JPH06218712A - 三次元プリント技術 - Google Patents

三次元プリント技術

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JPH06218712A
JPH06218712A JP2415702A JP41570290A JPH06218712A JP H06218712 A JPH06218712 A JP H06218712A JP 2415702 A JP2415702 A JP 2415702A JP 41570290 A JP41570290 A JP 41570290A JP H06218712 A JPH06218712 A JP H06218712A
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binder
powder
layer
binder material
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ジョン・エス・ハガティー
Michael J Cima
マイケル・ジェイ・シーマ
Paul A Williams
ポール・エイ・ウィリアムズ
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 工具及びプロトタイプ部品の迅速な製造法の
提供。 【構成】 粉末材料の第一層を限られた領域に沈積し、
次に粉末材料層の選択された領域に結合剤材料を沈積し
て、選択された領域に接合された粉末材料を形成するこ
とによりコンポーネントを製作する方法である。このよ
うな工程を選択された回数だけ繰り返し、所望のコンポ
ーネントを形成するため接合された粉末材料の選択され
た領域の継続層を形成する。その後、未接合粉末材料を
除去する。場合によっては、コンポーネントを例えば加
熱してその結合を更に強化する等更に処理することもあ
る。 【効果】 コンピュータモデルを用いた本発明の技術
は、例えば金属鋳造用型の迅速な製造及び金属マトリッ
クス複合物のプレフォームの迅速な形成に特に有用であ
る。この技術を、プラスチック材料に用いて、各種目的
に供するプラスチックコンポーネント又は部品の形成に
も使用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】（産業上の利用分野）本発明は、一般に工
具及びプロトタイプ部品の製造に関するものであり、更
に詳しくは、コンピュータモデルを用いる三次元プリン
ト技術の使用に関する。
【０００２】（従来の技術）効果的な産業生産性及び競
合性を提供せんとする二つのニーズは、新製品を市場に
導入するために要する時間を短縮すること及び少量製品
のフレキシブル製造を提供するニーズにある。すなわ
ち、工具への投資を最小にして部品を迅速に変更するこ
とが望ましい。このようにするための技術は、特定課題
に対して注文通りの設計ができること、設計から製造に
至るサイクル時間を短縮できること及び／又は単一コン
ポーネントとして極めて小さいロットサイズで製造でき
ることを全て妥当な費用で可能にするものでなければな
らない。新製品を市場に導入するために要する時間に主
として寄与する因子は、機能性（ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｚ
ｉｎｇ）プロトタイプの製作に要する時間である。迅速
なプロトタイプの製作は、設計者への迅速かつ効果的な
フイードバックによる製品開発サイクルの短縮及び設計
プロセスの改善を可能にする。更に一部の用途では、設
計又はその適合（ｆｉｔ）及び組立の美的な面の評価に
用いるため、非機能性部品の迅速なプロトタイプの製作
が必要となることもある。
【０００３】製品を市場に導入するための時間に寄与す
る別の主要因子は、金型やダイスのような工具の開発に
要する時間である。射出成形ダイスのようなある種の型
の工具では、工具の設計及び製作を変更する時間は普通
数か月にわたる。このようにリード時間が長くなるの
は、工具が頻々極めて複雑になって、細部にわたり人の
注意を多く必要とするものだからである。すなわち、工
具の製作は、リード時間のみならず製造費用にも影響を
与える。事実、工具費用が頻々所与プロセスの最小経済
バッチサイズを決定する。プロトタイプの製作、工具の
リード時間、及び工具の費用は、長いリード時間と高い
費用との組み合わせである点で関連しており、生産に使
用されるものと同一のプロセスでの再生産プロトタイプ
の製作を非実際的にする。
【０００４】過去数年、コンピュータ化された三次元プ
リント技術の開発に多くの関心が払われてきた。この技
術は「デスクトップ製造」技術とも称され、工具を必要
としない。斯かるシステムの一つに、３Ｄシステムズ社
（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎｃ．米国カリフォルニア
州バレンシア）が製作・販売するＳＬＡ １ システム
がある。このシステムは、光重合可能な液状ポリマーの
プラスチック材料浴の項部に焦点を合わせた紫外（Ｕ
Ｖ）レーザをベクトル走査するステレオリソグラフィー
と称される原理に基いて作動する。ＵＶレーザは、それ
が当たった浴の表面を重合させ、表面及び表面の直下に
第一の固体プラスチック層を形成する。次に、この固体
層を浴内に沈め、レーザによる重合過程を繰り返して次
の層を形成する等々、複数の層が積み重なって所望の部
品を形成するまで繰り返す。各ケースで最も新しく形成
された層を、常に次の層が液浴の表面の僅か下に形成さ
れるような位置まで沈めるのである。
【０００５】選択的レーザ焼結（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ
Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＳＬＳ））とも称さ
れる別法も、ＤＴＭ社（ＤＴＭ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏ
ｎ、米国テキサス州オースチン）により提案されてい
る。このシステムでは、レーザビームを用いて、ゆるめ
に詰めたプラスチック粉末層の領域を焼結し、該粉末を
次々と層状に塗布するのである。「焼結（ｓｉｎｔｅｒ
ｉｎｇ）」なる語は、粉末プラスチック等の粒子を外部
から加えるエネルギーにより内実の塊状物に接着させる
方法を意味する。ＳＬＳシステムは、斯かる目的に対し
て、レーザにより供給される光エネルギーを使用する。
【０００６】すなわち、ローラ機構により粉末の薄層を
平らな表面上に均一に拡げる。次に、この薄い粉末表面
を上部から高出力のレーザビームによりラスタ（ｒａｓ
ｔｅｒ）走査する。レーザビームが当った粉末材料は融
結する。レーザビームが当らなかった領域はゆるい状態
に留まり、部品をシステムから取り除く際に部品から落
下する。部品全体が完成するまで、粉末層を継続して夫
々の上部に沈積させてラスタ−走査する。各層は、それ
が先行する層に接合する十分な深さまで焼結される。ハ
イドロネテイック社（Ｈｙｄｒｏｎｅｔｉｃｓ，Ｉｎ
ｃ．、米国イリノイ州シカゴ）も、同様なレーザ焼結法
を提案している。同社が示した別法は、積層物品製造法
（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎｕｆａｃ
ｔｕｒｉｎｇ（ＬＯＭ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）と命名さ
れており、薄い金属箔層を部品の形成に適当な形状に切
り、この賦形された層片を互いに重ねて置き、適当に接
合して関連する部品を形成する方法である。
【０００７】３Ｄモデル及びプロトタイプの形成のため
提案されたその他の方法には、オートメーテッドダイナ
ミック社（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｏ
ｒｐｏｒａｔｉｏｎ、米国ニューヨーク州トロイ）が提
案した弾道粒子製造法（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ Ｐａｒｔ
ｉｃｌｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（ＢＰ））と称
する方法がある。この方法はインク−ジェットプリント
技術を使用する方法であり、液状の溶融した金属複合材
料のインク−ジェット流を用い、インク−ジェットプリ
ンタが二次元グラフのプリントを形成する方法と同様
に、コンピュータの制御下に三次元の物品を形成する方
法である。冷溶接（ｃｏｌｄ ｗｅｌｄｉｎｇ）すなわ
ち迅速同化）技術を用い、ターゲットに継続する断面を
インク−ジットプリントして次々と層を重ねる方法によ
り金属又は金属複合物の部品を製造する。冷溶接技術
は、粒子と継続する層を接合する。
【０００８】フォーミグラフイックエンジン社（Ｆｏｒ
ｍｉｇｒａｆｉｃ ＥｎｇｉｎｅＣｏ．、米国カリフォ
ルニア州バークレイ）が提案した光化学機械加工（Ｐｈ
ｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）と称さ
れる更なる技術は、レーザビームを交差してポリマープ
ラスチックブロックを選択的に硬化又は軟化させる方法
である。該法の基礎となる機構は、材料の光化学的な架
橋又は分解である。
【０００９】（発明が解決しようとする課題）セラミッ
ク若しくは金属材料又は斯かる材料の相互組み合わせ若
しくは他材料との組み合わせで満足に機能し、但しプラ
スチック粒子又は他の無機材料でも満足に機能するよう
な層状化部分を提供する技術を考案することが望まれて
いる。このような技術は、今まで提案されている技術よ
りも広範な材料からコンポーネントを製造するため、よ
り普遍的に使用できるであろう。
【００１０】（課題を解決するための手段）本発明の一
好適実施態様では、粉末材料たとえばセラミック粉末、
金属粉末又はプラスチック粉末を互いに重なり合う逐次
層として沈積する。粉末材料の各層を沈積させたあと、
形成予定の三次元部品のコンピュータモデルに従うイン
ク−ジェットプリント技術を用いて、粉末材料の層に液
状結合剤材料を選択的に供給する。問題部品の形成に必
要な粉末層及び結合剤材料の全てを逐次塗付したあと未
結合粉末を適当に除去すると、所望の三次元部品が形成
される。このような技術は、複雑な金属、セラミック又
は金属−セラミック複合物の部品を極めて高い解像度で
妥当な短い時間内に効果的に形成可能とするものである
ことが見出された。
【００１１】付属図面を引用すると本発明を更に詳しく
説明することができる。
【００１２】図１は、本発明の一特定実施態様の等角図
である。
【００１３】図２は、本発明に従って部品を形成する際
の各段階の概要図である。
【００１４】図３、４及び５は、機械的振動及び音響エ
ネルギーを加えて粉末粒子を固定する各種技術例を示
す。
【００１５】図６図は、本発明に従って粉末粒子を沈積
させるため落下ピストン装置を使用する段階の例を示
す。
【００１６】図７図及び８は、凹角特徴（ｒｅｅｎｔｒ
ａｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ）を有する部分の形成を示す概
要図である。
【００１７】図９は、本発明の実施に使用可能なシステ
ム例のブロックダイヤグラムを示すものである。
【００１８】図１０は、本発明を実施するため図８のシ
ステムで使用するステップのフローチャート例を示す。
