JP2023515448A - 被加工物の付加製造のための電子ビームシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

被加工物（４３）の付加製造のための電子ビームシステム（１０）は、排気可能なプロセスチャンバ（１２）と、プロセスチャンバ（１２）内で電子ビーム（２６）を加工される粉末材料（４６）からなる粉末床（４２）の横方向の異なる位置に向けるように設計された電子ビーム発生装置（２２）と、を備える。電子ビームシステム（１０）は処理量を向上させるために、電子ビームシステム（１０）の運転中はエアロックドア（１６）を介してプロセスチャンバ（１２）に連続的に真空密閉状態で接続されている、少なくとも１つの排気可能なプレチャンバ（１４）を有する。さらに、粉末床（４２）を受容するための少なくとも１つの可動受容装置（３２）と、少なくとも１つの受容装置（３２）をプレチャンバ（１４）からプロセスチャンバ（１２）に搬送できる搬送装置（３０）が設けられている。

Description

本発明は、排気可能なプロセスチャンバと排気可能なプレチャンバとの間で受容装置を移動させる搬送装置を備えた、被加工物の付加製造のための電子ビームシステムに関する。

さらに、本発明は、このような電子ビームシステムにおいて被加工物を製造する方法に関する。

付加製造法は、体積要素を継ぎ合わせることによって、特に、層状に積み重ねることによって３次元構造を形成することを特徴とする。特に、エネルギービームを用いて、個々の粉末粒子を点ごと、及び層ごとに、選択的に溶融することにより、粉末床内の粉末材料を結合させて３次元構造を形成する方法が使用される。

材料の固化は、レーザービーム又は電子ビームによる粉末粒子の焼結又は粉末粒子の完全な溶融によって行うことができる（以下では、簡単にするために全ての度合いの溶融／焼結について単に「溶融」と言う）。選択的電子ビーム溶解（ＳＥＢＭ）による金属粉末の加工により、複雑な形状の金属構造の製造が可能になると同時に、高速かつ正確に操作でき、高度な自動化が可能になる。

電子ビームによる材料の溶融は真空中で行われる。これは、電子が空気分子と衝突するとエネルギー損失と散乱が過度に大きくなる可能性があるためである。そのため、電子ビームシステムのプロセスチャンバは、通常、運転前に排気され、１０^-5～１０^-2ｍｂａｒの圧力で運転される。

電子ビームのエネルギー供給と、任意選択による粉末床の追加加熱により、材料表面は１０００℃を超える温度に達する。完成した被加工物を取り出す前に、所定の最高温度まで冷却しなければならない。

しかしながら、真空のプロセスチャンバ内における被加工物の冷却には、材料、粉末床の性質、及び造形量に応じて数時間から数日かかる。なぜなら、真空中では対流がないため熱交換が非常に少なく、その結果、冷却速度が非常に遅くなり、冷却時間が非常に長くなるからである。

冷却時間を短縮するためにプロセスチャンバに早期に空気を注入することは、幾つかの理由で不利になる。被加工物の高温の表面は、空気中に含まれる酸素と反応する。その結果、金属の酸化などにより被加工物の構造内に制御不能な変化が生じることがある。

冷却プロセスを加速する１つの方法は、ヘリウムなどの希ガスを導入することである。不活性ガスにより、熱をより迅速に逃がし、金属表面との反応を避けることができる。しかしながら、希ガスは一般に高価であり、プロセスコストを増大させる。

遅くとも被加工物をプロセスチャンバから取り出す際に、真空が解除されなければならない。次のプロセスのために真空を回復するのに時間がかかり、その間、システムは運転できない。そのため、この方法の非生産的な時間は合計すると著しく長くなり、この方法の経済的実行可能性に疑問が生じる。

既知の電子ビームシステムは、多数のプロセスチャンバを設けることによって、この問題を解決している。しかしながら、これは設備に関して多額の追加費用をもたらす。

他のシステムでは、被加工物は、それ自体が排気可能で、プロセスチャンバに導入できる受容装置内で製造される。しかしながら、これは受容装置をシステムに適合させることが前提であり、システム及び／又は受容装置の柔軟性を確保できない。

本発明の目的は、上記の排気の問題に関して改善された、被加工物の付加製造のための電子ビームシステムを提供することである。特に、冷却時間が長くならないようにすることで、製造プロセスにおける非生産的な時間を短縮する。

さらに、本発明の目的は、このシステムを運転するための対応する製造方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は、被加工物の付加製造のための電子ビームシステムであって、
ａ）排気可能なプロセスチャンバと、
ｂ）プロセスチャンバ内に少なくとも部分的に配置され、電子ビームを加工される粉末材料からなる粉末床の横方向の異なる位置に向けるように設計された電子ビーム発生装置と、
を備え、
ｃ）電子ビームシステムの運転中はエアロックドアを介してプロセスチャンバに連続的に真空密閉状態で接続されている少なくとも１つの排気可能なプレチャンバと、
ｄ）粉末床を受容するための少なくとも１つの可動受容装置と、
ｅ）少なくとも１つの受容装置をプレチャンバからプロセスチャンバに搬送することができる搬送装置と、
を有すること特徴とする電子ビームシステムによって達成される。

本発明によるシステムは、粉末床及び／又は被加工物と共に可動受容装置を配置することができるプレチャンバを有する。この場合、プレチャンバとプロセスチャンバは、エアロックドアを介して真空密閉状態で接続されているため、互いに別々に排気可能であり、搬送装置により粉末床の受容装置を一方のチャンバから他方のチャンバに移動させることができる。

