(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元造形品の連続する断面に対応する粉体層の一部を連続して溶融することによって、前記三次元造形品を形成するための方法であって、前記方法が、
前記三次元造形品のモデルを提供するステップと、
造形テーブル上に第１の粉体層を塗布するステップと、
前記造形テーブル上に第１のエネルギービーム源から第１のエネルギービームを向けることにより、前記モデルに従って第１の選択された場所において前記第１の粉体層を溶融させて、前記三次元造形品の第１の断面の第１の部分を形成するステップと、
前記造形テーブル上に第２のエネルギービームからの第２のエネルギービームを向けることにより、前記モデルに従って第２の選択された位置において前記第１の粉体層を溶融させて、前記三次元造形品の前記第１の断面の第２の部分を形成するステップと
を含み、
前記第１の粉体層の前記第１および第２の場所が、第１の重なり領域において少なくとも部分的に互いに重なり、前記方法が、
それぞれ前記第１および前記第２のエネルギービーム源から、前記第１および第２のエネルギービームを介して同時に前記第１の粉体層の前記第１および第２の場所を溶融するステップと、
少なくとも１回の、前記第１の重なり領域の前記溶融の間に、前記第２のエネルギービームのスポットと少なくとも部分的に前記第１のエネルギービームのスポットを重ねるステップと、
前記第１の重なり領域における前記第１および第２のビームの出力の和を既定の値に維持するステップであって、前記第１の重なり領域における前記第１および前記第２のビームのそれぞれの前記個々の出力が、前記第１の重なり領域の外側の前記第１および前記第２のビームのそれぞれの半分であるか、または前記既定の値が、前記第１の重なり領域の外側の前記第１または前記第２のビームのうちの少なくとも１つの前記個々の出力に等しい、ステップと
をさらに含む、方法。
【請求項２】
三次元造形品の連続する断面に対応する粉体層の一部を連続して溶融することによって、前記三次元造形品を形成するための方法であって、
前記方法が、
前記三次元造形品のモデルを提供するステップと、
造形テーブル上に第１の粉体層を塗布するステップと、
前記造形テーブル上に第１のエネルギービーム源からの第１のエネルギービームを向けることにより、前記モデルに従って第１の選択された場所において前記第１の粉体層を溶融させて、前記三次元造形品の第１の断面の第１の部分を形成するステップと、
前記造形テーブル上に第２のエネルギービーム源からの第２のエネルギービームを向けることにより、前記モデルに従って第２の選択された場所において前記第１の粉体層を溶融させて、前記三次元造形品の前記第１の断面の第２の部分を形成するステップと
を含み、
前記第１の粉体層の前記第１および第２の場所が、第１の重なり領域において少なくとも部分的に互いに重なり合い、前記方法が、
それぞれ前記第１および第２のエネルギービーム源からの前記第１および第２のエネルギービームによって、前記第１の粉体層の前記第１および第２の領域を同時に溶融するステップと、
少なくとも１回の、前記第１の重なり領域の前記溶融の間に、前記第１のエネルギービームのスポットを、前記第２のエネルギービームのスポットと少なくとも部分的に重ね合わせるステップと、
前記第１のビームの前記出力を、１００％から０％まで、前記重なり領域の第１の端部で開始して前記重なり領域の第２の端部で終了し、直線的に変化させるステップと、
同時に、前記第２のビームの前記出力を、０％から１００％まで、前記第１の重なり領域の前記第１の端部で開始して前記重なり領域の前記第２の端部で終了し、直線的に変化させるステップと
をさらに含む、方法。
【請求項３】
前記重なり領域の前記第１および前記第２の端部の間において、前記第１および前記第２のビームの前記可変出力の和が、既定の値に維持される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記既定の値が、一定の値である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記既定の値が、前記第１の重なり領域の外側の前記第１または前記第２のビームのうちの少なくとも１つの前記個々の出力に等しい、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形品の付加製造のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自由造形または付加製造は、造形テーブルに塗布された粉体層の選択部分を連続的に溶融することによって三次元造形品を形成するための方法である。この技術による方法および装置は、米国特許出願公開第２００９／０１５２７７１号に開示されている。
【０００３】
そのような装置は、その上で三次元造形品を形成する造形テーブルと、粉体層を形成するために造形テーブル上に粉体の薄層を載置するように構成される粉体ディスペンサと、エネルギーを粉体に伝達することにより粉体を溶融させる光線銃と、粉体層の一部を溶融することによって三次元造形品の断面を形成するために、光線銃から粉体層上に放出される光線を制御するための要素と、三次元造形品の連続した断面に関する情報が格納される制御コンピュータとを備え得る。三次元造形品は、粉体ディスペンサによって連続的に載置された粉体層の連続して形成された断面を連続的に溶融することによって形成される。
