JPH09500845A - ３次元物体の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電磁放射を用いた照射により固化可能な材料の層を塗布し、つぎに物体に対応する箇所において照射して層を固化することにより、層状に３次元物体を形成る方法において、材料の物体を包囲する領域が、加熱作用により物体と同時に固化されて、材料（１３）のためのコンテナ壁（１５）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 ３次元物体の製造方法及び装置 本発明は、請求項１および２１の前提部分に記載された３次元物体の製造方法 、ならびに請求項１７および２５の前提部分に記載された、上記方法を実行する ための装置に関する。 この種の方法および装置は、ドイツ特許第４３００４７８号Ｃ１に開示されて いる。図１に示すように、従来の装置は、切り抜き２として形成された穴を有す る略水平な作業台１を有している。切り抜き２は、製造される物体３の最大横断 面よりも大きい。作業台１の上方には、レーザーとして構成され、集束光ビーム ５を発生する照射装置４が設けられている。この集束光ビームは、偏向装置６に より偏向され、偏向ビーム７として作業台１の平面上に導かれる。制御部８は、 切り抜き２によって規定される作業領域内の所望の箇所に偏向ビーム７が照射さ れるように、偏向装置を制御する。 プラットフォーム状に形成されたやはり略水平な支持部９が、切り抜き２の下 方に設けられている。高さ位置決め装置１０により、支持部９を、支持部９の表 面が切り抜き２内にあり、かつ作業台１の表面とほぼ同一平面となる最高位置と 、支持部と作業台との距離が物体３の最大高さより大きい最低位置との間で、矢 印１１の方向に移動させることができる。 電磁放射作用を受けて固化可能な粉末材料１３の均一な層を塗布するための塗 工装置１２は、作業台１と切り抜き２を横切って水平方向に移動可能である。例 えば、塗工装置１２は、層を平坦化するためのワイパーを備えた貯蔵コンテナと して形成されている。 制御部８および高さ位置決め装置１０は、ともに、それらを調和させて制御す るための中央制御部１４に接続されている。 レーザー焼結として知られている方法において、高さ位置決め装置１０は、最 初に、支持部９の表面が作業台１の表面と同一平面となる最高位置まで支持部９ を移動させ、続いて第１の材料層の予定の厚さに相当する分だけ支持装置を下降 させ、切り抜き２内にくぼみ領域を形成する。このくぼみ領域は、側面を切り抜 き２の壁によって、底面を支持部９の表面によって規定されている。ついで、材 料１３の第１の層が、切り抜き２と支持部９によって形成されたキャビティ内に 供給され、塗工装置１２を用いて平坦化される。その後、制御部１４は、その制 御のもとで、偏向装置６を制御し、偏向ビーム７を、制御部１４内に記憶された 物体３の座標データに従って層の固化すべき箇所に当て、そこで材料を焼結させ る。その後、制御部１４を制御して、偏向ビームを切り抜き２の内壁に隣接した 材料層の領域のみに導き、そこで材料層を焼結させる。これにより、層の残りの 粉末材料を完全に取り囲む第一の環状壁層が形成される。 続くステップにおいて、支持部９を、次の層の層厚ずつ下降させ、第１のステ ップと同様の操作を行なう。物体の各層の製造中に、下側の環状壁層の上に次の 環状壁層を焼結させることにより、コンテナ壁を形成する環状壁領域１５が作成 される。この環状壁領域は、残りの未焼結の材料１３と共に物体３を囲み、支持 部９を作業台１よりも下に下降させたときに材料１３が流出するのを防いでいる 。これらのステップは、物体３が完成するまで繰り返される。 同時固化されたコンテナ壁１５は、内側にある未固化の粉末材料１３をしっか りと保持している。すなわち、未固化粉末材料は、その上の層のための支持部と して機能する。円筒状のコンテナ壁１５に加えて底面および蓋部を固化すれば、 レーザー焼結装置内で、成形された物体を長時間にわたって冷却することを回避 することができる。なぜなら、物体をコンテナと共に装置から取り外し、冷却す るために別の場所に運ぶことができるからである。 しかしながら、この従来の方法には、以下の欠点がある。コンテナ壁１５は、 各層ごとに照射しなければならない独立した構成部分である。従って、製造時間 が不必要に長くなる。従来、レーザービームの焦点整合は、その縁部、即ちコン テナ壁を固化するために用いられる領域において、低下する。そのため、安定し たコンテナ壁を安全に構築することが困難となる。 さらに、物体の各層を固化する際にレーザーを用いて形成されるコンテナ壁は 、層の表面を横切って塗工を行なう際に層の表面にある程度の圧力を加えるワイ パー１２の障害となり、塗工工程を重ねるごとに壁が傷つくおそれがあるという 欠 点がある。 