード、タッチスクリーンなどのユーザ入力デバイス１６４と、光学モジュール１０６、レーザーモジュール１０５、並びに、分注装置１０８、ワイパー１０９、構築プラットホーム１０２、ノズル１１２、および排気管１１０の動きを駆動するモータ（図示せず）などのレーザー溶融装置のモジュールへのデータ接続とを備える。外部データ接続１６５が、コンピュータ１６０への走査命令のアップロードを提供する。レーザーモジュール１０５、光学モジュール１０６、流れデバイスの可動のガス入口１１２ａおよびガス出口１１０ａ、並びに構築プラットホーム１０２の動きは、走査命令に基づいてコンピュータ１６０によって制御される。

チャンバ１０１内には、構築の完了時にそこから物体を取り除くためのドア１２５（図３に示す）が提供される。

図３を参照すると、ノズル１１２および排気管１１０は、線形軸に沿って可動となるように、レールまたはトラックなどのガイド１２０上に取り付けられる。使用の際には、ノズル１１２および排気管１１０の相対位置は、走査されている粉末床１０４の区域および使用されている走査方策に基づいて変更される。例えば、図３では、ストライプ走査方策が使用されており、物体１０３の区間１２１の内側領域が、ストライプ領域１２３の連続内の区間１２１にわたって進行されるラスタ走査１２２によって走査される。ノズル１１２および排気管１１０は、それが区間１２１にわたって走査を行うとき、レーザービームに追従するように動かされる。ノズル１１２のガス入口１１２ａおよび排気管１１０のガス出口１１０ａは、粉末床１０４の周辺部内に配置され、好ましくは、ストライプの走査中に実質上一定の距離をあけて維持される。

ストライプ１２３の走査後、区間１２１の外側の周りで境界走査１２４が実施され得る。これを、図４ａに示す。境界走査１２４中、排気管１１０およびノズル１１２は、ノズル１１２および排気管１１０がさらに動かされることなく境界走査全体を完了することができるのに十分なほど遠くに離れて配置され得る。

物体の区間（層）１２１が完成された後、粉末のさらなる層が粉末床１０４上に堆積される。これを行うため、ワイパー１０９は、粉末の新しい層を分散させるように粉末床１０４にわたって動く。この実施形態では、ワイパー１０９が粉末床１０４を通り越すために、ノズル１１２および排気管１１０は、ワイパーがそれらの間を通ることを可能にするのに十分なほど遠くに離れていなければならない。図４ｂは、粉末を分散させているワイパー１０９を示しており、粉末の結合中のワイパー１０９の位置を点線で示している。

この実施形態では、レーザービームを使用した粉末の結合中にノズル１１２および排気管１１０が動くときの構築チャンバ１０１内のガスの混乱を低減させるために、ノズル１１２および排気管１１０は、湾曲された外面を有する。

ガス再循環ループ１１１、ノズル１１２、および排気管１１０は、走査方向に応じてガス流の方向を切り替えるように配置され得る。したがって、そのようなシナリオでは、ノズル１１２が排気管になり、排気管１１０がノズルになるはずである。

図５ａおよび図５ｂは、ノズル１１２と排気管１１０の間の距離の変化に対するポンピング効果を回避するために固定の長さを有する再循環ループの代替的実施形態を示す。この実施形態では、再循環ループ１１１は、回転継手１８５から１９０に接続されたガスを輸送する管１８０から１８３を備え、回転継手１８５から１９０は、管１８０から１８３がノズル１１２および排気管１１０の動きと共に動くことを可能にする。回転継手１８５および１９０は、構築チャンバに対して固定され、回転継手１８７および１８８は、それぞれ排気管１１０およびノズル１１２に固定される。回転継手１８６および１８９は、構築チャンバ内で「浮動」する。

