(57)【要約】      （修正有）【課題】長時間、停止無しに稼働することができ、原材料粉末の複数の層を電磁放射線又は粒子放射線で照射することにより三次元ワークピースを製造する装置の提供。【解決手段】キャリア１６上に原材料粉末を塗布する粉末塗布手段１４を収容し、ガス流入口３０とガス流出口３２が設けられたプロセスチャンバー１２を有する三次元ワークピースの製造装置１０。累積的な積層造形法によって原材料粉末からなるワークピースを製造するために、キャリア１６上に塗布された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照射手段１８を有し、ガス回路３４が、プロセスチャンバー１２のガス流出口３２をプロセスチャンバー１２のガス流入口３０に接続する循環路３６と循環路３６内に配置される濾過システム４０を備え、その上、遠心分離システム４２が、濾過システム４０の上流の循環路３６の中に配置される装置１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元ワークピースの製造装置（１０）であって、
キャリア（１６）と該キャリア（１６）上に原材料粉末を塗布する粉末塗布手段（１４）を収容し、ガス流入口（３０）とガス流出口（３２）が設けられたプロセスチャンバー（１２）と、
累積的な積層造形法によって前記原材料粉末からなるワークピースを製造するために、前記キャリア（１６）上に塗布された前記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照射手段（１８）と、
前記プロセスチャンバー（１２）のガス流出口（３２）を前記プロセスチャンバー（１２）のガス流入口（３０）に接続する循環路（３６）と該循環路（３６）の中に配置される濾過システム（４０）を備えるガス回路（３４）とを有し、
遠心分離システム（４２）が、前記濾過システム（４０）の上流の前記循環路（３６）の中に配置されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記濾過システム（４０）が、
前記循環路（３６）の中に相互に平行に配置される、少なくとも２つの粗い微粒子用の濾過器（４８ａ、４８ｂ）、及び、
前記粗い微粒子用の濾過器（４８ａ、４８ｂ）の下流の前記循環路（３６）の中に配置される細かい微粒子用の濾過器（５０）の少なくともいずれか一方を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記遠心分離システム（４２）が、
粗い微粒子用の遠心分離機（４４）、及び、
前記粗い微粒子用の遠心分離機（４４）の下流の前記循環路（３６）の中に配置される細かい微粒子用の遠心分離機（４６）の少なくともいずれか一方を備え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】
前記細かい微粒子用の遠心分離機（４６）が、多重遠心分離機の形式で設計されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
さらに、前記循環路（３６）の中に配置される絞り手段と、
前記循環路（３６）内で発生する圧力差を前記絞り手段の両端間で検出するように適合された差圧検出手段（５２）と、
前記差圧検出手段（５２）によって検出される圧力差に依存して、前記プロセスチャンバー（１２）のガス流出口（３２）から前記循環路（３６）を通して排出される微粒子の不純物を含むガスを搬送するように作動される搬送手段（３８）を制御するように適合された制御ユニット（５８）とを有す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（５８）が、前記差圧検出手段（５２）によって検出される圧力差を所定の設定圧力差と比較し、前記検出される圧力差が前記所定の設定圧力差に収斂するように、前記搬送手段（３８）を制御するように適合されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記差圧検出手段（５２）が、前記絞り手段の下流の前記循環路（３６）の中に配置される第１の圧力センサー（５４）と、前記絞り手段の上流の前記循環路（３６）の中に配置される第２の圧力センサー（５６）を備え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】
前記絞り手段が、前記循環路（３６）の中に配置される前記遠心分離システム（４２）によって構成されることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
三次元ワークピースの製造装置（１０）の操業方法であって、
