(57)【要約】３Ｄ製作における選択的焼結防止方法およびシステムを開示する。本開示は、選択的加熱構成を用いて製作中に領域を選択的に焼結することによって廃棄物（無駄となるもの）を削減し、効率を向上する方法およびシステムを提供する。
2006511365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元物体を製作する方法であって、
加熱によって結合形態に変わる種類の粉末材料の層を用意するステップと、
領域部分を選択的に加熱することによって、前記粉末材料層の領域の選択的結合を起こさせるステップと、を含み、
前記結合によって所望の三次元物体が形成されるまで、前記用意するステップと選択的結合を起こさせるステップとを繰り返す方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、
前記三次元物体の断面デザインに従って結合防止剤を入れる領域を選択するステップと、
前記選択的結合を起こさせるステップの前に前記粉末材料層の選択された領域に結合防止剤を選択的に沈積するステップと、を含む方法。
【請求項３】
請求項２の方法であって、前記結合防止剤を沈積する前記ステップが焼結防止剤を沈積するステップを含む方法。
【請求項４】
請求項３の方法であって、前記焼結防止剤を沈積するステップが、微細穴を有する噴出ノズルを使用するステップを含む方法。
【請求項５】
請求項４の方法であって、前記噴出ノズルがインクジェットプリンタヘッドを含む方法。
【請求項６】
請求項１の方法であって、前記結合を促進するステップが、前記粉末材料層の焼結非防止領域を焼結するステップを含む方法。
【請求項７】
請求項６の方法であって、前記焼結するステップが、選択位置を放射加熱素子によって加熱するステップを含む方法。
【請求項８】
請求項７の方法であって、前記放射加熱素子が、前記放射加熱素子からの熱が前記粉末層に接触することを選択的に防ぐために移動可能なシャッターを含む方法。
【請求項９】
請求項７の方法であって、前記放射加熱素子が、個別に制御可能な複数の加熱素子を有するバー型加熱素子を含む方法。
【請求項１０】
請求項９の方法であって、前記個別加熱素子のそれぞれがシャッターを有する方法。
【請求項１１】
請求項８の方法であって、製作するべき物の三次元構造に基づきシャッターの駆動を制御するコンピュータを使用することをさらに含む方法。
【請求項１２】
請求項７の方法であって、前記バー型加熱素子が石英加熱管を含む方法。
【請求項１３】
請求項６の方法であって、前記焼結するステップが、選択位置を高温空気式加熱素子によって加熱することを含む方法。
【請求項１４】
請求項１３の方法であって、前記高温空気式加熱素子が、高温空気を前記粉末層から離れるように偏向させることができるシャッターを有する方法。
【請求項１５】
請求項１３の方法であって、前記高温空気式加熱素子が、個別の高温空気式加熱素子を複数有するバー型加熱素子を備えてなる方法。
【請求項１６】
請求項１５の方法であって、前記個別の高温空気式加熱素子のそれぞれがシャッターを有する方法。
【請求項１７】
請求項１４の方法であって、製作するべき物の三次元構造に基づいて、コンピュータがシャッターの駆動を制御する方法。
【請求項１８】
請求項１３の方法であって、前記三次元物体の断面デザインに従って、前記高温空気式加熱素子の位置を層ごとに調整するステップをさらに含む方法。
【請求項１９】
請求項１６の方法であって、前記粉末層の選択された領域が焼結されるように、前記高温空気式加熱素子を個別に駆動するステップをさらに含む方法。
【請求項２０】
三次元物体を製作するための選択的加熱装置であって、
空気マニホルドと、
前記空気マニホルドに流体連通し、加熱された空気を発生し、前記加熱された空気を前記空気マニホルド経由で放出する加熱素子と、
アクチュエータと、
前記アクチュエータに近い第１の端と、遠端と、を有するシャッターレバーと、
前記シャッターレバーの前記遠端に位置するシャッターと、を含み、
