JP7048741B2 - 三次元加工品を製造するための器械及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元加工品を製造するための器械及び方法に関する。

粉末床溶融は、粉末、特に、金属及び／又はセラミック原料を、複雑な形状の三次元加工品に加工できる付加的積層プロセス（additive layering process）である。このために、原料粉末層は、粉末塗布装置によってキャリア上に塗布される。原料粉末は、その後、製造される加工品の所望の形状に応じて、サイト（site、場所）選択的に放射（例えば、レーザー又は粒子放射）を受ける。粉末層の中まで浸透した放射は、原料粉末粒子の加熱、及び、結果として、溶解又は焼結を生じる。加工品が所望の形状及びサイズを有するまで、さらなる原料粉末層が、既に照射処理を受けたキャリア上の層に順次塗布される。粉末床溶融は、ＣＡＤデータに基づいて、原型、ツール、交換部品、高価な構成要素、若しくは、歯科又は整形外科用プロテーゼなどの医療用プロテーゼの製造に採用できる。粉末床溶融法の例には、選択的レーザー溶解（ＳＬＭ）及び選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）がある。

高い工程品質を維持するために、放射ビームが原料粉末に衝突する場所、特に、既に凝固した先行層に対して、精密に制御できることが極めて重要である。最良の結果は、この場所が、原料の最上層に対して平行な方向に関して（すなわち、ｘｙ平面に関して）だけでなく、原料粉末の最上層に対して垂直な方向に関して（すなわち、焦点方向又はｚ方向に関して）も制御されるときに、得ることができる。

三次元加工品を製造する既知の器械において、製造工程全体において放射ビームが原料粉末に衝突する場所を制御することは、特に、器械の様々な構造体及び構成要素の熱変形があるため、困難である。

本発明は、上述の問題及び／又はその他の関連問題を解決する器械及び方法を提供することを指向する。

上記の目的は、請求項１に記載の器械及び請求項１５に記載の方法によって対処される。

第１の態様に従って、三次元加工品を製造するための器械が設けられている。器械は、原料粉末の複数層を受けるように構成されたキャリアと、所定のサイトにおいて原料粉末を凝固するために、原料粉末の最上層の所定のサイトへ、放射ビームを方向づけるように構成された照射ユニットと、照射ユニットから原料粉末へ向けられた、放射ビームが通る体積を画定する加工チャンバと、加工チャンバの外側に設けられると共に、照射ユニットを支持する支持構造と、を備える。

本開示によれば、器械のキャリアの表面に対して平行（それゆえ、原料粉末の最上層に対して平行）な平面は、本明細書において使用する直交座標系のｘｙ平面として定義される。さらに、この平面に対して垂直な方向は、ｚ方向として定義される。

キャリアは、ｘｙ平面において長方形断面を有することができる。キャリアは、さらに、粉末塗布装置によって新しい原料粉末層を塗布できるように、原料粉末の最上層の照射プロセスが完了した後、降下させるために、ｚ方向に移動可能とされている。照射ユニットは、例えば、レーザーなどの放射線源を備えてもよい。レーザーの代わりに、電子源などの粒子源を設けることができる。ｘｙ平面において放射ビームを方向づけるために、照射ユニットは、少なくとも１つの走査ユニットを備えてもよい。走査ユニットは、原料粉末の最上層の所望の場所へ、放射ビームを方向づけるように構成された、少なくとも１つの可動ミラーを備えてもよい。走査ユニットは、制御ユニットによって制御されてよい。照射ユニットは、さらに、放射ビームのビーム経路に沿って（実質的にｚ方向に沿って）焦点位置を変更するように構成された焦点ユニットを備えることができる。

照射ユニットは、複数の放射ビームを発生すると共に、その方向を制御するように構成することができる。例えば、少なくとも２つの走査ユニットが設けられてもよく、各走査ユニットは、対応する放射ビームの方向を制御するように構成されている。それゆえ、同時に、複数の溶融プールを形成することができる。複数の放射ビームを放出できる場合は、原料粉末の最上層の表面は、複数の照射エリアに細かく分けることができ、各放射ビームは、対応する１つの照射エリアの全体を走査することができる。複数の隣り合う照射エリアが重なっている、重複ゾーンが存在してもよい。

加工チャンバは、１つの体積を画定するが、このことは、加工チャンバが外部に対して密閉されていることを、必ずしも意味しない。加工チャンバは、例えば、加工チャンバの側壁によって画定され、各側壁が、ｘｙ平面に対して実質的に垂直に延在する４つの側壁を設けることができる。側壁は、排出口又は注入口（例えば、ガスのため）を形成するための、少なくとも１つの開口及び／又は対応する側壁の１つに器械の要素を取り付けるための、少なくとも１つの取付け部材を備えてもよい。加工チャンバの体積は、ｚ方向において、キャリアによって、かつ／又は、原料粉末の最上層によって、底部側に制限されてもよい。後に説明するように、ビルドシリンダは、加工チャンバの底部側に取付けられてもよく、又は、取り付け可能とされてもよい。加工チャンバの体積は、１つ又は複数の放射ビームのための開口部を有する上壁によって上方側に制限されてもよい。代わりに、加工チャンバの上方側は、熱分断ガスを備える熱分断層によって制限されてよい。加工チャンバの上方側は、さらに、照射ユニットによって制限されてもよく、ここでは、照射ユニット自体は、加工チャンバの一部ではない。言い換えると、加工チャンバは、空間的、環境的及び流体的に閉鎖された加工環境のための筐体を設ける、壁構造体として画定されてもよい。

