特開 2024-133010 繊維強化三次元セラミックコンポーネントの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024133010

(43)【公開日】2024-10-01

(54)【発明の名称】繊維強化三次元セラミックコンポーネントの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20240920BHJP

   B28B 1/52 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

B28B1/30

B28B1/52

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024039837

(22)【出願日】2024-03-14

(31)【優先権主張番号】23161987

(32)【優先日】2023-03-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】524094918

【氏名又は名称】キョウセラ ファインセラミックス ヨーロッパ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＫＹＯＣＥＲＡ Ｆｉｎｅｃｅｒａｍｉｃｓ Ｅｕｒｏｐｅ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】ダ リマ，ペドロ シルヴァ

(72)【発明者】

【氏名】カツィキス，ニコラオス

(72)【発明者】

【氏名】ディーナー，サラ

【テーマコード（参考）】

4G052

【Ｆターム（参考）】

4G052DA02

4G052DA08

4G052DB12

4G052DC06

4G052GA10

4G052GA11

4G052GB62

4G052GC06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】強化繊維の狙いを定めた配向を可能にする繊維強化三次元セラミックコンポーネントを製造するためのプロセス、前記プロセスで使用するためのスリップ、および前記プロセスを実施するための装置を提供する。
【解決手段】積層造形によって繊維強化三次元コンポーネントを製造するためのプロセスに関し、前記プロセスは、粉末状材料からコンポーネントを層状に構築することを含み、層の少なくとも２つが繊維の異なる配向を有することを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層造形によって繊維強化三次元コンポーネントを製造するためのプロセスであって、前記プロセスは、粉末状材料からコンポーネントを層状に構築することを含み、少なくとも２つの層は繊維の配向が異なることを特徴とするプロセス。

【請求項2】

強化繊維が粉末状材料と共に提供され、前記粉末状材料と共に層状に射出され、及び／又は前記強化繊維が射出により１つ以上の層に組み込まれることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。

【請求項3】

前記強化繊維の異なる配向は、粉末状材料の適用方向を変えることによって達成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項4】

前記強化繊維は、少なくとも２つの層にわたって延びていることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項5】

前記強化繊維の長さが１ｍｍ以下であることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項6】

強化繊維の割合が、コンポーネントの総体積を基準として、１０～６０体積％、好ましくは１５～５５体積％であることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項7】

強化繊維が、ガラス繊維、ポリマー繊維、炭素繊維、およびセラミック繊維からなる群から選択され、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維から選択されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項8】

粉末状材料がスリップの形態で提供され、前記スリップが好ましくは強化繊維をさらに含むことを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項9】

前記粉末状材料が、金属および遷移金属の酸化物、炭化物および窒化物、ならびにそれらの混合物からなる群から選択され、好ましくは炭化ケイ素であることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも１つに記載のプロセス。

【請求項10】

請求項１～９の少なくとも１つに記載のプロセスで使用するためのスリップであって、前記スリップが、
ａ）セラミック粒子、好ましくはＳｉＣ粒子、
ｂ）強化繊維、および
ｃ）バインダー
を含むことを特徴とするスリップ。

【請求項11】

請求項１～９の少なくとも１つに記載のプロセスによって得ることができるコンポーネントであって、前記コンポーネントが、強化繊維の等方性の配向および／または分布を有することを特徴とするコンポーネント。

【請求項12】

請求項１～９の少なくとも１つに記載のプロセスを実施するための、および／または請求項１１に記載のコンポーネントを製造するための装置であって、粉末状材料および任意に強化繊維を射出するための射出ユニットと、前記粉末状材料の層を受け取るための高さ調節可能な受け取りユニットとを備え、前記射出ユニットおよび／または前記受け取りユニットが、平面内で移動可能であり、好ましくは回転可能である、装置。

【請求項13】

前記射出ユニットは、ダイ、特にスロットダイ、またはドクターブレードであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

強化繊維を１つまたは複数の層に注入するための注入ユニットをさらに有することを特徴とする請求項１２または１３の少なくとも１つに記載の装置。

【請求項15】

請求項１～９の少なくとも１つに記載のプロセスを用いて請求項１１に記載の繊維強化セラミックコンポーネントを製造するためのスリップの使用であって、前記スリップが、
ａ）セラミック粒子、好ましくはＳｉＣ粒子、
ｂ）強化繊維、および
ｃ）バインダー
を含むことを特徴とするスリップの使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、強化繊維の狙いを定めた配向を可能にする繊維強化三次元セラミックコンポーネントを製造するためのプロセス、本発明による前記プロセスで使用するためのスリップ、および本発明によるプロセスを実施するための装置に関する。

