JP3989552B2 - 立体的物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、迅速原型製作（rapid prototyping）の分野に関し、更に詳細には、立体的な物品及び金型を選択的レーザー焼結によって製造する上で使用するための材料に関する。
発明の背景
近年、部品の迅速原型製作の分野では、多くの有用な物品の設計及びパイロット製造で使用するための高強度で高密度の部品を提供する上で大幅な改善がなされてきた。「迅速原型製作」という用語は、原型物品を設計図から機械加工で形成する従来の方法とは異なり、コンピューター援用設計（ＣＡＤ）データベースから物品又は物品を内部で形成する成形型を直接的に自動的に製造することに関する。その結果、設計図から従来の機械を使用して原型部品及び成形型を製造するのに要する時間が、数週間から数時間に短縮される。
迅速原型製作技術の一例は、テキサス州オースチンのＤＴＭ社から入手できるシステムによって実施される選択的レーザー焼結プロセスである。この技術によれば、一度に一つの層をなして計量分配されたレーザー融着性粉体から物品が層をなして製造される。各粉体層の部分は、ＣＡＤデータベースによって示された、粉体層に形成されるべき物品の断面と対応する粉体層の位置にラスター走査法で差し向けられたレーザーエネルギを加えることによって、融着され又は焼結される。追加の粉体層を計量分配し、同様の方法で選択的に融着し、隣接した層の融着済部分を互いに融着し、立体的な物品を形成する。選択的レーザー焼結技術の詳細な説明は、テキサス大学システムの評議員会に譲渡された米国特許第４，８６３，５３８号、米国特許第５，０１７，７５３号、米国特許第５，０７６，８６９号、及び米国特許第４，９４４，８１７号、及びＤＴＭ社に譲渡された米国特許第４，２４７，５０８号に記載されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。選択的レーザー焼結により、蝋、ポリカーボネート、ナイロン、他のプラスチック、及びポリマーでコーティングした材料やセラミックス等の複合材料を含む様々な材料から、立体的物品を高解像度で且つ正確な寸法で直接的に製造できる。蝋製の部品は、周知の「蝋型」プロセスによる工具の製造で使用されている。複合粉体材料の例は、テキサス大学システムの評議員会に譲渡された米国特許第４，９４４，８１７号、米国特許第５，１５６，６９７号、及び米国特許第５，２８４，６９５号に記載されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。上述のように、大きくは迅速原型製作技術、特定的には選択的レーザー焼結技術を使用し、プラスチックを含む様々な材料から原型物品又は物品を直接的に形成できる。このような原型物品は、コンピューターモデルを視覚的にチェックし、形態評価（form fit evaluation）を行う上で有用である。物品が十分な強度を備えている場合、原型に幾らかの機能的試験を加えて評価できる。更に、迅速原型製作は、型成形される物品の正の型（positive representation）（一般的には、パターン又はマスターと呼ばれる）の形成に使用できる。この場合、成形型はパターンの周囲に形成され、射出成形、インベストメント鋳造等で使用される。この方法で様々な種類の成形型を形成できる。例えば、マスターをセラミック材料で包囲し、セラミックを十分高い温度で硬化させることによって、金属のインベストメント鋳造用のセラミック成形型シェルを形成できる。この際、マスターは分解して灰になる。更に、シリコーンをベースとしたゴム製の成形型を、限られた数のプラスチック部品を型成形するための「軟質」工具として、同様の方法で形成できる。更に、パターンの周りに金属を吹付けた後、金属にバインダーを溶浸することにより、金属製型成形ダイを形成できる。
選択的レーザー焼結によって形成した物品の表面仕上げ及び高い鮮鋭度は、原型物品についての美観の観点から重要であるが、物品を成形型製造用のパターン又はマスターとして使用しようとする場合に特に重要である。当該技術において基本的であるように、パターン又はマスターの表面上の凹凸（perturbation）は、成形型に転写され、かくして、型成形された最終製品に現れる。従って、表面が滑らかに仕上げられていること、及び設計に合わせて高中実度にくっきりと形成されていることが、迅速原型製作を使用して型成形用パターン及びマスターを製造する場合に特に重要である。
