(57)【要約】  本発明は、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置に関する。この装置は、構築スリーブ（290、690、790、890、990、1090、1190）、粉末床を支持する構築プラットフォーム（230、630、830、930、1030、1130）を備え、構築プラットフォーム230、630、830、930、1030、1130は構築スリーブ（290、690、790、890、990、1090、1190）内で下降することができる。加熱素子（201、801、901、1001、1101、895、896、995、996、1095、1096、1195、1196）は、構築プラットフォーム（230、630、830、930、1030、1130）または構築スリーブ（290、690、890、990、1090、1190）に一体化されるか、それに配置される。シール（209、210、211、809、810、811）が、構築プラットフォーム（230、630、830、930、1030、1130）と構築スリーブ（290、690、890、990、1090、1190）の間の隙間をシールするために設けられ、粉末が隙間を通過するのを防止している。構築チャンバ(202)が、構築プラットフォーム(230、630、830、930、1030、1130）の上下両方に不活性雰囲気を維持するために、設けられている。
2020518720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
構築スリーブ、
粉末床を支持する構築プラットフォームであって、前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、
前記構築プラットフォームまたは前記構築スリーブ内に一体化、または前記構築プラットフォームまたは前記構築スリーブ上に配置された加熱素子、
前記構築プラットフォームと前記構築スリーブの間の隙間をシールして、粉末が前記隙間を通過するのを防止するシール、および
前記構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性雰囲気を維持する構築チャンバ
を備えることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項２】
前記シールは、非気体/非気密シールであることを特徴とする請求項１に記載の粉末床融合装置。
【請求項３】
前記シールの動作温度は、５００℃より高いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉末床融合装置。
【請求項４】
前記シールの動作温度は、１０００℃を超えることを特徴とする請求項３に記載の粉末床融合装置。
【請求項５】
前記シールは、炭素ベースのシールであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項６】
前記構築スリーブを冷却するために、冷却された不活性ガスを生成し、前記構築チャンバに導入する冷却器を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項７】
前記構築チャンバの下方領域に配置された前記構築プラットフォームを下降させるエレベータ機構を備え、前記構築チャンバに導入される冷却された不活性ガスが前記エレベータ機構を冷却することを特徴とする請求項６に記載の粉末床融合装置。
【請求項８】
前記構築チャンバは、前記構築プラットフォームの上方に不活性雰囲気を維持する上方のチャンバと、前記構築プラットフォームの下方に不活性雰囲気を維持する下方のチャンバとを備え、前記下方のチャンバに冷却されたガスを導入するべく、前記構築スリーブは前記下方のチャンバ内に延在し、且つ前記冷却器は配列されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の粉末床融合装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の粉末床融合装置を使用して、層ごとに構築される物体を製造する方法であって、前記構築スリーブを冷却するべく、冷却された不活性ガスを生成し、そして前記構築チャンバに導入することを備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記物体の構築中に、冷却された不活性ガスを生成し、そして前記構築チャンバに導入することを備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記物体の構築の完了後に、冷却された不活性ガスを生成し、前記構築チャンバに導入することを備えることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブと、粉末床を支持するために前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備え、前記構築スリーブは、1つ以上の耐火金属またはそれの合金および多結晶セラミックから作られた壁を備えることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項１３】
前記構築スリーブは、１つ以上の耐火金属またはそれの合金および多結晶セラミックで作られた前記壁の内向き表面が前記粉末床に接触するように配列されていることを特徴とする請求項１２に記載の粉末床融合装置。
【請求項１４】
粉末床融合装置であって、構築スリーブと、粉末床と加熱素子を支持するために前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備え、前記構築スリーブの壁はセラミックで、前記加熱素子は前記壁に埋め込まれた抵抗ヒータであることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項１５】
前記加熱素子は、前記構築プラットフォームが前記構築スリーブ内で下降されるとき連続的に活性化するべく配列された複数の加熱素子を備えることを特徴とする請求項１４に記載の粉末床融合装置。
【請求項１６】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブと、粉末床と加熱素子を支持するために前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備え、前記構築スリーブの壁はセラミックで、クーラントの通過または部分真空または近真空の維持のための内部冷却チャンネルを備えていることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項１７】
前記セラミックは、ジルコニアまたはアルミナであることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項１８】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブと、粉末床および前記構築スリーブ内に含まれる粉末を加熱するマイクロ波／電波エミッタを支持する、前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備え、前記マイクロ波／電波エミッタは、前記構築スリーブを介してマイクロ波／電波を前記粉末床に送信するべく配置されていることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項１９】
前記構築スリーブは、マイクロ波／電波を透過する材料で作られており、５００℃を超える温度に耐えることができることを特徴とする請求項１８に記載の粉末床融合装置。
【請求項２０】
前記材料は、非金属であることを特徴とする請求項１９に記載の粉末床融合装置。
【請求項２１】
前記材料は、セラミックであることを特徴とする請求項１０に記載の粉末床融合装置。
【請求項２２】
前記セラミックは、多結晶セラミックであることを特徴とする請求項２１に記載の粉末床融合装置。
【請求項２３】
前記マイクロ波／電波エミッタは、前記構築プラットフォームが前記構築スリーブ内で下降させられるとき、連続的に活性化するべく配列された複数のマイクロ波／電波エミッタからなることを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項２４】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、不活性ガス雰囲気を維持する構築チャンバ、前記構築チャンバ内に配置された構築スリーブ、および前記構築チャンバ内で粉末床および粉末床からの熱伝達を遮断する熱障壁を支持する、前記構築チャンバ内を下降可能な構築プラットフォームを備え、前記熱障壁は、前記構築チャンバが不活性ガスで満たされたとき、少なくとも部分真空または近真空を維持するようにその中に配置された真空チャンバを備えることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項２５】
前記真空チャンバは、前記粉末床から放射される熱を反射する反射コーティングを備えることを特徴とする請求項２４に記載の粉末床融合装置。
【請求項２６】
前記構築スリーブは、前記真空チャンバを備えるか、または前記真空チャンバによって取り囲まれていることを特徴とする請求項２４または請求項２５に記載の粉末床融合装置。
【請求項２７】
前記真空チャンバは、前記粉末床、前記構築チャンバ内またはそれに配置された加熱素子から発せられる熱を遮断する熱障壁を提供するように構成されていることを特徴とする請求項２４または請求項２５に記載の粉末床融合装置。
【請求項２８】
前記構築チャンバ内に部分真空または近真空を形成する手段と、前記構築チャンバに不活性ガスを供給する入口とを備え、前記真空チャンバは、当該真空チャンバを前記構築チャンバ内の大気に接続し、且つ大気から隔離するバルブを備えることを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項２９】
前記真空チャンバは、部分真空または近真空の形成中に前記構築チャンバ内の雰囲気に接続されるように、前記バルブを制御するべく構成され、且つそして前記構築チャンバを不活性ガスで埋め戻す間に、前記真空チャンバを前記構築チャンバから隔離するコントローラを備えることを特徴とする請求項28に記載の粉末床融合装置。
【請求項３０】
前記コントローラは、物体の構築が完了すると、前記真空チャンバを不活性ガスで充填するべく、前記真空チャンバが前記構築チャンバ内の不活性ガス雰囲気に接続されるように前記バルブを制御するべくさらに構成されていることを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載の粉末床融合装置。
【請求項３１】
入口を介して前記構築チャンバに供給される不活性ガスを冷却する冷却器を備えることを特徴とする請求項２８乃至２９のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項３２】
前記真空チャンバは、物体の構築の完了時に、前記真空チャンバを通る循環または不活性ガス用のそれぞれのバルブによって制御される入口および出口を備えることを特徴とする請求項２８乃至３１のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項３３】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
構築スリーブ、
粉末層を支持するために前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、および
前記構築プラットフォームの動きを駆動するリニアアクチュエータを備え、
前記構築プラットフォームは、当該構築プラットフォームおよび前記構築スリーブからの前記リニアアクチュエータのシャフトへの熱の伝達に対する熱障壁を提供するべく、前記シャフトの少なくとも上方部分を取り囲む断熱スリーブを介して前記シャフトに接続されていることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項３４】
前記断熱スリーブは、前記断熱スリーブを能動的に冷却する手段を備えていることを特徴とする請求項３３に記載の粉末床融合装置。
【請求項３５】
