JP4691302B2 - 粉末状または微粉状材料の薄層を塗布する装置とその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末状または微粉状材料の薄層を塗布する装置、とりわけ高速プロトタイピング機械において層を連続的に塗布する装置に関する。
【０００２】
また、本発明はこの装置を用いて層を塗布する方法にも関する。
【０００３】
【従来の技術】
レーザーを用いて重なり合った粉末層を焼結することによって三次元画像から複雑な形状をしたセラミック部品を得ることを可能にするレーザー焼結による高速プロトタイピング方法がＰＣＴ特許出願ＦＲ ９９／００３５７によって知られている。
【０００４】
このような方法はいくつかのステップの実施を必要としており、こうしたステップのうちの１つは粉末または粉末混合物を薄い層の形状に伸ばし、この粉末を締固めしてその密度を高めることからなる。
【０００５】
このような層の厚さは約数１０ミクロン〜数１００ミクロンである。
【０００６】
この方法で説明されている層の形成手段は、第一の容器に入っている粉末を適切かつ一定の厚さでレーザーの作業ゾーンへ運ぶことを可能にするスクレーパーを含んでいる。
【０００７】
ドイツ国出願ＤＥ４３２５５７３では、タンク内に保存されサポート上に塗布される粉末の層化装置について記載している。サポートは、シリンダにより移動するブレード状のスクレーピング手段を備える。
このような配置はほぼほとんどの粉末の使用にあたり満足の得られる結果につながるとはいえども、粉末が取り扱い上はるかにデリケートである場合、とりわけ粉末の粒度が小さい場合や、層の厚さと粒度との比が変化する場合、あるいは粒子の形状が変わる場合における層の形成を改良する必要がある。
【０００８】
また、現在は、このような層の提供を可能にするために、粉末はニーズに応じて適応化される場合が多い。このことは一つの制約である。なぜならば、これらの粉末を正確に粉砕して粒度クラスごとに分級しなければならないからである。このような分別は粒の直径を考慮して精巧な手段を用いて行われる。
【０００９】
したがって、均一な層を実現するためには、液体のレオロジー挙動とほぼ同じ挙動をもつ粉末で作業を行う必要がある。たとえば、噴霧粉のケースがその例である。この場合、粉末の粒子はほぼ球形状であり、直径に差異はほとんどない。
【００１０】
このような調製はコストが高くつくとともに、とりわけ企業にとって受け入れられない制約をもたらす。
【００１１】
また、使用される粉末がフラワー（ｆｌｏｕｒ）タイプのものである場合、すなわち膨張する場合は、均一な層を実現することが非常に困難になったり、さらには不可能になったりする。
【００１２】
粉末が膨張する場合には、層が１００μｍ未満であると、スクレーパーはゾーンにわたって粉末を全部伴出してしまう。このことは高速プロトタイピングにおいて品質の高い仕上げ部品を実現する上で許容され得ない欠陥を発生させる。
【００１３】
このような問題は高速プロトタイピングへの適用において提起されるが、膨張性粉末の薄層を塗布しようとする際に一般的に提起される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、とりわけ粉末が膨張性である場合も含め、単純かつ効果的な薄層塗布装置を提案することである。なお、この装置は現在用いられているいくつかの装置の代わりとしてあらゆる所要機械上に取り付けられることができる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明によれば、粉末の貯蔵手段、作業面を持つシューを有するスクレーパーによるスクレーピング手段ならびに移動方向Ｆに沿って並進する案内手段を含む、サポート手段上で粉末の薄層を塗布する装置は、シューが移動すること、およびシューが少なくとも２つのポジションを取るために傾斜する手段を含むこと、またこれらのポジションのうちの第一のポジションにおいて、所定量の粉末を取り込むために作業面が層サポート手段に並行であること、第二のポジションにおいて、この作業面が前記サポート手段に対して角度αだけ傾いていることを特徴とする。
【００１６】
また、別の特徴によれば、シューの作業面は１つの障害物を含むとともに、複数の歯形状のぎざぎざを持つ。
【００１７】
より具体的には、これらのぎざぎざの数は３つであり、これらのぎざぎざは作業面の平面内において、および移動方向Ｆに対して後方側において直角である直角三角形横断面を有する。
【００１８】
本発明の様々な特徴が示しているように、パス数は層の厚さと粉末の粒度に応じて、ｙ＝（ａｘ＋ｂ）／（ｃｘ＋ｄ）というタイプの非線形減少法則によって決定される。
