JP2005120475A

JP2005120475A - ３次元金属物体を製造する装置および方法

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Publication number: JP2005120475A
Application number: JP2004283747A
Authority: JP
Inventors: Isaac Farr; ファーアイザック; Terry M Lambright; エムランブライトテリ; Daniel A Carl; エーカールダニエル
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2005-05-12
Also published as: EP1524049A2; EP1524049B1; TWI242477B; TW200513330A; DE602004022755D1; EP1524049A3; US7220380B2; US20050079086A1

Abstract

【課題】本発明は、圧粉体強度が高く、３次元物体を迅速に低コストで製造できる装置及び方法を提供しようとするものである。
【解決手段】本発明の１つの実施形態である３次元金属物体の立体造形法では、限定された領域に、複数の金属または金属合金粒子および過酸化物を含む粒子混合物を堆積させるステップと、未加工部を形成するために、バインダ系を前記粒子混合物の所定のエリアに選択的にインクジェット方式で噴出するステップとを含み、水相バインダは、水溶性単官能性アクリレート系モノマー、水溶性二官能性アクリレート系モノマー、アミン、および水を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元物体の製造に関し、特に立体造形法による３次元金属物体を製造する装置及び方法に関する。

プロトタイプ３次元組成物または物体を効率的に製造することにより、製品を適宜なコストで市場に出すために、かかる時間を減らす有効な手段を提供することができる。プロトタイプを製作するための通常の手法は、金型およびダイ等の特定の工具を必要とし、ゆっくりとした厄介なプロセスである場合がある。

近年、コンピュータ化されたモデリングによって、専用の工具を必要とせずに、製品がどのように見えるかよく分かるようにして、プロトタイプを作る必要性がある程度回避されている。しかし、プロトタイプ作成には、依然として有形の物体の作製が、よく行われる場合が多い。コンピュータモデリングと、３次元物体の物理的な形成との融合は、立体造形と呼ばれる場合がある。

立体造形（ＳＦＦ）は、３次元物体、たとえば、プロトタイプパーツ、モデル、作業ツール、生産パーツ、金型、および他の物品が、構成材料の層を順次堆積させることによって製造されるプロセスのことである。コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）は、設計プロセスを自動化するために一般的に用いられている。適切なコンピュータを用いることにより、オペレータは、３次元物品を設計し、次に、構成材料を選択的に放出する位置決め可能噴射ヘッドを用いることによって物体を作製することができる。立体造形法を用いる様々な技法が開発されてきた。

立体造形法により物体を形成する従来の方法では、市販の石膏および生体高分子系または酸塩基セメントを用いる。金属物体を形成する従来の方法もまた、開発されている。これらの従来の方法は、比較的低い圧粉体強度（green strength）を有するパーツを作成する。

本発明は、圧粉体強度が高く、３次元物体を迅速に低コストで製造できる装置及び方法を提供しようとするものである。

本発明の１つの実施形態である３次元金属物体の立体造形法では、限定された領域に、複数の金属または金属合金粒子および過酸化物を含む粒子混合物を堆積させるステップと、未加工部（green part）を形成するために、バインダ系を前記粒子混合物の所定のエリアに選択的にインクジェット方式で噴出するステップとを含み、水相バインダは、水溶性単官能性アクリレート系モノマー、水溶性二官能性アクリレート系モノマー、アミン、および水を含む。

添付の図面は、本発明の装置および方法の様々な例示的な実施形態を示し、本明細書の一部である。例示される実施形態は、本発明の装置および方法の例に過ぎず、その範囲を限定するものではない。

図面全体にわたって、同一の参照符号は、同様であるが、必ずしも同一ではない要素を指す。

以下、金属系粉体を用いてＳＦＦ物品を形成するための例示的な方法および装置について説明する。さらに具体的には、例示的な添加作製プロセスが提示される。このプロセスは、金属系粉体を分配し、その後に所望の３次元物体を形作る適切なバインダ系を噴出させることを含む。所望の３次元物体がバインダ系を噴出させることによって形作られると、未加工部は、未結合の金属系粉体が除去され、熱バインダバーンアウト（thermal binder burnout）プロセスによって処理されて有機含有物は実質的に除去され、次いで、高温焼結作業が行われる。熱バインダバーンアウト処理が完了すると、強力な金属部が得られる。本明細書は、例示的なバインダ系および３次元金属物体を作製するために用いることができる様々な例示的な金属系粉体の組成物を開示する。

本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられる「バインダ」という用語は、別個の粒子を物理的に結合するか、または表面への付着を容易にするために用いられる任意の材料として広く解釈されるものとする。さらに、「基部」という用語は、任意の構築されたプラットフォーム、除去可能な材料、または予め堆積された反応材料もしくは粉体材料として解釈されるものとする。「構築されたプラットフォーム」は、通常、ＳＦＦ装置において堆積された材料を支持するために用いられる剛性の基部である。同様に、「硬化」という用語は、硬化して、固体３次元物体を形成するプロセスのことを指すものとする。さらに、「熱バインダバーンアウト」という用語は、未加工部に熱エネルギーを供給し、未加工部から有機材料だけでなく無機揮発性物質を除去するか、または未処理部分の物理的属性を変化させるように構成された任意のプロセスとして解釈されるものとする。「焼結」は、揮発性物質および有機材料が熱バインダバーンアウトプロセスによって除去された後、金属粒子を凝固および結合させる熱プロセスを指すものとする。金属粒子の凝固は、固相拡散結合、１つもしくは複数の存在する相または粒子の部分的な溶融、または固相拡散結合と部分溶融との組み合わせで成し遂げられることができる。「未処理部分」は、まだ十分に処理されていないかまたは硬化されていない任意の成分または成分の混合物として明細書および添付の特許請求の範囲の両方において解釈されるものとする。

