JP2013536771A - ３次元物体を製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】滴の生成を支援する、硬化可能な材料を使用して３次元物体を製造するための方法及び装置を創作する。
【解決手段】本方法及び本装置において、非連続的な滴（１５）の順次的な放出により、硬化可能な材料から３次元物体（１６）を製造することができる。そのために硬化可能な材料は液相へ可塑化され、少なくとも１つの間欠作動可能な放出ユニット（１３）を有する材料蓄積部（１２）へもたらされる。そこから材料は、滴ごとに放出ユニット（１３）を用いて３次元物体（１６）のための目的物支持体（１４）の方向へ放出され、この際、目的物支持体（１４）と出口開口部とは、相対間隔をもって、滴形状に影響を及ぼすために空間内で互いに相対的に移動可能である。３次元物体（１６）の製造中に、放出ユニット（１３）から滴を放出するときと、３次元物体（１６）に滴を積み上げるときにおいて交互に逆方向で相対間隔を変更することにより、滴の生成が支援される。
【選択図】図１

Description

（関連の出願）
本出願は、2010年9月2日付けドイツ特許出願第 10 2010 044 268.2 号の優先権を主張し、その開示内容は、本出願の対象として本明細書に援用されるものとする。

（発明の分野）
本発明は、請求項１及び６の上位概念部に記載した、硬化可能な材料から３次元物体を製造するための方法及び装置に関する。

プラスチック部品製造では、射出成形又は押出し成形により大バッチサイズ且つ大量生産で部品が製造される。プラスチック射出成形の長所は、主として複雑な部品幾何学形状の高精度の製造に基づき、この際、射出成形法の機能多様性は、最適な形でプラスチック部品の安価で且つ経済的な生産に対する要求を網羅している。

他方では、例えば、極めて短期の提供の要求を伴い且つ射出成形された部品の特性と類似の特性を有するサンプル部品のような、小バッチサイズに至るまで最小個数で又は個数１個としても製造されるプラスチック部品の需要が益々と増えている。そのような部品を製造するためには、プロトタイピングという概念のもと広く既知である製造法が存在する。そのような部品の製造は、多くの場合、３Ｄデータから幾何学形状を生成することに基づいている。これらの幾何学形状は、極めて異なる形式により、例えばレーザを用いた熱導入による粉末層の溶融のような適切な手段や、粉末部材の異なる結合形式での圧力法のような生成システムや、或いは所謂溶融押出し成形法によっても製造される。

請求項１の上位概念部の基礎となる下記特許文献１から、射出成形技術において原理的に既知である可塑化ユニットが、材料の液相のためのもので且つ圧力を加えることのできる材料蓄積部に連結されるという装置が公知である。目的物支持体上に物体を生成するためにこの材料は、放出ユニットの放出開口部を介して非連続的な滴の形で放出される。そのために材料の付着力に基づき、材料のためには高圧と溶融温度が必要であり、特に滴は０.０１〜０.５ｍｍ^３の大きさを有するべきである。既に前記装置では、放出ユニットに対して相対的な、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の運動のために目的物支持体用の複数の制御手段が設けられている。この際、放出ユニットと目的物支持体との間の間隔は、装置の設置において、複数の滴がこれらの飛行軌道上において自由飛行する１つの滴を形成し得るように選択される。

EP 1 886 793 A1

前記先行技術から出発し、本発明の基礎となる課題は、滴の生成を支援する、硬化可能な材料を使用して３次元物体を製造するための方法及び装置を創作することである。

前記課題は、請求項１の特徴を有する方法、並びに請求項６の特徴を有する装置により解決される。

実際には、放出ユニットと、目的物支持体或いは該目的物支持体上で作成すべき３次元物体との間の間隔に限って言えば、自由飛行する１つの滴が形成できることが重要であると証明されている。このことは確かに有益であるが、しかし滴形成も、生成される物体の形状も、一方における目的物支持体ないし３次元物体と、他方における出口開口部との間の相対間隔が、滴の放出（Austragen）時と滴の積み上げ（ないしオーバレイ Auftragen）時において交互に逆方向で変更されることにより改善される。つまり例えば、好ましくは非連続的な滴の生成のために、滴の引き離し（Troppfenabriss）には、目的物における滴の衝突後に相対間隔の増加により引き離しが加速されることにより影響を及ぼすことができる。好ましくは同様に、重力に反する加速により目的物上の滴の分配（Verteilung）には、中空空間がより良く充填され且つ滴の平坦化が起こるように影響を及ぼすことができる。同様に、次の滴のコントロール（Ansteuerung）前に、滴を言わば押し付けないし幾何学形状的に安定させるために放出ユニットによる滴の短期の接触が行なわれると有利であり、このことは平坦な積み上げ（ないしオーバレイ Auftrag）に寄与する。

