JP3790473B2 - 三次元物体の形成的製造のための装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、三次元物体を形成的に製造するための装置および方法に関する。
【０００２】
選択的レーザ焼結による三次元物体の形成的製造のための装置は、例えば、ＥＰ０７３４８４２Ａから公知である。それによると、粉末材料の第一の層が、降下可能なキャリアに取り外し可能に接続されたベースに塗工され、物体に対応する各点において照射され、これにより物質がそこで一体に焼結される。次いで、ベースを備えたキャリアを降下させ、この第一の層に第二の層を塗工して再度選択的に焼結し、その中の第二の層を第一の層と接続させる。このようにして、物体が層状に形成される。形成された三次元物体が完成すると、ベースとともに手作業で装置から取り出される。取り出しの間はさらなる物体を製造できないため、この取り出しによって生産性が制限される。
【０００３】
本発明の目的は、生産性を高めることができる三次元物体の形成的製造のための改良された装置、および、生産性を高めることができる三次元物体の形成的製造のための改良された方法を提供することである。
【０００４】
この目的は、請求項１に記載の製造装置または請求項１９に記載の方法によって達成される。
【０００５】
発明のさらなる展開は従属請求項に記載されている。
【０００６】
発明のさらなる特徴および利点は、図面を用いた実施例の説明によって明らかになる。
【０００７】
図１から最も良くわかるように、三次元物体を製造するための製造装置は、造形フレーム１を有し、この造形フレームは、上部と下部が開放され、断面が円形、正方形、または長方形であり、上縁部２を有している。造形フレーム内には、造形プラットフォーム３が設けられ、垂直駆動装置４に接続されている。造形プラットフォーム３は、垂直駆動装置４を介して上下に移動することができる。造形プラットフォーム３の外縁部にはシール５が設けられ、このシールにより、造形プラットフォーム３と造形フレーム１の間の隙間を封止している。上縁部２の上方には、レーザ６および偏向ミラー７で構成した硬化装置が設けられている。さらに、被塗工材料を造形プラットフォーム３に塗工するための塗工装置８が設けられている。レーザ６と、偏向ミラー７と、塗工装置８と、垂直駆動装置４は、制御システム９によって制御される。図１の例において、形成された物体１０が描かれ、これは、未硬化材料１１で囲まれている。造形フレーム１および造形プラットフォーム３は、合わせて、移動コンテナ１２を形成する。
【０００８】
図１に示す製造装置は、図２に示すハウジング１３内に設けられる。このハウジング１３は、その前面に自動的に開閉するドア１４を有する。ハウジング１３内には造形領域が設けられ、そこで物体が製造される。製造中は、移動コンテナ１２がこの造形領域に配置される。さらに、レールシステム１５が設けられ、このレールシステムは、ハウジング１３に接続され、チェーンドライブなどの図示しないコンベアドライブを備えている。このレールシステム１５によって空の移動コンテナ１２_１および１２_２が三次元物体製造装置の内部に搬入され、中身の入った移動コンテナ１２_３、すなわち、形成された物体を収容した移動コンテナが製造装置から搬出される。このために、レールシステム１５は、供給部１６と、取り出し部１７と、当該製造装置に接続された接続部１８とを有する。供給部１６と、取り出し部１７と、接続部１８は、転轍機すなわち方向転換機１９を介して互いに接続されている。供給部１６と取り出し部１７は、図示しない保管庫に接続され、ここに、空の移動コンテナおよび中身の入った移動コンテナが保管される。
【０００９】
レールシステム１５に加えて、この製造装置は、移動コンテナ１２をハウジング１３の取り付け台１３’に連結し、また、移動コンテナ１２を取り付け台１３’から切り離すための結合装置２０を含んでいる。図３は、ハウジング１３の取り付け台１３’に対応する部分を通る断面図であり、移動コンテナ１２が取り付け台１３’に連結された状態を示す。図３に示すように、造形フレーム１は、その下端において両側でそれぞれ外側に突出した突起２１および２２を有する。これらの突起２１および２２には、それぞれ、調節可能な位置決め部材２３および２４が設けられている。位置決め部材２３および２４は、それぞれ、ストッパーとしての作用をも有している。調節可能な位置決め部材２３および２４の長さは、垂直駆動装置４の移動方向に設定することができる。取り付け台１３’には、突き当て面２５および２６が設けられ、移動コンテナ１２の連結状態において、調節可能な位置決め部材２３および２４が、この突き当て面に接触する。