JP5265671B2 - 三次元物体の層状製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ラピッドプロトタイピング法を用いた三次元物体を製造する方法に関する。詳細には、粉末状の材料を支持体上に層状に塗布し、層状に製造される物体の断面に相当する位置で選択的に固化させる方法に関する。

構造データに基づくプロトタイプの迅速な製造を可能にする方法を、ラピッドプロトタイピング法と称する。通例、製造される部材は、無定形材料又は形状のはっきりしない材料から層状に構築される。例えば、特許文献１は、粉末の層を、鉛直方向に移動し得る支持体上に塗布し、且つ製造される物体の断面に相当する位置でレーザーを用いて選択的に焼結する方法を記載している。

一例として、図３はこのようなレーザー焼結装置を示す。図３から明らかなように、装置は、構築空間を制限する容器１を備える。この容器の頂部は開放されており、且つ形成される物体３を支持する支持体４によって底部が制限されている。作業面６は、容器（その側壁各自）の上縁２によって画定される。形成される物体は、支持体４の上面に配置され、且つ放射を用いて固化させることが可能な粉末状の構築材料の複数の層から形成される。これらの層は支持体４の上面と平行である。ここで、支持体は、高さ調節装置を用いて鉛直方向、即ち、容器１の側壁と平行に移動し得る。このため、作業面６に対して支持体４の位置を調節することができる。

容器１及び作業面６の上方には、支持体表面５又は事前に固化した層上に固化される粉末材料１１を塗布するための塗布装置１０が設けられている。さらに、指向性光ビーム（directed light beam）８を放出するレーザー７の形態の照射装置を作業面６の上方に配置する。回転鏡等の偏向装置９を用いて、光ビーム８を、作業面６に向けて偏向ビーム８’として方向付ける。

三次元物体３を製造するために、初めに高さ調節装置を用いて、支持体４を最高位に移動させる。最高位において、支持体４の表面を、上縁２より下に塗布される第１の層の層厚に相当する距離に配する。次に、塗布装置１０を、作業面を横断するように移動させる。このプロセスでは、粉末を放出して、支持体表面上に第１の層を形成する。その後、偏向装置９を介して、偏向光ビームが、この層における物体に相当する位置を示す全ての所望位置に当たるようにレーザー７を方向付け、そこで焼結によって粉末材料を固化させる。

第２の工程では、支持体を次の層の厚みの程度だけ下げ、粉末層を再度塗布し、そこで、この層における物体の断面に相当する位置で照射工程を繰り返す。この工程は、物体が完成するまで繰り返される。

三次元物体の上記製造において、三次元物体の良好な品質を保証するために、材料の温度を所定のプロセスウィンドウに留める必要がある。したがって、この理由から、通常、レーザーによって固化される粉末層は、層の中位の温度がプロセスウィンドウの範囲内であるように輻射加熱装置１８によって予備加熱される。このプロセスでは、好ましくは、赤外ラジエータが輻射加熱装置１８として用いられる。

上述した方法は、高精度の形状を有する部品を少量製造すること（プロトタイピング）において有用性を実証しているが、まだ何点か改良することができる：
− 粉末材料の固化が点毎に実行されるため、固化される各位置がレーザーによって個々にアプローチされなければならず、これは時間の浪費である。

− レーザーによって材料を固化するためには、材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分なエネルギーを供給することができるレーザーを使用しなければならない。通例、かかるレーザー、例えばＣＯ_２レーザーを入手し且つ提供する場合には、多大な費用がかかる。さらに、レーザーによって放出される大量のエネルギーから、レーザー自体だけでなく、例えば、偏向装置として使用されるミラーシステムも冷却させる冷却装置を追加しなければならないことが導かれる。これは、システム全体を遅らせ、加えて、移動すべき質量が大きくなるために露光プロセスを遅くする。

製造方法を加速させるために、特許文献２は、選択的に固化される層上のいたる所に吸収性増大物質又は吸収性低減物質を被着させること、及びその後、面加熱装置を用いた照射を実施することを提案している。それゆえ、吸収挙動の差に起因して、層における材料の選択的焼結を達成することが可能である。しかしながら、大面積照射による時間の節減は、吸収体物質の付加的な層の被着による時間の損失によって相殺される。さらに、望まれるほどの小さい材料ジオメトリーは、吸収体物質の被着によって提供することができない。

