(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受け面上に凝固可能な材料を堆積配置することにより三次元的な物品を製造する方法であって、前記物品が一部に前記凝固可能な材料が存在しない小孔を含み、所定の有孔度を有する物品であり、
所定の大きさ及び形状の三次元的な物品が形成されるよう所定のパターンにて移動されるディスペンサから、凝固可能な材料を、該材料が順次堆積して前記物品を形成するよう受け面上に供給することと、
前記材料を複数の互いに隣接する要素としてそれらの要素間に小孔が形成されるよう堆積配置することと、
形成される物品に所定の有孔度を与えるよう前記材料の供給速度を調節することと、
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、前記小孔が空気で満たされていることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１の方法であって、前記ディスペンサがノズルであり、前記材料が加圧供給源より流体の状態にて前記ノズルへ供給され、前記材料が前記要素を郭定する連続的なビードの形態にて前記ノズルより押し出されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３の方法であって、前記ビードの断面が楕円形であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３の方法であって、前記加圧供給源が前記物品に１〜９％の有孔度を与えるよう調節されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５の方法であって、前記加圧供給源が前記物品に５％の有孔度を与えるよう調節されることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１の方法であって、前記ディスペンサがインクジェット型の小滴ディスペンサであり、前記材料が前記要素を郭定する小滴の形態にて堆積配置されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７の方法であって、前記小滴の堆積配置が前記物品に２〜２８％の有孔度を与えるよう制御されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８の方法であって、前記小滴の堆積配置が前記物品に１４％の有孔度を与えるよう制御されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７の方法であって、堆積配置される際の前記小滴が略球形であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項３の方法であって、前記材料が前記加圧供給源を含む定容積型ポンプから前記ノズルへ供給されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項３の方法であって、水平方向に連続的な層状に前記ビード要素が堆積配置され、複数の堆積配置された前記ビード要素が上下方向及び水平方向に互いに隣接し前記上下方向及び水平方向に沿った断面に於いて矩形格子列になるよう配列されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項３の方法であって、水平方向に連続的な層状に前記ビード要素が堆積配置され、複数の堆積配置された前記ビード要素が上下方向及び水平方向に互いに隣接し前記上下方向及び水平方向に沿った断面に於いて六方格子列になるよう配列されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項３の方法であって、前記ビード要素が相互にずれて所定の最小の有孔度を与えるよう水平方向に連続的な層状に前記ビード要素が堆積配置されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４の方法であって、前記所定の最小の有孔度が略１％であることを特徴とする。
【請求項１６】
請求項１の方法であって、前記材料の供給速度が１〜２０％の有孔度を与えるよう調節されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は三次元的な原型の製造に係り、特に、原型モデルを製造する方法であって、形成される原型モデルの「有孔度」が０でない所定の値となるような充填配置パターンにて原型部品を形成する方法に係る。
