JP7280004B2 - 付加製造装置用の造形プラットフォーム案内装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、付加製造に関する。より詳細には、本発明は、付加製造装置用の造形プラットフォーム案内装置に関する。本発明はまた、このような造形プラットフォーム案内装置を含む付加製造装置、及び付加製造装置の造形プラットフォームを支持する方法に関する。

「付加製造」（ＡＭ）という用語は、三次元の物体（以下、単に「物体」又は「部品」と称する）を合成するために使用される様々なプロセスを指す。特定のＡＭ技術は、「３Ｄ印刷」と呼ばれることもある。

ＡＭでは、部品は典型的に、３次元コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを２次元層又は画像にデジタルスライスすることによって製造される。次いで、これらの層は、典型的には粉末又は流体の形態で、原材料からこれらの層を硬化、圧密化、溶融又は他の方法で形成することによって製造される。

本発明者らの経験では、ＡＭは一般に従来の製造方法に比べていくつかの利点を提供している。これらの利点には、軽量化、部品へのより多くの機能の統合、及び部品数の削減を可能にする高度に複雑な部品を製造する能力が含まれる。このプロセスはまた、ツーリングの必要性をなくし、コスト及び／又は材料の節約をもたらす。

いくつかのＡＭプロセスは、高エネルギービーム（例えば、レーザー又は電子ビーム）の形態のエネルギー源を使用して、材料床（ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｅｄ）内の粉末材料を層状に溶融又は焼結し、最終的に所望の部品を形成する。以下、これらのプロセスを「粉末床溶融結合プロセス」と総称する。

粉末床溶融結合プロセスでは、所望の層が形成されることを確実にするように、ＣＡＤモデルの幾何学的形状に基づいて、走査ユニットによってエネルギー源が方向付けられる。材料床は、造形プラットフォーム上に支持され、このプラットフォームは、物体の新しい層が形成されるたびに、一方向（以下、「Ｚ方向」と一般に称する）に徐々に下降する。次に、新しい材料層を、次の層を走査する前に、材料床に付加する。

いくつかのＡＭプロセスはまた、何らかの形態の予熱を行う必要がある。原材料を最終形態に圧密化する前に、原材料の温度を上昇させるために予熱戦略が採用される。予熱は、材料がより容易に処理され、かつ／若しくはより高速度で処理されることを確実にするか、又は圧密化前に材料から水分を除去するために使用され得る。湿気の存在は、対象物中の多孔性及び／又は他の欠陥につながり得る。

さらに、エネルギービームを用いてＡＭ部品を製造する場合、溶接プールの凝固収縮により材料中に残留応力が生じる。特定の材料では、これらの残留応力は比較的高く、より大きい部品を製造する場合、部品の歪み及び／又は亀裂を生じさせる可能性がある。このような応力を低減又は緩和するために、材料を予熱し、冷却速度を制御することができる。

既存のＡＭシステムでは、造形プラットフォームは、典型的に、駆動装置、例えば、造形プラットフォームの下方に配置された１つ又は複数の電動のリニアアクチュエータに取り付けられ、これは、造形プラットフォームがＺ方向に徐々に移動することを可能にし、それにより造形プラットフォーム上に原材料の新しい層を増分的に堆積させることができる。

さらに、造形プラットフォームは、典型的に、材料保持ユニット又はハウジング内を移動するように構成される。造形プラットフォームがＺ方向に徐々に移動すると、材料堆積装置が造形プラットフォーム上に材料の新しい層を堆積させ、それにより基本的に材料保持ユニットを材料で充填する。予熱は、造形プラットフォーム自体を加熱することによって、材料保持ユニットを加熱することによって、又は造形プラットフォームに上から堆積された材料を加熱することによって行われる。

部品の高い精度を確保するには、造形プラットフォームをその経路に沿って十分正確に誘導することが重要である。特定のＡＭシステムは、造形プラットフォームを誘導するために駆動装置に依存しているが、他のＡＭシステムは専用の誘導システムを採用している。

本発明者らは、造形プラットフォームが比較的小さい場合、すなわち、造形プラットフォームが水平面すなわちＸ－Ｙ平面において一般に小さい領域を画定する場合、既知のＡＭシステムが一般に効果的であり、十分に正確であることを見出した。例えば、典型的に「小さい」実装では、ＡＭシステムは、約３００ｍｍ×３００ｍｍの主要な造形プラットフォーム寸法を有し、２００℃までの温度で動作し得る。しかし、本発明者らは、比較的大きい造形プラットフォームが熱膨張の影響により高温で使用される場合、既知のＡＭシステムがいくつかの問題に直面すると考えている。

比較的高温で動作する場合、ＡＭ装置の構成要素、特に造形プラットフォームの熱膨張は、歪み、機械的ジャミング、駆動装置の故障などを引き起こし得る。特定の材料は、部品内の残留応力を低減し、亀裂形成を抑制するために比較的高い予熱温度を必要とする。必要な予熱温度は材料に依存し、数百℃～１０００℃超の範囲であり得る。一例として、長さ１ｍのチタングレード５のベースプレートは、６００℃で予熱する場合、長さが５．５ｍｍ以上増加し得る。

比較的小さい造形プラットフォームが使用される場合、単一の中央アクチュエータ又はガイドピラーを使用して造形プラットフォームを変位させてもよい。このような構成は、単一の中央アクチュエータ又はピラーに対する熱膨張の影響が大きくないので、通常、高温下で比較的良好に機能する。しかし、これらの構成は、より大きい造形プラットフォームのための十分な構造的支持を提供しない。

