JP2017505727A - 三次元物体を製作するための積層造形装置、および関連する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の主要な目的は、三次元物体（２）を製造するための積層造形装置（１）を提供することである。当該積層造形装置（１）は、前記三次元物体を製造する材料を含む材料選択ユニット（３）と、前記材料選択ユニット（３）が供給可能な材料を溶かす誘導加熱ユニット（４）と、前記誘導加熱ユニット（４）を通過した材料を支持体（６）へ射出して複数の材料層からなる前記三次元物体（２）の製造を可能にする材料堆積ユニット（５）と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の材料層を選択的に堆積させることより三次元物体を造形するための装置と方法に関する。よって、特に三次元印刷（積層造形や高速試作とも称される）に関連するが、これに限られるものではない。

本発明は、産業用と特定用途の双方を含む様々な分野に応用できる。当該分野の具体例としては、自動車、航空機、医療（歯科産業など）、軍事産業、消費財、宝飾品、フィルム産業、建築やデザイン研究用のプロジェクト可視化、３Ｄプリンタの個人的使用、３Ｄプリンタのオンラインサービスなどが挙げられる。

よって、本発明は、三次元物体を製作するための積層造形装置、当該装置によって実施される三次元物体の製作方法、および当該装置や方法によって得られた三次元物体を提供する。

三次元印刷（３Ｄプリンティングとしても知られる）は、高速試作のために発展した積層造形技術である。この技術は、ＣＡＤ（Computer Aided Design）データファイルから現実の物体を製作するための新たな手法として、８０年代中頃に登場した。この場合、オペレータは、ＣＡＤツールを用いて物体をサーフェスモードまたはボリュームモードでコンピュータ画面上に描画する。そして、得られた３Ｄデータファイルが特定のプリンタへ送られる。当該プリンタは、断層毎に材料を堆積・固化させて最終物体を得る。このようにして、三次元印刷は、材料を積層することによって、機械加工を伴わずに現実の物体（試作品など）を提供する。積み重ねられた層は、物体の形状をなす。

その登場時から、三次元印刷は異なる技術の共存をもたらしている。そのような技術の例として、ステレオリソグラフィ（ステレオリソグラフィ装置をＳＬＡと表記する）、溶融フィラメント押し出し成形（熱溶融積層法をＦＤＭと表記する）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳと表記する）、電子ビーム溶解（ＥＢＭと表記する）、三次元印刷（３ＤＰと表記する）あるいはポリジェットによる三次元印刷が、特に挙げられる。

近年、これらの技術の大衆化現象が見られる。この現象は、ＳＬＡ型やＦＤＭ型の技術が簡素化および小型化したことを主因としている。しかしながら、これらの手法は試作品を製作するために開発されたのであって、消費向けの後処理を必要としない最終製品を製作するためのものではなかったため、問題があった。

加えて、これらＦＤＭ型とＳＬＡ型の二つの手法は、使用される材料の融通性が限られる。ＦＤＡ型の手法は、基本的にＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）型のポリマあるいはＰＬＡ（ポリ乳酸）を使用する。ＳＬＡ型の手法は、主に樹脂水溶液を使用する。これらの手法を用いる装置の中には、使用可能な材料に合わせて多くのプリントヘッドを設けることによって材料の融通性に係る問題に対処しようとするものも存在するが、複雑性が増す。また、そのような装置は、わずかな材料のバリエーションを与えることしかできず、異成分の材料に対応できない。しかしながら、消費者向けの積層造形装置を得るためには、複数種の材料（例えば、ポリアミド、セラミック、金属など）を使用可能であることを要するが、異なる使用材料が付着する問題や、構造の一体化に係る問題が生ずる。

さらに、これらＦＤＭ型とＳＬＡ型の二つの手法は、信頼性の観点からも制限を受ける。実際、温度の測定、制御、あるいは拡散について、両手法は、正確性のために多数の高価な部品を必要とする。特にＦＤＭ型の手法における熱抵抗は、寿命の変化や個人には負担の高い保守作業を伴う。レーザや放射光源の使用を伴うＳＬＡ型の手法についても同じである。より一般的には、適切な三次元モデルを正確に製作するために重要であるプリントヘッドの位置制御は、両手法において非常に多くの数のセンサを必要とし、複雑性とコストが上昇する。しかしながら、特に個人にとって汎用性と信頼性の高いシステムの実現を助けるために、これらの要素は制御される必要がある。