【００１９】図１１及び１２は、本発明に従って形成さ
れる部品の３−Ｄモデル及び２−Ｄスライス夫々の例を
示す等角図である。
【００２０】図１３は、図１１及び１２に示したモデル
の２−Ｄスライス１−Ｄ線セグメントの平面図を示す。
【００２１】本発明の一特定実施態様を図１に示す。図
１は、六個の実質的に同一の部品の成形に使用可能な六
個のキャビティー１２Ａ−１２Ｆを有するセラミック型
を形成するための装置１０を示す。粉末分散ヘッド１３
は、形成する型の長さに沿ってシャトル運動で往復駆動
される。粉末分配ヘッド１３及び結合剤沈積ヘッド１５
の移動には、適当なリニアステップモータ（ｌｉｎｅａ
ｒ ｓｔｅｐｐｉｎｇｍｏｔｏｒ）組装置１８を使用す
ることができる（後述する）。粉末材料、例えばセラミ
ック粉末を限られた領域、例えばフォーム（ｆｏｒｍ）
１４が定める領域に分配する。この粉末は、例えば約１
００−２００ミクロンの代表的厚みの比較的ゆるめの層
を形成するため分配ヘッド１３が型長に沿って不連続な
ステップで移動する際に一線内に分配される。ここでは
材料を粉末材料として説明しているが、用途によって
は、例えば繊維の形態で分配することもできる。本発明
を説明する便宜上、粉末材料なる語は繊維材料を含むも
のとする。ステップモータは、ヘッド１３の動きが本質
的に連続となるような高速度で移動することができる。
別法として、サーボ調節モータのように本来連続動作す
るモータであってもよい。初めの層をフォーム１４の低
部に分散させ、各継続層を先行層上に次々と分散させ
る。
【００２２】粉末ヘッドの動作に従い、各キャビティー
の壁である選択全域１６で液状結合剤材料のジェットを
選択的に形成し、それにより粉末材料をその領域で結合
させるため、同じ往復式のステップモータ組装置によっ
ても複数のインク−ジェットデイスペンサを有するイン
ク−ジェットプリントヘッド１５は駆動される。結合剤
のジェットは、粉末材料の分配ヘッド１３と実質的に同
様に移動する。すなわち高速ステップ動作又は連続サー
ボモータ動作により移動する（各ケース共ヘッド１５
は、ヘッド１３に関して前述したように効果的に連続移
動する）プリントヘッド１５の線に沿って分配される。
代表的な結合剤の滴径は、例えば約１５−５０ミクロン
である。この粉末／結合剤層の形成方法を繰り返し、層
を重ねて型部品を作り上げるのである。
【００２３】本発明に従って製作される部品を示す概要
図を図２に示す。図２は、そのフローの概要を示す図で
ある。問題の部品４０に関して、粉末分配ヘッド４１か
ら既に結合剤が内部に沈積されて前に形成されたフォー
ム２４内の層上に粉末層を沈積させる（Ａ）。次に、結
合剤ジェットヘッド４３から結合剤材料層上にプリント
して、接合された粉末物品の次層を形成する（Ｂ）。こ
の操作を各継続層毎に繰り返す。部品４０の中間形成段
階例を（Ｃ）に示す。（Ｄ）に示すように最終接合層が
プリントされたとき、過剰の未接合粉末を除去する。最
終的に形成された部品そのものを（Ｅ）に示す。
【００２４】各層が下に置かれる際に、該層は硬化乃至
少なくとも部分的に硬化されるのであるが、所望の最終
部品形状物が出来上つて層化過程が完了したならば、用
途によっては、フォーム又はその内容物を適当に選択さ
れた温度で加熱すなわち硬化し、粉末粒子の接合を更に
促進することが望ましい場合がある。更なる硬化を必要
とする場合も必要としない場合も、ゆるい未接合の粉末
粒子、例えば（図１）１７領域のそれは、例えば超音波
洗浄等の好適技術を用いて除去され、使用のための仕上
がり部品を残すのである。
【００２５】効果的使用のため、粉末粒子を比較的高速
で均一に沈積する必要があり、その速度は該技術を使用
する用途に従って選択される。多数の有用用途では、粉
末粒子を比較的高密度で充填できることが好ましいが、
大きな多孔度を有する部品が望まれる場合のように密度
がかなり低目になる用途もある。所要の速度及び密度で
所望の均一な粉末分散体にするには、コロイド科学及び
粉末分散化学の分野で用いられている既知技術を使用す
ることができる。すなわち、斯かる粉末を乾燥粉末とし
て分配すること、又はコロイド状分散体若しくは水性懸
濁体等の液体ビヒクル内に含めて分配することができ
る。乾燥状態では、所望の粒子緊密化は、機械的振動緊
密化技術を用いて、或いは沈積粉末に音波若しくは超音
波振動等の音響エネルギーを与えることにより又は沈積
粉末にピエゾ電気スクレーパを適用することにより達成
することができる。
【００２６】このような技術を、例えば図３、４乃至５
に夫々示す。図３は、粉末粒子６２を内部に沈降させる
ため振動トランデューサシステム６１を用い、フォーム
１４を矢印６０で示すように機械的に振動させる様子を
示す。図４では、このような目的に音響トランデューサ
システム６３を用いて、粉末の表面層に音響エネルギー
６４を供給している。図５では、振動トランデューサシ
ステム６５を用い、ピエゾ電気スクレーパ６６が例えば
矢印６８方向に移動する際、それを矢印６７で示すよう
に振動させて粉末６２を沈降させる。
【００２７】粉末は、乾燥形態でも湿潤形態であっても
落下ピストン法を用いて沈積可能である。落下ピストン
法では、垂直に移動可能なピストンの上部に乾燥若しく
は湿った粉末を沈積し、ピストンを室内の下方に移動さ
せ、適当なスクレーパ装置で過剰の粉末を掻き取る。
【００２８】図６の図（Ａ）に示すように、ピストン７
０は、室内で部分的に形成された部品７１を保持する。
粉末層を沈積させるため、ピストンを室内の下方に移動
させ、室７３内の上部に粉末粒子を沈積させるための領
域を残す（図（Ｂ））。この領域に粉末粒子７４を沈積
し、例えばドクターブレード７５を用いて過剰の粉末を
掻き取る（図（Ｃ））。上部に新たに粉末層７６を沈積
させた部品７１は、それに結合剤材料を塗付できる状態
