(57)【要約】【課題】既存の迅速原型製作法および迅速製造法のスピードは制約されている。【解決手段】成形される三次元的物品を、層を次々と互いに重ね合わせることにより製造するための装置を開示する。この工程はコンピュータ36によって制御される。前記物品は構成プラットフォーム2上に支持され、前記装置は前記製造中の物品上に、制御された厚みと前記コンピュータ制御装置によって決定される形状とを有する材料の層を形成する少なくとも１つの構成ステーション4を更に含む。前記構成ステーションおよび／または構成プラットフォームは、軸の回りに回転するように取り付けられ、かつ駆動される。このようにして、製造中の物品の表面は前記構成ステーションに繰り返し提供される。これにより前記物品は、多数の材料層から構成される。前記回転運動は、既存の「迅速原型製作」機械の往復運動と比べて有利である。
2006526524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元的物品を製造する装置であって、
コンピュータ制御装置と、
製造中の物品を運ぶ構成プラットフォームと、
制御された厚みと前記コンピュータ制御装置によって決定された形状とを有する材料の層を物品の上に形成するための少なくとも１つの構成ステーションとを備え、
前記構成ステーションおよび前記構成プラットフォームのいずれかが軸の回りに回転するように取り付けられて駆動され、それにより製造中の物品の表面が前記構成ステーションに繰り返し提供されるようになされ、複数の材料層で構成される選択された三次元的な形状を有する物品の製造を可能にする装置。
【請求項２】
層を次々と形成することによる製造中の物品の厚みの増大に対応するために前記構成ステーションおよび前記構成プラットフォームのいずれかが前記回転軸に沿って移動する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記回転軸に沿った前記運動を実現するための、ネジを切った部材を更に備え、この部材により構成プラットフォームおよび構成ステーションのいずれかが回転可能に係合されている、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記ネジを切った部材が前記回転軸に沿って延びている、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記回転軸に沿っての前記運動の速度を低減するように、前記ネジを切った部材が、それ自体回転可能に取り付けられて駆動される、請求項３または４記載の装置。
【請求項６】
回転するのが前記構成プラットフォームである、請求項１ないし５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記回転軸に沿って移動するのが前記構成プラットフォームである、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記構成プラットフォームは、前記構成プラットフォームの回転運動を可能にする回転ベアリングを介して支持部に結合され、前記支持部と前記構成プラットフォームとが前記回転軸に沿って共に移動できるように前記支持部がスライド可能に取り付けられている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記支持部が前記回転軸の方向に沿って延びる少なくとも１つの柱にスライド可能に係合している、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも２つの前記構成ステーションが、前記回転軸の周りの周方向に沿って間隔を置いて配設されており、１回転すると製造中の物品に少なくとも２つの層が追加される、請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記または各構成ステーションが、１層の構成材料を堆積するための堆積ステーションと、構成材料の前記層の前記相を選択的に変化させてそれを前記コンピュータ制御装置によって決定された前記形状に形成するための相変化ステーションとを備えた、請求項１ないし１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記２つの構成ステーションに異なる構成材料が装填されている、請求項１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の材料層から三次元的物品（アイテム）を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、「迅速原型製作（ラピッドプロトライピング）」法と総称される一群の製造方法が開発されてきた。