JP6900488B2 - 規定通りに配置された切削要素を含む、粉末又はペースト状の材料からグリーン体の層形成を行うための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、請求項１の記載に基づき、規定通りに配置された切削要素を含む、粉末又はペースト状の材料からグリーン体の層形成を行うための方法に関する。
ドリルビット、鋸刃、切削ホイール、又は研削ホイール等の研磨加工工具は、管状又はディスク型の基体に締結される加工セグメントを備える。研磨加工工具の加工方法によって、加工セグメントは、掘削セグメント、ソーイングセグメント、切削セグメント、又は研削セグメントと呼ばれ、総称して「加工セグメント」と呼ばれる。加工セグメントは、粉末材料及び硬質材料粒子による切削要素から形成される。硬質材料粒子が統計的（statistisch）に配分された加工セグメントと規定通りに配置された硬質材料粒子を有する加工セグメントとは、区別されている。硬質材料粒子が統計的に配分された加工セグメントでは、粉末材料と硬質材料粒子が混合されて適切な工具成形に充填され、冷間プレスにより最初にグリーン体（素地）として形成される。規定通りに配置された硬質材料粒子を有する加工セグメントにおいて、グリーン体は、粉末材料から層状に形成され、その中に硬質材料粒子が定位置に配置される。統計的に配分された硬質材料粒子と規定通りに配置された硬質材料粒子については、グリーン体は、熱プレス及び／又は焼結により、使用可能な加工セグメントへと圧縮される。
硬質材料粒子が統計的に配分された加工セグメントには、複数の欠点がある。硬質材料粒子はグリーン体の表面にも配置されるため、グリーン体の冷間プレスに必要な工具成形の摩耗は大きい。さらに、グリーン体での硬質材料粒子の配分は、使用目的のために最適な配分ではない。硬質材料粒子が統計的に配分された加工セグメントのこのような欠点により、規定通りに配置された硬質材料粒子を有する加工セグメントは、高いコストにもかかわらず、高質の加工工具に遥かに多く使用されている。
特許文献１は、硬質材料粒子が規定位置に配置された粉末材料からグリーン体の層形成を行うための既知の方法を記載している。既知の方法は、グリーン体の３次元データに基づく方法であって、
−グリーン体を重ね方向に数量Ｎ、Ｎ≧２が成り立つ連続した複数の円筒断面領域に区分け、各断面領域が重ね方向に垂直な２次元断面と重ね方向に平行な層厚から形成されている、ことを特徴とする工程と、
−粉末材料の数量Ｎ、Ｎ≧２の複数の粉末層を重ね方向に垂直に配置された重ね平面に塗布する工程と、
−硬質材料粒子を粉末材料の定位置に配置する工程と、
を備える方法である。
−グリーン体を重ね方向に数量Ｎ、Ｎ≧２が成り立つ連続した複数の円筒断面領域に区分け、各断面領域が重ね方向に垂直な２次元断面と重ね方向に平行な層厚から形成されている、ことを特徴とする工程と、
−粉末材料の数量Ｎ、Ｎ≧２の複数の粉末層を重ね方向に垂直に配置された重ね平面に塗布する工程と、
−硬質材料粒子を粉末材料の定位置に配置する工程と、
を備える方法である。
硬質材料粒子は吸引プレートにより取り出され、層構造上に配置される。吸引力の低減又は短時間の圧縮空気の吹付けにより、硬質材料粒子は吸引プレートから離れ、層構造の上部粉末層に配置される。粉末材料がずれることがなく、硬質材料粒子が配分の定位置に配置されている場合のみ圧縮空気の吹付けを強くする。別の欠点は、硬質材料粒子を緩く配置するしかないこと、又は上部粉末層にしか配置できないことである。次の粉末材料の粉末層をローラ、スクレーパ、又はブラシの形態の塗布工具で塗布し分配した場合、硬質材料粒子が塗布工具で自らの規定位置からずらされてしまい、そうすると精度が低下することがあり得る。
本発明は、特に研磨加工工具の加工セグメントへと圧縮されたグリーン体の層形成において、形成されたグリーン体内での切削要素の配置配分の精度を向上させることを目的とする。グリーン体内での切削要素の配置配分は、さらなるグリーン体の層形成の際にも維持される。さらに、グリーン体の製造時に可能な限り早くに保護手段を講じ、以降に続く圧縮プロセスにおける、例えば、熱プレス又は焼結による、切削要素と粉末材料又はペースト状の材料との化学結合を防ぐことを目的とする。
規定通りに配置された切削要素を含む、粉末又はペースト状の材料からグリーン体の層形成を行うための方法において、本発明の目的は独立項１の技術的特徴により達成される。さらなる改良技術は、従属項に記載されている。
本発明によれば、規定通りに配置された切削要素を含む、粉末又はペースト状の材料からグリーン体の層形成をグリーン体の３次元データに基づき行う、すなわちグリーン体を、重ね方向に垂直な２次元断面から形成される、重ね方向に数量Ｎ、Ｎ≧２が成り立つ連続した複数の円筒断面領域であって、重ね方向に平行な層厚から形成される断面領域へと区分ける、ことによる方法であって、本発明は以下のような工程を備える。すなわち、
−グリーン体の断面領域をそれぞれ、粉末又はペースト状の材料から製造される材料領域と切削要素が配置される設置領域とに分割する工程と、
−１つの設置領域又は重ね方向の複数の連続設置領域により形成される少なくとも１つの空洞が切削要素を設置するための所要挿入高に達するまで、１つの断面領域の材料領域又は重ね方向の複数の連続設置領域の材料領域を、重ね方向に垂直な重ね平面に形成する工程と、
−少なくとも１つの切削要素を、切削要素を配置するための所要挿入高を有する空洞に配置する工程と、
を備える方法である。
−グリーン体の断面領域をそれぞれ、粉末又はペースト状の材料から製造される材料領域と切削要素が配置される設置領域とに分割する工程と、
