JP2019022979A - ３次元の物体を製造する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部品の位置及び／又は移動距離の決定が改善された３次元の物体を付加製造する装置を提供すること。【解決手段】エネルギービームによって固化することができる造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）において、この装置（１）の少なくとも１つの可動部品（５）の位置及び／又は移動距離を決定する直接測定ユニット（４）が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）する装置に関する。

その種の装置は、従来技術からよく知られており、造形材料は、エネルギービームによって連続して層ごとに選択的に照射される。造形材料は、典型的には、例えば装置の造形モジュールに割り当てられた搬送要素、特に造形プレートを備える搬送ユニットによって搬送される。造形材料は、造形モジュールの造形チャンバ内で搬送要素上に配置され、搬送要素は、造形材料の層ごとの照射を可能にするように可動である。

言い換えれば、造形材料は、造形プレートの上に配置されており、造形材料を選択的に照射することができ、層が照射された後、この層の上に新しい造形材料層が運ばれ、搬送要素、特に造形プレートは、下方へ動かされ、その結果、新しく塗布される造形材料層が、再びエネルギービームの焦点面内に位置する。

したがって、エネルギービームが造形材料を照射する造形平面は、それぞれ画定された平面又は画定された位置内に位置することを保証するために、可動部品、特に造形プレートの位置及び／又は移動距離を決定することが必要である。したがって、造形平面の向き及び／又は位置決めのずれ、したがってこのプロセス全体にわたって造形される３次元の物体の不完全さにつながる位置決め誤差を最小にするために、可動部品は厳密に位置決めされなければならない。

したがって、本発明の目的は、可動部品の位置及び／又は移動距離の決定（判定）が改善された３次元の物体を付加製造する装置を提供することである。

この目的は、本発明によれば、請求項１に記載の装置によって実現される。好ましい実施形態は、従属請求項に準拠する。

本発明は、装置の少なくとも１つの可動部品の位置及び／又は移動距離を決定する直接（ダイレクト）測定ユニットを設けるという概念に基づいている。直接測定ユニットは、可動部品の位置及び／又は移動距離のそれぞれ厳密な決定又は測定を可能にする。

本明細書に記載する装置は、エネルギービームによって固化することができる粉末状の造形材料層（「造形材料」）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体、例えば技術的構成部品（構成要素）、を付加製造する装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、又はポリマーの粉末とすることができる。それぞれのエネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームとすることができる。それぞれの装置は、例えば、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ融解装置、又は選択的電子ビーム融解装置とすることができる。

この装置は、その動作中に使用される複数の機能ユニットを備える。例示的な機能ユニットには、プロセスチャンバ、プロセスチャンバ内に配置された造形材料層を少なくとも１つのエネルギービームで選択的に照射するように構成された照射デバイス、及び所与の流動特性、例えば所与の流動プロファイル、流速など、でプロセスチャンバを通って少なくとも部分的に流れるガス状流体流を生成するように構成された流れ生成デバイスが挙げられる。ガス状流体流は、プロセスチャンバを通って流れる間に、装置の動作中に生成される固化されていない粒状の造形材料、（特に）煙又は煙残留物で満たすことが可能である。ガス状流体流は、典型的には不活性であり、すなわち典型的には、不活性ガス、例えばアルゴン、窒素、二酸化炭素などの流れである。

好ましい実施形態によれば、連結手段が、直接測定ユニットを上記構成部品と連結するように構成された少なくとも１つの連結手段を備える。したがって、連結手段は、装置の可動部品と直接測定ユニットとの間に配置され、連結手段は、部品に位置する第１の連結点と、直接測定ユニット、特に直接測定ユニットに割り当てられた直接測定手段に位置する第２の連結点とを備える。したがって、直接測定ユニットは、可動部品に直接接続されるのではなく、直接測定ユニットは、連結手段を介して可動部品に連結される。

