特許 6841914 改良されたガス流で三次元工作物を製造するための装置

(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】6841914

(24)【登録日】2021年2月22日

(45)【発行日】2021年3月10日

(54)【発明の名称】改良されたガス流で三次元工作物を製造するための装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/16 20060101AFI20210301BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20210301BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20210301BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20210301BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20210301BHJP

   B29C 64/25 20170101ALI20210301BHJP

   B29C 64/371 20170101ALI20210301BHJP

   B33Y 40/00 20200101ALI20210301BHJP

   C04B 35/80 20060101ALI20210301BHJP

   C04B 35/84 20060101ALI20210301BHJP

   C04B 35/653 20060101ALI20210301BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20210301BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20210301BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/16

   B22F3/105

   B33Y30/00

   B33Y10/00

   B29C64/153

   B29C64/25

   B29C64/371

   B33Y40/00

   C04B35/80

   C04B35/84

   C04B35/653

   B23K26/21 Z

   B23K26/34

【請求項の数】13

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2019-524306(P2019-524306)

(86)(22)【出願日】2017年10月25日

(65)【公表番号】特表2019-536907(P2019-536907A)

(43)【公表日】2019年12月19日

(86)【国際出願番号】EP2017077295

(87)【国際公開番号】WO2018086887

(87)【国際公開日】20180517

【審査請求日】2019年5月10日

(31)【優先権主張番号】16198446.3

(32)【優先日】2016年11月11日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】514298748

【氏名又は名称】エスエルエム ソルーションズ グループ アーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100174942

【弁理士】

【氏名又は名称】平方 伸治

(72)【発明者】

【氏名】イザベル ヒュービンガー

(72)【発明者】

【氏名】ヤン ビルケス

(72)【発明者】

【氏名】ナビート イクバル

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス ビースナー

(72)【発明者】

【氏名】エドゥアルト ギーザー

【審査官】 坂口 岳志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−００６２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３３５２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１５８２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−００３１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４７８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０１０６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三次元工作物を製造するための装置（１０）であって、
−原料粉末を受けるためのキャリア（１４）を収容するプロセス室（１２）と、
−積層造形法によって前記原料粉末で作られる工作物を製造するために、前記キャリア（１４）上の前記原料粉末に電磁気又は粒子放射線を選択的に照射するための照射デバイス（１６）と、
−前記照射デバイス（１６）によって放出された前記電磁気又は粒子放射線を前記プロセス室（１２）の中へ透過できるようにする透過要素（２２）と、
−前記プロセス室（１２）の中に存在する不純物による汚染から前記透過要素（２２）を保護するために前記プロセス室（１２）の中に保護ガスストリーム（Ｆ１、Ｆ２）を生成するように構成される、前記プロセス室（１２）へガスを供給するためのガス入口（２６）及び前記プロセス室（１２）からガスを排出するためのガス出口（３２）と、
を備え、
前記ガス入口（２６）が、ランダムに配分された開口を備えかつ前記ガス入口（２６）のガス取入れエリア（Ａ）を形成するパネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）を備え、前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、前記プロセス室の第１側壁（３８）の中に配置され、前記プロセス室（１２）の前記第１側壁（３８）が前記ガス出口（３２）を収容する前記プロセス室（１２）の第２側壁（４０）に対向して配置される、
装置（１０）。

【請求項2】

前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、焼結材料及び／又は繊維性材料及び／又は連続気泡フォームを含む、
請求項１に記載の装置（１０）。

【請求項3】

前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、ステンレス鋼、ブロンズ、チタン及び／又はニッケル系合金を含む材料で作られる、
請求項１又は２に記載の装置（１０）。

【請求項4】

前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、２０％〜９０％の気孔率及び／又は１μｍ〜１０μｍの孔径を有する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１０）。

【請求項5】

前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、これを通過して流れるガスに関して異なる流動抵抗を有する複数の区間を備える、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１０）。

【請求項6】

前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、前記第１側壁（３８）の幅全体を横切って延びる、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（１０）。

【請求項7】

前記プロセス室（１２）へガスを供給するための別のガス入口（４２）を更に備え、前記別のガス入口（４２）が、前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）の下方で前記プロセス室（１２）の前記第１側壁（３８）の中に収容されたガス取入れ開口（４４）を有する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（１０）。

【請求項8】

前記ガス入口（２６）及び前記ガス出口（３２）が、前記透過要素（２２）から離れた方向を向く流動方向成分（ｖ１）を有する前記保護ガスストリーム（Ｆ１、Ｆ２）の第１ガス流（Ｆ１）が生成されるように構成され配置され、かつ、前記別のガス入口（４２）及び前記ガス出口（３２）が、前記キャリア（１４）を横切る前記保護ガスストリーム（Ｆ１、Ｆ２）の第２ガス流（Ｆ２）が生成されるように構成され配置される、
請求項７に記載の装置（１０）。

【請求項9】

前記ガス入口（２６）を介する前記プロセス室（１２）へのガスの体積流量が前記別のガス入口（４２）を介する前記プロセス室（１２）へのガスの体積流量より大きくなるように、前記プロセス室（１２）へのガスの供給を制御するように適合された制御ユニットを更に備える、
請求項７又は８に記載の装置（１０）。

