JP4691680B2 - 粒子材料を結合させるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明の形態は、粒子材料を選択的に結合させる方法及び／又は粒子材料を結合させるための装置に関する。

高速プロトタイピングは、プロトタイプコンポーネントを形成するために広く使用されており、高速プロトタイピングを実行するために多くの方法が現在利用可能である。一方法において、コンポーネントのコンピュータ生成三次元モデルが、コンピューター援用製図（ＣＡＤ）ソフトウエアを用いて最初に作り出される。三次元モデルは、次いで、ある数の（もしくは多くの）仮想層へとスライスされ、装置が、該層を形成し組み合わて、三次元コンポーネントを作り出すために使用される。

粒子材料を焼結するレーザーを用いて粒子材料を結合させることにより、それぞれの層を形成することが知られている。しかしながら、この方法は、レーザーが各層の表面全体を通り過ぎなければならないので、時間がかかり得、不利となり得る。別の方法として、粒子材料のある層の選択した部分に、これを結合させるために赤外線が供給され得る。しかしながら、この方法を使用して作り出されたコンポーネントの精度は不十分となり得る。

本発明の第１側面によれば、粒子材料を選択的に結合させる方法であって、
（ｉ）粒子材料（からなる）層を設ける工程と、
（ｉｉ）粒子材料層に対して放射線を供給する工程と、
（ｉｉｉ）粒子材料層の粒子材料の一部を結合させるため、粒子材料層の選択した表面部分にわたって、供給される放射線の吸収を変える工程とを含む方法が提供される。

本発明の第２側面によれば、粒子材料を結合させるための装置であって、放射線に対する粒子材料層の表面部分の露出を可能にするためのコントローラを備え、該コントローラが、前記表面部分にわたる放射線吸収の変化を制御するように構成される装置が提供される。

本発明の好ましい特徴は、特許請求の範囲に規定される。

変化する放射線吸収を受ける表面部分は、粒子材料層の表面部分の全体ではなく一部であり得る。

前記表面領域にわたる変化する放射線吸収の供給は、放射線の吸収が異なりかつゼロを上回る複数の領域の存在を必要とし得る。

一実施形態によれば、前記表面部分にわたる変化する放射線吸収は、粒子材料層の表面部分における供給される放射線入射の強度を変えることによって与えられ得る。

別の実施形態によれば、表面部分にわたる変化する放射線吸収は、粒子材料層の選択された表面部分にわたって粒子材料の吸収特性を変えることによって与えられ得る。

本発明の実施形態は、例示の目的のみで随伴図面を参照して説明される。

図面を参照すれば、焼結により粒子材料、例えばプラスチック材料を結合させるための装置が全体的に示される。該装置は、放射線源１２によって供給される放射線、例えば赤外線に対する、粒子材料（からなる）層１０の表面部分の露出を可能にするためのコントローラＣを備えている。コントローラＣは、該表面部分にわたる放射線吸収の変化を制御するように構成される。

更に詳しくは、図１は、粒子材料を焼結するための装置の第１実施形態を例示し、該装置において、層１０の表面部分における放射線入射の強度を変えるため、源１２によって供給される放射線から選択的に掩蔽するためにオブスキューラ（obscurer）１４（すなわちマスク）が層１０の表面部分に設けられる。オブスキューラ１４は、ガラス板等の放射線透過（伝達）基材１６を備え、放射線透過基材１６は、種々の量の、酸化アルミニウム等の放射線反射性材料１８を支持する。基材上に堆積させられる材料１８の量及びパターンは、後述するように、層１０の表面部分における放射線入射の強度を選択的に変えるために変更され得る。

図２も参照して、層１０の表面部分は、粒子材料を結合させるために放射線に露出されるべき結合部分２０を含むいくつかの領域と、焼結による粒子材料の結合を防ぐために放射線から遮蔽されるべき、もしくは少なくとも実質上遮蔽されるべき非結合部分２２とにオブスキューラ１４によって論理的に分けられる。非結合部分２２の完全遮蔽は、非結合部分２２に伝達される放射線の強度が、粒子材料がその焼結温度まで加熱されない程度のものであるならば、必須ではない。ある状況において、粒子材料を加熱するための非結合部分２２への低強度放射線の伝達は、望まれ得、また、完成コンポーネントの精度の改善をもたらし得る。これは、非結合部分２２の材料の加熱が、結合部分２０と非結合部分２２との間の温度勾配を低減するからである。