にある（図（Ｄ））。
【００２９】一般に、例えば寸法が約２０ミクロン以上
の大粒子は乾燥状態での沈積が好ましく、一方の例えば
寸法が約５ミクロン以下の小粒子は、乾燥状態でも液体
ビヒクル中の湿った状態でも沈積可能である。
【００３０】分散剤化合物の添加により、液体ビヒクル
内に粒子のコロイド状分散体を形成することができる。
湿潤粉末法に用いる液は、次の層を沈積する前に除去乃
至部分的に除去される。すなわち、インク−ジェット結
合剤をプリントする前にこの液を急速に蒸発させるので
ある。このような蒸発は、例えば赤外線加熱、熱風加熱
又はマイクロ波加熱法により達成することができる。
【００３１】結合剤材料のインク−ジェットプリントに
は、製造対象部品の寸法公差がその硬化時にも維持され
るような収縮特性をもつ材料を選んで、その滴を使用し
なければならない。結合剤溶液は比較的高目の結合剤含
量を有しなければならないが、その粘度は、粉末材料内
に沈積のためプリントヘッドを通して流れることができ
る程度まで低くなくてはならない。結合剤材料は、層に
浸透して各層で比較的急速に結合作用を発揮し、引続き
次の粉末粒子層を塗付できるようなものを選択する必要
がある。ある種のインク−ジェット技術を使用する際、
結合剤材料が少なくとも最小の電気伝導性を必要とする
ことがある。特に最近入手できるようになった連続式ジ
ェットプリントヘッドを用いる際がそうであり、同ヘッ
ドは結合剤溶液滴がヘッドを出る際、該滴上に電荷を与
えるために十分な伝導性を必要とする。ある種の有機溶
剤のように結合剤を伝導性にすることができない場合に
は、その結合剤はドロップ−オン−デマンド（ｄｒｏｐ
−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）プリントヘッドを用いて塗付す
ることができる。
【００３２】この結合剤材料は、各層が沈積された際に
高い接合強度を有し、従って全層が接合されたときに、
それから形成されるコンポーネントに更なる処理を施さ
ずともすぐに使えるようなものである。別ケースでは、
部品の追加処理が望ましいが、それが必要となることも
ある。例えば、この方法は形成されるコンポーネントに
妥当な強度を与えるものであるが、部品の形成後に更に
加熱すなわち硬化して、粒子の接合強度を更に高めるこ
とができる。斯かる加熱又は焼成時に結合剤を除去可能
な場合もあるが、焼成後に結合剤材料を残すことができ
る場合もある。何れの操作になるかは、用途及び加熱又
は焼成を行う条件、例えば温度によって選択される個々
の結合剤材料に関係する。部品の形成後にその他の後処
理操作が行われることもある。
【００３３】使用可能なインク−ジェットプリント機構
は当該技術分野で既知であり、普通二つのタイプのもの
がある。一つは連続式ジェット流プリントヘッドであ
り、他はドロップ−オン−デマンド流のプリントヘッド
である。連続式の高速プリンタの例は、ダイコニックス
社（Ｄｙｃｏｎｉｘ．Ｉｎｃ．、米国オハイオ州デイト
ン）が製造・販売するディジット（Ｄｉｊｉｔ）プリン
タであり、これは連続的に６０００万滴／秒まで配送可
能で２７４ｍ／分（９００フィート／分）迄の速度でプ
リント可能な約１５００ジェットを含むラインプリント
棒を有する。このシステムでは、液体材料は高圧下に各
ジェットノズルから連続的に噴出し、次にそのジェット
流が一連の滴に分かれ、その方向は電気制御信号で調節
される。
【００３４】現在当該技術分野に知られるようになった
ドロップ−オン−デマンドシステムは、一般に二種の液
滴形成機構を用いる。一方は、ピエゾ電気素子を使用す
る方法であり、一実施態様例では液体貯器の一壁にピエ
ゾ電気素子を取り付けたものである。ピエゾ電気素子に
加えられたパルスは、貯器キャビティーの容積を若干変
え、同時に液体内に圧力波を誘起する。この操作は、キ
ャビティーに取り付けられたノズルから噴出することに
なる液滴を発生させる。キャビティーは毛管作用により
再び満たされる。別法は蒸発性の泡を用いる方法であ
り、該法では、小型の抵抗式ヒーターを駆動して液の一
部を蒸発させて蒸気の泡を形成し、それがキャビティー
から噴出することになる小液滴を形成する。キャビティ
ーは毛管作用を介して再び満たされる。一般に、連続式
ジェット技術は、ドロップ−オン−デマンド技術よりも
高い液滴沈積速度を与える。
【００３５】この連続式又はドロップ−オン−デマンド
のインク−ジェットヘッドは、例えば単一ジェット又は
該材を線状に効果的に沈積させるよう配列されたジェッ
トのアレイ、或いはジェットを線状に平行かつ効果的に
沈積するよう配列された比較的短く平行なジェットアレ
イを二以上組み合わせたものが使用される。
【００３６】セラミック、金属、プラスチック又は複合
成分の製造可能速度は、粉末の沈積及び結合剤液の供給
に使用される速度並びに層が互いに重なって沈積された
際に各接合層が硬化する時間に関係する。
【００３７】乾燥粉末分散体を使用した場合、粉末の塗
付工程は総括プリント速度を決定する制限因子としての
重要性は低い。しかしながら、液体ビヒクル内の粉末分
散体を使用する場合には、結合剤材料をインク−ジェッ
ト塗布する前に層を少なくとも部分的に乾燥しなければ
ならない。この乾燥時間は、使用する粉末、結合剤及び
溶剤の個々の性質に依存する。
【００３８】形成するコンポーネントの各部分の寸法
は、「造作寸法（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ）」と称さ
れるが、これは主として使用する結合剤滴の寸法に関係
する。一方、斯かる寸法の公差は、使用する結合剤材料
の液滴拡がり特性の再現性に関係する。
【００３９】現在既知のインク−ジェット装置を用いる
液体結合剤のインク−ジェトプリントは、例えば１５ミ
