(57)【要約】【課題】レーザ焼結により粉末材料から三次元物体を層毎に形成するための装置において、プロセス・チャンバに露出される表面を有し、周囲が円形形状であり、フレーム内に取り付けられたレーザ窓３２に蓄積する化学副生成物を最小にする。【解決手段】窓の露出面に不活性ガスを流動方向に供給する不活性ガス源、および周囲の半分未満に亘り窓に取り付けられた不活性ガス・ディスペンサ１６であって、露出面に亘り不活性ガスのカーテンを形成するのに露出面に亘る効果的な速度で、レーザ焼結中に窓３２の露出面上に粉末材料からの化学副生成物の蓄積を最小にするのに効果的な２００未満の流動幾何学に特徴的なレイノルズ数を持つ流量で、不活性ガスを層流で分配するのに効果的な流動幾何学において露出面に対して少なくとも１つの正の流れの排出開口部を持つディスペンサ１６を備える。【選択図】図３
2006341594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ焼結により粉末材料から三次元物体を層毎に形成するための装置であって、
a.  床、該床と協働した可動性支持台、２つの反対の端部および天井を有するプロセス・チャンバ、
b.  材料の供給源から前記プロセス・チャンバに粉末材料を制御可能に供給するための粉末材料供給器、
c.  前記装置に移動可能に取り付けられかつ前記材料供給器と協働する、粉末材料を前記床に広げて前記２つの反対の端部の間に粉末床を形成する粉末スプレッダー、
d.  各層内の粉末材料を溶融するために前記支持台により支持された前記粉末床内の材料に、また三次元物体を形成するために先に溶融した層に選択的に熱エネルギーを供給するのに効果的な熱エネルギー源、
e.  前記プロセス・チャンバに露出される表面を有し、周囲が円形形状であり、フレーム内に取り付けられた、少なくとも１つのプロセス設備の機能窓、
f.  前記窓の露出面に不活性ガスを流動方向に供給する不活性ガス源、および
g.  前記周囲の半分未満に亘り前記窓に取り付けられた不活性ガス・ディスペンサであって、前記露出面に亘り不活性ガスのカーテンを形成するのに該露出面に亘る効果的な速度で、レーザ焼結中に前記窓の前記露出面上に前記粉末材料からの化学副生成物の蓄積を最小にするのに効果的な２００未満の流動幾何学に特徴的なレイノルズ数を持つ流量で、不活性ガスを層流で分配するのに効果的な流動幾何学において前記露出面に対して少なくとも１つの正の流れの排出開口部を持つディスペンサ、
を組み合わせて備えた装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの排出開口部が、１４０未満の流動幾何学に特徴的なレイノルズ数を持つ流量で前記不活性ガスを分配することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの排出開口部が、１００未満の流動幾何学に特徴的なレイノルズ数を持つ流量で前記不活性ガスを分配することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記ディスペンサが、アーチ状であり、前記露出面に対して前記フレームに密封式に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記ディスペンサが、前記不活性ガスの流動方向を前記露出面に対して垂直から、該露出面に対して平行に変化させることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記排出開口部が第１の側と反対のアーチ状の第２の側を有し、前記第１の側が、前記ディスペンサが前記露出面に対して取り付けられたときに、該第１の側が前記窓の露出面から凹んでいるように前記反対のアーチ状の第２の側の幅よりも短い幅のものであることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記不活性ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記プロセス設備の機能窓が、レーザ窓、ＩＲセンサ窓、ＩＲカメラ窓およびビデオカメラ窓からなる群より選択される窓であることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記窒素が、前記粉末材料からの前記化学副生成物の凝縮温度よりも低い温度で層流に分配されることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１０】
