JP7547330B2 - ３ｄ印刷の方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、方法の一部として使用されるスプレーノズルの劣化を回避又は低減するように調整される、３Ｄ印刷によって物品を生産する方法に関する。

背景
典型的には、３Ｄプリンタは、基材に印刷材料を徐々に付加することにより物品を作成する。このようなプリンタは、材料が配置される場所を指示することができるモーション制御システムを有し得る。制御システムは、プリントヘッド（例えば、スプレー材料を吐出する部分）又は基材（例えば、物品を作成する際に一部形成済みの物品を保持する）のいずれか又は両方に取り付けられ得る。

プリントヘッドは、ガスの流れに同伴される粉末の形態の印刷材料を放出するためのノズルを組み込む。少なくとも幾つかの３Ｄプリンタの課題は、それらのノズルが劣化、例えば閉塞又は侵食しやすいことである。

米国特許第７５４３７６４Ｂ２号は、スプレー粉末のキャリアとして窒素及び／又はヘリウムガスが用いられるコールドスプレーシステムに言及している。このシステムは、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）ポリマーから形成されたスロート領域を有するスプレーノズルを組み込む。この材料は、スロート領域を通過するスプレー材料に対する接着性があまりない（即ち、この材料は、それほど閉塞しやすくない）。しかしながら、ＰＢＩポリマーは、特に耐摩耗性というわけではなく、経時的にかなり侵食しやすい。

米国特許出願公開第２０１３－００８７６３３号は、スプレーノズルがビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）、低膨張ガラス又は窒化ケイ素から形成されたコールドスプレーシステムに言及している。ＢＰＤＡは、ＰＢＩと類似の性質を有するポリマーであるため、侵食しやすい。ガラスノズル及び窒化ケイ素ノズルは、相当に摩耗する可能性があり、高レベルの精度で経済的に生産することが困難な場合がある。これらは、多くの場合、容易に放電加工するには導電率が低すぎ、望ましくなく閉塞しやすい可能性がある。

発明の目的
本発明の好ましい一実施形態の目的は、上記の問題の１つ以上への対処に少なくともある程度役立つことである。しかしながら、本発明の目的は、本質的に、単に有用な選択肢を提供することであることが理解されるべきである。したがって、任意の好適な実施形態に適用可能なあらゆる目的又は利点は、より広く表現される請求項の範囲を限定するものと解釈すべきではない。

発明の概要
本発明の一態様によれば、物品を３Ｄ印刷する方法であって、
ａ）酸素を含むキャリアガス中に同伴された粉末を含むスプレー材料は、スプレーノズルから放出され、
ｂ）ノズルは、
ｉ）１０Ｗ／ｍｋを超える熱伝導率、及び
ｉｉ）１０を超えるスケールＣのロックウェル硬さ（ＨＲＣ）
を有する絞られたスロートを含み、
ｃ）スロート部の温度は、２５０℃を超えず、好ましくは２００℃を超えない、方法が提供される。

任意選択的に、硬さは、２０を超えるスケールＣのロックウェル硬さ（ＨＲＣ）である。

任意選択的に、スロートは、１Ｓ／ｍを超える導電率を有する。

任意選択的に、キャリアガスは、少なくとも１％の酸素を含む。

任意選択的に、キャリアガスは、圧縮空気を含む。

任意選択的に、スロートは、５体積パーセント～３０体積パーセントの、
ａ）炭化クロム、
ｂ）炭化鉄、
ｃ）炭化バナジウム、又は
ｄ）これらの任意の組み合わせ
を含む。

任意選択的に、スロートは、鉄－ニッケル合金を含む。

任意選択的に、スロートは、ニハードを含む。

任意選択的に、スロートは、
ａ）冷間加工鋼、
ｂ）プラスチックモールド鋼、
ｃ）高速度鋼、及び
ｄ）白鋳鉄
の１つ以上を含む。

任意選択的に、冷間加工鋼は、
ｉ）Ｄ２又は商用均等物、
ｉｉ）Ａ２、Ａ６又は商用均等物、
ｉｉｉ）Ｐ２０又は商用均等物、
ｉｖ）Ｏ１、Ｏ２又は商用均等物、
ｖ）Ｓ２、Ｓ６若しくはＳ７又は商用均等物、及び
ｖｉ）Ｍ２、Ｍ４２又は商用均等物
の１つ以上を含む。（例えば、https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6138；及びhttp://www.westyorkssteel.com/steel-specifications/international-standards/tool-steel/；及びhttps://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_alloyを参照されたい。）

