三次元物体の層状製造装置
三次元物体に対応するそれぞれの層における位置において造形材料を層状に固化することにより三次元物体を製造する装置（１）が提供される。装置はマシンフレーム（２，３，４，５）およびマシンフレーム内に位置する造形空間（１０）と；造形材料を選択的に固化するためのビーム（９）を放射するエネルギー源（６）と；このエネルギー源（６）を冷却するための気流（Ｔ）を生成する換気装置（５４）とを備える。造形空間（１０）を制限する仕切り壁（５６）に気流（Ｔ）を導く、接続管（５５）を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末状造形材料を、三次元物体に対応する各層の位置において層状に固化することにより三次元物体を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザ焼結装置を含む三次元物体の層状製造装置が記載されている。この装置では、粉末状造形材料の処理が行われる。この装置は、粉末状材料を塗工する目的で、粉末塗工装置と、コンベヤローラと、供給シュートとを備える構成となっている。
【０００３】
特許文献２には、レーザ焼結装置から成る三次元物体製造装置が記載されている。交換可能な容器についても記載されており、ワークピース・プラットフォームがこの容器の底部として一体的に設けられている。この交換可能容器は装置から取り外すことができ、装置に設けられている連結装置が容器を装置に装着すると共にワークピース・プラットフォームを駆動装置に連結する働きをする。
【０００４】
このような装置において、エネルギー源（レーザ焼結装置の場合、例えば、レーザ）は、熱を発生し、その熱は、装置の過熱を防止するために、装置から放散されなければならない。三次元物体が層状に製造される造形空間も加熱されるので、造形空間を制限する壁も加熱される。造形空間の加熱された壁は、熱を放射することによって、隣接して配置された光学系の構成要素や装置の駆動装置の構成要素のそれぞれに悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＤＥ １０ ２００５ ０１６ ９４０ Ａｌ
【特許文献２】ＷＯ ００／２１７３６ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、冒頭に記載した種類の装置であって、熱を装置から効率的にかつ費用効果がある方法で放散させ得る装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その目的は、請求項１に記載の装置により達成される。また、この装置をさらに有利に展開した例が従属請求項に記載されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
換気装置を用いてエネルギー源を冷却し、かつ気流を転送することによって、造形空間の境界壁も冷却することにより、熱は、冷却システムによって装置から効率的に放散される。共通の冷却システムを使用して、省スペースで費用効果のある構成が可能となる。
【０００９】
本発明のさらなる特徴および利点については、添付図面に基づいて説明する各実施形態から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態によるフレームシステムの概略図である。
【図２】図１の実施形態における光線ガイドの概略図である。
【図３】ａ）とｂ）は、図２におけるアパーチャの異なる例の概略詳細図である。
【図４】本実施形態の光線ガイドの領域における換気システムの詳細を示す概略斜視図である。
【図５】本実施形態の造形空間を示す概略図である。
【図６】本実施形態の造形容器換気システムを示す概略図である。
【図７】本実施形態における定量供給装置の装着を示す概略図である。
【図８】本実施形態における造形空間加熱モジュールの装着を示す概略図である。
【図９】本実施形態における塗工装置の装着を示す概略図である。
【図１０】造形容器の装着を示す概略図である。
【図１１】本実施形態における造形プラットフォームを示す概略図である。
【図１２】本実施形態における造形材料供給システムを示す概略図である。
【図１３】本実施形態における塗工システムの概略図である。
【図１４】光線調整方法において使用される層を示す概略図である。
【図１５】造形材料供給システムを示すさらに別の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１および図５を参照して、造形材料を層状に固化して三次元物体を製造する装置の基本的構成について説明する。一実施形態によると、この装置はレーザ焼結装置として構成される。この三次元物体製造装置においては、造形材料の層が順次上に重ねるように塗工されるが、各層の中で製造対象となる物体に対応する位置にある材料を選択的に固化して後に、次の層の塗工が行われる。ここに記載する実施形態では、粉末状の造形材料を使用し、選択された位置にエネルギービームを作用させることで材料を固化する。本実施形態では、粉末状造形材料を選択された位置においてレーザビームにより局所的に加熱し、焼結または溶融によって造形材料の近傍の構成成分に結合させる。
【００１２】
図１に示すように、レーザ焼結装置は光学系を含み、光学系の各光学要素はマシンフレームの構成要素に取り付けられている。図５に概略的に示す造形空間１０がマシンフレームに設けられている。
【００１３】
本実施形態では、光学系はレーザ６と、偏向ミラー７と、スキャナ８とを備える。レーザ６は光線９を発生し、このレーザ光線９が偏向ミラー７に入射して、偏向ミラー７によってスキャナ８に向かって偏向される。また、エネルギー源としてはレーザの代わりに、異種の放射線源でスキャナ８に向かうエネルギービームを発生するものを用いても良い。スキャナ８は、図５に示す造形空間１０内に位置する造形面１１の任意の位置に入射光線９を照射することができるように、公知の方法で構成される。これを可能とするために、スキャナ８と造形空間１０の間にある造形空間１０の上部仕切り壁５６に入口窓１２が設けられており、光線を入口窓１２を介して造形空間１０に入射させることができる。
【００１４】
次に、図５を参照して本実施形態の装置の造形空間について説明する。
【００１５】
図５から分かるように、造形空間１０内に上部を開口した容器２５が設けられている。形成対象となる三次元物体を支持する支持装置２６が容器２５内に配置されている。支持装置２６は不図示の駆動装置により容器２５内で垂直方向に往復運動させることができる。造形面１１は容器２５の上端部の領域に画定される。スキャナ８によって造形面１１に投射される光線９を通過させるための入口窓１２が造形面１１の上方に配置される。未固化の造形材料を支持装置２６の表面、または先に固化された層の上に塗工するための塗工装置２７が設けられる。塗工装置２７は、図５に概略的に矢印で示すように、駆動装置によって造形面１１上を水平方向に移動させることができる。造形面１１の両側には定量供給装置２８，２９がそれぞれ設けられており、所定量の造形材料を塗工装置２７に提供して塗工が行われるようにする。
【００１６】
定量供給装置２９の側部に供給開口部３０が設けられる。供給開口部３０は、図５の紙面に対して垂直方向に造形面１１の幅全体にわたって延在している。供給開口部は造形材料を造形空間に供給する働きをするもので、図示の実施形態ではこの材料は放射線によって固化することのできる粉末材料である。
【００１７】
本実施形態の造形空間は、図５に概略的に示されるように、上部領域４０と下部領域４１とに分割される。上部領域４０は実際の作業空間を形成しており、この中で造形材料の層状塗工およびその選択的固化が行われる。下部領域４１には容器２５が収容される。
【００１８】
本実施形態では、部分により、各層の物体に対応する位置を選択的に固化することにより三次元要素を層状に製造する方法を用いて形成する。また、本実施形態では、レーザ焼結法を用いて物体の製造を行う。フライス加工（milling）、旋削（turning）、注入成型（casting）のような従来の三次元物体製造方法に比較すると、このような方法は、複雑な形状のものを生成する場合、および／または製造量が比較的少なくて良い場合に特に有利である。
【００１９】
装置の動作
装置１の動作時、造形材料が供給開口部３０を介して造形空間１０に供給され、定量供給装置２８，２９によって所定量の材料が塗工装置２７に供給される。塗工装置２７が造形材料を支持装置２６または先に固化された層の上に塗工し、レーザ６およびスキャナ８によって造形面１１の選択された位置に光線９を投射することにより、形成するべき三次元物体に対応する位置の造形材料を選択的に固化する。その後、支持装置を層一つの厚さ分だけ下降させて、新しい層を塗工し、形成対象物体の全ての層を生成し終えるまでこの動作を繰り返し行う。
【００２０】
次に、装置のいくつかの構成要素についてさらに詳細に説明する。
【００２１】
フレーム構造
まず、本実施形態のフレーム構造について、図１を基に説明する。装置１は、３本の基礎ビーム２，３，４で構成されるマシンフレームを有する。これらの基礎ビームは対角材５によって相互に連結されている。本実施形態において、これら３本の基礎ビーム２，３，４は実質的に垂直に立設されており、装置の３つの角部を形成している。従って、平面視した場合の装置１の輪郭は実質的に三角形を呈する。基礎ビーム２，３，４および対角材５は、その輪郭が実質的に直角三角形の一角に相当し、該直角三角形の斜辺が装置の正面側となるように配置される。対角材５は実質的に水平であり、堅固でひずみに対する耐性のあるマシンフレームが形成され、一方的な力が加わった場合でもマシンフレームの各部の相対的な位置が変化しないように、あるいはほとんど変化することのないように、基礎ビームを連結する。
【００２２】
基礎ビーム２，３，４を基本的に垂直方向に延設し、三角形状に配置する構成とすることで、装置１を基部上の３点において支持することができる。このように３つの脚部を備えた構成とすることにより、迅速かつ簡単に基部に対する揺れや傾きを防止するように配置することが可能となる。特に、基部に対する位置合わせを変更する際にも、３つの支持点の一つの支持の高さを変えれば、他の２つの支持点を結ぶ線が回転することになるため、位置合わせの変更を行うことができる。４点支持や多点支持の場合、位置合わせを変更するには、安定した支持を達成する上で少なくとも２つの支持点の高さを変更する必要がある。
【００２３】
各基礎ビーム２，３，４の地面に面する底部側に、ローラ５０と高さ調節可能な支持脚５１とが配設されている。支持脚５１は、高さの調節ができるように対応する基礎ビーム２，３，または４に配置される。対応するローラからそれぞれの基礎ビームの底部側までの距離の方が支持脚５１から基礎ビームの底部側までの距離より大きくなる位置を第１の位置とすると、支持脚５１毎にこの第１の位置に移行させることができる。この第１の位置において、装置１はローラ５０の上に乗っており、支持脚５１基部から離れている。ローラ５０は基礎ビーム２，３，４上で旋回可能であり、装置１を、ローラ５０に乗った状態で基部の上方にて任意の方向に移動させることができる。また、支持脚５１がそれぞれの基礎ビーム２，３，または４の底面側からそれぞれのローラ５０よりも突出する位置を第２の位置とする、支持脚５１毎にこの第２の位置に移行させることができる。この位置においては、装置１は支持脚５１の上に乗っており、装置１が支持体に関して移動するのを確実に防止することができる。
【００２４】
本実施形態では、各々の支持脚５１について、それぞれの基礎ビーム２，３，４に面する側が、雄ネジを有するネジ付きロッドとして構成されている。基礎ビーム２，３，４の底部側に雌ネジを有する穴がそれぞれ設けられており、そこに支持脚５１が螺合される。支持脚５１の基礎ビーム２，３または４への螺合を絞めたり緩めたりすることによって、基礎ビームから支持脚５１の底部側までの距離を連続的に調整することができる。
【００２５】
２つの水準器５２がマシンフレームの２つの異なる位置に装着されている。水準器５２は静止した状態で一直線に並ぶように装置１に取り付けられる。本実施形態では、どちらの水準器５２も水平面に対して平行な平面に配設されている。この平面において、両水準器は相互に約９０度の角度を成す。どちらの水準器も、装置１が水平面に対して最適に位置合わせされているかどうかを示すものである。装置１の位置合わせは、３本の支持脚５１の高さを変えることで実施できる。装置１の位置合わせの変化を、水準器５２により視覚的に制御することができる。装置内部の構成要素については、相互に予め調整されている。構成要素がフレームシステムに堅固に装着されると共に、装置１の枠組構造が強固であることから、構成要素の相対的位置が保持される。従って、装置を適正に機能させるためには装置構成要素の空間的な位置決めを正確に行う必要があるものの、装置１の位置合わせが終わると構成要素は相対的に正しい位置にあることになる。水準器は装置の垂直方向の位置決めを容易にする。そのため、装置１を移動したりその位置を変えた後に位置合わせを行ったりする場合にも、迅速かつ効率的に行うことが可能となる。３本の基礎ビーム２，３，４とそれに対応する支持脚５１を有する構成により、装置１の位置合わせを手数をかけずに行うことが可能となっている。
【００２６】
光学系
次に、図１、図２および図４に基づいて、光学系についてより詳細に説明する。図１に示すように、レーザ６として構成されているエネルギー源がマシンフレームの垂直基礎ビームの１つである基礎ビーム２の中、または該基礎ビームに平行に配置されて、該基礎ビームと調節可能に接続される。レーザ６から出射された光線９はパイプ１３を通って案内される。パイプ１３の一端はレーザ６のケーシングに接続され、パイプ他端は偏向ミラー７等の構成要素を収納するケーシング１４に接続されている。従って、光線９はレーザ６から偏向ミラー７まで垂直方向に通過する。図４に示すように、ケーシング１４はケーシング１４から着脱可能な側壁１４ａを備える。図２はケーシング１４から側壁１４ａを取り外した状態を示している。
【００２７】
図２および図４に示すように、パイプ１３と反対側に面したケーシング１４の端部がスキャナ８の入力側に接続され、ケーシング１４がマシンフレームの構成要素に固定的に接続される。こうすることで、パイプ１３とケーシング１４とは、レーザ６からの光線９がパイプ１３とケーシング１４内の外部から隔離された空間を通ってスキャナ８まで通過するように配設される。ごく概略的にしか図示していないが、パイプ１３とケーシング１４との接合部にシャッタ１５が設けられている。シャッタ１５は、側壁１４ａをケーシング１４から取り外した際にレーザ６から偏向ミラー７へ向かう光線９の光路を遮断するように構成される。この構成によると、エネルギー源を動作させたままで側壁１４ａを誤って取り外した場合でも、オペレータが負傷する事故を確実に防止することができる。本実施形態では、機械的な滑動体によってシャッタ１５を実現しており、これによって側壁１４ａを取り外した際にパイプ１３からケーシング１４へ光線が通過するのを阻止している。
【００２８】
図１と図２に示すように、偏向ミラー７が光線９をスキャナの入口領域 ８ａに偏向させる。偏向ミラー７はその位置合わせを調整できるように懸架されており、位置合わせ調整のための調整機構１６を備えている。調整機構１６は２つのアクチュエータ１７，１８を含み、アクチュエータ１７，１８はそれぞれの駆動装置１７ａ，１８ａがケーシング１４の外側に位置するように配置されている。そのため、ケーシング１４を閉じた場合でも、外側から駆動装置１７ａ，１８ａにアクセスして偏向ミラー７の位置合わせを調整することができる。本実施形態では、アクチュエータ１７，１８はそれぞれ機械的な位置決めネジとして構成されており、駆動装置１７ａ，１８ａの領域に偏向ミラーの位置合わせに対応する目盛を備えている。駆動装置１７ａ，１８ａは調整ノブとして構成されている。本実施形態では、アクチュエータ１７，１８はレーザ焼結法により製造される。調整ノブは意図せぬ調整が行われないようにロックできるようにしている。
