DE102009038255A1

DE102009038255A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes

Info

Publication number: DE102009038255A1
Application number: DE102009038255A
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Kadoma-shi Higashi; Satoshi Kadoma-shi Abe; Norio Kadoma-shi Yoshida; Masataka Kadoma-shi Takenami
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US8282377B2; JP5301217B2; DE202009018133U1; JP2010046694A; US20100044922A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes wird (i) eine verfestigte Schicht (24) durch Strahlen eines Lichtstrahles (L) auf einen spezifizierten Bereich einer Pulverschicht (22) gebildet, um den spezifizierten Bereich zu sintern oder zu schmelzen. Weiter wird (ii) eine weitere verfestigte Schicht (24) gebildet, indem eine neue Pulverschicht auf der verfestigten Schicht (24) platziert wird, die in Schritt (i) erhalten wurde, und durch Strahlen des Lichtstrahles (L) auf einen spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht (22), um den spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht (22) zu sintern oder zu schmelzen. Die Schritte (i) und (ii) werden wiederholt, um einen dreidimensional geformten Gegenstand herzustellen. Bei dem Verfahren wird ein Gas an einen Spiegel (31, 60) geliefert, der beim Abtasten des Lichtstrahles (L) verwendet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes mit mehreren verfestigten Schichten, die übereinander geschichtet sind, indem der Schritt des Strahlens eines Lichtstrahles auf einen spezifizierten Bereich einer Pulverschicht wiederholt wird, um eine verfestigte Schicht zu bilden.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmlicherweise ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes durch Strahlen eines Lichtstrahles auf ein pulverförmiges Material bekannt, wobei dieses Verfahren gewöhnlicherweise als ein ”Pulversinter- und Schichtbildungsverfahren” bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird der dreidimensional geformte Gegenstand durch das Wiederholen von (i) eines Schrittes des Strahles eines Lichtstrahles auf einen spezifizierten Bereich einer Pulverschicht zum Sintern oder Schmelzen derselbigen zu einer verfestigten Schicht und (ii) eines Schrittes des Platzierens einer neuen Pulverschicht auf die verfestigte Schicht und Strahlen des Lichtstrahles auf einen spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht zum Bilden einer weiteren verfestigten Schicht, hergestellt (siehe beispielsweise japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nummern H1-502890 und 2000-73108 ). In dem Fall, bei welchem ein Metallpulver als das pulverförmige Material verwendet wird, kann der so hergestellte dreidimensional geformte Gegenstand als eine Form zum Bilden eines Kunststoffartikels verwendet werden. Wenn Harzpulver als pulverförmiges Material verwendet wird, kann der so hergestellte dreidimensional geformte Gegenstand als ein Kunststoffartikel verwendet werden. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht es, einen dreidimensional geformten Gegenstand mit einer komplexen Form innerhalb einer kurzen Zeitdauer herzustellen.
Um die Oxidation des dreidimensional geformten Gegenstandes zu vermeiden, wird die Herstellung desselben innerhalb einer Kammer ausgeführt, die unter einer spezifizierten Schutzgasatmosphäre gehalten wird. Innerhalb der Kammer sind eine Pulverschichtbildungseinheit, ein Substrat, auf dem die Pulverschicht und/oder die verfestigte Schicht platziert sind, usw. installiert. Eine Lichtstrahlabstrahleinheit ist außerhalb der Kammer installiert. Der von der Lichtstrahlabstrahleinheit emittierte Lichtstrahl wird auf einen spezifizierten Bereich der Pulverschicht durch ein Lichtaustrittsfenster der Kammer gestrahlt.
Mit der Lichtstrahlabstrahleinheit, die in 1 gezeigt ist, wird der Lichtstrahl L von einem Lichtstrahloszillator 30 emittiert und dann an einer frei wählbaren Position der Pulverschicht durch einen Abtastspiegel, wie beispielsweise einen Galvanospiegel 31 oder dergleichen, abgetastet. Folglich wird das pulverförmige Material zu einer verfestigten Schicht gesintert oder geschmolzen. Obwohl der Abtastspiegel dazu da ist, den Lichtstrahl zu reflektieren, ist seine Reflektivität in der Praxis nicht gleich 100% (sondern ist z. B. ungefähr 90% bis 98%). Mit anderen Worten werden einige Prozent der thermischen Energie des Lichtstrahles, der auf den Abtastspiegel einfällt, durch eine Spiegeleinheit aufgenommen. Aus diesem Grund wird die derart absorbierte Wärme von der Spiegeleinheit auf einen Abtastkörper übertragen (einschließlich z. B. einer Spiegelantriebseinheit und einer Spiegelsteuereinheit), was zu einer Erhöhung der Temperatur des Abtastkörpers führt. Als eine Konsequenz vollzieht der Abtastkörper eine mechanische Versetzung (oder Deformation), welche die Lichtstrahleinstrahlgenauigkeit verringert.
In diesem Zusammenhang vollzieht die Spiegeleinheit während des Abtastverlaufes des Lichtstrahls eine hin- und hergehende Schwingbewegung um ihre Antriebsachse mit einer hohen Geschwindigkeit (Wie in 2 gezeigt ist, vollzieht die Spiegeleinheit 61 eine hin- und hergehende Schwingbewegung z. B. bei einer hohen Geschwindigkeit von ungefähr 15 bis 18 Grad/sec. mit einem maximalen Schwingwinkel von ungefähr +/– 15 Grad). Dies erfordert, dass der Spiegel leichtgewichtig ist. Mit anderen Worten muss die Spiegeleinheit 61 eine relativ kleine Größe haben, was bedeutet, dass die absorbierte Wärme leicht auf den Abtastkörper 62 übertragen werden kann (siehe 2). Genauer gesagt, je kleiner die Größe der Spiegeleinheit 61 wird, desto kleiner wird seine thermische Kapazität. Folglich ist die Temperatur der Spiegeleinheit 61 Gegenstand einer Erhöhung unter dem Einfluss der äußeren Wärme, was es der Wärme ermöglicht, mit Leichtigkeit auf den Abtastkörper 62 übertragen zu werden. In dem Fall, bei welchem ein Metallpulver als das pulverförmige Material verwendet wird, ist die Energie des Lichtstrahles hoch. (Zum Beispiel wird die maximale Ausgangsleistung eines Kohlenstoffdioxidlasers auf einer Höhe von ungefähr 500 Watt gehalten). Dies bedeutet, dass der Einfluss der absorbierten Wärme groß wird, was schließlich die mögliche Verringerung der Genauigkeit der Einstrahlung des Lichtstrahles verstärkt.
Kurzfassung der Erfindung
Angesichts der obigen Ausführungen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes bereit, welches in der Lage ist, eine Verringerung der Abstrahlgenauigkeit eines Lichtstrahles zu verhindern.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes bereitgestellt, die Schritte aufweisend:

(i) Bilden einer verfestigten Schicht durch Strahlen eines Lichtstrahles (z. B. eines gerichteten Energiestrahles, wie beispielsweise ein Laserstrahl oder dergleichen) auf einen spezifizierten Bereich einer Pulverschicht, um den spezifizierten Bereich zu sintern oder zu schmelzen;
(ii) Bilden einer weiteren verfestigten Schicht durch Platzieren einer neuen Pulverschicht auf die verfestigte Schicht, die in Schritt (i) erhalten wurde, und Strahlen des Lichtstrahles auf einen spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht, um den spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht zu sintern oder zu schmelzen; und
(iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii), um einen dreidimensional geformten Gegenstand herzustellen,

Eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Körpereinheit des Abtastspiegels vor einer Temperaturerhöhung bewahrt wird, indem eine Spiegeleinheit (insbesondere ein Galvanospiegel) des Abtastspiegels mit einer Luft, wie in 3 gezeigt, direkt gekühlt wird. Durch eine gewissenhafte Untersuchung und Forschung haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass eine schnell schwingende Spiegeleinheit gekühlt werden kann, indem ein Gasstrom bei einem Luftkühlbetrieb geeignet verwendet wird.