本発明者らは、造形プラットフォームの大きさが増大する場合、熱膨張の影響が増幅されることを見出した。比較的大きい造形プラットフォームが使用される場合、複数のアクチュエータ又はガイドピラーが典型的に使用される。例えば、造形プラットフォームは、底面視で矩形であってもよく、造形プラットフォームを支持して変位させるためのアクチュエータが、造形プラットフォームの４つの底部の角部の各々に、又はこれらの角部に向かって設けられる。本発明者らは、造形プラットフォームの熱膨張がガイドピラー又はアクチュエータの歪み、詰まり及び／又は故障をより容易に生じさせ得るため、このような構成が熱膨張によってかなりの程度影響を受け得ることを見出した。

造形プラットフォームが駆動装置によって拘束されるときに造形プラットフォーム内に誘発される熱応力は、造形プラットフォーム自体を歪ませることがある。歪んだ造形プラットフォームは、付加製造プロセスの開始時に均一な厚さの粉末層を製造することを不可能にし得る。これは、造形プラットフォームからの層間剥離により造形の不具合をもたらし得る。

本発明は、少なくともある程度、上記で特定された課題に対処することを目的とする。

本発明の一態様によれば、造形プラットフォームと、造形プラットフォーム案内装置とを備える付加製造装置であって、造形プラットフォームが、当該付加製造装置の垂直軸すなわちＺ軸に沿って変位するように構成されており、造形プラットフォーム案内装置が、
当該付加製造装置のＸ軸及びＹ軸によって画定される水平面すなわちＸ－Ｙ平面における前記造形プラットフォームの端部又はその近くに配置された取付手段であって、Ｚ軸に沿った造形プラットフォームの変位を可能にするとともに、該取付手段に対するＸ軸及び／又はＹ軸に沿った造形プラットフォームの実質的な直線変位を防止するように機能的に構成された、取付手段と、
造形プラットフォームの周辺に少なくとも１つのリニアガイドを含む案内手段であって、造形プラットフォームがリニアガイドに沿って変位可能であり、リニアガイドが、Ｚ軸に沿って延在し、造形プラットフォームの側面に実質的に当接して、Ｘ－Ｙ平面における造形プラットフォームの非拘束の熱膨張及び収縮を機能的に可能にし、Ｘ－Ｙ平面におけるＺ軸を中心とした造形プラットフォームの実質的な角変位を防止するようにする、案内手段と
を含む、付加製造装置。が提供される。

取付手段は、付加製造装置のＺ軸に沿って機能的に延在するピラーを含んでもよい。

取付手段は、造形プラットフォームが取付装置に対してＸ－Ｙ平面において変位するのを防止するために、造形プラットフォームが付加製造装置に取り付けられる、ピラーとブッシュからなる装置又はピラーと軸受からなる装置によって提供される取付装置であってもよい。

いくつかの実施形態では、ピラーは、付加製造装置に固定して取り付けられてもよく、ブッシュは、造形プラットフォームに取り付けられ、造形プラットフォームとともに変位するように構成される。他の実施形態では、ブッシュは、付加製造装置に固定して取り付けられてもよく、ピラーは、造形プラットフォームとともに変位するように構成される。

造形プラットフォームは、Ｘ－Ｙ平面において略矩形であってもよい。いくつかの実施形態では、取付要素は、造形プラットフォームの角部又は角部領域に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、取付要素は、造形プラットフォームの側部又は端部に沿って中央に配置されてもよい。

案内手段は、２つのガイド要素を含んでもよく、各々が造形プラットフォームのそれぞれの角部領域又はその近くに配置される。

別の実施形態では、案内手段は、２つのガイド要素を含んでもよく、各々が造形プラットフォームの対向する側部又は端部に沿っての中央に配置される。

一実施形態では、取付手段は、第１の角部領域に取り付けられ、ガイド要素の第１のガイド要素は、第１の角部領域に隣接する造形プラットフォームの側部の第２の角部領域に取り付けられ、ガイド要素の第２のガイド要素は、第１の角部領域に隣接する造形プラットフォームの別の側部の第３の角部領域に取り付けられる。

各ガイド要素は、Ｚ軸に沿って延在し、かつ造形プラットフォームの側面に実質的に当接して造形プラットフォームの角変位を防止するリニアガイドを含んでもよく、又はこのリニアガイドによって提供されてもよく、使用時に、リニアガイドが付加製造装置に固定して取り付けられる。

各ガイド要素は、造形プラットフォームの側面に設けられた表面プレートを更に含んでもよい。いくつかの実施形態では、表面プレートは、ガイド要素の一部を形成せず、代わりに造形プラットフォームの一部を形成する。表面プレートは、使用時に、対応するリニアガイドと摺動式に嵌合するように構成されてもよい。

リニアガイドとその対応する表面プレートとの間の境界は、場合によっては、Ｘ軸又はＹ軸に沿って取付手段の中心と位置合わせされてもよい。取付手段の中心は、Ｘ－Ｙ平面におけるガイドピラーの中心点であってもよい。

他の実施形態では、表面プレートは付加製造装置に固定して取り付けられてもよく、リニアガイドは造形プラットフォームとともに変位するように構成される。

造形プラットフォーム案内装置は、付加製造装置のＺ軸に沿って造形プラットフォームを変位させるように構成された変位装置を更に含んでもよい。変位装置は、少なくとも２つの離間したリニアアクチュエータを含んでもよい。リニアアクチュエータは、造形プラットフォームの熱膨張又は熱収縮を機能的に補償して造形プラットフォームをＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で維持するために、角変位可能であってもよく、かつ／又は角変位可能な構成要素を含んでもよい。

