JP7035076B2 - 付加製造装置における材料の予熱 - Google Patents

Description

本発明は、広くは、付加製造に関する。より詳細には、本発明は付加製造装置および付加製造装置内の材料を予熱する方法に関する。本発明はまた、付加製造により物体を形成する方法、および付加製造装置用の予熱装置に関する。

付加製造（ＡＭ（Additive manufacturing））とは、三次元物体（以下、単に「物体」または「部品」と呼ぶ）を合成するために使用される様々なプロセスのことを指す。
所定のＡＭ技術は「３Ｄ印刷」と呼ばれることがある。

ＡＭにおいて、部品は通常、３次元コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを２次元の層または画像にデジタル方式でスライスすることにより作られる。次にこれらの層は、典型的には粉末状または流体状の原料を養生、硬化、溶融または他の方法で形成することにより作られる。便宜上、用語「硬化する」または単に「形成する」は、以降、層が形成される特定の方法に関係なく、そのような層を形成することを指すために使用される。

ＡＭにおいて、部品は、金属、ポリマ、セラミック、樹脂および石膏などの様々な原材料から製造される。さらに、レーザ、電子ビーム、バインダおよびサーマルモジュールを含む様々な技術が層を硬化するために使用される。

多くのＡＭプロセスは、材料ベッドの材料を層状に硬化し、最終的に所望の部品を形成するためにレーザまたは電子ビームを使用する。レーザベースのプロセスにおいては、レーザは、目的の層が正しく硬化されるようにＣＡＤモデルの幾何形状に基づいて走査部により誘導される。材料ベッドは、物体の新しい層がそれぞれ硬化されると徐々に下がる造形プラットフォームの上に支持される。次の層の粉末が固められて前の層と融合するために走査される前に、新しい材料層が材料ベッドに追加される。

ＡＭは、従来の製造方法を超える利点を提供し得る。これらの利点は、軽量化を可能にする非常に複雑な部品の製造や、可動部品、改善された冷却、部品へのより多くの機能の統合、および部品数の削減、を統合した部品の製造を可能にすることが含まれる。この方法はまた、原材料の再利用可能とし、ツーリングの必要性を排除するため、相対的に材料の消費が低下することを保証する。

原材料を最終形態に硬化する前に原材料の温度を上昇させるため、ＡＭにおいては予熱法が一般的に採用される。予熱は、材料がより容易に処理されること、および／または、より速い速度で処理されること、を確実にするために、あるいは硬化前の材料から水分を除去するため、に使用されてもよい。水分の存在は、物体に多孔性および／または他の欠陥をもたらす可能性がある。

さらに、エネルギビームを使用してＡＭ部品を製造する場合、溶融池の凝固収縮および大きな熱勾配のために材料に残留応力が生じる可能性がある。ある種の材料では、これらの残留応力は比較的大きく、そしてより大きな部品を製造するときには、部品に歪みおよび／または亀裂を生じさせることがある。材料は、このようなストレスを防止、軽減、または緩和するために予熱される。

概して、ＡＭシステムにおける予熱に関して３つの手法が存在することが明らかになっている。

第１の手法は、通常「バルク予熱」と呼ばれている。バルク予熱では、造形プラットフォーム上の材料ベッドの温度は、材料ベッドの外側端部、または外側端部の近傍に配置される熱源により上昇する。熱伝達は、材料ベッドを通ることにより、そして熱源が造形プラットフォームの下に配置されている場合には、すでに硬化された層を通ることにより生じる。

バルク予熱に関連するいくつかの不利点が、識別される。このアプローチは、比較的高いエネルギの入力、高品質の断熱、および熱源の実質的に連続的な制御、が必要となる。所望の予熱特性を確立し維持するためには、能動的な制御が必要となる。使用中の材料ベッドにおける適合性の欠如を考慮すると（いくつかの領域は硬化され、いくつかは粉末形態である）、バルク材料内で一定の温度を維持することは困難である。

上記熱源の配置は問題がある可能性があることが明らかになっている。熱損失および粉末の不十分な熱伝導のために、材料ベッドにおける温度は、熱源に近い方が熱源からより離れた位置よりも高い。熱源が材料ベッドの下および／または側面に配置されるとき、材料ベッドの底部および／または側面は、実際に予熱が必要な材料ベッド表面よりも高い温度になり得る。

熱源の温度が一定に保たれる場合、材料ベッドの表面の温度は、材料ベッドの体積が増加するにつれて徐々に低下する。材料ベッド表面の温度を一定に保つためには、熱源の温度を徐々に上げなければならない。バルク予熱技術を使用する場合、表面温度を理想温度に維持することを保証するためには、材料ベッド中の少なくとも一部の材料がその理想予熱温度よりも高く加熱され得ることが明らかになっている。これは、特定の材料に対して悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、過度に高い温度が長期間にわたって維持されると、材料ベッド中で未硬化粉末の焼結が起こり、その後の粉末のリサイクルが妨げられる可能性がある。そのような過度の温度はまた、チタンまたはアルミニウムなどの特定の金属において酸化物成長を引き起こす可能性がある。

第２の一般的な予熱手法は「表面予熱」として知られている。表面予熱において、エネルギは、典型的には電磁放射により材料ベッドの表面に供給される。表面予熱システムは通常、抵抗加熱要素または非集束赤外線（ＩＲ（Infrared））技術を含む。

材料ベッド表面に供給されるエネルギは、表面上で吸収されそして熱に変換される。次に、材料ベッドの残りの部分の少なくとも一部は、伝熱により加熱される。バルク予熱と比較した場合、表面予熱は、一般に、材料ベッドの表面温度を上昇させる方法としてエネルギ効率の良いものを提供することが明らかになっている。

しかしながら、既存の表面予熱システムもまた、幾つかの不利点が存在している。やはり、材料ベッドにおける適合性の欠如に照らして、操作の間、材料ベッドにおいて、特に硬化領域と粉末領域との間に、温度勾配が形成される可能性がある。所望の予熱温度を確立し維持するために、能動的な制御が必要となる。材料ベッドの表面全体が加熱されるので、必要な温度に達するためには比較的大きな加熱能力が必要となる。

さらに、環境に対する対流および放射損失のために、高いエネルギ損失が生じる可能性があり、それは次に高いエネルギコストにつながる。高いエネルギ損失は、ＡＭ装置内に望ましくない熱を発生させ、それは装置の構成要素に対して有害となり得る。上述のように、長期間にわたって原材料の温度を高レベルに維持することはまた、特定の材料の材料特性にとって有害であり得る。

また、熱源は、（走査部により供給される）材料を硬化することが要求されるエネルギビームを妨害しないように構成される必要があるため、材料ベッドの表面全体に亘り一定の温度を維持することは困難であることが明らかになっている。

第３の予熱方法は、粉末供給材料を堆積直前または直後に予熱する方法である。粉末が粉末堆積装置から堆積されるため、粉末堆積装置内で粉末が加熱されるか、あるいは、堆積される粉末のストリップが加熱される。

この第３の方法の利点は、材料が必要とされるときにのみ加熱されるので、典型的には、より少ないエネルギしか必要とされないことである。その欠点は、粉末が典型的には非常に薄い層に堆積されること、および、加熱された後そして硬化される前であっても、加熱された粉末の温度が急速に低下する傾向があることである。

上記に加えて、既存の手法を使用する場合、蒸気およびスパッタの除去が困難であり得ることが明らかになっている。エネルギビームと粉末床材料との相互作用の結果として、蒸気とスパッタの両方が生じ得る。「スパッタ」として知られる大きな粒子は、粉末の層の堆積を妨げ、層の厚さに不規則性を引き起こす。「蒸気」として知られるより小さな粒子は、長期間にわたって空中に留まり、放射線の散乱および吸収を介して材料ベッドへのエネルギ伝達を妨げる可能性がある。水蒸気がかなりの量まで蓄積すると、火事や爆発を引き起こす可能性がある。したがって、スパッタおよび蒸気の除去は重要であり、その効率を改善するための必要性が認識されている。

本発明は、少なくともある程度まで、これらの問題のいくつかを改善することができる。

本発明の第１の態様によれば、以下のものを含む付加製造装置が提供される。材料ベッドを形成するために材料が操作可能に堆積され、材料ベッドの表面が材料領域を画定する造形プラットフォーム。材料ベッドの表面上における走査領域の堆積材料を硬化するように構成される走査部。走査領域は材料領域の一部を形成するものであり、実質的に材料領域よりも小さいものである。電磁エネルギを実質的に走査領域に集束させ、残りの材料領域には集束させないように構成された予熱装置。

予熱装置は、走査領域と実質的に一致する予熱領域において材料ベッドの表面にエネルギを集束させるように構成されてもよい。

一方の造形プラットフォームと、他方の走査部および予熱装置とは、材料ベッドの表面に平行な方向に相対的に変位可能であってもよい。

走査部と予熱装置とは、予熱装置の予熱領域が走査領域と実質的に一致することを可能にするように相対的に変位可能であってもよい。

走査領域は、実質的に２次元ストリップの形態であってもよい。ストリップはその幅よりも大きい長さを有するものであってもよい。ストリップは、装置のＸ軸に沿って造形プラットフォームの全幅にわたって延びる長さを有するものであってもよい。装置のＹ軸に沿ったストリップの幅は、エネルギビームのスポットサイズの少なくとも２倍であってもよい。Ｙ軸に沿ったストリップの幅は、０．１ｍｍから１００ｍｍの間であってもよい。走査領域はまた、例えば、クロスハッチングのための斜めのスキャンラインを提供するために、Ｘ軸またはＹ軸に対して傾斜していてもよい。

走査部は２次元の走査部であってもよい。走査部は、材料を硬化させるために、レーザビームなどのエネルギビームを供給または案内するものであってもよい。

装置はさらに、造形プラットフォームと走査部とが相対的に、例えばＹ軸を移動可能な移動装置を含むものであってもよい。一実施形態において、走査部および予熱装置は互いに固定されるものであり、造形プラットフォームは、走査部および予熱装置に対して材料ベッドの表面と平行な方向に変位可能である。本発明の別の実施形態では、走査部および予熱装置は、造形プラットフォームに対して一緒に変位可能である。このように、走査領域は材料領域を横切って移動可能である。したがって、移動装置は、走査領域が装置のＹ軸に沿って移動可能にするものであってもよい。

いくつかの実施形態では、走査部および予熱装置はまた、Ｘ軸に沿って造形プラットフォームに対して移動可能であってもよい。

代替として、走査部がＸ軸に沿って移動可能であり、同時に、予熱装置がＸ軸方向に拡張されかつ固定されＹ軸方向にのみ移動可能となっているものであってもよい。

予熱装置は電磁放射のエネルギ源を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、予熱装置は、走査領域を照射するように構成された１列または複数列のダイオードレーザにより提供されてもよい。レーザは装置のＸ軸に沿って配置されてもよい。

走査領域に亘って実質的に均一なエネルギ分布を提供するために、ビーム整形光学系が使用されてもよい。

他の実施形態では、予熱装置は、使用時にランプからの放射を走査領域に集束させるように構成された少なくとも１つのランプおよび反射装置により提供されてもよい。少なくとも１つのランプは赤外線ランプであってもよい。少なくとも１つのランプは１つ以上のランプの組であってもよい。

予熱装置は２つの赤外線ランプを含み、このランプは、走査部からのエネルギビームがランプの間を通過するように走査領域の両側に取り付けられてもよい。反射装置は、１つ以上のミラーが設けられていてもよい。上記１つ以上のミラーは任意の相応な幾何学形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、装置のＹ－Ｚ平面で見た場合に、１つ以上のミラーが楕円形の頂点領域を有していてもよく、これはランプからの放射を走査領域に集束させるのに役立つ。