ガス流入口（３０）とガス流出口（３２）が設けられたプロセスチャンバー（１２）内に収容されたキャリア（１６）上に原材料粉末を塗布する工程と、
累積的な積層造形法によって前記原材料粉末からなるワークピースを製造するために、前記キャリア（１６）上に塗布された前記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工程と、
プロセスチャンバー（１２）のガス流出口（３２）から排出される微粒子の不純物を含むガスを、前記プロセスチャンバー（１２）のガス流出口（３２）をプロセスチャンバー（１２）のガス流入口（３０）へ接続する循環路（３６）の中に配置される濾過システム（４０）を通るように導く工程とを有し、
前記微粒子の不純物を含むガスが、前記濾過システム（４０）の上流の前記循環路（３６）の中に配置される遠心分離システム（４２）を通るように導くことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記微粒子の不純物を含むガスを、
前記循環路（３６）の中に相互に平行に配置される、少なくとも２つの粗い微粒子用の濾過器（４８ａ、４８ｂ）、及び、
前記粗い微粒子用の濾過器（４８ａ、４８ｂ）の下流の前記循環路（３６）の中に配置される細かい微粒子用の濾過器（５０）の少なくともいずれか一方を通るように導くことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記微粒子の不純物を含むガスを、
粗い微粒子用の遠心分離機（４４）、及び、
前記粗い微粒子用の遠心分離機（４４）の下流の前記循環路（３６）の中に配置される細かい微粒子用の遠心分離機（４６）の少なくともいずれか一方を通るように導き、
前記細かい微粒子用の遠心分離機（４６）は多重遠心分離機の形式で設計され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】
さらに、前記循環路（３６）の中に配置される絞り手段の両端間で、前記循環路（３６）内に発生する圧力差を検出する工程と、
前記検出される圧力差に依存して、前記プロセスチャンバー（１２）のガス流出口（３２）から前記循環路（３６）を通して排出される微粒子の不純物を含むガスを搬送するように作動される搬送手段（３８）を制御する工程とを有す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】
前記検出される圧力差を所定の設定圧力差と比較し、前記搬送手段（３８）を、前記検出される圧力差が前記所定の設定圧力差に収斂するように制御することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記圧力差を、前記絞り手段の下流の前記循環路（３６）の中に配置される第１の圧力センサー（５４）と、前記絞り手段の上流の前記循環路（３６）の中に配置される第２の圧力センサー（５６）とを備える差圧検出手段（５２）によって検出す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】
前記絞り手段を、前記循環路（３６）の中に配置される前記遠心分離システム（４２）によって構成することを特徴とする請求項１２から請求項１４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】
本発明は、電磁放射線または粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを製造する、改良されたガス回路を備える装置に関する。本発明は、さらに、電磁放射線または粒子放射線で原材料粉末の複数の層を照射することにより三次元ワークピースを製造する前記の装置を操業する方法に関する。
【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ワークピース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、製造されるワークピース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される。粉末層の中に浸透したレーザー放射は、原材料粉末粒子を加熱し、その結果として、融解又は焼結を引き起こす。さらに、ワークピースが所望の形状と大きさになるまで、原材料粉末の複数の層が、既にレーザー処理された、キャリア上の層に連続的に塗布される。粉末層融解プロセスによって、粉末の原材料から成形体を製造する装置については、例えば、ＥＰ  １  ７９３  ９７９  Ｂ１に記載されている。粉末層融解は、ＣＡＤデータに基づいて、試作品、工具、交換部品、高価値部品又は医療人工器官、例えば歯科又は整形外科用の人工器官などの製造のために使用され得る。