【００２９】
装置を最適に機能させるためには、スキャナの入口領域８ａに対する光線９の位置合わせを正確に調整する必要がある。この目的で、ケーシング１４と一体化して光路内に入れることのできるアパーチャ１９，２０，２１が設けられている。本実施形態では、ケーシングに３つのアパーチャ１９，２０，２１を設けているが、アパーチャの数はこれより大きくても小さくても良い。本実施形態では、偏向ミラー７に近いアパーチャ１９とスキャナ８の入口領域８ａに近いアパーチャ２１のいずれも、図３ａに示すようなレチクルを有するアパーチャとして構成している。アパーチャ１９と２１の間に配置されるアパーチャ２０は、図３ｂに示すようなピンホールとして構成されている。さまざまな調整要件に合わせて、その他の構成のアパーチャとすることもできる。また、複数組のアパーチャを備えて、必要な調整要件に応じて取り換えるようにしても良い。光線９用に使用するエネルギー源に応じて、機械的アパーチャの代わりに、光線の位置を検出することのできる当業者に公知の要素、例えば光線位置検出用の光学センサなどを設けても良い。
【００３０】
アパーチャ１９，２０，２１は、ケーシング１４に装着されたそれぞれの保持部１９ａ，２０ａ，２１ａに旋回可能に取り付けられている。第１の設定において、アパーチャ１９，２０，２１は光路内に入れられて固定される。第２の設定においては、アパーチャ１９，２０，２１は光路から外されて固定される。アパーチャの懸架は例えば軸により行うことができ、その軸を中心として光路に対して直交する方向にアパーチャ１９，２０，２１を回転させる。アパーチャ１９，２０，２１の固定は、それぞれの設定において例えば前記軸上に螺合する刻み付きねじを用いて行うことができる。しかしながら、当業者にはその専門知識から明らかなように、その他多くの方法で懸架することができる。例えば、アパーチャをいずれの位置でも係合することができる機構を用いることも可能である。
【００３１】
図１では概略的に示しているだけであるが、スキャナ８はマシンフレームのもう一つ別の構成要素にも取り付けられている。図示の実施形態では、スキャナ８は対角材５に装着されている。本実施形態では、スキャナ８は、偏向ミラー７からスキャナの入口領域８ａへと延びる光路に平行な軸を中心としてスキャナを回転することによってスキャナの位置合わせの調整ができるように懸架されている。この調整を行うために調節機構８ｂが設けられている。これによってスキャナ８の位置合わせを簡単に、しかも迅速かつ精密に行うことが可能となっている。
【００３２】
レーザ６からスキャナ８に向かう光線９は一度だけ偏向される。偏向は偏向ミラー７を介して行われるが、偏向ミラー７の位置合わせはケーシング１４を閉じた際に行うことができる。このため、ほとんどの構成要素の位置調整を行うことなく、容易に光路を調整することが可能となる。すなわち、本実施形態では、レーザ６と偏向ミラー７とスキャナ８の位置を調整するだけで良い。レーザ６の位置調整は調節機構６ｂによって行うことができる。レーザ６、偏向ミラー７およびスキャナ８は、それぞれ堅固なフレームシステムの構成要素に直接固定されている。そのため、装置１の移送時や、設置場所を変える際にも、レーザ６、偏向ミラー７およびスキャナ８についてはその相対的位置が変わらないか、やや変わるだけにすぎない。従って、短時間で効率的に精密な調整を行うことが可能となる。
【００３３】
光路を調整する際、アパーチャ１９，２０，２１を一つずつ光線経路に入れるか、あるいは他のアパーチャと組み合わせて入れることができる。これによって光路の迅速かつ効率的な調整の可能性をさらに高めることができる。よって、調整に手間がかからないため、装置１の立上げや保守を行う際にかかる費用を節減することが可能となる。
【００３４】
光線の調整方法
光線経路の調整方法として想定し得る方法について説明する。
【００３５】
一つの方法では、２つのレチクル・アパーチャ１９，２１のいずれかを光路に入れ、照射用の紙を該レチクルのすぐ後方に挿入する。次に、照射用の紙にレーザパルスを照射してレチクルの影を評価する。光線の断面の中心と十字の中心とがぴったりと一致する必要がある。光線経路の再調整は、アクチュエータ１７，１８を介しての偏向ミラー７の位置合わせの調整とレーザ６の位置の調整によって行われる。この方法は、光線経路が当初から所望の経路より大幅にずれている場合にも適している。この方法を使用すると、光線経路にピンホール２０を追加して挿入することも可能となる。
【００３６】
光学系を再調整する方法において、ピンホールとして構成されているアパーチャ２０を光路に挿入した後、ケーシング１４を閉じる。光線９の全出力を測定する出力測定装置が造形面１１に配置される。正確な調整を行う場合に光線９が出力測定装置に対して最適に指向されるように、スキャナ８の駆動を行う。出力測定装置によって測定されるビーム出力を監視すると共に、アクチュエータ１７，１８を動作させることにより偏向ミラー７の位置合わせを変化させる。出力測定装置が最大の光線出力を検出するまで、偏向ミラー７の位置合わせを変化させる。光線９は偏向ミラー７によってスキャナ８の入口領域８ａに対して最適に指向される。この方法は、ピンホール無しでも実施することができ、その場合はスキャナ８の入口開口部がアパーチャの機能を代行する。
【００３７】
このように調整することで、光学系の成分の位置が相互にごくわずかしか変化しておらず、微細な調整しか必要としない場合でも、光線経路の調整を簡単かつ迅速に行うことが可能になる。この方法によって、調整を短時間で実施することができ、装置の立上げや保守の際の調整コストを削減することができる。調整要件によっては、最初に光路にピンホール２０を挿入することなくこの方法を実施することも可能である。この場合は手間と時間をさらに削減することができる。
【００３８】
さらに別の方法では、光線９の照射に対して感応する材料、例えば温度効果により色が変わる紙などから成る層１１０を造形面１１の画定された領域に配置する。図１４に示すように、製造工程においてレーザ９による照射が行われる構成領域の縁部の所定のいくつかの地点において、層１１０にマーク１１１を設ける。その後、正確に位置合わせが行われた場合にはマーク１１１と一致することになるこれらの地点にスキャナ８を介して光線９を照射する。露光された地点が層１１０のマーク１１１から２方向において逸脱している場合、その偏差を測定する。もっとも簡単な方法としては、定規を用いて測定することができる。測定した境界点を基に、光学調整に関して拡大誤差や傾斜などが発生しているか否かを判断する。このような誤差の有無については、測定値を対応する評価プログラムに入力するなどの方法によって判断することができる。
【００３９】
拡大誤差は、造形面１１におけるスキャナ８と構成領域との間の機械的距離の変動や、スキャナ８の電気部品の電気的ドリフト等の結果生じ得る。また、傾斜誤差は機械的距離と角度の変動等から生じ得る。拡大誤差および／または傾斜誤差が発見された場合、発見された誤差に応じて、前記のような微調整によって補償することができる。この微調整は、スキャナ８の水平位置合わせの再調整によって行うか、あるいは、スキャナ８を駆動する制御プログラムの中にプログラムすることによってレーザ９の照準点を補正するのに使用される補正パラメータを計算することによって行われる。
【００４０】
この方法では、構成領域の縁部にある個々の測定点を測定するにすぎない。構成領域の測定点と測定点との間にある地点については、補間法により誤差の判定を行う。測定点間の地点に対する誤差補正も、補間法によって行う。そのため、記録の必要な測定点はごく少数であり、短時間で手間をかけずに行うことができる。従って、調整や保守作業にかかる作業時間を大幅に削減することができるため、運転コストについても低減することができる。
【００４１】
レーザおよび光学素子の冷却
次に、図１，図２，図４を参照して、光学系の換気システムについて説明する。
【００４２】
基礎ビーム２の内部に中空空間５３があり、その中にレーザ６とパイプ１３が配設されている。２つの換気装置５４が設けられている。換気装置５４が生成する気流Ｔがレーザ６から暖気を搬出するため、それによってレーザ６が冷却される。本実施形態では、中空空間５３内のパイプ１３の領域に換気装置５４を設けている。中空空間５３は２本の管５５を介して造形空間１０の上方にある装置１の領域に接続されており、この造形空間１０の中にスキャナ８，偏向ミラー７，アパーチャ１９，２０，２１が設けられている。
【００４３】
図５に示すように、気流Ｔは換気装置５４によって造形空間１０の上部仕切り壁５６に向かって送風される。こうして、エネルギー源冷却用の気流は光学系に向けても偏向される。
【００４４】
このように、本実施形態では、レーザ６として構成されているエネルギー源を冷却するための冷却システムを、スキャナ８と偏向ミラー７とアパーチャ１９，２０，２１から成る光学系の冷却にも使用する。従って、１台の通風システムを用いて光学系の全ての構成要素を冷却することが可能となる。
【００４５】
気流Ｔは造形空間１０の上部仕切り壁５６上にも導かれるため、同じ通風システムを用いて造形空間１０の上側の冷却も行うことができ、造形空間１０の上方に位置する装置１の制御要素の過熱を防止することができる。造形空間１０の上側の冷却は光学系の通風システムによって行われる。従って、造形プロセスから生まれる処理熱も、レーザの冷却システムを用いて装置１の外に導出することができるため、別個の冷却手段を設ける必要がない。そのため、コスト削減が可能となると共に、装置を小型化できる。
【００４６】
本実施形態では、レーザ６が存在する中空空間５３が造形空間または構成空間１０の上側に２本の管を介して接続されているが、マシンフレーム自体に設けた流路を介して接続を行うことも可能である。また、管または流路を１本だけとしても良い。ここでは２つの換気装置５４について記載しているが、必要な冷却能力に応じて換気装置５４を１つのみとしても良いし、複数設けても良い。光学系用および造形空間１０の上側用に共通して用いられる通風システムは、レーザをエネルギー源とする構成、またはエネルギー源を基礎ビーム２内に配置する構成に限定されるものではない。また、他の構成を用いた場合でも、光学系および造形空間上側の効率的かつ費用効果の高い冷却を達成することができる。ただし、エネルギー源を基礎ビーム内に配置することによって、場所をとらない構成とすることができる。
【００４７】
次に、造形空間１０内の装置１の個々の構成要素について説明する。
【００４８】
加熱装置
加熱装置３１は容器２５の粉末床の加熱、特に塗工が終わっているが未硬化の層を予備加熱するための装置であって、図５に示すように、造形面１１上方の造形空間１０内に配設される。加熱装置は、１つまたは複数の放射線ヒータ、たとえばラジエータとして構成され、造形材料の塗工層を均等に加熱できるように造形面１１の上方に配設される。図示の実施形態では、加熱装置３１は黒鉛プレートから成る熱放射要素を有する二次元ラジエータとして構成されている。図８から分かるように、この熱放射要素は蛇行構造を有している。
【００４９】
本実施形態では、加熱装置３１は実質的に正方形のプレートであって、入口窓１２の下方の中心部に実質的に正方形の切り込みを有しており、スキャナ８から造形面１１に向かう光線９が通過するエリアの周りに延在している。
【００５０】
次に、図８を参照しながら、加熱装置３１の装着について説明する。図８に示すように、本実施形態の加熱装置３１は基本的に固定具４４と放射線ヒータ４５とで構成される。固定具４４は造形空間１０の上部領域４０に配置された支持部４６に受容されている。放射線ヒータ４５は固定具４４に受容されている。
【００５１】
図８に矢印Ａで概略的に示したように、固定具４４は放射線ヒータ４５と共に支持部４６から取り外すことができる。支持部４６はレールとして構成されており、その中に固定具４４が挿入される。固定具４４は工具を使用することなく支持部４６への着脱を行うことができる。この他にも固定具４４と支持部４６の間の接続するための構成がいくつか考えられる。例えば、バネ、クランプなど介して取り付けを行っても良い。固定具４４を支持部４６に係合する構造を設けても良い。
【００５２】
固定具４４もレール状の構造を有し、その中に放射線ヒータ４５が挿入される。放射線ヒータ４５は工具を用いることなく、固定具４４の中に導入したり固定具４４から取り外すことができる。固定具４４と放射線ヒータ４５との場合も、固定具４４と支持部４６との接続と同様、異なる種類の接続方法を用いることができる。固定具４４に放射線ヒータ４５を係合するようにしても良い。
【００５３】
このように、支持部４６、固定具４４および放射線ヒータ４５を記載の構造とすることによって、一方では工具を用いることなく固定具４４を放射線ヒータ４５から取り外すことが可能となる。このことは、造形空間１０を清掃する際に特に有利である。また、他方では工具を用いることなく放射線ヒータ４５を固定具４４から取り外すことができる。このことは放射線ヒータ４５の保守および交換を行う際に特に有利である。加熱装置３１の構成要素を工具を用いずに取り外しまたは交換を行えることにより、装置１の清掃を迅速かつ容易に行えると共に、放射線ヒータ４５の交換も迅速かつ容易に行えるようになる。これによって、保守および清掃作業に要する時間を節減することが可能となり、短時間で装置１を次の工程に使用可能な状態とすることができる。
【００５４】
定量供給装置
図５に概略的に示すように、本実施形態では定量供給装置２８，２９の各々が角度を付けたプレート状に形成されており、図５の紙面に対して垂直方向に、造形面１１の幅いっぱいに延びている。定量供給装置２８，２９は造形面１１に平行に延びる軸を中心としてローラのように回転することができ、定量供給装置２８，２９の各々がコンベヤローラの働きをしている。定量供給装置２８，２９は、塗工装置２７の移動によって駆動されて、それぞれの軸を中心として所定の角度回転するように構成されている。
【００５５】
図７に定量供給装置２８を概略的に示す。定量供給装置２９は定量供給装置２８と同様であるため、詳細な説明を省略する。定量供給装置２８は工具を用いることなく装置１から取り外すことができ、再挿入することもできる。図７に示すように、定量供給装置２８は、角をつけたプレート状に形成されて回転軸Ｚに沿って伸びる中心部分２８ｃを備える。中心部分２８ｃは所定量の造形材料を計量して供給する働きをする。定量供給装置２８は、回転軸Ｚに対して垂直方向において断面積が中心部分２８ｃより小さくなる第１端部２８ａを有している。定量供給装置２８の第２端部２８ｂも回転軸Ｚに対して垂直方向において中心部分２８ｃより断面積が小さくなっている。定量供給装置２８の第１端部２８ａはサスペンション３６に接続されており、定量供給装置２８はこのサスペンションを中心として、すなわちこのサスペンションと共に回転軸Ｚを中心として回転する。その目的で第１端部２８ａとサスペンション３６とは確実に、あるいは形状嵌合連結式に相互に連結される。図示の実施形態では、第１端部２８ａは例えば円筒状突起部２８ａ’を有しており、これがサスペンション３６のやはり円筒状の凹部３６’に確実に挿入される。ただし、サスペンション３６および第１端部２８は異なる構成としても良い。例えば第１端部２８ａが凹部を有し、サスペンションが突起部を有する構成としても良い。凹部および対応する突起部は、形状嵌合連結が得られる形状であれば他の任意の形状とすることができる。
【００５６】
定量供給装置２８の第２端部２８ｂは軸受３７に連結されている。第２端部２８ｂは軸受３７に枢支される。図示の実施形態では、軸受３７が回転軸Ｚと同心の環状に突出する縁部３７ａを有している。第２端部２８ｂは円筒状の突起として構成されており、これが環状に突出する縁部３７ａによって形成される凹部の中に挿入される。ただし、軸受３７および第２端部２８ｂは他の構成としても良い。軸受３７をたとえば突出する軸ピンとして形成し、第２端部２８ｂがこの軸ピンによって係合される凹部を有する構成としても良い。定量供給装置２８の旋回を可能にする上でいくつかの実施方法が可能である。
