(57)【要約】【課題】    レーザー焼結により三次元物体を成形する方法および装置において、機構数の削減および粉体の予熱方法を改善することによりコスト効率を向上させると共に塵雲の発生を大幅に低減する。【解決手段】  ２つの連続した層の成形に必要な量の粉体を処理チャンバーの１つの側にデポジットし、第２層の粉体を処理チャンバーの部品ベッドの反対側に搬送すると同時に第１の層を拡散する。計量分配された粉体ウェーブを部品ベッドの加熱器が見える位置に待機させ、予熱する前に傾斜カバーを備えたローラー機構により粉体ウェーブを平坦化することにより予熱効果を改善する。また、傾斜カバーにより粉体がオーバーヘッド供給装置から処理チャンバーに落下する際の粉塵の発生を低減する。    【選択図】          図９
2005335392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー焼結によって三次元物品を成形する方法であって、
（ａ）第１粉体量を標的領域の第１の側にデポジットする第１デポジット・ステップ、
（ｂ）前記標的領域の第１の側の前記第１粉体量を平坦にする第１平坦化ステップ、
（ｃ）前記第１粉体量を拡散機構によって拡散し第１粉体層を形成する第１拡散ステップ、
（ｄ）前記標的領域にエネルギー・ビームを照射し前記第１粉体層を第１の完全な層と成すステップ
（ｅ）第２粉体量を前記標的領域の第１の側とは反対の第２の側にデポジットする第２デポジット・ステップ、
（ｆ）前記標的領域の第２の側の前記第２粉体量を平坦にする第２平坦化ステップ、
（ｇ）前記第２粉体量を前記拡散機構によって拡散し第２粉体層を形成する第２拡散ステップ、
（ｈ）前記標的領域にエネルギー・ビームを照射し前記第２粉体層を前記第１の完全な層に結合された第２の完全な層と成すステップ、
（ｉ）三次元物品を成形するため、前記ステップ（ａ）〜（ｇ）を反復し隣接層と一体化された別の層を成形するステップ、
の各ステップを有して成る方法において、
前記第１デポジット・ステップが前記第１粉体量を前記拡散機構の前に供給し、前記第２粉体量を該拡散機構に供給することを含み、前記第１拡散ステップにおいて前記２粉体量を前記標的領域の第１の側から第２の側に搬送し、前記第２デポジット・ステップが前記第２粉体量を移動中の前記拡散機構から除去し前記標的領域の第２の側にデポジットすることを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記拡散手段としてローラーを使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ローラーが反転ローラーであることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記拡散機構としてワイパー・ブレードを使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記照射ステップにおいて、レーザー・ビームを使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記レーザー・ビームが二酸化炭素レーザーであることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記粉体量をオーバーヘッド供給機構から前記拡散機構の粉体搬送体にデポジットすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記第２粉体量を静止ブレードによって移動中の前記拡散機構から除去することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記平坦化ステップにおいて、前記拡散機構に取り付けられているカバーによってデポジット後の前記第１および第２粉体量を平坦にすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第１粉体量をオーバーヘッド供給機構から前記拡散機構の粉体搬送体にデポジットすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記第１粉体量を前記粉体搬送体から除去し前記標的領域の近傍に配することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
（ａ）前記第１平坦化ステップの後、放射熱によって前記第１粉体量を予熱するステップ、および
（ｂ）前記第２平坦化ステップの後、放射熱によって前記第２粉体量を予熱するステップ、
の各ステップを更に有して成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
レーザー・エネルギーによって前記第１および第２粉体量を予熱することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
