(57)【要約】【解決手段】  本発明では、積層造形法を利用して、前記積層造形法中に作製される少なくとも１つの幅狭流体流通孔（６）を有する造形品（２）を製造するものである。このような幅狭流体流通孔（６）は、任意の望ましい断面形状、配向、および曲率を有しうる。本発明は、少なくとも１つの幅狭流体流通孔（６）を含む造形品（２）も含み、前記造形品（２）および前記幅狭流体流通孔（６）は、積層造形法により同時に製造される。【選択図】      図２
2007504977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造するために、積層造形法を使用する方法であり、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は非円形断面形状を有し、前記積層造形法により前記造形品内に製造される方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、多角形断面形状を有するものである。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、四角形断面形状および六角形断面形状のうち少なくとも一方を有するものである。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、その中心線に沿って幅が変化するものである。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、その中心線に沿って断面形状が変化するものである。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、非直線状の中心線を有するものである。
【請求項７】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）粉末層を提供する工程と、
ｂ）前記粉末層の予め選択された領域で前記粉末を結合させることにより、前記造形品の層を転写する工程と
を有する方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記粉末は、金属、セラミック、高分子、および複合材料からなる群から選択される１つを少なくとも含有するものである。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、約０．０２ｃｍ〜約０．２５ｃｍ範囲の幅を有するものである。
【請求項１０】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品内に位置決めされた少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔を伴う前記造形品の電子表現を作成する工程を有するものである。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）アルゴリズムを提供する工程と、
ｂ）コンピュータで前記アルゴリズムを実行する工程であって、
ｉ）少なくとも１つの前記小直径流体流通孔を設計する工程と、
ｉｉ）少なくとも１つの前記小直径流体流通孔用に位置を選択する工程と、
ｉｉｉ）前記造形品の表面の少なくとも一部について、複数の前記小直径流体流通孔用にアレイ密度を選択する工程と、
ｉｖ）少なくとも１つの前記小直径流体流通孔の電子表現を、前記造形品の電子表現に組み込む工程と、
ｖ）層ごとに前記造形品が転写されるようにする工程と
のうち少なくとも１つを実行するために、コンピュータで前記アルゴリズムを実行する工程と
を有するものである。
【請求項１２】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）前記造形品の表現を含む第１の電子ファイルを作成する工程であって、少なくとも１つの前記流体流通孔は前記造形品の前記表現において不在である工程と、
ｂ）前記不在の少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔の表現を含む第２の電子ファイルを作成する工程と、
ｃ）前記第１の電子ファイルを前記第２の電子ファイルと組み合わせて、前記造形品内に位置決めされた前記不在の少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔を伴う前記造形品の表現を含む第３の電子ファイルを作成する工程と
を有するものである。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、前記造形品はＥＰＳビーズ金型のコンポーネントである。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）前記造形品を使用して模型を作製する工程と、
ｂ）消失模型鋳造法で前記模型を使用する工程と
を有するものである。
【請求項１５】
請求項１記載の方法において、前記造形品は、射出成形金型、真空成形ツール、熱伝導装置、および流体調整装置からなる群から選択される少なくとも１つコンポーネントである。
【請求項１６】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、
ＥＰＳビーズ成形法、射出成形法、真空成形法、熱伝導装置、および流体調整装置からなる群から選択される少なくとも１つにおいて、前記造形品を使用する工程を有するものである。
【請求項１７】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、