【００５７】
また、本実施形態では、第２端部２８ｂの側の定量供給装置２８と軸受３７との間に予荷重要素３８が設けられている。予荷重要素３８は定量供給装置２８に対してサスペンション３６方向への予荷重を加えている。本実施形態において、予荷重要素３８は回転軸Ｚに対して同心に、あるいは縁部３７ａおよび第２端部２８ｂの周囲に設けられたコイルばねによって形成されている。ただし、これ以外の実施形態も可能であり、例えば予荷重要素を板バネの形状に構成し、これを軸受３７または第２端部２８ｂの中に設けるようにしても良い。この場合、第２端部２８ｂ自体を予荷重要素によって定量供給装置２８に着脱自在に装着することができる。
【００５８】
図示の実施形態では、軸受３７とサスペンション３６の間の距離が第１端部２８ａと第２端部２８ｂとの間の定量供給装置の長さより、所定距離だけ長くなっている。その所定距離は、回転軸Ｚ方向の突起部２８ａ’の長さよりやや長くなる。このように構成することで、予荷重要素３８の予荷重の力に抗して定量供給装置２８を軸受３７の方向に移動させ、第１端部２８ａとサスペンション３６ｃとの間の形状嵌合連結を解放することができる。その後定量供給装置２８を取り出して、洗浄を行ったり、別の定量供給装置と交換することができる。定量供給装置２８を挿入する際は、これらの手順を逆に行えばよい。
【００５９】
このように、本実施形態では工具を用いることなく定量供給装置２８の取り外しを行うことが可能となる。工具を用いずに定量供給装置２８の取り外しと交換が行えることにより、装置１の清掃を迅速かつ簡単に行えると共に、定量供給装置２８の交換も迅速かつ簡単に行うことが可能になる。これによって保守や清掃作業に要する時間を節減でき、短時間で装置を次の生産工程に使用できる状態とすることができるため、装置１の運転コストを低減することができる。
【００６０】
別の例として、軸受３７および／またはサスペンション３６を駆動軸として構成し、この駆動軸により定量供給装置が回転するように駆動しても良い。この場合、第２端部２８ｂと軸受との間にも形状嵌合連結を用いることができる。
【００６１】
定量供給装置２８の両側にあって定量供給装置２８を装着する受口は、たとえば凹部として形成し、その中に定量供給装置２８を横方向に挿入するように構成することができる。固定はバネ、クランプ等を用いることにより達成することができる。定量供給装置２８を装着したときに係合する構造を設けても良い。定量供給装置２８は例えば刻み付きねじを用いて固定し、これを手で絞めたり緩めたりするようにしても良い。
【００６２】
造形材料の供給および熱保護
図５を参照して、造形空間１０内の定量供給装置２８，２９の領域について説明する。
【００６３】
定量供給装置２９の領域では、造形面１１を含む平面の下方に延びる造形材料収容領域２３が形成されている。造形材料収容領域２３は、塗工装置２７から供給される所定量の造形材料を収容できるように形成される。定量供給装置２９と供給開口部３０の領域には造形材料収容領域２４が形成されている。造形材料収容領域２４は、供給開口部３０を介して供給される造形材料と共に、塗工装置２７から返送される造形材料も収容できるような大きさとする。
【００６４】
造形材料収容領域２３，２４の大きさと定量供給装置２８，２９の大きさを一致させて、定量供給装置２８または２９を１８０度回転させる毎に一定量の造形材料が塗工装置２７の正面に移動されるようにする。
【００６５】
図５に示すように、定量供給装置２８，２９の上方に放射線防御シールド３２，３３がそれぞれ装着されている。放射線防御シールド３２，３３は、加熱装置３１からの放射熱が定量供給装置２８，２９の領域、供給開口部３０の領域、造形材料収容領域２３，２４の領域にある造形材料に直接作用するのを防止する。
【００６６】
造形材料収容領域２３，２４の下側に、中空空間３４，３５を形成する二重壁構造が設けられている。中空空間は造形材料収容領域２３，２４の下側の全域にわたって延びている。この二重壁構造によって、造形材料収容領域はその底部で、その下方に位置する装置１の構成要素から絶縁されている。一実施形態によると、中空空間３４，３５に流体を循環させることにより、造形材料収容領域２３，２４内の造形材料の温度を調節することができる。また、中空空間３４，３５を通る流体の流速および／または流体温度を制御する制御装置を設けても良い。このような制御装置を設けることで造形材料の温度を制御することができる。
【００６７】
放射線防御シールド３２，３３と中空空間３４，３５を設けることによって、定量供給装置２８，２９と粉末収容領域２３,２４のエリアにある造形材料の温度を造形面１１上方の造形区間の温度および容器２５の下方領域の温度より低く維持することができる。
【００６８】
このように、中空空間３４，３５と放射線防御シールド３２，３３を設けることにより、造形材料収容領域２３，２４内造形材料の温度が上昇し過ぎるという問題を防止することができる。これによって、造形プロセスの前に造形材料の性質が熱の影響を受けてしまう危険性が低減される。
【００６９】
塗工システム
次に、本実施形態における塗工システムについて、図９と図１３を参照して説明する。
【００７０】
図１３から分かるように、塗工システムは塗工装置２７と駆動機構５９とを備える。塗工装置２７は塗工要素６１とホルダ６０とを備える。塗工要素６１はホルダ６０に保持されている。ホルダ６０が駆動機構５９に連結されている。
【００７１】
図９から分かるように、ホルダ６０は主アーム６２と、主アーム６２から下方向に垂直に延びる第１ホルダアーム６３および第２ホルダアーム６４の２つのホルダアームを備えている。第１ホルダアーム６３は剛性であり、主アーム６２に固定的に接続されている。第２ホルダアーム６４はその一端部６４ａが主アーム６２に固定的に接続されている。第２ホルダアーム６４は可撓性を有しており、その自由端６４ｂは図９に矢印Ｃで示すように、第２ホルダアーム６４の材料がもつ復元力に抗してある程度のところまで移動することができる。この運動によってホルダアーム６３，６４の自由端６３ｂ，６４ｂの間の距離を大きくすることができる。ホルダアーム６３，６４に凹部６３ｃ，６４ｃがそれぞれ設けられている。
【００７２】
塗工要素６１は、ホルダ６０の主アーム６２に対して実質的に平行に延びる本体部６１ａと、本体部６１ａから横方向に突出する２つの突起部６１ｂとを備える。２つの突起部６１ｂは、ホルダアーム６３，６４の凹部６３ｃ，６４ｃの中に挿入されて形状嵌合連結されるような寸法に構成されている。形状嵌合係合によって、塗工要素６１とホルダ６０との間の連結がトルク耐性を有するものとなる。本実施形態では、塗工要素６１を塗工ブレードとして構成しており、ブレードの下縁部６１ｃによって造形材料の塗工と平滑化を行う。
【００７３】
図９に矢印Ｃ，Ｄで概略的に示したように、自由端６４ｂを矢印Ｃの方向に移動させて自由端６３ｂから離隔させることで、塗工要素６１と第２ホルダアーム６４との形状嵌合を解放することができる。その後矢印Ｄで示すように、塗工要素６１をホルダ６０から取り外すことができる。
【００７４】
塗工要素６１をホルダ６０に装着する場合は、逆の手順で行う。
【００７５】
上記の構成とすることにより、塗工要素６１のホルダ６０への着脱は、はツールレスで、すなわち工具を用いることなく行うことができる。これによって塗工要素６１を迅速かつ効率よく交換することが可能となる。保守および清掃作業にかかる時間を節減することができ、装置１を短時間で次の製造に使用可能な状態とすることができる。特に、その後の造形プロセスのそれぞれの要件に応じていろいろな塗工要素６１を使用することができ、これらの塗工要素６１は造形プロセスと造形プロセスの間に手間をかけずに交換することができる。
【００７６】
塗工要素６１とホルダ６０の連結については他の構成も可能である。例えば、塗工要素６１に凹部を設け、ホルダ６０に突起部を設けて形状嵌合連結しても良い。また、溝に挿入して、塗工要素６１とホルダ６０を随意に係合させるようにしても良い。
【００７７】
塗工システム２７の駆動機構５９について、図１３を参照して説明する。図１３から分かるように、塗工装置２７のホルダ６０が駆動軸６５にトルク耐性を有するように接続されている。駆動軸６５はその両端において軸受６６，６７に枢支されている。駆動軸は図５に示す造形面１１に対して垂直な軸Ｅを中心として回転可能である。その回転は図１３において矢印Ｆで示されている。さらに、レバー６８がトルク耐性を有するように駆動軸６５に装着されている。レバー６８は作動ピストン・シリンダ系６９に接続されている。また、レバー６８はブレーキピストン・シリンダ系７０にも接続されている。本実施形態では、作動ピストン・シリンダ系６９が空気圧系として構成されており、レバー６８を介してピストンに圧力が加えられた時、駆動軸６５が軸Ｅを中心として回転するように駆動軸６５を駆動する。駆動軸６５が回転する結果、ホルダ６０も回転し、塗工要素６１が造形面１１と平行に運動を開始する。駆動軸６５は、造形空間の後部領域にあって、造形材料の固化が行われる構成領域または造形領域に対して横方向に配設されている。駆動機構５９を介して、塗工装置２７は円の一部分に相当する経路上を一定限度の範囲に亘って移動することができる。こうして、塗工装置２７は構成領域の片側にある第１位置と構成領域の反対側にある第２位置との間で往復移動される。この構成により、塗工装置２７を移動させるための駆動機構５９が構成領域の実質的に片側に配置されることになり、障害なく反対側から構成領域にアクセスすることが可能になる。駆動装置として空気圧系を設けることにより、塗工装置の運動を高精度に、同時に低コストで行うことができるようになる。
【００７８】
ブレーキピストン・シリンダ系７０はオイルダッシュポットとして構成されている。ブレーキピストン・シリンダ系は、作動ピストン・シリンダ系がチャージされているときには圧力変動を減衰する働き、すなわち塗工装置２７の速度を急激に変えるような駆動装置に対抗する抵抗力の変化を減衰する働きをする。したがって、塗工装置２７を所定の速度分布で均等に運動させることが可能となる。塗工装置２７の運動を最適化することによって、層を塗工する際の均等性が改善され、ひいては部品品質の改善につながる。
【００７９】
本実施形態では、軸Ｅを中心とする円形の経路上を造形面１１に対して平行に移動する塗工装置２７について説明している。円形経路の寸法は、塗工装置２７が造形面１１全体にわたって移動できるような大きさとする。塗工装置は造形面１１を横切って直線運動するように構成しても良い。この場合も、作動ピストン・シリンダ系６９とブレーキピストン・シリンダ系７０との組み合わせによって塗工装置をより均等に運動させることができるため、層の塗工が改善される。
【００８０】
取替容器とサスペンション
本実施形態における容器２５の構成について、図５および１０を参照して説明する。その内部に支持装置２６を配設された容器２５が、図５に概略的にのみ示されている。
【００８１】
本実施形態において、容器２５は取替容器または交換容器として構成されており、造形プラットフォームを形成し容器の中に位置する支持装置２６と共に装置１から取り出すことができる。不図示の連結機構が装置１の中に設けられている。この連結機構によって、支持装置２６を垂直運動させるための支持装置２６および容器２５の駆動装置への連結を開閉することができる。連結機構は装置１の制御装置によって駆動される。連結機構は、冒頭の従来技術に関する記載で述べたものと同様に構成することができる。
【００８２】
図１０に概略的に示すように、架台７４が扉７３に設けられている。扉７３は装置１のマシンフレームに旋回装着されており、扉を閉めた状態では装置１の造形空間１０が装置１の外側から隔離される。本実施形態では、扉７３は矢印Ｈで示されるように、軸Ｇの周りで旋回可能に装着されている。図示の実施形態では、軸Ｇは垂直に延びているため、装置１の扉７３は横に開く。
【００８３】
容器２５は片側に取付部７５を備える。取付部７５は扉７３の架台７４と係合させることにより、容器２５を扉７３で支持し、扉７３をマシンフレームから旋回して開く際に共に旋回することができる。本実施形態では、架台７４が扉７３の内側に、その上部に凹部を有する突起部として形成されている。容器２５の取付部７５は、前記凹部の中に嵌合する突出したフックとして構成されている。
【００８４】
容器２５を装置１に挿入するためには、扉７３を開けた状態で容器２５の取付部７５を架台７４と係合させる。扉７３が開いている状態では、装置１の外側から容易に架台７４に手が届くため、この作業を楽に行うことができる。容器２５の架台７４からの分離は、装置１の制御装置により連結機構を介して行う。支持装置２６はそれぞれの駆動装置に接続されている。
【００８５】
この状態では、容器２５は扉７３と連結されておらず、必要に応じて容器２５を装置１から取り出すことなく扉７３を開放することができる。他方、装置１の制御装置により、容器２５を架台７４と再係合させ、支持装置２６をそれぞれの駆動装置から分離することができる。この状態で扉７３を開くことにより、容器２５を造形空間１０ひいては装置１から取り出すことができる。容器２５は扉７３と共に旋回して取り出される。この位置で容器２５を楽に装置から取り出すことができ、機械の中まで手を伸ばす必要はない。
【００８６】
本実施形態は、扉７３を垂直軸の周りで旋回させているが、異なる方法で水平に開く扉としても良い。また、扉７３と容器２５との連結方法も、凹部と係合フックを備えた本実施形態の方法に限定されない。扉７３を容器２５と係合させるものであれば他の機構を設けることもできる。
【００８７】
造形プラットフォームの封止
容器２５内の支持装置２６の案内について、図１１を参照して説明する。図５に関して既に説明したとおり、支持装置２６は駆動装置を介して容器２５に対して垂直方向Ｋに移動させることができる。支持装置２６の上側が造形プラットフォーム７８となり、その上で造形対象の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との間に空隙８０が存在する。空隙８０は支持装置２６が容器２５の中で垂直方向に移動できる大きさとなっている。空隙８０を介して造形材料が造形プラットフォーム７８の領域から出て造形プラットフォーム７８の下にある容器２５の領域に入り込む恐れがある。このように造形材料が通過すると、駆動装置の汚染につながり、その結果保守作業が必要になる場合もあるので、望ましくない。
【００８８】
造形材料の通過を防止するために、空隙８０は後述する封止体８１によって閉止する。封止体８１は可撓制材料の層で形成され、造形プラットフォーム７８の下の造形プラットフォーム７８の縁部に沿って環状に配設される。封止体８１は例えばシリコーン材料からなる平坦なストリップで形成することができる。ただし、十分な温度耐性と可撓性を有するものであれば他の材料を用いることもできる。平坦な状態での封止体８１は、運動または移動方向Ｋに対して垂直な平面における外のり寸法が、容器２５の内のり寸法よりやや大きいため、容器２５に挿入したときに、封止体８１は空隙８０の区域でやや屈曲され、材料がもつ可撓性のために小さな張力をもって容器２５の側壁７９に当接する。
【００８９】
造形プラットフォーム７８の下の封止体８１の下に案内板８２が配設されている。運動方向Ｋに対して垂直な平面において、案内板８２の外のり寸法は造形プラットフォーム７８よりやや大きくなっている。案内板８２周辺の外縁部８２ａが空隙８０に向かって曲げられている。外縁部８２ａは空隙８０の区域において封止体８１に当接する。外縁部８２ａはその外周部の領域において封止体８１を屈曲させており、空隙内の封止体８１の縁部は空間の上部境界に向かって曲がっている。封止体８１の縁部領域の屈曲方向と反対方向に造形プラットフォーム７８を移動させた場合でも、この案内板８２によって、可撓性のある封止体８１がその縁部領域において予め成形された方向と反対に下向きに折り曲げられるのが防止できる。そのため、支持装置２６を造形プラットフォーム７８と共に、容器２５に関して移動方向Ｋに確実に移動させることができる。また、封止体が折れるなどした場合に起こり得る、造形材料粒子の造形プラットフォーム７８下の領域内への流入を防止することができる。
