(57)【要約】  成形積層製品を製造するための方法および装置が、製品の１層を画定するために第１の型を印刷し、第１の型を鋳造材料で充填し、それにより第１の層を形成し、第２の層を画定するために第２の型を第１の層の上に印刷し、第１の層の上で第２の型を鋳造材料で充填する。鋳造材料はペーストであってもよい。交互に行われる型の印刷および鋳造は、成形積層製品または成形積層部品製品が形成されるまで継続される。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形積層製品の製造方法であって、
前記製品の１層を画定するために第１の型を印刷することと、
前記第１の型を鋳造材料で充填し、それにより第１の層を形成することと、
第２の層を画定するために前記第１の層の上に第２の型を印刷することと、
前記第１の層の上で、前記第２の層を鋳造材料で充填し、それにより成形積層製品を形成することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記第１の層を、形成後かつ前記第２の型の印刷前に仕上げ、それにより前記第１の層の仕上げ表面に前記第２の層を形成することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記型は、型印刷材料を使用して印刷される、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記型印刷材料の融点は、前記鋳造材料の融点よりも低い、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記鋳造材料は、ワックス、バインダー、硬化材料、分散剤、消泡剤、モノマー、オリゴマー、開始剤、活性剤、安定剤、バインダー除去制御添加剤、および焼結制御剤からなる第１の群の中の１つと、セラミックおよび金属からなる第２の群の中の１つと、を含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記型鋳造材料は、スリップ材料、またはゲルキャスト材料、またはペースト材料を含む、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記型印刷材料の粘度は、前記鋳造材料の粘度よりも高い、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記スリップ、またはゲルキャスト、またはペーストは、水ベースまたは有機溶媒ベースである、
請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記鋳造材料は、親水性成分または疎水性成分を含む、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記充填することは、前記鋳造材料を前記型に注入することを含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記注入することは、注入ノズルから行われる、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
充填される前記型内のスペースのサイズに応じて前記注入ノズルを選択することを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記充填することは、前記型への前記鋳造材料の射出成形を含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記充填することは、前記型に押し付けられたスキージを使用して前記鋳造材料を前記型の中に押し広げることを含む、または、前記充填することは、前記型の表面から離間したブレードを使用して前記鋳造材料を前記型の中に押し広げることを含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも２つの異なる鋳造材料を別々の層に使用することを含む、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記鋳造材料は、少なくとも２つの異なる構成材料または少なくとも２つの異なるサイズの粒子を含む、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
加熱、溶解、ならびに、加熱および溶解の組合せを含む群の中の１つを使用して、鋳造後に前記型を除去することを含む、
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置であって、
第１の型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するための、第１のサイズを有する第１のノズルと、
材料を注入して前記型を充填するための、前記第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する第２のノズルと、
を備える、３Ｄ印刷装置。
【請求項１９】
前記第２のノズルは、取り外し可能である、
請求項１８に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２０】
前記第２のノズルは、交換可能であり、それにより、様々な充填速度が様々なサイズの型に対して提供される、
請求項１８または１９に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２１】
前記第１のノズルは、熱溶解積層方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）の押出機である、
請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２２】
前記第１のノズルは、インクジェットノズルまたはインクジェットノズルアレイである、
請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２３】
型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置であって、
型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するためのノズルと、
充填材料を塗布して前記型を充填するためのスキージと、
を備える、３Ｄ印刷装置。
【請求項２４】
型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置であって、
型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するためのノズルと、
前記型を封止するための封止キャップと、
充填材料を射出して前記型を充填するための射出成形ユニットと、
を備える、３Ｄ印刷装置。
【請求項２５】
積層成形製品の製造方法であって、
前記積層成形製品の設計図を作成することと、
前記設計図を複数の層にスライスすることと、
層ごとに、型を設計することと、
連続した層ごとに、設計された型を３Ｄ印刷することと、
連続した層ごとに、前記型の形成後に鋳造材料を前記型に注入して前記層を形成することと、
次層の型を、それぞれの先行する層の上に３Ｄ印刷することと、
を含む、製造方法。
【請求項２６】
各層の上に次層の型を印刷する前に該各層を硬化することをさらに含む、
請求項２５に記載の製造方法。
【請求項２７】
各層の上に後続層を形成する前に該各層を研磨することを含む、
請求項２５または２６に記載の製造方法。
【請求項２８】
前記鋳造材料は、流動して前記型を充填するレオロジー特性、および前記型の内面に付着するレオロジー特性を有するように選択される、
請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項２９】
前記製品の全層が形成された後、前記製品を安定化するために熱を使用することを含む、
請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３０】
各型の層を除去することを含む、
請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３１】
加熱して、または溶媒を使用して前記鋳造材料から犠牲材料を除去することを含む、
請求項２５〜３０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３２】
前記鋳造材料は粉末を含み、熱処理を適用して前記粉末を焼結することを含む、
請求項２５〜３１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３３】
熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing process）を使用して前記鋳造材料の密度を高めることをさらに含む、
請求項２５〜３２のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３４】
請求項１〜１６または請求項２５〜３３のいずれか一項に記載の方法に従って金属またはセラミックで作られた成形部品または成形製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いくつかの実施の形態において、金属部品およびセラミック部品の付加製造のためのプロセスおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、試作部品を作るために、および縮尺が小さい製造のために、付加製造、すなわち、３次元（３Ｄ）印刷が広く使用されている。熱溶解積層方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）が広く用いられている技術の一つである。ＦＤＭでは、プラスチックフィラメントをコイルからほどき、融合してノズルを通過させ、平らにしたストリングとして配置することにより、プラスチックフィラメントが、最終的に３Ｄ物体が出現する層を形成する。