図５ａでは、管１８０から１８３は、垂直に位置合わせされた回転継手１８５から１９０の回転軸（点線で示す）とともに水平平面内を動く。図５ｂでは、管１８０から１８３は、水平に位置合わせされた回転継手１８５から１９０の回転軸とともに垂直平面内を動く。管１８０から１８３は、構築チャンバに固定された回転継手１８５、１９０に配置された出口／入口を介して、構築チャンバの外側に配置された再循環ループのフィルタおよびポンプに接続され得る。

図５ａおよび図５ｂに示される配置は、ノズル１１２および排気管１１０が互いに対して動くことを可能にしながら、蛇腹または伸縮式の管材配置で起こり得るポンピング効果を回避するために、再循環ループ１１１の長さが一定のままであることを確実にする。構築チャンバ外部へのポンプおよびフィルタの配置は、構築チャンバ内に収容された不活性ガス雰囲気の完全性を損なう可能性のある構築チャンバへのアクセスを得ることなく、フィルタの交換およびポンプの保守を可能にする。図５ｂの実施形態の利点は、重力並びにガス流が、継手１８５にある出口の方へ砕片を駆動し、それによって管の詰まりを防止することができることである。

図６ａおよび図６ｂは、本発明のさらなる実施形態を示し、計量装置、この実施形態では走査またはタッチプローブ１３０が、それがノズル１１２に沿って線形方向（矢印Ａで示す）および垂直方向（矢印Ｂで示す）に動くことができるように、ノズル１１２に取り付けられる。使用の際には、走査またはタッチプローブ１３０は、混成の半加工品または構築されている物体を測定するように動かされ得る。計量装置は、装置の初期設定、処理中の制御、または作製後の物体の測定に使用されることもできる。しかし、ノズル１１２の裏面に搭載することは、測定プローブに対して軸の別個のセットを提供することと比較すると、必要とされる軸の数を低減させる。プローブ１３０はまた、排気管１１０上に同様に取り付けることもできることを理解できよう。

この実施形態では、再循環ループ１１１に対する蛇腹配置は、伸縮式の管１２７に置き換えられた。

図７は、さらなる実施形態を示し、ノズル１１２および排気管１１０は、粉末床１０４の一部分の幅にわたって延出し、ノズル１１２および排気管１１０はそれぞれ、直交する２つの軸に沿って動くように取り付けられる。

図８ａはさらなる実施形態を示し、装置は、ノズル１１２および排気管１１０の複数の対を備え、各ノズル１１２および排気管１１０は、直交する２つの軸に沿って動くように取り付けられる。ノズル１１２および排気管１１０の各対は、構築プラットホーム１０２の異なる部分を覆うように配置される。ガス流方向に直交する方向における各対のノズル１１２および排気管１１０の動きの範囲は、構築プラットホーム１０２の幅全体より小さく制限され、この実施形態では、構築プラットホーム１０２の幅の２分の１に制限される。そのような配置は、特許文献７または特許文献８に開示のように、物体が２つ以上のレーザービームによって同時に粉末の結合によって形成されるときに有用となり得る。

図８ｂは、ノズル１１２および排気管１１０の複数の対を備える装置に関する変形形態を示す。この実施形態では、ノズル１１２および排気管１１０の対が共通のガイド１２０上に取り付けられる。各対は、構築プラットホーム１０２の異なる区域を覆うように配置されいよく、または構築プラットホーム上の共通の区域が両方の対によって覆われることができるように配置され得る。各対のノズル１１２および排気管１１０は、ガス流方向に直交する方向に構築プラットホーム１０２の範囲全体にわたって動くことができる。

図８ｃでは、ノズル１１２は、粉末床１０４の一部分の幅にわたって延出するだけであるが、排気管１１０は、構築プラットホーム１０２のより広い領域、この実施形態では幅全体にわたって延出する。レーザービームが粉末床に当たる領域に入口からのガスの流れを収束させることが望ましい可能性があるのに対して、粉末の結合からの砕片が、粉末床のうち、ノズル１１２によってガスが誘導される容積より大きい領域にわたって分散する可能性があるため、排気管は、さらに大きい領域にわたって延出することが望ましい可能性がある。

