JP6946319B2 - 製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本開示は、物体（object）を製造する方法に関し、特に、この物体が構造材料の一連の層から構成され、その構造材料の各層の複数の領域が、層を堆積させる間に又はその後に、及び連続的な層の堆積の前に、選択的に一緒に結合される、物体を製造する方法に関する。本開示は、そのような方法を実施するのに適した製造装置にも関する。

３Ｄプリントは、材料の連続した層が構築領域内に堆積され、各層の複数の部分が一緒に接合され、連続した層の接合部分によって所望の物体が構成される積層造形（additive manufacturing）技術の一種である。

ある３Ｄプリント技術は、粉末等の粒状構造材料の連続した層が、構築領域の上を横切って進むプリントヘッドから構築領域内に堆積されるプロセスを使用する。層の堆積の後又はその間に、構築材料の複数の部分が選択的に一緒に結合される。例えば、インクジェット印刷と同様の技術を用いて、液体バインダー（binder）を、プリントヘッドから構築材料上に噴射してもよい。そのようなバインダーは、固化又は硬化する接着剤であってもよく、この接着剤は、時間の経過と共に、例えば空気乾燥接着剤の場合に空気と接触させることによって、又は硬化後に、例えばＵＶ硬化型接着剤の場合には紫外線を使用して、構築材料の複数の粒を一緒に結合させる。あるいはまた、各層の複数の部分に放射線を選択的に照射して、例えば、適切に高強度のレーザビーム又は集束された赤外線を照射することによって、層の複数の領域を局所的に焼結又は溶融させ、それによりそのような領域を一緒に結合する。

堆積した粉末層は十分に薄く作られ、連続した粉末層が堆積され、選択領域が一緒に結合されると、各層の結合部分は、その層を貫通して下にある層との境界まで延び、２つ以上の層を貫通して延びる隣接した３次元構造を形成する。

積層造形が他の製造プロセスと競合するためには、積層造形が、所望の物体を製造でき、この物体内の適切な領域に適切な特性を与えるようにすることが望ましい。

本開示の第１の態様によれば、積層造形方法が提供される。この方法では、連続的に堆積された粒状構造材料の層の複数の領域が一緒に結合され、結合材料が層を貫通して層同士の間に延びる３次元構造を形成する。この方法は、第１の粒状構造材料を層として構築領域内に堆積させるステップを含む。この方法は、第１の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合して、層内に結合領域を形成するステップを含む。この方法は、層内に少なくとも１つの空隙を設けるように、層から未結合の粒状構造材料を除去するステップを含む。この方法は、少なくとも１つの空隙を充填するように、第２の粒状構造材料を構築領域内に堆積させるステップを含む。この方法は、第２の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合して、層内に結合領域を形成するステップを含む。この方法では、第２の粒状構造材料は、第１の粒状構造材料とは異なる。この方法を繰り返して物体を形成する。

一実施態様では、この方法は、堆積した第２の粒状構造材料を均一な厚さに平滑化するステップを含む。平滑化は、第２の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合する前に行われる。

一実施態様では、この方法は、堆積した第１の粒状構造材料を均一な厚さに平滑化するステップを含む。平滑化は、第１の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合する前に行われる。

一実施態様では、層から未結合の粒状構造材料を除去するステップは、層に吸引を適用するステップを含む。

一実施態様では、第１の粒状構造材料は、第２の粒状構造材料とは異なる溶解度を有し、異なる溶解度は、ｉ）極性溶媒、又はｉｉ）非極性溶媒に関する。

一実装態様では、この方法は、溶媒を３次元構造に適用して、第１及び第２の粒状構造材料の一方から形成された構造の部分を溶解するが、第１及び第２の粒状構造材料の他方から形成された構造の部分を溶解しないステップをさらに含む。

一実装態様では、第１の粒状構造材料の堆積は、粒状構造材料を構築領域の上で第１の方向に堆積させるための堆積ユニットのパスで行われる。この実施態様では、第２の粒状構造材料の堆積は、第２の粒状構造材料をプリント領域の上で第１の方向とは反対の第２の方向に堆積させるための堆積ユニットのパスで行われる。

一実装態様では、第１の粒状構造材料を結合するステップは、第１の粒状構造材料をプリント領域の上で第１の方向に結合するための結合ユニットのパスで行われる。この実施態様では、第２の粒状構造材料を結合するステップは、第２の粒状構造材料をプリント領域の上で第１の方向とは反対の第２の方向に堆積させるための堆積ユニットのパスで行われる。

一実施態様では、除去された粒状構造材料は、除去後に回収される。

一実施態様では、選択的結合は、インクジェット法を用いて液体バインダーを選択的に塗布することによって、第１及び第２の粒状構造材料に対して実施される。

本開示の第２の態様によれば、積層造形装置が提供される。この装置は、構築領域内に第１の粒状構造材料及び第２の粒状構造材料を堆積させて、構築領域に層を形成する手段を含む。この装置は、堆積した層の複数の領域を選択的に一緒に結合する手段を含む。この装置は、構築領域から未結合の粒状構造材料を除去する手段を含む。

一実施形態では、第１及び第２の粒状構造材料を堆積させる手段は、構築領域の上を往復運動し、第１の粒状構造材料を構築領域内に堆積させるように構成された第１の粒状構造堆積ユニットと、構築領域の上を往復運動し、第２の粒状構造材料を構築領域内に堆積させるように構成された第２の粒状構造堆積ユニットとを含む。