−１つの設置領域又は重ね方向の複数の連続設置領域により形成される少なくとも１つの空洞が切削要素を設置するための所要挿入高に達するまで、１つの断面領域の材料領域又は重ね方向の複数の連続設置領域の材料領域を、重ね方向に垂直な重ね平面に形成する工程と、
−少なくとも１つの切削要素を、切削要素を配置するための所要挿入高を有する空洞に配置する工程と、
を備える方法である。
グリーン体の層形成を行うための本発明の方法は、重ね方向に数量Ｎ、Ｎ≧２が成り立つ連続した複数の円筒断面領域であって、重ね方向に垂直な任意の２次元断面と重ね方向に平行な層厚とから直筒として形成される円筒断面領域へ、重ね方向に区分けされた、グリーン体の３次元データに基づく。断面領域の層厚は等しくても異なっていてもよいものの、通常等しい層厚が用いられる。層厚が薄いほど、グリーン体での切削要素の所望の３次元配分がより正確に実現できるが、グリーン体の製造に必要な重ね時間は増加する。これらの断面領域は粉末又はペースト状の材料から製造された材料領域と切削要素用の設置領域とから構成され、設置領域は切削要素を設ける断面領域のみに存在する。切削要素は、グリーン体の層形成の際に設置領域から形成される空洞に配置される。この空洞は、１つの設置領域又は重ね方向の複数の連続した設置領域から構成することができる。
グリーン体を層状に製造するための本発明の方法において、切削要素が設けられる複数の空洞が層形成の際にグリーン体に形成される。粉末又はペースト状の材料からグリーン体を製造する全ての層形成法は層形成に適しており、これには、例えば、３次元印刷又は接合材噴射も含まれる。少なくとも１つの切削要素が、所要挿入高を有する空洞に配置される。１つの切削要素、複数の同一の切削要素、又は異なる切削要素を空洞に配置することができる。空洞の断面形状及び挿入高は、切削要素の幾何形状に適合させることができる。空洞と切削要素との隙間が小さいほど、グリーン体における切削要素の位置の精度が高まる。空洞の所要挿入高は、切削要素の種類及び大きさ等に依る。さらに、同一の切削要素の空洞の所要挿入高はグリーン体内で異なってよく、それは切削要素の空間配置に依ルものであってもよい。グリーン体における切削要素の３次元配分は、グリーン体における空洞の分布により実現することができる。断面領域の層厚の選択肢を狭めるほど、グリーン体における切削要素の配分は、切削要素の適用目的に沿った最適な配分により正確に適合されるが、グリーン体の製造に必要な重ね時間は増加する。
グリーン体の層形成のための本発明の方法は、材料粉末とも言われる粉末材料及びペーストとも言われるペースト状の材料に適している。初期状態で固形及び緩い非結合の粉末粒子からできている全ての材料は、「粉末材料」という用語で総称する。この粉末材料は、材料粉末から構成されていても、又は異なる材料粉末の混合物から構成されてもよい。液体に加え、細粒子として配分され、初期状態で広がり抵抗を有する固体が高含有量で含まれるすべての固体／液体の混合物は、「ペースト状の材料」で総称する。ペースト状の材料は、固体含有量、粘着度及び／又は化学組成で特徴付けられる。
研磨加工セグメントのための全ての切削手段は、「切削要素」という用語で総称する。これに含まれるものとしては、特に個別の硬質材料粒子（硬質材料の粒子）、複数の硬質材料粒子から構成される複合部品、及び被膜又は被包された硬質材料粒子がある。硬質材料は、特殊な硬さを有することを特徴とする。硬質材料は、天然硬質材料と合成硬質材料に分けることができる一方、金属硬質材料と非金属硬質材料にも分けることができる。天然硬質材料には天然ダイヤモンド、鋼玉石、及びその他の硬質鉱物が含まれ、合成硬質材料には、合成ダイヤモンド、高融点カーバイド、ホウ化物、窒化物、珪化物等が含まれる。金属硬質材料には周期系の第Ｖ乃至ＶＩ種族の遷移金属の高融点カーバイド、ホウ化物、窒化物、及び珪化物等が含まれ、非金属硬質材料にはダイヤモンド、鋼玉石、及びその他の硬質鉱物、並びに炭化珪素及び炭化ホウ素等が含まれる。
方法の第１の変形態様において、切削要素を配置するための空洞の所要挿入高は、切削要素の最小直径より小さい。個別の硬質材料粒子の形状で構成される切削要素において、最小直径Ｄｍｉｎ及び最大直径Ｄｍａｘを特徴とする硬質材料粒子の混合物が通常用いられる。硬質材料粒子の混合物において、９５％の硬質材料粒子は最小直径Ｄｍｉｎより大きい。切削要素の最小直径より小さい挿入高の場合、切削要素は配置後に完全に空洞内に収まらない。
第１の変形態様は、研磨加工工具の加工セグメント、特に加工セグメントの上側に適している。加工の対象となる基板（被加工部材）又は加工製品に面する加工セグメントの側を上側とし、研磨加工工具の管状又はディスク型の基体に接続された加工セグメントの側を下側とする。研磨加工は、加工セグメントの上側の露出した切削要素全般で行われる。研磨加工工具による加工の際、加工セグメントのマトリックス（熱プレス及び／又は焼結後の粉末又はペースト状の材料）は除去され、下方に位置する切削要素が加工セグメントの上側で露出する。既知の研磨加工工具において、加工セグメントは一般的に上側が研磨され、切削要素を露出させなければならない。加工セグメントの研磨は、第１の変形態様を適用する場合には省略してもよい。層形成の際には、切削要素を空洞に配置した後に別の材料層を塗布する。材料層の層厚を利用して、切削要素が上側で突出するか否か及びどの程度突出するかを決定づけることができる。
方法の代替的な第２の変形態様において、切削要素を配置するための空洞の所要挿入高は、切削要素の最大直径より大きい。硬質材料粒子の混合物において、９５％の硬質材料粒子は通常最大直径Ｄｍａｘより小きい。切削要素の最大直径より大きい空洞の挿入高の場合、全ての切削要素は実質的に完全に空洞内に収まる。第２の変形態様の優位性としては、切削要素が安全に空洞に配置され、別の材料層がさらに塗布された時に切削要素がずれる危険性が低減されることが挙げられる。さらに、切削要素の配置後は、切削要素をほぼ完全に囲む特殊材料で空洞を充填してよい。層状のグリーン体が圧縮目的のための熱プレス及び／又は焼結による、以降に続く加工の対象となる場合、特殊材料の使用が役に立つ。
