JP4745867B2 - レーザ焼結用粉末回収システム - Google Patents

Description

本発明は、自由形状製造に関し、より詳しくは、選択的レーザ焼結による三次元物体の製造に関する。

部品の自由形状製造の分野は、近年、多くの有用な製品の設計および実験的生産に使用するために高強度、高密度の部品を提供する上で著しく改善されてきた。自由形状製造は一般に、設計図による試作品の従来の機械加工によるよりもむしろ、自動化様式でコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データベースから直接の製品の製造を称する。その結果、設計図から試作品を製造するのに要する時間が、数週間からせいぜい数時間まで減少した。

背景として、自由形状製造技術の一例に、スリー・ディー・システムズ社(3D Systems, Inc.)から得られるシステムにおいて実施される選択的レーザ焼結プロセスがある。このプロセスにおいて、製品は、層毎の様式でレーザ溶融性粉末から製造される。このプロセスによれば、粉末の薄層が分配され、次いで、製品の断面に対応する粉末の部分に向けられたレーザ・エネルギーによって、熔解、溶融または焼結される。スリー・ディー・システムズ社から得られるＶａｎｇｕａｒｄシステムなどの従来の選択的レーザ焼結システムは、レーザビームを偏向させるガルバノ・ミラーを用いた光学ミラー系によってレーザビームを位置決めする。レーザビームの偏向は、レーザ自体の変調と共に、その層に形成すべき製品の断面に対応する溶融性粉末の位置にレーザ・エネルギーを方向付けるように制御される。コンピュータに基づく制御システムには、製造すべき部品の複数の断面の所望の境界を示す情報がプログラムされている。レーザは、レーザ変調を受けながら、ラスタ様式で粉末に亘って走査してもよく、またはレーザは、ベクトル様式で方向付けてもよい。ある用途において、製品の断面は、ベクトルで引かれた外形内の面積を「充填(fill)」するラスタ走査の前または後いずれで、ベクトル様式で断面の外形に沿って粉末を溶融することによって粉末層に形成される。いずれにせよ、所定の層の粉末を選択的に溶融した後、追加の粉末層が分配され、先の層の溶融部分に後の層の溶融部分が融合しながら（製品に適切なだけ）、製品が完成するまで、そのプロセスが繰り返される。

選択的レーザ焼結技術の詳細な説明は、テキサス・システム大学の評議会に全てが譲渡された特許文献１〜３、およびハウショルダー(Housholder)の特許文献４に見つかるであろう。これらの文献の全てをここに引用する。

特に、稼働の限られた製造および大規模施設での多数の機械の使用において、選択的レーザ焼結技術が次第に使用されるようになって、使用する粉末の供給、除去および回収のためのより自動化された手段の必要性が生じてきた。自動化粉末回収によって、粉末の手作業の取扱いを著しく減少でき、人の粉末への露出を少なくでき、焼結装置に供給される粉末の一貫性を改善できる。いくつかの自動化システムが記載され、工業的に使用されてきた。特許文献５には、これらの必要性のいくつかに対処したそのようなシステムが記載されている。これらのシステムは、広大なフロア・スペースを占める傾向にあり、大量の粉末を取り扱い、粉末をあちこち移動させるためのスパイラル・コンベヤなどの機械式搬送システムを使わなければならないので、高価になり得る。機械式スパイラル・コンベヤを使用すると、ある種の粉末について粉末消耗問題も生じ得る。これらのシステムでは、異なる品質の粉末を不十分にしかブレンドできないこともあり、製造される部品にアーチファクトが生じ得る。
米国特許第４８６３５３８号明細書 米国特許第５１３２１４３号明細書 米国特許第４９４４８１７号明細書 米国特許第４２４７５０８号明細書 独国実用新案第２０１０７２６２Ｕ１号明細書

それゆえ、粉末の摩耗および不確かなブレンドの上述した問題のない、より小型で信頼性のある手頃な価格のシステムで、粉末の取扱いおよび回収の課題に対処する必要がある。これらの問題は、本発明の設計において解決される。

本発明のある態様は、溢れた粉末は、再利用のためにレーザ焼結装置内で回収されるものである。

本発明のある態様において、レーザ焼結装置内で粉末材料を回収し、新しい粉末とブレンドして、粉末の消耗が少なく、粉末を十分にブレンドできる、粉末回収システムのための方法および装置が提供される。

本発明の別の態様は、粉末回収システムがレーザ焼結装置と共に動作して、粉末の移送を濃密相空気圧搬送によって行いながら三次元製品を製造するものである。

本発明の特徴は、粉末回収システムが、移送すべき粉末を受け入れるための少なくとも頂部受入セクション、出口に向かって傾斜した底部移送セクション、底部移送セクション内の多孔質板、および多孔質板を通過する搬送ガスの入口を有する空気圧濃密相搬送装置を備えたことである。

本発明の別の特徴は、粉末回収システムが、完成した部品から回収粉末および使用済み粉末を分離するための作業台を少なくとも有するブレークアウト・ステーション、回収粉末および使用済み粉末を処理し分離するための装置、および回収粉末を粉末処理装置に搬送するための空気圧濃密相搬送装置を備えたことである。

本発明のさらに別の特徴は、粉末回収システムが、ホッパー・チャンバに隣接した粉末供給物を受け入れるための入口を少なくとも有する粉末供給ホッパー、ホッパー・チャンバに隣接して位置する円筒状回転ローラ、およびローラが回転するときにホッパー・チャンバからの粉末がそこを通って流動する確定された間隙を形成するようにローラと平行に隣接して位置するローラ・フィーダを備えたことである。

本発明のさらに別の特徴は、粉末回収システムが、システム機能を実行するように遠隔でシステムにアクセスし、システムの基本変数の状態を表示し、警告電子メールを送信するための遠隔ＨＴＭＬブラウザ・アプリケーションを備えたことである。

本発明のさらに別の特徴は、粉末回収システムが、バージンのすなわち新しい粉末および回収粉末を別々に空気圧でブレンドし、次いで、ブレンドした粉末を溢れた粉末と混合するように配分する前に閉ループ・システム内で使用されるブレンド容器を備えたことである。

