JP2011526222A - 三次元物体を一層ずつ製造する装置 - Google Patents
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Abstract
三次元物体（３）を製造する装置であって、前記装置は、前記三次元物体（３）の横断面領域に相当する各部位において、レーザ（７）等のエネルギー源の影響下で構成材料（３ａ）を層状に塗布し固化することによって三次元物体（３）を製造する。装置は、層状に塗布される前記構成材料（３ａ）を加熱または除熱するための加熱要素または冷却要素（２２）を備える。温度分布を平滑化するために、熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）が設けられている。
Description
本発明は、三次元物体を一層ずつ製造する装置、特に、製造する三次元物体の各層における横断面領域に相当する各部位にエネルギーを供給することにより構成材料を一層ずつ固化させて三次元物体を製造する装置に関する。
「選択的なレーザ焼結」として知られている三次元物体の製造方法では、三次元物体の各横断面領域に相当する各部位に電磁波を照射して固化させることのできる粉状構成材料の層を順次固化することにより製造を行う。この方法は、この方法を実施するための装置と共に、特許文献１から公知となっている。公知の装置では、装置の一部である金属製プラットフォームの上で、成形物体の成形を行う。
特許文献２に記載の技術では、予め製造したプレートをプラットフォームに配置し、その上に置かれた完成物体と共に取り出せるように構成している。プラットフォームは、冷却水を入れた銅管を収容するための冷却水路を備えている。
この他、成形室またはプラットフォームを加熱するとした文献もある。例えば、特許文献３は、選択的なレーザ焼結装置を示しており、この装置では、成形室をマントルヒーターで囲んでいる。また、ボトムヒーターを設ける場合もある。
三次元物体を構築するプラットフォームを加熱または冷却した時に生じる問題として、プラットフォーム表面上の温度分布の均一性に欠けるということがある。例えば、熱を供給した場合、局所的な温度ピークが生じ、粉末層の品質およびプロセス挙動（融解、焼結、湾曲、反り等）に悪影響を及ぼす恐れがある。
従って、本発明の目的は、粉末層の品質およびプロセス挙動を向上させる、三次元物体を一層ずつ製造する装置を提供することである。
本発明の目的は、請求項１に記載の装置により達成される。本発明の更なる目的については、従属請求項により達成される。
中間層が熱伝導率において高い異方性を有しているため、支持体の表面の温度分布が平滑化され、温度ピークの発生を防止できる。これにより、粉末層の品質およびプロセス挙動が改善される。使用する材料と中間層の厚さを適切に選択することによって、その効果の程度に対して意図的に影響を与えることができる。
図面を参照して以下に説明する本発明の実施例から、本発明の更なる特徴及び利点が明らかになる。
以下に、本発明の第１実施例である三次元物体を一層ずつ製造する装置について、図１及び図２に基づき説明する。
図１に示すレーザ焼結装置は、内部に支持体２を有するコンテナ１を備え、コンテナ１は、上部に開口している。支持体２は、コンテナ１内で上下方向に可動自在に設けられ、成形物体としての三次元物体３を支持するとともに、成形領域を画定している。支持体２の上下方向における位置は、固化しようとする各層が作業台４の表面によって形成される作業面に位置するように設定される。作業台４は、コンテナの位置に開口を有する。さらに、電磁波放射によって固化される粉状構成材料３ａを塗布する塗布器５が設けられている。粉状構成材料３ａは、リザーバ６から塗布器５へと供給される。
装置は、レーザビーム７ａを生成するレーザ７を更に備えている。レーザビーム７ａは、偏光部８によって結合窓９に向けられ、この結合窓を通過して処理室１０に入り、作業面４の所定の点に焦合される。
制御部１１が、更に設けられており、装置の各部は、この制御部１１により協調的に成形工程を行うように制御される。
図２に示すように、支持体２は、好ましくは金属から成る支持プレート２０と、好ましくは金属から成るトッププレート２１とを備えている。支持プレート２０とトッププレート２１との間には、加熱要素２２が配設されている。加熱要素２２とトッププレート２１との間には、金属箔または金属板のような熱伝導率において高い異方性を有する材料（material having a highly anisotropic heat conductivity）から成る中間層２３が配設されている。
本実施例の場合、熱伝導率において高い異方性を有する材料は、支持体２の表面に垂直な方向（層の方向に垂直な方向）における熱伝導率より、支持体２の表面に平行な方向（層の方向）における熱伝導率の方が相当程度高くなるように配設される。中間層２３は、例えば、黒鉛箔や、黒鉛積層板のような多層箔構造を有する黒鉛板とすることができる。