反射装置はまた、ランプからその長手方向の軸に沿って放出される放射を利用するように構成された１つ以上の平坦かつ直立の側面反射器を含んでいてもよい。

予熱装置は、装置のＸ軸に沿った集束領域に放射を集束させるように構成されていてもよい。集束領域は、走査領域の幅の中心に沿って延びるストリップであってもよい。予熱装置の、例えばランプまたはミラーは、集束領域が走査領域に対して移動可能となるように調整可能であってもよい。

予熱装置は、エネルギビームが材料ベッドに案内される開口部を画定してもよい。Ｘ軸に沿った開口部の長さは、少なくとも走査領域の長さであってもよい。Ｙ軸に沿った開口部の幅は、走査部をＹ軸に沿って移動させながらフルストリップの走査を可能にするために、走査領域の幅の少なくとも２倍であってもよい。

装置はさらに、材料ベッドを形成するために造形プラットフォーム上に粉末材料の層を堆積させるように構成された少なくとも１つの材料堆積装置を含んでもよい。装置はまた、使用時に、少なくとも１つの材料堆積装置に粉末材料を補充するように構成された少なくとも１つの材料供給装置を含んでもよい。

予熱装置は、材料堆積装置が材料を堆積させる場合に、予熱装置と材料ベッドとの間を通過するためのクリアランスを設けるために、Ｚ軸に沿っておよび／または造形プラットフォームに対して上方に移動動作が可能であってもよい。

付加製造装置は、使用中に生成される蒸気および／またはスパッタを抽出するための抽出口を有する少なくとも１つの抽出装置を含んでもよい。上記抽出口は、走査領域から蒸気および／またはスパッタを抽出するように、予熱装置の片側または両側（すなわち対抗する側）に配置されてもよい。一実施形態では、１つ以上の抽出口が反射装置内に設けられるかまたは配置され、この付加製造装置は抽出口間のガスの流れの方向を調整するように構成された流れ制御手段を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、この付加製造装置は、走査領域の一方側に配置され、この付加製造装置のＹ軸に沿っている抽出口と、走査領域の反対側に配置され、抽出口を通して出るようにして走査領域の範囲のガスを浄化するためのノズルと、を含んでもよい。

抽出装置は、予熱装置に取り付けられるかまたは予熱装置と一体であってもよく、材料堆積装置が材料を堆積するために抽出装置と材料ベッドとの間を通過するための間隙を提供するために、付加製造装置のＺ軸に沿って上向きに変位可能であってもよい。

抽出装置は、その片面または両面に抽出部材を含んでもよく、抽出部材は、抽出口およびノズルを含み、抽出口およびノズルは、操作中に、走査領域の一方側または両側すなわち反対側に配置されるように構成されていてもよい。

抽出装置がその両側に抽出部材を含む場合、抽出部材は同時にまたは個別に作動してもよい。使用時に抽出の方向（抽出方向）を逆にするように抽出部材を調整されてもよい。

上記付加製造装置は、材料ベッドの表面またはその近くに予熱装置により設けられた集束領域の表面温度を計測するための少なくとも１つの温度センサをさらに含んでもよい。予熱装置の加熱レベルは、使用中に、温度センサにより計測された温度に基づいて、連続的にまたは周期的に調整されてもよい。

上記付加製造装置は、例えば上記付加製造装置のＸ軸に沿って離間して配置された複数の予熱装置を含んでいてもよい。隣接する予熱装置は、Ｙ軸に沿って相対的にわずかにずれていてもよい。予熱装置は、Ｙ軸に沿って造形プラットフォームに対して一緒にまたは互いに独立して移動可能であってもよい。

上記付加製造装置は、造形プラットフォームは垂直方向に変位可能となるようにプラットフォーム変位構成を含んでもよい。

本発明の他の態様によれば、以下のものを含む付加製造装置が提供される。材料ベッドを形成するために材料が作用可能に堆積され、材料ベッドの表面が材料領域を画定する造形プラットフォーム。走査領域が材料領域の一部を形成し、実質的に材料領域よりも小さいものであって、材料ベッドの表面上の走査領域に堆積材料を硬化するように構成された走査部。そして造形プラットフォームおよび予熱装置が走査領域と予熱領域とを一致させるように相対的に移動可能であって、予熱領域内で材料ベッドの材料表面にエネルギを集束させるように構成された予熱装置。

本発明の他の態様によれば、付加製造装置内で材料を予熱する方法が提供され、その方法は以下のステップを含む。表面が材料領域を画定する材料ベッドを形成するために、材料を造形プラットフォームに堆積し、走査領域が材料領域の一部を形成し、実質的に材料領域よりも小さいものであって、材料ベッドの表面上の走査領域に堆積材料を硬化するように構成された走査部を提供し、そして材料領域の残りの部分ではなく、走査領域に、実質的にエネルギを集束させるように構成された予熱装置を使用して、走査領域に含まれる材料を予熱する。

本発明の他の態様によれば、付加製造装置内で材料を予熱する方法が提供され、その方法は以下のステップを含む。表面が材料領域を画定する材料ベッドを形成するために、材料を造形プラットフォームに堆積し、走査領域が材料領域の一部を形成し、実質的に材料領域よりも小さいものであって、材料ベッドの表面上の走査領域に堆積材料を硬化するように構成された走査部を提供し、そして予熱装置はエネルギを予熱領域内の材料ベッドの表面に集束させるように構成されるものであって、走査領域と予熱領域とが一致するように、予熱装置および造形プラットフォームを相対的に移動する。

上記方法は、材料領域を、各ストリップが走査領域の面積とほぼ等しい面積を有する複数の２次元ストリップに分割し、そして予熱装置と造形プラットフォームが相対的に動いている間に、材料領域の１つの２次元ストリップを１度に予熱するために予熱装置を使用する、というステップを含んでもよい。

上記方法は、特定のストリップを予熱した後、次のストリップを予熱する前にストリップに含まれる材料を硬化することを含んでもよい。

上記方法はまた、予熱装置と造形プラットフォームとを例えばＹ軸に沿って相対的に変位させながら、実質的に連続的な硬化および材料の予熱を行うステップを含んでもよい。

上記方法はまた、走査部から走査領域に到達することでエネルギビームが硬化される材料に到達することを可能にするために、一方で造形プラットフォームを、他方で走査部および予熱装置を、相対的に移動させるステップを含んでもよい。

本発明の別の態様によれば、付加製造により物体を形成する方法が提供され、この方法は、上述のような付加製造装置により実施されるものであり、以下のステップを含む。材料ベッドを形成するために造形プラットフォーム上に材料の層を連続的に堆積し、そして走査部を使用して材料の堆積層の１つ以上の部分を硬化する。各硬化された部分は物体の特定の断面または２次元スライスに対応する。ここで、部分の少なくともいくつかを硬化するために、特定の層がより小さな２次元ストリップに分割され、その層がそれぞれ予熱装置および走査部を使用して１度に１つの２次元ストリップに予熱および硬化される。

堆積および硬化するステップは、少なくとも部分的に同時に実行されてもよい。

硬化ステップは、造形プラットフォームおよび／または材料ベッドの一部が材料でコーティングされるとすぐに開始されてもよく、材料が堆積されている間に開始されてもよい。

いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの層を硬化するために、一方で造形プラットフォームが、他方で走査部および予熱装置が、材料ベッドの表面に対して平行な方向に相対的に変位されてもよい。

連続的な走査を可能にするため、２次元ストリップ内の物体の部分が走査されている間に、走査部および造形プラットフォームが相対的に移動してもよい。

走査部と造形プラットフォームとの間の相対移動速度は、任意の特定の２次元ストリップを走査するのにかかる時間に応じて変更することができる。

上記方法は、特定の材料層を堆積して堆積した層を硬化した後であって、硬化するための材料層を堆積する前に、造形プラットフォームが、走査部から離れるように、Ｚ軸に沿ってインクリメントしながら移動することを含んでもよい。

本発明の別の態様によれば、付加製造装置に予熱装置が設けられ、上記付加製造装置は、材料ベッドを形成するための材料が作用可能に堆積される造形プラットフォームを含み、上記材料ベッドの表面は材料領域を画定し、さらに上記付加製造装置は上記材料ベッドの表面における走査領域内の堆積された材料を硬化するように構成された走査部を含み、上記走査領域は上記材料領域の一部を形成し、かつ上記走査領域は上記材料領域より小さいものであり、上記予熱装置は、少なくとも１つの予熱要素および、予熱要素から材料領域の残り部分ではなく走査領域へ実質的にエネルギを集束させるように構成された少なくとも１つの反射器または集束構成を含む。

本発明の別の態様によれば、付加製造装置に予熱装置が設けられ、上記付加製造装置は、材料ベッドを形成するための材料が作用可能に堆積される造形プラットフォームを含み、上記材料ベッドの表面は材料領域を画定し、さらに上記付加製造装置は上記材料ベッドの表面における走査領域内の堆積された材料を硬化するように構成された走査部を含み、上記走査領域は上記材料領域の一部を形成し、かつ上記走査領域は上記材料領域より小さいものであり、上記予熱装置は、少なくとも１つの予熱要素および、予熱要素から予熱領域における上記材料ベッドの材料の表面にエネルギを集束させるように構成された少なくとも１つの反射器または集束構成を含み、上記造形プラットフォームおよび上記予熱装置は走査領域と予熱領域とが一致するように相対的に変位可能である。

少なくとも１つの上記予熱要素は少なくとも１つのランプまたは少なくとも１つのレーザダイオードであってもよい。

添付の図面を参照して、例として本発明をさらに説明する。
図１は、本発明による付加製造装置の第１の実施形態の断面の三次元図である。 図２は、図１の付加製造装置の正面断面図である。 図３は、図１の付加製造装置の制御系の機能構成を示すブロック図である。 図４は、本発明に係る付加製造装置の第２実施形態の正面断面図である。 図５は、本発明に係る付加製造装置の第３実施形態の正面断面図である。 図６は、本発明に係る付加製造装置の第４実施形態の正面断面図である。 図７は、本発明による付加製造装置の第５の実施形態の断面の３次元図である。 図８は、図７の付加製造装置の正面断面図である。 図９は、本発明に係る付加製造装置の第６の実施形態の正面断面図である。 図１０は、図９の付加製造装置の立体図である。 図１１は、本発明に係る付加製造装置の第七の実施形態を示す正面断面図である。 図１２は、図１１の付加製造装置の立体図である。 図１３は、本発明に係る付加製造装置の第８の実施形態の正面断面図である。 図１４は、本発明による付加製造装置の第９の実施形態の断面の三次元図である。 図１５は、本発明による付加製造装置の第９の実施形態の断面の三次元図である。 図１６は、本発明による付加製造装置の第１０の実施形態の断面の三次元図である。 図１７は、本発明による付加製造装置の第１０の実施形態の断面の三次元図である。 図１８は、本発明による付加製造装置の第１１の実施形態の断面の三次元図である。 図１９は、本発明による付加製造装置の第１１の実施形態の断面の三次元図である。 図２０は、本発明による付加製造装置を使用するときに採用することができる走査方法を示す図である。 図２１は、本発明による付加製造装置を使用するときに採用することができる走査方法を示す図である。 図２２は、本発明による付加製造装置を使用するときに採用することができる走査方法を示す図である。 図２３は、本発明による付加製造装置を使用するときに採用することができる走査方法を示す図である。 図２４は、本発明による付加製造装置を使用するときに採用することができる走査方法を示す図である。 図２５は、本発明による付加製造装置を使用するときに採用することができる走査方法を示す図である。 図２６は、本発明による付加製造装置の第１２の実施形態の正面断面図である。 図２７は、図２６の付加製造装置の制御系の機能構成を示すブロック図である。 図２８は、 本発明による付加製造装置の予熱装置と走査部の一例の立体概念図である。 図２９は、図２８の予熱装置及び走査部の正面図である。 図３０は、図２８の予熱装置および走査部の側面図である。 図３１は、 本発明に係る付加製造装置の予熱装置の一例を示す正面図である。 図３２は、本発明に係る付加製造装置の他の予熱装置の一例を示す正面図である。 図３３は、本発明による付加製造装置のさらなる予熱装置の一例の三次元概念図である。 図３４は、本発明による付加製造装置のさらなる予熱装置の一例の三次元概念図である。 図３５は、 本発明に係る付加製造装置のさらに他の予熱配置の一例の正面図を示す概念図である。 図３６は、本発明による付加製造装置のさらに別の予熱装置の一例の正面図を示す概念図である。 図３７は、本発明による付加製造装置の別の予熱装置の一例の三次元概念図である。 図３８は、図３７の予熱装置の正面図である。 図３９は、既知の付加製造装置および本発明の実施形態による装置によりそれぞれ採用される走査領域の概念図である。 図４０は、既知の付加製造装置および本発明の実施形態による装置によりそれぞれ採用される走査領域の概念図である。 図４１は、既知の付加製造装置および本発明の実施形態による装置によりそれぞれ採用されるビーム経路の概念図である。 図４２は、既知の付加製造装置および本発明の実施形態による装置によりそれぞれ採用されるビーム経路の概念図である。 図４３は、本発明による付加製造装置の予熱装置および走査部の三次元概念図である。 図４４は、図４３の予熱装置及び走査部の正面図である。