従って適切な制御手段により、本装置は、最小の滴をもってしても３Ｄデータからのプロトタイプのような品質的に高価な３次元物体を製造できるように効果的に使用することができる。この際、顧慮すべきは、適切な構造体と幾何学形状を達成するための上述の関係ないし間隔である。

他の長所は、下位請求項、並びに以下の説明から読み取ることができる。

以下、本発明を、図面に図示された実施例に基づき詳細に説明する。

目的物支持体と放出ユニットを示す３次元模式図である。 目的物支持体上に滴をもたらすときの経過状況を示す模式図である。 目的物支持体上に滴をもたらすときの経過状況を示す模式図である。 目的物支持体上に滴をもたらすときの経過状況を示す模式図である。 目的物支持体上に滴をもたらすときの経過状況を示す模式図である。 目的物支持体上に滴をもたらすときの経過状況を示す模式図である。 目的物支持体上に滴をもたらすときの経過状況を示す模式図である。

（有利な実施例の詳細な説明）
以下、本発明が添付の図面に関連して例示として詳細に説明される。この際、以下の実施例は、発明のコンセプトを特定の装置に限定すべきではない単なる例示に関するものである。本発明を詳細に説明する前に、本発明が装置の各々の構成部材並びに各々の方法ステップに限定されているものではないことを指摘しておくが、その理由はそれらの構成部材並びに方法が変更可能なためである。またここで使われている用語は、特別な実施形態を説明するためだけに定められていて、制限として使われるものではない。それに加え、本明細書又は本特許請求の範囲で単数形又は不定冠詞が使われる場合には、それらの要素は複数形であってもよいものとするが、それは全脈絡において明らかに単数形又は不定冠詞でなくてはならない場合は別である。

図１は、出発状態で液相にあるか又は液化することのできる硬化可能な材料から３次元物体１６を製造するための装置を示している。３次元物体の積み上げは、間欠作動可能（時間制御可能 taktbar）な放出ユニット１３から非連続的な滴１５を順次的（シーケンシャル）に放出することにより行なわれる。層ごとに目的物（３次元物体１６）が目的物支持体１４上で滴１５（図２）により作成される。制御手段１８を使用のもと、付属の非図示のアクチュエータを用い、目的物支持体１４は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向において移動することができる。更に制御手段１８は、放出ユニット１３もコントロールする。従ってとりわけ、一方における目的物支持体１４又は３次元物体１６と、他方における放出ユニット１３の出口開口部２０との間の相対間隔ｓ（図２ｃ、２ｆ）も、滴形状に影響を及ぼすために互いに相対的に影響を及ぼされる。換言すると、相対間隔ｓを変更するために、目的物支持体１４又は３次元物体１６を出口開口部２０の方向へ動かすことができ又はその逆で出口開口部２０から遠ざけることができ、及び／又は、出口開口部２０を目的物支持体１４の方向へ動かすことができ又はその逆に目的物支持体１４から遠ざけることができる。

放出ユニット１３は、射出成形技術において原理的に既知である可塑化ユニット１１の一部であり、該可塑化ユニット１１は、液相をもたらすためのものであり且つ圧力を加えることのできる材料蓄積部１２をも同時に含んでいる。材料蓄積部１２内の液相に対する圧力は（材料蓄積部１２と放出ユニット１３との）直接的な連結（ないし結合 Kopplung）において非連続的な滴１５を生成する。このことは、上記特許文献１に詳細に記載されている。

硬化可能な材料は、例えばシリコーンのような可塑化された材料や、プラスチックのような可塑化可能な材料や、又は粉状の材料でもよく、この際、硬化可能な材料が出発状態で液相にあるか又は液化することができることが本質的に重要である。また材料は、熱のもと可逆的に溶融可能であり、従ってリサイクル可能な材料とすることもできる。従って材料が溶融により液相へ移行され、放出後に再び硬化する、又は材料が液相において提供され、放出後に例えばエネルギー供給により硬化されなくてはならない、又は材料が揮発性の成分を有し、これらの成分の気化が硬化をもたらすことなどが考えられる。任意の他の材料も、これらの材料が前記装置により可塑化可能であり、とりわけ少なくとも１つの放出ユニットにより放出可能である場合には使用することができる。