支持構造体は、支持フレームを備えてもよい。支持構造体は、支持構造体のどの部分も加工チャンバの内側に配置されないように、加工チャンバの外側に配置されてもよい。言い換えると、加工チャンバにおいて、例えば、加工チャンバの内側で実行される構築プロセスによって発生する、プロセス熱に影響を受けないように、支持構造体は、配置されてよい。支持構造体は、例えば、基礎（例えば、基礎プレート）上に自立するように構成された支持フレームを備えてもよい。支持構造体は、例えば、照射ユニットのための機械的支持を設けることによって、照射ユニットを支持する。言い換えると、照射ユニットは、支持構造体に取付けられてもよい。照射ユニットは、スクリュー、ピン、ボルトなどの適切な取付け手段によって支持構造体に取付けられてもよい。照射ユニットは、さらに、機械的及び／又は熱的に分断（thermally decoupling）特性を有する１つ又は複数の取付け部材を介して支持構造体に取付けられてよい。支持構造体は、１つ又は複数の支持フレームを備えてもよい。支持構造体が、複数の支持フレームを備える場合、個別の支持フレームは、取外し可能に又は取外し不能に、互いに取り付けられてよい。例えば、支持構造体の各支持フレームは、共通の基礎又は共通のベースプレート上に個別に配置できる。個別の支持フレームは入れ子（nested）にされてもよい。支持構造体の各支持フレームは、器械の１つ又は複数の構成要素（例えば、照射ユニット）を支持することができる。

加工チャンバの外側に設けられた支持構造体によって照射ユニットを支持することによって、加工チャンバの内側において発生したプロセス熱が、支持構造体に対する照射ユニットの位置（すなわち、転位）に影響を与えないことを確実にできる。支持構造体に対する照射ユニットの位置（器械の基準座標系と見なされてもよい）は、これによって変化しないことを維持できる。さらなる構成要素が、支持構造体によって支持される実施例において、このさらなる構成要素に対する照射ユニットの位置が変化しないことを維持することを確実にできる。照射ユニットは、さらに、加工チャンバの内側で発生するプロセス熱の影響を受けない（又は、ほとんど受けない）ため、照射ユニットの内側の個別の光学構成要素の互いに対する位置、及び／又は、これらの光学構成要素の光学特性（例えば、焦点長さなど）は、変化しないままである。

加工チャンバ内部のプロセス熱が、支持構造体の実質的な熱変形を生じさせないように、支持構造体は、加工チャンバから熱的に分断されてもよい。

本開示によると、「熱的に分断される」とは、２つの熱的に分断された要素の間で熱伝達が全く（又は、ほぼ全く）ないことを意味できる。言い換えると、２つの熱的に分断された要素の間に熱伝導が（ほぼ）全くなく、２つの熱的に分断された要素の間に設けられた材料の熱伝導率は、低い。プロセス熱は、レーザービームが原料粉末に衝突すると共に、これを溶解するときに、レーザービームによって発生する熱である。例えば、加工チャンバは、熱的に分断特性を有する１つ又は複数の取付け部材を介して支持構造体に取り付けられてもよい。加工チャンバ内部のプロセス熱が、支持構造体の実質的な熱変形を生じさせないときは、加工チャンバと支持構造体との間の空間的関係を維持することができる。

加工チャンバ内部のプロセス熱による加工チャンバの熱変形が、支持構造体に対する照射ユニットの実質的な転位を生じさせないように、照射ユニットは、加工チャンバから機械的に分断されてよい。

本開示によると、「機械的に分断される」とは、第１の要素と第２の要素とが、互いに機械的に分断されるとき、第１の要素の熱変形が、第１の要素に対する第２の要素の機械的な転位を全く（又はほとんど全く）生じさせないことを意味する。例えば、照射ユニット及び加工チャンバは、両方とも支持構造体に取付けられてもよい。支持構造体は、剛性支持フレームを備えることができ、支持フレームの熱膨張率は、非常に低くされてもよい。それに加えて、又は、代わりに、照射ユニットは、支持構造体から熱的に分断されてよく、かつ／又は、加工チャンバは、支持構造体から熱的に分断されてもよい。加工チャンバ内部のプロセス熱が、支持構造体に対する照射ユニットの実質的な転位を生じさせないときは、照射ユニットと支持構造体との間の空間的関係を維持することを確実にすることができる。

支持構造体と加工チャンバの側壁との間に、空隙が設けられてもよい。空気は、熱伝導率が低いため、空隙は、支持構造体と加工チャンバとの間の熱的な分断を高めることができる。

支持構造体は、基礎プレート上に配置されるように構成された、少なくとも２本の脚部を備えてよい。これによって、支持構造体は、基礎上に自立するように構成されてよい。

器械は、さらに、キャリア上に塗布される原料粉末と接触するように構成された少なくとも１つの側壁を有するビルドシリンダを備えることができる。原料粉末が、所定の形状（例えば、立方形状）を維持することができるように、ビルドシリンダの少なくとも１つの側壁は、それゆえ、原料粉末を支持できる。ビルドシリンダは、平面視において、キャリアの断面に実質的に対応する断面を有する体積を形成できる。言い換えると、キャリアは、ビルドシリンダを通って移動することができ、キャリアの縁部とビルドシリンダの側壁との間の間隔は、実質的に一定を保っている。この間隔は、非常に小さく、かつ／又は、シーリング部材でシールされてよく、これにより、原料粉末は、キャリアの縁部とビルドシリンダとの間のスリットを通り抜けない。例えば、ビルドシリンダによって画定される体積の断面は、例えば、円形、長方形（例えば、正方形）又は丸みのある縁部を有する長方形とされてよい。ビルドシリンダは、加工チャンバの底部側に取り付けることができる。ビルドシリンダは、さらに、加工チャンバの底部側に解放可能に取り付けることができる。以下に説明するように、ビルドシリンダは、支持構造体に対して、かつ、キャリアに対して、ビルドシリンダを、垂直方向に移動するように構成されたビルドシリンダ移動ユニットに取り付けられてもよい。

