JPH06502588A - 液相の物質から自由形態の固相の物を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液相の物質から自由形態の同相の物を製造する方法皮血五■ 本発明は、三次元の自由形態の固相の物を製造する方法に関し、特に、そのよう な物を液相の物質から液滴法による液滴で製造する方法に関する。

λ肛凹慧月 三次元の物を製造する慣用的な技術は、典型的には、組立て、機械加工、変形ま たは鋳造を含む。組立ては、適当な大きさの個々の要素の接着または溶接をしば しば含み、一方、機械加工と変形とは、前もっＣ作った物の形状からの材料の除 去または前記形状に応力を加えることをしばしば含む。

他方、鋳造は、典型的には、液状の溶解、ポリマーまたは溶融物質を型に注入す ることを含む。しかし、鋳造は、重合および凝固を型内で制御するのが困難であ ることから、大きな物または内部空隙を含む物を製造するために容易には採用で きない。鋳造はまた、注文形状を有する物、とりわけ少量でよい物の製造のため には一般に高価な方法である。

マスターズの米国特許第４．６６５．４９２号は、前記した問題のいくつかを回 避する仕方で微粒物から自由形態の物を製造する方法を開示する。マスターズは 、セラミック材の個々の粒子を三次元座標系における特定の位置に導き、前記粒 子を種子点すなわち前もって置いた粒子に接着剤によって取り付け、所望の形状 の物を徐々に製造する。マスターズはまた、衝撃を受けると種子点、すなわち前 もって置いた粒子と凍結する、セラミック粒子を含む水スラリーの液滴の使用を 開示する。前記水は、その後、多分凍結乾燥によって取り除かれ、有孔のセラミ ック物を創る。これら方法のいずれにおいても、沈着速度は使用した粒子のタイ プから独立し、粒子の沈着の間の時間遅れは、意図した物の形状または固体性に 実質的に影響しない。

マスターズの方法は、したがって、液相の物質、とりわけ、凍結点または重合開 始剤のような充分に明確な凝固特性を有する物質のような非粒子物に適用する場 合、充分に働かないであろう。特に、マスターズのスラリー液滴方法は、溶融塩 、溶融金属またはある種のポリマーから物を作るためには充分に働かないであろ う。そのような液滴は、衝撃を受けると不ぞろいな形状となり、液滴が直ちに凍 結する場合、その形状を保つ。このように形成された物は、典型的には、不ぞろ いで、弱く、有孔である。

定五二１豹 したがって、本発明の目的は、液相の物質から自由形態の固相の物を製造する方 法を提供することにある。

本発明の別の目的は、前もって定めた形状の、強く、そろった、無孔の三次元の 物を製造する環境の特性と共に、液相の物質の沈着速度を制御する方法を提供す ることにある。

本発明のさらに別の目的は、溶融金属または溶融塩からそのような物を形成する 方法を提供することにある。

本発明の方法は、液相の物質の微小な液滴を共通の軌道に沿って、１秒につき何 回も、反復的に放出するためのシステムを採用する。液滴は、種子の表面物質か 前もって放出した液滴かいずれかの基質に衝撃を与えて基質と合体し、回転楕円 体を形成する。回転楕円体の形状および寸法は、主として、環境条件、物質の表 面張力および凝固特性によって、さらに放出ヘッドから放出される液滴の大きさ および放出周波数によって決定される。液滴が回転楕円体の一端に向けて衝撃を 与えるように、基質が連続的に放出される液滴に対して動くとき、液滴は回転楕 円体と融合し、回転楕円体を比較的滑らかな棒状の物すなわちビードに引き伸ば す。このビードは始原端で冷えかつ凝固するが、生長端で長くなるのを継続する 。

マスターズのスラリーとは異なり、液滴は衝撃を受けたとき凝固しない。液滴は 、ビードの生長端すなわち液体端に嵩を加え、その生長端を液滴の直径より大き な直径に膨らませる。液滴がビードの生長端のエツジに向けて衝撃を与λるとき 、液滴が創る乱れがビードの縁を越えて前記エツジの方向へ素早く伸び、ビード の生長の方向を実質的に制御する。前もって定めた形状の強く、密な、固相の物 がこの方法で製造される。