加えて、粉末状の材料を固化するために化学バインダを使用する三次元印刷を除く全ての既存の技術は、かなりのエネルギー消費を伴う。熱抵抗やレーザなどは、材料の観点からは多様な消費者向けに最適化されていない。

そして、全ての既存技術は、製品を「クリーン」にし、かつ強度を与えて仕上げるために、研磨、被覆、着色などの後処理を必要とする。

当該技術の使用や利用の普及において重要な事項の一つであるとは言え、これらの制限や制約は、ユーザにとって有益でない経験をもたらす。

よって、特に同一プロセス内において異種材料を処理可能であり、同一プロセス内で被覆を行なうことにより（着色の有無は問わない）最終製品を仕上げ可能であり、大量生産に係るエネルギーや化学的な制約を意識した、積層造形の新たな原理を提供するというニーズが存在する。

本発明は、先行技術に係る上記のニーズや短所を少なくとも部分的に克服することを目的とする。

一態様における本発明の目的は、三次元物体を製造するための積層造形装置であって、
前記三次元物体を製造する材料を含む材料選択ユニットと、
前記材料選択ユニットが供給可能な材料を溶かす誘導加熱ユニットと、
前記誘導加熱ユニットを通過した材料を支持体へ射出して複数の材料層からなる前記三次元物体の製造を可能にする材料堆積ユニットと、
を備えているものを提供することである。

本発明によれば、上述した先行技術に係る短所と問題の少なくとも一部を解決しうる。具体的には、三次元物体の作製が可能であり、より具体的には、着色の有無を問わず複数の材料を含みうる完成体を個別に得ることができる。当該完成体は、後処理を必要とすることなく少なくとも一層のコーティングを伴いうる。加えて、誘導加熱を用いるものの、材料の処理に他のエネルギー源を用いる積層造形技術と比較して顕著な省エネルギーが達成されうる。誘導は、処理される領域を絞り込むためにも使用されうる。エネルギーは、低拡散で特定の領域に対する熱に変換されるからである。加えて、組成に応じて特定の処理を受ける異なる材料に同じ誘導加熱法が使用されうる。

本発明の装置は、以下に列挙する特徴の少なくとも一つを、個別に、あるいは考えうる技術的な組合せで備えうる。

前記材料選択ユニットは、
材料をカプセルに収容する第一部分と、
材料を少なくとも前記誘導加熱ユニットへ供給する第二部分と、
を備えうる。

前記カプセルは、交換可能でありうる。前記材料は、様々な形態（液状、固体状、粉末状など）でカプセルに収容されうる。

材料を収容する前記第一部分は、
前記三次元物体を製造する材料用の第一材料カプセルと、
前記支持体の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二材料カプセルと、
前記三次元物体と前記支持体の少なくとも一方を着色する材料用の第三材料カプセルと、の少なくとも一つを備えうる。

材料を供給する前記第二部分は、
前記三次元物体を製造する材料用の第一材料供給部と、
前記支持体の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二材料供給部と、
前記三次元物体と前記支持体の少なくとも一方を着色する材料用の第三材料供給部と、の少なくとも一つを備えうる。

前記材料選択ユニットは、材料を収容および供給するために有用な複数のエレメント（圧電バルブ、湿度センサ、材料特定エレメント、材齢表示エレメント）を含みうる。

前記誘導加熱ユニットは、
前記三次元物体を製造する材料用の第一誘導加熱部と、
前記支持体の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二誘導加熱部と、
を備えうる。

前記誘導加熱ユニットの前記第一誘導加熱部と前記第二誘導加熱部の少なくとも一方は、少なくとも一つの誘導加熱モジュールを備えうる。
前記誘導加熱モジュールは、
熱的絶縁と電気的絶縁の少なくとも一方を行なう筒状エレメントと、
前記筒状エレメントの内側に配置されており、回転可能かつ螺旋状のロッドと、
少なくとも一部が前記筒状エレメントの外壁に沿って延びている誘導コイルと、
を備えうる。
前記筒状エレメント内に進入可能な材料は、前記ロッドに接触して誘導加熱によって溶融されうる。

