JP3010312B2 - 三次元物体の作製方法および装置 - Google Patents

三次元物体の作製方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、それぞれ請求項１および請求項10の従来技
術が記載されている前文すなわち前書き部分（前提部
分）に基づく三次元物体を作製する方法および装置に関
する。
背景技術 この種の方法および装置は、例えば米国特許第4,863,
538号に開示されている。昇降可能な架台上に予め定め
られた量の粉末材料を投入し、架台を横切って動く回転
ドラムによって粉末材料を架台上で分散させる。その
後、このように形成された材料層のこれらの部分で、分
散された材料に光を照射してこの材料とともに焼結させ
る。しかしながら、この方法を用いての材料の塗布は材
料塗布速度とこの材料を特定の厚さにする精度に関し最
適ではない。
請求項１の前文による三次元物体を作製する方法は、
欧州特許第0450762 A1号において公知である。塗布後
の材料をドクターブレードでならすことによって、層厚
を均一にすることができる。
凝固可能な粉末状材料を使って三次元物体を作製する
方法に関しては、欧州特許第0431924 A2号においてワ
イパを振動させることによって粉末状粒子を所望の圧密
度にすることが知られている。このワイパは粉末層の表
面に直角な方向に振動する。
本発明の目的は、材料を塗布する過程と塗布された材
料の層の厚さを調整する過程が加速され、改善されるよ
うに、周知の方法もしくは周知の装置をそれぞれ改良す
ることにある。
発明の開示 本発明によれば、上述した目的はそれぞれ請求項１の
特徴を有する方法および請求項10の特徴を有する装置に
よって達成される。
本発明をさらに展開した内容が従属クレームにて定義
される。
図面の簡単な説明 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明による装置の概略構成側面図であり； 図２は本発明による塗布装置の部分断面拡大図であ
る。
発明を実施するための最良の形態 本装置は、切欠き２状の穴が設けられた実質的に水平
な作業台１を有する。この切欠き２の横断面は作製対象
となる物体３の最大横断面よりも大きい。例えば集束光
線５を放出するレーザなどの照射装置４が作業台の上方
に配置される。この光線は、偏向装置６によって偏向光
線７として作業台平面に偏向される。偏向光線７が切欠
き２によって規定される動作の領域における所望の点に
照射されるよう偏向制御装置８が偏向装置を制御する。
後に詳述するが、実質的に平らな架台９は切欠き２に
対応する形状を有し、物体作製時には、架台９の表面が
切欠き２の中にあって実質的に作業台１の表面位置であ
る最上位置から、完成した物体３を作業台１の下で取り
出せる距離だけ、概略的に示されたレベル調整装置10に
よって矢印11の方向に位置を低くすることが可能であ
る。
作業台１および架台９の上で凝固される材料を塗布す
る為の塗布装置12は作業台の上方に配置される。図２に
おいてさらに詳細に示されるように、塗布装置は切欠き
２もしくは架台９をそれぞれ横切って横方向に延在する
樋の形状に設計されたコンテナ13を有し、切欠き２もし
くは架台９をそれぞれ横切って、コンテナ13が切欠き２
の外側の一方にある図１に示された第１の端位置からコ
ンテ切欠き２の外側の他方にある実質的に線対称の第２
の端位置まで、変位ドライブ15によってガイド14に沿っ
てその延在方向に実質的に横方向に変位することができ
る。
コンテナ13は２枚の側壁16、17により規定され、狭い
スリット型の下部開口18からもっと広い上部開口19まで
外側に開く実質的に漏斗状の横断面を有する。上部開口
18および下部開口19は実質的にコンテナ13の全長に亘っ
て延在し、側壁16、17によって定義された内側スペース
20とともに、切欠き２または架台９の大きさにそれぞれ
実質的に対応する長さ寸法を持つ下方向に狭くなるチャ
ネルを形成する。
実質的に下部開口19の全長に亘って作業台１に平行に
延在しているワイパ部材21、22は、作業台１に面する側
壁16、17の下縁に固着されている。ワイパ縁を形成する
ワイパ部材21、22の下縁と最上位置にある作業台もしく
は架台９との間の隙間は、コンテナ13を作業台に接触さ
せることなく、もしくはわずかな摩擦のみで変位させる
のに十分なよう調整されるか調整可能である。
図２に示されたクロスガイド23、24は、これらの長手
方向25またはこの方向25を横切る方向に変位するのを許
容しながら、コンテナ13を弾性的に支持する。例えばス
プリングなどの弾性部材（図示せず）を設け、コンテナ
をその正常位置（定位）から弾性的に偏向的に支持す
る。例えば電気式もしくは油圧式の振動子などの振動装
