JP4856762B2 - 粉末状造形材料用の塗工装置を用いて３次元物体を製造する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の粉末状の層を塗工する塗工装置と、３次元物体を製造する装置及び方法とに関する。

選択的レーザ焼結又は３Ｄ印刷等の３次元物体を製造する方法が知られている。これらの方法では、粉末状材料の固化によって３次元物体が層状に製造される。選択的レーザ焼結では、粉末層に入射するレーザビームによって固化が行われるが、この方法は他のイオン化ビームによっても行うことができる。３Ｄ印刷では、粉末層のうち固化させるべき位置にバインダ又は接着剤が塗布される。

上述の方法では、固化プロセスの前にすでに粉末が凝集するという欠点が生じ得る。このような凝集は、粉末粒子間の静電引力に起因して貯蔵容器内ですでに生じる可能性がある。さらに、供給容器から造形空間へ粉末を搬送するときの周囲状況によって、例えば造形空間の高められた温度に起因して、凝集プロセスが促進される場合がある。

特許文献１では、供給容器内の粉末に下方から空気を吹き込むことによって供給容器内で粉末を流動化させる装置及び方法が記載されている。この趣旨で、供給容器は二重底を有し、この二重底の上側部分に孔が設けられ、これらの孔を通して粉末の貯蔵空間にガスが入る。

特許文献１による方法は、供給容器内の粉末の凝集を防止することができるかもしれないが、供給容器を離れた後で造形空間での粉末の塗工前に凝集の可能性が残っている。

特許文献２から、粉末材料の溶融によって３次元物体が層状に製造される、３次元物体を製造する装置及び方法が知られている。互いに重なり合った粉末層は、造形空間で粉末を攪拌することによる流動粉末床によって生成され、すでに溶融によって固化している層の上に新たな粉末層がそれぞれ載るようにして物体が形成される。このプロセスでは、ディフューザプレートを通して下方から造形空間に空気が吹き込まれることで、粉末が攪拌されると同時に部分のうちすでに固化している領域が冷却される。

特許文献２に従って粉末床を流動化させる場合、粉末を攪拌することによって層の塗工プロセス直前の凝集を防止することが可能である。しかしながら、上記の方法には欠点がある。即ち、一方では、粉末の攪拌に用いられる空気が製造すべき部分の直下に逃げるため、製造すべき部分がこの部分の上方に存在する粉末を妨げ得ることで不完全な攪拌しか行われない。他方では、固化されたばかりの領域が供給空気によって冷却されることで、応力及びその部分の反りが生じ得る。

独国特許出願公開第１０１０５５０４号明細書 欧州特許出願公開第０２８９１１６号明細書

本発明の目的は、３次元物体を製造する方法においてより均一な粉末塗工を可能にする装置及び方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の塗工装置、請求項７に記載の方法、及び請求項９に記載の方法によって達成される。本発明のさらなる発展形態は、従属請求項に明記されている。

本発明のさらなる特徴及び利点は、図に基づく実施形態の説明から明らかになる。

３次元物体を製造する装置の実施形態の概略図である。 本発明の第１の実施形態の塗工装置の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態による塗工装置の概略断面図である。 第２の実施形態による塗工装置の斜上面図である。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態による３次元物体を製造する装置としてのレーザ焼結装置を示す。図１の装置では、本発明による塗工装置及び本発明による方法が用いられる。造形プロセスは、上部が開いている容器１内で行われる。形成すべき３次元物体３を担持する支持体２が、容器内に設けられる。支持体２は、駆動装置４によって容器１内で鉛直方向Ａに上下移動させることができる。容器１の上縁は、造形領域５を画定する。レーザの形態の照射装置６が、造形領域５の上方に配置される。照射装置６は、偏向装置７によって造形領域５に操向される有向レーザビーム１８を放射する。さらに、固化させるべき粉末状材料の層を支持体２の表面上又は最も新しく固化した層の上に塗工する塗工装置４０が設けられる。塗工装置（又はリコータ）４０は、矢印Ｂで概略的に示す駆動装置によって造形領域５の上を往復移動することができる。塗工装置は、造形領域の左右にある２つの計量装置９によって２つの粉末供給容器１０から供給を受ける。さらに、２つのオーバーフロータンク１１が、造形領域の左右に設けられ、これらのオーバーフロータンクは、塗工プロセスで集められる溢れた粉末を収容することができる。

