JP4805704B2 - 高速試作および製造装置における取外し可能な構築チャンバの位置決め - Google Patents

Description

本発明は、広く、高速試作および製造方法に関し、より詳しくは、レーザ焼結に関する。

高速試作および製造（ＲＰ＆Ｍ）は、三次元物体を、その物体を表すコンピュータ・データから高速かつ自動的に形成するのに使用できる技術分野に与えられた名称である。一般に、高速試作および製造技法では、形成すべき物体の断面を表すスライスされたデータ・セットを用いて、作業媒質から三次元物体を層毎に構築する。典型的に、物体の表示は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムにより最初に提供される。ＲＰ＆Ｍ技法は、固体イメージングとも呼ばれ、ステレオリソグラフィー、固体イメージングに適用されるインクジェット・プリンティング、およびレーザ焼結を含む。

レーザ焼結装置は、粉末床を形成するために、プロセス・チャンバに亘って、熱可溶性粉末、しばしば熱可溶性高分子粉末、高分子被覆金属、またはセラミックの薄層を分配する。次いで、レーザ焼結装置は、熱エネルギーを施して、その粉末層に構築されている物品の断面に対応する粉末層の部分を溶融する。「部品入りケーキ」と一般に呼ばれる粉末塊内に物品が形成される。レーザは一般に、変調と正確な方向制御によって、熱エネルギーを粉末層の目的区域に供給する。スリー・ディー・システムズ社(3D Systems, Inc.)から市販されているＶａｎｇｕａｒｄ（商標）システムなどの従来の選択的レーザ焼結装置では、二酸化炭素レーザを使用し、このレーザビームを偏向するガルバノ・ミラーを手段としてレーザビームを位置決めする。

この部品入りケーキは取外し可能な構築台上に支持されており、この構築台上に粉末床が配置される。粉末層が溶融した後、構築台はある距離だけ下方に移動し、次いで、装置が、粉末床に亘って、先に溶融された層の上に追加の粉末層を分配し、この次の層における粉末の溶融と選択的融合のプロセスを繰り返す。物品が完成するまで、後の層の溶融部分が、物品に適切なだけ先の層の溶融部分に融合する。これらの物品は、「構築部品」と呼ばれることもある。追加の粉末層の各々は、一般に、粉末床の上に測定された量の粉末を分配する粉末供給装置から分配される。次いで、ブレードやローラなどのスプレッダーがその粉末を拾い上げ、粉末床に亘り均一な様式で広げる。

レーザ焼結技術が、テキサス・システム大学の評議会に全て譲渡された特許文献１から３、およびハウショルダー(Housholder)の特許文献４に詳細に説明されている。

一般に、部品が一旦構築されたら、この新たに形成された部品が冷めるまで、不活性雰囲気下のプロセス・チャンバ内に残っている。冷却には、一回の構築で構築される部品の数およびサイズに応じて、数時間または数日要する。その結果、レーザ焼結装置は、冷却時間中は停止しており、このため、装置は、その後の構築に利用できないであろう。

中に構築台を配置できる取外し可能な構築チャンバを備えたレーザ焼結装置が開発されている。新たに構築された部品を含む構築チャンバをプロセス・チャンバから分離し、次いで、部品を構築チャンバ内で冷却することができる。次いで、新たな部品を構築できるように、プロセス・チャンバ中に別の構築チャンバを配置することができる。構築チャンバは、粉末床と構築台が適切に位置決めされるようにプロセス・チャンバ内に配置しなければならない。粉末スプレッダーおよび構築台の垂直移動が不正確に位置決めされると、粉末層が不均一に堆積されたり、粉末の連続した溶融層に横方向にずれが生じてしまうであろう。不正確に位置決めされた構築台上で部品を構築すると、使用できないような欠陥のある部品が得られるであろう。粉末スプレッダーを備えた構築台を適切に位置決めするには、ユーザが多くの調節および測定をする必要がある。この位置決めプロセスのために、損失時間が生じ、ＲＰ＆Ｍプロセスが非効率になるであろう。

特許文献５には、容器を有するレーザ焼結装置が記載されており、この容器は、物理的に持ち上げ、装置の内部に配置することによって、装置中に手動で挿入される。この容器は、装置内に一旦配置されたら、装置から取り出されるまでは静止している。この容器は、対向する側壁上のレールにより支持されている。これらのレールは、容器を配置し、粉末を送達し次いで広げるためのホッパー開口部の底部に取り付けられたブレードを有する往復移動するオーバーヘッド・ホッパー装置により、容器を位置決めする。挿入可能な容器は、４つの側壁、および装置の内部断面と等しいサイズを持つ可動性台を備えている。昇降機構が、その台を必要に応じて上下に動かす。部品が構築された後、システム・オペレータは、部品と未焼結粉末を含む容器を、装置から、物理的に持ち上げなければならない。この容器は重く、持ち上げ工程により部品が動き、部品が損傷を受けるかもしれないので、容器を物理的に持ち上げることは望ましくないであろう。
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 米国特許第６５５４６００号明細書

それゆえ、一般に、迅速に取り付けられ、プロセス・チャンバに位置決めできる、取外し可能な構築チャンバを有する高速試作成形装置およびレーザ焼結装置が必要とされている。

本発明は、取外し可能な構築チャンバと、システム・オペレータにより最小の調節で構築チャンバをプロセス・チャンバに適切に位置決めするのに使用できる複数の位置決め表面とを有する高速試作および製造装置を提供することによって、上述した要望に対処し、他の利点を達成する。その結果、その装置は、構築チャンバをプロセス・チャンバに精確かつ効率的に位置決めするのに使用できる。レーザ焼結の場合に構築物が完成した後、構築チャンバは、新たに構築された部品および部品入りケーキを形成する周りの未溶融粉末と共に、プロセス・チャンバから取り出し、部品を含む部品入りケーキを構築チャンバ内で冷却することができる。ステレオリソグラフィーの場合には、構築チャンバまたは桶は、構築材料を交換するためにプロセス・チャンバから取り出すことができる。次いで、第２の構築チャンバをプロセス・チャンバに取外し可能に連結し、新たな部品の構築を始められる。