器械は、さらに、加工チャンバに対して、並びに、ビルドシリンダに対して、及び、ビルドシリンダの内側で、キャリアを垂直方向に移動するように構成されたキャリア移動ユニットを備えてもよく、キャリア移動ユニットは、支持構造体によって支持されている。

それゆえ、キャリアは、キャリア移動ユニットを介して、支持構造体によって支持されてもよい。支持構造体によってキャリア移動ユニットを支持することによって、キャリアが、加工チャンバから熱的に、かつ／又は、機械的に、分断されており、それによって、キャリアと照射ユニットとの間の空間的関係を維持すると共に、制御できることを確実にすることができる。キャリアは、ビルドシリンダの内側を垂直方向に移動できるため、原料粉末が充填される体積は、キャリアの移動によって、増減することができる。新しい原料粉末の層を直前の最上層に塗布することができるように、キャリア移動ユニットは、原料粉末の最上層の照射プロセスが完了した後に、ビルドシリンダの内側を下方側へ移動するように構成することができる。上述のように、支持構造体は、複数の支持フレームを備えることができる。例えば、照射ユニットは、これらの支持フレームの第１の１つの支持フレームに取り付け、キャリア移動ユニットは、第２の１つの支持フレームに取り付けられてもよい。例えば、支持構造体の第１の支持フレーム及び第２の支持フレームは、共通基礎又は共通ベースプレートに個別に配置することができる。個別の支持フレームは、入れ子にされてもよい。

加工チャンバ内部のプロセス熱による加工チャンバの熱変形は、支持構造体に対するキャリア移動ユニットの実質的な転位を生じさせないように、キャリア移動ユニットは、加工チャンバから機械的に分断することができる。

例えば、各加工チャンバ、照射ユニット及びキャリア移動ユニットが、支持構造体によって独立して支持されるとき、器械のこれら３つの要素は、熱的に、かつ／又は、機械的に、互いに分断することができる。

器械は、さらに、支持構造体に対してビルドシリンダを垂直方向に移動するように構成された、ビルドシリンダ移動ユニットを備えることができる。ビルドシリンダ移動ユニットは、支持構造体によって支持されてもよい。さらに、加工チャンバは、支持構造体によって支持することができると共に、ビルドシリンダは、加工チャンバに対して垂直方向に移動することができる。例えば、ビルドシリンダは、加工品の構築プロセスが完了した後に、下方側へ移動することができるため、加工品は、その側面からアクセス可能とされると共に、原料粉末を加工品から除去することができる。

加工チャンバは、加工チャンバの基礎レベルにおいて支持構造体によって支持されてもよい。

言い換えると、支持構造体に取り付けられる加工チャンバに介在する１つ又は複数の取付け部材は、加工チャンバの基礎レベルのエリアに配置される。これによって、加工チャンバの基礎レベルの位置は、支持構造体に対して事前に定義することができる。加工チャンバが加工チャンバの内側で発生したプロセス熱に起因して膨張する場合に、加工チャンバの基礎レベルの位置は変わらない。加工チャンバの基礎レベルは、キャリア上に設けられた原料粉末の最上層に一致させることができる。

器械は、さらに、支持構造体によって支持された粉末塗布装置を備えることができる。言い換えると、粉末塗布装置が、加工チャンバ、照射ユニット及びキャリアなどの器械の他の構成要素から機械的に、かつ／又は、熱的に、分断されるように、粉末塗布措置は、支持構造体によって個別に支持されてもよい。

器械は、さらに、照射ユニットと加工チャンバとの間に設けられた熱分断層を備えることができる。熱分断層は、熱分断ガスで充填されてもよい。さらに、熱分断層に熱分断ガスを充填するように構成された、少なくとも１つのガス吸入口を設けることができる。熱分断層は、熱分断層を通過する放射ビームが熱分断層の影響（すなわち、反射又は吸収）を受けないように、構成することができる。

器械は、さらに、支持構造体に対するキャリアの垂直方向位置を特定するように構成された垂直方向位置計測装置を備えることができる。

支持構造体に対するキャリアの垂直方向位置を特定することによって、原料粉末の最上層の位置が、精密に推定されてよい。

垂直方向位置計測装置は、ガラススケールを備えることができる。ガラススケールを設けることによって、垂直方向位置計測は、熱影響、及び、特に、加工チャンバの内側で発生したプロセス熱によって、影響を受けない。

第２の態様によると、三次元加工品を製造する方法が提供される。方法は、キャリア上に原料粉末の層を塗布することと、所定のサイトにおいて原料粉末を凝固するために、照射ユニットによって、原料粉末の層の所定のサイトへ放射ビームを方向づけることと、を含んでおり、放射ビームは、加工チャンバによって画定された体積を通って、照射ユニットから原料粉末へ方向づけられ、支持構造体は、加工チャンバの外側に設けられると共に、照射ユニットを支持する。