前記筒状エレメントは、その粘性を低減するために表面処理が施された内壁を有しうる。表面処理の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コーティングなどが挙げられる。

前記ロッドは、回転可能であることが好ましい。しかしながら、前記ロッドは固定されていてもよい。

回転可能な螺旋状のロッドの場合、当該螺旋状ロッドの刃とステップの形状は可変でありうる。

前記ロッドは、誘導により生じた磁場と強く反応する材料を含みうる。

前記誘導加熱ユニットは、前記ロッドに接続された速度可変モータをさらに備えうる。特に前記ロッドが回転可能である場合、ベルトなどの駆動系によりその回転が可能とされる。前記誘導加熱ユニットは、少なくとも一つの誘導発生器も備えうる。前記誘導加熱ユニットは、溶融された形成材料の射出や堆積処理に備えるための収容室も備えうる。

前記誘導加熱ユニットは、複数の誘導加熱モジュールを備えうる。それらの少なくとも二つは、異なる組成の材料を誘導加熱可能でありうる。

前記材料堆積ユニットは、
前記三次元物体を製造する材料用の第一材料堆積部と、
前記支持体の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二材料堆積部と、
を備えうる。

前記材料堆積ユニットにおける前記第一材料堆積部と前記第二材料堆積部の少なくとも一方は、音波を発生する少なくとも一つの堆積モジュールを備えうる。あるいは、前記材料堆積ユニットは、他の方式に基づく材料射出手段による堆積モジュールを備えうる。材料射出手段の例としては、空気圧式アクチュエータ、圧電セルの動作による圧力生成、熱励起などが挙げられる。

少なくとも一つの音波発生堆積モジュールの存在により、ドロップオンデマンド方式の材料射出モード（すなわち液滴の形態）から連続的な材料流の射出への切り替え、あるいはその逆の切り替えが可能である。加えて、音波の周波数と振幅を制御することにより、支持体に堆積される材料の堆積を調節できる。また、前記三次元物体と前記支持体の少なくとも一方を形成するために使用される様々な材料との接触なしに作用させることが可能である。そして、前記誘導加熱ユニットと前記材料堆積ユニットを備えるプリントヘッドの前記支持体に対する位置を現場で決定できる。

前記材料堆積ユニットは、複数の音波発生堆積モジュールを備えていることが好ましい。これらの音波発生堆積モジュールは、モジュール式組立品でありうる。

少なくとも一つの前記音波発生堆積モジュールは、誘導加熱ユニットにおける溶融形成材料の収容室内に配置されうる。

少なくとも一つの前記音波発生堆積モジュールは、圧電トランスデューサを備えうる。当該圧電トランスデューサは、処理される液状の溶融形成材料の粘度に応じて多焦点フレネルゾーンに関連付けられうる。

圧電トランスデューサは、可変音波送信器および可変音波受信器の双方として機能しうる。

前記材料堆積ユニットは、少なくとも一つの射出孔を音波発生堆積モジュールと同じ数だけ備えうる。溶融された形成材料は、当該音波発生堆積モジュールの影響によって当該射出孔から押し出されうる。

前記少なくとも一つの射出孔の大きさは、液状の溶融形成材料の流量未満とされうる。

前記音波発生堆積モジュールは、連続的な材料あるいは液滴形態の材料を堆積可能でありうる。

少なくとも一つの溶融形成材料の射出孔と対応付けられた少なくとも一つの前記音波発生堆積モジュールは、以下のように機能しうる。音波発生堆積モジュールに受信された信号は、溶融形成材料に加わる圧力を生じる音波を発生し、当該溶融形成材料に当該音波発生堆積モジュールに対応付けられた射出孔を通過させる。

音波発生堆積モジュールに受信される信号は、本発明に係る積層造形装置のコンピュータ制御システム（あるいは制御エレクトロニクス）により送信されうる。このコンピュータ制御システムによって音波発生堆積モジュールに送信される信号を制御することにより、少なくとも一つの射出孔の選択が可能とされ、射出される溶融形成材料の流量および体積が制御される。

