JP2014516842A - ３次元物体を製造するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生成すべき物体における材料結合を支援するためのエネルギー最適化された温度調整を達成する、硬化可能な材料から３次元物体を製造するための装置を創作する。
【解決手段】硬化可能な材料から３次元物体を製造するための装置が、物体（５０）を作り上げるための構成空間（２０）と、前記構成空間（２０）を温度調整するための温度調整ユニットと、硬化可能な材料を液相へと調製するための少なくとも１つの材料調製ユニット（１１）とを有する。圧力発生ユニット（１０）が、前記材料調製ユニット内にある液相に対して圧力を発生させる。放出ユニット（１２）が、滴の形で前記構成空間（２０）の方向へ放出開口部（１２ｂ）を介して硬化可能な材料を放出するために設けられている。少なくとも、前記放出ユニット（１２）の前記放出開口部と、前記材料調製ユニット（１１）と、物体を製造するための目的物支持体（１３）とが収容されている構成空間フレーム（１８）を用い、温度調整可能な前記構成空間（２０）が包囲されていることにより、物体（５０）における材料結合を支援するためのエネルギー最適化された温度調整が達成される。
【選択図】図２

Description

（関連の出願）
本出願は、2011年6月16日付けドイツ特許出願第 10 2011 106 615.6 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も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装置に関する。

プラスチック部品製造では、型工具を使用して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利点は、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。

同時に、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、個数１個や小バッチサイズのためのプラスチック部品の需要が増えている。そのような部品の製造については、プロトタイピングやラピッドマニファクチュアリングとの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、工具なしで、即ち型工具を用いずに、多くの場合は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既知である可塑化ユニットが、材料の液相の生成のための、圧力を加えることのできる材料蓄積器に連結されるという装置が公知である。構成空間内において目的物支持体上に物体を生成するためにこの材料は、放出開口部を介して滴の形で放出され、この際、材料の付着力に基づき、高圧と多くの場合は高温も加える必要がある。構成空間は、必要に応じて温度調整することができ、そのために温度調整ユニットが設けられている。

溶融されたプラスチックのような高粘性の液状材料が、最小量として、数マイクログラムを下回るに至るまでの離散的な個々の部分（ポーション）をもって、高圧下にあり場合により高温下にもある材料蓄積器から処理されるべきであるという解決策においては、構成空間の温度調整に影響を及ぼす温度条件が直ぐに発生する。

下記特許文献２から、下記特許文献１から公知の装置において構成空間を設け、該構成空間内に、放出開口部を閉じる固体継手のためのアクチュエータと、目的物支持体の運動機構も受容されているが、熱を発生する材料調製ユニットは、該構成空間の外に設けられていることが公知である。

EP 1 886 793 A1 DE 10 2009 030 099 A1

上記背景技術から出発し、本発明の基礎となる課題は、生成すべき物体における材料結合を支援するためのエネルギー最適化された温度調整を達成することである。

前記課題は、請求項１の特徴を有する装置により解決される。

以下、発明を実施するための形態について説明する。

できるだけ良好なエネルギー活用と、エネルギー効率の良い温度調整とを達成するために、温度調整可能な構成空間が構成空間フレーム（構成空間枠部材）により包囲されており、該構成空間フレーム内には、少なくとも、放出ユニットの放出開口部と、処理すべき材料のための材料調製ユニットとが収容されている。材料調製ユニットは、加熱された液状材料の取り入れ（Eintrag）により熱をもたらすので、構成空間内には基本的に熱余剰分が発生する。追加的にこの熱余剰分は、熱放射による材料調製ユニットでの材料溶融時の加熱により支援（unterstuetzen）される。従って構成空間は、該構成空間内に配置された物体と共に、そして滴も該滴が放出ユニットから離れた瞬間から、温度調整を介して影響を及ぼすことのできる温度領域内にある。ところで構成空間温度調整は、既に生成済みの構成部品、即ち作成すべき物体上に供与される滴の結合作用に最適の状態で影響を及ぼすために重要ないし必要不可欠である。つまりそれにより溶融状態の滴と構成部品の表面との間の温度差に対し、個々に影響を及ぼすことができる。この影響を及ぼす可能性、即ち制御可能性は、例えば結晶質ないし非晶質のプラスチックにおいて強く材料に依存する。他方ではエネルギー最適化の観点において、熱が有益に使用可能である場所で発生した熱をその場所でも保持するために、材料調製ユニットから圧力発生ユニットの方向への熱流を分断（trennen）することは有意義である。それにより全システムのエネルギー効率が増加可能である。

