(57)【要約】      （修正有）【課題】硬化時間の減少及びスループットの増加を可能にするバインダ溶液を用いた付加製造方法、およびバインダ溶液を提供する。【解決手段】作業面２０４上に粉末２０２の層を堆積させるステップと、１気圧において沸点が１００℃を超え１７５℃以下である０．１重量％から５重量％の非水性溶媒を含む水系バインダ溶液２０６を選択的に堆積させるステップであって熱可塑性バインダ２１６が、第１の官能基を有する第１のポリマーストランド２２０と第２の官能基を有する第２のポリマーストランド２２２とを含有するステップと、前記第１のポリマー鎖２２０と第２のポリマー鎖２２２とを、第１及び第２の官能基の間の相互作用を介して互いに非共有結合させてグリーン体部品を形成するステップと、を有する、製造方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末（２０２）の層を作業面（２０４）上に堆積させるステップと、
１気圧において沸点が１００℃を超え１７５℃以下である０．１重量％から５重量％の非水系溶媒と、熱可塑性バインダ（２１６）とを含む水系バインダ溶液（２０６）を、部品の構造を表すパターンで粉末の層中に選択的に堆積させステップであって、前記熱可塑性バインダ（２１６）が、第１の官能基を有する第１のポリマー鎖（２２０）と、第１の官能基とは異なる第２の官能基を有する第２のポリマー鎖（２２２）とを含有するステップと、
前記第１のポリマー鎖（２２０）と第２のポリマー鎖（２２２）とを、第１及び第２の官能基の間の相互作用を介して互いに非共有結合させてグリーン体部品を形成するステップと、
を有する、製造方法。
【請求項２】
前記非水系溶媒が、前記水系バインダ溶液（２０６）中に２重量％〜４重量％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記非水系溶媒が、２−メトキシエタノール、ブタノール、２−ブタノール、テルト−ブタノール、１−メトキシ−２−プロパノール、２−ブトキシエタノール、イソアミルアルコール、イソブチルアルコール、エチレングリコールブチルエーテル、又はこれらの組合せを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水系バインダ溶液（２０６）が、８ｃＰ〜１２ｃＰの粘度を有する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のポリマー鎖（２２０）が、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
グリーン体部品の周辺の粉体層（２０２）から非結合粒子を除去するステップと、
グリーン体部品を移動させるステップと、
グリーン体部品の熱可塑性バインダ（２１６）を硬化させるステップと、
を更に有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記熱可塑性バインダ（２１６）を硬化させるステップが、前記熱可塑性バインダ（２１６）を１０時間未満の時間硬化させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
第１の官能基を有する第１のポリマー鎖（２２０）と、第２の官能基を有する第２のポリマー鎖（２２２）とを含み、第１及び第２の官能基が、第１及び第２のポリマー鎖（２２０、２２２）を非共有結合的に結合するように構成されている熱可塑性バインダ（２１６）と、
１気圧での沸点が１００℃を超え１７５℃以下の１重量％〜５重量％の非水系溶媒と、
水と、を含有する、付加製造方法に使用するための水系バインダ溶液（２０６）。
【請求項９】
非水系溶媒が２重量％〜４重量％の量で存在する、請求項８に記載の水系バインダ溶液（２０６）。
【請求項１０】
前記非水系溶媒が、１気圧での沸点が１５０℃以上１７５℃以下である第１の非水系溶媒であり、
前記水系バインダ溶液が更に１気圧での沸点が１１５℃以上１５０℃以下である第２の非水系溶媒を含有し、
前記水系バインダ溶液（２０６）の総重量に基づいて前記第１の非水系溶媒は、１重量％〜３重量％の量で存在し、前記第２の非水系溶媒は、２重量％〜７重量％の量で存在する、
請求項８に記載の水系バインダ溶液（２０６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、付加製造に関し、より詳細には、付加製造プロセスで使用するための水系バインダに関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造は、３Ｄプリンティングとも呼ばれ、素材を層ごとに構築して立体的な部品を形成するプロセスである。バインダ噴射は、粉体の粒子を接合して立体的な部品を形成するためにバインダを用いることを基本とした付加製造技術である。特に、バインダはプリントヘッドからビルドボリューム内の粉体の連続した層上に噴射され、そこで粉体とバインダの層が互いに接着してグリーン体部品を形成する。用途によっては、グリーン体部品が最終用途に適している。他の用途においては、バインダの除去や粉末の焼結のような後処理が、グリーン体部品を完成した立体的な部品に変換するために必要となる場合がある。
【０００３】
多くのバインダ噴射付加製造プロセスは、液体バインダを固体に変態させるための「硬化」工程を必要とするバインダ材料システムを使用する。従来のバインダ溶液は、長い硬化時間を必要とする場合があり、これは、立体的な部品をプリントするために必要な総時間を増加させる可能性がある。硬化時間が増加すると、付加製造装置のスループット、したがって生産性が低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、硬化時間の減少及び付加製造装置のスループットの増加を可能にする代替バインダ溶液の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示された種々の実施形態は、熱可塑性バインダと１００℃を超える沸点を有する非水系溶媒とを含有する水系バインダ溶液を提供することによってこれらのニーズを満たす。配合物は、従来のバインダと比較して、溶媒のより速い気化、従って硬化を可能にする一方で噴射に適した粘度を有する。さらなる特徴及び利点は、以下により詳細に説明される。
【０００６】
本明細書に開示された第１の態様によれば、付加製造方法は、粉末の層を作業面上に堆積するステップと、沸点が１気圧で１００℃よりも高く１７５℃以下である非水系溶媒の０．１重量％〜５重量％と、熱可塑性バインダとを含む水系バインダ溶液を、部品の構造を表すパターンで粉末の層に選択的に堆積するステップであって、熱可塑性バインダが、第１の官能基を有する第１のポリマー鎖(polymer strand)と、第１の官能基とは異なる第２の官能基を有する第２のポリマー鎖とを含有するステップと、を有する。この方法は、さらに、第１及び第２の官能基間の相互作用を介して第１及び第２のポリマー鎖を互いに非共有結合させてグリーン体部品を形成するステップを含む。
【０００７】
本明細書に開示された第２の態様によれば、製造方法は、第１の態様に係る方法において非水系溶媒が２重量％〜４重量％の量で水系バインダ溶液中に存在する方法を含む。
【０００８】
本明細書に開示された第３の態様によれば、製造方法は、第１又は第２の態様に係る方法において、非水系溶媒が２−メトキシエタノール、ブタノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、１−メトキシ−２−プロパノール、２−ブトキシエタノール、イソアミルアルコール、イソブチルアルコール、エチレングリコールブチルエーテル、又はそれらの組み合わせを包含する方法を含む。
