JP2006509914A - 立体製品の製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、立体製品を製造するための装置であって、この装置は、この立体製品を形成するための作業台と、この作業台上に薄肉の粉末層を塗布して粉末ベッドを形成するように構成した粉末ディスペンサと、粉末にエネルギーを伝達して粉末を溶融させる照射ガンとを有し、更に、内部を大気圧に対して減圧したケーシングであって、その中に作業台及び照射ガンを配置したケーシングを有する装置であって、粉末ディスペンサ又は粉末ディスペンサに接続した供給パイプの一部をケーシングの外側に配置した装置に関するものである。

Description

本発明は、三次元製品即ち立体製品を製造するための装置であって、この装置が、この立体製品を形成するための作業台と、この作業台上に薄肉の粉末層を塗布して粉末ベッドを形成するようにした粉末ディスペンサと、粉末にエネルギーを伝達して粉末を溶融させる照射ガンとを有し、更にこの装置が、内部圧力を大気圧に対して減圧したケーシングであって、その中に作業台及び照射ガンを配置したケーシングを有する装置に関するものである。

例えば、米国特許第4,863,538号明細書により、作業台上に塗布した粉末層の選択部分を順次溶融させることにより立体製品を製造する装置が既知となっている。この装置は、立体製品を形成するための作業台と、この作業台上に薄肉の粉末層を塗布させ粉末ベッドを形成するようにした粉末ディスペンサと、エネルギーを粉末に伝達することにより粉末を溶融させる照射ガンと、照射ガンにより放出された放射を粉末ベッド上で案内し、粉末ベッドの一部を溶融させることにより立体製品の断面を形成するための案内手段と、この立体製品の順次の断面に関する情報を保存する制御コンピュータとを有する。順次に塗布した粉末層の選択部分を溶融することにより、立体製品を形成する。制御コンピュータは、予め定めたパターンを再生する操作プランに従って、照射ガンにより発生した放射を粉末ベッド上で偏向させるためのものである。操作プランに従って粉末層の必要な領域を溶融させると、立体製品本体の断面が形成される。立体製品は、粉末ディスペンサにより順次塗布した粉末層中に順次形成した断面を順次溶融処理することにより形成する。

上述した米国特許第4,863,538号明細書による装置は、種々の材料、例えば金属又はプラスチックの立体製品本体を製造するように設計されている。しかしある種の材料を用いると不所望な副反応により問題が生じる。従って、この装置は、ケーシングを有し、その中に作業台と、粉末ディスペンサと、照射ガンとを設けたものとして設計されている。このケーシング内を減圧することにより真空が生じる。このようにして、不所望な副反応が回避される。

しかし、粉末ディスペンサ内に粉末を補充することに関して問題が生じる。粉末の補充に際しては、真空チャンバを開いて、粉末を補充し、この真空チャンバを閉じて、再度真空を生じさせる必要がある。これらの処理により、製造工程が中断する。更に、作業台上の製品が冷却してしまうおそれもある。このことは、特に、異なる層間の融着が損なわれる、即ち次の粉末層の接着力が弱くなるおそれがあることを意味する。この場合、製品にクラックが生じるおそれがある。

従って、このような装置における粉末の補充に関連するこれらの問題を解決する必要がある。

上述した問題は、粉末ディスペンサの一部をケーシングの外側に設ける本発明により解決される。このような粉末ディスペンサは、本発明によれば、この粉末ディスペンサの一部をケーシングの外側に設け且つ他の部分をケーシングの内側に設けるように構成する。このようにすれば、製造工程を中断する必要なく、粉末を粉末ディスペンサに加えることができる。

ケーシングの壁部を通じて供給パイプを取付ければ、ケーシングの壁部を通じて粉末ディスペンサを取付けた場合と同様に、本発明の効果が得られる。粉末ディスペンサをケーシングの内側に設けるが、ケーシングを通じて取付けた供給パイプに連結する例も本発明の範囲内にある。