原型物品の製造及び型成形用パターン及びマスターの製造の両方の選択的レーザー焼結において、多くの場合、プラスチック粉体が使用される。例えば、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ナイロン１１、及びゼネカＡ３６９等のアクリル樹脂をベースとしたコポリマー等のプラスチックを選択的レーザー焼結と関連して使用することが当該技術分野で周知である。これらの粉体は、代表的には、ペレットの粉砕により製造され、粉体は、代表的には、約５０μ乃至約１２５μの範囲の平均粒径を有する。しかしながら、これらの従来の粉体に選択的レーザー焼結を加えることによって製造された物品の鮮鋭度及び表面仕上げは、これらの大きな粒径によって比較的限定される。更に、選択的レーザー焼結によって形成された物品の表面の滑らかさ及び規則正しさが、粉体粒子の形状で決まるということが観察された。粉砕により形成された粒子は、不規則な形状をとり易く、これは、粉砕により得られた粉体を分布の小径部分（例えば平均粒径が５０μ）に合わせて処理した場合でも、これらの粒子から形成された物品の表面粗さに反映する。従来の粉体は粒径が大きいため、及び不規則な形状をしているため、物品の表面を、特に型成形用パターン及びマスターとして使用するための所望の滑らかさにサンダー仕上げする工程に多くの労力及び費用を要する。
従って、選択的レーザー焼結について、粒径が小さい粉体が望ましい。これは、このような粉体は解像度を高めて鮮鋭度を向上でき、物品の表面を滑らかにできるためである。しかしながら、粉体の大部分が、粒径が小さ過ぎる（例えば、直径が１５μ以下）の粉体でできている場合には、前に選択的に焼結した層の上に新たな粉体層を計量分配することにより、ひびや深い裂け目が物品の上面に形成される。これは、極めて小径の粒子間の粒子間摩擦が高いため、平面内剪断力が高くなるためである。更に、粒径が小さ過ぎる分級区分が多い粉体は、選択的レーザー焼結プロセスの完了後に物品を周囲の粉体から取り出す「粗ブレークアウト（rough breakout）」プロセスにも悪影響を及ぼす。更に、ポリマーを粉砕して粒径が約１００μ以下の粉体にするのは困難であり、費用がかかる。このような粒子は、連続的粉砕工程を行うことによってのみ得られる。
粒径分布に及ぼされる別の制限は、粉体に熱処理を加えて物品にすることに関する。上掲の米国特許第５，０１７，７５３号に記載されているように、カール（層をなして発生する応力による）及び焼結膨らみ（走査していない粉体の望ましからぬ焼結）による変形を阻止するため、選択的レーザー焼結装置のターゲット面の未融着粉体及び融着済粉体の温度を制御する。従来の選択的レーザー焼結システムでは、この制御は、ターゲット面の粉体を輻射加熱器で加熱することによって、及び粉体ベッドを通して窒素等の温度制御ガスを引き込むことによって行われる。しかしながら、こうした制御にも拘わらず、極めて粒径が小さい粉体は、粉体及び粉体内で形成される物品の温度制御による望ましからぬ焼結を特に受け易い。これは、同じ時間条件及び温度条件で、小径粒子が大径粒子よりも迅速に互いに焼結するためであるためである。
別の背景技術として、乳濁液を噴霧乾燥し、粉体を形成することが当該技術分野で周知である。従来技術におけるように、噴霧乾燥は、回転スプレーノズルによって、霧化又は他の方法で乳濁液の小さな液滴を形成する工程を含む。液滴を加熱環境中に噴霧し、乳濁液中の水分を蒸発させ、実質的に球形の固体粒子である溶質の粉体を提供する。
更に別の背景技術として、空気分級は、所望の粒径分布の材料を得るための周知のプロセスである。従来技術におけるように、空気分級は、粉体と空気の混合物にサイクロンセパレータで遠心力を加えることによって、粉体中の粒子を大きさで分離する。様々な大きさの粒子が異なる距離まで移動し、大径粒子（即ち密度が均等であると仮定すると、重い粒子）は、乱流力（turbulent force）により、分離装置の中心から大きく移動する。かくして、空気分級を使用することにより、様々な大きさの粒子を選別できる。
本発明の目的は、粉体の平均粒径を小さくすると同時に小さ過ぎる粒子の有害作用をなくす、選択的レーザー焼結粉体を提供することである。
本発明の別の目的は、このような粉体に選択的レーザー焼結を加えることによって製造された、周囲型成形材料に製造中に亀裂が入らないようにするのに十分多孔質の物品を提供することである。
本発明のこの他の目的及び利点は、添付図面を参照して以下の説明を読むことによって、当業者には明らかになるであろう。
発明の概要
本発明は、容易に乳化できる微細なポリマー粉体を調製し、粉体に選択的レーザー焼結を加えることによって実施できる。このような粉体で使用するのに適したポリマーの例には、アクリル樹脂及びスチレンのホモポリマー及びコポリマーの両方が含まれる。乳濁液を噴霧乾燥して実質的に球状の粒子を製造することによって粉体を製造する。噴霧乾燥した粒子の粒径分布は、空気分級によって調節でき、平均粒径が約２０μｍ乃至約５０μｍの範囲にあり、１５μｍ以下の直径の粒子が約５容量％以下の粉体を提供する。好ましくは、粉体のガラス転移温度は室温以上であり、好ましくは３０0C乃至１００0Cである。これは、粗ブレークアウト及び表面仕上げを容易にするためである。
このような粉体に選択的レーザー焼結を加えることによって形成した物品の密度は、好ましくは、理論値の約５５％乃至約７５％であり、これは、ポリマーの熱膨張率が比較的高いのにも拘わらず、金属のインベストメント鋳造用のパターンとして、及びシリコーンをベースとしたゴム製の成形型用のマスターとして使用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図及び第１ｂ図は、本発明の好ましい実施例に従って物品を製造するための選択的レーザー焼結システムの概略斜視図である。
