JP2023528956A - 作業手段、特にスキージの移動速度が重要な領域で減少する、３ｄ構造物を作製する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は３Ｄ構造物を作製する方法に関するものであり、課題は、３Ｄ印刷法で層を確実かつ正確に構築することで解決することである。この課題は、作製されるべき３Ｄ構造のデータを分析し、作製されるべき３Ｄ構造物の内部の重要な領域が割り出され、かつ３Ｄ構造物の作製において割出された重要な領域に到達した場合、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度が少なくとも一時的に減少する、ことで解決される。

Description

本発明は、３Ｄプリンタにおいて３Ｄ構造物が層状に構築される３Ｄ構造物を作製する方法に関する。

個々の又は大量生産の部品、工作物、又は型を製造するために、いわゆる３Ｄ印刷又はいわゆる３Ｄ印刷法を使用することが知られている。このような印刷法では、３次元の部品又は工作物が層状に構築されて製造される。

構築は、コンピュータ制御されて、所定の寸法及び形状に従って、１つ又は複数の液体材料又は固体材料から行われる。立体印刷されるべき部品又は工作物の基準値は、例えばいわゆるコンピュータ支援設計システム（ＣＡＤ、英語：ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）によって提供することができる。

３Ｄ構造物又は３Ｄ部品を印刷するとき、物理的又は化学的な硬化プロセス又は溶融プロセスが、成形材料とも称される粒子状の造形材料内で起こる。このような３Ｄ印刷法用の材料としては、例えばプラスチック、合成樹脂、セラミックス及び金属等の造形材料又は成形材料が使用される。

３Ｄ印刷法を実装する場合には、様々な製造方法シーケンスが知られている。

ただし、これらの方法シーケンスのいくつかは、以下に例示的な方法ステップを含む。
・非硬化性の粒子材料からなる層を形成するための、いわゆる造形領域への粒子材料又は粒子状の構築材料とも称される粒子状の造形材料を部分的塗布又は全面塗布するステップ。
・選択的な圧縮、印刷、又は例えば接合剤等の処理剤の塗布、又はレーザの使用によって、所定の部分領域での非硬化性の粒子状の造形材料からなる塗布された層を選択的に硬化するステップ。
・部品又は工作物を層状に構築するために、別の層で、先行の方法ステップを繰返すステップ。このために、新たな層が部分的に又は全面に塗布される前に、造形領域上で層状に構築された又は印刷された部品又は工作物が、造形領域と共にそれぞれ１層面若しくは層厚だけ降下すること、又は３Ｄ印刷装置が、造形領域に対してそれぞれ１層面又は層厚だけ上昇することが企図されている。
・完成した部品又は工作物を取り囲む、ばらばらの非硬化性の粒子状の造形材料を、その後に除去するステップ。

従来技術において、３Ｄ構造物を作製する様々な方法又は３Ｄ構造物を作製するために造形領域に粒子状の造形材料を塗布する様々な方法が知られている。

特許文献１では、物体のそれぞれの断面に対応する点で、粉末状材料の層を硬化することによって３次元の物体を製造する装置において、粉末層を塗布するためのコータ及び方法が知られている。

解決されるべき課題は、粉末状の造形材料の層を固化することによって、３次元の造形物を製造する装置及び方法であって、３次元の物体の造形時間を短縮することができる、３次元の造形物を製造する装置及び方法を提供することである。

この目的のために、装置は、造形領域内で粉末状の造形材料の層を塗布するために、造形領域にわたって移動可能なコータを備える。コータは、コータに固定して接続されている堅いブレードで構成されている。粉末状の造形材料を予熱するために、コータに、少なくとも部分的にコータ内で一体化されている加熱装置が設けられている。これによって、層として塗布する間又は塗布する前に、すでに粉末を予熱することが可能であり、従って、３次元の物体の全体的な造形時間を短縮することが可能である。

特許文献２からは、層造形技術を用いて３次元の成形部品を製造する方法が知られていて、その際、造形材料混合物の水分含有量を調節することができる。

一定の材料特性、特に造形材料の流動特性を構築プロセス中に保証することができる、方法及び材料システムが提供されることが目標である。

したがって、粒子状の造形材料は、造形領域上の定められた層厚で、コータを用いて塗布されることが企図されている。さらに、プリントヘッドを介してバインダー液体が造形材料に対して選択的に塗布され、その際、バインダー液体は、砂中に導入された少なくとも１つの活性剤を用いて重合される。また、造形領域は層の厚さだけ下降するか又はコータが１層の厚さだけ上昇し、かつこれらのステップは、所望の成形部品が作製されるまで繰り返されて、その際、造形材料、バインダー液、及び／又は活性化剤に、薬剤を導入するか又は薬剤が導入されていて、その薬剤によって造形材料混合物の水分含有量を制御することができることが企図されている。