【００９０】
さらに、折り曲げた縁部領域８２ａを有する案内板８２の効果として、シリコンーン等から成る平らなプレートを封止体８１として使用し得ることがある。封止体８１は他のプラスチック材料で形成しても良い。この構成によると、封止体はその周方向の外縁部において球状の形状とする必要はないし、また容器の内径に正確に合わせた形状とする必要もない。
【００９１】
容器の温度調節（tempering）
造形空間１０の下部領域４１について、図５および図６を参照して説明する。図５から分かるように、チャンバー８５が下部領域４１内に、容器２５の下側を取り囲むように形成されている。装置１の動作時、チャンバー８５は流体媒体で満たされる。本実施形態では、この流体媒体はガスである。特に、本実施形態ではこのガスを不活性ガスとし、酸化等による造形材料の劣化を防止するために上部領域４０においても使用する。
【００９２】
チャンバー８５は横方向において側壁８６により画定されており、その上部において造形面１１の高さで、分離プレート８７により造形空間１０の上部領域４０から分離されている。チャンバー８５は底部８８によって下方の境界を画定されている。底部８８は、容器２５下の領域において支持装置をその制御装置と連結する通路８９を備える。底部８８の、容器２５の角部の下にある領域に出口９０が設けられている。本実施形態では、容器２５の各角部の下に２つの出口９０を設けているが、他の数の出口を設けてもよく、たとえば角部ごとに設ける出口の数を１つのみにしても良い。
【００９３】
さらに、図５に示すように、側壁８６の上部に開口部９１が設けられる。開口部９１は通風システムを介して出口９０接続されている。本実施形態では、通風システムはチャンバー８５の外側に配設されており、側壁８６の外側と底部８８の下に第２チャンバー８４によって形成されている。換気装置９２が通風システムの中に設置されている。さらに、加熱装置９３と温度センサが通風システム内に設けられている。換気装置９２によって、下部領域４１にある流体媒体が開口部９１を通じて第２チャンバー８４内に引き込まれ、この媒体の有向流が出口９０を通じてチャンバー８５内に再導入される。出口９０の位置が容器２５の角部の下方にあること、また側壁８６に開口部９１が設けられていることにより、容器２５の角部の領域で有向流が生成され、その有向流が容器２５の温度調整および平衡取りを行う働きをする。この流れは図５および図６において矢印Ｓで示されている。この流れによって容器２５の温度分布を規定することができ、容器２５を均等に温度調節（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）することが可能となる。加熱装置９３と温度センサを設けることによって、この流れの温度を正確に調整することが可能となっている。こうして、容器２５の温度およびその中にある造形材料の温度を、装置１の動作中に一定の方法で調整することができる。この流れによって、特に容器２５の角部において流体媒体と容器２５との間で熱交換が行われる。その角部に基づいて、容器２５の温度分布を有利に、特に均一に保つことができる。
【００９４】
有向流を用いて容器の角部を選択的に温度調節することによって、動作中に容器２５内の固化された造形材料とその周りにある未固化の造形材料を制御冷却することができる。このため、造形材料を冷却する際に、極端な温度勾配が生じて製造された三次元物体が反りなどによって劣化するのを防止することができる。
【００９５】
本実施形態においては、実際の造形領域である造形空間１０の上部領域４０において使用するのと同じ処理ガスを流体媒体として使用している。そのため、造形空間１０の上部領域４０と下部領域４１との間に特に封止を必要としない。よって、装置１を高い費用効率で構成することが可能となる。さらに、容器２５内の造形材料の熱劣化も高度に防止することができる。このことは、未固化の造形材料をさらに別の造形プロセスにおいて再利用するという点で特に有利である。
【００９６】
造形材料の供給
装置１への造形材料の供給について、図１、図１２および図１５を参照して説明する。図１から分かるように、造形材料を送るための開口部９５が装置１の後方領域に形成されている。開口部９５は供給開口部３０に接続されており、図５に示すようにこの供給開口部３０が造形空間１０へと続いている。装置１内の開口部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開口部３０に供給される。本実施形態では、投下により造形材料の自重に基づいて供給が行われる。ダクト９６の上部領域を図１２に概略的に示している。
【００９７】
ダクト９６はその上側に被覆壁９７を有しており、その被覆壁に造形材料供給用の注入管９８ａ，９８ｂに接続される２つの開口部９７ａ，９７ｂが設けられている。注入管９８ａ，９８ｂはその上側に、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂ用のコネクタ９９ａ，９９ｂをそれぞれ有している。コネクタ９９ａ，９９ｂは造形材料供給容器１００ａ，１００ｂに別個に接続することができる。各注入管９８ａ，９８ｂの中にゲート１０１ａ，１０１ｂがそれぞれ設けられている。各ゲート１０１ａ，１０１ｂは、第１位置に移動させることができ、第１位置では図１２の左側に示すように、対応する注入管９８ａ，９８ｂの断面が閉鎖される。ゲート１０１ａ，１０１ｂはまた第２位置にも移動することができ、第２位置では注入管９８ａ，９８ｂが閉鎖または被覆されず、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂからの造形材料がそれぞれ注入管９８ａ，９８ｂを通ってダクト９６に向かうことができる。
【００９８】
開口部９７ａ，９７ｂ下方のダクト９６内に、充填レベルセンサ１０２ａ，１０２ｂがそれぞれ装着されている。充填レベルセンサ１０２ａは、注入管９８ａの下のダクト９６内に造形材料が存在するかどうかを検出する。充填レベルセンサ１０２ｂは、注入管９８ｂの下のダクト内に造形材料が存在するかどうかを検出する。
【００９９】
夫々の注入管９８ａ，９８ｂに機構が設けられており、図１５に概略的に示すように、注入管９８ａ，９８ｂはその機構によりそれぞれ造形材料供給容器１００ａ，１００ｂと共にダクト９６の上方に移動したり、ダクト９６から取り外すことができる。どちらの注入管も独立して移動させることができる。本実施形態では、この運動は実質的に水平の軸を中心とする旋回運動である。
【０１００】
動作に際して、まずダクト９６に造形材料を充填する。造形材料供給容器１００ｂにも造形材料を充填し、対応するゲート１０１を開放位置にする。柱状を呈する造形材料がダクト９６内部をそれぞれの注入レベルセンサ１０２ｂより高い位置まで延びる。第２の造形材料供給容器１００ａにも造形材料が充填される。ただし、図１２に示すように、対応するゲートはまだ閉鎖位置にある。
【０１０１】
装置１の動作時、造形材料は自重により供給開口部３０を介して造形空間１０に供給されるため、造形材料が消費されてダクト９６の充填レベルは低下する。造形材料供給容器１００ｂ内に造形材料が存在する限り、この造形材料がダクト９６内に滑り落ちて行く。造形材料供給容器１００ｂが空になっても装置１の動作が続く場合、注入レベルセンサ１０２ｂ側のダクト９６の充填レベルが低下する。すると注入レベルセンサ１０２ｂが造形材料供給容器１００ｂが空であることを検知する。その後注入管９８ｂのゲート１０１が閉鎖される。注入管９８ａのゲート１０１が開放され、他方の造形材料供給容器１００ａから造形材料がダクト９６へと供給される。
【０１０２】
この位置において、装置１から造形材料供給容器１００ｂを取り外し、充填を行ったり、充填を終わった他の造形材料供給容器と交換したりすることができる。コネクタ９９ａ，９９ｂは、たとえばそれぞれ注入管９８ａ、９８ｂに設けた雌ネジとして構成し、その中に対応する造形材料供給容器１００ａ，１００ｂの雄ネジを螺合するようにすることができる。これによって、市販の容器を造形材料供給容器として利用することが可能になる。充填を終えた造形材料供給容器、あるいは交換用造形材料供給容器を再び注入管９８ｂに接続してダクト９６上に移動させることにより、もう一つの造形材料供給容器１００ａが空になったときに使用することが可能となる。
【０１０３】
造形材料供給容器１００ａが空になった場合、ダクト９６の充填レベルが下がり、充填レベルセンサ１０２ａがその低下を検知して、造形材料供給容器が空であることを示す信号を装置１の制御装置に出力する。その後、注入管９８ａのゲート１０１を閉めると共に、注入管９８ｂのゲート１０１を開けることにより、再び造形材料供給容器１００ｂから造形材料を供給することができるようになる。ゲート１０１の開閉は装置１の制御装置によって行われる。その後、造形材料供給容器１００ａを交換することができる。
【０１０４】
２つの造形材料供給容器１００ａ，１００ｂが設けられ、それぞれ別個のコネクタ９９ａ，９９ｂを介して装置１に個別に接続することができる。造形材料供給容器１００ａ，１００ｂの取替または交換を行う際にも、装置１の動作を停める必要がない。三次元物体を造形空間１０において製造する際に造形材料供給容器を交換する場合も、造形プロセスを連続して実施しながら行うことができる。こうして装置１の効率的な運転が達成され、造形プロセスが実施されない休止時間を短縮することができる。装置１はより簡単に動作させることができる。また、動作中は造形材料供給容器を常に充填された状態に保つことができる。
【０１０５】
さらに、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂを閉じる蓋を設けても良い。造形材料供給容器は装置１に供給するまでと、取り出しを行った後に閉じることができる。
【０１０６】
注入管９８ａ，９８ｂを造形材料供給容器１００ａ，１００ｂ用のコネクタ９９ａ，９９ｂを備えるように構成することで、造形材料の保存および混合にも適する造形材料供給容器を装置において使用することが可能となる。コネクタの構成次第では、市販の容器を使用することもできる。
【０１０７】
さらに、造形材料の種類ごとに、あるいは造形材料の保管用として、複数の造形材料供給容器を設けるようにしても良い。特に、複数の造形材料供給容器を用い、２つの造形材料供給容器で装置１を動作させると同時に、さらに別の造形材料供給容器において造形材料の混合を実施するようにできる。また、装置１にも造形材料供給容器用のコネクタを１つまたは２つ以上設けても良い。
【０１０８】
一実施形態では、装置１は、充填レベル情報が充填レベルセンサ１０２ａ，１０２ｂにより自動的にオペレータに電子送信されるように構成されている。情報の送信は例えばＳＭＳや電子メールを介して行われる。このため、装置１には適切なネットワーク接続を行う。
【０１０９】
以上の説明では、造形材料の供給を造形材料の自重を利用して行うものとしたが、異なる方法で供給することもできる。例えば、造形材料供給容器用の機械装置を設け、この機械装置により造形材料のダクトへの供給を補助するようにしても良い。例えば、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂおよびその中の造形材料に振動を生じる振動装置を設け、造形材料のダクト９６への供給を補助するようにすることができる。振動装置は注入管９８ａ，９８ｂ（充填装置の部分）に配設した１つまたはそれ以上の振動励起装置によって形成することができる。
【０１１０】
変形例
記載の装置は変更が可能である。レーザに代えて他の光源のようなエネルギー源を用いても良いし、電子源やその他の粒子源を用いても良い。エネルギー源に応じて、他の光学系を用いることもできる。例えばエネルギー源として電子源を使用する場合は、電磁レンズと偏向システムとを使用できる。フレームシステムの構成など、ここに記載の特長の中には、インクジェット印刷に似た方法を用いる三次元印刷用の装置や、マスク露光方法等で実施できるものもある。
【０１１１】
また、エネルギー源としてレーザを用いる場合、装置の構成を、レーザ焼結法において用いるように、あるいは造形材料を局所的に溶融させるレーザ溶融法において用いるようにすることができる。
【０１１２】
造形材料として複数の材料を用いることができる。例えば、ポリイミド粉末等のプラスチック粉末を用いても良いし、金属やセラミックスの粉末を用いることもできる。またそれらの混合物を用いることも可能である。例えば、プラスチック被覆した金属を用いることもできる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末状造形材料を、三次元物体に対応する各層の位置において層状に固化することにより三次元物体を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザ焼結装置を含む三次元物体の層状製造装置が記載されている。この装置では、粉末状造形材料の処理が行われる。この装置は、粉末状材料を塗工する目的で、粉末塗工装置と、コンベヤローラと、供給シュートとを備える構成となっている。
【０００３】
特許文献２には、レーザ焼結装置から成る三次元物体製造装置が記載されている。交換可能な容器についても記載されており、ワークピース・プラットフォームがこの容器の底部として一体的に設けられている。この交換可能容器は装置から取り外すことができ、装置に設けられている連結装置が容器を装置に装着すると共にワークピース・プラットフォームを駆動装置に連結する働きをする。
【０００４】
このような装置において、エネルギー源（レーザ焼結装置の場合、例えば、レーザ）は、熱を発生し、その熱は、装置の過熱を防止するために、装置から放散されなければならない。三次元物体が層状に製造される造形空間も加熱されるので、造形空間を制限する壁も加熱される。造形空間の加熱された壁は、熱を放射することによって、隣接して配置された光学系の構成要素や装置の駆動装置の構成要素のそれぞれに悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＤＥ １０ ２００５ ０１６ ９４０ Ａｌ
【特許文献２】ＷＯ ００／２１７３６ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、冒頭に記載した種類の装置であって、熱を装置から効率的にかつ費用効果がある方法で放散させ得る装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その目的は、請求項１に記載の装置により達成される。また、この装置をさらに有利に展開した例が従属請求項に記載されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
換気装置を用いてエネルギー源を冷却し、かつ気流を転送することによって、造形空間の境界壁も冷却することにより、熱は、冷却システムによって装置から効率的に放散される。共通の冷却システムを使用して、省スペースで費用効果のある構成が可能となる。
【０００９】
本発明のさらなる特徴および利点については、添付図面に基づいて説明する各実施形態から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態によるフレームシステムの概略図である。
【図２】図１の実施形態における光線ガイドの概略図である。
【図３】ａ）とｂ）は、図２におけるアパーチャの異なる例の概略詳細図である。
【図４】本実施形態の光線ガイドの領域における換気システムの詳細を示す概略斜視図である。
【図５】本実施形態の造形空間を示す概略図である。
