JP5314166B2 - 遮断された造形領域を備える三次元物体の生成的な製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元物体を生成的に製造する装置に関する。

特許文献１に開示された既知のレーザ焼結装置は、その上縁において造形領域を囲むフレームと、上記フレームに配置され、少なくとも造形領域の下方においてリフト機構により垂直移動可能な支持体と、造形領域に存在する粉末材料を選択的に焼結又溶融するために、偏向装置により造形領域における任意の位置に集中されるエネルギービームを発生する放射装置と、粉末材料の層を支持体上や前に塗工された粉末材料の層上に塗工する塗工装置（コータ）とを備える。レーザ焼結装置は、塗工装置により塗工された粉末層を、レーザビームによる焼結処理に必要な事前温度まで加熱（予熱）する加熱手段を有する。

欧州特許第０７６４０７９号明細書

上記発明においては加熱手段が使用されているが、造形領域内で温度が不均一になる場合があり、そのため、三次元物体の機械特性が不均一になることがある。

上記に鑑み、本発明は、製造される三次元物体の機械特性を改善可能な、三次元物体を生成的に製造する装置の提供を目的とする。

上記目的は、請求項１の特徴を有する三次元物体の生成的な製造装置により達成される。本発明の更なる有利な改良は従属項の主題である。

本発明は、造形領域から製造装置の筐体に熱がより少なく放出されるように、断熱材によってフレームが製造装置の筐体から熱的に遮断される利点を有する。好適には、特に造形領域の範囲における温度勾配はそれにより減少する。組織的に熱損失を低減させることで、造形領域の周辺部における温度降下が肯定的に影響する。その結果、様々な加工対象物の形状及び種々の粉末の調整が可能となる。例えば、造形領域内の事実上の有効面積及び製造される三次元物体の収縮特性が改良される。

本発明の更なる特徴及び目的は、添付図に基づく実施形態の詳細な説明による。

本発明の第１の実施形態による三次元物体の製造装置の概略図を示す。 第１の実施形態による上記装置の造形領域における断熱材の概略図を示す。 本発明の第２の実施形態による上記装置の造形領域における断熱材の概略図を示す。 本発明の第１の実施形態の変形例による三次元物体の製造装置の概略図を示す。

図１は、本発明の第１の実施形態による、レーザ焼結装置として例示的に具体化された三次元物体３の製造装置の概略図を示す。

レーザ焼結装置は上部に開口を有し、その内に支持体５を備えるフレーム１と、製造される三次元物体３を支持し、垂直移動可能な支持体５を備える。フレーム１は、上部２において造形領域６を囲む。好ましくは、フレーム１と支持体５は、レーザ焼結装置から取り外し可能且つ交換可能な交換フレームを形成する。支持体５は、固化される粉末層の上側が造形領域６の面に置かれるように、少なくとも造形領域６の面の下方において支持体５を垂直移動するリフト機構４と連結する。ここでは、造形領域の面として上部２の上縁が位置する面を考慮する。

更に、粉末材料１１の層を塗工する塗工装置１０が提供される。粉末材料１１として、全てのレーザ焼結可能な粉末が使用され得る。例えば、レーザ焼結可能なポリマーとして、ポリアリールエーテルケトン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニリデンフルオリド、ポリフェニレンオキシド、及びポリイミド、並びに上記ポリマーの少なくとも１つを含むコポリマー及び配合物などが挙げられるが、上記選択群は上述のポリマー及びコポリマーに制限されるものではない。粉末材料として特に好適なポリアリールエーテルケトンは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）及びポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）及びポリエーテルエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＥＫ）、並びに特にポリアリールエーテルスルホンなどの上記ポリマーの少なくとも１つを含むコポリマー及び配合物から成る群から選択され得る。特に好適なポリアミド−ポリマー又はコポリマー及びそれらの配合物は、ポリアミド６/６Ｔ、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド６１２、ポリアミド６１０、ポリアミド１０１０、ポリアミド１２１２、ポリアミドＰＡ６Ｔ/６６、ＰＡ４Ｔ/４６及び上記ポリマーの少なくとも１つを含むコポリマー、並びにポリエーテルブロックアミド（例えばＰＥＢＡＸ（登録商標）系材料）等のポリアミドエラストマーから成る群から選択され得る。好適なポリエステルポリマー又はコポリマーは、ポリアルキレンテレフタレート（例えば、ＰＥＴ、ＰＢＴ）及びそれらのコポリマーから選択され得る。好適なポリオレフィンポリマー又はコポリマーは、ポリエチレン及びポリプロピレンから成る群から選択され得る。好適なポリスチレンポリマー又はコポリマーは、シンジオタクチックポリスチレン及びイソタクチックポリスチレンから成る群から選択され得る。