本発明のさらに別の特徴は、バージン粉末、回収粉末および溢れた粉末の正確な配分およびブレンドを行うために、粉末回収システムにおいて秤量装置と共に１つ以上の秤量ビンが用いられることである。

本発明の利点は、粉末回収システムが、バージン粉末を溢れた粉末および回収粉末と良好にブレンドして、粉末の損失を減少させ、レーザ焼結システムに使用するための一貫した均質な粉末品質を達成することである。

本発明の別の利点は、粉末のブレンドが不十分なために生じる部品のアーチファクトが、この粉末回収システムを用いたレーザ焼結装置で製造された部品において減少していることである。

本発明のさらに別の利点において、レーザ焼結装置のための低コスト自動化粉末取扱システムが提供される。

本発明のさらに別の利点は、より均質なバージン粉末および回収粉末が得られることである。

本発明のさらなる利点において、レーザ焼結装置内で溢れた粉末を再利用するために再循環を行う信頼性のある小型粉末取扱システムが提供される。

本発明のさらに別の利点は、粉末回収システム内でブレンドされた粉末におけるバージン粉末、回収粉末および溢れた粉末の中での粉末層化がなくなるまたは最小になることである。

これらの他の態様、特徴および利点は、粉末回収システムを用いた、粉末から三次元物品を製造するためのレーザ焼結装置および方法を提供することによって本発明により達成される。このレーザ焼結装置は、少なくとも、加法式構築プロセスがその中で行われる第１の側とその反対の第２の側を有するプロセス・チャンバ、多量の粉末をチャンバに供給するためのチャンバの第１の側に配置された粉末供給ホッパー、チャンバ内の多量の粉末を広げるための供給ホッパーに隣接して配置されたスプレッダー、プロセス・チャンバの少なくとも一方の側に隣接して配置されたスプレッダーにより供給され溢れた粉末を受け入れるための受入装置、および溢れた粉末を粉末供給ホッパーに戻すためのレーザ焼結装置内にある搬送装置を備えている。三次元物品を取り囲む粉末床を生成する方法は、少なくとも、第１の側から第２の側に標的区域を横断して供給ホッパーから粉末の第１の部分を堆積させ、標的区域の第２の側の溢れ(overflow)として粉末の第１の部分の過剰分を収集し、第２の側から第１の側に標的区域を横断して粉末の第２の部分を供給し、標的区域の第１の側の溢れとして粉末の第２の部分の過剰分を収集し、標的区域の第１の側と第２の側から溢れを供給ホッパーに戻すように空気圧搬送する各工程を有してなる。

本発明のこれらと他の態様、特徴および利点は、特に以下の図面と一緒に捉えたときに、本発明の以下の詳細な開示を検討することによって明らかとなるであろう。

図１は、一例として、カリフォルニア州、バレンシア所在のスリー・ディー・システムズ社により現在販売されている、参照番号１００によって示されている従来のレーザ焼結装置を示す。図１は、明確にするために、ドアが示されていない。粉末床１３２の上層、２つの供給粉末チャンバ（カートリッジ）１２４，１２６、およびスプレッド・ローラ１３０を備えたプロセス・チャンバ１０２の上のユニット内に取り付けられた二酸化炭素レーザ１０８およびその関連走査システム１１４が示されている。プロセス・チャンバ１０２は、物品を製造するために適切な温度および雰囲気組成（一般に、窒素などの不活性雰囲気）を維持する。

明確にするために、ドアが取り除かれている図２の正面図に、従来のレーザ焼結システム１００の動作が示されている。レーザビーム１０４は、レーザ１０８により発せられ、一般に、レーザビームを偏向するガルバノ・ミラーを備えた光学ミラー走査システム１１４により標的区域１１０に向けられる。レーザおよびガルバノメータ・システムは、レーザ窓１１６によって、高温のプロセス・チャンバ１０２から隔離されている。レーザ窓１１６は、下にある部品床１３２の標的区域１１０を加熱する放射加熱要素１２０の内側に位置している。これらの加熱要素１２０は、リング形（矩形または円形）パネルまたはレーザ窓を取り囲む放射加熱ロッドであってよい。レーザビーム１０４の偏向は、その層内に形成すべき物品の断面に対応する溶融性粉末層の位置にレーザ・エネルギーを方向付けるために、レーザ１０８自体の変調と組み合わせて制御される。走査システム１１４は、ラスタ走査様式、またはベクトル様式で粉末を横断してレーザビーム１０４を走査してよい。

２つの供給システム（１２４，１２６）は、押上式ピストン・システムによって粉末をシステム１００中に供給する。標的区域１１０は、以下のように２つの供給ピストンから粉末を受け取る。供給システム１２６が最初に測定された量の粉末を押し上げ、逆回転ローラ１３０が粉末を取り上げ、均一な様式で部品床１３２の上に広げる。逆回転ローラ１３０が標的区域１１０および供給チャンバ１２４を完全に通り過ぎ、次いで、残留した粉末をオーバーフロー・コンテナ１３６中に放り込む。供給粉末を予熱する放射加熱要素１２２および部品床の表面を加熱するためのリング形または矩形の放射加熱要素１２０が、チャンバ１０２の頂部の近くに配置されている。要素１２０は、レーザビーム１０４にレーザ窓１１６を通過させる中央開口部を有する。逆回転ローラ１３０がシステム１００を横断して移動した後、レーザ１０８は、丁度分配されたばかりの層を選択的に溶融する。次いで、ローラ１３０は、オーバーフロー・カートリッジ１３６の区域から戻り、供給ピストン１２５が所定の量の粉末を押し上げ、ローラ１３０が粉末を標的区域１１０上で反対方向に分配し、他方のオーバーフロー・カートリッジ１３８に進行して、残留した粉末を落とす。ローラ１３０がシステム１００の各横断を開始する前に、中央の部品床ピストン１２８が、所望の層厚だけ部品入りケーキを降下させて、追加の粉末のための空間を空ける。

