JP2004524995A - 三次元オブジェクト製造装置用粉末処理装置、三次元オブジェクト製造装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末焼結積層造形システム、三次元プリンティングのようなレーザー焼結によるオブジェクトを製造する際、供給粉末が滞ることなく滑らかに供給されるよう、粉末に流動性媒体を浸透させる装置を提供することである。
【解決手段】粉末収容容器に、例えば圧縮空気のような流動性媒体を送り込み、容器のベースに、流動性媒体を透過させる材料を配し、粉末に流動性を持たせることにより、作業方法の効率化、製品品質の向上を図る。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元オブジェクト製造装置用粉末処理装置、三次元オブジェクト製造装置、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、粉末焼結積層造形法或いは三次元プリンティング等の、三次元オブジェクトを製造する方法は知られており、三次元オブジェクトは粉末状材料を硬化することにより、層状に形成される。粉末焼結積層造形法テクノロジーでは、レーザー光線を粉末層に照射することによって硬化させ、三次元プリンティングでは、バインダー或いは接着剤が粉末層の硬化される個所に付着される。通常、未硬化粉末は古い粉末として再使用されたり、又新規粉末に混合されたりする。特に、粉末焼結積層造形法の場合においては、古い粉末を材料循環に戻す際、古い粉末用の容器の中で異なった焼結工程からの材料の層別化が起きることがある。異なった層では粉末特性が違う場合があり、これが焼結工程と製品品質に影響を導く。更に、使用される粉末によっては古い粉末の特性が新しい粉末の特性とは同じにならず、例えばサーモプラスチック粉末を使った場合温度エージングが起きることがある。更に、粉末容器からの粉末の流出を止めてしまう場合がある。
【０００３】
三次元オブジェクトを製造する装置及び方法は、欧州特許第０２８９１１６号（特許文献１）において知られており、そこでは粉末材料が溶け、オブジェクトが層状に製造されることが述べられている。流動性の粉末床の形で、次々に粉末層が積み重ねられる。この場合、オブジェクトが形成される作業チャンバー内部で粉末が流動性を持ち、このため、いずれの場合にも、粉末の新たな層が溶けることによって、既に硬化した層の上に堆積される。
【特許文献１】
欧州特許第０２８９１１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、三次元オブジェクトを製造する装置用粉末処理装置、三次元オブジェクトを製造する装置、及び三次元オブジェクトを製造する方法を提供することであり、上述の問題は解決され、作業方法の効率と同様に、製品品質が向上するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は特許請求項１或いは８に記載された装置、及び請求項１２に記載された方法によって達成される。本発明の更なる発展形態がサブクレームに示されている。
【０００６】
即ち、本発明の一態様によれば、形成的製造方法によって三次元オブジェクトを製造するための装置用の粉末処理装置であって、オブジェクトは、粉末状材料の層が連続的に付着し、オブジェクトの断面に対応する箇所で層が連続的に硬化することによって、築き上げられ、該粉末処理装置は、ベース（２；５１４）と側壁（３；５１５）を持つ粉末用の供給容器（１；５１３）を有し、少なくとも一つの領域で流動性媒体が容器内部に向かって透過可能である境界（４；５２３）を持つチャンバーが、容器（１；５１３）内に備えられており、粉末用の該供給容器にはチャンバーへ流動性媒体を供給する装置（９；５２８）が備えられていることを特徴とする粉末処理装置が得られる。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、上にオブジェクトが築き上げられるサポート（５０５）、サポートに或いは前に硬化した層に硬化可能な粉末材料の層を付着させるためのコーター（５１０）、オブジェクトに対応する、層中の箇所にて粉末材料を硬化させるための硬化装置（５４０）を備えた三次元オブジェクト製造装置であって、硬化する前に粉末に流動性を持たせる装置（１；５１３）が備えられていることを特徴とする装置が得られる。
【０００８】
