JP2004358968A - 固体自由形状組立によって物体を製造するための方法および固体自由形状組立装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体自由形状組立によって組立られた物体の寸法確度を高くする。
【解決手段】
固体自由形状組立によって物体（２１０；２１４）を製造するための方法では、構成材料に結合剤あるいは集束エネルギーを加えることにより前記物体の少なくとも一部の周囲に支持構造体（２１２；２１６）を組立てる。支持構造体によって物体の動きが減り、完成物体の寸法確度が増す。
【選択図】図２

Description

本発明は概して固体自由形状組立に関し、特に固体自由形状組立における支持構造体の構築に関する。

固体自由形状組立(solid freeform fabrication)は３次元の物体、たとえば、試作部品、製造部品、モデルおよび加工工具を製造するための工程である。固体自由形状組立は累積的な工程であり、電子データによって記述される物体が基礎材料から自動的に、通常は層毎に作られる。

種々の工程を用いて所望の物体を形成する様々な異なる固体自由形状組立システムがある。いくつかのシステムは基礎材料を吐出し、その基礎材料から、形成中の組立物体が層毎に作られる。他のシステムは粉末状の基礎材料内に選択的に結合剤を吐出する。

多くの固体自由形状組立システムでは支持構造体を構築する必要があり、支持構造体は、形成中の物体の下あるいは横に取り付けなければならない。これらの構造体は、形成中の物体が完成し、固化するまで、その物体を支持する。たとえば、ステレオリソグラフィ、ポリマー噴射、蝋噴射（jetted wax）および溶融堆積システムでは全て、構築工程の一部として、１つあるいは複数の支持構造体を組立てざるを得ない。

しかしながら、上記のシステムの支持構造体はいくつかの問題を生み出す。現在のシステムの支持構造体に関連付けられる問題のうちの１つは、組立工程が終了した後に、組立中の物体からその支持構造体を除去するのが難しいことである。支持構造体は、形成中の組立物体に物理的に接続されることがある。結果として、支持構造体を除去する工程は、形成中の組立物体に損傷を与えるおそれがある。

現在のシステムが抱える別の問題は、一般的に支持構造体を比較的密集して配置させる必要があることである。支持構造体は、物体の全てのボクセルが支持されるポリマー噴射から、比較的密集して配置される支持構造体のマトリクスが作られ、液体槽内で物体を支持するステレオリソグラフィまで多様である。これらの密集して配置される支持構造体は組立てるためのコストが高く、時間もかかる場合がある。

しかしながら、固体自由形状組立システムの別のファミリは粉末を利用する。粉末を利用するシステムは一般的に、粉末状の構成材料のフラットベッド上に結合剤を吐出することにより物体を作る。各粉末層は乾燥粉末あるいはスラリーとして構築エリア内に定量分配あるいは塗布される。結合剤が粉末層内に選択的に吐出される度に、その粉末は結合され、物体の１つの断面あるいは層が形成される。粉末を互いに結合するために、集束エネルギーを用いることもできる。選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）がこの手法の一例である。

粉末を利用するシステムでは、結合されない粉末が、形成中の組立物体のための主な支持体としての役割を果たす。このことは、全く別個の支持構造体を設ける必要がないので、上記のシステムと比べて有利である。したがって、除去すべき支持構造体が存在しないし、支持構造体を作るために材料を無駄にすることがなく、支持構造体を形成するために、機械の利用可能な処理量を犠牲にするということがない。さらに、結合されない粉末を全て除去し、再利用することができる。

しかしながら、粉末を利用するシステムが抱える問題の１つは、組立装置の構築領域において、粉末を隙間無く詰め込むことが難しいことである。多くの要因によって、粉末の層が塗布された後に、粉末がずれたり、沈んだりするようになる。粉末をずらしたり、かつ／または沈ませる要因には、システム装置の機械的な振動、後続の層の塗布、構築エリアにおいて製造されている物体の重みによる粉末の沈下などが含まれる。

