(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元ワークピースを作製する装置であって、
前記装置は、素材（４）の複数の層を受容すべく構成されたキャリヤ（２）と、
放射線ビーム（６）を生成すべく、且つ、前記素材（４）の最上層の所定の部位にて該素材（４）を固化させるために前記放射線ビーム（６）を前記所定の部位に対して指向させるべく構成された照射ユニットと、
を備え、
前記照射ユニットは、
前記放射線ビーム（６）を生成すべく構成された放射線源（１０）と、
前記放射線ビーム（６）を受容すると共に、該放射線ビーム（６）を、前記素材（４）の最上層の第１照射領域（２６）の全体に亙り走査させるべく構成された第１走査ユニット（１２）と、
前記放射線ビーム（６）を受容すると共に、該放射線ビームを、前記素材（４）の前記最上層の第２照射領域（２８）の全体に亙り走査させるべく構成された第２走査ユニット（１４）と、
前記放射線源（１０）により生成された放射線ビーム（６）を前記第１走査ユニット（１２）または前記第２走査ユニット（１４）に対して指向させるべく構成された切換えユニット（１６）と、
を備え、
前記装置は、
前記放射線ビーム（６）が前記第２走査ユニット（１４）に対してではなく前記第１走査ユニット（１２）に対して指向されるという第１切換え状態から、前記放射線ビーム（６）が前記第１走査ユニット（１２）に対してではなく前記第２走査ユニット（１４）に対して指向されるという第２切換え状態へと切換わる前記切換えユニット（１６）の制御を実施すべく構成された制御ユニット（１８）を更に備え、
前記第１走査ユニット（１２）は、前記第１照射領域（２６）の全体に亙り前記放射線ビーム（６）を走査させるために、該放射線ビーム（６）の方向を、第１の方向に沿い、且つ、該第１の方向に対して直交する第２の方向に沿い変化させるべく構成され、
前記第２走査ユニット（１４）は、前記第２照射領域（２８）の全体に亙り前記放射線ビーム（６）を走査させるために、該放射線ビーム（６）の方向を、前記第１の方向に沿い且つ前記第２の方向に沿い変化させるべく構成され、
前記第１走査ユニット（１２）及び前記第２走査ユニット（１４）のそれぞれは、前記放射線ビームの方向を前記第１の方向及び前記第２の方向に沿って変化させるために、少なくとも１つの可動ミラーを備える、装置。
【請求項２】
前記切換えユニット（１６）は、前記第１切換え状態に対応する第１位置から前記第２切換え状態に対応する第２位置へと移動されるべく構成された光指向部材を備え、
前記第１位置において、前記光指向部材は前記放射線ビーム（６）と干渉せず、且つ、前記第２位置において、前記光指向部材は、前記放射線ビーム（６）を前記第２走査ユニット（１４）に対して指向すべく、且つ、前記第１走査ユニット（１２）に対するビーム経路を遮断すべく構成される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記光指向部材は可動ミラーである、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記装置はガス吐出口（２０）およびガス取入口（２２）を更に備え、流れ方向に沿い前記ガス吐出口（２０）と前記ガス取入口（２２）との間でガス流を生成し、
前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）は、実質的に前記流れ方向に沿って配置される、請求項１〜３の何れか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）は各々、前記素材（４）の最上層に対して平行な方向に関して静止的に配備される、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
【請求項６】
更なる第１走査ユニット（１２）および更なる第２走査ユニット（１４）が、前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）と並置して配備され、
前記更なる第１走査ユニット（１２）および前記更なる第２走査ユニット（１４）は、前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）が配置される方向に対して平行な方向に沿って配置される、請求項１〜５の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記照射ユニットは、更なる放射線ビーム（６）を生成すべく構成された更なる放射線源（１０）と、前記更なる放射線ビーム（６）を前記更なる第１走査ユニット（１２）または前記更なる第２走査ユニット（１４）に対して指向させるべく構成された更なる切換えユニットとを備える、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）が配置される前記方向に対して直交する方向に沿い、少なくとも３台の第１走査ユニット（１２）が配備され、且つ、
前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）が配置される前記方向に対して直交する前記方向に沿い、少なくとも３台の第２走査ユニット（１４）が配備される、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記制御ユニット（１８）は、前記第１照射領域（２６）における、および／または、前記第２照射領域（２８）における溶融残渣（２４）の存在に基づいて、前記第１切換え状態から前記第２切換え状態への切換えを制御すべく構成される、請求項１〜８の何れか一項に記載の装置。
