JP2021513612A - マスクによるゾーン予熱装置、及びゾーン予熱方法 - Google Patents

マスクによるゾーン予熱装置、及びゾーン予熱方法 Download PDF

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Abstract

【課題】迅速にマスクによるゾーン予熱を行う装置を製造すること。【解決手段】全面的な加熱用光源（７）と部分的な予熱用光源（１）とが設置され、成形シリンダー（１１）に底層の粉体を加熱するための基板（１０）が設置され、全面的な加熱用光源（７）と部分的な予熱用光源（１）との間にマスク板（２）が設置され、部分的な予熱ゾーン（１２）に焼結しようとする粉体（５）が塗布され、部分的な予熱用光源（１）、マスク板（２）、及び全面的な加熱用光源（７）が、いずれも温度調節器（３）に接続され、温度監視モニター（４）の中に温度プローブ（８）とサーマルイメージャー（９）とが作業チャンバーに設置され、粉面の温度を検測するに用いる。成形シリンダー（１１）全体の作業温度を低下させ、装置の冷却圧力を低減する方法により、選択的レーザー焼結装置の作業安定性及び連続作業時間を向上させ、高融点の粉末の迅速な焼結及び粉末に対する複数回の回収・利用を実現する。【選択図】図１

Description

本発明は、迅速な装置製造の技術分野に関し、具体的に、マスクによるゾーン予熱装置、及びゾーン予熱方法に関する。
選択的レーザー焼結（selective laser sintering：ＳＬＳ）技術は、レーザーをエネルギー源として、粉末材料を３次元の実体に層ずつに焼結する迅速な成形技術であり、ポリマー、金属、セラミックス等は、いずれもＳＬＳに用いられる。歪み及び反りを低減し、レーザーの利用率を増やすために、ポリマー材料をＳＬＳに用いる場合には、一般的に、予め粉体層における材料をその融点より僅かに低い温度、即ち予熱温度に加熱する。予熱温度は、部品の精度及び性能に影響を及ぼす重要なパラメーターである。予熱温度が低いと、成形の過程において反りが発生し、部品に歪みが発生して、部品の精度が低下したり、成形できない場合がある。予熱温度が高いと、未焼結の粘性を有する粉末が発生するが、この粉末は硬化すると回収・再利用することができないため印刷のコストが大きく上がる。特に、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）等のような、比較的高い融点（融点≧３００℃）を有する特殊エンジニアリングプラスチック又は老化しやすい材料は、予熱温度が高く（≧３００℃）且つ予熱の範囲が狭い。一方、成形用チャンバー内の軸受けやガイド等の部品は、長期的に高温環境にあるため、老化速度が高まって成形機の連続作業時間及び長期的な作業安定性が大きく低下する。一方、これらの高融点のポリマー材料のコストは、通常、ナイロン、ワックス粉等のような低融点の材料のコストに対して一倍又は数倍であるため、成形の過程において未焼結の粉体が硬化して再利用できないと、生産コストが極めて上がってしまう。
本発明が解決しようとする技術課題は、成形チャンバー全体の作業温度を低下させ、装置の冷却圧力を低減する方法により、ＳＬＳ成形装置の作業安定性及び連続作業時間を向上させ、装置のメンテナンスコストを低減させるマスクによるゾーン予熱装置及びゾーン予熱方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、前記マスクによるゾーン予熱装置を提供する。本発明は、底部に設置された成形シリンダーを含み、前記成形シリンダーは、その底部に底層の粉体を加熱するための加熱基板が設置され、加工しようとする部品の断面プロファイルに応じて部分的な予熱ゾーンが設置され、前記部分的な予熱ゾーンに粉末供給装置により塗布された焼結しようとする粉体が塗布され、前記粉体が成形シリンダーの中に積み重なって粉体層を形成して、