結合部分２０は、中央部分２４と縁部分２６とにオブスキューラ１４によって論理的に分けられ、また、反射性材料１８は、基材１６上へと堆積される。より多量の材料１８が縁部分２６上よりも中央部分２４上に与えられ、縁部分２６には、反射性材料１８が全く与えられないかもしれない。従って、結合部分２０の表面にわたって、供給される放射線の強度は、中央部分２４での最低値から縁部分２６での最大値まで増加し、縁部分２６において、粒子材料の層１０の表面は、放射線源１２によって供給される放射線に十分に露出される。

反射性材料層が図１に概略的に示される。該図における層厚の変化は、実際の層厚の変化を例示するのではなく、該材料の量の変化を示す。図において層が厚い箇所には実際には多量の材料が存在する。

結合部分２０は、中央部分２４が結合部分２０の中央に配置されるように一つだけの縁部分２６を有して示されているが、結合部分２０は、例えば、中央部分２４が（二つの）縁部分２６によって二つの側部において境界付けられるような環状形態であり得ることが認識されるべきである。更に、中央部分２４が粒子材料の層１０の表面部分の中央に配置されることは必須ではない。

コントローラＣは、図１に示すようなオブスキューラ１４が層１０上に重なる掩蔽位置からオブスキューラ１４が層１０上に重ならない非掩蔽位置へとオブスキューラ１４を移動させるため、モーター２８を制御するように構成される。コントローラＣはまた、反射性材料１８を基材１６上へと堆積させるため、印刷ヘッド３０のような堆積装置を制御するように構成される。コントローラＣは、ヘッド３０が基材１６の各部分上に堆積させる材料の量を制御する。図１に示す実施形態において、モーター２８が基材１６をヘッド３０を越えて移動させる際、ヘッド３０は、静止したまま反射性材料１８を基材１６上へと堆積させる。別の実施形態（図示せず）において、基材１６が静止したまま層１０上に重なると共に、モーター２８が印刷ヘッド３０を基材１６上へと移動させ、その上に反射性材料を堆積させ得る。

例示の実施形態において、反射性材料１８は、該装置の動作中に基材１６上に同時的に印刷される。ヘッド３０によって基材１６上に印刷される材料１８の量は、層１０の表面温度に従ってコントローラＣによって変えられ得る。層１０の表面温度は、例えば高温計Ｐもしくは熱画像カメラ等の温度測定装置によって測定され得、また、表面温度測定値は、コントローラＣにリアルタイムで伝達される。反射性材料１８を基材１６から除去するためにワイピング構成（図示せず）が設けられ得、その結果、基材１６は再使用可能となる。基材面における望ましい放射線強度プロフィールに基づいて、異なる量の材料１８が基材１６上に堆積され得る。

あるいは、反射性材料１８は、該装置の動作前に基材１６上に事前に印刷され得、この事前印刷された基材１６、すなわち、ある数の事前印刷された基材１６が、粒子材料の各層１０に対し一つずつ使用され得る。この場合、高温計Ｐを用いる表面温度の測定は必要ないかもしれない。複数の事前印刷された基材１６の使用は、多量の同じコンポーネントを製造する必要がある場合、特に有利である。その理由は、上記使用が、各材料層を焼結するのにかかる時間、従ってプロトタイプコンポーネントを作り出すためにかかる時間を短縮し、再現性を高め、該コンポーネントの製造コストの削減をもたらすためである。

複数の事前印刷された基材１６を利用すること、又は異なる量の反射性材料１８を同一の基材１６上へと同時に印刷すること、及び、これらを、複数の露出工程において異なる放射線強度プロフィールに対し同一の材料層１０を露出させるために使用することは、本発明の範囲内にある点に留意するべきである。

図３は、粒子材料を結合させるための装置の第２実施形態を例示する。ここで、上記と対応する構成要素には対応する参照番号が与えられる。図３の装置は、図１に示すものと次の点を除き同様である。すなわち、反射性材料１８が基材１６上へと堆積される代わりに、反射性材料１８は、印刷ヘッド３０を用いて粒子材料層１０の表面部分上へと直接堆積される。

この実施形態の装置において、印刷ヘッド３０は、ここでもコントローラＣによって制御される。コントローラＣは、層１０の表面にわたるヘッド３０の移動と層１０上への反射性材料１８の堆積速度との両方を制御する。また、層１０の表面温度のリアルタイム測定が、例えば、高温計Ｐもしくは熱画像カメラ等の温度測定装置を用いて行われ得る。該温度測定は、層１０の表面部分上へとヘッド３０によって印刷されるべき反射性材料１８の量を決定するためにコントローラＣで用いられる。

反射性材料層が図３に概略的に示される。該図における層厚の変化は、実際の層厚の変化を例示するのではなく、該材料の量の変化を示す。図において層が厚い箇所には実際には多量の材料が存在する。

