JP2024512427A - 充填材が充填される少なくとも１つの体積室を用いた、部品の付加製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る部品の付加製造方法は、少なくとも１つの押出機による部品１の少なくとも１つの部品層１０の付加製造時に、第１作業工程で、初めに、層平面上に延在し、かつ、前記層平面と直交する伸長方向に延設されて体積領域１００の少なくとも一部の境界となるように意図された少なくとも１つの外壁１０１，１０２を含む、部品層１０の外郭部１０Ａが作製されると共に、体積領域１００内には、伸長方向に開口した少なくとも１つの体積室２が形成されて、後続の少なくとも１つの第２作業工程で、少なくとも１つの体積室２に、充填材が少なくとも部分的に充填される。

Description

本提案の解決手段は、特には、部品の付加製造方法に関する。

３Ｄ造形装置（３Ｄプリンター）を用いた部品の付加製造では、部品が積層状に構築される。この場合、押出機、特には、押出機内に設けられた少なくとも１つの押出スクリューによって、例えば金属及び／又はセラミックス及び／又はプラスチックの顆粒が溶融されて該押出機の造形ヘッド（プリントヘッド）に運搬され、該造形ヘッドから積層状に部品が構築される。実際に、これまでの３Ｄ造形の場合、製造される部品のうちの中実な本体部は、通常、各部品層の表面全体に造形材料を適用することによって作製される。このため、造形ヘッドは、造形材料を適用し続けながら部品層のうちの対応する面全体にわたって移動する。

以上の背景に対し、製造される部品に望まれる具体的な特性を踏まえながら付加製造を高速化することが可能な且つ／或いは付加製造の自在性を高めることが可能な造形戦略、つまり、方法の改良がいまなお求められている。

上記の目的は、請求項１の製造方法および請求項１９の３Ｄ造形装置の双方で達成される。

具体的に述べると、この場合、本提案の解決手段では、製造される部品の少なくとも１つの部品層を３Ｄ造形装置の少なくとも１つの押出機によって付加製造する際に、
第１作業工程で、初めに、層平面上に延在し、かつ、前記層平面と直交する伸長方向に延設されて体積領域の少なくとも一部の境界となるように意図された少なくとも１つの外壁を含む、前記部品層の外郭部が作製されると共に、前記体積領域内には、伸長方向に開口した少なくとも１つの体積室が形成されて、
後続の少なくとも１つの第２作業工程で、前記少なくとも１つの体積室に、充填材が少なくとも部分的に充填される。

したがって、本提案の製造方法または造形方法の過程では、第１に、少なくとも１つの体積領域および伸長方向に開口した少なくとも１つの体積室を含む、部品の外郭部を積層状に造形し、それが済んでから初めて、後続の第２の作業工程で、既に作製済みの前記少なくとも１つの体積室に、充填材を少なくとも部分的に充填する。つまり、例えば、前記部品層の構築は、前記体積室への充填によって完了する。具体的に述べると、これには、前記少なくとも１つの体積室の全体またはその一部のみに充填材を充填することが含まれる。このようにして、例えば、完成部品のうちの中実な本体部を構成するように意図された部品層では、初めに、前記押出機を造形面上で移動させて、連続した体積室を押出成形で比較的素早く作製し終えてから、後続の作業工程で、これらの室への充填材の充填が行われ得る。そのため、特に、中実な本体部の作製にあたって、造形材料を完全適用する必要がなくなるので、３Ｄ造形方法の高速化を実現することができる。

つまり、本提案の方法の過程では、第１作業工程で、初めに、前記部品層のうちの、直交座標系に基づくｘｙ平面上に延在する外郭部と共に、ｚ方向に開口した少なくとも１つの体積室を含む体積領域の少なくとも一部の境界となるように意図されて前記ｚ方向に延設される、少なくとも１つの外壁も作製され得る。

原則として、本提案の解決手段では、現在作製中の部品層全体にわたって前記少なくとも１つの体積室が延在せしめられてから、該体積室に対する充填が行われる。つまり、前記少なくとも１つの体積室に対する少なくとも部分的な充填が終わってから、製造される部品の（前記伸長方向の）次の部品層が作製される。

また、造形材料の適用形態や造形面への造形材料の堆積形態は、前記外郭部や体積室を作製するのか、それとも体積室への充填を行うのかによって異なり得る。例えば、前記外郭部および体積室の作製には造形材料が線単位で適用される一方、体積室の充填には射出成形法のように大量の造形材料（つまり、体積室に対する充填材）が点単位で押出成形され得る。