前記アクチュエータは前記シャッターレバーを第１の位置から第２の位置に動かすことによって、前記加熱素子と空気とに流体連通している前記シャッターを前記遠端にて移動させることができ、前記シャッターの移動によって前記空気の移動を偏向させる装置。
【請求項２１】
請求項２０の選択的加熱装置であって、前記空気マニホルドが吸い込み口をさらに含む装置。
【請求項２２】
請求項２０の選択的加熱装置であって、前記アクチュエータがソレノイドである装置。
【請求項２３】
請求項２０の選択的加熱装置であって、前記アクチュエータが磁気コイルである装置。
【請求項２４】
請求項２１の選択的加熱装置であって、前記シャッターレバーが金属製である装置。
【請求項２５】
高温空気式加熱バー型マニホルドであって、請求項２０の高温空気式選択的加熱素子を複数含む高温空気式加熱バー型マニホルド。
【請求項２６】
三次元物体を製作するための選択的加熱装置であって、
放射加熱素子と、
アクチュエータと、
シャッターレバーであって、前記アクチュエータに近い第１の端と遠端とを含むシャッターレバーと、
前記シャッターレバーの前記遠端に位置するシャッターと、を含み、
前記アクチュエータは前記シャッターレバーを第１の位置から第２の位置に動かすことによって前記遠端にて前記シャッターを移動することができ、前記シャッターの移動によって熱が偏向される装置。
【請求項２７】
請求項２６の選択的加熱装置であって、前記アクチュエータがソレノイドである装置。
【請求項２８】
請求項２６の選択的加熱装置であって、前記アクチュエータが磁気コイルである装置。
【請求項２９】
請求項２８の選択的加熱装置であって、前記シャッターレバーが金属製である装置。
【請求項３０】
請求項２６の選択的加熱装置であって、前記加熱素子が、電気フィラメントと、ガスバーナーと、赤外線ヒーターとから成る群から選択される装置。
【請求項３１】
放射加熱バー型マニホルドであって、請求項２６の選択的加熱素子を複数備えた放射加熱バー型マニホルド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全般的には三次元物体の製作に関し、特にそのような物体の製作中に焼結を選択的に防止することによる粉末廃棄物の選択的削減に関する。
＜関連出願の相互参照＞
本願は、２００２年１２月２０日提出の米国特許仮出願第６０／４３５，９３６号の優先権を米国特許法１１９条に基づき主張するものとし、またその開示内容を本願明細書に援用したものとする。
【背景技術】
【０００２】
プロトタイプ部品などの三次元（３Ｄ）物体は、コンピュータ支援設計データベースから直接作成しうる。このような物体を作成するための技術としてさまざまな技術が公知であり、特に積層アディティブ法によるものが知られている。商業的に適した積層製造方法では、さまざまな形態の材料を用いる。たとえば、光造形（ＳＴＬ）法は、感光性樹脂を使用し、各樹脂薄層上の所望の個所にレーザービームから紫外線光を照射することによって感光性樹脂を選択的に硬化する。溶融物積層法（ＦＤＭ）は、プラスチック線条を使用し、これを高温ノズルから押し出すことによって材料を沈積し、各層を形成する。薄膜積層（ＬＯＭ）法は、特殊紙の切断シートを積層することによって３Ｄ部品を作成する。一般に用いられる２つの処理は、三次元印刷（３−Ｄ  printing;粉末接着）法および選択的粉末焼結（ＳＬＳ）法である。三次元印刷法（３ＤＰ）は、粘着性の液滴を薄い粉末層に沈積することによって、各層の選択個所にある粉末粒子同士を固着する。選択的粉末焼結（ＳＬＳ）法は、レーザーを使用して粉末材料を選択的に固着する。ＳＬＳ法は、粉末材料の沈積と、レーザービームの走査による加熱とを用い、加熱によって粉末層の選択位置にある粉末材料を結合させる。粉末材料は、ポリマー、セラミック、または金属を含みうる。
【０００３】
しかしながら、ＳＬＳ法および３ＤＰ法などの層単位の選択的結合法は、時間と費用とがかかる。たとえば、レーザーを使用する方法は、レーザーが高コストであり、またビーム寸法に比べ、焼結のための層あたりの断面領域が比較的広いので走査速度が遅い。他の方法における問題は、焼結または他の融着処理を層単位に行うため、物体の体積全体の走査が低速であることに起因する。さらに、変形を防止するために、選択された領域を焼結または加熱する際に粉末表面の温度を比較的均一に維持する必要がある。