【０００３】
使用されている他の技術には、光造形法（stereolithography）がある。光造形法は、紫外線（ＵＶ）レーザーをフォトポリマー樹脂のバットに集束させることによって機能する付加製造プロセスである。コンピュータ支援製造ソフトウェアまたはコンピュータ支援設計ソフトウェア（ＣＡＭ／ＣＡＤ）の助けを借り、ＵＶレーザーを使用して、予めプログラムされた設計または形状をフォトポリマーバットの表面に描画する。フォトポリマーは紫外線に対して感光性であるため、樹脂は固化し、所望の３Ｄ物体の単一層が形成される。このプロセスは、３Ｄ物体が完成するまで設計における各層について繰り返される。
【０００４】
粉末焼結積層造形法（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）は、層を付加製造する他の技術であり、高出力レーザー、例えば、二酸化炭素レーザーを使用して、小さなプラスチック粒子を融合して所望の３次元形状を有する塊にする。レーザーは、粉末床の表面上に、部品の３次元デジタル記述（例えば、ＣＡＤファイルまたはスキャンデータ）から生成された断面をスキャンすることにより粉体材料を選択的に融合する。各断面のスキャン後、粉末床を１層の厚さ分下げ、新たな層の材料を最上部に設け、部品が完成するまでプロセスを繰り返す。
【０００５】
金属材料およびセラミック材料は、比較的高い溶融温度のため、付加製造手順において使用することがより困難である。
【０００６】
付加製造技術は、部品を層毎に形成する構築プロセスであるため、機械加工等の従来の製造工程に比べて概して遅い。
【０００７】
広く用いられている金属印刷技術としては、直接金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ：Direct Metal Sintering Laser）がある。金属粉末の非常に薄い層が、印刷される表面に押し広げられる。表面全体にわたってレーザーをゆっくりと確実に移動させて粉末を焼結し、次いで、追加の粉末層を設けて焼結することにより、一度に断面を１つずつ「印刷」する。これにより、ＤＭＬＳでは、一連の非常に薄い層を通して段階的に３Ｄ物体を構築する。
【０００８】
３Ｄ金属印刷の他の方法には、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）がある。選択的レーザー溶融法では、高出力レーザーが、金属粉末の各層を単に焼結するのではなく、完全に溶融する。選択的レーザー溶融法は、非常に高密度で強固な印刷物体を製造する。選択的レーザー溶融法は、特定の金属でのみ使用可能である。この技術は、ステンレス鋼、工具鋼、チタン、コバルトクロムおよびアルミニウム部品の付加製造に使用することができる。選択的レーザー溶融法は、金属粉末の各層を金属の融点を超えて加熱しなければならないため、非常に高エネルギーのプロセスである。また、ＳＬＭ製造中に生じる高い温度勾配により、最終製品内に応力および転位が生じ、それにより最終製品の物理的特性が損なわれる可能性がある。
【０００９】
電子ビーム溶融法（ＥＢＭ：Electron Beam Melting）は、選択的レーザー溶融法と非常に類似した付加製造プロセスである。ＥＢＭでは、ＳＬＭと同様に非常に高密度なモデルが製造される。２つの技術の違いは、ＥＢＭが金属粉末の溶融にレーザーではなく電子ビームを使用することである。現在、電子ビーム溶融法は、限られた数の金属でのみ使用可能である。チタン合金がこのプロセスの主な出発材料であるが、コバルトクロムも使用できる。
【００１０】
上述の金属印刷技術は、高価で、非常に遅く、ビルドサイズおよび使用可能な材料によって制限される。
【００１１】
バインダージェッティング方式の３Ｄ印刷（Binder Jet 3D-Printing）は、鋳物用の砂型を印刷したり、複雑なセラミック部品を生成したりするために広く使用されている。バインダージェッティング方式の３Ｄ印刷は、金属付加製造技術としても知られている。選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ）または電子ビーム溶融法（ＥＢＭ）で行われるように材料を溶融する代わりに、金属粉末を接着インクによって選択的に結合し、その後、部分的に焼結・溶浸する。
【００１２】
金属バインダージェッティング技術は、場合によって、複合金属合金、特にステンレス鋼と青銅の構成物に限定される。
【００１３】
非特許文献１にセラミックの印刷技術が開示されている。この印刷技術では、金属の場合と同様に、阻害材料が、セラミック粉末層の周囲の縁部を画定する境界を形成し、次いでセラミック粉末層が焼結される。その後、阻害層は除去される。
【００１４】
Ｓｔｕａｒｔ  Ｕｒａｍの特許文献１が、付加製造を使用して製造された型の中にスリップ混合物を設けることと、次いで、この混合物が中に入っている型を焼くこととを含む型鋳造法を使用して物体を作製する方法を開示している。上記開示では、アルミン酸カルシウム１０重量％〜６０重量％および充填剤の組成物について論じている。
【００１５】
非特許文献２は、付加製造を使用してワックスの型を作り、次いで最終部品の粉末状の材料を含むスラリーを導入することを開示している。
【００１６】
粉末射出成形（ＰＩＭ：Powder Injection Molding）は、微細な粉末状の金属（金属射出成形（ＭＩＭ：Metal Injection Molding））または微細な粉末状のセラミック（セラミック射出成形（ＣＩＭ：Ceramic Injection Molding））を測定量のバインダー材料と混合して、射出成形によって取り扱うことのできる原料とする従来の方法である。成形プロセスにより、原料中のバインダー剤の存在により必要以上にサイズが膨張した複雑な部品を、単一のステップで大量に成形することができる。成形後、粉末とバインダーとの混合物に、バインダーを除去するバインダー除去（debinding）ステップ、および焼結を行い、粉末を高密度化する。最終製品は、様々な産業や用途に使用される小型部品である。ＰＩＭ原料フローの性質はレオロジーを用いて定義される。現在の機器の性能では、型へのショットが１ショット当たり１００グラム以下の典型的な体積を用いて成形可能な製品に処理が限定されている必要がある。ＰＩＭ原料内で実施可能な材料の種類は広範である。その後、成形形状について調整作業を行う。調整作業では、バインダー材料が除去され、金属粒子またはセラミック粒子が拡散結合され、各寸法で通常１５％の収縮を伴う所望の状態に高密度化される。ＰＩＭ部品が、プラスチックに用いられるものと同様の精密射出成形型で製造されるため、工作機械類は非常に高価になり得る。その結果、ＰＩＭは通常、体積の大きい部品にのみ使用される。
【００１７】
とりわけ、比較的速く、複雑な幾何形状を作ることができ、かつ多種多様な材料と適合可能な、セラミックおよび金属を使用した付加製造を効率的に行う方法を見出すことが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０３３９７４５号明細書
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ceramics 3D Printing by Selective Inhibition Sintering - Khoshnevis et al.
【非特許文献２】Rapid Prototyping and manufacturing by gelcasting of metallic and ceramic slurries, Stampfl et al., Materials Science and Engineering A334 (2002) 187 - 192
【発明の概要】
【００２０】
本実施の形態は、従来の成形技術または機械加工技術では不可能な形状を構築するため、または既知の付加製造技術では使用が困難もしくは不可能な材料を使用するため、または既知の付加製造技術で構築することができるよりも早く形状を構築するために付加製造と成形技術を組み合わせることに関する。
【００２１】
実施の形態では、付加製造を使用して型を作り、次いで、型に最終製品の材料を充填する。いくつかの実施の形態では、最終製品の層が個々の型で別々に構築され、後続層が前の層の上に形成される。実際、前の層は、新たな層のための床部を提供するのみならず新たな層の型を支持してよい。
【００２２】
一実施の形態では、材料を３Ｄ印刷して型を形成するための第１のノズル、および充填剤を供給するための別個の第２のノズルを有する印刷ユニットが設けられる。第２のノズルは、様々なサイズの型を効率的に充填するために異なるサイズの開口を提供するように調節されうる。他の実施の形態では、２つの別個のアプリケータが設けられ、１つは型を印刷するためのものであり、３Ｄ印刷のために必要に応じて３度の自由度を有し、１つは型の形成後に型を充填するためのものである。
【００２３】
一実施の形態には、ワックス、他の任意のホットメルト、熱硬化性材料、またはＵＶ硬化材料を使用して型を印刷するためにインクジェット印刷ヘッドを使用すること、および自己平坦化（self-leveling）鋳造材料を使用してペースト鋳造堆積層を平坦化できることが含まれる。鋳造物を平坦化するための代替手段は、成形直後に鋳造材料を振動させることであり、さらなる代替手段は、スキージまたはブレード等の機械的工具を使用し、型を充填および平坦化することを含む。
