JP2008510633A - 三次元物体を層状に製造するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

電磁放射線（７）を用いて固化可能な材料を固化することにより三次元物体（３）を層方向に製造するための装置は、前記電磁放射線（７）のための放射線源（６）と、前記三次元物体（３）を製造するための構築領域と、この構築領域内に電磁放射線（７）を透過させるカップリング窓と、カップリング窓を加熱するための加熱素子（１６）を備える。三次元物体を構築する際に、加熱素子によりレンズの温度を上昇させる。温度を上昇させることにより、汚染物質がカップリング窓上に蓄積するのを防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、三次元物体を層状に製造するための装置に関する。
そのような装置は、従来技術において、例えば、光造形法やレーザー焼結法の装置として知られている。

例えば、レーザー焼結法による物体を層状に製造するための装置が公知であり、作業面に対して物体を位置決めするための支持部と、電磁放射線により固化可能な粉末を塗布するための装置とを有している。
装置は、レーザー機構を備えている。
レーザー機構により生じるレーザー光は、レンズを通り、焦点調整機構により作業面内のスポットに焦点が合わせられ、粉末を固化する。
特に、粉末材料として合成樹脂材料を用いる場合、揮発性の分解生成物や反応生成物が処理中に粉末から漏出してレンズ上に滞積し、それにより製造過程においてレンズの透明度が次第に低下する。
これにより、レーザー光は、ますます透過されにくい状態になり、作業面でのレーザー光強度が低下する。
そして、この強度の低下により、製造すべき物体の品質が低下する。
この状況を避けるため、レンズの前面に安全ガラスを取り付けて、いくつかのノズルから窒素を安全ガラスに吹き付けている。
しかし、窒素は、安全ガラス上を部分的に流れ、ノズル間では窒素の流れがないため、これらの位置では、汚染物が滞積する。
そのため、毎回の構築処理の後に、安全ガラスを外して洗浄する必要がある。

この問題を解決するために、特許文献１で提案された装置では、焦点調整機構が作業面に面しているレンズの表面に隣接する環状ノズルを備え、排出した流れがレンズ表面に沿って接線方向に流れて中心に向かうように、環状ノズルの出力側は、レンズ表面を向いており、また、入力側では、環状ノズルは切断可能なようにガス（例えば、窒素）の圧力源に接続されている。
欧州特許第０７８５８３８号明細書

したがって、本発明の目的は、作業面に電磁放射線を透過させる役割を果たすカップリング窓（coupling window）の汚染を効果的に防止する、三次元物体を層状に製造するための装置を提供することである。

この問題は、請求項１に記載の装置および請求項１７に記載の方法により、それぞれ解決されている。
各場合における本発明のさらなる展開は、従属請求項において特徴付けられている。

この装置において、三次元物体の構築の際に、レンズの温度を上昇させるために、電磁放射線用のカップリング窓に加熱素子を設けている。
温度の上昇により、カップリング窓上に汚染物が蓄積するのが避けられている。

本発明のさらなる特徴及び有用性は、添付図面に基づく実施例の説明から明らかになるであろう。

図１乃至図４を参照して、本発明の第１の実施例に従って三次元物体を層状に製造するための装置を以下に説明する。

図１に示すように、物体を層状に製造するための装置は、頂部が開放された容器１を備えている。
上下方向に移動可能で形成すべき物体３を支持する支持部２が、この容器１内に取り付けられている。
そして、この支持部２は、固化すべき物体３の層がその都度作業面４内にあるように、上下方向に位置決めされるようになっている。
さらに、電磁放射線により固化可能な粉末状の構築材料を塗布するための塗布機構５を備えている。
装置は、レーザー機構６を備えている。
このレーザー機構６により発生するレーザー光７は、制御機構９により制御される偏向機構８により偏向されて、焦点調整機構１０により作業面４内の所定箇所に焦点を合わせられるようになっている。

