JP6736773B2 - 付加製造 - Google Patents

Description

付加製造装置は、材料の層を積み上げることによって３Ｄオブジェクトを生成する。幾つかの付加製造装置は一般に、「３Ｄプリンター」と呼ばれている。３Ｄプリンターおよび他の付加製造装置は、オブジェクトのＣＡＤ（コンピュータ支援設計）モデルまたは他のデジタル表現を、物理的なオブジェクトに変換することを可能にする。モデルのデータは切片（スライス）へと処理されてよく、その各々は、オブジェクトへと形成される構築材料の層または複数層の部分を定義する。

図１および図２は、付加製造装置用の融合システムの１つの例を示す、それぞれ立面図および平面図である。

図３から図２６は、図１および図２の融合システムを使用する４パス融合サイクルの１つの例を示す一連の図である。

図２７は、図１および図２の融合システムで実施されてよいような、付加製造のためのプロセスの１つの例を示す流れ図である。

図２８は、３Ｄオブジェクトの付加製造に際してオブジェクトのスライスを形成するのを助ける命令を備えた、プロセッサ可読媒体の１つの例を示すブロック図である。

図２９は、３Ｄオブジェクトの付加製造に際してオブジェクトのスライスを形成するのを助ける命令を備えたコントローラを実施する付加製造装置の１つの例を示すブロック図である。

同じ参照番号は、図面全体を通して同じかまたは類似の部材を指定する。図面は縮尺通りではない。

幾つかの付加製造プロセスにおいては、粉末状の構築材料中の粒子を相互に融合させるために熱が用いられ、固体のオブジェクトが形成される。構築材料を融合させるための熱は、例えば、液体状の融合剤を粉末状の構築材料の薄い層に対して、オブジェクトのスライスに基づいたパターンで適用し、次いでパターン化された領域を融合光に曝露することによって発生されてよい。融合剤中の光吸収性成分は光エネルギーを吸収し、構築材料を焼結させ、溶融し、またはその他によって融合させるのを助ける。この過程は層ごとおよびスライスごとに繰り返され、オブジェクトが完成される。

オブジェクトのスライスの各々を速く形成するのを助け、かくして全体の製造時間を低減させる一方で、粉体温度を低下させ、冷却を迅速にしケーキングを少なくするための、付加製造のための新たな融合システムが開発された。１つの例では、この融合システムは、同じ移動直線に沿って作業領域上を往復動する２つのキャリッジを含み、かくして作業領域を横切って、一方のキャリッジは他方のキャリッジに追従することができる。「フューザー」キャリッジは、構築材料を作業領域上に積層させる層形成デバイス、積層された構築材料を加熱する加熱ランプ、および構築材料を融合光で照射するための融合ランプを担持している。加熱ランプはフューザーキャリッジ上に、層形成デバイスよりも下流（積層方向において）に配置されている。溶融ランプは加熱ランプより下流に配置されている。「ディスペンサー」キャリッジは、構築材料の各々の層上へと融合剤を分配するための、剤分配器を担持している。

キャリッジが同じ移動直線に沿って動くデュアル（２重）キャリッジ融合システムは、パスの各々において、スルー速度を速くし、機能を重畳させることができるように助ける。例えば１番目のパスにおいて、フューザーキャリッジが作業領域上を移動するに際して、加熱ランプはオン状態であり、層形成デバイスが構築材料の次の層を形成するにつれて、層形成デバイスの前面にある、下側の層／スライスを加熱する。２番目のパスでは、フューザーキャリッジが作業領域上を戻るよう移動するに際して、加熱ランプはオン状態であり、ディスペンサーキャリッジに先立って構築材料の新たな層を加熱するが、ここでディスペンサーキャリッジは作業領域上でフューザーキャリッジに追従して、次のオブジェクトのスライスに基づいたパターンでもって、加熱された構築材料上へと融合剤および／または装飾化剤を分配する。３番目のパスでは、ディスペンサーキャリッジが作業領域上を戻るように移動して構築材料上へと融合剤および／または装飾化剤を分配し、融合ランプがオン状態とされたフューザーキャリッジがこれに続き、パターン化された構築材料を融合光に曝露する。４番目のパスでは、フューザーキャリッジが作業領域上を移動して戻るに際し、融合光はオン状態であり、パターン化された構築材料を融合光に曝露する。この４パスプロセスは、オブジェクトが層ごとに、またスライスごとに製造されるにつれて、後続する構築材料の層のについて繰り返されてよい。