システム１００内の粉末供給システムは、粉末供給チャンバ１２４および１２６からチャンバ１０２中に所望の体積の粉末１２３および１２９を上方に移動させ、持ち上げる（目盛りが付けられている場合）モータ（図示せず）によって制御された供給ピストン１２５および１２７を備えている。部品床ピストン１２８はモータ（図示せず）により制御されて、加工すべき粉末の各層の厚さを規定する少量、例えば、０．１２５ｍｍだけ、チャンバ１０２の床より下方に動く。ローラ１３０は、供給ピストン１２７によって供給チャンバ１２６から標的区域１１０上に粉末１２３を移動させる逆回転ローラである。いずれの方向に移動する場合も、ローラ１３０は、標的区域上に堆積されなかった残留粉末を、プロセス・チャンバ１０２の両端にあるオーバーフロー・カートリッジ１３６および１３８中に運ぶ。標的区域１１０とは、ここでは説明目的のために、部品床ピストン１２８の上に配置された部品入りケーキ１０６（存在すれば、先に焼結された部分を含む）内の熱溶融性粉末の頂面を称する。図２のシステム１００には、新しい粉末が直前に焼結された高温の標的区域１１０の上に広げられるときの任意の熱衝撃を最小にするために、粉末を予熱するように供給ピストン１２５および１２７の上方に放射加熱要素１２２が必要である。供給床および部品床両方のための加熱要素を備えたこのタイプの二重持上式ピストン供給システムは、スリー・ディー・システムズ社により販売されているＶａｎｇｕａｒｄ選択的レーザ焼結システムにおいて工業的に実施されている。

レーザ焼結システムのための代わりの粉末供給システムが図３に示されている。システム全体が参照番号１５０によって表されている。このシステムにおいて、粉末供給機構はもはや、図１および２に示されたような押上式ピストン供給システムではない。代わりに、プロセス・チャンバの床２０６上に粉末１８４を周期的に堆積させるために、供給ホッパー１６２および１６４が用いられる。この手法において両方向に粉末を堆積させ広げる方法が、本発明の譲受人に譲渡され、この出願を引用することによって特に米国特許出願公開第１０／８５６３０３号に完全に記載されている。

図３の選択的レーザ焼結システムの動作は、図２に示したシステムの動作と似ている。レーザビーム１５４は、レーザ１０８により発せられ、レーザビームを偏向するガルバノ・ミラーを一般に備えた光学ミラー走査システム１１４によって標的１８６に向けられる。レーザおよびガルバノメータ・システムは、レーザ窓１５６により、高温のプロセス・チャンバ１５２から隔離されている。レーザ窓１５６は、下にある部品床の標的区域１８６を加熱する放射加熱要素１６０の内側に位置している。これらの加熱要素１６０は、リング形（矩形または円形）パネルまたはレーザ窓１５６を取り囲む放射加熱ロッドであってよい。レーザビーム１５４の偏向は、その層内に形成すべき物品の断面に対応する部品入りケーキ１９０の露出表面にある標的区域１８６内の溶融性粉末層の位置にレーザ・エネルギーを方向付けるために、レーザ１０８自体の変調と組み合わせて制御される。走査システム１１４は、ラスタ走査様式、またはベクトル様式で粉末を横断してレーザビーム１５４を走査してよい。一旦、断面が形成されたら、部品入りケーキ１９０は、部品入りケーキ１９０が載置されている支持台１７０を降下させる駆動システム１７２によって一層の厚さだけ降下される。

選択的レーザ焼結システムに用いられる粉末には、３つの基本的な区分がある。バージン粉末は、システムに供給された新しい粉末を称する。溢れた粉末は、図２の容器１３６および１３８中の粉末または図３の容器１８８内の粉末などの、構築チャンバから押し出された過剰の粉末である。回収粉末は、部品入りケーキ中の製造部品がシステムから取り出されたときに、構築またはプロセス・チャンバの外側に回収される粉末である。そのような回収粉末は、収集され、通常ブレークアウト・ステーションと称される装置内のレーザ焼結装置の外側で回収される。

これらの３つの区分の粉末の使用が、参照番号２００で表された、図４に示された従来技術の粉末回収システムにおいて自動化様式で示されている。この従来技術のシステムは、特許文献５に記載されている。レーザ焼結装置２０２は、２つの供給ホッパー２０４中に供給される供給粉末を有する。装置２０２からの完成構築物は、手作業でブレークアウト・ステーション２０６に移動され、ここで、部品が、焼結されていない回収可能な粉末から取り出される。装置２０２内の２つのオーバーフロー容器２０８，２１０が溢れた粉末を回収し、その粉末を、ライン２１２を通して篩システム２１４中に移送する。同じ篩システム２１４に、ブレークアウト・ステーション２０６からライン２０７を通して回収粉末が供給される。篩システム２１４から篩い分けされた粉末は、容器２１５内に貯蔵され、後にライン２１６を通してブレンド・タンク２１８に移送される。袋２２０からのバージン粉末がバージン・ブレンド・タンク２２２に供給される。２つのブレンド・タンク２１８および２２２からの供給物が、制御装置２２６によって制御されているブレンド装置２２４内でブレンドされ、次いで、ライン２２８を通して焼結装置２０２に戻される。全ての移送ライン２０７，２１２，２１６および２２８は、粉末を移送するための内部機械式スパイラル・コンベヤを有する。

記載された従来技術の粉末回収システムは、運転可能であるが、非常に大きな物理的専有面積を有し、機械式スパイラル・コンベヤ・システムのために高価である。サイズに関する理由の１つは、レーザ焼結装置の外側の３つの区分の粉末（バージン、溢れ、および回収）の全てを取り扱う必要性である。さらに、スパイラル・コンベヤは、粉末を局部的に混合するのにかなり効率的であるが、それらによって、機械式動作から粉末が摩滅し得る。図４の従来技術の別の側面は、３つの区分の異なる粉末の比率を確実に不変にはできないことである。溢れる粉末および回収される粉末にはサージ体積はなく、これらの粉末は、他のプロセスの停止を回避するために要求に応じて取り出さなければならないので、容器２１５中のこれら２種類の粉末の比率は制御されない。したがって、容器２１５中のこれら２種類の粉末の比率は、未知の混合物のものである。溢れた粉末と回収された粉末は性質が異なるので、容器２１８から供給されるこのシステム中で使用される粉末の性質も異なり、部品にアーチファクトが生じてしまう。従来技術の設計の別の特有の欠点は、容器２２２および２１８からの粉末のブレンドは、制御装置２２６によって制御された体積比により行われることである。本発明に用いられるバージン粉末、回収粉末および溢れた粉末などの異なる微細な粉末には、そのような微細な粉末の任意の２種類または全ては、嵩密度が異なることが一般的である。この従来技術のシステムにおけるそのような粉末は、体積分配装置に提供される場合、各粉末の比率は、正確に予測し、制御することはできない。

