JP3955556B2 - 三次元物体の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線エネルギーの作用を用いて、粉末材料を物体の断面に相当する複数の点において焼結することにより該粉末材料を積層的に固化することによって三次元物体を製造する方法及び装置に関する。

上記したような製造方法及び装置は、欧州特許出願第０７６４０７９号によって知られている。そこで述べているレーザー焼結装置は焼結粉末を予熱するための放熱ヒータを有している。前記放熱ヒータの熱容量は、前記粉末を予め設定された温度まで予熱することを目的として調整される。

レーザー焼結装置及びレーザー焼結工程は、米国特許第６，１５３，１４２号によって知られている。このレーザー焼結装置及びレーザー焼結工程において、粉末の表面温度はレーザーフォーカスにて該レーザーフォーカスの関数として測定され、そのレーザー出力は、そのフォーカスでの温度が一定値を維持するように調整される。

新たな層として塗工された粉末に対して、、部分的に結晶質の熱可塑性プラスチックの場合粉末の融点よりわずかに低い状態にある加工温度Ｔ_Ａに到達するまで、又はアモルファス熱可塑性プラスチックの場合にはガラス転移温度よりわずかに下回る温度になるまで予熱を行い、その結果レーザーエネルギーを節約しながら継続的な成形工程を確実に行う事ができる。選択すべき加工温度Ｔ_Ａは、熱可塑性プラスチックの種類のみに依存するものでもなく、理論上の融点又はガラス転移点によって簡単に決定されるものでもない。むしろ、一連のさらなる材料及びプラントの要素が考慮されるべきである。実際、融点又はガラス転移点には、投入毎に、差が発生するかもしれない。さらに、環境の影響、例えば粉末のエージング又は湿気の影響が、転移点に及ぶ可能性がある。例えば可変成分を持つ同じ材料の複数の投入物の混合物、特に、新しい粉末と、前の成形工程において固化されなかった使用済みの粉末との混合物を使用する場合である。

この公知のレーザー焼結装置及びレーザー焼結工程においては、前記加工温度及び必要とされるレーザー出力は、特定の粉末に関する実験値に応じて設定されるか、又は各成形工程毎のテストに基づいて設定される。任意の粉末特性への適合、例えば粉末が使用前の粉末、再生粉末、これら粉末の混合物のいずれでも、それへの適合は、事前のテストに基づいてのみ可能となる。実験値の使用は、エラーが出やすく、テスト時間とコストがかかりやすい。

本発明の目的は、焼結手段によって三次元物体を製造する方法及び製造装置において、上述した不利益を解消し、成形された物体の品質を向上させることのできる方法及び装置を提供することである。

本発明によれば、放射線エネルギーの作用を用いて、粉末材料を物体の断面に相当する複数の点において焼結することにより該粉末材料を積層的に固化することによって三次元物体を製造する方法であって、前記粉末材料の層を支持板（２）又はすでに焼結された層に塗工する工程と、前記粉末材料が焼結される温度以下の加工温度（Ｔ_Ａ）になるまで粉末材料を予熱する工程と、前記粉末材料層内の、物体の断面に相当する複数の点における前記粉末材料を焼結する工程を有する三次元物体を製造する方法において、塗工された粉末を制御加熱するとともに、少なくとも２つの温度区間に対して温度区間当たりの粉末による吸収熱量を決定する工程を有することを特徴とする三次元物体を製造する方法が得られる。

また、本発明によれば、放射線エネルギーの作用を用いて、粉末材料を物体の断面に相当する複数の点において焼結することにより該粉末材料を積層的に固化することによって三次元物体を製造する装置であって、支持板（２）又は既に固化された層に粉末材料を塗工するための材料塗工装置（７）と、前記粉末材料が焼結される温度以下の加工温度（Ｔ_Ａ）まで塗工された粉末材料層を予熱するための加熱装置（８，９）と、前記粉末材料層内の、物体の断面に相当する複数の点において前記粉末材料を焼結するための放射線装置（５）を有する三次元物体を製造する装置において、予熱している間、少なくとも２つの温度区間について温度区間当りの粉末による吸収熱量を決定する装置を有することを特徴とする三次元物体を製造する装置が得られる。

本発明によれば、レーザー焼結の間の予熱段階において、現在使用されている粉末状材料の温度プロファイルを作成し、その結果、温度区間当りに粉末に吸収されたエネルギーをプロットすることにより、特定の熱容量、例えばガラス転移温度のような転移温度の位置、オンセット温度、溶解温度といった材料固有のパラメータを決める。