許容し得る原型部品を形成するためには、現在のところ、順次適用される材料の配置が厳密に制御されなければならない。何故ならば、材料の配置に誤差を生ずると、原型部品全体に寸法誤差が広がるからである。更に、一つの層に於ける材料の配置の誤差が原型の種々の層の精度に与える影響を正確に判定することは非常に困難である。
連続的な要素の堆積配置によって三次元的な原型を製造するための理想的な条件としては、もし堆積配置ガン又は押し出しヘッドから押し出されるビードの面積が全ての押し出し速度に於いて一様に面積Ａであり、ビードの間の水平方向の間隔がｂであり、上下方向の間隔がａであり、従って、Ａ＝ａｂであるようにビードの軌道が設定される場合には、適正な寸法を有する原型部品が得られる。非連続的な要素の堆積配置に於いては、もし堆積配置ジェットにより配置される小滴の体積がＶであり、配置位置の水平方向の間隔がｂ及びｃであり、上下方向の間隔がａであり、Ｖ＝ａｂｃであれば、適正な寸法を有する原型部品が得られる。
しかし理想的な条件が存在することはまれであり、急速原型製造プロセスに於いては、充実の原型部品の寸法精度に関して多数の問題が発生する。連続的なビードの堆積配置に於いては、例えば、定容積型ポンプが使用されない場合には、単位時間当りに押し出される材料の量はポンプの運転速度に比例しない。連続的な要素の堆積配置及び非連続的な要素の堆積配置の何れの場合にも、材料の物理的性質（この場合の物理的性質として内部粘性、表面張力、急速凝固がある。）に起因して表面の湾曲度合が高い領域に於いてビードの間に間隙が発生する。
連続的なビードの押し出しによる急速原型製造法に於いては、ビードの充填配置パターンに関し二つの極限的な態様、即ち矩形（格子）列及び六角形（六方格子）列がある。矩形列の充填配置に於いては、ビード材料は空間を完全に充填するためには非常に小さい半径を有する９０°の角部に流入しなければならない。角部の角度が１２０°である六角形列の充填配置に於いては、種々の問題が発生する。ビードは一般に粘性が高過ぎて１２０°の角部を充填することができない。
他の一つの問題は、押し出し材料がバッチ毎に変化するということである。更に空気中の水分や酸素の如き物質の吸収やこれらとの反応に起因して、押し出し材料はそれが加熱されたポット内にある間に性質を変化する。バッチに与える全ての影響により、或る与えられたポンプ速度にてビード又は小滴として押し出される材料の量がバッチ毎に変化するだけでなくバッチ内に於いても変化する。
更に他の一つの問題は、原型部品に発生する誤差が原型部品全体に広がる傾向があるということである。押し出しの遅れや過剰の押し出しの如き誤差が原型部品に発生すると、材料が正確に計量される場合にも誤差がその後の全ての層に於いて発生する。同様の誤差が最初の層に近接して発生すると、問題はその後の層に於いて更に悪化する。
また押し出しされたビードは押し出し後に変化する。連続的な押し出しに於いては、押し出し材料はそれが温度低下する際に収縮し、さらにビードはノズルを経て強制的に押し出された後に軸線方向に収縮すると共に半径方向に膨張する。上述の全ての理由から、三次元的な原型製造装置に於いて任意の与えられた時間に於いて押し出される材料の体積を正確に決定することは困難である。また最下層に於ける固有の不確定性に起因して、一つのビード層が隣接する層上に如何に配置されるかを判定することも困難である。
現在、原型製造法として、幾つかの種類のものが使用されている。連続押し出しによる急速原型製造法は、原型を順次形成すべく、プラットホーム上に材料の連続的なロード（road）、リボン、又はビードの複数のセグメントを堆積配置することを含んでいる。かかる局部的に互いに平行な多数のビードのそれらの軸線に垂直な断面には、ビードが如何に充填配置されるかに関し二つの極限的な態様、即ち矩形列又は六角形列がある。矩形列の場合には、四つのビードが互いに隣接する線に沿って長手方向の間隙又は小孔が形成され、六角形列の場合には、三つのビードが互いに隣接する線に沿って小孔が形成される。
ラミネーションによる急速原型製造法は、充実の原型を順次形成すべく成形されたシート又は膜を堆積配置することを含んでいる。一般にこれらのシートは連続的な面にて接合し、従って必然的に小孔は存在しない。シートに溝や孔を形成すると、有孔度が導入され、このことは後述の如きロストワックス鋳造法の場合に有用である。この例外を除き、シートラミネーションにて製造される原型部品の有孔度は一般に０である。
非連続的な要素の押し出しによる急速原型製造法は、小滴が順次充実の原型を形成するようノズル又はプロジェクタから材料の小滴又は粒子を堆積配置することを含んでいる。原型を通る任意の方向の断面には、三つ又は四つ又はそれ以上の小滴が互いに隣接する位置に或る大きさの小孔が現れる。
