JP6736536B2 - ３次元の物体を付加製造するための工場 - 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および固化することによって３次元の物体を付加製造する（ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）ための少なくとも２つの装置を備える３次元の物体を付加製造するための工場（プラント）に関する。

そのような工場は、従来技術から知られており、造形材料層の領域を層ごとに連続して選択的に照射するエネルギービームを使用して、３次元の物体を製造することができる。通常、工場の各装置は、エネルギービームを生成するビーム生成ユニット、たとえばレーザビーム源を備え、エネルギービームは、造形材料の特有の領域を照射するように、装置の造形チャンバ内を案内される。したがって、すべての装置が、装置内、たとえばプロセスチャンバ内に構造的に一体化されたビーム源を備えており、ビーム生成ユニットが比較的高価な部品であるため、コストが増大する。

さらに、ビーム生成ユニットによって生成されるビームは完全に使用することができず、それは、たとえば装置が被覆（コーティング）している間はエネルギービームがそれぞれ遮断されるかまたは阻止、抑制されるので製造プロセス全体にわたってビームを照射することはできないからである。いくつかのビーム源はエネルギービームを継続的に提供するが、エネルギービームが造形材料を照射するために使用されていないときは常に阻止、抑制または遮断されるため、ビーム時間が無駄になる。

本発明の目的は、ビーム生成ユニットおよび／または生成されたエネルギービームをより効率的に使用する工場を提供することである。

この目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する工場によって実現される。

本明細書に記載する装置（装置群）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および固化することによって３次元の物体、たとえば技術的な構成要素、を付加製造するための装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、また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、レーザビームまた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、選択的レーザ融解装置、または選択的電子ビーム融解装置とすることができる。

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、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、および、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た煙または煙残留物、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、装置のうちの少なくとも１つへ案内可能な少なくとも１つのエネルギービームを生成するように構成された別体（別個）のビーム生成ユニットを提案する。従来技術とは異なり、装置のうちの１つに対する内蔵構成要素ではなく、工場の装置へ案内することができる少なくとも１つのエネルギービームを生成するように構成された、別体（別個）の、特に中央のビーム生成ユニットが提供される。したがって、ビーム生成ユニットは、装置のうちの１つに構造的に一体化されておらず、装置のうちの１つに内蔵された構造的ユニットではない。

ビーム生成ユニットは、たとえば、工場またはビーム生成ユニットにそれぞれ割り当てられた複数の装置内で造形材料の照射に使用することができるエネルギービームを生成するように構成された別体（別個）の外部ユニットである。後述するように、エネルギービームは、様々なパラメータに応じて選択的に装置へ案内することができる。

したがって、本発明は、装置の外部でエネルギービームを生成し、エネルギービームが必要とされる少なくとも１つの装置へこのエネルギービームを案内するという概念に基づいている。したがって、照射ステップまたは製造プロセスのうちエネルギービームが必要とされるステップを実行するそれらの装置へエネルギービームを選択的に案内することができるため、ビーム時間をより効率的に、特に完全なまでにすることができる。したがって、装置のうちの１つが、エネルギービームを必要としない製造プロセスにあるとき、たとえば装置が被覆を行っているとき、エネルギービームは、異なる装置へ案内することができ、したがって造形材料を照射するために完全に使用することができ、その結果、ビーム時間の無駄を低減または回避することができる。ビーム時間という用語は、エネルギービームが使用されまたは装置のうちの１つに割り当てられる時間を指す。本発明では、エネルギービームが対応する装置に割り当てられたときは常に、造形材料を照射するために使用されるため、ビーム時間の効率的な使用が可能になる。

加えて、単一または低減された数のビーム源、特に装置より少ないビーム生成ユニットを有するだけで十分であり、これらを従来技術と比較してより効率的に使用することができる。したがって、エネルギービームの利用率が増大するため、ビーム時間をより効率的に使用しながら、コストを低減させることができる。