一実施形態では、堆積した層の複数の領域を選択的に一緒に結合させる手段は、構築領域の上を往復運動し、液体バインダーを構築領域内に選択的に堆積させるように構成されたインクジェット式結合ユニットを含む。

一実施形態では、この装置は、構築領域の上を往復運動し、ＵＶ放射を堆積したバインダーに照射して堆積したバインダーを硬化させるように構成された硬化ユニットをさらに含む。

一実施形態では、構築領域から未結合の粒状構造材料を除去する手段は、構築領域の上を往復運動するように構成された吸引ユニットを含む。

一実施形態では、この装置は、堆積した層の上面を平滑化するために、構築領域の上を往復運動するように構成された平滑化要素をさらに含む。

一実施形態では、この装置は、結合ユニット、硬化ユニット、除去ユニット、及び吸引ユニットから選択され、それぞれ独立して往復運動するキャリッジに配置された１つ又は複数の動作ユニットを有する。

一実施形態では、除去ユニットがキャリッジ上に配置され、このキャリッジは、結合ユニットが配置されたキャリッジに対して独立して移動可能である。

一実施形態では、除去ユニットが往復運動キャリッジ上に配置され、この往復運動キャリッジは、粒状構造材料堆積ユニットが配置された往復運動キャリッジに対して独立して移動可能である。

一実施形態では、構築領域は、構築テーブルの表面に形成されたウェルによって規定される。この実施形態では、ウェルの底面は構築プレートによって規定される。この実施形態では、構築プレートは、構築テーブルの表面により近い第１の位置から、構築テーブルの表面から遠い第２の位置へ徐々に移動可能である。

一実施形態では、この装置は、この装置に第１の態様の方法の実施を行わせるように動作可能な制御装置を有する。

本発明の第１の実施形態である積層造形装置の第１の状態を示す図である。 本発明の第１の実施形態である積層造形装置の第２の状態を示す図である。 本発明の第１の実施形態である積層造形装置の第３の状態を示す図である。 本発明の第１の実施形態の一部を形成するプリントヘッドの概略図である。 本発明の第２の実施形態である積層造形装置の第１の状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態である積層造形装置の第２の状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態である積層造形装置の第３の状態を示す図である。

本発明をより良く理解し、本発明がどのように実施することができるかを示すために、単なる一例として、添付図面を参照する。

本開示は、物体が一連の連続的に堆積した層から構成され、それら堆積した層の複数の部分が層内とその下の層の部分との両方で一緒に接合される３Ｄプリント技術に関する。特に、本開示は、粉末（又は別の粒状構造材料）の層が連続して堆積され、各層の複数の領域が、次の連続層が堆積される前に、一緒に結合されて所望の物体の部分を形成する粉末ベッド（powder bed）３Ｄプリントに関する。

本開示は、バインダーが走査型インクジェットヘッドから粒状構造材料の以前堆積したベッド上に選択的に噴射される粉末ベッド及びインクジェットヘッド３Ｄプリントシステムに関して例示される。しかしながら、本開示はそれに限定されるものではなく、本明細書に開示される概念は、選択的なレーザ焼結及び局所的な溶融造形（melting manufacturing）を含む、以前堆積した粉末層と一緒に結合することを含む他の積層造形技術に適用可能である。

図１は、粉末ベッド及びインクジェットヘッド積層造形装置１０の概略図を示す。装置１０は、その上面にウェル１２が形成されたプリントテーブル１１を有する。ウェル１２内には移動可能なプラットフォーム１３が設けられ、プラットフォーム１３は、ウェル１２内の第１の方向Ｚ、図１の構成ではテーブル１１の表面に対して垂直な方向に移動可能に構成される。プラットフォーム１３は、この構成では、引込み式支持部１３ａによって支持され、引込み式支持部１３ａは、制御された態様で、プラットフォーム１３をウェル１２内に降下させるように引き込み可能である。例えば、引き込み可能な支持部には歯付き部分を設けてもよく、この歯付き部分は、ラック・ピニオン駆動方式で歯付きホイールを動作させることによって支持部を制御された態様で引き込むことを可能にする。あるいはまた、例えば、引き込み可能な支持部は、限定されないが、油圧的に引き込み可能、電磁的に引き込み可能、又は何らかの他の機構によって引き込み可能であってもよい。単一の支持体又はこのような複数の支持体の提供も考えられる。

装置１０は、プリントヘッド１５も含み、このプリントヘッド１５は、並進する際にウェルの上に支持されながら、ウェル１２の上を第１の方向Ｘに横切るように構成される。図１の実施形態では、第１の方向Ｘは、テーブル１１の表面に対して平行である。図１の実施形態では、プリントヘッド１５は、レール１６上に支持され、このレール１６に沿って移動するように構成される。プリントヘッド１５は、例えば、駆動ベルト、駆動ねじ、内部駆動モータ、又は任意の他の適切な手段によって、ウェル１２の上を往復運動する方式で移動することができる。重要なことに、プリントヘッド１５は、ウェル１２の全範囲を横切ってＸ方向に横断することができる。