方法の１つの好ましい改良は、所要挿入高を有する空洞が、切削要素に加えて、特殊材料でも充填されていることである。層状のグリーン体が圧縮目的のための熱プレス及び／又は焼結による、以降に続く加工の対象となる場合、特殊材料の使用が役に立つ。研磨加工工具の加工セグメントにおいては、切削要素は熱プレス及び／又は焼結の際に、使用する粉末又はペースト状の材料で損傷され得る。特殊材料は粉末又はペースト状の材料と化合物を形成する一方、切削要素と機械的に結合。したがって、切削要素と粉末又はペースト状の材料の化学結合は望ましくない。特殊材料の特性は、粉末又はペースト状の材料及び切削要素に合わせられる。特殊材料は粉末又はペースト状でよく、粉末状の特殊材料は粉末材料の場合に便利に使用され、ペースト状の特殊材料はペースト状の材料の場合に便利に使用される。コバルト粉末又はブロンズ粉末は、例えば、ダイヤモンド粒子の硬質材料粒子のための特殊材料として適している。
第１の変形態様において、所要挿入高を有する空洞の特殊材料による充填は、方法の１つの工程で行われる。特殊材料が空洞に充填されるのは、切削要素の配置前でも又は配置後でもよい。特殊材料を用いた１部構成の充填方法が特殊材料による充填が２つの工程で行われる２部構成の充填方法に対して有する優位性としては、所要重ね時間が短いことが挙げられる。
特殊材料による空洞の充填は、切削要素の配置前に行われるのが特に好ましい。所要挿入高を有する空洞は、切削要素の配置前に特殊材料で充填される。切削要素は特殊材料に配置され、可能な場合は、深く特殊材料へと押し込まれて切削要素は完全に特殊材料に囲まれる。
それに代えて、特殊材料による空洞の充填は切削要素の配置後に行われる。所要挿入高を有する空洞は、切削要素の配置後に特殊材料で充填される。この切削要素配置後の特殊材料充填の変形態様は、グリーン体に切削要素が非常に高精度で配置されなければならない場合に使用し得る。切削要素は、接着剤で空洞に留め付けしてもよい。特殊材料により空洞を充填する際に、切削要素の位置と方向の変化がもたらす危険性は、接着剤により大幅に低下する。切削要素が特殊材料により完全には囲まれていないのは不利になり得るうえ、切削要素と粉末材料の化学結合の危険性は、切削要素の配置前に空洞が特殊材料で充填される変形態様より大きい。
代替的な第２の変形態様において、所要挿入高を有する空洞の特殊材料による充填は方法の２つの工程で行われ、特殊材料の第１の部分が切削要素の配置前に空洞に充填され、そこで切削要素が特殊材料の第１の部分に配置され、そして特殊材料の第２の部分が切削要素の配置後に空洞に充填される。特殊材料による２部構成の充填方法の優位性としては、切削要素が完全に特殊材料に囲まれ、切削要素と粉末又はペースト状の材料との化学結合を完全に防止できることが挙げられるが、所要重ね時間は１部構成の充填方法より約２倍長くなる。
方法の１つの好ましい改良態様において、切削要素は接着剤により少なくとも部分的に空洞に留め付けられる。使用する特殊接着剤の特性は、粉末又はペースト状の材料及び切削要素に適合させる。接着剤を使用する優位性としては、切削要素が安全に空洞に配置され、別の材料層がさらに塗布された場合に切削要素がずれる危険性が低減されることが挙げられる。個別の硬質材料粒子等の切削要素は方向性があり、空洞内でも正しい方向で配置されるべきである。接着剤により空洞に留め付けられる切削要素は、形成されたグリーン体内でより高い精度で規定位置及び規定された方向付けを有する。
所要挿入高を有する空洞は、切削要素の配置前に接着剤で特に好ましく充填されることが特に好ましい。接着剤は所要挿入高を有する空洞に充填され、切削要素は接着剤が硬化しないうちに接着剤に配置される。接着剤の硬化過程後に、空洞は特殊材料で充填してもよく、又はグリーン体の層形成を継続してもよい。
これに代えて、切削要素が空洞に配置される前に、切削要素が少なくとも部分的に接着剤で湿潤される。接着剤で湿潤した切削要素は、接着剤が硬化しないうちに、配置装置により所要挿入高を有する空洞に配置される。接着剤の硬化したときに、切削要素はグリーン体の所望の位置に留め付けられ、グリーン体の層形成を継続することができる。あるいは、グリーン体の層形成が継続する前に、空洞を特殊材料で充填してもよい。
本発明の実施例を図面に基づき以下で説明する。図面は必ずしも実施例を縮小して記載することを意図したものではなく、説明がわかりやすくなるように図面は概略的及び／又は若干の変更を加えて描かれている。本発明の趣旨から逸脱することがなければ、実施例の形態及び詳細に様々な変更を加えることができる。本発明の技術的範囲は以下で示され及び記載された好ましい実施例のそのままの形態又は詳細に限定されることはなく、又は請求項に記載された技術的特徴と比較して限定されていることもあり得る目的に限定されることもない。本発明の構成要素構成において、特定された範囲内の値は制限値として開示された値でもあり、任意に使用及び主張することができる。簡潔のため、以下では同じ参照番号が同一若しくは類似の要素又は同一若しくは類似の機能を有する要素に付与されている。
