(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パウダー含有物体を作成するための方法であって、前記方法が、
a．支持体を供給する段階と、
b．パウダー材料の第１層を形成するために、前記支持体の選択された範囲上に、第１パウダー材料を含む液体スラリーを連続する流れとして堆積させる段階と、
c．前記パウダー材料を堆積させた層を、第１層の液体含有量が減少するような状態の下で維持する段階と、
d．前記層の選択された範囲においてバインダー材料を堆積させる段階とを有し、前記バインダーが、前記層を前記選択された範囲において密着させ、連続層を前記選択された範囲において相互に密着させ、
e．前記支持体の前記選択された範囲の部分にかけて、追加層範囲を形成するために液体スラリーを連続する流れとして堆積させる段階をさらに有する、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記バインダーを堆積させる段階が、前記バインダーを印刷する段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項３】
前記バインダーを堆積させる段階が、前記バインダーをマスクを介して堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項４】
前記液体スラリーの連続する流れを堆積させる段階が、前記液体スラリーの連続する流れの場所と時間を制御する段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項５】
所望の厚さのパウダー材料が堆積するまで、前記のパウダー材料を堆積させた層を維持する段階、バインダー材料を堆積させる段階、スラリーを堆積させる段階（c、d、e）を複数回繰返す段階をさらに有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項６】
前記堆積させた層を、前記液体含有量が減少するように維持する段階が、先行して堆積させた層の小孔内に前記液体が落ちるように前記パウダー材料の堆積させた層範囲を維持する段階を有することを特徴とする請求の範囲５に記載の方法。
【請求項７】
前記堆積させた層範囲を、前記液体含有量が減少するように維持する段階が、前記スラリー層の乾燥を有することを特徴とする請求の範囲５に記載の方法。
【請求項８】
前記乾燥段階が、前記堆積させた層範囲を加熱する段階を有することを特徴とする請求の範囲７に記載の方法。
【請求項９】
前記追加層を堆積させる前記段階が、前記選択された範囲にかけてジェットヘッドをラスタリングし、前記ラスタリング中に、前記ジェットヘッドから前記選択された範囲の前記部分上へと前記スラリーをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１０】
前記追加層を堆積させる段階が、前記選択された範囲上にジェットヘッドをベクトリングし、前記ベクトリング中に、前記ジェットヘッドから前記選択された範囲の前記部分上へと前記スラリーをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１１】
前記追加層を堆積させる段階が、前記選択された前記部分にかけてジェットヘッドを通過させ、同時に、前記ジェットヘッドから前記選択された範囲の前記部分上に、前記スラリーの複数の並行な連続する流れをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１２】
連続する流れを堆積させる前記段階が、前記スラリーの複数の流れを前記選択された前記部分上へのジェッティングを有し、これにより、前記流れの各々が隣接する流れと間隔および時間において十分接近して堆積し、これにより、先行して堆積させた層と接触すると、前記隣接する流れからの液体と、前記液体が前記先行して堆積させた層の小孔に完全に落下する前に、一体化することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１３】
スラリーを堆積させる前記段階が、０．２〜１０ミクロンの粒子を含有したスラリーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１４】
スラリーを堆積させる前記段階が、５０〜１，０００ミクロンの最大開口寸法を有するノズルを介して前記スラリーをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１５】
スラリーを堆積させる前記段階が、１００〜４００ミクロンの最大開口寸法を有するノズルから前記スラリーをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１４に記載の方法。
【請求項１６】
スラリーを堆積させる前記段階が、３:１よりも大きな開口縦横比を有する細長いノズルを介して前記スラリーをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１７】
スラリーを堆積させる前記段階が、５〜５５％の固体体積含有率を有するスラリーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１８】
スラリーを堆積させる前記段階が、セラミック、金属、ポリマーから成るグループから選択された粒子を含有するスラリーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項１９】
スラリーを堆積させる前記段階が、再分散剤を含有するスラリーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２０】
再分散剤を含有するスラリーを堆積させる前記段階が、
a．スラリーの形成に使用する液体内で可溶であり、
b．形成されたパウダー層を再分散することができる液体媒体内で可溶であり、
c．前記バインダー材料のあらゆる液体媒体内で可溶である、再分散剤を含有するスラリーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記再分散剤が、乾燥中にスリップキャストする前記スラリーの実質的にスリップキャストするあらゆる材料を有し、これにより、この残留物がパウダー粒子間のネック部分において形成されることを特徴とする請求の範囲２０に記載の方法。
【請求項２２】
複数の連続する流れをジェッティングする前記段階が、前記流れを、前記平行な流れの１．５〜６倍の距離を置いて離間してジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１１に記載の方法。
【請求項２３】
液体スラリーを堆積させる前記段階が、複数の流れをジェッティングする段階を有し、前記流れの少なくとも２本が構成の異なるスラリーを有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２４】
バインダーを堆積させる前記段階が、セラミック粒子のコロイド懸濁液、金属塩の溶液、スチレンアクリル共重合体から成るグループから選択したバインダーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２５】
バインダーを堆積させる前記段階が、
a．パウダーベッドの小孔を通過し、
b．あらゆる再分散液を加えることでパウダーを結合させ、
c．結合していないあらゆるパウダーの再分散に使用するあらゆる液体内で不溶である、バインダーを堆積させる段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２６】
熱硬化可能なポリマーを有する前記バインダーが、前記バインダーを堆積させた後に、前記バインダーを硬化させるために前記層の前記選択された範囲を加熱する段階をさらに有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２７】
a．前記堆積させた追加層の高さを、前記選択された範囲の選択された場所において測定する段階と、
b．連続して堆積させた層の選択された場所においてスラリーの運搬値を調整する段階とを有し、前記調整が、追加層の前記選択された場所における測定高さに基づいて行われる、ことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２８】
前記スラリーを堆積させる前記段階が、直前の層のスラリーの流れと整合するスラリー層の流れをジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項２９】
前記スラリーを堆積させる段階が、スラリー層の流れを、直前の層のスラリーの流れからずらしてジェッティングする段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項３０】
バインダーの範囲を印刷した所望の数のパウダー層がジェッティングされた後に、結合したあらゆるパウダーから、結合していないあらゆるパウダーを再分散させる段階を有することを特徴とする請求の範囲５に記載の方法。
【請求項３１】
前記パウダーを再分散させる前記段階が、前記結合していないパウダーの溶液を含有する段階を有することを特徴とする請求の範囲３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記支持体が、スラリー堆積ステーションとバインダー堆積ステーションを各々１つ備えた第１先行段階を通過して前記選択された範囲を移動するように構成された可動支持体を有し、前記方法が、前記選択された範囲を、前記第１先行段階の前記スラリー堆積ステーションへと移動させ、同時に、前記選択された範囲を、前記第１先行段階の前記バインダー堆積ステーションへと移動させる段階をさらに有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項３３】
前記可動支持体が可動ウェブを有することを特徴とする請求の範囲３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記可動支持体が回転可能支持体を有することを特徴とする請求の範囲３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記可動支持体が、前記選択された範囲を、複数の先行段階を通過して移動するように構成されており、前記段階の各々がスラリー堆積ステーションとバインダー堆積ステーションを１つずつ有しており、さらに、前記選択された範囲を、さらなる先行段階のスラリー堆積ステーションへと移動し、スラリーを堆積させた後に、前記選択された範囲を前記さらなる先行段階のバインダー堆積ステーションへと移動する段階を有することを特徴とする請求の範囲３２に記載の方法。
【請求項３６】
液体スラリーを堆積させる前記段階が、前記スラリーの堆積段階の最中に、前記支持体とスラリー堆積ユニットとの間で相対回転を生じる段階を有することを特徴とする請求の範囲３２に記載の方法。
【請求項３７】
相対回転を生じる前記段階が、前記スラリー堆積ユニットを不動な支持体に関連して回転させる段階を有することを特徴とする請求の範囲３６に記載の方法。
【請求項３８】
回転中に、前記スラリー堆積ユニットを前記支持体に関連して移動する段階を有し、これにより、前記支持体上にスラリーのらせん形のパスを堆積させることを特徴とする請求の範囲３７に記載の方法。
【請求項３９】
相対回転を生じる前記段階が、前記支持体を不動のスラリー堆積ユニットに関連して回転させる段階を有することを特徴とする請求の範囲３６に記載の方法。
【請求項４０】
固体体積含有率を有するスラリーの追加層を、充填率を有するパウダーベッド上に堆積させる前記段階が、スラリーの厚さh*を堆積させる段階を有し、これにより、前記堆積させたスラリーと、先行して堆積させたパウダーとを含んだフィルムが形成され、前記フィルムが、臨界破壊肉厚CCTよりも薄い湿潤肉厚hsatを有し、ここで、
0004314414.tif 000010
である。ここで、Kcはフィルムの破壊抵抗であり、Jはフィルムがさらされる双軸応力である。また、
0004314414.tif 000011
である。ここで、γLＶはスラリーの表面張力、θは固相上のスラリーの接触角度、γporeは粒状フィルム内の小孔直径であることを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項４１】
スラリーの追加層を堆積させる前記段階が、以下の要因
a．スラリーの体積含有率ＶＦの増加
b．スラリーの表面張力γLＶの低下
c．フィルムの破壊抵抗Kcの増加
d．固相上のスラリーの接触角度θの増加
e．フィルムの小孔直径の増加の少なくとも１つを調整することにより層破壊を防止するスラリーを構成する段階を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項４２】
スラリーを堆積させる前記段階が、前記選択された範囲上でスラリージェットヘッドを移動する段階を有し、前記運搬の値を調整する段階が、前記ジェットヘッドが前記範囲上を通過する速度を変更する段階を有することを特徴とする請求の範囲２７に記載の方法。
【請求項４３】
現在露出している前記形成された追加層の表面高さにおけるあらゆる不規則を修正するために、前記複数の平行する流れの間にスラリーの運搬値を変更する段階をさらに有することを特徴とする請求の範囲１１に記載の方法。
【請求項４４】
立体物体を製造する装置であって、
a．表面を持つ支持体と、
b．スラリー運搬ユニットと、
c．前記表面の選択された範囲上にスラリーの層を堆積させるために、スラリー運搬ユニットを駆動するように構成されたスラリー運搬駆動ユニットと、
d．堆積させたスラリーの層の液体含有量を減少させるように設計された液体減少ユニットと、
e．バインダー運搬ユニットと、
f．堆積させたスラリーの層の選択された範囲において、バインダー材料を堆積させるように構成されたバインダー運搬駆動ユニットと、を有することを特徴とする装置。
【請求項４５】
前記スラリー運搬ユニットがノズルを有することを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記ノズルが、１００〜４００ミクロンの最大開口寸法を持つ開口部を有することを特徴とする請求の範囲４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記スラリー運搬ユニットが、複数の離間した開口部を持つヘッドを有することを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項４８】