有利には、この装置は、粉末床１９を加熱するために、特に塗工済みだが未燒結（未固化）である粉末層を焼結に適した作業温度Ｔ_Ａまで予熱するために、造形領域５の上方に配置される加熱装置１２をさらに有する。加熱装置１２は、例えば、１つ又は複数の放射加熱器（赤外線放射器）として実施される。加熱装置１２は、塗工された粉末層を均一に加熱できるように造形領域５の上方に配置される。

また、高温計又は赤外線カメラ等の温度測定装置１３が、造形領域５の上方に離れて設けられることが有利である。このような温度測定装置１３によって、最も新しく塗工された粉末層の温度を測定することができる。

用いられる粉末のタイプに応じて、プロセスチャンバ１６によって造形領域を周囲から隔離することが有利である。それにより、空気を排除した状態で造形プロセスを実施することができ、粉末の酸化を防止することができる。

開ループ及び／又は閉ループ制御装置１７が、塗工装置の移動Ｂの開ループ制御及び／又は閉ループ制御を行う役割を果たす。制御装置は、支持体２の移動Ａ、加熱装置１２のパワー、照射装置６のパワー、及び偏向装置７の偏向も制御する。この趣旨で、開ループ／閉ループ制御装置１７は、塗工装置４０の駆動装置、駆動装置４、加熱装置１２、温度測定装置１３、偏向装置７、及び照射装置６に接続される。

以下において、レーザ焼結装置の動作を説明する。

最初に、塗工装置４０が計量装置９の下に位置付けられて、１層分の粉末状材料の量が供給容器１０から充填される。

続いて、塗工装置４０を造形領域５の表面と平行に移動させることによって、粉末層２５が支持体２又は以前に固化した層２６の上に塗工される。このプロセスでは、塗工装置から粉末状材料４７が連続して流れる。

粉末状材料４７の層２５の塗工後に、既知の方法でその層にレーザビーム１８を当てることによって、層２５のうち物体の断面に相当する位置で固化が行われる。

固化させるべき最上粉末層の温度が特定のプロセスウィンドウ内の温度であることが、完成した物体の品質にとって特に重要である。プロセスウィンドウよりも高い温度では、放射エネルギーを追加しなくても粉末がすでに焼結され、プロセスウィンドウよりも低い温度では、固化する層に応力が生じ得る。固化した層の縁が上方に曲ったり巻き上ったりする、いわゆるカール効果は、最上粉末層の温度が低すぎることに起因する場合が多い。したがって、良好な結果を得るために、塗工装置で塗工された粉末層２５は、固化前に加熱装置１２によってプロセスウィンドウ内の作業温度Ｔ_Ａまで加熱しなければならず、続いて固化中はプロセスウィンドウ内に保たなければならない。

この趣旨で、粉末層の塗工後に、この層の温度が温度測定装置１３によって測定される。このプロセスで測定された温度に応じて、加熱装置１２の加熱パワーが設定される。最上粉末層が作業温度Ｔ_Ａまで加熱されると、造形材料の層のうち物体の断面に相当する位置がレーザ６での照射によって固化される。