図４は、粒子材料を結合させるため装置の第３実施形態を例示する。該形態は、
第１及び第２実施形態と似ており、これらに対応する構成要素には対応する参照番号が与えられる。この実施形態において、コントローラＣは、源１２が供給した放射線を選択的に方向変え、これにより、層１０の表面部分にわたる放射線強度入射を変えるように構成される。放射線の選択的方向変えは、コントローラＣを用いて、複数の鏡３４を制御することにより実現される。鏡３４は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）３６を形成する。各鏡３４は、放射線が層１０の表面部分上へと完全に方向変えされる動作位置へと、又は放射線が該表面部分から離れる方向へと十分に変更される非動作位置へとコントローラによって調整可能である。鏡３４のアレイ（配列）を設けることにより、層１０の表面部分は、後述するような区分（セグメント）のアレイへと有効に分けられ得る。また、各区分への放射線入射の強度は、個々の鏡３４が動作位置と非動作位置との間を移動する周波数を選択的に変更することにより、ビットマップイメージに従って変えることができる。

高温計Ｐ等の温度測定装置の使用は、オプションであるが、各鏡３４の位置が、層１０の表面部分にわたる即時の温度変化に応じ、コントローラＣによってリアルタイムで瞬時に制御されるので、この実施形態の装置に特に有利である。

図５は、粒子材料を結合させるための装置の第４実施形態を例示する。該形態は、上述した実施形態と似ており、これらに対応する構成要素には対応する参照番号が与えられている。

図５の装置は、材料が粒子材料層１０の表面部分上へと直接堆積されるため、図３の装置と最も似ている。しかしながら、第４実施形態によれば、該材料は、例えば粉末形態のカーボンブラック等の材料等の放射線吸収材料５０である。使用時において、放射線源１２が供給した放射線は、表面に放射線吸収材料５０が存在する箇所の該材料５０によって吸収され、放射線吸収材料５０を加熱する。放射線吸収材料５０からの熱は、下にある粒子材料へと放射され、粒子材料の個々の粒子の温度を上昇させる。該粒子は、これらの融解温度に近い温度へと加熱されるにつれて隣接加熱粒子とネッキングして合体する。その後、温度が低下するにつれ、該粒子は、結合粒子材料のコヒーレントな（凝集性の）塊を形成する。

層１０の表面部分上への放射線吸収材料５０の直接堆積は、粒子材料の放射線吸収性能が所望により変えられて慎重に制御されることを可能にする。特に、表面上の放射線吸収材料５０の量を変えることは、下にある粒子材料層１０の表面部分の放射線吸収特性の変更を可能にする。より多量の放射線吸収材料５０が存在する領域において、放射線源１２が供給するより多くの放射線量が吸収される。これは、下にある粒子材料へのより多量の熱伝達を与え、これにより、該粒子材料をより高い温度まで加熱してより急速に結合させる。吸収材料５０がより少ない領域において、放射線吸収は少なく、従って、下にある粒子材料への熱伝達も少なく、吸収材料５０をより遅い速度で結合させる。

放射線吸収材料５０が全く設けられておらず、放射線源１２が供給する放射線に純粋な粒子材料が露出される領域において、該粒子材料をその融解温度まで加熱するには不十分な放射線が吸収される。従って、放射線吸収材料５０が設けられていない領域において粒子材料の結合は無い。

放射線吸収材料５０の層が図５に概略的に示される。該図における層厚の変化は、実施の層厚の変化を例示するのではなく、該材料の量の変化を示す。図において層が厚い箇所には実際には多量の材料が存在する。

図１及び３の実施形態と同様に、結合部分２０の中央部分２４よりも縁部分２６においてより多量の放射線吸収を与えることが望ましい。従って、放射線吸収材料５０の量は、縁部分２６での最大値から中央部分２４での最小値へと低下する。

図示のように、非結合部分２２において粒子材料層１０の表面部分上には放射線吸収材料５０が設けられていない。上記で説明した理由により、層１０が放射線に露出された場合、非結合部分２２において粒子材料の結合は無い。しかしながら、非結合部分２２において粒子材料のいくらかの加熱が存在し得、これは、既述したように結合部分２０の粒子材料と非結合部分２２との間の温度勾配を最小にするのに有利であり得る。

図３の実施形態と同様に、印刷ヘッド３０は、所望量の放射線吸収材料５０を層１０の表面部分上へと堆積されるために動作可能であり、印刷ヘッド３０の移動及びヘッド３０によって堆積させられる材料５０の量は、コントローラＣによって制御される。また、高温計Ｐもしくは熱画像カメラが層１０の表面温度を測定するために使用され得、該温度測定に従って堆積する放射線吸収材料５０の量がコントローラＣによって変えられる。

