(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの３次元物品の連続する断面に対応する、粉末床の部分を連続的に溶融することで、少なくとも１つの３次元物品を形成する装置であって、
真空チャンバ内に設けられた加工テーブルの頂部に粉末層を均一に分配させるように構成された粉末分配器と、
前記少なくとも１つの３次元物品の断面に対応する、選択された位置の粉末層を溶融するように構成された電子ビームを放出する電子ビーム発生源と、
を備え、
前記粉末分配器は、前記粉末床の上方に所定の距離で移動可能に設けられた細長いロッドであって、その中心軸が前記加工テーブルの頂面に平行であり、前記粉末分配器には少なくとも１つのセンサが前記電子ビーム発生源に対向して設けられ、前記少なくとも１つのセンサは、少なくとも１つの開口を有する少なくとも１つの金属プレートであり、
前記装置が、さらに、
前記センサが、前記電子ビームと相互作用しているときに、Ｘ線及び／又は２次電子を検出するための、少なくとも１つの検出器、
を備える、装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの開口には中空パターンが設けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記中空パターンは、前記少なくとも１つの金属プレートより原子番号の高い材料でできている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのセンサは、前記粉末分配器の頂面に直接取り付けられている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのセンサは、前記粉末分配器の上方の所定の距離に取り付けられている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの金属プレートは、前記粉末分配器とは異なる材料でできている、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つのセンサは、前記粉末分配器の中心軸に沿って移動可能に配置されている、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つのセンサは、前記加工テーブルに垂直な方向に移動可能に配置されている、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの３次元物品の連続する断面に対応する粉末床部分を連続的に溶融することで、少なくとも１つの３次元物品を形成する方法であって、
加工テーブル上を移動可能である粉末分配器を用いて粉末層を前記加工テーブルの上に均一に分配するステップと、
前記少なくとも１つの３次元物品の断面に対応する選択された位置において、前記粉末層を溶融するために電子ビーム源から電子ビームを照射するステップと、
前記電子ビームと、前記粉末分配器に取り付けられたセンサであって前記電子ビーム源に対向する少なくとも１つの開口を備える金属プレートであるセンサとの相互作用により生じるＸ線及び／又は２次電子を、少なくとも１つの検出器を用いて検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記電子ビームと前記センサとの前記相互作用により生じる前記Ｘ線及び／又は前記２次電子は、前記粉末分配器の移動中に検出される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電子ビームと前記センサとの前記相互作用により生じる前記Ｘ線及び／又は前記２次電子は、前記粉末分配器の複数の所定位置において検出される、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記Ｘ線及び／又は前記２次電子は、前記粉末分配器が静止しているときに、前記複数の所定位置で検出される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記センサとの前記相互作用から発する前記Ｘ線及び／又は前記２次電子の前記検出は、前記加工テーブルの頂部に前記粉末層を分配している間に遂行される、請求項９〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記センサとの前記相互作用から発する前記Ｘ線及び／又は前記２次電子の前記検出は、粉末層が溶融された後で、かつ新しい粉末層が分配される前に遂行される、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は少なくとも１つの３次元物品を、粉末の層ごとの溶融により形成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自由造形又は付加製造は、加工テーブルに塗布された粉末層の選択部分を連続的に溶融することにより、３次元物品を形成する方法である。