In der Gegenstandsbeschreibung bedeutet der Ausdruck ”Spiegel” im Wesentlichen einen Lichtablenker (Abtastspiegel) zum Reflektieren eines Lichtstrahles, um denselben abzutasten, und schließt zum Beispiel einen Galvanospiegel mit ein. Der Galvanospiegel ist ausgelegt, eine Schwingbewegung um eine Achse in der Rotationsrichtung zu vollziehen und dient als ein Lichtablenker, der kontinuierlich den Lichtpfad verändern kann. Im Falle eines zweidimensionalen Abtastens des Lichtstrahles bezieht sich der Galvanospiegel im Wesentlichen auf einen X-Richtung-Abtast-Galvanospiegel und einen Y-Richtung-Abtast-Galvanospiegel (siehe 4A und 4C). Der Ausdruck ”Abtastkörpereinheit”, der hierin verwendet wird, bezeichnet im Wesentlichen einen anderen Bereich, als den der lichtreflektierenden Spiegeleinheit und schließt zum Beispiel eine Spiegelantriebseinheit und eine Spiegelsteuereinheit mit ein.
Der Ausdruck ”Abtasten”, der hierin verwendet wird, bedeutet im Wesentlichen, dass der in einer Lichtstrahlquelle erzeugte Lichtstrahl zum Beispiel durch Reflektion abgelenkt wird, um eine spezifizierte Position zu erreichen.
Der Ausdruck ”Pulverschicht”, der hierin verwendet wird, bezeichnet zum Beispiel entweder eine Metallpulverschicht oder eine Harzpulverschicht. Der Ausdruck ”spezifizierter Bereich einer Pulverschicht” bezieht sich im Wesentlichen auf eine Region eines dreidimensional geformten Gegenstandes, der hergestellt werden soll. Wenn ein Lichtstrahl auf das Pulver gestrahlt wird, das in dem spezifizierten Bereich vorhanden ist, wird das Pulver zu einem dreidimensional geformten Gegenstand gesintert oder geschmolzen. Der Ausdruck ”verfestigte Schicht” bezeichnet im Wesentlichen eine gesinterte Schicht in dem Fall, bei welchem die Pulverschicht eine Metallpulverschicht ist und bezeichnet eine erstarrte Schicht in dem Fall, bei welchem die Pulverschicht eine Harzpulverschicht ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Abtastspiegel eine Reflexionsoberfläche zum Reflektieren des Lichtstrahles und eine Rückfläche (oder hintere Oberfläche), die auf der gegenüberliegenden Seite der Reflexionsoberfläche angeordnet ist. Das Gas wird an die Rückfläche geliefert oder geblasen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass Rippen an der Rückfläche vorgesehen sind, um es dem Gas zu ermöglichen, über den gesamten Bereich der Rückfläche zu fließen. Dies stellt sicher, dass das angeblasene Gas durch die Rippen geführt wird, um gleichmäßig entlang der Rückfläche zu fließen. Alternativ kann es möglich sein, Rippen zum Führen des Gases in die Richtung des Bereiches der Rückfläche vorzusehen, wo eine größte Wärmemenge erzeugt wird.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lieferung des Gases nicht auf die Rückfläche des Abtastspiegels begrenzt, sondern kann insofern bezüglich der Reflexionsoberfläche des Abtastspiegels ausgeführt werden, soweit sie nicht den Abtastvorgang des Lichtstrahles nachteilig beeinflusst. In diesem Fall ist bevorzugt, dass das an die Reflexionsoberfläche gelieferte Gas ein Schutzgas ist.
Die Lieferung des Gases kann mit einer Rückkopplungsregelung ausgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, dass die Temperatur der Spiegeleinheit im Voraus gemessen wird, sodass die Menge und die Temperatur des gelieferten Gases in Abhängigkeit von der so gemessenen Temperatur der Spiegeleinheit gesteuert werden kann.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes bereitgestellt, welche bei der Ausführung des Herstellungsverfahrens, wie oben beschrieben, verwendet wird. Die Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes weist auf:
eine Einheit zum Bilden einer Pulverschicht;
eine Lichtstrahlabstrahleinheit zum Strahlen eines Lichtstrahles auf einen spezifizierten Bereich der Pulverschicht, um eine verfestigte Schicht zu bilden; und
ein Substrat, auf welchem die Pulverschicht und/oder die verfestigte Schicht gebildet werden, wobei die Lichtstrahlabstrahleinheit einen Spiegel (oder einen Abtastspiegel) zur Verwendung beim Abtasten des Lichtstrahles aufweist und ein Gaslieferglied zum Liefern eines Gases an den Spiegel.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gaslieferglied synchron mit der Bewegung des Spiegels bewegbar. Insbesondere vollzieht das Gaslieferglied eine hin- und hergehende Schwingbewegung, die synchron mit der hin- und hergehenden Schwingbewegung der Spiegeleinheit ist. Mit anderen Worten liefert das Gaslieferglied das Gas in Richtung der Spiegeleinheit, während sie die hin- und hergehende Schwingbewegung vollzieht.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Abtastspiegel eine Reflexionsoberfläche zum Reflektieren des Lichtstrahles und eine Rückfläche, die gegenüber der Reflexionsoberfläche liegt. Das Gaslieferglied hat einen Gasauslassanschluss, der in Richtung der Rückfläche des Abtastspiegels zeigt. Es ist bevorzugt, dass Rippen an der Rückfläche vorgesehen sind, um es dem Gas zu erlauben, über den gesamten Bereich der Rückfläche zu fließen. Bevorzugterweise sind die Rippen in einer symmetrisch Anordnung bezüglich der Rotationsachse (nämlich der Spiegelachse) angeordnet, so dass eine Balance während der hin- und hergehenden Schwingbewegung der Spiegeleinheit erreicht werden kann. Die an der Rückfläche vorgesehenen Rippen weisen vorzugsweise einen konischen Stützbereich auf (zentraler hervorstehender Bereich), der in dem zentralen Bereich der Rückfläche vorgesehen ist, um aus der Rückfläche hervorzustehen, und mehrere Plattenbereiche (radial hervorstehende Bereiche), die sich radial von dem konischen Stützbereich heraus erstrecken und aus der Rückfläche hervorstehen. Der konische Stützbereich ist vorzugsweise mit einer oberen Öffnung und mit mehreren Seitenöffnungen versehen, wobei beide miteinander in einer Fluidverbindung verbleiben. (In diesem Fall ist jede der Seitenöffnungen zwischen zwei benachbarten Plattenbereichen angeordnet.) Alternativ können die Rippen zwei Kantenplatten (hervorstehende Kantenbereiche) aufweisen, die in den zwei äußeren gegenüberliegenden Kantenbereichen (kantennahe Bereiche) der Rückfläche vorgesehen sind, um aus der Rückfläche und wenigstens einer zwischenliegenden Platte hervorzustehen (zwischenliegender hervorstehender Bereich), der im Wesentlichen parallel bezüglich der Kantenplatten vorgesehen ist, um aus der Rückfläche hervorzustehen. Der hierin verwendete Ausdruck ”Rippe” bezieht sich im Wesentlichen auf einen Bereich oder ein Glied mit einer blattartigen Form oder Rippenform, welcher installiert ist, um den Gasstrom in Richtung der Spiegeleinheit zu führen. Der hierin verwendete Ausdruck ”hervorstehen” bedeutet, dass die Rippen sich im Wesentlichen senkrecht bezüglich der Rückfläche oder der Reflexionsoberfläche der Spiegeleinheit erstrecken.
Die Rippen können an der vorderen Reflexionsoberfläche der Spiegeleinheit vorgesehen sein (außer dem Lichtstrahl reflektierenden Bereich), sowie an der Rückfläche. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Gaslieferglied ausgelegt ist, das Gas in Richtung der Reflexionsoberfläche der Spiegeleinheit zu liefern (außer dem Lichtstrahl reflektierenden Bereich) und dass eine Rippe entlang des äußeren Kantenbereiches vorgesehen ist (oder dem kantennahen Bereich) der Reflexionsoberfläche, um aus der Reflexionsoberfläche hervorzustehen.