本発明の以下の説明は、本発明の実施可能な教示として提供される。当業者は、本発明の有益な結果を依然として達成しながら、記載された実施形態に対して多くの変更がなされ得ることを認識するであろう。他の特徴を利用せずに本発明の特徴のいくつかを選択することにより本発明の所望の利益のいくつかを達成できることも明らかであろう。したがって、当業者は、本発明に対する修正および適合が可能であり、そして特定の状況においては望ましいことさえあり得、そして本発明の一部であることを認識するであろう。したがって、以下の説明は、本発明の原理の例示として提供されており、それを限定するものではない。

付加製造装置１０（以下、「付加製造」を「ＡＭ」とも称する）の実施の形態１を図１および図２に示す。図１は座標系（軸Ｘ－Ｙ－Ｚ）も示しており、それを参照して付加製造装置１０の構造および機能を以下に説明する。

付加製造装置１０は、造形プラットフォーム１４を収容するハウジング１２、材料容器１６、材料堆積装置１８、材料供給装置１９、および造形プラットフォーム１４の上方にＺ軸に沿って離間して配置された２次元走査部２０を含む。

ハウジング１２は、密閉容器であり、制御された処理環境を提供するために使用される。この実施形態において、環境は不活性ガスを含む。これは、真空チャンバや、アルゴン、ヘリウムまたは窒素を含む環境や、あるいは処理および／または処理される材料に有益な他の任意のガス環境が採用され得ることが理解されるであろう。

造形プラットフォーム１４は、ほぼ平面状であり、付加製造装置１０のＸ軸とＹ軸とにより定義されるほぼ水平なＸ－Ｙ平面内に延在するワーク領域２８を規定する。造形プラットフォーム１４は、加熱部２２の形態において相補的な形状をしている予熱装置の上に配置されている。加熱部２２は、間隔を置いて配置された複数の加熱体２４を含む。加熱体は、抵抗加熱素子または誘導加熱素子であってもよい。加熱体２４は、Ｘ－Ｙ平面内で格子を形成するように配置されている。

造形プラットフォーム１４および加熱部２２は、加熱部２２の下方に配置された一対の直線状の造形プラットフォームのアクチュエータ２６によりＺ軸に沿って垂直方向に移動可能である。造形プラットフォームのアクチュエータ２６は付加製造装置１０のＹ軸に沿って離間している。

材料堆積装置１８は、使用時にワーク領域２８を横切って移動して粉末材料の層を造形プラットフォーム１４上に堆積させて材料ベッド２５を形成するように構成される。材料供給装置１９は、層間に粉末材料を材料堆積装置１８に補充するように構成される。堆積層の厚さは典型的には３０μｍから１０００μｍ程度である。材料容器１６は、Ｘ－Ｙ平面内で造形プラットフォーム１４の周りに延材している。材料容器１６は、断熱材料により断熱された側壁１７を有する。

断熱材の層２１も加熱部２２の底面に設けられている。

付加製造装置１０は、移動装置をさらに含む。移動装置は、Ｙ軸に沿って延在し、走査部２０が移動可能に取り付けられており、平行で垂直方向に離間した一対の走査レール３０を含む。

走査部２０は検流計スキャナを含み、以下から明らかになるように、ワーク領域２８に堆積した粉末材料を固体に硬化するためのレーザビームの形式であるエネルギビームを案内するように構成される。レーザビームのビーム経路２７が図１および図２に示されている。

走査部２０は、エネルギ源連結器２９においてレーザ（図示せず）の形式のエネルギ源に結合されており、動作中に連続して走査を行うように構成されている。使用中、材料ベッド２５に対する走査部２０の相対的な位置は、走査部２０の動作中、リニアエンコーダ（図示せず）で絶えず測定される。位置データは、（図３に示す）走査部２０の制御システムに供給され、制御システムは、位置情報に基づいて走査パターンを制御／補正して、レーザビームが正確に材料を硬化するように案内される。これにより、走査部２０は動作中に必要な走査パターンを走査することができる。これらの態様は、以下でさらに詳細に説明される。

走査部２０は、いわゆる「縮小走査領域」を有するエネルギビームを供給するように構成されている。換言すれば、走査部２０は、Ｙ軸に沿った所定の位置にあるとき、Ｘ－Ｙ平面内におけるワーク領域２８よりも実質的に小さく、従って材料ベッド２５よりも実質的に小さい２次元走査領域を走査することができる。図１および図２に明確に示されているように、走査領域は、Ｘ軸に沿って造形プラットフォーム１４の全幅に亘って延びている比較的に狭いストリップ４８の形をしている。この例示的な実施形態では、ストリップ４８は長さ６００ｍｍおよび幅２０ｍｍを有している。

付加製造装置１０はさらに、走査部２０とワーク領域２８との間に配置されたエンクロージャ３２を含む。エンクロージャ３２は、使用時にエネルギビームがワーク領域２８および材料ベッド２５上に向けられる開口底部および矩形開口部３４をその上部に有する矩形箱状要素により形成される。エンクロージャ３２は、Ｙ軸に沿って延びる一対の平行で水平方向に離間したエンクロージャレール３６に取り付けられている（レールのうちの１つは、断面図を示しているので図面には見えない）。

移動装置はさらにリニアアクチュエータ（図示せず）を含む。リニアアクチュエータは、走査部２０とエンクロージャ３２とが整列されるように、あるいは、ビーム経路２７がエンクロージャ３２の開口部３４と常に一致していることを登録または保証するように、走査部２０およびエンクロージャ３２を走査レール３０およびエンクロージャレール３６に沿って同時に動かすように構成される。この整列した位置は図２に明確に示されている。

この例では、レーザビームが材料ベッド２５に確実に案内されるように、開口部３４の長さは、走査ビームの長さ（６００ｍｍ）と同じになっている。開口部３４の幅は、走査部２０が動いている間に、エンクロージャ３２がビーム経路２７と干渉することなく、ストリップが完全に走査されるために、走査ストリップの幅の少なくとも２倍でなければならない。この例では、開口部３４の幅は５０ｍｍである。

付加製造装置１０は、図１および図２には示されていない制御システム３８を含む。しかしながら、制御システム３８の機能構成は図３に示されている。

制御システム３８は、走査パターン生成器３９、プロセッサ４０、コントローラ４１、補助システムセンサ４２、および位置センサ４３を含んでいる。図３はまた、制御システム３８に結合されている走査部２０、補助システム４４およびリニアアクチュエータ４５を示している。

走査パターン生成器３９は、走査される部分のＣＡＤデータに関連付けられた各層およびストリップに対して走査される走査パターンを生成するように構成されている。走査パターンおよび走査手順は、以下の図２０から図２５を参照してより詳細に説明される。

プロセッサ４０は、走査パターン生成器３９から走査パターンデータを受け取り、走査パターンデータをコントローラ４１に送り、コントローラ４１からフィードバックを受け取り、補助システム４４を制御し、補助システムセンサ４２からフィードバックを受け取り、そしてコントローラ４１および補助システムセンサ４２からのフィードバックを制御命令に処理する。

コントローラ４１は、付加製造装置１０の走査部２０およびリニアアクチュエータ４５を制御し、位置センサ４３から位置フィードバックを受け取り、位置フィードバックを動作命令および走査命令に処理し、プロセッサ４０にフィードバックを提供するように構成される。

次に、走査部２０は、使用時において、コントローラ４１から走査命令を受信し、エネルギビームを材料ベッド２５上に導いて輪郭およびハッチングラインを走査するように構成される。

リニアアクチュエータ４５は、コントローラ４１からの動作命令を受けて、走査部２０が走査している間、走査部２０およびエンクロージャ３２を移動させるように構成されている。

補助システムセンサ４２は、付加製造装置１０の補助システム４４の状態に関するフィードバックをプロセッサ４０に提供するように構成されている。実施形態に応じて、補助システム４４は、予熱システム、材料堆積装置、抽出システム、造形プラットフォーム作動装置、プロセス監視制御システム、層品質監視システム、および雰囲気制御部のうちの１つ以上を含むことができる。

位置センサ４３は、造形プラットフォーム１４に対する走査部２０の位置を決定することができる位置エンコーダを含む。位置センサ４３は、位置フィードバックをコントローラ４１に送信するように構成される。

走査レール３０およびリニアアクチュエータ４５は、制御システム３８により制御され、造形プラットフォーム１４がＹ軸に沿って静止している間に、走査部２０を走査レール３０に沿って移動し、エンクロージャ３２をエンクロージャレール３６に沿って移動することにより、走査部２０およびエンクロージャ３２を造形プラットフォーム１４に対してＹ軸に沿って相対的に移動させる。

使用中において、加熱部２２は、ワーク領域２８に堆積した材料をその融点より低い温度に加熱する。このことは、材料を溶融させるため、エネルギ源からより少ない入力エネルギが要求されることになるので、潜在的に生産速度を増加させるという利点を有している。さらに、そのことは、形成される材料中の残留応力を減少させるという利点を有している。例えば、あるチタン合金は、摂氏１６０４度から摂氏１６６０度の間でのみ溶けるのに対して、その合金の応力緩和は摂氏４８０度から摂氏６５０度の間で生じる。したがって、摂氏４８０度を超える予熱が材料ベッド２５に加えられた場合に、急速凝固プロセス中に発生する熱応力は軽減される。予熱はまた、より延性のある微細構造を生じさせ、上記材料の降伏応力を下げることにより材料の亀裂感受性を減少させる。

次に、付加製造装置１０は付加製造により物体を形成する。連続した材料層がワーク領域２８に堆積されて材料ベッド２５を形成し、走査部２０により案内されたエネルギビームを使用して、各堆積層における部分が硬化され、先に硬化された層に融合される。各硬化部分は、形成される物体の特定の断面または２次元スライスに対応し、エネルギビームは、当該ＣＡＤモデルの幾何形状に従って材料ベッド２５上の特定の領域に案内される。

上述のように、走査部２０は、縮小された走査領域を有し、造形プラットフォーム１４の全長をＹ軸に沿った特定の位置から走査することはない。したがって、少なくともいくつかの層を硬化するために、（そのＣＡＤの幾何形状から取得された物体の２次元スライスである）個々の層は、より狭い２次元ストリップに分割される。次いで、その層の走査を完了するために、これらのより狭い２次元ストリップが、１度に１つずつ走査される。