したがって、直接測定ユニット、特に直接測定手段は、可動部品に直接接続する必要はない。これにより、可動部品に対する直接測定ユニットの任意の配置が可能になり、その結果、可動部品の運動方向に直接測定ユニットに対する特有の空間を提供する必要がなくなる。言い換えれば、可動部品の動きは、直接測定ユニットを可動部品と連結する連結手段を介して、直接測定ユニット、特に直接測定手段の動きに伝達される。

したがって、可動部品に接続された直接測定手段が動くための十分な空間の提供を回避することができる。これにより、装置の全体的な寸法が増大する。さらに、レーザ干渉計の使用が知られているが、ガラススケールなどの直接測定手段と比較すると、そのような測定手段を追求し維持する労力は大きい。

連結手段は、第１の運動方向及び／又は第１の軸に沿って誘導される可動部品の動きを第２の運動方向及び／又は第２の軸に沿った直接測定手段の動きに方向変換するように構成された方向変換手段を備えることが特に好ましい。装置のこの実施形態によれば、可動部品は、第１の運動方向及び／又は第１の軸に沿って可動であり、例えば可動部品は、装置の造形チャンバ内で垂直方向に動かすことができる。直接測定ユニットの直接測定手段は、第２の運動方向及び／又は第２の軸に沿って可動である。第１及び第２の運動方向並びに／又は第１及び第２の軸は、互いに平行若しくは直交して又は互いに対して事前定義された角度で配置することができる。

したがって、可動部品の運動方向に対して直接測定手段を任意の方向及び／又は任意の軸に沿って配置することが可能である。特に、直接測定手段は、可動部品の運動方向に対して平行に配置することができ、直接測定手段は、可動部品の運動方向に対して空間的にずれて位置するし、且つ／又は可動部品の運動領域の範囲外に位置する。さらに、直接測定手段は、可動部品の運動方向に本質的に直交して配置することができ、その結果、直接測定手段は、装置内の任意の位置に配置することができる。特に、直接測定手段は、可動部品の運動方向及び／又は運動領域における直接測定手段の動きのために利用可能な特有の空間を保つことを必要としないで、可動部品の下に位置することができる。

この装置の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの連結手段は、引張り手段及び／又は押込み手段である。この適用分野における引張り手段は、２つの物体間で、特に可動部品から直接測定手段へ、引張り力を伝達するように構成された手段であり、逆も同様である。したがって、押込み手段は、２つの物体間で、特に可動部品と直接測定手段との間で、押込み力を伝達するように構成された手段であり、逆も同様である。２つの物体間で引張り力及び押込み力を伝達するように構成することによって、少なくとも１つの連結手段が、引張り手段及び押込み手段として同時に作用するように構成することができることは自明である。

この装置の別の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの連結手段は、可撓性材料及び／又は低伸び率材料から構築されるか、又はそのような材料を含む。連結手段は、可動部品の動きの方向を直接測定手段の動きの方向へ方向変換するのに十分な可撓性を有することが特に好ましく、連結手段は、連結手段の偏向が運動方向の方向変換を可能にすることができることから、可撓性材料から構築され、且つ／又はそのような材料を含む。材料の可撓性は、材料の内在的な特徴とすることができ、例えば特有の合成材料は、連結手段の可撓性及び変形性、したがって運動方向を方向変換するための連結手段の偏向を可能にする。さらに、可撓性は、連結手段の構造すなわちデザイン、及び／又は形状に起因することができ、例えばチェーンのように互いに対して可動の複数のリンク及び／又は部材から構築することによって得ることができる。

