JP3066606B2 - ３次元物体の製造方法及び装置 - Google Patents

３次元物体の製造方法及び装置

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JP3066606B2
JP3066606B2 JP8514971A JP51497196A JP3066606B2 JP 3066606 B2 JP3066606 B2 JP 3066606B2 JP 8514971 A JP8514971 A JP 8514971A JP 51497196 A JP51497196 A JP 51497196A JP 3066606 B2 JP3066606 B2 JP 3066606B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求項１および21の前提部分に記載された
３次元物体の製造方法、ならびに請求項17および25の前
提部分に記載された、上記方法を実行するための装置に
関する。
この種の方法および装置は、ドイツ特許第4300478号C
1に開示されている。図１に示すように、従来の装置
は、切り抜き２として形成された穴を有する略水平な作
業台１を有している。切り抜き２は、製造される物体３
の最大横断面よりも大きい。作業台１の上方には、レー
ザーとして構成され、集束光ビーム５を発生する照射装
置４が設けられている。この集束光ビームは、偏向装置
６により偏向され、偏向ビーム７として作業台１の平面
上に導かれる。制御部８は、切り抜き２によって規定さ
れる作業領域内の所望の箇所に偏向ビーム７が照射され
るように、偏向装置を制御する。
プラットフォーム状に形成されたやはり略水平な支持
部９が、切り抜き２の下方に設けられている。高さ位置
決め装置10により、支持部９を、支持部９の表面が切り
抜き２内にあり、かつ作業台１の表面とほぼ同一平面と
なる最高位置と、支持部と作業台との距離が物体３の最
大高さより大きい最低位置との間で、矢印11の方向に移
動させることができる。
電磁放射作用を受けて固化可能な粉末材料13の均一な
層を塗布するための塗工装置12は、作業台１と切り抜き
２を横切って水平方向に移動可能である。例えば、塗工
装置12は、層を平坦化するためのワイパーを備えた貯蔵
コンテナとして形成されている。
制御部８および高さ位置決め装置10は、ともに、それ
らを調和させて制御するための中央制御部14に接続され
ている。
レーザー焼結として知られている方法において、高さ
位置決め装置10は、最初に、支持部９の表面が作業台１
の表面と同一平面となる最高位置まで支持部９を移動さ
せ、続いて第１の材料層の予定の厚さに相当する分だけ
支持装置を下降させ、切り抜き２内にくぼみ領域を形成
する。このくぼみ領域は、側面を切り抜き２の壁によっ
て、底面を支持部９の表面によって規定されている。つ
いで、材料13の第１の層が、切り抜き２と支持部９によ
って形成されたキャビティ内に供給され、塗工装置12を
用いて平坦化される。その後、制御部14は、その制御の
もとで、偏向装置６を制御し、偏向ビーム７を、制御部
14内に記憶された物体３の座標データに従って層の固化
すべき箇所に当て、そこで材料を焼結させる。その後、
制御部14を制御して、偏向ビームを切り抜き２の内壁に
隣接した材料層の領域のみに導き、そこで材料層を焼結
させる。これにより、層の残りの粉末材料を完全に取り
囲む第一の環状壁層が形成される。
続くステップにおいて、支持部９を、次の層の層厚ず
つ下降させ、第１のステップと同様の操作を行なう。物
体の各層の製造中に、下側の環状壁層の上に次の環状壁
層を焼結させることにより、コンテナ壁を形成する環状
壁領域15が作成される。この環状壁領域は、残りの未焼
結の材料13と共に物体３を囲み、支持部９を作業台１よ
りも下に下降させたときに材料13が流出するのを防いで
いる。これらのステップは、物体３が完成するまで繰り
返される。
同時固化されたコンテナ壁15は、内側にある未固化の
粉末材料13をしっかりと保持している。すなわち、未固
化粉末材料は、その上の層のための支持部として機能す
る。円筒状のコンテナ壁15に加えて底面および蓋部を固
化すれば、レーザー焼結装置内で、成形された物体を長
時間にわたって冷却することを回避することができる。
なぜなら、物体をコンテナと共に装置から取り外し、冷
却するために別の場所に運ぶことができるからである。
しかしながら、この従来の方法には、以下の欠点があ
る。コンテナ壁15は、各層ごとに照射しなければならな
い独立した構成部分である。従って、製造時間が不必要