レーザー焼結装置の費用対効果をより高くするために、特許文献３は、固化される層上に吸収体を選択的に被着させることを提案しており、該吸収体は、１００ｎｍ〜３０００ｎｍの波長を有するレーザー光によって加熱され得るものであり、またそれらの熱エネルギーを下層へと放出することにより、ここで焼結手法が行われる。より短い波長の吸収によって、より費用対効果の高いレーザーの使用が可能である。しかしながら、またしても吸収体を被着させるさらなる時間が必要であり、その上、特許文献３では、レーザーによって吸収体を点毎に照射することが提案されており、これは、従来のレーザー焼結方法に比べて顕著な時間の節減をもたらすものでない。

米国特許第５，７３０，９２５号明細書 国際公開第２００５／０１１９５９号パンフレット 独国特許出願公開第１０ ２００４ ０１２ ６８２号明細書

上記の課題を鑑みて、本発明の目的は、迅速で正確且つ費用対効果の高い三次元物体の層状製造方法を提供することである。

本目的は、請求項１に記載の方法及び請求項１９又は２１に記載の装置によって達成される。

本発明のさらなる発展形態は従属請求項に挙げられる。

本発明によれば、構築材料の固化は、輻射加熱器等を用いた電磁放射の大面積導入によって完全に又は部分的に実行される。そうは言ってもやはり、形成される物体の断面に相当する位置においてのみ材料の選択的固化を達成するためには、層における材料の吸収性を大面積照射前に選択的に変化させる必要がある。これは、集束フォトンビーム、又はレーザービーム等の集束粒子ビームを、層の選択位置に方向付けることによってなされる。

大面積照射によって、材料が部材断面の全ての位置で同時に溶融するため、構築時間が従来技術に対して短くなる。

本方法では、粉末の完璧な溶融を起こすフォトンビーム及び／又は粒子ビームによって多量のエネルギーを層に導入することが必要ないため、照射時間が短くなるに伴って、フォトンビーム又は粒子ビームを用いた層の走査がより速くなり得る。また、必要とされるビームエネルギーの低下に起因して冷却のための要件が減る。これにより、走査装置全体がより軽量になり、より容易に移動することができ、同様にビームを用いた層の走査のための時間が減る。

レーザーのみによって導入されるエネルギーを用いた焼結を得る必要がないため、赤外領域にない波長を有するレーザーを使用してもよい。これらのレーザーはより短い波長を有して、より正確に集束することができるため、部材におけるより小さい構造を与えることができる。

エネルギーＩＲレーザー（ＣＯ_２レーザー等）が本方法において用いられる場合、高融点及び高溶融粘度に起因してレーザービームのみを用いて完全に溶融することが困難である構築材料（ポリアリールエーテルケトン等）を使用することが可能になる。輻射加熱器を用いて選択的溶融を補助すること（後焼結）によって、従来の方法に対して部材特性を改善することができる。

最終的に、大面積溶融によって、点毎の固化において生じる、密度等の部材特性の局所的な差は相殺され得るため、本発明による方法を用いて、より均質な部材を提供することができる。

本発明のさらなる特徴及び利点は、図面に基づく実施形態の以下の説明から挙げられる。

後焼結時間を１２秒とした、材料ＰＥＥＫから製造した部材の破壊面のＬＭ顕微鏡写真（light-optical microscope micrograph：光学顕微鏡写真）である。 後焼結時間なしで材料ＰＥＥＫから製造した部材の破壊面のＬＭ顕微鏡写真である。 三次元物体の層状製造のためのレーザー焼結装置を示す図である。

第１の実施形態
本発明の第１の実施形態は、電磁放射又は粒子放射の作用に起因して粉末材料の色を変化させ得ることを利用する。これは初めに、熱可塑性ポリマーについて、一例として、熱安定化していないポリアミド６６粉末を構築材料として使用する第１の実施形態において観測された。しかしながら、ポリエチレン（ＰＥ、ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド、ポリエステル、ポリエステルエステル、ポリエーテルエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリアセタール、ポリアルキレンテレフタレート、特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメチル−メタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルスルホン、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリアリールエーテルケトン、特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＥＫ）又はポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリーレンスルフィド、特にポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリビニリデンフルオリド等の他の全ての熱可塑材及び熱可塑性ゴム、並びにポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）／ポリアリールエーテルスルホン（ＰＡＥＳ）コポリマー等のこれらの熱可塑材のコポリマー、混合物及び／又はポリマー配合物も等しく利用可能である。