別法又は追加として、連結手段は、可動部品の動きを直接測定手段の動きに直接伝達することを可能にする低伸び率材料から構築されるか、又はそのような材料を含む。この実施形態によれば、連結手段の伸びは、可動部品の動きを直接測定手段の動きに伝達する上で不利であると認識されている。押込み及び／又は引張り力の伝達に起因する連結手段の伸びを計算に入れることも可能であるが、低伸び率材料を使用して、可動部品の動きを直接測定手段の動きへ直接伝達することを保証することが好ましい。そのような低伸び率材料は、例えば、可動部品から直接測定手段への動きの伝達に起因する典型的な力を受けて低い張力の伸び（又は概略的に変形）のみを示す金属及び／又は合成材料とすることができるし、又はそのような材料を含むことができる。

したがって、押込み及び／又は引張り方向の負荷がかけられたとき、十分な偏向を実行し且つ低い伸びのみを示すのに十分な可撓性を有する連結手段を使用することが特に好ましく、押込み及び／又は引張り方向は、連結手段の方向として延びている。

この装置は、少なくとも１つの連結手段が、ロープ及び／又はワイヤ及び／又はチェーン及び／又は棒材及び／又はばね及び／又は空気圧要素及び／又は油圧要素であるか、又はそれやそれらを備えることから、さらに改善することができる。連結手段が、ロープ及び／又はワイヤ及び／又はチェーンとして構築され、又はそれを備える場合、連結手段は、可動部品の動きを直接測定手段の動きに方向変換するように偏向させることができ、連結手段が低い（張力）伸びを示し、その結果、動きの伝達が連結手段の伸びによって歪んだり影響されたりしないことも保証することができる。さらに又は追加として、空気圧要素及び／又は油圧要素として構築され、又はそれを備える連結手段を提供することも可能であり、上述したパラメータは、伸び挙動、すなわち押込み及び／又は引張り力に対する連結要素の応答を調整することができることから、空気圧又は油圧を介して調節ことができる。

この装置の別の好ましい実施形態によれば、方向変換手段は、連結手段を案内及び／又は方向変換する方向変換ロールとして構築される。したがって、方向変換手段は、可動部品に位置するそれぞれ１つの固定点又は連結点と、直接測定ユニット、特に直接測定手段に位置するそれぞれ１つの固定点又は連結点とを有する連結手段を偏向させるように構成される。連結手段は、可動部品の運動方向が直接測定ユニットの運動方向に方向変換されることから、２つの固定又は連結点間で方向変換ロールを介して偏向される。例えば、可動部品の運動方向は、それぞれ垂直方向の動き又は垂直軸に沿った動きである。直接測定ユニットの運動方向は、任意の方向とすることができ、連結手段は、可動部品から直接測定ユニットまで延び、方向変換手段、特に方向変換ロールを介して偏向される。直接測定手段並びに直接測定手段に割り当てられた摺動要素などの測定デバイスを動かすことができることは自明である。連結手段は、それに対応して、固定点を介して直接測定手段又は摺動要素に固定される。それによって、摺動要素は、直接測定手段と相互作用する直接測定ユニットの光学測定システムの光源又はフォトダイオードを搬送することができる。

さらに、好ましくは連結手段に予圧（予荷重）がかけられている。連結手段に予圧を提供することによって、連結手段がぴんと引っ張られることを保証することができ、連結手段は、裏切られない動きを伝達するように構成される。追加として、特に引張り手段を連結手段として使用するとき、特に可動部品を上下に動かすことによって、動きの方向変換がどちらの運動方向でも可能であることを保証することができる。

記載する実施形態は、ばね及び／又は空気圧及び／又は油圧及び／又は補助的な重りを介して連結手段に予圧がかけられることから、さらに改善することができる。したがって、連結手段に直接又は間接的に固定されたばね力及び／又は空気圧及び／又は油圧及び／又は補助的な重りによって、連結手段に予圧を印加することができる。予圧は調整可能であり、具体的な適用分野に依存することは自明である。さらに、特に空気圧及び／又は油圧に関して、予圧の調節が実行可能である。当然ながら、ばね力及び／又は補助的な重りによって印加される予圧を調節することも実行可能である。