運転中に、プレチャンバがプロセスチャンバと連続的に接続されているということは、特に、プレチャンバが基本的にプロセスチャンバと接続されたままであることを意味する。しかしながら、通常のシステム運転以外のメンテナンスの目的のために、プレチャンバをプロセスチャンバから取り外すことができる。

これにより、システムのアイドル時間を長くすることなく、被加工物の制御された冷却段階が可能になる。これは、プロセスチャンバ内で被加工物を製造している間にも、プロセスチャンバの真空を解除することなく、プレチャンバにおいて別の受容装置内で別の粉末床を準備することができるためである。その結果、完成した被加工物が、製造後にプレチャンバ内で冷却される間に、プロセスチャンバには既に次の受容装置を装着できる。これとは対照的に、従来の被加工物の加工では、完成した被加工物を出し入れすることが知られていたに過ぎない。

例えば、１つのプロセスチャンバに２つのプレチャンバを使用する場合、被加工物の製造後に粉末床のための可動受容装置を第２のプレチャンバに搬送することができる。続いて、又はその間、次の可動受容装置を第１のプレチャンバからプロセスチャンバに搬送できる。

したがって、本発明によるシステムは、製造と冷却を並行して行うことができ、それにより付加製造プロセスの非生産時間に関してかなりの時間の節約が可能となる。

可動受容装置は、粉末床を受容するように設計された造形容器を有し、その中で被加工物を付加製造できることが好ましい。

この場合、２つの受容装置の造形容器は、異なる寸法にすることができる。このようにして、異なるサイズの設置スペースを備えた可動受容装置を電子ビームシステムに導入することができるため、粉末床のサイズを１つまたは複数の被加工物に適合させることができ、例えば、粉末材料の使用を最適化できる。これにより、時間の節約に加えて、システムの追加的な可変性が生み出され、粉末消費量の低減により経済性が改善される。

可動受容装置は、粉末材料のための貯蔵容器を有することが好ましい。

粉末原料のための貯蔵容器も受容装置に組み込まれていることにより、プロセスチャンバに注気及び排気することなく、異なる素材の被加工物を順次生産できる。これにより、システムの柔軟性が高まる。また、プロセスチャンバ内で粉末材料を補充する必要がなくなる。さらに、真空チャンバ内にある粉末材料の量を少なく抑えられるため、吸引損失を低減することができる。

可動受容装置は、粉末材料を貯蔵容器から造形容器に移送して、そこでそれぞれ被加工物の付加製造のための粉末床を形成するように設計されている粉末塗布装置、特に、ドクターブレードを有することが好ましい。

基本的に、ドクターブレードシステムをプロセスチャンバ内に残しておくことは可能であるが、ドクターブレードシステムも可動受容装置によって連行されると有利である。これは、ドクターブレードシステムは、複雑な機械的構造を有する場合があり、そこにメンテナンスが行き届きやすくなるためである。ドクターブレードシステム全体が可動受容装置によって連行されることが好ましい。しかしながら、ドクターブレードなどの粉末塗布部材のみが可動受容装置によって連行され、ドクターブレードシステムの駆動アクチュエータは恒久的にプロセスチャンバ内に留まることも可能である。

搬送装置は、最初にプレチャンバ内に配置された第１の可動受容装置を、プロセスチャンバ内に配置された第２の可動受容装置と交換するように設計されることが好ましい。

この関連において、「交換」とは、それぞれのチャンバ内における一般的な配置を意味し、正確に同じ位置への交換を意味するものではない。例えば、第１の受容装置は、最初にプレチャンバから搬出され、プロセスチャンバ内に配置された第２の受容装置の隣に搬送されてよい。次に、第２の受容装置をプレチャンバ内に搬送することができる。電子ビームを適切に偏向させることにより、製造プロセスは、プロセスチャンバ内の元の位置と、受容装置の他の位置の両方で行うことができる。

２つの可動受容装置を交換することにより、エアロックとして必要なプレチャンバは１つだけとなる。

搬送装置は、少なくとも２つの搬送軌道を有しており、それらに沿って少なくとも２つの可動受容装置がプレチャンバとプロセスチャンバの間で互いにすれ違って往復搬送できるようになっていることが好ましい。

このような搬送装置により、２つの受容装置をほぼ同じペースで搬送できるため、可動受容装置の交換に要する時間を短縮することができる。この場合、両搬送軌道は、共通のエアロックドアだけでなく、隣接する２つのエアロックドアによって連通できる。

少なくとも２つの搬送軌道は、互いに平行に延びることが好ましい。

これにより、搬送装置の構造が簡素化される。

プレチャンバ及び／又は受容装置は、少なくとも１つの温度測定装置を有することが好ましい。

その結果、特に、プレチャンバで行われる冷却プロセスを監視できる。また、被加工物、粉末床、及び／又はシステムのその他の構成要素の温度も測定することができる。

プレチャンバに積み下ろしステーションが接続されており、それにより少なくとも１つの可動受容装置が電子ビームシステムに搬入し、又はそこから搬出できることが好ましい。

この目的のために、プレチャンバには別のエアロックドアを有し、これを通って受容装置をプレチャンバに搬入し、又はプレチャンバから搬出できる。最も単純なケースでは、積み下ろしステーションは、例えば、レールシステムからなり、これに受容装置を載せてプレチャンバに滑り込ませることができる。

電子ビームシステムは、搬送装置のための制御ユニットを有することが好ましい。

搬送装置はユーザーが手動で操作できるように設計することも考えられるが、搬送装置が制御ユニット及び対応するアクチュエータを介して自動運転されると有利である。これにより、サイクルタイムを短縮できる。特に、制御ユニットは、測定された温度に応じてプロセスを調整し、搬送装置及び／又はエアロックドアを制御することができる。

