JP7191959B2 - ３次元物体を積層製造するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉末床溶融結合法において３次元物体を積層製造するための装置、および粉末床溶融結合法に関する。

試作または小ロットの迅速な提供は、近年では頻繁に課される課題である。それを可能にする方法は、ラピッドプロトタイピング、ラピッドマニュファクチャリング、付加製造法、または単に３ｄプリンティングとも呼ばれる。粉状材料の選択的な溶融および／または凝固により望みの構造を積層製造する方法が特に適切である。この原理に基づき製作する方法は、ＩＳＯ／ＡＳＴＭ５２９００またはＩＳＯ１７２９６－２において、粉末床溶融結合の上位概念のもとまとめられる。

粉末床溶融結合法の一例は、明細書ＵＳ６１３６９４８およびＷＯ９６／０６８８１において詳細に記載されるレーザ焼結法である。粉末床溶融結合法のさらなる例は、明細書ＵＳ６５３１０８６およびＥＰ１７４０３６７（ＵＳ２００７／２３８０５６）に記載されている。

粉末床溶融結合法では、金属材料、セラミック材料、さらにはポリマー材料からなる粉末を使用する。製造すべき３次元物体の反りを最小限に抑えるためには、たいていの場合、造形空間の調温が欠かせない。ＤＥ１０１０８６１２（ＵＳ２００２／１５８０５４）には、造形空間の外郭加熱を利用して３次元物体の反りを回避する装置が記載されている。しかしながら、造形空間の外郭の加熱は、その場合、造形空間コンテナ内の粉末が比較的長時間、温度負荷にさらされるという大きな欠点を有する。その上、その明細書中で記載される、造形空間の外郭において調整すべき温度分布は、別個に調温される必要のある領域によって実現されているため、手間のかかる装置を要する。比較的長時間の温度負荷は、まさにポリマー材料の場合、熱酸化による損傷のような、粉末材料中での望ましくない変化、または過度の分子量の上昇をもたらす。どちらの効果も望ましくない。なぜなら、それらの効果は、粉末のリサイクル性に不利な影響を及ぼすからである。

したがって、本発明の課題は、製造される３次元物体の反りと同時に粉末材料の熱負荷をもできるだけ低く抑えることにあった。粉末は、分子量の上昇が可能な限りわずかであることが望ましい。

粉末床溶融結合法で使用される装置では、造形進捗（３次元物体がその上で形成される造形空間プラットフォームの降下方向）の方向をｚ軸と定義する。それゆえ、ｚ軸は造形領域平面上で垂直に位置する。従来技術の問題は、ｚ方向での機械的特性値が、造形領域内の物体の位置に著しく依存することにある。特に、引張破断伸びは、造形領域の周縁領域では中央よりも著しく劣る。したがって、造形領域の周縁領域（外部領域）で製作される３次元物体の部分の機械的特性値を改善することがもう１つの課題である。それにより、３次元物体の機械的特性値が、造形領域中での位置にかかわらず同じ水準にあることになる。

それに応じて、粉末床溶融結合法において３次元物体を積層製造するための新規の装置を見出した。該装置は、造形空間と、少なくとも１つのエネルギー源と、造形空間プラットフォームを有する造形領域と、該造形空間プラットフォームを側方で囲む造形空間コンテナとを含む。造形空間プラットフォームは、粉末に面した上側と該粉末に面していない下側とを有する。造形空間プラットフォームの上側は、少なくとも２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含み、造形空間プラットフォームの下側は、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含む。それにより、その上側は熱伝導性に優れた材料を含み、その下側は熱伝導性に劣る材料を含む造形空間プラットフォームが提供される。好ましくは、造形空間プラットフォームの上側が、少なくとも２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料からなり、造形空間プラットフォームの下側が、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料からなる。

前述の造形空間プラットフォームを含む本発明の装置により、比較的わずかな反りおよび優れたかつ一様な機械的特性値を示す３次元物体が得られる。その上、粉末の熱負荷が比較的小さい。