【背景技術】

【0002】

複合材料はマトリックスと強化繊維から構成され、強化繊維とそれを取り囲むマトリックスとの相互作用から生じるその機械的特性が、何よりも認められている。連続マトリックス中の複雑な繊維配列からなることが多い天然複合材料は、卓越した機械的特性を有することがあるが、合成複合材料の機械的特性は、繊維が一方向に配向しているため、通常は非等方性である。積層造形法は、オーダーメイドの三次元コンポーネントの製造において高い柔軟性を提供するが、繊維含有量と繊維の配向組み込みの点で限界に達している。

【0003】

ＰＮＡＳ１１５巻６号１１９８－１２０３ページに掲載された論文である“Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｄａｍａｇｅ－ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ”の中で、Ｊ．Ｒ．Ｒａｎｅｙらは、印刷速度に比例してノズルの回転速度を変化させることで、ポリマーマトリクス中の繊維の配向を空間的に制御できる３Ｄ回転印刷プロセスについて述べている。この方法では、直交配向やらせん配向を持つ繊維の隣接領域を含め、プログラム可能に定義された繊維配置を持つ体積単位からなる複合材料に近づけることができると言われている。

【0004】

Ｊ．Ｒ．Ｒａｎｅｙによって説明されたプロセスは、ポリマーのみが採用され、繊維の長さは印刷中の層の厚さによって制限され、繊維は層の境界を越えて組み込むことができないという欠点がある。

【0005】

繊維のより多くの充填は、層を一枚一枚重ねることで達成できるが、繊維の配向は常に適用方向に影響される。したがって、すべてのファイバーがｘ方向に均一に配向されるため、ファイバーの使用は応力方向が１次元の場合にのみ利点をもたらす。これに対し、一方向性の応力に対する補強はほとんどない。

【0006】

したがって、繊維をｘ方向だけでなく、ｙ方向やｚ方向、さらには中間位置にも配向させる可能性を提供するプロセスが利用可能であることが望ましく、可能であれば、これはコンポーネントの高さ方向にわたって適応可能であるべきである。

【0007】

この必要性は、繊維の異なる配向を可能にし、繊維が異なる層に跨る可能性を提供するプロセスを提供することによって、本発明によって満たされる。

【0008】

したがって、本発明は、まず、積層造形によって繊維強化コンポーネントを製造するためのプロセスに関し、前記プロセスは、粉末状材料からコンポーネントを層状に構築することを含み、層の少なくとも２つが繊維の異なる配向を有することを特徴とする。

【0009】

驚くべきことに、この方法で強化繊維の充填量を高めることができるだけでなく、あらゆる方向への繊維の狙いを定めた配向も可能であることが判明した。こうして、耐衝撃性、強度、弾性率、ＣＴＥといったコンポーネントの機械的特性を要求に応じて適合させ、コンポーネントの破損を最小限に抑えることが可能になる。

【0010】

本発明によるプロセスの範囲内において、繊維は、好ましくは、粉末状材料と共に提供され、粉末状材料と共に層内に射出される。同等にまたは代替的に好ましい実施形態において、繊維は、既に射出された粉末状材料の１つまたは複数の層内に注入され、繊維の射出方向とは無関係に、例えば斜めに、１つの層から別の層へと通過しながら組み込まれ得るという利点を提供する。特に好ましい実施形態において、本発明によるプロセスは、このような方法の組み合わせを含む。

【0011】

好ましい実施形態において、本発明によるプロセスは以下のステップを含む。
ａ）粉末状材料と強化繊維とを含む第１の混合物を提供すること、
ｂ）前記第１の混合物を第１の層で射出することであって、前記強化繊維が第１の配向を有すること、
ｃ）粉末状材料と強化繊維を含むさらなる混合物を提供すること、
ｄ）前記更なる混合物を更なるステップで射出し、その際、前記強化繊維は、前記第１の配向とは異なる第２の配向を有すること、
ｅ）任意に、ステップｂ）とｄ）を繰り返して、前記繊維強化三次元コンポーネントを得ること。

【0012】

x方向およびy方向における強化繊維の配向は、例えば、建築プラットフォームに対する混合物の塗布方向の向きを変えることによって達成することができる。したがって、本発明によるプロセスの好ましい実施形態では、強化繊維の異なる配向は、混合物の塗布方向を変えることによって達成される。代替的に好ましい実施形態において、コンポーネント中の強化繊維の異なる配向は、混合物がその上に射出される建築用プラットフォームを回転させることによって達成される。特に好ましい実施形態では、強化繊維の異なる配向は、混合物の塗布方向を変えることによって、および／または建築用プラットフォームを回転させることによって達成される。

