JP2023113828A - 積層造形された金属マトリックス複合体を生成する装置及び方法並びにその製造品 - Google Patents

Abstract

【課題】金属で、及び金属繊維混成物又は複合体で物体を生成する複合体ベース積層造形（ＣＢＡＭ）を適用するための方法、製品、装置及び製造品を提供する。【解決手段】この取り組みは、３Ｄモデルをスライスする工程と、モデルに基づいて各層につき基体材料のシート上に流体を選択的にプリントする工程と、プリントされた領域で流体が付着する粉末金属を基体上にあふれさせる工程と、被覆シートの積み重ねをクランプかつ整列させる工程と、積層されたシートを加熱して粉末金属を溶解させかつ基体の層を溶融させる工程と、過剰な粉末及び未溶融基体を除去する工程とによって機能する。【選択図】図１

Description

この出願は、２０１５年１１月１７日に出願された米国特許仮出願第６２／２５６，４３６号の利益を主張する。この出願は、以下の出願（それらの図面を含む）、即ち米国出願第６１／５２８，５３７号、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／５２９４６号、米国出願第１３／５８２，９３９号、欧州出願第２０１２０８２８９６７号、米国出願第６１／７６９，７２４号、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１４／１８８０６号、米国出願第１４／８３５，６８５号、米国出願第１４／８３５，６９０号、米国出願第１４／８３５，６９７号、米国出願第１４／７０３，３７２号、米国出願第６２／２４３，５９０号、米国出願第６１／７７３，８１０号、米国出願第１４／１９９，６０３号、米国出願第６１／９１４，６１３号及び米国出願第１４／５６６，６６１号を、参照により援用している。

本発明は、概して三次元製作に関する。

名称が「三次元複合体のための方法と装置」である国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１４／１８８０６号に対応する）（同時に米国出願第６１／５２８、５３７号、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／５２９４６号、米国出願第１３／５８２，９３９号、欧州出願第２０１２０８２８９６７号、米国出願第６１／７６９，７２４号、米国出願第１４／８３５，６８５号、米国出願第１４／８３５，６９０号、米国出願第１４／８３５，６９７号、米国出願第１４／７０３，３７２号、米国出願第６２／２４３，５９０号にも）は、「複合体ベース積層造形」又はＣＢＡＭと呼ばれる三次元物体を生成するための「積層式の」方法及び装置を記載しており、それは、一般に基体、典型的には繊維性基体及びポリマーを使用して三次元物体を生成する。本発明は、国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号を参照しており、国際公開に記載された技術の用途を金属で記載している。

国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号に記載されたＣＢＡＭ法は、三次元物体を作成するために、三次元プリントで使用できる材料の範囲を拡張する。最近まで、この技術に関する研究は、とりわけ炭素繊維、重合体ベース材料及び天然繊維を含む様々な基体と、結合剤としての様々な重合体とを使用することに集中してきた。この出願には、金属で、及び金属繊維混成物又は複合体で物体を生成するために、ＣＢＡＭ方法及び装置の用途が記載されている。この出願はまた、その製造品を記載している。

この取り組みには、多くの利点があり、それらは、フライス加工又は鋳造などの従来の方法に勝る複雑な幾何学形状を生成する能力、材料特性が従来の金属よりも改善すること、生産速度がより速いこと、複雑な固定具、複雑な工具経路及び工具交換が除去され、鋳造の場合は、パターン及び工具の必要性が除去されることである。

本出願に記載された方法によって作製された金属片を示す図である。 本発明の教示に従って３Ｄ金属物体を生成する工程を例示するフローチャートである。 本発明の例示的な実施において、（粉末が付着する）液体を選択的に沈着させるために使用する装置を示す図である。 この発明の例示的な実施における、プロセッサのハイレベルブロック図である。 圧縮装置を示す図であり、多数の基体タイル（層）を圧縮装置内に置いた後、圧縮装置内で順に重ねている。タイルは、圧縮装置の位置合わせピンをそれぞれ各タイルの位置合わせ穴に挿入することによって整列される。 リングトーラスの全ての「スライス」を持つ基体層が内部に挿入された後の、圧縮装置を示す図である。圧縮装置内のばねが、基体層を一緒に押圧する。 ３Ｄ物体を製作するための装置の複数の構成部品を制御するプロセッサを示すブロック図である。

