JP2020514136A - ３次元ワークピースを製造する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、３次元ワークピース（１５）を製造するための装置に関し、原料粉体（９）を受容するための支持体（７）と、支持体（７）に塗布された原料粉体（９）を横方向で境界を定められ及び支持するように構成された、実質的に垂直に延びる作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）と、支持体（７）に塗布された原料粉体（９）に電磁放射線又は粒子線を選択的に照射して支持体上で原料粉体（９）からなるワークピース（１５）を付加的積層プロセスにより製造するための照射ユニット（１７）であって、少なくとも１つの光学素子を有するで照射ユニット（１７）と、照射ユニット（１７）を支持体（７）に対して垂直方向に移動するように構成された垂直移動装置（３１）と、を有する。作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）と支持体（７）は照射ユニット（１７）が垂直に移動する間は互いに位置固定的に接続しているように構成され、垂直移動が支持体（７）及び作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）に対し生じる。

Description

本発明は、３次元ワークピースを製造するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、付加的積層プロセスにより３次元ワークピースを製造するための装置及び方法に関する。

３次元ワークピースを生成するための生成法、特に付加的積層プロセスにおいて、最初は無形状の若しくは特定の形状を持たない成形材料（例えば原料粉体）を支持体の上に層状に塗布して、位置特異的に照射することにより（例えば溶融又は焼結によって）固化して、最終的に所望の形状のワークピースを得る。照射は、例えばレーザビームの形式による電磁放射線によって行うことができる。初期状態では成形材料は最初に顆粒、粉体又は液体成形材料として存在し、照射の結果、選択的に又は換言すれば位置特異的に固化することができる。成形材料は、例えばセラミック材料、金属材料又はプラスチック材料、及びこれらの材料混合物を有することができる。付加的積層プロセスの変形例は、いわゆる粉体床溶融法に関するものであり、特に金属及び／又はセラミック原料粉体材料が３次元ワークピースとして固化される。

更に個々のワークピース層を製造するために、原料粉体材料を原料粉体層の形で支持体に塗布して、選択的に並びに実際に作製しようとするワークピース層の形状に従って照射することが知られている。レーザビームは原料粉体材料中に浸透して、例えば加熱の結果、溶融又は焼結を引き起こして原料粉体材料を固化する。ワークピース層が固化したら、未加工の原料粉体材料の新しい層が、既に作製されたワークピース層の上に塗布される。この目的のために公知の被覆装置又は粉体塗布装置を使用することができる。続いて未加工の原料粉体の最上層の新たな照射が行われる。その結果としてワークピースは層毎に連続的に作製され、各層がワークピースの断面及び／又は輪郭を画定する。これに関連して更にＣＡＤ又は同等のワークピースデータを援用して、ワークピースを実質的に自動的に製造することが知られている。

例えば、原料粉体材料を照射することにより３次元ワークピースを製造するための装置で使用できる照射ユニット又は照射システムは、特許文献１に記載されている。照射システムは、ビーム源、特にレーザ源と光学ユニットを有する。ビーム源から送出される加工ビームが提供される光学ユニットは、ビーム拡張ユニットとスキャンユニットの形式の偏向装置を有する。スキャンユニットの内部では偏向ミラーの前に回折光学素子が設けられており、回折光学素子はビーム経路内に移動して加工ビームを複数の部分加工ビームに分割することができる。

本発明の枠内で、上で説明した態様はすべて設けられてよいことは自明である。

３次元ワークピースを製造するための公知の装置は、例えば特許文献２及び特許文献３に見出される。

これらの文書に記載されている装置は、それぞれ１つの支持体を有しており、支持体は、１層毎に垂直方向に下降できる。これらの公知の装置では、原料粉体の層が完全に照射されて、次の粉体層が塗布される前に、支持体の相応の垂直移動が行われる。したがって照射ユニットの焦点面は常に原料粉体固化される層（即ち最上層）にあることを保証できる。上述した公知の装置で支持体が垂直移動できるためには、作動装置若しくはリフト機構が必要である。このリフト機構は特に造形されるワークピースと周囲の粉体材料の両方を支持して移動しなければならない。この場合、使用されるリフト機構は設備の寸法と対応する設置スペースの大きさによって負荷限度に達する可能性があり、そのためより複雑な、したがってより高価なリフト機構が必要になるであろう。更に作製プロセス中にリフト機構によって移動される重量が変化する。そのためにリフト機構の２階の移動操作の間で移動量を一定に保てないことがあり、その結果として原料粉体層の層厚の望ましくない変動を招く。

欧州特許第２３３３８４８（Ｂ１）号明細書 欧州特許出願公開第２９６１５４９（Ａ１）号明細書 欧州特許出願公開第２８７８４０２（Ａ１）号明細書

それゆえ本発明の課題は、上記の問題及び他の関連する問題を軽減又は克服する付加的積層プロセスのための解決策を提供することであり、この解決策は、例えば大きい設置スペースでも原料粉体層の層厚を制御するための簡単で正確な方法を提供する。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置及び請求項１４の特徴を有する方法によって解決される。

したがって本発明は、第１の態様により３次元ワークピースを製造するための装置に関する。この装置は、原料粉体を受容するための支持体と、支持体に塗布された原料粉体を横方向で境界を定め及び支持するように構成された、実質的に垂直に延びる作製チャンバ壁とを有する。装置は更に付加的積層プロセスによって支持体上に原料粉体からなるワークピースを生成するために、支持体に塗布された原料粉体に電磁放射線又は粒子線を選択的に照射するための照射ユニットを有し、照射ユニットは少なくとも１つの光学素子を有する。更に装置は、照射ユニットを支持体に対して垂直方向に移動するように構成された垂直移動装置を有し、この移動装置は照射ユニットを支持体に対して垂直方向に移動するように構成されており、作製チャンバ壁と支持体は、照射ユニットが垂直に移動する間は互いに位置固定的に接続しているように構成されているので、支持体に対しても作製チャンバ壁に対しても相対的に垂直に移動する。