【０００９】
本明細書に開示された第４の態様によれば、製造方法は、第１〜第３の態様のいずれか１つに係る方法において水系バインダ溶液が８ｃＰ〜１２ｃＰの粘度を有する方法を含む。
【００１０】
本明細書に開示された第５の態様によれば、製造方法は、第１〜第４の態様のいずれか１つに係る方法において第１のポリマー鎖が７０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有する方法を含む。
【００１１】
本明細書に開示された第６の態様によれば、製造方法は、第１〜第５の態様のいずれか１つに係る方法において第１のポリマー鎖が１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜２３，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有する方法を含む。
【００１２】
本明細書に開示された第７の態様によれば、製造方法は、第１〜第６の態様のいずれか１つに係る方法において前記グリーン体部品の周囲の粉体層から未結合粒子を除去するステップと、前記グリーン体部品を再配置するステップと、前記グリーン体部品内の熱可塑性バインダを硬化させるステップとを包含する方法を含む。
【００１３】
本明細書に開示された第８の態様によれば、製造方法は、第７の態様に係る方法において熱可塑性バインダを硬化させることが熱可塑性バインダを１０時間未満の時間硬化させる方法を含む。
【００１４】
本明細書に開示された第９の態様によれば、グリーン体部品は、水系バインダ溶液によって結合された粉末から形成された複数の層を含み、各層は、第１の官能基を有する第１のポリマー鎖と第１の官能基とは異なる第２の官能基を有する第２のポリマー鎖とを含む熱可塑性バインダと、１気圧での沸点が１００℃を超え１７５℃以下である非水系溶媒０．１質量％から５質量％と、を有し、第１のポリマー鎖が第１及び第２の官能基を介して第２のポリマー鎖に非共有結合で結合している水系バインダ溶液によって結合された粉末から形成されている。
【００１５】
本明細書に開示された第１０の態様によれば、グリーン体部品は、第９の態様に係るグリーン体部品において、前記第１のポリマー鎖の平均分子量が７０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌであるものを含む。
【００１６】
本明細書に開示された第１１の態様によれば、グリーン体部品は、第９又は第１０の態様によるグリーン体部品において第１のポリマー鎖が１３，０００ｇ／ｍｏｌから２３，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有するものを含む。
【００１７】
本願明細書に開示された第１２の態様によれば、第９〜第１１の態様のいずれか１つに係るグリーン体部品において、前記第２のポリマー鎖の平均分子量が１００ｇ／ｍｏｌ〜５０００ｇ／ｍｏｌであるものを含む。
【００１８】
本願明細書に開示された第１３の態様によれば、第９〜第１２の態様のいずれか１つに係るグリーン体部品において、前記第２のポリマー鎖の平均分子量が５００ｇ／ｍｏｌ〜５０００ｇ／ｍｏｌであるものを含む。
【００１９】
本明細書に開示された第１４の態様によれば、第９から第１３の態様のいずれか１つに係るグリーン体部品において、第１のポリマー鎖が、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）、その誘導体及びこれらの組合せからなる群から選択され、第２のポリマー鎖が、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルメチルエーテル−無水マレイン酸（ＰＶＭＥ−ＭＡ）、これらの誘導体、及びこれらの組合せからなる群から選択されたものを含む。
【００２０】
本明細書に開示された第１５の態様によれば、付加製造に使用される水系バインダ溶液は、第１の官能基を有する第１のポリマー鎖と、第２の官能基を有する第２のポリマー鎖とを含有する熱可塑性バインダであって、第１及び第２の官能基は、第１及び第２のポリマー鎖を非共有結合で結合するように構成された熱可塑性バインダと、を超える沸点を有し、１気圧において１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有する非水系溶媒１重量％から５重量％と、水と、を含有する。
【００２１】
本明細書に開示された第１６の態様によれば、第１５の態様に係る水系バインダ溶液において、非水系溶媒が２重量％〜４重量％の量で存在するものを含む。
【００２２】
本明細書に開示された第１７の態様によれば、水系バインダ溶液は、第１５又は第１６の態様に係る水系バインダ溶液において８ｃＰ〜１２ｃＰの粘度を有するものを含む。
【００２３】
本明細書に開示された第１８の態様によれば、第１５〜第１７の態様のいずれか１つに係る水系バインダ溶液において非水系溶媒が１気圧で１７５℃未満の沸点を有するものを含む。
【００２４】
本明細書に開示された第１９の態様によれば、第１５〜第１８の態様のいずれか１つに係る水系バインダ溶液において、前記非水系溶媒が１気圧において沸点が１５０℃以上１７５℃以下である第１の非水系溶媒であり、前記水系バインダ溶液は、更に、１気圧において沸点が１１５℃以上１５０℃以下である第２の非水系溶媒を含み、前記水系バインダ溶液の総重量に対して第１の非水系溶媒は１重量％〜３重量％の量で存在し、第２の非水系溶媒は２重量％〜７重量％の量で存在するものを含む。
【００２５】
本明細書に開示される第２０の態様によれば、第１５〜第１９の態様のいずれか１つに係る水系バインダ溶液において１７５℃を超える沸点を有する溶媒を含まないものを包含する。
【００２６】
本明細書に開示される実施形態のさらなる特徴及び利点は、詳細な説明に記載されるであろう。この詳細な説明には、以下の記載があり、その一部は、添付図面と同様に、本明細書に記載されるように開示される実施形態を実用化することによって、当業者にとって容易に明らかになるであろう。
【００２７】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方が、特許請求の範囲に記載された実施形態の性質及び特徴を理解するための概観又はフレームワークを提供することを意図した実施形態であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に係る熱可塑性バインダを含む水系バインダ溶液を用いた付加製造による部品の製造の例示的な方法のフロー図である。
【図２】図１の方法による部品の製造に使用される付加製造装置の一実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
ここで、本開示の現在の好ましい実施形態を詳細に参照する。その実施例は添付図面に図示されている。可能な限り、同一又は同様の部品を指すために、図面の全体にわたって同一の参照番号を使用する。しかしながら、この開示は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。
【００３０】