本発明のある実施の形態において、レーザ焼結装置は、プロセス・チャンバ、支持ハウジング、および支持ハウジングに取外し可能に取り付けられた構築チャンバを備えている。プロセス・チャンバは、支持ハウジングにより支持され、そこに取り付けられている。構築チャンバは、支持ハウジング中に取外し可能に挿入され、装填位置と構築位置との間で移動可能である。構築チャンバは、可動性の構築台と、支持ハウジング上の対応表面に解放可能に係合するようにそれぞれ適用された複数の位置決め表面とを含む。構築チャンバを構築位置に移動させると、位置決め表面が、ユーザによる調節を最小しかまたは全く必要とせずに、構築台を、プロセス・チャンバ内に配置された粉末床に位置決めする。構築台の移動軸は、粉末床が水平からずれている場合でさえ、粉末床の面に対して実質的に垂直である。その結果、この装置は、構築チャンバをプロセス・チャンバに効率的かつ精確に位置決めするのに使用できる。

本発明のある実施の形態において、構築チャンバの位置決め表面は、位置決めボールの形態にあってよい外面に延在する突起を有している。各位置決めボールは、支持ハウジング上の対応する凹部に取外し可能に挿入されるように適合される。位置決めボールと凹部の位置は、位置決めボールが凹部中に移動するときに、構築チャンバが、正確なアライメントでプロセス・チャンバ中に移動するようなものである。ある実施の形態において、凹部は、構築チャンバが構築位置に向かって移動するときに、構築チャンバとプロセス・チャンバとのある程度の初期のずれを見込んだ、凹部の開口部での面取り部を含んでよい。構築チャンバの連続移動によって、位置決めボールが凹部中にさらに受け入れられる。この位置決めシステムは、３つの幾何学方向全てに、３つの位置決めボールの周りに回転に関して拘束される、プロセス・チャンバに対する構築チャンバの連動搭載を与える。

別の実施の形態において、レーザ焼結装置は３対の位置決め表面を備え、各対は、位置決めボールおよび対応する凹部を含む。この実施の形態において、各凹部は、異なる外形を有するように構成されていてよい。第１の位置決め対は、位置決めボールの表面と、凹部の内面との間にわずかしか隙間のない位置決めボールおよび凹部を有する。その結果、位置決めボールは、凹部中に挿入されたときに、わずかしかまたは全く横に移動しない。第２の位置決め対は、楕円または矩形の形状を持つ凹部を有する。この凹部により、プロセス・チャンバ内に配置されたときに、構築チャンバの回転を防ぐように、凹部の幅に沿った位置決めボールの動きを制限しながら、位置決めボールを凹部の長さに沿ってある程度動かすことが可能になる。位置決め表面の第１と第２の対は、構築台が粉末床と正確に水平に位置決めされるように、構築チャンバを配置するように機能する。第３の位置決め対は、位置決めボールの全方向の横への動きを可能にする大きすぎる凹部を含む。第３の位置決め対は、第１と第２の位置決め対と協働して、構築台を、粉末床と正確に垂直に位置決めされるように動かせるような水平面を画成する。

それゆえ、本発明は、取外し可能な構築チャンバをプロセス・チャンバに迅速かつ正確に位置決めするのに使用できる装置および方法を提供する。

本発明を一般論として説明してきたが、ここで、必ずしも正しい縮尺で描かれていない添付の図面を参照する。

ここで、本発明の実施の形態を全てではないがいくつか示した添付の図面を参照して、本発明を以下により詳しく説明する。実際に、本発明は、多くの異なる形態で具体化してもよく、ここに述べられた実施の形態に制限されるものと考えるべきではない。むしろ、これらの実施の形態は、この開示が適用される法律要件を満たすように提供されたものである。同じ番号は、全体に亘って同じ要素を指す。

図１を参照すると、取外し可能な構築チャンバを有するレーザ焼結装置が示されており、参照番号１０と概して表されている。レーザ焼結装置１０は、プロセス・チャンバ１５、関連する支持ハウジング２０、および構築台車３０により支持される取外し可能な構築チャンバ２５を備えている。構築台車３０は、構築チャンバ２５と共に、支持ハウジング２０中に取外し可能に挿入できる。ある実施の形態において、レーザ焼結装置１０は、構築チャンバ２５を装填位置と構築位置との間で移動させるように適合された昇降装置（図１には示されていない）を備えてもよい。ここに用いように、「構築位置」という用語は、構築台の垂直移動が粉末床に対して実質的に垂直であるように構築台が粉末床に対して適切に位置決めされている構築チャンバ２５の位置を称する。構築位置において、レーザ焼結装置１０は、部品を構築する準備ができている。昇降装置は、水圧（または油圧）シリンダ、空気圧シリンダ、電気モータなどを備えることができる。レーザ焼結装置に関して説明するが、ここに開示された取外し可能な構築チャンバの設計および位置決め装置は、取外し可能な構築チャンバを有することが望ましい他の高速試作および製造装置にも同様にうまく使用できることが理解されよう。例えば、本発明の位置決めシステムおよび構築チャンバの設計は、交換する必要のある感光性樹脂の大きな桶を有するステレオリソグラフィー・システム、並びに構築チャンバ内で一緒に溶融される金属粉末を用いた直接レーザ溶融装置に使用しても差し支えない。

構築チャンバ２５は、支持ハウジングの対応する表面に解放可能に係合するようにそれぞれが適用された複数の位置決め表面（図１では見えない）も含む。構築チャンバ２５が構築位置に動かされるときに、位置決め表面は、支持ハウジングの対応する表面と係合し、プロセス・チャンバに対して適切に位置決めされるように構築チャンバを配置する。選択的レーザ焼結に関する実施の形態において、装置１０は、プロセス・チャンバ内でレーザビームを発生させ、目標に導くためのレーザおよび関連機構を備えた関連するレーザ・ユニット４０を含む。

