JPH09507882A - レーザー焼結による３次元物体の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 放射作用により物体の各横断面に相当する場所で固化可能な物質（７）の層を順次連続して固化することにより３次元物体を製造する装置が提供され、それにより、本装置は製造される物体（６）を支持する支持台（４）、支持台（４）あるいは先に固化された層上に固化可能な物質（７）の層を供給する塗工装置（１２）、物体の各横断面に相当する場所で物質（７）の層を固化する固化装置（１４）、および動作位置において支持台（４）上に配置され固化可能な物質（７）を加熱する加熱装置（８）とを有し、加熱装置（８）はその長さに沿って加熱力を変化させる直線状のエネルギー放射ヒーター（８１）を少なくとも１個有している。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザー焼結による３次元物体の製造装置 本発明は、請求項１の前文によるレーザー焼結により３次元物体を製造する装 置に関する。 この種の装置は、文献国際公開公報ＷＯ ９２／０８５６６号により公知であ る。この装置では、供給された粉末層が、粉末層の上方に水平に配置された円環 状のエネルギー放射器によって加熱される。焼結用レーザービームが円環状のエ ネルギー放射器の円形開口の内側表面を介して粉末層上に向けられる。この装置 は特に円形の作業領域にとっては利点がある。 形成されるべき物体を層状に築造するための作業領域、すなわち作業場が、円 形の横断面よりむしろ長方形かあるいは正方形の横断面を有する場合、円環状エ ネルギー放射器を利用するには制限がある。円環状エネルギー放射器の直径は少 なくとも長方形の作業領域の対角線と等しくなければならない。したがって、特 に、縦／横比が１．５から２の長方形の作業場に対して、円環状エネルギー放射 器の直径を大きくせざるを得ないという欠点がある。粉末層の表面からエネルギ ー放射器までに距離が必要なことと、レーザー焼結装置内へエネルギー放射器を 実装する必要性があることは相反したことである。両者を妥協して解決すると、 粉末層に非均一温度分布が生じる。しかしながら、物体の高品質および工程の高 い安全性に鑑みて、粉末材料の均一温度、典型的にはその溶解温度よりわずかに 低い温度は必須である。 本発明の目的は、特に非円形作業領域を用いても、物体の品質および工程の安 全性を向上できるレーザー焼結により３次元物体を製造する装置を提供すること である。 この目的は請求項１による装置によって達成される。 更なる展開は従属請求項に定義されている。 本発明の更なる特徴や利点は、実施例の説明から図面を参照して明らかになる であろう。 図１は、本発明装置の側部横断面概略図である。 図２は、作業場上方のエネルギー放射加熱器の透視図である。 図３は、エネルギー放射加熱器の上面図を示す。 図４は、加熱されるべき粉末層の熱伝導特性の一例を示す。 図１に示されるように、本装置は、周囲が密閉した長方形あるいは正方形の輪 郭の側壁２のみによって形成されたタンク１を備えている。作業面３０は側壁２ 即ちタンク１の上縁３により画定されている。上縁３と実質的に水平かつ平行な 上面５を有する支持台４が、形成されるべき物体６を支持するためにタンク１内 に配置されている。支持台４の上面５上には、上面５と平行に延在し電磁放射に より固化され得る粉末状の成形物質７からなる複数の層によってさらに以下で説 明される方法によって形成される物体６がある。支持台４は、支持台と直角をな す側壁２の輪郭に適合した正方形あるいは長方形の横断面を有し、その全面積は 側壁２の全開口よりわずかに小さい。支持台４と側壁２との間の支持台の端に、 成形物質７の浸透を阻止する封止を行うために、周囲部シールが設けられる。さ らに、支持台４は垂直に、すなわちタンク１の側壁２と平行な方向に、高さ調節 装置９によって変位可能である。したがって、作業面３０に対する支持台４の位 置を調節することが可能である。 上部開口および側壁１００を有する成形物質７用の貯蔵容器１０がタンク１の 側面に備えられている。