特に好ましくは、少なくとも１つのエネルギービームを少なくとも２つの装置間で選択的に分散（分配）させかつ／または少なくとも１つのエネルギービームを１つもしくは複数の装置へ選択的に案内するように構成されたビーム案内ユニットが提供される。したがって、別体（別個）のビーム生成ユニットが、少なくとも１つのエネルギービームを生成し、このエネルギービームをビーム案内ユニットによって、工場に割り当てられた装置へ案内することができる。また、ビーム案内ユニットは、エネルギービームを工場の装置間で選択的に分散（分配）させるように構成される。有利には、これらの装置とは別体（別個）に、単一装置が実行する製造プロセスステップとは独立して、ビーム生成ユニットにエネルギービームを生成させることが可能である。ビーム案内ユニットは、たとえば、エネルギービームに対する必要性に応じて、生成されたエネルギービームを装置のそれぞれへ案内することができる。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの装置の少なくとも１つのエネルギービーム要求に応じてビーム案内ユニットを制御するように構成された制御ユニットが提供され、ビーム案内ユニットは、エネルギービーム要求に応じて少なくとも１つのエネルギービームを分散（分配）させる。したがって、それぞれの装置に対してエネルギービーム要求を割り当てしまたは決定することができ、エネルギービーム要求は、エネルギービームに対する単一装置の必要性または要求を表現または指定する。したがって、エネルギービーム要求は、それぞれの装置によるビーム時間に対する要求であると見なすことができる。たとえば、エネルギービームを必要としない製造プロセスにある装置の場合、ビーム時間に対する要求は送出または生成されないが、照射ステップにある装置の場合または次のステップが照射ステップである場合、ビーム時間に対する要求が生成または送出される。したがって、エネルギービーム要求は、エネルギービーム時間に対する装置の必要性を表現する。

したがって、それぞれエネルギービームに対する最大の必要性または対応するエネルギービーム要求を有する装置へエネルギービームが案内されることを確実にするために、エネルギービーム要求に応じて、ビーム時間、特に特有の装置へのエネルギービームの案内に優先順位をつけることが可能である。それによって、エネルギービームを装置のうちの１つへ完全に案内し、またはエネルギービームを工場の２つ以上の装置間で分散（分配）させることが可能になる。ビーム生成ユニットは、２つ以上のエネルギービームを提供することができ、エネルギービームはそれぞれ、装置のうちの１つへ完全もしくは部分的に案内することができ、または少なくとも２つの装置間で任意に分散（分配）させることができる。

本発明の工場は、さらに好ましくは、エネルギービーム要求が、少なくとも１つの装置のプロセスステップおよび／または製造プロセスの状態に関する情報を含むことから、改善することができる。したがって、エネルギービーム要求は、対応する装置またはたとえば一群の装置のプロセスステップに対応する情報を含む。情報は、対応する装置が製造プロセスのうちのどのプロセスステップまたはどの状態にあるか、たとえば製造サイクルのどのプロセスステップが装置によって現在実行されているかを表現する。この情報に応じて、それぞれエネルギービームまたはビーム時間に対する装置の必要性を評価または決定（判定）することが可能になる。

制御ユニットによってそれぞれの装置に対して現在のプロセスステップおよび次のプロセスステップを決定することができるため、エネルギービームが単一装置へ案内されまたは単一装置間で分散（分配）されるシーケンスを画定することができる。

本発明の別の実施形態によれば、ビーム案内ユニットは、好ましくは、少なくとも１つの他の装置のエネルギービーム要求、特に製造プロセスの状態に応じて、少なくとも１つのエネルギービームを１つの装置へ案内するように構成される。したがって、ビーム時間をそれぞれの装置へ分散（分配）させることができ、それらのエネルギービーム要求に応じて単一装置の要求に優先順位をつけることができる。言い換えれば、ビーム時間は、対応するエネルギービーム要求に関連して、装置間で分散（分配）される。

したがって、別の装置のエネルギービーム要求に関連して、少なくとも１つのエネルギービームを１つの装置へ案内するか否かを評価することができる。たとえば、工場が２つの装置を備えており、これらの装置のうちの１つが被覆を行っている場合、被覆ステップを実行している装置は、エネルギービーム要求を有しておらず、または被覆を行っている装置のエネルギービーム要求は「低」である。したがって、それぞれのエネルギービーム要求に応じて、照射ステップを実行する他方の装置へエネルギービームを案内することができる。第１の装置が被覆ステップを終了したとき、制御ユニットは、次の製造ステップが照射ステップであることを決定することができ、それによって第１の装置のエネルギービーム要求を「低」から「高」へ変化させることができ、それに応じてビーム時間を再び分散（分配）させることができる。また、制御ユニットは、他方の装置の次のステップが照射ステップを含まないことを決定（判定）することができ、したがって対応するエネルギービーム要求が「高」から「低」に切り換えられる。当然ながら、エネルギービーム要求の様々な状態が可能であり、「低」および「高」という状態は単なる例示的である。