同じ工程が「フリーフォーム作製」または「レイヤー製造」などと呼ばれることもある。これらは、当該物品のコンピュータ表現に基づいて、複雑な三次元的物品を自動的に製作することを可能にするものである。物品は、コンピュータ制御により形成された材料の薄い層を次々と互いに重ね合わせて配置することで構成される。物品のコンピュータ表現は、例えばＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ソフトを使用して生成できる。コンピュータはその表現を分析して、当該物品の等高線図を生成する。すなわち、コンピュータは一連の平行で別々の平面における物品の断面形状、すなわち輪郭を計算する。すると迅速原型製作機械が、所望の厚み（コンピュータ解析において想定された平面間の距離に等しい）と所望の形状とを有する構成材料の各層を逐次形成する。このようにして、所望の形状を有する物品が構築される。
【０００３】
既存の多くの迅速原型製作機械においては、成形された各層の形成には下記の各工程が含まれる。
（１）製造中の物品の上に、制御された厚みの構成材料の層を形成する。この段階では、構成材料は通常は液体または粉末の状態であり、例えばタンクまたはホッパーから供給され、ドクターブレードまたはローラーが層の表面上を移動することにより層の厚みを調整する。
（２）相変化方法（ＰＣＭ）を適用して、選択された領域内の材料を固化または溶融させて所望の形状を製作する。
【０００４】
この製造法としては以下の技法がある。
（ａ）ステレオリソグラフィー（光造形法）：これは光源を用いて固化する感光性ポリマーまたは樹脂の浴内で物品を構成するもので、光源はレーザーまたはディジタル投光システムなどであってもよい。浴内に設けられたプラットフォームが、浴内において製造中の物品を支持する。レーザーが物品の上方にある液体の層をスキャンして、それを選択的に固化する。次にプラットフォームを浴内で下降させ、スキャニング工程を繰り返す。
（ｂ）粉末結合法：ホッパーからの１層分の材料を広げ、スキャンヘッドから前記粉末材料上にバインダー溶液を「印刷」し（堆積させ）て粉末を結合させる。この工程に使用されるプリントヘッドは、通常のインクジェットプリンタのヘッドと非常に類似したものでよい。連続する各層の形成の間に再度構成プラットフォームを下降させ、物品の厚みの増加に対応する。物品上でプリントヘッドを移動して、印刷に必要なスキャニングを可能にする。同様の技術が、ある種の薬の錠剤の製造に使用されており、有効成分がバインダーと一緒に粉末の層の上に選択的に印刷される。これにより、成分放出速度のような錠剤特性をきめ細かく調整することができる。
（ｃ）粉末溶融法：例えばレーザー光を選択的に照射することによる（選択的レーザー溶融）。このタイプの工程では、金属粉末を使用して固体の金属部品を形成することも行なわれており、その場合、この工程は選択的レーザー焼結と呼ばれる。
（ｄ）電子ビーム溶融法：この工程では、複数のレーザービームで堆積した粉末を選択的に溶融し、固体材料を形成する。この工程は真空内で行われる。この工程を内部で行なう「構成チャンバー」が加熱される場合もある。
【０００５】
後に選択的な位相変化が続く一様な層の形成を含まない迅速原型製作法も存在する。そのかわり、構成材料は選択的に堆積させることができる。ワックス射出成形では、微小な溶融ワックス滴がインクジェット方式のプリントヘッドから放出されて、薄層を次々と「プリント」して物品を構成する。マルチジェットモデリング法では、ラスター方式のプリントヘッドが熱重合材料を放出し物品を構成する。上に列記したのは、いくつかの方法を例として示しただけである。迅速原型製作に関する当業者にはすべて周知のものであり、また商業的に利用可能である。
【０００６】
