JP2018516774A - 層を順次硬化することにより三次元オブジェクトオブジェクトクトを製造するための装置、およびそれに付属する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射線を利用して硬化可能な構成材料の、三次元オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を順次硬化することによって、三次元オブジェクトを製造するための装置であって、一つのプロセス・チャンバを内包している一つのハウジング、その内部に格納される一つの構成容器、構成材料の三次元オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を照射するための一つの照射装置、構成容器内の一つの担持装置またはあらかじめ形成された一つの層の表面に構成材料の層を塗り付けるための一つの塗付装置、構成材料を供給するための一つの調量装置が備えられ、その際、塗付装置には一つの層形成要素が含まれ、この層形成要素が、調量装置により供給される構成材料を、一つの直線塗布運動に沿って一つの塗布領域内の薄い層として分配するようになっている装置において、一つの層を得るための一回の層形成過程の終了時に層形成要素（１１）を層形成初期位置に戻す際に、この層形成要素が回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）を実施し、この回避・戻り運動の際に層形成要素（１１）は、照射装置（１７）と一つの塗り付けられる層との間のスキャナ・ビーム空間領域（３０）を横切らないことを特徴とする装置に関する。

Description

本発明は、放射（または放射線、独語：Ｓｔｒａｈｌｕｎｇ）を利用して硬化可能な構成材料の、三次元オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を順次硬化することによって三次元オブジェクトを製造するための装置であって、請求項１の前段部分に記載のそれ以外の特徴を有する装置、およびそれに付属する方法に関する。

上記で特徴を述べた種類の装置は、まず一つのハウジングを有し、その内部には一つのプロセス・チャンバが格納されている。一つのプロセス・チャンバ・底部のレベルの下側には一つの構成容器が格納され、製造工程においてはこの構成容器の上に構成材料と部分オブジェクトまたはオブジェクトが置かれるようになっている。それ以外にも一つの塗付装置が備えられ、これを使用して構成材料の層が、構成容器の担持装置または前工程で形成された層の上に塗布されるようになっている。塗付装置の層形成要素に構成材料を供給するために、一つの調量装置が利用される。この層形成要素は、構成容器により定義される構成エリアの表面に沿って特に直線状に動いて、構成材料を極薄の層として分配し、続いてこの層が焦点合わせされたレーザビームを用いた照射により溶解または溶融されて、冷却後には凝固してオブジェクトを形成する。そのような装置は、例えば特許文献１から知られている。

公知である装置は、層形成過程により必要とされる暴露時間が比較的長時間に及ぶ点で不利である。

ＤＥ１０２００６０５６４２２．７

本発明は、構成過程全体を切り詰めて仕立て上げることができるように、装置およびそれに付属する方法を構成することを基礎を成す課題として成されたものである。

これは、一つの層を得るための一回の層形成過程の終了時に層形成要素を層形成初期位置に戻す際に、層形成要素が回避運動を実施し、この回避運動の際には層形成要素が、照射装置と一つの塗り付けられる層との間のスキャナ・ビーム空間領域を横切らないことにより解決される。

したがって、一回の層形成過程の終了直後に、好適には暴露（又は露光）領域の全体にわたり、即時曝射（ｓｏｆｏｒｔｉｇｅ Ｂｅｌｉｃｈｔｕｎｇｓａｕｆｎａｈｍｅ）を行うまたは開始するといった、対策を講じることが本発明の核心であると看做される。この理由にしたがうと、一回の層形成過程の間に塗布方向に進む層形成要素の直後には既に暴露工程が開始されてもよいが、暴露工程は、たいていの場合、構成品の層内部の熱応力を回避するために、いわゆる「アイランド・コーティング」の手法で構成面にわたりまたは構成面の大部分にわたり分散して行われることから、すなわち暴露が行われるのは小さな部分であって、これらの部分は一部互いから大きく離間していることから、好適には構成エリア全体をフリーな状態で暴露に利用することができるようにコーターを復帰させると有用である。換言すると特許請求項１の教示には、レーザビームが、このビームを横切る塗布装置の層形成要素またはそれ以外の要素により妨げられることなく、構成面への自由なアクセスを有するように、塗布装置の層形成要素またはその他の要素が案内されるようになっている、あらゆる戻し方が包摂されることになる。