第２図は、物品又は成形型を本発明の好ましい実施例に従って製造するための方法を示すフローチャートである。
第３ａ図及び第３ｂ図は、粒子が実質的に球状であることを示す、本発明の好ましい実施例に従って製造した粉体の顕微鏡写真である。
第４ａ図及び第４ｂ図は、本発明の好ましい実施例による選択的レーザー焼結で有用なコポリマー粉体についての、粉体製造プロセスの異なる段階での粒径分布のプロットである。
第５図は、選択的レーザー焼結プロセスでのラスターバーの使用を例示する、第１ａ図及び第１ｂ図のシステムのターゲット面の平面図である。
第６図は、選択的レーザー焼結プロセスでのベースの使用を例示する、第１ａ図及び第１ｂ図のシステムの部品ベッドの断面正面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
選択的レーザー焼結
先ず最初に、本発明の好ましい実施例を説明する目的で第１ａ図及び第１ｂ図を参照し、選択的レーザー焼結システム１００の構造及び作動を説明する。
第１ａ図に示すように、選択的レーザー焼結システム１００は、チャンバ１０２（第１ａでは、明瞭化を図る目的でチャンバ１０２の前扉及び頂部は示してない）を有し、このチャンバ内で選択的レーザー焼結プロセス１０を実施する。ターゲット面１０４は、本発明を説明する目的で、部品ピストン１０６上に配置された熱融着性粉体の上面（焼結を予め行った場合にはこの焼結部分を含む）に関する。部品ピストン１０６上に配置された焼結済粉体及び未焼結粉体の容積を、ここでは、部品ベッド１０７と呼ぶ。ピストン１０６の垂直方向移動は、モータ１０８によって制御される。レーザー１１０はビームを提供し、このビームは、本明細書中上文中で言及した米国特許に記載された方法で、走査システム１４２によって、第１ｂ図に示すように差し向けられる。
第１ｂ図は、レーザー１１０及び走査システム１４２を示す。レーザー１１０は、レーザー自体に加え、上掲の米国特許第４，８６３，５３８号に記載された従来の制御エレメント、例えば安全シャッター、前ミラーアッセンブリ、及び発散レンズや収斂レンズ等の焦合エレメントを含む。勿論、使用されるレーザー１１０の種類は、多くの要因で、特に焼結されるべき粉体の種類に応じて変わる。本明細書中以下に説明する本発明のこの実施例によるポリマー粉体について、好ましくは出力を制御できるＮｄ／ＹＡＧ型レーザーを使用するのがよい。レーザー１１０は、好ましくは、オン−オフ変調されるように制御でき、オン状態にある場合には、レーザー１１０はレーザービーム１０５を発生し、このビームは、全体として、第１ｂ図に矢印で示す行路に沿って移動する。
レーザービームがターゲット面１０４と衝突するときのレーザービームの方向を制御するため、コンピューター１４０及び走査システム１４２が更に含まれている。本発明のこの好ましい実施例では、コンピューター１４０は、レーザー１１０を制御するためのマイクロプロセッサを含み、更に、製造される物品の寸法を決定するデータを発生するためのＣＡＤ／ＣＡＭシステムを含む。本発明の好ましい実施例でコンピューター１４０として使用する上で、ペンティアムクラスのマイクロプロセッサを使用する浮動小数点計算が可能なパソコン等の従来のパソコンワークステーションが適している。
走査システム１４２は、レーザービーム１０５の移動行路の方向を変えるためのプリズム１４４を含む。レーザービーム１０５を適切な位置に差し向けるのに必要なプリズム１４４の数は、装置の物理的レイアウトに基づいて決められる。別の態様では、当該技術分野で周知のように、システム１００の特定のレイアウトに応じて、レーザービーム１０５を差し向けるためにプリズム１４４の代わりに一つ又はそれ以上の固定ミラーを使用できる。走査システム１４２は、一対のミラー１４６、１４７を更に有する。これらのミラーは、夫々の検流計１４８、１４９によって駆動される。検流計１４８、１４９は、ミラー１４６、１４７を選択的に配向し、レーザービーム１０５の狙いを制御するため夫々のミラー１４６、１４７に連結されている。検流計１４８、１４９は互いに垂直に取り付けられており、そのため、ミラー１４６、１４７は、通常は、互いに対して直角に取り付けられている。走査システム１４２の関数発生器ドライバーが検流計１４８、１４９の移動を制御し、レーザービーム１０５の狙いをコンピューター１４０によって制御されたそのオン−オフ変調と関連してターゲット面１０４内に制御する。これは、ターゲット面１０４のところにある粉体層に形成されるべき物品の断面を決定する、コンピューター１４０内に記憶されたＣＡＤ／ＣＡＭデータに従って行われる。勿論、以上説明した走査システム１４２の代わりに別の走査システムを使用することが考えられ、このような装置は、音響−光学スキャナー、回転多角形ミラー、及び共振ミラースキャナー等を含む。
