JP2011251529A - 作業領域を限定して三次元の物体を製造する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さい物体の製造、コストが問題となる物体の製造、再利用できない材料を用いた三次元物体の製造の際に、粉末を経済的に使用して柔軟な製造が可能な装置および方法の提供。
【解決手段】三次元物体を製造する装置と方法であり、層状の粉末材料１１を支持部５または既に支持部５上に供給された層上に１層分の厚さだけ供給する。エネルギー放射８、８’によって粉末材料１１を物体３に対応する位置で選択的に固化する。物体３が完成するまで上記工程を繰り返す。この装置は、粉末材料１１が供給・固化可能な、最大長さＬと最大幅Ｂを有する２次元の最大作業領域６を規定する。
【選択図】図３

Description

本発明は三次元の物体を製造する装置および方法に関する。

ＤＥ１９９３７２６０Ｂ４は三次元の物体を製造する公知のレーザ焼結装置を記載しており、この装置は、上部が作業領域を囲んでいるフレームと、フレーム内に設けられ、昇降機構によって少なくとも作業領域の下を垂直に移動可能な支持部と、作業領域内の粉末材料を選択的に焼結または溶解するために、作業領域の任意の点に偏向手段によって収束されるエネルギービームを生成する固化装置と、支持部上または既に供給された粉末材料の層上に粉末材料の層を供給するための供給部を有している（特許文献１）。この装置を用いた製造方法は以下の工程を有する。（ａ）：支持部または既に供給された粉末材料の層上に、粉末材料を層状に供給する。（ｂ）：物体に対応する位置へのエネルギー放射によって粉末材料を固化する。（ｃ）：物体が完成するまで工程（ａ）（ｂ）を繰り返す。

フレームの上部には、最大長さと最大幅を有する、粉末材料が供給され、エネルギーが放射される、２次元の最大作業領域が規定されている。垂直方向においては、物体の最大高さから個々の工程における最小高さが決まる。個々の工程における最大長さ、最大幅、最小高さから最小製造容量が決まり、必要な粉末材料の量は粉末ベッドと物体の密度から計算できる。

ＤＥ１９９３７２６０Ｂ４

ここで、少量の粉末材料のみが供給される場合、またはコスト上の理由から材料の使用を減らす必要がある場合、各工程で、広い作業領域内での材料の高さが非常に低くなる。この状態は特に、固化されなかった粉末材料が、部分的に、また時には全てが再利用できない時に問題となる。各工程における垂直方向の高さが高い場合は、特に、物体がフレームと製造コンテナにそれぞれ好適に配置できない場合に、多量の無駄が生じる。通常は、固化されなかった粉末は部分的にのみ再利用可能である。

本発明の目的は小さい物体の製造、コストが問題となる物体の製造、再利用できない材料を用いた三次元物体の製造の際に、粉末を経済的に使用して柔軟な製造が可能な装置および方法を提供することにある。さらに、大ききな装置での粉末材料の使用の柔軟性と経済性の改良を可能とすることを目的とする。

この目的は請求項１記載の装置および請求項４記載の方法によって達成される。さらなる改良の有利な点は従属項に記載されている。

本発明はまた、必要最小限の量の粉末のみを用いるので、小さい物体を大きなレーザ焼結装置で経済的に製造できるという利点を有する。さらに、少量の粉末材料で大きな焼結装置を用いた加熱条件下での製造工程の試験が可能である。特に、本発明は製造材料としての、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ等のＰＡＥＫ粉末を用いた物体の製造に用いられる。特に、上記の高分子粉末は高温安定性を有し、製造された物体も優れた特性を有するが、非常に限定された方法でのみ再利用可能であり、また現在は非常に高価である。

本発明のさらなる特徴と目的は、添付した図面に基づく実施形態の記載から明らかになる。図面は以下に示すものである。

三次元物体を製造する装置の概略図である。 本発明の実施形態における、最大作業領域と、最大作業領域内に位置する縮小作業領域を示す概略図である。 縮小作業領域を有する、三次元物体を製造する装置の概略断面図である。