本発明による三次元物体を製造する方法は、図３に示されるレーザー焼結装置に関連してさらに上記に記載した方法と類似している。石英ラジエータを加熱ラジエータ１８として使用した。しかしながら、他の構成の輻射加熱器も好適である。加熱ラジエータの出力は、新たに塗布した粉末層の露光開始前に、粉末層の表面温度が２３０℃となるように調節した。ＣＯ_２レーザーをレーザーとして使用し、出力を３０ワットに設定し、相互作用時間は０．２ｍｓ（集束直径６００μｍにおいて走査速度３０００ｍｍ／ｓ）となるように設定した。このため、露光位置は、非露光粉末よりも顕著に褐色であった。粉末層における物体の断面に相当する全ての位置を露光した後、次の粉末層の塗布までに３０秒の待機時間をとった。この時間（後焼結時間、すなわち後段焼結（after-sintering）時間）の間、露光したばかりの粉末層を、出力が変換しない輻射加熱装置の作用にさらした。３０秒の待機時間の終了後に、光沢のある溶融層が視認された。この溶融層は、輻射加熱器の作用を受けて形成されたものである。１つの粉末層について記載される手法を、他の粉末層についても同様に実行した。

上記方法において、従来技術との違いは、材料の完全な溶融をもたらすレーザーの作用によるものでなく、（レーザー）露光領域上への輻射加熱器の作用によることである。レーザーは、輻射加熱器によって固化される領域の選択のために供給されているに過ぎない。これらの領域のより暗色の呈色によって、輻射加熱器の熱放射に対する吸収性が増大した。吸収性のこの増大によって、露光位置は、露光されなかった粉末よりも熱くなり、溶融した。ここでは、レーザーによってどれ程の熱を最初に導入するのかを調節することができ、またレーザーが直ぐに粉末の部分溶融を起こすか否かを調節することができる。結果にとって重要なことは、ラジエータエネルギーの増加吸収（additional absorption:吸収性の増大）である。

したがって、導入したレーザーエネルギーに対する単一の要件は、導入したエネルギーが粉末材料の吸収性を変化させなければならないという要件である。これに要求されるエネルギーの量は、粉末の完全な固化に要求されるエネルギー量よりも顕著に低いため、レーザー作用時間が従来の方法に対して削減され、より速い露光をもたらし得る。その上、レーザー出力も低減することができ、さらに上に記載されるような冷却に対する要件が低減されることによっても露光時間が短縮される。

また、ＣＯ_２レーザーよりも短い波長を有するレーザーを使用することが可能である。さらに波長は短いほど部材の細部の良好な解像度を可能にする良好な集束性をもたらす。ここで、レーザー光のどの波長を使用することができるかは、使用される粉末材料に依存する。レーザー光に関する吸収性が良好でなければならない一方で、他方、波長は、吸収挙動の変化をもたらすのに適するものでなければならない。これらの周囲条件は別にして、任意のレーザー波長（例えば１００ｎｍ〜１０６００ｎｍ）が好適である。

電磁放射又は粒子放射の作用を受けた粉末又はその溶融物の、呈色及びそれゆえ吸収性の変化は、一方で、放射によって引き起こされる化学反応に根拠を有し得る。ここでは初めに、可能性のある酸化について言及しなければならない。例えば、本実施形態では、残留酸素含量が３％であった。さらに、相転移（例えば、半結晶性のアモルファス）によって、又は架橋プロセス及び凝集プロセスによってそれぞれ退色が起こることもある。

