JP2017124597A - 三次元物体を製造するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】層状に塗布された造形材料を選択的に硬化させることによって三次元物体を製造するための装置及び方法の提供。【解決手段】製造プロセスを改善するために、特に熱入力を最適化するために、少なくとも２個の機能的開口１８、１９を有する絶縁要素６を使用し、少なくとも２個の機能的開口の一方が材料通路１８として用いられ、少なくとも２個の機能的開口の他方が同時に放射熱通路２０として用いられる三次元物体を製造するための装置及び該装置を用いた方法。。【選択図】図２

Description

本発明は、層状に塗布された造形材料を選択的に硬化させることによって三次元物体を製造するための装置及び方法に関する。

層状に塗布された造形材料を選択的に硬化させることによって三次元物体を製造するための装置及び方法は先行技術より多数知られている。ここに例を挙げるとレーザ焼結又は選択的マスク焼結である。そのような層形成法を実施するための設備は、ラピッドプロトタイピングシステムと呼ばれる。これらの層形成法は樹脂、プラスチック、金属又はセラミック等の硬化性材料から層状に造形された造形品を製造するために用いられ、例えば技術的プロトタイプを作製するために使用される。その際に付加的製造法を用いてＣＡＤデータから直接三次元物体を製造できる。

そのような層形成法では物体の造形が層状に行われる、即ち造形材料の層が連続的に積み重なるように塗布される。次の層を塗布する前に、それぞれの層で製作しようとする物体に対応するそれらの箇所を選択的に硬化させる。この硬化は、例えば放射熱源を用いて、通常は粉末状である層原料を局所的に加熱することによって行われる。放射熱が適当なやり方で的確に所望の領域に入力されることにより、正確に規定された任意の性質の物体構造を形成できる。その際に層厚も調整可能である。そのような方法は特に、個々に形成された複数の薄い層を積み重ねることにより三次元体の製造に使用できる。

通常は硬化させる造形材料を、加工温度を下回る温度に予熱する。続いて追加的エネルギー入力を用いて加工温度を達成する。

例えばレーザ焼結プロセスでは、プラスチック材料を、焼結温度を下回る温度に予熱する。次にレーザによって入力されるエネルギーは、単に粉末粒子を溶融させるための差分の熱量を提供する。

予熱は多くの場合に造形台の加熱によって行われる。しかしながらそのような「下からの」予熱においては、造形品の高さが増すにつれて予熱の熱流は損失及び積層粉末の体積の増加により減少する。

他の方法も造形材料中に好ましくない不規則な温度分布を招く。これは特に予熱が「上からの」熱供給を通して行われる方法にも該当する。この場合は、一時的に加熱可能な装置を造形層の上方に配置する。予熱すべき造形材料中に均一な温度分布を達成するために熱曲線の複雑な制御及び他の労力を要する方策が用いられる。

本発明の課題は、製造プロセスを改善すること、特に熱入力を最適化することである。

上記の課題は、請求項１に記載の装置若しくは請求項１０に記載の方法によって解決される。本発明の有利な実施形態が従属請求項に記載されている。以下に装置との関連で説明する利点及び構成は本発明による方法にも準用され、その逆でもある。

本発明は、先行技術より公知の方式、即ち、１回のサイクル内において材料を塗布した後で、最初に予熱、続いて選択的硬化が行なわれ、それに続く新しいサイクルで新たに材料塗布を行うというサイクル化された製造をもはや踏襲しないことを提案する。それに代えて本発明は、造形材料の塗布、予熱及び造形材料の局所的加熱による選択的硬化が同時に行なわれ、しかも、これらが製造される同一の物体の異なる箇所で行われるか、又は造形台上で複数の物体が製造される場合は複数の物体で同時に行われる連続的な製造プロセスを提案する。

本発明による装置は、少なくとも１個の三次元物体を層状に形成するための、ｘｙ平面上に配置された造形台と、熱エネルギーを造形材料に入力するための少なくとも１個の予熱用放射熱源と、局所的に加熱することにより造形材料を選択的に硬化させるための少なくとも１個の硬化用放射熱源と、造形台と少なくとも部分的に重なる絶縁要素とを含む。絶縁要素は同時に使用できる少なくとも２個の機能的開口を有しており、少なくとも２個の機能的開口の一方は材料通路として構成され、少なくとも２個の機能的開口の他方は放射熱通路として構成されている。本発明による装置は、次の３個の構成要素、即ち造形台、絶縁要素、少なくとも１個の硬化用放射熱源の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を発生するための若干数の駆動装置を有する。

これに対応して本発明による方法は、ｘｙ平面上に配置された造形台上で少なくとも１個の三次元物体を層状に形成するステップと、少なくとも１個の予熱用放射熱源を用いて熱エネルギーを造形材料に入力するステップと、選択的に硬化させる目的で少なくとも１個の硬化用放射熱源により造形材料を局所的に加熱するステップと、少なくとも２個の機能的開口を使用して、造形台と少なくとも部分的に重なる絶縁要素を造形材料と放射エネルギーが同時に通過できるようにするステップとを含む。本発明による方法は、若干数の駆動装置によって、次の３個の構成要素、即ち造形台、絶縁要素、少なくとも１個の硬化用放射熱源の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向において互いに独立に操作可能な相対運動を発生することを含む。