好ましくは、造形空間プラットフォームが、プラットフォームの上側の冷却を可能にする装置を含む。そのためには、造形プラットフォームの下側に１つまたは複数の外部駆動のターボ機械が組み込まれていてもよい。その上またはその代わりに、造形空間プラットフォームが、少なくとも１つの冷媒用入口および少なくとも１つの冷媒用出口を有してもよい。好ましくは、入口および出口が、それぞれプラットフォームの下側に配置されている。

本発明の好ましい一実施形態では、造形空間コンテナが、造形空間プラットフォームに面した外郭面を有し、ただし、該外郭面は、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含むか、または好ましくはその材料からなる。好ましくは、外郭面が、少なくとも１０ｍｍの壁厚を有する。好ましくは、壁厚が少なくとも４０ｍｍであり、特に好ましくは少なくとも８０ｍｍである。

造形空間コンテナの外郭面の、断熱体としての実施形態により、造形空間コンテナの手間のかかる調温を省略できる上、粉末の熱負荷が低下し得て、製造される３次元物体の反りがさらに減少し得る。

造形空間コンテナの外郭面の材料と造形空間プラットフォームの下側の材料とは、同じであっても異なっていてもよい。好ましくは、その材料は、それぞれ０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、特に好ましくはそれぞれ０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、とりわけ好ましくはそれぞれ０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する。上側の材料は、好ましくは、少なくとも８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、好ましくは少なくとも１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。

熱伝導率は、２３℃において、ＡＳＴＭ Ｅ１４６１（Ｎｅｔｚｓｃｈ社のＬＦＡ４５７ Ｍｉｃｒｏ Ｆｌａｓｈ、試料厚さ２ｍｍ、試料の状態調節４８ｈ ２３℃／５０％）に準拠して算出する。その断熱特性を示す適切な材料は、例えば、発泡ガラス、発泡セラミックス、発泡パーライト、多孔コンクリート、木材、ポリエーテルエーテルケトンのような高温ポリマー、または熱安定性熱硬化性樹脂である。

造形空間プラットフォームは、造形プロセス中または造形プロセス後、供給された粉末（粉末ケーキ）の冷却が可能であるように構成され得る。その際、造形空間プラットフォームの冷却は、好ましくは熱伝導および／または対流によって行う。冷却能力は、コントローラを利用して望みの値に制御できる。

好ましい粉末はポリマー粉末である。ポリマー粉末の適切なポリマーは、ポリアミド、ポリエチレンおよびポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリエステル、ならびにポリエーテルエーテルケトンのようなポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）から選択される。適切なポリアミドは、通常かつ公知のポリアミドであり得る。ポリアミドは、ホモポリアミドおよびコポリアミドを含む。適切なポリアミドまたはコポリアミドは、ポリアミド６、１１、１２、１０１３、１０１２、６６、４６、６１３、１０６、１１／１０１０、１２１２および１２／１０１２から選択される。好ましいポリアミドは、ポリアミド１１、１２、１０１３、１０１２、６６、６１３、１１／１０１０、１２１２および１２／１０１２から選択され、ポリアミド１１または１２が特に好ましく、ポリアミド１２がとりわけ好ましい。

以下、本発明による装置を、図をもとに説明する。

粉末床溶融結合法において従来技術により３次元物体を製造するための装置の基本的な構造（正面図）を示す。 造形空間コンテナ（８）の本発明による構成を示す（正面断面図）。 造形空間プラットフォーム（６）の本発明による一実施形態を示す。 本発明によるさらなる一実施形態を示す。 本発明によるさらなる一実施形態を示す。 本発明によるさらなる一実施形態を示す。