第２の実施形態
電磁放射又は粒子放射が適用される際の吸収性の変化を増大させるために、使用されるベース材料を、添加剤と混合していてもよい。これらの添加剤は、混合物の吸収性の顕著な変化が観測され得るような程度に、吸収性を変化させることができる。さらに、添加剤の計画的な添加によって、或る特定の放射（例えば、或る特定の波長を有する放射）に対する感応性を計画的にもたらすことができる。ここで、感応性は、選択的露光用の指向性ビームについて（例えば、或る特定の波長を有するレーザー光について）増大し得る。輻射加熱器に関する感応性の計画的な増大も予想される。添加剤として考えられるものは、
− ＵＶ−ＶＩＳ及び／又は赤外領域で吸収する全ての既成の着色剤（染料及び顔料）、
− BASF AGのＬｕｍｏｇｅｎ ＩＲ７６５及びＬｕｍｏｇｅｎ ＩＲ７８８、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバ又はカーボンナノチューブ等の黒色顔料、（好ましくは酸化アンチモン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、硫化亜鉛、硫化スズ又はそれらの混合物等の酸化物及び硫化物をベースとした）半導体材料、又は半導体材料で被覆された担体（例えば、小さいマイカプレート、小さいＳｉＯ_２プレート、小さいＡｌ_２Ｏ_３プレート、小さいガラスプレート、小さいアルミニウムプレート、小さいＢｉＯＣｌプレート、ＳｉＯ_２ボール、ＴｉＯ_２ボール、ポリマーボール、シリカゲル、キーゼルグール、ガラスボール、中空ガラスボール、ＴｉＯ_２ニードル、又は担体の混合物）等の特に近赤外領域で最大吸収を有する添加剤であり、
− これらの添加剤は、０．０１重量％〜３０重量％、好ましくは０．１重量％〜１０重量％の量で添加することができ、
− 顔料の粒径は、０．０１μｍ〜１５０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜３０μｍであり、
− また、近赤外領域において主に散乱及び吸収するフィラー及び防炎剤、
− 潤滑剤、安定化剤、又は結晶性に対する影響によって吸収を直接的に又は間接的に変化させ得る成核剤等の加工助剤である。

第２の実施形態では、添加剤が、ベース材料の相転移に起因して吸収性を間接的に変化させることが利用される。このために、ポリアミド１２を構築材料として使用し、これにカーボンブラック粒子を乾燥配合物として添加した。純粋なポリアミド１２は、多くの粒子面における反射により白色に見える。添加されたカーボンブラック粒子は、粒子の表面に配置されるため、粉末は灰色に見える。

第２の実施形態による方法は、他のパラメータを選択することを除けば第１の実施形態のものと同一である。石英ラジエータを加熱ラジエータ１８として使用するが、他のタイプの輻射加熱装置も好適である。加熱ラジエータの出力は、新たに塗布した粉末層の露光開始前に、粉末層の表面温度が１７５℃となるように設定した。ＣＯ_２レーザーを、３０ワットの出力及び０．１２ｍｓの相互作用時間（集束直径６００μｍにおいて走査速度５０００ｍｍ／ｓ）を有するレーザーとして使用した。これは、粉末粒子が溶融を開始し透明となるように設定されたものである。その結果、レーザーにより照射された領域は、それらのより暗色の呈色から認識することができた。

色変化のバックグラウンドは、初め特に結晶性で不透明である粉末が、レーザービームとの相互作用によりアモルファス相へと少なくとも部分的に移行することである（溶融物はアモルファスである）。レーザーにより照射された粉末領域の透明な色調から、この時点ではより深い部分のカーボンブラック粒子も透過するため、照射領域は暗色となる。

製造される物体の断面に相当する、１つの層における全ての位置をレーザーで露光した後、５秒〜１０秒の待機時間を各場合において設定した。このため、石英ラジエータは、待機時間のうちにこの層に作用することができた。プロセスにおけるより暗色の色を呈することに起因した吸収性の増大によって、これまでにレーザーで照射された位置は、石英ラジエータの放射スペクトルの一部をさらに吸収することができた。これにより、これらの領域では、溶融物がより低い粘度をとるため、材料中の孔は焼鈍のための好機を有することから、材料の密度が増大した。

本実施例では、レーザーによる材料の部分溶融が既に起こっていた。しかし、輻射加熱装置によって導入されるエネルギーをさらに利用することによって、レーザー放射の相互作用時間が短く保たれ、レーザーを用いた走査プロセスのより速い速度をもたらすことができた。その上、レーザーによって局所的に導入されたエネルギーがより低く、それゆえ、より小さい温度勾配が存在することから、均質性の改善が得られた。

最後に、添加剤の導入によって、レーザーによる選択的照射に起因する粉末材料の吸収性の減少がなされることもあることに留意されたい。この場合、輻射加熱装置を用いた続く照射は、吸収性が下がらなかった層の領域を正確に固化するように行われ得る（逆固化（inverse solidification））。