【０００３】
公知技術による装置は、製造される複数の成形加工体用に複数のキャリアを収容するプロセスチャンバーを有している。粉末層準備システムは、レーザービームで照射される原材料粉末を複数のキャリア上に塗布するために、キャリアを横断して前後に移動されることができる粉末貯蔵容器を有している。プロセスチャンバーには、保護ガス回路に接続された保護ガス流入口と保護ガス流出口が設けられている。保護ガス流入口を通して、例えばアルゴンのような保護ガスが、プロセスチャンバー内に保護ガスの雰囲気を形成するために、プロセスチャンバーへ供給される。保護ガスはプロセスチャンバーを通って流れる間に、例えば残余の原材料粉末粒子や溶接煙粒子のような微粒子の不純物を含まされ、保護ガス流出口を通して、プロセスチャンバーから回収される。
【０００４】
保護ガス回路内には、保護ガスが保護ガス流入口を通してプロセスチャンバーへ再循環される前に、保護ガス回路を通って流れる保護ガスから、微粒子の不純物を濾過する機能を持つ濾過（フィルター）装置が配置される。濾過装置内に設けられた濾過媒質が、保護ガス回路を通って流れる保護ガスの流れから分離された微粒子で満たされた時は、装置の操業は、濾過媒質を交換するまで、中止されねばならない。可燃性の原材料粉末が、装置のプロセスチャンバー内で処理される場合は、火災に対する安全上の理由で、濾過器を開け、可燃性の微粒子を含んだ濾過媒質を雰囲気に晒す前に、多量の水が注がれねばならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、長時間、停止無しに稼働することができ、かつ、高品質のワークピースを製造することができる、原材料粉末の複数の層を電磁放射線又は粒子放射線で照射することにより三次元ワークピース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、そのような装置を操業する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの目的は請求項１に記載の装置と請求項９に記載の方法によって達成される。
【０００７】
三次元ワークピースの製造装置は、キャリアと、そのキャリア上に原材料粉末を塗布する粉末塗布手段を収容するプロセスチャンバーを有する。原則として、キャリアはしっかりと固定されたキャリアでもよい。しかしながら、好ましくは、ワークピースが原材料粉末から層状に積み上げられる際、そのワークピース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。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。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。
【０００８】
装置は、さらに、累積的な積層造形法によって前記原材料粉末からなるワークピースを製造するために、キャリア上に塗布された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照射手段を有する。これにより、キャリア上に塗布された原材料粉末は、製造されるワークピースの所望の幾何学的形状に依存して、位置選択的な方法で電磁放射線又は粒子放射線で照射されてもよい。照射手段は、好ましくは、原材料粉末粒子の位置選択的な溶融を引き起こす、原材料粉末上への放射線を照射するように適合される。照射手段は、少なくとも一つの放射源、特にレーザー光源と、その放射源によって放出される放射ビームを誘導し、及び／又は、処理する、少なくとも一つの光学ユニットを有してよい。光学ユニットは、例えば、対物レンズ、特にｆ−θレンズ、及びスキャナ部のような光学要素を有していてよく、スキャナ部は回折光学素子と屈折鏡を有することが好ましい。
【０００９】
プロセスチャンバーは、ガス、例えば、不活性ガスがプロセスチャンバーへ供給される際に通るガス流入口を備える。好ましくは、プロセスチャンバーは、プロセスチャンバー内を制御された雰囲気に、特に、不活性の雰囲気に維持可能とするために、雰囲気に対して、即ち、プロセスチャンバーを取り囲む環境に対して密封可能とする。このようにして、例えば、アルゴン雰囲気又は他の適切な不活性ガスの雰囲気がプロセスチャンバー内に形成されてもよい。プロセスチャンバー内の雰囲気を制御することによって、原材料粉末を電磁放射線又は粒子放射線で照射する際に、不必要な化学反応、特に、酸化反応が発生するのを防ぐことができる。
【００１０】
