(57)【要約】  本発明は、電磁エネルギ（５）を用いた選択的加熱により材料を結合させて３次元物体を製造する方法および装置に関する。当該の電磁エネルギはコヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されておらず、波長は１００ｎｍ〜１ｍｍである。ここで放射は点状、線状または面状に送出される。プロセスの迅速性を高めるために複数の光源を組み合わせることができる。溶融の選択性は粉末状基体（２）の所定の部分面に吸収剤（４）を塗布し、続いてこれを波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁エネルギ（５）によって加熱することにより得られる。加熱された吸収剤（４）から発生されたエネルギが周囲の粉末状基体へ送出されるので基体が溶融し、冷却後、相互に固定に結合される。このプロセスは従来のレーザー焼結法に比べてきわめて柔軟性が高く、低コストかつ迅速である。
2007534524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）粉末状基体の層を準備するステップ、
ｂ）加工室をテンパリングするステップ、
ｃ）懸濁液としての吸収剤または液体吸収剤をインクジェット法により焼結すべき領域へ選択的に塗布するステップ、
ｄ）場合により、相応の物質を塗布することによって所定の機能、例えば導電特性を有する１つまたは複数の層を形成するステップ、
ｅ）ＩＲ‐Ａ領域および／またはＩＲ‐Ｂ領域の加熱光源、または、可視領域またはＩＲ‐Ａ領域および／またはＩＲ‐Ｂ領域のランプから、波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁エネルギを加えることにより、粉末層の領域を選択的に溶融させるステップ、
ｆ）成形部材を破壊なく取り出すことのできる温度まで溶融領域および非溶融領域を冷却するステップ、および
ｇ）成形部材を取り出すステップ
を有する
ことを特徴とする３次元物体の製造方法。
【請求項２】
最初にステップｅ）を１回、その後ステップａ）〜ｄ）を１回、次にステップｂ）を１回、続いてステップａ）をもう１回行い、さらに続けてステップｃ），ｄ），ａ），ｂ），ｅ）をこの順序で行う、請求項１記載の方法。
【請求項３】
使用される粉末状基体の層は中程度の粒度１０μｍ〜１５０μｍを有する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
近赤外領域または中赤外領域の加熱光源を使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
ＩＲ領域または可視光領域のランプを使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
グローランプを使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
ガス放電ランプを使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
エネルギ源は放射を点状、線状または面状に送出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
吸収剤は着色剤を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
吸収剤は顔料を有する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
吸収剤は着色物質を有する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
カーボンブラック，ＫＨＰ，骨炭，グラファイト，炭素繊維，白亜，干渉顔料を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
カーボンブラック，ＫＨＰ，骨炭，グラファイト，炭素繊維，白亜，干渉顔料のほか、他の成分も有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
吸収剤はリンまたはメラミンシアヌレートをベースとした難燃剤を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
吸収剤は付加的に蒸留水、アルコールまたは溶剤を有する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
吸収剤は付加的に界面活性剤および／または濡れ剤および／またはバイオサイドおよび／または保湿剤を含む、請求項９から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
粉末状基体の層としてポリマーを使用する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
粉末状基体の層としてポリマー材料によってカバーされた砂粒子，金属粒子またはセラミック粒子を使用する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチロール、ポリカーボネイト、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリアリレンエーテル、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、ポリラクチド、ポリオキシアルキレン、ポリ（Ｎ−メチルメタクリルイミド）（ＰＭＭＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、シリコンポリマー、ターポリマー、アクリルニトリル−ブタジエン−スチロール−コポリマー（ＡＢＳ）、ポリエーテルスルホン、ポリアリルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリルエーテルケトン、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンまたはこれらの混合物のなかから有利に選択されたポリマーまたはコポリマーを使用する、請求項１７または１８記載の方法。
【請求項２０】
０．０５質量％〜５質量％の流動助剤を有する粉末状基体を使用する、請求項１７から１９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
無機充填剤を有する粉末状基体を使用する、請求項１７から２０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
充填剤としてガラスビーズを使用する、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
無機顔料または有機顔料を有する粉末状基体を使用する、請求項１７から２２までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末状基体の一部を例えば溶融、焼結などの手段で結合させることによって物体を製造する３次元物体の製造方法に関する。ここで粉末状基体は層状に堆積される。基体の溶融に必要な電磁放射は配向されておらず、および／または単色でなく、および／またはコヒーレントでなく、波長１００ｎｍ〜１ｍｍであり、吸収剤を介して基体の部分領域へ輸送される。当該の部分領域では電磁放射により層どうしが溶融されて結合され、冷却後に所望の成形体が得られる。
【０００２】
原型の迅速な製造は、最近頻繁に課される課題である。従来技術では、１つにはステレオリソグラフィの方法が挙げられるが、その際、この方法は、費用のかかる支持構造物が液体（樹脂）から原型を製作する間に不可欠であり、しかも得られた原型が制限された数の使用物質に起因して相対的に劣悪な機械的性質を有するという欠点を有する。
【０００３】
ラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping）の目的に良好に適し、従来技術にしばしば挙げられている他の方法は、既に広く普及している選択的レーザー焼結法（selektive Laser-Sintern；ＳＬＳ法）である。この方法の場合に、プラスティック粉末またはプラスティックで被覆された金属粒子、セラミック粒子、砂粒子は、チャンバ内でレーザー光に選択的に短く露光され、それにより、レーザー光の命中した粉末粒子が融解する。融解した粒子は互いに流れていき、かつ相対的に迅速に再び固体へと凝固する。常に新たな層を被着し繰り返し露光することにより、この方法を用いて、複雑な３次元物体を簡単かつ迅速に製造することができる。
【０００４】
粉末状ポリマーから成形体を製造するためのレーザー焼結法（ラピッドプロトタイピング）は、米国特許第６１３６９４８号明細書および国際公開第９６／０６８８１号明細書（双方ともDTM Corporation）に詳細に記載されている。従来技術に挙げたように、ＳＬＳ法は、費用のかかるレーザー技術が不可欠であるという欠点を有する。エネルギ源として機能しているレーザー並びにレーザー光の偏向および拡大に必要な光学装置、例えばレンズ、ディフューザおよびデフレクタミラーは過度に高価であり、かつ汚れや傷に敏感である。
【０００５】
公知の方法の欠点は、市販で入手可能なレーザーが使用できないということにある。プラスティック粉末またはプラスティックで被覆された粒子を焼結するためには、高価でしかもメンテナンスや扱いの煩雑なＣＯ２レーザーが必要である。ＣＯ２レーザーの特徴は遠赤外領域に相応する１０６００ｎｍの波長である。したがってコストのかかるミラー光学系を使用しなければ、構造平面にわたってレーザー光を案内することができない。またレーザーを持続的に冷却する必要も生じる。光導波体を使用することも不可能であるし、ふつうは訓練を受けた人員しか操作できない。このため、この種のシステムは大多数のエンドユーザに対して実用的ではない。しかし、中赤外領域、近赤外領域、可視光領域または紫外領域の波長で動作する安価なレーザーは、これらの波長領域ではプラスティックがレーザー焼結に必要な程度に溶融しないため、使用できないのである。さらに安価な、コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない別のエネルギ源、例えば加熱光源またはランプも同じ理由から使用できない。しかも、構造フィールドの特定の領域のみが溶融されるようにこうした光を対象領域へ照射することは困難である。こうした状況ではあるが、レーザー以外のエネルギ源が使用できれば、コスト、取り扱いの簡単さおよび柔軟性の点できわめて有利となるはずである。
【０００６】
国際公開第０１／３８０６１号明細書には、低コストのエネルギ源と、部品の縁領域で粉末状基体の焼結または溶融を防止するいわゆる焼結抑制剤とを組み合わせて動作させることに基づく、原型の製造方法が記載されている。しかしこの方法には、抑制剤を加えた粉末がリサイクル不能となり、また部品の外側部分の抑制剤を含まない粉末も溶融するため再利用できないという重大な欠点がある。そのうえ、アンダーカットおよび断面の変化があれば、抑制剤を大面積で塗布しなければならない。このことにより組み立て速度に関して著しいパフォーマンスの損失が発生する。
【０００７】
したがって本発明の課題は、低コストでありかつ前述の欠点のない、焼結式の原型の製造方法を提供することである。
【０００８】
驚くべきことに、特許請求の範囲に記載されているように、レーザーでない電磁エネルギ、つまりコヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない放射を形成するエネルギ源によっても成形体を製造できることが見出された。これは、それぞれの粉末層の溶融すべき領域の上にインクジェット法により専用の吸収剤を選択的に塗布し、電磁放射によって生じる熱を当該の吸収剤から焼結すべき粒子へ輸送することによって達成される。特に有利には、エネルギが面状に作用する。このとき放射の焦点は構造平面より小さくてもかまわないので、例えばエネルギ源を線形とし、エネルギ源および構造プラットフォームを相対運動させて全面にわたってエネルギを印加するように実現してもよい。選択性は吸収剤の塗布のみによって達成される。このようにして得られるプロセス精度およびプロセス速度は、ＣＯ２レーザーなどを用いる従来のレーザー焼結法以上である。また本発明の方法は低コストであり、取り扱いの点で柔軟かつ簡単である。適切なランプまたは加熱光源の動作にかかるコストはレーザーにかかるコストよりも格段に小さい。さらに粉末状基体の選択に高い柔軟性が得られる。本発明の方法によって製造される成形体は、吸収剤がインクジェット法の精度で基体上に配置されるため、高い精度を有している。インクジェット法により最終製品に対してまたは製造プロセスにおいて、別の特性、例えば導電性領域または色などを一緒に印刷することによって付与することもできる。
【０００９】
使用されるエネルギ源は、コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない１００ｎｍ〜１ｍｍの領域の電磁放射を形成する。この光は、特に有利には、ヒトの目に対する可視領域すなわち３８０ｎｍ〜７８０ｎｍで送信される。つまりこれは、コヒーレントであり単色でありかつ配向されているレーザービームではない。こうした特徴は本発明の方法で使用されるエネルギ源では完全に満足されているが、必ずしも全て同時に満足されなくてもよい。放射は可視領域、近赤外領域、中赤外領域、遠赤外領域または紫外領域のいずれにあってもよいが、特に有利なのは可視領域および近赤外領域である。エネルギの伝送は対流によっても放射そのものによっても可能であるが、後者のほうが有利である。最も簡単なのは加熱光源またはランプを用いる実施形態である。本発明を限定するものではないが、例えばグローランプ、ハロゲンランプ、ルミネセンスランプまたは高圧放電ランプなどを使用すると有利である。例えば光源を、１つまたは２つの巻線を備えたグロー線を有するグローランプまたはハロゲングローランプとして構成するとよい。光源から送出される放射のスペクトルは赤外から紫外までの領域に達する。ランプの充填物は種々のガスおよび蒸気であり、ハロゲングローランプではハロゲンを有するが、ランプが真空であってもよい。
【００１０】
別の実施形態として、光源にガス放電ランプ、すなわち公知の動作方式の高圧放電ランプまたは低圧放電ランプを使用することもできる。ガス放電ランプには基本ガスである金属ガスまたは希ガス、例えばネオン、キセノン、アルゴン、クリプトン、水銀などが充填されており、これに例えば鉄、ガリウム、水銀蒸気、金属ハロゲン化物、ナトリウム、希土類などがドープされている。構成に応じて、水銀高圧放電ランプ、メタルハライドランプ、ナトリウム高圧ランプ、キセノンロングアークランプ、ナトリウム低圧ランプ、ＵＶランプ、ルミネセンスランプまたは蛍光管などが用いられる。またグローランプに水銀高圧ランプを組み合わせた混合光ランプを用いることもできる。
【００１１】
光源は固体放電光源として構成することもできる。いわゆるエレクトロルミネセンスプレートがそれである。半導体の直接接合または等電子性の再結合中心を備えた間接接合によりエレクトロルミネセンスの原理にしたがって動作する発光ダイオードとして構成することもできる。例えば水銀低圧ランプにおいて紫外光を可視光へ変換するために、いわゆる発光物質が用いられる。この物質はきわめて純粋な結晶に正確に定義された不純物をドープしたものである。たいていは無機の結晶、リン酸塩、ケイ酸塩、タングステン酸塩、バナジン酸塩などが単独でまたは組み合わされて用いられる。
【００１２】
