JP6752849B2 - Dmlm構築剥離層およびその使用方法 - Google Patents

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Description

本開示は、一般に、剥離層を有する構築プレートを利用する積層造形のための方法および装置、ならびにこの装置を使用して対象物を製造する方法に関する。
積層造形(AM)またはアディティブ印刷プロセスは、サブトラクティブ製造方法とは対照的に、一般にネットまたはニアネットシェイプ(NNS)対象物を作成するために、1つまたは複数の材料の堆積を含む。「積層造形(additive manufacturing)」は業界標準用語(ASTM F2792)であるが、AMは、自由造形、3D印刷、ラピッドプロトタイピング/ツーリングなどを含む、様々な名称で知られている様々な製造およびプロトタイピング技術を包含する。AMは、多種多様な材料から複雑な部品を作製することができる。一般に、自立する対象物は、コンピュータ支援設計(CAD)モデルから作製することができる。特定のタイプのAMプロセスは、粉末材料を溶融または焼結させるために、レーザービームなどの電磁放射を使用して、中実の3次元対象物を生成する。
粉末の構築材料を使用するAMのための装置の一例を図1に示す。装置140は、ソース150によって生成されたエネルギービーム170を使用して粉末材料(図示せず)を焼結または溶融することによって、層ごとに対象物または対象物の部分、例えば対象物152を構築し、ソース150は、例えば、レーザービームを生成するためのレーザー、または電流が流れると電子を放出するフィラメントであってもよい。エネルギービームによって溶融される粉末は、リザーバ156により供給され、方向164に移動するリコータアーム146を用いて粉末床142の上に均等に分散し、粉末をレベル148に維持して、粉末レベル148の上方に延在する過剰の粉末材料を廃棄物容器158に取り除く。エネルギービーム170は、レーザーガルボスキャナ162などの照射放射指向装置の制御下で構築される対象物の断面層を焼結または溶融する。粉末を溶融させるための他の技術は、バインダージェッティングまたは電子ビーム照射を含むことができる。ガルボスキャナ162は、例えば、複数の可動ミラーまたは走査レンズを含むことができる。エネルギービームを走査する速度は、重要な制御可能なプロセスパラメータであり、特定のスポットに供給されるエネルギーの量に影響を与える。典型的なエネルギービームの走査速度は、10〜1000ミリメートル/秒のオーダーである。構築プラットフォーム144が下降して、別の粉末層が粉末床および構築される対象物の上に分散され、続いてレーザー150によって粉末が連続して溶融/焼結される。粉末層は、通常、例えば10〜100ミクロンの厚さである。溶融/焼結された粉末材料から対象物152が完全に構築されるまで、処理が繰り返される。エネルギービーム170は、プロセッサおよびメモリ(図示せず)を含むコンピュータシステムによって制御することができる。コンピュータシステムは、層ごとに走査パターンを決定し、走査パターンに従って粉末材料に照射するようにエネルギービーム170を制御することができる。対象物152の製造が完了した後に、様々な後処理手順が対象物152に適用されてもよい。後処理手順は、例えば、ブローまたは真空引きにより過剰な粉末を除去することを含む。他の後処理手順は、応力緩和熱処理プロセスを含む。さらに、熱的および化学的後処理手順を、対象物152を仕上げるために使用することができる。
商業的に入手可能なAM機械は、一般にAM構築が完了した後に構築された部分を機械加工することを必要とする構築プレートを利用する。構築プレートの機械的特徴を保持する構築面を提供しながら、機械加工を必要とせずに、構築プレートから構築された対象物を解放することができるシステムが必要とされている。図2に示すように、欧州特許第0734842B2号は、安定したプレートから形成され、ボルト14によって支持体2の上部に解放可能に固定された予め製造された基板13を利用する。予め製造された基板13は、構築される対象物50が焼結時に付着する材料から形成される。この種の装置は、レーザー切断または同様の手段を使用して、構築される対象物50から予め製造された基板13を機械的に分離する工程を必要とする。独国特許第102007047326A1号に記載されている別のアプローチは、可撓性フィルムを支持体として使用することを含む。
構築面上に積層造形された製品を迅速かつ非破壊的に解放することを可能にする支持プレート上の丈夫な構築面が必要とされている。
欧州特許第0734842B2号
このような態様の基本的な理解を提供するために、以下に本開示の1つまたは複数の態様の簡略化した概要を提示する。本概要は、すべての熟考された態様の広範囲の概要ではなく、すべての態様の鍵となるまたは重要な要素を特定するものでもなく、また一部またはすべての態様の範囲を詳しく説明するものでもない。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、簡略化された形で1つまたは複数の態様のうちのいくつかの概念を提示することである。
本発明の上記および/または他の態様は、対象物を製造する方法によって達成することができる。一態様では、本方法は、(a)粉末床内の支持プレートの上に所与の粉末層を堆積させるステップであって、支持プレートは剥離層を有する、ステップと、(b)所与の融着領域を形成するために粉末床内の所与の粉末層を融着するステップと、(c)次の粉末層を堆積させるステップと、(d)対象物が粉末床に形成されるまで、ステップ(b)およびステップ(c)を繰り返すステップと、を含む。本方法は、(e)剥離層を溶融または溶解させることによって支持体から対象物を分離するステップをさらに含む。
