JP2007535585A - ラピッドプロトタイピング用粉末およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

積層製造法によって三次元構造体または成形体を製造するのに使用するための粉末、およびその経済的な製造方法が記載される。この粉末は、一方では、良好な流動挙動を有し、同時に、この粉末を使用してラピッドプロトタイピングで製造された成形体が、大幅に改善された機械的および／または熱的特性を有するように構成されるという特殊性を有する。特に有利な実施形態によれば、この粉末は、実質上球状の粉末粒子の形で存在し、かつマトリックス材料によって形成される第１の分画と、好ましくはマトリックス材料に埋め込まれた補強用および／または強化用繊維の形の、少なくとももう１つの分画とを含む。
【選択図】 なし

Description

発明の詳細な説明

本発明は、一般に、「粉末ベースの生成的（ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）ラピッドプロトタイピング」または「無固体製造（ｓｏｌｉｄ ｆｒｅｅ ｆｒｏｍ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、ＳＦＦ）法」という用語でも知られるような積層製造法による、三次元の、特に三次元的に複雑な構造物または成形体の製造に適用される。このような粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法は、例えば、３Ｄレーザ焼結、３Ｄレーザ溶融、または３Ｄプリンティングの名称で知られている。

本発明は特に、このような方法に使用する粉末、およびこのような粉末の経済的な製造方法に関する。

今日知られており、一般にコンピュータ制御のアディティブな自動的方法である複雑な構造の成形体の製造方法は、通常、粉末化材料の充填材を使用し、これらの充填材が、それぞれ一層ずつ特定の位置または領域で、融解または焼結プロセスが行われる程度まで加熱される。加熱には、一般に、好ましくはプログラム制御されたレーザビームが、また金属粉末材料が使用される場合には、高エネルギー電子ビームが一般に使用される。

一方、この技術用に様々な粉末が開発されてきた。この点に関して、例えばプラスチック粉末の分野では、ドイツ特許出願公開第１０１ ２２ ４９２号、欧州特許第０ ９６８ ０８０号、国際公開第０３／１０６１４６号パンフレット、またはドイツ特許出願公開第１９７ ４７ ３０９号、あるいは金属粉末の分野では、国際公開第０２／１１９２８号パンフレットを参照されたい。

成形プロセスを、問題なしに、高いプロセス安定性で実施できるようにするためには、粉末層を施した際に特に良好な「流動挙動」の点で際立っている粉末粒子が必要であり、このことは、粉末粒子が可能な限り滑らかな表面を有する、可能な限り球状に形成されることによって保証される。

これまで、材料であるポリアミド、特にＰＡ１１やＰＡ１２など、高度に網状のポリアミドが、特に最初に記載した方法で主流となってきた。

しかしこの粉末材料では、それを用いて製造される成形体の使用範囲が依然として制限される。したがって、様々な機会において、成形体の機械的特性が改善されるように粉末を改変する試みがなされてきた。この点に関連する一手法は、ガラスペレットまたはアルミニウムフレークを、熱可塑性の粉末に添加することであった。

ガラスペレットでは、実際に良好な流動能力が保たれるが、実現し得る機械的特性の改善が制限される。材料の補強は実際には可能である（弾性率の増加）ものの、注目に値する程度には引張強さを増大させることができず、改善を実現するには、材料の脆化を代償にしなければならない。アルミニウムフレークを使用する場合、こうした問題はさらに顕著である。

したがって、本発明の目的は、粉末化材料を選択的に焼結または溶融することによって成形体の製造方法を改善し、その結果、機械の基本的概念を維持することによって機械的特性が実質的に改善された成形体を製造できるようにすることである。

この目的は、請求項１および／または２に記載の新規な粉末、ならびに請求項１４、１５、２０、２５、および／または２６に記載の、このような粉末の製造方法によって解決される。

本発明の第１の態様（請求項１）によれば、実質上球状の粉末粒子は、芳香族ポリエーテルケトン、特に次式のオキシ−１，４−フェニレン−オキシ−１，４−フェニレン−カルボニル−１，４−フェニレンの反復単位を含むポリアリールエーテルケトン（ＰＥＥＫ）プラスチックによって形成される。

この直鎖の芳香族ポリマーは、「ＰＥＥＫ」の名称でＶｉｃｔｒｅｘ社から販売され、概して半結晶性であり、これまでにＳＬＳ法で使用されてきた材料に、あらゆる点ではるかに勝る物理的特性によって際立っている。従来のＰＡ粉末の場合よりも数倍優れているのは、引張強さや弾性率などの機械的特性だけではない。さらに、この材料の熱安定性は、ＳＬＳ法に従ってこの材料から製造した構成部品を、これまで繊維強化プラスチック材料ですら超過歪みが生じてきた場合にさえ使用できるほど良好である。

