JP2001517168A - 三次元物体の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 粉末のような粒子状構成材料の、多数の相互結合層の三次元物体を、各層の外観の情報をコンピュータのCADユニットなどから得て製造する。構成材料の本質的に均一な粒子層(７)を支持ベース(６)上に適用し、マスキング装置(９)上にマスキングパターンをCADユニットからの情報に従って配設し、該マスキング装置を該粒子層の上方かつ近くに導く。照射発生器(８)をマスキング装置(９)の上方に配置するか、または導き、それにより、マスキングパターンによって覆われない粒子を照射に露出して相互に付着させ、マスキングパターンをマスキング装置から除去する工程と、三次元物体(19)が製造されるまで新たなシーケンスを上記に従って実行する。

Description

【発明の詳細な説明】 三次元物体の製造方法およびその装置 本発明は、粉末のような粒子形態の材料の多数の相互結合層の三次元物体を、 各層の外観の情報をコンピュータのCADユニットなどから得て製造する方法およ び装置に関する。 背景および問題点 材料を三次元物体へ固化するか、または一緒に溶融するため各層からの情報を 有する別のCAD図面の形で原物から試作品を製造することは、以前から知られて いる。米国特許第4，575，330号は、液体プラスチック(光重合体)を含む槽内の 表面層を硬化(固化)するため紫外線レーザビームの使用についての記載がある。 薄壁および高精度で詳細な部分を構成できるように、レーザの焦点(直径)を数分 の１ミリメートルに最小化する。レーザビームは固体になる全表面を照射する必 要がある。その結果、詳細な部分を生成するのに長い時間が必要となる。 欧州特許第A2470705号には、大きい紫外線ランプで表面全体を一度に照射する ことによってスピードを増大した三次元造形が記載されている。紫外線の光は、 ガラス板上でレーザプリンタからのトナーで遮蔽される。張出し部を有する詳細 な部分をうまく処理するために、支持構造は凝固するワックスによって構成され る。 反応性の液体プラスチックの使用による欠点は、これらが人と環境に対して危 険であり、かつ異なる品質の変化が制限されるということである。 この欠点およびこの支持構造の使用を避けるために、プラスチックまたはワッ クス粉末が使用され、この場合、焼結されていない粉末が処理層内で焼き固めら れ、このようにして、キノコの上に帽子をつくる場合のような、生じうる「張出 し部」を支持する。たとえば、ドイツの会社であるEOS社および米国の会社である DTM社からのこれらの機械は、制御可能なレーザビームを使用して原物から粉末 を選択的に溶融する。速度を増大するために、これらの機械では粉末槽を粉末の 融点のすぐ下の温度に熱し、かつ粉末を溶融／焼結するために必要な程度、レー ザビームに温度を増大させる。それにも拘わらず、通常の寸法の試作品の詳細な 部分を製造するには10〜20時間かかる。レーザまたは紫外線技術に基づく機械の 購入は非常に高価である。費用は、略３〜６百万SEKである。 発明の目的および問題の解決方法 本発明の目的は、上述の欠点を除去し、 − 薄壁および高精度を備えた三次元物体、 − 支持構造の補助部材なしに張出し部を有する物品、 − 人および環境に対して危険でない方法、 − 大きな品質変化の可能性、 − 簡単で、安価、かつ信頼性ある機械装置、および − 三次元物体の迅速な製造 を達成することにある。 これらの目的は、本質的に均一な粒子層を支持面上に適用する工程と、マスキ ング装置上にマスキングパターンをCADユニットからの情報に従って配設し、該 マスキング装置を該粒子層の上方、かつ近くに導く工程と、照射発生器を、マス キング装置の上方に配置するか、または導き、それによりマスキングパターンに よって覆われない粒子を照射に露出して相互に付着させる工程と、マスキングパ ターンをマスキング装置から除去する工程と、三次元物体が製造されるまで新た なシーケンスを上記に従って実行する工程によって達成された。 図面の説明 以下、本発明を、本発明の例示的態様により示す添付の図面を参照して、さら に詳細に説明する。