特許 6817352 三次元物体の付加製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6817352

(24)【登録日】2020年12月28日

(45)【発行日】2021年1月20日

(54)【発明の名称】三次元物体の付加製造装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20210107BHJP

   B29C 64/135 20170101ALI20210107BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20210107BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20210107BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20210107BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20210107BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20210107BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20210107BHJP

【ＦＩ】

   B29C64/393

   B29C64/135

   B29C64/153

   B29C64/268

   B22F3/105

   B22F3/16

   B33Y30/00

   B33Y50/02

【請求項の数】13

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-25285(P2019-25285)

(22)【出願日】2019年2月15日

(65)【公開番号】特開2019-155913(P2019-155913A)

(43)【公開日】2019年9月19日

【審査請求日】2019年2月15日

(31)【優先権主張番号】18161072.6

(32)【優先日】2018年3月9日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】506154834

【氏名又は名称】ツェーエル・シュッツレヒツフェアヴァルトゥングス・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】ファービアン・ツォイルナー

【審査官】 今井 拓也

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１７／２０７７１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１３２２５１０８（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０１３５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／００８２６６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０６００６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１５１７１２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ６４／００ − ６４／４０

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２８Ｂ １／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギー源（５）により硬化することができる造形材料（３）の層を連続して層ごとに選択照射して硬化させる三次元物体（２）の付加製造装置（１）であって、当該付加製造装置（１）は測定ビーム（７）を生成するように構成される測定ビーム源（４，１７）を備え、プロセスチャンバー内で前記測定ビーム（７）を造形面（６）に案内するように構成されるビーム案内ユニット（20）が設けられ、判断装置（８）が干渉に基づいて前記三次元物体（２）および／または造形材料層（９）についての少なくとも１つのパラメータを判断するように構成される付加製造装置（１）において、前記造形材料層（９）を選択的に照射するために、前記造形材料層（９）上に案内されるエネルギービーム（５）に関連して、前記造形面（６）を横断して測定要素（12）を移動させるように構成される少なくとも１つの移動ユニット（28）を備え、当該移動ユニット（28）は前記造形面（６）内において無限ループで前記測定ビームを案内するように構成され、
前記測定ビーム（７）を、基準要素（11）と前記測定要素（12）とに分けるように構成されるビームスプリッタ（10）を備え、当該ビームスプリッタ（10）はさらに、前記基準要素（11）を参照ミラー（13）に案内し、前記測定要素（12）を前記造形面（6）に案内するように構成され、前記ビームスプリッタ（10）はさらに、前記参照ミラー（13）で反射した前記基準要素（11）と、前記造形面（６）で反射した前記測定要素（12）とを合成して、その合成要素（15）を、干渉パターンを生成する検出器ユニット（14）に向けて案内するように構成され、
前記判断装置（８）は、前記干渉パターンに基づいて前記三次元物体（２）および／または造形材料層（９）についての高さ情報を判断する
ことを特徴とする三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項2】

前記ビーム案内ユニット（20）が、前記測定ビーム（７）と、前記造形材料（３）に照射するために生成されるエネルギービーム（５）とを、一列になって、および／または、焦点を共有して案内するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項3】

前記少なくとも１つの移動ユニット（28）が搖動ユニットであり、前記移動ユニット（28）が、前記造形材料層（９）を選択的に照射するために、前記造形材料層（９）上に案内されるエネルギービーム（５）に関連して、前記造形面（６）を横断して測定要素（12）を移動させるように構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項4】

前記造形材料の塗布、および／または、エネルギービーム行路（23）に先行する造形面（６）の位置情報を判断するために、前記移動ユニット（28）が、前記測定要素（12）を、前記エネルギービーム行路（23）に先行する、前記造形面（６）内の少なくとも１つの先行領域（25）に案内するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項5】

前記造形材料（３）の少なくとも１つの照射されたエリアの圧密挙動、および／または、エネルギービーム行路（23）の後に続く前記造形面（６）の位置情報を判断するために、前記移動ユニット（28）が、前記測定要素（12）を、前記エネルギービーム行路（23）の跡に続く、前記造形面（６）の少なくとも１つの後続領域（27）に案内するように構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項6】

前記造形材料（３）の溶融挙動、および／または、溶融たまり（16）における前記造形面（６）の位置情報を判断するために、前記移動ユニット（28）が、前記測定要素（12）を、前記エネルギービーム（５）の実際の位置に一致する、前記造形面（６）の少なくとも１つの一致領域（26）に案内するように構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項7】

前記移動ユニット（28）が、前記測定ビーム（７）を、ループ（22）であって、八の字形状のループに案内するように構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項8】

前記判断装置（８）が、検出器ユニット（14）上の干渉パターンの変化に基づき、すなわち干渉縞および周期的な交差を数えて、前記造形面（６）の対応する部分の高さ情報を生成するように構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項9】

前記測定ビーム源（４，17）が、可干渉性の測定ビーム（７）および／または、非干渉性の測定ビーム（７）を生成するように構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項10】

前記移動ユニット（28）が、少なくとも２つのビーム移動素子を備え、少なくとも１つの前記ビーム移動素子が、前記測定要素（12）を、前記造形面（６）内の少なくとも１つの方向に移動させるように構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項11】