【００２４】
本発明のいくつかの実施の形態の一態様によれば、成形積層製品の製造方法であって、製品の１層を画定するために第１の型を印刷することと、前記第１の型を鋳造材料で充填し、それにより第１の層を形成することと、第２の層を画定するために前記第１の層の上に第２の型を印刷することと、前記第１の層の上で、前記第２の層を鋳造材料で充填し、それにより成形積層製品を形成することと、を含む、製造方法が提供される。
【００２５】
本方法は、前記第１の層を、形成後かつ前記第２の型の印刷前に仕上げ、それにより前記第１の層の仕上げ表面に前記第２の層を形成することを含んでよい。仕上げとは、層を乾燥または硬化させ、かつ、次いで層表面を平滑化または切断して余分なペースト等の余分な材料を型の上から除去することをいう。
【００２６】
一実施の形態では、型は、型印刷材料を使用して印刷される。
【００２７】
一実施の形態では、型印刷材料の融点は、鋳造材料の融点未満である。
【００２８】
一実施の形態では、鋳造材料は、ワックス、バインダー、硬化材料、分散剤、消泡剤、モノマー、オリゴマー、開始剤、活性剤、安定剤、バインダー除去制御添加剤、および焼結制御剤のいずれかと、セラミックおよび金属のいずれかと、を含む。
【００２９】
一実施の形態では、型鋳造材料は、スリップ材料、ゲルキャスト材料、またはペースト材料を含む。
【００３０】
一実施の形態では、型印刷材料の粘度は、鋳造材料の粘度よりも高い。
【００３１】
一実施の形態では、スリップまたはペーストは、水ベースの材料または有機溶剤ベースの材料であり、エネルギー活性化材料であってもよい。
【００３２】
一実施の形態では、鋳造材料は、親水性成分または疎水性成分を含む。
【００３３】
一実施の形態では、充填することは、型に鋳造材料を注入することを含む。
【００３４】
一実施の形態では、注入することは、注入ノズルから行われる。
【００３５】
本方法は、充填される型内のスペースのサイズに応じて注入ノズルを選択することを含んでよい。
【００３６】
一実施の形態では、充填することは、型への鋳造材料の射出成形を含む。一実施の形態では、充填することは、鋳造またはブレードを使用して鋳造材料を型の中に押し広げることを含む。本実施の形態では、型の表面に接触し、ペーストを把持するまたは押すスキージまたはブレードを使用してよい。代替的に、スキージまたはブレードを型の表面のわずかに上方に保ち、該表面に接触することなくペーストを把持する。
【００３７】
一実施の形態では、２つ以上の異なる鋳造材料が別々の層に使用される。
【００３８】
本発明の第２の態様によれば、型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置であって、第１の型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するための、第１のサイズの第１のノズルと、材料を注入して前記型を充填するための、前記第１のサイズとは異なる第２のサイズの第２のノズルと、を備える、３Ｄ印刷装置が提供される。
【００３９】
本発明の第３の態様によれば、型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置であって、型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するためのノズルと、充填材料を塗布して前記型を充填するためのスキージまたはブレードと、を備える、３Ｄ印刷装置が提供される。
【００４０】
本発明の第４の態様によれば、型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置であって、型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するためのノズルと、前記型を封止するための封止キャップと、充填材料を射出して前記型を充填するための射出成形ユニットと、を備える、３Ｄ印刷装置が提供される。
【００４１】
本発明の第５の態様によれば、積層成形製品の製造方法であって、積層成形製品の設計図を作成することと、前記設計図を複数の層にスライスすることと、層ごとに、型を設計することと、連続した層ごとに、設計された型を３Ｄ印刷することと、連続した層ごとに、前記型の形成後に鋳造材料を前記型に注入して前記層を形成することと、次層の型を、それぞれの先行する層の上に３Ｄ印刷することと、を含む、製造方法が提供される。
【００４２】
本方法は、各層の上に次層の型を印刷する前に該各層を硬化することを含んでもよく、追加的にまたは代替的に、各層の上に後続層を形成する前に該各層を研磨することを含んでよい。
【００４３】
鋳造材料は、流動して型を充填するレオロジー特性、および型の内面に付着するレオロジー特性を有していてもよい。
【００４４】
本方法は、製品の全層が形成された後、製品を安定化するために熱を使用してもよい。
【００４５】
本方法は、各型の層を除去することを含んでもよい。
【００４６】
本方法は、鋳造材料から結合材料または犠牲材料を除去するために加熱することを含んでもよい。
【００４７】
一実施の形態では、鋳造材料は粉末を含み、本方法は熱処理を適用して粉末を焼結することを含む。熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing process）を使用して鋳造材料の密度を高めてもよい。
【００４８】
本発明の第６の態様によれば、上記方法に従って金属またはセラミックで作られた成形部品または成形製品が提供される。
【００４９】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術的および／または科学的用語は、本発明が関係する当業者により一般に理解されるのと同じ意味を有する。本発明の実施の形態の実行または試験において、本明細書に記載されたものと類似または等価な方法および材料を使用することができるが、例示的な方法および／または材料を以下に説明する。矛盾が生じた場合、定義を含む特許明細書が優先される。さらに、材料、方法、および実施例は、単なる例示であり、必ずしも限定することを意図するものではない。
【００５０】
本発明の実施の形態の３Ｄ印刷装置の動作は、選択されたタスクを手動で、自動で、またはそれらの組み合わせで実行または完了することを含むことができる。さらに、本発明の方法および／またはシステムの実施の形態の実際の計装および機器に応じて、いくつかの選択されたタスクが、ハードウェアによって、ソフトウェアによって、もしくはファームウェアによって、またはオペレーティングシステムを使用したそれらの組み合わせによって実現され得る。
【００５１】
例えば、本発明の実施の形態に従って選択されたタスクを実行するためのハードウェアが、チップまたは回路として実現され得る。ソフトウェアとしては、本発明の実施の形態に係る選択されたタスクが、任意の適切なオペレーティングシステムを使用してコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実現され得る。本発明の例示的な実施の形態では、本明細書に記載される方法および／またはシステムの例示的な実施の形態に係る１つ以上のタスクが、複数の命令を実行するための計算プラットフォーム等のデータプロセッサによって実行される。任意選択で、データプロセッサは、命令および／もしくはデータを格納するための揮発性メモリ、ならびに／または不揮発性記憶装置、例えば、命令および／もしくはデータを格納するための磁気ハードディスクおよび／もしくは周縁部バブルメディアを含む。任意選択で、ネットワーク接続もまた提供される。ディスプレイおよび／またはキーボードもしくはマウス等のユーザ入力装置も任意選択で提供される。
【００５２】
本明細書では、本発明のいくつかの実施の形態を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。ここで、具体的に図面を詳細に参照する際、図示された個々の事項が例であり、本発明の実施の形態の例示的な説明を目的としていることを強調しておく。この点に関して、図面と合わせて説明を解釈することにより、本発明の実施の形態がいかに実現されうるかが当業者に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】本発明の実施の形態に係る積層成形製品または積層成形部品の製造手順を示す簡略化されたフローチャートである。
【図１Ｂ】図１Ａの手順のより詳細な実施の形態を示す簡略化されたフローチャートである。
【図２】本実施の形態を使用して作られる部品の設計図を示す簡略図である。
【図３】本実施の形態に係る積層製造のために図２の部品をスライスする１つの例示的な方法を示す簡略図である。
【図４】図２の部品を作るための第１の層のための印刷された型を示す簡略図である。
【図５】図２の部品の第１の層を形成するための、図４で作られた型への鋳込みを示す簡略図である。
【図６】図２の部品の第２の層のための型の印刷を示す簡略図である。
【図７】図６で作られた型への鋳込みを示す簡略図である。
【図８】図２に従って作られた、型の除去後の部品の簡略図である。
【図９】本実施の形態に係る積層成形部品または積層成形製品を作るための２ステーションリニア装置の簡略図である。
【図１０】型印刷アプリケータと注入アプリケータとを組み合わせて１つの動作アプリケータとした図９の装置の変形例である。
【図１１】印刷ステーションと、注入ステーションと、別々のトラック上の２つのプラテンとを有する図９の装置の変形例の正面図である。
【図１２】印刷ステーションと、注入ステーションと、別々のトラック上の２つのプラテンとを有する図９の装置の変形例の上面図である。
