(57)【要約】選択レーザ焼結のラピッドプロトタイピング法において、温度勾配が、個々の層内及びそれらの層間に生じ、少なくとも高品質の構成部品に対して許容できない、部品の変形をもたらす。本発明の目的は、造形された粒子塊内の温度をできるだけ均一にする選択レーザ焼結法を提供することにある。このため、約７０℃の最大軟化温度を有する少なくとも１つの材料を含む粒子が、用いられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
−少なくとも１つの第１材料から形成されるコア１と、
−第２材料を用いる前記コア１の少なくとも部分的被膜２であって、該第２材料は、前記第１材料よりも低い軟化点を有する被膜２と
を備える、選択レーザ焼結（ＳＬＳ）に用いられる粒子において、
前記第２材料の前記軟化点は、約７０°よりも低いことを特徴とする粒子。
【請求項２】
前記被膜２は、ポリマー、好ましくは、熱可塑性ポリマーを含むことを特徴とする請求項１に記載の粒子。
【請求項３】
前記被膜２は、ポリビニルアセタール、好ましくは、ポリビニルブチラールを含むことを特徴とする請求項２に記載の粒子。
【請求項４】
前記被膜２は、吸湿性ではなく、好ましくは、疎水性であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子。
【請求項５】
前記コア１は、金属、セラミック、ポリマーからなる材料の群から選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子。
【請求項６】
前記コア１は、緩く又は堅く接合された、金属、セラミック、ポリマーからなる材料の群からの少なくとも２つの部分を備えることを特徴とする請求項５に記載の粒子。
【請求項７】
ＳＬＳによって三次元物体を製造する方法であって、
−粒子の層を目標表面に塗布する工程と、
−前記物体の断面に対応する前記層の選択された部分を、エネルギービームを用いて照射し、前記粒子が、前記選択された部分において接合される工程と、
−前記塗布及び照射工程を複数の層に対して繰り返し、隣接層の前記接合された部分が結合し、前記物体を形成する工程と
を含む方法において、
−軟化点が、約７０°未満である少なくとも１つの材料を含む粒子が、用いられることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子が用いられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
いずれの場合においても、照射されるべき少なくとも前記粒子層が、好ましくは、前記粒子材料の最も低い軟化点よりも約２〜３℃低い温度レベルまで、さらに加熱されることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子から製造され、及び／又は請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法によって製造されることを特徴とする、接合される粒子から形成される物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項７の前文に記載の選択レーザ焼結法、及び特許請求項１の前文に記載のこの方法に用いられる粒子に関する。この種の方法及び粒子は、特許文献１からすでに知られている。
【背景技術】
【０００２】
選択レーザ焼結（ＳＬＳ）は、ラピッドプロトタイピング法であり、この方法では、造形空間（造形基部）内に降下され得るプラットフォームが粒子の層を支え、この層の選択された領域が、レーザビームによって加熱され、その結果、粒子が融着し、第１層を形成する。次いで、プラットフォームは、（粒子のサイズと種類に依存して）、約２０μｍから３００μｍだけ、造形空間内に降下され、新しい粒子の層が塗布される。レーザビームが、再びその経路を辿って、第２層の粒子を相互に融着させ、かつ第２層を第１層にも融着させる。このようにして、多層粒子塊が、徐々に形成され、この塊内に、構成部品、例えば、射出成形金型が形成される。
【０００３】
造形空間内において、製造される構成部品の幾何学的形状に依存して、ある領域が、レーザビームによって長期間又は短期間加熱され、他の領域は、まったく加熱されない。さらに、いずれの場合においても、上側粒子層は、レーザによって加熱され、下側層は、それらの層が吸収する熱を周囲の領域に放散し、冷却される。これによって、粒子塊内に、不均質な温度分布と熱応力が生じ、歪が構成部品に生じることがある。
【０００４】
粒子層を予熱することによって、粒子を接合させるのに、エネルギービームはわずかな量のエネルギーしか導入する必要がないことが、特許文献１においてすでに提案されている。この対策は、特許文献１では明らかにされていないが、層の照射された部分と、照射されていない部分との間の温度差を低減させることを同時に意味している。
