JP2016534902A5 - - Google Patents

Description

本発明による装置は、少なくとも１個の三次元物体を層状に形成するための、ｘｙ平面上に配置された造形台と、この造形台を少なくとも部分的に覆い熱エネルギーを造形材料に入力するための加熱要素と、局所的に加熱することにより造形材料を選択的に硬化させるための少なくとも１個の放射源とを有する。加熱要素は同時に使用できる少なくとも２個の機能的開口を有しており、少なくとも２個の機能的開口の一方は材料通路として構成され、少なくとも２個の機能的開口の他方は放射通路として構成されている。本発明による装置は、次の３個の構成要素、即ち造形台、加熱要素、少なくとも１個の放射源の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を発生するための若干数の駆動装置を有する。

これに対応して本発明による方法は、ｘｙ平面上に配置された造形台上で少なくとも１個の三次元物体を層状に形成するステップと、造形台を少なくとも部分的に覆う加熱要素を用いて熱エネルギーを造形材料に入力するステップと、選択的に硬化させる目的で放射源により造形材料を局所的に加熱するステップと、少なくとも２個の機能的開口を使用して造形材料と放射エネルギーを同時に加熱要素を通過させるステップとを含む。本発明による方法は、若干数の駆動装置によって、次の３個の構成要素、即ち造形台、加熱要素、少なくとも１個の放射源の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向において互いに独立に操作可能な相対運動を発生することを含む。

本発明の根本的な思想は、造形材料を予熱する働きをする加熱要素を使用し、加熱要素は材料通路及び放射通路として、従ってまた造形材料を塗布するための被覆開口及び造形材料を局所的に加熱するための露出開口として働く機能的開口を特徴とすることにある。そのような加熱要素を適当なやり方で造形台に対して相対的に動かせば、造形材料の塗布、予熱及び選択的硬化が同時に行なわれ、ひいては少なくとも１個の物体のサイクル化されない連続した製造が行われる。換言すれば、物体若しくは複数の物体の造形は連続的に行なわれ、造形速度は造形台と加熱要素との間の相対運動によって決まる。種々の製造プロセス段階にある物体領域の幾何学的配置、特にこれらの物体領域相互の間隔は、加熱要素内の機能的開口の配置、特にこれらの機能的開口の相互の間隔によって決定される。

関与する構成要素である造形台と加熱要素と放射源との間での複数の相対運動を発生することにより、それぞれの方法ステップにおける種々のプロセス条件の時間的作用を簡単、且つ非常にフレキシブルに互いに同調及び最適化できる。それによって製造プロセス全体が更に最適化可能である。

放射通路の運動を放射源の運動から切り離すことが格別有利であることが分かった。換言すれば、放射源は造形台の上方若しくは造形台上にある造形材料の上方を加熱要素とは異なる速度で動くことができる。

特に露出開口を通した放射エネルギーの入力が行なわれる際にこの開口が完全に照明されず、その代わりに開口の下方に配置された造形材料が当該開口の境界内で的確に照射される場合、例えばレーザが造形材料を所定の軌道曲線に沿って加熱する場合、本発明によれば、放射源を放射通路によって提供された開口領域内で加熱要素の運動と独立に、ひいては露出開口の運動とは独立に、放射出力が格別効率的に入力され得るように動かすことができる。

本発明の好適な実施形態においては、装置がｘ方向及び／又はｙ方向において造形台と加熱要素との間の第１の相対運動を発生するための第１の駆動装置の他にｘ方向及び／又はｙ方向において第１の相対運動とは独立に放射源と加熱要素との間の第２の相対運動を発生するための第２の駆動装置を有することによって実現される。

プロセスを更に最適化するために、特に放射出力を格別効果的に入力するために、追加的に露出開口の形状、配置及び／又は大きさ、特に主運動方向、例えばｘ方向におけるスリット幅をそれぞれのプロセスに適合させることができ、若しくは製造プロセス中に変えることもできる。これにより例えば、露出開口の直下にあって加熱要素により加熱されない領域ができるだけ小さくなるようにすることができる。一層の最適化のために、個々の構成要素の速度、特に加熱要素、ひいては露出開口の速度及び／又は放射源の速度を製造プロセス中に変えることができ、とりわけ互いに協調させることができる。