【０００３】
そのような装置には、３次元物品がその上に形成される加工テーブル、上に薄い粉末層を敷設して粉末床を形成するように構成された粉末ディスペンサ、粉末にエネルギーを送達して粉末を溶融させるエネルギービーム、エネルギービームにより粉末床上に与えられるエネルギーを制御して、粉末床の一部を溶融させて３次元物品の断面を形成するための要素、及び３次元物品の連続的断面に関する情報が格納される制御コンピュータが含まれ得る。３次元物品は、粉末ディスペンサにより連続的に敷設される粉末層の継続的に形成される断面を、継続的に溶融することによって形成される。
【０００４】
特定の場所の粉末材料を溶解して、そこに所望の材料特性を実現するためには、特に電子ビームスポットのサイズと形状を検証する必要がある。位置が異なれば、所望のビームスポットサイズとビームスポット形状にはエネルギービームの異なる出力レベルが対応するということを認識すべきである。
【０００５】
現在のところ、電子ビームは、材料の赤熱を用いて、光学的に較正される場合がある。そのような較正方法にはいくつかの欠点がある。第１に、金属が赤熱し始めるまでに少し時間がかかるために、時間を所要する。第２に、金属を赤熱するには比較的高いビーム出力を必要とする。第３に、一度赤熱した金属は、局所的に損傷を受けるか、材料特性が少なくとも変化している可能性がある。最後に、較正に使用する光学機器は、較正プロセス又はその後の処理プロセスの間に金属被覆される可能性がある。
【０００６】
米国特許第９４０６４８３号明細書には、上記の問題に対する解決策が開示されている。この特許では、Ｘ線検出器と溶解される粉末材料との間に、パターン化された開口レゾルバとパターン化された開口モジュレータとが配置される。この方法の欠点は、その粉末表面とこのモジュレータ及びレゾルバとの間の距離が非常に正確であることが必要なことである。これは、このシステムが高価であるか、所要の精度となるのは限られた温度範囲でしかないかのいずれか又はその両方であることを意味している。
【０００７】
上記の観点及びそのほかの考察から、当分野においては、最新技術に比較して、ビームスポットサイズ及び形状を較正／検証する単純かつ効果的な方法が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第９４０６４８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、当分野における上記の必要性を解決する、層ごとに粉末を溶融することにより３次元物品を形成するための方法及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】
【００１０】
本発明の第１の態様において、上記の目的が本明細書で請求される装置の特徴によって達成される。
【００１１】
様々な実施形態によれば、本発明は、３次元物品の連続する断面に対応する粉末床の部分を連続的に溶融することで、少なくとも１つの３次元物品を形成するための装置を提供する。この装置は、真空チャンバ内に設けられた加工テーブルの頂部に粉末層を均一に分配させるように構成された粉末分配器と、その３次元物品の断面に対応する選択された位置の粉末層を溶融するように構成された電子ビームを放出する電子ビーム発生源と、を備える。ここで、この粉末分配器は、粉末床の上方の所定の距離で移動可能に設けられた細長いロッドであって、その中心軸が加工テーブルの頂面に平行であり、粉末分配器には少なくとも１つのセンサが電子ビーム発生源に対向して設けられ、その少なくとも１つのセンサは、少なくとも１つの開口を有する金属プレートであり、センサが電子ビームと相互作用するときにセンサから送出されるＸ線及び／又は２次電子を検出するための少なくとも１つの検出器を有する。本発明の別の態様においては、３次元物品の連続する断面に対応する粉末床部分を連続的に溶融することで、少なくとも１つの３次元物品を形成する方法が提供される。
【００１２】