前記開口部が、５０〜１０００ミクロンの最大開口寸法を有することを特徴とする請求の範囲４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記開口部が、前記開口部からジェッティングされたスラリーの流れの１．５〜６倍の距離で離間していることを特徴とする請求の範囲４７に記載の装置。
【請求項５０】
前記スラリー運搬駆動ユニットが、前記支持体の表面上で前記スラリー運搬ユニットをラスターするように構成されていることを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項５１】
前記スラリー運搬駆動ユニットが、前記スラリー運搬ユニットを前記支持体の表面にかけて走らせるように構成されていることを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項５２】
前記スラリー運搬駆動ユニットが、前記支持体の表面上で前記スラリー運搬ユニットをベクトルするように構成されていることを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項５３】
スラリーを支持体上に堆積させることが望ましくない時に前記スラリー運搬ユニットから運搬されたスラリーを捕らえるスラリー回復ユニットをさらに有することを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項５４】
層表面高さ測定ユニットをさらに有することを特徴とする請求の範囲４４に記載の装置。
【請求項５５】
前記スラリー運搬ユニットがさらに、前記表面高さ測定ユニットからの信号を入力として受け、形成された前記表面の高さを制御するために、この信号をスラリーの運搬の変更に使用する、表面高さ制御モジュールを有することを特徴とする請求の範囲５４記載の装置。
【請求項５６】
前記表面高さ測定ユニットがレーザー側距機を有することを特徴とする請求の範囲５４に記載の装置。
【請求項５７】
コンポーネントの製造方法であって、
a．ある範囲内に、パウダー材料を含有するスラリーを連続する流れとしてジェッティングすることによりパウダー材料の層を堆積させる段階と、
b．１つまたはそれ以上の選択された前記パウダー材料の層の範囲に対してさらに材料を付加する段階とを有し、これにより、前記パウダー材料の層が、前記１つまたはそれ以上の選択された範囲において結合し、
c．選択した数の連続層を形成するために、段階（a）、（b）を選択した回数だけ繰返す段階を有し、前記さらなる材料によって、前記連続層が相互に結合し、
d．コンポーネントを提供するために、前記１つまたはそれ以上の選択された範囲において結合していないパウダー材料を除去する段階を有することを特徴とするコンポーネントの製造方法。
【請求項５８】
スラリーを堆積させるステップは、０．５〜２ミクロンの粒子を含んだスラリーを堆積させるステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
政府の権利
アメリカ合衆国政府は、契約/譲渡No. Ｎ０００１４９４１０８３２の下に、DARPA/ONR Solid Freeform Fabricationプログラムに続く本発明において特定の権利を有する。
関連出願
数名の本発明の発明者およびその他の名前で、１９９７年６月１３日に出願されたアメリカ合衆国仮出願第６０／０５０，０１５号の″FINE POWDER HANDLING TECHNIQUES AND SYSTEMS, INCLUDING JETTING LAYERS AND PRINTING STYLES FOR FINE POWDER″に優先権が主張された。この仮出願は、参考として本明細書中に全面的に採用している。
技術の背景
本発明はパウダーから形成された部品を含むセラミックおよび金属に関するものであり、特に、ファインパウダーから製造された部品に関するものである。構造セラミック部品は一般に、大きさ約１ミクロンのファインパウダーから成る。このようなパウダーは塊状になりやすいために、乾燥した状態で広げることが困難である。このようなファインパウダーを使用することでいくつかの利点が得られる。まず１つは、ファインパウダーの使用により焼結能力が増加する。焼結は固相分散処理であり、実質的に焼結されたあらゆるグリーンの部分において、表面範囲をパウダーの容量比率に対して拡大することで増強することができる。既知のように表面の粗さがパウダーの大きさよりも小さいということはなく、ファインパウダーの使用によって部品全体の品質を向上することも可能である。より微細なパウダーを使用すれば、指定できる最低限の形状サイズも小さくすることができる。最後に、より微細なパウダーの使用により、ステアー・ステッピングのようなスライシングの欠陥の除去を促進する、あらゆる積層製造技術で使用されるより薄い層を得ることができる。
パウダーを使用する処理技術が、「立体印刷」（３Ｄ印刷）として知られ、一般に、Sachs、Haggerty、Cima、Williamsによる米国特許明細書第５，２０４，０５５号のTHREE-DIMENSIONAL PRINTING TECHNIQUES、Sachs、Haggerty、Cima、Williamsによる米国特許明細書第５，３４０，６５６号のTHREE-DIMENSIONAL PRINTING TECHNIQUES、Cima、Sachs、Fan、Bredt、Mechaels、Khanuja、Lauder、Lee、Brancazio、Curodeau、Tuerckによる米国特許明細書第５，３８７，３８０号のTHREE-DIMENSIONAL PRINTING TECHNIQUES、Sachs、Cima、Bredt、Khanujaによる米国特許第５，４９０，８８２号のPROCESS FOR REMOVING LOOSE POWDER PARTICLES FROM INTERIOR PASSAGES OF A BODY、James Bredtによる米国特許明細書第５，６６０，６２１号のBINDER COMPOSITION FOR USE INTHREE-DIMENSIONAL PRINTINGを含む多数の特許において説明されている。本明細書では、前述の立体印刷特許の全てを、完全に参照することにより取入れている。
立体印刷はまた、１９９６年２月１２日出願のSachs、Cima、Bredt、Khanuja、YuによるU.S.S.N.第０８/６００，２１５号のCERAMIC MOLD FINISHING TECHNIQUES FOR REMOVING POWDER、１９９６年２月５日出願のSachs、Curodeau、Fan、Bredt、Cima、BrancazioによるU.S.S.N.第０８/５９６，７０７号のHIGH SPEED, HIGH QUALITY THREE DIMENSIONAL PRINTING、１９９７年５月１５日出願のSachs、SerdyによるU.S.S.N.第０８/８５６，５１５号のCONTINUOUS INK-JET DROPLETGENERATOR、１９９５年１０月３１日出願のAllen、Michaels、SachsによるU.S.S.N.第０８/８３１，６３６号のENHANCEMENT OF THERMAL PROPOERTIES OF TOOLING MADE BY SOLID FREE FROM FABRICATION TECHNIQUES、１９９７年４月９日出願のSachs、CimaによるU.S.S.N.第０８/８３１，６３６号のTHREE DIMENSIONAL PRODUCT MANUFACTURE USING MASKS、１９９７年９月２６日出願のSachs、Yoo、Allen、CimaによるU.S.S.N.第６０/０６０，０９０号のREACTIVE BINDERS FOR METAL PARTS PRODUCED BY THREE DIMENSIONAL PRINTING（仮出願）を含む同時係属、同時譲渡明細書でも開示および説明されている。本明細書では、前述の立体印刷特許の全てを、完全に参照することにより取入れている。
基本的に、立体印刷処理は、コンピュータモデルから直接部品を製造することが可能なソリッド・フリーフォーム・ファブリケーション（SFF）処理である。
一般に使用されるその他のＳＦＦ処理には、ステレオリソグラフィー（SLA）、積層造形（SLS）、積層物体製造（LOM）、熱溶解積層法（FDM）がある。これらの処理は全て、フライス削り、丸削り、ボーリングで材料を除去するのではなく、所望の部分に材料を付加するため従来の機械加工とは異なる。
立体印刷処理の典型的な実施は、コンピュータ援用設計（CAD）ソフトウェアを使った立体形状の画定から始まる。次に、このCADデータが、モデルを多くの薄い層にスライスするソフトウェアで処理される。このソフトウェアは２次元であることが必須である。続いて、所望の形状を再現するためにこれらの層を連続的に印刷することで、物理的部品が作成される。各層の印刷には、まずパウダーの薄い層を広げ、次に、選択した範囲内のパウダーを相互に接着させるためにバインダーを印刷して所望の層パターンを作る。成長部分がピストンによって下降され、表面に新規のパウダー層が広げられる。全ての層の印刷が終わるまでこの工程を繰返す。バインダーは、層内および層間においてパウダーを相互に結合する。印刷が終了したら、結合していないパウダーを除去し、所望の形状部分のみを残す。一般に、この部分はグリーンの部分であり、さらに焼結等の処理が施される。しかし、この状態で完了という場合もある。
この従来の立体印刷層生成技術は、密度は均一な滑らかな層の作成に適した流動可能なパウダーに依存する。
金属、セラミック、ポリマーパウダーに基づいた多くの異なるパウダーおよびバインダーシステムがある。型を焼結または浸潤して密度を最高に高めることができる。立体印刷は付加製造処理であるため、アンダーカットや内部溝といった従来の機械加工には適さない多くの形状を用いることができる。さらに立体印刷処理では、パウダー状にできる多くの材料を使用することが可能である。現在までに、金属、ポリマー、セラミック、結晶質ガラスパウダーを使った処理が行われている。これらの材料を使用して幅広い種類の部品が製造された。例えば、金属部品の直接印刷、射出成形工具、鋳造シェル、構造セラミックが挙げられる。工具類のような部品には、これらの工具で製造される部品における巡回時間と残留応力を減少させるために、表面に等角冷却チャネルを組入れることもできる。その他のタイプの部品にもこのようなチャネルを設けることができる。立体印刷処理を使えば、異なる材料（機能的にグラジェントな材料）で構成された複数の範囲を備えた独立した部品の製造も可能である。これは、個々の層の選択した範囲に異なる材料を印刷することで達成できる。この極めて高い解放により、設計者は１つの型内で異なる材料を使用することができる。
上述したファインパウダーの使用には利点が多いが、しかし、様々な理由からファインパウダーは従来の立体印刷処理では使用が困難である。ファンデルワールス引力や湿潤を含む様々な理由によって、ファインパウダー粒子は互いに付着し易く、塊を形成してしまう。また、粒子も、パウダーピストン壁、パウダースプレッダーバーといった接触する本体に付着し易い。非常に微細な粒子は一般に形状が不均一であり、これによって摩擦が増加してしまうために流動性の低下も生じる。粗悪な流動性と、スプレッダーバーへのパウダーの付着が重なると、滑らかな層を広げることが困難になる。また、パウダーの粗悪な流動性は、層内およびでき上がるグリーンボディの不均一な高密度化を必ず引起こしてしまう。さらに、パウダーベッドの表面に突当たるバインダージェットによる衝撃的な噴出や腐食の問題を起こさずに、ファインパウダーに印刷を行うことは困難である。パウダーによる型の形成に伴う別の問題には、パッキング密度と焼結がある。
一般に３０〜１００μmのサイズの球状の微粒子について多大な研究が行われた。実際に微粒子は、理論的にはパッキング密度が約５０％の有機相によって相互に結合したサブミクロンパウダーの塊である。その結果、でき上がるグリーンの部分のパッキング密度が直接焼結を行うには低すぎてしまう（理論的には、一般に３０〜３５％）。グリーンボディのパッキング圧力を上げるためには、等方押圧段階が必要である。等方押圧の後、スプレードライしたパウダーで製造されたアルミナグリーン部分は、冷間等方圧成形（CIP）または熱間等方圧成形（WIP）のどちらを用いるかによって異なるが、理論的に５９〜６３％のパッキング密度を呈する。これは、焼結中に最大限の密度を得る際に適している。
しかしながら、これらの処理の使用によっていくつかの問題が生じる。焼結以前は、グリーンの部分は非常にもろく、破損し易い。まず、押圧を行うためにはかなり広い部品部分を要する。さらに、押圧段階によってグリーン部分に密度グラジェントが生じてしまう。これにより、焼結の最中にワーピングや異方性収縮といった問題が生じる。等方押圧段階の最後の欠点は、製造コストが高いことである。
印刷された部分のパッキング密度を高めることにより等方押圧後処理段階を省く試みが行われきた。パウダーベッドのパッキング密度を上げるために、スプレードライした微粒子に所望の材料のスラリーの印刷を施す提案がされた。
しかし、この処理にも欠点がある。
従って、上述の理由から、均一な特性を有し、ファインパウダーから製造できるパウダーベッドの形成処理が必要である。また、乾燥パウダーに伴う塊や粗悪な流動性といった問題を克服する、ファインパウダーを取扱う技術も必要である。さらに、衝撃障害の問題を最小限にするため、または除去するために、ファインパウダーと立体印刷を一緒に使用できるようにするためのファインパウダーベッドを確立する処理も必要である。同様に、高密度のパウダーベッドを開発する必要もある。またさらに、直接焼結できる、または有害な予備焼結段階を省略して焼結できるパウダーベッドから部品を製造する方法の必要性もある。
従って、本発明のいくつかの目標および目的には、均一な特性を持つファインパウダーによるベッドの形成が含まれる。本発明の別の目的は、過度にかたまらず、許容範囲内の流動性を持ったファインパウダーの取扱いを可能にすることである。本発明のさらなる目的は、ファインパウダーベッドを使った立体印刷によって、見た目が非常に優れ、制御可能な寸法を持ち、表面が滑らかな物体を得られるようにすることである。本発明のまた別の目的は、立体印刷を利用して、高密度のベッド内のファインパウダーからの部品の製造を容易にすることである。これらの部品は、予め困難な予備焼結段階を設けることなく、グリーンの部分から直接焼結できるものでなければならない。
発明の概要