さらに、プロセスチャンバーはガス流出口を備える。キャリア上に塗布された原材料粉末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、例えば、原材料粉末粒子又は溶接煙粒子のような微粒子の不純物を含むガスが、ガス流出口を通して、プロセスチャンバーから排出されてもよい。微粒子の不純物は、放射エネルギーの過度の吸収、及び／又は、照射手段の放射源によって放出される放射ビームの遮蔽を避けるために、プロセスチャンバーから除去される。
【００１１】
三次元ワークピースの製造装置は、さらに、プロセスチャンバーのガス流出口をプロセスチャンバーのガス流入口に接続する循環路を備えるガス回路を有している。濾過システムが循環路の中に配置される。このようにして、循環路を通して、プロセスチャンバーから排出されるガスがプロセスチャンバーへ再循環され、ガス流内に存在する微粒子の不純物を、プロセスチャンバーを出るガス流を循環路の中に配置される濾過システムを通すように導くことによって除去することができる。ガス流は、例えば、好ましくは濾過システムの下流の循環路の中に配置されるポンプのような適切な搬送手段によって、循環路を通して搬送されてもよく、このようにして、搬送手段が濾過システムの上流でガス流内に含まれる微粒子の不純物に晒されないことを確実にする。
【００１２】
最後に、三次元ワークピースの製造装置は、濾過システムの上流の循環路の中に配置される遠心分離システムを有する。遠心分離システムは、プロセスチャンバーを出るガス流内に含まれる微粒子の不純物を、渦動分離により、濾過媒質を使用することなしに、ガス流から除去するように適合される少なくとも１つの遠心分離機を備えている。例えば、遠心分離機は、そのハウジング（囲い）内のガス／微粒子の混合物がらせん形状の流路をたどるように、微粒子の不純物を含むガスを接線方向に供給する、円筒状の又は円錐状のハウジングを含んでもよい。ガス／微粒子の混合物内に存在する微粒子に作用する遠心力により、微粒子は遠心分離機のハウジングの内壁に衝突し、そのため、減速される。その結果として、微粒子はガス流から分離され、重力主導の挙動により、遠心分離機のハウジングの底面部から抜け出る。清浄化されたガスが、遠心分離機のハウジングの上端部から排出されてもよい。
【００１３】
三次元ワークピースの製造装置の遠心分離システムは、上述のように、単一の単純な遠心分離機のみを備えていてもよい。しかしながら、もちろん、例えば、遠心分離機の内壁を過度の損耗から保護するように、ガス流内に存在する微粒子が遠心分離機の内壁に衝突することを防止する第２のガス流を、遠心分離機内へ供給することができるように、第２のガス流入口を備える遠心分離機のような特別な設計を持つ１つ以上の遠心分離機を備える遠心分離システムを備え付けることも考えられる。どのような場合においても、遠心分離システムは、ガス流が濾過システムへ供給される前に、少なくともプロセスチャンバーを出るガス流内に存在する、多量の粗い微粒子を除去することができる。
【００１４】
このように、遠心分離システムの存在により、濾過システムへ供給されるガス流の微粒子含有量は著しく低減され、その結果として、濾過システムの濾過器内にある濾過媒質の交換を必要とすることなしに濾過システムの耐用寿命を相当延長できる。これにより、三次元ワークピースを製造する装置は、例えば、大きな三次元ワークピースを製造するために必要とされる長時間の間に一度も停止すること無しに稼働することができる。加えて、濾過システムの分離効率は、長時間、高い水準に維持されることができるので、製造されるワークピースの品質が、濾過システムの過負荷により循環するガス流から除去できなくなった微粒子の不純物により、影響されないことを確実にする。
【００１５】
装置の好ましい実施態様において、濾過システムは、循環路の中に相互に平行に配置される、少なくとも２つの粗い微粒子用の濾過器を備える。２つの粗い微粒子用の濾過器（フィルター）は、例えば、０．９μｍの大きさを持つ微粒子の濾過について、９５％を超える平均効率度合い（Ｅｍ）を有するＦ９フィルターの形式で設計されてもよい。相互に平行に２つの粗い微粒子用の濾過器を配置することによって、有効な濾過面が拡大し、それにより、濾過媒質を通るガス／微粒子の混合物の体積流量が、さらにそれにより、濾過媒質を横断する圧力差が著しく低減されることができる。その結果として、濾過器の耐用寿命が延長されることができ、濾過媒質の分離効率が特にガス流から細かい微粒子を分離することに対して著しく向上されることができる。最後に、相互に平行に２つの粗い微粒子用の濾過器を配置することにより、一方の濾過器が稼働している間に、他方の濾過器の濾過媒質を交換することを可能にする。その結果として、２つの粗い微粒子用の濾過器の一方の濾過媒質の交換が、装置の稼働を、それにより、三次元ワークピースの積み上げを中断することなしに実施することができる。