この材料の室温における熱伝導率は、層方向における熱伝導率が、層に垂直な方向における熱伝導率の好ましくは少なくとも５倍、更に好ましくは少なくとも１０倍、更に好ましくは少なくとも２０倍程度高い。
装置の動作時、支持体２は、第１段階において、支持体２の上面が作業領域４より層の１つの厚さ分だけ下側に位置するところまで移動される。次に、第１の材料である粉状構成材料３ａの層を塗布器５により支持体２に塗布し、平滑化する。その後、制御部１１が偏光部８を制御し、偏光されたレーザビーム７ａが固化すべき粉状構成材料３ａの層の各部位に選択的に当たるようにする。これにより、材料は、その部位において固化または焼結される。
次の段階において、支持体２が、再び次の層の厚み分だけ下降される。塗布器５を用いて第２の材料層を塗布して平滑化し、レーザビーム７ａを用いて選択的に固化する。材料層を塗布、平滑化、固化する各段階を、三次元物体３が完成するまで繰り返し実施する。
熱伝導率において高い異方性を有する中間層（intermediate layer having a highly anisotropic heat conductivity）により支持体の上面における温度分布が平滑化されることは、構成材料としてプラスチックを用いる場合に特に有利となる。本発明による中間層によって、構成材料の融解を生じるような局所的な温度上昇を回避できる。
熱伝導率において高い異方性を有する中間層は、また、金属粉末を使用する場合にも使用することができる。本発明は、構成材料を一層ずつ固化することにより三次元物体を製造する際に均一な温度分布が有利である場合に全般的に適用することができる。
本発明の第２実施例では、支持体ではなくコンテナの壁部に加熱要素を設け、粉状構成材料の側面側から加熱するように構成されている。
第２実施例においても、熱伝導率において高い異方性を有する中間層が、層の方向に垂直な方向（すなわち、コンテナの壁面に対して垂直な方向）における熱伝導率より、層の方向（すなわち、コンテナの壁面に対して平行な方向）における熱伝導率の方が相当程度高くなるようにコンテナの壁部に配設される。
ここで、第１実施例との相違点は、熱伝導率において高い異方性を有する中間層の配設場所が、加熱要素と粉状構成材料との間ではなく、粉状構成材料と反対側の加熱要素の側面側である点であり、すなわち、加熱要素は、粉状構成材料と中間層との間に配設されている点である。個別的に配設された加熱要素が全体的にコンテナの壁部を加熱するために使用されるため、このようにしても加熱要素間の領域における温度の均等化を達成することができる。他方、熱伝導率において高い異方性を有する中間層を、粉状構成材料と反対側の加熱要素の側面側に配設することは、外部に対する絶縁が良くなるという利点がある。
第２実施例の特徴は、第１実施例の特徴と結合したり交替したりすることができる。例えば、支持体２とコンテナ１の壁部の両方に、加熱要素と、熱伝導率において高い異方性を有する層とを設けてもよい。支持体２とコンテナ１の壁部とにおいて、熱伝導率において高い異方性を有する層を加熱要素と粉状構成材料との間に配設してもよく、また、粉状構成材料と反対側の加熱要素の側面側に配設してもよい。
本発明の技術内容は、上述した実施例に限定されるものではない。例えば、加熱要素の代わりに冷却要素を設けてもよい。
加熱要素または冷却要素と、熱伝導率において高い異方性を有する中間層とは、支持体またはコンテナの壁部の任意の位置に配設することができる。
支持体またはコンテナの壁部に対する熱伝導率において高い異方性を有する中間層の取り付けは、固定的に行ってもよく、着脱自在に行ってもよい。または、支持体またはコンテナの壁部自体を熱伝導率において高い異方性を有する材料で成形してもよい。
熱伝導率において高い異方性を有する中間層は、支持体の断面全体に亘って配設してもよく、支持体の特定の位置、例えば、加熱要素と支持体の境界領域との間に配設してもよい。こうすることで、熱の供給が十分でないこの領域への熱供給を改善することができる。
熱伝導率において高い異方性を有する中間層は、着脱自在に取り付けた既成のプレートの一部としてもよい。既成のプレートは、支持体の上に載置され、その上で物体の形成が行われる。
また、コンテナの壁部では、熱伝導率において高い異方性を有する中間層を壁部の全面に亘って配設してもよく、コンテナの壁部の特定の位置のみに選択的に配設してもよい。
加熱要素または冷却要素と、熱伝導率において高い異方性を有する中間層とを配設する位置は、上述した実施例に限定されるものではない。例えば、作業台４の全面、または、作業台４の一部にこれらを配設してもよい。