前記測定ビーム源（４，17）が、少なくとも２つの測定ビーム（７）を生成するように構成され、前記少なくとも２つの測定ビーム（７）が、異なる測定ビーム源（７）を用いて、別々にまたは同調して案内されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の三次元物体（２）の付加製造装置。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれか１項に記載の、エネルギービーム（５）により硬化させることができる造形材料（３）の層を連続して層ごとに選択照射して硬化させる三次元物体（２）の付加製造装置（１）、のための判断装置（８）であって、前記付加製造装置（１）が、当該付加製造装置（１）のプロセスチャンバー内部での少なくとも１つの照射パラメータを判断するための前記判断装置（８）と、測定ビーム（７）を生成するように構成される測定ビーム源（４，17）とを備え、前記測定ビーム（７）を前記プロセスチャンバー内の造形面（６）に案内するように構成されるビーム案内ユニット（20）が設けられ、前記判断装置（８）は、干渉パターンに基づいて、前記三次元物体（２）および／または造形材料層（９）についての高さ情報を判断するように構成される判断装置（８）において、前記造形材料層（９）を選択的に照射するために、前記造形材料層（９）上に案内されるエネルギービーム（５）に関連して、前記造形面（６）を横断して測定要素（12）を移動させるように構成される少なくとも１つの移動ユニット（28）を備え、当該移動ユニット（28）は前記造形面（６）内において無限ループで前記測定ビーム（７）を案内するように構成されることを特徴とする判断装置（８）。

【請求項13】

請求項１〜１１のいずれか１項に記載の、エネルギービーム（５）により硬化させることができる造形材料（３）の層を連続して層ごとに選択照射して硬化させる三次元物体（２）の付加製造装置（１）、の操作方法であって、前記付加製造装置（１）のプロセスチャンバー内部で少なくとも１つの照射パラメータを判断するための判断装置（８）が設けられ、測定ビーム（７）が測定ビーム源（４，17）を用いて生成され、前記測定ビーム（７）がプロセスチャンバー内の造形面（６）に案内され、前記三次元物体（２）および／または造形材料層（９）についての高さ情報が干渉パターンに基づいて判断される付加製造装置（１）の操作方法において、前記測定ビーム（７）が、前記造形面（６）内において無限ループで案内されることを特徴とする付加製造装置（１）の操作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エネルギー源により硬化させることができる造形材料の層を、連続して層ごとに選択照射して硬化させることで三次元物体を付加製造する装置であって、装置の処理チャンバー内部に、少なくとも１つの照射パラメータを判断／決定する判断装置が設けられる付加製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

造形材料の層を、連続して層ごとに選択照射して硬化させるために使用されるエネルギー源を使用した三次元物体の付加製造装置は、先行技術から周知である。このような装置は、処理チャンバー、すなわち、付加製造処理が行われるチャンバーの内部における、放射伝搬についての情報を収集するように構成される、判断装置を備えることができる。このようにすると、エネルギー源、および／または、例えば熱放射等の粉体層から放射された放射に関する情報を提供することができる。

【0003】

さらに、物体または粉体層の位置のずれまたは誤差はそれぞれ、造形材料における照射パターンの公称位置からの逸脱の原因となり、その結果、付加製造物体の欠陥を引き起こす可能性があるので、物体を正確に位置決めすることが工程品質および／または物体の品質にとって極めて重要であることが、先行技術から周知である。したがって、前記周知技術において、粉体層を運ぶ運搬要素を正確に製造し案内することが知られている。しかしながら、前記周知技術では、物体と粉体層との間で相対運動が起こるかどうかを検出することはできない。また、いわゆる造形面内または造形面の下の造形材料の溶融たまりと既に硬化した領域についての具体的情報を判断することもできない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、付加製造工程に関する情報の判断を改善した三次元物体の付加製造装置を提供することである。

【0005】

本目的は、請求項１に係る本発明の装置により達成される。本発明の有益な実施形態は従属請求項の対象となる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書で述べる本発明の装置は、エネルギービーム、特にレーザービームまたは電子ビームにより硬化させることができる粉末造形材料（「造形材料」）の層を、連続して層ごとに硬化することにより、技術的な構成要素等の三次元物体を付加製造する付加製造装置である。前記各造形材料は、金属粉末、セラミック粉末またはポリマー粉末からなる。前記各エネルギービームは、レーザービームまたは電子ビームからなる。前記各装置は、造形材料の塗布と造形材料の硬化とを別々に行う装置とすることができ、例えば、選択式レーザー焼結装置や選択的レーザー溶融装置、選択的電子ビーム溶融装置等が挙げられる。別な形態として、造形材料の連続した層ごとの選択的硬化は、少なくとも１つの結合材を用いて行うことができる。前記結合材は、対応塗布ユニットで塗布してもよく、例えば、紫外線源等の適切なエネルギー源で照射してもよい。

【0007】

本発明の装置は、その稼働時に使用される複数の機能ユニットを備えてもよい。前記機能ユニットは、処理チャンバー、照射装置およびストリーム生成装置である。前記照射装置は、処理チャンバー内に配置された造形材料層に、少なくとも１つのエネルギービームを選択的に照射するように構成される。前記ストリーム生成装置は、少なくとも一部が、例えば所定の流動プロファイルや流動速度等の所定の流動特性で、処理チャンバー中を流れるガス状流体ストリームを生成するように構成される。前記ガス状流体ストリームは、処理チャンバーを流れる間、硬化していない微粒子状の造形材料、特に前記装置の稼働中に生成された煙または煙残渣で充満される場合がある。前記ガス状流体ストリームは、通常不活性であり、すなわち典型的には、例えばアルゴンや窒素、二酸化炭素等の不活性ガスのストリームである。

