Three-dimensional object of the manufacturing method and apparatus

【０００１】
本発明は、請求項１あるいは３８あるいは４１の前提項による三次元物体の製造方法と、請求項２３の前提項による三次元物体を製造する装置と、請求項３６の前提項による装置に関する。
【０００２】
例えば米国特許第４８６３５３８号によると、選択的レーザー焼結による三次元物体の製造方法において、物体は、粉末材料の複数の層を、特定の層における物体に対応する位置において、レーザーを作用させて、連続してかつ選択的に固化することによって製造される。 このようにして製造された物体は、完成直後はまだ熱く、最終固化状態となっていない。 さらに、使用前にまだ固化していない粉末が遊離してしまう。 ある用途においては、物体を引き続いて処理することが望まれるか、あるいはそれが必要な場合がある。
【０００３】
請求項１あるいは１５ の前提項による方法及び装置は、米国特許第５８４６３７０号に記載されている。 そこには、コンテナ中で物体を製造することが提案されており、このコンテナは、処理室に収容されており、物体製造終了後に処理室から搬出することができ、また、冷却装置として使用することも可能である。 欧州特許第０６３２７６１号によると、物体と共に物体を取り囲んでいるコンテナ壁をも固化させ、物体とともに形成されたコンテナを、製造工程終了後、冷却するために別の場所に置く方法が示されている。 また欧州特許第０２８９１１６号によると、粉末をレーザー焼結することによって物体を製造する方法が開示されており、そこでは、粉末層は、流動床方法(fluidized bed process)によって塗工される。 加熱された、あるいは冷却されたガスが、製造工程において物体を一定の温度に保つために供給される。 欧州特許第０２８７６５７号には、製造工程の間、物体から熱を除去するために、温度管理された空気流を粉末床中に通過させることが示されている。
【０００４】
ドイツ実用新案第２９５０６１７６.６号によれば、選択的レーザー燒結手段によって製造された物体を、製造後にその物体の周囲に残っている固化していない粉末から手で取り出すことが開示されている。 国際公開公報ＷＯ００／２１６７３号によると、レーザー焼結装置に交換式物体製造フレームを設けることが知られている。 この交換式物体製造フレームは、レーザー焼結装置から迅速且つ簡単に取り外されまた再設置することができ、それ故、交換作業を迅速に行うことができる。 米国特許第５５６９４３１号による方法及び装置においては、ステレオリトグラフィによって形成された物体は、光硬化され得る液体材料が入った槽から自動的に引き上げられる。 さらに欧州特許第０４０３１４６号によると、ステレオリトグラフィ装置が開示されており、その装置には、物体を製造する装置と連続処理装置とが設けられている。 それら二つの装置の間を搬送するための搬送装置も設けられている。
【０００５】
本発明の目的は、固化可能な粉末材料から三次元物体を製造する方法及び装置を提供することであり、製造工程全体を簡略化し、自動化し及び／叉は短縮し、かつ、物体製造中の寸法精度を向上させることである。
【０００６】
本発明の目的は、請求項１による方法、及び請求項１７による装置によって達成される。 本発明の更なる展開は従属項で規定されている。
【０００７】
本発明のさらなる特徴と利点は、図面を使用して例示されている実施例の記載からもわかるであろう。
【０００８】
特に図１からも明らかなように、三次元物体を製造する装置には、上部が開いているコンテナ、すなわち上方リム２を有する製造コンテナ１が設けられている。 コンテナ１の断面は製造される物体３の一番大きな断面積よりも大きい。 形成される物体を支持するキャリア４は、上方リム２に面している基本的に平らな面５を有しており、コンテナ１のなかに設けられている。 キャリア４は、図１に概略的に示すように、駆動装置によってコンテナ１の中を垂直方向に上下に動く。 コンテナ１の上方リム２は作業面６を規定している。