従前の解決策と異なり、本発明では、造形材料の予備加熱又は後加熱のために、例えば、加熱モジュールを備えた厚い加熱プレートの形態の、造形台と大きく重なる加熱要素がもはや必要ではない。それに替え、例えば、赤外線放射器や他の好適な熱放射器の形態の少なくとも１個の予熱用放射熱源が造形材料の予備加熱又は後加熱を行う。予熱用放射熱源が造形台と大きく重なっている必要はない。造形台と少なくとも部分的に重なる絶縁要素の上方に少なくとも１個の予熱用放射熱源が取付けられていれば十分であり、本発明によれば、この絶縁要素が予熱及び後加熱のための放射熱の導入を促進する。絶縁要素は断熱性であり、従ってその全体又は少なくともその一部が断熱材料で作られている。或いは、絶縁要素は、別の手段、例えば、好適な表面被覆によって所望の絶縁特性を確保している。絶縁要素は、作るべき物体の上方の動作位置において、絶縁要素と物体との間の空間の上側の境界を断熱的に定めるように構成されている。言い換えると、絶縁要素の主要な機能は、物体に関しての中間空間の断熱境界を作ることである。それは物体に対する熱の供給を更に促進する。しかし、これは、常に熱源（放射熱源）から既に放出されたエネルギーに関連して達成される。この熱源は典型的には絶縁要素の上方に配置される。これから放出される熱放射は、絶縁要素を通して物体に当たる及び／又は絶縁要素によって反射されて物体に達することのみが許容される。絶縁要素は、全体が受動的であり、それ自体から熱を放射しない。

絶縁要素の機能に関し、本発明の好適な実施形態のように、使用される熱源から絶縁要素が物理的に分離されていることが有利である。絶縁要素は、放射熱源から離間して配置され、放射熱源の内の１つの一部分ではない。言い換えると、絶縁要素は、放射熱源から分離された別の部品である。

絶縁機能とは別に、絶縁要素は、同時に使用可能な少なくとも２個の機能的開口を有し、一方の機能的開口は材料通路として働き、他方の機能的開口は放射熱通路として働く。したがって、開口は、一方で、造形台への造形材料の塗布のための被覆開口として働き、他方で、予熱用放射熱源から放出された熱放射を用いて造形材料の予備加熱又は後加熱を行うための加熱開口、又は造形材料を局所加熱してそれを硬化させるための露出開口として働く。そのような絶縁要素を適当なやり方で造形台に対して相対的に動かせば、造形材料の塗布、予熱及び選択的硬化が同時に行なわれ、ひいては少なくとも１個の物体のサイクル化されない連続した製造が行われる。換言すれば、物体若しくは複数の物体の造形は連続的に行なわれ、造形速度は造形台と絶縁要素との間の相対運動によって決まる。種々の製造プロセス段階にある物体領域の幾何学的配置、特にこれらの物体領域相互の間隔は、絶縁要素内の機能的開口の配置、特にこれらの機能的開口の相互の間隔によって決定される。

例えば第１の物体領域では、塗布直後の積層粉末である造形材料は絶縁要素により予熱される間、運動方向で第１の物体領域の後方に配置された第２の物体領域では露出開口を通過する放射エネルギーによって層ｎが硬化されている。同時に、運動方向で第２の物体領域の後方に位置する第３の物体領域では、その直前に硬化した造形層ｎの後加熱が少なくとも１個の予熱用放射熱源又は予熱用放射熱源と相互作用する絶縁要素によって行なわれる。一方、第３の物体領域の後方に位置する第４の物体領域では、被覆開口を通過した次の層ｎ＋１のための別の造形材料が既にある層の上に塗布される。この場合、これらの物体領域は１個の物体の領域であっても、造形台上に複数の物体が配置されている場合は異なる物体の領域であってもよい。

予熱のための熱供給は「上から」行なわれ、それにより造形台を介する熱供給の問題点は生じない。同時に、熱供給は好ましくは一時的にだけでなく、即ち（従来技術のように）少なくとも１個の予熱用放射熱源が造形層の上方に短時間あるときだけでなく、連続的に行われ、これは、特に絶縁要素の絶縁及び／又は反射特性により、新規な連続的作業方式によって可能とされている。これにより熱入力の最適化が簡便に達成される。同時に製造プロセス全体が改善される。

更に、本発明の好適な実施形態では、硬化用放射熱源だけでなく予熱用放射熱源を動かすことができる。即ち、予熱用放射熱源を絶縁要素又は造形台に対して移動するために予熱用放射熱源をｘ方向及び／又はｙ方向に動かすことができ、及び／又は変更された放射特性及び／又は変更可能な温度制御のために垂直間隔を変更するために予熱用放射熱源をそれらの方向と垂直なｚ方向に動かすことができる。更に、少なくとも１個の予熱用放射熱源は、それから放射される放射出力を変更するために制御されることが好ましい。

関与する構成要素（造形台、絶縁要素、少なくとも１個の硬化用放射熱源、及び任意的に設けられる少なくとも１個の加熱用放射熱源）の間での複数の相対運動を発生することにより、それぞれの方法ステップにおける種々のプロセス条件の時間的作用を簡単、且つ非常にフレキシブルに互いに同調及び最適化できる。それによって製造プロセス全体が更に最適化可能である。

放射熱通路の運動を硬化用放射熱源の運動から切り離すことが格別有利であることが分かった。換言すれば、硬化用放射熱源は造形台の上方若しくは造形台上にある造形材料の上方を絶縁要素とは異なる速度で動くことができる。

特に露出開口を通した放射エネルギーの入力が行なわれる際にこの開口が完全に照明されず、その代わりに開口の下方に配置された造形材料が当該開口の境界内で的確に照射される場合（例えば、レーザが造形材料を所定の軌道曲線に沿って加熱する場合）、本発明によれば、硬化用放射熱源を放射熱通路によって提供された開口領域内で絶縁要素の運動と独立に、ひいては露出開口の運動とは独立に、放射熱出力が格別効率的に入力され得るように動かすことができる。

本発明の好適な実施形態においては、装置がｘ方向及び／又はｙ方向において造形台と絶縁要素との間の第１の相対運動を発生するための第１の駆動装置の他にｘ方向及び／又はｙ方向において第１の相対運動とは独立に硬化用放射熱源と絶縁要素との間の第２の相対運動を発生するための第２の駆動装置を有することによって実現される。必要であれば、予熱用放射熱源の独立した相対運動を発生するための第３の駆動装置が設けられる。