に長くなる。従来、レーザービームの焦点整合は、その
縁部、即ちコンテナ壁を固化するために用いられる領域
において、低下する。そのため、安定したコンテナ壁を
安全に構築することが困難となる。
さらに、物体の各層を固化する際にレーザーを用いて
形成されるコンテナ壁は、層の表面を横切って塗工を行
なう際に層の表面にある程度の圧力を加えるワイパー12
の障害となり、塗工工程を重ねるごとに壁が傷つくおそ
れがあるという欠点がある。
その上、従来の方法は、固化材料としての鋳型砂と組
み合わせて実施することができない。これは、薄くてし
かも十分に安定したコンテナ壁をレーザービームの照射
によって作ることができないからである。
本発明の目的は、安定したコンテナ壁を物体とともに
短時間で製造することのできる、３次元物体を製造する
方法および装置を提供することである。
この目的は、請求項１或いは21に記載の方法により、
および、請求項17或いは25に記載の装置によって達成さ
れる。
本発明のさらなる改良は、従属請求項に説明されてい
る。
本方法の利点は、コンテナ壁すなわちフレームの照射
時間が省かれることである。従って、多くの時間が節約
できる。本方法は、固化材料としての鋳型砂とともに使
用することに特に適している。
本発明のさらなる特徴と長所は、図面を参照して実施
例の説明により明らかとなる。
図１は、レーザー焼結により３次元物体を製造するた
めの従来の装置の横断面を概略的に示している。
図２は、本発明の方法を実行するための装置の一実施
例の横断面を概略的に示している。
図２に示されているように、本方法を実行するための
装置は、図１に示した装置と同じ構成要素を有してい
る。従って、同じ参照番号の構成要素の説明は、繰り返
さない。
本装置は、追加的に、切り抜き２を規定する作業台１
の壁18に形成された凹部17内に設けられた例えば加熱コ
イルからなる加熱リング16を有している。加熱コイル16
は、壁18と同一平面で終端するように凹部17内に嵌入さ
れている。作業台１の凹部17は、レーザービーム７が材
料13の表面に当たるポイントによって規定される作業面
直下ではなく、作業面の数センチ下にある。本装置で
は、支持部９を加熱することが可能なため、支持部９上
に塗布される材料13の第１の層を、加熱作用を利用して
固化することができる。
従来と同様に、支持部９を、最初に、高さ位置決め装
置10を用いて最高位置に移動させ、これにより支持部９
の表面は、作業台１の表面と同一平面となる。つづい
て、第１の材料層の予定の厚さに相当する分だけ支持部
を下降させ、これにより切り抜き２内にくぼみ領域が形
成される。このくぼみ領域の側面は切り抜き２の壁18に
より、底面は支持部９の表面により規定されている。つ
いで、切り抜き２と支持部９によって規定されたくぼみ
領域内に、例えばフェノール樹脂で被覆したケイ砂から
なる鋳型砂などの焼結可能な粉末材料13の第１の層を、
塗工装置12を用いて、あらかじめ定められた層厚に塗布
する。
従来技術とは異なり、つぎに支持部９を加熱すること
により、塗布された第１の層が焼結され、加熱作用を受
けて固化される。このようにして、固体底面層20が、最
初に形成される。固化に必要な温度は、材料により80℃
から160℃の間である。
第２のステップにおいて、支持部９は、制御部14によ
り、高さ位置決め装置10を用いて、少なくとも１つの層
の厚さに相当する分だけ下降され、少なくとも１つの層
の厚さに相当する量の鋳型砂13が、塗工装置12によっ
て、切り抜き２内に生じたくぼみ領域内に塗布され平坦
化される。すなわち、少なくとも１つの未固化材料13の
層が、固化された底面層20の上に存在する。
次の層の層厚に相当する分だけ支持部を下降させ、材
料13を塗布し、平坦化した後、物体13の製造を開始して
もよい。この目的のため、制御部14は、偏向装置６を制
御して、偏向光ビーム７が、制御部14に記憶された物体
３の座標に対応する、層の固化すべき箇所に当たるよう
にする。
支持部９の下降時に物体３を囲む未固化材料13が加熱
コイル16の領域に到達すると直ちに、物体３と未固化材
料13を囲む材料13の環状領域が、熱伝導により熱焼結さ
れる。この環状領域は、数層分の厚さに相当する垂直方
向長さを有し、これは、凹部17および加熱コイル16の垂
直方向の高さに相当する。支持部９は、新しい層を固化
する前に毎回、例えば10分の数ミリ程度である１層分の
層厚ずつ下降されるので、対応する幾つかの層が、より
長時間にわたって加熱コイル16の加熱作用を受けること
になる。従って、コンテナ壁15は、切り抜き２の壁18に
