(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスチャンバー（１２）と、
該プロセスチャンバー（１２）内に配置され、原材料粉末の層を受けるように適合されたキャリア（１４）と、
制御ユニット（４８）と、
前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面（１８）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射するように適合された照射システム（１６）であって、前記照射システム（１６）によって照射された電磁放射線又は粒子放射線が、前記プロセスチャンバー（１２）に前記プロセスチャンバー（１２）の上壁（２０）を通って入り、前記三次元加工物の層を生成するために前記原材料粉末の焼結及び／又は溶融を可能にする第１の温度（Ｔ１）まで前記原材料粉末が加熱されるように、前記制御ユニット（４８）が該照射システム（１６）の作動を制御するように適合された照射システム（１６）と、
前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に、前記焼結／溶融放射線放射面（１８）とは異なる加熱放射線放射面（３０ａ、３０ｂ）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射するように適合された加熱システム（２８）であって、前記加熱システム（２８）によって照射された電磁放射線又は粒子放射線が、前記プロセスチャンバー（１２）に前記プロセスチャンバー（１２）の側壁（３４、３６）を通って入り、前記第１の温度（Ｔ１）より低い第２の温度（Ｔ２）まで前記原材料粉末が加熱されるように、前記制御ユニット（４８）が該加熱システム（２８）の作動を制御するように適合された加熱システム（２８）と
を有するものであることを特徴とする三次元加工物の製造装置（１０）。
【請求項２】
前記加熱システム（２８）が、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に前記プロセスチャンバー（１２）の第１の側壁（３４）を通って第１の加熱放射線放射面（３０ａ）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射するように適合された第１の加熱ユニット（３２ａ）及び前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に前記プロセスチャンバー（１２）の第２の側壁（３６）を通って第２の加熱放射線放射面（３０ｂ）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射するように適合された第２の加熱ユニット（３２ｂ）とを有しており、
前記第１の加熱放射線放射面（３０ａ）と前記第２の加熱放射線放射面（３０ｂ）が、実質的に相互に平行に延在していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記焼結／溶融放射線放射面（１８）が前記キャリア（１４）に実質的に平行に延在しており、及び／又は、
前記第１及び／又は第２の加熱放射線放射面（３０ａ、３０ｂ）が前記焼結／溶融放射線放射面（１８）に実質的に垂直に延在していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記加熱システム（２８）がレーザーダイオードの形式で設計された、少なくとも１つの加熱放射線源（４４ａ、４４ｂ）を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記制御ユニット（４８）は、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層が最初に前記加熱システム（２８）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射され、その後、前記照射システム（１６）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射されるように、前記照射システム（１６）及び前記加熱システム（２８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記制御ユニット（４８）は、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層が前記照射システム（１６）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射され、その後、前記加熱システム（２８）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射されるように、前記照射システム（１６）及び前記加熱システム（２８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記制御ユニット（４８）は、前記加熱システム（２８）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線（３８ａ、３８ｂ）及び前記照射システム（１６）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線（２２）が、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って照射されるように、前記照射システム（１６）及び前記加熱システム（２８）の作動を制御するように適合されたものであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記制御ユニット（４８）は、原材料粉末特性、及び／又は、前記原材料粉末の塗布のプロセスパラメーター、及び／又は、前記照射のプロセスに応じて、前記所望の距離及び／又は前記所望の時間差を設定するように適合されたものであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
キャリア（１４）上に原材料粉末の層を塗布する工程と、
