JP2005507805A - 三次元の焼結成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、三次元の焼結成形品（１）の製造方法に関し、特に、レーザ焼結装置において焼結材料を塗布するための光造形法であり、特に、液体状、ペースト状、粉末状または粒状の焼結材料は裏面上の貯蔵器から層に塗布され、規定された個々の部分（２、２’）の部分的な照射によって熱せられることにより、照射による領域の部分的または完全な溶融によって、成形品を与えるために焼結材料の成分が結合される。連続で照射される個々の部分（２、２’）は、個々の部分（２、２’）の平均径より大きいか少なくとも等しい距離だけ互いに離れている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元の焼結成形品の製造方法に関し、自動焼結装置、特に自動レーザ焼結装置において用いることができる光造形法に特に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＰ−Ａ−０１７１０６９は、焼結材料の層を基板または既に固結された層に塗布し、誘導レーザ光線を用いた照射によって塗布した層を固結する方法を開示している。その結果、三次元の焼結成形品が層状に構築される。ＥＰ−Ａ−０１７１０６９の開示に明らかに言及されていて、このヨーロッパ出願の開示内容は本出願の主題の一部でもある。
【０００３】
さらに、層を個々の部分に分割し、個々の部分、例えば正方形を連続して固結することが、ＤＥ４３０９５２４から公知である。この場合は、個々の領域または個々の照射セル間に隙間が残り、応力によって成形品内部領域が歪むことがないことを保証している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
成形品の中心領域において個々の離間されたセルを明確な隙間を残して固結することは、特に、例えば射出成形金型としての使用する場合に、成形品が大きな機械負荷にさらされるならば、成形品の安定性に関して不利なようである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、比較的大きな成形品を製造する際であっても成形品の歪みが確実に防止されるように、請求項１の特徴を有する方法を改良するという目的に基づく。この目的は、請求項１の特徴的な構成要素によって達成される。好ましい改良点は従属項から明らかになる。
【０００６】
本発明の重要な概念は、連続して照射される個々の部分が、個々の部分の平均径より大きいか少なくとも等しい距離だけ互いに離れているような、個々の部分の連続照射であると考えられる。特に、個々の部分に確率分布的に連続して照射を行い、個々の部分の距離を、熱照射により起こる層への熱の導入が実質的に均一であるような距離にする。これにより、従来技術において、個々の層同士を正確に結合されなくするだけでなく、層の破損または剥離を生じさせ、成形品の破壊につながることさえあった応力を防ぐ。
【０００７】
特に、連続照射は、隣接する個々の部分の縁部が重なり合うように行うことができる。これは、照射が個々の部分の規定された表面領域を超えて隣接する領域をも含むことを意味するので、グリッド構造の領域の焼結材料が繰り返し照射されることやエネルギーの導入を増加させることによりグリッド構造内の表面領域と異なる密度を有するグリッド構造が、個々の部分間に形成される。
【０００８】
しかし、本発明においては、グリッド構造の焼結は、個々の部分の局所的な照射をすることなく行うことができ、具体的には、成形品内部領域において、まず初めにグリッド構造線に沿って焼結を行い、その後グリッド構造の内側にある領域を個別にまたはまとめて照射することにより行うこともできる。これは、グリッド構造の内側の個々の領域だけを実際に対象とするレーザ光線によって達成することができる。しかし、全域を線状に走査したり、グリッド構造の線を再度通したり互いに交差させたりすることも本発明の範囲内である。
【０００９】
部分の内部においては、照射は互いに隣り合って位置決めされた照射線によって行われるが、他の種類の照射も可能である。隣接する個々の部分を、隣接する個々の部分の照射線が互いに直角となるように照射することも可能である。
【００１０】
また、個々の部分の内部領域の照射後に、個々の部分の縁部がさらに周辺照射されることが好ましい。
【００１１】
さらに、グリッド構造が成形品内部でオフセットに配置されること、すなわち、上下方向に位置する層のグリッド線が重なっておらず、互いにオフセットに配置され、これにより、集合体の層の個々の部分が、積み固められたれんが壁のれんがと同じように重なっていることが好ましい。
【００１２】
