JP5593538B2 - 三次元物体を製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、技術的な専門用語で「ステレオリソグラフィ」として公知である、層で三次元物体を製造するための方法に関する。

本発明はまた、前記方法を使用したステレオリソグラフィ機械にも関する。

既に知られているように、ステレオリソグラフィが、それによって前記物体がきわめて短い時間内に、かつ、事実上特別な装置を使用する何の必要もなく製造されることができるので、立体的な、複雑な物体でさえ迅速に試作するために、広範囲に使われている。

一般に、ステレオリソグラフィ技法は、所定の厚さを有する層で再生されるべき物体の幾何学形状の最初の仮想分割を含み、それは次いで、物体を作り出すために順に重ねてそれらを配置するステレオリソグラフィ機械によって、実際に製造される。

層は、適切な刺激の効果の下で永続的に固体化することができる液体樹脂でできている。

より正確に言うと、樹脂は再生されるべき物体の１枚の層に対応する厚さで支持面上に広げられて、そして次に、物体の体積部分に対応する領域内の刺激に選択的に曝露される。

プラスチックに基づく樹脂が一般に使われ、および、その固体化はレーザビームへの曝露を通しての重合によって得られる。

第１の周知の構造形態によれば、ステレオリソグラフィ機械は液体樹脂を含むバットを備え、その中に、製造される物体を支持する垂直に移動するプラットフォームが浸漬される。

プラットフォームは、その厚さが連続した層に必要なそれに対応する液体の層によって、物体の各層を覆うまで下げられる。

液体層は次いで製造されるべき物体の体積部分に対応する領域内の刺激にさらされ、その結果、それは固体化して、下にある層に接着する。

三次元物体を製造するためのプロセスは、次第に低下するプラットフォームと共に、連続した層に対して類似して進行する。

上記した周知の技法は、それが層の厚さを制御するのがかなり困難である欠点をもたらす。

実際、概ねちょうど１ミリメートルの少しの割合である各層の減少した厚さおよび液体状態のベース材料の粘着性が、製造される物体上の液体樹脂の分布を妨げる。

従って、層の厚さはしばしば均一性を欠いており、および、これは寸法が不正確な完成した物体の製造に至る。

液体樹脂の表面を平らにするヘラの使用に実質的に基づいて、上述した欠点を限定する傾向がある、さまざまな装置が公知であるが、しかし、それらのいずれも満足な方法で課題を解決しない。

上記した周知の技法によってもたらされる更なる欠点は、製造される物体のための特定の数の支持物を準備して、それらをプラットフォーム上に配置する必要性によって代表される。

特にそれが外側の方へ突き出る部分を有する場合に、物体の固定荷重を支えるために、および物体の特定の構成で、物体自体の本体から初めに分離される部分を支持するために、の両方で支持物が必要である。

一例として、図１の黒い領域がＷ’によって示唆される、周知の技術に従って製造される一般的な三次元物体に関して略図で例示し、一方、斜線領域がそれに関連した上述した支持物Ｓを示す。

支持物はさらに、層の重合中に生成され、かつ、層それら自体の減少した厚さに起因して、受け入れ難い方法でそれらを変形させるであろう、応力に対抗することを可能にする。

支持物はしかしながらそれらが、物体の全体的な製造時間およびコストを増大する、追加的な設計段階を必要とする欠点をもたらす。

支持物はさらに、それらが他の物体の製造に再利用されることができず、したがって無駄になり、それで物体のコストを更に増大するという点に存在する別の欠点をもたらす。

さらに、製造されるべき物体が特に複雑なときに、支持物を製造することが可能でなく、それは、ステレオリソグラフィ技法の適用性を現実に限定する。

周知の技法によれば、支持物は三次元物体と同時にステレオリソグラフィ機械によって製造され、したがって、後者の不可欠な部分を占める。

明らかに、すでに記載されている欠点に加えて、上述した技法は、それが支持物を機械的に除去する必要があり、物体のコストの必然的な更なる増大を伴う、という事実によって代表される更なる欠点をもたらす。