タンク１の側壁２と隣接した貯蔵容器１０の側壁１００ の上縁１１は、タンク１の上縁３と同一平面である。貯蔵容器１０は、タンク１ と隣接する上縁１１よりわずかに上のレベルまで粉末状成形物質７で常に充填さ れている。このために、図１には示されていないが、支持台４と同様のピストン あるいは変位可能な底部材が、貯蔵容器１０内に垂直方向にスライド可能にぴっ たりと嵌め込まれている。 粉末状の成形物質７として、金属あるいはセラミック粉末が用いられることが 好ましい。更に、樹脂被覆金属、セラミック粉末、あるいは樹脂被覆石英砂から なる鋳物砂も用いることができる。 塗工装置１２がその下端を作業面３０に位置させて、タンク１の上方即ち作業 面３０の上方に備えられ、支持台の上面５もしくは製造中の物体６の先に形成さ れた層へ成形物質７を供給する。駆動装置１３により、塗工装置１２はタンク１ を横切りタンク１の上縁３に平行な方向に、貯蔵容器１０上の第１の位置から貯 蔵容器１０と反対側の第２の位置へ、そしてまた逆方向へ、移動することができ る。 作業面３０に隣接した物体６の各最上層を固化するための固化装置１４が、タ ンク１即ち作業面３０の上方に備えられる。固化装置１４は、収束光ビーム１５ を発生するレーザーとしてのエネルギー放射源を有する。偏向鏡１６がタンク１ の上方のほぼ中央に配置される。偏向鏡はジンバル上に吊され、鏡１６上に向け られた光ビーム１５を反射光ビーム１８として作業面１３のどのポイントにも向 けるように、図式化して示された回転装置１７によって回転される。 更に、図１には単に図式的に示された加熱装置８が、タンク１あるいは作業面 ３０上に配置されている。加熱装置は少なくとも１個の垂直な管状のエネルギー 放射ヒーター８１を有し、作業面３０からあらかじめ定められた距離ｚだけ離さ れている。加熱装置８は、塗工装置１２により供給された粉末層をレーザービー ム焼結に必要な予備温度まで加熱する役目を果たす。 加熱装置８の位置は較正によって決定される。作業面３０上のエネルギー放射 ヒーター８１の高度ｚおよび作業面３０に対するエネルギー放射ヒーター８１の 角度は手動で調節される。エネルギー放射ヒーター８１は、エネルギー放射ヒー ター８１の加熱力を制御するための制御装置８４に接続されている。 高さ調節装置９、駆動装置１３、および回転装置１７は、中央統御によってこ れらの装置を統制する共通の制御ユニット５０に接続されている。制御ユニット ５０はコンピューターに接続されている。 供給された粉末層は、図２に示されるように、タンクやそのタンクにより画定 される作業場の形状に適合した方法で、好ましくは作業面３０と平行な長方形あ るいは正方形の形状に配置された少なくとも２個、むしろ４個の垂直なエネルギ ー放射ヒーター８１によって加熱される。エネルギー放射ヒーター８１の個々の 長さは、カバーすべき作業場の幅と実質的に一致している。粉末層とエネルギー 放射ヒーターとの間の距離ｚは約２２０ミリメートルであるが、この距離は境界 条件にもとづいて、高さ調節装置８３により変えることができ、その結果、供給 された粉末層の上面で予め定められた温度が調節された熱流の作用として得られ る。 各エネルギー放射ヒーター８１は図３に示されるように形成されている。エネ ルギー放射器は２個の溝８６ａおよび８６ｂを備えた石英ガラス体８５を有する 。一方の溝には連続したタングステン加熱コイル８７がある。エネルギー放射ヒ ーター８１全体に渡って延在する加熱コイルを用いる場合、エネルギー放射器の 中央で放射力は最大となる。したがって、本発明のエネルギー放射ヒーター８１ は、他方の溝に加熱コイルをコイル８８ａおよび８８ｂと分離して配置するよう に設計されている。分離コイル８８ａおよび８８ｂを用いることにより、連続コ イル８７の端部での放射力の低下を補うことができる。結果として、エネルギー 放射器８１の長さに沿って一定の放射力が得られる。さらに、分離コイル８８ａ および８８ｂにより、加熱温度領域を作業場の幾何学的図形により良く適合させ ることができる。 エネルギー放射ヒーターには赤外線放射器が用いられることが好ましい。 