JP6945566B2 - 積層造形を用いて物体を製造する装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形を用いて物体を製造する装置に関する。この装置は、フレームユニットと、フレームユニットに接続された処理ユニットとを備える。処理ユニットは、凝固可能な粉末材料の槽を受ける処理チェンバと、物体を材料の槽の表面レベルに関係付けて配置する支持具とを備える。

３Ｄプリンティングまたは積層造形とは、３次元物体をプリントするための任意の様々な処理のことをいう。例えば高品質のポリマー製品は、射出成形などの従来技術を用いて廉価に製造することができる。しかしながら比較的小型の３次元物体の場合は、３Ｄプリンティングまたは積層造形により、さらに高速かつ柔軟かつ廉価に製造することができる。

積層造形は、将来さらに重要となると考えられる。なぜなら製造会社は、一定の高品質を保ちながら製品製造を経済化することのみならず、製品開発の分野における時間とコストの節約に関しても、一層強い圧力を競争相手から受けるからである。また製品の寿命は常に短縮化されている。製品の成功には、品質とコストに加えて、市場導入のタイミングがますます重要になってきている。

３Ｄ物体を製造する目的で粉末又は液体の材料を選択的に焼結するために向き付けられたエネルギービームを用いて、３次元物体を製造することができる。特に、所望のデザインを層ごとに形成するためにコンピュータ制御された積層造形装置を用いて、複数の層を連続的に焼結することができる。積層処理は主にコンピュータ制御の下で使われ、材料の連続層が積層される。これらの物体は、３Ｄモデルその他の電子データのソースから製造され、ほぼ任意の形または形状にすることができる。

３次元物体をプリントするためには、コンピュータデザインパッケージや３Ｄスキャナーなどにより、プリント可能なモデルを作成する必要がある。入力は通常、ＳＴＬファイル、ＳＴＥＰファイルまたはＩＧＳファイルなどの３Ｄ−ＣＡＤファイルである。ＣＡＤファイルから物体をプリントする前に、ファイルはスライサーと呼ばれるソフトウェアで処理される必要がある。このスライサーは、モデルを一連の薄い層に変換する。さらにこれらの層の各々の作成を制御するための装置設定とベクトルが生成される。

連続断面から３Ｄ物体を形成することを目的に、液体状、粉末状、紙、またはシート状の材料の連続層を積層するために、コンピュータ制御の積層造形装置に備えられるレーザが、これらの装置設定とベクトルに続く。これらの層はＣＡＤモデルからの仮想的な断面に対応するため、最終的な３Ｄ物体を生成するために結合または融合される。

装置のオペレーションコストを削減するためには、装置の性能を完全に使い切り、同時に３次元物体製造のリードタイム全体、すなわち製造待ち行列を最小化することが課題となる。より一般的には、上述の装置を用いて製造される物体の精度を改善することが課題となる。

この目的のために、本発明は、積層造形を用いて物体を製造する装置を与える。この装置は、凝固可能な粉末材料の槽を受ける処理チェンバと、物体を材料の槽の表面レベルに関係付けて配置する支持具と、電磁放射を用いて、材料の選択された層部分を表面レベルで凝固させる凝固デバイスとを備える。本発明に係る装置は、支持具に接続された複数のビルドプレート要素を備える。本発明者の洞察により、一般には互いに隣接して横並びに配置される独立した複数のビルドプレート要素を用いることにより、複数の物体を同時に製造できるということが分かった。ビルドプレート要素の各々は、１つ以上の物体を同時に製造するために用いられてよい。一旦物体が製造されると、ビルドプレート要素は支持具から取り外されてよい。その後、製造された物体の各々は、それぞれのビルドプレート要素から取り外されてよい。このとき、各ビルドプレート要素は個別に取り扱われてよい。これにより、物体製造の後続の処理が高速化される。従って、物体製造の全体コストが低減される。