これらの問題は、本発明によって対処される。粉末の全ての移送は、より気密で小型の配管を可能にする濃密相空気圧移送によって行われ、溢れた粉末はレーザ焼結装置内に保持され、ここで、その粉末は濃密相移送によって装置の供給ホッパーに直接戻される。外部の回収システムから溢れた粉末をなくすことによって、全体のサイズと複雑さが著しく減少する。ブレンド容器を通る粉末の閉ループ型空気圧移送によって、完全なブレンドを行って、層化がなくなる。機械式のスパイラル搬送システムの代わりに、濃密相空気圧搬送システムを使用することによって、粉末が摩滅する可能性が減少する。異なる粉末の全ての配分は、体積比によるものではなく、質量によって行われ、嵩密度が異なる場合でさえも、正確な分配を確実に行える。

ある固体を気体（通常は空気）中に浮遊させて、輸送することができる。これは、空気圧搬送と称される。空気圧搬送システムは、粉末形態にあるまたは粒状固体として物質を輸送するのに適している。粉末／固体は、２０％以下の水分を持つ程度に乾燥しており、非粘着性でなければならない。空気圧輸送システムには、２つの基本的体制がある：速い気体速度（２０〜３０ｍ／秒）での希薄相搬送、および遅い気体速度（５〜１０ｍ／秒）での濃密相搬送。

空気圧搬送システムにおいて、ほとんどのエネルギーは、空気自体の輸送のために用いられる。したがって、空気圧搬送プラントのエネルギー効率は低いが、取扱いは容易であり、うまく設計されたシステムにおいては、しばしば粉塵がない。濃密相搬送システムは、同じ量の固体を搬送するためにずっと少ない空気しか用いられないので、より効率的である。特有の遅い空気速度によって、固体の取扱いが穏やかになる。

空気圧システムは、正圧と負圧（真空）の両方で動作できる。ここに記載される本発明のシステムにおける粉末輸送の全ては、粉末の濃密相移送に基づく。本発明の粉末回収システムでは、新規の濃密相輸送設計を用いる。本発明の空気圧システムに用いられる気体は、空気、窒素、アルゴンなどの不活性ガス、二酸化炭素またはそれらの任意の組合せであって差し支えない。好ましい気体は空気である。

図５は、参照番号２５０によって表される本発明の粉末回収システムの統合された概略図である。図３に示されているものと類似した１つ以上のレーザ焼結装置２５２は、供給ホッパー２５４および１つ以上のオーバーフロー容器２５６を備えている。溢れた粉末を容器２５６から供給ホッパー２５４に戻す、レーザ焼結装置２５２内に配置された濃密相トランスポータは、図５には示されていないが、後により詳しく説明する。この態様では、以下に論じる外部の粉末処理モジュールからの粉末を取り扱う著しい負担がなくなる。装置２５２内の構築物の完成時に、製造された部品およびその周りの未溶融粉末からなる部品入りケーキ２５８をブレークアウト・ステーション２６０に移動させる。ここでは、部品入りケーキ２５８の、完成部品２６２、低品質のすなわち使用済み粉末２６４、および再利用のために回収される粉末２６６への分離は機械的に行われる。使用済み粉末は通常、熱い部品に近い粉末によって生じた大きな硬い凝集体からなる。使用済み粉末は、再利用には適しておらず、廃棄される。次いで、手短に図６，９および１０を参照すると分かる濃密相トランスポータは、回収した粉末２６８を粉末処理装置２７０に運搬し、ここで、この粉末は、新しい粉末２６８と組み合わされて、装置の供給ホッパー２５４に戻される。ある実施の形態において、溢れた粉末の処理装置２７０からの組合せ粉末とのブレンドは、以後に説明するイン・ビン(In-bin)ブレンド技術を用いて供給ホッパー２５４で行うことができる。システム中の濃密相空気圧輸送を駆動する空気配管と制御装置のネットワークはこの図と以下の図には示されていない。

図６は、参照番号３５０によって表される全粉末回収システムの一部としての粉末処理装置を示している。別体のブレークアウト・ステーション３５３（後で説明する）から回収された粉末は、回収粉末貯蔵容器３５４にバッチ様式で搬送される。供給源３５２からのバージン粉末はサージ・ホッパー３５５中に搬送される。バージン粉末および回収粉末貯蔵容器３５４からの回収粉末は両方とも、Ｌ形弁３５６を通して濃密相トランスポータ３５８中に供給できる。濃密相トランスポータ３５８は、空気圧濃密相搬送を用いて、得られた粉末をブレンダ容器３６２、バージン粉末貯蔵容器３６４に搬送するか、または循環様式で回収粉末貯蔵容器３５４に戻す。システム・オペレータがバージン粉末の新しいバッチをバージン粉末貯蔵容器３６４中に移送したいとき、弁は適切に設定され、バージン粉末は濃密相トランスポータ３５８を通してバージン粉末貯蔵容器３６４に搬送される。あるいは、バージン粉末はバージン粉末貯蔵容器３６４中に直接供給しても差し支えない。バージン粉末は、弁を適切に設定し、バージン粉末貯蔵容器３６４からバージン粉末をＬ形弁３６８および濃密相トランスポータ３７０に通して容器３６４に再循環させることによってブレンドしても差し支えない。同様に、システム・オペレータが回収粉末の様々なバッチを完全にブレンドしたいとき、回収粉末貯蔵容器３５４からの回収粉末が、回収粉末貯蔵容器３５４、Ｌ形弁３５６および濃密相トランスポータ３５８を通して繰り返し循環するように適切に弁を設定する。粉末のブレンドは、この再循環中に行われる。