その上、従来の方法は、固化材料としての鋳型砂と組み合わせて実施すること ができない。これは、薄くてしかも十分に安定したコンテナ壁をレーザービーム の照射によって作ることができないからである。 本発明の目的は、安定したコンテナ壁を物体とともに短時間で製造することの できる、３次元物体を製造する方法および装置を提供することである。 この目的は、請求項１或いは２１に記載の方法により、および、請求項１７或 いは２５に記載の装置によって達成される。 本発明のさらなる改良は、従属請求項に説明されている。 本方法の利点は、コンテナ壁すなわちフレームの照射時間が省かれることであ る。従って、多くの時間が節約できる。本方法は、固化材料としての鋳型砂とと もに使用することに特に適している。 本発明のさらなる特徴と長所は、図面を参照した実施例の説明により明らかと なる。 図１は、レーザー焼結により３次元物体を製造するための従来の装置の横断面 を概略的に示している。 図２は、本発明の方法を実行するための装置の一実施例の横断面を概略的に示 している。 図２に示されているように、本方法を実行するための装置は、図１に示した装 置と同じ構成要素を有している。従って、同じ参照番号の構成要素の説明は、繰 り返さない。 本装置は、追加的に、切り抜き２を規定する作業台１の壁１８に形成された凹 部１７内に設けられた例えば加熱コイルからなる加熱リング１６を有している。 加熱コイル１６は、壁１８と同一平面で終端するように凹部１７内に嵌入されて いる。作業台１の凹部１７は、レーザービーム７が材料１３の表面に当たるポイ ントによって規定される作業面直下ではなく、作業面の数センチ下にある。本装 置では、支持部９を加熱することが可能なため、支持部９上に塗布される材料１ ３の第１の層を、加熱作用を利用して固化することができる。 従来と同様に、支持部９を、最初に、高さ位置決め装置１０を用いて最高位置 に移動させ、これにより支持部９の表面は、作業台１の表面と同一平面となる。 つづいて、第１の材料層の予定の厚さに相当する分だけ支持部を下降させ、これ により切り抜き２内にくぼみ領域が形成される。このくぼみ領域の側面は切り抜 き２の壁１８により、底面は支持部９の表面により規定されている。ついで、切 り抜き２と支持部９によって規定されたくぼみ領域内に、例えばフェノール樹脂 で被覆したケイ砂からなる鋳型砂などの焼結可能な粉末材料１３の第１の層を、 塗工装置１２を用いて、あらかじめ定められた層厚に塗布する。 従来技術とは異なり、つぎに支持部９を加熱することにより、塗布された第１ の層が焼結され、加熱作用を受けて固化される。このようにして、固体底面層２ ０が、最初に形成される。固化に必要な温度は、材料により８０℃から１６０℃ の間である。 第２のステップにおいて、支持部９は、制御部１４により、高さ位置決め装置 １０を用いて、少なくとも１つの層の厚さに相当する分だけ下降され、少なくと も１つの層の厚さに相当する量の鋳型砂１３が、塗工装置１２によって、切り抜 き２内に生じたくぼみ領域内に塗布され平坦化される。すなわち、少なくとも１ つの未固化材料１３の層が、固化された底面層２０の上に存在する。 次の層の層厚に相当する分だけ支持部を下降させ、材料１３を塗布し、平坦化 した後、物体１３の製造を開始してもよい。この目的のため、制御部１４は、偏 向装置６を制御して、偏向光ビーム７が、制御部１４に記憶された物体３の座標 に対応する、層の固化すべき箇所に当たるようにする。 支持部９の下降時に物体３を囲む未固化材料１３が加熱コイル１６の領域に到 達すると直ちに、物体３と未固化材料１３を囲む材料１３の環状領域が、熱伝導 により熱焼結される。この環状領域は、数層分の厚さに相当する垂直方向長さを 有し、これは、凹部１７および加熱コイル１６の垂直方向の高さに相当する。支 持部９は、新しい層を固化する前に毎回、例えば１０分の数ミリ程度である１層 分の層厚ずつ下降されるので、対応する幾つかの層が、より長時間にわたって加 熱コイル１６の加熱作用を受けることになる。従って、コンテナ壁１５は、切り 抜き２の壁１８に隣接する材料１３の積み重なった環状領域から連続的に固化さ れる。鋳型砂が加熱コイル１６の作用を受ける時間は、製造速度によって２０分 から１時間の間である。加熱コイルの温度は、製造速度によって、８０℃から１ ６０℃の間である。製造工程が速くなるにつれ、即ち、材料１３が加熱領域にあ る時間がより短くなるにつれ、温度をより高くしなければならない。 鋳型砂は、材料として特に適している。なぜなら、鋳型砂と加熱コイルとが接 着することがないからである。 支持部９を作業台１よりも下まで下降させた時、このようにして形成されたコ ンテナ壁は、材料１３の流出を防ぐ。