図４に最も良く示されるように、突き当て面２５および２６と、調節可能な位置決め部材２３および２４は、移動コンテナ１２の連結状態において、これらがかみ合いロッキングにより互いに係合するように構成することができる。図３に示すように、移動コンテナ１２は、その下端においてプレート２７上に支持され、このプレートは、ばねにより取り付け台１３’に接続され、図３に示す移動コンテナ１２が上方に押され、調節可能な位置決め部材２３および２４が突き当て面２５および２６に係合するようにバイアスされている。プレート２７は、その中央に凹部２９を有し、これを介して垂直駆動装置４が案内されるように構成されている。垂直駆動装置４の上方には、キャリア３０が設けられ、これは、図３に示すように、プレート２７の上方に配置されている。キャリア３０は、プレート２７の凹部２９よりも大きく構成されている。したがって、垂直駆動装置４が下方に移動すると、図４に示すように、キャリア３０はプレート２７と接触し、ばねの力に抗して下方に移動する際にプレートを同伴する。
【００１０】
さらに、図３に示すように、プレート２７の下方に配置された２つの周回チェーン３１および３２が設けられている。造形フレーム１の突起２１および２２の下側には、それぞれ、チェーン連結部材３３および３４が取り付けられている。チェーン３１および３２ならびにチェーン連結部材３３および３４は、造形フレーム１が下方に移動したときに図４に示すようにチェーン連結部材３３および３４がチェーン３１および３２に接触するように、互いに対して配置されている。
【００１１】
図６に示すように、本装置はさらにロック装置４０を有する。図６は、図３の領域Ａの詳細な拡大図であり、プレート２７と、ばね２８と、キャリア３０は描かれていない。造形プラットフォーム３の下側には接続片４１が取り付けられ、この接続片には、第一の脚４３とそれに直交して延在する第二の脚４４を備えた揺動アームが、これらの脚の長手方向軸の交点において２つの脚４３および４４の接続領域上を回転可能に保持されている。第二の脚４４の開放端は、ロッキングロッド４５に回転可能に接続され、このロッキングロッド４５は、ガイド４６に案内され、これにより、ロッキングロッド４５は、移動コンテナ１２の挿入状態において、図６の両頭矢印Ａで示すように、垂直駆動装置４の移動方向に対して直交する方向にのみ前後に移動可能とされている。ガイド４６は、図示しない接続部材を介して造形プラットフォームに接続される。ロッキングロッド４５の前端部４７は、第二の脚４４の開放端から離れる方向に向き、テーパ状に構成されている。前端部４７に対応して形成された環状凹部４８が、垂直駆動装置４上に設けられている。回転可能に担持されたローラ４９が、揺動アーム４２の第一の脚４３の開放端に設けられている。図６に示す造形プラットフォーム３の位置において、ローラ４９は、造形フレーム１のロック解除突起５０と接触している。揺動アーム４２と接続片４１の間にはねじりばね４１が設けられ、このねじりばねは、ロッキングロッド４５が垂直駆動装置４に向かって移動するように、揺動アームをバイアスする。揺動アーム４２と、ロック解除突起５０と、ロッキングロッド４５は、図６に示す状態において垂直駆動装置４がさらに下方に移動した時、ロック解除突起５０が、揺動アーム４２の第一の脚４３を、ローラ４９を介して、ねじりばね５１のばね力に抗して上方に押圧し、図６のロッキングロッド４５が左側に移動し、これにより前端部４７と凹部４８との係合が解除されるように、配置されている。
【００１２】
以下、本装置の動作について説明する。ここで、造形プラットフォーム３および造形フレーム１は、すでに製造装置内すなわち造形領域に収容されているものと仮定する。まず、造形プラットフォーム３は、造形フレーム１内に、造形フレーム１の上端２より、所定の層厚分だけ下方に位置するように配置される。次に、塗工装置８を用いて、硬化すべき材料の層を造形プラットフォーム３に塗工し、次いで、硬化装置を用いて所望の箇所において選択的に硬化させる。その後、造形プラットフォームを所望の層厚分だけ下降させ、さらなる材料の層を塗工する。これは、再度選択的に硬化され、下側の材料層と接続される。製造すべき物体が完成するまでこれが繰り返される。上述したような造形プロセスにおいて、連続したおよび／または互いに重ねられた数個の物体を、造形プラットフォーム３上で製造することができる。つぎに、造形プラットフォーム３を、図３に示す位置に移動する。制御システム９が、垂直駆動装置４をさらに制御して、図３に示す位置からさらに下方へ移動させる。このようにして、キャリア３０がプレート２７と接触し、ばね２８のばね力に抗して垂直駆動装置が下方に移動する時にプレートを同伴する。このようにして、プレート２７上に位置する移動コンテナ１２も下方へ移動する。