更に、本発明の他の態様によれば、粉末状材料の層が連続的に付着し、オブジェクトの断面に対応する箇所で層が連続的に硬化することによってオブジェクトが築き上げられるような形成的製造方法によって三次元オブジェクトを製造するための方法であって、供給容器（１；５１３）内で硬化する前に、粉末に流動性を持たせることを特徴とする方法が得られる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、粉末に流動性を持たせることにより、作業方法の効率化、製品品質の向上を図ることができると云う利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１から理解できる通り、レーザー焼結装置は上端部５０２を持ち、頂部にて開口する容器或いは作業容器５００を有している。容器５００の断面は、製造されるオブジェクト５０３の最大断面領域よりも大きい。上端部５０２と向き合った位置に、本質的に平坦である表面５０５を持ち、形成されるオブジェクトを支えるためのサポート５０４が容器５００内に設けられている。サポート５０４は、図１に概略的に示されている駆動手段によって、容器５００中を垂直方向に上下に動くことができる。容器５００の上端部５０２は作業平面５０６を規定している。
【００１１】
直接光線５０８を発するレーザー５０７によって形成される照射装置は、作業平面５０６上方に配されている。例えば、ガルバノメーターミラーシステムのような偏向装置５０９が配置され、該偏向装置によって光ビーム５０８は作業平面５０６の必要な箇所へ偏向ビーム５０８´として偏向されることができる。
【００１２】
更に、サポート表面５０５に硬化される粉末材料５１１の層、或いは、最終的には、硬化される層を付着させるコーター５１０が用意されている。コーター５１０は、略図的に示された駆動手段によって、容器５００の片側の一つの端部から容器５００の反対側のもう一つの端部まで、作業平面５０６に亘って前後に移動可能である。コーター５１０を満たすために、粉末材料によりコーターを満たす充填容器５１３がコーター５１０の上端部の上部に配置されている。
【００１３】
更に、制御装置５４０が設けられており、それによって、サポート５０４の位置を設定するための駆動、コーター５１０を動かす駆動、及び偏向装置を調整するための駆動を互いに整合した形式、或いは、互いに独立した形式で制御可能である。
【００１４】
図２に示されているように、本発明の第１の実施形態に係るレーザー焼結装置用装置は、古い粉末及び／又は、古い粉末と新しい粉末の混合体を受け入れるために、実際のレーザー焼結装置の外側に位置づけられた容器１を有している。容器１は、ベース２及びベース２を囲みかつ垂直に上方に伸びた側壁３を有している。容器１は粉末の充填を容易にするため、開口されたベース２の反対側端部を有している。
【００１５】
ベース２に本質的に平行に配置されている多孔性プレート４は、ベース２から或る距離をもって配されており、該多孔性プレート４は容器内部の断面領域全体に亘って広がっているような大きさを有している。多孔性プレートは容器壁に設けられた、例えば環状に走る突起５上に乗り、マウント（台６）によりベースから離れた面側で、側壁表面に固定されている。多孔性プレート４はプラスチック焼結プレートから作られていることが好ましく、したがって、焼結材料の多孔性ゆえにガスが透過可能である。ベース２と多孔性プレート４は同軸的に開口部を有し、該開口部を通し粉末排出パイプ７が下方に導き出されている。閉鎖フラップ８が粉末排出パイプ７上に準備されている。
【００１６】
容器１のベース２は、圧縮空気用の少なくも一つ、好ましくは複数の供給パイプ９を有している。供給パイプ９は共通パイプ１１を介して圧縮空気供給源１０に連結されている。多元バルブ１２及び調整可能スロットルバルブ１３はパイプ１１中に設置され、圧縮空気、特に圧力Ｐと体積流量Ｖの供給を制御する。
【００１７】
容器１全体は支持脚部１４によって支えられている。
【００１８】
動作の際、レーザー焼結装置の粉末焼結積層造形中の焼結工程によって未焼結粉末として残った古い粉末１００及び／又は新規な粉末と古い粉末の混合体が、充分に満たされるまで容器１に加えられる。粉末１００は多孔性プレート４上の領域に位置づけられる。次いで、圧縮空気が、圧縮空気発生源とパイプ１１と９を通ってベース２、容器１の側壁３及び多孔性プレート４によって形成されたチャンバーの中に供給され、圧力と体積流量はバルブを通じて必要に応じて制御される。多孔性プレート４は圧縮空気を透過させ、したがって、圧縮空気が粉末１００中を流通し粉末を完全に混合する。粉末１００は、多孔性プレート４を通過した空気が薄層状に注入されることにより、流動性を持つ。粉末に乱流的に流動性を持たせることにより、古い粉末との完全な均質化と混合化が、大量の空気によって達成される。
【００１９】
少量の空気では、粉末に流動性に持たせることができず、粉末は単に希釈される丈である。この状態においては、粉末排出パイプ７上で流出円錐体が形成されず、粉末流は停止されることなく流出される。したがって、最初に完全な混合を達成するために大量の空気を流し、次いで粉末の排出時に少量の空気を流して粉末が均等に排出されるよう設定して、作業することが有利である。
【００２０】
図３に示す装置の変形例では、排出パイプ７は備えられていない。更に、例えば或る温度での圧縮空気のような、過剰圧力下での冷却媒体を供給する装置１５が備えられていると、容器１内に位置する粉末材料１００を冷却制御し、及び／又は調整するのに役立つ。好ましい設計においては、該装置１５は温度調整機を含み、その温度調整機によって冷却媒体が或る温度に設定されても良い。