図１〜６は、本発明により三次元物体を製造するための、断 面で示される装置の機能を連続した工程で示す。 実施態様の説明 発明の観念は、赤外線放射のような熱媒体に対してコンピュータで制御され、 かつ放射の透過を遮蔽して、それにより貫通を阻止する一時的な陰画的マスキン グを適用する透過性手段を使用する一方で、自由領域が粒子の形態の材料、たと えば溶融可能または焼結可能な粉末から成る基礎面へ放射の貫通を可能にするこ とである。マスキングは、マスキング装置９、たとえば透明なシリカ板９aによ って行われ、この板の上に、たとえば書き込みヘッド(write head)の形のディベ ロッパ11がマスキング層を堆積させる。マスキング装置は、板９a及び／又は、 書き込みヘッドが縦方向に移動可能であるように配置する。書込み器(writer)で 使用される従来のトナー粉末は、永続的に溶融し、かつ板上にトナーを接着させ る熱可塑性の接着剤を含むため、適当でない。溶融と接着を生 じない赤外線マスキング粉末４の例は、高い融点とたわみ程度を有する酸化アル ミニウムである。 マスキング粉末をシリカ板９a上に適用可能とするため、この板を、導電性で あり透明な層、たとえば映像スクリーンを遮蔽するため、かついわゆるスマート ウインドウに対して使用されるような層で覆うことができる。別の方法は書き込 みヘッドに向き合うシリカ板の後方に分離した導体を配置することである。赤外 線放射は、ビームがマスキング下方で輝き、かつ悪い精度をもたらさないように 、できるだけ平行にシリカ板に当たることが重要である。これを、赤外線ランプ 14とシリカ板９aの間に適用され、かつ平行な赤外線ビームをつくるコリメータ のようなビーム方向付け手段16とともに配置できる。構造部分の運動は機械的に 調和させることができ、たとえば、マスキング装置９を移動するのと同じ運動を 使用して、新しい粉末層を広げ、かつかき落とすことができる。 赤外線放射の波長は、たとえば、粉末材料の溶融/焼結に高い効率、薄い層、 および短い加熱時間を与える最上部の粉末層内でほとんどのエネルギを吸収する ように、プラスチック粉末の最大放出物に適応する。高い吸収性は粉末の表面に 集中した高い放射エネルギの供給を可能にし、このことは、伝導による熱拡散と 内部の伝達放射が溶融層の精度を破壊する以前に、薄い層の迅速な製造への条件 である。別の方法あるいは上記と組み合わせた方法は、大きな比率の極性水酸基 または分子連鎖の二重結合を有するプラスチック粉末を選択することによって、 吸収性を増大させることである。媒体波の範囲内の、かつ860ｎｍで最大の放出 を有する赤外線放射を選択する場合、これらの原子結合のための振動周波数は赤 外線放射と一致し、かつ激しい熱解放が発生する。粉末材料は、一つまたは数種 類の異なる顔料、たとえば、カーボンブラックまたは充填剤を含むナイロンのよ うな熱可塑性材料で構成され、これらを微粉砕の前の製造の間に、乾燥混合する か、または混合する。粉末は、補強のような特定の特性を増大させる添加物を有 し、かつ異なる溶融時間間隔で粉末と混合されて、硬化時の収縮を最小にするこ ともできる。粉末は、粉末の乾燥容積重量(密度)を増大するため異なる粒子径を 有することができる。セラミックのような高温粉末は、強さを増大するため使用 でき、かつプラスチック接着剤が燃焼し、高温材料が焼結する炉内で焼結後に存 在し得る。粉末材料は、熱硬化特性を持つこともできる、すなわち焼結／溶融後 に、粉末が熱反応硬化剤に樹脂分子の連鎖を横断結合させるようにするためであ る。このようなプラスチックの例は、アミン 硬化剤とともにエポキシドであることができる。その後、ランプまたは太陽光の 照射による後硬化のために三次元物体を露出するため、紫外線硬化剤を粉末に加 えることもできる。 機能の説明 図１は、満たされている粉末槽１、その中で上下に移動可能なベース２、同様 に上下に移動可能のベース６を備える構成槽５へ送られ、すでに展開されている 多数の粉末層７とともに、始動位置の直後の位置を示す。マスキング装置９およ び放射発生器８はパーキング位置にある。 図２において、粉末槽１内のベース２は１段階だけ上昇し、構成槽内のベース ６は粉末層の厚さに相応して下降している(たとえば０.１ｍｍ)。