【請求項１０】
３次元ワークピースを作製する方法であって、
前記方法は、
素材（４）の複数の層をキャリヤ上に適用するステップと、
照射ユニットにより放射線ビーム（６）を生成すると共に、前記素材（４）の最上層の所定の部位にて前記素材（４）を固化させるために前記放射線ビーム（６）を前記所定の部位に対して指向させるステップであって、前記照射ユニットは、前記放射線ビーム（６）を生成すべく構成された放射線源（１０）を備える、ステップと、
前記放射線ビーム（６）を第１走査ユニット（１２）により受容すると共に、前記放射線ビーム（６）を、前記素材（４）の前記最上層の第１照射領域（２６）の全体に亙り走査させるステップと、
前記放射線ビーム（６）を第２走査ユニット（１４）により受容すると共に、該放射線ビーム（６）を、前記素材（４）の前記最上層の第２照射領域（２８）の全体に亙り走査させるステップと、
前記放射線ビーム（６）が前記第２走査ユニット（１４）に対してではなく前記第１走査ユニット（１２）に対して指向されるという第１切換え状態から、前記放射線ビーム（６）が前記第１走査ユニット（１２）に対してではなく前記第２走査ユニット（１４）に対して指向されるという第２切換え状態へと切換わる切換えユニット（１６）の制御を実施するステップと、
を備え、
前記第１走査ユニット（１２）は、前記第１照射領域（２６）の全体に亙り前記放射線ビーム（６）を走査させるために、該放射線ビーム（６）の方向を、第１の方向に沿い、且つ、該第１の方向に対して直交する第２の方向に沿い変化させ、且つ、
前記第２走査ユニット（１４）は、前記第２照射領域（２８）の全体に亙り前記放射線ビーム（６）を走査させるために、該放射線ビーム（６）の方向を、前記第１の方向に沿い且つ前記第２の方向に沿い変化させ、
前記第１走査ユニット（１２）及び前記第２走査ユニット（１４）のそれぞれは、前記放射線ビームの方向を前記第１の方向及び前記第２の方向に沿って変化させるために、少なくとも１つの可動ミラーを備える、３次元ワークピースを作製する方法。
【請求項１１】
前記方法は、前記第１切換え状態に対応する第１位置から前記第２切換え状態に対応する第２位置へと、光指向部材を移動させるステップを更に備え、
前記第１位置において、前記光指向部材は前記放射線ビーム（６）と干渉せず、且つ、前記第２位置において、前記光指向部材は、前記放射線ビーム（６）を前記第２走査ユニット（１４）に対して指向し、且つ、前記第１走査ユニット（１２）に対するビーム経路を遮断する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、流れ方向に沿うガス流を生成するステップを更に備え、
前記第１走査ユニット（１２）および前記第２走査ユニット（１４）は、実質的に前記流れ方向に沿って配置される、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１切換え状態から前記第２切換え状態への切換えは、前記第１照射領域（２６）における、および／または、前記第２照射領域（２８）における溶融残渣（２４）の存在に基づいて制御される、請求項１０〜１２の何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、３次元ワークピースを作製する装置および方法に関する。特に、本発明は、３次元ワークピースを作製する装置であって、少なくとも２台の走査ユニットを含む照射ユニットを備えるという装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末床溶融結合（ｐｏｗｄｅｒ  ｂｅｄ  ｆｕｓｉｏｎ）は、粉末状の、特に金属および／またはセラミックの素材が複雑な形状の３次元ワークピースへと加工される付加的積層プロセスである。その目的の為に、素材粉末層がキャリヤ上に適用されると共に、粉末層は、作製されるべきワークピースの所望の幾何学形状に依存して、部位選択的な様式で（たとえば、レーザもしくは粒子放射線などの）放射線に対して委ねられる。粉末層内へと侵入する放射線は素材の粉末粒子の加熱を、従って、溶融もしくは焼結を引き起こす。上記ワークピースが所望の形状およびサイズを獲得するまで、上記キャリヤ上ですでに放射線処理に委ねられた上記層に対しては、更なる素材粉末層が順次的に適用される。粉末床溶融結合は、ＣＡＤデータに基づき、試作品、工具、交換部品、高価値の構成要素、または、たとえば歯科的もしくは整形外科的なプロテーゼの如き医学的プロテーゼの作製に対して採用され得る。粉末床溶融結合技術の例としては、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）および選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）が挙げられる。
【０００３】
上述の粉末床溶融結合技術に加え、他の積層造形技術が知られており、それに依れば、複数層の素材が放射線ビームにより固化され、その場合、素材は、必ずしも粉末形態で提供されるのではなく、たとえば、複数層の流体として提供され得る。
【０００４】