容器内で多数の混合技術を使用することができる。好ましい手法は、機械式撹拌器などのいくつかのタイプの機械式ブレンドよりもむしろ、イン・ビン・タイプのブレンドを使用することである。イン・ビン・ブレンダでは、同時に導入される固体粒子の排出順序に影響を与えるように流動している固体において存在する自然速度プロファイルを使用する。言い換えれば、同時に導入される粒子は、所定の期間で容器を出る。それら粒子は所定の期間で容器を出るので、他の時に導入される他の粒子は、ゆっくり時間をかけて広がるときにそれらと混合される。例えば、重力流動ブレンダにおいて、容器の頂部に導入される固体の水平層は、層の異なる部分の速度が速いか遅い場合、先に導入された他の水平層とブレンドされる。質量流動容器は必然的に、容器の壁の近くよりも容器の中心線でより早い流速を有する。これによって、かつて導入された層からの中心粒子は、ずっと先に導入された層からの粒子と同時に容器から出て、それゆえ、２つの層が、容器を流動しながらブレンドされる。

ブレンドは、２つの様式で行うことができる。一回通過(single pass)の連続ブレンドは、一方が他方の上に堆積された複数のバッチをブレンドすることによって、バッチ間のばらつきをならすことができる。しかしながら、一回通過のブレンドでは、容器に進入する最初のバッチは、他のバッチとは組み合わせられないので、効果的にブレンドされない。より完全なブレンドは、固体を容器の出口からその容器の頂部に戻し、それらを再度流動させることによって行うことができる。容器に進入する最初のいくつかのバッチのみを再循環させ、次いで、一回通過のブレンドを用いて、最小量の粉末が容器内に保持されている限り再循環なくブレンドを続けることも可能である。再循環によるブレンドを用いて、異なる成分の主なブレンドを行うことができる。多量の粒状成分を容器中に投入する場合、効果的なブレンドを達成するにはより多くの再循環を要する。異なる成分の層中に投入された材料は、少ない循環で効果的なブレンドを行うことができる。

好ましいタイプのイン・ビン・ブレンド技術は、容器内のコーン・イン・コーン(cone-in-cone)挿入体である。容器内のコーン・イン・コーン挿入体は、ホッパー部分の上の速度プロファイルを伝え、この速度プロファイルを、ブレンドを最適化するように調節できる。また、通常質量流動が可能なよりも平らな傾斜を持つホッパー内において壁際で質量流動または固体流動が生じることができる。イン・ビン・ブレンドを行うためには、容器内に非流動領域があってはならない。言い換えれば、材料が出口から流動する場合、非流動領域はブレンドされないので、容器内の材料の全ては移動しなければならない。コーン・イン・コーンの設計で、容器中の速度プロファイルを制御することによって、粉末の分離をなくし、粒状または粉末固体の流動を改善できる。急な内部コーン（円錐体）が、より平らな外側コーンへと流動を広げる。このことは、粉末取扱産業において「ラットの穴(rat holes)」として知られるものなどの、いくつかの粉末流動障害をなくす傾向にあり、比較的平らな容器内でさえ分離を防ぐ。この抗分離流動パターンは、普通の容器中に落下するときにしばしば分離する固体を再混合する。本発明のシステムは、用途に応じて、繰り返し混合するかまたは完全に真っ直ぐ流動させることができるという点で非常に汎用性がある。図６に示したように、容器３５４，３６２および３６４の各々は、内部にコーン・イン・コーンのブレンド・システムを有していて差し支えない。コーン・イン・コーンのブレンダはよく知られた技術である。各容器３５４，３６２および３６４は、それぞれ、秤量装置３７１，３７２および３７４を有する。これらの秤量装置は、各粉末の質量によって正確な移送を確実にする。秤量装置３７１，３７２および３７４は、容器３５４，３６２および３６４内に収容されている粉末を正確に秤量するためにロードセルを用い、それらの質量を粉末回収システム３５０内の制御装置に伝送することができる。

オペレータが、それぞれ、貯蔵容器３５４および３６４から回収粉末およびバージン粉末の最終ブレンドを調製しようとするとき、回収粉末貯蔵容器３５４からの回収粉末がＬ形弁３５６を通って濃密相トランスポータ３５８中へ、そしてブレンド容器３６２中に流動するように適切に弁を設定する。次いで、バージン粉末が適切なＬ形弁３６８を通って濃密相トランスポータ３７０中に供給され、得られた混合物を、ブレンダ容器３６２の周りとそこを通して循環させる。前述したように、この作用によって、粉末がコーン・イン・コーン型のブレンダ設計を通過するときに、分離のないよくブレンドされた粉末が得られる。適切にブレンドされた場合、最終的な粉末ブレンドを焼結装置３７６に輸送することができる。粉末をシステムの外部に貯蔵または移動させることが望ましい場合のための補助貯蔵装置３７８も示されている。

本発明の設計により、レーザ焼結装置３７６に供給する前に、粉末を所望の混合物にブレンドする適切な弁作用によって、融通性を広げることができる。弁作用を含む様々な流動の可能性の全ては、もちろん、コンピュータ制御下であって差し支えなく、したがって、操作は手作業よりむしろ自動的である。

本発明のシステムは、自動化様式で動作しながら、以下の機能を実行する。粉末が焼結装置に供給されている間または待機時間中、装置は、供給容器３５２からの粉末を空気圧搬送することにより、バージン粉末貯蔵容器３６４を自動的に満タンに維持する。必要に応じて、ユーザは、容器３６４中のバージン粉末をそれ自体と、および先に貯蔵された粉末とブレンドして、出荷用容器内の分離およびバッチ間のばらつきをうち消すことができる。このシステムは、オペレータが部品を取り出したときに、ブレークアウト・ステーション３５３からの回収粉末を回収粉末貯蔵容器３５４に自動的に搬送する。必要に応じて、システム・オペレータは、回収粉末をそれ自体、および先に貯蔵された粉末とブレンドして、ブレークアウト中の分離、部品入りケーキ内のばらつき、およびその後の構築物における差による部品入りケーキ間のばらつきをうち消すことができる。