本発明によれば、本装置は、複数のビルドプレート要素の頂部表面が実質的に単一の平面を定義するため、複数のビルドプレート要素を個別に支持具に対して調整する調整手段を備える。これにより複数の物体の製造精度が増す。なぜなら、実質的にすべてのビルドプレート要素が同一平面内に調整されるからである。これにより、凝固されるべき粉末材料の堆積と、それに続く粉末材料の凝固とが促進される。このためには、各ビルドプレート要素が個別の調整手段を備えると有利であろう。これにより各ビルドプレート要素の調整を個別に行うことができる。

ある実施形態では調整手段は、複数のビルドプレート要素の各々のために、複数の調整メンバーを備える。これにより、それぞれの調整メンバーを用いて、各ビルドプレート要素を個別に調整することができる。

ある実施形態では調整手段は、複数のビルドプレート要素の各々のために、合計３個の調整メンバーを備える。これら３つの調整メンバーの各々は、ビルドプレート要素の対応部分を、主にビルドプレート要素により定義される平面と直行する方向に調整するために配置されてよい。以下、この方向をｚ方向と呼ぶ。ビルドプレート要素により定義される平面は、凝固されるべき材料により定義される平面に相当する。以下、この平面をｘｙ平面と呼ぶ。

合計３個の調整メンバーの各々は、ｚ方向に調整可能である。これらの調整メンバーを用いることにより、それぞれのビルドプレート要素を、要求されるｘｙ平面内に正確に位置付けることが可能となるだろう。特に、ｘ軸（Ｒｘ）周りの回転、ｙ軸（Ｒｙ）周りの回転およびｚ位置を制御することが可能となるだろう。従って、ビルドプレート要素のための望ましいｚ位置を与えることができる。このビルドプレート要素は、ｘｙ平面に関し、あるレベルに位置付けられてよい。

熱の影響を避けるためには、複数の（合計３個の）調整メンバーが、ビルドプレート要素の熱中心から等距離に配置されると有利である。

特定の実施形態では、３個の調整メンバーは正三角形の頂点を定義する。これにより、それぞれのビルドプレート要素を比較的簡単かつ速やかに調整することができる。

ある実施形態で、調整手段は、複数のビルドプレート要素の各々のために、支持具に配置される複数の位置決め穴を備える。このとき調整メンバーは、それぞれの位置決め穴に接続され、各ビルドプレート要素の少なくとも一部を支持するために与えられる位置決め要素を備える。調整手段は、複数のビルドプレート要素の各々のために、支持具内に配置される複数の位置決め穴と、それぞれのビルドプレート要素内に配置される複数の接続穴と、を備えてよい。このとき調整メンバーは、それぞれの位置決め穴に接続され、それぞれのビルドプレート要素の少なくとも一部を支持するために与えられる位置決め要素を備える。そして調整メンバーは、ビルドプレート要素のそれぞれの接続穴を介して、ビルドプレート要素を支持具に接続する固定要素を備える。この実施形態では、穴は、位置決め要素を受けるために、支持具に配置される。これらの位置決め要素は、当該位置決め要素の外縁部に、ビルドプレート要素の各部分を支持するために与えられる支持部品を備える。位置決め要素は、ビルドプレート要素のそれぞれの部分を調整するように構成される。一例として、位置決め穴および位置決め要素は、互いに係合可能なねじ山が与えられる。位置決め要素をねじ込むまたは抜くことによって、支持部品の高さを所望の設定に調整することができる。一旦所望の設定に調整がされると、それぞれのビルドプレート要素を支持具に固定するために、固定要素が使われてよい。この固定は、固定要素を支持具に係合させるという直接的方法でもよいし、固定要素を位置決め要素に係合させるという間接的方法でもよい。