粉末が組立工程中にずれ、かつ／または沈むとき、形成中の組立物体も沈下あるいは移動する。物体はあらゆる方向に移動する可能性がある。組立システムが組立工程中の物体の動きを測定あるいは補償することができないと、この動きによって、寸法確度が失われるようになる。たとえば、ある物体が粉末が沈むにつれて沈下する場合には、沈んだ後に塗布される層は、規定されたものよりも厚くなるであろう。組立工程が続くと、形成中の組立物体の全厚は、意図されたものよりも厚くなり、物体の寸法の確度に悪影響が及ぼされる。

従って、組立られた物体の寸法確度を高くすることが本発明の目的であり、該目的を達成するための簡単で廉価な支持体の構築をおこなうことが本発明の別の目的である。

多くの可能な実施形態の１つにおいて、本発明は、固体自由形状組立によって物体を製造するための方法であって、構成材料に結合剤あるいは集束エネルギーを加えることにより物体の少なくとも一部の周囲にある支持構造体を製造することを含む、固体自由形状組立によって物体を製造するための方法を提供する。

添付の図面は本発明の種々の実施形態を例示しており、本明細書の一部を構成する。例示される実施形態は本発明の例示にすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。

図面全体を通して、同一の参照番号は、必ずしも同一ではないが、類似の構成要素を指示する。

本明細書は、上記のように構成材料が動き、かつ／または集まる作用を抑えながら、好ましくは流体吐出あるいは焼結技術を用いて、固体自由形状組立システムによって物体を作るための技法を記載する。本明細書および添付の請求項において用いられるような、用語「結合剤」は、構成材料を選択的に接合し、所望の製造物にするために吐出される接着剤あるいは任意の他の物質を指す。「構成材料」は、固体自由形状組立システムが所望の製造物を形成する任意の材料であり、液体結合剤あるいは集束エネルギー（たとえばレーザ）を加えることにより結合されることができる粉末状の構成材料を含むことができる。用語「ボクセル」は体積要素を表しており、それはｘ、ｙおよびｚ座標内の長さを有するアドレス指定可能な体積である。また用語「散在する」は、広い範囲に間隔をおいて配置されるか、分散されること、すなわち密に詰め込まれないことを意味する。

ここで図面を、特に図１を参照すると、液体吐出あるいは選択的焼結技術を利用する１つの固体自由形状組立システムが示される。本発明の実施形態は、示される固体自由形状組立システムに組み込まれることができる。上記のように、固体自由形状組立システムは、粉末を利用するシステムとしてよい。

図１の固体自由形状組立システム１００では、バルク粉末物質のような構成材料を用いて、組立区画１０２内で所望の物体の個々の層を形成する。各層を作るために、多量の粉末が供給チャンバから供給される。好ましくは移動ステージ１０３に組み込まれるローラが、組立区画１０２の上側に粉末を散布し、所望の厚みまで圧縮する。

液体結合剤吐出装置（たとえば、随時吐出（ドロップ・オン・デマンド）装置あるいは連続液体吐出装置など）あるいはレーザを、固体自由形状組立システム２００の移動ステージ１０３に収容すればよい。別法では、固体自由形状組立システム１００は、それぞれが１つあるいは複数の吐出流体を個別に収容する、多数の液体結合剤吐出装置を備えてもよい。いくつかの実施形態によれば、流体吐出装置あるいはレーザは移動ステージ１０３とは別に配置してもよい。

移動ステージ１０３が結合剤吐出システム内に粉末を散布し終えると、流体吐出装置は組立区画１０２内の粉末上に、２次元のパターンで結合剤を堆積させる。同様に、組立システムが選択的レーザ焼結処理を組み込む場合には、レーザが粉末粒子を溶融し、それらの粉末粒子を２次元のパターンで結合する。この２次元のパターンは、組立中の所望の物体の断面であるか、あるいは本発明の別の態様によれば、以下にさらに詳細に説明されるように、物体および／またはその物体を作るために用いられる粉末を安定化させるための支持構造体の断面である。

粉末は、結合剤が堆積したエリア、あるいは集束エネルギーが加えられたエリアにおいて結合状態となり、該結合により形成中の組立物体あるいは関連する支持構造体の固体層が形成される。その工程は繰り返され、粉末の新たな層が組立区画１０２内の先行する層の上側に被着される。その後、その新たな粉末層に結合剤を吐出するか、あるいは集束エネルギーを加えることにより、所望の製造物および／または支持構造体の次の断面が作られることができる。組立中の物体および／または支持構造体の個々の断面層を形成することに加えて、接着結合剤あるいは集束エネルギーを加えることにより、隣接あるいは連続する層を互いに結合することもできる。