【０００５】
しかし、温度勾配は、個々の層内、及びそれら層の間に継続的に生じ、特に、層内の温度勾配によって、少なくとも高品質な構成部品では許容できない歪が、構成部品に生じる。
【０００６】
そこで、特許文献２は、矯正手段として、通常の３次元温度勾配を、分割された造形空間シェルを加熱することによって、略一次元の温度勾配（造形空間基部の方向）に強制的に置き換えることを提案している。
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公表第６９０  ３１  ０６１  Ｔ２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０１  ０８  ６１２  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、大きい材料粒子塊内の温度が、できる限り均質になる、選択レーザ焼結のためのさらなる方法及び粒子を提供する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
その目的は、照射領域と、それらの領域の仕上げ温度、すなわち、室温との間の絶対温度差を、適切な材料を用いることによって、低減させることによって、達成される。適切な材料は、約７０℃よりも低い軟化点を有する材料である。これに関連して、軟化点という用語は、いかなる狭い意味にも理解されるべきではなく、むしろ、粒子が、隣接粒子と接合する温度を包含するとして理解されるべきであることは、当業者にとっては明らかであろう。この軟化点は、部分溶融を必要とすることもあるが、ポリマーの場合、例えば、（ガラス遷移温度よりも低い）軟化でも十分な場合がある。あるいは、その軟化点は、化学結合の活性化エネルギーを超えることも考えられる。
【００１０】
用いられる粒子及び提供される方法に関して、本発明は、特許請求項１及び７の特徴によって示される。さらなる請求項は、有利な構成と改良形態を与える。
【００１１】
提供される粒子に関して、その目的は、本発明によれば、それらの粒子が、選択レーザ焼結（ＳＬＳ）に用いられるのに好適であって、（すなわち、それらの粒子の直径が、約３００μｍよりも小さく）、並びにそれらの粒子が
−少なくとも１つの第１材料から形成されるコアと、
−第２材料（さらなる構成要素は任意である）を用いる、上記コアの少なくとも部分的被膜であって、該第２材料が上記第１材料よりも低い軟化点を有する部分被膜と
を備え、
上記第２材料の軟化点は、約７０℃よりも低い
という事実によって、達成される。
【００１２】
適切な第２材料は、例えば、ヒューズに用いられる低い軟化点を有する合金であってもよい（例えば、特開２００１−１４３５８８号公報を参照されたい）。さらに、≧１６の鎖長さを有する飽和直鎖カルボン酸（例えば、ヘプタデカン酸、融点６０〜６３℃）、又は広い意味におけるポリマー（定義と例は、以下を参照されたい）も好適であり得る。
【００１３】
約７０℃以下の上記第２材料の軟化点によって、レーザ焼結は、これまでに用いられていた粒子と比較して、著しく低い温度で行なうことができ、従って、照射粒子と約２０℃の標準的な室温との間の温度差を著しく小さくすることもできる。試験によって、最大温度差を小さくすることが、造形空間の温度の均質性を、全体的に改良することもわかっている。
【００１４】
著しく高い軟化点を有する材料は、大きい温度の不均質性を伴い、それによって、構成部品の精度は、精密な用途にはもはや十分ではないほど低下する。著しく低い軟化点を有する材料は、意図せずには相互に接合しないことを確実にする必要があるので、相対的な困難さを伴ってのみ、長期間にわたって貯蔵され得る。しかし、夏になると、ドイツにおいてさえ、日陰において、３０℃を越える温度、及び直射日光下おいて、５０℃を越える温度になるので、意図しない材料の軟化と接合が生じ得る。結果的に、＞３０℃、好ましくは、＞５０℃の軟化点を有する第２材料を用いることが有利である。
【００１５】
さらなる利点として、本発明による粒子を用いることによって、著しく大きい処理速度を達成することができる。標準的なＳＬＳ装置がそのまま用いられ得るが、（例えば、独国特許出願公開第１０２  ３１  １３６  Ａ１号明細書を参照されたい）、より低い軟化点は、著しく低減されたエネルギー量しか焼結に導入する必要がない、ことを意味している。同じレーザ出力の場合、これによって、レーザスキャナーのより高い移動速度、従って、より高い処理速度を達成することができる。さらに、焼結された構成部品は、著しく急速に、室温に冷却される。
【００１６】
被膜は、粉体粒子の標準的な被覆法を用いて、製造することもできる。被膜は、流動床反応炉、又は噴霧乾燥機内において、塗布されることが好ましい。
【００１７】