本発明者らは、この材料が、適切な方法、特に請求項１４、２０、２５、および／または２６に記載の方法を用いて、非常に滑らかで球状の粉末粒子に加工できるように適合され、したがって粉末の十分に良好な流動能力を保証し、それにより個々の層を可能な最高の精度で施すことができることを見出した。さらに本発明は、好ましくはいわゆる「等温」レーザ焼結プロセスにおいていわゆるＰＥＥＫ粉末を加工する構想によって補足される。このプロセスでは、粉末充填材の表面はＰＥＥＫ粉末の比較的高い溶融温度を数度下回る範囲の温度に保たれ、また粉末充填材の残りの部分も加熱されるが、その加熱温度は、主に粉末充填材の表面の温度未満の範囲である。

本発明の第２の態様によれば、実質上球状の粉末粒子の形で存在し、マトリックス材料で形成される第１の分画と、補強用および／または強化用繊維の形の、少なくとももう１つの分画とを含む粉末が提供される。このマトリックス材料は、プラスチック材料でも金属でもよい。試験の結果、繊維の体積分率をその繊維長分布に応じて、例えば最大で２５％、好ましくは１５％まで、特に好ましくは１０％までに制限したままのとき、粉末の流動能力はうまく制御できることが分かった。この試験結果は、マトリックス材料としてＰＡ１２を用いる場合、繊維分率（炭素繊維）１０体積パーセントでも既に３倍の剛性率、および５０％増の引張強さが得られることを示している。

機械的特性をさらに改善するためには、繊維分率を増加しなければならない。本発明によれば、請求項１４、１５、２０、２５、および／または２６に記載の製造方法を用いて、繊維をマトリックス材料に埋め込む、すなわち、好ましくは繊維をマトリックス材料によって実質上完全に取り囲むのを可能にすることによって、繊維体積分率のより高い粉末を製造する。このやり方では、粉末の取扱いは、繊維材料の体積分率の影響をほとんど受けないままである。マトリックス材料としてＰＡ１２を使用し、炭素繊維の体積分率を３０％にすると、引張強さ３００％増および弾性率９倍増を実現することができる。

熱可塑性プラスチック材料をマトリックス材料として使用する場合は、繊維の代わりにフレークを使用する場合でも既に、それらの寸法によって好ましくは粉末粒子に完全に埋め込むことが可能になる限り、強化されていない材料に対して機械的特性の大幅な改善を実現することができる。この態様は、はっきりと本発明の主題に含まれる。

マトリックス材料がプラスチック材料で形成される場合、繊維は、好ましくは炭素繊維および／またはガラス繊維からなる群から選択される。

基本的に、これまでに加工された全ての品質の繊維を製造することができ、粉末粒子は、中央径ｄ５０が２０〜１５０、好ましくは４０〜７０μｍの範囲にあってよい。粒径分布幅は、流動能力があまり損なわれないように可能な限り狭くすべきである。

ただし、マトリックス材料は金属材料によって形成することもできる。請求項１５、２０、２５、および／または２６に記載の、繊維が埋め込まれた粉末粒子を製造する方法と基本的に同じままである。

金属マトリックス材料は、セラミック繊維およびホウ素繊維からなる群からの繊維と組み合わせることが好ましい。

この場合、球状の粉末粒子の中央粒径ｄ５０は、１０〜１００、好ましくは１０〜８０μｍの範囲であるのが有利である。ｄ５０値は、粉末粒子の５０％がそれを下回り、粉末粒子の残りの５０％がそれを上回る粒径の測定値を意味する。

繊維長分布は、溶射または噴霧乾燥中に製造される粒子の表面から突き出る繊維の割合ができるだけ低くなるように選択する。このことは、例えば繊維長の中央値Ｌ５０を、最大で、球状の粉末粒子の中央粒径ｄ５０の値に一致させることによって実現できる。

特に、請求項１〜１３のいずれかに記載の粉末を製造する第１の有利な方法が、請求項１４の主題である。この方法を用いた場合、修正可能なプロセスパラメータに応じて、実質上球状の粉末粒子を製造することが可能であり、これらの粒子は、実際複数の小粒子からなるが、ラピッドプロトタイピング法に伴う問題なしに使用するのに十分な球状であり、滑らかな表面を有する。