以下の記載では、３次元金属ＳＦＦ物体を形成するための本発明の装置および方法を完全に理解してもらうために、例としていくつかの具体例を詳細に説明する。しかし、本発明の方法は、これらの特定の細部なしに実施され得ることができることが当業者には明らかであろう。本明細書において「１つの実施形態」または「ある実施形態」を指す場合、これは、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所において「１つの実施形態において」というフレーズが登場するが、これは、すべてが同じ実施形態を必ずしも指すわけではない。
例示的な構造
図１は、３次元金属ＳＦＦ物体を形成するための本発明の方法を導入できる例示的な立体造形（ＳＦＦ）装置（１００）を示す。図１に示されるように、例示的な立体造形装置（１００）は、作製容器（１１０）と、可動キャリッジ（１２０）と、複数の制御部およびディスプレイを含む表示パネル（１３０）を含むことができる。さらに、コンピューティングデバイス（１４０）は、ＳＦＦ装置（１００）と通信可能に接続されてもよい。

図１に示される作製容器（１１０）は、所望の３次元金属物体を基部上へ形成させ、形成を容易にするように構成されることができる。所望の３次元金属物体の形成には、金属系粉体を広げるステップ、およびバインダを粉体に選択的に供給するステップを含むことができる。図１に示されるＳＦＦ装置（１００）は、単一の独立型内蔵式ＳＦＦ装置として示されているが、本発明の金属系粉体ＳＦＦ装置および方法は、自由形式作製装置の構造または構成に関係なく、粉体ベースの成分を用いる任意のＳＦＦ装置に導入することができる。

図１に示されるＳＦＦ装置（１００）の可動キャリッジ（１２０）は、液体バインダ材料を供給するように構成された任意の数のインクジェット材料ディスペンサを含むことができる可動材料ディスペンサである。可動キャリッジ（１２０）は、コンピューティングデバイス（１４０）によって制御され、たとえば、シャフト装置、ベルト装置、チェーン装置等によって制御して移動することができる。可動キャリッジ（１２０）が動作すると、表示パネル（１３０）は、ユーザにユーザインターフェースを提供するだけでなく、ユーザに動作状態を知らせることができる。

所望の３次元金属物体が形成されると、コンピューティングデバイス（１４０）は、可動キャリッジ（１２０）を制御して位置決めし、作製容器（１１０）内の所定の位置に噴出されたバインダ系を制御して供給するように、１つまたは複数のディスペンサ（図示せず）に指示し、それによって、所望の３次元物体を示す未処理部分を形成させる。立体造形装置（１００）によって用いられるインクジェット材料ディスペンサは、限定はされないが、熱駆動インクジェットディスペンサ、機械駆動インクジェットディスペンサ、静電駆動インクジェットディスペンサ、磁気駆動ディスペンサ、圧電駆動ディスペンサ、連続インクジェットディスペンサ等を含む本発明の実施のために構成された任意のタイプのインクジェットディスペンサであってよい。さらに、インクジェットプリントヘッドディスペンサは、加熱され、様々な化学組成物を供給するのに役立つ可能性がある。図１のＳＦＦ装置のさらに明示的な断面図は、図２に提示される。

図２に示されるように、コンピューティングデバイス（１４０）は、サーボ機構（２００）と通信可能に接続されることができる。コンピューティングデバイス（１４０）は、コマンドをサーボ機構（２００）に伝達し、サーボ機構（２００）に可動キャリッジ（１２０）を選択的に位置決めさせるように構成することができる。１つまたは複数のインクジェットディスペンサ（２１０）は、可動キャリッジ（１２０）および複数の材料貯蔵部（図示せず）に接続することができる。サーボ機構（２００）によって位置決めされると、インクジェットディスペンサ（２１０）は、材料貯蔵部によって供給される、噴出バインダ系（２２０）を射出することができる。材料貯蔵部（図示せず）に格納され、インクジェットディスペンサ（２１０）に与えられて供給される、噴出バインダ系（２２０）は、上記のインクジェットディスペンサのいずれか１つによって供給されるように構成される「噴出可能な」粘度を有するものが選択される。さらに、噴出バインダ系（２２０）は、かなり迅速な反応レートを有するように選択される。以下、噴出バインダ系（２２０）について、例示的な組成物を参照しながらさらに説明する。