前記窒素が、約５０℃から約１８０℃の範囲の温度で分配されることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの排出開口部が細長いことを特徴とする請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、高速試作成形および製造の方法に関し、特に、レーザ焼結、およびレーザ焼結動作中にプロセス・チャンバ内で窓に凝結し膜や大きな結晶の形態で固化するモノマーおよびオリゴマーの蓄積を防ぐ能力に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速試作および製造（ＲＰ＆Ｍ）は、三次元物体を、その物体を表すコンピュータ・データから高速かつ自動的に形成するのに使用できる技術分野に与えられた名称である。一般に、高速試作および製造技法では、形成すべき物体の断面を表すスライスされたデータ・セットを用いて、作業媒質から三次元物体を層毎に構築する。典型的に、物体の表示は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムにより最初に提供される。ＲＰ＆Ｍ技法は、固体イメージングとも呼ばれ、ステレオリソグラフィー、固体イメージングに適用されるインクジェット・プリンティング、およびレーザ焼結を含む。
【０００３】
レーザ焼結装置は、粉末床を形成するために、プロセス・チャンバに亘って、熱可溶性粉末、しばしば熱可溶性高分子粉末、高分子被覆金属、またはセラミックの薄層を分配する。次いで、レーザ焼結装置は、熱エネルギーを施して、その粉末層に構築されている物品の断面に対応する粉末層の部分を溶融する。「部品入りケーキ」と一般に呼ばれる粉末塊内に物品が形成される。レーザは一般に、変調と正確な方向制御によって、熱エネルギーを粉末層の目的区域に供給する。スリー・ディー・システムズ社(3D Systems, Inc.)から市販されているＶａｎｇｕａｒｄ（商標）システムなどの従来の選択的レーザ焼結装置では、二酸化炭素レーザを使用し、このレーザビームを偏向するガルバノ・ミラーを手段としてレーザビームを位置決めする。
【０００４】
この部品入りケーキは取外し可能な構築台上に支持されており、この構築台上に粉末床が配置される。粉末層が溶融した後、構築台はある距離だけ下方に移動し、次いで、装置が、粉末床に亘って、先に溶融された層の上に追加の粉末層を分配し、この次の層における粉末の溶融と選択的融合のプロセスを繰り返す。物品が完成するまで、後の層の溶融部分が、物品に適切なだけ先の層の溶融部分に融合する。これらの物品は、「構築部品」と呼ばれることもある。追加の粉末層の各々は、一般に、粉末床の上に測定された量の粉末を分配する粉末供給装置から分配される。次いで、ブレードやローラなどのスプレッダーがその粉末を拾い上げ、粉末床に亘り均一な様式で広げる。
【０００５】
レーザ焼結技術が、テキサス・システム大学の評議会に全て譲渡された特許文献１から３、およびハウショルダー(Housholder)の特許文献４に詳細に説明されている。
【０００６】
一般に、部品が一旦構築されたら、この新たに形成された部品が冷めるまで、不活性雰囲気下のプロセス・チャンバ内に残っている。冷却には、一回の構築で構築される部品の数およびサイズに応じて、数時間または数日要する。
【０００７】
