JP5546247B2 - 部分的にコーティングされた製品の製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの塗装領域と少なくとも１つの非塗装領域とを有する、部分的にコーティングされた製品を製造する方法およびシステムに関する。

近年、例えばプラスチックの金属化処理（メタライゼーション）など、プラスチックのコーティング処理が広く行われている。プラスチックやセラミック製品等の選択的な金属化処理は、ＭＩＤ、ＭＥＭＳ、および２コンポーネント型鋳造等の技術の進歩、および、小型軽量化の目的に起因する新しい分野の技術である。金属化の１つの重要な目的は、電気コネクタ部品、センサー、アクチュエータ、およびアンテナ等の（３次元）製品上に導電回路を設けた軽量の製品を実現することである。選択的な金属化処理によって、従来のばらばらな銅線を、製品表面上に一体化させた金属線として置き換えることが可能となる。ここ数年は、とくに立体的な製品へ適用可能な技術に重点が置かれている。

複雑な立体形状の製品に適用可能な製品の部分的コーティング方法を提供することを目的とする。

少なくとも１つの塗装領域と、少なくとも１つの非塗装領域とを有する部分的にコーティングされた製品の製造方法を提供する。当該方法は、
非塗装とする各領域について、当該領域を一時的にカバーするように構成された除去可能なカバー層を含む前記製品のデジタル表現を提供するステップと、
製品のデジタル表現に基づく制御により、製品と製品の除去可能なカバー層を生成するために、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給することにより、製品と除去可能なカバー層を単一の処理において一緒に生成するステップと、
非塗装とする各領域についてのカバー層を含むように製品をコーティングするステップと、
製品から、非塗装とする領域のカバー層と、当該カバー層のコーティングを除去する除去ステップとを備える。

これにより、最終段階においてコーティングまたはクラッディングされない製品の表面領域には、まず、塗装されないこれらの領域をカバーするカバー層が設けられ、製品全体がコーティング（またはクラッディング）される。そして、最終的に、カバー層は、例えば切り取り、破壊、フライス加工（milling）等によって除去され、カバー層で覆われていた非塗装表面領域が露出する。

意図的に塗装を施さない非塗装領域７をそれぞれカバーするカバー層は、非常に薄い、平らなチャンバー形状を有する分離層によって非塗装領域から分離されている。そこで、製品は、「ラピッドマニュファクチュアリング」（ＲＭ）技術によって製造することができる。ＲＭは、エネルギーおよび／または材料を、空間において所定のポイントに連続的に供給し、コンピュータによって作成された製品のデジタル表現による制御に基づいて製品を製造する。

適用可能なＲＭ技術の一つとして、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ、３Ｄシステムズ社登録商標）がある。これは、コンピュータを利用したアディティブラピッドマニュファクチュアリング技術であって、高出力レーザー（例えば炭酸ガスレーザー）を用いてプラスチック、金属、またはセラミックの粉末を溶融させて、所望の３次元製品を造形していく技術である。レーザは、粉体層の表面における所定部分の３Ｄデータ（例えば、コンピュータのＣＡＤファイルまたはスキャンデータ）から生成される断面をスキャンすることによって、粉末材料を選択的に溶融する。各断面がスキャンされた後に、粉体層は１層厚さ分、下降されて、その上に材料の新たな層が積層される。製品が完成するまでこれらの処理が繰り返される。

少なくとも１つの塗装領域（６）と、少なくとも１つの非塗装領域（７）とを有する部分的にコーティングされた製品（５）の製造システムをさらに提供する。当該システムは、
非塗装とする各領域について、当該非塗装とする領域（７）をカバーする除去可能なカバー層（８）を含む製品のデジタル表現を提供する手段（１）と、
デジタル表現に基づく制御により、製品と製品のカバー層を生成するために、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給することにより、製品とカバー層を単一の処理において一緒に生成するよう構成された生成装置（２）と、
非塗装とする各領域についてのカバー層を含む製品をコーティング（１０）する手段（３）と、
少なくとも１つの非塗装とする領域から、当該非塗装領域のカバー層を除去するように構成された除去手段（４）とを備える。