個々の２次元ストリップを走査するために、走査部２０はＹ軸方向に連続的に移動する。制御システム３８は、位置センサ４３を使用して、第１の２次元ストリップに対してエンクロージャ３２内の開口部３４を通して走査できるように、走査部２０およびエンクロージャ３２が正しい位置にある時を検出し、走査を開始する。走査部２０の速度は、走査部２０およびエンクロージャ３２が走査されるストリップを通過してしまう前にストリップ全体を確実に走査することができるように、走査すべき輪郭およびハッチングラインを考慮して、各走査ストリップの走査時間に基づいて計算される。走査部が走査ストリップの走査を完了すると、制御システム３８は再び位置センサからの位置フィードバックを使用して、走査部２０およびエンクロージャ３２が所定の位置にあるときに、次の走査ストリップの走査を開始させる。このプロセスは、レイヤー全体が走査されるまで繰り返される。動作中の走査部が走査可能にするために、走査部は走査線の位置を補正するための位置センサフィードバックを連続的に使用してスキャナの位置を更新する。

ワーク領域に特定の材料層を堆積し、ストリップごとに特定の堆積層の一部を硬化した後、造形プラットフォーム１４は、上記の方法で硬化するため、ワーク領域２８にさらなる材料層を堆積させる前に、直線状の造形プラットフォームアクチュエータ２６を使用するとともに、Ｚ軸に沿って走査部２０から徐々に離れるように移動する。Ｚ軸に沿った造形プラットフォームの移動は、堆積される材料層の厚さに対応することとなるものであり、これは、造形プラットフォームの上に形成される材料ベッドの上面が走査部２０から一定の距離を維持するようにということである。

材料が堆積される方向および各層が走査される方向は、層間で交互となってもよい。一例として、（図１および図２に見られるように）第１の材料層を左から右へ堆積させることができる。層の一部が堆積されるとすぐに、走査部２０およびエンクロージャ３２は、左から右へＹ軸に沿って材料堆積装置１８を追従し、走査プロセスは、材料堆積装置１８がまだ粉末を堆積させている間に開始することができる。完全な層が走査されると、材料堆積装置１８はＹ軸に沿って右から左に移動して反対方向に材料を堆積することができる。この場合もやはり、層の一部が堆積されるとすぐに、走査部２０およびエンクロージャ３２は材料堆積装置１８を追従し、層を右から左に走査することができる。このプロセスは、全ての層が処理されるまで続けられてもよい。

走査方向が変化し、走査部２０およびエンクロージャ３２は常に材料堆積装置１８をたどるので、材料堆積装置１８とエンクロージャ３２とは互いに行き違う必要がある。これを可能にするために、材料堆積装置１８およびエンクロージャ３２は異なるリニアレール上に取り付けられており、異なる機構により作動される。材料堆積装置１８はエンクロージャレール３６の下のレール４７に配置され、そして、エンクロージャ３２は、材料堆積装置１８とのクリアランスを設定するためエンクロージャ３２をＺ軸に沿って上方に変位させる垂直変位機構４９に結合されており、ワーク領域２８を横切って材料を堆積させるときには、エンクロージャ３２と材料ベッド２５との間を通過する。

走査部２０は、ある時点で特定の２次元ストリップに収まって形成される物体の輪郭または周辺を走査でき、また、周辺に収まる物体の部分、あるいはその逆の場合に走査できる。

第２の実施形態としてＡＭ装置６０（付加製造装置）を図４に示す。ＡＭ装置６０は、図１および図２の付加製造装置１０と実質的に同様であり、同様の構成要素、領域および要素を示す場合は同様の参照番号が使用されている。

付加製造装置６０は、走査部２０と造形プラットフォーム１４との間に配置されたビームカバー６２を含むという点で、図１および図２の付加製造装置１０とは異なる。ビームカバー６２は、その第１の端部６４においてエンクロージャ３２と一体的に形成されている一方で、その第２の端部６６において走査部２０のビーム出口領域と取り付けられている。

ビームカバー６２は、走査部２０により提供されるエネルギビーム、および上述の縮小された走査領域を外部環境（例えば、塵埃および他の粒状材料）から隔離するように、実質的に構成されている。

付加製造装置６０はさらに、エンクロージャ３２がエンクロージャレールによりＹ軸に沿って移動しないという点で、図１および図２の付加製造装置１０とは異なる。代わりに、エンクロージャ３２およびビームカバー６２が一体的に形成され、ビームカバー６２が走査部２０に取り付けられているため、走査レール３０に沿って走査部２０が移動すればビームカバー６２とエンクロージャ３２が同時に移動し、これにより、ビーム経路２７がエンクロージャ３２の開口部３４と常に一致することが保証されている。

層間で走査方向を変えるときに材料堆積装置１８とエンクロージャ３２とが衝突しないようにするため、このエンクロージャは、材料堆積装置１８をエンクロージャ３２の下に通過させるように、Ｚ軸方向に作動され得る。ビームカバー６２は、エンクロージャ３２がビームカバー６２の内側に動くスライド配置を実現することにより、または、エンクロージャ３２がＺ軸を動くときに変形可能な柔軟なビームカバーを用いることにより、この動きを可能にする。

第３の実施形態としてＡＭ装置６１（付加製造装置）を図５に示す。ＡＭ装置６１は、図１および図２の付加製造装置１０と実質的に類似しており、同様の構成要素、領域および要素を示す場合は同様の参照番号が使用されている。

この実施形態では、２つの材料堆積装置１８Ａおよび１８Ｂが使用され、材料堆積装置１８Ａおよび１８Ｂはエンクロージャ３２の両側に設けられている。２つの材料供給装置１９Ａおよび１９Ｂが用いられ、これらは造形プラットフォーム１４の向かい合う側にある。このように、材料堆積装置１８Ａおよび１８Ｂは、走査部２０およびエンクロージャ３２が材料ベッド２５を横切ると材料を堆積する。この構成では、材料の堆積と材料の硬化は並行して行われる。走査部２０が左から右へ移動する場合は、右側の材料堆積装置１８Ｂが材料を堆積する。走査部２０が右から左へ移動する場合は、左側の材料堆積装置１８Ａが材料を堆積する。左側の材料堆積装置１８Ａには左側の材料供給装置１９Ａにより材料が補充され、右側の材料堆積装置１８Ｂには右側に材料供給装置１９Ｂにより材料が補充される。エンクロージャ３２は、Ｙ軸移動のためにそれ自体の専用ガイドレール（図示せず）に取り付けられてもよく、または上述のように走査部２０に取り付けられてもよい。

第４の実施形態としてＡＭ装置６３（付加製造装置）を図６に示す。ＡＭ装置６０は、図１および図２の付加製造装置１０と実質的に同様であり、同様の構成要素、領域および要素を示す場合に同様の参照番号が使用されている。

この実施形態では、２つのレールに取り付けられた堆積装置１８Ｃおよび１８Ｄが使用されており、これらはエンクロージャ３２の向かい合う側に取り付けられている。２つの材料供給装置１９Ｃおよび１９Ｄが使用され、これらは造形プラットフォーム１４の向かい合う側にある。この構成では、左側の材料堆積装置１８Ｃは、走査部２０が右から左に移動するときに材料を堆積するために使用され、左側の材料供給装置１９Ｃにより材料が補充される。右側の材料堆積装置１８Ｄは、走査部２０が左から右に並進移動するときに材料を堆積し、右側の材料供給装置１９Ｄにより材料が補充される。

この実施形態では、材料堆積装置１８Ｃおよび１８ＤがエンクロージャをＹ軸に沿って行き違いさせる必要がないので、エンクロージャ３２はＺ軸に沿って作動されない。

第５の実施形態としてＡＭ装置７０（付加製造装置）を図７および図８に示す。ＡＭ装置７０は、図１および図２の付加製造装置１０と実質的に同様であり、同様の構成要素、領域および要素を示す場合に同様の参照番号が再び使用されている。

ＡＭ装置７０は、Ｚ軸に沿って走査部２０の真下に配置されたカバープレート７２を含むという点で図１および図２の付加製造装置１０とは異なる。カバープレート７２は、ほぼ平面状であり、材料ベッド２５に対して平行に延びている。

カバープレート７２は、走査部２０の本体を分離し、よって、光学チャンバ７３を、物体が動作上形成されている処理チャンバ７４から分離している。

光学システムの機能は、高温下および空気中の汚染物質の存在下で、悪影響を受けて損傷が発生することが知られており、そのいずれもが処理チャンバ７４内に存在する可能性がある。カバープレート７２は、走査部２０のビーム出口領域を確実に開いたままにして材料の走査を可能にしながら、光学チャンバ７３を処理チャンバ７４から分離するように構成されている。カバープレート７２は、走査部２０の左右にある２つの別々の薄いシート材料からなり、それらは走査部２０において互いに接続されている。各材料シートは、走査部がカバープレート機構７６に向かって移動すると、カバープレート機構７６に巻き取られ、走査部２０がカバープレート機構７６から離れると機構７６から繰り出される。巻き取りおよび繰り出しは、コイルばねを使用することにより、あるいはシートを能動的に巻き取りまたは繰り出しするためのモータを使用することにより実現できる。

カバープレート７２の縁部は、処理チャンバ７４と光学チャンバ７３との間の分離を保証するために、Ｙ軸に沿ってシールを有する長手方向カバープレートガイド７８の内側を走っている。シールはまた、カバープレート７２が動作中に水平位置に維持されることを保証する。

図７および図８のＡＭ装置７０はまた、付加製造装置１０のエンクロージャ３２の代わりにストリップ４８に近接して加熱及び抽出装置７７を含むという点で図１および図２の付加製造装置１０とは異なる。加熱及び抽出装置７７は、走査されている領域内の材料の局所的な加熱を可能にし、それは加熱部２２の必要性または付加を不要とし、それによりエネルギ容量および／またはＺ方向の材料の熱勾配を減少させる。熱勾配を減少させることは、微細構造制御を可能にし、そして熱により誘発される残留応力を減少させ得る。本発明の実施形態による加熱配置は、以下により詳細に説明される。

加熱及び抽出装置７７は、図１および図２のエンクロージャ３２と同じ方法で（すなわち、水平ガイドレールにより）走査部２０と共にＹ軸に沿って移動可能である。

第６の実施形態としてＡＭ装置１５０（付加製造装置）を図９および図１０に示す。ＡＭ装置１５０は、図１および図２の付加製造装置１０と実質的に同様であり、同様の構成要素、領域および要素を示す場合に同様の参照番号が再び使用されている。

ＡＭ装置１５０は、エンクロージャ３２を含まないという点において図１および図２の付加製造装置１０とは異なる。代わりに、ＡＭ装置１５０は、走査領域（すなわち、走査されているストリップ４８内の領域）から蒸気、スパッタなどを抽出するための抽出装置１５２を含む。

抽出装置１５２は、図１０に最もよく示されているように、上面視が長方形であってストリップ４８または走査領域の周りに延材するフレーム部材１６０を含む。２つの上方に延びる抽出部材１６２、１６４がストリップ４８または走査領域に向かい合う側でフレーム部材１６０に取り付けられている。各抽出部材１６２、１６４は、その下端に、ストリップ４８または領域に直接隣接する細長い抽出開口またはノズル１７０、１７２を画定し、その上端に円形の抽出口１６６、１６８を画定する。抽出口１６６、１６８は、使用時には可撓性ホース（図示せず）を介して抽出ポンプ（図示せず）に接続されている。抽出部材１６２、１６４は、ビーム経路から離れた走査領域から蒸気および／またはスパッタを抽出するように構成される。抽出部材１６２、１６４は、同時に作動してもよく、または抽出部材１６２、１６４のうち１つのみが特定の時点で作動してもよい。