本発明によれば、一般に、パウダーベッドはパウダーを含有するスラリーを繰返し堆積させて形成される。パウダーの層を作成するには、所望のパウダー材料の液体分散を堆積させる。これが形成中のパウダーベッドにスリップキャストして新規の層を作る。このようにして、上述した乾燥パウダーの取扱いに伴う流動性の問題を生じることなくファインパウダーベッドができ上がる。ラスターまたはベクトル走査による、または液体がベッドにスリップキャストする前に合着する複数の同時ジェットによる、別々の独立したラインで堆積させることを含むあらゆる適切な方法で、スラリーを堆積させることができる。これらの堆積物の各々は独立して制御されているため、各層で均一な表面が得られる。
ベッドからの液体の除去は、まずスリップキャスティングによって、次に、各層の堆積後の加熱等による乾燥によって行われる。パウダーベッドは様々な処理に利用できる。立体印刷処理が使用されている場合には、各パウダー層のジェッティングと乾燥後に、次の段階として、形成中の層にバインダーのパターンを印刷する。バインダーを堆積させた後に乾燥段階を設けてもよい。スラリージェッティング、液体の減少、（スリップキャスティング、乾燥）バインダーの堆積、（任意で）バインダー乾燥といったこれらの段階が、所望の数のバインダーパターンを印刷した層が形成されるまで繰返される。この時点では中間物質はパウダーの塊である。一般に溶液（水が典型的である）内への浸潤によって、結合していないパウダーが分散される。その結果、既知の焼結または浸潤による圧縮強化に適したグリーンの部分ができ上がる。この際、選択したバインダー/パウダーシステムに合ったケアが必要である。
本発明の好ましい実施例は、パウダーを含有する本体を製造するための方法である。この方法は、支持を供給する段階と、支持の選択された範囲にかけて第１のパウダー材料の層を形成するために、第１のパウダー材料を含む液体スラリーを連続する流れで堆積させる段階と、第１層の前記液体含有量が減少するように、パウダー材料の堆積させた層範囲を条件下に維持する段階と、さらなる層を形成するために、支持の前記選択された範囲にかけて、液体スラリーを連続する流れにおいて堆積させる段階とを備えている。一般に、この方法では、パウダー材料の所望の厚さが堆積するまで、スラリーの維持と堆積の段階を何度も繰返す。液体含有量を減らすためには、一般に、スラリーの液体を、先行して堆積させた層の小孔内に落下させる。次の、例えば加熱による乾燥も、一般に実行される段階である。
スラリーを堆積させる段階は、選択した範囲上でジェットヘッドをラスタリングし、この間にスラリーをジェッティングすることで達成される。ラスタリングではなく、ベクトリング動作を利用することも可能である。あるいは、選択した範囲の部分上でジェットヘッドを通過させ、同時に複数の平行なスラリーの流れを、ジェットヘッドから選択した範囲上にジェッティングすることもできる。複数の流れを堆積させる場合には、これらの流れを選択された範囲の部分上にジェッティングし、これにより、流れの各々が、隣接する流れと間隔および時間において十分接近して堆積し、これにより、先行して堆積させた層と接触すると、液体が先行して堆積させた層の孔に完全に落ちる前に、隣接する流れからの液体が合着する。一般に、複数の流れを使用する際には、これらの流れを、流れの１．５〜６．０倍、好ましくは２〜４倍の距離を置いて離間させる。
このようなタイミングと配置は、ラスタリングまたは回転配置のいずれかによる流れの連続アプリケーションによっても達成できる。回転配置では、支持とスラリー堆積ユニットの間に相対回転が設定される。支持または堆積ユニットのどちらか一方が移動可能である。
スラリーは、０．２〜１０．０ミクロン、好ましくは０．５〜２ミクロンの粒子を含有することができる。
スラリーを、５０〜１０００ミクロン、好ましくは１００〜４００ミクロンの最大開口寸法を備えたノズルを介して堆積させることができる。
開口部（単数または複数）の断面は円形または細長い形状であってよい。細長い形状の場合の縦横比は、一般に３:１よりも大きい。
一般にスラリーは、５〜５５、好ましくは１０〜４０の固体体積含有率を有する。
本発明の方法には、金属、セラミック、ポリマーのパウダーを使用することができる。また、２つ以上のタイプのスラリーを使用することができる。
本発明のさらなる面は、選択した範囲の選択した場所において堆積させた追加層の高さを測定することであり、また、追加層の選択した場所における測定高さに基づいて、次に堆積させる層の選択した場所におけるスラリーの運搬値を調整することである。運搬値の調整は、表面上を通過するジェットヘッドの速度を調整することによって行える。複数の流れを同時に堆積させる場合、表面高さのあらゆる不均一性を修正することによって、複数の平行する流れ全体にかけてのスラリーの運搬値を変更することができる。
連続する層のスラリーのラインは、先行する層と合致して、またはずらしてジェッティングすることができる。さらに、第１セットのスラリーの離間した流れを堆積させ、次に、第２セットの流れを堆積させることが可能である。
この場合、第２セットの流れの各々を、第１セットの隣接する離間した流れの対の間に堆積させる。
本発明の別の好ましい面は、ある厚さを持つ、スラリーの追加層を堆積させることであり、これにより、堆積させたスラリーと、発行して堆積させたパウダーとを含んだフィルムが形成され、フィルムが臨界破壊肉厚CCTよりも薄い湿潤肉厚hsatを有する。さらに、本発明の面は、スラリーの体積含有率ＶＦの増加、スラリーの表面張力γＬＶの低下、フィルムの破壊抵抗Kcの増加、固相上のスラリーの接触角度θの増加、フィルムの小孔直径の増加の要因のうち少なくとも１つを調整することにより層破壊を防止することである。
本発明の方法の別の実施例によれば、本発明は、バインダーを使用したパウダー含有ボディの作成方法に関する。本発明のこの実施例は、支持を供給する段階と、パウダー材料の第１層を形成するために、支持の選択された範囲上に、第１パウダー材料を含む液体スラリーを堆積させる段階と、パウダー材料を堆積させた層を、第１層の液体含有量が減少するような状態の下で維持する段階と、層の選択された範囲においてバインダー材料を堆積させる段階とを有し、バインダーが、層を選択された範囲において密着させ、連続層を選択された範囲において相互に密着させ、また、支持の選択された範囲の部分にかけて、追加層範囲を形成するために液体スラリーを堆積させる段階をさらに有する。
バインダーを、マスクを介して印刷または堆積させることが可能である。
また、スラリーを継続する流れとして、または独立した制御可能な小滴として堆積させることができる。
一般に、この方法の実施例は、所望の厚さのパウダー材料が堆積するまで、堆積させた層を維持する段階、バインダー材料を堆積させる段階、スラリーを堆積させる段階を複数回繰返す段階をさらに備えている。
バインダー材料の供給の有無に関係なく、立体物体の作成に関連して上述したその他のバリエーションおよび特徴の全ては、バインダーを使用した本発明の実施例にも適用することができる。さらなる特徴もある。
本発明の好ましい面は、スラリー構成内の再分散剤を含む。この再分散剤は、スラリーの形成に使用する液体内で可溶であり、形成されたパウダー層を再分散することができる液体媒体内で可溶であり、バインダー材料のあらゆる液体媒体内で可溶であることが好ましい。さらに、本発明の好ましい実施例において、再分散剤が、乾燥中にスリップキャストするスラリーの実質的にスリップキャストするあらゆる材料を有し、これにより、この残留物がパウダー粒子間のネック部分において形成される。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、バインダーは、パウダーベッドの小孔を通過し、あらゆる再分散液を加えることでパウダーを結合させ、結合していないあらゆるパウダーの再分散に使用するあらゆる液体内で不溶であるべきである。また、バインダーは熱硬化可能なポリマーであってよく、本発明の方法は、バインダーを硬化するために、形成したパウダーベッドの熱処理を含んでいてもよい。
本発明のこの実施例のさらに別の面は、バインダーを印刷した範囲を備えた所望の数のパウダーの層をジェッティングした後、結合していないパウダーに溶液を接触すること等によって、結合しているパウダーから結合していないパウダーを分散する。
この方法は、不動支持を使用し、この不動支持上をスラリー堆積ユニットとバインダー堆積ユニットが、一層毎に繰返し通過する。１つの不動セットアップについて、これらの各々を２つまたはそれ以上採用することができる。またあるいは、支持をある段階から別の段階へと移動することも可能であり、各段階がそれぞれのスラリー堆積ユニット（複数または単数）とバインダー堆積ユニット（複数または単数）を備えている。このような製造ラインセットアップは、線形または循環パスを含むあらゆるパスに使用することができる。
本発明のさらに別の好ましい実施例は、ある範囲内に、パウダー材料を含有するスラリーをジェッティングすることによりパウダー材料の層を堆積させる段階と、１つまたはそれ以上の選択されたパウダー材料の層の範囲に対してさらに材料を付加する段階とを有し、これにより、パウダー材料の層が、１つまたはそれ以上の選択された範囲において結合し、選択した数の連続層を形成するために、段階（a）、（b）を選択した回数だけ繰返す段階を有し、さらなる材料によって、連続層が相互に結合し、コンポーネントを提供するために、１つまたはそれ以上の選択された範囲において結合していないパウダー材料を除去する段階を備えた、コンポーネントの製造工程である。
本発明のその他の好ましい実施例は、表面を持つ支持と、スラリー運搬ユニットと、表面の選択された範囲上にスラリーの層を堆積させるために、スラリー運搬ユニットを駆動するように構成されたスラリー運搬駆動ユニットと、堆積させたスラリーの層の液体含有量を減少するように設計された液体減少ュニットと、バインダー運搬ユニットと、堆積させたスラリーの層の選択された範囲において、バインダー材料を堆積させるように構成されたバインダー運搬駆動ユニットとを備えた立体物体を製造する装置である。
好ましい実施例によれば、スラリー運搬ユニットはノズルを備えており、このノズルは、５０〜１０００ミクロン、好ましくは１００〜４００ミクロンの最大開口寸法を持った開口部を備えている。
スラリー運搬ユニットはまた、同じ大きさの複数の離間した開口部を備えたヘッドを備えている。これら複数の開口部は、開口部からジェッティングされるスラリーの流れの１．５〜６倍、好ましくは２〜４倍の距離を置いて互いに離間している。
さらに別の好ましい実施例によれば、支持の表面上でスラリー運搬ユニットをラスターするためにスラリー運搬駆動ユニットが構成されている。あるいは、スラリー運搬ユニットを、支持の表面にかけてスラリー運搬ユニットを走らせるまたはベクトルするように構成することもできる。
本発明のまた別の好ましい実施例は、層表面高さ測定ユニットと、表面高さ測定ユニットからの信号を入力として受け、形成された表面の高さを制御するために、この信号をスラリーの運搬の変更に使用する、表面高さ測定ユニットはレーザー測距機を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれらの、またその他の特徴、面、利点は、後述の説明、請求の範囲、添付の図面によってさらに理解されるであろう。
第１図は、本発明の方法の好ましい実施例の基本段階を示し、また、スラリーを使ったパウダーベッドの形成と、層上へのバインダーの印刷とを示す略図である。
第２Ａ図、第２Ｂ図は、本発明の方法の好ましい実施例のさらなる基本段階を示し、また、結合していないパウダーの再分散と、その結果できる部分とを示す略図である。
第３図は、連続して堆積させる複数のジェットスラリーのラインを使った、スラリーの印刷および乾燥段階を示す略図である。
第４図は、印刷したバインダーによって形成された３つの部分を備えた、スラリーのジェッティング層で製造したパウダーベッドの写真であり、特に、ジェッティングされたスラリーが高速軸に沿った支持の端部を越えて延びる様子を示すものである。
第５図は、スラリーの流れと、小滴への移行を示す略図である。
第６Ａ図、第６Ｂ図は、ある量のスラリーの堆積とスリップキャストを示す略図である。
第７図は、浸潤肉厚と、異なる流量のスラリーのライン間隔との関係を示すグラフである。
第８図は、堆積させたスラリーの典型的なラインの断面を示すグラフである。
第９Ａ図、第９Ｂ図は、スラリーの複数の隣接するラインによって形成された１層と２層の表面の感じを示す略図であり、ここで、第２層は第１層の真上に堆積している。
第１０図は、スラリーの複数の隣接するラインによって形成された２層の表面の感じを示す略図であり、ここで、第２層は第１層から逸らしてオフセットされている。
第１１図、第１１Ａ図は、スラリーの複数の隣接するラインによって形成された１公称層の表面の感じを示す略図であり、ここで層は、２セットの離間したスキャンラインから成っており、この２セット両方によって表面全体が被覆される。
第１２図は、同時に堆積させた複数のジェットスラリーのラインでの、スラリーの印刷および乾燥段階を示す略図である。
第１３図は、隣接するラインとの間にシームを残すことなく結合するように合着している、同時に堆積させた複数のジェットスラリーのスキャンラインを示す略図である。
第１４Ａ図、第１４Ｂ図は、スラリー駆動およびスラリー堆積ヘッド（これら第１４Ｂ図に示す）と、バインダー駆動およびバインダー堆積ヘッドとを備えた本発明の方法を実行する装置の立面および平面の略図である。
第１５図は、スラリー堆積、スラリー乾燥、バインダー印刷、バインダー乾燥のための連続する複数のステーションを備えた製造ラインの略図である。
第１６図は、回転製造セットアップの略図である。
第１７図は、支持の表面上にラスターした単一ジェットをジェッティングして作成したパウダーベッドの写真である。
第１８図は、複数の独立した制御可能なモジュールにまとめられた複数の開口部を備えたスラリージェットヘッドを略図的に示すものであり、各々のモジュールが複数の開口部を備えている。
第１９図は、作成したパウダーベッドの高さを制御するためのモジュールの形態をブロック図形式で示す略図である。
第２０図は、スラリージェットから成るパウダーベッドにバインダーを印刷して作成した２つの異なるグリーン部分を示す写真である。
第２１Ａ図は、回転支持と、不動のスラリージェッティングヘッドを備えた、パウダーベッドをジェッティングする装置の略図である。
第２１Ｂ図は、回転ジェッティングヘッドと不動のスラリー支持を備えた、パウダーベッドをジェッティングする装置の略図である。
第２２図は、循環ラスター走査装置を備えた本発明の別の実施例を示す略正面図である。
