JP2004276618A - 三次元物体を製造するための方法及び装置並びにそのように得られた成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】単純で、ひいては安価でかつ故障しにくい装置を用いて実施されることができる三次元物体の製造方法。
【解決手段】マイクロ波放射を吸収しないか又は劣悪に吸収するに過ぎない粉末状基質からなる層上で、サセプタを層の結合すべき領域に施与し、該サセプタがマイクロ波放射を吸収することができ、かつ吸収されたエネルギーが熱の形で該サセプタを包囲している基質上へ放出し、それにより、前記の領域内の層もしくは場合によりその下にか又はその上にある層の基質が融解又は焼結により結合されることによって、マイクロ波放射を用いて粉末状基質から三次元物体を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末状基質(pulverfoermiges Substrat)から、基質の一部を結合することにより、例えば融解又は焼結することにより、三次元物体を製造する方法に関するものであり、その際、基質の結合に必要不可欠の熱エネルギーは、マイクロ波放射によりサセプタ(Susceptor)を通して発生し、このサセプタを通して基質の部分領域上へ放出される。

原型の迅速な製造は、かなり最近に頻繁に突きつけられる課題である。技術水準には、一方ではステレオリソグラフィーの方法が記載されており、その際、この方法は、費用のかかる支持構造物が、液体（樹脂）から原型を製作する間に必要不可欠であり、かつ得られた原型が、制限された数の使用物質に起因している相対的に劣悪な機械的性質を有するという欠点を有する。

ラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping)の目的に十分に適している、技術水準にしばしば挙げられた他の方法は、既に大きく普及している選択的レーザー焼結（selektive Laser-Sintern；ＳＬＳ）である。この方法の場合に、プラスチック粉末は、チャンバ中でレーザー光線で選択的に短く暴露され、それにより、レーザー光線が命中した粉末粒子が融解する。融解した粒子は互いに流れていき、かつ相対的に迅速に再び固体塊状物に凝固する。常に新しく施与された層を繰り返し暴露することにより、この方法を用いて、複雑な三次元の物体が単純かつ迅速に製造されることができる。

粉末状ポリマーから成形体を製造するためのレーザー焼結法（ラピッドプロトタイピング）は、特許明細書US 6,136,948及びWO 96/06881（双方ともDTM Corporation）に詳細に記載されている。技術水準に記載されたＳＬＳ法は、費用のかかるレーザー技術がこの方法には必要不可欠であるという欠点を有する。エネルギー源として機能しているレーザー並びにレーザー光線の調整及び操作に必要不可欠の光学装置、例えばレンズ、拡大器(Aufweiter)及びデフレクターミラー(Umlenkspiegel)は、過度に高価であり、かつ感度が高い。

ラピッドプロトタイピングのための別の方法が開発されているが、しかしながら該方法は、（まだ）市場に出されていない。WO 01/38061には、エネルギーの供給により引き起こされる、選択領域内での粉末状基質の焼結を防止する焼結抑制剤が使用されることに基づく、原型の製造方法が記載されている。この方法の場合に、費用のかかるレーザー技術が放棄されることができる。しかしながら、熱の特異的供給は、この方法を用いては不可能である。この方法にとって不利なのは、例えば、融解されなかった周囲の粉末が抑制剤を含有し、故に再利用されることができないことである。そのうえ、この方法のためにソフトウェアが新しく開発されなければならない、それというのも、まさに、その他の場合のように部材の断面が印刷されるのではなくて、周囲が印刷されるからである。アンダーカット及び断面の変化で、抑制剤の大表面積の施与が必要不可欠である。そのうえ、熱のよどみを形成する危険がある。

US 5 338 611には、ポリマーを溶融させるためのマイクロ波放射の使用が記載され、その際、粉末状ポリマー及びナノスケールのカーボンブラックが使用される。原型の製造は記載されていない。DE 197 27 677においては、原型は、粉末状の層の選択領域に焦点の合ったマイクロ波を作用させることにより製造される。集中的にマイクロ波を作用させることにより、層中の粉末状基質は並びにその下にある層中の粉末状基質と、接着、焼結又は融解により結合される。この方法の場合にも、マイクロ波放射が選択領域上のみに到達するために、費用のかかる技術が必要不可欠である。

原型の製造のための技術水準において公知の方法は、使用される技術に関して全て相対的に費用がかかる。特にレーザー又は焦点の合ったマイクロ波放射の使用は、高い精度、ひいては高価でかつ故障しやすい装置を必要とする。原型の製作のためには、公知方法は確かに適しているが、しかしながらこの方法は、迅速製造における適用のため又は家での適用として不適当である。
US 6,136,948 WO 96/06881 WO 01/38061 US 5 338 611 DE 197 27 677 DE 197 08 946 DE 44 21 454 EP 0 911 142 DE 4402329 Roempp Lexikon Chemie - Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999 Encyclopedia of Chemical Processing and Design, 30巻, p.202以降, Marcel Dekker, N.Y.-Basel, 1989

故に、本発明の課題は、単純で、ひいては安価でかつ故障しにくい装置を用いて実施されることができる三次元物体の製造方法を提供することであった。構造部材は、好ましくは頑丈に仕上げられているべきであり、その際、日々需要のある装置からの構造部材が用いられることができるべきである。