この装置の別の好ましい改善は、直接測定ユニットが、可動部品の運動方向とは異なる方向及び／又は異なる軸に沿って延びる少なくとも１つの直接測定手段を備えることを提案する。したがって、直接測定手段の配置は、可動部品、特に可動部品の運動方向又は運動領域、とは無関係に選択することができる。これにより、直接測定手段のほぼ制限のない自由な配置が可能になり、特に直接測定手段を省スペースに配置することが実行可能になる。したがって、装置内の利用可能な空間を使用して、可動部品に対する直接測定手段の位置とは無関係に直接測定手段を配置することができるため、この装置の全体的なサイズを低減させることができる。言い換えれば、直接測定手段は、装置の任意の位置に配置することができ、可動部品の動きは、連結手段を介して直接測定手段へ伝達される。

この装置は、可動部品が少なくとも１つの伸縮式のスピンドルを介して駆動され又は駆動可能であることから、さらに改善することができる。伸縮式のスピンドルを使用して可動部品を駆動し又は動かすことによって、その最大伸びにおけるスピンドルに対する利用可能な空間を保持する必要がなくなり、例えば可動部品が最小位置にあるときはスピンドルを最小伸びに伸縮させ、例えば可動部品が最大位置にあるときはスピンドルを最大伸びに伸縮させることができるため、可動部品の下又はその付近の空間を節約することが可能になる。

有利には、直接測定ユニット、すなわち直接測定手段は、可動部品の下に位置する必要はなく、可動部品に直接接続する必要もなく、その結果、直接測定手段を動かすための空間を可動部品の下で利用可能に保つ必要はない。その代わりに、直接測定手段は、スピンドルの伸縮式の動き及び最適な空間配置を可能にするために、装置内の任意の他の位置に配置することができる。

この装置は、少なくとも１つの周囲パラメータ、特に温度及び／又は湿度を決定するように構成された少なくとも１つのセンサを提供することによって、さらに改善することができ、制御ユニットが、決定された周囲パラメータに応じて連結手段の予圧を制御するように構成される。したがって、周囲パラメータが連結手段の動き及び／又は伸び挙動に与える影響を計算に入れることができる。したがって、連結手段の予圧は、決定又は測定された周囲パラメータ、特に温度及び／又は湿度に応じて十分に調整することができる。

直接測定ユニットは、光学測定ユニットであり、又はそれを備えることが特に好ましい。したがって、直接測定手段は、ガラススケールとして構築することができるし、又はそれを備えることができ、ガラススケールの移動及び／又は動きは、例えばガラススケール上に提供されるそれぞれの測定値を計数する光源と光検出器の対などの十分な光学測定ユニットを介して記録される。別法として、測定ベルト、特に磁気測定ベルトを測定手段として使用することも可能である。

好ましくは、装置の可動部品は、搬送ユニットの部品、例えば、製造プロセス中に造形材料及び／又は造形され若しくは造形されている物体を搬送する搬送要素、特に、造形プレートである。

本発明の例示的な実施形態について、図を参照して説明する。図は、概略図である。

第１の例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の原理図である。 第２の例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の一部の原理図である。 第３の例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の一部の原理図である。 第４の例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の一部の原理図である。 第５の例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の一部の原理図である。 第６の例示的な実施形態による３次元の物体を付加製造する装置の一部の原理図である。

図１は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層３を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体２を付加製造する装置１を示し、装置１の少なくとも１つの可動部品５の位置及び／又は移動距離を決定（判定）する直接（ダイレクト）測定ユニット４が設けられる。この実施形態によれば、可動部品５は、搬送要素、特に造形プレートである。直接測定ユニット４は、直接測定手段６、例えばガラススケールを備える。