図１は、直方体として構成されたグリーン体１０を示す。かかる直方体は、粉末又はペースト状の材料からグリーン体の層形成のための本発明の方法により製造され、規定通りに配置された切削要素を含み、以下では第１のグリーン体１０と記載する。第１のグリーン体１０は、重ね方向１６に互いに重なり合うように配置された５つの円筒断面領域１１、１２、１３、１４、１５から層構造で製造される。これらの円筒断面領域１１乃至１５は、重ね方向１６に平行な層厚ｄｉ、ｉ＝１乃至５と、重ね方向１６に垂直な断面とを有する。層厚ｄｉ、ｉ＝１乃至５は一定でもよく、あるいは各断面領域１１乃至１５は異なる層厚を有する。
第１のグリーン体１０を層構造で製造することができるように、直方体１０は、重ね方向１６において、図２Ａ乃至図２Ｅが示す５つの円筒断面領域１１乃至１５に区分けされる。図２Ａは第１の断面領域１１を、図２Ｂは第２の断面領域１２を、図２Ｃは第３の断面領域１３を、図２Ｄは第４の断面領域１４を、図２Ｅは第５の断面領域１５を示す。第１のグリーン体１０の各断面領域１１乃至１５は、粉末又はペースト状の材料から製造され、１つ又は複数の設置領域を設けることができる、１つ又は複数の材料領域を備える。この設置領域は、直方体１０に配置される切削要素のための空洞を形成する。空洞は、１つの設置領域又は重ね方向の複数の連続する設置領域から構成することができる。
材料領域と設置領域を区別するため、ｉ番目の断面領域の材料領域をｉ番目の材料領域とし、ｉ番目の断面領域の設置領域をｉ番目の設置領域とする。第１の断面領域１１は第１の材料領域１７を有し、第２の断面領域１２は第２の材料領域１８と５つの設置領域１９とを有し、第３の断面領域１３は第３の材料領域２１と９つの第３の設置領域２２とを有し、第４の断面領域１４は第４の材料領域２３と４つの第４の設置領域２４を有し、第５の断面領域１５は第５の材料領域２５を有する。
図３Ａ及び図３Ｂは、図２Ａ乃至図２Ｅの切断平面Ａ−Ａ沿い（図３Ａ）及び図２Ａ乃至図２Ｅの切断平面Ｂ−Ｂ沿い（図３Ｂ）の重ね方向１６に平行な図１の第１のグリーン体１０の第１及び第２の断面を示す。第１のグリーン体１０の５つの円筒断面領域１１乃至１５は、重ね方向１６に互いに重なり合うように配置される。
第１のグリーン体１０の層形成の際に、切削要素が配置される９つの空洞が形成される。９つの空洞は、５つの第１の空洞２６の第１集団と４つの第２の空洞２７の第２集団に分けることができる。第１の空洞２６は第２及び第３の断面領域１２、１３に配置され、互いに重なり合うように配置された第２及び第３の設置領域１９、２２により形成される。第２の空洞２７は第３及び第４の断面領域１３、１４に配置され、互いに重なり合うように配置された第３及び第４の設置領域２２、２４により形成される。図３Ａは２つの第１の空洞２６及び１つの第２の空洞２７を示し、図３Ｂは１つの第１の空洞２６及び２つの第２の空洞２７を示す。
第１のグリーン体１０の実施例において、第１及び第２の空洞２６、２７の断面形状と挿入高は、それぞれ同じである。それに代えて、第１の空洞２６は第１の断面形状及び第１の挿入高を有してよく、第２の空洞２７はそれとは異なる第２の断面形状と第２の挿入高を有していてもよい。異なる第１及び第２の切削要素が空洞に配置される場合に、第１及び第２の空洞の異なる断面形状及び／又は異なる挿入高が役に立つ。
図４Ａ乃至図４Ｔは、規定通りに配置された切削要素４２を含む、粉末材料４１から図１の第１のグリーン体１０の層形成を行うための本発明の方法の連続する工程を示す。第１のグリーン体１０は、粉末材料４１と、個別の硬質材料粒子４２として構成される切削要素４２とから製造される。硬質材料粒子４２は、最小直径Ｄｍｉｎ及び最大直径Ｄｍａｘを特徴とする硬質材料粒子の混合物であり、硬質材料粒子の９５％が最小直径Ｄｍｉｎより大きく、最大直径がＤｍａｘより小さい。
第１のグリーン体１０は、高さ調整が可能な重ね平面４３と、粉末供給装置と、プリントヘッドとを備える装置により層状に製造される。第１の層厚ｄ１を有する粉末材料４１の第１の粉末層４４が、粉末供給装置により塗布される（図４Ａ）。プリントヘッドは、第１の接着層を第１の材料領域１７に塗布し、第１の粉末層４４の緩い粒子を第１の材料領域１７で結合させる（図４Ｂ）。重ね平面４３を重ね方向１６に平行な調整方向４５で第２の層厚ｄ２の分だけ低下させ（図４Ｃ）、粉末材料４１の第２の粉末層４６を粉末供給装置で塗布する（図４Ｄ）。第２の接着層を第２の材料領域１８にプリントヘッドにより塗布し、第２の粉末層４６の緩い粉末粒子を第２の材料領域１８で結合させるが、第２の設置領域１９では粉末粒子は結合させない（図４Ｅ）。重ね平面４３を調整方向４５で第３の層厚ｄ３の分だけ低下させ（図４Ｆ）、粉末材料４１の第３の粉末層４７を粉末供給装置で塗布する（図４Ｇ）。第３の接着層を第３の材料領域２１にプリントヘッドにより塗布し、第３の粉末層４７の緩い粉末粒子を第３の材料領域２１で結合させるが、粉末粒子は第３の設置領域２２では結合されていない（図４Ｈ）。
第３の粉末層及び接着層の塗布後に第１の空洞２６の挿入高に到達し、硬質材料粒子４２をこの第１の空洞２６に配置し得る。第１の空洞２６の挿入高は、以下、第１の挿入高ｈ１とする。実施例において、第１の挿入高ｈ１は、硬質材料粒子４２の最大直径Ｄｍａｘより大きい。硬質材料粒子４２の最大直径Ｄｍａｘより大きい第１の挿入高ｈ１の優位性としては、配置された硬質材料粒子４２がほぼ完全に第１の空洞２６に収まり、別の粉末層を塗布する際に硬質材料粒子４２がずれる危険性がさらに低減されることが挙げられる。さらに、硬質材料粒子４２は、粉末材料４１とは異なる特殊材料に囲まれてよい。特殊材料により、硬質材料粒子４２を、以降の圧縮プロセスにおける、例えば、熱プレス及び／又は焼結による、粉末材料４１との化学反応による損傷から保護することができる。コバルト粉末又はブロンズ粉末は、例えば、ダイヤモンド粒子による硬質材料粒子のための特殊材料として適している。
