JP7376950B2 - 液体式セラミック積層造形方法及び前記方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本出願は、液体式セラミック積層造形方法ならびに前記方法を実施するための装置に関する。

第１の積層造形技術によると、セラミック材料製部品は、連続する層の積層によって、及び各層についての、例えばレーザを用いた選択的焼結によって、セラミック粉末またはセラミック粉末混合物から得られる。一例として、仏国特許出願公開第２７７４９３１号明細書中に記載されている通り、この第１の技術は、以下のステップからなる：
－ 製作すべき部品のデジタル表現から積重ねられた一続きの区分を決定するステップ、
－ 各区分について、薄い層の形でセラミック粉末またはセラミック粉末混合物を被着するステップ及び、部品の区分に対応する被着されたばかりの層のゾーンをレーザ焼結するステップを反復するステップ。

この第１の技術は、比較的費用が高くつき、長時間かかり、寸法の大きな部品に応用するのが困難であることが判明している。

第２の技術によると、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｉｎｋｓ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ”，ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｅｒｉｃａｎ ｃｅｒａｍｉｃ ｓｏｃｉｅｔｙ，１ Ａｐｒｉｌ １９９８，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．４中に記されているように、インクジェット印刷技術によって鉱物インクを用いて支持体にマーキングを行なうことが可能である。この刊行物によると、セラミックインクは、液体、特に有機溶剤中に懸濁したセラミック粉末を含む。このセラミックインクの組成は、なかでもインクが被着時に、小滴の形で離れることができるほど充分に液体状態であるように決定される。そのために、セラミックインクはコロイド粒子を含まない。この第２の技術は、専ら小さな寸法の部品用である。

図１により例示されている誘導押出し加工によるものと言われる第３の積層造形技術によると、セラミック部品は、所望の部品を得るような形で被着されたペースト状材料１０から得られる。その後、こうして整形されたグリーン部品は、乾燥させた後に焼成される。

ペースト状材料１０を被着させるために、この材料は（制限された容積を有する）閉鎖されたタンク１２の中で条件付けされ、ここでこのタンクは、下部部分にノズル１４を有し、被着表面２０との関係において水平な平面内でかつ垂直方向Ｚに沿ってタンク１２、より詳細にはノズル１４を移動させることができる移動システム１６によって支持されている。

タンク１２は、ノズル１４の方向にペースト状材料１０を押圧するために構成された例えばピストンなどの押圧システム１８を含む。

ペースト状材料の場合には負荷損失が急速に非常に高くなることを理由として、タンク１２をノズル１４から過度に遠隔にすることはできない。結果として、タンク１２とノズル１４は隣接している。

第１の作動様式によると、ペースト状材料１０はノズル１４から連続的に出ていく。この連続的退出と、ノズル１４の移動が組合わさって、ペースト状材料のストランドの生成を可能にする。

第２の作動様式によると、ペースト状材料１０は、ノズル１４から不連続的に出て行く。この場合、ペースト状材料１０の離散体積がノズル１４の移動毎に被着させられる。

作動様式の如何に関わらず、ペースト状材料１０は、所望の部品を形成するような形で積重ねられる。

この第３の技術は、最初の２つの技術に比べ設備の費用がはるかに安く、セラミック製部品の製造分野において熟達した従来の技術（乾燥及び焼成）を使用する。

しかしながら、この技術では、ペースト状材料１０の粘度に関して妥協を行なう必要がある。実際、このペースト状材料は、ノズル１４を介して流動できるよう充分な流動性を有するものの、徐々に層を積重ねることができるようその凝固を可能にするのに充分なほどペースト状でなければならない。

その上、連続的製作の場合、製作される部品の体積は、タンク１２の体積に制限される。

仏国特許出願公開第２７７４９３１号明細書

"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｉｎｋｓ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ"，ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｅｒｉｃａｎ ｃｅｒａｍｉｃ ｓｏｃｉｅｔｙ，１ Ａｐｒｉｌ １９９８，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．４