更に、フィラー及び/又は添加剤の他に、対応するポリマー、コポリマー、又は配合物を含むポリマーの混合粉末が使用可能である。そのようなフィラーとして、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、カーボンナノチューブを含む繊維、又は低いアスペクト比を有するフィラー（ガラスビーズ、アルミニウム顆粒等）又は二酸化チタン等の鉱物フィラー等のフィラーが使用され得る。さらに、加工性を改善するプロセス添加物、例えば、Ａｅｒｏｓｉｌシリーズの１つ（例えばＡｅｒｏｓｉｌ ２００）等の易流動性剤や、熱安定剤、酸化安定剤、顔料（グラファイト、カーボンブラック）のような他の機能性添加剤、又は有機リン酸エステル、ポリ臭素化炭化水素などの耐火性添加剤を使用してもよい。粉末材料１１として、金属、セラミック、鋳物砂、及び複合材料が用いられ得る。金属含有粉末材料として、任意の金属、それらの合金、及び金属成分又は非金属成分の混合物が検討され得る。

塗工装置１０は、粉末材料１１の層が所定の高さ単位で支持体５の上方及び/又は最後に固化された層の上方に沿うように、造形領域６の上方の所定の高さに移動される。さらに上記装置は、偏向手段９により造形領域６における任意の位置に集中されるレーザビーム８、８’を発生するレーザ７形状の放射装置を備える。従って、レーザビーム８、８’は、製造される物体３の横断面に対応する場所に粉末材料１１を選択的に固化する。

レーザ焼結装置は、新たに塗工された粉末層を粉末材料１１の固化に必要な加工温度近くに予熱するために、造形領域６の上方に加熱装置（不図示）を備える場合がある。

参照符号１００は、フレーム１、支持体５、及び塗工装置１０が配置される筐体を指す。以下では、筐体１００の内部を「造形空間（building space）」と称する。好ましくは、筐体１００は、レーザビーム８、８’用の入射口を上部領域に有し、気密に形成される。また、好ましくは、筐体１００内に不活性ガスを導入できる。さらに、本製造装置において制御装置４０が提供され、制御装置４０によって、造形処理を行うため及びレーザ７を用いるエネルギーの適用を制御するために本製造装置が協調的に制御される。

本製造装置において、例えば上部２においてフレーム１と接触する及び/又は本製造装置の筐体１００と接触する平板（plate）１２が提供される。

本製造装置は、フレーム１と平板１２の間に配置された断熱材１３を有する。断熱材１３は、造形領域６の面に配置されることが好ましいが、造形領域６の面の上方又は下方に配置されてもよい。図２は、断熱材１３が平板１２で一体的に形成され、フレーム１を囲むように周辺に配置された図を示す。フレーム１は、断熱材１３により本製造装置の筐体１００から熱的に遮断される。その結果、造形領域６から造形領域を囲む造形領域環境や筐体１００に、より少ない熱が放出されることとなる。そのため、好適には、特に造形領域６の周辺部において、温度勾配が減少する。用語「造形領域環境」は、筐体１００内で造形領域６の面に沿い、造形領域６に横方向に隣接し、且つ造形領域６と筐体１００の間に延長する領域を指す。