第１のグリーン体１０の製造のための上述の本発明の第１の変形実施例において、硬質材料粒子４２は特殊材料４８に囲まれている。第１の空洞２６からは最初に粉末材料４１の緩い粉末粒子が除去される（図４Ｉ）。このために、例えば、第１のテンプレートを層構造に配置すると第１の空洞２６が露出し、粉末材料４１の緩い粉末粒子は、抽出装置を用いた抽出により、第１の空洞２６から除去される。粉末材料４１の抽出後、第１の空洞２６が部分的に特殊材料４８で充填され（図４Ｊ）、硬質材料粒子４２が特殊材料４８中に配置され（図４Ｋ）、後に第１の空洞２６が完全に特殊材料４８で充填される（図４Ｌ）。この変形実施例の優位性としては、硬質材料粒子４２が特殊材料４８に完全に囲まれ、熱プレス及び／又は焼結の際に硬質材料粒子４２が粉末材料４１により損傷を受ける危険性が可能な限り低減されることが挙げられる。
第１の空洞２６が特殊材料４８で完全に充填された後に、第１のグリーン体１０の層形成は継続する。重ね平面４３を調整方向４５で第４の層厚ｄ４の分だけ低下させ、粉末材料４１の第４の粉末層４９が粉末供給装置により塗布される（図４Ｍ）。第４の接着層を第４の材料領域２３にプリントヘッドにより塗布し、第４の粉末層４９の緩い粉末粒子を第４の材料領域２３で結合させるが、粉末粒子は第４の設置領域２４では結合させない（図４Ｎ）。
第２の空洞２７の挿入高には第４の粉末層及び接着層の塗布後に到達し、硬質材料粒子４２は第２の空洞２７に配置し得る。第２の空洞２７の挿入高は、以下、第２の挿入高ｈ２とする。第２の挿入高ｈ２は、硬質材料粒子４２の最大直径Ｄｍａｘより大きい。第２の空洞２７に配置された硬質材料粒子４２を粉末材料４１との化学反応による損傷から保護するため、第２の空洞２７の硬質材料粒子４２は、第１の空洞２６の硬質材料粒子４２と同様に特殊材料４８に組み込まれる。第２の空洞２７の硬質材料粒子４２及び特殊材料４８による充填は、図４Ｊ、図４Ｋ、図４Ｌが示す第１の空洞２６の２部充填方法と同様に行ってよい。かかる方法において、特殊材料４８の第１の部分は硬質材料粒子４２が配置される前に充填され、硬質材料粒子４２が配置された後に特殊材料４８の第２の部分が充填される。
第１のグリーン体１０の層形成の複雑さを低減するため、第１の空洞２６を特殊材料４８で充填する２部構成の充填方法を簡素化することができる。それに代わる方法では硬質材料粒子４２を空洞に配置するのは緩い粉末粒子の抽出後であり、空洞を特殊材料４８で充填するのは硬質材料粒子４２を配置した後である。この１部構成の充填方法と言われる代替の方法は、第２の空洞２７の実施例に基づき記載されている。グリーン体の製造の際、１部構成又は２部構成の充填方法が一般的に特殊材料４８に用いられる。１部構成の充填方法は第２の空洞２７に基づき記載されているが、この方法を第１の空洞２６を特殊材料４８で充填するために使用してもよい。
緩い粉末粒子は、抽出装置により、第２の空洞２７の領域で抽出される（図４Ｏ）。第２の空洞２７での硬質材料粒子４２の向きを確実にするため、硬質材料粒子４２を留め付けるための接着剤５１を使用してよい。接着剤５１の使用の優位性としては、硬質材料粒子４２の位置及び方向付けが別の材料層又は特殊材料の塗布の際に変わらないことが挙げられる。使用する接着剤の特性は、粉末材料４１、硬質材料粒子４２、及び／又は特殊材料４８に適合させる。第２の空洞２７は接着剤５１で充填され（図４Ｐ）、硬質材料粒子４２は接着剤５１が硬化しないうちに接着剤５１に配置され（図４Ｑ）、この接着剤５１が硬化した後に第２の空洞２７が特殊材料４８で充填される（図４Ｒ）。上述の１部構成の充填方法において、硬質材料粒子４２は最初に第２の空洞２７内に配置され、第２の空洞２７はその後に特殊材料４８で充填される。あるいは、１部構成の充填方法においては、特殊材料４８が第２の空洞２７に充填され、後に硬質材料粒子４２が特殊材料４８内に配置される。
実施例において、第１の空洞２６の第１の挿入高ｈ１と第２の空洞２７の第２の挿入高ｈ２とは一致する。これに代えて、第１及び第２の挿入高ｈ１、ｈ２は異なっていてもよい。挿入高が異なり、同種の切削要素が配置される空洞の使用は、研磨加工工具のための加工セグメントへとさらに加工されるグリーン体には優位に役立つ。研磨加工工具において、基板又は加工製品を加工する切削要素は、加工セグメントの上側で露出させる必要がある。このために、加工セグメントは、切削要素が上側で露出されるまでに、通常鋭利に研がれる。加工セグメントの研ぎを省略又は少なくとも減らしてよいのは、切削要素の最小直径より挿入高が低い空洞の上側の領域に切削要素が配置される場合である。層形成の際には、切削要素を空洞に配置した後に別の材料層を塗布する。この材料層の層厚により、切削要素が上側で突出するか否か及びどの程度突出するかを決定づけることができる。
第２の空洞２７が特殊材料４８で充填された後にも、第１のグリーン体１０の層形成は継続する。重ね平面４３を調整方向４５で第５の層厚ｄ５の分だけ低下させ、粉末材料４１の第５の粉末層５２を粉末供給装置で塗布する（図４Ｓ）。プリントヘッドは、第５の接着層を第５の材料領域２５に塗布し、第５の粉末層５２の緩い粒子を第５の材料領域２５で結合させる（図４Ｔ）。第５の材料領域２５の緩い粉末粒子が結合後、第１のグリーン体１０の層形成が完了する。第１のグリーン体１０は以降に続く圧縮プロセスで、例えば、熱プレス及び／又は焼結により、研磨加工工具のための加工セグメントへと圧縮される。
第１のグリーン体１０は、同じ粉末材料４１を有する５つの材料領域１７、１８、２１、２３、２５から層状に製造されている。それに代えて、第１のグリーン体１０の材料領域を異なる粉末材料４１から製造され得る。研磨加工工具の加工セグメントへとさらに加工されたグリーン体では、例えば、第１の粉末材料を第１の材料領域用に、第２の粉末材料をその他の材料領域用に使用してもよく、第１の粉末材料の特徴は加工セグメントと基体の接続に基づき選択し、第２の粉末材料の特徴は切削要素の機械的接続に基づき選択する。加工セグメントと基体とを溶接する場合は、溶接可能な第１の粉末材料を選択する。