本出願人は、粒子材料が遅い速度での焼結によって結合される際、結合材料は、優れた材料特性、例えば高い強度を有するが、縁部分２６では乏しい明確さを有することを認識した。この乏しい縁の明確さは、特定の材料が結合する際、非結合部分２２から結合部分２０に向かう結合していない粒子材料の不要な運動を引き起こすいくらかの収縮があるという理由で生じる。他方、粒子材料が迅速な速度での焼結によって結合される場合、結合材料は低質な材料特性を有するが、良好な縁の明確さを有する。この理由は、縁部分２６の粒子材料が急速に結合されて位置がロックされ、これにより、周囲の結合していない粒子材料の不要な運動を最小にするからである。

優れた材料特性及び縁部分２６での良好な明確さを有する、結合した特定材料の層１０を設けるため、結合部分２０における粒子材料を遅い速度で結合させて優れた材料特性を与えると共に、縁部分２６における粒子材料を迅速に結合させて良好な縁の明確さを与えることが望ましい。

これが実現され得る一方法は、縁部分２６において結合部分２０の残りの部分に対するよりも放射線のより多い吸収を与える上述した本発明の異なる実施形態に従う装置を使用することである。これは、第１、第２又は第３実施形態に従う装置を用いて層１０の選択した表面部分上への放射線入射の強度を変えることにより、又は、選択した表面部分にわたって不定量の放射線吸収材料５０を供給することによって選択表面部分にわたる放射線の吸収を変えることにより、成し遂げられ得る。上記ケースのすべてにおいて、放射線は、単一の露出工程において層１０上に供給される。

本発明の第４実施形態に従う装置を用いて、次に述べるように、複数の露出工程において粒子材料層１０上に放射線を供給することにより、同様の結果が実現され得る。

第１の方法によれば、一定の第１の量の放射線吸収材料５０が結合部分２０上に設けられ、次に、放射線源１２を用いて放射線が層１０上に供給され、下にある結合部分２０の粒子材料を結合させる。第１の量の放射線吸収材料５０は、下にある粒子材料が遅い速度で結合して優れた材料特性を有するように、比較的少量となるように選択される。

粒子材料が結合した後、収縮が続く縁部分２６における層１０に更なる粒子材料が付加される。次に、第１の量よりも多い第２の量の同じ放射線吸収材料５０が縁部分２６上に供給され、また、放射線源１２を用いて放射線が層１０上に供給される。第２の量の材料は、下にある粒子材料が迅速な速度で結合するように比較的多量に選択される。縁部分２６に存在する量が増えた放射線吸収材料５０のため、従って下にある粒子材料の迅速な結合のため、材料収縮が最小化され、そのため、結果として生じる結合材料層１０に縁部分２６での良好な明確さを与える。

第２の方法によれば、第１の自然放射線吸収性を有する一定量の第１放射線吸収材料５０が結合部分２０上に設けられ、また、放射線源１２を用いて層１０に放射線が供給され、下にある結合部分２０の粒子材料を結合させる。第１放射線吸収材料５０は、低い自然放射線吸収性を有するように選択される。これは、比較的少量の自然放射線が吸収され、かつ、下にある粒子材料が遅い速度で結合して優れた材料特性を有するようにするためである。

粒子材料が結合した後、更なる粒子材料が収縮が続く縁部分２６における層１０に加えられる。次に、第２の自然放射線吸収性を有する第２の異なる放射線吸収材料５０が縁部分２６上に供給され、また、放射線源１２を用いて放射線が層１０上に再び供給される。第２放射線吸収材料５０は、第１放射線吸収材料５０の自然放射線吸収性よりも高い自然放射線吸収性を有するように選択される。これは、多量の自然放射線が吸収されて、下にある縁部分２６の粒子材料が迅速な速度で結合するようにするためである。

第３の方法によれば、第１波長の放射線を吸収できる第１放射線吸収材料５０が結合部分２０上に設けられ、次に、放射線源１２を用いて第１波長の放射線が層１０上に供給され、下にある結合部分２０の粒子材料を結合させる。

粒子材料が結合した後、更なる粒子材料が収縮が続く縁部分２６における層１０に加えられる。次に、第２の異なる放射線波長を吸収することができる第２放射線吸収材料５０が縁部分２６上に設けられ、放射線源１２を用いて第２波長の放射線が層１０上に供給される。

結合部分２０に所望の材料特性を与えるため、第１波長の放射線は、比較的低い強度を有するように選択され得る。これは、第１放射線吸収材料５０が遅い速度で加熱され、これにより、下にある粒子材料が遅い速度で結合するようにするためである。縁部分２６に良好な明確さを与えるため、第２波長の放射線は、比較的高い強度を有するように選択され得る。これは、第２放射線吸収材料５０が急速に加熱され、これにより、下にある粒子材料を迅速な速度で結合させるためである。