我々が後で説明する急速原型製造プロセスを制御するための方法は、幾つかの既存の技術に適用可能である。これらの技術を概観すると、それらの従業員は、有孔度を、特に最適のレベルにて、意識的に導入することの利点については認識していないことが解る。
例えば米国特許第５，３０３，１４１号公報に於いては、原型部品の有孔度の役割については述べられていない。この公報の図９ａ〜図９ｃは可能な最大の有孔度にて堆積配置されたビード（隣接するビードと線接触する円筒形のビード）を示しており、これは実際の原型部品の形成にとって好ましい実施形態ではない。
また特開昭６２−２３４９１０号公報には、その図４及びそれに関する明細書の説明の箇所に於いて充実の原型が球形の粒子より形成されることが記載されている。かかる原型部品は推奨される値よりも大きい有孔度を有する。この公報の図４は、原型を形成する複数の球体の体心立方格子を示しており、原型は実質的に４５％の有孔度を有するものと考えられる。各球体は隣接する六つの球体と点接触しかしておらず、そのため脆弱な原型部品しか形成されない。またこの公報の図６ａ及び図６ｂは他の原型部品の断面を示しており、これらの場合にも原型部品は点接触した球体にて形成されている。
米国特許第４，６６５，４９２号公報の図２ａ〜図２ｃには、インクジェットに似たメカニズムにより堆積配置される材料が或る残留有孔度を有することが示されているが、この公報に於いても有孔度の重要性や最適値については述べられていない。
更に米国特許第５，２０４，０５５号公報及び同第３４０，６５６号公報には、インクジェットにより粉末にバインダを適用して三次元的な原型部品を製造することが記載されている。バインダが粉末中に浸透するよう粉末は多孔質であると仮定されているが、これらの公報に於いても有孔度の役割や重要性については言及されていない。
発明の簡単な概要
本発明の一つの目的は、原型部品の全体としての強度、材料の使用、後処理の改善、寸法精度にとって最適の範囲にて０よりも大きい所定の有孔度を有する完成した原型を形成すべく、三次元的な原型を形成する材料の堆積配置速度を調節する方法を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、ロード（road）、ビード、リボン、小滴、粒子、シートを含む種々の要素の形態をなす材料にて原型を形成することのできる方法を提供することである。
上記目的は、本発明によれば、三次元的な原型を製造する方法であって、凝固可能な材料の要素を所定のパターンにて供給し配置する際に、材料の要素の間に小孔、即ち、流体ポケットが形成されるように材料の要素を配置すると共に所定の範囲内の有孔度を与えるよう材料の供給速度を調節することにより三次元的な原型を製造する方法によって達成される。
堆積配置による急速成型装置に於いて、最も良好に形成された（迅速に成型された）原型部品は、残留する流体ポケットが原型部品全体に分散されている場合である。これらの流体ポケット、即ち小孔は、原型部品の一般には充実の部分内に含まれていなければならない。かかる原型部品は、その強度及び密度が非多孔質の原型部品よりも小さいが、寸法精度が高く、原型部品を広範囲の材料にて形成することが可能であり、原型部品がロストワックス鋳造工程中にセラミック鋳型を破損する虞れが小さく、繰返し形成可能であり、場合によっては機械加工工程を省略することが可能である。
コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルから、非連続的な押し出し又は連続的な押し出しにより材料を追加することによって、三次元的な充実の原型を形成する場合には、ＣＡＤファイルにより郭定される原型部品の内部を完全に充填する量よりも少ない材料を意識的に且つ系統的に適用することに利点がある。原型部品の全ての充実の領域を完全に充填する必要はない。押し出しされたビードの間の流体ポケットは調節可能なバッファを形成する。
本発明は、許容し得ない原型部品の製造の原因になる押し出し速度の変動や要素配置の変動を適正に且つ効率的に補償する方法を提供する。これは、製造中に原型部品に有孔度を導入することによって為される。この有孔度は原型部品の強度が信頼し得る強度になるよう或る範囲内に制限されなければならない。原型部品に有孔度を導入することにより、バッチ間に於ける押し出し速度の僅かな変動やバッチ内に於ける押し出し速度の僅かな変動に影響されにくい原型部品を形成することができる。更に原型部品に有孔度を導入することにより、押し出し材料の粘性や表面張力を高くすることができ、また原型部品内に膨張クッションを与えてロストワックス鋳造中に鋳型が破損することを防止することができる。また機械加工の如き追加の工程を省略することができる。