粉体から部品を成形するための装置であって、
（ａ）第１の側および該第１の側とは反対の第２の側を備えた、加成プロセスが実行される標的領域を有して成るチャンバー、
（ｂ）前記標的領域における前記粉体層の選択領域を熔解する熔解手段、
（ｃ）前記標的領域の第１の側の上部に位置し、前記チャンバーに第１および第２粉体量をデポジットする粉体供給ホッパー、
（ｄ）第２粉体層を形成するための前記第２粉体量を前記標的領域の第２の側に搬送すると同時に前記第１粉体量を第１粉体層として該標的領域に拡散する拡散手段、
（ｅ）前記第１粉体量が拡散される前に該第１粉体量を平坦にする手段、
（ｆ）前記第２粉体量を前記標的領域の第２の側にデポジットする手段、
（ｇ）前記第２粉体量を前記標的領域に拡散する手段、および
（ｈ）前記第２粉体量を拡散する前に該第２粉体量を平坦にする手段、
の各手段を組み合わせて成ることを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記拡散手段が、
（ａ）ローラー、
（ｂ）前記標的領域を横断して前記ローラーを移動し前記第１粉体層を拡散する、該ローラーに接続されているモータ、および
（ｃ）前記標的領域の第２の側にデポジットする前記第２粉体量を受け取って搬送する、前記ローラーに付随した搬送面、
を有して成ることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記第２粉体量を前記標的領域の第２の側にデポジットする手段が、該第２粉体量を前記搬送面から除去する装置であることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
前記第２粉体量を除去する装置が静止ブレードであることを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記標的領域の第１除去装置の反対側に前記搬送面から粉体を除去する第２の装置を更に有して成ることを特徴とする請求項１４記載の装置。    
【請求項１９】
前記第２粉体除去装置が第２静止ブレードであることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記標的領域における前記粉体層の選択領域を熔解する手段が、
（ａ）エネルギー・ビーム、
（ｂ）前記エネルギー・ビームを誘導する光学ミラー・システム、および
（ｃ）成形予定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コンピュータを含む、前記光学ミラー・システムに接続されているエネルギー・ビーム制御手段、
を有して成ることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２１】
前記エネルギー・ビームがレーザー・エネルギー・ビームであることを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記搬送面の両側に取り付けられ、前記第１および第２粉体量を平坦にするカバー要素を更に有して成ることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項２３】
前記搬送面に取り付けられている前記カバー要素が、前記粉体ウェーブを平坦にしたときの前記標的領域からの望ましい高さに相当する高さまで該搬送構造体から下方に延びていることを特徴とする請求項１６記載の装置。    
【請求項２４】
前記チャンバー内の粉体を加熱する手段を更に有して成ることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２５】
前記粉体を加熱する手段が放射放熱素子であることを特徴とする請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
前記粉体を加熱する手段がレーザー・エネルギー・ビームを更に有して成ることを特徴とする請求項２５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自由造形分野に関し、具体的には、選択的レーザー焼結による三次元物品の成形に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、部品の自由造形分野において著しい進歩がみられ、多くの実用的な物品の設計および試験製造に用いられる高強度、高密度部品が成形されている。一般に自由造形とは、設計図に基づいて試作品を機械加工する従来の方法と異なり、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データベースから直接自動的に物品を成形することを意味する。これにより、設計図から試作品を成形するのに要する期間が数週間から僅か数時間に短縮された。
【０００３】