以下に説明し図面に示される以下のおよび他の例は、本件特許を例示するが範囲を限定するものではなく、範囲は説明の後に請求の範囲において規定される。

本願で使用されるところでは：「および／または」は１つまたはより多くの接続されたものを意味し；「融合剤」は構築材料が焼結、溶融、またはその他により融合するようにさせる物質を意味し；「装飾化剤」は、例えば融合剤の効果を変化させることによって、構築材料の融合を阻止、防止、または向上させる物質を意味し；「光」は任意の波長の電磁放射線を意味し；「ランプ」は光を放射する任意の装置を意味し；そして「作業領域」は融合を行うために構築材料を支持または収容する任意の適切な構造を意味し、これには下側にある構築材料の層および処理中のスライスその他のオブジェクト構造が含まれる。

図１および図２は付加製造装置用の融合システム１０の１つの例を示す、それぞれ立面図および平面図である。図３から図２６は、システム１０を使用する４パス融合サイクルの１つの例を示す一連の図を提示している。まず図１および図２を参照すると、融合システム１０は第１の「フューザー」キャリッジ１２および第２の「ディスペンサー」キャリッジ１４を含んでいる。キャリッジ１２および１４は、移動直線２０に沿って作業領域１８の上側を、例えばレール１６上で往復動する。フューザーキャリッジ１２は、層形成デバイス２２、ヒーター２４、および融合ランプ２６を担持している。ディスペンサーキャリッジ１４は、インクジェットプリントヘッドアセンブリまたは他の適切な流体分配アセンブリ２８を担持しており、流体融合剤を分配する。図示の例では、分配アセンブリ２８、融合剤を分配する第１のディスペンサー３０と、装飾化剤を分配する第２のディスペンサー３２とを含んでいる。

図１および図２に示された例では、層形成デバイス２２はローラー２２として実施されており、キャリッジ１２が作業領域１８の上側を移動して構築材料を層に形成する展開位置（図３に示す）と、キャリッジ１２が作業領域１８の上側を移動するに際して構築材料を層に形成しない後退位置（図１に示す）の間を移動する。層形成ローラー２２は作業領域１８上を移動するに際して自由に回転し、移動方向に応じて時計回りまたは反時計回りに惰性回転してよく、またはローラー２２はいずれかの方向に回転駆動されてよい（同方向回転または反対方向回転）。層形成デバイス２２については他の実施形態も可能であり、例えば、ブレード、または作業領域上に構築材料を直接層状に分配する装置などが含まれる。

ヒーター２４は、例えば加熱ランプ２４として実施されてよい。単一の加熱ランプ２４が図示されているが、例えばより融通性のある加熱を可能にするために、複数の加熱ランプを使用してよい。同様にして、単一の融合ランプ２６が図示されているが、例えば融合光の範囲をより大きくできるように、複数の融合ランプを使用してよい。加熱ランプ２４および融合ランプ２６の性能は、構築材料の特性や融合剤の特性（および他の処理パラメータ）に応じて変化してよいが、より色温度の低い加熱ランプ２４およびより色温度の高い融合ランプ２６が、未処理の構築材料および処理済みの構築材料のそれぞれのスペクトル吸収により良好に適合するために、通常は望ましいと考えられる。例えば、白色粉体のポリアミド構築材料３８およびブラックの液体融合剤については、未処理の構築材料粉体を予備加熱するために１８００°Ｋの加熱ランプ２４が使用されてよく、そして融合剤で処理された構築材料に大きなパワーを伝達し、未処理の粉体により小さなパワーを伝達するために、２７５０°Ｋの融合ランプが使用される。