後者の場合、位置決め要素は、固定要素を少なくとも部分的に受ける固定穴を与えられてもよい。この固定穴と固定要素に、互いに係合するねじ山が与えられてもよい。

代替的な実施形態では、位置決め要素に、概ね滑らかな穴（貫通穴）が与えられてよい。この貫通穴は、固定要素が支持具に届くように、使われる固定要素に対して調整される。支持具内に、固定要素と係合可能な複数の固定穴が与えられてもよい。この場合調整手段は、複数のビルドプレート要素の各々のために、支持具内に複数の固定穴を備える。

ある実施形態では、複数のビルドプレート要素の少なくとも１つは、内部に少なくとも１つの接続穴を備える。そして調整手段は、少なくとも１つの固定要素を備える。この調整手段は、前記接続穴を介して、それぞれのビルドプレート要素を支持具に接続する。ビルドプレート要素は、単一の固定要素を用いて支持具に接続されてよい。あるいは複数の固定要素が使われてもよい。ビルドプレート要素は、内部に少なくとも１つの接続穴を備えてもよい。そして調整メンバーは、ビルドプレート要素の各接続穴を介してビルドプレート要素を支持具に接続する固定要素を備えてもよい。

ある実施形態では固定要素は、支持具内の位置決め穴と少なくとも部分的に係合するように配置される。この目的のため、接続穴、固定要素および位置決め穴は、固定要素が支持具内の位置決め穴と少なくとも部分的に係合できるように配置される。

ある実施形態では、位置決め穴の各々のために、位置決め穴のそれぞれと少なくとも部分的に係合するように配置される対応する固定要素が与えられる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る、物体を積層造形する装置の概観図である。 本発明に係る装置の実施形態の模式的な概観図である。 本発明に係る装置のさらなる実施形態の模式的な概観図である。

図１は、積層造形を用いて物体２を製造する装置１の概観を示す。装置１は、複数のフレーム部品１１、１２、１３から作られる。この装置は、凝固可能な材料４の槽を受ける処理チェンバ３を備える。フレーム部品１１内には、シャフト５０が形成される。シャフト５０内には、物体２を材料の槽４の表面レベルＬに関連付けて配置する支持具５が与えられる。支持具５は、シャフト５０内に動作可能に与えられる。これにより、ある層が凝固された後、支持具５が下げられ、さらなる材料の層が、すでに形成された物体２の頂部で凝固されることができる。装置１の頂部１３の内部に、材料の選択された部分を凝固させるために、凝固デバイス７が与えられる。図示された実施形態では、凝固デバイス７はレーザデバイスである。このレーザデバイスは、支持具に与えられた粉末材料を溶解させる目的で、レーザ光の形で電磁放射を生成するように配置される。その後この粉末材料は冷却され、製造される物体２の凝固部分を形成する。しかしながら本発明は、上記のタイプの凝固デバイス７に限定されない。図示されるように、レーザデバイス７から照射される電磁放射７１は、屈折ユニット７４を用いて屈折される。この屈折ユニット７４は、照射された放射７１を、材料４の層の表面Ｌに向けて導くために、回転可能な光学要素７５を使用する。放射は、屈折ユニット７４の位置に応じて、例えば放射線軸７２、７３に沿って放射されてよい。

本発明によれば、装置は、支持具５に接続された複数のビルドプレート要素６ａ、６ｂを備える。図１には、合計２個のビルドプレート要素６ａ、６ｂが見られる。各ビルドプレート要素６ａ、６ｂは、１つ以上の物体を製造するために使われてよい。例えば図１では、ビルドプレート要素６ａは、単一の物体２ａを製造するために使われる。そしてビルドプレート要素６ｂは、２つの物体２ｂ、２ｃを製造するために使われる。本発明に係るビルドプレート要素は、個別に支持具に接続される。これによりビルドプレート要素は、さらなる処理のために、例えば物体をビルドプレートから取り外す処理のために個別に取り外すことができる。複数のビルドプレート要素を使うことによって、こうしたビルドプレート要素は個別に処理することができる。これにより、物体を除去するときの簡易さと速度が向上する。