加熱光源が使用される場合、有利には近赤外領域または中赤外領域の放射が形成され、ここで近赤外領域すなわちＩＲ−Ａ領域は波長７８０ｎｍ〜１４００ｎｍであり、中赤外領域すなわちＩＲ−Ｂ領域は波長１４００ｎｍ〜３０００ｎｍである。また波長３０００ｎｍ〜１ｍｍの遠赤外領域すなわちＩＲ−Ｃ領域を使用することもできるが、この場合、プラスティックを基体に使用するとそれ自体焼結にいたるエネルギを吸収してしまうため、基体および吸収剤を入念に調整しなければならない。これは基体を適切に選択し、また吸収剤によって覆われた領域での吸収と未処理の領域での吸収との差を調整することにより達成される。いっそう有利なのは、近赤外領域および中赤外領域の放射である。赤外領域に対する加熱光源として、短波長のＩＲ光源、例えばハロゲンＩＲ光源、石英管光源、セラミック管光源または金属管光源などが挙げられる。
【００１３】
前述した光源は波長に関して中心が可視領域、赤外領域または紫外領域のいずれかにある広いスペクトルを放射することもできるし、またそれぞれ不連続な狭い波長領域の放射を送出することもできる。例としてナトリウム低圧放電ランプを挙げれば、これは専ら５６０ｎｍ〜６００ｎｍの領域の放射を形成する。有利には、吸収剤および使用される光源が相互に調整される。出力は光源に応じて１０Ｗ〜１００００Ｗである。典型的な色温度は８００Ｋ〜１００００Ｋである。光源は点状、線状または面状のいずれであってもよい。複数の光源を相互に組み合わせて用いることもできる。エネルギの効率を改善するために、リフレクタまたはリフラクタを使用してもよい。また、放射を良好に配向するためにアパーチャを用いることもできる。使用される基体によっては、適切なフィルタを介して紫外光をランプのスペクトルから除去すると有利である。特にプラスティックは、本発明の方法にとってさほど有利ではない１００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外領域の放射によって急速に劣化してしまうからである。
【００１４】
本発明の粉末層またはその一部を溶融させるために、プロセスパラメータを相応に選択しなければならない。例えば、層厚さ、エネルギ源の出力および波長、使用される粉末、吸収剤の種類、吸収剤の単位面積当たりの塗布量、および、電磁エネルギの作用時間などが重要である。
【００１５】
有利には、吸収剤量は構造条件に適合化される。したがって、特に下方に幾つかの溶融領域が存在する場合、例えば表面の中央に僅かな量の吸収剤を塗布すると有利である。溶融領域の第１の層が後続の領域とは異なる吸収剤で覆われている場合にはさらなる利点も達成される。
【００１６】
吸収は、放射（光、電子など）が材料を透過する際のエネルギの減少として定義される。放出されるエネルギは他の形態のエネルギ、例えば熱へ変換される。また吸収剤とは所定の放射を吸収する材料体である。これについてはwww.wissen.deを参照されたい。本明細書では、吸収剤とは１００ｎｍ〜１ｍｍの領域の放射を完全にまたはほとんど吸収することのできる添加剤であると理解されたい。ここでは吸収剤の一部が当該の機能を満足すれば充分である。
【００１７】
本発明の対象である３次元物体の製造方法は、ａ）粉末状基体の層を準備するステップ、ｂ）加工室（Bauraum）をテンパリングするステップ、ｃ）懸濁液としての吸収剤または液体吸収剤をインクジェット法により焼結すべき領域へ選択的に塗布するステップ、ｄ）所定の特性を有する専用の別の液体または別の懸濁液を塗布するステップ、ｅ）ＩＲ‐Ａ領域および／またはＩＲ‐Ｂ領域の加熱光源または可視領域、ＩＲ‐Ａ領域および／またはＩＲ‐Ｂ領域のランプからコヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁エネルギを加えることにより、粉末層の領域を選択的に溶融させるステップ、ｆ）成形部材を破断なしに取り出すことのできる温度まで溶融領域および非溶融領域を冷却するステップ、およびｇ）成形部材を取り出すステップを有することを特徴とする。これにより成形体が製造される。ステップａ）〜ｅ）は所望の成形体が得られるまで層ごとの処理として反復される。ステップｂ）は材料に依存して選択的に行うことができる。ステップｄ）も同様に選択的に行うことができる。塗布される層の厚さは例えば０．０５ｍｍ〜２ｍｍであり、有利には０．０８ｍｍ〜０．２ｍｍである。
【００１８】
代替的なフローとして、第１の層に対してはステップｅ）を省略し、第２の層からステップｅ）をステップａ）の後に行う。これにより最上部の粉末層とその下方の粉末層との界面で粉末粒子が溶融し、特に良好な結合が得られる。またカール（溶融領域の縁部または端部の巻き上がり）の形成も回避されるので、処理ウィンドウの面積を増大することができる。
【００１９】
さらに代替的なフローでは、ステップｅ）を全てのループで毎回は行わず、インターバルを置いて間欠的に行うか、極端な場合にはステップｆ），ｇ）の直前に１回だけ行う。
【００２０】
驚くべきことに、コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁エネルギを用いて粉末状基体から３次元物体を容易に製造できることが判明している。ここで粉末状基体の層では上述の波長のエネルギは僅かしか吸収されないかまたは全く吸収されず、吸収剤を含む材料を塗布された結合すべき領域でエネルギが吸収される。吸収されたエネルギは熱となって周囲の層へ放出され、これにより基体またはその下方の層または上方の層は前述の領域で溶融または焼結により結合される。吸収剤の塗布および場合により行われる別の添加剤の塗布は、１つまたは複数のノズルを有し例えば圧電効果またはバブルジェット方式により動作するインクジェットプリンタと同様にプリンタヘッドにより行われる。電磁エネルギは点状または線状または面状のいずれの形態でも行うことができるが、線状または面状にするとプロセスの迅速性が増すので特に有利である。
【００２１】
また、本発明の対象となっている３次元物体の製造装置は、ａ）作業架台または場合により作業架台上に設けられた処理層または未処理層へ粉末状基体を層状に塗布する可動の基体塗布装置、ｂ）吸収剤または添加剤を含む材料を粉末状基体の選択領域へ塗布する、ｘｙ平面で可動の吸収剤塗布装置、および、ｃ）コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射に対するエネルギ源、有利にはＩＲ−Ａ領域および／またはＩＲ−Ｂ領域の加熱光源または可視領域またはＩＲ−Ａ領域および／またはＩＲ−Ｂ領域のランプを有することを特徴とする。
【００２２】
これに代えて、装置の運動またはエネルギ源と作業架台との相対運動を可動の作業架台によって行うこともできる。ｘ方向での相対運動を作業架台によって行い、ｙ方向での運動を装置またはエネルギ源によって行うこともできる。
【００２３】
本発明の方法は従来の方法に比べて簡単、迅速、正確かつ低コストであるという利点を有する。波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射に適した吸収剤を層の所望の領域に塗布することにより、所定の位置に所望のエネルギを加えることができる。
【００２４】
本発明の方法により、コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射を適切な吸収剤と組み合わせて用いることにより、３次元物体の製造を層ごとに自動で簡単に行うことができる。吸収剤による処理を受けていない粉末は再使用が容易である。また導電性または色などの特性が直接に"印刷"され、所定の部分に選択された特性を付与することができる。
【００２５】
本発明の３次元物体の製造方法の動作原理は、基本的には、ラピッドプロトタイピングのためのプロセスに使用される原理に基づいている。３次元物体は層ごとに組み立てられる。この組み立ては、ステレオリソグラフィにおける液体層の一部またはレーザー焼結法における粉末層の一部とその下方の層の一部とにエネルギを供給してこれらを固定または溶接することによって行われる。エネルギの供給されなかった部分は液体または粉末として残る。液体または粉末の塗布、溶融または固定を反復することにより、３次元物体が積層体として形成される。変換されなかった粉末または液体が除去されると３次元物体が得られる。３次元物体の輪郭に関する分解能は、粉末を使用した場合は特に、使用される粉末状基体の層厚さおよび粒度に依存する。