図１はレーザ焼結装置として例示された、三次元の物体３を製造する装置の概略図である。

レーザ焼結装置は上面が開放されたフレーム１を有しており、フレーム１の内部には、垂直方向に移動可能で、製造される三次元の物体３を支持する支持部５が設けられている。フレーム１の上部２は作業領域６を囲んでいる。好ましくは、フレーム１と支持部５はレーザ焼結装置から取り外し可能な、交換可能な着脱型フレームとして形成される。支持部５は、固化される三次元の物体３の個々の層の上面を作業領域６の平面内に位置させるために、支持部５を垂直方向に移動させ、少なくとも作業領域６の下に位置させる昇降機構４に接続されている。

さらに、粉末材料１１の層を供給するための供給装置１０が設けられている。粉末材料１１としては、混合物、金属、セラミックス、鋳物砂、化合物のような、全てのレーザ焼結可能な粉末を用いることができる。特に、粉末材料１１はＰＡＥＫポリマー粉末を含み得る。金属を含む粉末材料としては、あらゆる金属と、金属化合物または非金属化合物との合金が用いられる。

供給装置１０は、粉末材料１１の層が支持部５および直近の固化された層からそれぞれ決められた高さになるように作業領域６の上方の決められた高さに移動される。

装置はさらに、レーザビーム８、８’を生成するレーザである固化装置７を有しており、レーザビーム８、８’は偏向手段９によって作業領域６内の任意の点に収束される。このようにして、レーザビーム８、８’は粉末材料１１を製造される物体３の断面に対応する位置で選択的に溶解させ、固化または焼結させることができる。

レーザ焼結装置は、作業領域６の上方に設けられ、新たに供給された粉末層を、粉末材料１１が固化するのに必要な製造温度近くまで予熱するための加熱装置（図示せず）を有してもよい。

符号１００はフレーム１、支持部５、供給装置１０が収められたハウジングを示している。好ましくは、ハウジング１００はガスを通さないようにシールされ、レーザビーム８、８’が導入される導入部を上部に有するのが望ましい。好ましくは、不活性ガスがハウジング１００内に導入される。さらに、制御部４０が設けられ、装置は制御部４０によって製造工程の進行、およびレーザによって供給されるエネルギーの制御のために協調制御される。制御部４０はＣＡＤデータのような、物体３の形状を規定する、物体３を製造するための物体３のデータセットを使用する。

図１では作業領域６の側面が示されており、図２では、以下の説明で最大作業領域６と称する、最大長さＬと最大幅Ｂを有し、粉末材料１１が供給され、エネルギーが照射される作業領域の平面概略図が示されている。なお、供給装置１０は最大作業領域６の最大長さＬに沿って、ｘ方向に移動可能である。

小さい物体３を製造する場合で、作業領域６の最大幅Ｂを用いる必要がない場合は、供給装置１０に図２で概略的に示されている機械的挿入部１２を設けることができ、粉末材料１１の供給は最大作業領域６の最大幅Ｂ未満に制限される。好ましくは、機械的挿入部１２は粉末材料１１を供給するための開口部１５を有し、開口部１５のｙ方向の長さは最大作業領域６の最大幅Ｂよりも短い。このようにして、図２に例示されるように、縮小作業領域１３はｙ方向に規定される。好ましくは、機械的挿入部１２は着脱可能に供給装置１０に設けられる。

装置の動作の際には、第１の工程において、昇降機構４によって支持部５が、その上面が作業領域６の上面よりも、第１の粉末層の厚さ分だけ下側まで下げられる。次に、粉末材料１１の第１の層が供給され、支持部５上で供給装置１０によって平滑化される。