さらに、支持物の除去は物体を壊すリスクを伴い、それは、別の欠点である。

上記に加えて、ベース材料の刺激が支持物に対応する領域内にもまた、実施されなければならないので、物体の製造の減速によって代表される更なる欠点がある。

上述した欠点を克服する試みにおいて、室温でゼリーの形態にあって、したがって、寸法の観点から実質的に安定している樹脂を使用する、別の技法が開発された。

この構築技法によれば、ゼリー樹脂はそれを液化するために加熱され、その結果、それは製造される物体上に広げられることができる。

したがって、以前の場合とは異なって、物体は液体樹脂内に浸漬されない。

一旦物体上に広げられると、樹脂は冷却して、室温で比較的安定しているゼリー層を形成して、次いですでに記載されているそれに類似した選択的な刺激手順を用いて重合される。

このプロセスは、物体を完成させるまで、連続した層に対して繰り返され、それは重合されなかった樹脂の液化を得るために、したがって完成した物体を抽出するために最後に加熱される。

都合よく、上記した技法は製造される物体に対する支持物の使用を回避することを可能にし、それは実際には周囲のゼリー樹脂で支えられる。

しかしながら、上述した技法は一連の欠点をもたらし、その中で、各付着された層が冷却するために必要な時間に起因して、それがむしろ遅いという事実がある。

各層の広げ中に、および、製作プロセスの終わりに、それが物体の機械特性の損失を受ける二重の加熱サイクルに起因して、樹脂が部分的な劣化を受けるという点で、更なる欠点がある。

この技法のすでに言及された遅いことと共に、その余分な樹脂が他の物体を製造するのに再び用いられることができないことを意味する上述した欠点が、更に、完成した物体のコストを増大する。

さらに、前述した第１の周知の技法に類似して、この第２の周知の技法は層の厚さの制御に関する課題も解決せず、それを悪化させさえする可能性がある。

実際、各層の広げ中に、樹脂の粘性がきわめて高く、それが層自体の表面の上に不規則性を発生させる可能性がある。

本発明は、上で概説される周知の技術の全ての欠点を克服することを目的とする。

特に、製造される三次元物体のための支持物の使用を必要としない、複数の重畳された層によって形成される三次元物体を製造するための、１つの方法を実現して、かつ１つの機械を開発することが本発明の第１の目的である。

周知の技法、同じ幾何学形状を有する物体と比較してより迅速に三次元物体を製造することを可能にする１つの方法および１つの機械を提案することが、本発明の更なる一目的である。

寸法の観点から周知の技法によって得られるものより正確である三次元物体を得ることが、本発明の別の目的である。

物体を作るために使用されるベース材料が製作プロセス中に過度に劣化しないことを確実にすることが、本発明の別のなお些細でない目的である。

上記した目的は、請求項１に記載の三次元物体を製造するための１つの方法によって、同じく前記方法を使用して、かつ請求項１３に従って実施される１つの機械によって、達成される。

本発明の主題である方法および機械の更なる詳細は、対応する従属請求項内に記載されている。

有利には、支持物の不在が上記した第１の周知の技法を用いて得られる同じ物体のコストと比較して完成した三次元物体のコストを減少させることを可能にする。

なお有利には、支持物の不在が周知の方法を通して得られることができるものより幾何学的により複雑な物体を製造することを可能にする。

なお有利には、ベース材料が劣化しない事実によって余分な材料が他の物体を製造するために再び使われることができる。

さらに、有利には、減少した製造時間および余分なベース材料を再利用する可能性は上記した第２の周知の技法と比較して物体のコストを減少させることを可能にする。

さらに、周知の技法と比較して本発明の主題である方法によって到達されるより高い精度が、有利にはより多くの市場セクターの必要性を満たすことを可能にする。

前記目的および利点、および下記でよりよく強調される他のものが、添付の図面を参照して限定されない例として提供される本発明の方法および機械の好ましい一実施態様の説明において詳細に例示され、そこにおいて、