典型的には、抽出装置１５２が動かされているとき、その先導側から離れる抽出方向で蒸気／スパッタを抽出することが望ましい。これを連続的に達成するために、走査部２０および抽出装置１５２の移動方向の変化に従って抽出方向は、逆にすることができる。言い換えれば、走査部２０を一方向に移動させるとき、抽出部材１６２は作用可能であり、抽出部材１６４が非アクティブであり得る。走査部を別の方向（この場合は反対方向）に移動させるとき、抽出部材１６４は作用可能であり、抽出部材１６２が非アクティブであり得る。抽出はノズル１７０、１７２を通して行われ、蒸気／スパッタは抽出口１６６、１６８を通して放出される。これにより、使用時に抽出方向が走査領域から離れることを保証できる。

したがって、抽出装置１５２は、ストリップ４８または走査領域の両側にガス抽出システムを提供し、ガス流は、走査領域において円形の抽出口１６６、１６８から細長い抽出ノズル１７０、１７２へと均等に分配され、これにより、ビーム経路と干渉しないで、ストリップ４８からの抽出が行われる。

抽出装置１５２は、２対のガイドレールを含む移動装置により、造形プラットフォーム１４に対してＹ方向およびＺ方向に移動可能である。具体的には、抽出装置１５２のフレーム部材１６０は、図９および図１０に示すように、一対のＹ軸ガイドレール１５８および一組のＺ軸ガイドレール１５６に取り付けられている。このようにして、抽出装置１５２を水平またはＹ方向に移動させて、抽出装置１５２を走査部２０と確実に一致させたままにすることができる。さらに、抽出装置１５２は、上述のように、使用中に材料堆積装置１８の移動が妨げられないように、独立してＺ方向に上下に移動することができる。抽出装置１５２は、リニアアクチュエータ（図示せず）により動作可能に動かされる。

第７の実施形態としてＡＭ装置１８０（付加製造装置）を図１１および図１２に示す。ＡＭ装置１８０は、図１および図２の付加製造装置１０と実質的に同様であり、同様の構成要素、領域および要素を示す場合に同様の参照番号が再び使用されている。

ＡＭ装置１８０は、エンクロージャ３２を含まないという点で図１および図２の付加製造装置１０とは異なる。代わりに、ＡＭ装置１５０は、図９および図１０を参照して説明したように抽出装置１５２を含む。ＡＭ装置１８０は、抽出装置１５２の内面に固定された赤外線加熱装置１８２をさらに含み、走査されている領域内の材料の局所的な加熱を可能にし、加熱部２２の必要性を取り除き、それによりエネルギ容量および／またはＺ方向の材料の熱勾配を減少させる。加熱装置１８２は、抽出装置１５２と共にＹ軸およびＺ軸に沿って移動するように固定されている。加熱装置１８２のような加熱装置の特徴は以下により詳細に説明される。

図７および図８を参照して説明したように、ＡＭ装置１８０は、走査部２０の本体を分離するカバープレート７２をさらに含むため、光学チャンバ７３と物体を動作可能に形成する処理チャンバ７４とを分離する。

第８の実施形態としてＡＭ装置８０（付加製造装置）を図１３に示す。この実施形態では、走査部８４がＹ軸方向で静止している間に、造形プラットフォーム８２および処理チャンバ８６内の他の構成要素の移動により、造形プラットフォーム８２および走査部８４がＹ軸に沿って相対的に移動するように構成されている。

言い換えれば、走査部８４は、固定的に取り付けられている一方で、造形プラットフォーム８２は、Ｙ軸に沿って移動可能であって、ワーク領域８８に堆積された材料の各層がストリップ毎に走査されることを可能にする。

この実施形態では、造形プラットフォーム８２、加熱ユニット９０、材料容器９２、および造形プラットフォームアクチュエータ９４は、Ｙ軸に沿って動作可能に移動するように造形プラットフォームレール９６に取り付けられている。走査部８４、ビームカバー９８、エンクロージャ１００、材料堆積装置１０２、および材料供給機構１０４は、処理チャンバ８６の壁に固定的に取り付けられている。

この実施形態では、２つの材料堆積装置１０２および２つの材料供給機構１０４が使用されている。造形プラットフォーム８２が右方向に移動する間に左側の材料堆積装置１０２が材料を堆積し、造形プラットフォーム８２が左方向に移動する間に右の材料堆積装置１０２が材料を堆積する。走査部８４は、材料堆積装置１０２が材料を堆積している間に材料を走査できる。

比較的敏感な光学系（すなわち走査部８４）を定位置に固定する一方で、より堅牢な構成要素（造形プラットフォームなど）をその光学系に対して動作可能に動かすことは、有利であり得ることが分かった。

第９の実施形態としてＡＭ装置１０５（付加製造装置）を図１４および図１５に示す。本実施形態において、走査部１０６およびエンクロージャ／ビームカバー１０７は、二軸のガントリーシステム１０８に取り付けられている。ガントリーシステム１０８は、走査部１０６をＸ軸およびＹ軸に沿って移動させることを可能にする一対のＸ軸レール１０８Ａおよび一対のＹ軸レール１０８Ｂを提供する。これは、走査部１０６が造形プラットフォーム１０９に対してＹ軸に沿って移動可能であるだけではないという点で上述の実施形態と異なる。

同様の性能を備えるために、走査部、エンクロージャおよび材料堆積装置が定位置に据え付けられる一方で、造形プラットフォーム１０９がＸ軸およびＹ軸に沿って移動可能であってもよいことを理解されたい。

図１５に最もよく示されるように、この構成により、造形プラットフォーム１０９をＸ軸に沿って拡大することが可能になる。走査部１０６をＸ軸に沿って平行移動させることにより、造形プラットフォーム１０９の異なる部分１０９Ａおよび１０９Ｂを走査することができる。

第１０の実施形態としてのＡＭ装置１３０（付加製造装置）を図１６および図１７に示す。ＡＭ装置１３０は、図１４および図１５の付加製造装置１０５と実質的に類似しており、同様の構成要素、領域および要素を示す場合には同様の参照番号が使用されている。しかしながら、本実施形態においては、造形プラットフォーム１３２は、図１４および図１５の実施形態のように、Ｘ－Ｙ平面内で長方形ではない。代わりに、造形プラットフォーム１３２はＸ－Ｙ平面内で弓形である。この形状は主に例として示されていること、およびいくつかのカスタム構成を使用できることを理解されたい。そのようなカスタム構成は、ある装置がある特定の種類の形状を作り出すことを常にあるいは殆どの場合に要求されるという場合に利点を有すると考えられる。例えば、航空宇宙産業では、航空機の胴体内のリブは通常、（航空機の胴体の直径により定義される）共通の半径を有するかなり細長い部品である。これらの部品については、矩形の造形プラットフォームは、これらの部品の形状を許容するために比較的大きくならなければならず、よって、理想的なソリューションとならないかもしれない一方で、Ｘ軸およびＹ軸の間の同期動作が造形プラットフォームにおおけるカスタム形状の走査を可能とする点において、ガントリーに設けられた走査部は、これらのタイプの部品をより効率的に製造可能である。

第１１の実施形態としてのＡＭ装置１９０（付加製造装置）を図１８および図１９に示す。ＡＭ装置１９０は、図１６および図１７のＡＭ装置１３０と実質的に同様であり、同様の構成要素、領域、および要素を指すのに同様の参照番号が使用されているが、ＡＭ装置１９０は、エンクロージャ／ビームカバー１０７を欠く点が異なり、代わりに、図９および図１０を参照して説明したような、独立して移動可能な抽出装置１５２を組み込んでいる。

図２０から図２５は、本発明によるＡＭ装置を使用するときに採用することができる走査方式を示している。

通常、走査方式は、輪郭（部品のエッジ）を走査するために使用される線分（開始座標と終了座標を含む）と（この輪郭の内側の領域を埋めるための）ハッチングラインから構成される。

図２０は、そのＣＡＤの幾何形状から得られた部品の２次元スライス１１０を、より小さい２次元ストリップ１１２～１１９に分割できることを示している。ストリップ１１２～１１９の寸法は、固定でも可変でもよいことを理解されたい。

部品のスライス１１０は、走査部、造形プラットフォーム、およびエンクロージャまたはビームカバーなどの他の構成要素が、相対的に移動しながら各ストリップ１１２～１１９を別々に走査することにより走査される。加熱システムおよび抽出システムは、走査部および／または造形プラットフォームと一緒に／同時に移動してもよい。

図２１は、各ストリップ１１２～１１４に対する例示的な走査パターンを示す。各ストリップの輪郭１２０およびハッチングライン１２２は、図２１のストリップ１１２に示すように、次のストリップが走査される前に完了する。

すべての関連するハードウェア要素（例えば、走査部、エンクロージャ、加熱および抽出システム）が正しい位置にある前にストリップが走査されないことを保証するために、位置検出装置（例えば位置エンコーダ）が使用されてもよく、それにより、走査部がエンクロージャおよび／または他の機構要素により形成される縮小領域のみを走査することが保証される。

ストリップ１１２および１１３を参照して例示的な走査シーケンスを図２２に示す。図２２に示すように、各ストリップの輪郭が最初に走査され、続いてそのストリップのハッチングラインが走査される。次のストリップは、前のストリップが完了したときにのみ走査される。輪郭は、ハッチングラインの前、後、またはその前後に走査され得ることに留意されたい。

ハッチングラインは、Ｘ－Ｙ平面内において様々な角度で走査され得る。全てのストリップのハッチングラインは、図２３に示すように、実質的に平行であってもよく、異なるストリップのハッチングラインは、図２４に示すように、異なる角度で推移してもよく、そして／または、図２５に示すように、ハッチングラインの角度は同じストリップ内で変化してもよい。後続の層の重なり合う領域におけるハッチングラインもまた異なる角度をなしていてもよい。

第１２の実施形態としてのＡＭ装置２１０（付加製造装置）を図２６に示す。ＡＭ装置２１０は、図７および図８を参照して説明したＡＭ装置７０と実質的に類似しているが、特に本発明の実施形態による加熱配置に関して所定の態様を強調するため、装置２１０を以下により詳細に説明する。

ＡＭ装置２１０は、造形プラットフォーム２１４、材料容器２１６、材料堆積装置２１８、材料供給装置２１９および造形プラットフォーム２１４の上方にＡＭ装置２１０のＺ軸に沿って離間した２次元走査部２２０を収容するハウジング２１２を含む。

ハウジング２１２は密閉されたエンクロージャであり、上述のように制御された処理環境を提供するために使用されてもよい。

造形プラットフォーム２１４は、概して平面状であり、造形プラットフォーム２１４の下に配置された一対のリニア造形プラットフォームのアクチュエータ２２２の形におけるプラットフォーム変位装置により、Ｚ軸に沿って垂直方向に変位可能である。造形プラットフォームのアクチュエータ２２２はＡＭ装置２１０のＹ軸に沿って離間している。

材料堆積装置２１８は、使用時に、造形プラットフォーム２１４の上方に画定されたワーク領域２２４を横切って移動し、造形プラットフォーム２１４上に粉末材料の層を堆積させて材料ベッド２２６を形成するように構成される。材料供給装置２１９は、層間において粉末材料を材料堆積装置２１８に補充するように構成されている。各堆積層の厚さは、通常、３０μｍから１０００μｍ程度である。材料容器２１６は、Ｘ－Ｙ平面において、造形プラットフォーム２１４の周りに延材する。材料容器２１６は、断熱材料により断熱された側壁２１７を有する。

断熱材料の層２２１も造形プラットフォーム２１４の下に設けられている。さらに、補助加熱部２２３が造形プラットフォーム２１４と層２２１との間に配置されている。補助加熱部２２３は、間隔を置いて配置された複数の加熱体２２５を含む。加熱体２２５は、抵抗加熱素子または誘導加熱素子であってもよい。加熱体２２５は、Ｘ－Ｙ平面内に格子を形成するように配置されている。

