(57)【要約】  本発明は、エネルギービーム（４）で照射することによって凝固することができる粉状材料を使用する層による３次元オブジェクト（６）層を製造するための装置（１）に関し、前記装置（１）は、前記エネルギービーム（４）を生成するための電子銃及び、粉状材料が分配されてエネルギービーム（４）がその照射中に掃く作業領域（５）を備える。  本発明は、装置（１）が、作業領域（５）上に配置された材料に反応性ガスを接触させるようにするために、装置（１）に反応性ガスの制御された量を供給するためのシステム（１２，１４，１６，１８）を含み、前記反応性ガスは、少なくとも、エネルギービーム（４）に晒される場合に、作業領域（５）上に配置された材料を化学的に及び／又は物理的に反応することができることを特徴とする。本発明は、上記の種類の装置を作動させるための方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギービーム（４）で照射することによって凝固されることができる粉状材料を使用する層によって３次元オブジェクト（６）層を製造するための装置（１）であって、前記装置（１）は、
前記エネルギービーム（４）を生成するための電子銃及び、
粉状材料が分配され且つエネルギービーム（４）がその照射中に掃く作業領域（５）を備え、
前記装置（１）は、作業領域（５）上に配置された材料に反応性ガスを接触させるようにするために、装置（１）に反応性ガスの制御された量を供給するためのシステム（１２，１４，１６，１８）を含み、前記反応性ガスは、少なくとも、エネルギービーム（４）に晒される場合に、作業領域（５）上に配置された材料を化学的に及び／又は物理的に反応することができることを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
前記ガス供給システムは、装置（１）に供給される反応性ガスの量を制御するために配置されたバルブ（１２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記ガス供給システムは、装置（１）に存在する反応性ガスの量を決定するためのガスセンサー（１６）を備えることを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記装置（１）はバルブ（１２）を制御するための制御ユニット（１８）を備え、センサー（１６）から情報を伝達することを可能にするため及び、バルブ（１２）の制御を可能にするために、制御ユニット（１８）はガスセンサー（１６）及びバルブ（１２）に電子的に接続される請求項３に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記反応性ガスは、以下のグループ、水素、重水素、炭化水素、ガス状有機化合物、アンモニア、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物及び亜酸化窒素から選択される、単独のガス又は、混合ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
作業領域（５）に配置された材料が、金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
エネルギービーム（４）で照射することによって凝固することができる粉状材料を使用する層によって３次元オブジェクト（６）層を製造するための方法であって、
前記エネルギービーム（４）を生成するための電子銃及び、
粉状材料が分配され且つエネルギービーム（４）がその照射中に掃く作業領域（５）を備える装置（１）を使用し、
以下のステップ：
−作業領域（５）上に配置された材料に反応性ガスを接触させるようにするために、装置（１）に反応性ガスの制御された量を供給するステップであって、前記反応性ガスは、少なくとも、エネルギービーム（４）に晒される場合に、作業領域（５）上に配置された材料を化学的に及び／又は物理的に反応することができるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記方法が、
装置（１）に供給される反応性ガスの量を制御するために配置されるバルブ（１２）を開放するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記方法が、