熱エネルギーを供給するための追加的熱源を、特に加熱要素の上方に配置された放射源の形式で設けることもできる。この場合には機能的開口の少なくとも一方は熱エネルギーを追加的に入力するための加熱開口として形成されている。ここで加熱開口は既に他の機能を実行する機能的開口であってよく、例えば既に露出開口として用いられている放射通路は同時に加熱開口として働くことができる。

被覆開口は、常に材料貫通孔という意味での実際の開口である。これに対し露出開口のためには加熱要素は必ずしも貫通している必要はない。露出開口は、加熱要素の基体内の、放射の透過に適した適当な材料の領域として形成されることもできる。

本発明の好適な実施形態においては、露出開口を通して放射エネルギーが入力されるが、この開口が完全に照明されることはない。その代わりにこの開口の下方に配置された造形材料の目標領域が当該開口の境界内で照射される。その際に放射は１以上の放射源から出ることができる。例えば造形材料を局所的に加熱するために、機能的開口によって提供された窓の内部の１以上のレーザビームが、機能的開口の内部における直線的な往復運動を行うことができ、或いは１以上のレーザビームが窓の内部で、それぞれ形成しようとする構造に応じて非直線的な軌道曲線上を規定通りに誘導される。放射の誘導は適当な制御を用いて行なわれる。事前に加工温度を下回る温度に予熱された造形材料が、局所的に更に加熱される。この追加的エネルギー入力を用いて、加工温度が達成される。

本発明の格別有利な実施形態においては、エネルギー入力のために少なくとも２個の放射源が使用され、それらの放射が同時に共通の露出開口を通って、その下方にある造形層のうち、当該露出開口によって露出された領域に当る。同時に複数の放射源を使用することにより、放射エネルギーの入力は格別効率的に行うことができる。これにより以下に記すように、エネルギー供給の一層の最適化が同時に可能になる。

本発明の格別有利な実施形態においては、各々の放射源には造形層の照射しようとする領域（以下「目標領域」と呼ぶ）が関連づけられている。この場合、隣接する目標領域は少なくとも部分的に重なり合い、オーバーラップ領域が生じる。

換言すれば、少なくとも２個の同時に駆動される放射源は、少なくとも１個の共通領域、即ち少なくとも２個の放射源によって照射される造形層のオーバーラップ領域に（も）放射エネルギーを入力するように制御され、特にｘ方向及び／又はｙ方向に動かされる。この場合、少なくとも２個の放射源はオーバーラップ領域を同時又は順次照射する。

この場合、少なくとも２個の放射源の制御は、放射領域の重なり方によって造形材料の総加工時間が最小となるように、より正確に言えば、造形材料を硬化させるのに必要とされるエネルギーの入力に要する持続時間が最小であるように行なわれることが好ましい。それによって三次元物体の製造の総時間が短縮される。それと同時に制御は個々の放射源の運転時間が最小限となるように行なわれることが好ましい。

加工時間を最小限にするために、本発明の好適な実施形態においては、露出しようとする面である目標領域を、最初に個々の部分領域（以下「面セグメント」と呼ぶ）に区分するか、又はそのような面セグメントをそれぞれの目標領域から選び出し、そのようにして露出する必要のないセグメント領域と区別する。例えば露出開口の形状と大きさによって指定される、複数の放射源から同時に照射可能な領域はｘとｙ方向でセグメント化される。

続いて、それぞれの面セグメントにおける個々の放射源の滞留時間を計算する。続いて適当な、好ましくは最も速い露出方式を求める。この場合、放射通路によって提供された窓内での個々の放射源の経路を求める。エネルギー入力は、例えばレーザビームが線形に、例えば密に隣り合う直線によるハッチングを形成しながら当該面領域を行毎にスキャン若しくは走査することによって行われ、造形層の所定の領域を硬化させる。この露出パターンは層毎に変化してよい。

製造プロセスの時間的最適化の観点で特定のセグメント化に対する露出方式を求めるだけでなく、セグメント化自体も後の露出が格別効率的に行えるように実施することが好ましい。例えば放射源の運動軸の位置を考慮してセグメント化を行う。

三次元物体を製造するための本発明による装置は、セグメント化し、滞留時間を計算し、そして露出方式を求めるための適当な手段を含んでおり、或いはそのような手段と接続されているか、若しくは求められた露出方式を実現するための相応の情報、特に若干数の放射源を制御するための制御データを外部のデータ源から受け取る。