【０００４】
よって、より大きい三次元造形品を造形することができる付加製造技術が求められている。造形容積を増やすには、さらに、ビーム出力源のビーム出力もより大きく、および／またはビーム源の偏向角もより大きくすることが必要になり、そのために、全造形領域にわたってビームスポットの質を等しく保つためのプロセス上の困難を招くことがある。
【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、エネルギービームスポットの質を犠牲にすることなしに、自由造形または付加製造によって製作される三次元造形品の造形容積を大容積にし得る方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の実施態様では、三次元造形品の連続する断面に対応する粉体層の一部を連続して溶融することによって三次元造形品を形成するための方法を提供する。方法は、三次元造形品のモデルを提供するステップと、造形テーブル上に第１の粉体層を提供するステップと、造形テーブル上に第１のエネルギービーム源からの第１のエネルギービームを向けることにより、モデルに従って第１の選択された場所において第１の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第１の断面の第１の部分を形成するステップと、造形テーブル上に第２のエネルギービーム源からの第２のエネルギービームを向けることにより、モデルに従って第２の選択された場所において第１の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第１の断面の第２の部分を形成するステップとを含み、第１の粉体層の第１および第２の場所が、重なり領域において少なくとも部分的に互いに重なり合う。
【０００７】
本発明の様々な実施形態の例示的な利点は、２つのビームが少なくとも部分的に互いに重なり合うことから、ビーム銃の位置のずれがわずかであれば、三次元造形品の全体の品質には影響しないことである。本発明の別の利点は、ビームスポットサイズおよびビーム形状を犠牲にすることなしに、より大きいビームの偏向角を使用してもよいことであり得る。
【０００８】
本発明の一実施形態例では、少なくとも部分的に互いに重なり合う第１の紛体層の第１および第２の場所は、それぞれ第１および第２のエネルギービーム源からの第１および第２のエネルギービームによって同時に溶融される。
【０００９】
この実施形態の別の非限定的な利点は、両方のビームを同時に使用することから、比較的時間効率が良いことである。
【００１０】
本発明のまた別の実施形態例では、第１の重なり領域が、それぞれ第１および第２のエネルギービーム源からの第１および第２のエネルギービームによって同時に溶融される。
【００１１】
この実施形態のまた別の非限定的な利点は、重なり領域に第１および第２のビームが同時に存在することであり、これにより、重なり領域における熱伝達、寸法制御および微細構造の制御に関する柔軟性がいくらか追加され得る。
【００１２】
本発明のまた別の実施形態例では、少なくとも部分的に重なり合う第１および第２の場所の少なくとも１回の溶融の間に、第１のエネルギービームのスポットは、第２のエネルギービームのスポットと少なくとも部分的に重なり合う。
【００１３】
少なくとも部分的にエネルギービームを重なり合うようにすることによって、互いに重なり合うことが許されない場合にはある融解方法に関する制約がないという利点を有する。
【００１４】
別の実施形態例では、重なり領域の全長（Ｌ）に沿って第１および第２のエネルギービームを偏向させる間、第１のエネルギービームのスポットおよび第２のエネルギービームのスポットは、粉体層上で少なくとも部分的に互いに重なり合う。
【００１５】
この実施形態例の利点は、重なり領域の内側で微細構造が制御され、重なり領域の外側の微細構造に同等または少なくとも極めて類似するように保たれ得ることである。別の利点は、１つのビームから他のビームへの重なりが、延長され、重なり領域の幅によって決まり得ることであり、それによって、システムのビームスポット位置の変更に起因する欠陥を除去または少なくとも低減する。
【００１６】
さらに別の実施形態例では、第１のエネルギービーム源からの第１のエネルギービームによって、少なくとも部分的に互いに重なり合う第１の粉体層の第１および第２の場所がまず溶融され、そして第１のエネルギービームによる溶融を終えた後、第２のエネルギービーム源からの第２のエネルギービームが、少なくとも部分的に互いに重なり合う第１および第２の場所を溶融する。
【００１７】
この実施形態は、特定領域の再融解により粉体の欠陥に由来する不良を低減し得る場合に有利であり得る。また、非重なり領域に対して重なり領域の微細構造を変えたい場合にも有利であり得る。
【００１８】
本発明のまた別の実施形態例では、重なりにおける第１および第２のビームの出力の和を、重なり領域の長さ（Ｌ）に沿って一定であり得る既定の値に保つ。
【００１９】
この実施形態は、重なり領域の内側および外側における融解プロセスを確実に可能な限り同様にするという利点を有する。
