JP2004066814A - シンタクチックフォームで形成される物体およびシンタクチックフォームからなる物体を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法を提供する。
【解決手段】シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法は、粒状樹脂およびマイクロバルーンを含む混合物の層を表面全体に延展するステップを含む。混合物の少なくとも一部が、物体の少なくとも部分に対して所望される形状を取るように、その一部を選択的に加熱する。樹脂が流動してマイクロバルーンを湿らせて、固体を形成するまで、加熱が行なわれる。この方法により、後の機械加工をほとんどまたは全く伴なわずに、１回の焼結操作で完成部品を製造することができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、シンタクチックな材料に関し、より特定的に、選択的レーザ焼結を用いてシンタクチックフォーム材料からなる物体を形成することに関する。
【０００２】
【発明の背景】
シンタクチックフォーム材料は、低密度かつ低重量であって、さまざまな目的に使用される。熱可塑性および熱硬化性のフォームは、航空宇宙産業の適用例において特に有用である。熱可塑性シンタクチックフォームは、航空機の電子機器用の、損失性の構造筐体として用いることができる。このようなフォームは、たとえば、航空機の主翼の前縁内のアンテナ用筐体として用いることができる。熱硬化性シンタクチックフォームもまた、航空宇宙産業の適用例に対して望ましい特性を有する。たとえば、添加剤を加えて熱硬化性フォームを製造し、このフォームによる無線周波数信号の吸収を可能にすることができる。
【０００３】
熱硬化性または熱可塑性のシンタクチックフォーム材料は、マイクロバルーンおよび繊維からなる乾燥した混合物に、粒状の樹脂を混合することによって製造することができる。樹脂、マイクロバルーン、および繊維の混合物を炉で加熱して圧縮し、シンタクチックフォームからなる均質な矩形のビレットを形成する。熱可塑性フォーム材料を準備するための方法は、ハリソン（Ｈａｒｒｉｓｏｎ）他の、米国特許第５，５３２，２９５号および第５，６９１，３９０号に記載され、それらの開示内容は、この明細書において全体が援用される。熱硬化性フォーム材料を準備するための方法は、ハリソン他の、米国特許第６，０６８，９１５号、第６，０７４，４７５号、および第６，１６８，７３６　Ｂ１号に記載され、それらの開示内容は、この明細書において全体が援用される。
【０００４】
シンタクチックフォーム材料からなるビレットは、一般に、所望の航空機部品等の構造形状に機械加工される。一般には、機械加工のプロセス中に、ビレット材料の半分を超える量が無駄になる。機械加工は５軸機械を用いて行なわれるが、５軸機械は、機械の軸受、軌道輪、ツールビット、および他の可動部に侵入しがちなシンタクチックフォームの小さな粒子によって損傷を受けるおそれがある。機械加工のプロセスおよび用いられる材料が非常に高価であるために、容認し得る部品のコストがかなり高くなるおそれがある。
【０００５】
【発明の概要】
この発明は、好ましい一実施形態において、シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法に向けられる。この方法は、粒状の樹脂およびマイクロバルーンを含む混合物の層を表面全体に延展するステップを含む。混合物の少なくとも一部が、物体の少なくとも部分に対して所望される形状を取るように、その一部を選択的に加熱する。樹脂が流動してマイクロバルーンを湿らせて、固体を形成するように、加熱が行なわれる。
【０００６】
上述の方法により、構成要素の材料を混合して接着する時間を短縮することができ、１回の操作で完成部品の製造が可能となる。部品の最終形状を製造するために必要とされる材料のみが用いられるために、実質的に無駄がなくなる。余剰の材料を集めて、別の部品に再利用することができる。したがって、専用の構成要素を生産するコストを著しく削減することができる。
【０００７】
この発明の適用可能性のさらなる分野は、以下に示される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の実施例は、この発明の好ましい実施形態を示しているが、例示の目的でのみ意図されており、この発明の範囲を限定することを意図しないと理解されるべきである。
【０００８】
この発明は、詳細な説明および添付の図面から、より完全に理解されるであろう。
【０００９】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
好ましい実施形態の以下の説明は、本質として単に例示的なものであり、この発明、その適用例、または使途を限定することを意図しない。
【００１０】
シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法の例示的な一実施形態を、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）に関してこの明細書に記載する。しかしながら、この発明はそれに限定されない。たとえば、以下にさらに述べる、加熱するステップでは、レーザ以外の熱源を用いる実施形態が考えられる。加えて、以下にさらに述べるように、延展するステップにおいて、混合物を保持するために２つより多くのまたは２つ未満の容器を用い、混合物を延展するステップが、２つより多くのまたは２つ未満の方向で行なわれる実施形態が可能である。