重ねて配置された層の個々の部分は、異なる大きさや異なる形状であってもよく、かつ／または異なる向きを有していてもよい。成形品内部領域に対して異なる構造、特にグリッド構造を成形品表面の領域に焼結することが好ましい。
【００１３】
さらに、成形品の縁部領域を高密度で焼結することが好ましく、特に、縁部領域の密度は成形品中心領域のグリッド構造の密度にほぼ相当していてもよい。その高密度は、縁部領域における焼結材料の実質的に完全な溶融により達成され得る。加工される、成形品の溝やねじ山などにおける内表面の領域に高密度の焼結が行われ得るので、成形品の溝および成形品の表面を、特にチップ成形または研削加工により、再加工することができる。
【００１４】
隣接する個々の部分間の重なりは、成形品の大きさに応じておよそ０．０３〜０．５ｍｍとするが、この範囲よりかなり大きくても小さくてもよい。この重なりは、成形品の中心領域においてよりも、成形品の縁部領域においての方が大きくてもよい。
【００１５】
より複雑な構造の成形品領域においては、隣接する焼結部分のレーザ照射間の時間が、より単純な設計の焼結領域の場合よりも長いことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで、図面に例示する実施形態の例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。図面において、図１は、例として挙げられた焼結成形品の層の平面図を示し、図２は、例として挙げられた焼結成形品の層の非常に拡大した平面図を示し、図３は、焼結成形品のグリッド構造の平面図を示し、図４は、焼結成形品のグリッド構造の別の実施形態の平面図を示し、図５は、重ねて配置された個々の部分の層の断面図を示し、図６は、例として挙げられた成形品の層の平面図を示す。
【００１７】
特に自動レーザ焼結装置において用いられる光造形法である、三次元の焼結成形品１を製造するための本発明による方法においては、まず初めに焼結材料を貯蔵器から基板に層状に塗布する。焼結材料は、液体状、ペースト状、粉末状または粒状とすればよい。次いで、規定された個々の部分２の局所的な照射により、焼結材料は、完全にまたは少なくとも部分的に溶融して、成形品１を形成するための照射領域の機能として、焼結材料の成分が互いに結合されるように加熱される。
【００１８】
図１に示す成形品１の平面図からわかるように、時間的に連続して照射される個々の部分２は、これらの個々の部分２の平均径より大きいか少なくとも等しい距離だけ互いに離れている。個々の部分２には、照射される順序を例示する数字が付されている。個々の部分２は、この場合、確率分布的に連続して照射される。略述したように、個々の部分２は照射されることにより、材料の変化によって生じる応力が成形品１に均一に分散され、成形品１の歪みが防止される。特に、焼結されるべき層８、８’への照射により発生する熱の導入が、実質的に均一に起こるように、時間的に連続して照射される個々の部分２は互いに離れている。成形品１の歪みまたは亀裂の形成にさえつながり得るものを防止する。
【００１９】
図２に例示する成形品１の拡大された抜粋において、照射された個々の部分２の順序に対応する数字がここでも付されている。ステップ５またはステップ６に示すように、隣接する個々の部分２、２’の縁部は互いに重なり合っている。このことにより、個々の部分２、２’の内部領域に比べて密度が増加されたグリッド構造３が形成される。個々の部分２、２’の縁部領域４が複数回溶融されてエネルギーが多く導入されるからである。密度が増加されたグリッド構造３は完成した成形品１の使用の際に発生する力を吸収することができ、個々の部分２、２'が低密度であることによって成形品１に必要な延性が得られる。これにより、高い硬度と引っ張り強さを兼ね備えると同時に延性の高い成形品１を製造することができる。その後、縁部領域４の周りに再度レーザ光線を通すことができる。
【００２０】
上記のグリッド構造３の製造の代わりに、グリッド構造３内の表面領域５と異なる密度を有するグリッド構造３を焼結材料の層に焼結することもできる。この場合、グリッド構造３の密度はその内側にある表面領域５の密度より高いことが好ましい。このグリッド構造３を製造するために、レーザ光線を成形品１全体にわたってグリッド構造３に対応するように移動させることができる。その後、その中間にある表面領域５も、特に上記略述したように確率分布的に溶融させることができる。その結果、中間の表面領域５もまた所望の強さを獲得し、同時に成形品に所望の延性を与える。
【００２１】
個々の部分２、２’内部においては、図２に示すように、互いに隣り合う照射線６によって列または行状の照射が行われる。（ステップ５および６の）隣接する個々の部分２、２'は、互いに直角な照射線６を有しており、その結果、すべての個々の部分２、２’が、特に互いに直角であり、互いにオフセットである照射線６によって照射されると、全体的に均一なパターンが成形品１全体に形成される。また、照射線のこの配置は、成形品１における応力をさらに減少させる。
