JP2008540100A - 粉末塗布システム - Google Patents

Abstract

本発明は、三次元の物体を生産する装置の作業領域（３）に粉末を供給し分配する粉末塗布システム（１）に関するものである。前記システムは、供給粉末（２）を収容できるようにされている粉末貯蔵ユニット（１１）と、さらに作業領域（３）の上に粉末を分配するために作業領域（３）を横断して移動可能に配置されている分配部材（６）とを有するものである。本発明は、分配部材（６）が第１工程においては、粉末貯蔵ユニット（１１）に置かれた、供給粉末（２）の中へと予め決められた距離を移動することができるようにされ、前記距離は分配部材の一方にある供給粉末（２）から作業領域（３）に面している分配部材（６）の他方の側まで粉末を搬送するのに十分に長いものであることと、分配部材（６）が第２工程において作業領域（３）の上に粉末を分配するために作業領域に向かい、さらに作業領域（３）を横切って移動することができるようにされていることを特徴とする。

Description

本発明は、電磁放射線または電子ビームで照射することによって凝固する粉末材料を使用して層の上に層を重ねながら三次元の物体を生産する装置において作業領域全体に粉末を供給し分配するための粉末塗布システムに関するものである。

電磁放射線または電子ビームで照射することによって凝固する粉末材料を使用して層の上に層を重ねながら三次元の物体を生産する装置は、例えばＵＳ４８６３５３，ＵＳ５６４７９３１，及びＳＥ５２４４６７から知られている。そのような装置は例えば粉末の供給源、作業領域に一層の粉末を塗布する手段及び作業領域全体にビームを当てる手段を有する。粉末はビームが作業領域上を移動するとき焼結するかまたは溶融して凝固する。生産物品質のために、粉末を作業領域全体に均一に分配すること、及び層厚をしっかり規定し予め決定した値に一致させることは重要である。さらに、生産速度をできるだけ速く維持するために層を素早く塗布することが有利である。

従来の粉末塗布手段は一般に、供給部と分配部を有する。前者は粉末供給源から分配部へ一定量の粉末を搬送する。分配部は作業領域全体に粉末を分配する。

粉末塗布手段が作動する状況は、劣悪であり、温度が高く、粉末微粒子が開口部及び隙間の中へと飛散し、蒸発粉末材料が凝縮して、被膜などを形成する。このことにより、特に供給部のシャフトやヒンジ及びその他の可動部品が詰まりその結果、機械的機能の悪化という問題を引き起こす。生産中断に加えてこのことが分配部に正確な量の粉末を供給する際の問題となり、粉末分配が不均一になる。
ＵＳ４８６３５３ ＵＳ５６４７９３１ ＳＥ５２４４６７

本発明の目的は、三次元の物体を生産する装置に対して粉末塗布の改良を提供するものである。この目的は、請求項１、８及び９それぞれに含まれる技術的特性によって達成される。従属項は本発明の有利な実施例さらに、発展例及び変形例を含む。

本発明は、三次元の物体を生産する装置の作業領域に粉末を供給し分配する粉末塗布システムに関するものである。前記システムは、供給粉末を収容できるようにされている粉末貯蔵ユニットと、さらに作業領域の上に粉末を分配するために作業領域を横断して移動可能に配置されている分配部材とを有するものである。本発明は、分配部材が第１工程においては、粉末貯蔵ユニットに置かれた、供給粉末の中へと予め決められた距離を移動することができるようにされ、前記距離は分配部材の一方にある供給粉末から作業領域に面している分配部材の他方の側まで粉末を搬送するのに十分に長いものであることと、分配部材が第２工程において作業領域の上に粉末を分配するために作業領域に向かい、さらに作業領域を横切って移動することができるようにされていることを特徴とする。

このようにして、本発明による分配部材は供給部材としても、分配部材としても働く結果、分配部材に粉末を供給するのにもはや移動部材を必要としない。この設計の有利な効果はシステムを従来のシステムよりも機械的に、より単純にし、より信頼性のあるものにすることである。

本発明の最初の最良の実施形態では、粉末貯蔵ユニットの中に置かれた粉末が作業領域に面している供給粉末の側面に安息角を形成することができるように開口して、粉末貯蔵ユニットが配置されている。そのような供給粉末は十分に規制された形状を与え、一貫した形で再形成もするので、この設計により、分配部材の動きのみを制御することによって、すなわち分配部材が粉末貯蔵ユニットの中へ、そして供給粉末の中へと動かされる距離を設定することによって、十分に規制された大きさの粉末を得ることができる。これは分配部材に正確な量の粉末を供給する単純で信頼できる方法である。