この回避運動には、層形成過程におけるコーターの空間姿勢を基準とした、コーターの空間姿勢の変更が含まれていると有利である。例えばコーターまたはコーティング要素が、コーティング対象面の上方に水平に位置している場合には、これを跳ね上げたり、開いて遠ざけたり、構成エリアから出るように回転させたり、またはその類のことを行ったりすると、それとの抱き合わせで空間姿勢（又は空間状態、独語：Ｒａｕｍｌａｇｅ）が変更されることになるが、これは構成プロセス全体の加速化に有利に作用する。層形成要素が戻る際には、一つまたは複数のスキャナを介して、構成エリア全体の狙いを定めた全面的な暴露が開始されてもよい。

ほかにも層形成要素を、この回避運動の途上で構成エリアから側方に直線的に繰り出して、構成エリアの脇を通り復帰させるようにしてもよい。その場合は層形成要素が扁平な姿勢を維持することが可能となり、構成エリアのかたわらにこの戻しのための比較的大きなスペースだけが必要となる。この直線変位運動は、有利なことにも塗布方向に対して直角に延長されていてもよいが、斜めに行われるようにされたものであってもかまわない。

この回避運動に追加して、構成過程を加速化するためには、層形成要素が回避運動の際に層塗布速度と比較して高められた速度で移動されると有利である。それにより層形成要素の戻し工程が切り詰められることになる。そのために暴露機構が例えば構成エリアの上方の複数のスキャナを使用して作動する場合は、暴露期およびコーティング期も切り詰められていることになる。

層形成要素は、少なくとも一本の軸まわりに旋回自在に片側を支承されていてもよい。この旋回は、水平方向に行われるか、または一回の跳ね上げ運動がこれに含まれていてもよい。ほかにも、一回の塗布工程の終了時に、層形成要素を、言わば塗布運動の向きに構成面を通り過ぎるように回転するように旋回させて、構成エリアのまわりを回転するように旋回させながら初期位置に戻すことによって、一回の塗布工程と戻し工程とを合わせて、層形成要素が時計の文字盤上の針のように３６０°旋回されるようにしてもよい。

ほかにも層形成過程の終了時に、層形成要素を層形成初期位置に戻すために構成平面の層から持ち上げ、暴露装置の一つのスキャナ配列の上側でこれを案内しながら初期位置に戻すことも基本的には可能である。この戻しは、まず一回の鉛直運動と、それに次ぐ層形成初期位置に向かう、スキャナ配列の上方を通過する一回の水平運動と、その後の一回の下向きの下降運動からなっていてもよい。しかし、全く同様に優れた方法として、コーターが、そのコーター長手方向に対する平行姿勢を維持しながら、または層形成要素の旋回運動を付け加えながら、一つの曲線に沿って、スキャナ配列の上方を通過して初期位置に復帰されるようにしてもよい。

回避運動中のコーターが、一つのコーター・チェンジャの傍らを通過して、そこで使い古したコーター・ブレードが引き抜かれて、新品のコーター・ブレードがはめ込まれると非常に有利である。これは全自動方式で行われるとよい。コーター・ブレードとブラシについては、構成過程の要求に応じて様々な種類のものをはめ合わせることができるようになっている。一つのコーターの代わりに、または一つの層形成要素に追加して、塗布機構の一つの搬器に一つのセンサ素子を結合して、例えば温度測定、ビーム・コースティクス測定（独語：Ｓｔｒａｈｌｋａｕｓｔｉｋｍｅｓｓｕｎｇ）、層表面品質測定およびその類の構成エリアに関する測定を実行することも、本発明の枠内にあたるものである。

本発明を実施例に基づきより詳しく解説する。

スキャナと構成エリアとの間のスキャナ・ビーム空間領域が示唆されている、三次元オブジェクトの製造装置の概略図である。 構成エリア、計量チャンバ開口部およびオーバーフロー用開口部を備えたプロセス・チャンバ・底部の上面図である（従来技術）。 一つの層を塗布する際の、本発明にしたがった回避運動を含む層形成要素の運動を示す概略図である。 図３と同様の図であり、構成エリアの開口部を省略して層形成要素の運動が描かれている図である。 側部旋回軸まわりに跳ね上げることができる層形成要素配列の概略図である。 層を塗布する際および回避運動の際の層形成要素の図であり、構成平面の外側で層形成要素が水平に、または跳ね上げ成分を追加して、３６０°旋回される図である。 スキャナ配列の上方を通過する層形成要素の矩形または円弧状の案内方式を示す概略図である。