上記方法およびシステムは、例えば、銅の連続的な無電解金属堆積を開始できる触媒粒子の「コーティング」を施すことで、例えば、選択的なシーディングや製品の高度な作動を可能とするために用いることができる。これにより、例えば３次元電気回路を各製品の表面に形成することができる。

以下に、図面を参照して例示的な実施の形態を説明する。

図１は、部分的にコーティングされた製品を製造するために設計された製造構成の一例を概略的に示す。 図２は、製造ステップを概略的に示す。

図１のシステムは、部分的にコーティングされた製品５についてデジタル表現（digital representation）を提供するのに適したコンピュータシステム１を有する。製品５は、完成した状態で、塗装面６と、非塗装面７（図２参照）とを有する。システム１は、生成装置２に接続されている。生成装置２は、システム１から入力されたデジタル表現に基づく制御によって、（未塗装の）製品５を製造するように構成されている。

製品５は、意図的に塗装を施さない非塗装領域７をそれぞれカバーするカバー層８を有している。カバー層８は、チャンバー形状を有する分離層９によって非塗装領域から分離されている。当該チャンバーは、非常に薄く、および／または、平らであって、さらに、シート形状であってもよい。当該チャンバーは、空洞としたり、あるいは、ガス、液体、粉体、または固体を充填してもよい。製品は、当該分野において周知の「ラピッドマニュファクチュアリング」（ＲＭ）技術によって製造することができる。ＲＭは、エネルギーおよび／または材料を、空間において所定のポイントに連続的に供給し、コンピュータによって作成された製品のデジタル表現による制御に基づいて製品を製造する。カバー層８は、非塗装領域７に隣接して、例えば非塗装領域周囲のリムに沿って、製品５に接し、チャンバーの側壁を形成することができる。必要に応じて、この側壁によって、非塗装領域７を複数の領域に分割するようにしてもよい。チャンバーを「空洞」ではなく、粉体または固体で充填した場合は、側壁を省略できるようにしてもよい。

適用可能なＲＭ技術の一つとして、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ、３Ｄシステムズ社登録商標）がある。これは、コンピュータを利用したアディティブラピッドマニュファクチュアリング技術であって、高出力レーザー（例えば炭酸ガスレーザー）を用いてプラスチック（樹脂）、金属、またはセラミックのパウダーを溶融させて、製品に対してスキャン可能な位置において造形していく技術である。コンピュータは、所望の３次元製品およびカバー層を表す情報を備えている。コンピュータは、粉体層の表面における部分の３Ｄデータ（例えば、コンピュータのＣＡＤファイルまたはスキャンデータ）から生成される断面をスキャンすることによって、粉末材料を選択的に溶融するようにレーザを制御する。各断面がスキャンされた後に、粉体層は１層厚さ分、下降して、その上に材料の新たな層が積層される。製品が完成するまでこれらの処理が繰り返される。

あるいは、ステレオリトグラフィーを利用することもできる。これは、所望の部分とカバー層の３Ｄデジタルデータを備えるコンピュータによる制御によって、製品に対して選択可能な位置にレーザーを指向し、選択可能な位置において樹脂を硬化させる技術である。コンピュータはデータに応じてレーザを制御する。更なる代替手段として、溶融堆積法を利用することもできる。この場合、コンピュータと堆積装置が設けられる。コンピュータは、製品およびカバー層のモデルを記憶しており、選択された位置において、堆積装置の噴射口から材料を噴射するように堆積装置を制御する。

一実施の形態では、製品５とカバー層８は、エネルギおよび／または材料を空間における所定のポイントに連続的に供給する一度の工程において一緒に製造される。他の実施の形態では、製品５を最初にいずれかの便利な手法により別に製造し、続いて、エネルギおよび／または材料を空間における所定のポイントに連続的に供給することによって、製品５の選択した領域にカバー層８を設けるようにしてもよい。

図１に示す構成は、さらに、コーティング（またはクラッディング）システム３を備えている。コーティングシステム３は、生成装置２で製造された製品に対して、コーティングまたはクラッディング層１０を設ける。この層は、製品の全面に施され、液体またはガス状のコーティングまたはクラッディング媒体によって製品の全面が覆われる。分離層９は、流体またはガス状のクラッディング媒体とは分離されて触れることがないため、各内面は、コーティングまたはクラッディングされない。

