JP4522857B2 - 生成的製造方法を用いて三次元オブジェクトを製造する装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１と１３の序文にしたがう三次元オブジェクトを製造する装置及び方法に関する。

生成的な製造方法、例えば粉末焼結積層造形法、選択的レーザー溶解法、立体描画法又は三次元印刷等において、三次元オブジェクトは、オブジェクトの断面に対応する位置に構築材料の層を付着し、又選択的な凝固により互いに連結させることによって、層方向に製造される。

この種の方法及びこの種の装置は知られており、例えば欧州特許出願公開番号第０７３４８４２号（特許文献１）には微粉状構築材料の粉末焼結積層造形法が述べられている。該欧州特許公開番号第０７３４８４２号において、微粉状材料による第一層は下降可能なキャリヤー上に付着（塗布）され、オブジェクトに対応する位置にレーザー照射が行われ、該材料が共に焼結される。しかる後、該キャリヤーは下降し第二層が第一層上に付着され、再度選択的に焼結されそれによって第一層に互いに連結される。このようにして該オブジェクトは、層方向に形成される。新しい層の付着中、照射は行われない。このように、レーザー焼結装置の最もコストの高い要素の一つであるレーザーは、経済面では最適には使用されず、該装置の生産性は照射の中断によって低下する。さらに、該方法による加熱、冷却又他の方法手順による時間の損失が起こりうる。さらに又、これら加熱、冷却又他の方法手順が構築スペースに取り付けられた場合、多数のオブジェクトを並列的に構築することが知られている。

もし構築スペースに取り付けられる数量以上のオブジェクトが、同時に製造されるならば、これは主としてそういった複数の装置を並行作動すること可能であるが、これは高い投資コストに繋がる。

欧州特許出願公開番号第０７３４８４２号

したがって、本発明の目的は、三次元オブジェクトの層方向生成的製造において、生産性と経済効率が経済的方法によって増大可能となる、装置と方法を提供することである。

本発明の該目的は、請求項１による装置と請求項１３による方法によって達成される。

本発明のさらなる展開は、付随する請求項にて明示される。

さらに本発明の特長と利点は、図面に関連する実施例の記載からもたらされるであろう。

以下、実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１によるレーザー焼結装置の断面図を示し、該装置は電磁放射線を用いて凝固可能な構築材料から三次元オブジェクトを層方向に製造する装置の例として示されている。該装値は２個のプロセス室１１と１２より成り、該各プロセス室にてオブジェクトは製造される。該オブジェクトは、空間的に互いに分離された２個のプロセス室によって提供され、或いは各部が分離されたプロセス室を形成する双子室によって提供されてもよい。各プロセス室は、壁面１６と構築台４を持つ構築容器６より成る。構築台４は垂直駆動装置１５に連結し、該垂直駆動装置１５は構築容器６に相対して構築台４が上下垂直方向に滑動することを可能にする。

構築台４上で用いられる焼結粉末を付着させるための材料付加装置７が、構築容器６の上方に配置されている。電磁放射線、特にレーザー放射線の方向性ビームを、付着させる層の如何なる位置に向けること可能な偏向ユニット１０は、材料付加装置７の上方に配置されている。この偏向ユニット１０は、ｘｙ−スキャナー或いはプロッターであることが好ましい。

図１に示すとおり、レーザー型放射源２１はプロセス室１１と１２の外側に配置されている。放射されたレーザービームは、スイッチ装置２２を介して一方のプロセス室１１或いは他方のプロセス室１２に供給される。放射線源２１がファイバー伝送に適した特性を持つレーザー、例えばＮｄＹＡＧ（Neodymium-doped Yttrium-Aluminum Garnet）レーザーである場合は、スイッチ装置２２はビームスイッチにて形成される。これを達成するために、該レーザービームは光伝導ファイバーを介して、或いは光伝導ケーブルを介してビームスイッチに供給され、該レーザービームは、選択的に接続可能な光伝導ファイバーを介して、或いは光伝導ケーブルを介して個々のプロセス室に伝送される。このようにして該プロセス室は、光伝導ファイバーを介して、或いは光伝導ケーブルを介して該レーザーにそれぞれ固定的に接続される。しかし、該スイッチ装置２２は、又スイッチ可能な光学エレメント、特に鏡にて形成されてもよく、レーザービームは自由に伝播される。さらに、図１は、非凝固粉末２５によって取り囲まれた構築オブジェクト２４を示す。

変形例として、例えば制御可能光学エレメント型のビーム分割装置が提供され、該ビーム分割装置は放射線源からのビームを分割可能にし、同時に両方のプロセス室にビームを供給可能とする。

