JP2018532613A - 付加製造方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

積層物体を生成するための付加製造装置及び方法。装置は、所定の厚さ（ｄ１）のスラリー（３）の層を提供するためのスラリーアプリケーター（５）を有する。スラリー（３）は、最終的に物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液であり、１０〜７０体積％の粒子含有量を有する。粒子結合ユニット（７）は、スラリー（３）の新しい層の塗布前に単一ステップの粒子結合プロセスを実施するようにスラリー（３）の層に作用する。【選択図】図１ａ〜ｃ

Description

発明の詳細な説明
［発明の分野］
本発明は、粒子の溶融又は焼結を使用して積層物体を生成するための付加製造方法、及びさらなる一態様では積層物体を生成するための付加製造装置に関する。
［従来技術］
国際公開第９８／２４５７４号は、物体の積層付加製造プロセスを提供する、融点における選択的レーザー焼結を開示している。レーザーを使用して、選択部分の金属粒子の層を溶融し、それによって、積層物体を形成する。
米国特許出願公開第２００６／１１９０１７号は、セラミック又はサーメット加工物を作成する方法を開示している。スラリー層（薄いグリーン層）を堆積させ、次いで、加熱し、乾燥（例えば赤外光によって）させて、硬化した薄いグリーン層を形成させる。得られた材料の硬化層を乾燥させた後、高エネルギービーム、例えばレーザービームを使用して、セラミック粒子を局所的に（前の層に）接合させる。
欧州特許出願公開第１２６６８７８号は、流体懸濁液を使用して、セラミック体を作成する方法を開示している。この発明は、詳細には、セラミック体を対象としているが、その理由は、付加製造方法においてプラスチック又は金属などの通常使用される材料よりもセラミック材料の方が取り扱いが難しいと考えられるからである。その開示方法には、スラリーを使用してグリーンボディを形成し、続いて、塗布した層を乾燥させ、残った材料をレーザー焼結することが含まれている。第一層の乾燥は１００℃未満に制限されるが、後続層では上げることができ、上からの輻射加熱によってさらに促進される。
［発明の概要］
本発明は、粒子のレーザー溶融又は焼結に基づいた付加製造を改良する方法を提供しようとするものである。
本発明によれば、上述の序文による方法であって、スラリーを、処理される層として（例えば基体上に）塗布するステップであり、そのスラリーが、最終的に物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液であり、そのスラリーが、１０〜７０体積％の粒子含有量を有する、ステップと、そのスラリーの新しい層の塗布前に粒子結合プロセスを実施するステップであり、その粒子結合プロセスが単一ステッププロセスである、ステップとを含む方法を提供する。スラリーは、ペースト、分散液、懸濁液などとして実施することができる（使用するさらなる液体及び／又は添加物に応じる）。指示範囲の粒子含有量を用いると、物体の既に形成された層の上に安定で新たな層を繰り返し塗布することによって三次元物体の付加製造が可能になる。また、最終的に物体を形成することになる粒子が安定に分散するだけでなく、非常に均一な処理される層を得ることが可能になる。さらに、層形成プロセス中に粉末が飛び散るのを効果的に防ぐ。
さらなる一実施形態では、粒子結合プロセスは、（レーザー）溶融又は（レーザー）焼結プロセスである。このようなプロセスを使用することにより、層の十分な溶融及び固化が可能になり、また、層の開放構造を得ることも可能になるであろう。粒子結合プロセスの実施にレーザーを使用する場合、パルス又はＣＷレーザーを使用することができ、それによって、層の表面全体に数値制御誘導を使用することも可能になるであろう。
さらなる一実施形態では、粒子は、３００μｍ未満、例えば５μｍ未満の直径を有する。マイクロ粒子（１μｍ程度の直径）、さらにはナノ粒子（１ｎｍ程度の直径）を効果的に使用することができる。スラリーは、最終的に物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液であり、この液体は、例えば、水、又はトルエンなどの代替溶媒を使用して、スラリーが懸濁液になるように、粒子にとっての懸濁（又は結合）剤として作用する。
さらなる一実施形態では、粒子結合プロセスの前に高密度化プロセスが行われ、例えば加熱ステップを含む。これにより、エネルギー効率の良いプロセスを使用して、粒子結合ステップの前に層をより高密度にすることが可能になる。
粒子は、金属粒子（半導体粒子を含む）、金属前駆体材料粒子、ポリマー粒子、ガラス粒子の群のうちの１種又は複数種であり得る。これにより、三次元物体の製造に様々な材料を使用することが可能になる。