発明の詳細な説明
本発明の好ましい一般的な実施例を、第１図、第１４Ａ図、第１４Ｂ図を参照して略図的に示す。一般に、パウダーベッドはスラリーの層を繰返し積層して造られる。このようなパウダーベッドは様々な目的に使用することができ、また、本発明の１面は、パウダーベッドの用途に関係なく、パウダーベッド自体を製造するための方法および装置である。以下で説明する例において、パウダーベッドは主に立体印刷処理と関連して使用されている。しかし、そうである必要はない。スラリーをジェッティングするパウダーベッドの製造方法および装置は新規のものであり、それ自体が有益であり、ソリッド・フリーフォーム・ファブリケーションにおいて有益であり、一般に、立体印刷における有益さに関係なくこの両方の利点を持つ。
層の形成の第１段階は、スラリー１０をパウダーベッド１３の範囲にかけて均等に堆積させる（スラリーをパウダーベッドの表面に運搬する方法のいくつかを後に述べる）。第１層を支持するために、一般に多孔性基板１２が供給される。プラスターはこれに適した基板である。その他にも締焼きアルミナ、ホウケイ酸塩ガラスが適している。堆積の直後に、スラリーの液体媒体がパウダーベッドの多孔内（または多孔性基板）にスリップキャスト（泥漿鋳込み）し始め（図中に下方向の矢印で示す）、新しい層を形成する。パウダーベッド表面に注がれたスラリーの厚さは非常に薄いため、新しい層は急速にスリップキャストされる。スラリー内の液体媒体が、先行のサイクル（単数または複数）の間に乾燥した、または部分的に乾燥した多孔性ベッド１３内に（毛管圧下で）吸収される。例えば約１秒といった短時間のうちに、媒体はスラリーがそれ以上過浸潤されない地点まで吸収され、粒子が平均して最大限に接近するまで十分に凝縮される。この時点で、材料は降伏応力を有し、液体よりもむしろ固体のような態様を示す。
次に、スリップキャスト層にトラップされた水分がいかなるバインダーとも相互に影響しないようにするために、乾燥（蒸発）段階を実行して液体媒体のいくらかまたは全てを除去する。これはランプ１４、またはその他の適切な手段によって達成される。その他の手段には、表面に対して熱風や放射を付加するものがあるが、放射については、水の場合には層の厚さにかけて吸収されるマイクロ波を使用する。これにより、パウダーベッドのひび割れも防止できる。乾燥の後、例えばバインダーノズル１６によってバインダーを新規層内に印刷する段階を実施する。バインダーの印刷パターン１８がパウダーの層上に印刷される。この段階の後、乾燥の必要の有無は使用するバインダーによって異なる。印刷する部分が完了するまで、この処理（スラリーの堆積、スリップキャスト、乾燥、バインダーの堆積、バインダーの乾燥）が繰返される。
この時点で、選択した場所にバインダーを印刷および乾燥したパウダーの塊ができ上がる。選択した場所へのバインダーの印刷は所望の形状を画定する。第４図は、バインダーを３箇所に印刷した（この各々が円形の開口を備えた台形断面を持つ）、ジェッティングしたパウダーベッドの写真を示している。パウダーベッドから印刷箇所を除去するには、図２Ａに略図で示すように、印刷された部分のパウダーの塊２０を溶剤２２（アルミナ、シリコン窒化パウダーには、多くの場合水である）に浸して、結合していないパウダー２４を再分散し、これを、印刷したバインダーのパターン１８によって形成された結合パウダー２６から分離する。例えば、浸潤が遅いために空気をトラップしてしまうことなく、溶液が多孔内に完全に浸透するようにしなければならない。つまり、バインダーは、バインダーが乾燥した後も溶液内で溶解しないものでなければならない。再分散処理を促進するためにある種の機械振動が必要な場合があるので、バインダーはこの振動に抵抗できるものでなければならない。余分なパウダーを再分散した後、グリーンの部分２６を除去する。第２０図は、先行の処理に従ってつくられた２つのグリーンの部分を示す写真である。一般に、グリーンの部分は５０％以上のパッキング密度を持つ。次に、平衡押圧段階を踏まずにグリーンの部分を直接焼結することができる。
スラリーに基づいた立体印刷処理は、従来の立体印刷処理にはない多数の利点を提供する。まず、非常に微細なサブミクロンのパウダーを使用することができる点が挙げられる。これはつまり、非常に細かいディテールを持つ部分と、非常に薄い層との製造が可能であるということである。１０ミクロンまたはそれ以下の薄さの層を製造することができる。このような薄い層によって、スライスによる不均一さが著しく減少する。スラリーに基づく立体印刷処理は、実質的に、ファインパウダーとして得られ分散することが可能なあらゆる材料に使用することができる。その結果、かなりの数の材料システムを使用することができる。さらに重要な利点は、グリーンの部分を、理論上５０％を超えるパッキング密度を持たせ、予備焼結することなく製造できることである。これにより、処理がかなり簡素化し、スピードアップし、複雑な形状の製造が容易になる。
本発明の好ましい実施において、第３図、第１４Ａ図、第１４Ｂ図に示すように、既に形成されたパウダーベッド３２の表面上に新しい層３４を形成するためにスラリーの単一ジェット３０が単一ノズル３６から排出される。単一ノズル３６は、モータ３７で駆動されるキャリッジ８５によってトラック３３上で前後にラスター走査される。スラリーノズル３６は第１図に示したバインダーノズル１６とは異なることを覚えておくことが重要である。スラリーノズルの開口部の一般的な大きさは５０〜１００ミクロンであり、好ましい開口直径は１００〜４００ミクロンの間である。
ラスター動作は「高速軸」（２方向を指す矢印Ｆで示す）と「遅速軸」（２方向を指す矢印Ｓで示す）を備えている。トラック３３（第１４Ｂ図）自体が、モータ３９等によって遅速軸に沿って駆動される。上にパウダーベッドを造りたい支持１２の全体範囲が、１度に１ラインをラスターすることによってきれいに掃除される。（第３図にあるように、独立して排出されたライン３４a、３４b、３４fは、隣接した長いストリップとして示されている。実際には、各々のラインは一般に、第８図略図で示しているような断面を持っている。第８図に示した横および縦の長さは各々異なることに注意すべきである。）
第１４Ａ図に示した典型的な装置は、ピストン５上に支持１２を支持しており、新しい層が形成されるとこれが低下する。従って、スラリージェットヘッド４９とバインダープリントヘッド５１との支持構造が固定された高さのまま残る。ピストン５は、例えば乾燥段階の後、またはスラリー堆積段階の後に低下される。第３図に示すように、また、該してこの開示全体を通して、パウダーベッドの形成によって被覆される範囲は長方形である。しかし、必ずしも長方形である必要はない。ラスター、またはベクトル走査、あるいはその他の適した手段によって得られる形であれば、いかなる形でも構わない。例えば、放射線に沿って並進移動するノズルの下でベッドを回転することにより環状または円盤形を造ることができる（第２１Ａ図参照）。さらに、ノズルを形状の外周周囲のベクトルパスで走査し、さらにベクトル走査によってその範囲を充填すれば、非常に複雑な形状のパウダーベッドを造ることができる。後に説明するように、ジェッティングによるスラリー堆積によって、高速軸に対して平行な縁上にはっきりとした縁を画定することができる。
高速軸に対して垂直な縁上では、縁はクリスプではなく、また、実際は、一般にはこの範囲に顕著なオーバーフローがみられる。（このようなオーバーフローを、第３図の、リーダーから離れたパウダーベッドの端部に略図的に示している。説明の目的から、前端部を分離して示している。）このオーバーフローは、一般的な配置において、スラリージェットが基板の縁に接近した際、またはこれを通過した際にスラリージェットを止めなかったために起こる。同様に、スラリージェットが遅速方向に沿ってインデックスを行い、隣にラインをジェットするために方向転換すると、スラリージェットは支持の縁に突き当たり、また走行することを繰返す。こうした「オーバーフロー」を第４図で見ることができるが、写真の右側の縁に顕著に現われている。第１４Ａ図に示すように、キャッチャーカップ１５が、スラリーが支持上にジェッティングされていない際にスラリーを受け、ライン１７を介して、受けたスラリーをスラリー供給（図示せず）へと再循環するか、またはその他の再利用のために収集する。
スラリーの流れが形成中のパウダーベッド上で時々留まってしまうことを防止するために、スラリージェットを「オフ」にする等も可能である。これは、例えばノズルの前で（高速作用のソレノイドまたはピンチバルブ等で）スラリー供給のオン・オフを切換えるか、またはノズルに連続フローを有するが、スラリーをスラリーガター内へと向きを逸らすジェッティング機構を利用して行う。このような場合、高速軸に対して垂直な縁に沿った縁の画定が可能である。これは良いが、高速軸に沿っている方がさらに良い。ノズルにおいてスラリー供給のオン・オフの切換えを行う場合には、ノズル開口部でスラリーが乾燥してしまわないように注意しなければならない。ノズル開口部でスラリーが乾燥すると、流れを再開する際に流れが不均等になってしまう。
でき上がったスリップキャストパウダーの層が均一な厚さを有するようにするために、スラリーを表面上に均一に分配することが非常に重要である。本発明の重要な面は、測定にかけて正確で再生可能な制御と、スラリーの分配を維持することである。これは、スラリーが多孔性面上に排出され、液体媒体がこの多孔性表面と接触した途端に吸収され始めるので特に重要である。
この重要性は、例えば空気噴霧装置でスラリーを表面上に噴霧する場合を考慮することで例証できる。不均一な噴霧において、まだスラリーが落下していないパウダーベッドの表面にスラリーの小滴が到達すると、この小滴は不特定の時間表面上にとどまり、また次の小滴が表面上のこの小滴に接近して落下してとどまり、両小滴が接触する。次の小滴が到達して接触する際に、最初の小滴はほぼ完全に近い液体であるか、パウダーベッドの表面上にほぼ完全にスリップキャストされるか、あるいはこの中間の状態にあってよい。スラリー排出処理にかけての制御の欠如の結果、パウダーベッド内に欠陥が生じる可能性がある。（ファインパウダー、特にファインセラミックパウダーから部品を製造する場合、グリーンの部分内に欠陥が発生または含有されることを避ける必要があることを理解するべきである。構造セラミック部品において、こうした欠陥により、焼結した構成部品の強度が著しく減少してしまう。）従って、本発明の重要な面は、新しい層の様々なセグメントの排出と排出の間の時間を制御することである。
典型的なものとして第５図に略図で示すように、ある好ましい実施例において、ジェット３０が、非連続的な液滴のフロー４２としてではなく、連続するフロー４０としてパウダーベッドに到着する。連続ジェットを使用する理由の１つは、上述した新しい層の様々なセグメントの排出と排出の間の時間にかけて所望の制御を維持するためである。これを達成する方法を以下に説明する。（しかしながら、パウダーベッドに到達するスラリーが独立した小滴である方が有利な場合もある。独立した小滴の実施例についても以下に説明する。）
層の厚さの計算 スラリーをジェッティングすることで、層形成処理の非常に局所的な制御が可能になる。本発明の処理の単一ジェット実施例において、基本ユニットとして独立ラインを考慮することが分析に役立つ。ラインを印刷する際には、パウダーベッド上に比較的迅速にスリップキャストする。スリップキャストは、次のラインを印刷する前または後に完了することができる。結果として得られる層の基準の形成高さは、ラスター速度、ライン間隔、流量、パウダーベッドの充填率、スラリーの体積含有率を知ることで求めることができる。第３図は、層形成において重要なパラメータを示すものである。
形成する層の厚さは次のように求めることができる。各通過で印刷されるスラリーが隣接するラインによって圧迫されていると仮定すると、スリップキャストまたは乾燥を行う以前の、印刷したラインの浸潤高さh*は次の方程式から得られる。
0004314414.tif 000002
ここで、変数の単位は：h*［μm］、Q（流量）［cc/min］、w（ライン間隔）［μm］Ｖ（ラスター速度）［m/sec］である。この方程式（１）は、排出されたスラリーの量を算出し、これをスラリーが排出された範囲で割ることにより導くことができる。乾燥した層の最終的な高さ（h）は、以下に示すように、スラリーの固体体積含有量ＶＦと、完成したパウダーベッドの充填率（パッキング密度）ＰＦとから求められる。
0004314414.tif 000003
hの単位はh*のものと同じである。方程式（２）は、スラリー内に含有されるパウダーの量と、完成した層内のこのパウダーのパッキングの両方を斟酌している。薄い粒状セラミックフィルム層のキャスティングは多くの用途に使用される。これには、光滑剤の排出、電子工学用の厚膜、インベストメント鋳造用のフェースコートが含まれる。粒子が液体媒体内に分散され、スラリーとして基板上にキャストされる。経験から、厚膜の製造に材料の単一アプリケーションを使用した場合、このような膜には乾燥中にひび割れが入りやすいことがわかっている。これまでの研究によって、これを超えると、乾燥の量に関係なく膜が自然にひび割れるという臨界肉厚が存在することがわかっている。この現象については後で説明するが、このような臨界ひび割れ肉厚（CCT）の存在は、CCTよりも薄い層を繰り返し積層することによって任意の厚みの層を得ることが可能なことを指示している。しかし、この基準では十分でないことが証明されている。当然、先にキャストした層の上にキャストするとひび割れが生じる層の厚みが、粒子、液体媒体、そして特にスラリーの固体重量の作用であることがわかっている。本明細書中のあるガイドラインは、先にキャストした層の上にキャストした層がひび割れに関して安定性を持つような層の高さをどのように正確に選択するかについて示している。この技術は、立体印刷における、後に乾燥させるスラリーのような層を堆積させるあらゆるソリッド・フリーフォーム・ファブリケーション方法にとって重要である。
以前から、硬質で緻密な基板上における粒状セラミックフィルムの乾燥の研究が行われている。研究者達は、気孔液体内の毛管張力によって双軸応力が生じると仮定して膜のひび割れを分析した。初期の研究では、セラミックフィルムは硬質の基板によって圧迫され、乾燥応力は液体の毛管圧と同じ位高く、次の式が得られる。
0004314414.tif 000004
ここで、γLＶは液体の表面張力、θは固相上の液体の接触角度、γporeは粒状フィルム内の小孔直径である。この場合、より肉厚なフィルムはひび割れを伝搬するのに十分な弾性エネルギーを収容するためにCCTが存在する。薄膜が持つエネルギーでは不十分であり、CCTとは、解放された弾性エネルギーがひび割れを伝搬するのに丁度十分な厚さである。CCTは、フィルムがさらされる双軸応力Jと、フィルムのひび割れ抵抗Kcとに依存する。この関係は次の方程式によって概算することができる。