本発明の利点は、３次元物品を製造している間に電子ビームの較正及び／又は検証がなされ得ることであり、これは従来の技術では不可能である。
【００１３】
本発明の様々な実施形態例において、そのセンサの開口に中空のパターンが設けられる。
【００１４】
この実施形態例の利点は、電子ビームがより詳細に較正／検証することができることである。
【００１５】
本発明の様々な実施形態例において、この中空パターンは、プレートに比べて原子番号がより高い材料でできている。
【００１６】
この実施形態例の利点は、原子番号が高い材料ほど、電子ビームの長期にわたる衝撃に対する抵抗が高く、また電子ビームと相互作用するときにそのプレートが電子ビームと相互作用するときとは異なる特徴的な信号を与える。
【００１７】
本発明の様々な実施形態例において、このセンサは粉末分配器の頂面に直接取り付けられてもよいし、あるいは粉末分配器の頂面から所定の距離に取り付けられてもよい。
【００１８】
この実施形態例の利点は、粉末層の頂面とこのセンサとの間の距離が、本発明の機能には依存しないことである。この粉末層の頂面とセンサの間のこの距離がわかっている限り、粉末層の頂面における電子ビームの所望特性を達成するための補償が可能である。
【００１９】
本発明の様々な実施形態例において、このプレートは、粉末分配器に比べて異なる材料でできている。
【００２０】
この実施形態の利点は、粉末分配器そのものとセンサから生じる信号を、容易かつ迅速に区別できることである。
【００２１】
本発明の様々な実施形態例において、このセンサは、粉末分配器の中心軸に沿って移動可能に配置される。
【００２２】
この実施形態例の利点は、粉末床の任意の位置における電子ビームの較正／検証を可能とするために、１つのセンサを配置して、その粉末床とそのセンサを所定の位置に移動させることによって、粉末床の全領域をカバーし得ることである。本発明の別の態様では、３次元物品の連続する断面に対応する粉末床部分を連続的に溶融することで、少なくとも１つの３次元物品を形成する方法が提供される。この方法は、粉末層を粉末分配器を用いて加工テーブルの上に均一に分配するステップと、３次元物品の断面に対応する選択された位置に、粉末層を溶融するために電子ビームを照射するステップと、電子ビームと、粉末分配器に取り付けられたセンサであって電子ビーム発生源に対向する少なくとも１つの開口を備える金属プレートであるセンサ、との相互作用により生じるＸ線及び／又は２次電子を、少なくとも１つの検出器を用いて検出するステップと、を含む。
【００２３】
本発明の利点は、３次元物品を製造している間に電子ビームの較正及び／又は検証がなされ得ることであり、これは従来の技術では不可能である。
【００２４】
本発明の様々な実施形態において、電子ビームと少なくとも１つのセンサとの相互作用により生じるＸ線及び／又は２次電子は、粉末分配器が移動中に検出される。
【００２５】
本発明の利点は、製造中に電子ビームの品質を制御可能であって、検出された電子ビームのサイズ、形状及び位置を参照データと比較して少しでも乖離があれば調整を実行できるので、従来技術に比べて最終製品の制御が改善されることである。
【００２６】
本発明の様々な実施形態を、以下において添付の図面を非限定的に参照してさらに説明する。同一の参照番号を使用して、図面中のいくつかの図にわたって対応する同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】造形チャンバ、その造形チャンバの各側にある第１と第２の粉末容器並びに２つのセンサを備える粉末分配器の一実施形態例を示す図である。
【図１ｂ】図１ａの粉末分配器の側面図である。
【図１ｃ】図１ａの付加製造構成の側面図である。
【図２ａ】センサの３つの異なる実施形態例の１つを示す図である。
【図２ｂ】センサの３つの異なる実施形態例の１つを示す図である。
【図２ｃ】センサの３つの異なる実施形態例の１つを示す図である。
【図３】付加製造装置の概略図である。
【図４】本発明による方法の概略フロー図である。
【図５】付加製造粉末分配システムの実施形態例の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の様々な実施形態の理解を容易にするために、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、本発明に関連する分野の当業者によって一般に理解される意味を有する。「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記の（ｔｈｅ）」などの用語は、単数の実体のみを指すのではなく、説明のために特定の例が使用されるそのクラス一般を含む。本明細書の用語は、本発明の特定の実施形態の説明に使用されるが、その使用法は、特許請求の範囲に概説される場合を除き、本発明を制限するものではない。