図２Ａから２Ｃを参照すると、例示としてのプロセス・チャンバ１５および構築チャンバ２５の側面斜視図が示されている。プロセス・チャンバと構築チャンバのそれぞれの一部が、明瞭さのために切り取られている。プロセス・チャンバ２５は、粉末床５０と、粉末供給ホッパー５４および底部供給機構５６を有する関連する粉末分配装置を備えている。プロセス・チャンバ１５は、粉末床５０に亘り分配された粉末を拾い上げ、均一な様式で広げるように適合された粉末スプレッダー５８を備えている。粉末床５０は、構築チャンバ２５内の構築シリンダ６０を解放可能に受け入れるように適合された開口部５２を含む。本発明に関して、「粉末スプレッダー」という用語は、ローラ、ワイパー、ドクター・ブレード、または粉末を粉末床に亘り均一な様式で広げるために用いられる任意の他の適切な装置を含む。粉末スプレッダーが逆回転ローラであることが好ましい。

構築チャンバ２５は、可動性構築台６２を有する構築シリンダ６０を備えている。プロセス・チャンバ１５は、粉末を広げている操作中に過剰の粉末を受け入れるように適合された１つ以上の溢れ受入容器（図示せず）を備えていてもよい。動作中、粉末スプレッダー５８は、粉末を粉末床５０の表面に亘り広げ、可動性構築台６２の表面上に個別の粉末層を堆積させて、部品入りケーキを形成する。ここに用いているように、「部品入りケーキ」という用語は、焼結粉末を含む、構築台の表面６３上に堆積された可溶性粉末の層を称する。構築台６２は、加工すべき各粉末層の厚さを定義するために、小さな段階、例えば、０．１２５ｍｍずつ、粉末床５０の下に移動するようにモータ（図示せず）により制御されていてよい。この動きは一方向には限られない。例えば、下方への０．５００ｍｍの動きとその後の上方への０．３７５ｍｍの動きによって、最後の段階から０．１２５ｍｍ低い最終的な下方の位置が得られる。一般に、構築台は、垂直移動の軸５７（図２Ｃ参照）に沿って構築シリンダ内で移動可能である。

粉末床５０は、構築チャンバ２５が適切に配置され、構築位置に位置決めされたときに、構築シリンダ６０内において構築台６２の垂直移動に実質的に垂直な水平面を画成する。ここに用いたように、「垂直移動」という用語は、構築シリンダ６０内で移動するときの、構築台の移動を称する。部品が歪められないことを確実にするために、構築サイクル中ずっと、粉末床５０を構築台６２の垂直移動に対して適切に位置決めする必要がある。例えば、構築動作中、分配装置が、測定された量の粉末を粉末床５０上に分配する。次いで、粉末スプレッダー５８が、一回以上、粉末床を横断し、構築台６２の表面に亘って粉末層を均一に分布させて、部品入りケーキを形成する。構築台６２の垂直移動が、粉末床５０の表面５３に対して適切に位置決めされないか、または不適切に位置決めされた場合、構築台上に堆積された溶融粉末から形成された各層は、層の公称位置または予測位置からずれるであろう。その結果、その上に構築される部品の寸法は歪み、その部品が使用できなくなってしまう。

図２Ａに示したように、構築チャンバ２５は、プロセス・チャンバ１５の方向に上方に動かされるものとして示されている。構築チャンバ２５が連続して上方に移動することによって、構築チャンバ２５と支持ハウジング２０の両方の位置決め表面が互いに接触して、構築台を粉末床と開口部５２に整合させる。プロセス・チャンバ１５は、粉末床５０と構築シリンダ６０との間に封止関係を形成するためのシール６６を備えていてもよい。一般に、そのシールは、粉末床５０と構築シリンダ６０との界面を粉末が通過するのを防ぐのに効果的な耐熱性エラストマー材料から構成される。ある実施の形態において、構築チャンバ２５は、水平経路に沿って装填位置と構築位置との間で動かしてもよい。この実施の形態において、構築チャンバ２５の横の移動により、位置決め表面が互いに接触し、構築台６２を粉末床５０に整合させる。

選択的レーザ・システムの動作が図２Ｂおよび２Ｃに示されている。レーザとその関連する標的決め機構が、プロセス・チャンバ１５の上のユニット（図１参照。参照番号４０）内に取り付けられているのが示されている。プロセス・チャンバ１５は、部品の製造に適した温度条件と雰囲気条件を維持する。その雰囲気は一般に、窒素などの不活性雰囲気からなる。このシステムは、レーザとその関連光学素子系を動作するように構成された関連するコンピュータ・システム（図示せず）も含む。一般に、そのコンピュータには、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であろう。

図２Ｂおよび２Ｃにおいて、プロセス・チャンバ１５および構築チャンバ２５は互いに連結されており、部品９０が構築されているプロセスが示されている。チャンバ１５と２５が接合された後、レーザビーム７０がレーザ７２によって発せられ、走査システム７６を経由して標的表面または区域７４に向けられる。この走査システム７６は、一般に、レーザビームを偏向させるガルバノ・ミラーを含む。ここに用いているように、「標的区域」という用語は、部品入りケーキの頂面を称する。レーザ・システムおよびガルバノメータ・システムは通常は、レーザ窓８０によってプロセス・チャンバ１５から隔てられている。ある実施の形態において、プロセス・チャンバ１５は、部品入りケーキおよび部品入りケーキに隣接した粉末床のある区域を加熱する放射加熱器（図示せず）を１つ以上備えていてよい。レーザビームの偏向と焦点距離は、レーザエネルギーをその層に形成すべき部品の断面に対応する可溶性粉末層の位置に方向付けるために、レーザ７２の変調と共に、制御できるものである。