斯かる積層造形技術の最近の展開においては、作製されるワークピースの最大サイズを、全ての３つの次元において増大させることが望まれるが、これは、更に大きな面積の素材を配備することを必要とする。故に、とりわけ、素材が適用されるキャリヤのサイズが増大される。素材のこの増大する面積を取扱うために、夫々の装置の照射ユニットは、実質的に素材の最上層全体を照射する必要がある。
【０００５】
この問題を解決するひとつの選択肢は、照射ユニットと素材の最上層との間の（ｚ方向における）距離を増大させると共に、照射ユニットの一部として一台の走査ユニットを配備して上記面積全体に亙り走査することである。別の選択肢は、移動可能な照射ユニットを配備することであり、この場合、照射ユニットの走査ユニットは、キャリヤに対して平行である方向、すなわち、ｘ方向および／またはｙ方向において、素材の面積の全体に亙り移動される。しかし、これらの解決手段のひとつの欠点は、放射線ビームが指向される位置の精度が低下することから、作製されるワークピースの品質が低下することである。
【０００６】
別の選択肢は、対応する走査ユニットに対して各々が放射線ビームを発する複数の放射線源を配備することである。しかし、この解決手段は、高コストであると共に、同時的に適用されるのでなければ、それほど効率的ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の問題、および／または、他の関連する問題を解決する装置および方法を提供するという目的に向けられている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１に係る装置により、且つ、請求項１１に係る方法により対処される。
【０００９】
第１の態様に依れば、３次元ワークピースを作製する装置が提供される。装置は、素材の複数の層を受容すべく構成されたキャリヤと、放射線ビームを生成すべく、且つ、上記素材の最上層の所定の部位にて素材を固化させるために上記放射線ビームを上記所定の部位に対して指向させるべく構成された照射ユニットと、を備える。上記照射ユニットは、上記放射線ビームを生成すべく構成された放射線源と、上記放射線ビームを受容すると共に、放射線ビームを、上記素材の最上層の第１照射領域の全体に亙り走査させるべく構成された第１走査ユニットと、上記放射線ビームを受容すると共に、放射線ビームを、上記素材の上記最上層の第２照射領域の全体に亙り走査させるべく構成された第２走査ユニットと、上記放射線源により生成された放射線ビームを上記第１走査ユニットまたは上記第２走査ユニットに対して指向させるべく構成された切換えユニットと、を備える。上記装置は、上記放射線ビームが上記第２走査ユニットに対してではなく上記第１走査ユニットに対して指向されるという第１切換え状態から、上記放射線ビームが上記第１走査ユニットに対してではなく上記第２走査ユニットに対して指向されるという第２切換え状態へと切換わる上記切換えユニットの制御を実施すべく構成された制御ユニットを更に備える。
【００１０】
上記装置は、素材の層の固化が完了された後に上記キャリヤを（負のｚ方向において）降下させるべく構成された第１垂直移動デバイスを備え得る。この降下の後、前回の層上には素材の新たな層が適用され得ると共に、この新たな層は放射線ビームにより照射され得る。付加的もしくは代替的に、上記装置は、素材の層の固化が完了された後に、上記照射ユニットを、または、少なくとも照射ユニットの各走査ユニットを（正のｚ方向において）上昇させるべく構成された第２垂直移動デバイスを備え得る。
【００１１】
上記照射ユニットは、レーザ機器を備え得ると共に、放射線ビームはレーザ・ビームである。放射線ビームは、周囲の雰囲気を通し、且つ、選択的に、ミラー、レンズ、プリズムなどの如き光学的構成要素により、対応する走査ユニットに対して指向され得る。付加的もしくは代替的に、放射線ビームは、一本以上の光ファイバを介して、対応する走査ユニットに対して指向され得る。放射線ビームが、夫々の走査ユニットに対して指向され得ることから、上記放射線源は必ずしも、（たとえば、同一の支持部材上などで）各走査ユニットの直近に配備される必要はない。
【００１２】
上記第１照射領域および上記第２照射領域は各々、実質的に矩形の形状を有し得る。上記第１照射領域および上記第２照射領域は、対応する走査ユニットの可動ミラーの最大偏向範囲により定義され得る。換言すると、各照射領域は、対応する走査ユニットより照射され得る最大の可能的な面積として定義される。上記第１照射領域および上記第２照射領域が重なり合う区域には、重なり合い領域が配備される。
【００１３】
上記切換えユニットは、それが、放射線ビームを、同時的に一台を超える照射ユニットに対してではなく、同一の時点にて一台の走査ユニットに対してのみ指向し得る如く構成され得る。当然乍ら、本開示内容全体に依れば、上記切換えユニットおよび上記制御ユニットは、第１切換え状態から第２切換え状態へと切換えるべく構成され得るだけでなく、第２切換え状態から第１切換え状態へと切換える様にも構成される。
【００１４】
ひとつの放射線源により生成された放射線ビームを、同一の時点にて、第１および第２の走査ユニットの内の一方のみに対して指向させることにより、上記放射線源は効率的に使用され得、且つ、放射線ビームが、同時に行われている別の溶融プロセスにより生成された溶融残渣により不都合に影響されることが回避される。