【0008】

本発明は、測定ビーム源が設けられるという技術思想に基づいている。前記測定ビーム源は、測定ビームを生成するように構成される。ここで、前記処理チャンバー内の造形面で前記測定ビームを案内するように構成されるビーム案内ユニットが設けられる。また、光学干渉に基づいて、物体および／または造形材料に関する少なくとも１つのパラメータを判断する判断装置が構成される。このようにして、前記測定ビームはレーザービーム等のエネルギービームとして使用できるビームを生成するように構成され、いずれのビーム源も使用できる本測定ビーム源が提供される。したがって、前記測定ビームとして、特に、前記付加製造装置のエネルギー源、例えばレーザービーム源を使用することができる。さらに、独立した測定ビーム源を提供することもできる。

【0009】

前記測定ビーム源を用いて生成された前記測定ビームは、可動ミラーやスキャナー等のビーム案内ユニットを用いて、前記処理チャンバーの造形面上に案内される。前述のように、造形面は、前記処理チャンバーの内部のエネルギー源により照射されるべき前記（一番上の）造形材料層が配置された平面である。当然ながら、測定ビームが前記造形面上に案内されるところで、造形面の移動を通して、例えば粉体層を運ぶ運搬要素により、前記測定ビーム（測定ビームの点）と造形面との間の相対運動が発生する。

【0010】

本発明の前記付加製造装置の判断装置は、干渉に基づき物体および／または造形材料層に関する少なくとも１つのパラメータを判断するように構成される。このようにして、光学干渉パターンが前記測定ビームにより生成され、当該干渉パターンに基づき、特に干渉パターンの変化の判断に基づき、情報を収集することができる。「干渉」という用語は、本願の範囲においては、通常、光学干渉と理解される。すなわち、光波の重ね合せ、つまり基準要素と測定要素が（検出器で）合成干渉パターンとなる。例えば、検出器で重ね合わされる基準要素と測定要素とに分かれる測定ビームは、同じ源から発するので、互いに可干渉性（コヒーレント）である。したがって、干渉パターンを観察することができる。

【0011】

前記造形材料層は、特に、前記エネルギービームで選択的に照射される造形面に配置された硬化していない造形材料で構成されてよい。「物体」という用語は、少なくとも部分的に照射された造形材料のいずれもを参照してよく、例えば、造形材料の硬化された層、溶融たまり、または、製造工程で付加製造される支持構造物である。したがって、造形面で照射された造形材料と照射されていない造形材料、特に硬化した造形材料と一部が硬化した造形材料と硬化していない造形材料についての少なくとも１つのパラメータを判断（決定）することができる。

【0012】

このようにして、前記測定ビームが案内される造形面の少なくとも一部分の高さ情報を得ることができる。したがって、造形面の各領域の高さ情報等の情報を前記付加製造工程から直接得ることができ、工程品質および／または物体の品質に結果を出すことができる。例えば、造形面および溶融たまりの高さの変化量は、溶融工程の安定性について情報を得るための計算に入れることができる。さらに、高さ情報は、物体、特に物体の硬化した領域につい生み出すことができ、公称高さ情報からの偏差を特定することができる。このようにして、例えば、物体（の少なくとも１つの硬化層）が幾何的要求を満たすかどうか、確認することができる。

【0013】

さらに、造形材料の一番上の層についての情報を生み出すことができるだけでなく、すでに塗布および硬化した造形材料の層についての情報を生み出すこともできる。すでに塗布および硬化した造形材料の層についての情報を生み出すことで、例えば、圧密挙動や（機械的）構造、その他の物理的パラメータの観点から、物体の品質および／または工程品質に関する定義された条件を満たすか、確認することができる。よって、前記判断装置は、干渉に基づき、少なくとも１つのすでに塗布された造形材料の層についての少なくとも１つのパラメータを判断するように構成され、特に、複数のすでに塗布された造形材料の層についての少なくとも１つのパラメータを判断するように構成される。

【0014】

本発明の前記付加製造装置の実施形態によれば、測定ビームを基準要素と測定要素に分けるように構成される、ビームスプリッタ（分割器）を設けてもよい。前記ビームスプリッタはさらに、基準要素を参照ミラーに案内し、測定要素を造形面に案内するように構成してもよい。前記ビームスプリッタはさらに、参照ミラーで反射した基準要素と、造形面で反射した測定要素を合成し、合成要素を検出器ユニットに向けて案内するように構成してもよい。よって、前記測定ビーム源、前述のように、例えば独立した測定ビーム源または前記エネルギービームを生成するエネルギー源、を用いて生成された前記測定ビームは、２つの要素、すなわち測定要素と基準要素とに分かれる。基準要素は、反射する参照ミラーまで案内され、前記ビームスプリッタへ戻るよう導かれる。同様にして、測定要素は、造形面に配置された造形材料の層に入射する造形面まで案内され（エネルギービームが測定ビームとして使用される場合には、造形材料が測定要素で照射され）、（少なくとも一部が）造形面で反射する。反射した測定要素は、前記ビームスプリッタへ戻るよう導かれ、反射した測定要素と反射した基準要素とが、前記ビームスプリッタを通して案内され、検出器ユニットに入射する。反射した要素、すなわち、前記ビームスプリッタから検出器に向けて伝搬する反射した測定要素および反射した基準要素は、「合成要素」とみなされる場合がある。

【0015】

測定要素および基準要素は測定ビームを分けて生成されるので、（とりわけ）測定要素と基準要素との間のビーム行路差に応じて、検出器ユニット上に光学干渉パターンが生成される。したがって、物体および／または造形材料層についての少なくとも１つのパラメータを判断するために、干渉パターンおよび／または干渉パターンの変化を観察することができる。

【0016】

前記ビーム案内ユニットは、測定ビームおよびエネルギービームを、一列になって、および／または、焦点を共有して案内するように構成することができる。このようにして、前述のように、付加製造工程で造形材料を照射するために使用されるエネルギービームを生成するエネルギー源とは別の、独立した測定ビームを提供することができる。よって、本実施形態によれば、測定ビームは、もっぱら付加製造工程についての情報の生成に使用され、特に、前述のように判断装置が少なくとも１つのパラメータを判断できるようにするために使用される。