このようにして決められた材料固有のパラメータ群によって、使用粉末に関し、加工温度が最適に調整されるという利点がある。この温度調節に適合して、粉末を溶解したり部分的に溶解するために必要とされるレーザーエネルギーは、測定されたパラメーターから適当に選択され、加熱回路の変動が微調整される。したがって、レーザー焼結装置外部での粉末測定に関する利点はさらに明白となり、これは、実験装置及びレーザー焼結装置の間の転移補正を避けることにある。

本発明のさらなる利点は、以下の図面を用いた模範的な実施例の記載からわかる。

図１は、本発明に係る装置の模範的な実施例としてのレーザー焼結装置の構造を示す。このレーザー焼結装置は上端が開口している容器１を有している。形成すべき物体３を支持するための支持部２が容器１に設けられている。支持部１は、容器１内を、矢印Ａで図式的に示された駆動手段によって、垂直上下方向に移動されることができる。容器１の上端は作業平面４を規定している。レーザーからなる放射線装置５は、作業平面４の上方に配置され、指向性のレーザービームを出射し、このレーザービームは偏向装置６を介して作業平面４上に偏向される。さらに、固化すべき粉末材料の層を支持部２上あるい直前に固化された層の上に塗工するためのコーター（塗工装置）７が設けられている。コーター７は、矢印Ｂによって図式的に示されている駆動手段によって作業平面４上を前後に移動することができる。

この装置は、作業平面４の上方に、未だ焼結されていない粉末層を焼結するのに適当な加工温度にまで予熱するための加熱装置８を有している。この加熱装置は、塗工された粉末層が均一に熱せられるように作業平面の上方に配列される例えば赤外線放射器のような１つまたは複数の放熱ヒータ９のような形態に設計されている。また、この加熱装置は、熱容量を制御したり調整したりするための制御装置又は調整装置１０に接続されている。

さらに、例えばパイロメータである例えば一又はそれ以上の温度測定センサからなり、直前に塗工された粉末層あるいは最上層の温度を非接触にて測定を行うための温度測定装置１１が作業平面４の上方所定距離の位置に設けられている。

図２は、図１の装置の詳細を示している。放熱ヒータ９は、最後に塗工された粉末層３ａが置かれる作業平面４から上方へ一定距離の位置に配置されている。さらにパイロメータ１１は作業平面４の上方に配置され、パイロメータ１１の出力信号は加熱制御器／加熱調整器１０に接続されている。

加熱制御器／加熱調整器１０、支持部の高さ調整のための駆動装置並びにパイロメータの出力、偏向装置及びレーザーの制御装置並びにコーターの駆動装置は、図示されない制御用及び数値解析用コンピュータに接続されている。

本発明のプロセスは、レーザー焼結層装置において、図３の例によって示される各ステップに従って進行する。成形工程に入る前に、レーザー焼結装置を熱することが必要である。第１ステップ（Ｓ１）として、目的物体の各層の厚さよりも熱い所定厚さの層の粉末材料、好ましくは、例えば、ポリアミド又はポリスチレンのようなプラスチック材料を支持部２上に塗工する。この第１の層の厚さは、目的物体の各層の厚さの、例えば、およそ１０倍である。その後、加熱装置が制御されて、第１の層が初期温度Ｔ_initialにもたらされ、この初期温度Ｔ_initialは温度測定装置１１を介して記録される。この初期温度Ｔ_initialは、後の加工温度Ｔ_Ａよりかなり低く選択される。

初期温度Ｔ_initialに到達するやいなや、ステップＳ２において、粉末層の温度は、前記加熱装置の熱容量の制御によって設定された増加分ｄＴ、例えば１℃だけ、増加させられ、前記粉末層が新しい温度Ｔ＝Ｔ_initial＋ｄＴになると見なすに必要な時間ΔＴだけ待機する。この時間の間に前記加熱装置を介して導入される熱容量は、加熱制御装置から知ることができる。この熱容量は記録され、導入された加熱エネルギーＱｄＴに積分され、ステップＳ３にて記録される。これから、ステップＳ４において、温度ｄＴの増加に必要な熱量ｄＱが計算される。その材料の固有の熱容量Ｃ_Ｐは、温度Ｔの関数（Ｃ_Ｐ（Ｔ）＝ｄＱ／ｄＴ）として決められる。

次に、温度はｄＴづつ徐々に増加され、その都度、熱量ｄＱが記録され、Ｃ_Ｐ（Ｔ）が計算される。これらの計算値から、設定温度の関数としての温度プロファイルｄＱ／ｄＴが得られる。