【００２９】
本明細書で使用される「３次元構造」及びそれに類似の用語は、特定の目的での使用を意図された、作製予定あるいは実際に作製された３次元構成（例えば単数または複数の構造材料）を一般的に指す。そのような構造などは、例えば、３次元ＣＡＤシステムの助けにより設計され得る。
【００３０】
本明細書の様々な実施形態において使用される「電子ビーム」という用語は、任意の荷電粒子ビームを指す。荷電粒子ビームの発生源には、電子銃、線形加速器などが含まれ得る。
【００３１】
図３は、本発明による自由造形又は付加製造装置３００の実施形態例を示す。この装置３００は、電子銃３０２、検出器３０４、２つの粉末ホッパ３０６、３０７、開始プレート３１６、造形タンク３１２、粉末分配器３１０、造形プラットフォーム３１４及び真空チャンバ３２０を備える。
【００３２】
真空チャンバ３２０は、真空システムによって真空環境を維持することが可能である。真空システムは、ターボ分子ポンプ、スクロールポンプ、イオンポンプ及びこれは当業者には周知であって本明細書でのこれ以上の説明を必要としない、１つ以上のバルブを備えてよい。真空システムは制御ユニットによって制御される。
【００３３】
電子銃３０２は、開始プレート３１６上に提供される粉末材料３１８を溶解又は溶融するために使用される電子ビームを生成する。制御ユニットは、電子ビーム銃３０２から放出される電子ビームを制御及び管理するために使用することができる。少なくとも１つの集束コイル（図示せず）、少なくとも１つの偏向コイル（図示せず）、任意選択の非点収差コイル（図示せず）及び電子ビーム電源（図示せず）がこの制御ユニット（図示せず）に電気的に接続されていてもよい。本発明の実施形態例では、電子銃３０２が、加速電圧約６０ｋＶで０〜１０ｋＷの範囲のビーム出力を有する、集束可能な電子ビームが形成される。エネルギービームによって粉末を層ごとに溶融して３次元物品を造形するとき、真空チャンバの圧力は、１ｘ１０−３〜１ｘ１０−６ｍＢａｒの範囲であってよい。
【００３４】
粉末ホッパ３０６、３０７には、造形タンク３１２の開始プレート３１６に提供される粉末材料が含まれる。粉末材料は、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合金などの準金属又は金属合金であってよい。
【００３５】
粉末分配器３１０は、開始プレート３１６上に粉末材料の薄い層を敷くように配置される。作業サイクルの間、造形プラットフォーム３１４は、粉末材料の各層が付加された後、電子銃３０２に対して連続的に下降される。この動きを可能とするために、本発明の一実施形態では、造形プラットフォーム３１４は、垂直方向すなわち矢印Ｐで示す方向に移動可能に配置される。このことは、造形プラットフォーム３１４は、その開始プレート３１６上に必要な厚さの第１の粉末材料層が敷かれた初期位置でスタートすることを意味する。造形プラットフォームはその後、３次元物品の新しい断面部分を形成するために、新しい粉末材料層を敷くことに関連して下降される。造形プラットフォーム３１４の下降手段は、例えば歯車や調整ねじなどを備えたサーボエンジンを介するものであってよい。
【００３６】
この３次元物品のモデルはＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ：コンピュータ支援設計）ツールで生成されてもよい。
【００３７】
本発明による実施形態例では、粉末床部分の３次元物品の連続する断面に対応する粉末床の部分を連続的に溶融することで、３次元物品を形成する方法が、粉末層を粉末分配器３１０を用いて加工テーブル３１４の上に均一に分配する第１のステップ４０２を含む。
【００３８】
粉末はいくつかの方法によって、加工テーブル３１４上に均一に分配可能である。粉末を分配する一方法は、ホッパ３０６、３０７から落ちる材料を粉末分配器３１０で集めることである。粉末分配器３１０が、造形タンク３１２上を移動させられ、それによって加工テーブル３１４上、あるいは開始プレート３１６が使用されている場合には開始プレート３１６上に粉末を分配する。粉末分配器３１０の下部と、開始プレート３１６又はその前の粉末層の上部との間の距離が、開始プレート３１６上に分配される粉末の厚さを決定する。粉末層の厚さは、加工テーブル３１４の高さを調節することにより簡単に調節可能である。