本発明の付加的な目的や利２占は、添付の図面を参照して行う好ましい実施例に ついての以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。

区ｆｉ晟朋 図１は、物形成の等角投影図を示す本発明の物形成システムの好ましい実施例の 模式図である。

図２Ａおよび２Ｂは、本発明の好まＬ７い実施例に従う水平なビード形成を示す もので、図２Ａは等角投影図、図２Ｂは断面側面図である。

図３Ａおよび図３Ｂは、ビード形成に関する重力、表面張力および沈着速度の影 響を示す断面側面図である。

図４は、垂直なビード形成を示す等角投影図である。

図５Ａおよび図５Ｂは、ビードの層から壁の形成を示すもので、図５Ａは等角投 影図、図５Ｂは断面側面図である。

図６は、本発明の方法およびシステムに従う中空シリンダの形成を示す等角投影 図である。

図７は、中空の球体の形成を示す等角投影図である。

ましい　−例の詳細な全町 図１は、本発明の物形成システム１０の好ましい実施例を示している。システム １０は、囲み２２内の放出ヘッド２０を採用しており、囲み２２は、基板２８の 表面２６上の前もって定めた位置に向けて液相の物質の液滴２４を排出し、回転 楕円の物３０を形成する制御可能な環境を提供する。

図１および図２を参照するに、比較的滑らかな棒状の物すなわちビード４０が、 基板４４の表面４２に対して放出ヘッド２ｏを動かし、ビード４０の生長端４８ に向けて連続する液滴４６を放出することによって製造できる。液滴４６はビー ド４０の生長端４８と融合し、一方、既に排出された液滴は、種子点すなわち始 原端５ｏに向けて凝固する。

環境の重力、温度および圧力のようないくつかの要因の取扱いや、液滴物質の表 面張力、凝固温度または重合特性、さらに液滴が放出ヘッドから排出される大き さまたは速度が、ビード４０の直径、滑らかさ、固体性および強度に非常に影響 を及ぼす。

たとえば、図３Ａに示すように、重力はビード４０の形状を平らにする傾向があ り、それによって表面張力の傾向を部分的に相殺し、図３Ｂに示すように、ビー ド４０に丸みのある断面を与える。

液相物質の急速な沈着から生ずる広いビード４０ａに対する重力の影響は、狭い ビード４０ｂに対する重力の影響よりも一層明白である。液相物質の表面張力と 密度との間の均衡もまた、ビードの高さを主として決定する。図２Ｂを参照する に、液滴がビード４０の生長端に衝撃を与える点は、中間線（ｍｉｄｌｉｎｅｌ 　６０だけを限定し、幅６２を限定しない。ビード生長の中間線６０は、ビード ４０の幅６２または高さ６４に関係しない。

ビード４０の幅はまた、里位時間毎に供給される液相物質の質量を、好ましくは 放出周波数または液滴の大きさを制御することにより変えることによって変更さ れる。物質の選択は、平らにすることなく滑らかな凝固のための適当な温度範囲 を主として決定する。

その後、液滴の大きさまたは放出周波数が、典型的には、所望の幅６２のビード ４０を形成すべく調整される。多くの適用のために、液滴の大きさが予め調整さ れ、放出周波数が変更されるということを出願人は特に言及する。より頻繁なよ り微小な液滴は、一般に、頻繁さの少ないより大きな液滴より一層滑らかなビー ド４０および物３０を提供する。

ビード４０の形成中、放出ヘッド２０のオリフィス７０は、ビード４０の生長端 ４８に触れることなく、基板の表面４２にできる限り接近して位置することが好 ましい。オリフィス７０の表面４２および生長端４８への接近は、放出軌道のわ ずかな不正確を重要性の少ないものとし、液滴４６にその熱の大部分を保持させ る。そのような不正確は、図１に示したように垂直方向の下方へ放出するのとは 反対に、液滴が水平方向へまたは放出ヘッドからある角度で放出される場合、よ り重要である。しかしながら、放出ヘッドと生長端４８との間の間隙を減少する ことは、液滴４６が重力を受けることとなる時間量を減らし、それによって、典 型的には、そのような非垂直方向の軌道から生ずる不正確を減らす。