0004314414.tif 000005
セラミックフィルムを表すKcは、フィルムの構成、粒子のサイズ、パッキング密度に依存し、また、有機バインダーを追加して増加することもできる。
上述した研究により、薄い粒状フィルム上への同じフィルムのキャスティングを繰返す場合、単純なCCTを反映しないことがわかった。むしろ、ひび割れは堆積させた液体の量と、使用するパウダーのタイプに依存する。層を繰返しキャストして製造した本体にひび割れが入ることを防止するには、新しい基準に従う必要がある。新しい変数、浸潤肉厚hsatは、与えられた層に堆積させた液体総量によって１００％浸潤される範囲の厚さである。このフィルム範囲は、上述したフィルム特性が評価される範囲である。このようなフィルムは堆積させたスラリー上に形成され、もう既に堆積している材料の他に、新規に堆積させた材料から成っている。これを第６Ｂ図に示す。この厚さは、次の関係から算出できる。
0004314414.tif 000006
ここで、h*は堆積させたスラリーの厚さである。繰返しキャスティングした層にひび割れが入らないようにするために、変数hsatは材料のCCTよりも小さくなければならない。hsatの関係は、上述した印刷パラメータの点から、次のように表すことができる。
0004314414.tif 000007
１例として、体積含有率３５％のアルミナスラリーを使用し、パッキング密度が５５％であると仮定した場合の、ライン間隔とスラリー流量の関数である浸潤肉厚のプロットを第７図に示す。ここで、ラスター速度は１．２m/secである。横線は、仮定に基づいたCCTを表す。曲線の横線より下にある部分は全て許容可能な動作点を示す。既にキャストされた層の多孔性構造内への液体の浸透性の性質のために、キャストされた液体がhsatよりもやや大きな範囲にかけて実際に存在するので、この基準は堅実であることに注意すべきである。浸潤が減少したために応力も小さくなっている。
印刷パラメータを選択する際には、方程式（６）を使って効果的な層の高さが使用するスラリーのタイプのCCTを超えないようにするべきである。
適切な体積含有率は５〜５５％であり、１０〜４０％が好ましいことがわかっている。
上述した関係に基づくと、CCTを増加するか、または浸潤肉厚を減少させるか、あるいはこの両方を行うことでひび割れが防止できることがわかる。選択したパウダーについては、フィルムのひび割れ抵抗を増すことによりCCTを増加することができる。これは、ＰＥＧのような可溶性ポリマーといった可塑剤をスラリーに加えることで達成できる。CCTはまた、例えば表面活性剤を追加するか媒体を変更して、毛管圧を低下することにより、また、液体の表面張力を低下することによっても増加することができる。例えば、アルコール（メチルアルコール等）と水の混合物の表面張力は、水のみの表面張力よりも低い。毛管圧も、液体のパウダーへの接触角度を増加することにより低下することができるが、これはスリップキャスティングの濃度に有害な影響を及ぼす可能性がある。与えられたパウダーから製造したフィルムの小孔直径を、凝集剤を加えることで若干拡大することが可能であり、これにより、毛管圧が低下し、CCTが増加する。より高い体積含有率のパウダーを使用することによって、また当然、堆積させるスラリーの層の厚さ（また、堆積させるパウダーの最終層）を減少することによっても浸潤肉厚を減少することが可能である。
処理に影響する別のパラメータは、形成中のパウダーベッドの温度である。ベッドの温度を上げると、液体媒体の吸収が速まり、その結果、パウダーベッドの乾燥に要する時間が短縮される。例えば、スラリーの主成分が水である場合、パウダーベッドは液体の沸点よりも低い、最高８０℃の温度に維持される。
良質の層表面仕上りを得るための最適な印刷パラメータの組合せを求める場合、全ての変数を考慮することが重要である。最も重要な変数は次のものである。
・ラスター速度
・ライン間隔
・流量
・層内のライン配置
・層間のライン配置
・ノズルの開口サイズ
・スラリーの固体ローディング
・スラリーの粒子サイズ
・スラリーの湿潤角度
・パウダーベッドの温度
・層のライン間の保圧時間
これらのパラメータの全てが独立している必要はない。
ジェット運搬の状態の考察に戻り、堆積後のスラリーの状態についてより詳細に説明する。好ましい実施例において、開口部とパウダーベッドの間の間隔を選択し、ジェット３０が連続する流れとしてパウダーベッド上に排出される。第５図に示すように、ジェットがノズルを離れると、直径が小さくなってくびれ、そのままある距離にわたって連続して流れる。さらに下流に行くと、ジェットは不均一な流れ範囲に入り、続いてレイリーの不安定性によって流れが完全に破壊する。破壊の前にジェットがパウダーベッドと接触することが有益である場合が頻繁にある。直径３５０ミクロンのジェット用の開口部とパウダーベッドの間の典型的な距離は４〜５mmである。ジェットが、上述したように表面に突当たる以前に破壊して小滴化するようにするか、またはこの小滴化を生じるような動作を外から加えた場合、ジェットがまだ島状に分離している最中に数滴が早くもスリップキャストを始める。このスリップキャストが早すぎると、小滴と小滴の間に隙間ができるといった欠陥がパウダーベッドに生じてしまう可能性がある。この理由から、ジェットを連続した流れとして表面に到達させることが好ましい。（しかし、ジェットを破壊させる実施例についても後に説明する。）
スラリーのジェットがパウダーベッドに突当たると、ジェットはスプラッティングする（バシャッとなる）か、外側に向かって広がる。円形の断面を持つ定常ジェットが、パウダーベッド上に、ベッドの表面に対して直角に入射された場合、液体は方向を変え、パウダーベッドの表面と同じ速度でやや円形を描いて流出する。ジェットが非多孔性の基板上に入射された場合、スラリーは時間と共に成長する定常プールを形成する。このようなジェットが非多孔性基板上にこれを横断して入射されると、ジェットは液体のラインを堆積させる。この液体ラインの幅は、１本のラインにつき排出される液体の量、ジェットの表面上への入射速度、液体の粘性、液体と表面の間の湿潤状態に依存する。１本のラインにつき排出される液体の量を算出するには、ジェットの流量を調べ、これを横断の速度で割ればよい。
１本のラインにつき排出される液体の量が増加すると、ラインの幅が拡大する。ジェットの速度が増すと、ラインの幅が増加する。液体の粘性が増加すると、ラインの幅が減少する。液体と表面の間の湿潤角度が増加すると（すなわち、効果湿潤よりも低い場合など）、ラインの幅が減少する。
反対に、既に堆積させたパウダーの層の上にスラリーをジェッティングするように、ジェットが多孔性の表面上を横断して排出される場合には、表面下の本体に液体が吸収されるために、ラインの幅は、同じ湿潤特性を持つ固体表面上へのジェッティングよりも小さくなる傾向がある。スラリーをジェッティングする場合、基板に液体媒体が吸収された効果、表面上に残留するスラリー（および、そのスリップキャスティング）の粘性が増加する。この効果により、非多孔性の表面上へジェッティングした場合の幅よりも狭い幅が得られる。
一般に、スプラッティングが起こるタイムスケールは、約１０〜５００μs（マイクロセカンド）である。
スラリーを基板上（多孔性の基板、または予め堆積させた多孔性パウダー層のいずれか）に堆積させると、堆積させたスラリーの層の液体含有量が減少する。一般に、この減少には、スリップキャスティングと乾燥の２つの現象が関係している。これら２つの現象は第６Ａ図、第６Ｂ図を参照することで理解できる。新しいスラリーの層３４が多孔性のパウダーベッド１３の表面上に堆積させた途端に、スラリー内の液体媒体が、前回のサイクル（単数または複数）中に既に乾燥した、または部分的に乾燥した多孔性ベッド１３に（毛管圧下で）吸収され始める。例えば約１秒といった短時間の内に、スラリーが最大限に過浸潤して、粒子がそれ以上接近できない程に十分に凝縮するまで液体媒体の吸収が続く。この時点で、材料は降伏応力を持ち、液体よりもむしろ固体のような状態を呈する。従って、上述の約１０〜５００μsの時間にかけて排出を行うスプラッティング機構が、顕著なスリップキャスティングを行うずっと以前に完了している必要がある。既に形成され乾燥したパウダーベッド１３の部分３５が、新規層からの水分によって再び浸潤され、これにより、既にある層と新規に堆積させた層の両方が、hsatが示す浸潤パウダーの総肉厚を形成する。
スラリーの層を堆積させた後、バインダーの印刷およびその他の目的で孔を開けるために、パウダーベッドを乾燥、または部分的に乾燥する必要がある。
この乾燥は石英加熱銀燈（第１図の１４に示すようなもの）の補助によって達成することができ、乾燥にかかる時間は一般に１０〜６０秒である。従って、ベッドの１部分で浸潤と乾燥が繰返し行われる。浸潤および乾燥されたベッドのこの部分は、新しい層を加える度に支持１２から離れていく。
長方形の基板上に、ラスター動作によるシングルジェットを使用してパウダーベッドを形成する典型的な処理の１例として、１ミクロンアルミナパウダーの、容量率３５のスラリーを、直径１２７ミクロンの開口部から流量２．０cc/分、ラスター速度２．５m/秒で、１５０ミクロンの連続ラスターライン間隔にてジェッティングした場合、スラリーの湿潤層の高さh*（スリップキャスティング以前）は約８９ミクロンになる。パウダーが５５％の充填率に達した際には、パウダーベッド層の厚さは約５６．５ミクロンになる。
スラリーの構成
スラリーに基づいた立体印刷処理には、十分に分散したパウダー懸濁液が必要である。候補に挙がるものの内で適切な部類はセラミックパウダー懸濁液である。このセラミックパウダー懸濁液は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウムを含有するが、これらに限定されるものではない。表面電荷特性と固体-液体界面化学は、セラミックパウダーのコロイド処理において重要な役割を果たす。
適切なスラリーを準備するには、１ミクロンのアルミナパウダーと、媒体としての水を使用する。ｐＨを下げてスラリーの静電的安定を補助するために硝酸を加える。以下に説明するように、印刷後にパウダーベッドの結合していないパウダー範囲の再分散を補助するためにポリエチレングリコール（ＰＥＧ）が加えられる。一般にスラリーは、アルミナ体積含有率３５％、硝酸０．０５モル、分子量４００のＰＥＧで、２重量率の量において配合する。使用するパウダーが炭化タングステンパウダーである場合、適切な再分散剤は、フィラデルフィア州フィラデルフィアに在るRohm and Hass社よりDuramax ３００７の商標で販売されているアクリル性共重合体の塩化ナトリウムである。セラミック処理の従来の方法によるスラリーのボールミリングを利用すれば、十分に分散したスラリーを製造することができる。
窒化ケイ素パウダースラリーは、高いｐＨにおいて静電的に、または重合分散剤を使って立体的に安定させることができる。水酸化テトラメチルアンモニウムを使用すれば、低粘性のジェット可能な安定スラリーを容易に造ることができる。しかしながら、部分的な回復処理の最中に、静電的に安定したスラリーに関連した問題が発生する。印刷された部分にダメージを与える可能性があるので、パウダーベッドが自然に個々のパウダーに再分散することはない。スラリーのミリング時間が増えると、パウダーベッドが再分散する傾向が減少する。加水分解したシリカ状の表面は、高いアルカリ性の状態において溶解し、パウダーを乾燥する際に接着剤として働くと考えられている。さらに、Ｓi３N４の静電分散の場合、Ａl２０３やY２０３といった焼結添加剤のためにヘテロ凝結が起こり、これにより焼結添加剤の不均一な分配が生じる。これに関しては、窒化ケイ素では中性ｐＨにおける立体安定化が理想的な分散状態であるといえる。窒化ケイ素の分散剤としてアニオン高分子電解質Nopcosperse Ａ４４（下記参照）を使用した。分散剤０．２w/oを加えることで、低粘性の３０v/oの窒化ケイ素スラリーをｐＨ８．５で準備することができる。また、このような準備から得られるパウダーベッドは、窒化ケイ素の溶解が最低限で済むので、熟成効果が低く、十分に再分散する。
窒化ケイ素スラリーの詳細な構成および準備方法は次の通りである。標準スラリー構成は５３．４４w/o Ｓi3Ｎ4、３．２１w/o Ａｌ2Ｏ3（アリゾナ州ツーソンに在るCeralox社から販売されているHPA-0．５）、３．２１w/o Ｙ2Ｏ3（ニュージャージー州フェアフィールドに在るMolycorp社から販売されている９９．９９％のUnocal Ｐ／Ｎ ５６００）、０．２８w/o １Ｍ水酸化カリウム（ＫＯＨ）、３８．６８w/o脱イオン水、１．０６w/oポリエチレングリコール（ＰＥＧ、コネチカット州ダンベリーに在るUnion Carbide社から販売されているCarbowax Polyethylene ４００）、０．１２w/o Nopcosperse Ａ４４（３５％、ペンシルバニア州アンブラーに在るHenkel社から販売されている独占ブレンドのアンモニウム高分子電解質）である。パウダーを加える前に、まずＫＯＨ、ＰＥＧ、分散剤をポリエチレンボトル内で溶剤とともに完全に混合する。
次に、この溶剤にパウダーを除々に加え、アルミナボール媒体を使用して２４時間ミリングを行う。スラリージェッティングする以前に、３２mmの大きさのふるいを使ってスラリーを予め濾過し、真空下で脱気した。これは、ジェッティングの最中に気泡の発生を防ぐためである。
スラリーとして使用できる別種の候補は金属パウダー懸濁液である。１〜５ミクロンの微細な金属パウダーは、銀、ニッケル、鉄、コバルト、タングステン、モリブデン、その他の金属から得られる。気体をアトマイゼーションして生成する金属合金パウダーも５〜１０ミクロンの大きさにすることができ、このパウダーもスラリーの配合に適している。スラリー媒体は水、または、エチル、プロピル、メチルアルコールを含む幅広い溶液、あるいは水とアルコールの混合物であってもよい。本発明での使用に適したスラリーは、粒子が０．２〜１０ミクロンの大きさ、好ましくは０．５〜２．０ミクロンの大きさである。
スラリーとして使用する別種の候補として、重合パウダー懸濁液がある。この懸濁液にはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）とスチレンが含まれるが、これらに限定されるものではない。