【００２１】
動作の際、粉末１００が容器１に加えられる。冷却媒体の供給を制御することにより、粉末１００は均一化され、制御状態で任意に冷却される。粉末は次いで、例えば容器を傾けることにより排出され、更なる作業工程へとレーザー焼結装置に戻される。
【００２２】
供給される気体媒体は圧縮空気に限定されるものではない。例えば、古い粉末の表面処理を行うために、異なる気体が使用されてもよい。更に容器中の粉末は、供給媒体を通じて例えば湿潤化されたり、或いは、化学処理されてもよい。装置は古い粉末だけの処理に限定されるものではない。古い粉末と新規の粉末の混合体も又、処理されてもよい。都合によって排出パイプは、図３に示される変更形態の容器内に設けられてもよい。
【００２３】
図４及び５に示されて更なる実施形態では、本発明に係る粉末処理装置はレーザー焼結装置内に備えられている。したがって、図１に概略的に示された充填容器５１３の少なくとも一つ或いは両方は、充填容器内に位置する粉末に流動性を持たせる装置を有している。充填容器５１３は、作業範囲幅の全体に亘って延在する容器として設計されており、該容器は側壁５１５から伸びたベース５１４と側壁５１５を有している。図４に示されているように、側壁の一つは角度をもって延び、したがって該充填容器５１３は上方開口端５１６におけるより、基底部においてより狭い断面積であるベース５１４を有している。本質的に作業範囲幅に亘って延在する出口開口部５１７は、充填容器のベース上に設けられている。ハウジング５１９に取り付けられた計量ローラー５２０を含む計量装置５１８は、出口開口部５１７の下方に備えられ、容器とは反対側の面上に備えられている。計量ローラー５２０は、コーター５１１の長さに対応する長さを有している。計量ローラー５２０は、軸方向に延びかつ一定量の粉末を収容する、複数の対照的に配置されたノッチ５２１をその表面上に有するように設計されている。計量ローラー５２０は、図５に示されるとおり、モーターに連結した駆動５２２を介して回転されることが可能である。
【００２４】
図４に示されているとおり、出口開口部５１７に対応する開口部５２４を持つ多孔性壁或いは多孔性層５２３は、ベース５１４から距離をおいて充填容器５１３の内側に設けられている。多孔性で気体透過性の層５２３は、例えば、圧延ワイヤ織布により形成されている。多孔性層５２３は、本質的に作業範囲幅の全体に亘って延在する部品５２５を介して保持され、該部品５２５はベース５１４上に搭載されている。部品５２５はギャップ５２６を有し、該ギャップ幅は充填容器のベース５１４中の出口開口部５１７に対応し、該部品５２５は出口開口部上に位置している。多孔性層５２３の開口部５２４はギャップ５２６に対応している。部品５２５は又、多孔性層の下に延びている窪み５２７を持つよう設計されており、窪み５２７はチャンバーを形成し、例えば圧縮空気のような気体媒体の供給装置５２８に連結されている。このように窪み５２７は粉末に流動性を持たせるための圧力チャンバーを形成する。ベース５１４に面する、部品５２５の更なる窪み５２９は計量装置５１８への例えばネジ等の、取り付け手段を収容するのに役立つ。
【００２５】
動作の際、充填容器は粉末によって満たされる。全体の作業工程の間、又は、或る間隔で、圧縮空気或いは異なった、必要な流動性媒体が、窪み５２７によって形成されるチャンバーに供給される。充填容器５１３中に位置する粉末は容器ベース５１４の近傍で流動性を持ち、出口開口部５１７で粉末が滞ることはない。計量ローラー５２０の周囲に配されたノッチ５２１はこのように均一に、粉末で満たされる。コーター５１１の充填は、計量ローラーの下の終端部においてそれぞれ、行われる。計量ローラーを回転することにより、一つ或いはそれ以上のノッチの中身粉末はコーター中に放出される。充填容器中の、流動性を有する粉末は非常に精緻に計量されることが容易となり、精緻な層厚さが得られ、ひいては製品品質を高める結果となる。
【００２６】
レーザー焼結法による三次元オブジェクトを製造するための本発明方法において、図２及び３に示される容器中にて作業工程の前に、粉末に流動性を持たせ、これによって均質化する。次いで、レーザー焼結装置に導入され、公知の方法で進められる作業工程にて使用される。全ての作業工程の前に、粉末に流動性を持たせる代わりに、或いは加えて、粉末をレーザー焼結装置内の充填容器内において、流動性を持たせても良い。
【００２７】
本発明は、レーザー焼結に限られるものではなく、粉末が使用される、三次元オブジェクトを製造する他の形成的製造方法に同様に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】レーザー焼結法による装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る粉末処理装置を示す概略断面図である。
