(57)【要約】【課題】３次元物体の成形時間の短縮を可能とする製造装置および方法の提供。【解決手段】３次元物体〈３〉の各断面に相当する各位置において、粉末材料の層（２５、２６）を固化することにより、三次元物体〈３〉を製造するための装置および方法である。本装置は、塗工装置（２４）を有し、この塗工装置は、作業領域（５）の上方で移動可能であり、作業領域（５）内で粉末材料（２７）の層を塗工するために用いられる。塗工装置（２４）は、塗工装置（２４）と剛接続された剛体ブレード（２１ａ、２１ｂ）を用いて構成される。塗工装置（２４）には、粉末材料（２７）を予熱するために、塗工装置に少なくとも部分的に組み込まれたヒータ（２０、２３）が設けられる。これにより、層の塗工中あるいは塗工前に、粉末を予熱することができ、その結果、三次元物体（３）を形成するために必要な時間が短縮される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の各断面に相当する各位置に粉末材料の層を固化することにより３次元物体を製造するための装置における、粉末層を塗工するためのリコータにおいて、
前記リコータ（８、２４、３０、４０）は、前記リコータ（８、２４、３０、４０）に剛接続された剛体ブレード（２１ａ、２１ｂ；３４；４１ａ、４１ｂ）を有し、
前記リコータ（８、２４、３０、４０）は、少なくとも部分的に前記リコータに組み込まれた、前記粉末材料を予熱するための加熱装置（２２、２３；３１、４６）を有することを特徴とするリコータ。
【請求項２】
前記ブレード（２１ａ、２１ｂ；３４；４１ａ、４１ｂ）を加熱するための加熱装置（２０、３１、４６）を有することを特徴とする請求項１に記載のリコータ。
【請求項３】
前記リコータ（８、４０）は、予熱したガスにより前記粉末材料を流動化するための装置（４２、４３、４４、４５、４６）を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリコータ。
【請求項４】
前記リコータの外側に、前記ガスを予熱するための装置を設けたことを特徴とする請求項３に記載のリコータ。
【請求項５】
前記ガスを予熱するための装置を前記リコータに組み込んだことを特徴とする請求項３に記載のリコータ。
【請求項６】
前記リコータ（２４、４０）は、貯留チャンバ（２２、４８）を有し、前記貯留チャンバの壁部が前記加熱装置（２０、４６）により加熱可能にされたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のリコータ。
【請求項７】
前記リコータ（２４、３０、４０）は、抵抗ヒータ（２０、２３；３１；４６）を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリコータ。
【請求項８】
前記リコータ（８）は、前記粉末を予熱するための放射ヒータを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のリコータ。
【請求項９】
前記リコータ（８、２４、３０、４０）の温度を制御可能な制御装置（１７）を更に有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のリコータ。
【請求項１０】
物体の各断面に相当する各位置に粉末材料の層を固化することにより、３次元物体を製造するための装置であって、
成形領域（５）上を移動可能な、請求項１乃至９のいずれかに記載のリコータ（８、２４、３０、４０）を有することを特徴とする装置。
【請求項１１】
３次元物体を製造する方法であって、
（ａ）  リコータ（８、２４、３０、４０）によって、成形領域の表面上に粉末材料の層（２５）を塗工し、
（ｂ）  電磁放射線または粒子放射線を導くことにより、物体の断面に相当する各位置に前記層（２５）を固化し、
（ｃ）  前記３次元物体（３）が完成するまで前記ステップ（ａ）および（ｂ）を繰り返すステップを有する方法において、
ステップ（ａ）において前記層（２５）を塗工する前あるいは塗工中に、前記リコータ（８、２４、３０、４０）に少なくとも部分的に組み込まれた加熱装置（２０、２３；３１；４６）により、前記粉末材料（２７、３２、４７）を予熱することを特徴とする方法。
【請求項１２】
ステップ（ａ）において、加熱可能なブレード（２１ａ、２１ｂ；３４；４１ａ、４１ｂ）を備えたリコータ（２４、３０、４０）を用い、前記リコータ（２４、３０、４０）を前記成形領域（５）上で移動させることにより前記粉末材料（２７、３２、４７）を塗工し、
塗工中に、加熱された前記ブレード（２１ａ、２１ｂ；３４、４１ａ、４１ｂ）を介して前記粉末材料（２７、３２、４７）の予熱を行なうことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ（ａ）において、流動チャンバ（４８）を備えたリコータ（４０）を用いて前記粉末材料（４７）を塗工し、