本発明の工程において、ステップＳ５において、現在温度Ｔで確認される熱容量Ｃ_Ｐ（Ｔ）は、その都度、初期温度Ｔ_initialでの熱容量Ｃ_Ｐ（Ｔ_initial）と比較される。もし、熱容量Ｃ_Ｐに著しい変化が起きなかったら、ステップＳ２にしたがって、現在温度ＴをｄＴだけ増加させ、ステップＳ３からステップＳ５までの工程を続ける。しかしながら、熱容量Ｃ_Ｐに著しい変化が起きた場合には、このことは、温度が転移点の範囲内にあるあること、すなわち、アモルファス熱可塑性プラスチックの場合には、ガラス転移温度付近に達し、又は部分的結晶質熱可塑性プラスチックの場合には、融点のピーク付近に達していることを意味する。熱容量Ｃ_Ｐにおける著しい変化は、各材料について決定される熱容量Ｃ_Ｐ（Ｔ_initial）に関するＣ_Ｐ（Ｔ）の変化のファクターによって判定される。熱容量Ｃ_Ｐにおける著しい変化が起きた後、温度は、粉末を固化しないように、さらに増加されることはない。しかしながら、粉末層のわずかな軟化および部分的焼結がこの工程のステージにおいて受けるかもしれないが、後の成形工程に影響を及ぼすことはない。この最終測定点は温度Ｔ_finalを持つ。材料の相転移に関する特性温度Ｔ_{characteristic}が、確認された温度プロファイルＣ_Ｐ（Ｔ）に基づいて決定される。次に、ステップＳ６において、加工温度Ｔ_Ａが、特性温度Ｔ_{characteristic}からあらかじめ定められた温度量Δｔ_ｒｅｄを差し引くことによって定められ、成形プロセスのための可変コマンドとして加熱調整装置に移される。特性温度Ｔ_{characteristic}は、オンセット相転移を特徴づけるための特性パラメータであり、たとえば、熱可塑性プラスチックポリマーの場合には、オンセット温度Ｔ_onsetであり、又結晶材料の場合には、溶解温度Ｔ_meltでありうる。

特性温度Ｔ_{characteristic}の決定はコンピュータ機器の制御のソフトウェアルーチンを介して行なわれる。あらかじめ定められた温度量Δｔ_redは自由に定められ、特定の焼結粉末に対する実験値から得られる。

本発明の方法の好ましい適用範囲は、材料としては、ポリマー焼結粉末である。この場合、オンセット温度Ｔ_onsetは、一般に、特性温度として決定され、ポイントｄＣ_Ｐ／ｄＴ＝０での曲線Ｃ_Ｐ（Ｔ）上の変曲接線（inflectional tangent）ｔａと測定範囲Ｃ_Ｐ＝一定における補償線との交点として定義される。

図４は、焼結粉末としてポリアミド（ＰＡ）、部分的結晶ポリマーに対する加熱曲線又は温度プロファイルｄＱ／ｄＴ（Ｔ）を示している。今日レーザー焼結に使用されるポリアミドについては、加工温度Ｔ_Ａは、たとえばおよそ１７０℃〜１８５℃の間で、ポリアミド自体、レーザー焼結装置、粉末投入量、粉末寿命、および粉末状態に依存する。対応する初期温度は本実施例ではおよそ１４０℃である。加熱は、最終温度Ｔ_finalまで実行される。この最終温度では、Ｃ_Ｐ（Ｔ_initial）対Ｃ_Ｐ（Ｔ_final）のファクターは、およそ２〜３である。加工温度Ｔ_Ａは、オンセット温度Ｔ_onsetより約１℃から５℃低くなるように選ばれる。

図５は、ポリスチレン（ＰＳ）、アモルファス熱可塑性プラスチックに対する加熱曲線又は温度プロファイルｄＱ／ｄＴ（Ｔ）を示している。必要とされる加工温度Ｔ_Ａはおよそ８５℃であり、対応する初期温度は約６０℃である。加熱は、最終温度Ｔ_finalまで実行される。この最終温度において、ファクターＣ_Ｐ（Ｔ_initial）対Ｃ_Ｐ（Ｔ_final）は、およそ２．２である。加工温度Ｔ_Ａは前記オンセット温度よりおよそ１℃〜１５℃低い温度に調整される。