ＡＭ装置２１０はさらに、平行であって垂直方向に離間してＹ軸に沿って延材する一対の走査レール２３０を含む移動装置を含み、走査部２２０は移動可能に取り付けられている。

以下から明らかになるように、走査部２２０は検流計スキャナを含み、ワーク領域２２４内に堆積された粉末材料を固体物体に硬化するために、レーザビームの形態のエネルギビームを導くように構成される。レーザビームのビーム経路２３２が図２６に示されている。

走査部２２０は、エネルギ源結合部２３４でファイバ供給レーザ（図示せず）の形態のエネルギ源に結合されており、動作中に連続走査で使用するように構成されている。使用中、材料ベッド２２５に対する走査部２２０の位置は、移動中にリニアエンコーダ（図示せず）により継続的に測定される。位置データは、走査部２２０の制御システム（図２７に示す）に供給され、制御システムは、位置情報に基づいて走査パターンを制御／補正し、レーザビームは、正確に材料を硬化するように案内される。これにより、走査部２２０は動作中に必要な走査パターンを走査できる。これらの態様は、以下でさらに詳細に説明される。

走査部２２０は、いわゆる「縮小走査領域」を走査するためのエネルギビームを供給するように構成されている。そのような走査領域（「Ｓ」）は、図３３、３４、３７、３９および４０に最もよく示されている。したがって、走査部２２０は、Ｙ軸に沿った所定の位置にある場合、Ｘ－Ｙ平面内のワーク領域２２４の一部であって、実質的にそれよりも小さく形成されるものであって、また、材料ベッド２２６の表面２３６により画定される材料領域よりも実質的に小さい、２次元走査領域を走査できる。特に、走査領域は、材料ベッド２２６のＹ方向の長さよりも実質的に狭い一方で、材料ベッド２２６の表面２３６のＸ方向の全幅に亘って広がってもよく、それにより、相対的に高いアスペクト比で領域を形成してもよい。そのような材料領域（「Ｍ」）もまた図３３、３４、３７、３９および４０に最もよく示されており、これらの態様は以下により詳細に説明される。

ＡＭ装置２１０は、走査部２２０と造形プラットフォーム２１４との間に配置された予熱装置２３８をさらに含む。予熱装置２３８は、２組の赤外線ランプ２４２と、この赤外線ランプ２４２からの放射を、本実施形態においては走査部２２０の走査領域と一致する予熱領域に、集束させるように構成された反射装置２４４とを含む。

赤外線ランプ２４２は、動作中に走査部２２０からのエネルギビーム２３２がランプ２４２と反射装置２４４との間を通過するように、走査領域の両側に取り付けられる。反射装置２４４は、走査領域の両側に１つずつの、２つのミラーにより設けられる。各ミラーは、Ｙ－Ｚ平面で見たときに、楕円形の頂点領域２５０を有し、その下にランプ２４２のうちの１つが配置されている。

反射装置２４４は、走査部２２０のエネルギビーム２３２がミラー間の予熱装置２３８を介して材料ベッド２２６上に通過することを可能にする中央の開口部２４６を画定するように形成されている。

予熱装置２３８は、操作中に発生する蒸気およびスパッタを抽出するために、一方のミラーの下側に配置された抽出口２４８およびガス出口２４９の形態の一体型抽出装置を含む。予熱装置２３８の構成要素および機能は、以下でさらに詳細に説明される。

予熱装置２３８は、平行で水平方向に間隔を置いてＹ軸に沿って延びるように配置された一対の加熱ガイドレール２４０に取り付けられている（一方のレールは断面図であるので図２６では見えない）。

移動装置はさらにリニアアクチュエータ（図示せず）を含む。リニアアクチュエータは、走査部２２０および予熱装置２３８が垂直方向に整列した状態でエネルギビーム２３２が予熱装置２３８の中央の開口部２４６を通過することができるように、走査部２２０および予熱装置２３８を走査レール２３０および加熱ガイドレール２４０に沿ってそれぞれ同時に移動させるように構成されている。

この例では、開口部２４６の長さは、レーザビームを材料ベッド２２６上に案内されることを保証するために、走査ストリップの長さ（６００ｍｍ）と同じである。走査部２２０の移動中に予熱装置２３８とビーム経路２３２とが干渉することなくストリップが完全に走査されることを保証するために、開口部２４６の幅は、走査ストリップの幅の少なくとも２倍であることが好ましいことが分かった。この例では、開口部２４６の幅は５０ｍｍである。

走査方向を変えることができ、走査部２２０と予熱装置２３８は材料堆積装置２１８に追従するので、材料堆積装置２１８と予熱装置２３８は通常互いに行き違う必要がある。これを可能にするために、材料堆積装置２１８および予熱装置２３８は異なるリニアレール上に取り付けられ、異なる機構により作動される。材料堆積装置２１８がワーク領域２２４を横切って材料を堆積させる場合に予熱装置２３８と材料ベッド２２６との間を通過するための間隙を設けるため、材料堆積装置２１８は予熱装置２３８のレール２４０の下のレール２４７に取り付けられ、予熱装置２３８はさらにＺ軸に沿って予熱装置２３８を上方に変位させるように構成された垂直変位機構２５１に結合される。

他の実施形態では、走査部２２０および予熱装置２３８は、Ｙ軸に沿って相対的に移動可能であり得ることを理解されたい。このような場合、使用時に、走査領域が予熱装置２３８の予熱領域と一致するように、走査部２２０および予熱装置２３８を適切なときに整列してもよい。

ＡＭ装置２１０は、制御システム２５２をさらに含む。制御システム２５２の機能構成要素を図２７に示す。

制御システム２５２は、走査パターン生成器２５３、プロセッサ２５４、コントローラ２５５、予熱温度センサ２５６Ａ、補助システムセンサ２５６Ｂおよび位置センサ２５７を含む。図２７は、走査部２２０、予熱装置２３８、補助システム２５８、およびリニアアクチュエータ２５９も示しており、これらはすべて制御システム２５２に通信可能に接続されている。

走査パターン生成器２５３は、走査される部分のＣＡＤデータに基づいた、またはそれに関連付けられた、各層およびストリップに対して走査すべき走査パターンを生成するように構成される。

プロセッサ２５４は、走査パターン生成器２５３から走査パターンデータを受け取り、走査パターンデータをコントローラ２５５に送り、コントローラ２５５からフィードバックを受け取り、補助システム２５８および予熱装置２３８を制御し、予熱温度センサ２５６Ａおよび補助システムセンサ２５６Ｂからのフィードバックを受け取り、コントローラ２５５、予熱温度センサ２５６Ａおよび補助システムセンサ２５６Ｂからのフィードバックを制御命令に処理する。

コントローラ２５５は、ＡＭ装置２１０の走査部２２０およびリニアアクチュエータ２５９を制御し、位置センサ２５７から位置フィードバックを受け取り、位置フィードバックを移動命令および走査命令に処理し、プロセッサ２５４にフィードバックを提供するように構成される。

次に、走査部２２０は、コントローラ２５５から走査命令を受信し、使用時に、エネルギビームを材料ベッド２２６上に制御／案内／方向付けして輪郭およびハッチングラインを走査するように構成されている。

リニアアクチュエータ２５９は、コントローラ２５５から移動命令を受信し、走査部２２０が走査している間に走査部２２０および予熱装置２３８を移動させるように構成される。

予熱温度センサ２５６Ａは、材料ベッド２２６の表面２３６の温度を測定してプロセッサ２５４にフィードバックを提供するように構成されている。

補助システムセンサ２５６Ｂは、ＡＭ装置２１０の補助システム２５８の状態に関するフィードバックをプロセッサ２５４に提供するように構成される。実施形態に応じて、補助システム２５８は、材料堆積装置、抽出システム、造形プラットフォーム作動装置、プロセス監視制御システム、層品質監視システム、および雰囲気制御ユニットのうちの１つ以上を含むことができる。

位置センサ２５７は、造形プラットフォーム２１４に対する走査部２２０の位置を決定することができる位置エンコーダを含む。位置センサ２５７は、位置フィードバックをコントローラ２５５に送信するように構成される。

上述の移動装置は、造形プラットフォーム２１４がＹ軸方向に静止している間に、走査部２２０および予熱装置２３８を移動させることを可能にする。このようにして、予熱装置２３８の予熱領域と走査部２２０の走査領域とは、表面２３６により画定された材料領域を横切って同期して移動することができる。

使用時において、材料堆積装置２１８を用いて造形プラットフォーム２１４上に材料の層を堆積させて材料ベッド２２６を形成する。各層が堆積された後、または層が堆積されている間、堆積された層の一部は予熱装置２３８を用いて予熱され、走査部２２０を用いて走査される。一体型抽出装置は、走査領域から蒸気とスパッタを連続的に抽出する。硬化された部分のそれぞれは、形成されるべき物体の特定の断面または２次元スライスに対応することを理解されたい。

ＡＭ装置２１０は、材料領域全体を走査部２２０で走査されないか、または予熱装置２３８で一度にまたは同時に予熱されないように構成される（すなわち、領域全体を同時に走査し加熱することができない）。代わりに、ＡＭ装置２１０は材料領域を複数の２次元ストリップに分割するように構成され、各ストリップは走査領域のそれに等しい領域を有する。したがって、予熱装置２３８は材料領域を横切って移動して材料領域を連続的に予熱し、エネルギを走査領域に集束させ、残りの材料領域には集束させないように構成されている。走査部２２０は、予熱装置２３８および走査部２２０がＹ軸に沿って移動している間に、ストリップに含まれる材料を連続的に硬化するために使用される。予熱装置２２３（補助加熱部）は、完全な材料ベッド２２６を所定の温度に予熱し、予熱装置２３８が走査領域を横切って温度をさらに上昇させるのを可能にするために使用される。場合により、予熱装置２３８は予熱装置２２３（補助加熱部）を不要にする。

予熱装置２３８は、走査領域に堆積した材料をその融点より低い温度に加熱する。これは、材料を溶融するためにエネルギ源から必要とされる投入エネルギがより少ないので、潜在的に生産速度を増加させるという利点を有する。さらに、そしてより重要なことに、それは形成される材料中の残留応力を減少させるという利点を有する。例えば、あるチタン合金の応力緩和は摂氏４８０度から摂氏６５０度の間で起こる一方、合金は摂氏１６０４度から摂氏１６６０度の間でのみ溶融する。したがって、摂氏４８０度を超える予熱が材料ベッド２２６に加えられると、急速凝固プロセス中に発生する熱応力が軽減されるであろう。

特定の材料層を堆積し、堆積した層をストリップごとに硬化した後、硬化のためのさらなる材料層を堆積する前に、造形プラットフォーム２１４をＺ軸に沿って漸進的に下げる。Ｚ軸に沿った造形プラットフォーム２１４の移動は、堆積される材料層の厚さに対応することとなるものであり、これは、材料ベッド２２６の表面２３６が走査部２２０および予熱装置２３８から一定の距離を維持するようにということである。

走査部２２０は、ある時点で特定の２次元ストリップに収まって形成される物体の輪郭または周辺を走査でき、続いて、既に述べたように、周囲に収まる物体の部分を走査できる。

走査部２２０は、Ｘ軸またはＹ軸に対して斜めの経路に沿って走査してもよい。代替の実施形態では、予熱装置２３８はＸ－Ｙ平面内で角度的に変位可能であり得る。例えば、予熱装置２３８は、走査領域がＸ－Ｙ平面に沿って延びる方向を変えるために、連続する層の間で４５度回転させることができる。このようにして、異なる層のハッチングラインを異なる角度で走査することができる（すなわち、「クロスハッチング」である）。これは部品の均一性および／または他の材料特性を改善することができる。