本発明もまた、本発明の粉末塗布システムを有することを特徴とする、電磁放射線または電子ビームで照射することによって凝固する粉末材料を使用し、層の上に層を重ねながら三次元の物体を生産する装置に関するものである。

さらに本発明は、三次元の物体を生産する装置の作業領域上での粉末塗布方法に関するものである。前記方法は供給粉末から分配部材まで粉末を搬送し、作業領域を横断して分配部材を移動し、作業領域の上に粉末を分配する工程を有するものである。本発明方法は、供給粉末の中に予め決められた距離だけ分配部材を移動させ、分配部材の一方の側の供給粉末から作業領域に面している分配部材の他方の側まで粉末を搬送する第１ステップと、作業領域に向かい、そして作業領域を横切って分配部材を移動させ、作業領域の上に粉末を分配する第２ステップとからなることを特徴とする。

図１及び２は本発明の最初の有利な実施形態の構成部材と機能を示す。これらの図に示したように粉末塗布システム１はほぼ平らな作業テーブル５の上に配置され、二つの粉末貯蔵ユニット１１を有する。粉末貯蔵ユニット１１は、作業テーブル５の切り欠きに嵌合する、上下に調整可能な台４の上端にある作業領域３の両側に対称的に配列されている。各粉末貯蔵ユニット１１は供給粉末２を収容するようにされている（図２参照）。三角断面を有するレーキという形態で分配部材６は作業領域３に沿って延在していて、その延長方向と直交した方向に作業領域３を横断して移動することができるようにガイド（不図示）によって配置されている。

放射源（不図示）は好ましくは、作業領域３の上方のある距離の所に配置されている。作業領域３は粉末を凝固させるのに使用される電磁放射線または電子ビームに対するターゲット領域の役割を果たす。

対応する供給粉末２とともに、各粉末貯蔵ユニット１１は、レーキ６にほぼ平行な方向にある作業領域３の片側に沿って延在している。端壁（不図示）とともに壁８ａ，８ｂは粉末貯蔵ユニット１１の部分を規定し、所定の位置に供給粉末を保持している。粉末貯蔵ユニット１１は作業領域３に面している壁８ａを作業テーブル５の上のある距離のところで終わらせることによって開口するように配置されている。これにより、供給粉末２の一部分が作業領域３に面している供給粉末２の側面に自由に安息角αを形成することができるという効果がある。供給粉末２のこの部分は図２Ａでは破線によって表され、２ｂと表示されている。粉末貯蔵ユニット１１は上から充填され、または再充填される。粉末が充填された粉末貯蔵ユニット１１を図２Ａ−２Ｄに示す。

粉末塗布システム１の機能を説明する。図２Ａ−２Ｄは三次元の物体の生産に関する初期状態について言及している。すなわち、台４は作業領域３上で最初の層の粉末塗布を容易にするように作業テーブル５の高さより少し低い位置に調整されている。図２Ａは第１位置でのレーキ６を示し、レーキ６は供給粉末２に向かって右に移動している。図２Ｂではレーキ６は供給粉末２の中までの予め決められた距離、すなわち粉末貯蔵ユニット１１の中までの予め決められた距離である第２位置に到達している。この位置では、一部の粉末が重力によって、供給粉末２から作業領域３に面しているレーキ６の側面までレーキを飛び越えている。図２Ｃは図２Ａと同様な位置におけるレーキ６を示すが、この場合においてはレーキ６は作業領域３に向かって粉末の一部を押しながら左へ動作中である。図２Ｄでは、レーキ６は最初の粉末層１０がたった今塗布された作業領域３を横断して通過した後の第４位置にある。この時点で、最初の層１０を照射によって凝固してもよい。

好ましくは、レーキ６は、レーキ６の下面に沿って延在し、横断して動く時、作業領域３を僅かだけ押圧する、少なくとも一つの柔軟性のあるストリップ（不図示）を備えている。そのような柔軟性ストリップは均一層１０を得ることを容易にする。さらに、この特徴は、例えば焼結表面での凹凸によって引き起こる、作業領域３とレーキ６の下面との距離のばらつきに対して粉末塗布システム１がその影響をあまり受けないようにする。このようなストリップは例えば、薄い金属板によって形成することができる。