任意選択的に、冷間加工用粉末鋼は、Bohler K390を含む。

任意選択的に、プラスチックモールド鋼は、Ｐ２０を含む。

任意選択的に、高速度鋼は、Ｍ２又はＭ４２を含む。

任意選択的に、白鋳鉄は、ＥＮ－ＪＮ２０４９を含む。

任意選択的に、鋼は、少なくとも１％の炭素及び少なくとも５％のクロムを含む。

任意選択的に、鋼は、少なくとも２％の炭素及び少なくとも６％バナジウムを含む。

任意選択的に、鋼は、少なくとも０．３５％の炭素、少なくとも２％のクロム及び少なくとも１％のニッケルを含む。

任意選択的に、鋼は、少なくとも０．８％の炭素、少なくとも３．５％のクロム、少なくとも４％のモリブデン及び少なくとも１％のバナジウムを含む。

任意選択的に、白鋳鉄は、ＥＮ－ＪＮ２０４９を含む。

任意選択的に、スロートの温度を制御するために用いられる冷却システムがある。

任意選択的に、Ｄ２、Ａ２及びＡ６は、冷間加工鋼であり、任意選択的に、Ｐ２０は、プラスチックモールド鋼であり、任意選択的に、Ｏ１又はＯ２は、油焼入れ鋼であり、任意選択的に、Ｓ２、Ｓ６及びＳ７は、耐衝撃性鋼であり、任意選択的に、Ｍ２及び４２は、モリブデン高速度鋼である。

図面
ここで、本発明の幾つかの好適な実施形態は、例として添付の図面を参照して説明される。

３Ｄプリンタの等角図である。 プリンタによって３Ｄ印刷された物品の概略側面図である。 プリンタの一部を形成するスプレーノズルの概略側面図である。

詳細な説明
図１を参照すると、３Ｄプリンタは、ロボットアーム２を組み込むグリップ１を有し、グリップの少なくとも一部は、ロボットアーム２によって移動させることができる。プリンタは、コールドスプレーヘッド３も有する。グリップ１は、基材上に３Ｄ物品を作成するために、基材を保持し、基材をスプレーヘッド３から噴霧される印刷材料に曝露させる。

プリンタは、１つ以上の種類の印刷材料（例えば、粉末）をスプレーヘッド３に供給するための２つのフィーダ４、５を有する。これにより、３Ｄ物品を異なる印刷材料のブレンドから積層させること又は物品の異なる部品を異なる印刷材料から形成することを可能にする。プリンタの他の実施形態では、フィーダ４、５の１つのみが存在し得、さらに他の実施形態では、３つ以上のフィーダが存在し得る。

プリンタは、印刷材料が３Ｄ物品を形成するための適切な衝突角度に常時あるようにロボットアーム２及び／又はスプレーヘッド３の動きを調整する、コンピュータ化された内部コントローラ（図示せず）を組み込む。コントローラは、印刷材料の温度及び印刷材料がスプレーヘッド３を出る速度も制御する。コントローラは、ＣＡＤファイル内の情報によって案内され、３Ｄ物品に所望の幾何学的形状及び配合を与える。同じ又は別個のコントローラ手段を用いて、スロートの温度を制御することができる。

図２を参照すると、基材６は、印刷材料のインクリメンタル層７ａ～７ｅから積層される際に３Ｄ物品７を支持する。物品が積層される際、基材又は一部形成済みの物品に適切な角度で且つ正しい部分に印刷材料が適用されるように、ロボットアーム２は、物品を積層する際に基材６の位置及び向きを調整する。