隣接する材料13の積み重なった環状領域から連続的に固
化される。鋳型砂が加熱コイル16の作用を受ける時間
は、製造速度によって20分から１時間の間である。加熱
コイルの温度は、製造速度によって、80℃から160℃の
間である。製造工程が速くなるにつれ、即ち、材料13が
加熱領域にある時間がより短くなるにつれ、温度をより
高くしなければならない。
鋳型砂は、材料として特に適している。なぜなら、鋳
型砂と加熱コイルとが接着することがないからである。
支持部９を作業台１よりも下まで下降させた時、この
ようにして形成されたコンテナ壁は、材料13の流出を防
ぐ。従来のレーザーの作用によってコンテナ壁を固化す
る方法とは異なり、コンテナ壁15が作業面より上に延在
していないことから、コンテナ壁が塗工工程における塗
工装置12のワイパーの障害にはなることはない。固化す
べき境界領域への加熱作用は、層の照射とは別になって
いるため、従来の方法において必要とされる照射時間を
節約できる。各層ごとに約20秒の時間が節約できる。
最後の物体層を形成した後、コンテナ壁15は、上記の
ステップに従ってさらに固化され、物体３の上方に数層
の厚さ分だけ盛り上がる。続いて覆い層21がレーザー照
射により固化される。底面層20とコンテナ壁15と覆い層
21は、物体３と残りの未固化材料13とをしっかり包み込
むコンテナを形成している。
その後、物体３を内蔵したコンテナを、支持部９から
取り外し、冷却のための別の場所に運ぶことができる。
これにより、新たな物体の製造を即座に開始することが
できる。
種々の変更が可能である。例えば、底面層20および／
または覆い層21の形成を省くことができる。これは、特
に、物体を装置内で冷却しなければならず、その場合に
は露出状態にある残りの粉末材料をも含めてコンテナ15
内で安全な冷却が可能な場合に適している。あるいは、
底面層20を、やはりレーザーを用いた照射により固化し
てもよい。塗工装置12は、ドラムやスライダー、或いは
ブルーム状に設計したり、粉末材料の均一な層を塗布す
るのに適したその他のあらゆる形状に形成することも可
能である。切り抜き２の横断面は、円形である必要はな
く、正方形や、長方形、或いはその他のどのような形状
でも良い。加熱コイルを用いる代わりに、作業台の厚さ
全体を加熱することや、加熱ランプを使用することも可
能である。さらに、コンテナ壁の上に加熱可能なカバー
を載せることにより、或いは加熱ランプを用いて最上部
の未固化層を照射することにより、加熱作用を利用して
覆い層を固化することも可能である。
本方法は、鋳型砂の使用のみに限定されることなく、
樹脂被覆セラミック、或いは金属粉末を使用することも
可能である。また、固化材料として光硬化ポリマーを使
用することも可能である。さらに、焼結に十分なエネル
ギーをもつ指向性光ビームを発生する電磁放射のための
その他の放射源、例えばUVランプなどを照射装置として
使用することも可能である。また、電子線源により発生
させた電子線による照射も可能である。
さらなる実施例によれば、コンテナ壁15は、液体接着
剤を用いて固化される。この接着剤は、作業台に隣接す
る境界領域において、固化すべき材料に供給され、そこ
で接着を行なう。液体接着剤は、凹部17にはめこまれ、
複数個の放出ノズルを有する管を通って材料13に供給さ
れる。固化される材料に鋳型砂を用いる場合には、物体
の製造時間によって、約20分から約１時間の硬化時間を
要する接着剤が使用される。接着剤は、通常金属製の管
に付着しないものを選択しなければならない。液体接着
剤を供給する代わりに、材料13を固化する前に接着剤の
接着物質を材料に加えることが可能である。接着物質
は、管を通って供給される促進物質と反応し、これによ
り材料を固化させる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−183530（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−224726（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／25376（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 67/00 B23K 26/00

Claims (26)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電磁放射或いは粒子放射を用いて固化させ
    ることができる材料（13）の層を作業台（１）の切り抜