この分断は、好ましくは、材料調製ユニットと圧力発生ユニットとの間に介在された断熱要素により行われる。全体的に構成空間フレームは、外部への熱流を十分に阻止するために断熱式で構成することができる。

有利には、放出ユニットの電気的な駆動部は、構成空間の外に設けられ、従って通常の周囲温度下で、駆動に適合された理想的な稼働条件のもと駆動可能である。これと同じことが、基本的に、例えば座標テーブルのような目的物支持体の駆動及び駆動ユニットにも該当する。それにより一方では、構成空間内では最適温度が支配し、他方では、機械装置及び駆動機構が実質的に冷却された領域内にあるので、その最適温度は、部品精度に影響を及ぼさない。

この部品精度は、中でも材料調製ユニットと目的物支持体を互いに離間した装置の構成品として支持する機械テーブルが十分に堅固に構成されていることにより更に改善することができ、従って一方では、感知可能な温度膨張は極めて僅かであり、また他方では、温度調整された構成空間と、配置装置との温度に関する接続状態はできるだけ少なくなる。

他の長所は、下位請求項、並びに有利な実施例に関する以下の説明から読み取ることができる。

以下、本発明を、図面に図示した実施例に基づき詳細に説明する。

構成空間フレームを備えた装置の３次元図を示す図である。 側面図として当該装置の部分切断図を示す図である。 圧力発生ユニットから材料調製ユニットへの移行部の領域の拡大切断図を示す図である。

以下、有利な実施例の詳細な説明である。

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品並びに各々の方法ステップに限定され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品並びに方法は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おり、限定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１〜３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５０（図２）又は構成部品を製造するための装置を示しており、この際、当該製造は、滴７０（図２）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。このことは、例えば、個々の滴７０が順次的に放出ユニット１２の放出開口部１２ｂ（図２）から放出されることにより行うことができ、従って層ごとに物体５０が構成空間２０内の目的物支持体１３（図２）上で作られる。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。任意の他の材料も、これらの材料が当該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１２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（層状のわき水状の流れ laminarer Quellfluss）を有する。前面層流に対して中でも壁部において溶融物の付着が生ずる。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が経つと、流入口と流動前面との間をほぼ形成完了（ausgebildet）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、この呼称の理由は、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。キャビティ表面の近くにあり急速に凝固した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速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、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ゆき、壁部へ当たることになる。

前面層流は、構成空間２０へ「配向」された滴７０の生成にとって、その層状形成に基づき一方では利点と言えるが、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困難であり、他方では、材料の対応する高粘性は、滴の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、溶融された滴の圧力差を伴うことなく、純粋に運動学的な無圧の加速によって放出される。しかしここで使用される材料は、その粘度数が１０の１乗分〜複数べき乗分（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、射出成形技術では通常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器からの処理を必要とし、従って別個の圧力発生ユニットの使用をも必要とし、その理由は、特に、小さい滴容積を達成するために小さい放出開口部が使用される場合には、１０ＭＰａよりも大きいところから１００ＭＰａに至るまで（１００〜１０００ｂａｒ）の圧力がいずれにせよ必要とされるためである。