迅速原型製作法はその名称が示すように、製造前のモデル、試験品その他の製作に特に利用されてきた。現在の方法は時間を要するために、物品の大量生産にはあまり適していない。単独の構成方法は、必要な層の多さと、また各層の形成に要する時間の長さとのために、何時間もかかるのが普通である。迅速原型製作法は、射出成形や鋳造のような、もっと普通に採用される大量生産技術のための工作器具（ツーリング）の製造に使用することができる。
【０００７】
しかし最近では、迅速原型製作法から「迅速製造」に移行することへの商業的なニーズが存在する。迅速製造では、迅速原型製作法で採用された層の上に層を重ねる方法を、もっと大きなバッチサイズの部品製造に適用する。このような方法では、型による成型では作れない部品を製作する可能性が得られ（物品を型から外す必要がないため、迅速製造法は成型による場合よりも製造可能な形状の範囲に対する制約が少ない）、しかも工作器具の交換を必要とせずにその形状を変更することができる。このように迅速製造法は、極めて柔軟性が高く有用な技術としての可能性を有する。かかる技術の１つの目標は、いわゆる「マス・カスタマイゼーション（大量特注生産）」を提供することである。
【０００８】
現在は、製造のコストおよび速さのために、迅速製造の応用は、レーシングカー部品、特注品の補聴器、歯列矯正器、航空機部品および微小部品のように、利益率が高く少量生産の分野に限られている。上で述べたように、医薬品の放出制御経口製剤も、上記のタイプの技術を使用して行われている。製造速度の向上（１時間で製造される物品の数）は、迅速製造をより広範な市場に適用する上で決定的に重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
材料を堆積させかつ／または選択的に相変化を起こさせるために使用される装置は通常、製造中の物品の上を前後に往復運動するように駆動される。本発明者は、そのような技術によって既存の迅速原型製作法および迅速製造法のスピードが制約されていることに着目した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、三次元的物品を製造する装置があり、前記装置はコンピュータ制御装置と、製造中の物品を運ぶ構成プラットフォームと、制御された厚みとコンピュータ制御装置によって決定された形状とを有する材料の層を物品の上に形成するための少なくとも１つの構成ステーションとを備え、構成ステーションまたは構成プラットフォームのいずれかが軸の回りに回転するように取り付けられて駆動され、それにより構成ステーションと製造中の物品とが互いを繰り返し通過するようになされ、各層を次々と形成して選択された三次元的な形状を有する物品が製造される。
【００１１】
構成ステーションの構成プラットフォームに対する相対的な回転運動（これらのいずれかを回転させるか、または両方を回転させることにより生じる）により、構成ステーションの往復運動の必要性がなくなる。
前記装置は好適には、回転軸の周りに円周方向に間隔を開けて配設された２つ以上の構成ステーションを備えている。このように複数の構成ステーションを使用することは、構成ステーションの構成プラットフォームに対する相対的な回転運動によって可能となり、そして１回転するごとに２層以上を形成することを可能にする。構成ステーションと同じ数の層が適用される。かくして本発明によれば、複数の構成ステーションを同時に稼動させることができ、構成プロセスのスピードが向上する。
【００１２】
層を次々と形成することによって製造中の物品の厚みが大きくなるのに対応するために、構成ステーションまたは構成プラットフォームを回転軸に沿って移動することが好適である。この場合も、ステーションとプラットフォームとが互いに相対的に（離れる方向に）移動することが必要であるが、これはいずれか一方、または両方を移動することで達成される。
【００１３】
回転軸に沿ってのこの運動は、回転運動と協調して行わなければならない。本発明の特に好適な実施形態では、ネジを切った部材を使用して、構成ステーションおよび構成プラットフォームのいずれかを前記ネジに回転自在に係合し、回転運動によりネジに沿って移動するようにする。前記ネジを切った部材は、好適には回転軸に沿って延びている。
材料の各層の厚みは、通常は小さいので、１回転で行われる軸に沿っての必要運動量は通常は小さい。過度に細かいピッチのネジを使用するよりむしろ、本発明の好適な実施形態ではネジを切った部材がそれ自体回転可能に取り付け駆動され、前記回転軸に沿っての運動の速度を低減する。