前記成形シリンダーの上方に全面的な加熱用光源が設置され、前記全面的な加熱用光源の上方に部分的な予熱用光源が設置され、前記部分的な予熱用光源と全面的な加熱用光源との間にマスク板が設置され、前記マスク板はその配置位置及び形状が部品の断面形状に対応し且つ部品の上方に設置されて、
前記部分的な予熱用光源、マスク板及び全面的な加熱用光源は、いずれも温度調節器に接続され、前記温度調節器が温度監視モニターに接続され、前記温度監視モニターの中に温度プローブとサーマルイメージャーとが部分的な予熱ゾーンに対応する位置に設置される、マスクによるゾーンごとの予熱装置を提供する。
好ましい技術方案としては、前記成形シリンダー内に窒素入れ装置が設置され、前記窒素入れ装置は、窒素ボトルに接続される窒素ノズルを含み、前記窒素ボトルに窒素バルブが設置されて、前記窒素ノズルに気圧計が設置されることである。
好ましい技術方案としては、前記温度調節器は、全面的な予熱の温度及び部分的な予熱の温度をそれぞれ材料の融点より２０℃〜１２０℃及び１〜５０℃低い範囲にして、成形シリンダー内の基板の温度及び成形シリンダーの四壁の温度をそれぞれ材料の融点の２０℃〜１５０℃及び２０℃〜２００℃の範囲にすることである。
好ましい技術方案としては、前記マスク板の下に層状構造が設置されて、前記層状構造は、上下の順序で設置された熱量反射層、第１の放熱層、第２の放熱層、断熱層、第３の放熱層、及び固定層を備えることである。
好ましい技術方案としては、前記第１の放熱層の中央に横方向に設置される若干の第１の短冊状孔が設置され、前記第２の放熱層に底部が密閉され且つ短冊状孔に連通される若干の縦方向孔が設置され、前記第３の放熱層に密閉孔で且つ内部が空気で満たされる若干の第２の短冊状孔が設置されることである。
本発明は、前記マスクによるゾーン予熱装置のゾーン予熱方法を提供する。前記方法は、以下の工程を備える。
工程１）：成形しようとする部品を幾何的にスライスして層に分けて、成形しようとする部品の各層の断面プロファイル及び走査通路を得る。
工程２）：成形シリンダー内に設置された窒素入れ装置を用いて、成形チャンバーに窒素ガスを入れて、窒素ガス保護の工程を行う。
工程３）：粉料供給及び塗布装置を用いて、粉体に粉末を塗布して、均一で滑らかな走査しようとする粉面層構造を形成する。
工程４）：温度調節器により全面的な予熱の温度及び部分的な予熱の温度をそれぞれ材料の融点より２０℃〜１２０℃及び１〜５０℃低い範囲にして、成形シリンダー内の基板の温度及び成形シリンダーの四壁の温度をそれぞれ材料の融点２０℃〜１５０℃及び２０℃〜２００℃の範囲にする。
工程５）：マスク板は、走査しようとする部品の断面プロファイルと走査された部品の断面プロファイルとに応じて対応のマスクを形成して、部分的な予熱用光源の熱量を成形部品の断面の表面の予熱ゾーンに至って、部分的な走査しようとする粉末を加熱して成形させる。
工程６）：温度監視モニターを用いて温度をリアルタイム監視して、それぞれ全面的な予熱温度及び部分的な予熱温度に至ることを確認した後、レーザー走査機を用いて該層の部品の断面プロファイルを走査して、該層の粉末焼結を完成させる。
工程７）：基板が一層の厚さの分で下がった後、新しい一層の粉体を塗布して、温度監視モニターにより、全面的／部分的な予熱温度及び全面的な温度場の変化をリアルタイムに再確認して、焼結されたゾーンと未焼結ゾーンとに温度急変が存在すると、温度調節器は、マスクのプロファイル及び部分的な予熱用光源の出力を調整し、両者間の温度場を均一に渡った後、レーザー走査機を用いて、該層の断面プロファイルを再度走査する。
