JP2019524504A - 粉末床溶融結合装置の粉末適用機器に対し原料粉末を提供するための粉末送出機器および粉末送出方法 - Google Patents

Abstract

粉末床溶融結合装置の粉末適用機器に対して原料粉末を提供するための粉末送出機器が提供される。粉末送出機器は、原料粉末を収容するように構成され、粉末適用機器に原料粉末を提供するための排出口を含む、粉末供給区分を含む。粉末送出機器はさらに、粉末供給区分（４０）の第１の場所に配設され粉末供給区分内の第１の物理的パラメータを決定するように構成された第１の物理的パラメータ決定ユニットと、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしているか否かを決定するように構成された制御ユニット、および粉末処理ユニットを含み、ここで、制御区分は、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしていないと決定した場合に、粉末処理を行なうように粉末処理ユニットに命令するように構成されている。

Description

本発明は、粉末床溶融結合装置の粉末適用機器（塗布デバイス）に対し原料粉末を提供するための粉末送出機器および粉末送出方法に関する。

粉末床溶融結合は、粉状の特に金属及び／又はセラミック原料を複雑な形状の３次元ワークピースに加工することのできる付加的な積層プロセスである。この目的で、原料粉末層がキャリア上に適用され、生産すべきワークピースの所望される幾何形状に応じて部位選択的に放射線（例えばレーザーまたは粒子放射線）に付される。粉末層内に浸透する放射線は、原料粉末粒子の加熱ひいては溶融または焼結をひき起こす。その後、ワークピースが所望の形状およびサイズを有するまで、すでに放射線処理を受けたキャリア上の層に対し連続的にさらなる原料粉末層が適用される。粉末床溶融結合は、ＣＡＤデータに基づいて、原型、工具、交換部品、高価値コンポーネントまたは医療用プロテーゼ、例えば歯科用または整形外科用プロテーゼを生産するために利用可能である。粉末床溶融結合技術の例としては、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）および選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）がある。

粉末床溶融結合装置は通常、キャリア上に原料粉末の層を適用するための粉末適用機器（例えばブレード、ローラーまたはブラシ）を含む。新しい原料粉末は、粉末床溶融結合装置の内部または外部に位置設定され得る粉末貯蔵庫から粉末適用機器まで送出される。さらに、未使用の原料粉末が収集され任意には加工（例えば清浄）され、再び粉末適用機器に補給される閉鎖式粉末サイクルを使用することができる。

高品質のワークピースを得るためには、原料粉末（すなわち凝固前の粉末）が一定の品質基準を満たす必要がある。より一般的には、安定した所望のプロセス条件を得るためには、粉末適用機器に送出される原料粉末の物理的特性及び／又は粉末適用機器に原料粉末を提供する粉末供給区分内部の物理的特性が一定の品質要件を満たしていることが必要である。このような物理的特性としては、酸素含有量、湿度、粉末粒子の粒子サイズなどが含まれるが、これらに限定されない。

公知の粉末床溶融結合装置においては、オペレータは、原料粉末を粉末貯蔵庫に充填する前に（または交換可能な粉末貯蔵庫が設置される前に）原料粉末の品質をチェックする必要があり、これはオペレータにとって煩わしいことである。さらに、オペレータは、粉末が貯蔵庫内に充填された後（または交換可能な粉末貯蔵庫が設置された後）の物理的特性の変化、すなわち環境的影響（例えば湿度、温度など）に起因する変化に対しいかなる影響も及ぼすことがない。したがって、原料粉末の物理的特性が気づかれることなく劣化することも起こり得る。例えば、粉末が粉末貯蔵庫内及び／又は粉末床溶融結合装置の粉末サイクル中に導入された後に、粉末の腐食状態（例えば酸化状態）が変化することもあれば、湿度（すなわちＨ₂Ｏ含有量）が変化することもある。その場合、生産された最終的ワークピースの品質が例えば頑健性、密度などの既定の品質規格を満たすことを保証することができない。

本発明は、上述の問題及び／又は他の関連する問題を解決する装置および方法を提供するという目的に向けられたものである。

この目的は、請求項１に記載の粉末送出機器および請求項１３に記載の粉末送出方法により対処される。

第１の態様によると、粉末床溶融結合装置の粉末適用機器に対して原料粉末を提供するための粉末送出機器が提供される。該粉末送出機器は、原料粉末を収容するように構成され、粉末適用機器に原料粉末を提供するための排出口を含む、粉末供給区分を含む。粉末送出機器はさらに、粉末供給区分の第１の場所に配設され粉末供給区分内の第１の物理的パラメータを決定するように構成された第１の物理的パラメータ決定ユニットと、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしているか否かを決定するように構成された制御ユニット、および粉末処理ユニットを含み、ここで、制御区分は、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしていないと決定した場合に、粉末処理を行なうように粉末処理ユニットに命令するように構成されている。

第１の態様は、粉末送出機器に向けられている。第１の態様は、粉末床溶融結合装置および前記粉末床溶融結合装置の粉末適用機器に言及しているものの、粉末床溶融結合装置および粉末適用機器は必ずしも第１の態様の一部を成す必要はない。しかしながら、第１の態様の粉末送出機器は、粉末床溶融結合装置の内部に配設されていてよい、すなわち粉末床溶融結合装置に含まれていてよい。

「原料粉末」および「粉末」なる表現は、本開示において同義で使用されている。両方の表現共、例えばレーザなどにより凝固させられる前の原料粉末を意味する。

粉末供給区分は、粉末貯蔵庫からの原料粉末を収容するように構成されていてよい。代替的には、粉末供給区分は、粉末貯蔵庫を含んでいてよい。粉末供給区分は、実質的に箱形、円筒形、球形であり得、または他の任意の好適な形状を有していてもよい。粉末供給区分は、原料粉末用のコンテナを含んでいてよく、または粉末ラインの一区分であってもよい。粉末ラインのこの区分は、その中を通って粉末が落下するかまたは粉末適用機器まで搬送される粉末ラインの一区分であり得る。該粉末ラインは、閉鎖式粉末サイクルまたは粉末貯蔵庫と粉末適用機器を連結する粉末ラインの一部であり得る。

