JP2022513016A - 3次元部品の付加製造のための製造装置の処理室の加熱/冷却 - Google Patents

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Abstract

本発明は、処理室(17)内の表面の少なくとも一部を遮蔽する少なくとも1つの熱反射装置、特に熱反射層(20a、20b)を有する処理室(17)を備える、少なくとも1つの塗布ユニット(13)を用いた構成材料の層ごとの塗布と、少なくとも1つの照射ユニットを用いた構成材料の空間選択的な固化とによって3次元部品を付加製造するための製造装置に関する。【選択図】図2

Description

本発明は、成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための製造装置に関する。本発明は更に、対応する製造装置の動作方法および製造方法に関する。
成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための製造装置および対応する製法は、従来技術から原理的に知られている。層ごとの塗布のために、通常、少なくとも1つの対応する塗布ユニットが設けられる。局所選択的な固化のために、通常、(たとえば少なくとも1つのレーザを備える)対応する照射ユニットが設けられる。多くの塗布において、製造装置の動作中、比較的高温(たとえば500℃以上)に到達することがある。多くの場合、たとえば、付加製造を容易にするため、または(特定の材料のために)付加製造を一般に可能にするために、成形エリアは、高い温度になる。対応する熱負荷を低減するために、たとえば独国特許出願公開第102013222339号明細書において、断熱材料を備える壁によって、プラットフォームのための支持装置を駆動するための垂直駆動部を隔てることが提案される。
また、国際公開第2017/075285号は、冷却可能な壁を説明する。しかし、ここでは、不所望な熱の除去ではなく、(固化による)製造プロセスを改善するための調整されたダウン冷却に焦点が当てられる。
本発明の目的は、処理室内で発生する熱によって生じるあらゆる悪影響または損害を軽減し、または完全に防ぐために、可能な限り単純でありながら効果的な解決策を提供することである。
この目的は、特に、請求項1における製造装置によって解決される。
特に、この目的は、処理室内の表面の少なくとも一部を遮蔽する少なくとも1つの熱反射手段、特に熱反射層を有する処理室を備える、少なくとも1つの塗布ユニットを用いた層ごとの塗布と、(特に少なくとも1つのレーザを備える)少なくとも1つの照射装置を用いた成形材料の局所選択的な固化と、による3次元部品の付加製造のための製造装置によって解決される。
本発明の核となる概念は、製造装置の特定のエリアが、処理室内で発生する熱から遮蔽され得るように、熱反射手段(特に層)を設けることである。そうすることで、場合によっては影響を受けやすいエリア(たとえば駆動部)の不所望な過熱が単純な方法で回避され、または少なくとも軽減され得る。単純な方法で、製造装置は、(特に成形エリアのエリア内で)高い熱入力が生じる時にも動作することができる。これは、特に製造中および/または動作中のコストを低減する。
製造装置は、好適には、(少なくとも1つの塗布ユニットおよび少なくとも1つの照射ユニットに加えて)3次元部品を成形するための少なくとも1つの(成形)プラットフォームを備える。また、3次元部品の新たな平面がその都度生成され得るように、成形プラットフォームに、降下装置(上昇装置)が設けられ得る。対応する調整駆動部(垂直駆動部)は、そのような調整のために設けられ得る。また、(たとえば、照射によって、および/または抵抗加熱装置などおよび/または加熱流体を用いて動作する加熱装置などの対応する加熱装置によって)製造装置の成形エリアを加熱するために、特に少なくとも1つの加熱装置が設けられる。好適には、特にVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)に基づく少なくとも1つの対応するレーザダイオードアレイを備える少なくとも1つのレーザベースの素子が、加熱放熱器または加熱素子として用いられる。そのような素子は、小さな面積を起点とする高指向性の放射を生成する。個々のレーザ素子は、標的化方式で制御されてよく、すなわち、放射分布およびそれに伴う部品の表面上の温度は、非常に良好に制御され得る。
好適には、(成形エリアを加熱するための)照射は、特に上方から実現される。代替または追加として、加熱は、(たとえば基板の)下方から、場合によっては抵抗加熱装置を介して行われ、同時に、粉体層表面または成形エリアの加熱が、特に少なくとも1つの放射加熱器を介して、上方から行われる。具体的には、(粉末状)成形材料は、下方から予熱され、追加的に、(上方からの照射によって)その処理温度(照射ユニットが最終的に成形材料を局所的に固化するために作用する温度)までもたらされ得る。
上方からの加熱は、効果的または適切な加熱が単純な方法で実現されることを可能にするので、特に有利である。特に、たとえば、加熱された基板は、特定の温度場を維持するために有利であり得るが、特定の成形高さより上では妥当性を失うことが認識されている。
照射ユニットは好適には、少なくとも1つのレーザを備える。
少なくとも1つの塗布ユニットは、好適には、成形材料が層状に塗布され得るように好適には水平に動くことが可能な少なくとも1つの塗布アームを備える。このために、材料は、成形材料のための対応する貯蔵装置(貯蔵容器)を用いて提供され得る。余分な成形材料は、特に、対応する収集装置(収集容器)内に収集され得る。
本発明に係る(付加)製造装置および対応する製造方法は、一般に、(特に形のない)成形材料の固化によって物体(部品)が層ごとに製造され得るという点を特徴とする。固化は、たとえばレーザ焼結(「SLS」または「DMLS」)、レーザ溶融、または電子ビーム溶融において、電磁放射または粒子放射で成形材料を照射することによって成形材料に熱エネルギを供給することによって実現され得る。好適には、製造装置は、レーザ焼結またはレーザ溶融装置として設計される。レーザ焼結またはレーザ溶融において、成形材料の層におけるレーザビーム(レーザスポット)の衝突エリアは、この層において製造される部品の部品断面に対応する層の点の上を移動する。粉末状の成形材料の薄層が繰り返し塗布され、各層における成形材料は、少なくとも1つのレーザビームによる選択的な照射によって局所選択的に固化される。
