JP2007518605A - ３次元物体を層状に製造する方法及びその方法に適した材料系 - Google Patents

Abstract

【課題】多種の選択可能な材料やその成分の安定性にこれといった制限を課さずに取り扱いや搬送の機能を改善する、層状に３次元物体を製造する方法と適切な材料系を提供すること。
【解決手段】層構築方法によって製造された物体の大きさが増大し続け、一方、前記物体がより重くなり、そのため取り扱いや搬送が容易ではなくなる。緻密な構造物がその重量のために全体から分離することもある。したがって、この発明の目的は、選択可能な材料の種類とその成分の安定性に関して、実質的に制限を課すことなくその取り扱い性と搬送性を改善する、３次元物体を製造するための層構築方法と、適切な材料系を考案することである。この目的は、実質的に安定性を低下させずに塊状粒子と比較して固体体積とその重さが低下するように少なくとも１つのキャビティを有する粒子を使用することで達成される。
【選択図】無し

Description

本発明は、請求項１，請求項３及び請求項４の前提部に係る、３次元物体を層状に製造する方法及びその方法に適した材料系及び請求項１０に係るこの方法で製造された物体に関する。
このタイプの方法と材料系がＤＥ１０１０８６１２Ｃ１とＤＥ１００２６９５５Ａ１から公知である。

この３次元物体を層状に製造する方法は、特に、迅速な試作品形成、迅速な工具による加工、迅速な製造に益々応用分野を見出している。
このタイプの方法は、液体ベースの例えば、ステレオリソグラフィ、粉末ベースの例えば、レーザー焼結あるいは３次元印刷又は固体層ベースの例えば、積層物体製造とすることができる。

これらの方法全てに共通するものは、応用分野が益々拡大するにつれ、これらの方法で製造された物体の大きさも増大し続けていることである。
更に、これら物体が重くなり、そのため取り扱いや搬送がより困難になる。
微細構造物がその重さのために全体から分離することもある。

したがって、この発明の目的は、多種の選択可能な材料やその成分の安定性にこれといった制限を課さずに取り扱いや搬送の機能を改善する、層状に３次元物体を製造する方法と適切な材料系を提供することである。

この目的は、少なくとも１つのキャビティ(空洞)を含有する粒子によって解決される。
これにより固体物質の体積、したがって、塊状粒子と比べて、安定性を大きく低下させることなく重量が低下する。

このタイプの粒子は、微孔性材料、例えば、活性炭素又はゼオライトをコストに対し最も効率的かつ工業規模でしかも前記方法に適した粒度分布で粉砕することにより製造することができ、あるいは、新規に確立された方法、例えば、エマルジョン重合を使用して数マイクロメーター又はそれ以下の範囲で中空ビード（中空玉）を工業規模で製造することができる。
工業的に作られた中空ビードは、このようにして適切な粒子とするか、また、例えば、多数の中空ビード又は少なくとも１つの中空ビードの塊や少なくとも１つの塊状粒子を作り、適切な粒子を作ることで、その製造に役立つものとすることができる。
適切な粒度分布は、例えば、スクリーニング、シフティング（sifting）等の公知の方法で達成することができる。

自然に生じるか、あるいは、工業的に製造できる適切な大きさのキャビティを有するどんな材料でも、例えば、金属、セラミックあるいはプラスチックも、そのような粒子の材料として適している。

製造する方法に関しては、この発明は、請求項１の特徴で示され、製造に用いられる材料に関しては、この発明は、請求項３及び請求項４で示される。
他の請求項は、この発明に係る方法と材料の有利な他の成果及び改良点（請求項２、請求項５ないし請求項９）と、この発明に係る方法と材料によって作られた物体（請求項１０）を示す。

上記の目的は、３次元物体を製造する方法であって、以下の工程、すなわち、目的の表面に粒子の層を塗布する工程と、前記物体の断面に相当する層の選択された部分にエネルギーのビームあるいは液体の噴射を前記選択された部分に存在する粒子が互いに結合するように照射する工程と、前記層を塗布する工程と多数の層に対するビームあるいは噴射の照射を隣接層の結合部分が互いに結合して前記物体を形成するように繰り返す工程とを含む方法において、少なくとも１つのキャビティを含有する粒子を使用することによって達成される。