前記層の塗工前または塗工中に、予熱ガスを用いた流動化の間に前記流動チャンバ（４８）内で前記粉末を予熱することを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記リコータ〈２４、３０、４０〉は、抵抗ヒータ（２０、２３；３１；４６）を有し、前記リコータ（２４、３０、４０）の、前記抵抗ヒータ（２０、２３；３１；４６）により加熱される部分との接触により、前記粉末（３２、２７、４７）の予熱が行われることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記粉末の予熱は、前記リコータ〈８〉に組み込まれた放射ヒータにより行われることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の序文に記載された粉末層を塗工するためのリコータ(recoater)に関し、また、請求項１または１１の序文に記載された、３次元物体製造装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末層を塗工するためのこの種のリコータと、３次元物体を製造するためのこの種の装置およびこの種の方法が、特許文献１により知られている。しかしながら、上記特許に記載されたレーザ焼結装置は、粉末材料を予熱するための装置を備えていない。
【０００３】
特許文献２に記載されたレーザ焼結装置は、粉末層を塗工するための非加熱式リコータと、成形領域(building area)上方の側方に設けられ、成形領域上に新たに塗工される低温粉末層を予熱するための放射ヒータとを有する。この装置は、粉末材料が成形領域に塗工されてからでなければ粉末材料を予熱できないという問題がある。したがって、粉末材料を予熱するのに必要な時間だけ総成形時間が長くなる。リコータが成形領域上をまだ移動している間は、塗工された粉末層の部分的な遮蔽もまた生じ、その結果として、粉末の予熱が均一に行われないことになる。
【０００４】
特許文献３により、液体材料を層状に固化することにより３次元物体を製造するための装置が知られている。この装置において、可撓性ワイパーが、流体浴の表面の凹凸を滑らかにする役割を果たす。ワイパーには、層厚調整を促進するための加熱部材が設けられている。
【０００５】
特許文献４により、粉末材料の層を固化することによって３次元物体を製造するための装置および方法が知られている。ここでは、まず、粉末材料の層を表面に塗工し、次に、ローラを用いて、この層を予め定められた厚さまで圧縮する。この圧縮中に、粉末層を凝集塊に変換させるために、ローラを加熱する。
【０００６】
【特許文献１】ドイツ特許第１９５１４７４０号（ＤＥ１９５１４７４０）
【特許文献２】ヨーロッパ特許訂正公報第０７６４０７９号（ＥＰ０７６４０７９Ｂ２）
【特許文献３】ドイツ特許公開公報第４１３４２６５号（ＤＥ４１３４２６５Ａ１）
【特許文献４】国際公開公報第８７／０７５３８号（ＷＯ８７／０７５３８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、粉末材料の層を固化することによって３次元物体を製造するための装置および方法であって、３次元物体の成形時間の短縮を可能とする、３次元物体の製造装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１に記載のリコータと、請求項１０または１１に記載の、粉末材料の層を固化することによって３次元物体を製造するための装置および方法によって達成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、層を塗工前あるいは塗工中に、既に、粉末材料の予熱が行われるという利点を有する。したがって、層を塗工し終わったとき、粉末材料は既に予熱されており、これにより、３次元物体を製造するための成形時間を大幅に短縮することが可能になる。なぜならば、新たに塗工される層の予熱時間を省くか、あるいは、少なくとも大幅に短縮することができるからである。
【００１０】
本発明はさらに、成形領域に既に塗工された層の粉末予熱に必要な加熱パワーを低減することができるという利点を有する。その結果、塗工された層を加熱するための加熱装置の制御要件を緩和し、さもなければ必要となる高加熱パワーを用いたサイクルによる粉末の予損傷を減少させる。
【００１１】
本発明にはさらに、粉末材料の予熱が層全体にわたって均一に行われるという利点がある。層を塗工した後、放射ヒータを用いた粉体床の予熱中に、照射が部分的に反射され、これにより、層内に温度勾配が生じ、表面における過熱の恐れがある。しかしながら、本発明によるリコータを用いることによって、粉末材料は全体に均一に加熱される。