このように、加工温度Ｔ_Ａは、部分結晶性熱可塑性プラスチックおよびアモルファス熱可塑性プラスチックの両方について、ステップＳ１〜Ｓ６を介して実際に確認された転移温度の関数として決定され、使用される粉末に対して最適な方法で調整される。

加工温度Ｔ_Ａを決定した後は、従来の選択焼結工程が実行される。典型的には、第１のレーザー照射が行なわれる前に数層の粉末層が塗工される。塗工後、これらの層はある程度の時間をかけてある程度の熱容量を必要とする。この熱容量を測定し、積分することによって、新たに塗工される層の吸収熱が得られる。これは、基準値又は基準予測値に関連付けられるであろう。もし、熱の吸収が予測より高かったら、粉末を加熱するのにより多くのエネルギーが必要となる。この一つの原因としては湿った粉末があるかもしれない。レーザー出力はこのような測定結果に適合させることができる。さらにエネルギーが入力している間に各層間に生じる不均衡はこの測定を用いて確立されるであろう。前記各層はコーター７を一方向又は他の方向に移動することにより塗工されたものである。この不均衡は層の厚さのばらつき、粉末密度のばらつき、湿気のばらつき等によってもたらされるものである。このようなばらつきを補正するため、レーザー出力は、同様に、今まさに処理されている粉末や機器の現在の調整に適合され得る。

物体の成形は、層の塗工、当該層を加工温度Ｔ_Ａまで予熱すること、物体に対応する複数の点にレーザーを浴びせること、支持部２を下降させること、次の層の塗工することによって、公知の方法で行われる。これらの工程は物体が完成するまで繰り返される。

温度プロファイルの確立は、成形工程前である必要はなく、成形工程中でも、たとえばパラメータの再調整を実行することを目的として行ってもよい。

本発明の製造方法及び装置は、上述した実施例に限定されない。たとえば、レーザー出力は、Ｃ_Ｐ（Ｔ）の測定結果に適合させることもできる。

この成形方法は、プラスチック粉末に限定されず、金属粉末、セラミック粉末等に使用することもできる。その際使用される粉末に対して、温度Ｔ_{characteristic}はたとえば溶解温度として選択されるべきでり、それは、しかし、好ましくはプラスチック粉末に対して用いられるべきである。

本発明は、レーザー焼結に対する製造方法及び製造装置には限定されず、他の放射線源を使った焼結、たとえば物体の断面を作り出すためのマスクを用いて赤外線放射線源装置を介しての焼結を使用することもできる。

本発明に係る装置の一実施例であるレーザー焼結装置の構造を示した図である。 図１の装置の詳細を示した図である。 本発明に係る三次元物体を製造する方法を説明するフローチャートである。 焼結粉末としてポリアミド（ＰＡ）を用いた場合の本発明方法により得られた温度プロファイルの例を示した図である。 ポリスチレン（ＰＳ）を用いた場合の本発明方法により得られた温度プロファイルの例を示した図である。

符号の説明

１ 容器
２ 支持部
３ 物体
３ａ 粉末層
４ 作業平面
５ 放射線装置
６ 偏向装置
７ コーター
８ 加熱装置
９ 放熱ヒータ
１０ 加熱制御器／加熱調整器
１１ パイロメータ（温度測定装置）

Claims (23)