本発明の上記および/または態様は、対象物を積層造形するための装置によっても達成することができる。一態様では、装置は、粉末ディスペンサ、剥離層を有する取り外し可能な支持体、ならびに粉末を対象物に融着するための照射源またはバインダージェットを含む。他の特徴および態様は、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
他の特徴および態様は、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
従来の方法によるAMのための装置の図である。 対象物が構築される解放可能な予め製造された基板を有する従来のAM装置の図である。 本発明の一実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の一実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の一実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の別の実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の別の実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の別の実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の別の実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。 本発明の別の実施形態による、支持プレートからAM構築された対象物を解放するプロセスを示す図である。
添付図面に関連して以下に記載する詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されたものであって、本明細書で説明される概念を実施することができる唯一の構成を提示するものではない。詳細な説明は、様々な概念の徹底的な理解を提供する目的で特定の詳細を含んでいる。しかし、これらの具体的な詳細がなくてもこれらの概念を実施することができることは、当業者には明らかであろう。いくつかの例では、このような概念を不明瞭にしないために、周知の構成要素は、ブロック図の形で示している。
本出願は、剥離層を有する構築プレートを利用する積層造形のための方法および装置、ならびにこの装置を使用して対象物を製造する方法に関する。
図3Aは、本発明の例示的な実施形態による、AM装置300の一部の断面側面図を示す。構築チャンバ、リコータアーム、レーザーガルボ、電子ビーム、またはバインダージェットなどの粉末床装置の他の部分は示されていないことが理解されよう。AM装置300は、粉末床内で構築される対象物306を支持するための支持ベース302を含む。支持ベース302は、制御ユニット(図示せず)によって制御されて、支持ベース302を移動させることができる。例えば、制御ユニットは、対象物306の構築プロセスの間に支持ベース302を上下させるために、支持ベース302を調整することができる。取り外し可能な支持プレート303は、支持ベース302の上側に取り付けられるように設けられ、支持ベース302と共に調整することができる。取り外し可能な支持プレート303は、例えば、支持ベース302の幅に対応する幅を有するように構成することができる。すなわち、取り外し可能な支持プレート303が支持ベース302の上側に平行に延在するように、取り外し可能な支持プレート303は支持ベース302に沿って延在することができる。支持ベース302は、取り外し可能な支持プレート303の底側を支持ベース302にボルト304で取り付けるように構成することができる。
取り外し可能な支持プレート303の上側に配置された剥離層305は、取り外し可能な支持プレート303の少なくとも一部を覆うように設けられ、取り外し可能な支持プレート303の上に対象物306が構築される。剥離層305は、銅または銅合金材料で作られた取り外し可能なインターフェースであってもよい。分離を容易にするために、剥離層305は、対象物306および取り外し可能な支持プレート303とは異なる材料でなければならない。例えば、剥離層305は銅または銅合金で作られ、一方、対象物および支持体は、剥離層とは異なる材料、例えば、コバルトクロムまたは鋼で作られる。剥離層の材料は、支持体および構築される対象物とは異なる溶融特性、溶解特性、または電解特性を有しなければならない。
図3Bは、例示的な実施形態による、剥離層305および取り外し可能な支持プレート303の断面図を示す。図3Bに示すように、対象物306は、粉末床内に対象物306を構築するときに剥離層305上に配置される。取り外し可能な支持プレート303の底側は、取り外し可能な支持プレート303を支持ベース302に取り付ける際にボルト304を受け入れるための受け入れ部分309を有するように示されている。
図3Cは、例示的な実施形態による、めっき浴中の対象物306および取り外し可能な支持プレート303の断面図を示す。図3Cに示すように、対象物306および取り外し可能な支持プレート303は、電解を施すためにめっき浴に浸漬することができる。剥離層305は、剥離層305が対象物306および取り外し可能な支持プレート303から分離するように、このプロセスの間に溶解される。剥離層305を溶解するために、例えば水性溶媒などの溶媒を使用することができる。水性溶媒は、例えばアンモニア水であってもよい。