図１の例はＸ−Ｚ平面を横断面で示しているが、ウェル１２は、Ｘ方向及びＺ方向に対して垂直な第３の方向Ｙの範囲を有し、この第３の方向Ｙは、例えばページの外部に延びていることに留意されたい。テーブル１１及びプラットフォーム１３は、この方向の範囲も有しているが、この方向の形状又は寸法に関してさらに特別な制限はない。例えば、ウェル１２は、Ｚ方向に沿って見たときに、平面視で長方形又は正方形の形状を有することができるが、多角形又は円形を含む他の形状を有することもできる。ウェル１２の断面は、Ｚ方向の範囲に変化しないが、プラットフォーム１３は、プラットフォーム１３が移動するウェル１２の垂直壁に密接するような平面図を有する。従って、ウェル１２の垂直壁とプラットフォーム１３との間のテーブル１１の表面の下方にはボリュームが存在することができ、そのボリューム内に、ウェル１２の側面とプラットフォーム１３の縁部との間で粉末が実質的に漏れないように、粉末を分配することができる。プラットフォーム１３には、各縁部に弾性ワイパー等のシールを設けて、プラットフォーム１３の縁部とウェル１２の側面との間のそのような漏れを回避することができる。

プリントヘッド１５は、プリントヘッド１５がＸ方向に移動しながらウェル１２のＸ−Ｙ断面の全範囲を横切って進むことができるような、Ｙ方向の範囲も有する。これは、ウェルの全長をＹ方向に延ばすようなプリントヘッド１５を設けることによって達成することができる。あるいはまた、これは、プリントヘッドの１つ又は複数の構成要素がＹ方向に往復運動し、ウェルの表面をラスター方式で走査するように構成されたプリントヘッドを設けることによって達成され、それにより、プリントヘッドがウェルをＸ方向に連続的に又は段階的に横断する場合に、Ｙ方向に往復運動するプリントヘッドの要素は、Ｘ−Ｙ平面のウェルの各点を横切って進む。このような往復運動プリントヘッドは、例えば、従来のインクジェットプリンタ技術から知られているような往復運動ベルト駆動を使用して提供することができる。

上述の構成は、本発明者らに以前から知られているパウダーベッド及びインクジェットヘッド３Ｄプリンタに共通である。

図１の実施形態では、プリントヘッド１５は、Ｘ方向に順に配列された２つの粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃを含み、各堆積ユニットは、プリントヘッド１５がウェルをＸ方向に横断する際に、粉末の層をウェル１２内に分配するように適合される。この実施形態では、各粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃは、ウェル１２の全幅をＹ方向に延ばすそれぞれの分配オリフィスを有し、それにより、プリントヘッド１５がウェル１２を横断するときに、オリフィスから完全な（full）粉末層を分配することができる。代替構成では、各粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃは、粉末の連続した列をＹ方向に分配する走査型要素として形成することができ、その列はＸ方向に順に配列される。

各粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃは、それぞれ異なる粉末リザーバに接続される。

プリントヘッド１５は、粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃの間でＸ方向に配置された結合（binding）ユニット１５ｂも含む。この実施形態では、結合ユニット１５ｂは、プリントヘッド１５がウェル１２を横切って進む際に、バインダーをウェル１２内に噴射するように構成されたインクジェットヘッドを含む。プリントヘッド１５がウェル１２を横断する際にバインダーを選択的に噴射することによって、粉末堆積ユニット１５ｂによって堆積された各粉末層の複数の部分を選択的に一緒に結合することができ、製造される物体の１つの層を形成することができる。

結合ユニット１５ｂは、一構成では、Ｙ方向に往復運動する走査型インクジェットヘッドとして設けられ、このインクジェットヘッドは、プリントヘッドがＸ方向に前進する前に又はその間に、バインダーの液滴を所定の位置でＹ方向の列として堆積させるように動作可能であり、それによりバインダーディスペンサは、連続する各列の位置にバインダーを選択的に堆積することができる。あるいはまた、各バインダーディスペンサは、ウェルの全範囲に亘ってＹ方向に延び、少なくともＹ方向に一列に配列された複数のバインダー分配オリフィスを有する単一のインクジェットヘッドを有してもよく、それによって、プリントヘッド１５がウェル１２を横切ってＸ方向に並進する間にバインダーディスペンサの個々のオリフィスを作動させることによって、バインダーをウェルのＸ−Ｙ平面内の選択した位置に堆積させることができる。各バインダーディスペンサがＹ方向に並進するように構成されるが、少なくともＹ方向に配置された複数のオリフィスも含む、これらの手法の組合せも可能である。プリントヘッド１５の複数のオリフィスは、例えばオリフィス同士の間のようにＹ方向により近接した間隔を達成するために、例えば傾斜した直線状アレイとしてＸ方向に配置することもできる。

この実施形態では、プリントヘッド１５は、その上に配置され且つ平滑面を提供するように適合されたドクターブレード又は平滑化ローラ等の少なくとも１つの平滑化要素１５をさらに含み、この平滑化要素１５は、プリントヘッドが均一な層の厚さを達成するようにウェル１２を横断する際に、分配した粉末層の上面を水平に（level）することができる。この実施形態では、例えば、粉末堆積ユニット１５ａと結合ユニット１５ｂとの間で第１の方向に第１の平滑化ブレード１５ｅを配置し、結合ユニット１５ｂと粉末堆積ユニット１５ａとの間で第１の方向に第２の平滑化ブレード１５ｆを配置する。この実施形態では、平滑化要素（平滑化ブレード）は、その平滑化面（下部の平滑化縁部）の調整可能な位置を少なくともＺ方向に有するので、平滑化面は、少なくとも２つの位置の間でＺ方向に、オプションで様々な位置のセットの中で、伸縮することができる。しかしながら、他の実施形態では、平滑化要素（複数可）は、固定位置を有してもよい。