層の固化後に、層厚ｄに相当する距離だけ支持体２を下降させ、３次元物体３の製造が完了するまで前述のステップが繰り返される。

図２は、本発明による３次元物体を製造する装置で用いられ、粉末状材料の層を塗工する役割を果たす塗工装置４０の第１の実施形態を示す。

塗工装置は、第１の長手方向壁４１ａ及び第２の長手方向壁４１ｂを有し、これらは図示されていない側壁を介して互いに固定接続される。この場合、移動の方向（図１に矢印Ｂで示す）を実質的に横断する塗工装置の面が長手方向面とみなされる。有利には、第１の長手方向壁４１ａ及び第２の長手方向壁４１ｂは、互いに平行である。しかしながら、これは必須ではない。ドクターブレード４１ｃが、第１の長手方向壁４１ａの下端に取り付けられ、ドクターブレード４１ｄが、第２の長手方向壁４１ｂの下端に取り付けられる。

ブレード４１ｃ及び４１ｄは、塗工すべき粉末層のレベリングを行う役割を果たす。好ましくは、これらは、壁のように、硬質材料、特に金属、耐熱性プラスチック、又はセラミックからできている。第１の長手方向壁４１ａ、第２の長手方向壁４１ｂ、及び図示されていない両側壁は、上部及び下部が開いている供給チャンバ４８を共同で形成する。供給チャンバ４８は、１層分の粉末状材料を収容する役割を果たす。流動化装置が、第１の長手方向壁４１ａ及び第２の長手方向壁４１ｂそれぞれに組み込まれる。流動化装置は、プレチャンバ４２及び流動化壁４３から成る。窒素ガス等の流体媒体をプレチャンバ４２に入れるために、弁４５を有するフィードライン４４が設けられる。流動化壁４３は、粉末状材料の粒子の直径よりも小さい直径の小さな開口を数多く有するため、窒素ガスはプレチャンバ４２から流動化壁４３を通して逃げることができるが、粉末状材料４７はプレチャンバ４２に入ることができない。

流動化壁４３は、開口を有する金属シートであり得る。圧延金網又は焼結プラスチック材料から流動化壁４３を形成することも考えられる。さらに、流動化壁４３は、金属又はセラミック粒子がポリマー等のバインダによって結合されているガス透過性複合材料から成ることもできる。

動作の際には、弁４５を開いてフィードライン４４を介してプレチャンバ４２に窒素ガスを入れることによって、プレチャンバ４２内で超過圧力を発生させる。この超過圧力が、流動化壁４３の開口から窒素を逃がす。粉末の流動化によって、粉末の流動性が改善され得ることにより、塗工された層の品質が改善され得る。

流体媒体の圧力及び／又は流量の開ループ制御及び／又は閉ループ制御用の装置５０があることが特に有利である。

その理由の１つは、塗工装置が造形領域５の上方に位置付けられていないときに粉末の流動化が不要だからである。このとき、塗工装置の位置に応じて、開ループ／閉ループ制御装置によって流体媒体又はガスの流入を調整することができる。

さらに、塗工装置内の粉末のできる限り完全な均一化及び混合には、高圧及び高流量が有利である。しかしながら、特に塗工装置内の粉末の量が減ったときに、塗工装置からの粉末の放出の制御を保証するために圧力及び流量を減らすことが有利であり得る。

塗工装置へのガス流を調整するために、開ループ／閉ループ制御装置は、弁４５に直接アクセスしてもよく、又は弁４５へのガス流を制限してもよい。

塗工装置の充填レベルは、塗工装置の充填レベルセンサを用いて監督することができ、この充填レベルセンサは、対応する充填レベル情報を閉ループ制御装置５０に通信する。

当然ながら、温度等の他のパラメータに応じて閉ループ制御を行うこともできる。

特に、粉末の均一化を改善するために、流動化に用いる流体媒体を流動化させるべき粉末の温度よりも高い温度にする必要はない。

しかしながら、塗工前の粉末の予熱には、新たに塗工された層の加熱時間をなくすか又は少なくとも実質的に短縮することができるため、３次元物体を製造するための造形時間を実質的に短縮することができるという利点がある。さらに、塗工前の粉末の予熱は、塗工すべき粉末層の均一な加熱を達成することを可能にする。加熱装置１２のみが塗工された粉末層の加熱に用いられていた場合、例えば放射加熱器によって導入される放射線が反射される可能性があるため、塗工された粉末層に温度勾配が現れる可能性があり、表面の過熱の危険があった。さらに、均一な加熱のためには、あらゆる状況で放射加熱器と粉末層との間の障害物を回避しなければならない。最後に、粉末の予熱によって、塗工された粉末層とすでにある粉末床との間の大きな温度差を回避することができることにより、望ましくない熱的効果を回避することができ、プロセスウィンドウを広げることができる。