好ましくは、滴７０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。放出開口部の直径は、特に１ｍｍと同じか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）を介して材料（質量体 Masse）を送るための至って通常の１００ｃｍ／ｓの射出速度では、面を介した容積流により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、高圧下にあり場合により高溶融温度下にもある材料蓄積器から放出する役割を有する。材料の最小の量／滴７０は、離散的な個々の部分（ポーション）として放出ユニット１２により放出され、この際、該部分のサイズは、本装置により影響を及ぼすことができる。放出された該部分は、構成空間２０内で目的物支持体１３上に物体５０を作り上げるために、該部分が付着力を克服することができ且つ本装置から離れて滴７０として飛んで行くほどの高い運動エネルギーをもっている。この際、材料は、ガラス転移点における粘性よりも高い粘性を有するように溶融される。それにより構成空間２０の温度調整のためにエネルギー効率的に利用することのできるエネルギー余剰分が存在する。

圧力発生ユニット１０は、材料調製ユニット（材料準備ユニット Aufbereitungseinheit）１１内で調製（液状化）された液相に対して圧力を発生し、この際、好ましくは、材料調製ユニット１１は、液相にある材料のための材料蓄積器を既に構成する。圧力発生ユニット１０は、材料調製ユニット１１と結合状態にあり、材料調製ユニット１１は、放出ユニット１２と結合状態にあり、該放出ユニット１２は、放出開口部１２ｂを介して非連続的な滴７０を生成する。

上記の条件のもと、構成空間２０内の温度は重要性を増し、該構成空間２０は、温度調整ユニット２５を用いてエネルギー効率的に温度調整可能である。図２及び図３によると、温度調整可能な構成空間２０は、構成空間フレーム（構成空間枠部材）１８により包囲されている。この構成空間フレーム１８は、少なくとも、放出ユニット１２の放出開口部１２ｂと、材料調製ユニット１１と、物体５０が製造される目的物支持体１３とを包囲している。他方では、図２及び図３によると、材料調製ユニット１１と圧力発生ユニット１０は、構成空間フレーム１８により互いに分断されている。

それにより、加熱された液状プラスチック、又は材料調製ユニット１１内で熱供給のもと調製される他の硬化可能な材料の構成空間内での熱入力（熱放散 Waermeeintrag）を熱余剰分として利用することが可能である。図３によると、追加的にこの熱入力は、熱放射に基づく材料溶融時の発熱体（ヒータ）２２を用いた加熱により支援（unterstuetzen）される。材料調製ユニット１１の領域において材料は、可塑化（成形材料に熱を加えて溶融化すること）され、溶融物ウォーム２６により放出ユニット１２への移行領域に至るまで送られる。構成空間２０には、センサ２１と温度調整ユニット２５とが付設されており、これらは、当業者により基本的に適切な箇所に位置決めされ、即ち図面に記載されている箇所だけに配設されるわけではない。これらのセンサ機構と調整器（レギュレータ）により構成空間２０内の温度は、例えば換気装置又は熱交換器により熱余剰分が調整されて排出可能であるように調整することができる。換気装置又は他の補助手段は、空気循環炉におけるように構成空間２０の内部の均等な熱分布を保証するためにも設けることができる。

同時に材料調製ユニット１１における熱供給を維持するために、構成空間２０は、圧力発生ユニット１０に対して断熱されており、即ち一方では、構成空間フレーム１８が圧力発生ユニット１０を熱技術的に構成空間２０及び材料調製ユニット１１から分断し、他方では、その分断箇所（分離箇所）において図３によると、圧力発生ユニット１０と材料調製ユニット１１との間の断熱要素２３が構成空間フレーム１８の壁部に配設されている。