プロセスを更に最適化するために、特に、造形材料の硬化のために放射熱出力を格別効果的に入力するために、追加的に露出開口の形状、配置及び／又は大きさ、特に主運動方向、例えばｘ方向におけるスリット幅をそれぞれのプロセスに適合させることができ、若しくは製造プロセス中に変えることもできる。これにより例えば、露出開口の直下にあって予熱用放射熱源又は絶縁要素により加熱されない領域ができるだけ小さくなるようにすることができる。一層の最適化のために、個々の構成要素の速度、特に絶縁要素、ひいては露出開口の速度及び／又は放射熱源の速度を製造プロセス中に変えることができ、とりわけ互いに協調させることができる。

更に、本発明は、均一な温度分布の必要性を無くすことができる。製造プロセスの様々な箇所で進行状態は非常に異なるので、様々な箇所で温度が異なることが有利である。例えばある領域では造形材料を目前の局所的加熱に対して準備するためには予熱温度が有利である。これに対して隣接領域では後加熱温度があってよく、これは既に硬化した層の特定の性状を達成するために、例えば歪みを防ぐために有利である。

絶縁要素は連続的に利用できるので、そのような所定の不均一な温度分布を非常に容易に実現できる。本発明の有利な実施形態において、絶縁要素は種々温度調節可能な複数の領域を有する。これは、例えば複数の互いに独立に駆動可能な予熱用放射熱源を用いて達成される。

熱エネルギーを供給するための予熱用放射熱源は、特に絶縁要素の上方に配置された熱源の形式で構成される。この場合には機能的開口の少なくとも一つは、造形材料に熱エネルギーを入力するための加熱開口として構成されている。加熱開口は既に他の機能を実行する機能的開口であってよく、例えば既に露出開口として用いられている放射熱通路は同時に加熱開口として働くことができる。

造形台に対向する側面が反射性を有するように絶縁要素が構成された本発明の実施形態は、熱エネルギーを造形材料に伝達するために格別有利であることが分かった。絶縁要素は、熱放射を分散反射するための反射板として働く。絶縁要素は、少なくとも１個の予熱用放射熱源によって造形材料の方向に導入された熱放射を造形材料上に反射する、及び／又は造形材料に導入され造形材料から離れる方向に反射された熱放射を造形材料上に反射して戻す。絶縁要素はこの目的のために反射材料で作られるか、或いは、動作状態で造形台側を向く絶縁要素の下面に、熱放射を分散させながら反射する層が設けられる。この層は、コーティングによって絶縁要素上に塗布できる。

主に絶縁要素の反射特性が、多かれ少なかれ造形材料の上に横たわる高価な能動的加熱要素の替りに、上方に配置された予熱用放射熱源と関連して、安価な受動的な絶縁要素を使用することを可能にする。絶縁要素の絶縁特性及び反射特性のおかげで、造形材料への所望の熱入力が比較的簡単な設計で達成できる。特に、作るべき物体に上の横たわると共に物体の表面の真上に配置された絶縁要素により、絶縁要素の内部に加熱モジュールを設ける必要なしに、造形材料を所望の温度に維持できる。

絶縁要素は、実質的に板状で平坦な構造のものであるのが好ましい。絶縁要素の板形状は、同時に機能的開口の特に簡単な形成を可能にする。本発明の好ましい実施形態では、絶縁要素は、非常に薄い平坦な板として具体化されている。

本発明の特に好適な実施形態では、絶縁要素は薄片として具体化されている。これにより、装置の物理的寸法を大幅に減少できる。厚い絶縁板に比べて薄片の重量は少ないので、絶縁要素の対応する駆動装置は寸法の小さいものとすることができる。絶縁要素内の機能的開口の寸法及び／又は配置は特に簡単に変更できる。何故なら、好ましいことに、絶縁要素は巻くことが可能な可撓性の薄片であるためである。薄片を用いた実施形態はスペースの節約にもなる。絶縁要素は巻いた状態で保管できるため、絶縁要素のために必要な保管スペースは比較的小さい。絶縁要素が薄片として具体化される場合、薄片は、最下層を反射層とした多層構造のものとすることができる。

絶縁要素と造形台はできるだけ広い面積で、好ましくは完全に重なり合うように、若しくは製造プロセス中にできるだけ大きい面積で、好ましくは互いに完全に重ね合わせられることが有利である。

本発明の好適な実施形態において、絶縁要素は造形台の上方に配置されており、絶縁要素は最上部の造形層から離間されている。加熱は熱放射によって行なわれる。

造形台が運転状態で閉じたプロセスチャンバの内部にあるとき、絶縁要素はプロセスチャンバの境界壁として用いられる。換言すれば、この場合にはプロセスチャンバは絶縁要素によって閉じられる。このとき絶縁要素はプロセスチャンバの一部である。

被覆開口は、常に材料貫通孔という意味での実際の開口である。これに対し露出開口及び加熱開口のためには絶縁要素は必ずしも貫通している必要はない。露出開口又は加熱開口は、絶縁要素の基体内の、放射熱の透過に適した適当な材料の領域として形成されることもできる。

本発明の好適な実施形態においては、造形材料を硬化するための放射エネルギーが露出開口を通して入力されるが、この開口が完全に照明されることはない。その代わりに、その開口の下方に配置された造形材料の目標領域が当該開口の境界内で照射される。その際に放射熱は１以上の硬化用放射熱源から出ることができる。例えば造形材料を局所的に加熱するために、機能的開口によって提供された窓の内部の１以上のレーザビームが、機能的開口の内部における直線的な往復運動を行うことができ、或いは１以上のレーザビームが窓の内部で、それぞれ形成しようとする構造に応じて非直線的な軌道曲線上を規定通りに誘導される。放射熱の誘導は適当な制御を用いて行なわれる。事前に加工温度を下回る温度に予熱された造形材料が、局所的に更に加熱される。この追加的エネルギー入力を用いて、加工温度が達成される。