図２はまた、噴出バインダ系（２２０）を受け取るように組み込まれ、所望の３次元金属物体の形成に役立つことができる本発明の装置の構成要素を示す。図２に示されるように、ＳＦＦ装置（１００）の作製容器（１１０）は、金属系粉体（２４０）が配置された基部（２６０）を有することができる。１つの例示的な実施形態によると、金属系粉体（２４０）は、金属系粉体貯蔵部（図示せず）から大量に基部（２６０）上に層毎に供給され、機械ローラ（２３０）または他の平坦化デバイスを用いて所望の厚さに平坦化することができる。機械ローラ（２３０）の制御は、サーボ機構（２００）によって、基部（２６０）上に金属系粉体（２４０）を制御可能に堆積および平坦化させることによって実施することができる。基部上に供給された金属系粉体（２４０）は、限定はされないが、粒子混合物であって、金属、粉体形態の金属合金、または異なる金属粉体の混合物、および過酸化物を含んでもよい。金属系粉体（２４０）の成分の組成、相互作用および機能、ならびにその使用法を、図２〜図４Ｄを参照しながら以下にさらに詳細に説明する。

噴出バインダ系（２２０）が金属系粉体（２４０）の層内に供給されると、噴出バインダ系（２２０）および金属系粉体（２４０）の混合物（２５０）は、基部（２６０）上に存在する。混合物（２５０）は、所望の３次元物体を形作る。図２に示される立体造形装置（１００）の構成および使い方を図３〜図４Ｄを参照しながら以下に詳細に説明する。
例示的な組成物
ＳＦＦによって３次元金属物体を形成するための本発明の装置および方法の１つの例示的な実施形態として、過酸化物を含む粉末化金属と反応し、焼成／焼結後に良好な圧粉体強度および良好な寸法制御を有するパーツを作成するプレポリマーバインダ系が用いられている。

図２に示される、噴出バインダ系（２２０）は、金属系粉体（２４０）を形成する金属または金属合金粒子を結合するように構成されている。１つの例示的な実施形態によると、噴出バインダ系（２２０）は、接触時に金属系粉体のまわりに重合させることによって、金属系粉体（２４０）の金属粒子を結合させる。この例示的な実施形態により、金属系粉体（２４０）は、金属系粉体と噴出バインダ系（２２０）との間の反応を必要とせずに、金属系粉体（２４０）を物理的に結合する。

さらに、噴出バインダ系（２２０）は、限定はされないが、熱駆動インクジェットディスペンサ、機械駆動インクジェットディスペンサ、静電駆動インクジェットディスペンサ、磁気駆動ディスペンサ、圧電駆動ディスペンサ、連続インクジェットディスペンサ等を含む任意の数のインクジェットプリントヘッドによって供給されることができるように構成されている。本発明の装置とは対照的に、従来のバインダ組成物は、その組成のために、連続ストリームプリントヘッドまたは圧電駆動ドロップオンデマンドプリントヘッドのいずれかによって堆積されなければならなかった。しかし、連続ストリームプリントヘッドおよび圧電駆動ドロップオンデマンドプリントヘッドは、頻繁なメンテナンスを伴い、１つのバインター装置（２２０）から他のバインダ系に変更する際、洗浄しなければならない。この洗浄は、非効率的であり、不必要な無駄を生じる。熱で駆動されるか、または他の方法で駆動されるプリントヘッドを用いて、本発明の噴出バインダ系（２２０）を選択的に堆積させる本発明の装置および方法の機能によって、上記の欠点は回避される。

本発明の噴出バインダ系（２２０）の１つの例示的な実施形態は、限定はされないが、水溶性単官能性アクリレート系モノマー、水溶性二官能性アクリレート系モノマー、アミン、および水を含む。ここで、本発明の噴出バインダ系（２２０）の個々の成分について、以下さらに詳細に説明する。

水溶性単官能性アクリレート系モノマーは、過酸化物と組み合わされる水溶性アミンによって生じる重合反応の開始時に重合を容易にするため、本発明の噴出バインダ系（２２０）に含まれる。水溶性単官能性アクリレートは、限定はされないが、アクリル酸およびメタクリル酸のエステルであってよい。

水溶性二官能性アクリレート系モノマーは、重合反応中のバインダ系の架橋を向上させるため、本発明の噴出バインダ系（２２０）に含まれる。水溶性二官能性アクリレート系モノマーは、限定はされないが、１，４−ブタンジオールジアクリレート、１，４−ブタンジオールジメタクリレート、１，６−ヘキサメチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレート、ペンタ−エリトリトールトリメタクリレート、トリエチレングリコールトリアクリレート、トリエチレングリコールトリメタクリレート、ウレタンアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、およびウレタンメタクリレートを含む。

本発明の噴出バインダ系（２２０）のアミン成分により、室温での過酸化物の分解が促進される。１つの例示的な実施形態によると、本発明の噴出バインダ系（２２０）は、過酸化物を含む金属系粉体（２４０）に選択的に噴出される。この例示的な実施形態によると、本発明の噴出バインダ系（２２０）のアミン成分は、金属または金属合金系粉体と共に含有された過酸化物と反応し、遊離基を生成し、それによって、不飽和プレポリマーの迅速な遊離基重合を可能にする。１つの例示的な実施形態によると、本発明の噴出バインダ系（２２０）のアミン成分は、限定はされないが、ジメチルアミノベンゾエート、ジヒドロキシエチル−ｐ−トルイジン、ジメチルアニリン、ジエチルアニリン、ジメチルアセトアミド等を含む芳香族アミン類を含んでもよい。アミン促進剤はまた、特に迅速な硬化が所望される場合に、メチルエチルケトンペルオキシド等の特定の過酸化物開始剤に関連するコバルト促進剤とともに用いられてもよい。本実施形態は、不飽和プレポリマーの遊離基重合によって、硬化組成物を形成する。