【0013】

混合物の塗布方向を変えることで、強化繊維をｘ方向とｙ方向に自由に配向させることができる。さらに、ｚ方向への狙いを定めた配向も望まれる。驚くべきことに、これは、すでに射出された層に強化繊維を意図的に注入することによって達成できることが見出された。従って、本発明によるプロセスの実施形態は、前記プロセスが、強化繊維を１つ以上の射出された層に注入する注入ステップをさらに含み、注入された強化繊維が、好ましくは、存在し得るあらゆる繊維の配向とは異なる第３の配向を有することが好ましい。

【0014】

強化繊維を注入することは、空間のさらなる方向への配向を達成することができるだけでなく、いくつかの層にわたって延びる強化繊維を組み込むことも可能である。したがって、本発明によるプロセスの実施形態は、強化繊維が少なくとも２つの層にわたって延びるように、好ましくは互いに接着するように、注入が行われることが好ましい。このように、射出方向の角度を変化させることにより、コンポーネント内における強化繊維の三次元分布を達成することができる。

【0015】

必要に応じてコンポーネントの特性を適合させることができるようにするためには、異なる粉末状の材料を採用することが有利であることが証明されている。従って、採用される材料が同じ、または異なる実施形態が好ましい。さらに、強化繊維を含まない追加の材料を好ましく供給することができる。このようにして、コンポーネントの機械的特性を個別に、かつ空間的分解能で適合させることができる。

【0016】

本発明によるプロセスは、セラミックコンポーネントの製造に特に適している。したがって、前記粉末状材料が、金属および非金属の酸化物、炭化物および窒化物からなる群から選択される実施形態が好ましい。炭化珪素は、その硬度と高温安定性により、幅広い用途が見出されているが、加工において特に難しい課題もある。驚くべきことに、本発明によるプロセスは、炭化ケイ素をベースとするコンポーネントの製造にも適していることが判明した。したがって、前記粉末状材料が炭化ケイ素である実施形態が特に好ましい。

【0017】

従来の添加法には、強化繊維の長さが、ほとんどの場合、射出される層の層厚によって制限されるという欠点がある。本発明によるプロセスの範囲内では、驚くべきことに、より長い強化繊維も組み込むことができ、その結果、繊維がオフセットを伴って射出される場合、個々の層をオーバーラップモードで接合することができることが見出された。より長い強化繊維を組み込むことができるようにするためには、注入に加えて、層を製造するためのスロットダイを使用することが有利であることが判明した。従って、射出された層から突出し、次の層に浸漬される強化繊維を組み込むことができる。したがって、混合物の射出がスロットダイを使用することによって行われる実施形態が好ましい。

【0018】

本発明によるプロセスの範囲内で、驚くべきことに、１ｍｍまでの長さを有する強化繊維を加工できることが見出された。本発明によるプロセスでは、好ましくは、１ｍｍ以下の長さを有する強化繊維が使用される。このようにして、印刷精度に影響を与えることなく、強化繊維が複数の層にわたって延びることを達成することができる。

【0019】

本発明によるプロセスの範囲内で、驚くべきことに、強化繊維の充填量を従来のプロセスよりも著しく増加させることができることが見出された。したがって、強化繊維の割合が、コンポーネントの総体積を基準として１０～６０体積％、好ましくは１５～５５体積％である実施形態が好ましい。

【0020】

本発明によるプロセスにおいて、一般的に使用される強化繊維を採用することができる。好ましい実施形態において、強化繊維は、ガラス繊維、ポリマー繊維、炭素繊維、およびセラミック繊維、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維からなる群から選択される。

【0021】

驚くべきことに、本発明によるプロセスは、古典的な粉末床融合法およびスリップベース法の両方に適用できることが見出された。古典的な粉末床融合法よりも、スリップベース法は、より低い気孔率を有するコンポーネントを得ることができるという利点を提供する。したがって、粉末状材料がスリップの形態で提供され、前記スリップが、好ましくは前記粉末状材料に加えて強化繊維をさらに含む実施形態が好ましい。

【0022】

本発明によるプロセスのスリップベースの実施形態の範囲内で、後者は、好ましくは、スリップの含水率を低下させる別の工程を含む。含水率は、所望の程度まで、特に乾燥状態まで減少させることができる。この低減は、好ましくは、熱的方法を用いて、および／または吸収性基材を用いて行われる。