Mit dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Temperaturanstieg in der Spiegeleinheit des Abtastspiegels zu unterdrücken, welcher von dem Lichtstrahl verursacht werden würde. Dies macht es möglich, die mechanische Versetzung (Deformation) der Abtastkörpereinheit zu verringern und auch eine Veränderung bei den elektrischen Eigenschaften der Abtastkörpereinheit zu verhindern (insbesondere eine Veränderung bei der Ausgabe des Schwingwinkelsensors, der in dem Abtastspiegel verwendet wird). Als ein Ergebnis ist es möglich, bei dem Pulversinter- und Schichtbildungsvorgang die Verringerung der Strahlgenauigkeit des Lichtstrahls zu verhindern und einen geformten Gegenstand mit erhöhter Genauigkeit herzustellen. Mit anderen Worten wird es möglich, einen dreidimensional geformten Gegenstand mit verbesserter Genauigkeit bei der Form zu erhalten.
Insbesondere ist es einfach, da die Spiegeleinheit des Abtastspiegels eine Schwingbewegung bei einer hohen Geschwindigkeit vollzieht, das gelieferte Gas zu verteilen. Dies macht es möglich, einen relativ hohen Wärmeabfuhreffekt durch die Lieferung des Gases bereitzustellen. Obwohl es die allgemeine Auffassung ist, dass die Hochgeschwindigkeitsschwingbewegung es schwierig macht, Wärme durch Wasserkühlung abzuführen, macht die vorliegende Erfindung von dem Vorteil der Schwingbewegung der Spiegeleinheit in einer effektiven Art und Weise Gebrauch.
Die Schwingbewegung der Spiegeleinheit ermöglicht es dem Gas, effizient an der Rückfläche oder der Reflexionsoberfläche der Spiegeleinheit entlang zu fließen. Falls die Spiegeleinheit mit Rippen versehen ist, wird es möglich, den gekühlten Oberflächenbereich (oder den Wärmeübertragungsbereich) zu vergrößern, und den Gasstrom effektiv in Richtung der Spiegeleinheit zu führen.
Dies macht es möglich, eine Temperaturerhöhung in der Spiegeleinheit effizient zu unterdrücken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Art und Weise darstellt, auf welche ein Pulversinter- und ein Schichtbildungsverfahren ausgeführt wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Art und Weise illustriert, auf welche ein Abtastspiegel eine hin- und hergehende Schwingbewegung vollführt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
Die 4A bis 4C sind Ansichten, die schematisch einen X-Richtung-Abtast-Galvanospiegel und einen Y-Richtung-Abtast-Galvanospiegel schematisch zeigen, die an einer Abtasthalterung angebracht sind.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Ausgestaltung einer kombinierten optischen Formgebungsmaschine zur Verwendung bei der Ausführung eines Pulversinter- und Schichtbildungsverfahrens verwendet wird.
Die 6A und 6B sind Teilansichten, die schematisch den Betrieb der kombinierten optischen Formgebungsmaschine zeigen.
7 ist ein Ablaufschema, das den Betrieb der kombinierten optischen Formgebungsmaschine veranschaulicht.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die die Positionsbeziehung zwischen einem Abtastspiegel und einem Gaslieferglied schematisch zeigt.
Die 9A bis 9C sind Ansichten, die schematisch das Gaslieferglied zeigen, das in dem X-Richtung-Abtast-Galvanospiegel und dem Y-Richtung-Abtast-Galvanospiegel angeordnet ist.
10A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch das Gaslieferglied zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
10B ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein weiteres Gaslieferglied zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die 11A bis 11C sind Seitenansichten, die schematisch die Positionsbeziehung zwischen dem Abtastspiegel zeigen, der in einer maximalen Schwingposition gehalten wird und dem Gaslieferglied, und 11D ist eine Ansicht, bei welcher der Schwingwinkel α schematisch innerhalb eines strichlierten Kreises gezeigt ist.
12A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Art von Rippen zeigt, die an der Rückfläche einer Spiegeleinheit vorgesehen sind.
12B ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Art von Rippen zeigt, die an der Rückfläche einer Spiegeleinheit vorgesehen ist.
12C ist eine perspektivische Ansicht, die noch eine weitere Art von Rippen zeigt, die an der Rückfläche einer Spiegeleinheit vorgesehen ist.
12D ist eine perspektivische Ansicht, die eine Art einer Rippe zeigt, die an der Reflexionsoberfläche einer Spiegeleinheit vorgesehen ist.
13A bis 13C sind Ansichten, die schematisch ein Rückkopplungssteuerverfahren zeigen.
Die 14A bis 14C sind Seitenansichten, die eine Art und Weise schematisch zeigen, bei welcher das Gaslieferglied zusammen mit der Spiegeleinheit bewegt wird.
Die 15A und 15B sind Graphen, die die Ergebnisse eines Experiments bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Pulversinter- und Schichtbildungsverfahren)
Als Voraussetzung des vorliegenden Herstellungsverfahrens wird zuerst ein Pulversinter- und Schichtbildungsverfahren beschrieben. 5 zeigt die Ausgestaltung einer kombinierten optischen Formgebungsmaschine 1 zur Verwendung beim Ausführen eines Pulversinter- und Schichtbildungsverfahrens. Die kombinierte optische Formgebungsmaschine 1 weist hauptsächlich eine Pulverschichtbildungseinheit 2 zum Bilden einer Pulverschicht durch Verteilen eines Pulvers, wie beispielsweise eines Metallpulvers oder eines Harzpulvers in einer spezifizierten Dicke, ein Substrat 20 (siehe 6A und 6B), das vertikal durch den Betrieb eines Zylinders innerhalb eines Formtanks 29 bewegbar ist, dessen äußerer Rand von einer Wand 27 umgeben ist, eine Lichtstrahlabstrahleinheit 3 zum Strahlen eines Lichtstrahls L auf eine freiwählbare Position, und eine Schneideinheit 4 zum Schneiden des äußeren Bereiches eines geformten Gegenstandes auf. Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, weist die Pulverschichtbildungseinheit 2 hauptsächlich einen Pulvertisch 25 auf, der vertikal durch den Betrieb eines Zylinders innerhalb eines Pulvermaterialtanks 28 bewegbar ist, dessen äußerer Rand von einer Wand 26 umgeben ist, eine Formplatte 21, die auf dem Substrat 20 angeordnet ist und als eine Basis des geformten Gegenstandes dient, und eine Verdichtungsrakel 23 zum Bilden einer Pulverschicht 22 auf der Formplatte 21. Zurückkommend zu 5 weist die Lichtstrahlabstrahleinheit 3 hauptsächlich einen Lichtstrahloszillator 30 zum Erzeugen eines Lichtstrahles L auf (z. B. eines gerichteten Energiestrahls, wie beispielsweise ein Laserstrahl oder dergleichen) und einen Galvanospiegel 31 (oder ein optisches Abtastsystem) zum Abtasten des Lichtstrahls L auf der Pulverschicht 22. Falls nötig, kann die Lichtstrahlabstrahleinheit 3 weiter eine Strahlformkorrektureinheit zur Korrektur der Form eines Lichtstrahlflecks aufweisen (nämlich eine Einheit, die beispielsweise ein Paar Zylinderlinsen und einen Rotationstreiber zum Antreiben der Linse um die Achse des Lichtstrahles L aufweist) und eine fθ-Linse. Die Schneideinheit 4 weist hauptsächlich einen Messerkopf 40 zum Schneiden des äußeren Bereiches eines geformten Gegenstandes auf und eine XY-Antriebseinheit 41 zum Bewegen des Messerkopfes 40 in eine Schneidposition.
Der Betrieb der kombinierten Formgebungsmaschine 1 wird nun detailliert unter Bezugnahme auf die 6A, 6B und 7 beschrieben. Die 6A und 6B zeigen schematisch den Betrieb der kombinierten optischen Formgebungsmaschine 1 und 7 veranschaulicht den Betriebsablauf der kombinierten optischen Formgebungsmaschine 1.