置26は、コンテナ13の側壁17または他の部分に取り付け
られ、弾性部材と協働して下部開口およびワイパー部材
の方向すなわち変位方向25に対して横切る方向にで作業
台１もしくは架台９のそれぞれの平面に平行な方向の振
動でコンテナ13を振動させるように形成される。
凝固対象となる材料用の貯蔵部27、28とその下端にそ
れぞれ備えられた供給装置29、30は、図１に示されるよ
うにコンテナ13もしくはその上部開口19の両端位置の上
方に配置される。供給装置29、30の各々は、コンテナ13
の変位平面の上に位置して、その延在方向に平行な水平
軸を中心として回転し、周囲に切欠き溝が設けられたド
ラム（切欠きドラム）として形成される。このドラム
は、切欠き溝が上方向に開口して貯蔵部28の内部空間と
連通する図１の左手側の第１の位置から、切欠き溝が下
方向に開口してコンテナの上部開口19に対向する図１の
右手側の放出位置まで、ドライブ（図示せず）によって
約180度回転できる。
作業台１と架台９と塗布装置12は、図に破線で示され
た断熱ハウジング33に囲まれ、不活性ガス供給部34と接
続されている。好ましくは、不活性ガスは、（周知の）
薄膜分離装置35によって空気から生成され、供給管36を
介してハウジング33に供給される窒素である。好ましく
は、供給管36は不活性ガスハウジングに供給する前にこ
のガスを冷却するために、照射装置４、偏向装置６、偏
向制御装置８などの更に他の部分の上を通過する。
最後に、切欠き２の方向に向けられた放射加熱装置39
−１、39−２と中央制御装置37とが提供されるが、中央
制御装置37はレベル調整装置10と偏向制御装置８と変位
装置15とに接続され、後述するステップを実行する。
動作させる場合は、まず物体の作製に適した材料、例
えばプラスチック粉末、金属粉末またはセラミック粉末
またはその配合物、すなわち例えばプラスチック被覆金
属またはセラミック粉末を貯蔵部27、28に充填する。架
台９がレベル調整装置10によって最上位置に持ち上げら
れると、架台９の表面は作業台１の表面と同じ高さにな
る。その後、架台９は、第１の材料層の予め定められた
厚さに対応する量だけ降下され、切欠き２の側壁および
架台９の底部で定義された凹み領域が切欠き２の中で形
成される。変位ドライブ15を用いて塗布装置12をその開
始位置まで動かすと、コンテナ13は、供給装置29または
ドラム31のそれぞれの下方に位置する。さらに、ハウジ
ング33内に所望の不活性ガス雰囲気が入れられるまで供
給装置29はハウジング33の中に例えば窒素を供給する。
ドラム29を１回転もしくは数回転することにより、ド
ラム29に形成された１つまたは複数の溝の容積に対応す
る予め定められた量の材料が、ドラム29の下に位置する
上部開口19を介し、貯蔵部27からコンテナ13に充填され
る。ここで、変位ドライブ15は切欠き２の上方を図１の
左手側に示された他端の位置までコンテナ13を変位方向
25に動かすため、コンテナ13は他の供給装置30の下にく
る。この動きの間、振動装置26が作動して変位方向25に
対して横切る方向にかつ架台９に平行な方向にコンテナ
を振動させる。この振動により、コンテナ内での粉末の
凝集が防止され、材料を下部開口18から架台９に自由か
つ確実に流出させることができる。同時に、この振動に
よって塗布された材料を圧縮することができる。
材料の架台９への塗布は図２により詳細に示される。
コンテナ13が方向25（図２の左への方向）に動く際に、
それに付いてくるワイパ部材21によって、下部開口18か
ら流出する材料は、所望の層厚ｓに調整されて掻き取ら
れ、規定厚ｓを有する層38が得られる。ワイパ部材21は
コンテナ13に取り付けられているため、変位方向25に直
角かつ架台９に平行な方向にコンテナ13と共に振動す
る。このワイパ部材21の振動により層38の層厚ｓおよび
表面の質を調整する精度が著しく改善される。
層38を塗布して掻き取り、層38の材料を放射加熱装置
39−１、39−２によって適切な動作温度まで予加熱した
後、制御装置37は、偏向光線７が層38のすべての所望の
点（この層における物体に対応する点）に連続して照射
されてこの粉末状材料を焼結によって凝固させるよう制
御装置８を介して偏向装置６を制御する。
第２のステップではレベル調整装置10が架台を次の層
の厚さに対応する量だけ下げ、コンテナ13は第２の供給
装置30を介して回転ドラム32によって再び充填される。
ここで、コンテナを振動させながら方向25と逆方向に動
かすことによって第２の層が塗布される。この層は他の
ワイパ部材（図２の左のワイパ部材）によって掻き取ら
れる。その後この層は層38と同じ方法で凝固される。
更なる複数の層が対応するように、塗布され掻き取ら
れて凝固され、以後の層についてはコンテナ13は振動し
ながら左から右、右から左へと交互に移動する。しかし