【００１９】
本発明による装置は添付の図面を参照して行う以下の説明で詳述する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明による装置を組み込んだ設備を示した。この設備はフレーム１０、粉末の貯蔵・補給手段１２、薄層サポート手段１４および薄層のスクレーピング・塗布手段１６を含む。
【００２１】
貯蔵手段１２は、内部ピストン２０を備え、垂直方向に並進移動する粉末収容ピット１８を含む。このピストンは粉末のアッパレベル２２をフレームに対して非常に正確に上昇させることを可能にする。
【００２２】
また、例として示されているこの設備の薄層のサポート手段１４はピット２４を含んでいる。このピットは垂直方向に並進移動するピストン２６を前記ピット内に収納することを可能にする。この移動もやはり非常に正確でなければならない。
【００２３】
案内手段２８上を並進移動するスクレーピング手段１６はスクレーパー３０および追従手段３２を含む。
【００２４】
案内手段２８は２本のレール３４で構成され、これらのレールは長さＬ_１にわたって第一の高さｈを有するとともに、トランジッションゾーンＬを伴って、長さＬ_２にわたって高さＨを有する。
【００２５】
長さＬ_１は貯蔵ピットに沿っており、長さＬ_２は薄層のサポートに沿っている。
【００２６】
上述した傾斜・案内手段は有害な環境のもとでも、また高温あるいは超高温な環境のもとでも作業できるという利点を有している機械的手段である。
【００２７】
スクレーパー３０は説明されている実施形態ではローラー４０を備えた軸３８を中心として自由に並進移動するシュー３６を含む。
【００２８】
ローラーの寸法は、ローラーが１つの基準として役立ちうるフレーム上を回転するような寸法である。
【００２９】
このスクレーパーは、あらゆる適切な手段により、レールに並行である矢印Ｆによって示されている移動方向に沿って並進駆動される。なお、これらの手段は図を簡潔なものにするため図示されていない。ただ押し棒４２だけが図示されている。この押し棒は回転を妨げないような形で軸によりかかっている。
【００３０】
このスクレーパーの寸法は、スクレーパーが横方向において２本のレール間に位置するような寸法である。またスクレーパーの重量については、スクレーパーが作業平面上をムラなく走行できるような重量でなければならない。
【００３１】
側面上には、レールの真上にくるように設けられておりレールにもたれかかりながらスライドする２つの突起部４４がある。
【００３２】
したがって、スクレーパーはフレームによって支えられているローラー４０を備えた軸３８によって前方へ転位するように吊下げられており、前部は突起部４４によって支持されている。
【００３３】
突起部４４は、有利には、レールの形状にぴったり追従するように、とりわけトランジッションゾーンＬに漸進的に近づくようにレールの形状と一体となった形状を有する。
【００３４】
シュー３６は特別な形状を有する。好ましい実施形態では、シュー３６は正面壁４６と後面４８と作業面５０とを規定するほぼ直角三角形の断面を持つ。なお、この正面壁４６は鋭い仰角を持つほぼ斜辺であり、後面４８は直角をなす辺のうちの１辺であり、作業面５０は最後の辺である。直角はフレームのすぐ近くに位置しているとともに、矢印Ｆによって示されている移動方向に対してシューの後方側に位置している。
【００３５】
本発明によれば、作業面５０も特徴を有する。この面は少なくとも１つの障害物５２を含む。この障害物５２は面５０が完全に平滑、平坦にならないようにするためのものであり、粉末のかき寄せ、塗布を可能にしたり、さらには圧縮定数を小さくすることによる規則的かつ一様な締固めを可能にする。
【００３６】
図２の拡大図では、この障害物はぎざぎざ５４を含む。ぎざぎざ５４の数はこの場合３であり、スクレーパー３０のシュー３６に従って、やはり直角三角形の横断面を有する。各ぎざぎざの直角は作業面５０の平面内にあるとともに、移動方向Ｆに対して後方側にある。
【００３７】
では、本発明による薄層塗布装置の動作について図３Ａから図３Ｆの概観図から詳述する。なお、参照番号は図１および図２のそれと同じである。
【００３８】
初期ポジションが図３Ａに示されている。シューは貯蔵手段１２のピット１８の上流側にあり、粉末は、フレームの作業平面に対してある高さにわたって、作業平面より図示のごとく上にくるようにピストン２０によって押し上げられる。なお、この高さはシューの作業面５０とこの同作業平面とを分け隔てている距離を上回っている。
【００３９】