流動床反応炉において、コアは流動化され、（適切な溶媒内の）溶液、懸濁液、又は分散液を吹付け、又は噴霧することによって、第２材料が供給される。しかし、第２材料を、粉体材料と同様に、固体として計量供給し、コアと凝集させることも可能である。
【００１８】
被覆装置における粒子材料の滞留時間に依存して、（単一の第１材料又は材料の混合物）の粒子が、第２材料をバインダー相として用いることによって、個々に被覆され、又は積み重ねられ、顆粒を形成することができる。塗布される被膜の層厚みは、例えば、噴霧される溶液／懸濁液／分散液内の第２材料の濃度、滞留時間、及び反応炉又は噴霧乾燥機内の温度によって、設定され得る。好ましい層厚みは、平均粒子径の０．１％〜１０％である。
【００１９】
本発明による粒子の有利な実施形態において、被膜は、ポリマー、好ましくは、熱可塑性ポリマーを含む。これに関連して、ポリマーという用語は、ここでも、広い意味に解釈されるべきである。この用語は、典型的なプラスチックにのみ制限されず、むしろ、軟化点が７０℃よりも高くない、ポリオレフィン（ワックス）、多塩基酸と塩基、有機金属ポリマー、ポリマーブレンド、並びに広義のポリマーも包含する。これらのポリマーが、室温において固体であると有利である。このように定義される群は、化学的及び／又は物理的にいかなる所望のコア材料にも調和した被膜を選択することができるほど、十分に広い。一例として、極性は、目標を定めて、選択することができる。あるいは、立体ポリマー構造を選択することもできる。しかし、具体的な要件に対して、被膜は、さらなる構成要素、例えば、流動特性を改良するための界面活性剤、コアに関する付着促進剤、第２焼結工程のための微小焼結粒子、及び他の成分を含んでもよい。
【００２０】
本発明による粒子の特に有利な実施形態において、被膜は、ポリビニルアセタール、好ましくは、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を含む。一方では、軟化点は、アセタール化の程度に基づいて、目標を定めて、選択され得る（１００℃を越える軟化点を有する不適切なある範囲のポリビニルアセタール及びブチラールもあるが、７０℃よりも低い軟化点を有する好適な多数のポリビニルアセタール及びブチラールもある）。他方では、ポリビニルアセタールは、殆どの有機溶媒に不溶性であり、従って、このように接合される構成部品は基本的に非常に耐久性がある。さらに、ポリビニルアセタールは、いかなる灰も残さずに、実質的に燃え尽き得るので、特にコアの精密鋳造に好適である。一般に、もし被膜が、少なくとも殆どは灰を残さない場合、ＳＬＳによる構成部品を精密鋳造に用いると、有利である。
【００２１】
さらに好適な被膜材料は、ＢＥＩＬＳＴＥＩＮ又はＧＭＥＬＩＮのような適切なデータベース内に存在する。例えば、ポリ（アルキレン−ジー又はトリースルフィド）、例えば、５５℃〜７０℃の軟化点を有するポリ（メチレントリスルフィド）、ポリ（エチレングルコール）、特に、５０〜６５℃の軟化点を有するポリ（エチレングリコール）アミン又はアミド、又はエチレンと、≧８の鎖長さを有する直鎖アルケン（ジ、トリ）オールとのコポリマー、（例えば、約６６℃の融点を有するポリ（エチレンーコ−１０−ウンデセンー１−オール）が好適である。
【００２２】
本発明による粒子のさらに有利な実施形態において、被膜は、吸湿性ではなく、好ましくは、疎水性である。これによって、確実に、粒子は、いかなる水も殆ど吸収せず、従って、意図せずには凝集体を形成せずに、長期間にわたって貯蔵され得る。
【００２３】
本発明による粒子の有利な実施形態において、コアは、金属、セラミック、ポリマーからなる材料の群からの少なくとも１つの元素を含む。これに関連して、これらの用語は、ここでも、広い意味に理解されるべきである。金属は、准金属も包含し、セラミックは、砂なども包含し、ポリマーは、前述の定義に準じる。この種のコアと前述の被膜を有する粒子によって、実質的にいかなる所望の物理学的、特に機械的性質を有する構成部品でも、ＳＬＳによる製造が可能になる。
【００２４】
特に、ポリメタクリレートのコア、好ましくは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のコアと、ポリビニルアセタール、好ましくはポリビニルブチラールの被膜とを有する粒子が、精密鋳造の用途に有利である。何故なら、この種の粒子は、実質的に灰を残すことなく、燃え尽き得るからである。
【００２５】
コアが、緩く又は堅く接合された金属、セラミック、又はポリマーからなる群から選択される少なくとも２つの部分を備えることも、有利である。これらは、同一の族の元素又は異なる族の元素からなる少なくとも２つの部分であってもよい。これらの部分は、緩く接合されてもよいし（凝集）、又は堅く接合されてもよい（被膜／合金／化合物など）。これによって、製造されるＳＬＳによる構成部品の物理的性質に関して、随意に選択され得る範囲がさらに大きくなる。