本発明のこれらの目的や他の目的及び利点は添付の図面を参照して以下の詳細な説明を理解することにより明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
図１はビードの矩形列の縦断面図である。
図２はビードの六角形列の縦断面図である。
図３は小滴の矩形列の斜視図である。
好ましい実施形態の説明
物体１０、１６、３０の如き三次元的な充実の原型を規定するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルは、一般に原型の充実部分を画定する面を含んでいる。もし急速成型装置に於いて或る密度ρの形成材料が用いられて、単に、原型形成材料が原型の対応する面内に存在するように原型が形成される場合には、得られる原型部品はρの密度を有し、その有孔度は０になる。この場合、原型部品の全ての充実の領域が１００％原型形成材料である。もし原型部品の全ての充実の領域が、原型を形成する前にその原型を形成する空間を充填する流体（本発明の用途に於いては空気が最も一般的に使用される流体であるので、流体は密度ρairを有するものとする）など、他の物質を含む系統的な小孔１２を有していれば、得られる原型部品はρpartの密度を有し、原型部品の有孔度（Ｐ）は以下の如くになる。
Ｐ＝（ρ−ρpart）／（ρ−ρair）                      （式１）
小孔１２の如き小孔は、窒素、アルゴン、水、オイル、紫外線により硬化可能なモノマー、真空、水、グリコール、液体金属の如き種々の流体にて充填されてよい。実際の実施に於いては、一般的は、小孔に捕捉される流体は空気であるので、有孔度の制御に関する以下の説明に於いては捕捉される流体は空気であるとして説明されるが、他の流体であってもよい。空気は典型的な原型形成材料の密度の約１０００分の１であるので、原型部品の有孔度は以下の如く表される。
Ｐ＝１−ρpart／ρ                            （式２）
以下の例に於いては、主に、一定断面のビードや一定体積の小滴などの同一の大きさ及び形状の複数の要素から原型を形成することを考える。種々の大きさの要素を組み合わせれば、有孔度の範囲を大きくすることができる。
三つの例について考える。第一の例として、原型部品を、対応するＣＡＤファイルに於いて特定される原型部品が完全に充填されるのに十分な材料を堆積配置するために必要な断面積よりも５％小さい断面積のビードを堆積配置する押し出し急速成型装置を使用して形成する。もし原型部品を完全に充填するために必要なビードの直径が０．０１５inch（０．３８１ｍｍ）である場合には、実際のビードの平均直径は０．０１４６inch（０．３７１ｍｍ）になる。かくしてビードの直径が小さいことにより、０．０００５inch（０．０１２７ｍｍ）程度原型部品の内部側へ変位した原型部品の外面が形成される。かかる外面の変位の他に、ビードの間に僅かな量の空気が捕捉されることによっても原型部品が良好に形成される。かかる原型部品はビードの間の空隙に起因して０よりも大きい有孔度を有する。
第二の例として、同一の部品が、押し出し装置により、通常の値よりも２０％小さい断面積のビードにて形成される。かかる状況の場合、原型部品に於いてビードの間の間隙が非常に大きく互いに隣接するビードが互いに接触しない領域が生ずる。かかる大きさのビードにて形成される原型部品は、一般的には、有孔度が過剰であることにより剥離したり機能が損なわれたりする。
第三の例として、同一の部品が、押し出し装置により、原型部品を完全に充填する値よりも５％大きい断面積のビードにて形成される。原型部品の各層に於いて材料はその層の体積よりも多い量にて堆積配置される。この場合、原型部品の高さは押し出しノズルの高さよりも速く上昇する。ノズルは、一般的には、次第に原型部品内に潜り込んだ状態になり、最終的には構造が損なわれたり、原型部品が破壊されたりする。
これらの例は、材料の堆積配置速度が或る狭い範囲又はウィンドウ内にある限り、堆積配置される材料の量の変動を実際には検出することができないということを示している。材料が堆積配置される速度がその狭い範囲外であると、誤差が許されなくなるだけでなく、誤差が蓄積する。
図１に於いて、ビード（リボン）１４の矩形列１０については、ビードの高さがａであり、ビードの幅がｂであるとすると、最大有孔度Ｐmaxは下記の式に従って演算される。
Ｐmaxrect-1D＝ａ／ｂ（１−π／４）≒ａ／ｂ・０．２１４６≦０．２１４６  （式３）
ここで、ａ≦ｂである。
