JP2020524213A - ３ｄ印刷方法および３ｄ印刷装置 - Google Patents

Abstract

作動面と、少なくとも１つのコントロールアームに旋回可能に取り付けられたフレームを備えている印刷ヘッドであって、前記フレームと前記コントロールアームとの間の取付箇所で配置された軸を中心に、前記フレームが回転可能である印刷ヘッドと、複数の位置で前記フレームに沿って接続された複数の粉体分注機であって、前記印刷ヘッドが前記作動面に対して移動するときに、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるように構成された粉体分注機と、少なくとも１つの粉体の層の上に、少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、を備える３次元物体印刷用の印刷装置。【選択図】図１

Description

本発明は、３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置に関する。

より具体的には、本発明は、物体の高速での製造用の３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置に関する。

３次元（３Ｄ）で印刷された部品により物理的な物体ができ、当該物理的な物体は、連続している薄い材料層を敷設することにより、３Ｄデジタル画像から作り上げられる。

通常、例えば選択的レーザー溶融や選択的レーザー焼結などの様々な手段により、これらの３Ｄ印刷された部品を作成でき、当該様々な手段は、粉末床を有することにより、当該粉末床上にエネルギービームが投射され、この粉末床の最上層を溶融させて、基板や下層に溶接できるように行なっている。この溶融過程を繰り返して当該下層に追加の層を追加し、完全に作り上げられるまで、上述の部品を徐々に増大させている。

これらの印刷方法は、実行するために非常に時間がかかり、妥当な大きさの物体を作り上げるために数日または数週間かかる虞がある。複雑な構成部品を備えている複合物体に対しては、この問題がひどくなる。このことは、３Ｄプリンタの有用性を実質的に低下させており、現在、消費者による３Ｄ印刷や製造業における３Ｄ印刷の大規模採用を遅らせている極めて重要な障害の１つである。

本願発明は、従来の３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置の前述の欠点を、少なくとも部分的に克服しようと試みている。

本発明の態様の１つによれば、３次元物体印刷用の印刷装置を提供し、当該印刷装置は、
作動面と、
少なくとも１つのコントロールアームに旋回可能に取り付けられたフレームを備えている印刷ヘッドであって、前記フレームと前記コントロールアームとの間の取付箇所で配置された軸を中心に、前記フレームが回転可能である印刷ヘッドと、
複数の位置で前記フレームに沿って接続された複数の粉体分注機であって、前記印刷ヘッドが前記作動面に対して移動するときに、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるように構成された粉体分注機と、
少なくとも１つの粉体の層の上に、少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、を備えている。

前記エネルギー源は、使用中に、エネルギービームを粉体の２つ以上の層に同時に放射してもよい。

あるいは複数のエネルギー源が使用され、それぞれのエネルギー源から少なくとも１つのエネルギービームを放射してもよい。

前記エネルギー源は、使用中に、エネルギービームを個々の粉体の層に順番に放射してもよい。

前記印刷装置は、エネルギービームを２つ以上の個々のエネルギービームに分割および変換するためのエネルギービーム分割手段を備えてもよい。

本願発明の他の態様によれば、３次元物体印刷用の印刷装置を提供し、当該印刷装置は、
作動面と、
フレームを備えている印刷ヘッドであって、前記作動面および前記フレームがお互いに対して回転可能である印刷ヘッドと、
複数の位置で前記フレームに沿って接続された複数の粉体分注機であって、前記印刷ヘッドが前記作動面に対して移動するときに、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるように構成された粉体分注機と、
少なくとも１つの粉体の層の上に、少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、を備えている。

以下、添付図面を参照して、本願発明の実施例を説明する：
本発明の一実施形態による３Ｄ印刷装置の側面図である。 図１の３Ｄ印刷装置のさらなる側面図である。 図１の３Ｄ印刷装置の等角立面図である。 本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の側面図である。