少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔を配向する工程であって、前記幅狭流体流通孔の末端が終端する表面に対し、実質的に法線方向でない方向に配向する工程を有するものである。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、前記造形品は複数の幅狭流体流通孔を有し、また使用中の開口部の方向を有するマルチピース金型のコンポーネントであり、前記配向する工程は、前記開口部の方向と平行に配向された中心線を有するよう少なくとも１つの前記複数の幅狭流体流通孔を配向する工程を有するものである。
【請求項１９】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品を溶浸材で溶浸する工程を有するものである。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法において、前記溶浸材は金属である。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、前記溶浸材は青銅である。
【請求項２２】
請求項１記載の方法において、前記積層造形法は３次元転写工程である。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、多角形断面形状を有するものである。
【請求項２４】
請求項２２記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、その中心線に沿って幅が変化するものである。
【請求項２５】
請求項２２記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、その中心線に沿って断面形状が変化するものである。
【請求項２６】
請求項２２記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）金属粉末を含有する粉末層を提供する工程と、
ｂ）前記粉末層上に結合剤を溶着して前記粉末層の予め選択された領域内の前記金属粉末を結合させることにより、前記造形品の層を転写する工程と
を有するものである。
【請求項２７】
請求項２２記載の方法において、前記結合剤は、高分子および炭水化物の少なくとも一方を含有するものである。
【請求項２８】
請求項２６記載の方法において、前記金属粉末はステンレス鋼粉末を含有するものである。
【請求項２９】
請求項２２記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品を溶浸材で溶浸する工程を有するものである。
【請求項３０】
請求項２９記載の方法において、前記溶浸材は金属を含有するものである。
【請求項３１】
請求項１記載の方法において、前記積層造形法は粉末焼結積層造形法である。
【請求項３２】
請求項３１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、多角形断面形状を有するものである。
【請求項３３】
請求項３１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、その中心線に沿って幅が変化するものである。
【請求項３４】
請求項３１記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、その中心線に沿って断面形状が変化するものである。
【請求項３５】
請求項３１記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）金属粉末および結合剤を含有する粉末層を提供する工程と、
ｂ）レーザービームで前記粉末層をスキャンして、前記粉末層の予め選択された領域内の前記結合剤が前記金属粉末を結合させるようにすることにより、前記造形品の層を転写する工程と
を有するものである。
【請求項３６】
請求項３１記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品を溶浸材で溶浸する工程を有するものである。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法において、前記溶浸材は金属を含有するものである。
【請求項３８】
請求項１記載の方法により製造される造形品。
【請求項３９】
請求項３記載の方法により製造される造形品。
【請求項４０】
請求項６記載の方法により製造される造形品。
【請求項４１】
請求項７記載の方法により製造される造形品。
【請求項４２】
請求項９記載の方法により製造される造形品。
【請求項４３】
請求項１３記載の方法により製造される造形品。
【請求項４４】
請求項１７記載の方法により製造される造形品。
【請求項４５】
請求項１８記載の方法により製造される造形品。
【請求項４６】
少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造するために、積層造形法を使用する方法であり、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔が非直線状の中心線を有し、前記積層造形法により前記造形品内に製造される方法。
【請求項４７】
請求項４６記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、非円形断面形状を有するものである。
【請求項４８】
請求項４７記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、多角形断面形状を有するものである。
【請求項４９】
請求項４８記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、四角形断面形状および六角形断面形状のうち少なくとも一方を有するものである。
【請求項５０】
請求項４６記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）粉末を含有する粉末層を提供する工程と、
ｂ）前記粉末層の予め選択された領域で前記粉末を結合させることにより、前記造形品の層を転写する工程と
を有するものである。
【請求項５１】