冒頭に記載した課題は、方法に関しては、被加工物を付加製造するための方法であって、
ａ）上記の電子ビームシステムを用意するステップと、
ｂ）プロセスチャンバ内で電子ビームを用いて粉末床内の粉末材料を加工することによって、第１の可動受容装置内で第１の被加工物を製造するステップと、
ｃ）プレチャンバに第２の可動受容装置を装着し、次いでプレチャンバを排気するステップと、
ｄ）第１の可動受容装置をプロセスチャンバからプレチャンバに搬送するステップと、
ｅ）第２の可動受容装置をプレチャンバからプロセスチャンバに搬送するステップと、
ｆ）プロセスチャンバ内で電子ビームを用いて粉末床内の粉末材料を加工することによって、第２の可動受容装置内で第２の被加工物を製造するステップと、
ｇ）プレチャンバ内の第１の可動受容装置内で第１の被加工物を冷却するステップと、
を含む方法によって解決される。

このような製造方法においては、既に製造された被加工物を、最適化された時間的温度プロファイルに従って特定の温度まで冷却することができ、それと同時に別の被加工物の製造を進めることができる。また、プレチャンバの通気を調量することにより、冷却を促進させることも可能である。したがって、このような製造方法で作られた被加工物は、温度プロファイルの要求に従って、より適切に冷却されるため、これらの被加工物は品質の面でも他の方法で作られた被加工物よりも際立っている。

以下のステップが提供されることが好ましい。

第１の可動受容装置を被加工物と共にプレチャンバから取り出す。

被加工物だけでなく受容装置全体が取り出されることによって、次の被加工物の製造のための粉末床若しくは貯蔵容器を容易に準備することができる。

本発明による方法及び本発明によるシステムで製造される被加工物は、特に、航空宇宙産業ではタービンブレード、ポンプホイール、ヘリコプターのトランスミッションマウントとして、自動車産業ではターボチャージャーホイール及びホイールスポークとして、医療技術では整形外科用インプラント及びプロテーゼとして、熱交換器として、並びに工具・金型製造に応用されている。

粉末材料は、電子ビーム法に適した全ての導電性材料を含むことができる。好適な例は、金属材料又はセラミック材料、特に、チタン、銅、ニッケル、アルミニウム、及びそれらの合金、例えば、チタンと６重量％のアルミニウムと４重量％のバナジウムの合金であるＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ、及びチタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）などである。

その他の例示的な材料は、ＮｉＣｒ１９ＮｂＭｏなどのニッケル基合金、鉄及び鉄合金、特に、工具鋼やステンレス鋼などの鋼材、銅及びその合金、耐火金属、特に、ニオブ、モリブデン、タングステン、及びその合金、貴金属、特に、金、マグネシウム、及びその合金、ＣｏＣｒＭｏなどのコバルト基合金、ＡｌＣｏＣｒＦｅＮｉ、ＣｏＣｒＦｅＮｉＴｉなどのハイエントロピー合金、及び形状記憶合金などである。

使用する粉末材料は、平均粒径Ｄ５０が１０μｍ～１５０μｍであることが好ましい。

本願の別の態様は、被加工物の付加製造のためのシステムにおける、システムのより良いメンテナンスの可能性及び汚染の回避に関する。

ビームシステム、特に電子ビームシステムでは、システムの特定部分が製造プロセスのために使用される粉末材料と接触する。そのため、後続の造形プロセス用に別の材料に切り替える際に、新しい材料が先行プロセスからの粉末残滓によって汚染されるリスクがある。また、粉末残滓はシステムの機能を損なう可能性もある。

したがって、上述したエアロックによる解決策とは別に、本発明のもう１つの課題は、より良いメンテナンスの可能性を生み出し、及び／又は汚染のリスクを低減することである。

この課題は、被加工物の付加製造のためのシステムであって、
ａ）好ましくは排気可能なプロセスチャンバと、
ｂ）被加工物を製造できる造形容器と、
ｃ）粉末材料のための貯蔵容器と、
ｄ）粉末材料を貯蔵容器から造形容器内の粉末床に移送するように設計された粉末塗布装置と、
ｅ）プロセスチャンバ内でエネルギービーム、特に電子ビームを粉末床の横方向の異なる位置に向けるように設計されたビーム発生装置と、を備え、
ｆ）粉末塗布装置がプロセスチャンバから取り出し可能なシステムによって解決される。

したがって、本発明によれば、粉末塗布装置は、通常運転で相前後して製造される２つの被加工物の間でプロセスチャンバから容易に取り出すことができ、したがって、特にプロセスチャンバ内に固定されないように設計されている。

この場合に、「取り出し可能」とは、構造的な改造や工具を使うなどの手間をかけずに、システムから構成要素を取り外すことができることを意味する。例えば、粉末塗布装置は、ガイド装置に沿ってプロセスチャンバから引き出すことができる。

好適な実施形態において、ドクターブレードは受容装置の上に固定されていて、受容装置全体をプロセスチャンバから完全に取り出すことができる。ドクターブレード及び／又は受容装置は、プロセスチャンバ及び／又はシステムから完全に取り出すことができることが好ましい。

システムは、造形容器、貯蔵容器、及び粉末塗布装置を有する、少なくとも１つの可動受容装置を含むことが好ましい。

このようにして、粉末原料に接触するシステムの主要コンポーネントが、移動可能でコンパクトなユニットにまとめられている。そのため、他の材料に切り替える際に、新しい材料が先行プロセスからの粉末残滓によって汚染されるリスクを低減できる。