ここで支持体は、原料粉体を層状に、即ち水平な層で塗布することができる水平表面を提供できる。この場合、作製チャンバ壁は作製チャンバの横方向の境界として用いることができる。作製チャンバ壁によって画定される作製チャンバは、例えば円形、楕円形、多角形又は方形、特に正方形の断面を有することができる。原料粉体は作製チャンバ壁によって境界を定め及び支持されて、横方向に滴り落ちないように作製チャンバ壁により形状が保持される。

本開示において作製チャンバという用語は、その中で原料粉体層の塗布が行われ、下方向は支持体により、横方向は作製チャンバ壁により境界を定める空間的領域であると理解されるべきである。この場合、作製チャンバは気密に閉じられた容積をなすことができ、上方向は適当な天井部により、場合によっては密閉手段により気密に閉じられている。その際に天井部は照射ユニットと一緒に垂直に移動可能である。しかしながら、作製チャンバは上方向が開いていてもよく、そのため明確に定義された容積を画定しないことがある。例えば作製チャンバ壁は上方向が開いた直方体の形状を有してもよい。作製チャンバは、外側ハウジングの内部及び／又は装置の外壁の内部にあることができる。更に作製チャンバと並んで、外側ハウジングの内部に装置の一部として更に別の作製チャンバがあってよい。

本明細書に記載された作製チャンバは、例えば１辺の長さがそれぞれ５０ｃｍを超える作製チャンバであることができる。言い換えれば、支持体の直交する２辺の少なくとも１辺の長さは５０ｃｍ以上であることができる。更に支持体の直交する２辺の長さの少なくとも１辺の長さは１００ｃｍ以上であることができる。したがって本明細書で使用される支持体は、例えば１ｍｘ１ｍの底面を有する支持体であることができる。

照射ユニットの光学素子は、例えばスキャンユニット、集束ユニット及び／又はＦθレンズであることができる。更に照射ユニットは電子ビーム源又はレーザなどのビーム源を有することができる。しかしながら照射ユニットから送出されるビームは、照射ユニットの外部にあるビーム源から照射ユニットに供給することもできる。このために例えばミラー、光ファイバ及び／又は他の光導体を使用できる。

支持体は、装置のベースと位置固定的に接続されてよい。装置のベースは、例えば装置の底板を有することができる。ベースは、装置の設置後及び／又は装置の運転中（即ち作製プロセス中）は動かないように構成できる。特にベースは垂直方向に対して動かないようにすることができる。ここで「動かない」という用語は、装置が設置されている周囲環境に対して位置固定的であることを意味する。

垂直移動装置は、例えばリフティング装置を有することができる。垂直移動装置は１つ以上の油圧式及び／又は機械式アクチュエータを有することができる。垂直移動の間、照射ユニットは作製チャンバ壁とは独立に上下に移動できる。特に作製チャンバ壁は、照射ユニットと機械的に連結されず、特に照射ユニットと一緒に上下に移動しないように構成することができる。

作製チャンバ壁のこの位置固定性により、その中にある原料粉体が垂直移動時に機械的に影響されず、特に作製チャンバの周縁領域で原料粉体の望ましくない乱れを招かない。それにより照射ユニットの垂直移動の前と後で原料粉体の表面は同じ（ほとんど水平かつ平坦な）構造を有することを保証できる。更に作製プロセス中に作製チャンバ壁が原料粉体に対して相対的に動かされない場合、作製チャンバと原料粉体との界面における機械的摩擦損失、したがってエネルギー損失を回避できる。

作製チャンバ壁は、支持体に塗布された原料粉体を横方向で完全に取り囲み、原料粉体を全側面で境界を定め及び支持するように整えることができる。

ここで「全側面で」とは、作製チャンバ壁がすべての水平方向で原料粉体に対する障壁をなすことを意味する。しかしながら作製チャンバ壁内に少なくとも１つの閉鎖可能な開口部を設けてもよく、それを通して原料粉体及び／又は完成したワークピースを取り出すことができる。

作製チャンバ壁は、支持体及び／又は装置のベースと固く接続されていることができる。代替として作製チャンバ壁は、支持体及び／又はベースと取り外し可能に接続されて、完成したワークピースを取り出すために作製プロセスの完了後に支持体から取り外し可能に接続することもできる。

作製チャンバ壁が支持体に取り外し可能に接続されている場合は、例えば作製プロセスの完了後に作製チャンバ壁を上方に持ち上げて、完成したワークピースを解放して横方向から接近可能にすることができる。この目的のために、作製チャンバ壁を持ち上げるために相応のリフト装置を設けることができる。

装置は更に支持体に原料粉体を層状に塗布するように構成された粉体塗布装置を有することができる。

粉体塗布装置は、粉体容器を有し及び／又は粉体リザーバと接続して、粉体塗布装置に原料粉体を供給することができる。粉体塗布装置は、前の粉体層の上を水平方向に移動して新しい粉体層を塗布するように構成できる。このために粉体塗布装置は、少なくとも１つのローラ、スライダ及び／又は原料粉体層を塗布するのに適した同様の手段を有することができる。

