JP4742148B2 - 粉末状形成材料から三次元物体を層方向に製造するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末状の形成材料から三次元物体を層方向に製造する装置および方法に関する。特に、本発明は、選択レーザ焼結方法（以下短縮してレーザ焼結法と称する）およびレーザ焼結装置に関する。

請求項１および請求項５の序文にそれぞれ記載のレーザ焼結法およびレーザ焼結装置は、例えば特許文献１から公知である。この方法では、特にポリアミド等のプラスチック粉末が使用される。

この公知の方法では、形成プロセス毎に、特定の量の古い粉末、すなわちそれに先立つ１回または数回の形成プロセスから残留する粉末が使用される。しかしながら、古い粉末は経時変化の作用を受ける。

例えば、古い粉末は熱および／または熱酸化によるダメージを受けており、それゆえ新しい粉末とは異なる材料特性を有するため、新しい粉末とは異なる処理パラメータを有する。従って、形成プロセスおよび部品品質を損なうことのないように、一定の比率でしか古い粉末を新しい粉末に加えることはできない。所謂補給率とは、混合量における新しい粉末の百分率／混合量における古い粉末の百分率（例えば５０／５０）を示す値であり、形成プロセスにおいて使用される。この補給率はできるだけ小さくするべきであるが、これはその方が新しい粉末のコストを抑制できるからである。

特許文献２では、より多くの古い粉末を添加できるように、経時変化に関連する品質劣化変化の効果を低減する目的で、古い粉末または古い粉末と新しい粉末との混合物を、固化前に、前処理、例えば流動化、することを提案している。

しかしながら、このような前処理では、通常、粉末の経時変化に関連する品質低下の変化を全て解消できるとは限らない。特に、古い粉末の割合が高すぎると、「ひけマーク」や「オレンジの皮」とも呼ばれる窪み状態により、部品の外壁に不十分な表面品質がもたらされる。

特許文献３から、レーザ焼結法および当該方法用のレーザ焼結粉末が公知となっている。ここでは、レーザ焼結工程における安定性を高め、それにより経時変化に関連するダメージを少なくしたある種の材料を用いることで、それが古い粉末として使用された場合の窪み状態の問題を解消する試みがなされている。しかしながら、その場合、ユーザは、それまで使用してきた精通している粉末とは特性が異なり、全ての要求を満たさない可能性があるこの特定の粉末の使用に依拠することになる。

さらに、特許文献４から、レーザを用いて固化を行う間またはその前に電磁界を生成することにより、レーザ焼結において粉末を圧縮することが公知となっている。

特許文献５からは、セラミック粉末の層焼結において、ローラを用いて塗布粉末層を圧縮することが公知となっている。これによってセラミック粉末の固相での焼結に必要な時間を短縮することができる。

特許文献６から、塗布ブレードを用いて粉末を塗布するレーザ焼結装置、特に金属粉末用のレーザ焼結装置が公知となっている。ブレードは塗布エッジ部に、３０度と９０度の間の角度を持つはす縁を有する。反対側の均しエッジ部にも１度と６０度の間の傾斜面が設けられている。均しエッジ部は既に固化した層を平滑に均す。

独国特許出願公開ＤＥ １０１ ０５ ４０４ Ａ１ 独国特許出願公開ＤＥ １０１ ０５ ５０４ Ａ１ 国際公開ＷＯ２００５／０９７４７５ 米国特許第４，９３８，８１６号 欧州特許ＥＰ １ ０５８ ６７５ Ｂ１ 独国特許ＤＥ １９５ １４ ７４０ Ｃｌ

本発明の目的は、補給率を低減することができ、プロセスのコストを低減することができる三次元物体を製造する方法および装置、特に、レーザ焼結法およびレーザレーザ焼結装置を提供することにある。

この目的は請求項１に記載の装置、および請求項７，８または１３に記載の方法によって達成される。本発明のさらなる発展が従属請求項に記載されている。

本方法は、ポリアミド又はその他の類、特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、のような従来型のレーザ焼結用粉末を、ケースバイケースでガラス粒子等の添加物、強化繊維、例えばアルミニウム充填ポリアミド等の金属添加物等を加えて、あるいは加えることなく使用することができ、しかもそれらの特性が十分に知られているという利点を有する。また、本方法および本装置によると、補給率を新しい粉末０％（０／１００）にまで低減することができる。

