JP4964747B2 - 三次元物体の層状製造のための装置およびその光学系の調整方法 - Google Patents
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Description
装置1を動作するとき、造形材料が供給口30を介して造形空間10に供給され、そして、予め定められた量の材料が、投与装置28、29を用いて塗工装置27に供給される。塗工装置27は、造形材料の層を支持装置26上に又は前に固化された層の上に塗工し、ビーム9が、形成されるべき三次元物体に対応する位置において造形材料を選択的に固化するために、レーザ6とスキャナ8とを用いて造形平面11内の選択された位置に向けられる。その後、支持装置が1つの層の厚さだけ下げられ、新しい層が塗工され、その工程が、形成されるべき物体の全ての層が生成されるまで、繰り返される。
最初に、図示の実施の形態の装置の枠構造を図1に基づいて説明する。装置1は機械枠を有し、機械枠は3つの基礎ビーム2,3および4によって形成され、これら基礎ビームは交差支柱5によって互いに接続されている。すなわち、機械枠は、3つの基礎ビーム2,3、および4と、交差支柱5とから成る。3つの基礎ビーム2,3および4は、実質的に直立しており、図示の実施の形態において装置の3つの角を形成する。平面図において、装置1はしたがって実質的に三角形の輪郭を持つ。基礎ビーム2,3および4と交差支柱5は、外形が実質的に直角三角形の一つと対応し、斜辺が装置の前側を形成するように、配置される。交差支柱5は、実質的に水平で、堅く、ひずみ耐性機械枠が形成されるように、基礎ビームを接続し、その構成要素は、たとえ一方向の力が作用しても、それらの相対位置を変化しないか又はほんの最小だけそれらの相対位置を変化する。
次に、図1,図2及び図4に基づいて、光学系について更に詳細に説明する。レーザ6として設計された、エネルギ源は、図1から理解され得るように、機械枠の垂直基礎ビーム2の1つ又はそのような基礎ビームと平行に並べられ、それと調整可能に接続されている。レーザ6から出射されたビーム9は、管13を通って案内される。管13の一端はレーザ6のケーシングに接続され、管の他端はケーシング14に接続され、そのケーシングは偏向ミラー7と更なる構成要素とを密閉している。従って、ビーム9は、レーザ6から偏向ミラー7へ垂直方向に進む。ケーシング14は側壁14aを有し、その側壁は、図4から理解され得るように、ケーシング14から取り外され得る。図2は、側壁14aが取り外されたケーシング14を示す。
ビームを調整する可能な方法について説明する。
次に、図1、図2及び図4に関して、光学系の通気系について説明する。
容器2内の粉末床を加熱するため、特に、塗工されたがまだ固化されていない層を予め加熱するための加熱装置31は、図5に示されるように、造形平面11上の造形空間10に配置される。加熱装置は、例えば、赤外線ラジエータのような1つの放射暖房器又は複数の放射暖房機として設計され、それは(それらは)、造形材料の塗工層が一様に加熱されるように、造形平面11上に配置される。図示された実施の形態において、加熱装置31は、グラファイト板から構成される熱放射要素を持つ二次元ラジエータとして設計されている。図8から理解され得るように、熱放射要素は、ミアンダ構造を持つ。
図5に概略的に示されるように、図示された実施の形態において、投与装置28及び29の各々は、造形平面11の全体の幅上で、図5の面に対して直交する方向へ延在する、角張った板の形状に形成されている。投与装置28及び29は、造形平面11と平行に伸びる軸の周りのロールのように回転され得、投与装置28及び29の各々は、コンベア・ローラを表している。投与装置28、29は、塗工装置27の運動によって、それらがそれらの軸の周りの規定された角度だけ回転するように駆動されるように、形成される。
図5に関して、造形空間10内の投与装置28及び29の領域について説明する。
次に、この実施の形態における塗工系を図9及び図13に関して説明する。
この実施の形態における容器25の構成を図5及び図10に関連して説明する。図5において、容器内に配置された支持装置26を持つ容器25のみが概略的に示されている。