装置（１）に存在する反応性ガスの量を決定するために配置されるガスセンサー（１６）からの信号を読むステップを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記反応性ガスは、以下の群、水素、重水素、炭化水素、ガス状有機化合物、アンモニア、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物及び亜酸化窒素から選択される、単独のガス又は、混合ガスであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エネルギービームで照射することによって凝固されることができる粉状材料を使用する層による３次元オブジェクト層を製造するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、エネルギービームを生成するための電子銃を備えた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁放射又は電子ビームで照射することによって凝固されることができる粉状材料を使用する層による３次元オブジェクト層を製造するための機器が例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４により知られている。そのような機器は、例えば、粉末の供給、作業領域上に粉の層を加えるための手段及びビームを作業領域に向けるための手段を含む。ビームが作業領域上を動く又は掃くので、粉末は、焼結又は溶融して、凝固する。
【０００３】
この技術分野における一般的な要望は、製造率を増加させることであり、そして、増加した強度、均質性、表面仕上げ等の観点から製造品質を改善することである。これに関する多大な努力、例えばビーム出力、走査速度及び走査パターンを変えることにより、エネルギービーム照射手順を最適化することを試みること、並びに、例えば粉の化学組成及び粒子の大きさの分布を変えることにより粉末を改善する試み、がなされてきた。この観点においてはまだ改善する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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５６４７９３１号明細書
【特許文献３】スウェーデン特許第４８６３５３８号明細書
【特許文献４】国際公開第２００４／０５６５１１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、エネルギービームを生成するための電子銃を使用して、製造工程をスピードアップし、通常の電子銃機器に比較して製品品質を改善する改善された能力を示す、上述した種類の装置を供給することである。この目的は、独立請求項１および７に含まれる技術的特徴により規定される装置及び方法により達成される。従属項は、本発明の有利な実施形態、さらなる発展及び変形を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、エネルギービームで照射することによって凝固されることができる粉状材料を使用する層による３次元オブジェクト層を製造するための装置に関し、前記装置は、前記エネルギービームを生成するための電子銃及び、粉状材料が分配されてエネルギービームが照射中にその上を掃く作業領域を備える。本発明の装置は、装置に反応性ガスの制御された量を供給するためのシステムを含み、例えば、作業領域上に配置された材料に反応性ガスを接触させ、前記反応性ガスは、少なくとも、エネルギービームに晒される場合に、作業領域上に配置された材料を化学的に及び／又は物理的に反応することができるものである点で特徴付けられる。
【０００７】
反応性ガス、例えば水素、炭化水素及びアンモニア、を作業領域に供給することにより、粉、溶融物又は凝固された材料と、制御された化学的に及び／又は物理的反応を生成することが可能であり、製造工程又は製品品質に有利な効果がある。例えば水素、炭化水素及びアンモニアは、金属粉の伝導度及び焼結を改善し、凝固された金属の酸素の量を減少させるために使用されることができる。他の例は、炭化水素及び一酸化炭素が凝固された材料の炭素を増加させるために使用されることができることである。
【０００８】
本発明は、好ましくは制御された方法でガス流を流したり止めたりすることにより、それらの化学的組成の傾斜を伴ってオブジェクトを作ることをも可能にする。例えば、鋼鉄要素、すなわち、鋼鉄粉から製造された部材の表面を硬くするために、各粉層の周辺部分を溶融し凝固するときにのみ、炭素又は窒素を含む反応性ガスを作業領域に供給することができる。その周辺部分はオブジェクトの表面を形成する。オブジェクトの内側部分を溶融させるときに、ガスフローは好ましくは、例えばバルク材料の硬度を保持するために、止められる。
【０００９】
通常、電子銃を備えた装置は、通常は、少なくとも１０−２ｍｂａｒより下の真空で動作し、電子ビームが電子銃及び作業領域の間に配置される原子又は分子と反応することを避ける。伝統的な望みは、合理的に達成可能な程度で、装置の内側で真空を作ることであり、すなわちその望みは装置の内側から合理的に可能なできるだけ多くのガスを取り除くことである。これに対して、本願発明は、装置の内側にガスを供給するための手段を備える。
【００１０】
本発明の有利な実施形態においては、ガス供給システムは、装置に供給される反応性ガスの量を制御するために配置されたバルブを備える。好ましくは、ガス供給システムはさらに装置に存在する反応性ガスの量を決定するためのガスセンサーを備える。本発明の好ましい変形では、装置はバルブを制御するための制御ユニットを備え、センサーから情報を伝達することを可能にするため及び、バルブの制御を可能にするために、制御ユニットは電子的にガスセンサー及びバルブに接続される。