前記手段は、前記断熱スリーブ内にクーラントを受け入れるための内部冷却チャンネルを備えていることを特徴とする請求項３４に記載の粉末床融合装置。
【請求項３６】
前記構築プラットフォームは、前記断熱スリーブに取り付けられ、そして前記冷却チャンネルは、前記構築プラットフォームを前記リニアアクチュエータの前記シャフトから分離している前記断熱スリーブの区域を通過することを特徴とする請求項３５に記載の粉末床融合装置。
【請求項３７】
前記断熱スリーブは、前記構築プラットフォームが取り付けられる上方の取り付け部材と、前記シャフトが接続される中間の取り付け部材とを備え、前記中間の取り付け部材は、前記上方の取り付け部材との間に隙間が存するように、前記上方の取り付け部材から空間的に分離されていることを特徴とする請求項３３乃至３６のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項３８】
前記構築プラットフォームは、絶縁材料および／または点接触体を使用して前記断熱スリーブに取り付けられていることを特徴とする請求項３３乃至３７のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項３９】
前記断熱スリーブは、前記構築スリーブから空間的に分離されるような寸法にされていることを特徴とする請求項３３乃至３８のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項４０】
前記断熱スリーブは、前記構築プラットフォームが前記構築スリーブの頂部に位置されるとき、前記断熱スリーブが前記構築スリーブの底部まで、または底部の下方にまで延びているように、前記シャフトの長手方向にある程度の広がりを有することを特徴とする請求項３３乃至３９のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項４１】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
不活性雰囲気を維持する構築チャンバ、
当該構築チャンバ内に配置された構築スリーブ、
粉末床を支持する、前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、
前記粉末床、前記構築チャンバ内またはその上に配置された加熱素子から発せられる熱を遮断する、前記構築チャンバ内および前記粉末床の上に配置される熱障壁、および、
当該熱障壁を能動的に冷却する冷却システム、
を備えることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項４２】
前記構成要素は、粉末を前記粉末床に亘って広げるワイパーを駆動する機構、レーザービームが前記構築チャンバに入ることを許容する構築チャンバ内の光学ウィンドウおよび／または屋根のうちの１つ以上からなることを特徴とする請求項４１に記載の粉末床融合装置。
【請求項４３】
前記熱障壁は、前記冷却システムによって冷却されたクーラントを受け入れるための内部冷却チャンネルからなることを特徴とする請求項４０または請求項４１に記載の粉末床融合装置。
【請求項４４】
前記熱障壁は、前記構築チャンバに導入される冷却された不活性ガスによって冷却されることを特徴とする請求項４０乃至４３のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項４５】
前記構築チャンバは、前記冷却された不活性ガスを、前記粉末床から遠位の熱障壁の側の構築チャンバに供給する入口を備えることを特徴とする請求項４４に記載の粉末床融合装置。
【請求項４６】
前記熱障壁は、冷却された不活性ガスが流れることができるように、その中に開口部を備えることを特徴とする請求項４５に記載の粉末床融合装置。
【請求項４７】
前記熱障壁は、前記粉末床を収容する前記構築チャンバの領域から前記ウィンドウを備える前記構築チャンバの領域を分離していることを特徴とする請求項４０乃至４６のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項４８】
前記熱障壁は、前記ワイパーを駆動する機構を収容する前記構築チャンバの領域を、前記粉末床を収容する前記構築チャンバの領域から分離していることを特徴とする請求項４０乃至４６のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項４９】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
不活性雰囲気を維持する構築チャンバ、
当該構築チャンバ内に配置された構築スリーブ、
粉末床を支持する、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、および
前記粉末床に亘って粉末を広げるワイパー機構を備え、
当該ワイパー機構は、セラミックワイパーを配置するアームを備え、
当該アームは、前記セラミックワイパーの熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する金属材料で作られていることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項５０】
前記アームは、チタン製であることを特徴とする請求項４９に記載の粉末床融合装置。
【請求項５１】
粉末床融合装置の主構築スリーブへ挿入するモジュールであって、当該モジュールは、主構築スリーブの固定位置に取り付け可能なフレームを備え、当該フレームは二次構築スリーブを画定し、粉末床および前記二次構築スリーブ内の前記粉末床を加熱する加熱素子を支持する二次構築プラットフォームが、前記二次構築スリーブ内で可動であることを特徴とするモジュール。
【請求項５２】
前記加熱素子は、前記二次構築スリーブおよび／または前記二次構築プラットフォーム内に配置されることを特徴とする請求項５１に記載のモジュール。
【請求項５３】
前記二次構築スリーブは、多結晶セラミックで作られた壁を備えることを特徴とする請求項５１または請求項５２に記載のモジュール。
【請求項５４】
前記加熱素子は、前記二次構築スリーブ内に包含されている粉末を加熱するマイクロ波／電波エミッタを備え、前記マイクロ波／電波エミッタは、前記二次構築スリーブを介して前記粉末床にマイクロ波／電波を送信するように配置されていることを特徴とする請求項５１乃至５３のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項５５】
前記モジュールは、前記粉末床からの熱伝達を遮断する熱障壁を備え、前記熱障壁は、前記構築チャンバが不活性ガスで充満されているとき、少なくとも部分真空または近真空を維持するように構成された真空チャンバを備えることを特徴とする請求項51乃至54のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項５６】
前記装置は、前記二次構築プラットフォームを前記主構築プラットフォームに移動可能に接続する、前記二次構築プラットフォームから延びる接続部材を備え、前記接続部材は、前記二次構築プラットフォームから前記主構築プラットフォームへの熱伝達を低減する熱障壁を備えることを特徴とする請求項51乃至55のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項５７】
前記二次構築スリーブ内の前記粉末床からの熱伝達を遮断する熱障壁と、当該熱障壁を能動的に冷却する冷却システムとを備えることを特徴とする請求項51乃至55のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項５８】
前記モジュールは、前記粉末床の融合プロセスの属性を感知するセンサを備えることを特徴とする請求項51乃至57のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項５９】
請求項５１乃至５８のいずれか一項に記載のモジュールを粉末床融合装置用に改造する方法であって、当該方法は、当該モジュールを前記粉末床融合装置の主構築スリーブ内に配置し、そして前記加熱素子を電源に接続することを備えることを特徴とする方法。
【請求項６０】
前記粉末床融合チャンバの構築チャンバに挿入物を取り付けて、当該挿入物と前記構築チャンバの内壁との間にプレナムチャンバを形成し、そして前記プレナムチャンバに供給される不活性ガスを冷却するために冷却器を接続することを備えることを特徴とする請求項59に記載の方法。
【請求項６１】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、この装置は、
粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、
粉末が前記構築プラットフォームと前記構築スリーブとの間の隙間を通過するのを防ぐため当該隙間をシールするシール、
前記構築プラットフォームの上方および下方で不活性ガス雰囲気を維持するための構築チャンバ、
入口および出口を介して前記構築チャンバに接続された不活性ガス回路、および
前記不活性ガス回路が冷却された不活性ガスを前記構築チャンバに供給するように、前記不活性ガス回路を通る輸送中に不活性ガスを冷却する冷却器、を備え、
前記入口は、冷却された不活性ガスを前記構築プラットフォームの下方、および／または前記構築スリーブの周りの領域に供給するべく、前記構築チャンバ内に配置されていることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項６２】
前記構築チャンバは、前記粉末床の作業面を囲む上方の構築チャンバと、前記構築プラットフォームの下面に接触する不活性ガス雰囲気を収容する下方のチャンバとを備え、前記不活性ガス回路の前記入口が冷却された不活性ガスを前記下方のチャンバに供給することを特徴とする請求項61に記載の粉末床融合装置。
【請求項６３】
前記構築スリーブは、前記下方のチャンバ内に延び、そして前記入口は、冷却された不活性ガスが前記構築スリーブを冷却するべく前記構築スリーブの外面に接触するように配置されていることを特徴とする請求項６１または６２に記載の粉末床融合装置。
【請求項６４】
前記構築スリーブの外面は、前記構築スリーブの冷却を支援する冷却羽根を備えていることを特徴とする請求項６３に記載の粉末床融合装置。
【請求項６５】
前記構築チャンバ内に配置された前記構築プラットフォームの動きを駆動するリニアアクチュエータを備え、そして当該リニアアクチュエータを冷却するべく冷却された不活性ガスを配送する前記ガス入口が配置されていることを特徴とする請求項６１乃至６４のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項６６】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームと、
粉末が前記構築プラットフォームと前記構築スリーブとの間の隙間を通過するのを防止するべく当該隙間をシールするシールと、
前記構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性ガス雰囲気を維持する構築チャンバと、を備える粉末床融合装置の温度を制御する方法であって、
1つ以上の物体の構築中に、前記構築プラットフォームの下方および／または前記構築スリーブの周りの不活性ガス雰囲気を冷却するべく、前記構築チャンバに冷却された不活性ガスを供給することを備えることを特徴とする方法。
【請求項６７】
不活性ガス回路を用いて不活性ガスを、前記構築チャンバを通して再循環させること、および不活性ガス回路を通る輸送中に前記不活性ガスを冷却することを備えることを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末床の選択された領域が層ごとに固化されてワークピースを形成する粉末床融合装置および方法に関する。本発明は、選択的レーザー融解（ＳＬＭ）および選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）装置への特定の用途を有するが、排他的ではない。
【背景技術】
【０００２】