本明細書では、範囲は、「約」１つの特定の値から且つ／又は「約」他の特定の値までとして表すことができる。そのような範囲が表されるとき、他の実施形態は、１つの特定の値及び／又は他の特定の値を含む。同様に、値が、例えば、先行する「約」の使用によって近似として表されるとき、特定の値が他の実施形態を形成することが理解されるであろう。範囲の始点及び終点は、それぞれ他方の点との関連において重要な意味を持ち、且つ、当該他方の点とは独立した意味を有している。
【００３１】
本明細書で使用される方向用語−例えば、上、下、右、左、前、後、上、下−は、描画されるような図を参照してのみ作成され、絶対的な向きを意味するものではない。
【００３２】
本明細書で使用されるように、特異形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が他の点を明確に指示しない限り、複数の言及を含み、従って、例えば、「ａ」構成要素への言及は、文脈が他の点を明確に示さない限り、２つ以上のそのような構成要素を有する態様を含む。
【００３３】
本明細書で使用される「非共有結合」とは、第１及び第２官能基が相互作用又は結合などの弱い非共有結合力を介して相互作用し、熱可塑性ポリマー鎖をリンク又は他の方法で結合することを意味する。本明細書で使用されるように、「弱い非共有結合力」という用語は、水素結合、イオン結合、ファンデルワールス力などを示すことを意図している。
【００３４】
ここでいう「グリーン体金属部品」及び「グリーン体部品」とは、化学バインダを除去するための熱処理を施していない部品を示し、ここでいう「ブラウン体金属部品」及び「ブラウン体部品」とは、化学バインダを除去するための熱処理を施した部品を示し、ここでいう「金属部品」とは、金属材料を有する部品をいう。種々の実施形態が金属部品の文脈で説明されるが、本明細書に記載されるバインダ溶液は、ポリマー部品及びセラミック部品を含むがこれに限定されない多種多様な部品に適用可能である。
【００３５】
本明細書で使用する「水」という用語は、特に断らない限り、純水、蒸留水、水道水を含む。実施形態において、水は、ＡＳＴＭ  Ｄ１１９３タイプＩＶ水以上である。
【００３６】
多くのバインダ噴射付加製造プロセスでは、化学バインダ（例えば、ポリマー接着剤）を用いて、粉体の層を互いに結合し、立体的な物体を形成する。化学バインダは、例えば、製造される部品の構造を表すパターンで粉末床上に選択的に堆積されるポリマー接着剤であってもよい。多くのバインダ材料システムは、液体バインダを固体に変態させるために、プリント後に「硬化」（例えば、熱、光、水分、溶媒蒸発などを介して）を必要とする。しかしながら、硬化時間によって物体をプリントするために必要な総時間が著しく長くなる可能性があり、その結果、付加製造装置のスループットが減少する。
【００３７】
従って、本明細書に記載される種々の実施形態は、熱可塑性バインダを含む水系バインダ溶液と、１気圧で１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有する非水系溶媒とを含む。水系バインダ溶液の蒸気圧の増加は、プリント中の層毎のより速い乾燥をもたらし、それは、今度は、従来のバインダ溶液と比較して、付加製造装置によるより高いスループットを可能にし得る。これらの利点及び付加的な利点については、以下により詳細に説明する。
【００３８】
上述のように、種々の実施例では、水系バインダ溶液は、熱可塑性バインダと、１気圧で１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有する非水系溶媒とを含む。粉末の層に堆積される場合、以下でより詳細に説明するように、熱可塑性バインダは、連続した層を結合し、グリーン体部品の構造の完全性が、脱粉末や作業面からの部品の除去のようなポストプリンティングプロセスの間に影響されないように、ある程度の強度を部品に提供する。
【００３９】
種々の実施形態では、熱可塑性バインダは、第１のポリマー鎖及び第２のポリマー鎖を含む。実施形態において、熱可塑性バインダは、酸素（Ｏ２）の存在を必要とせず（例えば、真空、不活性又は還元性雰囲気で）、一般的に非常に低いチャー収率で分解する熱可塑性バインダであり、従って、実施形態において、熱可塑性バインダは、焼結中に、部品から清浄かつ容易に除去され、熱可塑性バインダ及び金属酸化物及びチャーを含むがこれに限定されない、プリントされた金属部品の熱処理中に生成され得る分解生成物を実質的に含まない圧密化部品を生成し得る。
【００４０】
第１のポリマー鎖は、少なくとも第１の官能基を有する。第１の熱可塑性ポリマー鎖の官能基は、例として、水素結合ドナー、水素結合アクセプタ、負に荷電した基、正に荷電した基、又はこれらの組み合わせを含み得るがこれらには限定されない。実施形態において、第１のポリマー鎖の第１の官能基は、熱可塑性バインダの第２のポリマー鎖の官能基を補完して、第１及び第２のポリマー鎖の非共有結合を容易にする。例えば、種々の実施形態では、第１の官能基は、ポリマー鎖の骨格に組み込まれ、第１及び第２のポリマー鎖の弱い、非共有結合（例えば、水素結合）を可能にするヒドロキシル基、カルボキシラート基、アミン、チオール、アミド、又は他の適切な官能基から選択される。
【００４１】
種々の実施形態では、第１のポリマー鎖は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアミド、ポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）、ポリビニルメチルエーテルマレイン酸（ＰＶＭＥ−ＭＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、これらの誘導体、及びこれらの組み合わせなどのポリマーを含むが、これらに限定されない。実施形態において、第１のポリマー鎖は、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量（Ｍｗ即ち重量平均）を有する。第１のポリマー鎖は、例えば、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌ、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜３０，０００ｇ／ｍｏｌ、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜２５，０００ｇ／ｍｏｌ、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜２３，０００ｇ／ｍｏｌ、９，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌ、９，０００ｇ／ｍｏｌ〜３０，０００ｇ／ｍｏｌ、９，０００ｇ／ｍｏｌ〜２５，０００ｇ／ｍｏｌ、９，０００ｇ／ｍｏｌ〜２３，０００ｇ／ｍｏｌ、１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌ、１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜３０，０００ｇ／ｍｏｌ、１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜２５，０００ｇ／ｍｏｌ、１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜２３，０００ｇ／ｍｏｌ、２３，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌ、２３，０００ｇ／ｍｏｌ〜３０，０００ｇ／ｍｏｌ、２３，０００ｇ／ｍｏｌ〜２５，０００ｇ／ｍｏｌ、２５，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌ、２５，０００ｇ／ｍｏｌ〜３０，０００ｇ／ｍｏｌ、又は３０，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌ、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む平均分子量を有する。