実施例１による該装置は、２個の別個のプロセス室に対し１個の放射線源の使用を可能にし、該一個の放射線源は多数の部品点数の多い生産時に多くの利点をもたらす。

各プロセス室に個々に放射線源が設けられていない場合、プロセス室数の増加に対して、資本支出の著しい低減をもたらす。

放射線源とプロセス室とを分離することは、プロセス室の設計において安全性に対する支出の低減をもたらす。

プロセス室に必要な空間は、放射線源とプロセス室の分離により狭くなる。

作動時には、両プロセス室１１と１２において、オブジェクトは同時に製造される。これを実行する場合、レーザー２１は、２個のプロセス室１１と１２の各々に交互に接続される。特に、前回付着した層は一方のプロセス室にて照射され、又同時に他方のプロセス室中においては新しい層が、以前選択的に照射された層上に付着し、結局は例えば予熱という、照射に対し準備されることになる。

該方法は、従来方法に比し、放射線源をより効果的に使用することを可能にする。放射線源の能力利用度は著しく上昇し、何故ならば他方の構築容器中において層の付着時間中に、一方の構築容器中において照射が行われるからである。

実施例２による装置は、単一の放射線源が４個のプロセス室に指定されるという点において、実施例１の一つと異なっている。これらは、空間分離型の個々のプロセス室型にて、或いは２個の双子プロセス室の一部として、或いは４分割プロセス室型にて提供されてもよい。

図２は、本発明の実施例２による装置を略図的に示す。図２に見られるとおり、レーザー２１はスイッチ装置２２４を介してプロセス室１１、１２、１３、１４の中の１室に接続可能である。或いは図３に示されるとおり、それぞれ２個のプロセス室へ、スイッチ装置２２２ａと２２２ｂは、その入力が次いで放射線源２１に連結されるスイッチ装置２２の出力に接続されるよう、指定されてもよい。

図４は、本発明の実施例２による方法のフローチャートを示す。図４の上半に示されるとおり、構築作業はプロセス室１１と１２において同時に行われる。これを達成するために図３による構成において、該スイッチ装置２２は放射線をスイッチ装置２２２ａに供給し、該スイッチ装置２２２ａはプロセス室１１と１２へと指定されている。次いでスイッチ装置２２２ａは、放射線を２個のプロセス室１１と１２それぞれに、交互に供給する。特に、前回付着或いは準備された層は、一方のプロセス室中にて照射され、しかるに他方のプロセス室にて、選択的に以前照射された層上に新しい層が同時に準備される。プロセス室１１と１２両方において構築作業が行われる間に、他方の２個のプロセス室１３と１４中の完全に構築されたオブジェクトは該プロセス室より取り出され、該プロセス室にて新しい構築作業が準備される。

図４の下半に示されるとおり、新しい構築作業は、プロセス室１１と１２中にての構築作業の完了後プロセス室１３と１４中にて遂行され、しかるに両方のプロセス室１１と１２両方において完全に構築されたオブジェクトはプロセス室より取り出され、新しい構築作業が準備される。これを完遂するために図４による構成において、該スイッチ装置２２は、プロセス室１３と１４に指定されたスイッチ装置２２２ｂに放射線を供給する。次いで、スイッチ装置２２２ｂは、プロセス室１３と１４それぞれに、交互に放射線を供給する。特に、前回付着された層は、一方のプロセス室中にて照射され、しかるに他方のプロセス室にて新しい層が以前選択的に照射された層上に同時に付着される。

実施例１のとおり、スイッチ装置２２、２２２ａ及び２２２ｂはそれぞれ、例えばスイッチ可能な光学エレメント或いはビームスイッチであるよう合体されている。後者の場合、光伝導ファイバー又は光伝導ケーブルを介して固定された接続が、一方ではビームスイッチ２２とレーザー２１の間に、他方ではビームスイッチ２２とそれぞれビームスイッチ２２２ａと２２２ｂの間に、存在している。

更なる修正形態において、４個以上のプロセス室とそれに対応するスイッチ装置が提供される。

上述された両方の実施例はさらに、互いに異なった粉末材料が異なったプロセス室にて使用可能であるという利点を持つ。更に二つのバッチが直接連続して製造可能である。

本発明は粉末焼結積層造形法と選択的レーザー溶解法、それぞれに適用されることが好ましく、粉末は凝固材料として使用される。しかし、これに限定される丈ではなく、立体描画法からも知られる液状光硬化性樹脂、或いはバインダー又はバインダーシステムの反応を使用しての粉末材料の凝固をも包含する。この場合、ビームは構築材料の粉末粒子を相互に連結する一つ或いはそれ以上の成分の粒子より成る。