この方法は、補強用または強化用繊維の形の第２の相の存在下で、同様に有利に実施することができる。懸濁液の液相としては、マイクロ粉末粒子、および場合によっては強化相を、均一に分布させることができるあらゆる液体が適している。液体の選択におけるもう１つの重要な側面は、急速に、残渣なしに蒸発または揮発するその性質である。

マトリックス材料が、好ましくは熱可塑性プラスチックからなる群から選択される場合、この方法では、中央粒径ｄ５０が３〜１０μｍ、好ましくは５μｍのマイクロ粉末、および場合によっては、中間長Ｌ５０が好ましくは２０〜１５０μｍ、好ましくは４０〜７０μｍの繊維が使用される。Ｌ５０値は、繊維の５０％がそれを上回り、繊維の残りの５０％がそれを下回る長さを表す。

マトリックス材料が金属の場合、請求項１７に有利な粒径が示されている。

本発明の粉末を製造するための一代替方法が、請求項２０の主題である。これは主として熱可塑性材料を対象としているが、基本的には金属材料に使用することもできる。熱可塑性材料の場合、冷却ステップは、材料が粉砕可能になる程度に脆化させるために不可欠である。冷却は、液体窒素を使用して行うのが有利である。この方法のさらなる有利な発展形態が、請求項２２〜２４の主題である。

製造方法の別の代替形態は、請求項２５に記載のいわゆる噴射造粒（ｐｒｉｌｌｉｎｇ）、または請求項２６に記載の溶射であり、これらも金属および熱可塑性材料に使用することができる。

例えば、熱可塑性プラスチックのマトリックス材料の、液相への移行は、例えば溶媒を使用することによって行うことができる。液滴の凝固は、例えば、溶媒を気体凝集状態へと移行させることによって行うことができる。これは、例えば蒸発または揮発によって行うことができる。液滴から引き出された蒸発エネルギーは、凝固を促進させるのに使用することができる。補助的に、能動加熱することもできる。

所望の粒径分布を設定するための重要なプロセスパラメータは、液相または溶融物の温度；液相または溶融物の粘性および表面張力；ノズルの径；気体流の速度、体積流量、圧力、および温度である。

請求項２６に記載の溶射の場合には、溶融物の霧化は、好ましくは高温ガス噴射で行う。

本発明の方法を使用することによって製造できる本発明の粉末を用いる場合、積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）によって、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って製造した構成部品または成形体の適用範囲を顕著に拡大することができる。したがって本発明では、このような積層製造法を、内部の、好ましくは三次元骨格様の支柱を有する中空の成形体を製造するために有意義に使用することが初めて可能となる。というのは、これまで材料の機械的特性は非常に不十分であったため、熱的および／または機械的要求の高い分野では、強化構造体に関して使用することさえ不可能であったからである。

以下、本発明を実施形態によってより詳細に説明する。

図１は、構成部品が、積層製造法を用いてどのように製造されるかを概略的に示している。これにより、厚さＳの粉末層１２−１、１２−２、〜１２−ｎが、ある設定間隔で段階的に降下するように適合されたプラットフォーム１０上に順次施されることが分かる。層を施した後、粒子１８（図２参照）を、エネルギー供給源１６からのエネルギー噴射によって特定の領域で選択的に融解または溶融させ、それによって図中の斜線で示される領域１４が生じ、したがって製造される構成部品の一部分となる。続いて、このプラットフォームを層の厚さＳだけ降下させ、その上に厚さＳの新しい粉末層を施す。所定の領域にわたって再びエネルギー噴射を行い、これにより対応する領域を融解および溶融させ、または直前の層の融解した領域と結合させる。このようにして、埋め込まれた複雑構造の成形体を含む多層粉末ブロックを少しずつ製造する。この成形体を粉末ブロックから取り出し、一般に手動で、粘着性の残渣粉末または焼結した残渣粉末を取り除く。

層の厚さは、適用分野に応じて２０〜３００μｍに選択され、図２から分かるように、粉末粒子１８の大部分は、層の厚さＳの約１／３の粒径Ｄを有する。

従来方法では、粉末は、熱可塑性プラスチック、例えばＰＡ１１またはＰＡ１２で形成され、したがって成形体の機械的強度は依然として制限されている。これは、１．４Ｇｐａの範囲の低い弾性率、および４０〜５０Ｍｐａの範囲の低い引張強さによって生じる。

本発明は、機械的特性が大幅に改善された成形体を製造するための様々な手法を提供し、それらを以下に、より詳細に説明する。

［実施形態１］
粉末は、実質上球状の粉末粒子（１８）の形で存在し、かつ芳香族ポリエーテルケトン、特に次の一般式のオキシ−１，４−フェニレン−オキシ−１，４−フェニレン−カルボニル−１，４−フェニレンの反復単位を含むポリアリールエーテルケトン（ＰＥＥＫ）プラスチックで形成される、第１のマトリックス分画を含む。