周知の技術に属する三次元物体の略図を示す。 本発明の主題である機械の略図を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。 本発明の主題である方法の異なる操作段階を示す。

技術的専門用語で「ステレオリソグラフィ」として公知の本発明の方法は、三次元物体Ｗを迅速に試作するのに特に適している。

すでに説明されたように、この方法はベース材料Ｍの複数の層Ｌを重畳することによって三次元物体Ｗを作ることに存在する。

上述したベース材料Ｍは周囲温度で液体であるが、適切な刺激に続いて、永続的に固体化するような方法で、その分子構造を変更することができる。

上述したベース材料Ｍは、必ずしも必要ではないが、好ましくは、例えばレーザ光線の様に、所定の放射線の供給源に曝露される時、重合を通して固体化するフォトポリマーである。

上記したタイプの材料は、十分に公知で、主としてステレオリソグラフィの分野で使われて、したがって、本願明細書において更に詳細に記載されない。

本発明の構造変形において、それが刺激された領域内にベース材料Ｍの永続的な固体化を引き起こすことが可能であるとすれば、レーザ光線と異なる一種の刺激に感度が高いベース材料Ｍを選択することが可能であることもまた、明白である。

本発明の主題であるこの方法が、図２内に図式的に示される機械に対する特定の参照で記載され、１によって全体としてその中に示唆される。

機械１が製造される三次元物体Ｗを支持するための手段２を備え、それが好ましくはプラットフォーム２ａを備えることが観察されることができる。

機械１はまた、三次元物体Ｗの以前の層上に各層Ｌを付着するのに適している、ベース材料Ｍを分配するための手段３を備えており、および必ずしも必要ではないが、好ましくは、分配ノズル６を備える。

さらに、得られるべき三次元物体Ｗの体積部分に対応する層Ｌの前に付けられた領域Ｋを選択的に固体化することが可能で、簡単さのためにより黒い領域で示唆される上述した刺激を放つのに適している手段４が、ある。

好ましくは、放出手段４は有利にはベース材料Ｍのきわめて限られた領域Ｋを固体化することを可能にするレーザ発生器９を備え、したがって、寸法の正確な物体Ｗの達成に貢献する。

本発明によれば、機械１は、それらを周囲温度より低い前に付けられた操作温度に維持するために、付着された層Ｌを冷却するための手段５を備える。

好ましくは、前記冷却手段５は層Ｌと直接接触して都合よく配置されて、したがって、効果的冷却を保証するために前記支持手段２と結合される。

さらに、前記冷却手段５は有利には限られた全体寸法および高い冷却効果を有するペルティエセル１０を好ましくは備える。

しかしながら、本願明細書において代表されない本発明の他の構造変形において、冷却手段５の位置およびタイプの両方が本願明細書において図と共に説明されるそれらと異なってもよいことは、明白である。

必ずしも必要ではないが、好ましくは、層Ｌを平らにするための手段７がまたあり、それは、好ましくは、例えばカッター８ａのような材料の機械的な除去のためのツール８を備える。

本願明細書に例示されなないが、当然当業者にとって公知である動力手段の存在のおかげで、支持手段２、分配手段３、放出手段４および平準化手段７がお互いに対して移動することができる。

三次元物体Ｗを製造するための本発明の方法は、図４に示すように、液体ベース材料Ｍの層Ｌ１を以前の層Ｌ上に広げるための第１の操作を含む。

上述した操作中に、ベース材料Ｍは好ましくは周囲温度にあり、その結果、有利には、それは加熱されるべき何の必要性も伴わずに液体状態を自発的にとる。

本発明の主題であるこの方法は、得られるべき三次元物体Ｗの体積部分に対応して、図内のより黒い領域によって代表される所定の領域Ｋ内の、予め定められた刺激への前記層Ｌ１の選択的な曝露を更に含む。