レーザ焼結システムに用いられる最も一般的な粉末材料はナイロン／ポリアミドである。レーザ焼結プロセスは熱に基づくプロセスであるので、粉末材料を一緒に溶融するのに用いられる発熱レーザは、そのプロセス中に化学副生成物を生成する。これらの副生成物は、蒸発しプロセス・チャンバの内部の冷たい表面に凝結する揮発性モノマーおよびオリゴマーである。特に、これらの化学副生成物が蓄積しやすいのは、プロセス・チャンバの内部や天井にあるプロセスの機能設備のガラス窓である。蓄積は、薄膜または霜状の結晶の形態であり得る。レーザ窓のプロセス・チャンバに露出された表面への化学副生成物の蓄積は特に問題である。何故ならば、比較的短い期間で、粉末床に送達されるレーザ・パワーは、膜が蓄積した区域においては５０％ほど多く、また霜状の結晶が蓄積した区域においては７１％ほど多く減衰し得るからである。化学副生成物の蓄積により妨害されるようになり得るプロセス・チャンバ内の他のプロセス設備の機能窓としてはＩＲセンサ窓およびＩＲカメラ窓が挙げられる。これらの窓に関して、粉末部品床と検出装置との間のＩＲ信号の減衰により、レーザ焼結プロセス中の熱制御が酷く損なわれ得る。ビデオカメラを用いて構築プロセスを撮影する場合には、そのプロセスの機能窓が妨害されるようになり、やがて効果的な撮影が行えなくなることがある。
【０００８】
この化学副生成物は、レーザ焼結システムの製造業者とユーザにより、長い間、問題と認識されてきた。早くも１９９４年に、ディー・ティー・エム社(DTM Corporation)は、特にナイロン／ポリアミド粉末材料を用いたレーザ焼結システムにおいて、化学副生成物のこの蓄積を停止させるために、レーザ窓およびＩＲセンサ窓に亘り円形のレーザ窓リングの周りに複数の小さなオリフィスから加熱窒素流を導入したが、この試みは成功しなかった。特許文献５には、粉末を固化するときに生成されるモノマーがレンズ上に凝結するのを防ぐ試みにおいて、円形のレーザ窓レンズのイメージ側の表面全体に亘り半径方向内側になでるように窒素流を排出する、レーザ窓リング全体の周りに半径方向のノズル出口オリフィスを持つレーザ焼結装置が記載されている。この手法は、先のディー・ティー・エム社の手法と同じ問題に遭遇した。両方の手法は、不活性ガスの流量が比較的多いという事実によりさらに妨げられた。両方の従来技術の手法において、不活性ガス流は乱流を形成し、よって、プロセス・チャンバ内で浮遊している粉末塵流が不活性ガス流内に混入し、ガス流が窓またはレンズに衝突したときに、窓のプロセス・チャンバに露出された表面に付着する。
【特許文献１】米国特許第４８６３５３８号明細書
【特許文献２】米国特許第５１３２１４３号明細書
【特許文献３】米国特許第４９４４８１７号明細書
【特許文献４】米国特許第４２４７５０８号明細書
【特許文献５】米国特許第５８７６７６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、プロセス設備の機能窓のプロセス・チャンバに露出した表面の化学副生成物の蓄積を最小にするためのレーザ焼結装置における効果的な手法が依然として必要とされている。これらの課題は、本発明の設計において解決される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、プロセス設備の機能窓のプロセス・チャンバに露出された表面上のレーザ焼結プロセスの化学副生成物の蓄積を最小にするための改良設計を有するレーザ焼結システムである。
【００１１】
本発明の別の態様は、プロセスの設備窓のプロセス・チャンバに露出された表面に対して平行に通る、速度制御され、温度制御され、清浄な層流不活性ガスのカーテンが提供されることである。
【００１２】
本発明の別の態様は、プロセス設備の機能窓の露出表面に亘り排出オリフィスから供給される不活性ガス流が、約２００以下の流動幾何学に特徴的な特定のレイノルズ数を有することである。
【００１３】