Der Arbeitsablauf der kombinierten optischen Formgebungsmaschine 1 weist hauptsächlich einen Pulverschichtbildungsschritt (S1) zum Bilden einer Pulverschicht 22 auf, einen verfestigte-Schicht-Bildungsschritt (S2) zum Bilden einer verfestigten Schicht 24 durch Strahlen eines Lichtstrahles L auf einen spezifizierten Bereich der Pulverschicht 22 und einen Schneidschritt (S3) auf zum Schneiden einer Oberfläche eines geformten Gegenstandes. Bei dem Pulverschichtbildungsschritt (S1) wird das Substrat 20 zuerst um ΔT1 (S11) abgesenkt. Als Nächstes wird der Pulvertisch 25 um ΔT1 nach oben bewegt. Danach wird, wie in 6A gezeigt, die Verdichtungsrakel 23 in die Richtung bewegt, die durch einen Pfeil A angegeben ist, wodurch das Pulver, das auf dem Pulvertisch 25 platziert ist (z. B. ein Eisenpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 μm bis 500 μm oder ein Pulver aus Nylon, Polypropylen oder ABS-Harz, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 30 μm bis 100 μm) auf die Formplatte 21 (S12) übertragen wird und eingeebnet wird, um eine Pulverschicht 22 mit einer vorgegebenen Dicke ΔT1 zu bilden (S13). Als Nächstes schreitet der Betriebsablauf zu dem verfestigte-Schicht-Bildungsschritt (S2), bei welchem ein Lichtstrahl L (z. B. ein Kohlenstoffdioxidlaserstrahl oder ein ultravioletter Strahl) von dem Lichtstrahloszillator 30 erzeugt wird (S21) und auf einer freiwählbaren Position der Pulverschicht 22 unter Verwendung des Galvanospiegels 31 abgetastet wird (S22). Folglich wird das Pulver geschmolzen und verfestigt, um eine verfestigte Schicht 24 zu bilden, die mit der Formplatte 21 verbunden ist (S23).
Der Pulverschichtbildungsschritt (S1) und der verfestigte-Schicht-Bildungsschritt (S2) werden solange wiederholt, bis die Dicke der verfestigten Schichten 24, die übereinander geschichtet sind, eine Zieldicke erreicht, die z. B. aus der Werkzeuglänge des Messerkopfes 40 (siehe 6B) berechnet wird. Die neu geschichtete verfestigte Schicht ist mit der vorher gebildeten unteren verfestigten Schicht bei dem Sinter- und Schmelzvorgang verbunden.
Wenn die Dicke der so geschichteten verfestigten Schichten 24 gleich der Zieldicke wird (S24), schreitet der Betriebsablauf zu dem Schneidschritt (S3) weiter, bei welchem der Messerkopf 40 angetrieben wird (S31). Bei einem Vorgang, bei welchem das Werkzeug (Kugelschaftfräser) des Messerkopfes 40 1 mm im Durchmesser ist und 3 mm in einer effektiven Rakellänge, ist der Messerkopf 40 in der Lage, einen Schnitt in einer Tiefe von 3 mm auszuführen. Angenommen, dass ΔT1 0,5 mm beträgt, wird der Messerkopf 40 zu dem Zeitpunkt angetrieben, wenn sechzig verfestigte Schichten gebildet wurden. Der Messerkopf 40 wird von der XY-Antriebseinheit 41 in die Richtungen bewegt, die durch die Pfeile X und Y angegeben sind, wodurch die Oberfläche eines geformten Gegenstandes geschnitten wird, der von den geschichteten verfestigen Schichten 24 (S32) gebildet wird. Wenn der Herstellungsvorgang eines dreidimensional geformten Gegenstandes noch nicht abgeschlossen ist (S33), geht der Betriebsablauf zurück zu dem Pulverschichtbildungsschritt (S1). Danach werden die Schritte S1 bis S3 wiederholt, um zusätzliche verfestigte Schichten 24 zu schichten, wodurch die Herstellung des dreidimensional geformten Gegenstandes abgeschlossen wird.
Der Strahlungsweg des Lichtstrahls L in dem verfestigte-Schicht-Bildungsschritt (S2) und der Schneidweg in dem Schneidschritt (S3) werden basierend auf den dreidimensionalen CAD-Daten voreingestellt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Verarbeitungswege durch Anwenden einer Konturarbeit vorgegeben. Bei dem verfestigte-Schicht-Bildungsschritt (S2) werden beispielsweise Konturformdaten der entsprechenden Querschnitte verwendet, die durch Schneiden, bei einem gleichen Abstand, (z. B. bei einem Abstand von 0,05 mm, wenn δT1 0,05 mm ist), von STL-Daten erhalten werden, die aus einem dreidimensionalen CAD-Modell stammen.
(Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung)
Das vorliegende Herstellungsverfahren wurde aus einem Abtastspiegel (z. B. einem Galvanospiegel) zum Ablenken eines Lichtstrahls bei dem vorher erwähnten Pulversinter- und Schichtbildungsverfahren abgeleitet. Insbesondere liegt eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung darin, dass, wie in 8 gezeigt, ein Gas in Richtung der Rückfläche einer Spiegeleinheit 61 unter Verwendung eines Gasliefergliedes 70 geblasen wird (welches auch als Gasdüse bezeichnet wird). Der Grund für die Verwendung des Luftkühlverfahrens ist, dass die Spiegeleinheit 61 eine hin- und hergehende Schwingbewegung bei einer hohen Geschwindigkeit vollzieht, um einen Lichtstrahl abzutasten. Die 9A bis 9C zeigen schematisch den Anordnungszustand des Gasliefergliedes 70 in dem X-Richtung-Abtast-Galvanospiegels und dem Y-Richtung-Abtast-Galvanospiegels.
Das zu blasende Gas kann eine Luft (z. B. Druckluft) oder, falls nötig, ein Gas sein, welches als Schutzgas bezüglich der Spiegeleinheit 61 dient. Das Schutzgas kann Stickstoffgas oder ein Edelgas, wie beispielsweise Heliumgas, Argongas, Neongas oder Xenongas sein. Zusätzlich ist es für die Verhinderung von Taukondensation erforderlich, dass das zu blasende Gas wenig Dampf enthält. Zum Beispiel ist es bevorzugt, dass die Feuchtigkeitskonzentration in dem zu blasenden Gas 1 ppm oder weniger beträgt. Die Feuchtigkeitskonzentration (ppm), auf die hierin Bezug genommen wird, bedeutet das Volumenverhältnis der Feuchtigkeit (des Dampfes) zu dem totalen Volumen des Gases (bei einem Standardzustand von 0°C und 1 Atmosphäre), ausgedrückt in Einheiten von einer Million, und bezeichnet den Wert, der von einem typischen Taupunktmeter gemessen wird. Das Stickstoffgas ist relativ hochpreisig und daher ist die Verwendung von Trockenluft kostengünstig. Die Flussrate des zu blasenden Gases ist in einem Bereich von ungefähr 5 SLM bis ungefähr 50 SLM (wobei das SLM eine Einheit bezeichnet, die die Menge in Litern des zu liefernden Gases bei einer Minute bei einem Standardzustand ausdrückt). Der optimale Wert der Gasflussrate wird in Abhängigkeit der Form des Gasliefergliedes verändert, der Größe der Spiegeleinheit, des Schwingwinkels und der Schwinggeschwindigkeit der Spiegeleinheit usw. Wenn die Gasflussrate übermäßig klein ist, zeigt die Spiegeleinheit eine Verringerung bei ihrem Wärmeabführeffekt. Im Gegensatz dazu, wenn die Gasflussrate zu groß ist, kann die hin- und hergehende Schwingbewegung der Spiegeleinheit ungünstig beeinflusst werden. Das zu blasende Gas wird vorzugsweise bei einer niedrigen Temperatur von ungefähr 10° bis 22°C gehalten, aber es kann auch bei Normaltemperatur (z. B. um die 22°C bis 28°C) vom Gesichtspunkt der Kosteneffektivität her gehalten werden.