粉末床融合装置は、レーザーや電子ビームなどの高エネルギービームを使用して、金属粉末材料などの材料を層ごとに固化させて物体を生成する。粉末層は、粉末床を下降させるべく構築プラットフォームを下降させ、下降された粉末床に隣接して粉末の山を堆積し、そして層を形成するべく、粉末床の粉末の山をワイパーで（片側からもう一方の側に）広げることにより、構築スリーブに含まれている粉末床全体に亘って形成される。形成されるべき加工物の断面に対応する粉末層の部分は、その後、これらの領域にビームを照射することにより固化される。ビームは、粉末を溶融または焼結して固化層を形成する。層を選択的に固化した後、粉末層は新たに固化された層の厚さ分だけ下降され、必要に応じて、表面に粉末のさらなる層が広げられ、そして固化される。そのようなデバイスの例は、特許文献１（米国特許第６０４２７７４号）に開示されている。特許文献１に開示されている構築プラットフォームは、銅管の蛇行ループで形成された冷却導管を備えている。構築プラットフォームは、構築プロセス全体中において冷却される。構築プラットフォームの縁部と容器の内壁との間の隙間は、構築プラットフォームの外縁部を囲む柔軟なシール用リップによってシールされている。
【０００３】
特許文献２（米国特許公開第２００４/００５６０２２号）は、構築プラットフォームに配置されるか、構築プラットフォームの表面に一体化される加熱プレートを開示している。加熱プレートは、加熱中に少なくとも５００℃の温度に達するように設計され、断熱層によって構築プラットフォームから断熱されている。加熱プレートは、側壁から離れて配置されている。熱い構成要素と構築チャンバの側壁との間の断熱は、広げられた粉末の熱伝導率は非常に低いので、周囲の粉末によって想定される。このデバイスによれば、構築プロセス中に金属構成要素が５００℃を超える温度に維持されるので、構成要素における張力や割れの危険性が軽減される。
【０００４】
特許文献２（米国特許公開第２００４/００５６０２２号）の加熱システムに伴う問題は、構築プラットフォームと側壁との間の隙間をシールするために使用されるシールが変形し、高い構築温度下では、機能しなくなる可能性があることである。さらに、構築の終わりに、ユーザーは、粉末床融合機械から構成要素を分解して取り外す前に、粉末床と構成要素が冷えるのを待たなければならない。高温度構築を実行する場合、冷却プロセスには数時間かかる場合があり得る。
【０００５】
特許文献３（米国特許公開第２００７/００２３９７７号）は、３００℃から５００℃の間の動作温度まで加熱できる加熱プレートを備える装置を開示している。構築プラットフォームは、構築プラットフォーム全体に亘って横方向に延びる冷却通路を有している。少なくとも１つの入口開口部が、構築チャンバの周囲壁に設けられている。周囲の空気が、入口開口部から構築チャンバに供給される。構築チャンバはまた、排出ラインに接続された少なくとも1つの出口開口部も備えている。
【０００６】
構築の完了後、キャリアは冷却位置に下降され、そこでは、構築プラットフォームの冷却通路が、構築チャンバの周囲壁における入口開口部および出口開口部と位置合わせされる。体積流量が冷却通路を通って流れ、それによって少なくとも構築プラットフォームを冷却する。冷却は、パルス吸引流の影響を受ける場合があり得る。さらに、特許文献３は、構築チャンバの周囲壁に隣接して、または構築チャンバの周囲壁に、冷却通路または冷却ホースを設けることも可能であり、これらの冷却通路または冷却ホースが構築チャンバ、成形された本体、およびキャリアの冷却に貢献することも開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６０４２７７４号
【特許文献２】米国特許公開第２００４/００５６０２２号
【特許文献３】米国特許公開第２００７/００２３９７７号
【特許文献４】国際公開第２０１０/００７３９４号
【特許文献５】国際公開第２０１６／０７９４９４号
【特許文献６】独国特許公開第１０２０１３１０８０１４号
【特許文献７】国際公開第２０１６／０５５５２３号
【特許文献８】米国特許公開第２０１３／０３０９４２０号
【特許文献９】国際公開第２０１６／０５１１６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのようなデバイスに伴う問題は、通路またはホースを介して、構築チャンバ、成形された本体、およびキャリアを空冷するのに時間がかかる可能性があることである。さらに、構築プラットフォームと構築チャンバの周壁との間の隙間をシールするために使用されるシールは、５００℃を超えるような高い構築温度では変形して破損する可能性があり得ることである。
【０００９】
より高温の構築を実行する場合、構築表面を囲む不活性雰囲気に残っている酸素で、構成要素が酸化される蓋然性が高くなる。したがって、そのような構築を非常に低い酸素雰囲気で実行することが望ましい。しかし、高温下でのシールの変形および／または破損により、構築表面を取り巻く空間に空気が入り込み、不活性雰囲気中の酸素含有量が増加し、したがって、構成要素および／または粉末の材料の酸化が増加する。
【００１０】
特許文献４（国際公開特許第２０１０/００７３９４号）は、不活性雰囲気が、構築プラットフォームの上方および下方の両方、すなわち、構築プラットフォームと構築シリンダーとの間に形成されるシールの両側に、維持され得る装置を開示している。構築プラットフォームの上方および下方の両方の雰囲気を同じ圧力に制御することにより、粉末がシールと構築シリンダーのボアの間に自然に押し込まれる問題が軽減され得る。構築プラットフォームの上方および下方の両方で、真空または減圧雰囲気が形成され得る。使用中、構築プラットフォームの上方および下方の両方の大気は脱気されて大まかな真空になり、一旦、大気が脱気されると、チャンバはアルゴンで埋め戻される。このような不活性雰囲気の形成方法は、最初に真空または減圧雰囲気を形成せずに不活性ガスでチャンバをフラッシュすることにより不活性雰囲気を形成する方法よりも、構築の開始時に、より低い酸素レベルを達成できる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置が提供され、この装置は、構築スリーブ、粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、および粉末床を囲む構築スリーブの一部を冷却または加熱するための熱伝達液を輸送する、構築スリーブに組み込まれた少なくとも1つのチャンネルを備えている。
【００１２】
熱伝達液を使用することにより、気体を伝熱流体として使用する場合よりも、粉末床および物体のより速い冷却または加熱を実現できる。さらに、構築スリーブにチャンネルを設けることにより、粉末床および構成要素を、構築プラットフォームを介して冷却または加熱しようとする場合と比較して、粉末床への粉末床からの迅速な熱伝達が、構築スリーブの周囲の壁の比較的大きな表面積にわたって、実現できる。
【００１３】
装置は、熱伝達液の再循環のための回路を備えてもよく、回路は、少なくとも1つのチャンネルと、熱伝達液が少なくとも1つのチャンネルを流れる前に熱伝達液を冷却および／または加熱する熱交換器または冷却器とを含んでいる。
【００１４】
装置は、回路の動作を制御するコントローラを備えてもよい。コントローラは、回路の動作を制御して、構築の完了後に構築スリーブの一部を冷却または加熱して、物体および粉末床の冷却速度を制御するように構成されてもよい。コントローラは、構築の完了後に粉末床と物体を能動的に冷却するために回路の動作を制御するように構成されてもよい。これにより、構築が完了してから、物体を粉末床から取り出して装置から取り外すことができるようになるまでの時間が短縮される。コントローラは、物体の構築中に、構築スリーブの一部が冷却または加熱されるように、回路を制御するように構成されてもよい。構築中の構築スリーブの冷却は、レーザーおよび／または加熱プレートなどの予熱機構による粉末床の加熱による構築スリーブの変形を低減し、結果として生じる構築スリーブと構築プラットフォームとの隙間からの粉末の漏洩および／または大気の漏洩を低減する。コントローラは、回路の動作を制御して、構築中に構築スリーブの一部を冷却するように構成されてもよい。
【００１５】
装置は、構築プラットフォームと構築スリーブとの間の隙間をシールするシールを備えてもよい。シールは、構築プラットフォームの下方の雰囲気（ガス）が構築プラットフォームと構築スリーブとの間の隙間を通過するのを防ぐガス／気密のシールを備えてもよい。ガス／気密のシールは、加熱機構により粉末が予熱される（高エネルギービームへの暴露により溶融/焼結される前の粉末の加熱）バルク温度よりも低い動作温度を有し得る。このようなガス／気密のシールの変形は、構築中および選択肢としての構築後に、構築スリーブを冷却することにより防止され得る。
【００１６】
代替的に、シールは、粉末が隙間を通過して構築プラットフォームの下方まで移動するのを防ぐべく、隙間をシールする非ガス／非気密のシールであってもよく、装置は、構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性雰囲気を維持する構築チャンバを備えている。構築チャンバは、参照により本明細書に組み込まれる特許文献４に記載されているものであってもよい。したがって、構築チャンバは、真空を保持できる可能性がある。装置は、真空ポンプなどの、構築プラットフォームの上方および下方の両方で構築チャンバ内に真空を形成する手段を備えてもよい。「真空を保持する」とは、（大気圧に対して）-500ミリバール以下またはさらにより好ましくは、-900ミリバール以下の圧力などの負圧が、構築チャンバ全体に形成できる（単に、構築チャンバのある場所で減圧を発生させ、別の場所で正圧とバランスをとる吸引ではない）ことを意味することが理解されよう。
【００１７】
シールは、不活性雰囲気において５００℃を超える動作温度を有してもよい。動作温度は、１０００℃を超えてもよく、より好ましくは２０００℃を超え、さらにより好ましくは３０００℃を超えてもよい。シールは、カーボンフェルト、例えばグラファイトフェルト、特にPANベースのグラファイトフェルトなどのカーボンベースのシールであってもよい。あるいは、カーボンベースのシールはスチールシールまたは超合金である。この方法では、シールは高温の構築によって歪むことはなく、シールを通過して漏れるガスは、構築プラットフォームの上方および下方で維持される雰囲気の不活性ガスである。そのような高い動作温度を達成するために、粉末床融合装置は、構築プラットフォームに組み込まれたまたは配置された加熱プレートを備えてもよい。加熱プレートは、構築プラットフォームを５００℃を超えて加熱するように構成され得る。本発明の第２の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブ、粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、構築プラットフォームまたは構築スリーブ内に一体化、または構築プラットフォームまたは構築スリーブ上に配置された加熱素子、構築プラットフォームと構築スリーブの間の隙間をシールして、粉末が隙間を通過するのを防止するシール、および構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性雰囲気を維持する構築チャンバを備える粉末床融合装置が提供される。
【００１８】
このように、プラットフォームの下方から上方にまで通過するガスは不活性ガスであるので、シールはガス／気密のシールである必要はなく、粉末シールである必要もない。通常、動作温度が５００℃を超えるシールは、ガス／気密のシールをもたらさない。シールの動作温度は１０００℃を超え、より好ましくは２０００℃を超え、さらにより好ましくは３０００℃を超えてもよい。シールは、カーボンフェルト、例えばグラファイトフェルト、そして特にPANベースのグラファイトフェルトまたはスチールなどのカーボンベースのシールであってもよい。この方法では、シールは高温の構築によって歪むことはなく、シールを通過して漏れるガスは構築プラットフォームの上方および下方で維持される雰囲気の不活性ガスである。
【００１９】
構築チャンバは、参照により本明細書に組み込まれる特許文献４(国際公開第２０１０/００７３９４Ａ１号)に記載されているようなものであってもよい。
【００２０】