次の考察を考慮すると、上述したスラリーシステム用の適切なバインダーには、上述した立体印刷特許において認定されたバインダーとアプリケーションが含まれる。バインダーは、パウダーベッドの気孔空間内に入れるほど大きな粒子を含んでいてはならない。従って、バインダーは溶解ポリマーのような溶解金属から成ることが好ましい。これは例えば、ウィスコンシン州に在るSC Johnson Polymer of Sturtevant社から商標名JONCRYL ５８で販売されているバインダーである。この材料は、水、イソプロピルアルコール、アンモニアの溶液に５０重量率のポリマーを加えたスチレンアクリル共重合体である。バインダーとして使用するにはこれを、固体が５重量率になるように水で希釈する。
ジェッティングパウダー層を使用した立体印刷の方法の一般説明に戻る。パウダーの層が乾燥したら、立体印刷技術に従ってパウダー表面上にバインダーを印刷する。次に、加熱ランプを使ってバインダーを乾燥させる。この後、新しいスラリーの層を使ってこのサイクルを繰返す。
パウダーからの部分除去
バインダーの印刷による完全な外形が画定されたら、この部分をパウダーベッドから回収しなければならない。これは、一般に水の液体にパウダーベッド全体を浸し、パウダーベッドのバインダーを印刷していない部分を再分散させる。これについては次により詳細に説明する。
スラリーまたはペーストから抽出したベッドは、ソリッド・フリーフォーム・ファブリケーション方法にいくつかの利点を与える。最も重要な利点の１つは、１ミクロンまたはこれよりも小さな粒子を使用する場合にも、パッキング密度の高いベッドを製造できることである。このようなパウダーベッドは多少粘着性があるが、これにより結合していない材料をコンポーネントから除去することが難しくなる。ファインパウダーから高密度で製造したベッドにおいて、単位体積ごとの粒子と粒子の接触の数は多い。これらの粒子と粒子の接触の強さは、ベッドの機械的動作に大きく影響する。粒子間のファンデルワールス力に加えて、粒子の接着力も、スラリー層を乾燥する際に粒子ネックにおける溶解した物質の沈殿によっても大きく影響される。ｐＨ４．５の水性アルミナのスラリーは、１７ppmの溶解アルミニウムイオン濃度［Ａl3+］を持ち、また、スラリーが乾燥する際に粒子間のネックにおいてアルミニウムトリヒドロキシド（trihydroxide）（Ａｌ（ＯＨ）3）として沈殿する。この結果得られる粒子間のセメンテーションブリッジにより、粒子と粒子の接触の強さを増加して、さらに強いベッドができる。同様に、水性窒化ケイ素においても、溶解したケイ素（窒化ケイ素パウダーに基づいた０．１重量率までの重量の減少に関連する）が、逆に接触強度に影響を与えながら、粒子接触において再沈殿する。これらの無機セメンテーションブリッジの再溶解も非常にゆっくりと起こる。従って、水または溶液で洗浄することによって、周囲部分から結合していないマトリックス材料を再分散させることは非常に困難である。
ファンデルワールス力の衝撃またはセメンテーションブリッジは、粒子と粒子の接触の性質を変える添加剤を追加することで減衰することができる。この方法において、パウダーベッドの再分散が大きく改善される。この添加剤にはいくつかの必要事項がある。第１に、添加剤は、ファンデルワールス力が十分に減少するように、またはファンデルワールス接着を減少させる新規の効果媒体として働くように、粒子同士が接近することを防止するために乾燥中に分子間を分離するものでなければならない。第２に、分離した添加剤は、溶解した物質が粒子間のネックにおいて過度に沈殿することを防ぐために、希釈剤として作用しなければならない。最後に、立体印刷の場合において、添加剤がバインダーが部分を画定する作用を妨げることがないように、添加剤は印刷されたバインダーと呼応して作用しなければならない。
このような添加剤の選択基準は、１）スラリーの形成に使用する溶剤内で高度に溶解し、乾燥中には材料の最後（またはほぼ最後）にスリップキャストし、２）パウダーベッドの再分散に使用する媒体内で迅速に溶解するように溶解可能なものであり、３）立体印刷の場合において、使用のバインダー用の液体媒体内で溶解可能であり、バインダーのバインディング作用を妨げることがない。
立体印刷での使用の適切な１例は、水性ベースのスラリーには非常に効果的な低分子量のポリエチレングリコール（ＰＥＧ ４００）である。ＰＥＧは、スラリーの乾燥時に粒子のネックにおいて残留する。これにより、ネックでの塩橋の再沈殿が防止できる。ＰＥＧはまた水中での溶解度が非常に高い。再分散工程中にパウダーベッドに液体が侵入すると、ポリマー連鎖が延長し、結合していない粒子を分離するためのさらなる力として作用する。在るミナおよび窒化ケイ素システムも、同様の好ましいＰＥＧ再分散特性を示した。２重量率のＰＥＧ ４００を含むアルミナスラリーから製造したベッドは、水に１５分間浸した後に３０．０重量率の再分散を行った。
ＰＥＧ ４００を含まないサンプルでは２．５重量率であった。ＰＥＧ ４００を２重量率加えることで、水性窒化ケイ素スラリーから製造したベッドの再分散が、ＰＥＧ ４００を含まないスラリーと比べて７重量率から３０重量率へと向上した。また、ＰＥＧはバインダー内で容易に溶解し、硬化の最中にアクリルの架橋に影響を及ぼすことがないため、ＰＥＧの使用は、Joncrylアクリルのような水性バインダーとも互換する。
ＰＥＧまたはその他の再分散剤の効果は、スラリーのpHを溶解した無機固体の形成を最小限にするように選択することで高めることができる。
バインダーによっては、バインダーが印刷された範囲の再分散を防止するために、印刷後、および印刷されていないパウダーを再分散する以前に熱硬化段階を必要とするものもある。
従って、セラミック部分の完全な処理には、バインダー/スラリーの互換性に関連する次の考えが含まれる。多くの場合スラリーは、再分散を必要とする部分が形成された後にパウダーベッドの再分散を補助するための薬剤を含有している。バインダーは、パウダーベッドの微細な孔の中に浸透できるものでなければならない。バインダーは、スラリーに再分散剤を加える以前にも、パウダーを凝固させるものでなければならない（一般にこれは、バインダーを、バインダー内で再分散剤が溶解できるようにすることで達成される）。バインダーは再分散に使用する液体内で溶解してはならない。（これを達成する唯一の方法は、熱を加えると架橋を生じるために、再分散に使用する液体内で溶解しないようになるバインダーを使用することである）
上述した単一スラリージェットの実施例は、実施と自動化が比較的簡単に行える。しかし、単一ジェットのラスター走査は、層内で既にでき上がったラスターラインにラスターラインをステッチする上で困難である。これは、ラスターライン間の層内に隙間のシームが形成されてしまうことがあり、ラスターライン間で層の表面がやや突出するかやや窪んでしまうためである。これらの不定形が生じる理由は、スリップキャスティングの後に個々のジェットされたスラリーラインが、第８図に略図で示すような側壁がやや傾斜し、ライン間が凹状の断面を持っためである。この結果得られた隣接する数本のラインの断面を、第９Ａ図、第９Ｂ図に略図的に示している。図にあるように、ライン３４aと３４bの間等に小さな窪み２３ができている。この窪みは、ラインの層４４a、４４b等を加層するにつれて深くなる。本明細書中ではこのライン間の割れ目をステッチシームと呼ぶ。
層３４から層４４へのジェットの走行パスをオフセットすることで、表面仕上げを改善することができる。従って、第１０図に示すように、次の層は、先行層の上にできたジェットの走行パス間にジェットが走行される。最も単純なケースでは、走行パスは先行の走行パス間の中心に配置され、その結果、層と層が互い違いになる２つの走行パターンができる。この場合、表面全体が各層によって被覆される。
スラリーを、１本の堆積したラインの両方の長い端部におけるパウダーベッドの状態が同じになるように堆積させることが好ましい場合もある。例えば、隣接する両端が隣接するラインではないか、または隣接する両端が既にスリップキャストされたラインである。このような対称性を持った別の走行パスパターンを第１１図に示す。ここで、第１セット５４が堆積しており、これらのライン５４a、５４b、５４c、５４dは互いに、ラインを妨害することなく隣にラインをスリップキャストできる十分な距離をおいて離れている。この間隔は、走行ライン５６a、５６b、５６cから成る次のセット５６を、既に堆積させたライン５４a〜ｄの間に挿入するのにも十分である。この場合、両セット５４、５６は公称的に同じ層上に堆積する。各セットの隣接するラインは、既に印刷されたラインが先行の層内に完全にスリップキャストするまで待たずに、非常に迅速に連続して堆積する。さらに、各ラインはジェッティングの際に、周囲の環境と対称的な界面を有する。セット５４のラインは新しい範囲にジェッティングされ、また、これらのラインは既にスリップキャストした１対のラインに隣接してジェッティングされる。
走査ライン間のステッチングを向上する方法の１つは、既にジェッティングしたラスターラインがスリップキャストする前に次のラスターラインをジェッティングするものである。（これは、前述の、まだスリップキャストしていないラインの隣に新しいラインを印刷しない技術とは全く逆のものである）ラスターラインを引く速度は装置の機構によって異なり、また各装置には、次のラスターラインを引くまでの間に最低限の時間間隔が設けられる。この間隔は装置によって指示される。例えば円形または輪状パターンといった装置の形状においては、隣接するラインまでの時間間隔を自由に変えることができる。
スラリーをラスターパターンに堆積させるための別の機構を第２２図に略図的に示す。第２２図は、機構５４７をその上に設置したパウダーベッド５１３を示す正面図である。この場合、１つまたはそれ以上のスラリージェット５８６（第２２図では２つ）を、ジェットの動作方向を逆行することなく連続ループで運搬するためにトラックまたはベルト機構５４７を使用しいる。次に、ジェット５８６をトラバースする機構５４７とパウダーベッド５１３との間に関連する動作が確立される。機構５４７をパウダーベッド５１３の上に移動することも、また、パウダーベッドを機構の下に移動することもできる（連続的に、またはジェットのトラバース間の個別の動作によって）。いずれの場合も、スラリーのライン５３４a、５３４b等をラスター動作において堆積させることになる。ジスラリージェットが往復キャリッジ状で移動する方法と比較したこの方法の利点は、連続するスラリーのライン５３４a、５３４bの到達間の時間が、堆積したラインの全長にかけて一定であることである。さらに、ジェットの動作が継続的であり、逆行が必要ないため、連続するラインを堆積させる間の時間が、単一ジェットを使用した場合でさえも、第１４Ｂ図に示したような往復キャリッジの場合と比べて短くて済む。さらに、この時間を調整することができる。単一ジェットを使用する場合、連続するライン間の時間間隔をより長くとりたいと思えば、ループの堆積を行わない段階におけるジェットの速度を遅くするか、またはドエルを導入することができる。
パウダーベッドへのジェットのトラバース速度を速めることなく、連続するライン間の時間間隔を短くしたい場合には、ループにジェットを追加することが可能である。
例えば、第２１Ｂ図に略図的に示すように、静止しているパウダーベッド６１３上で回転する回転フレーム６６２にスラリージェットノズル６３６を取付けることで、環状の円形パウダーベッド６１３を造ることができる。スラリージェットノズル６３６は、外側から内側に向かう、または内側から外側に向かうらせん動作をトラバースするようにされる。このノズルは例えばスライダー６６４に設置される。スライダー６６４は、プリントヘッドの外径から始まり、ノズルがパウダーベッド６１３上で１回転する毎に約０．１〜２mmといった典型的な前進速度で中心に向かって規則的に前進する。回転動作を調節するために、スラリーのノズル６３６への液体接続のための特殊な供給が行われる。例えば、ノズル６３６をベアリング６６６内に取付けることができ、これにより、パウダーベッド上でノズル６３６がそのらせん軌道においてトラバースする際、ノズル自体は回転せず、また、ノズルに供給を行う管６６８はねじれを維持する必要がない。
この方法では、十分な高速度において、直前に配置した「ライン」がスリップキャストする前に連続「ライン」を配置することが可能であり、このために、このようなライン間のシームが最小限に抑えられる。（厳密には、ジェットヘッドのパスがらせん状であるため、複数に分離したラインではなく、別のらせんラインの部分と隣接する部分を備えた１本の長いらせんラインである。）
第２１Ａ図に示すような別の形状は、線形に並進運動するジェット５３６の下でパウダーベッド５１３を回転するためのものである。ジェット５３６はスライダー５６４上で固定トラック５６２に沿って動く。第２１Ａ図に示すパウダーベッドを回転するアプローチにともなう欠点は、回転によるパウダーベッド上でのスラリーの動きを防止するために硬化を行う必要があることである。（第２１Ａ図に示したらせんは広がり方が誇張されているのでらせん状に見える。一般には、各サイクルが先行するサイクルと密接している。）
範囲を横断、逆行し、既に堆積させたラインの隣にラインを堆積させるラスター実施例よりも有益などちらの回転実施例からも得られる利点は、連続する「ライン」の隣接位置に行われるスラリーの堆積間の時間が、「ライン」の全長（回転実施例の場合には、１回転のらせん部分）にかけて均一であるということである。これとは反対に、ラスター機構では、方向転換端部近くの隣接するラインを堆積させる間の時間は、方向転換端部から離れた隣接ライン間の時間よりも短い。従って、回転実施例の方が均一性が得られる。
どちらの回転形状においても、ジェット流量が一定であれば回転速度、各パスの半径方向の間隔も一定であり、また、基板に対するジェットの周速が減速することによって層肉厚が中心に向かって増加する。従って、何らかの形の補正を行う必要がある。便利な方法として、基板に対するノズルの回転速度を変更するものがある。好ましい実施例では、スラリーの流量を変更する（ノズルが中心部に近い時には流量を少なくする）。このアプローチには、基板上へのスラリージェットの連続するパスの間の時間を一定に保つという利点がある。
支持とスラリージェッティングユニット間の関連回転でスラリーをジェッティングして形成したパウダーベッドの１例には、直径１５０ミクロンの単一スラリージェットを、各ジェットの回転の間に２５０ミクロンの問隔をおいてパウダーベッド上に放射状にトラバースすることにより、外径０．１５メータ、内径０．７５メータの環状パウダーベッドを製造するものがある。このようなパウダーベッドは、例えば側部が５mmといった小型構成部品を数多く製造する場合に使用できる。パウダーベッド上でのジェットの回転値が６００rpmに維持されている場合、ベッド上をトラバースするジェットの速度は、パウダーベッドの外径においては４．７m/秒、ベッドの内径においては２．３５m/秒になる。ジェットがベッドの外径にあり、内径において２．５cc/分に線形に減速する条件においてスラリーの流量が５cc/分である場合、媒体に吸収される前に７１ミクロンの均一な液体排出が得られる。このパウダーベッドの全体層を堆積させるためにかかる時間は１５秒以内である。
