JP2021522094A - セルフシーリング設計の造形物コンパートメント - Google Patents

Abstract

本発明は、粉末ベッドに基づく３Ｄ印刷システムにおいて使用される造形物コンパートメントに関する。造形物コンパートメントは、粉末の薄層を連続的に固着させることによって３Ｄオブジェクトが形成される、３Ｄ印刷機器における空間である。造形物コンパートメントは、互いに対して移動可能な少なくとも２つの垂直壁構造を有するように設計される。可動壁構造は、可動方向において少なくとも部分的に重なり、粉末を封入するための可変空間のためにセルフシーリングを提供する。他の利用可能な設計とは対照的に、この解決策では、粉末漏出が造形物コンパートメントから出ることを防止するために、例えばエラストマー、織物フェルト、または組紐などの圧縮性封止材を必要としない。封止の信頼性がより高く、封止材の破片が粉末に混入するリスクが無いという利点がある。

Description

本発明は、粒状材料、より具体的には粉末材料から、粉末ベッドにおいて粉末材料を１層ずつ固着することによって３次元オブジェクトを作成するための付加製造機に関する。固着は様々な手段、例えば、エネルギー線を用いる融合もしくは焼結、または、バインダージェッティングによる接着によって実行できる。

現在利用可能な粉末ベッド付加製造機は通常、製造プロセス中に造形物コンパートメント内において、連続的に造形された３次元オブジェクトを下降させるための可動テーブルを有する。粉末の漏出を防止するべく、可動テーブルと、粉末および３次元オブジェクトを囲む造形物コンパートメントとの間に圧縮性封止材、例えばエラストマー、織物フェルト、または組紐を設けることが一般的な慣行である。そのような機械ではしばしば、封止の欠陥に起因する粉末漏出の問題がある。これは、例えば機械における過酷な環境（摩擦、熱、真空、放射線など）に起因し得、封止材の劣化、および、その封止特性の喪失を引き起こす。更なる課題は、粉末および３次元オブジェクトに、劣化した封止からの破片が混入し得ることである。そのような混入が起きると、３次元オブジェクトの材料特性が劣化し得、また、造形物コンパートメントからの過剰な粉末を再使用することが不可能になり得る。

本発明は、粉末から３次元オブジェクトを製造するための機器であって、互いに対して移動可能な少なくとも２つの壁構造を有する造形物コンパートメントを備え、上記壁構造は、少なくとも部分的に可動方向において重なり、粉末を封入するための可変空間を提供する、機器に関する。実施形態において、上記少なくとも２つの壁構造は垂直壁構造である。実施形態において、上記少なくとも２つの壁構造は内側壁構造および外側壁構造である。

実施形態において、上記内側壁構造は固定位置を有し、上記外側壁構造は可動であり、上記外側壁構造には床面が取り付けられる。

実施形態において、上記２つの壁構造は、内側シリンダおよび外側シリンダの形状を有する。

実施形態において、上記２つの壁構造は、内側円筒形シリンダおよび外側円筒形シリンダの形状を有する。

実施形態において、機器は、上記造形物コンパートメントの３次元オブジェクトのための内部未使用空間を低減するための第３壁構造を含む。

実施形態において、機器は固められていない粉末を上記造形物コンパートメントから除去するための機構を含む。実施形態において、機器は、上記造形物コンパートメントを冷却するための装置を含む。実施形態において、機器は、上記造形物コンパートメントを加熱するための装置を含む。実施形態において、上記３次元オブジェクトは、上記粉末から１層ずつ製造される。実施形態において、上記３次元オブジェクトは、付加製造によって製造される。

本発明の範囲は、参照によって本章に組み込まれる特許請求の範囲によって定義される。当業者であれば、１または複数の実施形態の以下の詳細な説明を考慮することによって、本発明の複数の実施形態をより完全に理解し、それらの追加の利点を認識するであろう。最初に簡潔に説明される添付の図面のページを参照されたい。