図示した実施の形態において、プロセス・チャンバ１５は、下にある粉末床５０上に落とされる粉末の量を調節するためにモータ（図示せず）により制御された底部供給機構５６を有する１つの粉末供給ホッパー５４を備えた粉末分配システムを含む。この供給機構は、例えば、スター・フィーダ、オーガ・フィーダ、または回転ドラム・フィーダを含むいくつかのタイプのものであってよい。ある実施の形態において、粉末分配システムは、構築チャンバ内に配置された１つ以上の供給ピストンを含んでもよい。この最後の実施の形態において、１つ以上の供給ピストンは、測定した量の粉末を粉末床中に押し上げる。その後、粉末スプレッダー５８がその粉末を拾い上げ、粉末床と構築台に亘り均一な様式で広げる。別の実施の形態において、粉末供給システムは、粉末を送達し、次いで広げるための、ホッパー開口部の底部に取り付けられたブレードを有する往復運動式オーバーヘッド・ホッパー・システムから構成されてもよい。

粉末スプレッダー５８は、粉末隆起８４からの粉末をレーザの標的区域７４に亘って広げる、モータ（図示せず）により駆動される逆回転ローラを備えることが好ましい。ある実施の形態において、粉末スプレッダーは、標的区域７４上に堆積されなかった残留粉末を、プロセス・チャンバ１５の対向する端部に配置されるであろう溢れ受入機構（図示せず）中に運搬する。逆回転ローラを使用することが好ましいが、ワイパーやドクター・ブレードを含む他の機構により粉末を広げても差し支えない。ある実施の形態において、粉末スプレッダー５８は、ローラの表面を横切って横方向に延在する横軸を持つレベリング・ローラを備えていてもよい。構築チャンバ２５を構築位置に配置するときに、粉末床５０を横切る粉末スプレッダー５８の移動により画成される面は、構築台の垂直移動に対して実質的に垂直である。ここに用いる実質的に垂直とは、部品の寸法精度が許容されるままであるという条件で、９０度からのある程度の偏差が許されることを意味する。

前述したように、構築チャンバ２５は、可動性構築台車３０と、支持ハウジング２０上に対応する表面に解放可能に係合するように各々が適合された複数の位置決め表面とを備えているであろう。この点に関して、図３は、支持ハウジング２０上に配置された対応する表面に解放可能に係合するように各々が適合された複数の位置決め表面を有する装置を示している。図３において、プロセス・チャンバ１５および構築チャンバ２５は、明瞭さのために除去されている。各位置決め表面および対応する相手方は、まとめて位置決め対と称される。図３に示した実施の形態において、前記装置は、参照番号１０２ａ，１０２ｂおよび１０２ｃと示される３つの位置決め対を含む。ある実施の形態において、その装置は、構築チャンバ２５が構築位置に動かされたときに、位置決め対が、ある実施の形態においては粉末床の表面により画成される面（図２Ａ参照。参照番号５３）に対して実質的に平行である面を画成するように３つの位置決め対を含んでよい。３点で面が一意的に画成されるので、３対の位置決め表面を使用することが好ましい。しかしながら、同一平面上にあるように気を付けるのであれば、４つ以上の位置決め対を使用してもよいことが認識されるであろう。ある実施の形態において、構築台の移動軸が粉末床５０の面に対して実質的に垂直である限り、構築位置にある間に、粉末床５０が構築台６２の移動軸に整合されているという条件で、位置決め対が、粉末床の面に対して実質的に平行な面を画成しなくてもよいことも認識されるであろう。

レーザ焼結装置の組立中、構築チャンバ２５上の位置決め表面の各々の位置は構築台に整合されており、支持ハウジング上の対応する表面の各々の位置は、粉末床５０と粉末スプレッダー５８に整合されている。その結果、構築チャンバ２５が構築位置に向かって上方に動かされるときに、位置決め対が、構築チャンバ２５およびプロセス・チャンバ１５が精確に水平と垂直で位置決めされるように、構築チャンバの位置を移動させる。本発明に関して、「水平位置決め」という用語は、プロセス・チャンバ１５に対する構築チャンバ２５の前後と側方（すなわち、ＸおよびＹ方向）の位置を称する。構築チャンバ２５は、構築シリンダ６０が粉末床５０の開口部５２に整合され、それらの間に封止関係が確立されたときに、正しく水平位置決めされていると考えられる。「垂直位置決め」という用語は、プロセス・チャンバ１５に対する構築チャンバ２５の上下（Ｚ方向）の動きを称する。構築チャンバ２５は、構築シリンダ６０内の構築台６２の移動が、粉末床５０の面に対して実質的に垂直なときに正しく垂直位置決めされていると考えられる。正しい垂直位置決めは、構築台６２が構築シリンダ６０内に動くときに、構築台６２の移動が、粉末床５０の面に対して実質的に垂直なままであるように構築プロセス中ずっと維持される。ある実施の形態において、構築台６２の移動は、レベリング・ローラなどの粉末スプレッダー５８の横軸に対して実質的に垂直である。

図１０に示したように、支持ハウジング２０は、対向する側壁１６０ａ，１６０ｂおよび後壁１６２を有する枠構造から構成されおり、これらの壁は一緒になって支持ハウジング内の内部空間を画成する。支持ハウジング２０は、後壁１６２の反対側に開口部２２を含んでよく、構築台車３０は、そこを通して内部空間に取外し可能に挿入できる。支持ハウジング２０は、支持ハウジング内に構築台車３０の配置を方向付けるのに役立つガイドレール１６４を備えていてもよい。ある実施の形態において、支持ハウジング２０は、装填位置と構築位置との間で構築チャンバ２５を移動させるように適合された昇降装置を少なくとも１つ含んでよい。ある実施の形態において、支持ハウジング２０は、構築台車を支持し、上方に持ち上げるための２つの昇降装置１６６，１６８を備えている。適切な昇降装置としては、水圧（油圧）シリンダ、空気圧シリンダ、電気モータなどが挙げられる。構築チャンバが水平経路に沿って移動する実施の形態において、昇降装置は、構築チャンバを、装填位置と構築位置との間で横に移動させてもよい。オペレータが、構築チャンバ２５を支持ハウジングの内部空間中に容易に挿入できるように支持ハウジング２０の水準を適切に調整するのに、水平調整脚部７２（手短に図３を参照のこと）が役立つであろう。