遮蔽は、特に(それぞれの)熱反射手段が、熱源(たとえば製造装置の成形エリア)と、保護または遮蔽される表面部分との間に少なくとも部分的に位置することを意味する。処理室内の表面とは、処理室内、したがって特に処理室を規定する(外側)壁内に配置された任意の表面であると理解され得る。したがって、この意味において、そのような(外側)壁の内側表面もまた処理室内に配置される。特に、これらは、熱反射手段が適宜設けられなければ、処理室内に存在する(処理)ガスと接触する、または接触することになる表面であってよい。熱反射手段は、(好適には)遮蔽される部分に直接接続されてよく、または必要に応じて、遮蔽されるこの部分に間接的に配置または距離を置いて配置されるのみでよい。
成形エリアは、特に、付加製造のための製造装置の作業面の2次元領域(2D部分領域)を意味し、ここに、少なくとも1つの照射ユニットのビームが選択的固化のために成形材料に衝突してよく、または、部品を受け入れ、(未固化)成形材料を収容(も)し得る成形コンテナが差し出される。この点に関して、成形エリアの表面は、製造のために用いられ得る。特に、成形エリアは、粉体最上層(2D表面)として理解され得る。成形エリアは、好適には円形、特に少なくとも略円形であるが、たとえば長方形、特に正方形など、他の形状も想定され得る。
好適には、製造装置は、(付加製造のために)最初に(粉末状)成形材料が(少なくともその表面において少なくとも部分的に)比較的高温(たとえば200℃超過または500℃超過または700℃超過、任意選択的に900℃超過または1000℃超過、かつ任意選択的に950℃未満または900℃未満または場合によっては850℃未満)まで予熱され、次に、少なくとも1つの照射ユニットを用いて選択的に固化されるように構成される。そのような予熱、および照射ユニットによる照射中に生じる熱エネルギは、製造装置の(不所望の)一部が高温になる効果を有する(また、たとえば、熱はガス流によってそれ以上放散されない場合がある)。熱反射手段を用いることによって、製造装置の特定の部品が、比較的単純かつ安価に製造され、または製造を維持され得ることが可能である。特に、(極めて高い)熱抵抗を特徴とする特に高価な材料が使用される必要がなくなる。
(特に、好適には上記の熱反射手段の態様と組み合わせられる)本発明の独立した態様によると、特に少なくとも1つの冷却プレートおよび/または冷却壁を備える少なくとも1つの(能動的)冷却手段を有する製造装置を提供することが提案される。そのような冷却手段を用いると、特定のエリアにおいて熱は放散することができ、これにより、(少なくとも特定のエリアにおいて)高温または過大な温度の発生も防がれる。特に熱反射手段と組み合わせた場合、一方では熱反射手段を介して特定の(場合によっては特に影響を受けやすい)エリアが直接保護され、他方では(能動的)冷却手段を介して反射熱も最終的に放散され得るということが有利な方法で可能である。これは特に、製造装置が(動作中に)損傷すること、または動かなくなることを防ぐ、単純かつ効果的な方法である。
能動的冷却は、特に、冷却媒体(冷却流体、特に冷却液)が少なくとも1つの(流体)チャネル内を流れ得ることにより、冷却媒体(冷却液)が熱を吸収し、冷却媒体が再び熱を放散する処理室外の場所へ案内され得ることを意味する。この点に関して、能動的冷却手段は、たとえばポンプおよび/またはファンなど、少なくとも1つの流体搬送装置を含んでよい。ただし、そのような部品は、必要に応じて、外部に設けられてもよい(この点に関して、製造装置は、対応する接続部の実現性を備える)。
冷却プレートは、特に、製造装置の(外側)壁から独立して形成され、または製造装置の(外側)壁に(強固に)接続されていないプレート縁部を有する装置を意味する。そのような冷却プレートは、一定の(あるいは変化する)厚さを有してよい。厚さは、好適には、厚さ方向に対し垂直な冷却プレートの最大(幾何学的)伸長部よりも(実質的に)小さい。そのような最大伸長部は、好適には、厚さの5倍以上、更に好適には20倍以上大きい。厚さが変化する範囲内で、本明細書において平均厚さまたは一定厚さの最大連続エリアの厚さが用いられるものとする。冷却プレートは、好適には、長方形状である。そのような場合、上記の最大伸長部は、長方形の対角線となる。
冷却プレートの厚さは、好適には3mm以上、更に好適には5mm以上、および/または50mm以下、好適には15mm以下である。少なくとも1つの流体チャネルは、冷却プレート内に配置され、または冷却プレート上に(たとえば、冷却プレートの表面上に配置された冷却ループとして)配置され得る。少なくとも1つの(流体)チャネルは、1または複数の湾曲(複数も可)、たとえば蛇行および/またはループを有してよい。
冷却壁は、基本的には、冷却プレートと同様に設計され得る。冷却壁は、特に、互いに製造装置の2つの部分(室)に分割され得る。あるいは、冷却壁は、製造装置を外部と区切ってよく、特に、少なくとも部分的にハウジング壁を形成する。冷却壁は、特に、(外側)ハウジング壁であってよく、または製造装置を外部と区切る壁であってよい。ただし、冷却壁は、たとえば製造装置を規定するハウジング内で個々の部分を互いに隔てる仕切り壁であってもよい。
(粉末状)成形材料は、好適には、たとえば800℃以上、好適には1000℃以上(任意選択的に1200℃以上、または1800℃以上、または2000℃以上)の融点など、比較的高い融点を有する少なくとも1つの金属および/または少なくとも1つの材料を備え、特に金属、たとえば(高強度)アルミニウム、チタン、ニッケル、鉄、および/またはタングステンおよび/またはモリブデンおよび/またはそれらの合金、たとえば(好適には10重量%以上のAl、更に好適には50重量%以上のAlを含む)チタンアルミニウム合金、および/またはチタンアルミナイドを備える。好適には、成形材料は、10重量%以上、更に好適には50重量%以上、また更に好適には80重量%以上、また更に好適には99重量%以上の一または複数の金属(複数も可)で構成される。
実施形態によると、(粉末状)成形材料は、TiAl-TNM-B1および/またはγ-TiAlを備え、またはそれらで構成され得る。たとえば、(粉末状)成形材料は、原子百分率で、Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1Bを備えてよい。