【００２０】
また別の実施形態例では、一定の値は、重なりの外側では第１および／または第２のビームの溶融出力に等しくてもよい。
【００２１】
また別の実施形態例では、第１のビームの出力は、１００％から０％まで直線的に変化し、重なり領域の第１の端部で開始して重なり領域の第２の端部で終了し、同時に、第２のビームの出力は、０％から１００％まで直線的に変化し、重なり領域の第１の端部で開始して重なり領域の第２の端部で終了する。
【００２２】
この実施形態の利点は、１つのビームから他のビームへの移行が極めて円滑に行われ得ることである。
【００２３】
別の例示的な実施形態は、部分的に溶融される第１の粉体層の上に第２の粉体層を提供するステップと、造形テーブル上に第１のエネルギービーム源からの第１のエネルギービームを向けることにより、モデルに従って第３の選択された場所において第２の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第２の断面の第１の部分を形成するステップと、造形テーブル上に第２のエネルギービーム源からの第２のエネルギービームを向けることにより、モデルに従って第４の選択された場所において第２の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第２の断面の第２の部分を形成するステップとをさらに含み、第２の粉体層の第３および第４の選択された場所が少なくとも部分的に互いに重なり合い、少なくとも部分的に重なり合う第３および第４の場所が、少なくとも部分的に重なり合う第１および第２の場所に関して横方向にシフトしている。
【００２４】
この実施形態の非限定的な利点は、重なり領域の位置が１つの層から別の層へとずれていることから、非重なり領域に対する重なり領域におけるあらゆる相違点が直接拡大されないことである。
【００２５】
本発明のまた別の実施形態例では、重なり領域の幅は、第１および第２の層で等しい。
【００２６】
また別の実施形態例では、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所の横方向シフト距離は、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所ならびに少なくとも部分的に重なる第１および第２の場所が重ならなくなる値に選択される。
【００２７】
この実施形態の利点は、第１の層の重なり領域にあるあらゆる欠陥が、隣接する層の重なり領域にあるいかなる欠陥の上にも存在することはないことである。
【００２８】
また別の実施形態例では、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所の横方向シフト距離は、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所ならびに少なくとも部分的に重なる第１および第２の場所が重なる値に選択される。
【００２９】
この実施形態の例示的な利点は、重なり領域が、三次元部分の限られた領域に影響することである。
【００３０】
また別の実施形態例では、第１のエネルギービームおよび第２のエネルギービームは、レーザービームまたは電子ビームであってもよい。また別の実施形態例では、第１のエネルギービームが、レーザービームであってもよく、第２のエネルギービームが、電子ビームであってもよい。
【００３１】
この実施形態の非限定的な利点は、三次元造形品の特定層の同じ領域を融解および／または加熱するために、異なるエネルギービーム源を使用してもよいことである。例えば、レーザーは、加熱により適していてもよく、電子ビームは、融解により適していてもよい。
【００３２】
また別の実施形態例では、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所の横方向シフト距離は、既定の範囲内で無作為に設定される。
【００３３】
この実施形態の例示的な利点は、あらゆる反復的な欠陥は、無作為設定により除去され得ることである。
【００３４】
本発明の別の実施態様では、粉体層の一部を連続的に溶融することにより三次元造形品を形成するための装置が提供され、粉体層の一部が、三次元造形品の連続する断面に対応し、装置は、三次元造形品のコンピュータモデルと、造形テーブルの上に第１のエネルギービームを供給することにより、モデルに従って第１の選択された場所において第１の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第１の断面の第１の部分を形成する、第１のエネルギービーム源と造形テーブルの上に第２のエネルギービームを供給することにより、モデルに従って第２の選択された場所において第１の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第１の断面の第２の部分を形成する、第２のエネルギービーム源と、第１の選択された場所および第２の選択された場所の重なり、ならびに重なりにおける第１および第２のエネルギービームの出力を制御するための制御ユニットと、とを備える。
【００３５】
このような装置により、品質を管理された大型の造形品を製造し得る。
【００３６】
