JP2004284346A - 粉末光造形または焼結方法を用いた成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末光造形または焼結方法を用いて、成形品の形成時間を削減して十分な剛性を有する実質的に応力のない成形品の製造を可能にする。
【解決手段】本発明は、粉末からなる形成材料が、表面に層状に積層されて放射エネルギーを照射することによって固結され、放射エネルギーは、トラックの固結されるべき層に到達し、各トラックの粉末が全体または部分的に溶解する成形品の製造プロセス、特に光造形または選択的レーザ焼結プロセスである。平行な第１のトラック(1,2,3,4)が横空間に互いに隣り合って、隣の平行なトラックと横に重なることなく配置され、成形品を固結するために、第１のトラックと交差してトラック状の放射エネルギーを照射する。第１と第２のトラックの交差点が少なくとも部分的に溶解する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する成形品の製造プロセスに関する。「ラピッドプトロタイピング」または「ラピッドツーリング」とも呼ばれるこのようなプロセスは、プラスチック粉末および金属粉末を用いて行うことができる。プラスチック粉末を用いるプロセスは、典型的に、光造形（stereolithographic）プロセスと呼ばれ、一方、エネルギーを加えることにより１つ以上の化合物の金属粉末を固結するプロセス、特に、金属粉末を部分的または完全に溶解するプロセスは選択的レーザ焼結（selective laser sintering）プロセスと呼ばれる。

上記のプロセスはすべて、粉末状材料を表面に層状に積層させ、放射エネルギーを照射することによって固結する。通常、この放射エネルギー（典型的には、集光レーザ照射）が、トラックの固結すべき層に到達し、これにより、各トラックの粉末が完全にまたは部分的に溶解する。

放射エネルギーが粉末層に照射されるトラックが互いに側面で重なるプロセスは、下記特許文献１から公知である。このように、粉末層の溶解中のまたは溶解した領域は、非常に密接に結合する。しかし、このプロセスの欠点は、この重なりのために比較的長い形成時間が必要なことである。さらに、層を一辺から他の辺へと列ごとに露光するために、層に熱勾配が見られることがあり、このために製造中の成形品にかなりの応力が生じることがある。
ＤＥ１９６４９８６５号明細書

したがって、上記の欠点を解決し、形成時間を削減して十分な剛性を有する実質的に応力のない成形品の製造を可能にするために、請求項１の前提部に記載の特徴を有するプロセスをさらに発展させることが本発明の目的である。この目的は、プロセスの請求項１の特徴的な構成要素によって達成され、このプロセスのさらなる発展の利点が従属項２から２１に記載されている。

本発明のプロセスの重要な特徴は、粉末状の形成材料が放射エネルギーの照射により固結された平行な第１のトラックを、隣接する平行なトラックの側面が重ならないように互いに隣り合って配置することである。このように、全くまたは実質的に互いに接触または互いに側面で重ならない溶解した膨隆が形成される。互いに隣り合う多少非連結的に配置された溶解した紐状物を架橋するために、第１のトラックまたはこれらのトラック内の紐状物と交差してトラック状の放射エネルギーが照射され、第１と第２のトラックの交差点は少なくとも部分的に溶解される。これは、少なくとも交差点で互いに溶融し固結した紐状物のネットワークを形成する。この交差点は、正確に規定された点ではなく、交差するトラックの溶融のために、交差点は、二次元に広がり、これにより全体構造の結合が密接になる。

このように成形された製品の形成構造は、比較的応力がないことが分かっており、このロセスは、確率的に分布したトラックの照射を可能にし、粉末層は、均一な分布で加熱され、これにより応力の発生が防止される。

原則として、さらに粉末を積層することなく第１のトラックのすぐ上に第１のトラックに交差する第２のトラックを形成する、すなわち、エネルギーの第１の照射により形成された紐状物をもう一度交差方向に走査することができる。このように紐状物間の固結した架橋が、紐状物間に存在し未溶解である粉末の残留物によって形成され、これによりネットワーク構造が強化される。しかし、平行な紐状物にさらに粉末状層を積層し、照射エネルギーの第２のトラックをこのさらなる粉末状層に集光させることも可能である。このようにして、第１のトラックの紐状物に交差して配置され、第１の紐状物と溶融する完成した第２の紐状物が形成され、これにより格子が形成される。