本発明にしたがった装置を一般的に紹介するために、まず図１を引き合いに出すものとする。

そこには、放射線を利用して硬化可能な構成材料９の、三次元オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を順次硬化することによって三次元オブジェクト１４を製造するための装置１が概略的に描かれている。この装置１は、一つのプロセス・チャンバ・底部４を有する一つのプロセス・チャンバ３を取り囲んでいる一つのハウジング２を有している。プロセス・チャンバ・底部４のレベルの下側には、構成材料９をフィードするための一つの調量装置５と、一つの高さ調節式担持装置７を有する一つの構成容器６とが配置されている。プロセス・チャンバ・底部４のレベルの下側には、構成容器６に隣接して、一つのオーバーフロー容器８が配置されている。調量装置５、構成容器６およびオーバーフロー容器８は、上側が開口している、すなわちプロセス・チャンバ・底部４は、調量装置５、構成容器６およびオーバーフロー容器８の上方に開口部を有している。

構成容器６の開口部には符号１３が付され、オーバーフロー容器８のオーバーフロー開口部には符号１５が付いている。一つの塗布装置１２の一つのコーティング要素１１は、構成材料９を構成面の表面に層単位で分配するようになっている。

担持装置７またはオブジェクト１４の既に硬化した層の表面に塗布された構成材料９を硬化させるために、一つのレーザ１６と一つのスキャナ１７とからなる照射装置が備えられている。図示の実施例においては、この照射装置がプロセス・チャンバ３の上方に配置され、スキャナ１７から来るレーザビーム１９は、プロセス・チャンバ・カバーに設けられた一つのウインド１８を通過する。

言うなれば構成面を定義している構成容器６の開口部１３の上方の、スキャナ１７と開口部１３との間に、スキャナ・ビーム空間領域３０が示唆されているが、これは、開口部１３の縁部のところまで偏向が最大となったときにレーザビーム１９がとる空間領域である。図１によれば、図示される実施例においては、スキャナ１７が一つだけ備えられている、すなわちスキャナ・ビーム空間領域３０は、先が尖った角錐の形状を有している。いずれにせ複数のスキャナ１７が備えられている場合は、スキャナ・ビーム空間領域３０がそれ以外の形状、例えば角錐台の形状を有していてもかまわない。

以下では図２を引き合いに出すものとする。そこにはプロセス・チャンバ・底部４が上面図で描かれており、そこでは一つの従来型の塗付装置１２の一つのキャリッジが、左右両側を移動用レール１０上で案内されている、すなわち層形成過程または戻り工程においては、往復動が常に同一線上で行われるようになっている。したがってコーティング要素１１が層形成初期位置に戻る際には、コーティング要素１１およびキャリッジが、構成容器６の上方に位置するスキャナ・ビーム空間領域３０を必然的に横切ることになる。

図３には、図２と同様、調量装置５、構成容器６およびオーバーフロー容器８の開口部を備えたプロセス・チャンバ・底部４が再度描かれている。塗付装置１２は、その下側に配置される層形成要素１１と共に、プロセス・チャンバ・底部４に沿って矢印の向きに案内されている。もっともこの案内は、コーター配列１２全体の回避運動の結果、構成チャンバ６の上方に位置するスキャナ・ビーム空間領域３０がフリーな状態に維持されるように行われている。図３には、塗布装置１２が層形成過程Ｂの終了後に一回の回避運動Ａを実行し、これに戻り運動Ｒが続き、その後には、塗布装置１２および層形成要素１１を初期ポジションに復帰させるための、さらにもう一回の運動Ｚが続くことが示唆されている。コーティング時の運動＝Ｂ、回避運動＝Ａ、戻り運動＝Ｒおよび初期位置への復帰＝Ｚは、図４に再度描かれている。

図５には、図４と同様、上面図で構成チャンバ６だけが示唆されている。塗布装置１２または少なくともコーティング要素１１は、塗布運動Ａの趣旨で跳ね上げられ、跳ね上げられた姿勢で戻り運動Ｒを遂行し、その後、フィード運動Ｚの趣旨で再び水平姿勢に倒すことができるようになっている。このような回避運動配列によっても、スキャナ・ビーム空間領域３０の空間領域は影響を受けない状態に維持される。

