JP6609654B2 - ３次元の物体を付加製造する装置 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造（積層造形）する装置に関し、この装置は、ビーム生成ユニットによって生成されるエネルギービームの経路速度を測定するように構成された測定ユニットを備える。

エネルギービームが造形材料層を選択的に照射し、それによって固化する３次元の物体を付加製造する装置及びプロセスが、従来技術からよく知られている。所定の工程品質が満たされていることを保証するために、様々なプロセスパラメータを監視する必要がある。たとえば、エネルギービームを介して造形材料内へ入力されるエネルギーを規制し、装置の「書き出し速度」（ライティング・スピード）を、したがって造形材料層を照射するために必要とされる時間を、適合させるために、エネルギービームの速度を調整することができる。

エネルギービームの速度を判定するために、典型的には、サンプル、特に金属薄板上に１本の線が照射され、この線を照射するために必要とされる時間及びこの線の長さが判定される。したがって、エネルギービームの速度又は経路速度はそれぞれ、線の長さ及び線を照射するために必要とされる時間に基づいて、それぞれ測定又は計算することができる。しかし不都合なことに、金属薄板の照射は労力を要し、サンプル上に照射される線の始端及び終端でエネルギービームを偏向させるときの加速時間及び減速時間のため、不正確さが生じる。

したがって、本発明の目的は、エネルギービームの速度又は経路速度それぞれの測定が改善された装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の装置によって実現される。この装置の有利な実施形態は、従属請求項に準拠する。

本明細書に記載する装置は、エネルギービームによって固化することができる粉末状の造形材料（「造形材料」）層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体、たとえば技術的構成要素・構成部品を付加製造する装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、又はポリマーの粉末とすることができる。それぞれのエネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームとすることができる。それぞれの装置は、たとえば、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ溶融装置、又は選択的電子ビーム溶融装置とすることができる。エネルギービームは、走査ユニット又はビーム偏向ユニットを介して偏向され、エネルギービームは、対応する造形材料層の選択的な照射を照射することができるように案内することができる。

この装置は、その動作中に使用される複数の機能ユニットを備える。例示的な機能ユニットには、プロセスチャンバとか、プロセスチャンバ内に配置された造形材料層を少なくとも１つのエネルギービームで選択的に照射するように構成された照射デバイスとか、及び所与の流動特性、たとえば所与の流動プロファイル、流速などでプロセスチャンバを通って少なくとも部分的に流れるガス状流体流を生成するように構成された流れ生成デバイスとかが挙げられる。ガス状流体流は、プロセスチャンバを通って流れる間に、固化されていない粒状の造形材料、特に装置の動作中に生成される煙又は煙残留物で充填することが可能である。ガス状流体流は、典型的には不活性であり、すなわち典型的には、不活性ガス、たとえばアルゴン、窒素、二酸化炭素などの流れである。

本発明は、測定ユニットが、所定の距離（互いに対する）をあけて測定位置内に配置された少なくとも２つの測定手段を備えるという概念に基づいている。したがって、エネルギービームは、経路に沿って動かすことができ、エネルギービームの経路速度は、エネルギービームが少なくとも２つの測定位置間（の経路）を進む時間に基づいて判定することができる。特に、エネルギービームが進む経路は、２つの測定位置を結ぶ線である。２つの測定位置は、所定の距離をあけて配置されるため、エネルギービームが進む経路の長さが設定され、その結果、経路速度の判定は、エネルギービームが第１の測定位置から第２の測定位置へ進むために必要とする時間の測定に変換される。

したがって、サンプルを照射する必要はなくなり、サンプル上の経路の長さ及びサンプルを照射するために必要とされる時間を測定する必要がある。経路の長さは、少なくとも２つの測定位置によってすでに設定されているため、エネルギービームは、少なくとも２つの測定位置を含む経路に沿って一定に動かすことができ、したがって、エネルギービームの加速時間及び減速時間が、経路速度の判定を歪めることはない。

特に、少なくとも１つの測定位置は、プロセスチャンバ内、特に造形平面内の固定位置に配置することができる。造形平面とは、エネルギービームを介して造形材料を直接照射及び固化することができる平面である。言い換えれば、エネルギービームは、造形平面の一部で造形材料を照射することができるように偏向又は案内することができる。別法又は追加として、少なくとも１つの測定位置は、この装置の構成要素、特に塗布ユニット、たとえばコータ上に配置することができる。エネルギービームの経路速度を判定することができるように、装置の構成要素の現在の位置及び／又は現在の動きを計算に入れることができる。「プロセスチャンバ」という用語は、製造プロセスの少なくとも一部、特に造形材料の照射、が実行されるチャンバを指す。造形平面内及び／又は装置の構成要素上に測定位置を配置することによって、エネルギービームを調整し、たとえばサンプルの面外照射のために焦点を変化させる必要がなくなる。したがって、試験設備の使用又は製造設備の変更が不要であるため、３次元の物体を製造するために使用されるのと同じ設備内で経路速度を測定することが可能になる。

