JP2001511083A - 複数の連続薄膜として物体を製造する製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の連続薄膜として物体を形成する製造方法であって、同方法は：(i)前駆物質を受容体表面に適用する工程；および(ii)堆積された前駆物質の領域に光束を向けることにより、堆積前駆物質の領域を局所的に加熱し、その結果局所的に加熱された領域が固体材料に変成する工程、を反復して含む。

Description

【発明の詳細な説明】 複数の連続薄膜として物体を製造する製造方法および装置 本発明は、物体の製造のための方法および装置に関する。 現在の競争の激しい国内の産業市場および軍需市場においては、製品の商品寿 命は継続して低下しているが、製品の設計の複雑さは増大している。このため、 製造業において迅速に試作を行う技術の必要性が絶えず増大する結果となってい る。迅速な試作は、製品の開発期間を低減する能力、および、急速に変化する市 場の需要を満たすために、製造業者がより素早く、より柔軟に対応できるように する能力を既に示した。 目下、多様なタイプの市販されている迅速な試作方法があり、例えば、（ａ） 通常は液体のプール内にある液状モノマーの選択的なレーザー硬化方法（ステレ オリソグラフィー：ＳＬＡ）[出版物参照１を参照のこと]、（ｂ）粉末の選択的 なレーザ焼結法（ＳＬＳ）（例えば、ポリマー、樹脂被膜金属、および砂）[１] 、および（ｃ）紙のシートのレーザ切断工程および粘着接着工程、またはセラミ ックテープのスリップ鋳造を含む層状物体製造法（ＬＯＭ）[２]が挙げられる。 これらの方法は、評価および試験のための新たな設計の試作品を作製するために 使用されてきた。加えて、設計製品または短期製品の試作品の製造のために必要 とされる、鋳造器具または可塑成形器具についてのパターンのをうまく製造した 。 しかし、これらの方法により作成される部品は、密度不足または過剰樹脂のた めに、常に機械的強度の低下を被り、従って、樹脂の離脱工程や高密度化のため の熱処理のような、追加的処理工程を必要とする。これは、劣悪な寸法制御を生 じる、望ましくない収縮をもたらし得る。更に、これらの方法は、選択された範 囲の材料に限定され、一般には、ポリマーのみとの共用に限定されている。 ＳＬＡ法では、モノマーは感光性であり、貯蔵寿命が短く、前駆物質材料の経 費が嵩む結果となる。 ＳＬＳ法では、最終部品の表面仕上げの品質は、粉末の寸法により制約を受け 、容認できる表面仕上げをするのに、後続の機械加工工程が必要となることが多 い。 ＬＯＭ技術では、寸法制御は、シートの積載により引き起こされる階段状端縁 効果のために、制限される。 それゆえ、時間を浪費する中間処理工程を必要とせずに、コンピュータ支援設 計（ＣＡＤ）モデルから直接的に、十分高密度で機能的な部品を作製できる迅速 な試作技術の必要性がある。また、他の、多分より強度のある、あるいはより適 切な材料が迅速な試作に使用されるようにする技術の必要性がある。 参照[５]は、光硬化性可塑シートに関与する製造方法を開示しており、これに より、シートの領域は、レーザービームの適用により硬化される。粉末前駆物質 から3-D物体を製造する技術が提示されており[６]、振動ワイパーブレードが使 用されて、受容体表面に粉末を付与するのを助ける。レーザービームにより硬化 されるポリマー樹脂に関与するステレオリソグラフィー法[７]は、ポリマー内で 粒子を整列させるために使用される電界または磁界を採用する。[８]および[９] における製造技術は、ガス状前駆物質を利用する。 物体を複数の連続薄膜として形成する製造方法であって、この方法は以下の反 復工程を含む： (i) ゾル前駆物質を受容体表面に適用する工程； (ii) 前駆物質の適用経路に沿って温度勾配を供与し、その結果前駆物質が受容 体表面に接近するにつれて、同物質が加熱され、そしてゾル−ゲル転移が誘起さ れ、その結果、ゲル層が表面上に堆積される工程；および、 (iii) 堆積された前駆物質の領域に光束を向けることにより、ゲル層の領域を 局所的に加熱し、その結果局所的に加熱された領域が固体材料に変化する工程。 