前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に、照射システム（１６）によって、焼結／溶融放射線放射面（１８）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射する工程であって、前記照射システム（１６）によって照射された電磁放射線又は粒子放射線が、前記キャリア（１４）を収容したプロセスチャンバー（１２）に、該プロセスチャンバー（１２）の上壁（２０）を通って入り、前記三次元加工物の層を生成するために前記原材料粉末の焼結及び／又は溶融を可能にする第１の温度（Ｔ１）まで前記原材料粉末が加熱されるように、該照射システム（１６）の作動が制御される工程と、
前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に、加熱システム（２８）によって、前記焼結／溶融放射線放射面（１８）とは異なる加熱放射線放射面（３０ａ、３０ｂ）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射する工程であって、前記加熱システム（２８）によって照射された電磁放射線又は粒子放射線が、前記プロセスチャンバー（１２）に前記プロセスチャンバー（１２）の側壁（３４、３６）を通って入り、前記第１の温度（Ｔ１）より低い第２の温度（Ｔ２）まで前記原材料粉末が加熱されるように、該加熱システム（２８）の作動が制御される工程と
を有することを特徴とする三次元加工物の製造方法。
【請求項１０】
前記加熱システム（２８）の第１の加熱ユニット（３２ａ）が、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に前記プロセスチャンバー（１２）の第１の側壁（３４）を通って第１の加熱放射線放射面（３０ａ）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射し、
第２の加熱ユニット（３２ｂ）が、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に前記プロセスチャンバー（１２）の第２の側壁（３６）を通って第２の加熱放射線放射面（３０ｂ）から電磁放射線又は粒子放射線を位置選択的に照射し、
前記第１の加熱放射線放射面（３０ａ）と前記第２の加熱放射線放射面（３０ｂ）が、実質的に相互に平行に延在していることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記焼結／溶融放射線放射面（１８）が前記キャリア（１４）に実質的に平行に延在しており、及び／又は、
前記第１及び／又は第２の加熱放射線放射面（３０ａ、３０ｂ）が前記焼結／溶融放射線放射面（１８）に実質的に垂直に延在していることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記照射システム（１６）及び前記加熱システム（２８）の作動は、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層が最初に前記加熱システム（２８）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射され、その後、前記照射システム（１６）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射されるように制御されることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記照射システム（１６）及び前記加熱システム（２８）の作動は、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層が前記照射システム（１６）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射され、その後、前記加熱システム（２８）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で位置選択的に照射されるように制御されることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記照射システム（１６）及び前記加熱システム（２８）の作動は、前記加熱システム（２８）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線（３８ａ、３８ｂ）及び前記照射システム（１６）によって放射された電磁放射線又は粒子放射線（２２）が、前記キャリア（１４）上に塗布された前記原材料粉末の層に所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って照射されるように制御されることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記所望の距離及び／又は前記所望の時間差が、原材料粉末特性、及び／又は、前記原材料粉末の塗布のプロセスパラメーター、及び／又は、前記照射のプロセスに応じて設定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原材料粉末の層を電磁放射線又は粒子放射線で照射することによって三次元加工物を製造する装置に関する。さらに、本発明は、この種の装置の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末層融解は、粉末の、特に、金属、及び／又は、セラミックの原材料を複雑な形状の三次元加工物に加工することができる累積的な積層プロセスである。このために、原材料粉末の層がキャリア上に塗布され、製造される加工物の所望の幾何学的形状に依存して、位置選択的な方法でレーザー放射線を受ける。粉末層の中に浸透したレーザー放射線は、原材料粉末粒子を加熱し、その結果として、原材料粉末粒子の融解又は焼結を引き起こす。さらに、加工物が所望の形状と大きさになるまで、原材料粉末の層が、既にレーザー処理を受けた、キャリア上の層に連続的に塗布される。選択的なレーザー溶融又はレーザー焼結は、ＣＡＤデータに基づいて、特に、試作品、工具、交換部品、又は、例えば歯科用若しくは整形外科用の人工器官のような医療人工器官の製造のために使用されうる。
【０００３】