図９は、ノズル１１２および排気管１１０システムが構築プラットホーム１０２の周りを回転運動するように取り付けられたシステムを示す。この実施形態では、構築プラットホーム１０２は、作業区域を画定する丸い上面を備える。ノズル１１２および排気管１１０は、線形方向に独立して動くように枠１７０内に取り付けられ、枠１７０は、構築プラットホーム１０２の周りでノズル１１２および排気管１１０を回転させるようにガイド１２０内を回転可能である。このようにして、ノズル１１２と排気管１１０の間の距離は、構築プラットホーム１０２にわたって流れが生成される方向とともにどちらも調整され得る。ガス流方向は、各層に対して走査方向が変更されるときにノズル１１２および排気管１１０を回転させることによって変更され得る。例えば、走査方向は、連続層間で設定された量だけ回転させることができ、流れ方向もまた、対応する量だけ回転される。流れ方向は、走査方向またはストライプ形成方向に平行になるように配置され得る。ストライプ状に層を走査する一例が、特許文献９に開示されている。

また、図１０に示すように、排気管１１０によって提供される出口１１０ａは、ノズル１１２によって提供される入口１１２ａより大きい垂直方向の高さを有することができる。これは、ガス流内の乱流によって排気管上に凝縮物が吹き付けられるのを防止し、ＳＬＭ処理によって生成されるはねの収集を容易にすることができる。

図１１から図１３は、流れデバイス１３１の代替的実施形態を示し、ノズル１１２および排気管１１０は、ガス入口１１２ａとガス出口１１０ａの間に固定の距離を有する単一の可動のユニット１３１として形成される。この実施形態では、ワイパー１０９は、ユニット１３１に固定され、粉末は、ユニット１３１の動きと同時に粉末床１０４にわたって分散される。図１１ａでは、ワイパー１０９は、ノズル１１２および排気管１１０に対して固定される。しかし、図１１ｂでは、ワイパー１０９は、ワイパーが構築プラットホーム１０２にわたって粉末を分散させるように粉末に係合する延出位置１０９ａから、ワイパー１０９が粉末に係合しないでユニット１３１が構築プラットホーム１０２上を動くことができる後退位置１０９ｂへ可動である。

光学ユニット１０６は、ガス入口１１２ａとガス出口１１０ａの間の間隙内へレーザービーム１３３を誘導してそれらの間で粉末を結合させるように制御される。使用の際には、ユニット１３１は、粉末床を横切るようにガイド１２０に沿って（適したモータ（図示せず）による）動かされ、レーザービーム１３３は、ユニット１３１が粉末床を横切るときに間隙間を走査するように光学モジュール１０６によって誘導される。レーザービームが間隙にわたって走査するときにレーザービーム１３３をオンおよびオフに切り替えることは、粉末床１０４の区域が選択的に結合されることを可能にする。後退可能なワイパー１０９を有する図１１ｂに示す実施形態は、粉末の次の層を分散させるまでに、ユニット１３１が構築プラットホーム１０２上を２回以上横切ることを可能にすることができる。例えば、後退可能なワイパーは、流れデバイス１３１による粉末床の別個の横断中に粉末の隣接する区域がレーザービームによって走査される場合、粉末床の加熱を管理するのに有益となることができる。例えば、図３に示すようなストライプパターンが、部分を形成する走査方策として使用されることができ、隣接するストライプは、流れデバイス１３１による粉末床の異なる横断中に走査される。