再び第１ａ図を参照すると、熱融着性粉体の送出は、モータ１１６によって制御される粉体ピストン即ち供給ピストン１１４及び逆回転ローラー１１８によって行われる。本明細書中上文中で本願に組み込んだ米国特許第５，０１７，７５３号に記載されているように、逆回転ローラー１１８は、チャンバ１０２のフロアの上方に持ち上げられた粉体をターゲット面１０４まで均等に且つ平らに移送する。ＤＴＭ社から入手できるシンタステーション（ＳＩＮＴＥＲＳＴＡＴＩＯＮ）２０００で使用されているように粉体を効率的に且つ自在に送出するため、二つの粉体ピストン１１４を部品ピストン１０６の両側に設けるのが好ましい。
形成される物品の歪みを小さくする上で、ターゲット面１０４の融着済粉体と未融着粉体との間の熱勾配を制御することが重要であるということが観察された。このような歪みは、次の粉体層を上に被せることによる冷却効果のため、或いはチャンバ内の低い周囲温度のため、冷却速度が速過ぎる場合にターゲット面の融着済部分の表面張力により生じる。システム１００には、第１ａ図に示す温度センサ１３４、１３６による制御下で温度制御を行う輻射加熱器１３０が設けられている。この温度制御装置に加えて、或いはこの温度制御装置に代えて、上文中に組み込んだ米国特許第５，０１７，７５３号に記載されているように、ベッド１０７を通る加熱ダウンドラフトガス（例えば窒素等の不活性ガス）によって温度制御を行うことができる。
作動では、選択的レーザー焼結プロセス１０は、システム１００がプロセス１２を実施し、ターゲット面１０４上に粉体層を計量分配することによって開始される。システム１００では、粉体は、上方に移動する供給ピストン１１４により送出され、所定量の粉体がチャンバ１０２内に置かれる。ローラー１１８（堆積が起こらないようにするためのスクレーパが設けられており、明瞭化を図るため、このようなスクレーパは第１ａ図には示してない）は、供給ピストン１１４から、部品ピストン１０６上の部品ベッド１０７の表面上のターゲット面１０４に向かって及びこのターゲット面に亘って並進することにより、上文中に組み込んだ米国特許第５，０１７，７５３号に記載されているように、粉体をチャンバ１０２内に及びターゲット面１０４上に拡げる。ローラー１１８が粉体を供給ピストン１１４から提供するとき、ターゲット面１０４は、好ましくは、（前の層が置かれているかどうかに拘わらず）チャンバ１０２のフロアの僅かに（例えば０．１２７mm（５ミル））下にある。この厚さは、次に加工されるべき粉体層の厚さを構成する。粉体を全体に亘って滑らかに分布するため、供給ピストン１１４が提供する粉体の量を部品ピストン１０６が受け入れることのできる量以上にする。そのため、ターゲット面１０４に亘るローラー１１８の移動により僅かに余分の粉体が生じる。これは、供給ピストン１１４を、部品ピストン１０６をチャンバ１０２のフロアよりも下に下げる量よりも大きく（例えば、０．２５４mm乃至０．１２７mm（１０ミル対５ミル））、チャンバ１０２のフロアの上方に持ち上げることによって行われる。更に、ローラー１１８の逆回転を、チャンバ１０２内でのローラー１１８の並進に対し、回転速度の並進速度に対する比が一定になるように従属させるのが好ましい。
ターゲット面１０４は、代表的には、物品が形成されていようといまいと、前に計量分配した粉体層である。別の態様では、以下に更に詳細に説明するように、ターゲット面１０４は、部品ピストン１０６上に置かれ且つその上に物品が形成される中実基材である。選択的レーザー焼結システム１００と関連して広範な材料を使用できるが、本発明のこの実施例に従って使用される粉体はポリマー粉体である。一つの粉体層を計量分配した後、レーザービーム１０５を、ラスター走査の態様で、例えばｘ方向に走査し各走査後にｙ方向に漸次ステッピングすることにより、層をなして走査し、形成されるべき物品の断面と対応する粉体の部品をこの層に選択的に融着する。各粉体層の走査の完了時に次の粉体層をその上に計量分配し、プロセスを繰り返す。この次のプロセスは、多くの場合、物品を表すＣＡＤデータベースに応じて、形成される物品の形状の異なる断面に関して行われる。
粉体の形成及び物品の製造
次に第２図を参照し、粉体を形成し、形成された粉体を使用して本発明の好ましい実施例に従って物品を製造するための方法を詳細に説明する。第２図に示すように、この方法は、粉体を形成するため、ポリマー乳濁液２と関連して使用される。本発明の好ましい実施例によれば、ポリマー乳濁液２のポリマーは、アクリル樹脂又はアクリレート（例えばメチルメタクリレート、ブチルメタクリレート）、又はスチレンのホモポリマー又はコポリマーであるのがよい。これは、これらの材料が容易に乳濁液にできるためである。以下に更に詳細に説明するように、乳濁液２で使用されるポリマーの好ましい組み合わせは、好ましくは、ガラス転移温度が室温よりもはるかに高く、約３０0C乃至約１００0Cの範囲である。ポリマー乳濁液２の好ましい例は、ゼネカ社から入手できるＡ６３９アクリル樹脂コポリマー等のアクリル樹脂をベースとしたコポリマーを固形分が約２０％乃至３０％になるように水で希釈した乳濁液である。