第２のトラックは、第１のトラックと直角で走ることができるが、他の形状配列も可能である。さらに、横のオフセットを有して上下方向に積層される平行な紐状層を配置することができる。また、上下方向に積層された層の交差点を、例えば、得られるネットワークのメッシュ幅の半分の横のオフセットを有して配置してもよい。

第１の選択された領域内の平行な向きに第１のトラックを配置し、第２の選択された領域内の平行な向きに第２のトラックを配置することができ、第２の領域は互いに隣り合う少なくとも２つ以上の第１の領域と重なる。これは、単に、このプロセスにより、互いに隣り合う第１の多少架橋された紐状物のネットワークが形成され、次いで第１のネットワークの上に第２の紐状物が形成され、第２の紐状物ネットワークが第１のネットワークの領域境界を覆うということを意味する。放射エネルギーのトラックがそれらに配置されると、個々の領域は外縁トラックを備えてもよく、これにより、各領域内でトラックにより形成された紐状物の端部を連結する。これは、後続の粉末層に対し、トラック内の紐状物が十分に強固な相互接続をすでに有していることを保証するので好ましい。

請求項１４および１５は、応力を防止する照射エネルギーの好ましい確率分布に関する。請求項１６などによると、ネットワーク構造が層毎に形成されるので、放射エネルギーのさらなる照射によって平坦になる。紐状物の隆起を溶解することによりいくらか除去することができ、後続の粉末層の積層が容易になる。これは、粉末層化装置の刃がひどく隆起した材料構造に引っ掛かることがないからである。第１または第２のトラックの走査ベクターまたはトラックと角度をなす走査ベクターでさらに放射エネルギーの照射を行うことができる。ラスター方式でさらに放射エネルギーの照射を行うこともできる。一般に、さらなる放射エネルギーの照射により平坦にするために、異なる集光、すなわち、異なる放射エネルギー密度を用いることもできる。集光の変更は、製造中の成形物を支持する組立て装置のプラットフォームの高さを調節することによって行うことができる。

本発明によれば、粉末光造形または焼結方法を用いて、成形品の形成時間を削減して十分な剛性を有する実質的に応力のない成形品の製造できる。

以下に、図１から図３を参照して、本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。本発明の実施形態によるプロセスにおいて、まず粉末状で存在する形成材料を表面または基板に層状に積層させ、次いでレーザ光線によって走査する。このように各層の粉末は完全または部分的に溶解する。図１は、図面に垂直に走るトラック１から４が第１の層５に第１のトラックとして配置される様子を簡単に示している。これらのトラック１から４のトラック幅ｂは、トラック１から４は互いに直接隣接しているが重ならないように設定する。層５の内部構造が完成するとすぐに、当該部の外形６に沿って、トラック１から４の端部を連結する外縁トラック７が形成される。

その後、層化装置によりさらに粉末状の形成材料を積層し、第１のトラック１から４と交差し、本実施形態のように直角に配置してもよい第２のトラック９から１２により第２の層８が固結される。次いで、別の外縁トラック７を当該部の外形６の周囲に堆積することができる。

外縁トラック７を無視すると、図３に模式的に示すような断面部分の構造が得られる。第３の層１３のトラックは、第１の層５のトラック１から４の上に一致するように配置され、以降１層おきの層のトラックも同様である。

図４および図５は、上下方向に配置されるトラックが上下方向にオフセットで配置される場合の様子を示している。

図４に垂直方向に走るトラック２１から２４は、２番目に後の層２５から２８のトラックに関しトラック幅の半分だけ横にずれている。図４のＸ方向に走るトラックについても同様であってもよい。これにより、図５の断面図に示されたような構造になる。このようにずれた配列のために、比較的密度が高く、強力に架橋された格子となり、これにより非常に強い成形品となる。

図６は、例えば、図面に垂直に走り、水平トラック１、２、３、４が９０度の角度で交差する第１のトラックａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを示す。平坦にするために、図７ｃの右側に示すように、固結紐状物２０の溝のある表面を平坦にする斜めのトラックα、β、γ、δを形成することが可能である。このように比較的平坦で凝縮された表面が得られる。