さらに、例えばＵＶ光による能動的な硬化を必要とするバインダーと共に使用するために、プリントヘッド１５は、結合ユニット１５ｂに関連したＵＶランプ等の１つ又は複数の硬化ユニットを含むことができる。この実施形態では、Ｘ方向において結合ユニット１５ｂの一方側に第１の硬化ユニット１５ｇが設けられ、Ｘ方向において結合ユニット１５ｂの他方側に第２の硬化ユニット１５ｈが設けられる。他の実施形態では、例えば、単一の硬化ユニットを設けてもよく、それによって、この硬化ユニットは、結合ユニットによって分配されたばかりのバインダー、又はバインダーが所与のプリントパスで分配されている層よりも以前の層のバインダーを硬化させるように作用する。

図１の実施形態では、プリントヘッド１５は、粉末除去ユニットとして吸引ユニット１５ｋも含み、この吸引ユニット１５ｋは、この吸引ユニットの下から粉末を吸引するように適合される。この実施形態では、吸引ユニット１５ｋは、Ｘ方向において結合ユニット１５ｂの後方で、且つＸ方向において粉末堆積ユニット１５ａの前方に配置される。この実施形態では、吸引ユニット１５ｋは、プリントヘッド１５の幅に延びる吸引オリフィス１５ｘを含み、この吸引オリフィス１５ｘは、バルブを介して真空ポンプ又は共同真空ライン等の吸引源に接続される。この実施形態では、吸引オリフィス１５ｘの吸引方向に対して下流側に粉末回収器を設け、除去した粉末を回収する。従って、除去した粉末を回収してリサイクルすることができ、除去した粉末が吸引源に移動するのを回避することができる。

この実施形態では、吸引オリフィス１５ｘは、結合ユニット１５ｂ及び粉末堆積ユニット１５ａから十分に離間されており、それにより吸引ユニット１５ｋの動作は、結合動作又は粉末堆積動作を阻害しないようになっている。他の実施形態では、吸引ユニットは、特定の要素（粉末堆積ユニット又は結合ユニット等）が吸引ユニットと同じプリントパスで作動されない限り、その特定の要素により接近して配置してもよい。

変形実施形態では、吸引ユニット１５ｋは、静電吸引の原理で動作してもよく、又は磁性粉末の場合に、磁気吸引の原理で動作してもよい。更なる変形実施形態では、吸引ユニット１５ｋの代替として、粉末除去ユニットを送風ユニットとして設け、粉末を送風ユニットの下から吹き飛ばすように構成してもよい。このような実施形態では、構築領域の近傍に別個の吸引装置を設けて、例えばウェル１２に対して固定された送風ユニットによって粉末を吹き飛ばし除去してもよい。

ここで図１の実施形態の動作について説明する。図１において、図１の実施形態では平坦でＸ−Ｙ平面に対して平行なプラットフォーム１３の上面は、テーブル１１の表面より下に短い距離だけ後退して、粉末の層が分配され得る構築領域（又は構築ボリューム）を提供する。構築領域の深さ、従ってプラットフォーム１３の上に分配される粉末層の深さは、望ましくない以前の層の実質的な部分を一緒に結合せずに、ある層を以前の層のある結合部分に結合させるために、層の深さ全体が、結合ユニットの動作によって特定の位置で選択的に結合されるように選択され得る。

図１に示される構成から、プリントヘッド１５は、ウェル１２を順（Ｘ）方向に横断して、粉末堆積ユニット１５ｃの分配オリフィスからプラットフォーム１３の表面上のウェル内に第１の粉末層２ａを堆積させる。また、プリントヘッドが順方向に横断する際に、平滑化ブレード１５ｆは降下した状態にあり、平滑化ブレード１５ｅは引き込まれた状態にある。こうして、平滑化ブレード１５ｆは、堆積した粉末の上面を実質的に水平に平滑化するように作用し、層２ａに均一な厚さを提供する。また、プリントヘッドが順方向に横断する際に、結合ユニット１５ｂは、平滑化され堆積した層の部分にバインダーを選択的に堆積させて、その層の複数の部分を選択的に一緒に結合する。また、プリントヘッドが順方向に横断する際に、硬化ユニット１５ｇは、堆積したバインダーにＵＶ光を照射してバインダーを硬化させる。また、プリントヘッドが順方向に横断する際に、吸引ユニット１５ｋは、選択的に結合した領域が一緒に結合され硬化した後に残っている未結合の粉末を除去するように動作し、それにより、更なる粉末を分配し得る空隙（複数可）が残る。また、プリントヘッドが順方向に横断する際に、粉末堆積ユニット１５ａは、第２の粉末の部分的な層２ａ’を、吸引ユニット１５ｋの使用によって生成された空隙（複数可）内だけでなく、未結合の粉末の除去後に残る第１の粉末の領域境界の上部にも分配するように動作する。得られた構成を図２に示す。

部分的な層２ａ’が堆積されると、プリントヘッド１５は、平滑化ブレード１５ｅを降下させた状態で且つ平滑化ブレード１５ｆを引き込んだ状態で、逆（−Ｘ）方向に移動する。こうして、平滑化ブレード１５ｅは、堆積した第２の粉末の上面を十分に水平に平滑化するだけでなく、第１の粉末の結合領域の上部から未結合の粉末を除去するように作用する。こうして、集合（aggregate）層も均一な厚さを有する。また、プリントヘッドが逆方向に横断する際に、結合ユニット１５ｂは、平滑化され堆積した層の部分の上にバインダーを選択的に堆積させて、その層の複数の部分を選択的に一緒に結合する。これにより、結合ユニット１５ｂが、以前のパスで順（＋Ｘ）方向に堆積した第２の粉末の未結合の領域にバインダーを塗布することができる。また、プリントヘッドが逆方向に横断する際に、硬化ユニット１５ｈは、堆積したバインダーにＵＶ光を照射してバインダーを硬化させる。このようなプロセスにより、２つの異なる粉末の領域（それぞれが選択的に一緒に結合される）だけでなく第２の粉末の未結合の領域を有する層が生成され、図３に示される状態に達する。