本発明はまた、複数の連続薄膜として物体を製造する製造装置を提供し、同装 置は以下を備える： (i) 受容体表面にゾル前駆物質を適用するための前駆物質出口； (ii) 前駆物質の適用経路に沿って温度勾配を供与し、その結果前駆物質が受容 体表面に接近するにつれて、同物質が加熱され、そしてゾル-ゲル転移が誘起さ れ、その結果、ゲル層が表面上に堆積されるようになる、ヒーター；および、 (iii) 堆積された前駆物質の領域を局所的に加熱し、その結果局所的に加熱さ れた領域を固体材料に変化する、指向可能な光束。 本発明は、特に、製造業のためのセラミック構成要素といった高品質の工学部 品を効果的に製造できる新規で迅速な試作プロセス（本明細書中でレーザーゲル 製造（ＬＧＭ）と称される実施態様）を提供する。 ここで、本発明は、添付の図面を参照しながら実施例の方法により記載される が、図面全体にわたって、同様の部分は同様の参照により言及され、そしてその 図面は: 図１は、迅速な試作装置の模式図である。 図１を参照すると、「ゾル」前駆物質溶液がノズルまたは出口10に供給され、 ここから、同溶液は微細位置決めテーブル20上に散布される（同テーブルは、従 来型ＰＺＴ台および制御エレクトロニクス（図示せず）を備え得る）。電源電圧 30は、ノズル10とテーブル20との間で電界を発生するために使用され、その結果 ノズル10から現れる前駆物質溶液の滴がテーブル20の方へ引き寄せられる。また 、温度勾配は、（例えば、テーブル20を包囲する要素（図示せず）を加熱するこ とにより）テーブルがノズル10よりも高温になるように維持される。温度勾配の 影響下で、電界により誘導されて、ゾル-ゲル転移が起こり、従って、ゲル層が テーブル上に堆積される。 好適な前駆物質溶液の例は以下の通りである。安定化ジルコニア(Y₂O₃-ZrO₂)の堆積のためのゾル前駆物質: イットリア安定化ジルコニアのための前駆物質：Y(O₂C₈H₁₅)₃およびZr(OC₄H₉)₄ 溶媒：プロパノール触媒またはブタノール触媒：酢酸アルミナ(Al₂O₃)の堆積のためのゾル前駆物質： アルミナのための前駆物質：Al(OC₄H₉)₃ 溶媒：ブタノールおよび水触媒：酢酸または塩酸 ゾル-ゲル転移は、使用される前駆物質および溶媒のタイプに依存して、400℃ 未満で起こり得る。上記の例については、ゾルからゲルへの転移は、室温と約25 0℃との間で起こり得る。 ガルボスキャナ（galvoscanner）40（細かく、精度の高い、迅速な運動が可能 な、公知の電気駆動式ミラー）は、レーザー源50からレーザービーム45（必要に 応じて、図１に概略的に示される集束光学系60により、集束される）を引き起こ し、そのレーザービームをｘ−ｙ方向（すなわち、実質的にはテーブルの平面上 ）に移動させる。レーザービームが堆積されたゲルを局所的に加熱すると、ゲル のその領域がセラミック材料へと結晶化する。このようにして、固体物体のセク ションは、レーザーとゲルの相互作用の結果として、構築されている。一般に、 紫外線と赤外線との間の波長を有するコヒーレント光源が使用され得る。 ガルボスキャナは模式的に例示されるが、もちろん、（少なくとも１つの反射 器またはレンズのような他の指向光学系も同様）モータ、駆動機構、および、全 体駆動手段（図示せず）を形成する制御装置（例えば、制御コンピュータ）を備 える。代替の実施態様においては、ビームは、指向光学系の相対位置を再配置す ることにより、方向づけられ得る。 次のセクションは、ｚ方向にテーブルを降下させ、続いてゲルの堆積、および ゲルの選択された領域へのレーザービームの走査により構築されて、レーザーと ゲルとの相互作用を通して所望のジオメトリー(geometry)を構成する。上記の一 連の順序は、3-D物体を構築するために反復される。 加えて、ＬＧＭプロセスは、印刷およびマーキング(marking)用途に適用され 得、この場合ゲル材料は、同材料がレーザービームにより照射された後、レーザ ーとゲルとの相互作用の結果として、その光学特性（例えば、反射率および吸収 率）を変化させる。電界においてゲルを形成するために使用される前駆物質は、 有機溶媒または無機溶媒中で溶解可能である化学物質であり得る。