特に、少なくとも１つの体積室が設けられることから、製造される部品の機械的特性は、選択的に個別調整を図ることが可能となっている。選択的な個別調整は、例えば、１つの体積室又は複数の体積室を充填材で充填しない又は多くとも部分的に充填し、かつ／あるいは、前記外郭部の造形に用いられる造形材料とは異なる材料を前記充填材に使用し前記少なくとも１つの押出機の造形ヘッドから適用することで行われる。本例では、前記造形装置の押出機が、前記造形材料を造形ヘッドに運搬する少なくとも１つの押出スクリューを有し、該造形ヘッドが、前記造形材料の適用を行う少なくとも１つのノズルを有して構成されている。任意で、該ノズルは、前記押出機の筐体において交換可能に留め付けられたものとされる。

例えば、本提案の方法の一例では、前記体積領域内に、複数の（少なくとも２つの）体積室が形成されて、該体積室同士は、前記少なくとも１つの押出機によって前記部品層に作製された少なくとも１つの中間壁によって隔てられる。つまり、前記第１作業工程で、前記外壁で境界決めされた前記体積領域内に、前記押出機の造形ヘッドによって少なくとも１つの中間壁が作製される。これにより、前記中間壁は、体積室に対する、後で導入される前記充填材のための境界となる。

前記体積領域内に、前記複数の体積室が所定のパターンで配置され得る。よって、例えば、前記３Ｄ造形装置のメモリに、作製される前記体積室の指定のパターンが記憶されている。このようなパターンは、適用場面、特には、製造される部品や部品の部分に応じて可変とされ得る。

例えば、前記体積室は、前記パターンで規則的または不規則的に、分布して形成され且つ／或いは配置される。例えば、パターンは、同一に形成された体積室の規則的な配置構成からなり得る。ただし、不規則に分布した異なる寸法の体積室からなるパターンの指定も同じく可能である。

一例では、少なくとも１つの前記体積室が、ハニカム状または溝状である。具体的に述べると、これには、ハニカム状の体積室を複数具備したハニカム構造を現在作製中の部品層の体積領域内に作製することが含まれる。具体的に言えば、３Ｄハニカムパターンを作製することが可能であり、後続の第２作業工程で、それに属するハニカム状の体積室に、充填材がいずれにせよ少なくとも部分的に充填されることになる。

これに代えて又はこれに加えて、少なくとも１つの前記体積室が、矩形状および／または三角形状および／または環状（特には、円環状または楕円状）の底面を有して形成されてもよい。

一例において、各体積要素のサイズおよび形状は、例えば、後で押出成形される前記充填材によって各体積要素を隙間なく満たされることができて最大限に高い部品密度となるように指定される。例えば、立体的な六角形のような体積室の幾何形状は、このような造形戦略にとって好都合である。しかしながら、充填される体積室の構造としては、それ以外に、例えば、上述した他の幾何形状も有利であり得る。

また、部品層内の各体積室のサイズおよび形状は、例えば、前記部品内においてトポロジー的に最適化された力の束（力の流れ）を実現することが可能なものとされる。任意の構成として、体積室に対する充填は、例えば、製造される部品のうちの荷重支持部にのみ行われてもよい。また、形成される体積部の一部は、軽量化のために意図的に未充填のまま、つまり、空のままとされてもよい。つまり、具体的に述べると、軽量構造の観点から、一例では、前記複数の体積室の一部のみに、充填材を（完全）充填するということも可能である。よって、作製済みの体積室の一部は空のままとなり、製造される部品内に所定の大きさの空洞が形成される。

製造される部品に特定の機械的特性および／または熱的特性を設定する目的で、本提案の方法の一例では、第１の一部の前記体積室に第１充填材が充填されて、少なくとも１つのさらなる一部の前記体積室に前記第１充填材とは異なる第２充填材が充填される。つまり、例えば、製造される部品内で種々の制動性（防振性）を実現するために、作製した各体積室の充填に複数種の充填材の使用を提案するということが可能である。別種の充填材を使用するという構成には、例えば、少なくとも１種の充填材を、発泡特性を有する材料および／または振動減衰充填材とすることが含まれ得る。

これに取って代わる構成又はこれに追加する構成として、前記少なくとも１つの外壁および前記少なくとも１つの中間壁を、同じ材料または異なる材料から作製するという構成がある。達成可能な製造速度の利点を考慮すると、前記少なくとも１つの外壁の作製と前記少なくとも１つの中間壁の作製の両方に完全同一の材料を使用することは好都合であり得る。このとき、特に、前記外壁の特性と中間壁の特性を異ならせるという目的で、前記少なくとも１つの外壁と前記少なくとも１つの中間壁とで、作製する壁厚を異ならせるということも可能である。しかし、当然ながら、外壁および中間壁を異なる材料から作製する場合においても、壁厚を異ならせるという構成は好都合であり得る。