【図１３】４ステーションカルーセルに基づく図９の装置の変形例である。
【図１４】任意選択で加熱されるシリンダを使用する表面仕上げステーションをさらに組み込んだ図９の装置の変形例である。
【図１５】スキージまたはブレードが型の表面に接触し、ペーストを押し広げて型を充填する図９の装置の変形例である。
【図１６】型の表面の上方にスキージが持ち上げられている図１５の装置の変形例である。
【図１７】カッターをさらに組み込んだ図９の装置の変形例である。
【図１８】本実施の形態に従って印刷された層の型を充填するために射出成形が使用される図９の装置の変形例である。
【図１９】本発明の実施の形態に係る欠陥層を検出・修正する手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明は、いくつかの実施の形態において、金属およびセラミックの付加製造のためのプロセスおよび装置に関する。
【００５５】
本発明の少なくとも１つの実施の形態を詳細に説明する前に、本発明が、必ずしもその適用において、下記の説明に記載され、かつ／または図面および／または実施例に示された構成要素および／または方法の構造および配置の詳細に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施の形態とすることが可能であるか、または様々な方法で実施または実行可能である。
【００５６】
ここで図面を参照すると、図１Ａは、本実施の形態に係る成形積層製品の製造方法を示す簡略化されたフローチャートである。第１のボックス１０は、製品の１層を画定するために第１の型を印刷することを示す。型は、以下に詳細に説明するように、既知の付加製造技術を用いて印刷されうる。ボックス１２は、鋳造材料を注入して、ボックス１０で印刷された型を充填することを示す。これにより、鋳造材料は、最終的な成形積層製品の第１の層を形成しうる。
【００５７】
次いで、ボックス１４において、第１の層および／または第１の成形層に第２の層の型が印刷される。場合によっては、第２の層は、少なくとも１つの寸法において第１の層よりも小さいため、第２の層の型は、第１の層の鋳造された部分に堆積される。以下にさらに詳細に説明するように、印刷を支持するために鋳造層を硬化してもよいし、あるいは、第２の層の型を支持するために第１の層が十分に乾燥するかまたは硬化されるまで第２の層の型の印刷を待機してもよい。
【００５８】
ボックス１６では、製品の第２の層を形成するためにより多くの鋳造材料が第２の層の型に注入される。ボックス１８に示されるように、必要な数の層を有する成形積層製品を形成するために必要な回数この手順は繰り返される。別々の層の厚さが異なっていてもよいことが理解されるであろう。
【００５９】
注入後、鋳造層の新しい表面を、２０および２２に示されるように、任意選択で仕上げ工具で仕上げてもよいし、研磨してもよい。
【００６０】
型は、鋳造温度および他の鋳造条件で鋳造材料を保持するのに十分な強度を有する任意の標準的な型印刷材料を使用して印刷されうる。型の印刷には、熱溶解積層方式（ＦＤＭ）またはインクジェット印刷等の任意の標準的な３Ｄ印刷技術を使用してよい。
【００６１】
実施の形態では、型印刷材料の融点温度が鋳造材料の融点未満であるため、製品の準備ができ次第、加熱により型を取り除くことができる。例えば、型にはワックスを使用してもよく、鋳造材料をワックスよりも融点が高い任意の適切な鋳造材料としてもよい。焼結を使用する場合、鋳造材料を、セラミック、金属、および場合によってはプラスチックを含む、焼結可能な任意の材料としてよい。
【００６２】
同様に、未焼結段階にある状態で使用可能な任意の材料を使用することができ、そのような材料は、セラミック型に特に有用である。
【００６３】
実施の形態において、このプロセスが所望の温度を超えて加熱するという傾向がありうる。したがって、空気流を使用する等の冷却プロセスを使用してよい。
【００６４】
一般に、鋳造材料は、型を充填することができ、その後、必要な特性を製品に付与するために、例えば乾燥もしくは冷却によりまたは任意のエネルギー活性化遷移反応により硬化可能であるか、あるいは焼結可能な任意の材料でありうる。硬化方法は、蒸発や、エネルギー硬化（例えば熱硬化またはＵＶ硬化等）を含む活性化反応を含んでもよい。熱風の吹き付けだけでなくＩＲ照射、マイクロ波照射、またはＵＶ照射が使用されうる。
【００６５】
実施の形態において、鋳造材料は、活性化されて硬化するワックス、モノマー、もしくはオリゴマー、または、乾燥して鋳造材料を硬化するポリマーエマルジョンもしくは溶解ポリマーと、セラミック粉末もしくは金属粉末または混合材料と、の混合物であってもよい。したがって、例えば、特定の機械的特性または他の特性を実現するために、材料の混合物から層を形成してよい。この場合、最終製品を加熱して型材料を溶融してもよいし、溶媒に浸漬して型を溶解してもよく、次いで、溶媒に浸漬して添加剤の部分を溶出してもよく、高温に加熱してバインダーを除去してもよく、さらに、焼結して粉末を融合してもよく、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）のような他の一般的な熱プロセスにさらしてもよい。これにより、本実施の形態は、成形されたセラミック、金属、または複合物の製品を作る方法を提供しうる。
【００６６】
スリップ混合物、スラリー混合物、またはペースト混合物が、水、またはポリオレフィン、アルコール、グリコール、ポリエチレングリコール、グリコールエーテル、およびグリコールエーテルアセテート等の有機溶媒等の液体担体にセラミック粒子または金属粒子、あるいは任意選択で数種類の粉末の混合物を入れた懸濁液であり、鋳造材料は、６０重量％〜９５重量％の粉末または粉末混合物の水ベースまたは溶媒ベースの組成物のような混合物を含んでよい。
【００６７】
ゲルキャスト法は、複雑な形状のセラミック製品を作るための高効率のセラミック成形技術である。ゲルキャスト法に用いられるプロセスは、従来のセラミック成形プロセスにおいてしばしば用いられるプロセスと類似しているが、高い強度および良好な機械的特性を実現するように調整されている。ゲルキャスト法では、最終部品の粉末状の材料を含有するスラリーが使用され、目的の特性を実現するために内部の気泡を除去する等のステップが含まれる。
【００６８】
ペーストは、粉末および有機材料が液体中に分散したものであり、一方の側から流動して型を充填することができるレオロジー特性、および型の境界面において堆積された型材料に適切に位置することができるレオロジー特性を有してもよい。
【００６９】
ゲルキャスト硬化プロセスの場合、鋳造材料は、適切な流動性を確保し、型を充填するために、剪断減粘性およびチキソトロピーを有する。事前成形材料および鋳造材料の温度は、スリップの粘度を高め、熱間鋳造材料を堆積後すぐに固化するために低温である。鋳造材料は型材料と混和しない。実施の形態は、水ベースのスリップ材料を疎水性の鋳造材料と共に使用してもよく、またはその逆でもよい。いくつかの表面濡れ性が、小さなフィーチャサイズの制御および再現のために保持されうる。
【００７０】
型の設計のアプローチにより、スリップ鋳造材料に対する型材料の負荷を減少することができる。設計プロセスのエンジニアリングによって確実に、構造が支持されるように最大限の面積にわたって、堆積された型材料の重量が分配されうる。
【００７１】
さらなる硬化手順では、堆積スリップのエネルギー活性化プロセス、すなわち、硬化を使用してよい。硬化は、乾燥、または、熱硬化や紫外線硬化等の手段を用いた重合遷移反応のような物理的条件を変更する介入によって達成されうる。
【００７２】
実施の形態では、型印刷材料の粘度は、鋳造材料の粘度よりも高くてもよいため、鋳造材料が注入されたときに型は影響を受けないままである。鋳造材料は、型を適切に充填するために良好な濡れ性を有してよい。
【００７３】
実施の形態では、鋳造材料は、室温で低粘度であってよく、型材料に対する良好な濡れ能力を有してよい。堆積後、鋳造材料を乾燥または熱硬化や紫外線硬化等の手段を用いた重合遷移反応によって硬化することができてよい。また、鋳造材料の収縮率は低くてよく、また、良好なバインダー除去特性を有してよい。
【００７４】
実施の形態では、鋳造材料は、親水性成分または疎水性成分を含んでよい。
【００７５】
ゲルキャスト、乾燥、または重合遷移反応等を用いて、機械的または化学的な欠陥のない強い積層結合で製品を構築できる。
【００７６】
鋳造または注入は、必要な機械的特性を提供するために材料を厳密に管理しながら、高温で行ってよい。注入では、吐出制御ユニットからなる液体吐出システムを使用してよい。充填材料の量は、容積やオーバーフローファクタ等の部分型パラメータに従って設定されうる。次いで、鋳造材料を、スキージまたはブレード等の機械的手段によって、または任意選択の振動手順で鋳造材料自体の自己平坦化特性により平坦化してよい。
【００７７】
注入後、材料は、ＩＲによって、より安定した状態（例えば、硬化状態）をもたらす温度（例えば、３０℃〜１５０℃の範囲）までエネルギーが活性化されうる。あるいは、材料は、ＵＶ等によってエネルギーが活性化されうる。これにより、材料は硬化される。
【００７８】
その後、個々の層の型である部分型を、アセンブリをより高い温度にさらすか、酸による化学溶解プロセスを使用するか、溶媒に浸漬して型材料を溶解するか、または他のプロセスにより除去することができる。ワックスベースの型の場合の適切な温度は、５０℃〜２５０℃の範囲内でありうる。
【００７９】
バインダー除去・焼結段階は、鋳造材料の活性部分のバインダー除去および焼結が可能になるように温度を上昇することを含んでもよく、バインダー除去および焼結の典型的な温度は、最終製品の正確な材料および要求される機械的特性に応じて２００℃〜１８００℃の範囲内である。
