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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-30
(45)【発行日】2024-09-09
(54)【発明の名称】3D印刷の方法
(51)【国際特許分類】
   B22F 10/16 20210101AFI20240902BHJP
   B05B 7/14 20060101ALI20240902BHJP
   B05D 1/02 20060101ALI20240902BHJP
   B05D 7/24 20060101ALI20240902BHJP
   B22F 10/18 20210101ALI20240902BHJP
   B22F 12/53 20210101ALI20240902BHJP
   B33Y 10/00 20150101ALI20240902BHJP
   B33Y 30/00 20150101ALI20240902BHJP
   B33Y 70/00 20200101ALI20240902BHJP
   C23C 24/04 20060101ALI20240902BHJP
【FI】
B22F10/16
B05B7/14
B05D1/02 Z
B05D7/24 301A
B22F10/18
B22F12/53
B33Y10/00
B33Y30/00
B33Y70/00
C23C24/04
【請求項の数】 13
(21)【出願番号】P 2021523639
(86)(22)【出願日】2019-10-29
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-17
(86)【国際出願番号】 AU2019051188
(87)【国際公開番号】W WO2020093087
(87)【国際公開日】2020-05-14
【審査請求日】2022-09-29
(31)【優先権主張番号】2018904238
(32)【優先日】2018-11-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(73)【特許権者】
【識別番号】521173867
【氏名又は名称】エフュージョンテック アイピー ピーティーワイ リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】カミッレーリ,スティーヴン
(72)【発明者】
【氏名】ラバーサンネ,シルヴェイン
(72)【発明者】
【氏名】デグッド,アンドリュー
【審査官】隅川 佳星
(56)【参考文献】
【文献】特開2006-247639(JP,A)
【文献】特開2009-000632(JP,A)
【文献】特開2011-083698(JP,A)
【文献】特開2013-107202(JP,A)
【文献】特許第6404532(JP,B1)
【文献】国際公開第2018/184066(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2010/0151124(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2010/0181391(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2017/0355138(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2017/0100732(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B05B 7/14
B05D 1/02
7/24
B22F 10/18
12/53
B33Y 10/00 - 70/00
C23C 24/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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~のいずれか一項に記載の方法。
【請求項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~のいずれか一項に記載の方法。
【請求項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~のいずれか一項に記載の方法。
【請求項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、請求項に記載の方法。
【請求項11】
請求項の項目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、請求項に記載の方法。
【請求項12】
請求項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、請求項に記載の方法。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
任意選択的に、スロートは、1S/mを超える導電率を有する。
【0010】
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。
【0011】
任意選択的に、キャリアガスは、圧縮空気を含む。
【0012】
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。
【0013】
任意選択的に、スロートは、鉄-ニッケル合金を含む。
【0014】
任意選択的に、スロートは、ニハードを含む。
【0015】
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。
【0016】
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。)
【0017】
任意選択的に、冷間加工用粉末鋼は、Bohler K390を含む。
【0018】
任意選択的に、プラスチックモールド鋼は、P20を含む。
【0019】
任意選択的に、高速度鋼は、M2又はM42を含む。
【0020】
任意選択的に、白鋳鉄は、EN-JN2049を含む。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
任意選択的に、白鋳鉄は、EN-JN2049を含む。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【図面の簡単な説明】
【0029】
図1】3Dプリンタの等角図である。
図2】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。
図3】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。
【発明を実施するための形態】
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
図1
図2
図3