今述べた利点により、本発明による塗工装置には、塗工装置内の粉体を予熱する装置が設けられ得る。この趣旨で、例えば抵抗加熱器等の加熱装置４６を塗工装置に組み込むことができる。さらに、塗工装置の粉末状材料と接触する部分を加熱することができる任意の他の加熱装置も考えられる。例えば、塗工装置は、放射加熱器によって、又は塗工装置の壁を通って流れる熱媒体によって、選択的に加熱され得る。

［第２の実施形態］
図３及び図４は、第２の実施形態による塗工装置の断面図及び斜上面図をそれぞれ示す。

第２の実施形態による塗工装置では、粉末流動化用の流体媒体は、塗工装置の壁内のプレチャンバ４２を介して導入されない。その代わりに、塗工装置の第１の長手方向壁１４１ａと第２の長手方向壁１４１ｂとの間の下側半分に、これらと平行なパイプ１３１、１３２がある。パイプ１３１、１３２の壁には、粉末粒子がパイプに入ることができないほど小さな寸法の開口１３３が設けられる。流体媒体は、フィードライン１４４を介してパイプ１３１、１３２それぞれの前端に供給される。フィードライン１４４のそれぞれに、第１の実施形態の場合のように弁１４５が設けられる。さらに、説明しない細部については第１の実施形態と同一である。特に、これは、流体媒体の圧力及び／又は流量用の開ループ／閉ループ制御装置を設けること等、塗工装置の可能な変更形態にも当てはまる。さらに、パイプ１３１、１３２の壁は、第１の実施形態の流動化壁４３と同じ材料でできていてもよい。

第２の実施形態による塗工装置では、流体媒体１３１、１３２の供給用の装置が、塗工装置の下側領域に配置される。重力で粉末が落下するため、この配置によって十分な混合が可能である。塗工装置からの放出前に粉末粒子がパイプ１３１、１３２を通過するため、流動化装置による供給粉末全体の十分な回収が可能である。第１の実施形態では、粉末の継続的な放出により、プレチャンバ４２の上側領域において、逃げる流体媒体がもはや粉末に当たらなくなるが、これとは対照的に、第２の実施形態では、パイプが塗工装置の下側領域に配置されるため、媒体が粉末粒子に当たることが常に保証される。

流体媒体用の逃がし開口１３３の有利な配置の可能性により、流体媒体が効率的に用いられるため、用いられる流体媒体の量を減らすことが可能である。

特に、開口１３３は、パイプ１３１、１３２の壁に均一に分配される必要がない。例えば、開口１３３は、パイプの上側半分、つまりパイプのうち粉末床層２５から離れる方へ向く側にのみ配置されてもよい。

さらに、パイプ形状の代わりに任意の他の形状を選択することも当然ながら可能である。唯一の境界条件は、これが、流体媒体を流すことができ壁に流体媒体用の逃がし開口を有する中空体でなければならないことである。例えば、塗工装置の移動方向Ｂを横切って等間隔に複数のこうした中空体を設けてもよい。

［さらなる変更形態］
放射線源としてレーザを用いるレーザ焼結装置に関して本発明を説明した。電磁放射線又は粒子放射線を粉末状造形材料に導入させることができる任意の他の放射線源も可能である。したがって、例えば、インコヒーレント光放射用、赤外線放射用、Ｘ線放射用、又は電子ビーム用の放射線源を用いることができる。したがって、対応する放射線で固化させることができる粉末状造形材料を用いなければならない。