図６のブレンダ容器３６２が空に近づくと、粉末取扱システム３５０は、バージン粉末貯蔵容器から自動的に粉末を搬送して、質量設定点を満たす。これは、質量設定点を満たすように回収粉末貯蔵容器から粉末を搬送することによって、回収粉末貯蔵容器３５４からの回収粉末との交互の層で行ってもよい。この充填は、ブレンドの速度を上げるために、バージン粉末と回収粉末の交互の層で行われる。ブレンダ容器３６２が充填されると、粉末回収システムの粉末処理装置２７０は、ブレンダ容器の出口からの粉末をブレンダ容器の入口に再循環させ、コーン・イン・コーン型のブレンド設計を用いて、バージン粉末と回収粉末を一緒にブレンドする。次いで、このシステムは、１つ以上の装置のレベル・センサが粉末を要求したときに、レーザ焼結装置３７６、または多数の装置に粉末を自動的に供給する。ブレンド中、多数の公知の方法を用いて、ブレンド中の粉末の品質を測定して差し支えない。品質をモニタするよく知られた分析技法の１つは、ブレンドした粉末のメルト・フロー・インデックスを測定することである。

図７は、参照番号４００によって表されたブレークアウト・ステーションの概略図である。部品入りケーキが、部品入りケーキからの除去された回収可能な粉末および使用済み粉末を受け入れるための２つの端部（左と右）を有するブレークアウト・ステーションのテーブル４０２上に配置されている。これらは、直接かまたはエア・スライド４０４を通して、スクリュー・フィーダ４０６に供給され、このフィーダは、回収可能な粉末と、使用できない使用済み粉末の大きな凝集塊とで分離を行う装置４０８に供給する。使用済み粉末はゴミ容器に入れられる。好ましい装置４０８は回転式シフタである。このように回収された粉末は、濃密相トランスポータ４１２に落下し、これにより、粉末をパワー導管４１４を介して図６の回収粉末貯蔵容器３５４に戻される。

本発明の粉末回収システムは、システムを通じて粉末の空気圧濃密相搬送を使用することによって、サイズが小型になり、信頼性が得られる。図９は、図６に３５８および３７０として見られる、２つの濃密相トランスポータの図である。図９において、トランスポータ５１４および５１６は、図６に示された粉末処理装置２７０の容器の下に配置されている。回収粉末貯蔵容器５０６およびサージ・ホッパー５０２はＬ形弁５１０に供給し、この弁は次に、濃密相トランスポータ５１４に供給する。Ｌ形弁および濃密相トランスポータの動作の詳細を以下に説明する。粉末処理装置の他の２つの主要な容器であるバージン粉末貯蔵容器５０８およびブレンダ５０４は、Ｌ形弁５１２を通して一緒に濃密相トランスポータ５１６中に供給する。

図１０は、参照番号５３０により表された内部のオーバーフローすなわち過剰の粉末の受容器および搬送システムの図である。オーバーフロー受容器５３２は、構築中に部品入りケーキの両側から溢れた粉末を収集する。溢れた粉末は、リザーバ５４０中にポンプで送り込まれた空気によって作動する膨張性袋を持つ空気作動式ピンチ弁などの適切な弁を通して流動する。この弁は、下にある小さな濃密相トランスポータ５４２に下る流れを制御する。濃密相トランスポータ５４２は、粉末を粉末供給ホッパー（図示せず）に戻し、それによって、溢れた粉末の全てを焼結装置内にあるままにする。粉末は、入口５４４を通して供給される空気によって、濃密相トランスポータ５４２内で流動化される。粉末は、以下に説明する様式で出口５４６を通って出ていく。レベル・センサ５３４は、受容器５３２内の粉末がセンサ５３４の所定のレベルに達すると、ピンチ弁５３６を開く制御スキームをフィードする。これにより、焼結装置中に空気を送る吹込みを防ぐ持続性粉末シールが確実に形成される。

参照番号５５０により表された図９のＬ形弁の１つが、図１１の断面斜視図により詳しく示されている。任意の容器からの粉末は、入口５５２を通って重力によって多孔質板５５４上に落下する。入口５５６は、Ｌ形弁のための空気源である。空気が入口５５６を通過し、多孔質板５５４を通過するときに、多孔質板上の粉末は、流動化され、多孔質板５５４に沿って下方に移動し、流動化空気と共に５５８から出る。入口５５６への空気が停止されると、多孔質板５５４上の流動化された粉末は、崩れ落ち、特徴部５５５でシールを迅速に形成する。それゆえ、Ｌ形弁は、入口５５６中に入る空気の真っ直ぐな流れによって粉末流動を制御するための効率的な弁である。Ｌ形弁は、粉末取扱業界において公知の従来技術である。

図１２は、濃密相トランスポータのフィーダ部分６０４に連結された２つのＬ形弁６０２を示す、参照番号６００により表された濃密相トランスポータへの入口の断面斜視図である。フィーダ部分６０４は、弁ステム６０６によって動かされて、意図した粉末を輸送するために濃密相トランスポータを加圧できるように濃密相トランスポータ６００の頂部６０８によって弁座６１２に対するシールを形成できるプラグ弁６１０を含む。

ここで参照番号６５０により表された完全な濃密相トランスポータが、図１３に断面斜視図で示されている。濃密相トランスポータ６５０は、頂部受入部分６５２および底部移送部分６５４に連結された切頭円錐状部分７０２からなる。底部移送部分６５４は、良好な力運搬を確実にするために垂直からある角度だけずれて構成されていることが重要である。底部移送部分６５４のこの傾斜によって、多孔質板７０４が水平ではなくある角度で傾斜することが確実になる。多孔質板７０４は、気流によって、その上に落ちてくる粉末を流動化するように作用するように多孔質である。加圧空気が入口７０６で進入し、多孔質板７０４を通って上昇して、流動化作用を与える。流動化した粉末は、多孔質板７０４に沿って出口７０８に向かって下方に流れ、そこから出る。角度の付いた設計、または下方に傾斜の付いた円錐様式で多孔質板を用いた代わりの中心排出出口設計によって、詰まる可能性の少ない、より安定した濃密相移送が確実になる。入口７０６中への気流が流動化点よりも減少したときに、多孔質板７０４上の粉末が崩れ落ち、流動を停止するブリッジを出口７０８に形成する。このオフセット角は、水平から約９〜１０度よりも大きいべきであるが、それよりずっと大きくても差し支えない。好ましい角度は約１０度である。