【００２６】
これまでに公知の方法とは異なり、エネルギは直接に結合すべき基体へ加えられるのでなく、エネルギを吸収して熱エネルギへ変換する吸収剤を介して、周囲の基体へ放出される。これにより従来のレーザー焼結法に比べて使用可能な粉末状基体の幅が著しく拡大される。エネルギは本発明の方法の吸収剤に対して、コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射の形態で供給される。有利には電磁放射はＩＲ−Ａ領域またはＩＲ−Ｂ領域の加熱光源、または、ＩＲ−Ａ領域またはＩＲ−Ｂ領域または可視領域のランプによって形成される。当該の電磁放射は吸収剤によって吸収され、熱エネルギへ変換され、上述の光源の放射を充分な程度には吸収しない粉末状基体の直接近傍へ放出される。"充分な程度に吸収しない"とは、ここでは、エネルギ源から１００ｎｍ〜１ｍｍの波長の放射を受けても充分に加熱されず粉末状基体と隣接する粒子との溶融または焼結にいたらないこと、または溶融または焼結にいたるまできわめて時間がかかることを意味する。しかし、吸収剤から放出された熱は、吸収剤に隣接する粉末状基体および吸収剤そのものを溶融または焼結によって結合するのに充分となる。このように本発明の方法によれば、粉末材料を溶融または焼結することにより３次元物体を製造することができる。
【００２７】
ステップｃ）における吸収剤の塗布は、通常は、断面計算するためのＣＡＤアプリケーションを用いてコンピュータ制御によって行われる。これにより処理された粉末状基体のみが後続のステップｅ）で溶融される。吸収剤を含む材料は、ステップａ）で準備された粉末層のうち、断面で見て３次元物体を形成すべき選択領域のみに塗布される。塗布は例えば１つまたは複数のノズルを備えたプリンタヘッドを介して行われる。最後の層に対するステップｅ）の後、本発明の方法により、部分的に結合した粉末状基体を有するマトリクスが形成され、冷却され、結合していない粉末が除去され、中実の３次元物体が得られる。
【００２８】
本発明の方法を以下に実施例に則して説明する。ただし実施例は本発明を限定するものではない。
【００２９】
本発明の対象である３次元物体の製造方法は、ａ）粉末状基体の層を準備するステップ、ｂ）加工室をテンパリングするステップ、ｃ）懸濁液としての吸収剤または液体吸収剤をインクジェット法により焼結すべき領域へ選択的に塗布するステップ、ｄ）所定の特性を有する専用の別の液体または別の懸濁液を塗布するステップ、ｅ）ＩＲ‐Ａ領域および／またはＩＲ‐Ｂ領域の加熱光源または可視領域、ＩＲ‐Ａ領域および／またはＩＲ‐Ｂ領域のランプからコヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁エネルギを加えることにより、粉末層の領域を選択的に溶融させるステップ、ｆ）成形部材を破断なしに取り出すことのできる温度まで溶融領域および非溶融領域を冷却するステップ、およびｇ）成形部材を取り出すステップを有することを特徴とする。これにより成形体が製造される。ステップａ）〜ｅ）は所望の成形体が得られるまで層ごとの処理として反復される。ステップｂ）は材料に依存して選択的に行うことができる。ステップｄ）も同様に選択的に行うことができる。塗布される層の厚さは例えば０．０３ｍｍ〜２ｍｍであり、有利には０．０８ｍｍ〜０．２ｍｍである。
【００３０】
代替的なフローとして、第１の層に対してはステップｅ）を省略し、第２の層からステップｅ）をステップａ）の後に行うことができる。これにより最上部の粉末層とその下方の粉末層との界面で粉末粒子が溶融し、特に良好な結合が得られる。またカール（溶融領域の縁部または端部の巻き上がり）の形成も回避されるので、処理ウィンドウの面積を増大することができる。
【００３１】
粉末状基体の準備は、例えば基体としての粉末材料を底部プレートへ、または既にステップｂ）〜ｅ）を経て処理された層が存在している場合にはその上へ塗布することにより行われる。塗布ステップはスクレーピング、ロールコーティング、デポジション、スムージングその他のプロセスにより行われる。粉末層の準備における前提としては、層が均一な高さを有することのみが要求される。ステップａ）で準備された層の高さは３ｍｍ未満であり、有利には３０μｍ〜２０００μｍ、特に有利には８０μｍ〜２００μｍである。層の高さにより、分解能、ひいては、製造される３次元物体の外側構造の平滑度が定まる。底部プレートまたは層を準備する装置は当該の高さに可動に構成されており、ステップｄ）またはステップｅ）が実行された後、形成された層が次に塗布される層の高さぶんだけ引き下げられるか、または層を準備する装置が次の層の高さぶんだけ先行の層に比べて引き上げられる。
【００３２】
有利には、粉末状基体として使用される粉末材料の平均粒度Ｄ５０は１０μｍ〜１５０μｍであり、有利には２０μｍ〜１００μｍ、特に有利には４０μｍ〜７０μｍである。使用目的に応じて、特に小さな粒子と大きな粒子とを含む粉末材料を使用することも有利である。できるだけ高い分解能で平滑な表面を有する３次元物体を製造するために、平均粒度１０μｍ〜４５μｍ、有利には１０μｍ〜３５μｍ、特に有利には２０μｍ〜３０μｍの粒子が使用される。
【００３３】
２０μｍ未満、特に１０μｍ未満の微細な材料は、滴加できず、バルク密度がきわめて低くなり、多数の中空室が生じてしまいかねないことから、ほぼ処理不能である。処理を簡単にするためには、平均粒度６０μｍ〜１５０μｍ、有利には７０μｍ〜１２０μｍ、特に有利には７５μｍ〜１００μｍの粒子を使用するとよい。
【００３４】
粉末状基体として、有利には、研磨、噴霧、不活性ガスへの縮合、噴霧および急速硬化、アニオン重合またはこれらの組み合わせにより製造された粉末材料が使用される。流動助剤を用いた精留および／または仕上げ処理を続けて行ってもよい。機械的な後処理、例えば迅速に動作するミキサを用いて、研磨により生じたエッジの鋭い粒子を丸め、薄膜に良好に塗布できるようにすると有利である。
【００３５】
粒度分布は粉末材料の平均粒度において任意に選定可能である。広い粒度分布を有する粉末材料も狭い粒度分布を有する粉末材料も使用可能であるが、狭い粒度分布を有する粉末材料のほうがいっそう有利である。双峰分布を有するものも有利である。本発明の方法に対して特に有利な粉末材料は、Ｄ５０値に対するＤ９０値およびＤ１０値の差として定義される不均一性が０．０５〜１５、有利には０．１〜１０、特に有利には０．５〜５である粒度分布を有する。粒子分布は例えばMalvern Mastersizer Sを用いたレーザー屈折法により求められる。粒度分布は通常の分離、例えばエアセパレータを用いた分離によって調整可能である。できるだけ狭い粒度分布を用いることにより、本発明では、きわめて均等な表面またはきわめて均等なポーラスを有する３次元物体が得られる。
【００３６】
使用される粉末状基体の少なくとも一部は非結晶、結晶または部分結晶のいずれでもありうる。また芳香族構造を含んでいてもよい。有利な粉末材料は線形構造または分岐構造を有する。本発明の方法で使用される特に有利な粉末材料の少なくとも一部は、溶融温度５０℃〜３５０℃、有利には７０℃〜２００℃である。
【００３７】