原料粉末は、圧力を介して、空気−気体流を介して、機械力を介して及び／又は重力を介して、粉末供給区分内に補給され得る。同様に、原料粉末は、圧力を介して、空気または気体流を介して、機械力を介して及び／又は重力を介して、粉末供給区分の排出口を通って粉末適用機器に提供され得る。

粉末供給区分の第１の場所は、粉末供給区分の壁区分にある場所に対応し得る。第１の物理的パラメータは、第１の物理的パラメータ決定ユニットにより測定され得る。第１の物理的パラメータは、物理的特性に関するものであってよい。物理的特性は、原料粉末自体の物理的特性（例えば粒子サイズ、腐食状態、酸化状態、湿度など）または、原料粉末の直接的環境の物理的特性（例えば酸素含有量、圧力など）に対応していてよい。第１の物理的パラメータは１つの値（例えば平均粒径値、湿度百分率値など）により表現され得る。第１の物理的パラメータは、対応する構築ジョブのログファイル内に記憶され得る。

粉末供給区分の第１の場所は、排出口に可能なかぎり近いところに位置設定され得る。しかしながら、第１の場所は、第２の場所における第２の測定を可能にし、及び／又は第１の物理的パラメータ決定ユニットによる測定の後でかつ粉末適用機器へと排出口を離れる前の原料粉末の粉末処理を可能にするために、粉末供給区分内で充分上流側に位置設定されてよい。

制御ユニットは、粉末床溶融結合装置の制御ユニットであっても、別個の制御ユニットであってもよい。制御ユニットはプロセッサおよびメモリを含むことができる。第１の許容基準は、第１の物理的パラメータが既定の値範囲内にあるか否かを決定することに向けられていてよい。さらに、第１の許容基準は、第１の物理的パラメータが既定の閾値より低いか否かを決定することに向けられていてよい。

粉末処理ユニットは、原料粉末及び／又は原料粉末の直接的環境の少なくとも１つを変更するために粉末処理を実施するように構成されていてよい。原料粉末の物理的特性は、粉末処理の後、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たすかまたは第１の物理的パラメータの値が少なくとも粉末処理の前に比べ第１の許容基準の値範囲または閾値により近いものとなるように、粉末処理ユニットにより変更され得る。

粉末送出機器はさらに、粉末供給区分の第２の位置に配設され粉末供給区分内の第２の物理的パラメータを決定するように構成された第２の物理的パラメータ決定ユニットを含んでいてよく、ここで、制御ユニットは、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしているか否かを決定するように構成されている。

粉末供給区分の第２の位置は、排出口に可能なかぎり近い位置に対応していてよい。このようにして、第２の物理的パラメータの測定は、粉末の物理的特性の最終チェックに対応し得る。第２の物理的パラメータは、第１の物理的パラメータとは異なる物理的特性に関するものであってよい。単なる一例として、第１の物理的パラメータは、測定された酸素含有量に関するものであり得、一方、第２の物理的パラメータは、原料粉末の測定された湿度に関するものであり得る。

第２の物理的パラメータは、第１の物理的パラメータと同じ物理的特性に関するものであってよい。第２の物理的パラメータは、対応する構築ジョブのログファイル内に記憶されてよい。

その場合、第２の許容基準は、第１の許容基準に対応し得る。例えば、第１の許容基準は、第１の物理的パラメータとして測定された値が既定の値範囲内に存在することを規定し得、第２の許容基準は、第２の物理的パラメータとして測定された値が同じ既定の値範囲内に存在することを規定し得る。代替的には、第２の許容基準は第１の許容基準とは異なる（例えばより厳格な）ものであってもよい。

第２の物理的パラメータ決定ユニットの第２の位置は、第１の物理的パラメータ決定ユニットの第１の位置の下流側に位置設定されてよい。

本開示によると、「下流側」なる表現は、粉末供給区分を通した原料粉末の送出方向及び／又は流れ方向を基準とする。したがって、「下流側」なる表現は、例えば粉末が「上向き」に送出される場合など、粉末床溶融結合装置内の「上」および「下」の方向を必ずしも意味するものではない。第２の物理的パラメータ決定ユニットの第２の位置は、物理的パラメータ決定ユニットの第１の位置よりも粉末適用機器に近いところに位置設定されてよい。

粉末送出機器はさらに、粉末供給区分の排出口に位置設定されたバルブを含むことができる。

バルブは、制御ユニットにより制御されてよい。バルブは、閉鎖状態で粉末供給区分の排出口を閉じ、開放状態で粉末供給区分の排出口を開くように構成されていてよい。

制御ユニットは、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていないと決定した場合に、バルブを閉じるように構成され得る。

さらに、制御ユニットは、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていないと決定した場合に、粉末床溶融結合装置の３次元ワークピースの堆積プロセスを停止させるように構成されていてよい。

制御ユニットは、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていないと決定した場合粉末処理を行なうように粉末処理ユニットに命令するように構成されていてよい。

第１の物理的パラメータ決定ユニットは、酸素測定ユニット、湿度測定ユニット、流動特性測定ユニット、腐食状態測定ユニット、酸化状態測定ユニット、圧力測定ユニット、粉末粒子サイズ測定ユニット、粉末粒子形状測定ユニット、粉末粒子分布測定ユニット、粉末純度測定ユニット、粉末粒子気孔率測定ユニット、粉末粒子密度測定ユニット、および充填密度測定ユニットのうちの少なくとも１つを含み得る。