化学物質は、 天然色素、金属アルコキシド、硝酸などであり得る。 プロセスは、ゾル−ゲル堆積の技術[３]、本願出願人の同時係属出願に記載さ れた堆積技術[４]、およびレーザー加熱工程を組み合わせる。これは、ゾルの調 製、そして続く温度勾配下で電界を横断して物体形成テーブル上にゾルを散布し 、レーザーおよび／または他の加熱方法（例えば、上記の温度勾配による、また はノズル10の加熱処理による）により誘導されるゾル-ゲル転移により、均一な ゲル堆積を生成する工程を包含する。その後、強力レーザービームが使用されて 、 ゲル堆積の選択された領域での、局地化されたゲルからセラミックへの相変成を 引き起こす。3-Dセラミック部分は、レーザービームと物体形成テーブルの移動 の操作を通して、一層ずつ構成され得る。レーザービームは、器具経路（文末注 １）に従って、物体形成テーブル上のゲル堆積を走査し、それによって、ゲルか らセラミックへの変成を介して、工学部分の断面を形成する。次いで、物体形成 テーブルは１層だけ下へ移動され、次の層のゲルが堆積可能となるようにし、そ してゲルの選択領域は、走査レーザービームを用いて、選択領域でセラミック相 に変換される。次いで、3-D部分は、最終物体が形成されるまで、最も精な細部 と共に、１層ずつ構成される。 工学部分の容積を構築するのにかかる時間は、プロセシングパラメータ（例え ば、ゾル組成、ゲル堆積率、レーザーエネルギー密度、レーザー走査速度、走査 間隔、および、テーブル温度と堆積率など）により影響される。この方法は、構 築期間中および構築後に部分の機械強度を与えるために、バインダー／焼結処理 の補助を使用するのを回避するので、工学部分における所望でない不純物の量を 低減できる。このプロセスは、大気圧または大気圧以下で使用され得る。 それ故、この製造方法の実施態様は、レーザー支援式変成と参照[４]の堆積プ ロセスの両方の特典を組み合わせて、以下の利点を提供することが可能である： （1） プロセスの間のわずかな量の変化による、良好な寸法制御、 （2） 卓越した表面仕上げ、 （3） 高密度および／または微細孔工学部分の迅速な製造、 （4） ネットシェイプ(net shape)形成プロセス中は、支援の必要がない、 （5） 製造プロセスの終了後の、部品の摘出の容易さ、 （6） プロセスは、セラミック酸化物部分の生成のために、開放雰囲気中で起 こり得る、 （7） 例えば、Al₂O₃、Y₂O₃-ZrO₂などのセラミック材料の広い範囲への適用、 （8） 単純な複数成分酸化物部分およびドープ処理された酸化物部分が、良好 に制御された構造および組成で製造され得る、 （9） 非酸化物成分（例えば、金属、ポリマー、およびそれらの複合物の成分 ）は、制御雰囲気中で製造され得る、 （10）簡単／柔軟な機器、 （11）水溶性または有機物溶解性前駆物質を利用した、低価格で安全なプロセス 、（12）製造プロセスは、例えば、300℃から600℃の低温で、安定化ジルコニア 基盤のセラミック部分について行い得る、 （13）更なる熱処理の必要の無い、一工程プロセス、 （14）大型工学部分ばかりでなく、小型の精密工学部分を製造することが可能。 ゾル前駆物質に代わって、エアロゾルまたはガス状前駆物質が使用され得る。 この場合、類似の装置が使用される。エアロゾルまたはガス状前駆物質は、ノズ ルまたは出口10を通過させられ、微細位置決めテーブル20上に向けられる。電源 電圧は電界を提供し、その結果前駆物質がテーブルの方に引きつけられる。局所 的加熱処理（光束による）は固体の安定した材料の領域を形成する。このシーケ ンスは、3-D物体を生成するために反復される。追加の加熱源は、必要に応じて 、物体を加熱するために使用され得る。この取り組み方は、酸化物部分および非 酸化物部分を製造するために使用され得る。例えば、Ｂ４Ｃ部分の製造に際して 、ガス状前駆物質は、三塩化ホウ素、炭化水素、および／または水素ガスの混合 物を含み得る。各気体はまた、同軸の円筒型ノズルを経由して、別々に給送され 得る。 液状前駆物質の他にも、図１のプロセスおよび装置はまた、酸化物部分および 非酸化物部分の製造のために、粉末のような固体前駆物質に適合し得る。キャリ アガスは、ノズルにおける粉末輸送を容易にするために使用され得る。 