JP5586480B2 - 有体物を層毎に造形する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の有体物を層毎に造形する方法に関する。本発明は、請求項３の前提部分に記載の有体物を層毎に造形するシステムにさらに関する。

このような手法は、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ：Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）またはラピッドマニュファクチャリング（ＲＭ：Ｒａｐｉｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）と称されることが多い積層造形技術（ＬＭＴ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の分野において有体物を製造するために使用される。ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）およびラピッドマニュファクチャリング（ＲＭ）が「ラピッド」と呼ばれる理由は、型の設計および製作を必要としないからである。

凝固には、液体層の所定領域を凝固させるために適切な化学的または物理的プロセスであれば如何なるプロセスでも使用できる。凝固手段は、例えば、固体反応産物を生じさせる液体中の成分の化学的反応を開始させるものでもよい。例えば、液体は、電磁放射による硬化が可能な液体樹脂でもよく、例えば適切な波長の光の照射によって重合を活性化できるフォトポリマーでもよい。この液体は適切な種類のエネルギーによって固体に変化させることができる。凝固手段は、エネルギーを所定領域に選択的に供給できるエネルギー源を備えてもよい。このエネルギー源として、例えば電磁放射線源が挙げられる。凝固手段は、凝固手段の投光部から液体層の所定領域に固体層の所望の形状およびサイズに対応するパターンで照射される光を放射できる光源を備えてもよい。

液体の次の最上液体層を作製する手法としていくつかの手法が公知である。

例えば、造形中の物体の既に構築された部分を液体に浸すことによって必要な液体層より厚い液体層を施す手法が知られている。次に、余分な材料をワイパブレードによって除去する。このワイピングによって造形中の物体に力が伝達される。この力が過大化するのを防ぐために、ワイピングは制限速度で行う必要がある。また、このような速度制限は、ワイパブレードの動作によって造形中の物体に空洞が空くことを防ぐためにも必要である。

別の公知の手法においては、上方から入射する放射線を透過させる造形用の型が用いられる。各方法サイクルにおいて、液体層の所定領域の凝固は、この液体層が造形用の型に隣接しているときに行われる。凝固後、得られた固体層は造形用の型から分離される。この分離により、造形中の物体に力が伝達される。この力が過大化するのを防ぐために、分離は制限速度で行う必要がある。この公知の手法の速度が制限される別の要因は、造形用の型と造形中の物体との間に液体が流れ込むのに比較的長時間かかることである。

さらに別の公知の手法が国際公開第９７／２９９０１号に開示されている。この公知の手法においては、硬化性液状媒質で満たされた容器の上方に制御可能な手段が設けられている。この制御可能な手段は、当該容器の最上部に直立し底部に細穴が設けられた流し込み用ボブと、容器内に収容された媒質の表面に対して流し込み用ボブを移動させる手段とを備える。液状媒質は安定したカーテンの形状で前に形成された層の上に流し込まれる。この公知の手法の欠点の１つは、新しい液体層をより薄くする必要があるほど、これらの層をこのような安定したカーテンとして作製することがより困難に（不可能にさえ）なることである。したがって、作製される新しい層の浅さに限界があるため、製造される物体の精度に限界がある。

米国特許第５３５８６７３号は、請求項１の前提部分に記載の方法、並びに請求項３の前提部分に記載のシステムを開示していることにさらに注目される。例えば、吹き付けは、米国特許第５３５８６７３号の第２欄第４７行に開示されている。

本発明の目的は、より高速でより高精度な有体物の層毎の造形を可能にすることである。

したがって、本発明の第１の側面によると、請求項１に記載の方法が提供される。

本発明の第１の側面によるこの方法においては、上記方法サイクルの少なくとも１つのために、次の液体層の作製は、このような液体を容器内の内容物の上部に吹き付けることによって行われる。