各リニアアクチュエータの一方又は両方の端部は、角変位可能な継手を含んでもよく、又はその継手に取り付けられてもよい。

造形プラットフォーム案内装置は、上述の種類の３つ以上のリニアアクチュエータを含んでもよい。一実施形態では、造形プラットフォーム案内装置は、案内装置を底部から見たときに矩形の４つの角部を画定するように配置された４つのリニアアクチュエータを含んでもよい。

リニアアクチュエータは、互いに対向する両端を有してもよく、各リニアアクチュエータの第１の端部が、支持構造体（例えば、付加製造装置の下部領域）に取り付けられてもよく、リニアアクチュエータの第２の端部が、造形プラットフォームの底部に取り付けられてもよい。

リニアアクチュエータの第２の端部は、造形プラットフォームの上方に突出してもよく、リニアアクチュエータの側部が、角変位可能な構成要素、例えば、継手によって造形プラットフォームに取り付けられる。

造形プラットフォームは、使用時に付加製造装置の作業領域を画定する一次的な造形プラットフォームであってもよい。

あるいは、造形プラットフォームは、一次的な造形プラットフォームに取り付けられるか、又は取付可能である、二次的な造形プラットフォームであってもよい。このような場合、使用時に、一次的な造形プラットフォームも設けられ、リニアアクチュエータは、二次的な造形プラットフォームに直接結合され、二次的な造形プラットフォームを変位させることによって一次的な造形プラットフォームを変位させるように構成される。

一次的な造形プラットフォームの寸法は、二次的な造形プラットフォームの寸法とは異なってもよい。

材料保持ユニットが更に設けられてもよい。材料保持ユニットは、一次的な造形プラットフォームによって画定される作業領域に機能的に堆積された材料床を保持するように、一次的な造形プラットフォームの外側縁部に密接に適合するように構成された複数の壁を含んでもよい。

一次的な造形プラットフォームは、付加製造装置のＺ軸に沿って二次的な造形プラットフォームから離間されてもよく、すなわち、一次的な造形プラットフォームは、二次的な造形プラットフォームの上方に配置されてもよい。二次的な造形プラットフォームは次に、駆動装置の上方に配置されてもよい。少なくとも１つの加熱及び／又は冷却ユニットが、プラットフォーム間に画定された空間内に設けられてもよい。断熱及び／又はセンサ装置（例えば、温度センサ）も、この空間内に設けられてもよい。

一次的な造形プラットフォーム及び二次的な造形プラットフォームは、互いに略平行であり、かつＸ－Ｙ平面に略平行であるように機能的に取り付けられてもよい。

本発明の別の態様によれば、付加製造装置であって、付加製造装置のＺ軸に沿って付加製造装置の造形プラットフォームを変位させるように構成された少なくとも２つのリニアアクチュエータを含む変位装置を含み、リニアアクチュエータが、造形プラットフォームの熱膨張又は収縮を機能的に補償して造形プラットフォームを付加製造装置のＸ軸及びＹ軸によって画定されるＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で維持するために、角変位可能であり、かつ／又は角変位可能な構成要素を含む、付加製造装置が提供される。

リニアアクチュエータは、造形プラットフォームをＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で機能的に維持するために、付加製造装置のＸ軸及びＺ軸によって画定されるＸ－Ｚ平面において、かつ／又は付加製造装置のＹ軸及びＺ軸によって画定されるＹ－Ｚ平面において角変位可能であってもよい。

付加製造装置は、典型的に、
付加製造装置の作業領域内に材料の層を堆積して材料床を形成するための少なくとも１つの材料堆積装置と、
材料を材料堆積装置に供給するための少なくとも１つの材料供給機構と、
作業領域の上方に機能的に離間された走査ユニットであって、材料床に堆積した材料を圧密化するためのエネルギービームを提供するように構成される、走査ユニットと、
を更に含む。

本発明の更に別の態様によれば、造形プラットフォームの熱膨張を補償するように付加製造装置の造形プラットフォームを支持する方法であって、
造形プラットフォームが変位可能である造形プラットフォームの周辺に垂直なガイドを提供することと、
垂直なガイドを中心とした造形プラットフォームの角変位を抑制し、水平面における造形プラットフォームの非拘束の熱膨張及び収縮を許容することと、
を含む、造形プラットフォームを支持する方法が提供される。

造形プラットフォームの変位が少なくとも２つのリニアアクチュエータによってもたらされてもよく、各アクチュエータが２つの連結領域を有し、一方が支持構造体に連結され、もう一方が造形プラットフォームに連結され、本方法は、アクチュエータの連結領域を、支持構造体及び造形プラットフォームに対して角変位可能であるように支持構造体及び造形プラットフォームに連結して、造形プラットフォーム及び支持構造体の熱膨張差の結果としてアクチュエータの端部間の相対的な横方向移動を補償することを含む。