図１は、可動部品５及び直接測定ユニット４が連結手段７、例えばロープ又はチェーン又はワイヤを介して連結されていることをさらに示す。連結手段７は、第１の固定点８を介して可動部品５に取り付けられ、連結手段７はまた、第２の固定点８’を介して摺動要素９に取り付けられ、摺動要素９は、特に連結手段７を介して摺動要素９へ伝達される可動部品５の動きに対応して直接測定手段６に沿って摺動する直接測定ユニット４の一部である。

連結手段７は、方向変換ロールとして構築された方向変換手段１０を介して偏向又は方向変換される。したがって、連結手段７は、第１の固定点８から第１の軸１１に沿って本質的に垂直に延び、方向変換手段１０を介して本質的に軸１２に沿って摺動要素９の運動方向にそれぞれ方向変換又は偏向される。したがって、可動部品５の動きは、連結手段７を介して摺動要素９の動き、すなわち直接測定ユニット４（の一部）の動きに伝達される。言い換えれば、直接測定手段６に対する摺動要素９の動きにより、可動部品５の移動距離の決定が可能になる。

したがって、直接測定ユニット４は、直接測定手段６、特にガラススケールに沿った摺動要素９の位置及び／又は移動の決定（判定）を可能にするために、光源及び対応する光検出器を備えることができる。可動部品５は、本質的に軸１１に沿って可動部品５を駆動するように構成された伸縮式のスピンドル１３によって駆動され、伸縮式のスピンドル１３は、可動部品５の位置に応じて伸縮する。図１に示す構成により、直接測定ユニット４を可動部品５に直接接続すること、例えば直接測定手段６を可動部品５の真下に接続することが必要ないため、装置１の小型の配置が可能になる。その代わりに、直接測定手段６は、可動部品５に対して平行に、且つ可動部品５を動かすために必要とされる空間の外側に、配置することができる。

連結手段７は、低伸び率の可撓性材料、例えば金属ワイヤ、特にボーデンワイヤから構築され、本質的に引張り手段として作用し、摺動要素９は、可動部品５が軸１１に沿って動かされると、軸１２に沿って引っ張られる。

図１からさらに導出することができるように、直接測定手段６、すなわちガラススケールは、軸１２に対して任意の角度及び／又は配置で配置することができ、特に直接測定手段６は、軸１２又は可動部品５の運動方向に直交して配置することができる。したがって、直接測定ユニット４は、可動部品５の運動方向とは異なる方向に延びる直接測定手段６、すなわちガラススケールを備える。

図２は、第２の例示的な実施形態による装置１の一部を示し、直接測定ユニット４には、ばね１４を介して予圧（予荷重）がかけられている。ばね１４は、摺動要素９に接続されており、連結手段７を引き締める引張り力を摺動要素９に提供する。ばね１４を介して予圧をかけることによって、摺動要素９は、可動部品５の動きに対応して、垂直に上下両方の方向に直接測定手段６に対して動かされることが保証される。

図３は、第３の例示的な実施形態による装置１の一部を示す。第３の実施形態によれば、直接測定ユニット４はまた、直接測定手段６と、直接測定手段６に対して可動の摺動要素９とを備える。また、連結要素７が、方向変換手段１０を介して偏向され、摺動要素９に固定される。さらに、図３は、摺動要素９に接続された空気圧要素１５を示し、第１のチャンバ１６内に空気圧を印加することができ、これは好ましくは、制御ユニットによって制御される。摺動要素９に印加される予圧は、チャンバ１６内の空気圧を介して調整可能であり、圧力は、決定された周囲パラメータに応じて変動させることができる。

図４は、第４の実施形態による装置１の一部を示す。図３に示す第３の実施形態とは異なり、空気圧要素１５は、直接測定手段６に対して平行に、すなわち連結要素７と一直線に配置されている。空気圧要素１５は、図３に示す空気圧要素１５と同様に摺動要素９に接続される。画定された圧力をチャンバ１６内に印加することによって、摺動要素９にかかる予圧力が調整可能になり、この予圧力は、連結手段７を引き締めるように、摺動要素９を介して連結手段７に伝達可能になる。