一例では、例えば、前記少なくとも１つの外壁の壁厚が、所定の最小壁厚値よりも大きいものとされ、該外壁のこの最小壁厚値が、前記少なくとも１つの中間壁の最大壁厚値よりも大きいものとされる。つまり、結果として、中間壁は外壁よりも所定量だけ常に薄くなる。この構成は、例えば、後続の押出成形工程で後から導入した前記充填材により前記中間壁は少なくとも局所的に溶融する一方で、前記外郭部は該充填材の導入にかかわらず常に確実に未破損のままとするのに有利であり得る。

体積室を複数設ける際には、原則として、前記少なくとも１つの外壁および前記少なくとも１つの中間壁を、前記３Ｄ造形装置のうちの異なる造形ヘッドを用いて作製することが可能である。例えば、３Ｄ造形装置のうちの種々の造形ヘッドから適用を行うという構成により、異なる壁厚の壁を一回の作業工程で作製することが可能となる。

一例では、完成部品のうちの中実な部分の強度を最大限に高くするために、前記充填材が、前記少なくとも１つの押出機によって溶融状態で前記少なくとも１つの体積室に導入されると共に、体積室同士を隔てる既に作製済みの前記少なくとも１つの中間壁を少なくとも局所的に溶融する。この場合、例えば、溶融した前記充填材を前記少なくとも１つの体積室に導入することで既に作製済みの前記中間壁が少なくとも局所的に溶融されることになるよう、押出成形工程のプロセスパラメータ、特には、溶融した前記充填材の温度および／または適用圧力および／または流速、ならびに前記少なくとも１つの中間壁の作製に使用される材料および／または体積室の充填に用いられる材料および／または前記少なくとも１つの中間壁の壁厚が互いに調整される。具体的に言えば、これには、導入した前記充填材によって前記少なくとも１つの中間壁が溶融または融解されることで該充填材が前記少なくとも１つの中間壁と一体的な結合を形成することが含まれる。例えば、前記少なくとも１つの中間壁の作製に使用される材料と充填物の形成に用いられる材料（充填材）とが同一である場合、その材料は、溶融して導入された該材料（充填材）によって既に作製済みの前記中間壁が少なくとも局所的に溶融するように融点および／または熱的特性および／または流動性が調整される（さらには、前記少なくとも１つの中間壁の壁厚も調整される）。これにより、完成後の部品層の中実な本体部が高強度となる。

これと対照的な構成では、前記充填材が、作製済みの前記外郭部を損なうことなく、前記少なくとも１つの押出機によって溶融状態で前記少なくとも１つの体積室に導入されるように意図される。この場合、例えば、例えば、前記充填材を前記少なくとも１つの体積室に溶融導入しても既に作製済みの前記外郭部が損なわれることがないように、特には、前記充填材の導入によって前記少なくとも１つの外壁が変形したり破損したり破壊されたりしないように、押出成形工程のプロセスパラメータ、特には、溶融した前記充填材の温度および／または適用圧力および／または流速、ならびに前記少なくとも１つの中間壁の作製に使用される材料（例えば、該材料の融点等）および／または前記少なくとも１つの外壁の壁厚が互いに調整される。このようにして、現在作製中の部品層における既に作製済みの前記外壁および該外壁が形成する前記外郭部を維持しながら、複数の体積室のうちの任意の体積室に前記充填材が導入される。

完成部品の部品密度のさらなる個別調整および／または最適化を図るために、前記少なくとも押出機により、前記伸長方向に、前記部品の少なくとも１つのさらなる部品層が少なくとも１つのさらなる体積室を有して作製されて、前記少なくとも１つのさらなる体積室が、下に位置する前記層の前記少なくとも１つの体積室に対して、
－前記伸長方向と直交するｘ方向またはｙ方向にずれたように、かつ／あるいは、
－前記ｘ方向と平行なｘ軸回りに回転したように、かつ／あるいは、
－前記ｙ方向と平行なｙ軸回りに回転したように、
設けられ得る。例えば、各体積室を（特には、前記伸長方向において）ずれるように配置することにより、仕切り面としての弱点が防止されると共に、前記部品内の亀裂の形成及び／又は成長が阻止される。例えば、３Ｄハニカム構造の場合、つまり、各体積室が立体的な六角形の様式のハニカム状である場合、相応のずれが最初から内在している。各体積室が直方体状である場合には、例えば、対応する部品層について、最初の直方体の列および最後の直方体の列の前記伸長方向の高さを異なる高さに設定することにより、相応のずれを達成することができる。

本提案の方法において、前記外郭部の作製および／または前記充填材の形成に用いられる材料は、プラスチック材料、金属またはセラミックスを構成成分として含有し得る。具体的に述べると、金属および／またはセラミックスおよび／またはプラスチックの顆粒が、前記３Ｄ造形装置の前記押出機に供給されて前記外郭部および／または体積室に対する充填物を形成し得る。変形例として、例えば、フィラメントによる作製やワイヤアーク積層造形法（ＷＡＡＭ）による作製も可能である。