垂直移動装置は、照射ユニットを粉体塗布装置と一緒に垂直に移動するように構成できる。

この場合、粉体塗布装置は、例えば保持装置に固定することができ、保持装置は照射ユニットと共に上下に移動することができる。そのため照射ユニットと粉体塗布装置との間の垂直距離を一定に保つことができる。このようにすることによって、新たに塗布された原料粉体層が常に照射ユニットの焦点面にあることを保証できる。

装置は、垂直移動装置とは機械的に独立して、粉体塗布装置を垂直に移動するように構成された別の垂直移動装置を有することができる。

この別の垂直移動装置は、例えば作製チャンバ壁に取り付けることができる。この別の垂直移動装置は、作製チャンバ壁の内側に設けられて粉体塗布装置を上下に動かせる案内要素（例えばレール）を有することができる。

装置は更に垂直移動装置を制御して、照射ユニットが支持体に対しても作製チャンバ壁に対しても相対的に垂直に、それぞれの塗布される原料粉体層の所望の厚さに応じて高さを調節できるように構成された制御ユニットを有することができる。

制御ユニットは、装置の複数のプロセスフローを監視及び／又は制御する装置の中央制御ユニットであることができる。制御ユニットは、プロセッサ（例えばＣＰＵ）及びメモリを有することができる。メモリには、本明細書に記載されたプロセスフローを装置に実行させる命令を含んだプログラムを保存できる。

装置は更に作製チャンバ壁によって画定された作製チャンバ内にガスを導入するように構成された少なくとも１つのガス流入部と、このガス流入部から導入されたガスを吸引するように構成された少なくとも１つのガス流出部を有することができる。ガス流入部とガス流出部は、特に支持体に対して実質的に平行に進むガス流を生成するように構成することができる。

ガスは、例えばアルゴン又は窒素などの不活性ガスであることができる。ガス流入部は、ガスが原料粉体層の表面に沿って実質的に水平に流れるように構成された開口部を有することができる。更にガス流入部から流出するガスを吸引するためのガス流出部を設けることができる。例えばガス流出部はガス流入部と実質的に同じ高さに配置されてよい。更にガス流出部は、ガス流入部によって生成されたガス流の方向でガス流入部の反対側に配置されてもよい。それにより原料粉体層の表面に沿って実質的に水平な層流状のガス流を生成できる。

垂直移動装置は、照射ユニットをガス流入部と一緒に垂直に移動することができる。

したがってガス流入部は、常にその都度の原料粉体の最上層から一定の高さにあることを保証することができる。この場合、ガス流入部は照射ユニットと機械的に固く連結されてよい。追加的にガス流出部が設けられる場合、垂直移動装置は更に照射ユニットをガス流入部及びガス流出部と一緒に垂直に移動するように構成されてよい。装置は複数の並置された照射ユニットを有することができ、これらの照射ユニットはそれぞれ少なくとも１つの光学素子を有していて、それぞれ電磁放射線又は粒子線で原料粉体をスキャンするように構成することができ、垂直移動装置は複数の照射ユニットを一緒に支持体に対して垂直に動かすように構成されている。

この場合、これらの照射ユニットは共通のフレームに固定することができる。更に設置スペースの内部で個々の照射ユニットに対して照射領域を画定できる。照射領域は１つの共通の支持体上、又はそれぞれの照射領域に対して設けられた複数の支持体上に画定できる。これらの照射ユニットは互いに独立に、それぞれの照射領域で電磁放射線又は粒子線をスキャンするように構成できる。更に各ビームユニットは、ビーム源（例えばレーザ）を有することができるが、１つの共通ビーム源を設けて、そのビームが少なくとも１つのビームスプリッタによってそれぞれの照射ユニットに対する部分ビームに分割されるようにすることもできる。

装置は更に照射ユニットを支持体及び支持体に塗布された原料粉体に対して水平方向に動かすように構成された水平移動装置を有することができる。

水平移動装置は、水平移動の前には照射ユニットにとって接近できなかった作製チャンバの領域が、水平移動の後では照射ユニットにとって接近可能となるか、照射できるように水平方向に移動されるように構成できる。換言すれば、水平移動装置は、同一の作製チャンバの同一の支持体上を水平に移動するように構成できる。更に水平移動装置は、以下で説明するように、照射ユニットを第１の作製チャンバから第２の作製チャンバに移動するように構成できる。

装置は、それぞれの作製チャンバ壁及び支持体を囲む作製チャンバ壁を有する複数の並置された作製チャンバ壁を備えてもよく、水平移動装置は、複数の作製チャンバ壁の第１の作製チャンバ壁から複数の作製チャンバの第２の作製チャンバ壁に照射ユニットを移動させるように構成されている。

水平移動装置は、作製ユニットを照射ユニットに対して水平に移動し、その際に照射ユニットは水平方向では静止したままであるように構成することもできる。したがって例えば作製チャンバ用のコンベヤーベルトを設け、それにより複数の作製チャンバ壁を水平移動により照射ユニットに供給できる構成することが可能である。

この場合、水平移動は、照射ユニットが最初は第１の作製チャンバ壁の支持体のほぼ中央の上方にあり、水平移動後は第２の作製チャンバ壁の支持体のほぼ中央の上方にあるように実施できる。水平移動装置はローラ又は車輪を有することができ、それらによって水平移動装置は共通のベースの上を移動でき、ローラ又は車輪は共通のベースの上を走行する。これに追加して又は代替として、第１の作製チャンバから第２の作製チャンバへの水平移動を案内するために、レール又は他の適当な案内要素を共通のベースの上に設けることができる。第１の作製チャンバの支持体、並びに第２の作製チャンバの支持体は、共通のベースの上に配置することができる。更に第１の作製チャンバの支持体及び／又は第２の作製チャンバの支持体は、共通のベースの表面の一部をなすことができる。