本発明の噴出バインダ系（２２０）の水成分は、粘度を低減させ、噴出性を増加させるために、バインダ系に含まれる。粘度の低減および噴出性の増加によって、本発明の噴出バインダ系は、任意の数のインクジェットプリントヘッドによって選択的に堆積される。

図２に示される本発明の噴出バインダ系（２２０）はまた、限定はされないが、界面活性剤、湿潤剤、共溶媒等を含む噴出性を向上させるための複数の添加物を含み得る。水の液体バインダのみが噴出可能であるが、これは効率的に噴出されない。本発明の液相バインダ（２２０）は、水性であるが、添加された反応成分のために、界面活性剤および限定はされないがスルフィノール４６５を含むおよび粘度変調剤もまた、通常、噴出性を向上させるために添加される。

１つの例示的な実施形態によると、本発明の噴出バインダ系（２２０）は、約１０〜４０％のグリセロールジメタクリレート（３０重量％）、約３０〜８０％の２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）（５５重量％）、約１０〜２０％の脱イオン化水（１４．５重量％）、および約０．１〜５％のＮ，Ｎ−ジメチル−４−エチルベンゾエート（０．５重量％）を含む。

図２における基部（２６０）に配置された金属系粉体（２４０）は、噴出バインダ系（２２０）を受け、所望の３次元金属物体の構造的基礎を形成する。１つの例示的な実施形態によると、基部（２６０）に配置された金属系粉体（２４０）は、金属もしくは金属合金系粉体、または金属／金属合金粉体（１〜５０ミクロン）と過酸化物（５〜２０ミクロン）との混合物を含んでもよい。

金属系粉体（２４０）の粉体形態成分である金属または金属合金は、焼結されると、合体し、連続した金属部となる金属類または金属合金類の任意の組み合わせであってよい。可能な金属粉体、金属合金粉体、または異なる金属粉体の混合物は、限定はされないが、ステンレス鋼合金３０３、３０４、３１０、３１６、３２１、３４７、４１０、４２０、４３０、４４０、ＰＨ１３〜８、１７〜４ＰＨ；限定はされないが、Ｆｅ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ｓｉ、Ｆｅ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｓｉ／Ａｌ、Ｆｅ／Ｃｏ、Ｆｅ／Ｃｏ／Ｖを含む磁性合金；限定はされないがサテライト６またはサテライト１２を含むコバルト合金；銅、銅合金、青銅（Ｃｕ／Ｓｎ）、真鍮（Ｃｕ／Ｚｎ）、錫、鉛、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、チタン、タンタル、鉄、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、クロム合金、シリコン合金、ジルコニウム合金、金合金、および任意の適切な組み合わせを含む。

さらに、金属系粉体（２４０）の過酸化物成分は、限定はされないが、メチルエチルケトンペルオキシド、過酸化ベンゾイル、過酸化アセチルアセトン、クメンヒドロペルオキシド等の過酸化物開始剤を含んでもよい。

１つの例示的な実施形態によると、金属系粉体（２４０）は、約９９重量％の４３４ステンレス鋼金属系粉体（１５ミクロン）、または約９５〜９９．５重量％の４１０ステンレス鋼金属系粉体（１５ミクロン）、および約１重量％のベンゾイルペルオキシド（１〜２０ミクロン）を含む。上記のバインダ／金属系粉体組成物でプリントされた物体は、焼結後に強力な金属部を形成するだけでなく、焼結前に強力な未加工部を形成する。強力な未加工部を形成しない従来の技法では、未反応粉体でまだ取り囲まれている間に一部焼結するか、または取り除いて焼結する前にセラミック粉体で再充填する必要がある。