【００１１】
本発明の有利な実施形態において反応性ガスは、以下の群、水素、重水素、炭化水素、ガス状有機化合物、アンモニア、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物及び亜硝酸から選択される、単独のガス又は、混合ガスである。
【００１２】
本発明はまた上述の種類の装置を作動させるための方法にも関する。
【００１３】
以下になされる本発明の説明において、以下の図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の好ましい実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、概略図において、エネルギービームで照射することによって凝固されることができる粉状材料を使用する層による３次元オブジェクト６層を製造するための発明の装置１の第１の好ましい実施形態を示す。装置は、真空チャンバー２に電子ビーム４を生成する電子銃３を備える。粉ベッド７は、高さ調節のためにネジロッド１０に配置された高さ調節が可能な作業テーブル９に配置される。粉は粉供給源（示されていない）から取られ、作業テーブル９上に層ごとに加えられる。粉ベッド７の上側部分の一部は、照射中に電子ビーム４が掃く作業領域５を形成する。作業領域５を照射した後に、粉の新しい層が、粉ベッド７の頂上に、ひいては作業領域５に分配される。これらの部品、電子銃３をどのように制御するか、チャンバー２の真空をどのように確立するか等は、当業者によく知られている。通常、この種類の装置は、チャンバー２に１０−３ｍｂａｒ以下の圧力で動作する。
【００１６】
通常の装置に対して、本発明の装置１は、さらに反応性ガスをチャンバー２に供給するためのシステムを備え、ガスが作業領域５上に位置する粉状材料に接触するようにする。このようにして、ガス供給システムは、作業領域５上の反応性ガスの雰囲気を供給することができる。このガス供給システムは、ガス供給１４、バルブ１２及びガスセンサー１６を備える。センサー１６及びバルブ１２は、チャンバー２のガスの濃度に関するセンサー１６からの情報の伝達のため及びバルブ１２の制御を可能にするための制御ユニット１８に電気的に接続されている（破線で示されている）。この特定の例において、制御ユニット１８はまた装置１の他の部品、例えば電子銃３、を制御するために、通常の、中央制御ユニットとして働く。作業領域５に向けたガスの流れは矢１１により示されている。
【００１７】
そのように望む場合には、バルブ１２が開放されて、反応性ガスがガス供給１４からチャンバー２に流れることができるようになる。チャンバー２に入るガスは、ここで示される実施形態では、急速に拡散し、それは、ガス濃度が急速に、全チャンバー２に殆ど同じになることを意味する。このように、センサー１６から受信した信号は、作業領域５にもっと近いガスの濃度に大体対応する。応用に応じて、作業領域５により直接的にガスを供給することは有利でありうる。
【００１８】
ガスセンサー１４は、この例においては通常の圧力センサーである。代わりに、例えばガス固有のセンサーのような、他の種類のセンサーを使用することができる。
【００１９】
どのガス圧力を使用するかは応用に依存する。電子ビームと相互作用することを避けるために、ガス圧力は、大気圧に比較して低くなければならない。しかしながら、通常合理的に達成することができるだけ低いガス圧力で作動させることが目指される通常の装置に比較して、反応性ガスの圧力はかなり高くすることができる。
【００２０】
反応性ガスを作業領域５に供給する目的は、製造工程又は製品品質に有利な効果のある、粉、溶融物又は凝固された材料と制御された化学的及び／又は物理的反応を生成することである。様々なガス又はガス混合物が、様々な効果を達成するために使用されることができる。さらに、ガスの反応性は、電子銃４に晒される場合に増加されることができる。例えば、重い炭化水素ＣｘＨｙは、電子ビーム４により、クラックされて、より反応性があるより軽い小片ＣＨｘになる。
【００２１】
作業領域５の上のガス濃度は、製造工程中に、大体一定であるようにするために、反応性ガスは、連続的な方法で、チャンバー２に供給されることができる。代わりに、ガスは、ある製造工程又はオブジェクト部品のみに影響するように、断続的な方法で供給されることができる。
【００２２】
金属粉への化学的な効果に関して、反応性ガスは、表面酸化物を減少させるため、及び／又は、炭素及び／又は窒素を粉に追加するために使用されることができる。このようにして、粉表面の伝導度を増加させることができ、粉の改善された焼結がもたらされる。改善された焼結は、焼結行程、ひいては製造工程がスピードアップされ、そして、製品がより均一になり、より平らな表面を得ることを意味する。さらに、粉との化学反応は、また、真空に存在する残存ガス不純物の吸収を防ぐために使用されることができる。
【００２３】