【００３９】
第２のステップ４０４では、３次元物品の断面に対応する選択された位置に、粉末層を溶融するために電子ビームが照射される。電子ビームは、この開始プレート上に向けられて、選択された場所の第１の粉末層を溶融させ、この３次元物品の第１の断面を形成する。電子ビームは、制御ユニット（図示せず）からの指示により、この開始プレート３１６上に向けられる。制御ユニットには、３次元物品の各層に対する電子ビーム銃の制御の仕方に関する命令が貯蔵されていてもよい。
【００４０】
第１の層が完了すると、すなわち３次元物品の第１の層を形成するための粉末材料の溶融が完了すると、第２の粉末層が開始プレート３１６上に供給される。第２の粉末層は、好ましくはその前の層と同じようにして分配される。ただし、その同じ付加製造装置において、加工テーブル上に粉末を分配する代替方法もあり得る。例えば、第１の層は第１の粉末分配器によって提供され、第２の層は別の粉末分配器によって提供されてもよい。粉末分配器の構成は、制御ニットからの指示に従って自動的に変化する。単一レーキシステムの形態をした粉末分配器、すなわち１つのレーキが、左の粉末ホッパ３０６と右の粉末ホッパ３０７の両方から落ちてくる粉末を捕集する粉末分配器は、そのようなレーキが構成を変更することができる。
【００４１】
開始プレート３１６上に第２の粉末層を分配したのち、電子ビームを開始プレート３１６上に指向させてその第２の粉末層の選択場所を溶融させ、その３次元物品３３０の第２の断面を形成する。第２の層の溶融部はその第１の層の溶融部に接着することが可能である。最上層の粉末を溶解するばかりでなく、その最上層直下の層の少なくともある部分の厚さを再溶解して、第１と第２の層の溶融部が溶け合うことができる。
【００４２】
電子が粉末床３１８に照射されるとき粉末内に生成される電荷分布について考慮することが必要な場合がある。電荷分布密度は、ビーム電流、電子速度（これは加速電圧で決まる）、ビームの走査速度、粉末材料及び粉末の電気伝導度、すなわち主として粉末粒子間の電気伝導度、のパラメータに依存する。そして後者は、温度、焼結の度合い、粉末粒子のサイズ／サイズ分布などのいくつかのパラメータの関数である。
【００４３】
こうして、与えられた粉末、すなわち特定の粒子サイズ分布を有する特定の材料の粉末と、与えられた加速電圧に対して、ビーム電流（したがってビーム出力）とビーム走査速度を変化させることにより、電荷分布に影響を与えることが可能である。
【００４４】
これらのパラメータを制御して変えることにより、粉末の温度を上昇させて粉末の電気伝導度を次第に増加させることが可能である。高温の粉末は、かなり高い電導度を得て、電荷が広い領域に素早く拡散可能となるので、電荷密度分布を下げる結果となる。粉末が予備加熱プロセスの間に軽く焼結されると、この効果は増大する。電導度が十分に高くなると、所定のビーム電流値及びビーム走査速度で粉末はともに溶融し、すなわち溶解又は完全に焼結可能となる。
【００４５】
第３のステップ４０６において、この電子ビームと、粉末分配器に取り付けられたセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０との相互作用により生じる信号を検出可能である。溶融の前／後、溶融中及び／又は粉末分配の間に、少なくとも１つの第１の信号を、真空チャンバ３２０の内側又は外側に設けられた検出器３０４で捕捉することが可能である。検出器３０４は、２次電子検出器又はＸ線検出器であってよい。
【００４６】
センサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０は、検出器３０４との組み合わせで、付加製造装置３００において、電子ビームの形状とサイズの較正／確認に使用することができる。センサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０は、粉末分配器１１０の頂部に配置されてもよい。図１ａは、２つのセンサ１５０ａ、１５０ｂを有する粉末分配器１１０の第１の実施形態例の平面図を示す。粉末分配器はここでは造形チャンバ１１２の上方に位置するように例示されている。左と右に、第１の粉末容器１０６と第２の粉末容器１０７が配置されている。