以下、添付の図面を参照しながら、非限定的な方法で本発明の様々な実施形態を詳述する。図面のうちのいくつかの図にわたって、同じ参照符号を使用して、対応する類似の部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】第１の溶融粉体層の上面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態例の第１および第２のビームの出力対位置のグラフである。
【図１Ｃ】第２の実施形態例の第１および第２のビームの出力対位置のグラフである。
【図２】第１および第２の溶融粉体層の本発明による第２の実施形態例の上面図である。
【図３】本発明の実施形態による装置を示す図である。
【図４】重なり領域の本発明による別の実施形態例の上面図である。
【図５】本発明の実施形態による方法の流れ図である。
【図６Ａ】２つのビーム源および互いに部分的に重なり合う２つの選択された場所を有する、本発明の実施形態例の斜視図である。
【図６Ｂ】２つのビーム源および互いに部分的に重なり合う２つの選択された場所を有する、本発明の実施形態例の斜視図である。
【図６Ｃ】２つのビーム源および互いに部分的に重なり合う２つの選択された場所を有する、本発明の実施形態例の斜視図である。
【図７】２つの隣接する層の重なり領域およびその互いの相対的な位置の上面図の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の様々な実施形態の理解を促すため、いくつかの用語を以下に定義する。本明細書で定義する用語は、本発明に関連する技術分野の当業者によって一般に理解される意味を有する。「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」などの用語は、単数の要素を表すことのみを意図されたものではなく、例示のために具体例を使用し得る大まかな集合も包含する。本明細書における専門用語は、本発明の具体的な実施形態を記述するために使用される。ただし、それらの使用は、請求項において範囲を示すことを除き、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３９】
本明細書で使用する「三次元構造」などの用語は、一般に、特定の目的のために用いられることが意図された、所望の、または実際に製造された（例えば、構成材または複数の構成材の）三次元構成を指す。そのような構造などは、例えば、三次元ＣＡＤシステムを用いて設計できる。
【００４０】
本明細書において、様々な実施形態で用いられる「電子ビーム」の用語は、任意の荷電粒子ビームを意味する。荷電粒子ビームのビーム源として、電子銃、線形加速器などを含むことができる。
【００４１】
図３に、本発明による自由造形または付加製造装置３００の実施形態例を示す。装置３００は、２つの電子銃３０１、３０２と、２つの粉体ホッパ３０６、３０７と、開始板３１６と、造形タンク３１２と、粉体分配器３１０と、造形プラットフォーム３１４と、真空チャンバ３２０と、制御ユニット３４０とを備える。図３は、便宜上、２つのビーム源のみを開示している。当然のことながら、本発明の説明のために使用する２つのビーム源と同様の方法で、任意の数のビーム源を使用することができる。２つのビーム源のみを使用すること、およびこれを自身の目的に適う任意の具体的な数に応用することは、本明細書に開示された本発明の概念を読めば、当業者には自明である。
【００４２】
真空チャンバ３２０は、真空システムを用いて真空環境を維持でき、真空システムは、ターボ分子ポンプ、スクロールポンプ、イオンポンプ、および当業者によく知られ、したがって、この文脈においてさらなる説明を必要としない１つまたは複数のバルブを含み得る。真空システムは、制御ユニット３４０によって制御される。別の実施形態では、周囲空気が供給され、かつ大気圧である、囲繞可能なチャンバ内に造形タンクを提供してもよい。また別の実施形態例では、造形チャンバを、覆うことなしに設けてもよい。
【００４３】
電子銃３０１、３０２は、開始板３１６上に提供された粉体材料３１８を共に融解または溶融するために使用される電子ビームを生成している。電子銃３０１、３０２の少なくとも一部分を、真空チャンバ３２０内に設けてもよい。制御ユニット３４０を使用して、電子ビーム銃３０１、３０２から放出される電子ビームを制御および管理してもよい。第１の電子ビーム源３０１が、第１の電子ビーム３５１を放出してもよく、第２の電子ビーム源３０２が、第２の電子ビーム３５２を放出してもよい。第１の電子ビーム３５１を、第１の選択された領域１を画定する、少なくとも第１の極限位置３５１ａと少なくとも第２の極限位置３５１ｂとの間で偏向させてもよい。第２の電子ビーム３５２を、第２の選択された領域２を画定する、少なくとも第１の極限位置３５２ａと少なくとも第２の極限位置３５２ｂとの間で偏向させてもよい。第１の電子ビーム３５１の第１または第２の極限位置３５１ａ、３５１ｂのうちの少なくとも１つは、第２の電子ビーム３５２の少なくとも第１または第２の極限位置３５２ａ、３５２ｂのうちの１つに重なってもよく、それによって、重なり領域３を形成する。
【００４４】
