JP6067852B2 - 三次元物体を層状に製造する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元物体を層状（layer by layer）に製造する装置及び方法に関し、特に、エネルギーを作用させながら物体断面に対応する位置で構成材料を凝固することにより層状に三次元物体を製造する装置及び方法に関する。

このような選択的レーザ焼結法（selective laser sintering）および関連装置によって実施する方法は、特許文献１によって知られている。この文献によれば、最初に、塗布装置（applicator）を用いて粉末状の構成材料を薄い皮膜で塗布してからレーザ光を照射して物体の断面に対応する位置を凝固する。なお、三次元物体の製造が完成するまでこれら二つの工程を繰り返し行う。塗布と凝固間の粉末を放射加熱によって予熱しておくことで完成品の処理安定性と品質を向上させている。温度測定部と放射加熱の電力は、フィードバック制御と対応させている。

製造した物体の品質は、使用する粉末の種類によって変わる。特に溶融粘度が増大する粉末で物体を製造すると表面に凹凸が生ずる（すなわち、製造された物体の表面の窪みは、一般に「オレンジの皮（orange peel）」と呼ばれる。）ので物体の品質が低下する。

課題を解決するために、特殊な粉末は開発されているが、高価であるためコストアップになる。また、そこから製造された成分の機械特性が劣っている。

さらに、アプリケータブレード（applicator blade）用の特殊な幾何学的形状によって窪みの発生を低減させる方法が提案されている。ただし、これには、既存の装置を改良する必要がある。

引用文献２には、ステレオリソグラフィ（stereo-lithography）を用いて三次元物体を製造する方法において、コア（core）領域とマントル（外被:mantle）領域に分割しながら該物体を製造することが開示されている。マントル領域は、高精密で高い品質の表面を有することが重要なので、全面に層を塗布した後に凝固する。コア領域では、変形を小さくさせることと、構築時間の短縮が重要なので、ハニカム構造のみ凝固する。特別な実施形態では、マントル領域では、最初に材料の複数の層が塗布され、凝固される。マントル領域において複数連続塗布と凝固が行われた後、コア領域の材料が凝固される。前述の方法は全て液状の材料について開示しているが、代替的に粉末状の材料も示されている。ただし、この文献は、窪みが発生する問題があることを一切言及していない。

ＤＥ １０ ２００５ ０２４ ７９０ Ａ１ ＤＥ ４３ ０９ ５２４ Ｃ２

本発明の目的は、一般の粉末や一般の幾何学的形状を有するブレードを用いても、特に窪みが生成されることがない高品質の表面が得られるような構成材料を層状に凝固することができる三次元物体を製造する装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、請求項１の特徴を有する方法、請求項１１の特徴を有する装置及び請求項１６の特徴を有するコンピュータプログラムによって達成される。さらなる発展的な発明は、従属請求項にその特徴が記載されている。

驚くべきことに、塗布ステップを二つ以上の連続的な塗布ステップによって塗布しながら層を凝固させると、表面の品質が改善され、且つ、より窪み（オレンジの皮）を少なく生成する成分を得ることができることが判明した。

本発明のその他の特徴及び利便性については、添付図面に基づく以下の実施形態の説明から明らかとなろう。

本発明を実施するのに適する層状に三次元物体を製造する方法の概略図及び部分断面図を示す。 図１の破線で囲った断面部分の拡大図と本発明の実行中の状態を示す。 図１の破線で囲った断面部分の拡大図と通常の方法による比較方法の実行中の状態を示す。 図２と同様の断面拡大図と改良した方法による本発明の実行中の状態を示す。 図２と同様の断面拡大図とその他の改良した方法による本発明の実行中の状態を示す。

図１を参照しながら本発明の装置の実施形態を説明する。図１に示す装置は、レーザ焼結装置１である。物体２を構築するための処理容器（process chamber）３は、外側を処理容器の壁（chamber wall）４によって規定され、その内側に物体２の構築空間を備えている。