図１４は、本発明の別の実施形態による可動の流れデバイス１４１を示す。この実施形態では、流れデバイス１４１は、粉末床１０４近傍に配置された、チャンバ１０１からガスを抜き取るガス出口１１０ａと、（出口１１０ａに対して）粉末床１０４から遠くに配置された、チャンバ１０１内へガスを推進させるガス入口１１２ａとを備える。この実施形態では、入口１１２ａは、チャンバ１０１内へ上方にガスを推進させる。ガスを出口１１０ａ内へ吸い込み、ガス入口１１０ａからガスを推進させる動作は、チャンバ１０１内で流れデバイス１４１近傍に不活性ガスの循環を生成することができる。流れデバイス１４１内には、ガスが入口１１２ａを通って構築チャンバ内へ再び推進される前にガス流から粒子を除去するフィルタ（図示せず）が収容される。

使用の際には、光学モジュール１０６は、ガス出口１１０ａに近接した位置へレーザービーム１３３を誘導するように制御され、したがって、粉末１０４の結合によって生成された凝縮物は、出口１１０ａによって生成されるガス流内に取り除かれる。流れデバイス１４１は、粉末床１０４を横切るようにガイド１２０に沿って（適したモータ（図示せず）による）動かされ、レーザービーム１３３は、流れデバイス１４１が粉末床１０４を横切るときにガス出口１１０ａのすぐ後ろまたは前を走査するように光学モジュール１０６によって誘導される。レーザービームが粉末床を走査するときにレーザービーム１３３をオンおよびオフに切り替えることは、粉末床１０４の区域が選択的に結合されることを可能にする。

図１５は、図１４に示すような流れデバイス１５１であるが、ガスの流れをガス出口１１０ａへ誘導するためのガス流ガイド１５２が追加される。ガス流ガイド１５２は、流れデバイス１５１と共に動くように取り付けられており、それと共に動くように流れデバイス１５１に接続され得る。流れガイド１５２は、杓子状または平面の表面などの適当な形状を有することができ、チャンバ１０１内の上部領域から出口１１０ａに隣接する下部領域へガスを誘導する。

さらなる実施形態（図示せず）では、流れデバイスの入口１１２ａが出口１１０ａとともに可動であるのではなく、入口１１２ａはチャンバ１０１内で固定の位置に配置され得る。

本明細書に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、前述の実施形態に変更および修正を加えることができることが理解されよう。特に、一実施形態を参照して記載した特徴は、別の実施形態を参照して記載した特徴と組み合わされ得る。例えば、図１１から図１５を参照して記載した流れデバイスは、図７から図９に示すように、粉末床１０４の幅全体にわたって延出することができ、または粉末床の一部分の幅にわたって延出し、直交する２つの方向に動くように取り付けられ得る。

Claims (17)