    き（２）中に供給してその材料（13）の最初の層を支持
    部（９）に塗布すること、前記支持部（９）を加熱して
    材料（13）の最初の層を固化させて底面層（20）を形成
    すること、切り抜き（２）を定める作業台（１）の内壁
    （18）に形成された加熱装置（16）によって、内壁（1
    8）に隣接する材料領域を加熱してその材料領域を固化
    させてコンテナ壁（15）を形成すること、及び物体
    （３）に対応する箇所に照射を行って材料層を固化させ
    ることを含むことを特徴とする３次元物体の製造方法。
  2. 【請求項２】材料（13）として固体粉末材料を使用する
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】材料（13）として鋳型砂を使用することを
    特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】上記鋳型砂は、フェノール樹脂で被覆され
    たケイ砂からなることを特徴とする請求項３に記載の方
    法。
  5. 【請求項５】材料（13）として樹脂被覆した金属或いは
    セラミック粉末を使用することを特徴とする請求項１又
    は２に記載の方法。
  6. 【請求項６】上記支持部は、その最高位置においては少
    なくとも部分的に切り抜き（２）内にあり、物体（３）
    の各層を形成するために、各層の層厚に相当する分ずつ
    下降されることを特徴とする請求項１−５のいずれかに
    記載の方法。
  7. 【請求項７】物体（３）の層を固化するたびに、上記層
    の下の少なくとも１つの層を包囲する環状領域が加熱作
    用により固化されることを特徴とする請求項１−６のい
    ずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】物体（３）の各層を製造する際に上記環状
    領域が連続して固化され、物体（３）全体包囲するコン
    テナ壁（15）が形成されることを特徴とする請求項７に
    記載の方法。
  9. 【請求項９】コンテナ壁（15）及び物体（３）を形成す
    る前に、コンテナ壁（15）の領域によって包囲されたす
    べての区域にわたって材料層が固化され、これによりコ
    ンテナの底面層（20）が形成されることを特徴とする請
    求項１−８のいずれかに記載の方法。
  10. 【請求項１０】上記区域は、支持部（９）を加熱するこ
    とにより固化されることを特徴とする請求項９に記載の
    方法。
  11. 【請求項１１】上記区域は、照射により固化されること
    を特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 【請求項１２】コンテナ壁（15）及び物体（３）を形成
    した後、コンテナ壁（15）の領域によって包囲されたす
    べての区域にわたって材料層が固化され、これによりコ
    ンテナの覆い（21）を形成することを特徴とした請求項
    １−11のいずれかに記載の方法。
  13. 【請求項１３】上記区域は、加熱作用により固化される
    ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
  14. 【請求項１４】上記区域は、照射により固化されること
    を特徴とする請求項12に記載の方法。
  15. 【請求項１５】作業台（１）の切り抜き（２）内に設け
    られた加熱コイルが、コンテナ壁（15）の固化に用いら
    れることを特徴とする請求項１−14のいずれかに記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】高さ調節可能な支持部（９）と、固化さ
    れる材料（13）の層を支持部（９）上に塗布するための
    装置（12）と、照射装置（４）と、上記照射装置を制御
    して物体（３）に対応する箇所において上記層を照射す
    るための制御装置（８）とを有し、支持部（９）が加熱
    され、支持部（９）に塗布された層を固化することを特
    徴とする請求項１に記載の方法を実行する装置。
  17. 【請求項１７】加熱作用により材料（13）の物体（３）
    を包囲する領域を固化するための加熱装置（16）と、包
    囲領域（15）に対応する切り抜き（２）を有する作業台
    （１）とが設けられ、切り抜き（２）内で、支持部
    （９）を上記支持部の表面が作業台（１）の表面と実質