背景として、１つの自由造形技術の例に３Ｄシステムズ社が販売しているシステムで行われている選択的レーザー焼結法がある。この方法では、物品はレーザー可熔性粉体から層様式で製造される。この方法によれば、粉体が薄層状に配され、次いで物品の断面に対応する粉体部分に照射されるレーザー・エネルギーによって熔解、融解、または焼結される。３Ｄシステムズ社が販売しているＶａｎｇｕａｒｄ（商標）システムのような従来の選択的レーザー焼結システムにおいては、レーザー・ビームを偏向するガルバノ・ミラーを使用した光学ミラー・システムによってレーザー・ビームの位置が決定される。レーザー・ビームそのものの変調と組み合わせてレーザー・ビームが偏向制御されることにより、成形物品の当該層の断面に対応した可熔性粉体層にレーザー・エネルギーが照射される。成形部品の複数の断面の望ましい境界を示す情報がコンピュータをベースとする制御システムにプログラムされている。粉体に対し変調による影響を与えながらレーザーを横断的にラスター走査することもベクトル的に照射することもできる。用途によっては、断面の外形に沿って粉体をベクトル的に熔解し、それによって画成された外形の内部領域を“埋める”ラスター走査を行うか、またはその逆の手順によって物品の断面が粉体層状に成形される。何れにしても、所定の層における粉体の選択的融解が終了すると別の粉体層が施され、後の層の融解部分を前の層の適切な融解部分に融合するプロセスを反復することにより物品が完成する。
【０００４】
選択的レーザー焼結技術の詳細は特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に記載されている。前記引用により前記特許文献がすべて本明細書に組み込まれたものとする。
【０００５】
選択的レーザー焼結技術により、ポリスチレン、一部のナイロン、その他のプラスチック、および高分子膜被膜材料やセラミックのような複合材料を含む多様な材料から直接分解能が高く寸法が正確な三次元物品を成形することができる。ポリスチレン部品は周知の“失蝋”法による飾り細工の作製に使用することができる。また、選択的レーザー焼結技術により、ＣＡＤデータベースによって示された目的物を成形するための成形型を直接製造することができる。この場合、ＣＡＤデータベースによる目的物の描写がコンピュータによって“反転”され、粉体から直接陰型が製造される。
【０００６】
背景として、図１は全体を参照番号１００で示す現在３Ｄシステムズ社（カリフォルニア州、バレンシア）が販売している従来型選択的レーザー焼結システムを示す立体図である。図１は装置内部がよく分かるように扉を除去した立体図である。二酸化炭素レーザー１０８および関連走査システム１１４が、粉体ベッド１３２の上張り、２つの供給システム１２４、１２６、および拡散ローラー１３０を備えた処理チャンバー１０２の上部ユニットに収容されている。処理チャンバーの内部は物品の成形に適した温度および雰囲気組成（一般に、窒素のような不活性雰囲気）に維持されている。
【０００７】
従来型選択的レーザー焼結装置１００の動作を図２に示す。図２はレーザー焼結プロセスがよく分かるように扉を除去した前記システムの正面図である。レーザー１０８がレーザー・ビーム１０４を発生し、一般にレーザー・ビームを偏向するガルバノ・ミラーを備えた光学ミラー走査システム１１４によって標的領域１１０照射される。レーザーおよびガルバノメータ・システムはレーザー窓１１６によって高温の処理チャンバー１０２から隔離されている。レーザー窓１１６は下部に位置する標的領域１１０および粉体ベッド１３２を加熱する放射放熱素子１２０の内側に配されている。これらの放射放熱素子１２０は環状（矩形または円形）パネル、またはレーザー窓を囲む放射放熱ロッドであってよい。レーザー１０８そのものの変調と組み合わせ、レーザー・ビームの偏向制御が行われ、成形物品の当該層の断面に対応した可熔性粉体層にレーザー・エネルギーが照射される。走査システム１１４は粉体に対しレーザー・ビームを横断的にラスター走査するか、またはベクトル走査することができる。この走査により標的領域１１０において必然的にレーザー・ビーム１０４が粉体表面を横切る。
【０００８】
２つの供給システム（１２４、１２６）のプッシュアップ・ピストンにより粉体がシステムに供給される。後述するように２つの供給システムから標的領域に粉体が供給される。まず、一定量の粉体が供給システム１２６によって押し上げられ、逆転ローラー１３０によって受け取られ部品ベッド１３２に均一に拡散される。逆転ローラー１３０は標的領域１１０および部品ベッド１３２を完全に通過し、余剰粉体はすべてオーバーフロー容器１３６に投棄される。処理チャンバーの最上部付近に配されているのが供給粉体を予熱する放射放熱素子１２２および部品ベッドの表面を加熱する環状または矩形放射放熱素子１２０である。素子１２０はレーザーおよび光学系を処理チャンバー１０２の高温環境から隔離するレーザー窓または光学素子１１６にレーザー・ビームを通す中央開口部を備えている。逆転ローラー１３０が部品ベッド１３２を横断した後、新たに配された層がレーザーによって選択的に融解される。次いで、ローラー１３０がオーバーフロー容器１３６の領域から戻り、その後、所定量の粉体が供給ピストン１２５によって押し上げられ、ローラー１３０によって前と反対方向に標的領域１１０に配され、ローラー１３０が別のオーバーフロー容器１３８に進み余剰粉体が収容される。ローラー１３０が部品ベッドを横断開始する前に、中央部品ベッド・ピストン１２８によって、望ましい層厚分だけ下降され別の粉体を収容する余地が設けられる。