上記したように、作業領域１８は融合を行うために構築材料を支持または収容する任意の適切な構造を表し、これには下側にある構築材料の層および処理中のスライスその他のオブジェクト構造が含まれる。構築材料の最初の層については、例えば、作業領域１８は、層形成プロセスに対処するために上下に移動するプラットフォーム３４の表面上に形成されてよい。構築材料の後続の層については、例えば図１に示されているように、作業領域１８は下側にあるオブジェクト構造３６上に形成されてよく、この構造には、未融合の構築材料３８、および融合されてオブジェクトのスライス４０となっている構築材料が含まれてよい。

図１および図２においては、フューザーキャリッジ１２は作業領域１８の片側（図１および図２で左側）に停まっており、そしてディスペンサーキャリッジ１４は作業領域１８の反対側４４（図１および図２で右側）に停まっている。この例においては、構築材料粉体３８がリボン４６状に、作業領域１８に隣接する左側のデッキ４８に沿って堆積されている。図３および図４においては、層形成ローラー２２が展開され、加熱ランプ２４がターンオンされてリボン４６にある粉体を加熱し、そして移動矢印５０によって示されるように、フューザーキャリッジ１２が１番目のパスで右側へと動かされている。図５および図６においては、フューザーキャリッジ１２は１番目のパスの右側への移動を継続し、加熱ランプ２４は下側にある構築材料３６を加熱し、その一方でローラー２２は下側にある構造３６の上側に構築材料３８を層形成する。図面において粉体構築材料３８は点描によって示されているが、任意の適切な構築材料を使用してよい。

図７および図８においては、フューザーキャリッジ１２は作業領域１８の右側に到達しており、下側にある構造３６は層５２で覆われた後である。図７および図８に示された例では、層形成ローラー２２は後退されていて右側のデッキ５５上にある過剰な構築材料３８のストリップ５４を飛び越え、２番目のパスにおいて過剰な構築材料を再度層形成するのに備えるようになっている。図９から図１０および図１１から図１２においては、移動矢印５６によって示されるようにして、フューザーキャリッジ１２が２番目のパスにおいて左へと移動するに際して、層形成ローラー２２は展開されて、過剰な構築材料を層５２へと再度層形成し、そして加熱ランプ２４がターンオンされて、層５２にある構築材料３８を加熱する。やはり２番目のパスにおいて、ディスペンサーキャリッジ１４上のディスペンサー３０はフューザーキャリッジ１２に追従して、所望とするオブジェクトのスライスに対応するパターン６０でもって、層５２にある構築材料３８上へと融合剤５８を分配する。

図１３および図１４においては、フューザーキャリッジ１２およびディスペンサーキャリッジ１４は、層５２にある構築材料３８を融合剤５８でパターン化した後に、作業領域１８の左側に到達している。図１５から図１６および図１７から図１８においては、移動矢印６２によって示されるようにして、ディスペンサーキャリッジ１４が３番目のパスにおいて右へと移動するに際して、ディスペンサー３２が装飾化剤６４を層５２の構築材料３８上へと分配する。やはり３番目のパスにおいて、融合ランプ２６がターンオンされて、パターン化された構築材料６０を融合光で照射するようにされ、パターン化された構築材料は融合されまたは融合を開始されて、オブジェクトのスライス６６となる。

図１９および図２０においては、フューザーキャリッジ１２およびディスペンサーキャリッジ１４は、構築材料層５２にスライス６６を形成した後に、作業領域１８の右側へと到達している。図２１および図２２においては、ディスペンサーキャリッジ１４は停まったままであるが、フューザーキャリッジ１２は、移動矢印６８によって示されているように４番目のパスで左へと移動しており、融合ランプ２６がターンオンされて、スライス６６を含めてパターン化された構築材料６０を照射している。３番目のパス（図１７および図１８に示す）における融合の程度に応じて、４番目のパスで適用される融合光は、図１９および図２０に示されているスライス６６を完成させてもよく、または例えば１番目（次）のパスに先立って融合ランプ２６をターンオンし、図２５において示されているようにより多くの融合光でスライス６６を照射して、スライス６６の完成に向けてパターン化された構築材料６０のさらなる融合を行ってもよい。