溶融した金属材料への効果に関しては、反応性ガスは、溶融物に吸収するために使用され、表面張力、ひいては湿潤性及び溶融特性に影響し；残存ガス不純物の吸収を防ぎ；そして合金要素（例えばチタン合金のアルミニウム）の蒸発を減少させる。溶融特性に影響することにより、湿潤を改善すること、そしてそれにより、空隙率を減少させて、製品の強度を改善することを可能にする。
【００２４】
凝固された金属材料への効果に関しては、反応性ガスは、炭素、窒素及び酸素の含有量を調節するために使用されることができ、ひいては、材料の伸張性及び／又は硬さに影響を与える。例えばチタン合金の酸素含有量の０．２％から０．１％までの変化は、材料の伸張強度及び伸長に重大な影響があることを注記する。
【００２５】
水素（H2）、重水素（D2）又はそれらの混合物（HD）は、伝導率と粉の焼結を改善して、凝固された金属の酸素の含有量を減らすのに用いられることができる。
【００２６】
飽和又は不飽和炭化水素（CxHy）が、伝導率と粉の焼結を改善するため;固められた金属で酸素の内容を減らすため;そして、凝固された金属の炭素の含有量を増やすために用いられることができる。
【００２７】
これらの目的のための適当な炭化水素の例はメタン（CH4）、エタン（C2H6）、プロパン（C3H8）、ブタン（C4H10）、イソブタン（C4H10）、エチレン（C2H4）、アセチレン（C2H2）、プロペン（C3H6）、ブテン（C4H8）、ブタジエン（C4H6）、シクロプロパン（C3H6）、シクロ・ブタン（C4H8）、プロピン（C3H4）、及び液化石油ガス（LPG）である。
【００２８】
他のガス状の有機化合物、例えばメチル・アミン（CH3NH2）、ホルムアルデヒド（CH2O）及びジメチル・エーテル（CH3OCH3）、は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに酸素の含有量を減らして、凝固された金属の炭素及び窒素の含有量を増やのに用いられることができる。
【００２９】
アンモニア（NH3）は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに酸素の含有量を減らして、凝固された金属の窒素の含有量を増やすことに用いられることができる。
【００３０】
窒素（N2）は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに凝固された金属の窒素の含有量を増やすことに用いられることができます。
【００３１】
酸素（O2）は、凝固された金属の酸素の含有量を増やすのに用いられることができる。
【００３２】
一酸化炭素（CO）は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに炭素の含有量を増やして、凝固された金属の酸素の含有量を変えるのに用いられることができる。
【００３３】
二酸化炭素（CO2）は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに凝固された金属の炭素や酸素の含有量を変えるのに用いられることができる。
【００３４】
酸化窒素（NOx）（例えば酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（NO2））は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに窒素の含有量を増やして、凝固された金属の酸素の含有量を変えるのに用いられることができる。
【００３５】
亜酸化窒素（N2O）は、伝導率と粉の焼結を改善すること、並びに窒素の含有量を増やして、凝固された金属の酸素の含有量を変えるのに用いられることができる。
【００３６】
オブジェクト６のある部分が凝固／製造される場合のみに、すなわち、ある粉層又は粉層のある部分が凝固される場合のみ、作業領域５に反応性ガスを接触させることにより、幾何的に化学組成が変化する組成物を製造することができる。例えば、その内側部分に対してその表面で別の化学的な組成を有する化合物を作るために各粉層の外側部分が凝固される場合のみ、例えば、ガスフローを流したり止めたりすることができる。
【００３７】
反応性ガスという表現は、少なくとも電子ビーム４に晒された後、製造工程及び／又は製品品質に影響するような方法で、そのガスが化学的に及び／又は物理的に作業領域の材料と反応する能力を有することを意味する。あるガスが反応性であるかそうでないかとみなされうるのは、主に、反応することが意図される材料（金属）及び温度に依存している。不活性ガス、例えばアルゴンは、通常反応性であるとはみなされない。どのガス又はガス混合物が使用されるかは、使用される粉、温度及びどの反応が望まれているかに依存する。
【００３８】
例として、水素は、鋼鉄から酸素を取り除くのに適している。このように、水素は、行程でリサイクル（すなわち、作業領域に置かれているが凝固されることを避けた金属粒子は、次に粉供給源に戻される）された鋼鉄粉中の非常に高い酸素含有量の固有の問題を解決するために使用されることができる。鋼鉄の酸素含有量は、リサイクリング中に増加する。作業領域５に水素を供給することは、リサイクルされる鋼鉄粉の寿命を延ばす。
【００３９】