クロン程の小さなジェット滴径を与えることができる。
新規表面域の形成及び小ジェットの閉塞可能性の増大に
おける表面エネルギーを考慮して液滴寸法の下限を下げ
て更に小さな液滴寸法を実現することも可能である。
【００４０】部品の総括的な公差は、滴下拡がりのみな
らず、材料の収縮及び収縮特性の再現性にも関係する。
一例として、結合剤／粉末の組み合わせが１％収縮し、
その収縮が１％呼称値の５％範囲内で再現されるなら
ば、収縮に基く総括的な変差を約０．０００５ｃｍ／ｃ
ｍとすることができる。結合剤の硬化又は沈積時に生じ
る実際の収縮は、粒子再配列の比較的強い関数である。
寸法の公差及び粒子の充填は、各ケース毎に最良の結果
が得られるよう実験的に決定することができる。
【００４１】アルミナ、ジルコニア、ジルコン、（すな
わち、ケイ酸ジルコニウム）及び炭化ケイ素は、本発明
の技術を用いて接合可能な代表的セラミック材料であ
る。これらの材料を有機ヒビクル中に含める場合には、
天然及び合成の分散剤が共に入手可能である。例えば、
アルミナはグリセリド界面活性剤によりトルエン／ＭＥ
Ｋ溶剤中に極めて効果的に分散され、電子パッケージン
グ工業の誘電性基材に於いて粒子の薄いシートを流延す
るのに使用される。炭化ケイ素は、例えば、少量のＯＬ
ＯＡ １２００（例えばシエブロンケミカル社のオロナ
イト添加剤事業部（Ｃｈｅｖｒｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｃｏ．Ｏｒｏｎｉｔｅ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ Ｄｉ
ｖ．、米国カルフォルニア州サンフランシスコ
【００４２】）から得られる）が存在すると、ヘキサン
中で容易に分散可能である。ＯＬＯＡは主にクランクケ
ースオイルの添加剤として使用されており、エンジンの
摩耗により形成される金属粒子の分散剤として機能す
る。
【００４３】有機結合剤はセラミック工業でこれまでも
使用されており、代表的には各種原料から得られるポリ
マー樹脂である。これらの有機結合剤は、押出し技術で
使用されるようなセルロース系結合剤等の水溶性のもの
でも、或いはテープケーシング技術で使用されるような
ブチラール樹脂等の揮発性有機溶剤のみに可溶のもので
もよい。後者の有機溶剤可溶の系は、比較的急速に除去
することができ、本発明の技術に特に有用であるように
思われる。別タイプの有機結合剤には、ポリカルボシラ
ザンのようなセラミック前駆体材料がある。
【００４４】結合剤を最終コンポーネントに添入する場
合は、無機の結合剤が有用である。このような結合剤は
一般にケイ酸塩べースのものであり、代表的にはケイ酸
又はその塩を水溶液中で重合させて形成される。その他
の使用可能な無機結合剤の例はＴＥＯＳ（オルトケイ酸
四エチル）である。乾燥時にコロイド状シリカはマトリ
ックス粒子の首に凝集してセメント状の接合を形成す
る。燃成時にシリカは流動し、表面張力の作用を介して
マトリックス粒子を再配列させて燃成後も留まる。可溶
性ケイ酸塩材料は、例えば耐火キャスタブル材料の結合
剤として使用されており、本発明の技術に使用した際、
鋳造工業で使用されているものと実質的に同一タイプの
耐火物本体を製造すると云う利点がある。
【００４５】用途によっては、沈積時に結合剤が比較的
急速に硬化して、前の層の表面上に配される次の粒子層
が毛管力による粒子再配列を受けないことが好ましい。
更には、硬化した結合剤は、粉末沈積に使用される溶剤
からの汚染を受けない。その他の場合には、結合剤が層
間で十分に硬化する必要はなく、粉末粒子の次層を末だ
十分に硬化していない前層上に沈積させてもよい。
【００４６】結合剤が沈積された時点で硬化が起こる場
合、加熱硬化すなわち結合剤担体液の蒸発は、斯かる目
的に対して結合剤材料のプリント実施時に形成するコン
ポーネントを暖ため、一方のプリントヘッド自身はイン
ク−ジェットヘッドの貯器内の未プリント結合剤材料が
その所望性質を保持するよう冷却されていることが一般
に必要である。このような硬化は、例えば適当な外部加
熱源を用いて、部品を形成する総括的装置を加熱するこ
と等にて結合剤材料を間接的に加熱することにより、或
いは結合材料への熱風の適用又は赤外エネルギー又はマ
イクロ波エネルギーの適用など結合剤材料を直接加熱す
ることにより達成することができる。別法として、各種
の熱的に活性化される化学反応を結合剤の硬化に使用す
ることも可能であろう。例えばケイ酸アルカリ塩溶液の
ゲル化は、有機試薬の分解に伴うｐＨの変化により生起
させることができる。すなわち、ケイ酸アルカリ塩とホ
ルムアミドとの混合物を形成される熱いコンポーネント
上にプリントすることができる。濃度が急上昇するとホ
ルムアミドの分解は大幅に増大し、その結果結合剤のｐ
Ｈは急速に変化する。沈積された結合剤を硬化させるそ
の他の熱的又は化学的に開始される技術は、当業者の技
術範囲内で考案することができる。
【００４７】液状及びコロイド状の結合剤材料について
は前述したが、用途によっては液体に取り込まれた結合
剤粒子の形態で結合剤材料を沈積させてもよい。このよ
うな結合剤材料は、斯く取り込まれた結合剤材料を提供
可能なように特に設計された複合インク−ジェット構造
物として供給することができる。このような復合構造物
の一例は、例えばハインツル（Ｊ．ｈｅｉｎｚｌｅ）及
びヘルツ（Ｃ．Ｈ．Ｈｅｒｔｚ）がＡｄｖａｎｃｅ ｉ
ｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ第６５巻に「インク−ジェットプリ
ンティング」なる論文で議論している。
【００４８】更に部品を製作する際には、使用する結合
剤材料は単一の結合剤材料である必要はなく、形成する