手短に図５の説明に戻ると、粉末回収システム２５０中の粉末材料の流れは、粉末回収装置２７０からの粉末を戻し、これを、レーザ焼結装置２５２内の粉末供給ホッパーに戻すことによって完了する。このレーザ焼結装置２５２内で、回収粉末は、容器２５６からの内部の溢れた粉末と組み合わされる。

ここで図８に戻ると、レーザ焼結装置内の粉末供給ホッパーが参照番号４５０により表されている。３つの粉末の入口が、粉末供給ホッパー４５０の頂部に示されている。入口４５２は、図６の濃密相トランスポータ３７０から供給される粉末を受け入れる。入口４５４は、図１０に示された濃密相トランスポータ５４２からの、焼結装置内からの溢れた粉末を受け入れる。入口４５２および４５４からの組み合わされた粉末は、重力によってエアスライド４５８上に落下し、ここで、流動化され、エアスライド４５８の上から、粉末供給ホッパー４５０のホッパー部分４６３中へ、次いで供給カートリッジ４６６中へと供給される。空気の入口４６０は、流動化空気をエアスライド４５８内の多孔質板に提供する。エアスライド４５８は、ホッパー部分４６３中に生じる粉末の山を広げて、限られたサイズのホッパー内でより大きな貯蔵容積を達成する重要な機能を提供する。エアスライドは、エアスライドがなかったら生じるであろう山の形成による材料の層化の可能性も減少させる。エアスライド４５８は、機械的部品を移動させずにこれを達成する。

粉末供給ホッパー４５０中の粉末のレベル制御は、図８のレベル・センサ４６２および４６４によって行われる。センサ４６２は、ホッパー部分が満タンのときを検出し、入口４５２および４５４を通ってさらに移送をさせない。レベル・センサ４６４は、ホッパー部分がほとんど空であるときを検出し、ホッパーからのさらなる移送を停止させる。粉末のレベルを常にレベル・センサ４６４にまたはその上に維持することによって、粉末は、空気がレーザ焼結装置に進入するのを防ぐ空気シールとして作用し、この装置は、動作中、窒素などの不活性雰囲気下に維持される。空気シールは、窒素雰囲気が粉末供給ホッパー４５０を通って逃げるのも防ぐ。焼結装置中に供給すべき粉末は、図８に示されるように、ローラ・フィーダ４６８と共に円筒状粉末ローラ４７０の回転によって正確に測定される。フィーダ４６８とローラ４７０との間の間隔によって、ローラ４７０が回転しながら、正確な量の粉末を供給カートリッジ４６６から落として、供給間隙４７４を通して移送することができる。好ましいローラは、ローラの回転と粉末の供給量との間に線形の関係がある滑らかな表面を有し、粉末を収集し得るポケットのないものである。制御機構４７２は、フィーダ４６８を周期的に持ち上げて、ローラ・フィーダ４６８とローラ４７０との間の間隔から凝集塊を取り除くように働く。一旦、粉末が供給間隙４７４を通ってレーザ焼結プロセス・チャンバ中に落下したら、粉末は構築区域に亘り広げられる。この手法において粉末を堆積させ、両方向に広げる方法は、前出の米国特許出願第１０／８５６３０３号明細書に完全に記載されている。

本発明の自動化粉末回収システムによって、一日２４時間の作動で複数の焼結装置を無人操作することできる。したがって、遠隔モニタおよび診断が、そのようなシステムの重要な条件である。本発明の別の態様は、システムに遠隔アクセスし、システム機能を実行するためにＩｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ（登録商標）、Ｎｅｔｓｃａｐｅ（登録商標）、または別のブラウザを使用できるような遠隔ＨＴＭＬブラウザ用途である。これらのシステム機能は、追加のブレンド、容器を空にすること、粉末の移送、バージン粉末の追加などを少なくとも含む。圧力、流量、トランスポータの状態などを含む、回収システムの動作パラメータを表示するために、遠隔ＨＴＭＬ状況スクリーンも利用できる。アナログ式表示装置は、様々な容器中の粉末レベルを示し、現在の使用率で、異なる区分またはタイプの粉末がなくなるときを予測する。同じシステムが、バージン粉末または回収粉末が残り少なくなったときにシステム・オペレータに電子メールを送信するようにプログラムされている。

従来のレーザ焼結装置の概略図 関係する機構のいくつかを示す従来のレーザ焼結装置の正面図 頂部供給機構を有するレーザ焼結装置の正面図 従来技術の粉末回収システムの概略図 本発明の粉末回収システムの概略図 全体としての粉末取扱システム内の粉末処理装置および粉末回収システムの概略図 ブレークアウト・ステーションの概略図 粉末供給ホッパーの断面斜視図 粉末処理装置の底部の斜視図 レーザ焼結装置の内部からの溢れた粉末材料の再利用のための回収および輸送を行うオーバーフロー・コンテナおよび濃密相回収トランスポータの断面図 Ｌ形弁の断面斜視図 トランスポータ・システムの頂部フィーダの断面斜視図 濃密相トランスポータの断面斜視図