本発明の特徴は、清浄な不活性ガスの層流が、プロセス・チャンバ内のプロセス設備の機能窓の露出表面に広がり、そこを覆って、揮発性ガスの化学副生成物が露出された窓表面と直接接触するのを最小にすることである。
【００１４】
本発明の別の特徴は、不活性ガスの温度が、プロセス設備の機能窓の露出表面上の揮発性の化学副生成物の凝縮または凝結を促進しないように十分に暖かいが、望ましくない化学生成物の凝縮温度より熱くないことである。
【００１５】
本発明のさらなる特徴は、プロセス設備の機能窓の露出表面に亘り流動する不活性ガスの温度が、５０℃から約１８０℃の範囲内にあることである。
【００１６】
本発明のさらに別の特徴は、プロセス設備の露出された機能窓に亘り流動する不活性ガスは、約１０リットル毎分以下の流量、約３．６メートル毎秒以下の速度であることである。
【００１７】
本発明のさらに別の特徴は、ガスがプロセス・チャンバに進入するときに、流動の向きを、露出表面と交差する向きから、露出表面と平行な向きに変更させるのに効果的な細長い排出開口部を持つ不活性ガス拡散器がプロセス設備の機能窓の枠に取り付けられていることである。
【００１８】
本発明のさらに別の特徴は、不活性ガス拡散器が、形状が狭く細長い排出オリフィスであって、プロセス設備の窓の露出表面に対して窓枠に密封式に取り付けられ、プロセス設備の円形の機能窓の半分未満の弧に亘る排出オリフィスを有することである。
【００１９】
本発明の利点は、プロセス設備の機能窓の露出表面への膜状コーティング堆積物および霜状結晶堆積物の蓄積が最小になることである。
【００２０】
本発明の別の利点は、プロセス設備の機能窓に取り付けられた不活性ガス拡散器を使用することによって、レーザ焼結プロセス中の熱制御が損なわれないことである。
【００２１】
これらと他の態様、特徴、および利点が、レーザ焼結プロセス中の化学副生成物の蓄積を最小にするために流動幾何学に特徴的なレイノルズ数を持つ、プロセス設備の窓のプロセス・チャンバに露出された表面に対して平行な、速度制御され、温度制御された清浄な層流不活性ガスのカーテンを提供する不活性ガス拡散器からの排出オリフィスにより得られる。
【００２２】
これらと他の態様、特徴および利点は、特に添付の図面と共に解釈したときに、本発明の以下の詳細な説明を考慮することによって明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
取外し可能な構築チャンバを有するレーザ焼結装置またはシステムが、概して参照番号１０で図１に示されている。レーザ焼結装置１０は、プロセス・チャンバ１１、関連する支持ハウジング１２、および構築台車１５により支持されている取外し可能な構築チャンバ１４を備えている。構築台車１５は、構築チャンバ１４と共に、支持ハウジング１２中に取外し可能に挿入されている。ある実施の形態において、レーザ焼結装置１０は、構築チャンバ１４を装填位置と構築位置との間で移動するように適合された昇降装置（図１には示されていない）を備えていてよい。ここに用いたように、「構築位置」という用語は、構築台の垂直移動が粉末床に対して実質的に垂直であるような構築台が粉末床に対して適切に位置決めされている構築チャンバ１４の位置を称する。構築位置において、レーザ焼結装置１０は、部品を構築する準備ができている。昇降装置は、水圧または油圧シリンダ、空気圧シリンダ、電気モータなどを備えていて差し支えない。レーザ焼結装置１０は、プロセス・チャンバ１１内でレーザビームを生成し、標的に当てるためのレーザおよび関連する機構を含む関連したレーザ・ユニット４０も備えている。
【００２４】
構築チャンバ１４は、支持ハウジングの対応する表面に解放可能に係合するようにそれぞれが適合した複数の位置決め表面（図示せず）を含んでよい。構築チャンバ１４が構築位置に動かされるときに、位置決め表面が支持ハウジング１２の対応する表面と係合し、プロセス・チャンバ１１に対して適切に位置決めされているように構築チャンバ１４を配置する。取外し可能な構築チャンバの設計および動作は、２００５年３月２３日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された同時係属出願である米国特許出願第１１／０８８１３３号により詳しく述べられている。