Die 10A und 10B zeigen zwei unterschiedliche Formen des Gasliefergliedes 70, die bevorzugt in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das in 10A gezeigte Gaslieferglied 70 hat einen inneren Hohlraumbereich, durch welchen ein Einlassanschluss 72 in Fluidverbindung mit mehreren Auslassanschlüssen 74 steht. Mit dem Einlassanschluss 72 ist eine Gaslieferleitung (nicht gezeigt) verbunden, welche wiederum mit einer Gasliefereinheit (nicht gezeigt) verbunden ist, die eine Gaslieferpumpe usw. aufweist. Dies macht es möglich, das Gas durch das Gaslieferglied 70 zu liefern. Genauer gesagt, fließt das Gas, das von der Gaslieferleitung zugeführt wird, in den Einlassanschluss 72, der in dem Seitenbereich des Gasliefergliedes 70 gebildet ist, und fließt dann aus den Auslassanschlüssen 74 durch den Hohlraumbereich heraus, die in dem Hauptoberflächenbereich gebildet sind. Indem man mehrere Auslassanschlüsse 74 vorsieht, wird es möglich, Wärme gleichmäßig von der Spiegeleinheit als Ganzes abzuführen. In dieser Hinsicht könnte man das Gaslieferglied näher an der Spiegeleinheit installieren wollen, in dem Bestreben, die Wärmeabführeffizienz zu vergrößern (die Luftkühleffizienz im Falle von Luftblasen).
Wenn das Gaslieferglied zu nahe an der Spiegeleinheit ist, kann es allerdings in Kontakt mit der hin- und hergehenden geschwungenen Spiegeleinheit kommen. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, dass der Hauptoberflächenbereich des mit den Auslassanschlüssen 74 versehenen Gasliefergliedes 70, einen Seitenbereich ”A” und einen Seitenbereich ”B” aufweist, die in Übereinstimmung mit dem maximalen Schwingwinkel der Spiegeleinheit schräg ausgebildet sind (z. B. um die +/– 15°). Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die Seitenbereiche ”A” und ”B” so schräg gebildet sind, dass die Z-Richtungsgröße des Gasliefergliedes graduell in Richtung der gegenüberliegenden Ecken ”a” und ”b”, wie in 10A gezeigt ist, verringert werden kann. Dies macht es möglich, das Gas in eine Position zu blasen, die näher an der hin- und hergehenden geschwungenen Spiegeleinheit ist, wie in 11 veranschaulicht. Die Verwendung des Gasliefergliedes mit der oben erwähnten Form macht es möglich, das Gas senkrecht zu der Spiegeleinheit zu blasen, wenn die letztere entweder nach rechts oder nach links bei maximalem Winkel geschwungen wird.
Aus demselben Grund wie oben erwähnt, weist das Gaslieferglied 70', das in 10B gezeigt, einen Seitenbereich ”A”, einen Seitenbereich ”B” und einen zentralen Bereich ”C” auf, der in der Hauptoberfläche davon gebildet ist, wobei alle diese in Übereinstimmung mit dem maximalen Schwingwinkel der Spiegeleinheit gekrümmt sind, so dass das Gaslieferglied 70' insgesamt eine zentral-konvexe Form haben kann. In diesem Fall ist es ebenso möglich, das Gas effektiv in eine Position zu blasen, die näher an der hin- und hergehenden geschwungenen Spiegeleinheit liegt. Es ist auch möglich, das Gas senkrecht an die Spiegeleinheit anzublasen, wenn die letztere entweder nach rechts oder nach links geschwungen wird (Genauer gesagt ist es möglich, dass Gase senkrecht an die Tangentiallinie des gekrümmten Bereiches ”c”, der in 10B gezeigt ist, zu blasen). Zusätzlich bezieht sich der hierin verwendete Ausdruck ”maximaler Schwingwinkel” im Wesentlichen auf den Winkel α, der schematisch innerhalb eines strichlierten Kreises in 11 veranschaulicht ist.
Als Nächstes wird die Größe des Gasliefergliedes 70 beschrieben. Angenommen, dass der Galvanospiegel 60, der in 3 gezeigt ist, verwendet wird (die Spiegeleinheit von diesem hat eine Höhe h von ungefähr 40 bis 70 mm, eine Breite w von 50 mm und eine Dicke t von 5 mm), können die verschiedenen Größen (L, Ha, Hb und W) des Gasliefergliedes 70, das in 10A gezeigt ist, so sein, dass L gleich 30 bis 80 mm ist, Ha 15 bis 25 mm, Hb 10 bis 15 mm und W 40 bis 60 mm. In diesem Falle ist der Durchmesser Da des Einlassanschlusses 72 vorzugsweise ungefähr 4 bis 10 mm und der Durchmesser Db des jeweiligen Auslassanschlusses 74 vorzugsweise 1 bis 5 mm. Die Anzahl der Auslassanschlüsse 74 ist nicht besonderes begrenzt, sondern kann beispielsweise ungefähr 10 bis 200 sein.
Das Material, aus dem das Gaslieferglied hergestellt wird, ist nicht besonders begrenzt, sondern kann vorzugsweise ein metallisches Material vom Standpunkt der Stärke und Haltbarkeit her sein. Beispiele dieses Materials umfassen Eisen, Aluminium, Edelstahl und korrosionswiderstandsfähige Legierungen (z. B. Hastelloy, Inconel und Stellite). Alternativ kann das Gaslieferglied aus einem leichtgewichtigen Kunststoff mit ausgezeichneter Korrosionswiderstandsfähigkeit sein. Zum Beispiel kann das Gaslieferglied aus einem Polymermaterial, wie beispielsweise ein Acrylharz, ein Vinylchloridharz, ein Polycarbonidharz oder dergleichen hergestellt werden. Das Herstellungsverfahren und das Verarbeitungsverfahren des Gaslieferglieds ist nicht besonders begrenzt. Das Gaslieferglied kann zum Beispiel mit einer typischen maschinellen Bearbeitungstechnik hergestellt werden.
Um die Reflekion des Lichtstrahls nicht nachteilig zu beeinflussen, ist es bevorzugt, dass das Gas an die Rückfläche der Spiegeleinheit, die gegenüber der Reflexionsoberfläche liegt, geliefert wird. Das Gas kann auf die Reflexionsoberfläche geblasen werden, vorausgesetzt, dass es die Reflexion des Lichtstrahles nicht nachteilig beeinflusst. Zum Beispiel kann das Gas auf den äußeren Bereich der Reflexionsoberfläche und nicht auf den Lichtstrahlreflexionsbereich geblasen werden. In dem Fall, bei dem das Gas auf die Reflexionsoberfläche geblasen wird, wird es möglich, das Gas an die Position und Oberfläche zuzuführen, die näher an dem Wärmeerzeugungspunkt liegt. Dies unterstützt die Vergrößerung der Wärmeabführeffizienz in der Spiegeleinheit. Mit anderen Worten wird der Lichtstrahl von der Reflexionsoberfläche reflektiert und daher wird die Wärme in der Reflexionsoberfläche eher erzeugt, als auf der Rückfläche der Spiegeleinheit. (Genauer gesagt, wird die Wärme, die in der Reflexionsoberfläche erzeugt wird, auf die Rückfläche übertragen). Wenn das Gas in Richtung der Reflexionsoberfläche geblasen wird, kann die Wärmeabfuhr auf der Wärmeerzeugungsoberfläche ausgeführt werden. Dies macht es möglich, die Spiegeleinheit auf eine effektive Art und Weise zu kühlen. In dem Fall, bei dem das Gas auf die Reflexionsoberfläche geblasen wird, ist es bevorzugt, ein Schutzgas, wie beispielsweise Stickstoffgas oder dergleichen, zu blasen. Dies macht es möglich, die Degradation (z. B. Oxidation) der äußeren Schicht einer Spiegeloberfläche effektiv zu verhindern. Zusätzlich, wenn das Gas auf die Reflexionsoberfläche geblasen wird, wird ein Effekt bereitgestellt, dass die Scherkraft des Gasstromes verhindert, dass sich Staub auf der Spiegeloberfläche ablagert. Ein weiterer Effekt ist, dass die Taukondensation auf der Spiegeloberfläche durch Blasen eines trockenen Gases auf die Reflexionsoberfläche verhindert werden kann.
Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung können verschiedene Maßnahmen vorgenommen werden, um das effiziente Gasblasen sicherzustellen. Zum Beispiel können Rippen auf der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen sein, so dass das Gas über den gesamten Bereich der Rückfläche der Spiegeleinheit fließen kann. Alternativ können Rippen vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass das Gas zu dem Bereich der Rückfläche geführt werden kann, in dem die Wärme am stärksten erzeugt wird.
Es kann in Betracht gezogen werden, die Anordnung, die in 12A gezeigt ist, als ein spezifisches Beispiel zu verwenden, bei welchem Rippen an der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen sind. In der veranschaulichten Anordnung weisen die Rippen einen konischen Stützbereich (zentraler hervorstehender Bereich) 67, der in dem zentralen Bereich der Rückfläche vorgesehen ist, um aus der Rückfläche hervorzustehen und mehrere Plattenbereiche (radial hervorstehende Bereiche) 67a, die sich radial von dem konischen Stützbereich 67 erstrecken und aus der Rückfläche hervorstehen. Der konische Stützbereich 67 ist vorzugsweise mit einer oberen Öffnung m versehen und mehreren Seitenöffnungen n, wobei beide in Fluidverbindung miteinander stehen. Jede der Seitenöffnungen ist zwischen zwei benachbarten Plattenbereichen 67a positioniert. Angenommen, dass der Galvanospiegel 60, der in 3 gezeigt ist, verwendet wird (die Spiegeleinheit von diesem ist 70 mm in der Höhe h, 50 mm in der Breite w und 5 mm in der Dicke t), dann sind die verschiedenen Größen der Rippen vorzugsweise so gesetzt, dass der konische Stützbereich 77 ungefähr 5 mm in der vorstehenden Höhe beträgt, ungefähr 10 mm im Bodendurchmesser und ungefähr 5 mm im oberen Durchmesser. Die obere Öffnung m des konischen Stützbereiches 67 hat einen Durchmesser Dm von ungefähr 3 bis 4,5 mm, während jede der Seitenöffnungen n einen Durchmesser Dn von 1 bis 3 mm aufweist. Es ist auch bevorzugt, dass jeder der Plattenbereiche 67a eine hervorstehende Höhe ha von ungefähr 5 mm hat und eine Breite wa von ungefähr 1 mm. In der in 12A veranschaulichten Anordnung passiert das Gas, das in Richtung des oberen Bereiches des konischen Stützbereiches 67 geliefert wird, die obere Öffnung m und den inneren Hohlraum und fließt dann aus den Seitenöffnung n. Danach fließt das Gas entlang der Plattenbereiche 67a in Richtung des äußeren Kantenbereiches der Rückfläche. Bei dem veranschaulichten Beispiel wird es möglich, es dem Gas zu erlauben, über den gesamten Bereich der Rückfläche zu fließen und auch das Gas zuverlässig an die Hinterseite des lichtstrahlreflektierenden Bereiches zu liefern (nämlich den am stärksten erwärmten Bereich). Dies macht es möglich, die Kühleffizienz zu erhöhen.
Bei einem anderen spezifischen Beispiel, bei welchem Rippen an der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen sind, kann es in Betracht gezogen werden, die Anordnungen, die in 12B und 12C gezeigt sind, zu verwenden. Bei der veranschaulichten Anordnung weisen die Rippen zwei Kantenplattenbereiche (hervorstehende Kantenbereiche) 67b und 67c auf, die an den zwei gegenüberliegenden Kantenbereichen der Rückfläche vorgesehen sind, um von der Rückfläche hervorzustehen und wenigstens einen zwischenliegenden Plattenbereich (zwischenliegender hervorstehender Bereich) 67d, der zwischen den Kantenplattenbereichen 67b und 67c positioniert ist, um von der Rückfläche hervorzustehen. Genauer gesagt ist es bevorzugt, dass die Kantenplattenbereiche 67b und 67c in den äußeren Bereichen der Spiegeleinheit parallel bezüglich der Rotationsachse der Spiegeleinheit gebildet sind und, dass der Zwischenplattenbereich 67d zwischen den Kantenplattenbereichen 67b und 67c in paralleler Beziehung zu diesen angeordnet ist. Angenommen, dass der Galvanospiegel 60, der in 3 gezeigt ist, verwendet wird (die Spiegeleinheit von diesem ist 40 mm in der Höhe h, 50 mm in der Breite w und 5 mm in der Dicke t), sind die Plattenbereiche 67b, 67c und 67d vorzugsweise ungefähr 3 bis 5 mm in der hervorstehenden Höhe b bis d und ungefähr 1 bis 2 mm in der Breite wa bis wc. Zwei Zwischenplattenbereiche 67d werden in der Anordnung verwendet, die in 12C gezeigt ist. Es ist bevorzugt, dass der Abstand zwischen den Zwischenplattenbereichen 67d im Allgemeinen gleich dem Lichtstrahldurchmesser ist (z. B. ungefähr 10 bis 50 mm). Bei der in 12B gezeigten Anordnung wird das Gas, das in Richtung des Zwischenplattenbereiches 67a geliefert wird, durch den Zwischenplattenbereich 67d aufgeteilt und fließt dann in Richtung der Kantenplattenbereiche 67b und 67c entlang der Rückfläche der Spiegeleinheit. Danach fließt das Gas entlang der Oberflächen der Kanteplattenbereiche 67b und 67c, was die Erhöhung der Kühleffizienz der Spiegeleinheit unterstützt. In dem Fall des Beispieles, das in 12C gezeigt ist, wird das Gas, das an die Rückfläche der Spiegeleinheit geliefert wird, leicht in dem Bereich zwischen den zwei Zwischenplattenbereichen 67d gehalten. Dies macht es möglich, das Gas zuverlässig an den Lichtstrahl reflektierenden Bereich zu liefern (nämlich den intensivsten erwärmten Bereich), was dabei hilft, die Kühleffizienz weiter zu erhöhen. Wenn die Zwischenplattenbereiche 67d gebildet werden, so dass sie einen Querschnitt mit dreieckiger Form oder allgemeiner dreieckiger Form haben, wie durch das Bezugszeichen 67' in dem oberen Bereich in 12c bezeichnet ist, wird das gelieferte Gas leicht aufgeteilt und es wird ihm ermöglicht, auf eine effiziente Art und Weise zu fließen.
Die Rippen können auf der Vorderfläche der Spiegeleinheit genauso bereitgestellt werden, wie auf der Rückfläche. Zum Beispiel kann man es in Betracht ziehen, die Anordnung zu verwenden, die in 12D gezeigt ist. Bei der veranschaulichten Anordnung ist das Gaslieferglied vorgesehen, um das Gas in Richtung der Reflexionsoberfläche der Spiegeleinheit zu liefern. Die Rippen weisen einen Plattenbereich 67e auf, der entlang des Kantenbereiches der Reflexionsoberfläche vorgesehen ist, um aus der Reflexionsoberfläche hervorzustehen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass, wie in 12D veranschaulicht ist, der Plattenbereich 67e entlang des äußeren Bereiches der Reflexionsoberfläche vorgesehen ist, um den Lichtstrahl reflektierenden Bereich zu umgeben. Es ist auch bevorzugt, dass der Plattenbereich 67e eine derartige Größe aufweist, so dass er nicht den gestrahlten Lichtstrahl stört und reflektiert. Bevorzugterweise hat der Plattenbereich 67e eine symmetrische Größe bezüglich der Rotationsachse (nämlich der Spiegelachse), so dass eine Balance während der hin- und hergehenden Schwingbewegung der Spiegeleinheit eingestellt werden kann. Angenommen, dass der Galvanospiegel 60, der in 3 gezeigt ist, verwendet wird (die Spiegeleinheit von diesem ist 40 mm in der Höhe h, 50 mm in der Breite w und 5 mm in der Dicke t), ist der Plattenbereich 67e bevorzugt ungefähr 1 bis 5 mm in der hervorstehenden Höhe he und ungefähr 1 bis 3 mm in der Breite we. Bei der Anordnung, die in 12D veranschaulicht ist, fließen einige Teile des Gases, das an den äußeren Kantenbereich der Reflektionsoberfläche geliefert wird, in Richtung der Reflexionsoberfläche, aber die verbleibenden Teile des Gases fließen ohne, dass sie gegen die Reflexionsoberfläche (die Spiegeleinheit) stoßen. Bei der in 12D veranschaulichten Anordnung ist der Bereich der Rippen selbst groß (oder der Bereich, der als Kühlrippe dient). Dies macht es möglich, einen Temperaturanstieg bei der Spiegeleinheit effektiv zu unterdrücken. Bei der in 12D veranschaulichten Anordnung kann der Plattenbereich 67e vorgesehen sein, um einen Querschnitt mit dreieckiger Form oder allgemeiner dreieckiger Form, falls nötig, bereitzustellen.