このことは原則として本明細書に記載するすべての支持体に該当する。即ち、支持体はより大きい要素、例えばベースの表面の一部をなすことができる。この場合、支持体は−作製チャンバ壁を度外視すれば−支持体を囲む面によって構造的に区切られる必要はない。例えば支持体は単にベースの面として画定されてよく、作製チャンバ壁はこの面を横方向で境界を定める。作製チャンバ壁は、例えば上方に持ち上げることが可能である。

水平移動装置は、照射ユニットが装置の共通の天井に吊着されて、この共通の天井に沿って第１の作製チャンバ壁から第２の作製チャンバ壁に案内されるように構成することもできる。このために例えばレール又は他の直線的若しくは非直線的な案内要素が設けられてよい。

装置は更に水平移動装置を制御して、照射ユニットが第１の作製チャンバ内の第１の作製プロセスの完了後に第２の作製チャンバに移動し、次いで照射ユニットを制御して、照射ユニットが第２の作製チャンバ内で新しい作製プロセスを開始するように構成された制御ユニットを有することができる。

したがって第２の作製チャンバ内で作製プロセスが行われている間に、第１の作製チャンバ内では完成したワークピースを冷却及び／又は既に開梱（過剰な原料粉体を除去）することができる。制御ユニットは、垂直移動装置も制御するのと同じ制御ユニットであってよい。その代替として、別個の制御ユニットを設けることもできる。更に制御ユニットは装置の中央制御ユニットであることができる。垂直移動装置と水平移動装置の共通の制御ユニットは、例えば必要があれば第１の作製プロセスの完了後に照射ユニットを作製チャンバから垂直方向に完全に持ち上げて、次に第１及び第２の作製チャンバの作製チャンバ壁の上方に水平に移動し、そして照射ユニットを第２の作製チャンバ内に降ろして、第２の作製チャンバ内で第１の原料粉体層を塗布し、選択的に照射することができる。

第２の態様によれば、本発明は３次元ワークピースを製造する方法に関する。この方法は、原料粉体を支持体に塗布し、支持体に塗布された原料粉体は実質的に垂直に延びる作製チャンバ壁によって横方向で境界を定め及び支持されることと、支持体に塗布された原料粉体に照射ユニットにより電磁放射線又は粒子線を選択的に照射して、支持体上に原料粉体からなるワークピースを付加的積層プロセスにより作製し、照射ユニットは少なくとも１つの光学素子を有することとを含む。更にこの方法は、照射ユニットを垂直移動装置により支持体に対して垂直方向に移動し、その間は作製チャンバ壁と支持体は互いに位置固定的に接続されていて、支持体に対しても作製チャンバ壁に対しても相対的に垂直に移動することを含む。

この方法は、例えば本明細書に記載された装置の１つによって実施できる。更にこの方法は、本明細書に記載された装置が適している若しくは構成されているすべての方法ステップを含むことができる。

この方法は、更に第１の作製チャンバ内での作製プロセスの完了後、照射ユニットを水平移動装置により第１の作製チャンバから第２の作製チャンバへ水平に移動することと、第２の作製チャンバ内で作製プロセスを開始することとを含むことができる。

以下に本発明を添付の図面を参照して説明する。

本発明による方法を実行する、本発明による装置の第１の実施形態の概略側面図である。 本発明による方法を実行する、本発明による装置の第２の実施形態の概略側面図である。 本発明による方法を実行する、本発明による装置の第３の実施形態の概略平面図である。

図１には、本発明による装置１の第１の例示的な実施形態が概略側面図で示されている。図の表示は必ずしも縮尺どおりではない。垂直方向（以下ｚ方向といもいう）は、図では矢印３によって定義され、水平面（以下ｘ−ｙ面ともいう）は、ベース５に沿って図示面に対して垂直に延びる。

ベース５は、装置１の底板をなしている。装置１は更に外側の壁と外側の天井を有する外側のハウジング（図示せず）を有することができる。しかしながら装置１は、例えば工場の建物内の開放構造では外側のハウジングなしで設けることもできる。

ベース５の上には、水平な方形表面を有する支持体７が設けられている。支持体７はベース５と位置固定的に接続され、原料粉体の複数の層を受容できる。支持体７の横には、支持体７を横方向で完全に囲む作製チャンバ壁１１が隣接している。したがって支持体７も作製チャンバ壁１１も、平面図で方形断面を有する。作製チャンバ壁１１は支持体７を横方向で囲んで、支持体７上にある原料粉体９に隣接するように支持体７を横方向で囲み、原料粉体９を横方向で支持して直方体形状に保持する。

作製チャンバ壁１１は、作製チャンバ壁１１の内部にある作製チャンバ１３を画定する。作製チャンバ１３内では、生成的層形成プロセスによってワークピース１５の作製プロセスが行われる。作製チャンバ１３は、作製チャンバ壁１１によって横方向で境界を定められ、支持体７によって下方向で境界を定められる。作製チャンバ１３を上方向で物理的に境界を定める必要はなく、特に作製チャンバ１３は上方向で気密に閉じている必要はない。図１の表現では、作製チャンバ１３は上方向は照射ユニット１７と照射ユニット支持体１９の一部によって境界を定められる。