    的に同一平面となる位置まで上昇させたり、この層の厚
    みに相当する量だけ物体（３）の各層を生成するために
    下降させたりすることができ、加熱装置（16）は切り抜
    き（２）を定める作業台（１）の壁（18）を形成されて
    いることを特徴とする請求項16に記載の装置。
  18. 【請求項１８】加熱装置（16）は、上記材料の上記物体
    を包囲する領域を囲むようにして、切り抜き（２）を囲
    む作業台（１）の凹部（17）内に設けられた加熱コイル
    からなることを特徴とする請求項17に記載の装置。
  19. 【請求項１９】照射装置（４）は、レーザーからなるこ
    とを特徴とする請求項17又は18に記載の装置。
  20. 【請求項２０】上記材料の上記物体を囲む領域が同時に
    固化されてコンテナ壁（15）を形成し、上記領域は、固
    化物質を上記領域に供給することにより固化され、定ま
    った厚みの物質層が作業台（１）の切り抜き（２）中に
    供給され、コンテナ壁（15）は、上記固化物質を、切り
    抜き（２）を定める作業台（１）の内壁（18）に形成さ
    れた供給装置から、切り抜き（２）の内壁に隣接する物
    質領域に供給することによって生成され、上記物質層が
    コンテナ壁によって封入されることを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  21. 【請求項２１】上記固化物質は、液体接着剤からなるこ
    とを特徴とする請求項20に記載の方法。
  22. 【請求項２２】上記領域に供給される促進物質との共同
    作用により材料（13）の固化を行なう接着物質が、物体
    （３）の固化前に材料（13）に加えられることを特徴と
    する請求項20又は21に記載の方法。
  23. 【請求項２３】フェノール樹脂で被覆したケイ砂からな
    る鋳型砂が、固化される材料（13）として用いられるこ
    とを特徴とする請求項20−22のいずれかに記載の方法。
  24. 【請求項２４】高さ調節可能な支持部（９）と、固化さ
    れる材料（13）の層を支持部（９）上に塗布するための
    装置（12）と、照射装置（４）と、上記照射装置を制御
    して物体（３）に対応する箇所において上記層を照射さ
    せるための制御装置（８）と、上記固化物質を上記領域
    に供給するための装置とを有し、作業台（21）は包囲領
    域（15）に相当する切り抜き（２）を有し、支持部
    （９）は、その表面が切り抜き（２）内で作業台（１）
    の表面と実質的に同一平面になる位置まで上昇された
    り、この層の厚みに相当する切り抜きにより物体（３）
    の各層を生成するために下降されたりすることができ、
    上記供給装置は切り抜き（２）を定める作業台（１）の
    内壁（18）に形成されていることを特徴とする、請求項
    20に記載の方法を実行する請求項16に記載の装置。
  25. 【請求項２５】包囲領域（15）に対応する切り抜き
    （２）を有する作業台（１）が設けられ、支持部（９）
    を、切り抜き（２）内で、上記支持部の表面が作業台
    （１）の表面と実質的に同一平面となる位置まで上昇さ
    せることができることを特徴とする請求項24記載の装
    置。
  26. 【請求項２６】上記固化物質を供給するための装置は、
    上記固化物質を受け、上記固化物質を放出するための複
    数個のノズルを有する閉鎖管からなり、上記管は、上記
    物体を包囲する上記材料の上記領域を囲むようにして切
    り抜き（２）を囲む作業台（１）の凹部（17）内に設け
    られてることを特徴とする請求項25に記載の装置。
JP8514971A 1994-11-02 1995-07-20 ３次元物体の製造方法及び装置 Expired - Fee Related JP3066606B2 (ja)

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DE4439124.2 1994-11-02
PCT/EP1995/002887 WO1996014203A1 (de) 1994-11-02 1995-07-20 Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objektes

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