1. 放射線エネルギーの作用を用いて、粉末材料を物体の断面に相当する複数の点において焼結することにより該粉末材料を積層的に固化することによって三次元物体を製造する方法であって、前記粉末材料の層を支持板（２）又はすでに焼結された層に塗工する工程と、前記粉末材料が焼結される温度以下の加工温度（Ｔ_Ａ）になるまで粉末材料を予熱する工程と、前記粉末材料層内の、物体の断面に相当する複数の点における前記粉末材料を焼結する工程を有する三次元物体を製造する方法において、
   塗工された粉末を制御加熱するとともに、少なくとも２つの温度区間に対して温度区間当たりの粉末による吸収熱量を決定する工程を有することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
2. 請求項１記載の三次元物体を製造する方法において、
   温度区間当りの吸収熱量の微少変化（ｄＱ／ｄＴ）を温度の関数として決めることを特徴とする三次元物体を製造する方法。
3. 請求項１又は２記載の三次元物体を製造する方法において、
   オンセット相転移を特徴づけるための特性パラメータである粉末材料の材料固有の特性温度（Ｔ_{characteristic}）を、温度区間当りの吸収熱量の変化から決定することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
4. 請求項３記載の三次元物体を製造する方法において、
   予熱されるべき前記粉末の加工温度（Ｔ_Ａ）を、前記決められた微少変化の関数として調整することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
5. 請求項４記載の三次元物体を製造する方法において、
   前記加工温度（Ｔ_Ａ）は、あらかじめ設定された温度区間（ΔＴ_red）によって決められる材料固有の温度（Ｔ_{characteristic}）以下になるように調整されることを特徴とする三次元物体を製造する方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、
   焼結するために必要な放射線源の出力を、温度区間当りに決められた吸収熱量の関数として決定することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、
   予熱のために使用される加熱装置（８，９）の加熱出力を、温度区間当りに決められた吸収熱量の関数として制御し、調整することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、
   温度区間当りの前記粉末による吸収熱量を決定する工程は、成形工程前に塗工粉末に対して行うことを特徴とする三次元物体を製造する方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、
   温度区間当りの前記粉末による吸収熱量を決定する工程は、成形工程中に行うことを特徴とする三次元物体を製造する方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、
    放射線源としてレーザーを使用することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、粉末として、プラスチック粉末を使用することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
12. 請求項１〜１０のいずれか１に記載の三次元物体を製造する方法において、粉末として、ポリアミド又はポリスチレンを使用することを特徴とする三次元物体を製造する方法。
13. 放射線エネルギーの作用を用いて、粉末材料を物体の断面に相当する複数の点において焼結することにより該粉末材料を積層的に固化することによって三次元物体を製造する装置であって、支持板（２）又は既に固化された層に粉末材料を塗工するための材料塗工装置（７）と、前記粉末材料が焼結される温度以下の加工温度（Ｔ_Ａ）まで塗工された粉末材料層を予熱するための加熱装置（８，９）と、前記粉末材料層内の、物体の断面に相当する複数の点において前記粉末材料を焼結するための放射線装置（５）を有する三次元物体を製造する装置において、
    予熱している間、少なくとも２つの温度区間について温度区間当りの粉末による吸収熱量を決定する装置を有することを特徴とする三次元物体を製造する装置。
14. 請求項１３記載の三次元物体を製造する装置において、
    所定の温度区間当りの吸収熱量の微少変化（ｄＱ／ｄＴ）を、温度の関数として、計算するための計算装置を有することを特徴とする三次元物体を製造する装置。
15. 請求項１３又は１４記載の三次元物体を製造する装置において、
    前記計算装置は、オンセット相転移を特徴づけるための特性パラメータである粉末材料の材料固有の特性温度（Ｔ_{characteristic}）を、温度区間当りの吸収熱量の変化から決定するように設計されていることを特徴とする三次元物体を製造する装置。
16. 請求項１５記載の三次元物体を製造する装置において、
    粉末が予熱されるべき加工温度（Ｔ_Ａ）を前記決められた微少変化（ｄＱ／ｄＴ）の関数として調整するように、加熱装置（８，９）を制御するための加熱装置の制御装置（１０）を有することを特徴とする三次元物体を製造する装置。
17. 請求項１６記載の三次元物体を製造する装置において、
    前記制御装置（１０）は、前記加工温度を、あらかじめ設定された温度区間によって決められた材料固有の特性温度以下になるように調整するように設計されていることを特徴とする三次元物体を製造する装置。
18. 請求項１３〜１７のいずれか１に記載の三次元物体を製造する装置において、
    焼結するために必要な放射線源の出力を、温度区間当りに決められた吸収熱量の関数として調整するように、放射線装置（５）を制御するための制御器を有することを特徴とする三次元物体を製造する装置。
19. 請求項１３〜１８のいずれか１に記載の三次元物体を製造する装置において、
    前記放射線装置（５）はレーザーとして設計されていることを特徴とする三次元物体を製造する装置。
20. 請求項１３〜１９のいずれかに記載の三次元物体を製造する装置において、
    前記加熱装置は放熱ヒータ（９）として設計されていることを特徴とする三次元物体を製造する装置。
21. 請求項１３〜２０のいずれかに記載の三次元物体を製造する装置において、
    粉末材料の温度を測定するために、温度センサ（１１）を設けていることを特徴とする三次元物体を製造する装置。
22. 請求項２１に記載の三次元物体を製造する装置において、
    前記温度センサ（１１）がパイロメータであることを特徴とする三次元物体を製造する装置。
23. 請求項１３〜２２のいずれかに記載の三次元物体を製造する装置において、
    前記加熱装置は赤外線放射源（インフレアエミッタ）として設計されていることを特徴とする三次元物体を製造する装置。

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