【００８０】
本実施の形態に係る提案プロセスによれば、ペースト鋳造材料は、高い剪断力および制御された温度の下で鋳造される。この実施の形態におけるペースト鋳造材料は、高粘度および高硬度で鋳造されたスリップ鋳造材料の前の層の上に堆積され得、また、より低温であってもよい。
【００８１】
連続する２層は、同一の材料から構成されるため、それらは、特性を共有することが期待されうる。一般に、鋳造材料は、水または有機溶媒をベースとし、材料の分散を可能にする。
【００８２】
乾燥、バインダー除去、および焼結を、いつくかのオーブンで行ってよく、これらのオーブンは、単一の装置に一体化してもよく、または別々に設けてもよい。
【００８３】
ここで、図１Ａに係るプロセスをより詳細に検討する。
【００８４】
このプロセスでは、鋳造材料および型材料を使用してよい。型材料を、例えば、３００℃未満で凝固し、鋭い融点を有する鉱物ワックスのような任意の材料としてよい。成形材料を、上述のようなＦＤＭまたはインクジェット技術のような任意の制御された付加製造ツールによって設けてよい。したがって、成形材料は、そのようなプロセスに適した材料から選択される。
【００８５】
鋳造材料は、犠牲材料内に分散された機能性粉末から構成されうる。対応する型材料の融点および対応するゲル化温度よりも低い温度で凝固する鋳造材料のペーストを選択してよい。一例として、必要な凝固点および融点の組合せに到達するように適当なＰＥＧ等の混合物を犠牲材料として使用してよい。代替として、硬化では、エネルギー活性化または遷移反応によって重合され、また、代替的に乾燥により硬化するモノマーまたはオリゴマーを使用してよい。
【００８６】
スラリーまたはペースト等の鋳造材料は、凝固温度より高い温度であって、かつ型材料の融点より低い温度でゲル化され得る。あるいは、例えば、適当な硬化剤と合わせたエポキシ低粘度モノマーおよび／もしくはエポキシ低粘度オリゴマー、ならびに／または、適当な架橋剤と合わせたアクリルモノマーおよび／もしくはメタクリルモノマー等の自己硬化性鋳造材料を使用してもよい。
【００８７】
スラリーまたはペースト等の鋳造材料の第１の層の安定性を確保するために、スラリーまたはペーストは、粘度が変化しても変化しなくてもよいように、静止した非流動材料に硬質ゲルのように挙動させるレオロジー特性を有し、必要に応じて、適切な剪断減粘性およびチキソトロピーを含むように設計されうる。
【００８８】
結合材料は、スラリーまたはペーストの流動部分であり、機能的硬化剤として使用される液体担体を含んでよく、不要になった際に除去されるように７００℃未満で乾燥および分解されうる有機添加物を最終段階において含有してよい。
【００８９】
機能性粉末は、最終製品の本体を構成する金属および／もしくは金属酸化物またはセラミックである。材料は、犠牲材料の消失後に粉末を融合して最終的な固形の本体を形成するために、５００℃超で熱処理されるように選択されうる。
【００９０】
ここで、図１Ｂを参照すると、このプロセスは、ボックス１０に示されるように型の構築を含む。型の構築において、３Ｄ印刷では、型部品を形成するために、融点が６０℃より高い鉱物ワックス、ＵＶ硬化型もしくはＥＢ硬化型のアクリル樹脂、メタクリル樹脂、熱硬化エポキシ、ポリウレタン等のいずれかを使用してよい。
【００９１】
トレイを所定の位置に配置し、第１の層の型のサブパーツをトレイ上に構築する。
【００９２】
次いで、型に液状またはスラリー状またはペースト状の型材料を充填する（１２）。確実に型壁と密接に接触することにより型の適切かつ完全な充填を確実にするために、鋳造材料を高剪断力下で型に注入してもよいし、実施の形態によっては射出してもよい。型自体は、射出力に耐える十分な機械的強度を有してよい。
【００９３】
ここで形成された（ｎ−１）サブパーツまたは（ｎ−１）層が、次のｎ番目のサブパーツの土台を提供する。
【００９４】
この層を型材料の後続層の負荷に耐えることができるようにするために、鋳造材料のスラリーまたはペーストの固化または硬化（２３）が必要でありうる。他の場合には、すでに形成された層の粘度で十分でありうる。固化または硬化は、下記のいずれか１つまたは複数の手段を使用することにより実現されうる。
（１）鋳造の温度を、前の層から既に鋳造されたスラリーまたはペーストを凝固するのに十分低い温度に維持する。
（２）例えば、エポキシ樹脂および／またはアクリル系および／またはメタクリル系の架橋性モノマーを用いる熱硬化プロセスを用いて鋳造材料のスラリーまたはペーストを硬化する。
（３）重合反応を活性化するか、または場合によってはプロセスの他の部分からの熱を使用してスラリーの表面を硬化させる。
（４）赤外線照射等の乾燥プロセスで鋳造原料のペーストを硬化させる。
（５）結合材料、例えば溶剤または水を加熱して蒸発させる。
【００９５】
そして、このプロセスは、次の型の層を印刷すること（１４）によって続けられる。
【００９６】
第２の型の層を、先に鋳造されたペースト材料の表面に印刷してよく、また、前の層から型材料にわたって構築してもよい。
【００９７】
次の段階では、第１の層について行ったように第２の型の層を充填する（１６）。必要に応じて、固化を行ってもよい（２４）。
【００９８】
製品に必要な追加層ごとに、硬化、印刷、および充填の段階を繰り返す（１８）。
【００９９】
ここで、最終的な製品または製品の部品として硬化された鋳造材料ペーストは、部分型に埋め込まれている。
【０１００】
このとき、最終部品を安定化してよい（２５）。剪断力を停止している間に、スラリーまたはペーストがゲル化および硬化し始めるため、鋳造材料に生強度が発現し得、かつ／または硬化剤を活性化して生強度を与えてよい。生強度は、圧縮された粉末が焼結前に受ける機械的操作に、該粉末の微細な細部および鋭い縁部にダメージを受けずに耐えるために該粉末に与えられる機械的強度である。
【０１０１】
ゲルキャスト法が実施される場合、最終的な生強度は熱重合によって発現する。熱重合は、硬化したスラリーの凝固点より高く、型材料の融点未満の高温で、かつこのような温度を選択できる適切な条件下で行われうる。
【０１０２】
次いで、型材料を除去してよい（２６）。除去は、成形材料が液化して再利用のために回収可能になるように、製品および型を型の融点まで加熱することを含んでよい。あるいは、化学的溶解によって型を除去してよい。
【０１０３】
全ての型部品および部分型部品の製造において、鉱物ワックス等の溶融された型材料を再利用のために回収するためのシンクを設けてよい。
【０１０４】
型の除去後、ペーストの犠牲材料を、例えば、担体液および有機添加剤等の犠牲材料を最適温度まで制御可能な方法で加熱して蒸発および／または分解することにより除去する（２７）。
【０１０５】
犠牲材料の除去後、活物質の粉末を融合して固体形態にしてよい。製品の所望の最終特性を得るためにボックス２８の焼結等の熱処理を適用してよい。上述のように、４００℃〜１８００℃の例示的な温度、特に５００℃超の温度が使用されうる。
【０１０６】
ここで、図２を参照する。図２は、製造が望まれる製品の青写真３０の簡略図である。製品は、下部リング３２、中間リング３４、および上部リング３６を有し、これらのリングのうちの下部リングの半径は大きく、中間リングの半径は小さく、上部リングの半径は中程度である。
【０１０７】
次に、製品３０を作る方法の１つを説明する図３を参照する。製品は、層ごとに図１Ａおよび図１Ｂに概説した手順を用いて別々に製造される層に分解されうる。固定層厚さを選択し、固定層厚さを有する必要な数の層を作ることが可能性の１つであるが、そのためには、下部リング３２の上側境界３８が正確に層の境界に位置すべきであり、したがって、層厚がＺ軸における部品寸法に関する制約を課すＺ軸解像度となる。
【０１０８】
各リング３２、３４、および３６を別々の層として製造することが他の可能性であるが、この場合、第３の層のための型に支持構造が必要となりうる。第３の層のための型は、支持構造がなければ空中に吊り下げられるであろう。
【０１０９】
現在の例では、リング３２は単一の第１の層４０として製造され、２つのリング３４および３６が一緒に単一の第２の層４２として製造される。
【０１１０】
図４を参照すると、型４４が下部リング部３２のために３Ｄ印刷されている。型は、床部４６と包囲周縁部４８とからなる。
【０１１１】
図５は、鋳造材料５０で充填された図４の型４４を示す。鋳造材料は、バインダーと添加剤、場合によってワックスと金属粉末またはセラミック粉末との組合せであってよく、周縁部４８内の床部４６にわたって型を充填する。鋳造材料は、以下でより詳細に説明するように、本実施の形態に係る専用装置の一部でありうるノズル５２から注入されうる。
【０１１２】
次に、図６を参照し、図２の例に係る第２の層の印刷を示す。上部リング３６の半径より大きい単一の外側半径を有する単一の型部品６０が印刷される。内部的には、型６０の下部６２が中間リング３４の半径に等しい半径を有し、型６０の上部６４が上部リング３６の半径に等しい半径を有する。型部品６０は、鋳造層５０の注入によって形成された表面上に位置しており、製品の既存の表面によって支持され、追加の支持構造を必要としない。上述のように、一実施の形態では、鋳造層の粘度は、新たな型部品６０を支持するのに十分であってもよく、あるいは代替的な実施の形態では、第１の層は、新たな型部品を載置する前に最初に硬化してもよい。
【０１１３】
次に、図７を参照する。上部型部品６０は、下部に用いられたものと同じ鋳造材料をさらに用いて充填してよく、それにより、製品の上部リングおよび中間リングを形成する。あるいは、別々の層に対して異なる鋳造材料を使用してもよい。
【０１１４】
型と鋳物の組み合わせは、型とワックスを除去し、バインダーを除去し、鋳造材料中の粉末を融合するために、加熱、バインダー除去、または焼結されうる。最後に、ワックスの溶融後、図８に示されるように製品７０が鋳造物から出現する。