少なくとも１つの可動受容装置が、プロセスチャンバからプロセスチャンバに搬入可能であり、且つプロセスチャンバから搬出可能であることが好ましい。

可動受容装置は、移動可能でコンパクトなユニットであり、プロセスチャンバへの搬入、若しくは、プロセスチャンバからの搬出の際の取扱いの点で有利である。搬送のために、特に、プロセスチャンバ内で可動受容装置を移動させる搬送装置、例えば、チェーンホイストを設けることができる。

少なくとも１つの可動受容装置は、異なる寸法、特に、異なる容積を有する造形容器及び／又は貯蔵容器を受容するように設計されていることが好ましい。

このようにすることによって、必要なスペースや材料の消費量を正確に製造プロセス及び／又は被加工物に合わせて調整することができる。この場合、受容装置の外形寸法は同じままである。特に、搬送装置と協働するための手段がある場合は、これも同じままである。容器の寸法は受容装置によって異なることがある。しかしながら、受容装置は異なる寸法の容器を所定の支持フレームに挿入できるようにモジュール構造で設計されていることが好ましい。

プロセスに関連する全ての部材がプロセスチャンバから取り出せることが好ましい。

ここで、特に、溶融工程を準備するために及び／又は溶融工程中に意図的に粉末材料と接触するシステムの全ての構成要素は、プロセスに関連するとみなされる。例えば、造形容器と粉末貯蔵容器を備えた可動受容装置、粉末塗布装置だけでなく、オーバーフロー及び／又は粉末残滓容器（ある場合）などである。例えば、粉末の静電ブローによって吹き上げられた粉末と意図せずに接触するポンプやプロセスチャンバ壁などのシステム部分は、本発明ではプロセスに関連する部分とはみなさない。

本発明の別の態様によれば、上記の課題は、粉末材料から被加工物を付加製造するシステムのための可動受容装置であって、被加工物を層状に製造できる造形容器を備えた可動受容装置によって解決され、
ａ）可動受容装置は、粉末材料を貯蔵容器から造形容器内の粉末床に移送するように設計された粉末塗布装置、特に、ドクターブレードを有する。

粉末材料のための貯蔵容器も可動受容装置の構成要素であることが好ましい。

これは、全ての主要コンポーネントは可動受容装置の構成要素であるという利点を有する。

受容装置は、熱的に分離された少なくとも２つのセクションを有する支持フレームを備えることが好ましい。

これは、支持フレームが、互いに直接接触していない少なくとも２つのセクションを有することによって実現できる。１つのセクションには粉末塗布装置を接続でき、第２のセクションには造形容器を固定できる。これにより温度管理が容易になる。被加工物の製造中はプロセスレベルで周囲よりも高い温度が発生するため、造形容器と隣接するアセンブリの材料は周囲よりも高い熱負荷と応力に晒される。しかしながら、ドクターブレードの位置が変化すると被加工物の品質に大きな影響を与えるため、ドクターブレード周辺では最高の精度を確保しなければならない。したがって、温度変動による材料の膨張をできるだけ抑えなければならない。互いに熱的に分離された２つのセクションからなる支持フレームにより、ドクターブレードへの有害な熱伝搬が防止される。

造形容器と粉末塗布装置は、支持フレームの異なるセクションに固定されることが好ましい。

上記の課題は、方法に関しては、被加工物を付加製造するための方法であって、
ａ）上で説明したビームシステムを用意し、
ｂ）プロセスチャンバ内でエネルギービームを用いて粉末材料を加工することによって被加工物を製造し、
ｃ）粉末塗布装置をプロセスチャンバから取り出す、
ステップを含む方法によって解決される。

その結果、粉末塗布装置のメンテナンス、特に、粉末残渣の洗浄が容易になる。

取り出し可能な粉末塗布装置に関して最後に述べた特徴及び利点は、電子ビームシステムだけでなく、レーザービームシステムでも有利である。しかしながら、特に、これらの特徴及び利点は、本願の冒頭で述べたプレチャンバとプロセスチャンバを備えたシステムにも該当し、場合によっては特に有利である。したがって、出願人は、これらの特徴や利点を、冒頭に記載したシステムの特徴や利点と組み合わせる権利を留保する。

以下に本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

被加工物を付加製造するための本発明による電子ビームシステムの概略図である。 電子ビームシステムの側面図である。 電子ビームシステムの上面図である。 電子ビームシステムのための受容装置の等角図である。 ２つのプレチャンバを有する他の実施例による電子ビームシステムの側面図である。 プレチャンバの配置が異なる電子ビームシステムの様々な実施形態の上面図である。 プレチャンバの配置が異なる電子ビームシステムの様々な実施形態の上面図である。 プレチャンバの配置が異なる電子ビームシステムの様々な実施形態の上面図である。 プレチャンバの配置が異なる電子ビームシステムの様々な実施形態の上面図である。 プレチャンバが垂直に配置された電子ビームシステムの側面図である。 プレチャンバが垂直に配置された電子ビームシステムの側面図である。 電子ビームシステムのための受容装置の一実施形態を示す等角図である。 可動受容装置を備えた被加工物を付加製造するためのシステムを示す等角図である。

図１は、プロセスチャンバ１２と、このプロセスチャンバ１２にエアロックドア１６を介して接続されたプレチャンバ１４と、を含む、本発明による電子ビームシステム１０の原理を概略的に示したものである。