【請求項10】

前記ガス入口（２６）に接続されかつ前記ガス入口（２６）を介して前記プロセス室（１２）へガスを供給するように構成されたガス取入れ流路（５０）を更に備え、前記ガス取入れ流路（５０）が、第１流れ断面を有する第１部分（５２）と、前記第１流れ断面より大きい第２流れ断面を有する、前記第１部分（５２）の下流の第２部分（５４）と、を有し、前記第２部分（５４）が、前記第１部分（５２）から前記第２部分（５４）へ向けられたガス流を分散するための分散ユニット（５６）を備える、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置（１０）。

【請求項11】

三次元工作物を製造する方法であって、
−プロセス室（１２）の中に収容されたキャリア（１４）上に原料粉末の層を塗布することと、
−積層造形法によって前記原料粉末で作られる工作物を製造するために、照射デバイス（１６）によって前記キャリア（１４）上の前記原料粉末に電磁気又は粒子放射線を選択的に照射することと、
−前記照射デバイス（１６）によって放出された前記電磁気又は粒子放射線を透過要素（２２）を介して前記プロセス室（１２）の中へ透過することと、
−前記プロセス室（１２）の中に存在する不純物による汚染から前記透過要素（２２）を保護するために前記プロセス室（１２）の中で保護ガスストリーム（Ｆ１、Ｆ２）が生成されるように、ガス入口（２６）を介して前記プロセス室（１２）へガスを供給しかつガス出口（３２）を介して前記プロセス室（１２）からガスを排出することと、
を含み、
前記ガス入口（２６）が、ランダムに配分された開口を備えかつ前記ガス入口（２６）のガス取入れエリア（Ａ）を形成するパネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）を備え、前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）が、前記プロセス室（１２）の第１側壁（３８）の中に配置され、前記プロセス室（１２）の前記第１側壁（３８）が、前記ガス出口（３２）を収容する前記プロセス室（１２）の第２側壁（４０）に対向して配置される、
方法。

【請求項12】

別のガス入口（４２）を介して前記プロセス室（１２）へガスを供給するステップを更に含み、前記別のガス入口（４２）が、前記ガス入口（２６）の前記パネル形ガス透過性多孔質構成部品（３６）の下方で前記プロセス室（１２）の前記第１側壁（３８）の中に収容されたガス取入れ開口（４４）を有し、前記ガス入口（２６）及び前記ガス出口（３２）が、前記透過要素（２２）から離れる方向を向く流動方向成分（ｖ１）を有する前記保護ガスストリーム（Ｆ１、Ｆ２）の第１ガス流（Ｆ１）が生成されるように構成され配置され、前記別のガス入口（４２）及び前記ガス出口（３２）が、前記キャリア（１４）を横切る前記保護ガスストリーム（Ｆ１、Ｆ２）の第２ガス流（Ｆ２）が生成されるように構成され配置される、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記プロセス室（１２）へのガスの前記供給が、前記ガス入口（２６）を介する前記プロセス室（１２）へのガスの体積流量が、前記別のガス入口（４２）を介する前記プロセス室（１２）へのガスの体積流量より大きくなるように制御される、
請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁気又は粒子放射線で原料粉末の層を照射することによって三次元工作物を製造するための装置に関する。本発明は、更に、三次元工作物を生産する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

粉末床溶融法は、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工作物に加工できる積層プロセスである。このために、原料粉末層がキャリアに塗布され、製造される工作物の所望の形状に応じて、電磁気又は粒子放射線を受ける。電磁気又は粒子放射線が粉末層の中へ貫入すると、原料粒子の加熱及びその結果として融解又は焼結を生じる。更なる原料粉末層が、工作物が所望の形状及びサイズになるまで、既に放射処理を受けたキャリア上の層に順次塗布される。粉末床溶融法は、特に、ＣＡＤデータに基づくプロトタイプ、ツール、交換部品又は医療用プロテーゼの製造に使用できる。

【0003】

粉末床溶融プロセスによって粉末原料から成形体を製造するための装置は、例えば欧州特許第１７９３９７９号明細書において説明される。この先行技術の装置は、製造される成形体のための複数のキャリアを収容するプロセス室を備える。粉末層準備システムは、レーザービームで照射される原料粉末をキャリアに塗布するために、キャリアを横切って行ったり来たり移動できる粉末容器ホルダを備える。プロセス室は、保護ガス回路に接続される保護ガス入口と保護ガス出口とを備える。プロセス室内に保護ガス環境を確立するために、保護ガス入口を介して、例えばアルゴンなどの保護ガスがプロセス室へ供給される。保護ガス出口を介して、プロセス室を通過して流れるとき例えば残留原料粉末粒子及び溶接煙粒子などの粒状不純物が加えられた保護ガスが、プロセス室から引き出される。

【0004】

欧州特許第１８３９７８１号明細書によれば、原料粉末を照射し融解するとき粉末床溶融プロセスにおいて発生する溶接煙は、プロセス室内部及び照射システムの構成部品例えば放射ビームがプロセス室の中へ向けられるとき通過するレンズ又は窓を汚染する可能性がある。その結果、照射システムによって放出される放射エネルギーの徐々に増大する部分は、沈着した溶接煙凝縮物によって吸収される可能性がある。欧州特許第１８３９７８１号明細書は、溶接煙がほぼ浸透不能として指定される製品組立ゾーンとプロセス室上壁との間の保護ガス流層の形式で分離ゾーンを生成し維持するための手段を有する保護ガス搬送システムを提供することを提案する。特に、保護ガス搬送システムは、プロセス室の側壁において水平方向に延びる細長いノズルを備える。ノズルを介して、コンプレッサによって高圧でノズルへ供給される保護ガスは、実質的に層状の保護ガス流が生成されるようにプロセス室へ供給される。ブロワによって保護ガスがプロセス室から引き出されるときに通過する排出開口が、ノズルに対向するプロセス室の別の側壁に設置される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、作動時の安定した作動条件を維持できかつ高品質の工作物を製造できる、電磁気又は粒子放射線で原料粉末の層を照射することによって三次元工作物を製造するための装置及び方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的は請求項１に記載の装置及び請求項１２に記載の方法によって達成される。