実施例に述べられたプロセス室数の他に、プロセス室又は構築部の如何なる任意の数量と、放射線源数と対応するプロセス室又は構築部数の如何なる組み合わせが提供されてもよい。異なった材料、温度、圧力又は環境雰囲気等異なったプロセス条件、或いはレーザーパワー等の異なったパラメーターがプロセス室において使用されてもよい。

本発明の実施例１による装置の略側面図である。 本発明の実施例２による装置の略図である。 本発明の実施例２の変更形態による装置の略図である。 本発明の実施例２による作業流れ工程の略図である。

符号の説明

４ 構築台
６ 構築容器
７ 材料適用装置
１０ 偏向ユニット
１１ プロセス室
１２ プロセス室
１３ プロセス室
１４ プロセス室
１５ 垂直駆動装置
１６ 壁面
２１ 放射線源
２２ スイッチ装置
２２２ａ ビームスイッチ
２２２ｂ ビームスイッチ
２２４ スイッチ装置
２４ 組み立てオブジェクト
２５ 凝固粉末

Claims (15)

1. 各層におけるオブジェクトの断面に対応する各位置に電磁又は粒子放射線を作用させることによって、３次元オブジェクトを層方向へ生成的に製造する装置であって、
   製造されるオブジェクトに対して、互いに空間的に分離して設けられた少なくとも二つの構築領域（１１、１２）と、
   該構築領域に向けて電磁又は粒子放射線を放射する放射線源（２１）と、
   光学エレメント又はビームスイッチを含み、前記放射線が一つずつの構築領域を照射するように前記放射線源から構築領域へ放射される放射線の経路を切替えするスイッチ装置（２２、２２２ａ、２２２ｂ）と、
   前記スイッチ装置を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   一方の構築領域（１１）で層の凝固中に、他方の構築領域（１２）で層の付着、搬入、又は搬出を含む他のプロセス処置が行われるように、前記スイッチ装置を制御し、これによって、前記少なくとも二つの構築領域に対する前記放射線源の照射を継続しながら、前記放射線の経路が層毎に切り換えられることを特徴とする装置。
2. 該構築領域は、別個のプロセス室（１１、１２）にて提供されることを特徴とする請求項１に記載された装置。
3. 前記スイッチ装置（２２、２２２ａ、２２２ｂ）に放射線を入力し出力するために接続される光伝導ファイバーを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載された装置。
4. 前記少なくとも二つの構築領域（１１、１２、１３、１４）が、分離されたプロセス室又は多重プロセス室として使用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された装置。
5. 前記スイッチ装置（２２２ａ、２２２ｂ）を、多数の前記構築領域に対して放射線をスイッチするように、少なくとも一つ以上、備えることを特徴とする請求項４に記載された装置。
6. 少なくとも一つの前記プロセス室は、密閉されて不通気性を有することを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載された装置。
7. 前記プロセス室は、加熱装置又は冷却装置を備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載された装置。
8. 前記放射線源は、レーザービームを放射することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された装置。
9. 前記放射線源は、粒子ビームを放射することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された装置。
10. 各層におけるオブジェクトの断面に対応する各位置に電磁又は粒子放射線を作動することによって、３次元オブジェクトを層方向へ生成的に製造する方法であって、一方の構築領域（１１）における各層の付着中に、他方の構築領域（１２）において放射線源を用いたプロセスが行われ、前記放射線の経路を、前記放射線の照射を継続しながら、スイッチ可能な光学エレメント及び／又はビームスイッチより成るスイッチ装置を用いて、いずれか一つの構築領域へ、各層毎に切替えすることを特徴とする方法。
11. 放射線を用いた前記プロセスは、放射線を用いて構築材料の層を凝固するステップであることを特徴とする請求項１０に記載された方法。
12. 前記オブジェクトは、複数のプロセス室（１１、１２、１３、１４）中にて製造されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載された方法。
13. 前記プロセス室数が二つのグループに分割され、一方のグループ中のプロセス室中において完成オブジェクトが該プロセス室より搬出され、及び／又はプロセス室が製造作業のために準備され、一方、他方のグループ中の一部のプロセス室においては照射が行われ、又他のプロセス室においては放射源を使用しない作業が行われることを特徴とする請求項１２に記載された方法。
14. 一方のグループのプロセス室において製造するための準備が完了した後、このグループの一部のプロセス室において照射が行われ、そして同時にこのグループの他のプロセス室においては層を準備するプロセス処置が行われ、しかるに他方のグループのプロセス室においては完成オブジェクトがプロセス室より搬出され或いはプロセス室が製造作業のために準備されることを特徴とする請求項１３に記載された方法。
15. 放射線の入力及び出力は、前記スイッチ装置中の光伝導ファイバーを用いて遂行されることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載された方法。

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