エネルギー放射ヒーター８１は、作業領域の互いに対称な線がエネルギー放射 ヒーターの配置の互いに対称な線と一致するように作業領域の上方に配置されて いる。すなわち、正方形のエネルギー放射ヒーターの配置は正方形の作業領域に 用いられ、長方形のエネルギー放射ヒーターの配置は長方形の作業領域に用いら れる。 加熱装置８はさらに、粉末層あるいは作業台３０上の予め定められた位置に配 置される高温計等の非接触温度センサーとしてのセンサー９０を備えている。 制御装置８４は、加熱力を制御するためのＰＩＤ制御装置あるいはＰＩ制御装 置等の工業用制御器を有している。 ここに説明した装置の変更は可能である。用いるエネルギー放射ヒーターは４ 個より多くても少なくてもよい。エネルギー放射ヒーターの数や配置は、作業領 域１の幾何学的図形に応じて、あるいは、製造されるべき物体の寸法によって選 択してもよい。また、エネルギー放射ヒーターのすぐれた構成によって、エネル ギー放射器全長に渡り一定の放射強度が得られるという条件の下でのみ、各単一 のエネルギー放射ヒーターを、加熱コイルあるいは分離加熱コイルを有する複数 の溝を備えるようにすることも可能である。 ３次元物体を製造する際、まず、物体６の形状を限定するデータが制御ユニッ ト５０に接続されたコンピューターに設計プログラムとともに生成される。これ らのデータは、物体製造のために物体６を物体の寸法と比較して薄い約０．１〜 １mmの厚さを有する複数の水平な層に分割するように処理され、この層の形状デ ータが得られる。 その後、下記の工程が各層に対して行われる。 第１の層のために支持台の上面５、あるいは、もし先に固化された層がある場 合は先に固化された層の上面が、タンク１の縁３より所望の層厚ｈ分だけ下にな るように、高さ調節装置９がタンク１内の支持台４の位置を決定するために用い られる。次に、成形物質７の層が、貯蔵容器１０から塗工装置１２によって、支 持台４の上面上あるいは先に形成された層上に供給される。この新しく供給され た粉末は貯蔵容器１０からの冷たい粉末である。この新しい粉末層は、その下に ある層の過冷却を避けるために直ちに加熱されなければならない。エネルギー放 射ヒーター８１から出射された放射熱は新しい粉末層の表面のみを加熱するので 、粉末層全体がこの層内の熱移動により所望の温度に達するまでにある程度の時 間を要する。エネルギー放射ヒーター８１の加熱力はこの目的のために制御され る。図４に示されるように、制御パラメーターを決定するために制御される粉末 床のシステムが調査されている。システムの動的特性が記録されている（図４） 。制御されるシステムは、いわゆるＰＴ₁−要素であり、それにより、予め定め られた温度差Ｐが遅延時間Ｔ₁で得られる。ヒーターはＰＩＤ制御器によって制 御される。制御パラメーターはシステムの動的特性を基に公知の方法で決定され る。 粉末層を加熱する際、短いサイクル時間によって制御に最大の重点が生じる。 これは、もし作業領域周囲のフレームおよび小さな加工品を作業領域に形成した 場合である。さらなる影響力のある要因は、センサーの感知領域における粉末層 の照度である。この照度によって温度は基準温度をはるかに越えてしまう。これ はすべて、加熱力を制御することにより吸収される。 新たに供給された粉末層が焼結に必要な温度に達すると、回転装置１７が、そ の層の形状データの相関的要素として制御され偏向光ビーム１８が物体６の横断 面に相当するポイントでその層に当たり、そこで成形物質７を固化し、あるいは 焼結する。 その後、支持台４は次の層の層厚分だけ降下される。上記の工程は物体が完成 するまで繰り返される。その後すぐに、支持台４がタンクの外に移動され、物体 が取り出される。 ここに説明した装置の特有の利点は、エネルギー放射ヒーターの特別な設計お よび作業領域に対応したそのヒーターの配置の故に、たとえ作業領域が円形でな くとも、粉末層が均一に加熱され得ることである。さらに、上記の制御により、 新たに供給された粉末層がレーザービームによって固化される際に必要な温度に 常に保たれることが確実となる。作業台３０からエネルギー放射ヒーターまでの 距離と作業台に対するエネルギー放射ヒーターの角度を変化することができるの で、作業領域の表面上の温度を調節された加熱力の関数として選択することがで きる。