たとえばワイ パロール３の形態の拡開装置が回転し、同時に、粉末層を掻き取りながら粉末槽 １を横断して移動する。これが構成槽５へ運ばれ、再び層内に広げられる。スク レーパ17は、ロールが回転する間、ロールを清潔に保持する。 図３において、ワイパロール３は薄い均一の粉末層を初期層７の上に広げる。 過剰な粉末は下にある集合槽13上に落下する。 図４において、ワイパロール３はその始動位置へ戻り、同時に、マスキング装 置９は、赤外線発生器８とともに、図示した例では書き込みヘッドであるディベ ロッパ11の上方へ移動する。それは、たとえばアルミナ粉末のマスキング層を、 ガラス板であることができるマスキング装置上に、詳細に図示されないコンピュ ータのCADユニットから受け取られる情報に従って堆積させる。 図５は、たとえば日よけブラインドの形態の遮蔽装置15が開放しており、かつ 点火した赤外線ランプからの赤外線照射を通過させる溶融の段階を示す。赤外線 ビームはコリメータ16と平行に方向付けられ、その後、マスキングパターン18に よって覆われないガラス板の部分を通過する。それによって、粉末層７の露出部 分は相互結合構造19へ溶融する。 図６は、周囲の、ゆるい粒子の形態の材料を除去する前に、多数の適用シーケ ンスを繰り返した後に完成した三次元物体19を示す。図７および８に示す態様に おいて、粉末槽１または粉末マガジンは構成槽５の斜め上方に配置され、図示さ れている態様において、端縁の一方でコーナ部分に出口が配置されている搬送パ ッケージがある。パッケー ジの傾斜したＶ状のベースは、内容物を特別な手段なしに空にする。出口と関係 して配量装置20が配設され、これは作用位置で粉末をその位置の拡開装置３の下 方に搬送する。拡開装置３は、この態様において、構成槽５の上方に水平方向に 変位可能なワイパトレイである。ワイパトレイ３は、一つの側面上で、マスキン グ装置９上にガラス板に連結され、圧縮板21に接続されるマスキング装置９の反 対側面上に位置しうる。 図７は、始動位置を示し、ここで、ワイパトレイ３は、トレイの変位移動の間 、構成槽５の反対端への移動が、均一な層内で加えられる一定量の粉末を持って くる位置にある。この移動の間、ガラス板９はディベロッパ11を通過し、これは たとえば、静電気帯電を通して、マスキングパターンを製造されるべき三次元物 体を通してその表面区分の陰画写真の形でガラス板上に投影する。ワイパトレイ が他の末端位置内にあるとき、圧縮板は、新たに配設される粉末層７のすぐ上に 位置する。この位置で、粉末層は圧縮板21に対して上方へ運動して、一様な厚さ の均一層が得られる。この位置で、トレイは過剰な粉末を除去器10へ放出する。 ワイパトレイがその始動位置内に戻るとき、ガラス板９は、構成槽５の上方で正 確な位置にあり、かつ溶融段階を始動することができる。赤外線ランプ14は、こ の態様では、構成槽５の右反対側および上方に固定される。 参照番号リスト １ 粉末槽 ２ 粉末槽の移動可能なベース ３ 拡開装置／ワイパロール／ワイパトレイ ４ 粉末 ５ 構成槽 ６ 構成槽の移動可能なベース ７ 粉末層 ８ 赤外線放射発生器 ９ マスキング装置／ガラス板 10 除去器、たとえば清浄化装置 11 ディベロッパ11、たとえばコンピュータ制御書き込みヘッド 12 マスキング粉末用の集合槽 13 過剰な粉末用の集合槽 14 赤外線ランプ 15 遮蔽装置 16 コリメータ 17 スクレーパ 18 マスキングパターン 19 相互結合構造 20 配量装置 21 圧縮板 22 粉末槽の出口開口 23 側面壁 24 ワイパトレイの出口開口 25 案内板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １.粉末のような粒子状構成材料の、多数の相互結合層の三次元物体を、各層の 外観の情報をコンピュータのCADユニットなどから得て製造する方法において、 構成材料の本質的に均一な粒子層(７)を支持ベース(６)上に適用する工程と、 マスキング装置(９)上にマスキングパターンをCADユニットからの情報に従って 配設し、該マスキング装置を該粒子層の上方かつ近くに導く工程と、照射発生器 (８)をマスキング装置(９)の上方に配置するか、または導き、それにより、マス キングパターンによって覆われない粒子を照射に露出して相互に付着させる工程 と、 マスキングパターンをマスキング装置から除去する工程と、三次元物体(19)が 製造されるまで新たなシーケンスを上記に従って実行することを特徴とする方法 。 ２.粒子層(７)を粒子を槽(１)から移送し、これらを支持ベース(６)上に拡開す る拡開装置(３)、たとえばワイパロールによって適用する請求項１記載の方法。 ３.支持ベース(６)に隣接するパーキング位置から支持ベース上の活動位置への マスキング装置(９)の移動中、マスキング装置がCADユニット接続コンピュータ 制御ディベロッパ(11)を通過し、該ディベロッパが、支持ベース上にマスキング 粉末層の形で問題の層の静電パターンを生成することを特徴とする請求項１記載 の方法。 ４.CADユニットへ接続されるコンピュータ制御のディベロッパ(11)が、支持ベー ス(６)の上方で移動して、マスキング粉末層の形で問題の層の静電パターンを生 成することを特徴とする請求項１記載の方法。 ５.粒子状構成材料、たとえば粉末の多数の相互結合可能な層の三次元物体を、 各層の外観についての情報を原物から、たとえばコンピュータのCADユニットな どから得て製造するための装置において、 拡開装置(３)が配置されて、支持ベース(６)上に本質的に均一な粒子層(７)を 分布させること、 ディベロッパ(11)が配置されて、マスキング装置上にマスキングパターンを、 原物、たとえばCADユニットからの情報に従って生成または適用すること、 照射発生器(８)がマスキング装置(９)の上方に適応可能であるか、または適応 され、マスキングパターンによって覆われない粒子を放射に対して露出し、それ によって相互に結合すること、かつ 除去器(10)が配置されて、マスキング装置(９)上に存在するマスキングパター ンを除去することを特徴とする装置。 ６.拡開装置(３)が、粒子を粉末槽(１)から搬送し、粒子を支持ベース(６)全体 の上に均一な層に拡開するために配置されるワイパロール、ワイパトレイなどを 含むことを特徴とする請求項５記載の装置。 ７.粉末槽(１)が、少なくとも粉末の送り出し中、支持ベース(６)上に配置され る搬送パッケージなどであること、パッケージ底に出口開口(22)とそれに接続さ れた配量装置(20)が配置されること、かつ拡開装置(３)及び／又は支持ベースが 互いに対して可動であることを特徴とする請求項５記載の装置。 ８.拡開装置(３)が、支持ベース(６)と粉末層(７)の上方でそれぞれ可動の粉末 槽であり、該粉末槽が、少なくとも一つの出口開口(24)を介して新しい粉末層を 少なくとも一つの移動方向に配量および拡開すべく配置されることを特徴とする 請求項５記載の装置。 ９.ワイパトレイ(３)および搬送パッケージの内側が、内方へ傾斜した側面壁(23 )を有すること、かつ ワイパトレイの出口開口(24)において案内板(25)をトレイの移動方向に配置し 、該案内板を粉末層の圧縮のため、拡開と関係して、またはその後において支持 ベース(６)に対して鋭角を成すように配置することを特徴とする請求項８記載の 装置。 10．粉末層(７)および圧縮板(21)が互いに対して可動に配置され、かつ相互接触 的に押圧されるように配置されることを特徴とする請求項５記載の装置。 11．圧縮板(22)が、粉末層(７)を冷却する冷却部材として配置されることを特徴 とする請求項10記載の装置。 12．拡開装置(３)が粒子層(７)の上方に可動の、回転可能な粉末ロールであり、 該ロールの回転がモータのスピードと方向について調節可能であることを特徴と する請求項５記載の装置。 13．粉末槽(１)が、各層を生成するとき、層の厚さまたは容積に対応して粉末槽 内で粉末塊(４)を持ち上げるように配置される上下に可動のベース(２)を備える こと、かつ支持ベース(６)が、各層を生成するとき、層の厚さまたは容積に対応 して構成槽内でベース(４)を下げるように配置される、構成槽(５)の上下に可動 のベースであることを特徴とす る請求項６記載の装置。 14．構成槽(５)の壁が、三次元物体(19)と同じ方法で、層毎に溶融/焼結粉末か ら製造されること、壁が可動のベース(６)に固定されること、かつ構成槽(５)の 壁が、赤外線放射透明パターンに対して、位置決定(fix)によって、または制御 されるマスキング装置によって生成されることを特徴とする請求項13記載の装置 。 