さらなる一実施形態では、スラリーは、例えば、粒子結合（焼結）ステップを増進する添加物をさらに含む。
処理される層は、さらなる一実施形態では３００μｍ未満の厚さを有し、これにより、高精度の三次元物体の製造が可能になる。
さらなる一実施形態では、方法は、少なくとも粒子結合プロセス中、処理される層の上に保護ガスの流れを供給するステップをさらに含む。ある種の状況では、これは、本発明の方法の粒子結合ステップ及び実行可能な他のステップの適切な実施に有用であり得る。
粒子結合プロセスを、さらなる一実施形態では所定パターンで施し、これにより、付加製造プロセスの各層において微細構造を使用することが可能になる。
さらなる一実施形態では、粒子結合プロセスの後に洗浄プロセスを行う。スラリーの液体含有物が依然としていくらか残っている場合、未使用の材料を容易に洗い落とすことができ、スラリーの粒子を再使用することも可能になる。
異なるスラリー組成物を物体の新しい層に使用してもよく、これにより、段階的構造を備えた三次元物体を得ることが可能になるであろう。
さらなる一態様では、積層物体を生成するための付加製造装置であって、所定の厚さのスラリーの層を提供するためのスラリーアプリケーターであり、そのスラリーが、最終的に物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液であり、そのスラリーが１０〜７０体積％の粒子含有量を有する、スラリーアプリケーターと；スラリーの新しい層の塗布前に単一ステップの粒子結合プロセスを実施するようにスラリーの層に作用する粒子結合ユニットとを備える、付加製造装置を提供する。このような装置のおかげで、保護環境を使用するＳＬＭ／ＳＬＳ装置の多くの形態に現在必要とされるような特別な操作環境が必要でなくなるであろう。装置は、スラリーアプリケーター、任意選択の高密度化ユニット、及び粒子結合ユニットに連結された制御ユニットをさらに備えてもよく、この制御ユニットは、本発明の方法の実施形態のうちのいずれかのステップを実施するように配列する。
［図面の簡単な説明］
本発明を、添付の図面を参照するとともに、いくつかの例示的な実施形態を使用して以下により詳細に説明する。
本発明の一実施形態の様々なステップを示す図である。 本発明の一実施形態の様々なステップを示す図である。 本発明の一実施形態の様々なステップを示す図である。 本発明の一実施形態による装置の概略図を示す図である。
［例示的実施形態の詳細な説明］
三次元物体（積層）の付加製造のための既存の選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）／選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）プロセスでは、出発物は通常均一層の（金属）粒子の粉末であり、この金属粒子は選択的に合わせて溶融又は焼結される。既存のプロセスは、３０μｍ程度の最小の層厚さを有し、良好な結果を得るためには保護環境（例えば、粉末表面上に不活性ガスを供給することによる）を必要とする。層の十分な均一性を維持しながらより薄い層を実現することは困難である。この場合、また、より厚い層を処理する場合、局所的な加熱のためにプロセス中に未処理粉末が飛び散る可能性がある。また、一般に、得られた処理済み層の表面は、依然としてかなり粗く（粒子の粒径及び溶融プロセスのため）、異方性である（局所的な溶融の結果、微細構造中に応力及び配向が生じたため）。また、溶融していない粉末が溶融プロセス中に物体内に封入され、後からそれを除去することができないので、プロセスは最終製品の形を考慮してかなり制限される。例えば、通常のＳＬＭ／ＳＬＳプロセスを使用して微細な溝を作製するのは困難である。さらに、クラスター状の粉末破片を除去し、物体の表面品質を向上させるために、製造された各物体には、例えば、サンドブラスチング、タンブリング、又はマニュアルサンジング／ポリッシングによる後処理が必要である。
本発明の実施形態によれば、出発材料が、粒子の粉末ではなく、最終的に物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液、即ち、スラリーであるという異なるプロセスを提供する。懸濁液、例えば、金属粒子が水などの液体に懸濁している懸濁液を使用することにより、粒子を適切に積み重ね、その後、例えばレーザー溶融又はレーザー焼結を使用して均一層を互いに結合させることが可能になる。
図１ａ〜ｃは、積層物体を生成するための本発明の方法の一実施形態のステップを示しており、ここでは、ある量のスラリー３を基体２（又は他の適切な表面、例えば、先に生成された層の表面）の上に処理される層３として堆積させる。層３は、例えば、粒子含有量が３３体積％で、４０μｍの厚さｄ１を有する（図１ａ）。スラリーは、粒子を含み、１０〜７０体積％の粒子含有量、例えば、少なくとも３５体積％の粒子含有量を有する。スラリー中の粒子は、例えば、金属粒子又はその前駆体であり、また、ポリマー粒子、ガラス粒子、さらにはセラミック粒子でもよい。スラリーを、例えば、懸濁液（例えば、金属粒子を含む水などの液体）、分散液、又はペーストとして調製し、また、使用する粒子のタイプに応じて、ゾル／ゲル技術を使用して調製してもよい。実際の用途では、例えば、最初のスラリーは、５０％の粒子含有量を有し、それによって、後続のステップで良好な高密度化（粒子の積み重ね）がもたらされる。