本提案の解決手段の他の態様は、部品の付加製造を行う３Ｄ造形装置に関する。本３Ｄ造形装置は、少なくとも１つの押出機と、前記押出機を制御する少なくとも１つのプロセッサと、前記プロセッサ宛ての制御命令の少なくとも１つのメモリと、を備えて、前記部品を積層状に構築する。本提案の３Ｄ造形装置の場合、前記メモリは命令（制御命令）を含有し、前記命令は、前記少なくとも１つのプロセッサにより実行されることで、前記部品の少なくとも１つの部品層の付加製造時に、前記押出機に、
－第１作業工程で、初めに、層平面上に延在し、かつ、前記層平面と直交する伸長方向に延設されて体積領域の少なくとも一部の境界となるように意図された少なくとも１つの外壁を含む、前記部品層の外郭部を作製すると共に、前記体積領域内に、伸長方向に開口した少なくとも１つの体積室を形成する手順、および
－後続の少なくとも１つの第２作業工程で、前記少なくとも１つの体積室に、充填材を少なくとも部分的に充填する手順、
を実行させる。

一例では、前記少なくとも１つの押出機により、前記伸長方向に、前記部品の少なくとも１つのさらなる部品層が作製されて、前記押出機によって当該少なくとも１つのさらなる部品層の形成材料が適用される前に、前記少なくとも１つの体積室を有する作製済みの前記部品層の平滑化を行うことが提案される。これにより、まず、さらなる部品層を作製する前に、作製済みの部品層のうちの、前記伸長方向に突出した余剰の材料（特には、体積室の充填に用いられる充填材）を、選択的に除去することができる。前記平滑化は、例えば、前記押出機のうちの、前記材料を適用するのに設けられたホットノズル（まだ高温な状態のノズル）、および／または、前記少なくとも１つの体積室を有する作製済みの前記部品層に沿って動かされる別体の少なくとも１つの平滑化要素、特には、ドクターブレード、ブレード、ワイヤまたはローラを用いて行われ得る。

このように、本提案の３Ｄ造形装置は、特に、本提案の製造方法の任意の例を実施するのに適している。よって、本提案の製造方法の前述の例および後述の例の特徴や利点は、本提案の３Ｄ造形装置の任意の例にも当てはまり、その逆も然りである。

一例において、前記命令（制御命令）を含有する前記メモリは、前記３Ｄ造形装置の前記押出機から空間的に分離していてもよい。例えば、前記３Ｄ造形装置は、少なくとも１つの押出機を有する押出機ユニットおよび製造される部品の造形プラットフォームが設けられたハウジングと、前記少なくとも１つのプロセッサおよび前記メモリを含み前記ハウジング内部に収められているか又は前記ハウジング外部に配置された演算部と、を備える。そして、例えば、前記演算部では、前記押出機の前記制御命令を含む制御ソフトウェアが実行され得る。

添付の図面に、本提案の解決手段の想定され得る例を例示する。
本提案の方法の一例で付加製造される部品の部品層を示した図であり、図示の部品層には、体積室からなる決まったパターンが既に形成されており、同パターンの各体積室には充填材が少なくとも部分的に充填されている。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室の他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 本提案の方法の一例による付加製造時に部品の一部に形成されて後で充填材が少なくとも部分的に充填される、ある形状の体積室のさらなる他のパターン例を示した図である。 現在作製中の部品層の体積室が複数種の材料で充填されたさらなる例を示す、図１と同様の斜視図である。 体積室への充填材の充填がチェック状のパターンのようにずらして行われる、一改良例の平面図である。 図４の切断線Ａ－Ａによる、図４の部品の断面図である。 本提案の解決手段の一例のフロー図である。 先行技術から知られる方法で部品層を表面全体にわたって形成した場合の、図１および図３の部品の製造の様子を示す図である。

図６に、先行技術から知られる付加製造法によって製造される、歯車状の部品を示す。この場合の部品１は、３Ｄ造形装置を用いて例えばプラスチック材料から積層状に構築される。図６では、複数の部品層１０のうちの、ある部品層１０の作製の様子が描かれている。図示の部品層１０の形成時には、一回の作業工程で外郭部１０Ａと部品層１０の部品部１０３（部品１の２つの外壁１０１．１０２間に設けられるように意図された中実な本体部として形成される部分）とを形成するように、作製に使用されるプラスチック材料が前記３Ｄ造形装置の押出機の造形ヘッドＥから適用される。本例では、歯車状の部品１のうちの対応する部品部１０３が、部品１の中心点を基準として、径方向外側に位置した外壁１０１と径方向内側に位置した外壁１０２との間に延在している。径方向内側に位置した外壁は、部品１の貫通開口部１１の外周を境界付けている。よって、部品層１０の中実な部品部１０３を作製するにあたっては、相対的に大量の溶融した造形材料、例えば、プラスチックの顆粒を、造形ヘッドＥから表面全体にわたって適用する必要がある。そのため、部品層１０の作製は、相対的に多大な時間を要する。また、例えば、部品部１０３の各領域を異なる機械的要件に応じて調節するということも簡単に可能でない。本提案の解決手段は、この点を助けるものである。