第１のグリーン体１０では、硬質材料粒子４２が特殊材料４８に囲まれ、第１及び第２の空洞２６、２７の充填が１部構成の又は２部構成の充填方法で行われる。硬質材料粒子４２は必ずしも特殊材料４８に囲まれる必要はない。それに代えて、硬質材料粒子４２は粉末材料４１内の第１及び第２の空洞２６、２７に配置することができ、この場合、粉末材料４１の空洞２６、２７からの除去及び空洞２６、２７の特殊材料４８による充填は省略されている。特殊材料４８の使用が有効となるのは、第１のグリーン体１０が圧縮目的で熱プレス及び／又は焼結による以降の加工の対象となり、使用する粉末材料４１が原因で、切削要素４２が熱プレス及び／又は焼結の際に損傷を受ける場合である。特殊材料４８は、それが粉末材料４１とともに化合物を形成し、切削要素４２に機械的に結合するように選択される。
図５Ａ乃至図５Ｏは、粉末材料６１から、規定通りに配置された第１の切削要素６２及び第２の切削要素６３を含むグリーン体６０の層形成を行うための本発明の第２の変形実施例を示す。グリーン体６０は以下第２のグリーン体６０と記載する。第２のグリーン体６０の形状は、重ね方向１６に５つの円筒断面領域１１、１２、１３、１４、１５（図２Ａ乃至２Ｅ）に区分けされる図１の直方体１０に対応する。断面領域１１乃至１５は、重ね方向１６に平行な層厚と、重ね方向１６に垂直な断面領域とを有する。第１の断面領域１１は第１の材料領域１７を有し、第２の断面領域１２は第２の材料領域１８と５つの第２の設置領域１９とを有し、第３の断面領域１３は第３の材料領域２１と９つの第３の設置領域２２とを有し、第４の断面領域１４は第４の材料領域２３と４つの第４の設置領域２４を有し、第５の断面領域１５は第５の材料領域２５を有する。
第２のグリーン体６０は、重ね平面６４、粉末供給装置、及びプリントヘッドにより層状に製造される。第１の層厚ｄ１を有する粉末材料６１の第１の粉末層６５が、粉末供給装置により塗布される（図５Ａ）。プリントヘッドが、第１の接着層を第１の材料領域１７に塗布し、第１の材料領域１７で第１の粉末層６５の緩い粒子を結合させる。ここで第１の材料領域１７外には緩い粉末粒子が結合されずに残る（図５Ｂ）。第２の層厚ｄ２を有する粉末材料６１の第２の粉末層６６が、粉末供給装置により塗布される（図５Ｃ）。プリントヘッドは、第２の接着層を第１の材料領域１８に塗布し、第２の粉末層６６の緩い粉末粒子を第２の材料領域１８で結合させるが、緩い粉末粒子は第２の設置領域１９内及びグリーン体６０外では結合していない（図５Ｄ）。第３の層厚ｄ３を有する粉末材料６１の第３の粉末層６７が、粉末供給装置により塗布される（図５Ｅ）。プリントヘッドは、第３の接着層を第３の材料領域２１に塗布し、第３の粉末層６７の緩い粉末粒子を第３の材料領域２１で結合させるが、緩い粉末粒子は第３の設置領域２２内及びグリーン体６０外では結合していない（図５Ｆ）。
第３の粉末層及び接着層の塗布後に第１の空洞２６の第１の挿入高ｈ１に到達し、第１の切削要素６２を第１の空洞２６に配置することができる。抽出装置により、粉末材料６１の緩い粉末粒子が第１の空洞２６の領域で抽出される（図５Ｇ）。２つの変形実施例は異なってよい。すなわち第１の変形実施例では、粉末材料６１の緩い粉末粒子が完全に第１の空洞２６から除去され、第２の変形実施例では、緩い粉末粒子が第１の空洞２６から部分的にのみ除去され、緩い粉末粒子の１部が第１の空洞２６に残る。第１の変形実施例を選ぶか、又は第２の変形実施例を選ぶかは、主に第１の空洞２６に配置された第１の切削要素６２の形状に依る。研磨加工工具のための加工セグメントにおいて、切削要素は機械的にマトリックス上に配置される。そのため、切削要素は粉末材料に完全に囲まれていることが好ましい。それに代えて、第１のグリーン体１０との関連で述べた特殊材料は切削要素を囲み、機械的接続を確実にする。
図５Ｇは、粉末材料６１の緩い粉末粒子が完全に除去された状態にある、第２のグリーン体６０の第１の空洞２６を示す。第１の切削要素６２はアンダーカットのない形状を有するため、第１の空洞２６に粉末材料６１又は特殊材料を充填しても問題ないのは第１の切削要素６２の配置後である。粉末材料６１の緩い粉末粒子が部分的にのみ第１の空洞２６から除去される第２の変形実施例が役にたつのは、例えば、切削要素の配置後に第１の空洞２６に緩い粉末粒子６１又は特殊材料を問題なく充填することができないような切削要素の場合である。
第１の切削要素６２が第１の空洞２６に配置された後（図５Ｈ）も、第２のグリーン体６０の層形成は継続する。第４の層厚ｄ４を有する粉末材料６１の第４の粉末層６８が、粉末供給装置により塗布される（図５Ｉ）。プリントヘッドは、第４の接着層を第４の材料領域２３に塗布し、第４の粉末層６８の緩い粉末粒子を第４の材料領域２３で結合させるが、緩い粉末粒子は第４の設置領域２４内及びグリーン体６０外では結合させない（図５Ｊ）。第４の粉末層及び接着層の塗布後に、第２の空洞２７の第２の挿入高ｈ２に到達し、第２の切削要素６３を第２の空洞２７に配置できる。
緩い粉末粒子の一部が第２の空洞２７に残った状態で（図５Ｋ）、抽出装置により粉末材料６１の緩い粉末粒子が第２の空洞２７の領域で部分的に抽出される。第２の切削要素６３は、後に第２の空洞２７に配置される（図５Ｌ）。第２の切削要素６３が第２の空洞２７に配置された後も、第２のグリーン体６０の層形成が継続する。第５の層厚ｄ５を有する粉末材料６１の第５の粉末層６９が、粉末供給装置により塗布される（図５Ｍ）。プリントヘッドは、第５の接着層を第５の材料領域２５に塗布し、第５の粉末層６９の緩い粉末粒子を第５の材料領域２５で結合させるが、緩い粉末粒子は第２のグリーン体６０外では結合させない（図５Ｎ）。図５Ｏは、粉末材料６１から層状に形成された、規定通りに配置された第１及び第２の切削要素６２、６３を含む第２のグリーン体６０を示す。