【発明の開示】
【０００４】
上記問題点を鑑みて、本開示は、従来の方法より高速かつ安価な方法およびシステムを提供する。
【０００５】
三次元（３Ｄ）物体の製作方法を開示する。本方法は、加熱によって結合形態に変化する種類の粉末材料の層を用意するステップと、この粉末材料層の領域部分を選択的に加熱することによってその領域の粉末材料を選択的に結合するステップと、結合によって所望の３Ｄ物体が形成されるまで、材料層を用意するステップと選択的結合を行うステップとを繰り返すことと、を含む。本方法は、３Ｄ物体の断面デザイン（断面の意匠）に従って結合防止剤を入れる領域を選択するステップと、選択的結合を行う前に、結合防止剤を粉末材料層の選択された領域に選択的に沈積するステップとを含みうる。
【０００６】
本開示は、三次元（３Ｄ）物体を製作するための選択的加熱装置をさらに提供する。この選択的加熱装置は、空気マニホルドと、空気マニホルドに流体連通し、加熱された空気を発生させ、加熱された空気を空気マニホルド経由で放出する加熱素子と、アクチュエータと、アクチュエータに近い第１の端とアクチュエータから遠い端とを含むシャッターレバーと、シャッターレバーの遠端にあって、加熱素子および空気に流体連通し、アクチュエータがシャッターレバーを第１の位置から第２の位置に動かすことによって、その遠端にて移動させられることができるシャッターとを含み、シャッターの移動によって空気の移動を偏向させる。
【０００７】
本開示は、放射加熱素子と、アクチュエータと、アクチュエータに近い第１の端とアクチュエータから遠い端とを有するシャッターレバーと、シャッターレバーの遠端に位置するシャッターとを含み、アクチュエータはシャッターレバーを第１の位置から第２の位置に動かすことができ、これによって遠端にあるシャッターが移動し、シャッターの移動によって熱の偏向を引き起こす、三次元（３Ｄ）物体を製作するための選択的加熱装置を提供する。
【０００８】
本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付図面および以下の説明に示されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明と図面および請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
各種図面において、同様の参照記号は同様の要素を示す。
【００１０】
選択的焼結防止（ＳＩＳ）処理３００を図１に示す。処理３００は、均等に粉末を分散させた薄い層３１２を含む。その層における部品断面の境界となる粉末領域に焼結防止液を加えてもよい。次に選択的加熱素子３４２を用いて、製作する部品の断面３２４の内側部分になる粉末３１２を焼結する。プロトタイプの３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルに従って、断面３２４を焼結することができる。選択的加熱素子３４２によってエネルギーが加えられると、粉末３１２が加熱されてガラス状になり、個々の粒子が結合して１つの固体になる。選択的加熱素子は、製作のために焼結が必要な領域のみを加熱する。選択的加熱素子３４２はシャッターを複数備えたバー型ヒーターとして示されているが、これらのシャッターの開閉によって熱エネルギーの照射を制御し、所望の領域を選択的に加熱する（図５〜図１２も参照のこと）。粉末が融着して所望の部品断面になるように十分なエネルギーが粉末に向けられる。蝋、プラスチックおよび金属の粉末を含む大半の粉末をこのように処理するために、この融着機構は焼結を含み、照射された粉末の表面張力がその粘度に勝ると複数の粒子が合流して結合する。したがって、焼結が起きる温度は、粉末材料の融点または軟化点よりかなり低い。加熱素子３４２が断面３２４全体を走査し終わると、その上に別の粉末層３１２が敷かれ、処理全体が繰り返される。追加される粉末は粉末貯蔵容器から供給され、ローラー３１４によって分散される。
【００１１】