本発明を用いて三次元物体の製造の基礎をなすデータモデルを最適化することにより、露出方式を考慮して格別効率的な製造、特に格別迅速な製造が行なわれるように、造形台上における物体の配置若しくは物体の相互の位置を選択することが可能である。従って本発明の格別有利な実施形態においては、造形層毎にそれぞれ個別的な露出方式を最適に選択すること、特に放射入力を時間的に最適化することだけでなく、その前に本発明による方法を考慮して、製造しようとする物体の造形台上における配置の最適化が行なわれる。

本発明の有利な実施形態においては、機能的開口の形状、配置及び／又は大きさは可変である。例えば露出開口の大きさを可変に構成することが有利であり、特にこの機能的開口をオリフィスとして、即ち入力される放射の断面積を制限するために用いる場合はそうである。同様に被覆開口の大きさを可変に構成することが有利であり、特にこの開口が直接塗布場所若しくは単位時間当りに塗布される造形材料の体積を規定する場合はそうである。機能的開口の変更は、特に運転時間中も、従って製造プロセスの進行中にも行うことができる。このために場合によっては適当な追加的駆動・制御装置が設けられる。

本発明により造形材料への熱入力が改善されるだけではない。その上に機能的開口の配置と大きさ、加熱要素と造形台との間の相対運動、及び造形材料を局所的に硬化させるための放射の供給及び／又は誘導を適当に調和させることにより、製造プロセスを格別効率的に実施できる。

この目的のために、層造形プロセスを用いて製造しようとする物体を記述するためのデータモデルを使用した製造プロセスのための集中制御が用いられる。その際に制御は種々の製造段階において同時に複数の箇所で進行する、即ち進行状態が非常に異なる製造プロセスの全ての関連する動作を包含する。換言すれば、制御は常に製造プロセスの実際の進行状況に対応して行われ、このために適当なセンサ、特に温度センサのセンサデータが使用される。制御は特に加熱要素の加熱の制御、ここでは場合により個々の温度範囲の所定の制御を含む。制御は、加熱要素、造形台及び／又は放射源の間の相対運動のための駆動装置の制御も、即ち造形材料を局所的に加熱するために誘導される放射源の制御、造形材料を供給及び／又は塗布するための供給装置及び／又は塗布装置の制御、並びに場合によっては造形材料を温度調節するための追加的放射源の制御、更に場合によっては配置及び／又は大きさを変えられる機能的開口の制御も含む。

著しく簡略化して断面図で示したプロセスチャンバを有する本発明による装置の模式図である。 造形台上に配置された加熱要素を平面図で示した模式図である。 造形しようとする物体の層の種々の製造段階における簡略化した断面図である。 ２個の放射源を有する本発明の実施形態を示す図である。

装置１は、造形材料４を選択的に硬化させる目的で局所的に加熱するための放射エネルギーを供給する少なくとも１個の放射源７を含む。少なくとも１個の放射源７は、例えばレーザビーム８を誘導放出するレーザである。

加熱要素６は、同時に使用できる少なくとも２個の、図１に示す例では３個の互いに離れている機能的開口１８、１９、２０を有する。機能的開口１８、１９、２０はスリット状若しくは帯状の長方形をしており、互いに平行に、且つ主運動方向、ここではｘ方向に対して垂直に位置している。一方の機能的開口は材料通路１８として、他方の機能的開口は放射通路１９として構成されている。物体３を形成する間、造形材料４も、ここではレーザビーム８の形式の放射エネルギーも、同時に機能的開口１８、１９を通過する。

言い換えれば、一方の機能的開口は造形材料４を造形台２又は既にある造形層に塗布するための被覆開口１８として形成されており、他方の機能的開口は造形材料４を硬化させるために少なくとも１個の放射源７の放射エネルギーを塗布された造形材料４に同時に入力するための露出開口１９として形成されている。

レーザビーム８が露出開口１９を通って規定された軌道上を誘導されることにより、造形材料４を局所的に加熱するための放射エネルギーの入力が行なわれる。レーザビーム８の誘導は適当な駆動・制御装置２１を用いて行なわれる。換言すれば、ｘ方向及び／又はｙ方向において造形台２と加熱要素６との間の相対運動を発生するために第１の駆動装置１５が使用されるだけでなく、この第１の相対運動とは独立にｘ方向及び／又はｙ方向において放射源７と加熱要素６との間の第２の相対運動を発生するために第２の駆動装置２１も使用される。図示の例では第２の駆動装置２１は放射源７を動かすために用いられる。この放射源７のｘ方向及び／又はｙ方向における運動は、図１に矢印３５で示されている。