その工程は、組立区画１０２内で所望の物体が完全に形成されるまで続けられる。その後、支持構造体および結合されない任意の余分な粉末が除去され、組立られた物体のみが残される。ユーザが組立工程を制御できるようにするために、ユーザインターフェースあるいはコントロールパネル１０４が設けられる。

固体自由形状組立システム１００の移動ステージ１０３は、所望の物体の複数の層を形成あるいは着色するために結合剤を吐出する、連続あるいは随時吐出液体吐出装置のようなインクジェット技術を含むことができる。連続あるいは随時吐出インクジェット技術を用いるとき、移動ステージ１０３は、透明あるいは有色の結合剤の液滴を選択的なパターンで吐出し、組立中の物体あるいは支持構造体を作るための１つあるいは複数のプリントヘッドを備えることができる。

従来の粉末を利用する固体自由形状組立工程は、所望の物体を組立てるために必要とされる所定のパターンでのみ、結合剤を吐出するか、あるいは集束エネルギーを加える。しかしながら、上記のように、物体および粉末は組立区画１０２内でずれ、沈下して、寸法の誤差を生み出す傾向がある。それゆえ、本明細書に記載される原理によれば、物体および／または粉末を安定化させるための支持構造体も、その物体の周囲の組立区画１０２内に作ってよい。詳細な説明および特許請求の範囲を通して用いられるような、「周囲」は、物体の下、周り、上、近くあるいは周辺の任意の場所を指す。また「周囲」は、物体の特徴的機構間あるいは積重された物体間の場所も指す。

支持構造体は、その物体が作られるのと同じようにして作られる。すなわち、支持構造体は、意図するパターンで粉末（あるいは他の構成材料）に結合剤あるいは集束エネルギーを加えて、物体および／または物体の周囲に位置する粉末を安定化させることにより作られる。組立中の物体の周囲に支持構造体を作ることにより、物体および粉末の動きが抑えられる。物体および粉末の動きを抑えることにより、物体の寸法確度が増す。

図２〜図７は、形成中の組立物体の少なくとも一部の周囲にある、組立区画１０２（図１）内に作られる複数の支持構造体の構成を示す。図２は、第１の物体２１０およびその関連する第１の支持構造体２１２の側面図を示す。第２の物体２１４も、その関連する第２の支持構造体２１６とともに示される。図３は、第１および第２の物体２１０および２１４と、その関連する支持構造体２１２および２１６との平面図を示す。支持構造体２１２および２１６および形成中の組立物体２１０および２１４はいずれも、上記のように、組立区画１０２（図１）内に収容される粉末に結合剤あるいは集束エネルギーを加えることにより組立られる。

図２および図３の実施形態によれば、支持構造体２１２および２１６は、物体２１０および２１４の下に配置される粉末の層に結合剤を加えることにより作られる。第１および第２の物体２１０および２１４ならびにその関連する支持構造体２１２および２１６がそれぞれ、以下にさらに説明される。

第１の支持構造体２１２は、第１の物体２１０の下に散在するように配列される複数の柱状体２１８および２２０を備える。図３に示されるもう１組の２つの柱状体２２２および２２４のような１つあるいは複数の付加的な柱状体も、第１の物体２１０の下に位置させてよい。それらの柱状体２１８／２２０／２２２／２２４は概ね円形の断面を有するように示される。しかしながら、それらの柱状体は任意の多角形のあるいは不規則な断面を有するものでもよい。さらに、示される柱状体２１８／２２０／２２２／２２４はそれぞれ、寸法および形状が概ね等しいが、必ずしもそうである必要はない。任意のサイズおよび形状の物体を支持するように構成される種々の断面および寸法からなる任意の数の柱状体が存在してもよい。柱状体は中実である必要もなく、任意の構造構成に形成してもよい。