【００２６】
提供されるＳＬＳ法に関して、その目的は、本発明によれば、このＳＬＳ法が、以下の工程、すなわち、
−粒子の層を目標表面に塗布する工程と、
−物体の断面に対応する層の選択された部分を、エネルギービームを用いて、照射する工程であって、粒子が選択された部分において相互に接合される工程と、
−上記の塗布及び照射工程を複数の層に対して繰り返す工程であって、隣接する層の接合された部分を結合させて、物体を形成する工程と
を含み、
−軟化点が、約７０℃よりも低い、少なくとも１つの材料を含む粒子が用いられる
という事実によって達成される。
【００２７】
これによって、温度勾配の均質性、及び得られる構成部品の品質、並びに処理速度に関して、前述の利点が得られる。これらの利点は、本発明の粒子によるのみならず、軟化点が、約７０℃よりも低い、少なくとも１つの材料を含むという条件であれば、単一の材料からなる粒子又は均質な組成物からなる粒子によっても、生じる。
【００２８】
本発明による粒子の場合、もし導入される放射エネルギーが、被膜の軟化のみをもたらし、その結果として、コア材料を溶融させずに、照射された粒子を接合させるなら、特に構成部品の精度に関して、有利である。
【００２９】
もし少なくとも照射される粒子層が、いずれの場合も、好ましくは、用いられる粒子材料の最も低い軟化点よりも約２〜３℃低い温度レベルに、さらに加熱されても、有利である。これによって、層内の温度の不均一さと、それから生じる温度の不均一さとがさらに低減する。導入されるレーザ出力もさらに低減する。
【００３０】
独国特許出願公開第１０１  ０８  ６１２  Ａ１号明細書による分割された造形空間の加熱を、超精密要件に対して、さらに用いることができる。
【００３１】
本発明による接合された粒子、及び／又は本発明による方法によって製造される物体の実際の幾何学的形状は、それらの物体の所定の所望の幾何学的形状から、最小の収縮によるずれしか有していない。
【００３２】
以下、本発明による粒子及び本発明による方法を、図１及び２を参照し、並びに複数の例示的実施形態に基づいて、さらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は、第１例示的実施形態による本発明の粒子を、一定の縮尺率ではなく、示している。これらの粒子は、物体を製造するための他の標準的なレーザ焼結法に用いられる。粒子は、約１２４℃の軟化点を有するＰＭＭＡのコア１と、約６６℃の軟化点を有するＰＶＢの被膜２とを有している。レーザビームは、（出力≒１０ワット（低強度の要件の場合はさらに低い）、送給速度≒５ｍ／ｓ、レーザスポット直径≒０．４ｍｍ）において、導入される放射エネルギーが被膜２を軟化させ、処理中にコア材料を溶融することなく、照射粒子を接合するように、誘導される。粒子は、約３５μｍの平均直径を有し、被膜は、約０．３μｍ〜０．７μｍの厚みを有している。
【００３４】
これらの粒子を用いるこの種の方法において、粒子は、表面的に軟化した被膜を介してのみ、接合される。わずかな温度の不均一のみが生じ、その結果、収縮は、殆ど生じることがなく、高い部品精度が得られる。図２において、接合された粒子１’は、ハッチングによって示されている。説明を明瞭にするために、一定の縮尺率ではなく、厚くされている被膜は、粒子を接合するのに過不足がないように、接合領域において、表面的に軟化されている。
【００３５】
もし粒子層が、約６０℃に予熱されるなら、精度はさらに増大する。何故なら、温度の不均一さが、さらに一層低減されるからである。レーザ出力及び／又は送給速度が、それに応じて、適合される。予熱は、表面をＩＲ照射することによって、行なわれる。あるいは、さらに高いレベルの精度が必要な場合、予熱は、独国特許出願公開第１０１  ０８  ６１２  Ａ１号明細書に記載されている分割されたシェルの加熱によって、行なわれる。
【００３６】
さらなる例示的実施形態によれば、約６６℃の軟化点と、約８０μｍの平均直径とを有する純ＰＶＢの一成分粒子が用いられる。約５０μｍ〜１００μｍの平均直径を有する粒子が、同様に、好適である。形成された構成部品は、より低い機械的耐荷性能を有し、主として、又は特に精密鋳造用途におけるいわゆるロストコアとして用いられる。
【００３７】
金属及び／又はセラミックコア、並びに好ましくは同様の金属皮膜を有する粒子が、より高い物理的、特に、機械的な要求を満足しなければならない用途に用いられる。この場合、好適な被膜は、特に、合金、特に当業者によって公知の低融点を有する非毒性のビスマス−鉛−インジウム合金、例えば、特開２００１−１４３５８８号公報によるヒューズ、又は半田合金、例えば、スタン・ルビンシュタイン・アソシ（Ｓｔａｎ  Ｒｕｂｉｎｓｔｅｉｎ  Ａｓｓｏｃ．）、フォックスボロ（Ｆｏｘｂｏｒｏ）、ＭＡ  ０２０３５  ＵＳＡ（ｈｔｔｐ:／／ｓｒａｓｏｌｄｅｒ．ｃｏｍ／ｐａｓｔｅｓｐ．ｈｔｍを参照されたい）によって製造されているビスマス−鉛−錫合金ＰＡＤ−１６５−８５１である。