上記の説明は、ＳＦＦによる３次元金属物体の製造に用いられるバインダ系および金属系粉体を形成するために用いることができる複数の可能な化学物質を示しているが、粉体／バインダ系の硬化レート、圧粉体強度、および湿潤性は、上記の成分の化学的性質およびパーセントを変更することによって変化する場合がある。さらに、さらなる水溶性反応物およびアミンは、噴出バインダ系に加えられることができるか、または反応性の変化する過酸化物は、本発明のＳＦＦプロセスによって製造される未加工部の特性を変更するために金属系粉体に添加されることができる。ここで、上記の構造および組成物を用いる例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。
例示的な実施態様および動作
図３は、１つの例示的な実施形態に従って、金属系粉体を導入する図２に示される立体造形装置（１００；図２）を動作させる本発明の方法を示すフローチャートである。図３に例示されるように、本発明の方法は、作製容器内または基部上に大量の金属系粉体を広げ、充填することによって開始されることができる（ステップ３００）。必要に応じて大量の金属系粉体が広げられ、充填されると（ステップ３００）、ＳＦＦ装置は、噴出バインダ系を新たに広げられた金属系粉体の層に選択的に堆積させる（ステップ３１０）。大量のバインダが金属系粉体に噴出されると、オペレータまたは接続されたコンピューティングデバイスは、材料供給動作が完了したかどうかを判定する（ステップ３２０）。材料供給動作が完了していない場合（いいえ、ステップ３２０）、本発明の装置および装置は、再び、大量の金属系粉体を広げて充填し（ステップ３００）、材料供給動作が完了するまで、噴出可能なバインダ系の堆積を続けることができる（ステップ３１０）。材料供給動作が完了すると（はい、ステップ３２０）、未加工部は、結合していない金属系粉体から除去されることができる（ステップ３３０）。次に、未加工部から有機含有物を除去するために、熱バインダバーンアウトプロセスが実施されることができる（ステップ３４０）。熱バインダバーンアウトの直後に、金属系粉体粒子を凝固および結合させるために、高温焼結プロセス（ステップ３５０）が用いられる。ここで、図３の上記のステップのそれぞれを図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら詳細に説明する。

図３のフローチャートに示されるように、本発明の方法は、金属系粉体の層を広げて充填することによって開始する（ステップ３００）。図４Ａは、機械ローラ（２３０）がどのようにして金属系粉体（４００）の薄い層を基部（２６０）上に広げて充填し得るかを示している。まず、所定量の金属系粉体（４００）は、粉体貯蔵部（図示せず）から基部に堆積される。一旦堆積されると、機械ローラ（２３０）は、大量の金属系粉体（４００）を充填して広げる。機械ローラ（２３０）が薄い層を広げて充填した後に基部に残った金属系粉体（４００）量は、材料堆積動作が実施されなかった場合の機械ローラ（２３０）と基部（２６０）との距離に対応する。同様に、複数の材料堆積動作が実施された場合、ローラ動作後に基部に残る金属系粉体（４００）の量は、広げて充填する動作を行うときの機械ローラ（２３０）と、前に供給されたバインダ／粉体混合物（２５０；図２）との距離に対応する。機械ローラ（２３０）によって堆積される金属系粉体（４００）の量は、サーボ機構（２００；図２）によって調整され、インクジェットディスペンサ（２１０）の噴出バインダ射出レートに対応するように最適化することができる。

金属系粉体（４００）の層が機械ローラによって広げられて充填されると（ステップ３００；図３）、インクジェットディスペンサ（２１０）は、大量の噴出バインダ系を金属系粉体に選択的に堆積させることができる（ステップ３１０）。図４Ｂに示されるように、可動キャリッジ（１２０）、その結果としてインクジェットディスペンサ（２１０）は、コンピューティングデバイス（１４０；図２）および金属系粉体（４００）に隣接するサーボ機構（２００）によって制御して位置決めすることができる。たとえばＣＡＤプログラムによって指示された所望の位置に、インクジェットディスペンサ（２１０）は、所定量の噴出バインダ系（４１０）を供給するように駆動される。噴出バインダ系（４１０）は、所望の３次元物体全体を形作る金属系粉体（４００）を結合させるように噴出されるか、または所望の３次元物体の外面を形作る外殻を形成するように噴出されることができる。金属系粉体（４００）のこの例示的な実施形態によると、外殻は、所望の３次元物体の外面を形作り、固体物体を形成するのに十分な金属系粉体（４００）を含んで形成されることができる。次に、外殻内に配置された金属系粉体（４００）は、外殻内に含まれ、以下に説明される焼結プロセスまでカプセル化される。

図４Ｂに示されるように、噴出バインダ系（４１０）がインクジェットディスペンサ（２１０）によって金属系粉体（４００）の層に供給されると、噴出バインダ系は、金属系粉体（４００）の周囲に分散し、これと混合される。この噴出バインダ系（４１０）と金属系粉体（４００）との混合物（４２０）は、所望の３次元金属物体またはその外殻の断面を形作る。一旦混合物に混合されると、金属系粉体（４００）の過酸化物成分は、噴出バインター装置（４１０）の水溶性アミンと組み合わせられ、金属系粉体の粉体形態成分における金属または金属合金の周囲で噴出バインダのラジカル重合を開始する。本発明の噴出バインダ系（４１０）と金属系粉体（４００）との混合物（４２０）により、粉体およびバインダが反応する装置において起こる複数の寸法精度の問題が避けられる。十分な噴出バインダ系（４１０）が金属系粉体（４００）の層上に堆積され、金属系粉体の層の指定の部分を覆うと、可動キャリッジ（１２０）は、矢印で示されるように、金属系粉体（４１０）の他のエリアに噴出バインダ系（４１０）を選択的に堆積させるように移動する。

本発明の装置および方法によって作成される未加工部の強度は、噴出バインダ系（４１０）と金属系粉体（４００）との間で起こる「混合」の量によって影響される場合がある。２つの材料の混合自体は、限定はされないが、噴出バインダ系（４１０）の粘度を含む複数の要因に依存する場合がある。限定はされないが、超音波エネルギーを混合物（４２０）に与えることを含む複数の任意選択のステップもまた、噴出バインダ系（４１０）と金属系粉体（４００）との混合を容易にするために実施されることができる。