【０１１５】
次に、図９を参照する。図９は、型を印刷し、型に鋳造材料を充填するための３Ｄ印刷および充填装置の部分を示している。押出機アセンブリ８０が、第１の型材料を使用して上述のような型または型部品を印刷するのに適したノズルサイズのノズル８１を有する。簡略化のために、一つの印刷ノズル８１を示しているが、任意の適切な数の印刷ノズルを設けてよい。押出機アセンブリ８０は、例えば、３自由度で移動しうる標準の３Ｄ押出機アセンブリであってよい。より具体的には、トレイとアプリケータとの間の相対的移動のために３度の自由度が提供され得、ほとんどのＦＤＭプリンタが押出機のためのＸＹテーブルおよびＺ軸を有する。押出機アセンブリは、任意の所望の数のノズルを有していてもよい。
【０１１６】
鋳造材料アプリケータ８２は、単一の注入ノズル８４からなり、型の形成後、鋳造材料を型に注入するために設けられている。ノズル８４のサイズは、鋳造材料が型材料と同じ技術によって設けられることがないように、効率的に型を鋳造材料で充填するサイズである。したがって、鋳造材料には比較的粗い技術が用いられ、型には比較的微細な技術が用いられる。型は幾何形状を画定し、鋳造により部品の特性が提供される。注入ノズルは、必要な充填スループット、最小直径等を実現するために設けられうる。
【０１１７】
充填速度を上げ、さらに正確な充填を可能にするために、複数のノズルを設けてもよい。
【０１１８】
一実施の形態では、鋳造材料がペースト形態である場合、ペーストをキャビティの内側または外側に注ぎ、次いで、キャビティの境界線に沿ってスキージを移動させることによってキャビティを埋めてよい。
【０１１９】
より詳細には、この装置は、２つの主要なサブシステムを備えてよい。
【０１２０】
（１）付加製造システム（ＡＭＳ）８０：ＦＤＭ、インクジェット、およびその他の周知の方法に基づいてよく、部分型を作るシステムである。このシステムは、構築トレイに対して少なくとも３度の自由度を有してよい。本発明の一実施の形態によれば、部分型は、鉱物ワックスまたは鉱物ワックスと同様の材料で形成できる。
【０１２１】
（２）液体吐出システム（ＬＤＳ）：注入システム８２のベースとなり、部品を製造するための鋳造材料を型に鋳込むまたは注入するシステムである。部品の材料は、上述のように、金属、セラミック、または他の材料の任意の液体懸濁液またはペーストであってよい。
【０１２２】
液体形態の鋳造材料は、予め定義された値にしたがって、例えば、充填される部分型の容積に応じて制御しながら吐出される。
【０１２３】
注入システム８２の位置も、部分型に対する好ましい充填位置に応じて決定される。注入システムは、典型的には、構築トレイに対して少なくとも２度の自由度を有してよい。場合によっては、自由度は３度であってよい。
【０１２４】
型を振動させて、注入された材料が確実に型の中で均等に分散されかつ平坦化されるように振動面を設けてよい。型および鋳造材料を加熱して、材料が確実に十分に硬化されるように赤外線ランプまたは熱風ユニット等の硬化ユニットを設けてよい。
【０１２５】
部品を製造する前の第１のステップは、青写真を反映するデジタル製造ファイルを作成することを含む。部品は、別々の層に対応するサブパーツに分割、すなわちスライスされる。各サブパーツについて、部分型ファイルが作成される。
【０１２６】
次いで、各部分型ファイルを印刷のために付加製造システム（ＡＭＳ）に送信する。部分型は装置トレイに構築される。次いで、トレイをＬＤＳ位置に移動し、材料を部分型の中に吐出し、型の中に画定されたスペースを充填する。処理が完了すると、装置トレイは次の部分型ファイルが送信されるＡＭＳ位置に戻る。新たな部分型は、注入したばかりの層の上に構築され、この手順はすべてのサブパーツが作られるまで層ごとに繰り返される。
【０１２７】
サブファイルの生成方法がいくつかある。各ファイルは「合法的」である必要がある。「合法的」とは、部分型が、装置において使用される関連する付加製造方法によって物理的に製造可能であり、鋳造材料を型に挿入することにより物理的なサブパーツを作ることができることを意味する。非合法的ファイルは、例えば、崩壊しやすい型形状を含みうる。
【０１２８】
一実施の形態では、サブファイルは、装置の選択されたＺ解像度に応じて生成され得、これは、所定の層高さが選択されることを意味する。例えば、装置の選択された解像度が０．２ｍｍの場合、製品はソフトウェアによって別々の０．２ｍｍのサブパーツファイルにスライスされ得、それに従ってサブパーツが用意される。厚さは、部品の幾何学的品質要件に応じて変更してよい。
【０１２９】
他の実施の形態では、サブパーツは、鋳造材料で適切に充填可能な部分型の最大深さに応じて画定されうる。
【０１３０】
また、部分型ファイルの縮尺は、熱処理中の部品の推定収縮量に応じて決定してよい。
【０１３１】
次いで、部分型およびサブパーツのアセンブリは、熱処理ユニットに運ばれる。一実施の形態によれば、熱処理は、以下のステップを含みうる。
（１）温度を上げてワックスを溶融する。
（２）溶剤またはガスに浸漬してバインダーの一部を溶解または溶出する、または温度を上げてバインダー除去を行う。
（３）再度温度を上げて焼結する。
（４）材料および品質の要件に従い、必要に応じて熱プロセスを追加する。例えば、熱間等方圧加圧法により、部品の密度を高めることができる。アルミニウム部品には、焼き戻しや熟成等も可能である。
【０１３２】
上記およびワックスを除去するために溶融を用いることの代替として、溶媒を用いてワックスを除去してもよい。さらなる代替例として、溶融と溶媒の使用の組み合わせを使用してもよい。
【０１３３】
図示のように、型部品８５はトレイ８６に印刷され、トレイ８６は移動プラテン８８上に位置している。プラテンは、３Ｄ印刷ヘッド８０と注入ノズル８４との間を直線軸９０上で移動する。単一部品の場合、プラテンは、各層につき１回、２つの位置の間を移動してよい。直線軸の代わりに、プラテンは回転式であってもよく、２つの位置の間を回転してもよい。
【０１３４】
さらなる実施の形態では、複数のステーションをプラテンの経路上に設けてもよく、それにより、いくつかの印刷位置およびいくつかの充填位置が存在し、複数の部品が並行して印刷されうる。
【０１３５】
さらなる実施の形態では、複数のステーションをプラテンの経路上に設けてもよく、それにより、ＩＲステーション、研磨ステーション等のいくつかの追加プロセス位置が存在しうる。
【０１３６】
注入ノズル８４を、取り外し可能としてもよく、実施の形態によっては、様々な縮尺の製品のすべてが適切な充填速度で効率的に充填されうるように様々なサイズの他のノズルと交換してもよい。
【０１３７】
次に、図１０を参照する。図１０は、図９の装置の変形例を示す簡略図であり、印刷ヘッド８０と注入ノズル８２とを組み合わせて、印刷ノズル８１と注入ノズル８４の両方を備えた（但し、これらは必ずしも同時に動作する必要はない）単一の二重目的動作ユニット８９としている。
【０１３８】
ユニット８９は、型を印刷するために、およびその後、型を充填するためにトレイに対して３度以上の自由度を有してよい。
【０１３９】
図１１および図１２は、印刷ステーションと、注入ステーションと、それぞれが別々のトラック上に位置する２つのプラテンとを有する、図９の装置の変形例の正面図および上面図である。図１１は、それぞれが１つのノズルの下に位置する２つのトレイ９０および９２を示す簡略化された概略図である。トレイ９０が、型部品９６を印刷する印刷ヘッド９４の下にある。同時に、トレイ９２が、鋳造材料を型部品１００に注入する注入ユニット９８の下にある。トレイ９２は、以前は、型１００を印刷するために印刷ヘッド９４の下にあったのであってもよい。したがって、１つの型を充填しながら他の型を印刷することによって、さらに印刷機の利用率が高まる。
【０１４０】
図１２では、第１のトレイ１１０が第１のプラテン１１２上において印刷ヘッド１１４と注入ユニット１１６との間を、型部品１１７を担持しながら移動する。同様に、第２のトレイ１１８が第２のプラテン１２０上において印刷ヘッド１１４と注入ユニット１１６との間を、型部品１２１を担持しながら移動する。トレイおよびプラテンは、本明細書においてｘ方向と称される第１の軸において移動する。印刷ヘッド１１４および注入ユニット１１６は、プラテンの移動方向に対して直交していてもよいし実質的に直交していてもよい第２の軸において２つのプラテンの間を移動する。ここでは、印刷ユニットと注入ユニットの移動方向をｙ方向として示す。ブリッジ１２２がヘッド１１４を、ブリッジ１２４が注入ユニット１１６を担持してよい。同様に、レールまたはトラック１２６がプラテン１１２を、レールまたはトラック１２８がプラテン１２０を担持してよい。印刷ヘッド１１４は、典型的には、トレイおよびアプリケータに対して３度の自由度を有し、このことは、本明細書のすべての実施の形態について同様である。
【０１４１】
図１２の実施の形態では、各プラテンが型印刷位置から注入位置に移動し、印刷ヘッドおよび注入ユニットが一方側から他方側に移動することにより、両側で印刷および注入を連続的に行うことができ、印刷ヘッドを高利用率で利用し２つの部品を並行して製造することができる。
【０１４２】
一実施の形態によれば、プラテンは固定されていてもよく、ヘッドはｘ方向に移動してもよい。ヘッドまたはプラテンは、ｙ方向に移動してもよい。
【０１４３】