【００１６】
濾過システムは、さらに、粗い微粒子用の濾過器の下流の循環路の中に配置され得る細かい微粒子用の濾過器を備えてもよい。細かい微粒子用の濾過器は、例えば、Ｈ１３フィルター、すなわち、９９．９５％を超える分離効率を持つＨＥＰＡ（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ａｉｒ  Ｆｉｌｔｅｒ）フィルターの形式で設計されてもよい。粗い微粒子用の濾過器の下流に細かい微粒子用の濾過器を配置することにより、プロセスチャンバーの中へ再循環されるガス流がほとんど微粒子の不純物を含まないことを確実にする。その結果として、プロセスチャンバー内で製造される三次元ワークピースの品質が製造期間全体にわたって維持されることができる。
【００１７】
三次元ワークピース製造装置の遠心分離システムは、粗い微粒子用の遠心分離機と、その粗い微粒子用の遠心分離機の下流の循環路の中に配置される細かい微粒子用の遠心分離機を備えてもよい。遠心分離システム内に少なくとも２つの遠心分離機を設けることによって、遠心分離システムの分離効率を向上することができ、さらに、濾過システムの負荷軽減を可能にする。
【００１８】
三次元ワークピースの製造装置の特に好ましい実施態様においては、遠心分離システムは、多重（マルチ）遠心分離機の形式で設計される細かい微粒子用の遠心分離器を備えている。多重遠心分離機は、平行に、又は、直列に配置される複数の遠心分離機を備え、特に高い分離効率により区分される。遠心分離システムが、粗い微粒子用の遠心分離機と多重遠心分離機の形式で設計される細かい微粒子用の遠心分離機を備える場合は、プロセスチャンバーを出るガス流内に存在する微粒子の不純物について９９％を超える分離効率が実現され得る。
【００１９】
その結果として、プロセスチャンバーを出るガス流内に存在する原材料粉末粒子の大部分を、遠心分離システムによって、ガス流から除去することができる。そして、濾過システムを、例えば、溶接煙、又は、煤煙粒子のような可燃性生成物を主に濾過するように作動することができる。特に、例えば、アルミニウム粉末のような可燃性の原材料粉末を三次元ワークピース製造装置のプロセスチャンバー内で処理する場合には、濾過システムの複数の濾過器にはもはや大量の可燃性の細かい原材料粉末粒子が含まれていないので、とりわけ、濾過媒質の交換の際の濾過システムの稼働安全性が著しく向上される。同様に、遠心分離システムの稼働安全性が向上するように、多重遠心分離機内で、各々の遠心分離機が少量の可燃性微粒子のみを集めるので、多重遠心分離機の形式で設計される細かい微粒子用の遠心分離機は、プロセスチャンバーを出るガス流から可燃性の微粒子を分離するのに特に適している。
【００２０】
三次元ワークピースの製造装置の好ましい実施態様においては、絞り手段が循環路の中に配置される。さらに、循環路内で発生する圧力差を絞り手段の両端間で検出するように適合された差圧検出手段が設けられてもよい。循環路の中に配置される濾過システムの濾過器が次第に満たされ、又は、詰まりさえする場合は、循環路を通って流れるガス／微粒子流の体積流量、及び、それにより、絞り手段の両端間の圧力差も減少する。差圧検出手段によって検出される、絞り手段の両端間の圧力差を、このように、循環路を通って流れるガス／微粒子の混合物の体積流量についての尺度として使用することができる。
【００２１】
その結果として、導電層を形成するガス流内に存在する導電性の微粒子、及び、それにより発生する測定誤差により、困難で誤りがちな体積流量の直接検出を、なしで済ませることができる。その代わりに、微粒子の不純物を含むガスを搬送するように作動される搬送手段を制御するように適合された制御ユニットへ供給され得る、信頼できる検出可能な制御値として、絞り手段の両端間の圧力差を使用することができる。そして、微粒子の不純物を含むガスは、前述の制御値に依存して、すなわち、差圧検出手段によって検出される圧力差に依存して、プロセスチャンバーのガス流出口から循環路を通して排出される。換言すれば、絞り手段の両端間の圧力差に基づいて、制御ユニットは、絞り手段の両端間の圧力差とそれにより循環路を通るガス／微粒子の混合物の体積流量の偏差を補正するように、搬送手段、例えば、循環路の中に配置されたポンプの作動を制御してもよい。
【００２２】