圧力が増大するのを防止するために、本発明による装置は、粉末ディスペンサと周囲環境との連通が、ケーシング内側の圧力条件に影響を与えるのを防止する手段を有する。このケーシング内側の圧力条件を維持するための手段は、例えば、粉末ディスペンサ内における粉末柱とすることができる。また、ケーシング内の圧力条件を維持するための他の手段として、粉末ディスペンサに弁を具えるカバーを設けることもできる。このような弁を具えたカバーは、例えば、粉末ディスペンサの頂部又は底部に設けることができる。しかし、ケーシング内側の圧力条件が維持されるようにするには、装置の使用の際に、粉末ディスペンサに常にある高さの粉末柱を存在させるのが重要である。粉末柱の高さは、１０００ｍｍとするのが好ましい。粉末が、以下のパラメータを満足する場合には、１０００ｍｍの高さの粉末柱は、約１４０ｍｍの直径の粉末柱に関して、圧力条件を維持するのに充分なものである。上述のパラメータは、１０６μｍを超える粒径の粒子が存在しないこと、４０μｍより小さい粒径の粒子が殆どないこと、殆どの粒子（５０％を超える粒子）の粒径が８０μｍであることである。

本発明の例によれば、装置は、作業台を包囲する第１チャンバと、照射ガンを包囲する第２チャンバとを有しており、これら第１及び第２チャンバを、前記ケーシングの内側に配置し且つ互いにダクトを介して連結する。粉末ディスペンサは、この第１チャンバに関連して設けるのが好ましい。

本発明の例によれば、装置は、隔室を具えた容器の形態の供給手段を有し、これらの隔室は、異なる隔室から粉末を粉末ディスペンサに供給しうるように移動可能にする。

図１は、参照符号１により一般的に示される立体製品の製造装置の断面図である。この装置は、立体製品３を製造するための作業台２と、粉末ディスペンサ４と、この作業台２上に薄肉の粉末層を塗布して粉末ベッド５を形成する機器２８と、この粉末ベッド５にエネルギーを伝達し粉末ベッドの一部を溶融させる照射ガン６と、この照射ガン６から放出された放射エネルギーを作業台２にわたって案内し、粉末を溶融させることにより立体製品の断面を形成する案内手段７と、立体製品を形成することになる立体製品の順次の断面に関する情報を記憶する制御コンピュータ８とを有する。図示する例によれば、作業サイクル中に、粉末層を塗布する度に照射ガンに対して作業台を徐々に下降させる。

本発明の好適例では、このような動作を可能にするために、作業台は、垂直方向、即ち矢印Ｐで示す方向に移動しうるように構成する。このことは、作業台が、必要な厚さの第１粉末層を塗布した初期位置２′でスタートすることを意味する。第１粉末層を満足な品質のものとし且つその下にある作業台を損傷させないように、この第１粉末層は、その上に塗布する他の層より厚肉にして、それによりこの第１粉末層を溶融しつくすのを防止する。

その後、新たな粉末層を塗布させるのに関連して、作業台を下降させ立体製品の新たな断面を形成する。この目的のために、本発明の例では、作業台２をスタンド９上に支持し、このスタンド９には、歯１１を設けた少なくとも１個のラック１０を設ける。歯車１３を設けたステッピング又はサーボモータ１２により、作業台２を必要な高さにセットする。作業台の作業高さを設定するのに当業者に既知の他の構成も使用することができる。例えば、歯車の代わりに調整ねじを使用することができる。

本発明の他の例によれば、上述した例のように作業台を下降させる代わりに、装置中の粉末を塗布する手段を徐々に上昇させることもできる。

機器２８は、粉末ディスペンサと相互に作用するよう構成し、この機器２８に材料が補充されるようにする。更に、既に知られるように、サーボモータ（図示せず）により、機器２８を粉末ベッド５に沿って延在する案内レール２９に従って移動させることにより、この機器２８が作業台表面にわたって走査するようにする。