発明が解釈しようとする課題

本発明は、先行技術の欠点を改善することを目的とする。

このために、本発明は、セラミック材料製部品の積層造形方法において、ノズルを通して駆出することにより被着表面上に被着材料を被着させるステップを含み、製作すべき部品に応じてノズル及び／または被着表面が移動する方法であって、被着材料は、ノズルに最も近いところで、少なくとも１つの補助剤と懸濁状態のコロイド粒子を少なくとも１０％含む少なくとも１つのスラリーとを、被着材料の駆出と同時に混合することによって得られ、補助剤及びスラリーの組成が、ノズル通過の前、ノズルのレベル、またはノズル通過後にペースト状材料を得るような形で調整されること、を特徴とする方法を目的とする。

本発明は同様に、セラミック材料製部品の積層造形装置において、
－ ノズルを含む被着ヘッドと、
－ ノズルの方向に被着材料を押圧するために構成された押圧システムと、
－ 被着ヘッド及び／または被着表面を互いとの関係において移動させるために構成された移動システムと、
を含み、被着ヘッドが、ノズルと連通する少なくとも１つの混合ゾーン、少なくとも１つのスラリータンクに連結された少なくとも１つのスラリーフィード及び少なくとも１つの補助剤タンクに連結された少なくとも１つの補助剤フィードを含むこと、を特徴とする装置をも目的とする。

別の特徴によると、スラリータンク（単複）は、被着ヘッドから遠隔にあり、各スラリータンクは少なくとも１つの第１のダクトによって混合ゾーンに連結されている。

他の特徴及び利点は、添付図面に照らして、単に一例として示されている以下の本発明についての説明から明らかになるものである。

先行技術を例示するペースト式積層造形装置の概略的表現である。 本発明の一実施形態を例示する液体式積層造形装置の概略的表現である。 別の実施形態を例示する液体式積層造形装置の概略的表現である。

積層造形装置２２は、被着表面２４上で、セラミック材料製グリーン部品を製作するために使用される。先行技術の場合と同様に、このグリーン部品は、その製造を完成させるために焼成される。

この積層造形装置２２は、特に１００Ｐａ，ｓ超の粘度を有するペースト状の被着材料３２が駆出される時に通るノズル３０を有する被着ヘッド２８を含む。

一構成によると、ノズル３０は、被着ヘッド２８の下部部分に位置付けされ、被着表面２４に向けて配向された駆出オリフィス３４を伴う漏斗の形を有する。

被着ヘッド２８は、被着ヘッド２８、より詳細には駆出オリフィス３４を被着表面２４との関係において移動させるために構成された移動システムによって支持されている。

移動システム３６は、第１の方向Ｚつまり垂直方向（被着表面２４に直交する）に沿って、及び第１の方向に直交する少なくとも１つの第２の方向に沿って、被着表面２４との関係において被着ヘッド２８を移動させることを可能にする。一構成によると、移動システム３６は、３つの並進運動にしたがって被着ヘッド２８を移動させ、３つの回転運動にしたがってそれを配向することができる。こうして被着ヘッド２８は、第１の方向Ｚに対して傾斜し得る。

１つの被着様式によると、被着材料３２は連続層により被着される。１層を製作する間に、被着ヘッド２８は水平方向平面内を移動する。各層間で、被着ヘッド２８は、第１の方向Ｚに沿って移動して、一つの層から別の層に移行する。

移動システム３６、被着表面２４及びノズル３０は、先行技術の第３の製造技術のものと同一であることから、これらについてはこれ以上説明しない。

別の実施形態によると、被着ヘッド２８は固定しているかまたは１方向に対してのみ傾斜し得、被着表面２４は、被着ヘッド２４との関係において少なくとも１つの並進運動及び／または少なくとも１つの回転運動にしたがって移動する。変形形態では、被着ヘッド２８及び被着表面２４は移動可能である。