工程８）：部品のすべての断面プロファイルに対する焼結を完成させるまで、工程５）〜工程７）を繰り返す。
工程９）：粉体材料の特性に応じて、全面的及び部分的な予熱用光源の出力をゆっくりと低下させて、焼結された部品及び未焼結の粉体をゆっくりと冷却させ、部品の形状及びサイズの安定性を確保する。
工程１０）：成形された部品を取り出して、未焼結の粉末を回収し篩にかけて、再利用を行うことができる。
本発明は、従来技術に比較して、以下の有益効果を奏する。
１、本発明は、成形チャンバー全体の作業温度を低下させ、装置の冷却圧力を低減して、装置の作業安定性及び連続作業時間を向上させることによって、装置のメンテナンスコストを低減することができる。
２、本発明は、非焼結ゾーンの加熱温度を低下させて部品のサイズ精度を確保するとともに、該ゾーンの材料の老化及び硬化現象を極めて低減させ、高融点のポリマーを回収することによって、粉末利用率が向上する。
本発明に係るマスクによるゾーン予熱装置の正面図である。 図１のマスク板の構造を拡大した正面図である。
１ 部分的な予熱用光源
２ マスク板
ａ１ 熱反射層
ａ２ 第１の放熱層
ａ３ 第２の放熱層
ａ４ 絶熱層
ａ５ 第３の放熱層
ａ６ 接着層
ｂ１ 第１の短冊状孔
ｂ２ 縦方向孔
ｂ３ 第２の短冊状孔
３ 温度調節器
４ 温度監視モニター
５ 粉体
６ 部分的な予熱ゾーン
７ 全面的な加熱用光源
８ 測温プローブ
９ サーマルイメージャー
１０ 基板加熱板
１１ 成形シリンダー
１２：部分的な予熱ゾーン
以下、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施例を詳しく説明する。
（実施例１）
図１に示すように、本発明によって提供されるマスクによるゾーン予熱装置は、底部に設置された成形シリンダー１１を含み、前記成形シリンダー１１は、その底部に底層の粉体を加熱するための加熱基板１０が設置され、加工しようとする部品６の断面プロファイルに応じて部分的な予熱ゾーン１２が設置され、前記部分的な予熱ゾーン１２に粉末供給装置により塗布された焼結しようとする粉体５が塗布され、前記粉体５が成形シリンダー１１の中に積み重なって粉体層を形成する。本実施例では、ドイツ国のＥＯＳ社による高融点シリーズのポリマーＨＰ３ ＰＥＥＫ粉末を例として、詳しく説明する。ＨＰ３ ＰＥＥＫ粉末の融点は３７２℃であり、従来の全面的な単一予熱方式を使用する場合、粉面の予熱温度は３６５℃であり、成形基板の温度は３４０℃であり、成形シリンダー１１の四壁の温度は３４５℃である。成形完了した後、成形シリンダー１１に入れた未焼結の粉末は、いずれも硬化を発生して、再度で利用されることができない。
前記成形シリンダー１１の上方に全面的な加熱用光源７が設置され、前記全面的な加熱用光源７の上方に部分的な予熱用光源１が設置され、前記部分的な予熱用光源１と全面的な加熱用光源７との間にマスク板２が設置され、前記マスク板２はその配置位置及び形状が部品６の断面形状に対応し且つ部品６の上方に設置される。
前記部分的な予熱用光源１、マスク板２及び全面的な加熱用光源７は、いずれも温度調節器３に接続され、前記温度調節器３は温度監視モニター４に接続され、前記温度監視モニター４の中に温度プローブ８とサーマルイメージャー９とが設置される。本実施例に用いられるサーマルイメージャー９は、赤外線サーマルイメージャーであり、前記温度プローブ８及びサーマルイメージャー９は、全面的及び部分的な予熱の温度を監視するために用いられており、成形チャンバーの内部に設置される。
好ましい技術方案としては、前記成形シリンダー１１内に窒素入れ装置が設置され、前記窒素入れ装置は、窒素ボトルに接続される窒素ガスノズルを含み、前記窒素ボトルに窒素バルブが設置されて、前記窒素ガスノズルに気圧計が設置されることで、窒素ガス保護する。