変形例では、粉末堆積ユニット１５ａは、第１の粉末が除去された領域の上でのみ選択的に作動されて、第２の粉末を収容する空隙がないライン又は領域への粉末の堆積を防止することができる。

粉末が異なる特性を有するように選択される場合に、異なる粉末から形成される層の異なる領域は相応して異なる特性を有する。

例えば、異なる着色粉末が使用される場合に、異なる着色領域を有する層を製造することができる。着色粉末は、例えば、所望の色の染料をセラミック粉末に加えることによって製造することができる。

代替的又は追加的に、異なる物理的特性を有する粉末が使用される場合に、異なる物理的特性を有する層を製造することができる。例えば、異なる合金を使用して粉末を形成する場合に、異なる熱伝導率、異なる引張強度、又は異なる密度を有する領域を生成することができる。

代替的又は追加的に、異なる化学的性質を有する粉末が使用される場合に、異なる化学的性質を有する層を製造することができる。例えば、異なる材料を使用して粉末を形成する場合に、異なる溶解度、異なる反応性、又はバインダーとの異なる相互作用強度を有する領域を生成することができる。例えば、２つの粉末が、所与の溶媒に対して、溶解性ポリマー等の可溶性材料と、不溶解性セラミック等の不溶性材料とである場合に、溶媒の浸透又は浸漬によって溶解され得る部分を形成することができる。このようなアプローチは、他の方法によって形成するのが困難であり得る複雑な製品、特に製造プロセス（プリント部分の機械加工等の更なる加工を含む）中の構造的安定性が必要とされる支持領域を含む製品を形成することを可能にするが、支持領域は最終製品には存在しないことが望ましい。溶媒は、ヘキサン又はトルエン等の非極性溶媒、或いはアセトン、エタノール、又は水等の極溶媒性であってもよい。

−Ｘ方向の逆方向パスの後に、プラットフォーム１３は、例えば次の層の意図した厚さだけさらに降下され、１つ又は複数の更なる層が、同様のプロセスによって、部分的な層２ａ及び部分的な層２ｂから形成される第１の集合層の上部に堆積される。

いくつかの構成では、プリントされる物体がテーブル１３の上面から容易に外すことができるように、バインダーは、テーブル１３上に堆積した第１の粉末層に全く堆積されないことがある。

図４は、プリントヘッド１５の概略図であり、粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃ、硬化ユニット１５ｇ、１５ｈ、除去ユニット１５ｋ、平滑化ブレード１５ｅ、１５ｆ、及び結合ユニット１５ｂを明瞭に示している。

各粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃは、それぞれの粉末分配オリフィス１５ｍ、１５ｎを有し、各粉末分配オリフィス１５ｍ、１５ｎは、供給チューブ１５ｐ、１５ｑを介して粉末用のそれぞれの外部リザーバに接続される。各粉末リザーバは、プリントヘッド１５上で支持されるように設けてもよい。あるいはまた、各粉末リザーバは、プリントヘッド１５の外部にあってもよく、適切に流動化し得る粉末は、外部リザーバからそれぞれの供給チューブ１５ｐ、１５ｑに送達され得る。各粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃは、ブレード（blade）バルブであってもよいそれぞれのバルブユニット１５ｒ、１５ｓも含み、各バルブユニット１５ｒ、１５ｓは、それぞれの供給チューブ１５ｐ、１５ｑからそれぞれの供給オリフィス１５ｍ、１５ｎを介して粉末の分配を行うように機能する。しかしながら、それぞれのオリフィスを介した粉末の供給は、当該技術分野で知られているような他の手段によって選択的に行ってもよい。各粉末堆積ユニットからの粉末の供給は独立して作動可能である。

粉末堆積ユニット１５ａと粉末堆積ユニット１５ｃとの間には結合ユニット１５ｂが位置付けされ、結合ユニット１５ｂは、供給ダクト１５ｊを介してバインダーリザーバに接続されたインクジェットオリフィス１５ｉを有する。プリントヘッド１５は、例えば適切な長さの可撓性チューブによって外部リザーバに接続してもよい。インクジェットオリフィスは、バインダーの液滴を分配するように作動可能であってもよい。

結合ユニット１５ｂの両側には硬化ユニット１５ｇ、１５ｈが位置付けされており、各硬化ユニット１５ｇ、１５ｈには、分配したバインダーを硬化させるのに適した波長及び強度のＵＶランプが設けられる。各ＵＶ硬化ユニットは、独立して作動可能であってもよい。

各粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃの結合ユニット側には、ここでは平滑化ブレードであるそれぞれの平滑化装置１５ｅ、１５ｆが位置付けされる。各平滑化装置１５ｅ、１５ｆは、ここではそれぞれソレノイドユニットとして設けられたそれぞれの作動ユニット１５ｖ、１５ｗによって伸張位置と後退位置との間で移動可能である。各平滑化装置は、伸長位置と後退位置との間で独立して作動可能であってもよい。