従来のレーザーの作用によってコンテナ壁 を固化する方法とは異なり、コンテナ壁１５が作業面より上に延在していないこ とから、コンテナ壁が塗工工程における塗工装置１２のワイパーの障害にはなる ことはない。固化すべき境界領域への加熱作用は、層の照射とは別になっている ため、従来の方法において必要とされる照射時間を節約できる。各層ごとに約２ ０秒の時間が節約できる。 最後の物体層を形成した後、コンテナ壁１５は、上記のステップに従ってさら に固化され、物体３の上方に数層の厚さ分だけ盛り上がる。続いて覆い層２１が レーザー照射により固化される。底面層２０とコンテナ壁１５と覆い層２１は、 物体３と残りの未固化材料１３とをしっかり包み込むコンテナを形成している。 その後、物体３を内蔵したコンテナを、支持部９から取り外し、冷却のための 別の場所に運ぶことができる。これにより、新たな物体の製造を即座に開始する ことができる。 種々の変更が可能である。例えば、底面層２０および／または覆い層２１の形 成を省くことができる。これは、特に、物体を装置内で冷却しなければならず、 その場合には露出状態にある残りの粉末材料をも含めてコンテナ１５内で安全な 冷却が可能な場合に適している。あるいは、底面層２０を、やはりレーザーを用 いた照射により固化してもよい。塗工装置１２は、ドラムやスライダー、或いは ブルーム状に設計したり、粉末材料の均一な層を塗布するのに適したその他のあ らゆる形状に形成することも可能である。切り抜き２の横断面は、円形である必 要はなく、正方形や、長方形、或いはその他のどのような形状でも良い。加熱コ イルを用いる代わりに、作業台の厚さ全体を加熱することや、加熱ランプを使用 することも可能である。さらに、コンテナ壁の上に加熱可能なカバーを載せるこ とにより、或いは加熱ランプを用いて最上部の未固化層を照射することにより、 加熱作用を利用して覆い層を固化することも可能である。 本方法は、鋳型砂の使用のみに限定されることなく、樹脂被覆セラミック、或 いは金属粉末を使用することも可能である。また、固化材料として光硬化ポリマ ーを使用することも可能である。さらに、焼結に十分なエネルギーをもつ指向性 光ビームを発生する電磁放射のためのその他の放射源、例えばＵＶランプなどを 照射装置として使用することも可能である。また、電子線源により発生させた電 子線による照射も可能である。 さらなる実施例によれば、コンテナ壁１５は、液体接着剤を用いて固化される 。この接着剤は、作業台に隣接する境界領域において、固化すべき材料に供給さ れ、そこで接着を行なう。液体接着剤は、凹部１７にはめこまれ、複数個の放出 ノズルを有する管を通って材料１３に供給される。固化される材料に鋳型砂を用 いる場合には、物体の製造時間によって、約２０分から約１時間の硬化時間を要 する接着剤が使用される。接着剤は、通常金属製の管に付着しないものを選択し なければならない。液体接着剤を供給する代わりに、材料１３を固化する前に接 着剤の接着物質を材料に加えることが可能である。接着物質は、管を通って供給 される促進物質と反応し、これにより材料を固化させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電磁放射或いは粒子放射を用いて固化可能な材料（１３）の層を塗布し、 その後、物体（３）に対応する箇所に照射を行なって層を固化することにより上 記物体（３）を層状に形成し、上記材料の上記物体を囲む領域が同時に固化され てコンテナ壁（１５）を形成する３次元物体の製造方法において、 上記領域は、加熱作用により固化されることを特徴とする３次元物体の製造方 法。 ２．上記材料（１３）として、固体粉末材料を使用することを特徴とする請求 項１に記載の方法。 ３．上記材料として鋳型砂を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法 。 ４．上記鋳型砂は、フェノール樹脂で被覆されたケイ砂からなることを特徴と する請求項３に記載の方法。 ５．上記材料（１３）として、樹脂被覆した金属或いはセラミック粉末を使用 することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。 ６．規定された厚さを有する材料層が、作業台（１）の切り抜き（２）内に供 給され、上記コンテナ壁（１５）は、上記切り抜き（２）の内壁に隣接する上記 材料領域を加熱することにより形成され、これにより上記材料層が、上記コンテ ナ壁に包囲されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。 ７．上記材料層は、支持部（９）に塗布され、上記支持部は、その最高位置に おいては少なくとも部分的に上記切り抜き（２）内にあり、上記物体（３）の各 層を形成するために、各層の層厚に相当する分ずつ下降されることを特徴とする 請求項６に記載の方法。 ８．