このような状況で、粒子の結合を行うために粒子層に投入されたエネルギーが十分に高ければ、このエネルギービームは如何なるタイプでもよく、例えば、電子ビームあるいはＩＲビーム、好ましくは、レーザービームとすることができる。
この目的のためには、照射領域の粒子が完全に溶融することは不要である。
エネルギーによる初期溶融あるいは化学反応の開始であっても、十分である。

使用される液体に関して、粒子の少なくとも１つの成分が液体中で溶けなければならないか、あるいは、ある反応が、その液体との相互作用によって、開始されなければならず、その結果、その液体の衝撃の領域内に存在する粒子が互いに結合される。
液体噴射という用語は、連続した噴射のみならず、個々の液滴も含む。

この方法の更に有利な展開では、粒子に対するビーム又はジェット噴射の照射は、キャビティを基本的に保全するように実施される。
このため、粒子の完全な溶融又は溶解無しで該粒子の表面上の結合だけが行われるように、エネルギー又は液体の投入を制限すれば足りる。

製造される材料系、特に３次元印刷用の材料系に関して、この目的は、本発明によれば、該材料系が固体粒子と液体とを含有し、少なくとも一部の該粒子であって、少なくとも１つのキャビティを含有した粒子が、該液体にさらされる際に隣接した粒子への永続的に結合が形成されるという特徴を有していることによって、解決される。

このタイプの材料系は、上記方法が３次元物体を作りあげるために使用されることを可能にする。そして、その物体は、塊状粒子から作られる物体に匹敵する特徴を有するが、その重量はかなり軽く、そのため扱いが容易である。

少なくとも一部の粒子（例えば、皮膜）が、例えば、溶融し、反応に誘発され、あるいは、液体にさらされた際に、液体で一部溶融することによって、この永続的な結合が形成される。

レーザー焼結（選択的レーザー焼結とも呼ばれる）用の適切な材料系は、少なくとも粒子表面の一部の軟化温度が１００℃で、少なくとも１つのキャビティを有する成分を含む粒子から成っている。

このタイプの軟化温度を備えた材料は、例えば、可融性結合体（例えば、ＪＰ２００１−１４３５８８Ａと比較のこと）で使用される合金と、鎖長≧１６を有する線状炭酸（例えば、ヘプタデカン酸、融点６０〜６３℃）、あるいは、最も広い意味でのポリマーを含む。

このタイプの粒子は、一般的なレーザー焼結装置で迅速に且つ高精度に加工することができ、そして、その粒子から作られた物体は、キャビティのために扱い易い性質を有している。

上記材料系では、粒子の直径の粒度分布曲線（the size distribution curves）は、５００μｍ未満で、好ましくは、１０〜３００μｍのオーダー（order）で中心を有することが有利である。
このタイプの粒度は、この時点で公知の応用分野の全ての要件を実質的にカバーするために使用することができる。
厳密な精度要件は、粒度分布がバラツキを殆ど示さず、上記下限値近くの小さな直径を必要とすることを要する。

更に、粒子の僅かなキャビティの体積の割合が、粒子の体積に対して最小で３０％及び最大で９０％を占め、好ましくは、最小で５０％及び最大で８０％を占めるならば、前記材料系にとって有利である。

このような材料を使用することにより、このように製造された物体の十分な安定性が達成でき、一方、それら物体の重量は、軽く維持され、取り扱い性が良好である。

粒子が架橋可能なポリマーを少なくともその表面に含んでいると、前記材料系には有利な効果をもたらす。
これらは、例えば、皮膜の形態で供給することができる。
架橋は、エネルギーあるいは液体にさらすことで開始でき、隣接粒子への永続的な結合の形成につながる。

以下、この発明に係る方法と、この発明に係る材料系を２つの典型的な実施形態により詳しく説明する。

レーザー焼結用の適切な材料系は、主に１００μｍを中心とした直径分布を有するように粉砕され、スクリーニングされた天然火山ゼオライトから作られた粒子を含有している。
その粒子の多孔率は、約４５％であり、それにより、実際の密度は、２．５ｇ／ｃｍ^３から見かけ上１．４ｇ／ｃｍ^３に低下する。
鉱物学的成分：主として、クリノプチロライト（clinoptilolite）及びモルデナイト(mordenite)。
化学成分：主として、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３。

これらの粒子には、公知の流動床手順によって（ＤＥ１０３１３４５２Ａ１と比較方）約６６℃の軟化温度を有するポリビニルブチラール皮膜（コーティング）が施される。

このコーティングされた粒子が目的の表面に層状に塗布され、物体の断面に相当する該層の選択された一部に、該選択された一部の粒子が互いに結合するようにレーザービームが照射される。その次に、粒子を層状に塗布する工程とレーザービームを照射する工程を、隣接する層の結合部が互いに結合して物体を形成するように多数の層に対して繰り返される。