この実施形態の側面図が図１ｃに示されており、そこにはその造形チャンバ１１２内に加工テーブル（製造ピストン）１１４と、その第１と第２の粉末容器内にそれぞれ粉末送達ピストン１２４、１３４も示されている。その加工テーブル１１４上に分配されるべき所定量の粉末は、粉末送達ピストン１２４、１３４をそれぞれ所定高さだけ上昇させることによって、第１と第２の粉末容器１０６、１０７のいずれかから収集することができる。粉末分配器１１０が次に粉末容器のいずれか１つからレーキで集めることができる粉末を収集して、その造形チャンバの加工テーブル１１４上に分配することができる。図１ｃにおいて、開始プレート１１６上に造形されようとしている３次元物品１３０が示されている。
【００４７】
センサ１５０ａ、１５０ｂは、粉末分配器１１６に固定されている。これに代わって、１つ以上のセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０がこの粉末分配器上で移動可能に配置されてもよい。このセンサの動きは、その粉末分配器１１０の中心軸に沿っていてもよいし、及び／又はその粉末分配器１１０に垂直であってもよい。
【００４８】
電子ビームはセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０上を掃引可能であり、電子ビームがセンサ上を掃引するときにセンサから発生するＸ線信号及び／又は２次電子を収集するためにＸ線検出器及び／又は２次電子検出器が使用されてもよい。
【００４９】
センサは、粉末分配器の頂面に直接取り付けられてもよいし、あるいは図１ｂに示すように粉末分配器１１０からある距離の位置に取り付けられてもよい。図１ｂにおいて、センサ１５０ａは、複数の棒の形態であり得るスペーサ要素１２５を介して粉末分配器１１０に取り付けられている。
【００５０】
図２ａ〜図２ｃは、センサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０の３つの異なる実施形態例を示す。このセンサは、例えば輪郭のはっきりした穴２２２を備える金属プレート２２０であってよい。電子ビームがセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０上を掃引するとき、Ｘ線信号及び／又は２次電子を解析することにより、電子ビームの形状及び／又はサイズを判定可能である。この穴２２２の内部に中空パターン２２４を配置可能である。この中空パターン２２４は、プレート２２０よりも高い原子番号の金属材料で作られていてもよい。例えば、このプレート２２０はアルミニウム又はステンレス鋼でできていて、この所定の中空パターン２２４は銅又はタングステンでできていてもよい。電子ビームのスポットサイズは典型的には所定パターン２２４の中空部分よりも小さい。その穴２２２の上を電子ビームが掃引されると、穴２２２の端と所定のパターンの端とを明確な信号として判定可能である。穴２２２と所定パターン２２４の寸法は事前に高精度で分かっているので、電子ビームの形状、位置及び走査速度を掃引パターンから判定可能である。３次元物品を製造するときに使用するために、較正パラメータが参照表に格納されていてもよい。
【００５１】
使用可能なビーム評価方法は、「ナイフエッジビームプロファイル法」である。電子ビームがエッジ材料（所定パターンのエッジ）に当たると、Ｘ線フォトン及び／又は２次電子が生成され、検出器３０４によって検出される。ビームが所定パターンのエッジ上を掃引されるとき、検出器３０４からの信号がオシロスコープによって記録可能である。検出信号の形状は、ビーム直径、ビーム形状及びビーム位置に変換可能である。個々の穴の位置はＳＥＭ像から判定できる。次いで、ビームが所定の穴２０の上を左から右へ掃引されてよい。第１のラインが露光されると、垂直方向に所定量シフトして新しい走査が開始される。所定のシフト量は０．２ｍｍであってよい。この手順が所定のパターン２２４の全てをカバーするまで繰り返される。最初から最後の走査ラインまで、Ｘ線検出器及び／又は２次電子検出器からの信号がオシロスコープで連続的に記録される。
【００５２】
ビームサイズと位置の較正露光の手順は、熱分布と放熱に依存する。一度に単一の較正部位を露光すると所定のパターン２２４にあまりに多くの熱を発生させるので、材料が劣化する可能性が非常に高い。ただし、いくつかの較正部位（穴）を１つのループで露光すれば、所定パターン２２４で発生する熱は放散されるであろう。検出されたオシロスコープの信号から、十分なサンプルが取得されれば、電子ビームのサイズ、形状及び位置を判定することが可能である。走査信号は基本的に対応するビームのガウス分布プロファイルの導関数である。ナイフエッジ法は、ｅｒｆ（ｒ，ａ）をフィッティングすることにより誤差関数を走査データに最適化する。ここでｒは１／ｅ２であり、「ａ」はフランク（ｆｌａｎｋ）位置である。