ある実施の形態において、１つ以上の位置決め対１０２ａ，１０２ｂおよび１０２ｃは、構築台車３０から外面に延在する突起、およびこの突起を受け入れるように適合された支持ハウジング２０上に配置された凹部を含むであろう。この点に関して、図３は、少なくとも１つの位置決め対が、外面に延在する突起１０４およびこの突起をその中に受け入れるように適合された凹部（図には見えない）を含む実施の形態を示している。ある実施の形態において、各凹部は、支持ハウジングに取り付けられた受入部１０６（図１０にもっともよく示されている）内に配置されてもよい。ここで、受入部１０６の各々は、内部空間の方向で側壁または後壁から内面に延在したブラケット１７０により支持されているものとして示されている。図３において、外面に延在する突起１０４は、位置決めボールの形態で示されている。構築チャンバ２５が構築位置にあるときに構築台６２が粉末床５０と粉末スプレッダー５８について適切に位置決めされているという条件で、柱、シリンダ、ブロック、またはそれらの組合せなどの他の形状および表面を使用してもよいことが認識されるであろう。単純にする目的のために、構築台車３０上の各位置決め表面は、以後、「位置決めボール」と称する。凹部と突起の位置づけを逆にしてもよいことも認識されるであろう。

図４に示したように、位置決め対は、位置決めボール１０４および位置決めボールを解放可能に受け入れるように適合された凹部１０８を有する受入部１０６を有していてよい。ある実施の形態において、受入部１０６は、凹部１０８の開口部に面取り部１１０を有していてもよい。面取り部１１０は、構築チャンバ２５と支持ハウジング２０との間の初期ずれをある程度許容する傾斜表面からなる。この実施の形態において、各位置決めボール１０４は、構築チャンバが上方に動かされたときに、対応する凹部１０８の面取り部１１０と係合する。構築チャンバ２５が引き続き上方に動かされると、各位置決めボール１０４が凹部１０８中に挿入され、着座するように、構築チャンバの位置が移される。図５Ａに示したように、位置決めボール１０４は、凹部の基部１１１に対して着座していてよい。ある実施の形態において、位置決めボールは、位置決めボールの頂面１０７が凹部の基部１１１と接触したときに着座し、構築チャンバ２５をさらに上方に動かすことができなくなる。ある実施の形態において、前記装置は、完全に着座させられたときに、粉末床５０の表面に対して実質的に平行である面を画成する３つの位置決め対を含む。支持ハウジング２０上の構築チャンバ２５は、この面に対して実質的に平行である。その結果、位置決めボール１０４がそれぞれの凹部内に着座したときに、構築台は、適切に配置され、粉末スプレッダーに対して適切に位置決めされる。

ある実施の形態において、図５Ａおよび５Ｂの位置決めボール１０４はネジ・シャフト１１２を含んでよく、このシャフトは、位置決めボールを構築台車３０に連結するのに使用できるネジ穴１１４に取り付けられる。さらに、ある実施の形態において、受入部１０６は、図４に示されているように、第１の凹部１０６の反対に第２の凹部１１３を含んでもよい。第２の凹部１１３は、位置決めボールなどの追加の位置決め表面を受け入れるように適合されていてよい。これは、プロセス・チャンバ１５または他の設備を支持ハウジング２０に取り付けるのに使用できる。

ある実施の形態において、前記装置は、システム・オペレータによる調節を最小しかまたは全く必要とせずに、構築チャンバ２５およびプロセス・チャンバ１５の適切な位置決めを促進するのに役立つ向きに互いと異なる形状であってもよい３つの位置決め対を含む。ある実施の形態において、第１の位置決め対は、位置決めボールが凹部内で最小しかまたは全く移動しないように位置決めボールよりもわずかに大きい凹部を含み；第２の位置決め対は、第１の方向に対して垂直である第２の方向においてより大きく水平移動することのできる一方で、第１の方向における位置決めボールの水平移動を制限するように構成されており；第３の位置決め対は、凹部内で位置決めボールがむしろゆるく嵌り込み、全ての方向においてある程度動ける自由を有する大きすぎる凹部を有していてよい。

再度、図３を参照する。第１の位置決め対１０２ａと第２の位置決め対１０２ｂは、支持ハウジング２０の開口部に隣接した対向する側壁に取り付けられていてよく、第３の位置決め対１０２ｃは、後壁１６２またはそこに近接して配置されていてよい。第１と第２の位置決め対１０２ａおよび１０２ｂは、それぞれの位置が、支持ハウジング２０内に構築チャンバ２５を配置するオペレータに容易に見えるように、支持ハウジング２０の開口部２２（手短に図１０を参照のこと）に隣接して配置されていてよい。第３の位置決め対は一般に、大きすぎる凹部のために、わずかしかまたは全く見えずに、位置決めボール１０４を容易に位置決めできるので、後壁近くに配置されている。一般に、第３の位置決め対１０２ｃは、第１と第２の位置決め対１０２ａ，１０２ｂと共に、構築チャンバが実質的に平行であり、構築チャンバ２５が正確な垂直位置に位置決めされたときに粉末床５０の表面に対して実質的に平行である水平面を画成するように機能する。