【図６】本実施形態の造形容器換気システムを示す概略図である。
【図７】本実施形態における定量供給装置の装着を示す概略図である。
【図８】本実施形態における造形空間加熱モジュールの装着を示す概略図である。
【図９】本実施形態における塗工装置の装着を示す概略図である。
【図１０】造形容器の装着を示す概略図である。
【図１１】本実施形態における造形プラットフォームを示す概略図である。
【図１２】本実施形態における造形材料供給システムを示す概略図である。
【図１３】本実施形態における塗工システムの概略図である。
【図１４】光線調整方法において使用される層を示す概略図である。
【図１５】造形材料供給システムを示すさらに別の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１および図５を参照して、造形材料を層状に固化して三次元物体を製造する装置の基本的構成について説明する。一実施形態によると、この装置はレーザ焼結装置として構成される。この三次元物体製造装置においては、造形材料の層が順次上に重ねるように塗工されるが、各層の中で製造対象となる物体に対応する位置にある材料を選択的に固化して後に、次の層の塗工が行われる。ここに記載する実施形態では、粉末状の造形材料を使用し、選択された位置にエネルギービームを作用させることで材料を固化する。本実施形態では、粉末状造形材料を選択された位置においてレーザビームにより局所的に加熱し、焼結または溶融によって造形材料の近傍の構成成分に結合させる。
【００１２】
図１に示すように、レーザ焼結装置は光学系を含み、光学系の各光学要素はマシンフレームの構成要素に取り付けられている。図５に概略的に示す造形空間１０がマシンフレームに設けられている。
【００１３】
本実施形態では、光学系はレーザ６と、偏向ミラー７と、スキャナ８とを備える。レーザ６は光線９を発生し、このレーザ光線９が偏向ミラー７に入射して、偏向ミラー７によってスキャナ８に向かって偏向される。また、エネルギー源としてはレーザの代わりに、異種の放射線源でスキャナ８に向かうエネルギービームを発生するものを用いても良い。スキャナ８は、図５に示す造形空間１０内に位置する造形面１１の任意の位置に入射光線９を照射することができるように、公知の方法で構成される。これを可能とするために、スキャナ８と造形空間１０の間にある造形空間１０の上部仕切り壁５６に入口窓１２が設けられており、光線を入口窓１２を介して造形空間１０に入射させることができる。
【００１４】
次に、図５を参照して本実施形態の装置の造形空間について説明する。
【００１５】
図５から分かるように、造形空間１０内に上部を開口した容器２５が設けられている。形成対象となる三次元物体を支持する支持装置２６が容器２５内に配置されている。支持装置２６は不図示の駆動装置により容器２５内で垂直方向に往復運動させることができる。造形面１１は容器２５の上端部の領域に画定される。スキャナ８によって造形面１１に投射される光線９を通過させるための入口窓１２が造形面１１の上方に配置される。未固化の造形材料を支持装置２６の表面、または先に固化された層の上に塗工するための塗工装置２７が設けられる。塗工装置２７は、図５に概略的に矢印で示すように、駆動装置によって造形面１１上を水平方向に移動させることができる。造形面１１の両側には定量供給装置２８，２９がそれぞれ設けられており、所定量の造形材料を塗工装置２７に提供して塗工が行われるようにする。
【００１６】
定量供給装置２９の側部に供給開口部３０が設けられる。供給開口部３０は、図５の紙面に対して垂直方向に造形面１１の幅全体にわたって延在している。供給開口部は造形材料を造形空間に供給する働きをするもので、図示の実施形態ではこの材料は放射線によって固化することのできる粉末材料である。
【００１７】
本実施形態の造形空間は、図５に概略的に示されるように、上部領域４０と下部領域４１とに分割される。上部領域４０は実際の作業空間を形成しており、この中で造形材料の層状塗工およびその選択的固化が行われる。下部領域４１には容器２５が収容される。
【００１８】
本実施形態では、部分により、各層の物体に対応する位置を選択的に固化することにより三次元要素を層状に製造する方法を用いて形成する。また、本実施形態では、レーザ焼結法を用いて物体の製造を行う。フライス加工（milling）、旋削（turning）、注入成型（casting）のような従来の三次元物体製造方法に比較すると、このような方法は、複雑な形状のものを生成する場合、および／または製造量が比較的少なくて良い場合に特に有利である。
【００１９】
装置の動作
装置１の動作時、造形材料が供給開口部３０を介して造形空間１０に供給され、定量供給装置２８，２９によって所定量の材料が塗工装置２７に供給される。塗工装置２７が造形材料を支持装置２６または先に固化された層の上に塗工し、レーザ６およびスキャナ８によって造形面１１の選択された位置に光線９を投射することにより、形成するべき三次元物体に対応する位置の造形材料を選択的に固化する。その後、支持装置を層一つの厚さ分だけ下降させて、新しい層を塗工し、形成対象物体の全ての層を生成し終えるまでこの動作を繰り返し行う。
【００２０】
次に、装置のいくつかの構成要素についてさらに詳細に説明する。
【００２１】
フレーム構造
まず、本実施形態のフレーム構造について、図１を基に説明する。装置１は、３本の基礎ビーム２，３，４で構成されるマシンフレームを有する。これらの基礎ビームは対角材５によって相互に連結されている。本実施形態において、これら３本の基礎ビーム２，３，４は実質的に垂直に立設されており、装置の３つの角部を形成している。従って、平面視した場合の装置１の輪郭は実質的に三角形を呈する。基礎ビーム２，３，４および対角材５は、その輪郭が実質的に直角三角形の一角に相当し、該直角三角形の斜辺が装置の正面側となるように配置される。対角材５は実質的に水平であり、堅固でひずみに対する耐性のあるマシンフレームが形成され、一方的な力が加わった場合でもマシンフレームの各部の相対的な位置が変化しないように、あるいはほとんど変化することのないように、基礎ビームを連結する。
【００２２】
基礎ビーム２，３，４を基本的に垂直方向に延設し、三角形状に配置する構成とすることで、装置１を基部上の３点において支持することができる。このように３つの脚部を備えた構成とすることにより、迅速かつ簡単に基部に対する揺れや傾きを防止するように配置することが可能となる。特に、基部に対する位置合わせを変更する際にも、３つの支持点の一つの支持の高さを変えれば、他の２つの支持点を結ぶ線が回転することになるため、位置合わせの変更を行うことができる。４点支持や多点支持の場合、位置合わせを変更するには、安定した支持を達成する上で少なくとも２つの支持点の高さを変更する必要がある。
【００２３】
各基礎ビーム２，３，４の地面に面する底部側に、ローラ５０と高さ調節可能な支持脚５１とが配設されている。支持脚５１は、高さの調節ができるように対応する基礎ビーム２，３，または４に配置される。対応するローラからそれぞれの基礎ビームの底部側までの距離の方が支持脚５１から基礎ビームの底部側までの距離より大きくなる位置を第１の位置とすると、支持脚５１毎にこの第１の位置に移行させることができる。この第１の位置において、装置１はローラ５０の上に乗っており、支持脚５１基部から離れている。ローラ５０は基礎ビーム２，３，４上で旋回可能であり、装置１を、ローラ５０に乗った状態で基部の上方にて任意の方向に移動させることができる。また、支持脚５１がそれぞれの基礎ビーム２，３，または４の底面側からそれぞれのローラ５０よりも突出する位置を第２の位置とする、支持脚５１毎にこの第２の位置に移行させることができる。この位置においては、装置１は支持脚５１の上に乗っており、装置１が支持体に関して移動するのを確実に防止することができる。
【００２４】
本実施形態では、各々の支持脚５１について、それぞれの基礎ビーム２，３，４に面する側が、雄ネジを有するネジ付きロッドとして構成されている。基礎ビーム２，３，４の底部側に雌ネジを有する穴がそれぞれ設けられており、そこに支持脚５１が螺合される。支持脚５１の基礎ビーム２，３または４への螺合を絞めたり緩めたりすることによって、基礎ビームから支持脚５１の底部側までの距離を連続的に調整することができる。
【００２５】
２つの水準器５２がマシンフレームの２つの異なる位置に装着されている。水準器５２は静止した状態で一直線に並ぶように装置１に取り付けられる。本実施形態では、どちらの水準器５２も水平面に対して平行な平面に配設されている。この平面において、両水準器は相互に約９０度の角度を成す。どちらの水準器も、装置１が水平面に対して最適に位置合わせされているかどうかを示すものである。装置１の位置合わせは、３本の支持脚５１の高さを変えることで実施できる。装置１の位置合わせの変化を、水準器５２により視覚的に制御することができる。装置内部の構成要素については、相互に予め調整されている。構成要素がフレームシステムに堅固に装着されると共に、装置１の枠組構造が強固であることから、構成要素の相対的位置が保持される。従って、装置を適正に機能させるためには装置構成要素の空間的な位置決めを正確に行う必要があるものの、装置１の位置合わせが終わると構成要素は相対的に正しい位置にあることになる。水準器は装置の垂直方向の位置決めを容易にする。そのため、装置１を移動したりその位置を変えた後に位置合わせを行ったりする場合にも、迅速かつ効率的に行うことが可能となる。３本の基礎ビーム２，３，４とそれに対応する支持脚５１を有する構成により、装置１の位置合わせを手数をかけずに行うことが可能となっている。
【００２６】
光学系
次に、図１、図２および図４に基づいて、光学系についてより詳細に説明する。図１に示すように、レーザ６として構成されているエネルギー源がマシンフレームの垂直基礎ビームの１つである基礎ビーム２の中、または該基礎ビームに平行に配置されて、該基礎ビームと調節可能に接続される。レーザ６から出射された光線９はパイプ１３を通って案内される。パイプ１３の一端はレーザ６のケーシングに接続され、パイプ他端は偏向ミラー７等の構成要素を収納するケーシング１４に接続されている。従って、光線９はレーザ６から偏向ミラー７まで垂直方向に通過する。図４に示すように、ケーシング１４はケーシング１４から着脱可能な側壁１４ａを備える。図２はケーシング１４から側壁１４ａを取り外した状態を示している。
【００２７】
図２および図４に示すように、パイプ１３と反対側に面したケーシング１４の端部がスキャナ８の入力側に接続され、ケーシング１４がマシンフレームの構成要素に固定的に接続される。こうすることで、パイプ１３とケーシング１４とは、レーザ６からの光線９がパイプ１３とケーシング１４内の外部から隔離された空間を通ってスキャナ８まで通過するように配設される。ごく概略的にしか図示していないが、パイプ１３とケーシング１４との接合部にシャッタ１５が設けられている。シャッタ１５は、側壁１４ａをケーシング１４から取り外した際にレーザ６から偏向ミラー７へ向かう光線９の光路を遮断するように構成される。この構成によると、エネルギー源を動作させたままで側壁１４ａを誤って取り外した場合でも、オペレータが負傷する事故を確実に防止することができる。本実施形態では、機械的な滑動体によってシャッタ１５を実現しており、これによって側壁１４ａを取り外した際にパイプ１３からケーシング１４へ光線が通過するのを阻止している。
【００２８】
図１と図２に示すように、偏向ミラー７が光線９をスキャナの入口領域 ８ａに偏向させる。偏向ミラー７はその位置合わせを調整できるように懸架されており、位置合わせ調整のための調整機構１６を備えている。調整機構１６は２つのアクチュエータ１７，１８を含み、アクチュエータ１７，１８はそれぞれの駆動装置１７ａ，１８ａがケーシング１４の外側に位置するように配置されている。そのため、ケーシング１４を閉じた場合でも、外側から駆動装置１７ａ，１８ａにアクセスして偏向ミラー７の位置合わせを調整することができる。本実施形態では、アクチュエータ１７，１８はそれぞれ機械的な位置決めネジとして構成されており、駆動装置１７ａ，１８ａの領域に偏向ミラーの位置合わせに対応する目盛を備えている。駆動装置１７ａ，１８ａは調整ノブとして構成されている。本実施形態では、アクチュエータ１７，１８はレーザ焼結法により製造される。調整ノブは意図せぬ調整が行われないようにロックできるようにしている。
【００２９】
装置を最適に機能させるためには、スキャナの入口領域８ａに対する光線９の位置合わせを正確に調整する必要がある。この目的で、ケーシング１４と一体化して光路内に入れることのできるアパーチャ１９，２０，２１が設けられている。本実施形態では、ケーシングに３つのアパーチャ１９，２０，２１を設けているが、アパーチャの数はこれより大きくても小さくても良い。本実施形態では、偏向ミラー７に近いアパーチャ１９とスキャナ８の入口領域８ａに近いアパーチャ２１のいずれも、図３ａに示すようなレチクルを有するアパーチャとして構成している。アパーチャ１９と２１の間に配置されるアパーチャ２０は、図３ｂに示すようなピンホールとして構成されている。さまざまな調整要件に合わせて、その他の構成のアパーチャとすることもできる。また、複数組のアパーチャを備えて、必要な調整要件に応じて取り換えるようにしても良い。光線９用に使用するエネルギー源に応じて、機械的アパーチャの代わりに、光線の位置を検出することのできる当業者に公知の要素、例えば光線位置検出用の光学センサなどを設けても良い。
【００３０】
アパーチャ１９，２０，２１は、ケーシング１４に装着されたそれぞれの保持部１９ａ，２０ａ，２１ａに旋回可能に取り付けられている。第１の設定において、アパーチャ１９，２０，２１は光路内に入れられて固定される。第２の設定においては、アパーチャ１９，２０，２１は光路から外されて固定される。アパーチャの懸架は例えば軸により行うことができ、その軸を中心として光路に対して直交する方向にアパーチャ１９，２０，２１を回転させる。アパーチャ１９，２０，２１の固定は、それぞれの設定において例えば前記軸上に螺合する刻み付きねじを用いて行うことができる。しかしながら、当業者にはその専門知識から明らかなように、その他多くの方法で懸架することができる。例えば、アパーチャをいずれの位置でも係合することができる機構を用いることも可能である。
【００３１】
図１では概略的に示しているだけであるが、スキャナ８はマシンフレームのもう一つ別の構成要素にも取り付けられている。図示の実施形態では、スキャナ８は対角材５に装着されている。本実施形態では、スキャナ８は、偏向ミラー７からスキャナの入口領域８ａへと延びる光路に平行な軸を中心としてスキャナを回転することによってスキャナの位置合わせの調整ができるように懸架されている。この調整を行うために調節機構８ｂが設けられている。これによってスキャナ８の位置合わせを簡単に、しかも迅速かつ精密に行うことが可能となっている。
【００３２】
レーザ６からスキャナ８に向かう光線９は一度だけ偏向される。偏向は偏向ミラー７を介して行われるが、偏向ミラー７の位置合わせはケーシング１４を閉じた際に行うことができる。このため、ほとんどの構成要素の位置調整を行うことなく、容易に光路を調整することが可能となる。すなわち、本実施形態では、レーザ６と偏向ミラー７とスキャナ８の位置を調整するだけで良い。レーザ６の位置調整は調節機構６ｂによって行うことができる。レーザ６、偏向ミラー７およびスキャナ８は、それぞれ堅固なフレームシステムの構成要素に直接固定されている。そのため、装置１の移送時や、設置場所を変える際にも、レーザ６、偏向ミラー７およびスキャナ８についてはその相対的位置が変わらないか、やや変わるだけにすぎない。従って、短時間で効率的に精密な調整を行うことが可能となる。
【００３３】
光路を調整する際、アパーチャ１９，２０，２１を一つずつ光線経路に入れるか、あるいは他のアパーチャと組み合わせて入れることができる。これによって光路の迅速かつ効率的な調整の可能性をさらに高めることができる。よって、調整に手間がかからないため、装置１の立上げや保守を行う際にかかる費用を節減することが可能となる。