【００１４】
迅速原型製作法および製造機械においては、構成プラットフォーム、したがって製造中の物品も静止状態に保持して、構成ステーションを移動することが一般的であった。しかし本発明の好適な実施形態では、回転させるのは、構成プラットフォームの方である。したがって静止した構成ステーションを使用することができ、それは構成の品質向上を可能にする。粉末の構成材料の場合、結果として微細な粉末を使用することができる。
【００１５】
本発明の具体的な実施形態を以下、添付の図面を参照して説明するが、これは一例に過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
機械の構成を詳細に検討する前に、機械が円筒形の壁と構成プラットフォームとして機能する平らな平面ベースとで形成され、その中で物品が製造される構成チャンバー２を備えており、前記構成チャンバーを回転可能とすることで構成ステーション４を通過するように物品を繰り返し移動し、物品を構成する各層は構成ステーションによって堆積させられかつ選択的に固化される、ということに注意されたい。この特定の機械は「粉末結合タイプ」であるが、本発明は上で言及した全てを含むほとんどのタイプの迅速原型製作（ラピッドプロトタイピング）法および製造技術に適用することが可能であると考えなければならない。構成チャンバー２は親ネジ６に結合されており、それにより回転するとネジの軸（以下ｚ軸と呼ぶが、これは構成チャンバー２がその周囲を回転する軸でもある）の方向に沿って移動する。ｚ軸に沿ってのこの運動により、各層を次々と形成するので物品の厚みの増加に対応可能となる。
【００１７】
ここで機械の詳細な構造を見ると、上部および下部ベースプレート８，１０が、ｚ軸と平行に配設された２本の直立する案内柱１２に堅固に結合され、かつそれを支持する役割を果たし、案内柱１２の上で支持プレート１４がスライドするようになっている。支持プレートに取り付けられたスリーブ１６が案内柱上を移動し、支持プレートはｚ方向に移動するために案内柱に沿ってスライド移動できるが、そのｘおよびｙ方向、ならびにｚ軸と垂直な方向における位置は固定している。支持プレート１４は円形であり、かつ中央に円形の切り抜き１６を有し、この切り抜き１６が構成チャンバー２を受けてｚ軸の回りにチャンバーが回転することを可能にする。図２において、構成チャンバー２は親ネジ８が係合する中央の突起（ボス）１８を有することがわかる。突起は内側にネジが切ってあり、構成チャンバーが回転するに従って自動的にｚ方向に沿って移動するようになっている。構成チャンバーには、図示された実施形態では２２で示されるベルト駆動を通じて作動するチャンバー駆動モーター２０を含んだ回転駆動装置が備えられている。
【００１８】
構成チャンバーの上方には、構成ステーション４を運ぶ案内柱１２に堅固に結合された取り付けプレート２３が備えられている。各構成ステーションは製造される物品がその下を通過するときに物品の上に層を形成する。各構成ステーションは周方向に沿って互いに離れている。図示された実施形態では、４つの構成ステーションがある。各物品は１回転当たりに４層の材料を受けることになる。図３および図４に図示した単一の構成ステーションは、上方に開口して、構成材料を受け取るホッパー２４を備えており、この実施形態では構成材料は粉末の形態である。ホッパー２４はまた下向きに開口して絞られた口２６も有し、この口２６を通して粉末が供給されるようになっている。それにより形成される粉末の層の厚みを制御するために、構成チャンバーの底部に平行な直線状の縁２７の前であって供給口２６に隣接するドクターブレードが使用される。製造中の物品は円形の経路に沿って移動するので、ホッパー２４を通過する物品の表面の運動速度は、全表面にわたって同じではなく、回転軸からの距離に比例する。その結果、層の一様な厚みを実現するために必要な粉末の堆積速度も同様に、軸からの距離と共に増加する。流量の必要な変化を実現するために、ホッパー２４と口２６とは、それらの半径方向に内側の端部２８から外側の端部３０に向かって広がっている。粉末の選択的位相変化はこの実施形態では、物品上にバインダーを放出して構成された層の形状を規定するインクジェット方式のプリントヘッド３２を使用することで達成される。
【００１９】