説明した装置では、造形領域の上方にある赤外線放射器が、すでに塗工された層の予熱用の加熱装置１２として提案される。最も新しく塗工された造形材料層を加熱する他の可能性も考えられる。例えば、温かい空気又は窒素の循環を塗工された層の予熱に用いてもよく、その場合、上記温かい空気又は上記温かい窒素は、新たに塗工された層の上に向けられる。

いずれの場合も、塗工装置は、１つの供給チャンバを有するものとして説明されている。しかしながら、供給チャンバを複数のチャンバに分割することによって空間分解塗工装置を実施することも可能である。その際には、異なるチャンバに異なる粉末状材料が別個に充填され得る。

供給される流体媒体は、加圧空気又は窒素等のガスに限定されない。例えば、流動化を用いて、塗工装置内の粉末に加湿又は化学処理を施すことができる。

本明細書では、塗工装置内で粉末状造形材料の流動化を行う３次元物体を製造する装置を説明したが、供給容器又は計量装置内等、装置の他の位置で粉末を付加的に流動化させることも当然ながら可能である。

上記の説明では、塗工装置内で粉末を予熱する可能性を説明したが、供給容器又は計量装置内等の他の位置での予熱も当然ながら可能である。

Claims (11)

1. ３次元物体の各断面に相当する位置での粉末材料の層の固化によって該物体を製造する装置内にあり、側壁を介して互いに接続される第１の長手方向壁（４１ａ）及び第２の長手方向壁（４１ｂ）を有する、粉末層を塗工する塗工装置であって、
   該塗工装置に供給されるガスによって前記粉末材料を流動化させる装置（４２、４３、４４、４５、４６）と、
   前記ガスの圧力及び／又は流量の開ループ及び／又は閉ループ制御用の装置（５０）とを備えることを特徴とする塗工装置。
2. 前記粉末材料を流動化させる装置は、その壁にガス逃がし開口（１３３）を有する少なくとも１つの中空体を有し、前記ガスは該中空体を通って流れる、請求項１に記載の塗工装置。
3. 前記中空体はパイプ形状である、請求項２に記載の塗工装置。
4. 前記中空体は、前記第１の長手方向壁（４１ａ）又は前記第２の長手方向壁（４１ｂ）の下縁付近に配置される、請求項２又は３に記載の塗工装置。
5. 前記塗工装置の中空体として２つの平行なパイプ（１３１、１３２）が配置される、請求項３又は４に記載の塗工装置。
6. 前記塗工装置（４０）の温度を制御することができる閉ループ制御装置（１７）をさらに有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の塗工装置。
7. ３次元物体の各断面に相当する位置での粉末材料の層の固化によって該物体を製造する装置であって、
   造形領域（５）の上を移動することができる請求項１〜６のいずれか１項に記載の塗工装置（４０）を有する、ことを特徴とする装置。
8. 前記固化は、電磁放射線又は粒子放射線を用いて行われる、請求項７に記載の装置。
9. 粉末状材料（４７）の層（２５）を造形領域の表面に塗工装置（４０）によって塗工するステップ（ａ）と、
   ３次元物体（３）の断面に相当する位置で前記層（２５）を固化させるステップ（ｂ）と、
   前記３次元物体（３）が製造されるまで前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）を繰り返すステップ（ｃ）と、
   を含む、３次元物体を製造する方法であって、
   前記ステップ（ａ）において、前記粉末状材料は、供給ガスを用いて前記塗工装置（４０）内で流動化され、該ガスの圧力及び／又は流量が開ループ及び／又は閉ループ制御されることを特徴とする、３次元物体を製造する方法。
10. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の塗工装置が用いられる、請求項９に記載の方法。
11. 前記固化は、電磁放射線又は粒子放射線を用いて行われる、請求項９又は１０に記載の方法。

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