図１ｂでは、塗布したスラリー層３の高密度化プロセスの実施を含む任意選択の処理ステップ後の状態を示している。この例示的な実施形態では、得られた層３ａは、約６６体積％の粒子含有量を有する（全粒子は整然と積み重ねられ、それによって、球状粒子の場合、約６６％の粒子含有量が得られるであろう）。完全な球状粒子ではない場合、この処理ステップでは、初期層３の約７０体積％より（はるかに）少ない量が残る可能性がある。示した例示的な実施例では、高密度化プロセス後の層３ａの得られた厚さｄ２は、２０μｍである（３３体積％の粒子から６６体積％の粒子になる）。このプロセスがまた、粒子の整列（又は積み重ね）をさらに助け、それが本方法の実施形態の最終ステップのためのより良い出発点を提供していることに留意されたい。
図１ｃは、粒子結合プロセス中の状態を示しており、ここでは、得られた層３ｂは、局所的に強いエネルギー放射のビーム４を使用して形成される。これにより、例えば、粒子すべてを溶融した場合、さらなる高密度化がもたらされ、材料がまとまって流れることが可能になる。粒子由来の固体材料の密度が例えば９９体積％に達した後、得られた層３ｂは、例えば、この実施例では厚さｄ３はわずか１３．３μｍである。層の厚さがさらに一層低下すると、例えば９９．９９体積％に達することもある。スラリー３の新しい層の塗布前に粒子結合プロセスを実施すること、及び粒子結合プロセスが単一ステッププロセスであることに留意されたい。別法として、この粒子結合プロセスを実施して、得られた層３ｂを多孔層の形状にしてもよい。
この最後のステップ（粒子結合プロセス）は、例えば、選択的（レーザー）溶融（又は焼結）ステップを使用して実施される。
粒子含有量が１０〜７０％のスラリーを使用すると、物体の既に形成された層の上にスラリーの安定で新たな層を塗布することによって物体の付加製造が可能になり、また、非常に均一な処理される層が得られ、その結果、方法ステップ中に安定な分散及び適切な整列がもたらされ、最終的に、非常に良好な物体特性（見えないほど小さい層構造など）を有する物体を得ることが可能になる。
本発明の実施形態では、スラリー３中の（固体）粒子は３００μｍ未満の直径を有するが、さらに５μｍほどの小ささ、さらには１μｍ（マイクロ粒子）又は１ｎｍ（ナノ粒子）程度でもよい。これにより、所望厚さの処理済み層３ｂ、厚さが１０μｍ又はさらに薄い薄層３ｂでさえも得ることが可能になり、その結果、より高い解像度及びより微細な構造を有する三次元物体が得られる。
さらなる一実施形態では、スラリー３は、粒子のための懸濁（又は結合）剤を含み、それには、例えば、水、又はトルエンなどの代替溶媒が使用されて、（金属）粒子の懸濁液を生じる。これは、スラリー３の粒子間の凝集を強めて、粒子のより良好な整列をもたらす。
高密度化プロセス（図１ｂを参照）は、例えば、６６％、さらには９５％もの粒子含有量を有する中間層３ａをもたらす。高密度化プロセスは、例えば加熱ステップを含む。直接又は間接加熱の様々な技術を使用して非常に効率的に、基体２上のある量のスラリー３を加熱することができ、この加熱により、得られる中間層３ａの粒子含有量を効果的に増大させることができる。
粒子結合プロセス（図１ｃを参照）は、少なくとも９８％の固体材料（粒子）含有量、例えば少なくとも９９．９９％、即ち、非常に均一な層３ｂを有する、積層形成された物体をもたらすことができる。この粒子結合プロセスは、例えば、（レーザー）溶融又は（レーザー）焼結プロセスである。このようなＳＬＭ又はＳＬＳのプロセスは、それ自体公知であり、非常に効率的な粒子結合ステップを実現することができる。
本発明の実施形態は、金属粒子、金属前駆体材料粒子、ポリマー粒子、セラミック粒子、ガラス粒子の群のうちの１種又は複数種の粒子を有することによって、一連の材料の物体を得るために適用することができる。金属前駆体材料粒子の例として、金属水素化物粒子、金属酸化物粒子、金属水酸化物粒子、金属硫化物粒子、ハロゲン化金属粒子、金属有機化合物粒子、又は他の鉱物粒子が挙げられるが、それらだけに限らない。金属粒子はチタン、タングステンなどであり得るが、ケイ素、ゲルマニウムなどの半導体材料粒子でもよい。