第１の位置決め対１０２ａが図４，５Ａおよび５Ｂに示されている。一般に、位置決めボール１０４と凹部１０８の側壁１０９との間のクリアランスは、約５ミル（約０．１２５ｍｍ）未満であり、より一般的に、約２ミル（約０．０５ｍｍ）未満である。図５Ａは、図３の線５Ａに沿って見た位置決め対１０２ａを示している。図５Ｂに示されているように、位置決めボールの表面１０５と図４における凹部１０８の側壁１０９との間のクリアランス１１８は、位置決めボールが、凹部１０８内に着座したときに、横にわずかしかまたは全く動けないほど非常にわずかである。第１の位置決め対１０２ａの位置決めボール１０４の周りの回転は、第２の位置決め対１０２ｂにより妨げられる。

第２の位置決め対１０２ｂが、図６，７Ａおよび７Ｂに示されており、第２の水平方向における横の動き、並びに第１の位置決め対１０２ａの周りに回転を制限する一方で、第１の水平方向における横の動きはわずかに許すように構成されていてよい。図示したように、第２の位置決め対１０２ｂは、楕円または矩形の形状を持つ凹部１２０を備えていてよい。この実施の形態において、凹部１２０は、幅よりも大きい長さを有する。図７Ａは、図３の線７Ａに沿って見た位置決め対１０２ｂを示している。図７Ａおよび７Ｂから、凹部１２０の側壁１２１と、位置決めボール１０４の表面１０５との間の隙間１２４は、軸１２２により示されるように、その長さに沿って比較的大きいのが分かる。位置決めボール１０４は、軸１２２に沿って、比較的自由に前後に動くことができるが、それと同時に、軸１２２に対して垂直な方向（幅方向）の位置決めボールの動きは比較的制限される。一般に、位置決め対１０２ｂは、軸１２２が位置決め対１０２ａと交差するように、支持ハウジング２０に配置されていてよい。位置決め対１０２ａが支持ハウジングの開口部２２（手短に図１０を参照のこと）に隣接して配置されている実施の形態において、位置決め対１０２ｂは、軸１２２または凹部の長さが、支持ハウジング２０の開口部に対して位置決めされ、後壁１６２に対して平行であるように、支持ハウジング２０に配置されていてよい。凹部１２０の形状が楕円または矩形であるために、支持ハウジング２０内に構築チャンバ２５を配置する上で大きな自由がある。位置決め対１０２ａ，１０２ｂは、共同して、水平面（すなわち、ＸおよびＹ方向）において固定されるように構築チャンバ２５を配置する。その結果、位置決め対１０２ａ，１０２ｂは、構築チャンバ２５が上方に動くときに、構築台６２が粉末床５０の開口部５２に対して位置決めされるように構築チャンバ２５を配置する。

第３の位置決め対１０２ｃが、８，９Ａおよび９Ｂに示されている。第３の位置決め対１０２ｃは、位置決めボール１０４を横の全方向に自由に移動させられる大きすぎる凹部１３０を含む。図９Ａは、図３の線９Ａに沿って見た位置決め対１０２ｃを示している。図９Ａおよび９Ｂから、凹部１３０の側壁と位置決めボール１０４の表面１０５との間の隙間１３２は、位置決め対１０２ａおよび１０２ｂの場合と比べて、比較的大きいのが分かる。上述したように、位置決め対１０２ｃは、位置決め対１０２ａおよび１０２ｂと一緒に水平面を画成するように後壁１６２（手短に図３を参照のこと）またはその近くに配置されている。支持ハウジング２０への位置決め対１０２ａ，１０２ｂおよび１０２ｃの配置は、位置決め対１０２ｂの軸１２２が位置決め対１０２ａと交差するという条件で、好みに応じて異なってもよい。

図１０から１３を参照して、図１の装置１０を用いて、構築チャンバ２５を配置し、プロセス・チャンバに対して位置決めする方法を段階的に説明する。プロセス・チャンバ１５および他の関連装置は、明瞭さのために図示していない。図１０に示したように、構築台車３０を含む構築チャンバ２５を、開口部２２を通して、支持ハウジング２０の内部に挿入する。構築台車３０を装填位置に案内し、配置するのにガイドレール１６４が役立つ。構築台車３０は、オペレータが、構築チャンバ２５を移動させ、再配置するのに役立つ、１つ以上のローラ３２およびレール３４またはハンドルを含んでよい。

図１１において、構築チャンバ２５は、支持ハウジング２０の内部空間に挿入されており、今では、装填位置にある。次いで、昇降装置１６６，１６８が上方に動き、構築台車３０の表面と接触する。次いで、昇降装置１６６，１６８は、プロセス・チャンバ１５の方向に上方に構築チャンバ２５を動かすように進む。各位置決めボール１０４は、支持ハウジング２０上で対応する凹部（手短に図４を参照のこと。例えば、参照番号１０８）に解放可能に係合する。上述したように、各凹部は、構築チャンバ２５のある程度の初期ずれを許容する面取り部１１０を含むであろう。連続して上方に動かされると、位置決めボール１０４が面取り部１１０に沿って上方に移動し、それぞれ、図４，６および８の凹部１０８，１２０，１３０中に入る。その結果、構築チャンバ２５がゆっくりと、プロセス・チャンバ１５に対して正確に位置決めされる。構築チャンバ２５は、各位置決めボール１０４が対応する凹部内に着座するまで上方に動き続ける。この着座した時点で、構築チャンバ２５の上方の動きは停止される。今では、構築チャンバ２５は構築位置にある。構築台６２は、構築位置にある間に、粉末床５０に対して水平と垂直に位置決めされており、構築シリンダ６０と粉末床５０との間には封止関係が存在する。次いで、上述したように、部品が構築される。