第１の物理的パラメータ決定ユニットは、制御ユニットに対して測定値を出力するように構成されていてよい。本開示によると、制御ユニットに対し測定値または物理的パラメータを出力または伝送するステップは、デジタル信号を伝送するステップ、測定値に応じて電圧を印加するステップ、測定値に応じて抵抗を適用するステップ、測定値に応じてキャパシタンスを適用するステップ、及び／又は測定値に左右される電流の流れをひき起こすステップを含むことができる。酸素測定ユニットは、酸素センサを含むことができ、及び／又は酸素百分率値を出力するように構成されてよい。湿度測定ユニットは、湿度センサ（例えばＨ₂Ｏセンサ）を含んでいてよく、及び／又は湿度百分率値を出力するように構成されていてよい。流動特性測定ユニットは、原料粉末について光学流動特性測定を行なうための光学ユニットを含んでいてよい。例えば、流動特性測定ユニットは、流動性値を出力することができる。腐食状態測定ユニットは、原料粉末について分光測定などの光学的腐食状態測定を行なうための光学ユニットを含むことができる。腐食状態測定ユニットは、原料粉末の色及び／又は変色を決定するように構成され得る。腐食状態は、原料粉末の酸化状態に対応し得る。圧力測定ユニットは、粉末供給区分内の圧力の圧力値を出力するための圧力センサを含むことができる。粉末粒子サイズ測定ユニットは、原料粉末の粉末粒子の最小粒子サイズ値、最大粒子サイズ値、及び／又は平均粒子サイズ値を出力するように構成され得る。充填密度測定ユニットは、原料粉末の充填密度を決定するように構成されていてよい。

上述の第１の物理的パラメータ決定ユニットに関する詳細は、同様に、第２の物理的パラメータ決定ユニットにも適宜にあてはまり得る。

第１の物理的パラメータ決定ユニットは、サンプリング点およびセンサのうちの少なくとも１つを含むことができる。

サンプリング点は、粉末供給区分内部の粉末流からかまたは粉末供給区分内に格納された粉末から原料粉末の試料が抽出される、粉末供給区分の１つの場所を含み得る。抽出後、試料は、測定機器（例えばセンサ）を用いて、及び／又は人間によって測定される。例えば、原料粉末の試料を抽出し、粒子サイズ、粒子形状などについて分析することができる。分析結果は、制御区分に提供されてよい。センサは粉末供給区分内部の粉末流に対して、または粉末供給区分内に格納された粉末に対して直接配設されるセンサであり得る。上述の第１の物理的パラメータ決定ユニットに関する詳細は、同様に、第２の物理的パラメータ決定ユニットにもあてはまり得る。

粉末処理ユニットは、気体導入ユニット、粉末解し（解放）ユニット、加熱ユニット、乾燥ユニットおよび真空発生ユニットのうちの少なくとも１つを含むことができる。

気体導入ユニットは、粉末供給区分内に不活性ガス（例えばアルゴン）を導入するように構成され得る。粉末解しユニットは、原料粉末を解し、及び／又は粉末の凝集を防ぐように構成されていてよい。加熱ユニットは、第１の位置と第２の位置の間の壁区分に配設される加熱を含むことができる。乾燥ユニットは加熱及び／又は吸湿手段を含むことができる。真空発生ユニットは、粉末供給区分内に真空を発生させるように構成されていてよい。換言すると、真空発生ユニットは、粉末供給区分を排気するように構成されていてよい。この目的で、粉末供給区分は、粉末供給区分が排気されている間閉鎖される入口バルブと出口バルブを含むことができる。粉末供給区分は、他の粉末処理ユニットの少なくとも１つが活動状態にある間（例えば乾燥ユニット及び／又は弛緩ユニット）排気することができる。さらに、真空発生ユニットは、他の粉末処理ユニットとは独立して活動化され得、代替的乾燥ユニット及び／又は代替的弛緩ユニットとして役立つことができる。

第２の態様によると、粉末床溶融結合装置が提供される。この粉末床溶融結合装置は、第１の態様の粉末送出機器および粉末適用機器を含む。

第２の態様によると、制御ユニットは、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていないと決定した場合に粉末適用機器の粉末適用プロセスを停止させるように構成されてよい。その場合、（視覚的または音響的）警報信号も出力されてよい。

第３の態様によると、粉末床溶融結合装置の粉末適用機器に対し原料粉末を提供するための粉末送出方法が提供される。この粉末送出方法は、粉末供給区分の排出口から、粉末適用機器に原料粉末を提供するステップと、粉末供給区分の第１の場所で粉末供給区分内の第１の物理的パラメータを決定するステップと、を含む。粉末送出方法はさらに、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしているか否かを決定するステップと、第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしていないと決定された場合、粉末処理を行なうステップとを含む。

粉末送出方法はさらに、粉末供給区分の第２の場所で粉末供給区分内の第２の物理的パラメータを決定するステップと、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしているか否かを決定するステップと、を含む。

第２の物理的パラメータは、第１の物理的パラメータと同じ物理的特性に関するものであってよい。

該当する場合、第１および第２の態様に関して上述した詳細は、同様に、粉末送出方法に向けられた第３の態様にもあてはまる。

本発明の好ましい実施形態についてここで、添付の概略的図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。

本開示に係る粉末送出機器を含む粉末床溶融結合装置の概略的側面図を示す。 粉末供給区分が原料粉末用のコンテナを含む、本開示の第１の実施形態に係る粉末送出機器の略図を示す。 粉末供給区分が粉末ラインの一区分である、本開示の第２の実施形態に係る粉末送出機器の略図を示す。 本開示の第３の実施形態に係る粉末送出機器の略図を示す。

図１は、付加層組立方法によりコンポーネント（ワークピース）を製造するための粉末床溶融結合装置１０を示す。この装置１０は、プロセスチャンバ１２を含む。プロセスチャンバ１２内に配置された粉末適用機器１４が、キャリア１６上に原料粉末を適用するために役立つ。プロセスチャンバ１２は、周囲雰囲気に対して、すなわちプロセスチャンバ１２を取り囲む環境に対して封止可能である。キャリア１６は、キャリア１６上に原料粉末から層状に堆積されるにつれてのコンポーネントの組立高さの増大に伴いキャリア１６を垂直方向に下向きに移動させることができるように、垂直方向に変位可能であるように設計されている。