本発明の格別有利な実施形態においては、エネルギー入力のために少なくとも２個の硬化用放射熱源が使用され、それらの放射熱が同時に共通の露出開口を通って、その下方にある造形層のうち、当該露出開口によって露出された領域に当る。同時に複数の硬化用放射熱源を使用することにより、放射エネルギーの入力は格別効率的に行うことができる。これにより以下に記すように、エネルギー供給の一層の最適化が同時に可能になる。

本発明の格別有利な実施形態においては、各々の硬化用放射熱源には造形層の照射しようとする領域（以下「目標領域」と呼ぶ）が関連づけられている。この場合、隣接する目標領域は少なくとも部分的に重なり合い、オーバーラップ領域が生じる。

換言すれば、少なくとも２個の同時に駆動される硬化用放射熱源は、少なくとも１個の共通領域（オーバーラップ領域）、即ち少なくとも２個の硬化用放射熱源によって照射される造形層の領域に（も）放射エネルギーを入力するように制御され、特にｘ方向及び／又はｙ方向に動かされる。この場合、少なくとも２個の硬化用放射熱源はオーバーラップ領域を同時又は順次照射する。

この場合、少なくとも２個の硬化用放射熱源の制御は、放射領域の重なり方によって造形材料の総加工時間が最小となるように、より正確に言えば、造形材料を硬化させるのに必要とされるエネルギーの入力に要する持続時間が最小であるように行なわれることが好ましい。それによって三次元物体の製造の総時間が短縮される。それと同時に制御は個々の放射熱源の運転時間が最小限となるように行なわれることが好ましい。

加工時間を最小限にするために、本発明の好適な実施形態においては、露出しようとする面である目標領域を、最初に個々の部分領域（以下「面セグメント」と呼ぶ）に区分するか、又はそのような面セグメントをそれぞれの目標領域から選び出し、そのようにして露出する必要のないセグメント領域と区別する。例えば露出開口の形状と大きさによって指定される、複数の硬化用放射熱源から同時に照射可能な領域はｘとｙ方向でセグメント化される。

続いて、それぞれの面セグメントにおける個々の硬化用放射熱源の滞留時間を計算する。続いて適当な、好ましくは最も速い露出方式を求める。この場合、放射熱通路によって提供された窓内での個々の放射熱源の経路を求める。エネルギー入力は、例えばレーザビームが線形に、例えば密に隣り合う直線によるハッチングを形成しながら当該面領域を行毎にスキャン若しくは走査することによって行われ、造形層の所定の領域を硬化させる。この露出パターンは層毎に変化してよい。

製造プロセスの時間的最適化の観点で特定のセグメント化に対する露出方式を求めるだけでなく、セグメント化自体も後の露出が格別効率的に行えるように実施することが好ましい。例えば放射熱源の運動軸の位置を考慮してセグメント化を行う。

個別表面セグメントに関して好適な予備加熱方式を求めて実施することも好ましく、「予備加熱」と「予備加熱方式」は、場合によってはあり得る後加熱、即ち、既に硬化された造形材料に熱エネルギーを適用することを指すことを意図する。

三次元物体を製造するための本発明による装置は、セグメント化し、滞留時間を計算し、そして露出方式及び／又は予熱方式を求めるための適当な手段を含んでおり、或いはそのような手段と接続されているか、対応する情報、特に、求められた露出方式及び／又は予熱方式を実現するために若干数の放射熱源を制御するための制御データを外部のデータ源から得る。

本発明による装置を制御するために使用される制御データは、製造しようとする物体を記述するためのデータモデルを含み、若しくはそのようなデータモデルを使用して作成される。その際にデータモデルは各物体の造形層への分割だけでなく、造形台上における物体の位置も記述する。

本発明を用いて三次元物体の製造の基礎をなすデータモデルを最適化することにより、露出方式及び予熱方式を考慮して格別効率的な製造、特に格別迅速な製造が達成されるように、造形台上における物体の配置若しくは物体の相互の位置を選択することが可能である。従って、成し遂げられた本発明の格別有利な実施形態においては、造形層毎にそれぞれ個別的な露出方式又は予熱方式を最適に選択すること、特に放射熱入力を時間的に最適化することだけでなく、その前に本発明による方法を考慮して、製造しようとする物体の造形台上における配置の最適化が行なわれる。

本発明の単純な変形例においては、機能的開口の配置と大きさは不変である。この場合は互いに平行に位置する帯状の機能的開口を使用することが有利であることが分かった。その際に機能的開口は、絶縁要素において相対運動の方向に対して垂直に、例えばｘ方向又はｙ方向に対して垂直に配置されていることが有利である。代替として、機能的開口が斜めに、即ち運動方向に対して所定の角度で配置されていることが可能である。本発明においては、機能的開口の形状と配置と大きさをプロセスの特殊性に適合できる点が有利である。帯状又はスリット状の機能的開口の代わりに、例えば穴状の機能的開口又は他の任意の形状の機能的開口を全ての機能又は個々の機能のために設けることもできる。

本発明の有利な実施形態においては、機能的開口の形状、配置及び／又は大きさは可変である。例えば露出開口の大きさを可変に構成することが有利であり、特にこの機能的開口をオリフィスとして、即ち入力される放射熱の断面積を制限するために用いる場合はそうである。同様に被覆開口の大きさを可変に構成することが有利であり、特にこの開口の形状及び／又は大きさが直接塗布場所若しくは単位時間当りに塗布される造形材料の体積を規定する場合はそうである。機能的開口の変更は、特に運転時間中も、従って製造プロセスの進行中にも行うことができる。このために場合によっては適当な追加的駆動・制御装置が設けられる。