処理容器には、上部を開放した容器が配置されており、構築容器の上縁部と実質的に並行な位置に上面を有する支持体６を備えている。支持体６は、物体２を支持しながら製造できるように設けられており、図１の二重垂直矢印Ｖで示されているように、高さ調整部（図示省略）に沿って垂直方向に移動可能である。支持体６は、凝固されるべき各層の上面の作業面７内で垂直方向に調整可能である。図１は、粉末構成材料の複数の層が既に選択的に凝固された後、凝固されていない構成材料８が物体２の周りに残存している中間状態を示している。

レーザ焼結装置は、電磁放射により凝固させることができる粉末状の構成材料１１を収容するためのリザーバ１０と、作業面７に構成材料１１を塗布するための塗布装置１２を備えている。図１に示す塗布装置１２は、作業面と並行に二重水平矢印Ｈに沿って水平方向に移動可能である。

レーザ焼結装置はさらに、レーザ光１４を発生するレーザ１３を有している。レーザ光１４は、偏向部１５で偏向され、処理容器３の壁内の結合窓（coupling window）１７を介して集束装置１６によって作業面７の所定のポイント又は作業面７の直下に集束される。

粉末を予熱するために、輻射加熱部１８が設けられている。また、好ましくはポイントパラメータ（point parameter）によって構成され温度測定部１９が設けられている。

最後に、制御部２０が設けられており、制御部２０によって構築処理を行うために、装置の構成要素が協調的に制御される。とりわけ、制御部２０は、支持部６の垂直運動と塗布装置１２の水平運動及び偏向部１５を制御することができる。さらに、集束装置１６とレーザ１３の強度と放射加熱１８の電力も制御される。温度制御のために、制御部２０は、温度測定部１９の測定結果を受信することができる。制御部は、CPUを有しており、その動作はコンピュータプログラムによって制御される。

レーザ焼結装置１の動作によって三次元物体を製造する発明について図２を参照しながら説明をする。

図２は、図１の破線で囲んだ部分Ａの拡大図を示す。凝固されていない粉末８によって、部分的に完成した物体２は囲まれている。粉末は凝固されると体積が減少するから、物体２の表面は凝固されていない粉末８の下になり、この位置に窪み(indentation)３０が形成される。

厚さｈの粉末層を塗布するために、まず、支持体６の高さを所望の層の厚さｈよりも低い第１高さｈ１まで下げておく。ここで、塗布装置１２を用いて、粉末状構成材料１１の形態の第１層３２を塗布する。塗布は少なくとも対象の物体の全断面領域、好ましくは対象物体の全構築領域に亘って行われる。第１の粉末副層(即ち、第１の部分粉末層)３２の厚み、つまりｈ１は、窪み３０を充填している部分以外の厚みである。これにより、第１の粉末副層３２の平坦な表面が得られる。

レーザ１３による第１の粉末副層３２、又は、層の部分領域の露光を行うことなく、支持体６を所望の厚みｈより低い第２の高さｈ２まで下げることによって、第１高さｈ１と共に所望の厚みｈを得ることが可能になる（ｈ＝ｈ1＋ｈ2）。ｈ１及びｈ２は、ｈの高さの半分（ｈ１＝ｈ２＝ｈ／２）になるように同じ高さであることが好ましいが、必ずしも等しくなくても良い。ここで塗布装置１２を用いて、粉末状構成材料１１の第２の層３３が塗布される。第２の粉末副層(即ち、第２の部分粉末層)３３の塗布についても、少なくとも対象の物体の全断面領域、好ましくは形成する全構築領域に亘って塗布が行われる。この第２の粉末副層３３の厚みはｈ２となるので、新たに塗布された粉末１１の全厚みは、すなわち、層１１と層３３の合わせた厚みがｈとなる。従って、平坦な表面の第２の粉末副層３３が作業面７に形成される。

レーザ１３による露光前に、二つの粉末副層３２及び３３のうち新たに塗布された粉末１１は、予め所望の処理温度にしておく必要がある。粉末の加熱は、上述したことから、輻射加熱１８によって達成されることが可能であり、実際には、二つの層の間及び第２の層を塗布した後に輻射加熱によって達成される。粉末の温度は、温度測定部１９によって測定され、粉末温度のフィードバック温度制御の手法で、輻射加熱を制御する制御部２０に転送される。温度測定部１９の測定領域は、レーザ光１４によって粉末が凝固されない粉末副層の部分に向けられておくことが好ましい。短時間で必要な処理温度に到達するために、温度フィードバック制御は、二つの塗布処理間の時間中省略されることができ、この間に、代わりに、輻射加熱が一定の電力で行われる。