しかしながら作製チャンバ１３は、例えば作製チャンバ壁１１と照射ユニット支持体１９との間に密閉手段（図示せず）を設けることにより気密に閉じることもできる。これは保護ガス（例えばアルゴン又は窒素などの不活性ガス）が作製チャンバ１３から流出できず、また不純物が作製チャンバ１３内に侵入できないという利点を有する。しかしながら例えばアルゴンを不活性ガスとして使用する場合は、アルゴンはその高い密度のために作製チャンバ底の領域（つまり原料粉体９の領域）に集まり、上方に逃げられないため、気密な密閉は必ずしも必要ではない。

装置１は更に粉体塗布装置２１を有し、これにより原料粉体９を支持体７上に層状に塗布することができる。この目的のために粉体塗布装置２１は、支持体７及び先行の原料粉体層上に可能な限り均一な厚さの原料粉体層を塗布するのに適した、少なくとも１つのローラ、少なくとも１つのスライダ及び／又は他の適当な粉体塗布手段を有することができる。粉体塗布装置２１は原料粉体リザーバ（図示せず）と接続されていて、そこから原料粉体９が供給される。

装置１は更に支持体７に層状に塗布された原料粉体９を選択的に照射するための照射ユニット１７を有する。この照射ユニット１７を使用して、原料粉体９を、作製すべきワークピース１５の所望の形状に応じて位置選択的にビームに曝露することができる。この目的のために照射ユニット１７はレーザの形で提供できるビーム源を有する。これは例えば約１０６４ｎｍの波長の光を放出できる。その代替としてビーム源（例えばレーザ）が照射ユニット１７の外部にあることもでき、原料粉体９に向けられるビームは、例えば光ファイバによって照射ユニット１７に供給される。

照射ユニット１７は、更に例えばスキャンユニット、集束ユニット、Ｆθレンズなどの光学素子を有する。スキャンユニットは、水平面（ｘ方向とｙ方向）の内部で原料粉体の最上層でビームをスキャンするように構成されている。集束ユニットは、照射ユニット１７の焦点面が照射ユニット１７によって照射される原料粉体の最上層の領域にあるように、ビームの焦点位置（ｚ方向）を変更若しくは調整するように構成されている。照射ユニット１７は、例えば特許文献１（欧州特許第２３３３８４８（Ｂｌ）号明細書）に記載された照射ユニット若しくは照射装置であってよい。

更に装置１はガス流入部２３とガス流出部２５を有する。ガス流入部２３はガス（例えばアルゴンや窒素などの不活性ガス）が流出するための開口部を有する。更にガス流出部２５はガス流入部２３から流出するガスを吸引するための開口部を有する。ガス流入部２３の開口部とガス流出部２５の開口部は実質的に同じ高さで、原料粉体９の表面からわずかな距離に配置されている。このようにすることによって原料粉体９の表面上に支持体７に対して平行に層流状で実質的に水平なガス流が提供される。このガス流は、プロセスに起因する不純物（例えばはねや溶融煙）を制御された方法で吸収するのに適していることがある。ガス流入部２３とガス流出部２５は、例えば欧州特許出願第１５１８６８８９．０号（ＥＰ１５１８６８８９．０）に記載されているように構成することができる。

ガス流入部２３もガス流出部２５も装置１の任意選択要素であり、これらの要素は省略できるか、又は本明細書で記載されたのとは別の箇所に設けることができる。

照射ユニット１７、ガス流入部２３及びガス流出部２５は、照射ユニット支持体１９に固定されていて、照射ユニット支持体１９が垂直方向に移動すると照射ユニット１７、ガス流入部２３及びガス流出部２５も垂直に移動する。しかしながらその代替として粉体塗布装置２１は、照射ユニット支持体１９とは独立に配置されてもよい。粉体塗布装置２１は、例えば作製チャンバ壁１１に配置でき、作製チャンバ壁１１に沿って上下に移動するために、相応の垂直移動装置を備えることができる。更に粉体塗布装置２１に対して水平移動装置が設けられており、これにより粉体塗布装置２１は矢印２７で示すように、支持体７上を水平方向に移動できる。矢印２７の方向（ｘ方向）の移動の代替として又は追加的に、粉体塗布装置２１の水平移動装置は、粉体塗布装置２１が支持体７上をｙ方向に移動するように構成することもできる。

照射ユニット支持体１９は、垂直に移動できるようにフレーム２９に固定されている。照射ユニット支持体１９、したがって照射ユニット１７は、垂直移動装置３１によってフレーム２９に対して上下に移動することができる。図１に示した装置１の移動装置３１はモータを有しており、これは例えばステッピングモータ又はサーボモータであってよい。垂直移動装置３１は多様な方法で構成でき、例えばあらゆる種類の作動装置又はリフト装置を有してよい。垂直移動装置３１は、例えば油圧及び／又は機械式アクチュエータを有してもよい。垂直移動装置３１は、例えばスピンドルシャフトと、スピンドルシャフトを駆動するモータを有することができる。

垂直移動装置３１により、照射ユニット１７と支持体７との間の垂直距離を変えることができる。特にこの距離は、照射ユニット１７と原料粉体９の最上層との間の距離が常に一定になるように変えることができる。垂直移動装置３１の垂直移動は、作製チャンバ壁１１に対して独立かつ相対的に、即ち、特に作製チャンバ壁１１が垂直移動装置３１によって動かされないように行われる。

更に装置１は、垂直移動装置３１と以下に説明する水平移動装置３５を制御するように構成された制御ユニット３３を有する。制御ユニット３３はＣＰＵとメモリを有し、プログラムはメモリに格納されていて、ＣＰＵによって実行されると装置１に本明細書に記載された方法の１つを実行させる。更に制御ユニット３３は装置１のすべての制御タスクを引き受け、例えば照射ユニット１７、粉体塗布装置２１、ガス流入部２３とガス流出部２５を通るガス流を制御することができる。