【0007】

三次元工作物を製造するための装置は、原料粉末を受けるためのキャリアを収容するプロセス室を備える。キャリアは、電磁気又は粒子放射線を受けるために原料粉末が塗布される面を有する堅固に固定されたキャリアとすることができる。但し、好ましくは、キャリアは、原料粉末から層が積み重ねられるとき工作物の構造高さが増大するのに伴いキャリアを垂直方向に下向きに移動できるように、垂直方向に変位可能であるように設計される。プロセス室内で塗布される原料粉末は、好ましくは金属粉末、特に金属合金粉末であるが、セラミック粉末又は様々な材料を含む粉末とすることもできる。粉末は、任意の適切な粒度又は粒度分布を有することができる。但し、粒度＜１００μｍの粉末を加工することが望ましい。

【0008】

装置は、更に、積層造形法によって原料粉末で作られた工作物を製造するために、キャリア上の原料粉末に電磁気又は粒子放射線を選択的に照射するための照射デバイスを備える。したがって、キャリアに塗布された原料粉末は、製造予定の工作物の所望の形状に応じて位置選択的に電磁気又は粒子放射線を受けられる。照射デバイスは、放射ビーム源特にレーザービーム源を備えることができ、更に、放射ビーム源から放出される放射ビームを案内及び／又は処理するための光学ユニットを備えることができる。光学ユニットは、対物レンズ及びスキャナユニットなどの光学要素を備えることができ、スキャナユニットは好ましくは、回析光学要素及び偏向ミラーを備えることが好ましい。

【0009】

更に、装置は、照射デバイスによって放出された電磁気又は粒子放射線をプロセス室の中へ透過できるようにする透過要素を備える。透過要素は、例えば、窓の形式で設計できる。代替的に、透過要素は、照射デバイスの光学要素特にレンズを備える又はこれから構成できる。透過要素は、プロセス室の壁の領域特にプロセス室の上壁の領域に配置できる。特に好ましい装置の実施形態において、透過要素は、キャリアの上方の領域特にキャリアの中央の上方の領域に配置される。例えば、透過要素は、壁の中特にプロセス室の上壁の中へ一体化される。

【0010】

透過要素の材料は、照射デバイスによって放出される電磁気又は粒子放射線に関して透過要素の所望の透過性を確保するために、照射デバイスによって放出される放射線のタイプに応じて選択できる。更に、透過要素の材料は、透過要素が三次元工作物を製造するための装置の作動中に透過要素に作用する熱負荷に耐えることができるように選択されなければならない。例えば、透過要素は、ガラス材料又は適切な重合体材料で作ることができる。所望の場合には、透過要素は、プロセス室の内部を向く面の領域に、透過要素の表面への溶接煙凝縮物の付着及び沈着を最小限に抑える表面層を備えることができる。

【0011】

装置は、更に、プロセス室へガスを供給するためのガス入口を備える。ガス入口によって供給されるガスは、例えばアルゴン、窒素又はこれと同種の不活性ガスとすることができる。プロセス室は、中に制御された環境を維持するために、周囲環境に対して密閉可能とすることが想定できる。制御された環境は、望ましくない化学反応特に酸化反応を防止するために、不活性ガス環境とすることができる。

【0012】

更に、装置は、プロセス室からガスを排出するためのガス出口を備える。ガス出口はガス排出ラインに接続でき、ガス排出ラインは、ガス出口を介してプロセス室から出て行くガスを、ガス入口を介してプロセス室の中へ再循環できる再循環システムを形成するように、ガス入口に接続されたガス供給ラインに接続される。ガス入口を介してプロセス室の中へガスを再循環させる前に、ガス出口を介してプロセス室から排出されるガスから粒状不純物を取り除くために、適切なフィルタ配列体を再循環システムに設置できる。

【0013】

ガス入口及びガス出口は、プロセス室の中に存在する不純物、例えば電磁気又は粒子放射線で照射されるときキャリア上に塗布された原料粉末から生じる粉末粒子又は溶接煙による汚染から透過要素を保護するためにプロセス室の中に保護ガスストリームを生成するように構成される。ガス入口及びガス出口によって生成された保護ガスストリームは、電磁気又は粒子放射線でキャリア上の原料粉末を照射するときプロセス室の中で発生する粒状不純物をプロセス室から排出する役割を果たす。そのために、保護ガスストリームは、粒状不純物が透過要素に達するのを防止するか又は少なくとも透過要素から離れるように案内されるようにする。具体的には、ガス入口及びガス入口は、プロセス室の中の保護ガスストリームが透過要素を横切って流れるように構成及び配置できる。言い換えると、透過要素の領域において、保護ガスストリームは、少なくとも部分的に透過要素に対して実質的に平行に流動できる。