例えば、制御ユニットは、差圧検出手段によって検出される圧力差を所定の設定圧力差と比較し、検出される圧力差が所定の設定圧力差に収斂するように搬送手段を制御するように適合されてもよい。具体的には、制御ユニットは、絞り手段の両端間の圧力差とそれにより循環路を通るガス／微粒子の混合物の体積流量が遠心分離システム、及び／又は、濾過システムの作動状態から独立して、一定に維持されるように、搬送手段を制御するように適合される。例えば、制御ユニットによって用いられる制御方法は、差圧検出手段によって検出される圧力差と所定の設定圧力差との差が所定の閾値を超える場合には、搬送手段の速度を増減するように、搬送手段が制御されることを含んでもよい。絞り手段の両端間の圧力差とそれにより循環路を通るガス／微粒子の混合物の体積流量を一定に維持することによって、プロセスチャンバー内で製造されるワークピースの品質にとって重要である、プロセスチャンバーへのガスの一定の供給とプロセスチャンバーからのガスの一定の排出、及び、それによるプロセスチャンバーを通るガスの一定の流れを確実にする。
【００２３】
差圧検出手段は、絞り手段の下流の循環路の中に配置される第１の圧力センサーと、絞り手段の上流の循環路の中に配置される第２の圧力センサーを備えてもよい。そして、差圧検出手段は、簡素な構造を持ち、作動及び維持しやすい。
【００２４】
三次元ワークピースの製造装置の特に好ましい実施態様においては、絞り手段は循環路の中に配置される遠心分離機によって構成される。それにより、独立した絞り手段を用意せずに済ますことができる。その代わりに、循環路の中に在り、いずれにしても圧力差を発生する部品を、循環路を通るガス／微粒子の混合物の体積流量についての信頼でき検出可能な測定値を得るために使用することができる。
【００２５】
三次元ワークピースの製造装置の操業方法は、ガス流入口とガス流出口が設けられたプロセスチャンバー内に収容されたキャリア上に原材料粉末を塗布する工程を有する。電磁放射線又は粒子放射線が、累積的な積層造形法によって前述の原材料粉末からなるワークピースを製造するために、キャリア上に塗布された原材料粉末上に選択的に放射される。プロセスチャンバーのガス流出口から排出される微粒子の不純物を含むガスが、プロセスチャンバーのガス流出口をプロセスチャンバーのガス流入口へ接続する循環路の中に配置される濾過システムを通るように導かれる。さらに、微粒子の不純物を含むガスが、濾過システムの上流の循環路の中に配置される遠心分離システムを通るように導かれる。
【００２６】
微粒子の不純物を含むガスを、循環路の中に相互に平行に配置される、少なくとも２つの粗い微粒子用の濾過器を通るように導いてもよい。さらに、ガス／微粒子流を、粗い微粒子用の濾過器の下流の循環路の中に配置される細かい微粒子用の濾過器へ導いてもよい。
【００２７】
その代わりに、又は、それに加えて、微粒子の不純物を含むガスを、粗い微粒子用の遠心分離機と、その粗い微粒子用の遠心分離機の下流の循環路の中に配置される細かい微粒子用の遠心分離機を通るように導いてもよい。細かい微粒子用の遠心分離機は多重遠心分離機の形式で設計されてもよい。
【００２８】
本方法は、さらに、循環路の中に配置される絞り手段の両端間で、循環路の中に発生する圧力差を検出する工程を有してもよい。プロセスチャンバーのガス流出口から循環路を通して排出される微粒子の不純物を含むガスを搬送するように作動される搬送手段を、検出される圧力差に依存して、制御してもよい。
【００２９】
特に、検出される圧力差を所定の設定圧力差と比較し、搬送手段を、検出される圧力差が所定の設定圧力差に収斂するように制御してもよい。
【００３０】
圧力差を、絞り手段の下流の循環路の中に配置される第１の圧力センサーと、絞り手段の上流の循環路の中に配置される第２の圧力センサーとを備える差圧検出手段によって検出してもよい。
【００３１】
絞り手段を、循環路の中に配置される遠心分離システムによって構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明の好ましい実施態様が、以下で添付の図面を参照して詳細に説明される。
【００３３】
【図１】三次元ワークピースの製造装置を示す概略図である。
【図２】図１による三次元ワークピースの製造装置のガス回路の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、累積的な積層造形法によって部品を製造する装置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内に配置される粉末塗布手段１４は、キャリア１６上に原材料粉末を塗布する機能を持つ。プロセスチャンバー１２は、雰囲気、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封可能とされる。キャリア１６は、部品がキャリア１６上の原材料粉末から層状に積み上げられる際、部品の製造高さが増すにつれて、キャリア１６が垂直方向における下方向に移動させられることができるように、垂直方向に変位可能に設計される。