少なくとも１つの集束コイル（図示せず）と、少なくとも１つの偏向コイルと、電子ビーム出力供給源とを、制御ユニットに電気的に接続させてもよい。本発明の実施形態例では、第１および第２の電子ビーム源は、加速電圧が約６０ｋＶであり、ビーム出力が０〜３ｋＷの範囲内にある集束可能な電子ビームを生成してもよい。エネルギービーム源３０１、３０２を用いて層単位で粉体層を溶融することによって三次元造形品を作る場合、真空チャンバ内の圧力は、１０−３〜１０−６ｍＢａｒの範囲内であってもよい。
【００４５】
２つの電子ビームで粉体材料を融解する代わりに、２つ以上のレーザービームを使用してもよい。各レーザービームは、通常、レーザービーム源と、レーザービームによって溶融される粉体材料が配置される造形テーブルとの間にあるレーザービームの経路に設けた１つまたは複数の可動式の鏡で偏向させてもよい。制御ユニット３４０は、レーザービームを造形テーブル上の既定の位置に向けるように、鏡の偏向を管理してもよい。
【００４６】
粉体ホッパ３０６、３０７は、造形タンク３１２内の開始板３１６上に提供される粉体材料を含む。粉体材料は、例えば、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ合金などの純金属または金属合金であってもよい。２つの粉体ホッパではなく、１つの粉体ホッパを使用してもよい。粉体を供給するための他の設計および／または機構、例えば、高さ調節可能な床を備える粉体タンクを使用してもよい。
【００４７】
開始板３１６上に粉体材料の薄層を載置するように、粉体分配器３１０を配置する。作業サイクル中、毎回の粉体材料の層の追加後に、光線銃に対して造形プラットフォーム３１４を連続的に下げる。この動きを可能にするために、造形プラットフォーム３１４は、本発明の一実施形態では、垂直方向、すなわち矢印Ｐが示す方向に移動可能に構成される。これは、造形プラットフォーム３１４が、必要な厚さの第１の粉体材料層が開始板３１６上に載置された初期位置から開始することを意味する。粉体材料の第１の層は、他の塗布層よりも厚くてもよい。他の層よりも厚い第１の層を用いて開始するのは、第１の層が開始板上に溶け落ちるのを防ぐためである。その後、三次元造形品の新規の断面を形成するために新規の粉体材料層を載置するのに関連して、造形プラットフォームを下げる。造形プラットフォーム３１４を下げるための手段は、例えば、歯車、調整ネジなどが備え付けられたサーボエンジンを介してもよい。
【００４８】
図５には、三次元造形品の連続した断面に対応する粉体層の一部を連続して溶融することにより三次元造形品を形成するための、本発明による方法の実施形態例の流れ図を示してあり、三次元造形品のモデルを提供する第１のステップ５０２を含む。モデルは、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ツールによって生成されるコンピュータモデルであってもよい。
【００４９】
第２のステップ５０４では、開始板３１６上に第１の粉体層を設ける。いくつかの方法に従って、造形テーブル上に粉体を均一に分配してもよい。粉体を分配する１つの方法には、ホッパ３０６、３０７から落下した材料をレーキシステムによって集める方法がある。レーキが造形タンク全体を動くことによって、開始板全体に粉体を分配する。レーキの下部と開始板の上部または直前の粉体層との間の距離によって、開始板全体に分配される粉体の厚さが決まる。粉体層の厚さは、造形プラットフォーム３１４の高さを調整することによって容易に調整できる。開始板上で三次元造形品の造形を開始する代わりに、取り外し可能であり得る造形プラットフォーム３１４上で三次元造形品を造形してもよい。さらに別の例示的な実施形態では、三次元造形品は、粉体層上に造形するように開始されてもよい。
【００５０】
第３のステップ５０６では、開始板３１６または造形プラットフォーム３１４上に第１のエネルギービーム源からの第１のエネルギービームを向けることにより、モデルに従って第１の選択された場所１において第１の粉体層を溶融させて、三次元造形品３３０の第１の断面を形成する。第１のエネルギービーム３５１は、最大偏向角ならびにエネルギービーム源３０１から造形テーブルまでの距離によって決まる、既定の領域に到達し得る。このため、第１のエネルギービーム３５１は、全造形領域のうちの一部、すなわち、三次元造形品３３０の第１の断面の一部分にのみ到達し得る。
【００５１】
第１のエネルギービーム３５１は、電子ビームであってもよいし、レーザービームであってもよい。ビームは、制御ユニット３４０が与える命令に基づいて開始板３１６上に向けられる。制御ユニット３４０には、三次元造形品の各層についてのビーム源３０１、３０２の制御方法に関する命令が格納されていてもよい。
【００５２】
第４のステップ５０８では、開始板３１６上に第２のエネルギービーム源３０２からの第２のエネルギービーム３５２を向けることにより、モデルに従って第２の選択された場所２において第１の粉体層を溶融させて、三次元造形品３３０の第１の断面を形成する。
【００５３】
第１のエネルギービーム３５１と同様に、第２のエネルギービーム３５２もまた、最大偏向角ならびにエネルギービーム源から開始板３１６または溶融する粉体層までの距離によって決まる、既定の領域に到達し得る。このため、第２のエネルギービーム３５２は、全造形領域のうちの一部、すなわち、三次元造形品３３０の第１の断面の一部分にのみ到達し得る。