ＥＰ  ２  ８５９  ９７３  Ａ１は、原材料粉末を電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射することによって三次元加工物を製造する装置に使用される粉末処理装置を記載しており、その中で、キャリア要素は、原材料粉末の層が電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されている間に原材料粉末の層を保持するように適合された建造部分及び原材料粉末の層が電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射される前に原材料粉末の層を保持するように適合された少なくとも１つの移送部分を有している。加熱手段は、電磁放射線または粒子放射線で選択的に照射される原材料粉末の層を形成するように原材料粉末がキャリア要素の建造部分に塗布される前に、キャリア要素の移送部分によって保持された原材料粉末を予備加熱するように適合される。
【０００４】
さらに、ＥＰ  ２  ８７８  ４０９  Ａ１は、三次元加工物の製造装置に使用され、第１及び第２の照射ユニットを具備する照射システムを制御する方法と装置を記載している。第１及び第２の照射領域が、原材料粉末の層を受けるように適合されたキャリアの表面に形成される。第１の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末の層は第１の照射ユニットによって照射され、原材料粉末が予備加熱されるように、第１の照射ユニットの作動が制御される。その後、第１の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末の層は第２の照射ユニットによって照射され、三次元加工物の層を形成するために、原材料粉末の焼結及び／又は溶融を可能にする温度まで原材料粉末が加熱されるように、第２の照射ユニットの作動が制御される。第１の照射ユニットが第１の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末の層を照射している間に、第２の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末の層が第２の照射ユニットによって照射される。さらに、第１の照射ユニットが第２の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末の層を照射している間に、第１の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末の層が第２の照射ユニットによって照射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＥＰ  ２  ８５９  ９７３  Ａ１
【特許文献２】ＥＰ  ２  ８７８  ４０９  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、特に高品質な三次元加工物の製造を可能にする、原材料粉末の層を電磁放射線又は粒子放射線で照射することによって三次元加工物を製造する装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、この種の装置を作動する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
この目的は、請求項１に規定された装置と請求項９に規定された方法によって達成される。
【０００８】
三次元加工物の製造装置は、原材料粉末の層を受けるように適合されたキャリアを有している。そのキャリアはその装置のプロセスチャンバー内に配置されてよく、しっかりと固定されたキャリアでよい。しかしながら、好ましくは、加工物が原材料粉末から層状に積み上げられる際、その加工物の製造高さが増すにつれて、キャリアが垂直方向における下方向に移動させられるように、キャリアが垂直方向に変位可能に設計される。プロセスチャンバーは、制御された雰囲気、特に、プロセスチャンバー内に不活性の雰囲気を維持することを可能とするために、周囲の雰囲気に対して、すなわち、プロセスチャンバーを取り囲む環境に対して密閉可能とされてよい。キャリア上に受けられる原材料粉末は、好ましくは金属粉末であり、特には金属合金粉末であるが、セラミック粉末又は異なる物質を含有する粉末であってもよい。その粉末はいかなる適切な粒子の大きさ、又は粒子の大きさの分布を有していてもよい。しかしながら、１００μｍ未満の大きさの粒子の粉末を加工処理することが好ましい。
【０００９】
その装置はさらに、好ましくは電子制御ユニットの形式で設計された制御ユニットを有している。その装置の照射システムはキャリア上に塗布された原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合される。三次元加工物の層を生成するために原材料粉末の位置選択的な焼結及び／又は溶融を可能にする第１の温度まで原材料粉末が加熱されるように、制御ユニットが照射システムの作動を制御するように適合される。
【００１０】
その照射システムは焼結／溶融放射線源及びその焼結／溶融放射線源によって放射される焼結／溶融放射ビームを誘導し、及び／又は、処理する、少なくとも１つの光学ユニットを有していてよい。その光学ユニットは、対物レンズ、特にｆ−θレンズ、及びスキャナユニットのような光学要素を有していてよく、そのスキャナユニットは回折光学素子と屈折鏡を有することが好ましい。その照射システムは１つだけの照射ユニット又は複数の照射ユニットを有していてよく、その各々が焼結／溶融放射線放射面から原材料粉末の位置選択的な焼結及び／又は溶融を可能にする、電磁放射線又は粒子放射線を放射するように適合されてよい。
【００１１】
最後に、その装置はキャリア上に塗布された原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面とは異なる加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された加熱システムを有する。これにより、照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビームと同様に、その加熱システムによって放射された加熱放射ビームは位置選択的な方法でキャリア上に塗布された原材料粉末じゅうに向けられる。しかしながら、照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビーム及び加熱システムによって放射された加熱放射ビームは異なる面から生じ、相互に独立している。第１の温度より低い第２の温度まで原材料粉末が加熱されるように、制御ユニットが加熱システムの作動を制御するように適合される。