図３は、比較のために実施した方法であり、塗布されるべき一つの層を二つ以上の層に分割することは行われていない。本発明の方法と同一パラメータ及び手順の説明は省略する。図３は、図２と同様に図１の点線で囲んだ部分Ａを拡大表示している。部分的にしか完成していない物体２の上端、凝固された粉末８並びに窪み３０は、図２と同様であり、従って再度説明はしない。厚さｈを有する粉末層を塗布するための比較方法によれば、支持体６は、高さｈだけ低くなっている。塗布装置１２を用いて新たな層３１に塗布を行い、厚みは支持体の低さと対応している、すなわちｈである。従って、新たな粉末層３１の上面が作業面７内にある。

レーザ１３による露光を行う前に、新たに塗布された粉末層３１の表面は、再度輻射加熱によって必要な処理温度にする。

本発明の方法は、同じ材料及び同じ物体を製造した場合、本発明の方が、比較例と比べて、確実に一連の層の平滑化工程が得られ、尚且つ、確実に窪みが減少するので、表面の品質が確実に向上する。従って、溶融粘度が増大するような粉末を使用しても十分な品質を有した表面を得ることができる。処理時間を決定する二つの層を加熱するために要する時間は、比較法で合計層を加熱するのに要する時間と同じオーダーの合計であるから、物体の製造時間は、増加又は大幅に増加しない。

二つの粉末副層を塗布することは、カバーされる領域に亘って上述の支持体を２度低く及び塗布装置を２度移動させることによって行われる。本発明の変形例を概略的に図４及び５に示す通り、支持体を一回低くしたり、塗布装置を一回移動させたりすることによって達成可能である。

図４に示すように、移動方向に前後に配置された二つの副層用塗布装置（部分層用塗布装置）１２ａ、１２ｂを有する塗布装置が使用される。支持体は、層の全高ｈ（ｈ１＋ｈ２）分下げて塗布される。移動方向に前方副層用塗布装置１２ａは、第１の粉末副層３２の厚さｈ１に対応する以前に塗布された層状の高さに調整され、第２の副層用塗布装置１２ｂの高さに調整され、二つの粉末副層３２，３３の厚さの和（ｈ１＋ｈ２）と対応している。二つの副層用塗布装置の高さの差は、この第２の粉末副層３３の厚さｈ２に対応している。副層用塗布装置の前に塗布される粉末は、副層用塗布装置によって層３２，３３を平滑に伸ばしておく。従って、第１の粉末副層３２の直前の位置に、第２の粉末副層３３を形成することができる。これらを可能にするために、加熱は２層を塗布している間に行うのが効果的であり、加熱要素１８ａ，１８ｂは、それぞれの副層用塗布装置１２ａの移動方向の後方に配置され、副層用塗布装置と共に移動する。加熱要素は、例えば、放射加熱によって形成されてもよい。

さらなる別の実施形態が図５に示されている。ここで、塗布装置は、二つのブレード（blade）と、ブレードの間で粉末を塗布するためのリザーバ（reservoir）を備えている。後方ブレードで粉末を移動方向に広げることによって、平滑な層３２，３３を形成する。また、本実施形態では、移動方向に対して、加熱要素１８ａ，１８ｂが各副層用塗布装置１２ａ，１２ｂの後方に備えられている。

二つの実施形態を用いた場合、塗布装置を別の方向に動かすことが可能である。まず、二つの副層用塗布装置の高さ位置が調節されなければならない。これは、前の前方副層用塗布装置は、今度は後方副層用塗布装置になり、この逆もありうるからである。さらに、加熱要素は、それぞれ移動方向に対して副層用塗布装置の後方になるように設けなければならない。これは、単一の加熱要素をずらすか、又は対応する副層用塗布装置の両側に加熱要素を設けることによって達成することができる。