【００５４】
第１の粉体層の第１および第２の選択された場所１、２は、重なり領域３において少なくとも部分的に互いに重なり合う。第１の粉体層の第１の選択された場所１は、第１のエネルギービーム３５１で溶融され、第１の粉体層の第２の選択された場所２は、第２のエネルギービーム３５２で溶融される。三次元造形品の第１の断面全体にわたって溶融を確実に完了させるために、第１の選択された場所１および第２の選択された場所２は、少なくとも部分的に互いに重なり合う。これは、三次元造形品の第１の断面の同じ領域（重なり領域）が、２回、すなわち、第１のエネルギービームで１回、第２のエネルギービームで１回、溶融させてもよいことを意味する。別の実施形態では、第１および第２のエネルギービーム３５１、３５２で重なり領域を同時に溶融させてもよい。
【００５５】
図１Ａは、造形テーブルまたは開始板または粉体層１００を示している。第１のエネルギービームは、符号１で示す第１の選択された場所に到達することができる。第２のエネルギービームは、符号２で示す第２の選択された場所に到達することができる。第１および第２の選択された場所は、互いに重なり合って、符号３で示す重なり領域を画定してもよい。重なり領域の長さは、Ｌで示されている。第１の選択された場所１は、第１の線１１０で終わってもよく、第２の選択された場所は、第２の線１２０で終わってもよい。第２の線１２０は、第１のエネルギービーム３５１によって溶融され得る第１の選択された場所１の内側に設けられ、第１の線１１０は、第２のエネルギービーム３５２によって溶融され得る第２の選択された場所２の内側に設けられる。
【００５６】
本発明の実施形態例では、それぞれ第１および第２のエネルギービーム源２０１、３０２からの第１および第２のエネルギービーム３５１、３５２によって、重なり領域３少なくとも部分的に互いに重なり合う、第１の粉体層の第１および第２の場所１、２を同時に溶融してもよい。
【００５７】
重なり領域３において第１および第２のビーム３５１、３５２で同時に溶融することは、様々な方法で行ってもよい。
【００５８】
重なり領域３において第１の経路で第１のビーム３５１により第２のビーム３５２と同時に粉体を溶融または加熱する第１の方法は、第１の経路から隔てられた第２の経路で粉体を溶融または加熱することであってもよい。第１のビームによって溶融された第１の経路は、第１のビームが経路を過ぎた後に第２のビームによって再溶融されてもよい、すなわち、第１および第２のビームは、常に全く同じ位置にはない。
【００５９】
第２の方法は、第１および第２のビーム３５１、３５２が少なくとも一度は同時に全く同じ位置にあるように、第１および第２のビームで粉体を溶融または加熱することである。図１Ｂは、第１および第２のビーム３５１、３５２が重なり領域３の全く同じ位置を溶融しようとする場合の第１および第２のビーム３５１、３５２の１つの可能な制御方法を示している。ビームが互いに重なり合う領域における第１および第２のビーム３５１、３５２の出力の和を、一定の値に保ってもよい。このことは、１つのビームではなく、粉体を同時に溶融する２つのビームがある場合、溶融プロセスに加えられる追加出力も溶融プロセスにおいて不足する出力もないことを意味する。
【００６０】
非重なり領域における単一のビームの出力と重なり領域における２つのビームの出力とが等しくてもよい。いかなる位置においてもビームの出力を制御することは、最終的な三次元造形品の微細構造を制御するために重要であり得る。図１Ｂの実施形態例では、出力は、第１および第２の領域を通じて一定となるように示されている。当然のことながら、これは、実際の場合を単純化したものにすぎない。実際の場合には、造形温度および溶融プロセスを既定のスケジュールで確実に進めるために、ビームの出力は、一方の位置から他方の位置へと変わり得る。そのようは場合には、第１および第２のビームの和が合計で、シミュレーションにおいて溶融プロセスに先立って決定され得る所望の値になることを知ることが重要になり得る。
【００６１】
図１Ｂおよび図６Ａ〜図６Ｃに、既定の領域を溶融するために２つのビーム源３０１、３０２を使用する実施形態例を示す。第１の選択された場所１は、第１のビーム３５１で溶融される。第１のビームが重なり領域３に到達すると、第２のビーム３５２は、重なり領域３の第１のビーム３５１と同じ位置で重なり領域３の溶融を同時に開始する。第１のビーム３５１が重なり領域３内へと偏向し続けるにつれてその出力が低下し、それと同時に、第２のビーム３５２の出力が増加する。第１および第２のビーム３５１、３５２の和を重なり領域３において一定に保ってもよい。第２の選択された場所２は、第２のビーム３５２のみで溶融される。第１のビームは、第１の線１１０で停止させた。
【００６２】
本発明によるまた別の実施形態例を図１Ｃに示す。図１Ｃでは、第１および第２のビーム３５１、３５２がそれぞれ、必要な出力の半分を有している、すなわち、第１のビーム３５１で必要な出力の５０％、第２のビーム３５２で必要な出力の５０％を有していることが示されている。あるいは、これらの数字は均等に分割しなくてもよく、例えば、第１のビームが必要な出力の３０％を有し、第２のビームが必要な出力の７０％を有してもよい。
【００６３】
