JP7189136B2 - ３ｄ印刷方法および３ｄ印刷装置 - Google Patents

Description

本願発明は、３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置に関する。

より具体的には、本願発明は、物体を高速で製造するための３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置に関する。

３次元（３Ｄ）で印刷された部品により物理的な物体ができ、当該物理的な物体は、連続している薄い材料層を敷設することにより、３Ｄデジタル画像から作り上げられる。

通常、例えば選択的ビーム溶融や選択的ビーム焼結などの様々な手段により、これらの３Ｄ印刷された部品を作成でき、当該様々な手段は、粉末床を有することで、当該粉末床上にエネルギービームを投射し、この粉末床の最上層を溶融させて、基板や下層に溶接できるように行われる。当該下層に追加の層を追加するために、この溶融過程を繰り返し、完全に作り上げられるまで、上述の部品を徐々に作り上げる。

これらの印刷方法は、実行するために非常に時間がかかり、妥当な大きさの物体を作り上げるために数日または数週間かかる虞がある。複雑な構成部品を備える複合物体に対しては、この問題がひどくなる。このことは、３Ｄプリンタの有用性を実質的に低下させており、現在、消費者による３Ｄ印刷や製造業における３Ｄ印刷の大規模採用を遅らせている極めて重要な障害の１つである。

本願発明は、従来の３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置の前述の欠点を克服しようと試みている。

本願発明の態様の１つによれば、３次元物体印刷用の印刷装置を提供し、当該印刷装置は、作動面と、複数の粉体分注用供給ホッパーであって、前記粉体はエネルギービームにより溶融されるのに適しており、前記供給ホッパーは、前記作動面上でお互いに隣接し垂直に整列した複数の粉末床を同時に形成するように構成される供給ホッパーと、それぞれの粉末床上に同時にエネルギービームを放射し、下層の粉末床層上または基板上に、前記粉末床の最上層を溶融または融着させるためのエネルギー源と、を備えている。

前記供給ホッパーは、前記作動面で粉末床を垂直に整列した柱状に形成するように構成されてもよく、それぞれの前記柱が前記３次元物体の断面部分を形成している。

前記供給ホッパーは、それぞれ個々の粉末床上に粉体が分注されて当該粉末床上に連続して重なる層を形成するように構成されてもよい。

それぞれの供給ホッパーが、実質的に正弦波である振動経路に沿って移動してもよい。

それぞれの供給ホッパーが、矩形波、三角波または他の波形に合わせた振動経路に沿って移動してもよい。

前記３次元物体印刷用の印刷装置が、単一のエネルギービームを複数の個々の指向性エネルギービームに分割するように構成されたエネルギー分割手段をさらに備えてもよい。

前記３次元物体印刷用の印刷装置が、前記供給ホッパーからそれぞれの粉末床に移動している粉体に含まれる１つ以上の粒子の位置、速度および／または大きさを決定するための情報およびデータ収集手段を備えてもよい。

前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの粉末床に含まれる粉体の量を測定するように構成されてもよい。

前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの粉末床に含まれる粉体の濃度を測定するように構成されてもよい。

前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの粉末床のトポロジーまたはそれぞれの粉末床の一部のトポロジーを測定するように構成されてもよい。

前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの粉末床の化学組成またはそれぞれの粉末床の一部の化学組成を測定するように構成されてもよい。

前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの粉末床の温度またはそれぞれの粉末床の一部の温度を測定するように構成されてもよい。

前記３次元物体印刷用の印刷装置が、それぞれの粉末床で最も上の粉末層を実質的に平坦にするための平坦化手段を備えてもよい。

前記平坦化手段が、使用時に、それぞれの粉末床で前記最も上の粉末層の上面を定期的に削り取るブレードを備えてもよい。

前記平坦化手段が、帯電手段を備えてもよい。

前記平坦化手段が、それぞれの粉末床に配置され遊離した粉体に振動力を加えるための振動発生手段を備えてもよい。

前記振動発生手段が、機械的な振動発生器を備えてもよい。

前記振動発生手段が、超音波振動発生器を備えてもよい。

本願発明のさらなる態様の１つによれば、３次元物体の印刷方法を提供し、当該方法は、作動面でお互いに隣接する複数の粉末床が同時に形成されるように、前記作動面上に粉体を分注するステップと、それぞれの粉末床上に同時にエネルギービームを放射し、下の層上または基板上に、前記粉末床の最上層を溶融または融着させて、３次元物体の一部を形成するステップと、前記３次元物体が完全に形成されるまで上述のステップを繰り返すステップと、を備えている。