固定した加熱要素６とそれに対して可動な造形台及び可動な放射源７に代えて、代替的な実施形態（図示せず）では造形台がｘｙ平面上で固定されてよく、その場合は加熱要素６と放射源７は互いに可動に構成されている。代替として、所望された両方の相対運動を提供するために、固定した放射源７と動く加熱要素６及び動く造形台２とを組み合わせることもできる。

装置１は、図１に示す例では、加熱要素６の上方に配置された熱エネルギーを供給するための追加的熱源、即ち放射源２５も含む。この追加的放射源２５は、例えば赤外線２６を放出する赤外放射器である。この放射源２５に対しても同様に適当な制御装置２７が設けられている。この追加的放射源２５には加熱開口として用いられる固有の機能的開口２０が割り当てられている。

図４に図示されている実施例では、放射８は同時に駆動される２個の放射源７、１４から共通の露出開口１９を通りこの露出開口１９によって露出状態とされた造形層３に当る。見やすさの理由から加熱要素６は透明に示されており、更に唯一の機能的開口、即ち露出開口１９が描かれている。各々の放射源７、１４には目標領域２９、３０が割り当てられており、この割り当ては破断補助線で象徴的に示されている。両目標領域２９、３０は重なり合ってオーバーラップ領域３１を形成する。少なくとも２個の放射源（この場合もレーザであってもよい）７、１４の制御は、相応に構成された駆動・制御装置２１によって、造形材料の総加工時間が最小となるように行われる。最適な露出構造を実現するために、各放射源７、１４は図４では放射源１４について示されているように、ｘ方向及び／又はｙ方向に所定の軌道３２で動く。

総括すれば、本発明は層状に塗布された造形材料４を選択的に硬化させることによって三次元物体３を製造するための装置１に関し、当該装置は少なくとも１個の三次元物体３を層状に形成するための、ｘｙ平面上に配置された造形台２と、造形台２を少なくとも部分的に覆い熱エネルギー１１を造形材料４に入力するための加熱要素６と、局所的に加熱することにより造形材料を選択的に硬化させるための少なくとも１個の放射源とを有しており、加熱要素６は同時に使用できる少なくとも２個の機能的開口１８、１９を備え、少なくとも２個の機能的開口の一方は材料通路１８として、及び少なくとも２個の機能的開口の他方は放射通路１９として構成されている。本発明によれば、この装置１は、次の３個の構成要素、即ち造形台２、加熱要素６、少なくとも１個の放射源７、１４の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向において互いに独立に相対運動を発生するための若干数の駆動装置１５、２１を含む。

装置１は、ｘ方向及び／又はｙ方向において造形台２と加熱要素６との間の相対運動を発生するための第１の駆動装置１５と、ｘ方向及び／又はｙ方向において少なくとも１個の放射源７、１４と加熱要素６との間の相対運動を発生するための第２の駆動装置２１とを有するのが有利である。装置１は、少なくとも２個の同時に駆動可能な放射源７、１４と、これらの放射源７、１４をそれらの放射領域２９、３０が重なるように制御するための制御装置２１を有するのが有利である。

機能的開口１８、１９、２０の形状、配置及び／又は大きさが可変であることが有利である。製造プロセス中に加熱要素６の速度及び／又は少なくとも１個の放射源７、１４の速度を変更できることが有利である。

本発明は更に、層状に塗布された造形材料４を選択的に硬化させることによって三次元物体３を製造するための方法に関し、ｘｙ平面上に配置された造形台２上で少なくとも１個の三次元物体３を層状に形成し、造形台２を少なくとも部分的に覆う加熱要素６が熱エネルギー１１を造形材料４に入力し、その際に少なくとも１個の放射源７、１４が造形材料４を選択的に硬化させるために局所的に加熱し、加熱要素６は少なくとも２個の機能的開口１８、１９、２０を使用して造形材料４と放射エネルギー８を同時に通過させる。この方法は、若干数の駆動装置１５、２１が次の３個の構成要素、即ち造形台２、加熱要素６、少なくとも１個の放射源７、１４の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向において互いに独立の相対運動を発生することを含む。