粉末堆積ユニット１５ａと粉末堆積ユニット１５ｃとの間には、粉末除去ユニット１５ｋが位置付けされており、この粉末除去ユニット１５ｋは、吸引源に接続された除去オリフィス１５ｘを有する。図示される実施形態では、粉末除去ユニットが平滑化装置１５ｅと硬化ユニット１５ｇとの間に配置されるが、他の位置も考えられる。粉末除去ユニット１５ｋは、例えば適切な長さのチューブによって、工場の真空供給ライン等の外部吸引源、又はファン等の内部吸引源に接続され得る。例えば、吸引源を選択的に作動させるか、又は吸引源と除去オリフィス１５ｘとの間のバルブを選択的に作動させるかのいずれかによって、粉末除去ユニットは、除去オリフィス１５ｘに吸引力を選択的に与えることができる。

プリントヘッド１５は、一対の駆動ローラ１５ｔによってレール１６に沿ってＸ方向に駆動され得、これら駆動ローラ１５ｔは、それぞれ対となってそれら駆動ローラ１５ｔの間でレール１６をクランプし、例えば電気的に駆動可能であり、プリントヘッド１５のＸ方向の順方向及び逆方向の動きを生じさせる。開示された実施形態では、プリントヘッド１５の全体は、外部シェル１５ｕ内に取り囲まれ、それによって粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃ、硬化ユニット１５ｇ、１５ｈ、除去ユニット１５ｋ、平滑化ブレード１５ｅ、１５ｆ、及び結合ユニット１５ｂは、共通のキャリッジを共有する。

開示された実施形態の動作は、本明細書で開示された方法を実行するように、制御ロジックに従って様々な開示された要素を駆動する制御装置Ｃによって制御される。制御装置は、例えば、産業用ＰＣの形態で提供してもよく、制御論理は、例えば、非一時的媒体に記憶された機械可読命令の形態で提供してもよい。制御装置は、配線ルームＷを介してプリントヘッドに接続してもよい。制御装置Ｃは、製造される物体を、例えば連続した層の各々についてのラスタデータ、又はボリュームのボクセルデータとして規定するソースデータを受け取り、ソースデータによって規定される物体を製造するように様々な開示された要素を駆動するときに、ソースデータだけでなく制御論理も考慮することができる。

しかしながら、例えば、図４に示されるプリントヘッド１５が、いくつかの別個のキャリッジに分割され、各キャリッジには、それ自体の駆動手段が設けられ、キャリッジは、それぞれ、粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃ、硬化ユニット１５ｇ、１５ｈ、除去ユニット１５ｋ、平滑化ブレード１５ｅ、１５ｆ、及び結合ユニット１５ｂ等のプリント部品のサブセットを含むような実施態様も可能である。従って、別個のキャリッジの各々をＸ方向に駆動することは、独立して行うことができ、特に、各キャリッジで実行される動作に適したそれぞれ異なる速度で行うことができる。

例えば、図５に示されるように、プリント装置２０は、４つのキャリッジ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを有し、各キャリッジは、可動式支持プラットフォーム２３に配置される材料の層を堆積及び構築するように、テーブル２１に形成されたウェル２２の上で共通のレール２６に沿ってＸ方向に並進するように構成される。キャリッジ２５ａ、２５ｄには、それぞれ、粉末堆積ユニット１５ａ、１５ｃだけでなく平滑化ブレード１５ｅ、１５ｆも設けられる。キャリッジ２５ｃには結合ユニット１５ｂが設けられており、結合ユニット１５ｂは、結合ユニットの両側にＸ方向に配置された硬化ユニット１５ｇ、１５ｈを有する。キャリッジ２５ｂには、吸引ユニット１５ｋが設けられる。

図５に示される構成から、キャリッジ２５ｃ及び２５ｄは共に、ウェル２２を横切って順（Ｘ）方向に横断し、それにより、第１の粉末の層が粉末堆積ユニット１５ｄから堆積され、次に結合ユニット１５ｃによって選択的に結合され、硬化ユニット１５ｇによって硬化され、図６に示される状態を形成する。キャリッジ２５ｃ及び２５ｄは、同じ速度及び隣接する構成で共に移動することができ、或いはキャリッジ２５ｄは、所望され得るように、キャリッジ２５ｃより早く離れるか、又はキャリッジ２５ｃより速く移動することができる。

図６に示される構成から、キャリッジ２５ｂは、ウェル２２を横切って順方向に横断し、それによって、吸引ユニット１５ｋは、未結合の粉末を除去して、図３に示される状態と同様の状態を形成する。

その状態から、キャリッジ２５ａは、ウェル２２を横切って順方向に横断し、それによって粉末堆積ユニット１５ａは、第２の粉末の層２ａ’を、吸引ユニット１５ｋの使用によって形成された空隙（複数可）だけでなく、未結合の粉末の除去後に残る第１の粉末の結合領域の上部にも堆積させることができる。

層２ａ’が堆積されると、キャリッジ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄは共に、平滑化ブレード１５ｅを降下させた状態で且つ平滑化ブレード１５ｆを引き込んだ状態で、逆（−Ｘ）方向に移動する。こうして、平滑化ブレード１５ｅは、堆積した第２の粉末の上面を十分に水平に平滑化するだけでなく、未結合の粉末を第１の粉末の結合領域の上部から除去するように作用する。また、キャリッジ２５ｃが逆方向に横断する際に、結合ユニット１５ｂは、平滑化された堆積した層の部分にバインダーを選択的に堆積させ、その層の複数の部分を選択的に一緒に結合する。これにより、結合ユニット１５ｂが、以前のパスで順（＋Ｘ）方向に堆積した第２の粉末の未結合の領域にバインダーを塗布することができる。

