JP7200225B2 - 選択的液体冷却による付加製造 - Google Patents

Description

本発明は、付加製造の方法に関する。

エンジニアリング熱可塑性樹脂を使用して、高速かつ高解像度で付加製造することが難しいことはよく知られている。ＦＤＭ（溶融堆積モデリング）付加製造は、エンジニアリングポリマを使用した生産製造への道を歩んできたが、高解像度の部品では低速に悩まされている。大きな押出ノズルを使用してはるかに高速に印刷できるＦＤＭマシンは、速度のジレンマを改善したが、低解像度の部分に悩まされている。光硬化ポリマを使用したＤＬＰ（デジタル光処理）付加製造は、高解像度での製造速度の向上に大きな期待を示しているが、生産製造には高すぎるポリマコストと、光の存在下で劣化する可能性のあるポリマに悩まされている。既存のすべての付加製造技術は、レーザ、放射線、光などを使用して、液体にエネルギを加えて重合させる。

本発明は、液化熱可塑性樹脂の層の選択的冷却を使用して、高解像度の部品を高速で製造することにより、従来技術によって提示された課題を解決しようとするものである。本発明は、液体ポリマからエネルギを除去して固化するという点で従来技術とは異なる。

本発明の一実施形態によれば、加熱された液化熱可塑性樹脂の連続層は、それぞれが選択的かつ独立して加熱および冷却され得る熱交換要素のマトリックスを有するかまたは接触するビルドトレイに配置される。これらの要素は、ペルチェ熱電効果を使用して、冷却モードと加熱モードの間ですばやく動作する。ペルチェ型加熱／冷却接合部は、これらの要素として使用できる装置の一例である。これらの接合部は、現在、３ｍｍ^２の小さなセルで産業に利用可能である。現在、最小の操作単位サイズであるペルチェＰおよびＮ接合「ペレット」は、ミリメートル単位まで生産できる。また、薄膜設計により、すぐにマイクロメートル単位の加熱／冷却ゾーンを作成できるようになると予想される。これにより、本発明は、今日の最高のＤＬＰプリンタでさえ解像度を超えることが可能になる。

本発明の方法に係る第１のステップでは、熱可塑性樹脂の層がビルドトレイに配置され、マトリックス内のすべての要素がビルドトレイを加熱して、上の熱可塑性樹脂の層を液化し、それらと接触させる。次に、冷却されたプラテンが液化熱可塑性樹脂上に下げられ、加熱／冷却要素マトリックスとプラテンの間に液体界面が作成される。次に、加熱／冷却要素マトリックスを制御して、部品が形成される要素のみを冷却する。これにより、選択された領域の熱可塑性樹脂が固化するまで冷却して、製造される部品の第１の層を形成し、冷却されたプラテンに融合する。次に、加熱／冷却要素マトリックスを加熱して、新しく固化した第１の層の下部にある冷却熱可塑性樹脂の非常に薄い層を液化し、そのため、プラテンが上昇し、トレイに液体熱可塑性樹脂が再充填されると、冷却および固化した第１の層がビルドトレイから解放される。プラテン上に残っているのは、形成される部品の第１の層である。次に、プラテンを熱可塑性樹脂の液化層の上に下げるが、ほんの少しだけ高くなる。次に、前の冷却層の下側に新しい層を形成できる。プロセスは、完全な部品が形成されるまで層ごとに続けられる。

本発明は、水氷を含む液相から固相へと通過するほぼ全ての材料から物体を作るために使用することができる。

本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。

本発明の実施形態に係る装置の平面図を示している。 図１に示す装置の断面図を示している。 ビルドトレイが、ある量の液体熱可塑性樹脂で満たされている、本発明の実施形態に係るコーティングプロセスを表している。 ビルドトレイが液化熱可塑性樹脂のフィルムで満たされている、図１および図２に示された装置の断面図を示している。 冷却され固化した熱可塑性樹脂の部分が部品の第１の層を形成している、図１～図３の装置の断面図を示している。 プラテンが上方に持ち上げられると、部品の第１の固化層をビルドトレイから解放できる、トレイの底部に液化熱可塑性樹脂の薄層を備えた図１～図４の装置の断面図を示している。 ビルドトレイが、ある量の熱可塑性樹脂で再充填される、本発明の実施形態に係る再コーティングプロセスの図である。 プラテンが追加量だけ持ち上げられ、部品の第１の層を保持したまま、ビルドトレイに別の量の液体熱可塑性樹脂を再充填して、部品の次の層を形成する、図１～図５の装置の断面図を示している。 ビルドトレイ内の液体熱可塑性樹脂の第２の部分が冷却されて固化され、部品の第２の層を形成する、図１～図６の装置の断面図を示している。 プラテンが上方に持ち上げられると、部品の第２の固化層をビルトトレイから解放できるようになり、第２の層の上部が第１の層の底部に接着する、液化熱可塑性樹脂の薄層がトレイの底部にある、図１～図７の装置の断面図を示している。 部品の第３層を形成するために選択的に冷却されている液化熱可塑性樹脂の第３の量で満たされたビルトトレイを備えている、図１～図８の装置の断面図を示している。