図２に於いて、ビード（リボン）１８の六角形列１６については、ビードの高さがａであり、ビードの幅がｂであり、これらの寸法が互いに異なっているものとすると、最大有孔度は下記の式に従って演算される。
Ｐmaxhex-1D＝ａ／２ｂ（３1/2−π／２）
≒ａ／ｂ・０．０８０６
≦０．０９３１                                      （式４）
ここで、ａ≦２ｂ／３1/2である。
ビードが円筒形であり、正方形の列に配列され、互いに隣接する四つのビードに接触するときには、約２１％の最も高い有孔度が得られる。かかる状況は、非常に粘性の高い材料又は迅速に凝固する材料が、層状又はビードの層として適用される場合である。かかる条件下に於いては、押し出しされた円筒形のビードは、変形して隣接するビードに密に接触した状態となりにくい。或る場合では、隣接する水平の層内のビードは、局部的にのみ互いに平行であり、直径の半分だけ互いに横方向にオフセットする。この状態に於いては、比較的堅い材料や迅速に凝固する材料であっても有孔度が約９％になるまで詰め込まれることとなる。
原型部品全体としての強度及び内部接着性のためには、円筒形のビードは、或る程度変形することが好ましい。剛固な円筒体は９％の有孔度になるように配列することが可能であり、また、大抵の押し出し材料は、十分な粘性を有するが、ビードが１％未満の有孔度になるほどには変形しないので、押し出しによる有孔度の最適値は５％である。この値によればプロセスウインドウは±４％になる。もし材料が、高さａ及び幅ｂを有し且ａがｂよりも小さいビードとなるよう押し出される場合には、最適の有孔度のプロセスウインドウは、
Ｐextrusionoptimal＝ａ／ｂ（０．０５±０．０４）          （式５）
となる。
押し出し成型されるビードの寸法公差は有孔度の公差の約半分、即ち０．０２ａ／ｂである。かくして、押し出し成型されるビード要素の最適の有孔度の範囲は約２〜１０％であり、最適の有孔度は約５％である。この種の成型に於いては楕円形のビード要素が使用されてもよい。
十分に平坦に変形されたビードは、より高い押し出し精度を必要とするので形成することが困難である。例えば幅が高さよりも４倍大きいロード（road）は体積又は断面積に於いて±１％の精度にて押し出し成型されなければならない。
以上説明した内容によれば、急速成型する場合に於いて互いに隣接するビードが線接触するように、即ち、ビードが互いに平行な軸線を有するようにビード押し出しすることにより最大の有孔度が与えられる。かなり大きい有孔度は、一つの層内に於いて、互いに隣接するビードが互いに接触しないほど互いに十分に隔置されている場合に得られる。このことは一つの層内のビードが隣接する層内のビードと局部的に平行ではない場合にのみ可能である。この状態は、例えば、直交Ｘ−Ｙ軸系の如き系に於いて、ビードの軸線が、層１に於いてはＸ軸に沿い、層２に於いてはＹ軸に沿い、層３に於いてはＸ軸に沿うというよう配向される場合に可能である。かかる条件下に於いては、前述のプロセス限界によれば有孔度の最大の下限値しか得られない。
インクジェット又は弾丸粒子による急速成型は、原型を順次形成するよう材料の小滴又は粒子を堆積配置することを含んでいる。この急速成型は、典型的には、ラスター堆積配置パターンにて、図３に示されている如き精細に隔置された矩形のグリッドの各位置に、ノズルの列により部品を形成する材料又は支持材料の小滴２０を堆積配置することによって実行される。各層の高さがａであり、各グリッド要素の長さ及び幅がそれぞれｂ及びｃとすると、最大の有孔度は以下の如くになる。
0003784837.tif 000002
最大の有孔度はａ＝ｂ＝ｃである場合に得られる。興味のある他の二つの状態は、面心立方格子及び体心立方格子である。それらの最大の有孔度は以下の如くである。
0003784837.tif 000003
剛固な球が密に詰められた場合の有孔度は約２６％である。最適の条件下に於いても１〜２％未満の有孔度にて材料を堆積配置することは困難であるので、小滴の堆積配置の有孔度のプロセスウインドウは１４±１２％になる。配置される小滴の平均高さａが横方向の寸法ｂよりも小さい場合には、最適の有孔度のプロセスウインドウは以下の如くになる。
0003784837.tif 000004