【0014】

ガス入口は、ガス入口のガス取入れエリアを形成するガス透過性多孔質構成部品を備える。この文脈において、用語「多孔質」は、ランダムに配分された開口及び／又は包含物を備える材料を指定する材料特性を意味する。ガスがプロセス室へ供給されるときに通るガス透過性多孔質構成部品によって、ガス入口は、実質的に層状の保護ガスストリームがプロセス室の中で生成されるようにする。言い換えると、ガス入口を介してプロセス室へ供給されるガス流は、ガス透過性多孔質構成部品を通過して流れると、均等化され、それによって、プロセス室の中に層状保護ガス流を構成する。更に、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、ガス入口のガス取入れエリア全体のガスの均質の取入れを保証しながら、ガス入口に空間最適化設計を与える。このようにして、保護ガスストリームにおける望ましくない乱流の発生（キャリアに塗布された原料粉末床及び／又は照射プロセスを乱す可能性がある）を特に効果的に防止できる。

【0015】

このように、照射システムによって放出された放射エネルギーの透過要素の表面に沈着した溶接煙凝縮物による吸収は、最小限に抑えられることができ、三次元工作物を製造するための装置のより長い作動時間においてもプロセス室内での安定した作動条件を維持できる。その結果、透過要素を清掃するために装置の作動を中断することなく、高品質の工作物を製造できる。更に、溶接煙凝縮物の沈着による透過要素の損傷を防止又は少なくとも大幅に減少できる。

【0016】

更に、ガス入口のガス取入れエリアを形成するガス透過性多孔質構成部品は、ガスストリームをプロセス室へ導入する前にガスストリームから粒状不純物をろ過するためのフィルタとして使用できる。したがって、付加的なフィルタの必要を、少なくとも部分的になくすことができる。

【0017】

ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、焼結材料を含むことができる。この文脈において、焼結材料は、焼結プロセスによって製造された材料を意味し、焼結プロセスにおいて、粉末粒子は、その融点よりかなり低い温度で融着する。焼結材料を含むことによって、ガス透過性多孔質構成部品は、正確で均等の粒度及び気孔分布で提供される広範囲の粒度の球形粉末粒子から構成できる。更に、焼結は、多様な材料を使用できながら、形状安定性及び丈夫な金属成分の特性を有する高多孔性材料を製造できるようにする。このように、焼結材料を含むことによって、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、高耐熱性、並びに、圧縮、振動及び変動する条件下における有利な構造的特性を備えることができる。

【0018】

その代わりに又はそれに加えて、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、繊維性材料特に繊維織物を含むことができる。具体的には、繊維性材料は、グラスファイバ又は金属ファイバを含むことができる。その代わりに又はそれに加えて、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、連続気泡フォーム特に金属フォームを含むことができる。

【0019】

ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、ステンレス鋼、ブロンズ、チタン及び／又はニッケル系合金を含めた材料で作ることができる。当然、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、セラミックなどの他の材料又は様々な材料で作ることもできる。

【0020】

更に、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、２０％〜９０％の気孔率特に実質的に４０％の気孔率を有することができる。この文脈において、用語「気孔率」は、材料特性を意味し、材料の総体積に対する空隙即ち空間の体積の比率を規定する。ガス透過性多孔質構成部品内の空隙は、いわゆる気孔によって構成される。ガス透過性多孔質構成部品内に空隙を構成する気孔は、様々な形状及び孔径を有することができる。但し、好ましくは、ガス透過性多孔質構成部品内に空隙を構成する気孔は、１μｍ〜１０μｍの孔径を有する。

【0021】

別の展開において、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、これを通過して流れるガスに対して異なる流動抵抗を有する複数の区間を備える。例えば、異なる流動抵抗を備えるために、複数の区間は異なる気孔率を有することができる。この構成に関して、焼結プロセスによってガス透過性多孔質構成部品を構成すると特に有利である。このようにして、ガス透過性多孔質構成部品は、簡単な方法によって、異なる気孔率を有する複数の区間を含む複雑な構造を備えることができる。

【0022】

具体的には、複数の区間は、相互に対して平行にかつ／又はガス入口のガス透過性多孔質構成部品を通過して流れるガスの流動方向に関して列状に配列できる。ガス透過性多孔質構成部品において複数の区間を構成することによって、保護ガスストリームの有効性を改良するために、プロセス室を通過して流れる保護ガスストリームの所望の流動プロフィルを、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品によって調節できる。

【0023】

三次元工作物を製造するための装置の好ましい実施形態において、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、プロセス室の第１側壁の領域に配置される。具体的には、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、ガス入口のガス取入れエリアがキャリアに対して実質的に直角を成して配置されかつ／又はプロセス室に面する第１側壁の内面に設置されるように、プロセス室の第１側壁の中に配置できる。プロセス室の第１側壁は、ガス出口を収容するプロセス室の第２側壁に対向して配置できる。

【0024】

ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、実質的にプロセス室の第１側壁の幅全体を横切って延びることが望ましい。このようにして、ガス透過性多孔質構成部品によって形成されたガス取入れエリアのサイズを増大でき、特に低い圧力でガス入口を介するプロセス室へのガスの特に高い体積流量の供給を可能にする。このような構成によって、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、プロセス室の幅全体を横切って均質に分布する層状ガスストリームがプロセス室において生成されるようにする。これは、プロセス室の中に存在する粒状不純物が特に効果的に透過要素に到達するのを防止する効果を有する。