図２ａは、互いに隣接して配置された合計９個のビルドプレート要素６ａ−６ｉを有する支持具５の例を示す。図示された実施形態では、９個のビルドプレート要素６ａ−６ｉは同じ大きさを有し、３×３の正方形グリッド内に配置される。９個のビルドプレート要素６ａ−６ｉの各々は、調整手段８を用いて支持具５に接続される。図示された実施形態では、この調整手段８は、各ビルドプレート要素６ａ−６ｉのために合計３個の調整メンバー９、９'、９' 'を備える。明確化のみを目的に、調整メンバー９、９'、９' 'とビルドプレート要素６ａ（図２ａの左上）に参照符号が与えられる。調整手段８は、それぞれのビルドプレート要素を所望の仕方で空間内に位置付けるために使われてよい。特にこれらの調整手段は、複数のビルドプレート要素の頂部表面が実質的に単一の面を定義するように、複数のビルドプレート要素を調整するために使われてよい。この目的のために、支持具５に較正メンバー１５が与えられてよい。図示された実施形態では、較正メンバー１５は外縁部１５を備える。外縁部１５の上部面は、正確に機械加工され、参照ｚ位置と参照ｘｙ平面を定義する。これにより、複数のビルドプレート要素６ａ−６ｇを正確に調整することができる。複数のビルドプレート要素を正確に調整するときに、外部手段が使われてよい。例えばレーザ手段や、支持具５の外縁部１５に向けて配置された直線ビームが使われてよい。最終的にすべてのビルドプレート要素は、単一の表面内に調整され、固定手段を用いて適所に固定されてよい。これにより滑らかで平坦な頂部表面が得られ、この表面上で目的の物体が製造される。これらの調整手段８と調整メンバー９、９'、９' 'とは、図３ａおよび３ｂを参照して、より詳細に説明される。しかしながら先ず、原理的に個々のビルドプレート要素の固定は、当業者に既知の形式を含む様々な形式でされてよい点に留意されたい。それぞれのビルドプレート要素のために、単一の結合手段を使うことも考えられる。例えば、ビルドプレート要素を支持具に接続するために、ねじ山を有する単一のボルトが使われてもよい。特に穴を通した接続が、ビルドプレート要素の熱中心に与えられてもよい。そして、互いに係合可能なねじ山を備える対応する穴が、接続ボルトを受ける支持具に与えられてよい。代替的に、複数の接続手段が使われてもよい。ある実施形態では、単一のビルドプレート要素のために、３つの接続手段が使われる。このとき、以下に示されるように、これらの接続手段の各々は、それぞれの調整手段に関係付けられる。ボルトやねじ以外の接続手段を使ってもよいことは、当業者に明らかだろう。

図２ａを参照すると、この実施形態では、調整メンバー９、９'、９' 'は、三角形に配置されることが分かるだろう。調整メンバー９、９'、９' 'は、互いに等間隔に配置される。これは、調整メンバー９と９'との間の距離が、調整メンバー９と９''との間の距離に等しく、また調整メンバー９'と９''との間の距離にも等しいことを意味する。従って調整メンバー９、９'、９' 'は、正三角形の頂点を定義する。さらに、調整メンバーは、ビルドプレート要素の熱中心から等距離のところに配置される。これにより支持具５および／またはビルドプレート要素６ａ−６ｉの熱拡散を防ぐことができる。

図２ｂは、代替的な実施形態を示す。ここでは、合計４個のビルドプレート要素６ａ−６ｄが使われ、支持具５に接続される。これらの４個のビルドプレート要素６ａ−６ｄは、２×２の正方形グリッドを定義する。再び調整手段８が与えられる。調整手段８は、各ビルドプレート要素６ａ−６ｄのための３つの調整メンバー９、９'、９' 'を備える。支持具５の外縁部１５は、個々のビルドプレート要素を正確に調整する較正メンバーを与える。