この方法では、砂中の水分が制御される。特に、水分含有量及び液体含有量は、調節される又は少なくとも安定化される。このようにして、基本的には、３次元成形部品の製造中に常に同じ化学的特性と物理的特性を達成すべきである。

このような先行技術の３Ｄプリンタでは、１層又は複数の層が、一定の速度又はそれぞれ同じ速度で構築されることが一般的である。この場合、３Ｄ構造物が作製されるいわゆる造形領域上を、３Ｄプリンタの作業手段が移動する速度を意味する。

このような３Ｄプリンタの有効性を高めるためには、３Ｄ印刷をより短い時間単位で実施できるようにするために、この速度も増加される。この場合には、造形領域にわたり、作業手段の速度または移行速度が５００ｍｍ／ｓ以上で達成される。

しかし、この場合、特に次第に速度が増すと、小さな寸法の構造を正確に構築するには問題がある。

この既知の従来技術の欠点は、例えば、この影響を受けやすい領域又は機械的に影響を受けやすい領域において、３Ｄプリンタで１層を印刷するときの速度がますます速くなることにより、現在構築されるべき層又はその構築されるべき層の下にある層における部分領域に裂け目ができること又は位置ずれが起こり得ることである。これは、品質を低下させ、最悪の場合、不合格の製品をもたらす欠陥が３次元の最終製品において生じる。

従って、既知の技術を改善する必要があり、従って、３Ｄプリンタにおいて３Ｄ構造物を作製するための改善された方法が必要である。

独国特許出願公開第１０２００５０２２３０８号明細書 国際公開第２０１６／０９５８８８号

本発明の課題は、３Ｄプリンタにおいて３Ｄ構造物又は３Ｄ構造物の層を作製する方法を提供することにあり、これにより、３Ｄ印刷法での層の確実で正確な構築が生じる。

特に、現在構築されるべき層において又はこの現在構築されるべき層の下にある層において３Ｄ構造物の部分構造に裂け目ができること又は位置ずれが起こり得る重要な領域において、３Ｄ印刷の品質が保証されるべきである。

課題は、独立請求項の請求項１に記載の特徴を有する方法によって解決される。発展形態は、従属請求項に記載されている。

３Ｄプリンタで３Ｄ構造物を作製する方法は、基材塗布及び／又は流体塗布が行われるすべての３Ｄプリンタ又は３Ｄ印刷機械で、特に３Ｄ構造物の構築がコンピュータ制御される３Ｄプリンタ又は３Ｄ印刷機械で使用されることが企図されている。

このような３Ｄプリンタは、３Ｄ印刷中に層の構築を制御する制御ユニットを備える、この制御ユニットは、制御コマンドが機械可読形態又は機械可読コードで送信される。

３次元印刷における層の作製を制御して、制御コマンドを有する機械可読コードは、印刷されるべき部品又は工作物の基準値からコンピュータ支援設計システム（ＣＡＤ）によって作製でき、かつ３Ｄプリンタの制御ユニットに送信され得る。通常、この機械可読コードは、例えば、国際規格ＩＣＥ ６１１３１又は国際規格ＩＣＥ ６１４９９などの通常の基準又は規格に対応するデジタルコードである。

作製されるべき３Ｄ構造物内又は作製されるべき３Ｄ構造物の層内の、いわゆる重要な領域が見つかるように、作製されるべき３Ｄ構造物の分析を行うように企図されている。

この分析では、特に、現在の層を適用する場合に、作製されるべき３Ｄ構造物に欠陥が発生するリスクがある領域は重要な領域として分類される。この場合には、作製されるべき３Ｄ構造物における欠陥が、一つ又は複数の層において作製されるべき３Ｄ構造物の領域又は部分領域で裂け目ができること又は位置ずれを意味する。