上記物体（３）の層を固化するたびに、上記層の下の少なくとも１つの層 を包囲する環状領域が加熱作用により固化されることを特徴とする請求項６ある いは７に記載の方法。 ９．上記物体（３）の各層を製造する際に上記環状領域が連続して固化され、 上記物体（３）全体を包囲するコンテナ壁（１５）が形成されることを特徴する 請求項８に記載の方法。 １０．上記コンテナ壁（１５）及び物体（３）を形成する前に、上記コンテナ 壁（１５）の領域によって包囲されたすべての区域にわたって材料層が固化され 、これによりコンテナの底面（２０）が形成されることを特徴とする請求項６乃 至９のいずれかに記載の方法。 １１．上記区域は、上記支持部（９）を加熱することにより固化されることを 特徴とする請求項１０に記載の方法。 １２．上記区域は、照射により固化されることを特徴とする請求項１０に記載 の方法。 １３．上記コンテナ壁（１５）及び上記物体（３）を形成した後、上記コンテ ナ壁（１５）の領域によって包囲されたすべての区域にわたって材料層が固化さ れ、これによりコンテナの覆い（２１）を形成することを特徴とした請求項６乃 至１２のいずれかに記載の方法。 １４．上記区域は、加熱作用により固化されることを特徴とする請求項１３に 記載の方法。 １５．上記区域は、照射により固化されることを特徴とする請求項１３に記載 の方法。 １６．上記作業台（１）の上記切り抜き（２）内に設けられた加熱コイルが、 上記コンテナ壁（１５）の固化に用いられることを特徴とする請求項６乃至１５ のいずれかに記載の方法。 １７．高さ調節可能な支持部（９）と、上記固化される材料（１３）の層を上 記支持部（９）上に塗布するための装置（１２）と、照射装置（４）と、上記照 射装置を制御して上記物体（３）に対応する箇所において上記層を照射するため の制御装置（８）とを有し、 加熱作用により上記材料（１３）の上記物体（３）を包囲する領域を固化する ための加熱装置（１６）を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の方法を実 行する装置。 １８．上記包囲領域（１５）に対応する切り抜き（２）を有する作業台（１） が設けられ、上記支持部（９）を、上記切り抜き（２）内で、上記支持部の表面 が上記作業台（１）の表面と実質的に同一平面となる位置まで上昇させることが できることを特徴とする請求項１７に記載の装置。 １９．上記加熱装置（１６）は、上記材料の上記物体を包囲する領域を囲むよ うにして、上記切り抜き（２）を囲む上記作業台（１）の凹部（１７）内に設け られた加熱コイルからなることを特徴とする請求項１８に記載の装置。 ２０．上記照射装置（４）は、レーザーからなることを特徴とする請求項１７ 乃至１９のいずれかに記載の装置。 ２１．電磁放射或いは粒子放射を用いて固化可能な材料（１３）の層を塗布し 、その後、物体（３）に対応する箇所に照射を行なって層を固化することするこ とにより形成し、上記材料の上記物体を囲む領域が同時に固化されてコンテナ壁 （１５）を形成する３次元物体の製造方法において、 上記領域は、固化物質を上記領域に供給することにより固化されることを特徴 とする３次元物体の製造方法。 ２２．上記固化物質は、液体接着剤からなることを特徴とする請求項２１に記 載の方法。 ２３．上記領域に供給される促進物質との共同作用により上記材料（１３）の 固化を行なう接着物質が、上記物体（３）の固化前に上記材料（１３）に加えら れることを特徴とする請求項２１または２２に記載の方法。 ２４．フェノール樹脂で被覆したケイ砂からなる鋳型砂が、固化される材料（ １３）として用いられることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかに記載 の方法。 ２５．高さ調節可能な支持部（９）と、上記固化される材料（１３）の層を上 記支持部（９）上に塗布するための装置（１２）と、照射装置（４）と、上記照 射装置を制御して上記物体（３）に対応する箇所において上記層を照射させるた めの制御装置（８）とを有し、 上記固化物質を上記領域に供給するための装置を設けたことを特徴とする、請 求項２１に記載の方法を実行する装置。 ２６．上記包囲領域（１５）に対応する切り抜き（２）を有する作業台（１） が設けられ、上記支持部（９）を、上記切り抜き（２）内で、上記支持部の表面 が上記作業台（１）の表面と実質的に同一平面となる位置まで上昇させることが できることを特徴とする請求項２５に記載の装置。 ２７．上記固化物質を供給するための装置は、上記固化物質を受け、上記固化 物質を放出するための複数個のノズルを有する閉鎖管からなり、上記管は、上記 物体を包囲する上記材料の上記領域を囲むようにして上記切り抜き（２）を囲む 上記作業台（１）の凹部（１７）内に設けられていることを特徴とする請求項２ ６に記載の装置。