チタンアルミニウム合金に加えて、他の溶着が困難または溶着不可能な合金、たとえばNi合金(たとえばMAR-M247)ならびに炭化タングステンコバルト(および同様の金属系)も用いられ得る。「脆性延性遷移」(溶着が可能になる、またはこれより上で対応する金属が溶着を可能とする十分な延性を有する点)は、300℃以上、好適には500℃、更に好適には600℃以上、および/または1200℃以下、好適には800℃以下の範囲内であってよい。
成形材料の(平均)粒子サイズ(粒度)は、好適には5μm超過、更に好適には15μm以上、および/または300μm未満、好適には130μm未満、更に好適には100μm未満である。
考慮される粒子サイズは、好適には、単一の粒子または粒の径である。粒子が少なくとも部分的に塊として存在する場合、塊のうちの単一の粒子(粒)の径が考慮される。単一の粒子の径(粒子サイズ)は、好適には、それぞれの最大径(=粒子の2点間の全距離の上限)および/またはふるい目の径および/または(特に体積的)相当球径である。
粒子サイズが均一ではない場合、好適にはd50粒子サイズが(平均)粒子サイズとして用いられるものとする。(平均)粒子サイズに関して、数値(ここでは50)は、特定の粒子サイズ以下である粒子の割合(質量および/または体積百分率)に当たる(すなわち、50μmのd50の場合、粒子の50%が50μm以下のサイズを有する)。
成形材料の個々の粒子は、(少なくとも概ね)サイズが等しくあってよく、または粒子サイズ分布が存在してよい。粒子サイズ分布が存在する場合、たとえば、d50粒子サイズは、d10粒子サイズの2倍以上、好適には4倍以上、および/または10倍以下、好適には8倍以下の大きさであってよい。代替または追加として、d90粒子サイズは、d50粒子サイズの1.2倍以上、好適には1.8倍以上、および/または4倍以下、好適には3倍以下の大きさであってよい。必要に応じて、粒子サイズは、レーザ回折法によって(特に、ISO13320またはASTM B822に準拠したレーザ回折測定を用いて)決定され得る。代替または追加として、粒子サイズは、(たとえば顕微鏡を用いた)測定によって、および/または(好適には、ISO13322-2に準拠し、必要に応じて、Retsch Technology社のCAMSIZER(登録商標)XTを用いて)動画像解析によって決定され得る。粒子サイズが(たとえば顕微鏡、特に電子顕微鏡の)2次元画像から決定される場合、好適には、2次元画像から得られるそれぞれの径(最大径または相当径)が用いられる。
最大径に対し垂直な径(=接続線が最大径に対し垂直である粒子の2点間の全距離の上限)は、好適には、(3次元で、あるいは、特に画像からそれぞれの径を決定する場合、画像平面に関する2次元で)最大径の0.1倍以上、更に好適には0.5倍以上、更に好適には0.7倍以上、および/または1.0倍以下、好適には0.9倍以下の大きさである。
粒子サイズ分布の場合、この分布は、単峰性であってよい。ただし、双峰性または多峰性の粒子サイズ分布が好適である。双峰性粒子サイズ分布が存在する場合、粒子サイズ分布の第1の最大値は、好適には5μm以上、更に好適には10μm以上、および/または80μm以下、好適には50μm以下であり、第2の最大値は、好適には81μm以上、更に好適には100μm以上、および/または300μm以下、260μm以下である。代替または追加として、双峰性粒子サイズ分布の場合、2つの最大値間の距離は、50μm以上および/または150μm以下および/または200μm以下であってよい。
好適には、(粉末状)成形材料における酸素含有量は、1000ppm未満、更に好適には800ppm未満である。
特に好適には、熱反射装置は、製造装置の動作中に動く製造装置の部品の少なくとも一部を遮蔽するように配置される。特に好適には、熱反射装置は、塗布ユニットの塗布アームの少なくとも一部を遮蔽する。その結果、移動部品と共に動く(能動的)冷却部品(冷却手段)は、そのような移動部品に関して好適な方法で省かれ得る。たとえば、冷却媒体(流体)のためのホースシステムは、移動動作のために省かれ得る。そのようなホースシステムは、比較的高価であり、エラーの原因となるために製造装置の信頼性を低下させる。特に好適には、塗布ユニットの塗布アームの少なくとも一部は、遮蔽される。更に好適には、(少なくとも実質的に)塗布アームの表面全体がコーティングされる。これは、熱がアクチュエータへ伝達し得る無コーティング材料の面積を低減し得る。熱は、特に塗布アームを介して塗布ユニットの駆動部の方向へ伝導し、この駆動部に関して問題となることが認識されている。そのような熱伝達は、(直接)塗布アーム上にある熱反射手段によって低減され得る。このように、頑強な製造装置が単純な方法で実現され得る。
特定の実施形態において、熱反射手段は、少なくとも1つの塗布ユニットの少なくとも一部、特に少なくとも1つの塗布ユニットの駆動部の少なくとも一部を遮蔽する。これは、熱反射手段無しの設計と比べて、熱抵抗の観点から複雑性の低い構造および/または材料が駆動部自体のために用いられることを可能にする。塗布ユニットまたはその駆動部は、特に保護され得る。
好適には、熱反射手段は、処理室を分割する仕切り壁および/または処理室壁の少なくとも一部を遮蔽する。この文脈において、処理室壁は、好適には、(少なくとも基本的に垂直に延びる)側壁として理解されるが、天井壁であってもよい。そのような壁において、熱反射手段は、比較的単純な方法で適用されてよく、それによって製造装置の部品は、単純な方法で保護され得る。
熱反射手段は、好適には、成形エリアのレベルより上に(少なくとも部分的に、場合によっては完全に)配置される。これにより、成形エリアから放出される熱に対する効果的な保護がもたらされる。
塗布ユニット、特に塗布ユニットの(上記)駆動部は、好適には、特に側面の仕切り壁、特にカバープレートの後側に部分的に配置される。熱反射手段は、好適には、この仕切り壁を少なくとも部分的に遮蔽し、更に好適には、この仕切り壁に少なくとも部分的に、好適には直接、付与される。このように、塗布ユニット、特にその駆動部は、単純かつ信頼性の高い方法で、過度な高温から保護され得る。熱反射手段は、遮蔽されるそれぞれの部分に間接的または直接的に接続され得る。
熱反射手段は、好適には、遮蔽されるそれぞれの部分に接着された材料である。