次いでポリマー乳濁液２に噴霧乾燥プロセス４を加え、粉体を形成する。当該技術分野で周知のように、乳濁液の噴霧乾燥は、粉体を形成するための従来の技術である。本発明の好ましい実施例によれば、プロセス４のポリマー乳濁液２噴霧乾燥工程は、従来の粉砕工程よりも好ましい。これは、噴霧乾燥によれば、実質的に球形の粉体粒子が得られるのに対し、ポリマーペレットの粉砕では、極めて不規則な形状の粒子が製造されるためである。第３ａ図及び第３ｂは、Ａ６３９アクリル樹脂をベースとしたコポリマーを本発明の好ましい実施例に従って噴霧乾燥することによって形成した粉体の顕微鏡写真であり、これらの写真では、実質的に球形の粉体粒子が極めて明らかである。プロセス４は、好ましくは、平均粒径（容積による）が約５０μ以下、好ましくは約２０μ乃至約５０μとなるように行われる。噴霧乾燥によって製造した粉体の平均粒径を中心とした粒径分布は、代表的には、正規分布である。
本発明のこの実施例による噴霧乾燥プロセス４により平均粒径を小さくすることによって、選択的レーザー焼結に重要な利点がもたらされる。特に、製造された物品の解像度及び鮮鋭度を大幅に向上できる。本発明に関し、シャープな縁部を有し且つ滑らかな表面を持つ表面を平均粒径が小さい粉体から更に容易に製造できる。
しかしながら、本発明に関し、選択的レーザー焼結粉体中に存在する極めて微細な粒子は、選択的レーザー焼結プロセスにとっても有害であるということがわかっている。平均粒径が約２０μ以下の粉体に選択的レーザー焼結を加えた場合、選択的レーザー焼結プロセスで使用した場合に粒子間摩擦が大きくなることが観察される。この摩擦は、上文中に説明したように、システム１００でローラー１１８を使用して粉体層を送出するときに過剰の平面剪断力が存在する場合に明らかになり、このような超微細粉体層の計量分配時に物品の上面にひびや深い裂け目が形成されるのが観察される。
更に、部品ベッド１０７の温度制御では、粉体は、輻射熱によって、及び部品ベッド１０７に通した温度が制御された窒素等のガスによって加熱される。この温度制御は、前に計量分配された融着済粉体及び未融着粉体と新たに計量分配された粉体との間の温度勾配を小さくする上で重要である。これは、このような温度勾配により物品の歪みがもたらされるためである。未融着粉体をこのように加熱することによって、粉体の融着に必要なレーザー出力が小さくなる。部品ベッド１０７をこのように加熱することによって、未融着粉体の望ましからぬ焼結が生じ、物品の近くの粉体をこの物品に焼結してしまう。これにより、未融着粉体からの物品の取り出しが更に困難になる。焼結が、時間、温度、及び粒径の関数であるため、極めて小さな粒径を持つ粉体は、このような望ましからぬ焼結を被り易い。本発明の好ましい実施例によれば、噴霧乾燥プロセス４で粉体を製造した後、空気分級プロセス６を実施し、極めて微細な粒子の大部分をポリマー粉体から除去する。空気分級は、粉体粒子を粒径に従って分離するのに使用される従来のプロセスである。本発明のこの好ましい実施例によれば、空気分級プロセス６は、プロセス４からのポリマー粉体を空気と混合し、混合物をヴォルテック（ＶＯＲＴＥＣ）遠心式空気分級器等の従来の空気分級装置に強制的に入れることによって実施される。当該技術分野で周知のように、混合物中の大径粒子を空気分級器の外側に向かって圧送し、及びかくして懸濁状態で残る小径粒子から分離する。これは、本発明のこの実施例による粉体の密度（即ち、粒径と正比例して変化する粒子質量）が均等であるためである。空気分級器の速度（即ちrpm）は、当該技術分野で周知のように分離閾値粒径を選択するように調節される。本発明の好ましい実施例によれば、空気分級プロセス６は、直径が約１５μ以下の粒径を持つ粒子を除去するように実施される。
様々な粒径の粉体粒子を分離するための、篩分けを含む他の技術が周知であるということに着目されたい。しかしながら、プロセス６の分離を実施するために篩分けを使用することは、本発明のこの実施例によれば好ましくない。これは、微細な粉体が凝集して大径粒子アッセンブリになり易いためである。噴霧乾燥プロセス４で製造した粉体中に存在するこのような凝集物は、本発明のこの好ましい実施例による空気分級プロセス６によって破壊される。
第４ａ図及び第４ｂ図は、本発明の好ましい実施例による空気分級プロセス６の効果を例示するための、例示の粉体の容量分布の密度プロット及び累積密度プロットである。第４ａ図は、噴霧乾燥プロセス４後のＡ６３９コポリマーの粉体の計測された粒径分布（容量％）を示す。この例について第４ａ図に示してあるように、粒径分布は、小粒径に向かって僅かに変形したほぼ正規分布である。この例の粒径の中央値は約２８μであり、平均値は約２８．５μである。本発明のこの好ましい実施例に関して重要なことは、粉体の、２０μ以下の直径を持つ粒子からなる分級区分の容積である。これは、第４ａ図の例の場合では、約２８．６％であり、粉体の容積の約１８％は、直径が１５μ以下の粒子でできている。