本発明の方法では、基体として、選択された吸収剤に比べて波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射により加熱されにくい物質が適している。使用される粉末状基体は溶融した状態で充分な流動性を有する。粉末状基体として、特に、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチロール、ポリカーボネイト、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリアリレンエーテル、ポリウレタン、ポリラクチド、熱可塑性エラストマー、ポリオキシアルキレン、ポリ（Ｎ−メチルメタクリルイミド）（ＰＭＭＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、シリコンポリマー、ターポリマー、アクリルニトリル−ブタジエン−スチロール−コポリマー（ＡＢＳ）、ポリエーテルスルホン、ポリアリルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリルエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンまたはこれらの混合物のなかから有利に選択されたポリマーまたはコポリマーが使用される。
【００３８】
特に有利には、本発明による方法において、粉末状基体として、ポリアミド、有利には少なくとも１つのポリアミド６、ポリアミド１１および／またはポリアミド１２またはコポリエステルまたはコポリアミドを有する材料が使用される。ポリアミドを使用することにより、特に形状の安定した３次元物体が製造される。独国出願１９７０８９４６号明細書または独国出願４４２１４５４号明細書に記載されているようにポリアミド１２粉末の使用が有利であり、特には欧州特許０９１１１４２号明細書に記載されているような溶融温度および融解エンタルピーを有しているとよい。これらのパラメータは制御・部分制御されてもよいし制御されなくてもよいが、非制御が有利である。粉末は線形の脂肪族構造または芳香族構造を有することもできる。有利なコポリアミドまたはコポリエステルとして、Degussa AGのVESTAMELTとして入手可能であるものが使用される。特に有利なコポリアミドは、示差走査熱量測定法（ＤＳＣ）により求められた７６℃〜１５９℃、有利には９８℃〜１３９℃、特に有利には１１０℃〜１２３℃の溶融温度を有する。コポリアミドは、例えば、二官能性成分として例えばラウリンラクタムおよび／またはカプロラクタムから選択される適切なモノマー、酸官能基を有している成分としてスベリン酸、アゼライン酸、ドデカン二酸、アジピン酸および／またはセバシン酸およびジアミンとして１，６−ヘキサンジアミン、イソホロンジアミンおよび／またはメチル−ペンタメチレン−ジアミンの混合物の重合により製造されてよい。芳香族構造も使用可能である。他の適切なコモノマーおよびその選択および調整については当該分野の技術者に周知であり、例えばJ.G.Dolden, Polymer (1976,17)の875頁〜892頁に記載されている。
【００３９】
粉末状基体のより良好な加工性を達成するために、添加剤を有する粉末材料を使用することも有利である。そのような添加剤は例えば流動助剤である。特に有利には、使用される粉末状基体は、０．０５質量％〜５質量％、有利には０．１質量％〜１質量％の添加剤を含有する。流動助剤は、例えば熱分解法ケイ酸、ステアレートまたは文献から公知である他の流動助剤、例えばリン酸三カルシウム、ケイ酸カルシウム、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＭｇＣＯ３またはＺｎＯであってよい。熱分解法ケイ酸は例えばDegussa AGのAerosil(R)として提供されている。また、使用される粉末状基体が非選択領域に望ましくない溶融を引き起こさないような量の吸収剤を有すると有利である。当該分野の技術者であれば実験によって容易に適切な限界値を定めることができるはずである。
【００４０】
そのような一部の無機の流動助剤または他の添加剤に加えてまたはこれに代えて、本発明により使用される粉末状基質は無機の充填物を含有していてもよい。こうした充填物を使用すれば、結合の際の処理を経てもほぼ３次元物体の形状が保持され、物体の収縮を減少させるという利点を有する。さらに、充填物の使用により、例えば物体の可塑性および物理的特性を変更することもできる。例えば、金属粉末を含有する粉末材料の使用により、物体の透明度、色、磁気特性および電気特性を調節することができる。充填剤もしくは充填物として、粉末材料は、例えばガラス粒子、セラミック粒子または金属粒子を含有していてよい。典型的な充填剤は、例えば金属粒、アルミニウム粉末、スチールビーズまたはガラスビーズである。特に有利には、充填物としてガラスビーズを含有する粉末材料が使用される。有利な実施例においては、本発明による粉末材料は、１質量％〜７０質量％、有利には５質量％〜５０質量％、特に有利には１０質量％〜４０質量％の充填剤を含有する。
【００４１】
無機の流動助剤または充填剤に加えてまたはこれに代えて、本発明により使用される粉末状基体は、無機または有機の顔料も含有していてよい。これらの顔料は、製造すべき３次元物体の色の外観を決定する有色顔料のほか、製造すべき３次元物体の他の物理的特性を制御する顔料、例えば、対象物の磁性もしくは導電性を変える磁性顔料または導電性顔料、例えば導電性に変性された二酸化チタンまたは酸化スズであってもよい。特に有利には、使用すべき粉末材料は、白亜、オーカー、アンバー、緑土（Gruenerde）、バントシェナー（Terra di Siena gebrannt）、グラファイト、チタン白（二酸化チタン）、鉛白、亜鉛華、リトポン、アンチモン白、カーボンブラック、酸化鉄黒、マンガン黒、コバルト黒、アンチモン黒、クロム酸鉛、鉛丹、亜鉛黄、亜鉛緑、カドミウム赤、コバルトブルー、ベルリンブルー、群青、マンガンバイオレット、カドミウム黄、シュバインフルトグリーン、モリブデートオレンジ、モリブデート赤、クロムオレンジ、クロムレッド、酸化鉄赤、酸化クロム緑、ストロンチウムイエロー、金属効果顔料、真珠箔顔料、蛍光顔料および／または発光顔料を有する照明顔料（Leuchtpigmente）、アンバー、雌黄、骨炭、カセラーブラウン（Kasseler Braun）、インジゴ、クロロフィル、アゾ染料、インジゴイド、ジオキサジン顔料、キナクリドン顔料、フタロシアニン顔料、イソインドリノン顔料、ペリレン顔料、ペリノン顔料、金属錯体顔料、アルカリブルー顔料及びジケトピロロピロールから選択される無機または有機の有色顔料を含有する。使用可能な顔料についてのさらなる情報は例えばRoempp Lexikon Chemie - Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999およびそこに記載された文献から得られる。これらの粉末中の顔料の濃度はエネルギ吸収が小さくなるように選定しなければならない。つまり吸収の値が輸送される熱によって粉末粒子の焼結する閾値よりも下方となるようにしなければならない。
【００４２】
粉末材料として、前述した充填物または顔料の特別形（Sonderform）と考えられる物質も使用することができる。この種類の粉末材料の場合に、粉末は、粉末材料について前述した寸法より小さい大きさを有する第１の材料から成る粒子を含有する。粒子は、第２の材料の層で被覆されており、その際、層の厚さは、第１の材料の粒子および第２の材料の被覆の組合せからなる粉末材料が前述した大きさを有するように選択されている。第１の材料の粒子の大きさの偏差は２５％未満、有利には１０％未満、特に有利には５％未満である。粒子の被覆である第２の材料は、選択された吸収剤と比較して、コヒーレントでなくまたは単色でなくまたは配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射によって加熱されにくい材料である。第２の材料はさらに、加熱された状態で充分な流動性を示すべきであり、かつ吸収剤により提供される熱作用により焼結可能または融解可能でなければならない。