【0025】

ガス入口のガス透過性多孔質構成部品によって形成されたガス取入れエリアは、更に、ガス取入れエリアを更に増大するために、プロセス室の別の側壁及び／又は上壁の領域に配置される部分を備えることができる。

【0026】

ガス出口は、プロセス室の第２側壁の中に収容されるガス排出開口を備えることができる。ガス出口のガス排出開口は、実質的にプロセス室の第２側壁の幅及び／又は高さ全体を横切って延びることができる。代替的に、ガス出口は、スリット形ガス出口の形式で設置できる。したがって、スリット形ガス出口は、ガス入口下方の領域に配置できるスリット形ガス排出開口を備えることができる。

【0027】

三次元工作物を製造するための装置は、更に、プロセス室の中に収容されかつ照射デバイスによって照射された電磁気又は粒子放射線を受ける前にキャリアに原料粉末層を塗布するように構成された粉末層準備システムを備えることができる。具体的には、粉末層準備システムは、電磁気又は粒子放射線で照射される原料粉末をキャリアに塗布するために、キャリアを横切って行ったり来たり移動できる粉末容器ホルダを備える。好ましくは、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、粉末層準備システムの上方の領域に配置される。このような構成によって、ガス入口及びガス出口によって生成される保護ガスストリームは、粉末層準備システムを収容するプロセス室の領域から分離できる。

【0028】

ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、１ｍｍ〜５ｍｍの厚み、特に３ｍｍの厚みを有することができる。この文脈において、「厚み」は、ガス入口を通過して流れるガスの流動方向におけるガス透過性多孔質構成部品の寸法を意味する。更に、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、実質的にパネル形状を有することができる。具体的には、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品が焼結プロセスによって製造される場合、構成部品は、焼結プレートの形式で設置できる。

【0029】

三次元工作物を製造するための装置は、更に、プロセス室へガスを供給するための別のガス入口を備えることができる。別のガス入口は、プロセス室の第１側壁の中に収容されるガス取入れ開口を有することができる。具体的には、別のガス入口のガス取入れ開口は、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品の下方の領域に配置できる。好ましくは、ガス入口と別のガス入口とを介してプロセス室へ同じガス特に不活性ガスが供給される。但し、ガス入口と別のガス入口とを介してプロセス室の中へ異なるガスが導かれることも想定される。別のガス入口は、別のガス入口を介してプロセス室の中へ供給されるガスが流れるように適合される別のガス供給ラインに接続できる。別のガス供給ラインは、ガス入口へガスを供給する役割を果たすガス供給ラインに接続できる。但し、別のガス供給ラインは、ガス入口のガス供給ラインから独立して設計され、例えばガス源に直接的に接続されることも想定できる。

【0030】

特に、ガス入口及びガス出口は、透過要素から離れる方向を向く流動方向成分を有する保護ガスストリームの第１ガス流が生成されるように、構成及び配置できる。具体的には、ガス入口及びガス出口は、ガス入口を介してプロセス室へ供給されるガスが、プロセス室を通過して流れる際に、透過要素を収容するプロセス室の壁までの距離を増大するように、構成及び配置できる。例えば、ガス入口のガス透過性多孔質構成部品から出て行く第１ガス流は、ガス取入れエリアに対して実質的に直角を成す方向に流れる。その後、透過要素の領域において第１ガス流が少なくとも部分的に透過要素に対して実質的に平行に流れるように、透過要素を横切る方向に向けることができる。その後、更にプロセス室を通過して流れる際に、第１ガス流は、透過要素から離れる方向を向くように配置されることが好ましい、ガス出口へ向けられる。それに加えて又はその代わりに、第１ガス流は、キャリアの方向に流れることができる。

【0031】

別のガス入口及びガス出口は、キャリアを横切る保護ガスストリームの第２ガス流が生成されるように構成及び配列できる。第２ガス流は、好ましくは、電磁気又は粒子放射線でキャリア上の原料粉末を照射するときプロセス室の中に発生した粒状不純物が別のガス入口からガス出口までプロセス室を通過して案内される第２ガス流によってプロセス室から排出されるようにするために、キャリアに対して実質的に平行に向けられる。

【0032】

ガス入口、別のガス入口及びガス出口のこのような構成によって、プロセス室の中に存在する粒状不純物は、透過要素に到達することを防止されるか、又は、少なくとも特に効果的に透過要素から離れるように案内される。

【0033】

三次元工作物を製造するための装置は、更に、電子制御ユニットの形式で設計でき、かつ、ガス入口を介するプロセス室の中へのガスの体積流量が、別のガス入口を介するプロセス室の中へのガスの体積流量より大きくなるように、プロセス室へのガスの供給を制御できる、制御ユニットを備えることができる。プロセス室へのガス供給のこのような制御は、特に確実に透過要素の汚染を防止できる。

【0034】

別の展開において、装置は、ガス入口に接続されかつガス入口を介してプロセス室へガスを供給するように構成されたガス取入れ流路を備えることができる。具体的には、ガス取入れ流路は、ガス透過性多孔質構成部品に接続できる。このようにして、ガス入口を介してプロセス室へ供給されるガスは、ガス入口へ進入する前に、ガス取入れ流路の中へ導くことができる。ガス取入れ流路は、第１流れ断面を有する第１部分と、第１流れ断面より大きい第２流れ断面を有する、第１部分の下流の第２部分と、を有することができる。この文脈において、「下流」及び「上流」は、ガス供給ラインを通過するガスの流れの方向を意味する。ガス取入れ流路は、ガス入口の上流のガス供給ラインにおいて及びプロセス室において、例えば装置の作動時に発現する温度差によって現れる圧力差を補正する役割を果たす、圧力均等化コンテナの形式で設置できる。