選択的結合防止処理の一部として、その粉末層における（ＣＡＤ断面によって指定されるような）部品の輪郭境界線上に位置する特定の領域に結合防止剤を施してもよい。このような防止剤を製作部品の境界に加えることによって、分離領域を生成する。結合防止剤を適用した後、層全体を加熱素子に１回だけ曝すことによって、結合が防止されていない領域の粉末を結合または焼結することができる。本願明細書でさらに説明するように、選択的加熱素子は、粉末層の特定領域を選択的に結合するように使用できる。したがって、本開示は、粉末廃棄物の削減に役立つ効率的な製作方法およびシステムを提供する。
【００１２】
したがって、選択的焼結防止（ＳＩＳ）法は、粉末層の選択された領域に結合防止剤を施す選択的結合法（たとえば、ＳＬＳ法および粉末接着法（３ＤＰ））に勝る利点を提供する。たとえば、接着（３ＤＰなどにおける）または焼結（ＳＬＳなどにおける）は、断面領域全体にわたって行う必要がある。インクジェットプリント（３ＤＰ）または走査光ビーム（ＳＬＳ）による選択的結合は、どちらも断面領域全体を走査するので、時間がかかる。これに対して、ＳＩＳ法は、一態様において、結合防止剤を部品の各層の断面境界線に選択的に適用し、またヒーター装置による領域の選択的焼結も可能である。したがって、ＳＩＳ法は、選択的結合法に比べ、はるかに高速に実行され得る。さらに、複数の小領域を加熱素子に順次曝すのではなく、粉末層のより大きな領域を同時に均一な熱に曝すので、変形が最小限になり、粉末廃棄物が減る。選択的焼結防止法は、選択的結合法に比べ、寸法制御の向上、機械費用の低減、および製作時間の短縮をもたらす。
【００１３】
図２は、ラスタースキャン方式の焼結に使用される選択的加熱素子を示す。ラスタースキャン方式の焼結は、焼結する領域の上をラスター方式で加熱素子を移動させる。この実施形態のＳＩＳ法においては、層輪郭の幾何学的な最小寸法より大きい（大きくなくてもよい）領域に熱を放射できる小さな加熱素子を使用しうる。この加熱素子は、焼結防止剤の沈積に係る印刷ヘッドを移動する駆動機構自体に取り付けてもよい。１つの輪郭に対する防止剤の印刷が完了した後に、所望の粉末領域の上を横方向のラスタースキャンなど、総焼結時間が最短化されるパターンで、選択的加熱素子を移動させる。図２は、所定の部品輪郭に対するこのような走査パターンの１つを示す。この図においては、放射面が矩形のヒーターを使用している。灰色の領域は粉末層であり、線は防止剤が沈積される部品の層輪郭である。矩形はヒーターの照射領域であり、濃灰色の領域は粉末の焼結（熱による結合）領域である。図３は、同じパターンに円形のスポットヒーターを使用した場合を示す。
【００１４】
薄い壁体など、部品形状が薄い場合は、スポットヒーターは、その中心が薄い輪郭の中心線上に常に位置するようにして部品の層輪郭の上を移動させられる。図４は、中空の立方体を作成する際のこのような状況を示す。一例として、この場合の壁厚を２ｍｍとし、円形ヒーターの放射領域の半径を４ｍｍとしてもよい。これらのどちらの場合も、遮蔽枠付き熱放射板、または通過型熱放射バーを用いた方法に比べ、廃棄される粉末（部品本体以外の領域で焼結される粉末）が大幅に減る。
【００１５】
焼結防止剤を沈積させる際などは、ヒーターを印刷ヘッドの背部に接続し、その印刷ヘッドを移動させる機構によってヒーターを移動させることができる。焼結は、防止剤の層への適用が完了した後に行ってもよいが、同時に行うこともできる。つまり、防止剤をラスタースキャン方式で印刷しながら、印刷ヘッドが既に通過したセグメントをヒーターで焼結することができる。
【００１６】
図５は、選択的加熱素子を示す。加熱素子５５０は、らせん状に巻いたニクロムリボン（車のタバコ用ライターなど）などの電気フィラメント、ガスバーナー、赤外線ヒーター、または他の形態の熱源でもよい。たとえば、加熱素子は、ニクロム線コイルをセラミック管に巻きつけたもの、石英ヒーター、赤外線ランプなどで作られ得る。加熱素子５５０はスリーブ５７０に接続されており、回転可能な軸５２５がこのスリーブ５７０を貫通している。回転可能な軸５２５はその一端にソレノイド５００を有し、ソレノイド５００は励磁されたとき、軸５２５を第１の位置（図５Ａに図示）から第２の位置（図５Ｂに図示）に、またはこの逆に回転させる。軸５２５は、もう一方の端、つまり加熱素子５５０に近い端にシャッター５６０を有し、作動中に熱が不要または必要になると、シャッター５６０によって加熱素子５５０を覆うかまたは露出させる。