【００１２】
加熱システムは加熱放射線源及びその加熱放射線源によって放射された加熱放射ビームを誘導し、及び／又は処理する少なくとも１つの光学ユニットを有していてよい。照射システムの光学ユニットと同様に、加熱システムの光学ユニットも対物レンズ、特にｆ−θレンズ、及びスキャナユニットのような光学要素を有していてよく、そのスキャナユニットは回折光学素子と屈折鏡を有することが好ましい。
【００１３】
例えば、原材料粉末が加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線によって照射される際に、その焼結及び／又は溶融温度未満の温度まで加熱されてよい。しかしながら、原材料粉末が加熱システムによって放射された放射線によって照射される際に、部分的に又は完全に溶融されるか、又は、その溶融された状態が維持されることも考えられる。しかしながら、原材料粉末が加熱システムによって放射された放射線によって照射される際に、溶融されるか、又は、その溶融された状態が維持された場合であっても、第１の温度より低い第２の温度まで加熱システムが単に原材料粉末を加熱する機能を有しているだけであり、その結果、原材料粉末が照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線によって照射される間に、原材料粉末の形状を付与する焼結及び／又は溶融が起こるように、加熱システム及び照射システムがこれまで通り制御される。
【００１４】
三次元加工物の製造装置において、例えば、三次元加工物の層が生成されるために原材料粉末が実際に焼結される前に、その原材料粉末は、加熱システムによって、非常に正確かつ均一に加熱されてよい。さらに、原材料粉末の量の増加とは独立して、特に、加工物が原材料粉末から層状に積み上げられる際、その加工物の製造高さが増すにつれて、キャリア上に存在する原材料粉末の層の「堆積」の高さの増加とは独立して、加熱は実施されることができる。従って、照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で実際に照射された原材料粉末粒子の温度と、加工物の既に生成された層の温度のみならず照射領域の外に配置された原材料粉末粒子の温度との間に生じる温度勾配が最小化されることができ、それにより、加工物内の熱応力も最小化されることができる。その結果、クラックフリーの高い強度で高品質な加工物を得ることができる。
【００１５】
照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビームと加熱システムによって放射された加熱放射ビームは異なる面から生じているので、大きな三次元加工物がそれに対応する大きなキャリア上に製造される場合であっても、放射ビームの望まない干渉を容易に防ぐことができる。従って、一つの照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末が照射システムによって放射された焼結／放射ビームで照射されうる間に、別の照射領域内のキャリア上に塗布された原材料粉末が加熱システムによって放射された加熱放射ビームによって照射されうるように、加熱システムと照射システムは容易に同時に作動されることができる。その結果として、三次元加工物の作製を早めることができる。
【００１６】
好ましくは、加熱システムは、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に第１の加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された第１の加熱ユニット及びキャリア上に塗布された原材料粉末の層に第２の加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された第２の加熱ユニットとを有している。大きな三次元加工物を製造する場合であっても、複数の加熱ユニットの存在が、原材料粉末の均一かつ信頼性の高い加熱を可能にする。第１の加熱放射線放射面と第２の加熱放射線放射面が、実質的に相互に平行に延在してもよい。そして、第１及び第２の加熱ユニットが、第１及び第２の加熱放射線放出面の間に配置された、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に、加熱放射ビームを同時又は連続的に放射してもよい。
【００１７】
焼結／溶融放射線放射面がキャリアに実質的に平行に延在してよい。例えば、照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビームはプロセスチャンバーの上壁を通って、キャリアを収容しているプロセスチャンバーに入ってよく、すなわち、照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビームはプロセスチャンバーの上壁内に設けられた窓を通して向けられてよい。第１及び／又は第２の加熱放射線放射面は、焼結／溶融放射線放射面に実質的に垂直に延在していることが好ましい。さらに、第２の加熱放射線放射面は第１の加熱放射線放射面に実質的に平行に延在してよい。特に、第１の加熱ユニットによって放射された加熱放射ビームはプロセスチャンバーの第１の側壁を通って、キャリアを収容しているプロセスチャンバーに入ってよく、一方、第２の加熱ユニットによって放射された加熱放射ビームは、第１の側壁に対向しかつ実質的に平行に配置されたプロセスチャンバーの第２の側壁を通ってキャリアを収容しているプロセスチャンバーに入ってよい。例えば、第１及び第２の加熱ユニットによって放射された加熱放射ビームがプロセスチャンバーの側壁に設けられたそれぞれの窓を通して向けられてよい。
【００１８】