コーティングは、製品を浸漬浴に浸漬したり、スプレーを用いたり、あるいは、チャンバー内の製品に、スパッタリングソース、ガスすなわち気体（vapor）ソースを用いて材料を堆積させることによって行うことができる。ブラシ等の機械的な塗布装置を用いてコーティングを行ってもよい。

一実施の形態では、コーティングを金属化処理に使用してもよい。しかし、別のタイプのコーティング、例えば、接着剤、保護層、着色材料を塗布してもよい。

なお、分離層は「空洞」であることが好ましい。すなわち、非塗装製品が製造される環境に応じて、内部が真空、あるいは空気またはガスが充填されていることが好ましい。しかし、（２コンポーネント）ＲＭまたはＳＬＳ製造技術の利用の際に容易に挿入できる固体性材料を、分離層に充填してもよい。ＳＬＳの場合、例えば非溶融粉末、または、カバー層８よりも粉末粒子の相互接続が少なく、部分的に溶融した状態の粉末を、チャンバーに充填してもよい。すなわち、この場合、分離層は、非溶融粉末、または弱溶融粉末からなる層によって形成される。同様に、例えばステレオリトグラフィを使用する場合、分離層を、非硬化樹脂または弱硬化樹脂から構成してもよい。分離層９を、カバー層８と対応する非塗装領域７とが互いにくっつくことを防止して、カバー層８を除去しやすくするような種類の材料からなる（薄い）層として形成してもよい。すなわち、分離層９は、カバー層８の内面と表面領域７とがくっつくことを防止し、カバー層８を容易にはがしやすくするような種々の（真空、ガス状、液体、または固体の）層によって形成することができる。分離層は、カバー層８とは異なる。分離層の成分すなわち材料の状態は、分離層の製品への接着力が、少なくともカバー層８の接着力よりも小さくなるように選択されている。あるいはまた、カバー層８を、製品５と軽くくっつく程度の、製品５とは異なる材料から生成してもよい。この場合、製品５を破損する力より小さい力でカバー層８を取り除くことができるような材料とする。また、製品５と同じ成分であって、製品５ほど強くない材料をカバー層８に用いてもよい。分離層を用いることによって、以下のような利点が得られる。すなわち、製品５と同じ成分で同程度の強度の比較的強度の高いカバー層を用いることができる。同時に、カバー層を容易に取り除くことができる。

製品の外面１０（領域６を含む）の全体がコーティングされた後に、（例えば、機械的）除去手段４によって非塗装領域７からコーティング１０を含むカバー層８を取り除くことによって、非塗装領域７が露出する。除去手段は、例えば、手動または機械的除去のためのカッター、フライス盤、製品に接触してカバー層８を取り外し、または破壊するための振動装置、カバー層をつかんで剥ぎ取るための吸着カップ、接着クランプ等を含んでもよい。

Claims (14)