本発明に係る方法は、最大作業領域６に粉末材料１１が供給され、エネルギーが照射される、通常動作モードを有する。本発明に係る方法はさらに、長さが最大長さＬより短く、幅が機械的挿入部１２によって最大幅Ｂよりも短い縮小作業領域１３内に粉末材料１１が供給され、エネルギーが照射される、特別動作モードを有する。

小さい物体３が製造される場合で、作業領域６の最大長さＬが使用されないのであれば、供給装置１０はまた、作業領域６の最大長さＬよりも縮小されたｘ方向の長さを有する領域内に粉末材料１１を供給できる。即ち、供給装置１０は作業領域６の最大長さＬに達する前に移動方向を反転する。これにより、縮小作業領域１３は図２に例示するようにｘ方向に狭くなる。例えば、ｘ方向における縮小作業領域１３の限定は、作業領域限定装置４０として機能する制御部４０によって寸法が認識され、供給装置１０がｘ方向の距離Ｌを超えて移動せず、ｘ方向における縮小作業領域１３の境界までのみ移動するようにプログラムされる。

縮小作業領域１３は、供給された固化前の粉末材料１１を保持するフレーム１の壁から延長されることはないので、個々の固化工程は固化する前の粉末材料１１の層状構造を対象にして行われる。驚くべきことに、通常、粉末粒間の吸着力のために、傾斜角が約９０°となり、擁壁が無くても、物体３に任意の三次元断面形状が見出され得ることが見出された。図２と図３は本発明の特別な実施形態を示す。ここでは支持壁１４はレーザ焼結工程で、三次元の物体３に加えて物体３の周囲に形成され、供給された粉末材料１１が縮小作業領域１３から流出するのを防いでいる。

作業領域６の外部にある供給充填部から連続して材料の供給が行われる場合、供給作業は作業領域６の途中から始める事ができないので、縮小作業領域１３は、供給装置１０が作業領域６と重なり始める、最大作業領域６の端部と実質的に同一平面上にあるのが好ましい。

特別動作モードを用いた縮小作業領域１３内での製造工程は以下の手順で行われる。

粉末材料１１が供給され、その後、所望の位置が固化される。加熱装置が設けられている場合、最上部の粉末材料１１の温度は、加熱装置によって全体が、固化に必要な製造温度から数℃低い所定の温度に設定される。その後、制御部４０は、レーザビーム８、８’を選択的に固化されるべき粉末材料１１の層の位置に照射されるように偏向させるように偏向手段９を制御する。これにより、粉末材料１１はこれらの位置で三次元の物体３を形成するように固化または焼結され、また必要に応じて支持壁１４が生成される。

次の工程では、支持部５が昇降機構４によって次の層の所望の厚さ分だけ下降される。供給装置１０によって粉末材料１１の第２の層が供給され、平坦化され、レーザビーム８、８’によって選択的に固化される。これらの工程は所望の三次元の物体３が形成されるまで行われ、必要に応じて支持壁１４が製造される。

物体３を製造するための制御部４０は、例えば物体３のＣＡＤデータセットのような、物体３の形状を規定するデータセットを使用するが、このデータセットには必要に応じて支持壁１４のＣＡＤデータが補完されている。この際、データセットは最初に、完成した三次元の物体３の形状や寸法を規定する通常の態様で生成される。その後、支持壁１４の形状や寸法を規定するデータによってデータセットが補完される。これにより、本来製造されるべき物体３と同時に支持壁１４が製造される。

本発明の保護を求める範囲は上記した実施形態に限定されず、請求項の記載によって規定された範囲内での、さらなる改良や変形を含む。

上記した実施形態では、長方形の最大作業領域６と長方形の縮小作業領域１３が記載されている。しかしながら、本発明はこれらの形状に限定されず、作業領域６は異なる形状を有することができ、例えば作業領域６を角が丸い長方形にしてもよい。作業領域６、１３はまた円形でもよく、この場合、作業領域６の最大幅および最大長さは円の直径に対応する。楕円形の作業領域６もまた可能である。一般に、縮小作業領域１３の形状は最大作業領域６やフレーム１の上部２の形状に制約されない。製品の種類に応じて、異なる形状の縮小作業領域があり得る。例えば、フレームの断面が円形の装置においては、直線状の製品においては縮小作業領域１３の形状は円形の一部（扇形）になり、回転する製品においては、縮小作業領域１３の形状はフレーム１よりも半径の小さい円形になる。