請求項５０記載の方法において、前記粉末は、金属、セラミック、高分子、および複合材料からなる群から選択される１つを少なくとも含有するものである。
【請求項５２】
請求項４６記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、約０．０２ｃｍ〜約０．２５ｃｍ範囲の幅を有するものである。
【請求項５３】
請求項４６記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品内に位置決めされた少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔を伴う前記造形品の電子表現を作成する工程を有するものである。
【請求項５４】
請求項５３記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）アルゴリズムを提供する工程と、
ｂ）コンピュータで前記アルゴリズムを実行する工程であって、
ｉ）少なくとも１つの前記小直径流体流通孔を設計する工程と、
ｉｉ）少なくとも１つの前記小直径流体流通孔用に位置を選択する工程と、
ｉｉｉ）前記造形品の表面の少なくとも一部について、複数の前記小直径流体流通孔用にアレイ密度を選択する工程と、
ｉｖ）少なくとも１つの前記小直径流体流通孔の電子表現を、前記造形品の電子表現に組み込む工程と、
ｖ）層ごとに前記造形品が転写されるようにする工程と
のうち少なくとも１つを実行するために、コンピュータで前記アルゴリズムを実行する工程と
を有するものである。
【請求項５５】
請求項４６記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）前記造形品の表現を含む第１の電子ファイルを作成する工程であって、少なくとも１つの前記流体流通孔は前記造形品の前記表現において不在である工程と、
ｂ）前記不在の少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔の表現を含む第２の電子ファイルを作成する工程と、
ｃ）前記第１の電子ファイルを前記第２の電子ファイルと組み合わせて、前記造形品内に位置決めされた前記不在の少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔を伴う前記造形品の表現を含む第３の電子ファイルを作成する工程と
を有するものである。
【請求項５６】
請求項４６記載の方法において、前記造形品はＥＰＳビーズ金型のコンポーネントである。
【請求項５７】
請求項５６記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）前記造形品を使用して模型を作製する工程と、
ｂ）消失模型鋳造法で前記模型を使用する工程と
を有するものである。
【請求項５８】
請求項４６記載の方法において、前記造形品は、射出成形金型、真空成形ツール、および流体調整装置からなる群から少なくとも１つ選択されるコンポーネントである。
【請求項５９】
請求項４６記載の方法であって、この方法は、さらに、
ＥＰＳビーズ成形法、射出成形法、真空成形法、および流体調整装置からなる群から選択される少なくとも１つにおいて、前記造形品を使用する工程を有するものである。
【請求項６０】
請求項４６記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品を溶浸材で溶浸する工程を有するものである。
【請求項６１】
請求項６０記載の方法において、前記溶浸材は金属である。
【請求項６２】
請求項６１記載の方法において、前記溶浸材は青銅である。
【請求項６３】
請求項４６記載の方法において、前記積層造形法は３次元転写工程である。
【請求項６４】
請求項６３記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）金属粉末を含有する粉末層を提供する工程と、
ｂ）前記粉末層上に結合剤を溶着して前記粉末層の予め選択された領域内の前記金属粉末を結合させることにより、前記造形品の層を転写する工程と
を有するものである。
【請求項６５】
請求項６４記載の方法において、前記結合剤は、高分子および炭水化物の少なくとも一方を含有するものである。
【請求項６６】
請求項６３記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品を溶浸材で溶浸する工程を有するものである。
【請求項６７】
請求項４６記載の方法において、前記積層造形法は粉末焼結積層造形法である。
【請求項６８】
請求項６７記載の方法であって、この方法は、さらに、
ａ）金属粉末および結合剤を含有する粉末層を提供する工程と、
ｂ）レーザービームで前記粉末層をスキャンして、前記粉末層の予め選択された領域内の前記結合剤が前記金属粉末を結合させるようにすることにより、前記造形品の層を転写する工程と
を有するものである。
【請求項６０】
請求項６７記載の方法であって、この方法は、さらに、
前記造形品を溶浸材で溶浸する工程を有するものである。
【請求項７０】
請求項６９記載の方法において、前記溶浸材は金属を含有するものである。
【請求項７１】
請求項４６記載の方法により製造される造形品。
【請求項７２】
請求項４７記載の方法により製造される造形品。
【請求項７３】
請求項４８記載の方法により製造される造形品。
【請求項７４】
請求項５０記載の方法により製造される造形品。
【請求項７５】
請求項５６記載の方法により製造される造形品。
【請求項７６】
請求項５８記載の方法により製造される造形品。
【請求項７７】
少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造するために、積層造形法を使用する方法であり、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は分岐しており、前記積層造形法により前記造形品内に製造される方法。