【0017】

前記測定ビームは、前記エネルギービームのビーム行路に結合されてもよく（逆もまた同様）、前記エネルギービームおよび測定ビームは、一列になって、および／または、焦点を共有して案内される。よって、前記ビーム案内ユニットに入射する前記測定ビームおよびエネルギービームは、同調して移動させることができる。これにより、造形材料への照射と同調しながら、少なくとも１つのパラメータを判断することができる。当然ながら、空間的なオフセットを定義することができ、前記測定ビームは、造形面内で、前記エネルギービームに対して規定された距離に位置づけられる。つまり、造形面内の前記測定ビームの点と前記エネルギービームの点とは、規定された距離をおいて位置づけられてよい。本実施形態に係るビーム案内ユニットは、例えばＸ-Ｙスキャナー等のスキャナーユニットが例示されるが、前記エネルギービームおよび測定ビームを案内するように構成されるので、前記エネルギービームおよび測定ビームの両者が造形面内で同調して案内される。当然ながら、前記エネルギービームと測定ビームとを分けて案内することもできる。

【0018】

本発明の付加製造装置の別の実施形態によれば、少なくとも１つの移動ユニットを設けてもよく、前記移動ユニットは、好ましくは搖動ユニットであり、特に搖動ミラーである。前記移動ユニットは、造形面を横断して、特に造形材料層に選択的に照射するために造形材料層上に案内される前記エネルギービームに相対的に（関連して）、測定要素を動かすように構成される。このようにして、移動ユニットを用いて発生される移動は、前記ビーム案内ユニットにより実行される造形面での測定要素の案内を重ね合わせることができる。つまり、測定要素は前記ビーム案内ユニットを用いて造形面で案内されることができ、測定要素はまた移動ユニットを用いて造形面で案内されることもできる。

【0019】

その結果、結果として生じる測定面での測定要素の移動は、前記ビーム案内ユニットにより起こされる移動と、前記移動ユニットにより起こされる移動とで構成される。前記ビーム案内ユニットにより起こされる移動は、測定要素または測定要素の点をエネルギービームと同調して動がすので、前記移動ユニットが測定要素を個別に動かすように構成されるときに、測定要素をエネルギービームに相対的に（関連して）動かすために移動ユニットにより起こされる移動を用いることが有益である。したがって、例えば、測定要素の点とエネルギービームとの間の距離（オフセット）を規定するなどして、エネルギービームから独立して測定要素を動かすことができる。別な方法で、または追加的に、測定要素を任意に案内することができ、特に、造形面を（直線的に）横断して、および／または、エネルギービームに相対的に（関連して）案内することができ、例えば任意の移動パターンで案内することができる。

【0020】

特に、前記エネルギービームに先行して、または引き続いて、すなわち造形面におけるエネルギービームの実際の位置に対して前後に動かしながら、測定要素を移動させることができる。当然ながら、例えば、特に造形面等のＸ-Ｙ平面内の測定要素の点の任意の移動など、エネルギービームの位置に対するいずれの任意の移動パターンも、実現可能である。

【0021】

また、前記測定要素の点とエネルギービームとの間の距離は、前記移動ユニットを用いて調整および変更することができる。前記移動ユニットはまた、造形面でエネルギービームの位置の周りを搖動する測定要素の搖動運動を生み出すことができる。好ましくは、前記移動ユニットをエネルギービームのビーム行路の外側に配置することで、測定要素をエネルギービームのビーム行路に結合するように、前もって、測定要素の移動、特に相対的な移動を起こすことができるようにする。前述のように、エネルギービームのビーム経路と測定要素とを完全に分離することもできる。

【0022】

前記移動ユニットはさらに、特に、造形材料の塗布、および／または、エネルギービーム行路に先行する造形材料の位置情報についての少なくとも１つのパラメータを判断するために、エネルギービーム行路に先行する少なくとも１つの造形材料の領域に測定要素を案内するように構成してもよい。このようにして、測定要素は、（例えば照射パターンによって定義された）エネルギービーム行路に続くエネルギービームに先立って造形面の一面に案内されることができる。よって、エネルギービームの前に広がっている造形面についての情報が生成される。例えば、エネルギービーム行路より前の高さ情報、特に造形面における前記エネルギービームの実際の位置より前の高さ情報が生み出される。その結果、例えば例えば塗布品質の観点から、造形面に配置された造形材料の表面品質、特に造形材料の最表面の品質に関する情報を得ることができる。例えば、造形材料の塗布が適切に行われなかった場合、測定要素は、造形面における均一でない（平らでない）高さ情報についての情報を生成することができる。造形材料の塗布が適切に行われた場合、高さ情報は、造形面における造形材料の均等な分布に関連し、ゆえに均一な高さ情報に関連する。

【0023】

さらに、造形面での前記エネルギービームの実際の位置に先立って、造形材料または物体の高さ情報を判断することもできる。例えば、粉体層における物体の移動（付加製造工程の間に物体を受け止める硬化されていない造形材料の大きな塊）、特に、具体的には粉体層である粉体チャンバーの内側での物体の相対的な移動を特定することができる。