印刷材料は、スプレーとしてプリントヘッドを出ることが好ましい。これに使用できる材料の種類の例は、アルミニウム７０７５若しくはマンガン青鋼などの非鉄金属の粉末合金又は３１６ステンレス鋼などの粉末鋼である。特に好ましい材料は、温度５００℃及び速度７００ｍ／ｓのコールドスプレーとして適用されるValimet 6061である。本発明の他の実施形態では、印刷材料は、熱溶解積層方式（ＦＤＭ）で使用されるような溶融プラスチックフィラメントとして適用され得る。このような場合、印刷材料は、ＡＢＳポリマーであり得る。

図３は、プリントヘッド３の一部を形成しているコールドスプレーノズル８を示す。ノズル８は、名目上、４つのゾーン、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに分割され得る。ゾーンＡは、粉末１０の形態の印刷材料を一連の高温高圧キャリアガス中に放出するためのインジェクタ９を有する「淀み領域」である。粉末とガスとは、共に「スプレー材料」を提供する。ゾーンＢは、ノズルの壁が先細り、超音速スロート１１を提供する「収束領域」である。ゾーンＣは、ノズルの壁が徐々に発散する「スロート及び発散領域」である。ゾーンＤは、ノズル直径がほぼ一定の「ストレートバレル」領域である。幾つかの実施形態では、バレル領域は、細長いゾーンＣの方を優先して省略され得る。

好ましくは、３Ｄプリンタは、以下のようなものである。
ａ）スロートは、１０Ｗ／ｍｋを超える熱伝導率を有し、
ｂ）スロートは、１０を超える（及び任意選択的に２０を超える）スケールＣのロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を有し、
ｃ）スロートは、少なくとも１Ｓ／ｍの導電率を有し、
ｄ）スロートは、約５体積パーセント、好ましくは約１０体積パーセント、より好ましくは約２０体積パーセントの、
ｉ）炭化クロム、
ｉｉ）炭化鉄、
ｉｉｉ）炭化バナジウム、又は
ｉｖ）これらの任意の組み合わせ
を含み、
ｅ）スロートの温度は、５０℃～２５０℃であり、かつ
ｆ）キャリアガスは、０．５～２４体積パーセントの酸素を有する。

より好ましくは、３Ｄプリンタは、以下のようなものである。
ａ）スロートは、１０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有し、
ｂ）スロートは、２０を超えるスケールＣのロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を有し、
ｃ）スロートは、少なくとも５，０００Ｓ／ｍの導電率を有し、
ｄ）スロートは、ニハード（ニッケル及びクロムで合金化した鋳鉄）から形成され、
ｅ）スロートの温度は、１００～２００℃であり、かつ
ｆ）キャリアガスは、圧縮空気である。

スロート１１を形成するための任意の材料は、以下のいずれか１つ又は任意の組み合わせである。
ａ）冷間加工鋼、例えば、
ｉ）Ｄ２及びその商用均等物、
ｉｉ）Ａ２及びその商用均等物、
ｉｉｉ）Ｏ２及びその商用均等物、
ｉｖ）Ｓ２及びその商用均等物、又は
ｖ）Bohler K390などの冷間加工用粉末鋼、
ｂ）プラスチックモールド鋼、例えばＰ２０、
ｃ）高速度鋼、例えばＭ２又はＭ４２、及び
ｄ）白鋳鉄、例えばＥＮ－ＪＮ２０４９。

好ましくは、少なくともスロート１１は、放電加工によって形成される。

上記材料は、印刷材料が酸素又は酸素含有ガスを含む場合に特に良好に機能することが見出されている。この理由については、依然として解明されていないが、スロートが酸化物形成面を有する場合、ガスは、スロートの削摩された「膜」の継続的な再生を可能にすると考えられる。さらに、膜は、通過粉末粒子による結合／閉塞に耐え、このような結合が生じた場合、さらなる通過粉末粒子との接触時に粉末粒子がスロートから容易に離れることを可能にする剪断層を提供すると仮定される。