【００１７】
図６Ａおよび図６Ｂは、バー型ヒーター５９０を示す。図６Ａおよび図６Ｂは、個々の選択的加熱素子を有するバー型ヒーターの前面及び背面を示す。図６Ａおよび図６Ｂは、前面側及び裏面側を備えた支持構造６８０を示す。支持構造６８０はヒンジ部６１０を含み、このヒンジ部６１０は支持構造６８０の一方の側にある。ヒンジ部６１０は、図６Ｃに示すように、シャッターレバー６２０の第１の位置と第２の位置との間での動きを可能にしている。シャッターレバー６２０は、ソレノイド６００の駆動によって動く。シャッターレバー６２０の材料は任意であり、ソレノイドの構造による。一実施形態において、ソレノイド６００は磁気コイルであり、シャッターは、ソレノイドが駆動されると磁気コイルに引き付けられる金属物体である。シャッターレバー６２０の第１の位置と第２の位置との間での動きを助けるウェイトバランス６３０をシャッターレバー６２０に備えてもよい。ウェイトバランス６３０は、シャッターレバー６２０がヒンジ部６１０からぶら下がっているとき、ラッチの下部を常に加熱素子６５０に向かって前方に押し出しておくための釣り合い重りとして機能する。すべてのヒンジ部を単一の金属片で作ってもよい。図６および図７に示すフック型アレイは機械加工しやすい。図７は、シャッターレバー６２０をより詳細に示す。
【００１８】
使用中、バー型ヒーター５９０は、焼結されるべき粉末層の上を通過する。バー型ヒーター５９０が焼結されるべき領域の上を移動しているときに、ソレノイド６００が駆動され、それによりシャッターレバー６２０を引き付けてシャッター６２０Ａを動かし、焼結されるべき粉末領域に対して加熱素子６５０を露出させる。上記のように、加熱素子６５０は、ニクロム線コイルをセラミック管に巻きつけたもの、石英ヒーター、赤外線ランプ、ガスバーナー、または他の可能な熱源で作りうる。一般に、加熱素子６５０は、図６に示すように、支持構造６８０（たとえば、セラミック材料）の下縁の下に設置される。
【００１９】
シャッターレバー６２０は、作動中、必要に応じて加熱素子６５０を覆うかまたは露出させることが可能なシャッター６２０Ａをさらに有する。各シャッター６２０Ａは、鉄や鋼鉄など、磁石に引き付けられるいずれかの材料で作られた金属ラッチ（図７参照）などのシャッターレバー６２０の下部に取り付ける。ラッチのデザインは、シートメタルからの打ち抜きによって安価に作成できる。一連の複数の小さなパネル形態のシャッター６２０Ａを加熱素子６５０と粉末表面との間に選択的に挿入することによって、焼結されるべきでない領域の焼結を防ぐ。シャッター６２０Ａは、断熱材の層を下部に有する放射反射シートで作ってもよい。
【００２０】
図８Ａおよび図８Ｂは、バー型ヒーター５９０の端部をより詳細に示す。この図には、ソレノイド６００と、ヒンジ部６１０（ここではフック構造）に置かれているシャッターレバー６２０と、シャッター６２０Ａと、ウェイトバランス６３０と、加熱素子６５０とが示されている。図８Ｂは、シャッターレバー６２０の第１の位置から第２の位置への動きによって、シャッター６２０Ａが加熱素子６５０を露出するか又は覆うかする様子を表わす。ソレノイド６００は、必要時に一時的な磁界を形成するために、支持構造６８０の最上部に設置された鉄心をそれぞれ有する電線コイルの配列とすることもできる。
【００２１】