本発明のさらなる特長および有用性が、添付図面に基づく実施の形態の説明から明らかとなるであろう。

図１に示すレーザ焼結装置は、コンテナ１を含む。コンテナは、上部が開放され、内部に支持体２を有している。支持体は垂直方向に可動であり、形成される物体３を支持すると共に形成場を画定する。支持体２は、物体のそれぞれの層であって固化されるべき層が作業面４に来るように、垂直方向に調整される。また、電磁放射により固化される粉末状の形成材料を塗布するための塗布装置５も設けられている。この装置はまたレーザ６も備える。レーザ６によって生成されたレーザビーム７は、偏向装置８を介して結合窓９の上に照射され、これによってレーザビーム７を処理チャンバ１０内に入射させ、作業面４の所定の地点に集光させる。

さらに、制御部１１が設けられており、形成プロセスを実施するため、装置の各部が調整された方法で制御部により制御される。

図２に示すように、塗布装置は２枚の顎部５１，５２を備える。顎部は互いに離れて配置されると共に、作業面の上方に離れて配置されており、供給粉末２０はこれら２枚の顎部５１，５２の間に配置されている。顎部５１，５２は形成場の幅全体に亘って延びている。顎部の内側は互いに向き合っており、そこには、ブレード６０，６１が設けられている。ブレードも形成場の幅全体に亘って延びると共に、顎部から下向きに作業面に向かって突出している。ブレードの底面側は、支持面または最後に固化された層から距離ｄを有しており、この距離ｄは所望の層の層厚に相当する。図２では、図示された塗布装置５の現在の移動方向がＢで示されている。

図３から分かるように、ブレードは移動方向Ｂに関して厚みＤを有し、また２つの面６０ａ，６０ｂを有している。この２つの面は、作業面４に対して実質的に垂直に延びると共に互いに実質的に平行に配設されており、形成場を横切って延びている。ブレードは作業面に対向する底面側に傾斜面６０ｃを有しており、その傾斜面６０ｃが塗布方向Ｂに向かって高くなるように、塗布装置において位置決めされている。この傾斜面が塗布面を形成する。傾斜面は、作業面４および支持面の各々に平行な面Ｅと共に鋭角αを形成する。鋭角αは０度より大きい値と約５度の間にあり、好ましくは約２度である。垂直面６０ｂと傾斜ブレード面６０ｃとの間の下縁部６０ｄは、面Ｅに対して高さｘに位置する。ブレードの厚みＤが約６ｍｍの時、高さｘは０．０３ｍｍより大きく約０．５ｍｍより小さい。ブレードの厚みは１ｍｍと２０ｍｍとの間とすることができる。これによって塗布装置は、塗布方向Ｂに関する面６０ｃの入射角度がごく小さいものとなる。

第２の塗布ブレード６１は第２の顎部５２の内側に配設され、第１の塗布ブレード６０に対して鏡面対称となるように形成されている。このため、第２の塗布ブレード６１の傾斜面６１ｃは、第１の塗布ブレード６０が塗布を行う塗布方向Ｂと逆向きの入射角を持つ。これによって、塗布装置が前方に移動する間及び後方に移動する間のそれぞれにおいて、新しい粉末層を塗布することが可能となり、また供給粉末を搬送し、必要に応じてそれを補うことも可能となる。

動作時、好ましくはプラスチック粉末、例えばポリアミド等のポリマー粉末、特にポリアミド１２、あるいはＰＥＥＫ等の別の類の粉末を、場合により添加物を添加しまたは添加せずに、粉末として使用する。塗布動作の前に、先行する１回または数回の形成プロセスから焼結されない粉末として残留する古い粉末が新しい粉末と混合される。例えば、無充填ポリアミドの場合、補給率は新しい粉末を５０％〜３０％（補給率５０／５０〜３０／７０）とし、充填ポリアミドの場合、補給率は新しい粉末を１００％〜７０％（補給率１００／０〜７０／３０）とする。用語「新しい粉末」とは、それまでのどの製造工程においても使用されたことのない粉末を意味する。用語「古い粉末」とは、粉末ケークに共挿入され、形成プロセスの間ずっと高温下で保存されていた粉末約９０％と、層の塗布の間オーバーフローコンテナに移されていた粉末約１０％とから成る粉末を指す。

混合はレーザ焼結装置の外又は中で行うことができる。各塗布動作の前に、粉末層を塗布するのに十分な量の粉末が塗布装置５に加えられる。

次に、塗布装置５は形成場を横切るように移動し、この時に塗布ブレード６０が所定の厚さｄを有する層２１を塗布する。面６０ｃが塗布方向Ｂに対して傾斜しているため、塗布ブレード６０の前に位置する粉末の列の中に位置する粉末を広げるような力が粉末に作用し、その力は作業面内部に向かって作用する。これによって、層の塗布の間に粉末２０が圧縮される。