【００１５】
上記切換えユニットは、上記第１切換え状態に対応する第１位置から上記第２切換え状態に対応する第２位置へと移動されるべく構成された光指向部材を備え、上記第１位置において、上記光指向部材は上記放射線ビームと干渉せず、且つ、上記第２位置において、上記光指向部材は、上記放射線ビームを上記第２走査ユニットに対して指向すべく、且つ、上記第１走査ユニットに対するビーム経路を遮断すべく構成される。
【００１６】
上記第２位置において、上記光指向部材は上記第１走査ユニットに対するビーム経路を遮断することから、放射線ビームは、同一の時点にて、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットに対しては指向され得ない。故に、斯かる光指向部材を配備することは、第１および第２の切換え状態間で切換えを行う切換えユニットを提供する容易で効率的な様式を意味する。
【００１７】
上記光指向部材は、可動ミラーである。可動ミラーは、たとえば、移動軸心に沿い、放射線ビームに対して出し入れ移動され得る。代替的に、上記可動ミラーは、回転軸心に関し、放射線ビームに対して出し入れして回転される（すなわち、折返され）。
【００１８】
上記装置は、流れ方向に沿い当ガス吐出口とガス取入口との間でガス流を生成するガス吐出口およびガス取入口を更に備え、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットは、実質的に上記流れ方向に沿って配置される。
【００１９】
上記ガス吐出口および上記ガス取入口は、夫々、開口の形態で配備される。たとえば、上記ガス吐出口および／または上記ガス取入口は、スリットを備える。上記ガス吐出口および／または上記ガス取入口は、たとえば、上記装置のプロセス・チャンバの壁部に配備され得る。更に、上記ガス吐出口および／または上記ガス取入口は、夫々、ガス吐出口アームおよびガス取入口アームにて配備される。上記ガス吐出口アームおよび／または上記ガス取入口アームは、それらが、素材の最上層の直近にガス流を生成するために素材の最上層の直近にもたらされる如く、構成される。上記流れ方向は、素材の最上層に対して平行である。たとえば、上記流れ方向は、（正または負の）ｘ方向である。ガス流が一方向のみにおける層流でないことは事実であるが、ガス流は、上記流れ方向に対応するひとつの実質的に好適な方向を有することを理解すべきである。たとえば、上記流れ方向は、上記ガス取入口および上記ガス吐出口が沿行して配置される方向として定義され得る。上記ガス流に対して使用されるガスは、窒素の如き不活性ガスである。ガス流を生成することにより、放射線ビームの固化プロセスにより生成された溶融残渣を排除する（すなわち、取り除く）ことが可能である。
【００２０】
上記第１走査ユニットは、上記第１照射領域の全体に亙り上記放射線ビームを走査させるために、放射線ビームの方向を、第１方向に沿い、且つ、第１方向に対して直交する第２方向に沿い変化させるべく構成される。上記第２走査ユニットは、上記第２照射領域の全体に亙り上記放射線ビームを走査させるために、放射線ビームの方向を、上記第１方向に沿い且つ上記第２方向に沿い変化させるべく構成される。
【００２１】
上記第１方向および上記第２方向は、いずれも、素材の最上層に対して平行である。たとえば、上記第１方向はｘ方向であると共に、上記第２方向はｙ方向である（または、その逆である）。上記放射線ビームの方向を上記第１および第２の方向に沿い変化させるために、上記第１走査ユニットおよび／または上記第２走査ユニットは、少なくとも２つの可動ミラーを備える。第１可動ミラーは上記第１方向に沿い運動すべく構成されると共に、第２可動ミラーは上記第２方向に沿い運動すべく構成される。代替的に、第１および第２の方向の両方において運動可能であるひとつの可動ミラーが配備される。第１および第２の方向に沿い方向を変化させる可能性に加え、放射線ビームの焦点位置を、ビーム経路に沿う方向において、すなわち、素材の最上層に対して実質的に直交する方向（ｚ方向）において、変化させるべく構成された焦点合わせ用光学機器が配備される。焦点合わせ用光学機器は、上記第１および第２の走査ユニットに対して配備される必要があるのは一台の焦点合わせ用光学機器のみである如く、上記第１および第２の走査ユニットの上流にて上記ビーム経路内に配備される。更に、上記第１および第２の走査ユニット内には、夫々、第１および第２の焦点合わせ用光学機器が一体化される。
【００２２】
上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットは各々、上記素材の最上層に対して平行な方向に関して静止的に配備される。
【００２３】
換言すると、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットは、それらが、素材の最上層に対して平行な方向（たとえば、ｘおよびｙ方向）に関して移動可能でない様に配備される。但し、上記第１走査ユニットおよび／または上記第２走査ユニットは、素材の最上層に対して直交する方向（たとえば、ｚ方向）に関して移動可能である。上記第１照射領域の箇所および上記第２照射領域の箇所は、ワークピースの構築プロセス全体の間において変化しなくてよい。上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが静止的に配備されたとき、素材の最上層に関して放射線ビームを位置決めする精度は向上される。