図４を参照するに、衝撃を与える液滴８２が垂直ビード８０の生長端８６の中間 線８４に向けて導かれる場合、円形断面を有する垂直ビード８０もまた製造しう る。水平ビードと同様に、ビード８０の直径は、液相物質の温度、密度および表 面張力に主として依存する。物質の選択は、衝撃を与える液滴８２のための密度 、表面張力および温度範囲を主として決定する。しかし、ビード８０の直径は、 オリフィス７０の直径、放出ヘッド２０が液滴８２を放出する周波数、および前 記温度範囲内の液相物質の温度を制御することによって調整しつる。これら要因 は、生長する垂直ビード８０の側面に沿うたれ落ちを防ぐと共に、衝撃による凝 固を防ぐ範囲内に維持されるべきである。

図５Ａおよび図５Ｂを参照するに、より大きな物の壁９０が、ビードの頂部に別 のビードを置くことによって、またはビードの隣に別のビードを置くことによっ て製造できる。たとえば、図５Ａは、下方のビード９４の頂部に１かれた上方の ビード９２を示し、図５Ｂは、基板９８の表面９６上の壁９０の側面を示してい る。液滴１００が上方のビード９２の生長端１０２に衝撃を与えるとき、液滴は 、両方のビードが凝固する前に下方のビード９４を部分的に溶かし、それによっ てビード９２とビード９４とを互いに結合する。付加的なビードがビード９２に 加えられ、無限に高い壁９０を製造する。

単純曲線と複合曲線とを備える壁は、放出ヘッド２ｏの位置に対する基板９８の 位置と、上方のビード９２が下方のビード９４に対してずれている範囲とを制御 することによって製造できる。このように、本発明は、他のより複雑な形状だけ でなく、中空のシリンダ、球体、トロイド等の形成を可能にする。

ビード９２．９４間の結合強さは、上方のビード９２が下方のビード９４の頂部 に置かれる時、下方のビード９４が溶融する程度に主として依存する。より多く の溶融は、衝撃を与える液相物質がより熱いときか下方のビード９４がより温か であるときかのいずれかに起こる。低過ぎる温度はより弱い結合となり、高過ぎ る温度は壁９ｏの崩落を引き起こす。したがって、衝撃を与える液滴１００の温 度ばかりでなく下方のビード９４の温度が、弱い結合の形成または過剰な熱蓄積 を避けるため、充分に制限された温度範囲内に制御されることが好ましい。

さらに、上方のビード９２が下方のビード９４に沈着される時、下方のビード９ ４が溶融する程度が、壁９０の幅１０８を主として決定する。たとえば、液相物 質の温度が比較的高い時にはいつでも、下方のビード９４の体積の半分またはそ れ以上が溶融し得、それによって壁９０をより厚くする。より高い沈：Ｗ温度も また、各ビードの有効高さ１１０を減少する傾向があり、典型的には、一定の高 さの壁９０を達成するため付加的なビードの使用を必然的に伴う。

オリフィス７０の直径もまた幅に、したがって壁９０の強さに影響を及ぼす。そ れゆえに、液滴の大きさおよび周波数、基板９８と放出ヘッド２０との間の運動 の相対速度、および上方のビード９２がそれぞれ下方のビード９４を溶融する程 度を制御するための液相物質の沈着温度を変更することによって、種々の壁の厚 みが生成される。

液相物質があまり急速に置かれる場合、壁９０から作られる物または構造の過熱 が起こりつる。許容される最高速度は、物質の融解点に対する周囲温度、物質の 熱伝導率、および既に置かれている物の現在の幾何学的配置に依存する。

たとえば、溶融金属は、その融解、屯が典型的には周囲温度よりはるかに高く、 その高い熱伝導率が製造されつつある物の大部分を熱消失に寄与させることから 、比較的迅速に置くことができる。このように、溶融金属は本発明を利用するた めの好ましい物質である。

多くの溶融金属は、空気にさらされると、典型的には結合を妨げる酸化層で被覆 されることから、図１に示しまた囲み２２内の制御可能な環境は、不活性ガス雰 囲気または真空を含むことが好ましい。