次に第４ｂ図を参照すると、この図には、空気分級プロセス６を加えた後の粒径分布が示してある。第４ｂ図から明らかなように、直径が２０μ又はそれ以下の粒子の分級区分が大幅に減少される。この例では、粉体の約１０％が２０μ以下の直径を持つ粒子でできており、１５μ以下の直径を持つ粒子でできた粉体は約４％に過ぎない。この例示の粉体のこの例の空気分級プロセス６後の粒径の中央値は、約３４μまで大きくなり（これは小径粒子が除去されたことによる）、粒径の平均値（容量％）は約３３．９μまで大きくなる。このように、空気分級プロセス６は、粒径が非常に小さな粒子の数を大幅に減少するのに役立ち、かくして、粒子間摩擦及びこれにより生じる有害作用を小さくする。
再度第２図を参照する。プロセス６の後、粉体に篩分けプロセス８を加え、特定の閾値、例えば７５μ以上、の粒子を除去する。上述のように、選択的レーザー焼結を受ける粉体中に存在する大径粒子は、製造される物品の表面のきめを粗くしてしまう。本発明の好ましい実施例によれば、篩分けプロセス８は空気分級プロセス６の後に実施される。プロセスのこの順番は、非常に小径の粒子が粉体から既に除去してあるために篩に粒子が凝集することが少なくなるため、好ましい。篩分けプロセス８は、ほぼ閾値限度の大きさの穴を持つメッシュに粉体を通すことによって、従来の方法で実施される。別の態様では、空気分級によって大径粒子の除去を行うことができる。この場合、廃棄されるのは大径粒子である。いずれの場合でも、篩分けプロセス８は、粉体の約７５μ以上の粒子からなる分級区分の容積を所定の低いレベル、例えば約２％まで減少する。勿論、第４ｂ図に示す粉体の場合（７５μ以上の粒径の粒子が約１％）のように、大き過ぎる粒子の分布がプロセス６後に既に低い場合には、篩分けプロセス８は必要とされない。
篩分けプロセス８後の粉体は、選択的レーザー焼結プロセス１０でいつでも使用できる。本発明のこの実施例の選択的レーザー焼結プロセス１０は、ＤＴＭ社から入手できるシンタステーション（ＳＩＮＴＥＲＳＴＡＴＩＯＮ）２０００等の上文中に説明した選択的レーザー焼結システムによって実施される。上文中に説明したように、選択的レーザー焼結プロセス１０は、プロセス４、６、８で製造したポリマー粉体から立体的な物品を層をなして形成する。これは、部品ベッド１０７のターゲット面１０４上に一つの粉体層を計量分配した後、前記層に形成されるべき物品の断面と一致するように選択された層の位置で粉体にレーザーエネルギを加えることによって行われる。各層の融着済粉体部分が、前の層の前に融着させた部分に融着し、その結果、粉体計量分配工程及びレーザーエネルギ施与工程を繰り返すことによって立体的物品を形成する。
本発明の好ましい実施例による選択的レーザー焼結プロセス１０を実施する上で、局部的過熱が生じないように、好ましくは、レーザービーム１０５の各パス間に十分な時間をとる。本発明に関し、粒径を上文中に説明したように制御したポリマー粉体は、焼結膨らみ（growth）（即ち望ましからぬ焼結）が起こり易く、選択的レーザー焼結プロセスで過熱された場合に材料が劣化し易いことが観察された。このような過熱は、レーザービーム１０５を前に走査した粉体部分に「戻すまでの時間」が短過ぎる場合に生じる。このように、本発明の好ましい実施例によれば、選択的レーザー焼結プロセス１０中のレーザービーム１０５による粉体の走査は、好ましくは、粉体に過熱場所が生じないように制御される。本発明の好ましい実施例によれば、所与の粉体層において、物品の非常に小さな断面が形成される（即ち、これと同時に部品ベッド１０７に形成される部分がない）場合、前に走査した部分でのレーザーの戻すまでの時間を長くするため、物品の走査領域の外側で、レーザーによって粉体のダミー部分を融着する。このようなダミー部分の走査（本明細書中、ラスターバーと呼ぶ）を、第５図を参照して以下に詳細に説明する。
第５図は、ターゲット面１０４を構成する粉体層の平面図であり、ラスターバー７０がターゲット面１０４の一つの粉体層に存在する。この例では、物品５４は、第５図のｘ方向に走査を行い、各ｘ方向走査の完了時にｙ方向に小さな段をなしてずれるレーザービーム１０５（第１ｂ図参照）のラスター走査によってターゲット面１０４の粉体層に形成されたものとして示してある。境界ボックス６０は、この層の物品５４を取り囲み、１９９４年１０月３日に賦与された米国特許第５，３５２，４０５号に記載されている方法でレーザービーム１０５の走査用の境界として役立つ。この特許は、ＤＴＭ社に譲渡されており、この特許に触れたことにより、その特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。この特許に記載されているように、レーザービーム１０５は、境界ボックス６０によって包囲された領域内だけを走査し、前記層の物品５４の断面と一致する位置に向いているときにだけ付勢される。