符号の説明

１００ レーザ焼結システム
１０２，１５２ プロセス・チャンバ
１０４，１５４ レーザビーム
１０８ レーザ
１１０，１８６ 標的区域
１１６，１５６ レーザ窓
１２５，１２７ 供給ピストン
１３０，１８０ 逆回転ローラ
１３２ 部品床
１３６，１３８，２０８，２１０，２５６ オーバーフロー容器（カートリッジ）
１７０ 支持台
１９０，２５８ 部品入りケーキ
２０２，３７６ レーザ焼結装置
２０６，２６０，３５３，４００ ブレークアウト・ステーション
２０７，２１２，２１６，２２８ 移送ライン
２１８，２２２ ブレンド・タンク
２２６ 制御装置
２５４ 供給ホッパー
２６２ 完成部品
２６４ 使用済み粉末
２６６ 回収粉末
２６８ バージン（新しい）粉末
２７０，３５０ 粉末処理装置
３５４ 回収粉末貯蔵容器
３５６ Ｌ形弁
３５８，３７０，５１４，５１６，５４２，６００，６５０ 濃密相トランスポータ
３６４ バージン粉末貯蔵容器
４０４，４５８ エアスライド
４０６ スクリュー・フィーダ
４６４，５３４ レベル・センサ
５５４，７０４ 多孔質板

Claims (23)

1. 粉末から三次元物品を製造するための装置において、
   (a) 三次元物体を製造するために層毎の構築プロセスが中で行われる前記装置内のチャンバであって、第１の側と反対の第２の側を有するチャンバ、
   (b) ある量の粉末を前記チャンバ中に堆積させるための該チャンバの第１の側に配置された粉末供給ホッパーであって、粉末供給ラインから粉末が供給される粉末供給ホッパー、
   (c) 前記ある量の粉末を前記チャンバ内に広げるための、前記供給ホッパーに隣接して配置されたスプレッダー、
   (d) 前記スプレッダーにより供給される溢れた粉末を受け入れるための受入手段であって、前記チャンバの少なくとも一方の側に隣接して配置された受入手段、および
   (e) 前記溢れた粉末を前記粉末供給ホッパーに戻すための、前記受入手段に流動連絡した空気圧搬送装置、
   を備え、
   前記装置からの完成した生産品を受け取り、該生産品を完成した部品、回収可能な粉末、および使用済み粉末に分離する別個のブレークアウト・ステーションをさらに備える、ことを特徴とする装置。
2. 前記供給ラインに連結された粉末処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記粉末処理装置から前記供給ラインを通して供給される粉末が、空気圧濃密相搬送装置により空気圧濃密相搬送によって搬送されることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記粉末供給ホッパーが、前記チャンバの第１の側の上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記粉末処理装置に多量のバージン粉末および回収粉末の両方が供給されることを特徴とする請求項２記載の装置。
6. 前記粉末処理装置が、多量のバージン粉末を貯蔵しかつブレンドするバージン粉末貯蔵容器を備え、ブレンド操作が、該バージン粉末貯蔵容器に粉末を循環させることによって行われることを特徴とする請求項２記載の装置。
7. 前記バージン粉末貯蔵容器を循環する前記粉末が、空気圧濃密相搬送装置によって搬送されることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記スプレッダーが前記供給ホッパーの下に位置していることを特徴とする請求項４記載の装置。
9. 前記バージン粉末貯蔵容器が、内部円錐体を備える円錐状ブレンド装置をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の装置。
10. 前記粉末処理装置が、多量の回収粉末を貯蔵しかつブレンドする回収粉末貯蔵容器をさらに備え、ブレンド操作が、該回収粉末貯蔵容器に粉末を循環させることによって行われることを特徴とする請求項６記載の装置。
11. 前記回収粉末貯蔵容器を循環する前記粉末が、空気圧濃密相搬送装置によって搬送されることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記回収粉末貯蔵容器が、内部円錐体を備える円錐状ブレンド装置をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の装置。
13. 前記粉末処理装置が、回収粉末およびバージン粉末の組合せをブレンドしかつ貯蔵するためのブレンダ貯蔵容器をさらに備え、ブレンド操作が該ブレンダ貯蔵容器に粉末を循環させることによって行われることを特徴とする請求項１０記載の装置。
14. 前記ブレンダ貯蔵容器を循環する前記粉末が、空気圧濃密相搬送装置によって搬送されることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 前記ブレンダ貯蔵容器が、円錐状ブレンド装置内に内部円錐体をさらに備えてなることを特徴とする請求項１３記載の装置。
16. 前記空気圧搬送装置が、空気圧濃密相搬送装置によって、溢れた粉末を搬送する空気圧濃密相搬送装置であることを特徴とする請求項１記載の装置。
17. 前記溢れた粉末を前記粉末供給ホッパーに戻すための空気圧濃密相搬送装置をさらに備えることを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 前記ブレークアウト・ステーションが、
    (a) 完成した三次元物体から回収可能な粉末および使用済み粉末を分離するための作業台、
    (b) 回収可能な粉末および使用済み粉末を処理し分離するための装置、および
    (c) 回収した粉末を前記粉末処理装置に搬送するための空気圧濃密相搬送装置、
    を備えたことを特徴とする請求項２記載の装置。
19. 前記空気圧濃密相搬送装置が、
    (a) 移送すべき粉末を受け入れるための頂部受入部分、
    (b) 前記粉末を出口に両道される、前記頂部受入部分の下に配置された底部移送部分、
    (c) 前記底部移送部分にある多孔質板、および
    (d) 前記多孔質板を通過する搬送気体の入口、
    を備えることを特徴とする請求項３，７，１１，１４，１７および１８いずれか１項記載の装置。
20. 前記粉末供給ホッパーが、
    (a) ホッパー・チャンバの上で粉末供給物を受け入れるための入口、
    (b) 前記ホッパー・チャンバの下に配置された円筒状回転ローラ、および
    (c) 前記円筒状回転ローラが回転するときに前記ホッパー・チャンバからの粉末が通って流動する間隙を形成するように、該円筒状回転ローラに隣接して平行に配置されたローラ・フィーダ、
    を備えたことを特徴とする請求項１記載の装置。
21. 前記円筒状回転ローラが滑らかな表面を有することを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記入口から粉末を受け入れかつ該粉末を前記ホッパー・チャンバ中に供給するための前記入口の下に配置されたエアスライドをさらに備えたことを特徴とする請求項２１記載の装置。
23. 収集された粉末凝集塊を通過させるために、前記ローラ・フィーダを周期的に移動させて前記間隙のサイズを増加させるための調節装置をさらに備えることを特徴とする請求項２２記載の装置。

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