次に、添付の概念図面を参照して、一例として、本発明を更に説明する。

本発明による付加製造装置用の造形プラットフォーム案内装置の一実施形態の三次元図を示している。 図１の造形プラットフォーム案内装置の上面図を示している。 図１の造形プラットフォーム案内装置の更なる三次元図を示しており、付加製造装置のフレームも示されている。 図３の造形プラットフォーム案内装置及びフレームの上面図である。 本発明による造形プラットフォーム案内装置用の変位装置の一実施形態の三次元図である。 図５の変位装置の側面図である。 熱膨張の影響を誇張して示す、図５の変位装置の更なる三次元図である。 熱膨張の影響を誇張して示す、図５の変位装置の更なる側面図である。 本発明による付加製造装置用の造形プラットフォーム案内装置の別の実施形態の三次元図を示しており、付加製造装置のフレームも示されている。 図９の造形プラットフォーム案内装置の側面図である。 図９の造形プラットフォーム案内装置の上面図である。 熱膨張の影響を誇張して示す、図９の造形プラットフォーム案内装置の更なる側面図である。 本発明による付加製造装置用の造形プラットフォーム案内装置の別の実施形態の三次元図を示している。 図１３の造形プラットフォーム案内装置の側面図である。 図１４の線Ａ－Ａに沿った、図１３の造形プラットフォーム案内装置の断面図である。 本発明の造形プラットフォーム案内装置を使用することができる造形プラットフォーム構成の一例の断面図を示している。 本発明による造形プラットフォーム案内装置の一実施形態が設置される、図１６の造形プラットフォーム構成の三次元図を示している。 図１７の構成の上面図を示している。 図１８の線Ｂ－Ｂに沿った、図１７の構成の断面図を示している。 本発明による付加製造装置用の造形プラットフォーム案内装置の別の実施形態の三次元図を示しており、付加製造装置のフレームも示されている。 図２０の造形プラットフォーム案内装置及びフレームの上面図を示している。 図２０の造形プラットフォーム案内装置及びフレームの別の三次元図を示しており、付加製造装置の材料保持ユニット及び造形プラットフォーム案内装置の変位装置も示されている。 図２２の造形プラットフォーム案内装置、フレーム及び材料保持ユニットの上面図を示している。 図２３の線Ｃ－Ｃに沿った、図２２の造形プラットフォーム案内装置、フレーム及び材料保持ユニットの断面図を示しており、材料床も示されている。

本発明の教示を可能にするものとして、以下の本発明の説明を提供する。当業者であれば、本発明の有益な結果を達成しつつ、説明した実施形態に多くの変更を加えることができることを認識するであろう。本発明の所望の利点のいくつかは、他の特徴を利用することなく本発明の特徴のいくつかを選択することによって達成することができることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、本発明に対する修正及び適応が可能であり、特定の状況においては望ましくさえあり得、本発明の一部であることを認識するであろう。したがって、以下の説明は、本発明の原理を例示するものとして提供されるものであり、本発明を限定するものではない。

本発明による付加製造装置の一部を形成する造形プラットフォーム案内装置１０の一実施形態を図１～図４に示す。造形プラットフォーム案内装置１０は、取付装置１４の形態の取付手段と、２つのガイド要素１６、１８とを含む。取付装置１４は、造形プラットフォーム１２に取り付けられる。

造形プラットフォーム１２は、案内装置１０が機能的に設置される付加製造装置（図示せず）のＸ－Ｙ平面において略平面かつ矩形である。造形プラットフォーム１２は、使用時に付加製造装置の垂直軸すなわちＺ軸に沿って変位するように構成される。軸Ｘ、Ｙ及びＺを図１に示す。

取付装置１４は、造形プラットフォーム１２の角部領域に取り付けられたピラーとブッシュからなる装置２０又はピラーと軸受からなる装置２２によって提供される。ピラー２０は、Ｚ軸に沿って延在するように付加製造装置に固定して取り付けられるように構成され、ブッシュ２２は、ピラー２０を中心に同心的に取り付けられ、使用時に造形プラットフォーム１２とともに垂直に変位するように構成される。

取付装置１４は、ピラー２０に対するＸ軸又はＹ軸に沿った造形プラットフォーム１２の実質的な直線変位を防止しながら、Ｚ軸に沿った造形プラットフォーム１２の変位を可能にするように働く。

ガイド要素１６、１８は、断面が矩形の細長いリニアガイドによって提供される。ガイド要素１６、１８は、これらの長さがＺ軸に沿って延在し、かつこれらの要素が造形プラットフォーム１２の異なる側面に当接するように、付加製造装置に固定して取り付けられるように構成される。

各ガイド要素１６、１８は、造形プラットフォーム１２のそれぞれの角部領域の近くに配置される。図１に示すように、取付装置１４は、造形プラットフォーム１２の第１の角部領域に取り付けられ、ガイド要素の第１のガイド要素１６は、その側部のうちの１つが第１の角部領域に隣接する造形プラットフォーム１２の側部の第２の角部領域に当接するように取り付けられ、ガイド要素の第２のガイド要素１８は、その側部のうちの１つが第１の角部領域に隣接する造形プラットフォーム１２の別の側部の第３の角部領域に当接するように取り付けられる。

この実施形態では、表面プレート２４、２６が造形プラットフォーム１２の側面に設けられている。各表面プレート２４、２６は、ガイド要素１６、１８の長さに沿った造形プラットフォーム１２の摺動運動を容易にするために、ガイド要素１６、１８のうちの対応する要素に当接するように構成された外面を有する。表面プレート２４、２６には、アルミニウム青銅などの高摩耗及び高温条件での耐摩擦性を有する材料が使用されてもよい。

図２から明らかなように、Ｘ－Ｙ平面における各ガイド要素１６、１８とその対応する表面プレート２４、２６との間の境界は、ピラー２０の中心点「Ｃ」と位置合わせされる。

使用時に、固定して取り付けられたガイド要素１６、１８は、Ｚ軸に沿って造形プラットフォーム１２を正確に誘導する。ガイド要素１６、１８は、Ｘ方向及びＹ方向における非拘束の熱膨張／収縮（図２の矢印「Ｐ」及び「Ｑ」で示す）を可能にしながら、Ｚ軸を中心とした（Ｘ－Ｙ平面における）造形プラットフォーム１２の角変位を防止するように働く。

ガイド要素１６、１８及び表面プレート２４、２６は、場合によっては、Ｘ－Ｚ平面又はＹ－Ｚ平面において、各ガイド要素１６、１８とその対応する表面プレート２４、２６との間に摺動面を提供することによって、造形プラットフォーム１２の熱膨張を可能にする。

図１及び図２の実施形態を更に説明するために、図３及び図４は更に、案内装置１０が取り付けられる付加製造装置のフレーム２７を示す。フレーム２７は、使用時に静止したままであるように構成される。