図１は、粉末床溶融結合法において従来技術により３次元物体を製造するための装置の基本的な構造（正面図）を示す。造形空間（１）は、３次元物体がその中で製造される領域全体を含む。適切なスライド装置（３）、例えば、ローラ、シリンダ、またはドクターブレードが、造形領域平面（１０）上を通過して粉末（２）を造形領域（４）に施与する。粉末は、熱源を利用して調温される。電磁エネルギー源（５）、例えば、レーザが、造形領域表面の一領域を選択的に溶融または焼結する。造形空間プラットフォーム（６）が、設定された層厚に応じて降下し、３次元物体（７）が層ごとに生じるまでそのプロセスが繰り返される。その際、造形空間コンテナ（８）が、粉末ケーキ（９）およびその中に適宜含有されている製造された３次元物体（７）を囲む。粉末ケーキは、造形空間コンテナの外郭面によって横方向に限定され、造形領域によって上側で限定され、造形空間プラットフォームによって下側で限定される。造形空間コンテナの外郭面は、従来技術により加熱される。

図２は、例示的に、造形空間コンテナ（８）の本発明による構成を示す（正面断面図）。造形空間コンテナの外郭面（１１）は、好ましくは、少なくとも１０ｍｍの壁厚を有する断熱材からなる。

図３には、例示的に、造形空間プラットフォーム（６）の本発明による一実施形態を示す。造形空間プラットフォーム（６）は、上側（１２）および下側（１３）を含む。回転数が制御可能な外部駆動のターボ機械（１５）が、プラットフォームの下側（１３）に取り付けられている。貫流をより良くするために、下側（１３）は、空気の入口（１６）に加えて、１つまたは複数の出口（１４）も有する。上側（１２）は、好ましくは、十分な熱伝導率（つまり、少なくとも２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率）を有する材料からなり、下側（１３）は、好ましくは、低い熱伝導率（つまり、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率）を有する材料からなる。

本発明によるさらなる一実施形態を図４に示す。造形空間プラットフォーム（６）は、冷媒が貫流できるように構成されている。その際、下側（１３）は、冷媒用の流入口（１６）および１つまたは複数の流出口（１４）を有する。冷媒は、ガス状であっても液状であってもよい。この場合も、上側（１２）は、好ましくは、十分な熱伝導率を有する材料からなり、下側（１３）は、好ましくは、低い熱伝導率を有する材料からなる。さらなる一実施形態を図６に示し、その場合、冷却流路（１７）が上側（１２）を貫通して延在している。

図５には、本発明によるさらなる一実施形態を示す。造形空間プラットフォームの上側（１２）から粉末ケーキおよび冷媒への伝熱の改善が、接触面積の増大により達成される。その際、造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）の、粉末ケーキおよび／または冷媒との接触面積が、平面と比べて好ましくは少なくとも２０％だけ増大する。好ましくは、造形空間プラットフォームの上側の、粉末ケーキおよび／または冷媒との接触面積が、プラットフォームの平面と比べて少なくとも５０％だけ増大する。

粉末床溶融結合法において３次元物体を積層製造するための方法もまた本発明の主題である。本方法は、繰り返されるステップ、すなわちａ）粉末（２）を供給するステップと、ｂ）造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）の温度が加工温度を最高で１５℃下回るように調整するステップと、ｃ）造形空間（１）内の温度（加工温度）が粉末の融解温度を下回るように調整するステップと、ｄ）適宜、粉末（２）の焼結すべき部位に、インクジェットを利用して溶融助剤を施与するステップと、ｅ）エネルギー源（５）により粉末に電磁エネルギーを印加して、選択的焼結を行うステップと、ｆ）造形プラットフォームを層厚分だけ降下させるステップと、ｇ）さらなる粉末（２）を施与するステップと、ｈ）３次元物体が仕上がるまでステップｃ～ｇを繰り返すステップとを含む。粉末を最初に供給する際、４～１０ｍｍの粉末層厚を供給することが好ましい。