上記の装置は、材料の流量と温度の少なくとも一方を制御するエレメントも（具体的には交流電流源の形態で）備えうる。

上記の装置は、ＣＡＤツールおよび装置動作制御部と通信するためのコンピュータ制御システムも備えうる。

本発明の別態様は、上述の装置によって実施される三次元物体を積層造形により製造するための方法に関連する。当該方法は、
少なくとも一つの材料供給部によって、前記材料選択ユニットから前記誘導加熱ユニットへ材料を選択的に供給し、
前記誘導加熱ユニットによって、前記材料が溶融するまで選択的に加熱し、
前記材料のフローの誘導加熱と制御を行なうために少なくとも一つのロッドを使用し、
前記材料堆積ユニットによって、溶融された前記材料を連続的にあるいは液滴状態で前記支持体上に堆積させ、
堆積した前記材料を冷却し、
前記支持体を前記材料堆積ユニットに対して動かすことにより、前記材料の積層を可能にし、
前記誘導加熱ユニットにより異なる温度まで加熱される複数の材料のカプセルを使用して前記三次元物体を形成し、
前記材料堆積ユニットにより、コーティング、接着、および着色の少なくとも一つを施すように前記支持体を処理する。

また、本発明の別態様は、上記の装置または上記の方法により取得された積層造形三次元物体に関連する。

すなわち、本発明の別態様により提供される積層造形三次元物体は、
前記三次元物体を製造する材料を含む材料選択ユニットと、
前記材料選択ユニットが供給可能な材料を溶かす誘導加熱ユニットと、
前記誘導加熱ユニットを通過した材料を支持体へ射出して、連続する材料層による前記三次元物体の製造を可能にする少なくとも一つの音波発生堆積モジュールを備えている材料堆積ユニットと、
を備えている。

本発明に係る積層造形装置、積層造形方法、および三次元物体についての上記の各特徴は、個別に抽出可能であり、技術的に可能であれば他の特徴と組み合わせられうる。

本発明は、実施形態の非限定的な例に係る以降の詳細な説明を読み、添付の図面における模式図や部分図を参照することによってより明確に理解されうる。

本発明に係る積層造形装置を備える設備の例を示すブロック図である。 図１の積層造形装置における材料選択ユニットをより詳細に示す図である。 図１の積層造形装置における材料選択ユニットと、加熱ユニットおよび体積ユニットを含むプリントヘッドとをより詳細に示す図である。 図１と同様の本発明に係る積層造形装置における加熱ユニットの例を示す断面図である。 図４の加熱ユニットと本発明に係る積層造形装置における堆積ユニットの平面図である。 図４の加熱ユニットにおける誘導加熱モジュールの例を示す断面斜視図である。

各図を通じて、同じ参照番号は同一または同等の要素を示しうる。

また、図中に示される複数の部品は、必ずしも同一の縮尺に基づいているわけではなく、図の見やすさを優先している。

図１は、本発明に係る積層造形装置１を備える設備の例を示すブロック図である。

当該設備は、例えば箱状の外観Ｂを呈している。当該設備は、本発明に係る積層造形装置１、その上で三次元物体２が製造される支持体６、およびコンピュータ制御システム１８を備えている。コンピュータ制御システム１８は、ＣＡＤツール１９と通信し、装置１の動作を制御するためのものである。

ＣＡＤツール１９は、三次元モデルの断層面をコンピュータによって設計するために使用されうる。当該三次元モデルは、様々な材料を考慮に入れることが可能であり、本発明に係る装置および方法を通じて製造に供されうる。

本発明によれば、装置１は、材料選択ユニット３、誘導加熱ユニット４、および材料堆積ユニット５を備えている。材料選択ユニット３は、三次元物体２を製造するための材料を含んでおり、誘導加熱ユニット４へ当該材料を送り込む。誘導加熱ユニット４は、当該材料を溶融する。材料堆積ユニット５は、誘導加熱ユニット４を通過した材料を支持体６へ射出する。射出された当該材料が複数層にわたって堆積することにより、三次元物体２の形成が可能とされる。

具体的には、材料選択ユニット３は、材料を収容する第一部分３ａと、材料を誘導加熱ユニット４へ供給する第二部分３ｂを備えている。よって、材料選択ユニット３は、三次元物体２を形成するために必要な材料の選択や変更を可能とし、当該材料を誘導加熱ユニット４へ送る。