【0024】

本発明の付加製造装置の別の実施形態によれば、前記移動ユニットは、続いて起こる造形面、すなわちエネルギービーム行路に続く造形面の少なくとも１つの領域に測定要素を案内するように構成することができ、これは特に、造形材料の少なくとも１つの照射領域の圧密挙動について、および／または、続いて起こる造形面、すなわちエネルギービーム行路に続く位置情報についての少なくとも１つのパラメータを判断することを目的とする。したがって、前記エネルギービームに続く、または、造形面におけるエネルギービームの実際の位置に続く測定要素を案内することができる。よって、測定要素は、すでにエネルギービームにより照射された造形面の領域に案内されることができる。

【0025】

この領域では、領域の圧密挙動、または、前記エネルギービームによりすでに照射されたエリア（場所）についての少なくとも１つのパラメータを判断することができる。このエリアまたは領域についての情報を生成することで、照射された造形材料の圧密挙動についての情報を生成することができる。例えば、物体の表面（照射された造形材料の一番上の層）が物体の三次元形状等の定義された条件を満たすかどうか導き出すことができる。前記エネルギービーム行路の実際の位置に続く測定要素の案内により、各層の圧密挙動の不規則性を判断することができるので、物体の不純物を特定することができる。このようにして、塗布され、照射された層の硬化の品質を確認することができる。

【0026】

さらに、前記エネルギービーム行路の後に続く造形面の位置情報を生成することもできる。よって、位置情報は、すでに照射されて硬化した、特にすでに塗布されて硬化した少なくとも１つの造形材料の層とともに硬化した、少なくとも１つの層の位置に関連しているといえる。位置情報はまた、粉体層における物体の公称位置からの相対移動または偏差に関連しているともいえる。

【0027】

また、特に、造形材料の溶融挙動についての少なくとも１つのパラメータ、および／または、溶融たまり内の造形面の位置情報を判断するために、移動ユニットは、エネルギービームの実際の位置に一致する、少なくとも１つの造形面の領域内に、測定要素を案内するように構成されてもよい。「溶融たまり」という用語は、造形材料溶融するためにエネルギービームを用いて直接照射される造形面のエリアまたは領域のことをいう。エネルギービームと同調して測定要素を案内することにより、または、造形面内のエネルギービームの位置に測定要素を案内することにより、造形面での造形材料の実際の硬化プロセスについての情報を直接得ることができる。

【0028】

特に、造形材料の溶融挙動についての少なくとも１つのパラメータを判断することができる。例えば、溶融たまりの高さ情報を得ることができ、安定した高さ情報は造形材料の安定した溶融プロセスを示すといえる。そうでなければ、得られた情報における変動は、溶融たまりでの圧密挙動の不安定性を示すといえる。

【0029】

前記移動ユニットは特に、測定要素を案内するように構成されるが、特に測定要素を造形面において無限動作パターンで案内し、当該パターンは好ましくはループであって、特に八の字形状のループである。前述のように、造形面での測定要素の移動は、任意であってどのような移動で構成されてもよく、例えば、造形面のエネルギービームの位置に同調した、および／または、相対的な移動である。好ましくは、前記移動パターンは、前述のように、全ての移動エリアを占め、特に、エネルギービームの実際に位置に先行するエリアまたは領域、エネルギービームの実際の位置に続くエリアまたは領域、および、エネルギービームの実際の位置のエリアまたは領域である。

【0030】

当然ながら、前記移動パターン、特に無限移動ループは、適切だと思われるように、Ｘ-Ｙ平面、特に造形面のエリアまたは領域に広がって、エネルギービームに対して任意の距離に広げることができる。ループ形状は、八の字形状のループとして実行されることが特に好ましく、八の字形状のループの２つのループが八の字形状の中心で接続されるので、測定要素は、１ターン毎に２回、造形面のエネルギービームの実際の位置を通って案内される。

【0031】

本発明の前記付加製造装置の判断装置は、さらに、検出ユニット上での光学干渉パターンの変化に基づいて、特に干渉縞および周期的な交差を数えて、造形面の対応部分の高さ情報を生成するように構成されてもよい。したがって、造形面で測定要素を動かすことにより、基準要素の光学ビーム行路と測定要素の光学ビーム行路とは異なってよい。当然ながら、測定面の異なる位置に測定要素を案内することにより、測定要素が光学ビーム行路差を有するであろうことを計算に入れなければならず、このビーム行路オフセットを計算に入れて正確に補償する。よって、ビーム行路差において、結果としてのビーム行路差または変化は、測定要素が反射される点が公称位置に対して変化するということを示す。したがって、干渉パターンを観察することにより、特に干渉縞および周期的な交差を数えることにより、造形面の対応部分の高さ情報を判断することができる。例えば、造形面が完全に平らである場合（そして測定要素の移動による路程差が補償された場合）、干渉パターンは一定のままで変化しない。したがって、干渉パターンの変化は、造形面が平らでないことを示すために使用することができる。当然ながら、干渉パターンの判断／生成後の測定要素の移動の影響を補償することもできる。

【0032】

前記測定ビーム源は、可干渉性の測定ビーム、好ましくは特にエネルギービームであるエネルギー源とは異なる波長を備えたレーザービーム、および／または、非干渉性の測定ビーム、好ましくは白色光ビームを生成するように構成することができる。「可干渉性（コヒーレント）」および「非干渉性（インコヒーレント）」という用語はまた、コヒーレント光源および非コヒーレント光源を参照するものとして理解してもよい。例えば、本出願の範囲において、レーザービームはコヒーレント光源として理解され、白色光源は非コヒーレント光源としてみなされる。可干渉性測定ビームの使用は、装置の部品がエネルギービームの波長および測定ビームの波長の両方に適応される有利な点を有し、特にそれらの波長に透過性でなければならない各光学部品を有利に適合させることができる。例えば、反射防止膜または光学フィルタが、測定ビームおよびエネルギービームを透過させるように構成される。非干渉性測定ビームの使用は、完全な絶対高さ情報を生成できる有利な点を有する。