意外なことに、マイクロ波放射を用いて、例えばマイクロ波調理用器具(Mikrowellenkuechengeraeten)を用いても、粉末状基質から三次元物体を製造することが、相対的に単純に可能であることが見出され、ここで、マイクロ波放射を吸収しないか又は劣悪に吸収するに過ぎない粉末状基質からなる層上で、サセプタが層の結合すべき領域に施与され、該サセプタはマイクロ波放射を吸収することができ、かつ吸収されたエネルギーが熱の形で該サセプタを包囲している基質上へ放出し、それにより、前記の領域内の層もしくは場合によりその下にか又はその上にある層の基質は、融解又は焼結により結合される。サセプタの施与は、印刷ヘッドを用いて、インクジェットプリンタのそれに類似して行われることができる。

故に、本発明の対象は、次の工程：
ａ） 粉末状基質の層を準備する工程、
ｂ） ａ）からの層の処理すべき領域に、マイクロ波を吸収する少なくとも１つのサセプタを選択的に施与する工程、その際、サセプタが施与される領域は、三次元物体の断面に従い、しかも三次元物体の断面を構成する領域にサセプタが施与されるように選択される、及び
ｃ） 層をマイクロ波放射で少なくとも１回処理する工程、こうして、サセプタが設けられている層の領域並びに場合によりその下にある層のサセプタが設けられている領域は、融解又は焼結により互いに結合される、
を含むことにより特徴付けられる三次元物体の製造方法並びにこの方法により製造された成形体である。

同様に、本発明の対象は、三次元物体を層状に製造するための装置であり、前記装置は、
・ 操作架台にか、又は場合により既に操作架台上に存在している処理されたか又は未処理の粉末状基質（２）の層に、粉末状基質を層状に施与するための可動装置、
・ 粉末状基質からなる層の選択領域にサセプタ（４）を施与するためのｘ，ｙ−平面において可動性の装置（３）及び
・ ３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内のマイクロ波放射を発生させるのに適しているマイクロ波発振器（５）
を有することにより特徴付けられる。

本発明による方法は、費用のかかる有向放射、例えばレーザー放射又は狭く焦点の合ったマイクロ波放射を使用しないという利点を有する。層又は複数の層から組み立てられたマトリックスの特定の位置でのエネルギーの集中的作用は、層の所望の領域もしくはマトリックスの層に施与されるマイクロ波により励起されたサセプタにより達成される。

本発明による方法により、三次元物体の層状の自動化された組立は、適しているサセプタとの組合せでマイクロ波放射の使用により、単純に可能である。サセプタで処理されていない粉末は簡単に再使用されることができ、このことは抑制剤を使用する方法の場合に不可能である。

装置は、常用のインクジェットプリンタのように類似して単純に操作可能であり、それゆえ、例えばＰＣに接続されることができ、特に、マイクロ波照射が、引き続いてたいていの家庭にいずれにせよ存在している電子レンジ中で実施される場合である。これを用いて、３Ｄ印刷は、通常の家庭にも手が届き、かつ操作可能である。本発明による方法は、さらに、周囲の材料が簡単に再使用されることができるという利点を有する。そのうえ、直接、特別な性質、例えば電気伝導性又は色が“一緒に印刷される(mitgedruckt)”ことができる。部材に、このようにして選択的に選び出された性質が付与されることができる。

三次元物体を製造するための本発明による方法の機能原理は、原則的に、他の、ラピッドプロトタイピングが使用される原理のための全ての方法に基づく。三次元物体は、層状に組み立てられる。組立は、液体層（ステレオリソグラフィー）又は粉末層（レーザー焼結）の部分が互いにかもしくはその下にある層の部分と、層のこれらの部分にエネルギーが供給されることによって、凝固されるかもしくは結合されることにより、行われる。エネルギーが供給されなかった層の部分は、さらに、液体又は粉末として存在する。粉末もしくは液体の施与及び結合もしくは凝固を繰り返すことにより、三次元物体が層状で得られる。未変換の粉末もしくは未変換の液体の除去後に、解像度が（輪郭に対して）使用された粉末状基質の層厚及び粒度に依存している三次元物体が得られる。

これまで公知の方法とは異なり、エネルギーは、結合すべき基質に直接供給されるのではなくて、むしろエネルギーを吸収し、かつ熱エネルギーの形でサセプタを包囲している基質上へ放出するサセプタを経て供給される。エネルギーは、本発明による方法においてマイクロ波放射の形でサセプタに供給され、該マイクロ波放射は、サセプタにより吸収され、熱エネルギーに変換され、かつマイクロ波放射を吸収できないか又は十分ではない程度に吸収できる直接隣接した粉末状基質上へ放出される。十分ではない程度にとは、当該の場合に、マイクロ波放射の吸収により粉末状基質が、隣接した基質粒子との融解又は焼結による結合に到達することができる程度に温められることができないか、もしくはそのために必要とされる時間が極めて長いことを意味する。しかしながら、サセプタから放出された熱は、サセプタに隣接した粉末状基質を、それ自体と及びまたサセプタと、融解又は焼結により結合するために十分である。このようにして、本発明による方法を用いて、三次元物体は、粉末状基質の融解又は焼結により製造される。

層並びに相互の層内の特定領域での基質の結合は、レーザー焼結及びラピッドプロトタイピングのための他の方法の場合のように、再び、粉末状基質の結合、特に融解又は焼結により行われる。ラピッドプロトタイピングの機能原理は、例えばUS 6,136,948及びWO 96/06881から引き出されうる。