部品の完成後、昇降装置１６６，１６８が下方に動き、構築チャンバ２５がプロセス・チャンバ１５から分かれる。この点に関して、図１２は、構築チャンバ２５が装填位置に下方に動いている様子を示している。新たに形成された部品９０（または一組の部品）が構築シリンダ６０内に示されている。図１３において、構築チャンバ２５は支持ハウジング２０から取り出されている。プロセス・チャンバ１５は、新たに形成された部品９０が、取り出された構築チャンバ２５内で冷却され続けている間に、今では、第２の部品を構築するのに使用できる。ある実施の形態において、構築チャンバ２５の内部空間をカバー３８で囲むことが望ましいであろう。このカバー３８は、制御された速度での部品の冷却を促進するのに役立つであろう。構築チャンバ２５はさらに、部品を、制御された速度で冷却するのに役立つ断熱裏地を備えていてもよい。ある実施の形態において、構築チャンバ２５および／またはカバー３８は、制御された環境における部品の冷却をさらに促進する放射加熱器および／または不活性ガス供給源をさらに含む。

ある実施の形態において、構築チャンバ２５が静止しており、プロセス・チャンバ１５が装填位置と構築位置との間で移動可能であってもよい。この実施の形態において、位置決め対は、プロセス・チャンバが構築位置に動かされるときに、プロセス・チャンバを構築チャンバに対して位置決めする。高速試作および製造装置を、選択的レーザ焼結に関する実施の形態について広く論じてきたが、本発明は、ステレオリソグラフィーなどの他の高速試作成形方法も包含することを認識すべきである。

先の説明および関連する図面に述べた教示の恩恵を受けた当業者には、ここに述べた本発明の多くの改変および他の実施の形態が思い浮かべられるであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施の形態に制限されるべきものではなく、改変および他の実施の形態が添付の特許請求の範囲に含まれることを意図したものであることが理解されるであろう。ここに特定の用語を用いたが、それらの用語は、制限を目的とするものではなく、一般的かつ説明的な意味のみで用いられている。

取外し可能な構築チャンバを有するレーザ焼結装置の斜視図 構築位置に動かされている構築チャンバおよび部品を構築するプロセスを示す概略図 構築位置に動かされている構築チャンバおよび部品を構築するプロセスを示す概略図 構築位置に動かされている構築チャンバおよび部品を構築するプロセスを示す概略図 支持ハウジングおよび構築台車を示す斜視図 構築台を粉末床に精確に位置決めするのに使用される１対の位置決め表面を示す斜視図 図３の線５Ａに沿って見た図４の位置決め対の断面図 凹部内に着座した位置決めボールを示す図４の位置決め対の断面図 構築台を粉末床に精確に位置決めするのに、図４の位置決め対と一緒に使用される１対の位置決め表面を示す斜視図 図３の線７Ａに沿って見た図６の位置決め対の断面図 凹部内に着座した位置決めボールを示す図６の位置決め対の断面図 構築台を粉末床に垂直に位置決めするのに、図４および６の位置決め対と一緒に使用される位置決め対を示す斜視図 図３の線９Ａに沿って見た図８の位置決め対の断面図 凹部内に着座した位置決めボールを示す図８の位置決め対の断面図 構築チャンバを支持ハウジングの内部空間中に挿入する工程を示す斜視図 構築チャンバを装填位置から構築位置に移動させる様子を示す斜視図 新たに構築された部品を含む構築チャンバを構築位置から装填位置に移動させる様子を示す斜視図 新たに構築された部品を含む構築チャンバを支持ハウジングから取り出す様子を示す斜視図

符号の説明

１０ レーザ焼結装置
１５ プロセス・チャンバ
２０ 支持ハウジング
２５ 取外し可能な構築チャンバ
３０ 構築台車
４０ レーザ・ユニット
５０ 粉末床
６０ 構築シリンダ
６２ 構築台
７０ レーザビーム
７２ レーザ
８０ レーザ窓

Claims (23)