側面仕切り壁の下は、好適には、製造装置の上壁または天井と床との間の(外壁ではない)任意の壁と理解される。そのような壁は、実質的に垂直であってよい。具体的には、側壁は、成形エリアに近い側面および/または(成形エリアに近い側壁は、成形エリアに最も近い、または少なくとも隣接した側壁よりも近い側壁であるという意味で、成形エリアに近い)後側であってよい。後側は、特に、「前側」から最も遠い(または対向する)という事実によって定義され、これは好適には、閉鎖可能な開口(特に、場合によっては枢転可能なドア)によって定義され得る。ここで言及される仕切り壁は、第1の仕切り壁であってよい。たとえば第2の仕切り壁(特に、後述する第2の仕切り壁)など、他の仕切り壁が設けられ得る。
熱反射層の層厚さは、好適には5nm以上、更に好適には10nm以上、更に好適には50nm以上、任意選択的に100nm以上、および/または10μm以下、好適には1μm以下、更に好適には500nm以下、更に好適には200nm以下である。
少なくとも1つまたは全ての熱反射手段(複数も可)の(露出)表面は、10cm以上、好適には100cm以上、更に好適には1000cm以上、および/または10000cm以下、好適には5000cm以下であってよい。露出表面とは、特に、熱反射手段の、(動作中に)熱放射が衝突する表面を意味する。そのような露出表面は、特に、処理室内のガスと接触してよい。
熱反射装置の(上記)露出表面積は、処理室内の少なくとも1つの壁(たとえば側壁)または部品、特に塗布アームの総露出表面積の、好適には5%以上、更に好適には20%以上、また更に好適には50%以上、および/または(実質的に正確には)100%以上、または任意選択的に100%未満、任意選択的に90%以下である。
一般に、熱反射手段は、1つ、2つ、またはそれより多い数の壁に付与され得る。ただし、1つの実施形態において、熱反射手段は、1つの(側)壁、すなわち(必須ではないが)後(背部)(仕切り)壁のみに配置される。
熱反射手段の材料は、好適には、少なくとも部分的に、好適にはAl、Ni、Cr、Fe、Au、Ag、および/またはPt、特に好適にはAuおよび/またはAgを備える少なくとも1つの金属または少なくとも1つの合金を備える。それぞれの金属、特に(組み合わせで、またはそれら自体での)貴金属、好適には金は、重量で10%以上、好適には重量で50%以上、任意選択的に重量で90%以上、または重量で98%以上、提供され得る。
それぞれの部分の遮蔽は、それぞれの部分に熱反射層、特にコーティングを、好適には材料接着によって、たとえば蒸着および/または吹付けおよび/またはドクタリングおよび/または浸漬および/または電気メッキおよび/または接着を適用することよって、少なくとも部分的に実現され得る。
層は、特に、遮蔽される部分に平面的に配置された装置を意味することが理解される。これは、たとえば、その部分に貼り付けられた、および/または一部の周囲に巻き付けられた箔であってよい。コーティングは、層の例外である。コーティングは、特に、熱反射材料の層が(大きな)エリアにわたり、特に表面全体にわたり、遮蔽される部分に接続される場合、設けられるものである。
たとえば金の熱反射層(コーティング)は、(たとえばNiおよび/またはCrを備えて)好適には2nm超過および/または100nm未満、好適には5nm未満の層厚さで、接着促進層に適用され得る。前処理、特にプラズマ前処理は、たとえば金の熱反射層(コーティング)で覆われる表面を活性化するために実行され得る。
必要に応じて、遮蔽される部分と熱反射手段との間に、たとえば0.1μm以上および/または100mm以下、好適には10mm以下の距離があってよい。ただし、好適には、熱反射手段(層)は、遮蔽される部分と直接接触している。
熱反射装置の(露出)表面は、好適には研磨され、および/または好適には1μm未満、更に好適には500nm未満の(好適にはISO1302:2002に準拠する)(平均)粗さを有する。
想定された5μmの波長および想定された熱反射手段(層)に衝突する(熱)放射の垂直入射角に関して、熱反射手段は、好適には(少なくともいくつかのエリアにおいて)80%以上、更に好適には90%以上、また更に好適には95%以上、また更に好適には99%以上の反射率(反射強度と入射強度との比)を有するべきである。そのような波長かつ(動作中の)垂直入射角が実現され得る場合でも、これらの値は、ここでは最初に反射率を規定または決定する働きしかない。これは、実際に存在する波長および実際に存在する入射角に依存して逸脱し得る。
ただし、たとえば金の場合、反射は(少なくとも基本的に)(少なくとも実質的に)1μmからの波長と無関係でもある。
少なくとも1つの(能動的)冷却手段は、好適には、熱反射手段の少なくとも1つの(露出)表面部分に対し垂直な少なくとも1本の線と交差するように配置される。好適には、この条件は、熱反射手段の総(露出)表面積の50%以上、また更に好適には80%以上、任意選択的に95%以上に適用される。その結果、熱反射手段によって反射される熱は、特に効果的に放散され得る。
少なくとも1つの(能動的)冷却手段は、熱反射手段に対向して、特に熱反射手段の少なくとも1つの部分に対向する壁内または壁上に配置され得る。これもまた、熱反射手段によって反射される熱が効果的に放散されることを可能にする。
熱反射手段が設けられた(配置された)壁、特に、(能動的)冷却手段が設けられ、または配置された他の壁と対向する壁において、必要に応じて、(能動的)冷却手段が設けられなくてよい。したがって、効率的な冷却は、比較的少ない部品で実現され得る。具体的には、熱反射手段によって2つの壁のうちの1つが保護されてよく、それによって反射熱(および余熱または熱)は、対向する壁によって効果的に吸収され得る。ただし、代替実施形態において、(能動的)冷却手段は、熱反射手段(コーティング)が配置された壁にも設けられ得る。
実施形態において、少なくとも1つの(能動的)冷却手段は、少なくとも1つのサイド領域に、好適には成形エリアの付近に、好適には熱反射手段の少なくとも一部と対向する(前)サイド領域に、好適にはドア上および/またはドア内に配置され得る。そうすることで、(反射)熱は、特に有利な方法で放散され得る。成形場の付近のサイド領域とは、特に、少なくとも2つの他のサイド領域よりも成形場に近いサイド領域、および/または塗布アームの移動方向と平行に延びるサイド領域、および/または貯蔵および/または収集容器によって成形場から隔てられていないサイド領域を意味する。ドアは、(透明)開口(窓)を有してよい。(能動的)冷却手段がドアに一体化され、またはドア内に配置される場合、(透明)開口は、(能動的)冷却手段の一部であってよく、または(能動的)冷却手段に包囲され得る。