断熱材１３は、平板１２に離脱可能に装着できる。そのため、断熱材１３を交換可能な挿入体として形成可能である。

図３は、第２の実施形態による断熱材１３を示す。断熱材１３は、フレーム１の異なる円周位置で異なる熱伝導率を有する。断熱材１３はフレーム１から水平方向に外側に広がり、水平延長部の寸法がフレーム１の異なる円周位置で変化する。好ましくは、フレーム１の角部における水平延長部の寸法は、フレーム１の他の円周位置の寸法より大きい。従って、熱損失は造形領域６の周囲に沿って変化し、特にフレーム１の角部で熱損失が減少する。組織的に熱損失を減少させることで、温度降下が造形領域６の周辺部において肯定的に影響する。その結果、様々な加工対象物の形状及び種々の粉末の調整が可能となる。例えば、造形領域６の事実上の有効面積と製造される三次元物体の収縮特性を改良できる。

例えば、異なる比熱伝導率を達成するため、断熱材１３はフレーム１の異なる円周位置で異なる比熱伝導率を有する種々の材料を含む場合がある。任務に基づき、異なる寸法の水平延長部及び/又は種々の材料を有する様々な断熱材１３が、平板１２でフレーム１の異なる円周位置に装着され得る。

断熱材１３は機械的負荷容量を有する断熱材料、機械的負荷容量を有しない断熱材料、又はそれらの組み合わせから成ることが考えられる。

機械的負荷容量を有する断熱材料の利点は、特別なフレームや取付具無しでフレーム１に直接固定できる点にある。さらに、機械的負荷容量を有する断熱材料は容易に切断でき、簡単に交換可能である。しかしながら、機械的負荷容量を有しない断熱材料と比較すると、断熱効果は一般的に小さい。機械的負荷容量を有する断熱材料としては、DOTHERM社の材料DOTHERM又はDOGLASが例として挙げられが、本発明は上記材料に限定されない。

機械的負荷容量を有する断熱材料と比較した機械的負荷容量を有しない断熱材料の利点は、改良された断熱効果だけでなく、割安な材料費と優れた安定供給性にある。しかしながら、機械的負荷容量を有する断熱材料と比較すると、機械的負荷容量を有しない断熱材料は、適切なフレーム、取付具、又は筐体に通常設けられる必要がある。機械的負荷容量を有しない断熱材料としては、ガラス繊維ウェブ、ガラス繊維マット、又はPromat社の材料PROMALIGHTが例として挙げられるが、本発明はこれらの材料に限定されない。

断熱材１３は、耐熱合成樹脂からなる。好適な合成樹脂の例としては、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、芳香族ポリアミド、ポリアクリロニトリルが挙げられる。フェノールホルムアルデヒド樹脂と混ぜ合わせることで、改良された温度安定性が達成され得る。

さらに、断熱材料として、造形に用いられる粉末材料１１自体を使用することが考えられる。この場合、フレーム１と平板１２の間の隙間（不図示）で断熱が実現され得る。ここで隙間は、下方において閉鎖及び/又は粉末密封される。このような隙間の密封は、弾性封止材を用いて達成され得る。塗工装置１０が粉末材料１１の層を支持体５上又は前に塗工された粉末材料１１の層上に塗工する場合には、隙間は粉末材料１１で満たされる。隙間内の粉末材料１１は通常優れた断熱効果を有する。

本製造装置の操作では、最初に、第１粉末層の所望の厚さ単位で、支持体５の上側が造形領域６の面の下方に沿うまで、リフト機構４により支持体５が降下される。次に、塗工装置１０によって粉末材料１１の第１の層が支持体５上に塗工され、平坦化される。

加熱装置が設けられる場合には、加熱装置を用いて、最上部の粉末層１１の全体的な温度を固化に必要な加工温度より数℃低い温度に予熱できる。その後、制御装置４０は、固化される粉末材料１１の層の位置に対して偏向レーザビーム８、８’が選択的に作用するように偏向手段９を制御する。従って、粉末材料１１はそれらの位置で固化及び/又は焼結され、これにより三次元物体３が生成される。