装置１０はさらに、キャリア１６上に適用される原料粉末上にレーザ放射線を選択的に照射するための照射機器１８を含む。照射機器１８を用いて、キャリア１６上に適用された原料粉末は、生産されるべきコンポーネントの所望される幾何形状に応じて部位選択的にレーザ放射線に付されてよい。照射機器１８は、密封可能なハウジング２０を有する。放射線源２４、詳細には例えばおよそ１０７０〜１０８０ｎｍの波長でレーザ光を発出するダイオード励起のイッテルビウム繊維レーザを含み得るレーザ源によって提供される放射線ビーム２２、詳細にはレーザビームは、開口部２６を介してハウジング２０内に導かれる。

照射機器１８はさらに、放射線ビーム２２を誘導し加工するための光学ユニット２８を含む。光学ユニット２８は、放射線ビーム２２を拡大するためのビーム拡大器、スキャナおよび対物レンズを含むことができる。代替的には、光学ユニット２８は、集束光学系およびスキャナユニットを含むビーム拡大器を含むことができる。スキャナユニットを用いて、ビーム経路の方向およびビーム経路に直交する平面内の両方における放射線ビーム２２の焦点の位置を変更し適応させることが可能である。スキャナユニットは、検流計スキャナの形で設計されてよく、対物レンズは、ｆθ対物レンズであってよい。

装置１０の動作中、生産すべきコンポーネントの第１の層は、放射線ビーム２２でキャリア１６上に適用された原料粉末を選択的に照射することにより、キャリア１６上で生成される。放射線ビーム２２は、生産すべきコンポーネントのＣＡＤデータにしたがってキャリア１６上に適用された原料粉末全体にわたり誘導される。生産すべきコンポーネントの第１の層が完成した後、キャリア１６は、垂直方向に降下させられ、粉末適用機器１４を用いた連続する粉末層の適用を可能にする。その後、連続する粉末層は、照射機器１８を用いて照射される。こうしてコンポーネントは、層毎に、キャリア１６上に堆積される。

プロセスチャンバ１２には、このプロセスチャンバ１２に、そしてさらに粉末適用機器１４に対し原料粉末を供給するための粉末取入口３０が具備されている。余剰の原料粉末は粉末排出口３２を介してプロセスチャンバ１２から放出される。プロセスチャンバ１２の粉末排出口３２は、粉末循環ライン３４を介してプロセスチャンバ１２の粉末取入口３０に連結される。こうして、粉末排出口３２を介してプロセスチャンバ１２から放出された余剰の原料粉末は、プロセスチャンバ１２の粉末取入口３０まで再循環され、粉末適用機器１４内で再利用される。プロセスチャンバ１２および粉末循環ライン３４は、したがって、図１中で参照番号３６として呼称されている装置１０の粉末サイクルのコンポーネントとみなされ得る。

図１に示された閉鎖型粉末サイクル３６の代りに、粉末貯蔵庫３８を使用してもよく、この貯蔵庫は、当初原料粉末が充填され（例えば堆積プロセス前）、この貯蔵庫から原料粉末が粉末適用機器１４に移送される。代替的には、粉末貯蔵庫３８は、堆積プロセス中に交換可能または再充填可能であってよい。

さらに、図１に示されているように、閉鎖型粉末サイクル３６および粉末貯蔵庫３８の両方が存在していてよく、ここで、粉末貯蔵庫３８は、最初に粉末サイクル３６内に原料粉末を導入し、及び／又は例えば堆積プロセス中に新しい原料粉末を粉末サイクル３６に再充填するために使用されている。代替的には、原料粉末の連続流が（例えば貯蔵庫３８から）提供され得、ここで、堆積プロセスの余剰の粉末は粉末サイクル３６内に直接還流補給されず、一時的粉末収納庫（図示せず）内で保管される。

貯蔵庫３８が存在する場合、それは、粉末床溶融結合装置１０の外側に（例えば外部貯蔵庫３８として）、または装置１０の内部に配設されてよい。粉末サイクル３６内には、原料粉末を清浄及び／又は加工するために、粉末処理区分が具備されてよい。

粉末サイクル３６内、すなわち粉末排出口３２と粉末適用機器１４の間に、粉末供給区分４０が配設される。図１に示されているように、粉末供給区分４０は、粉末適用機器１４の直前に配設される。貯蔵庫３８が存在する場合（閉鎖型粉末サイクル３６に付加的にまたはその代わりとして）、粉末供給区分４０は貯蔵庫３８と粉末適用機器１４の間に配設される。

粉末供給区分４０は、粉末循環ライン３４の一区分すなわち原料粉末を粉末適用機器１４まで移送する粉末ラインの一区分であり得る。その場合、原料粉末は、粉末供給区分を通って流れ、そこで収集（すなわち一時的に保管）されることはない。代替的には、粉末供給区分４０は、粉末適用機器１４まで移送される前に原料粉末を一時的に保管するための粉末コンテナを含み得る。

図２は、本開示の一実施形態に係る粉末供給区分４０を含む粉末送出機器５０の概略的詳細図を示す。粉末供給区分４０は、図１を参照して以上で説明した粉末供給区分４０のように使用されてよい。

図２に示されているように、粉末送出機器５０は、粉末取入口５４を介して原料粉末５２を収容するように構成された粉末供給区分４０を含む。図２に示された実施形態では、粉末供給区分４０は、原料粉末５２のためのコンテナ（すなわち一時的収納庫）を含んでいる。粉末５２は単に、重力により粉末供給区分４０内に落下するかまたは、ポンプ、スクリュコンベア、ファンなどを用いて粉末供給区分４０内に搬送される。図２に示された粉末送出機器５０は、キャリア１６上に上方から粉末５２を適用するように構成されている。