第１の態様に関して上記に示す詳細は、適切な場合には、第２の態様にも適用できる。特に、第２の態様の方法は、第１の態様の器械によって実行することができる。

本発明の好ましい実施形態は、添付の概略図を参照して、以下に、より詳細に説明される。

図１は、本開示による器械の概略側面図である。

三次元加工品を製造するための既知の器械においては、機械構成要素の互いに関連する機械的連結並びに熱膨張及び熱変形は、加工条件の変動を引き起こし、それによって、生成プロセスにおける不正確性を引き起こす。

より明確には、３つの重要な層の互いに対する同時の配置が、照射対象の層の内側における加工の質を決定する。これらの層は、照射エリア（焦点－/０－層）、粉末塗布層及び光学機器層／スキャナ層である。これに加えて、垂直移動ユニット（例えば、キャリア移動ユニット）の位置を制御することは、キャリアの均質な層ごとの移動を維持するために重要である。

理想的な場合において、これらの層は、構築プロセス全体の間、すなわち、ｘｙ方向における並進運動及び回転運動、並びに、ｚ方向の並進運動において、互いに整列しなければならない。この整列における公差が、加工品の質を、決定する又は少なくともこれに対して影響を及ぼす。

既知の器械において、これらの層を特定する構成要素（照射ユニット、粉末塗布装置、キャリア移動ユニット）は、他の中央機械構成要素を介して間接的に、又は、機械的に直接的に互いに連結されている。熱変形（及び、特に、熱膨張）、並びに、静的負荷は、公差に対して悪影響を及ぼす。

言い換えると、製造される加工品の高品質のためには、放射ビームを原料粉末の所定の位置へ方向づけできるように、照射ユニットに対する原料粉末の最上層の（三次元）位置を知る必要がある。原料粉末と照射ユニットとの間の空間的関係の知見を得るための１つの可能性は、製造プロセスの間に、定期的な較正計測を実施することである。もう１つの選択肢は、製造プロセスの間に較正計測が必要にならないように、原料粉末と照射ユニットとの間の空間的関係を可能な限り一定に維持するようにすることである。

本開示によれば、上述の問題に対する解決法は、照射ユニットを支持する支持構造体を設けることを備えており、支持構造体は加工チャンバの外側に設けられている。１つの実施形態によれば、上述の層を決定する（照射ユニット、粉末塗布装置及びキャリア移動ユニットといった）構成要素は、機械的に互いに分断され、より有利なことには、機械的に、かつ、熱的に、互いに分断される。

加工チャンバなどの熱負荷を受ける構成要素は、層を特定する上述の構成要素から、機械的に、かつ／又は、熱的に分断される。それゆえ、層を特定する構成要素に対する熱影響を防止することができる。このことは、はじめに、熱伝導による直接的な熱影響、及び、それによる上述の層の１つを決定する構成要素の変形を防止（熱的に分断）できることを意味する。次に、加工チャンバの熱変形によって生じる機械的影響の形での間接的な熱影響を防止（機械的に分断）できることを意味する。したがって、熱的な、かつ／又は、機械的な分断は、構築プロセスの質を向上するために実施することができる。

上述の利点は、外骨格と称することもできる、外部支持構造体などの支持構造体を使用することによって達成することができる。このような支持構造体は、上述の層を画定する構成要素の１つ又は複数を支持する外部支持フレームに相当してもよい。各構成要素を、支持構造体に個別に取り付けることによって、構成要素は、互いに固定された空間的関係を有する。構成要素の機械的な、かつ／又は、熱的な、分断に起因して、この空間的関係は、全ての構築プロセスの間、固定された状態を維持する。構成要素の例は、例えば、加工チャンバ、キャリア、キャリア移動ユニット、粉末塗布装置、照射ユニット及び加工チャンバ移動ユニットである。

図１は、本開示による、三次元加工品を製造するための器械の概略側面図を示す。器械は、原料粉末４の複数層を受けるように構成されたキャリア２を備える。構築プロセスの間に、原料粉末４の第１の層は、器械の粉末塗布装置６を使用して、キャリア２上に塗布される。原料粉末４（例えば、金属粉末）は、放射ビーム８によって溶解すると共に、凝固することができる。

放射ビーム８は、サイト選択的に原料粉末４を凝固するために、製造される加工品１０のＣＡＤデータによって、原料粉末４の第１の層へ方向づけられている。したがって、放射ビーム８が方向づけられた原料粉末４の最上層の場所は、製造される加工品１０の形状と一致する。キャリア２は、原料粉末４の層の凝固プロセスが完了した後に、キャリア２を降下させるために、ｚ方向（図１に矢印で示す）に沿って移動可能とされている。

キャリア２の垂直方向の移動を可能にするために、器械は、キャリア移動ユニット１２を備える。キャリア２が降下された後に、原料粉末４の新しい層が塗布されて、この新しい層の凝固プロセス（すなわち照射プロセス）が開始される。このように、層ごとに、加工品１０はキャリア２上に構築されていく。