【０００９】
システム１００の粉体供給システムは、指示がある場合、モータ（図示せず）制御により上部に移動し一定量の粉体をチャンバー１０２に供給する供給ピストン１２５および１２７を備えている。部品ピストン１２８がモータ（図示せず）制御により、僅かに、例えば、０．１２５ｍｍだけチャンバー１０２の床の下方に移動することにより、処理粉体層のそれぞれの層厚が規定される。ローラー１３０は供給ピストン１２５および１２７から標的面１１０に粉体を平行移動する逆転ローラーである。何れの方向に移動する場合においても、標的領域に配されなかった余剰粉体はローラーによって処理チャンバー１０２の両端に配されているいずれかのオーバーフロー容器（１３６、１３８）に搬送される。本明細書において標的面１１０とは、（既に焼結された部分があればそれを含み）部品ピストン１２８上に配されている熱可熔性粉体の上面を意味する。本明細書において、部品ピストン上に配されている焼結および未焼結粉体を部品ケーキ１０６と呼ぶ。また、図２のシステム１００は、前に焼結された高温度の標的領域１１０に新たな粉体が拡散されたときの熱衝撃をできるだけ抑制するために粉体を予熱する放射放熱器１２２を供給ピストン（１２５、１２７）の上部に必要としている。供給ベッドおよび部品ベッドを加熱する加熱素子を備え、新たな粉体を標的面の下部から供給するこの種のデュアル・ピストン式供給システムは、３Ｄシステムズ社（カリフォルニア州、バレンシア）が市販しているＶａｎｇｕａｒｄ選択的レーザー焼結システムに採用されている。
【００１０】
別の周知の粉体供給システムは上部から粉体を供給するオーバーヘッド・ホッパーを用い、標的領域１１０の一方の側の供給装置の前にワイパーまたはスクレーパーを備えている。
【００１１】
これらのシステムにはそれぞれの利点および欠点がある。何れの供給システムも、計量分配装置を備え標的領域の各々の側の一般にはローラーまたはワイパー・ブレードである拡散機構（ローラーまたはワイパー・ブレード）の前に計量済み粉体を効率的に供給するためのプッシュアップ・ピストンまたはオーバーヘッド・ホッパー・システムに関わる多くの機構を必要としている。    
システム１００のようなレーザー焼結システムは粉体および熱エネルギーを正確かつ効率的に供給することが立証されているが、機構数の削減および選択的レーザー焼結プロセスにおける新たな粉体の予熱方法の改善を図ることにより更にコスト効率を向上させる必要性が存在している。この課題を達成するための方法および装置が米国同時係属出願（出願番号（未定）、名簿番号ＵＳＡ．３０４、出願日２００４年５月２８日、３Ｄシステムズ社（カリフォルニア州、バレンシア））に記載されている。前記引用により前記出願が本明細書に組み込まれたものとする。
【００１２】
手短に言えば、前記同時係属出願は新たな粉体をデポジットするステップを有して成る方法および装置に関するものである。前記デポジット・ステップは少なくとも２つの連続した層に必要な粉体を処理チャンバーの標的領域の第１の側にデポジットすることを含み、第２連続層の粉体が標的領域の第１の側とは反対の第２の側に搬送されると同時に第１連続層の粉体が拡散される。前記装置は標的領域の第１の側の上部に配され所望の量の粉体を供給するための粉体供給ホッパー、第２粉体層を形成するための第２の粉体量を標的領域の第２の側に搬送すると同時に第１粉体層を標的領域に拡散する手段、および第２の粉体量を標的領域の第２の側にデポジットする手段を有している。
【００１３】
図３および４はオーバーヘッド供給機構から最初にデポジットされ、その後、標的領域１８６をレーザー走査する間、標的領域の隣接位置に待機している待機粉体ウェーブ１８４を示している。待機粉体ウェーブ１８４は、放熱器１６０の放射エネルギーが照射されるように配される。これにより、標的領域を適切な温度に保持する放射放熱器１６０によって次の層に用いられる粉体ウェーブ１８４を予熱することができ、次の粉体層を別に予熱する必要性が低減または排除される。この方法は効果的ではあるが、高分子粉体の熱伝導率が低いため、待機粉体の粉体小山の温度が望ましい速度で上昇せず、次の層を拡散するまでの遅延が望ましい値より長くなるという欠点がある。また、この方法においては、粒子サイズの小さい粉体を供給する場合、一時粉体ウェーブ１８４を形成するために供給機構１６４から供給される粉体が直接処理チャンバーに落下する際、塵雲が発生する可能性がある。  