図６には、スキャン・ビーム空間領域３０を妨害することなくコーティング要素１１を復帰させるさらにもう一つの可能性が示されている。コーティング要素１１は、塗布装置１２の一つのキャリッジ上で、例えば一本の片側のレール上を案内されるようになっている。層形成過程Ｂの終了後には、組み合わせ型回避・戻りおよび復帰運動Ａ、Ｒ、Ｚの趣旨で、コーティング要素１１はさながら時計の針のように３６０°水平に、または跳ね上げ運動を重畳させて、初期位置Ｂ１に復帰されるようになっている。

図７には、横から見たコーティング要素１１が示されている。これは、層形成過程Ｂにおいては、初期位置Ｂ１からコーティング終位置Ｂ２に案内され、その後、矩形にまず上に向かって案内された後、層形成要素１１の初期位置に戻されるようになっているかそれとも（Ａ，Ｒ，Ｚ）。

これらの運動Ａ、ＲおよびＺは、一つのスキャナ１７の上側で推移し、これによりスキャナ・ビーム空間領域３０全体を何の影響も受けない状態にしておくように、選定されている。

図３にはさらに、一つの洗浄装置５０があくまでも図式的に描かれており、この洗浄装置のところで、層形成要素１１が初期位置Ｂ１に戻る際には、これをクリーニングする、例えば洗い流したり、吹き飛ばしたり、またはその類のことを行ったりすることができるようになっている。これは構成チャンバ６から離れたところで行われるために、構成プロセスがクリーニング工程によるマイナスの影響を受けることはない。

同様に図３には一つの層形成要素チェンジャ５１が示唆されており、これは一つのマガジンのように構成されたものであってもよく、複数の同じまたは異なる層形成要素１１がこれに内包される。戻りまたは回避運動の途上で、この層形成要素チェンジャ５１の領域内で、一つの新品のまたは異なる層形成要素１１が一つの層形成要素搬器に備えられるようにしてもよい。

全く同じように、新品の層形成要素１１の代わりに、コースティクス測定またはその類のための一つのセンサ素子５２を一つの層形成要素搬器に結合することも可能であり、このセンサ素子も同様に層形成要素チェンジャ５１内にすぐに使えるように用意されていてもよい。

１ 装置
２ ハウジング
３ プロセス・チャンバ
４ プロセス・チャンバ・底部
５ 調量装置
６ 構成容器
７ 担持装置
８ オーバーフロー容器
９ 構成材料
１０ レール
１１ 層形成要素
１２ 塗布装置
１３ ６の開口部
１５ ８の開口部
１６ レーザ
１７ スキャナ
１８ ウインド
１９ レーザビーム
３０ スキャン・ビーム空間領域
５０ 洗浄装置
５１ 層形成要素チェンジャ
５２ センサ素子

Claims (17)