構成空間フレーム１８は、図２によると構成空間２０を、該構成空間２０の周囲に対して基本的に全体的に断熱するように隔離し、従って構成空間フレーム１８の内部に配設された材料調製ユニット１１の熱入力が構成空間２０の温度調整に使われる。ところで材料調製ユニット１１は、放出ユニット１２に接続されており、従ってこのことは、熱技術的に考慮されるべきであるが、その理由は、材料調製ユニット１１の熱膨張が放出ユニット１２の位置にも影響し、従って部品精度にも影響するためである。上記のように創作された断熱部は、有利には、構成空間２０内で保護雰囲気を作るためにも利用することができる。

生成すべき物体５０は、例えば座標テーブルとして構成されている目的物支持体１３上に得られるので、該目的物支持体１３も構成空間２０内に配設される。しかしこのことは、放出ユニット１２の好ましくは電気的な駆動部１２ａないし目的物支持体１３の駆動ユニット１６にも同様に該当することではない。これら両方の要素は、図２によると構成空間フレーム１８の外に配設されている。従って、好ましくは電気的なこれらの駆動部は、構成空間２０内で望まれる温度には影響されないという条件のもと稼働可能である。つまりこれらの駆動部は、通常の環境条件下にあり、従ってこれらの駆動部は、多くの場合、理想的な稼働条件下にある。この際、例えば、座標テーブルをメンブラン上に配設し、該メンブランには、当該テーブルのリンク部（Anlenkung）が貫通（durchgreifen）し、しかし同時に駆動ユニットと当該テーブルに対して必要な運動遊び空間を可能にするという構成も考えられる。更に目的物支持体１３が駆動ユニット１６により空間的に放出開口部１２ｂに対して相対的に運動可能であり、またこの運動ができるだけ精密であることが考慮されると、駆動ユニット１６が同様に構成空間フレーム１８の外に配設されている場合には有利であるが、その理由は、その際にはその場所でより精密に目的物支持体１３用の座標を駆動制御できるためである。更に基本的には、位置に関する目標位置と現在位置の基準化を実現するために、適切なセンサ機構を用いてソフトウェア的に通常の温度補償を行うことができる。

従って、エネルギーの滞留（Energiestau）ないしエネルギーの排出（Energieabfuhr）を介して調整式でエネルギー最適化された温度調整が滴結合による物体５０の製造の支援のために利用されることにより、構成空間温度調整のために一方では必要不可欠な温度調整エネルギーをプロセスから、即ち好ましくは材料調製プロセスから利用するということが本質的なことである。それに加え、全構成空間温度調整は、例えば既に生成済みの物体５０と新たに到来すべき滴７０との間の結合点における点ごとのエネルギー入力（Energieeintrag）よりも、簡単に達成することができる。

部品精度は、更に本装置が図２に従い機械台架３０上に配設されていることで支援され、該機械台架３０には、機械制御装置４０と操作ユニット４１が配設されており、また該機械台架３０上には、機械テーブル１５が配設されており、該機械テーブル１５には、物体５０を作り上げるための目的物支持体１３と、材料調製ユニット１１とが、幾何学的に互いに定置の関係で取り付けられている。この機械テーブル１５は、好ましくは、図２によると構成空間フレーム１８の外に配設されたプレートであり、該プレートは、構成空間２０内で周囲と比べて発生する温度差に関し、作成すべき物体５０の精度に影響を及ぼさないような強さ（ないし厚さ）で寸法決定されている。

図１によると構成空間フレーム１８は、閉鎖可能な開口部１８ａを有し、該開口部１８ａを介し、構成空間２０にアクセス可能である。材料調製ユニット１１と圧力発生ユニット１０は、可塑化された又は可塑化可能な材料として硬化可能な材料を調製するための、射出成形技術では既知の可塑化ユニットにより構成される。従って部品を製造するために、標準的に入手可能であるか又は射出成形業者が取り扱う材料を使用することができる。従って特別な特殊材料は不必要である。