【0035】

ガス取入れ流路の第２部分は、第１部分から第２部分へ向けられたガスの流れを分散するための分散ユニットを備えることができる。例えば、分散ユニットは、バッフルプレートの円形面が第１部分のガス取入れ開口に面するようにガス取入れ流路の第１部分のガス取入れ開口の前に配置されるディスク形バッフルプレートの形式で設置できる。このように、ガス入口を介してプロセス室へ供給されるガスは、ガス取入れ流路の第１部分から第２部分へ向けられた後、ディスク形バッフルプレートの周りに案内される。その結果、ガス取入れ流路が存在するおかげで、ガスは、ガス入口のガス取入れエリア全体で特に均等にガス入口を介してプロセス室へ供給できる。

【0036】

特に、ガス取入れ流路は、プロセス室の第１側壁に一体化できる。例えば、ガス取入れ流路は、特にガス入口のガス透過性多孔質構成部品の上流の、プロセス室の第１側壁の中に形成された中空空間によって形成できる。このように、ガス取入れ流路は、特に空間を節約して装置の中に設置できる。

【0037】

三次元工作物を製造する方法において、原料粉末の層が、プロセス室の中に収容されたキャリアに塗布される。積層造形法によって原料粉末で作られた工作物を製造するために、電磁気又は粒子放射線が、照射デバイスによってキャリア上の原料粉末に選択的に照射される。更に、照射デバイスによって放出された電磁気又は粒子放射線は、透過要素を介してプロセス室の中へ透過される。方法は、更に、プロセスの中に存在する不純物による汚染から透過要素を保護するためにプロセス室の中に保護ガスストリームが生成されるように、ガス入口を介してプロセス室へガスを供給するステップと、ガス出口を介してプロセス室からガスを排出するステップと、を含む。ガス入口は、ガス入口のガス取入れエリアを形成するガス透過性多孔質構成部品を備える。

【0038】

ガス入口のガス透過性多孔質構成部品は、プロセス室の第１側壁に配置でき、プロセス室の第１側壁は、ガス出口を収容するプロセス室の第２側壁に対向して配置される。

【0039】

方法は、更に、別のガス入口を介してプロセス室へガスを供給するステップを含み、別のガス入口は、特にガス入口のガス透過性多孔質構成部品の下方の、プロセス室の第１側壁の中に収容されたガス取入れ開口を有する。ガス入口及びガス出口は、透過要素から離れた方向を向く流動方向成分を有する保護ガスストリームの第１ガス流が生成されるように構成及び配置できる。別のガス入口及びガス出口は、キャリアを横切る保護ガスストリームの第２ガス流が生成されるように構成及び配置できる。

【0040】

好ましくは、プロセス室へのガスの供給は、ガス入口を介するプロセス室の中へのガスの体積流量が、別のガス入口を介するプロセス室の中へのガスの体積流量より大きくなるように、制御される。

【0041】

本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して以下で更に詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】三次元工作物を製造するための装置の斜視図である。

【図2】図１の装置に設置されたガス透過性構成部品の拡大断面図である。

【図3】図１の装置の概略的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0043】

図１〜３は、積層プロセス（additive layering process）によって三次元工作物を製造するための装置１０を示す。装置１０は、原料粉末を受けるためのキャリア１４を収容するプロセス室１２を備える。粉末塗布デバイス（図示せず）は、キャリア１４上に原料粉末を塗布するための役割を果たす。キャリア１４は、キャリア１４上に原料粉末が層状に構築されるとき工作物の構造高さの増大に伴いキャリア１４を垂直方向に下向きに移動できるように、垂直方向に変位可能であるように設計される。

【0044】

三次元工作物を製造するための装置１０は、更に、積層造形法（additive layer construction method）によって上記の原料粉末で作られる工作部を製造するために、キャリア１４上に塗布された原料粉末に電磁気又は粒子放射線特にレーザー放射線を選択的に照射するための照射デバイス１６を含む。特に、照射デバイス１６によって、キャリア１４上の原料粉末は、製造すべき構成要素の所望の形状に応じて、位置選択的に電磁気又は粒子放射線を受ける。照射デバイス１６は、約１０７０〜１０８０ｎｍの波長のレーザー光を発するダイオード励起イッテルビウムファイバレーザーを備えることができる、放射源１８を備える。

【0045】

照射デバイス１６は、更に、放射源１８から放出された放射ビームを案内し処理するための光学ユニット２０を備える。光学ユニットは、放射ビームを拡張するためのビームエクスパンダ、スキャナ及び対物レンズを備えることができる。代替的に、光学ユニットは、集束レンズ及びスキャナユニットを含むビームエクスパンダを備えることができる。スキャナユニットによって、ビーム経路の方向及びビーム経路に対して直角を成す平面の両方において放射ビームの焦点の位置を変更し、適合化できる。スキャナユニットは、検流計スキャナの形式で設計でき、対物レンズはｆθ対物レンズとすることができる。