プロセスチャンバ１２もプレチャンバ１４も、詳細に図示しないが一般に知られている吸引装置及び真空ポンプを介して１０^-5～１０^-2ｍｂａｒの範囲の圧力に排気できる真空ハウジングによって画定される。しかしながら、エアロックドア１６を閉じた状態では、プロセスチャンバ１２及びプレチャンバ１４を別々に排気及び給気できる。このために、電子ビームシステム１０は、プロセスチャンバ１２及び／又はプレチャンバ１４に、ここでは図示されていない、例えば、不活性ガスのためのガス注入口を有することができる。

さらに、プレチャンバ１４には、プレチャンバ１４の外部に配置された任意選択の積み下ろしステーション２０への別のエアロックドア１８が設けられている（図２も参照）。

通常、真空ハウジングのフランジに配置される電子ビームシステム１０は、偏向装置２４を備えた電子ビーム発生装置２２を有しており、この装置によってプロセスチャンバ１２内で電子ビーム２６を発生して偏向させることができる。

図１及び図３から分かるように、ここに示す実施例では、可動受容装置３２のための搬送装置３０として、レール３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂがプロセスチャンバ１２とプレチャンバ１４内に、及び積み下ろしステーション２０の一部として設けられている。

レール３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂは、両エアロックドア１６、１８の領域で中断されていて、エアロックドア１６、１８が閉じられた状態では、レール３４ａ、３４ｂは完全にプロセスチャンバ１２内に配置され、レール３６ａ、３６ｂは完全にプレチャンバ１４内に配置されている。

搬送装置３０は、ここでは詳述しないアクチュエータ４０、例えば、被動ローラを介して、可動受容装置３２をプレチャンバ１４とプロセスチャンバ１２、及び、場合によっては積み下ろしステーションとの間で往復搬送することを可能にする。

さらに、図３から分かるように、レール３４ａ、３６ａ、３８ａ及びレール３４ｂ、３６ｂ、３８ｂを有する搬送装置３０は、２つの平行な搬送軌道を有していて、２つの可動受容装置３２が互いにすれ違ってプレチャンバ１４からプロセスチャンバ１２に、及びその逆方向に往復搬送可能である。

プロセスチャンバ１２内では、搬送装置３０に、受容装置３２をプロセスチャンバ１２内で横方向に位置決めして移動させることができる座標テーブル３９が接続されている。

このような可動受容装置３２が、図４に示されている。

受容装置３２は、とりわけ搬送装置３０と協働する基本コンポーネントとして支持フレーム３３を有している。

受容装置３２はさらに造形容器４０を有しており、その中に粉末床４２（図１参照）を受容することができ、この粉末床４２から付加製造プロセス（３Ｄプリント）で被加工物４３を製造できる。

さらに、受容装置３２は、ここでは造形容器４０に隣接して配置された貯蔵容器４４を有し、その中に粉末材料４６が貯蔵されている。

造形容器４０も貯蔵容器４４も、別個のコンポーネントとして支持フレーム３３に挿入されており、したがって各製造プロセスに対して個別に、即ち、特に異なるサイズを選択することができる。あるいは、支持フレーム３３と容器４０、４４を固定して接続し、又は一体的に設計することもでき、製造プロセスによっては受容装置３２全体が交換される。

造形容器４０自体は、プロセスチャンバ１２内に配置された昇降ピストン５０を介して昇降可能な可動ベースプレート４８を有する。

同様のことは貯蔵容器４４にも該当し、第２の昇降ピストン５４を介して昇降可能な可動ベースプレート５２を有する。

両容器４０、４４の上方には、粉末塗布装置としてドクターブレード５６が設けられており、このドクターブレード５６が移動することにより、その都度、最上層の固定されていない粉末材料４６が貯蔵容器４４からこすり取られて造形容器４０内の粉末床４２上に均一に塗布される。

この場合、両ベースプレート４８、５２は、層ごとに逆方向に移動するため、必要な粉末の量に応じて、造形容器４０は次第に大きくなり、貯蔵容器４４は次第に小さくなる。

最も単純な構造では、両容器４０、４４は同じ総断面積を有する。総断面積が異なる場合は、貯蔵容器４４のベースプレート５２の動きを必要とされる粉末量に合わせて調整しなければならない。

あるいは、貯蔵容器４４も粉末塗布装置も受容装置３２とは独立してプロセスチャンバ１２内に配置してもよい。

さらに、受容装置３２は、粉末オーバーフロー５８と、造形容器４４の上方に遮熱板を有することができる。

制御ユニット６０は、電子ビームシステム１０の主要なコンポーネント、特に、電子ビーム発生装置２２、搬送装置３０のアクチュエータ、エアロックドア１６、１８、及び昇降ピストン５０、５４と接続されていて、製造プロセス全体を制御する。

本発明による製造プロセスは、以下のように進行する。

本発明による電子ビームシステム１０において被加工物４３を製造するために、造形容器４０で粉末床４２を受容するために、搬送装置３０を介して受容装置３２をプロセスチャンバ１２内に配置する。

その際に、粉末材料４６を貯蔵容器４４内に配置する。

次のステップで、プロセスチャンバ１２を排気する。目標圧力に達した後、被加工物４３の製造プロセスが開始される。このために、粉末材料４６は、粉末塗布装置を使用して造形容器４０内で層ごとに塗布され、各層を電子ビーム２６で部分的に固化される。