1. 少なくとも１つの塗装領域と、少なくとも１つの非塗装領域とを有する部分的にコーティングされた製品の製造方法であって、
   非塗装とする各領域について、当該領域を一時的にカバーするように構成された除去可能なカバー層を含む前記製品のデジタル表現を提供するステップと、
   前記製品の前記デジタル表現に基づく制御により、前記製品と前記製品の前記除去可能なカバー層を生成するために、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給することにより、前記製品と前記除去可能なカバー層を単一の処理において一緒に生成するステップと、
   非塗装とする各領域についての前記カバー層を含むように前記製品をコーティングするステップと、
   前記製品から、非塗装とする領域のカバー層と、当該カバー層のコーティングを除去する除去ステップとを備えることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記デジタル表現は、非塗装とする各領域について、当該領域と当該領域の前記カバー層との間の分離層を含み、前記カバー層は、前記分離層によって前記製品の前記非塗装領域から分離されるように生成されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の方法において
   前記カバー層は、前記非塗装領域と前記カバー層との間のチャンバーによって前記製品から分離されるように生成されることを特徴とする方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法において、
   前記製品は、前記製品の前記デジタル表現に基づく制御により、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給し、前記製品を製造する、ラピッドマニュファクチュアリング技術によって製造されることを特徴とする方法。
5. 少なくとも１つの塗装領域（６）と、少なくとも１つの非塗装領域（７）とを有する部分的にコーティングされた製品（５）の製造システムであって、
   非塗装とする各領域について、当該非塗装とする領域（７）を一時的にカバーする除去可能なカバー層（８）を含む前記製品のデジタル表現を決定する手段（１）と、
   前記デジタル表現に基づく制御により、前記製品と前記製品の前記カバー層を生成するために、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給することにより、前記製品と前記カバー層を単一の処理において一緒に生成するよう構成された生成装置（２）と、
   非塗装とする各領域についての前記カバー層を含む前記製品をコーティングする手段（３）と、
   前記少なくとも１つの非塗装とする領域から、当該非塗装領域のカバー層を除去するように構成された除去手段（４）とを備えることを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、
   前記デジタル表現を提供する手段（１）は、前記製品と前記カバー層との間に分離層を設けるように構成され、前記生成装置（２）は、前記分離層を前記カバー層とともに生成するように構成されることを特徴とするシステム。
7. 請求項５に記載のシステムにおいて、
   前記生成装置は、
   選択可能な位置において材料を溶融または硬化して造形を行うよう構成されたレーザと、
   前記製品のデジタル表現に基づく制御により、前記製品と、前記製品から分離層によって分離され、非塗装とする各領域（７）について当該非塗装とする領域をカバーするカバー層（８）とを定義する前記位置を選択するように前記レーザを制御するよう構成された制御コンピュータとを備えることを特徴とするシステム。
8. 請求項５に記載のシステムにおいて、
   前記生成装置は、
   噴射口を備え、選択可能な位置において前記噴射口から材料を噴射する堆積装置と、
   前記製品のデジタル表現に基づく制御により、前記製品と、前記製品から分離層によって分離され、非塗装とする各領域（７）について当該非塗装とする領域をカバーするカバー層（８）とを定義する前記位置を選択するように前記堆積装置を制御するよう構成された制御コンピュータとを備えることを特徴とするシステム。
9. コーティングが施される少なくとも１つの第１領域と、コーティングが施されない少なくとも１つの第２領域とを有する製品の中間物体であって、
   前記第２領域は、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給することにより、前記製品と一緒に単一の処理において形成された除去可能なカバー層によってカバーされており、前記カバー層と前記第２領域の間には分離層が設けられており、
   前記製品と前記除去可能なカバー層は、溶融した粉末材料から生成され、
   前記分離層は、非溶融状態または部分的に溶融した状態の前記粉末材料からなることを特徴とする中間物体。
10. コーティングが施される少なくとも１つの第１領域と、コーティングが施されない少なくとも１つの第２領域とを有する製品の中間物体であって、
    前記第２領域は、空間における所定のポイントの材料にエネルギを連続して供給する、または空間における所定のポイントにエネルギおよび材料を連続して供給することにより、前記製品と一緒に単一の処理において形成された除去可能なカバー層によってカバーされており、前記カバー層と前記第２領域の間には分離層が設けられており、
    前記製品と前記除去可能なカバー層は、硬化した樹脂から生成され、
    前記分離層は、非硬化状態または弱硬化状態の前記樹脂からなることを特徴とする中間物体。
11. 請求項２に記載の方法において、
    前記製品と前記除去可能なカバー層は、粉末材料を溶融することによって生成され、
    前記分離層は、非溶融状態または部分的に溶融した状態の前記粉末材料からなることを特徴とする方法。
12. 請求項２に記載の方法において、
    前記製品と前記除去可能なカバー層は、樹脂を硬化することによって生成され、
    前記分離層は、非硬化状態または弱硬化状態の前記樹脂からなることを特徴とする方法。
13. 請求項３に記載の方法において、
    前記除去可能なカバー層は、前記非塗装領域に隣接して前記製品に接することを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記除去可能なカバー層は、前記チャンバーの側壁を形成することを特徴とする方法。
    

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