吹き付けとは、液体を霧状にして小さな液滴の噴霧液にすることを意味する。これらの小さな液滴が液体容器内の内容物の上部に落下することにより、吹き付け速度が高速であっても、造形中の物体に伝達される力は無視できるほど小さくなる。その意味では、ワイパブレードに基づく手法または造形用の型に基づく手法に必要であったような速度制限措置を必要としないため、吹き付けに基づく手法はより高速である。さらに、噴霧液は均等に分散されて高速で広がるため、本方法の速度にも良い影響を与える。さらに、噴霧液は純粋の液体より液体密度が低いため、また液滴は容器の内容物の上部への落下後に広がるため、国際公開第９７／２９９０１号に開示されている流し込みカーテン手法に比べ、吹き付けはより薄い新規液体層の形成を可能にする。

さらに、本発明の第１の側面によるこの方法においては、このような次の最上液体層の少なくとも一部がこのような方法サイクルで作製された後、このような方法サイクルの次のサイクルで凝固が行われる前に、作製された最上液体層の表面の少なくとも一部にわたる高さ分布が測定装置によって測定され、この測定された高さ分布に基づき、測定された高さ分布の非平坦性を補うように凝固が行われる。これは、測定された高さ分布の不足部分を補うことによって、例えば堆積された層の望ましくない波状パターンにより最上液体層が比較的平坦でない場合でも、造形中の物体の精度要件を満たすことができるという利点がある。これにより、堆積される液体層の平坦度要件が低くなり、結果としてより単純な吹き付けシステムの使用が可能になる。別の利点は、上記のように補うお陰で、次の最上液体層の少なくとも一部の作製後に凝固をより高速で行えるため、有体物の層毎の造形がより高速化されることである。

米国特許出願公開第２００３２０５８４９号は、段落［００２７］にさまざまな「液体移送装置」を開示していることに注目される。これらの装置は何れも、硬化性液体材料の表面液位の精密制御を可能にする。米国特許出願公開第２００３２０５８４９号の段落［００３４］および［００３５］には、表面液位１８と基準点との間の鉛直距離Ｄ２を求めるために距離センサが用いられると記載されている。ただし、米国特許出願公開第２００３２０５８４９号に開示されているのは、全般的な高さレベルの測定のみであり、測定された高さ分布の非平坦性を補う措置のみならず、このような表面全体にわたる高さ分布の測定も開示されていない。

さらに、本発明の第２の側面によると、請求項３に記載のシステムが提供される。

本発明の具体的な実施形態は従属請求項に示されている。

本発明の上記および他の側面は、以降に記載されている各実施形態から明らかになり、各実施形態を参照することにより解明されるであろう。

以下の図面を参照しながら、本発明のさらなる詳細、側面、および実施形態を単なる例として説明する。

本発明による方法およびシステムにおいて使用される吹き付け手段の一実施形態の一例の斜視図を模式的に示す。 本発明による方法およびシステムにおいて図１の吹き付け手段と連係して使用される凝固手段の実施形態の一例の斜視図を模式的に示す。 本発明による方法およびシステムにおいて使用される吹き付け手段の別の実施形態の一例の斜視図を模式的に示す。 本発明による方法において使用される本発明によるシステムの一実施形態の一例の斜視図を模式的に示す。図４に示すシステムは、請求項３に記載のシステムであり、より具体的には請求項４に記載のシステムであり、このシステムは請求項１に記載の方法、より具体的には請求項２に記載の方法、において使用される。 本発明による方法の一実施形態の一例の一段階を側断面図で模式的に示す。

図１〜図４は、液体３と高さ調節が可能なプラットフォーム４とを内部に収容した液体容器２を示す。液体３は、プラットフォーム４の上方にある。液体を有する容器とプラットフォームとは、本発明による有体物を層毎に造形する方法において用いられる。

本発明による方法は、方法サイクルを繰り返し実行するステップを含み、各方法サイクルは、
− 有体物の固体層を得るために容器２内の液体３の最上液体層１０の所定領域を凝固させるステップであって、固体層が所定形状を有する、ステップと、
− 上記固体層に付着した次のこのような固体層が得られるように、次の液体層の所定領域２０を同様に凝固させるための次のこのような方法サイクルを実行するために、上記固体層の上方に上記固体層に平行に隣接させて液体３の次の最上液体層１０を作製するステップと、を含む。