ピラー２０は、フレーム２７の角部領域のピラー支持形成体２８に取り付けられ、ガイド要素１６、１８は、止めねじ３１、３２によってフレーム２７の隣接する角部領域のガイド支持形成体２９、３０に取り付けられる。止めねじ３１、３２は、使用時に造形プラットフォーム１２の正確な位置合わせを可能にする。

図５及び図６は、本発明による造形プラットフォーム案内装置を提供し得るか、又は本発明による造形プラットフォーム案内装置、例えば案内装置１０の一部を形成し得る変位装置３３を示す。

変位装置３３は、付加製造装置の造形プラットフォーム２５を付加製造装置のＺ軸に沿って変位させるように構成される。この実施形態では、変位装置３３は、造形プラットフォーム２５を機能的に作動し支持する４つのリニアアクチュエータ３４を含む。リニアアクチュエータ３４は、変位装置３３を底部から見たときに矩形の４つの角部を形成するように造形プラットフォーム２５の底部に配置され、それにより造形プラットフォームの全長及び幅全体を支持する。

各リニアアクチュエータ３４は、互いに対向する両端を有する。リニアアクチュエータ３４は、付加製造装置の下部領域、例えば装置基部（図示せず）の形態で支持構造体に取り付けられるように構成された第１の端部３６と、造形プラットフォーム２５の底面３５に取り付けられた第２の端部３８とを含む。

リニアアクチュエータ３４の各端部３６、３８には、角変位可能な継手４２、４４が設けられている。この実施形態では、継手４２、４４は玉継手である。

上述のように、リニアアクチュエータ３４は、付加製造装置のＺ軸に沿って造形プラットフォーム２５を変位させるように構成される。加えて、リニアアクチュエータ３４は、造形プラットフォーム２５の熱膨張又は収縮を機能的に補償して造形プラットフォーム２５をＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で維持するために、継手４２、４４によって角変位可能である。

図５及び図６に示す第１の位置では、リニアアクチュエータ３４は、Ｚ軸に沿って延在し、したがって、図６の角度αで示すように、各リニアアクチュエータ３４の長さと造形プラットフォーム２５との間に９０度の角度がある。

図７及び図８に示す第２の位置では、図８の方向矢印「Ｔ」で示すように、造形プラットフォーム２５の熱膨張が行われている。造形プラットフォーム２５、及び端部３６、３８が取り付けられる支持構造体の熱膨張差の結果としてのアクチュエータ３４の端部３６と端部３８との間の相対的な横方向移動を補償するために、アクチュエータ３４は、継手４２、４４によって角変位され、それにより造形プラットフォーム２５をＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で（すなわち、水平な配向で）維持する。

したがって、第２の位置では、図８の角度βで示すように、Ｙ－Ｚ平面で見たときに基部２５と各アクチュエータ３４の長さとの間に垂直ではない角度がある。アクチュエータ３４の角変位の程度は変化し、ピラー２０から最も遠いアクチュエータ３４が最大の角変位を経験することが理解されよう。これにより、基部２５が水平位置ではなく傾斜角度になる場合があるが、本発明者らは、この偏差が一般に容認可能な許容値内であることを見出した。

図７及び図８に示す熱膨張ひいては角度βは、アクチュエータ３４の動作原理を説明するために誇張されており、したがって角度βは、典型的には、図に示す角度よりも９０度により近い場合があることが当業者には理解されよう。

本発明者らは、いくつかの実施形態において、アクチュエータ３４が熱膨張の結果として０．２５度まで移動し得ることを見出した。各アクチュエータ３４は、その特定のアクチュエータが使用時に受ける角変位を補償するために、室温では比較的小さい負の角度で（例えば、０．２５°の負の角度で）取り付けられてもよい。これにより、動作条件（例えば、６００℃）では、アクチュエータが垂直に配向され、したがって造形プラットフォームが水平であることを確実にし得る。

本発明による造形プラットフォーム案内装置５０の別の実施形態を図９～図１２に示す。この実施形態は、図１～図８を参照して説明した実施形態と類似の機能性を提供するか、又は類似の結果を達成し得る。

この実施形態では、ピラー５２とブッシュ５４からなる装置が造形プラットフォーム５６の一方の端部に沿って中央に設けられ、単一のガイド要素５８が造形プラットフォーム５６の対向する端部に沿っての中央に設けられる。さらに、案内装置５０は、２つのリニアアクチュエータ６０のみを含む。

ピラー５２は、付加製造装置（図示せず）のフレーム６２の一方の端部に取り付けられ、ガイド要素５８は、フレーム６２の対向する端部に取り付けられる。

この実施形態では、ガイド要素５８は、細長く、断面がＴ字形である。ガイド要素５８のより広い側部、又は基部が、フレーム６２に取り付けられ、ガイド要素５８のより狭い側部、又は突出部が、造形プラットフォーム５６の対応する端部における相補形状の凹部６４と嵌合する。ガイド要素５８の狭い側部又は突出部の長さ及び凹部６４の深さは、これらの部分が摺動係合のままであることを確実にするために、狭い側部又は突出部の自由端が凹部６４の根元又は基部と接触することなく、造形プラットフォーム５６がＸ方向に膨張及び収縮し得るように選択される。この装置では、造形プラットフォーム５６は、Ｙ方向及びＸ方向に無拘束的に膨張及び収縮することができる。

各リニアアクチュエータ６０は、互いに対向する両端を有する。リニアアクチュエータ６０は、付加製造装置の下部領域、例えば装置基部（図示せず）の形態で支持構造体に取り付けられるように構成された第１の端部６６と、造形プラットフォーム５６の底面７０に取り付けられた第２の端部６８とを含む。