粉末供給区分４０は、排出口５６を含み、この排出口を介して粉末５２が粉末適用機器１４に提供される。排出口５６において、すなわち排出口５６と粉末適用機器１４の間に、バルブ５８が位置設定されている。バルブ５８の開放状態において、粉末５２は、粉末供給区分４０から粉末適用機器１４まで流動でき、一方バルブ５８の閉鎖状態においては、粉末供給区分４０から粉末適用機器１４までいかなる粉末５２も流動し得ない。バルブ５８そして詳細にはバルブの開閉状態は、制御ユニット６０によって制御される。バルブ５８は任意であり、一部の実施形態では省略することもできる。

図２に示されているように、粉末送出機器５０は、５つの物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０を含む。物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０の各々は、物理的パラメータを決定し、物理的パラメータの値を制御ユニット６０に伝送するように構成される。図２に示された実施形態において、物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６および６８は、粉末供給区分４０内の原料粉末５２の物理的特性を測定するため及び／又は原料粉末５２の直接的環境の物理的特性、例えば粉末供給区分４０内部の圧力、粉末供給区分４０内部の酸素含有量、及び／又は粉末供給区分４０内の湿度を測定するためのセンサを含む。付加的に、または代替的に、物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６および６８は、粉末において直接湿度及び／又は酸素含有量を測定するためのセンサを含むことができる。物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６および６８のセンサは、それぞれの物理的特性を「流れ上で（ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ）」、すなわち粉末５２が流動するかまたは粉末供給区分４０を通って搬送される間に測定するように構成されている。例えば、物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６および６８の各々は、一定の時間的間隔でそれぞれの物理的パラメータを測定し、物理的パラメータの値を一定の時間的間隔でコントローラ６０に伝送することができる。

粉末送出機器５０の物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０は、物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０により決定された物理的パラメータが互いに異なるような形で構成されてよい。換言すると、物理的パラメータは、異なる物理的特性（例えば温度、圧力、湿度、酸素含有量、流動特性など）に関するものである。

しかしながら、物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０のうちの少なくとも２つにより決定される物理的パラメータは、同じ物理的特性に関するものであってよい。例えば、物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０のうちの２つは、酸素含有量を決定し、制御ユニット６０に対し対応する値を伝送することができる。物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０は、粉末供給区分の異なる位置に位置設定されていることから、決定された物理的パラメータについての値は、互いに異なるものであり得る。

上述のセンサに加えて、または代替的に、物理的パラメータ決定ユニットのうちの１つ以上は、図２に示されているように、サンプリング点７０を含むことができる。サンプリング点７０において、原料粉末５２の試料が、粉末供給区分４０から採取される。試料は次に分析される。試料を分析するステップは、分析機器を用いて完全に自動化されて行なわれてよく、この場合少なくとも１つの物理的パラメータ（例えば粉末粒子サイズ、粉末気孔率、粉末純度など）が決定され制御ユニット６０に伝送される。例えば、分析は、例えば顕微鏡を用いて光学的に行なわれてよい。分析は同様に、人間のオペレータによって行なわれてもよく、この場合、オペレータは（例えば顕微鏡を使用することにより）少なくとも１つの物理的パラメータを決定し、パラメータの値を入力ユニットに入力し、この値は入力ユニットから制御ユニット６０に伝送される。

図２に示された例示的実施形態において、粉末送出機器５０は物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０を含む。これらの物理的パラメータ決定ユニットは、第１の湿度センサ６２および第２の湿度センサ６８を含み、ここで湿度センサ６２および６８は両方共、粉末供給区分４０内部の粉末５２の湿度値（例えばＨ₂Ｏ含有率値）を決定するように構成されている。図２に示されているように、第１の湿度センサ６２は、粉末５２の流動方向及び／又は搬送方向との関係において第２の湿度センサ６８の上流側に位置付けされている。

図２に示された実施形態の物理的パラメータ決定ユニットはさらに、第１の酸素センサ６６および第２の酸素センサ６４を含み、ここで酸素センサ６６および６４は両方共、粉末供給区分４０内部の粉末５２の酸素含有量を決定するように構成されている。図２に示されているように、第１の酸素センサ６６は、粉末５２の流動方向及び／又は搬送方向との関係において第２の酸素センサ６４の上流側に位置付けされている。粉末送出機器５０の物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０は、対応する物理的パラメータ（湿度値および酸素含有量）を「流れ上で（ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ）」、すなわち、粉末５２が流動するかまたは搬送されている間に測定するように構成されている。例えば、これらの物理的パラメータは、粉末がそれぞれの物理的パラメータ決定ユニット６２、６４、６６、６８および７０の光学センサの前を落下する間に測定されてよい。

図２に示されている実施形態の粉末送出機器５０はさらに、原料粉末５２の試料を採取するためのサンプリング点７０を含む。この試料から、例えば腐食状態、酸化状態、粉末粒子サイズ、粉末粒子形状、粉末粒子分布、粉末純度、粉末粒子気孔率及び／又は粉末粒子密度などの、原料粉末５２の異なる物理的パラメータを決定することができる。

図２に示されている実施形態の粉末送出機器５０はさらに３つの粉末処理ユニット７２、７４および７６を含む。詳細には、これらの粉末処理ユニットは、気体導入ユニット７２、加熱ユニット７４および乾燥ユニット７６を含む。粉末処理ユニット７２、７４および７６の各々は、制御ユニット６０に接続され、制御ユニット６０の制御により活動化および非活動化され得る。

気体導入ユニット７２は、活動化された時点で粉末供給区分４０内に気体を導入するように構成されている。気体は、例えばアルゴンなどの不活性ガスであってよい。気体導入ユニット７２は、制御ユニット６０により制御されるバルブを含むことができる。気体導入ユニット７２が制御ユニット６０により活動化された時点で、気体は、粉末供給区分４０内に流入することができる。気体を粉末供給区分４０内に導入することにより、粉末供給区分４０内の粉末５２は解され及び／又は乾燥され得る。これにより、粉末５２の酸素含有量及び／又は含水量を制御することができる。さらに、気体を粉末供給区分４０内に導入することにより、粉末５２の流動特性（例えば流動性）を制御することができる。

