JP6021159B2 - 内部構造を有する３次元物体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の所定の性質を作り出すための内部構造を有する３次元物体の製造方法に関する。特に、本発明は、粉体材料から、レーザ焼結法、マスク焼結法または他の積層造形法によって、少なくとも一部分において可撓性を有する３次元物体を製造する方法に関する。

レーザ焼結用のエラストマー粉体があり、それによってゴム状の性質を有する可撓性の部品を製造できる。しかし、このような焼結粉体の適用分野は限られている。

さらに、独国特許出願公開第１０２００５０２３４７３号明細書から、ラピッドプロトタイピング法を用いて、例えばレーザ焼結法によって、部分的な弾性部分を有する靴底を製造することが知られる。

Ａ．ＢｏｎｋｅおよびＣ．Ｆｒｕｔｈは、文献「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇ−ｖｏｍ Ｐｒｏｔｏｔｙｐ ｚｕｒ Ｓｅｒｉｅ」，Ｆａｃｈｔａｇｕｎｇ，Ｈｒｓｇ．Ｄ．Ｄｒｕｍｍｅｒ，Ｅｒｌａｎｇｅｎ ２００９， ｐｐ．１５１−１６１内の論文「Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉｅｒｔｅ Ｓｔｒｕｋｔｕｒｇｅｎｅｒｉｅｒｕｎｇ ｄｕｒｃｈ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅｋｏｎｚｅｐｔｅ」おいて、アディティブマニュファクチャリング法を用いて、物体を造形する際に構造を利用することを記述している。重要な焦点は、本体の全容積を塊状の材料から形成する必要はないという事実から、格子構造を利用して低重量の物体を得ることにある。

本発明の目的は、３次元物体の製造方法であって、それによって異なる構成要素の性質を有する３次元物体を所定の造形材料から生成し得る製造方法を提供することにある。

この目的は請求項１による方法によって実現される。本発明のさらなる発展形態が従属請求項に規定される。

本発明によれば、造形材料の所与の材料特性は、物体の所望の特性が実現される格子構造を計算する際に考慮される。この理由から、物体を「人工の」または「架空の」材料から生成することが可能である。

好ましい特性（例えば抵抗能力もしくは耐久性）を有する造形材料から、物体を塊状の物体として構成するときには得られないような、機械的特性（例えば弾性）を有する物体を製造することができる。従って、生成された本体が有する特性は、前記本体が、望ましい特性の組合せ（例えば抵抗能力および弾性）を有する架空の材料から塊状に形成された場合に得られたような特性である。

特にこの方法は、可撓性の物体を、内部構造に基づく造形様式のみによって、比較的高い弾性率を有する原材料を用いて製造できるという利点を有する。これによって、エラストマー粉体を使用する場合に比べて、材料に対する選択肢が大幅に拡充される。

さらに、この方法は、１つの造形プロセスの範囲内において、異なる機械的性質、例えば異なる剛性を有する物体を同一の材料を用いて製造できるという利点を有する。さらにまた、局所的に異なる性質、例えば局所的に異なる剛性を有する物体を、１つの造形プロセスの範囲内において、同一の材料によって作り出すことが可能である。

これによって、多数の物体の製造が可能になり、特に、所定の性質を有する所望材料の物体を「オンデマンド」で製造できるようになる。従って、全く新しい特性の組合せを示す物体を製造することができる。

本発明の進歩性のさらなる特徴および狙いは、図面に基づく実施態様に関する以下の説明から明らかになる。

図１は、レーザ焼結機の模式図である。 図２ａは、表面に力が作用しない場合の、格子構造を有する直方体の模式的な２次元図である。 図２ｂは、表面に力Ｆが作用する場合の、格子構造を有する直方体の模式的な２次元図である。 図３ａは、図２ａおよび２ｂに比べて狭い格子構造を有する図２ａおよび２ｂと同様の直方体の、表面に力が作用しない場合の模式的な２次元図である。 図３ｂは、図２ａおよび２ｂに比べて狭い格子構造を有する図２ａおよび２ｂと同様の直方体の、表面に力Ｆが作用する場合の模式的な２次元図である。 図４ａは、本体内部に異なる格子構造を有する直方体の模式的な２次元図である。 図４ｂは、力Ｆの作用を受けた場合の図４ａの直方体の模式的な２次元図である。 図５は、仕切りプレートによって分離された異なる内部格子構造を有する２つのレーザ焼結体の、力が作用しない場合の図である。 図６は、仕切りプレートによって分離された異なる格子構造を有する図５のレーザ焼結体の図であり、力の作用による異なる強さの変形を示す。