電子ビーム２６を粉末床４２に対して相対的に動かすことは、偏向装置２４で電子ビーム２６を偏向させるか、又は座標テーブル３９を移動させることにより行うことができる。

任意選択的に、材料４６の静電ブローによる粉末の損失及びプロセスの中断を避けるために、溶融ステップの前に粉末材料４６を予熱ステップで予熱する。

最初の被加工物４３が排気されたプロセスチャンバ１２内で製造されている間、電子ビームシステム１０の外部にある別の受容装置３２内で、次の造形容器４０及び場合により次の貯蔵容器４４を準備する。次に、この第２の受容装置３２をプレチャンバ１４内に配置し、その際にプロセスチャンバ１２へのエアロックドア１６は閉じたままにすることができる。その後、プレチャンバ１４も同様に排気される。

各可動受容装置３２を個別に準備できるため、貯蔵容器４４にその都度異なる材料４６を充填することも可能である。したがって、異なる材料から異なる被加工物４３を順次製造することができる。

粉末の消費を最小限に抑えるために、容積の異なる造形容器４０が用意されていて、被加工物４３の大きさに応じて選択でき、受容装置３２を用いて電子ビームシステム１０に導入される。

第１の被加工物４３が完成すると、プレチャンバ１４とプロセスチャンバ１２との間のエアロックドア１６が開かれる。完成した被加工物４３は、搬送装置３０の搬送軌道上をプレチャンバ１４内に搬送される。第２の受容装置３２は、第２の搬送軌道でプロセスチャンバ１２内に搬送される。

プロセスチャンバ１２内で第２の被加工物４３の製造プロセス工程が開始されている間、プレチャンバ１４内では第１の被加工物４３を冷却することができる。この工程は、ヘリウムなどの不活性ガスを導入することによって加速し又は正確に規定できる。被加工物４３の冷却過程は、電子ビームシステム１０内及び／又は受容装置３２に配置された温度測定装置６２によって監視される。

プロセス、特に、冷却プロセスを監視するために、電子ビームシステム１０内及び受容装置３２の様々な箇所で、温度測定装置６２によって温度を測定する。好適な測定点は、特に、造形容器４０のベースプレート４８、造形容器４０、貯蔵容器４４、及び／又は粉末オーバーフロー５８の壁、ドクターブレード５６、特に、ドクターブレード支持体及び／又はドクターブレードレールに沿って、並びに、これらの組み合わせである。温度測定装置６２は、チャンバ内、例えば、プレチャンバ１４又はプロセスチャンバ１２の側壁、又は天井に取り付けることもできる。

本発明の一実施形態では、制御ユニット６０は、冷却を監視し、特定の温度に達すると自動的にプレチャンバ１４に給気してエアロックドア１８を開け、プレチャンバ１４から受容装置３２を搬送するように設計されている。

それから、再び受容装置３２を準備して、プレチャンバ１４内に配置することができる。

図５は、２つのプレチャンバ１４を有する電子ビームシステム１０の実施形態を示す。この実施形態では、搬送装置３０は、１つ、２つ又は４つの搬送軌道を有することができる。このシステムでは、複数の受容装置３２で複数の被加工物４３を同時に冷却できるため、各被加工物４３の冷却に要する時間をさらに短縮することができる。

２つのプレチャンバ１４を使用する場合も、搬送装置３０には搬送軌道を１つだけ装備することができるため、連続フロー方式で一方のプレチャンバ１４を常に積込みに使用し、他方のプレチャンバ１４を常に冷却と荷下ろしに使用できるようにすることも可能である。これにより、搬送装置３０の複雑さを低減できる。

図６ａ～６ｄ及び図７は、プロセスチャンバ１２の容積を減少させ、受容装置３２の搬送軌道を最適化した電子ビームシステム１０の実施形態を示す。

図６ａ～６ｄ及び図７に示す実施形態のプロセスチャンバ１２は、正確に１つの可動受容装置３２を保持するように設計されている。

図６ｄは、プレチャンバ内にターンテーブルを備えた電子ビームシステム１０の一実施形態を示す。

図７に示すように、積み下ろしステーション２０は、密閉された作業スペースの形態で構成できる。積み下ろしステーション２０は、被加工物を安全に開梱して取り出すための粉末吸引装置を備えたグローブボックスであることが好ましい。積み下ろしステーション２０は、プレチャンバと連結可能な搬送ユニットの形態で構成できる。

図７は、プレチャンバ１４を垂直に配置した電子ビームシステム１０の実施形態である。プレチャンバ１４にはエレベータ１５が装備されている。エレベータは、少なくとも２つの可動受容装置３２を垂直方向で互いに上下に保持するように設計されている。図７に示すプレチャンバには、エレベータの保持位置が２箇所ある。図７では、エレベータ１５は下方位置にあり、積み下ろしステーション２０からエレベータの第２の積込みレベル１５ｂへの搬送を可能にする。エレベータの第１の積込みレベル１５ａは、可動受容装置３２を保持するように設計されている。図７で上方の保持位置は参照符号１７が付されている。

１つの可能な動作モードによれば、エレベータ１５に受容装置３２が装着されてプレチャンバ１４が排気される。次に、エアロックドア１６が開かれ、受容装置３２がプロセスチャンバ内に搬送される。エアロックドア１６が再び閉じられる。プロセスチャンバ内で電子ビームによる粉末の加工を行っている間、プレチャンバ１４のエアロックドア１８が開き、エレベータ１５に別の可動受容装置３２が装着される。次に、エアロックドア１８が閉じられて、プレチャンバ１４が排気される。

上記の代替として、エレベータ１５は積込み時に既に２つの受容装置を装着することができる。そのために、エレベータを第１の保持位置から第２の保持位置へ、又はその逆に移動させる。