【００１２】
層を塗工する前に既に粉末材料が予熱されているということは、粉体床と新たに塗工される層との間に大きな温度差が生じないという利点をもつ。すなわち、バイメタル効果などの望ましくない熱的効果を回避することができる。さらに、これにより、プロセス・ウィンドウを拡大することができる。
【００１３】
加熱式リコータには、さらに、リコータと粉体床との熱的接触(thermal contact)によって、熱エネルギーが粉体床から散逸しないという利点がある。すなわち、粉体床における熱的条件がリコータにより乱されることがなく、これにより、粉体床において、一定の熱的条件を達成することができる。
【００１４】
リコータに組み込まれた流動化装置は、塗工の直前に粉末材料を流動化することができ、予熱されたガスを用いることにより、流動化と同時に粉末材料を予熱できるという利点を有する。
【００１５】
粉末材料用の貯留チャンバを備えた二重ブレードを用いることは、粉末材料と加熱式リコータの間の熱的接触にとって接触面がより大きくなるという利点をもつ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明によるリコータおよび本発明による方法を用いた、３次元物体を製造するための装置の実施形態としてのレーザ焼結装置を示す。レーザ焼結装置は、上部が開口したコンテナ１を有する。コンテナ１内には、成形すべき３次元物体３を支持するための支持台２が設けられている。支持台２は、駆動装置４によって垂直方向Ａにおいてコンテナ１内を上下に移動可能である。コンテナ１の上縁は成形領域５を規定している。成形領域５の上方に、レーザ方式の照射装置６が設けられ、この照射装置から指向性レーザビーム１８が出射され、偏向装置７を介して成形領域５上に偏向される。さらに、支持台２の表面あるいは既に固化された層の上に、固化すべき粉末材料の層を塗工するためのリコータ８が設けられている。リコータ８は、矢印Ｂにより概略的に示した駆動装置によって、成形領域５上を往復移動可能である。リコータは、２つの粉末貯留コンテナ１０から、成形領域の左側および右側に設けた２つの計量装置９によって供給される。さらに、成形領域の左側および右側に、塗工中に蓄積される余剰粉末を収容することができる２つのオーバーフローコンテナ１１が設けられている。
【００１８】
本装置は、さらに、成形領域５の上方に配置された加熱装置１２を有し、この加熱装置は、粉体床１９を加熱するためのものであり、特に、塗工されたがまだ焼結（固化）されていない粉末層を、焼結に適した作業温度ＴＡまで予熱するためのものである。加熱装置１２は、塗工された粉末層を均一に加熱できるように成形領域５の上方に配置された、例えば、赤外線放射ヒータなどの、１つまたは複数個の放射ヒータとして設計されている。
【００１９】
成形領域５の上方に距離をおいて、例えば、パイロメータあるいは赤外線カメラとして設計された温度測定装置１３が設けられている。この温度測定装置は、最後に塗工したすなわち最上部の粉末層の温度を測定するためのものである。
【００２０】
成形領域は、プロセスチャンバ１６によって、周囲領域に対して密閉される。このようにして、空気を排除してプロセスを行うことができ、粉末の酸化を防ぐことができる。
【００２１】
制御および／または閉ループ制御装置１７が、リコータ８の移動Ｂと、リコータに組み込まれたリコータヒータの加熱パワーと、支持台２の移動Ａと、加熱装置１２の出力と、照射装置６の出力と、偏向装置７による偏向について、制御および／または閉ループ制御を行うためのものである。この目的のために、制御および／または閉ループ制御装置１７は、矢印Ｂにより示されたリコータ８の駆動装置と、リコータに組み込まれたリコータヒータと、駆動装置４と、加熱装置１２と、温度測定装置１３と、偏向装置７と、照射装置６に接続される。
【００２２】
図２は、本発明による３次元物体を製造するための装置に用いられ、粉末材料の層を塗工するためのリコータ２４の第１の実施形態を示す。
【００２３】
第１の実施形態によるリコータ２４は、２つの剛体ブレード２１ａおよび２１ｂからなる二重ブレード２１として設計され、これら２つの剛体ブレードは、図示されない２つの側壁によって側方に一体的に保持されている。そこで、２つの剛体ブレード２１ａおよび２１ｂは、剛体材料、特に金属、耐熱性プラスチック、あるいは、セラミックスからなる。これら２つのブレードと２つの側壁により、上下に開口した貯留チャンバ２２が形成され、この貯留チャンバは１層分の粉末材料を収容するためのものである。
【００２４】