本発明の工場の別の実施形態によれば、少なくとも１つのエネルギービームの少なくとも１つのビーム特性に応じて、物体の少なくとも１つの領域および／または少なくとも１つの層の一部分を照射するように構成された少なくとも１つの照射ユニットが提供される。照射ユニットは、造形平面、すなわち造形材料を照射するようにエネルギービームが案内され、特に集束される造形チャンバ内の造形材料の表面上のエネルギービームの位置を制御する。たとえば、照射ユニットは、造形材料を選択的に照射しなければならない造形平面上の位置へエネルギービームを偏向させるように構成された走査ユニットである。

さらに、造形材料のそれぞれの部分および／または造形平面上のそれぞれの領域を、異なるエネルギービームによって照射することができる。これにより、異なる照射タスクに対して異なるエネルギービームを使用することが可能になる。したがって、異なる電力レベルおよび／または異なる波長および／または異なるビームプロファイルで、様々な造形材料層の異なる領域を照射することができる。それによって、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は、案内手段、たとえば光ファイバおよび／またはミラーアセンブリを介して、少なくとも１つの照射ユニットへ案内される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、ビーム生成ユニットは、少なくとも２つのエネルギービーム源を備える。エネルギービーム源はそれぞれ、たとえば、レーザとして構築することができ、またはレーザを備えることができ、レーザは、たとえば、レーザダイオードとして構築することができる。したがって、２つの異なるエネルギービーム源を介して生成されるエネルギービームは、上述したように、工場の少なくとも２つの装置へ案内することができ、または工場の少なくとも２つの装置間で分散（分配）させることができる。

ビーム生成ユニットは、異なるビーム特性または同じビーム特性を有する少なくとも２つのエネルギービームを生成するように構成されることが特に好ましい。好ましくは、少なくとも２つのエネルギービームは、エネルギービームの波長および／またはエネルギービームの電力レベルおよび／またはエネルギービームのビームプロファイルが変動する。これにより、ビーム特性に関連するエネルギービームの案内および／または分散（分配）が可能になる。したがって、エネルギービームを使用して、それぞれのビーム特性に対応する層の一領域および／または一部分内の造形材料を照射することができる。最適な照射および固化結果のために、様々な造形材料層の異なる領域および／または部分が、異なる電力レベルおよび／または異なる波長を必要とするため、本発明のこの実施形態により、対応する要件に最もよく合うエネルギービームを案内および／または分散（分配）することが可能になる。

さらに、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および固化することによって３次元の物体を付加製造するための少なくとも２つの装置を備える３次元の物体を付加製造するための少なくとも１つの工場を動作させる方法に関し、少なくとも１つのエネルギービームが、別体（別個）のビーム生成ユニットによって生成され、装置のうちの少なくとも１つへ案内される。

本発明の方法によれば、工場の装置の外部に配置された別体（別個）のビーム生成ユニットによってエネルギービームが生成される。生成されたエネルギービームは、後に、工場の装置の１つまたは複数へ案内することができる。本発明の方法は、特に、上述した本発明の工場を動作させるために使用することができる。本発明の工場に関して記載するすべての利点、特徴、および詳細は、本発明の方法に完全に移し替えることが可能であり、逆も同様であることが自明である。

本発明の例示的な実施形態について、図に関連して示す。これらの図は概略図である。

第１の製造状態にある本発明の工場の図である。 第２の製造状態にある図１の本発明の工場の図である。

図１は、エネルギービーム６〜９、すなわちレーザビームによって固化することができる造形材料層５、すなわち金属粉末を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体２を付加製造するための少なくとも２つの装置３、４を備える３次元の物体２を付加製造するための工場（プラント）１を示す。当然ながら、工場１は、複数の装置を備えることができ、参照を容易にするため、装置３、４は例示的に、任意の数量の装置を表す。工場１は、エネルギービーム６〜９を生成するように構成された別体（別個）のビーム生成ユニット１０をさらに備え、エネルギービーム６〜９は、装置３、４へ案内可能である。