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均等の範囲内で可能とされるものである。

１０ 圧力発生ユニット
１１ 材料調製ユニット（材料準備ユニット）
１２ 放出ユニット
１２ａ 駆動部
１２ｂ 放出開口部
１３ 目的物支持体
１５ 機械テーブル
１６ 駆動ユニット
１８ 構成空間フレーム（構成空間枠部材）
１８ａ 閉鎖可能な開口部
２０ 構成空間
２１ センサ
２２ 発熱体（ヒータ）
２３ 断熱要素
２４ 円筒加熱器（シリンダヒータ）
２５ 温度調整ユニット
２６ 溶融物ウォーム
３０ 機械台架
４０ 機械制御装置
４１ 操作ユニット
５０ 物体
７０ 滴

EP 1 886 793 A1 DE 10 2009 030 099 A1 US 2009/314391 A1

Claims (10)

1. 滴（７０）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（５０）を製造するための装置であって、
   − 目的物支持体（１３）上に物体（５０）を作り上げるための少なくとも１つの構成空間（２０）と、
   − 前記構成空間（２０）を温度調整するための温度調整ユニットと、
   − 硬化可能な材料を液相へと調製するための少なくとも１つの材料調製ユニット（１１）と、
   − 前記材料調製ユニット（１１）において調製された液相に対して圧力を発生させるための少なくとも１つの圧力発生ユニット（１０）と、
   − 滴（７０）の形で前記構成空間（２０）の方向へ放出開口部（１２ｂ）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つの放出ユニット（１２）と、
   を備え、
   温度調整可能な前記構成空間（２０）は、構成空間フレーム（１８）により包囲されており、該構成空間フレーム（１８）内には、少なくとも、前記放出ユニット（１２）の前記放出開口部（１２ｂ）と、前記材料調製ユニット（１１）と、前記目的物支持体（１３）とが収容されていること
   を特徴とする装置。
2. 前記構成空間フレーム（１８）の壁部には、断熱要素が設けられており、該断熱要素は、前記材料調製ユニット（１１）と前記圧力発生ユニット（１０）との間に配設されており、前記材料調製ユニット（１１）を前記圧力発生ユニットから分断していること
   を特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記構成空間フレーム（１８）は、前記構成空間（２０）を該構成空間（２０）の周囲に対して断熱包囲し、従って前記構成空間フレーム（１８）の内部に配設された前記材料調製ユニット（１１）の熱入力が前記構成空間（２０）の温度調整に使われること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記材料調製ユニット（１１）は、前記放出ユニット（１２）に接続されていること
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記放出ユニット（１２）の好ましくは電気的に駆動される駆動部（１２ａ）が、前記構成空間フレーム（１８）の外に配設されていること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記目的物支持体（１３）は、物体（５０）を作り上げるために設けられており、前記目的物支持体（１３）は、少なくとも１つの駆動ユニット（１６）により前記放出開口部（１２ｂ）に対して相対的に運動可能であり、該駆動ユニット（１６）は、実質的に前記構成空間フレーム（１８）の外に配設されていること
   を特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 当該装置は、機械テーブル（１５）を有し、該機械テーブル（１５）上には、物体（５０）を作り上げるための前記目的物支持体（１３）と、前記材料調製ユニット（１１）とが幾何学的に互いに定置の関係で取り付けられていること
   を特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 当該装置の部品を取り付けるための前記機械テーブル（１５）は、前記構成空間フレーム（１８）の外に配設されたプレートを有し、該プレートは、前記構成空間（２０）内で周囲と比べて発生する温度差に関し、作成すべき物体（５０）の精度に影響を及ぼさないよう堅固に寸法決定されていること
   を特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記構成空間フレーム（１８）の内部には、前記構成空間（２０）を温度調整するための温度調整ユニット（２５）のセンサ（２１）が設けられていること
   を特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記材料調製ユニット（１１）と前記圧力発生ユニット（１０）は、可塑化された又は可塑化可能な材料として硬化可能な材料を調製するための、射出成形技術では既知の可塑化ユニットにより構成されていること
    を特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。

Images