【特許文献１】米国特許第４８６３５３８号明細書（テキサス・システム大学、Board of Regent）
【特許文献２】米国特許第５１３２１４３号明細書（テキサス・システム大学、Board of Regent）
【特許文献３】米国特許第４９４４８１７号明細書（テキサス・システム大学、Board of Regent）
【特許文献４】米国特許第４２４７５０８号明細書（Housholder）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記事情および放射放熱器１６０の温度を上昇させると標的領域１８６の温度に不都合が生じることが考えられることから、放射放熱器１６０の温度を変更せずに待機粉体ウェーブの加熱プロセスを加速する必要性がある。また、粉体が供給機構１６４から処理チャンバーの床に落下する際の塵雲の発生を大幅に低減する必要性も存在している。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の１つの態様によれば、新たな待機ウェーブを迅速に加熱する方法および装置が提供される。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、粉体がオーバーヘッド供給装置から処理チャンバーに落下する際の粉塵の発生が低減される。
【００１７】
本発明の特徴は、ローラー機構の上部を覆っているカバーまたはカウリングが粉体ベッドの表面に向け充分に長く延び、標的領域の近傍にデポジットされた新たな粉体ウェーブまたは小山を平滑または平坦にすることである。
【００１８】
本発明の別の特徴は、ローラー機構の上部を覆っているカバーまたはカウリングの両面が傾斜を成し、新たな粉体が傾斜に沿って粉体ベッドに滑落することである。
【００１９】
本発明の効果は、新たな粉体ウェーブが粉体ベッドの表面にデポジットされ、ローラー機構の上部を覆っているカバーまたはカウリングによって平坦にされることである。  
本発明はレーザー焼結によって三次元物品を成形する方法を含んでいる。前記方法は少なくとも、一定量の粉体を標的領域の第１の側にデポジットするステップ、前記標的領域の第１の側の前記第１粉体量を平坦にするステップ、前記粉体を拡散機構によって拡散し第１平滑面を形成するステップ、前記標的領域にエネルギー・ビームを照射し前記粉体を第１の完全な層と成すステップ、第２粉体量を前記標的領域の第２の側にデポジットするステップ、前記標的領域の第２の側の前記第２粉体量を平坦にするステップ、前記粉体を拡散機構によって拡散し第２平滑面を成形するステップ、前記標的領域にエネルギー・ビームを照射し前記粉体を前記第１の完全な層に結合された第２の完全層と成すステップの各ステップを有して成り、これ等のステップを反復し隣接層に一体的に結合された層を付加して行くことにより三次元物品を成形する方法であって、前記デポジット・ステップが少なくとも２つの連続した層の成形に必要なすべての粉体を前記標的領域の第１の側にデポジットすることを含み、前記第２連続層の粉体を前記標的領域の第２の側に搬送すると同時に前記第１連続層の粉体を拡散することを特徴とする方法である。
【００２０】
また、本発明は粉体から部品を成形するための装置も含んでいる。前記装置は第１の側および第２の側を有する、加成プロセスが実行される標的領域を備えたチャンバー、前記標的領域における粉体層の選択領域を溶解する手段、前記標的領域の第１の側の上部に配され所望の量の粉体を供給する粉体供給ホッパー、前記標的領域の第１の側の第１粉体量を平坦にする手段、第２粉体層を形成するための第２の粉体量を前記標的領域の第２の側に搬送すると同時に第１粉体層を前記標的領域に拡散する手段、前記第２の粉体量を前記標的領域の第２の側にデポジットする手段、前記標的領域の第２の側の前記第２粉体量を平坦にする手段、および前記第２粉体量を前記標的領域に拡散する手段を有して成ることを特徴とする装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の前記およびその他の態様、特徴、および効果は、添付図面を参照した以下の詳細な説明によって明確になる。
【００２２】