技術の出力
図１には、この出願に記載された方法によって作製された金属片１００が示されている。この金属片を作製する方法を以下に詳細に説明する。

技術の説明
図２は、本発明の教示に従って３Ｄ金属物体を生成する工程を示すフローチャートである。

１．ＣＡＤモデルを生成し（工程１０２）、ＣＡＤモデルは層にスライスされ（工程１０４）、スライスには（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００５５参照、米国特許出願第６１／５２８，５３７号及び米国特許出願第６１／７６９，７２４号も参照）に記載された、Ｎｅｔｆａｂｂのようなスライサープログラムを使用する。各スライスはまた位置合わせ穴を含み、位置合わせ穴は、完成した物体内の基体の各プリントされた層を正しい方向に正確に置くために使用される（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００１２１参照）。

２．スライサの出力は、例えばビットマップファイルであっても良く、インクジェットプリンタに送られる（工程１０６）。各層について、プリンタは、基体材料のシート上に流体を選択的にプリントする（工程１０８）（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００１１３参照）。流体は、液体形態の結合剤自体であっても、又は粉末接着剤が付着する液体であっても良い。基体は、ガラス繊維、高温ガラス繊維、ホウ素繊維、又は炭素繊維を含むことができる。

３．粉末結合剤を使用する場合、粉末結合剤は、プリントされた基体上にあふれさせる（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００５９参照）。粉体はプリントされた領域に付着する。余分な粉末が空気流、真空、振動、又は他の機械的手段の何れかによって除去される。

４．基体のコートシートをプレス又はクランプに積み重ね（工程１１０）（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００１２４参照）、積み重ねにはスタック内で各シートのプリント部分同士を整列させるために、各層の位置合わせ孔を使用する（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００１０６参照）。

５．次いで、組み立てたシートは、炉内で加熱され、場合により圧縮して、結合材料を溶解させかつ基体の層を溶融させて３Ｄ物体を形成する（工程１１２）（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００１４９参照）。

６．次いで、３Ｄ物体の周りの未溶融基体が除去され（工程１１４）、除去には通常、研磨ブラスト材料又は化学的手段を用いる（国際公開第２０１４／１３４２２４Ａ２号、段落００８１参照）。

技術に金属を使用する際の問題
この技術を金属とともに使用できることが発見されている。一例では、使用される基体は、Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ ａｎｄ Ｖｏｓｅから入手可能な不織炭素繊維ベールである。金属被覆されたベールも使用することができる。ベール又は基体は、上述したようにインクジェットプリンタ上でプリントされ、プリントには、ＨＰ４５サーマルインクジェットヘッドを、例えば、主に脱イオン水、ピロリドン及びアルコールの溶液とともに使用する。この溶液は、グリコール及びピロリドンを含む蒸発防止剤を有しても良い。この流体は、基体のうち物体の一部となる領域にプリントされ、すなわちプリント領域は、物体のための層形状に対応する。これは、以前の出願で説明したように各層に対して行なう。各層は、例えばはんだ粉末のような金属粉末であふれている。過剰の粉末は、可動部分、真空、振動又は圧縮空気、又はそのような方法の組み合わせによって除去される。これにより、はんだ粉末が選択的に堆積する。この種のプロセスにて金属粉末を用いる際の問題の１つは、粉末が酸化し、その融点まで加熱されたとき、粉末の粒子が一緒にはうまく溶融しないことである。この問題に対する多くの解決法が存在し、１つの解決策は、金属粉末を、還元剤として作用するロジンなどの粉末溶剤と混合することである。一般的な溶剤対金属粉末の比は、約５０／５０である。別の方法は、粉末を還元性、真空及び／又は不活性雰囲気炉中で溶解することである。このようにして、とりわけアルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、黄銅、及びチタンなどの他の金属又は合金を使用することができる。さらに、液体溶剤がプリント流体として、又はプリント流体と組み合わせて、インクジェットプリントのような選択的な沈着方法によって使用できる。