加熱システムは、好ましくはレーザーダイオードの形式で設計された、少なくとも１つの加熱放射線源を有している。照射システムは、レーザー源、例えばダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーの形式で設計された焼結／溶融放射線源を有していてよい。好ましくは、加熱システムの加熱放射線源の最大出力パワーは照射システムの焼結／溶融放射線源の最大出力パワーより低い。さらに、加熱放射線源によって放射されたレーザー光の波長は、照射システムの焼結／溶融放射線源によって放射されたレーザー光の波長と異なっていてよい。そして、キャリア上に塗布された原材料粉末は加熱システムを用いて信頼性が高くかつ費用効率の良い方法で加熱されることができる。
【００１９】
しかしながら、１つの選択肢として、加熱放射ビームの大きさ、加熱放射ビームが原材料粉末の上方に誘導される際に従う加熱放射パターン、及び／又は、加熱放射ビームがキャリア上に塗布された原材料粉末の上方に誘導される際のスキャン速度を適切に制御することによって、原材料粉末を所望の第２の温度まで加熱するために加熱システムによってキャリア上に塗布された原材料粉末に導入されるエネルギーを制御することも考えられる。同様の方法で、焼結／溶融放射ビームの大きさ、焼結／溶融放射ビームが原材料粉末の上方に誘導される際に従う焼結／溶融放射パターン、及び／又は、焼結／溶融放射ビームがキャリア上に塗布された原材料粉末の上方に誘導される際のスキャン速度を適切に制御することによって、原材料粉末を所望の第１の温度まで加熱し、その結果、その原材料粉末を焼結及び／又は溶融するために照射システムによってキャリア上に塗布された原材料粉末に導入されるエネルギーが制御されてもよい。
【００２０】
加熱システムによって放射された加熱放射ビーム及び照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビームがキャリア上に塗布された原材料粉末の上方に誘導される際に従う放射パターンは、どのような適切な放射パターン、例えば、チェス盤パターン、ストライプパターン又は任意の形状の部分を備えるパターンでよく、その際に、放射パターンの個々の部分は複数のスキャンベクトルによって形成されてもよい。照射システムによって放射された焼結／溶融放射ビームがキャリア上に塗布された原材料粉末の上方に誘導される際に従う放射パターンと異なる放射パターンに従って、加熱システムによって放射された加熱放射ビームがキャリア上に塗布された原材料粉末の上方に誘導されてよい。しかしながら、加熱システムによって放射される加熱放射ビーム及び照射システムによって放射される焼結／溶融放射ビームがキャリア上に塗布された原材料粉末の上方に誘導される際に従う放射パターンが同じ型のものであり、しかし、そのハッチ（ｈａｔｃｈ）の距離、すなわち、放射パターンの隣接するハッチの間の距離が異なることも考えられる。
【００２１】
加熱システムによって放射される加熱放射ビーム及び／又は照射システムによって放射される焼結／溶融放射ビームによって照射される間の原材料粉末の温度を示す温度信号に応じて、制御ユニットが加熱システムの作動及び／又は照射システムの作動を制御するように適合されてよい。加熱システム及び／又は照射システムによって照射される際に原材料粉末の温度を測定することによって、第１及び／又は第２の温度への原材料粉末の加熱を信頼性の高い方法で制御することができる。加熱システム及び照射システムの作動を制御するために用いられる温度信号は、好ましくはパイロメーター及び／又はサーマルイメージングカメラによって提供される。
【００２２】
キャリア上に塗布された原材料粉末の層が最初に加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように、制御ユニットが照射システム及び加熱システムの作動を制御するように適合されてよい。三次元加工物の層を生成するために原材料粉末をより高い第１の温度で実際に焼結／溶融する前に、最初にその原材料粉末を所望の第２の温度に予備加熱することによって、製造される加工物内の熱応力を確実に最小化することができる。例えば、第２の温度は２００℃以上でよい。
【００２３】
それに代えて、又は、それに加えて、キャリア上に塗布された原材料粉末の層が最初に照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように、制御ユニットが照射システム及び加熱システムの作動を制御するように適合されてよい。予備加熱と同様に、既に焼結／溶融された原材料粉末の後加熱も作製される加工物内の熱応力の低減を可能にする。さらに、後加熱は、例えば、原材料粉末を所望の期間溶融状態に維持することによって、又は、位置選択的な温度処理、すなわち、焼結された原材料粉末を「アニールすること」によって、加工物の材料特性を特別の仕様にするために使用されてよい。
【００２４】
キャリア上に塗布された原材料粉末の層が最初に照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように、照射システム及び加熱システムの作動を制御するように適合された制御装置を三次元加工物の製造装置に備え付けることは、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された照射システム及びキャリア上に塗布された原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面とは異なる加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された加熱システムをその装置に設けることとは独立して特許請求されうる。
【００２５】
具体的には、原材料粉末の層を受けるように適合されたキャリア、制御ユニット、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された照射システム、及び、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された加熱システムを有する三次元加工物の製造装置が特許請求されうる。三次元加工物の層を生成するために原材料粉末の焼結及び／又は溶融を可能にする第１の温度までその原材料粉末が加熱されるように、原材料粉末が最初に照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、第１の温度より低い第２の温度まで加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線でその原材料粉末が選択的に照射されるように、制御ユニットは照射システム及び加熱システムの作動を制御するように適合されてよい。それに対応する方法も特許請求されうる。