発明の説明においては、以下の図を参照する。
粉末が容器における開口から流れ出し、安息角αの静止粉末斜面を生成することを模式的断面図において示す。容器における開口からの粉末の連続的な流れは無い。 容器における開口から流れ出す液体を模式的断面図において示す。図１Ａとは対照的に、容器が空になるまで液体は流れ続ける。 本発明の好ましい実施形態を模式的断面図において示す。製造プロセスの初期段階を表す。 本発明の好ましい実施形態を模式的断面図において示す。製造が完了した最終段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造プロセスの初期段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造が完了した最終段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造プロセスの初期段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造が完了した最終段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造プロセスの初期段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造が完了した最終段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造プロセスの初期段階を表す。 本発明の実施形態を模式的断面図において示す。製造が完了した最終段階を表す。

本開示の実施形態およびその利点は、以下の詳細な説明を参照することによってもっとも良く理解される。参照番号は、１または複数の図において示される同様の要素を識別するために使用されることを理解すべきである。

本発明の理解を容易にするべく、以下において、いくつかの用語を定義する。「粉末」という用語は、この文脈において、粒状材料の構成物である個別の粒子または顆粒のサイズ、形、組成に関係なく、任意の種類の粒状材料を指す。

「３次元オブジェクト」という用語は、この文脈において、付加製造機において粉末から形成できる、任意の種類の３次元プリフォーム、または、３次元プリフォームの任意の組み合わせを指す。付加製造機から出てきたものなどの３次元オブジェクトは、意図される用途のための準備ができた状態に到達するために、１または複数の段階の更なる処理を必要とし得ることが理解される。

この文脈において、「製造」という用語は単に、付加製造機において、粉末粒子を共に接着して３次元オブジェクトにする処理を指す。接着は、例えば、エネルギー線を用いた融合または焼結によって、または、液体の結合剤を添加することによって実行できる。したがって、この文脈において、「製造」という用語は、３次元オブジェクトが最終状態に到達したことを意味するものではない。３次元オブジェクトは、意図される用途のための準備ができた状態に到達するために、１または複数の段階の更なる処理を必要とし得る。

開示される発明は、粉末材料は上方に流れることができないので、互いに重なる容器の側壁によって封止を達成できるという理解に基づく。粉末は、気体および液体とは異なり、せん断応力を支えることができる。容器の底の近くにある開口から粉末を流すとき、図１Ａに図示されるように、粉末は０度より大きい安息角αを示す。このことは、粉末中の粉末粒子間で内部的にせん断応力を支えることにより、粉末斜面が生成され、粉末斜面が開口の上端に到達したときに容器からの粉末の流出が停止することを意味する。一方で、図１Ｂに図示するように、液体は通常、０度に等しい安息角を有する。液体は、その流出を防止する静止斜面を生成しない。したがって、液体は容器が空になるまで流れ続ける。

本発明の目的は、粉末を混入させず、容易に掃除でき、多くの異なる粉末材料に対応するセルフシーリング式の造形物コンパートメントを提供することである。この目的は、独立請求項において定義される機器によって達成される。独立請求項は、本発明の有利な実施形態、さらなる展開、および変形を含む。