リニアアクチュエータ６０の各端部６６、６８には、角変位可能な継手７２、７４が設けられている。この実施形態では、継手７２、７４は単軸ピボット継手である。継手７２、７４は、Ｙ－Ｚ平面において回動可能である。

ピラー５２、リニアアクチュエータ６０、凹部６４、及びガイド要素５８は、図１１に示すように、案内装置５０の中心線「Ｇ」に沿って位置合わせされる。凹部６４の深さは、造形プラットフォーム５６の熱膨張を補償するのに十分である。

さらに、図１２に示す熱膨張（方向矢印「Ｈ」で示す）は、アクチュエータ６０の動作原理を説明するために誇張されていることが理解されよう。

本発明による造形プラットフォーム案内装置８０の別の実施形態を図１３～図１５に示す。この実施形態は、図１～図１２を参照して説明した実施形態と類似の機能性を提供するか、又は類似の結果を達成し得る。

案内装置８０は、図１～図４を参照して説明したものと類似の取付装置８２及び２つのガイド要素８４、８６を含む。

案内装置８０は、４つのリニアアクチュエータ８８を含む。図１３に最良に示すように、２つのリニアアクチュエータ８８が造形プラットフォーム９０の両側に設けられている。この実施形態では、各リニアアクチュエータ８８は、リニアアクチュエータ８８の一部を形成する親ねじとナットからなる装置（図示せず）によって、Ｚ軸に沿って造形プラットフォームを変位させるように構成される。親ねじとナットからなる装置の代わりにラックとピニオンからなる装置を使用して、図１３～図１５に示すものと類似の構成を提供してもよいことが想定される。

各リニアアクチュエータ８８は、付加製造装置の下部領域、例えば装置基部（図示せず）の形態で支持構造体に取り付けられるように構成された第１の端部９２と、造形プラットフォーム９０の上方に突出する第２の端部９４とを含む。

各リニアアクチュエータ８８の第１の端部９２には玉継手９６が設けられており、アクチュエータ８８の側部は、更なる玉継手９８によって造形プラットフォーム９０に連結されている。玉継手９６及び玉継手９８は、図１５最良に示すように、互いに対して略横方向に配向される。玉継手９８は、使用時に造形プラットフォーム９０とともにＺ軸に沿って変位するように構成される。

本発明者らは、図１３～図１５の構成が、造形プラットフォーム案内装置及び／又は付加製造装置の全体の高さを低減し得ることを見出した。

図１６は、本発明の造形プラットフォーム案内装置が使用され得る造形プラットフォーム構成１００の一例を示す。

造形プラットフォーム構成１００は、二次的な造形プラットフォーム又は基部１０２を含み、これは従来の駆動装置１０４に取り付けられる。

駆動装置１０４は、基部１０２の下方に配置された２つの電動のリニアアクチュエータ１０６、１０８によって提供される。アクチュエータ１０６、１０８の支持端部１０７、１０９は、基部１０２の底面１１０に直接連結されている。

使用時に、アクチュエータ１０６、１０８の直線運動は、基部１０２の垂直変位、すなわち、造形プラットフォーム構成１００が設置される付加製造装置のＺ軸に沿った変位を引き起こす。

一次的な造形プラットフォーム１１２は、取付構造体１１４によって基部１０２に取り付けられる。この実施形態では、取付構造体１１４は、基部１０２にボルト止めされた鉄骨フレームの形態である。取付構造体１１４上に加熱アセンブリ１１６が設けられる。したがって、一次的な造形プラットフォーム１１２は、加熱アセンブリ１１６を介して取付構造体１１４に取り付けられる。

他の実施形態では、取付構造体は、一次的な造形プラットフォームに直接ボルト止めされてもよく、又は加締められてもよいことが想定される。取付構造体と一次的な造形プラットフォームとの間の連結機構は、一次的な造形プラットフォームが付加製造装置の他の構成要素に対して適切に位置合わせされ得ることを確実にするために、止めねじによる調整を可能にしてもよい。

使用時に、基部１０２の垂直変位は、一次的な造形プラットフォーム１１２の変位を引き起こす。

一次的な造形プラットフォーム１１２は、このプラットフォームが画定する作業領域１１８に原材料の新しい層を堆積させ、それによって材料床１２０を形成することを可能にするように、徐々に下方に変位することができる。

少なくとも１つの材料堆積装置（図示せず）が典型的に、材料の層を堆積するために設けられ、材料を材料堆積装置に供給するための好適な供給機構が含まれる。当業者によく理解されるように、走査ユニット（図示せず）によって方向付けられる高エネルギービームを使用して原材料を圧密化してもよい。

材料保持ユニット１２２が設けられる。材料保持ユニット１２２は、作業領域１１８に機能的に堆積された材料床１２０を保持するように、一次的な造形プラットフォーム１１２の外側縁部に密接に適合するように構成された複数の壁を含む。

一次的な造形プラットフォーム１０２及び二次的な造形プラットフォーム１１２は、互いに平行であり、かつＸ－Ｙ平面に平行であるように取り付けられる。

熱膨張の影響を補償するために、図１～図４を参照して説明した取付装置１４及び造形プラットフォーム案内装置１０のガイド要素１６、１８は、これらの装置を基部１０２に対して取り付けることによって構成１００に組み込むことができる。加えて、駆動装置１０４は、図５～図８を参照して説明した変位装置３３と置き換えることができる。このような例示的な実施形態を図１７～図１９に示し、全体的に参照番号１３０で示す。