そのようなプロセスによって、それぞれ選択的に一緒に結合される２つの異なる粉末の領域と、第２の粉末の未結合領域とを有する層が形成される。

キャリッジ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄは共に、同じ速度及び隣接する構成で移動することができ、或いはキャリッジ２５ａは、所望され得るように、キャリッジ２５ｂより早く離れるか、又はキャリッジ２５ｂより速く移動することができ、これは、キャリッジ２５ｂ及びキャリッジ２５ｃと、キャリッジ２５ｃ及びキャリッジ２５ｄとにも当てはまり得る。

キャリッジ２５ｄがウェル２２を通過（transit）した後に、全てのキャリッジ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、及び２５ｄが一緒にウェル１２の一方の側に配置された図７に示される状態が達成される。

当然のことながら、図５に示される位置から、キャリッジ２５ｂがその移動（transit）を開始する前に、キャリッジ２５ｃ及び２５ｄがウェル２２の他方の側に到着するのを待つ必要はない。同様に、キャリッジ２５ａが移動を開始する前に、キャリッジ２５ｂがウェル２２の他方の側に到着するのを待つ必要はない。実際に、ある状況では、例えば、堆積される粉末の均一な層又は十分な深さを可能にするために、結合ユニット１５ｂを有するキャリッジ２５ｃの通過速度と比較して、粉末堆積ユニット１５ｃを有するキャリッジ２５ｄの通過速度が低下する場合に、結合ユニット１５ｂを有するキャリッジ２５ｃは、キャリッジ２５ｄの移動が完了する前に、その移動を開始することが好ましい。そのような構成では、キャリッジ２５ｃは、キャリッジ２５ｄがその移動を完了するのと同時に又はその直後に、その移動を完了するように選択してもよい。同様に、除去ユニット１５ｋを有するキャリッジ２５ｂの移動は、キャリッジ２５ａ及び２５ｃの移動に対して制御され、それにより除去ユニット１５ｋの作動が粉末堆積又はバインダー堆積を妨げないようにすることができる。

上記で開示したキャリッジが別のキャリッジと一緒に移動するだけでよい場合に、そのようなキャリッジを単一のキャリッジに組み合わせることができる。逆に、場合によっては、硬化ユニットや平滑化装置等の他の部品を独立したキャリッジに割り当てるように決定することもできる。

さらに、上記の開示は、いくつかの粉末堆積ユニットを設けることによって、完成物体を形成するために使用される最大３つ、４つ又はそれ以上の粉末を提供するように拡張することができる。

別の変形例では、切換バルブによっていくつかの異なる粉末リザーバに連結された分配オリフィスを有する単一の粉末堆積ユニットのみが設けられ、それによって異なる粉末が、切換バルブの適切な選択によって異なる時間に単一層に塗布され得る。そのため、例えば、第１の堆積パスで、粉末堆積ユニットを用いて選択的に結合した粉末の第１の層を堆積させ、その層を選択的に結合させ、次にその層の未結合領域を除去することができる。次に、第２の堆積パスで、異なる粉末を層に塗布し、必要に応じて再び結合させることができる。次に、プラットフォーム１３は、例えば、次の層の意図した厚さだけさらに降下され、１つ又は複数の更なる層が堆積される。第２の堆積パスは、所望され得るように、順方向（Ｘ）又は逆方向（−Ｘ）の堆積パスであってもよい。

更なる変形では、例えば、様々な構築材料の結合を適切な結合方法で行うために、複数の結合ユニットを設けてもよい。ほんの一例として、金属粉末構築材料は、レーザビームを選択的に照射して金属粉末を局所的に加熱する結合ユニットによる選択的レーザ焼結で結合させることができるが、セラミック粉末構築材料は、インクジェットヘッドを介してＵＶ硬化性液体バインダーを塗布することにより結合させることができる。

除去強度、例えば除去ユニットの吸引力に応じて、他の仕上げの層の未結合領域を、例えば、次の層を堆積させる前に少なくともこれら未結合の領域に弱い結合を与えることによって結合させることが必要な場合がある。このような弱い結合は、例えば、水溶性バインダー又はより少量のＵＶ硬化性バインダーを塗布することによって達成され得る。これは、除去ユニットからの強力な吸引による、以前の層からの粉末の未結合の領域が乱される状況を回避することができる。そのような弱く結合した領域は、製造後、例えば水等の適切な溶媒を塗布することにより、又は例えば機械的なブラッシング処理によって完成品から除去することができる。

上記の開示は、順方向パスで特定の動作及び逆方向パスで他の特定の動作を与えるプリントヘッドに関してなされたが、上述の開示は、例えば順方向のみに１つ又は複数の動作を与えるプリントヘッドにも実装することができる。そのような場合に、更なる結合ユニット、硬化ユニット、平滑化要素、粉末除去ユニット、及び粉末堆積ユニット等の追加の要素を適切な順序でプリントヘッド上に設けて、必要な全ての動作を単一のパスで達成する必要があり得る。これは、プリントヘッドの複雑性を増大させ得るが、必要な制御の複雑性を低減させ得る。

さらに、上述の開示は、プリント領域を規定するウェルの上で少なくとも第１の直線方向に往復運動するプリントヘッドに関してなされたが、プリントヘッドが構築領域の中心軸線から半径方向に延び、その軸線周りの円形パスを掃引（sweep）し、粉末を円形構築領域内に堆積させ、粉末の複数の構築領域を選択的に一緒に結合させるように構成される用途にも適用可能である。