【0046】

装置１０は、更に、プロセス室１２の中への照射デバイス１６によって放出された電磁気又は粒子放射線の透過を可能にする透過要素２２を備える。図に示す装置１０において、透過要素２２は、キャリア１４の中央の上方のプロセス室１２の上壁２４の領域に配置されるガラス又は重合体材料で作られた窓の形式で設計される。このようにして、照射デバイス１６によって放出された放射ビームは、製造予定の工作物の形状に応じて、透過要素２２を通過してキャリア１４を横切るように案内可能である。

【0047】

プロセス室１２は、周囲環境に対して即ちプロセス室１２を取り囲む環境に対して密閉される。図３から分かるように、プロセス室１２は、ガス源２８からプロセス室１２へガスを供給するためのガス入口２６を備える。ガス入口２６を介してプロセス室へ供給されたガスは、例えばアルゴン、窒素又はこれと同種のものなどの不活性ガスとすることができる。但し、ガス入口２６を介してプロセス室１２へ空気を供給することも想定可能である。ガスは、ガス供給ライン３０の中に配置される例えばポンプ又はブロワ（図示せず）などの適切な搬送装置によってガス入口２６を介してプロセス室１２の中へ搬送される。

【0048】

更に、装置１０は、プロセス室１２からガスを排出するためのガス出口３２を備える。具体的には、ガス出口３２は、電磁気又は粒子放射線でキャリア１４上の原料粉末を照射するときプロセス室１２の中で発生した粒状不純物を含有するガスをプロセス室１２から排出するための役割を果たす。

【0049】

ガス出口３２は、ガス排出ライン３４に接続され、ガス排出ラインは、ガス入口２６に接続されたガス供給ライン３０に接続されて、再循環システムを形成し、ガス出口３２を介してプロセス室１２から出て行くガスはガス入口２６を介してプロセス室の中へ再循環される。ガス入口２６を介してプロセス室１２の中へガスを再循環する前に、ガス出口３２を介してプロセス室１２から排出されたガスから粒状不純物を除去するために、適切なフィルタ配列体（図示せず）が再循環システムに設置される。

【0050】

ガス入口２６及びガス出口３２は、プロセス室１２の中に存在する不純物例えば照射デバイス１６によって放出された電磁気又は粒子放射線で照射されるときキャリア１４上に塗布された原料粉末から生じる粉末粒子又は溶接煙による汚染から透過要素２２を保護するために、プロセス室１２において保護ガスストリームＦ１、Ｆ２を生成するように構成される。

【0051】

装置１０のガス入口２６は、ガス入口２６のガス取入れエリアＡを形成するガス透過性多孔質構成部品３６を備える。図２から分かるように、ガス透過性多孔質構成部品３６は、プロセス室１２の中に実質的に層状の保護ガスストリームＦ１、Ｆ２を発生させる役割を果たす。具体的には、ガス透過性多孔質構成部品３６によって、ガス入口２６を介してプロセス室１２へ供給されるガスは、ガス透過性多孔質構成部品３６を通過して流れると、均等化され、それによって、プロセス室１２の中に層状の保護ガス流Ｆ１、Ｆ２を構成する。

【0052】

図１〜３に示す装置１０の実施形態において、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、焼結材料を含み、特に焼結プレートの形式で提供される。その代わりに又はそれに加えて、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、繊維材料特に繊維織物及び／又は連続気泡フォーム特に金属フォームを含むことができる。

【0053】

具体的には、ガス透過性多孔質構成部品３６の焼結材料は、ブロンズを含む材料で作られる。その代わりに又はそれに加えて、ステンレス鋼、チタン及び／又はニッケル系合金を含む材料で作ることができる。図２に示すようにガス透過性多孔質構成部品３６の焼結材料は、比較的均等の孔径及び気孔分布を有する球形粉末粒子を含む。特に、図１〜３に示す装置１０の実施形態において、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、実質的に４０％の気孔率及び１μｍ〜１０μｍの孔径を有することができる。

【0054】

その代わりに又はそれに加えて、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、それを通過して流れるガスに関して、異なる流動抵抗を有する複数の区間を備えることができる。例えば、異なる流動抵抗を備えるために、複数の区間は、異なる気孔率を有することができる。

【0055】

図１及び図３に示すように、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、プロセス室１２の第１側壁３８の領域に配置される。具体的には、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、ガス取入れエリアＡが実質的にキャリア１４に対して直角を成して配置されかつプロセス室１２に面する第１側壁３８の内面に設置されるように、プロセス室１２の第１側壁３８の中に配置される。プロセス室１２の第１側壁３８は、ガス出口３２を収容する第２側壁４０に対向して配置される。ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、プロセス室１２の第１側壁３８の幅全体を横切って延び、実質的にパネル形状を有する。更に、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、実質的に第１側壁３８の高さ全体に延びる。このようにして、ガス透過性多孔質構成部品３６によって形成されたガス取入れエリアＡのサイズが増大して、特に低い圧力でガス入口２６を介してプロセス室１２へのガスの特に高い体積流量の供給を可能にする。このような構成によって、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６は、実質的にプロセス室１２の幅及び高さ全体を横切って均質に分布される層状保護ガスストリームが、プロセス室１２の中へ導かれることを確実にする。これは、プロセス室１２の中に存在する粒状不純物が透過要素２２に達するのを特に効果的に防止すると言う効果を有する。

【0056】

装置１０は、更に、プロセス室１２へガスを供給するための別のガス入口４２を備える。別のガス入口４２は、プロセス室１２の第１側壁３８の中に収容されたガス取入れ開口４４を有し、別のガス入口４２のガス取入れ開口４４は、ガス入口２６のガス透過性多孔質構成部品３６の下方の領域に配置される。