金属前駆体材料粒子を使用する場合、金属前駆体材料粒子は、例えば、炭素、水素、水素化物、Ｎａ若しくはＭｇなどのアルカリ金属のような還元剤を用いた還元を使用して、又は電気化学的方法によって処理しなければならない。このように、金属（の部分）は金属前駆体材料粒子から形成することができ、その結果、金属形成中にさらなる高密度化又は内部還元環境がもたらされる。これは、こうして製造された物体のより高品質な材料において高まるであろう。前駆体材料の処理ステップは、高密度化ステップ及び／又は粒子結合ステップとは別々のステップでもよく、又は（部分的に）一緒に実施してもよい。
適切な熱特性を有する材料の粒子を使用した場合、本発明の実施形態を使用して、例えば、グレイジング又はエナメル層を付与するためにこれらの粒子を使用することもできる。
スラリー３は、本方法の実施形態のうちの１つ又は複数のステップをさらに向上させる添加物、例えば、粒子結合プロセスの焼結又は高密度化プロセスの実施を向上させる添加物をさらに含んでもよい。例えば、（サブ）ナノ焼結活性金属部分が中間段階でもたらされ、焼結プロセス全体を向上させることができる。さらに、合金材料の層（及び付加製造された物体）を提供するために、スラリー３はまた、金属又は他の粒子の混合物を含んでもよい。また、スラリー３は、例えばイットリウムがドープ（ｄｏｔｅｄ）された物体を得るために、主要粒子材料及びより少ない量の副次粒子材料を含んでもよい。このような副次粒子材料は、適切な液体媒体を使用して、スラリーに容易に添加することができる。
本発明の実施形態は懸濁粒子を含むスラリーを使用するので、最終的な物体において非常に薄い層を得ることが可能になる。例えば、図１ａ〜ｃを参照して上に例示したように、スラリー３の処理される層は４０μｍ未満の厚さｄ１を有し、最終的に、処理済み層３ｂはわずか１０μｍの厚さになる。さらなる例では、出発層３が、より厚い場合もあり、最大３００μｍの場合さえある。スラリー３においてマイクロ粒子を使用する場合でさえ、スラリーの処理される層は、層の精密さ及び均質性／均一性の点から扱いやすい。
さらなる一実施形態では、方法は、少なくとも粒子結合プロセス中（また、（任意選択で）高密度化プロセス中も）、スラリー３の処理される層の上に保護ガスの流れを供給するステップをさらに含む。このステップは、特に、例えば、使用する金属粒子が標準大気環境と反応する可能性がある場合、これらの方法を使用して形成された層の質をさらに向上させることができる。
粒子結合プロセスは、さらなる一実施形態では所定パターンで施される。これにより、物体の付加製造の際に各層において微細構造を得ることが可能になる。この実施形態及び他の実施形態をさらに向上させるために、さらなる一実施形態では粒子結合プロセスの後に洗浄プロセスを行う。粒子結合プロセスの後に残っている材料はいくらかのスラリー様特性を依然として有しているので（スラリー中のすべての溶媒／水が蒸発するとは限らないので）、直前に処理された物体を洗浄すると、最後に塗布された層の未処理部分を除去することが可能になる。この洗浄プロセスは、本発明の実施形態を使用して生成される三次元物体に微細構造及び特徴を与える能力をさらに向上させる。さらに、この洗浄プロセスは、さらなる量のスラリーを作製するために、残った粒子を取り戻し、再使用することを容易に可能にする。
さらなる実施形態では、方法は、物体の新しい層に異なるスラリー組成物を使用するステップをさらに含む。このステップは、三次元物体中に段階的構造を得るために、又は濃密な物体内に例えば（構造化したテクスチャをさらに有する）局部膜を提供するために使用することが有利であり得る。例えば、硬化性樹脂を含むスラリーを使用して異なる材料の１層又は複数層を提供するさらなる層堆積技術を、前述の高密度化／粒子結合ステップと共に断続的に使用してもよい。
上記方法の実施形態を、積層物体を生成するために付加製造装置を使用して実施してもよい。図２に示す本発明の装置の実施形態の概略図に示すように、装置は、所定厚さｄ１を有するスラリー３（又は懸濁液、ペースト、分散液）の層を提供するためのスラリーアプリケーター５を含み、ここで、スラリーは、最終的に物体を形成することになる液体及び（固体）粒子を含有する懸濁液であり、スラリー３は、１０〜７０％の粒子含有量を有する。さらに、スラリー３の層に作用する（任意選択の）高密度化ユニット６、並びにスラリー３の新しい層の塗布前に単一ステップの粒子結合プロセスを実施するようにスラリー３の層に同様に作用する粒子結合ユニット７（存在する場合、高密度化ユニット６の後）が存在する。この装置では、従来技術のＳＬＭ／ＳＬＳシステムが、粉末状材料の飛び散りを防止するためにレーザー溶融／焼結ポイントの周囲に保護環境を必要とするのとは対照的に、特別な環境は必要ない。
図２の実施形態に示すように、高密度化ユニット６は加熱装置でもよく、粒子結合ユニット７はレーザー装置である。レーザー装置は、例えば固体状態又は半導体（ダイオード）レーザーを使用するパルス又は連続波レーザーでもよい。粒子結合ユニット７は、溶融／焼結プロセスを実施するために特定の狭い場所にエネルギーを印加するように配列することができる。例えば、ＣＮＣ制御レーザー源を使用して、層３の全表面をある量の（パターン化した）放射線に暴露することができる。