プロセスは、必ずしも制限空間内に決まっているわけではなく、大型構成要素 の製造を可能にするように、かつ／または修理のために、持ち運び可能とされ得 る。厚い膜または薄膜は、平坦基板上、または複雑なジオメトリーを有する基板 上に堆積され得る。 同プロセスは、酸化物材料については開放雰囲気中で実施され得、或いは、非 酸化物材料については制御雰囲気中で実施され得る。同プロセスは、大気圧また は低圧で実施され得る。 注１）工学部分の3-Dコンピュータ支援設計モデルは、多数の2-D切片へとスラ イスされる。各切片の幾何学的地形は、器具経路を生成した結果、コンピュータ 計算制御（ＣＮＣ）システムを利用して、特殊な態様でレーザービームを移動さ せるために使用される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 バイ，ウェイ イギリス国 エスイー６ ４ユーキュー ロンドン，キャットフォード，ラッシー グリーン 162エイ (72)発明者 チャン，アイザック ツ ホン イギリス国 ビー15 ２ティーティー バ ーミンガム，エジバストン，スクール オ ブ メタルージー アンド マテリアル ズ，ユニバーシティ オブ バーミンガム 内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １.複数の連続薄膜として物体を形成する製造方法であって、該方法は： (i)ゾル前駆物質を受容体表面に適用する工程； (ii)該前駆物質の付与経路に沿って温度勾配を供与し、その結果該前駆物質が該 受容体表面に接近するにつれて、該前駆物質が加熱され、そしてゾル-ゲル転移 が誘起され、その結果ゲル層が表面上に堆積される工程；および、 (iii)堆積された該前駆物質の領域に光束を向けることにより、該ゲル層の領域 を局所的に加熱し、その結果局所的に加熱された該領域が固体材料に変成される 工程を反復して含む、方法。 ２.前記前駆物質は液状前駆物質であり、前記工程(i)は、前記受容体表面上に該 液状前駆物質を散布する工程を含む、請求項１に記載の方法。 ３.光束により加熱されると、前記ゲル層は結晶化して、セラミック材料を形成 する、請求項１または請求項２に記載の方法。 ４.前記物体は可動基板上に形成され、前記方法は： (iv)該基板を移動させて、その結果最も新しく堆積された前記前駆物質が、該前 駆物質の適用に関して実質的に同一位置で、受容体表面を形成する工程を反復し て含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。 ５.前記光束は、紫外線から赤外線までの範囲にわたる波長を有するコヒーレン ト性光束である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。 ６.前記光束はレーザービームである、請求項８に記載の方法。 ７.前駆物質出口と受容体表面との間に電界を印加し、前記前駆物質を前記受容 体表面に向けて引きつける工程を含む、請求項１から請求項６のいずれかに記載 の方法。 ８.複数の連続薄膜として物体を製造する製造装置であって、該装置は： (i)受容体表面にゾル前駆物質を付与するための前駆物質出口（10）； （ii）該前駆物質の付与経路に沿って温度勾配を供与し、その結果該前駆物質が 該受容体表面に接近するにつれて、該前駆物質が加熱され、そしてゾル-ゲル転 移が誘起され、その結果ゲル層が表面上に堆積されるヒーター；および、 (iii)堆積された該前駆物質の領域を局所的に加熱し、その結果局所的に加熱さ れた該領域を固体材料に変成させる、指向可能な光束（50、60、40、45）とを備 える、装置。 ９.前記物質は可動基板上に形成され、前記装置は、該基板を移動させるための 基板駆動機構を備え、その結果最も新しく堆積された前駆物質の各々が、次いで 前駆物質の適用に関して実質的に同一位置に、受容体表面を形成する、請求項８ に記載の装置。 10.前記方向づけ可能な光束は： 光源； 光束指向光学系；および、 前記光束を指向するために、該指向光学系を移動または再構成するための、指 向光学系駆動機構、を備える、請求項８または請求項９に記載の装置。