【０００９】
コンテナ１は処理室１００内に取り外し可能に取り付けられているので、その中で形成された物体と共に処理室１００から取り外すことが可能である。
【００１０】
レーザー７として示されている放射装置は指向性ビーム８を放射するものであり、作業面６の上に設けられている。 偏向装置９は、例えば検流計鏡（Galvanometer）システムとして設けられており、これによって、ビーム８が、偏向ビーム８'として、作業面６のそれぞれ所定の位置に偏向させられる。
【００１１】
コータ（塗工機）１０が設けられており、固化する粉末材料の層をキャリア面５あるいは最後に固化する層に塗工する。 コータ１０は、作業面６上を前後に、概略的に示されている駆動装置によって、コンテナ１の一方にある第１の端部からコンテナ１の反対側にある第２の端部へ、移動可能である。
【００１２】
また、制御装置４０が設けられており、これにより、キャリア４の位置を設定する駆動装置と、コータ１０を動かす駆動装置と、偏向装置を調整する駆動装置とが、協働し、あるいは互いに独立して制御される。
【００１３】
図２に示されている本発明の第１の実施例において、物体を製造する装置は、装置５０を有しており、この装置は、完成した物体をコンテナ１から制御しながら取り出すために処理室１００の外側に設けられるのが好ましい。 装置５０は概略的にのみ示されている設置台５１を有しており、コンテナ１が、処理室から運び出された後、この設置台の中に挿入され保持される。 装置５０もまた、図２に概略的に示されている駆動装置を有しており、この駆動装置は、装置５０の中にあるキャリアを上下に移動させる。 この駆動装置は、キャリアをコンテナの上方リム２に対して連続的にあるいは段階的に調整可能な速さで動かすように設計されている。 さらに、この駆動装置は、キャリア４が最上部に到達した後、再び下降するよう設計されている。
【００１４】
コンテナ１をその開口側において周囲から封止している蓋い５２は、ドームのような形状をしており、その下方リムでコンテナ１の上方リム２に取り付けられる。 蓋い５２はコンテナ上に配置され、コンテナ１の上方リム２と蓋いとの間には、シールが設けられ、このシールにより大気からの密封が保証される。 この蓋いは互いに対峙している二つの開口部５３及び５４を有し、これら開口部は蓋い５２の下方リムから所定の距離のところに設けられている。 開口部５３及び５４はそれぞれ、圧縮ガスを供給するための供給パイプ５５と、このガス及びガス流によって流動化した粉末粒子を除去するための除去パイプ５６とのいずれか一方に接続している。 供給パイプ５５は、ガス媒体を供給する装置５７、好ましくは圧縮空気供給源５７に接続している。 また除去パイプ５６は除去された粉末材料を回収するコンテナ５８に接続している。 蓋い５２の開口部５３及び５４の配置は、圧縮空気供給源５７が接続されているとき、コンテナの上方リム２の上を基本的に接線方向に流れるガス流が生じるように調整される。 圧縮空気供給源５７は調整可能であるため、空気流の強さが制御できる。 さらに、ガス媒体の温度は制御可能であるため、冷却に要する温度が設定できる。
【００１５】
本発明の方法において、物体は、まず、処理室１００中のコンテナ１内のキャリア４上で公知の方法で製造される。 したがって、キャリア４はまず一番高い場所に移動する。 そこでは、キャリア面５は、コンテナ１の上方リム２の下方、塗工される第１の層の一層厚分の距離に存在する。 続いて、コータ１０は作業面６の上を動き、固化されるべき第１の層が塗工される。 続いて、偏向装置９は、この層の物体の断面に相当する粉末材料の領域が、レーザー８によって固化するように制御される。 その後、キャリア４が下降し、塗工された新しい層が再び同様に固化される。 これらの工程が物体３が完成するまで何度も繰り返される。 例えば、ポリアミド粉末のようなプラスチック粉末、金属粉末、セラミック粉末、プラスチックコーティングされた砂、あるいはこれらの混合物が、適用分野に応じて、粉末材料１１として使用される。
【００１６】