以下、添付図面を参照して、本願発明の実施例を説明する：
当技術分野で周知の、従来の３Ｄ印刷装置の側面概略図である。 本願発明の一実施形態による３Ｄ印刷装置の側面概略図である。 図２の３Ｄ印刷装置のさらなる側面概略図である。 本願発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の側面概略図である。 本願発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置を使用して提供された、複数の粉末床の側面概略図である。 本願発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置を使用して提供された、複数の粉末床の側面概略図である。 本願発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置を使用して提供された、複数の粉末床の側面概略図である。

図１を参照すると、当技術分野で周知の、従来の３Ｄ印刷装置１０の概略図が示されている。この３Ｄ印刷装置１０は、作動面１４を有する基板１２を備えており、当該作動面１４上に、３Ｄ印刷により印刷された物体を作り上げることができる。

３Ｄ印刷装置１０は供給ホッパー１６をさらに備えており、当該供給ホッパー１６は、粉体１８の単一の層を作動面１４上に堆積させている。

エネルギーガン２０（一般には、レーザーや電子銃）が粉体１８の層にエネルギービーム２２を放射することで、その粉体１８の層を選択的に溶融または選択的に焼結させて、３Ｄの物体の個々の層を形成している。この過程を追加層の追加のために繰り返し、この物体が完成するまで、当該物体を徐々に作り上げている。

図２および図３を参照すると、本願発明の第１の実施形態による３次元物体を印刷するための印刷装置２４の概略図が示されている。

印刷装置２４は作動面２６を有する基板２５を備えており、当該作動面２６上に、３Ｄ印刷により印刷された物体を作り上げることができる。この印刷装置２４は、粉体３０を分注するための複数の供給ホッパー２８をさらに備え、粉体３０はエネルギービーム３２により溶融されるのに適している。供給ホッパー２８は、作動面２６上でお互いに隣接する複数の粉末床３４を同時に形成するように構成されている。

印刷装置２４は、それぞれの粉末床３４上に同時にエネルギービーム３２を放射して、下層の粉末床層上または基板上に、粉末床３４の最上層を溶融または融着させるためのエネルギー源をさらに備えている。このエネルギー源は、それぞれの粉末床３４上に個々のエネルギービーム３２を放射するように構成された複数のエネルギーガン３６を備えている。

印刷装置２４で使用されるそれぞれのエネルギーガン３６は、レーザービーム、マイクロ波ビーム、超音波ビーム、コリメート光ビーム、マイクロプラズマ溶接光、電子ビーム、粒子ビーム、または他の適切なエネルギービームのいずれかであるのが好ましい。

それぞれの供給ホッパー２８は、使用時に、作動面２６のそれぞれの部分の実質的な上方で交互方向に移動し、当該それぞれの部分で、関連する粉末床３４を作り上げることができる。このことにより、それぞれの粉末床３４上に連続して重なる粉体の層が同時に形成されることを提供している。

例えば図２では、上述により、それぞれの粉末床３４上の全てに第１の粉末層３８を堆積しており、供給ホッパー２８が同時に、当該第１の粉末層３８の真上に第２の粉末層４０を能動的に堆積させているという状態で示されている。現在、供給ホッパー２８が参照番号４２により示される方向に移動している一方で、第２の粉末層４０が形成されているように示されている。

図３では、上述により、第１の粉末層３８および第２の粉末層４０が両方とも全て堆積されており、それぞれの粉末床３４において、供給ホッパー２８が、当該第２の粉末層４０の真上に第３の粉末層４４を同時に堆積しているという、さらなる状態で示されている。現在、供給ホッパー３０が、第１の方向４２に対して横方向である、参照番号４７で示される方向に移動している一方で、第２の粉末層４０が形成されているように示されている。

供給ホッパー２８が振動経路において繰り返し往復し、作動面２６上に粉末床３４を徐々に堆積させる。供給ホッパー２８がたどる経路は、作動面２６の平面を横断する少なくとも１つの次元において、実質的に正弦波であることが好ましい。しかしながら供給ホッパー２８は、本願発明の範囲内の全てである代替の振動経路をたどってもよい。