例えば、図１の例では、まず、部品１について、第１作業工程で、初めに、現在作製中の部品層１０のうちの、延伸方向（ｚ方向）に延設される外壁１０１，１０２を含む外郭部１０Ａが、本例において直交座標系のｘｙ平面と合致する層平面上に吹付形成または造形される。このとき、外壁１０１，１０２間に存在する体積領域１００には、その表面領域全体にわたって造形材料を充填しない。むしろ、前記３Ｄ造形装置の造形ヘッドＥを用いて、体積領域１００に体積室２のパターン２００を作製する。この目的で、体積領域１００には、個々の体積室２同士を隔てる中間壁２００が造形ヘッドＥから吹付形成される。

図１の例では、直方体状の体積室２からなる規則的なパターン２００が設けられる。このとき、各体積室２の直方体の、ｘｙ平面における一辺の長さは、部品層１０の外郭部１０Ａを画定する一方の外壁（第１外壁）１０１と他方の外壁（第２外壁）１０２との間の距離よりも短い。つまり、体積領域１００には、ハニカム構造のようなパターン２００が形成される。

次に、後続の第２作業工程で、作製済みの体積室２に、造形ヘッドＥを用いて充填材が全体的にまたは少なくとも部分的に充填される。このとき、体積室２への充填物３には、外壁１０１，１０２を作製したものと同じ造形材料が使われてもよい。変形例として、充填物３に用いられる材料（充填材）は、別の造形材料とされてもよい。また、中間壁２０を作製したときの材料も、外壁１０１，１０２の作製に用いる材料や前記充填物と同じ材料であってよいし、あるいは、異なる材料であってもよい。

最大限に高い部品密度および高い機械的強度を達成するために、前記第２作業工程において、全ての体積室２に充填材を隙間なく充填して充填物３を設けるようにしてもよい。ｚ方向に開口した全ての体積室２に充填を行うという構成でも、先行技術から知られる図６の例、つまり、一回の作業工程で造形ヘッドＥを体積領域１００の表面領域全体にわたって完全に移動させる場合と比べて、中実の体積領域１００、つまり、連続した中実な部品本体部の作製の作製時間を大幅に短縮することができる。

本例では、溶融した前記充填材の体積室２への導入によって既に作製済みの外郭部１０Ａを損なうことがないようにしつつ、溶融した該充填材によって既に製造済みの各中間壁２０が少なくとも局所的に溶融するように、実施する押出成形工程のプロセスパラメータが具体的に調節される。詳細には、この目的のために、押出成形工程で使用される材料や押出成形工程で使用される材料の流動性および熱的特性に応じて、外壁１０１，１０２の壁厚ｄＡおよび中間壁２０の壁厚ｄＺが調節される。つまり、例えば、壁厚ｄＡは、体積室２に対して後から押出成形された材料（充填材）が外郭部１０ａを変形させたり破損させたり破壊したりすることがないような寸法とされる。そして、体積室２の仕切り壁として機能する内部壁である中間壁２０は、体積室２に対して後から押出成形された材料（充填材）によって溶融または融解するような小さい壁厚ｄＺを有して作製される。結果として、完成部品１の体積領域１００は、相対的に高強度になることが可能である。

図２Ａ～図２Ｍに例示するように、一部の例を参照すると、複数の体積室２からなるパターン２００は、用途に応じた様々な設計が可能である。つまり、例えば、部品層１０内の体積室２のサイズや形状を変化させることで、完成部品１内の力の束（力の流れ）を確実に最適化させることも可能である。具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、体積室２が長方形状の底面を有するパターン２００が考えられ得る。同様に、正方形状（図２Ｃ）、三角形状（図２Ｄ）または星形状（図２Ｅ）の底面を有する体積室２からなる図２Ｃ、図２Ｄおよび図２Ｅに対応するメッシュ状のパターン２００も可能である。パターン２００では、直方体状（図２Ｆ）または環状（図２Ｇ）の体積室２も可能である。これには、特に、図２Ｇの環状かつ溝状である体積室２の同心状の配置構成が含まれる。図２Ｈ及び図２Ｉのパターン２００に対応したハニカム構造も可能である。ここで、図２Ｉのパターン２００は、立体（３Ｄ）ハニカムパターンを表したものである。目的に応じたパターン２００を形成するにあたって、ジャイロイド状構造（図２Ｊ）、ヒルベルト関数により定まる幾何形状（図２Ｋ）、螺旋状軌跡（図２Ｌ）、オクタグラム状の構造および螺旋状に設けられた構造（図２Ｍ）も可能である。