図１７～図１９に示すように、造形プラットフォーム案内装置１０は、典型的に、案内装置１０が材料保持ユニット１２２と干渉するのを防止するために、一次的な造形プラットフォーム１１２ではなく、基部１０２に組み込まれる。しかし、特定の代替的な構成では、案内装置は、一次的な造形プラットフォーム、すなわち、付加製造装置の作業領域を画定する造形プラットフォームに直接取り付けられてもよい。

図２０～図２４は、本発明による付加製造装置のための造形プラットフォーム案内装置１４０の別の実施形態を示す。この実施形態は、上述の実施形態と類似の機能性を提供するか、又は類似の結果を達成し得る。

この実施形態は、図１～図８を参照して説明した実施形態と概念的に類似である。しかし、この実施形態では、ピラー１４２及びガイド要素１４４、１４６は、可動式に（Ｚ軸に沿って）造形プラットフォーム１４８に取り付けられ、ブッシュ又は軸受１５０並びに表面プレート１５２及び１５４は、固定式に付加製造装置のフレーム１５６に取り付けられる。

ガイド要素１４４、１４６は、略三角形のフランジ又はガセット１５８、１６０によって造形プラットフォーム１４８の底面１６３に取り付けられる。使用時に、ガイド要素１４４、１４６は、プレート１５２、１５４と摺動可能に係合して、造形プラットフォーム１４８をＺ軸に沿って正確に誘導する。ガイド要素１４４、１４６は、Ｘ方向及びＹ方向における非拘束の熱膨張／収縮を可能にしながら、Ｚ軸を中心とした（Ｘ－Ｙ平面における）造形プラットフォーム１４８の角変位を防止するように働く。

本発明者らは、図２０及び図２１を参照して説明した構成が、少なくともいくつかの用途において、二次的な造形プラットフォームの必要性をなくし得ることを見出した。この態様を図２２～図２４に示しており、これは、造形プラットフォーム１４８の底部１６３及びフレーム１５６の基部１６４に直接取り付けられているように角変位可能な一組のリニアアクチュエータ１６２を示している。図２２～図２４はまた、従来の材料保持ユニット１６６と、材料保持ユニット１６６によって保持される材料床１６８（図２４においてのみ）とを示す。

本発明者らは、本発明の案内装置が多くの利点を提供すると考えている。

造形プラットフォームが熱膨張によって実質的に影響を受けないように造形プラットフォームを誘導及び作動させることができる装置が提供される。本発明者らは、この装置が比較的大きい造形プラットフォーム及び比較的高温の用途での使用に適していると考えている。

本発明者らは、本発明が、造形プラットフォームの熱膨張を補償するように、付加製造装置の造形プラットフォームを支持するための効果的な技術を提供することを見出した。具体的には、造形プラットフォームが変位可能である造形プラットフォームの周辺に垂直なガイドが設けられ、垂直なガイドを中心とした造形プラットフォームの角変位が実質的に抑制されるとともに、造形プラットフォームの非拘束の膨張及び収縮が許容される。これにより、付加製造装置は、造形プラットフォーム並びにガイド及び／又は作動システムに大きな力をかけることなく実質的な熱膨張を可能にするので、高レベルの予熱を処理することができる。

取付要素（例えば、ピラー２０）は、熱膨張の影響を受けない有用な固定基準点を提供すると考えられる。

本発明は、造形プラットフォームをＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で維持するために、造形プラットフォームの熱膨張又は収縮を補償することができる変位装置を提供する。具体的には、本明細書に記載のリニアアクチュエータ又はその構成要素は、造形プラットフォーム及び支持構造体の熱膨張又は収縮の差の結果としてアクチュエータの端部間の相対的な横方向移動を補償するために、付加製造装置及び造形プラットフォームの支持構造体に対して角変位可能である。

本発明者らは、二次的な造形プラットフォームの使用が、材料保持ユニットに干渉するアクチュエータのリスクをなくし、いわゆる「吊り下げ」アクチュエータ、すなわち圧縮の代わりに張力下で機能するアクチュエータの使用を可能にする点で有利であり得ることを見出した。しかし、本発明の実施形態は、単一の一次的な造形プラットフォームのみを使用する。

リニアアクチュエータはまた、造形プラットフォームの大きな角変位を防止するように機能してもよい。

ボールねじ及びローラねじを含む、いくつかの異なる種類のアクチュエータが使用され得ることが想定される。

Claims (12)