【請求項７８】
請求項７７記載の方法により製造される造形品。
【請求項７９】
少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造するために、積層造形法を使用する方法であり、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は多角形断面形状を有し、前記積層造形法により前記造形品内に製造される方法。
【請求項８０】
請求項７９記載の方法において、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔は、四角形断面形状を有するものである。
【請求項８１】
少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造するために、積層造形法を使用する方法であり、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔はその中心線に沿って幅が変化し、前記積層造形法により前記造形品内に製造される方法。
【請求項８２】
少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造するために、積層造形法を使用する方法であり、少なくとも１つの前記幅狭流体流通孔はその中心線に沿って断面形状が変化し、前記積層造形法により前記造形品内に製造される方法。
【請求項８３】
請求項７９記載の方法により製造される造形品。
【請求項８４】
請求項８０記載の方法により製造される造形品。
【請求項８５】
請求項８１記載の方法により製造される造形品。
【請求項８６】
請求項８２記載の方法により製造される造形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幅狭流体流通孔を少なくとも１つ含む積層造形品に関する。具体的には、本発明は、積層造形法中にそのような流通孔が少なくとも１つ作製されるような造形品に関する。さらに具体的には、本発明は、１つまたは複数の前記流通孔が可変形状または非直線状の中心線を有するような造形品に関する。また、本発明はこのような造形品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの製造された造形品は、造形品またはその一部分の内へ及び／又は外へ流体が流入または流出できるようにする小直径の流体流通孔を含む。例えば、発泡スチロール（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、別名発泡ポリスチレン、略称ＥＰＳ）など膨張した高分子ビーズから造形品を作製するための金型は、金型内に蒸気を流通させて高分子ビーズをさらに膨張させ互いに結合させるため、複数の幅狭流体流通孔を含む。射出成形金型は、射出工程中に前記金型から閉じ込められた空気が逃げられるようにする幅狭流体流通孔を含む。プラスチックシートの熱成形などに使用される減圧ツールは、ツールの表面に抗して形成される前記プラスチックシートと前記ツールとの間で減圧を行うための幅狭流体流通孔を含む。衝撃吸収装置などに使われる流体調整装置も、幅狭流体流通孔を少なくとも１つ含む。開ループ熱交換器または閉ループ熱交換器のいずれかを使用する熱交換器も、幅狭流体流通孔を含むことができるものである。
【０００３】
現在、１つまたは複数の幅狭流体流通孔を作製するには、何らかの機械的、電気的、光学的、または化学的手段による打ち抜きやドリリングなど、何らかのタイプの穿孔工程を造形品に施すこと必要がある。ＥＰＳビーズ金型の場合、流通孔の作製には約０．１６ｃｍ〜約０．６４ｃｍをドリリングした段付き穴と、これらの穴に圧入するためのスロット付き端面を有する円柱型ハードウェアと、金型面であって、前記ハードウェアが確実に前記金型面と同一平面に重なるように機械工作を施す金型面とが必要となる。あるいは、このような流通孔は、レーザードリリング後に金型面を手作業で浄化し、レーザードリリング工程によるばりおよび他の凹凸を除去することによっても作製しうる。このような流通孔は、放電加工、化学エッチング、または化学ドリリングでも作製しうる。
【０００４】
このような流通孔作製工程は、コスト高で時間がかかる。さらに、流通孔を作製するために使用されるツールがアクセス可能な領域に、流通孔の配置は制限される。通常アクセス不能な領域に流通孔が必要な場合には、所望の領域をアクセス可能にするために造形品を切断し、取り外した部分に１つまたは複数の流通孔を作成したのち、取り外した領域を造形品に戻し再び一体化することが必要である。
【０００５】
先行技術の別の難点は、造形品面に対する幅狭流体流通孔の配向が、使用する穿孔技術と、個々の幅狭流体流通孔を配置する表面部分へのアクセスのしやすさとにより制限されることである。表面形状が、湾曲した、複雑な、またはアクセスの制限されている場所では、幅狭流体流通孔は最適でない配向を有する可能性が高い。レーザーまたは化学ドリリングなどの技術が使われる場合、幅狭流体流通孔の配向は、通常、造形品面に対し略垂直に限定される。
【０００６】
先行技術のさらに別の難点は、１つまたは複数の流通孔が実質的に直線状の中心線を有するように制限され、ほとんどの先行技術方法は、実質的に丸い断面形状を有した流通孔の製造のみに限定されている。
【０００７】
そのため、幅狭流体流通孔を少なくとも１つ含んだ造形品を製造する方法であって、１つまたは複数の前記流通孔を作製するための穿孔技術の使用に付随したコストと問題を回避する方法が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、先行技術固有の１若しくはそれ以上の難点を回避する少なくとも１つの幅狭流体流通孔を具備した造形品の製造方法を提供する。この目的を達するため、本発明では、積層造形法を利用して、少なくとも１つの幅狭流体流通孔を有する造形品を製造し、１つまたは複数の前記流通孔は前記積層造形法中に製造される。