容器25内の支持装置26のガイドを、図11と関連して説明する。図5と関連して既に述べたように、支持装置26は、駆動装置によって容器25と相対的に垂直方向Kに移動され得る。支持装置26の上側は造形プラットフォーム78を形成し、その上で、形成されるべき三次元物体が層状に生成される。造形プラットフォーム78と容器25の内壁79との間には、支持装置26が容器25の内部で垂直方向に移動され得るような、大きさのギャップ80がある。造形材料が、造形プラットフォーム78の領域からギャップ80を介して、造形プラットフォーム78の下で容器25内の領域に達する危険がある。しかしながら、この造形材料の通過は望まれない。何故なら、駆動装置の汚染が起こり、結果として、保守作業が必要となるからである。
造形空間10の下領域41を、図5及び図6に関して説明する。図5において理解され得るように、チャンバー85が下領域41に形成され、チャンバー85は容器35の下側を囲っている。装置1を操作するとき、チャンバー85は、流体媒体で満たされる。この実施の形態において、流体媒体は気体である。特に、一実施の形態において、この気体は不活性気体であり、その不活性気体は、また、例えば、酸化によって、造形材料の劣化を防止するために上領域40においても使用される。
装置1への造形材料の供給を、図1、図12及び図15に関して説明する。図1から理解され得るように、装置1の後方領域において、造形材料を送り込む開口95が形成されている。開口95は供給口30に接続され、その供給口は造形空間10に通じ、図5に示されている。装置1において、開口95の領域に、ダクト96が形成されている。ダクト96を介して、造形材料が供給口30に供給される。この実施の形態において、供給は、落下送出による造形材料の固有の重量に基づいて引き起こされる。ダクト96の上領域は、図12に概略的に示されている。
記述した装置の変更が可能である。レーザの代わりに、他の光源、又は、例えば、電子源や他の粒子源のような異なったエネルギ源を使用しても良い。エネルギ源に応じて、他の光学系を使用しても良い。エネルギ源として電子源の場合、例えば、電磁レンズおよび偏向系を使用して良い。枠系の設計のような幾つかの記述された特徴は、又、例えば、インクジェットプリンタのような方法を使用した3D印刷用の装置や、マスク露光法において実現され得る。
Claims (21)
- 三次元物体を、該物体に対応する各層の位置で造形材料の層状の固化によって製造する装置(1)において、
前記造形材料を固化するためのビーム(9)を出射するエネルギ源(6)と、
前記ビーム(9)を造形平面(11)内の異なった位置に選択的に導くスキャナ(8)と、
前記エネルギ源(6)から来る前記ビーム(9)を前記スキャナ(8)へ偏向する偏向ミラー(7)とを有し、
前記エネルギ源(6)から前記スキャナ(8)への前記ビーム(9)は、外部から隔絶された空間(13、14)内を進み、前記隔絶された空間(13、14)の外部から調整され得る、前記偏向ミラー(7)の位置合わせのための調整機構(16)を備え、
前記エネルギ源(6)の位置合わせを調整するための調整機構(6b)を備えることを特徴とする装置。 - 請求項1の装置において、前記調整機構(16)は、レーザ焼結方法によって製造された、アクチュエータ(17、18)を有する、装置。
- 請求項1又は2の装置において、前記スキャナ(8)の位置合わせを調整するための調整機構(8b)を備える、装置。
- 請求項1乃至3のいずれか一つの装置において、前記エネルギ源(6)はレーザであり、前記レーザ(6)と前記偏向ミラー(7)と前記スキャナ(8)とは、前記レーザ(6)の出口からの前記ビームが、更なる偏向なしで前記偏向ミラー(7)へ進み、前記偏向ミラー(7)から前記スキャナ(8)の入口へ更なる偏向なしで進む、ように配置されている、装置。
- 請求項1乃至4のいずれか一つの装置において、前記エネルギ源(6)は、前記装置(1)の機械枠(2、3、4、5)の基礎ビーム(2)に実質的に垂直に配置されている、装置。
- 請求項1乃至5のいずれか一つの装置において、前記エネルギ源(6)から前記偏向ミラー(7)への前記ビーム(9)は、管(13)を介して進み、該管(13)の端で前記偏向ミラー(7)と面するシャッター(15)が備えられる、装置。
- 請求項6の装置において、前記偏向ミラー(7)から前記スキャナ(8)への前記ビーム(9)は、ケーシング(14)を介して進み、前記シャッター(15)は、前記ケーシング(14)の可動側壁(14a)が取り外されたとき、前記光学通路を遮断する、装置。
- 請求項1乃至7のいずれか一つの装置において、前記装置内に、前記ビーム通路を調整するために前記ビーム(9)に挿入され得る、少なくとも1つの内蔵型アパーチャ要素(19、20、21)を備える、装置。