粉末床融合装置は、冷却された不活性ガスを生成し、構築チャンバに導入して、構築スリーブを冷却する冷却器を備えてもよい。冷却された不活性ガスはまた、構築プラットフォームの下面を冷却するために導入されてもよい。構築プラットフォームを下降させるためのエレベータ機構が、構築チャンバの下方の領域に配置され、そして冷却された不活性ガスがエレベータ機構を冷却するべく導入される。構築チャンバは、構築プラットフォームの上方に不活性雰囲気を維持する上方のチャンバと、構築プラットフォームの下方に不活性雰囲気を維持する下方のチャンバと、下方のチャンバ内に延びる構築スリーブと、冷却ガスを下方のチャンバ内に導入するべく配列された冷却装置を備えてもよい。エレベータ機構は、下方のチャンバ内に配置されてもよい。
【００２１】
冷却装置は、構築チャンバを通してガスを再循環させるためのガス回路の一部であってもよい。
【００２２】
装置は、構築プラットフォームの移動を駆動する駆動装置であって、構築チャンバ内、好ましくは下方のチャンバ内に配置された駆動装置、および冷却された不活性ガスを駆動装置に向けるガスノズルを備えてもよい。本発明の第３の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブ、粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、および構築スリーブを能動的に冷却する冷却機構であって、物体の構築中に起動されるべく配列されている冷却機構、を備えている粉末床融合装置が提供される。
【００２３】
構築中の構築スリーブの冷却は、構築スリーブの不要な歪みを引き起こす加熱を低減または排除し得る。
【００２４】
本発明の第４の態様によれば、本発明の第１の態様による粉末床融合装置を使用して、層ごとに物体を製造する方法が提供され、この方法は、構築スリーブを冷却または加熱するために少なくとも1つのチャンネルを通して熱伝達液を再循環させることを備えている。この方法は、物体の構築中に少なくとも１つのチャンネルを通して熱伝達液を再循環させることを備えていてもよい。この方法は、物体の構築が完了した後、少なくとも１つのチャンネルを通して熱伝達液を再循環させることを備えることができる。
【００２５】
本発明の第５の態様によれば、本発明の第２の態様による粉末床融合装置を使用して、層ごとに物体を製造する方法が提供され、この方法は、構築スリーブを冷却するために、冷却された不活性ガスを生成して構築チャンバに導入することを備える。この方法は、物体の構築中に冷却された不活性ガスを生成して構築チャンバに導入することを備えてもよい。この方法は、物体の構築の完了後に、冷却された不活性ガスを生成し、構築チャンバに導入することを備えることができる。
【００２６】
本発明の第６の態様によれば、構築スリーブ、粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームを備える粉末床融合装置を使用して、物体を層ごとに製造する方法が提供され、この方法は、物体の構築中に冷却流体で構築スリーブを冷却することを備える。本発明の第７の態様によれば、構築スリーブと、粉末を支持するために構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備える、物体が層ごとに造形される粉末床融合装置が提供され、ここで、構築スリーブは、耐火金属またはその合金および多結晶セラミックの1つ以上で作られた壁を備えている。
【００２７】
耐火金属は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウムである。その合金は、８００℃、１０００℃、最も好ましくは１２００℃を超える最高動作温度（ＡＳＴＭＥ２１−１７に記載されている標準試験方法を使用して決定される）を備え得る。合金は、耐火金属を備えるオーステナイト合金であってもよい。そのような合金の例には、鋼種400C、316および317が含まれる。
【００２８】
このように、構築スリーブの壁は、タングステン、炭化ケイ素、超合金、およびセラミック（これらの材料は、非常に高い融点温度を有している）のような耐火金属などの特定の材料の処理に必要な非常に高い温度に著しい歪みまたは亀裂なしで耐えることができる。これらの材料は、構築スリーブ壁がそのような高温下で動作可能であるようにするために、８００℃以上、１０００℃以上、または１２００℃以上などの高温への粉末床の予熱の恩恵を受ける場合がある。これらの材料を亀裂のない方法で処理するために、粉末をそのような高温に予熱することが望ましい場合がある。粉末床は、構築プラットフォームおよび／または構築スリーブ内に含まれている加熱素子、たとえば抵抗ヒータ、マイクロ波エミッタ、赤外線ヒータ、および／またはレーザービームなどの高エネルギービームを使用して、このような高温に予熱されてもよい。
【００２９】
構築スリーブは、粉末床に接触している壁の内向きの表面が、耐火金属またはその合金および多結晶セラミックの１つ以上で作られるように配列されてもよい。構築スリーブの壁の外向きの表面は、絶縁材料などの他の材料で囲まれていてもよい。本発明の第８の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置が提供され、この装置は、構築スリーブと、粉末床と加熱素子を支持するために構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備え、構築スリーブの壁は多結晶セラミックなどのセラミックであり、加熱素子は壁に埋め込まれた抵抗ヒータである。構築スリーブのセラミック壁の外側からではなく内側から粉末を加熱することにより、粉末床融合装置の他の構成要素の望ましくない加熱を減らすことができる。粉末床融合装置の他の構成要素は、加熱素子を使用して粉末床が加熱される温度で動作しない場合がある。
【００３０】
加熱素子は、構築プラットフォームが構築スリーブ内で下降されるとき連続的に活性化されるべく配列された複数の加熱素子を備えてもよい。このようにして、構築スリーブに囲まれた容積に対して、その容積が粉末を含んでいる場合にのみ加熱が提供されてもよい。
【００３１】
セラミック壁は、クーラントの通過または部分真空または近真空（near-vacuum）の維持のための内部冷却チャンネルを備えてもよい。構築スリーブは、構築後、粉末床および／または物体を、粉末の回収および／または物体の除去を許容するのに十分に低い温度にまで冷ますべく冷却されてもよい。セラミックは、ジルコニア、アルミナまたは窒化ケイ素であってもよい。
【００３２】
本発明の第９の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブと、粉末床および構築スリーブ内に含まれる粉末を加熱するマイクロ波／電波エミッタを支持する、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームとを備え、マイクロ波／電波エミッタは、構築スリーブを介してマイクロ波／電波を粉末床に送信するべく配置されている粉末床融合装置が提供される。構築スリーブを通して粉末を加熱するためにマイクロ波を使用することは、エネルギーが所望の場所（粉末床）に向けられ、粉末床の深さ全体に向けられるので有利であるかもしれない。適切な材料の選択とマイクロ波遮蔽体とにより、マイクロ波による他の構成要素の不要な加熱は回避され得る。
【００３３】
構築スリーブは、マイクロ波／電波を透過する材料でできており、５００℃を超える、より好ましくは８００℃を超える、さらにより好ましくは１０００℃を超える、最も好ましくは１２００℃以上の温度に耐えることができる。材料は非金属であってもよく、好ましくはセラミックである。セラミックは、ジルコニア、アルミナまたは窒化ケイ素などの多結晶セラミックであってもよい。
【００３４】
マイクロ波／電波エミッタは、構築プラットフォームが構築スリーブ内で下降されるときに、連続的に活性化されるべく配列された複数のマイクロ波／電波エミッタを備えてもよい。このようにして、構築スリーブによって囲まれている容積が粉末を含んでいる場合、その容積にのみ加熱が提供される。
【００３５】
本発明の第１０の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、不活性ガス雰囲気を維持する構築チャンバ、構築チャンバ内に配置された構築スリーブ、および構築チャンバ内で粉末床および粉末床からの熱伝達を遮断する熱障壁を支持する、構築チャンバ内を下降可能な構築プラットフォームを備え、熱障壁は、構築チャンバが不活性ガスで満たされたとき、少なくとも部分真空または近真空を維持するようにその中に配置された真空チャンバを備える粉末床融合装置が提供される。
【００３６】
真空チャンバ内の部分真空または近真空は、伝導または対流によって障壁を横切る熱伝達を低減する。真空チャンバは、粉末床から放射される熱を反射する反射コーティングを備えていてもよい。
【００３７】
構築スリーブは、真空チャンバを備えるか、または真空チャンバに囲まれていてもよい。真空チャンバは、粉末床／構築スリーブ内に熱を閉じ込める働きをする。
【００３８】
代わりに、真空チャンバは、粉末床に亘って粉末を広げるワイパーを駆動する機構、レーザービームが構築チャンバに入るのを許容する構築チャンバのウィンドウ、および構築プラットフォームの移動を駆動する駆動装置の1つ以上のような、構築チャンバ内または上に配置される加熱部品から、および粉末床から発される熱を遮断する熱障壁を提供し得る。粉末床融合装置は、真空ポンプおよび脱気バルブなどの構築チャンバ内に部分真空または近真空を形成する手段、および構築チャンバに不活性ガスを供給する入口を備えてもよく、そして真空チャンバは、真空チャンバを構築チャンバ内の雰囲気に接続し、且つ真空チャンバを構築チャンバ内の雰囲気から隔離するバルブを備えてもよい。粉末床融合装置は、部分真空または近真空の形成中に真空チャンバが構築チャンバの雰囲気に接続されるように、そして構築チャンバの不活性ガスでの埋め戻し中に真空チャンバを構築チャンバから隔離するようにバルブを制御するべく構成されたコントローラを備えてもよい。このようにして、粉末の融合は、構築スリーブに包含されている粉末床からの伝導または対流による熱伝達を減らすべく、真空チャンバ内に真空を維持しながら、不活性ガス雰囲気で実施されてもよい。
【００３９】
コントローラは、物体の構築が完了すると、真空チャンバを不活性ガスで満たすべく、真空チャンバが構築チャンバ内の不活性ガス雰囲気に接続されるように、バルブを制御するべく、さらに構成されてもよい。粉末床融合装置は、入口を介して構築チャンバに供給される不活性ガスを冷却する冷却器を備えてもよい。真空チャンバは、物体の構築の完了時に、真空チャンバを通る不活性ガス、特に冷却された不活性ガスの循環のためにそれぞれのバルブによって制御される入口および出口を備えてもよい。このようにして、粉末床および／または物体の冷却を促進するために、構築の終わりに、真空の隔たりが除去される。本発明の第１１の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、構築スリーブ、粉末層を支持するために構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、および構築プラットフォームの動きを駆動するリニアアクチュエータを備え、構築プラットフォームは、構築プラットフォームおよび構築スリーブからのリニアアクチュエータのシャフトへの熱の伝達に対する熱障壁を提供するべく、シャフトの少なくとも上方部分を取り囲む断熱スリーブを介してシャフトに接続されている粉末床融合装置が提供される。
【００４０】
粉末床を加熱すると、構築プラットフォームと構築スリーブが加熱される場合がある。断熱スリーブは、リニアアクチュエータのシャフトの加熱を減らし、シャフトの熱膨張による構築プラットフォームの位置決めの不正確さを減らす。
【００４１】
断熱スリーブは、断熱スリーブを能動的に冷却する手段を備えてもよい。例えば、手段は、クーラント、特に水または油などの液体クーラントを受け入れるための断熱スリーブ内の内部冷却チャンネルを備えてもよい。あるいは、内部チャンネルは、部分真空または近真空を維持するために配列されてもよい。
【００４２】