１ レーザ焼結装置
２ 造形台
３ 物体、造形層
４ 造形材料
５ 駆動装置（Ｚ）
６ 加熱要素
７ 放射源、レーザ
８ レーザビーム
９ 供給装置／塗布装置
１０ 材料塗布制御装置
１１ 熱放射
１２ プロセスチャンバ
１３ カバー
１４ 放射源、レーザ
１５ 駆動装置（ｘ／ｙ）
１６ 駆動制御装置（ｚ）
１７ 駆動制御装置（ｘ／ｙ）
１８ 機能的開口、材料通路、被覆開口
１９ 機能的開口、放射通路、露出開口
２０ 機能的開口、加熱開口
２１ レーザの駆動・制御装置
２２（なし）
２３ 加熱モジュール
２４ 加熱制御装置
２５ 放射源、赤外線放射器
２６ 赤外線
２７ 加熱制御装置
２８ 集中制御装置
２９ 第１の目標領域
３０ 第２の目標領域
３１ オーバーラップ領域
３２ 運動軌道
３３ ｚ方向における加熱要素の運動
３４ ｘ方向及び／又はｙ方向における加熱要素の運動
３５ ｘ方向及び／又はｙ方向における放射源の運動

Claims (8)

1. 層状に塗布された造形材料（４）を選択的に硬化させることによって三次元物体（３）を製造するための装置（１）であって、
   少なくとも１個の三次元物体（３）を層状に形成するための、ｘｙ平面上に配置された造形台（２）と、
   造形台（２）を少なくとも部分的に覆い熱エネルギー（１１）を造形材料（４）に入力するための加熱要素（６）と、
   局所的に加熱することにより造形材料（４）を選択的に硬化させるための少なくとも１個の放射源（７、１４）と、
   次の３個の構成要素、即ち造形台（２）、加熱要素（６）、少なくとも１個の放射源（７、１４）の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を発生するための第１の駆動装置（１５）とを有し、
   加熱要素（６）は同時に使用できる少なくとも２個の機能的開口（１８、１９）を備え、
   少なくとも２個の機能的開口の一方は材料通路（１８）として構成され、少なくとも２個の機能的開口の他方は放射通路（１９）として構成され、
   放射（８）が、機能的開口（１９）の境界内で機能的開口（１９）を通過する、装置。
2. ｘ方向及び／又はｙ方向において、次の３個の構成要素、即ち造形台（２）、加熱要素（６）、少なくとも１個の放射源（７、１４）の少なくとも２個との間の相対運動を発生するための第２の駆動装置（２１）を更に有する、請求項１に記載の装置。
3. ｘ方向及び／又はｙ方向において造形台（２）と加熱要素（６）との間の相対運動を発生するための第１の駆動装置（１５）と、
   ｘ方向及び／又はｙ方向において少なくとも１個の放射源（７、１４）と加熱要素（６）との間の相対運動を発生するための第２の駆動装置（２１）と、を有する、請求項１に記載の装置。
4. 少なくとも２個の同時に駆動可能な放射源（７、１４）と、前記放射源（７、１４）をそれらの放射領域（２９、３０）が重なるように制御するための制御装置（２１）とを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 機能的開口（１８、１９、２０）の形状、配置及び／又は大きさが可変である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 製造プロセス中に加熱要素（６）の速度及び／又は少なくとも１個の放射源（７、１４）の速度が可変である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 層状に塗布された造形材料（４）を選択的に硬化させることによって三次元物体（３）を製造するための方法であって、
   ｘｙ平面上に配置された造形台（２）上で少なくとも１個の三次元物体（３）を層状に形成し、
   造形台（２）を少なくとも部分的に覆う加熱要素（６）により熱エネルギー（１１）を造形材料（４）に入力し、
   少なくとも１個の放射源（７、１４）により造形材料（４）を選択的に硬化させるために局所的に加熱し、
   加熱要素（６）は少なくとも２個の機能的開口（１８、１９、２０）を使用して造形材料（４）と放射（８）を同時に通過させ、ここで、放射（８）は、機能的開口（１９）の境界内で機能的開口（１９）を通過する様になっており、
   第１の駆動装置（１５）により次の３個の構成要素、即ち造形台（２）、加熱要素（６）、少なくとも１個の放射源（７、１４）の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を発生する方法。
8. 第２の駆動装置（２１）により次の３個の構成要素、即ち造形台（２）、加熱要素（６）、少なくとも１個の放射源（７、１４）の少なくとも２個の間でｘ方向及び／又はｙ方向における相対運動を更に発生する請求項７に記載の方法。