このような材料は、例えばＶｉｃｔｒｅｘ Ｐｌｃ社から商品名「ＰＥＥＫ」で入手することができる。材料の特性は、９０ＭＰａを超える引張強さ、および３．５ＧＰａを超える範囲の弾性率（ＩＳＯ５２７に従う）である。さらにこの材料は、非常に良好な熱安定性によって際立っており、したがって、それから製造された成形体は、熱的要求が極度に高い分野で使用することもできる。

この材料からの粉末粒子の製造は、好ましくは以下の方法の１つに従って行う。
１．噴霧乾燥、
２．粉砕、および
３．溶射または噴射造粒（ｐｒｉｌｌｉｎｇ）

噴霧乾燥
図３に示すように、まず最初に、マトリックスマイクロ粉末２２を液相中、例えばエタノールまたはエタノール／水の混合液２０中に撹拌させて、懸濁液を生成する。マトリックスマイクロ粉末２２の粒子は、実質上、製造される粉末粒子３０の粒径ＤＰ未満の範囲の寸法である。ビン内での、相の均一な混合に注意を払わなければならない。

懸濁液を、図示していないノズルを通して噴霧し、それによってマトリックスマイクロ粉末を含有する液滴３２を形成する。液相２６によって、詳細にはこの相の表面張力によって、液滴の実質上の球形が保証される。

続いて、例えば下流の加熱経路内で、液滴３２の揮発性分画２６を蒸発および／または揮発させると、実質上球状の集塊３０が残る。これら集塊３０は、後の積層製造法で使用される粉末粒子を形成する。したがってこの方法のプロセスパラメータは、粒子が所望の粒径分布に生成されるように選択する。

粉砕
一代替方法は、例えば粒径が約３ｍｍの粗粒として得られる材料を、適切な微粉末に粉砕することにある。

その際、まず最初に、粗粒を材料の脆化が生じる温度未満の範囲の温度に冷却する。冷却は、例えば液体窒素によって行う。この状態で粗粒は、例えばペグミルまたはカスケードミルで粉砕することができる。最後に、粉砕した粉末を、好ましくは空気分離器で、求める所定の分率範囲に応じて分離させる。

粉砕の方法ステップは、さらに冷却しながら行うことができる。

粉砕した粉末に、十分に滑らかで、好ましくは球状の表面を付与するために、例えばＡｅｒｏｓｉｌ（登録商標）などのマイクロ粒子またはナノ粒子を埋め込み、あるいは集塊させることによって、粉砕物を平滑化処理にかけるのが有利である。

溶射または噴射造粒（Ｐｒｉｌｌｉｎｇ）
芳香族ポリエーテルケトン、特にポリアリールエーテルケトンの微粉末を製造する方法の第３の変形は、溶射法を使用することにある。

この場合、材料を霧化するための噴霧ノズルへの接続部を含むるつぼ内で、材料を溶融させる。

小液滴はノズルを出る。これらの液滴は、材料の表面張力によって、実質上球形をとる。続いて、液滴が冷却経路を通って移動するとき、その球状の形状で凝固し、その結果、積層製造法に所望される品質の粉末が得られる。

霧化するために、好ましくは高温ガスを使用する。いわゆるペブルヒータによって、融解した材料を噴霧する、すなわち霧化するために使用される高温ガスを発生させる。

一般に、所定の分率範囲に応じた粉末粒子が得られるように、噴霧の方法ステップに続いて分離プロセスを行う。

マトリックス材料が許す限り、溶射の代わりに噴射造粒（Ｐｒｉｌｌｉｎｇ）を用いることもでき、その場合は溶融物の代わりにマトリックス粉末の液相を使用する。液相は、例えば溶媒によりマトリックス材料を液状化することによって得ることができる。

残りの方法ステップは、溶射または噴霧乾燥それぞれと同様の設備で行われ、液滴は、凝固経路を通過し、または流れながら恒久的な球形をとる。液滴の凝固は、例えば溶媒を気体凝集状態に移行させることによって行うことができる。これは、例えば蒸発または揮発によって行うことができる。この方法ステップでは、溶媒の揮発熱を、加熱のために、したがって凝固プロセスを促進するために使用することができる。

［実施形態２］
図４に概略的に示すように、実質上球状の粉末粒子１１８の形で存在し、マトリックス材料によって形成される第１の分画と、補強用および／または強化用の繊維１４０の形の、少なくとももう１つの分画とを含む粉末を使用した。マトリックス分画は、金属または熱可塑性プラスチック材料から形成することができる。