以下においては、本発明による方法を、レーザ焼結法と、図１によるレーザ焼結装置の例とを参照して説明する。

この装置は造形容器１を含み、その容器１の中に、被造形物体３を支持する支持体２が設けられる。支持体２は、造形容器内部において、高さ調節手段４によって垂直方向に動かすことができる。装入された粉体の造形材料は平面において固形化されるが、その平面が作用平面５を規定する。粉体材料を作用平面５において固形化するために、レーザ６が設けられ、このレーザ６は、偏向手段８によって、さらに必要な場合には照準ユニット９によって作用表面５上に照準されるレーザビーム７を発生する。レーザビーム７を作用表面５におけるいかなる任意の点にも偏向し得るように偏向手段８を制御し、さらに必要な場合には照準ユニット９を制御する制御装置１０が設けられる。制御装置１０は、被製造物体の構造を含むデータによって制御される。この、データは、固形化されるべき各層における物体のデータを含む。

さらに供給装置１１が設けられる。この供給装置１１によって、粉体の造形材料を、引き続く次の層用として供給することができる。装入器（ａｐｐｌｉｃａｔｏｒ）１２によって、造形材料が作用平面５に装入され、平準化される。

運転の間、支持体２を層ごとに低下させ、新しい粉体層を装入して、作用平面５においてそれぞれの層における当該物体に合致する位置でレーザビーム７によって固形化する。

粉体の造形材料としては、レーザ焼結法に適したすべての粉体または粉体混合物を使用できる。このような粉体の例として、例えば、ポリアミドまたはポリスチレン（ＰＡＥＫ、ポリアリールエーテルアミド）などの合成粉体、ＰＥＢＡ（ポリエーテルブロックアミド）などのエラストマー、粉体ステンレス鋼などの金属粉体または当該目的に適合した他の金属粉体、特に合金、合成被膜処理砂、またはセラミック粉体が含まれる。

本発明の方法によれば、物体の内部構造が、使用される造形材料の材料パラメータと、被製造物体の所定の性質とに基づいて計算され、この内部構造を有する３次元物体が層ごとに製造され、従って、その物体は、製造後に所定の性質を備えている。その結果、その造形材料から生成された本体は、例えば、異なる材料から生成された同一の形状および容積の本体の所望の特性に合致する特性を有する。しかし、この場合、これらの所望の特性は、実際に使用された造形材料の他の有利な特性と組み合わされる。造形材料の材料パラメータとしては、少なくとも弾性率を取り上げることができるが、さらに別の材料パラメータ、例えば、引張強さ、硬度、密度、破断ひずみ、Ｐｏｉｓｓｏｎ比（Ｐｏｉｓｓｏｎ数）なども計算における値として用いることができる。この実施態様においては、約５０ＭＰａの比較的高い弾性率を有する粉体が造形材料として用いられている。

次に、被製造物体の機械的性質、この実施態様においては、所定の方向における所定の圧力の作用の下での被製造物体の剛性、が決定される。さらに別の機械的性質、例えば、異なる方向における剛性、引張強さ、引張負荷による破断ひずみ、Ｐｏｉｓｓｏｎ比、捩り挙動、疲労挙動なども決定できる。

造形材料の弾性率と、被製造物体の少なくとも１つの所定の性質とに基づいて、３次元の格子構造が計算される。この３次元の格子構造は、粉体の造形材料がレーザビームの作用によって固形化される位置を提供する。その間の空所においては、粉体は固形化されないまま残る。その後、３次元物体が、計算された格子構造に従って層ごとに造形される。格子は、製造された物体がいかなる完全に閉じられた表面をも含まないような格子構造から完全に構成されるように、各層の周囲領域に広がることが望ましい。これによって、製造プロセス完了後に、固形化されなかった粉体材料を容易に取り除くことが可能になる。代わりの方式として、各層の外側輪郭（ｏｕｔｌｉｎｅ）の全輪郭またはその一部分を固形化することが可能である。この場合は、結果的に得られる物体の外側輪郭は完全に閉じられているか、あるいは部分的に閉じられている。外被を形成する外側輪郭を、変形を吸収するように構成することが可能である。例えば、外側輪郭を、ベロー状の構造として、あるいは、相互に係合しかつ相互に可動な部分として形成できる。必要であれば、非固定化粉体材料を取り出すための開口を、焼結の間またはその後に設けることができる。

図２ａは、第１の格子構造を有する直方体１の模式的な２次元図を示す。図２ｂは、全表面に作用する力Ｆによって所定の量に圧縮された図２ａの直方体の模式的な２次元図を示す。図３ａは、図２ａと同じ寸法を有するが、その格子構造がより小さい格子ピッチを有する第２格子構造である直方体２の模式的な２次元図を示す。図３ｂは、図２ｂにおけるものと同じ大きさの力Ｆであって、全表面に同様に作用し、従って本体を圧縮する力Ｆの作用を受けた場合の図３ａの直方体の模式的な２次元図を示す。格子構造が狭い図３ｂによる直方体の剛性は図２ｂの剛性より大きい。

例えば、格子構造は菱形格子とすることができるが、他の任意の格子を用いることも可能である。格子の単位セルの寸法は可変であるが、それは、通常、単位セルの横方向長さに対して数ミリメートルの範囲内である。格子バーの厚さは０．１〜２ｍｍの範囲内である。特別な場合、例えば、非常に大きな部品の場合、あるいは、１つの方向における寸法がもう１つの方向における寸法より遥かに大きい長方形または類似の格子断面の場合は、格子バーの厚さをセンチメートルの範囲にすることもできる。単位セルの寸法および単一の格子バーの厚さを変えることによって、被製造物体の所望の剛性を無段階に変化させることができる。