【００１１】
選択的レーザ焼結は、コンピュータによって制御されるレーザを一般に用い、ＣＡＤ（コンピュータ援用設計）モデルに従って、プラスチックまたは金属の物体、たとえば、機械のプロトタイプまたは部品を形成するプロセスである。従来の選択的レーザ焼結機の簡略図を、総称的に１０として、図１に示す。形成用チャンバ１４は、平らな床部１８によって覆われ、その上で、以下にさらに述べるように、物体２２が完全に形成されるまで、その物体の薄片を連続して形成することができる。
【００１２】
従来のＳＬＳでは、床部１８の対向する端部１６に配置された２つのタンク、すなわち容器２６内に、粉砕されたプラスチックまたは金属の材料を配置する。各容器２６は、ローラ、すなわち延展機３０による接触が可能である。延展機３０は、一方の容器、たとえば容器２６ａから、或る量の粉砕された材料を拾い上げ、対向する容器２６ｂの方向に、床部１８を横切って移動しながら、床部１８上に材料の薄い層３２を延展する。
【００１３】
プロセッサ３８によってレーザ３４が、断面図を「描く」ように、すなわち、粉末層に物体の薄片を描くように、方向付けられる。物体２２用にプロセッサ３８に記憶された３次元ＣＡＤモデルに従って、レーザを移動させる。レーザはプラスチックまたは金属の粉末を焼結し、これが融解して物体２２の薄片を形成する。次に、床部１８が、新規に形成された薄片に対して持上げられる。延展機３０は、対向する容器２６ｂから粉砕された材料をさらに拾い上げ、容器２６ａに向かって再び移動しながら上述のプロセスを繰返す。レーザ３４は、以前の薄片上で、物体の別の薄片を焼結し、物体が完成するまで薄片の形成が続く。
【００１４】
次に、この発明の好ましい実施形態に従った、シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法を説明する。図２は、シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法１２０を示すフロー図である。図２に示される実施形態に従って製造される物体は、この明細書において開示内容の全体が引用によって援用される、ハリソン他の米国特許第５，５３２，２９５号および第５，６９１，３９０号に記載された成分および比率で生成される熱可塑性フォームで形成されてよい。物体は、この明細書において開示内容の全体が引用によって援用される、ハリソン他の米国特許第６，０６８，９１５号、第６，０７４，４７５号、および第６，１６８，７３６　Ｂ１号に記載された成分および比率で生成される熱硬化性フォームで形成されてもよい。熱可塑性または熱硬化性の他のフォームが生成される他の実施形態も可能である。
【００１５】
製造方法１２０は、当該技術において公知であるように、機械１０（図１に図示）等の選択的レーザ焼結機にコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）３次元モデルを与えるステップ１２４において開始される。ＳＬＳ機は、たとえば、カリフォルニア州、バレンシア（Ｖａｌｅｎｃｉａ）の３Ｄシステムズ（３Ｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）による、シンターステーション（Ｓｉｎｔｅｒｓｔａｔｉｏｎ）２５００機であってよい。具体的には、以下にさらに述べるように、機械が一度に１つの薄片により物体を形成することのできるフォーマットで、焼結機１０に３次元データのファイルが送られる。
【００１６】
ステップ１２８において、熱可塑性または熱硬化性の粒状樹脂、ならびに市販のマイクロバルーンおよび繊維から、混合物が形成される。このような熱可塑性樹脂の１つは、ポリエーテルイミドポリマーとなる、部分的に重合したオリゴマー前駆体であり、たとえば、ゼネラル・エレクトリック・カンパニー（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能なアルテム（Ｒ）（Ｕｌｔｅｍ）１０１０Ｐであり、これは重合して、同じくゼネラル・エレクトリック・カンパニーの商標であるアルテム（Ｒ）１０００として公知のポリエーテルイミドポリマーとなる。好ましい熱硬化性樹脂は、粒状で未硬化のエポキシ樹脂、たとえば、Ｈ．Ｂ．フラー（Ｈ．　Ｂ．　Ｆｕｌｌｅｒ）のＩＦ−１８９３およびオブライエンズ・パウダー・プロダクツ・インコーポレイテッド（Ｏ’Ｂｒｉｅｎ’ｓ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｉｎｃ．）のクリア（Ｃｌｅａｒ）ＥＦＣＳ９を含む。マイクロバルーンは、小さく（たとえば直径が約５〜１５０マイクロメートル）、中空で、一般に球状であり、主に二酸化シリコンからなってよい。繊維は、好ましくは長さが短く（すなわち、長さが約８０００マイクロメートル以下）、形成されるべき物体または部品のタイプに依存して、電気的、機械的、および他のさまざまな特性を有し得る。したがって、繊維は、たとえば電導性または電気吸収性であり得る。
【００１７】
熱可塑性フォームを生成するための混合物内に、一般には、マイクロバルーンは体積部３〜８５で存在し、樹脂は体積部８５〜３で存在し、繊維は体積部０〜２０で存在する。熱硬化性フォームを生成するための混合物内に、一般には、マイクロバルーンは体積量９０〜１０パーセントで存在し、樹脂は体積量１０〜９０パーセントで存在し、繊維は体積量０．００１〜５パーセントで存在する。ハリソン他に発行された、上述の番号を付された特許に記載されるように、混合物を流体内に分散させ、均一な粒子の分布を得る。その後、流体が除去されて、混合物は湿った砂のもののような均質性を有する。次に、この混合物を乾燥させる。