したがって、調節可能な位置決め部材２３および２４と突き当て面２５および２６のあいだの係合は解除される。この、垂直駆動装置４の下方への移動は、図４に示すように、チェーン連結部材３３および３４がチェーン３１および３２との係合状態に到達するまで続けられる。この、垂直駆動装置４の下方への移動によって、同時に、揺動アーム４２の第一の脚４３が、図６に示す、造形フレーム１のロック解除突起５０に押圧され、これにより、第一の脚４３が造形プラットフォームに向かって移動する。このようにして、図６に示すロッキングロッド４５は、左側に移動し、ロッキングロッド４５の前端部４７と凹部４８との係合が解除される。したがって、造形フレーム１は、取り付け台１３’から切り離され、造形プラットフォーム３は垂直駆動装置４から分離される。ここで、制御システム９によって自動ドア１４（図２）が開き、チェーン３１および３２が駆動され、これにより、中身の入った移動コンテナ１２が製造装置から搬出される（図５）。転轍機１９は、すでに、中身の入った移動コンテナ１２が取り出し部１７に搬送されるように設定されている。中身の入った移動コンテナ１２は、そこから保管庫に搬送される。その後、転轍機１９がリセットされ、供給部１６が接続部１８に接続される。この接続により、空の移動コンテナ１２_１が装置に搬入される。垂直駆動装置４は、ここで、制御システム９によって上方に移動される。このようにして逆の順序で、図３に示すように、空の移動コンテナ１２_１がハウジング１３の取り付け台１３’に連結され、図６に示すように、造形プラットフォーム３が垂直駆動装置４にロックされる。制御システム９は、ここで、新規の造形プロセスを開始するために必要な全ての作業を実行する。これには、例えば、製造される物体の幾何学的データを提供すること、および、装置の状態をチェックすることが含まれる。このチェックは、例えば、装置内に充分な材料がまだあるか否かのチェックや、硬化装置のチェックを含む。このチェックの結果に基づいて、例えば、外部の保管容器から材料を補給すること、硬化装置を洗浄すること、および／または、硬化装置のキャリブレーションを実行することが、制御システム９により制御される。その後、制御システム９は、新たな造形プロセスを開始し、新たな物体が、空の移動コンテナ１２_１の造形プラットフォーム３上に形成される。上述した工程はすべて、制御システム９によって自動的に行なわれる。
【００１３】
この実施例の１つの利点は、造形フレーム１の、ハウジング１３の取り付け台１３’に対する連結と切り離しが、垂直駆動装置４の移動によって行われることである。このため、追加のアクチュエータを節約できる。さらに、造形プラットフォーム３と垂直駆動装置４のロックのための作動力も、垂直駆動装置４の移動から得られる。この種の解決手段は、たとえば、合成粉末など特定の物質を用いた場合に、造形フレームのこの領域において発生する、通常１００〜１５０度の温度上昇に鑑みて、アクチュエータがこのような温度に全く曝されないという利点をもつ。さらに、センサやスイッチを必要としないことから、簡素化、よって信頼性が向上される。
【００１４】
別の実施例において、造形フレーム１をハウジング１３の取り付け台１３’に連結するため、および、造形プラットフォーム３を追加のアクチュエータにより垂直駆動装置４にロックするために必要な上昇運動を発生させることもできる。追加のアクチュエータは、これらの運動の各々に対して、それぞれ設けることができる。
【００１５】
本発明のさらなる展開において、製造装置のハウジング１３が正面に向けて置かれる場合には、その側壁の一方または背面にさらなるドアを有する。この場合、レールシステムはこのドアに接続され、装置の側面または背面のいずれかに設けられる。このことは、その製造装置が、前面のドア１４から手作業で、かつ、側面または背面のドアからレールシステムにより自動的に装荷できるという利点を有する。また、さらなる展開において、制御システムは、製造された物体が取り出されたあとで、例えば、塗工装置のブレードの洗浄や、レーザシステムの光学系の洗浄および／または再キャリブレーションを含む装置のメンテナンスを自動的に行なうように構成されてもよい。
【００１６】
以上、物体の断面に対応する各層の各点におけるレーザビームの制御された動作によって、物体が層状に製造される装置と方法を説明した。この種の装置および方法は、例えば、レーザ焼結装置や立体リソグラフ装置およびそれに組み合わされる方法である。本発明は、しかしながら、これらに限定されるものではない。製造すべき物体が生成的に形成される、すなわち、物体が、造形材料を制御しながら添加することにより形成されるあらゆる装置および方法を提供するものである。例えば、接着剤を用いて、粉末材料を層状に硬化させることにより物体を製造する装置をも提供することができる。