【００２５】
構築チャンバ１４は、粉末床（図示せず）、および粉末材料供給ホッパーと供給機構（両方とも図示せず）を有する関連する粉末分配システムを備えている。プロセス・チャンバ１１は、粉末床に亘り分配された粉末材料を拾い上げ、均一な様式で広げるように適合された粉末材料スプレッダーを備えている。この粉末材料スプレッダーは逆回転ローラ（図示せず）の形態にあることが好ましい。粉末床は、プロセス・チャンバ１１内に構築チャンバを解放可能に受け入れるように適合された開口部を含む。本発明に関して、「粉末材料スプレッダー」という用語は、ローラ、ワイパー、ドクター・ブレード、または粉末を粉末床に亘り均一な様式で広げるために用いられる任意の他の適切な装置を含む。
【００２６】
構築チャンバ１４は、可動性構築台（図示せず）を有する構築シリンダ（図示せず）を備えている。プロセス・チャンバ１１は、粉末材料を広げている操作中に過剰の粉末を受け入れるように適合された１つ以上の溢れ受入容器（これも図示せず）を備えていてもよい。動作中、粉末材料スプレッダーは、粉末材料を粉末床の表面に亘り広げ、可動性構築台の表面上に個別の粉末材料層を堆積させて、部品入りケーキを形成する。ここに用いているように、「部品入りケーキ」という用語は、焼結粉末および未溶融粉末を含む、構築台の表面上に堆積された可溶性粉末の層を称する。この構築台は、加工すべき各粉末層の厚さを定義するために、小さな段階、例えば、０．１２５ｍｍずつ、粉末床の下に移動するようにモータ（図示せず）により制御されていてよい。この動きは一方向には限られない。例えば、下方への０．５００ｍｍの動きとその後の上方への０．３７５ｍｍの動きによって、最後の段階から０．１２５ｍｍ低い最終的な下方の位置が得られる。一般に、構築台は、垂直移動の軸（図示せず）に沿って構築シリンダ内で移動可能である。
【００２７】
粉末床は、構築チャンバ１４が適切に配置され、構築位置に位置決めされたときに、構築シリンダ内において構築台の垂直移動に実質的に垂直な水平面を画成する。ここに用いたように、「垂直移動」という用語は、構築シリンダ内で移動するときの、構築台の移動を称する。部品が歪められないことを確実にするために、構築サイクル中ずっと、粉末床を構築台の垂直移動に対して適切に位置決めする必要がある。例えば、構築動作中、分配装置が、測定された量の粉末材料を粉末床上に分配する。次いで、粉末材料スプレッダーが、一回以上、粉末床を横断し、構築台の表面に亘って粉末層を均一に分布させて、部品入りケーキを形成する。構築台の垂直移動が、粉末床の表面に対して適切に位置決めされないか、または不適切に位置決めされた場合、構築台上に形成された溶融粉末材料から形成された各層は、層の公称位置または予測位置からずれるであろう。その結果、その上に構築される部品の寸法は歪み、その部品が使用できなくなってしまう。
【００２８】
構築チャンバ１４は、プロセス・チャンバ１１の方向に上方に動かされることによって、レーザ焼結システム１０内で位置決めされる。構築チャンバ１４を連続的に上方に動かすことによって、構築チャンバ１４と支持ハウジング１２の両方の位置決め表面が互いに接触して、構築台が粉末床と粉末床内の開口部（図示せず）に対して位置決めされる。プロセス・チャンバ１１は、粉末床と構築シリンダとの間に封止関係を形成するためのシールを含んでもよい。典型的に、そのシールは、粉末床と構築シリンダの界面を粉末材料が通過するのを防ぎ、不活性雰囲気を収容するのに効果的である耐熱性エラストマー材料からなる。
【００２９】