図１および図２ａは、本発明の実施形態に係る装置の平面図および断面図であり、プラテン１は、ペルチェ型加熱／冷却接合部３ａ～３ｎのアレイを含むまたは接触する基部を有するビルドトレイ２上に配置されている。ビルドトレイ２には、ファン２ｄを介してペルチェ接合部３ａ～３ｎとの間で熱を伝達するヒートシンク２ａも含まれている。加熱されたリコータ本体２ｃは、液化熱可塑性樹脂２ｃの供給を保持する。プラテン１は、本発明の様々なステップに従ってビルドトレイ上で上下させることができる。

図２ｂは、リコータ本体２ｂがビルドトレイ２を横切って移動し、液化熱可塑性樹脂２ｃを薄いフィルム４の形でビルドトレイ２に堆積させるときの再コーティングプロセスを示している。ヒートシンクとファンは、簡略化のために示されていない。

図３を参照すると、図２ｂの液化熱可塑性樹脂のフィルムでビルトトレイが満たされた後の、本発明に係る方法の第１のステップが示されている。簡略化のため、リコータは、示されていない。プラテン１は、その底面が熱可塑性フィルム４の上面と接触するように調整される。熱可塑性フィルム４は、ペルチェ型加熱／冷却接合部３ａ～３ｆによって均一に加熱される。プラテン１は、熱可塑性樹脂の凝固温度以下で冷却される。

図４に示す次のステップでは、熱可塑性フィルム４の一部がペルチェ型加熱／冷却接合部３ｄ～３ｆによって液体状態まで加熱され続け、熱可塑性フィルム４の他の部分がペルチェ型加熱／冷却接合部３ａ～３ｃによってその固体状態以下に選択的に冷却される。それによって作成された固体ゾーン５ａ～５ｃは、付加的に製造される部品の第１の層になる。プラテン１は、熱可塑性樹脂の凝固温度以下で冷却され続ける。

製造される部品の第１の層が固化したら、加熱／冷却要素マトリックス全体に付勢して熱可塑性材料を加熱し、固化した第１の層とビルドトレイの底部との間に薄い液体ゾーンを作成して、第１の層を可能にする冷却プラテン１が上方に持ち上げられると、ビルドトレイから分離される。より具体的には、熱可塑性フィルム４は、ペルチェ型加熱／冷却接合部３ｄ～３ｆによって液体状態まで加熱され続ける。熱可塑性フィルム４は、ペルチェ型の加熱冷却接合部３ａ～３ｃによってその液体状態以上に選択的に加熱されて、薄い液体ゾーン６ａ～６ｃを生成する。この時点で、プラテン１はトレイ４の液体から固体ゾーン５ａ～５ｃを持ち上げ始める。プラテン１は、熱可塑性樹脂の凝固温度以下で冷却され続ける。

図５ｂは、図２ｂのように、熱可塑性材料が印刷される物体によって消費されるときにビルドトレイを補充するために全ての層の間に発生する再コーティングステップを示している。プラテン１を持ち上げて、リコータ本体２ｂを清掃する。リコータ本体２ｂは、ビルドトレイ２を横切って移動し、液化熱可塑性樹脂２ｃを薄いフィルム４の形でビルドトレイ２上に堆積させ、固化ゾーン５ａ～５ｃを除去することにより枯渇した液体を置換する。