被覆材料として、粉末状基体（粉末材料）は有利には、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネイト、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリアリレンエーテル、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、ポリラクチド、ポリオキシアルキレン、ポリ（Ｎ−メチルメタクリルイミド）（ＰＭＭＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、シリコンポリマー、ターポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン−コポリマー（ＡＢＳ）、ポリエーテルスルホン、ポリアリルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリルエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンまたはその混合物から選択される前記のポリマーまたはコポリマー、またはフェノール樹脂を含有していてよい。粉末材料のこの特別形の第１の材料は、例えば砂、セラミック、金属および／または合金からなる粒子を含んでいてよい。この種類の特に有利な粉末材料は、フェノール樹脂または熱可塑性プラスティックで被覆された砂、いわゆる鋳物砂である。
【００４３】
吸収剤が充分な熱量を輸送することができる場合には、同じように、粉末材料として金属粉末、特に低融解性金属、例えば鉛もしくはスズ、または例えばスズもしくは鉛を含有する合金の粉末を使用することが可能である。これらの粉末材料は有利には前述の寸法を有する。
【００４４】
本発明による方法を用いて、１つまたは複数の機能層が設けられた３次元物体を製造可能である。例えば成形部材の全体または特定の領域にのみ導電性を設ける機能化は、吸収剤に相応する顔料または染料を塗布することにより、またはこれらの顔料を含有する粉末状物質から層を準備することにより行うことができる。
【００４５】
吸収剤の塗布は国際公開第０１／３８０６１号明細書に記載された抑制剤の塗布と同様に行われてよい。有利には、吸収剤の塗布はｘｙ平面で可動の装置を用いて行われる。この装置は、液体吸収剤および／または粉末状吸収剤をステップａ）により準備された層の定義された場所へ供給する手段を有する。この装置は例えばインクジェットプリンタにおいて使用されるような１つまたは複数のノズルを備えたプリンタヘッドであってよい。プリンタヘッドを位置決めするための装置の駆動は、インクジェットプリンタのプリンタヘッドの駆動と同じように行うことができる。この装置を用いて、吸収剤は、ステップａ）により準備された層のうち、基体を焼結または融解により結合すべき場所へ塗布される。
【００４６】
本発明の方法では、波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射によって加熱される全ての吸収剤を使用可能である。
【００４７】
最も簡単な場合には、吸収剤はいわゆる着色剤を有する。着色剤とは、無機または有機の着色剤および天然および合成の着色剤として入手可能なＤＩＮ５５９４４に準拠する全ての染料または着色物質を含むものであると理解されたい（Roempp, Chemielexikon, 1981, 8.Aufl.の1237頁を参照）。ＤＩＮ５５９４３（1984年9月）およびＤＩＮ５５９４５（1983年8月）によれば、顔料とは、無機または有機であり、混合色または単色である不溶性の作用媒体である。着色物質とは、溶剤および／または結合剤に可溶の無機または有機であり混合色または単色である染料である。
【００４８】
吸収剤が添加物質によって吸収作用を獲得するものであってもよい。例えば難燃剤は、DSMのMelapurのようにメラミンシアヌレートをベースとしているか、またはリンをベースにしており、有利にはリン酸塩、亜リン酸塩、フォスフォナイトまたは元素の赤リンである。添加物質として適しているのは、場合により粉砕された炭素繊維、場合により中空のガラスビーズ、またはカオリン、白亜、珪灰石、グラファイトなどである。
【００４９】
本発明の方法で使用される吸収剤は、有利には、カーボンブラック，ＫＨＰ（Kupferhydroxidphosphat），白亜，骨炭，炭素繊維，グラファイト，難燃剤または干渉顔料を主成分として有する。干渉顔料とはいわゆるパール光沢顔料である。これは天然鉱物の光沢をベースとして、金属酸化物、例えばチタン酸化物および／または鉄酸化物の薄膜で被覆されており、１μｍ〜６０μｍの中程度の粒度分布を有する。干渉顔料として例えばMerck社のIriodinを使用可能である。MerckのIriodinのパレットには、パール光沢顔料、金属酸化物でコーティングされた光沢顔料のほか、サブクラスとして干渉顔料、金属光沢効果顔料（光沢コアを鉄酸化物でコーティングしたもの）、銀白効果顔料、金光沢効果顔料（光沢コアをチタン酸化物および鉄酸化物でコーティングしたもの）などが含まれる。有利には、Iriodin-LSシリーズ、すなわち、Iriodin LS 820、Iriodin LS 825、Iriodin LS 830、Iriodin LS 835、Iriodin LS 850などが用いられる。特に有利には、Iriodin LS 820およびIriodin LS 825が用いられる。
【００５０】
そのほか、光沢剤および光沢顔料、チタン酸化物、カオリン、無機および有機の顔料、アンチモン（ＩＩＩ）酸化物、金属顔料、塩酸ビスマス（例えば高光沢顔料であるMerckのBiflairシリーズ）、インジウムスズ酸化物（例えばNanogate Technologies GmbHのNano ITO-PulverまたはDegussaのAdNanoTM ITO、DegussaのAdNanoTM亜鉛酸化物、ランタンヘキサクロリド、国際公開第０２３８６７７号明細書に記載されているClearweld(R)、および市販されているメラミンシアヌレートまたはリン、有利にはリン酸塩、亜リン酸塩、フォスフォナイトまたは元素の赤リンを有する難燃剤なども適している。
【００５１】
成形体固有の色を損ないたくない場合には、吸収剤が有利には干渉顔料、特に有利にはMerckのLSシリーズのIriodinまたはClearweld(R)を含むようにするとよい。
【００５２】
ＫＨＰ（Kupferhydroxidphospate）は化学的に表記すればリン酸水酸化銅である。この物質は約３μｍの中程度の粒径を有するライトグリーンの微細な結晶粉末として用いられる。
【００５３】
カーボンブラックはファーネスブラック法、ガスブラック法またはランプブラック法により製造できるが、有利にはファーネスブラック法が用いられる。１次粒子の粒度は１０ｎｍ〜１００ｎｍ、有利には２０ｎｍ〜６０ｎｍであって、粒子分布は狭くても広くてもよい。ＤＩＮ５３６０１に準拠するＢＥＴ表面は１０ｍ２／ｇ〜６００ｍ２／ｇ、有利には７０ｍ２／ｇ〜４００ｍ２／ｇである。カーボンブラック粒子は表面機能性を調整するために酸化によって後処理される。この粒子は疎水性（例えばDegussaのPrintex 55またはFlammruss 101）にも親水性（例えばDegussaのFarbruss FW 20またはPrintex 150T）にも調整できる。またこれらの構造化の度合は高低いずれであってもよいが、これによって１次粒子の浸透性が定まる。専用の導電性カーボンブラックを使用することにより、粉末から製造される本発明の物体の導電性を調整することができる。パール状のカーボンブラックを使用すれば、湿性または乾性のいずれの混合プロセスにおいても良好な分散性を利用できる。カーボンブラックの分散を利用することも有利である。
【００５４】
骨炭は鉱物に由来する黒色顔料であり、元素の炭素を含む。骨炭は７０％〜９０％のリン酸カルシウムおよび３０％〜１０％の炭素から成る。密度は典型的には２．３ｇ／ｍｌ〜２．８ｇ／ｍｌである。
【００５５】