【００４２】
第１のポリマー鎖は、水系バインダ溶液中に、水系バインダ溶液の総重量に基づいて１重量％〜１５重量％、１重量％〜１０重量％、１重量％〜７重量％、３重量％〜１５重量％、３重量％〜１０重量％、又は３重量％〜７重量％、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む量で存在する。
【００４３】
第２のポリマー鎖は、少なくとも第１のポリマー鎖の第１の官能基とは異なる第２の官能基を有する。第２の熱可塑性ポリマー鎖の官能基は、例として挙げると、水素結合ドナー、水素結合アクセプタ、負に荷電した基、正に荷電した基、又はそれらの組み合わせを含み得るが、これらには限定されない。実施形態において、第２のポリマー鎖の第２の官能基は、熱可塑性バインダの第１のポリマー鎖の第１の官能基を補完して、第１及び第２のポリマー鎖の非共有結合を容易にする。種々の実施形態において、第２の官能基は、例えば、第１及び第２のポリマー鎖の弱い、非共有結合を可能にするヒドロキシル基、カルボキシラート基、アミン、チオール、アミド、又は他の適切な官能基から選択され得る。
【００４４】
種々の実施形態では、第２のポリマー鎖は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリメタクリル酸（ＰＭＡＡ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）、これらの誘導体、及びこれらの組み合わせなどのポリマーを含むが、これらに限定されない。実施形態において、第２のポリマー鎖は、１００ｇ／ｍｏｌ〜１０，０００ｇ／ｍｏｌ、又は５００ｇ／ｍｏｌ〜１０，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量（Ｍｗ又は重量平均）を有する。第２のポリマー鎖は、例えば、１００ｇ／ｍｏｌ〜１０，０００ｇ／ｍｏｌ、１００ｇ／ｍｏｌ〜５，０００ｇ／ｍｏｌ、５００ｇ／ｍｏｌ〜１０，０００ｇ／ｍｏｌ、５００ｇ／ｍｏｌ〜５，０００ｇ／ｍｏｌ、又は５，０００ｇ／ｍｏｌ〜１０，０００ｇ／ｍｏｌ、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む平均分子量を有する。
【００４５】
実施形態において、第２のポリマー鎖として選択される特定のポリマーは、第１のポリマー鎖として選択される特定のポリマーに応じて変えることができる。例えば、第１のポリマー鎖をＰＶＡとすることができ、第２のポリマー鎖をＰＡＡとすることができる。官能基が互いに非共有結合を形成することができるならば、他の重合体の組合せを使用することができる。例えば、実施形態において、官能基の１つは水素ドナーであるが、他の官能基は水素アクセプタである。
【００４６】
第２のポリマー鎖は、水系バインダ溶液中に、水系バインダ溶液の全重量に基づいて０．５質量％〜１０質量％、０．５質量％〜９質量％、０．５質量％〜８質量％、０．５質量％〜７質量％、０．５質量％〜６質量％、０．５質量％〜５質量％、又は１質量％〜５質量％、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む量で存在する。
【００４７】
第１のポリマー鎖及び第２のポリマー鎖は、第１のポリマー鎖と第２のポリマー鎖との間の適当な結合度を可能にする量で水系バインダ溶液中に含まれ、ポストプリンティング工程中の取り扱いに適したグリーン強度を有するグリーン体部品を創成する。さらに、第１のポリマー鎖及び第２のポリマー鎖は、水系バインダ溶液がレオメータを用いて約２センチポアズ（ｃＰ）〜約４０ｃＰの粘度を有するような量で存在する。実施形態において、水系バインダ溶液は、２ｃＰ〜４０ｃＰ、２ｃＰ〜３５ｃＰ、２ｃＰ〜３０ｃＰ、２ｃＰ〜２５ｃＰ、２ｃＰ〜２０ｃＰ、２ｃＰ〜１５ｃＰ、２ｃＰ〜１２ｃＰ、４ｃＰ〜４０ｃＰ、４ｃＰ〜３５ｃＰ、４ｃＰ〜３０ｃＰ、４ｃＰ〜２５ｃＰ、４ｃＰ〜２０ｃＰ、４ｃＰ〜１５ｃＰ、４ｃＰ〜１２ｃＰ、６ｃＰ〜４０ｃＰ、６ｃＰ〜３５ｃＰ、６ｃＰ〜３０ｃＰ、６ｃＰ〜２５ｃＰ、６ｃＰ〜２０ｃＰ、６ｃＰ〜１５ｃＰ、６ｃＰ〜１２ｃＰ、８ｃＰ〜４０ｃＰ、８ｃＰ〜３５ｃＰ、８ｃＰ〜３０ｃＰ、８ｃＰ〜２５ｃＰ、８ｃＰ〜１５ｃＰ、８ｃＰ〜１２ｃＰ、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む粘度を有する。種々の実施形態において、第１のポリマー鎖と第２のポリマー鎖との重量％比は、１：１、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１、８：１、１０：１、又は任意の他の適当な比である。特定の実施形態において、第１のポリマー鎖は、４重量％〜６重量％の量で存在し、第２のポリマー鎖は、１重量％〜２重量％の量で存在し、重量％の比率は、６：１〜２：１である。
【００４８】
種々の実施形態では、熱可塑性バインダは、水系バインダ溶液の総重量に基づいて１．５重量％以上の量で水系バインダ溶液中に存在する。熱可塑性バインダは、水系バインダ溶液の総重量に基づいて例えば１．５重量％以上２５重量％以下、２重量％以上２０重量％以下、４重量％以上１５重量％以下、又は５重量％以上１２重量％以下の量で存在してもよい。
【００４９】
水系バインダ溶液は、熱可塑性バインダに加えて、１気圧で１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有するである非水系溶媒を含有する。非水系溶媒は、一般に非反応性（例えば、不活性）であって粉末材料、熱可塑性バインダ、又は水系バインダ溶液に含まれ得る他の添加物とは反応しない。非水系溶媒は、例えば２−メトキシエタノール、ブタノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、１−メトキシ−２−プロパノール、２−ブトキシエタノール、イソアミルアルコール、イソブチルアルコール、エチレングリコールブチルエーテル、又はそれらの組み合わせであり得るが、これらには限定されない。実施形態において、２次溶媒の選択は、ＩＲランプのエネルギによる気化の容易さに基づいて選択され、エチレングリコールのような高沸騰溶媒を含む対照バインダと比較して、フル・ビルド・ボックス・ビルド（full build box builds）において機械上での硬化（例えば、７５〜１３０℃で４〜８時間）又は通常のオーブンでの後硬化（例えば、１５０〜１７０℃で４〜８時間）の何れよりも少ない後硬化時間（５０％以下）を可能にすることができる。更に、特定の非水系溶媒は、少なくとも部分的に、第１及び第２のポリマー鎖及び水系バインダ溶液に含まれ得る他の添加剤に基づいて選択され得る。
【００５０】
種々の実施形態において、非水系溶媒は、１００℃を超え１７５℃以下、１２５℃以上１７５℃以下、１５０℃以上１７５℃以下、又は１６５℃以上１７５℃以下、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む沸点を有する。