ながら、架台９を横切ってコンテナを２度移動させた後
に開始位置に戻すことも可能であり、この場合は貯蔵部
および塗布装置は１つずつあれば十分である。
コンテナ13を動かす際、下部開口18もしくはワイパ部
材21、22のそれぞれと作業台１の表面との間の空間は、
摩擦を無視できる程度かつ材料がワイパ部材21、22と作
業台１との間から流出するのを制限できるだけの大きさ
のものであるため、材料消費量を少なくすることができ
る。このように、材料は作業台１に対して下降する架台
９にのみ塗布される。コンテナ13の位置は対応する適切
な空間を調整するために調整可能であることが望まし
い。
本発明をさらに変更することもできる。例えば、液体
もしくはペースト状材料を使用してもよいし、予加熱を
行う際に使用する電磁放射源は、十分なエネルギを有す
る方向性光線を発生するものであればどのようなもので
あってもよく、光源や電子光線源などを照射装置として
使用することができる。層を凝固した後、第１層の収縮
分を補償する第２の層を同様に塗布して凝固するために
架台９の位置を変えずにおくこともできる。この後では
じめて架台を降下させて次の層を塗布する。ワイパ部材
21、22は、適当な剛性またはわずかに弾性の異形材を有
するものであればよいし、鋭利な掻き落し刃とともに提
供されてもよい。コンテナ13の横断面は矩形などの他の
いかなる適切な形状を有してもよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランゲル，ハンス ジェイ. ドイツ連邦共和国 82166 グレーフェ ルフィンク アム バーセルボーゲン 46 (56)参考文献 特開 平７−88966（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 67/00

Claims (22)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】三次元物体を作製するために、電磁放射で
    照射されることによって凝固可能な粉末状固形材料の層
    を架台（９）上に一層ずつ順次塗布し、一つの層の粉末
    状固形材料の前記物体に対応する部分を該一層の塗布後
    であってその上に次の層を塗布する前に、凝固させるこ
    とによって前記物体を層構造に作製する方法において、 ワイパ部材（21、22）を有するコンテナ（13）中に前記
    粉末状固形材料を所定良充填し、該コンテナ（13）を掻
    取り方向に動かすと同時に振動させて粉末材料の塗布と
    掻取りを行い、前記粉末状固形材料の均一な塗布層を形
    成することを特徴とする三次元物体作製方法。
  2. 【請求項２】前記コンテナの振動は、前記掻取り方向を
    横切る方向で、且つ前記層に平行な方向に行われること
    を特徴とする請求項１に記載の三次元物体作製方法。
  3. 【請求項３】前記振動は、周波数が約50〜500ヘルツ、
    好ましくは100〜200ヘルツであり、振幅が約0.1〜2mm、
    好ましくは0.5〜1mmであることを特徴とする請求項１ま
    たは２に記載の三次元物体作製方法。
  4. 【請求項４】前記ワイパ部材（21、22）による掻取りの
    最中に、前記材料は、前記ワイパ部材（21、22）の直前
    において塗布されることを特徴とする請求項１から３の
    いずれかに記載の三次元物体作製方法。
  5. 【請求項５】前記掻取り方向は、一塗布毎に逆方向に成
    ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の三
    次元物体作製方法。
  6. 【請求項６】前記架台（９）はレベル調整可能であり、
    該架台（９）を、一層の凝固後に次の層の厚さ分だけ降
    下させるか、または第２の層を凝固させるために固定位
    置に保持するか、いずれか一方を行うことを特徴とする
    請求項１〜５のいずれかに記載の三次元物体作製方法。
  7. 【請求項７】不活性ガス雰囲気中で前記層が塗布され凝
    固されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記
    載の三次元物体作製方法。
  8. 【請求項８】請求項１記載の方法を実行するための三次
    元物体作製装置であって、架台（９）と、この架台
    （９）に電磁放射で照射されると凝固し得る粉末状固形
    材料の層を塗布する手段（12）と、該材料を物体の対応
    する層部分で照射する照射装置（４）とを備え、前記塗
    布する手段（12）は前記架台（９）の上に配置された材
    料用コンテナ（13）を備え、このコンテナ（13）は、前