以下の実験を実施した。

粒径分布値ｄ５０が約５０μｍのＰＡ１２粉末を、繊維長の中央値Ｌ５０が約７０μで、繊維の厚さが７μｍの異なる２つのタイプの炭素繊維１０体積％と混合した。このようにして得られた粉末を、商業用ラピッドプロトタイピング機械で、欠陥のない成形体に加工することが可能であった。

積層製造法に従ってこの粉末／繊維の混合物をベースとして製造した試験体の機械的特性を、いかなる繊維も含有しない構成部品に比べて大幅に改善することができた。詳細には、弾性率を３．８Ｇｐａより高く、引張強さを約７０Ｍｐａに増大させることが可能となった。

これらの試験結果を、繊維と混合したＰＡ１２から射出成形によって得られた構成部品を用いた場合の結果と比較した。射出成形塊に添加した繊維は、同じ体積濃度および同じ径分布で得られた。測定結果から、積層製造法に従って得られた構成部品の機械的特性が、射出成形の構成部品の特性に決して劣らないことが示された。焼結体において、弾性率を増大させることも可能であった。

微粉中の繊維分率は、中央粒径およびその分布に応じて変わり得るが、一般に、問題なしに２５％より高くすることは不可能である。それでもなお、改善された材料の特性を実現できるようにするためには、本発明の第３の実施形態が役立つ。

［実施形態３］
図５に概略的に示す第３の実施形態によれば、繊維分率を相当多く、つまり３０体積パーセントを上回って含むにもかかわらず、その良好な流動能力により、積層製造法において使用できるような構造である粉末が製造される。

その特殊性は、図５に示すように、繊維２４０が、製造される構成部品のマトリックス材料を形成する実質上球状の粉末の成形体２１８に、好ましくはマトリックス材料によって実質上完全に取り囲まれるように埋め込まれることにある。

このような粉末を製造する場合、前述の方法、すなわち噴霧乾燥、粉砕、噴射造粒（ｐｒｉｌｌｉｎｇ）、および溶射に、わずかな修正を加えたものが適している。

噴霧乾燥
この方法を、図６に概略的に示す。マトリックスマイクロ粉末３２２に加えて、補強用または強化用の繊維３４０を、撹拌しながらエタノールやエタノール／水の混合液などの液相中に混ぜ込むという点でのみ、図３に関して前述した方法とは異なる。マトリックスマイクロ粉末３２２の粒子は、実質上、製造される粉末粒子３３０の粒径ＤＰ未満の範囲の寸法である。繊維長も、その中央値が、実現すべき粉末粒子の中央粒径を上回らないように選択する。ビン内で相が均一に混合されるよう注意を払わなければならない。

懸濁液を、図示していないノズルを通して噴霧すると、マトリックスマイクロ粉末および繊維（数種）を含有する液滴３３２が形成される。液相３２６によって、詳細にはこの相の表面張力によって、液滴の実質上の球形が保証される。

その後、液滴３３２の揮発性分画３２６が蒸発および／または揮発すると、この場合も実質上球状の集塊３３０が残る。これらの集塊３３０は、後の積層製造法で使用される粉末粒子を形成する。したがってこの方法のプロセスパラメータは、粒子が所望の粒径分布で生成されるように選択する。

噴霧乾燥では、中央粒径ｄ５０が３〜１０μｍ、好ましくは５μｍのマイクロ粉末を使用する場合に、良好な結果を得ることができる。

マトリックス材料がプラスチック材料である場合、繊維を撹拌しながら混ぜ込む場合には、好ましくは、長さの中央値Ｌ５０が２０〜１５０μｍ、好ましくは４０〜７０μｍのものを使用すべきである。

金属マトリックス材料の場合、繊維長は一般に、より短く選択しなければならない。繊維長の中央値Ｌ５０の有利な範囲は、１０〜１００μｍ、好ましくは１０〜８０μｍである。

プロセスパラメータは、中央径Ｄ５０が１０〜７０μｍの実質上球状のマイクロ液滴が生成されるように設定するのが有利である。

蒸発または揮発ステップは、液滴が、加熱経路を通過する間に実施するのが有利である。

粉砕
図７に概略的に示す一代替方法は、繊維、例えば炭素繊維４４０を含有し、例えば粒径または縁部の長さが約３ｍｍの粗粒４５０として入手可能な材料を、適切な微粉に粉砕することにある。