【００２２】
別の照射方法としては、個々の部分２、２’に、それらの内部領域７において点状に照射することができ、これにより、個々の部分２、２’と成形品１全体の両方が等方性の構造となる。図２による個々の部分２、２’の縁部または縁部領域４が部分内部領域７の照射の後にさらに周辺照射されるため、所望のグリッド構造３が明確に形成される。このようにレーザ焼結エネルギーの照射を増やすことによりさらに強度が増し、この種の部品の歪みなどに機械的に耐える能力にとって利点となる。
【００２３】
図３によると、グリッド構造３は成形品１内でオフセットに配置されている。しかし、グリッド構造３を両方向でオフセットに配置（図４参照）することもでき、それによりグリッド構造３から生じることがある応力がさらにいっそう補償される。この場合、例えば、焼結成形品１の縁部領域または内部領域における異なる要求を満たすために、個々の部分２は大きさも異なっている。
【００２４】
互いに重ねて配置された層８、８’の個々の部分２を、異なる大きさおよび／または異なる形状とし、かつ／もしくは長軸に対して異なる向きにすることもできる。互いに重ねて配置された層８、８’の個々の部分２、２’は、図５によると互いにオフセットに配置される。その結果、強度が高く歪みのない構造となる。
【００２５】
図６は、成形品表面領域９におけるグリッド構造３の設計が成形品内部領域１０とは異なる例を示す。縁部領域１１の平均密度は、成形品内部領域１０におけるグリッド構造の密度にほぼ相当する。縁部領域と内部領域の間にある中間領域１２は、縁部領域と内部領域との平均密度の間の平均密度を有する。また、縁部領域１１全体の平均密度は、成形品内部領域１０よりも高い。このように縁部領域１１において密度が高いことにより、例えばチップ成形や研削加工による外表面の再加工が簡単になる。縁部領域１１においてグリッド構造３の密度が高いことにより、高負荷のかかる成形品表面の強度も増し、成形品１の中心領域において延性も生じるので、成形品１が脆性破壊などから保護される。このことは、エネルギー密度の高いレーザ焦点スポットを用いて達成することができる。縁部領域１１における高い密度は、焼結材料の実質的に完全な溶融によって達成できる。高い密度を成形品の溝、ねじ山または他の形成物における内表面の領域に焼結させることもでき、したがって、これらは焼結後に容易に再加工することができる。また、このことは、一般的に高い負荷にさらされる内表面もまた必要な硬度を有することを意味してもいる。この図においても、いくつかの個々の部分２にこれらが照射される順序を例示する数字が例として付されている。
【００２６】
隣接する個々の部分２、２’間の重なりは、およそ０．０３〜０．５ｍｍである。重なりは、成形品１の縁部領域１１において最大であり、内部領域１０までの中間領域１２にわたって減少しているのが好ましい。したがって、平均密度もまた縁部領域１１において最も高い。成形品１の縁部領域１１を完全に溶融させてもよく、その結果、縁部領域１１においてだけグリッド構造３がもはや存在しない。このために、縁部領域においては、エネルギー密度の高いレーザ焦点スポットを用いる。
【００２７】
エネルギーの均一な導入を保証するため、より複雑な構造の成形品領域における隣接する焼結部分の照射間の時間は、より単純な設計の焼結領域におけるよりも長い。使用される焼結材料は、金属の粉末、ペースト、液体または粒状材料であってもプラスチック焼結材料であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】例として挙げられた焼結成形品の層の平面図
【図２】例として挙げられた焼結成形品の層の非常に拡大した平面図
【図３】焼結成形品のグリッド構造の平面図
【図４】焼結成形品のグリッド構造の別の実施形態の平面図
【図５】重ねて配置された個々の部分の層の断面図
【図６】例として挙げられた成形品の層の平面図

Claims (27)

1. 焼結材料、特に、液体状、ペースト状、粉末状または粒状の焼結材料を、貯蔵器から基板に層状に塗布し、
   前記焼結材料の成分が部分的にまたは完全に溶融して照射領域に応じて互いに結合して成形品を形成するように、規定された個々の部分の局所的な照射により加熱する、
   特に、自動レーザ焼結装置において用いられる光造形法である、三次元の焼結成形品の製造方法であって、
   時間的に連続して照射される個々の部分が、これらの個々の部分の平均径より大きいか少なくとも等しい距離だけ互いに離れていることを特徴とする方法。