【００５１】
理論に拘束されないが、沸点が１００℃を超える非水系溶媒の使用を制限することは、水系バインダ溶液の蒸気圧を増加させ、水系バインダ溶液の粘度及びウィッキング特性を維持しつつ、硬化エネルギー要求を減少させることができると考えられる。しかし、沸点が１７５℃を超える溶媒は、一般に後硬化の時間を最大５０％増加させることがわかった。したがって、種々の実施形態では、非水系溶媒は、水系バインダ溶液の総重量に基づいて０．１重量％〜６重量％の量で水系バインダ溶液に含まれる。非水系溶媒は、例えば、０．１ｗｔ％〜６ｗｔ％、０．１ｗｔ％〜５ｗｔ％、０．１ｗｔ％〜４ｗｔ％、１ｗｔ％〜６ｗｔ％、１ｗｔ％〜５ｗｔ％、１ｗｔ％〜４ｗｔ％、２ｗｔ％〜６ｗｔ％、２ｗｔ％〜５ｗｔ％、又は２ｗｔ％〜４ｗｔ％、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む量で水系バインダ溶液に含まれ得る。さらに、実施形態においては、水系バインダ溶液は、１気圧において、沸点が２００℃より高い溶媒、１９５℃より高い溶媒、１９０℃より高い溶媒、１８５℃より高い溶媒、１８０℃より高い溶媒、又は１７５℃より高い溶媒を含まない。
【００５２】
ある実施形態において、水系バインダ溶液は、沸点が１５０℃以上１７５℃以下の第１の非水系溶媒及び沸点が１１５℃以上１５０℃以下の第２の非水系溶媒を含む。このような実施形態において、第１の非水系溶媒は、水系バインダ溶液の総重量に基づいて０．１質量％〜３質量％、１質量％〜３質量％、又は２質量％から３質量％、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む量の量で存在し、第２の非水系溶媒は、水系バインダ溶液の総重量に基づいて０．１質量％〜７質量％、１質量％〜７質量％、２質量％〜７質量％、３質量％〜７質量％、又は４質量％〜７質量％、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む量で存在する。
【００５３】
水系バインダ溶液は、実施形態において、熱可塑性バインダの粉末材料への堆積を容易にし、粉末材料の濡れ性を改善し、水系バインダ溶液の表面張力を調整することができる添加剤などの１つ以上の添加剤を任意に含んでもよい。任意の添加剤としては、界面活性剤、希釈剤、粘度調整剤、分散剤、安定剤、染料又は他の着色剤、又は当該技術分野で公知であって使用される他の添加剤が挙げられる。いくつかの実施態様において、水系バインダ溶液は、少なくとも１つの界面活性剤を含む。
【００５４】
水系バインダ溶液中での使用に適した界面活性剤には、熱可塑性バインダ及び／又は粉末材料の特性に応じて、イオン性（例えば、両性イオン性、カチオン性、又はアニオン性）又は非イオン性が挙げられる。種々の実施形態では、界面活性剤は、２−［４ー（２，４，４−トリメチルペンタン−２−イル）フェノキシ］エタノール（例えば、Dow Chemical Companyから入手可能なＴＲＩＴＯＮ（登録商標） Ｘ−１００）、ポリオキシエチレン（８０）ソルビタンモノオレート（例えば、Croda Americas,Inc.から入手可能なＴＷＥＥＮ（登録商標） ８０）、ポリオキシエチレン−２３−ラウリルエーテル（例えば、Croda Americas,Inc.から入手可能なＢＲＩＪ（登録商標） Ｌ２３）、アルキレンオキシド共重合体（例えば、Croda Americas,Materialsから入手可能なＨＹＰＥＲＭＥＲ（登録商標） ＫＤ２）、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、ヘキサデシルトリメチルアンモニウム臭化物（ＣＴＡＢ）、ドデシルトリメチルアンモニウム臭化物（ＤＴＡＢ）、ポリプロポキシ四級塩化アンモニウム（例えば、Evonik Industriesから入手可能なＶＡＲＩＱＵＡＴ（登録商標）  ＣＣ  ４２  ＮＳ）、及びこれらの組み合わせがある。
【００５５】
種々の実施形態では、バインダ媒体は、溶液のバランス量の水を含む。種々の実施形態では、水は、バインダ溶液の総重量に基づいて７５重量％以上、８０重量％以上、又は８５重量％以上の量で存在する。
【００５６】
したがって、実施形態において、水系バインダ溶液は、１気圧及び２０℃において１７．００ｍｍＨｇより高い蒸気圧、１７．１０ｍｍＨｇより高い蒸気圧、１７．２０ｍｍＨｇより高い蒸気圧、１７．３０ｍｍＨｇより高い蒸気圧、又は１７．４０ｍｍＨｇより高い蒸気圧を有する。いくつかの特定の実施態様において、水系バインダ溶液は、１気圧及び２０℃で１７．００ｍｍＨｇ〜１８．００ｍｍＨｇ、１７．００ｍｍＨｇ〜１７．９０ｍｍＨｇ、１７．００ｍｍＨｇ〜１７．８０ｍｍＨｇ、１７．００ｍｍＨｇ〜１７．７０ｍｍＨｇ、１７．００ｍｍＨｇ〜１７．６０ｍｍＨｇ、１７．００ｍｍＨｇ〜１７．５０ｍｍＨｇ、１７．１０ｍｍＨｇ〜１８．００ｍｍＨｇ、１７．１０ｍｍＨｇ〜１７．９０ｍｍＨｇ、１７．１０ｍｍＨｇ〜１７．８０ｍｍＨｇ、１７．１０ｍｍＨｇ〜１７．７０ｍｍＨｇ、１７．１０ｍｍＨｇ〜１７．６０ｍｍＨｇ、１７．１０ｍｍＨｇ〜１７．５０ｍｍＨｇ、１７．２０ｍｍＨｇ〜１８．００ｍｍＨｇ、１７．２０ｍｍＨｇ〜１７．９０ｍｍＨｇ、１７．２０ｍｍＨｇ〜１７．８０ｍｍＨｇ、１７．２０ｍｍＨｇ〜１７．７０ｍｍＨｇ、１７．２０ｍｍＨｇ〜１７．６０ｍｍＨｇ、１７．２０ｍｍＨｇ〜１７．５０ｍｍＨｇ、１７．３０ｍｍＨｇ〜１８．００ｍｍＨｇ、１７．３０ｍｍＨｇ〜１７．９０ｍｍＨｇ、１７．３０ｍｍＨｇ〜１７．８０ｍｍＨｇ、１７．３０ｍｍＨｇ〜１７．７０ｍｍＨｇ、１７．３０ｍｍＨｇ〜１７．６０ｍｍＨｇ、１７．３０ｍｍＨｇ〜１７．５０ｍｍＨｇ、１７．４０ｍｍＨｇ〜１８．００ｍｍＨｇ、１７．４０ｍｍＨｇ〜１７．９０ｍｍＨｇ、１７．４０ｍｍＨｇ〜１７．８０ｍｍＨｇ、１７．４０ｍｍＨｇ〜１７．７０ｍｍＨｇ、１７．４０ｍｍＨｇ〜１７．６０ｍｍＨｇ、又は１７．４０ｍｍＨｇ〜１７．５０ｍｍＨｇ、これらの範囲の全て及びこれらの範囲の間の部分範囲を含む蒸気圧を有する。水系バインダ溶液の蒸気圧の増加は、プリント中の層毎のより速い乾燥をもたらし、それは、従来のバインダ溶液と比較して付加製造装置によるより高いスループットを可能にし得る。
【００５７】
図１は、本明細書に記載される水系バインダ溶液を用いて、付加製造によって物品を製造する方法１００の実施形態を示すブロック図である。方法１００の態様の議論を容易にするために、方法１００を実行するために使用され得る付加製造装置２００の実施形態を示すブロック図である図２を参照する。
【００５８】
図１に示すように、方法１００は、部品を製造するために使用される粉末材料２０２の層を堆積することから始まる（ブロック１０２）。種々の実施形態において、粉末材料２０２の層は、付加製造装置の作業面２０４上に堆積される。粉末材料は、ニッケル合金、コバルト合金、コバルトクロム合金、鋳造合金、チタン合金、アルミニウム基材料、タングステン、ステンレス鋼等の金属粉末とすることができる。特定の実施形態に応じて、他の粉末材料を使用してもよい。
【００５９】
次に、方法１００は、水系バインダ溶液２０６を、部品の構造を表すパターンで粉末材料２０２の層に選択的に堆積させるステップ（ブロック１０４）に続く。水系バインダ溶液２０６は、例えば、本明細書に記載される水系バインダ溶液の種々の実施形態のうちの任意の１つであり得る。種々の実施形態において、水系バインダ溶液２０６は、プリントされる部品の構造の表現を含むＣＡＤ設計に基づいてコントローラ２１０によって操作されるプリントヘッド２０８を用いて選択的に印刷される。