別の実施形態では、例えば、剥離層305は、熱処理によって対象物306および取り外し可能な支持プレート303から分離することができる。すなわち、温度によって、剥離層305を対象物306および取り外し可能な支持プレート303から離れるように溶融させることによって、取り外し可能な支持プレート303から対象物306を取り除くことができる。例示的な実施形態による方法は、剥離層305の融点以上で、かつ対象物306および取り外し可能な支持プレート303の融点より低い温度で融解させるステップを含むことができる。剥離層305を対象物306および取り外し可能な支持プレート303から分離するために、加熱は1080℃〜1910℃または1,110℃〜1,500℃の温度で行うことができる。加熱による分離の場合には、残留剥離層を電気めっきを用いて除去することができる。さらに、電気めっきを用いて支持体の上に新たな剥離層を形成することができる。化学めっきなどの他のコーティング技術を用いて、剥離層を形成することもできる。
図4Aは、本発明の別の例示的な実施形態による、AM装置400の断面側面図を示す。図4Aに示すように、AM装置400は、構築される対象物406を支持するための支持ベース402を含む。支持ベース402は、制御ユニット(図示せず)によって制御されて、対象物406の構築プロセス中に支持ベース402を調整することができる。取り外し可能な支持プレート403は、支持ベース402の上側に取り付けられるように設けられ、支持ベース402と共に調整することができる。取り外し可能な支持プレート403は、支持ベース402の幅に対応する幅を有するように構成することができる。すなわち、取り外し可能な支持プレート403が支持ベース402の上側に平行に延在するように、取り外し可能な支持プレート403は支持ベース402に沿って延在することができる。支持ベース402は、取り外し可能な支持プレート403の底側を支持ベース402にボルト404で取り付けるように構成することができる。
図4Aの例示的な実施形態によれば、AM装置400は、取り外し可能な支持プレート403の外側部分の周りに配置された剥離層405により、その底側に取り付けられたボルト404を受け入れるように構成された取り外し可能な支持プレート403の一部を除いて取り外し可能な支持プレート403の全体を覆うように構成することができる。対象物406は、剥離層405の上部に構築することができる。
図4Bは、例示的な実施形態による、剥離層405および取り外し可能な支持プレート403の断面図を示す。図4Bに示すように、対象物406が構築プロセスを受けているときに、対象物406が剥離層405上に配置される。取り外し可能な支持プレート403の底側は、取り外し可能な支持プレート403を支持ベース402に取り付ける際にボルト404を受け入れるための受け入れ部分409を有するように示されている。
図4Cは、例示的な実施形態による、めっき浴中の対象物406および取り外し可能な支持プレート403の断面図を示す。上述したように、剥離層405は、電解プロセスを通してめっき浴に浸漬したときに、対象物406および取り外し可能な支持プレート403から分離することができる。あるいは、上述したように、剥離層405は、温度によって熱処理によって対象物406および取り外し可能な支持プレート403から分離することができる。
図4Dおよび図4Eは、本発明の他の実施形態によるめっき浴プロセスの断面図である。電気めっきのプロセスは、剥離層がめっき浴中に置かれたときに、支持プレートから剥離層を除去するために使用することができる。図4Dに示す例示的な実施形態では、剥離層405および取り外し可能な支持プレート403が浴中に配置される。電極407は、外側部分を覆う剥離層405を有する取り外し可能な支持プレート403の下に配置され、取り外し可能な支持プレート403の幅に平行に延在する。電源408は、一端が取り外し可能な支持プレート403に接続され、他端が電極407に接続される。図4Dの例示的な実施形態は、電極407から取り外し可能な支持プレート403に電流e−が流れて、取り外し可能な支持プレート403から剥離層405を除去する電気めっきプロセスを示す。あるいは、電気めっきのプロセスは、剥離層がめっき浴中に置かれたときに支持プレートに剥離層を付加するために使用することができる。図4Eの例示的な実施形態は、電極407から取り外し可能な支持プレート403に電流e+が流れて取り外し可能な支持プレート403に剥離層(図示せず)を付加する電気めっきプロセスを示す。
別の例示的な実施形態では、本発明は、当該技術分野で知られている適切な方法、材料、および/または装置により、バインダージェッティングを使用して粉末床内に対象物を生成するように構成することができる。例えば、対象物(306、406)を構築するために使用される粉末、あるいは別の材料を融着するための機構は、バインダー材料を粉末に適用して、結合された粉末材料の層の上に層を生成するバインダージェッティングである。本明細書に記載の他のアディティブ粉末床法と同様に、バインダージェッティングによって形成された対象物は、剥離層を使用して支持プレートまたは取り外し可能な支持プレートから解放することができる。バインダージェッティングによって金属粉末床内に金属対象物が形成される場合には、バインダーを除去して対象物の金属を固めるために後熱処理工程を適用することができる。そのような熱処理工程は、剥離層を溶融することによって支持体から対象物を分離することに加えて、またはそれと併せて行うことができる。