実施形態の如何に関わらず、被着ヘッド２８及び／または被着表面２４は、製作すべき部品に応じて移動する。

被着ヘッド２８は、被着材料３２を格納しノズル３０と連通する駆出ゾーン３８、ならびに少なくとも部分的に駆出ゾーン３８内に位置されノズル３０の方向に被着材料３２を押圧するために構成された押圧システム４０を含む。

図２に見られる一実施形態によると、押圧システム４０はウォームである。

図３に見られる別の実施形態によると、押圧システム４０は被着ヘッド２８から離隔しており、例えば空気圧、油圧または機械式の少なくとも１つのポンプＰの形を呈している。

積層造形装置は、押圧システム４０を制御するための少なくとも１つの制御機構を含む。したがって、作動様式に応じて、段階的にまたは連続的に押圧システムを作動させることが可能である。

段階的作動の場合、被着材料３２はノズル３０から離散体積の形で退出し、ノズル３０は、製作すべき部品に応じて適切な形で配設された２つの離散材料体積の退出の間で移動させられる。

ノズル３０の移動と組合わされた連続的作動の場合、被着材料３２は、製作すべき部品に応じて適切な形で各区分が配設されているペースト状ストランドの形でノズル３０から退出する。

被着材料３２の駆出及びノズル３０の移動の誘導については、製作すべき部品によって左右されることから、これ以上詳述しない。

非限定的な一実施形態によると、積層造形装置２２は、ホットプレートの場合には被着表面２４の下、またはランプの場合には被着表面２４の上方に位置付けされて、被着された材料を加熱しこの材料の圧密をより良く制御する加熱システムを含む。

本発明の１つの特徴によると、被着材料３２は、ノズル３０に最も近いところで、少なくとも１つのスラリー４２及び少なくとも１つの補助剤４４を、ノズル３０を通した被着材料３２の駆出と同時に混合することによって得られる。

本出願に関しては、補助剤とは、少なくとも１つの有機樹脂及び／または少なくとも１つの凝集剤及び／または少なくとも１つのｐＨ調節剤で構成された組成物を意味する。

スラリーとは、１００Ｐａ．ｓ未満、好ましくは１０Ｐａ．ｓ未満で、０．００５Ｐａ．ｓ超、好ましくは０．０５Ｐａ．ｓ超の粘度を有する、液体状態の材料を意味する。

鉱物インクとは異なり、スラリーは１０％の懸濁状態のコロイド粒子を少なくとも１つ含む。

最も近いところとは、被着材料３２が、混合ゾーンからノズル３０に向かって、限定された負荷損失で通過できることを意味する。

混合ゾーンとノズル３０の間の距離は、被着材料３２の粘度によって左右される。したがって、混合ゾーンとノズル３０間の距離は、被着材料３２の粘度に反比例する。被着材料３２の粘度が高くなればなるほど、混合ゾーンとノズル間の距離は短縮されるはずである。一実施形態によると、混合ゾーンとノズル３０は、１ｍ未満、好ましくは５０ｃｍ未満の距離だけ分離されている。

同時にとは、混合が被着材料の駆出の直前に行なわれることを意味する。被着材料の混合と駆出の間の時間はわずかであり、補助剤及びスラリーによって異なる。概して、この時間は１分未満、好ましくは１０秒未満である。

一作動様式によると、混合は連続的に行なわれ、材料は、混合が続行する中で駆出される。

本発明の一特徴によると、各々のスラリー４２は、少なくとも１つの金属酸化物及び／または少なくとも１つの鉱物原料の懸濁液である。スラリーは、水中に懸濁したコロイド粒子を少なくとも１０％、好ましくは少なくとも３０％含む。

コロイド粒子及び補助剤の百分率は、被着された材料に求められるコンシステンシーに応じて選択される。したがって、濃度の低い補助剤４４と共に３０％のコロイド粒子を含むスラリー４２は、濃度が非常に高い補助剤と共に７０％のコロイド粒子を含むスラリー４２よりも柔かいストランドの形の被着された材料を得ることを可能にする。