図２３および図２４においては、フューザーキャリッジ１２は４番目のパスの後に作業領域１８の左側に停まっており、ディスペンサーキャリッジ１４は依然として作業領域１８の右側に停まっており、そして構築材料のリボン４６がデッキ４８上に分配されて、作業領域１８の上側に構築材料の次の層を形成するのに備えている。図２５および図２６においては、フューザーキャリッジ１２が右へと移動するに際し、融合ランプ２６がターンオンされてスライス６６を融合光で照射し、加熱ランプ２４がターンオンされて新たな下側オブジェクト構造７２を加熱する一方で、ローラー２２が次の層７４の構築材料３８を下側構造７２の上側に層形成するようになっている。

これらの動作シーケンスは、構築材料の後続層の各々について、スライスごとに継続されてよく、オブジェクトが完成される。

他の処理構成およびシステム構成も可能である。例えば、ＵＶ（紫外線）融合ランプ２６がＵＶ硬化性融合剤５８と共に使用されて構築材料３８が融合される場合、加熱ランプ２４は省略してもよい。別の例では、層形成ローラー２２は、構築材料の再度の層形成が望ましくない場合、および／または粉末構築材料からの浮遊ダストによる汚染からディスペンサー３０、３２を保護するのを助ける場合、２番目のパス（図９および図１０）の間中ずっと後退させたままでよい。より多くのまたはより少ない剤を分配するために、より多くのまたはより少ない剤ディスペンサーを備えることができる。さらに、融合剤および装飾化剤を分配するための順序は、図示したものと異なっていてもよい。

図２７は、図１および図２に示された融合システム１０で実施されてよいような、付加製造のためのプロセス１００の１つの例を示している。図２７を参照すると、１番目のキャリッジパスにおいて、処理中のオブジェクト構造が照射され、次いで構築材料の層が、例えば図３から図６を参照して上述したようにして、オブジェクト構造の上側に形成される（ブロック１０２）。２番目のキャリッジパスでは、層の構築材料が照射され、次いで融合剤および／または装飾化剤が、例えば図９から図１２を参照して上述したようにして、層の構築材料上へと分配される（ブロック１０４）。３番目のキャリッジパスでは、融合剤および／または装飾化剤が層の構築材料上へと分配され、次いで層の構築材料が、例えば図１５から図１８を参照して上述したようにして照射される（ブロック１０６）。４番目のキャリッジパスでは、層の構築材料が、例えば図２１および図２２を参照して上述したようにして照射される（ブロック１０８）。

図２８は、３Ｄオブジェクトの製造に際してオブジェクトのスライスを形成するのを助ける命令７８を備えた、プロセッサ可読媒体７６を示すブロック図である。

１つの例において、スライス形成命令７８は：
例えば図２５および図２６を参照して上述したように、作業領域上の１番目のパスにおいて、融合剤で処理された構築材料の第１の層の構築材料へと融合エネルギーを適用し、次いで構築材料の第１の層の未処理の構築材料を加熱し、そして次いで構築材料の第１の層を構築材料の第２の層で覆い；
例えば図９から図１２を参照して上述したように、作業領域上の２番目のパスにおいて、第２の層の構築材料を加熱し、そして次いで第２の層の加熱された構築材料を融合剤および／または装飾化剤で処理し；
例えば図１５から図１８を参照して上述したように、作業領域上の３番目のパスにおいて、第２の層の構築材料を融合剤および／または装飾化剤で処理し、そして次いで第２の層の処理された構築材料に融合エネルギーを適用し；そして次に
例えば図２１および図２２を参照して上述したように、作業領域上の４番目のパスにおいて、第２の層の処理された構築材料に融合エネルギーを適用する命令を含んでいる。