少なくとも1つの(能動的)冷却手段は、天井エリアに、好適には吊り天井内または吊り天井下に、またはそのような天井を規定するように配置され得る。これもまた、特に側壁(特に後側壁)における熱反射手段によって熱が反射される場合、熱を放散する効果的な方法であり得る。特に、成形エリアから発生し、その後、側壁(特に後側壁)に配置された熱反射手段を介して天井(場合によっては吊り天井)の方向へ反射される熱放射は、このように効果的に放散され得る。
代替実施形態において、少なくとも1つの(能動的)冷却手段は、熱反射手段と対向していない、および/または熱反射手段を有さない少なくとも1つのサイド領域に配置され得る。
少なくとも1つの(能動的)冷却手段、特に冷却プレートは、好適にはチャンバ(外側)壁または隔壁の内側表面に取り付けられた、または取付け可能な、またはそこから間隔を置いた個別のモジュールとして存在してよい。取付けは、好適には、(取外し可能な、場合によっては手動で取外し可能な取付け装置を介して取付けが行われるという意味で)可逆式である。そうすることで、(既存の)製造装置への装備または改良または後付けが特に容易である。
少なくとも1つの(能動的)冷却手段は、好適には冷却プレートおよび/または冷却壁内または上に、冷却流体、特に冷却液が流通し得る少なくとも1つの流体チャネルを有してよい。流体チャネルは、(少なくとも部分的に)円形または楕円形または長方形、特に正方形の断面を有してよい。(流れ方向に対し垂直な)断面積は、少なくとも部分的に、0.05cm以上、好適には0.4cm以上、および/または8cm以下、好適には2cm以下であってよい。
1つ、2つ、またはそれより多い数の冷却ループが設けられてよく、場合によっては、各々が、(特に、同じ(能動的)冷却手段、特に冷却プレートの一部として)それ自体の(流体)取入れ口および/または(流体)取出し口を有する。第1の冷却ループは、特に、成形エリア付近の中心エリアを冷却する。具体的には、第1の冷却ループは、(好適には水平方向の)長さの10%以上、好適には20%以上、任意選択的に30%以上の(能動的)冷却手段(冷却プレート)の(垂直)側縁部との距離を有するエリア内に位置して(任意選択的に完結して)よい。代替または追加として、第1の冷却ループは、成形エリアのレベルまで、および/または冷却手段/冷却プレートの下端まで延びてよい。第2の冷却ループは、冷却プレートの外側領域に設けられ、および/または第1の冷却手段の周囲に(少なくとも部分的に、たとえばU字形を形成して)配置され得る。そのような区分は、成形エリア付近の中心部が特に効果的に冷却されることを可能にする。第2の(外側)冷却ループの取出し口は、必要に応じて、第1の冷却ループの取入れ口と接続されてよく、それによって外側領域が最初に冷却され、次に中心部が冷却され得る。独立した(追加の)発明概念によると、冷却プレート内に少なくとも2つの冷却ループが提案され、(成形個所付近のエリアが第1の冷却ループを介して特に効果的に冷却され得るように)第1の冷却ループは第2の冷却ループ内に配置される。
一般に、それぞれの冷却手段(冷却プレート)における(場合によっては単一の)冷却ループの取入れ口および取出し口は、構造付近のエリアおよび/または中心エリアを最初に流通し(それによって冷却流体が温まり)、次に冷却手段(冷却プレート)の外側エリアのみを流通するように配置され得る。これにより、熱の大半が受け取られる所で熱の大半を抽出し、効率を高めることが可能である。
少なくとも1つの(能動的)冷却手段、特に冷却プレートの内側に、(透明)開口が設けられ得る。したがって、冷却手段が設けられるにもかかわらず、処理室の内部を少なくとも部分的に見ることができる。これにより、製造装置の操作が単純化される。
ドア内の(透明)開口(窓)は、比較的小さく設計され得るので、ドアは、冷却手段を共に収容することができ、またはそのように設計され得る。対応する(透明)開口は、ドア面積の20%未満、好適には10%未満を構成してよく、および/または面積の観点から、冷却手段の0.5倍未満、好適には0.2倍未満の大きさであってよい。
少なくとも1つの(能動的)冷却プレートは、1つの部分、または必要に応じていくつかの部分で構成され得る。多数の部分の設計は、特に(既存の)製造装置への後付けを容易にし、または可能にする。たとえば、冷却プレートの個々の部分が開口(たとえばドア)を通って挿入され、その後、処理室内で接続されて組立形冷却プレートを形成してよい。たとえば、少なくとも1つの(能動的)冷却プレートは、2つ以上または3つ以上、場合によっては4つ以上の組立て可能な個々の部分で構成され得る。
(それぞれの)冷却プレートは、好適には、(場合によっては、製造装置の内側、特に成形エリアの光学検査のための開口を除き)冷却プレートが配置されたそれぞれの壁の少なくとも実質的に総面積を覆う。その結果、(特に端部領域において)乱流を抑制または少なくとも軽減することができ、処理室内のガス流に有利な効果がもたらされる。
また、少なくとも1つの(第2の、特に上側)仕切り壁が設けられ、天井エリア内に区切られた中間空間が形成されるように配置され得る。
仕切り壁は、好適には、(特に、光学および/または熱生成装置のエリア内に)少なくとも1つの開口を有する。
中間空間内および/または仕切り壁内および/または上に、少なくとも1つの光学装置、特にカメラが好適に配置される。カメラを介して、処理室の内側、好適には少なくとも成形エリアが、好適に検出され得る。このために、(第2の)仕切り壁は、好適には、対応する開口または複数の開口を備える。そのような光学装置は、(第2の)仕切り壁に関連する、またはその中に一体化された(能動的)冷却手段によって冷却されてよく、あるいは、(それ自体の)場合によっては能動的な冷却手段を有してよい。
中間空間内および/または(第2の)仕切り壁内および/または上に、好適には、少なくとも1つの熱生成装置、特に放射加熱器が配置され得る。好適には、特にVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)に基づく、たとえば少なくとも1つの対応するレーザダイオードアレイを備える、少なくとも1つのレーザベースの素子が、放射加熱器または加熱素子として用いられる。そのような素子は、小さな面積から始まる高指向性の放射を生成する。個々のレーザ素子は、標的化方式で制御されてよく、すなわち、放射分布およびそれに伴う装置の表面上の温度は、非常に良好に制御され得る。熱生成装置は、好適には、成形エリアまたはそこに配置された成形材料の(特に熱放射による)加熱が可能となるように構成される。この場合、仕切り壁は、好適には、熱生成装置からの光線が(第2の)仕切り壁を貫通し得るように少なくとも1つの対応する開口を備える。そのような熱生成装置(特に放射加熱器)は、(個別の)場合によっては能動的な冷却手段も有してよく、および/または(第2の)仕切り壁に関連する冷却手段によって冷却され得る。