部品の種々の域に相異なる結合剤材料を使用することが
可能であり、この相異なる材料は別々の結合剤沈積ヘッ
ドにて供給される。図２図に二重ヘッドシステムを示し
ており、第二ヘッド４３Ａは同図の（Ｂ）を鎖線で示
す。粉末と結合剤材料との多数の可能な組合わせは、本
発明に従って選択することができる。例えば、セラミッ
ク粉末又はセラミック繊維は、無機若しくは有機の結合
剤材料と共に、或いは金属の結合剤材料と共に使用可能
であり；金属粉末は金属結合剤又はセラミック結合剤と
共に使用であり；かつ、プラスチック粉末は溶剤系結合
剤、例えば低粘度エポキシプラスチック材料と共に使用
可能である。その他の粉末と結合剤材料との適当な組み
合わせは、各種用途に応じて当業者が想到するところで
ある。
【００４９】本発明の有用な一用途は、金属鋳造用の
型、特に比較的複雑な形状をもった型をプリントするこ
とである。現在、複雑で高精度の鋳造は、ロスト−ワッ
クス鋳造法又はインベストメント鋳造法により製造され
ている。この方法は、アルミニウムダイの製作から始ま
り、そのダイを用いて鋳造により製造する物品のポジ
（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）ワックス型を製作する。このダイ
は、普通、放電加工により製造される。次にワックスポ
ジを製作し、ワックスランナーシステムを用い手で互い
に連結してトリー（ｔｒｅｅ）を形成する。この部品が
内部空隙を有する場合には、ワックスポジにセラミック
中子を含める。次にトリーをセラミックスラリーに繰り
返し浸漬し、各浸漬操作の間に乾燥サイクルを設ける。
最終乾燥のあと、ワックスを融解してシェル型から焼失
させ、最後に鋳造に使える型が得られる。このようなロ
スト−ワックス鋳造技術は、その基礎的形態で永年当該
技術分野で使用されてきた。
【００５０】本発明の技術によれば、ワックスポジを全
く必要とせず、セラミックシェル型を直接その形態に製
作することが可能である。内部空隙は、その域の結合剤
材料を省くことにより製作することができる。次に、こ
のゆるい未接合の粉末をあとの最終型で溶融金属を受け
入れることになる同じ通路を経由して型から洗い出す。
図７及び８は、凹入（ｒｅｅｎｔｒａｎｔ）特色のある
部品を形成するときの概略図である。すなわち、図７で
は、逐次層の最初のセットで結合剤材料を三つの選択さ
れた域、２０，２１及び２２にプリントし、一方では図
８に示すように逐次層の最終として選択された領域２３
が前に形成された全三域を包み込むのである。型プリン
ト用の代表的粉末材料には、前述のように、例えばアル
ミナ、シリカ、ジルコニア及びジルコンがある。更に
は、本発明技術は中子の形成のみに使用することもでき
る。
【００５１】中子領域を有する型を製造する際、型の本
体に特定の一結合剤材料を使用し、その中子領域には変
性された結合剤材料を使用することが有利であり、中子
領域には、例えば第二のプリントヘッドを使用する必要
がある。本発明の技術は、型を形成する上で、ロスト−
ワックス技術と比較して少なくとも二つの利点を有す
る。一つは中小バツチの部品のコストを低減できること
であり、他の一つは広範な種々の型及びその他の部品を
比較的短い変更時間で製造できることである。
【００５２】前述の粉末分配制御及び結合剤材料のノズ
ル制御操作を行うための比較的単純なシステム例を図９
のブロック図及び図１０のフローチャートを引用しなが
ら説明する。図９に示すように、通常のコンピュータ支
援設計（ＣＡＤ）操作に使用可能であって当該分野で周
知の任意の型のマイクロコンピュータ３０が、本発明の
目的のプログラム化に適当である。このマイクロコンピ
ュータ３０は、周知のＣＡＤ技術を用いて製作されるコ
ンポーネントの三次元（３−Ｄ）モデルを作成するため
使用される。コンピュータ化された３−Ｄモデルの一例
を図１１に示す。スライス化アルゴリズムを用いて選択
された継続するスライスを同定する、すなわち選択され
た２−Ｄ層に関する、例えばその底層すなわち底スライ
スから始まる３−Ｄモデルのデータを準備する。モデル
５０の層５１の例を図１２の分解組立図に示す。このよ
うな目的を達成する特定スライス化アルゴリズムの開発
は、当業者の技術の範囲に属する。
【００５３】図１３の平面図に示すように、特定の２−
Ｄスライスを選択した後、そのスライスをその一連の一
次元（１−Ｄ）走査線に還元する。この目的を達成する
適当な還元アルゴリズムの開発も、当該技術の範囲に属
する。各走査線５２は、単一の線セグメント（例えば走
査線５２Ａのセグメント５３Ａ）又は二以上のより短い
線セグメント（例えば走査線５２Ｂのセグメント５３
Ｂ）を含むことができ、各線セグメントは、走査線上の
ある定まった出発点及び線セグメントのある定まった長
さを有する。例えば、線セグメント５３Ｂは、参照線５
４から測定して夫々ｘ１及びｘ２に出発点を有し、か
つ、その出発点ｘ１及びｘ２から測定して夫々ｌ１及び
ｌ２の長さを有する。
【００５４】マイクロコンピュータ３０は、形成されて
いる３−Ｄモデルの特定２−Ｄスライスが粉末「開始」
信号を粉末分配制御回路３１に送信することにより選択
される際に粉末分配操作を起動させる。この粉末分配制
御回路３１は、粉末ヘッドデバイスにより前述のような
好適な方法で粉末分配システム３２を動かして、沈着さ
れる選択されたスライスが粉末層を受け入れるようにす
る。例えば、中に選択されたスライスが配置される限ら
れた領域の全域にわたって粉末が沈積される。粉末が分
配されるとマイクロコンピュータ３０が斯かる領域での
粉末分配は完了したことを意味する粉末「停止」信号を
送って、粉末分配調節器の操作を停止するのである。
【００５５】次に、マイクロコンピュータ３０は、ある
一つの走査線すなわち選択された２−Ｄスライスの第一