レーザとその関連する標的決め機構が、図１に示すように、プロセス・チャンバ１１の上のユニット４０内に取り付けられている。構築チャンバ１４は、ハウジング１２内に挿入されプロセス・チャンバ１１と係合する前に予熱される。プロセス・チャンバ１１内のヒータ（図示せず）は、三次元部品を製造するのに適した温度と雰囲気条件を維持する。その雰囲気は一般に、窒素などの不活性雰囲気からなる。このシステムは、レーザとその関連光学素子系を動作するように構成された関連するコンピュータ・システム（図示せず）も含む。一般に、そのコンピュータには、製造すべき部品の複数の断面の所望の境界を示す情報がプログラムされているであろう。
【００３０】
プロセス・チャンバ１１と構築チャンバ１４が接合された後、レーザビームがレーザ（図示せず）によって発せられ、走査システム（図示せず）を経由して標的表面または区域に向けられる。この走査システムは、一般に、レーザビームを偏向させるガルバノ・ミラーを含む。「標的区域」という用語は、部品入りケーキの頂面を称する。レーザ・システムおよびガルバノメータ・システムは通常は、レーザ窓によってプロセス・チャンバ１１から隔てられている。プロセス・チャンバ１１は、部品入りケーキおよび部品入りケーキに隣接した粉末床のある区域を加熱する放射加熱器（図示せず）を１つ以上備えている。レーザビームの偏向と焦点距離は、レーザエネルギーをその層に形成すべき部品の断面に対応する可溶性粉末層の位置に方向付けるために、レーザの変調と共に、制御できるものである。
【００３１】
プロセス・チャンバ１１は、下にある粉末床上に落とされる粉末の量を調節するためにモータ（図示せず）により制御された供給機構を有する１つの粉末供給ホッパーを備えた粉末分配システムを含む。この供給機構は、例えば、スター・フィーダ、オーガ・フィーダ、または回転ドラム・フィーダを含むいくつかのタイプのものであってよい。ある実施の形態において、粉末分配システムは、構築チャンバ内に配置された１つ以上の供給ピストンを含んでもよい。この最後の実施の形態において、１つ以上の供給ピストンは、測定した量の粉末を粉末床中に押し上げる。その後、粉末スプレッダーがその粉末を拾い上げ、粉末床と構築台に亘り均一な様式で広げる。別の実施の形態において、粉末供給システムは、粉末を送達し、次いで広げるための、ホッパー開口部の底部に取り付けられたブレードを有する往復運動式オーバーヘッド・ホッパー・システムから構成されてもよい。
【００３２】
前述したように、粉末スプレッダーは、粉末隆起からの粉末をレーザの標的区域に亘って広げる、モータ（図示せず）により駆動される逆回転ローラを備えることが好ましい。ある実施の形態において、粉末スプレッダーは、標的区域上に堆積されなかった残留粉末材料を、プロセス・チャンバ１１の対向する端部に配置されるであろう溢れ受入機構（図示せず）中に運搬する。逆回転ローラを使用することが好ましいが、ワイパーやドクター・ブレードを含む他の機構により粉末材料を広げても差し支えない。ある実施の形態において、粉末スプレッダーは、ローラの表面を横切って横方向に延在する横軸を持つレベリング・ローラを備えていてもよい。構築チャンバ１４を構築位置に配置するときに、粉末床を横切る粉末スプレッダーの移動により画成される面は、構築台の垂直移動に対して実質的に垂直である。ここに用いる実質的に垂直とは、部品の寸法精度が許容されるままであるという条件で、９０度からのある程度の偏差が許されることを意味する。
【００３３】
レーザ焼結プロセス中、プロセス・チャンバ内の熱とレーザの作用によって、ナイロン／ポリアミドなどの粉末材料から化学副生成物が気化し、プロセス・チャンバ１１の冷たい内面に凝縮する。プロセス設備の機能窓または透明なガラス表面が用いられる場合、これらの副生成物は、表面上で凝縮した後に望ましくない薄膜または霜状の結晶粒子の状態で蓄積する。プロセス・チャンバの雰囲気中の粉末材料の塵粒は、これらの窓に衝突するガス流中に飛沫同伴され、粒子を付着させ得る。この蓄積は、窓を遮り、粉末床の部品入りケーキに当たるレーザのパワーやＩＲセンサの信号を減衰させる有害な影響を持ち得る。これらは、レーザ窓が化学副生成物の膜または霜状の結晶粒子の蓄積により曇ったり遮られたときに、レーザの粉末材料を溶融する効果を減少させることによって、レーザ焼結プロセス中に深刻な結果をもたらし得る。ＩＲセンサおよびＩＲカメラのためのプロセス・チャンバに露出された窓の遮りは、レーザ焼結プロセスの熱制御を無効にすることによって壊滅的な結果をもたらし、構築が失敗することになる。構築の失敗は、溶融した部品または互いに完全に溶融した粉末材料のブロックに現れる。