【００２６】
三次元加工物の製造装置の好ましい実施態様において、制御ユニットは、加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線及び照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線が、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って照射されるように、照射システム及び加熱システムの作動を制御するように適合される。原材料粉末の新しい層の照射を開始する際に、照射システムによって放射される焼結／溶融放射ビームが所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って原材料粉末の層じゅうに誘導されることができるようになるまで照射システムが不作動を維持している間、加熱システムだけが加熱放射ビームを放射するように、制御ユニットが照射システム及び加熱システムの作動を制御してもよい。同様にして、原材料粉末の新しい層の照射を開始する際に、加熱システムによって放射される加熱放射ビームが所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って原材料粉末の層じゅうに誘導されることができるようになるまで加熱システムが不作動を維持している間、照射システムだけが焼結／溶融放射ビームを放射するように、制御ユニットが照射システム及び加熱システムの作動を制御してもよい。
【００２７】
制御ユニットは、原材料粉末特性、及び／又は、その原材料粉末の塗布のプロセスパラメーター、及び／又は、照射のプロセスに応じて、所望の距離及び／又は所望の時間差を設定するように適合されてよい。所望の距離及び／又は所望の時間差の設定に影響を与えうる原材料粉末特性は、粉末の全体的な焼結／溶融特性のみならず、溶融温度も含んでよい。所望の距離及び／又は所望の時間差の設定に影響を与えうるプロセスパラメーターは、キャリア上に塗布された粉末層の厚さ、加熱照射ビーム及び／又は焼結／溶融放射ビームの大きさ、加熱放射ビーム及び／又は焼結／溶融放射ビームが原材料粉末の上方に誘導される際に従う加熱放射パターン及び／又は焼結／溶融放射パターン、及び／又は、加熱放射ビーム及び／又は焼結／溶融放射ビームが原材料粉末の上方に誘導される際のスキャン速度を含んでよい。
【００２８】
三次元加工物の製造方法は、キャリア上に原材料粉末の層を塗布する工程と、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に、照射システムによって、焼結／溶融放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射する工程であって、三次元加工物の層を生成するために原材料粉末の焼結及び／又は溶融を可能にする第１の温度まで原材料粉末が加熱されるように、該照射システムの作動が制御される工程と、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に、加熱システムによって、焼結／溶融放射線放射面とは異なる加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射する工程であって、第１の温度より低い第２の温度まで原材料粉末が加熱されるように、該加熱システムの作動が制御される工程とを有している。
【００２９】
好ましくは、加熱システムの第１の加熱ユニットが、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に第１の加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射し、第２の加熱ユニットが、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に第２の加熱放射線放射面から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射する。第１の加熱放射線放射面と第２の加熱放射線放射面は、実質的に相互に平行に延在してよい。
【００３０】
焼結／溶融放射線放射面がキャリアに実質的に平行に延在してよい。それに代えて、又は、それに加えて、第１及び／又は第２の加熱放射線放射面が焼結／溶融放射線放射面に実質的に垂直に延在してもよい。 
【００３１】
照射システム及び加熱システムの作動は、キャリア上に塗布された原材料粉末の層が最初に加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように制御されてよい。
【００３２】
それに代えて、又は、それに加えて、しかしながら、照射システム及び加熱システムの作動は、キャリア上に塗布された原材料粉末の層が最初に照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように制御されてもよい。
【００３３】
照射システム及び加熱システムの作動は、加熱システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線及び照射システムによって放射された電磁放射線又は粒子放射線が、キャリア上に塗布された原材料粉末の層に所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って照射されるように制御されてよい。
【００３４】
所望の距離及び／又は所望の時間差が、原材料粉末特性、及び／又は、その原材料粉末の塗布のプロセスパラメーター、及び／又は、照射のプロセスに応じて設定されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明の好ましい実施態様が、以下で添付の概略的な図面を参照して詳細に説明される。
【００３６】