本発明は、上述の実施形態により限定されることはないが、請求項の範囲内で様々な方法で変更されることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  装置
２  チャンバー
３  電子銃
４  エネルギービーム
５  作業領域
６  ３次元オブジェクト
７  粉ベッド
９  作業テーブル
１０  ロッド
１１  矢
１２  バルブ
１４  ガス供給
１６  ガスセンサー
１８  制御ユニット
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年9月11日(2009.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギービーム（４）で照射することによって凝固することができる粉状材料を使用する層によって３次元オブジェクト（６）層を製造するための装置（１）であって、前記装置（１）は、
電子ビーム形態の前記エネルギービーム（４）を生成するための電子銃及び、
粉状材料が分配され且つエネルギービーム（４）がその照射中に掃く作業領域（５）を備え、
前記作業領域（５）は真空チャンバー（２）に配置されており、
前記装置（１）は、作業領域（５）上に配置された材料に反応性ガスを接触させるようにするために、真空チャンバー（２）に反応性ガスの制御された量を供給するためのシステム（１２，１４，１６，１８）を含み、前記反応性ガスは、少なくとも、エネルギービーム（４）に晒される場合に、作業領域（５）上に配置された材料を化学的に及び／又は物理的に反応することができることを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
前記ガス供給システムは、装置（１）に供給される反応性ガスの量を制御するために配置されたバルブ（１２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記ガス供給システムは、装置（１）に存在する反応性ガスの量を決定するためのガスセンサー（１６）を備えることを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記装置（１）はバルブ（１２）を制御するための制御ユニット（１８）を備え、センサー（１６）から情報を伝達することを可能にするため及び、バルブ（１２）の制御を可能にするために、制御ユニット（１８）はガスセンサー（１６）及びバルブ（１２）に電子的に接続される請求項３に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記反応性ガスは、以下の群、水素、重水素、炭化水素、ガス状有機化合物、アンモニア、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物及び亜酸化窒素から選択される、単独のガス又は、混合ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
作業領域（５）に配置された材料が、金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
エネルギービーム（４）で照射することによって凝固することができる粉状材料を使用する層によって３次元オブジェクト（６）層を製造するための方法であって、
電子ビームの形態で前記エネルギービーム（４）を生成するための電子銃及び、
粉状材料が分配され且つエネルギービーム（４）がその照射中に掃く作業領域（５）を備える装置（１）を使用し、前記作業領域（５）は真空チャンバー（２）に配置されており、
以下のステップ：
−作業領域（５）上に配置された材料に反応性ガスを接触させるようにするために、真空チャンバー（２）に反応性ガスの制御された量を供給するステップであって、前記反応性ガスは、少なくとも、エネルギービーム（４）に晒される場合に、作業領域（５）上に配置された材料を化学的に及び／又は物理的に反応することができるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記方法が、
装置（１）に供給される反応性ガスの量を制御するために配置されるバルブ（１２）を開放するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記方法が、
装置（１）に存在する反応性ガスの量を決定するために配置されるガスセンサー（１６）からの信号を読むステップを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記反応性ガスは、以下のグループ、水素、重水素、炭化水素、ガス状有機化合物、アンモニア、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物及び亜酸化窒素から選択される、単独のガス又は、混合ガスであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2011506761.tif 000004
2011506761.tif 000005
2011506761.tif 000006