特に、上記の開示は、セラミック、ポリマー、及び金属の粉末構築材料、反応性、ＵＶ硬化性、接触硬化性又は他のジェット噴射式バインダーの使用を含む、具体的に記載したもの以外の広範な３Ｄプリント技術、或いはレーザ又は熱結合等の他の結合技術に適用可能である。１つの特定の実施形態は、金属粉末及びポリマーバインダーを使用する。そのような実施態様では、焼結プロセスは、物体がプリント装置から取り出された後に金属粉末に適用してもよい。

上記の開示は例示的なものに過ぎない。当業者であれば、過度の負担なしに特定の工学的要件を満たすために必要とされ得るようなそのような修正、置換、代替、又は変形を用いて上記の開示を実施できることが予期される。

Claims (18)

1. 連続的に堆積された粒状構造材料の層の複数の領域が一緒に結合され、結合材料が前記層を貫通して前記層同士の間に延びる３次元構造を形成する積層造形方法であって、当該方法は、
   第１の粒状構造材料を層として構築領域内に堆積させるステップと、
   第１の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合して、前記層内に結合領域を形成するステップと、
   前記層内に少なくとも１つの空隙を設けるように、前記層から未結合の粒状構造材料を除去するステップと、
   前記少なくとも１つの空隙を充填するように、第２の粒状構造材料を前記構築領域内に堆積させるステップと、
   第２の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合して、前記層内に結合領域を形成するステップと、
   溶媒を前記３次元構造に適用して、第１及び第２の粒状構造材料の一方から形成された該構造の部分を溶解するが、第１及び第２の粒状構造材料の他方から形成された前記構造の部分を溶解しないステップと、を繰り返し行うことを含み、
   第２の粒状構造材料は、第１の粒状構造材料とは異なり、
   第１の粒状構造材料は、第２の粒状構造材料とは異なる溶解度を有し、該異なる溶解度は、非極性溶媒に関する、
   方法。
2. 第２の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合させる前に、前記堆積した第２の粒状構造材料を均一な厚さに平滑化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 第１の粒状構造材料の複数の領域を選択的に一緒に結合させる前に、前記堆積した第１の粒状構造材料を均一な厚さに平滑化するステップをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記層から未結合の粒状構造材料を除去するステップは、前記層に吸引を適用するステップを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 第１の粒状構造材料の前記堆積は、該粒状構造材料を前記構築領域の上で第１の方向に堆積させるための堆積ユニットのパスで行われ、
   第２の粒状構造材料の前記堆積は、第２の粒状構造材料をプリント領域の上で第１の方向とは反対の第２の方向に堆積させるための堆積ユニットのパスで行われる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第１の粒状構造材料を結合するステップは、第１の粒状構造材料をプリント領域の上で第１の方向に結合させるための結合ユニットのパスにおいて行われ、
   第２の粒状構造材料を結合するステップは、第２の粒状構造材料を前記プリント領域の上で第１の方向とは反対の第２の方向に堆積させるための堆積ユニットのパスで行われる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記除去された粒状構造材料は、除去後に回収される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 選択的な結合は、インクジェット法を用いて液体バインダーを選択的に塗布することによって、第１及び第２の粒状構造材料に対して実施される、請求項１に記載の方法。
9. 積層造形装置であって、当該装置は、
   構築領域内に第１の粒状構造材料及び第２の粒状構造材料を堆積させて、該構築領域に層を形成する手段と、
   前記堆積した層の複数の領域を選択的に一緒に結合する手段と、
   前記構築領域から未結合の粒状構造材料を除去する手段と、
   当該装置に請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法を実行させるように動作可能な制御装置と、含む、
   装置。
10. 第１及び第２の粒状構造材料を堆積させる前記手段は、前記構築領域の上を往復運動し、第１の粒状構造材料を前記構築領域内に堆積させるように構成された第１の粒状構造堆積ユニットと、前記構築領域の上を往復運動し、第２の粒状構造材料を前記構築領域内に堆積させるように構成された第２の粒状構造堆積ユニットとを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記堆積した層の複数の領域を選択的に一緒に結合させる前記手段は、前記構築領域の上を往復運動し、液体バインダーを前記構築領域内に選択的に堆積させるように構成されたインクジェット式結合ユニットを含む、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 前記構築領域の上を往復運動し、ＵＶ放射を前記堆積したバインダーに照射して該堆積したバインダーを硬化させるように構成された硬化ユニットをさらに含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記構築領域から未結合の粒状構造材料を除去する前記手段は、前記構築領域の上を往復運動するように構成された吸引ユニットを含む、請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記堆積した層の上面を平滑化するために、前記構築領域の上を往復運動するように構成された平滑化要素をさらに含む、請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 結合ユニット、硬化ユニット、除去ユニット、及び吸引ユニットから選択され、それぞれ独立して往復運動するキャリッジに配置された１つ又は複数の作動ユニットを有する、請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 除去ユニットがキャリッジ上に配置され、該キャリッジは、結合ユニットが配置されたキャリッジに対して独立して移動可能である、請求項１５に記載の装置。
17. 除去ユニットが往復運動キャリッジ上に配置され、該往復運動キャリッジは、粒状構造材料堆積ユニットが配置された往復運動キャリッジに対して独立して移動可能である、請求項１５又は１６に記載の装置。
18. 前記構築領域は、構築テーブルの表面に形成されたウェルによって規定され、該ウェルの底面は構築プレートによって規定され、該構築プレートは、前記構築テーブルの前記表面により近い第１の位置から、前記構築テーブルの前記表面から遠い第２の位置へ徐々に移動可能である、請求項９乃至１７のいずれか一項に記載の装置。

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