この実施形態による別体（別個）のビーム生成ユニット１０は、２つのビーム源１１、１２を備えており、ビーム源１１は、エネルギービーム６および７を生成するように構成され、ビーム源１２は、エネルギービーム８および９を生成するように構成される。ビーム生成ユニット１０の下流には、エネルギービーム６〜９を装置３、４のそれぞれの照射ユニット１４、１５へ案内するように構成されたビーム案内ユニット１３が設けられる。ビーム案内ユニット１３を介して、各エネルギービーム６〜９を装置３または装置４へ選択的に案内することができることは自明である。さらに、エネルギービーム６〜９はそれぞれ、たとえばビームスプリッタを介して、両装置３、４間で任意に分割または分散（分配）させることができる。

単一エネルギービーム６〜９は、少なくとも１つのビーム特性、すなわちビーム電力または波長が異なるが、エネルギービーム６〜９が類似または同じビーム特性を有することも可能である。たとえば、単一エネルギービーム６〜９は、電力レベルが異なることができ、特にエネルギービーム６および７は、同じ第１の電力レベルとすることができ、エネルギービーム８および９は、同じ第２の電力レベルとすることができ、第１の電力レベルと第２の電力レベルとは異なる。たとえば、第１の電力レベルは４００Ｗであり、第２の電力レベルは１０００Ｗである。さらに、エネルギービーム６および７が、同じ第１の波長を有し、エネルギービーム８および９が、同じ第２の波長を有し、第１の波長と第２の波長とが異なることも可能である。

ビーム生成ユニット１０によって生成されるエネルギービーム６〜９は、ビーム案内ユニット１３を介して装置３および／または装置４へ案内可能である。特に、エネルギービーム６〜９は、エネルギービーム６〜９を装置３、４のそれぞれの造形チャンバ内の造形平面１６上へ案内するように構成された照射ユニット１４、１５へ案内することができる。当然ながら、エネルギービーム６〜９はそれぞれ、たとえばビームスプリッタによって分割することができ、それによって装置３および４間で任意に分散（分配）させることができる。

さらに、工場１の装置３、４のエネルギービーム要求を決定するように構成された制御ユニット１７が設けられる。エネルギービーム要求は、それぞれ装置３、４へ案内すべきエネルギービームまたはビーム時間に対する単一装置３、４の要件を表現し、決定されたエネルギービーム要求に関連して、それぞれの装置３、４へのエネルギービーム６〜９の案内に優先順位をつけることができる。図１に示す製造状態によれば、装置４は、被覆ステップを実行しており、被覆装置が、造形平面１６上に新しい造形材料５を搬送している。この製造プロセスステップでは、被覆装置が造形平面１６の上を動くため、エネルギービーム６〜９のうちの１つを介した照射は必要とされず、または可能でない。したがって、ビーム案内ユニット１３は、装置３によって必要とされる対応するエネルギービーム６〜９を照射ユニット１４へ案内し、照射ユニット１４は、エネルギービーム６〜９を装置３のプロセスチャンバ内の造形平面１６上へ偏向させ、それによって現在の造形材料層５のそれぞれの領域を照射する。

したがって、装置４から決定（判定）されるエネルギービーム要求は、「低」／「０」であり、装置３のエネルギービーム要求は、「高」／「１」である。自明のことではあるが、エネルギービーム要求の複数の状態、たとえば装置３、４によるエネルギービーム時間の要件を表現する０〜１０の尺度のような定量的表現、を有することは可能である。加えて、どの層のどの領域をどのエネルギービーム６〜９によって照射するべきかを評価することが可能である。単一エネルギービームは、電力レベルおよび／または波長および／またはビームプロファイルなどの少なくとも１つのビーム特性が異なるため、異なるエネルギービーム６〜９が、特有の領域を照射するのにより適しており、対応する要件に最もよく合うエネルギービーム６〜９を使用して、最適な照射および固化の結果を可能にする。