Die Rippen können vorgesehen sein, indem die Plattenbereiche und der konische Stützbereich unabhängig von der Spiegeleinheit vorgesehen sind oder indem diese integral mit der Spiegeleinheit hergestellt werden. Falls die Rippen unabhängig von der Spiegeleinheit vorgesehen sind, ist es bevorzugt, dass die Plattenbereiche und der konische Stützbereich der Rippen aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Eisen, Aluminium, Edelstahl oder korrosionswiderstandsfähigen Legierungen (z. B. Hastelloy, Inconel und Stellite) hergestellt werden.
Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, die Liefermenge und Temperatur des Gases unabhängig von der Temperatur der Spiegeleinheit zu steuern, insbesondere per Rückkopplung zu regeln. Mit anderen Worten ist es bei dem Pulversinter- und Schichtbildungsverfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass wenigstens die Gasliefermenge oder die Gasliefertemperatur gesteuert werden, indem die Temperatur der Spiegeleinheit des Abtastspiegels auf Realzeitbasis erkannt wird und der erkannte Wert zurück an eine Gasliefersteuereinheit geführt wird. In diesem Fall kann ein Kontakttypthermometer, wie beispielsweise ein Wärmefühler, und ein kontaktloses Thermometer, wie beispielsweise ein Infrarotthermometer, als ein Temperatursensor verwendet werden. Das Kontakttypthermometer wird auf der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen und ist geeignet, bei der Messung der Temperatur der Rückfläche verwendet zu werden. Im Gegensatz dazu, ist das kontaktlose Thermometer zur Verwendung bei der Messung der Temperatur der Reflexionsoberfläche der Spiegeleinheit genau so geeignet wie für die Messung der Temperatur der Rückfläche. Die Gasliefersteuereinheit bestimmt und steuert die Liefermenge und die Temperatur des Gases, basierend auf dem Unterschied zwischen der erkannten Temperatur und der Zieltemperatur. Es ist bevorzugt, dass die Steuerung der Gasliefermenge durch Steuern eines Ventils ausgeführt wird, wie beispielsweise eines elektromagnetischen Ventils oder dergleichen, das in der Gaslieferleitung installiert ist. Es ist auch bevorzugt, dass die Steuerung der Gastemperatur durch Steuerung eines Wärmetauschers ausgeführt wird (z. B. ein zwei-röhrenartiger Wärmetauscher), der in der Gaslieferleitung installiert ist. Die Zieltemperatur der Spiegeleinheit ist vorzugsweise ungefähr 15 bis 35°C. Obwohl der Bedarf besteht, eine Temperaturerhöhung in der Abtastkörpereinheit zu verhindern, ist es nicht wünschenswert, die Abtastkörpereinheit übermäßig zu kühlen. Daher ist es bevorzugt, dass die Steuerung der Gastemperatur derart ausgeführt wird, dass die Temperatur der Abtastkörpereinheit so konstant wie möglich gehalten wird.
Als ein Rückkopplungsregelverfahren kann in Betracht gezogen werden, z. B. das Verfahren zu verwenden, das in 13A gezeigt ist. Bei diesem Verfahren ist ein Temperatursensor (z. B. ein Wärmefühler oder Infrarotthermometer) an der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen, um die Temperatur der Rückfläche auf Echtzeitbasis zu erkennen. Wenn die erkannte Temperatur höher als die Zieltemperatur ist, wird das elektromagnetische Ventil automatisch so betrieben, dass es startet, das Gas zu liefern (z. B. indem es die Luft bläst). Die Gaslieferung wird gestoppt, wenn die erkannte Temperatur gleich oder kleiner als die Zieltemperatur ist (siehe 13B).
Es kann in Betracht gezogen werden, das Rückkopplungsregelungsverfahren, das in 13C gezeigt ist, zu verwenden. Bei diesem Verfahren werden das Blasen von kalter Luft und von warmer Luft in Kombination zur Lieferung des Gases verwendet. Der Temperatursensor (z. B. ein Wärmefühler oder ein Infrarotthermometer) ist an der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen, um die Temperatur der Rückfläche auf Echtzeitbasis zu erkennen. Um die Rückfläche bei einer Zieltemperatur zu erhalten, werden ein elektromagnetisches Ventil, das kalte Luft bläst, und ein elektromagnetisches Ventil, das warme Luft bläst, in Übereinstimmung mit der erkannten Temperatur betrieben. Falls notwendig, können zusätzlich ein Wärmetauscher für die geblasene kalte Luft und ein Wärmetauscher für die geblasene warme Luft entsprechend der erkannten Temperatur gesteuert werden.
(Herstellungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung)
Als Nächstes wird eine Vorrichtung beschrieben, die geeignet zur Ausführung des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist (es wird ein Beispiel der Vorrichtung beschrieben, bei welchem ein Metallpulver als das Pulver verwendet wird und die verfestigte Schicht eine gesinterte Schicht ist).
Wie in den 1, 5, 6A, 6B und 8 gezeigt ist, weist die vorliegende Vorrichtung eine Pulverschichtbildungseinheit 2 zum Bilden einer Metallpulverschicht auf, eine Lichtstrahlabstrahleinheit 3 zum Strahlen eines Lichtstrahles auf einen spezifizierten Bereich der Metallpulverschicht, um eine gesinterte Schicht zu bilden, und ein Substrat 20, auf welchem die Metallpulverschicht und/oder die gesinterte Schicht gebildet werden. Die Lichtstrahlabstrahleinheit 3 weist eine Spiegeleinheit 61 oder 31 zur Verwendung beim Abtasten des Lichtstrahles auf und ein Gaslieferglied 70 zum Liefern eines Gases an die Spiegeleinheit 61 oder 31. Da die Pulverschichtbildungseinheit 2, die Lichtstrahlabstrahleinheit 3 und das Substrat 20 genau so wie der Betrieb der vorliegenden Herstellungsvorrichtung bereits in Verbindung mit dem Pulversinter- und Schichtbildungsverfahren beschrieben wurden, wird in dieser Hinsicht keine weitere Beschreibung vorgenommen, um Wiederholungen Hinsicht zu vermeiden.
Die Spiegeleinheit 61 des Abtastspiegels weist eine Reflexionsoberfläche auf, von welcher ein Lichtstrahl reflektiert wird, und eine Rückfläche, die gegenüber der Reflexionsoberfläche liegt. Es ist bevorzugt, dass, wie in 8 gezeigt ist, die Auslassanschlüsse 74 des Gasliefergliedes 70 so angeordnet sind, dass sie in Richtung der Rückfläche der Spiegeleinheit 61 zeigen.