選択された加熱素子５９０の下に粉末部分を曝すには、対応する電磁石またはソレノイド６００を駆動してシャッターレバー６２０の頂部を引き付けることにより、対応するシャッターレバー６２０を傾ける。これを図８Ｂに示す。ＳＩＳ法においては、粉末層をまき散らして広げ、防止剤を沈積させた後に、焼結が行われる。ここで、ヒーターアセンブリが粉末層の上を移動させられる。コンピュータソフトウェアは、粉末のどの領域を熱に曝す必要があるかを、コンピュータシステム内のＣＡＤ設計に基づいて決定する。ヒーターが粉末層の上を通過してゆくと、コンピュータは、製作する物に応じて、ソフトウェアによって指定された位置のソレノイドを介してシャッターレバーを駆動または解除（リリース）する。加えて、粉末をまきちらす際にヒーターアセンブリが粉末材料で汚染されることを防ぐために、バー型ヒーターアセンブリ全体を持ち上げ（または傾け）うることを当業者は認識するであろう。
【００２２】
また、この遮蔽方法においては、各電磁石を比較的高い周波数にてオン又はオフにできるので、ヒーターの移動経路に沿った遮蔽の（マスキングの）分解能を極めて微細にすることができ、小さな領域を熱に曝すことができる。移動方向に沿った焼結の分解能は極めて微細化しうるが、移動経路に直角な方向に沿った分解能は、使用する遮蔽素子の数によって決まることになる。たとえば、８インチ（約２０ｃｍ）幅の粉末層を３２個の遮蔽素子を有するバーによって焼結すると、移動方向に直角な方向に沿った焼結分解能は０．２５インチ（６．３５ｍｍ）になる。
【００２３】
別の実施形態において、加熱された空気を供給する加熱素子が開示される。今までに記述した複数の方法では、たとえばプラスチック粒子を溶解するために放射を使用した。放射には、（ｉ）ヒーターのエネルギーのごく一部のみが焼結に使われ、エネルギーの大半は対流によって放散される（加熱された空気は加熱素子の上方に流れて上昇することによる）、および（ｉｉ）最上部の粉末粒子の露出された表面のみが放射熱を受け、その層の残りの粒子は熱伝導による上部粒子からの熱のみを受ける、といったいくつかの弱点がある。この問題は、焼結を相対的に低速化する（粉末の熱伝導率が低いため）ばかりでなく、上部粒子が下部粒子より密に焼結されるために粉末層の変形を引き起こす。
【００２４】
上記の問題を軽減する１つの方法は、加熱された空気による焼結である。流量が少なければ、高温空気によって粉末粒子が吹き飛ばされることはない。たとえば、粉末層の最上部の粒子が高温空気に接すると、粒子が溶解して結合し、多孔質の覆いとなるので、下部の未結合の粉末が吹き飛ばされない。
【００２５】
図９は、高温空気式の選択的加熱素子９００を示す。空気ホース９１０は低温空気を低速で空気室９２０に送り込み、ここで流入空気の乱気流を安定させる。この空気は、電気加熱素子９３０に向かう。作動中にソレノイド９４０を駆動することによって、ヒンジ部９５５（ここではフック構造）に乗っているシャッターレバー９５０を第１の位置と第２の位置との間で動かすことができる。シャッターレバー９５０の動きによって、シャッターレバー９５０に取り付けられているシャッター９５０Ａが移動する。加熱素子９７０を粉末表面に露出させない位置にシャッターレバー９５０とシャッター９５０Ａとを押しておくために、ウェイトバランス９６０が利用される。シャッターレバー９５０は、コイルと鉄芯とを用いて電気的に作られた磁界など、ソレノイド９４０を用いて駆動される。ソレノイド９４０は、駆動されたとき、シャッターレバーの上端を引き寄せる。
【００２６】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、シャッターレバー９５０の位置に応じて、高温空気を粉末表面に向けて下方に導くか（たとえば図１０Ｂ参照）、または横および上方に向けて粉末表面からそらす（たとえば図１０Ａ参照）ことができることを示す。この構成においては、空気は常時流れているので、加熱素子の温度は安定している。
【００２７】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、高温空気式ヒーターの概念を複数のシャッター付きバー型ヒーターとして実装した場合の分解及び組立図を示す。これらの図には、空気室９２０が示されており、バー型マニホルドの実施形態では、空気室９２０は流入する乱気流を安定させる単一の空気室または複数の独立した空気室を含む。空気は電気加熱素子９３０に向かって導かれる。これらの図には、ソレノイド９４０、ヒンジ部９５５（ここではフック構造）に乗っているシャッターレバー９５０、シャッター９５０Ａ、ウェイトバランス９６０及び加熱素子９７０も示されている。