仕切り壁は、(能動的)冷却手段であってよい。代替または追加として、(能動的)冷却プレートが(仕切り壁の下に)設けられ得る。
一般に、(上記)処理ガスは、特に能動的に冷却され得る。このために、たとえば、低熱源(またはヒートシンク)および/または冷熱生成(または放熱)ヒートポンプが設けられ得る。
1つの実施形態において、流体ガイドが設けられ、流体、特にガス、好適には処理ガスが中間空間を流通し得るように構成される。そうすることで、そこに設けられた部品(複数も可)(たとえば光学装置および/または熱生成装置)の冷却および/または熱遮蔽が単純な方法で行われ得る。このために、必要に応じて、処理ガスは、中間空間に流入する前に(能動的に)冷却され得る。中間空間内の素子は、好適には、処理室の上部エリアへのガス流入に覆われる。ガス流出は、好適には、成形エリアの上を垂直に走るガス流と共に起こる。処理室内の温度を下げるために、冷却ガスの注入が追加的に用いられ得る。
いくつかの実施形態において、処理ガスのための少なくとも1つの(追加の)取入れ口が冷却蓋より上に設けられ得る。これにより、ガスは、冷却蓋を介して処理室内へ上から流入し、処理ゾーンおよび/またはガス取出し口へ向かって下向きに流れることが可能である。冷却効果に加えて、ここで好適には追加的に流れの遮断が生じ、これにより、高温ガスが上昇すること、および/または溶接スパッタおよび/または蒸発生成物が上部、たとえばセンサ、プロセスレーザのレンズ、加熱モジュール、および/またはカメラ(など)に到達することが防がれ、または少なくとも抑制される。
処理ガス(遮蔽ガス)の酸素含有量は、好適には1000ppm未満、更に好適には500ppm未満または300ppm未満または100ppm未満、および/または10ppm超過、任意選択的に50ppm超過である。使用されるレーザの出力は、50乃至350ワットであってよい。走査速度は、800乃至3500mm/sであってよい。ハッチ距離は、20乃至160μmであってよい。成形プラットフォームのドロップパスは、20乃至120μmであってよい。レーザの露光経路の長さは、10mm超過であってよい。
特に内部応力を低減するために、たとえばチェッカーボード照射、(最初にいくつかのサブエリアの全ての第2のエリアを埋め、次に間隙を埋める)交互ハッチング、および/または照射パターンの特殊回転角度などの照射方策が考えられる。
本発明の追加の態様によると、成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための、上述した種類の製造装置を動作させるための方法が提案される。製造装置の説明、特にそこで説明された機能特徴の結果、追加の処理ステップが生じる。このプロセスにおいて、成形エリアは、少なくとも局所的に、300℃以上、好適には500℃以上、更に好適には700℃以上、任意選択的に900℃以上または1200℃以上まで予熱され得る。
本発明の追加の態様によると、上述した種類の成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための製造装置を製造するための方法が提案され、ここにおいて、成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための(既存の)製造装置が提供され、好適には最初に個別で提供される少なくとも1つの熱反射手段を装備または後付けされ、および/または、好適には最初に個別で提供される、好適には冷却プレートを有する少なくとも1つの能動的冷却手段モジュールを装備または後付けされる。
本発明の追加の態様によると、(特に上述した種類の)成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための製造装置と、好適には冷却プレートの形式である(個別の)能動的冷却手段モジュールとを備えるセット(キット)が提案される。
本発明の更なる実施形態は、従属クレームから明らかである。
本発明は、図面を参照してより詳しく説明される実施形態例に基づいて後述される。図面は、以下を示す。
水平断面における3次元部品の付加製造のための製造装置の概略図。 水平断面における3次元部品の付加製造のための本発明に係る製造装置の概略図。 垂直断面における、図2に係る製造装置。 垂直断面における、本発明に係る天井冷却プレート。 上面図における、本発明に係る天井冷却プレート。 本発明に係る冷却プレートの実施形態の概略図。 本発明に係る冷却プレートの追加の実施形態の概略図。
以下の説明において、同じ部分および同じ効果を有する部分には同じ参照番号が使用される。
図1は、3次元部品の付加製造のための、好適にはレーザ焼結またはレーザ溶融装置の形式である製造装置の略水平断面図を示す。製造装置は、(粉末状)成形材料のための貯蔵容器10、成形エリア11、および収集容器12を備える。更に、塗布アーム14とモータ16を備える駆動部15とを有する塗布ユニット13が設けられる。照射ユニット9は、点線で、概略的にしか示されない。照射ユニットは、好適には、少なくとも1つのレーザを備える。
駆動部15は、貯蔵容器10、成形エリア11、および収集容器12の上で塗布アーム14を動かすことによって、成形材料の(新たな)層を塗布する。処理室17は、(特に枢転可能な)ドア18を介して外側(正面)からアクセス可能である。モータ16を含む駆動部15は、(好適にはカバープレート形式の)仕切り壁19によって、成形エリア11を備える処理室17のエリアから隔てられている。仕切り壁19は、製造プロセス中の駆動部15の汚染を防止または少なくとも低減することができる。
図2は、好適には(図1と同様に)レーザ焼結またはレーザ溶融装置として構成された、本発明に係る製造装置の概略水平断面を示す。本発明に係る製造装置は、図1に係る製造装置に対応し、後述する追加の特徴を有する。仕切り壁19(カバープレート)は、熱反射層20aで覆われている。熱反射層20aは、処理室17内で処理ガスと接触している。同様に、塗布アーム14は、熱反射層20bで覆われている。したがって、モータ16を含む駆動部15は、(このエリアに配置された能動的冷却を必要とすることなく)比較的高い温度にも影響を及ぼされない。