通常、ＣＡＤアプリケーションを使用しながらコンピュータ制御されて断面の計算のために行われる工程ｂ）におけるサセプタの施与は、処理された粉末状基質のみが次の処理工程ｃ）において結合されるという結果になる。サセプタは、故に、製造すべき三次元物体の断面に属する、ａ）からの層の選択された領域にのみ施与される。施与自体は、例えばノズルが設けられている印刷ヘッドにより行われてよい。最後の層の処理工程ｃ）を終えた後で、本発明による方法を用いて、部分的に結合された粉末材料を有するマトリックスが得られ、該マトリックスは、結合されていない粉末の除去後に、中実な三次元物体を自由に与える。

本発明による方法は、以下に例示的に記載されるが、本発明はこれに限定されるものではない。

三次元物体を製造するための本発明による方法は、次の工程：
ａ） 粉末状基質の層を準備する工程、
ｂ） ａ）からの層の処理すべき領域に、マイクロ波を吸収する少なくとも１つのサセプタを選択的に施与する工程、その際、サセプタが施与される領域は、三次元物体の断面に従い、しかも、三次元物体の断面を構成する領域にのみサセプタが施与されるように選択され、かつ
ｃ） マイクロ波放射で層を少なくとも１回処理する工程、こうして、サセプタが設けられている層の領域並びに場合によりその下にある層のサセプタが設けられている領域は、融解又は焼結により互いに結合される、
を含むことに傑出している。

工程ｃ）は、工程ａ）及びｂ）がｘ回実施された場合に、その都度実施されてよく、ここで、ｘは１ないし実施された工程ａ）及びｂ）の数に等しい。使用される粉末材料に応じて、これを用いて、マイクロ波放射の材料に依存した浸透の深さが考慮されうる。例えば、粉末材料及び工程ａ）の数に依存して、マイクロ波放射での１回の処理が、粉末材料の構造空間(Bauraum)中に存在している層のサセプタで処理された全ての領域を結合するのに十分ではないことが起こりうる。そのような場合に、工程ｃ）、例えばその都度、工程ａ）及びｂ）の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、２０、３０,４０又は５０回の実施後に実施することが有利でありうる。そのうえ、工程ｃ）が、工程ａ）及びｂ）が少なくとも２回実施された後で初めて実施される場合が有利でありうる、それというのも、このようにして、層の互いにより強固な結合が達成されるからである。本発明による方法の特別な一実施態様において、工程ａ）及びｂ）は、三次元物体が組み立てられている全ての断面がマトリックス中に存在しており、かつ物体の外部限界が、施与されたサセプタを有する粉末材料と未処理の粉末材料との間の境界により形成されるまでしばしば繰り返され、引き続いて工程ｃ）が実施される。このようにして、マイクロ波放射での１回の処理のみが必要であり、このことは、著しくより僅かなエネルギー消費を意味する。

本発明による方法の別の実施変法において、三次元物体の製造の初めに、工程ａ）が一回、引き続いて工程ｂ）及び続いて工程ａ）がさらに一回実施された後で工程ｃ）が一回実施され、引き続いて別の工程がｂ）、ａ）、ｃ）の順序で実施される。この実施変法の場合に、サセプタで処理された粉末層は、その都度、未処理の粉末層で覆われている。工程ｃ）の場合に、それゆえ、最上層の粒子が、例えば融解もしくは焼結により結合されるのではなくて、むしろその下にある層の粒子が結合され、その際、層間の境界で、双方の層の粒子が既に結合される。このようにして、層間の特に耐久性のある結合が達成されることができる。そのうえ、完成した物体の場合に１つの層から次の層への移行は、より軟らかくなる。工程ｃ）は、再び、その都度、工程ｂ）及びａ）がｘ回実施された場合に実施されることができ、ここでｘは１ないし実施された工程ｂ）及びａ）の数に等しく、その際、前記の利点が達成される。

工程ｃ）が、その都度、工程ａ）及びｂ）もしくはｂ）及びａ）の一回又は複数回の実施後に行われる場合には、構造空間中で直接実施されてよい。工程ｃ）による処理のみが行われる場合には、これは、下部構造空間又は装置の他の適している場所中で行われてよい。同じように、工程ｃ）が、工程ａ）及びｂ）を実施するための装置以外の装置中で実施されることが可能である。例えば、処理された粉末層からなり、工程ａ）及びｂ）を用いて製造されたマトリックスは、例えば工程ｃ）が実施される市販の調理(Speisenzubereitung)用の電子レンジへ移送されてよい。これらの可能性により、本発明による方法は、特に家の適用に適している。

粉末状の層の準備は、例えば、基質としての粉末材料を、ベースプレートにかもしくは既に存在している場合には既に存在している工程ｂ）又はｃ）により処理された層に施与することにより行われてよい。施与は、ナイフ塗布、ロール塗布、散布(Aufschuetten)及び引き続きストリッピング又は類似の方法により行われてよい。層を準備するのに満たさなければならない僅かな前提条件は、層が均質な高さを有することである。好ましくは、工程ａ）において準備された層は、１ｍｍ未満、好ましくは５０〜５００μｍ及び特に好ましくは１００〜２００μｍの高さを有する。層の高さは、その際、解像度、ひいては製造された三次元物体の外部構造の滑らかさを決定する。ベースプレート又はしかし層を準備するための装置は、高さにおいて可動性に仕上げられていてよいので、工程ｂ）又はｃ）の実施後に、得られた層が、次の層として施与すべき層の高さだけ沈下されてよいか、又は装置が、先行していた層に対して最隣接層の高さだけ持ち上げられてよい。