次に、支持体５は、次層の所望の厚さ単位でリフト機構４により下降される。第２の粉末材料層は塗工装置１０により塗工且つ平坦化され、さらにレーザビーム８、８’により選択的に固化される。これらの工程は所望の物体３が製造されるまで繰り返される。

上記断熱材１３により、特に造形領域６の周辺部における温度勾配は減少され得る。

本発明による上記製造装置はレーザ焼結処理に特に適用できる。ここで、造形領域６における最上部の粉末層の温度は、別途の加熱装置により固化に必要な加工温度より数℃低い温度に予熱される。粉末材料を固化するために、レーザビーム８’による追加的な放射は更なるエネルギーの適用を提供する。これは、粉末合成樹脂材料の使用において特に適用される。

本発明の技術的範囲は図示された実施形態に限られるものではなく、更なる変更、修正が採用可能であり、請求項により規定された技術的思想の範囲内に含まれる。

例えば、本発明による装置はレーザ焼結に適用可能なだけでなく、材料及び/又は粉末材料がエネルギー放射により固化される各塗工された層に使用されるような、全ての粉末系生成方法に適用できる。エネルギー放射は必ずしもレーザビーム８’に限られず、例えば電子ビームであってもよい。

図１による第１の実施形態において、断熱材１３はフレーム１の上部２の上縁により規定された造形領域６の面に実質的に配置される。しかしながら、図１による第１の実施形態におけるケースのようにフレーム１の外周に断熱材１３が配置されることは必須ではない。図４は変形例を示す。図４では、断熱材１３はフレーム１の上部２の上方に配置され、好ましくはそれらと接触する。フレーム１が交換フレームとして具体化される場合には、交換フレーム１の上部２は下方から断熱材１３に隣接され得る。好適には、交換フレーム１と断熱材１３の間の良好な封止がその結果達成される。この実施形態においては、「造形領域の面（plane of the building field）」はもはや上部２の上縁により規定されず、この面に沿う平板１２の上側により規定される。

また、全ての実施形態において、断熱材１３はフレーム１を全面的に囲む必要はなく、フレーム１の外周のいくらかの位置にのみ配置されていてもよい。

さらに、例えば、断熱材１３がフレーム１にごく接近して配置され、そこに直接隣接する場合、有利である。

Claims (4)

1. 製造装置にモジュール式に挿入可能且つ製造装置から取り外し可能であって、上部（２）により造形領域（６）を囲む交換フレーム（１）と、
   筐体（１００）及び前記交換フレーム（１）と接触する平板（１２）と、
   前記交換フレーム（１）に配置され、リフト機構（４）により垂直移動可能な支持体（５）と、
   前記造形領域（６）に存在する粉末材料（１１）を選択的に焼結又溶融するように、偏向手段（９）により前記造形領域（６）における任意の位置に集中されるエネルギービーム（８、８’）を生成する放射装置（７）と、
   前記粉末材料（１１）の層を前記支持体（５）上又は前に塗工された粉末材料（１１）の層上に塗工する塗工装置（１０）と、
   前記交換フレーム（１）と前記平板（１２）の間の隙間によって実現される断熱材（１３）とを備え、
   前記隙間は弾性封止材を用いて底部で粉末密封され、且つ、前記隙間は前記塗工装置（１０）により粉末材料（１１）で満たされることを特徴とする三次元物体（３）の生成的な製造装置。
2. 前記断熱材（１３）は、前記交換フレーム（１）から水平方向外側に延長し、水平延長部の寸法が前記交換フレーム（１）の異なる周辺位置で変化することを特徴とする請求項１に記載の製造装置。
3. 前記交換フレーム（１）の角部における前記水平延長部の寸法は、前記交換フレーム（１）の他の周辺位置の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造装置。
4. 造形材料として合成樹脂粉末を用いる請求項１乃至３の何れか一項に記載の三次元物体の生成的な製造装置の使用方法。

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