【００３４】
光線の調整方法
光線経路の調整方法として想定し得る方法について説明する。
【００３５】
一つの方法では、２つのレチクル・アパーチャ１９，２１のいずれかを光路に入れ、照射用の紙を該レチクルのすぐ後方に挿入する。次に、照射用の紙にレーザパルスを照射してレチクルの影を評価する。光線の断面の中心と十字の中心とがぴったりと一致する必要がある。光線経路の再調整は、アクチュエータ１７，１８を介しての偏向ミラー７の位置合わせの調整とレーザ６の位置の調整によって行われる。この方法は、光線経路が当初から所望の経路より大幅にずれている場合にも適している。この方法を使用すると、光線経路にピンホール２０を追加して挿入することも可能となる。
【００３６】
光学系を再調整する方法において、ピンホールとして構成されているアパーチャ２０を光路に挿入した後、ケーシング１４を閉じる。光線９の全出力を測定する出力測定装置が造形面１１に配置される。正確な調整を行う場合に光線９が出力測定装置に対して最適に指向されるように、スキャナ８の駆動を行う。出力測定装置によって測定されるビーム出力を監視すると共に、アクチュエータ１７，１８を動作させることにより偏向ミラー７の位置合わせを変化させる。出力測定装置が最大の光線出力を検出するまで、偏向ミラー７の位置合わせを変化させる。光線９は偏向ミラー７によってスキャナ８の入口領域８ａに対して最適に指向される。この方法は、ピンホール無しでも実施することができ、その場合はスキャナ８の入口開口部がアパーチャの機能を代行する。
【００３７】
このように調整することで、光学系の成分の位置が相互にごくわずかしか変化しておらず、微細な調整しか必要としない場合でも、光線経路の調整を簡単かつ迅速に行うことが可能になる。この方法によって、調整を短時間で実施することができ、装置の立上げや保守の際の調整コストを削減することができる。調整要件によっては、最初に光路にピンホール２０を挿入することなくこの方法を実施することも可能である。この場合は手間と時間をさらに削減することができる。
【００３８】
さらに別の方法では、光線９の照射に対して感応する材料、例えば温度効果により色が変わる紙などから成る層１１０を造形面１１の画定された領域に配置する。図１４に示すように、製造工程においてレーザ９による照射が行われる構成領域の縁部の所定のいくつかの地点において、層１１０にマーク１１１を設ける。その後、正確に位置合わせが行われた場合にはマーク１１１と一致することになるこれらの地点にスキャナ８を介して光線９を照射する。露光された地点が層１１０のマーク１１１から２方向において逸脱している場合、その偏差を測定する。もっとも簡単な方法としては、定規を用いて測定することができる。測定した境界点を基に、光学調整に関して拡大誤差や傾斜などが発生しているか否かを判断する。このような誤差の有無については、測定値を対応する評価プログラムに入力するなどの方法によって判断することができる。
【００３９】
拡大誤差は、造形面１１におけるスキャナ８と構成領域との間の機械的距離の変動や、スキャナ８の電気部品の電気的ドリフト等の結果生じ得る。また、傾斜誤差は機械的距離と角度の変動等から生じ得る。拡大誤差および／または傾斜誤差が発見された場合、発見された誤差に応じて、前記のような微調整によって補償することができる。この微調整は、スキャナ８の水平位置合わせの再調整によって行うか、あるいは、スキャナ８を駆動する制御プログラムの中にプログラムすることによってレーザ９の照準点を補正するのに使用される補正パラメータを計算することによって行われる。
【００４０】
この方法では、構成領域の縁部にある個々の測定点を測定するにすぎない。構成領域の測定点と測定点との間にある地点については、補間法により誤差の判定を行う。測定点間の地点に対する誤差補正も、補間法によって行う。そのため、記録の必要な測定点はごく少数であり、短時間で手間をかけずに行うことができる。従って、調整や保守作業にかかる作業時間を大幅に削減することができるため、運転コストについても低減することができる。
【００４１】
レーザおよび光学素子の冷却
次に、図１，図２，図４を参照して、光学系の換気システムについて説明する。
【００４２】
基礎ビーム２の内部に中空空間５３があり、その中にレーザ６とパイプ１３が配設されている。２つの換気装置５４が設けられている。換気装置５４が生成する気流Ｔがレーザ６から暖気を搬出するため、それによってレーザ６が冷却される。本実施形態では、中空空間５３内のパイプ１３の領域に換気装置５４を設けている。中空空間５３は２本の管５５を介して造形空間１０の上方にある装置１の領域に接続されており、この造形空間１０の中にスキャナ８，偏向ミラー７，アパーチャ１９，２０，２１が設けられている。
【００４３】
図５に示すように、気流Ｔは換気装置５４によって造形空間１０の上部仕切り壁５６に向かって送風される。こうして、エネルギー源冷却用の気流は光学系に向けても偏向される。
【００４４】
このように、本実施形態では、レーザ６として構成されているエネルギー源を冷却するための冷却システムを、スキャナ８と偏向ミラー７とアパーチャ１９，２０，２１から成る光学系の冷却にも使用する。従って、１台の通風システムを用いて光学系の全ての構成要素を冷却することが可能となる。
【００４５】
気流Ｔは造形空間１０の上部仕切り壁５６上にも導かれるため、同じ通風システムを用いて造形空間１０の上側の冷却も行うことができ、造形空間１０の上方に位置する装置１の制御要素の過熱を防止することができる。造形空間１０の上側の冷却は光学系の通風システムによって行われる。従って、造形プロセスから生まれる処理熱も、レーザの冷却システムを用いて装置１の外に導出することができるため、別個の冷却手段を設ける必要がない。そのため、コスト削減が可能となると共に、装置を小型化できる。
【００４６】
本実施形態では、レーザ６が存在する中空空間５３が造形空間または構成空間１０の上側に２本の管を介して接続されているが、マシンフレーム自体に設けた流路を介して接続を行うことも可能である。また、管または流路を１本だけとしても良い。ここでは２つの換気装置５４について記載しているが、必要な冷却能力に応じて換気装置５４を１つのみとしても良いし、複数設けても良い。光学系用および造形空間１０の上側用に共通して用いられる通風システムは、レーザをエネルギー源とする構成、またはエネルギー源を基礎ビーム２内に配置する構成に限定されるものではない。また、他の構成を用いた場合でも、光学系および造形空間上側の効率的かつ費用効果の高い冷却を達成することができる。ただし、エネルギー源を基礎ビーム内に配置することによって、場所をとらない構成とすることができる。
【００４７】
次に、造形空間１０内の装置１の個々の構成要素について説明する。
【００４８】
加熱装置
加熱装置３１は容器２５の粉末床の加熱、特に塗工が終わっているが未硬化の層を予備加熱するための装置であって、図５に示すように、造形面１１上方の造形空間１０内に配設される。加熱装置は、１つまたは複数の放射線ヒータ、たとえばラジエータとして構成され、造形材料の塗工層を均等に加熱できるように造形面１１の上方に配設される。図示の実施形態では、加熱装置３１は黒鉛プレートから成る熱放射要素を有する二次元ラジエータとして構成されている。図８から分かるように、この熱放射要素は蛇行構造を有している。
【００４９】
本実施形態では、加熱装置３１は実質的に正方形のプレートであって、入口窓１２の下方の中心部に実質的に正方形の切り込みを有しており、スキャナ８から造形面１１に向かう光線９が通過するエリアの周りに延在している。
【００５０】
次に、図８を参照しながら、加熱装置３１の装着について説明する。図８に示すように、本実施形態の加熱装置３１は基本的に固定具４４と放射線ヒータ４５とで構成される。固定具４４は造形空間１０の上部領域４０に配置された支持部４６に受容されている。放射線ヒータ４５は固定具４４に受容されている。
【００５１】
図８に矢印Ａで概略的に示したように、固定具４４は放射線ヒータ４５と共に支持部４６から取り外すことができる。支持部４６はレールとして構成されており、その中に固定具４４が挿入される。固定具４４は工具を使用することなく支持部４６への着脱を行うことができる。この他にも固定具４４と支持部４６の間の接続するための構成がいくつか考えられる。例えば、バネ、クランプなど介して取り付けを行っても良い。固定具４４を支持部４６に係合する構造を設けても良い。
【００５２】
固定具４４もレール状の構造を有し、その中に放射線ヒータ４５が挿入される。放射線ヒータ４５は工具を用いることなく、固定具４４の中に導入したり固定具４４から取り外すことができる。固定具４４と放射線ヒータ４５との場合も、固定具４４と支持部４６との接続と同様、異なる種類の接続方法を用いることができる。固定具４４に放射線ヒータ４５を係合するようにしても良い。
【００５３】
このように、支持部４６、固定具４４および放射線ヒータ４５を記載の構造とすることによって、一方では工具を用いることなく固定具４４を放射線ヒータ４５から取り外すことが可能となる。このことは、造形空間１０を清掃する際に特に有利である。また、他方では工具を用いることなく放射線ヒータ４５を固定具４４から取り外すことができる。このことは放射線ヒータ４５の保守および交換を行う際に特に有利である。加熱装置３１の構成要素を工具を用いずに取り外しまたは交換を行えることにより、装置１の清掃を迅速かつ容易に行えると共に、放射線ヒータ４５の交換も迅速かつ容易に行えるようになる。これによって、保守および清掃作業に要する時間を節減することが可能となり、短時間で装置１を次の工程に使用可能な状態とすることができる。
【００５４】
定量供給装置
図５に概略的に示すように、本実施形態では定量供給装置２８，２９の各々が角度を付けたプレート状に形成されており、図５の紙面に対して垂直方向に、造形面１１の幅いっぱいに延びている。定量供給装置２８，２９は造形面１１に平行に延びる軸を中心としてローラのように回転することができ、定量供給装置２８，２９の各々がコンベヤローラの働きをしている。定量供給装置２８，２９は、塗工装置２７の移動によって駆動されて、それぞれの軸を中心として所定の角度回転するように構成されている。
【００５５】
図７に定量供給装置２８を概略的に示す。定量供給装置２９は定量供給装置２８と同様であるため、詳細な説明を省略する。定量供給装置２８は工具を用いることなく装置１から取り外すことができ、再挿入することもできる。図７に示すように、定量供給装置２８は、角をつけたプレート状に形成されて回転軸Ｚに沿って伸びる中心部分２８ｃを備える。中心部分２８ｃは所定量の造形材料を計量して供給する働きをする。定量供給装置２８は、回転軸Ｚに対して垂直方向において断面積が中心部分２８ｃより小さくなる第１端部２８ａを有している。定量供給装置２８の第２端部２８ｂも回転軸Ｚに対して垂直方向において中心部分２８ｃより断面積が小さくなっている。定量供給装置２８の第１端部２８ａはサスペンション３６に接続されており、定量供給装置２８はこのサスペンションを中心として、すなわちこのサスペンションと共に回転軸Ｚを中心として回転する。その目的で第１端部２８ａとサスペンション３６とは確実に、あるいは形状嵌合連結式に相互に連結される。図示の実施形態では、第１端部２８ａは例えば円筒状突起部２８ａ’を有しており、これがサスペンション３６のやはり円筒状の凹部３６’に確実に挿入される。ただし、サスペンション３６および第１端部２８は異なる構成としても良い。例えば第１端部２８ａが凹部を有し、サスペンションが突起部を有する構成としても良い。凹部および対応する突起部は、形状嵌合連結が得られる形状であれば他の任意の形状とすることができる。
【００５６】
定量供給装置２８の第２端部２８ｂは軸受３７に連結されている。第２端部２８ｂは軸受３７に枢支される。図示の実施形態では、軸受３７が回転軸Ｚと同心の環状に突出する縁部３７ａを有している。第２端部２８ｂは円筒状の突起として構成されており、これが環状に突出する縁部３７ａによって形成される凹部の中に挿入される。ただし、軸受３７および第２端部２８ｂは他の構成としても良い。軸受３７をたとえば突出する軸ピンとして形成し、第２端部２８ｂがこの軸ピンによって係合される凹部を有する構成としても良い。定量供給装置２８の旋回を可能にする上でいくつかの実施方法が可能である。
【００５７】
また、本実施形態では、第２端部２８ｂの側の定量供給装置２８と軸受３７との間に予荷重要素３８が設けられている。予荷重要素３８は定量供給装置２８に対してサスペンション３６方向への予荷重を加えている。本実施形態において、予荷重要素３８は回転軸Ｚに対して同心に、あるいは縁部３７ａおよび第２端部２８ｂの周囲に設けられたコイルばねによって形成されている。ただし、これ以外の実施形態も可能であり、例えば予荷重要素を板バネの形状に構成し、これを軸受３７または第２端部２８ｂの中に設けるようにしても良い。この場合、第２端部２８ｂ自体を予荷重要素によって定量供給装置２８に着脱自在に装着することができる。
【００５８】
図示の実施形態では、軸受３７とサスペンション３６の間の距離が第１端部２８ａと第２端部２８ｂとの間の定量供給装置の長さより、所定距離だけ長くなっている。その所定距離は、回転軸Ｚ方向の突起部２８ａ’の長さよりやや長くなる。このように構成することで、予荷重要素３８の予荷重の力に抗して定量供給装置２８を軸受３７の方向に移動させ、第１端部２８ａとサスペンション３６ｃとの間の形状嵌合連結を解放することができる。その後定量供給装置２８を取り出して、洗浄を行ったり、別の定量供給装置と交換することができる。定量供給装置２８を挿入する際は、これらの手順を逆に行えばよい。
【００５９】
このように、本実施形態では工具を用いることなく定量供給装置２８の取り外しを行うことが可能となる。工具を用いずに定量供給装置２８の取り外しと交換が行えることにより、装置１の清掃を迅速かつ簡単に行えると共に、定量供給装置２８の交換も迅速かつ簡単に行うことが可能になる。これによって保守や清掃作業に要する時間を節減でき、短時間で装置を次の生産工程に使用できる状態とすることができるため、装置１の運転コストを低減することができる。
【００６０】
別の例として、軸受３７および／またはサスペンション３６を駆動軸として構成し、この駆動軸により定量供給装置が回転するように駆動しても良い。この場合、第２端部２８ｂと軸受との間にも形状嵌合連結を用いることができる。
【００６１】
定量供給装置２８の両側にあって定量供給装置２８を装着する受口は、たとえば凹部として形成し、その中に定量供給装置２８を横方向に挿入するように構成することができる。固定はバネ、クランプ等を用いることにより達成することができる。定量供給装置２８を装着したときに係合する構造を設けても良い。定量供給装置２８は例えば刻み付きねじを用いて固定し、これを手で絞めたり緩めたりするようにしても良い。
【００６２】
造形材料の供給および熱保護
図５を参照して、造形空間１０内の定量供給装置２８，２９の領域について説明する。
【００６３】
定量供給装置２９の領域では、造形面１１を含む平面の下方に延びる造形材料収容領域２３が形成されている。造形材料収容領域２３は、塗工装置２７から供給される所定量の造形材料を収容できるように形成される。定量供給装置２９と供給開口部３０の領域には造形材料収容領域２４が形成されている。造形材料収容領域２４は、供給開口部３０を介して供給される造形材料と共に、塗工装置２７から返送される造形材料も収容できるような大きさとする。
【００６４】
造形材料収容領域２３，２４の大きさと定量供給装置２８，２９の大きさを一致させて、定量供給装置２８または２９を１８０度回転させる毎に一定量の造形材料が塗工装置２７の正面に移動されるようにする。
【００６５】