【図３】図２に示された本発明装置の変形例を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る粉末処理装置を示す断面図である。
【図５】図４に示された装置の側面図を示す。

Claims (20)

1. 形成的製造方法によって三次元オブジェクトを製造するための装置用の粉末処理装置であって、オブジェクトは、粉末状材料の層が連続的に付着し、オブジェクトの断面に対応する箇所で層が連続的に硬化することによって、築き上げられ、該粉末処理装置は、ベース（２；５１４）と側壁（３；５１５）を持つ粉末用の供給容器（１；５１３）を有し、少なくとも一つの領域で流動性媒体が容器内部に向かって透過可能である境界（４；５２３）を持つチャンバーが、容器（１；５１３）内に備えられており、粉末用の該供給容器にはチャンバーへ流動性媒体を供給する装置（９；５２８）が備えられていることを特徴とする粉末処理装置。
2. 前記境界（４）が、本質的に容器内側の断面に亘って、ベース（２）から距離をおいて延在し、流動性媒体を透過できる材料から作られた層（４）で形成されていることを特徴とする請求項１に記載された装置。
3. 前記境界（４）が、気体の透過可能なプレート、好ましくは焼結プラスチック材料より成ることを特徴とする請求項１又は２に記載された装置。
4. 前記境界（５２３）が圧延ワイヤ織布より形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載された装置。
5. 流動性媒体を供給する装置が気体を供給する装置であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載された装置。
6. 流動性媒体の、温度及び／又は圧力及び／又は体積流量を制御及び／又は調整する装置が備えられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載された装置。
7. 垂直方向下方に伸びている、粉末出口（７；５２６、５１７）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載された装置。
8. 上にオブジェクトが築き上げられるサポート（５０５）、サポートに或いは前に硬化した層に硬化可能な粉末材料の層を付着させるためのコーター（５１０）、オブジェクトに対応する、層中の箇所にて粉末材料を硬化させるための硬化装置（５４０）を有する、三次元オブジェクトを製造するための装置であって、硬化する前に粉末に流動性を持たせる請求項１乃至７のいずれかに記載された装置（１；５１３）が備えられていることを特徴とする装置。
9. 粉末に流動性を持たせるための装置が、オブジェクトを製造するための装置の外側に位置する供給容器（１）として備えられていることを特徴とする請求項８に記載された装置。
10. 粉末に流動性に持たせるための装置が、オブジェクトを製造するための装置内に備えられ、コーター（５１０）の上流に連結されている充填容器（５１３）として設計されていることを特徴とする請求項８又は９に記載された装置。
11. 充填容器（５１３）が出口開口部（５１７）を持ち、その下流に計量装置（５１８）が連結されていることを特徴とする請求項１０に記載された装置。
12. 粉末に流動性を持たせるための装置が、充填容器のベースから距離をもって配置されている、気体透過可能な層（５２３）を含むことを特徴とする請求項１０に記載された装置。
13. 粉末状材料の層が連続的に付着し、オブジェクトの断面に対応する箇所で層が連続的に硬化することによってオブジェクトが築き上げられるような形成的製造方法によって三次元オブジェクトを製造するための方法であって、供給容器（１；５１３）内で硬化する前に、粉末に流動性を持たせることを特徴とする方法。
14. 全ての作業工程の前に、粉末に流動性を持たせることを特徴とする請求項１３に記載された方法。
15. 層に付着する前に、粉末に流動性を持たせることを特徴とする請求項１３又は１４に記載された方法。
16. 粉末に流動性を持たせるために、流動性媒体、好ましくは気体を供給容器（１；５１３）に供給することを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載された方法。
17. 流動性媒体の温度が制御及び／又は調整されることを特徴とする請求項１６に記載された方法。
18. 粉末は、流動体媒体の供給の際、湿潤化されるか、或いは、化学的に処理されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載された方法。
19. コーター（５１０）の上流に連結される充填容器（５１３）中において、粉末に流動性を持たせることを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれかに記載された方法。
20. コーターの中に計量された粉末が放出され、計量前に、当該粉末に流動性を持たせることを特徴とする請求項１９に記載された方法。