製造中の物品の最上面を構成ステーションから一定の鉛直距離に維持するために、構成チャンバー２（およびそれが載置される支持プレート１４）をｚ軸に沿って層の厚みに等しい距離だけ前進させ、その前進のたびに物品が構成ステーションを通過するようにすることが必要である。公知の迅速原型製作法では、層の厚みは、標準的には、０．０５ｍｍのオーダーである。そのため図示された実施形態では、チャンバーは９０度回転すると０．０５ｍｍ前進し（構成ステーション４，６の１つから次に移動するため）、そして１回転すると０．２ｍｍ進む。親ネジ６が固定されているならば、０．２ｍｍのピッチを有するネジを使用することが必要となる。このように細かいピッチを有するネジは入手が困難であると考えられる。
【００２０】
図示された実施形態では、親ネジ６にはベルト駆動３５を介して作動するネジ駆動モーター３４を備えた専用の駆動装置が備えられている。これにより親ネジ６は構成チャンバー２と同じ方向に、ただし異なる速度で回転するように駆動され、構成チャンバーの前進速度はチャンバー２とネジ６の回転速度との差によって制御される。例えば、もしも親ネジが構成チャンバーの半分の速度で回転すると、当該ネジが１回転するたびにそのピッチの半分だけチャンバーが前進する。この構成は、過剰に細かいピッチのネジを有する親ネジの必要性をなくすだけでなく、親ネジ６および／またはチャンバー２の速度を変更することで、構成チャンバーの前進速度を調整することも可能にする。これにより、構成材料の各層の厚みも同様に変更することができる。図示された実施形態では、２つの駆動モーター２０，３４が電子的に制御されて、それらの相対速度、したがって層の厚みをコンピュータ制御装置３６によって変更することを可能にする。別の構成（図示せず）は、ギア・チェーンまたはその他の機械的な駆動装置（ベルトおよびプリーなど）を介して構成チャンバーと親ネジとを結合するもので、この場合は層の厚みはネジのピッチと変速比とによって制御される。
【００２１】
前記機械は、連続的または断続的に運転することができる。すなわち、構成チャンバーの回転は連続的であったり周期的に停止または減速されてもよい。連続運転の場合、層の形成と相変化との両方の作業が同時に行われるので、より速く行われる。しかしある種の相変化方法、特にレーザーを利用した方法を使用して本発明を実施すると、相変化のプロセスが層の堆積よりも遅く行われる。断続運転では、相変化の間に構成チャンバー２の回転が停止または減速するので、比較的遅い相変化方法を採用することができる。
【００２２】
コンピュータ制御装置３６（図１）はモーター２０，２８に接続されており、また相変化ステーションにも接続されており、両者を制御する。
上で説明した実施形態では、構成材料の堆積と相変化との機能が単一の構成ステーションによって行なわれる。しかしこれら２つの機能は、外周方向に沿って離れた別々の粉末堆積ステーションおよび相変化ステーションで行なうことができる。別々の構成ステーションに異なる構成材料を装填することもでき、それにより完成した物品の構造内に２種類以上の材料を組み込むことも可能である。
【００２３】
本発明は上で説明したいずれのタイプの迅速原型製作法および迅速製造機械、また層を次々と重ねる製作方法を用いるその他の機械にも応用する可能性があるものと理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による迅速製造機械の斜視図である。
【図２】図１と類似するが、取り付けプレートとそれに関連する構成ステーションとを省略してあり、それにより機械構造の他の態様が見えるようにしてある図である。
【図３】前記機械の構成ステーションの１つを立てた状態で一方の側から見た斜視図である。
【図４】構成ステーションを下側から見た別の斜視図である。
【図５】機械の側面図である。
【図６】機械のさらなる斜視図であり、構成チャンバーと取り付けプレートとを省略してある。
【図１】
2006526524.tif 000003
【図２】
2006526524.tif 000004
【図３】
2006526524.tif 000005
【図４】
2006526524.tif 000006
【図５】
2006526524.tif 000007
【図６】
2006526524.tif 000008
【国際調査報告】
2006526524.tif 000009
2006526524.tif 000010