本発明はオーバーレイ構造体またはカウリングによってローラー機構を覆うという着想に基づいている。新しいローラー・アセンブリー２００を図５に示す。ローラー機構１８０の上部に配されているのは、チャンバーの第２の側に必要な粉体量を搬送するフラット・トップ粉体支持体または粉体搬送面２０８である。ローラーによって形成された粉体ウェーブに対し適切なクリアランスが設けられるよう各々の側が外に向かって傾斜を成すカバー２０４がこの構造体に付加されている。カバー２０４は両側が傾斜を成して下方に延び、ローラー機構１８０のローラーと処理チャンバー１５２の床との間に狭いクリアランスが設けられている。動作時、図６に示すように、ローラー機構１８０がオーバーヘッド供給機構１６４下部の僅かに脇に寄った位置に待機することからプロセスが開始する。第１粉体量が放出され、カバー２０４の外面に落下し滑落することにより、ローラー機構１８０近傍の床２０６に粉体ウェーブ１８４が形成される。このように、ローラー・アセンブリー２００の外部カバーに粉体を落下させることにより、塵雲の発生が著しく低減される。粉体が一定の角度を成してカバー２０４に落下することにより、垂直落下距離が以前より短くなるため終端速度が低減され、処理チャンバー１５２の床２０６に静かに滑落する。デポジットされた粉体量を以下待機粉体ウェーブと呼ぶ。
【００２３】
次のステップにおいて、図７が示すように、ローラー機構１８０が移動駆動されることにより、粉体ウェーブ１８４が前に押され標的領域１８６の端部で停止する。ローラー・カバー２０４の先端が粉体ウェーブ１８４を通過するとき、粉体ウェーブを平坦にするが、ローラー機構１８０の作用によって再びウェーブが形成される。しかし、ローラー機構１８０が反転し（図８）供給機構１６４下部の所定の位置に戻るとき、粉体ウェーブ１８４がローラー・カバー２０４の内側先端部によって薄いウェーブ状に平坦化され、これにより放射放熱器１６０によって急速に加熱することができる。この構成およびプロセスにより、標的領域１８６を横断してローラー機構１８０が移動し予熱済み粉体を標的領域１８６に拡散するステップを含む次のプロセス・ステップの開始前における粉体ウェーブ１８４の加熱時間を短縮することができる。
【００２４】
後述するように、処理チャンバー１０２の第１の側とは反対の第２の側において、第２粉体ウェーブが上部粉体支持体または粉体搬送面２０８から除去された後、前記と同様のステップ・シーケンスによって第２の側の待機粉体ウェーブが平坦にされる。前記のようなローラー機構１８０が好ましいが、形状が異なる幾つかの別のローラー・アセンブリー２００によっても排出された粉体を静かに着地させること、および予熱する前に粉体ウェーブを平坦にするという２つの目的を達成できることは明白である。
【００２５】
本発明を用いたレーザー焼結システム１５０を図９に示す。符号１５２は処理チャンバーである。レーザー１０８から光学ミラー走査システムを通過したレーザー・ビーム１５４は、レーザーおよび光学系（図示せず）を処理チャンバー１５２の高温度環境から隔離するレーザー窓１５６を通してチャンバー１５２に入射する。光学ミラー走査システム１１４は従来のシステムにおいて説明したものと同様であるが、任意の適切なシステムを使用することができる。標的領域１８６およびその隣接領域の粉体が放射放熱素子１６０によって加熱される。放射放熱器は、例えば、石英ロッド、フラット・パネル、またはその組合せを含む任意のタイプであってよい。１つの好ましいタイプに即応型石英ロッド加熱器がある。
【００２６】
下部に位置する処理チャンバーの床２０６に落下させる粉体量をモータ（図示ぜす）によって制御する底部供給機構１６４を備えた１つのオーバーヘッド粉体供給ホッパー１６２が示されている。供給機構１６４は、例えば、スター供給装置、オーガー供給装置、ベルト式供給装置、スロット式供給装置、または回転ドラム式供給装置を含む幾つかのタイプであってよい。好ましい供給装置は回転ドラム式である。部品ピストン１７０がモータ１７２によって制御され、僅かに、例えば、０．１２５ｍｍだけチャンバー１５２の床２０６の下方に移動することにより処理される各々の粉体層の厚さが規定される。
【００２７】
引き続き図９において、ローラー機構１８０は、モータ１８２によって駆動され、レーザー標的領域１８６を横断して粉体ウェーブ１８４を拡散する反転ローラーを備えている。ローラー機構１８０はいずれの方向に移動する場合でも、標的領域にデポジットされなかった余剰粉体を反対端のオーバーフロー容器１８８に搬送する。本明細書において標的領域１８６とは、（既に焼結された部分があればそれを含み）部品ピストン１７０の上部に配されている可熔性粉体の上面を意味する。本明細書において、部品ピストン１７０の上部に配されている焼結済みおよび未焼結粉体を部品ベッド１９０と呼ぶ。反転ローラー機構１８０を使用することが好ましいが、例えば、ワイパーまたはドクター・ブレードのような別の手段を用いて粉体を拡散することもできる。
【００２８】
本発明の選択的レーザー焼結システムの動作を図９以降に示す。第１粉体計量分配ステップにおいて、上部からの粉体が供給機構１６４によって計量され、計量された粉体がカバー構造体２０４に落下し、床２０６のローラー機構１８０の前に滑落する。この粉体量はカバーする標的領域のサイズおよび所望の成形層厚に依存する。
【００２９】