図１から図３を参照すると、本発明の一実施形態による三次元物体印刷用の印刷装置１０が示されている。この印刷装置１０は、作動面１２と、少なくとも１つのコントロールアーム１８に旋回可能に取り付けられたフレーム１６と、を備えており、フレーム１６とコントロールアーム１８との間の取付箇所で配置された軸２０の周りを、当該フレーム１６が回転可能である。

印刷装置１０は、複数の位置でフレーム１６に沿って接続された複数の粉体分注機２２をさらに備えており、これらの粉体分注機２２は、前記印刷ヘッド１４が作動面１２に対して移動するときに、作動面１２上に粉体２４の複数の層を同時に堆積させるように構成されている。印刷装置１０は、少なくとも１つの粉体２４の層の上に少なくとも１つのエネルギービーム２８を放射するエネルギー源２６をさらに備えている。

より具体的には、合計で３つの粉体分注機２２がフレーム１６に接続されている。それぞれの粉体分注機２２が、フレーム１６に固定されたノズルを備えており、当該ノズルは、１つ以上の供給管（図示せず）を用いて、例えば金属粉体などの粉体の供給源に接続されている。

粉体分注機２２は、これらの粉体分注機２２同士がお互いに等間隔に配置されるように、フレーム１６に均一に取り付けられている。フレーム１６は、一対のコントロールアーム１８に旋回可能に取り付けられており、使用中に、当該フレーム１６が軸２０を中心に作動面１２に対して斜めに傾斜するように構成されている。

使用中、３つの粉体分注機２２は、作動面１２上に３層の粉体２４を同時に堆積させており、それぞれの層２４が実質的に同一の厚さを有している。これらの粉体２４の層が千鳥状に（in a staggered manner）堆積され、これらの複数の層２４における個々の層２４のそれぞれの形成が、そのすぐ下層の個々の粉体の層２４の少し後に開始されるようにしている。このことにより、それぞれの層２４の最上面が少なくとも部分的に露出されており、これらの層２４の同時塗布中に、当該それぞれの層２４の最上面が上に重なる粉体２４の層で覆われていない、ということが確保される。

エネルギービーム２８が、レーザービーム、コリメート光ビーム、マイクロプラズマ溶接光、電子ビームおよび粒子加速器のいずれか１つであってもよい。このエネルギービーム２８が、当該エネルギービーム２８を適切に集束するように構成された集束手段（図示せず）を有し、少なくとも10ワット／ｍｍ^３のエネルギー密度を生成できるようにすることが好ましい。

エネルギービーム２８がレーザービームである場合、このレーザービームが、作動面１２上に、0.5ｍｍ^２未満のスポットサイズに集束されてもよい。同様にエネルギービーム２８がコリメート光ビームである場合、このコリメート光ビームが、作動面１２上に、1ｍｍ^２未満のスポットサイズに集束されてもよい。

さらに、エネルギービーム２８がマイクロプラズマ溶接光である場合、このマイクロプラズマ溶接光アークが、作動面１２上に、1ｍｍ^２未満のスポットサイズに集束されてもよい。このようなマイクロプラズマ溶接光は通常、略20,000℃の温度で略0.2ｍｍ^２のスポットサイズを備えたプラズマガスの集束ビームを生成することができる。

使用中に印刷ヘッド１４は、作動面１２に実質的に平行な横方向に往復して移動する一方で、粉体を堆積させている。例えば図１において、印刷ヘッド１４が印刷装置１０の左側から右側に移動するように示されており、フレーム１６が作動面１２に対して時計回りの角度で傾斜している。この構成において、印刷ヘッド１４が粉体の最初の３つの層を堆積していることが示されている。

図２において、粉体の最初の３層が完全に堆積され、かつ、エネルギービーム２８により完全に処理されており、印刷ヘッド１４が印刷装置１０の右側から左側へ移動するように示されている一方で、フレーム１６が作動面１２に対して反時計回りの角度で傾斜している。この構成において印刷ヘッド１４が、最初の３つの層の上に、さらに粉体の３つの層を堆積するように示されている。