コンテナはその中で形成される物体３と共に処理室１００から運び出され、物体３を取り出すための装置５０に入れられる。 キャリア４はコンテナ１内の最も低い場所に位置する。 まだ固化していない粉末材料１１が、形成された物体３とコンテナ壁の間に存在する。 プラスチック粉末を使用する際、物体３は完成した直後は、典型的には、まだ熱く、最終的固化状態にはない。 物体を静かに取り出し冷却するために、ここで、蓋い５２がコンテナ１上に配置され、圧縮空気供給源５７が接続される。 その後、キャリア４は、調整可能な速度で連続的に、あるいは段階的にコンテナ内を上昇される。 その結果、固化していない一定量の粉末が、コンテナのリム２の上方に、常に、存在し、蓋い５２によって保持される。 圧縮空気供給源５７は、適切な強さの空気流が粉末面を基本的に接線方向に流れて、固化していない粉末を巻き込むように調整され、固化していない粉末は、放出出口５３及び除去パイプ５６を通して除去され、回収コンテナ５８に回収される。 物体３は、キャリア４が持ち上がることによって表面を通る空気流領域に到達するとすぐに、その空気流によって冷却される。 キャリア４が最上端位置にあるとき、蓋い５２は除去され、物体は取り出される。 そして十分に冷却される。 それ故、空気流の温度及び圧力と、コンテナ内にあるキャリアの動作速度とを所定の方法で調整することによって、物体がコンテナ１から所定の方法で取り出される。 このコンテナ１は、再び、処理室１００に新たに挿入され得る。 本方法には、物体３の取り出しと冷却を制御することによって、急激な冷却を回避でき、同時に固化していない粉末材料がゆっくりと制御された方法で除去されて冷却されるという利点があり、そのため再利用のための高品質を保持できる。 一方、物体３はこの手順の後にのみ取り出されるので、熱く、まだ柔らかい状態で触れられることがなく、したがって、変形する力が加わることもない。 更に、処理室の外で冷却と取り出しが行われるので処理室は、新しい物体の製造にとりかかることができる。
【００１７】
他の実施例において、固化していない粉末の搬送を補助する吸引ポンプが除去パイプ５６に接続されている。 空気を循環させてもよい。 そのために、連結パイプを除去パイプ５６及び空気供給パイプ５５の間に設け、フィルタを、流動している粉末と空気を分離するために配置する。 空気の代わりに、例えば窒素のような保護気体を、粉末が例えば酸化しないように、用いることができる。 装置５０の全体が、処理室１００内に配置されても良いが、その場合には、処理室は、除去と冷却の間、占領される。
【００１８】
図２による実施例の変形として、開口部５３、５４の代わりに３つ以上の開口部を異なった位置に配置することが可能である。 また、ガス流は表面に対して接線方向以外の方向に向けることも出来る。 更に、例えば制御ノズルのような装置を、ガス流の方向を制御するために設けることもできる。
【００１９】
製造コンテナから物体を取り出す装置に関して図３に示されている更なる実施例において、コンテナ２００が、好ましくは四角あるいは三角形の断面を有するフレーム６０を有するように設計されている。 そのフレームの内部で、キャリア４が上下に動くことができる。 環状あるいは襟状のアタッチメントすなわちリム６２が用意されており、これは、コンテナフレーム６０の上方リム６１の上に配置されることができ、また、再び取り外すことも可能である。 アタッチメント６２は、好ましくは、外側に湾曲したオーバーフローエッジ６３、すなわちコンテナフレーム６０の４つの側面の少なくとも一つにあるオーバーフロー領域において丸くなったオーバーフローリムの形をしたオーバーフロー装置を形成するとともに、他の３つの側面においてコンテナフレーム６０のリム６１を超えて突出して、キャリア４が動いている間に粉末あるいはキャリアの落下を防止する装置を上部に形成するように、設計されている。 コンテナ２００は設置台７０のフレーム６０によって支持されており、好ましくは処理室１００の外部に配置されている。 また、傾斜装置７１が設けられており、これによって、コンテナ２００が設置台７０と共に垂直方向に対して所定の調整可能な角度Ａだけ傾けられるので、コンテナ１内のキャリア４の移動軸Ｖが垂直方向に対して所定の角度Ａだけ傾く。