あるいは、上記第１の方法に関連して上述したように、第１放射線吸収材料５０よりも多量の第２放射線吸収材料５０が設けられ得、また、放射線源１２によって供給される第１及び第２波長の放射線は、同じ強度を有するように選択され得る。

更なる選択肢として、第２放射線吸収材料５０は、第２方法に関連して上述したように第１放射線吸収材料５０よりも高い自然放射線吸収性を有するように選択され得、放射線源１２によって供給される第１及び第２波長の放射線は、同じ強度を有するように選択され得る。

所望により、第３方法は、第１及び第２放射線吸収材料５０が粒子材料層の表面に同時に適用されるように適合され得、また、第１及び第２波長の放射線は別個の工程において供給され得る。

上記第１、２及び３方法は、次のように変更されることが可能である。すなわち、層１０の縁部分２６における粒子材料が迅速な速度で最初に結合されて、縁部分２６をロック（動かなく）し、その後、結合部分２０の残りの部分における粒子材料が遅い速度で結合されて、望ましい材料特性を与えるように変更され得る。

次に図６ａ及び６ｂを参照すると、本発明に従う装置は、粒子材料層１０の表面部分が区分３２のアレイへと論理的に分けられることを許容する。コントローラは、各区分３２における放射線吸収量を個々に制御することができ、また、ビットマップイメージは、表面部分で吸収されるべき放射線量を指定するために使用され得る。各区分３２のビットマップイメージのグレースケールは、個々に調整可能であり、本装置の第１及び第２実施形態の場合、基材１６又は層１０の表面部分の各区分上に堆積される反射性材料１８の量は、層１０の表面部分上におけるどのような所望の強度プロフィールをも与えるため、ビットマップイメージに従って個々に調整可能である。第３実施形態の装置が使用される場合、鏡３４は、上記アレイの各区分３２における放射線入射の強度を変えるように調整される。第４実施形態の装置が使用される場合、層１０の表面部分の各区分上に堆積された放射線吸収材料５０の量は、層１０の表面部分上におけるどのような所望の放射線吸収プロフィールをも与えるため、ビットマップイメージに従って個々に調整可能である。

図６ａ及び６ｂに示される実施形態において、第１の量の反射性材料１８が結合部分２０の中央部分２４を規定する区分３２上に印刷ヘッド３０によって堆積されている。従って、最高強度未満の第１強度の放射線が、これらの区分３２下に位置付けられる層１０の表面部分上に入射する。放射線の第１強度は、粒子材料の温度を上げて該材料を結合させるのに十分高い。

結合部分２０の縁部分２６を規定する区分３２上には反射線材料１８は全く設けられておらず、そのため、これらの区分３２下に位置付けられる層１０の表面部分に最高強度の放射線が達することを可能にする。最高強度の放射線は、縁部分２６を規定する区分３２下に位置付けられる粒子材料を、中央部分２４の粒子材料よりも迅速に結合させる。

第１の量よりも多い第２の量の反射性材料１８が、非結合部分２２を規定する区分３２上に印刷ヘッド３０によって堆積される。十分な量の材料１８が、これらの区分３２下に位置付けられる層１０の表面部分に対するいかなる放射線の伝達をも防ぐために設けられ得る。従って、これらの区分３２下に位置付けられる粒子材料は結合しない。

各個々の区分３２上の放射線強度の変化が本装置の第２実施形態に関連して記述してきたが、同じ効果が、反射性材料１８が基材１６上に印刷される第１実施形態に従う装置、各区分３２上における放射線入射強度を変えるために鏡３４が用いられる第３実施形態に従う装置、又は、放射線吸収材料５０が粒子材料の層１０の表面部分上に印刷される第４実施形態に従う装置を用いて実現され得ることが理解されるべきである。

反射性材料層が図６ｂに概略的に示される。該図における層厚の変化は、実際の層厚の変化を例示するのではなく、該材料の量の変化を示す。図において層が厚い箇所には実際には多量の材料が存在する。

次に図７を参照すれば、三次元オブジェクト３８を形成するために使用される図３の装置の概略図が示される。また、上述した装置の構成要素には、対応する参照番号が与えられる。

本装置は、複数の粒子材料層１０ａ〜１０ｅを結合させることによって三次元オブジェクト３８を形成するために使用される。例えばナイロン粉末等の粒子材料の補給が供給タンク４０に与えられ、コントローラＣは、粒子材料をタンク４０から結合装置４２内へと移動させることができるモーターＭを制御するように構成される。結合装置４２は、垂直可動プラットフォーム４４を収容する。プラットフォーム４４の運動は、プラットフォーム４４が、各層１０が形成された後、別個の工程で垂直下方に移動させられるようにコントローラＣによって制御される。