【００３４】
図２は、概して参照番号１６により示された拡散器の形態にある不活性ガス・ディスペンサを示している。拡散器１６は、ガス入口オリフィス１７、平らな第１の側１８、およびアーチ状の反対の第２の側１９を含むハウジングである。第１の側１８は、この第１の側１８が、手短に図３に示されているようなレーザ窓３２などのプロセス設備の機能窓の露出面から凹んでいるように、アーチ状の反対の第２の側１９よりも幅が短いものである。この凹部により、窓の露出面に対して平行な凹部排出開口部２１が形成され、清浄な不活性ガス、好ましくは窒素の流れを、プロセス設備の機能窓の露出面に亘り方向付けることができる。図示したように、凹部排出開口部２１は、約０．７ｍｍの高さおよび約６０〜７０ｍｍの幅である。アーチ状の反対の第２の側１９は、拡散器１６が取り付けられたときに、プロセス設備の機能窓に着座し、そこを封止する封止表面２２を有する。これにより、図３に示した構成が形成される。
【００３５】
拡散器１６の特定の寸法および幾何学形状は様々であって差し支えないが、凹部排出開口部２１は、層流から乱流に移行するのを防ぐような流れ幾何学の特徴を示す特定のレイノルズ数未満のままであるガス流を形成するようなサイズでなければならない。図２および３に示した実施の形態において、不活性ガスは、入口オリフィス１７から供給され、最初に、プロセス設備の機能窓の露出面に交差する方向に拡散器１６中に流れる。ここで、流れの向きが変えられ、ガスは、細長く狭い凹部排出開口部２１から分配される。不活性ガスは、露出面に亘り制御された速度で層流として分配されて、露出面を覆い、レーザ焼結されている粉末材料から生じる望ましくない化学副生成物の蓄積を防ぐまたは最小にする窒素ガスのカーテンを形成する。窒素ガスは、一般に約１８０℃から２００℃である化学副生成物の凝縮温度より低い温度で分配される。分配されているガスの温度は、約５０℃から約１８０℃の範囲に維持される。
【００３６】
窒素ガスは、約１０リットル毎分未満、より好ましくは約７リットル毎分未満、最も好ましくは約５リットル毎分未満の流量、約３．６メートル毎秒以下、より好ましくは約２．５メートル毎秒以下、最も好ましくは約１．８メートル毎秒以下の速度で窓の露出面に亘り層流の状態で分配される。この流量は、速度が、拡散器１６の排出開口部２１から出る不活性ガスの流れが、不活性ガス流を層流として維持するこの流れ幾何学のために前記レイノルズ数未満のままであり、流れが乱流にならないようなものであるのに十分に低い。ガス流の速度は、層流が乱流に移行する、粘性または拡散損失がもはや流れを安定化できない点を超えない。任意の排出オリフィスサイズおよび幾何学形状の排出オリフィスは、レーザ焼結中にプロセス・チャンバに露出された窓の表面に望ましくない化学副生成物が付着するのを防ぐかまたは最小にするために、２００未満、より好ましくは１４０未満、最も好ましくは１００未満の流れ幾何学に特徴的なレイノルズ数を持つ不活性ガスを維持しなければならない。パイプを通る流れに関するレイノルズ数は、式Ｒｅ＝ρＶＤ／μにより表され、ここで、ρは流体の密度であり、Ｖは平均流速であり、Ｄはパイプの直径であり、μは流体の粘度である。図２に示した排出開口部２１の特定のサイズおよび幾何学形状に関して、直径に代えて、細長く狭いスリットの開口部の高さを用い、５リットル毎分の流量および１．８メートル毎秒の速度について、Ｒｅは９４であると決定された。任意の狭いスリットオリフィスの幾何学形状に関してレイノルズ数を決定するために、これと同じ手法を使用すべきである。乱流がない結果として、プロセス・チャンバの雰囲気中に浮遊した粉末材料の塵粒は、不活性ガス流中に飛沫同伴されず、窓の露出面に付着しない。