粉体２４の層が堆積されている一方で、エネルギービーム２８がエネルギー源２６から放射され、粉体２４のそれぞれの層の露出した最上面に向けられて、粉体を選択的に溶融または焼結し、それにより、３Ｄ物体の一部を形成している。この過程が追加の通路のために繰り返され、追加の層を加えて、完成するまで当該３Ｄ物体を徐々に作り上げている。

図１に表現されるように、エネルギー源２６が、ラスターとして作動するように構成されてもよく、粉体２４の複数の層が同時に堆積されている一方で、エネルギービーム２８が順次的な方法で、複数の層２４の最上部の露出面のそれぞれに選択的に向けられるように、エネルギー源２８の向きが調整されるようにしている。

例えばエネルギービーム２８が、最初に、粉体２４の複数の層の最下層の最上面に向けられてもよい。この最下層の最上面がエネルギービーム２８により十分に処理された後、その次に、第２のエネルギービーム２８が粉体２４の複数の層の次の隣接層の最上面に向けられるように、エネルギー源２６の向きが調整される。このことが、次の通路が実施される前に、必要に応じて、全ての粉体の複数の堆積層が十分に処理されるまで続けられる。

エネルギー源２６がラスターとして作動する実施形態において、エネルギービーム２８が、必要に応じて十分な期間それぞれの粉体の層のそれぞれの露出面に照射されて、このエネルギー源２６が複数の層における次の層のために方向転換される前に、当該粉体が加熱されることにより、またはエネルギーを与えられることにより、溶融または焼結させるようにしてもよい。

あるいは、エネルギー源２６が当該次の層のために方向転換される前に、このエネルギービーム２８が、より短い期間、粉体のそれぞれの露出面に照射されて、当該粉体が部分的にのみ、加熱され、またはエネルギーを与えられるようにしてもよい。この方法において、これらの複数の層２４に亘って、エネルギー源２６を速やかに繰り返し循環させ、それぞれの繰り返し毎に、追加のエネルギーがそれぞれの露出面に放射されるようにしている。このことにより、処理されるそれぞれの露出面の温度またはエネルギーを、当該粉体が溶融または焼結する点に達するまで徐々に増加させている。

図１から図３に示される実施形態において、粉体２４の３つの層を作動面１２に同時に堆積させるために、３つの粉体分注機２２が印刷ヘッド１４に取り付けられている。このことにより、従来技術の印刷装置や印刷方法と比較して、印刷生産性の水準が３倍に向上している。

しかしながら、別の個数の粉体分注機２２（例えば、１０個の粉体分注機２２）が使用されてもよいことは理解されよう。より一般的には、Ｎ個の粉体分注機２２（ここでＮ＞２）を使用し、Ｎ層の粉体を同時に堆積させて、印刷の生産性においてＮ倍の増加をもたらしてもよい。

図４を参照すると、印刷装置１０のさらに別の実施形態が示されている。この印刷装置１０は、当該印刷装置１０がエネルギービーム分割手段３０をさらに備えることを除いて、全ての材料に関して図１から図３に示されるものと同一である。

エネルギービーム分割手段３０は、エネルギー源２６から放射された単一のエネルギービーム２８を複数の別個の指向性エネルギービームに分割するように構成されている。エネルギービーム分割手段３０は、制御機構（図示せず）と連動して作動しており、使用中、エネルギービーム分割手段３０から放射されたそれぞれの指向性エネルギービームが、堆積されている粉体２４の異なる層に同時に向けられる、ということを当該エネルギービーム分割手段３０が提供している。