1. a. 粉末床および支持ハウジングを含むプロセス・チャンバであって、該支持ハウジングが少なくとも３つの位置決め表面を有する、プロセス・チャンバ、
   b. 前記支持ハウジングに取外し可能に取り付けられる構築チャンバであって、前記支持ハウジングが、装填位置と構築位置との間で前記構築チャンバを移動させるように動作可能な昇降装置を少なくとも１つ有し、前記構築チャンバが、前記構築位置にあるときに標的区域を定める内部に配置された移動可能な構築台を有する、構築チャンバ、および、
   c. 前記構築チャンバを前記プロセス・チャンバに挿入しおよび該プロセス・チャンバから取り外すための前記支持ハウジングに取り外し可能に挿入できる移動可能な構築台車であって、該構築台車が、位置決め対において前記支持ハウジング位置決め表面に係合する少なくとも３つの位置決め表面を有し、前記構築チャンバが前記構築位置にあるときに、前記対の２つが前記粉末床との前記構築台の水平の位置決めをし１つが垂直の位置決めをする、構築台車、
   を有することを特徴とする高速試作および製造装置。
2. 前記構築チャンバは、該構築チャンバを通る水平面を画成する複数の位置決め表面を含み、該構築チャンバが前記水平面に対して実質的に平行であり、前記水平面が前記粉末床に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項１記載の高速試作および製造装置。
3. 前記取外し可能な構築チャンバが、３つの幾何学方向において、かつその周りに回転に対して、前記位置決め表面により制限されていることを特徴とする請求項２記載の高速試作および製造装置。
4. 前記支持ハウジングが、対向する側壁、後壁、および該後壁の反対の開口部により画成された内部空間を含み、前記構築チャンバが、前記内部空間中に取外し可能に挿入されるように適合されていることを特徴とする請求項２記載の高速試作および製造装置。
5. 前記複数の位置決め表面の各々が突起を含み、前記対応する表面の各々が、複数の突起の１つをその中に解放可能に受け入れるように適合された凹部を含むことを特徴とする請求項４記載の高速試作および製造装置。
6. 前記凹部の少なくとも１つが、前記支持ハウジング内の前記突起の１つを精確に配置するように適合されており、前記突起および前記凹部が、約５ミル（約０．１２５ｍｍ）未満のクリアランスを有することを特徴とする請求項５記載の高速試作および製造装置。
7. 前記凹部の少なくとも１つが、幅より大きい長さを有しており、かつ前記対向する側壁に対して平行な方向におけるその中に配置された突起の動きを実質的に防ぎ、前記後壁に対して平行な方向における前記突起の制限された動きを可能にするように、前記支持ハウジングに対して向けられていることを特徴とする請求項５記載の高速試作および製造装置。
8. 前記複数の位置決め表面の各々が位置決めボールを含むことを特徴とする請求項２記載の高速試作および製造装置。
9. 前記少なくとも１つの昇降装置が、水圧プレス、油圧プレス、空気圧プレス、電気モータ、またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１記載の高速試作および製造装置。
10. 前記支持ハウジングが、内部空間および前記構築チャンバをその中に取外し可能に受け入れるための開口部を含むことを特徴とする請求項１記載の高速試作および製造装置。
11. ある量の粉末を前記プロセス・チャンバ中に配置するための粉末供給ホッパーを少なくとも１つ有する粉末分配装置、および
    少なくとも３つの上方に延在する突起を含む、前記構築チャンバを支持するための可動性構築台車、
    を備え、
    前記プロセス・チャンバを支持するための支持ハウジングが、前記構築台車をその中に受け入れるように適合された、該プロセス・チャンバの下に配置された内部空間を有し、前記支持ハウジングが、前記上方に延在する突起の各々のための凹部を少なくとも１つ有し、前記凹部の各々が、前記上方に延在する突起の１つをその中に解放可能に受け入れるために構成され配置されており、前記構築チャンバが前記構築位置に動くことによって、前記上方に延在する突起が前記凹部内に取外し可能に受け入れられ、それによって、構築シリンダが前記粉末床内の開口部に対して位置決めされることを特徴とする請求項１記載の高速試作および製造装置。
12. 前記プロセス・チャンバ内の粉末を加熱するための放射加熱器を１つ以上さらに含むことを特徴とする請求項１１記載の高速試作および製造装置。
13. 前記構築チャンバが３つの上方に延在する突起を含み、
    前記支持ハウジングが、
    前記側壁の内の第１の側壁に隣接しかつ前記開口部に隣接した第１の凹部であって、前記上方に延在する突起の内の第１の突起を受け入れるように適合されており、水平方向における前記上方に延在する突起と前記第１の凹部との間のクリアランスが約５ミル（約０．１２５ｍｍ）未満である第１の凹部、
    前記側壁の内の第２の側壁に隣接しかつ前記開口部に隣接した第２の凹部であって、前記上方に延在する突起の内の第２の突起をその中に受け入れるように適合されており、幅より大きい長さを有し、該長さが前記後壁に対して平行であり、前記幅が前記第１と第２の側壁に対して平行であり、よって、第２の突起が、前記第２の凹部の幅に沿って動く自由がなく、該第２の凹部の長さに沿って動く自由が比較的大きいものである第２の凹部、および
    前記後壁に隣接して配置され、前記上方に延在する突起の内の第３の突起を中に受け入れるように適合された第３の凹部であって、前記第３の突起と該第３の凹部との間のクリアランスが、該第３の突起が横に全方向に移動できるのに十分である第３の凹部、
    を含むことを特徴とする請求項１２記載の高速試作および製造装置。
14. 前記上方に延在する突起が位置決めボールを含み、前記凹部が、前記上方に延在する突起を該凹部中に方向付けるための面取り部を含むことを特徴とする請求項１３記載の高速試作および製造装置。
15. 前記プロセス・チャンバがさらに、前記開口部に周囲に配置されたシールを含み、該シールが、前記構築シリンダと前記粉末床との間に封止関係を形成するように適合された耐熱性エラストマー材料から形成されることを特徴とする請求項１１記載の高速試作および製造装置。
16. a. エネルギービーム、
    b. 前記エネルギービームを方向付けるための光学素子ミラー系、および
    c. 前記エネルギービームおよび前記光学素子ミラー系を制御するためのコンピュータ・システムであって、製造すべき部品の複数の断面の所望の境界を表す情報がプログラムされているコンピュータ・システム、
    を備えた、エネルギービーム発生手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の高速試作および製造装置。
17. 前記エネルギービームがレーザ・エネルギービームであることを特徴とする請求項１６記載の高速試作および製造装置。
18. 前記移動可能な構築台により画成された前記構築チャンバ内の標的区域に亘り粉末層を広げるための粉末スプレッダーをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の高速試作および製造装置。
19. レーザ焼結によって三次元物品を形成する方法であって、
    (a) 請求項１８記載の装置を提供する工程、
    (b) 前記構築チャンバを前記内部空間中に挿入する工程、
    (c) 該構築チャンバを前記構築位置に移動させる工程、
    (d) 第１の量の粉末を前記粉末床上に配置する工程、
    (e) 前記第１の量の粉末を前記標的区域に亘り広げて、第１の粉末層を形成する工程、
    (f) 前記標的区域にエネルギービームを方向付けて、第１の粉末層に一体層を形成させる工程、
    (g) 前記構築台をある量だけ下降させる工程、および
    (h) 工程(d)から(g)を繰り返して、三次元部品を形成するように隣接する層に一体に結合した追加の層を形成する工程、
    を有してなる方法。
20. 工程(h)の完了後に前記構築チャンバを前記構築位置から前記装填位置に移動させる工程、
    前記構築チャンバを前記内部空間から取り出す工程、
    前記部品を前記構築チャンバ内で冷却させる工程、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記構築チャンバを前記構築位置に移動させる工程が、前記構築台を前記粉末床に対して位置決めする工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
22. 前記構築チャンバを前記構築位置に移動させる工程が、前記粉末床と前記構築シリンダとの間の封止関係を形成する工程を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. 前記構築チャンバの上にカバーを配置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。

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