図２に示されるように、結合されない粉末からなる少なくとも１つの層２２６が第１の支持構造体２１２を第１の物体２１０から分離する。上記の他の固体自由形状組立システムとは対照的に、結合されない粉末からなる少なくとも１つの層２２６が第１の物体２１０を第１の支持構造体２１２から離隔し、第１の物体２１０から支持構造体２１２を除去するのに特別な技法は必要とされない。したがって、支持構造体２１２は、従来のシステムがそうであったように、第１の物体２１０に付着することがなく、損傷を与えることがない。結合されない粉末からなる別の１つあるいは複数の層２２７が、支持構造体２１２を、組立区画１０２（図１）の底面２２９から離隔することができ、物体２１０が完成したときに、支持構造体２１２を除去するのを容易にする。しかしながら、いくつかの態様によれば、支持構造体２１２は底面２２９まで一杯に延びている。

柱状体２１８／２２０／２２２／２２４が散在するような配列は、それらの柱状体を作るのに要する時間と材料とを最小限に抑えながら、第１の物体２１０を十分に支持し、かつ安定化させるように設計される。いくつかの実施形態によれば、柱状体の総設置面積（フット・プリント）は第１の物体２１０の設置面積の１０％以下である。他の実施形態では、柱状体の単純加算の総設置面積は第１の物体２１０の設置面積の１０％〜１００％である。形成されている物体を十分に安定化させるために必要とされる支持体面積と、支持構造体を作るために用いられる時間および材料との間にはトレードオフが必要とされる場合があることは、本開示の恩恵を受ける当業者には理解されよう。

第１の支持構造体２１２は第１の物体２１０の下に散在するように配列される複数の柱状体を含むが、第２の支持構造体２１６は第２の物体２１４の下に単一の柱状体２２８を含む。単一の柱状体２２８も、結合されない構成材料からなる少なくとも１つの層２３０によって第２の物体２１４から離隔され、十分な支持を提供しながら、第２の物体２１４に付着するのを防ぐ。第１の支持構造体の場合のように、第２の支持構造体２１６も、組立区画１０２（図１）の底面２２９から第２の支持構造体を離隔する、結合されない粉末からなる少なくとも１つの層を備えることができる。

第１の支持構造体２１２とは対照的に、第２の支持構造体２１６の単一の柱状体２２８は、第２の物体２１４の設置面積と概ね同じ設置面積を有する。さらに、単一の柱状体２２８の断面は長方形であり、第２の物体２１４の断面と概ね一致する。支持構造体の設置面積は、その支持構造体が支持しなければならない物体のサイズおよび形状、ならびに組立システム１００（図１）の処理速度をある程度勘案してもよい。

支持構造体２１２および２１６は、組立区画内の物体２１０および２１４が沈む、あるいは沈下するのを防ぐ。上記のように、粉末の不安定な性質に起因して、粉末を利用する固体自由形状組立システムでは、物体の組立が進むにしたがい、その物体が沈下し、動くのが一般的である。本明細書において説明される原理によれば、物体２１０および２１４の下に配列される支持構造体２１２および２１６が、物体２１０および２１４を安定させ、粉末を利用する組立システム１００（図１）にさらに新たな材料を追加することなく、物体が沈下するのを少なくするか、あるいはなくす。それゆえ、本明細書において説明される原理に従って組立られる物体２１０および２１４の寸法は、従来の粉末を利用する固体自由形状組立技法よりもはるかに確度が高い。

さらに、本明細書において説明される原理は、物体の側面の周囲にある粉末を安定させるためにも実施されることができる。粉末を利用する固体自由形状組立システムを用いて組立られる物体は多くの場合に、それらの物体が支持されずに作られるときには、（沈下するほかに）水平面内においても動く。物体の側面の周囲で粉末が動くことにより、形成中の物体の水平方向での移動と沈下の双方が起こりかねない。そのように動くのは多くの場合に、振動および種々の他の動きに起因して、結合されない粉末が物体の周囲で動くことによる。それゆえ、いくつかの態様によれば、支持構造体２１２および２１６は、図４に示されるように、物体２１０および２１４の周囲に少なくとも部分的に配置される壁を含むことができる。