上述した広げおよび選択的な曝露は、三次元物体Ｗの各連続した層Ｌに対して繰り返される。

本発明によれば、この方法は周囲温度より低い前に付けられた操作温度まで層Ｌを冷却するための更なる操作を含み、その結果、層Ｌのベース材料Ｍは固体化し、および、それらは安定形態をとることができる。

上記の通りに固体化される層Ｌは、連続した層を支持することが可能で、したがって、製造される三次元物体Ｗのための支持物を使用する必要性を除去し、したがって、本発明の第１の目的を達成する。

層Ｌはベース材料Ｍが操作温度に維持される限り前記安定形態を維持する。

操作温度は、必ずしも必要ではないが、好ましくは、ベース材料Ｍの一時的な固体化を誘発するのに十分に低い。

明らかに、本発明の構造変形において、たとえベース材料Ｍを完全に固体化しないとしても、例えばそれにゼリーの堅さを与えるために、その粘性をかなり増加させる、操作温度を採用することが可能である。

前記操作温度は好ましくは、三次元物体Ｗが完成されるまで広げ操作のおよび層Ｌの曝露の継続期間全体の間、層Ｌ上で一定に保たれる。

さらに、各連続した層Ｌ１の冷却が好ましくは先の層Ｌとの接触で自発的に起こり、したがって、ベース材料Ｍのほぼ瞬間的な固体化を達成する。

本願明細書において代表されない本発明の構造変形によれば、ベース材料Ｍが選択的に、かつ、物体Ｗの体積部分に対応する領域内だけに広げられ、有利には物体Ｗの製造時間および従って関連したコストを減少させることを可能にする。

特にベース材料Ｍがきわめて迅速に冷却する場合、例えば新しい層Ｌ１がきわめて薄くて、先行する層Ｌとの接触で冷却する場合、前記選択的な広げ操作が採用されることができる。

冷却効果は好ましくは、高い効果および同時に、きわめて限られた全体寸法を有利には確実にするペルティエセル１０を用いて得られる。

しかしながら、本発明の構造変形において層Ｌの冷却が冷却液体、低温ガスジェットを用いて、または、その他の周知の方法で得られることができることは明白である。

好ましくは、および、図５内に図示するように、本発明の方法が、連続した層の広げの前に、および、必ずしも必要ではないが、好ましくは、刺激の前に、最後に付着された層Ｌ１を平らにするための操作を含む。

前記平準化操作によって、余分な材料が、所望の厚さを達成して、均一な表面を得るような方法で、層Ｌ１から取り除かれることができる。

実際、層Ｌ１が冷めていてしたがって、安定しているので、例えば機械的なプロセスを用いて、大きな精度でベース材料Ｍを取り除くことが可能である。

さらに、層Ｌ１は平準化操作の後で得られる厚さを維持する。

したがって、前記平準化操作はこの物体が、周知の方法で得られることができる精度の程度と比較して三次元物体Ｗの全体的な寸法の精度を向上することを達成する。

明らかに、特にそれが固体になるまでベース材料Ｍが冷却されるときに、ベース材料Ｍの安定性がより大きいほど、達成される精度の程度がより高くなる。

層Ｌの広げに関しては、それは好ましくは、使用するベース材料Ｍの量を正確に制御することを有利には可能にする分配用器具６を用いて実施される。

本発明の主題であるこの方法はさらに、好ましくは周囲温度に層Ｌを曝露することによって、刺激されなかったベース材料Ｍ１を除去するための操作も含む。

この種の温度で、刺激されなかったベース材料Ｍ１は液体状態に戻り、一方、その重合された状態のおかげで刺激された材料Ｋは固体のままである。

上記が明らかに示すのは、本発明の方法を実現するプロセスの全体の継続期間の間ベース材料Ｍは、周囲温度より上に加熱されない、ということである。

したがって、上記した第２の周知の方法とは異なって、ベース材料Ｍは劣化にさらされず、したがって、本発明の目的の１つがこのように達成される。

明らかに、刺激されなかった材料Ｍ１の除去が周囲温度より上でさえ起こることができ、したがって、材料Ｍ１の液化が加速されることができる。

上記した第２の周知の方法とは異なって、本発明の方法はベース材料Ｍの安定化のための時間を必要としない。

実際、前記周知の方法の場合のように周囲温度への曝露を通しての代わりに、これが先行する層Ｌと接触する時、ベース材料Ｍの事実上瞬間的な冷却のために前記安定化が起こる。