第３の実施形態
第３の実施形態において、ポリアリールエーテルケトン粉末を、構築材料として使用する。構築材料としてのポリアリールエーテルケトンは、ＰＡＥＫ粉末から製造される部材が良好な生体適合性、並びに加水分解及び放射に対する高い耐性を特徴とするため、特に興味深い。詳細には、高温における耐熱性及び耐薬品性も、従来のプラスチック粉末に対してＰＡＥＫ粉末を特徴付けるものである。これらの特性に起因して、ＰＡＥＫ材料は、自動車産業及び電子工学産業、並びに医薬産業において特に需要がある。詳細には、かかるＰＡＥＫポリマー粉末は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、又はポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）の群からの粉末であってもよい。

しかしながら、粉末焼結又は粉末溶融に関して、ＰＡＥＫ粉末は、この材料の融点が３００℃を超え、それゆえ特に高い量のエネルギーをレーザーによって導入しなければならないという欠点を伴う。この観点において、本発明の方法は製造される部材の品質の改善に寄与する。粉末の固化に必要なエネルギーの一部が、輻射加熱装置によって供給されるため、レーザーの莫大なエネルギーを局所に導入する必要がない。ポリアリールエーテルケトンの高い溶融粘度のために、熱放射からのさらなるエネルギーの吸収によって、粉末粒子のより長い溶融プロセスがさらに可能になる。これにより、溶融膜の平滑化が起きる。

第３の実施形態による方法は、第１の実施形態及び第２の実施形態のものと非常に類似している。

使用される加熱ラジエータの放出される放射線１８’は、ＶＩＳ領域（可視光）及び赤外領域におけるスペクトルを有するため、最大放出は近赤外範囲である。加熱ラジエータの出力は、新たに塗布した粉末層の露光開始前に、粉末層の表面温度が３３５℃となるように設定した。この高い構築空間温度のために、この方法は、このような高温用に改良されたＥＯＳ Ｐ７００型のレーザー焼結装置において実行した。

実施例３ａ：
０．１５ｋＮ・ｓ／ｍ^２の溶融粘度を有するVictrex社から供給されるＰＥＥＫ粉末を構築材料として使用し、この粉末を、レーザー焼結装置外部の空気循環炉内で予備熱処理にかけた。

ＣＯ_２レーザーを、１９ワットの出力及び０．２７ｍｓの相互作用時間（集束直径６００μｍにおいて走査速度２２００ｍｍ／ｓ）を有するレーザーとして使用し、これは、粉末粒子が表面溶融し、それによりレーザーにより照射された領域がより暗色の色を呈するように設定した。

各場合において、製造される物体の断面に相当する１つの層における全ての位置をレーザーで露光させた後、１２秒の待機時間を定め、この待機時間の間、加熱ラジエータをこの層に作用させることができた。レーザーで照射された領域における吸収性の増大によって、溶融物がより低い粘度をとるため、材料中の孔は焼鈍のための好機を有することから、材料の密度が増大した。

参照例３ｂ：
部材の密度が輻射加熱装置による処理によって増大したという証明のために、輻射加熱装置の１２秒の相互作用時間（後焼結時間）を省いて上記実施例３ａを繰り返した。上記実施例３ａにおける場合と同様に、構築空間の半分それぞれに、１５０×２０×４ｍｍ（長さ、幅、高さ）のサンプルを作製した。冷却したサンプルの密度の測定は、後焼結時間なしに（実施例３ｂ）１．３０８ｇ／ｃｍ^３の密度、及び１２秒の後焼結時間を伴って（実施例３ａ）１．３１４ｇ／ｃｍ^３の密度を示した。ＬＭ顕微鏡写真を用いて部材の破壊面を検査すると多孔性の減少も光学的に観測することができた（図１及び図２参照）。後焼結時間がないと、サンプルは多くの孔を有したのに対し（図２）、後焼結時間を伴うことで略高密度の部材を得ることができた（図１）。

後焼結時間の長さに関して、この時間が長いほど、材料の溶融は完全になる。この時間は１秒〜６０秒をとり得る。しかしながら、使用されるポリアリールエーテルケトンの溶融粘度が高いほど、選択される後焼結時間は長くなければならない。

これを参照例３ｃによって示す。

この参照例では、実施例３ａの方法を、同様にVictrexから得られ且つ０．４５ｋＮ・ｓ／ｍ^２の溶融粘度の開始値を有するＰＥＥＫ粉末を用いて実行した。実施例３ａと同様に空気循環炉内で予備熱処理を実行した。１．３１３ｇ／ｃｍ^３の部材密度を達成するためには、１２秒ではなく１５秒の後焼結時間が必要であった。