【００３７】
図３に示すように、窓モジュール３１は、レーザ窓３２およびＩＲカメラ窓３９を含む。レーザ窓３２は、フレーム３４により保持され、クランプ３５を用いて、拡散器１６を取り付け、レーザ窓３２の露出面に接触するように維持している。凹部排出開口部２１は、ガス・ライン３６から継手３８を通して受け取られる窒素ガスの層流を分配する。図３に示したように、レーザ窓３２は透明であるが、拡散器１６を備えていないＩＲカメラ窓は、その表面に付着した霜状の結晶粒子の形態で遮られているのが分かる。
【００３８】
図４は、プロセス・チャンバに露出した表面上の化学副生成物により遮られた、概して参照番号４１により示された従来技術のレーザ窓を示している。図示したように、化学副生成物４２は、窓を通るレーザビームにより伝達されるパワーの５０パーセントほど多くを減衰させることが分かっている。蓄積した霜状の結晶粒子区域４４は、部品入りケーキ中の粉末床に窓を通して向けられるレーザビームのパワーの７１パーセントほど多くを減衰させることが分かった。
【００３９】
拡散器１６は、必要に応じて、ここに記載したレーザ窓、並びにＩＲセンサ窓、ＩＲカメラ窓、およびビデオカメラ窓を含む任意のプロセス設備の機能窓に使用することができる。
【００４０】
本発明をその特定の実施の形態を参照して説明してきたが、ここに開示した本発明の概念から逸脱せずに、材料、部品の構成および工程における多くの変更、改変および変種を行えることが明らかである。例えば、プロセス設備の機能窓は、形状が円形であるものが示され説明されているが、本発明の不活性ガス・ディスペンサに、任意の適切な幾何学形状を使用して差し支えなく、係合表面との適切な接触が達成されるのを確実にするために、形状の必要な変更が可能であることが理解されよう。同様に、またより重要なことに、排出オリフィスは、そこからの不活性ガスの流れが、流動幾何学に特徴的なレイノルズ数が乱流範囲より低いようなものである限り、楕円形、三角形、矩形、六角形または他の多角形などの任意の適切なサイズと幾何学形状であって差し支えない。排出オリフィスはまた、層流範囲で露出された窓表面に亘りガスが流動するのを確実にするのに適切な流量で複数の小さな開口部であって差し支えない。不活性ガス流は、露出された窓表面に亘り排出オリフィスを超えても層流のままでなければならない。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲は、この開示を読んだ際に、当業者に思い浮かべられるそのような変更、改変および変種の全てを包含することが意図されている。ここに引用した全ての特許出願、特許および他の出版物は、その全てが参照により含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】不活性ガス拡散器を用いたレーザ焼結システムの斜視図
【図２】入口オリフィスおよび細長く狭い排出開口部を示す不活性ガス拡散器の斜視図
【図３】フレームの周りに取り付けられた不活性ガス拡散器を持つレーザ窓を示すプロセス・チャンバの天井の一部の底面図
【図４】従来技術のシステムを用いたレーザ窓の露出表面上の膜および霜状の結晶粒子の蓄積を示す概略図
【符号の説明】
【００４２】
１０    レーザ焼結システム
１１    プロセス・チャンバ
１２    支持ハウジング
１４    構築チャンバ
１６    拡散器
３２    レーザ窓
３９    ＩＲカメラ窓
【図１】
2006341594.tif 000003
【図２】
2006341594.tif 000004
【図３】
2006341594.tif 000005
【図４】
2006341594.tif 000006
【外国語明細書】
2006341594000001.pdf