作製されるべき３Ｄ構造物の部分構造を基板の表面上に直接塗布する領域は、この場合では、塗布されるべき部分構造と基板の間の不十分な接着が生じ得るため、重要な領域として分類される。この場合、基板は、作製されるべき３Ｄ構造物が層状に構築される表面であり、３Ｄプリンタの造形領域または造形ベッドとも呼ばれる。

このような重要な領域は、作製されるべき３Ｄ構造物の部分構造を、その下にある層の小さな部分構造に適用すべき領域でもある。このような小さな部分構造は、例えば、層状に積み重ねて配置されている部分構造の寸法が、例えば、これらの部分構造の積層構造では、低い機械的強度しか期待できないほど小さい場合に生じる。例えば、０．１ｍｍの長さの範囲内及び０．１ｍｍの幅の範囲内から５ｍｍ以上の長さ及び５ｍｍ以上の幅の範囲内までの、可能な限り小さい寸法を有する部分構造がこのような低い強度を有する。この寸法は、成形材料、成形材料の加工速度、及び流体特性に依存する。更に、そのような重要な領域は、例えば、製造されるべき、３Ｄ構造物が難しい又は複雑である場合、現在の層の一部を備えることもできる、又は完全な層でもあり得る。

この場合は、長さが、とうぜん部分構造の幅と同じである必要はない。特に、指定された寸法の範囲内の長くても非常に狭い部分構造もまた、構築中に低い機械的強度を有する。この場合、このような細くて長い構造の配向も決定的である。例えば、長さ２０ｍｍ、幅０．３ｍｍの寸法を有する、細長い部分構造が、３Ｄプリンタの作業手段が造形領域を移動する方向に長手延在方向の広がりを有する場合、層構造に問題が、例えば、３Ｄプリンタの作業手段が造形領域上を移動する速度が高すぎる場合には、この部分構造の始まり及び終わりにのみ問題が生じる。

３Ｄプリンタのそのような作業手段は、例えば、スキージ、ブレード、又は振動ブレードなどのかき取り要素である。

造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段が移動される方向に対して９０度の角度でその長手方向延在部を有するこの細長い部分構造は、配向され、層ごとに構築すべきである場合、
造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度が高すぎるとき、この細長い部分構造の領域全体に沿って層構築に問題が生じる。

別の重要な領域は、作製されるべき３Ｄ構造物の部分構造が、造形領域にわたる３次元プリンタの作業手段の移動速度が高すぎる場合に十分な支持を提供しない土台の上に塗布される領域である。

このような１つの基材は、粒子状の造形材料である。この場合、作製されるべき３Ｄ構造物の複数の層のうちの１層の構築後、粒子状の構造材料上のある場所で、部分構造を、この部分構造の位置での粒子状の構造材料の選択的固化又は接着によって、作製するとき、この部分構造が作製されるべき３Ｄ構造体との接続、又は接続点をまだ有していないために、上記の場合が生じる。この場合には、３Ｄ構造物へのこのような接続が、後に作製されるべき、かつ造形ベッドへのより大きい間隔を有する層において３Ｄ印刷プロセスの過程で初めて確立される。

さらに、重要な領域のためのさらなる基準を指定し、かつこれらを分析に加えることが可能である。

作製されるべき３Ｄ構造物の分析中に、構造体構築における重要な領域が認識される場合、この認識された重要な領域に対するデータ又は移動データが生成され、かつ記憶され、又は文書化される。このデータは、認識された重要な領域の場所又は位置に関する少なくとも１つの情報を含む。したがって、構造ベッド上または構造ベッドにわたるその位置は、対応する座標（例えば、造形領域上での座標系のＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向）で知られている。

更に、このデータは、重要な領域又は現在の層で製造される部分領域のＸ座標及びＹ座標に加えて、部分構造のトラック曲線若しくは外側輪郭、及び／又は例えば長さと幅を備える、境界ボックスと称する、部分構造の寸法若しくは範囲に関する情報を含み得る。

分析のデータ又は移動データ、すなわち認識された重要な領域を制御ユニットに送信することが企図されている。認識された重要な領域に対するデータのそのような送信は、制御ユニットに対して単独で行うことができる又は制御ユニットに対して３Ｄ構造物の層ごとの造形を制御ユニットによって制御するデータと共に行うことができる。

制御ユニットは３Ｄ構造体を構築する現在の位置と重要な領域の位置データの比較を実施すること、かつ一致が検出された場合、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度を変更することが企図されている。