【０００９】
本明細書および添付の請求項における用語「積層造形法」は、有用な３次元の造形品が結果として得られる任意の工程であって、前記造形品の形状を１層ずつ順次成形する工程を含む任意の工程を指す。積層造形法は、少数の特定造形品の作製に層ごとの構築工程が採用される場合、当該技術分野では「ラピッドプロトタイピング法」としても知られている。この積層造形法は、前記造形品の物理的および／または機械的な特性を強化する１若しくはそれ以上の成形後工程を含みうる。好適な積層造形法は、３次元転写法（Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｐｒｉｎｔｉｎｇ、略称「３ＤＰ」）および粉末焼結積層造形法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ、略称「ＳＬＳ」、別称「選択的レーザー焼結」）を含む。前記３ＤＰ工程の例は、Ｓａｃｈｓの２０００年３月１４日発行済み米国特許第６，０３６，７７７号などに見られる。前記ＳＬＳ工程の例は、Ｂｏｕｒｅｌｌらの１９９１年１２月３１日発行済み米国特許第５，０７６，８６９号などに見られる。本発明に係る積層造形法は、金属、高分子、セラミック、または複合材料からなる造形品の製造に使用できる。
【００１０】
本明細書および添付の請求項における用語「幅」は、流通孔の境界内部に延在し、前記流通孔の中心線に垂直な前記流通孔の断面内において前記流通孔の前記中心線を貫通する最短線を指す。本明細書および添付の請求項における用語「幅狭」は、幅が約０．２５ｃｍ以下であることを指す。本発明に関しては、この幅狭流体流通孔は約０．０２ｃｍ〜約０．２５ｃｍのサイズ範囲の幅を有することが好ましい。
【００１１】
用語「断面形状」は、本明細書において幅狭流体流通孔に言及して使用する場合、前記流通孔の中心線に局所的に垂直な平面内で前記流通孔の境界により画成される形状を指す。
【００１２】
先行技術と対照的に、本発明は、造形品を切断し再度組み立てることなく、１つまたは複数の前記幅狭流体流通孔をそれらが最も必要とされる場所に配置する自由を、造形品の設計者にもたらす。本発明は、造形品の設計者が１つまたは複数の前記流通孔の配向と複数の流通孔の配置密度との双方を最適化することも可能にする。例えば、本発明では、設計者がＥＰＳビーズ金型の流通孔を前記金型の開口部の方向と平行に配向できるため、成形されたＥＰＳ部品の取り外しが容易になり、また流通孔内へ押し出されるＥＰＳ材料により流通孔が詰まる可能性を低減できるようになる。本発明では、設計者は、大量の換気が必要な領域内で流通孔の配置密度を高くしつつ、比較的換気が必要でない領域では流通孔の配置密度を低くすることもできる。さらに、本発明によりもたらされる柔軟性により、設計者は、コンピュータで実行されるアルゴリズムを使用して流通孔の設計と配置とアレイ（配列）密度とを最適化できるようになる。このアルゴリズムを含むコンピュータプログラムは、流通孔を造形品に組み込む電子ファイルさえも作成でき、設計基準の選択後は、ほとんど、またはまったく人間が介入することなく、造形品をすべて転写可能にしうる。
【００１３】
さらに、大部分の穿孔技術では、設計者は丸い断面を有する１つまたは複数の幅狭流体流通孔を使用するように制限されるが、本発明では、四角形も含めた多種多様な断面形状の使用が可能になる。本発明は、設計者が流通孔の長手方向に沿って流通孔の断面形状および幅の双方を変更できるようにもする。また、流通孔の中心線が直線状でなければならず、また流通孔の長さが造形品の厚さだけに依存するという先行技術の制約からも設計者を解放する。その代わり、本発明では前記中心線の曲げまたは方向転換が可能になる。流通孔の断面形状、幅、長、配向、および中心線の曲率について本発明が提供するこの優れた柔軟性は、単独で、またいかなる所望の位置にもいかなるアレイ（配列）密度でも流通孔を配置できる本発明の容易性と組み合わせて、流通孔設計を流体および圧力の制御手段として使用するというかつてない機会を設計者にもたらす。
【００１４】
例えば本発明では、複雑な表面に位置した複数の幅狭流体流通孔を有する可変板厚の造形品において、各流通孔がその特定位置の特性を担うように構成することにより、各流通孔を流通する流体流量が均等になるようにできる。
【００１５】
本発明の異なる別の態様は、少なくとも１つの幅狭流体流通孔を含む造形品を提供することであり、その場合、前記造形品および１つまたは複数の前記幅狭流体流通孔は、積層造形法により同時に製造される。
【００１６】
本発明により製造される造形品は、特に消失模型鋳造法における模型、飲料用カップ、クリスマス装飾品、梱包材、救命具、および断熱材として使用するためのＥＰＳ成形発泡造形品の製造に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この項では、現時点で好適な本発明の実施形態をいくつかを、本発明を実施する上で当業者に十分な程度に詳細に説明する。ただし、本明細書で説明する現在好適な実施形態の数が限定されているからといって、添付の請求項に記載の本発明の範囲が限定されるものでは一切ないことを理解すべきである。
【００１８】
例示を明瞭および簡潔にするため、現時点で好適な実施形態の説明はＥＰＳビーズ金型の作製に関する説明だけに限定し、使用する積層造形法は３ＤＰ法とする。当業者であれば、本発明が、１若しくはそれ以上の幅狭流体流通孔を有する任意タイプの造形品を作製する工程であって、前記１若しくはそれ以上の幅狭流体流通孔は、前記造形品の層ごとの構築中、前記造形品内に１若しくはそれ以上の幅狭流体流通孔を含める上で適用可能な任意の積層造形法のサイズおよび材料能力の範囲内であるものである、工程を含むことが理解できるであろう。
【００１９】