最後に、エネルギー放射ヒーターを、正方形あるいは長方形の作業領域を 有するレーザー焼結装置に適当に取り付けることが可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． エネルギー放射（１８）を用いて物体の各横断面に相当する場所で固化可 能な物質（７）の層を順次連続して固化することにより３次元物体を製造する装 置であって、 製造される上記物体（６）を支持する支持台（４）と、 上記固化可能な物質（７）の層を上記支持台（４）あるいは先に固化され た層上に供給するための塗工装置（１２）と、 上記物体の各横断面に相当する場所で上記物質（７）の層を固化するため の固化装置（１４）と、 動作位置において上記支持台（４）上に配置され上記固化可能な物質（７ ）を加熱するための加熱装置（８）とを有する装置において、 上記加熱装置（８）は少なくとも１個の直線状のエネルギー放射ヒーター （８１）を有し、これにより上記エネルギー放射ヒーター（８１）の放射エネル ギーの密度は上記エネルギー放射ヒーターの中央部よりその両端部において大き いことを特徴とする３次元物体の製造装置。 ２． 上記エネルギー放射ヒーター（８１）はその両端部にのみ備えられた２個 の加熱抵抗器（８８ａ，８８ｂ）を有することを特徴とする請求項１に記載の装 置。 ３． 上記エネルギー放射ヒーター（８１）はその全長に沿って延在する加熱抵 抗器（８７）を有することを特徴とする請求項２に記載の装置。 ４． 上記エネルギー放射ヒーター（８１）は各々が対応する加熱コイル（８７ ，８８ａ，８８ｂ）を備えた２個の溝（８６ａ，８６ｂ）を有し、上記加熱コイ ルの一方（８８ａ，８８ｂ）は分離コイルであり他方は連続コイル（８７）であ ることを特徴とする請求項３に記載の装置。 ５． 上記支持台（４）の高度は調節可能であり上記支持台（４）あるいは先に 固化された層に供給された上記物質（７）の層は作業領域を画定することを特徴 とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。 ６． 複数の上記エネルギー放射ヒーター（８１）が装備され、それにより上記 エネルギー放射ヒーターは密閉された多角形を形成するように配置されることを 特徴とする請求項１乃至５に記載の装置。 ７． 該作業領域は正方形であり、長さの等しい４個の上記エネルギー放射ヒー ター（８１）が該作業領域と予め定められた距離だけ離れて平行にかつ正方形の 形状に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。 ８． 該作業領域は長方形であり、４個の上記エネルギー放射ヒーター（８１） が長方形の形状に配置され、各上記エネルギー放射ヒーターと該作業領域は限定 された距離だけ離れていることを特徴とする請求項６に記載の装置。 ９． 上記加熱装置（８）と該作業領域の表面との距離は調節可能であることを 特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。 １０． 上記エネルギー放射ヒーター（８１）は赤外線放射器として構成される ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。 １１． 上記加熱装置（８）用の制御装置（８４）および上記供給された物質の 層の温度を検査するためのセンサー（９０）によって特徴づけられる請求項１乃 至１０のいずれかに記載の装置。 １２． 上記センサー（９０）は非接触温度センサーとして構成されていること を特徴とする請求項１１に記載の装置。 １３． 上記制御装置（８４）はＰＩＤ制御器を有することを特徴とする請求項 １１あるいは１２に記載の装置。 １４． 上記制御器（８４）はＰＩ制御器を有することを特徴とする請求項１１ あるいは１２に記載の装置。 １５． 上記作業領域に対する上記エネルギー放射ヒーター（８１）の角度は調 節可能であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の装置。