硬化可能な材料は、液相において所謂前面層流（laminarer Quellfluss）を有する。この前面層流内へとりわけ壁部における溶融物の付着部が入り込む（付着が生ずる）。このことは、射出成形技術の認識を一瞥することで最も明らかになる。簡単な矩形の流路の型充填時には、溶融物は所謂注入口（Angusspunkt）を介して射出注入され、このポイントから、閉じた流動前面（Fliessfronten）をもって円形状に拡がり始め、キャビティの全幅を満たすに至る。その後の多少の時間の後、流入口と流動前面の間は、ほぼ形成（ないし充満 ausgebildet）されたものとしてみることができる。流動前面自体には特別な流れ状況、即ち「前面層流」があり、その理由は、この範囲における流線が、同時移動する座標系に関して見ると、わき水（Quelle）のように現れるためである。キャビティ表面に近接し、急速に凝固した２つの材料層の間で溶融物が流動し、この際、溶融物はキャビティの中央においてより大きい速度をもって流動前面に向かって進んでいく。溶融物が流動前面に到達する直前には、その流動方向における速度成分が減少し、溶融物は壁部に対して斜めに流れていって壁部に当たる。

前面層流は、目的物支持体１４上へ「配向」された滴１５の生成にとって、その層状形成に基づき一方では長所と言えるが、他方では、中でも小さい滴の形成時には、正にここでも、射出成形技術から既知である装置及び材料を用いた実現を困難にする問題がある。つまり、好ましくは１ｍｍ^３以下の範囲にある所望の小さい容積と、所望の飛行速度とを有する滴を材料（質量体 Massen）が形成することは壁部付着のために難しくなり、他方では、材料の対応する高い粘性は、非連続的な滴において適切な滴形状を形成するために正に重要である。

このことは、使用される材料を既知の蝋材（ワックス）からも区別する。蝋材はその粘性に基づき、通常のサーマルプリンティング法又はインクジェット法においては、溶融された滴の圧力差を伴うことのない純粋に運動学的な無圧の加速によって放出される。ここで使用される材料は、その粘度数が１０の１〜複数倍べき乗分（１０^１〜１０^ｎ）だけ高いことにより既にここでは区別される。つまり、硬化可能な材料の動的な粘度数は１００Ｐａ ｓと１００００Ｐａ ｓの間にあり、この際、好ましくは、硬化可能な材料は、射出成形技術では慣用のプラスチック又は樹脂である。このことは、圧力を加えることのできる材料蓄積部１２からの処理を必要とし、その理由は、１０ＭＰａよりも大きいところから１００ＭＰａに至るまで（１００〜１０００ｂａｒ）の圧力が、特に、小さい滴容積を達成するために小さい放出開口部２０が使用される場合には、いずれにせよ必要とされるためである。

好ましくは、滴１５の所望の容積は、特に０.０１〜０.５ｍｍ^３の範囲、好ましくは０.０５〜０.３ｍｍ^３の範囲、そして特に好ましくはほぼ０.１ｍｍ^３の範囲にある。放出開口部２０の直径は、特に１ｍｍと同じ又はそれよりも小さく、好ましくはほぼ０.１ｍｍである。０.１ｍｍの直径を有する所謂注入口（Punktanguss）を通じて質量体（Masse）を送る、１００ｃｍ／ｓの慣用の射出速度では、面を通じる容積流において１００００ｍ／ｓの値が得られる。このことは、液相に対し、１００００ｍ／ｓに至るまでの流動速度を有する前面層流を導くことになる。

本装置は、本装置の放出ユニット１３を用い、溶融されたプラスチックのような高粘性の液状材料を、数マイクログラムを下回るまでの最小量をもって、高圧下にあり且つ場合により高溶融温度下にもある材料蓄積部１２から放出する役割を有する。材料の最小量／滴１５は、離散的な個々の部分（ポーション）として放出され、この際、該部分のサイズは本装置により影響可能である。放出された部分は、該部分が、目的物支持体１４上に３次元物体１６を積み上げるために、付着力を克服することができ且つ本装置から離れ且つ滴１５を形成するほどの高い運動エネルギーをもっている。