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、好ましい実施形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。記載した様々な実施形態、ならびにこのような各態様の他の公知の均等物は、本出願の原理に従ってさらなる実施形態および技術を構築するように、当業者によって混合し適合することができる。
[請求項1]
対象物(306,406)を製造するための方法であって、
(a)粉末床(142)内の支持プレート(303,403)の上に所与の粉末層を堆積させるステップであって、前記支持プレート(303,403)は第1の剥離層(305,405)を有する、ステップと、
(b)所与の融着領域を形成するために前記粉末床(142)内の前記所与の粉末層を融着するステップと、
(c)次の粉末層を堆積させるステップと、
(d)前記対象物(306,406)が前記粉末床(142)に形成されるまで、ステップ(b)およびステップ(c)を繰り返すステップと、
(e)前記第1の剥離層(305,405)を溶融または溶解させることによって前記支持プレート(303,403)から前記対象物(306,406)を分離するステップと、
を含む方法。
[実施態様2]
ステップ(e)は、前記第1の剥離層(305,405)の融点以上であって、前記対象物(306,406)の融点より低い温度で溶融させるステップを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様3]
前記第1の剥離層(305,405)は銅または銅合金であり、前記対象物(306,406)はコバルトクロムまたはコバルトクロムの合金である、実施態様1に記載の方法。
[実施態様4]
前記ステップ(e)は、1,080℃〜1,910℃の温度で加熱するステップを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様5]
前記ステップ(e)は、1,110℃〜1,500℃の温度で加熱するステップを含む、実施態様4に記載の方法。
[実施態様6]
前記ステップ(e)は、前記第1の剥離層(305,405)を溶媒中に溶解させるステップを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様7]
前記第1の剥離層(305,405)を溶解するステップは、水性アンモニアを利用する、実施態様6に記載の方法。
[実施態様8]
前記所定の粉末層を融着するステップは、照射またはバインダージェッティングを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様9]
前記照射は、デジタル光処理、レーザー、または電子ビーム照射である、実施態様8に記載の方法。
[実施態様10]
ステップ(e)の後に、電気めっきを用いて第2の剥離層(305,405)が設けられる、実施態様9に記載の方法。
[実施態様11]
ステップ(e)の後に、前記対象物(306,406)上に残った前記第1の剥離層(305,405)の除去を確実にするために、研削するステップが用いられる、実施態様1に記載の方法。
[実施態様12]
前記融着領域は、前記第1の剥離層(305,405)の融点よりも高く、かつ前記対象物(306,406)の融点よりも低い融点を有する粉末から形成される、実施態様1に記載の方法。
[実施態様13]
対象物(306,406)の積層造形のための装置(300,400)であって、
粉末ディスペンサと、
剥離層(305,405)を有する取り外し可能な支持プレート(303,403)と、
粉末を前記対象物(306,406)に融着するための照射源またはバインダージェットと、
を含む装置(300,400)。
[実施態様14]
前記取り外し可能な支持プレート(303,403)は、前記対象物(306,406)が構築されるにつれて降下される支持ベース(302,402)に取り付けられる、実施態様13に記載の装置(300,400)。
[実施態様15]
前記取り外し可能な支持プレート(303,403)は、ボルト(304,404)を用いて前記支持ベース(302,402)に取り付けられる、実施態様14に記載の装置(300,400)。
[実施態様16]
前記剥離層(305,405)は、前記取り外し可能な支持プレート(303,403)の融点より低い融点を有する、実施態様13に記載の装置(300,400)。
[実施態様17]
前記剥離層(305,405)は、銅または銅合金である、実施態様13に記載の装置(300,400)。
[実施態様18]
前記剥離層(305,405)は、前記取り外し可能な支持プレート(303,403)の少なくとも一部を覆う、実施態様13に記載の装置(300,400)。
[実施態様19]
前記剥離層(305,405)は、ボルト(304,404)を受け入れるように適合された部分を除いて、前記取り外し可能な支持プレート(303,403)全体を覆う、実施態様13に記載の装置(300,400)。
[実施態様20]
前記取り外し可能な支持プレート(303,403)は、ボルト(304,404)を用いて前記支持ベース(302,402)に取り付けられる、実施態様19に記載の装置(300,400)。
2 支持体
13 予め製造された基板
14 ボルト
50 構築される対象物
140 装置
142 粉末床
144 構築プラットフォーム
146 リコータアーム
148 粉末レベル
150 ソース/レーザー
152 対象物
156 リザーバ
158 廃棄物容器
162 レーザーガルボスキャナ
164 方向
170 エネルギービーム
300 AM装置
302 支持ベース
303 取り外し可能な支持プレート
304 ボルト