図５は、第５の実施形態による装置１の一部を示し、やはり摺動要素９にかかる予圧を生成するために、空気圧要素１５が使用されている。第５の実施形態は、空気圧要素１５の配置の別の代替形態を示し、空気圧要素１５は、連結手段７側に配置されている。同様に、画定された圧力をチャンバ１６内に設定することによって、摺動要素９に予圧を印加することができ、可動部品５の動きを摺動要素９の動きに、したがって直接測定ユニット４の動きに直接伝達することを保証する。

図６は、本発明の第６の例示的な実施形態による装置１の一部を示す。第６の例示的な実施形態では、プーリユニット１８を介して摺動要素９に連結された補助的な重り１７によって予圧が生成される。補助的な重り１７によって生成される重力の結果、連結手段７を引き締める予圧力が摺動要素９にかかり、可動部品５の動きを摺動要素９の動き、したがって直接測定ユニット４の動きに直接伝達することを保証する。

図３〜５に示した実施形態では、空気圧要素１５の代わりに油圧要素を使用することもでき、油圧は、連結要素７にかかる予圧を制御するように設定又は調整することができる。図示したすべての実施形態において、例えば光源及びフォトダイオードを搬送する摺動要素９が動かされるか、それとも直接測定手段６が動かされるかは、重要でないことが自明である。

Claims (15)

1. エネルギービームによって固化することができる造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）において、前記装置（１）の少なくとも１つの可動部品（５）の位置及び／又は移動距離を決定する直接測定ユニット（４）が設けられることを特徴とする装置。
2. 前記直接測定ユニット（４）を前記部品（５）と連結するように構成された少なくとも１つの連結手段（７）を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記連結手段（７）が、第１の運動方向及び／又は第１の軸（１１）に沿って誘導される前記可動部品（５）の動きを、第２の運動方向及び／又は第２の軸（１２）に沿った前記直接測定手段の動きに方向変換するように構成された方向変換手段（１０）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 少なくとも１つの連結手段（７）が、引張り手段及び／又は押込み手段であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の装置。
5. 少なくとも１つの連結手段（７）が、可撓性材料及び／又は低伸び率材料から構築されるか、又はそのような材料を含むことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一つに記載の装置。
6. 少なくとも１つの連結手段（７）が、ロープ及び／又はワイヤ及び／又はチェーン及び／又は棒材及び／又はばね及び／又は空気圧要素（１５）及び／又は油圧要素であるか、又はそれやそれらを備えることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記方向変換手段（１０）が、前記連結手段（７）を案内及び／又は方向変換する方向変換ロールとして構築されることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 前記連結手段（７）に予圧がかけられることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. ばね（１４）及び／又は空気圧及び／又は油圧及び／又は補助的な重り（１７）を介して前記連結手段（７）に予圧がかけられることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記直接測定ユニット（４）が、前記可動部品（５）の運動方向とは異なる方向及び／又は軸に沿って延びる少なくとも１つの直接測定手段を備えることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一つに記載の装置。
11. 前記可動部品（５）が、少なくとも１つの伸縮式のスピンドル（１３）を介して駆動されるか又は駆動可能であることを特徴とする、請求項２〜１０のいずれか一つに記載の装置。
12. 少なくとも１つの周囲パラメータ、特に温度及び／又は湿度を決定するように構成された少なくとも１つのセンサを有し、制御ユニットが、前記決定された周囲パラメータに応じて前記連結手段（７）の前記予圧を制御するように構成されることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一つに記載の装置。
13. 前記直接測定ユニット（４）が、光学測定ユニットであるか、又はそれを備えることを特徴とする、請求項２〜１２のいずれか一つに記載の装置。
14. 前記直接測定手段が、ガラススケール（６）であるか、又はそれを備えることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の装置。
15. 前記可動部品（５）が、搬送ユニットの部品、特に造形プレートであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の装置。

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