【００３５】
装置１０は、さらに、キャリア１６上に塗布された原材料粉末上にレーザー放射を選択的に照射する照射手段１８を有している。キャリア１６上に塗布された原材料粉末は、照射手段１８によって、製造される部品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を受けてもよい。照射手段１８は密封可能なハウジング２０を有している。放射源２４によって供給される放射ビーム２２、特に、例えば、約１０７０から１０８０ｎｍの波長のレーザー光を放出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を備えることができるレーザー光源によって供給されるレーザービームが、開口部２６を通してハウジング２０の中に向けられる。
【００３６】
照射手段１８は、さらに、放射ビーム２２を誘導し、処理する光学ユニット２８を備えている。光学ユニット２８は、放射ビーム２２を広げるビームエキスパンダー、スキャナ、及び複数の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２８は集束光学部品とスキャナ部を含むビームエキスパンダーを有していてもよい。スキャナ部により、ビーム路の方向とビーム路に垂直な面内の両方の放射ビーム２２の焦点の位置は、変化され、調整されることができる。スキャナ部は、ガルバノメータースキャナの形式で設計されてよいし、対物レンズはｆ−θレンズでもよい。
【００３７】
装置１０の操業中に、キャリア１６上に塗布された原材料粉末の層を放射ビーム２２で選択的に照射することにより、製造される部品の第１の層がキャリア１６上に生成される。放射ビーム２２は、製造される部品のＣＡＤデータに対応して、キャリア１６上に塗布された原材料粉末の層の上方に向けられる。製造される部品の第１の層が完成された後で、キャリア１６は垂直方向に下げられ、粉末塗布手段１４によって連続的な粉末の層の塗布が可能になる。その後、連続的な粉末の層が照射手段１８によって照射される。このようにして、一層ごとに、部品がキャリア１６の上に積み上げられる。
【００３８】
プロセスチャンバー１２には、ガス流入口３０とガス流出口３２が設けられている。ガス流入口３０を通して、ガス、例えば、不活性ガス源（不図示）によって提供される不活性ガスが、プロセスチャンバー１２へ供給される。プロセスチャンバー１２内では、ガス流は、例えば、溶接煙や煤煙粒子のような燃焼生成物及び原材料粉末粒子のような、微粒子の不純物を吸収する。従って、プロセスチャンバーのガス流出口３２において、微粒子の不純物を含むガス流がプロセスチャンバー１２から排出される。プロセスチャンバー１２を出るガス／微粒子の混合物は、プロセスチャンバー１２のガス流出口３２を、プロセスチャンバー１２のガス流入口３０に接続する循環路３６を備えるガス回路３４へ供給される。このように、循環路３６を通して、プロセスチャンバー１２からガス流出口３２を通って排出されるガスは、プロセスチャンバー１２へ再循環されることができる。ポンプの形式で設計され、循環路３６の中に配置される搬送手段３８は、プロセスチャンバー１２からガス流出口３２を通って出るガス／微粒子の混合物を循環路３６を通して搬送する機能を持つ。
【００３９】
しかしながら、放射エネルギーの過度の吸収、及び／又は、放射手段１８の放射源２４によって放出される放射ビーム２２の遮蔽を避けるために、ガス流が、ガス流入口３０を通ってプロセスチャンバー１２へ再循環される前に、プロセスチャンバー１２をガス流出口３２を通って出るガス流内に存在する微粒子の不純物が、ガス流から除去されねばならない。そのために、以下でより詳細に説明される濾過システム４０と遠心分離システム４２が、搬送手段３８の上流の循環路３６の中に配置される。
【００４０】
図２から明らかになるように、濾過システム４０の上流のガス回路３４の循環路３６の中に配置される遠心分離システム４２は、粗い微粒子用の遠心分離機４４を備えている。さらに、細かい微粒子用の遠心分離機４６が、粗い微粒子用の遠心分離機４４の下流の循環路３６の中に配置される。細かい微粒子用の遠心分離機４６が、相互に平行に配置される複数の個別の遠心分離機（図２には詳細には示されていない）を備える、多重遠心分離機の形式で設計される。遠心分離システム４２によって、プロセスチャンバー１２を出るガス流内に存在する原材料粉末粒子の大部分が、ガス流から分離され、粗い微粒子用の遠心分離機４４と細かい微粒子用の遠心分離機４６の底面部から排出されることができる。遠心分離システム４２を出るガス流は、このように、基本的に、例えば、溶接煙又は煤煙粒子のような燃焼生成物の形式で、微粒子の不純物を含んでいる。