図４は、第１および第２の物体２１０および２１４と、その関連する支持構造体２１２および２１６とを別の配列で示す平面図である。しかしながら、再び上記のように、支持構造体２１２および２１６ならびに対象の物体２１０および２１４はいずれも、組立区画１０２（図１）に収容される粉末に結合剤あるいは集束エネルギーを加えることにより組立られる。

図４によれば、第１の支持構造体２１２は、第１の物体２１０の周囲に配置される連続した第１の壁４４０である。第１の壁４４０は、第１の物体の外側表面４４４の形状に一致あるいは概ね一致する内側表面４４２を有するが、必ずしもそうである必要はない。第１の壁４４０は、形成されている物体の近くにある粉末あるいは他の構成材料の安定化を容易にする任意の所望の形状にすることができる。第１の壁４４０は、組立区画１０２（図１）の底面２２９（図２）まで一杯にあるいは概ね一杯に延びることが好ましい。

図４に示されるように、結合されない粉末からなる少なくとも１つのボクセルが、第１の壁４４０と第１の物体２１０との間に画定される環状帯４４６によって収容されることが好ましい。したがって、第１の壁４４０と第１の物体２１０との間に物体に損傷を与えるような付着はないが、こうしなければ特別な分離技法を必要としていたであろう。第１の壁４４０と第１の物体２１０との間の環状帯４４６は狭い（＜１インチ（２５．４ｍｍ））ことが好ましいが、物体２１０の周辺にある粉末を十分に安定化させる分離空間を用いることができる。

図４の第１の支持構造体２１２は、第１の物体２１０の周囲全体に配置される連続した壁４４０を含むが、第２の支持構造体２１６は第２の物体２１４の周囲に部分的にのみ配置される一対の不連続な壁４４８および４５０を含む。第１および第２の不連続な壁４４８および４５０はそれぞれ、結合されない構成材料からなる少なくとも１つのボクセルによって第２の物体２１４から離隔され、物体の周囲にある粉末を十分に安定化させながら、第２の物体２１４に直に接触するのを防ぐことができる。第１の支持構造体２１２の場合のように、第２の支持構造体２１６は、組立区画１０２（図１）の底面２２９（図２）まで一杯に延びることが好ましいが、これは必ずしもそうである必要はない。

第１の支持構造体２１２とは対照的に、第２の支持構造体２１６の不連続な一対の壁４４８および４５０は、第２の物体２１４の周囲に散在して配置される。第２の支持構造体２１６は、第２の支持構造体２１６を作るのに要する時間および材料を最小限に抑えながら、十分に粉末を安定化させるようにして、第２の物体２１４のある特定の部分のみに隣接して十分に効果的に設置されることができる。

物体２１０および２１４の周囲にある図４の支持構造体２１２および２１６は、組立区画１０２（図１）内の粉末従って物体２１０および２１４のずれや沈下を低減したり阻止する。それゆえ、物体２１０および２１４の寸法は、従来の粉末を利用する固体自由形状組立システムよりもはるかに高い確度を有する。

さらに、図４の物体２１０および２１４ならびに第１および第２の支持構造体２１２および２１４は、層毎に同時に作ることができ、支持構造体２１２および２１６を組立てるのに要する余分な時間が最小限に抑えられる。粉末からなる複数の組の層が、物体２１０および２１４に対応して加えられる結合剤あるいは集束エネルギーの部分と、支持構造体２１２および２１６に対応して加えられる結合剤あるいは集束エネルギーの部分とを有することができる。物体２１０および２１４に対応して加えられる結合剤あるいは集束エネルギーの部分と、支持構造体２１２および２１６に対応して加えられる結合剤あるいは集束エネルギーの部分とは、相互に離隔されることが好ましい。

次に図５および図６を参照すると、図２〜図４を参照して説明された原理を組み合わせることができる。図５に示されるように、第１および第２の支持構造体２１２および２１６は、物体２１０および２１４の下にある柱状体２２２などと、物体の周囲にある壁４４０／４４８／４５０との両方を含むことができる。そのような組み合わせられた配列は、物体の周囲にある粉末を安定化させながら、物体が下から支持されるので、きわめて高い物体寸法を提供することができる。図６は、物体２１０および２１４を下から支持するために用いられる柱状体２１８および２２０とともに、粉末を安定化させるために用いられることができる壁４４０／４４８／４５０を側面図で示す。