したがって、本発明の方法は前述した周知の方法と比較して物体Ｗのより急速な製造を確実にする目的を達成する。

必ずしも必要ではないが、好ましくは、および、図７に示すように本発明の方法は、プラットフォーム２ａと直接接触するベース層Ｌ０の広げを含み、および前記ベース層は刺激にさらされない。

刺激されなかったベース層Ｌ０は、有利には物体Ｗがプラットフォーム２ａに接着するのを防止し、したがって一旦製造が完了されたならば、その収集を容易にする。

実際、刺激されなかった材料Ｍ１の上述した除去中に、ベース層Ｌ０は液体になって、物体Ｗにプラットフォーム２ａから分離されるようにならせる。

操作上の観点から、および、図４にて図示したように、液体状態のベース材料Ｍの１つの層Ｌ１が、分配ノズル６を用いて以前の層Ｌに付着される。

それが以前に広げられて、ペルティエセル１０によって冷たく保たれる層Ｌとの、接触に入って来るときに、ベース材料Ｍはほぼ即座に固体化する。

図５に示すように、冷却された層Ｌ１はカッター８ａを用いて平らにされる。

次いで、レーザ発生器９を用いて、層Ｌ１は、図６に示すように、得られるべき三次元物体Ｗの体積部分に対応する所定の領域Ｋ内の選択的な刺激にさらされる。

この方法は、連続した層Ｌの処理を進行し、それによって、プラットフォーム２ａは、図３で示す得られるべき層Ｌ１の厚さに対応する距離で、分配手段３、放出手段４および平準化手段７に対して低下される。

前記層Ｌの特定の数の重畳の後の状況が、図７内に例示され、より黒い領域で示唆される製造される三次元物体Ｗを占める所定の領域Ｋの段で刺激されるベース材料Ｍを示す。

図９内に代表される完成した三次元物体Ｗの収集は、図８に示すように、刺激されなかった材料Ｍ１に液体状態に戻らせるような方法で、周囲温度までベース材料Ｍを冷却することによって実施される。

前記収集は、プラットフォーム２ａと物体Ｗとの間に挿入される、図３内に視認できる、刺激されなかった層Ｌ０の存在によって容易にされる。

図内に視認できる矢印は、記載されているさまざまな操作中にプラットフォーム２ａの、レーザ発生器９の、分配ノズル６の、および、カッター８ａの移動を例示する。

特に、プラットフォーム２ａは好ましくは垂直方向に駆動され、一方、ノズル６、カッター８ａおよびレーザ発生器９は、１つの軸上でまたは互いに対して直角の２つの軸上で、水平に移動する。

しかしながら、本発明の構造変形において明白なことは、上述した装置２ａ、６、８ａおよび９の相対的移動は、本願明細書に例示されるそれらと異なることができて、例えば、他の装置だけに対するプラットフォーム２ａの３本の軸上の移動を含むことができる、ということである。

いずれにせよ、すでに言及されたように、前記装置の動力手段は当然当業者にとって公知である。

上記は、本発明の方法および機械が設定された目的を達成することを示す。

特に、ベース材料の冷却によってそれが固体化して、製造される三次元物体を支持することができ、したがって、特別な支持物の必要性を除去することができる。

さらに、ベース材料の冷却がほぼ即座に起こり、それはいかなる待ち時間も除去して、本発明の方法を特に急速にする。

さらに、ベース材料が周囲温度より上に加熱されないので、それは劣化せず、したがって、任意の余分な材料が次の製造サイクルに再利用されることができる。

上記に加えて、冷却によって得られるベース材料の固化はそれを周知の方法によって得られるものと比較してより正確な厚さの層を得るために機械的に処理されるのに適しているようにする。