付着力が高く且つ重量が小さく、液状であるが高粘性の材料に関するので、その運動エネルギーは、材料蓄積部１２と、滴１５のための「飛行空間」との間の圧力差を用いて伝えられる。部分とすること（ポーション化）は、例えば閉鎖手段としてノズル針などを備えた、間欠作動されるオリフィスを用いて行われる。部分の要求される寸法にも粘性特性にも起因し、通例は１００ＭＰａ（１０００ｂａｒ）以上の範囲内の圧力、０.１ｍｍよりも小さい閉鎖オリフィス、そして０.００１ｓよりも短い閉鎖時間が必要である。材料は、多くの場合はプラスチックであるので、材料蓄積部１２内は４５０℃に至るまでの溶融温度が支配している。

上記の条件のもと、非連続的な滴１５が形成可能でなくてはならず、他方では、製造すべき３次元物体１６の品質に対する要求は比較的高い。従って複数の制御手段１８は、要求に応じて速度及び／又は方向について交互に逆方向で影響を及ぼし、該逆方向をもって、一方における目的物支持体１４又は３次元物体１６と、他方における出口開口部２０とを含んだ複数の要素のうちの少なくとも１つが、相対間隔ｓを変更しながら互いに相対的に移動される。この影響は、中でも放出ユニット１３から滴を放出するときと、３次元物体１６に滴を積み上げるときに及ぼされる。

図２ａ〜２ｆは、対応する方法経過状況を示している。非連続的な滴１５をもたらすために硬化可能な材料が可塑化ユニット１１（図１）内で可塑化され、可塑化ユニット１１の材料蓄積部１２から間欠作動可能（時間制御可能 taktbar）な放出ユニット１３を用いて滴形状で放出される。図２ａによると、滴１５は出口開口部２０から目的物支持体１４の方向へ放出される。目的物支持体１４上には、３次元物体１６の輪郭を認識させる数滴の滴が既に置かれている。一方における目的物支持体１４又は３次元物体１６と、他方における出口開口部２０とは、それらの相対間隔を変更しながら、滴形状に影響を及ぼすために空間内で互いに相対的に移動可能である。図２ａに対比して図２ｂにおいて、滴１５は放出ユニット１３から既に流出しており、流出している間に目的物支持体１４ないしその前に既に作り上げられた３次元物体１６と接触状態となる。図２ｂからは、滴１５がこの瞬間に放出ユニット１３とも目的物支持体１４とも接続状態にあることが見てとれる。この際、放出ユニット１３と目的物支持体１４との間の間隔は、ほぼ放出時の滴１５の長さＩに対応している。

次のステップにおいて図２ｃによる相対間隔ｓは、この場合、目的物支持体１４の移動により鉛直方向において下方へ増加され（或いは放出ユニット１３を上方へ移動させることもできる）、それによりこの相対間隔ｓの増加は、放出ユニット１３から滴１５の引き離し（Abreissen）を促進し、このことは同時に、次の滴が迅速に放出可能とされることに寄与する。

滴１５の引き離しの後に目的物支持体１４は、図２ｄによると矢印の方向へ、重力に反して鉛直方向において上方へ移動される。重力に反する方向のこの加速は、中空空間がより良く充填され且つ滴１５の平坦化が起こるように目的物支持体１４上又は３次元物体１６上における滴１５の分配を促進する。

従って、図２ｅによる次のステップにおいて相対間隔ｓは、１つの層の積み上げ高さ（Auftragshoehe）に至るまで相対間隔ｓ’へと減少され、即ち３次元物体１６に置かれている滴に放出ユニット１３が接触するまで減少される。３次元物体１６上の放出ユニット１３による次の滴のコントロール（放出開始）前のこの短期の接触は、追加的な幾何学形状の安定性をもたらし、従って平坦な積み上げ（Auftrag）をもたらす。この接触の後に目的物支持体１４及び／又は放出ユニット１３は、図２ｆに従って次の滴がコントロール（放出開始）される前に水平方向矢印の方向へ互いに相対的にずらすことができ、また図２ｆにおいて予め相対間隔ｓは、目的物支持体１４の実施例における鉛直方向移動により再び増加される。

一方における目的物支持体１４ないし３次元物体１６と、他方における放出ユニット１３との、実質的に鉛直方向における即ち重力を伴う（重力方向の）又は重力に反する（反重力方向の）、これらの要素間の相対間隔ｓを変更しながらの交互の移動（運動）は、製造すべき物体１６の品質を明らかに向上させる。一方では滴１５の明確な引き離しが行なわれると共に、他方では目的物において積み上げられた滴１５の確かな硬化（固化）が行なわれる。