この装置は、測定位置を装置の造形板内に配置することができ、又は測定位置は、（測定中）装置内に挿入可能であり若しくは挿入されている構造要素内に配置されるように改善することができる。第１の代替形態によれば、少なくとも２つの測定位置は、装置の造形板内に配置される。造形板とは、装置の造形チャンバに割り当てられた板であり、造形材料及び／又は現在造形している物体を運搬する。測定位置を造形板に組み込むことによって、製造設備の変更を必要とすることなく、製造プロセスが始まる前に経路速度を判定又は測定することが可能になる。

別法として、測定位置が配置されている構造要素を提供することが可能であり、この構造要素は、装置内へ、特に装置のプロセスチャンバ内に挿入可能であり又は挿入される。したがって、構造要素は、エネルギービームの経路速度を判定するために使用することができる別個の要素と見なすことができ、後に装置から取り出すことができる。好ましくは、構造要素は、装置の造形板上に位置決めすることができ、造形板は、構造要素又は構造要素の測定位置が造形平面内に配置される位置へ動かすことができる。構造要素は、板状に構築することができ、又は測定位置を提供する板として構築することができ、たとえば構造要素は、測定手段を受け入れる金属板として構築することができる。

この装置の別の実施形態によれば、測定手段は、このエネルギービーム又は別のエネルギービームによる照射の際に測定信号を生成するように構成される。したがって、測定手段の照射中にエネルギービームが測定手段の上を動き、すなわち測定手段の上を進むとき、測定手段によって測定信号が生成される。概して、経路速度の測定のためのエネルギービームを生成するために、追加のビーム生成手段を設けることができる。また、造形材料の照射のために提供されるエネルギービームを経路速度の測定にも使用することが可能である。したがって、少なくとも２つの測定位置内の少なくとも２つの測定手段を含む経路を照射するエネルギービームによって、少なくとも２つの測定信号が生成される。したがって、第１の測定手段の照射の際に、時間測定を開始することができ、経路速度を判定しなければならない経路セグメントに割り当てられた最後の測定手段の照射の際に、時間測定を停止することができる。たとえば、この装置は、２つの測定位置内に配置された２つの測定手段を備えることができる。経路速度を測定するために、エネルギービームは、２つの測定位置間を経路に沿って進み、エネルギービームは、２つの測定位置の上を動かされる。エネルギービームが２つの測定位置間を進む時間は、２つの測定信号が記録される間の時間として測定することができる。

特に、測定手段は、エネルギービームの波長の放射を感知できる少なくとも１つのセンサ、特に光センサ又は感光センサ、たとえばフォトダイオード、として構築され、又はそれを備える。好ましくは、センサは、エネルギービームによる照射の際に電気信号を生成する。エネルギービームの特有の波長の放射のみを感知できるセンサを有することによって、これらのセンサの偶発的な作動を回避することができる。当然ながら、どのエネルギービームが使用されるかに応じて、対応する照射の際に信号を生成するために少なくとも１つの他の波長を感知できるセンサを設けることができる。

この装置は、少なくとも２つの測定位置内の少なくとも２つの測定手段を照射するエネルギービームによる少なくとも２つの信号の生成間の時間又は時間差を判定し、少なくとも２つの測定位置間のエネルギービームの経路及び判定された時間に基づいて、エネルギービームの対応する経路速度を判定し、たとえば計算するように構成された測定ユニットを提供することによって改善することができる。測定ユニットは、２つの測定信号の生成間の時間差を測定する。その後、２つの測定位置間の所定の距離を有することによって、エネルギービームの経路速度をそれぞれ判定又は計算することができる。

この装置の別の実施形態によれば、好ましくは造形平面内に配置される造形板又は構造要素は、測定位置内に配置された少なくとも２つの受け取り室を備え、受け取り室は、測定手段を受け入れるように構成される。受け取り室は、たとえば、造形板又は構造要素内に配置された凹部、孔、止まり穴などとして構築することができ、その中に測定手段を受け入れることができる。