【００６０】
種々の実施形態では、プリントヘッド２０８を制御するためのコントローラ２１０は、分散制御システム、又は汎用コンピュータ又は特定用途向け装置を採用する任意の適切な装置を含んでもよい。コントローラ２１０は、一般に、プリントヘッド２０８の動作を制御するための１つ又は複数の命令を記憶するメモリ２１２を含む。実施形態において、メモリ２１２は、製造される部品の構造を表すＣＡＤ設計を記憶する。実施形態において、ＣＡＤ設計は、歪み補正を含むことができ、例えば、ＣＡＤ設計は、最終的な所望の部品の幾何学的形状と正確に一致しない場合がある。加えて、コントローラ２１０は、少なくとも１つのプロセッサ２１４（例えば、マイクロプロセッサ）を有し、メモリ２１２は、本明細書に記載される動作を制御するためにプロセッサ２１４によって実行可能な命令を集合的に記憶する、１つ以上の有形で、一時的でない、機械で読み取り可能な媒体を含んでもよい。
【００６１】
水系バインダ溶液２０６を粉末材料２０２の層に選択的に堆積した後、水系バインダ溶液２０６中の熱可塑性バインダ２１６は、金属粉末粒子の外表面を少なくとも部分的にコーティングし、それによってバインダ被覆粒子２１８を生成する。後述するように、熱可塑性バインダ２１６は、粉末材料２０２の層にプリントされた水系バインダ溶液２０６のパターンに従ってバインダ被覆粒子２１８を結合し、硬化後にグリーン体部品の層を形成する。
【００６２】
方法１００においては、粉末材料の層（ブロック１０２）を堆積させ、所望の数の層がプリントされるまで、粉末材料を堆積するステップと水系バインダ溶液２０６を粉末材料の層（ブロック１０４）に選択的に堆積させるステップとを繰り返して、部品を一層ずつ構築し続けることができる。方法１００においては、図１に示すように、溶媒（複数可）を硬化及び／又は乾燥させた後、引き続いて熱可塑性バインダの第１のポリマー鎖２２０及び第２のポリマー鎖２２２を非共有結合の水素結合相互作用を介して一緒に結合させて（ブロック１０６）、グリーン体部品を創成する。
【００６３】
種々の実施形態では、熱可塑性バインダ２１６の第１及び第２のポリマー鎖２２０、２２２は、それぞれ、第１及び第２のポリマー鎖の第１及び第２の官能基間の相互作用を介して互いに結合される。例えば、実施形態では、プリントされた層中の溶媒の一部（水及び非水系溶媒の両方）は、水系バインダ溶液２０６の堆積中に蒸発され得るが、粉末材料２０２の層内に一定量の溶媒が残留し得る。例えば、実施形態では、プリント層中の溶媒の一部（水及び非水系溶媒の両方）は、水系バインダ溶液２０６の堆積中に蒸発し得るが、粉末材料２０２の層内に一定量の溶媒が残留し得る。代替として又は付加的に、ＩＲランプ及び／又は加熱されたプレートは、脱粉末前に部品を加熱して、オンマシン硬化プロセスで水系バインダ溶液２０６から少なくとも一部の水を除去し、それによってグリーン体部品２２０、２２２の形成をもたらすことができる。ある実施形態では、本明細書に記載された水系バインダ溶液で製造された部品は、脱粉末又は付加製造装置２００の作業面２０４からの移動に耐えることができるグリーン強度を生じるのに十分な硬化を提供できるので、従来のオーブンにおける追加の硬化（本明細書では「加速硬化」と称する）なしに、（脱粉末及び／又は付加製造装置２００の作業面２０４からの移動）などの取り扱いが可能である。
【００６４】
種々の実施形態では、方法１００においては、引き続いて熱可塑性バインダの加速硬化が行われる（ブロック１０８）。例えば、グリーン体部品は、全ての層がプリントされた後、プリントされた層に残留する溶媒を蒸発させ、グリーン体部品の印刷された層の効率的な結合を可能にするのに適した温度で熱硬化してもよい。粉末層の非結合粒子（例えば、水系バインダ溶液２０６によって結合されていない粉末材料）は、ブロック１０８の硬化ステップの前又は後に除去して、脱バインダ及び焼結のような後処理工程のためのグリーン体部品を準備してもよい。ある実施形態では、非結合粒子は、グリーン体部品の周囲から除去され、グリーン体部品は、加速硬化のために再配置される（例えば、作業面ではない場所に移動される）。ある実施態様においては、非結合粒子は、グリーン体部品の周囲から除去され、グリーン体部品は、作業面２０４上で加速硬化される。実施形態において、本明細書に記載される水系バインダ溶液の使用は、加速硬化する場所に関係なく、同じ粉末材料で作製され、より高い蒸気圧溶媒を含むバインダ溶液にさらされる他の同一の部分よりも、少ない時間で、より少ない全体的硬化エネルギー（例えば、７０〜１３０℃の間で脱粉末前の硬化）で硬化を行うことを可能にする。
【００６５】
図１に表示された実施形態において、方法１００は、グリーン体部品から熱可塑性バインダの一部を除去（例えば、脱バインダ）してブラウン体部品を生成するステップ（ブロック１１０）を含む。種々の実施形態において、バインダは、部品に強度（例えば、グリーン強度）を提供し、グリーン体部品の脱バインダ中に、熱可塑性バインダの一部分（すなわち全体よりは少ない）のみが除去されるようになる。
【００６６】
ブロック１１０での脱バインダの間、グリーン体部品は加熱され、結合されたポリマー鎖は分離され、一部が破壊される。グリーン体部品は、例えば、約６００℃以下、又は約４５０℃以下の温度に加熱することができる。実施形態において、グリーン体部品は、２５０℃から４５０℃の温度に加熱される。加熱は、例えば、無酸素雰囲気（例えば、不活性雰囲気下の真空チャンバ内）、又は空気中で行うことができる。脱バインダが不活性雰囲気中で行われる実施形態では、アルゴン、窒素、真空、又は別の実質的に不活性なガスを使用することができる。いくつかの実施形態では、最終的な圧密化部品を作製するために、脱バインダステップを焼結ステップと組み合わせてもよい。
【００６７】
種々の実施形態によれば、ブロック１１０の脱バインダ工程は、熱可塑性バインダの約９５％超を除去するのに有効である。例えば、脱バインダの間に熱可塑性バインダの総量の９５％以上、９６％以上、９７％以上、９８％以上、又は９９％以上が除去される。いくつかの実施態様において、ブラウン体部品に残留する熱可塑性バインダの割合は、脱バインダ工程の前に存在した熱可塑性バインダの量の５％以下、４％以下又は３％以下、２％以下又は１％以下である。実施形態において、ブラウン体部品に残留する熱可塑性バインダは、脱バインダ工程の前に存在し、焼結工程の後期段階（例えば、６００℃を超えて、ブロック１１２に従って記載されるより高い焼結温度に入る）で除去される熱可塑性バインダの量の０．０５％から２％又は０．１％から１％である。
【００６８】
方法１００においては、ブロック１１０での脱バインダに引き続いて、ブラウン体部品を焼結して圧密化部品を形成するステップ（ブロック１１２）を行う。焼結の際、熱可塑性バインダの残りの部分（例えば、脱バインダの際に形成されるオリゴマー）は、ブラウン体部品から除去され、金属粉末の粒子が圧密化されて、圧密化部品を形成する。焼結は、ブラウン体部品に強度及び一体性を付与し、圧密化部品が例えば機械装置での使用に適するようにする。
【００６９】