2. 前記個々の部分が、確率分布的に連続して照射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記時間的に連続して照射される個々の部分が、焼結されるべき層に実質的に均一に照射により発生する熱の導入が起こるように、互いに離れていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 隣接する前記個々の部分の縁部が重なり合ってい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方法。
5. グリッド構造の内側にある表面領域と異なる密度のグリッド構造が、前記層に焼結されることを特徴とする請求項１の前提部の特徴を有する方法。
6. 前記グリッド構造が、その内側にある前記表面領域よりも高い密度を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記グリッド構造が、複数回の照射の結果、隣接する個々の部分間が重なって形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
8. 前記個々の部分内において、照射が、互いに隣り合った照射線によって行われる（列または行照射）ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記個々の部分が、それらの内部領域において点状に照射され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方法。
10. 前記個々の部分の縁部が、前記部分内部領域の照射後にさらに周辺照射されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記グリッド構造が、前記成形品内でオフセットに配置されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記個々の部分が、重ねて配置された、異なる大きさの層を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記個々の部分が、重ねて配置された、異なる形状の層を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記個々の部分が、重ねて配置された長軸の層に対して異なる向きの層を有す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方法。
15. 前記重ねて配置された層の個々の部分が、互いに重ねてオフセット配置されることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記成形品内部領域に対して異なる構造、特にグリッド構造が、成形品表面の領域に焼結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方法。
17. 前記縁部領域における平均密度が、前記グリッド構造の密度にほぼ相当することを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記縁部領域における密度が、前記成形品内部領域における密度よりも非常に高いことを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記縁部領域における焼結材料の実質的に完全な溶融によって前記高密度が達成されることを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の方法。
20. 成形品の溝、ねじ山などにおける内表面の領域にも高密度の焼結がなされることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
21. 隣接する個々の部分間の前記重なりが、およそ０．０３〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記重なりは、前記成形品の内部領域におけるものよりも、前記成形品の縁部領域におけるものの方が大きいことを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記成形品の縁部領域を実質的に完全に溶融させることを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載の方法。
24. 高エネルギー密度のレーザ焦点スポットが、前記縁部領域において用いられることを特徴とする請求項１から２３のいずれかに記載の方法。
25. より複雑な構造の成形品領域における隣接する焼結部分の照射間の時間が、より単純な設計の焼結領域における時間よりも長いことを特徴とする請求項１から２４のいずれかに記載の方法。
26. 金属焼結材料を使用することを特徴とする請求項１から２５のいずれかに記載の方法。
27. プラスチック焼結材料を使用することを特徴とする請求項１から２６のいずれかに記載の方法。