加熱ユニット７４は、粉末供給区分４０内の粉末５２に熱を適用するように構成されている。粉末５２を加熱することにより、例えば粉末５２の含水量（湿度）を制御することができる。換言すると、加熱ユニット７４を活動化させることによって、粉末供給区分４０内の粉末を乾燥させることができる。

乾燥ユニット７６は、乾燥剤を含む。乾燥ユニット７６を活動化させることによって、乾燥剤を粉末５２と接触させることができ、及び／又は乾燥剤を粉末５２の直接的環境と接触させて粉末５２から湿気を吸収することができる。

以下では、図２に示された粉末送出機器５０の動作について説明する。動作は、制御ユニット６０により制御される。制御ユニット６０は、装置１０の中央制御ユニットの一部であり得る。制御ユニット６０は、プロセッサとメモリを含み、ここでメモリには、実行された場合にプロセッサに以下で説明する動作を行なうよう指示する命令が記憶されている。

装置１０により行なわれるワークピースの堆積プロセス中、粉末５２は、粉末供給区分４０から粉末適用機器１４に提供される。次に粉末５２は、粉末適用機器１４によりキャリア１６に適用される。粉末５２が粉末供給区分４０を通って（図２の実施形態においては上から下へ）移送される間、第１の酸素センサ６６は粉末５２の酸素含有量を測定し、この酸素含有量を制御ユニット６０に提供する。制御ユニット６０は、測定された酸素含有量が特定の許容基準を満たしているか否かを決定する。例えば、許容基準は、酸素含有量が特定の閾値より高いか否か、特定の閾値より低いか否か、または特定の値範囲内にあるか否かを規定することができる。単なる一例として、許容基準は、酸素含有量が５０〜２０，０００ｐｐｍの範囲内にあることを規定することができる。

測定された酸素含有量がこの許容基準を満たしていない場合（例えば測定値が既定の許容範囲外である場合）、制御ユニット６０は粉末処理ユニット７２、７４および７６の１つ以上に、粉末処理を行なうよう命令する。一例において、酸素含有量が既定の範囲外であるものと決定された場合、制御ユニット６０は気体導入ユニット７２に、アルゴンを粉末供給区分４０内に導入するよう命令する。代替的には、その場合、制御ユニット６０は、他の粉末処理ユニット７４及び／又は７６の１つに、それぞれの粉末処理を行なうように命令することができる。

酸素含有量の代りにまたはそれに加えて、別の物理的特性、例えば粉末の湿度（Ｈ₂Ｏ含有量）を測定してもよい。このために、第１の湿度センサ６２が使用される。粉末５２の湿度が既定の許容基準を満たしていない場合、制御ユニット６０は、粉末処理ユニット７２、７４及び／又は７６のうちの１つにより行なわれる粉末処理を開始する。例えば、粉末５２の湿度値が過度に高い場合、制御ユニット６０は、粉末５２を乾燥させるためおよび湿度値を低減させるために加熱ユニット７４を活動化させることができる。単なる一例として、許容基準は、湿度が５％〜１０％の相対湿度範囲内にあることを規定することができる。

上述の例と同様に、粉末供給区分４０内の粉末及び／又は粉末の直接的環境の他の物理的特性を測定するために、他の物理的パラメータ決定ユニットを使用してもよい。

一例として、粉末５２の１つ以上の物理的特性を、上述のサンプリング点７０を使用して決定することができる。

別の例として、粉末供給区分４０内部の圧力を決定するため及び／又は粉末供給区分４０と装置１０のプロセスチャンバの間の圧力差を決定するための物理的パラメータ決定ユニットが具備されてよい。付加的または代替的に、粉末供給区分４０と装置１０の外部環境の間の圧力差を決定するための物理的パラメータ決定ユニットを具備することができる。測定された圧力及び／又は圧力差に応じて、それぞれの粉末処理を開始することができる。

上述の動作に加えて、第２の物理的パラメータが決定され得、ここでこの第２の物理的パラメータは、同様に記録されている第１の物理的パラメータと同じ物理的特性に関するものである。第１の物理的パラメータおよび第２の物理的パラメータは、同じ物理的パラメータ決定ユニットにより異なる時点で（例えば第１の物理的パラメータおよび第２の物理的パラメータの決定の間に既定の間隔をおいて）、決定されてよい。付加的にまたは代替的には、第１の物理的パラメータおよび第２の物理的パラメータは、第１の物理的パラメータ決定ユニットおよび第２の物理的パラメータ決定ユニットを使用することにより粉末供給区分４０の異なる場所で決定されてよい。

上述の測定は連続的に行なわれてよい。少なくとも第１の物理的パラメータ決定ユニットおよび第２の物理的パラメータ決定ユニットが具備されている場合、粉末粒子が第１の物理的パラメータ決定ユニットから第２の物理的パラメータ決定ユニットまで進むのに必要な時間を決定するのが有利であり得る。この時間は可変的であり得る。この時間は、例えば粉末供給区分４０内の流速に左右され得る。したがって、これは、例えば使用される装置１０及び／又は粉末供給速度に左右され得る。

第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていない場合、制御ユニット６０は、バルブ５８を閉じる。付加的または代替的に、制御ユニット６０は、装置にワークピースの堆積プロセスを終結するように命令する。第２の許容基準は、第１の許容基準に対応していてよく、あるいは第１の許容基準とは異なる閾値及び／又は範囲境界を規定してもよい。例えば、第２の許容基準の許容範囲は、第１の許容基準の許容範囲より小さくてよく、完全に第１の許容基準の許容範囲内にあってよい。

さらに、堆積プロセスは、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていない場合、永続的に終結される必要はない。例えば、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていない場合、堆積プロセスを一時的に休止し、ひとたび第２の物理的パラメータがまさに第２の許容基準を再び満たした時点で（例えば既定の範囲内に入る場合）、再開させることができる。