【0023】

コンポーネントの初期安定性と個々の層間の接合を達成するために、例えばレーザーを用いて層を焼結することができる。あるいは、バインダーを採用することもできる。したがって、好ましい実施形態において、本発明によるプロセスは、コンポーネントの断面に応じてバインダーを供給することをさらに含み、前記バインダーは、好ましくは、隣接する各２つの粉末層の間に供給される。代替的に好ましい実施形態において、接合剤は、混合物の形態で粉末と共に射出される。さらに、本発明によるプロセスは、好ましくは、バインダーを硬化させる少なくとも１つの工程を含む。バインダーの硬化は、当業者に公知の方法、例えば、熱的に、または例えばレーザーを使用した照射によって行うことができる。

【0024】

本発明によるプロセスは、スリップベースであってもよく、それにより、粉末印刷と比較して低い気孔率を有するコンポーネントを得ることができる。この考えに続いて、本発明はさらに、本発明によるプロセスで使用するためのスリップに関し、前記スリップは以下を含む。
ａ）セラミック粒子、好ましくはＳｉＣ粒子、
ｂ）強化繊維、および
ｃ）バインダー。

【0025】

セラミック粒子は、好ましくは、酸化物セラミック、窒化物セラミック、および炭化物セラミック、ならびにそれらの混合物、特に炭化ケイ素からなる群から選択される。セラミック粒子に加えて、他の成分、特にダイヤモンド粒子、グラファイト、カーボンブラック、および有機化合物、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される成分を含有してもよい。

【0026】

強化繊維は、好ましくは、ガラス繊維、炭素繊維、およびセラミック繊維からなる群から選択され、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維が好ましい。

【0027】

バインダーは、好ましくは、樹脂、特にフェノール樹脂、多糖類、ポリビニルアルコール、セルロースおよびセルロース誘導体、リグニンスルホン酸塩、ポリエチレングリコール、ポリビニル誘導体、ポリアクリル酸塩、およびそれらの混合物からなる群から選択される化合物の１種以上を含む。

【0028】

本発明はさらに、本発明によるプロセスによって得ることができるコンポーネントに関し、前記コンポーネントは、強化繊維の等方的な配向および／または分布を有する。

【0029】

本発明はさらに、本発明によるプロセスを実施するための、および／または本発明によるコンポーネントを製造するための装置に関する。この装置は、粉末状材料および任意選択で強化繊維を射出するための射出ユニットと、粉末状材料の層を受け取るための高さ調節可能な受け取りユニットとを有し、前記射出ユニットおよび／または前記受け取りユニットは、平面内で移動可能であり、好ましくは回転可能である。

【0030】

好ましい実施形態では、射出ユニットはダイ、特にスロットダイ、またはドクターブレードである。

【0031】

さらなる好ましい実施形態において、本発明による装置は、１つまたは複数の層に強化繊維を注入するための注入ユニットをさらに有する。

【0032】

別の態様において、本発明はさらに、積層造形によって、好ましくは本発明によるプロセスによって繊維強化セラミックコンポーネントを製造するためのスリップの使用に関し、前記スリップは以下を含む。
ａ） セラミック粒子、好ましくはＳｉＣ粒子、
ｂ） 強化繊維、および
ｃ） バインダー。
スリップの成分は、好ましくは上述のものである。

【図面の簡単な説明】

【0033】

本発明を以下の図によって説明するが、これらは決して本発明の思想を限定するものとして理解されるべきではない。

【0034】

【図1】強化繊維（３）を有する粉末状材料（２）が基材または前の粉末層（４）上に射出され、前記強化繊維が第１の好ましい配向を有するドクターブレードの形態の射出ユニット（１）を備えた本発明による装置の実施形態の概略構造を示す。

【図2】強化繊維（３）を有する粉末状材料（２）が基材または前の粉末層（４）上に射出され、前記強化繊維が第１の好ましい配向を有する、スロットダイの形態の射出ユニット（１）を有する本発明による装置の実施形態の概略構造を示す。

【図3】スロットダイの形態の射出ユニット（１）と、注入ユニット（５）とを備えた本発明による装置の実施形態の概略構造を示し、この装置では、強化繊維（３）を有する粉末状材料（２）が基材または前の粉末層（４）上に射出され、前記強化繊維は異なる配向を有し、注入ユニット（５）を使用して組み込まれた強化繊維（３）は、ｚ方向に１つの層の層厚を超えて延びる。

【0035】

説明した各実施形態において、粉末状材料（２）はスリップの形態で採用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【外国語明細書】