【００２４】
上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットと並置して、更なる第１走査ユニットおよび更なる第２走査ユニットが配備され得、上記更なる第１走査ユニットおよび上記更なる第２走査ユニットは、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが沿行して配置される上記方向に対して平行な方向に沿って配置される。
【００２５】
たとえば、上記更なる第１走査ユニットは、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが沿行して配置される方向に対して直交する方向に沿い、上記第１走査ユニットに並置して配備される。たとえば、上記更なる第２走査ユニットは、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが沿行して配置される上記方向に対して直交する方向に沿い、上記第２走査ユニットに並置して配備される。
【００２６】
上記更なる第１走査ユニットおよび上記更なる第２走査ユニットは、所定の時点にて、両方の更なる走査ユニットではなく、更なる第１走査ユニットまたは更なる第２走査ユニットの何れかが放射線ビームを発する如く構成される。この目的のために、対応する更なる切換えユニットが配備されると共に、上記制御ユニットは、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットの切換えと同様に、対応する切換えを実施すべく構成される。付加的もしくは代替的に、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが沿行して配置される方向に沿う位置に、第３走査ユニットが配備される。その場合、上記切換えユニットおよび上記制御ユニットは、３つの切換え状態の間で切換えが実施される如く構成され、その場合、第１切換え状態においては、第１切換えユニットのみが放射線ビームを発すると共に第２および第３の切換えユニットは放射線ビームを発することが無く、第２切換え状態においては、第２切換えユニットのみが放射線ビームを発すると共に第１および第３の切換えユニットは放射線ビームを発することが無く、且つ、第３切換え状態においては、第３切換えユニットのみが放射線ビームを発すると共に第１および第２の切換えユニットは放射線ビームを発することが無い。それに加え、且つ、同様の様式で、第４、第５などの走査ユニットが配備される。
【００２７】
上記照射ユニットは、更なる放射線ビームを生成すべく構成された更なる放射線源と、上記更なる放射線ビームを上記更なる第１走査ユニットまたは上記更なる第２走査ユニットに対して指向させるべく構成された更なる切換えユニットとを備える。
【００２８】
上記更なる切換えユニットは、第１切換え状態において、上記更なる放射線ビームが上記更なる第２走査ユニットに対してではなく上記更なる第１走査ユニットに対してのみ指向され、且つ、第２切換え状態において、上記更なる放射線ビームが上記更なる第１走査ユニットに対してではなく上記更なる第２走査ユニットに対してのみ指向される如く構成される。上記更なる放射線源は、（付加的なレーザ機器の如き）付加的な物理的放射線源により、または、（主要レーザ機器の如き）主要放射線源により生成された主要ビーム経路から分岐された更なるビーム経路により、表される。更なる放射線源および更なる切換えユニットを配備することにより、上記更なる放射線源は効率的に使用される。
【００２９】
上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが沿行して配置される上記方向に対して直交する方向に沿い、少なくとも３台の第１走査ユニットが配備される。上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットが沿行して配置される上記方向に対して直交する上記方向に沿い、少なくとも３台の第２走査ユニットが配備される。
【００３０】
少なくとも３台の第１走査ユニットおよび／または少なくとも３台の第２走査ユニットを配備することにより、複数列の走査ユニットが配備されると共に、素材の最上層の領域は効率的に照射される。
【００３１】
上記制御ユニットは、上記第１照射領域における、および／または、上記第２照射領域における溶融残渣の存在に基づいて、上記第１切換え状態から上記第２切換え状態への切換えを制御すべく構成される。
【００３２】
本開示内容において、「溶融残渣」という表現は、素材の溶融プロセス、溶着プロセス、および／または、固化プロセスにおいて生じる（たとえば、金属蒸気の如き蒸気、凝縮物、および／または、飛散粉末などの形態の）任意の種類の残渣に対して使用される。溶融残渣は、放射線ビームが素材に衝当する箇所にて、固化プロセスにより生成される。上記ガス流は、溶融残渣を取り除くために、上記ガス取入口を介して提供される。上記第１照射領域が上記ガス流に関して上記第２照射領域の下流に配置される場合、上記第１照射領域における溶融残渣は、上記第１走査ユニットにより発せられた放射線ビームにより、および／または、上記第２走査ユニットにより発せられた放射線ビームにより生成される。同様に、上記第２照射領域が上記ガス流に関して上記第１照射領域の下流に配置される場合、上記第２照射領域における溶融残渣は、上記第２走査ユニットにより発せられた放射線ビームにより、および／または、上記第１走査ユニットにより発せられた放射線ビームにより生成される。上記制御ユニットは、それが、たとえば、先行する較正測定または試運転に基づき、上記第１および／または第２の照射領域における溶融残渣の存在を認識する如くプログラムされる。