【００５３】
受動検出器は、この電子ビームが溶解しようとする粉末材料の頂面とは異なる高さに提供されるために、この較正／検証はその高さの違いを補償する必要があり得る。すなわち
センサは付加製造プロセスで溶解される粉末層の頂面に比べて異なるｚ高さにあるので、ビームがセンサに当たる時、そのセンサからの検出信号は、電子ビームの「焦点ずれ」に対する補正がなされるべきである。電子ビームの最適化は、センサのある高さに対してではなく、粉末層の頂面に対してなされるべきである。
【００５４】
粉末分配器及び／又はセンサが移動している間に電子ビームの較正／検証が行われる場合、粉末分配器／センサと電子ビームの動きの同期化を図る必要がある。あるいは、粉末分配器が静止する所定の固定場所で較正／検証が行われる。
【００５５】
センサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０のある位置で検出された電子ビームが、サイズ及び／又は形状から外れていると判定されると、焦点レンズ及び／又は非点収差レンズの調節によって、ビームのサイズ／形状の歪みが修正されてよい。調整の間、所望のサイズ／形状が達成されるまで、Ｘ線検出及び／又は２次電子検出がその位置で継続される。異なる方向でパターンに交差するように電子ビームを掃引することで、そのセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０が配置され得る、全ての位置に対して電子ビームのサイズ／形状を高精度に判定可能である。
【００５６】
粉末分配器に取り付けられたセンサを使用することで、３次元物品の製造中の任意の時間に電子ビームの較正及び／又は確認を可能とする。較正及び／又は確認は、電子フィラメントを交換した場合などの、付加製造機械の重要部品を更新または交換したときのみでなく、所定数の層の後や、溶融されるすべての単層の間などでさえも、３次元部品の製造中の任意の時点でなされてもよい。
【００５７】
図２ｂは、本発明によるセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０の第２の実施形態例の概略平面図である。この実施形態例では、センサは、プレート２２０における十字形をした２つのスリット２２２、２２３から成っている。第１のスリット２２２は第１の幅と第１の長さであり、第２のスリット２２３は第２の幅と第２の長さであってよい。このタイプのセンサにおいては、スリットのサイズと形状を、電子ビームがその上を掃引するときの信号生成に使用することができる。較正／検証は、電子ビームがスリットのエッジの上を掃引するときに、例えば前述した「ナイフエッジビームプロファイル法」を用いて遂行可能である。プレート２２０は、アルミニウム、銅又はステンレス鋼でできていてもよい。
【００５８】
図２ｃは、本発明によるセンサ１５０ａ、１５０ｂ、２５０の第３の実施形態例の概略平面図である。この実施形態例において、センサは互いに取り付けられた下プレート５１０と上プレート５２０から成る。図２ｃの線Ａ−Ａに沿った断面図である図５を参照されたい。代替実施形態では、その第１と第２のプレートは、上プレート５２０と下プレート５１０がそれぞれ本質的に互いに平行となるように互いに間をあけて取り付けられてもよい。上プレート５２０は所定数の穴２０及び／又はスリットを含む。下プレート５１０は穴のないプレートであってよい。下プレートは、上プレート５２０の材料とは異なる原子番号を有する材料でできていてもよい。実施形態例では、下プレート５１０は上プレート５２０よりも原子番号の高い材料でできている。この下プレートは例えば銅又はタングステンでできていて、一方で上プレートは例えばアルミニウム又はステンレス鋼でできていてもよい。
【００５９】
両プレートが互いに離間している場合には、上下のプレートは、ねじ又はリベット又は類似の締結要素によって上下のプレートに固定され得る複数の間隔物を介して相互に取り付けることが可能である。下プレート５１０は本質的に平坦であってよい。上プレート５２０は所定数の穴２０及び／又はスリットを含む。
【００６０】