一例として、金属粉末は、それを基体上に堆積する前に、粉末溶剤と混合することができる。次いで、以前の出願で説明したように物体の全ての層がプリントされ、位置合わせして積み重ねる。それらは、以前の出願で説明したように圧縮され及び加熱される。加熱温度は粉末の融点まで上昇させる。これらの層は一緒に溶融してビルドブロックを生成する。ビルドブロックは、圧縮治具から取り除いた後、研磨ブラストで吹き飛ばされ、粉末が付着していない領域、すなわち物体のうち金属で被覆されていなかった部分は研磨ブラストされ、被覆されていない炭素繊維は非常にもろい。残るのは、ＣＡＤモデルによって表された部品の三次元炭素繊維金属複合体である。

図３は、本発明の例示的な実施において、（粉末が付着する）液体を選択的に沈着させるために使用する装置を示す。基体層５０３を適切に整列させるために、基体層５０３に位置合わせ案内ピン５０１が挿入される。電磁弁、又は１つ若しくは複数のインクジェットヘッド５０５を使用して、液体が液体リザーバ５０７からノズル５０９を通って基体層５０３に選択的に分配される。ノズル５０９は、基体層５０３と平行でかつその上にある二次元平面５１０内でラスタ走査され、その結果液体は、基体層５０３の所望のｘ座標、ｙ座標に選択的に沈着し、基体層５０３のうち他の領域には沈着しない。このラスタ走査を達成するために、ステッパモータ５１１が２つのベルト（図示しない）を作動させ、それにより支持部材（図示しない）がｘ軸と平行な方向に沿って２つのレール（図示しない）を移動させる。支持部材上に第２のステッパモータ（図示しない）及び第３のベルト（図示しない）が取り付けられて、ノズル支持体（図示しない）をｙ軸と平行な方向に移動させるために使用する。ノズル５０９はノズル支持体に取り付けている。２つのステッパモータは、協力してノズル５０９を、基体層の上で任意の所望のｘ座標、ｙ座標に移動させることができる。ページワイドヘッドを使用することもできる。マイクロプロセッサ５１３が、ステッパモータ及び電磁弁又はインクジェットヘッドを制御し、以って液体がいつ及びどこで基体層５０３上に分配されるかを制御する。代わりに、ライン毎のパターンでラスタ走査するのではなく、ステッパモータは、１つのノズル又は複数のノズル５０９を二次元平面内で他の二次元パターンで移動させて、液体を特定のｘ、ｙ座標に沈着させることができる。図２には、多層の基体を加熱及び加圧するための装置、又は過剰の基体を除去するための装置を図示していない。いくつかの実施では、基体層は、これらの工程が生じる前に異なる位置に移動される。

図４は、本発明の例示的な実施におけるプロセッサのハイレベルブロック図である。所望の三次元物体のＳＴＬファイル形式のＣＡＤモデルが、遠隔プロセッサ６０１を用いて作成される。このプロセッサ６０１は、ソフトウェア（例えばＮｅｔｆａｂｂ．ＲＴＭ．Ｓｔｕｄｉｏソフトウェア）を使用して、機械特有のビルドファイルを作成する。機械特有のビルドファイルは、第２のプロセッサ６０３へデータ転送される。具体的な実施に応じて、この第２のプロセッサは、（１）液体を選択的に沈着させるインクジェットヘッド又は他の装置、（２）粉末を基体上に広げ次いで過剰の粉末を除去する振動のトラフ（及び／又は圧縮空気）の移動を含む作動を制御する。代わりに、本発明は、他の構成のプロセッサで実施されても良い。例えば、２つ以上の遠隔プロセッサ及び２つ以上の搭載プロセッサを使用してもよく、上記の何れかのタスクは、これらの異なるプロセッサのうちの１つ又は複数のプロセッサによって処理しても良い。