【００３３】
第２の態様に依れば、３次元ワークピースを作製する方法が提供される。方法は、素材の複数の層をキャリヤ上に適用するステップと、照射ユニットにより放射線ビームを生成すると共に、上記素材の最上層の所定の部位にて素材を固化させるために上記放射線ビームを上記所定の部位に対して指向させるステップであって、上記照射ユニットは、上記放射線ビームを生成すべく構成された放射線源を備えるというステップとを備える。上記方法は更に、上記放射線ビームを第１走査ユニットにより受容すると共に、放射線ビームを、上記素材の上記最上層の第１照射領域の全体に亙り走査させるステップと、上記放射線ビームを第２走査ユニットにより受容すると共に、放射線ビームを、上記素材の上記最上層の第２照射領域の全体に亙り走査させるステップと、上記放射線ビームが上記第２走査ユニットに対してではなく上記第１走査ユニットに対して指向されるという第１切換え状態から、上記放射線ビームが上記第１走査ユニットに対してではなく上記第２走査ユニットに対して指向されるという第２切換え状態へと切換わる切換えユニットの制御を実施するステップと、を備える。
【００３４】
上記第１の態様に関して上記で論じられた詳細は、適切な場合、上記第２の態様に対しても適用される。特に、上記第２の態様により定義された方法は、上記第１の態様に係る上記装置により３次元ワークピースを作製する方法である。
【００３５】
上記方法は、上記第１切換え状態に対応する第１位置から上記第２切換え状態に対応する第２位置へと、光指向部材を移動させるステップを更に備え、上記第１位置において、上記光指向部材は上記放射線ビームと干渉せず、且つ、上記第２位置において、上記光指向部材は、上記放射線ビームを上記第２走査ユニットに対して指向し、且つ、上記第１走査ユニットに対するビーム経路を遮断する。
【００３６】
上記方法は、流れ方向に沿うガス流を生成するステップを更に備え、上記第１走査ユニットおよび上記第２走査ユニットは、実質的に上記流れ方向に沿って配置される。
【００３７】
上記第１走査ユニットは、上記第１照射領域の全体に亙り上記放射線ビームを走査させるために、放射線ビームの方向を、第１方向に沿い、且つ、第１方向に対して直交する第２方向に沿い変化させる。上記第２走査ユニットは、上記第２照射領域の全体に亙り上記放射線ビームを走査させるために、放射線ビームの方向を、上記第１方向に沿い且つ上記第２方向に沿い変化させる。
【００３８】
上記第１切換え状態から上記第２切換え状態への切換えは、上記第１照射領域における、および／または、上記第２照射領域における溶融残渣の存在に基づいて制御される。
【００３９】
本発明の好適実施例は、添付の概略図を参照して更に詳細に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は切換えユニットが第１切換え状態に在るという、本開示内容に係る装置の概略的側面図である。
【図２】図２は切換えユニットが第２切換え状態に在るという、図１の装置の概略的側面図である。
【図３】図３は複数台の第１走査ユニットおよび複数台の第２走査ユニットが配備された本開示内容に係る装置の概略的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、本開示内容に係る、３次元ワークピースを作製する装置の概略的側面図を示している。装置は、素材４の複数の層を受容すべく構成されたキャリヤ２を備える。構築プロセスの間、キャリヤ２上には、上記装置の（不図示の）素材適用デバイスにより素材４の第１層が適用される。本実施例において、素材４は（たとえば金属粉末）などの素材粉末であり、これは放射線ビーム６により溶融されて固化される。この場合、上記素材適用デバイスは、粉末適用デバイスである。但し、他の実施例においては、素材４として（たとえば、異なる材料、および／または、異なる組織構造などの）異なる素材が使用される。
【００４２】
放射線ビーム６は、作製されるべきワークピース８のＣＡＤデータに従う部位選択的な様式で素材４を固化させるために、素材４の第１層に対して指向される。故に、放射線ビーム６が指向される素材４の最上層における各箇所は、作製されるべきワークピース８の幾何学形状に対応する。素材４の層の固化プロセスが完了された後にキャリヤ２を降下させるために、キャリヤ２は（図１における矢印により表された）ｚ方向に沿い移動可能である。キャリヤ２が降下された後、素材４の新たな層が適用されると共に、この新たな層の固化プロセス（すなわち、照射プロセス）が始まる。故に、層毎に、ワークピース８はキャリヤ２上で構築される。
【００４３】
上記装置は更に、放射線源１０と、第１走査ユニット１２と、第２走査ユニット１４と、切換えユニット１６とを備える照射ユニットを備える。垂直に移動可能であるキャリヤ２に加え、または、その代替策として、少なくとも、第１走査ユニット１２および第２走査ユニット１４は、キャリヤ２に関して（ｚ方向において）垂直に移動可能である。キャリヤ２を降下させることの代替策として、走査ユニット１２および１４は、素材４の層の固化プロセスが完了された後に、上昇される。これにより、走査ユニット１２、１４と、素材４の最上層との間の距離は、実質的に一定に維持される。