好ましい技術方案としては、前記温度調節器３は、全面的な予熱の温度及び部分的な予熱の温度をそれぞれ材料の融点より２０℃〜１２０℃及び１〜５０℃低い範囲にして、成形シリンダー１１内の基板１０の温度及び成形シリンダー１１の四壁の温度をそれぞれ材料の融点の２０℃〜１５０℃及び２０℃〜２００℃の範囲にする。
さらに、本発明は、前記マスクによるゾーンの予熱装置のゾーン予熱方法を提供する。前記方法は、以下の工程を含む。
工程１）：成形しようとする部品６を幾何的にスライスして層に分けて、成形しようとする部品６の各層の断面プロファイル及び走査通路を得る。
工程２）：成形シリンダー内に設置された窒素入れ装置を用いて、成形チャンバーに窒素ガスを入れて、窒素ガス保護の工程を行う。
工程３）：粉料供給及び塗布装置を用いて、粉体５に粉末を塗布して、均一で滑らかな走査しようとする粉面層構造を形成する。
工程４）：温度調節器３により全面的な予熱の温度及び部分的な予熱の温度をそれぞれ材料の融点より２０℃〜１２０℃及び１〜５０℃低い範囲にして、成形シリンダー１１内の基板１０の温度及び成形シリンダーの四壁の温度をそれぞれ材料の融点２０℃〜１５０℃及び２０℃〜２００℃の範囲にする。
工程５）：マスク板２は、走査しようとする部品６の断面プロファイルと走査された部品６の断面プロファイルとに応じて対応のマスクを形成して、部分的な予熱用光源の熱量を成形部品６の断面の表面の予熱ゾーンに至って、部分的な走査しようとする粉末を加熱して成形させる。
工程６）：温度監視モニター４を用いて温度をリアルタイム監視して、それぞれ全面的な予熱温度及び部分的な予熱温度に至ることを確認した後、レーザー走査機を用いて該層の部品６の断面プロファイルを走査して、該層の粉末焼結を完成させる。
工程７）：基板１０が一層の厚さの分で下がった後、新しい一層の粉体を塗布して、温度監視モニター４により、全面的／部分的な予熱温度及び全面的な温度場の変化をリアルタイムに再確認して、焼結されたゾーンと未焼結ゾーンとに温度急変が存在すると、温度調節器３は、マスク２のプロファイル及び部分的な予熱用光源の出力を調整し、両者間の温度場を均一に渡った後、レーザー走査機を用いて、該層の断面プロファイルを再度走査する。
工程８）：部品６のすべての断面プロファイルに対する焼結を完成させるまで、工程５）〜工程７）を繰り返す。
工程９）：粉体５材料の特性に応じて、全面的及び部分的な予熱用光源の出力をゆっくりと低下させて、焼結された部品６及び未焼結の粉体をゆっくりと冷却させ、部品６の形状及びサイズの安定性を確保する。
工程１０）：成形された部品６を取り出して、未焼結の粉末を回収し篩にかけて、再利用を行うことができる。
好ましい技術方案としては、前記工程７）において、粉体５が一層の厚さの数値範囲０.１０〜０.１４ｍｍで下がった後、新しい一層の粉面料を塗布する。
好ましい技術方案としては、前記工程７）において、下がった一層の厚さの数値は、それぞれ、０.１０ｍｍ、０.１１ｍｍ、０.１２ｍｍ、０.１３ｍｍ又は０.１４ｍｍであり、後で新しい一層の粉面料をさらに塗布する。本発明は、異なる部品６の構造により、異なる下がった厚さを選択することができ、部品６の焼結をより良好に実現することができる。本発明は、高融点ポリマーを使用して部分的な予熱を行う。本実施例では、ＨＰ３粉体焼結材料を選択することにより、従来の高融点ポリマーにおいて印刷しない粉末が硬化し、粉末が再利用できないという問題を改善した。
（実施例２）