上記した実施形態では、支持壁１４は物体３と同時に同じ製造工程によって製造される。本発明の装置はレーザ焼結のみでなく、粉末を用いた全ての製造方法に適用でき、例えば層状に供給され、エネルギー照射により固化される材料や粉末を用いた製造方法に適用できる。エネルギー照射はレーザビーム８’である必要はなく、例えば電子ビームや量子ビームでもよい。さらに、エネルギー照射は例えばマスクを用いて表面全体に行っても良い。

エネルギー照射の替わりに、粉末材料を選択的に接着する接着剤やバインダーを所望の位置に供給してもよい。

Claims (6)

1. 三次元の物体３を製造する装置であって、
   その上部２が作業領域６を囲んでいるフレーム１と、
   前記フレーム１内に設けられ、昇降機構４によって少なくとも前記作業領域６の下に位置するように垂直方向に移動可能な支持部５と、
   粉末材料１１の層を前記支持部５または既に作業領域６に供給された前記粉末材料１１の層上に供給する供給装置１０と、
   前記作業領域６内の前記粉末材料１１の供給された層のうち、前記物体３の断面に対応する位置を選択的に固化可能な固化装置７と、
   を有し、
   前記作業領域６は、前記供給装置１０が前記作業領域上を移動可能な最大長さＬと、前記供給部が前記粉末材料１１を供給可能な最大幅Ｂを有する、前記粉末材料１１が供給される２次元の最大作業領域６を有し、
   前記供給装置１０は、縮小作業領域１３が規定されるように、前記粉末材料１１の供給を前記最大作業領域６の最大幅Ｂよりも短い幅の領域に制限する機械的挿入部１２を有し、および／または、前記装置は、前記供給装置１０の移動可能距離が、前記最大作業領域６の前記最大長さＬよりも短くなるように制限する作業領域限定装置４０を有する、装置。
2. 請求項１記載の装置であって、前記機械的挿入部１２は、前記最大作業領域６の前記最大幅Ｂよりも短い幅を、前記最大幅Ｂの幅方向に有する開口部１５を有する、装置。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の装置であって、前記機械的挿入部１２は前記供給装置１０に着脱可能に設けられていることを特徴とする、装置。
4. 装置内で三次元物体を製造する方法であって、
   （ａ）前記装置の支持部５または既に供給された層上に粉末材料１１の層を供給し、
   （ｂ）供給された前記粉末材料１１の層を前記物体３の断面に対応する位置で選択的に固化し、
   （ｃ）前記物体が完成するまで前記（ａ）と前記（ｂ）を繰り返す、
   工程を有し、
   前記装置は、
   最大長さＬと最大幅Ｂを有する、前記粉末材料１１を供給可能な２次元の最大作業領域６を有し、
   前記方法は、前記粉末材料１１が最大作業領域６に供給される通常動作モードと、
   前記粉末材料１１が前記最大作業領域６の最大長さＬ未満および／または最大幅Ｂ未満の縮小作業領域１３に供給される特別動作モードと、
   を有する、三次元物体を製造する方法。
5. 前記三次元の物体３の長さと幅は、上方に行くに従い、小さくなる、請求項４記載の方法。
6. 前記三次元の物体３に加え、供給された前記粉末材料１１が前記縮小作業領域１３から流出するのを防止するために、前記縮小作業領域１３内の、前記物体３の周囲に支持壁１４が形成される、請求項４または５のいずれか一項に記載の方法。

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