この方法のさらなる発展形態においては、方向および負荷に応じて、被製造物体の異なる性質を作ることができるように、格子を、被製造物体の内部において変化させることができる。例えば、図４ａおよび４ｂから分かり得るように、本体１０は、中心部分１３とは異なる格子構造を有する部分１１、１２を含むことができる。この格子構造の違いは、図４ｂに示すように、圧力ｆの作用に対して、中心部分１３の方が部分１１、１２よりも弾力性に富んでいるという点にある。格子構造１１、１３，１２は、図４ａおよび４ｂに示すように、相互に連続的に融合し合っている。

図５および６は、異なる内部格子構造を有するＰＥＢＡ（ポリエーテルブロックアミド）の２つのレーザ焼結体を示す。ここで本体は、仕切りプレートによって分離されている。図５は力の作用がない本体を示し、図６は力が作用した場合の本体を示す。内部の格子構造が異なっているため、異なる強さの変形が生じている。下部の本体が上部の本体より強く変形している。

さらに別の発展形態においては、被製造物体を、その剛性に関しても、線形の挙動を呈するだけでなく、非線形に形成することも可能である。これは、例えばストッパ（ｓｔｏｐ）を設けることによって実現できる。この場合、ストッパは物体中の剛体部分によって形成される。例えば、剛体部分を、面において部分的にまたは完全に焼結された領域によって作り出すことができる。

さらに別の発展形態においては、格子構造の固形化の程度を付加的に変えることができる。

さらに別の発展形態においては、所定の破断位置を、本体内部の格子構造を変えることによって作り出すことができる。

この方法によって、あらゆるタイプの可撓性の物体、例えば、緩衝材、挿入靴底、保護クッションなどを製造できる。

本発明はレーザ焼結法に限定されない。本発明は、本体が造形材料から積層製造されるあらゆる生成法、例えば、粉体材料の代わりに液体の光硬化樹脂を用いるステレオリソグラフィー、粉体の造形材料が、例えば液滴の形状で粉体層の上に塗布できる結合剤によって固形化される３次元印刷法、あるいはまた、レーザビームの代わりにマスクおよび拡大光源が用いられる選択的マスク焼結法、に用いることができる。

Claims (9)

1. 可撓性の３次元物体（１）を造形材料からアディティブ積層造形法によって製造する方法において、
   前記造形材料の材料パラメータと前記被製造物体の所定の性質とに基づいて、格子構造を含む前記物体（１）の内部構造（１１、１２、１３）が計算され、かつ、
   この内部構造（１１、１２、１３）を有する前記３次元物体（１）が、前記所定の性質を備えるように前記アディティブ積層造形法によって製造される、方法において、
   前記内部構造（１１、１２、１３）が次のように計算される、すなわち、弾性率Ｅ２の可撓性の物体（１）が、あるいは、異なる弾性率Ｅ２〜Ｅｎを有するｎ個の可撓性の部分を含む物体（１）が、弾性率Ｅ１の造形材料から作り出されるように（但しＥ１＞Ｅ２、Ｅｎである）計算され、
   前記格子構造が、部分的に外被によって閉じられた外側輪郭を有し、前記格子構造の外側輪郭には残留した造形材料を除去するための開口が存在し、
   機械的性質が異なるいくつかの領域を有する１つの物体（１）が作り出され、
   前記領域が徐々に相互に融合し合う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、前記造形材料の材料パラメータとして、弾性率および／または引張強さおよび／または硬度および／または密度および／または破断ひずみおよび／またはＰｏｉｓｓｏｎ比およびさらに別の材料パラメータが用いられ、前記物体の性質として、剛性および／または引張強さおよび／または引張負荷における破断ひずみおよび／またはＰｏｉｓｓｏｎ比および／または捩り挙動および／または疲労挙動および／または所定の力が作用する場合の前記物体の別の性質が用いられる、ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記被製造物体の少なくとも１つの機械的性質が、格子のタイプおよび／または単位セルの寸法および／または格子バーの厚さおよび／または固形化の程度を変えることによって調整される、ことを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、前記物体内部の構造が、方向および／または負荷に従って異なる性質が作り出されるように変えられることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法において、異なる機械的性質を有するいくつかの物体（１）が１つの同じ原材料によって製造されることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、前記内部構造によって線形の可撓性を有する物体（１）が作り出されること、あるいは、前記内部構造（１１、１２、１３）がストッパを含み、それによって、非線形の可撓性を有する物体が得られることを特徴とする方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法において、前記造形材料として、粉体の造形材料が使用されることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記アディティブ積層造形法がレーザ焼結法であることを特徴とする方法。
9. 請求項７に記載の方法において、前記アディティブ積層造形法がマスク焼結法であることを特徴とする方法。

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