穴及び／又はスリット２２２の内側に、所定の中空パターンが配置されてもよい。
【００６１】
第１の実施形態例では、スリット２２２は、１つの同じ上プレート５２０から製造されてもよい。スリット２２２はエッチングで製造されてもよい。
【００６２】
第２の実施形態例では、上プレート５２０は第１と第２のプレートで構成され、第１のプレートが所定数の穴及び／又はスリットを含み、第２のプレートが所定の中空パターンを含んでもよい。穴及び／又はスリット２２２は、ウォータカット（ｗａｔｅｒ  ｃｕｔ）又は穿孔されてよい。第２のプレートは、所定のパターンを有するネット、又は第１のプレートの穴及び／又はスリット２２２に位置合わせされた選択された場所にのみ所定のパターンを有する固体プレートであってよい。第２のプレートの所定のパターンはエッチングで作られてもよい。第２のプレートは下プレート５１０に面している。第２のプレートは第１のプレートに比べて薄くてもよい。様々な実施形態例において、第２のプレートの厚さは０．０５〜０．２０ｍｍである。様々な実施形態例において、第１のプレートの厚さは１〜３ｃｍである。様々な実施形態例において、穴の直径又はスリットの幅は約０．５〜２ｃｍである。
【００６３】
所定のパターンは、電子ビームの位置、サイズ及び形状を判定するために使用されるナイフエッジプロファイル法の精度を改善するための鋭いエッジを有するバーを含んでもよい。
【００６４】
様々な実施形態例において、上下のプレート間の距離は５〜１０ｃｍであってよい。
【００６５】
第２のプレートは第１のプレートとは異なる材料でできていてもよい。第２のプレートは、第１のプレートよりも原子番号の大きい材料でできていてもよい。第２のプレートは、銅又はタングステンでできていて、第１のプレートはアルミニウムでできていてもよい。所定の中空パターンは、バーが互いに所定の角度で交差するネットであってもよい。
【００６６】
所定の中空パターンは十字パターンであってもよい。十字パターンは穴２２２の中心にその中心があってもよい。あるいは、十字の中心が穴２２２の中心に位置合わせされていなくてもよい。
【００６７】
様々な実施形態例において、異なる穴２２２は異なるパターンを有してもよい。例えば、第１の穴が第１の十字パターンを有し、第２の穴２２２が第２の十字パターンを有してもよい。十字パターン間の違いは、交差するバーの間の角度であってもよい。
【００６８】
図１ｂは、センサ１５０ａを備える粉末分配器１１０の第１の実施形態例の概略透視図である。粉末分配器は、粉末床の上方に所定の距離で移動可能に設けられ、その中心軸が造形プラットフォーム１１４の頂面に平行な細長いロッドであってよい。ロッドの長さは、造形プラットフォーム１１４の各位置に粉末を分配可能とするために、その造形タンク１１２の造形プラットフォーム１１４の幅よりも長くてよい。細長いロッドの断面は図１ｂでは三角形として示されている。この断面は、これに限らないが、円、楕円、二次形、四角形、多角形を含む任意の形状であってもよい。粉末分配器１１０の高さは、粉末分配器１１０が垂直方向に所定の機械強度を与えるように、すなわち垂直方向に所定で制御可能な撓みを与えるように設定されてよい。高さは、粉末分配器１１０が所定の粉末量を押し出さなければならないことも考慮して選択されてもよい。高さが小さすぎると、粉末分配器は高さの高い粉末分配器１１０に比べて少ない量しか押し出せないことを意味する。ただし、高さが高すぎる粉末分配器110は、堆積した粉末からの粉末の捕集を複雑にする場合がある。すなわち、粉末分配器を粉末堆積内に移動させて、移動方向の第1の側から、粉末床の第2の側の粉末堆積の中へ、所定量の粉末を粉末分配器の頂部上に落下させることにより、所定量の粉末を粉末堆積から捕集するためには、粉末分配器の高さが高いほど、より大きな力を必要とする可能性がある。上記のレーキを粉末の堆積の中へ移動させる方法とは別の、所定量の粉末を捕集する手段がある。例えば、移動可能な床を有する粉末タンクを使用して、造形プラットフォームの横に配置することも可能である。床の高さを調節することによって、粉末の所定量をレーキで送って造形プラットフォームに提供してもよい。一つ又は複数の可撓性プレート１４０を粉末分配器１１０に取り付けてもよい。このセンサは、この粉末分配器とは異なる材料でできていてもよい。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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