    記架台（９）の上方を実質的に平行に移動させるドライ
    ブ（15）に接続されており、前記架台（９）に面した下
    側で塗布された材料の層厚ｓを調整するワイパ部材（2
    1、22）を有し、 移動時に前記コンテナ（13）を振動させる振動装置（2
    6）を備えることを特徴とする三次元物体作製装置。
  9. 【請求項９】前記コンテナ（13）は、前記架台（９）を
    横切るように延在する樋の形状に形成されると共に、前
    記材料を供給するための上部開口（19）およびこの材料
    を塗布するための下部開口（18）を持つことを特徴とす
    る請求項８に記載の三次元物体作製装置。
  10. 【請求項１０】前記樋は、実質的に漏斗状断面を有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の三次元物体作製装
    置。
  11. 【請求項１１】前記下部開口（18）は前記樋に沿って延
    在するスリットとして形成されていることを特徴とする
    請求項９または10に記載の三次元物体作製装置。
  12. 【請求項１２】前記コンテナ（13）の移動方向において
    前記下部開口（18）の前・後に対応するようにワイパ部
    材（21、22）をそれぞれ備えることを特徴とする請求項
    ９〜11のいずれかに記載の三次元物体作製装置。
  13. 【請求項１３】前記ワイパ部材（21、22）は、前記スリ
    ットが互いに対向している前記樋の両側部の縁の近傍に
    それぞれ設けられていることを特徴とする請求項11また
    は12に記載の三次元物体作製装置。
  14. 【請求項１４】前記ドライブ（15）は、前記架台（９）
    の上方を横切って第１の方向（25）に最初に前記コンテ
    ナ（13）を移動させ、これにより、第１の層を塗布し前
    記ワイパ部材（21）により掻取り，その後この層を照射
    した後に、前記第１の方向と実質的に反対の第２の方向
    に前記コンテナ（13）を移動させ、その次の層を塗布し
    て掻取るようにしたことを特徴とする請求項８〜13のい
    ずれかに記載の三次元物体作製装置。
  15. 【請求項１５】前記ドライブ（15）は、塗布および掻取
    りの各ステップの後に、前記コンテナ（13）を一端の位
    置に移動するようにしたことを特徴とする請求項８〜14
    のいずれかに記載の三次元物体作製装置。
  16. 【請求項１６】材料用の貯蔵部（27、28）と、これら貯
    蔵部（27、28）から予め定められた量の材料を前記一端
    にある前記コンテナ（13）の中に供給するための供給装
    置（29、30）とを備えることを特徴とする請求項15に記
    載の三次元物体作製装置。
  17. 【請求項１７】前記供給装置（29、30）は、前記貯蔵部
    （27、28）と前記一端の位置にある前記コンテナ（13）
    との間に配置された計測装置、好ましくは切欠きドラム
    （31、32）として形成されることを特徴とする請求項16
    に記載の三次元物体作製装置。
  18. 【請求項１８】互いに関連する前記供給装置（29、30）
    と前記貯蔵部（27、28）の対応する端部位置が、前記コ
    ンテナ（13）の移動方向における前記架台（９）の両側
    にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項14または
    15に記載の三次元物体作製装置。
  19. 【請求項１９】前記振動装置（26）は、前記コンテナ
    （13）の移動方向に対して横切る方向であって前記層に
    平行に前記コンテナ（13）を振動させる振動子として形
    成されることを特徴とする請求項８〜18のいずれかに記
    載の三次元物体作製装置。
  20. 【請求項２０】前記コンテナ（13）は、その振動方向に
    弾性的に懸架されており、前記振動装置（26）は前記コ
    ンテナ（13）に作用することを特徴とする請求項19に記
    載の三次元物体作製装置。
  21. 【請求項２１】前記架台（９）および前記塗布する手段
    （12）をしっかりと包囲するハウジング（33）と、この
    ハウジング（33）の中に不活性ガスを供給するための不
    活性ガス源（34）とを備えることを特徴とする請求項８
    〜20のいずれかに記載の三次元物体作製装置。
  22. 【請求項２２】前記不活性ガス源（34）は、窒素を空気
    から分離するための薄膜分離装置として形成されること
    を特徴とする請求項20に記載の三次元物体作製装置。
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