リコータヒータ２０は、ブレード２１ａおよび２１ｂに組み込まれる。リコータの加熱部(heating)は、ブレード２１ａおよび２１ｂの内部に延在する２つの加熱ワイヤ２０ａおよび２０ｂから構成される。さらに、加熱ワイヤグリッド２３が、成形領域に面した貯留チャンバ２２の下端に設けられている。
【００２５】
以下、第１の実施形態の方法による上記レーザ焼結装置の動作について説明する。
【００２６】
まず、リコータを計量装置９の下に配置し、貯留コンテナ１０から１層分の量の粉末材料を貯留チャンバ２２に充填する。
【００２７】
その後、図２に示すように、リコータ２４を成形領域の表面と平行に移動させることにより、支持台２、または、既に固化された層２６に粉末層２５を塗工する。したがって、粉末材料２７が、２つのブレード２１ａと２１ｂの間の貯留チャンバ２２から流出する。粉末材料２７が、加熱されたブレード２１ａおよび２１ｂと、特に、これらブレードの下側と、さらに加熱ワイヤグリッド２３と熱的に接触することにより、成形領域５への塗工前に、レーザ焼結に用いられる作業温度ＴＡに近い温度まで、粉末材料が予熱される。
【００２８】
粉末材料２７の層２５の塗工の後、公知の方法でレーザビーム１８を照射することによって、この層２５において物体の断面に相当する各位置における固化が行われる。完成した物体の品質にとって、特に、固化すべき最上部の粉末層の温度が、定義されたプロセス・ウィンドウ内の温度であるということが極めて重要である。上記温度がこのプロセス・ウィンドウより高いと、照射エネルギーを加えなくても、粉末は既に焼結されてしまう。一方、上記温度がプロセス・ウィンドウより低いと、固化された層に、歪みが生ずるおそれがある。また、多くの場合、固化層の縁部が上に曲がったり、まくれたりすることを意味する、いわゆるカール効果(curl-effect)が、最上部の粉末層の温度が低すぎることによって生じる。したがって、良好な結果を達成するためには、特に、製造される物体における歪みを避けるためには、リコータ２４により塗工された粉末層２５を、固化に先立って、プロセス・ウィンドウ内の作業温度ＴＡまで加熱装置１２により加熱する必要があり、次いで、固化の間、プロセス・ウィンドウ内に維持する必要がある。
【００２９】
この目的のために、この層の温度を、次の粉末層を塗工する前に、温度測定装置１３により測定する。こうして測定された温度に応じて、加熱装置１２の加熱パワーが決定される。最上部の粉末層が作業温度ＴＡまで加熱されると、レーザ６を用いた照射によって、成形材料の層において物体の断面に相当する各位置が固化される。
【００３０】
層が固化された後、層厚ｄに相当する距離だけ支持台２を降下させ、３次元物体３の製造が完了するまで、上記のステップが繰り返される。
【００３１】
図３は、本発明による、３次元物体を製造するための装置に用いられるリコータ３０の第２の実施形態を示す。
【００３２】
リコータ３０は、剛体ブレード３４として設計されている。したがって、剛体ブレード３４は、剛体材料、特に、金属、耐熱性プラスチック、あるいはセラミックスから形成される。ブレード３４に、加熱ワイヤ３１としてのリコータヒータが組み込まれる。第１の実施形態と同様に、リコータ３０は、矢印Ｂで示した駆動装置によって成形領域５上で、２つの端部位置の間を往復移動可能である。
【００３３】
第２の実施形態によるリコータは、層を塗工するための粉末貯留部３２が２つのブレードの間の貯留チャンバ２２に囲まれておらず、層２５を塗布する間、一方のブレードによりその前方で移動するという点で、第１の実施形態によるリコータ２４と異なる。層２５を塗布する間、粉末貯留部３２はブレード、特に、ブレードの下側３３と熱的に接触をし、これにより予熱される。
【００３４】
図４は、本発明による、３次元物体を製造するための装置に用いられるリコータ４０の第３の実施形態を示す。
【００３５】
第３の実施形態によるリコータ４０は、第１の実施形態によるリコータ２０と同様に、互いに剛接続された２つの剛体ブレード４１ａおよび４１ｂからなる二重ブレード４１として設計される。これにより、２つの剛体ブレード４１ａおよび４１ｂは、剛体材料、特に金属、耐熱性プラスチック、あるいは、セラミックスから作られる。前段チャンバ(antechamber)４２および流動化プレート４３を有する流動化装置が、ブレード４１ａおよび４１ｂのそれぞれに組み込まれている。前段チャンバ４２に窒素を取り込むために、バルブ４５を備えた供給源(supply)４４が設けられる。流動化プレート４３は、多数の小さな開口を有し、その直径は、粉末材料の粒径よりも小さい。そこで、前段チャンバ４２から流動化プレート４３を介して窒素ガスを流出させることはできるが、粉末材料４７は前段チャンバ４２に到達することはできない。前段チャンバ４２の壁を加熱装置４６によって加熱し、これにより、窒素ガスが前段チャンバ４２内で加熱される。
【００３６】