粉末の特性、層の厚み及び粉末の温度等に用いる処理パラメータ及び完成した物体の品質要件に応じて、塗布される粉末層を細分化させておくことや、露光を行う前に互いに連続的に塗布される２以上の粉末副層を露光させておくことが望ましい。所望の高さとは、個々の粉末副層（ｈ＋ｈ１＋ｈ２＋．．．＋ｈｎ）の高さの合計である。高さｈ１からｈｎまで互いに等しくしてもよく或いは異なってもよい。加熱は、これらの個々の粉末副層の各層の塗布後に行われる。温度フィードバック制御部は、第１の粉末副層と最後の粉末副層の塗布の間は類似の方法で省略することが可能になり、この時輻射加熱は、その最大電力で動作させることができる。層の塗布に関する別の実施形態では、このような場合の塗布装置は、三つ以上の副層用塗布装置及び加熱要素を有している。

最後の粉末副層(部分粉末層)を塗布した後にだけ凝固された一つ以上の薄い粉末薄層にすることによって表面品質を改善する層の細分化(一連の層の平滑化工程及び窪みの回避)は、製造されるべき物体の外側輪郭に沿った周辺領域において特に重要である。材料の凝固は各層を塗布後のコア領域において行われ、他方、周辺領域又は外側輪郭においては最後の層の塗布後にだけ行われる。

本願は、レーザ焼結装置を参照して説明しているが、必ずしもレーザ焼結に限定されるものではない。

本願は、エネルギーの供給により粉末状構成材料を塗布し、選択的に凝固することによって三次元物体を製造するための任意の方法にも適用させることが可能である。レーザの代わりに、例えば、発行ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤアレイ、電子光、又はその他のエネルギー又は粉末構成材料を凝固するのに適した放射線源を用いてもよい。

本発明は、レーザ光の代わりに、マスク及び拡張光源(extended light source)を用いた選択マスク焼結を適用しても良いし、吸収(absorption)或いはインヒビション(inhibition)焼結にも適用できる。特に、本発明は、一般に塗布及び粉末状構成材料の選択的凝固のみで物体の全体を製造することに関する。

全てのタイプのプラスチック粉末が構成材料として使用可能である。適切なプラスチック粉末は、ポリアミドであり、例えば、ＰＡ１１又はＰＡ１２、及びＰＥＥＫなどのポリエーテルケトン又はポリアリルエーテルケトンであってもよい。特に、本発明は、レーザ焼結では劣化の激しい未調整のポリアミドに使用できる。

１ レーザ焼結装置
２ 物体
３ 処理容器
４ 処理容器の壁
６ 支持部
７ 作業面
８ 構成材料（粉末）
１０ リザーバ
１１ 構成材料（粉末）
１２ 塗布装置
１２ａ，１２ｂ 副層用塗布装置（部分層用塗布装置）
１３ レーザ
１４ レーザ光
１５ 偏向部
１６ 集束装置
１７ 結合窓
１８ 輻射加熱
１８ａ，１８ｂ 加熱要素
１９ 温度測定部
２０ 制御部
３０ 窪み
３１ 粉末層
３２ 第１の粉末副層（第１の部分粉末層）
３３ 第２の粉末副層（第２の部分粉末層）
Ａ 破線部分
Ｖ 二重垂直矢印
Ｈ 二重水平矢印
ｈ 高さ
ｈ１ 第１の高さ
ｈ２ 第２の高さ

Claims (16)