最初に、最上位置にあるプラットフォーム４４により、コントローラＣは、モーターＭを作動させ、プラットフォーム４４上に第１粒子材料層１０ａを供給する。次に、コントローラＣは、印刷ヘッド３０を作動させ、材料層１０の表面部分上へと所望パターンの反射性材料を堆積させる。あるいは、反射性材料１８は、上述したように、印刷ヘッド３０によって基材１６上に堆積させられ得、又は、デジタルミラーを用いて該面における強度入射が制御され得る。

コントローラＣは、次いで、放射線源１２を作動させ、反射性材料１８によって規定される、層１０の選択した表面部分上に放射線を供給する。図７に示されるように、放射線には結合部分２０にわたって、変化する強度が与えられて、この部分の材料が結合される。反射性材料１８は、非結合部分２２における材料の表面部分への放射線の伝達を少なくとも実質上防ぎ、非結合部分２２では材料は結合されず、粒子形態のままである。そのため、変化する量の反射性材料１８は、層１０の結合部分２０にわたって、変化する強度の放射線を与える。

第１層１０ａの結合部分の材料の結合が行われた後、コントローラＣは、放射線源１２の作動を停止し、上記所望層厚にほぼ等しい距離だけプラットフォーム４４を降下させる。コントローラＣは、次に、モーターＭを作動させ、以前に結合した材料部分を含む第１層１０ａに重なる第２層１０ｂの粒子材料を供給する。コントローラＣは、次いで、印刷ヘッド３０を作動させ、第２層１０ｂの表面部分上に反射性材料１８を堆積させる。第２層１０ｂの表面部分上に堆積された反射性材料１８の量及びパターンは、第１層１０ａ上に設けられた量及びパターンと同一であり得、又は、設計に応じて、もしくは高温計Ｐを用いて行われた表面温度測定に応じて異なり得る。次に、コントローラＣは、放射線源１２を作動させ、第２層１０ｂの表面部分にわたって放射線を供給させる。反射性材料１８は、該表面部分にわたって、変化する強度の放射線を与える。従って、第２層１０ｂの結合部分２０における材料は、結合させられ、また、以前に結合した第１層１０ａの材料部分とも結合する。そのため、隣接する層１０ａ、１０ｂは結合され、コヒーレントな（整合のとれた、もしくは凝集した、もしくは緊密に結び付いた）オブジェクト３８の一部を形成する。

コントローラＣは、この態様で作動し続け、オブジェクト３８の形成が完了するまで、粒子材料の層１０ｃ〜１０ｅを更に設けて、これらを結合させる。一旦コヒーレントオブジェクト３８が形成されたら、プラットフォーム４４は、結合オブジェクト３８、及び、オブジェクト３８を囲むいかなる残りの結合していない粒子材料をも装置４２から排出するために、コントローラＣによって上昇される。

また、本発明の他のどのような実施形態に従う装置も、三次元オブジェクト３８を形成するために使用され得ることが理解されるべきである。

図８は、層１０に相互に隣接して配置される異なる粒子材料Ｐ１とＰ２を結合させるための図１の装置の使用を示す。例示として、例えば銅である材料Ｐ１は、例えば鋼である材料Ｐ２よりも低い融点を有し得、従って、より低い温度の焼結によって結合し得る。材料Ｐ２の濃度（密度）は、移行勾配領域１９にわたって右から左へと低下する。材料Ｐ１の濃度は、移行勾配領域１９にわたって左から右へと低下する。

材料Ｐ１とＰ２間の勾配領域１９にわたる最適材料特性及び最低熱応力を保証するため、基材１６には、層１０の材料Ｐ１の上にある部分に多量の反射性材料１８が、材料Ｐ２の上にある部分に少量の反射性材料が、かつ、勾配領域１９上に図において左から右へと減少する量の反射性材料が設けられ得る。このように放射線強度を変えることにより、固定強度放射線源１２を用いて材料Ｐ１及びＰ２が異なる温度で加熱され、同時に結合されてコヒーレント層を形成する。

反射性材料層１８が図８に概略的に示される。該図における層厚の変化は、実際の層厚の変化を例示するのではなく、該材料の量の変化を示す。図において層が厚い箇所には実際には多量の材料が存在する。