誘導加熱ユニット４と材料堆積ユニット５は、本発明に係る装置１のプリントヘッドＰ内に収容されている。プリントヘッドＰは、水平軸Ｘに沿って矢印Ｆ１方向へ水平に移動可能であり、誘導加熱ユニット４から供給される溶融形成材料を、所望の場所で支持体６へ向けて射出する。

また、製造される三次元物体２が配置される支持体６は、材料を積層する間にプリントヘッドＰとの距離を調節するために、垂直軸Ｚに沿って矢印Ｆ２で示される上下にも移動可能である。

コンピュータ制御システム１８は、本発明に係る装置１の様々な要素およびユニットと接続されることにより、制御およびこれら要素間の通信を可能にしており、特に三次元物体２の製造、および支持体６の仕上げを可能にしている。

よって、コンピュータ制御システム１８は、コンピュータ２０と通信装置２３などを備えうる。コンピュータ２０は、処理ソフトウェア２１および内部メモリ２２と関連付けられている。通信装置２３は、外部のＣＡＤシステム１９と接続されており、形成される三次元物体２に関連付けられたコンピュータファイルの転送を可能にしている。また、エネルギー源２４がこのコンピュータ制御システム１８に内蔵されうる。

図１の積層造形装置における材料選択ユニット３は、図２においてより詳細に示されている。

上述のように、材料選択ユニット３は、材料を収容するための第一部分３ａと材料を供給するための第二部分３ｂを備えている。材料を収容するための第一部分３ａは、材料カプセル３ａ_１、３ａ_２、３ａ_３を含んでいる。材料を供給するための第二部分３ｂは、材料供給部３ｂ_１、３ｂ_２、３ｂ_３を含んでいる。より詳しくは、材料を収容するための第一部分３ａは、三次元物体２を形成するための第一材料カプセル３ａ_１と、支持体６の製造と仕上げ処理の少なくとも一方を行なうための第二材料カプセル３ａ_２と、支持体６と三次元物体２の少なくとも一方を着色するための第三材料カプセル３ａ_３とを備えている。

三次元物体２の製造および行なわれうる支持体６の仕上げの必要性に基づき、上記の材料カプセルは、材料を供給するための第二部分３ｂへ送られる。材料を供給するためのこの第二部分３ｂは、三次元物体２を形成するための第一材料供給部３ｂ_１と、支持体６の製造と仕上げ処理の少なくとも一方を行なうための第二材料供給部３ｂ_２と、支持体６と三次元物体２の少なくとも一方を着色するための第三材料供給部３ｂ_３とを備えている。第一材料供給部３ｂ_１、第二材料供給部３ｂ_２、および第三材料供給部３ｂ_３の各々は、材料選択ユニット３から誘導加熱ユニット４への材料カプセルの搬送を可能にする様々な要素を含んでいる。これらの要素には、バルブ７、フロー制御要素８、９、および柔軟な搬送路が含まれる。

図３は、材料選択ユニット３とプリントヘッドＰの別例を詳細に示している。プリントヘッドＰは、図１の積層造形装置１における誘導加熱ユニット４と材料堆積ユニット５を備えている。

図３に示されるように、誘導加熱ユニット４は、三次元物体２を形成する材料のための第一誘導加熱部４ａと、支持体６の製造と仕上げ処理の少なくとも一方を行なう材料のための第二誘導加熱部４ｂを備えている。

より具体的には、材料選択ユニット３の第一材料供給部３ｂ_１が、誘導加熱ユニット４の第一誘導加熱部４ａに接続されており、材料選択ユニット３の第二材料供給部３ｂ_２が、誘導加熱ユニット４の第二誘導加熱部４ｂに接続されている。

第一誘導加熱部４ａと第二誘導加熱部４ｂの各々は、制御要素も備えている。制御要素は、材料を溶融させるとともに、誘導加熱の適切な動作を制御する。制御要素は、温度制御要素１４と材料フロー制御要素１５などを備えている。