開示に関して、本明細書は、これにより、本明細書で言及されるそれぞれの物品、ステップ又は他の特徴を、本明細書で開示される１つ以上の任意の他の物品、ステップ又は他の特徴と組み合わせて、それぞれの場合にこのような組み合わせが特許請求されるかどうかとは無関係に想定及び開示するものである。

本発明の幾つかの好ましい形態が例として記載されてきたが、以下の請求項から逸脱することなく、修正形態及び改良形態が可能であることが理解されるべきである。

Claims (13)

1. 物品を３Ｄ印刷する方法であって、
   ａ）酸素を含むキャリアガス中に同伴された粉末を含むスプレー材料は、スプレーノズルから放出され、
   ｂ）前記ノズルは、
   ｉ）少なくとも１０Ｗ／ｍｋの熱伝導率、及び
   ｉｉ）少なくとも１０のスケールＣのロックウェル硬さ（ＨＲＣ）
   を有し、合金材料により形成された絞られたスロートを含み、
   前記スロートは、５体積パーセント～３０体積パーセントの、
   ｉ）炭化クロム、
   ｉｉ）炭化鉄、
   ｉｉｉ）炭化バナジウム、又は
   ｉｖ）これらの任意の組み合わせ、を含み、
   ｃ）前記スロートの温度は、２５０℃を超えない、方法。
2. 前記スケールＣのロックウェル硬さは、少なくとも２０のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップｃ）において、前記スロートの前記温度は、２００℃を超えない、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記スロートは、１Ｓ／ｍを超える導電率を有する、請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記キャリアガスは、少なくとも１％の酸素を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記キャリアガスは、圧縮空気を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記スロートは、鉄－ニッケル合金を前記合金材料として含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記スロートは、ニハードを前記合金材料として含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記スロートは、
   ａ）冷間加工鋼、
   ｂ）プラスチックモールド鋼、
   ｃ）油焼入れ鋼、
   ｄ）耐衝撃性鋼、
   ｅ）高速度鋼、及び
   ｆ）白鋳鉄
   の１つ以上を前記合金材料として含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記冷間加工鋼は、冷間加工用粉末鋼を前記合金材料として含む、請求項９に記載の方法。
11. 請求項９の項目ａ）～ｅ）の前記鋼は、
    ｉ）ＪＩＳ Ｇ４４０４規格におけるＳＫＤ１１又は商用均等物、
    ｉｉ）ＪＩＳ Ｇ４４０４規格におけるＳＫＤ１２、ＵＮＳ番号Ｔ３０１０４又は商用均等物、
    ｉｉｉ）ＤＩＮ規格にける２３１１又は商用均等物、
    ｉｖ）ＪＩＳ Ｇ４４０４規格におけるＳＫＳ３、ＪＩＳ Ｇ４４０４規格におけるＳＫＳ９３又は商用均等物、
    ｖ）ＵＮＳ番号Ｔ４１９０２、ＵＮＳ番号Ｔ４１９０６、ＵＮＳ番号Ｔ４１９０７又は商用均等物、及び
    ｖｉ）ＪＩＳ Ｇ４４０３規格におけるＳＫＨ５２、ＪＩＳ Ｇ４４０３規格におけるＳＫＨ５９又は商用均等物
    の１つ以上を含む、請求項９に記載の方法。
12. 請求項９に記載の方法であって、
    ａ）前記冷間加工鋼は、１％超の炭素及び５％超のクロムを有する組成物を含む、
    又は
    ｂ）前記冷間加工鋼は、２％超の炭素及び６％超のバナジウムを有する組成物を含む、
    又は
    ｃ）前記プラスチックモールド鋼は、少なくとも０．３５％の炭素、少なくとも２％のクロム及び少なくとも１％のニッケルを有する組成物を含む、
    又は
    ｄ）前記高速度鋼は、０．８％超の炭素、３．５％超のクロム、４％超のモリブデン及び１％超のバナジウムを有する組成物を含む、
    又は
    ｅ）前記白鋳鉄は、ＩＳＯ ２１９８８規格におけるHBW555XCr13を含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記スロートの前記温度を制御するために用いられる冷却システムを含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。

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