しかしながら、本発明のこの実施例によれば、ラスターバー７０が境界ボックス６０の外側に配置されており、物品５４のｙ方向に延びており、境界ボックス６０のｘ方向外側に僅かな距離のところに配置されている。ラスターバー７０1、７０2（集合的にラスターバー７０を構成する）は、各ｘ方向走査でレーザービーム１０５によって融着されたターゲット面１０４の粉体の位置であるが、これは物品５４の部分を構成しない。固化させたラスターバー７０は、実際には、製造サイクルの完了時に廃棄される。しかしながら、ラスターバー７０は、境界ボックス６０に亘るレーザービーム１０５の隣接した走査間に時間間隔を強制的に挟み、及びかくして境界ボックス６０に亘るレーザービーム１０５の戻すまでの時間を長くする。従って、物品５４等の比較的小型の単一の物品について、融着を受けた粉体の過熱の問題は、ラスターバー７０を設けることによって解消される。
勿論、特定断面の多数の物品を形成する場合や形成される物品が大型である場合には、レーザービーム１０５を１回の走査から次の走査まで戻すまでの時間は、多くの場合十分長く（例えば、数秒程度）、そのため前の走査位置で過熱が生じない。
上文中に説明したように、粉体層を連続的に計量分配し、形成されるべき物品の断面と対応する各層の位置にレーザーエネルギを加えることによって、選択的レーザー焼結プロセス１０による物品を層をなして製造し続ける。必要であれば、形成時の変形を最小にするため、構造を物品と組み合わせて形成するのがよい。このような構造の例は、物品５６の製造時のベース６２の使用を示す部品ベッド１０７の断面図である第６図に示してある。
ベース６２は、プロセス１０の選択的レーザー焼結によって形成された最終的な物品５６の部品ではなく、薄い軽く焼結した部品ベッド１０７の粉体の位置であり、物品５６の層を平らな状態で固定するのを助ける。第６図の例では、ベース６２1は、物品５６の一部が形成される最も下の粉体層に形成され、ベース６２1の大きな面積は、物品の最も下の層を固定し、冷却時及び次の粉体層の計量分配時に物品が曲がらないようにするのに役立つ。同様に、ベース６２2は、物品５６のオーバーハング部分の最も下の層に形成されており、このベースもまたこの層を曲がらないように固定する。ベース６２は、その形成に使用されたレーザーエネルギが小さいことを除くと物品５６と同様の方法でレーザーエネルギによって形成された薄い部分的に焼結した粉体層である。
第２図を再び参照すると、選択的レーザー焼結プロセス１０の完了時に未焼結粉体によって取り囲まれた物品をシステム１００から取り出し、粗ブレークアウトプロセス１２を加える。粗ブレークアウトプロセス１２は、未焼結粉体を物品の周囲から除去する工程を含み、この工程は、代表的には、機械的な力を手作業で加えることによってシステム１００から遠隔のベンチ位置で実施される。プロセス１０で形成されたベース６２又はラスターバー７０をこのときに同様に除去する。未焼結粉体の大部分がリサイクルされ、篩分けにより凝集粒子を除去した後、別の製造サイクルの選択的レーザー焼結プロセス１０で再使用されると考えられる。
粗ブレークアウトプロセス１２の後、製造した物品に表面仕上げプロセス１４を加える。プロセス１４で使用される代表的な表面仕上げ技術には、様々な粒度のサンドペーパーや研磨材で機械的にサンダー仕上げを施す工程が含まれる。表面仕上げプロセス１４は、所望の滑らかさ及び仕上げが得られるまで実施される。
上述のように、本発明の好ましい実施例による粉体のガラス転移温度は、好ましくは、室温よりもはるかに高く、例えば３０0C乃至１００0Cの範囲内にある。このようにガラス転移温度が高いため、非常に滑らかな仕上げが得られるまでサンダー仕上げを施したり研磨するのが他のプラスチック材料、特にガラス転移温度が室温程度の材料よりも容易な、非常に脆性のアクリル製物品が提供される。かくして、本発明の好ましい実施例によれば、物品の仕上げに要する労力がはるかに小さくなる。
表面仕上げプロセス１４の後、物品を完成する。勿論、物品の用途は、そのように製造された特定の物品に応じて決まる。例えば、物品自体が原型部品又は物品である場合には、これ以上の加工工程は必要とされない。
物品が金型用のパターン即ちマスターである場合には、プロセス２０を実施し物品の周りに金型を従来の方法で形成する。プロセス２０で金型を形成し、物品の周囲にセラミック金型シェルを従来の方法で形成する。この方法では、ポリマー製の物品を分解するのに十分に高い温度にシェル及び物品を露呈する。物品の周囲に金属を噴霧し、次いで、噴霧した金属を溶浸して高強度の金型を形成することにより金属製金型を従来の方法で形成する。更に、プロセス２０を使用し、本発明の好ましい実施例に従って粉体から形成したパターンの周囲にシリコーンを基材としたゴム製成形型を形成する。