従来のＥＰＳビーズ成形法では、２ピースからなる閉じたＥＰＳビーズ金型内に部分的に発泡したＥＰＳビーズを充填する。次に、ＥＰＳビーズ金型を取り囲むチャンバ内へ蒸気を導入する。蒸気がこのＥＰＳビーズ金型に設けられた複数の幅狭流体流通孔を通じて流通すると、部分的に発泡したＥＰＳビーズに含まれるペンタンなどの発泡剤が前記ビーズをさらに発泡させ、これらビーズはＥＰＳビーズ金型により画成された形状内で互いに融着する。この蒸気工程の完了後、ＥＰＳビーズ金型を取り囲むチャンバを減圧する、および／またはＥＰＳビーズ金型の外面に水をスプレーすることにより成形品を冷却する。次に、このＥＰＳビーズ金型を開き、成形された部品を取り外す。従来のＥＰＳビーズ成形法は、Ｂｉｓｈｏｐの１９９５年１０月３日発行済み米国特許第５，４５４，７０３号に開示されている。
【００２０】
ＥＰＳビーズ金型内に蒸気を流通させる流通孔の幅は、ビーズが流通孔を塞ぐのを防ぐため、またビーズが流通孔を通じて金型の空洞内から外へ出てしまうのを防ぐため、部分的に発泡したＥＰＳビーズのサイズより小さくなければならない。通常、部分的に発泡したＥＰＳビーズの直径は約０．０５ｃｍオーダーである。一部この小サイズのため、また一部ＥＰＳビーズ金型の空洞内に充填された部分的に発泡した全ＥＰＳビーズが蒸気と接触する必要があるため、ＥＰＳビーズ金型の表面にはできる限り多くの幅狭流体流通孔を配置することが望ましい。しかし、ＥＰＳビーズ金型の成形面の複雑な領域または凹部になった領域には穿孔ツールが届きにくいという問題があるため、従来のＥＰＳビーズ金型作製技術では流通孔配置の最適化が困難である。
【００２１】
本発明の一態様によれば、３ＤＰ工程などの積層造形法によるＥＰＳビーズ金型部品の製造中に、複数の幅狭流体流通孔をＥＰＳビーズ金型の各部分に組み込むことができる。
【００２２】
この３ＤＰ工程は、インクジェット転写に概念的に類似している。ただし、３ＤＰ工程では、インクの代わりに最上層である粉末床に結合剤を溶着する。この結合剤は、製造する造形品の３次元電子表現の２次元スライスに従って粉末層に転写される。このように、造形品全体が成形されるまで順次層を転写していく。前記粉末は、金属、セラミック、高分子、または複合材料を含有しうる。前記結合剤は、高分子および炭水化物の少なくとも一方を含有しうる。適切な結合剤の例は、Ｂｏｕｒｅｌｌらの１９９１年１２月３１日発行済み米国特許第５，０７６，８６９号，およびＬｉｕらの２００３年７月１日発行済み米国特許第６，５８５，９３０号に挙げられている。
【００２３】
転写された前記造形品は、通常、粉末の充填密度に応じて約３０体積パーセントから６０を超える体積パーセントまでの粉末と、約１０体積パーセントの結合剤とからなり、残りは空隙空間となる。この段階において、転写された造形品はやや脆弱である。そのため、転写された造形品の物理的および／または機械的な特性を強化するよう、転写後処理を実施する場合がある。通常、このような転写後処理には、転写した造形品を熱処理して結合剤を溶浸材で置換し、次にこの溶浸材を硬化または固化させることにより、望ましい物理特性および機械特性を有する高密度の造形品を製造する工程が含まれる。溶浸工程を使う場合は、溶浸により幅狭流体流通孔が塞がらないようにする必要がある。本発明に従い製造した造形品の流通孔を溶浸材が塞がないようにするには、積層造形品内に成形された冷却液の流路を溶浸材が閉塞させないようにする方法についてＳａｃｈｓらが１９９８年７月７日発行済み米国特許第５，７７５，４０２号で開示している技術を使用しうる。
【００２４】
積層造形法に使用する造形品の３次元電子表現は、通常、コンピュータ支援設計（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ、略称「ＣＡＤ」）ソフトウェアを使って作成する。３次元電子表現のＣＡＤファイルは、通常、当分野で光造形（ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ、別称「ステレオリソグラフィ」）ファイル形式、あるいは標準三角パッチ言語（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｔｒｉａｎｇｌｅ  ｌａｎｇｕａｇｅ、略称「ＳＴＬ」）とも呼ばれるファイル形式（ＳＴＬ形式）として公知の別のファイル形式に変換される。次に、このＳＴＬ形式ファイルは適切なスライスプログラムにより処理され、造形品の３次元電子表現を、造形品の２次元スライスとして表現したＳＴＬ形式ファイルへと変換する電子ファイルが生成される。スライスの厚さは、通常、約０．００８ｃｍ〜約０．０３ｃｍの範囲であるが、作製する造形品の設計基準と、使用する積層造形法とに応じてこの範囲と実質的に異なってもよい。これら種々の電子ファイルを作製するための適切なプログラムは、当業者には周知のものである。
【００２５】
以下、２ピースＥＰＳビーズ金型のうちの１ピースの作製について、本発明の一態様の実施を例示して説明する。本明細書において、ＥＰＳビーズ金型の各ピースは別個の造形品と見なされ、第２のピースは第１のピースと別個または同時に作製しうる。
【００２６】
まず、前記金型ピースの３次元電子表現をＣＡＤファイルとして作成し、次にＳＴＬ形式ファイルに変換する。次に、造形品が有すべき幅狭流体流通孔のアレイ（配列）の３次元電子表現のＣＡＤファイルを作成する。次に、この流通孔アレイのＣＡＤファイルを、ＳＴＬ形式のファイルに変換する。
【００２７】
当業者であれば、造形品および流通孔の各ＣＡＤファイルを作製する際には、製造工程中に起こりうる収縮など、いかなる寸法変更も考慮できるよう、前記造形品および流通孔の寸法を調整しなければならないことは理解できるであろう。例えば、特定造形品の３ＤＰ工程による製造中の収縮に関する補正を行う場合は、最終的に０．０４６ｃｍの直径を有すべき流通孔を直径０．０７１ｃｍで転写するよう構成しうる。
【００２８】