本発明の種々の実施形態において、機能的開口の性質と配置、特に順序は変更して異なる作業方法及び動作モードに適応させることができる。本発明の好適な実施形態においては、例えば、材料通路に隣接して２個の放射通路を設けることができ、これにより双方向の被覆及び露出が可能となる。造形材料の硬化のための放射熱の供給は、造形台と絶縁要素の間の相対運動、特に前進運動及び後退運動の方向と無関係に行うことができる。これにより、造形速度を上げることができ有利である。

本発明の更なる好適な実施形態においては、絶縁要素が固定ではなく造形台に対して動き、少なくとも１個の硬化用放射熱源が絶縁要素と共に、より正確にはそれに関連する露出開口と一緒に動く。この場合、硬化用放射熱源と絶縁要素との間の相対位置関係は変化しない。しかし、好適な制御を行い、これに対応して構成した駆動装置を用いる場合、硬化用放射熱源と絶縁要素との間の相対位置関係を、特に予め確定した露出方式に関連して制御することによって変更でき、絶縁要素は固定でも移動していてもよい。同様に、硬化用放射熱源の数は所望の露出方式に適応することができる。好適な実施形態では、例えば、１個の露出開口が、この露出開口と一緒に動く幾つかの硬化用放射熱源と関連付けられている。

本発明により造形材料への熱入力が改善されるだけではない。それに加え、機能的開口の配置と大きさ、絶縁要素と造形台との間の相対運動、及び予熱用放射熱及び／又は造形材料を局所的に硬化させるための放射熱の供給及び案内方法を適当に調和させることにより、製造プロセスを格別効率的に実施できる。

この目的のために、層造形プロセスを用いて製造しようとする物体を記述するためのデータモデルを使用した製造プロセスのための集中制御が用いられる。その際に制御は種々の製造段階において同時に複数の箇所で進行する、即ち進行状態が非常に異なる製造プロセスの全ての関連する動作を包含する。換言すれば、制御は常に製造プロセスの実際の進行状況に対応して行われ、このために適当なセンサ、特に温度センサのセンサデータが使用される。制御は、特に造形材料の温度を制御するための予熱用放射熱源の制御、ここでは、絶縁要素との相互作用による個々の温度範囲の所定の制御（任意）を含む。制御は、絶縁要素、造形台及び／又は放射熱源の間の相対運動のための駆動装置の制御も、即ち造形材料を温める又は局所的に加熱するために誘導される放射熱源の制御、造形材料を供給及び／又は塗布するための供給装置及び／又は塗布装置の制御、並びに場合によっては、配置及び／又は大きさを変えられる機能的開口の制御も含む。

この場合、層形成設備の制御若しくは本発明による方法の実施との関連において必要な全ての演算は、これらの演算を実施するように構成されている１以上のデータ処理ユニットによって実行される。これらのデータ処理ユニットの各々は、好ましくは幾つかの機能モジュールを有しており、各機能モジュールは記載された方法に従い特定の１機能又は若干数の特定の機能を実施するために構成されている。これらの機能モジュールはハードウェアモジュールであってもよく、ソフトウェアモジュールであってもよい。換言すれば、本発明はデータ処理ユニットに関して言えば、コンピュータハードウェアの形式かコンピュータソフトウェアの形式、又はハードウェアとソフトウェアの組合せによって実現できる。本発明がソフトウェアの形式で、従ってコンピュータプログラム製品として実現されている限り、コンピュータプログラムがプロセッサを有するコンピュータ上で実行される場合、記載された全ての機能はコンピュータプログラム命令によって実現される。この場合、コンピュータプログラム命令は公知の通りに任意のプログラム言語で実現されており、コンピュータに任意の形式で、例えばコンピュータネットを介して伝送されるデータパケットの形式で、又はディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ若しくは他のデータ媒体に保存されたコンピュータプログラム製品の形式で提供できる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

著しく簡略化して断面図で示したプロセスチャンバを有する本発明による装置の模式図である。 造形台上に配置された絶縁要素を平面図で示した模式図である。 造形しようとする物体の層の種々の製造段階における簡略化した断面図である。 ２個の放射熱源を有する本発明の実施形態を示す図である。 代替の機能的開口を有する本発明による装置の単純化した概略断面図である。

全ての図は本発明を縮尺通りではなく、単に概略的に本質的な構成部分のみを示す。同じ参照符号は、同じ又は同等の機能を有する要素に対応している。

層状に塗布された造形材料を選択的に硬化させることによって少なくとも１個の三次元物体を製造するための装置として、例示的にレーザ焼結のための装置１について図１と図２に基づき説明する。しかしながら本発明はこの特定の方法に限定されるものではない。本発明は他の付加的製造法、例えばレーザ溶融、マスク焼結、ドロップ・オン・パウダー／ドロップ・オン・ベッド、ステレオリソグラフィー及び同種のものにも応用可能である。

本発明の説明では直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用いる。

レーザ焼結のための装置１はｘｙ平面に配置された造形台２を含んでおり、その上で三次元物体３が公知の方式で層状に形成される。造形材料４は適当なプラスチック粉末である。層ｎを製造した後で新しい層ｎ＋１を製造するために、造形台２を既に形成されて硬化した層と共に特定の距離だけ下方に動かす。この目的のために駆動装置５が、ｚ方向に、即ち造形平面に対して垂直に造形台３と後でより詳しく説明する絶縁要素６との間の相対運動を発生するために用いられる。このｚ方向の運動は図１に矢印３３で示されている。駆動装置５は、例えば電動モータである。

層ｎの硬化と後続の層ｎ＋１のための新しい造形材料４の塗布との間で、過剰な造形材料４を造形台２から除去するようにされてもよい。この場合にはこれに適した装置（図示せず）が、例えばドクターブレード又は同種の形式で設けられており、有利には絶縁要素６と接続されており、又は絶縁要素６と協働する。