物体３が構築される領域は、「構築領域」と一般に称されている。

焦点調整機構１０は、図２及び図３にその詳細を示すレンズモジュール１１を含んでいる。

そして、このレンズモジュール１１は、保持リング１２、入口レンズ１３、レンズマウント１４、及び、出口レンズ１５を備えている。
入口レンズ１３は、保持リング１２に保持されており、レーザー光７は、入口レンズ１３を通ってレンズモジュール１１に入るようになっている。
レンズマウント１４は、作業面４に面する側で保持リング１２に嵌合している。
出口レンズ１５は、レンズマウント１４により保持されており、レーザー光７は、出口レンズ１５を通ってレンズモジュール１１から出射するようになっている。

そして、出口レンズ１５に関しては、レンズモジュールの作業面４に面する側に配置されて汚染の危険性があるため、出口レンズ１５の周縁に配置される加熱素子１６が設けられている。
さらに、この加熱素子１６は、レンズマウント１４の切欠き１８を通ってレンズモジュール１１の外側に導かれるリード線１７を含んでいる。

本実施例において、この加熱素子１６は、ワイヤーコイル２０を備えている。

加熱素子１６の構成及びその出口レンズ１５への取付け例について、以下に説明する。

例えば、厚さ０．１ｍｍのラッカー塗料により絶縁された銅線から、ワイヤーコイル２０が出口レンズの外径に対応する形状に形成されて、例えば、エポキシ樹脂などの接続材料に接続されてユニットを形成している。
このように形成された加熱素子１６は、その後出口レンズの円筒形の外側周縁部に接着されている。
ワイヤーコイル２０の線の端部は、レンズマウント１４中の切欠き１８を通り、リード線１７としてレンズモジュール１１の外側に導かれている。

三次元物体を層状に製造するための装置を動作させると、電気エネルギーがリード線１７に供給され、ワイヤーコイル２０により熱に変換されるようになっている。
この熱は、出口レンズ１５の温度が上昇するように、出口レンズ１５に放散される。
例えば、約１００℃までの出口レンズ１５の温度上昇により、滞積による出口レンズ１５の汚染が、著しく減少するようになっている。

図５及び図６から明らかなように、三次元物体を層状に製造するための装置に関する第２の実施例は、第１の実施例と加熱素子の構成が異なっている。

第２の実施例によれば、加熱素子１６は、例えば、金属やグラファイトなどの導電性材料の層２１により形成されている。
レーザー光７の焦点を合わせる機能を果たさない出口レンズ１５の縁部への蒸着、あるいは、印刷により、導電性材料の層２１が形成されている。
別法として、金属箔あるいはグラファイトのフォイル（foil）、または、導電性材料で被覆されたキャリアフォイル（carrier foil）をレンズの縁部に接着することができる。

電気抵抗を増加させるために、例えば、導電層２１を蛇行した形状に形成するなどして構成してもよい。

この実施例は、非円形の周縁を有するレンズにも有利に適用できる。

前述の実施例において、リード線１７と加熱素子１６との接続は、例えば、ケーブルに直接取り付ける、高い機械的強度を有するケーブルをレンズマウント内に圧着、または、半田付けする、容器内に接触状態でクランプする等の方法により行なってもよい。

すべての実施例において、出口レンズの温度を制御することが可能である。
これは、付加的に設ける温度センサーを用いて温度を測定すること、および、供給される電気エネルギーを再調整することにより行なうことができる。
あるいは、付加的な温度センサーを用いることなく、加熱素子の抵抗の温度依存性を利用して、電流及び電圧の測定により温度を検出してもよい。

前述の実施例において、レンズモジュールは２つのレンズを備えるが、代わりに、唯一のレンズを有するレンズモジュール、あるいは、３個以上のレンズを有するレンズモジュールを用いることもできる。

最初に述べたように、レンズの汚染を防止するためにレンズの前面に安全ガラスを取り付けた場合、前述の実施例において加熱素子をレンズ用に設けるのと同じ方法で、加熱素子を安全ガラス用に設けることもできる。