この装置は、造形平面にわたって分散させた複数の測定手段及び／又は測定位置を提供することによってさらに改善することができる。したがって、エネルギービームの経路速度は、特に造形平面内の２つの測定位置間で、複数の経路に対して測定又は判定することができる。また、複数のセグメントから集められた複雑な経路の経路速度を判定することも可能であり、各セグメントは、測定位置内で開始及び終了する。また、測定手段を位置決めすることができる複数の測定位置又は受け取り室を有することも可能であり、したがって測定手段は、経路速度を判定するために使用される測定位置内に位置決めすることができるし、又はその測定位置へ変化させることができる。この実施形態によって、少なくとも２つ若しくは複数の測定手段及び／又は複数の測定位置を任意のやり方で造形平面内に配置することが可能になる。これにより、エネルギービームの経路速度が判定される経路を任意の長さにすることが可能になる。さらに、異なる経路の任意の組合せも可能である。経路の長さ及び／又は経路の向きの変動とともに、測定される時間差も変動する。したがって、より長い経路の長さ又は複数の経路の組合せが測定される測定手順、及び短い経路又は複数の経路のより短い組合せが測定される手順を提供することが可能である。

この装置の別の有利な実施形態は、少なくとも１つの測定手段とビーム生成ユニットとの間に配置されるフィルタユニットを提案し、フィルタユニットは、エネルギービームを所定の程度まで減衰させ／弱めるように、且つ／又はこのエネルギービームとは異なる波長を有する放射を濾過するように、構成される。フィルタユニットによって、エネルギービームの出力を測定手段にとって有害でない所定の程度まで低減させたり又は弱めることができるにもかかわらず、測定手段の照射の際の測定信号の生成を保証するため、測定手段の損傷又は破壊を回避することが可能になる。フィルタユニットは、好ましくは、受け取り室内に一体化される。フィルタユニットは、光学フィルタ要素として構築することができ、又はそれを備えることができる。

さらに、たとえば異なる放射源の放射からの測定手段への照射による測定手段の誤った作動を回避するために、エネルギービームとは異なる波長を有する放射を濾過することができる。

さらに、本発明は、特に上述した装置向けの測定ユニットに関するものであり、測定ユニットは、所定の距離をあけて測定位置内に配置された少なくとも２つの測定手段を備える。この装置及び／又は測定ユニットに関して説明するすべての詳細、特徴、及び利点は、測定ユニットに完全に移行可能である。

加えて、本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する少なくとも１つの装置を動作させる方法に関し、エネルギービームの経路速度は、エネルギービームが第１の測定位置から少なくとも１つの第２の測定位置まで所定の距離を進むために必要とする時間の測定を通じて判定される。この装置及び／又は測定ユニットに関して説明するすべての詳細、特徴、及び利点は、この方法に完全に移行可能であり、逆も同様である。

本発明の例示的な実施形態について、図を参照して説明する。これらの図は概略図である。

例示的な実施形態による装置の側面図である。 例示的な実施形態による本発明の装置の造形平面の上面図である。 図１の装置の側面図である。

図１は、エネルギービーム１６によって固化することができる造形材料１５の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体１４を付加製造（積層造形）する装置１３を示す。装置１３は、投与モジュール１７、造形モジュール１８、及び溢流モジュール１９を備える。造形材料１５は、塗布ユニット２１、特にコータによって、造形平面２０上へ塗布される。造形材料１５の層がエネルギービーム１６によって照射された後、搬送ユニット２２が下げられ、造形材料１５の別の層が塗布ユニット２１によって塗布される。

図２は、図１に示すエネルギービーム１６によって固化することができる造形材料１５の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体１４を付加製造する装置１３の一部を示す。装置１３は、ビーム生成ユニットによって生成されるエネルギービーム１６の経路速度を測定するように構成された測定ユニット１を備える。図２には、装置１３の造形板２が示されており、造形板２は、経路６に沿って所定の距離５をあけて配置された２つの測定位置３、４を備える。

造形板２は、測定位置３、４に対応する２つの受け取り室７、８を備え、各受け取り室７、８内には、センサ９、１０として構築された測定手段が受け入れられる。さらに、測定ユニット１は、制御ユニット１１を備え、センサ９、１０の信号が受け取られ、エネルギービーム１６の経路速度の計算が実行される。