また、第一誘導加熱部４ａと第二誘導加熱部４ｂの各々は、図４から図６を参照しつつ後述する少なくとも一つの誘導加熱モジュール１０を備えている。

さらに、図３は、材料堆積ユニット５もより詳細に示している。材料堆積ユニット５は、誘導加熱ユニット４を通過した溶融形成材料の支持体６への射出を可能にする。

好ましくは、材料堆積ユニット５は、音波の生成を通じて溶融された形成材料の射出を可能にする。より具体的には、材料堆積ユニット５は、三次元物体２を形成するための第一材料堆積部５ａと、支持体６の製造と仕上げ処理の少なくとも一方を行なうための第二材料堆積部５ｂとを備えている。

第一材料堆積部５ａと第二材料堆積部５ｂの各々は、少なくとも一つの音波生成堆積モジュール１７を備えている。当該音波生成堆積モジュール１７の動作は、後述する。

また、第一材料堆積部５ａと第二材料堆積部５ｂの各々は、溶融された形成材料の支持体６への射出のための適当な動作に求められる複数の要素と、誘導加熱ユニット４について説明した材料フロー制御要素１５のような制御要素などを含みうる。加えて、射出室２４と溶融形成材料の堆積支援要素２５が設けられうる。

さらに、本発明は、必要に応じて仕上げ処理された三次元物体２を得るために支持体６の仕上げ処理を行なうことを提案する。換言すると、後処理を必要とすることなく、第二材料供給部３ｂ_２を通じて支持体６の形成と修正の少なくとも一方が行なわれうる。第二材料供給部３ｂ_２は、第二誘導加熱部４ｂに接続されている。第二誘導加熱部４ｂは、第二材料堆積部５ｂに接続されている。この処理に加え、第三材料供給部３ｂ_３は、着色材料の選択射出装置２６に直接的に接続されうる。選択射出装置２６は、プリントヘッドＰに内蔵されうる。選択射出装置２６は、材料堆積ユニット５の第二材料堆積部５ｂ（より具体的には第二材料堆積部５ｂの射出室２４）と直接的に接続されうる。支持体６の着色を実現するために、様々な手法（選択的な加熱、選択的な照射、あるいは着色溶液の反応剤の使用など）が採られうる。

次に図４から図６を参照しつつ、本発明に係る積層造形装置１における誘導加熱ユニット４と材料堆積ユニット５についてより詳細に説明する。

具体的には、図４は、本発明に係る積層造形装置１における誘導加熱ユニット４の一例の断面を示している。図５は、図４の誘導加熱ユニット４と本発明に係る積層造形装置１における材料堆積ユニット５を示す平面図である。図６は、図４の誘導加熱ユニット４における誘導加熱モジュール１０の一例を一部断面で示す斜視図である。

図４から図６を比較すると判るように、誘導加熱ユニット４は、例えば六つの誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆを備えうる。当然ながら、誘導加熱ユニット４が備える誘導加熱モジュールの数はこのように限定されるものではなく、三次元物体２の製造と支持体６の製造や変更の少なくとも一方に係る要求に応じて定められうる。同様に、本発明に係る積層造形装置１は、溶融形成材料用の複数の材料堆積ユニット５と関連付けられた複数の誘導加熱ユニット４を備えうる。

誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆの各々は、筒状エレメント１１を有している。筒状エレメント１１は、粉末状、液体状、あるいは固体状で導入されて処理に供される材料を熱的と電気的の少なくとも一方について絶縁する。筒状エレメント１１は、処理された内壁を有していることが好ましい。筒状エレメント１１は、粘性を軽減するためにＰＴＦＥで形成されうる。

また、誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆの各々は、回転可能なロッド１２を備えている。具体的には、ロッド１２は、螺旋形状を呈しており、筒状エレメント１１内で回転される。螺旋状ロッド１２は、形状が変化している複数の刃を有しうる。刃は、誘導生成された磁場と強く反応する材料からなる。螺旋状ロッド１２は、筒状エレメント１１に導入され、かつ螺旋状ロッド１２と接触して加熱された材料を、溶融形成材料の収容室３０に向かって駆動する手段として機能する。

さらに、誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆの各々は、少なくとも一つの誘導コイル部１３を備えている。誘導コイル部１３は、筒状エレメント１１の外壁１１ａに沿って延びている。