1. 構成材料としてプラスチック粉末を順次層状に塗布し、エネルギーを与えて選択的に凝固させることによって三次元物体を層状に製造する方法であって：
   所定の高さ（ｈ）を有する前記構成材料（１１）の層（３２，３３）を支持体（６）又は、少なくとも以前に選択的に凝固された構成材料の層の上に塗布するステップと、
   エネルギー源（１３）からエネルギー（１４）を供給して、製造されるべき物体の断面に対応する位置に塗布された層を、前記構成材料を選択的に凝固させるステップを備え、
   所定の高さ（ｈ）を有する層を塗布する前記ステップは、前記所定の高さ（ｈ）よりも低い第１の高さ（ｈ１）を有する第１の粉末副層（３２）を塗布するステップと前記所定の高さ（ｈ）よりも低い第２の高さ（ｈ２）を有する第２の粉末副層（３３）を前記第１の粉末副層（３２）の上に塗布するステップに分割され、
   塗布した前記粉末副層（３２，３３等）の高さの合計と所定の高さ（ｈ）は一致しており、
   第１の粉末副層を塗布するステップと第２及びさらなる粉末副層を塗布するステップとの間に、最後に塗布された粉末層が加熱され、
   前記第１の粉末副層（３２）を塗布するステップ及び前記第２の粉末副層（３３）及びさらなる粉末副層を塗布するステップであって製造されるべき前記物体の少なくとも周辺領域を塗布するステップの間では、前記構成材料を選択的に凝固するエネルギーが与えられないことを特徴とする層状に三次元物体を製造する方法。
2. 前記第１の粉末副層（３２）を塗布するステップ及び前記第２の粉末副層（３３）及びさらなる粉末副層を塗布するステップの間において、製造されるべき前記物体の全断面において、前記構成材料を選択的に凝固するエネルギーが与えられないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記構成材料（１１）の塗布された層（３２，３３）の温度が測定され、さらに、加熱された塗布層（３２，３３）は、塗布された層の前記測定温度に依存してフィードバック制御される請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記粉末副層（３２，３３）の塗布処理及び一定の電力によって加熱が行われている間では、前記温度の前記フィードバック制御が中断される請求項３に記載の方法。
5. 前記エネルギーは、レーザの放射等による電磁放射の態様によって与えられる請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記構成材料としての前記プラスチック粉末は、ＰＡ１１又はＰＡ１２を含むポリアミド、ＰＥＥＫを含むポリアリルエーテルケトン、及び未調節のポリアミドのいずれかである請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記所定の高さ（ｈ）の層は、同じ高さ（ｈ／２）を有する二つの粉末副層に分割して塗布される請求項1から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記所定の高さ（ｈ）の層塗布は、三つ以上の粉末副層に分割して塗布される請求項1から６のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記二つ以上の粉末副層（３２，３３）の塗布は、前後に並べられた二つ以上の塗布装置（１２a，１２ｂ）を水平移動させることによって行われる請求項1から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前後に並べられた前記二つ以上の塗布装置（１２a，１２ｂ）の水平移動中及び、前記二つ以上の塗布装置を反対方向に移動中に、前記二つ以上の粉末副層（３２，３３）の塗布が行われ、さらに、個々に粉末副層塗布装置の高さ位置が移動方向の変更に応じて変化される請求項９に記載の方法。
11. 前記構成材料を塗布し、選択的にエネルギーを与えて順次凝固させることによって三次元物体を層状に製造する装置であって：
    物体（２）を構築するための支持体（６）と、
    前記支持体又は前に少なくとも選択的に凝固された構築材料の層の上で前記構成材料（１１）の層の塗布を行うための塗布装置（１２）と、
    エネルギー(14)を供給して前記構成材料の前塗布層にするエネルギー源と、
    層の塗布及びエネルギーの供給を制御する制御部（２０）を備え、
    前記制御部は、コンピュータ制御によって動作するCPUを有し、
    前記制御部は、請求項１〜１０のいずれか1項に係る方法を実行するために、前記装置を制御するように構成されている装置。
12. 前記構成材料の塗布層（３２，３３）を加熱するための放射加熱（１８）を備えている請求項１１に記載の装置。
13. 前記構成材料の塗布された層の温度測定をするための温度測定部（１９）を備え、前記温度測定部（１９）は、ポイントパイロメータ（point pyrometer）である請求項１２に記載の装置。
14. 前記エネルギー源は、レーザ等による電磁放射のエネルギー源である請求項１１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 塗布装置（１２）は、移動方向に対して並んで備えられている二つ以上の副層用塗布装置（１２ａ，１２ｂ）を含む請求項１１から１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 実行されると、請求項１から１０のいずれか1項に記載の方法を実行して、前記構成材料を塗布し、選択的に凝固させて三次元物体を層状に製造する製造装置を制御するコンピュータプログラム。

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