平行トラックの第１の向きの当該部の第１の層の模式上面図である。 図１の第１のトラックに垂直に配置されたトラックを有する当該部の第２の層の模式上面図である。 当該部の数層の断面図である。 垂直に隣接しているがオフセットになっているトラックを有する２つの隣接する層の分解図である。 図３の層配列の断面図である。 第１および第２のトラックおよび平坦にするための斜めに配置された第３のトラックを有する当該部の層の模式図である。 基板上に積層された層の模式断面図であり、ａ）は、トラックが互いに重なっており（従来技術）、ｂ）は、トラックが互いに重なっておらず、ｃ）は、トラックは重なっておらず、平坦である。

符号の説明

１，２，３，４ 第１のトラック
５ 第１の層
７ 外縁トラック
８ 第２の層
９，１０，１１，１２ 第２のトラック
１３ 第３の層

Claims (21)

1. 粉末からなる形成材料が、表面に層状に積層されて放射エネルギーを照射することによって固結され、
   前記放射エネルギーがトラックの固結されるべき層に到達し、
   各トラックの粉末が全体または部分的に溶解する光造形法または選択的レーザ焼結方法を用いた成形品の製造方法であって、
   平行な第１のトラックが横空間に互いに隣り合って、隣の平行なトラックと横に重なることなく配置され、成形品を固結するために、前記第１のトラックと交差してトラック状の放射エネルギーが照射され、第１と第２のトラックの交差点が少なくとも部分的に溶解することを特徴とする成形品の製造方法。
2. 前記第２のトラックがさらなる粉末の積層なしに第１のトラックと直接交差することを特徴とする請求項１に記載の成形品の製造方法。
3. 前記第２のトラックが、さらなる粉末の層が積層されたのちに第１のトラックと交差して配置されることを特徴とする請求項１に記載の成形品の製造方法。
4. 前記第２のトラックが第１のトラックに垂直に走ることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成形品の製造方法。
5. 前記交差しているトラックが、交差点で互いに溶融し固結した紐状物のネットワークを形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の成形品の製造方法。
6. 上下方向に形成される層の平行な紐状物が、上下方向の層に関し横にオフセットして配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の成形品の製造方法。
7. 上下方向に形成される層の交差点が、上下方向の層に関し横にオフセットして配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の成形品の製造方法。
8. 前記オフセットが、メッシュ幅のおよそ半分であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の成形品の製造方法。
9. 前記第１のトラックが、第１の選択された領域内に平行な配列で配置され、前記第２のトラックが、第２の選択された領域内に平行な配列で配置され、前記第２の領域は、互いに隣り合って積層される少なくとも２つ以上の第１の領域と重なることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の成形品の製造方法。
10. 前記領域が、前記領域に照射されたトラックが配置されたのちに外縁トラックを備えることを特徴とする請求項９に記載の成形品の製造方法。
11. 前記外縁トラックが、領域内のトラックによって形成された紐状物の端部を連結することを特徴とする請求項１０に記載の成形品の製造方法。
12. 前記第１または第２のトラックおよび各領域の対応する外縁トラックが、各層にひとつの外周平行格子を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の成形品の製造方法。
13. 前記平行格子は、選択された領域に形成され、第１のトラックによって形成される平行格子および前記第１のトラックと垂直または他の任意の角度で走る第２の平行格子と重なることを特徴とする請求項１２に記載の成形品の製造方法。
14. 各層のトラックの形成が、確率分布に従って行われることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の成形品の製造方法。
15. 選択された領域の放射エネルギーの照射は、確率分布に従った順番で行われることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載の成形品の製造方法。
16. 層に形成されるネットワーク構造が、さらなる放射エネルギーの照射により平坦になるか、または部分的に除去されることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の成形品の製造方法。
17. 前記放射エネルギーのさらなる照射が、前記第１および／または第２のトラックの走査ベクタ（トラック）と角度をなす走査ベクタで行われることを特徴とする請求項１６に記載の成形品の製造方法。
18. 前記放射エネルギーのさらなる照射が、ラスター方式によって行われることを特徴とする請求項１６または１７に記載の成形品の製造方法。
19. 前記放射エネルギーのさらなる照射は、前記第１および／または第２のトラックでのエネルギー照射と異なる集光で実行されることを特徴とする請求項１６から１８に記載の成形品の製造方法。
20. 前記集光の変更は、製造中の成形物を支持する光造形または焼結／溶解装置のプラットフォームの高さを調節することによって行われることを特徴とする請求項１９に記載の成形品の製造方法。
21. 平行な配列で隣接した固結紐状物は、放射エネルギーのさらなる照射により互いに溶融結合されることを特徴とする請求項１から２０に記載の成形品の製造方法。

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