図２ａと２ｂの実施形態で、原理的に同一の支持具５を使ってもよい点に留意されたい。互いに異なるサイズを有するビルドプレート要素同士を接続可能とするには、それぞれのビルドプレート要素の固定メンバーと協働するように構成された複数の固定穴が、支持具５に与えられると有利である。使用されるビルドプレート要素に応じて、これらの固定穴は比較的簡単な方法で与えることができる。位置決め穴の詳細については、図３ａおよび３ｂを参照して、後に詳述する。

図３ａおよび３ｂはそれぞれ、調整手段８の調整メンバー９のある実施形態の側面図と上面図である。

図３ａは、支持具５、ビルドプレート要素６および調整メンバー９の断面側面図である。一般に調整手段８は、支持具５、支持具５に接続された位置決め要素３、位置決め要素３によって支持されたビルドプレート要素６、およびビルドプレート要素６を支持具５に接続する接続要素９１を備える。調整メンバー９は、固定要素９１と位置決め要素３とによって形成される。位置決め要素３は、ビルドプレート要素６を位置付けるように、特にビルドプレート要素６の所望のｚ位置を設定するように構成される。固定要素は、ビルドプレート要素６を支持具５に接続することによって、ビルドプレート要素６のｚ位置を固定するように構成される。

図３ａは支持具５を示す。支持具５内には位置決め穴５０が与えられる。位置決め穴５０は、位置決め要素３を持ち上げることができるように構成される。この位置決め要素３は、支持具５とビルドプレート要素６との間に配置され、位置決め要素３のフランジ状の上縁部でビルドプレート要素６を支持するように構成される。位置決め要素３の高さ、すなわち正および負のｚ位置は、ビルドプレート要素６が所望の方法で位置付けられるように調整されてよい。この目的のために、位置決め要素３は、支持具の穴５０に与えられたねじ山５３との間で係合可能なねじ山３３の与えられた円筒形のボディを備える。位置決め要素３にはさらに貫通穴３２が与えられる。調整メンバー９はボルト状の固定要素９１を備える。固定要素９１は、支持具５と対向する外縁部にねじ山９３が与えられ、支持具５の固定穴５４に与えられたねじ山５２と係合するように構成される。ボルト状の固定要素９１は、位置決め要素３の貫通穴３２を通過できるように構成される。このため、貫通穴３２は固定穴３２とも呼ばれる。固定要素９１のフランジ状の部分９５は、ビルドプレート要素に与えられた凹部６１により持ち上げられてよい。固定要素９１を支持具内に固定することにより、個々の部品（支持具５、位置決め要素３、ビルドプレート要素６および固定要素９１）のすべては、互いに固定的に接続される。固定要素９１は、接続要素９のヘッド９５に与えられる凹部９２（例えば、六角凹部）を用いて固定されてよい。このために、六角ドライバやアレンドライバ（登録商標）が使われてもよい。
他のタイプのドライバを使うことも考えられる。

図３ｂは、支持具５、位置決め要素３およびビルドプレート要素６の上面図であり、ここでは接続要素９を欠く。これにより図３ｂでは、凹部６１およびビルドプレート要素６の接続穴６２がより良好に示され、また支持具５の固定穴５４に届く貫通穴３２を有する位置決め要素３がより良好に示される。この図３ｂには、六角ドライバやアレンドライバを使って位置決め要素３のｚ位置が簡単に調整できるように、位置決め要素３に六角凹部３４が与えられることが明確に示されている。

原理的に位置決め要素３および接続要素９１には、任意の凹部とこれに対応するドライバ、例えばフラットドライバ、フィリップスドライバ（登録商標）、六角ドライバなどを使うことができることは、当業者に明らかだろう。

図示されない代替的な実施形態では、位置決め要素３の固定穴３２にねじ山が与えられ、固定要素９１には固定穴３２に与えられたねじ山と係合するねじ山が与えられる。これにより、ビルドプレート要素６を支持具５に固定するために、位置決め要素３を介して、固定要素９１が支持具５に接続される。このように接続は、直接的または間接的に行われる。