【００２０】
好ましくは振動形型のふるい装置８０がコンテナ１のオーバーフローエッジ６３の下に配置されており、回収コンテナ９０がこの振動型ふるい装置の下に配置されている。
【００２１】
請求項３による実施例の変形として、コンテナ１、ふるい装置８０及び必要なら回収コンテナ９０は、埃防止のためおよび周囲の温度制御を容易にするために、防塵で、かつ必要なら機密の室内に配置される。
【００２２】
本実施例による方法において、まず初めに、物体３が上述のように処理室内で完成させられる。 そして、コンテナ内では数個の別々の物体３、３'、３”を製造することが可能であり、それらは互いに固化していない粉末材料１１によって互いに分離される。
【００２３】
コンテナ２００は処理室から運び出され、取り出し作業のために装置５００の設置台７０に置かれる。 コンテナ２００は傾斜装置７１によって傾けられ、その結果、キャリア４の軸Ｖが、ふるいすなわち回収装置８０の方に垂直方向に対して所定の角度Ａだけ傾く。 続いて、キャリア４は連続的にあるいは段階的に持ち上げられるので、固化していない粉末材料１１がオーバーフローエッジ６３上に押し出され、振動ふるい装置８０上に落ちる。 ふるい装置８０のメッシュ幅は、固化していない粉末がふるいを通過し、回収され、回収装置９０に再利用のために移されるように選択される。 形成された一つあるいは複数の物体は、次の粉末材料が上昇するキャリア４によってオーバーフローエッジ６３に押し出される圧力によって押し出され、振動型ふるい装置８０内に捕捉される。 そして物体は固化されていない粉末材料をふるいを通過させた後、取り出される。 傾斜角Ａは、キャリア４の上昇中に変更できる。 例えば増大すると、粉末及び物体は、コンテナから完全にオーバーフローエッジ６３上に押し出される。 コンテナ２００は必ずしも傾斜されなければならないわけではない。 取り出しの制御、すなわち固化していない粉末材料の除去が制御されることが重要である。
【００２４】
この実施例において、冷却装置を、例えば粉末面を通過する空気あるいは気体流Ｇとして設けることも可能であり、その結果、粉末表面に現れる物体及び粉末自体が冷却される。
【００２５】
取り出しに関する図２及び図３に図示されている実施例を組み合わせることも可能である。 エッジ６３上の粉末のオーバーフローは、例えば、圧縮空気によって、あるいはオーバーフローエッジ、コンテナあるいはキャリアに設けられるバイブレータによって補助される。
【００２６】
更なる実施例において、固化していない粉末を制御された方法で機械的に除去する装置を提供する。 このような装置は、例えば一つ以上のブラシを備えており、このブラシによって、固化していない粉末が、コンテナ内のキャリアの上昇中に表面から除去され、また、必要なら物体に付着している粉末も除去される。 この粉末を除去する機械的装置は、また、ふるいにかけている粉末を除去する補助としても使用される。
【００２７】
さらに、本発明は、固化していない粉末材料を除去するためにガス流を使用することに限定されるものではない。 ガス流の代わりに、別の流体、例えば気体／粉末の混合体、液体あるいは液体／粉末の混同体といった媒体を使用することも可能である。 適切な流体を使用することにより、粉末を除去すると同時に、その構成成分の表面を処理することが可能である。 例えば、ガス／粉末によって滑らかにしたり、反応性気体によって硬化させることができる。 このような構成成分の連続処理は、コンテナから物体を取り出す装置において粉末の除去と同時に、あるいは粉末の除去後に行われてもよい。
【００２８】
図２及び図３による両方の実施例において、あるいはそれらの組み合わせにおいては、流体あるいはガス流の温度、及び／又は周囲の空気の温度を制御する温度制御装置を付加的に設けてもよい。 形成された物体の冷却を制御するための温度制御ステップにおいて、周囲の温度は最初は物体の温度に相当していて、ふるい作業中に徐々に下がっていく。