走査線を選択し、続いてある一つの線セグメント、例え
ば選択された走査線の第一１−Ｄ線セグメントを選択
し、結合剤ジェットノズル制御回路３３にその出発点及
び長さを定めるデータを送信する。操作の説明を簡単に
するため、単一結合剤ジェットノズルを使用し、且つ、
このノズルは、総括２−Ｄスライスが通常のラスタ走査
（Ｘ−Ｙ）操作で走査されるような仕方でスライスの線
セグメントを走査すると仮定する。ノズルのリアルタイ
ム位置が選択された線セグメントの出発点であるとき、
その線セグメントに関してコンピュータ３０から送信さ
れる定まった出発点及び長さのデータに従って、ノズル
３５は線セグメントの開始時にオンにされ、線セグメン
トの終端でオフにされる。継続する各線セグメントは選
択された走査線で同様に走査され、選択されたスライス
の継続する各走査後も同様に走査される。この目的で、
ノズル担体シスラムは、マイクロコンピュータ３０から
の走査「開始」信号によりＸ軸（速軸）方向及びＹ軸
（遅軸）の両方向にその移動を開始する。ノズル担体
（及び、従ってノズル）のリアルタイム位置に関するデ
ータは、ノズル制御回路に送信される。スライスが完全
に走査されると、走査「停止」信号がスライス走査状態
の終了を指令する。
【００５６】各線セグメントの走査時には、選択された
スライスの特定の走査線の全ての線セグメントでノズル
操作が行われたかどうかの判定が行われる。もしそうで
ないと、次の線セグメントを走査し、その線セグメント
に対してノズル制御操作が施される。ある特定走査線の
最終線セグメントに対する操作が完了すると、関係した
走査線が選択されたスライスの最終走査線であるかどう
かの判定が行われる。もしそうでなければ、次の操作線
が選択され、スライスのこの走査線の継続する各線セグ
メントに対して走査及びノズル制御過程が実施される。
特定の一スライスの最終走査線に対するノズル操作が完
了すると、このスライスが総括３−Ｄモデルの最終スラ
イスであるかどうかが判定される。もしそうでなけれ
ば、次のスライスが選択され、その全走査線に必要な粉
末沈積を含む斯かる走査線の各線セグメントに対する総
括プロセスは退けられる。結合剤材料を３−Ｄモデルの
最終スライスに供給すると操作は完了する。
【００５７】図９のコンポーネントを使用する図１図の
フローチャートを実行するために必要なプログラムの作
成は当該技術の範囲に属するものであり、これ以上詳し
く説明する必要はない。この方法は、前述のように、単
一ノズルに対して使用可能であり、マルチプルノズル例
えば結合剤材料を効果的に線状沈積させるためのノズル
のアレイ又は複数の比較的短いマルチプルアレイを有す
る結合剤ヘッドに使用しても容易に適合することができ
る。
【００５８】本発明の前記実施態様に加え、前に開示し
た諸技術の更なる変法又は変更は当業者が容易に想到す
るところである。例えば、結合剤を湿った状態で塗付せ
ずに、塗付及び加熱時に溶融した材料が粉末粒子に浸透
し、かつ、硬化時にはそれらを互いに結合するよう低融
点の材料を用いて乾燥状態で塗付することもできる。更
には、二以上の相異なる型の粉末粒子を二以上の分離し
た粉末分散ヘッドを介して塗付し、種々の粉末を形成さ
れる部品の種々の域に沈積させることもできる。次に、
そのような種々の領域で種々の物理的特性が得られるよ
う相異なる結合剤を用いて、或いは同一の結合剤を用い
て斯かる領域の粉末を結合することができる。本発明の
その他の変更及び拡張も、その精神及び特許請求の範囲
から当業者の想到できるものである。従って本発明は、
前記の特定実施態様に限定されると解されてはならず、
特許請求の範囲のみによって限定される。
【００５９】（発明の効果）本発明の技術は、例えば金
属鋳造用型の迅速な製造及び金属マトリックス複合物の
プレフォームの迅速な形成に特に有用である。この技術
を、プラスチック材料に用いて、各種目的に供するプラ
スチックコンポーネント又は部品の形成にも使用可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一特定実施態様の等角図である。
【図２】本発明に従って部品を形成する際の各段階の概
要図である。
【図３】
【図４】
【図５】機械的振動及び音響エネルギーを加えて粉末粒
子を固定する各種技術例を示す。
【図６】本発明に従って粉末粒子を沈積させるため落下
ピストン装置を使用する段階の例を示す。
【図７】
【図８】凹角特徴を有する部分の形成を示す概要図であ
る。
【図９】本発明の実施に使用可能なシステム例のブロッ
クダイヤグラムを示すものである。
【図１０】本発明を実施するため図８のシステムで使用
するステップのフローチャート例を示す。
【図１１】
【図１２】本発明に従って形成される部品の３−Ｄモデ
ル及び２−Ｄスライス夫々の例を示す等角図である。
【図１３】図１１及び１２に示したモデルの２−Ｄスラ
イス１−Ｄ線セグメントの平面図を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エス・ハガティー アメリカ合衆国マサチューセッツ州01773, リンカーン，パートリッジ・アベニュー ５ (72)発明者 マイケル・ジェイ・シーマ アメリカ合衆国マサチューセッツ州02173, レキシントン，バーリントン・ストリー ト 28 (72)発明者 ポール・エイ・ウィリアムズ アメリカ合衆国マサチューセッツ州01742, コンコード，クレスト・ストリート 33

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（１）限られた領域に粉末材料の第一層を
    沈積すること； （２）前記の粉末材料層の選択された領域に結合剤材料
    を塗付して、接合された粉末材料の第一層を前記の選択