スラリーの体積含有率が３０％、パウダーベッドの充填率が６０％である場合、約３５ミクロンの厚さのパウダーベッド層が得られる。ジェットのらせんパターンは、パウダーベッドの同じ円周位置に０．１秒毎に戻るため、直前に堆積させた部分はまだ完全にスリップキャストしていないので、新しいらせんの部分がこれと結合し、パウダーベッドに生じる欠陥は最低限に抑えられる。スラリーに含有される固体量が少ないほど、スラリーがスリップキャストする時間をやや長くすることによって、この効果の促進を助けることができる。粘性を増加するために薬剤を加えても同じ効果が得られる。
第１４Ｂ図に示すような、パウダーベッドの表面上でノズルを前後に走査する機械システムでは、連続したラスターラインを作成するべくノズル付きのキャリッジを方向転換するのにある一定の時間がかかる。この時間は一般に、約０．２５〜１秒である。直前のラインが１秒よりも短い時間に顕著にスリップキャストした場合、連続する次のラインが、既にスリップキャストしたラインにぶつかった形で配置される。この状況は、上述したように層内に欠陥を生じ、また表面が粗くなってしまう可能性がある。これは防止しなければならない。本発明の１面は、プリントヘッドの通過の間の時間よりもスリップキャストの時間が長くなるようにスラリーを改良することである。例えば、ファインアルミナパウダーのスラリーを使用する場合、ポリエチレングリコールを加えることでスラリーの粘性が増し、これによってスラリーがスリップキャストする時間が長くなる。例えば、２重量率のＰＥＧ分子量８０００をアルミナ体積含有率３０％のアルミナスラリーに加えると、スラリーの粘性が増加する。
本発明の別の面は、隣接するジェットライン間のステッチシームをなくし、同時に材料の堆積量をふやすことである。いずれの目的も、ラスター走査の高速軸に対して垂直な方向（すなわち、第３図の２重矢印で示す方向に対して垂直な方向）に細長いジェットを供給することによって達成することができる。細長いジェットは与えられた範囲をより少ないラスターパスで被覆できるので、ステッチシームの数が減り、堆積の速度が速まる。細長いジェットは、その範囲内で、堆積しているパウダーベッドの全幅を被覆することができ、また、この方法ではステッチシームを完全になくすことが可能である。従って、ノズル開口は細長いスロット、楕円形、その他の適切な細長い形状であってよい。このような開口の典型的な縦横比は３:１よりも大きい。
ノズル開口が細長くない場合でも、円形、長方形、四角形等を含むあらゆる適切な形状であってよい。
多重平行スキャンライン
本発明のさらなる面は、複数の同時作動ジェットを使用して、より広い幅またはパウダーベッドの幅全部を被覆することである。第１２図に略図的に示すこの実施例では、複数のスラリージェット１３０a、１３０b、…１３０fが一直線上に、１つのジェットの断面の大きさの数倍の幅間隔を置いて配置されている。ジェットは、１つのノズルヘッド１３６を介して複数の開口から排出される。第１３図に略図的に示すように、ジェット１３０a、１３０b等は、ジェットがそのパウダーベッドへの経路に溶け込むことがないが、隣接する液体ジェットの「スプラット」または広がりと結合できる程度には近い距離で互いに十分に離間している。隣接するジェットのライン全体が結合すると、パウダーベッドの表面において向上した堆積表面が造られる。その結果、パウダーベッドの表面上にスラリーの幅広い帯ができ上がる。パウダーベッドにジェットが当たり、横方向に広がってラインを形成するべく結合するまでに要する時間が、液体がパウダーベッド内に著しくスリップキャストするまでの時間よりもかなり短いことが重要である。例えば、スプラットが生じるのにかかる時間は、スプラットのサイズをジェットの速度で割ることで求められる。
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ジェットデザイン
典型的なジェットは直径が約０．３mmで、ジェット速度は約２m/秒である。従って、スプラット広がりまでの時間は約０．１５ミリ秒である。反対に、液体媒体がパウダーベッドに吸収されるのにかかる時間は、スラリーの配合、パウダー粒子の大きさ、その他の要因によって異なるが、０．１〜１０秒の間である。従って、隣接するジェットはスプラットし、スラリーがスリップキャストする以前に互いに結合する。
例えば、直径３５０ミクロンの円形ジェット２５個を１mmのセンター間隔を置いて配置する。この装置を介して、スラリーが総流量３３０cc/分で押出される（各ジェットにつき１３．２cc/分）。このジェットの列を、パウダーベッド上で２．０m/秒にて走査した結果得られる湿潤層肉厚h*は、各ジェットの流量とジェット間の間隔か、または総流量とでき上がりの総幅（ジェット間隔×２５）のいずれかを使って方程式（１）によって求めることできる。どちらの計算でも１１０ミクロンの湿潤層肉厚h*が得られる。スラリーの体積含有率が３５％で、パウダーベッドの充填率が６０％である場合、液体媒体が吸収された後に６４ミクロンの層が得られる。
第１８図に略図的に示すように、ステンレス鋼管のような立方体の金属管４３５の壁に穴を開けることにより、開口部４３６a、４３６b…４３６nの線形列４３６を造ることができる。この穴は、フォトエッチング、放電装置またはレーザーアブレーション法といったあらゆる適切な手段を使って開けることができる。または、開口板を造り、例えば接着セメントでプレナムに固定してもよい。このような開口板は、上述した技術のいずれか、または電気鋳造法によって造ることができる。アルミナのようなセラミックの開口板も、ダイアモンドドリルまたはレーザーカットの技術を用いて造ることができる。シリコンウェーハ内での開口のマイクロ製造は、このような開口板の製造に使用することができるまた別の方法である。
開口部のサイズと、線形列における開口部間の間隔の設計についてはいくつかの考えが浮かぶ。より大きな開口部を使うことにより、プリントヘッドが詰まる可能性を大きく減少させる。また、より大きな開口部によって濾過の必要性も減少する。これによって、より大きな粒子がスラリーシステムとプリントヘッド内を安全に通過することができる。従って、濾過方法では主に、パウダーベッドに必要とされる品質を保証することに重点を置く。しかし、非常に大きいために線形列において互いに遠く離間してしまう開口部では、均一の厚さのパウダーベッドを製造することは難しい。さらに、より大きな開口部を使用すると、パウダーベッドの端部の制御が困難になってしまう（下記参照）。
ジェットのラインと幅広いノズルの比較
複数のジェットを使ってパウダーベッド上にラインを堆積させることは、細長い開口部またはスロットを使った場合と比べて確実に有益である。主に、スラリーが通過しなければならない最低限の大きさは、一連の穴全てが、同じ効果範囲に設けるスロットよりも大きい。例えば、１mmセンター上に配置された３５０ミクロンの穴と同等の大きさを細長いスロットで置き換えるとすると、スロットの厚さ（細長くない部分の大きさ）は９６ミクロンになる。従って、穴の場合には、１００ミクロンの大きさのアグロメレーションが穴の１つを自由に通過することができるが、スロットの場合には詰まってしまうであろう。別の利点は、ノズルの構成に多くの材料を使用することができるので、一連の再形成可能な穴の製造が、一定の大きさの細長いスロットを製造するよりも容易なことである。
さらにある利点は、スロットから出るジェットでは、ジェットの端部における状態がジェットの中心部の状態とは異なることである。特に、毛管現象はジェットの端部を中心に向かって内側に引っ張る傾向がある。しかしこれとは反対に、一連の小型ジェットを使用する場合には、端部のジェットが、中心におけるジェットと同じ方法でジェットからパウダーベッドへの距離にかけて移動する。さらに、以下で述べているように、一連のジェットを使用することによって、パウダーベッドの端部の調整のさらなる好機を開く。
最終的に、以下に示すように、複数の材料から成るパウダーベッドは、異なる材料を異なるジェットに供給することで製造することができる。
開口部の間隔をとる際に、開口部を、その直径の１．５〜６倍の距離を置いて離間すると有益である。その中でも、２〜４倍が好ましい。
複数の平行ジェットを使用する際、液体面に気泡が現れ、表面の非均一性を生じるという状態が起こる場合もある。スラリーからの液体媒体がパウダーベッドの気孔を貫通する際に、この気孔内の空気が除去されなければならない。パウダーベッド内でこの空気が下方向に押され、上面の表面以外のいずれかの面から放出されることが望ましい。しかし、スラリーから空気が出て、スラリー内に気泡を形成してしまう場合もある。気泡は、上述したように、独立ラインの連続としてパウダーベッドを堆積させることで防止できる。この方法では、液体がパウダーベッドに浸潤し、パウダーベッドのまだスラリーを印刷していない範囲へと気泡を押出す。しかし、常に気泡が発生するというわけではなく、気泡が発生しない場合には複数ジェット実施例は明らかに有益である。
複数の走査ラインを同時に堆積させる別のパターンは、第１１Ａ図、第１１Ｂ図および単一ラインの堆積に関連した上述の方法と類似する。第１１Ａ図、第１１Ｂ図はこのパターンの説明にも適応する。第１セット５４にある全てのスラリーのラインを同時にジェットし、続いて第２セットの全てのラインを同時にジェットすることが可能である。この方法では、単一ジェット実施例に関連して上述した対称性の利点が得られる。複数ジェットを使用すると、単一ジェットを使用した場合よりも速く被覆が行える。
層の肉厚を減少する
本発明の方法の利点の１つは、極薄の層を作成できることである。既に述べたように、普通は５０ミクロンの厚さの層が使用される。パウダーベッド上での単一または複数のジェットのトラバースの値を上げることにより、より薄い層を作成することができるが、ジェットをより高速で走査することは実用的でなく、特に、ジェットが方向転換し、各パス毎に再加速する必要があるラスター走査の場合にはなおさらである。ジェット内のスラリーの速度を減じることによって、より薄い層を作成することは可能である。しかし一般的に、ジェットには最低速度が決まっており、それ以下の速度になるとジェットが不安定になり、開口部からの放出角度が変わってしまう。また、スプラット拡張の間に隣接する走査ライン同士が合着できるだけジェットが十分に接近しているのであれば、高速方向に対して垂直なジェット間の間隔を広くすることでより薄い層を作成することもできる。さらに薄い層が必要な場合には、スラリーを希釈し、より低い体積含有率において使用する。この方法では、同量の液体容量を排出および分配することにより、媒体が吸収された後により薄い層が得られる。
累積偏差の制御
多数の層の堆積の最中にかけて累積効果が上昇する。本発明の１面は、各層の厚さの調整に加えて、これら累積効果を調整することである。例えば、パウダーベッド上での単一ジェットまたは複数のジェットの高速軸トラバースにおいてトラバース速度が変化（例えばシヌソイドの変化）することがある。（例えば、このような速度変化は、ノズルの駆動の１部を成すベアリング内の偏心のために起こる。）この変化のピークツーピーク振幅が４％である、場合、名目上５０ミクロンの厚さの層は４９〜５１ミクロンに変化する。この場合、トラバース速度が低い時には層がより薄くなる。通常、単一層にはこの調整の度合で十分である。
しかし、高速軸走査速度における変化が、トラバースに沿った同じ場所に再帰した場合、各層が同じ場所において厚くなり、また同じ場所において薄くなり、変化が増加する。このため２５層より後には、パウダーベッドの厚さには１２２５ミクロン〜１２７５ミクロンの違いが出る。従って、各層の厚さと等しい累積変化が起こる。
パウダーベッドの高さを連続して測定することが本発明の１部である。これは、例えばパウダーベッドの表面にかけて光学側距機４１を走査することで達成できる。第１４Ｂ図に示すように、この高さ情報は、パウダーベッドの水準表面を作成するための制御方法の基準として使用される。側距機はレーザーに基づき、バインダー印刷ガントリー４３上に収容することができる。
制御方法は、以下に述べるジェットの数に依存する。
単一ジェットをラスター走査パターンで使用してパウダーベッドを作成する場合、累積形成高さにおいて測定したエラーを補正するために、高速軸走査の最中と高速軸走査と高速軸走査の間の両方において、高速軸におけるトラバースの値が調整される。従って、パウダーベッドの低過ぎる範囲ではジェットがより遅い速度で走査され、またパウダーベッドの高すぎる範囲ではジェットがより速い速度で走査される。
複数のジェットの列、例えばパウダーベッドの幅全体にかかる一直線（高速軸Ｆに対して垂直）の列を使用する場合、方法はいくぶん異なる。パウダーベッドの幅にかけて一定な、高速軸にかけて起こる変化も、ジェットのトラバース速度の変化（上述の単一ジェットの場合と同じ）によって補正することができる。しかし、走査の高速軸に対して垂直に起こる変化は、まずジェットの流量を制御することによって制御しなければならない。
第１８図に略図的に示すように、複数ノズルスラリージェッティング工具４３６は、複数（例えば１０個）の部分４６２a、４６２b…４６２jに分割することができ、これらの各々は各部分における独立した流量の制御が可能である（１０個のノズルスラリージェッティング工具では各ノズルの独立した制御が行えるが、１００個のノズル工具では１０本のノズルの「塊」を制御する。）１塊中のノズルで起こる流量の変化は、各範囲を網羅する１塊内の全てのジェットからのパスの数が均一になるようにするために、全部のパスにおいて、塊の位置をパウダーベッドに対する高速軸に対して垂直に変えることで平均化することができる。高速軸に対して垂直な高さの測定はまた、プリントヘッド内の各ノズルの動作に著しい変化の診断を斟酌するため、メンテナンスのために工程を停止することが可能である。
第１９図は、所望の高さの平坦なパウダーベッドを作成するために使用する制御システムをブロック図形式で示している。制御システムへの入力には、最後の層を作成した後の目標のパウダーベッドの高さ、パウダーベッドの次の層の目標の厚さ、最後の層を作成した後のパウダーベッドの測定高さが含まれる。高さを測定するには、パウダーベッドの表面にかけて光センサーを走査する。例えば、レーザー側距機４１（第１４Ａ図）を使用することができる。このような装置はパウダーベッド上を素早く走査する。例えば、高速軸を１０〜１００トラバースさせる。この方法で、パウダーベッドの高さを表す２つのディメンションマップができる。