【図１】三次元加工物の製造装置の概略的三次元表示である。
【図２】図１に示した装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１及び図２は粉末層融解によって三次元加工物を製造する装置１０を示している。装置１０はプロセスチャンバー１２を有している。プロセスチャンバー１２は周囲の雰囲気に対して、すなわち、プロセスチャンバー１２を取り囲む環境に対して密閉可能である。プロセスチャンバー１２内に配置された、粉末塗布手段（不図示）は、キャリア１４上に原材料粉末を塗布する機能を有する。加工物がキャリア１４上の原材料粉末から層状に積み上げられる際、その加工物の製造高さが増すにつれて、キャリア１４が垂直方向における下方向に移動させられるように、キャリア１４が垂直方向に変位可能に設計される。
【００３８】
その装置１０はさらに、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面１８から電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された照射システム１６を有している。図に示された装置１０の実施態様において、焼結／溶融放射線放射面１８はキャリア１４に実質的に平行に延在し、プロセスチャンバー１２の上壁２０と実質的に同一平面上に延在している。特に、照射システム１６によって放射された焼結／溶融放射ビーム２２がプロセスチャンバー１２の上壁２０内に設けられた窓２３を通してプロセスチャンバー１２に入る。
【００３９】
照射システム１６は図に示された装置１０の実施態様において、レーザー源、例えば約１０７０から１０８０ｎｍの波長でレーザー光を放射するダイオード励起イッテルビウムファイバーレーザーとして設計された焼結／溶融放射線源２４を有している。さらに、照射システム１６は焼結／溶融放射線源２４によって放射された焼結／溶融放射ビーム２２を誘導し、及び／又は、処理する光学ユニット２６を有している。光学ユニット２６は、放射ビームを広げるビームエキスパンダー、スキャナ、及び対物レンズを備えていてよい。その代わりに、光学ユニット２６は集束光学部品とスキャナユニットを含むビームエキスパンダーを有していてもよい。スキャナユニットにより、ビーム路の方向とビーム路に垂直な面内の両方の焼結／溶融放射ビームの焦点の位置は、変化され、調整されることができる。スキャナユニットは、ガルバノメータースキャナの形式で設計されてよく、対物レンズはｆ−θ対物レンズでもよい。従って、照射システム１６によって、キャリア１４上に塗布された原材料粉末は製造される加工物の所望の幾何学的形状に応じて位置選択的な方法でレーザー放射線を受けうる。
【００４０】
装置１０は、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の層に、焼結／溶融放射線放射面１８とは異なる加熱放射線放射面３０ａ、３０ｂから電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された加熱システム２８も有している。図に示された装置１０の実施態様において、加熱放射線放射面３０ａ、３０ｂは焼結／溶融放射線放射面１８に実質的に垂直に延在しており、従って、プロセスチャンバー１２の上壁２０のみならずキャリア１４にも実質的に垂直に延在している。
【００４１】
具体的には、加熱システム２８は、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の層に第１の加熱放射線放射面３０ａから電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された第１の加熱ユニット３２ａ及びキャリア１４上に塗布された原材料粉末の層に第２の加熱放射線放射面３０ｂから電磁放射線又は粒子放射線を選択的に照射するように適合された第２の加熱ユニット３２ｂとを有している。第１の加熱放射線放射面３０ａと第２の加熱放射線放射面３０ｂは、実質的に対向しており、相互に平行に延在しており、かつ、プロセスチャンバー１２の２つの対向する側壁３４、３６と実質的に同一平面上に延在している。加熱システム２８の加熱ユニット３２ａ、３２ｂによって放射された放射ビーム３８ａ、３８ｂは、プロセスチャンバー１２の側壁３４、３６内に設けられたそれぞれの窓４０、４２を通してプロセスチャンバー１２に入る。
【００４２】
加熱システム２８の各々の加熱ユニット３２ａ、３２ｂは、図に示された装置１０の実施態様において、レーザーダイオードとして設計された加熱放射線源４４ａ、４４ｂを有している。さらに、加熱システム２８の各々の加熱ユニット３２ａ、３２ｂはそれぞれの加熱放射線源４４ａ、４４ｂによって放射されたそれぞれの加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂを誘導し、及び／又は、処理する光学ユニット４６ａ、４６ｂを有している。照射システム１６の光学ユニット２６と同様に、加熱システム２８の各々の光学ユニット４６ａ、４６ｂは放射ビームを広げるビームエキスパンダー、スキャナ、及び対物レンズを備えていてよい。その代わりに、各々の光学ユニット４４ａ、４４ｂは集束光学部品とスキャナユニットを含むビームエキスパンダーを有していてもよい。スキャナユニットにより、ビーム路の方向とビーム路に垂直な面内の両方の加熱放射ビームの焦点の位置は、変化され、調整されることができる。スキャナユニットは、ガルバノメータースキャナの形式で設計されてよく、対物レンズはｆ−θ対物レンズでもよい。従って、加熱システム２８によって、キャリア１４上に塗布された原材料粉末は製造される加工物の所望の幾何学的形状に応じて位置選択的な方法でレーザー放射線を受けうる。
【００４３】