エネルギービーム分割手段３０がビームスプリッターであってもよい。

エネルギービーム分割手段３０が振動磁場であってもよい。

当業者には明らかであるような変更や変形は、本願発明の範囲におけるものと見なされる。

本発明の前述の記載において、言語表現や必要な示唆のために、文脈が他に必要とする場合を除き、用語“comprise”や、例えば“comprises”や“comprising”などの変形は包括的な意味で使用され、すなわち、記載された特徴の存在を特定しているが、本発明の様々な実施形態において、さらなる特徴の存在や追加を除外するものではない。

Claims (14)

1. 作動面と、
   少なくとも１つのコントロールアームに旋回可能に取り付けられたフレームを備えている印刷ヘッドであって、前記フレームと前記コントロールアームとの間の取付箇所で配置された軸を中心に、前記フレームが回転可能である印刷ヘッドと、
   複数の位置で前記フレームに沿って接続された複数の粉体分注機であって、前記印刷ヘッドが前記作動面に対して移動するときに、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるように構成された粉体分注機と、
   少なくとも１つの粉体の層の上に、少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、
   を備えることを特徴とする３次元物体印刷用の印刷装置。
2. 前記エネルギー源が、エネルギービームを粉体の２つ以上の層に同時に放射することを特徴とする請求項１に記載の印刷装置。
3. 前記エネルギー源は、エネルギービームを個々の粉体の層に順番に放射することを特徴とする請求項１又は２に記載の印刷装置。
4. 前記エネルギービームが前記複数の層における次の層に適用される前に、前記エネルギービームが十分な期間それぞれの粉体の層に照射され、前記粉体が加熱されることにより、またはエネルギーを与えられることにより、溶融または焼結させるようにしていることを特徴とする請求項３に記載の印刷装置。
5. 前記エネルギービームが前記複数の層における次の層に適用される前に、前記エネルギービームが十分な期間それぞれの粉体の層に照射され、前記粉体が部分的にのみ、加熱され、またはエネルギーを与えられるようにし、それぞれの面の温度またはエネルギーを、前記粉体が溶融または焼結する点に達するまで徐々に増加させることを特徴とする請求項３に記載の印刷装置。
6. 前記印刷装置が、エネルギービームを２つ以上の別個のエネルギービームに分割および変換するためのエネルギービーム分割手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の印刷装置。
7. 前記印刷装置が、それぞれ別個のエネルギービームを堆積されている粉体の異なる層に向けるように構成された制御機構を備えることを特徴とする請求項６に記載の印刷装置。
8. 前記エネルギービーム分割手段がビームスプリッターであることを特徴とする請求項６又は７に記載の印刷装置。
9. 前記印刷ヘッドが一方向に移動しているとき、前記フレームが斜めに傾斜するように構成され、
   前記印刷ヘッドが前記一方向と反対方向に移動しているとき、前記フレームが前記斜めの角度と実質的に反対の角度で傾斜するように構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の印刷装置。
10. 前記フレームが傾斜する前記角度は、それぞれの粉体分注機からそれぞれ対応している粉末床までの距離が実質的に等しくなるような角度であることを特徴とする請求項９に記載の印刷装置。
11. 前記複数の粉体分注機同士がお互いに等間隔に配置されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の印刷装置。
12. 前記粉体の複数の層が千鳥状に堆積され、前記複数の層におけるそれぞれの層の形成が、そのすぐ下層の前記粉体の層の後に開始されるようにしていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の印刷装置。
13. それぞれのエネルギービームが、レーザービーム、コリメート光ビーム、マイクロプラズマ溶接光、電子ビームおよび粒子加速器で構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の印刷装置。
14. 作動面と、
    フレームを備えている印刷ヘッドであって、前記作動面および前記フレームがお互いに対して回転可能である印刷ヘッドと、
    複数の位置で前記フレームに沿って接続された複数の粉体分注機であって、前記印刷ヘッドが前記作動面に対して移動するときに、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるように構成された粉体分注機と、
    少なくとも１つの粉体の層の上に、少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、
    を備えることを特徴とする３次元物体印刷用の印刷装置。
    

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