【００１７】
本発明の決定的な点は、制御システム９が、ひとつ以上の物体の製造と、これ又はこれらの物体を製造装置の造形領域から搬出することと、さらなる造形プロセスのための作業の実行と、ひとつ以上のさらなる物体の形成と、これ又はこれらの物体を搬出することなどを、完全に自動的に実行できるように、制御することである。このようにして、いくつかの造形プロセスの完全に自動的なシーケンスが、本形成的製造方法によって可能となる。さらに、手作業は一切必要なく、装置または方法の生産性が向上する。
【００１８】
上述の実施例において、空の移動コンテナ１２_１および１２_２を装置の造形領域に搬入すること、物体を形成すること、物体が内部に形成された移動コンテナ１２_３を造形領域から搬出することが、自動的に行なわれるように制御される。しかしながら、造形プラットフォーム３のみを自動的に交換することも可能である。これは、特に、三次元物体を形成的に製造すなわち層状に製造するための装置において、製造装置に剛体的に（一体的に）接続された造形フレームを有する、または、造形フレームをまったく持たない場合である。造形フレームを持たない装置は、例えば、ＵＳ５１２１３２９に記載されているＦＤＭ法（ＦＤＭ＝fused deposition modelling融解堆積モデリング）のための装置である。
【００１９】
なお、さらなる実施例において、製造された物体だけを装置の造形領域から搬出し、その後、さらなる物体を製造しふたたび搬出するようにすることも可能である。
【００２０】
さらに、造形領域からの取り出しの際に、製造された物体を装置の異なる領域に移し、後で手作業または自動的に装置から取り出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 三次元物体を製造するための装置の概略断面図である。
【図２】 図２は、三次元物体を製造するための装置の斜視図である。
【図３】 図３は、図２の三次元物体を製造するための装置の一部を示す断面図であり、造形フレームが取り付け台に連結された状態を示す。
【図４】 図４は、図３と同様な断面図であり、造形フレームが取り付け台から切り離された状態を示す。
【図５】 図５は、図３と同様な断面図であり、造形フレームが装入されていない状態を示す。
【図６】 図６は、図３の領域Ａを示す部分拡大図である。

Claims (21)

1. 三次元物体を形成的に製造するための製造装置であって、前記物体が製造される造形領域と、以下のステップの実行を制御できるように構成された制御システム（９）とを有し、これらステップは即ち、
   ａ）物体を製造するステップと、
   ｂ）この製造した物体を前記造形領域から取り出すステップと、
   ｃ）ステップａ）およびステップｂ）を繰り返すステップであり、
   製造される物体を積載する造形プラットフォーム（３）を前記造形領域に自動的に搬入および搬出するための搬送装置（１８、３１、３２）を備え、
   前記造形プラットフォーム（３）を囲む造形フレーム（１）が設けられ、前記造形フレームは、前記造形プラットフォーム（３）とともに前記造形領域に搬入または前記造形領域から搬出され、取り付け台（１３’）と、搬入時に前記造形フレーム（１）を前記取り付け台（１３’）に連結し、搬出時に前記造形フレーム（１）を前記取り付け台（１３’）から切り離すための連結装置（２０）とをさらに備えたことを特徴とする製造装置。
2. 前記制御システムは、ステップａ）において、前記造形領域に前記造形プラットフォーム（３）を搬入すること、および、ステップｂ）において、前記製造された物体を積載した前記造形プラットフォーム（３）を前記造形領域から搬出することを制御できるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の製造装置。
3. 前記製造装置内に搬入すべき前記造形プラットフォーム（３）を前記搬送装置（１８、３１、３２）に供給するための供給部（１６）と、
   前記製造装置から搬出すべき前記造形プラットフォーム（３）を前記搬送装置（１８、３１、３２）から取り出すための取り出し部（１７）をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の製造装置。
4. 前記供給部および前記取り出し部（１６、１７）が、方向転換機（１９）を介して前記搬送装置（１８、３１、３２）に接続されたことを特徴とする請求項３に記載の製造装置。
5. 前記造形領域における前記造形プラットフォーム（３）の位置を設定するための移動アクチュエータ部材（４）と、前記造形プラットフォーム（３）を前記アクチュエータ部材（４）に接続するための接続装置（４０）とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の製造装置。