1. 放射線を利用して硬化可能な構成材料の、三次元オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を順次硬化することによって、前記三次元オブジェクトを製造するための装置であって、
   − 一つのプロセス・チャンバを内包している一つのハウジング、
   − 前記ハウジングの内部に格納される一つの構成容器、
   − 前記構成材料の前記オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を照射するための、一つの照射装置、
   − 前記構成容器内の一つの担持装置またはあらかじめ形成された一つの層の表面に前記構成材料の前記層を塗り付けるための、一つの塗付装置、
   − 前記構成材料を供給するための、一つの調量装置が備えられ、その際、前記塗付装置には一つの層形成要素が含まれ、前記層形成要素が、前記調量装置により供給される前記構成材料を、一つの直線塗布運動に沿って一つの塗布領域内の薄い層として分配するようになっている装置において、
   一つの層を得るための一回の層形成過程の終了時に前記層形成要素（１１）が層形成初期位置に戻る際に、前記層形成要素が回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）を実施し、前記回避・戻り運動の際に前記層形成要素（１１）は、前記照射装置（１７）と一つの塗り付けられる層との間のスキャナ・ビーム空間領域（３０）を横切らないことを特徴とする、装置。
2. 前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）の過程における前記層形成要素（１１）の空間姿勢が、前記層形成過程（Ｂ）における前記層形成要素（１１）の空間姿勢とは異なることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
3. 塗布方向とは異なる一つの向きに沿って行われる前記層形成要素（１１）の一つの追加直線変位運動が前記回避運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）に含まれることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記追加回避運動（Ａ）の向きが、層塗布（Ｂ）時の変位方向に対して直角に延びることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記層形成要素（１１）が、前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）の際には、層塗布速度（Ｂ）と比較して高められた速度で移動されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記回避運動の際に、前記層形成要素（１１）を、塗布後の粉末層の層平面に対して平行ではない一つの姿勢へと移行可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記コーティング要素（１１）が、少なくとも一本の軸まわりに旋回可能であるように片側で支承されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）に、前記層形成要素（１）の一回の跳ね上げ運動が含まれることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. 前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）に一回の旋回運動が含まれ、前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）の際に前記層形成要素（１１）が暴露対象である構成面の外側で一本の旋回軸まわりに回転するように案内されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
10. 前記層形成要素（１１）を前記層形成初期位置に戻すために、前記層形成要素（１１）が、一つの層を得るための前記層形成過程の終了時に、前記構成平面から持ち上げられて、前記暴露装置の一つのスキャナ配列（１７）の上側を案内されて前記層形成初期位置に戻ることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の装置。
11. 前記コーティング要素が、前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）の過程で一つの洗浄装置（５０）の作用を受けることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の装置。
12. 前記層形成要素（１１）を、前記回避・戻り運動（Ａ，Ｒ，Ｚ）の過程で一つの層形成要素チェンジャ（５１）により交換可能であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の装置。
13. 前記層形成要素（１１）の一つのホルダまたはガイドのところに、レーザビーム品質のコースティクス測定のための少なくとも一つのセンサ素子が配置され、前記センサ素子を、一回の層形成過程（Ｂ）の際に、または一回の層形成過程の代わりに、一つの構成エリアのコーティング対象領域の上方に案内可能であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の装置。
14. 前記コーティング要素交換装置に、内部に複数の同じまたは異なるコーティング要素および／または前記コースティクス測定のための一つのセンサ素子（５２）がすぐに使えるように用意されている一つの交換マガジンが含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 前記コーティング要素（１１）が、前記回避運動（Ａ）の際には、前記構成エリアの前記コーティング対象面の外側へと旋回されて、この外側へと旋回されたポジションで前記層形成初期位置に復帰されて、前記層形成初期位置において、コーティング・ポジションへと旋回可能であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の装置。
16. 放射線を利用して硬化可能な構成材料（９）の、三次元オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を順次硬化することによって、前記三次元オブジェクトを製造するための方法であって、次の特徴：
    − 内部に一つの構成容器（６）が配置された一つのハウジング（２）が備えられること、
    − 前記構成材料（９）の、前記オブジェクトの各断面に該当する箇所に位置している層を照射するための、一つの照射装置（１６，１７）が備えられること、
    − 前記構成容器（６）内の一つの担持装置（７）またはあらかじめ形成された一つの層の表面に前記構成材料（９）の前記層を塗り付けるための、一つの塗布装置（１２）が備えられること、
    − 前記構成材料（９）を供給するための、一つの調量装置（５）が備えられ、その際、前記塗布装置（１２）には一つの層形成要素（１１）が含まれており、前記層形成要素（１１）が、前記調量装置（５）により供給される前記構成材料（９）を、一つの直線塗布運動（Ｂ）に沿って一つの塗布領域内の薄い層として分配すること
    を具備した方法において、前記層形成要素がある一つの層形成初期位置（Ｂ１）に戻る（Ａ，Ｒ，Ｚ）際には、前記照射装置（１７）と一つの塗り付けられる層との間の一つのスキャナ・ビーム空間領域（３０）を前記層形成要素が横切らないように、前記層形成要素に回避運動（Ａ）を行わせる工程を特徴とする、方法。
17. 前記層形成初期位置（Ｂ１）に戻すために、前記層形成要素（１１）を跳ね上げる、または横に開いて遠ざける、または前記スキャナ・ビーム空間領域（３０）から出るように側方に繰り出すもしくは旋回させる工程を特徴とする、請求項１６に記載の方法。

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