同様に、噴出バインダ系の粘度は、インクジェットディスペンサ（２１０）の温度を上昇させることによって減少する場合がある。インクジェットディスペンサ（２１０）の温度を制御する機能により、得られる未加工部のより望ましい機械特性を提供することができる、より粘性があり分子量の大きい流体の導入が可能になる。しかし、インクジェットディスペンサ（２１０）の温度は、バインダの蒸発温度、分解温度、または熱駆動温度を超えてはならない。

噴出バインダ系（４１０）および金属系粉体（４００）の混合物（４２０）が十分に「混合」されると、噴出バインダ系は、硬化し始め、それにより、未加工部の形状を固定する。噴出バインダ系（４１０）が硬化すると、噴出バインダ系（４１０）のアミン成分は、金属系粉体（４００）に含まれる過酸化物の分解を促進し、それによって複数の遊離基を生成する。上記の反応によって生成される遊離基は、水溶性単官能性アクリレート系モノマーの迅速な遊離基重合、および噴出バインダ系（４１０）の水溶性二官能性アクリレート系モノマー成分の架橋を可能にする。噴出バインダ系（４１０）が硬化すると、バインダは、金属系粉体（４００）をカプセル化し、バインダ／粉体複合マトリクス（素地）を形成する（４５０；図４Ｃ）。バインダ／粉体複合マトリクス（４５０；図４Ｃ）は、次の処理において未加工部の形状を維持するために、十分な構造的強度を提供する。

一旦噴出バインダ系（４１０）および金属系粉体（４００）の混合物（４２０）の層が十分に「混合」され、バインダが硬化し始めると、コンピューティングデバイス（１４０；図２）は、立体造形装置（１００；図２）が、所望の３次元金属物体を形作る材料供給動作を終了したかどうかを判定する（ステップ３２０；図３）。バインダ／粉体複合マトリクス（４５０；図４Ｃ）の必要な層が形成され、所望の３次元金属物体の未加工部を形成すると、コンピューティングデバイス（１４０；図２）は、材料供給動作が完了したかどうかを判定し（はい、ステップ３２０；図３）、立体造形装置（１００；図２）は、その材料供給動作を終了する。しかし、コンピューティングデバイスが、未加工部を形成するのに十分に、バインダ／粉体複合マトリクス（４５０）全体が形成されなかった（いいえ、ステップ３２０；図３）と判断する場合、立体造形装置（１００；図２）は、金属系粉体の他の層を広げて充填し（ステップ３００）、プロセスは再び開始する。

材料供給動作が完了すると、上記のプロセスによって形成された未加工部は、図４Ｃに示されるように、未結合の金属系粉体から除去される（ステップ３３０；図３）。未結合の金属系粉体は、限定はされないが、機械ブラッシング手段、空気、水、または溶媒を未加工部に与えることによって未加工部を洗浄する等を含む任意の数の方法によって未加工部から除去されることができる。未加工部からの未結合の金属系粉体の除去は、ＳＦＦ装置（１００；図２）または他の位置のいずれかにおいて起こる場合がある。

未加工部が未結合の金属系粉体から実質的に除去されると（ステップ３３０；図３）、未加工部は、処理され、熱バインダバーンアウトプロセス（ステップ３４０；図３）、次いで、焼結プロセス（ステップ３５０；図３）によって所望の３次元金属物体を生成する。熱バインダバーンアウトプロセスは、外部炉、または熱エネルギーをバインダ／粉体複合マトリクス（４５０；図４Ｃ）に制御可能に供給するように構成された任意の他の装置において、ＳＦＦ装置（１００；図２）内で起こる場合がある。図４Ｃは、未加工部を構成するバインダ／粉体複合マトリクス（４５０）に熱エネルギー（４４０）を制御可能に提供するように構成された加熱コンポーネント（４３０）を含む外部炉内で実施される熱バインダバーンアウトプロセスを示す。

熱バインダバーンアウトプロセス中、無機揮発性物質および有機含有物は、未加工部から除去される。一般に、熱バインダバーンアウトプロセスの焼成は、有機材料だけでなく無機揮発性物質を構造体から除去するように、十分な持続時間であるべきである。特に、熱バインダバーンアウトプロセスは、バインダ／粉体複合マトリクス（４５０）を構成するポリマーを分解し、それらを未加工部から除去するのに十分な温度および持続時間であるべきである。

熱バインダバーンアウトプロセス（ステップ３４０；図３）の後、未加工部は、一般により高い温度の焼結動作にかけられる（ステップ３５０；図３）。この動作中、金属粒子は、凝固するかまたは結合される。金属粒子の凝固は、固相拡散結合、１つもしくは複数の存在する相または粒子の部分溶融、または固相拡散結合と部分溶融との組み合わせによって成し遂げられることができる。この焼結動作は、従来の粉体冶金作製において用いられる焼結と類似している。