【００１８】
形成されるべき物体において、連続した薄片同士でまたは連続した薄片間において、組成上の差を設けることが望ましいことが考えられる。たとえば、低可観測量の適用例に物体が用いられ得ることが考えられる場合に、この物体は、複数の薄片にわたって誘電体勾配を呈することが望ましいと考えられる。別の実施形態では、物体が、さまざまな成分またはさまざまな成分比率を有する複数の薄片を交互に有することが望ましいと考えられる。たとえば、物体の１つおきの薄片が、成分として伝導性繊維を含むことが望ましいと考えられる。したがって、ステップ１３０では、薄片同士または薄片間で、薄片の組成を変更すべきであるかどうかが決定される。変更すべき場合は、ステップ１３４において、ステップ１２８で説明した混合物のものとは異なる成分および／または成分比率を含む１つ以上の追加の混合物がもたらされる。
【００１９】
ステップ１３８では、焼結機１０の容器２６の一方または両方内に、ステップ１２８で準備された、乾燥させた混合物を注入する。薄片を形成する際に他の混合物も用いるべき場合は、容器２６の一方または両方内に、異なる混合物を注入してよい。ステップ１４２では、容器２６の一方からの混合物の層が、延展機３０によって床部１８上に延展される。混合物の層は、形成される特定の物体および延展される成分に依存する厚さで延展される。一般に、層は、約０．００３〜０．０２０インチの厚さであり、好ましくは、約０．００５インチの厚さである。
【００２０】
ステップ１４６において、レーザ３４は、ＣＡＤモデルに準拠して、プロセッサ３８による誘導の下に方向付けられて、層化された混合物の少なくとも一部を加熱する。レーザ３４は、二酸化炭素レーザ等であってよいが、他のタイプのレーザを用いることもできる。プロセッサ３８に記憶された、適用可能な加熱時間および温度のパラメータに従って、加熱が行なわれる。レーザビームは、製造されている物体または部品の薄片に対応する所望の形状に、混合物の粒子を融解する。樹脂が流動してマイクロバルーンを湿らせて、固体を形成するまで、加熱を続ける。この明細書で用いられる用語「固体」は、多孔質であり得る非流体の物質を指す。より具体的に、一例として、樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、加熱により、樹脂は鎖が延長して、高分子量ポリマーを形成する。樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、加熱により、樹脂はガラス転移温度に到達してそれを超過し、その後、硬化温度に到達し、そこで樹脂は凝固して架橋結合し、熱硬化性ポリマー構造を形成する。
【００２１】
ステップ１５０では、別の薄片を形成すべきであるかどうかが決定される。形成すべき場合は、ステップ１５４で、形成すべき次の薄片において、成分および／または成分比率を変更すべきであるかどうかが決定される。変更すべき場合は、容器２６の一方または両方の内容を、ステップ１３８において変更する。ステップ１４２で開始されたプロセスを繰返して、事前に形成した薄片上に、物体の別の薄片を形成する。複数の薄片を製造する間に、結果的に生じる物体の形状および密度を均一にすることを容易にする予め定められた範囲内に、加熱温度を維持することが好ましいと考えられる。たとえば、物体を製造するために熱可塑性材料が用いられる場合には、層化するプロセス中に、材料に対する融点温度のすぐ下の加熱温度を維持することが好ましいと考えられる。同様に、熱硬化性材料が用いられる場合には、硬化中に生じる化学反応を制御するために、予め定められた範囲内の加熱温度を維持することが望ましいと考えられる。
【００２２】
他の実施形態では、加熱温度を薄片ごとに変更して、物体の薄片内の密度を選択的に変更する。したがって、密度に依存したさまざまな機械的および／または電気的特性を有する物体を形成することができる。好ましい一実施形態において、たとえば、誘電体勾配を有する物体を形成するために、容器２６の一方または両方の混合物を連続して用いて、誘電体特性の異なる薄片を生成する。
【００２３】
上述のように、混合物を保持するために、２つより多くのまたは２つ未満の容器を用いることができ、２つより多くのまたは２つ未満の方向で、混合物の延展を行なうことができる。たとえば、４つの容器から、床部または表面上において４つの直交方向に層が延展される一実施形態を構成することができる。容器の数および配置、ならびに延展するステップの数および方向の多くの組合せが可能であることが分かる。
【００２４】
上述の方法により、後の機械加工をほとんどまたは全く伴なわずに、１回の焼結操作で完成部品を製造することができる。薄片の形成速度は一般に、時速約１．００〜１．２５インチの範囲である。余剰の材料を集めて他の部品に再利用することができるため、実質的に無駄がなくなる。炉および複雑な機械加工の必要性がなくなり、製造の時間およびコストが削減される。
【００２５】
この発明の説明が、本質として単に例示的なものであるため、この発明の要旨から逸脱しない変更例は、この発明の範囲内にあるものと意図される。このような変更例を、この発明の精神および範囲から逸脱するものと考えるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の選択的レーザ焼結機の図である。
【図２】この発明の一実施に従った、シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法のフロー図である。