構築プラットフォームは、断熱スリーブに取り付けられてもよい。冷却チャンネルは、構築プラットフォームをリニアアクチュエータのシャフトから分離している断熱スリーブの区域を通過してもよい。このようにして、冷却チャンネルは、断熱スリーブを介して構築プラットフォームからシャフトへの熱の伝達を低減または防止する断熱層として機能する。断熱スリーブは、構築プラットフォームが取り付けられる上方の取り付け部材と、シャフトが接続される中間の取り付け部材とを備えてもよく、中間の取り付け部材は、上方の取り付け部材から両者間に（ガスまたは真空）の隔たりが存するように、空間的に離間されている。この方法では、構築プラットフォームからシャフトへの熱伝導の直接的なルートは存在しない。上方の取り付け部材は、一端部で断熱スリーブを閉じてもよい。中間の取り付け部材は、ガスを包含する隙間の場合、ウェブ状構造を備えるか、または上方の取り付け部材と中間の取り付け部材との間の真空を維持する閉鎖チャンバの下方の壁を形成してもよい。
【００４３】
構築プラットフォームは、断熱材および／または点接触体を使用して、断熱スリーブに取り付けることができる。絶縁材料および／または点接触体は、構築プラットフォームからの熱伝導のための断熱層として機能する場合がある。
【００４４】
断熱スリーブは、構築スリーブから空間的に分離されるように寸法決めされてもよい。構築スリーブと断熱スリーブとの間の隙間は、カーボンハードボードなどの断熱材を備えてもよい。断熱スリーブは、構築プラットフォームが構築スリーブの頂部に位置されるときに、断熱スリーブは構築スリーブの底部まで、または底部の下方まで延びるように、シャフトの長手方向にある程度の広がりを有してもよい。
【００４５】
断熱スリーブは、例えば１０×１０-6ｍ/ｍＫ未満、好ましくは８×１０-6ｍ/ｍＫ未満、最も好ましくは４×１０-6ｍ/ｍＫ未満などの低熱膨張係数を有する材料で作られてもよい。
【００４６】
構築プラットフォームは、構築プラットフォームと構築スリーブとの間の隙間をシールして、粉末が隙間を通過するのを防ぐためのシールを担持してもよい。
【００４７】
本発明の第１２の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、不活性雰囲気を維持する構築チャンバ、当該構築チャンバ内に配置された構築スリーブ、粉末床を支持する、前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、前記粉末床、前記構築チャンバ内またはその上に配置された加熱素子から発せられる熱を遮断する、前記構築チャンバ内および前記粉末床の上に配置される熱障壁、および、当該熱障壁を能動的に冷却する冷却システムを備える粉末床融合装置が提供される。
【００４８】
８００℃または１０００℃を超える高温に加熱された粉末床の場合、粉末床融合装置の構成要素の望ましくない加熱により、構成要素の動作が不十分になったり、構成要素が故障したりする可能性があり得る。能動的に冷却される熱障壁を設けることにより、これらの構成要素がそのような望ましくない加熱から保護される。
【００４９】
構成要素は、粉末を粉末床に亘り広げるためのワイパーを駆動する機構、レーザービームが構築チャンバに入るのを許容する構築チャンバの光学ウィンドウおよび／または屋根の１つ以上を備えてもよい。
【００５０】
熱障壁は固体を備える。熱障壁は、冷却システムによって冷却されるクーラントを受け入れるための内部冷却チャンネルを備えてもよい。クーラントは、水や油などの液体、または空気やアルゴンや窒素などの不活性ガスなどの気体であってもよい。
【００５１】
熱障壁は、構築チャンバに導入される冷却された不活性ガスによって冷却されてもよい。構築チャンバは、粉末床から遠位の熱障壁の側で、冷却された不活性ガスを構築チャンバに供給する入口を備えてもよい。熱障壁は、冷却された不活性ガスがそこを通って流れることができるように、その中に開口を備えてもよい。熱障壁は、ウィンドウを備える構築チャンバの領域を、粉末床を収容する構築チャンバの領域から分離してもよい。
【００５２】
熱障壁は、ワイパーを駆動する機構を収容する構築チャンバの領域を、粉末床を収容する構築チャンバの領域から分離することができる。本発明の第１３の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、不活性雰囲気を維持する構築チャンバ、当該構築チャンバ内に配置された構築スリーブ、粉末床を支持する、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、および前記粉末床に亘って粉末を広げるワイパー機構を備え、当該ワイパー機構は、セラミックワイパーを配置するアームを備え、当該アームは、前記セラミックワイパーの熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する金属材料で作られている粉末床融合装置が提供される。セラミックワイパーは、粉末床が高温に加熱される用途には必要である。その長さに沿って均一な断面形状を有するセラミックワイパーは、製造するのにそれほど難しくはない。しかしながら、同じセラミックから、より複雑な形状のアームを製造することは困難である。したがって、金属からのアームの製造、例えば機械加工または積層造形製法により、製造が簡単になる。セラミックワイパーの熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する金属を選択することにより、構築中の熱膨張差に起因する応力が回避される。
【００５３】
上記で使用された「実質的に一致する」という用語は、２つの材料の熱膨張係数が互いに±３×１０６ｍ/ｍＫ以内であることを意味すると理解されるであろう。
【００５４】
アームの金属材料は、１０×１０-6ｍ/ｍＫ未満、好ましくは８×１０-6ｍ/ｍＫ未満、最も好ましくは４×１０-6ｍ/ｍＫ未満の熱膨張係数を有してもよい。このようにして、物体の構築中にアームを加熱しても、ワイパーブレードの位置はほとんど変化しない。
【００５５】
セラミックワイパーはアルミナで作られ、金属アームはチタンで作られる。
【００５６】
本発明の第１４の態様によれば、粉末床融合装置の主構築スリーブへ挿入するモジュールであって、当該モジュールは、主構築スリーブの固定位置に取り付け可能なフレームを備え、当該フレームは二次構築スリーブを画定し、粉末床および前記二次構築スリーブ内の前記粉末床を加熱する加熱素子を支持する二次構築プラットフォームが、前記二次構築スリーブ内で可動であるモジュールが提供される。
【００５７】
加熱素子は、二次構築スリーブおよび／または二次構築プラットフォーム内に配置されてもよい。
【００５８】
二次構築スリーブは、本発明の第７の態様に従う、材料で作られた壁を備えてもよい。
【００５９】
加熱素子は、二次構築スリーブ内に含まれる粉末を加熱するマイクロ波／電波エミッタを備えてもよく、マイクロ波／電波エミッタは、本発明の第８の態様に従うように、二次構築スリーブを介してマイクロ波／電波を粉末床に送信するように配置されている。
【００６０】
モジュールは、粉末床からの熱伝達を遮断する熱障壁を備えてもよく、熱障壁は、本発明の第９の態様に従い、構築チャンバが不活性ガスで満たされたときに、少なくとも部分真空または近真空を維持するように配置された真空チャンバを備えている。
【００６１】
装置は、二次構築プラットフォームを主構築プラットフォームに共に移動可能にするように接続する、二次構築プラットフォームから延びる接続部材であって、二次構築プラットフォームから主構築プラットフォームへの熱伝達を低減する熱障壁を備える接続部材を備えてもよい。熱障壁は、本発明の第１０の態様に関して説明されたものに従ってもよい。モジュールは、二次構築スリーブ内の粉末床からの熱伝達を遮断する熱障壁と、熱障壁を能動的に冷却する冷却システムを備えてもよい。
【００６２】
モジュールは、粉末床融合プロセスの属性を感知するセンサを備えてもよい。センサは温度センサおよび／または音響センサでもよい。
【００６３】
本発明の第１５の態様によれば、本発明の第１４の態様によるモジュールを粉末床融合装置に後付けする方法が提供され、この方法は、当該モジュールを前記粉末床融合装置の主構築スリーブ内に配置し、そして加熱素子を電源に接続することを備える。
【００６４】
典型的には、従来の粉末床融合装置は、主構築スリーブおよび主構築プラットフォームによって画定される構築容積への電気的および／または冷却流体接続を提供しない。したがって、粉末床融合装置にモジュールを後付けするには、電源への電気接続、および必要に応じてクーラントへの接続を提供する必要がある。この方法は、電源への電気接続、および必要に応じてクーラントの供給源への接続が、供給されるチャンネルを構築スリーブに形成することを含んでもよい。チャンネルは、主構築スリーブを囲む頂部プレートにまで延長することができる。あるいは、チャンネルが、電源への電気接続および／またはクーラントへの接続が頂部プレートの下方の主構築スリーブから出るように形成されてもよい。このようにして、電気接続と、もしあれば、クーラント接続とは、頂部プレートおよび粉末床上の粉末の広がりなど、粉末床融合装置の通常の動作を妨げず、粉末が加熱される高温度から断熱され得る。
【００６５】
この方法は、挿入物を粉末床融合チャンバの構築チャンバに取り付けて、挿入物と構築チャンバの内壁との間にプレナム（plenum）チャンバを形成し、そしてプレナムチャンバに供給される不活性ガスを冷却する冷却器を接続することをさらに含んでもよい。挿入物は、構築チャンバへのウィンドウと粉末床との間に位置するように配列されてもよく、そしてレーザービームが粉末床に向けられることを許容する二次ウィンドウを備えてもよい。挿入物は、冷却された不活性ガスがプレナムチャンバから挿入物と粉末床との間の空間に通過することを許容する開口を備えてもよい。
【００６６】
本発明の第１６の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、この装置は、粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォーム、粉末が前記構築プラットフォームと前記構築スリーブとの間の隙間を通過するのを防ぐため当該隙間をシールするシール、前記構築プラットフォームの上方及び下方で不活性ガス雰囲気を維持するための構築チャンバ、入口および出口を介して前記構築チャンバに接続された不活性ガス回路、および前記不活性ガス回路が冷却された不活性ガスを前記構築チャンバに供給するように、前記不活性ガス回路を通る輸送中に不活性ガスを冷却する冷却器、を備え、前記入口は、冷却された不活性ガスを前記構築プラットフォームの下方、および／または前記構築スリーブの周りの領域に供給するべく、前記構築チャンバ内に配置されている粉末床融合装置が提供される。
【００６７】
構築チャンバは、粉末床の作業面を囲むように配列された上方の構築チャンバと、構築プラットフォームの下面に接触する不活性ガス雰囲気を収容する下方のチャンバとを備えてもよく、不活性ガス回路の構築チャンバへの入口が冷却された不活性ガスを下方のチャンバに供給する。上方の構築チャンバは、粉末とガス中の粒子が下方のチャンバに入らないようにするために、粉末と積層造形プロセス中に生成されたガス中の粒子を閉じ込めてもよい。上方の構築チャンバ内の不活性ガスは粉末床の作業面に接触し、下方のチャンバ内の不活性ガスは構築プラットフォームの下面に接触する場合がある。ガス接続が、上方の構築チャンバと下方のチャンバのガス圧を等しくするために、設けられてもよい。
【００６８】
構築スリーブは、下方のチャンバと、構築スリーブの外面を冷却するべく冷却された不活性ガスを配送するように配置された入口とに延びていてもよい。構築スリーブの外面は、構築スリーブの冷却を支援する冷却羽根（vane）を備えてもよい。構築プラットフォームの移動を駆動するリニアアクチュエータは、構築チャンバ内、好ましくは下方のチャンバ内に配置されてもよい。ガス入口は、リニアアクチュエータを冷却するべく、冷却された不活性ガスを配送するために配置されてもよい。
【００６９】