それぞれの粉末床３４上に層を堆積させて垂直に整列した柱を形成し、これらの柱のそれぞれが、製造されている３Ｄ物体の断面部分を形成することが好ましい。

これらの層がお互いの上方に均一に整列するように、これらの層を当該柱の上に堆積させることが好ましい。あるいは図５（ａ）および５（ｂ）に示されるように、これらの層のそれぞれが、少なくとも部分的に、隣接する粉体の柱における下の粉末層と重なるように、これらの層を当該柱上に堆積させてもよい。

これらの重なりの度合いは固定されていてもよい。例えば図５（ａ）では、それぞれの粉末層が、関連する下層の／隣接する粉末層と略10％だけ重なって示されている。図５（ｂ）では、それぞれの粉末層が、関連する下層の／隣接する粉末層と略50％だけ重なって示されている。

あるいは図５（ｃ）に示されるように、これらの重なりの度合いは、それぞれの層の間の所定の順序またはランダムな順序に従って変化してもよい。

ここで図２に戻ると、供給ホッパー２８により粉末層の最上層をそれぞれの粉末床３４上に堆積している一方で、エネルギーガン３６がこれらの最上層上に向けられ、粉体を選択的に溶融または焼結し、それにより、３Ｄ物体の一部を形成している。

本発明は、複数の隣接する粉末床３４を同時に堆積可能にし、かつ、エネルギー源により粉末床３４を同時に運用可能にしており、当該発明は、印刷生産性の実質的な増加をもたらしている。図２および図３に表現された例示的な実施形態において、３つの粉末床３８が作動面２６に形成され、３つのエネルギーガン３６により同時に運用されるように示されている。このことにより、印刷生産性において３倍に相当する向上をもたらしている。

しかしながら、より一般的には、Ｎ個の供給ホッパー２８およびＮ個のエネルギーガン３６を本発明に従って使用し、印刷生産性のＮ倍の向上を達成してもよいことが理解されよう。

電子ビームのエネルギー源を使用する本発明の実施形態において、真空チャンバ内に（基板２５および作動面２６を含む）印刷装置２４を収容して運用し、粉末床３４上への電子ビームの伝搬を容易にしている。

本願発明の有効性は、制御された方法で形成される、それぞれの粉末床３４に実質的に依存している。特に、それぞれの粉末床３４に形成された層が均一な厚さと、当該粉末床３４の最上層がエネルギー源により加工されている際に実質的に水平である上面と、を有する、ということを確保することが重要である。

粉体の粒子は、当該粉体の粒子の特質のため、作動面２６に堆積させた際に当該作動面２６を転がる場合が多い。このことは通常、例えば、弾む荒い円形状の粉体の粒子が作動面２６上を転がり、すでに当該作動面２６にある他の粉体の粒子と衝突する、などの当該粉体の粒子の形状のためであるか、または、粉体の供給部２８から粉体の粒子を運んでいるガス供給の力により、当該転がることを引き起こすことができるか、のどちらかである。あるいは、あまりにも多くの粉体の粒子が同じ位置に堆積される場合、「堆積」から転がり落ちる粉体の粒子による重力により、当該転がることを引き起こす可能性がある。

例えば粒子の収縮のため、粉末床３４の最上層がエネルギー源により加工された後に、堆積された粉末層の厚さを減少させる可能性があることも周知である。この厚さの減少が、供給ホッパー３０および／または形成された結果として得られる３Ｄ物体により、それ以降に堆積された粉末層に悪影響を及ぼすかもしれない。

したがって印刷装置２４が、運用中にそれぞれの粉末床３４の最上層を実質的に平坦にするための平坦化手段をさらに備えてもよい。図に開示された実施形態において、この平坦化手段が、使用時に、それぞれの粉末床３４の最上層に亘って定期的に削り取る複数のブレード４６を備え、必要に応じて当該最上層の厚さを変更し、この最上層の上面が実質的に平坦に保たれることを確保している。

それぞれのブレード４６は、当該ブレード４６の位置、速度および向きを制御するためのアルゴリズムを実行するソフトウェアまたはファームウェアにより駆動される、機械的な制御手段および制御電子機器（図示せず）を使用して制御されている。