原料粉末４を収納するために、及び任意に、移動可能なキャリア２を案内するために、器械は、原料粉末４と接触するように構成された少なくとも１つの側壁を有するビルドシリンダ１３を備える。図１に示される実施形態において、ビルドシリンダ１３は、立方体体積を画定する４つの側壁を有し、原料粉末４は、この中に配置される。この体積は、長方形断面を有するキャリア２によって、その下方側に制限される。ビルドシリンダ１３の側壁は、キャリア２上に塗布された原料粉末４と接触し、原料粉末４がその（立方体）形状を維持するように、原料粉末４を支持するように構成される。ビルドシリンダ１３の側壁とこれに対応するキャリア２の縁部との間の間隔は、原料粉末４が、キャリア２とビルドシリンダ２との間のスリットを通り抜けることができないように、非常に小さく、無視できるほどとされている。さらに、キャリア２は、その縁部に配置されたシーリング部材を備えてもよい。原料粉末４の１つの層が完全に（所望の加工品１０の形状に従って）照射された後、キャリア２は、原料粉末４の新しい層を塗布することができるように、ビルドシリンダ１３の内側において降下される。

器械は、さらに、１つ又は複数の放射線源を備える照射ユニット１４を備える。図１に示される実施形態において、照射ユニット１４は、２つの独立した放射ビーム８を発生するように構成されている。各放射ビーム８は、対応する走査ユニットを用いて、制御されると共に、所望の場所へ方向づけられる。各走査ユニットは、原料粉末の最上層の所望の場所へ各放射ビームを屈折させるように構成された、少なくとも１つの可動ミラーを備える。２つの放射ビームは、例えば、１つの放射線源だけを使用することによって、放射線源から放出されたビームをビームスプリッタによって２つのサブビームに分割すると共に、各サブビームを走査ユニットの１つへ方向づけることによって、生成することができる。代わりには、２つの放射線源が設けられてもよく、各放射線源は、走査ユニットの１つへ方向づけられたビームを放出する。

図１に示すように、２つの放射ビーム８は、それぞれ、原料粉末４の最上層の表面上に照射エリアを画定する。第１の走査ユニットの照射エリアと第２の走査ユニットの照射エリアとが重なる重複エリアが設けられる。

さらに、照射ユニット１４は、各放射ビーム８について、対応する放射ビーム８のビーム経路に沿った方向において、各放射ビーム８の焦点位置を変化させるように構成された焦点ユニットを備える。焦点ユニットを用いることによって、各レーザービームの焦点の位置が、深さ方向（ｚ方向）に調節されてよい。

本実施形態によれば、照射ユニット１４の放射線源は、レーザーであり、放出される放射ビーム８は、レーザービームである。より正確には、放射線源は、例えば、約１０７０から約１０８０ｎｍの波長を有するレーザー光を放出するダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーを備えてもよい。照射ユニット１４は、キャリア２上の原料４に、各放射ビーム８を選択的に照射するように構成される。照射ユニット１４を用いることによって、原料粉末４は、製造される加工品１０の所望の形状に応じてサイト選択的にレーザー放射を受けることができる。

各走査ユニットは、キャリア２に対して平行な方向、すなわち、原料４の最上層に対して平行な方向に、放射ビーム８を方向づけるための可動ミラーを備える。言い換えると、放射ビーム８の場所は、ｘ方向及びｙ方向の両方向において変えることができる。

走査ユニット及び焦点ユニットに加えて、照射ユニット１４は、さらに、放射ビーム８を案内及び／又は処理するための光学構成要素を備えることができる。例えば、放射ビーム８を拡大するためのビームエクスパンダが設けられてもよい。さらに、対物レンズが、各走査ユニットの背後に設けられてもよい。対物レンズは、ｆθ対物レンズとされてもよい。

器械は、さらに、構築プロセスの前、その間及びその後に、器械の機能性を制御するための制御ユニット（図示省略）を備える。特に、制御ユニットは、キャリア移動ユニット１２を介したキャリア２の垂直移動、ビルドシリンダ移動ユニット１６（適用可能な場合）を介したビルドシリンダ１３の垂直移動、粉末塗布装置６による原料粉末塗布、走査ユニットの走査、照射ユニット１４の放射線源などの器械の機能性を制御するように構成される。

照射ユニット１４から原料粉末４の最上層へ向けられた放射ビーム８の体積は、加工チャンバ１８によって画定される。図１に示されるように、加工チャンバ１８は、ｘｙ平面に対して垂直に延在する側壁と、ｘｙ平面に対して平行に延在する底壁及び上壁と、を有する。加工チャンバ１８は、それによって、箱型構造体（又は、立方体構造体）を表すが、加工チャンバ１８は、このような立方体に限定されない。加工チャンバは、例えば、円筒形状、ピラミッド形状など他の形状を有してもよい。さらに、加工チャンバは、必ずしも外部に対して密閉されない。例えば、加工チャンバ１８の側壁に、ガス吸入口及び／又はガス排出口として役立てられてよい、開口が設けられてもよい。加工チャンバ１８の上壁及び／又は底壁は、省略されてもよく、又は、上壁及び／又は底壁に大きい開口部が設けられてもよい。例えば、上壁は、レーザービーム８が加工チャンバ１８へ進入することができる開口部を備える。さらに、加工チャンバ１８の上壁に加えて、又は、これに代えて、図１に示されるように、加工チャンバ１８と照射ユニット１４との間の接続部分に、熱分断層２０が設けられてもよい。加工チャンバ１８は、原料粉末４がキャリア２に塗布される場合、原料粉末４によって底部側に制限される。そうでない場合には、加工チャンバ１８は、キャリア２によって底部側に制限される。ビルドシリンダ１３は、加工チャンバ１８に直接隣接する。１つの実施例において、ビルドシリンダ１３は、加工チャンバ１８に取り付けられる（すなわち、恒久的に付着される）。もう１つの実施例において、ビルドシリンダ１３は、加工チャンバ１８に解放可能に取り付けられる。さらに、ビルドシリンダ１３は、以下に説明するように、ビルドシリンダ移動ユニット１６を用いることによって、加工チャンバに対して移動可能とされてよい。