本発明の実施形態は、図２Ａおよび図２Ｂに示される。粉末および製造された３次元オブジェクトを格納するための造形物コンパートメントを有する機器が提供される。造形物コンパートメントは、上記造形物コンパートメントの空間を拡大させるために、固定的な第１の内側垂直壁構造２０３と、下方向へ移動可能な第２の外側垂直壁構造２０４とを有し、これによって可変空間を生じさせる。可変空間は、３次元オブジェクト２０６を１層ずつ製造している間に、床面２０８を連続的に下降させることによって、造形物のための空間を拡大させるために使用される。上記造形物コンパートメントの可動部分は、第２壁構造２０４と、上記第２壁構造２０４に取り付けられた床面２０８とから構成され、それらは粉末がコンパートメントから流れ出すことを防止するための漏出防止接続を有する。第２壁構造２０４および床面２０８が第１壁構造２０３に対して下向きに移動するとき、造形物コンパートメントの空間が拡大する。造形物コンパートメントの空間を形成するために適切な水平面の断面、例えば円形または正方形の断面を有する第１壁構造２０３および第２壁構造２０４を形成できる。造形物コンパートメントの空間は、粉末およびオブジェクト２０６が造形物コンパートメントから出ることを制限するための第１壁構造２０３および床面２０８によって形成される。コンパートメントは最上部に開放端を有し、エネルギー線２０７を用いて粉末層を融解して３次元オブジェクト２０６を連続的に造形するための粉末表面を提供する。３次元オブジェクト２０６の製造中、上記造形物コンパートメントの上記可動部分は、１層ずつ降下される。第１垂直壁２０３および第２垂直壁２０４は、互いに実質的に平行に配置され、垂直方向において互いに重なり、ある距離だけ離れることによって、第１壁２０３と第２壁２０４との間に水平方向の間隙を生じさせる。粉末ベッド付加製造システムにおいて一般に使用される粉末サイズの場合、上記間隙の距離は、０．３〜３．０ｍｍの範囲にあることが好ましい。水平方向の間隙がある場合でも、粉末は上方向に流れないという事実に起因して、粉末が上記造形物コンパートメントから流れ出すことが防止される。上記可動部分が連続的に降下されるとき、第１垂直壁２０３と第２垂直壁２０４との間の重なりによって、上記第１壁構造２０３の下端と上記第２壁構造２０４の上端との間の垂直方向の距離が生じることに起因して、粉末がコンパートメントから流れ出ることが防止される。粉末が造形物コンパートメントから流れ出ることを回避するために、可動部分のもっとも低い位置は、粉末が第１壁構造２０３および第２壁構造２０４によって造形物コンパートメントから流れ出ることを防止される位置に制限される。

明確性と完全性のために、図２Ａおよび図２Ｂはまた、粉末の小部分の提供元となる粉末容器２０２と、粉末の薄層を供給するために粉末ベッドおよび粉末テーブル２０５の上を移動する粉末供給器２０１とを含む模式的な粉末供給システムを示す。粉末供給システムは、多くの異なる方式で具現化でき、図２Ａおよび図２Ｂの模式図は例示を目的とするものに過ぎないことに留意すべきである。本発明の機能とは関係ないため、粉末供給システムについてはさらに説明しない。

図３Ａおよび図３Ｂにおいて示される別の実施形態において、造形物コンパートメントは、互いにスライドする複数の壁構造３０３、３０４、３０７を有する入れ子構造である。図３Ａおよび図３Ｂでは３つの壁構造３０３、３０４、３０７が図示されているが、より多くの壁構造が使用されてもよい。この実施形態の機能は、前の実施形態と同一であるが、造形物コンパートメントの全体的な高さを減らしながら、高さが増加した３次元オブジェクト２０６を製造できるという利点が追加される。

図４Ａおよび図４Ｂにおいて示される、さらに別の実施形態において、可動部分は、互いに接続された第２壁構造４０４、第３壁構造４０９、および床面２０８から成る。可動部分に第３垂直壁構造４０９が設けられるとき、造形物コンパートメントにおいて床面２０８の位置を高くすることが可能になる。このようにすることで、３次元オブジェクト２０６の製造を開始する前にコンパートメントを充填するために必要な粉末が少なくなる。なぜなら、このようにしない場合、オブジェクト２０６を製造できるようになる前に、粉末供給器２０１は、造形物コンパートメントの未使用空間を粉末で充填する必要があるからである。第３壁構造４０９が設けられるとき、製造されるオブジェクトの下における粉末の無駄な未使用空間が回避される。この場合、第１垂直壁４０９と、第２垂直壁４０３と、第３垂直壁４０４との間に２つの水平方向の間隙が存在することになる。第２壁構造４０４および第３壁構造４０９は両方とも、可動方向において第１壁構造４０３と少なくとも部分的に重なる。第３壁構造４０９を設けることによって、造形物コンパートメントの内部空間を低減することにより未使用の粉末空間を回避できる。したがって、造形物コンパートメントの大部分が３次元オブジェクトによって使用され、上記造形物コンパートメントの内部未使用空間が低減される。