図５に示すように、定量供給装置２８，２９の上方に放射線防御シールド３２，３３がそれぞれ装着されている。放射線防御シールド３２，３３は、加熱装置３１からの放射熱が定量供給装置２８，２９の領域、供給開口部３０の領域、造形材料収容領域２３，２４の領域にある造形材料に直接作用するのを防止する。
【００６６】
造形材料収容領域２３，２４の下側に、中空空間３４，３５を形成する二重壁構造が設けられている。中空空間は造形材料収容領域２３，２４の下側の全域にわたって延びている。この二重壁構造によって、造形材料収容領域はその底部で、その下方に位置する装置１の構成要素から絶縁されている。一実施形態によると、中空空間３４，３５に流体を循環させることにより、造形材料収容領域２３，２４内の造形材料の温度を調節することができる。また、中空空間３４，３５を通る流体の流速および／または流体温度を制御する制御装置を設けても良い。このような制御装置を設けることで造形材料の温度を制御することができる。
【００６７】
放射線防御シールド３２，３３と中空空間３４，３５を設けることによって、定量供給装置２８，２９と粉末収容領域２３,２４のエリアにある造形材料の温度を造形面１１上方の造形区間の温度および容器２５の下方領域の温度より低く維持することができる。
【００６８】
このように、中空空間３４，３５と放射線防御シールド３２，３３を設けることにより、造形材料収容領域２３，２４内造形材料の温度が上昇し過ぎるという問題を防止することができる。これによって、造形プロセスの前に造形材料の性質が熱の影響を受けてしまう危険性が低減される。
【００６９】
塗工システム
次に、本実施形態における塗工システムについて、図９と図１３を参照して説明する。
【００７０】
図１３から分かるように、塗工システムは塗工装置２７と駆動機構５９とを備える。塗工装置２７は塗工要素６１とホルダ６０とを備える。塗工要素６１はホルダ６０に保持されている。ホルダ６０が駆動機構５９に連結されている。
【００７１】
図９から分かるように、ホルダ６０は主アーム６２と、主アーム６２から下方向に垂直に延びる第１ホルダアーム６３および第２ホルダアーム６４の２つのホルダアームを備えている。第１ホルダアーム６３は剛性であり、主アーム６２に固定的に接続されている。第２ホルダアーム６４はその一端部６４ａが主アーム６２に固定的に接続されている。第２ホルダアーム６４は可撓性を有しており、その自由端６４ｂは図９に矢印Ｃで示すように、第２ホルダアーム６４の材料がもつ復元力に抗してある程度のところまで移動することができる。この運動によってホルダアーム６３，６４の自由端６３ｂ，６４ｂの間の距離を大きくすることができる。ホルダアーム６３，６４に凹部６３ｃ，６４ｃがそれぞれ設けられている。
【００７２】
塗工要素６１は、ホルダ６０の主アーム６２に対して実質的に平行に延びる本体部６１ａと、本体部６１ａから横方向に突出する２つの突起部６１ｂとを備える。２つの突起部６１ｂは、ホルダアーム６３，６４の凹部６３ｃ，６４ｃの中に挿入されて形状嵌合連結されるような寸法に構成されている。形状嵌合係合によって、塗工要素６１とホルダ６０との間の連結がトルク耐性を有するものとなる。本実施形態では、塗工要素６１を塗工ブレードとして構成しており、ブレードの下縁部６１ｃによって造形材料の塗工と平滑化を行う。
【００７３】
図９に矢印Ｃ，Ｄで概略的に示したように、自由端６４ｂを矢印Ｃの方向に移動させて自由端６３ｂから離隔させることで、塗工要素６１と第２ホルダアーム６４との形状嵌合を解放することができる。その後矢印Ｄで示すように、塗工要素６１をホルダ６０から取り外すことができる。
【００７４】
塗工要素６１をホルダ６０に装着する場合は、逆の手順で行う。
【００７５】
上記の構成とすることにより、塗工要素６１のホルダ６０への着脱は、はツールレスで、すなわち工具を用いることなく行うことができる。これによって塗工要素６１を迅速かつ効率よく交換することが可能となる。保守および清掃作業にかかる時間を節減することができ、装置１を短時間で次の製造に使用可能な状態とすることができる。特に、その後の造形プロセスのそれぞれの要件に応じていろいろな塗工要素６１を使用することができ、これらの塗工要素６１は造形プロセスと造形プロセスの間に手間をかけずに交換することができる。
【００７６】
塗工要素６１とホルダ６０の連結については他の構成も可能である。例えば、塗工要素６１に凹部を設け、ホルダ６０に突起部を設けて形状嵌合連結しても良い。また、溝に挿入して、塗工要素６１とホルダ６０を随意に係合させるようにしても良い。
【００７７】
塗工システム２７の駆動機構５９について、図１３を参照して説明する。図１３から分かるように、塗工装置２７のホルダ６０が駆動軸６５にトルク耐性を有するように接続されている。駆動軸６５はその両端において軸受６６，６７に枢支されている。駆動軸は図５に示す造形面１１に対して垂直な軸Ｅを中心として回転可能である。その回転は図１３において矢印Ｆで示されている。さらに、レバー６８がトルク耐性を有するように駆動軸６５に装着されている。レバー６８は作動ピストン・シリンダ系６９に接続されている。また、レバー６８はブレーキピストン・シリンダ系７０にも接続されている。本実施形態では、作動ピストン・シリンダ系６９が空気圧系として構成されており、レバー６８を介してピストンに圧力が加えられた時、駆動軸６５が軸Ｅを中心として回転するように駆動軸６５を駆動する。駆動軸６５が回転する結果、ホルダ６０も回転し、塗工要素６１が造形面１１と平行に運動を開始する。駆動軸６５は、造形空間の後部領域にあって、造形材料の固化が行われる構成領域または造形領域に対して横方向に配設されている。駆動機構５９を介して、塗工装置２７は円の一部分に相当する経路上を一定限度の範囲に亘って移動することができる。こうして、塗工装置２７は構成領域の片側にある第１位置と構成領域の反対側にある第２位置との間で往復移動される。この構成により、塗工装置２７を移動させるための駆動機構５９が構成領域の実質的に片側に配置されることになり、障害なく反対側から構成領域にアクセスすることが可能になる。駆動装置として空気圧系を設けることにより、塗工装置の運動を高精度に、同時に低コストで行うことができるようになる。
【００７８】
ブレーキピストン・シリンダ系７０はオイルダッシュポットとして構成されている。ブレーキピストン・シリンダ系は、作動ピストン・シリンダ系がチャージされているときには圧力変動を減衰する働き、すなわち塗工装置２７の速度を急激に変えるような駆動装置に対抗する抵抗力の変化を減衰する働きをする。したがって、塗工装置２７を所定の速度分布で均等に運動させることが可能となる。塗工装置２７の運動を最適化することによって、層を塗工する際の均等性が改善され、ひいては部品品質の改善につながる。
【００７９】
本実施形態では、軸Ｅを中心とする円形の経路上を造形面１１に対して平行に移動する塗工装置２７について説明している。円形経路の寸法は、塗工装置２７が造形面１１全体にわたって移動できるような大きさとする。塗工装置は造形面１１を横切って直線運動するように構成しても良い。この場合も、作動ピストン・シリンダ系６９とブレーキピストン・シリンダ系７０との組み合わせによって塗工装置をより均等に運動させることができるため、層の塗工が改善される。
【００８０】
取替容器とサスペンション
本実施形態における容器２５の構成について、図５および１０を参照して説明する。その内部に支持装置２６を配設された容器２５が、図５に概略的にのみ示されている。
【００８１】
本実施形態において、容器２５は取替容器または交換容器として構成されており、造形プラットフォームを形成し容器の中に位置する支持装置２６と共に装置１から取り出すことができる。不図示の連結機構が装置１の中に設けられている。この連結機構によって、支持装置２６を垂直運動させるための支持装置２６および容器２５の駆動装置への連結を開閉することができる。連結機構は装置１の制御装置によって駆動される。連結機構は、冒頭の従来技術に関する記載で述べたものと同様に構成することができる。
【００８２】
図１０に概略的に示すように、架台７４が扉７３に設けられている。扉７３は装置１のマシンフレームに旋回装着されており、扉を閉めた状態では装置１の造形空間１０が装置１の外側から隔離される。本実施形態では、扉７３は矢印Ｈで示されるように、軸Ｇの周りで旋回可能に装着されている。図示の実施形態では、軸Ｇは垂直に延びているため、装置１の扉７３は横に開く。
【００８３】
容器２５は片側に取付部７５を備える。取付部７５は扉７３の架台７４と係合させることにより、容器２５を扉７３で支持し、扉７３をマシンフレームから旋回して開く際に共に旋回することができる。本実施形態では、架台７４が扉７３の内側に、その上部に凹部を有する突起部として形成されている。容器２５の取付部７５は、前記凹部の中に嵌合する突出したフックとして構成されている。
【００８４】
容器２５を装置１に挿入するためには、扉７３を開けた状態で容器２５の取付部７５を架台７４と係合させる。扉７３が開いている状態では、装置１の外側から容易に架台７４に手が届くため、この作業を楽に行うことができる。容器２５の架台７４からの分離は、装置１の制御装置により連結機構を介して行う。支持装置２６はそれぞれの駆動装置に接続されている。
【００８５】
この状態では、容器２５は扉７３と連結されておらず、必要に応じて容器２５を装置１から取り出すことなく扉７３を開放することができる。他方、装置１の制御装置により、容器２５を架台７４と再係合させ、支持装置２６をそれぞれの駆動装置から分離することができる。この状態で扉７３を開くことにより、容器２５を造形空間１０ひいては装置１から取り出すことができる。容器２５は扉７３と共に旋回して取り出される。この位置で容器２５を楽に装置から取り出すことができ、機械の中まで手を伸ばす必要はない。
【００８６】
本実施形態は、扉７３を垂直軸の周りで旋回させているが、異なる方法で水平に開く扉としても良い。また、扉７３と容器２５との連結方法も、凹部と係合フックを備えた本実施形態の方法に限定されない。扉７３を容器２５と係合させるものであれば他の機構を設けることもできる。
【００８７】
造形プラットフォームの封止
容器２５内の支持装置２６の案内について、図１１を参照して説明する。図５に関して既に説明したとおり、支持装置２６は駆動装置を介して容器２５に対して垂直方向Ｋに移動させることができる。支持装置２６の上側が造形プラットフォーム７８となり、その上で造形対象の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との間に空隙８０が存在する。空隙８０は支持装置２６が容器２５の中で垂直方向に移動できる大きさとなっている。空隙８０を介して造形材料が造形プラットフォーム７８の領域から出て造形プラットフォーム７８の下にある容器２５の領域に入り込む恐れがある。このように造形材料が通過すると、駆動装置の汚染につながり、その結果保守作業が必要になる場合もあるので、望ましくない。
【００８８】
造形材料の通過を防止するために、空隙８０は後述する封止体８１によって閉止する。封止体８１は可撓制材料の層で形成され、造形プラットフォーム７８の下の造形プラットフォーム７８の縁部に沿って環状に配設される。封止体８１は例えばシリコーン材料からなる平坦なストリップで形成することができる。ただし、十分な温度耐性と可撓性を有するものであれば他の材料を用いることもできる。平坦な状態での封止体８１は、運動または移動方向Ｋに対して垂直な平面における外のり寸法が、容器２５の内のり寸法よりやや大きいため、容器２５に挿入したときに、封止体８１は空隙８０の区域でやや屈曲され、材料がもつ可撓性のために小さな張力をもって容器２５の側壁７９に当接する。
【００８９】
造形プラットフォーム７８の下の封止体８１の下に案内板８２が配設されている。運動方向Ｋに対して垂直な平面において、案内板８２の外のり寸法は造形プラットフォーム７８よりやや大きくなっている。案内板８２周辺の外縁部８２ａが空隙８０に向かって曲げられている。外縁部８２ａは空隙８０の区域において封止体８１に当接する。外縁部８２ａはその外周部の領域において封止体８１を屈曲させており、空隙内の封止体８１の縁部は空間の上部境界に向かって曲がっている。封止体８１の縁部領域の屈曲方向と反対方向に造形プラットフォーム７８を移動させた場合でも、この案内板８２によって、可撓性のある封止体８１がその縁部領域において予め成形された方向と反対に下向きに折り曲げられるのが防止できる。そのため、支持装置２６を造形プラットフォーム７８と共に、容器２５に関して移動方向Ｋに確実に移動させることができる。また、封止体が折れるなどした場合に起こり得る、造形材料粒子の造形プラットフォーム７８下の領域内への流入を防止することができる。
【００９０】
さらに、折り曲げた縁部領域８２ａを有する案内板８２の効果として、シリコンーン等から成る平らなプレートを封止体８１として使用し得ることがある。封止体８１は他のプラスチック材料で形成しても良い。この構成によると、封止体はその周方向の外縁部において球状の形状とする必要はないし、また容器の内径に正確に合わせた形状とする必要もない。
【００９１】
容器の温度調節（tempering）
造形空間１０の下部領域４１について、図５および図６を参照して説明する。図５から分かるように、チャンバー８５が下部領域４１内に、容器２５の下側を取り囲むように形成されている。装置１の動作時、チャンバー８５は流体媒体で満たされる。本実施形態では、この流体媒体はガスである。特に、本実施形態ではこのガスを不活性ガスとし、酸化等による造形材料の劣化を防止するために上部領域４０においても使用する。
【００９２】
チャンバー８５は横方向において側壁８６により画定されており、その上部において造形面１１の高さで、分離プレート８７により造形空間１０の上部領域４０から分離されている。チャンバー８５は底部８８によって下方の境界を画定されている。底部８８は、容器２５下の領域において支持装置をその制御装置と連結する通路８９を備える。底部８８の、容器２５の角部の下にある領域に出口９０が設けられている。本実施形態では、容器２５の各角部の下に２つの出口９０を設けているが、他の数の出口を設けてもよく、たとえば角部ごとに設ける出口の数を１つのみにしても良い。
【００９３】
さらに、図５に示すように、側壁８６の上部に開口部９１が設けられる。開口部９１は通風システムを介して出口９０接続されている。本実施形態では、通風システムはチャンバー８５の外側に配設されており、側壁８６の外側と底部８８の下に第２チャンバー８４によって形成されている。換気装置９２が通風システムの中に設置されている。さらに、加熱装置９３と温度センサが通風システム内に設けられている。換気装置９２によって、下部領域４１にある流体媒体が開口部９１を通じて第２チャンバー８４内に引き込まれ、この媒体の有向流が出口９０を通じてチャンバー８５内に再導入される。出口９０の位置が容器２５の角部の下方にあること、また側壁８６に開口部９１が設けられていることにより、容器２５の角部の領域で有向流が生成され、その有向流が容器２５の温度調整および平衡取りを行う働きをする。この流れは図５および図６において矢印Ｓで示されている。この流れによって容器２５の温度分布を規定することができ、容器２５を均等に温度調節（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）することが可能となる。加熱装置９３と温度センサを設けることによって、この流れの温度を正確に調整することが可能となっている。こうして、容器２５の温度およびその中にある造形材料の温度を、装置１の動作中に一定の方法で調整することができる。この流れによって、特に容器２５の角部において流体媒体と容器２５との間で熱交換が行われる。その角部に基づいて、容器２５の温度分布を有利に、特に均一に保つことができる。
【００９４】
有向流を用いて容器の角部を選択的に温度調節することによって、動作中に容器２５内の固化された造形材料とその周りにある未固化の造形材料を制御冷却することができる。このため、造形材料を冷却する際に、極端な温度勾配が生じて製造された三次元物体が反りなどによって劣化するのを防止することができる。