図２は、第２の製造条件にある図１の工場１を示し、装置３、４はどちらも、照射ステップ、すなわちエネルギービーム６〜９が使用される製造ステップを実行している。したがって、ビーム案内ユニット１３は、装置３、４の決定されたエネルギービーム要求に対応して、エネルギービーム６〜９を分散（分配）させる。当然ながら、制御ユニット１７は、装置３、４から受け取ったエネルギービーム要求に応じて、それぞれのエネルギービーム６〜９のビーム時間に優先順位をつけることができる。加えて、エネルギービーム６〜９の任意の組合せも可能である。

本発明によれば、エネルギービーム６〜９のビーム時間をより効率的に使用することが可能である。装置３、４のうちの１つが、エネルギービーム６〜９を使用できないプロセスステップにあるときは常に、ビーム案内ユニット１３を介してエネルギービーム６〜９を他方の装置３、４へ案内することができ、したがってビーム時間をより効率的に使用することができ、ビーム時間の無駄が低減または回避される。装置３、４が単なる例示的であり、複数の装置３、４をビーム生成ユニット１０に割り当てることができることは自明である。また、ビーム生成ユニット１０は、複数のエネルギービーム６〜９を生成する複数のビーム源１１、１２を備えることができる。

Claims (11)

1. エネルギービーム（６〜９）によって固化することができる造形材料層（５）を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体（２）を付加製造するための少なくとも２つの装置（３、４）を備える３次元の物体（２）を付加製造するための工場（１）において、前記装置（３、４）のうちの少なくとも１つへ案内可能な少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を生成するように構成された別体のビーム生成ユニット（１０）を有し、
   少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を少なくとも２つの装置（３、４）間で選択的に分散させるように構成されたビーム案内ユニット（１３）を有し、
   前記ビーム生成ユニット（１０）が、異なるビーム特性を有する少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を生成するように構成されることを特徴とする工場。
2. 少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を１つもしくは複数の装置（３、４）へ選択的に案内するように構成されたビーム案内ユニット（１３）を有することを特徴とする、請求項１に記載の工場。
3. 少なくとも１つの前記装置（３、４）の少なくとも２つのエネルギービーム要求に応じて前記ビーム案内ユニット（１３）を制御するように構成された制御ユニット（１７）を有し、前記ビーム案内ユニット（１３）が、前記エネルギービーム要求に応じて少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を分散させることを特徴とする、請求項１または２に記載の工場。
4. 前記エネルギービーム要求が、少なくとも１つの装置（３、４）のプロセスステップおよび／または製造プロセスの状態に関する情報を含むことを特徴とする、請求項３に記載の工場。
5. 前記ビーム案内ユニット（１３）が、少なくとも１つの他の装置（３、４）の前記エネルギービーム要求、特に製造プロセスの状態に応じて、少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を１つの装置（３、４）へ案内するように構成されることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の工場。
6. 少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）の少なくとも１つのビーム特性に応じて、前記物体（２）の少なくとも１つの領域および／または少なくとも１つの層の一部分を照射するように構成された少なくとも１つの照射ユニット（１４、１５）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の工場。
7. 前記ビーム生成ユニット（１０）が、少なくとも２つのエネルギービーム源（１１、１２）を備え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工場。
8. 前記ビーム特性は、ビーム電力または波長である、請求項１〜７のいずれか一つに記載の工場。
9. 前記ビーム特性が、前記エネルギービーム（６〜９）の波長および／または前記エネルギービーム（６〜９）の電力レベルおよび／またはビームプロファイルであることを特徴とする、請求項８に記載の工場。
10. エネルギービーム（６〜９）によって固化することができる造形材料層（５）を連続して層ごとに選択的に照射および固化することによって３次元の物体（２）を付加製造するための少なくとも２つの装置（３、４）を備える３次元の物体（２）を付加製造するための少なくとも１つの工場（１）を動作させる方法において、少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）が、別体のビーム生成ユニット（１０）によって生成され、前記装置（３、４）のうちの少なくとも１つへ案内され、その際、ビーム案内ユニット（１３）が、少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を少なくとも２つの装置（３、４）間で選択的に分散させ、
    前記ビーム生成ユニット（１０）が、異なるビーム特性を有する少なくとも２つのエネルギービーム（６〜９）を生成するように構成され
    ることを特徴とする方法。
11. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の工場（１）が動作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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