冷却された不活性ガスの導入は、1つ以上の加熱素子を使用した粉末床の予熱、および／または1つ以上のレーザービームを使用した粉末床の選択された領域の固化によって発生された熱によって引き起こされる構築チャンバ内の不活性雰囲気の加熱に対抗する。特に、マルチレーザービームシステムおよび／または５００W以上のレーザービームなどの１つ以上の高出力レーザービームを使用するシステムでは、粉末床に供給されるエネルギー量が構築チャンバ内部で過度の加熱と構築の結果的な失敗とを引き起こす可能性がある。不活性ガス雰囲気の冷却は、そのような失敗を防止する。本発明の第１７の態様によれば、物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームと、粉末が前記構築プラットフォームと前記構築スリーブとの間の隙間を通過するのを防止するべく当該隙間をシールするシールと、前記構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性ガス雰囲気を維持する構築チャンバとを備える粉末床融合装置の温度を制御する方法であって、1つ以上の物体の構築中に、前記構築プラットフォームの下方および／または前記構築スリーブの周りの不活性ガス雰囲気を冷却するべく、前記構築チャンバに冷却された不活性ガスを供給することを備える方法が提供される。
【００７０】
この方法は、不活性ガス回路を使用して、不活性ガスを、構築チャンバを通して再循環させ、不活性ガス回路を通る輸送中に不活性ガスを冷却することを備えることができる。このようにして、加熱された不活性ガスは、構築チャンバから除去され、再使用／再循環による不活性ガスの消費を制限しながら、より冷たい不活性ガスに置き換えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による粉末床融合装置の部分破断斜視図である。
【図２】図２は、図１に示される粉末床融合装置の構築スリーブの斜視図である。
【図３】図３は、図１に示される粉末床融合装置の構築プラットフォームの斜視図であり、点線は加熱素子を示している。
【図４】図４は、シールの組み立てを示している構築プラットフォームの斜視図である。
【図５】図５は、図３に示されるす構築プラットフォームの切り欠き図である
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態による粉末床融合装置のガス回路の概略図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態による粉末床融合装置の構築スリーブの斜視図である。
【図８】図８は、マイクロ波加熱器を備える本発明の第３の実施形態による粉末床融合装置の構築スリーブの斜視図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態による粉末床融合装置の下方部分の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の第５の実施形態による粉末床融合装置の下方部分の概略図である。
【図１１】図１１は、図１乃至図１０を参照して説明された下方部分のいずれと共にも使用され得る粉末床融合装置の上方部分の概略図である。
【図１２】図１２は、上述のような、より高温の粉末床融合装置で使用する、本発明の実施形態によるリコーターの側面図を示す。
【図１３】図１３は、粉末床融合装置の構築容積内に取り外し可能に配置可能なモジュールであり、モジュールは加熱構築プラットフォームおよび加熱構築スリーブ壁を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
図１から図４を参照すると、本発明の実施形態による粉末床融合装置２２３は、外部環境からシールされ得る構築チャンバ２０２を備えている。構築チャンバ２０２は、頂部プレート２１５と、構築スリーブ２９０のボア２９９内で往復運動可能な構築プラットフォーム２３０とにより、上方の処理チャンバ２２０と下方のチャンバ２００とに分割されている。構築プラットフォーム２３０は、下方のチャンバ２００に配置されたエレベータ機構（図示せず）によって動かされる。構築プラットフォーム２３０は、粉末が下方のチャンバ２００に流出するのを防ぐべく、構築スリーブ２９０のボア２９９にシール可能に係合されている。これは、構築スリーブ２９０のボア２９９と物理的に係合する、構築プラットフォーム230の縁部に関連付けられたシール２０９、２１０、２１１（図４を参照）によって達成される。プレート２１５、構築スリーブ２９０、構築プラットフォーム２３０、および関連するシール２０９、２１０、２１１は、粉末が処理チャンバ２２０内に残り、下方のチャンバ２００に移動しないように、粉末に対するバリアを形成するように機能する。処理チャンバ２２０は、三次元物体を形成することができる構築表面２３５を取り囲んでいる。処理チャンバ２２０は、構築表面２３５上に粉末の層を広げるためのワイパー２３９を収容している。高出力レーザービームのための処理チャンバ２２０への光学的アクセスは、ウィンドウ225を介して提供される。高出力のレーザービームは、連続する粉末層を固化するべく、構築表面２３５上を走査するためにウィンドウ２２５を通して導かれることができる。この実施形態では、構築表面２３５は、構築プラットフォーム２３０によって支持される構築基板プレート２３６によって提供され、使用中、構築プラットフォーム２３０は、層ごとに形成される物体を収容するために下降される。処理チャンバ２２０は、構築プラットフォーム２３０の真上の雰囲気の制御を可能にし、構築プラットフォーム２３０が下降しても、構築プラットフォーム２３０の上面は処理チャンバ２２０の雰囲気にさらされる。構築チャンバ２０２は、（大気圧に対して）少なくとも−９５０ミリバールまでの真空を保持することができる。
【００７３】
下方のチャンバ２００は、構築プラットフォーム２３０の下方の雰囲気が制御されることを可能にし、構築プラットフォーム２３０が下降されても、構築プラットフォーム２３０の下面は下方のチャンバ２００の雰囲気にさらされる。上方および下方のチャンバ２２０、２００は、各チャンバ内の圧力を等しくすることを可能にする開口部（図示せず）を介して互いに結合されている。好ましくは、粉末および「すす」が下方のチャンバに入るのを防ぐべく、開口部内にフィルターが存する。この構成は、構築プラットフォーム２３０のすぐ上方および下方の圧力が同じレベルに維持され得るという利点を提供する。構築プラットフォーム２３０の上方および下方の圧力は、構築中に真空圧に、または構築中に１０ミリバール（大気圧に対して）などの超大気圧（super-atmospheric pressure）に維持されてもよい。そのような超大気圧は、注入口２４５を介して、アルゴンまたは窒素などの不活性ガスで構築チャンバ２０２を埋め戻すことによって達成され得る。
【００７４】
構築チャンバ２０２は、構築プラットフォーム２３０を横切って処理チャンバ２２０を通るガス流を生成するガスノズル開口部２４０およびガス排出開口部２４１を備えている。ガスの流れは、レーザーでの粉末の溶融によって創成された凝縮液を構築エリアから離れて運ぶガスナイフとして機能する。装置は、ウィンドウ２２５を横切るガス流を生成するさらなるガスノズル２４４（図６参照）を備えている。このガスの流れは、ウィンドウ２２５を通して送達されるレーザービームの品質に影響を及ぼす可能性がある、凝縮物がウィンドウ２２５に集まるのを防ぐ。
【００７５】
不活性雰囲気およびガスナイフを形成するガス流れの回路は、特許文献５(国際公開第２０１６／０７９４９４号）に記載されている通りであってもよい。図６に示されるように、出口１４３、バルブＶ−１８および真空ポンプＥ−１を使用して、処理チャンバ２２０および下方のチャンバ２００の両方に真空を形成することができる。
【００７６】
図２を参照するに、構築スリーブ２９０は、互いに固定された４つの壁２９０ａ、２９０ｂ、２９０ｃ、２９０ｄで形成された正方形断面を有する。各壁２９０ａ、２９０ｂ、２９０ｃ、２９０ｄには、冷却チャンネル２２８、２２９が組み込まれている。各壁２９０ａ、２９０ｂ、２９０ｃ、２９０ｄは、従来の真空ろう付け技術を使用して、または従来の機械加工を使用して、チャンネル２２８、２２９を備えて形成されてもよい。各チャンネル２２８、２２９内には、熱伝達流体を運ぶためのチューブ２２１、２２２が取り付けられている。チューブ２２１、２２２は、チャンネル２２８、２２９に圧入されてもよい。チューブは、チューブ２２１、２２２を、チャンネル２２８、２２９および冷却器２３１との間で熱伝達液を輸送するためのホース（図示せず）に接続する一対のコネクタ２１６、２１７、２２６、２２７を備えている。プレート（図２には示されていない）が、チューブ２２１、２２２およびチャンネル２２８、２２９を覆うべく、壁を覆って固定されている。
【００７７】
図３から５を参照するに、構築プラットフォーム２３０は、加熱素子２０１用の内部チャンネルを有する頂部加熱プレート２１９を備えている。加熱プレート２１９は、構築基板プレート２３６がプラットフォーム２３０によって支持されるとき、加熱プレート２０１が効率的な熱伝達を提供するべく構築基板プレート２３６に接触するように配置されている。加熱素子２０１の電気接続部２０３は、構築プラットフォーム２３０の底部を通過している。加熱素子２０１は、クランププレート２１３によって所定の位置に保持され、そしてケイ酸塩および／または繊維セメント材料などの断熱材２０４が、クランププレート、構築プラットフォーム２３０の底部からの熱損失および下方の構築チャンバ２００内の雰囲気の結果的な加熱を制限するべく、加熱プレート２１９およびクランププレート２１３の下方に設けられている。加熱プレート２１９、クランププレート２１３、および断熱材２０４は、適切なハウジング２０５内に収容されている。
【００７８】
冷却プレート２０６は、ハウジング２０５の底部に取り付けられている。冷却プレート２０６は、構築プラットフォーム２３０の底面を冷却するクーラントを運ぶためのチャンネル２１４を備えている。冷却プレートは、2つの機械加工されたプレートを真空ろう付けすることによって形成されている。冷却チャンネルは、パイプ２０７、２０８を介して、水のようなクーラントに接続されている。パイプ２０７、２０８は、構築スリーブ２９０内の往復運動中にプラットフォーム２３０と共に移動する。３つのカーボンフェルトシール２０９、２１０、２１１は、固定リング２１２によって構築プラットフォーム２３０の頂部の周りに固定されている。カーボンフェルトシール２０９、２１０、２１１は、構築プラットフォーム２３０と構築スリーブ２９０との間の隙間を通っての粉末の漏洩を防ぐべく、構築スリーブ２９０のボア２９９に接触するように配置されている。温度センサ、この実施形態では熱電対２５８が、加熱プレート２１９の温度を測定するために設けられている。
【００７９】
構築スリーブ２９０の温度を監視する温度センサ（図示せず）も備えられている。温度センサ２５８、加熱素子２０１、および冷却器２３１は、コントローラ２５０に接続されている。コントローラは、構築の段階およびセンサ２５８によって測定された温度に応じて、加熱素子２０１および冷却器２３１を制御するように構成されている。使用において、構築中、コントローラは、加熱素子２０１を作動させて、粉末および粉末床内で固化された全ての材料を５００℃以上に加熱する。同時に、冷却器２３１が起動され、構築スリーブ２９０および構築プラットフォーム２３０の底部を冷却して、構築スリーブ２９０の歪みおよび下方のチャンバ２００内に存在するデバイスの加熱を防止する。冷却器２３１は、構築スリーブ２９０を約７０℃に維持するように作動されてもよい。通常、これは約２５℃のクーラント温度で達成される。これらの状態は、構築が完了するまで維持される。
【００８０】
構築の終わりに、コントローラ２５０は、構築された物体および粉末床が冷却するのを許容するため、加熱素子２０１を作動停止させる。この時間中、コントローラ２５０は、冷却器２３１を制御して、粉末床および物体を能動的に冷却することができる。そのような冷却動作中には、必要な冷却プロファイルおよび／または冷却時間を達成するため、クーラントの温度を変化させるように、冷却器２３１が制御されてもよい。
【００８１】