別の例においては、図２８のスライス形成命令７８は、図２７に示されたプロセスを実行するための命令を含んでいる。

スライス形成命令７８を備えたプロセッサ可読媒体７６は、例えば、ＣＡＤコンピュータプログラム製品中で、オブジェクトモデルプロセッサ中で、または付加製造装置のためのコントローラ中で、実施されてよい。図１から図２６に示されたような４パスシーケンスにおいてスライスを形成するための制御データは、例えばソースアプリケーション、通常はＣＡＤコンピュータプログラム製品上のプロセッサ可読媒体によって、オブジェクトモデルプロセッサ中において、または付加製造装置上のプロセッサ可読命令によって、生成されてよい。

図２９は、スライス形成命令７８を備えたコントローラ８２を実施する付加製造装置８０の１つの例を示すブロック図である。図２９を参照すると、装置８０は、コントローラ８２、作業領域１８、構築材料層形成デバイス８４、融合剤ディスペンサー３０、装飾化剤ディスペンサー３２、ヒーター２４、および融合ランプ２６を含んでいる。構築材料層形成デバイス８４は、作業領域１８の上側に構築材料の層を形成し、そして例えば、構築材料を分配する装置と、層の各々について構築材料を拡げるためのブレードまたはローラー２２を含んでよい。融合剤ディスペンサー３０および装飾化剤ディスペンサー３２は、例えば図１１から図１２および図１５から図１６を参照して上述したようにして、コントローラ８２の指示のもとに、それぞれの剤を選択的に分配する。任意の適切なディスペンサー３０、３２を使用してよいが、剤を分配可能な精密さ、および異なる種類および配合処方の剤を分配する融通性の故に、付加製造装置においてはインクジェットプリントヘッドが場合によって使用されてよい。

コントローラ８２は、プロセッサ（または複数のプロセッサ）、関連するメモリ（または複数のメモリ）および命令、ならびに装置８０の作動要素を制御するのに必要な電子回路および部品を表している。特に、コントローラ８２は、スライス形成命令７８を備えたプロセッサ可読媒体７６、および命令７８を読み出して実行するプロセッサ８６を含んでいる。

図面に示された上述の例は、本件特許を例示するものであるが限定するものではなく、特許は以下の請求の範囲に規定されている。

請求の範囲において使用される「ある」、「１つの」および「その」は、少なくとも１つを意味している。例えば「ある融合ランプ」は１つまたはより多くの融合ランプを意味し、その後の「その融合ランプ」という言及は、その１つまたはより多くの融合ランプを意味している。

Claims (15)