【００４４】
本実施例に依れば、放射線源１０はレーザ機器であり、且つ、発せられた放射線ビーム６はレーザ・ビームである。更に厳密には、放射線源１０は、約１，０７０〜１，０８０ｎｍの波長を有するレーザ光を発するダイオード励起イッテルビウム・ファイバ・レーザ機器を備える。上記照射ユニットは、放射線ビーム６を、キャリヤ２上の素材４上へと選択的に照射すべく構成される。上記照射ユニットにより、素材４は、作製されるべきワークピース８の所望の幾何学形状に依存した部位選択的な様式でレーザ放射線に対して委ねられる。
【００４５】
本実施例の走査ユニット１２および１４は、放射線ビーム６をキャリヤ２と平行な方向、すなわち、素材４の最上層と平行な方向へと指向させる可動ミラーを備える。換言すると、放射線ビーム６の箇所は、ｘ方向およびｙ方向の両方において変化される。代替実施例においては、放射線ビーム６をｘ方向およびｙ方向に偏向させる種々の技術が実施される。
【００４６】
上記装置は更に、構築プロセスの前、その間、および、その後に装置の機能性を制御する制御ユニット１８を備える。特に、制御ユニット１８は、以下に詳細に記述される如く、第１切換え状態から第２切換え状態へ、または、第２切換え状態から第１切換え状態への、切換えユニット１６の切換えを制御すべく構成される。制御ユニット１８は更に、キャリヤ２の垂直移動、素材適用デバイスによる素材の適用、以下に記述されるガス流、走査ユニット１２および１４の走査、および、放射線源１０の如き、上記デバイスの他の機能性を制御すべく構成される。
【００４７】
走査ユニット１２、１４に加え、放射線ビーム６を案内および／または処理する更なる光学的構成要素が配備される。たとえば、放射線ビーム６を拡開させるビーム・エキスパンダが配備される。（放射線ビーム６のビーム経路に関して）走査ユニット１２および１４の前または後には、焦点合わせ用光学機器が配備される。代替的に、走査ユニット１２および１４の各々内に、焦点合わせ用光学機器が一体化される。いずれの場合においても、焦点合わせ用光学機器は、放射線ビーム６のビーム経路に沿うことから、実質的にｚ軸に沿う、放射線ビーム６の焦点位置を調節すべく構成される。更に、走査ユニット１２および１４の各々の背後には、対物レンズが配備される。対物レンズは、ｆθ対物レンズである。
【００４８】
更に、上記装置は、ガス吐出口２０およびガス取入口２２を備える。図１に示された如く、ガス吐出口２０はガス吐出口アームにて配備されると共に、ガス取入口２２はガス取入口アームにて配備される。ガス吐出口２０は、不活性ガスが開口を貫通して構築チャンバ内へと放出されるという、ガス吐出口アームにおける開口である。ガス取入口２２は、不活性ガスが開口を介して吸引されるという、ガス取入口アームにおける開口である。図１において矢印により表される如く、ガス吐出口２０とガス取入口２２との間には、ガス流が生成される。図１に依れば、ガス流の方向は、負のｘ方向に対応する。
【００４９】
上記ガス流は、放射線ビーム６が素材４に衝当して素材４を固化させるための溶融池を生成するという溶融プロセスにより生成された溶融残渣２４を取り去るべく構成される。溶融残渣２４は、ガス流の方向へと吹き寄せられると共に、不活性ガスと共にガス取入口２２内へと吸引される。溶融残渣２４はガス流により取り除かれる、と言うのも、溶融残渣２４の存在は、以下の固化プロセスに不都合に影響するからである。特に、固化プロセスが生ずる区域に溶融残渣２４が存在する場合、放射線ビーム６は溶融残渣２４により、部分的に、吸収、散乱および／または偏向されることがある。
【００５０】
上記装置は、素材４の大面積の最上層を照射するべく、故に、大寸のワークピース８を生成するべく、第１走査ユニット１２および第２走査ユニット１４を備える。大面積の照射を可能とするために、第１走査ユニット１２は第１照射領域２６の全体に亙り放射線ビーム６を走査させるべく構成され、且つ、第２走査ユニット１４は第２照射領域２８の全体に亙り放射線ビーム６を走査させるべく構成される。故に、照射領域２６および２８は各々、夫々の走査ユニット１２もしくは１４により発せられた放射線ビーム６により到達される面積を表す。図１に示された如く、第１照射領域２６および第２照射領域２８が重なり合うという重なり合い領域が配備される。
【００５１】
以下においては、素材４の層の固化プロセスの間において切換えユニット１６の切換えが制御ユニット１８により如何にして制御されるかが記述される。図１は、第１切換え状態に在る装置を示している。第１切換え状態において、放射線源１０により発せられた放射線ビーム６は、第１走査ユニット１２に対して指向される。放射線ビーム６は、第１走査ユニット１２により受容されると共に、ワークピース８の所望の幾何学形状に従い、第１照射領域２６の全体に亙り走査される。この固化プロセスの間に生成された溶融残渣２４は、上記ガス流を介して取り除かれる。第１切換え状態において、放射線源１０により生成された放射線ビーム６は、走査ユニット１４の如き他の一切の走査ユニットに対してではなく、走査ユニット１２に対してのみ指向される。第１切換え状態において、切換えユニット１６の光指向部材（可動ミラー）は、それが放射線ビーム６と干渉しないように位置決めされる。これにより、放射線ビーム６は第１走査ユニット１２まで進行する。図１に示された実施例において、切換えユニット１６は、制御ユニット１８の制御に基づいて放射線ビーム６のビーム経路に出し入れ移動される光指向部材としての可動ミラーを備える。