いくつかの実施形態では、焼結は、熱可塑性バインダの残りの部分を除去する予備焼結工程と、金属粉末粒子が固化される焼結工程とを含む２段階プロセスに従って行ってもよい。いくつかの実施形態では、焼結は、単一の工程として実施してもよい。ブラウン体部品は、焼結時に５００℃より高い温度、８００℃より高い温度、又は１０００℃より高い温度に加熱される。実施形態において、熱は、ブラウン体部品を炉内に配置することによって加えてもよく、又は特定の実施形態に応じてブラウン体部品を、レーザービーム、電子ビーム、又は別の適切なエネルギー源などの集中したエネルギー源に曝すことによって加えてもよい。
【００７０】
本明細書に記載される種々の実施形態は、方法１００を参照して説明されるが、本明細書に記載される水系バインダ溶液の実施形態は、当業者によって公知であり、使用される種々の方法と共に使用され得ることが理解されるべきである。特に、硬化及び焼結は、多数の異なる方法、多数の異なるステップ、及び多数の異なる位置で達成され得る。
【実施例】
【００７１】
以下の例は、種々の実施形態を例示するために提供されるが、特許請求の範囲の範囲を限定することを意図したものではない。特に指定しない限り、部及びパーセンテージは全て重量当たりである。作業例及び比較例で使用される材料について、性質、特性、パラメータなどの概略を以下に示す。実施例では以下の材料を使用した。
【００７２】
ポリマー鎖１はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。
【００７３】
ポリマー鎖２はポリアクリル酸（ＰＡＡ）である。
【００７４】
非水系溶媒Ａは、１気圧における沸点が１９７℃、蒸気圧０．０６ｍｍＨｇのエチレングリコールである。
【００７５】
非水系溶媒Ｂは、１気圧における沸点１７１℃、蒸気圧０．８ｍｍＨｇのエチレングリコールブチルエーテルである。
【００７６】
６つの比較例（比較例Ａ〜Ｆ）及び３つの作業例（実施例１〜３）を、同じ第１のポリマー鎖及び第２のポリマー鎖を用いて、非水系溶媒の量を変えて調製した。下記の表１に各配合物の蒸気圧の推定値と共に、各配合物の配合を質量％で示す。
【００７７】
【表１】
2022000534.tif 000003
【００７８】
表１に示すように、４ｗｔ％を超える量の非水系溶媒を含む水系バインダ溶液（比較例Ａ〜Ｃ）は、１７．００ｍｍＨｇ未満の推定蒸気圧を示した。非水系溶媒Ａの増量はバインダ溶液の蒸気圧を下げる役割を果たした。非水系溶媒Ａを除去すると、蒸気圧が１７．００ｍｍＨｇ以上に上昇した。比較例Ｄ、Ｅ、Ｆ（いずれも非水系溶媒Ｂを含まなかったもの）は、実施例１、２を上回る蒸気圧の上昇を示した。しかしながら、部品の製造に用いた場合、比較例Ｄ、Ｅ、Ｆの水系バインダ溶液は、粗面を有する部品を生成した。理論に束縛されるものではないが、比較例Ｄ、Ｅ、及びＦにおける溶媒（すなわち、水）は、あまりにも速く蒸発し、その結果、バインダ溶液の粉体層へのウィッキングが停止したと考えられる。したがって、ある量の非水系溶媒Ｂを配合することによって、実施例１及び２は、望ましいウィッキング挙動を示し、好適な表面仕上げを有する部品を生産しながら、比較例Ａ〜Ｃよりも蒸気圧の増加を実証した。
【００７９】
次に、溶媒の変化が硬化速度に及ぼす影響を求めるため、比較例Ａ〜Ｆ及び実施例１、２の水系バインダ溶液を用いて部品をプリントした。特に、比較例Ａ−Ｆ及び実施例１及び２のバインダ溶液を、ＧＥバインダジェットマシンを用いて１００μｍの粉末材料層（３１６Ｌ  ＳＳ）に選択的に堆積させ、上記プロセスを層毎に繰り返して、３Ｄプリントされたグリーン体（green geometry）を生成した。作業面の温度はビルドプロセス全体で６５℃に維持され、グリーン体部品はバインダジェットマシンにおいて１３０℃で２〜９時間硬化された。プリント後、比較例Ａ〜Ｃでは２００℃、６〜１２時間、比較例Ｄ〜Ｆ及び試料１、２では１７０℃、２〜６時間、それぞれの部品を従来のオーブンで後硬化させた。
【００８０】
比較例Ａ〜Ｃの水系バインダ溶液でプリントした部品を、脱粉末前に、機械上で全強度で１．７〜２．０μｍの波長を有する２つのHelios Quarts IR高速中波ＩＲランプを用いて硬化させ、比較例Ａ〜Ｃは機械硬化のみで脱粉末を可能にするにはグリーン強度が乏しかったため、引き続いて２００℃で６〜１２時間、通常のオーブン硬化を行った。しかしながら、比較例Ｄ−Ｆ及び実施例１及び２の水系バインダ溶液でプリントされた部品は、５０〜７０％強度で単一のＩＲランプを使用し、続いて１７０℃で２〜６時間の通常のオーブン硬化を行った後、完全に硬化された。追加の試験は、比較例Ｂの水系バインダ溶液でプリントされた同一の部品が、通常のオーブンでの後硬化を全く必要とせずに、７０〜１００％で２つのＩＲランプを用いてほぼ全強度まで硬化され得ることを実証した。
【００８１】
インストロン３点曲げ試験を用いて硬化後の部品のグリーン強度を測定した。具体的には、１０５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍのグリーン体部品を４．１インチにまたがる梁の上に置き、Ｚ層に沿った３点曲げ試験（ビルド方向）で部品を破断させた。比較例Ａの水系バインダ溶液で印刷した部品は、Ｘに平行に７５ｌｂｆ及びＹに平行に４５ｌｂｆのグリーン強度を示したが、実施例１の水系バインダ溶液で印刷した部分は、Ｘに平行に９７ｌｂｆ及びＹに平行に８９ｌｂｆのグリーン強度を示した。従って、著しく短い硬化時間にもかかわらず、実施例１の水系バインダ溶液を用いてプリントした部品は、Ｘ及びＹ方向の両方でグリーン強度の有意な増加を示した。理論に束縛されるものではないが、グリーン強度の増加は、比較例Ａのバインダ配合物中に存在する熱可塑性バインダの量（１．４ｘ）と比較して、実施例１のバインダ配合物中に存在する熱可塑性バインダの量の増加に起因し得ると考えられる。しかし、特に、硬化時間の有意な減少はグリーン体部品の強度に悪影響を及ぼさなかった。従って、実施例１のバインダ配合物を用いて生成したグリーン体部品は、比較例Ａのバインダ配合物を用いて生成したグリーン体部品よりも少ない時間で処理（例えば、脱粉末、移動、ポストプリント処理）することができた。
【００８２】
従って、本明細書に記載される種々の実施形態は、熱可塑性バインダを含む水系バインダ溶液と、１気圧で１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有する非水系溶媒とを含む。水系バインダ溶液の蒸気圧の増加は、プリント中の層毎のより速い乾燥をもたらし、それは、従来のバインダ溶液と比較して、付加製造装置によるより高いスループットを可能にし得る。
【００８３】
異なるバインダ組成を用いた部品のグリーン強度に及ぼすオフマシン硬化条件の影響を決定するために、追加試験を行った。特に、パックを形成するために、３３〜３４ｇの３１６Ｌステンレス鋼粉末を直径１．５インチのシリコーン鋳型中に入れ、バインダの全てが鋳型中にウィッキングされるまで２．５ｍＬのバインダを一滴ずつ添加した。振動台上で金型を約１５分間振動させた。バインダ組成、硬化条件、部品のグリーン強度を表２に示す。
【００８４】
【表２】
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【００８５】
表２では、インストロン３点曲げ試験を用いて、ビーム支持長さ２５ｍｍのインストロン機械上にパックを載置してグリーン強度を測定した。
【００８６】
表２に示すように、７０℃で２時間硬化した場合、どのバインダ配合物についても大したグリーン強度を示さなかった。７０℃で４時間硬化させたところ、比較例Ａのバインダを用いて作製した部品は部分硬化したが、完全硬化させた比較例Ｆ（エチレングリコールとエチレングリコールブチルエーテルの両方を含む）及び試料１、３（エチレングリコールブチルエーテルと水のみを含む）のバインダで作製した部品で示されたグリーン強度を示さなかった。