工程ａ）により準備された層の高さは、とりわけ平均粒度もしくは最大粒度にも依存している。例えば、１５０μｍの粒度を有する粒子を用いて、同じ高さの強固でかつ緻密な層が製造されることができないことは自明のことである、それというのも、粒子間の体積が、工程ｃ）で極めて大きな収縮を受けることになるであろうからである。

特に好ましくは粉末状基質として使用される粉末材料は、１０〜１５０μｍ、特に好ましくは２０〜１００μｍ及び極めて特に好ましくは４０〜７０μｍの平均粒度（ｄ_５０）を有する。使用目的に応じて、しかしまた、特に小さな粒子、しかしまた特に大きな粒子を有する粉末材料を使用することも有利でありうる。できるだけ高い解像度及びできるだけ滑らかな表面を有する三次元の対象物を達成するために、１０〜４５μｍ、好ましくは１０〜３５μｍ及び極めて特に好ましくは２０〜３０μｍの平均粒度を有する粒子が使用される場合に有利でありうる。

２０μｍ、特に１０μｍ未満の微細な材料は、殆ど加工不可能である、それというのも、そのような材料は流れず、かつかさ密度が劇的に低下するからであり、それにより多くの空洞が生じうる。より簡単に取り扱うためには、６０〜１５０μｍ、好ましくは７０〜１２０μｍ及び極めて特に好ましくは７５〜１００μｍの平均粒度を有する粒子が使用される場合が有利でありうる。

粉末状基質として、好ましくは、粉砕、沈殿及び／又はアニオン重合によるか又はその組合せ、特に、幾分粗大すぎる粉末の沈殿及び引き続き後粉砕、又は沈殿及び引き続き分級により製造された粉末材料が使用される。

粒度分布は、粉末材料の記載された平均粒度の場合に、任意に選択されてよい。幅広い又は狭い粒度分布、好ましくは狭い粒度分布を有する粉末材料が好ましくは使用される。本発明による方法における使用に特に好ましい粉末材料は、粒子の最大２０％、好ましくは１５％及び極めて特に好ましくは最大５％で、平均粒度に対して５０％を上回る粒度の偏差を有する粒度分布を有する。粒度分布は、分級の常法、例えば空気分級等により調節可能である。できるだけ狭い粒度分布により、本発明による方法の場合に、極めて均質な表面を有し、存在している場合には極めて均質な細孔を有する三次元物体が得られる。

使用される粉末状基質の少なくとも一部は、無定形、結晶質又は部分結晶質であってよい。好ましい粉末材料は、線状又は分枝鎖状の構造を有する。本発明による方法において使用される特に好ましい粉末材料は、少なくとも一部は、５０〜３５０℃、好ましくは７０〜２００℃の溶融温度を有する。

基質として、本発明による方法において、選択されたサセプタと比較してマイクロ波放射により不十分に温められる物質が適している。使用される粉末状基質はそのうえ、温められた状態で十分な流動性を示すべきである。粉末状基質として、特に、好ましくはポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ（Ｎ−メチルメタクリルイミド）（ＰＭＭＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、ターポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン−コポリマー（ＡＢＳ）又はその混合物から選択されるポリマー又はコポリマーが使用されてよい。

特に好ましくは、本発明による方法において、粉末状基質として、ポリアミド、好ましくは少なくとも１つのポリアミド６、ポリアミド１１及び／又はポリアミド１２又はコポリエステル又はコポリアミドを有する粉末材料が使用される。ポリアミドの使用により、特に形状安定な三次元成形体が製造されうる。好ましくはDE 197 08 946又はまたDE 44 21 454にも記載されているように製造され、かつ特に好ましくはEP 0 911 142に記載されているような溶融温度及び融解エンタルピーを有している、ポリアミド１２粉末の使用が特に好ましい。好ましいコポリアミド又はコポリエステルとして、Degussa AGで商標VESTAMELTのもとで入手可能であるものが好ましくは使用される。特に好ましいコポリアミドは、示差走査熱量測定法（ＤＳＣ）により決定された、７６〜１５９℃、好ましくは９８〜１３９℃及び極めて特に好ましくは１１０〜１２３℃の溶融温度を有する。コポリアミドは、例えば、二官能性成分として例えばラウリンラクタム及び／又はカプロラクタムから選択される適しているモノマー、酸官能基を有している成分としてスベリン酸、アゼライン酸、ドデカン二酸、アジピン酸及び／又はセバシン酸及びジアミンとして１，６−ヘキサンジアミン、イソホロンジアミン及び／又はメチル−ペンタメチレン−ジアミンの混合物の重合により製造されてよい。

粉末状基質のより良好な加工性を達成するために、添加剤を有する粉末材料が使用されることが有利でありうる。そのような添加剤は、例えば流動助剤(Rieselhilfen)であってよい。特に好ましくは、使用される粉末状基質は、添加剤０．０５〜５質量％、好ましくは０．１〜１質量％を含有する。流動助剤は、例えば熱分解法ケイ酸、ステアレート又は文献から公知である他の流動助剤、例えばリン酸三カルシウム、ケイ酸カルシウム、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｇＣＯ_３又はＺｎＯであってよい。熱分解法ケイ酸は、例えばDegussa AGから商標Aerosil^（Ｒ）のもとで提供される。そのうえ、使用される粉末状基質がレーザー活性化可能な添加剤を含有する場合に有利でありうる。そのような添加剤により、例えば、その後に三次元物体に文字入れすること(Beschriften)又は電気的導体路を設けることが可能である。使用可能な添加剤は、例えばDE 4402329に記載されている。