【００２８】
図１は、選択的焼結防止（ＳＩＳ）処理３００の一実施形態を示す。処理３００は、薄い粉末層を敷くステップと、焼結防止剤を沈積するステップと、選択的加熱素子を用いた加熱によって粉末層を焼結するステップとを含む。
【００２９】
ＳＩＳ処理３００においては、ローラー３１４を用いて薄い粉末層３１２が敷かれる。ローラー３１４は、前の層よりわずかに上の水平面を掃過し、粉末材料を表面に運ぶ。この掃過動作は、ローラーの前面が上向きに動く回転中に行われる。この方法によって、薄い均一密度の粉末層３１２が作られる。
【００３０】
焼結防止剤の沈積には、インクジェットプリンタヘッドなどの微細穴３２２を有する噴出ノズル（押出しノズル）を使用する。ノズル３２２を使用して、部品の境界面上の選択された粉末層の領域が熱によって焼結することから防ぐ焼結防止剤を沈積する。焼結防止材料の印刷による沈積の代表的な輪郭３２４が示されている。本願明細書では、さまざまな種類の焼結防止剤の沈積について詳細に説明する。
【００３１】
図示の実施形態おける焼結処理では、粉末層の焼結非防止領域３４４を焼結するために、選択的加熱素子３４２（ここではバー型ヒーターとして図示）を使用するステップを含む。加熱素子３４２を粉末層の特定領域全体にわたって走査させることによって、これらの特定領域を選択的に焼結する。一実施形態においては、選択的加熱素子を粉末領域にわたってラスター方式で走査させ、焼結が必要な領域だけに熱を放射する。別の実施形態においては、以下に説明するように、選択的加熱素子は複数の個別加熱素子を含み、個々の素子を選択的にオンまたはオフにすることによって所望の位置に熱を放射することができる。このように、ある実施形態においては、選択的加熱素子は、複数の個別加熱素子を有するバーを備えてなる。このバーを粉末面にわたって移動させながら、複数の個別加熱素子の１つまたは複数をオンオフすることによって、選択された領域のみを焼結する。
【００３２】
図１２を参照すると、すべての層の焼結完了後１３００に、最終部品１３０２が抜き取られる。焼結されなかった粉末は再利用でき、焼結された余分な材料１３０４は粉砕して粉末形態に再資源化しうる。
【００３３】
上記のように、焼結防止剤を沈積させるための機構は、さまざまな実現方法を含みうる。いくつかの実現方法においては、焼結防止剤は、粉末が結合に必要な温度に達することを断熱によって防止しうる。他の実現方法において、焼結防止剤は、粒子表面の干渉によって、粉末素地の粒子間の空隙を塞ぐ。焼結防止剤は、粒子表面の干渉によって、結合を防止する機械的バリアも生じさせる。機械的干渉を引き起こす防止剤は、蒸発後に固体結晶粒子を残しうる溶液（塩水など）でもよい。結晶粒子の成長によって、素地の粉末粒子間が押し広げられ、これによって焼結が妨げられる。
【００３４】
上述したように、ＳＩＳ法は選択的加熱素子を使用する。したがって、遮蔽板の代わりに、１つの通過型加熱バーを使用し、独立して駆動できる比較的少数（低分解能）の個別の加熱素子で作られた放射パネルによって粉末層の選択領域を焼結する。別の実施形態は、各層の所望の領域を比較的高速で走査するのに十分な大きさであり、かつ過剰な粉末の焼結を極力減らすのに十分小さいサイズの点ヒーター（ポイントヒーター）の使用を含む。
【００３５】
層ごとの逐次焼結に代わる方法として、バルク焼結がある。バルク焼結では、層ごとに防止剤を適用した後に部分的焼結を行い、すべての層の防止液による処理が完了してから、ビルドタンク内の粉末体積全体を焼結炉に移す。焼結後、不要な焼結部分から部品を取り出す。炉に移すにはルーズな粉末体積を収容するために、各層の外縁を焼結してもよい。その外縁の焼結は、固定形状の線ヒーター（四角形または円形）により、または、各層の輪郭にできるだけ近い輪郭を用いて各層の外縁の周りに細線を焼結する単一点ヒーター（スポットヒーター）により行われうる。バルク焼結の主な利点は、ａ）（加熱素子または周囲温度の制御が不要になるであろうことから）機械が簡素化される点と、ｂ）部品全体を一度に焼結することにより部品の変形を最小限に抑えられる点である。