自明のことであるが、本説明には極めて様々な修正形や変更形や適合形があるが、これらは添付の請求項に対する等価の範囲内で可能とされるものである。

１１ 可塑化ユニット
１２ 材料蓄積部
１３ 放出ユニット
１４ 目的物支持体
１５ 滴
１６ ３次元物体
１８ 制御手段
２０ 出口開口部

ｓ、ｓ’ 相対間隔
Ｉ 滴の長さ
ｘ、ｙ、ｚ 目的物支持体の運動方向

Claims (9)

1. 非連続的な滴（１５）の順次的な放出により、出発状態で液体であるか又は液化することのできる硬化可能な材料から３次元物体（１６）を製造するための方法であって、
   − 液相でないし液相へ、硬化可能な材料を提供又は可塑化するステップ、
   − 少なくとも１つの間欠作動可能な放出ユニット（１３）を有する材料蓄積部（１２）へ前記液相をもたらすステップ、
   − 製造すべき３次元物体（１６）のための目的物支持体（１４）の方向へ前記放出ユニット（１３）を用いて出口開口部（２０）から滴（１５）を放出するステップ、但し、一方における前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）と、他方における前記出口開口部（２０）とは、相対間隔（ｓ）をもって、滴形状に影響を及ぼすために空間内で互いに相対的に移動可能であること、そして、
   − 前記３次元物体（１６）の製造中に、前記放出ユニット（１３）から滴を放出するときと、前記３次元物体（１６）に滴を積み上げるときにおいて交互に逆方向で前記相対間隔（ｓ）を変更するステップ、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 滴（１５）は、前記放出ユニット（１３）から前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）上へ、滴（１５）が前記目的物支持体（１４）とも前記３次元物体（１６）とも接続状態にありそして前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）に滴（１５）が衝突した後に前記相対間隔（ｓ）の増加が前記放出ユニット（１３）からの滴（１５）の引き離しを支援するように、供与されること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 滴の衝突の後の前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）の運動が、重力に反して行なわれること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 重力に反する前記運動の後に、前記放出ユニット（１３）が前記３次元物体（１６）にある滴（１５）に接触するに至るまで前記相対間隔（ｓ）が減少されること
   を特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 射出成形技術において既知の可塑化ユニット（１１）が、液相をもたらすためのものであり且つ圧力を加えることのできる前記材料蓄積部（１２）へ連結され、前記材料蓄積部（１２）内の液相に対する圧力を生成し、前記材料蓄積部（１２）は、直接的な連結において非連続的な滴（１５）を生成すること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 非連続的な滴（１５）の順次的な放出により、出発状態で液相にあるか又は液化することのできる硬化可能な材料から３次元物体（１６）を製造するための装置であって、
   − 製造すべき３次元物体（１６）のための目的物支持体（１４）と、
   − 滴（１５）の形で前記目的物支持体（１４）の方向へ出口開口部（２０）を介して硬化可能な材料を放出するための少なくとも１つの間欠作動可能な放出ユニット（１３）を有する、可塑化された硬化可能な材料の液相のための少なくとも１つの材料蓄積部（１２）と、
   − 滴形状に影響を及ぼすために空間内で互いに相対的に、一方における前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）と、他方における前記出口開口部（２０）との間の相対間隔（ｓ）を制御するための制御手段（１８）とを備え、そして、
   前記制御手段（１８）は、必要に応じて速度及び／又は方向について交互に逆方向で影響を及ぼし、該逆方向をもって、一方における前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）と、他方における前記出口開口部（２０）とを含んだ複数の要素のうちの少なくとも１つが、前記３次元物体（１６）の製造中に、前記放出ユニット（１３）から滴を放出するときと、前記３次元物体（１６）に滴を積み上げるときにおいて前記相対間隔（ｓ）を変更させながら互いに相対的に移動されること
   を特徴とする装置。
7. 一方における前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）と、他方における前記出口開口部（２０）との間の前記相対間隔（ｓ）は、滴（１５）の放出時には、ほぼ滴（１５）の長さ（ｌ）に対応すること
   を特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 一方における前記目的物支持体（１４）又は前記３次元物体（１６）と、他方における前記出口開口部（２０）との間の前記相対間隔（ｓ）は、前記３次元物体（１６）における滴（１５）の衝突及び平坦化の後には、前記３次元物体（１６）における滴（１５）の構造高さに対応すること
   を特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記材料蓄積部（１２）は、射出成形技術において既知の可塑化ユニット（１１）により構成されており、同時に該可塑化ユニット（１１）は、前記硬化可能な材料を可塑化すること
   を特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。

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