【００４１】
これらの微粒子は、循環路３６の中に相互に平行に配置される２つの粗い微粒子用の濾過器４８ａ、４８ｂを備える濾過システム４０によってガス流から除去される。粗い微粒子用の濾過器４８ａ、４８ｂは、Ｆ９フィルターの形式で設計され、単一の粗い微粒子用の濾過器に比べて濾過媒質の表面が拡大されることにより、濾過媒質の交換が必要になるまでの耐用寿命が延長されるだけでなく、濾過器４８ａ、４８ｂの濾過媒質を通じてガス／微粒子流の体積流量が減少することにより分離効率も増大する。最後に、ＨＥＰＡフィルターＨ１３の形式で設計される細かい微粒子用の濾過器５０が、粗い微粒子用の濾過器４８ａ、４８ｂの下流の循環路３６の中に配置される。細かい微粒子用の濾過器５０によって、残留微粒子の不純物を、循環路３６を通って流れるガス流から信頼性の高い方法で除去することができる。ガス流入口３０を通ってプロセスチャンバー１２へ再循環されるガスは、このようにして、実質的に微粒子の不純物を含まない。
【００４２】
装置１０のガス回路３４において、遠心分離システム４２が、循環路３６を通って流れるガス流から、プロセスチャンバー１２から排出される原材料粉末粒子の大部分を既に除去しているので、これらの微粒子の濾過システム４０への導入は著しく低減されることができ、その結果として、濾過媒質の交換が必要になるまでの濾過器４８ａ、４８ｂ、５０の耐用寿命が著しく向上する。さらに、濾過媒質の閉塞（目詰まり）が減ることによって濾過器４８ａ、４８ｂ、５０の濾過媒質を通じてガス／微粒子の混合物の体積流量が低減するので、濾過器４８ａ、４８ｂ、５０の向上された分離効率を実現することができる。最後に、可燃性の原材料粉末がプロセスチャンバー１２内で処理される場合、濾過器４８ａ、４８ｂ、５０にはもはや大量の可燃性の粉末粒子が含有されない。その結果として、濾過システム４０の稼働安全性が、特に濾過媒質の交換の際に向上されることができる。
【００４３】
装置１０は、さらに、遠心分離システム４２の下流の循環路３６の中に配置される第１の圧力センサー５４と、遠心分離システム４２の上流の循環路３６の中に配置される第２の圧力センサー５６を備える圧力検出手段５２を有している。差圧検出手段５２は、遠心分離システム４２の両端間で循環路３６内に発生する圧力差を検出するように機能する。その後、遠心分離システム４２は、循環路３６を通るガス／微粒子の混合物の体積流量に関する測定値として使用され得る、循環路３６内に差圧を発生する絞り手段として作動する。これにより、特に金属の原材料粉末が装置１０のプロセスチャンバー１２内で処理される場合、導電性の微粒子層の形成により誤りがちな、循環路３６を通って流れるガス／微粒子の混合物の体積流量の直接的な測定を行わずに済ますことができる。その代わりに、搬送手段３８を制御するように適合された制御ユニット５８に、圧力検出手段５２によって検出される、遠心分離システム４２の両端間の圧力差を供給することができる。
【００４４】
次に、制御ユニット５８は、差圧検出手段５２によって検出される圧力差に依存して、すなわち、濾過システム４０、及び／又は、遠心分離システム４２の稼働状態の結果として変化し得る循環路を通るガス／微粒子の混合物の体積流量に関連する測定値に依存して、搬送手段３８を制御することができる。特に、濾過システムの濾過器４８ａ、４８ｂ、５０がガス流から分離された微粒子の不純物を次第に含有する時に、循環路３６を通るガス／微粒子の混合物の体積流量と、その後、差圧検出手段５２によって検出される差圧は、減少するかもしれない。その時、制御ユニット５８は、プロセスチャンバー１２への清浄なガスの一定流量の供給とそれによりプロセスチャンバー内で製造される三次元ワークピースの安定した品質を確実なものにするために、循環路３６を通るガス／微粒子の混合物の体積流量の前述の変化を補正するように搬送手段３８を制御してもよい。
【００４５】
特に、制御手段５８は、差圧検出手段５２によって検出される圧力差を所定の設定圧力差と比較し、検出された圧力差が所定の設定圧力差に収斂するように搬送手段３８を制御する。具体的には、差圧検出手段５２によって検出される実際の圧力差と所定の設定圧力差との差が所定の閾値を超えた場合には、制御ユニット５８が、搬送手段３８の作動速度を増減するように搬送手段３８を制御する。
【図１】
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【図２】
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