【００３８】
金属粒子の場合、平均直径は、好ましくは、４０μｍ〜１５０μｍ、又は特に精度が必要な場合、さらに小さい。セラミック粒子の場合、平均直径は、一般的に１５０μｍよりも小さく、好ましくは、１５μｍ〜４０μｍであり、特定の要件に対して、さらに５μｍまで小さくする。
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月27日(2005.1.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−少なくとも１つの第１材料から形成されるコアと、
−第２材料を用いる前記コアの少なくとも部分的被膜であって、該第２材料は、前記第１材料よりも低い軟化点を有する被膜と
を備える、選択レーザ焼結に用いられる粒子において、
前記第２材料の前記軟化点は、約７０°よりも低いことを特徴とする粒子。
【請求項２】
前記被膜は、ポリマー又はポリビニルアセタールであることを特徴とする請求項１に記載の粒子。
【請求項３】
前記被膜は、熱可塑性ポリマー又はポリビニルブチラールであることを特徴とする請求項２に記載の粒子。
【請求項４】
前記被膜は、疎水性であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子。
【請求項５】
前記コアは、金属、セラミック、ポリマーからなる材料の群から選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子。
【請求項６】
前記コアは、緩く又は堅く接合された、金属、セラミック、ポリマーからなる材料の群からの少なくとも２つのパーツを備えることを特徴とする請求項５に記載の粒子。
【請求項７】
選択レーザ焼結によって三次元物体を製造する方法であって、
−粒子の層を目標表面に塗布する工程と、
−前記物体の断面に対応する前記層の選択された部分を、エネルギービームを用いて照射し、前記粒子が、前記選択された部分において接合される工程と、
−前記塗布及び照射工程を複数の層に対して繰り返し、隣接層の前記接合された部分が結合し、前記物体を形成する工程と
を含む方法において、
−軟化点が、約７０°未満である少なくとも１つの材料を含む粒子が、用いられることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子が用いられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
照射されるべき少なくとも前記粒子層が、前記粒子材料の最も低い軟化点よりも約２〜３℃低い温度レベルまで、さらに加熱されることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子を用い、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法によって製造されることを特徴とする、接合粒子から形成される物体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
以下、本発明による粒子及び本発明による方法を、さらに詳細に説明する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
本発明の粒子は、物体を製造するための他の標準的なレーザ焼結法に用いられる。粒子は、約１２４℃の軟化点を有するＰＭＭＡのコアと、約６６℃の軟化点を有するＰＶＢの被膜とを有している。レーザビームは、（出力≒１０ワット（低強度の要件の場合はさらに低い）、送給速度≒５ｍ／ｓ、レーザスポット直径≒０．４ｍｍ）において、導入される放射エネルギーが被膜を軟化させ、処理中にコア材料を溶融することなく、照射粒子を接合するように、誘導される。粒子は、約３５μｍの平均直径を有し、被膜は、約０．３μｍ〜０．７μｍの厚みを有している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
これらの粒子を用いるこの種の方法において、粒子は、表面的に軟化した被膜を介してのみ、接合される。わずかな温度の不均一のみが生じ、その結果、収縮は、殆ど生じることがなく、高い部品精度が得られる。被膜は、粒子を接合するのに過不足がないように、接合領域において、表面的に軟化されている。
【国際調査報告】
2005536324.tif 000002
2005536324.tif 000003
2005536324.tif 000004
2005536324.tif 000005
2005536324.tif 000006
2005536324.tif 000007
2005536324.tif 000008
2005536324.tif 000009