15．構成槽(５)の上部周囲が、層の中に構成される槽(５)への固定縁である、下 にある開口より大きい面を規定することを特徴とする請求項13記載の装置。 16．放射発生器(８)が、好ましくは、拡開装置(15)と組み合わせて、相互に上方 で少なくとも二つの異なる交差平面内で簿板から製造されるコリメータ(16)を含 むことを特徴とする請求項５記載の装置。 17．粉末が、焼結/溶融温度より低い温度に予熱されることを特徴とする請求項 ５記載の装置。 18．粉末が、焼結中より低い強度で、及び／又はマスキング層(18)が部分的に透 明であることによって、赤外線放射部材(14)によって予熱されることを特徴とす る請求項17記載の装置。 19．マスキング装置(９)が、所望のマスキングパターンの生成のため、書込み器 ユニットディベロッパおよびフローイングクリスタルディスプレイなどを含むこ とを特徴とする請求項５記載の装置。 20．マスキング装置(９)が、一つの状態でミラーが反射し、かつ別の状態でそれ が透明であり、同時に二つの状態を取るように配置される、分離可能および連結 可能なミラーであること、かつ上記状態が所望のマスキングパターンに相応して CADユニットからの情報に従って制御可能であることを特徴とする請求項５記載 の装置。 21．構成材料が、焼結/溶融/硬化の間、(たとえば、ガスを発生する膨張剤の助 けによって)膨張するように配置され、それにより生じる三次元物体(19)を熱的 または化学的収縮に対して補償することを特徴とする請求項５記載の構成材料。 22．材料が、薄い溶融または硬化可能な層で覆われ、その表面より高い溶融温度 を有する粒子、繊維、または球状の核の周りに構成されることを特徴とする請求 項５記載の構成材料。 23．三次元物体内の材料の核が後処理で焼結できることを特徴とする請求項22記 載 の構成材料。 24．材料が高い溶融温度およびたわみ程度を有する微細粒度の粉末、たとえば金 属酸化物から成ることを特徴とする請求項５記載の構成材料。 25．ディベロッパ(11)が透明板(９)と協働するように配置され、該透明板上にマ スキング粉末層を静電的に適用することを特徴とする請求項５記載の装置。 26．ディベロッパ(11)が透明板(９)内に、または透明板(９)上に配置され、多数 の、好ましくは環状の制御電極を有する電極マトリックスから成り、該電極マト リックスは一側面上に背面電極を備え、かつ反対側面はマスキング材料用の配量 装置の方へ向くこと、かつ制御電極に適用される電位はコンピュータのCADユニ ットからの情報に従って可変であることを特徴とする請求項５記載の装置。 27．除去器(３)が、マスキング層を形成するマスキング材料から透明層を清浄に するため配置される清浄化装置であって、あり得る過剰な材料を、好ましくは、 マスキング装置へ戻すことができることを特徴とする請求項５に記載の装置。 28．除去器(３)が、マスキングパターンが消えるように、ディスプレー内の電圧 状態を変化させるように配置されることを特徴とする請求項27に記載の装置。 29．材料が、赤外線範囲内に高い吸収性を持つカーボン系顔料粉末を備える、粒 子状の溶融及び／又は焼結可能な材料、たとえばナイロンのような熱可塑性樹脂 から成る請求項１または５記載の構成材料。 30．材料が、大きな比率の極性水酸基または二重結合を分子連鎖内に有すること を特徴とする請求項29記載の構成材料。 31．構成材料が、焼結及び／又は溶融後、プラスチック分子の連鎖を横断結合す る熱反応性硬化剤、たとえばアミンを含むエポキシドプラスチックであることを 特徴とする請求項29記載の構成材料。 32．材料が、繊維、球または粒子の形態の強化材料、たとえば金属、セラミック 、または無機質と混合されることを特徴とする請求項29記載の構成材料。 33．強化材料の溶融及び／又は焼結後、プラスチック材料が、燃焼、浸漬などに より除去されることを特徴とする請求項29記載の構成材料。 34．マスキング材料が、高い溶融温度およびたわみ程度を有するアルミニアの酸 化物から成ることを特徴とする請求項１または５記載のマスキング材料。