照射システム１６の作動及び加熱システム２８の作動は、制御ユニット４８によって制御される。具体的には、三次元加工物の層を生成するために原材料粉末の焼結及び／又は溶融を可能にする第１の温度Ｔ１まで原材料粉末が加熱されるように、制御ユニット４８が照射システム１６の作動を制御する。さらに、第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２まで原材料粉末が加熱されるように、制御ユニット４８が加熱システム２８の作動を制御する。加熱システム２８の作動及び照射システム１６の作動を制御するために、制御ユニット４８は加熱システム２８によって放射された加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂ及び照射システム１６によって放射された焼結／溶融放射ビーム２２によって照射されている間の原材料粉末の温度を示す温度信号を受信する。これらの温度信号は、パイロメーター及び／又はサーマルイメージングカメラの形式で設計されうる温度測定手段５０によって提供される。
【００４４】
制御ユニット４８は、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の層が最初に加熱システム２８によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、照射システム１６によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように、照射システム１６及び加熱システム２８の作動を制御してもよい。三次元加工物の層を生成するために原材料粉末をより高い第１の温度Ｔ１で実際に焼結／溶融する前に、最初にその原材料粉末を所望の第２の温度Ｔ２で予備加熱することによって、製造される加工物内の熱応力を確実に最小化することができる。例えば、第２の温度Ｔ２は２００℃以上でよい。
【００４５】
それに代えて、又は、それに加えて、制御ユニット４８は、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の層が最初に照射システム１６によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射され、その後、加熱システム２８によって放射された電磁放射線又は粒子放射線で選択的に照射されるように、照射システム１６及び加熱システム２８の作動を制御してもよい。予備加熱と同様に、既に焼結／溶融された原材料粉末の後加熱も作製される加工物内の熱応力の低減を可能にする。さらに、後加熱は、例えば、原材料粉末を所望の期間溶融状態に維持することによって、又は、位置選択的な温度処理、すなわち、焼結された原材料粉末を「アニールすること」によって、加工物の材料特性を特別の仕様にするために使用されてよい。
【００４６】
図に示された装置１０において、加熱システム２８に２つの加熱ユニット３２ａ、３２ｂが備え付けられ、その加熱ユニット３２ａ、３２ｂによって放射された両方の加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂがキャリア１４上の原材料粉末の予備加熱に対して又は後加熱に対して、同時に又は続けて使用されてよい。しかしながら、原材料粉末がやがて焼結／溶融される前に第１の加熱ユニット３２ａによって放射された加熱放射ビーム３８ａがキャリア１４上の原材料粉末を予備加熱するために用いられ、一方、第２の加熱ユニット３２ｂによって放射された加熱放射ビーム３８ｂが既に焼結／溶融された原材料粉末を後加熱するために用いられるように、又は、その逆になるように、制御ユニット４８が加熱システム２８の作動を制御することも考えられる。
【００４７】
具体的には、加熱システム２８によって放射された電磁放射線又は粒子放射線３８ａ、３８ｂ及び照射システム１６によって放射された電磁放射線又は粒子放射線２２が、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の層に所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って照射されるように、制御ユニット４８が照射システム１６及び加熱システム２８の作動を制御する。所望の距離及び／又は所望の時間差は、原材料粉末特性、及び／又は、その原材料粉末の塗布のプロセスパラメーター、及び／又は、照射のプロセスに応じて、制御ユニット４８によって設定されてよい。所望の距離及び／又は所望の時間差の設定に影響を与えうる原材料粉末特性は、粉末の全体的な焼結／溶融特性のみならず、溶融温度も含んでよい。所望の距離及び／又は所望の時間差の設定に影響を与えうるプロセスパラメーターは、キャリア１４上に塗布された原材料粉末の厚さ、加熱照射ビーム３８ａ、３８ｂ及び／又は焼結／溶融放射ビーム２２の大きさ、加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂ及び／又は焼結／溶融放射ビーム２２が原材料粉末の上方に誘導される際に従う加熱放射パターン及び／又は焼結／溶融放射パターン、及び／又は、加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂ及び／又は焼結／溶融放射ビーム２２が原材料粉末の上方に誘導される際のスキャン速度を含んでよい。
【００４８】
上述した原材料粉末の予備加熱が必要とされる場合、原材料粉末の新しい層の照射を開始する際に、照射システム１６によって放射された焼結／溶融放射ビーム２２が所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って原材料粉末の層じゅうに誘導されることができるようになるまで照射システム１６が不作動を維持している間、加熱システム２８だけが加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂを放射するように、制御ユニット４８が照射システム１６及び加熱システム２８の作動を制御する。同様にして、原材料粉末の後加熱が必要とされる場合、原材料粉末の新しい層の照射を開始する際に、加熱システム２８によって放射された加熱放射ビーム３８ａ、３８ｂが所望の距離で及び／又は所望の時間差を伴って原材料粉末の層じゅうに誘導されることができるようになるまで加熱システム２８が不作動を維持している間、照射システム１６だけが焼結／溶融放射ビームを放射するように、制御ユニット４８が照射システム１６及び加熱システム２８の作動を制御する。
【図１】
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【図２】
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