そのような一部の無機の流動助剤又は他の添加剤の他にか又はその代わりに、本発明により使用される粉末状基質は、無機の充填物も含有していてよい。そのような充填物の使用は、これらが、結合させる際の処理により本質的にその形を保持し、それゆえ三次元物体の収縮を減少させるという利点を有する。そのうえ、充填物の使用により例えば、物体の可塑性及び物理的性質を変えることが可能である。例えば、金属粉末を含有する粉末材料の使用により、物体の透明度及び色並びに磁気的又は電気的性質が調節されることができる。充填剤もしくは充填物として、粉末材料は、例えばガラス粒子、セラミック粒子又は金属粒子を含有していてよい。典型的な充填剤は、例えば金属粒、アルミニウム粉末、スチールビーズ又はガラスビーズである。特に好ましくは、充填物としてガラスビーズを含有する粉末材料が使用される。好ましい一実施変法において、本発明による粉末材料は、充填剤１〜７０質量％、好ましくは５〜５０質量％及び極めて特に好ましくは１０〜４０質量％を含有する。

無機の流動助剤又は充填剤の他にか又はその代わりに、本発明により使用される粉末状基質は、無機又は有機の顔料も含有していてよい。これらの顔料は、製造すべき三次元物体の色の外観を決定する有色顔料に加えて、製造すべき三次元の対象物の他の物理的性質に影響を及ぼす顔料、例えば、対象物の磁性もしくは伝導性を変える磁性顔料又は伝導性顔料、例えば伝導性に変性された二酸化チタン又は酸化スズであってもよい。しかし、特に好ましくは、使用すべき粉末材料は、白亜、オーカー、アンバー、緑土(Gruenerde)、バントシェナー(Terra di Siena gebrannt)、グラファイト、チタン白（二酸化チタン）、鉛白、亜鉛華、リトポン、アンチモン白、カーボンブラック、酸化鉄黒、マンガン黒、コバルト黒、アンチモン黒、クロム酸鉛、鉛丹、亜鉛黄、亜鉛緑、カドミウム赤、コバルトブルー、ベルリンブルー、群青、マンガンバイオレット、カドミウム黄、シュバインフルトグリーン、モリブデートオレンジ、モリブデート赤、クロムオレンジ、クロムレッド、酸化鉄赤、酸化クロム緑、ストロンチウムイエロー、金属効果顔料、真珠箔顔料、蛍光顔料及び／又は発光顔料を有する照明顔料(Leuchtpigmente)、アンバー、雌黄、骨炭、カセラーブラウン(Kasseler Braun)、インジゴ、クロロフィル、アゾ染料、インジゴイド、ジオキサジン顔料、キナクリドン顔料、フタロシアニン顔料、イソインドリノン顔料、ペリレン顔料、ペリノン顔料、金属錯体顔料、アルカリブルー顔料及びジケトピロロピロールから選択される無機又は有機の有色顔料を含有する。使用可能な顔料についてのさらなる情報は、例えばRoempp Lexikon Chemie - Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999並びにそこに記載された文献から引き出されうる。

使用される顔料は、粉末材料について記載されたような粒度を有していてよい。しかしながら、しばしば、顔料は、使用されるポリマーの平均粒度よりも明らかに小さい粒度を有する。顔料は、例えば、印刷ヘッドで使用されるようなノズルにより、サセプタのように類似して施与されてよいか、又は使用される粉末状基質中に、特にポリマー粒子中に存在していてよい。特に好ましくは、本発明による粉末材料は、１つ又はそれ以上の挙げられた顔料−好ましくは白色顔料単独を除く−を含有するポリマー粒子を含有する。粉末材料の顔料含分は、好ましくは、０．０１〜２５質量％、好ましくは０．１〜１０質量％及び特に好ましくは１〜３質量％である。顔料着色された物質を使用することができる可能性は、有色顔料又は金属化顔料がレーザー光線を妨害するかもしくは減力し、それゆえそのような材料の加工を不可能にするレーザー焼結法に対する、本発明による方法のさらなる利点である。

粉末材料として、前記の充填物又は顔料の特別な形(Sonderform)として考慮されうる物質も使用されることができる。この種類の粉末材料の場合に、粉末は、粉末材料について前記の寸法未満である大きさを有する第一の材料からなる粒子を含有する。粒子は、第二の材料の層で被覆されており、その際、層の厚さは、第一の材料の粒子及び第二の材料での被覆の組合せからなる粉末材料が、上記で記載されたような大きさを有するように選択されている。第一の材料の粒子は、好ましくは、２５％未満、好ましくは１０％未満及び特に好ましくは５％未満の粉末材料の大きさの偏差を有する大きさを有する。粒子の被覆である第二の材料は、選択されたサセプタと比較してマイクロ波放射により不十分に温められる材料である。第二の材料は、そのうえ、温められた状態で十分な流動性を示すべきであり、かつサセプタにより提供される熱作用により、焼結されうるか又は融解されうるべきである。被覆材料として、粉末状基質（粉末材料）は特に、好ましくは、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ（Ｎ−メチルメタクリルイミド）（ＰＭＭＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、ターポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン−コポリマー（ＡＢＳ）又はその混合物から選択される前記のポリマー又はコポリマー、又はフェノール樹脂を含有していてよい。粉末材料のこの特別な形の第一の材料は、例えば砂、セラミック、金属及び／又は合金からなる粒子を含んでいてよい。この種類の特に好ましい粉末材料は、フェノール樹脂又は熱可塑性プラスチックで被覆された砂、いわゆる鋳物砂である。