この変化は、重要な領域又は特に重要な領域における移動速度の大幅な減少であり得る。代替的には、この変化は、あまり重要でない領域における移動速度のより小さい減少であり得る。

移動速度の変化に加えて、基材の排出、即ち、造形領域にわたって駆動メータ毎に塗布される粒子状の基材の基材量を制御すること、又は粒子状の基材の基材量を変化する移動速度に適合させることが企図されている。このように、塗布された粒子状の基材の高さは、調節されるか又は一定に保たれる。

また、このような比較はリードタイムで行われ、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度が、重要な領域に達する直前に減少することも企図されている。この場合、このリードタイムに対して時間を決定することができる。代替的には、移動速度が重要な領域に到達する前に減少する距離を決定することができる。

造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度が指定された速度限界を下回る場合、移動速度の減少をもたらさないことが企図されている。

同様に、制御ユニットは、そのような重要な領域からいつ出るかを、３Ｄ構造物を構築する現在位置を、重要な領域の位置データと比較することによって認識することが企図されている。この場合、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度を、再び変更することができる、例えば増加することができる。移動速度のこのような増加は、重要な領域に到達する前に３Ｄプリンタの作業手段が移動していた移動速度に再び到達するまで継続することができる。代替的には、移動速度の増加は、作業手段の最大可能移動速度に達するまで継続することができる。

さらに、重要な領域の分析中に、この重要な領域による３Ｄ最終製品における欠陥の発生の確率の程度が、決定されることが企図されている。この確率が高い場合には、より低い確率の場合よりも、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度を低減することが企図されている。従って、３Ｄ構造物の特に敏感な部分領域を確実に作製することができ、その際、敏感でない部分領域では、作業手段の移動速度をより小さな減少は、３Ｄ構造物の作製における時間的利点を可能にする。

また、作業手段の移動速度の変化に伴って、いわゆる基材塗布パラメータを相応に調整することが実行されることも企図されている。この場合、例えば、層に塗布されるべき粒子状基材の量は、速度に依存して影響を受ける。したがって、単位時間当たりに塗布されるべき粒子状基材の量は、粒子状基材の一定の層厚を達成するために速度が増加するにつれて増加し、その逆もまた同様である。

上述の本発明の特徴及び利点は、以下の本発明の好ましい非限定的な例示的実施形態の以下の詳細な説明を関連する図面とともに注意深く検討した後、よりよく理解及び評価できるであろう。

３Ｄプリンタにおいて３Ｄ構造物を作製する本発明による方法の例示的なプロセスフロー

図１には、３Ｄプリンタにおいて３Ｄ構造物を作製する本発明による方法の例示的なプロセスフローが描画されている。

ステップ１では、３Ｄプリンタにおいて３Ｄ構造物を、又は３Ｄ構造物の層を作製する方法を開始する。

第２のステップ２では、作製されるべき３Ｄ構造物の分析が、作製されるべき３Ｄ構造物内又は作製されるべき３Ｄ構造物の層内のいわゆる重要な領域が見つかるように実施される。分析の基礎となる３Ｄ構造物を作製するデータは、例えば、コンピュータ支援設計システムを用いて生成することができ、かつデジタルコードなどの機械可読形態で存在する。

この分析では、重要な領域、即ち、機械的に影響を受けやすい領域（この領域では、上記に列挙された例に従って部分構造の裂け目ができること又は位置ずれが生じ得ること）が割り出される。ステップ３では、位置データがこの領域に対して決定され、かつ記憶される。例えば、この位置データは、造形領域の座標系のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応できる。代替的に、造形領域にわたる１つのＸ座標と１つのＹ座標、並びに見つかった重要な領域が位置する対応する層の番号も決定することができる。

ステップ２において、作製されるべき３Ｄ構造物の分析中に重要な領域が決定されない場合、ステップ６において、３Ｄ構造物を作製する方法は終了する。これに平行して３Ｄ印刷が行われ、コンピュータ支援造形システムによって作製された機械可読データを変換し、かつ３Ｄ印刷を制御する制御ユニットを用いて制御される。

ステップ３において決定された位置データは、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＳＰＳ：ｓｐｅｉｃｈｅｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｅｒｂａｒｅ Ｓｔｅｕｅｒｕｎｇ）などの３Ｄ印刷を制御する制御ユニットに送信され、かつ３Ｄ印刷の制御シーケンスに応じて組み込まれる。