電子ビーム銃においては、ビームの質は、偏向角によって決まる。偏向角がない、あるいは少ない場合、望ましいビームスポットサイズが、ほぼ実際のビームスポットサイズとなる。偏向角が大きくなるにつれて、スポットサイズは大きくなり、および／またはスポット形状は円形から離れていく。ビームのうちの１つが、既定の値よりも大きい偏向角を有する場合、ビーム出力を１つのビームから２つのビームに切り替えてもよい。所望のビーム出力に達するために、１つのビームだけを使用とする場合にそれぞれが必要な出力よりも低い出力を有する２つのビームを使用することにより、偏向角が比較的大きくても、ビームスポットサイズおよび形状を制御可能に保つことができる。これは、ビーム出力が低いビームは、ビーム出力が高いビームに比べてスポットサイズが小さいためである。高出力のビームを使用するのではなく、低出力の２つのビームを使用することにより、ビームのうちの少なくとも１つが比較的大きい偏向角を有する位置における合成ビームの形状およびサイズが、既定の値よりも大きくなることはない、または既定の値を超えて円形から逸脱しない。重なり領域では、偏向角が大きい、第１のビーム源からの第１のビームと、第１のビームよりも偏向角が小さい、第２のビーム源からの第２のビームとが存在し得る。
【００６４】
２つ以上のエネルギービーム源を使用することにより、三次元造形の造形温度は、１つのビーム源を使用した場合よりも容易に維持され得る。これは、２つのビームは、１つのビームよりも同時により多くの場所に存在し得るためである。ビーム源の数を増やすことによって、造形温度の制御がさらに容易になる。複数のエネルギービーム源を使用することにより、造形温度を既定の温度範囲内に保つために、第１のエネルギービーム源を粉体材料の融解に使用してもよく、第２のエネルギービーム源を粉体材料の加熱に使用してもよい。
【００６５】
第１の層が完成した後、すなわち、三次元造形品の第１の層を作るための粉体材料の溶融後、第２の粉体層が造形テーブル３１６上に提供される。第２の粉体層は、特定の実施形態では、直前の層と同じ方法で分配される。しかしながら、同じ付加製造機械において造形テーブル上に粉体を分配するための他の方法もあり得る。例えば、第１の層を第１の粉体分配器で提供してもよく、第２の層を別の粉体分配器で提供してもよい。粉体分配器の設計は、制御ユニットからの命令に従って自動的に変更される。単一レーキシステム、すなわち、１つのレーキが左側粉体ホッパ３０６および右側粉体ホッパ３０７の両方から落下した粉体を受ける形態の粉体分配器では、レーキはそれに応じて設計を変更できる。
【００６６】
第２の粉体層を造形テーブル３１６上に分配させた後、造形テーブル３１６上に第１のエネルギービーム源３０１からの第１のエネルギービーム３５１を向けることにより、モデルに従って第３の選択された場所において第２の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第２の断面を形成する。
【００６７】
第２の層の溶融部分を、第１の層の溶融部分に結合させてもよい。最上層の粉体を融解することに加えて、最上層の直下の層の厚さの少なくともごく一部も再融解することによって、第１および第２の層の溶融部分を共に融解してもよい。
【００６８】
造形テーブル３１６上に第２のエネルギービーム源３０２からの第２のエネルギービーム３５２を向けることにより、モデルに従って第４の選択された場所において第２の粉体層を溶融させて、三次元造形品の第２の断面を形成してもよく、第２の粉体層の第３および第４の選択された場所が、少なくとも部分的に互いに重なり合ってもよく、少なくとも部分的に重なり合う第３および第４の場所４、５が、少なくとも部分的に重なり合う第１および第２の場所１、２に対して横方向にシフトしている。図７を参照されたい。図７では、第２の層の重なり領域６が、第１の層の重なり領域３に対して横方向にシフトしていることが示されている。シフトは、重なり領域３、６が互いに重なり合わないほど大きくてもよい。シフトは、重なり領域が依然として互いに重なり合うような既定の範囲内であってもよい。重なり領域の長さＬは、層ごとに変わってもよい。
【００６９】
レーザービームでも電子ビームであってもよいエネルギービームは、最後に施した粉体層を融解するだけではなく、粉体材料および直前の溶融プロセスで既に融解した材料を含む融解結果の粉体層の下の少なくとも材料層を融解する。
【００７０】
本発明によるまた別の実施形態例では、重なり領域の幅１９０、１９２は、第１および第２の層で等しい。他の実施形態では、重なり領域の長さ１９０、１９２は、第２の層と比べて第１の層で異なってもよい。また別の実施形態例では、重なり領域の長さは、少なくとも１つの層のための既定の最小値および最大値の間で無作為に設定してもよい。
【００７１】
本発明のまた別の実施形態例では、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所の横方向シフト距離は、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所ならびに少なくとも部分的に重なる第１および第２の場所が重ならなくなる値に選択されてもよい。これは、第１の層では、重なり領域が第１の位置に配置されることを意味している。第２の層では、重なり領域は、第１の層の第１の位置と重なり合わない第２の位置に配置される。これにより、２つの隣接する層では互いの上に重なりが提供されないことから、三次元造形品の造形品質が改善され得る。