バルブの閉鎖及び／又は堆積プロセスの終結に対する代替案として、堆積プロセスは、第２のパラメータが第２の許容基準を満たしていない場合でさえ続行することができる。例えば、第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしていないものの第３の許容基準を満たしている場合には、さらなる粉末処理区分によってさらなる粉末処理を開始することができ、あるいは、粉末処理区分により行なわれる粉末処理の程度を増大させることができる（すなわち導入される不活性ガスの量を増大させる、加熱ユニットの加熱出力の量を増大させる、さらなる加熱ユニット（単複）をオン切換えするなど）。第３の許容基準は、第２の許容基準よりも広い物理的パラメータの値範囲を規定し得る。第２の物理的パラメータが第３の許容基準を満たしていない場合、プロセスは終結され得る。

一例として、一実施形態にしたがって、ここで第１の湿度センサ６２、第２の湿度センサ６８および加熱ユニット７４との関係において上述の動作について詳細に説明する。最初に、第１の湿度センサ６２は第１の湿度値を測定し、この値を制御ユニット６０に伝送する。測定された第１の湿度値が既定の第１の許容基準を満たしていないと制御ユニット６０が決定した場合、制御ユニットは、加熱ユニット７４を活動化させて粉末供給区分４０内の粉末５２を加熱し乾燥させる。加熱ユニット７４による既定の加熱時間の後、第２の湿度センサ６８は第２の湿度値を測定しこの値を制御ユニット６０に伝送する。制御ユニット６０は、測定された第２の湿度値が既定の第２の許容基準（これは第１の許容基準に対応していてよい）を満たしていないと決定した場合、バルブ５８を閉じ堆積プロセスを終結させる。

これにより、本開示に係る粉末送出機器５０は、粉末供給区分４０内の粉末５２が既定の品質基準（第１の許容基準）を満たすか否かを決定することができる。そうでない場合、粉末送出機器５０には、粉末５２が最終的に粉末供給区分４０の排出口５６を離れる前に粉末処理ユニットを用いて粉末処理を行なうことにより、対応策を開始する機会がある。しかしながら、粉末処理が成功しないかまたは完全に成功せず、粉末供給区分４０を離れる直前の粉末でさえなおも第２の既定の品質基準（第２の許容基準）を満たしていないケースも発生し得る。その場合、生産されたワークピースの高い品質水準を維持するために、バルブ５８を閉じ、堆積プロセスを終結させることができる。

異なる物理的パラメータ決定ユニットを用いて第１の物理的パラメータおよび第２の物理的パラメータを決定する代りに、それぞれ粉末処理を行なう前および後に第１の物理的パラメータおよび第２の物理的パラメータを決定するために、同一の物理的パラメータ決定ユニットを使用してもよい。

図３は、本開示の第２の実施形態に係る粉末供給区分４０を含む粉末送出機器５０の概略的詳細図を示す。図１を参照して以上で説明した粉末供給区分４０と同様に、粉末供給区分４０を使用してよい。第１の実施形態の粉末供給区分４０と第２の実施形態の粉末供給区分４０の間の主たる差異は、図３に示されている第２の実施形態の粉末供給区分４０が原料粉末５２用のコンテナ（すなわち一時的収納庫）を含まないという点にある。図３に示された粉末供給区分４０は、むしろ、粉末ラインの１区分（例えばパイプまたは管の一部）である。該当する場合、以上の図２の説明は、図３に示された実施形態にも同様にあてはまる。

図４は、本開示に係る粉末送出機器５０の第３の実施形態を示す。図４に示された粉末送出機器５０と図２に示された粉末送出機器５０の間の主たる差異は、図４の実施形態において粉末５２が粉末送出ピストン７８を用いて下から上へ送出される、という点にある。粉末５２は、排出口５６を介して粉末供給区分４０を離れる。排出口５６から、粉末５２は、粉末適用機器１４を用いてキャリア１６まで移送される。キャリア１６上で、付加積層プロセスを用いてワークピース９０が生成される。

さらに、図４に示されている実施形態の粉末送出機器５０は、少なくとも１つの第１の物理的パラメータ決定ユニットおよび少なくとも１つの粉末処理ユニットを含む。単なる一例として、図４に示された粉末送出機器５０の粉末供給区分４０に４つの物理的パラメータ決定ユニット８０、８２、８４および８６が配設されている。さらに、単なる一例として、図４に示されている粉末送出機器５０の粉末供給区分４０に１つの粉末処理ユニット８８が配設されている。しかしながら、物理的パラメータ決定ユニットの配設および粉末処理ユニットの配設は図２に関して以上で論述されたものと類似または同一であってよい。さらに、図４に示されている粉末送出機器５０の動作は、図２に関して以上で論述されたものと類似または同一であってよい。

図４に示された機器の動作に関しては、（図２に示されたバルブ５８との関係において説明されたように）バルブを閉じる代りに、図４に示された粉末送出機器５０の制御ユニット（図示せず）は、単に、上向きの粉末送出を停止するように粉末送出ピストン７８に命令することができる。

本明細書中に記載の実施形態のいずれかにおいて、粉末供給区分４０は任意には、２部品コンポーネントとして設計され得、２つの後続する区分（第１の区分とこの第１の区分の下流側に具備された第２の区分）を含んでいてよい。この場合、処理された粉末および未処理の粉末を互いに分離した状態に保つことができる。このことは、例えば粉末の乾燥及び／又は解しのために気体と混合した後に意味を成す。例えば、第１の区分においては、第１の物理的パラメータ決定ユニットによる測定および粉末処理ユニットによる対応する粉末処理が実施される。第２の区分においては、第２の物理的パラメータ決定ユニットによる管理測定が実施される。