さらに、時間が短すぎる後焼結時間について、又は後焼結時間を適用しない場合については、１つの層内の密度差を観測する。この理由は、１つの層内において、初めに既に露光された領域が加熱装置によって後焼結を受けると同時に、この層の他の領域がさらにレーザーに露光されるためである。したがって、初めに露光された領域では、レーザーによる層の露光中に既に輻射加熱装置が作用し得ることから、後焼結プロセスがより長く続く。

これは、以下の参照例３ｄから理解することができる。

参照例３ｂと同様に、後焼結時間なしでＰＥＥＫ粉末を加工した。しかし、構築空間の半分それぞれに、１５０×２０×４ｍｍ（長さ、幅、高さ）の１つのサンプルの代わりに２つのサンプルを作製した。冷却したサンプルの密度の測定は、レーザーによる露光の順序に応じて密度の変化を示した。

したがって、後焼結時間の下限として、当業者は、層における露光時間とは関係なく、均質溶融膜を構築領域の各位置に形成する開始時間を設定し、その結果、一様な高い部分密度を全位置で保証することができる。

しかしながら、後焼結時間には上限も存在する。後焼結時間があまりにも長く設定されると、いわゆる、完全焼結効果又は過焼結効果が、低溶融粘度を有するポリアリールエーテルケトンについて生じる可能性がある。これらの効果は、長過ぎる相互作用時間のために加熱装置によって溶融物にさらに導入されるエネルギーが、部材の外側の遊動粉末も溶融するか、又は溶融物が部材の境界を超えても広がり得るほど高い溶融物の加熱が実行されるときに生じる。このため、部材は過度に局所的に成長することにより（「バックル生成（buckle formation）」）、部材の寸法安定性、細部の精度及び全体の外観が強く影響を受ける。

従来では、ラピッドプロトタイピング法において構築材料を使用する前に、この材料に関して材料の特性を知るための試験を事前に実行している。これらの予備試験では、材料に関する最適な後焼結時間も決定することができる。例えば、これは、溶融膜を光学的に観測することによって行うことができる。この意図で、露光プロセス（レーザービームの作用）終了直後の溶融物の構造及びテクスチャをそれぞれ、輻射加熱装置の作用時間に応じた溶融物の構造と比較する。後焼結時間の最適な時間は、溶融物テクスチャの妥当なスムージングがこの時間の増大に関してもはや観測することができないという時点である。最適な時間の値は、密度測定によって確認することができる。

ＰＡＥＫ粉末に関する以下の後焼結時間は規準値とみなされ得る。

０．０５ｋＮ・ｓ／ｍ^２〜０．２５ｋＮ・ｓ／ｍ^２（Victrex plc.の試験仕様ＴＭ−ＶＸ−１２に従って、４００℃及び１０００ｓ^−１のせん断速度で、０．５×３．１７５ｍｍのタングステンカーバイド管を有する毛管粘度計において測定、米国特許出願公開第２００６／０２５１８７８号明細書も参照）である溶融粘度を有するポリアリールエーテルケトンに関して：少なくとも１秒、最大１５秒、理想的には１２秒。

０．２５ｋＮ・ｓ／ｍ^２〜０．５０ｋＮ・ｓ／ｍ^２である溶融粘度を有するポリアリールケトンに関して：少なくとも５秒、最大２５秒、理想的には１５秒。

０．５ｋＮ・ｓ／ｍ^２より大きい溶融粘度を有するポリアリールエーテルケトンに関して：少なくとも１０秒、最大６０秒、理想的には１８秒。

上記実施形態のそれぞれは、以下のように改良された既知のレーザー焼結装置によって実行することができる。

装置は、層の各露光プロセス後に待機時間を挿入する動作制御装置（１９）を備える。有益には、全ての層について同じ待機時間は、ユーザーによって調節可能なものとする。種々の層について異なる待機時間を提供することも可能であり、パラメータの変動に対応するか、又は部分パラメータが特異的に様々な値をとることができる。

好ましくは、輻射加熱装置の制御によって、待機時間中に加熱出力を増大させることができる。

上記実施形態には、各実施形態の種々の変更可能性が記載されている。これらの変更形態は、各実施形態に対して限定されるものでない。具体的に、本発明は以下のように変更することができる。

本発明による方法では、輻射加熱装置が粉末の事前加熱だけでなく、焼結／溶融にも役立つため、従来技術とは異なり、加熱出力の調整は、構築プロセス中に一定表面温度を維持するようにだけ行われ得るものでない。むしろ、加熱ラジエータの出力を、露光に続く照射時間中に特異的に増大させることができる。