図１０に示す第２ステップにおいて、反転ローラー機構１８０が駆動され粉体ウェーブ１８４を少し前に移動し、放射放熱素子１６０が見える標的領域１８６の端部に待機させる。図１１に示す第３ステップにおいて、ローラー機構１８０が後退しローラー・カバー構造体２０４によって待機粉体ウェーブ１８４が平坦にされる。ローラー機構１８０は供給機構１６４下部に待機する。供給機構１６４からの第１粉体量の計量を除く反復処理において、次にレーザーが駆動され、レーザー・ビーム１５４によって走査されることにより当該層の粉体が選択的に熔解される。レーザー走査の間、ローラー機構１８０は粉体供給機構の直下で待機している。また、レーザー走査の間、平坦化された待機粉体ウェーブ１８４が放射加熱素子１６０によって予熱される。このステップにより、粉体を予熱するための別の放射放熱装置が必要なくなる。
【００３０】
図１２に示す次のステップにおいて、第２粉体ウェーブ１８５がローラー機構１８０の上部粉体支持体または搬送面２０８に供給される。レーザーによる当該層の走査が終了すると、図１３に示す次のステップが開始される。ローラー機構１８０が駆動され処理チャンバー１５２を横断し、第２粉体ウェーブ１８５の第２粉体層がローラー機構１８０の上部粉体支持面２０８によって搬送されると同時に予熱済み第１粉体層１８４が標的領域１８６に拡散される。図１４に示す次のステップにおいて、ローラー機構１８０が静止取付けブレード１９２の下部を通過する際、第２粉体ウェーブ１８５が静止ブレード１９２によってローラー機構１８０の上部粉体支持面２０８から除去される。除去された粉体が傾斜カバー２０４の内側の傾斜を滑落することにより、第２粉体ウェーブ１８５が処理チャンバー１５２の床２０６にデポジットされる一方、余剰粉体がローラー機構１８０によってオーバーフロー容器１８８に収容される。本発明の装置の除去装置は静止ブレードに限定されるものではなく、スカイブ、ローラー、またはブラシのようなローラー機構１８０の上部粉体支持体または搬送面２０８から粉体を除去することができる任意の機構を使用することができる。
【００３１】
図１５に示す次のステップにおいて、ローラー機構１８０が直ちに反転移動し放射放熱素子１６０が見え放熱素子からの熱効果が得られる充分近い距離にある標的領域１８６の近傍に第２粉体ウェーブ１８５を待機させる。本好ましい実施の形態における次のステップ（図１６）において、ローラー機構１８０が後退することにより、傾斜カバー２０４の内側の傾斜が待機粉体ウェーブ１８５の小山に接触し平坦にする。次いで、ローラー機構１８０はレーザー走査が完了するまでその場で待機し、第２粉体ウェーブ１８５の平坦化された第２粉体量が放射放熱素子１６０によって予熱される。レーザー走査が完了すると、ローラー機構１８０が移動駆動され、図１７に示すように、第２粉体ウェーブ１８５の第２粉体量が標的領域１８６の表面に拡散される。前記粉体を拡散した後、図１８に示すように、ローラー機構１８０は走路の端部まで移動し余剰粉体をオーバーフロー容器１８８に収容する。これで１つのサイクルが完了すると同時に、図９に示すように、いつでも次のサイクルを開始することができる。
【００３２】
本発明の別の実施の形態による装置は、図１９に示すように、ローラー機構１８０が標的領域１８６を横断する度に、粉体支持面２０８にデポジットされる一定量の粉体が常に存在し予熱されるよう底部供給機構１６４の外部壁にブレード１９２に対抗する第２静止取付けブレード１９３を備えている。反復サイクルにおいて、第１待機粉体ウェーブ１８４がローラー機構１８０の上部粉体支持面２０８にデポジットされる。ローラー機構１８０がブレード１９３の方向に僅かに移動することにより、待機粉体ウェーブ１８４を形成する一定量の粉体がブレード１９３によって上部粉体支持面２０８から除去される。ローラー機構１８０が前方に移動し、次に反転し僅かに移動することにより、ローラー機構１８０の内側傾斜カバーによって待機粉体ウェーブ１８４が平坦にされ予熱の開始が早まる。ローラー機構１８０が反転し平坦化した粉体の小山から離れ、第１およびその後の反復サイクルにおいて、レーザー走査が行われ第１粉体量が予熱される間、その場に静止している。第１反復サイクルにおいて、ローラー機構１８０が再び供給機構１６４の下部に配され、第２粉体ウェーブが粉体搬送面２０８に補給される。
【００３３】
本発明の前記構成により、選択的焼結システムの標的領域に拡散される前における計量分配された粉体の予熱を迅速且つ効率的に行うことができると共に、落下粉体が処理チャンバーの床に衝突することによって形成される塵雲の発生を低減することができる。
【００３４】