- 請求項8の装置において、前記アパーチャ要素(19、20、21)は、前記偏向ミラー(7)と前記スキャナ(8)との間に配置されている、装置。
- 請求項8又は9の装置において、前記アパーチャ要素(19、20、21)は、前記光学通路に移動され得る、機械的アパーチャによって形成されている、装置。
- 請求項8乃至10のいずれか一つの装置において、前記偏向ミラー(7)と前記スキャナ(8)との間の前記ビーム(9)は、ケーシング(14)を介して進み、前記アパーチャ要素(19、20、21)は前記ケーシング(14)内に配置されている、装置。
- 三次元物体を、該物体に対応する各層の位置で造形材料の層状の固化によって製造する装置(1)におけるビーム通路を調整する方法であって、
前記ビーム(9)を生成するエネルギ源(6)と、偏向ミラー(7)を介して造形平面(11)内の位置に前記ビーム(9)を選択的に導くスキャナ(8)との間のビーム通路を発生するステップであって、前記偏向ミラーは前記エネルギ源(6)と前記スキャナ(8)との間の外部から隔絶された空間(13、14)内に配置されている、ステップと、
前記隔絶された空間(13、14)の外部から前記偏向ミラー(7)の位置合わせを調整するステップと、
を含み、
前記偏向ミラー(7)の前記位置合わせの調整に追加して、前記スキャナ(8)及び/又は前記エネルギ源(6)の位置合わせの調整がなされる、ことを特徴とする方法。 - 請求項12の方法において、前記装置に内蔵されたアパーチャ要素(19、20、21)が、前記ビーム通路の発生の前に、前記ビーム(9)に挿入される、方法。
- 請求項13の方法において、前記アパーチャ要素(19、20、21)は、前記偏向ミラー(7)と前記スキャナ(8)との間で前記ビーム(9)に挿入される、方法。
- 請求項12の方法において、前記ビーム径を制限する、ビーム案内光学部品類の要素がアパーチャ要素として使用される、方法。
- 請求項12又は13の方法において、パワー測定装置が前記造形平面(11)内に置かれ、前記偏向ミラー(7)及び/又は前記スキャナ(8)及び/又は前記エネルギ源(6)の位置合わせは、前記パワー測定装置が前記ビーム(9)の最大パワーを示すまで、変化される、方法。
- 三次元物体を、該物体に対応する各層の位置で造形材料の層状の固化によって製造する装置(1)におけるビーム通路を調整する方法であって、
前記ビーム(9)が、造形平面(11)内の造形領域の周囲の複数の選択された目標点に導かれるように、スキャナ(8)を駆動して、前記ビームの入射点を検出するステップと、
要求される位置(111)に関して前記ビーム(9)の前記入射点の相対的位置を測定して、偏向ミラー(7)及び/又は前記スキャナ(8)の必要な再位置合わせを計算するステップと、
前記計算した値に従って、前記偏向ミラー(7)及び/又は前記スキャナ(8)の位置合わせを調整するステップと
を含み、
前記エネルギ源(6)の位置合わせの調整が付加的になされる、ことを特徴とする方法。 - 請求項12乃至15のいずれか一つの方法において、
前記ビーム(9)が、前記造形平面(11)内の造形領域の周囲の複数の選択された目標点に導かれるように、前記スキャナ(8)を駆動して、前記ビームの入射点を検出するステップと、
要求される位置(111)に関して前記ビーム(9)の前記入射点の相対的位置を測定して、前記偏向ミラー(7)及び/又は前記スキャナ(8)の必要な再位置合わせを計算するステップと、
前記計算した値に従って、前記偏向ミラー(7)及び/又は前記スキャナ(8)の位置合わせを調整するステップと
を含む方法。 - 請求項17又は18の方法において、前記造形平面(11)における前記ビーム(9)の前記入射点から、前記各要求される位置からの前記造形領域の周囲の前記選択された目標点の間のずれは、補間によって決定される、方法。
- 請求項17乃至19のいずれか一つの方法において、前記スキャナ(8)の位置合わせは、前記造形平面に関するその位置を調整することによって、機械的に実行される、方法。
- 請求項17乃至19のいずれか一つの方法において、前記スキャナ(8)の位置合わせは、前記スキャナ(8)を駆動したとき、前記目標点が前記検出された入射点に基いて修正されるように、実行される、方法。
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