【００３６】
本願明細書に記載したＳＩＳ法にはいくつかの利点がある。たとえば、ＳＩＳに基づく装置は、ＳＬＳ機よりはるかに安価になるが、この理由は、ＳＬＳの高出力レーザー発生器の代わりに安価な加熱素子が使用されるほか、ＳＬＳにおける環境制御の多くがＳＩＳでは不要になるからである。加えて、ＳＩＳ法は高速であるが、これは層全体を高速かつ選択的に焼結できるからである。製作された部品の寸法精度および表面品質は、三次元印刷法（粉末接着法）およびＳＬＳ法に勝る可能性が高い。ＳＩＳ法では、印刷個所が部品境界領域のみに限られることから、ＳＩＳ法において焼結防止に必要な防止液の量は、三次元印刷法において接着を促進するために必要な結合液の量より少ない。したがって、粉末全体にまき散らされる液の量が相対的に少ない。また、高分解能（たとえば３０００ｄｐｉまたはこれ以上、ほぼ８ミクロンの線幅）のインクジェットプリンタが微細な粉末粒子（たとえば１〜５ミクロン）とともに使用されれば、ＳＬＳ法および三次元印刷法で現在可能なものよりはるかに精巧な部品をＳＩＳ法で製作することができる。現在までにＳＩＳ法により製作された部品の表面品質は、ＳＬＳ法により製作された部品の表面品質に既に匹敵しており、また三次元印刷法により作成された部品より勝っていると思われる。さらに、ＳＩＳ法では、さまざまな色の防止剤を（カラーインクジェットプリンタなどで）沈積し、完成部品の後処理によって着色顔料を部品表面に永久的に結合させれば、多色部品の製作が可能である。
【００３７】
ＳＩＳ法がＳＬＳ法に勝る利点には、ＳＩＳに基づく装置は、相当するＳＬＳ機に比べはるかに安価になりうる点が含まれる。この理由は、高出力レーザー発生器の代わりに、放射熱または加熱空気を含む安価な選択的加熱素子を使用するからである。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態について説明してきた。ただし、言うまでもないが、本発明の精神および範囲を離れることなく、さまざまな変更が可能である。したがって、他の複数の実施形態が以下の請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】選択的焼結防止（ＳＩＳ）処理（プロセス）を示す。
【図１Ｂ】選択的焼結防止（ＳＩＳ）処理（プロセス）を示す。
【図１Ｃ】選択的焼結防止（ＳＩＳ）処理（プロセス）を示す。
【図２】矩形の選択的加熱素子とそのラスタースキャン移動パターンを示す。
【図３】円形の選択的加熱素子とそのラスタースキャン移動パターンを示す。
【図４】部品の層の輪郭をトレースする移動パターン（ベクタースキャンパターン）を有する選択的加熱素子を示す。
【図５Ａ】ロータリーソレノイドによって駆動されるシャッターを備えたスポットヒーター型選択的加熱素子を示す。
【図５Ｂ】ロータリーソレノイドによって駆動されるシャッターを備えたスポットヒーター型選択的加熱素子を示す。
【図６Ａ】複数の個別加熱素子を含むヒーターアセンブリを示す。
【図６Ｂ】複数の個別加熱素子を含むヒーターアセンブリを示す。
【図６Ｃ】複数の個別加熱素子を含むヒーターアセンブリを示す。
【図７】シャッターレバーをより詳細に示す。
【図８Ａ】バー型ヒーターの端面図を示す。
【図８Ｂ】バー型ヒーターの端面図を示す。
【図９Ａ】高温空気式選択的加熱素子を示す。
【図９Ｂ】高温空気式選択的加熱素子を示す。
【図１０Ａ】高温空気式選択的加熱素子のオフ位置（Ａ）の図を示す。
【図１０Ｂ】高温空気式選択的加熱素子のオン位置（Ｂ）の図を示す。
【図１１Ａ】高温空気式選択的加熱素子を複数のシャッター付きバー型ヒーターとして実装した場合の分解組立図を示す。
【図１１Ｂ】高温空気式選択的加熱素子を複数のシャッター付きバー型ヒーターとして実装した場合の分解組立図を示す。
【図１２】ＳＩＳ法によって製作された一体型３Ｄ物体の一例を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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