具体的実施の形態を参照し本発明について説明してきたが、ここに開示した本発明の発明概念から逸脱することなく、材料、部品配列および成形ステップに多くの変更、改良、および変形が加えられ得ることは明白である。従って、添付クレームの精神および広範に及ぶ範囲によって当業者が本開示を読むことにより成し得る、かかる変更、改良、および変形が包含されているものである。例えば、待機粉体ウェーブの予熱に低出力または走査速度の早いレーザー・ビームを使用することにより、粉体を融解または過度に軟化させ粉体ベッドに拡散する妨げにならない程度に粉体の温度上昇を促進することができる。また、ワトロー社のフラット・パネル放熱器のような別の放射放熱パネルを処理チャンバーの反対側、例えば、ローラー機構の横行アセンブリーまたはその他適切な位置に取り付けることにより、待機粉体の上部に配することができる。本明細書に引用した特許出願、特許、およびその他の出版物はそっくりそのまま本明細書に組み込まれたものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の選択的レーザー焼結装置の概略図。
【図２】関連機構の一部を示す従来の選択的レーザー焼結装置の概略正面図。
【図３】ローラー機構の前で粉体の計量が行われる同時係属出願の選択的レーザー焼結システムの概略正面図。
【図４】標的領域がレーザーによって選択的に加熱される間、ローラー機構が供給機構の下部に後退し、待機粉体ウェーブが放射放熱器によって予熱されることを示す同時係属出願のシステムの概略正面図。
【図５】ローラー機構の改良型カバーの設計態様を示す本発明のシステムの部分概略正面図。
【図６】ローラー機構のカバーによる粉体のデポジットを示す本発明のシステムの部分概略正面図。
【図７】部品ベッド近傍における第１粉体量の待機を示す本発明のシステムの部分概略正面図。
【図８】待機粉体ウェーブを平坦にする方法を示す本発明のシステムの部分概略正面図。
【図９】第１粉体量の計量を示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１０】粉体ウェーブを部品ベッドの近傍に待機させることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１１】標的領域がレーザーによって選択的に加熱される間、拡散機構が供給機構の下部に後退し、待機粉体ウェーブが平坦にされ、放射放熱器によって加熱されることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１２】第２粉体層がローラー機構の上面に計量分配され、平坦にされた待機粉体ウェーブが放射放熱器によって加熱されることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１３】第２粉体層がローラー機構の上面によって標的領域の第１の側とは反対の第２の側に搬送されると同時に第１粉体層が標的領域に配されることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１４】第２粉体層がローラーの前にデポジットされ、第１粉体層の余剰粉体がオーバーフロー容器にデポジットされることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１５】第２粉体ウェーブを標的領域の近傍に待機させることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１６】標的領域がレーザーによって選択的に加熱される間、ローラーが当該側に待機し、待機第２粉体ウェーブが平坦にされ、放射放熱器によって加熱されることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１７】第２粉体層が標的領域に配されることを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１８】ローラーが余剰粉体をオーバーフロー容器にデポジットすることにより１つのサイクルが完了したことを示す本発明のシステムの概略正面図。
【図１９】標的領域の第１静止ブレードの反対側に位置し、第１粉体層をローラーから除去し、ローラーの前にデポジットする第２静止ブレードを示す本発明の別の実施の形態によるシステムの概略正面図。
【符号の説明】
【００３６】
１０８    レーザー
１１４    走査システム
１５０    本発明の選択的レーザー焼結システム
１５２    処理チャンバー
１５４    レーザー・ビーム
１５６    レーザー窓
１６０    放射放熱素子
１６２    粉体供給ホッパー
１６４    底部供給機構
１７０    部品ピストン
１７２    モータ
１８０    ローラー機構
１８２    モータ
１８４    第１粉体ウェーブ
１８５    第２粉体ウェーブ
１８６    標的領域
１８８    オーバーフロー容器
１９０    部品ベッド
１９２    静止取付けブレード
１９３    第２静止取付けブレード
２００    本発明のローラー・アセンブリー
２０４    傾斜ローラー・カバー
２０６    処理チャンバーの床
２０８    粉体搬送面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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