【符号の説明】
１０　選択的レーザ焼結機、１４　形成用チャンバ、１８　床部、２６　容器、３０　延展機、３４　レーザ。

Claims (24)

1. シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法であって、
   粒状の樹脂およびマイクロバルーンを含む混合物の層を表面全体に延展するステップと、
   前記混合物の少なくとも一部が、前記物体の少なくとも部分に対して所望される形状を取るように、前記一部を選択的に加熱するステップとを含み、加熱は、前記樹脂が流動して前記マイクロバルーンを湿らせて、固体を形成するように行なわれる、方法。
2. 前記表面は、前記物体の、事前に形成された薄片の表面を含み、前記方法は、前記物体の別の薄片を形成するために、延展する前記ステップおよび加熱する前記ステップを繰返すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 複数の薄片にわたって、加熱する前記ステップに対し、加熱温度を選択的に変更するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 延展する前記ステップが複数の薄片にわたって行なわれる方向を、選択的に変更するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. 複数の薄片にわたって、延展する前記ステップに対し、前記混合物の成分を選択的に変更するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
6. 第１の薄片を形成するために、複数の容器の１つから第１の混合物の層を延展するステップと、
   前記第１の薄片上に、別の容器から第２の混合物の層を延展するステップとをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１および第２の混合物のうち少なくとも１つは、伝導性繊維を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１および第２の混合物のうち少なくとも１つは、吸収性繊維を含む、請求項６に記載の方法。
9. コンピュータによって生成されるモデルを用いて、所望される形状を与えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記樹脂に対するガラス転移温度より上の温度まで前記一部を加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記樹脂に対する硬化温度まで前記一部を加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記混合物に繊維を含むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 延展する前記ステップを行なう前に、前記混合物を乾燥させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
15. 複数の薄片にわたって誘電体勾配を形成するために、延展する前記ステップおよび加熱する前記ステップを繰返すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記加熱するステップは、方向付けられた熱源を用いて行なわれる、請求項１に記載の方法。
17. 前記方向づけられた熱源は、レーザを含む、請求項１６に記載の方法。
18. シンタクチックフォームからなる物体を形成するための方法であって、
    粒状の熱可塑性樹脂および粒状の熱硬化性樹脂のうち１つを含む層を表面全体に延展するステップと、
    前記層の少なくとも一部が、前記物体の少なくとも部分に対して所望される形状を取るように、前記一部を選択的に加熱する、方向付けられた熱源を用いるステップとを含み、加熱は、前記樹脂が流動して固体を形成するように行なわれる、方法。
19. 混合物を形成するために、前記粒状の熱可塑性樹脂または前記粒状の熱硬化性樹脂をマイクロバルーンと混合するステップをさらに含み、延展する前記ステップは、前記混合物を用いて行なわれる、請求項１８に記載の方法。
20. 加熱する前記ステップは、前記樹脂が流動して前記マイクロバルーンを湿らせるまで行なわれる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記表面は、前記物体の、事前に形成された薄片の表面を含み、前記方法は、前記物体の別の薄片を形成するために、延展する前記ステップおよび加熱する前記ステップを繰返すステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記一部が重合するまで前記一部を加熱するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
23. マイクロバルーンと、繊維と、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうち１つとを含むシンタクチックフォームで形成される物体であって、前記物体は、方向付けられた熱源を用いて共に層化された複数の薄片をさらに含む、物体。
24. 少なくとも２つの連続する薄片は、成分および成分比率のうち１つが互いに異なる、請求項２３に記載の物体。

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