本装置の第１実施形態が異なる粒子材料Ｐ１及びＰ２の結合に使用するために記述されたが、反射性材料１８が層１０の表面部分上に直接印刷される本装置の第２実施形態、選択的に放射線の方向を変える鏡３４を使用する本装置の第３実施形態、又は、放射線吸収材料５０が層１０の表面部分上に直接印刷される本装置の第４実施形態が代わりに使用され得ることが容易に理解される。

上記実施形態のいずれにおいても、放射線の吸収を高めるため、粒子材料に放射線吸収材料を加えることが望ましいであろう。この目的のため、例えばカーボンブラック等の材料が用いられ得る。

結果として生じるコンポーネントの材料特性を改善するため、セラミックフィラー（セラミック充填材）等の他の粒子材料が粒子材料に加えられ得る。

例えば図５に関連して上述したように異なる放射線吸収材料が用いられる場合、これらは、結果として生じるコンポーネントに所望の美的特性を与えるため、異なる色であり得る。

本発明の実施形態が種々の例に関連して上記欄において記述されたが、特許請求した本発明の範囲から逸脱することなく、与えられた例に対する種々の変更がなされ得ることが認識されるべきである。例えば、赤外線の使用が記述されたが、粒子材料をこれが焼結によって結合する温度まで高めることができるならば、赤外線以外の放射線が使用され得る。放射線源は、例えばＬＥＤ、走査レーザーもしくはハロゲン源等、どのような適切なタイプのものでもよい。上記実施形態によって結合される粒子材料は、金属、セラミック等、どのような適切な材料であってもよい。モーターＭ以外の装置は、供給タンク４０から結合装置４２へと粒子材料を移動させるために使用され得る。結合装置４２は、図示のものと異なる構成であり得る。いかなる数の異なる種類の粒子材料も層１０に設けられ得る。あるいは、異なる種類の粒子材料は隣接する層に設けられ得る。反射性材料１８は、基材１６の例示される上面ではなく下面に堆積され得る。反射性材料１８及び基材１６に対して異なる材料が使用され得る。放射線吸収材料５０に対していかなる適切な材料も使用され得る。例えば、液体懸濁液、及び／又は気体、例えば二酸化炭素が、粉末材料に代えて使用され得る。図４に関連して記載したデジタルミラー装置は、一連の回折光学部品で一部品が各層に対応するものによって取って代わられ得る。

上記詳細な説明において、特に重要であると考えられる本発明の特徴に注意を引きつけるように努力したが、出願人は、上述した及び／又は図示したいかなる特許性のある特徴及び特徴の組合せについても、これらが特に強調されたか否かとは無関係に、保護を請求することが理解されるべきである。

粒子材料を結合させるための装置の第１実施形態の概略図である。 粒子材料層の表面領域の概略平面図である。 粒子材料を結合させるための装置の第２実施形態の概略図である。 粒子材料を結合させるための装置の第３実施形態の概略図である。 粒子材料を結合させるための装置の第４実施形態の概略図である。 粒子材料層の表面部分の更なる概略平面図である。 図６ａの粒子材料層の側面図である。 三次元オブジェクトを形成するために用いられている粒子材料を結合させるための装置の概略図である。 異なる種類の粒子材料を結合させるために用いられている図１の装置の概略図である。

符号の説明

１０ 粒子材料層
１２ 放射線源
１４ オブスキューラ
１６ 放射線透過基材
１８ 放射線反射性材料
２０ 結合部分
２２ 非結合部分
２４ 中央部分
２６ 縁部分
２８ モーター
３０ 印刷ヘッド
Ｃ コントローラ

Claims (17)