サセプタが、十分な熱量を移送することができる場合には、同じように、粉末材料として金属粉末、特に低融解性金属、例えば鉛もしくはスズ又は例えばスズもしくは鉛を含有する合金の粉末を使用することが可能である。またこの粉末材料は、好ましくは前記の寸法を有する。（金属粉末を使用する場合に、まず最初に、金属がマイクロ波での処理に適しているかどうか、又は火花の発生もしくはマイクロ波発振器の破壊となるかどうかが試験されうる。そのような調査は、単純な予備試験により可能である。）
本発明による方法を用いて、すなわち、１つ又はそれ以上の官能化層が設けられていてよい三次元物体が製造可能である。例えば、官能化、例えば全部の成形部材又はしかしまた特定の領域にのみ伝導性を設けることは、サセプタに類似して、相応する顔料又は物質を施与することによるか又はこれらの顔料を含有する粉末状物質から層を準備することにより、行われることができる。

サセプタの施与は、WO 01/38061に記載された抑制剤の施与に類似して行われてよい。好ましくは、サセプタの施与はｘ，ｙ−平面において可動性の装置を用いて行われる。装置は、液状及び／又は粉末状のサセプタを、工程ａ）により準備された層の定義された場所でこれらの中へ放出するという可能性を有する。装置は、例えば、インクジェットプリンタにおいて使用されるような印刷ヘッドであってよい。印刷ヘッドを位置決めするための装置の誘導は、同様に、インクジェットプリンタの印刷ヘッドの誘導と同じようにして行われることができる。この装置を用いて、サセプタは、基質が焼結又は融解により結合されるべきである、工程ａ）により準備された層の場所に施与される。

本発明による方法において、マイクロ波放射により温められる全てのサセプタが使用されることができる。これには、粉末状物質、例えば金属、金属化合物、セラミック粉末、グラファイト、カーボンブラック又は活性炭の粉末又は、バルクでか又は水との混合物での一価又は多価で線状、分枝鎖状又は環状の脂肪族飽和アルコール又は水単独の群から選択されるプロトン性液体が属している。プロトン性液体として、好ましくはグリセリン、トリメチロールプロパン、エチレングリコール、ジエチレングリコール又はブタンジオール又はその混合物がバルクでか又は水との混合物で使用される。固体、液体又は固体及び液体のサセプタの混合物を使用することが同様に可能である。同様に、固体として存在しているサセプタのより良好な分布を準備された層の全高さを通して達成するために、固体として存在しているサセプタを、サセプタではない液体中に懸濁させることが有利でありうる。別の利点は、基質のより良好な湿潤のためにサセプタ、特に液体のサセプタに界面活性剤が設けられる場合に、達成されることができる。

本発明によるこの方法において、そのうえ、多くのサセプタ／基質組合せが考えられ得るものであり、その際、本方法にとって、マイクロ波放射により温められる能力におけるサセプタ及び基質の十分に大きな差異が重要であり、これを用いて、方法の最後に、結合された（すなわちサセプタで処理された）基質と結合されていない基質との間の明らかな境界が達成されるマトリックスが得られる。このようにしてのみ、製造された三次元物体が十分に滑らかな輪郭を有し、かつ結合されていない基質により単純に溶解されることができることが保証されている。

サセプタから基質への十分に大きくかつ長い熱伝達を可能にするために、サセプタの沸点又はサセプタの混合物の場合に少なくとも１つのサセプタの沸点は、使用される基質の融点よりも大きいべきである。サセプタの計量供給並びに粉末及びサセプタの性質は、サセプタが、特に液体のサセプタの使用の場合に、層を通して流れるのではなく、むしろ専ら、湿らせるべき粉末により吸収されるために、互いに調節されていなければならない。調整は、例えば、粘度の調節及びサセプタの使用される量により行われることができる。その際、使用される液体のサセプタの量は、特に粉末の層厚、粉末の多孔度及び粒度に依存している。個々の材料組合せのためには、最適な量及び粘度は、単純な予備試験において算出されることができる。粘度の調節のために、公知の増粘剤(Viskositaetsvermittler)、例えば熱分解法ケイ酸、しかしまた有機の薬剤が使用されてよい。サセプタは、融成物中もしくは成形部材中に残留していてよい。これは、強化の場合にか又はサセプタによる他の性質の調節（電気伝導率又は磁気伝導率）の際にむしろ有利ですらありうる。

サセプタを温めるのに必要不可欠のエネルギーは、マイクロ波放射の形で供給される。焼結すべき層を、熱の供給により、使用されるポリマーの溶融温度又は焼結温度を下回っている、高められた温度にもたらすか、又は高められた温度に維持することが有利でありうる。このようにして、マイクロ波エネルギーにより導入すべきエネルギーもしくは出力は、減少されることができる。しかしながら、しばしば家庭に存在していない特別な装置、例えば取り付けられたマイクロ波設備と組み合わされたオーブンが使用されなければならないことはそのような実施にとって不利である。しかしながら、そのような器具がさらに普及する場合には、必要とされる焼結エネルギーの一部を、マイクロ波エネルギーにより供給しないことは、本発明による方法の家庭適用の場合にも可能である。