1. 付加製造装置のための融合システムであって：
   層形成デバイス、加熱ランプ、および融合ランプを担持する第１のキャリッジであって、移動直線に沿って作業領域上を第１の方向および第１の方向と反対の第２の方向において往復動可能な第１のキャリッジと；
   剤分配器を担持する第２のキャリッジであって、移動直線に沿って作業領域上を第１の方向および第２の方向において往復動可能な第２のキャリッジと；
   第１のキャリッジ、加熱ランプ、融合ランプ、第２のキャリッジ、および剤分配器に関連して作動するよう接続されたコントローラであって：
   １番目のパスにおいて第１のキャリッジを作業領域上で第１の方向に移動させている間に、オブジェクト構造上に構築材料を層形成して構築材料層を形成し；
   ２番目のパスにおいて第１のキャリッジおよび第２のキャリッジを作業領域上で第２の方向に移動させている間に、層の構築材料を加熱ランプで照射し、次いで剤分配器で融合剤および／または装飾化剤を層の構築材料上に分配し；
   ３番目のパスにおいて第２のキャリッジおよび第１のキャリッジを作業領域上で第１の方向に移動させている間に、剤分配器で融合剤および／または装飾化剤を層の構築材料上に分配し、次いで層の構築材料を融合ランプで照射し；そして
   ４番目のパスにおいて、第１のキャリッジを作業領域上で第２の方向に戻るよう移動させている間に、層の構築材料を融合ランプで照射するコントローラとを含む、システム。
2. コントローラは、層形成、照射および分配、分配および照射、および照射のシーケンスを、構築材料の複数の後続層について繰り返す、請求項１のシステム。
3. コントローラは、１番目のパスにおいて第１のキャリッジを作業領域上で第１の方向に移動させている間に、構築材料がオブジェクト構造上に層形成される前に、オブジェクト構造を加熱ランプで照射する、請求項１または２のシステム。
4. コントローラは、１番目のパスにおいて第１のキャリッジを作業領域上で第１の方向に移動させている間に、構築材料がオブジェクト構造上に層形成される前に、オブジェクト構造を融合ランプで照射する、請求項１または２のシステム。
5. コントローラは、３番目のパスにおいて第１のキャリッジを作業領域上で第１の方向に移動させている間に、層の構築材料を加熱ランプで照射する、請求項１から４のいずれか１のシステム。
6. 付加製造装置のための融合システムであって：
   作業領域上に構築材料の層を形成する層形成デバイスおよび作業領域にある構築材料を融合光で照射する融合ランプを担持する第１のキャリッジであって、融合ランプが第１のキャリッジ上に、第１の方向において層形成デバイスよりも下流に配置されている第１のキャリッジと；
   融合剤を分配する剤分配器を担持する第２のキャリッジとを含み；そして
   第１のキャリッジおよび第２のキャリッジは同じ移動直線に沿って作業領域上を往復動可能であり、第１のキャリッジは第１の方向において第２のキャリッジに追従し、第２のキャリッジは第１の方向と反対の第２の方向において第１のキャリッジに追従する、システム。
7. 第１のキャリッジは作業領域の片側に停止可能であり、第２のキャリッジが第１のキャリッジに先導または追従することなく作業領域上を往復動することを許容し；そして
   第２のキャリッジは作業領域の他方の側に停止可能であり、第１のキャリッジが第２のキャリッジに先導または追従することなく作業領域上を往復どうすることを許容する、請求項６のシステム。
8. 第１のキャリッジは作業領域において構築材料を加熱する加熱ランプを担持しており、加熱ランプは第１の色温度を有し、そして融合ランプは第１の色温度よりも高い第２の色温度を有し、融合ランプは加熱ランプよりも下流に配置されている、請求項６または７のシステム。
9. 剤分配器は融合剤および装飾化剤を分配する、請求項６から８のいずれか１のシステム。
10. 層形成デバイスは、第１のキャリッジが作業領域上を通過する際に構築材料を層形成する展開位置と、第１のキャリッジが作業領域上を通過する際に構築材料を層形成しない後退位置の間で移動可能である、請求項６から９のいずれか１のシステム。
11. プロセッサ可読媒体であって、実行された場合に付加製造装置のための融合システムに：
    １番目のキャリッジパスにおいて、オブジェクト構造の上側に構築材料を層形成させて構築材料の層を形成し；
    ２番目のキャリッジパスにおいて、層の構築材料を照射させ、次いで層の構築材料上に融合剤および／または装飾化剤を分配させ；
    ３番目のキャリッジパスにおいて、層の構築材料上に融合剤および／または装飾化剤を分配させ、次いで層の構築材料を照射させ；そして
    ４番目のキャリッジパスにおいて、層の構築材料を照射させる命令が書き込まれている、プロセッサ可読媒体。
12. 命令は、構築材料の複数の後続する層について、層形成、照射および分配、分配および照射、および分配のシーケンスを繰り返す命令を含む、請求項１１のプロセッサ可読媒体。
13. ２番目のパスにおいて構築材料を照射する命令は、構築材料を加熱ランプで照射する命令を含み；
    ３番目のパスにおいて構築材料を照射する命令は、構築材料を融合ランプで照射する命令を含み；そして
    ４番目のパスにおいて構築材料を照射する命令は、構築材料を融合ランプで照射する命令を含む、請求項１１または１２のプロセッサ可読媒体。
14. １番目のパスにおいて、オブジェクト構造を融合ランプで照射する命令を含む、請求項１１から１３のいずれか１のプロセッサ可読媒体。
15. 請求項１１から１４のいずれか１のプロセッサ可読媒体、およびプロセッサ可読媒体に書き込まれている命令を読み出して実行するプロセッサを含む、付加製造装置コントローラ。

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