図６および図７に示される本発明の第２の実施形態では、構築スリーブ２９０および構築プラットフォーム２３０の底部の冷却は、構築スリーブ６９０を収容する下方のチャンバ２００内に冷却された不活性ガス流を導入することにより達成される。冷却された不活性ガスは、構築スリーブ６９０の外側側壁と、構築プラットフォームの下面と接触し、そしてその周りを循環して、構築スリーブ６９０および構築プラットフォームを冷却する。図６は、このような冷却ガス流を生成するガス回路を示している。ガス流れ回路およびその動作の多くは、参照により本明細書に組み込まれる特許文献５(国際公開第２０１６/０７９４９４号）に記載されている通りである。加えて、本発明のこの実施形態のガス回路は、冷却された不活性ガスを、下方のチャンバ２００を通して再循環させる追加のガス再循環ループ２６０を備えている。再循環ループ２６０は、入口２４７を介した下方のチャンバ２００への供給ラインと、下方のチャンバ２００からの戻りラインとを備えている。ポンプ２６１は、不活性ガスを、下方のチャンバ２００を通して再循環させる。ポンプ２６１の下流に位置される冷却器２６２は、不活性ガスが下方のチャンバ２００に再循環される前にそれを冷却するために設けられている。ポンプ２６１および冷却器２６２の動作は、本発明の第１の実施形態と同様の方法で実行され得る。図７は、この実施形態の構築スリーブ６９０を示している。冷却羽根６９１が、構築スリーブ６９０からの熱の放散を促進するために、構築スリーブ６９０の外表面に設けられている。冷却された不活性ガスは、冷却羽根691の隙間を通って流されて、構築スリーブ６９０を取り囲む領域から熱を除去し、構築スリーブ６９０を冷却する。冷却された不活性ガスを使用する構築スリーブ６９０および構築プラットフォームの下面の冷却は、構築中および構築の完了後に実行されてもよい。
【００８２】
第２の実施形態は、構築スリーブ内の別個の冷却チャンネルおよびクーラントの配送が必要とされない可能性があるという利点を有し得る。したがって、これにより、装置の設計が簡素化され得る。
【００８３】
さらなる実施形態では、構築プラットフォーム内の加熱素子に加えて、粉末を加熱するために、構築スリーブ内に加熱素子が設けられている。そのような実施形態では、完全性を維持するため／構築スリーブの望ましくない変形を防ぐために、構築スリーブは、内部に加熱素子が包含されるセラミック材料の外殻を備えてもよい。構築スリーブの内壁は、加熱素子から粉末への効率的な熱伝達のために、金属などの導電性材料で作られていてもよい。セラミックの外殻は、本発明の第１の実施形態のように、熱伝達液を運ぶための冷却チャンネルを備えてもよく、および／または本発明の第２の実施形態のように、下方のチャンバに導入される冷却された不活性ガスによって冷却されてもよい。そのような構成では、１０００℃を超える温度、より好ましくは、１２００℃を超える温度が達成され得る。
【００８４】
図８は、本発明のさらなる実施形態を示す。前述の実施形態の特徴に対応するこの実施形態の特徴を言及するために、類似の参照番号であるがシリーズ７００が使用されている。図８は、構築スリーブ７９０がセラミック材料で形成されているという点で前の実施形態とは異なる。この実施形態では、導電性材料の内壁は設けられていない。セラミック材料は、ジルコニアやアルミナなどの多結晶セラミックであり、１０００℃を超える温度で十分に動作する。このような温度は、高温超合金の処理に望ましい場合がある。構築スリーブ７９０は、耐粉末構築スリーブ７９０を形成するべく、互いに当接された４つの別個の壁７９０ａ、７９０ｂ、７９０ｃ、および７９０ｄから形成されている。各セラミック壁７９０ａ、７９０ｂ、７９０ｃ、７９０ｄは、選択的に堆積されたセラミック材料の層が一緒に焼結されて壁を形成する、既知の積層造形技術を使用して形成されてもよい。構築スリーブ７９０の周りにマイクロ波エミッタ７９５、７９６の配列が設けられている。構築スリーブ７９０のセラミック材料は、構築スリーブ７９０に含まれている粉末が構築スリーブ壁を通過するマイクロ波によって加熱され得るように、マイクロ波に対して透過性である。構築スリーブ７９０の各側には、複数のマイクロ波エミッタ７９５ａ、７９５ｂ、７９６ａ、および７９６ｂが積み重ねられ、構築プラットフォームが下降されると選択的に作動され得る。マイクロ波エミッタ７９５ａ、７９５ｂ、７９６ａ、および７９６ｂの選択的活性化は、そこから放出されるマイクロ波の強度を制御して、構築容積に含まれる粉末床全体の温度を制御することを含んでいる。特に、構築プラットフォーム内の加熱素子と組み合わせて使用される場合、構築プラットフォームが下降されるにつれて、粉末の最上層の温度に対する構築プラットフォーム内のヒータの影響が減少する。構築プラットフォームが下降されるにつれて、マイクロ波エミッタ７９５ａ、７９５ｂ、７９６ａ、および７９６ｂから放出されるマイクロ波の強度を増加させることは、構築プラットフォーム内のヒータのこの加熱効果の減少を補償するために使用することができる。図９は、本発明のさらなる実施形態を示している。前に説明した実施形態の特徴に対応するこの実施形態の特徴を言及するために、シリーズ８００の類似の参照番号が使用されている。
【００８５】
図９の実施形態では、抵抗加熱素子８９５、８９６が、構築スリーブ８９０のセラミック壁内に埋め込まれて設けられている。埋め込まれた抵抗加熱素子８９５、８９６を備えたセラミック壁は、特許文献６(独国特許公開第１０２０１３１０８０１４号)に記載されているものに従って形成することができる。抵抗加熱素子８９５、８９６は、構築プラットフォーム８３０内のヒータ８０１と共に粉末床を加熱するように作用する。加熱素子８０１、８９５、および８９６は、粉末床８２４を、８００℃を超える、好ましくは、１０００℃を超える温度に加熱するように配列されてもよい。これらの温度に耐えるために、上述のようなカーボンフェルトシール８０９、８１０、８１１が使用されてもよい。しかしながら、鋼、超合金、またはそのような温度に耐えることができる他の金属材料など、他の材料がシール８０９、８１０、８１１のために使用されてもよい。
【００８６】
代替実施形態では、構築スリーブ８９０の壁はまた、物体が形成された後、構築スリーブの冷却を支援する冷却チャンネルも含んでいる。構築スリーブ８９０の壁は、内側および外側のグラファイト箔８９８ａおよび８９８ｂによって覆われたカーボンハードボード８９７の形態の断熱材によって囲まれている。断熱材は、粉末床824で熱を保持するのに役立つ。構築プラットフォーム８３０は、熱障壁を介して構築プラットフォーム８３０の動きを駆動するリニアアクチュエータのリードスクリュウ８８０に取り付けられ、熱障壁は、構築中、リードスクリュウ８８０の許容できない熱膨張を防ぐべく、リードスクリュウ８８０を構築プラットフォーム８３０から熱的に隔離する。この実施形態では、熱障壁は、能動的に冷却される断熱スリーブ８８１と断熱材料のブロック８８２ａ、８８２ｂである。断熱スリーブ８８１は、水のようなクーラントを使用して能動的に冷却される。この目的のために、断熱スリーブ８８１は、水の輸送のためにそこを通る冷却ライン８８４を有している。冷却ラインは、クーラント再循環ループ（図示せず）の一部であり、再循環ループは、クーラントを冷却する冷却器（図示せず-通常は構築チャンバの外部）を備えている。断熱スリーブ８８１は、スリーブの形状に適合し、且つ効率的な冷却をもたらす冷却ライン／チャンネル８８４を提供するために、部品が層ごとに構築される積層造形製法を使用して構築されてもよい。断熱スリーブ８８１の周囲には、断熱材、例えばカーボンハードボード８８３が取り付けられている。
【００８７】
断熱スリーブ８８１は、リードスクリュウ８８０を構築プラットフォーム８３０および構築スリーブ８９０の熱から隔離するべく、リードスクリュウ８８０の上方部分の周りに延在している。断熱スリーブ８８１は、構築プラットフォーム８３０が構築スリーブ８９０の頂部に位置されるとき、断熱スリーブ８８１が構築スリーブ８９０の底部まで、またはそれを超えてリードスクリュウ８８０を覆うような大きさを有している。断熱スリーブ８８１は、リードスクリュウ８８０が接続される中間の取り付け部材８６８と、構築プラットフォーム８３０が取り付けられる上方の取り付け部材８６９とを有している。中間の取り付け部材８６８（およびリードスクリュウ８８０）は、リードスクリュウ８８０を構築プラットフォーム８３０からさらに熱的に隔離するべく、上方の取り付け部材８６９から空間的に分離されている。
【００８８】
下方のチャンバ８００は、前の実施形態と同様に、入口８４７を介して下方のチャンバ８２０に配送され、出口８４８を介して出る冷却された不活性ガス流でもって冷却される。しかしながら、ガスライン８８５、８８６が、リードスクリュウ８８０の移動を駆動するリニアアクチュエータのモータ８８７およびギアボックス８８８に冷却ガスを向けるべく、ガス入口８４７に接続されてもよい。これは、モータ８８７およびリードスクリュウ８８０を最大動作温度以下に維持するのに役立つ。
【００８９】
図１０は、下方のチャンバ９００および構築スリーブ９９０の代替実施形態を示している。前述の実施形態の特徴に対応するこの実施形態の特徴に言及するために、シリーズ９００における同様の参照番号が使用されている。
【００９０】
この構成では、構築スリーブ９９０の周囲の断熱材としてカーボンハードボードおよびグラファイト箔を使用するのではなく、真空チャンバ９９７が構築スリーブ９９０の周囲に配置されている。バルブ９９２が、下方のチャンバ９００への真空チャンバ９９７の入口／出口を開閉するように動作可能である。使用時、構築チャンバ内に真空の形成中、真空チャンバ９９７は、真空が形成されるようにバルブ９９２を介して下方のチャンバ９００に接続される。次いで、構築チャンバが入口２４５を介して不活性ガスで埋め戻される前に、バルブ９９２が閉じられる。このようにして、構築中、真空チャンバ９９７は、構築スリーブ９９０を絶縁するように作用する真空を備える。構築の終わりにおいて、バルブ９９２は、構築スリーブ９９０および／または構築スリーブ９９０に含まれている粉末床９２４の冷却を促進するべく、下方のチャンバ９００内の冷却不活性ガスに開かれ、真空の絶縁効果を除去してもよい。この目的のために、真空チャンバ９９７は、冷却された不活性ガスがそれを通って循環されるのを許容する入口および別個の出口を有することが有用である。
【００９１】
図１１は、下方のチャンバ２００、８００、９００について上述した実施形態のいずれかと共に使用することができる上方のチャンバ１０２０の配置を示している。前述の実施形態の特徴に対応するこの実施形態の特徴に言及するために、シリーズ１０００の類似の参照番号が使用されている。
【００９２】
８００℃および／または１０００℃を超える構築のような高温構築では、粉末床から間隔を置かれた構成要素の放射加熱が重要な問題になる。特に、ウィンドウ１０２５を通る光学スキャナー（図示せず）の加熱は、スキャナーによるレーザービームのステアリングの精度に大きなドリフトを引き起こす可能性があり、ワイパー機構の加熱は、ワイパー機構を損傷および／または歪ませる。
【００９３】
したがって、この実施形態では、上方のチャンバに、上方のチャンバ１２２０内またはそれに接続された構成要素を粉末床１０２４から放射する熱から保護するため、遮蔽体１０７０、１０７１、１０７２、１０７３が設けられている。遮蔽体１０７０は、例えば、溶融シリカの二次ウィンドウ１０７４を有しているカーボンフェルトの「偽の」天井からなる。「偽の」天井は、間にプレナムチャンバ１０７６を画定するべく、構築チャンバ１００２の屋根から間隔を空けられている。開口１０７５の配列が、プレナムチャンバ１０７６からのガスが「偽の」天井を通過し、粉末床１０２４に向かって概ね下向きの流れを作り出すことを許容するべく、「偽の」天井１０７０に設けられている。ガス入口１０４４が、プレナムチャンバへの不活性ガスの導入のために設けられている。不活性ガスは、二次ウィンドウ１０７４を含む「偽の」天井1070とチャンバウィンドウ１０２５の両方を冷却するべく、冷却不活性ガスであってもよい。ガス流装置１０７７は、プレナムチャンバ内の冷却ガスへの曝露に加えて、冷却ガスの噴流をウィンドウ１０２５、１０７４に向けるために、ウィンドウ１０２５および１０７４に隣接して設けられている。ガス流装置１０７７は、ガス供給ライン１０７８からガスを受け取ることができる。
【００９４】
遮蔽体のさらなる構成要素は、上方の処理チャンバ１０２０の周りに延在する複数の垂直壁を備える冷却ジャケット１０７１である。垂直壁の少なくとも２つ、好ましくは４つすべてが、冷却空気などのクーラントを通すための冷却チャンネル１０７９を備えている。冷却ジャケット１０７１は、駆動機構（図示せず）やワイパー１０３９のレール１０１８ａ、１０１８ｂ、１０１８ｃなどの構成要素を、粉末床1024から放射される熱から保護するように機能する。
【００９５】
粉末床１０２４に非常に近接した放射熱の強度の故に、補助遮蔽体１０７２は、高反射角度付き表面の形態で提供されてもよい。この補足的な遮蔽体は、ワイパー１０３９用の駆動機構およびレール１０１８を粉末床1024から放射される熱からさらに保護するように作用し得る。