【００９５】
本実施形態においては、実際の造形領域である造形空間１０の上部領域４０において使用するのと同じ処理ガスを流体媒体として使用している。そのため、造形空間１０の上部領域４０と下部領域４１との間に特に封止を必要としない。よって、装置１を高い費用効率で構成することが可能となる。さらに、容器２５内の造形材料の熱劣化も高度に防止することができる。このことは、未固化の造形材料をさらに別の造形プロセスにおいて再利用するという点で特に有利である。
【００９６】
造形材料の供給
装置１への造形材料の供給について、図１、図１２および図１５を参照して説明する。図１から分かるように、造形材料を送るための開口部９５が装置１の後方領域に形成されている。開口部９５は供給開口部３０に接続されており、図５に示すようにこの供給開口部３０が造形空間１０へと続いている。装置１内の開口部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開口部３０に供給される。本実施形態では、投下により造形材料の自重に基づいて供給が行われる。ダクト９６の上部領域を図１２に概略的に示している。
【００９７】
ダクト９６はその上側に被覆壁９７を有しており、その被覆壁に造形材料供給用の注入管９８ａ，９８ｂに接続される２つの開口部９７ａ，９７ｂが設けられている。注入管９８ａ，９８ｂはその上側に、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂ用のコネクタ９９ａ，９９ｂをそれぞれ有している。コネクタ９９ａ，９９ｂは造形材料供給容器１００ａ，１００ｂに別個に接続することができる。各注入管９８ａ，９８ｂの中にゲート１０１ａ，１０１ｂがそれぞれ設けられている。各ゲート１０１ａ，１０１ｂは、第１位置に移動させることができ、第１位置では図１２の左側に示すように、対応する注入管９８ａ，９８ｂの断面が閉鎖される。ゲート１０１ａ，１０１ｂはまた第２位置にも移動することができ、第２位置では注入管９８ａ，９８ｂが閉鎖または被覆されず、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂからの造形材料がそれぞれ注入管９８ａ，９８ｂを通ってダクト９６に向かうことができる。
【００９８】
開口部９７ａ，９７ｂ下方のダクト９６内に、充填レベルセンサ１０２ａ，１０２ｂがそれぞれ装着されている。充填レベルセンサ１０２ａは、注入管９８ａの下のダクト９６内に造形材料が存在するかどうかを検出する。充填レベルセンサ１０２ｂは、注入管９８ｂの下のダクト内に造形材料が存在するかどうかを検出する。
【００９９】
夫々の注入管９８ａ，９８ｂに機構が設けられており、図１５に概略的に示すように、注入管９８ａ，９８ｂはその機構によりそれぞれ造形材料供給容器１００ａ，１００ｂと共にダクト９６の上方に移動したり、ダクト９６から取り外すことができる。どちらの注入管も独立して移動させることができる。本実施形態では、この運動は実質的に水平の軸を中心とする旋回運動である。
【０１００】
動作に際して、まずダクト９６に造形材料を充填する。造形材料供給容器１００ｂにも造形材料を充填し、対応するゲート１０１を開放位置にする。柱状を呈する造形材料がダクト９６内部をそれぞれの注入レベルセンサ１０２ｂより高い位置まで延びる。第２の造形材料供給容器１００ａにも造形材料が充填される。ただし、図１２に示すように、対応するゲートはまだ閉鎖位置にある。
【０１０１】
装置１の動作時、造形材料は自重により供給開口部３０を介して造形空間１０に供給されるため、造形材料が消費されてダクト９６の充填レベルは低下する。造形材料供給容器１００ｂ内に造形材料が存在する限り、この造形材料がダクト９６内に滑り落ちて行く。造形材料供給容器１００ｂが空になっても装置１の動作が続く場合、注入レベルセンサ１０２ｂ側のダクト９６の充填レベルが低下する。すると注入レベルセンサ１０２ｂが造形材料供給容器１００ｂが空であることを検知する。その後注入管９８ｂのゲート１０１が閉鎖される。注入管９８ａのゲート１０１が開放され、他方の造形材料供給容器１００ａから造形材料がダクト９６へと供給される。
【０１０２】
この位置において、装置１から造形材料供給容器１００ｂを取り外し、充填を行ったり、充填を終わった他の造形材料供給容器と交換したりすることができる。コネクタ９９ａ，９９ｂは、たとえばそれぞれ注入管９８ａ、９８ｂに設けた雌ネジとして構成し、その中に対応する造形材料供給容器１００ａ，１００ｂの雄ネジを螺合するようにすることができる。これによって、市販の容器を造形材料供給容器として利用することが可能になる。充填を終えた造形材料供給容器、あるいは交換用造形材料供給容器を再び注入管９８ｂに接続してダクト９６上に移動させることにより、もう一つの造形材料供給容器１００ａが空になったときに使用することが可能となる。
【０１０３】
造形材料供給容器１００ａが空になった場合、ダクト９６の充填レベルが下がり、充填レベルセンサ１０２ａがその低下を検知して、造形材料供給容器が空であることを示す信号を装置１の制御装置に出力する。その後、注入管９８ａのゲート１０１を閉めると共に、注入管９８ｂのゲート１０１を開けることにより、再び造形材料供給容器１００ｂから造形材料を供給することができるようになる。ゲート１０１の開閉は装置１の制御装置によって行われる。その後、造形材料供給容器１００ａを交換することができる。
【０１０４】
２つの造形材料供給容器１００ａ，１００ｂが設けられ、それぞれ別個のコネクタ９９ａ，９９ｂを介して装置１に個別に接続することができる。造形材料供給容器１００ａ，１００ｂの取替または交換を行う際にも、装置１の動作を停める必要がない。三次元物体を造形空間１０において製造する際に造形材料供給容器を交換する場合も、造形プロセスを連続して実施しながら行うことができる。こうして装置１の効率的な運転が達成され、造形プロセスが実施されない休止時間を短縮することができる。装置１はより簡単に動作させることができる。また、動作中は造形材料供給容器を常に充填された状態に保つことができる。
【０１０５】
さらに、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂを閉じる蓋を設けても良い。造形材料供給容器は装置１に供給するまでと、取り出しを行った後に閉じることができる。
【０１０６】
注入管９８ａ，９８ｂを造形材料供給容器１００ａ，１００ｂ用のコネクタ９９ａ，９９ｂを備えるように構成することで、造形材料の保存および混合にも適する造形材料供給容器を装置において使用することが可能となる。コネクタの構成次第では、市販の容器を使用することもできる。
【０１０７】
さらに、造形材料の種類ごとに、あるいは造形材料の保管用として、複数の造形材料供給容器を設けるようにしても良い。特に、複数の造形材料供給容器を用い、２つの造形材料供給容器で装置１を動作させると同時に、さらに別の造形材料供給容器において造形材料の混合を実施するようにできる。また、装置１にも造形材料供給容器用のコネクタを１つまたは２つ以上設けても良い。
【０１０８】
一実施形態では、装置１は、充填レベル情報が充填レベルセンサ１０２ａ，１０２ｂにより自動的にオペレータに電子送信されるように構成されている。情報の送信は例えばＳＭＳや電子メールを介して行われる。このため、装置１には適切なネットワーク接続を行う。
【０１０９】
以上の説明では、造形材料の供給を造形材料の自重を利用して行うものとしたが、異なる方法で供給することもできる。例えば、造形材料供給容器用の機械装置を設け、この機械装置により造形材料のダクトへの供給を補助するようにしても良い。例えば、造形材料供給容器１００ａ，１００ｂおよびその中の造形材料に振動を生じる振動装置を設け、造形材料のダクト９６への供給を補助するようにすることができる。振動装置は注入管９８ａ，９８ｂ（充填装置の部分）に配設した１つまたはそれ以上の振動励起装置によって形成することができる。
【０１１０】
変形例
記載の装置は変更が可能である。レーザに代えて他の光源のようなエネルギー源を用いても良いし、電子源やその他の粒子源を用いても良い。エネルギー源に応じて、他の光学系を用いることもできる。例えばエネルギー源として電子源を使用する場合は、電磁レンズと偏向システムとを使用できる。フレームシステムの構成など、ここに記載の特長の中には、インクジェット印刷に似た方法を用いる三次元印刷用の装置や、マスク露光方法等で実施できるものもある。
【０１１１】
また、エネルギー源としてレーザを用いる場合、装置の構成を、レーザ焼結法において用いるように、あるいは造形材料を局所的に溶融させるレーザ溶融法において用いるようにすることができる。
【０１１２】
造形材料として複数の材料を用いることができる。例えば、ポリイミド粉末等のプラスチック粉末を用いても良いし、金属やセラミックスの粉末を用いることもできる。またそれらの混合物を用いることも可能である。例えば、プラスチック被覆した金属を用いることもできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元物体のそれぞれの層に対応する位置において造形材料を層状に固化することにより三次元物体を製造するための装置（１）であって、
マシンフレーム（２，３，４，５）および前記マシンフレーム内に位置する造形空間（１０）と、
前記造形材料を選択的に固化するためのビーム（９）を放射するエネルギー源（６）と、
前記エネルギー源（６）を冷却するための気流（Ｔ）を生成する換気装置（５４）と、を備え、
前記造形空間（１０）を制限する仕切り壁（５６）に前記気流（Ｔ）を向ける接続管（５５）を備える装置。
【請求項２】
前記気流（Ｔ）を装置（１）の外部へ転送する接続通路が形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記エネルギー源（６）は、前記マシンフレーム（２，３，４，５）の基礎ビーム（２）の内部の中空空間（５３）に配置されている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記中空空間（５３）は、前記気流（Ｔ）の流路の一部を形成している、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記換気装置（５４）が前記中空空間（５３）に備えられている、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記仕切り壁（５６）は前記造形空間（１０）の上部を制限している、請求項１〜５の何れかに記載の装置。
【請求項７】
前記造形空間（１０）を規定する前記仕切り壁（５６）から離れた側に、光学系の構成要素（７，８）および／または装置（１）の駆動装置が配置されている、請求項１〜６の何れかに記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、偏向ミラー（７）とスキャナ（８）とを持つ光学系を備え、前記接続通路（５５）は、前記造形空間（１０）の上部仕切り壁（５６）上の前記スキャナ（８）の領域へ前記気流（Ｔ）を導く、請求項１〜７の何れかに記載の装置。
【請求項９】
前記エネルギー源（６）がレーザから成る、請求項１〜８の何れかに記載の装置。
【請求項１０】
前記装置がレーザ焼結装置から成る、請求項１〜９の何れかに記載の装置。
【請求項１】
三次元物体のそれぞれの層に対応する位置において造形材料を層状に固化することにより三次元物体を製造するための装置（１）であって、
マシンフレーム（２，３，４，５）および前記マシンフレーム内に位置する造形空間（１０）と、
前記造形材料を選択的に固化するためのビーム（９）を放射するエネルギー源（６）と、
前記エネルギー源（６）を冷却するための気流（Ｔ）を生成する換気装置（５４）と、を備え、
前記造形空間（１０）を制限する仕切り壁（５６）に前記気流（Ｔ）を向ける接続管（５５）を備える装置。
【請求項２】
前記気流（Ｔ）を装置（１）の外部へ転送する接続通路が形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記エネルギー源（６）は、前記マシンフレーム（２，３，４，５）の基礎ビーム（２）の内部の中空空間（５３）に配置されている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記中空空間（５３）は、前記気流（Ｔ）の流路の一部を形成している、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記換気装置（５４）が前記中空空間（５３）に備えられている、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記仕切り壁（５６）は前記造形空間（１０）の上部を制限している、請求項１〜５の何れかに記載の装置。
【請求項７】
前記造形空間（１０）を規定する前記仕切り壁（５６）から離れた側に、光学系の構成要素（７，８）および／または装置（１）の駆動装置が配置されている、請求項１〜６の何れかに記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、偏向ミラー（７）とスキャナ（８）とを持つ光学系を備え、前記接続通路（５５）は、前記造形空間（１０）の上部仕切り壁（５６）上の前記スキャナ（８）の領域へ前記気流（Ｔ）を導く、請求項１〜７の何れかに記載の装置。
【請求項９】
前記エネルギー源（６）がレーザから成る、請求項１〜８の何れかに記載の装置。
【請求項１０】
前記装置がレーザ焼結装置から成る、請求項１〜９の何れかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３ａ）】
【図３ｂ）】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３ａ）】
【図３ｂ）】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２０１０−５１０１０１（Ｐ２０１０−５１０１０１Ａ）
【公表日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３７５３７（Ｐ２００９−５３７５３７）
【出願日】平成１９年１１月２１日（２００７．１１．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０１００８６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０６１７３３
【国際公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（５０３２６７９０６）イーオーエス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング イレクトロ オプティカル システムズ (50)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２１日（２００７．１１．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０１００８６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０６１７３３
【国際公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（５０３２６７９０６）イーオーエス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング イレクトロ オプティカル システムズ (50)
【Ｆターム（参考）】
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