Bei der Herstellungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung können viele verschiedene Maßnahmen vorgenommen werden, um das effiziente Gasblasen sicherzustellen. Zum Beispiel ist es bevorzugt, dass Rippen auf der Rückfläche der Spiegeleinheit vorgesehen sind, so dass das Gas über den gesamten Bereich der Rückfläche der Spiegeleinheit fließen kann. Da die Rippen bereits in Verbindung mit dem Herstellungsverfahren beschrieben wurden, wird in dieser Hinsicht keine Beschreibung vorgenommen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Anstelle von oder zusätzlich zu der Bereitstellung von Rippen kann es möglich sein, eine Anordnung zu verwenden, bei welcher das Gaslieferglied synchron mit der Bewegung der Spiegeleinheit bewegt wird. Genauer gesagt, wie in 14A bis 14C gezeigt ist, wird das Gaslieferglied 70 nach rechts geschwungen, wenn die Spiegeleinheit 61 eine Schwingbewegung nach rechts macht (siehe 14A) und nach links, wenn die Spiegeleinheit 61 eine Schwingbewegung nach links macht (siehe 14C). Um die synchronisierte Bewegung der Spiegeleinheit und des Gasliefergliedes sicherzustellen, kann das Signal zur Steuerung des Betriebes der Spiegeleinheit als ein Signal zur Steuerung des Betriebes des Gasliefergliedes verwendet werden. Wenn das Gaslieferglied synchron mit der Bewegung der Spiegeleinheit bewegt wird, gibt es keine Möglichkeit, dass das Gaslieferglied in Kontakt mit der hin- und hergehenden Spiegeleinheit kommt, selbst wenn das Gaslieferglied nahe der Spiegeleinheit positioniert wird (der Luftkühleffekt kann durch die Anordnung des Gasliefergliedes näher an die Spiegeleinheit erhöht werden). Als eine Konsequenz wird es möglich, die Hauptoberflächenbereiche des Gasliefergliedes 70 eben zu machen (siehe 10A) und die Form des Gasliefergliedes 70 zu vereinfachen.
Während bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weiter oben hierin beschrieben wurden, sind sie nichts weiter als eine Veranschaulichung von typischen Beispielen, die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die vorangehenden Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass viele Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel, obwohl die vorangehende Beschreibung auf eine Anordnung gerichtet ist, bei welcher das Gas gegen die Spiegeleinheit geblasen wird (siehe 3), soll die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt sein. Falls notwendig, kann das Gas in Richtung der Spiegelachse 24 und des Abtastkörpers 62 geblasen werden (siehe 8).
Obwohl einige Teile der vorangehenden Beschreibung auf der Voraussetzung basieren, dass die Pulverschicht eine Metallpulverschicht ist und die verfestigte Schicht eine gesinterte Schicht, wird der Fachmann einfach verstehen, dass dieselben Merkmale und Effekte vorgesehen sein können, selbst wenn die Pulverschicht eine Harzpulverschicht ist und die verfestigte Schicht eine erstarrte Schicht.
(Experimentelles Beispiel)
Um die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Wirkungen bzw. Effekte zu bestätigen, wurden die Temperaturen der X-Richtung- und Y-Richtung-Abtast-Galvanospiegel über die Zeit für den Fall einer Luftkühlsteuerung und einen herkömmlichen Fall ohne Luftkühlsteuerung gemessen. Die Luftkühlsteuerungsbedingungen sind die folgenden.
Geliefertes Gas: Druckluft
Gasflussrate: 20 SLM
Gastemperatur: 20°C.
Die Ergebnisse sind in den 15A und 15B gezeigt. Die 15A zeigt das Ergebnis, das bei dem herkömmlichen Fall ohne die Luftkühlluftsteuerung erhalten wird, und 15B stellt das Ergebnis dar, das bei dem Fall der Luftkühlsteuerung erhalten wird, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die gezeigten Ergebnisse machen deutlich, dass die vorliegende Erfindung effektiv bei der Verhinderung eines Temperaturanstieges in der Spiegeleinheit ist. Aus den 15A und 15B kann auch verstanden werden, dass die Temperatur der Spiegeleinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Durch das Ausführen des vorliegenden Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes können verschiedene Arten von Gegenständen hergestellt werden. Zum Beispiel kann der dreidimensional geformte Gegenstand, falls die Pulverschicht eine Metallpulverschicht ist und die verfestigte Schicht eine gesinterte Schicht, der folglich erhalten wird als eine Form verwendet werden, wie beispielsweise eine Form für das Spritzgießen von Kunststoff, eine Pressform, eine Druckgussform, eine Gießform, eine Schmiedeform oder dergleichen. Falls die Pulverschicht eine Harzpulverschicht ist und die verfestigte Schicht eine erstarrte Schicht, kann der so erhaltene dreidimensional geformte Gegenstand als ein Harzartikel verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 1-502890 [0002]
- JP 2000-73108 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes, umfassend die Schritte: (i) Bilden (S1) einer verfestigten Schicht (24) durch Strahlen eines Lichtstrahles (L) auf einen spezifizierten Bereich einer Pulverschicht (22), um den spezifizierten Bereich zu sintern oder zu schmelzen; (ii) Bilden (S2) einer weiteren verfestigten Schicht (24), indem eine neue Pulverschicht (22) auf der verfestigten Schicht (24), die in Schritt (i) erhalten wird, platziert wird, und Strahlen des Lichtstrahles (L) auf einen spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht (22), um den spezifizierten Bereich der neuen Pulverschicht zu sintern oder zu schmelzen; und (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii), um einen dreidimensional geformten Gegenstand herzustellen, wobei ein Gas an einen Spiegel (31, 60) geliefert wird, der beim Abtaste des Lichtstrahles (L) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Spiegel (31, 60) eine Reflexionsoberfläche zum Reflektieren des Lichtstrahles und eine Rückfläche hat, die gegenüber der Reflexionsoberfläche liegt, und das Gas an die Rückfläche geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem Rippen auf der Rückfläche des Spiegels (60) vorgesehen sind, und es dem Gas ermöglichen, über den gesamten Bereich der Rückfläche zu fließen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem ein Schutzgas an der Reflexionsoberfläche des Spiegels (31, 60) geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Menge und die Temperatur des gelieferten Gases in Abhängigkeit von der Temperatur des Spiegels (31, 60) gesteuert werden.
Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten Gegenstandes, umfassend: eine Einheit (2) zum Bilden einer Pulverschicht (22); eine Lichtstrahlabstrahleinheit (3) zum Strahlen eines Lichtstrahles (L) auf einen spezifizierten Bereich der Pulverschicht (22), um eine verfestigte Schicht (24) zu bilden; und ein Substrat (20), auf welchem die Pulverschicht (22) und/oder die verfestigte Schicht (24) gebildet werden, wobei die Lichtstrahlabstrahleinheit (3) einen Spiegel (31, 60) aufweist, der beim Abtasten des Lichtstrahles (L) verwendet wird, und ein Gaslieferglied (70, 70'), zum Liefern eines Gases an den Spiegel (31, 60).
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher der Spiegel (31, 60) eine Reflexionsoberfläche zum Reflektieren des Lichtstrahls aufweist, und eine Rückfläche, die gegenüber der Reflexionsoberfläche liegt, und das Gaslieferglied (70, 70') einen Gasauslassanschluss aufweist, der der Rückfläche des Abtastspiegels gegenüberliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher das Gaslieferglied (70, 70') synchron mit einer Bewegung des Spiegels (31, 60) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher Rippen an der Rückfläche des Spiegels (60) vorgesehen sind, um es dem Gas zu ermöglichen, über den gesamten Bereich der Rückfläche zu fließen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Rippen einen zentralen hervorstehenden Bereich (67) aufweisen, der in einem zentralen Bereich der Rückfläche vorgesehen ist und mehrere radial hervorstehende Bereiche (67a), die sich radial von dem zentral hervorstehenden Bereich (67) erstrecken, und der zentral hervorstehende Bereich (67) eine obere Öffnung (m) und mehrere Seitenöffnungen (n) hat, wobei die obere Öffnung (m) und die Seitenöffnungen (n) miteinander in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Rippen zwei hervorstehende Kantenbereiche (67b, 67c) aufweisen, die in zwei gegenüberliegenden äußeren Bereichen der Rückfläche des Spiegels (60) vorgesehen sind und wenigstens einen zwischenliegenden hervorstehenden Bereich (67d), der zwischen den zwei hervorstehenden Bereichen (67b, 67c) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das Gaslieferglied (70, 70') eingerichtet ist, das Gas an die Reflexionsoberfläche des Spiegels (60) zu liefern und eine Rippe entlang eines äußeren Kantenbereiches der Reflexionsoberfläche vorgesehen ist, um aus der Reflexionsoberfläche hervorzustehen.