図６Ａ乃至６Ｈは、ペースト状の材料８１から、規定通りに配置された切削要素８２を含むグリーン体８０の層形成を行うための本発明の方法の第３の変形実施例を示す。グリーン体８０は第３のグリーン体８０とする。第３のグリーン体８０の形状は、重ね方向１６に５つの円筒断面領域１１、１２、１３、１４、１５にセグメントけされた図１の直方体１０に対応する。この第３のグリーン体８０は、重ね平面８３と、ペースト状の材料８１の供給装置と、４つの材料テンプレートと、２つの挿入テンプレートとを備えた装置により、層状に製造する。図７Ａ乃至図７Ｆは、層形成を行うための本発明の方法の第３の変形実施例で用いられる、材料及び挿入テンプレートを示す。適切な材料テンプレート及び挿入テンプレートが、それぞれ異なる材料層及びそれぞれ配置が異なる切削要素８２に対して設けられる。
第１の材料テンプレート８４（図７Ａ）は重ね平面８３に配置され、第１の層厚ｄ１を有するペースト状の材料８１の第１の材料層８５が塗布される（図６Ａ）。第１の材料テンプレート８４は、第１の材料領域１７を囲む枠８６を備える。第１の材料テンプレート８４が除去され、第２の材料テンプレート８７（図７Ｂ）が重ね平面８３に配置され、第２の層厚ｄ２を有するペースト状の材料８１の第２の材料層８８が第１の材料層８５に塗布される（図６Ｂ）。第２の材料テンプレート８７は、枠８９と、５つの第２のカバー要素９１とを備え、第２のカバー要素９１は第２の断面領域１２の第２の設置領域１９に対応し、枠８９と接続されている。第２の材料テンプレート８７が除去され、第３の材料テンプレート９２（図７Ｃ）が重ね平面８３に配置され、第３の層厚ｄ３を有するペースト状の材料８１の第３の材料層９３が第２の材料層８８に塗布される（図６Ｃ）。第３の材料テンプレート９２は、枠９４と、９つの第３のカバー要素９５とを備え、第３のカバー要素９５は第３の断面領域１３の第３の設置領域２２に対応し、枠９４と接続されている。
第３の材料層９３の塗布後に第１の空洞２６の第１の挿入高ｈ１に到達し、第１の切削要素８２を第１の空洞２６に配置することができる。第３の材料テンプレート９２が除去され、第１の挿入テンプレート９６（図７Ｄ）が重ね平面８３に配置され、切削要素８２は第１の挿入テンプレート９６により第１の空洞２６に配置される（図６Ｄ）。第１の挿入テンプレート９６は、５つの第１の空洞２６に対応する５つの第１の開口部９８を有するプレート９７を備える。第１の挿入テンプレート９６が除去され、第４の材料テンプレート１０１（図７Ｅ）が重ね平面８３に配置され、第４の層厚ｄ４を有するペースト状の材料８１の第４の材料層１０２が第３の材料層９３に塗布される（図６Ｅ）。第４の材料テンプレート１０１は、枠１０３と、４つの第４のカバー要素１０４とを備え、第４のカバー要素１０４は第４の断面領域１４の第４の設置領域２４に対応し、枠１０３と接続されている。
第４の材料層１０２の塗布後に第２の空洞２７の第２の挿入高ｈ２に到達し、切削要素８２は第２の空洞２７に配置することができる。第４の材料テンプレート１０１が除去され、第２の挿入テンプレート１０５（図７Ｆ）が重ね平面８３に配置され、切削要素８２は第２の挿入テンプレート１０５により第２の空洞２７に配置される（図６Ｆ）。第２の挿入テンプレート１０５は、４つの第２の空洞２７に対応する４つの第２の開口部１０７を有するプレート１０６を備える。第２の挿入テンプレート１０５が除去され、第５の材料テンプレートが重ね平面８３に配置され、第５の層厚ｄ５を有するペースト状の材料８１の第５の材料層１０８が第４の材料層１０２に塗布される（図６Ｇ）。第３のグリーン体８０の第１及び第５の断面領域１１、１５が一致するため、第５の材料テンプレートの幾何形状は第１の材料テンプレート８４に対応する。第１及び第５の材料層８５、１０８の層厚ｄ１、ｄ５も一致するため、第１の材料テンプレート８４と第５の材料テンプレートは同一である。図６Ｈは、ペースト状の材料８１から層状に形成される第３のグリーン体８０を示す。第１の層厚と第５の層厚が異なるグリーン体では、第１の材料テンプレートと第５の材料テンプレートとは同一ではない。材料テンプレートの幾何形状は、断面及び層厚により定まる。
第３のグリーン体８０の切削要素８２は第１のグリーン体１０の切削要素４２のように特殊材料内へと組み込むことができ、第１及び第２の空洞２６、２７は１部構成又は２部構成の充填プロセスで充填することができる。特殊材料の使用が役に立つのは、第３のグリーン体８０が以降の加工、すなわち圧縮目的のための熱プレス及び／又は焼結対象となる場合である。切削要素８２が熱プレス及び／又は焼結の際に損傷を受けるのは、使用するペースト状の材料８１が原因である。特殊材料は、それがペースト状の材料８１とともに化合物を形成し、切削要素８２に機械的に結合するように選択される。
Claims (11)
- 規定通りに配置された、硬質材料の粒子を用いた切削要素（４２、６２、６３、８２）を含み、粉末又はペースト状の材料（４１、６１、８１）からグリーン体（１０、６０、８０）の層形成を、前記グリーン体（１０、６０、８０）の３次元データに基づき行う方法であって、
前記グリーン体（１０、６０、８０）を、重ね方向（１６）に数量Ｎ、Ｎ≧２が成り立つ連続した複数の円筒断面領域（１１、１２、１３、１４、１５）であって、前記重ね方向（１６）と垂直な２次元断面と、前記重ね方向（１６）に平行な層厚（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５）とから構成される前記断面領域（１１、１２、１３、１４、１５）に区分けられる方法において、