熱バインダバーンアウトおよび焼結プロセスの温度および時間プロファイルは、複数のステップまたは単一のプロセスにおいて実施され得る。熱バインダバーンアウトおよび焼結プロセスの温度および時間プロファイルは、有機バインダの分解によって生成される気体が非有機材料から拡散する機能に影響を与える。熱バインダバーンアウトおよび焼結プロファイル、ならびに環境は、用いられる任意の金属粉体タイプに対して設計および変更されることができる。１つの例示的な実施形態によると、酸化および／または還元環境を提供する機能を有するプログラム可能な炉は、熱バインダバーンアウトおよび焼結プロセスを実施する。この例示的な実施形態によると、プログラム可能な炉は、酸化空気、還元水素／窒素（４％水素）、解離アンモニア（２５％の窒素／７５％の水素）、および／または熱バインダバーンアウトおよび焼結プロセスの様々な点における純粋な水素を提供することができる。熱バインダバーンアウトおよび焼結プロセス用に提供される環境は、酸化環境、還元環境、または焼結材料の得られる構造体に影響を与えるように構成された不活性環境である場合がある。一般に、酸化雰囲気下で熱バインダバーンアウト動作を完了することが望ましいのに対して、次の焼結動作は、還元雰囲気下でより高い温度で完了される。

未加工部が熱バインダバーンアウト（ステップ３４０；図３）および焼結プロセス（ステップ３５０；図３）を受けると、図４Ｄに示される３次元部は、焼結された金属粉体（４００’）で構成されて製造される。本発明の装置および方法によって製造される焼結金属（４００’）は、未加工部を形成するバインダ／粉体複合マトリクス（４５０；図４Ｃ）に密接に対応する。
他の実施形態
図５は、紫外線（ＵＶ）放射を当てて噴出バインダ系を硬化する選択肢を導入して本発明の方法を実施するための別の方法を示すフローチャートである。上記の実施形態と類似する、例示的な実施形態は、作製容器内または基部上に大量の金属系粉体を広げて充填し（ステップ５００）、噴出バインダ系を新たに広げられた金属系粉体の層に選択的に堆積させる（ステップ５１０）。この例示的な実施形態によると、限定はされないが、遊離基開始剤またはカチオン開始剤を含むＵＶ開始剤は、金属系粉体および／または噴出バインダ系に含まれる。大量のバインダが金属系粉体に噴出されると、バインダは、ＵＶ放射を当てることによって硬化される（ステップ５２０）。噴出バインダ系が硬化すると（ステップ５２０）、別の方法では、材料供給動作が完了しているかどうかを決定し（ステップ５３０）、材料供給動作が完了している場合に（はい、ステップ５３０）は、未結合の金属粉体を除去し（ステップ５４０）、熱バーンアウトによって未加工部から有機含有物を除去し（ステップ５５０）、金属粉体を焼結する（ステップ５６０）ことによって上記の方法に密接に従い、所望の３次元金属部が形成される。材料供給動作が完了していない場合（いいえ、ステップ５２０）、本発明の装置および装置は、再び、大量の金属系粉体を広げて充填し（ステップ５００）、金属供給動作が完了するまで噴出可能なバインダ系の堆積を続ける（ステップ５１０）。

図６は、噴出バインダ系にＵＶ放射を当てて堆積されたバインダを硬化する例示的な方法を示す（ステップ５２０）。図６に示されるように、ＵＶ硬化性バインダ（６２０）は、金属系粉体（４００）の周囲に分散される。金属系粉体（４００）およびＵＶ硬化性バインダ（６２０）が十分に「混合」されると、ＵＶ硬化性バインダは、紫外線（ＵＶ）放射エネルギーを与えることによって硬化され得る。ＵＶ放射エネルギー（６４０）がＵＶ硬化性バインダ（６２０）に与えられると、加えられたエネルギーは、重合を開始させ、ＵＶ硬化性バインダ（６２０）は迅速に硬化する。ＵＶ硬化性バインダ（６２０）が硬化すると、硬化したバインダ（６５０）は、金属系粉体（４００）をカプセル化し、所望の３次元金属物体またはその外郭を形作るバインダ／粉体複合マトリクスを形成する。

ＵＶ放射エネルギー（４４０）は、ＵＶ放射アプリケータ（６３０）によって、１つまたは複数のボリュームのＵＶ硬化性バインダ（６２０）に供給されることができる。ＵＶ放射アプリケータ（６３０）は、紫外線（ＵＶ）またはＵＶ硬化性バインダ（６２０）において重合を開始させるのに十分な他の放射エネルギーを与えるように構成された任意のデバイスであり得る。図６に示されるように、放射アプリケータ（６３０）は、堆積された後、堆積されたＵＶ硬化性バインダ（６２０）のすべてまたは選択的な部分を一気に露出させるように構成された別個の光露出器または走査ユニットであってよい。あるいは、放射アプリケータ（６３０）は、走査ユニットとして、可動キャリッジ（１２０）に接続されることができる。さらに、重合、およびＵＶ硬化性バインダ（６２０）の迅速な硬化は、熱エネルギー、または限定はされないが触媒を含む硬化プロセスを増加することが可能な任意の添加物を加えることによってさらに容易になる場合がある。