【００２９】
図４に示されている実施例において、キャリア面５は製造台でもあるものとして設計されており、その上で、物体がコンテナ３００内において製造される。 このキャリア面５は、図４の左半分に示されているように、多孔性に設計されているか、あるいは図４の右側半分に示されているように、開口部５００を備えている。 一種の流動床を生じ、物体を取り巻く粉末１１をばらばらにするガス、例えば空気が、多孔性製造台あるいは開口部を介して下から吹き込まれる。 そうするとぎっちり詰まった状態が緩和し、取り出しが容易になる。 ガスの方向、流量、速度、及び温度は、個々にあるいは組み合わせて制御され得る。 従って、物体を含む全体の粉末床の温度が制御される。 この実施例は、物体を取り出すための先に例示されている実施例と組み合わせることもできる。 キャリア面５を通って気体を吹き込む代わりに、あるいは付加的に、コンテナ３００の側壁を通して、あるいは上端から粉末床にガスを吹き込んでもよい。
【００３０】
図５は、本発明の更に他の実施例による物体の冷却を制御する装置を示している。 プローブあるいはそれと同様の手段によりガスを供給するための一つ以上の供給装置６００が、製造台５、及び／又はコンテナ３００の側壁、及び／又は上方粉末面を通って設けられており、特定の物体３のキャド（ＣＡＤ）データ及び幾何学的図形から示される場所が考慮されている。 ガスは制御された温度下で供給装置６００を通過するため、物体は規定された温度状態において、局部的に特殊な対流によって冷却される。 ガスはまた粉末床を緩和させ、その結果取り出しが容易になる。
【００３１】
使用される粉末材料に応じて、製造遂行される。 その結果、物体は完成した直後でも熱くなく、冷却の必要性がない。 ここに記載されている方法及び装置には、物体が手作業なしで、静かに取り出されるという利点がある。 もし物体が完成直後に既に十分な硬度を有している場合には、連続的あるいは段階的にキャリアを持ち上げる代わりに、コンテナの中身全体を、ふるいあるいは回収装置上に直接、例えばコンテナを開くことによってあけてもよい。 この代案には、製造工程全体が加速化し、粉末除去及び冷却のための上述の方法及び手段が同様に使用できるという利点がある。
【００３２】
固化していない粉末材料の除去を制御する手段が提供されることが重要であり、それにより、手動作業無しで制御された方法によりコンテナから形成された物体を自動的に取り出すことが容易になる。
【００３３】
本発明のさらなる実施例は、ガスあるいは流体を利用して、取り出しあるいは冷却を制御することにより物体の特性に本質的に影響を与えるものであり、手動による連続処理を不要にする。 形成された物体の表面の化学的な連続処理は、例えばガスを吹き込むことによって行われる。 従って、物体の製造と利用の間の従来の製造ステップが加速される。 本発明の更なる実施例によると、固化されていない粉末が除去された後の物体は、引き続いて自動的に処理される。 例えばワックスあるいはエポキシ樹脂を浸透させる処理がおこなわれる。 処理室の温度は、温度制御によって浸透に必要な適切な温度に設定される。
【００３４】
本発明は、粉末材料を固化するためにレーザービームを利用することに限定されない。 レーザービームを使用する代わりに、粉末は、別の方法、例えば他のエネルギービーム、例えば電子ビームを使用して、あるいは選択的付着、例えばバインダあるいは接着剤をプリンタヘッドから選択的に噴射することによって、固化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の装置の概略断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施例による装置の詳細を示した概略断面図である。
【図３】 本発明の第２の実施例による装置の詳細を示した概略断面図である。
【図４】 本発明の更なる実施例による装置の詳細を示した概略断面図である。
【図５】 本発明の更なる実施例による装置の詳細を示した概略断面図である。