また、ここで、各パターン２００の体積室２は、部品１の内部に確実に空洞を設けて軽量化を行うように、一部が未充填のままとされてもよい。

これに代えて又はこれに加えて、図３の例を参照して説明するが、各体積室２に対して異なる充填物３，４が設けられてもよい。この場合、例えば、さらなる充填物となる第２充填物４を別種の充填材とすることにより、特定の材料特性の組合せの実現が可能となる。例えば、第２充填材４は、発泡特性および／または振動減衰効果を有するものとされ得る。

図３の例では、この場合も同じく、初めに、現在作製中の部品層１０に、部品１の外郭部１０Ａが壁厚ｄＡを有して造形される。さらに、体積領域１００内に、様々な形状や大きさを有し得る体積室２が合わさってなるｚ方向に開口した内部構造が造形される。このとき、体積室２同士を空間的に隔てるために設けられた中間壁２０は、より小さい壁厚ｄＺを有する。後続の第２作業工程では、このようにして作製された体積室２が、例えば、第２押出機または別の造形ヘッドによって、あるいは、任意で、同じ押出機または造形ヘッドＥによって同じ造形材料または別の造形材料を充填されて閉じられる。このとき、押出成形工程のプロセスパラメータ、特には、中間壁２０および外壁１０１，１０２の作製にそれぞれ使用される材料ならびに壁厚ｄＡおよび壁厚ｄＺは、
（ａ）溶融した前記充填材を体積室２に導入することで既に作製済みの中間壁２０が少なくとも局所的に溶融されることにより、該充填材が中間壁２の部分的に溶融した材料と一体的な結合を確立するように、かつ、
（ｂ）溶融した前記充填材の体積領域１００の体積室２への導入によって、既に作製済みの外郭部１０Ａを損なうことがないように、
互いに調整される。

また、一例では、さらなる部品層を形成するための材料を適用する前に、体積室２を有する作製済みの部品層１０の平滑化が追加で行われ得る。これにより、まず、さらなる部品層を作製する前に、ｚ方向に突出した余剰の材料を選択的に除去することができる。前記平滑化は、例えば、造形ヘッドＥのホットノズル（まだ高温な状態のノズル）、および／または、体積室２を有する作製済みの部品層１０に沿って動かされる別体の例えばドクターブレード、ブレード、ワイヤ、ローラ等の少なくとも１つの平滑化要素を用いて行われ得る。

図４及び図４Ａは、製造される部品１の部品層１０を示した図であるが、体積室２への充填がｚ方向にずらすようなかたちで行われる。この場合、充填済みの体積室２は、ｘｙ平面での配置がチェック状のパターンになる。

図４は、チェック状のパターンに配置された充填済みの体積室２および未充填の体積室２を有する、部品層１０の平面図である。断面図である図４Ａにて明らかなように、この場合、現在作製中の部品層１０では、体積室２に対する充填材３の充填がまばらにしか行われていない。図４及び図４Ａで波線のハッチングを施しているものが、これに該当する。本例では、先行する作業工程で既に充填済みの体積室に符号２Ｆを付している。現在の部品層１０において、充填材３が充填される各体積室２の隣りには、未充填の体積室２が設けられている。この時点で充填済みの体積室２は、それら未充填の体積室２と比べて、ｚ方向の高さが高くなっており、すなわち、境界決めする中間壁２０の高さが（本例では、あくまでも一例として室の高さの約１／２だけ）高くなっている。

充填工程が終わると、部品層１０の平滑化が行われる。次に、さらなる部品層１０の構築が続いて行われる。前記さらなる部品層１０の作製にあたっては、未充填のまま放置されていた体積室２に対し、充填材３が（この時点では高さの１／２だけ）充填される。そして、この充填の後に、ｘｙ平面と平行に平滑化が再び行われる。よって、このような積層構築が所望の部品高さに達するまで実行されることで、図４Ａに例示的に再現した最終的な部品輪郭１０Ａ’を有する部品１が製造される。

図５は、本提案の解決手段に係る３Ｄ造形方法、特には、図１～図４Ａの部品１の製造方法の例示的なフロー図である。

第１作業工程では、初めに、製造される部品１の少なくとも１つのベース層が造形される。その後、体積室２を用いて個々の部品層１０を作製することで積層構築が行われる。このとき、ｚ方向に重なる部品層１０が逐次的に作製される。この場合、初めに、外壁１０１，１０２および中間壁２０が経路的に作製される。つまり、外郭部の経路と中間壁の経路が造形される。このとき、中間壁２０の数、現在作製中の部品層１０の層の高さ、および造形ヘッドＥのノズル径が、中間壁２０の壁厚ｄＺを決める。