上記式９は実質的に丸い小滴にして印刷することが好ましいことを示している。例えば、典型的なワックスジェットプリンタは、幅が高さよりも約３倍大きい凝固する小滴を形成する。この種の印刷の有孔度のプロセスウインドウは１．６±１．４％である。もし各小滴の体積を±１．４％の直径公差の範囲内に維持することができない場合には、体積の変動を吸収するに十分な空間が凝固する小滴の間に確保されず、そのため原型部品が不均一に形成されることとなる。実質的に対称的な小滴の場合には機械加工は避けられるかもしれないが、平坦な小滴については、堆積配置後の機械加工が必要であり得る。押し出し成型される小滴の寸法公差は、有孔度の公差の約３分の１、即ち０．０４（ａ／ｂ）2である。この態様に於いて押し出し成型される要素を使用する急速成型については、最適の有孔度の範囲は約２〜２６％であり、最適の有孔度は１４％である。
実質的に対称的な小孔は、この種の成型に於いて、小滴の入射角が、実質的に凝固する小孔の形状を変化させることなく、変更することができるという点で、追加の利点を有する。このことは、小滴ノズルが方向の自由度を有する堆積配置装置に於いて重要である。
また、物体は、粉末層にバインダの小滴を適用して粒子と選択的に結合させるか、既に形成された原型にバインダの小滴を適用することにより、或いは粒子を選択的に焼結することによっても印刷される。これらの原型部品の有孔度は、粒径分布、しまりの度合、粒子の形状、粒子の溶融量（焼結の場合）の関数であるので、これらの原型部品の有孔度を指示することは困難である。これらの原型部品については、主として後に説明する鋳造工程の点から、有孔性が残留していることが望ましい。
「小さいプロセスウインドウの必要性」
急速成型装置は、全製造工程を一つの小さい空間に小型化して実行することを意図したものである。卓上での急速成型は、通常の使用者が信頼性よく且つ繰返し任意の形状の原型を形成することができるよう、特定の公差にチューニングされた製造プロセスを維持するに必要な全ての製造技術の知識が卓上の装置に包含されていることを必要とする。信頼性のある製造工程を実施する基本的な手法が、少なくとも四つ考えられる。
容易に製造可能な最終製品をデザインする。この手法は急速成型に於いては一般に利用不可能である。問題のデザインは製造が困難であるので、それらのデザインは一般に急速成型装置を使用して正確に印刷される。
全ての入力パラメータを正確に制御する。この手法は一般に卓上の急速成型に利用不可能である。大気の温度や湿度が変化し、堆積配置される材料の時効や状態が制御されないことが多く、次第にある程度解らない状態になる軸受摩耗の如く成型装置内に多数の内部プロセスが存在する。
アクティブフィードバックを適用する。例えば米国特許第５，３０３，１４１号公報を参照されたい。
公差の大きいプロセスを使用する。もしプロセスが或る設定されたウインドウ内に於ける入力パラメータの変動に敏感ではなければ、そのプロセスのロバスト性を高くすることができる。
種々の急速成型法は広いプロセスウインドウを必要とする種々の欠陥モードを有する。押し出しによる急速成型では、一般に以下の何れかの欠陥を有し得る。
ガスポケットが圧力の変化に応じて大きさを変化する供給通路の加圧される領域に発生する。このことにより、或る与えられた瞬間に押し出される材料の量を予測することができない。
粘性ポンプが使用される場合には、単位時間当りに押し出される材料の量はポンプが運転される際の速度に線形的に比例する。歯車ポンプ又はこれと同様の連続的な定容積型ポンプが使用される場合には、材料の瞬間的な堆積配置速度に影響を及ぼす脈動や流量の変動が存在する。
堆積配置される材料は、一般に良好な自己接着、剛性、迅速な凝固が達成されるよう選定される。一方、これらの特性は、堆積配置される材料のメニスカスの半径が小さく且つ正となるクレバスへ材料を充填することを妨げる。
材料やポンプの特性は時間の経過と共に変化する。これらの変化は、軸受摩耗、水の吸収、温度変化、酸化、バッチ毎の材料の変化に起因する。
誤差が、原型部品全体に広がる傾向がある。空気がビードを隣接する位置へ移動させ、或いは材料が付着するのではなく角部より引き剥がされ、或いはガスポケットがビードより一時的に抜け出す。もし材料が正確に計量され、誤差の余地がない場合にも、誤差が生じた層に続く全ての層に欠陥が発生し、その後の層に於いて悪化する。
「ロストワックス鋳造を補助するための有孔度」
ロストワックス鋳造によれば、高温度の鋳造が可能な材料にて溶融可能な原型部品のレプリカを形成することができる。一般に原型部品はワックス材料にて形成される。最終の材料が流入可能であり、またワックスが流出し得るよう、ワックス材料よりなる湯口及びガス抜きが追加される。次いで、原型部品はセラミックスラリーの幾つかの層にて被覆され、セラミックスラリーは硬質のセラミックシェルを形成するよう硬化される。ワックス原型部品はシェルごと炉内に配置され、ワックスの大部分が溶融によって除去され、次いで部品を形成すべく最終の材料（例えば鋼）がシェルに注がれ、残留するワックスが燃料によって除去される。