【0033】

本発明の付加製造装置の別な実施形態によれば、前記移動ユニットは、少なくとも２つの移動要素を備え、当該移動要素は特にミラーであり、少なくとも１つのミラーは、測定要素を造形面内の少なくとも１つの方向に移動させるように構成される。したがって、少なくとも２つの移動（可動）要素を備えることができ、例えば、少なくとも１つのミラーが測定要素を造形面内の少なくとも１つの方向に移動させるよう動くことができる。少なくとも２つの移動要素を有ることで、非常にコンパクトな組立体を実現できる可能性がある。移動要素は、例えばガルボ-ミラー（ガルバノミラー）として作ることができる。

【0034】

本発明の前記付加製造装置は、前記判断装置がプロセスチャンバー内のビーム案内ユニットの位置を判断するように構成するという点で、さらに改良してもよい。例えば公称位置に対する絶対高さ情報として使用することができる高さ情報を生成することにより、プロセスチャンバー内のビーム案内ユニットの位置を判断することができる。例えば、ビーム案内ユニットの公称位置からのずれまたは偏差を特定して正確に補償することができる。例えば非コヒーレント光源は、ビーム案内ユニットの位置を調整するために使用することができる絶対高さ情報を提供するために用いることができる。

【0035】

前記測定ビーム源はさらに、少なくとも２つの測定ビームを生成するように構成してもよく、少なくとも２つの測定ビームは、特に異なる移動ユニットにより、別々に案内することができ、または同調して案内することができる。したがって、少なくとも２つの異なる測定ビームを生成する異なる測定ビーム源を有することができ、すなわち、少なくとも１つの測定ビーム源が少なくとも１つの測定ビームを生成するように構成される。２つの測定ビームは、造形面の異なる領域またはエリアに案内されて、この特定の造形面の領域またはエリアに配置された造形材料についての情報を生成する。当然ながら、少なくとも２つの測定ビームを同調させて、例えばエネルギービームに同期したり所定の距離をとったりして、移動させることができる。例えば異なる測定ビームに異なる移動ユニットを割り当てることにより、それぞれの測定ビームを別々に移動させることもできる。よって、少なくとも２つの測定ビームのそれぞれの測定要素を、造形面、すなわちＸ-Ｙ平面内で、独立して個々に移動させることができる。

【0036】

さらに、本発明は、エネルギービームにより硬化させることができる造形材料の層を連続して層ごとに選択照射して硬化させることにより三次元物体を付加製造する装置のための前記判断装置に関し、特に本発明の前記付加製造装置は、前述のように、装置のプロセスチャンバー内部で、少なくとも１つの照射パラメータを判断するための判断装置を備え、測定ビーム源が測定ビームを生成するように構成され、プロセスチャンバー内の造形面で測定ビームを案内するように構成されるビーム案内ユニットが設けられ、判断装置が、物体および／または造形材料層についての少なくとも１つのパラメータを、干渉に基づいて判断するように構成される。

【0037】

さらに、本発明は、エネルギービームにより硬化させることができる造形材料の層を連像ｋして層ごとに選択照射して硬化させることにより三次元物体を付加製造する装置を操作するための方法に関し、特に本発明の前記付加製造装置は、前述のように、装置のプロセスチャンバー内部で少なくとも１つの照射パラメータを判断するための判断装置を設け、測定ビームが測定ビーム源を用いて生成され、測定ビームがプロセスチャンバー内の造形面に案内され、物体および／または造形材料層についての少なくとも１つのパラメータが干渉に基づいて判断される。

【0038】

自明なように、本発明の装置に対するすべての詳細、特徴および利点は、本発明の照射装置および本発明の方法に完全に転用可能である。当然ながら、本発明の装置の操作方法は、本発明の装置で実行されてよく、好ましくは本発明の照射装置を用いて実行される。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】第一実施形態に係る本発明の装置を示す模式図である。

【図2】第二実施形態に係る本発明の装置を示す模式図である。

【図3】造形面における測定ビームの典型的な行路を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0040】

本発明の典型的な実施形態について図面を参照して説明する。

【0041】

図１は、エネルギー源により硬化させることができる造形材料３の層を、連続して層ごとに選択照射して硬化させる三次元物体２を付加製造する装置１を示す。照射装置４が設けられ、当該照射装置４は、レーザービーム等のエネルギービーム５を生成するように構成される。照射装置４は、造形面６内で、特に造形面６に配置される造形材料３の表面一面で、エネルギービーム５を移動させるように構成されるビーム案内ユニット（図１には図示せず）を備える。前記エネルギービーム５は造形材料３に照射する「筆記（ライティング）」エネルギービーム５として使用され、エネルギービーム５はまた、測定ビーム７としても使用される。このようにして、典型的な本実施形態において、前記照射装置４はまた、図１に表すように、測定ビーム源としてみなされてもよい。

【0042】

前記付加製造装置１はさらに、物体２および／または例えば造形面６に配置された造形材料層９、または、すでに塗布されて照射された造形材料３の層９についての少なくとも１つのパラメータを判断するように構成される判断装置８を備えてもよい。

【0043】

典型的な本実施形態において測定ビーム７として使用される前記エネルギービーム５は、図１に表されるように、エネルギービーム５または測定ビーム７を、それぞれ基準要素11および測定要素12に分けるように構成されるビームスプリッタ10に入射する。以下ではエネルギービーム５にのみ言及し、典型的な本実施形態において、エネルギービーム５は測定ビーム７として使用されると理解すべきである。したがって、エネルギービーム５は測定ビーム７として使用され、すなわちエネルギービーム５と測定ビーム７とは本実施形態において同一であるので、エネルギービーム５について説明されるすべての詳細、特徴および利点は、測定ビーム７に完全に転用される。