【００９６】
図１２に示されるように、ワイパー１０３９は、２つの遮蔽プレート１０７３ａおよび１０７３ｂに接続されており、それらと共に移動可能である。遮蔽プレート１０７３ａ、１０７３ｂは、実質的にワイパー１０３９の長さに沿って延在し、粉末床１０２４から放射される熱を反射しワイパー１０３９から遠ざけるように作用する。これは、ワイパーが粉末床１０２４のいずれかの側で静止している場合に特定の値を持ち得る。ワイパーが粉末床を横切って移動するとき、ガスノズル１０４０とガス排出口１０４１との間のガス流はワイパー１０３９から熱を運び去る一方、粉末床１０２４のいずれかの側の静止位置では冷却ガスの流れによるワイパー１０３９の冷却は減少される場合がある。遮蔽プレート１０７３ａおよび１０７３ｂは、遮蔽プレート１０７３ａ、１０７３ｂとワイパーアーム１０３８ａ、１０３８ｂとの間に熱伝導遮断をもたらす断熱部材１０３７ａ、１０３７ｂによって、ワイパーアーム１０３８ａ、１０３８ｂにそれぞれ接続されている。ワイパーアーム１０３８ａ、１０３８ｂは、セラミックのワイパーブレード１０３９の熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する機械加工可能な金属材料で作られてもよい。例えば、セラミックのワイパーブレード１０３９はアルミナで作られ、ワイパーアーム１０３８ａ、１０３８ｂはチタンで作られてもよい。ワイパーブレードおよびワイパーアームの両方の熱膨張係数は、１０×１０-6ｍ/ｍＫ未満であってもよい。このようにして、構築中のワイパーブレード１０３９の位置における変動は、従来のスチールアームの使用と比較して低減される。ワイパーブレード１０３９は、ワイパーブレード１０３９が粉末床１０２４での熱に耐えることができるように、構築材料と同じ材料、例えば超合金またはセラミックで形成されてもよい。
【００９７】
図１３は、積層造形製造装置の構築容積内に取り外し可能に挿入可能なモジュール１１２３を示しており、縮小サイズの構築容積を提供し、粉末床は加熱することができる。シリーズ１１００であるが同様の参照番号が、前述の実施形態の特徴に対応するモジュールの特徴に言及するために使用され、そしてシリーズ１２００での参照番号は、上記の実施形態の特徴に対応するモジュールが挿入される積層造形製造装置の特徴に言及するために使用されている。積層造形製造装置の構築容積に挿入するモジュールは、特許文献７(国際公開第２０１６／０５５５２３号)から知られているが、これらには粉末床を加熱する能力がない。このモジュール１１００は、加熱能力を持たない積層造形製造装置に後付けできることが望ましい。モジュール１１００は、頂部プレート１１１５および構築スリーブ１１９０を画定するフレームを備えている。
【００９８】
構築プラットフォーム１１３０は、構築スリーブ１１９０内で移動可能である。構築プラットフォーム１１３０は、構築スリーブ１１９０内の構築プラットフォーム１１３０の移動が構築プラットフォーム１２３０の移動によって達成できるように、連結柱１１８０によって積層造形製造装置の主構築プラットフォーム１２３０に連結可能である。柱１１８０は、構築プラットフォーム１１３０から主構築プラットフォーム１２３０への熱の伝導を制限する断熱層１１８２を備えている。構築プラットフォーム１１３０および構築スリーブ１１９０内には、縮小された構築体積で粉末を加熱する加熱素子１１０１、１１９５、１１９６が包含されている。構築スリーブ１１９０および構築プラットフォーム１１３０は、図８乃至図１２を参照して上述したように形成されてもよい。
【００９９】
断熱体１１９７および１１８３が、構築スリーブ１１９０および柱１１８０の周りに提供されている。各部品１１９７、１１８３の断熱体は、上述のように、カーボンハードボードおよび反射箔またはシール可能な真空チャンバとすることができる。加熱素子１１０１、１１９５、１１９６に電力を供給するために、加熱素子に電気接続が提供される。典型的な積層造形製造装置では、構築容積に電力は供給されない。したがって、積層造形製造装置へのモジュール１１００の後付けの一部として、例えば頂部プレート１２１５を介して構築スリーブ１１９０にチャンネル１２５２を開けることができ、そして電力ライン１２５１が構築スリーブ壁を介して構築容積に通る。積層造形製造装置を元の状態に戻したい場合には、止め具を構築スリーブ／頂部プレートの穴1252の開口部に挿入することができる。加熱素子１１０１、１１９５、１１９６を電力ライン１２５１にワイヤで接続し、加熱素子１１０１へのワイヤは、構築プラットフォーム１１３０の動きに対応するのに十分なたるみを有する。
【０１００】
図１１を参照して説明した特徴の全部または一部を提供するために、上方の処理チャンバに挿入する挿入物が提供されてもよい。さらなる実施形態（図示せず）では、構築中に、構築スリーブ１１９０および柱１１８０などの冷却部品にクーラントを配送するために、モジュールに冷却ラインのみならず電力ラインが設けられる。代替実施形態では、電力ラインおよび／または冷却ラインは、頂部プレート１２１５の表面上を走ってもよい。本明細書で定義される本発明から逸脱することなく、上述の実施形態に対して修正および変更を行うことができることを理解されたい。例えば、粉末床の加熱は、加熱されたベースプレート以外の手段、例えば、特許文献８（ＵＳ２０１３／０３０９４２０）に記載されている誘導加熱または特許文献９（ＷＯ２０１６／０５１１６３）に記載されているマイクロ波加熱によって実行されてもよい。さらに、粉末床で発生される熱から構成要素を熱的に保護する装置は、粉末床を予熱する手段なしで粉末床融合装置とともに使用されてもよい。例えば、マルチレーザー粉末床融合装置では、ある量のエネルギーが短時間で粉末床に供給されて、構築チャンバ内で大幅な加熱を引き起こすことができる。したがって、構築チャンバ内の構成要素をこの熱から保護するために、上述のような手段が必要になるかもしれない。
【図１】
2020518720.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月7日(2020.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
構築スリーブと、
粉末床を支持する構築プラットフォームであって、前記構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームと、
前記構築プラットフォームと前記構築スリーブの間の隙間をシールして、粉末が前記隙間を通過するのを防止するシールと、
前記構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性雰囲気を維持する構築チャンバであって、冷却器が配置されて、１つ以上の物体の構築中に、前記構築プラットフォームの下および／または前記構築スリーブの周りの前記構築チャンバの下方の領域に冷却された不活性ガスを導入する構築チャンバと
を備えることを特徴とする粉末床融合装置。
【請求項２】
前記構築プラットフォームまたは前記構築スリーブ内に一体化、または前記構築プラットフォームまたは前記構築スリーブ上に配置された加熱素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の粉末床融合装置。
【請求項３】
前記構築チャンバは、前記構築プラットフォームの上方に不活性雰囲気を維持する上方のチャンバと、前記構築プラットフォームの下方に不活性雰囲気を維持する下方のチャンバとを備え、前記下方のチャンバに冷却された不活性ガスを導入するべく、前記構築スリーブは前記下方のチャンバ内に延在し、且つ前記冷却器は配列されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉末床融合装置。
【請求項４】
入口および出口を介して前記構築チャンバに接続された不活性ガス回路を備え、
前記冷却器は、前記不活性ガス回路を介して輸送中に不活性ガスを冷却し、前記不活性ガス回路が冷却された不活性ガスを前記構築チャンバに供給するように配置され、
前記入口は、冷却された不活性ガスを前記構築プラットフォームの下方の領域、および／または前記構築スリーブの周りに供給するべく、前記構築チャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項５】
前記不活性ガス回路は、前記不活性ガス回路を通して不活性ガスを再循環させるためのポンプを備え、
前記冷却器は、ポンプの下流に配置されて、不活性ガスを下方の前記構築チャンバに再循環させる前に冷却することを特徴とする請求項４に記載の粉末床融合装置。
【請求項６】
前記構築チャンバは、前記構築プラットフォームの上方に不活性雰囲気を維持する上方のチャンバと、前記構築プラットフォームの下方に不活性雰囲気を維持する下方のチャンバとを備え、
前記構築スリーブは前記下方のチャンバ内に延在し、
前記不活性ガス回路は前記下方のチャンバの入口および出口を介して前記構築チャンバに接続され、
前記冷却器が配置されて、前記不活性ガス回路を介して輸送中に不活性ガスを冷却することにより、前記不活性ガス回路が前記冷却された不活性ガスを前記構築チャンバに供給することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の粉末床融合装置。
【請求項７】
１つ以上の粉末床を予熱するための加熱素子を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項８】
前記シールは、非気体／非気密シールであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項９】
前記シールの動作温度は、５００℃より高いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項１０】
前記シールの動作温度は、１０００℃であることを特徴とする請求項９に記載の粉末床融合装置。
【請求項１１】
前記シールは、炭素ベースのシールであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項１２】
前記構築チャンバの下方領域に配置された前記構築プラットフォームを下降させるエレベータ機構を備え、前記構築チャンバに導入される冷却された不活性ガスが前記エレベータ機構を冷却することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項１３】
前記エレベータ機構は、前記構築プラットフォームの移動を駆動する駆動装置であって、構築チャンバ内、好ましくは下方のチャンバ内に配置された駆動装置、および冷却された不活性ガスを駆動装置に向けるガスノズルを備えることを特徴とする請求項１２に記載の粉末床融合装置。
【請求項１４】
前記構築スリーブの壁は、セラミックで、抵抗ヒータが前記壁に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項１５】
前記構築スリーブは、１つ以上の耐火性金属またはその合金および多結晶セラミックで作られた壁からなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の粉末床融合装置。
【請求項１６】
前記セラミックは、ジルコニア、アルミナまたは窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の粉末床融合装置。
【請求項１７】
物体が層ごとに構築される粉末床融合装置であって、
粉末床を支持する構築プラットフォームであって、構築スリーブ内で下降可能な構築プラットフォームと、
粉末が前記構築プラットフォームと前記構築スリーブとの間の隙間を通過するのを防止するべく当該隙間をシールするシールと、
前記構築プラットフォームの上方および下方の両方で不活性ガス雰囲気を維持する構築チャンバと、を備える粉末床融合装置の温度を制御する方法であって、
1つ以上の物体の構築中に、前記構築プラットフォームの下方および／または前記構築スリーブの周りの不活性ガス雰囲気を冷却するべく、前記構築チャンバに冷却された不活性ガスを供給することを備えることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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