放出された放射線１８’のスペクトルの最大値が３８０ｎｍ〜１０００μｍ（特に、１０００ｎｍ〜６０００ｎｍ）の波長領域内にある加熱装置を、輻射加熱装置として選択することができる。例えば、パネル加熱装置を選択することができる。詳細には、マイクロ波放射（１ｍｍ〜１ｍ）の使用も可能である。

上記実施形態には、大方、色変化による吸収の増大を記載した。しかしながら、吸収は異なる方法でも増大させることができる。具体的には、材料の伝導性、及びその結果、マイクロ波放射に関する吸収を、例えばレーザーによる照射によって変化させることができる。

実施形態では、通常レーザーを用いるが、集束指向性ビームを放出し得る他の放射源を適用してもよい。具体的には、電子線等の粒子ビームを露光に用いてもよい。

さらに、添加剤としてナノ粒子を粉末材料に添加することが可能であり、このナノ粒子は初め、それらの小さいサイズに起因して加熱ラジエータの放射を吸収しない。ここでは、レーザー光との相互作用により、（例えば、低分子量成分の気体放出によって）ナノ粒子の膨潤をもたらすことができ、それゆえ膨潤した粒子のサイズに起因して、これらの粒子は熱放射を吸収することができる。

さらに、各層に待機時間（後焼結時間）を提供しないことも可能である。むしろ、これは、２つ、３つおき等の層に関してのみ行ってもよい。

第４の実施形態
最終的に、輻射加熱装置を用いて固化を行わない実施形態も可能である。ここでは、粉末表面上に進行し得る指向性ビームを有する照射源（７）に加えて、同様のタイプの第２の放射源が設けられる。初めに塗布された粉末層における吸収性を、照射源（７）を用いて選択的に増大させた後、実際の選択的固化を第２の照射源を用いて行う。このために、第２の照射源（フォトンビーム又は粒子ビーム）の指向性ビームを続けて、照射源（７）によって吸収性が事前に増大され、且つ塗布された粉末層における物体の断面に相当する位置に方向付ける。

最後に述べたアプローチは、極めて小さい集束を有するビームを、吸収性を変化させるために用いることができるという利点を有しており、このビームによって、製造される物体における微細構造の形成が可能になる。実際の固化に関しては、かなり高い出力密度を有するビームを使用してもよく、このビームは、照射源（７）からのビームのように正確に集束しなくてもよく、そのように集束する必要がない。例えば、吸収性の変化は、短波長を有し且つ正確に集束させることができるＵＶレーザーを用いて達成することができ、固化は、長波長を有する高出力のＣＯ_２レーザーによって達成することができる。ＣＯ_２レーザーがより大きい集束を有していても、ＵＶレーザーを用い高解像度を伴って予備処理された領域においてのみ固化が起こるため、微細構造が形成される。

輻射加熱器を用いてさらなる固化の補助を行うことができるが、粉末開始材料に応じて、補助は強制的なものではない。

他の実施形態に述べられた全ての他の変更形態は、本発明の実施形態に等しく適用可能である。とりわけ、溶融の選択的な阻害を意味する「逆固化」も可能である。

Claims (22)