工程ｃ）によるマイクロ波放射での処理は、前記のように各工程ｂ）後にか又はしかし全ての層がサセプタで処理された後に初めて、行われてよい。特に液体のサセプタの使用の場合に、マイクロ波処理をその都度、工程ｂ）による層の処理直後に、好ましくは構造空間中で直接行うことが有利であることが判明している、それというのも、さもないと、液体のサセプタが、層もしくは複数の層から組み立てられたマトリックスの望ましくない部分にも分配するという危険があるからである。

本発明による方法に必要なマイクロ波放射は、マイクロ波発振器、好ましくは外部マイクロ波発振器から発生され、かつ３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数範囲であってよい。工業的なプロセスにおいて使用され、かつ国内で開放されている周波数は、通例、４３０〜６８００ＭＨｚである(Encyclopedia of Chemical Processing and Design, 30巻, p.202以降, Marcel Dekker, N.Y.-Basel, 1989)。本発明による方法において、故に好ましくは、マイクロ波放射は、４３０〜６８００ＭＨｚの周波数範囲内で使用される。マイクロ波発振器により発生される放射は、場合により偏光されていてよい及び／又はフィルターにかけられていてよい。

本発明による方法を用いて、三次元成形体が製造可能である。層状に製造されるこれらの三次元物体は、最終的に、本発明による方法の終了後に、複数の層から形成されるマトリックス中に存在する。結合された及び結合されていない粉末状基質並びにサセプタからなるこのマトリックスから物体が取り出される一方で、結合されていない基質は、場合により後処理後に、例えばふるい分けにより、新たに使用されてよい。本発明による成形体は、ガラスビーズ、ケイ酸又は金属粒子から選択される充填物を含有していてよい。

本発明による方法は、好ましくは、三次元物体を層状に製造するための本発明による装置において実施され、前記装置は、
・ 操作架台にか又は場合により操作架台上に既に存在している処理されたか又は未処理の粉末状基質の層に、粉末状基質を層状に施与するための可動装置、例えばナイフ、
・ 粉末状基質からなる層の選択領域にサセプタを施与するためのｘ，ｙ−平面において可動性の装置、例えば印刷ヘッド、及び
・ 基質が、サセプタが基質に施与された領域中で、融解又は焼結により結合するようにサセプタを温めることができる、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ、好ましくは４３０〜６８００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波放射の発生に適しているマイクロ波発振器
を有することにより特徴付けられる。

装置は、好ましくは、複数の貯蔵容器が設けられており、この容器から加工すべき粉末状基質が、層の製造のための装置に供給されてよく、かつ使用されるサセプタは、粉末状基質からなる層の選択領域にサセプタを施与するためのｘ，ｙ−平面において可動性の装置に供給されてよい。複数のノズルを有する印刷ヘッドの使用及びミキサーの装備により、層の特定の帯域で、例えば特にフリグランを施した領域でか又は例えば製造すべき物体のふちで、製造すべき物体のコア領域以外のサセプタの混合物が使用されることが達成されうる。このようにして、層の異なる位置で異なるエネルギー供給が発生されうる。

同様に本発明の対象は、本発明による方法における使用に適しており、かつ特に、１０〜１５０μｍの平均粒度及びポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ、ＰＭＭＩ、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、ターポリマー又はＡＢＳ又はその混合物から選択される少なくとも１つのポリマー又はコポリマーを有することにより傑出している前記のような粉末材料である。特に好ましくは、粉末は、ポリアミド１１、ポリアミド１２、コポリアミド又はコポリエステル又はその混合物を含有する。特に好ましくは、粉末は、着色されており、かつ白以外の色を有するポリマー粒子を含有する。

本発明による方法及び本発明による装置は、図１に基づいてより詳細に説明されるが、本発明はこの実施態様に限定されるものではない。図１は、本発明による装置を略示的に描写する。可動性の底（６）上には、貯蔵容器（１）中に装入されており、マトリックス（８）に変換される未処理の粉末状基質（２）が構成される。基質は、ナイフ（２）を用いて薄い層に、可動性の底もしくは前もって施与された層上に分配される。ｘ，ｙ−平面において可動性の装置（３）を通して、サセプタ（４）は粉末状基質からなる層の選択領域に施与される。サセプタでの各処理後、粉末状基質の新しい層が施与される。３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内のマイクロ波放射の発生に適しているマイクロ波発振器（５）を用いて、サセプタで処理された施与された基質の場所は、三次元物体、例えばカップ（７）へと結合する。

本発明による方法は、次の例に基づきより詳細に説明されるが、本発明はこれに限定されるものではない。

例１：コポリアミドからのカップの製造
図１により記載された装置中で、コポリアミド粉末(VESTAMELT 840、Degussa AG、Marl)からなり、８０ｍｍの外径、６０ｍｍの高さ及び１．５ｍｍの壁厚を有するカップのモデルを製造する。サセプタとして、水４０質量％、グラファイト４０質量％及びイソプロパノール２０質量％を含有するグラファイトを基礎とする懸濁液を使用する。装置は、約４０℃の運転温度を有する。マイクロ波発振器の周波数は２４５０ＭＨｚである。層厚は０．１５ｍｍである。１層当たり、７００Ｗの出力を、その都度３０秒導入する。粉末のＤ_５０値は６０μｍである。