一般に、単一のビルドプレート要素を正確に調整するために、図３ａおよび３ｂを参照して説明した調整手段８の調整メンバー９は、単一のビルドプレート要素に使われてもよい点に留意されたい。この態様によれば、積層造形を用いて物体（２）を製造する装置（１）が与えられる。
装置（１）は、
・凝固可能な粉末材料（４）の槽を受ける処理チェンバ（３）と、
・物体（２）を材料の槽の表面レベル（Ｌ）に関係付けて配置する支持具（５）と、
・電磁放射を用いて、材料の選択された層部分を表面レベルで凝固させる凝固デバイスと、
・支持具に接続されるビルドプレート要素と、
・ビルドプレート要素を支持具に対して調整する調整手段と、
を備える。

上記で、本発明がいくつかの実施形態を用いて説明されたことは当業者には明らかだろう。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。いくつかの実施形態の個々の部品の組み合わせが考えられる。望まれる保護の範囲は、添付の請求項によって定められる。

Claims (12)

1. 積層造形を用いて物体（２）を製造する装置（１）であって、
   ・凝固可能な粉末材料（４）の槽を受ける処理チェンバ（３）と、
   ・物体（２）を材料の槽の表面レベル（Ｌ）に関係付けて配置する支持具（５）と、
   ・電磁放射を用いて、材料の選択された層部分を表面レベル（Ｌ）で凝固させる凝固デバイス（７）と、
   ・前記支持具に接続された複数のビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）と、を備え、
   前記ビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）の頂部表面が単一の面を定義するように、前記複数のビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）を、前記支持具（５）に対して個別に調整する調整手段（８）を備えることを特徴とする装置。
2. 前記調整手段（８）は、複数の前記ビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）の各々のために、複数の調整メンバー（９、９'、 ９''）を備える請求項１に記載の装置。
3. 複数の前記ビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）の各々のために、合計３個の調整メンバー（９、９'、 ９''）を備える請求項２に記載の装置。
4. 前記複数のまたは合計３個の調整メンバー（９、９'、 ９''）は、前記ビルドプレート要素の熱中心から等距離のところに配置される請求項２または３に記載の装置。
5. 前記合計３個の調整メンバー（９、９'、 ９''）は、正三角形の頂点を定義する請求項３または４に記載の装置。
6. 前記調整手段（８）は、複数の前記ビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）の各々のために、前記支持具に与えられる複数の位置決め穴（５０）を備え、
   前記調整メンバー（９）は、位置決め要素（３）を備え、
   前記位置決め要素（３）は、前記位置決め穴（５０）のそれぞれに接続され、前記ビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）のそれぞれの少なくとも１つを支持するように構成される請求項２から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 複数の前記ビルドプレート要素（６、６ａ、６ｂ）の少なくとも１つは、内部に少なくとも１つの接続穴（６２）を備え、
   前記調整手段（８）は、前記接続穴（６２）を介して、対応する前記ビルドプレート要素を前記支持具に接続する固定要素（９１）を備える請求項２から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記接続穴（６２）、前記固定要素（９１）および位置決め穴（５０）は、前記固定要素（９１）が支持具内の位置決め穴（５０）と少なくとも部分的に係合できるように配置される請求項７に記載の装置。
9. 前記位置決め穴（５０）の各々のために、前記位置決め穴（５０）のそれぞれと少なくとも部分的に係合するように配置される対応する固定要素（９１）が与えられる請求項８に記載の装置。
10. 位置決め穴（５０）および前記位置決め要素（３）は、互いに係合可能なねじ山が与えられる請求項６から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 位置決め要素（３）は、固定要素（９１）を少なくとも部分的に受ける固定穴（３２）を与えられる請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記固定穴（３２）は貫通穴であり、
    前記調整手段（８）は、複数の前記ビルドプレート要素（６）の各々のために、前記支持具（５）内に複数の固定穴（５４）を備える請求項１１に記載の装置。

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