より具体的には、図５に示されるように、単一の誘導コイル１３は、筒状エレメント１１の外壁１１ａ上を、六つの誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆの全てを囲むように延びうる。また、図４と図６に示されるように、六つの誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆに沿って、複数の誘導コイル１３が相互に重なるように設けられうる。

また、誘導加熱ユニット４は、少なくとも一つの速度可変モータも備えうる。当該速度可変モータは、ベルトなどの駆動システムによって螺旋状ロッド１２に接続されており、螺旋状ロッド１２の回転を可能にしている。誘導加熱ユニット４は、少なくとも一つの誘導発生器（不図示）も備えうる。

複数の誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆを使用することにより複数の螺旋状ロッド１２を備えることが好ましい。これらモジュールの全てが同じ誘導プロセスに関与することにより、誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆ毎に異なる組成の材料を使用することが可能になる。誘導加熱モジュール１０ａ〜１０ｆの各々が誘導により生じた磁場に曝されることによって、筒状エレメント１１内に存在する材料に応じて異なる温度を得ることができる。

図５は、例えば誘導加熱ユニット４の収容室３０に配置される材料堆積ユニット５を示している。同図に示されるように、材料堆積ユニット５は、複数の射出孔１６に対応付けられた複数の音波発生堆積モジュール１７を備えうる。複数の音波発生堆積モジュール１７によって生成された音波によって押された溶融形成材料が、複数の射出孔１６を通じて射出される。

射出孔１６の大きさは、液状の溶融形成材料の流量よりも小さいことが好ましい。音波発生堆積モジュール１７は、具体的には圧電トランスデューサからなりうる。当該圧電トランスデューサは、取り扱われる溶融流体の粘度に応じて多焦点フレネルゾーンと関連付けられることにより、可変音波送信器と受信器の双方として機能しうる。

材料堆積ユニット５による溶融形成材料の支持体６への射出を可能にするための音波発生堆積モジュール１７の動作は、以下の通りである。例えばコンピュータ制御システム１８により発信された信号は、複数の音波発生堆積モジュール１７の一つによって受信される。当該音波発生堆積モジュール１７は、溶融形成材料に圧力を加える音波を生成する。これにより、当該溶融形成材料は、当該音波発生堆積モジュール１７に対応づけられた射出孔１６を通過させられる。

特にコンピュータ制御システム１８を通じたコンピュータ制御により、異なる信号が異なる音波発生堆積モジュール１７へ送られる。これにより、必要に応じて少なくとも一つの射出孔１６の選択が可能とされ、射出される材料の流れと量が制御されうる。

さらに、音波発生堆積モジュール１７における圧電トランスデューサの使用により、図１に示される垂直軸Ｚに沿うプリントヘッドＰの垂直位置の決定と制御がリアルタイムで可能とされうる。

加えて、材料堆積ユニット５からの音波により溶融形成材料の選択的な堆積を行なうことにより、液滴状あるいは連続流の材料の支持体６へのドロップオンデマンド方式の堆積を可能にするとともに、これら二つの射出モード間の切替が簡略化されうる。

上述のように、本発明に係る積層造形装置１は、ＣＡＤツール１９のデータに基づいて所望の三次元物体２を提供できる。

よって、本発明は、作製された三次元物体２の後処理を不要にしうる。これにより、複数の材料により形成される物体の作製が簡略化されるとともに、自動的な仕上げが可能になる。

本発明が上述した実施形態の例に限定されないことは明らかである。様々な改変が当業者によってなされうる。

「〜を備えている」という表現は、特に断りのない限り「〜を少なくとも一つ備えている」という意味である。

Claims (11)