本明細書中に記載の実施形態のいずれかにおいては、粉末供給区分４０と粉末適用機器１４の間に一時的粉末収納庫が具備されてよい。その場合、「良質粉末」（すなわち、一定の品質要件を満たす粉末）を一時的粉末収納庫内に保管することができ、粉末供給区分４０内で粉末が処理されている間粉末適用機器１４による適用のために粉末をそこから取出すことができる。

本明細書中に記載の技術を適用することによって、粉末５２を用いて生産されるワークピースの品質に影響を及ぼし得る原料粉末５２の物理的特性を監視し制御することが可能である。これらの特性は、粉末５２がキャリア１６上に適用される直前に制御され得るため、例えばレーザにより粉末が凝固させられる前に粉末の特性が実質的に変化することはない。本明細書中に記載の技術は、装置１０のオペレータが詳細なプロセスパラメータ及び／又は物理的パラメータのための許容基準を知る必要がないため好都合である。本開示によると、これらのパラメータは、粉末送出機器５０により自動的に監視され調整される。したがって、プロセス安全性を改善することができる。

Claims (9)

1. 粉末床溶融結合装置（１０）であって、
   粉末適用機器（１４）と、
   該粉末適用機器（１４）に対して原料粉末（５２）を提供するための粉末送出機器（５０）と、を含み、
   前記粉末送出機器（５０）は、
   原料粉末（５２）を収容するように構成され、前記粉末適用機器（１４）に前記原料粉末（５２）を提供するための排出口（５６）を含む、粉末供給区分（４０）と、
   前記粉末供給区分（４０）の第１の場所に配設され、前記粉末供給区分（４０）内の第１の物理的パラメータを決定するように構成された第１の物理的パラメータ決定ユニット（６２、６６、７０、８４、８６）と、
   前記粉末供給区分（４０）の第２の位置に配設され、前記粉末供給区分（４０）内の第２の物理的パラメータを決定するように構成された第２の物理的パラメータ決定ユニット（６４、６８、８０、８２）と、
   前記第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしているか否かを決定し、前記第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしているか否かを決定するように構成された制御ユニット（６０）と、
   粉末処理ユニット（７２、７４、７６、８８）と、を備え、
   前記制御区分（６０）は、前記粉末処理ユニットに対して前記第１の物理的パラメータが前記第１の許容基準を満たしていないと決定した場合に粉末処理を行なうように命令し、
   前記制御ユニット（６０）は、前記第２の物理的パラメータが前記第２の許容基準を満たしていないと決定した場合に、前記粉末適用機器（１４）の粉末適用プロセスを停止させるように構成され、
   該粉末床溶融結合装置（１０）は、前記粉末供給区分（４０）の排出口（５６）に位置設定されたバルブ（５８）を含み、前記制御ユニット（６０）は、前記第２の物理的パラメータが前記第２の許容基準を満たしていないと決定した場合、前記バルブ（５８）を閉じるように構成されている、
   粉末床溶融結合装置。
2. 前記第２の物理的パラメータが、前記第１の物理的パラメータと同じ物理的特性に関するものである、請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
3. 前記第２の物理的パラメータ決定ユニット（６４、６８、８０、８２）の前記第２の位置が、前記第１の物理的パラメータ決定ユニット（６２、６６、７０、８４、８６）の前記第１の位置の下流側に位置設定される、請求項１又は２に記載の粉末床溶融結合装置（１０）。
4. 前記制御ユニット（６０）は、前記第２の物理的パラメータが前記第２の許容基準を満たしていないと決定した場合、粉末処理を行なうように粉末処理ユニット（７２、７４、７６、８８）に命令するように構成されている、請求項１〜３の何れか一項に記載の粉末床溶融結合装置（１０）。
5. 前記第１の物理的パラメータ決定ユニット（６２、６６、７０、８４、８６）が、酸素測定ユニット、湿度測定ユニット、流動特性測定ユニット、腐食状態測定ユニット、酸化状態測定ユニット、圧力測定ユニット、粉末粒子サイズ測定ユニット、粉末粒子形状測定ユニット、粉末粒子分布測定ユニット、粉末純度測定ユニット、粉末粒子気孔率測定ユニット、粉末粒子密度測定ユニット、及び充填密度測定ユニットのうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜４の何れか一項に記載の粉末床溶融結合装置（１０）。
6. 前記第１の物理的パラメータ決定ユニットが、サンプリング点（７０、８６）及びセンサ（６２、６６、８４）のうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜５の何れか一項に記載の粉末床溶融結合装置（１０）。
7. 前記粉末処理ユニット（７２、７４、７６、８８）が、気体導入ユニット、粉末解しユニット、加熱ユニット、乾燥ユニットおよび真空発生ユニットのうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の粉末床溶融結合装置（１０）。
8. 粉末床溶融結合装置（１０）の粉末適用機器（１４）に対し原料粉末（５２）を提供するための粉末送出方法であって、
   粉末供給区分（４０）の排出口（５６）から、粉末適用機器（１４）に原料粉末（５２）を提供するステップと、
   前記粉末供給区分（４０）の第１の場所で前記粉末供給区分（４０）内の第１の物理的パラメータを決定するステップと、
   前記粉末供給区分（４０）の第２の場所で前記粉末供給区分（４０）内の第２の物理的パラメータを決定するステップと、
   前記第１の物理的パラメータが第１の許容基準を満たしているか否かを決定するステップと、
   前記第２の物理的パラメータが第２の許容基準を満たしているか否かを決定するステップと、
   前記第１の物理的パラメータが前記第１の許容基準を満たしていないと決定された場合、粉末処理を行なうステップと、
   前記第２の物理的パラメータが前記第２の許容基準を満たしていないと決定された場合、前記粉末適用機器（１４）の粉末適用プロセスを停止し、及び／又は、前記粉末供給区分（４０）の前記排出口（５６）に位置設定されたバルブ（５８）を閉じるステップと、
   を含む、粉末送出方法。
9. 前記第２の物理的パラメータが前記第１の物理的パラメータと同じ物理的特性に関するものである、請求項８に記載の粉末送出方法。

Images