一般に、本発明は、構築される三次元物体に電磁放射線を透過させるために機能する各カップリング窓に適用してもよい。

また、背景技術で述べたように、カップリング窓に、例えば、窒素などのガスを吹き付ける装置を付加的に設けてもよい。
この場合、公知の方法と比較して、ガスの供給を減少させることができる。

前述の実施例において、本発明をレーザー焼結法のみに基づいて説明したが、構築すべき三次元物体に透過させるためのカップリング窓が存在する、電磁放射線を用いて固化可能な材料を固化することにより三次元物体を層状に製造するその他の装置にも有利に適用できる。

三次元物体を層状に製造するための装置に関する実施例の概略ブロック図。 図１の装置に組み込まれるレンズモジュールの分解図。 図２のレンズモジュールの断面図。 図３の断面図の詳細な図。 第２の実施例に関する加熱素子を有するレンズモジュールの断面図。 図５の断面図の詳細な図。

符号の説明

１ ・・・容器
２ ・・・支持部
３ ・・・物体
４ ・・・作業面
５ ・・・塗布機構
６ ・・・レーザー機構
７ ・・・レーザー光
８ ・・・偏向機構
９ ・・・制御機構
１０ ・・・焦点調整機構
１１ ・・・レンズモジュール
１２ ・・・保持リング
１３ ・・・入口レンズ
１４ ・・・レンズマウント
１５ ・・・出口レンズ
１６ ・・・加熱素子
１７ ・・・リード線
１８ ・・・切欠き
２０ ・・・ワイヤーコイル
２１ ・・・導電層

Claims (21)

1. 電磁放射線（７）を用いて固化可能な材料を固化することにより、三次元物体（３）を層状に製造するための装置であって、
   前記電磁放射線（７）のための放射線源（６）と、
   前記三次元物体（３）を製造するための構築領域と、
   前記構築領域内へ電磁放射線（７）を透過させるカップリング窓とを備えているとともに、
   前記カップリング窓を加熱するための加熱素子（１６）を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記カップリング窓が、前記電磁放射線（７）の焦点を合わせる機能を果たすレンズ（１５）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記カップリング窓が、安全ガラスを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記加熱素子（１６）が、前記カップリング窓に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記加熱素子（１６）が、前記カップリング窓の縁部の周囲に取り付けられるワイヤーコイル（２０）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記加熱素子（１６）が、導電性材料からなるとともに、前記カップリング窓の縁部に蒸着あるいは印刷された層（２１）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記導電性材料が、金属、あるいは、グラファイトであることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記加熱素子（１６）が、前記カップリング窓の縁部に取り付けられた導電性フォイル（２１）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記導電性フォイル（２１）が、金属箔あるいはグラファイトのフォイル、または、導電性材料で被覆されたキャリアフォイルであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記導電性の層、あるいは、フォイル（２１）が、構造化されていることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記導電性の層、あるいは、フォイル（２１）が、蛇行した形状に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記カップリング窓が、マウント（１４）に保持されているとともに、
    前記加熱素子（１６）が、前記マウント（１４）内の開口（１８）を通って外側に導かれるリード線（１７）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記カップリング窓の温度が、制御可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記カップリング窓の温度が、付加的に設けられる温度センサーにより検出可能であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記カップリング窓の温度が、前記加熱素子（１６）の電流及び電圧を測定することにより検出可能であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 前記カップリング窓にガスを吹き付けるための装置を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 電磁放射線（７）を用いて固化可能な材料を固化することにより、三次元物体（３）を層状に製造するための方法であって、
    放射線源（６）から放出された電磁放射線（７）を、カップリング窓を経由して、前記三次元物体（３）を製造する機能を果たす構築領域内に導く方法において、
    前記三次元物体（３）を層状に製造する間に、前記カップリング窓が加熱されることを特徴とする方法。
18. 前記カップリング窓の温度が、制御されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記カップリング窓の温度が、付加的に設けられる温度センサーにより検出されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記カップリング窓の温度が、加熱素子の電流及び電圧を測定することにより検出されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記カップリング窓にガスを吹き付けることを特徴とする請求項１７乃至請求項２０のいずれか一項に記載の方法。

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