本発明の実施形態において採用され得る様々な加熱配置構成が、図２８から図３８に示されている。

図２８～図３０は、走査部２６０および予熱装置２６２を示しており、これらは図２６を参照して説明したものと実質的に同様である。予熱装置２６２は、２つの略楕円形ミラー２６４と２組の赤外線ランプ２６６とを含み、上述のように、走査部２６０のエネルギビーム２７０が予熱装置２６２を通過して材料ベッド（図示せず）の表面２７２上に通過することを可能にする中央開口２６８を画定する。

図３１および図３２は、予熱装置２７４、２７６を、付加製造装置のほぼＸ軸に沿って延びる１つまたは複数の集束領域に放射線を供給して集束させるように成形および寸法設定することができる方法を示している。

図３１において、予熱装置２７４のランプ２７８および反射器２８０は、集束領域２８２が走査領域の幅の中心に沿って延びるＸ軸に沿った狭いストリップ（したがってＹ軸に沿った点として示される）であるように構成される。さらに、走査部は、エネルギビーム２８４を最も高い予熱温度を有する材料ベッド上の領域であるこの集束領域２８２に導くように構成される。

図３２において、予熱装置２７６のそれぞれのランプ２８６および反射器２８８は、方向矢印２９０により示されるように、Ｙ軸に沿って移動可能であり、それらのそれぞれの集束領域２９２、２９４の位置をＹ軸に沿って調整可能であり、一方で走査部のエネルギビーム２９６が予熱装置２７６を通過することを可能にしたままである。図３２に示す例では、エネルギビーム２９６は、間隔をあけて配置された集束領域２９２、２９４の間のゾーンに導かれ、上記の点よりも広い（図３１参照）。

図３３の予熱装置２９８は、平らで直立した側面反射器３００を含む。典型的には、加熱装置２９８は楕円形反射体３０２の各面に１つずつこのような側面反射体を含む。１つまたは複数の側面反射体を使用すると、材料表面全体にわたってより均一に加熱され、抽出方法の効率が向上することが分かった。

図３４の予熱装置３０４は、楕円形の反射器３１０のうちの１つの下部領域に組み込まれた抽出口３０６およびガス出口３０８の形態の一体型抽出装置を含む。これにより、おそらく加熱と同時に、動作中に発生した蒸気およびスパッタの抽出が可能になる。

図３５の加熱装置３１２は、楕円形の反射器３１４の１つの下部領域に組み込まれており、走査領域の一方の側に配置された抽出口３１６およびガス出口３１８を含む抽出装置を有する。加熱装置３１２は、他方の楕円形の反射器３１４の下方領域に組み込まれ、走査領域の反対側にガス入口３１９を伴うノズル３１７をさらに有し、これは、ガスを走査領域に供給して抽出口３１６を介してエネルギビーム３２０から遠ざける。このＡＭ装置は、抽出口間またはノズルと抽出口との間のガスの流れの方向を調整するように構成された任意の適切な流れ制御手段を含み得る。

別の実施形態では、加熱装置は、楕円形の反射器のそれぞれの下部領域に、抽出口とガス出口と、ガス入口を有するノズルとを組み込んでもよい。そのような場合、付加製造装置は、加熱装置の移動方向および／または特定の期間中に走査が行われる方向に応じて、抽出口間で抽出を切り替えることができるように構成することができる。例えば、走査が左から右へ行われるとき、蒸気がエネルギビームから確実に引き出されるように、抽出を左から行うことができ、逆もまた同様である。

図３６の予熱装置３２２は、略円筒形のスリーブ３２８により楕円形の反射器３２６のうちの１つに取り付けられた少なくとも１つの温度センサ３２４を含む。センサ３２４は、材料ベッドの表面上の温度を測定するように構成されている。この例では、破線３３０で示されるように、走査領域の温度が測定される。予熱装置３２２の加熱レベルは、使用中に、温度センサ３２４により測定された温度に基づいて、連続的にまたは周期的に調整することができる。

図３７および図３８の例では、複数の予熱装置３３２、３３４、３３６が設けられ、予熱装置３３２、３３４、３３６はＡＭ装置のＸ軸に沿って間隔を空けて配置されている。図３８に最もよく示されているように、ランプを設置することを可能にするために、隣接する予熱構成はＹ軸に沿って互いに対してわずかにずれている。全ての予熱装置の集束位置がＸ軸に沿って整列することを保証するために、予熱装置は適宜回転されている。予熱装置は、Ｙ軸に沿って造形プラットフォームに対して一緒にまたは互いに独立して移動可能であってもよい。さらに、予熱装置のランプは一緒にまたは互いに独立して励起されてもよい。

図３９～４２は、本発明３４２の実施形態に従って設けられる走査領域Ｓおよびビーム経路Ｐと比較した、既存の付加製造装置３４０（図中で「従来技術」と記されている）に設けられ得る走査領域Ｓおよびビーム経路Ｐを示す。参考のために、走査部３４１およびエネルギ源カップリング３４３も示されている。

走査部３４１が固定されている既存の付加製造装置３４０の場合、ビーム経路Ｐにより画定される走査領域Ｓのサイズは通常、実質的に材料領域Ｍのサイズに対応し、典型的には円形または正方形の領域である。走査領域Ｓの寸法は、付加製造装置の光学的レイアウトに応じて変わり得るが、例えば３００ｍｍ×３００ｍｍ程度であり得る。有用な走査領域の寸法は、十分に小さいエネルギビームスポットサイズを維持する能力により制限される。レーザビームの場合、有用な領域はレーザビームの品質と集光光学系の限界により決まる。

光学レイアウトを変更することにより、上記の寸法を例えば６００ｍｍ×６００ｍｍに増大させることが可能であることが知られている。上述のように、本発明の走査領域は、材料ベッドの表面により画定される材料領域Ｍ全体を覆わないストリップの形になるように縮小される。この例では、ビーム経路Ｐにより形成されたストリップＳは、付加製造装置のＸ軸に沿って造形プラットフォームの全幅にわたって延びている。この例では、走査領域のサイズは６００ｍｍ×２０mmである。材料領域のサイズは、Ｙ方向にはるかに大きくすることができ、この例では１２００ｍｍである。したがって、Ｙ方向におけるシステムのサイズは、光学システムにより制約されるのではなく、機械的考察によりのみ制約される。したがって、使用において、層の予熱および硬化はストリップごとに行われる。

別の予熱装置３４４が図４３および図４４に概念的に示されている。参考のために、走査部３４５およびエネルギ源カップリング３４６も示されている。この実施形態では、予熱装置３４４は、（材料領域Ｍのサブセットを形成する）走査領域Ｓを照射するように構成されたダイオードレーザ３４７のアレイにより設けられる。レーザ３４７は、図４３に示すようにＸ軸に沿って配置され、ビーム整形光学系３４８と組み合わせて使用される。レーザビーム経路Ｌは、走査領域Ｓを画定する方法を説明するために示されている。

ダイオードレーザの比較的速いスイッチングおよび高いパワー密度は急速な加熱を提供することができ、そして比較的均一な予熱が起こるように、未硬化の粉末と既に硬化した粉末との間の熱伝導の差を最小にするのを助け得る。

本発明の実施形態は、既存の粉末ベッド溶融のＡＭプロセスおよび／またはＡＭで使用される構成要素に関連する問題の少なくともいくつかを改善すると考えられる。

２次元のスキャナおよび／または抽出装置および／または加熱装置および／または造形プラットフォームを設けることで、使用に材料ベッドの表面に対してほぼ平行な方向に相対的に移動させることができるという方法よりも多くの利点が得られる。

本発明を実施すると、ＡＭシステムのサイズ、そしてまたこのシステムで製造できる部品のサイズを劇的に増大させることができると考えられる。走査部および／または抽出装置および／または加熱装置および／または造形プラットフォームは、Ｙ軸に沿って機械的に動かすことができるが、必要に応じて追加の構成要素をＸ軸に沿って使用することができる。走査部および／または抽出装置および／または加熱装置をＸ軸に沿って作動させて、Ｘ軸に沿った造形容積を増大させるか、または独特の形状を作り出すことを可能にすることができる。場合によりは、走査部および／または抽出装置および／または加熱装置および／または造形プラットフォームは、Ｙ軸およびＸ軸に沿って機械的に移動することができる。

単一の走査部、ひいては単一のエネルギビームを使用することができるので、同じＡＭシステム内の異なる走査部間の重複領域に関連する問題は回避される。さらに、単一の走査部を使用すると、平均故障間隔が短くなり、したがって「スクラップ」部品を製造するリスクが減少すると考えられる。

ポリゴンタイプのスキャナの実装とは対照的に、２次元スキャナは、限定された走査領域内で輪郭を走査することを可能にし、図２０から図２５を参照して説明した方法を含むがこれに限定されない様々な走査方法を実施することができる。

図面には示されていないが、ＡＭ装置は、Ｘ軸に沿って離間してＹ軸に沿って造形プラットフォームに対して移動可能な複数の走査部（またはその逆）を含めることにより拡大することができ、これらは走査部自体が移動してもよいし、造形プラットフォームが移動してもよい。

従来の走査方法は、（特に輪郭に関して）広い領域を走査することを必要とし得る。そのような方法を採用する場合、予熱、蒸気抽出および／またはスパッタ除去を実行することは困難であり得る。本発明の実施形態では、走査領域が縮小され、走査される各層が複数のストリップに分割され、それらが１つずつ走査される。これにより、場合によっては、これらのシステムが走査部および／または造形プラットフォームとともに移動する場合、予熱、蒸気抽出およびスパッタ除去がより効率的、且つ、小さい距離に亘って実行される。

さらに、走査部の走査領域を減少させることにより、走査部と材料ベッドとの間に比較的大きい入射角を有することに関連する問題は、造形物の１方向について回避することができる。

本発明で使用される縮小走査領域は、いくつかのさらなる利点を有する。例えば、走査領域に近接している蒸気およびスパッタ除去システム、および／または予熱システムのような、局所抽出装置を導入することが可能であると考えられる。これらのシステムは、常に縮小された走査領域で機能しながら、走査部と同じ方法で造形プラットフォームに対して移動できる。

抽出および加熱システムは、それら自身のレールまたはガイドに取り付けることができる。これは、動きの方向を変える場合に有用であり得る。例えば、加熱が常に走査領域の前で行われるようにするなど、加熱領域は走査領域に対して移動させることができる。これはまた、蒸気／スパッタがビーム経路を通って抽出されないようにすることにより、抽出の方向が走査領域から離れることを確実にし得る。

例えば、走査部は第１のリニアガイドまたは移動装置に取り付けられ、個々の作動装置で作動される一方、抽出装置は第２のリニアガイドまたは移動装置に取り付けられ、異なる作動装置で作動されることが望ましい。その結果、走査部に対する抽出装置の位置を調整することができる。これは、左から右へ移動するときと右から左へ移動するときとで異なる要求を補償するために移動方向を変更するときに有利である。１つの利点は、例えば、加熱領域が常に走査部の走査経路において少し前方に確実に位置するために、加熱装置による加熱領域が、走査領域に対して相対的に移動可能であり、移動方向が独立し得ることである。よって、走査部の移動方向が左から右である場合、抽出装置は走査部のわずかに左側に配置することができ、逆もまた同様である。

これはまた、走査角度の変化を可能にし得るものであり、例えば、後方反射がＡＭ装置の選択肢を損なうというリスクを減らすために、粉末ベッドに対してわずかな角度、例えば約３度で走査することが有利であり得る。走査部と抽出装置とを互いにオフセットすることを可能にすることにより、走査部が常に粉末ベッドの面に対して垂直以外の角度で走査することを確実にすることが可能である。

さらに、走査部の走査領域が制限され、連続走査が採用されるので、走査部が所定のストリップを走査している間にワーク領域に原材料の層を堆積させることが可能であり、それによりＡＭシステムの全体効率が改善される。