次に、図１３を参照する。図１３は、４つのステーション１３２、１３４、１３６、および１３８を有するカルーセル１３０に基づく印刷および注入装置の一実施の形態を示す。カルーセルは回転し、各トレイが、型部品の印刷のためのステーション１３２および注入のためのステーション１３４に到達する。プロセス自体の間、部品は動かないことに留意されたい。カルーセルは、各プロセス間に１つのステーションと次のステーションとの間の角度にわたって回転してよい。残りの２つのステーション１３６および１３８は、任意選択のプロセスのために分類される。収容力を２倍にするために、ステーション１３６および１３８が第２の印刷ヘッドおよび第２の注入ユニットを備えることが可能性の１つである。他の可能性としては、ステーション１３６が、ステージ１３４において注入された表面を仕上げるための仕上げユニットを含み、ステーション１３８が加熱または焼結を行ってよい（加熱および焼結は、高温の真空中で数時間かかるため、一般にカルーセルのステーションには含まれない）。
【０１４４】
任意選択のステーションの他の使用が考えられ得、また、カルーセルは４つのステーションに限定されない。したがって、ＵＶ硬化、ＩＲ熱硬化、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、冷却、平らにするプロセス、研磨、または仕上げ等の、並行して行うことができる種々の補足的プロセスのためのステーションを追加してよい。
【０１４５】
次に、第３のステーション、すなわち第３のプロセス位置を有する線形の実施の形態を示す図１４を参照する。トレイ１４３および型１４５を担持するプラテン１４１または複数のプラテンが、印刷ヘッド１４０の下の第１の位置、注入ユニット１４２の下の第２の位置、およびシリンダ１４４の下の第３の位置の間を移動する。シリンダは、注入後に鋳造材料１４６を平滑化してよい。想起されるように、鋳造材料は高粘度であってよく、したがって、より低粘度の材料が期待されるように水平になるのではなく、山のように積み上がる傾向がありうる。あるいは、本明細書の他の箇所に記載されるように、意図的に型の上端より上方の或る限界まで型を充填してもよい。したがって、次の段階を開始する前に、または製品または部品を完成させるために平滑化が必要となりうる。シリンダは、型および／または型の充填材、すなわち鋳造材料を平らにするために使用されうる。平らにするために、シリンダを６０℃〜１４０℃の例示的な範囲の温度に加熱してよい。
【０１４６】
仕上げステーションは、線形の実施の形態のみならず、カルーセルを使用する実施の形態に組み込まれてもよいことが理解されよう。
【０１４７】
次に、他の実施の形態を示す図１５を参照する。トレイ１６０が型部品または部分型１６２を担持し、ペーストの塊１６４が型を充填するために設けられている。スキージ１６６は、ペーストを型の上部全体に塗り広げつつ、ペーストを型内のスペース１６８に押し込むことによって型を充填し、かつ同時に表面を仕上げる。スキージの代替として、ブレードを使用してもよい。
【０１４８】
スキージは、注入ノズルと共に追加のステーションとして組み込まれうるため、注入によってペーストをスペースの中に入れ、次いでスキージによってペーストを押してスペースを埋めてよい。
【０１４９】
ペーストの吐出は、例えば、ペースト吐出ノズルを用いて塊１６４を設けるために行われうる。ノズルは、材料が必要な個所のそばに材料を吐出してよく、次いで、スキージ１６６は、ペーストを型の凹部の中に押し込み、層を平滑化して適所に配置してよい。あるいは、例えば、型の凹部の上を印刷ヘッドのように移動するディスペンサの列を用いて凹部の中にペーストを直接吐出しつつ、後からブレードで層を平滑化してもよい。
【０１５０】
ディスペンサの列は、任意の所望の解像度で設けられうる。ディスペンサを、ブレードの動きまたはテーブルの動きに対して角度を付けて移動してよい。
【０１５１】
図１５に示すように、スキージまたはブレードを、型の表面に押し付けてよい。
【０１５２】
次に、型の非接触充填を可能にするためにスキージまたはブレードが型の表面から例えば１ミクロン〜１００ミクロン離間している点以外は図１５と同一である図１６を参照する。図１５と同様に、トレイ１６０は型部品または部分型１６２を担持し、型を充填するためのペーストの塊１６４が設けられている。スキージ１６６は、ペーストを型の上部全体に塗り広げつつ、ペーストを型内のスペース１６８に押し込むことによって型を充填し、かつ同時に表面を仕上げる。スキージと型との間のスペースにより、ペーストの薄いコーティングが型の上部の表面全体に延在しうる。
【０１５３】
次に、第３のステーションも有する代替的な線形の実施の形態を示す図１７を参照する。トレイ１４３および型１４５を担持するプラテン１４１または複数のプラテンが、印刷ヘッド１４０の下の第１の位置、注入ユニット１４２の下の第２の位置、およびポリッシャまたはカッター１５０の下の第３の位置の間を移動する。ポリッシャは、注入および／または成形後に、鋳造材料１４６の余分を切断する。
【０１５４】
ポリッシャを、カルーセルを使用する実施の形態に組み込んでよいことが理解されよう。ポリッシャ１５０は、鋳造材料が注入され、所定の高さで、例えば、部分型の上縁部から０．０５ｍｍ越えて硬化した後で部分型を避けてサブパーツを研磨するＣＮＣ工具、例えば、舞いカッター等の機械加工工具であってもよい。
【０１５５】
次に、型を充填するためのさらなる代替例を示す図１８を参照する。トレイ１７０は、充填されるスペース１７４を含む部分型または部品型１７２を担持する。封止板１７６は、型を封止し、スペース内に射出成形するためのパイプ１７８を含む。特に、射出では、粉末射出成形（ＰＩＭ：Powder Injection Molding）を使用してよい。粉末は、粉末冶金（ＰＭ：Powder Metallurgy）粉末、例えば、金属射出成形（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）粉末であってもよい。粉末は、図１７の実施の形態および本明細書に記載する他の実施の形態のいずれについても、大小の粒子の混合物であってよい。
【０１５６】
射出成形を、線形のまたはカルーセルの実施の形態のいずれにおいても、追加のステーションとして提供してもよいし、型を充填するための主ステーションとしてもよい。
【０１５７】
次に、自己検査手順１８０を示す簡略化されたフロー図である図１９を参照する。手順１８０において、最後に配置された層がチェックされる（１８２）。一般に、チェックは、例えば、診断カメラを用いて画像化することによる平滑性の検査を含んでよい。決定ボックス１８４において損傷または欠陥が検出された場合、損傷した層が切り取られ（１８６）、新たな層が設けられる（１８８）。このような損傷または欠陥が検出されない場合、プロセスは次の層に続く（１９０）。自己検査手順は、ノズルを使用する実施の形態およびペーストを押し広げることを含む実施の形態を含む、本明細書に記載する全ての実施の形態に適用可能である。
【０１５８】
上記のいずれの実施の形態のプロセスも、不活性環境、例えば、窒素もしくはアルゴンで満たされた環境、または真空中でさえ行われうる。これは酸化力の高い材料に役立ちうる。
【０１５９】
本出願から完成される特許の存続期間中、多くの関連する成形技術、３Ｄ印刷技術、および鋳造技術が開発され、対応する用語の範囲が、そのようなすべての新技術を演繹的に含むことが意図される。
【０１６０】
用語「含む（comprises）」、「含む（comprising）」、「含む（includes）」、「含む（including）」、「有する（having）」およびその活用形は、「限定されるものではないが、含む（including but not limited to）」を意味する。
【０１６１】
「からなる」という用語は、「含み、限定される」ことを意味する。
【０１６２】
用語「本質的に〜からなる」は、組成、方法または構造が、追加の成分、追加のステップ、および／または追加の部分を含みうることを意味する。但しこれは、請求項に記載の組成、方法、または構造の基本的かつ新規の特徴が、これら追加の構成要素、ステップ、または部分によって実質的に変更されない場合に限られる。
【０１６３】
本明細書において使用される単数形の「a」、「an」および「the」は、別段文脈により明らかに示されない限り、複数形をも対象とする。
【０１６４】
明確さのために別個の実施形態に関連して記載した本発明の所定の特徴はまた、１つの実施形態において、これら特徴を組み合わせて提供され得ること、また、本明細書は、そのような組み合わせが本明細書に明示的に記載されているかのごとく読まれるべきであることを理解されたい。逆に、簡潔さのために１つの実施形態に関連して記載した本発明の複数の特徴はまた、別々に、または任意の好適な部分的な組み合わせ、または適当な他の記載された実施形態に対しても提供され得る。本明細書は、そのような組み合わせが本明細書に明示的に記載されているかのごとく読まれるべきである。さまざまな実施形態に関連して記載される所定の特徴は、その要素なしでは特定の実施形態が動作不能でない限り、その実施形態の必須要件であると捉えてはならない。
【０１６５】
本発明をその特定の実施形態との関連で説明したが、多数の代替、修正および変形が当業者には明らかであろう。したがって、そのような代替、修正および変形の全ては、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に含まれることを意図するものである。
【０１６６】