本出願に関しては、スラリーなる用語は、１つのスラリーと同時に、被着中に組成が推移し得るスラリー混合物をも意味する。

スラリー４２は液体であることから、ダクト内でのスラリーの流動が生成する負荷損失は、先行技術の場合のようなペースト状材料の移動が引き起こす負荷損失よりも明らかに低い。

一例として、スラリー４２は、ＣＥＲＡＤＥＬ社がＧＣ３０４という品番で市販している砂岩タイプの鉱物粉末を懸濁状態で含み得る。当然のことながら、本発明はこの組成に限定されず、組成は部品毎に変動するか或いは求められる特性に応じて部品の製作中に推移する可能性がある。

一例として、補助剤４４は、１００％の硫酸アルミニウムを含む組成物である。当然のことながら、本発明はこの補助剤に限定されない。補助剤の組成は、特にスラリーの組成に応じて適応されるものである。

補助剤４４は、その性質の如何に関わらず、液体またはゲルの形を呈する。したがって、スラリーについてと同様、ダクト内での材料の流動が生成する負荷損失は、ペースト状材料の移動が引き起こす負荷損失よりも明らかに低い。

したがって、本発明によると、スラリー４２及び補助剤４４は、静的で（移動システム３６によって支持されていない）かつ明確に異なるタンクＲ４２及びＲ４４の中に保管される。好ましくは、スラリータンクＲ４２（単複）は、被着ヘッド２８から遠隔にある。一実施形態によると、スラリータンクＲ４２（単複）及び補助剤タンクＲ４４（単複）は、被着ヘッド３０から遠隔にある。

積層造形装置２２は、タンク毎に異なるスラリー組成物を各々格納する１つ以上のスラリータンクＲ４２を含み得る。同様にして、この積層造形装置は、タンク毎に異なる補助剤組成物を各々格納する複数の補助剤タンクＲ４４を含み得る。

一実施形態によると、少なくとも１つのスラリータンクＲ４２は開放しており、こうしてノズル３０の出口でのペースト状材料３２の流動が中断されることなく充填できるようになっている。

図２に見られる一実施形態によると、被着ヘッド２８は、少なくとも１つのスラリーフィード４８及び少なくとも１つの補助剤フィード５０を有し、ノズル３０と連通する少なくとも１つの混合ゾーン４６を含む。

被着ヘッド２８は、混合ゾーン４６内に少なくとも部分的に位置付けされかつ均質な被着材料３２を得るべく少なくとも１つのスラリー４２と少なくとも１つの補助剤４４を混合するために構成された混合システム５２を含む。混合システム５２はローターに連結されたブレードの形を呈し得る。当然のことながら、本発明はこのタイプのミキサに限定されるものではない。

混合の持続時間及び強度は、スラリー及び／または補助剤に応じて適応されるものとする。

一構成によると、駆出ゾーン３８及び混合ゾーン４６は、少なくとも１つのダクトまたは少なくとも１つのオリフィスを介して連通する２つの明確に異なるチャンバの形をした２つの明確に異なるゾーンである。

図２に見られる別の構成によると、駆出ゾーン３８及び混合ゾーン４６は、上部部分に混合システム５２を、そして下部部分に押圧システム４０を含むチャンバの形をした唯一のゾーンのみを形成する。その上、同じシステムが押圧システム４０及び混合システム５２の機能を果たすことができる。

積層造形装置は、各スラリータンクＲ４２について、スラリー４２をタンクＲ４２から被着ヘッド２８まで、より詳細には混合ゾーン４６まで導くための少なくとも１つの第１のダクト５４を、そして各補助剤タンクＲ４４について、補助剤４４をタンクＲ４４から被着ヘッド２８まで、より詳細には混合ゾーン４６まで導くための少なくとも１つの第２のダクト５６を含む。