1. 三次元物体の層状製造方法であって、
   粉末状の材料の層を、支持体上又は選択位置で既に固化した層上に供給する第１の工程と、
   集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８’）を選択的に前記層の選択された位置に方向付ける第２の工程とを含み、
   前記第２の工程において、前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビームを、前記層に当たると前記材料の吸収性の変化をもたらすように選択し、
   前記第２の工程の終了後に、前記材料を、形成される前記三次元物体の断面に相当する前記層の位置で均質に固化するように、該層を電磁放射線（１８’）で照射する第３の工程を実行することを特徴とする、三次元物体の層状製造方法。
2. 前記第３の工程における前記固化が、前記第２の工程で前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８’）を方向付けた位置において行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第３の工程における前記固化が、前記第２の工程で前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８’）を方向付けなかった位置において行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８’）がレーザービームである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記レーザービームの波長が３００ｎｍ〜１０６００ｎｍである、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の工程において、化学反応が、前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８'）によって前記材料中で開始される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第２の工程において、前記材料中の相転移が、前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８'）によって開始される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第２の工程において、前記材料の密度の変化が、前記集束フォトンビーム又は集束粒子ビーム（８'）によって為される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 添加剤を粉末状の前記材料に添加し、該添加剤の吸収性を前記第２の工程で変化させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記添加剤がナノ粒子である、請求項９に記載の方法。
11. 前記第３の工程において使用される前記電磁放射線（１８’）の最大値が、１０００ｎｍ〜６０００ｎｍの波長領域内である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第３の工程において、マイクロ波を電磁放射線（１８’）として使用する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記第３の工程において、第２の集束フォトンビーム又は第２の集束粒子ビームを、前記層の照射のために使用する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 熱可塑材を材料として使用する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記熱可塑材が、ポリエチレン（ＰＥ、ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド、ポリエステル、ポリエステルエステル、ポリエーテルエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリアセタール、ポリアルキレンテレフタレート、特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメチル−メタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル−ブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルスルホン、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリーレンスルフィド、特にポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド−イミド（ＰＡＩ）、ポリビニリデンフルオリド、又はこれらの熱可塑材のコポリマー、混合物及び／又はポリマー配合物の群を含むタイプのものである、請求項１４に記載の方法。
16. ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）粉末又はポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）／ポリアリールエーテルスルホン（ＰＡＥＳ）コポリマーを材料として使用する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記材料が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＥＫ）、又はポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）の群からの粉末を少なくとも含有する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の工程及び前記第２の工程を、前記第３の工程を実行する前に連続して繰り返し実行する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 放射を用いて形成される三次元物体の断面に相当する位置で粉末状の固化可能な材料の層を連続的に固化することによって三次元物体を製造する装置であって、
    形成される前記三次元物体を支持するような実質的に平らな面を有する支持体（４）と、
    前記材料の層を前記支持体又は既に少なくとも部分的に固化した層の表面上に塗布するための塗布装置（１０）と、
    電磁ビーム又は粒子ビーム（８’）を、前記三次元物体の断面に相当する層の位置に、又は代替的に前記三次元物体の断面に相当しない層の位置に選択的に方向付けることができる照射装置（７）と、
    前記粉末層を加熱するような１０００ｎｍ〜６０００ｎｍの最大波長を有する放射（１８’）を放出することができる輻射加熱装置（１８）とを備え、
    該装置が、前記層の選択的照射終了後且つ新たな層を塗布する前に前記材料の固化のための待機時間を挿入する動作制御装置（１９）を備えることを特徴とする、三次元物体を製造する装置。
20. 前記動作制御装置が、前記待機時間中の前記輻射加熱装置（１８）の加熱出力を増大させる、請求項１９に記載の装置。
21. 放射を用いて形成される三次元物体の断面に相当する位置で粉末状の固化可能な熱可塑性樹脂材料の層を連続的に固化させることによって三次元物体を製造する装置であって、
    形成される前記三次元物体を支持するような実質的に平らな面を有する支持体（４）と、
    前記材料の層を前記支持体又は既に少なくとも部分的に固化した層の表面上に塗布するための塗布装置（１０）と、
    第１の電磁ビーム又は粒子ビーム（８’）を、前記材料の吸収性を変化させるべく前記層上に選択的に方向付けることができる照射装置（７）とを備え、
    第２の電磁ビーム又は粒子ビームを前記層上に選択的に方向付けるための第２の照射源が設けられ、該第２の電磁ビーム又は粒子ビームが、前記第１の電磁ビーム又は粒子ビームよりも高い出力密度を有し、
    該装置は更に動作制御装置（１９）を備え、該動作制御装置（１９）は、
    前記第１の電磁ビーム又は粒子ビーム（８’）により前記層における材料の吸収性が選択的に変化するように前記照射装置（７）を制御すると共に、前記第１の電磁ビーム又は粒子ビーム（８’）によって吸収性が事前に増大されており且つ前記層における三次元物体の断面に相当する前記層の位置に、前記第２の電磁ビーム又は粒子ビームを方向付けるように前記第２の照射源を制御することを特徴とする、三次元物体を製造する装置。
22. 更に、前記粉末層を加熱するような１０００ｎｍ〜６０００ｎｍの最大波長を有する放射（１８’）を送出することができる輻射加熱装置（１８）を備え、
    前記動作制御装置（１９）は、前記第２の電磁ビーム又は粒子ビームによる前記層の選択的照射終了後且つ新たな層を塗布する前に待機時間を挿入する、請求項２１に記載の装置。

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