装置１は、造形材料４を選択的に硬化させる目的で局所的に加熱するための放射エネルギーを供給する少なくとも１個の硬化用放射熱源７を含む。この少なくとも１個の放射熱源７は、例えばレーザビーム８を誘導放出するレーザである。

装置１は更に、造形台２若しくは既にある造形層の上に造形材料４を供給する及び／又は塗布する少なくとも１個の供給装置及び／又は塗布装置９を含む。供給装置及び／又は塗布装置９は、例えば積層粉末を塗布するための装置である。供給装置及び／又は塗布装置９は、材料塗布を制御する相応の制御装置１０と接続されている。

装置１は更に、製造プロセス中に造形台２を連続的に少なくとも部分的に覆い熱エネルギーを造形材料４に入力するための上述した絶縁要素６を含む。絶縁要素６は、全体が断熱材料で作られると共に実質的にｘ−ｙ平面に延存する可撓性薄片である。それは造形台２の上方に配置されており、最上部の造形層から離れている。その間隔は通常は１００μｍ〜１０ｍｍである。絶縁要素６の造形台２と対向する下面２２は、熱放射を造形材料及び造形しようとする物体に向けて拡散させながら反射するように具体化されている。

装置１は、造形材料を予備加熱する予熱用放射熱源２５を含んでおり、この予熱用放射熱源２５は、絶縁要素６の上側に配置されて熱エネルギーを供給する。この放射熱源２５は、例えば赤外線を放出する赤外線放射器である。この放射熱源２５のために適切な制御システム２７が設けられている。

加熱開口として働く少なくとも１個の専用の機能的開口２０が放射熱源２５と関連付けられている。しかし、放射熱源２５は、(以下により詳細に説明する）１個以上の他の機能的開口、例えば露出開口と関連付けることができ、これにより、露出開口は同時に加熱開口として働く。造形材料４の加熱は、絶縁要素６内の加熱開口２０を通して放射熱源２５から放出される赤外線２６によって行われると共に、図１と図３に概略的に示すように絶縁要素６の下面２２から反射された熱放射１１によって行われる。

造形台２は、図１では略示されているに過ぎないが運転状態では閉じられたプロセスチャンバ１２の内部にある。ここでは絶縁要素６はプロセスチャンバ１２の境界壁として用いられる。より正確に言えば、絶縁要素６はプロセスチャンバ１２の上部カバー１３の一部として構成されている。

装置１は更にｘ方向及び／又はｙ方向、即ち層方向で造形台２と絶縁要素６との間の相対運動を発生するための駆動装置１５を含む。このｘ方向及び／又はｙ方向における運動は、図１では矢印３４で示されている。駆動装置１５は、例えば電動モータである。両駆動装置５、１５は対応する駆動制御装置１６、１７と接続されている。

ここで説明する実施形態においては、駆動装置１５は造形台２を固定の絶縁要素６に対して相対的に動かす。主運動方向はｘ方向である。極めて単純な場合には、造形台２の運動はこの主運動方向に限られる。製造プロセスにとって必要であるか又は有利な場合は、ｘ方向の運動に造形台２のｙ方向の運動を重ねることができる。

図示しない実施形態では、特に、ｘ方向及び／又はｙ方向に、好ましくは絶縁要素６及び造形台２の前記した他の運動の一つと独立して放射熱源２５を動かすために、放射熱源２５に駆動装置を設けることができる。この種の更なる駆動装置は、対応する駆動制御システムに接続された電気モータとすることができる。しかし、最も単純な場合、放射熱源２５は絶縁要素６に対して固定的に設けられる。絶縁要素６が固定的でなく、ｘ方向及び／又はｙ方向に移動される場合は、放射熱源２５は対応する駆動装置によって絶縁要素６と共に一緒に移動される。

絶縁要素６は、同時に使用できる少なくとも２個の、図１に示す例では３個の互いに離れている機能的開口１８、１９、２０を有する。機能的開口１８、１９、２０はスリット状若しくは帯状の長方形をしており、互いに平行に、且つ主運動方向、ここではｘ方向に対して垂直に位置している。機能的開口の内の１つは材料通路１８として構成され、別の機能的開口は放射熱通路１９として構成され、第３の機能的開口は加熱開口２０として構成されている。物体３を製造する間、造形材料４とこの造形材料を加熱する放射エネルギーだけでなく、造形材料を硬化する放射エネルギ（ここではレーザビーム８の形式）も、同時に機能的開口１８、１９、２０を通過できる。

言い換えれば、一方の機能的開口は造形材料４を造形台２又は既にある造形層に塗布するための被覆開口１８として形成されており、他方の機能的開口は造形材料４を硬化させるために少なくとも１個の放射熱源７の放射エネルギーを塗布された造形材料４に同時に入力するための露出開口１９として形成されている。

レーザビーム８が露出開口１９を通って規定された軌道上を誘導されることにより、造形材料４を局所的に加熱するための放射エネルギーの入力が行なわれる。レーザビーム８の誘導は適当な駆動・制御装置２１を用いて行なわれる。換言すれば、ｘ方向及び／又はｙ方向において造形台２と絶縁要素６との間の相対運動を発生するために第１の駆動装置１５が使用されるだけでなく、この第１の相対運動とは独立にｘ方向及び／又はｙ方向において放射熱源７と絶縁要素６との間の第２の相対運動を発生するために第２の駆動装置２１も使用される。図示の例では第２の駆動装置２１は放射熱源７を動かすために用いられる。この放射熱源７のｘ方向及び／又はｙ方向における運動は、図１に矢印３５で示されている。