さらに、システム１は凝塊粉末粒子、または作業テーブル５からの過剰な粉末のような不均一物を除去するために開かれる落とし戸（flap door）９を有する。落とし戸９は必要な時、手動で開かれるか、または一定間隔で自動的に開かれるように制御される。

分配部材６を越えて流れる粉末の量、すなわち作業領域３の上に塗布される粉末の大きさは一般に分配部材６が供給粉末２の中にどれだけ遠くに動かされるかということ、分配部材６の速度、形状及び表面の特性、粉末貯蔵ユニット１１の設計及び粉末のタイプに依存する。粉末のタイプは安息角αの大きさと分配部材６を越えて実際に流れる粉末の量との両方に影響を与える粉末の流れ特性に影響がある。

安息角を形成するという表現は、少なくとも特定領域２ｂにおける供給粉末２の境界は粉末が一般的には当該粉末の内部摩擦に依存する、ある形を成すことが許されるものであるということを意味している。粉末貯蔵ユニット１１を少なくとも部分的に開口した態様で配置することによって、粉末はそのような安息角を形成することが許されている。その最も単純な形態では、粉末貯蔵ユニット１１は供給粉末２が配置される領域である。しかしながら、供給粉末２を所定の場所に保持し、供給粉末の再充填及び安息角の再形成を容易にするためには、粉末貯蔵ユニット１１は好ましくは壁８ａ，８ｂのような境界部材から成る。

安息角αは材料のタイプ、大きさ分布及び粒子形状のような粉末特性に依存している。
安息角αを形成する供給粉末２の部分２ｂの形状及び位置、場合によっては、角度αそのものが、壁８ａと壁８ｂとの間の距離を変化させること、及び／又は、作業テーブル５と作業領域３に面している壁８ａとの間の距離を変化させることで、例えば粉末貯蔵ユニット１１の設計を変更することによって影響を受ける。

各層に必要とされる粉末の量すなわち作業領域３に塗布される粉末に要求される大きさは例えば生産物の大きさに依存している。粉末の適切な大きさを決定するためには、与えられた粉末及び与えられた分配部材に対しては、壁８ａまでの高さを変化させることによって、及び／又はその終了位置は分配部材６が供給粉末２の中へと動かされる距離に関係する、台４と分配部材６の終了位置（図２Ｂ参照）との間の距離を調整することによって供給粉末２の位置を調整しながら２，３のテストをしてもよい。もし別のタイプの粉末が使用されるならばこの単純なテスト手順を繰り返してもよい。

粉末の大きさが小さすぎないことは重要である。なぜなら、小さすぎると層の厚さが一様でなくなるからである。本発明に記載の粉末塗布システム１は大きすぎる粉末に対しては比較的影響を受けないけれども、一方でもし粉末がはるかに大きすぎるならば、一様な層を塗布することが困難となる。好ましくは、要求されるものよりも僅かだけ大きい量の粉末が毎回選ばれるようにする。i）そのシステムが可動部品：分配部材６を一つだけ備えている、ii）この可動部品を完全に制御することが比較的簡単である、iii）安息角αを形成する供給粉末２の形状が一貫した方法で再形成するので、本発明に記載の粉末塗布システム１は毎回同じ大きさに近い粉末を選択することができる。

本発明に記載の粉末塗布システムは様々な金属、プラスチック、セラミックあるいは他の粉末材料によく適している。粉末という言葉は、この文脈においては、粉末の中に存在している粒子の、大きさまたは大きさ分布に関して幅広い解釈をするべきである。本発明のシステムはほとんどの粒子サイズ分布に適用できる。典型的な粒子サイズは１０−１００μｍ前後であってもよいが、粒子はこの範囲よりも少なくとも一桁小さい、または大きいものであってもよい。

図１及び２に示された最良の実施形態の中での分配部材６の断面は三角形である。しかしながら、様々な断面が考えられる。一般に、供給粉末２に面している側面は供給粉末２に動かされることに適するようにされているべきであり、作業領域３に面している側面は粉末を押したり分配したりすることに適するようにされているべきである。そして上面は、分配部材６が図２Ｂに一致する位置にある時に一方から他方への粉末の搬送に適するようにされているべきである。例えば、供給粉末２から部材６の反対側まで搬送中に、粉末が部材６全体の上を必ずしも通過しなくてもいいように、分配部材６は一方から他方まで部材６の中を通って延在する、一つまたはいくつかの粉末通路を備えることができる。二つの供給粉末２が使用される状況では、上で述べられた実施例の中にあるように、部材６は出来れば左右対称が望ましい。しかしながら、もし二つの異なったタイプ、すなわちそれぞれの供給粉末２の中にそれぞれ一つのタイプの粉末が使用されるならば、分配部材６は左右非対称であってもよい。部材６の、三角断面の上端面には粉末がほとんど残留しないという有利な点がある。これは、例えば矩形断面の場合にはないことかもしれない。