構築段階において、本発明の主題である方法および機械は、例えば、使用するベース材料のタイプおよび、従って、前記材料の永続的な固体化を達成するのに用いられる刺激のタイプに関する更なる変更または修正を受けることができる。

他の構造変形が、機械のさまざまな部分の相対的移動のために使用される機構に関することができる。

いずれにせよ、たとえそれらが本願明細書に記載されておらず、図面内に例示されていないとしても、上述した変更態様または変形は、それらが以下の請求項の有効範囲内に含まれる場合には、本特許によって保護されると、全てみなされなければならない。

任意の請求項内に言及される技術的特徴の後に参照符号が続くところで、それらの参照符号は、請求項の了解度を向上する唯一の目的のために含まれ、およびしたがって、この種の参照符号はこの種の参照符号によって一例として識別される各要素の解釈上のいかなる限定する効果も有しない。

１ 機械
２ 支持手段
２ａ プラットフォーム
３ 分配手段
４ 放出手段
５ 冷却手段
６ 分配ノズル
７ 平準化手段
８ ツール
８ａ カッター
９ レーザ発生器
１０ ペルティエセル

Ｋ 領域
Ｌ 層
Ｌ０ ベース層
Ｌ１ 層
Ｍ ベース材料
Ｍ１ ベース材料
Ｗ 三次元物体

Claims (14)

1. 周囲温度で液体であり、かつ所定の放射線作用後に永続的に固体化することが可能な、ベース材料（Ｍ）の複数の重畳された層（Ｌ）からなる三次元物体（Ｗ）を製造するための方法であって、以下に記載する操作、すなわち、
   −前記液体ベース材料（Ｍ）の層（Ｌ１）を先行する層（Ｌ）上に広げる操作、
   −１つ以上の所定の領域（Ｋ）において前記層（Ｌ１）を前記所定の放射線に選択的に曝露する操作、
   −前記三次元物体（Ｗ）の各連続した層に対して前記広げる操作および前記曝露を繰り返す操作、
   −前記ベース材料（Ｍ）を固体化するために、前記所定の放射線への曝露の前に前記周囲温度より下の所定の操作温度まで前記層（Ｌ）を冷却するための操作、を含み、
   前記操作が、前記三次元物体（Ｗ）の第１層を広げる前に前記ベース材料（Ｍ）のベース層（Ｌ０）を広げるための操作を含み、前記ベース層（Ｌ０）が前記所定の放射線への曝露にさらされない、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記冷却操作が、前記層（Ｌ）の前記広げ操作および曝露の全体の持続期間の間持続する、ことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記層（Ｌ）のそれぞれの前記冷却が、前記先行する層（Ｌ）との接触によって自発的に起こる、ことを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法であって、前記冷却操作が、ペルティエセル（１０）を用いて実施される、ことを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法であって、前記操作が、前記連続した層を広げる前に前記層（Ｌ）のそれぞれを平らにするための操作を含む、ことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記平らにするための操作が、前記所定の放射線への曝露の前に行われる、ことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記平らにするための操作が、材料の機械的な除去のためのツール（８）を通してなされる、ことを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、前記ツール（８）が、カッター（８ａ）である、ことを特徴とする方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法であって、前記ベース材料（Ｍ）を広げる操作が、所定の領域において選択的に行われる、ことを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法であって、前記層（Ｌ）のそれぞれを広げる操作が、分配ノズル（６）を用いて行われる、ことを特徴とする方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法であって、前記ベース材料（Ｍ）がフォトポリマーであり、および、前記曝露が所定の放射線を用いて達成される、ことを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法であって、前記所定の放射線が、レーザ発生器（９）を通して放射される、ことを特徴とする方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の方法であって、前記操作が、前記所定の放射線への曝露がされなかったベース材料（Ｍ１）を除去するための操作を含む、ことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記除去が、前記層（Ｌ）を前記周囲温度に曝露することによって達成される、ことを特徴とする方法。

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