上記に説明したように、加工チャンバ１８は、空間的、環境的及び流体的に閉鎖した（又は実質的に閉鎖した）加工環境を維持するためのハウジング機能を果たす。

構築プロセスの間、プロセス熱は、加工チャンバ１８の内側に、特に、放射ビーム８が原料粉末４に衝突すると共に、原料粉末４に溶融プールを形成する加工チャンバ１８の下方側エリアに、発生する。加工チャンバ１８の壁部を用いることによって、発生したプロセス熱は、加工チャンバ１８の内部に留まる。言い換えると、加工チャンバ１８の壁は、外部に対する熱的な分断を提供する。しかしながら、加工チャンバ１８の内側に発生するプロセス熱は、加工チャンバ１８、特に、加工チャンバ１８の壁部の熱変形を引き起こすかもしれない。

図１に示すように、器械は、外部支持フレーム（外骨格）の形式の支持構造体２２を備える。照射ユニット１４は、取付け部材２４を介して支持構造体２２によって支持されている。取付け部材２４は、支持構造体２２と照射ユニット１４との間に安定した機械的接続を与える。これに加えて、取付け部材２４は、熱的な分断特性を有してもよく、このことは、取付け部材２４を通じた熱の伝達が抑制されることを意味する。言い換えると、取付け部材２４の熱伝導率を低くすることができる。このような特徴は、以下に説明する、各取付け部材２４も有する。

支持構造体２２は、加工チャンバ１８の外側に設けられており、それゆえ、支持構造体２２は、加工チャンバ１８の内側に発生するプロセス熱の影響を直接受けない。図１に示されるように、加工チャンバ１８と支持構造体２２とは、互いに熱的に分断されるように、加工チャンバ１８と支持構造体２２との間に、空隙が設けられている。

加工チャンバ１８は、取付け部材２４を介して支持構造体２２によって支持されている。図１に示されるように、支持構造体２２が加工チャンバ１８の内部まで延在しないように、加工チャンバ１８は、外側から支持される。加工チャンバ１８は、支持構造体２２から熱的に分断される。すなわち、加工チャンバ１８内で発生したプロセス熱は、例えば、取付け部材２４が低い熱伝導率を有するため、支持構造体２２へ伝達されない。さらに、支持構造体２２と加工チャンバ１８との間には、熱分断層を意味する、空隙が設けられている。加工チャンバ１８は、また、支持構造体２２から機械的分断されている。すなわち、加工チャンバ１８の内側で発生したプロセス熱によって生じる加工チャンバ１８の熱変形は、支持構造体２２の変形を引き起こさない。このような挙動は、支持構造体２２に剛性構造を設けることによって達成される。言い換えると、支持構造体２２は、加工チャンバ１８の変形によって生じる力によって変形しない金属などの剛性材料で作られる。さらに、取付け部材２４は、機械的な分断特性を有してもよく、このことは、取付け部材２４が加工チャンバ１８の変形を吸収できることを意味する。

加工チャンバ１８は、図１に示されるように、加工チャンバ１８の下方側エリアにおいて支持構造体２２に取り付けられている。例えば、加工チャンバ１８は、０－レベルの高さ（図１における点線を参照）において、支持構造体２２によって支持することができる。この０－レベルは、参照平面として使用することができ、原料粉末４の最上層と一致する。加工チャンバ１８の底壁に接近する支持構造体２２に、加工チャンバ１８を取り付けることによって、加工チャンバ１８の内側で生じる熱変形は、上述の０－レベルの位置に全く、又は、ほとんど全く影響を及ぼさない。それゆえ、０－レベルは、支持構造体２２に対するその位置を維持する。

上述のように、加工チャンバ１８及び照射ユニット１４を配置することによって、すなわち、支持構造体２２上で、加工チャンバ１８と照射ユニット１４とを個別に支持することによって、加工チャンバ１８と照射ユニット１４とは、互いに熱的に分断、かつ、機械的に分断することができる。熱的な分断に関しては、加工チャンバ１８の内側で発生したプロセス熱が、照射ユニット１４へ伝達されず、それゆえ、加工チャンバ１８に対する照射ユニット１４の熱変形又は熱変位を引き起こさないことを意味する。さらに、照射ユニット１４は、加工チャンバ１８の内側に発生したプロセス熱の影響を受けない（又はほとんど受けない）ため、照射ユニット１４の内側の個別の光学構成要素の互いの位置、及び／又は、これらの光学構成要素の光学特性（例えば、焦点長さなど）は、一定のままである。機械的な分断に関しては、加工チャンバ１８の熱変形は、照射ユニット１４の変形又は転位を生じさせないことを意味する。したがって、加工チャンバ１８（特に、原料粉末４が供給される加工チャンバ１８の底部領域）と照射ユニット１４との間の空間的関係は、構築プロセスの間、維持されることを確実にすることができる。言い換えると、照射ユニット１４は、構築プロセスの間、加工チャンバ１８に対して移動せず、構築プロセスの精度、及び、それゆえ、製造される加工品１０の質を改良する。