本方法の実行中、プラットフォーム４は造形中の有体物を支持するために役立つ。本方法の実行中、このような連続する最上液体層の周期的作製によりプラットフォーム４に対して液位が上昇するに伴い、プラットフォーム４を容器２に対して下降させることもできる。その場合、造形中の物体は容器２内を下降する。簡略化のために、プラットフォーム４用の対応する高さ調節手段は図に示されていない。

上の導入部で説明したように、凝固には、液体層の所定領域を凝固させるために適切な化学的または物理的プロセスであれば何れのプロセスでも使用しうる。図示の各例において、凝固は、図２および図４に極めて模式的に示されている凝固手段９によって行われる。これらの図において、凝固手段９から延びている破線は、凝固手段９から放射された放射線の移動空間を示している。

本発明による方法においては、上記方法サイクルの少なくとも１つのために、次の液体層１０の上記作製は、このような液体を容器２内の内容物の上部に吹き付けることによって行われる。この吹き付けは、吹き付け手段によって行われる。当業界においては、この目的のために適切なさまざまな吹き付け手段を入手できる。吹き付け手段は、例えば、単一の噴霧ノズルまたは他の噴射孔、あるいはこのようなノズル／噴射孔の配列または行列を備えうる。吹き付け手段は、例えば液圧または気体によって液体を霧化するさまざまな手段を備えうる。

図１および図４の例においては、吹き付け手段は参照符号７で示され、噴霧ノズルが相互に直列に延在する配列を備えている。吹き付け手段７を容器２に対して方向２７に移動させながら霧化された液体から成る噴霧液１７を容器２内の内容物の上部に導くことによって次の液体層１０が形成される。

次に図３を参照すると、本発明による方法およびシステムにおいて使用される吹き付け手段の別の実施形態の一例が示されている。図３に示す吹き付け手段は、単一の噴霧ノズル１０７を備えている。本発明による対応するシステムは、吹き付け手段１０７によって生成された霧化した液体１７を案内する案内手段８をさらに備える。図示の案内手段８は、放出された噴霧液１７を遮蔽する一種の逆じょうご状の形態を有する。このような案内手段の他の形状および形態も可能であり、噴霧ノズル／噴射孔の配列または行列と組み合わせることも可能である。吹き付け手段１０７並びに案内手段８を容器２に対して方向２７に移動させながら、生成された噴霧液１７を容器２内の内容物の上部に導くことによって次の液体層１０を形成する。

次に図４を参照すると、本発明によるシステム１が示されている。システム１は、図１の吹き付け手段７と図２の凝固手段９とを備える。さらに、システム１は、作製された最上液体層１０の表面の少なくとも一部にわたる高さ分布を測定する測定装置６と、測定された高さ分布の非平坦性を補うなど、測定された高さ分布の不足部分を補うために、このような測定された高さ分布に基づき凝固を行うために凝固手段９を制御する制御手段５とを備える。この目的のために、制御手段５は測定装置６と凝固手段９とに通信可能に接続される。この接続は、図４に線２５によって模式的に示されている。

動作中、吹き付け手段７および測定装置６並びに凝固手段９は何れも方向２７に移動し、これらの移動２７中、測定装置６は吹き付け手段７によって直前に作製された最上液体層１０の各部の高さ分布を測定し、凝固手段９は、測定装置６によって高さ分布が直前に測定された最上液体層１０の所定領域２０を凝固させる。

本発明によるシステムおよび方法において測定装置６および制御手段５の付加的使用は、例えば堆積された層の望ましくない波状パターンにより最上液体層１０が比較的平坦でない場合でも、測定された高さ分布の不足部分を補うことによって造形中の物体の精度要件を満たすことができるという利点がある。したがって、堆積される液体層の平坦度要件がより低くなり、結果としてより単純な吹き付けシステムを使用できる。測定された高さ分布の不足部分を補うように行われるこのような測定された高さ分布に基づく凝固は、例えば、目標形状に必要な量より多くも少なくもない量の液体を凝固させるために局所的に必要とされる放射線量を計算することによって可能になる。