次に、シューはステップ３Ｂに示されているように方向Ｆに沿って移動させる。この移動時、作業面５０は作業平面に平行なままである。なぜならば、突起部４４は高さｈを持つＬ_１部分においてレール上をスライドするからである。前面４６は粉末を押し出し、粉末高さとシューの相対的ポジションとに応じて所与の量の取り込みを確保する。この量は薄層サポート手段１４を持つピット２４と向き合うまで運ばれる。向き合ったならば、非常に薄い厚さの層にわたって、欠けている部分が皆無となるようにこの粉末を押し伸ばすことを確保しなければならない。
【００４０】
そのため、シューは作業面に対してある角度だけ傾斜される。この傾斜は、レール３４上をスライドしながらシューの前部を持ち上げるとともに軸３８を中心とするシューの傾斜を確保する突起部４４によって得られる。
【００４１】
このシューが傾斜している状態において、作業面も同じ角度αだけ傾斜している。このことは複数の有利な効果をもたらす。第一の効果は粉末の全部を取り込むことである。なぜならば、作業面下における粉末の敷き均しを助長するシュートを必然的に形成するからである。
【００４２】
勾配があるということは薄層を圧縮することを助長する、したがって粉末の漸進的な圧縮を助長する。ぎざぎざ５４によって構成される障害物５２のおかげで、粉末は作業面と作業平面との間をすり抜けることなく圧縮される。なぜならば、剪断効果が生じるからである。
【００４３】
圧縮に関しては、おわかりのように、傾斜面は、シューの重量からもたらされる垂直圧縮力の分解により、矢印Ｆに沿った伴出方向において分力を生じさせる。この分力は粉末の伴出に寄与する。このことも品質の高い薄層を塗布する上で有利である。
【００４４】
またおわかりのように、薄層の厚さはシューが通った後に存続している厚さである。シューは、一旦傾斜されたならば、初期スペースよりも小さなスペースを解放する。
【００４５】
シューは、図３Ｄに示されているように、薄層サポート２６を通過するまでＦに沿って移動される。
【００４６】
次に、シューは初期ポジションへ戻される。このとき、作業面５０が作業平面に再び平行になるようにトランジッションゾーン通過時に傾斜が解除される（図３Ｅ）。シューが薄層サポートゾーンから出るや否や、層はたとえばレーザーを用いて処理されることができる。次に、この処理済層は、もし必要ならば、前と同条件のもとで新たな層を受けるために引っ込められる。この引っ込みはサポート２６を正確に下げることによって行われる。つまり、図３Ｆの結果と位置決めを得る。
【００４７】
説明した実施形態は、各ステップを説明し示すために単純化されているが、完全なものにされることができる。実際のところ、レールと案内突起部を持つ変形形態は、加熱エンクロージャのような有害な環境あるいは厳しい環境内でも可能な応用の利点を有しているが、他の状況においても、ピボットや傾斜を確保する上で電動化を含めることも可能である。この場合、ステッピングモーターを用いて傾斜角度を正確に変化させることが可能である。したがって、ある種の状況下では、適切なプログラミングに従って傾斜の変化を確保するように制御されうる、より適応化可能な、より精密な装置を実現することが可能である。
【００４８】
実施は１パスの場合について説明したが、高さを変えることを想定するならば、シューの通る高さを調整する手段を備えた同スクレーパーを連続して数パス通すこともできる。
【００４９】
この場合、第一のパス時に最終的な薄層の塗布に必要な量が伴出されるとともに、層の塗布長さは短縮される。層が所望の厚さと初期に伴出された量に対応した所望表面に達するのは最後のパス時である。
【００５０】
また、1つの同じスクレーパーを構成する、異なる高さに調整された２つまたは複数の連続シューの連結も想定することができる。
【００５１】
上述の装置を使用する本発明による層の塗布方法は、薄層を塗布すべき粉末の粒度の関数として実現すべき層の厚さに応じた層の塗布サイクルの決定につながる。
【００５２】
実際のところ、締固めを引き起こすことなく、とりわけ前の層を損なうことなく粉末を漸進的に塗布することが肝要である。
【００５３】
したがって、１００μｍの層を実現するには、約１０〜２０μｍの粉末で３パス行う必要がある。
【００５４】
この結果を得るためには、好ましくはｙ＝（ａｘ＋ｂ）／（ｃｘ＋ｄ）というタイプの非線形減少法則が用いられなければならない。
【００５５】
次のような例を挙げることができる。
【００５６】
係数ａ、ｂ、ｃ、ｄには、使用機械と粉末から実験により得られた値、４、０、３、３が与えられる。
【００５７】
初期高さ５００μｍ、達するべき最終高さ１００μｍで締固めを始めるとすれば、
ｙ＝（４×０＋０）／（３×０＋３）＝０
ｙ＝（４×１＋０）／（３×１＋３）＝０．６６６