6. 前記接続装置（４０）を作動させるための接続最終制御部材を備えたことを特徴とする請求項５に記載の製造装置。
7. 前記接続最終制御部材は、前記アクチュエータ部材（４）であることを特徴とする請求項６に記載の製造装置。
8. 前記接続装置（４０）は、前記造形プラットフォーム（３）上に設けられていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１つに記載の製造装置。
9. 前記連結装置（２０）は、前記造形フレーム（１）を前記取り付け台（１３’）と接続した連結状態にもたらす連結部材（２７）を有することを特徴とする請求項１に記載の製造装置。
10. 連結および／または切り離しのための連結最終制御部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の製造装置。
11. 前記連結最終制御部材は、前記造形領域内における前記造形プラットフォーム（３）の位置を設定するための前記アクチュエータ部材（４）であることを特徴とする請求項１０に記載の製造装置。
12. 前記連結部材（２７）はバイアス力を与えられており、前記連結装置（２０）は、前記連結最終制御部材に接続されたキャリア（３０）を備え、前記連結最終制御部材によって前記キャリアを移動させることができ、これにより前記連結部材（２７）を前記バイアス力に抗して移動させるようにしたことを特徴とする請求項１０または１１に記載の製造装置。
13. 前記連結装置は、調節可能な位置決め部材（２３、２４）を有し、この位置決め部材によって、前記造形フレーム（１）の前記取り付け台（１３’）に対する連結状態における相対的位置を設定できることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の製造装置。
14. 前記造形プラットフォーム（３）上に硬化性材料を塗工するための塗工装置（８）と、塗工された前記材料を選択的に硬化させるための硬化装置（６、７）とをさらに有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の製造装置。
15. 前記製造装置は、前記物体を層状に製造できるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の製造装置。
16. 前記制御システムは、前記製造された物体を取り出した後で、前記製造装置のシステムメンテナンスを自動的に行うように構成されたことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の製造装置。
17. 製造装置を用いて三次元物体を形成的に製造するための方法であって、
    ａ）前記製造装置の造形領域において物体を製造するステップと、
    ｂ）この製造された物体を前記造形領域から取り出すステップと、
    ｃ）前記ステップａ）およびｂ）を繰り返すステップとを備え、
    前記ステップａ）〜ｃ）は自動的に実行され、各ステップａ）の前に次のステップｄ）、すなわち、
    ｄ）造形される物体を積載する造形プラットフォーム（３）を前記造形領域に自動的に搬入するステップ
    を実行し、前記造形領域には、前記造形プラットフォーム（３）および前記造形プラットフォーム（３）を囲む造形フレーム（１）が自動的に装入され、前記ステップｄ）において、前記造形フレーム（１）は前記製造装置の取り付け台（１３’）に接続されることを特徴とする方法。
18. 前記ステップｄ）において、前記造形プラットフォーム（３）は、前記造形領域における前記造形プラットフォーム（３）の位置を設定するための移動アクチュエータ部材（４）に接続されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記ステップｂ）において、前記造形プラットフォーム（３）は、その上で製造された前記物体と前記造形フレーム（１）とともに取り出されることを特徴とする請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記物体が層状に製造されることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１つに記載の方法。
21. 製造された前記物体が取り出された後で、前記製造装置のシステムメンテナンスを自動的におこなうことを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１つに記載の方法。

Images