小さな物を狭いビードまたはビード層から作ることが好ましい。

それは、薄い壁がそれ自体の発生からの熱をより厚い壁よりも一層有効に消失す るからである。小さな物は、熱を消失するための少ない表面積を有する。したが って、大きな物で可能であるような高温または液相物質の沈着速度を許容するこ とはできない。製造中の特別な物の熱を消失する能力は、一般に、この物の回り のビードの経路長さを決定することによって測りつる。経路長さが長くなればな るほど、物を過熱で崩落させることなく液相物質がより迅速に沈着できる。

基板９８の質量および温度もまた、最初の数ビード層の幾何学的配置に影響を及 ぼす。比較的冷たい基板の表面９６は、上方のビード９２または基板９８からさ らに遠くに続（ビードよりも下方のビード９４をより著しく冷却するだろう。加 えて、上方のビード９２の沈着中に下方のビード９４が溶融する量は、続（ビー ドの沈着中に上方のビード９２が溶融する量よりも少ないであろう。したがって 、冷たい基板は、上方のビード９２と続くビードとの間よりも下方のビード９４ と上方のビード９２との間により明瞭かつ弱い結合部を生成する。この影響は、 基板９８からさらに遠方に続くビード間では徐々に減少する。結合部の形成にお いてその結果生ずる不一致は、規則性の少ない形状とビード間の小さな結合強さ とをもつ物を生成することとなる。

しかしながら、速度と、上方のビード９２が冷たい（周囲の室温度の）下方のビ ード９４上に沈着される温度とを上げることは、より強く、より規則的な壁９０ を生成する。たとえば、２２ｍｍ／ｓの速度、４００℃の温度で、２分間冷却す るのを許容された同様に沈着されたビード９４上に沈着された１９ｍｇ／ｍｍの すずのビード９２は、１０、６ｍｍ／ｓの速度で沈着された同様のビード９２よ りより良い結合を呈した。

加えて、基板９８が薄過ぎるかまたは熱絶縁物である場合、一様なより注目に値 する効果が生ずる。下方のビード９２は実質的に凝固しないだろうし、上方のビ ード９２と続くビードの沈着は液相物質のたまりを生ずるであろう。これら効果 と冷たい結合の効果とを実質的に減らすため、本発明の好ましい実施例では、壁 ９０の予定した幅１０８と実質的に等しい厚み１１２を有する予熱した金属基板 を採用している。基板９８の温度は、壁９０または物が製造中に到達しそうであ る平衡温度まで最初上げておくことが好ましい。この平衡温度は、急速に作られ る構造または物では、液相物質の凝固温度よりほんのわずか低いことが好ましく 、またゆっくり作られる大きな壁または構造では周囲温度により近いことが好ま しい。ビード層間の最も小さい明白な結合部を有する最も強い壁は、崩落を引き 起こす温度のほんの下の温度で製造される。液相物質および基板９８の温度を調 整することは実質的に簡単であるけれども、製造中の壁９０または物の温度を制 御することは、既に検討した要因についての注意深い考慮を必要とする。

図６を参照するに、小さい中空の、らせん形にリブ付けしなシリンダ１２０の製 造が示されいる。シリンダ１２０は３６闘の高さ１２２と、２０ｍｍの直径１２ ４とを有し、本発明の原理に従って次に記述される。シリンダ１２０のような物 は、マスターズによって使用されているものに似せた、複雑化したコンピュータ システムの助けに従って生成しうるけれども、本発明は、比較的簡単な装置によ って実施できる。それは、マスターズの発明とは異なり、軌道のわずかな不正確 がそのような物の最終形状を実質的に決定しないからである。

シリンダ１２０を創るため、約８０ｍｍの静水頭下の溶融すずが、バルブ１３０ を通り、０．５ｍｍの直径のオリフィス１３４を通って放出ヘッド１３２から放 出された。３５０℃の溶融すずの液滴１３８は、５ｗのスピーカ（ａｕｄｉｏ　 ５ｐｅａｋｅｒｌ　１４２に接着された振動プランジャ１４０によって作られ、 スピーカ１４２は、電圧パルス発生器１４６から信号を受ける増幅器１４４によ って動力を供給された。