さらに、付加製造装置は、スラリーアプリケーター５、高密度化ユニット６、及び粒子結合ユニット７に連結された制御ユニット８をさらに備えてもよい。制御ユニット８は、この実施形態においては前述の実施形態のうちのいずれか１つによる方法を実施するように配列される。これにより、三次元物体の付加製造の全プロセスを自動制御することが可能になる。さらに、制御ユニット８に関しての別法は、製造されている三次元物体の後続層に粒子結合プロセス（レーザー溶融／焼結）を行う際に新しい層３ａの最高位置（さらにはｘ−ｙ位置も）を制御するために、この制御ユニットを基体２にも（例えば台によって直接又は間接的に）連結させることである。
本発明の実施形態を、図面に示すいくつかの例示的な実施形態を参照して上記に説明した。いくつかの部分又は要素の変更及び代替実施は可能であり、添付の特許請求の範囲が規定する保護範囲に含まれている。

Claims (15)

  1. 積層物体を生成するための付加製造方法であって、
    スラリー（３）を、処理される層として塗布するステップであり、前記スラリー（３）が、最終的に前記物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液であり、前記スラリー（３）が、１０〜７０体積％の粒子含有量を有する、ステップと、
    前記スラリー（３）の新しい層の塗布前に粒子結合プロセスを実施するステップであり、前記粒子結合プロセスが単一ステッププロセスである、ステップと
    を含む方法。
  2. 前記粒子結合プロセスが、（レーザー）溶融又は（レーザー）焼結プロセスである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記粒子が、３００μｍ未満、例えば５μｍ未満の直径を有する、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記粒子結合プロセスの前に高密度化プロセスが行われる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記粒子が、金属粒子、金属前駆体材料粒子、ポリマー粒子、ガラス粒子の群のうちの１種又は複数種である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記スラリー（３）が、添加物をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記処理される層が、３００μｍ未満の厚さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 少なくとも前記粒子結合プロセス中、前記処理される層の上に保護ガスの流れを供給するステップをさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記粒子結合プロセスが、所定パターンで施される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記粒子結合プロセスの後に洗浄プロセスを行う、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記物体の新しい層に異なるスラリー組成物を使用するステップをさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 積層物体を生成するための付加製造装置であって、
    所定の厚さ（ｄ１）のスラリー（３）の層を提供するためのスラリーアプリケーター（５）であり、前記スラリー（３）が、最終的に前記物体を形成することになる液体及び粒子を含有する懸濁液であり、前記スラリー（３）が、１０〜７０体積％の粒子含有量を有する、スラリーアプリケーター（５）と；
    前記スラリー（３）の新しい層の塗布前に単一ステップの粒子結合プロセスを実施するように前記スラリー（３）の層に作用する粒子結合ユニット（７）と
    を備える、付加製造装置。
  13. 前記粒子結合ユニット（７）の前に前記スラリー（３）の層に作用する高密度化ユニット（６）をさらに備える、請求項１２に記載の付加製造装置。
  14. 前記粒子結合ユニット（７）が、レーザー装置である、請求項１２又は１３に記載の付加製造装置。
  15. 前記スラリーアプリケーター（５）、前記任意選択の高密度化ユニット（６）、及び前記粒子結合ユニット（７）に連結され、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法を実施するように配列される制御ユニット（８）をさらに備える、請求項１２、１３、又は１４に記載の付加製造装置。
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