いずれの場合でも、熱伝導率において高い異方性を有する材料の選択および配設については、上記の実施例で述べたように、層の方向に垂直な方向（すなわち、支持体またはコンテナの壁部の表面に対して垂直な方向）における熱伝導率より、層の方向（すなわち、支持体またはコンテナの壁部の表面に対して平行な方向）における熱伝導率の方が相当程度高くなるように構成される。
Claims (14)
- 粉状構成材料（３ａ）を一層ずつ塗布し固化することにより三次元物体（３）を製造する装置であって、前記粉状構成材料（３ａ）の塗布および固化が、各層において前記三次元物体（３）の横断面領域に相当する各部位においてレーザ（７）等のエネルギー源に曝露することにより行われ、一層ずつ塗布される前記粉状構成材料（３ａ）を加熱または除熱する加熱要素または冷却要素（２２）を備える装置であって、
熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）が設けられていることを特徴とする装置。 - 前記熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）は、前記加熱要素または冷却要素（２２）と、前記粉状構成材料（３ａ）との間に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）は、前記粉状構成材料（３ａ）側とは反対側の前記加熱要素または冷却要素（２２）の側面側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記粉状構成材料（３ａ）の層をその上に塗布して物体を形成することができる支持体（２）を更に備え、
前記加熱要素または冷却要素（２２）と、前記熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）とは、前記支持体（２）に配設さ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１項に記載の装置。 - 前記加熱要素または冷却要素と、前記熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）とは、前記粉状構成材料（３ａ）を側面で画定するコンテナ（１）の壁部に配設され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１項に記載の装置。
- 前記加熱要素または冷却要素と、前記熱伝導率において高い異方性を有する中間層（２３）とは、前記粉状構成材料（３ａ）の塗布および固化を行うための作業面を形成する作業台（４）に配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）の層方向における熱伝導率は、前記層方向に垂直な方向における熱伝導率より大幅に高いことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）の室温における熱伝導率は、層方向における熱伝導率が、前記層方向に垂直な方向における熱伝導率の少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍、更に好ましくは少なくとも２０倍高いことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）は、熱伝導率において高い異方性を有する材料から成る金属箔または金属板であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）は、多層箔構造を有する黒鉛箔または黒鉛板であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）は、前記支持体（２）の全横断面、または、前記コンテナ（１）の全壁面、または、前記作業台（４）の全面に亘って延びていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）は、前記支持体（２）の横断面の一部、または、前記コンテナの壁面の一部、または、前記作業台の一部に亘ってのみ延びていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）は、前記支持体（２）の一部、または、前記コンテナ（１）の壁部の一部、または、前記作業台（４）の表面の一部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１項に記載の装置。
- 前記中間層（２３）は、前記支持体（２）の上に載置され前記三次元物体（３）の形成をその上で行うプレートの一部であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
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