固定した絶縁要素６とそれに対して可動な造形台及び可動な放射熱源７に代えて、代替的な実施形態（図示せず）では造形台がｘｙ平面上で固定されてよく、その場合は絶縁要素６と放射熱源７は互いに可動に構成されている。代替として、所望の二つ相対運動を提供するために、固定の放射熱源７と動く絶縁要素６及び動く造形台２とを組み合わせることもできる。放射熱源７は、絶縁要素６と共に一緒に動かされるようにしてもよく、その結果、それらの相互位置関係は変化しない。装置１は、ｘ方向及び／又はｙ方向における硬化用放射熱源７と絶縁要素６との間の相対移動を発生するための第３の駆動装置（不図示）及びそれに関連する駆動制御システムを含むことができ、第３の駆動装置は硬化用放射熱源７を駆動するのが好ましい。

放射熱源２５は造形材料を加熱するために設けられている。しかし、本発明の有利な実施形態では、互いに独立して制御できる複数の放射熱源２５が使用され、それらは、絶縁要素６の上方、特に機能的開口の真上、特に加熱開口２０の真上に配置される。しかし、放射熱源２５は、露出開口１９又は被覆開口１８の上方に配置してもよく、この場合、造形材料を予備加熱又は後加熱するためにそれらの開口を通して熱放射を導入できる。全ての放射熱源２５は加熱制御システム２７に接続されており、この加熱制御システム２７は放射熱源２５の駆動装置に機能的に結合されているのが好ましい（この種の駆動装置を利用する場合）。

集中制御装置２８が製造プロセスの進行を制御する。このために制御装置２８は、全ての関連する部分制御装置１０、１６、１７、２１、２４を包含する。

以下に図３に基づいて製造の種々の段階について説明する。この場合、図１及び図２に示された絶縁要素６とは異なり、３個の機能的開口、即ち２個の被覆開口１８、１８’及び被覆開口１８、１８’の間に配置された、加熱開口２０としても働く露出開口１９を有する絶縁要素６’が用いられる。

図３ａでは、造形台２は駆動装置１５に駆動されて絶縁要素６の第１の被覆開口１８の下を通ってｘ方向に動く。層ｎ用の造形材料４が造形台２に塗布される。

図３ｂでは、造形台２はｘ方向に更に動く。直前に塗布された造形材料４は、焼結温度を下回る温度に予熱される。この目的のために熱放射２６が放射熱源２５から造形材料に向けて放射される。熱放射２６は、露出／加熱開口１９、２０を通して絶縁要素６を横切り、その開口の領域において造形材料に直接照射される。同時に、熱放射２６は、第１の被覆開口１８と露出／加熱開口１９、２０との間の反射領域２３において、絶縁要素の反射性下面２２からの反射熱放射として造形材料に導入される。同時に直前に予熱された隣接の物体領域では、レーザビーム８を用いて露出開口１９を通して追加的熱エネルギーが導入され、それにより粉末粒子が溶融する。

図３ｃでは、造形台２はｘ方向に更に動く。造形台２が第２の被覆開口１８’に到達する前に、造形台２は駆動装置５によって駆動されてｚ方向で必要な距離だけ下方に動く。第２の被覆開口１８’により後続の層ｎ＋１のための造形材料４が塗布される。露出開口１９と第２の被覆開口１８’との間に位置する反射領域２３’の下方の物体領域は、照射及び反射された熱放射１１によって直前に加熱されている。

図３ｄでは、造形台２はその転向点に到達している。層ｎと層ｎ＋１が形成されている。造形台２上に露出／加熱開口１９、２０は配置されていないので、この時点ではレーザ照射はもはや行なわれない。造形材料４の塗布も、両被覆開口１８、１８’の少なくとも一方が造形台２に配置されている間だけ行なわれる。

図３ｅでは、造形台２は第１の運動と反対にｘ方向に動いて絶縁要素６の下を通る。第２の被覆開口１８’に隣接する反射領域２３’’の下方の物体領域における照射及び反射された熱照射１１による造形材料の予熱と同様に、第２の被覆開口１８’を用いて次の層ｎ＋２に対する新しい材料塗布が既に行われている。その前に造形台２は駆動装置５に駆動されて新たにｚ方向で必要な距離だけ下方に動く。形成しようとする構造を硬化させるために露出／加熱開口１９、２０を通してレーザビーム８による局所的な照射が行なわれる。照射及び反射された熱照射１１の結果、第１の反射領域２３において後加熱が起こる。造形台２が更に動くとすぐに第１の被覆開口１８を通して層ｎ＋３に対する材料塗布が行なわれる。

図４に図示されている実施形態では、同時に駆動される２個の放射熱源７、１４からの放射熱８は共通の露出開口１９を通り、この露出開口１９によって露出状態とされた造形層３に当る。見やすさの理由から絶縁要素６は透明に示されており、更に唯一の機能的開口、即ち露出開口１９が描かれている。各々の放射熱源７、１４には目標領域２９、３０が割り当てられており、この割り当ては破断補助線で象徴的に示されている。両目標領域２９、３０は重なり合ってオーバーラップ領域３１を形成する。少なくとも２個の放射熱源（この場合もレーザであってもよい）７、１４の制御は、相応に構成された駆動・制御装置２１によって、造形材料の総加工時間が最小となるように行われる。最適な露出構造を実現するために、各放射熱源７、１４は図４では放射熱源１４について示されているように、ｘ方向及び／又はｙ方向に所定の軌道３２で動く。

図５に示す絶縁要素の代替変形例６’’では、被覆開口１８が２個の露出開口１９、１９’の間に設けられている。これにより、双方向露出が可能となる。即ち、被覆開口１８を通しての層ｎの材料の塗布の後のｘ方向の造形台２の移動により、移動方向に見て被覆開口１８の後方に位置する露出開口１９を通して露出が起き（図５ａ）、逆に、ｘ方向と反対の造形台２の逆転移動により、移動方向に見て被覆開口１８の後方に位置する露出開口１９’を通して次のステップｎ＋１の露出がすでに行われており、材料は被覆開口１８を通して事前に塗布されている（図５ｂ）。