第１９図にパウダーベッド高さ（x、y）で示すように、従来より知られているインターポレーション法を用いて、行った測定に基づいたパウダーベッドの表面の分析的な状態を作り出すことができる。ここで、ｘは高速軸走査に沿った座標、ｙは遅速軸走査に沿った座標である。
各層が堆積し、パウダーベッドの高さを測定したら計算が行われる。
ここで、目標高さからパウダーベッドの測定高さを引くと、パウダーベッド表面上の２本の軸の位置の関数であるエラー信号（x、y）が得られる。このエラー信号は、次のパウダーベッドを堆積させた層（またはもう少しゆっくりで、次の何層か）の形成後のパウダーベッドの厚さを表すものである。測定したパウダーベッドが所望の高さよりも低い箇所には厚さを追加する必要があり、また所望の高さよりも高い箇所には次の層（単数または複数）としてより薄い層を堆積させる必要がある。次の所望の層の厚さにこのエラー信号を加える。これは次の層の目標の厚さを、パウダーベッド上での位置の関数として表している。方程式（１）、（２）を用いて、この目標高さを使ってパウダーベッドの表面にかかる目標ジェット速度（x、y）を、位置の関数として以下のように計算することができる。
0004314414.tif 000009
遅速軸に沿った特定の位置yを指定することにより、高速軸走査ラインに沿った目標速度（x）を求めることができる。この速度が、スラリージェットヘッド４９を取付けたキャリッジ８５用の制御システムに供給される。一般に従来の方法においては、キャリッジ８５は、例えばケーブル駆動４５を介して、サーボモーター３７によって駆動され、また、線形暗号器４７を使ってキャリッジ８５の位置についての情報を得るために線形暗号器４７を使うことができる。この次に、この位置情報を使ってキャリッジ８５の速度を計算することができる。従来の方法では、コントローラーを使って、キャリッジの所望の速度を、高速軸走査の最中の位置の関数として維持することができる。
この説明は、各層を堆積させた後にパウダーベッドの高さを測定するとしている。しかし、時間の節約を考えると、例えば１０層毎のように高さの測定回数を減らすことが望ましい。この場合、測定と測定の間の時間中に測定エラーができ上がるように、エラー信号を約１０で割る必要がある。さらに、キャリッジへの制御信号に受入れられる最低および最高の速度を確立することが望ましい。例えば、速度制御信号が公称値の５０〜１５０％で変動する場合には、公称値の９０〜１００％になるようにこの速度信号の規模を縮小することが望ましい。これにより、トラバース中のスラリーの堆積の状態が大体一定に維持され、欠陥品の製造を防止する。キャリッジの速度制御は従来よりよく知られており、一般に速度制御のエラーは約２％またはこれよりも低い。このため、最大１０％の制御信号の許容がエラーの補正に十分なものでなければならない。さらに細部を表示することができる。測定自体内のノイズの量を確認するためにエラー信号上に「デッドバンド」を確立するというように、さらに細部を示すこともできる。
端部配置制御の認識
本発明の別の面は、パウダーベッドの端部配置の制御をかなり正確に行えるという認識である。実際には、パウダーベッドの端部、または端部付近に液体スラリーを繰返し排出する機能により、ほぼ垂直の側壁を作る。ジェッティングによって作成したパウダーベッドの１例を第１７図に示す。第１７図は、支持の表面上にラスターした単一ジェットをジェッティングして作成したパウダーベッドの写真である。非常に鋭角な端部と垂直壁がはっきりと見える。単一ジェットをトラバースして作成したパウダーベッドの端部の画定を助ける別の面に、スリップキャスティングによるかなり速いラインの安定化がある。これにより、優れた端部状態を画定することができる。この、ジェットの列を使用してパウダーベッドを作成する場合、各層につき、パウダーベッドの端部をトラバースし、これらの端部を上手く画定するためにまず単一ジェットを使用し、次にこれらの端部の間に線形列を使用することが有益である。
製造ライン
その上に、ジェッティングしたパウダースラリーの連続層とバインダーのパターンを、スラリーを堆積させるために高速軸に沿って移動するスラリー堆積ヘッド４９で堆積させ、続いて表面上をラスターするバインダー堆積ヘッド５１で堆積させる、実質的に動かない支持１２を使った実施例についてこれまで述べてきた。
スラリーとバインダーを、製造ライン上の異なる位置に供給することも可能である。製造ラインでは、全てのステーションにおいて、成長部分はラインに沿って前進するウェブによって支持されている。この実施例を第１５図に略図的に示す。このような場合、上流に設けられた第１スラリー堆積ステーション２０２aが、矢印Mで示した方向に沿って移動するウェブ２００に遭遇する。スラリー堆積段階には、ウェブの幅にかけて複数のジェットが間隔を置いて設けられた固定ヘッドが含まれる。複数のジェットがある時間の間作動し、その間、下でウェブが前進し、スラリーの層を受容する。スラリー層が上述したようにスリップキャストし、例えばずっと下流にある加熱ランプによって乾燥２０４aされる。
ウェブで運ばれたパウダーベッドは次に、事前に選択されたパターンに従ってバインダーを堆積させるバインダー堆積ステーション２０６aに遭遇する。バインダーは、同時係属出願U.S.S.N. ０８/８３１，６３６で説明されているようにマスクを介して、またはバインダー堆積ヘッドを動かして堆積させることが可能である。後者の場合、バインダー堆積ヘッドはウェブの幅を、ウェブがバインダー堆積ステーションを通過する速度と比べてかなり速い速度でトラバースする。バインダー堆積ヘッドはまた、ウェブが進む方向に沿って移動することもできる。次に、バインダー乾燥ステーションにおいてバインダーが任意に乾燥２０８aされる。これらのステーションの第１セットは、第１段階２１０aの１部である。
さらに下流にはさらなる段階２１０b、２１０c等が設けられており、これらの段階の各々がスラリージェッティングステーション、スラリー乾燥ステーション、バインダーの印刷ステーションを備えている。この連続するウェブ実施例は、非常に大量のスラリーを使用する等の特定のタイプの用途に有益である。
さらに、パウダー層と印刷バインダーをジェッティングするための複数段階では、形成部分の別々の場所に、異なるタイプのスラリー（異なるパウダー、異なる粘性、異なるスラリー固体構成等）と異なるタイプのバインダーを容易に付加することが可能である。これは単純に、異なる材料を異なるステーションに供給することにより達成できる。線形組立ラインタイプのラインと違って、ウェブパスは、最初の段階へ戻り、また同じ段階を通過する巡回的であるか、または２つまたはそれ以上の段階間を往復するものであってよい。
複数ステーション処理ラインの別の実施例は、第１６図に略図的に示す回転式セットアップである。このような実施例では、形成するパウダーベッドと部品が、例えばウェブまたはターンテーブル３００上で、スラリージェッティングステーション３０２から乾燥ステーション３０４、バインダー印刷ステーション３０６、バインダー乾燥ステーション３０８へと移動し、最初と同じスラリージェッティングステーション３０２へと戻り、ここから再び同じ工程を繰返す。
用途によっては、単一コンポーネント内でパウダーベッドの構成を変えることが望ましい場合もある。このようなコンポーネントは立体印刷で作成することができる（その他の方法でも作成可能である）。構成は色々と変更することができる。各層に異なるスラリーをジェッティングして各層の構成を変えることも可能である。例えば、第１４Ｂ図に示すように、異なるスラリーヘッド４９と４９*を使用することができる。スラリーヘッド４９、４９*（４９*は第１４Ｂ図のみに図示）の各々が、少なくとも１本のスラリーノズル３６、３６*を備えており、どちらもキャリッジ８５、８５*￥上に取付けられている。図にあるように、両スラリーヘッドは独立したモーター３７、３７*により同じトラック３３に沿って駆動される。共用モーターを使用する、または別々のトラックを使用する別の実施例も可能である。また、製造ライン実施例（上述）では、異なるスラリーステーションに異なるスラリーを供給することができる。
さらに、異なるスラリーを異なる場所にジェッティングすることにより、層内の構成を変えることもできる。この場合も、第１４Ｂ図に示すように各々が異なる材料をジェッティングする２つのスラリーヘッド４９、４９*を使って実施できる。多数の材料Ａのラスターラインを堆積させることができ、続いて、多数の材料Bのラスターラインを堆積させることができる。この方法では、パウダーベッドは異なる材料の層で形成される。また、異なる材料のジェットをベクトル様式に移動し、より複雑な形状をした異なる材料から成る範囲を描くことができる。
第１４Ｂ図に示した装置もベクトル走査に使用できる。しかし、一般にベクトル走査装置は図示した比較的重いトラック３３とは違ったトラックシステムを使用している。
さらに、立体印刷と組合せた場合、異なる材料の堆積の位置の正確性はそれほど厳密ではない。これは、その部分の外形が、バインダーが印刷される場所によって画定されるためである。従って、異なるスラリー材料を堆積させる場合、スラリー材料を故意にその部分の外部境界線を越えて延ばすことが可能である。
小滴のジェッティング
さらに、連続するジェットではなく、スラリーの独立した小滴を印刷することによりパウダー材料の異なる範囲を作成することができる。これは、以下により詳細に述べる連続ジェットインクジェット印刷技術を用いて達成できる。でき上がるパウダーベッドの、はめ込んだ小滴と小滴の間の中間部に欠陥が生じないようにするために、液体媒体のスリップキャストに必要な時間を特別に考慮しなければならない。
前述において、スラリーを、成長中のパウダーベッドの表面と、独立した小滴ではなく連続する流れとして接触するようにジェッティングする実施例が強調されている。これを第５図に図示した。この条件の理由の１つは、次の小滴がパウダーベッドに到達する時に前の小滴がパウダーベッドにスリップキャストしているかどうかにかかわらず制御が働かない無作為の噴霧と比較すれば、上述したようにスラリージェットの状態に制御が供給されるためである。
スラリーの継続する流れに関連して上述した実施例にあるように、ノズル開口部から継続的にスラリーを排出することにより、理論的には比較的正確な制御が供給できる。違いは、パウダーベッドに衝突する前に、スラリーの流れが個々の独立した小滴に破壊する時間を設けるためにノズルがパウダーベッドから離間している点である。従って、例えば個々の小滴をスラリーコレクターまたは溝内に収集することにより、個々の小滴がパウダーベッドに衝突するのを防止することができる。このタイプの装置は、インク「連続」印刷としてジェット印刷技術で知られているものとある意味で類似する。これは、印刷材料の流れがノズルにおいて連続し、ノズルの下流において断続されるためである。バインダーの印刷にこのような連続インクジェット印刷を使用する技術については、同時係属、同時譲渡されたU.S.S.N. ０８/５９６，７０７、HIGH SPEED, HIGH QUALITY THREE DIMENSIONAL PRINTINGで説明されている。独立して制御されたスラリー小滴のジェッティングおいてもこの技術を利用することができる。
小滴の溝への逸らしは一般に、流れをコレクターに向かってまたはコレクターから離して向きを逸らすために、スラリーの流れを静電的に電荷し、続いてこの流れを電界中に送ることで行われる。この場合、個々の小滴を引寄せる、または退けるために、コレクターを同じく適切に電荷してもよい。このようにして、個々の小滴がパウダーベッド上に衝突することを防止でき、また正確に小滴の照準と時間を定めることができる。従って、新規に連続して堆積した小滴と接触した、先行して堆積した小滴の状態（その多孔ベッドへのスリップキャストの度合いに関して）を制御することができる。そのため設計者は、第２の小滴を、完全な液体（スリップキャスト以前）から完全なスリップキャストまでを含むスリップキャストの広範な連続体に沿ったあらゆる点において、第１粒子付近でパウダーベッドと接触させることができる。
独立した小滴によるパウダーベッドの作成の重要なアプリケーションは、異なる材料を異なる場所に配置してパウダーベッドを作成することである。例えば、第１４Ｂ図に示すように、２つのスラリージェットヘッド４９、４９*を使用し、まず１方のジェットヘッド４９でスラリー材料の島を画定し、次にこの島を第２ジェットヘッド４９*からのスラリーで包囲する。
前述の説明は、例証用の長方形のパウダーベッドを示す。しかし、ラスターまたはベクトル走査等によって走査可能なあらゆる形状を作成することができる。これらには、円形、不規則な形状、さらには内部に開口を有する形状といった実質的にあらゆる形状が含まれる。必要とされるのは、スラリージェットが移動する範囲にかけての、また、スラリーをいつディスペンスし、いつしないかの制御である。例えば、第２０図の右側にある部分の形状をした部分を、ベクトル走査実施例または連続インクジェットタイプ実施例のいずれかを使って、本発明の工程によって作成することができる。（実際には、図示の部分はバインダーを使って作成されている。）
パウダーベッドのみの作成が本発明の態様である ジェッティング技術を使って層からパウダーベッドを形成する本発明のこの態様を、主に立体印刷に関連して説明してきた。しかし、これ独自が新規で有益なものであり、積層造形（SLS）（スラリー内の熱架橋ポリマー）といった、ファインパウダーの層を必要とする多くの異なる技術とともに使用することが可能である。
前述の説明は例証として理解されるべきであり、あらゆる意味で限定として考慮されるべきではない。本発明を特に、好ましい実施例を参照して説明したが、請求の範囲で定義している本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、形状および細部の変更が可能であることが当業者には理解されるであろう。
以下に示す請求の範囲内の手段または段階および機能要素の関連構造、材料、作用、そしてそれに相当するものは、明確な請求として別の請求された要素と組合せて機能を実行するためのあらゆる構造、材料、または作用を含むことを目的としている。
本発明の説明はこれで終わりである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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