図２に示すように、本実施例は、実施例１をもとに、さらに改良したものである。相違点は、本実施例では、前記マスク板２の下に、上下順序に設置された熱量反射層ａ１、第１の放熱層ａ２、第２の放熱層ａ３、絶熱層ａ４、第３の放熱層ａ５及び固定層ａ６を含んでいる層状構造が設置される。その中で、熱量反射層ａ１は、平滑仕上げ度の高い材料、例えば、表面が仕上げられたステンレスを選択して作成されている。固定層ａ６は、硬質のセラミックス材料を選択して作成され、その後、底面として耐熱性樹脂を選択して、成形シリンダーの天井１０に粘着される。絶熱層ａ４は、石綿材料を選択して作成されることが好ましく、絶熱及び断熱をもたらす。前記第１の放熱層ａ２は、粗粒の砂材料から作成されたセラミックス材料で作成され、第１の放熱層ａ２の中央に若干の横方向に設置された第１の短冊状孔ｂ１が設置される。第１の短冊状孔ｂ１の両端を第１の放熱層ａ２と貫通することにより、熱量反射層ａ１に反射されない熱量、即ち、吸収された熱量を、第１の短冊状孔ｂ１の両端から順調に排出することができる。前記第２の放熱層ａ３に短冊状孔ｂ１に連通した若干の縦方向孔ｂ２が設置される。前記縦方向孔ｂ２は、その底部が密閉され、前記第１の短冊状孔ｂ１に連通したガスチャンバーを形成して、絶熱及び順調な放熱可能な作用をもたらす。第３の放熱層ａ５に若干の第２の短冊状孔ｂ３が設置される。前記第２の短冊状孔ｂ３は、密閉孔で且つ内部が空気で満たされるものであり、空気が断熱性の特性を有しているため、保温の作用をもたらし、成形シリンダー１１に要求される温度を保持することができ、即ち、部分的な予熱ゾーン６に予熱を実施することができる。
以上、図面を結合して、本発明の好ましい具体的な実施形態及び実施例を詳しく説明したが、本発明は上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、当業者が有する知識の範囲で、本発明の思想を逸脱しない前提で種々の変更を加えることが可能である。

Claims (6)

  1. 底部に設置された成形シリンダー（１１）を含み、
    前記成形シリンダー（１１）は、その底部に底層の粉体を加熱するための基板（１０）が設置され、部品（６）の断面形状に応じて当該断面の位置に部分的な予熱ゾーン（１２）が設置され、前記部分的な予熱ゾーン（１２）に粉末供給装置により塗布された焼結しようとする粉体（５）が塗布され、前記粉体（５）が成形シリンダー（１１）の中に積み重なって粉体層を形成して、
    前記成形シリンダー（１１）の上方に全面的な加熱用光源（７）が設置され、前記全面的な加熱用光源（７）の上方に部分的な予熱用光源（１）が設置され、前記部分的な予熱用光源（１）と全面的な加熱用光源（７）との間にマスク板（２）が設置され、前記マスク板（２）はその配置位置及び形状が部品（６）の断面形状に対応して且つ部品（６）の上方に設置されて、
    前記部分的な予熱用光源（１）、マスク板（２）及び全面的な加熱用光源（７）は、いずれも温度調節器（３）に接続され、前記温度調節器（３）が温度監視モニター（４）に接続され、前記温度監視モニター（４）の中に温度プローブ（８）とサーマルイメージャー（９）とが設置され、前記温度プローブ（８）及びサーマルイメージャー（９）は、作業チャンバー内に設置されて、粉面の温度を検測するに用いることを特徴とするマスクによるゾーン予熱装置。
  2. 前記成形シリンダー（１１）内に窒素入れ装置が設置され、前記窒素入れ装置は、窒素ボトルに接続される窒素ノズルを含み、前記窒素ボトルに窒素バルブが設置されて、前記窒素ノズルに気圧計が設置されることを特徴する請求項１に記載のマスクによるゾーン予熱装置。
  3. 前記温度調節器（３）は、全面的な予熱の温度及び部分的な予熱の温度をそれぞれ材料の融点より２０℃〜１２０℃及び１〜５０℃低い範囲にして、成形シリンダー（１１）内の基板（１０）の温度及び成形シリンダー（１１）の四壁の温度をそれぞれ材料の融点の２０℃〜１５０℃及び２０℃〜２００℃の範囲にすることを特徴とする請求項１に記載のマスクによるゾーン予熱装置。