加工温度とは、造形領域中の粉末の温度である。加工温度は、粉末、好ましくはポリマー粉末の融点を好ましくは１０～２０℃下回る。

本方法は、製造方法の開始後、造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）の温度を、造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）が最高５０℃の温度に達するまで、造形進捗１０ｍｍごとに少なくとも５℃だけ下げる点が特徴的である。その際、造形空間プラットフォームの温度を、造形プロセスの最中にすでに下げる。造形プロセスの開始後、造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）の温度を、造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）が最高で５０℃の温度に達するまで、好ましくは造形進捗１０ｍｍごとに少なくとも７℃だけ、特に好ましくは造形進捗１０ｍｍごとに１０℃だけ下げる。造形進捗とは、この場合、造形プロセス最中の造形プラットフォームの層ごとの降下と見なされる。その際、造形空間プラットフォームの上側の温度は、造形プロセスの進行と共に直線的または好ましくは過度に降下してもよい。後者の場合は、造形プロセスの時間が経過するにつれて、造形空間プラットフォーム（６）の上側（１２）の温度のより迅速な降下をもたらす。

実施例
３次元物体を作成するために、例において記載する装置を使用した。３次元物体を製造するために、表１に挙げる特性を有するＰＡ１２粉末を使用した。そのためには、すべての例において、６ｍｍの粉末層を造形空間プラットフォーム上に敷き、造形空間全体を１８０分間、１６８℃の温度に予備加熱した。造形プロセスを開始し（加工温度１７４℃、層厚０．１５ｍｍ）、全体として３６個の引張試験片（ＤＩＮ ＩＳＯ５２７、照射パラメータ設定：速度、物体の位置およびアライメントはすべての例において同じ）を造形した。それぞれ１２個の、ｚ方向（垂直）の引張試験片は造形領域の周縁部および中央に配置した。残りの１２個の引張試験片は、ｘ方向（水平）に造形領域に配置した。粉末床の高さは、造形プロセスの終了時にそれぞれ３２０ｍｍであった。造形プロセスの継続時間は、それらの例では１８ｈ５７ｍｉｎであった。造形プロセスの終了後、加熱のスイッチを切り、造形空間コンテナをその中に含有されている粉末と共に７２ｈ、レーザ焼結機中に保管した。次いで、作製した３次元物体を粉末床から取り出して試験した。粉末も同じく造形空間コンテナから取り出し、ミキサを利用してホモジナイズした。続いて、そのようにホモジナイズした粉末の溶液粘度（ＩＳＯ３０７、Ｓｃｈｏｔｔ ＡＶＳ Ｐｒｏ、溶媒は、酸性ｍ－クレゾール、容積法、二重測定、溶解温度１００℃、溶解時間２ｈ、ポリマー濃度５ｇ／ｌ、測定温度２５℃）を測定した。

例１：ＳＬＳ機（本発明によらない）
表１の材料特性値を有するＰＡ１２粉末を、ｅｏｓ ＧｍｂＨ社のＥＯＳＩＮＴ Ｐ３９５レーザ焼結機で加工した。サンプリングチャンバ温度を、１３０℃に調整した。

例２：ＳＬＳ機（本発明）
表１の材料特性値を有するＰＡ１２粉末を、ｅｏｓ ＧｍｂＨ社のＥＯＳＩＮＴ Ｐ３９５レーザ焼結機で加工する。サンプリングチャンバの加熱のスイッチを切った。造形空間コンテナの外郭面は、４０ｍｍの壁厚を有する発泡ガラスからなっていた。

造形空間プラットフォームは、図４に応じて実施した。造形空間プラットフォームの上側はアルミニウムからなり、下側は発泡ガラスからなっていた。上側に圧縮空気を吹き付け、ただし、空気量は、必要な冷却能力に応じて制御した。造形空間プラットフォームを、造形プロセスの開始時に１６１℃に調温した。造形プロセスの開始後、造形空間プラットフォームの上側の温度を、造形空間プラットフォームの上側が４９℃の温度に達するまで、造形進捗１０ｍｍごとに少なくとも７℃だけ下げた。

表２～４では、それぞれ作製した部品の試験結果、およびホモジナイズした粉末の溶液粘度を挙げてある。３次元物体は類似の特性を有するが、本発明による例では、造形空間コンテナに由来するホモジナイズした粉末が明らかにわずかに分子量を上昇させたことが見て取れる。その上、ｚ方向での部品の機械的特性値の標準偏差が、本発明の例２では明らかにより小さく、それは、より一様な部品品質を意味する。