前記２つのＳＴＬ形式ファイルを比較し、個々の流通孔が造形品内で確実に望ましい位置になるようにする。これらのＳＴＬファイルには任意の望ましい補正または修正を施してよい。次に、前記２つのＳＴＬ形式ファイルを、流通孔の３次元表現を造形品の３次元表現から減算処理する２項減算など、ブール演算を実行する適切なソフトウェアプログラムを使って組み合わせる。このようなプログラムの例としては、Ｍａｇｉｃｓ  ＲＰソフトウェアがある（ベルギー、ＬｅｕｖｅｎのＭａｔｅｒｉａｌｉｓｅ  ＮＶ社から入手可能）。その結果得られた電子表現にも、望ましくない領域から流通孔を除去するといった所望の補正または修正を施すことができる。
【００２９】
このファイル組み合わせ工程の結果、望ましい幅狭流体流通孔アレイを含む造形品の３次元電子ファイルが得られる。本明細書ではこのような電子ファイルを「流通孔付き造形品３Ｄファイル」（３−Ｄ  ｖｅｎｔｅｄ−ａｒｔｉｃｌｅ  ｆｉｌｅ）と呼ぶ。次に従来のスライスプログラムを使い、この流通孔付き造形品３Ｄファイルを、２次元スライスとして表現された前記造形品を有する電子ファイルに変換する。本明細書ではこのような電子ファイルを「流通孔付き造形品２Ｄスライスファイル」（ｖｅｎｔｅｄ  ａｒｔｉｃｌｅ  ２−Ｄ  ｓｌｉｃｅ  ｆｉｌｅ）と呼ぶ。この流通孔付き造形品２Ｄスライスファイルについては、誤りがないかチェックし、また望ましい任意の補正または修正を施すことができる。次に、この流通孔付き造形品２Ｄスライスファイルが３ＤＰ工程機器で使用されて前記造形品の転写バージョンが作製されたのち、物理的および／または機械的な特性を改善するためさらに処理される。このような３ＤＰ工程機器の例としてはＰｒｏＭｅｔａｌ（登録商標）Ｍｏｄｅｌ  ＲＴＳ  ３００  ユニットがあり、これはＥｘｔｒｕｄｅ  Ｈｏｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社（米国、Ｉｒｗｉｎ、ＰＡ  １５６４２）から利用入手可能である。
【００３０】
以上の段落で開示した、１つまたは複数の望ましい幅狭流体流通孔を含む造形品の電子表現を作成する方法であって、造形品を層ごとに作製する際に積層造形法機器で使用可能な方法は、このような電子表現を作成する多数の方法の単なる１つであることを理解すべきである。実際に使用する特定の方法は設計者の裁量次第であり、造形品の複雑度およびサイズ、造形品に設ける幅狭流体流通孔の数、利用できるコンピュータ処理設備、そして１つまたは複数の電子ファイル処理に利用できる計算時間長といった要因に依存する。例えば、単純な造形品が幅狭流体流通孔を１つだけ包含する場合は、この造形品の３次元電子表現を含む初期ＣＡＤファイルに前記流通孔を含めると作業を迅速化しうる。他では、流通孔アレイおよび造形品のＳＴＬファイルを組み合わせる前に相互比較する工程だけを排除することが望ましい場合もある。当業者であれば、一部の積層造形法ではスライス工程が利用者に明白でない（意識されない）ことがあり、その場合、利用者がオブジェクトの３次元表現のＣＡＤファイルまたはＳＴＬファイルを処理機器に入力するだけで、造形品を層ごとに構築するための２次元スライス生成に必要な追加演算が前記機器により自動的に実行される場合もあることが理解できるであろう。その場合でも、このような工程での前記スライス演算は実行される。１つまたは複数の幅狭流体流通孔を有する造形品の電子表現を作成する上で積層造形法機器において利用可能な考えうる変形形態は、すべて本発明の企図内であることを理解すべきである。
【００３１】
本発明において、設計者は、コンピュータで実行されるアルゴリズムを使用して流通孔の設計と配置とアレイ密度とを最適化することができる。このアルゴリズムを含むコンピュータプログラムは、上記の方法などで流通孔を造形品に組み込むための電子ファイルを作成する際にも使用することもできる。また、造形品が転写されるようにする目的でも使用しうる。このように、本発明のこの態様では、設計基準を選択さえすれば人間がほとんど、またはまったく介入することなく設計基準から造形品転写までのすべてが行えるようになる。このようなアルゴリズムおよびそれに関連して実行するソフトウェアの設計は、流体力学、造形品設計、機械自動化、およびコンピュータプログラミングの原理を総合すれば当業者の技能内である。
【００３２】
本発明の異なる別の態様では、少なくとも１つの幅狭流体流通孔を含む造形品を提供し、その場合、前記造形品および１つまたは複数の前記幅狭流体流通孔は、積層造形法により同時に製造される。このような造形品の例としては、これに限定されるものではないが、ＥＰＳビーズ金型およびその一部、流通孔付き射出成形金型、真空成形ツール、熱伝導装置、衝撃吸収装置などに使用される流体調整装置などがある。
【００３３】
本発明の異なる別の態様は、各幅狭流体流通孔の幾何学的形状に関してほぼ無制限の柔軟性を可能にする。例えば図２は、種々の流通孔構成を有した、本発明に係る造形品の壁の断面を一部示したものである。この造形品の壁１０は厚さが変化し、幅狭流体流通孔例１２〜３２は、それぞれ異なる幾何学的構成を有する。本発明に従って作製された流通孔は、分岐孔２０、２２、２４、および２６を有する流通孔例１８で例示したように分岐させることさえ可能である。
【００３４】
分岐した流通孔は、これに限定されるものではないが、幹−分岐孔関係が１対ｎまたはｎ対１の流通孔を含みうる。さらに本発明に従って作製された流通孔は、流通孔例１６および２８で例示したように非直線状の中心線を有しうる。
【００３５】
さらに、幅狭流体流通孔に望ましいいかなる断面形状も本発明によれば達成可能である。ほどんどの先行技術では断面形状が実質的に丸い単一断面形状に限定されるが、本発明において、設計者はこの制約を免れるだけでなく、異なる断面形状の流通孔を造形品内で使用することも可能になる。また本発明者は、流通孔の断面形状を丸くせず、むしろ六角形や正方形など多角形にした方が、電子ファイルのサイズと、流通孔単独の表現または（１００以上といった多数の流通孔を有する造形品の場合）造形品の一部としての流通孔の表現を含む前記電子ファイルの処理時間とが、実質的に削減されるという驚くべき結果が見出された。