次に、それぞれの層における物体３の断面にレーザビームが照射され、粉末が固化される。その後、塗布装置５は再び粉末で満たされ、図２および図３に示す方向Ｂと反対方向へ移動させられる。それによって、第１の塗布ブレード６０に対して鏡面対称に形成されている第２の塗布ブレード６２が塗布装置として作用し、最後に固化された層と固化領域を取り囲む粉末の上に新しい粉末層を塗布する。

図４は、本発明によるブレードの動作を概略的に説明するものである。物体３は複数の固化済みの層２１と、これらの層を取り囲む未焼結の粉末２２とを含む。最後に塗布され固化された層は固化済みの部分２３ａと未焼結の粉末２３ｂとを含む。固化の間に密度が高くなるに従い、固化済みの部分２３ａは未固化の粉末２３ｂの高さに関してやや低くなる。それによって、固化済みの部分２３ａと未固化領域２３ｂとの間に縁部２４が形成される。

本発明によるブレード６０を使用した場合、驚くべきことに、圧縮圧力が層内の粒子に作用して、完成した部品にほんの僅かな窪み状態しか存在しないか全く存在しないことが分かった。

粉末床の密度を高くすることによって、補給率を小さくできるばかりでなく、これまではレーザ焼結法には適していなかったあるいは限られた範囲にしか適していなかった粉末を使用することが可能となる。

粉末床の密度は下記のように測定される。薄壁で作られたブロック形の密閉中空のレーザ焼結部品が、その囲まれた容積が露光中にｘｙｚ方向に１００ｍｍ×１０ｍｍ×１５ｍｍとなるように露光される。その部品を囲む容積はそれに合わせて決定される。こうして製造された部品の外側から付着する粉末残留物が取り除かれた後、製造された部品の重量が測定される。その後、その部品は切開され、内部の粉末が排出された後、空の部品の重量が再び測定される。これらの質量の差が、封入されていた粉末の体積の質量に相当する。粉末の体積が分かっているので、それから粉末床の密度を算出することができる。

下記の表１は、本発明による装置および方法を先行技術と比較した結果を示している。ＰＡ２２００の商品名で入手できるポリアミド１２（ＥＯＳＩＮＴ Ｐ機用の出願人の焼結用粉末）がレーザ焼結粉末として使用された。塗布層の厚みは０．１５ｍｍであった。

粉末の溶液粘度が、ＩＳＯ３０７に従って測定され、粉末床密度が上述の方法で測定された。

この方法と装置のそれぞれにより、必要とされる新しい粉末の比率が低減できる。特別な場合には、古い粉末をほぼ１００％にすることも可能である。さらに、表１は、材料の溶融粘度の尺度である溶液粘度が古い粉末の比率と共に増加することを示している。従って、本発明の方法によると、対応する高い溶融粘度を持ち、今までに存在する方法や装置では処理できなかった粉末材料であっても焼結させることができる。ポリアミド（ＰＡ）、特にＰＡ１２は、沈殿法によって製造することができ、それゆえ破砕粉末に比べて著しく平滑な表面を持つので、本発明の装置および方法に好適である。よって、塗布の間に都合良く沈降プロセスを行うことができる。

塗布装置の形状は具体的に示された実施の形態に限定されるものではない。例えば、面６０ａと６０ｂは平行である必要はなく、また成形された表面も除外されない。

また、塗布面の上り斜面も一定である必要はなく、例えば段階的に高くしたり、異なる形状と持たせるなど別の方法で上り斜面としても良い。

レーザの代わりに、粉末状の材料の固化に適した他のエネルギー源、例えば電子ビーム源等が使用できる。また、マスク焼結、抑制焼結または線形エネルギー注入、あるいはアレーを介してのエネルギー注入など、他の方法でエネルギーの注入を行うこともできる。

レーザ焼結装置を示す概略図である。 レーザ焼結装置において塗布装置を用いて粉末の塗布を行う様子を示す概略的側面斜視図である。 塗布装置の塗布ブレードの断面を示す概略図である。 塗布装置が焼結済みの層の上に粉末を塗布する方法を示す概略的な部分断面斜視図である。

Claims (22)