例２：ポリアミド１２から引っ張り棒(Zugstab)の製造
既に記載された装置中で、ポリアミド１２粉末(EOSINT P PA 2200、EOS GmbH Electro Optical Systems、Krailling、Deutschland)からなり、１６０ｍｍの長さ、１０ｍｍの幅及び４ｍｍの高さを有する引っ張り棒を製造する。サセプタとして、エチレングリコールを使用する。装置は約１６０℃の運転温度を有する。マイクロ波発振器の周波数は２４５０ＭＨｚである。粉末層が施与された高さは、０．１５ｍｍであった。１層当たり、７５０Ｗの出力を４５秒導入する。使用された粉末は５５μｍのｄ₅₀値を有していた。

本発明による装置の略示図。

符号の説明

１ 貯蔵容器、 ２ 未処理の粉末状基質、 ３ ｘ，ｙ−平面において可動性の装置、 ４ サセプタ、 ５ マイクロ波発振器、 ６ 可動性の底、 ７ カップ、 ８ マトリックス

Claims (22)

1. 三次元物体を製造する方法において、次の工程：
   ａ） 粉末状基質の層を準備する工程、
   ｂ） ａ）からの層の処理すべき領域に、マイクロ波を吸収する少なくとも１つのサセプタを選択的に施与する工程、その際、サセプタが施与される領域は、三次元物体の断面に従い、しかも、三次元物体の断面を構成する領域にのみサセプタが施与されるように選択される、及び
   ｃ） 層をマイクロ波放射で少なくとも１回処理する工程、こうして、サセプタが設けられている層の領域並びに場合によりその下にある層のサセプタが設けられている領域は、融解又は焼結により互いに結合される、
   ことを含むことを特徴とする、三次元物体の製造方法。
2. 工程ａ）及び工程ｂ）をその都度ｘ回実施した後に、工程ｃ）を実施し、ここでｘは１ないし実施された工程ａ）及びｂ）の数に等しい、請求項１記載の方法。
3. 工程ａ）を一回、引き続いて工程ｂ）及び続いて工程ａ）をさらに一回実施した後に、工程ｃ）を初めに一回実施し、引き続いて別の工程をｂ）、ａ）及びｃ）の順序で実施する、請求項１記載の方法。
4. 三次元物体が組み立てられている全ての断面が、マトリックス中に存在しており、かつ物体の外部限界が、施与されたサセプタを有する粉末材料と未処理の粉末材料との間の境界により形成されるまで工程ａ）及びｂ）を何度も繰り返し、引き続いて工程ｃ）を実施する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 工程ｃ）を、装置の下部構造空間中で実施する、請求項４記載の方法。
6. 工程ｃ）を、工程ａ）及びｂ）を実施するための装置以外の他の装置中で実施する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 工程ｃ）を、市販の調理用の電子レンジ中で実施する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 使用される粉末状基質が１０〜１５０μmの平均粒度を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. ４３０〜６８００ＭＨｚの周波数範囲内のマイクロ波放射を使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. サセプタとして、金属もしくは金属化合物の粉末、セラミック粉末、グラファイト又は活性炭あるいはバルクでか又は水との混合物での一価又は多価で線状、分枝鎖状又は環状の脂肪族飽和アルコール又は水単独の群から選択されるプロトン性液体を使用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. プロトン性液体として、グリセリン、トリメチロールプロパン、エチレングリコール、ジエチレングリコール又はブタンジオール又はその混合物をバルクでか又は水との混合物で使用する、請求項１０記載の方法。
12. 粉末状基質としてポリマーを使用する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 粉末状基質として、好ましくはポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ＰＭＭＩ、ＰＭＭＡ、イオノマー、ポリアミド、コポリエステル、コポリアミド、ターポリマー、ＡＢＳ又はその混合物から選択されるポリマー又はコポリマーを使用する、請求項１２記載の方法。
14. 流動助剤０．０５〜５質量％を含有する粉末状基質を使用する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 無機充填物を含有する粉末状基質を使用する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 充填物としてガラスビーズを使用する、請求項１５記載の方法。
17. 無機又は有機の顔料を含有する粉末状基質を使用する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
18. レーザーで活性化できる添加剤を含有する粉末状基質を使用する、請求項１から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 熱作用により焼結されうるか又は融解されうる材料を有する粉末状基質として、砂、セラミック、金属及び／又は合金からなる被覆粒子又は金属粉末を使用する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
20. 三次元物体を層状に製造するための装置において、装置が、
    ・ 操作架台にか、又は場合により既に操作架台上に存在している処理されたか又は未処理の粉末状基質の層に、粉末状基質を層状に施与するための可動装置、
    ・ 粉末状基質からなる層の選択領域にサセプタを施与するためのｘ，ｙ−平面において可動性の装置及び
    ・ ３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内のマイクロ波放射を発生させるのに適しているマイクロ波発振器
    を有していることを特徴とする、三次元物体を層状に製造するための装置。
21. 請求項１から１９までのいずれか１項記載の方法により製造された成形体。
22. 成形体が、ガラスビーズ、ケイ酸類又は金属粒子から選択される充填物又はアルミニウム粒子を含有している、請求項２１記載の成形体。

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