JP2018536770A - 3次元プリンティング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明の目的は、3次元プリンティングにより成形された金属製品の機械的物性を保障できるようにする金属粉末が含まれた組成物を提供することにある。
Claims (37)
- 3次元プリンタの押出ヘッドに供給される原料として用いられる金属粉末含有組成物であって、
金属粉末と高分子バインダーを混練し粉砕および造粒化したものであることを特徴とする、3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。 - 前記金属粉末は、SUS−304LまたはSUS−316Lの鋼組成を有するオーステナイト系ステンレス金属粉末であることを特徴とする、請求項1に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記金属粉末は、C:0.03重量%以下、Si:1.0重量%以下、Mn:1.0重量%以下、Cr:18〜20重量%、Ni:10〜12重量%、Mo:0.2重量%以下、P:0.03重量%以下、S:0.03重量%以下、残部Feおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末であることを特徴とする、請求項2に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記金属粉末は、C:0.03重量%以下、Si:1.0重量%以下、Mn:1.5重量%以下、Cr:16〜18重量%、Ni:11〜14重量%、Mo:2〜3重量%、P:0.03重量%以下、S:0.03重量%以下、残部Feおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末であることを特徴とする、請求項2に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記高分子バインダーは、結合剤、可塑剤および潤滑剤を含むことを特徴とする、請求項3または4に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記金属粉末90.0〜94.0重量%、前記結合剤3.0〜5.0重量%、前記可塑剤2.5〜3.5重量%および前記潤滑剤0.5〜1.5重量%を含んで構成されることを特徴とする、請求項5に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記結合剤は、ポリエチレン(Polyethylene)共重合体であることを特徴とする、請求項6に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記可塑剤は、パラフィンワックス(Paraffin wax)であることを特徴とする、請求項6に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記潤滑剤は、ステアリン酸(Stearic acid)であることを特徴とする、請求項6に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 前記金属粉末と前記高分子バインダーが170℃以上の温度で混練され、ペレタイザーによって一定粒度を有するペレット(Pellet)に造粒化して製造されることを特徴とする、請求項6に記載の3次元プリンティング用の金属粉末含有組成物。
- 金属粉末と高分子バインダーを混練し粉砕および造粒化して金属粉末含有組成物を準備する原料準備ステップ、
前記金属粉末含有組成物を3次元プリンタの押出ヘッドに供給する原料供給ステップ、
前記押出ヘッドのノズルを介して溶融した金属粉末含有組成物をプレート表面に吐出して前記プレート上にプリント層を積層する積層ステップ、
前記積層ステップを繰り返し行って、印刷しようとする対象の3次元形状に前記プリント層を連続的に積層して半製品を成形する成形ステップ、
前記成形ステップで成形された半製品から前記高分子バインダーを除去する脱脂ステップ、および
前記脱脂ステップで高分子バインダーが除去された半製品を焼結および冷却して、前記印刷しようとする対象の3次元形状を有する最終鋼製品として抽出する焼結ステップを含むことを特徴とする、金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記原料準備ステップは、
前記金属粉末と高分子バインダーを混練し、一定粒度を有するペレット(Pellet)に造粒化して金属粉末含有組成物を準備することを特徴とする、請求項11に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記金属粉末は、SUS−304LまたはSUS−316Lの鋼組成を有するオーステナイト系ステンレス金属粉末であることを特徴とする、請求項12に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。
- 前記金属粉末は、C:0.03重量%以下、Si:1.0重量%以下、Mn:1.0重量%以下、Cr:18〜20重量%、Ni:10〜12重量%、Mo:0.2重量%以下、P:0.03重量%以下、S:0.03重量%以下、残部Feおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末であることを特徴とする、請求項13に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。
- 前記金属粉末は、C:0.03重量%以下、Si:1.0重量%以下、Mn:1.5重量%以下、Cr:16〜18重量%、Ni:11〜14重量%、Mo:2〜3重量%、P:0.03重量%以下、S:0.03重量%以下、残部Feおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末であることを特徴とする、請求項13に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。
- 前記原料準備ステップは、
前記金属粉末90.0〜94.0重量%、前記結合剤3.0〜5.0重量%、前記可塑剤2.5〜3.5重量%、前記潤滑剤0.5〜1.5重量%を混練し粉砕および造粒化して前記金属粉末含有組成物を準備することを特徴とする、請求項14または15に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記結合剤はポリエチレン(Polyethylene)共重合体であり、前記可塑剤はパラフィンワックス(Paraffin wax)であり、前記潤滑剤はステアリン酸(Stearic acid)であることを特徴とする、請求項16に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。
- 前記原料準備ステップは、
前記金属粉末と高分子バインダーを170℃以上の温度で混練することを特徴とする、請求項17に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記原料供給ステップは、
前記金属粉末含有組成物を造粒化したペレットを溶融した後、加圧射出して前記3次元プリンタの押出ヘッドに供給することを特徴とする、請求項12に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記原料供給ステップは、