1. 粒子材料を選択的に焼結させる方法であって、
   （ｉ）粒子材料層を設ける工程と、
   （ｉｉ）粒子材料層の選択した表面部分にわたって、供給される放射線の吸収を変えて、粒子材料層の粒子材料の一部を焼結させる工程と、
   （ｉｉｉ）以前に焼結した材料部分を含む先行する粒子材料層上に重なる更なる粒子材料層を設ける工程と、
   （ｉｖ）前記重なる更なる粒子材料層の選択した表面部分にわたって、供給される放射線の吸収を変えて、該更なる粒子材料層における粒子材料の更なる一部を焼結させると共に、該更なる一部を、前記先行する粒子材料層の以前に焼結した材料部分と一体に焼結させる工程と、
   （ｖ）工程（ｉｉｉ）と（ｉｖ）を連続的に繰り返して三次元オブジェクトを形成する工程とを含み、
   工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）における放射線吸収の変化は、前記先行する粒子材料層及び前記更なる粒子材料層それぞれの前記選択した表面部分に対し、ある量の放射線吸収性材料を供給することによって得られる方法。
2. 前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、前記選択した表面部分の第１領域に第１レベルの放射線吸収を与えると共に、該選択した表面部分における該第１領域に隣接する第２領域に異なる第２レベルの放射線吸収を与える工程を含む請求項１に従う方法。
3. 前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、前記選択した表面部分における第２領域に隣接する第３領域に異なる第３レベルの放射線吸収を与える工程を含む請求項２に従う方法。
4. 前記工程（ｉ）は、粒子材料層の前記第１領域に第１の粒子材料を設けると共に、第２領域に異なる第２の粒子材料を設ける工程を含む請求項２又は３に従う方法。
5. 粒子材料が焼結されるべき結合領域に放射線を供給する工程を含み、該結合領域は、中央部分と縁部分とを含み、工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、縁部分に中央部分よりも多い放射線吸収を与える工程を含む請求項１に従う方法。
6. 前記放射線の吸収は、中央部分での最小値から縁部分での最大値へと増加する請求項５に従う方法。
7. 前記放射線を供給する工程は、前記結合領域に隣接しかつ結合領域の外側にある非結合領域に放射線を供給する工程を含み、前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、非結合領域に対する放射線の吸収が結合領域の縁部分に対する放射線の吸収よりも少ないように、供給される放射線の吸収を変える工程を含む請求項５又は６に従う方法。
8. 前記非結合領域に対する放射線の吸収は、結合領域の中央部分に対する放射線の吸収よりも少ない請求項７に従う方法。
9. 前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、前記選択した表面部分の表面領域を区分のアレイへと論理的に分ける工程と、該アレイの異なる区分に異なるレベルの放射線吸収を与える工程とを含む請求項１〜８のいずれか一に従う方法。
10. 前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、前記表面領域を複数の区分に分けるビットマップイメージを作り出す工程を含む請求項９に従う方法。
11. 前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、前記選択した表面部分の第１領域上に第１波長の放射線を吸収するための放射線吸収材料を設ける工程と、該選択した表面部分の第２領域上に異なる第２波長の放射線を吸収するための放射線吸収材料を設ける工程とを含む請求項１〜１０のいずれか一に従う方法。
12. 当該方法は、前記第１領域の粒子材料を結合させるために粒子材料層に対して第１波長を有する放射線を供給する工程と、前記第２領域の粒子材料を結合させるために粒子材料層に対して第２波長を有する放射線を供給する工程とを含む請求項１１に従う方法。
13. 前記工程（ｉｉ）及び（ｉｖ）は、前記選択した表面部分上に放射線吸収材料を印刷することにより、粒子材料層の選択した表面部分上にわたって、変化する量の放射線吸収材料を設ける工程を含む請求項１〜１２のいずれか一に従う方法。
14. 粒子材料を焼結させるための装置であって、
    印刷ヘッドと、放射線に対する粒子材料層の表面部分の露出を可能にするためのコントローラとを備え、
    前記印刷ヘッドは放射線吸収材料を含み、
    前記コントローラは、前記印刷ヘッドを制御して粒子材料層に対しある量の放射線吸収材料を堆積させることにより、前記表面部分にわたる放射線吸収の変化を制御するように構成される装置。
15. 前記コントローラは、前記表面部分にわたる温度変化に応答し、該温度変化に応じて、ある量の放射線吸収材料の堆積を制御するように構成される請求項１４に従う装置。
16. 前記コントローラは、粒子材料層の表面部分上への異なる波長の放射線を吸収可能な異なる放射線吸収材料の直接の堆積を制御すると共に、異なる波長の放射線に対する該表面部分の露出を可能にするように構成される請求項１４に従う装置。
17. 粒子材料を選択的に焼結させる方法であって、
    （ｉ）粒子材料層を設ける工程と、
    （ｉｉ）粒子材料層に対して放射線を供給する工程と、
    （ｉｉｉ）粒子材料層の選択した表面部分にわたって、供給される放射線の吸収を変えて、粒子材料層の粒子材料の一部を焼結させる工程と、
    （ｉｖ）以前に焼結した材料部分を含む先行する粒子材料層上に重なる更なる粒子材料層を設ける工程と、
    （ｖ）工程（ｉｉ）と（ｉｉｉ）を繰り返して、前記重なる更なる粒子材料層における粒子材料の更なる一部を焼結させると共に、該更なる一部を、前記先行する粒子材料層の以前に焼結した材料部分と一体に焼結させる工程と、
    （ｖｉ）工程（ｉｖ）と（ｖ）を連続的に繰り返して三次元オブジェクトを形成する工程とを含み、
    前記工程（ｉｉｉ）は、粒子材料層の選択した表面部分上にある量の放射線吸収材料を設けることにより、粒子材料層の選択した表面部分にわたって該粒子材料での放射線吸収を変える工程を含む方法。

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