【0044】

言い換えると、前記エネルギービーム５は、ビームスプリッタ10で少なくとも一部が反射し、エネルギービーム５のその一部が基準要素11とみなされる。基準要素11は参照ミラー13で反射し、反射した基準要素11は、再びビームスプリッタ10に向けて案内され、ビームスプリッタ10を通過し、検出器ユニット14に向けて案内される。ビームスプリッタ10に照射され、ビームスプリッタ10を通って伝搬するエネルギービーム５の一部は、測定要素12としてみなされ、造形面６上に、特に造形面６に配置された（硬化していない）造形材料３の層９上に案内される。測定要素12は、（一部が）造形材料３の表面で反射し、ビームスプリッタ10に向けて案内され、そこで検出器ユニット14に向けて反射される。このようにして、ビームスプリッタ10から検出器ユニット14に向けて伝搬する基準要素11および測定要素12は、合成要素15とみなすことができ、ビームスプリッタ10はそこで、反射した基準要素11と反射した測定要素12とを合成して、両要素11，12を検出器ユニット14に向けて案内するように構成されているとみなすことができる。

【0045】

前記検出器ユニット14は、基準要素11および測定要素12の両者を受け取り、（とりわけ）要素11，12の光学行路差に依存して、干渉パターンが検出器ユニット14で形成される。検出器ユニット14は、少なくとも１つの検出素子（図示せず）を備えてもよく、検出素子は例えば、カメラ等の少なくとも１つのＣＣＤセンサおよび／またはＣＭＯＳセンサとして作るか、これらを備えることができる。

【0046】

前記検出器ユニット14で形成される干渉パターンにより、物体２および／または造形材料層９についてのパラメータを判断することができる。例えば、干渉パターンの変動は、基準要素11と測定要素12との間のビーム行路差が生じているか、または、変化していることを示す。特に、エネルギービーム５が造形面６内で異なる位置に案内されることによる光学的なビーム行路差の発生を（例えば対応する制御ユニットを用いて）補償することができる。それらのビーム行路差は計算に入れられて補償されるので、干渉パターンの変動は、造形材料層９が平らでないことに関連するものである。言い換えると、造形面６の層９はが平らで均一であれば、検出器ユニット14の干渉パターンは（エネルギービーム５が造形面６内で異なる位置に案内されることによる影響を除いて）一定のままである。

【0047】

よって、干渉パターンの安定性は、付加製造工程の安定性、特に造形面６における造形材料３へのエネルギービーム５の照射により形成される溶融たまり16の安定性に関連している。例えば、干渉パターンが安定であれば、エネルギービーム５により形成される溶融たまり16も安定であるとみなすことができる。干渉パターンの変化が生じる場合、付加製造工程の不安定性、特に溶融たまり16の形成が示される。

【0048】

エネルギービーム５および造形面６で反射する前記測定要素12は、ビーム案内ユニット（図示せず）を用いて同調して案内されるので、付加製造工程の間、溶融たまり16を監視することができる。

【0049】

図２は、第二実施形態に係る三次元物体２の付加製造装置１を示す。図２に表される装置１の組立体は、通常、図１に表された装置１の組立体に基づいているので、同じ構成要素には同じ符号を使用する。特に、装置１もまた、図２に表されるように、エネルギービーム５を生成する照射装置４と、硬化していない造形材料３から物体２を作ることができる造形面６と、判断装置８と、検出器ユニット14と、参照ミラー13と、ビームスプリッタ10とを備える。

【0050】

図１に表される装置１とは異なり、図２に表される装置１は、独立した測定ビーム源17を備える。言い換えると、第二実施形態では、図２に示すように、照射装置４により生成されたエネルギービーム５は測定ビーム７として使用されない。その代り、測定ビーム７は、測定ビーム源17を用いて別に生成される。測定ビーム７はビームスプリッタ10に向けて案内され、当該ビームスプリッタ10は、前述のように、測定ビーム７を基準要素11と測定要素12とに分ける。さらに、基準要素11はビームスプリッタ10を通して伝搬され、基準要素11が反射される参照ミラー13で反射し、再びビームスプリッタ10に向けて案内される。基準要素11はその後、ビームスプリッタ10で反射し、検出器ユニット14に向けて案内される。

【0051】

前記測定要素12は、ビームスプリッタ10で反射し（これにより測定ビーム７を分かつ）、造形面６に向けて案内される。造形面６に向かう途中で、測定要素12は移動ユニット28に入射する。移動ユニット28は、例えば（矢印18で示すように動く）可動ミラーであり、特にガルバノミラーである。測定要素12は、移動ユニット28で反射することで、造形面６に向けて案内される。移動ユニット28で反射した測定要素12は、別のミラー19を通り、ビーム案内ユニット20に入射する。

【0052】

図２に示すように、装置１の照射装置４は、エネルギービーム５を生成するように構成され、当該エネルギービーム５もミラー19に入射する。エネルギービーム５は、ミラー19で反射することでまた、ビーム案内ユニット20に向けて案内される。ビーム案内ユニット20は、エネルギービーム５および測定要素12を造形面６に案内するように構成され、測定要素12およびエネルギービーム５を同調させて案内することができる。移動ユニット28の位置および動きによって、測定要素12は、例えば、エネルギービーム５に対して先行した移動、後に続く移動または一致した移動、あるいはこれらの移動の任意の組み合わせのようにして、動くこともできる。測定要素12がエネルギービーム５から離れて位置することで決まる距離21を規定および調整／変更することもできる。