前記グリーン体（１０、６０、８０）の前記断面領域（１１、１２、１３、１４、１５）をそれぞれ、前記粉末又はペースト状の材料（４１、６１、８１）から製造される材料領域（１７、１８、２１、２３、２５）と前記切削要素（４２、６２、６３、８２）が配置される設置領域（１９、２２、２４）とに分割する工程と、
１つの設置領域又は前記重ね方向（１６）の前記複数の連続設置領域（１９、２２、２２、２４）により形成される少なくとも１つ別の空洞（２６、２７）が前記切削要素（４２、６２、６３、８２）を配置するための所要挿入高（ｈ１、ｈ２）に達するまで、１つの断面領域の前記材料領域又は前記重ね方向（１６）の前記複数の連続設置領域（１２、１３、１４、１５）の材料領域（１８、２１、２１、２３）を前記重ね方向（１６）に垂直に配置された重ね平面（４３、６４、８３）に形成する工程と、
少なくとも１つの切削要素（４２、６２、６３、８２）を、前記切削要素（４２、６２、６３、８２）を配置するための前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）を有する前記空洞（２６、２７）に配置する工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記切削要素（４２、６２、６３、８２）を配置するための前記空洞（２６、２７）の前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）は前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の最小直径（Ｄｍｉｎ）よりも小さい、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記切削要素（４２、６２、６３、８２）を配置するための前記空洞（２６、２７）の前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）は前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の最大直径（Ｄｍａｘ）よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）を有する前記空洞（２６、２７）は、前記切削要素（４２、６２、６３、８２）だけでなく、粉末又はペースト状の材料（４１、６１、８１）と化合物を形成し、切削要素（４２、６２、６３、８２）と機械的に結合して、切削要素（４２、６２、６３、８２）と粉末又はペースト状の材料（４１、６１、８１）との化学結合を避けるための特殊材料（４８）によっても充填される、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
- 前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）を有する前記空洞（２６、２７）の前記特殊材料（４８）による充填は、１つの工程により行われる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
- 前記空洞（２６、２７）の前記特殊材料（４８）による充填は、前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の配置前に行われる、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記空洞（２６、２７）の前記特殊材料（４８）による充填は、前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の配置後に行われる、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）を有する前記空洞（２６、２７）の前記特殊材料（４８）による充填は２つの工程により行われ、前記特殊材料（４８）の第１の部分が前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の配置前に前記空洞（２６、２７）に充填されて前記切削要素（４２、６２、６３、８２）は前記特殊材料（４８）の前記第１の部分に囲まれ、
前記特殊材料（４８）の第２の部分は前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の配置後に前記空洞（２６、２７）に充填される、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。 - 前記切削要素（４２、６２、６３、８２）が接着剤（５１）により少なくとも部分的に前記空洞（２６、２７）に留め付けられる、ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１つに記載の方法。
- 前記所要挿入高（ｈ１、ｈ２）を有する前記空洞（２６、２７）は、前記切削要素（４２、６２、６３、８２）の配置前に前記接着剤（５１）で充填される、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記切削要素（４２、６２、６３、８２）が少なくとも部分的に前記接着剤（５１）で湿潤されるのは、前記切削要素（４２、６２、６３、８２）が前記空洞（２６、２７）に配置される前である、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
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