(前面)冷却プレート22aは、ドア18の内側21に取り付けられる。(側面)冷却プレート22b、22cは、前側23および後側24を接続する側面25、26に配置されている。
図3は、本発明に係る製造装置を通る概略垂直断面を示す。ここで再度、貯蔵容器10、成形エリア11、および収集容器12が視覚化される。成形エリア11のエリア内の(固体化)成形材料28は、成形プラットフォーム29によって降下され得る。(垂直)駆動部30は、このために設けられる。また貯蔵容器10の高さも、(対応する駆動部を介して)調整され得る。
造形平面31より上で、(側)壁32、33に(側面)冷却プレート22b、22cが示される。図3に係る状態において、塗布アーム14は、収集容器12より上に位置し、成形平面31より上で動く。更に、(仕切り壁を形成する)(天井)冷却プレート22dが図3に示される。(天井)冷却プレート22dは、処理室17内で中間空間38を区切る。
(天井)冷却プレート22dには、開口34が設けられる。1つの開口34は光学ユニット35の下に位置し、他はカメラ36の下に位置する(図5も参照)。更に、開口34の各々は、放射加熱器37の下に位置している。成形エリア11は、放射加熱器37を介して(斜めに)照射され得る。この意味で、放射加熱器37は斜めに向けられる。代替または追加として、放射加熱器37からの熱放射を成形エリア11に向けるために、1または複数のレンズが設けられ得る。
(天井)冷却プレート22dは(追加的に)、(冷却)ガス、特に処理ガスによって冷却され、または満たされ得る。このために、冷却プレート22dより上に取入れ口39が設けられる。そうすることで、製造プロセス中に生じる不純物もまた、少なくとも部分的に排除され得る。ガスは、光学ユニット35、カメラ36、および放射加熱器37の周囲を流れる。ガス取出し口(図示せず)は、(成形エリア11のガス充満(図示せず)と共に)成形エリアの高さを終端とし得る。
図4は、(一体型)放射加熱器37を有する(天井)冷却プレート22dの実施形態を示す。放射加熱器37は、傾斜取付け面によって成形エリア11と位置合わせされてよく、および/または、ビーム経路は、(光学)レンズによって成形エリア11と位置合わせされ得る。放射加熱器37の冷却は、必要に応じて、(天井)冷却プレート22d内の(個別の)冷却手段40(冷却ループ)を介して、および/または(天井)冷却プレート22d用の冷却手段(冷却ループ)によって行われ得る。
図5は、本発明に係る(天井)冷却プレート22dの上面図を示す。ここで、カメラ36および光学ユニット35のための開口34が示され得る。また、光学ユニットのための開口を包囲する放射加熱器37の配置が示される。具体的には、ここでは12個の放射加熱器37が設けられるが、より多いまたは少ない数の放射加熱器37が設けられてよい。
また、(天井)冷却プレート22dは2つの部分41、42を備えることが示される。これらの部分41、42は、事前組立て状態において互いに分離しており、その後、組立て状態において(天井)冷却プレート22dを(共に)形成してよい。そのような二部品(一般に多部品)設計によって、(既存の)製造装置への後付けが単純化され得る。
図6は、冷却プレート22(たとえば冷却プレート22a)を通る概略断面を示し、冷却ループ43が冷却プレート22全体を通過している。冷却媒体(流体、特に液体)は、取入れ口44を介して導入され、取出し口45を介して排出される。
冷却プレート22には切抜き(窓)46が設けられ、これを通して成形エリア11が観察され得る。
図7に係る(特に前面冷却プレート22aに関する)別の実施形態において、2つの冷却ループ43a、43bが設けられている。第1の冷却ループ43aは、(それ自体の)取入れ口44aおよびそれ自体の取出し口45aを有し、特に、成形エリアに近い中央エリアを冷却する。また、第2の冷却ループ43bは、冷却プレート22の外側エリアに設けられ、(個別の)取入れ口44bおよび取出し口45bを有する。そのような区分によって、成形エリアに近い中央部が特に効果的に冷却され得る。また、第2の(外側)冷却ループ43bの取出し口45bを、第1の冷却ループ45aの取入れ口44aとつなぐことにより、最初に外側エリアを冷却し、次に中央部を冷却することも可能である。
ここで、個々におよび任意の組み合わせで取り上げられた、上述した全ての部分、特に図面に示された細部は、本発明に不可欠であることが主張されるものであると言明される。これらの変更は、当業者によく知られたものである。
9 照射ユニット
10 貯蔵容器
11 成形エリア
12 収集容器
13 塗布ユニット
14 塗布アーム
15 駆動部
16 モータ
17 処理室
18 ドア
19 仕切り壁(カバープレート)
20a 熱反射層
20b 熱反射層
21 内側
22a 冷却プレート
22b 冷却プレート
22c 冷却プレート
22d 冷却プレート
23 前側
24 後側
25 側面
26 側面
28 成形材料
29 成形プラットフォーム
30 (垂直)駆動部
31 成形平面
32 側壁
33 側壁
34 開口
35 光学ユニット
36 カメラ
37 放射加熱器
38 中間空間
39 取入れ口
40 冷却手段
41 第1の部分
42 第2の部分
43 冷却ループ
43a 冷却ループ
43b 冷却ループ
44 取入れ口
44a 取入れ口
44b 取入れ口
45 取出し口
45a 取出し口
45b 取出し口
46 切抜き

Claims (17)

  1. 少なくとも1つの塗布ユニット(13)を用いた層ごとの塗布と、少なくとも1つの照射ユニット(9)を用いた成形材料の局部選択的な固化とによる、3次元部品の付加製造のための製造装置であって、処理室内の表面の少なくとも一部を遮蔽する少なくとも1つの熱反射手段、特に熱反射層(20a、20b)を有する処理室(17)を備える、製造装置。
  2. 特に少なくとも1つの冷却プレート(22a~22d)および/または冷却壁を備える少なくとも1つの能動的冷却手段が設けられている
    ことを特徴とする、請求項1に記載の製造装置。
  3. 前記熱反射手段(20a)は、処理室壁および/または前記処理室を分割する仕切り壁(19)の少なくとも一部を遮蔽し、前記少なくとも1つの能動的冷却手段は、前記熱反射手段と対向して配置されている