1. 粉末状の形成材料の層を、三次元物体の断面に対応するそれぞれの層の位置で、レーザまたは他のエネルギー源の作用により順次固化させることにより三次元物体を製造するための装置であって、
   その上に前記物体が形成される支持体（２）と、
   前記支持体または先に固化された層の上に粉末材料の層を塗布するための塗布装置であって、少なくとも１つの塗布方向（Ｂ）へ前記支持体または先に固化された層を横切って移動可能な塗布装置（５）と、
   前記物体に対応するそれぞれの層の位置で粉末材料を固化させる固化装置（６）とを含み、
   前記塗布装置（５）が、塗布方向に向かって上昇する塗布面（６０ｃ，６１ｃ）を有するブレード（６０，６１）を備え、前記塗布面が前記支持体（２）に対向するブレード底面側に設けられて、０度より大きく約５度より小さい角度で、該塗布装置の移動方向（Ｂ）に向かって上昇していることを特徴とする装置。
2. 前記角度は約２度であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記ブレードの前記移動方向における厚みが約１ｍｍと約２０ｍｍとの間にあることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記塗布面の高さが約０．０３ｍｍより高く約０．５ｍｍより低いことを特徴とする、請求項１から３の一つに記載の装置。
5. 前記塗布装置（５）が、互いに距離を置いて配置され、かつ当該塗布装置の移動方向（Ｂ）に対して垂直な平面に関して鏡面対称に形成されている２つのブレードを備えることを特徴とする、請求項１から４の一つに記載の装置。
6. 前記各ブレードが対称に形成されており、かつ２つの塗布面を有していることを特徴とする、請求項１から５の一つに記載の装置。
7. 粉末状の形成材料の層を、三次元物体の断面に対応するそれぞれの層の位置で、レーザ又は他のエネルギー源の作用により順次固化させることにより三次元物体を製造する方法において、２．１ηｒｅｌより大きい溶液粘度を有する粉末が使用され、
   層を塗布する間に、前記粉末が、塗布方向に向かって上昇する塗布面（６０ｃ、６１ｃ）を備えるブレード（６０，６１）によって機械的に固められ、前記塗布面はブレードの底面側に設けられ、かつ０度より大きく約５度より小さい角度でブレードの移動方向（Ｂ）に向かって上昇していることを特徴とする方法。
8. 粉末状の形成材料の層を、三次元物体の断面に対応するそれぞれの層の位置で、レーザ又は他等のエネルギー源の作用により順次固化させることにより三次元物体を製造する方法において、
   ２．１ηｒｅｌより大きいＰＡ２２００の溶液粘度に相当する溶融粘度を有する粉末が使用され、
   層を塗布する間に、前記粉末が、塗布方向に向かって上昇する塗布面（６０ｃ、６１ｃ）を備えるブレード（６０，６１）によって機械的に固められ、前記塗布面はブレードの底面側に設けられ、かつ０度より大きく約５度より小さい角度でブレードの移動方向（Ｂ）に向かって上昇していることを特徴とする方法。
9. 固められることにより、０．３８ｇ／ｃｍ^３より大きい粉末床密度が生成されることを特徴とする請求項７または８記載の方法。
10. ０．４ｇ／ｃｍ^３より大きい粉末床密度が生成されることを特徴とする、請求項７から９の一つに記載の方法。
11. 粉末床密度が０．４１ｇ／ｃｍ ^３ より大きい請求項１０に記載の方法。
12. 粉末床密度が０．４２ｇ／ｃｍ ^３ より大きい請求項１０に記載の方法。
13. 溶液粘度が約２．１ηｒｅｌより大きいことを特徴とする、請求項７から１２の一つに記載の方法。
14. 溶液粘度が約２．３ηｒｅｌより大きいことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 溶液粘度が約２．６ηｒｅｌより大きいことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
16. 粉末状形成材料として、先に形成された１つまたはいくつかの物体の製造において未固化粉末として残留した古い粉末と、以前にいずれの製造工程においても使用されたことのない新しい粉末とを含む材料が使用されることを特徴とする、請求項７から１５の一つに記載の方法。
17. 粉末状の形成材料の層を、三次元物体の断面に対応するそれぞれの層の位置で、レーザ又は他のエネルギー源の作用により順次固化させることにより三次元物体を製造する方法であって、
    粉末状形成材料として、先に形成された１つまたはいくつかの物体の製造において未固化粉末として残留した古い粉末と、以前にいずれの製造工程においても使用されたことのない新しい粉末とを含む材料が使用される方法において、
    層を塗布する間に前記粉末状形成材料が機械的に固められ、新しい粉末の比率が形成構築プロセスに使用する粉末の全量の５０％より小さく、前記粉末状形成材料は、塗布方向に向かって上昇する塗布面（６０ｃ、６１ｃ）を備えるブレード（６０，６１）によって機械的に固められ、前記塗布面はブレードの底面側に設けられ、かつ０度より大きく約５度より小さい角度でブレードの移動方向（Ｂ）に向かって上昇していることを特徴とする方法。
18. プラスチック粉末が材料として使用されることを特徴とする、請求項７から１７の一つに記載の方法。
19. 前記材料がポリアミド粉末を含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記材料がポリアミド１２を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 請求項１から６の一つに記載の装置を用いて行われることを特徴とする、請求項７から２０の一つに記載の方法。
22. 該方法によって製造される物体が、窪み状態を持たないことを特徴とする、請求項７から２１の一つに記載の方法。

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