こうして装置１の作製プロセスが行われ、制御ユニット３３によって制御されて、垂直移動装置３１は、粉体塗布装置２１が支持体７上の第１の粉体層を塗布できるようになるまで粉体塗布装置２１を下方に移動する。続いて又は同時に垂直移動装置３１が、必要であれば、この第１の原料粉体層を選択的に照射して（例えば溶融又は焼結により）固化するのに適した高さまで照射ユニット１７を移動する。ここでスキャンユニットは、原料粉体９上で所定のパターンに従ってビームをスキャンする。第１の原料粉体層が所望通りに照射された後、垂直移動装置３１は、粉体塗布装置２１が第１の原料粉体層の上に第２の原料粉体層を塗布できる高さまで粉体塗布装置２１を移動する。続いて第１の原料粉体層の照射と同様に第２の原料粉体層の照射プロセスが行われる。

こうして所望のワークピース１５の造形中、垂直移動装置３１は照射ユニット１７（及び場合によっては照射ユニット支持体１９に取り付けられた他の構成要素、即ちガス流入部２３、ガス流出部２５及び／又は粉体塗布装置２１）をますます支持体７から遠ざける。続いて照射ユニット１７を作製チャンバ１３から完全に上方に持ち上げ、図３を参照して以下に説明するように、水平移動装置３５によって別の作製チャンバ壁に移動できる。

作製チャンバ１３内で作製プロセスが完了した後、完成したワークピース１５を冷却し、次いでリフト装置（図示せず）で作製チャンバ壁１１を上方に持ち上げると、過剰な原料粉体９が横方向で作製チャンバ１３から滴り落ちて、完成したワークピース１５に横方向で接近可能になる。このときワークピース１５から過剰な原料粉体９を完全に取り除くことができる。更に作製チャンバ壁１１には閉鎖可能な開口部を設けることができ、この開口部は作製プロセスの後で開くことができ、それを通って完成したワークピース１５及び／又は過剰な原料粉体９を取り出すことができる。

装置１のフレーム２９は更に水平移動装置３５を有する。図１の実施形態では、水平移動装置３５はローラを有しており、それによってフレーム２９はそれに固定された照射ユニット支持体１９及び照射ユニット支持体１９に固定された構成要素（照射ユニット１７、ガス流入部２３、ガス流出部２５及び／又は粉体塗布装置２１）と一緒に水平に移動することができる。この場合、ローラは１つ以上のモータによって駆動され、それらのモータは制御ユニット３３によって制御される。この場合、フレーム２９はローラが回転することによってベース５の上を移動する。加えて、例えばフレーム２９のベース５上の水平移動を案内するレールなどの相応の（直線的又は非直線的な）案内要素を設けることができる。ローラの回転によってフレーム２９がベース５上を移動する図１の実施形態の代替として、フレーム２９は装置１の外側ハウジングの天井に水平移動可能に固定することができ、これは例えば適当なレールによって確保され得る。

水平移動装置３５は、水平方向の直線的な移動だけでなく、水平面内（ｘ方向とｙ方向の両方）での制御された移動を可能にするように構成できる。

水平移動装置３５は、一方では、水平移動の前は照射ユニット１７が接近できなかった原料粉体層の領域に、ワークピース１５の作製プロセス中は照射ユニット１７が接近できるように働くことができる。これにより有効作製面積が拡大され、より大きいワークピース１５を作製できる。他方では、水平移動装置３５は、以下に図３を参照して説明するように、照射ユニット１７を第１の作製チャンバから第２の作製チャンバに移動する働きをすることができる。

図２では、本発明による装置１の第２の実施形態が概略側面図で示されている。ここで同じ参照番号を有する要素は、図１の装置１の要素に対応している。この場合、これらの要素の動作方法は、図１の装置１に対応する要素の動作方法と同一である。

図２の装置１は図１の装置１とは異なり、１つだけでなく複数の並置された照射ユニット１７を有する。図２の例では３つの照射ユニット１７が設けられており、これより少ない又は多い照射ユニット１７を設けることもできる。各照射ユニット１７は共通の支持体７上の照射領域を画定する。各照射領域ではそれぞれ１つのワークピース１５を作製できる。しかしながら照射ユニット１７の照射領域が直接隣接するか重なって、１つの大きいワークピースを製造することも可能であり、その場合は各照射ユニット１７はワークピースの所定の領域の固化を受け持つ。３つの照射領域は、作製チャンバ壁１１に囲まれた共通の作製チャンバ１３内にある。

各照射ユニット１７にそれぞれの照射領域上に水平ガス流を生成するためのガス流入部２３とガス流出部２５が設けられている。しかしながらその代替として、１つの共通ガス流入部と共通ガス流出部２５のみを設けることもでき、例えば照射ユニット支持体１９の外側領域のみにガス流入部２３とガス流出部２５が設けられている。更に装置１は支持体７の表面全体に粉体層を塗布できる共通の粉体塗布装置２１を有する。その代替として各照射領域に対して固有の粉体塗布装置を設けることができる。

図２の装置１が複数の照射ユニット１７を有することにより、一方ではより大きい（共通の）ワークピースを製造することができ、他方では同時に複数のワークピース１５を製造することができ、ワークピース１５当たりの加工時間の短縮につながる。

図３は、３次元ワークピースを製造するための装置１の第３の実施形態を示しており、第３の実施形態の装置１は、例えば図１の装置１又は図２の装置１を含むことができる。図３の装置１は、第１の作製チャンバ１３ａと第２の作製チャンバ１３ｂを含んでいる。更に別の作製チャンバを設けることができる（図示せず）。