【００３６】
例えば図３を参照すると、本発明に係る造形品の流通孔付きの平坦な表面４０について小さい部分が示されている。この流通孔付き表面４０は、幅狭流体流通孔４２〜５０を５つ含んでいる。流通孔４２は丸い断面形状を有し、流通孔４４は三角形の断面形状を有し、流通孔４６は正方形の断面形状を有し、流通孔４８は長方形の断面形状を有し、さらに流通孔５０は六角形の断面形状を有している。
【００３７】
当業者であれば、本発明の企図内の造形品は他の方法で作製された幅狭流体流通孔を有する造形品と区別できることが理解できるであろう。例えば一部のケースでは、このような造形品は、他のいかなる製造手段でも実現しえない１つまたは複数の流通孔の配置および配向により区別しうる。これは、先行技術による流通孔の配置および配向が穿孔ツールのアクセスしやすさにより制限されているのに対し、本発明では流通孔を造形品のどこにでも配置でき、またいかなる方向にも配向できるためである。このような造形品は、１つまたは複数の流通孔の断面形状によっても区別しうる。これは、大部分の先行技術方法では流通孔の断面形状が丸い形状に実質的に限定されるのに対し、本発明によれば四角形を含めいかなる形状も可能なためである。このような造形品は個々の流通孔の壁の質感によっても区別しうる。これは、穿孔手段で作製した流通孔の壁は、使用した流通孔成形方法の痕跡を呈するのに対し、本発明に従い作製した流通孔の壁は、造形品製造で使用される層ごとの構築工程に特徴的な質感を呈するためである。
【００３８】
幅狭流体流通孔を含む造形品であって、前記造形品および前記流通孔が積層造形法により同時に作製された造形品の例を図１Ａに示す。この図に示した造形品は４気筒エンジンヘッドの消失模型模型の作製に使用するＥＰＳビーズ金型の上半分である。この金型の半分２は複雑な金型表面４を有し、転写段階では長さ７４．６ｃｍ、幅４９．４ｃｍ、厚さ４．６ｃｍである。この金型の半分２は、２７，０００個を超える幅狭流体流通孔６を含んでいる。前記流通孔６は、それぞれ四角形の断面を有し、幅は０．０５ｃｍである。図１Ｂは、これらの流通孔６をよりわかりやすく例示するため、前記金型の半分２の前記金型表面４の小部分の拡大図を示したものである。これらの流通孔６は、すべてこのＥＰＳビーズ金型の開口部方向８、すなわち図１Ａのページへ向かう方向に配向されている。転写されたこの金型の半分２は、−１７０メッシュ／＋３２５メッシュの粒子サイズを有するグレード４２０のステンレス鋼粉末および転写結合剤を使った３ＤＰ工程で作製されたものである。この転写結合剤ＰｒｏＭｅｔａｌ（登録商標）ＳＢＣ−１は、Ｅｘｔｒｕｄｅ  Ｈｏｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社（米国、Ｉｒｗｉｎ、ＰＡ  １５６４２）から入手可能な炭水化物／アクリル結合剤である。
【００３９】
次に、物理的および機械的な特性を強化するため、この転写された造形品を９０重量パーセントの銅と１０重量パーセントのスズ青銅合金とで溶浸した。この溶浸工程中、転写された前記造形品をこの転写された造形品への溶浸材源より高くして溶浸の毛管力と前記溶浸材の静的出口圧力とで平衡をとるよう制御することにより、前記溶浸材が実質的に前記流通孔内へ流れ込まないようにした。この高さ制御技術により、前記流通孔６を前記溶浸材で閉塞することなく、あるいは前記流通孔６を小さくすることなく、前記造形品を完全に溶浸することが可能になった。この高さ制御技術の代わりに、またはそれに加え、前記流通孔が塞がらないよう、また前記溶浸材により小さくならないように使用できる異なる別の技術は、前記流通孔６の内面積が溶浸材により多少狭まることを想定して前記流通孔６を大型化することである。
【００４０】
前記金型表面４は、比較的わずかな仕上げ作業で望ましい表面に仕上げることができた。
【００４１】
以上、本明細書に示し説明した本発明の実施形態はわずか少数であるが、当業者であれば、付随の請求項に説明されている本発明の要旨を逸脱しない範囲で、多数の変更および修正が可能であることが明確に理解されるであろう。本明細書で言及したすべての米国特許は、言及によりその全体を本明細書に組み込まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
本発明の特徴および利点の重要度は、添付の図面を参照することでより理解されるであろう。ただし、これらの図面は例示目的のみで設計されたものであり、本発明の限定の定義として設計されたものではないことを理解すべきである。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に従って作製された幅狭流体流通孔を有するＥＰＳビーズ金型の半分の上面図。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＥＰＳビーズ金型の流通孔付き金型表面の小部分の上面図。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従った種々の幅狭流体流通孔構成を有する造形品壁の断面図。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従った種々の断面形状の幅狭流体流通孔を有する造形品の平面の上面図。
【図１Ａ】
2007504977.tif 000003
【図１Ｂ】
2007504977.tif 000004
【図２】
2007504977.tif 000005
【図３】
2007504977.tif 000006
【国際調査報告】
2007504977.tif 000007
2007504977.tif 000008
2007504977.tif 000009
2007504977.tif 000010
2007504977.tif 000011