本明細書で言及した全ての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許および特許出願のそれぞれについて具体的且つ個別の参照により本明細書に組み込む場合と同程度に、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。加えて、本願におけるいかなる参考文献の引用または特定は、このような参考文献が本発明の先行技術として使用できることの容認として解釈されるべきではない。また、各節の表題が使用される範囲において、必ずしも限定として解釈されるべきではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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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【手続補正書】
【提出日】令和1年8月7日(2019.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形積層製品の製造方法であって、
前記製品の１層を画定するために第１の型の３Ｄ印刷を行うことと、
前記３Ｄ印刷された第１の型を鋳造材料で充填し、それにより第１の層を形成することと、
第２の層を画定するために前記第１の層の上に第２の型の３Ｄ印刷を行うことと、
前記第１の層の上で、前記３Ｄ印刷された第２の型を鋳造材料で充填し、それにより成形積層製品を形成することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記第１の層を、形成後かつ前記第２の型の印刷前に仕上げ、それにより前記第１の層の仕上げ表面に前記第２の層を形成することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記型は、型印刷材料を使用して印刷される、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記型印刷材料の融点は、前記鋳造材料の融点よりも低い、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記鋳造材料は、ワックス、バインダー、硬化材料、分散剤、消泡剤、モノマー、オリゴマー、開始剤、活性剤、安定剤、バインダー除去制御添加剤、および焼結制御剤からなる第１の群の中の１つと、セラミックおよび金属からなる第２の群の中の１つと、を含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記型鋳造材料は、スリップ材料、またはゲルキャスト材料、またはペースト材料を含む、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記型印刷材料の粘度は、前記鋳造材料の粘度よりも高い、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記スリップ、またはゲルキャスト、またはペーストは、水ベースまたは有機溶媒ベースである、
請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記鋳造材料は、親水性成分または疎水性成分を含む、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記充填することは、前記鋳造材料を前記型に注入することを含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記注入することは、注入ノズルから行われる、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
充填される前記型内のスペースのサイズに応じて前記注入ノズルを選択することを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記充填することは、前記型への前記鋳造材料の射出成形を含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記充填することは、前記型に押し付けられたスキージを使用して前記鋳造材料を前記型の中に押し広げることを含む、または、前記充填することは、前記型の表面から離間したブレードを使用して前記鋳造材料を前記型の中に押し広げることを含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも２つの異なる鋳造材料を別々の層に使用することを含む、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記鋳造材料は、少なくとも２つの異なる構成材料または少なくとも２つの異なるサイズの粒子を含む、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
加熱、溶解、ならびに、加熱および溶解の組合せを含む群の中の１つを使用して、鋳造後に前記型を除去することを含む、
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置を使用し、前記３Ｄ印刷装置は、
第１の型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するための、第１のサイズを有する第１のノズルと、
材料を注入して前記型を充填するための、前記第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する第２のノズルと、
を備える、３Ｄ印刷装置である、
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２のノズルは、取り外し可能である、
請求項１８に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２０】
前記第２のノズルは、交換可能であり、それにより、様々な充填速度が様々なサイズの型に対して提供される、
請求項１８または１９に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２１】
前記第１のノズルは、熱溶解積層方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）の押出機である、
請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２２】
前記第１のノズルは、インクジェットノズルまたはインクジェットノズルアレイである、
請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
【請求項２３】
型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置を使用し、前記３Ｄ印刷装置は、
型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するためのノズルと、
充填材料を塗布して前記型を充填するためのスキージと、
を備える、３Ｄ印刷装置である、
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
型を印刷し、前記型を充填するための３Ｄ印刷装置を使用し、前記３Ｄ印刷装置は、
型材料を用いて前記型を３Ｄ印刷するためのノズルと、
前記型を封止するための封止キャップと、
充填材料を射出して前記型を充填するための射出成形ユニットと、
を備える、３Ｄ印刷装置である、
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
積層成形製品の製造方法であって、
前記積層成形製品の設計図を作成することと、
前記設計図を複数の層にスライスすることと、
層ごとに、型を設計することと、
連続した層ごとに、設計された型を３Ｄ印刷することと、
連続した層ごとに、前記３Ｄ印刷された型の形成後に鋳造材料を前記３Ｄ印刷された型に注入して前記層を形成することと、
次層の型を、それぞれの次の層に３Ｄ印刷することと、
を含む、製造方法。
【請求項２６】
各層の上に次層の型を印刷する前に該各層を硬化することをさらに含む、
請求項２５に記載の製造方法。
【請求項２７】
各層の上に後続層を形成する前に該各層を研磨することを含む、
請求項２５または２６に記載の製造方法。
【請求項２８】
前記鋳造材料は、流動して前記型を充填するレオロジー特性、および前記型の内面に付着するレオロジー特性を有するように選択される、
請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項２９】
前記製品の全層が形成された後、前記製品を安定化するために熱を使用することを含む、
請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３０】
各型の層を除去することを含む、
請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３１】
加熱して、または溶媒を使用して前記鋳造材料から犠牲材料を除去することを含む、
請求項２５〜３０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３２】
前記鋳造材料は粉末を含み、熱処理を適用して前記粉末を焼結することを含む、
請求項２５〜３１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３３】
熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing process）を使用して前記鋳造材料の密度を高めることをさらに含む、
請求項２５〜３２のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項３４】
請求項１〜１６または請求項２５〜３３のいずれか一項に記載の方法に従って金属またはセラミックで作られた成形部品または成形製品。
【国際調査報告】
2020519486.tif 000023
2020519486.tif 000024