図３には、第１の作製チャンバ１３ａと第２の作製チャンバ１３ｂが平面図で示されている。作製チャンバ１３ａは作製チャンバ壁１１ａによって囲まれ、作製チャンバ１３ｂは作製チャンバ壁１１ｂによって囲まれている。作製チャンバ１３ａ又は１３ｂは、例えば図１又は図２に示された作製チャンバ１３の１つであることができる。作製チャンバ１３ａ及び１３ｂは、共通のベース５の上に配置されている。

更に図３に示された状態ではフレーム２９は第１の作製チャンバ１３ａの上方にあり、ワークピース１５は第１の作製チャンバ１３ａの内部で付加的積層プロセスにより製造することができる。そのために必要な装置１の要素は、例えば図１又は図２の要素に対応している。

第１の作製チャンバ１３ａで作製プロセスが完了した後、フレーム２９は水平移動装置３５によってベース５の上を、矢印３７で示すように第１の作製チャンバ１３ａから第２の作製チャンバ１３ｂに移動する。このとき第２の作製チャンバ１３ｂでは１つの照射ユニット１７若しくは複数の照射ユニット１７は、垂直移動装置３１によって支持体７の上に下降し、第２の作製チャンバ１３ｂ内で新しい（第２の）作製プロセスが開始される。

第２の作製プロセス中に、第１の作製チャンバ１３ａ内でワークピース１５を冷却し、例えば作製チャンバ壁１１ａを持ち上げるか、又は作製チャンバ壁１１ａの開口部を通して既に取り出すことができる。

これにより各作製チャンバ１３ａ、１３ｂが固有の１つの照射ユニット１７若しくは固有の複数の照射ユニット１７を有する状況と比べて少ない数の照射ユニット１７により、複数の作製チャンバ１３ａ、１３ｂで複数のワークピース１５を製造することが可能になる。図３に示された２つの作製チャンバ１３ａ及び１３ｂに加えて、相応の作製チャンバ壁を有する別の作製チャンバを設けることができ、フレーム２９とその照射ユニット１７（及び場合によっては照射ユニット支持体１９に固定された他の構成要素、即ちガス流入部）／ガス流入部２３、ガス流出部／ガス流出部２５及び／又は粉体塗布装置２１）はこれらの作製チャンバを次々に移動して、その都度それぞれの作製チャンバ内で作製プロセスを実行できる。

本明細書に記載された作製チャンバ１３、１３ａ、１３ｂは、例えば１辺の長さがそれぞれ５０ｃｍを超える作製チャンバであることができる。言い換えれば、支持体７の直交する２辺の少なくとも１辺の長さは５０ｃｍ以上であることができる。更に支持体７の直交する２辺の長さの少なくとも１辺の長さは１００ｃｍ以上であることができる。したがって本明細書で使用される支持体７は、例えば１ｍｘ１ｍの底面を有する支持体であることができる。

本明細書に記載された装置が垂直方向に移動可能な照射ユニットを有することによって、支持体に対する照射ユニットの相対運動が行われ、支持体を移動する必要がない。このことは相応に大きい支持体を使用する場合に、作製プロセス中に大量の粉体や重いワークピースを移動する必要がないという利点がある。

更に照射ユニットは作製チャンバ壁に対して相対的に移動すると、作製チャンバ壁は原料粉体に対して静止したままであり、作製チャンバ壁と原料粉体との界面で摩擦が起こらず、したがって粉体層の乱れは生じない。作製チャンバ壁は原料粉体に対して静止したままであることによって、作製チャンバ壁を支持体に対して密閉すること、即ち作製チャンバ壁と支持体の間の隙間に粉体が侵入できないように確保することは比較的問題ない。従来の装置では、支持体が作製チャンバ壁に対して相対的に垂直移動できる必要があるため、この密閉は大きい問題をなしている。

更に照射ユニットが作製チャンバ壁とは独立に可動であることにより、照射ユニットを第１の構造室から第２の構造室へ、そしてそこから場合により別の作製チャンバへ移動することが可能になる。

Claims (15)