本発明の実施形態は、集束されたエネルギ源により硬化されようとしている材料ベッドの表面を選択的に予熱するための放射エネルギ源をさらに提供する。走査領域（および予熱領域）は、材料領域よりも実質的に小さい２次元領域に縮小され、走査領域は動作中に材料領域上で並進移動することができる。

比較的小さな領域だけを加熱すればよいので、必要なエネルギは少ない。代替的に、または追加的に、同じ又は場合によっては、さらに低い全体のエネルギ入力により、より高い温度及び加熱速度を達成することができる。

本発明は、粉末ベッド面積全体とは対照的に比較的小さい面積のみを加熱することにより、付加製造装置の必要エネルギ量を低減し、予熱の効率を高めることができると考えられる。予熱されるべき領域と一致する材料ベッドの表面上の設置面を得ることで、適切な光学的または電磁気的技術を用いて放射線を集束させることができる。

本発明は、材料に対する加熱プロファイルの均一性の観点から、現在の表面加熱方法よりも有利であるとも考えられる。従来の表面加熱方法では、加熱機構はビーム経路と干渉することができず、したがって加熱機構は典型的には走査部の周囲に沿って配置される。提案された技術は、縮小された走査領域を利用し、予熱装置は粉末ベッド上においてＸ方向に均一に分配され、実質的に均一な加熱プロファイルを作り出す。

比較的小さい領域での高温予熱を利用することにより、硬化のために走査部から材料ベッドに伝達する必要エネルギ量が減少する。低減された必要エネルギ伝達量は、より短い相互作用時間、したがってより高い走査速度をもたらす。より高い温度もまた冷却速度を低下させる可能性があり、それは次に物体内の残留応力を低減させ、より延性のある微細構造を生成する可能性がある。高い予熱温度はまた、材料の応力緩和に影響を及ぼし、残留応力をさらに減少させる可能性がある。

硬化が行われている領域を選択的に加熱することには、未硬化粉末が高温にある時間を制限するので、明らかな利点があると考えられる。したがって、本明細書に記載の技術および構成は、歪み、多孔性および酸化などの材料の劣化および欠陥を低減することができる。

この方法はまた、材料の加熱と材料の硬化が並行して起こり、それによりプロセスの効率が向上するという利点もある。

さらに、特定の時点で加熱される原料が少なくなる。これにより、焼結や酸化の増加などの影響による原料の温度による劣化を低減または解消できる。結果として、より多くの未硬化の粉末をリサイクルに利用することができ、製造の全体的なコストを削減することができる。

付加製造装置へのより低い全体エネルギの入力により、その構成要素に対する熱負荷、したがってそれらの冷却要件が低減され得る。

伝統的なバルク加熱方法と提案された局所的表面加熱方法とを組み合わせることにも利点があることが分かった。局所予熱は加工が行われる温度を上昇させることができるが、バルク予熱は材料の特定の温度に達するために効果的に使用することができる。表面加熱は、底部から加熱するときに材料内で（Ｚ軸に沿って）予想される熱勾配を補償することができるので有利である。短時間の高温への局部加熱もまた、酸化のような予熱のいくつかの悪影響を減らし得る。

スパッタおよび蒸気除去を改善するために、走査方向に対して垂直に層状ガス流を供給することが望ましい。従来のシステムでは、走査は典型的には多方向性であり、流れは材料ベッド全体にわたって維持されるので、これは不可能であり得る。走査領域を高アスペクト比の領域に制限することにより、本明細書に記載されているような空気力学的抽出装置を走査領域に近接して取り付けることができ、それによりこれらのシステムの効率を改善できるので、この問題は解決できる。蒸気および／またはスパッタが発生する領域の近くに抽出装置を取り付けることにより、同様の抽出結果を達成するために必要な流量を減らすことも可能である。流速が速いと粉末材料が乱され、得られる部品の品質が低下し、粉末で雰囲気が汚染される可能性があるため、これは有利である。これらの技術を使用することにより、効果的な蒸気およびスパッタの除去を維持しながら材料表面のサイズを大きくすることが可能である。

Claims (26)

1. 付加製造装置であって、
   材料ベッドを形成するために材料が作用可能に堆積され、前記材料ベッドの表面が材料領域を画定する造形プラットフォームと、
   実質的に前記材料領域よりも小さく、前記材料領域の一部に形成される、前記材料ベッドの前記表面の走査領域において堆積した材料を硬化するように構成される走査部と、
   そして
   前記走査部と前記造形プラットフォームとの間に配置され、
   ２組の赤外線ランプおよび反射装置を含み、これらは前記材料領域の残りの部分ではなく実質的に前記走査領域において、前記赤外線ランプから前記材料ベッドの前期表面に対する放射を集束させるように構成されており、
   前記反射装置は、前記走査領域のそれぞれの側に１つずつの、２つのミラーを含み、
   そして、
   それぞれの前記ミラーは、前記付加製造装置のＹ－Ｚ平面で見たときに、楕円形の頂点領域を有し、その下に前記赤外線ランプのうちの１つが配置されていることにより、Ｘ軸に沿って延びる１つまたは複数の集束領域に放射線を供給して集束させるように成形および寸法設定されており、さらに、前記走査部からのエネルギビームが通過して前記材料ベッドの表面上に通過することを可能にする中央開口を画定する、
   予熱装置と、
   を備える付加製造装置。
2. 一方の前記造形プラットフォームと、他方の前記走査部および前記予熱装置とは、相対的に前記材料ベッドの前記表面に平行な方向に変位可能である、
   請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記走査部と前記予熱装置とは、前記予熱装置の予熱領域が前記走査領域と実質的に一致するように相対的に変位可能である、
   請求項１または２に記載の付加製造装置。
4. 使用時に生成される蒸気および／またはスパッタを抽出するための抽出口を有する少なくとも１つの抽出装置を含み、
   前記少なくとも１つの前記抽出口は、前記走査領域から蒸気および／またはスパッタが抽出できるように、前記予熱装置の一方側または両側に配置される、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の付加製造装置。
5. 前記抽出装置は前記予熱装置に取り付けられているか、または一体的に構成されている
   請求項４に記載の付加製造装置。
6. 前記抽出口は少なくとも１つの前記反射装置に配置されている
   請求項５に記載の付加製造装置。
7. 前記抽出装置は、前記反射装置に設けられた前記抽出口およびガス出口およびノズルおよびガス入口および流れ制御手段を含み、
   これらは、抽出口間またはノズルと前記抽出口との間のガスの流れの方向を調整するように構成されている、
   請求項６に記載の付加製造装置。
8. 前記走査領域が実質的に２次元のストリップの形態である、
   請求項１～７のいずれか一項に記載の付加製造装置。
9. 前記走査部は、前記堆積した材料を硬化するためのエネルギビームを供給または案内するように構成された２次元走査部である、
   請求項１～８のいずれか一項に記載の付加製造装置。
10. 前記造形プラットフォームと前記走査部とを相対的に移動可能にする移動装置を含む、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の付加製造装置。
11. 前記走査部と前記予熱装置とは相対的に固定されており、
    一方の前記走査部および前記予熱装置と、他方の前記造形プラットフォームとは、前記材料ベッドの前期表面と平行な方向において相対的に変位可能であり、それにより前記走査領域は前記付加製造装置のＸ軸および／またはＹ軸に沿って移動可能である
    請求項１０に記載の付加製造装置。
12. 前記材料ベッドを形成するために前記造形プラットフォーム上に粉末材料の層を堆積するように構成された少なくとも１つの材料堆積装置を含む、
    請求項１～１１のいずれか一項に記載の付加製造装置。
13. 使用時に、少なくとも１つの前記材料堆積装置に粉末材料を補充するように構成された少なくとも１つの材料供給装置を含む、
    請求項１２に記載の付加製造装置。
14. 前記予熱装置は、材料を堆積する前記材料堆積装置が前記予熱装置と前記材料ベッドとの間を通過するためのクリアランスを設けるために、前記造形プラットフォームに対して作用可能に上方に変位可能である、
    請求項１２または１３に記載の付加製造装置。
15. 前記材料ベッドにおける、またはその近傍における、前記予熱装置により設けられた集束領域の表面温度を測定するための少なくとも１つの温度センサを含み、
    前記予熱装置の加熱レベルは、前記少なくとも１つの温度センサにより測定された温度に基づいて調整可能である
    請求項１～１４のいずれか一項に記載の付加製造装置。
16. プラットフォーム変位装置を含み、
    それにより前記造形プラットフォームが作用可能に垂直方向に変位可能である、
    請求項１～１５のいずれか一項に記載の付加製造装置。
17. 前記付加製造装置が複数の前記予熱装置を含む、
    請求項１～１６のいずれか一項に記載の付加製造装置。
18. 前記予熱装置は、前記付加製造装置のＸ軸に沿って間隔を空けて配置されている、
    請求項１７に記載の付加製造装置。
19. 付加製造装置における材料予熱方法であって、
    材料ベッドを形成するために造形プラットフォームに材料を堆積させ、前記材料ベッドの表面が材料領域を画定するステップと、
    前記材料ベッドの表面において前記材料領域の一部であって実質的に前記材料領域よりも小さい走査領域に堆積した材料を硬化するように構成された走査部を提供するステップと、
    そして
    予熱装置を用いて、前記走査領域に内包される材料を予熱するステップと、を含み、
    前記予熱装置は、２セットの赤外線ランプおよび反射装置を含み、これらは前記材料領域の残りの部分ではなく実質的に前記走査領域において、前記赤外線ランプから前期予熱領域に対する放射を集束させるように構成されており、
    前記反射装置は、前記走査領域のそれぞれの側に１つずつの、２つのミラーを含み、
    そして、
    それぞれの前記ミラーは、前記付加製造装置のＹ－Ｚ平面で見たときに、楕円形の頂点領域を有し、その下に前記赤外線ランプのうちの１つが配置されており、
    一方の造形プラットフォームと、他方の走査部および前記予熱装置とを、前記材料ベッドの表面と平行な方向に相対移動させるステップを含む、
    材料予熱方法。
20. 前記予熱装置は、前記走査領域と実質的に一致する予熱領域において前記材料ベッドの前記表面にエネルギを集束させる、
    請求項１９に記載の材料予熱方法。
21. 前記予熱装置の予熱領域が実質的に前記走査領域と一致するように、前記走査部および前記予熱装置が相対的に移動するステップを含む、
    請求項１９に記載の材料予熱方法。
22. 前記材料領域を、それぞれが前記走査領域とほぼ等しい面積を有する複数の２次元ストリップに分割するステップと、
    そして
    前記予熱装置および造形プラットフォームが相対的に移動している間に、前記予熱装置を使用して一度に１つの前記材料領域の２次元ストリップを予熱するステップと、を含む、
    請求項１９～２１のいずれか一項に記載の材料予熱方法。
23. 特定のストリップを予熱した後、次のストリップを予熱する前に当該ストリップに含まれる材料を硬化するステップを含む、
    請求項２２に記載の材料予熱方法。
24. 前記予熱装置と前記造形プラットフォームとを相対的に変位させながら、実質的に連続的な材料の硬化および予熱するステップを含む、
    請求項２２または２３に記載の材料予熱方法。
25. 前記造形プラットフォームおよび／または前記走査部に対して相対的に変位可能な抽出装置を使用して、硬化中に生成される
    蒸気および／またはスパッタを抽出するステップを含む
    請求項１９～２４のいずれか一項に記載の材料予熱方法。
26. 前記抽出装置は、前記反射装置に設けられた抽出口およびガス出口およびノズルおよびガス入口および流れ制御手段を含み、
    これらは、抽出口間またはノズルと前記抽出口との間のガスの流れの方向を調整するように構成されており、
    前記材料予熱方法は、前記走査部の変位方向に対して反対の方向に抽出の方向を調整するステップを含む、
    請求項２５に記載の材料予熱方法。

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