【００７２】
また別の実施形態例では、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所の横方向シフト距離は、第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所ならびに少なくとも部分的に重なる第１および第２の場所が重なる値に選択されてもよい。２つの隣接する層の重なりが互いに重なり合うが、第２の層が第１の層に対してシフトしている、図２を参照されたい。
【００７３】
第３および第４の少なくとも部分的に重なる場所の横方向シフト距離は、既定の範囲内で無作為に設定されてもよい。
【００７４】
図４は、重なり領域の本発明による別の実施形態例の上面図を示している。図４では、異なるエネルギービーム源が使用され、これらのそれぞれが、粉体層の既定の領域を溶融できる。第１のエネルギービーム源からの第１のエネルギービームは、符号４１で示される第１の領域を溶融してもよい。第２のエネルギービーム源からの第２のエネルギービームは、符号４２で示される第２の領域を溶融してもよい。第３のエネルギービーム源からの第３のエネルギービームは、符号４３で示される第３の領域を溶融してもよい。第４のエネルギービーム源からの第４のエネルギービームは、符号４４で示される第４の領域を溶融してもよい。
【００７５】
第１の領域４１および第２の領域４２は、符号４５で示される第１の重なり領域において互いに重なり合ってもよい。第１の領域４１および第３の領域４３は、符号４７で示される第３の重なり領域において互いに重なり合ってもよい。第３の領域４３および第４の領域４４は、符号４６で示される第２の重なり領域において互いに重なり合ってもよい。第４の領域４４および第２の領域４２は、符号４８で示される第４の重なり領域において互いに重なり合ってもよい。第１、第２、第３および第４の領域はすべて、符号４９で示される第５の重なり領域において互いに重なり合う。例えば、第１の重なり領域４５は、第１および第２のビームの限界を画定する、すなわち、第１の重なり領域４５の最も左にある実線は、第２のエネルギービームの最も左の位置を画定し、第１の重なり領域の最も右にある実線は、第１のエネルギービームの最も右の位置を画定する。第１の重なり領域内において、実際の重なり領域を画定し配置してもよい。必要な変更を加えた上で、第２、第３、第４および第５の重なり領域４６、４７、４８および４９も同様である。
【００７６】
第１の層では、第１の領域４１および第２の領域４２の重なり領域１４０を、重なり領域４５内の第１の位置に配置してもよい。第２の層では、第１の領域４１および第２の領域４２の重なり領域１４０を、重なり領域４５内の第２の位置に配置してもよい。第１および第２の位置は、部分的に互いに重ね合わせてもよいし、完全に互いに重ね合わせてもよいし、あるいは重ならなくてもよい。各層および各重なり領域に関して、重なり領域の第１および第２の位置を無作為に設定してもよい。重なり領域１４０、１５０、１６０、１７０の長さは、同じ層内の異なる重なり領域で異なっていてもよく、また異なる層の同じ重なり領域で異なっていてもよい。
【００７７】
三次元造形品の連続する断面に対応する粉体層の一部を連続して溶融することによって三次元造形品を形成するための装置のまた別の実施形態例において。装置が、三次元造形品の第１の断面を形成するために、モデルに従って第１の選択された場所において第１の粉体層を溶融するように適合される第１のエネルギービーム源を備える。装置が、三次元造形品の第１の断面を形成するために、モデルに従って第２の選択された場所において第１の粉体層を溶融するように適合される第２のエネルギービーム源をさらに備える。装置が、第１の粉体層の第１および第２の場所が少なくとも部分的に互いに重なり合うように第１および第２のエネルギービーム源を制御するように適合される制御ユニットをさらに備える。
【００７８】
本発明が上述の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内において多くの修正が可能であることを理解されたい。そのような修正は、例えば、レーザービームなどの例示された電子ビームとは異なるエネルギービーム源を使用することを含んでもよい。追加的または代替的に、非限定的な例であるがポリマーの粉体またはセラミックの粉体などの、金属粉体以外の材料が用いられてもよい。
【図１Ａ】
0006366695.tif 000002
【図１Ｂ】
0006366695.tif 000003
【図１Ｃ】
0006366695.tif 000004
【図２】
0006366695.tif 000005
【図３】
0006366695.tif 000006
【図４】
0006366695.tif 000007
【図５】
0006366695.tif 000008
【図６ａ】
0006366695.tif 000009
【図６ｂ】
0006366695.tif 000010
【図６ｃ】
0006366695.tif 000011
【図７】
0006366695.tif 000012