【００５２】
第１照射領域２６における固化プロセスが完了した後、制御ユニット１８は、図１に示された第１切換え状態から図２に示された第２切換え状態への切換えユニット１６の切換えの制御を実施する。図２は、第２切換え状態に在る装置を示している。第２切換え状態において、切換えユニット１６の光指向部材は、放射線ビーム６内へと移動されることで、放射線ビーム６を第２走査ユニット１４に対して指向させる。図２に示された如く、切換えユニット１６の光指向部材は、第１走査ユニット１２に至るビーム経路を遮断することから、放射線ビーム６は、第１走査ユニット１２に対してではなく、第２走査ユニット１４に対してのみ指向される。
【００５３】
第２切換え状態において、第２走査ユニット１４は、作製されるべきワークピース８の所望の幾何学形状に従い、第２照射領域２８の照射を実施する。溶融プロセスの間に生成された溶融残渣２４は、上記ガス流を介して取り除かれる。これにより、図２に示された如く、溶融残渣２４は第１照射領域２６を通過する。第１照射領域２６におけるこの溶融残渣２４の故に、第２照射領域２８において溶融プロセスが行われるのと同時に第１照射領域２６において溶融プロセスが開始されることはない。換言すると、同一の時点においては、ガス流に沿って配置された走査ユニット１２、１４の一方の溶融プロセスのみを実施することにより、異なる溶融プロセスにより生成された溶融残渣２４による溶融プロセスに対する不都合な影響が回避される。但し、図３に関して以下に説明される如く、上記ガス流に対して実質的に直交する方向、または、基本的にガス流から発散する方向に配置された複数台の走査ユニットによれば、個々の溶融プロセスが同時に実施される。
【００５４】
第２照射領域２８の照射プロセスが完了したとき、キャリヤ２上には素材４の新たな層が適用され得、且つ／又は、制御ユニット１８は、図１に示された第１切換え状態へと切換えユニット１６を戻し切換えする制御を実施する。
【００５５】
図３は、３つの放射線源１０、３台の第１走査ユニット１２、および、３台の第２走査ユニット１４を備える、本開示内容に係る装置の実施例の平面概観を示している。図３に示されたデバイスの機能性は、図１および図２に関して記述されたのと同一である。更に、図３のデバイスは、図１および図２に関して記述された全ての要素を備えることから、図３および以下の記述において、これらの要素の幾つかは省略される。
【００５６】
図３のデバイスにおいては、（矢印により表された）負のｘ方向にガス流が生成される。ガス流は、複数のガス吐出口２０および複数のガス取入口２２により、または、たとえば複数のスリット開口の形態である、ひとつの大寸のガス吐出口２０およびひとつの大寸のガス取入口２２により、提供される。
【００５７】
図３は、第２切換え状態に在る装置を示しており、放射線源１０の各々により発せられた放射線ビーム６は、対応する一台の第２走査ユニット１４に対して指向される。各走査ユニット１４は、対応する第２照射領域の固化プロセスを実施する。これらの固化プロセスにより生成された溶融残渣２４は、上記ガス流により取り除かれる。図３に示された如く、各放射線ビーム６は、第１走査ユニット１２に対してではなく、第２走査ユニット１４に対してのみ指向される。但し、複数の放射線源１０の各々の第１走査ユニット１２および第２走査ユニット１４は、制御ユニット１８の制御下で、対応する切換えユニットにより個別的に切換えられる。故に、図３の装置は、３台の個別的に制御可能な切換えユニットを備える。
【００５８】
作製されるべきワークピース８の幾何学形状に基づき、且つ、構築プロセスの効果的な処理手順を達成するために、同時的に、各切換えユニットの内の一台以上が第１切換え状態であり、且つ、各切換えユニットの内の一台以上が第２切換え状態であることが可能である。図３に示された如く、上記装置の各照射領域は、ガス流の方向に直交しているのではなく、この方向に沿う他の照射領域における溶融プロセスによってのみ影響される。
【００５９】
図３に示されたデバイスは、走査ユニット１２および１４の配置に対する一例にすぎないことを理解すべきである。図３に示された配置から出発すると、任意台数の第１走査ユニット１２および任意台数の第２走査ユニット１４が、夫々、ガス流に対して直交する方向（ｙ方向）に沿い、一列に並べて相次いで配備される。同様に、第１走査ユニット１２、第２走査ユニット１４、および、一台以上の更なる走査ユニット（第３走査ユニット、第４走査ユニットなど）が配備される如く、ガス流の方向に沿い、（一台より多い）任意台数の走査ユニットが配備される。その場合、一台の切換えユニットが配備されると共に、制御ユニット１８は、所定の時点にて、第１、第２、第３などの走査ユニットの内の一台のみが放射線ビーム６を受容する如く、上記切換えユニットの切換えを実施する。これにより、溶融残渣２４によりいずれの照射領域も不都合に影響されないことが保証される。
【図１】
0006947940.tif 000002
【図２】
0006947940.tif 000003
【図３】
0006947940.tif 000004