１つの実施形態において、加工チャンバ１８と照射ユニット１４との間の熱的な分断を高めるために、熱分断層２０は、２つの構成要素の間に設けられる。熱分断層２０は、熱分断ガスを備えることができる。

粉末塗布装置６も、対応する取付け部材２４（図示省略）を介して支持構造体２２によって個別に支持される。これによって、加工チャンバ１８の熱変形が粉末塗布装置６の変形又は転位を生じさせないように、粉末塗布装置６は、加工チャンバ１８から機械的に分断することができる。

任意に、器械は、図１において矢印が示すように、ビルドシリンダ移動ユニット１６を備えることができる。この場合、ビルドシリンダ移動ユニット１６は、対応する取付け部材（図示省略）を介して支持構造体２２によって直接支持される、又は、ビルドシリンダ移動ユニット１６は、加工チャンバ１８、例えば、加工チャンバ１８の側壁又は底壁に取り付けられる。ビルドシリンダ移動ユニット１６は、支持構造体２２に対して、ビルドシリンダ１３を垂直方向（ｚ方向）に移動するように構成されている。加工チャンバ１８は、支持構造体２２によって支持されると共に、これに固定されているため、ビルドシリンダ移動ユニット１６は、加工チャンバ１８に対して、ビルドシリンダ１３を垂直方向に移動するように構成される。加工品１０が、その側部からアクセス可能であり、かつ、原料粉末４を加工品１０から除去できるように、例えば、制御ユニットは、加工品１０の構築プロセスが完了した後に、ビルドシリンダ１３を垂直方向に下方側へ移動するように構成されている。

器械は、キャリア２を垂直方向（ｚ方向）に移動するように構成された、キャリア移動ユニット１２を備える。キャリア移動ユニット１２は、取付け部材２４を介して支持構造体２２によって支持されている。支持構造体２２に、キャリア移動ユニット１２が個別に支持されることによって、キャリア移動ユニット１２は、器械の他の構成要素から、特に、加工チャンバ１８から機械的に、かつ、熱的に分断することができる。このように、キャリア移動ユニット１２は、加工チャンバ１８から熱的に分断されると共に、機械的に分断されている。それゆえ、加工チャンバ１８の内側で発生したプロセス熱は、キャリア移動ユニット１２又はキャリア移動ユニット１２に連結されたキャリア２の変位を引き起こさない。

任意に、垂直方向位置計測装置２６は、ガラススケールの形式で設けることができる。垂直方向位置計測装置２６は、キャリア移動装置１２に対する、及び、それゆえ、支持構造体２２に対するキャリア２の垂直方向位置を計測するように構成される。この垂直方向位置計測装置２６の計測結果に基づいて、キャリア２の位置及び原料粉末４の最上層の位置は、制御ユニットによって特定することができる。

支持構造体２２は、基礎プレート上に配置されるように構成された少なくとも２本の脚部２８を備える。脚部２８を用いることによって、支持構造体２２は、変形及び振動を回避できるように、基礎上に安定的に配置することができる。

図１に示される実施形態の支持構造体２２は、単一の支持フレームで構成されているが、支持構造体は、複数の支持フレームを備えてもよい。これらの支持フレームは、解放可能に又は解放不能に、互いに取り付けることができる。さらに、複数の支持フレームを設けることができ、各支持フレームは、構成要素１４、１８、６、１６、１２の１つ又は複数を支持することができる。例えば、支持構造体は、照射ユニット１４を支持するための第１の支持フレームと、キャリア移動ユニット１２を支持するための第２の支持フレームと、を備えることができる。支持構造体の個々の支持フレームは、共通の基礎又は共通のベースプレートに配置（例えば、取付け）することができる。支持フレームは、入れ子にされる、又は、隣り合わせに配列される。いずれの場合も、支持構造体は、個々の構成要素が支持されると共に取り付けられ、共通の参照に対する構成要素の位置は、変化しない構造を提供する。この共通の参照は、支持構造体自体、若しくは、共通の基礎又は共通のベースプレートとすることができる。特に、構成要素の互いに対する位置は変化しない。

上記で説明され、かつ、図１に示されるように、各構成要素１４、１８、６、１６、１２は、対応する取付け部材２４を介して支持構造体２２によって個別に支持されている。支持構造体２２によって、これらの構成要素を個別に支持することによって、構成要素は、互いに、機械的に、かつ、熱的に分断することができる。特に、構成要素は、加工チャンバ１８の内側で発生したプロセス熱と無関係であり、かつ／又は、加工チャンバ１８の内側で発生したプロセス熱によって生じた加工チャンバ１８の機械的変形と無関係である、互いの空間的関係に配置することができる。支持ユニット２２によって、構成要素１４、１８、６、１６、１２の全てを支持することが有利ではあるが、本開示の利点は、上記の構成要素の１つ又は複数が、支持構造体によって個別に支持されない場合であっても達成することができる。しかしながら、少なくとも照射ユニット１４及び加工チャンバ１８は支持構造体２２によって個別に支持されていると有利である。

１つの実施形態において、プロセス熱は、支持構造体２２へ向けられるかもしれないが、支持構造体２２の熱膨張率は非常に低いので、このプロセス熱は、個々の構成要素１４、１８、６、１６、１２のお互いに対する転位を全く（又は実質的に全く）生じない。この場合、構成要素は、少なくとも機械的に互いに分断されている。