1. 材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置であって、
   作業区域を収容する構築チャンバと、
   前記作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、
   前記作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび前記容積から
   ガスを抜き取る第２の流れデバイスであって、前記第１の流れデバイスと前記第２の流れデバイスの間にガス流を生成し、前記第１の流れデバイスと前記第２の流れデバイスの少なくとも１つが前記構築チャンバ内で可動となるように配置され、前記第１の流れデバイスおよび前記第２の流れデバイスは、前記第２の流れデバイスに対する前記第１の流れデバイスの位置が変動され得るように可動である、第１の流れデバイスおよび第２の流れデバイスと、
   前記作業区域にわたって粉末を分散させるワイパーであって、前記第１の流れデバイスおよび前記第２の流れデバイスの少なくとも１つと共に動くように取り付けられたワイパーと
   を備える積層造形装置。
2. 前記ワイパーが、前記構築チャンバ内で可動である前記第１の流れデバイスおよび／または第２の流れデバイスに、それらと共に動くように取り付けられる、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形方法であって、
   構築チャンバ内の作業区域内に材料を堆積させるステップと、
   前記作業区域にわたって粉末を分散させるワイパーを動かすステップと、
   前記作業区域にわたって高エネルギービームを走査させて前記材料を層ごとに結合させるステップと、
   前記高エネルギービームで結合されている前記材料を含む前記作業区域の上の容積内へガスを推進させる第１の流れデバイスおよび前記容積からガスを抜き取る第２の流れデバイスを動作させて、前記第１の流れデバイスと前記第２の流れデバイスの間にガス流を生成するステップと
   を含み、
   さらに、前記ワイパーを動かすと同時に前記物体の構築中に前記第１の流れデバイスおよび前記第２の流れデバイスの少なくとも１つを動かすステップを含む方法。
4. 材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形装置であって、
   作業区域を収容する構築チャンバと、
   前記作業区域内に堆積された材料を層ごとに結合させる高エネルギービームと、
   前記作業区域の少なくとも一部にわたってガスノズルからガス排気管へのガス流を生成する流れデバイスと
   を備え、
   前記流れデバイスは前記作業区域をわたるガス流の方向を変更するように調整可能である、積層造形装置。
5. 前記ガスノズルおよび前記ガス排気管は、前記作業区域内で、前記ガス流方向を変更するために、少なくとも１つの軸の周りで前記ガスノズルおよび前記ガス排気管を回転させるアセンブリ上に取り付けられる、請求項４に記載の積層造形装置。
6. 前記高エネルギービームの走査方向が層間で変更されるように、前記ガスノズルおよび前記ガス排気管を回転させることにより、前記ガス流の方向を調整するために配置された、請求項５に記載の積層造形装置。
7. 前記走査方向が連続層間を一定量で回転され、前記ガスノズルおよび前記ガス排気管が対応する量で前記ガス流方向を回転させるように調整されるように配置された、請求項６に記載の積層造形装置。
8. 前記高エネルギービームの走査方向に基づいて、前記ガスノズルおよび前記ガス排気管の間のガス流の方向を切り替えるように配置される、請求項６に記載の積層造形装置。
9. 前記ガスノズルおよび前記ガス排気管は、前記ガス排気管に対する前記ガスノズルの位置が固定されたままとなるように、共に動くように配置されている、請求項４または５に記載の積層造形装置。
10. 前記ガスノズルおよび前記ガス排気管は、少なくとも１つの線形軸に沿って前記ガスノズルおよび前記ガス排気管を動かすアセンブリ上に取り付けられる、請求項４乃至９のいずれか一項に記載の積層造形装置。
11. 前記装置は、選択的レーザー凝固装置であり、前記構築チャンバ内の前記作業区域にわたって粉末層が連続して堆積され、各粉末層のうち構築されている前記物体の横断面に対応する部分にわたってレーザービームが走査され、粉末の前記部分を結合させる、請求項１、２および４〜１０のいずれか一項に記載の積層造形装置。
12. 材料の層ごとの結合によって物体を構築する積層造形方法であって、
    構築チャンバ内の作業区域内に材料を堆積させるステップと、
    前記作業区域にわたって高エネルギービームを走査させて前記材料を層ごとに結合させるステップと、
    前記作業区域をわたってガス流の方向を変更するように、前記作業区域の少なくとも一部にわたってガスノズルからガス排気管へのガス流を生成する流れデバイスを動作させるステップと
    を含む方法。
13. 前記ガス流方向を変更するために、前記作業区域内で少なくとも１つの軸の周りで前記ガスノズルおよび前記ガス排気管を回転させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記高エネルギービームの走査方向が層間で変更されるように、前記ガスノズルおよび前記ガス排気管を回転させることにより、前記ガス流の方向を変更するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記走査方向が連続層間を一定量で回転され、前記ガスノズルおよび前記ガス排気管が対応する量で前記ガス流方向を回転させるように回転されるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記高エネルギービームの走査方向に基づいて、前記ガスノズルおよび前記ガス排気管の間のガス流の方向を切り替えるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 命令を有するデータキャリアにおいて、前記命令は、プロセッサによって実行されたとき該プロセッサに積層造形装置を制御させて、請求項３、および１２乃至１６のいずれか一項に記載の方法を実施させるデータキャリア。

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