新たな粉末層を塗布するに際して、この新たな粉末層の厚さは、それまでに塗布した層に対して作業台をどれだけ降下させたかにより決定される。このことは、所望に応じて層厚を変化させうることを意味する。従って、隣接する層の間で断面が大きな形状変化を有する場合には、層をより薄肉にすることで表面の微細度を高くすることができ、また、断面の形状変化がない又は殆どない場合には、層を放射に対する最大の貫入厚にすることができる。

本発明の好適例では、照射ガン６は、電子銃から構成し、この照射ガン６の放射エネルギーを案内する案内手段７は、偏向コイル７″から構成する。この偏向コイル７″は、磁界を発生し、この磁界により電子銃により発生された放射エネルギーを案内し、それにより粉末ベッドの層表面を必要な位置で溶融させることができる。

更に、照射ガン６は、高電圧回路２０を具えており、この高電圧回路２０は、既知のように、この照射ガン内に設けた放出電極２１のための加速電圧を照射ガンに供給するためのものである。この放出電極は、既知のように放出電極２１を加熱し電子を放出させるのに用いる電力源２２に接続する。照射ガンの機能及び構成は当業者に周知の事項である。

偏向コイルは、溶解すべき各層に対して行う操作プランに従って制御コンピュータ８により制御し、それにより、必要な操作プランに従って放射エネルギーを案内することができる。

更に、作業台上の粉末ベッドの表面上に放射エネルギーを収束させるようにした少なくとも１個の収束コイル７′を設ける。偏向コイル及び収束コイルは、当業者に既知の複数の方法で設けることができる。

装置は、照射ガン６及び粉末ベッド２を包囲するケーシング１５内に入れる。このケーシング１５は、粉末ベッド２を包囲する第１チャンバ２３と、照射ガン６を包囲する第２チャンバ２４とを具える。これら第１チャンバ２３及び第２チャンバ２４は、ダクト２５を介して互いに連結し、それにより、第２チャンバ内で高圧電界で加速された放出電子が、続けて第１チャンバに入りその後作業台２上の粉末ベッドに衝突しうるようにする。

粉末ディスペンサ４は、その一部をケーシング１５の外側に設け且つ一部をケーシングの内側に設けることにより周囲と連絡を取れるようにする。粉末ディスペンサ４の第１部分４ａは、第１チャンバ２３内に設け、第２部分４ｂはケーシング１５の外側に設ける。粉末ディスペンサ４は、ケーシング１５を開放したり製造処理を中断したりする必要なく、バッチ処理で又は連続的に粉末を補充することができる。

粉末ディスペンサ４への粉末の供給は種々の方法で行うことができる。本発明の一例によれば（図示せず）、粉末ディスペンサ４上のねじを用いて粉末を供給する。他の例によれば（図示せず）、可動式隔室を具えた容器を介して粉末ディスペンサ４に粉末を供給する。この可動式隔室は、空になった隔室が粉末ディスペンサの開口から離れてその代わりに充填された隔室に置き換わり、それにより粉末ディスペンサに対する粉末の補充を継続しうるように移動させることができる。

一例においては、第１チャンバ２３に真空ポンプ２６を連結し、この第１チャンバ２３内を好ましくは約１０^-3〜１０^-5ｍＢａｒ（１ｂａｒ＝１０⁵ Pa）の圧力まで減圧する。第２チャンバ２４を真空ポンプ２７に連結し、この第２チャンバ２４内を好ましくは約１０^-4〜１０^-6ｍＢａｒの圧力まで減圧するのが好ましい。他の例では、これら第１及び第２チャンバの双方を同じ真空ポンプに連結することができる。

真空ポンプ２６及び２７によりケーシング１５内に発生した真空状態を維持する、又はそこでの圧力上昇を僅かなものにするために、粉末ディスペンサ４が粉末柱３０を有するようにするのが重要である。この粉末柱３０の存在にも拘わらず発生するいかなる圧力上昇に対しても真空ポンプ２６及び２７で解消することができる。圧力上昇を解消するのに必要な電力は、代表的にはケーシング１５内に当初真空を発生させるのに必要な最大電力の１／１００〜１／２０程度である。