粉末加工ステップが完了する前に、エレベータは、まだ空いている積込みレベルとエアロックドア１６とが隣接する位置に運ばれる。粉末加工ステップが完了すると、エアロックドア１６が開かれて、加工済みの粉末を有する受容装置がプロセスチャンバ１２からエレベータの空き位置に搬送される。次に、エレベータが移動し、未加工の粉末を有する受容装置３２がプロセスチャンバ内に搬送されて電子ビームによって加工される。

第２の受容装置の粉末加工ステップの間、高温の受容装置３２は加工済み粉末と共にプレチャンバ内に留まって冷却される。補助冷却プロセスにおいて、受容装置は有利な位置、例えば、プレチャンバの上部領域や冷却手段の入口に近い位置に配置される。

所望の温度に達したとき、又は第２の受容装置の粉末加工ステップが完了する前に、エレベータは適切な位置に移動し、エアロックドア１８が開いて、受容装置がプレチャンバから搬送される。次に、第３の受容装置をプレチャンバ内に導入し、エアロックドア１８を閉じ、プレチャンバを排気することができる。加工済み粉末を有する受容装置との交換は、上述したのと同じ要領で行われる。このプロセスは任意の回数繰り返すことができる。

プレチャンバの垂直な実施形態が特に有利なのは、滞留時間や排気の問題に関して、電子ビームシステムの利用率が向上することに加え、特に、システムの設置面積の点で所要スペースが減少するためである。

上記の代替として、電子ビームシステム１０は、２つのプレチャンバ１４及び２つの搬送軌道を備えた構成とすることができる。本発明の一実施形態において、電子ビームシステム１０は、複数のプロセスチャンバ１２及びプレチャンバ１４を含み、これらの間で本発明による可動受容装置３２は搬送装置３０を用いて往復移動する。

製造プロセス及び冷却プロセスを並行化することにより、被加工物４３のプロセスチャンバ１２内おける滞留時間を大幅に短縮することができ、それによって電子ビームシステム１０の稼働を最適化することができる。

図８ａは、電子ビームシステムのための可動受容装置３２の好適な実施形態の等角図を示している。

この可動受容装置３２は、支持フレーム３３を有しており、これに造形容器４０、貯蔵容器４４、及び粉末オーバーフロー５８の他に、粉末塗布装置５６であるドクターブレードユニットが保持されている。

この場合、ドクターブレードユニットは、ドクターブレード支持体を介してレールに沿って移動できる１つ以上のドクターブレード４５を有する。これに対して、ドクターブレード４５を動かすためのアクチュエータは、プロセスチャンバ１２の内部に配置されており、図には示されていない。

同様に図では見えないが、支持フレーム３３は、互いに熱的に分離された２つのセクションを有している。ここで、ドクターブレードシステム４５及び造形容器４０は、同じセクションに固定されていないため、これらは熱的に分離されている。

図８ｂは、可動受容装置３２によって被加工物を付加製造するためのシステム１０の等角図を示している。

可動受容装置３２は、ドア１６を通してシステム１０から完全に取り外すことができる。この実施形態では、装置３２はレールに沿ってプロセスチャンバ１２からスライドさせて取り出すことができる。可動受容装置３２を取り外すために、いかなる分解ステップも必要ない。

昇降ピストン５０及び５４（図１参照）のアクチュエータ、ドクターブレード４５を動かすためのアクチュエータ、及び任意選択で搬送装置のためのアクチュエータは、プロセスチャンバ１２内に留まり、可動受容装置３２に対する適切なインタフェースを有している。

ここで、排気可能なプレチャンバや積み下ろしステーションは任意選択であるが、取り扱いを容易にし、製造プロセスにおける非生産的な時間を短縮することができる。

可動受容装置３２を完全に取り外すことにより、清掃、修理などのサービス活動が著しく簡単になる。アクセス性が向上したことで、材料を交換する際に不純物粒子による汚染のリスクを低減することができる。

Claims (20)