このように対となった照射エネルギーにより皮膜が軟化して、そのため照射された粒子がコア材料を溶融せずに互いに結合するように、レーザービーム（出力：約１０ワット（あるいは、安定性要求が厳密でなければそれ未満）、供給速度：約５ｍ／秒、レーザースポット径：約０．４ｍｍ）が誘導される。
その皮膜は、厚さが約０．３〜０．７μｍである。

３次元印刷用の適切な材料系は、エマルジョン重合で作られ、流動床手順によりポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）でコーティングされた中空ＰＭＭＡビードから製造された粒子を含有している。
この皮膜（コーティング）は、厚さが約０．３〜０．７μｍである。
粒子の直径分布は、５０μｍが、主にその中心となっている。
その材料系は、液体成分として水を含有する。
ＰＶＰは、水中で溶ける。

コーティングされた粒子は、目的の表面に多層状に塗布され、前記物体の断面に相当する選択された層の一部に、該選択された部分に存在する粒子が互いに結合するように水滴が噴射される。その次に、多数の層に対して、粒子を層状に塗布する工程と、噴射の工程が繰り返されることによって、隣接する層の結合部が互いに結合して、前記物体を形成する。

上記実施例の実施形態において、この発明に係る方法と、この発明に係る材料系が、自動車産業における迅速な試作品作製、迅速な仕上げ加工、及び迅速な製造用途に特によく適していることが分かる。

特に、それらの方法、材料系により取り扱い性と大型で緻密な構造物の安定性の明確な改善が達成される。

この発明は、上記の典型的な実施形態に限定されず、むしろ、その他の典型的な実施形態にも利用することができる。

したがって、例えば、粒子のキャビティに、キャビティ壁と比較して軽い媒体、例えば、液体あるいは気体を充填することが考えられる。

中空金属ビードの形態の粒子も使用することができる。これらビードは、例えば、バインダー（binder、金属粉末）懸濁液をスタイロフォーム(商標：発泡ポリスチレン)ビードにスプレーし、十分に該金属粉末が溶融して固体面を形成するように加熱すると同時に、該スタイロフォームが蒸発することによる流動床手順で製造することができる。
得られる表面を封鎖状態にすることができるか、あるいは多孔質とすることができる。

Claims (9)

1. 少なくとも１つのキャビティを含有する粒子を使用する３次元物体を層状に製造する方法。
2. ３次元物体を製造する方法であって、以下の工程、すなわち、
   目的の表面に粒子の層を塗布する工程と、
   前記物体の断面に相当する層の選択された部分にエネルギーのビームあるいは液体の噴射を前記選択された部分に存在する前記粒子が互いに結合するように照射する工程と、
   前記層を塗布する工程と多数の層に対するビームあるいは噴射の照射を隣接層の結合部分が互いに結合して前記物体を形成するように繰り返す工程とを含む方法において、
   少なくとも１つのキャビティを含有する前記粒子が使用されることを特徴とする３次元物体を製造する方法。
3. 前記粒子は、前記キャビティを実質的に保全するように照射を受けることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 固体粒子及び液体を含有する３次元印刷用多相材料系であって、前記粒子の少なくとも幾つかの部分が、前記液体との接触時に隣接粒子と永続的な結合を形成する機能を有する材料系において、
   前記粒子が、少なくとも１つのキャビティを有することを特徴とする多相材料系。
5. その表面の少なくとも一部に軟化温度が１００℃以下である成分を含むレーザー焼結用粒子において、
   前記粒子が、少なくとも１つのキャビティを有することを特徴とするレーザー焼結用粒子。
6. 前記粒子が、５００μｍ未満の直径、好ましくは、１０〜３００μｍのオーダーの直径を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の材料系あるいは粒子。
7. 前記キャビティの体積分が、前記粒子の体積の最小３０％で最大９０％、好ましくは、少なくとも５０％で最大８０％となることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の材料系あるいは粒子。
8. 前記粒子が、少なくともその表面に架橋ポリマーを含むことを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の材料系あるいは粒子。
9. 互いに結合される粒子から製造される物体において、
   前記物体が請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の方法によって製造され、及び／又は、前記物体が請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の材料系あるいは粒子から製造されたことを特徴とする物体。