ステップ４において３Ｄ印刷の作製中に、前の分析で重要な領域として識別された位置に到達した場合、
ステップ５において、３Ｄプリンタの作業手段の造形領域にわたる移動速度が制御装置によって変更され又は減少される。

作業手段の移動速度のこの減少は、ステップ５において重要な領域に到達する直前にすでに起こり得る。重要な領域を離れた後、作業手段の移動速度は、ステップ５において再び増加される。その際、速度のこの増加は、時間遅延を伴って行うこともできる。

作業手段の移動速度の増加は、例えば、需要な領域に到達する前に駆動された速度又は最大可能速度に到達するまで行われる。

制御ユニットによる、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度の制御と並行して、移動速度の変化に関連するパラメータ、例えば、単位時間当たりの層に塗布されるべき粒子状材料の量、又は（粒子状材料を引き付ける及び／又は凝固することができる）ブレードの圧力などが、速度に応じて制御ユニットによって調整される。

代替的には、作業手段の移動速度は、重要な領域をはるかに超えて空間的に延在する領域に対して、制御ユニットによって低減されることが可能である。

同様に、ある層において一つ又は複数の重要な領域が分析で見つかった場合、この現在の層全体の作業手段の移動速度を減少することが可能である。

さらに、例えば、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段のより連続的な移動を確実にするために、特定の数の重要な領域が分析されている場合、現在の層全体に対して作業手段の移動速度が減少することも可能である。

３次元印刷が完了すると、３Ｄ構造物を作製するためのプロセスがステップ６で終了する。

一例では、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段のそのような移動速度は、１０００ｍｍ／ｓとすることができ、一方、重要な領域内又は重要な領域の前の作業手段の移動速度は、３００ｍｍ／ｓに低減される。

１ 開始
２ 作製されるべき３Ｄ構造物の分析
３ 位置データの決定と記憶
４ ３Ｄ印刷の作製
５ 移動速度の調整
６ 終了

Claims (10)

1. ３Ｄ構造物を作製する方法であって、
   作製されるべき３Ｄ構造物の提供されたデータを用い、３Ｄプリンタで３Ｄ構造物を造形領域上で層状に構築する、当該方法において、
   作製されるべき３Ｄ構造のデータを分析し、作製されるべき３Ｄ構造物の内部の重要な領域が割り出され、かつ
   ３Ｄ構造物の作製において割出された重要な領域に到達した場合、造形領域にわたる３Ｄプリンタの作業手段の移動速度が少なくとも一時的に減少する、
   ことを特徴とする方法。
2. 重要な領域は、作製されるべき３Ｄ構造物の部分構造を基板の表面上に直接塗布する領域であり、及び／又は
   重要な領域は、作製されるべき３Ｄ構造物の部分構造を、その下にある層の小さな部分構造の上に塗布する領域であり、及び／又は
   重要な領域は、作製されるべき３Ｄ構造物の部分構造が、十分な支持を提供しない土台の上に塗布される領域である
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 位置データは、見つかった重要な領域に対して生成され、かつ記憶されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 位置データは、層の番号の情報と造形領域上の座標系における１つのＸ座標、及び１つのＹ座標を含む、又は位置データは、造形領域上の座標系における１つのＸ座標、１つのＹ座標、及び１つのＺ座標を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ３Ｄプリンタの作業手段の移動速度の減少は、重要な領域を離れた後に終了されること、かつ
   重要な領域に到達する前の作業手段の現在の移動速度が回復されること、又は
   作業手段の最大可能移動速度に到達されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 作業手段の移動速度の減少が重要な領域の到達前に行われ、このための距離又は時間単位が予め設定されることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 作製された位置データが制御ユニットに送信され、この制御ユニットは、作製されるべき３Ｄ構造物の提供されたデータで３Ｄ印刷を制御し、かつ作業手段の移動速度を位置データで制御することを特徴とする請求項３～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 制御ユニットは、作業手段の移動速度を制御することと平行して、単位時間当たりに塗布されるべき粒子状基材の量を制御するためのパラメータの調整を実行し、これにより、粒子状基材の均一な層厚が保証されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 重要な領域は、５ｍｍ未満の長さ及び／又は５ｍｍ未満の幅を有する寸法、特に１ｍｍ未満の長さ及び／又は１ｍｍ未満の幅を有する寸法を有することを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 作製されるべき３Ｄ構造物のデータと位置データは、機械可読形式で提供されることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
    

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