更に、制御コンピュータ８は、照射ガン６に接続して照射ガンの放出出力を制御させ、且つステッピングモータ１２に接続して粉末層の順次の塗布処理の間の作業台の高さ位置を設定させることにより、各粉末層の厚さを変化させうるようにするのが好ましい。

更に、制御コンピュータ８を作業台表面上に粉末を塗布する機器２８に接続する。この機器２８は、作業台表面にわたり走査することにより粉末層を塗布するようにする。機器２８は、この制御コンピュータ８により制御されるサーボモータ（図示せず）により駆動する。制御コンピュータ８は、機器２８の走査する長さを制御し、必要に応じて粉末が確実に補充されるようにする。この目的のために、機器２８に荷重センサを設け、それにより機器２８が空であるという情報を制御コンピュータが得られるようにする。

図２は、本発明の他の例による装置１の断面図である。図２による装置１は、更に、粉末ディスペンサ４に粉末を供給する供給装置３１と、固定装置３２とを有する点を除いて図１による装置に対応するもので。この供給装置３１は、粉末ディスペンサ４上方に設けた容器からなる。

図３は、図２による装置１を図２の左側から見たものである。換言すると、図３における装置１は、図２の位置に対して右方向に９０°回転させたものである。図３の装置は断面図で示すものではない。供給装置３１は複数の隔室を有し、固定装置３２上を移動しうるようになっている。このようにすると、隔室が空になったときに、供給装置３１を左から右へ、又はその逆に移動させて、粉末ディスペンサへの補充を粉末の充填されている隔室から行うことができる。

上述した例は、本発明をどのように実施しうるかを示す一実施例にすぎない。本発明の特許請求の範囲に記載した範囲内において他の例を実施することもできる。例えば、装置に１個より多い粉末ディスペンサを設けることができる。

図１は、本発明の例による装置の断面図である。 図２は、本発明の他の例による装置の断面図である。 図３は、図２の例による装置を異なる方向から見た線図である。

Claims (7)

1. 作業台であって、この作業台上で立体製品を形成するようになっている当該作業台と、
   この作業台上に薄肉の粉末層を塗布して粉末ベッドを形成するようにした粉末ディスペンサと、
   前記粉末にエネルギーを伝達して粉末を溶融させる照射ガンと
   内部圧力を大気圧に対して減圧したケーシングであって、その中に前記作業台及び前記照射ガンを配置した当該ケーシングと
   を有する立体製品を製造するための装置において、
   粉末ディスペンサ又は粉末ディスペンサに接続した供給パイプの一部を前記ケーシングの外側に配置したことを特徴とする装置。
2. 前記装置は、前記粉末ディスペンサと周囲環境との連通が、前記ケーシング内側の圧力条件に影響を与えることを防止する圧力条件維持手段を有する請求項１に記載の装置。
3. 前記ケーシング内側の圧力条件を維持するための前記圧力条件維持手段は、前記粉末ディスペンサ内にある粉末柱である請求項２に記載の装置。
4. 前記粉末柱の高さは、１０００ｍｍである請求項３に記載の装置。
5. 前記装置は、前記作業台を包囲する第１チャンバ（２３）と、前記照射ガン（６）を包囲する第２チャンバ（２４）とを有しており、これら第１及び第２チャンバを、前記ケーシングの内側に配置し且つダクト（２５）を介して互いに連結した請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記粉末ディスペンサは、前記第１チャンバに関連させて設けたものである請求項５に記載の装置。
7. 前記装置は、隔室を具えた容器の形態の供給装置（３１）を有し、前記隔室が、異なる隔室から粉末を前記粉末ディスペンサ（４）に供給しうるように移動しうるものである請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。

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