1. 被加工物（４３）の付加製造のための電子ビームシステム（１０）であって、
   ａ）排気可能なプロセスチャンバ（１２）と、
   ｂ）前記プロセスチャンバ（１２）内で電子ビーム（２６）を加工される粉末材料（４６）からなる粉末床（４２）の横方向の異なる位置に向けるように設計された電子ビーム発生装置（２２）と、を備え、
   ｃ）前記電子ビームシステム（１０）の運転中はエアロックドア（１６）を介して前記プロセスチャンバ（１２）に連続的に真空密閉状態で接続されている少なくとも１つの排気可能なプレチャンバ（１４）と、
   ｄ）前記粉末床（４２）を受容するための少なくとも１つの可動受容装置（３２）と、
   ｅ）前記少なくとも１つの受容装置（３２）を前記プレチャンバ（１４）から前記プロセスチャンバ（１２）に搬送することができる搬送装置（３０）と、
   を有することを特徴とする電子ビームシステム。
2. 前記可動受容装置（３２）は、前記粉末床（４２）を受容するように設計された造形容器（４０）を有し、その中で前記被加工物（４３）を付加製造することができることを特徴とする、請求項１に記載の電子ビームシステム。
3. 前記可動受容装置（３２）は、前記粉末材料（４６）のための貯蔵容器（４４）を有することを特徴とする、請求項２に記載の電子ビームシステム。
4. 前記可動受容装置（３２）は、前記粉末材料（４６）を前記貯蔵容器（４４）から前記造形容器（４０）に移送して、そこでそれぞれ前記被加工物（４３）の付加製造のための前記粉末床（４２）を形成するように設計されていることを特徴とする、請求項３に記載の電子ビームシステム。
5. 前記搬送装置（３０）は、最初に前記プレチャンバ（１４）内に配置された第１の可動受容装置（３２）を、前記プロセスチャンバ（１２）内に配置された第２の可動受容装置（３２）と交換するように設計されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子ビームシステム。
6. 前記搬送装置（３０）は、少なくとも２つの搬送軌道を有しており、それらに沿って少なくとも２つの可動受容装置（３２）が互いにすれ違って前記プレチャンバ（１４）と前記プロセスチャンバ（１２）の間で往復搬送可能であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電子ビームシステム。
7. 前記プレチャンバ（１４）及び／又は前記受容装置（３２）は、少なくとも１つの温度測定装置（６２）を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電子ビームシステム。
8. 前記プレチャンバ（１４）に積み下ろしステーション（２０）が接続され、それにより前記少なくとも１つの可動受容装置（３２）は前記電子ビームシステム（１０）に搬入し、又は、そこから搬出できることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電子ビームシステム。
9. 被加工物（４３）を付加製造するための方法であって、
   ａ）請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電子ビームシステム（１０）を用意するステップと、
   ｂ）前記プロセスチャンバ（１２）内で電子ビーム（２６）を用いて前記粉末床（４２）内の前記粉末材料（４６）を加工することによって、第１の可動受容装置（３２）内で第１の被加工物（４３）を製造するステップと、
   ｃ）前記プレチャンバ（１４）に第２の可動受容装置（３２）を装備し、次いで前記プレチャンバ（１４）を排気するステップと、
   ｄ）前記第１の可動受容装置（３２）を前記プロセスチャンバ（１２）から前記プレチャンバ（１４）に搬送し、又は、別のプレチャンバ（１４）に搬送するステップと、
   ｅ）前記第２の可動受容装置（３２）を前記プレチャンバ（１４）から前記プロセスチャンバ（１２）に搬送するステップと
   ｆ）前記プロセスチャンバ（１２）内で電子ビーム（２６）を用いて前記粉末床（４２）内の前記粉末材料（４６）を加工することによって、前記第２の可動受容装置（３２）内で第２の被加工物（４３）を製造するステップと、
   ｇ）前記プレチャンバ（１４）内の前記第１の可動受容装置（３２）内で前記第１の被加工物（４３）を冷却するステップと、
   を含む方法。
10. ａ）前記第１の可動受容装置（３２）を前記被加工物（４３）と共に前記プレチャンバ（１４）から取り出すステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 被加工物（４３）の付加製造のためのシステム（１０）であって、
    ａ）好ましくは排気可能なプロセスチャンバ（１２）と、
    ｂ）被加工物（４３）を製造することができる造形容器（４０）と、
    ｃ）粉末材料（４６）のための貯蔵容器（４４）と、
    ｄ）前記粉末材料（４６）を前記貯蔵容器（４４）から前記造形容器（４０）内の粉末床（４２）に移送するように設計された粉末塗布装置（５６、４５）と、
    ｅ）前記プロセスチャンバ（１２）内でエネルギービーム、特に、電子ビーム（２６）を前記粉末床（４２）の横方向の異なる位置に向けるように設計されたビーム発生装置（２２）と、を備えるものにおいて、
    ｆ）粉末塗布装置（５６、４５）は、前記プロセスチャンバから取り出し可能であることを特徴とする、
    被加工物（４３）の付加製造のためのシステム。
12. 前記システム（１０）は、前記造形容器（４０）、前記貯蔵容器（４４）、及び前記粉末塗布装置（５６、４５）を有する少なくとも１つの可動受容装置（３２）を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記少なくとも１つの可動受容装置（３２）がプロセスチャンバから前記プロセスチャンバ（１２）に搬入可能であり、且つ前記プロセスチャンバ（１２）から搬出可能であることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記少なくとも１つの可動受容装置（３２）は、異なる寸法、特に、異なる容積を有する前記造形容器（４０）、及び／又は前記貯蔵容器（４４）を受容するように設計されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のシステム。
15. プロセスに関連する全ての部材が前記プロセスチャンバ（１２）から取り出すことができることを特徴とする、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 粉末材料（４６）から被加工物（４３）を付加製造するシステム（１０）のための可動受容装置（３２）であって、前記被加工物（４３）が層状に製造可能な造形容器（４０）を含むものにおいて、
    ａ）前記可動受容装置（３２）は、前記粉末材料（４６）を貯蔵容器（４４）から前記造形容器（４０）内の粉末床（４２）に移送するように設計された粉末塗布装置（５６、４５）、特に、ドクターブレード（４５）を有することを特徴とする可動受容装置。
17. 前記粉末材料（４６）のための前記貯蔵容器（４４）も前記可動受容装置（３２）の構成要素であることを特徴とする、請求項１６に記載の可動受容装置。
18. 前記受容装置（３２）は、熱的に分離された少なくとも２つのセクションを有する支持フレーム（３３）を備えることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の可動受容装置。
19. 前記造形容器（４０）及び前記粉末塗布装置（５６、４５）は、前記支持フレーム（３３）の異なるセクションに固定されている、請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の可動受容装置（３２）。
20. 被加工物（４３）を付加製造するための方法であって、
    ａ）請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載のビームシステム（１０）を用意し、
    ｂ）前記プロセスチャンバ（１２）内でエネルギービーム（２６）を用いて前記粉末材料（４６）を加工することによって被加工物を製造し、
    ｃ）前記粉末塗布装置（５６、４５）を前記プロセスチャンバ（１２）から取り出す、
    ステップを含む方法。

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