1. 三次元物体（２）を製造するための積層造形装置（１）であって、
   前記三次元物体を製造する材料を含む材料選択ユニット（３）と、
   前記材料選択ユニット（３）が供給可能な材料を溶かす誘導加熱ユニット（４）と、
   前記誘導加熱ユニット（４）を通過した材料を支持体（６）へ射出して、複数の材料層からなる前記三次元物体（２）の製造を可能にし、少なくとも一つの音波発生堆積モジュール（１７）を備えている材料堆積ユニット（５）と、
   を備えている、
   積層造形装置（１）。
2. 前記材料選択ユニット（３）は、
   材料をカプセル（３ａ_１、３ａ_２、３ａ_３）に収容する第一部分（３ａ）と、
   材料を少なくとも前記誘導加熱ユニット（４）へ供給する第二部分（３ｂ）と、
   を備えている、
   請求項１に記載の積層造形装置（１）。
3. 前記第二部分（３ｂ）は、
   前記三次元物体（２）を製造する材料用の第一供給部（３ｂ_１）と、
   前記支持体（６）の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二供給部（３ｂ_２）と、
   前記三次元物体（２）と前記支持体（６）の少なくとも一方を着色する材料用の第三供給部（３ｂ_３）と、
   の少なくとも一つを備えている、
   請求項２に記載の積層造形装置（１）。
4. 前記誘導加熱ユニット（４）は、
   前記三次元物体（２）を製造する材料用の第一誘導加熱部（４ａ）と、
   前記支持体（６）の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二誘導加熱部（４ｂ）と、
   を備えている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の積層造形装置（１）。
5. 前記誘導加熱ユニット（４）の前記第一誘導加熱部（４ａ）と前記第二誘導加熱部（４ｂ）の少なくとも一方は、少なくとも一つの誘導加熱モジュール（１０、１０ａ〜１０ｆ）を備えており、
   前記誘導加熱モジュール（１０、１０ａ〜１０ｆ）は、
   熱的絶縁と電気的絶縁の少なくとも一方を行なう筒状エレメント（１１）と、
   前記筒状エレメント（１１）の内側に配置されており、回転可能かつ螺旋状のロッド（１２）と、
   少なくとも一部が前記筒状エレメント（１１）の外壁（１１ａ）に沿って延びている誘導コイル（１３）と、
   を備えており、
   前記筒状エレメント（１１）内に進入可能な材料は、前記ロッド（１２）に接触して誘導加熱によって溶融される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の積層造形装置（１）。
6. 前記誘導加熱ユニット（４）は、複数の誘導加熱モジュール（１０ａ〜１０ｆ）を備えており、それらの少なくとも二つは、異なる組成の材料を誘導加熱可能である、
   請求項５に記載の積層造形装置（１）。
7. 前記材料堆積ユニット（５）は、
   前記三次元物体（２）を製造する材料用の第一材料堆積部（５ａ）と、
   前記支持体（６）の製造と処理の少なくとも一方を行なう材料用の第二材料堆積部（５ｂ）と、
   を備えている、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の積層造形装置（１）。
8. 前記第一材料堆積部（５ａ）と前記第二材料堆積部（５ｂ）の少なくとも一方は、少なくとも一つの音波発生堆積モジュール（１７）を備えている、
   請求項７に記載の積層造形装置（１）。
9. 前記材料堆積ユニット（５）は、少なくとも一つの射出孔（１６）を音波発生堆積モジュール（１７）と同じ数だけ備えており、溶融された形成材料は、当該音波発生堆積モジュール（１７）の影響によって当該射出孔（１６）から押し出される、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の積層造形装置（１）。
10. 前記音波発生堆積モジュール（１７）は、連続的な材料あるいは液滴形態の材料を堆積可能である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の積層造形装置（１）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の積層造形装置（１）によって実施される三次元物体（２）を積層造形により製造するための方法であって、
    少なくとも一つの材料供給部（３ｂ_１、３ｂ_２、３ｂ_３）によって、前記材料選択ユニット（３）から前記誘導加熱ユニット（４）へ材料を選択的に供給し、
    前記誘導加熱ユニット（４）によって、前記材料が溶融するまで選択的に加熱し、
    前記材料のフローの誘導加熱と制御を行なうために前記ロッド（１２）を使用し、
    前記材料堆積ユニット（５）によって、溶融された前記材料を連続的にあるいは液滴状態で前記支持体（６）上に堆積させ、
    堆積した前記材料を冷却し、
    前記支持体（６）を前記材料堆積ユニット（５）に対して動かすことにより、前記材料の積層を可能にし、
    前記誘導加熱ユニット（４）により異なる温度まで加熱される複数の材料のカプセル（３ａ_１、３ａ_２、３ａ_３）を使用して前記三次元物体（２）を形成し、
    前記材料堆積ユニット（５）により、コーティング、接着、および着色の少なくとも一つを施すように前記支持体（６）を処理する、
    方法。

Images