実行されたアルゴリズムにより、エネルギーガン３６の作動と同時に、またはエネルギーガン３６の作動とは無関係に、粉末床３４において全体的に、または部分的に、それぞれのブレード４６を選択的に作動させている。

ブレード４６の代わりに、またはブレード４６に加えて、印刷装置２４により使用される平坦化手段が、それぞれの粉末床３４における粉末層に振動力を加えるための振動発生手段（図示せず）を選択的に備えてもよい。これらの振動力により、粉末層における個々の遊離した粒子を振動させ、次に、これらの遊離した粒子を動的にさせている。これらの振動力は、粉末床３４に含まれる粒子が形成されて所望の配置に落ち着くまで、選択的に加えられてもよい。

印刷装置２４により使用される振動発生手段は、機械的な振動発生器または超音波振動発生器であってもよい。

さらに、ブレード４６および／または振動発生手段の代わりに、またはブレード４６および／または振動発生手段に加えて、上述の平坦化手段が帯電手段を備えてもよく、当該帯電手段は、粉体の粒子と作動面２６との両方を反対の極性で静電的に帯電させている。

例えば、作動面２６に正電荷が印加されてもよく、それぞれの粉体のホッパー２８を出る粉体の粒子を負に帯電させてもよい。その結果として粉体の粒子が供給ホッパー２８を出ると、これらの粉体の粒子が作動面２６に向かって引き寄せられ、この作動面２６と接触した時点で、これらの粉体の粒子が作動面２６における適所に固着する。

このような固着の利点は、第一に、粉体の粒子を正確に配置することができるため、最終的な成分の解像度の向上につながることであり、第二に、供給ホッパー２８と作動面２６との間に粉体の粒体の粉塵が少ないため、印刷装置２４内の作業環境を向上させることである。そして他の静電的な手段を用いて、静電的に帯電させた粉体の粒子の流動方向を制御することもできる。

供給ホッパー２８から放出された空中の粉体３０の体積流量および密度を印刷装置２４が制御可能にするため、および上述の平坦化手段を印刷装置２４が制御可能にするために、印刷装置２４が情報およびデータ収集手段（図示せず）も備えることが好ましい。

粉体３０に含まれる粒子、または当該粒子のそれぞれが供給ホッパー２８から作動面２６におけるそれぞれの粉末床３４へ移動する際に、この情報およびデータ収集手段が、これらの粒子の位置、速度および／または大きさを決定するように構成されるのが好ましい。

この情報およびデータ収集手段が、空中の粉体３０の密度を測定するようにも構成されるのが好ましい。

この情報およびデータ収集手段が、作動面２６に堆積された粉体３０の量を測定するようにも構成されるのが好ましい。

この情報およびデータ収集手段が、作動面２６に堆積された粉体３０の濃度を測定するようにも構成されるのが好ましい。

この情報およびデータ収集手段が、超音波ビーム、電子ビーム、レーザー、または他の適切な走査技術や位置決め技術を使用してもよい。

この情報およびデータ収集手段を使用して収集された情報およびデータが制御電子機器やソフトウェアと共に使用され、供給ホッパー２８から放出される粉体の体積流量、方向および／または速度を決定し、および／またはエネルギービーム３２の方向や強度を決定して、印刷される部品の製造を最適化している。

本願発明のさらなる態様の１つによれば、３次元物体の印刷方法を提供し、当該方法は、作動面２６でお互いに隣接する複数の粉末床３４が同時に形成されるように、作動面２６上に粉体３０を分注するステップと、それぞれの粉末床３４上に同時にエネルギービーム３２を放射し、粉末床３４の最上層を溶融させて、３次元物体の一部を形成するステップと、当該３次元物体が完全に形成されるまで上述のステップを繰り返すステップと、を備えている。

図４を参照すると、本願発明の第２の実施形態による３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置２４の概略図が示されている。開示されたこの実施形態は、エネルギー源が、単一のエネルギービーム５０をエネルギー分割手段５２上に放射するように構成された単一のエネルギーガン４８を備えることを除けば、図２および図３に開示された第１の実施形態と全く同一である。

エネルギービーム分割手段５２は、単一のエネルギービーム５０を３つの個々の指向性エネルギービーム５４に分割する。エネルギービーム分割手段５２は制御機構（図示せず）と共に作動し、当該制御機構は、本発明の第１の実施形態のために上述したものと同様の方法で、粉末床３４の異なる露出面に、エネルギービーム分割手段５２から放射された指向性エネルギービーム５４のそれぞれを同時に向けることを確保している。