最後に、ＳＦＦによって３次元金属物体を製造する本発明の装置および方法は、製造された部分の圧粉体強度を実質的に増加させ、特定の金属タイプに適応したバインダの化学的性質を導入しながら、部分の破損を心配することなく部分の操作が可能になる。粉体／バインダ系の硬化レート、圧粉体強度、および湿潤性は、バインダおよび／または金属系粉体化学物質を調整して、本発明の装置および方法に従って適応させることが可能となる。さらに、本発明の方法および装置は、大量の粉体を提供することによって、３次元物体を迅速に製造することができる。さらに、最適な焼結プロファイルおよび環境を、各金属タイプに対して設計することができる。さらに、本発明の装置および方法は、噴出バインダ系を供給するための熱駆動インクジェットプリントヘッドを用いてＳＦＦ３次元金属物体を形成し、それによって、装置の全体的なメンテナンスを低減できる。

上記の説明は、本装置および方法の例示的な実施形態を示し述べるためだけに提示されている。上記の説明は、網羅的でもなく、装置および方法を開示した任意のそのままの形態に限定するものではない。多くの変更および変形は、上記の教示に照らして可能である。

本発明の装置および方法の例示的な実施形態を実施するために用いられ得る立体造形装置の斜視図である。本発明の装置および方法の例示的な実施形態を実施するために用いられ得る立体造形装置の断面図である。１つの例示的な実施形態に従って、金属系粉体を用いてＳＦＦ物体を形成する本発明の方法を実施するための方法を示すフローチャートである。１つの例示的な実施形態に従って、本発明の方法に用いられ得る金属粉体を例示する断面図である。１つの例示的な実施形態に従って、大量の金属系粉体に、噴出バインダ系が堆積されることを示す断面図である。１つの例示的な実施形態に従って、熱バインダバーンアウトによって未加工部から有機含有物が除去されることを示す断面図である。１つの例示的な実施形態に従って、本発明の方法によって形成される金属物体を示す断面図である。１つの例示的な実施形態に従って、金属系粉体を用いてＳＦＦ物体を形成する本発明の方法を実施するための別の方法を示すフローチャートである。１つの例示的な実施形態に従って、紫外線放射を用いて噴出バインダ系を凝固させることを示す断面図である。

符号の説明

２１０インクジェットディスペンサ
２２０バインダ系
２４０粒子混合物
６２０ＵＶ硬化性バインダ

Claims

限定された領域に、複数の金属または金属合金粒子と、過酸化物を含む粒子混合物を堆積させるステップと、
未加工部を形成するため、バインダ系を前記粒子混合物の所定のエリアに選択的にインクジェット方式で噴出するステップとを含み、前記バインダ系は、水溶性単官能性アクリレート系モノマー、水溶性二官能性アクリレート系モノマー、アミン、および水を含むことを特徴とする立体造形法による３次元金属物体の製造方法。
熱バインダバーンアウトプロセスを前記未加工部に実施するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元金属物体の製造方法。
前記熱バインダバーンアウトプロセス後に、前記未加工部上で焼結プロセスを実施することをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の３次元金属物体の製造方法。
前記バインダ系は、熱駆動インクジェットディスペンサ、機械駆動インクジェットディスペンサ、静電駆動インクジェットディスペンサ、磁気駆動インクジェットディスペンサ、圧電駆動インクジェットディスペンサ、または連続インクジェットディスペンサのうちの１つによって前記粒子混合物に選択的にインクジェット方式で噴出されることを特徴とする請求項１に記載の３次元金属物体の製造方法。
前記金属または金属合金粒子は、ステンレス鋼合金、磁気合金、コバルト合金、銅、銅合金、青銅、真鍮、錫、金、鉄、銀、白金、パラジウム、イリジウム、チタン、タンタル、クロム合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、シリコン合金、ジルコニウム合金、金合金、または金属コーティングされたセラミック粒子のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元金属物体の製造方法。
前記バインダ系は、ＵＶ硬化性バインダ系を含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元金属物体の製造方法。
金属または金属合金粒子、および過酸化物を含む粒子混合物と、
水溶性単官能性アクリレート系モノマー、水溶性二官能性アクリレート系モノマー、アミン、および水を含む噴出可能なバインダ系とを含み、
前記噴出可能なバインダ系は、前記過酸化物と接触すると反応し、前記金属または金属合金粒子と選択的に結合するように構成されていることを特徴とする立体造形法による３次元物体の製造装置。
前記噴出可能なバインダ系を、前記粒子混合物に選択的に噴出するように構成されたインクジェット材料ディスペンサをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の３次元物体の製造装置。
それぞれが、金属または金属合金粒子、および過酸化物を含む、互いに接触して堆積された金属系粒子混合物の多重層を含み、
前記粒子混合物は、噴出可能なバインダ系によって結合されることを特徴とする金属３次元プロトタイプ組成物。
金属または金属合金粒子、および過酸化物を含む粒子混合物と、
水溶性単官能性アクリレート系モノマー、水溶性二官能性アクリレート系モノマー、アミン、および水を含む噴出可能なバインダ系と、
前記噴出可能なバインダを噴出するための手段とを含み、
前記噴出可能なバインダ系は、前記過酸化物と接触すると反応し、前記金属または金属合金粒子と選択的に結合するように構成されていることを特徴とする立体造形法による３次元物体の製造装置。