    された領域に形成すること； （３）各々接合された粉末材料の選択領域を有して、コ
    ンポーネントを形成する選択された数の継続層を形成す
    るため、工程（１）及び（２）を選択された回数繰り返
    すこと；及び （４）前記コンポーネントを形成する前記の継続する層
    から未接合の粉末材料を除去すること；の諸工程を含む
    るコンポーネントを製作する方法。
  2. 【請求項２】 前記の結合剤材料を一以上のジェット流
    として塗付する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記コンポーネントの諸性質を改善する
    ため、粉末材料が接合された前記の選択された数の継続
    層を更に処理する工程を更に包含する請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前記コンポーネントの諸性質を改善する
    ため、粉末材料が接合された前記の選択された数の継続
    層を更に処理する工程を更に包含する請求項２の方法。
  5. 【請求項５】 前記の更なる処理工程が、接合された粉
    末材料の前記継続層を更に強化するため、粉末材料が接
    合された前記の選択された数の継続層を加熱する工程を
    包含する請求項３又は４の方法。
  6. 【請求項６】 前記の粉末材料を乾燥状態で沈積させる
    請求項１又は３の方法。
  7. 【請求項７】 前記の層が沈積される際に前記の乾燥粉
    末材料を振動させて、前記粉末材料を安定させる工程を
    更に包含する請求項６の方法。
  8. 【請求項８】 前記の沈積された粉末材料の機械的振
    動、前記の沈積された粉末材料に音響エネルギーを適用
    すること又は前記の沈積された粉末材料にピエゾ電気掻
    き取り装置を適用することにより前記の振動工程を実施
    する請求項７の方法。
  9. 【請求項９】 前記の粉末材料が液体ビヒクル中に含ま
    れ、かつ、前記の結合剤材料を塗付する前に該粉末材料
    を少なくとも部分的に乾燥させる工程を更に包含する請
    求項１又は３の方法。
  10. 【請求項１０】 赤外線加熱又は熱風加熱を前記の粉末
    材料の沈積層に適用することにより、或いは前記の粉末
    材料の沈積層にマイクロ波を適用することにより、前記
    の少なくとも部分的に乾燥させる工程を実施する請求項
    ９の方法。
  11. 【請求項１１】 前記の結合剤材料を液体結合剤として
    塗付する請求項１又は３の方法。
  12. 【請求項１２】 前記の液体結合剤が、結合剤材料の水
    溶液又は結合剤粒子のコロイド状懸濁体である請求項１
    １の方法。
  13. 【請求項１３】 前記の液体結合剤が、担体液中に伴出
    された結合剤粒子を含有する請求項１１の方法。
  14. 【請求項１４】 前記の結合剤材料が少なくとも二種の
    結合剤材料を含有し、前記の二種の結合剤が前記粉末材
    料の二以上の相異なる選択された領域に塗付される請求
    項１又は３の方法。
  15. 【請求項１５】 前記の結合剤材料を単一ジェット流と
    して塗付する請求項１又は３の方法。
  16. 【請求項１６】 前記結合剤材料を直線的に沈積させる
    ため、該結合剤材料を一以上のアレイで複数のジェット
    流として塗付する請求項１又は３の方法。
  17. 【請求項１７】 前記の結合剤材料の一以上のジェット
    流の各々を連続ジェット流として塗付する請求項１又は
    ３の方法。
  18. 【請求項１８】 前記の一以上のジェット流の各々を複
    数の分離滴として塗付する請求項１又は３の方法。
  19. 【請求項１９】 前記の粉末材料がセラミック粉末又は
    セラミック繊維であり、かつ、前記の結合剤材料が無機
    セラミック材料、有機セラミック材料又は金属材料であ
    る請求項１又は３の方法。
  20. 【請求項２０】 前記の粉末材料が金属粉末であり、か
    つ、前記の結合剤材料が金属材料又はセラミック材料で
    ある請求項１又は３の方法。
  21. 【請求項２１】 前記の粉末材料がプラスチック材料で
    あり、かつ、前記の結合剤材料が前記プラスチック材料
    の溶剤である請求項１又は３の方法。
  22. 【請求項２２】 結合剤材料の各層を塗付したあと、前
    記の結合剤材料を少なくとも部分的に硬化させる請求項
    １又は３の方法。
  23. 【請求項２３】 結合剤材料の各層を塗付したあと、そ
    れに熱エネルギーを適用することにより前記の結合剤材
    料を硬化させる請求項２２の方法。
  24. 【請求項２４】 前記の熱エネルギーを赤外線又はマイ
    クロ波の熱エネルギーとして適用する請求項２３の方
    法。
  25. 【請求項２５】 前記の結合剤材料を化学反応により硬
    化させる請求項２２の方法。
  26. 【請求項２６】 前記の粉末粒子が被覆材料で被われ、
    かつ、前記の化学反応が前記の結合剤材料と前記の被覆
    材料との間で生起する請求項２５の方法。
  27. 【請求項２７】 前記の粉末材料が湿った状態で沈積さ
    れ、かつ、前記の化学反応が前記の結合剤材料と前記の
    湿った粉末材料内の液体との間で生起する請求項２５の
    方法。
  28. 【請求項２８】 前記の結合剤材料にガス状材料を供給
    し、前記の結合剤材料が前記のガス状材料と化学的に反
    応してゲル化された結合剤材料を形成する工程を更に包
    含する請求項２５の方法。
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