図５は、内部に複数の基体層（例えば、８０１）が順序良く順に重ねて置かれた後の圧縮装置８０３を示している。

図６は、圧縮装置９０３内で基体層が圧縮されていることを示す。圧縮装置内のねじ９０５、９０７、９０９、９１１、板材９１３、９１５及びばね９１７が圧力を加えるために使用される。

図７は、本発明で使用できるいくつかのハードウェアのハイレベルブロック図である。１つ又は複数のプロセッサ１３０１が、塗布器１３０３、加熱素子１３０５、アクチュエータ１３０７、人工圧力源１３０９、及び液体容器１３１１内にある攪拌器を制御する。塗布器１３０３は、基体層のうち凹の領域ではなく凸の領域に粉末を堆積させる。加熱素子１３０５は、粉末を、流れた後固くなる物質に変換する。得られた硬化材料は、基体層に浸透する空間パターン内に配置される。人工圧力源１３０９は、基体層を圧縮するためにプレス、クランプ、ばね、弾性素子、又は他の装置を備えることができる。攪拌器は、過剰な基体を除去するために用いる液体を攪拌するために使用できる。

Claims (10)

1. ３Ｄ金属物体を生成するためのシステムであって：
   前記３Ｄ金属物体の層のファイルの各層を、流体により、基体材料の複数のシート上にプリントするように構成されたインクジェットプリンタであって、各シートは特定の層における前記３Ｄ金属物体の形状を表す、インクジェットプリンタ；
   少なくとも１つの粉末シートであって、粉末金属は前記基体材料の各シート上の前記流体に選択的に付着してプリントされる形状となるように構成される、少なくとも１つの粉末シート；
   加熱および圧縮装置であって、前記加熱および圧縮装置は前記粉末シートの積層を加熱および圧縮して前記粉末金属の混合物を溶解させかつ前記層を溶融させて前記３Ｄ金属物体を生成するように構成され、不活性雰囲気を使用する、加熱および圧縮装置；
   を備え、
   前記システムは、粉末金属および還元剤の混合物を含み、前記混合物の少なくとも一部を前記基体材料の各シート上にあふれさせて、複数の粉末シートを生成するように構成され、前記混合物は、プリントされる形状になるように各粉末シート上の前記流体に選択的に付着するように構成され、
   前記システムは、始めに各粉末シートが前記インクジェットプリンタによって印刷され、次いで前記粉末金属および還元剤であふれた後に、各粉末シートから余剰粉末を除去するように構成され、
   前記システムは、前記余剰粉末を除去した後に、予め登録された位置合わせで、前記粉末シートを積み重ねて前記粉末シートの積層を形成するように構成され、前記粉末シートの積層の各シートは前記層のファイルの層に対応し、
   前記粉末金属は、はんだ粉末、アルミニウム、銅、黄銅、スズ、または亜鉛である、
   システム。
2. 前記システムが前記３Ｄ金属物体から非溶融材料を除去するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記システムは振動、空気流、または真空の手段を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記還元剤は粉末である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記加熱装置は不活性雰囲気を使用する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記加熱装置は温度を前記粉末金属の融点まで上昇させる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記システムは研磨材を備えるエアブラストによって、または化学的除去によって、非溶融基体材料を除去する、請求項２に記載のシステム。
8. 前記流体は蒸発防止剤を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記蒸発防止剤はアルコールである、請求項８に記載のシステム。
10. 前記蒸発防止剤はグリコールおよびピロリドンから成る群から選択される、請求項８に記載のシステム。
    

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