上記の説明、以下の請求項及び図面に示された全ての特徴は単独でも、互いに任意に組み合わせても発明にとって本質的であり得る。

１ レーザ焼結装置
２ 造形台
３ 物体、造形層
４ 造形材料
５ 駆動装置（Ｚ）
６ 絶縁要素
７ 放射熱源、レーザ
８ レーザビーム
９ 供給／塗布装置
１０ 材料塗布制御装置
１１ 熱放射
１２ プロセスチャンバ
１３ カバー
１４ 放射熱源、レーザ
１５ 駆動装置（ｘ／ｙ）
１６ 駆動制御装置（ｚ）
１７ 駆動制御装置（ｘ／ｙ）
１８ 機能的開口、材料通路、被覆開口
１９ 機能的開口、放射熱通路、露出開口
２０ 機能的開口、加熱開口
２１ レーザの駆動・制御装置
２２ 絶縁要素の下面
２３ 反射領域
２４（なし）
２５ 放射熱源、赤外線放射器
２６ 赤外線
２７ 加熱制御システム
２８ 集中制御装置
２９ 第１の目標領域
３０ 第２の目標領域
３１ オーバーラップ領域
３２ 運動軌道
３３ ｚ方向における加熱要素の運動
３４ ｘ方向及び／又はｙ方向における加熱要素の運動
３５ ｘ方向及び／又はｙ方向における放射熱源の運動

１ レーザ焼結装置
２ 造形台
３ 物体、造形層
４ 造形材料
５ 駆動装置（Ｚ）
６ 絶縁要素
７ 放射熱源、レーザ
８ レーザビーム
９ 供給／塗布装置
１０ 材料塗布制御装置
１１ 熱放射
１２ プロセスチャンバ
１３ カバー
１４ 放射熱源、レーザ
１５ 駆動装置（ｘ／ｙ）
１６ 駆動制御装置（ｚ）
１７ 駆動制御装置（ｘ／ｙ）
１８ 機能的開口、材料通路、被覆開口
１９ 機能的開口、放射熱通路、露出開口
２０ 機能的開口、加熱開口
２１ レーザの駆動・制御装置
２２ 絶縁要素の下面
２３ 反射領域
２４（なし）
２５ 放射熱源、赤外線放射器
２６ 赤外線
２７ 加熱制御システム
２８ 集中制御装置
２９ 第１の目標領域
３０ 第２の目標領域
３１ オーバーラップ領域
３２ 運動軌道
３３ ｚ方向における絶縁要素の運動
３４ ｘ方向及び／又はｙ方向における絶縁要素の運動
３５ ｘ方向及び／又はｙ方向における放射熱源の運動

Claims (10)

1. 層状に塗布された造形材料（４）を選択的に硬化させることによって三次元物体（３）を製造するための装置（１）であって、
   少なくとも１個の三次元物体（３）を層状に形成するための、ｘｙ平面上に配置された造形台（２）と、
   熱エネルギー（１１）を造形材料（４）に入力するための少なくとも１個の予熱用放射熱源（２５）と、
   局所的に加熱することにより造形材料（４）を選択的に硬化させるための少なくとも１個の硬化用放射熱源（７、１４）と、
   造形台（２）と少なくとも部分的に重なる絶縁要素（６）と、
   次の３個の構成要素、即ち造形台（２）、絶縁要素（６）、少なくとも１個の放射熱源（７、１４）の内の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を発生するための若干数の駆動装置（１５、２１）とを有し、
   絶縁要素（６）は同時に使用できる少なくとも２個の機能的開口（１８、１９、２０）を備え、
   少なくとも２個の機能的開口の一方は材料通路（１８）として構成され、少なくとも２個の機能的開口の他方は放射熱通路（１９、２０）として構成されている装置。
2. 絶縁要素（６）は造形台（２）に対向する側面が反射するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 絶縁要素（６）は薄片として構成されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. ｘ方向及び／又はｙ方向において造形台（２）と絶縁要素（６）との間の相対運動を発生するための第１の駆動装置（１５）と、
   ｘ方向及び／又はｙ方向において少なくとも１個の硬化用放射熱源（７、１４）と絶縁要素（６）との間の相対運動を発生するための第２の駆動装置（２１）と、を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 少なくとも２個の同時に駆動可能な硬化用放射熱源（７、１４）と、前記硬化用放射熱源（７、１４）をそれらの放射領域（２９、３０）が重なるように制御するための制御装置（２１）とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 機能的開口（１８、１９、２０）の形状、配置及び／又は大きさが可変である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 製造プロセス中に絶縁要素（６）の速度及び／又は少なくとも１個の硬化用放射熱源（７、１４）の速度が可変である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 絶縁要素（６）は、材料通路（１８）として構成された１個の機能的開口と、移動方向に見てこの機能的開口に隣接する、放射通路（１９、１９’）として構成された２個の機能的開口とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. ｘ方向及び／又はｙ方向において少なくとも１個の硬化用放射熱源（７、１４）と絶縁要素（６）との間の相対運動を発生するための第３の駆動装置を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 層状に塗布された造形材料（４）を選択的に硬化させることによって三次元物体（３）を製造するための方法であって、
    ｘｙ平面上に配置された造形台（２）上で少なくとも１個の三次元物体（３）を層状に形成し、
    少なくとも１個の予熱用放射熱源（２５）によって熱エネルギー（１１）を造形材料（４）に入力し、
    少なくとも１個の硬化用放射熱源（７、１４）によって造形材料（４）を局所的に加熱して選択的に硬化させ、
    造形台（２）と少なくとも部分的に重なる絶縁要素（６）により、造形材料（４）と放射エネルギー（８、１１）が、少なくとも２個の機能的開口（１８、１９、２０）を使用して同時に通過できるようにし、
    若干数の駆動装置（１５、２１）により、次の３個の構成要素、即ち造形台（２）、絶縁要素（６）、少なくとも１個の硬化用放射熱源（７、１４）の内の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を発生する方法。
    

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