1. ３次元ワークピース（１５）を製造するための装置（１）であって、
   原料粉体（９）を受容するための支持体（７）と、
   該支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）を横方向で境界を定めて支持するように構成された、実質的に垂直に延びる作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）と、
   前記支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）に電磁放射線又は粒子線を選択的に照射して前記支持体（７）上に付加的積層プロセスにより前記原料粉体（９）からなるワークピース（１５）を製造するための照射ユニット（１７）であって、少なくとも１つの光学素子を有する照射ユニット（１７）と、
   該照射ユニット（１７）を前記支持体（７）に対して垂直方向に移動するように構成された垂直移動装置（３１）と、を有し、
   前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）及び前記支持体（７）は前記照射ユニット（１７）が垂直移動する間は互いに位置固定的に接続しているように構成され、前記垂直移動は前記支持体（７）及び前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）に対して生じる、３次元ワークピース（１５）を製造するための装置（１）。
2. 前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）は、前記支持体（７）に塗布された原料粉体（９）を横方向で完全に囲み、前記原料粉体（９）を全側面で境界を定め及び支持するように構成されている、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）は前記支持体（７）及び／又は前記装置（１）のベース（５）と固く接続されており、又は前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）は前記支持体（７）及び／又は前記ベース（５）と取り外し可能に接続されていて、作製プロセスの完了後に前記支持体（７）から取り外し、完成したワークピース（１５）を取り出すことができるように構成されている、請求項１又は２に記載の装置（１）。
4. 更に、前記支持体（７）上に前記原料粉体（９）を層状に塗布するように構成された粉体塗布装置（２１）を有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の装置（１）。
5. 前記垂直移動装置（３１）は、前記照射ユニット（１７）を前記粉体塗布装置（２１）と一緒に垂直に移動するように構成されている、請求項４に記載の装置（１）。
6. 前記垂直移動装置（３１）とは機械的に独立し、前記粉体塗布装置（２１）を垂直に移動するように構成された別の垂直移動装置を有する、請求項４に記載の装置（１）。
7. 更に、前記垂直移動装置（３１）を制御するように構成された制御ユニット（３３）を有し、それによって、前記照射ユニット（１７）は、それぞれの塗布される原料粉体層の所望の厚さに応じて、前記支持体（７）及び前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）に対して相対的に垂直に高さを調節できるようにする、請求項１〜６の何れか一項に記載の装置（１）。
8. 更に、前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）によって規定された前記作製チャンバ（１３、１３ａ、１３ｂ）内にガスを導入するように構成された少なくとも１つのガス流入部（２３）と、該ガス流入部（２３）から導入されたガスを吸引するように構成された少なくとも１つのガス流出部（２５）と、を有し、
   前記ガス流入部（２３）及び前記ガス流出部（２５）は、前記支持体（７）に対して実質的に平行に進むガス流を生成するように構成されている、請求項１〜７の何れか一項に記載の装置（１）。
9. 前記垂直移動装置（３１）は、前記照射ユニット（１７）を前記ガス流入部（２３）及び前記ガス流出部（２５）と一緒に垂直に移動するように構成されている、請求項８に記載の装置（１）。
10. 前記装置（１）は複数の並置された照射ユニット（１７）を有し、該照射ユニット（１７）はそれぞれ少なくとも１つの光学素子を有し、それぞれ電磁放射線又は粒子線で前記原料粉体（９）をスキャンするように構成され、前記垂直移動装置（３１）は複数の照射ユニット（１７）を一緒に前記支持体（７）に対して垂直方向に移動するように構成されている、請求項１〜９の何れか一項に記載の装置（１）。
11. 更に、前記照射ユニット（１７）を前記支持体（７）及び該支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）に対して水平方向に移動するように構成された水平移動装置（３１）を有する、請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置（１）。
12. 前記装置（１）は、並置された複数の作製チャンバ（１３ａ、１３ｂ）を有し、該作製チャンバ（１３ａ、１３ｂ）のそれぞれは、各作製チャンバ（１３ａ、１３ｂ）を横方向で囲む作製チャンバ壁（１１ａ、１１ｂ）と支持体（７）を有し、前記水平移動装置（３５）は前記照射ユニット（１７）を複数の作製チャンバの第１の作製チャンバ（１３ａ）から複数の作製チャンバの第２の作製チャンバ（１３ｂ）に移動するように構成されている、請求項１１に記載の装置（１）。
13. 更に、前記水平移動装置（３５）を制御するように構成された制御ユニット（３３）を有し、それにより前記照射ユニット（１７）は、前記第１の作製チャンバ（１３ａ）内の第１の作製プロセスの完了後に前記第２の作製チャンバ（１３ｂ）に水平移動し、次いで前記照射ユニット（１７）を制御して、該照射ユニット（１７）が前記第２の作製チャンバ（１３ｂ）内で新しい作製プロセスを開始するようにする、請求項１２に記載の装置（１）。
14. ３次元ワークピース（１５）を製造するための方法であって、
    原料粉体（９）を支持体（７）に塗布する工程であって、該支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）は実質的に垂直に延びる作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）によって横方向で境界を定められ及び支持される、工程と、
    前記支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）に照射ユニット（１７）により電磁放射線又は粒子線を選択的に照射して、前記支持体（７）上に前記原料粉体（９）からなるワークピース（１５）を付加的積層プロセスにより製造する工程であって、前記照射ユニット（１７）は少なくとも１つの光学素子を有している、工程と、
    前記照射ユニット（１７）を垂直移動装置（３１）により前記支持体（７）に対して垂直方向に移動する工程であって、その間は前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）と前記支持体（７）は互いに位置固定的に接続され、垂直移動が前記支持体（７）及び前記作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）に対して生じる、工程と、
    を含む、３次元ワークピース（１５）を製造するための方法。
15. 更に、前記第１の作製チャンバ（１３ａ）内の作製プロセスの完了後、前記照射ユニット（１７）を水平移動装置（３５）により第１の作製チャンバ（１３ａ）から第２の作製チャンバ（１３ｂ）へ水平に移動する工程と、
    前記第２の作製チャンバ（１３ｂ）内で作製プロセスを開始する工程と、
    を含む、請求 ３次元ワークピース（１５）を製造するための装置（１）であって、
    原料粉体（９）を受容するための支持体（７）と、
    該支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）を横方向で境界を定めて支持するように構成された、実質的に垂直に延びる作製チャンバ壁（１１、１１ａ、１１ｂ）と、
    前記支持体（７）に塗布された前記原料粉体（９）に電磁放射線又は粒子線を選択的に照射して前記支持体（７）上に付加的積層プロセスにより前記原料粉体（９）からなるワークピース（１５）を製造するための照射ユニット（１７）であって、少なくとも１つの光学素子を有する照射ユニット（１７）と、
    該照射ユニット（１７）を前記支持体（７）に対して垂直方向に移動するように構成された垂直移動装置（３１）と、を有し、
    項１４に記載の方法。

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