次に図５を参照すると、吹き付け手段によって堆積させうる連続するいくつかの液体層の一例が示されている。造形中の物体の目標形状は破線３０によって表されている。この例における個々の層は、平坦でも高さが一様でもない。最上液体層１０の各部分についてその部分を凝固させるべきか否かを判定するために、目標形状と測定された高さとの一致を分析する。層１０のこのような各部分について必要な凝固量を求めるために、測定された現在の高さと前の層の凝固直前に測定された高さとの間の差３１に基づき各層部分の厚さを計算する。層１０の凝固量の分布がグラフ３２（図５の上部）によって表されている。グラフ３２は、差３１が大きい部分ほど凝固量が多いことを示す。網掛け部分は、実現された形状を表す。図５の例は、例えば本発明による方法に関し、凝固は放射線を所定領域に放射することによって行われ、上記のように補うことは、測定された高さ分布に基づき、所定領域に加えられる対応する放射線の強度分布を計算することによって行われる。この場合、グラフ３２は、上記の放射線の強度分布に関する。

Claims (4)

1. 有体物を層毎に造形する方法であって、
   液体（３）を収容した液体容器（２）を用意するステップと、
   方法サイクルを繰り返し実行するステップと、
   を含み、各方法サイクルは、
   − 前記有体物の固体層が得られるように前記容器（２）内の前記液体（３）の最上液体層（１０）の所定領域を凝固させるステップであって、前記固体層が所定形状を有する、ステップと、
   − 前記固体層に付着した次のこのような固体層が得られるように、次の液体層の所定領域（２０）を同様に凝固させるための次のこのような方法サイクルを実行するために、前記固体層の上方に上記固体層に平行に隣接させて前記液体（３）の次の最上液体層（１０）を作製するステップと、を含み、
   前記方法サイクルの少なくとも１つのために、前記次の液体層（１０）の前記作製はこのような液体を前記容器（２）内の前記内容物の上部に吹き付けることによって行われる方法において、
   − このような次の最上液体層（１０）の少なくとも一部がこのような方法サイクルにおいて作製された後、次のこのような方法サイクルにおいて凝固が実行される前に、前記作製された最上液体層（１０）の表面の少なくとも一部にわたる高さ分布が測定装置（６）によって測定され、
   − 前記測定された高さ分布に基づき、前記測定された高さ分布の非平坦性を補うように凝固が行われる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記凝固は放射線を前記所定領域（２０）に放射することによって行われ、前記のように補うことは、前記測定された高さ分布に基づき、前記所定領域に加えられる対応する放射線の強度分布（３２）を計算することによって行われる、請求項１に記載の方法。
3. 液体（３）を内部に収容した液体容器（２）において有体物を層毎に造形するシステムであって、
   − 前記有体物の固体層が得られるように前記容器（２）内の前記液体（３）の最上液体層（１０）の所定領域（２０）を凝固させる凝固手段（９）であって、前記固体層が所定形状を有する、凝固手段（９）と、
   − 前記固体層の上方に前記固体層に平行に隣接させて前記液体（３）の次の最上液体層（１０）を作製するために、このような液体を前記容器（２）内の前記内容物の上部に吹き付ける吹き付け手段（７、１０７）と、
   を備えるシステムにおいて、
   − 前記作製された最上液体層（１０）の前記表面の少なくとも一部にわたって高さ分布を測定する測定装置（６）と、
   − 前記測定された高さ分布の非平坦性を補うために、このような測定された高さ分布に基づき凝固を行うために前記凝固手段（９）を制御する手段（５）と、
   を備えることを特徴とするシステム。
4. 前記凝固手段（９）は放射線を前記所定領域（２０）に放射するように構成され、前記凝固手段（９）を制御する前記手段（５）は、前記測定された高さ分布に基づき、前記所定領域に加えられる対応する放射線の強度分布（３２）を計算するように構成される、請求項３に記載のシステム。

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