  4. 前記マスク板（２）の下に層状構造が設置されて、前記層状構造は、上下の順序で設置された熱量反射層（ａ１）、第１の放熱層（ａ２）、第２の放熱層（ａ３）、断熱層（ａ４）、第３の放熱層（ａ５）、及び固定層（ａ６）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマスクによるゾーン予熱装置。
  5. 前記第１の放熱層（ａ２）の中央に横方向に設置される若干の第１の短冊状孔（ｂ１）が設置され、前記第２の放熱層（ａ３）に底部が密閉され且つ短冊状孔（ｂ１）に連通される若干の縦方向孔（ｂ２）が設置され、前記第３の放熱層（ａ５）に密閉孔であり且つ内部が空気で満たされる若干の第２の短冊状孔（ｂ４）が設置されることを特徴とする請求項４に記載のマスクによるゾーン予熱装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のマスクによるゾーン予熱装置のゾーン予熱方法であって、前記方法は、以下の工程を含む：
    工程１）：成形しようとする部品（６）を幾何的にスライスして層に分けて、成形しようとする部品（６）の各層の断面プロファイル及び走査通路を得る。
    工程２）：成形シリンダー内に設置された窒素入れ装置を用いて、成形チャンバーに窒素ガスを入れて、窒素ガス保護の工程を行う。
    工程３）：粉料供給及び塗布装置を用いて、粉体（５）に粉末を塗布して、均一で滑らかな走査しようとする粉面層構造を形成する。
    工程４）：温度調節器（３）により全面的な予熱の温度及び部分的な予熱の温度をそれぞれ材料の融点より２０℃〜１２０℃及び１〜５０℃低い範囲にして、成形シリンダー（１１）内の基板（１０）の温度及び成形シリンダー（１１）の四壁の温度をそれぞれ材料の融点２０℃〜１５０℃及び２０℃〜２００℃の範囲にする。
    工程５）：マスク板（２）は、走査しようとする部品（６）の断面プロファイルと走査された部品の断面プロファイルとに応じて対応のマスクを形成して、部分的な予熱用光源の熱量を成形部品（６）の断面の表面の予熱ゾーンに至って、部分的な走査しようとする粉末を加熱して成形する。
    工程６）：温度監視モニター（４）を用いて温度をリアルタイム監視して、それぞれ全面的な予熱温度及び部分的な予熱の温度に至ることを確認した後、レーザー走査機を用いて該層の部品（６）の断面プロファイルを走査して、該層の粉末焼結を完成させる。
    工程７）：基板（１０）が一層の厚さの分で下がった後、新しい一層の粉体を塗布して、温度監視モニター（４）により、全面的／部分的な予熱温度及び全面的な温度場の変化をリアルタイムに再確認して、焼結されたゾーンと未焼結ゾーンとに温度急変が存在すると、温度調節器（３）は、マスク（２）のプロファイル及び部分的な予熱用光源の出力を調整し、両者間の温度場を均一に渡った後、レーザー走査機を用いて、該層の断面プロファイルを再度走査する。
    工程８）：部品（６）のすべての断面プロファイルに対する焼結を完成させるまで、工程５）〜工程７）を繰り返す。
    工程９）：粉体（５）材料の特性に応じて、全面的及び部分的な予熱用光源の出力をゆっくりと低下させて、焼結された部品（６）及び未焼結の粉体をゆっくりと冷却させ、部品（６）の形状及びサイズの安定性を確保する。
    工程１０）：成形された部品（６）を取り出して、未焼結の粉末を回収し篩にかけて、再利用を行うことができるゾーンごとの予熱方法。

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