タンクＲ４２、Ｒ４４から混合ゾーン４６に向かうスラリー及び補助剤の流動は、重力によって得ることができる。この場合、タンクＲ４２、Ｒ４４は、混合ゾーン４６よりも高いところに位置付けされる。

変形形態として、積層造形装置は、スラリータンク及び／または補助剤タンクＲ４２、Ｒ４４から混合ゾーン４６に向かう流動を誘発するために、少なくとも１つのポンプまたはそれに類似するものを含む。

混合ゾーン４６内に導入されたスラリー及び／または補助剤の量を計量するために、少なくとも１つの計量ポンプが具備される。一構成によると、各々の第１のダクトは、混合ゾーン４６内に導入されるスラリーの量を制御するための第１の計量ポンプ５８を含み、各々の第２のダクト５６は、混合ゾーン４６内に導入される補助剤の量を制御するための第２の計量ポンプを含む。

本発明の別の特徴によると、スラリー４２は、補助剤４４に混合される前に脱気される。一実施形態によると、各スラリータンクＲ４２は、スラリー４２から気泡を抜取ることを可能にする脱気システムを含む。

図３によって例示されている別の実施形態によると、被着ヘッド２８は、ノズル３０及びこのノズル３０と連通しスラリー４８のフィードを有するチャンバ６２を含む。一構成によると、積層造形装置は、第１のダクト５４によってスラリーフィード４８に連結された少なくとも１つのスラリータンクＲ４２を含む。

この第２の実施形態によると、押圧システム４０は、被着ヘッド２８の外部に配置され、第１のダクト５４上に位置付けされたポンプＰの形を呈する。

被着ヘッド２８は、ノズル３０のレベルに位置付けされかつ第２のダクト５６によって少なくとも１つの補助剤タンクＲ４４に連結された補助剤フィード５０を含む。補助剤フィード５０及び／またはこの補助剤フィード５０が通じている混合ゾーン４６は、スラリーと補助剤の間の混合を誘発するために構成されている。

補助剤及びスラリーの組成は、ノズル３０の通過前、ノズル３０のレベル、またはノズルの通過後にペースト状材料を得るような形で調整される。したがって、スラリーと補助剤の混合物は、ノズル３０の通過時点で液体またはほぼ液体であり、ノズル３０の通過直後にはペースト状となりストランドの形を保つことができる。

実施形態の如何に関わらず、被着ヘッド２８は、ノズル３０の近くに少なくとも１つの混合ゾーンを含み、このゾーンのレベルで少なくとも１つのスラリーと少なくとも１つの補助剤が混合され、このゾーンは、少なくとも１つのスラリーフィード及び少なくとも１つの補助剤フィードと連通している。

被着ヘッドにセラミックを液体式に補給することによって、以下の利点が得られる：
被着すべき材料を格納するタンクと被着ヘッドとを分離させることができ、このことは、被着ヘッドの寸法及び質量を削減すること、そして結局は移動システムに加わる応力を減少させることに寄与する。

先行技術とは異なり、ペースト状の組成物中よりも液体組成物中の方が、気泡の移動がはるかに容易で抜取りも容易であることから、被着された材料の脱気は簡略化される。

スラリーを保管するために開放タンクを使用することによって、必要な場合、ノズルレベルでの材料の流動を中断する必要なくタンクを充填することが可能となる。したがって、材料の流動を停止させずに、大きな寸法の部品を得ることが可能である。

液体スラリーを使用することにより、より低い粘度を有する材料を被着させることができ、こうして、形成されたストランドの展延をよりうまく制御し、製作された部品上のディテールレベルを改善することが可能になる。

最後に、液体スラリーの使用は、被着された材料の組成をより容易に推移させることを可能にする。したがって、唯一のノズルから、異なる組成及び／または組成勾配を有する部品を製作することが可能である。