エネルギービーム１６の経路速度を測定するために、エネルギービーム１６は、経路６に沿って一定に案内され、測定位置４内に配置された受け取り室８内のセンサ１０の照射の際、測定信号が生成され、制御ユニット１１へ送られる。第１の測定信号の生成と、測定位置３内のセンサ９の照射の際に生成される第２の測定信号の生成との間の時間差が測定される。当然ながら、エネルギービーム１６を測定位置３から測定位置４へ案内することによって、経路速度を測定することも可能である。所定の距離５が分かっており、２つの測定信号の生成間の時間差が測定されるため、測定位置３、４間のエネルギービーム１６の経路速度を判定（決定）することができる。

図３から導出することができるように、受け取り室７、８は、造形板２内に孔、特に止まり穴（盲穴）として構築され、エネルギービーム１６は、受け取り室７、８内のセンサ９、１０を照射することができる。さらに、受け取り室７、８内でセンサ９、１０とビーム生成ユニット（図示せず）との間に、フィルタユニット１２が配置される。したがって、センサ９、１０の損傷を回避するように、エネルギービーム１６を弱めることができる。加えて、エネルギービーム１６による照射の際の測定信号のみが生成されるように、受け取り室７、８に入る電磁放射が濾過される。

１ 測定ユニット
２ 造形板
３ 測定位置
４ 測定位置
５ 所定の距離
６ 経路
７ 受け取り室
８ 受け取り室
９ センサ
１０ センサ
１１ 制御ユニット
１２ フィルタユニット
１３ 装置
１４ ３次元の物体
１５ 造形材料
１６ エネルギービーム
１７ 投与モジュール
１８ 造形モジュール
１９ 溢流モジュール
２０ 造形平面
２１ 塗布ユニット
２２ 搬送ユニット

Claims (11)

1. エネルギービーム（１６）によって固化することができる造形材料（１５）の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（１４）を付加製造する装置（１３）であって、ビーム生成ユニットによって生成される前記エネルギービーム（１６）の経路速度を測定するように構成された測定ユニット（１）を備える装置において、前記測定ユニット（１）が、所定の距離（５）をあけて少なくとも２つの測定位置（３、４）内にそれぞれ配置された測定手段（９、１０）を備え、前記少なくとも２つの測定位置（３，４）が、造形平面（２０）内の固定位置に配置されていることを特徴とする装置。
2. 前記測定位置（３、４）は、前記装置（１３）の造形板（２）内に配置されるか、又は前記測定位置（３、４）は、前記装置（１３）内に挿入可能な構造要素内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記測定手段（９、１０）は、前記エネルギービーム（１６）又は別のエネルギービームによる照射の際に測定信号を生成するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記測定手段（９、１０）は、前記エネルギービーム（１６）の波長又は別のエネルギービームの波長の放射を感知できる少なくとも１つのセンサとして構築されるか、又はそれを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
5. 前記少なくとも２つの測定位置（３、４）内の前記少なくとも２つの測定手段（９、１０）を照射する前記エネルギービーム（１６）による少なくとも２つの信号の生成間の時間又は時間差を判定し、前記少なくとも２つの測定位置（３、４）間の前記エネルギービーム（１６）の経路（６）及び前記判定された時間に基づいて、前記エネルギービーム（１６）の前記対応する経路速度を判定するように構成された測定ユニット（１）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の装置。
6. 前記造形板（２）又は前記構造要素は、前記測定位置（３、４）内に配置された少なくとも２つの受け取り室（７、８）を備え、前記受け取り室（７、８）は、前記測定手段（９、１０）を受け入れるように構成されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
7. 前記造形平面（２０）にわたって分散させた複数の測定手段（９、１０）及び／又は測定位置（３、４）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 少なくとも１つの測定手段（９、１０）と前記ビーム生成ユニットとの間に配置されるフィルタユニット（１２）を有し、前記フィルタユニット（１２）は、前記エネルギービーム（１６）を所定の程度まで弱めるように、且つ／又は前記エネルギービーム（１６）とは異なる波長を有する放射をフィルタリングするように構成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置向けの測定ユニット（１）であって、所定の距離（５）をあけて測定位置（３、４）内に配置可能であり又は配置されている少なくとも２つの測定手段（９、１０）を備える測定ユニット。
10. エネルギービーム（１６）によって固化することができる造形材料（１５）の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（１４）を付加製造する少なくとも１つの装置（１３）を動作させる方法であって、前記エネルギービーム（１６）の経路速度は、前記エネルギービーム（１６）が第１の測定位置（３、４）から少なくとも１つの第２の測定位置（３、４）まで所定の距離（５）を進むために必要とする時間の測定を通じて判定され、前記第１の測定位置および前記第２の測定位置が、造形平面（２０）内の固定位置に配置されている、方法。
11. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置（１３）上で実行されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。

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