吸収剤は例えば顆粒、粉末または液体として構成することができる。１つまたは複数の微細なノズルを備えたプリンタヘッドによる噴霧のために、粒子はできるだけ微細であることが望ましいので、粗い粉末または顆粒は場合により後から粉砕することができる。この粉砕は有利には低温で行われ、場合により続いてふるい分けを行ってもよい。
【００５６】
ここで吸収剤として使用される添加剤は、例えばMerck社からIriodin(R)の名称で市販されている。カーボンブラックは市販されている標準的なカーボンブラック、例えばDegussa AG、Cabot CorpまたはContinental Carbonから提供されているものであってよい。
【００５７】
市販入手可能な適切な吸収剤の例として、一般的に、Merck社のIriodin(R) LS 820またはIriodin(R) LS 825またはIriodin(R) LS 850が挙げられる。カーボンブラックの例としてDegussa社のPrintex 60、Printex A、Printex XE2、Printex Alphaが用いられる。適切なＫＨＰはDegussa社からVestodur FP-LASの名称で提供されている。
【００５８】
プリンタヘッドを介してインクと同じように吸収剤を粉末状基体へ塗布できるようにするために、有利には、吸収剤を含む液体が形成される。固体吸収剤、液体吸収剤、固体および液体吸収剤の混合物を使用することができる。また有利には、固体として存在する吸収剤を吸収剤でない液体へ懸濁させ、固体として存在する吸収剤を準備された層の全面にわたって良好に分散させる。固体吸収剤が液体へ沈殿するのを阻止する流動学的添加剤を添加することも有利である。さらなる利点は、基体の濡れ性を良好にするために、吸収剤、特に液体吸収剤または固体吸収剤の懸濁液に、例えばアルキルフェノールエトキシレート、脂肪アルコールエトキシレート、脂肪酸エトキシレート、脂肪アミンエトキシレートなどの界面活性剤が付加される。本発明を限定するものではないが、液体は水、蒸留水またはアルコール、例えばイソプロパノール、グリセリン、ジエチレングリコールを含む。
【００５９】
特に有利には、市販されている懸濁液、例えばDegussaのDerussolシリーズを使用することができる。
【００６０】
また液体吸収剤、例えばClearweld(R)を使用してもよい。
【００６１】
本発明の方法では、種々の吸収剤および基体の組み合わせが可能である。本発明の方法にとっては、波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射に対して吸収剤と気体とのあいだに充分に大きな吸収率の差があることが重要であり、最終的に基体の溶融領域つまり吸収剤を含んだ領域と非溶融領域とのあいだに明確な境界の存在するマトリクスが形成されなければならない。このようにすることによってのみ、３次元物体が充分に平滑な輪郭を有し、結合されていない基体部分から容易に乖離できるようになるのである。本発明の方法の精度は、エネルギを所望の通りきわめて正確に印加できるため、従来のレーザー焼結法を上回る。
【００６２】
吸収剤から基体への充分に大きくかつ長い熱輸送を可能にするために、吸収剤または混合物に含まれる少なくとも１つの吸収剤の沸点は、使用される基体の融点よりも大きくなくてはならない。吸収剤を含む液体の配量、粉末および吸収剤の性質およびそれら全体の流動性は、特に液体吸収剤が使用される場合に、層を通して流れるのではなくむしろ専ら湿らせるべき粉末により吸収されるように、互いに調節される。この調整は、例えば、粘度の調節および吸収剤とともに用いられる液体の量の調節により行われる。ここで使用される液体吸収剤の量は、特に粉末の層厚さ、粉末の多孔度、粒度、および液体吸収剤または固体吸収剤の分量に依存している。個々の材料の組合せにとって最適な量および粘度は単純な予備試験において算出することができる。粘度の調節のために、公知の増粘剤、例えば熱分解法ケイ酸または有機薬剤を使用することができる。また、吸収剤を含む液体が濡れ剤および／またはバイオサイド（Biozid）および／または保湿剤を含むと有利である。液体は例えば水、有利には蒸留水、溶剤またはアルコールである。吸収剤または吸収剤を含む液体は融成物もしくは成形体に残留してもよい。吸収剤の残留は強化または吸収剤による他の特性（導電率または磁気伝導率）を調節する際にむしろ有利なことが多い。支持液体が使用される場合には、これが部材内に残留してもよいし、蒸発または気化してしまってもよい。有利には使用される吸収剤、液体およびその他の添加剤は通常の環境でも問題なく取り扱うことのできる無毒の物質である。
【００６３】
吸収剤の加熱に必要なエネルギは、コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射の形態で、ＩＲ領域の加熱光源または可視領域／ＩＲ領域のランプから供給される。有利には、焼結すべき層は熱の供給により所定の温度へ加熱されるかまたはその温度で維持されるが、当該の温度は使用されるポリマーの溶融温度または焼結温度より低い。このようにして選択的な溶融に必要な電磁エネルギが低減される。焼きしめられた構造フィールドの存在が前提となるが、カール（構造面の端部および縁部の巻き上がり）が発生してステップａ）の実行を不可能にしてしまうおそれは低減される。同様に、吸収剤または吸収剤を含む液体を予熱することも有利である。
【００６４】
本発明の方法に必要な放射は、波長１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲の電磁放射を発生するエネルギ源によって形成される。この電磁放射はレーザー放射ではなく、コヒーレントでないかまたは単色でないかまたは配向されていないという特徴のうち少なくとも１つを有する。エネルギ源は点状、線状または面状のいずれであってもよい。複数のエネルギ源を組み合わせていちどに大きな範囲を照射することもできる。
【００６５】
本発明の方法では、エネルギ印加を線状または面状に行うと有利である。なぜなら、インクジェット法を介して選択的に塗布された吸収剤または吸収剤を含む液体によって、各層の選択性がすでに実現されているからである。したがって本発明の方法は他の従来の方法に比べて迅速である。
【００６６】
本発明による方法を用いて、３次元の成形体が製造可能である。層状に製造されるこれらの３次元物体は、最終的に、本発明による方法の終了後に、複数の層から成るマトリクスとして存在する。結合された粉末状基体および吸収剤または結合されていない粉末状基体および吸収剤からなるこのマトリクスから物体が取り出される一方で、結合されていない基体を場合により例えばふるい分けにより行われる後処理の後に新たに使用することができる。本発明による成形体は、ガラスビーズ、ケイ酸又は金属粒子から選択される充填物を含有していてよい。
【００６７】
本発明による方法は、有利には、３次元物体を層状に製造するための本発明による装置において実施される。この装置は
・作業架台または場合により作業架台上に既に存在している処理された粉末状基体または未処理の粉末状基体の層に、粉末状基体を層状に塗布するための可動の基体塗布装置、
・粉末状基体の層の選択領域に吸収剤を塗布するための、ｘｙ平面で可動の吸収剤塗布装置、および
・コヒーレントでなくおよび／または単色でなくおよび／または配向されていない波長１００ｎｍ〜１ｍｍの電磁放射を発生するエネルギ源、例えばＩＲ−Ａ領域またはＩＲ−Ｂ領域の加熱光源または可視領域、ＩＲ−Ａ領域またはＩＲ−Ｂ領域のランプ
を有する。
【００６８】
これに代えて、装置の運動またはエネルギ源と作業架台との相対運動を可動の作業架台によって行うこともできる。ｘ方向での相対運動を作業架台によって行い、ｙ方向での運動を装置またはエネルギ源によって行うこともできる。
【００６９】