ロストワックス鋳造用のワックスは、特に軟化前には殆ど膨張しないよう成分調整される。急速成型のための大抵の材料は、同一の条件下に於いて、主として急速成型プロセスに於ける追加の要件に起因して大きく膨張する。セラミックシェル及び充填材料は何れも実質的に非圧縮性であるので、それらの熱膨張係数の差はセラミックシェルに割れを発生させるに十分な力を発生することがある。
もし空気を包含させることなどにより０でない有孔度が原型部品に導入される場合には、有孔度は原型部品の圧縮性を増大させ、熱膨張係数の差を補償する。原型部品の小孔に捕捉された気体が理想気体として挙動するものと仮定すると、原型部品からの圧力がシェルを破壊しないようにするために必要な有孔度を計算することができる。原型部品材料の熱膨張係数をηｍとし、硬化したセラミックシェルの熱膨張係数をηsとし、周囲温度をＴaとし、ワックス材料をシェルより流出させるに必要な温度変化をΔＴとし、周囲圧力をＰaとし、シェルが加熱サイクル中にワックス材料の膨張に耐えなければならない最大圧力をＰhとすると、必要な最小有孔度は以下の如くである。
0003784837.tif 000005
大抵の状況に於いて上記有孔度は以下の如く近似可能である。
0003784837.tif 000006
例えば、典型的な材料は、２５×１０-6／℃の熱膨張係数を有し、鋳型より流出させるためにはＳＴＰ（標準状態）よりも１５０℃高い温度に加熱されなければならず、鋳型は高温の材料よりの１気圧の差圧を担持し得るものでなければならない（Ｐh＝２Ｐa）。この場合、必要な最小有孔度は４．６％である。またロストワックス鋳造に於ける有孔度の要件は、信頼性のある原型部品の形成に於ける有孔度の要件と両立する。
この解析は、小孔が原型部品全体に均一に分布し小孔が気体にて充填されている限り、原型部品の小孔の性質に依存しない。このことは、マスタ部品が十分な有孔度にて形成されれば、従来の鋳造ワックス以外のロストワックスでも、ロストワックス鋳造が可能であることを示唆する。
従って、三次元的な原型は、以下の如く原型部品の有孔度を制御するよう凝固可能な材料を堆積配置することによって形成されてよい。所定の大きさ及び形状にて材料を押し出すディスペンサが、所定のパターンにて移動する。材料の押し出し供給は、材料の要素の順次堆積配置して原型部品を形成するよう制御される。材料の要素の形状及びディスペンサの運動は、原型部品を形成するよう調整され、原型部品の有孔度は、押し出し速度と要素の寸法及び形状との間の関係により決定される。材料供給速度は、種々の性質の原型部品の形成に適した範囲内の有孔度が与えられるように調節される。
かくして、急速成型に意識的に有孔度を導入することの利点について説明したので、これより所定の有孔度を有する原型部品を形成する方法について説明する。所定の有孔度を有する原型部品を製造する必要がある場合には、材料の要素の供給速度が、形成される製品に所望の有孔度が与えられるよう変化される。材料は、使用者により設定されたパターンにて受け面上にディスペンサによって順次配置される。材料の要素は、所定の位置に、それらの間に空気ポケット又は他の流体のポケット、即ち、小孔が形成されるように堆積配置される。また、所定の有孔度を有する原型部品の形成が補助されるように、材料の供給速度も調節されてよい。
ディスペンサは、流体状態の材料供給源として機能する加圧式材料供給源を使用するノズルの如く、急速成型工業に於いて使用されている任意の型式の公知のディスペンサであってよい。また、加圧された材料は、定容積型ポンプにより供給されてよい。このディスペンサは、断面楕円形のビード要素を供給する際に最も良好に機能する。使用されてよい他の型式のディスペンサは、実質的に球形の小滴を供給するインクジェット型のディスペンサである。
添付の図に示されている如く、ビードが矩形列又は六角形列にて配列されることにより水平方向及び上下方向に互いに隣接するよう、ビード要素の連続的な水平の複数の層として堆積配置される。ビードは、図には示されていない広範囲の種々のパターンにて堆積配置されてよいことに留意されたい。
以上の詳細な説明は本発明の原理を説明するためのものである。種々の変更や修正が当業者によって行われてよく、以上の詳細な説明は本発明の範囲を限定するものではない。好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲は以下の請求の範囲によって決定されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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