プランジャ１４０は、スピーカ１４２の振動周波数に応答してバルブ１３０をか わるがわる開閉し、約５ｍｇの液滴１３８を３５０℃の温度で毎秒３０個の液滴 速度で放出ヘッド１３２から放出した。液滴１３８は、室温のアルゴン雰囲気で 囲まれた３ｍｍ厚みのアルミニウムシート１６２上のターゲツト面１６０に向け て導かれた。モータ（図示せず）の駆動軸に作動的に結合されたシート１６２は 、１回転約８８秒の速度で回転され、液滴１３８は、回転軸１６４から約８ｍｍ の点に向けてシート１６２に導かれた。オリフィス１３４とターゲツト面１６０ との間の間隙１６６は、シリンダ１２０が高くなるにつれ、シート１６２を下げ ることによって約２ｍｍに好ましく維持された。シート１６２が最初比較的冷た かったため、シリンダ１２０の底１７２に向くビード１７０は、わずか３ｍｍの 幅であり、隣り合うビード１７０間の結合部１７４は約１．３６ｍｍ離れていた 。ターゲツト面１６０がより暖かくなったシリンダ１２０の頂部１７６近くでは 、ビード１７０は約３．７開の厚みで、結合部から結合部への距離はたったの約 ０．９４ｍｍであった。毎秒的１５０ｍｇの液相物質の沈着速度は、そのような 小さなシリンダ１２０には限界に近かった。速度を上げることは、シリンダ１２ ０の崩落を生じたであろう。

各ビード１７０を置く時間は、シリンダ１２０の直径にかまわずに実質的に一定 に保たれることが好ましい。しかしながら、シリンダ１２０の製造のためのビー ド１７０の沈着のための経路長さがその円周であるため、より大きな直径１２４ を有するシリンダ１２０は、液相物質のより高い沈着速度を許容するであろう。

その結果、大小の直径のシリンダ１２０は、製造するのにほとんど等しい時間を 要し、時間変動は、経路長さの差からよりはむしろビード層数の差から主として 生ずる。

図７を参照するに、中空の球体１９０が製造されるとき、経路長さは一定に変化 する。液相物質の沈着速度は、最初比較的遅く、経路長さが増すにつれ速くする ことが好ましい。赤道ビード１９２が置かれた後、液相物質の沈着速度は、経路 長さが減少するにつれ、その後徐々に遅くされる。

図７はまた、物を作る別の簡単な方法を示している。球体１９０の形成のために 、ワイヤ１９４が１またはそれ以上の結合部１９６を経て放出ヘッド１９８に送 られ、そこでワイヤ１９４が溶融され、その結果、液滴は生長壁２０２のエツジ ２００に放出されている。放出ヘッド１９８は、放出ヘッドの運動の制御がほと んど必要とならないように、一定の速度で壁２０２の凝固した部分に沿って乗り 上げるように設計することができる。

球体１９０のような中空の物の壁内の空間な液相物質で満たし、ボールのような 中実な物を製造することができる。この充填過程は、液相物質が中央の衝撃を与 λる点から流れて壁に到達するように高速度で液滴を放出することによって達成 することが好ましい。

過剰の熱蓄積と崩落を防ぐために、前記充填過程は、壁そのものが製造されると き増量的に実行されることが好ましい。

規則性の少ない形状を形成するために、計算機化自動設計（ＣＡＤ）およびフラ イス盤に使用されているものに似せた計算機化自動製作（ＣＡＭ）システムのよ うなより複雑化した装置の使用が可能であり、本発明に従ってし採用される。そ のようなシステムの組合せが図１に示した物形成システム１０を参照して次に記 述される。