本発明の前述の記載において、言語表現や必要な示唆のために、文脈が他に必要とする場合を除き、用語“comprise”や、例えば“comprises”や“comprising”などの変形は包括的な意味で使用され、すなわち、記載された特徴の存在を特定しているが、本発明の様々な実施形態において、さらなる特徴の存在や追加を除外するものではない。

当業者には明らかであるような変更や変形は、本願発明の範囲におけるものと見なされる。

Claims (17)

1. 作動面と、
   複数の粉体分注用供給ホッパーであって、粉体はエネルギービームにより溶融されるのに適しており、前記供給ホッパーは、前記作動面上で、お互いに隣接する複数の粉末床において同じ階層の粉末層を同時に形成するように構成される供給ホッパーと、
   それぞれの前記粉末床上に同時にエネルギービームを放射し、下層の粉末層上または基板上に、前記粉末床の最も上の粉末層を溶融または融着させるためのエネルギー源と、
   を備えることを特徴とする３次元物体印刷用の印刷装置。
2. それぞれの前記供給ホッパーが、振動径路において繰り返し往復し、前記供給ホッパーがたどる前記振動経路は、前記作動面の平面を横断する少なくとも１つの次元において、実質的に正弦波の波形に合わせた振動径路であることを特徴とする請求項１に記載の印刷装置。
3. それぞれの前記供給ホッパーが、振動径路において繰り返し往復し、前記供給ホッパーがたどる前記振動経路は、前記作動面の平面を横断する少なくとも１つの次元において、矩形波、三角波または他の波形に合わせた振動経路であることを特徴とする請求項１に記載の印刷装置。
4. 単一のエネルギービームを複数の個々の指向性エネルギービームに分割するように構成されたエネルギー分割手段をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の印刷装置。
5. 前記供給ホッパーからそれぞれの前記粉末床に移動している粉体に含まれる１つ以上の粒子の位置、速度および／または大きさを決定するための情報およびデータ収集手段をさらに備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の印刷装置。
6. 前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの前記粉末床に含まれる粉体の量を測定するように構成されることを特徴とする請求項５記載の印刷装置。
7. 前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの前記粉末床に含まれる粉体の濃度を測定するように構成されることを特徴とする請求項５または６に記載の印刷装置。
8. 前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの前記粉末床のトポロジーまたはそれぞれの前記粉末床の一部のトポロジーを測定するように構成されることを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載の印刷装置。
9. 前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの前記粉末床の化学組成またはそれぞれの前記粉末床の一部の化学組成を測定するように構成されることを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の印刷装置。
10. 前記情報およびデータ収集手段が、それぞれの前記粉末床の温度またはそれぞれの前記粉末床の一部の温度を測定するように構成されることを特徴とする請求項５～９のいずれか１項に記載の印刷装置。
11. それぞれの前記粉末床で前記最も上の粉末層を実質的に平坦にするための平坦化手段を備えることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の印刷装置。
12. 前記平坦化手段が、使用時に、それぞれの前記粉末床で前記最も上の粉末層の上面を定期的に削り取るブレードを備えることを特徴とする請求項１１記載の印刷装置。
13. 前記平坦化手段が、帯電手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の印刷装置。
14. 前記平坦化手段が、それぞれの前記粉末床に配置され遊離した粉体に振動力を加えるための振動発生手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の印刷装置。
15. 前記振動発生手段が、機械的な振動発生器を備えることを特徴とする請求項１４記載の印刷装置。
16. 前記振動発生手段が、超音波振動発生器を備えることを特徴とする請求項１４記載の印刷装置。
17. ａ．複数の供給ホッパーにより、作動面上でお互いに隣接する複数の粉末床において同じ階層の粉末層が同時に形成されるように、前記作動面上に粉体を分注するステップと、
    ｂ．それぞれの前記粉末床上に同時にエネルギービームを放射し、下層の粉末層上または基板上に、前記粉末床の最も上の粉末層を溶融または融着させて、３次元物体の一部を形成するステップと、
    ｃ．前記３次元物体が完全に形成されるまで上述のステップを繰り返すステップと、
    を備えることを特徴とする３次元物体の印刷方法。
    

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