ｙ＝（４×２＋０）／（３×２＋３）＝０．８８８
ｙ＝（４×３＋０）／（３×３＋３）＝１．００
【００５８】
したがって、ｘ＝３のとき、つまり初期塗布後３回目のパスで、すなわち４反復で、課せられた初期高さが得られる。なぜならば、係数が１であるからである。
【００５９】
したがって、層の厚さと粉末のタイプとに応じて、必要なパス数を計算することが可能である。
【００６０】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄに、概略的表示と同じ部材および同じ参照番号を持つスクレーパーを含めた好ましい実施形態を示した。
【００６１】
工業的実用性を考えて、カウンターウエイト５４がシュー３６の前部に配置される。また、突起部４４が特別な形状を呈していること、および表面５６が早期摩耗なしに何回ものすべりや案内を可能にする適切な丸い形状を呈していることも指摘しておく。
【００６２】
スクレーパーのこの実施の場合には、ぎざぎざ５４の角は粉末の配分の適正な規則性を可能にするために綿密にそがれなければならない。
【００６３】
この場合、ローラーは、レール上のすべり表面のためを考えて設けないことにした。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による薄層塗布装置を組込んだ設備の透視図である。
【図２】 本発明による装置の移動中心線に沿った縦断面図である。
【図３Ａ〜図３Ｆ】 本発明による薄層塗布装置の動作を概略的に示した断面図である。
【図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃ】 スクレーパーの好ましい実施形態の上面図、正面図および側面図である。
【符号の説明】
１０ フレーム
１２ 粉末の貯蔵手段
１４ 層サポート手段
１６ スクレーピング手段
３０ スクレーパー
３２ 追従手段
３４ レール
３６ シュー
３８ 軸
４０ ローラー
４２ 押し棒
４４ 突起部

Claims (8)

1. −粉末の貯蔵手段（１２）、
   −作業面（５０）を持つシュー（３６）を有するスクレーパー（３０）によるスクレーピング手段（１６）ならびに
   −移動方向Ｆに沿って並進する前記シューの案内手段（２８）
   を含む、サポート手段（１４）上で粉末の薄層を塗布する装置であって、
   シュー（３６）が移動すること、および前記スクレーパーが少なくとも２つのポジションを取るために移動の際に前記シューを傾斜する手段（３２、３４）を含むこと、またこれらのポジションのうちの第一のポジションにおいて、所定量の粉末を取り込むために作業面（５０）が層のサポート手段（１４）に並行であること、第二のポジションにおいて、この作業面（５０）が前記サポート手段に対して角度αだけ傾いていることを特徴とする装置。
2. シュー（３６）の作業面（５０）が障害物（５２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄層塗布装置。
3. 障害物が複数のぎざぎざ（５４）を含むことを特徴とする請求項２に記載の薄層塗布装置。
4. ぎざぎざ（５４）の数が３つであり、これらのぎざぎざ（５４）は作業面（５０）の平面内において、および移動方向Ｆに対して後方側において直角である直角三角形横断面を有することを特徴とする請求項３に記載の薄層塗布装置。
5. 前記傾斜手段が機械的手段であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の薄層塗布装置。
6. 前記機械的手段が長さＬ_１にわたって高さｈを、またトランジッション長さＬを、および長さＬ_２にわたって高さＨを有するレール（３４）と、前記レールにもたれかかりながらスライドする突起部（４４）とを含むことを特徴とする請求項５に記載の薄層塗布装置。
7. 前記傾斜手段が電動化されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の薄層塗布装置。
8. パスｘの数が、ｙ＝(ａｘ＋ｂ)／（ｃｘ＋ｄ）のタイプの非線形減少法則を用いて、層の厚さと粉末の粒度に基づき、ｙはｘパス後の層の高さを示す係数であり、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄは粉末と使用される装置により決まる係数であ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の装置を用いて薄層を塗布する方法。

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