【００８７】
９０℃の温度で２時間硬化した後、再び比較例Ａのバインダを用いて作製した部品は部分硬化しただけで、わずか３９．７２ｌｂｆのグリーン強度を示したに過ぎなかったが、比較例Ｆ及び試料１、３のバインダを用いて作製した部品は完全硬化した。温度を９０℃から１３０℃に上昇させても、比較例Ｆ及び試料１、３のバインダで調製した部品を２時間硬化させても、グリーン強度は変化しなかった。
【００８８】
従って、表２の結果は、１７５℃を超える沸点の非水系溶媒（例えば、エチレングリコール）の除去は、部品をより少ない時間で完全に硬化させることを可能にし、他の同等の結合剤組成を有するが、より高い沸点溶媒を含む部品と比較して、グリーン強度を増加させる結果となることを実証する。
【００８９】
発明のさらなる態様は、以下の節の主題によって提供される。
【００９０】
１. 加工表面上に粉末の層を堆積させるステップと、１気圧において沸点が１００℃を超え１７５℃以下である非水系溶媒０．１重量％から５重量％と熱可塑性バインダとを含む水系バインダ溶液を、部品の構造を表すパターンで粉末の層中に選択的に堆積させるステップであって、前記熱可塑性バインダが、第１の官能基を有する第１のポリマー鎖と、前記第１の官能基とは異なる第２の官能基を有する第２のポリマー鎖とを含み、前記第１及び第２のポリマー鎖が、前記第１及び第２の官能基の間の相互作用を介して互いに非共有結合してグリーン体部品を形成するステップと、を含む、製造方法。
【００９１】
２. 前記非水系溶媒が水系バインダ溶液中に２ｗｔ％から４ｗｔ％の量で存在する、上記いずれかの項の方法。
【００９２】
３. 前記非水系溶媒が、２−メトキシエタノール、ブタノール、２−ブタノール、テルト−ブタノール、１−メトキシ−２−プロパノール、２−ブトキシエタノール、イソアミルアルコール、イソブチルアルコール、エチレングリコールブチルエーテル、又はこれらの組合せを含む、上記いずれかの項の方法。
【００９３】
４. 前記水系結合剤溶液が８ｃＰ〜１２ｃＰの粘度を有する、上記いずれかの項の方法。
【００９４】
５. 前記第１のポリマー鎖が、７，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有する、上記いずれかの項の方法。
【００９５】
６. 第１のポリマー鎖が、１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜２３，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有する、上記いずれかの項の方法。
【００９６】
７. 前記グリーン体部品の周囲の前記粉体層から非結合粒子を除去するステップと、前記グリーン体部品を再配置するステップと、前記グリーン体部品内の前記熱可塑性バインダを硬化させるステップとをさらに含む、上記いずれかの項の方法。
【００９７】
８. 前記熱可塑性バインダを硬化させることは、前記熱可塑性バインダを１０時間未満硬化させることを含む、上記いずれかの項の方法。
【００９８】
９. 複数の層を含み、各層が、第１の官能基を有する第１のポリマー鎖と、前記第１の官能基とは異なる第２の官能基を有する第２のポリマー鎖とを含む熱可塑性バインダと、１気圧で１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有する非水系溶媒０．１質量％から５質量％と、を含有する水系バインダ溶液によって結合された粉体から形成され、ここで、前記第１のポリマー鎖が、前記第１及び第２の官能基を介して前記第２のポリマー鎖に非共有結合で結合しているグリーン体部品。
【００９９】
１０. 前記第１のポリマー鎖が７，０００ｇ／ｍｏｌ〜５０，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有することを特徴とする、上記いずれかの項のグリーン体部品。
【０１００】
１１. 前記第１のポリマー鎖が、１３，０００ｇ／ｍｏｌ〜２３，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有することを特徴とする、上記いずれかの項のグリーン体部品。
【０１０１】
１２. 前記第２のポリマー鎖が、１００ｇ／ｍｏｌ〜５，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有することを特徴とする、上記いずれかの項のグリーン体部品。
【０１０２】
１３. 前記第２のポリマー鎖が、５００ｇ／ｍｏｌ〜５，０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有することを特徴とする、上記いずれかの項のグリーン体部品。
【０１０３】
１４. 前記第１のポリマー鎖が、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）、その誘導体及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記第２のポリマー鎖が、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルメチルエーテル−無水マレイン酸（ＰＶＭＥ−ＭＡ）、これらの誘導体及びこれらの組合せからなる群から選択される、上記いずれかの項のグリーン体部品。
【０１０４】
１５. 第１の官能基を有する第１のポリマー鎖と、第２の官能基を有する第２のポリマー鎖とを含有する熱可塑性バインダであって、前記第１及び第２の官能基が前記第１及び第２のポリマー鎖を非共有結合するように構成されている熱可塑性バインダと、１気圧において１００℃を超え１７５℃以下の沸点を有する非水系溶媒１質量％〜５質量％と、水とを含む付加製造に使用される水系バインダ溶液。
【０１０５】
１６. 前記非水系溶媒が２重量％から４重量％の量で存在する、上記いずれかの項の水系バインダ溶液。
【０１０６】
１７. 水系バインダ溶液が８ｃＰ〜１２ｃＰの粘度を有する、上記いずれかの項の水系結合剤溶液。
【０１０７】
１８. 前記非水系溶媒の１気圧の沸点が１７５℃未満であることを特徴とする、上記いずれかの項の水系バインダ溶液。
【０１０８】
１９. 前記非水系溶媒が、１気圧において１５０℃以上１７５℃以下の沸点を有する第１の非水溶媒であり、前記水系バインダ溶液が、更に、１気圧において１１５℃以上１５０℃以下の沸点を有する第２の非水系溶媒を含み、前記第１の非水系溶媒が１重量％以上３重量％以下の量で存在し、前記第２の非水系溶媒が、前記水系バインダ溶液の総重量に対して２重量％以上７重量％以下の量で存在する、上記いずれかの項の水系バインダ溶液。
【０１０９】
２０. 前記水系バインダ溶液は、沸点が１７５℃を超える溶媒を含まない、上記いずれかの項の水系バインダ溶液。
【０１１０】
開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本開示の実施形態に対して種々の修正及び変形を行うことができることは、当業者には明らかである。従って、本開示は、それらが特許請求範囲及びそれらの同等物の範囲内にあるならば、そのような修正及び変形をカバーすることが意図されている。
【図１】
2022000534.tif 000005
【図２】
2022000534.tif 000006
【外国語明細書】
2022000534000001.pdf