さらに、図７を参照すると、物体の特徴間あるいは積重された物体間に支持構造体を追加されることができる。図７に示されるように、第１の物体６００は、支持によって利益を得る第１および第２の片持ち支持される部分６０２および６０４のような特徴を有することができる。したがって、粉末状の構成材料の層に結合剤流体あるいは集束エネルギーを加えることにより、第１の物体６００とともに、一対の非接触の支持体６０６および６０８それぞれが作られる。同様に、第１の物体６００と第２の物体６１２との間に配置される別の非接触の支持体６１０も示されている。

上記の説明は、本発明の例示的な実施形態を例示し、説明するためにのみ提供されてきた。それは、本発明を余すところなく述べたり、本発明を開示される任意の全く同じ形態に限定したりすることは意図していない。上記の教示に鑑みて、数多くの変更および変形が可能である。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定されることが意図されている。

本発明の実施形態を実施するために用いることができる固体自由形状組立システムの斜視図である。 本発明の一実施形態による支持構造体を例示する図１の固体自由形状組立システムの組立区画の側面図である。 図２の組立区画の平面図である。 本発明の別の実施形態による支持構造体を例示する図１の固体自由形状組立システムの組立区画の平面図である。 本発明の別の実施形態による支持構造体を例示する図１の固体自由形状組立システムの組立区画の平面図である。 本発明の別の実施形態による支持構造体を例示する図１の固体自由形状組立システムの組立区画の側面図である。 本発明の別の実施形態による支持構造体を例示する図１の固体自由形状組立システムの組立区画の側面図である。

符号の説明

１０２ 組立区画
２１０，２１４、６００，６１２ 物体
２１２、２１６ 支持構造体
２１８，２２０，２２８ 柱状体
２２６，２２７，２３０ 結合してない粉末の層

Claims (11)

1. 固体自由形状組立によって物体を製造するための方法であって、構成材料に結合剤あるいは集束エネルギーを加えることにより前記物体の少なくとも一部の周囲に支持構造体を組立てることを特徴とする、固体自由形状組立によって物体を製造するための方法。
2. 前記構成材料からなる少なくとも１つの層あるいはボクセルが前記物体から前記支持構造体を分離することを特徴とする、請求項１に記載の固体自由形状組立によって物体を製造する方法。
3. 前記支持構造体は前記物体の下に作られる１つあるいは複数の柱状体を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の固体自由形状組立によって物体を製造するための方法。
4. 前記１つあるいは複数の柱状体は前記物体の下に散在して配列されることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の固体自由形状組立によって物体を製造するための方法。
5. 前記支持構造体はさらに、前記物体の周囲に少なくとも部分的に配置される壁を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の固体自由形状組立によって物体を製造するための方法。
6. 前記支持構造体はさらに、物体の特徴間あるいは積重された物体間に配置される１つあるいは複数の柱状体を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の固体自由形状組立によって物体を製造するための方法。
7. 固体自由形状組立装置であって、
   組立区画と、
   該組立区画内で構成材料からなる連続した層を散布し、物体を形成するための移動可能なステージと、
   結合剤装置とを備え、
   該結合剤装置は、構成材料に結合剤あるいは集束エネルギーを加えるようにプログラムされ、それにより前記組立区画内に前記物体の少なくとも一部の周囲にある支持構造体を作ることを特徴とする、固体自由形状組立装置。
8. 前記結合剤装置は、集束エネルギー、あるいはインクジェット技術を含む液体吐出装置を含むことを特徴とする、請求項７に記載の固体自由形状組立装置。
9. 前記支持構造体は前記物体の下に作られる１つあるいは複数の柱状体を含むことを特徴とする、請求項７または８に記載の固体自由形状組立装置。
10. 前記柱状体は散在するように配列され、物体設置面積の約１０〜１００％の総設置面積を含むことを特徴とする、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の固体自由形状組立装置。
11. 前記支持構造体は、前記物体の周囲に配置され、前記区画の底面まで延在する連続した、あるいは不連続の壁を含むことを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の固体自由形状組立装置。

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