個々の構成要素の間の空間的関係を維持することができるため、プロセスの精度を改良することができ、これによって、製造される加工品１０の高品質を導く。

さらに、安定した熱条件の下で加工するために、較正のため及び構築プロセスを開始するために必要とされている、予熱時間を低減できる。

上述の構造のもう１つの利点は、器械の残りの部分に悪影響を与えることなく、個々の構成要素を容易に交換でき、かつ、取り換えできることである。

Claims (13)

1. 三次元加工品（１０）を製造するための器械であって、
   少なくとも１つの側壁を有し、原料粉末（４）と接触するように構成されたビルドシリンダ（１３）と、
   前記ビルドシリンダ（１３）の内部に配置されると共に、複数層の前記原料粉末（４）を受けるように構成されたキャリア（２）と、
   所定のサイトにおいて前記原料粉末（４）を凝固するために、前記原料粉末（４）の最上層の前記所定のサイトへ放射ビーム（８）を方向づけるように構成された照射ユニット（１４）と、
   前記照射ユニット（１４）から前記原料粉末（４）へ向けられた、前記放射ビーム（８）が通る体積を画定する加工チャンバ（１８）と、
   外骨格のような外部支持フレームの形式とされ、前記照射ユニット（１４）及び前記加工チャンバ（１８）の外側に設けられると共に、前記照射ユニット（１４）及び前記加工チャンバ（１８）を支持し、垂直方向に延在する支持構造体（２２）と、
   を備え、
   前記加工チャンバ（１８）内部のプロセス熱による前記加工チャンバ（１８）の熱変形が、前記支持構造体（２２）に対する前記照射ユニット（１４）の転位を生じさせないように、前記照射ユニット（１４）は、前記加工チャンバ（１８）から機械的に分断されている、器械。
2. 前記加工チャンバ（１８）内部のプロセス熱が、前記支持構造体（２２）の熱変形を生じさせないように、前記支持構造体（２２）と前記加工チャンバ（１８）との間に、空隙が設けられている、請求項１に記載の器械。
3. 前記支持構造体（２２）と前記加工チャンバ（１８）の側壁との間に、空隙が設けられている、請求項１又は請求項２に記載の器械。
4. 前記加工チャンバ（１８）に対して、並びに、前記ビルドシリンダ（１３）に対して、及び、前記ビルドシリンダ（１３）の内側において、前記キャリア（２）を垂直方向に移動するように構成されたキャリア移動ユニット（１２）であって、前記キャリア移動ユニット（１２）は、前記支持構造体（２２）によって支持されている、キャリア移動ユニット（１２）を、さらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の器械。
5. 前記加工チャンバ（１８）内部のプロセス熱による前記加工チャンバ（１８）の熱変形が、前記支持構造体（２２）に対する前記キャリア移動ユニット（１２）の転位を生じさせないように、前記キャリア移動ユニット（１２）は、前記加工チャンバ（１８）から機械的に分断されている、請求項４に記載の器械。
6. 前記支持構造体（２２）に対して、前記ビルドシリンダ（１３）を垂直方向に移動するように構成され、前記加工チャンバ（１８）の側壁又は底壁に取り付けられた、ビルドシリンダ移動ユニット（１６）を、さらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の器械。
7. 前記加工チャンバ（１８）は、前記加工チャンバ（１８）の基礎レベルにおける前記支持構造体（２２）によって、支持されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の器械。
8. 前記加工チャンバ（１８）は、前記加工チャンバ（１８）の側壁又は底壁に取り付けられた加工チャンバ移動ユニット（１６）を介して、前記支持構造体（２２）によって支持されている、請求項７に記載の器械。
9. 前記支持構造体（２２）によって支持された粉末塗布装置（６）をさらに備える、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の器械。
10. 前記照射ユニット（１４）と前記加工チャンバ（１８）との間に設けられた、熱分断層（２０）を、さらに備える、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の器械。
11. 前記支持構造体（２２）に対する前記キャリア（２）の垂直方向位置を特定するように構成された垂直方向位置計測装置（２６）を、さらに備える、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の器械。
12. 前記垂直方向位置計測装置（２６）は、ガラススケールを備える、請求項１１に記載の器械。
13. 三次元加工品（１０）を製造する方法であって、
    原料粉末（４）の層を、少なくとも１つの側壁を有すると共に、前記原料粉末（４）と接触するように構成されたビルドシリンダ（１３）の内部に配置されたキャリア（２）上に塗布するステップと、
    所定のサイトにおいて前記原料粉末（４）を凝固するために、照射ユニット（１４）によって、前記原料粉末（４）の層の前記所定のサイトへ、放射ビーム（８）を方向づけるステップであって、前記放射ビーム（８）は、前記照射ユニット（１４）から、加工チャンバ（１８）によって画定された体積を通って前記原料粉末（４）へと方向づけられており、外骨格のような外部支持フレームの形式とされ、垂直方向に延在する支持構造体（２２）は、前記照射ユニット（１４）及び前記加工チャンバ（１８）の外側に設けられると共に、前記照射ユニット（１４）及び前記加工チャンバ（１８）を支持する、ステップと、
    を備え、
    前記加工チャンバ（１８）内部のプロセス熱による前記加工チャンバ（１８）の熱変形が、前記支持構造体（２２）に対する前記照射ユニット（１４）の転位を生じさせないように、前記照射ユニット（１４）は、前記加工チャンバ（１８）から機械的に分断されている、方法。

Images