1. 造形プラットフォーム（１２）と、造形プラットフォーム案内装置（１０）とを備える付加製造装置であって、
   前記造形プラットフォーム（１２）が、前記付加製造装置の垂直軸すなわちＺ軸に沿って変位するように構成されており、
   前記造形プラットフォーム案内装置（１０）が、
   前記付加製造装置のＸ軸及びＹ軸によって画定される水平面すなわちＸ－Ｙ平面における前記造形プラットフォームの第１の角部領域に取り付けられた取付手段（１４）であって、前記Ｚ軸に沿った前記造形プラットフォームの変位を可能にするとともに、前記取付手段（１４）に対する前記Ｘ軸及び／又は前記Ｙ軸に沿った前記造形プラットフォーム（１２）の実質的な直線変位を防止するように機能的に構成され、前記付加製造装置の前記Ｚ軸に沿って機能的に延在するピラー（２０）を含む、取付手段（１４）と、
   前記Ｘ－Ｙ平面における前記造形プラットフォーム（１２）の非拘束の熱膨張及び収縮を機能的に可能にするように構成され、かつ使用時に前記Ｘ－Ｙ平面における前記Ｚ軸を中心とした前記造形プラットフォーム（１２）の実質的な角変位を防止するように構成され、２つのガイド要素（１６，１８）を含む案内手段と、
   を含み、
   前記２つのガイド要素（１６，１８）がそれぞれ、前記造形プラットフォーム（１２）の対応の角部領域に配置されており、前記ガイド要素のうちの第１のガイド要素（１６）が、前記第１の角部領域に隣接する前記造形プラットフォーム（１２）の側部の第２の角部領域に取り付けられ、前記ガイド要素のうちの第２のガイド要素（１８）が、前記第１の角部領域に隣接する前記造形プラットフォーム（１２）の別の側部の第３の角部領域に隣接して取り付けられており、前記ガイド要素（１６，１８）がそれぞれ、前記付加製造装置に固定して取り付けられ、前記案内手段が、前記造形プラットフォーム（１２）に設けられた２つの表面プレート（２４，２６）を更に含み、
   各表面プレート（２４、２６）が、使用時に、対応するガイド要素と摺動式に嵌合するように構成されており、前記ガイド要素とその対応する前記表面プレート（２４、２６）との間の境界が、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸に沿って前記取付手段（１４）の中心と位置合わせされており、前記取付手段（１４）の前記中心が、前記Ｘ－Ｙ平面における前記ピラー（２０）の中心点（Ｃ）である、付加製造装置。
2. 前記取付手段（１４）が、前記ピラー（２０）と、ブッシュ（２２）または軸受によって提供される取付装置であり、前記ブッシュ（２２）または軸受は、前記ピラー（２０）の周囲に同心的に取り付けられ、前記造形プラットフォーム（１２）と共に前記ピラー（２０）に沿って垂直方向に変位するように構成され、前記造形プラットフォーム（１２）が前記取付装置に対して前記Ｘ－Ｙ平面において変位することを防止する、請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記造形プラットフォーム（１２）が、前記Ｘ－Ｙ平面において略矩形である、請求項１に記載の付加製造装置。
4. 前記付加製造装置の前記Ｚ軸に沿って前記造形プラットフォーム（２５）を変位させるように構成された変位装置（３３）を更に含み、
   前記変位装置（３３）が、少なくとも２つの互いに離間したリニアアクチュエータ（３４）を含み、
   前記リニアアクチュエータ（３４）が、前記造形プラットフォーム（２５）の熱膨張又は熱収縮を機能的に補償して前記造形プラットフォーム（２５）を前記Ｘ－Ｙ平面に対して略平行な配向で維持するために、角変位可能であり、かつ／又は角変位可能な構成要素を含み、
   前記リニアアクチュエータ（３４）の各々の一方又は両方の端部が、角変位可能な継手（４２、４４）を含むか、又は前記継手に取り付けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の付加製造装置。
5. 前記リニアアクチュエータ（３４）の各々の第１の端部（３６）が、前記付加製造装置の下部領域のような支持構造体に取り付けられ、該リニアアクチュエータの第２の端部（３８）が、前記造形プラットフォーム（２５）に接続されている、請求項４に記載の付加製造装置。
6. 前記リニアアクチュエータの前記第２の端部（３８）が、前記造形プラットフォーム（２５）の上方に突出し、前記リニアアクチュエータの側部が、角変位可能な構成要素（４４）によって前記造形プラットフォーム（２５）に取り付けられている、請求項５に記載の付加製造装置。
7. 前記造形プラットフォーム（２５）が、使用時に前記付加製造装置の作業領域を画定する一次的な造形プラットフォームである、請求項４に記載の付加製造装置。
8. 前記造形プラットフォームが、一次的な造形プラットフォーム（１１２）に取り付けられた二次的な造形プラットフォーム（１０２）、又は一次的な造形プラットフォーム（１１２）に取付可能である二次的な造形プラットフォーム（１０２）であり、
   前記リニアアクチュエータ（３４）が、前記二次的な造形プラットフォーム（１０２）に直接結合され、前記二次的な造形プラットフォーム（１０２）を変位させることによって前記一次的な造形プラットフォーム（１１２）を変位させるように構成されている、請求項４に記載の付加製造装置。
9. 前記一次的な造形プラットフォーム（１１２）の寸法が、前記二次的な造形プラットフォーム（１０２）の寸法とは異なる、請求項８に記載の付加製造装置。
10. 前記一次的な造形プラットフォーム（１１２）によって画定される作業領域に機能的に堆積された材料床（１２０）を保持するように、前記一次的な造形プラットフォーム（１１２）の外側縁部に密接に適合するように構成された複数の壁を含む材料保持ユニット（１２２）を有する、請求項７に記載の付加製造装置。
11. 付加製造装置であって、
    前記付加製造装置のＺ軸に沿って前記付加製造装置の造形プラットフォーム（２５）を変位させるように構成された少なくとも２つのリニアアクチュエータ（３４）を含む変位装置（３３）を備え、
    前記アクチュエータ（３４）がそれぞれ、角変位可能な継手（４２）によって支持構造体に取り付けられるように構成された第１の端部（３６）と、角変位可能な継手（４４）によって前記造形プラットフォーム（２５）に取り付けられた第２の端部（３８）とを有し、前記造形プラットフォーム（２５）の熱膨張又は収縮を機能的に補償して前記付加製造装置のＸ軸及びＹ軸によって画定されるＸ－Ｙ平面に対して略平行な配向で前記造形プラットフォーム（２５）を維持するために、前記リニアアクチュエータ（３４）が前記支持構造体及び前記造形プラットフォーム（２５）に対して角変位可能であるようになっている、付加製造装置。
12. 前記リニアアクチュエータ（３４）が、前記造形プラットフォーム（２５）を、前記Ｘ－Ｙ平面に対して略平行な配向で機能的に維持するために、前記付加製造装置の前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸によって画定されるＸ－Ｚ平面において、かつ／又は前記付加製造装置の前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸によって画定されるＹ－Ｚ平面において角変位可能である、請求項１１に記載の付加製造装置。

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