図６に示す後続のステップで、プラテン１は、固体ゾーン５ａ～５ｃをトレイ４の液体の表面まで下げ、プラテン１が熱可塑性樹脂の凝固温度以下で冷却され続けるため、中間ゾーン５ａｂと５ｂｃは固体ゾーン５ａ～５ｃの間で固化して部品の第１の層を完成させる。熱可塑性フィルム４は、ペルチェ型加熱／冷却接合部３ａ～３ｆによって液体状態まで加熱され続ける。

その後、図７に示すように、プロセスが繰り返される。マトリックス内の様々な加熱／冷却要素を付勢して熱可塑性液体を冷却し、他の要素を付勢して熱可塑性液体を加熱し、製造される部品のビルドパターンに従って、第１の層が作成されたのと同じ方法で部品の第２の層を作成する（図４）。

部品の第２／後続の層が形成／固化すると、マトリックスのすべての加熱／冷却要素がビルドトレイ内の熱可塑性材料を加熱し、第１の層がビルトトレイから分離されたのと同じ方法で、プラテンを部品の固化部分と一緒に持ち上げてさらに別の層のためのスペースを空けることができるように、第２／後続の層の下部とビルドトレイとの間に薄い層を作成する（図５）。図７では、要素３ａ、３ｂ、３ｃが冷却されていたが、プラテンが部品をビルドトレイから持ち上げてスペースを空けることができるように、薄い液体ゾーン６ｄ、６ｅ、６ｆ（図８）を作成するのに十分な加熱に切り替えられるトレイの補充とさらに別の層の作成（図９を参照）。再コーティングが行われ、固化ゾーン６ａ～６ｃを除去することで枯渇した熱可塑性液体４が置き換えられる。

このプロセスは、部品に必要な数の層ができるまで続く。

Claims (7)

1. 付加製造装置であって、
   ビルドトレイのそれぞれの領域を独立して交互に加熱および冷却するように構成された熱交換要素のアレイを備えたビルドトレイと、
   前記ビルドトレイの表面上で上下する可動プラテンと、
   前記ビルドトレイと前記可動プラテンとの間に移動可能に取り付けられ、前記ビルドトレイに熱可塑性材料の連続層を塗布するように構成された、加熱されたリコータ本体と、を備え、
   前記熱可塑性材料の連続層は、前記熱可塑性材料を冷却することにより、前記ビルドトレイの前記熱交換要素によって交互に固化され、多層部品の各層を作成し、次に、部分的に液化して、前記可動プラテンが前記ビルドトレイから離れると、固化した熱可塑性材料を前記ビルドトレイから解放する、付加製造装置。
2. 前記付加製造装置は、任意の方向で動作するように構成され、前記多層部品を構築するために重力を必要としない、請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記熱交換要素は、ペルチェ加熱／冷却接合部である、請求項１に記載の付加製造装置。
4. 前記付加製造装置は、層間に熱可塑性樹脂で前記ビルトトレイを補充するためのリコータをさらに備える、請求項１に記載の付加製造装置。
5. 前記可動プラテンは、加熱または冷却されるように構成されている、請求項１に記載の付加製造装置。
6. 前記付加製造装置は、前記ビルトトレイおよび可動プラテンを囲む温度制御された筐体をさらに備える、請求項１に記載の付加製造装置。
7. 熱可塑性物品の製造方法であって、
   ａ）それぞれがビルドトレイのそれぞれの領域を独立して加熱または冷却するように構成された熱交換要素のアレイを含むかまたは接触する基部を有するビルドトレイ内の液体熱可塑性材料の層を加熱するステップと、
   ｂ）前記液体熱可塑性材料の表面に冷却されたプラテンを配置し、加熱／冷却要素マトリックスと前記プラテンの両方の間に液体界面を作成するステップと、
   ｃ）熱交換要素の前記アレイに、物品が形成される場所に対応する前記ビルドトレイの領域を冷却させ、前記液体熱可塑性材料を選択領域で冷却および固化させて、物品の第１の層を作成するステップと、
   ｄ）熱交換要素の前記アレイに、前記プラテンが上昇したときに前記ビルドトレイから解放できるように十分な冷却固化熱可塑性材料の薄層を液化させるステップと、
   ｅ）前記ビルドトレイに液体熱可塑性樹脂の新しい層を補充するステップと、
   ｆ）前記プラテンを物品の第１の層と一緒に下げて、物品の第１の層の底部が液体熱可塑性樹脂の新しい層と接触するようにするステップと、を含み、
   完全な物品が形成されるまで、ステップａ）からｆ）を繰り返す、方法。

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