好ましくは、分配部材６は、例えば粉末材料及び台４の上下方向にある位置を照射するために使用されるビームを制御するように適切にされている制御ユニット（不図示）によって制御するのが望ましい。

本発明は上で述べられた実施例に限定されないが、特許請求の範囲内でいくつかの変更が考えられる。例えば２セットの供給粉末２及び分配部材６を、二つの分配部材６が作業領域３を横断してお互いにほぼ垂直に一つずつ動くように使用してもよい。

本発明の最初の有利な実施形態に係るシステムの斜視図。 本発明の最初の有利な実施形態の機能に係る部分的斜視図。

符号の説明

１ 粉末塗布システム
２ 供給粉末
２ｂ 特定領域
３ 作業領域
４ 台
５ 作業テーブル
６ 分配部材
８ａ 壁
８ｂ 壁
９ 落とし戸
１０ 最初の粉末層
１１ 粉末貯蔵ユニット

Claims (12)

1. 三次元の物体を生産する装置の作業領域（３）に粉末を供給し分配する粉末塗布システム（１）であって、
   前記システムは、供給粉末（２）を収容できるようにされている粉末貯蔵ユニット（１１）と、さらに作業領域（３）の上に粉末を分配するために作業領域（３）を横断して移動可能に配置されている分配部材（６）とを有するものにおいて、
   分配部材（６）が第１工程においては、粉末貯蔵ユニット（１１）に置かれた、供給粉末（２）の中へと予め決められた距離を移動することができるようにされ、前記距離は分配部材の一方にある供給粉末（２）から作業領域（３）に面している分配部材（６）の他方の側まで粉末を搬送するのに十分に長いものであることと、
   分配部材（６）が第２工程において作業領域（３）の上に粉末を分配するために作業領域（３）に向かい、さらに作業領域（３）を横切って移動することができるようにされていることを特徴とする粉末塗布システム。
2. 粉末貯蔵ユニット（１１）の中に置かれた粉末が、作業領域（３）に面している供給粉末（２）の側面（２ｂ）に安息角（α）を形成することができるように開口して、粉末貯蔵ユニット（１１）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の粉末塗布システム。
3. 粉末貯蔵ユニット（１１）が作業領域（３）の一方の側に沿って延在することを特徴とする請求項１または２に記載の粉末塗布システム。
4. 分配部材（６）が粉末貯蔵ユニット（１１）に対してほぼ平行に延在することを特徴とする請求項３に記載の粉末塗布システム。
5. 作業領域（３）が上下に調整可能な台（４）の上に位置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の粉末塗布システム。
6. 前記システム（１）が、作業領域（３）の両側に位置する二つの粉末貯蔵ユニット（１１）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の粉末塗布システム。
7. 分配部材（６）が三角断面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の粉末塗布システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の粉末塗布システム（１）を有することを特徴とする、電磁放射線または電子ビームで照射することによって凝固する粉末材料を使用し、層の上に層を重ねながら三次元の物体を生産する装置。
9. 三次元の物体を生産する装置の作業領域（３）上での粉末塗布方法であって、
   前記方法は供給粉末（２）から分配部材（６）まで粉末を搬送し、作業領域（３）を横断して分配部材（６）を移動し、作業領域（３）の上に粉末を分配する工程を有するものにおいて、
   供給粉末（２）の中に予め決められた距離だけ分配部材（６）を移動させ、分配部材（６）の一方の側の供給粉末（２）から作業領域（３）に面している分配部材（６）の他方の側まで粉末を搬送する第１ステップと、
   作業領域（３）に向かい、そして作業領域（３）を横切って分配部材（６）を移動させ、作業領域（３）の上に粉末を分配する第２ステップとからなることを特徴とする粉末塗布方法。
   
10. 粉末が作業領域（３）に面している供給粉末（２）の側面に安息角（α）を形成することができるように供給粉末（２）が開口して配置されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 供給粉末（２）が作業領域（３）の側に沿って延在することを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 分配部材（６）が供給粉末（２）に沿ってほぼ平行に延在することを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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