図５Ａおよび図５Ｂに示される、さらに別の実施形態において、可動部分が最下部位置に到達したとき、可動部分の最外壁構造５０４は、昇降機構５１０によって持ち上げられる。この機構により、造形物コンパートメントから固められていない粉末を除去するために、第２壁構造５０４が第３壁構造４０９および床面２０８から分離可能である。このようにして、製造が完了した直後に、固められていない粉末を重力によって造形物コンパートメントから除去することができる。これにより、次の造形物のために付加製造機の準備を行うとき、過剰な粉末を一掃することが容易になる。すぐに粉末を除去することのさらなる利点は、３次元オブジェクト２０６の冷却速度が向上することである。なぜなら、３次元オブジェクト２０６の周りに残った粉末はいずれも、断熱材として作用するからである。

図６Ａおよび図６Ｂに示される、さらに別の実施形態において、床面２０８は、例えば銅または別の金属などの熱伝導性が高い材料の厚いブロックとして設計される。床面２０８の内部には冷却または加熱するための装置６１１がある。冷却する場合、上記装置６１１は、冷たい水、油、または空気などの流れる冷却媒体が充填された内部チャネルであり得る。加熱する場合、上記装置６１１は、熱い油などの流れる加熱媒体が充填された内部チャネルであり得る。代替的に、加熱する場合、上記装置６１１は、内部電気加熱装置であり得る。図６Ａおよび図６Ｂの実施形態の利点は、上記の巨大な床面２０８が、造形物コンパートメントのための熱緩衝材として作用し、製造プロセスを通して安定した温度を維持することを助けることである。さらに、製造プロセスを安定化し、３次元オブジェクトの品質を最適化するべく、上記加熱／冷却装置６１１は、造形物温度を制御するのに使用することができる。さらに、上記装置６１１は、製造が完了した直後の冷却速度を改善するために使用することができる。

いくつかの実施形態において、造形物コンパートメントの可動部分は、図２Ｂ、図４Ｂおよび図６Ｂの最下部位置において、垂直壁構造の間の垂直方向の負の重なりの位置に来てよい。小さな負の重なりでも、粉末の安息角に起因して、粉末が流れ出すことを依然として防止できる。しかしながら、粉末がコンパートメントから流れ出るときに位置に余裕をもたせるために、垂直壁構造の間に正の重なりを維持することが望ましい。

これらの異なる実施形態は、単に例としてみなされるべきであり、造形物コンパートメントの可能な異なる形状を制限するものとみなされるべきでない。実施形態は、互いに様々な組み合わせにおいても採用され得る。

Claims (12)

1. 粉末から３次元オブジェクトを製造するための機器であって、
   互いに対して移動可能な少なくとも２つの壁構造を有する造形物コンパートメントを備え、前記壁構造は、少なくとも部分的に可動方向において重なり、粉末を封入するための可変空間を提供する、機器。
2. 前記少なくとも２つの壁構造は垂直壁構造である、請求項１に記載の機器。
3. 前記少なくとも２つの壁構造は内側壁構造および外側壁構造である、請求項１または２に記載の機器。
4. 前記内側壁構造は固定位置を有し、前記外側壁構造は可動であり、前記外側壁構造には床面が取り付けられている、請求項３に記載の機器。
5. 前記２つの壁構造は、内側シリンダおよび外側シリンダの形状を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の機器。
   
6. 前記２つの壁構造は、内側円筒形シリンダおよび外側円筒形シリンダの形状を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の機器。
7. 前記造形物コンパートメントの前記３次元オブジェクトのための内部未使用空間を低減するための第３壁構造を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の機器。
8. 前記造形物コンパートメントから、固められていない粉末を除去するための機構を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の機器。
9. 前記造形物コンパートメントを冷却するための装置を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の機器。
10. 前記造形物コンパートメントを加熱するための装置を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の機器。
11. 前記３次元オブジェクトは、上記粉末から１層ずつ製造される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の機器。
12. 前記３次元オブジェクトは付加製造によって製造される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の機器。

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