装置には有利には複数の貯蔵容器が設けられており、この容器から加工すべき粉末状基体が基体塗布装置に供給され、使用される１つまたは複数の吸収剤が粉末状基体の層の選択領域に吸収剤を塗布する吸収剤塗布装置に供給される。１つまたは複数のノズルを有するプリンタヘッドを使用しミキサを設けることにより、層の特定の領域で、例えば特にフリグランを施した領域または製造すべき物体の縁部で、製造すべき物体のコア領域に使用される吸収剤とは異なる混合物を使用することもできる。このようにして、層の種々の位置へ異なるエネルギを供給することができる。
【００７０】
本発明の対象は前述したように本発明の方法の使用にも適しており、特に１０〜１５０μｍの平均粒度を有し、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチロール、ポリカーボネイト、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリアリレンエーテル、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、ポリラクチド、ポリオキシアルキレン、ＰＭＭＩ、ＰＭＭＡ、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、シリコンポリマー、ターポリマー、ＡＢＳ、ポリエーテルスルホン、ポリアリルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリルエーテルケトン、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンまたはその混合物から選択される少なくとも１つのポリマーまたはコポリマーを有する粉末材料である。
【００７１】
本発明の方法および本発明の装置を図１に則して詳細に説明する。ただし本発明はこれに限定されるものではない。
【００７２】
図１には本発明の装置が示されている。容器１内の可動底部６上に未処理の粉末状基体２が配置され、マトリクス８が形成される。基体はローラーブレードにより可動底部または先行して被着された層上で延展され薄膜となる。ｘｙ平面で可動の装置３により吸収剤４または吸収剤を含む液体が粉末状基体の層の選択領域へ塗布される。吸収剤による処理が終了するたびに基体に新たな層が塗布される。１００ｎｍ〜１ｍｍの波長のエネルギを例えば加熱光源またはランプ５から加えることにより、基体の被着位置が吸収剤により処理され、３次元物体、例えば小プレート７に結合される。当該のステップは次の粉末層の被着前に行われる。
【００７３】
本発明は上述の方法によって製造された成形体を含む。これは原型として利用することもできるし、ライン生産などに利用することもできる。成形体は種々の分野、例えば航空／宇宙航空工業、医療工業、自動車工業、機械工業、エンタテインメント機器工業などで利用可能であり、本発明はここに上げた適用分野に限定されない。
【００７４】
本発明の方法を４つの実施例に則して詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７５】
実施例１：ハロゲンランプを用いてコポリアミドから小プレートを製造する方法
１０×１０ｃｍの上方の開いた箱に底部が設けられており、この底部はスピンドルモータによって可動であり、０．５ｃｍまで上方へ向かって運動する。残りの空間に粉末が充填され、金属プレートによって均される。この実施例では、小プレートの型が３×２０×１ｍｍ３の寸法でコポリアミド粉末（VESTAMELT 170, Degussa AG, Marl）から製造される。吸収剤としてＫＨＰ（Vestodur FP-LAS, Degussa AG, Marl）ベースの懸濁液が使用され、この懸濁液は３５質量％の蒸留水、２５質量％のＫＨＰおよび４０質量％のイソプロパノールを有する。装置の動作温度は約４０℃である。マスクとして３×２０ｍｍの切欠を備えた金属プレートが用いられ、このマスクが箱の上方に載置される。ポンプスプレーにより懸濁液が噴射される。その際に、均等な湿度が保たれ、滴化が回避されるように注意しなければならない。その後カバーが除去される。層ごとにハロゲンランプにより５００Ｗの出力で照射を行いながら、速度５０ｍｍ／ｓｅｃ、それぞれの間隔６ｍｍで粉末床上を運動させる。ハロゲンランプの波長は赤外領域を中心とした大きなスペクトル領域をカバーする。ここで用いたのは長さ約１２ｃｍのハロゲンランプOsram Halolineである。エネルギ効率を改善するために、放射を主として粉末床の方向へ反射させるリフレクタを備えた支承部へハロゲンランプを組み込む。照射後、箱のプラットフォームは０．３ｍｍ沈下する。前述のステップは部品が完成するまで反復される。粉末のＤ５０値は６０μｍである。
【００７６】
実施例２：グローランプを用いてポリアミド１２から小プレートを製造する方法
前述の装置と同様に、別の小プレートが３×２０×１ｍｍ３の寸法でポリアミド１２粉末（EOSINT P PA 2200, EOS GmbH Electro Optical Systems, Krailling, Deutschland）から製造される。この場合、マスクではなくプリンタヘッドが用いられ、インクジェット法に類似の方法で液体が塗布される。吸収剤としてIriodin(R) LS 835が使用される。この液体は３０％のIriodin(R)、５９％のイソプロパノールおよび１％のPril（Henkel）から成る。装置の動作温度は約１６０℃である。ここで用いたのは１００ＷのリフレクタグローランプOsram Concentra Spot CONC R80であり、これは近赤外領域に出力ピークを有する。粉末層の塗布される高さは０．１５ｍｍである。粉末床からランプまでの距離は２０ｍｍであり、光源の作用時間は層当たり約３０ｓｅｃである。用いられる粉末のＤ５０値は５５μｍである。
【００７７】
実施例３：ハロゲン光源を用いてコポリアミドから円筒体を製造する方法
実施例２から知られる装置において、直径２２ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒体をコポリアミド（VESTAMELT X1310）から製造する。ここではSicopal(R)greenおよびSicopal(R)blueが吸収剤として用いられる。インクジェット法により２つの吸収剤が塗布され、断面の１／２ずつが青色顔料と緑色顔料とによって湿らされる。この方法によれば２色の部品を製造することができる。液体は２５質量％のBASF Sicopal(R) greenまたはSicopal(R) blue、５０％のイソプロパノール、２４％の蒸留水および１％のグリセリンから成る。エネルギ源として３５ＷのハロゲンランプSylvania Superia 50が使用される。粉末床からランプまでの距離は２０ｍｍであり、光源の作用時間は層当たり約２０ｓｅｃである。粉末層の高さは０．２ｍｍである。粉末のＤ５０値は５５μｍである。
【００７８】
実施例４：キセノンショートアークランプを用いてコポリアミドから円錐体を製造する方法
製造すべき円錐体の径は２５ｍｍ、高さ２５ｍｍである。粉末としてVESTAMELT X1316が用いられる。インクジェット法により液体が塗布される。吸収剤としてカーボンブラック（PRINTEX alpha）ベースの懸濁液が使用され、この懸濁液は４０質量％の蒸留水、３０％のPRINTEX alphaおよび３０％のイソプロパノールを有する。装置の動作温度は約５０℃である。エネルギ源としてキセノンショートアークランプOsram XBO 700W/HS OFRが使用される。粉末床からランプまでの距離は２０ｍｍであり、光源の作用時間は層当たり約１０ｓｅｃである。粉末のＤ５０値は６０μｍである。粉末層の高さは０．１５ｍｍである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の装置を示す図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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