305 剥離層
306 対象物
309 受け入れ部分
400 AM装置
402 支持ベース
403 取り外し可能な支持プレート
404 ボルト
405 剥離層
406 対象物
407 電極
408 電源
409 受け入れ部分

Claims (14)

  1. 対象物(306,406)を製造するための方法であって、
    (a)粉末床(142)内の支持プレート(303,403)の上に所与の粉末層を堆積させるステップであって、前記支持プレート(303,403)は第1の剥離層(305,405)を有する、ステップと、
    (b)所与の融着領域を形成するために前記粉末床(142)内の前記所与の粉末層を融着するステップと、
    (c)次の粉末層を堆積させるステップと、
    (d)前記対象物(306,406)が前記粉末床(142)に形成されるまで、ステップ(b)およびステップ(c)を繰り返すステップと、
    (e)前記第1の剥離層(305,405)を、水性アンモニアを利用して溶解させることによって前記支持プレート(303,403)から前記対象物(306,406)を分離するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記第1の剥離層(305,405)は銅または銅合金であり、前記対象物(306,406)はコバルトクロムまたはコバルトクロムの合金である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記所の粉末層を融着するステップは、照射またはバインダージェッティングを含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. ステップ(e)の後に、電気めっきを用いて第2の剥離層(305,405)が設けられる、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 対象物(306,406)を製造するための方法であって、
    (a)粉末床(142)内の支持プレート(303,403)の上に所与の粉末層を堆積させるステップであって、前記支持プレート(303,403)は第1の剥離層(305,405)を有する、ステップと、
    (b)所与の融着領域を形成するために前記粉末床(142)内の前記所与の粉末層を融着するステップと、
    (c)次の粉末層を堆積させるステップと、
    (d)前記対象物(306,406)が前記粉末床(142)に形成されるまで、ステップ(b)およびステップ(c)を繰り返すステップと、
    (e)前記第1の剥離層(305,405)を溶融または溶媒中に溶解させることによって前記支持プレート(303,403)から前記対象物(306,406)を分離するステップと、
    を含み、
    ステップ(e)の後に、電気めっきを用いて第2の剥離層(305,405)が設けられる、方法。
  6. 前記第1の剥離層(305,405)は銅または銅合金であり、前記対象物(306,406)はコバルトクロムまたはコバルトクロムの合金である、請求項5に記載の方法。
  7. 前記第1の剥離層(305,405)を溶解するステップは、水性アンモニアを利用する、請求項5または6に記載の方法。
  8. 前記所の粉末層を融着するステップは、照射またはバインダージェッティングを含む、請求項5乃至7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 対象物(306,406)を製造するための方法であって、
    (a)粉末床(142)内の支持プレート(303,403)の上に所与の粉末層を堆積させるステップであって、前記支持プレート(303,403)は第1の剥離層(305,405)を有する、ステップと、
    (b)所与の融着領域を形成するために前記粉末床(142)内の前記所与の粉末層を融着するステップと、
    (c)次の粉末層を堆積させるステップと、
    (d)前記対象物(306,406)が前記粉末床(142)に形成されるまで、ステップ(b)およびステップ(c)を繰り返すステップと、
    (e)前記第1の剥離層(305,405)を溶融させることによって前記支持プレート(303,403)から前記対象物(306,406)を分離するステップと、
    を含み、
    ステップ(e)の後に、電気めっきを用いて第2の剥離層(305,405)が設けられる、方法。
  10. ステップ(e)は、前記第1の剥離層(305,405)の融点以上であって、前記対象物(306,406)の融点より低い温度で溶融させるステップを含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1の剥離層(305,405)は銅または銅合金であり、前記対象物(306,406)はコバルトクロムまたはコバルトクロムの合金である、請求項9または10に記載の方法。
  12. 前記ステップ(e)は、1,080℃〜1,910℃の温度で加熱するステップを含む、請求項9乃至11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記ステップ(e)は、1,110℃〜1,500℃の温度で加熱するステップを含む、請求項9乃至12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記所の粉末層を融着するステップは、照射またはバインダージェッティングを含む、請求項9乃至13のいずれか1項に記載の方法。
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