外壁１０１，１０２および中間壁２０が経路的に作製された後は、前記押出機が、既に作製済みの各体積室２上に造形ヘッドＥと共に移動してこれらに対する充填を行う。この際、体積室２が充填されている間、特に、隅部領域では、前記押出機の造形ヘッドＥは静止状態に配置されるか、あるいは、多くとも僅かな移動しか行わない。結果として、外壁１０１，１０２および中間壁２０の作製とは対照的に、積層しながらの経路上の移動は発生しない。むしろ、体積室２の充填を行うにあたっては材料（充填材）を射出成形法のように押出成形することになるので、体積室２への充填は持続的な容積充填となる。このとき、適用される材料の温度および量は、体積室２同士の架橋結合に所望の影響を生じさせるものとされる。作製中の部品層１０において、充填対象の体積室２の充填が完了すると、平滑化および体積室２の閉鎖が行われる。

ここで、各体積室２の作製と各体積室２の選択的充填からなる前記積層構築は、製造される部品１が目標の部品高さに達するまで繰り返される。次に、ｚ方向で層変更を行って、部品１に設けられる少なくとも１つのカバー層の造形を実施する。

本提案の解決手段により、体積室２が大きく連続して押出成形される部品１のような３Ｄ造形部品の、層ベースの弱点を克服することのできる造形戦略がもたらされる。また、これに関連して、完成させる部品１のうちの連続した各部品層１０において、別々の部品層の体積室２がずれて配置されてなる体積室２のパターン２００を形成することも可能になる。具体的に言えば、体積室２をｚ方向にずらして配置することにより、仕切り面としての弱点が防止されると共に、該仕切り面での亀裂の形成または少なくとも亀裂の成長を阻止することが可能になる。立体ハニカム構造では、このようなずれがハニカム状の体積室２間に最初から内在している。直方体状の体積室２の場合には、例えば、ｚ方向に連続した部品層または直方体の列のうちの、最初の部品層（直方体の列）および最後の部品層（直方体の列）において様々な高さを導入することによって、相応のずれを達成することが可能である。

本提案の方法およびこのために提供される３Ｄ造形装置は、図１～図４Ａのような部品１または部品層１０を製造／作製するための相応の様式で該３Ｄ造形装置の少なくとも１つの押出機を作動させるための相応の制御命令を含有したメモリを備えており、プラスチック材料、金属材料およびセラミックス材料のいずれを使用することも可能である。具体的に言えば、対応する押出機は、金属および／またはセラミックスおよび／またはプラスチックの顆粒を処理して、部品１を製造することが可能である。

１ 部品
１０ 部品層
１００ 体積領域
１０１ 第１外壁
１０２ 第２外壁
１０３ 部品部
１０Ａ、１０Ａ’ 外郭部
１１ 貫通開口部
２，２Ｆ 体積室
２０ 中間壁
２００ パターン
３ 充填物
４ （第２充填材を含有する）充填物
ｄＡ，ｄＺ 壁厚
Ｅ 造形ヘッド

Claims (19)