その際、この場合もまず最初に、粗粒４５０を材料の脆化が生じる温度未満の範囲の温度に冷却する。冷却は、例えば液体窒素によって行う。この状態で粗粒は、例えば４６０で示すペグミルで粉砕することができる。最後に、粉砕された粉末を、分離器４８０、好ましくは空気分離器で、実現すべき所定の分率範囲に基づいて分離する。使用する粉末粒子を４３０で示す。

粉砕の方法ステップは、この場合もさらに冷却しながら実施することができる。それに続いて、この場合もＡｅｒｏｓｉｌ（登録商標）などのマイクロ粒子またはナノ粒子を埋め込み、あるいは集塊させることによる任意選択の平滑化処理を行う。

溶射または噴射造粒（Ｐｒｉｌｌｉｎｇ）
前述の方法のさらなる変形、すなわちいわゆる溶射を、図５による粉末の製造に使用することもできる。

前述の方法とは対照的に、繊維分画を撹拌しながらマトリックス材料の融解した溶融物中に混ぜ込む。

この場合も、マトリックス材料が許す限り、溶射の代わりに噴射造粒（Ｐｒｉｌｌｉｎｇ）を用いることもでき、その場合は溶融物の代わりにマトリックス粉末の液相を使用する。液相は、例えば溶媒によりマトリックス材料を液状化することによって得ることができる。

残りの方法ステップは、溶射または噴霧乾燥と同様の設備で行われ、補強用繊維を取り囲む液滴は、凝固経路を通過し、または流れながら恒久的な球形をとる。液滴の凝固は、例えば溶媒を気体凝集状態に移行させることによって行うことができる。これは、例えば蒸発または揮発によって行うことができる。この方法ステップでは、溶媒の揮発熱を、加熱のために、したがって凝固プロセスを促進するために使用することができる。

前述の実施形態は、熱可塑性プラスチック材料および金属材料両方の処理を可能にする。

異なる材料を混合することもできる。

マトリックス材料を、熱可塑性プラスチック材料で形成する場合、繊維は、炭素繊維および／またはガラス繊維からなる群から選択する。

球状の粉末粒子の中央粒径は、基本的に制限されない。いずれにせよ、商業用機械では、球状の粉末粒子の中央粒径ｄ５０が２０〜１５０、好ましくは４０〜７０μｍの範囲にある場合に良好な結果を得ることができる。このような粉末の流動能力は、径分布の均一化によってさらに高めることができる。

マトリックス材料を金属材料で形成する場合、繊維は、好ましくはセラミック繊維およびホウ素繊維からなる群から選択される。このような粉末を使用する場合、球状の粉末粒子の中央粒径ｄ５０は、一般に、例えば１０〜１００、好ましくは１０〜８０μｍの範囲の低い値である。

以上の説明から、積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）で、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って本発明の粉末を使用すると、これまでは到底不可能であった機械的および／または熱的特性を有する三次元構造または成形体を製造することが可能なことが明らかになる。

すなわち、記載した方法のいずれかに従って粉末粒子に添加されまたはそれらと混合された１０、２０、または３０体積パーセントの炭素繊維を用いてＰＥＥＫを強化する場合、その弾性率を、７、１３．５、または２２．２Ｇｐａに増加させ、引張強さを、１３６、１７７、または２２６Ｍｐａに増大させることができる。

ＰＡ１２をマトリックス材料として使用する場合、１０、２０、または３０体積パーセントの繊維分率で、以下の機械的特性の改善が得られた。弾性率３．４、または６．６、または１３．９Ｇｐａ、引張強さ６６、または１０５、または１２８Ｍｐａ。

したがって図８、８Ａに概略的に示すような、内部の、好ましくは三次元骨格様の支柱５７２を有する、中空で複雑な形の、例えば多層の湾曲した成形体５７０を製造するために、積層製造法を有意義に使用することに初めて成功した。その結果、極めて軽量であるだけでなく、熱的および機械的に最も歪みやすい構成部品を製造することができる。

前述の実施形態からの逸脱は、当然ながら、本発明の基本的概念から離れることなしに可能である。したがって、個々の粉末製造法の後処理ステップを、他の方法にも使用することができる。マイクロ体によって実施される平滑化プロセスを、当然ながら、別法として記載した２つの方法で使用することもできる。

したがって本発明は、積層製造法によって三次元構造体または成形体を製造するのに使用するための新規な粉末、およびその経済的な製造方法を提供する。この粉末は、一方では、良好な流動挙動を有し、同時に、この粉末を使用してラピッドプロトタイピングで製造された成形体が、大幅に改善された機械的および／または熱的特性を有するように構成されるという特殊性を有する。特に有利な実施形態によれば、この粉末は、実質上球状の粉末粒子の形で存在し、かつマトリックス材料によって形成される第１の分画と、好ましくはマトリックス材料に埋め込まれた補強用および／または強化用繊維の形の、少なくとももう１つの分画とを含む。