動作において、層の塗布前および／または塗布中に、予熱された窒素を用いた流動化装置によって、２つのブレード４１ａと４１ｂの間で粉末材料４７が流動化され、同時に予熱される。この目的のために、バルブ４５を開いて、供給源４４を介して前段チャンバ４２に窒素ガスを取り込むことにより、これら前段チャンバ４２内に過圧を生じさせる。このことにより、流動化プレート４３の開口から予熱された窒素が放出されることになる。粉末を流動化することによって、粉末の流動挙動、ひいては塗工された粉末層の品質を向上させることができる。同時に、予熱された窒素ガスによって、粉末材料４７が予熱される。
【００３７】
上記装置および上記方法の代替例および変形例は可能である。
【００３８】
本発明を、レーザを放射線源として用いるレーザ焼結装置について説明したが、電磁または粒子放射線を粉末成形材料に導くことができるものであれば、その他のいかなる放射線源をも用いることができる。例えば、インコヒーレント光線、赤外線、Ｘ線、あるいは電子放射線の放射線源を照射源として用いることができる。そこで、それぞれの放射線によって固化することが可能な粉末状の成形材料を用いる必要がある。
【００３９】
上記装置において、既に塗工された層を予熱するための加熱装置として、成形領域の上方に設けた赤外線装置について説明したが、既に塗工された成形材料の層を加熱する他の手段も考えられる。例えば、層を予熱するための加熱された空気あるいは窒素の循環を利用することができる。ここで、加熱された空気あるいは加熱された窒素は新たに塗工された層上に案内される。
【００４０】
一つの貯留チャンバをそれぞれ備えた、第１および第３の実施形態によるリコータについて説明した。しかしながら、貯留チャンバを数個のチャンバに分割し、これにより、空間分解能を有するリコータを実現することも可能である。このようにして、異なるチャンバに異なる粉末材料を供給してもよい。
【００４１】
第１および第２の実施形態によるリコータにおいて、リコータに組み込まれて粉末材料を予熱するためのリコータヒータを、抵抗ヒータとして説明した。しかしながら、粉末材料と接触するブレードあるいはリコータの他の部分を加熱できるものであれば、その他のいかなる加熱装置をも用いることができる。このようにして、照射加熱により、あるいは予熱された液体加熱手段を用いた流動によって、リコータを間接的に加熱することができる。
【００４２】
また、リコータに組み込まれた加熱装置、例えば、放射ヒータを用いて、リコータの部分を加熱せずに、直接、リコータ内の粉末材料を予熱することもできる。
【００４３】
第１の実施形態によるリコータについて、２つのブレード内に加熱ワイヤを設け、さらに加熱ワイヤグリッドを貯留チャンバに設けたものとして説明した。しかしながら、これら２つの加熱装置のうちの一方のみを用いることもできる。
【００４４】
リコータへの粉末材料の供給について、貯留コンテナから計測装置を用いて、上方から供給するというように説明した。しかしながら、貯留コンテナから、下方より粉末を供給することもできる。すなわち、移動可能な底面を有し、上部が開口した貯留コンテナを設け、この底面を上昇させて粉末材料を供給するようにしてもよい。
【００４５】
第３の実施形態によるリコータについて、リコータに組み込んだ抵抗ヒータを用いて、前段チャンバの壁部を加熱することにより、窒素ガスの予熱を行なうものとして説明した。しかしながら、リコータに組み込まれた流動化装置に用いられる窒素ガスの予熱は、別の方法で、すなわち、リコータの外部で行ってもよい。
【００４６】
第３の実施形態によるリコータにおける流動化について、窒素ガスを用いて流動化を行なうというように説明した。しかしながら、例えば、空気などのその他の気体媒体を用いることもできる。
【００４７】
本発明について、層の塗布中および／または塗布前に、リコータに組み込んだ加熱装置を用いて粉末を予熱するというように説明した。さらに、例えば、抵抗ヒータ、加熱ガス、あるいは照射ヒータなどの加熱装置によって、リコータに充填するための貯留コンテナ内の粉末を先に予熱してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】３次元物体を製造するための装置の実施形態の概略図である。
【図２】第１の実施形態による、粉末材料の層を塗布するためのリコータの概略図である。
【図３】第２の実施形態によるリコータの概略図である。
【図４】第３の実施形態によるリコータの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2008540173.tif 000007
2008540173.tif 000008
2008540173.tif 000009
2008540173.tif 000010