Claims (10)

1. セラミック材料製部品の積層造形方法において、ノズル（３０）を通して駆出することにより被着表面（２４）上に被着材料（３２）を被着させるステップを含み、製作すべき部品に応じて前記被着表面（２４）及び／または前記ノズル（３０）が移動する方法であって、前記被着材料（３２）は、前記ノズル（３０）から１ｍ未満の距離だけ離隔した混合ゾーン内で、少なくとも１つの有機樹脂及び／または少なくとも１つの凝集剤及び／または少なくとも１つのｐＨ調節剤で構成された補助剤（４４）と、懸濁状態のコロイド粒子を少なくとも１０％含む少なくとも１つのスラリー（４２）とを混合することによって得られ、前記混合することと前記被着材料（３２）の駆出との間の時間は１分未満であり、前記補助剤（４４）及び前記スラリー（４２）の組成が、前記ノズル（３０）の通過の前、または前記ノズル（３０）のレベルにて１００Ｐａ．ｓを超える粘度を有するペースト状材料を得るような形で調整され、前記ペースト状材料は、ノズル（３０）の通過直後に紐状を維持することを特徴とする、セラミック材料製部品の積層造形方法。
2. 各前記スラリー（４２）が、少なくとも１つの金属酸化物及び／または少なくとも１つの鉱物原料の懸濁液であることを特徴とする、請求項１に記載のセラミック材料製部品の積層造形方法。
3. 前記スラリー（４２）が水中懸濁液であることを特徴とする、請求項１または２に記載のセラミック材料製部品の積層造形方法。
4. 前記スラリー（４２）が前記補助剤に混合される前に脱気されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のセラミック材料製部品の積層造形方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の方法の実施を可能にするセラミック材料製部品の積層造形装置において、
   －前記ノズル（３０）を含む被着ヘッド（２８）と、
   －前記ノズル（３０）の方向に前記被着材料（３２）を押圧するために構成された押圧システム（４０）と、
   －前記被着ヘッド（２８）及び／または前記被着表面（２４）を互いとの関係において移動させるために構成された移動システム（３６）と、
   を含み、前記被着ヘッド（２８）が、前記ノズル（３０）と連通する少なくとも１つの混合ゾーン（４６）、少なくとも１つのスラリータンク（Ｒ４２）に連結された少なくとも１つのスラリーフィード（４８）及び少なくとも１つの補助剤タンク（Ｒ４４）に連結された少なくとも１つの補助剤フィード（５０）を含むことを特徴とする、積層造形装置。
6. 前記スラリータンク（Ｒ４２）（単複）が前記被着ヘッド（２８）から遠隔にあり、各前記スラリータンク（Ｒ４２）が少なくとも１つの第１のダクト（５４）によって前記混合ゾーン（４６）に連結されていることを特徴とする、請求項５に記載の積層造形装置。
7. 前記被着ヘッド（２８）が、少なくとも部分的に前記混合ゾーン（４６）内に位置付けされかつ均質なペースト状材料（３２）を得るべく少なくとも１つの前記スラリー（４２）と少なくとも１つの前記補助剤（４４）を混合するために構成された混合システム（５２）を含むことを特徴とする、請求項５または６に記載の積層造形装置。
8. 前記補助剤フィード（５０）が前記混合ゾーン（４６）のレベルに通じていること、及び前記補助剤フィード（５０）及び／または前記混合ゾーン（４６）が前記スラリーと前記補助剤の間で混合を誘発するために構成されていることを特徴とする、請求項５または６に記載の積層造形装置。
9. 前記押圧システム（４０）が前記被着ヘッド（２８）から離隔され、ポンプ（Ｐ）の形を呈していることを特徴とする、請求項５～８のいずれか１項に記載の積層造形装置。
10. 各前記スラリータンク（Ｒ４２）が脱気システムを含むことを特徴とする、請求項５～９のいずれか１項に記載の積層造形装置。

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