１ 造形空間
２ 粉末
３ スライド装置
４ 造形領域
５ エネルギー源
６ 造形空間プラットフォーム
７ ３次元物体
８ 造形空間コンテナ
９ 粉末ケーキ
１０ 造形領域平面
１１ 造形空間コンテナの外郭面
１２ 造形空間プラットフォームの上側
１３ 造形空間プラットフォームの下側
１４ 冷媒用出口
１５ 外部駆動のターボ機械
１６ 冷媒用入口
１７ 冷却流路

Claims (6)

1. 造形空間（１）と、少なくとも１つのエネルギー源（５）と、造形空間プラットフォーム（６）を有する造形領域（４）と、前記造形空間プラットフォーム（６）を側方で囲む造形空間コンテナ（９）とを含む、粉末床溶融結合法において３次元物体を積層製造するための装置であって、前記造形空間プラットフォーム（６）が、粉末（２）に面した上側（１２）と前記粉末に面していない下側（１３）とを有する装置において、前記上側（１２）が、少なくとも２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含み、前記下側（１３）が、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含み、かつ前記造形空間プラットフォーム（６）の前記上側（１２）の、前記粉末（２）または冷媒との接触面積が、造形空間プラットフォーム（６）の平面と比べて少なくとも２０％だけ増大し、
   前記下側（１３）に１つまたは複数の外部駆動のターボ機械（１５）が組み込まれていることを特徴とする、装置。
2. 冷媒用の少なくとも１つの入口（１６）および少なくとも１つの出口（１４）が、それぞれ前記造形空間プラットフォーム（６）の前記下側（１３）に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記造形空間コンテナ（９）が外郭面（１１）を有し、前記外郭面（１１）が、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含むことを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記造形空間コンテナ（９）の前記外郭面（１１）が、少なくとも１０ｍｍの層厚を有することを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. 造形空間（１）と、少なくとも１つのエネルギー源（５）と、造形空間プラットフォーム（６）を有する造形領域（４）と、前記造形空間プラットフォーム（６）を側方で囲む造形空間コンテナ（９）とを含む、粉末床溶融結合法において３次元物体を積層製造するための装置であって、前記造形空間プラットフォーム（６）が、粉末（２）に面した上側（１２）と前記粉末に面していない下側（１３）とを有する装置において、前記上側（１２）が、少なくとも２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含み、前記下側（１３）が、最高０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料を含むことを特徴とする装置内で、粉末床溶融結合法において３次元物体を積層製造する方法であって、
   ａ．粉末（２）を、少なくとも６ｍｍの層厚で供給するステップと、
   ｂ．前記造形空間プラットフォーム（６）の前記上側（１２）の温度が加工温度を最高で１５℃下回り、前記加工温度が前記粉末（２）の融点を１０～２０℃下回るように調整するステップと、
   ｃ．前記造形空間（１）内の温度（加工温度）が前記粉末の融解温度を下回るように調整するステップと、
   ｄ．前記粉末（２）の焼結すべき部位に、インクジェットを利用して溶融助剤を施与するステップと、
   ｅ．エネルギー源（５）により前記粉末に電磁エネルギーを印加して、選択的焼結を行うステップと、
   ｆ．さらなる粉末（２）を施与するステップと、
   ｇ．前記ステップｄ～ｆを繰り返すステップと
   を含み、前記製造方法の開始後、前記造形空間プラットフォーム（６）の前記上側（１２）の温度を、前記造形空間プラットフォーム（６）の前記上側（１２）が最高５０℃の温度に達するまで、造形進捗１０ｍｍごとに少なくとも５℃だけ下げることを特徴とする、方法。
6. 前記造形空間プラットフォーム（６）の前記上側（１２）の温度が、方法の進行と共に降下することを特徴とする、請求項５記載の粉末床溶融結合法。

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