    ことを特徴とする、請求項2に記載の製造装置。
  4. 前記熱反射手段(20a)は、処理室壁および/または前記処理室を分割する仕切り壁(19)の少なくとも一部を遮蔽し、前記少なくとも1つの能動的冷却手段は、前記熱反射手段の少なくとも1つの表面部分に対し垂直な少なくとも1本の線と交差するように配置されている
    ことを特徴とする、請求項2または3に記載の製造装置。
  5. 前記熱反射手段(20b)は、前記製造装置の動作中に動く前記製造装置の部品の少なくとも一部、特に前記塗布ユニット(15)の塗布アーム(14)の少なくとも一部を遮蔽する
    ことを特徴とする、請求項1乃至4の1項に記載の製造装置。
  6. 前記熱反射手段(20a)は、前記少なくとも1つの塗布ユニット(13)の少なくとも一部、特に前記少なくとも1つの塗布ユニット(13)の駆動部(15)の少なくとも一部を遮蔽する
    ことを特徴とする、請求項1乃至5の1項に記載の製造装置。
  7. 前記熱反射手段(20a)は、処理室壁および/または前記処理室を分割する仕切り壁(19)の少なくとも一部を遮蔽する
    ことを特徴とする、請求項1乃至6の1項に記載の製造装置。
  8. 前記塗布ユニット(13)、特に前記塗布ユニットの駆動部/前記駆動部(15)は、特に側面仕切り壁(19)、特にカバープレートの後ろに部分的に配置され、前記熱反射手段(20a、20b)は、好適には、この仕切り壁(19)を少なくとも部分的に遮蔽し、更に好適には、この仕切り壁(19)に少なくとも部分的に、特に直接付与されている
    ことを特徴とする、請求項1乃至7の1項に記載の製造装置。
  9. 前記熱反射手段(20a、20b)は、遮蔽される前記それぞれの部分に接着された材料であること、および/または、
    前記熱反射手段(20a、20b)は、遮蔽される前記それぞれの部分に直接または間接に接続されている
    ことを特徴とする、請求項1乃至8の1項に記載の製造装置。
  10. 前記熱反射層(20a、20b)の層厚さは、10nm以上、好適には50nm以上、任意選択的に100nm以上および/または10μm以下、好適には1μm以下、更に好適には500nm以下、更に好適には200nm以下である
    ことを特徴とし、および/または、
    前記熱反射手段の材料は、少なくとも部分的に、好適にはAl、Ni、Cr、Fe、Au、Ag、および/またはPtを備える少なくとも1つの金属または少なくとも1つの合金を備える
    ことを特徴とし、および/または、
    前記それぞれの部分の前記遮蔽は、少なくとも部分的に、好適には材料接着塗布、たとえば蒸着および/または吹付けおよび/またはスクラッピングおよび/または浸漬および/または電気メッキおよび/または接着によって、前記それぞれの部分に熱反射層(20a、20b)、特にコーティングを適用することによって実現されている
    ことを特徴とする、請求項1乃至9の1項に記載の製造装置。
  11. 少なくとも1つの能動的冷却手段は、前記熱反射手段の少なくとも1つの表面部分に対し垂直な少なくとも1本の線と交差するように配置され、および/または前記熱反射手段と対向して配置されている
    ことを特徴とする、請求項1乃至10の1項に記載の製造装置。
  12. 少なくとも1つの能動的冷却手段は、少なくとも1つのサイド領域に、好適には前記熱反射手段の少なくとも1つの部分と対向するサイド領域に、好適にはドア上および/またはドア内に配置されている
    ことを特徴とする、請求項1乃至11の1項に記載の製造装置。
  13. 少なくとも1つの能動的冷却手段は、天井エリアに、好適には吊り天井に、またはその下に配置されている
    ことを特徴とする、請求項1乃至12の1項に記載の製造装置。
  14. 少なくとも1つの能動的冷却手段は、前記熱反射手段と対向しない少なくとも1つのサイド領域に配置され、および/または熱反射手段を備えず、および/または、
    少なくとも1つの能動的冷却手段、特に冷却プレートは、好適には室壁の内側表面に取り付けられた、または取付け可能な個別のモジュールとして設けられ、および/または、
    少なくとも1つの能動的冷却手段は、好適には前記冷却プレートおよび/または冷却壁内または上に、少なくとも1つの流体チャネルを備え、これを通って、冷却流体、特に冷却液が流動可能であり、および/または、
    透明開口、特に切抜き(46)が、少なくとも1つの能動的冷却手段内に設けられている
    ことを特徴とする、請求項1乃至13の1項に記載の製造装置。
  15. 場合によっては冷却壁または冷却プレート(22d)の形式である少なくとも1つの仕切り壁、特に上側仕切り壁が設けられ、区切られた中間空間(38)が天井領域に形成されるように配置され、
    前記中間空間(38)内および/または前記仕切り壁内および/または上に、好適には少なくとも1つの光学装置(35)、特にカメラ(36)が配置され、および/または、
    前記中間空間(38)内および/または前記仕切り壁内および/または上に、好適には少なくとも1つの熱生成装置、特に放射加熱器(37)が配置され、および/または、
    流体ガイドが設けられ、流体、特にガス、好適には処理ガスが前記中間空間(38)を通って流動可能であるように構成され、および/または、
    前記仕切り壁は、特に光学および/または熱生成装置の領域内に、少なくとも1つの開口(34)を備える
    ことを特徴とする、請求項1乃至14の1項に記載の製造装置。
  16. 成形材料の層ごとの塗布および局部選択的な固化による3次元部品の付加製造のための、請求項1乃至15の1項に記載の製造装置を動作させること。
  17. 請求項1乃至15の1項に記載の成形材料の層ごとの塗布および局所選択的な固化による3次元部品の付加製造のための製造装置を製造するための方法であって、
    少なくとも1つの塗布ユニットを用いた層ごとの塗布と、少なくとも1つの照射ユニットを用いた成形材料の局部選択的な固化とによる3次元部品の付加製造のための製造装置が提供され、好適には最初に個別に提供される少なくとも1つの熱反射手段を提供または後付けされ、および/または、好適には最初に個別に提供される、好適には冷却プレートを有する少なくとも1つの能動的冷却手段モジュールを提供または後付けされる、方法。
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