本発明の好ましい実施例によるポリマー粉体を使用することによって、インベストメント鋳造用成形型の形成における重要な利点もまた提供される。本発明の好ましい実施例による粉体等の非晶質ポリマーには、選択的レーザー焼結プロセスで不完全溶融が加えられる。この不完全溶融は、全体として、選択的レーザー焼結プロセス１０によって形成された物品を極めて多孔質にする。例えば、この粉体を選択的レーザー焼結することによって得られた物品の密度は、その理論的値（即ち、完全稠密状態の密度）の５５％乃至７５％程度である。多孔質の物品は、インベストメント鋳造用成形型の形成でポリマーマスターの燃焼除去（burn-out）中にシェルに亀裂が入らないようにする上で特に有用である。シェルには、物品の熱膨張率が、成形型のシェルの形成に使用されたセラミック又は他の従来の材料の熱膨張率よりも大きい場合に亀裂が入る。
ポリマーペレットの粉砕により製造した従来のポリマー粉体は、多孔質物品を提供するが、物品の表面のきめが非常に粗い。しかしながら、本発明のこの実施例によれば、制御された大きさを持つ球形粉体粒子が上述のように不完全溶融し、多孔質物品を提供するが、この物品は、表面仕上げが非常に滑らかであり、鮮鋭度が高いという特徴を備えている。これらの利点は、インベストメント鋳造用成形型の製造及びシリコーンを基材としたゴム成形型の製造で特に重要である。
選択的レーザー焼結１０によって製造した物品を表面仕上げプロセス１４の後に原型部品として使用しようとする場合には、物品にポリマー、エポキシ、又は他の材料を溶浸し、その構造強度を改善し、原型部品又は物品としての実用性を改善する。
例
上文中に説明したように、本発明の好ましい実施例による粉体の一例は、ゼネカ社から入手できるＡ６３９アクリル樹脂コポリマーを固形分が約２０％乃至３０％になるように水で希釈した乳濁液から形成した粉体である。この乳濁液を噴霧乾燥し、第４ａ図に示す粒径分布の球形の粉体にする。噴霧乾燥した粉体の空気分級を行い、約１５μ以下の直径を持つ粒子の容量％を第４ｂ図に示すように２％乃至５％に減少する。粉体の篩分けを行い、７５μ以上の直径を持つ粒子からなる粉体の分級区分を２％以下に減少する。
ＤＴＭ社から入手できるシンタステーション２０００システムでこの粉体に、部品ベッド内の粉体の温度を６０0C乃至６２0Cに維持した状態で、選択的レーザー焼結を加える。焼結は、約１１ｗに設定したレーザー出力によって、０．０７６mm（中心線間の距離）離間された４００μのビーム幅の隣接したレーザー走査を使用して行われる。走査中のレーザービームの移動速度は、１２５cm/秒である。
この粉体から形成した部品の計測引張強度は、ｘ軸及びｙ軸に沿って約６．９MPaであり、ｚ軸に沿って０．７MPa乃至５．５MPaである（ｚ軸強度は、レーザー出力、走査間隔、等の処理条件に応じて変化する）。粗ブレークアウト後、３．８１μｍ乃至８．８９μｍ（１５０μin乃至３５０μin）程度の算術平均表面粗さ（Ra）を持つように物品に表面仕上げを加え、従来のサンダー仕上げにより、算術平均表面粗さを０．０２０３μｍ乃至０．０３８１μｍ（０．８μin乃至１．５μin）程度に減少する。
本発明のこの例によるＡ６３９アクリル樹脂粉体の選択的焼結により製造した物品は、シリコーンを基材としたゴム製成形型を製造するためのパターンとして、及びインベストメント鋳造用成形型のシェル用のマスターとして十分に使用できる。
本発明をその好ましい実施例に従って説明したが、当業者は、本明細書及び添付図面を参照することにより、これらの実施例に対する変形及び変更を考えらつくということは勿論のことである。このような変形及び変更は、本発明の利点をもたらす。このような変形及び変更は、以下の請求の範囲の本発明の範囲内に含まれる。

Claims (9)

1. 立体的物品の製造方法において、
   体積平均径が２０μｍ乃至５０μｍの実質的に球状のポリマー粒子からなる、１５μｍ以下の直径の粒子からなる粉体の容積分率が５％以下の粉体層をターゲット面に計量分配する工程と、
   粉体層の選択された位置を融着する工程と、
   多数の層について計量分配工程及び融着工程を繰り返し、連続した層の融着部分を直前の層の部分に融着し、物品を形成する工程とを有することを特徴とする方法。
2. 前記粉体のガラス転移温度は、３０℃以上で１００℃以下である、請求項１に記載の方法。
3. 前記粉体は、スチレン及びアクリル樹脂のホモポリマー及びコポリマーからなる群から選択されたアクリル樹脂をベースとしたコポリマーである、請求項１に記載の方法。
4. 計量分配工程及び融着工程を繰り返した後、未融着粉体を前記物品の周囲から除去する工程を更に有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記物品にサンダー仕上げを施す工程を更に有する、請求項４に記載の方法。
6. 除去工程の後、前記物品にバインダーを溶浸する工程を更に有する、請求項４に記載の方法。
7. 前記物品の密度は、理論上の完全稠密状態の密度の５５％乃至７５％である、請求項１に記載の方法。
8. 計量分配工程及び融着工程を繰り返した後、未融着粉体を前記物品の周囲から除去する工程、及び
   除去工程の後、前記物品の周囲に成形型を形成する工程を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記成形型は、シリコーンをベースとしたゴムで形成される、請求項８に記載の方法。

Images