1. 部品（１）が３Ｄ造形装置の少なくとも１つの押出機によって積層状に構築される、部品（１）の付加製造方法において、
   前記少なくとも１つの押出機による前記部品（１）の少なくとも１つの部品層（１０）の付加製造時に、
   第１作業工程で、初めに、層平面上に延在し、かつ、前記層平面と直交する伸長方向（ｚ）に延設されて体積領域（１００）の少なくとも一部の境界となるように意図された少なくとも１つの外壁（１０１，１０２）を含む、前記部品層（１０）の外郭部（１０Ａ）が作製されると共に、前記体積領域（１００）内には、伸長方向（ｚ）に開口した少なくとも１つの体積室（２）が形成されて、
   後続の少なくとも１つの第２作業工程で、前記少なくとも１つの体積室（２）に、充填材が少なくとも部分的に充填されることを特徴とする、付加製造方法。
2. 請求項１に記載の付加製造方法において、前記体積領域（１００）内に、複数の体積室（２）が形成されて、該体積室同士は、前記少なくとも１つの押出機によって前記部品層（１０）に作製された少なくとも１つの中間壁（２０）によって隔てられることを特徴とする、付加製造方法。
3. 請求項２に記載の付加製造方法において、前記体積領域（１００）内に、前記複数の体積室（２）が所定のパターン（２００）で配置されることを特徴とする、付加製造方法。
4. 請求項３に記載の付加製造方法において、前記体積室が、前記パターン（２００）で規則的または不規則的に、分布して形成され且つ／或いは配置されることを特徴とする、付加製造方法。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の付加製造方法において、少なくとも１つの前記体積室（２）が、ハニカム状または溝状であることを特徴とする、付加製造方法。
6. 請求項２から５のいずれか一項に記載の付加製造方法において、少なくとも１つの前記体積室（２）が、矩形状および／または三角形状および／または環状の底面を有して形成されることを特徴とする、付加製造方法。
7. 請求項２から６のいずれか一項に記載の付加製造方法において、一部の前記体積室（２）のみに、充填材が充填されることを特徴とする、付加製造方法。
8. 請求項２から７のいずれか一項に記載の付加製造方法において、第１の一部の前記体積室（２）に第１充填材が充填されて、少なくとも１つのさらなる一部の前記体積室（２）に前記第１充填材とは異なる第２充填材が充填されることを特徴とする、付加製造方法。
9. 請求項２から８のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記少なくとも１つの外壁（１０１，１０２）および前記少なくとも１つの中間壁（２０）が、同じ材料または異なる材料から作製されることを特徴とする、付加製造方法。
10. 請求項２から９のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記少なくとも１つの外壁（１０１，１０２）および前記少なくとも１つの中間壁（２０）が、異なる壁厚（ｄＡ，ｄＺ）を有して作製されることを特徴とする、付加製造方法。
11. 請求項１０に記載の付加製造方法において、前記少なくとも１つの外壁（１０１，１０２）の壁厚（ｄＡ）が所定の最小壁厚値よりも大きく、前記所定の最小壁厚値が前記少なくとも１つの中間壁（２０）の最大壁厚値よりも大きいことを特徴とする、付加製造方法。
12. 請求項２から１１のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記少なくとも１つの外壁（１０１，１０２）および前記少なくとも１つの中間壁（２０）が、前記３Ｄ造形装置のうちの異なる造形ヘッド（Ｅ）を用いて作製されることを特徴とする、付加製造方法。
13. 請求項２から１２のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記充填材が、前記少なくとも１つの押出機によって溶融状態で前記少なくとも１つの体積室（２）に導入されると共に、既に作製済みの前記少なくとも１つの中間壁（２０）を少なくとも局所的に溶融することを特徴とする、付加製造方法。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記充填材が、既に作製済みの前記外郭部（１０Ａ）を損なうことなく、前記少なくとも１つの押出機によって溶融状態で前記少なくとも１つの体積室（２）に導入されることを特徴とする、付加製造方法。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記少なくとも押出機により、前記伸長方向（ｚ）に、前記部品（１）の少なくとも１つのさらなる部品層が少なくとも１つのさらなる体積室（２）を有して作製されて、前記少なくとも１つのさらなる体積室（２）が、下に位置する前記層の前記少なくとも１つの体積室（２）に対して、
    －前記伸長方向（ｚ）と直交する少なくとも１つの空間方向であるｘ方向またはｙ方向にずれたように、かつ／あるいは、
    －前記ｘ方向と平行なｘ軸回りに回転したように、かつ／あるいは、
    －前記ｙ方向と平行なｙ軸回りに回転したように、
    設けられることを特徴とする、付加製造方法。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記少なくとも１つの押出機により、前記伸長方向（ｚ）に、前記部品（１）の少なくとも１つのさらなる部品層が作製されて、前記押出機によって当該少なくとも１つのさらなる部品層の形成材料が適用される前に、前記少なくとも１つの体積室（２）を有する作製済みの前記部品層（１０）の平滑化が行われることを特徴とする、付加製造方法。
17. 請求項１６に記載の付加製造方法において、前記平滑化は、前記押出機のうちの、前記材料を適用するのに設けられたホットノズル、および／または、前記少なくとも１つの体積室（２）を有する作製済みの前記部品層（１０）に沿って動かされる別体の少なくとも１つの平滑化要素、特には、ドクターブレード、ブレード、ワイヤまたはローラを用いて行われることを特徴とする、付加製造方法。
18. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の付加製造方法において、前記外郭部（１０Ａ）の作製に用いられる前記材料および／または前記充填材のうちの少なくとも１種の構成成分が、プラスチック材料、金属またはセラミックスであることを特徴とする、付加製造方法。
19. 部品（１）の付加製造を行う３Ｄ造形装置であって、
    少なくとも１つの押出機と、前記押出機を制御する少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのメモリと、
    を備えて、前記部品（１）を積層状に構築する３Ｄ造形装置において、
    前記メモリは命令を含有しており、前記命令は、前記少なくとも１つのプロセッサにより実行されることで、前記部品（１）の少なくとも１つの部品層（１０）の付加製造時に、前記押出機に、
    －第１作業工程で、初めに、層平面上に延在し、かつ、前記層平面と直交する伸長方向（ｚ）に延設されて体積領域（１００）の少なくとも一部の境界となるように意図された少なくとも１つの外壁（１０１，１０２）を含む、前記部品層（１０）の外郭部（１０Ａ）を作製すると共に、前記体積領域（１００）内に、伸長方向（ｚ）に開口した少なくとも１つの体積室（２）を形成する手順、および
    －後続の少なくとも１つの第２作業工程で、前記少なくとも１つの体積室（２）に、充填材を少なくとも部分的に充填する手順、
    を実行させることを特徴とする、３Ｄ造形装置。

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