積層製造法の機能的原理を表す、原理見取図である。 図１のＩＩの詳細図である。 第１の実施形態に従って粉末を製造する方法を表す略図である。 本発明の別の一実施形態による粉末の略図である。 本発明の別の一変形形態による粉末の略図である。 一実施形態に従って、図５による粉末を製造する方法を表す略図である。 図５による粉末の、別の製造方法を表す略図である。 本発明の粉末を使用して製造することができる構成部品の一部分の略図である。 図８のＶＩＩＩの詳細図である。

Claims (31)

1. 積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体を製造するのに使用するための粉末であって、実質上球状の粉末粒子（１８）の形で存在し、芳香族ポリエーテルケトン、特にオキシ−１，４−フェニレン−オキシ−１，４−フェニレン−カルボニル−１，４−フェニレン反復単位を含むポリアリールエーテルケトン（ＰＥＥＫ）プラスチックによって形成される、第１のマトリックス分画を含む粉末。
   

   
2. 実質上球状の粉末粒子（１８；１１８；２１８；３３０；４３０）の形で存在し、マトリックス材料で形成される第１の分画と、補強用および／または強化用繊維（１４０；２４０；３４０；４４０）の形の、少なくとももう１つの分画とを含む、積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体を製造するのに使用するための、特に請求項１に記載の粉末。
3. 前記繊維（１４０）の体積分率が、最大で２５％、好ましくは１５％まで、特に好ましくは１０％までである、請求項２に記載の粉末。
4. 前記繊維（２４０；３４０；４４０）が、マトリックス材料（１１８；３３０）に好ましくは実質上完全に取り囲まれるように埋め込まれる、請求項２に記載の粉末。
5. 前記繊維（２４０；３４０；４４０）の体積分率が、１５％を上回る、好ましくは２５％を上回ることを特徴とする、請求項４に記載の粉末。
6. 前記マトリックス材料が、熱可塑性プラスチック材料で形成されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の粉末。
7. 前記マトリックス材料が、ＰＡ１１やＰＡ１２など高度に網状のポリアミドで形成されることを特徴とする、請求項６に記載の粉末。
8. 前記繊維が、炭素繊維および／またはガラス繊維で形成されることを特徴とする、請求項６または７に記載の粉末。
9. 前記球状の粉末粒子の中央粒径ｄ５０が、２０〜１５０、好ましくは４０〜７０μｍの範囲にある、請求項１〜８のいずれかに記載の粉末。
10. 前記マトリックス材料が、金属材料で形成されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の粉末。
11. 前記繊維が、セラミック繊維およびホウ素繊維からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１０に記載の粉末。
12. 前記球状の粉末粒子の中央粒径ｄ５０が、１０〜１００、好ましくは１０〜８０μｍの範囲にある、請求項９または１０に記載の粉末。
13. 前記繊維（１４０；２４０）の長さの中央値Ｌ５０が、最大で、前記球状の粉末粒子（１１８；２１８；３３０；４３０）の中央粒径ｄ５０値に一致することを特徴とする、請求項２〜１２のいずれかに記載の粉末。
14. 積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体の製造に使用するための実質上球状の粉末粒子を含む、特に請求項１〜１３のいずれかに記載の粉末の製造方法であって、補強用および／または強化用繊維が、場合によっては、熱可塑性マトリックス材料からなる粉末粒子に埋め込まれ、以下の方法ステップ、すなわち
    ａ）製造すべき粉末粒子の径を大幅に下回る粒径のマトリックスマイクロ粉末（２２；３２２）と、場合によっては、撹拌しながらエタノールやエタノール／水の混合液などの液相（２０：３２０）に混ぜ込まれる、製造すべき粉末粒子の径未満の長さを有する補強用および／または強化用繊維（３４０）との懸濁液を調製するステップと、
    ｂ）前記懸濁液を、ノズルを通して噴霧して、マトリックスマイクロ粉末、および場合によっては繊維を含む液滴（３２；３３２）を形成するステップと、
    ｃ）前記液滴の揮発性分画（２６；３２６）を蒸発および／または揮発させ、それによって実質上球状の集塊（３０；３３０）を残すステップと
    を含む方法。
15. 積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体の製造に使用するための実質上球状の粉末粒子を含む、特に請求項２〜１３のいずれかに記載の粉末の製造方法であって、補強用および／または強化用繊維が、金属マトリックス材料からなる粉末粒子に埋め込まれ、以下の方法ステップ、すなわち