イメージおよび（または）ユーザからの入力付きＣＡＤシステム２１０は、三次 元の座標系内に限定された位置座標を有する一連の位置に関して所望の物２１２ を設計する。座標位置はＣＡＭシステム２１４に送られ、ＣＡＭシステム２１４ は前記座標位置をサーボ機構２０４，２０６の動きのシーケンスに変換する。前 記サーボ機構２０４，２０６は、放出ヘッド２０と表面２６との相対位置を決定 し、それによって液滴２４のプレースメント（ｐｌａｃｅｍｅｎｔｌ　を決定す る。前記変換は、現に製造されている所望の物２１２の形状のための熱消失特性 だけでなく、特定な液相物質の表面張力および凝固特性を組み入れる。ＣＡＭシ ステム２１４は、強度、一様性または滑らかさの特性を最高にし、さらに基板２ ８の温度と環境制御ユニット２２０を経て物質源２１６とを適切に調整する。Ｃ ＡＭシステム２１４はまた、液滴２４が放出ヘッド２ｏから放出される周波数を 決定すべくバルブ２１８を調整し、または液滴２４の大きさを制御すべくオリフ ィス７０の直径を調整する。ＣＡＭシステム２１４はまた、囲み２２内の圧力お よび温度を調整すべく環境制御ユニット２１８を採用することができる。

金属が本発明方法のために好ましい物質であるけれども、固体への明瞭な遷移を 持つ塩のような非金属結晶物質もまた使用できる。

この方法は、ガラスやプラスチックではそんなにうまく働かない。

これら物質は、これら物質が硬くなる決まった遷移温度を持たない。

本発明のここに記載した実施例についての詳細に、基礎をなす原理からすっかり 離れることなく、多くの変更をなしうろことは、この技術の技術者にとって自明 であろう。たとえば、２つの放出ヘッドを広いビードを製造するために採用でき る。したがって、本発明の範囲は、次の請求の範囲のみによって決定されるべき である。

ＦＩＧ、　３Ａ　ＦＩＧ、　３Ｂ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成５年１月１１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　制御された環境内で自由形態の、三次元の、固相の物を、液相の物質であっ て明らかな表面張力と充分に限定された凝固特性とを呈する液相の物質から製造 する方法であって、第１の放出位置に位置する放出ヘッドから第１のターゲット 位置に向けて、前もって定めた周波数で前記液相の物質の前もって定めた直径の 第１の組の液滴を前記制御された環境内に放出し、第２の放出位置に位置する前 記放出ヘッドから第２のターゲット位置に向けて、前もって定めた周波数で前記 液相の物質の前もって定めた直径の第２の組の液滴を前記制御された環境内に、 所望形状の、自由形態の、三次元の、固相の物を製造するため、前記第２の組の 液滴が前記第１の組の液滴の凝固前に前記第１の組の液滴に接触するように放出 することを含む、固相の物の製造方法。 ２　さらに、前記物の前記所望形状を発現するため、前記液相の物質の前記凝固 特性に関して前記前もって定めた周波数を調整することを含む、請求項１に記載 の固相の物の製造方法。 ３　さらに、前記液相の物質の前記液滴が前記物の前記所望形状を発現するため 、前記物の熱消失特性に関して放出される周波数を調整することを含む、請求項 １に記載の固相の物の製造方法。 ４　前記液相の物質は溶融金属である、請求項１に記載の固相の物の製造方法。 ５　前記放出ヘッドは、前記液滴が放出される可変直径のオリフィスを含み、前 記方法はさらに、前記物の前記所望形状を発現するため、前記液相の物質の前記 表面張力に関して前記放出ヘッドのオリフィスの前記直径を調整することを含む 、請求項１に記載の固相の物の製造方法。 ６　さらに、前記物の前記所望形状を発現するため、前記液相の物質の前記表面 張力と凝固特性に関して前記液相の物質の前もって定めた温度を調整することを 含む、請求項１に記載の固相の物の製造方法。 ７　前記第１のターゲット位置は基板の表面上に位置する、請求項１に記載の固 相の物の製造方法。 ８　前記基板の温度が前記所望形状の前記物を形成するため調整される、請求項 ７に記載の固相の物の製造方法。 ９　前記基板の大きさが前記所望形状の前記物を形成するため調整される、請求 項７に記載の固相の物の製造方法。 １０　前記物は無孔である、請求項１に記載の固相の物の製造方法。 １１　前記第１および第２の放出位置は同じ位置である、請求項１に記載の固相 の物の製造方法。