【0057】

別のガス入口４２は、別のガス入口４２を介してプロセス室１２の中へ供給されるガスが流れる別のガス供給ライン４６に接続される。ガス入口２６のガス供給ライン３０と同様、別のガス供給ライン４６も、ガス源２８に接続される。このように、同じガスがガス入口２６及び別のガス入口４２を介してプロセス室１２へ供給される。

【0058】

ガス入口２６及びガス出口３２は、透過要素２２から離れる方向を向く流動方向成分ｖ１を有する保護ガスストリームＦ１、Ｆ２の第１ガス流Ｆ１が生成されるように、構成され、配列される。具体的には、ガス入口２６及びガス出口３２は、ガス入口２６を介してプロセス室１２へ供給されるガスが、プロセス室１２を通過して流れるとき、透過要素２２を通過した後に透過要素２２を収容するプロセス室１２の上壁２４との間の距離を増大するように、構成され配列される。言い換えると、第１ガス流Ｆ１を構成するガス入口２６を介してプロセス室１２へ供給されるガスは、まず透過要素２２を横切る方向へ向けられる。従って、透過要素２２の領域において、第１ガス流Ｆ１は、透過要素２２に対して実質的に平行に流れる。その後、プロセス室１２を通過して更に流れると、ガスは、透過要素２２を収容するプロセス室１２の上壁２４から離れる方向へ向けられる。このように、図１に示すように、第１ガス流Ｆ１は、透過要素２２から離れる方向を向く第１流動方向成分ｖ１及びガス取入れエリアＡから離れる方向を向く第２流動方向成分ｖ２を有し、第１及び第２流動方向成分ｖ１、ｖ２は、相互に対して直角を成す。図面に示す装置１０において、これは、ガス入口２６及びガス出口３２をプロセス室１２の対向する側壁３８、４０の領域に配列することによって得られ、ガス出口３２は、ガス入口２６の下方の領域に配置される。

【0059】

別のガス入口４２及びガス出口３２は、キャリア１４を横切る保護ガスストリームＦ１、Ｆ２の第２ガス流Ｆ２が生成されるように構成され配置される。図１に示すように、第２ガス流Ｆ２は、電磁気又は粒子放射線によりキャリア１４上の原料粉末に照射するときプロセス室１２の中に発生する粒状不純物が別のガス入口４２からガス出口３２までプロセス室１２を通過して案内される第２ガス流Ｆ２によってプロセス室１２から排出されるように、キャリア１４に対して実質的に平行の方向に向けられる。具体的には、図示する装置１０において、これは、プロセス室１２の対向する側壁３８、４０の領域において、実質的に同じ高さにスリット形の別のガス入口４２及びスリット形のガス出口３２を配列することによって達成できる。スリット形の別のガス入口４２及びスリット形ガス出口のガス排出開口４８は、実質的に対向する側壁３８、４０の幅全体を横切って延びる。代替的に、ガス出口３２は、ガス排出開口４８が実質的にプロセス室１２の第２側壁４０の幅及び高さ全体を横切って延びるように設置できる。

【0060】

プロセス室１２へのガスの供給は、制御ユニット（図示せず）によって、ガス入口２６を介するプロセス室の中へのガスの体積流量が、別のガス入口４２を介するプロセス室１２の中へのガスの体積流量よりも大きくなるように、制御される。プロセス室１２へのガス供給のこの制御によって、透過要素２２が汚染されるのを特に確実に防止することができるようにする。

【0061】

装置１０は、更に、ガス入口２６に接続されかつガス入口２６を介してプロセス室１２へガスを供給するように構成されたガス取入れ流路５０を備える。ガス取入れ流路５０は、第１流れ断面を有する第１部分５２と、第１流れ断面より大きい第２流れ断面を有する、第１部分５２の上流の第２部分５４を備える。第１部分５２は、ガス供給ライン３０に接続される。ガス取入れ流路５０は、プロセス室１２の第１側壁３８に一体化される。具体的に、流路５０の中のガスは、プロセス室１２の第１側壁３８の中に形成された中空空間によって画定される。

【0062】

ガス取入れ流路の第２部分５４において、第１部分５２から第２部分５４の中へ向けられるガスの流れを分散するために分散ユニット５６が設置される。具体的には、分散ユニット５６は、バッフルプレートの円形面５８が第１部分５２のガス取入れ開口に面するように、ガス取入れ流路５０の第１部分５２のガス取入れ開口の前に配置されたディスク形バッフルプレートの形式で設置される。このように、ガス入口２６を介してプロセス室１２へ供給されるガスは、ガス取入れ流路５０の第１部分５２から第２部分５４へ向けられた後、ディスク形バッフルプレートの周りに案内される。

【0063】

ガス入口２６を介してプロセス室１２へ供給されるガスを、プロセス室１２の中へ進入する前に分散ユニット５６を備えるガス取入れ流路５０を通過するように導くことによって、例えば装置１０の作動時に発現する温度差のせいでガス供給ライン３０及びプロセス室１２において生じる圧力差を補正できる。更に、ガス取入れ流路５０が存在するので、ガスは、ガス入口２６のガス取入れエリアＡ全体で特に均等にガス入口２６を介してプロセス室１２へ供給できる。

【図1】

【図2】

【図3】