    ａ）製造すべき粉末粒子の径を大幅に下回る粒径のマトリックスマイクロ粉末（３２２）と、撹拌しながらエタノールやエタノール／水の混合液などの液相（３２０）に混ぜ込まれる、製造すべき粉末粒子の径（ＤＰ）未満の長さを有する補強用および／または強化用繊維（３４０）との懸濁液を調製するステップと、
    ｂ）前記懸濁液をノズルを通して噴霧して、マトリックスマイクロ粉末および繊維を含む液滴（３３２）を形成するステップと、
    ｃ）前記液滴の揮発性分画（３２６）を蒸発および／または揮発させ、それによって実質上球状の集塊（３３０）を残すステップと
    を含む方法。
16. 中央粒径ｄ５０が３〜１０μｍ、好ましくは５μｍのマイクロ粉末（２２；３２２）、および場合によっては、長さの中央値Ｌ５０が２０〜１５０μｍ、好ましくは４０〜７０μｍの繊維（３４０）を使用する、請求項１４に記載の方法。
17. 中央粒径ｄ５０が３〜１０μｍ、好ましくは５μｍのマイクロ粉末（３２２）、および長さの中央値Ｌ５０が１０〜１００μｍ、好ましくは１０〜８０μｍの繊維（３４０）を使用する、請求項１５に記載の方法。
18. 懸濁液を噴霧し、それによって中央粒径ｄ５０が１０〜７０μｍの実質上球状のマイクロ液滴（３２；３３２）を生成することを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 液滴（３２；３３２）が加熱経路を通って移動する間に、蒸発または揮発ステップが実施されることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
20. 積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体の製造に使用するための実質上球状の粉末粒子を含む、特に請求項１〜１３のいずれかに記載の粉末の製造方法であって、補強用および／または強化用繊維（４４０）が、場合によっては、熱可塑性マトリックス材料からなる粉末粒子（４３０）に埋め込まれ、以下の方法ステップ、すなわち
    （ａ）任意選択で繊維で強化されたプラスチック材料の粗粒（４５０）を、マトリックス材料の脆化が生じる温度未満に冷却するステップと、
    （ｂ）冷却した粒子を粉砕するステップと、
    （ｃ）所定の分率範囲に基づいて、粉砕物を分離させるステップと
    を含む方法。
21. 粉砕ステップが、ペグミル（４６０）を用いて実施されることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 粉砕ステップが、さらに冷却しながら実施されることを特徴とする、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 分離の方法ステップが、空気分離器（４８０）を用いて実施されることを特徴とする、請求項２０〜２２のいずれかに記載の方法。
24. 粉砕物が、例えばＡｅｒｏｓｉｌ（登録商標）などのマイクロ粒子またはナノ粒子を埋め込み、あるいは集塊させることによって平滑化処理にかけられることを特徴とする、請求項２０〜２３のいずれかに記載の方法。
25. 積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体の製造に使用するための実質上球状の粉末粒子を含む、特に請求項１〜１３のいずれかに記載の粉末の製造方法であって、補強用および／または強化用繊維が、場合によっては、マトリックス材料からなる粉末粒子に埋め込まれ、以下の方法ステップ、すなわち
    ａ）マトリックス材料を液相に移行させるステップと、
    ｂ）場合によっては、繊維を撹拌しながら液相に混ぜ込むステップと、
    ｃ）場合によっては繊維を含む液滴を製造するために、場合によっては繊維を含む液相を、ノズルを通して吹き付けるステップと、
    ｄ）液滴を、凝固経路を通して導くステップと
    を含む方法。
26. 前記液相が、マトリックス材料を融解させることによって得られること、および場合によっては繊維を含む溶融物が、吹き付けられ、続いて冷却経路を通って導かれることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
27. 前記溶融物の霧化が、高温ガス噴射で行われることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
28. 所定の分率範囲に応じて粉末粒子を分離するさらなる方法ステップを特徴とする、請求項２５〜２７のいずれかに記載の方法。
29. 請求項１〜１３のいずれかに記載の粉末を使用して、積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って、三次元構造物または成形体を製造する方法。
30. 請求項１〜１３のいずれかの記載の粉末を使用して、積層製造法（粉末ベースの生成的ラピッドプロトタイピング法）により、例えばＳＬＳ（粉末焼結積層造形法）またはレーザ溶融技術に従って得られる成形体。
31. 内部の、好ましくは三次元骨格様の支柱を含む、請求項３０に記載の成形体。

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