前記金属粉末含有組成物を造粒化したペレットを前記3次元プリンタの押出ヘッドに供給して、前記押出ヘッドから発生する熱によって溶融させることを特徴とする、請求項12に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記脱脂ステップは、
前記半製品を溶媒に浸漬させて前記高分子バインダーのうち前記可塑剤と潤滑剤を除去する溶媒脱脂ステップ、および
前記溶媒脱脂ステップで半製品を加熱して前記高分子バインダーのうち前記結合剤を除去する熱間脱脂ステップを含むことを特徴とする、請求項12に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記溶媒脱脂ステップは、
前記半製品を25〜35℃のテトラヒドロフラン(Tetrahydrofuran)またはヘプタン(Heptane)溶媒に24時間以上浸漬させて前記可塑剤と潤滑剤を除去することを特徴とする、請求項21に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 熱間脱脂ステップは、
窒素(N2)雰囲気で500℃にまで段階的に昇温しながら前記半製品を加熱して前記結合剤を除去することを特徴とする、請求項21に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記焼結ステップは、
真空雰囲気で1,000℃にまで段階的に昇温しながら前記半製品を加熱する一般焼結ステップ、
1,000〜1,200barのアルゴン(Ar)雰囲気で、1,350℃にまで段階的に昇温した後、1,350℃で1〜3時間維持させて前記半製品を加熱する熱間静水圧焼結ステップ、および
前記半製品を常温にまで冷却して最終鋼製品を抽出する冷却ステップを含むことを特徴とする、請求項12に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 前記焼結ステップ前に、
前記脱脂ステップで前記高分子バインダーが除去された半製品を真空雰囲気で900℃にまで段階的に昇温しながら加熱する仮焼結ステップをさらに含むことを特徴とする、請求項24に記載の金属粉末含有組成物を原料とする3次元プリンティング方法。 - 外部から金属粉末含有組成物の供給を受け、供給を受けた金属粉末含有組成物を射出する原料供給部、
前記原料供給部から射出された金属粉末含有組成物を移送させる第1移送パイプ部、
前記第1移送パイプから供給を受けた金属粉末含有組成物を吐出して、印刷しようとする対象の3次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品を成形する3次元プリンティング部、
前記3次元プリンティング部により成形された半製品からバインダーを除去する脱脂部、および
前記3次元プリンティング部により成形された半製品を焼結する焼結部を含むことを特徴とする、3次元プリンティング装置。 - 前記原料供給部は、
外部から金属粉末含有組成物の供給を受けるホッパー部、
前記ホッパー部と連結された移送通路を備えるバレル部、
前記バレル部の内部に位置し、バレル部の内部の金属粉末含有組成物を射出させる射出手段、
前記バレル部の内部の金属粉末含有組成物を加熱する加熱部、および
前記バレル部と前記第1移送パイプを連結するダイ部を含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記第1移送パイプ部は、前記第1移送パイプ部の内部で移動する金属粉末含有組成物を加熱する加熱コイル部を備えることを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。
- 前記3次元プリンティング部は、
第1軸ガイド、第2軸ガイド、および第3軸ガイド、
前記第1軸ガイド、第2軸ガイド、および第3軸ガイドにおいて軸に沿って移動できる複数のキャリッジ、
前記キャリッジと連結される複数の支持軸、
前記複数の支持軸に連結される移動部、
前記移動部に固定され、供給された金属粉末含有組成物を押出させる押出ヘッド、および
前記押出された金属粉末含有組成物を吐出するノズルを含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記3次元プリンティング部は、
第1軸ガイド、第2軸ガイド、および第3軸ガイド、
前記第1軸ガイド、第2軸ガイド、および第3軸ガイドの各々に固定され、前記第1軸ガイド、第2軸ガイド、および第3軸ガイドに平行する複数のベルト、
前記複数のベルトに沿って移動できる複数のキャリッジ部、
前記キャリッジと連結される複数の支持軸、
前記複数の支持軸に連結される移動部、
前記移動部に固定され、供給された金属粉末含有組成物を押出させる押出ヘッド、および
前記押出された金属粉末含有組成物を吐出するノズルを含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記支持軸は前記キャリッジに対してヒンジ運動をし、
前記支持軸は前記移動部に対してヒンジ運動をすることを特徴とする、請求項29または30に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記脱脂部は、
前記半製品からバインダーを抽出する溶媒脱脂部を含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記脱脂部は、真空または不活性ガス雰囲気で脱脂を行う熱脱脂部をさらに含み、
前記熱脱脂部は、チャンバー部、前記チャンバー部内の圧力を減少させる真空装置、前記チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する雰囲気ガス装入装置、および前記チャンバー部の温度を調節する温度調節部を含むことを特徴とする、請求項32に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記焼結部は、焼結チャンバー部、前記焼結チャンバー部内の圧力を減少させる焼結真空装置、前記焼結チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する焼結雰囲気ガス装入装置、および前記焼結チャンバー部の温度を調節する焼結温度調節部を含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。
- 前記原料供給部は、
前記金属粉末含有組成物を金属粉末とバインダーを混練したペレット(Pellet)の形態で原料供給部に供給し、
前記バインダーは、結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記3次元プリンティング部は、
押出機ステップモータ、
前記押出機ステップモータの回転軸に連結された第1ギア部、
前記第1ギア部に係合し、前記第1ギア部より大きい直径を有し、回転中心に押出ローラが備えられた、第2ギア部、
前記第2ギア部の回転時、前記第2ギア部の反対側から金属粉末含有組成物を支持しつつ回転する押出ベアリング、および
前記押出ローラと前記押出ベアリングによって押出される金属粉末含有組成物をノズル側に移送させる押出フィード部を含むことを特徴とする、請求項26に記載の3次元プリンティング装置。 - 前記3次元プリンティング部は、
前記ノズルの温度を測定するノズル温度測定部、および
前記ノズル温度測定部により測定された温度値に基づいてノズルを加熱するノズルヒータをさらに含むことを特徴とする、請求項36に記載の3次元プリンティング装置。
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