【0053】

続いて、造形面６に入射した測定要素12は、測定面６に配置された造形材料３で、特に造形材料３の層９で反射しする。反射した測定要素12は、ビーム案内ユニット20を通り、ミラー19を通って伝搬する。ミラー19を通過した後、反射した測定要素12は、測定要素12が反射する移動ユニット28に再び入射し、ビームスプリッタ10を通って検出器ユニット14に案内される。さらに、反射した基準要素11および反射した測定要素12は合成要素15とみなすことができ、当該合成要素15はビームスプリッタ10から検出器ユニット14に伝搬する。

【0054】

前述のように、照射パターンは検出器ユニット14で、特に検出器ユニット14の検出素子で、検出素子上の基準要素11と測定要素12との干渉に基づいて形成される。よって、基準要素11と測定要素12との間の光学的なビーム行路差のために、判断装置８は、既に述べたように、物体２および／または造形材料層９についての少なくとも１つのパラメータを判断するように構成される。

【0055】

図２に示す配置のため、測定要素12は、造形面６内でエネルギービーム５に相対的に（関連して）移動することができる、例えば、エネルギービーム５に先立って、またはエネルギービーム５の後に続いて、測定要素12を移動させることができる。造形材料３に照射するためエネルギービーム５が造形面６を横断して移動し、これにより造形材料３を硬化させて三次元物体２を形成する間、造形面６内で、エネルギービーム５の位置の周りを無限ループで、および／または、エネルギービーム５の位置を通って、測定要素12を移動させることもできる。

【0056】

図３は、造形面６内における測定要素12の典型的な行路を示す。典型的な実施形態では、図３に示すように、矢印で表したＸ-Ｙ平面で広がる無限ループ22に沿って案内される。エネルギービーム５、特にエネルギービーム５の点は、エネルギービーム行路23に沿って案内され、造形面６に配置された造形材料３が照射されることで、エネルギービーム５の実際の位置（現在位置）の後方に溶融跡24が形成される。言い換えると、エネルギービーム５は、造形面６の表面に案内されるので、造形面６に配置される造形材料３を溶融して硬化させる。

【0057】

この典型的な実施形態では、前記測定要素12は、エネルギービーム５の実際の位置に先立って配置される先行領域25で、対応する移動ユニット28によって、動かされ、測定要素12はまた、エネルギービーム５の実際の位置および造形面６に一致する一致領域26内に案内され、無限ループ22はまた、造形面６内でエネルギービーム５の実際の位置の後に続く後続領域27内に広がっている。

【0058】

したがって、エネルギービーム５の実際の位置に先行して広がる先行領域25について、情報、例えば、造形面６に配置される造形材料３の表面品質についての情報を生成することができる。よって、検出器ユニット14で形成される照射パターンの変化により、造形材料３の塗布品質における以上を特定することができる。エネルギービーム５の実際の位置および造形面６に一致する一致領域26、すなわち、溶融たまり16が形成される領域を監視することもできる。溶融たまり16を通して測定要素12を案内することにより、溶融たまり16の安定性ついて、情報を生成することができる。

【0059】

このようにして、情報、すなわち検出器ユニット14で形成される干渉パターンが溶融たまり16内で安定であれば、安定した溶融および硬化プロセスが示される。干渉パターンが検出器ユニット14上で安定でないか一定でないと、圧密挙動についての問題を特定することができる。

【0060】

さらに、無限ループ22がエネルギービーム５に続く後続領域27内に広がっているので、後続領域27を監視することができる。溶融跡24は一部が後続領域27内に広がっているので、測定要素12は、エネルギービーム５の照射により硬化された造形材料３の圧密挙動等、溶融跡24についての情報を生成することができる。したがって、高さ情報は、すべての３つ領域25，26，27において生成することができ、例えば造形面６に配置される造形材料３について位置情報を生成することができ、例えば粉体層に関連する物体２の物体位置についての情報を生成することができる。さらに、造形材料３、特に溶融跡24に沿う溶融した造形材料３の１つまたは複数の層９の圧密挙動について情報を生成することができる。当然ながら、図示した無限ループ22は、単に典型的なものであると理解されなければならず、測定要素12が沿って案内されることができるすべての跡が、付加製造工程を監視するために使用可能である。特に、測定要素12は、エネルギービーム５に同調して、および／または、相対的に（関連して）、Ｘ-Ｙ平面内の任意のいずれの方向および／または任意のいずれの行路にも移動することができる。

【0061】

当然ながら、本発明の装置を実施するため操作する使用方法は、好ましくは本発明の照射装置４を使用して、本発明の装置１で実行することできる。特に、測定ビーム源17は、照射装置４に欠くことができない部品であり、照射装置４は、測定ビーム７および／またはエネルギービーム５を生成するように構成されてよく、特に、照射装置４は、図１に対して前述したように、測定ビーム７として同時に使用されるエネルギービーム５を生成してもよい。

【符号の説明】

【0062】

１ 付加製造装置
２ 三次元物体
３ 造形材料
４ 照射装置（測定ビーム源）
５ エネルギービーム（エネルギー源）
６ 造形面
７ 測定ビーム
８ 判断（決定）装置
９ 造形材料層
10 ビームスプリッタ
11 基準要素
12 測定要素
13 参照ミラー
14 検出器ユニット
15 合成要素
16 溶融たまり
17 測定ビーム源
19 ミラー
20 ビーム案内ユニット
22 無限ループ（ループ）
23 エネルギービーム行路
24 溶融跡
25 先行領域
26 一致領域
27 後続領域
28 移動ユニット

【図1】

【図2】

【図3】