JPH11513746A - 熱硬化性材料を使った物品形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 試作部品および射出成形用試作金型のような物品を製造する方法を開示する。本方法は、選択的レーザー焼結または別の付加的な熱処理を、複合粉末、好ましくは熱可塑性ポリマーでコートした金属粒子の粉末に加えることにより、物品を「加工途中の」状態に製造することから始まる。次に、加工途中の物品と熱硬化性材料の水性乳剤との両方とも、熱可塑性ポリマーのガラス転移温度未満の温度に予熱する。次に加工途中の物品を水性乳剤で溶浸させる。熱硬化性材料は、適切な架橋剤と共にある熱硬化性ポリマーとすることができ、または熱可塑性結合剤ポリマーと反応する架橋剤とすることができる。溶浸後、物品を乾燥させ、これで熱硬化性材料の硬質骨格が物品の構造内に存在する。ここでさらに処理を実施できる。物品を、ポリマーの分解温度を超える温度に加熱し、その結果、ポリマーを追い出しかつ金属粒子を互いに焼結できる。代わりに樹脂を物品に加えて、金属−ポリマー複合物品を形成できる。この結果、物品のＣＡＤ表現を基準として物品の寸法精度を維持するような方法で、高強度物品を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】 熱硬化性材料を使った物品形成方法 本発明は、試作物品の製造に関し、より詳細には、選択的レーザー焼結による そのような物品と鋳物の形成に関する。発明の背景 部品の迅速な試作品制作の分野は近年、多くの有用な物品の設計と試験生産と に使うための、高強度で高密度な部品を提供するという点で、大きな改良を成し 遂げている。「迅速な試作品制作」（rapid prototyping）とは一般に、計算機 援用設計（ＣＡＤ）データベースから直接、かつ自動的に物品を製造することを 指す。これは従来の、技術図面からの試作部品の機械加工とは対照的である。結 果として、技術図面から試作部品を製造するのに必要な時間は、従来の機械加工 を使った場合の数週間から数時間に短縮された。 迅速な試作品制作技術の一つの例は、テキサス州、オースチン（Austin）のDT M Corporationから入手可能な装置で実施される選択的レーザー焼結加工である 。この技術によれば物品は、一度に一層ずつ供給されるレーザー可融な粉末から 層毎に（in layerwise fashion）製造される。粉末は、レーザーエネルギーの利 用により溶融すなわち焼結されるが、このレーザーエネルギーは、物品の断面に 対応する粉末部分に、ラスター走査方式で向けられるものである。各層での粉末 の溶融の後に、次にさらに粉末の層を供給し、加工を繰り返し、後の層の溶融し た部分を前の層の溶融した部分と溶融させて（物品に適切に）、これを物品が完 成するまで行う。選択的レーザー焼結技術の詳細な説明を見ることができるのは 、米国特許第4,863,538号、同第5,017,753号、同第5,076,869号、同第4,944,817 号、全てBoard of Regents，The University of Texas Sysemに譲渡済み、及び 米国特許第4,247,508号、DTM Corporationに譲渡済み、であり、これらは全て参 考文献として本文書中に含まれている。選択的レーザー焼結技術により、ワック スと、ポリカーボネートと、ナイロンと、他のプラスチックスと、ポリマーコー トした金属及びセラミックスのような複合材料とを含む様々な材料から、高解像 度と高寸法精度とを有する三次元物品を直接製造することが可能となっている。 ワックス部品は、周知の「ロストワックス」法による金型の生成に使うことでき る。複 合粉末材料の例は、米国特許第4,944,817号、同第5,156,697号、及び同第5,284, 695号、全てBoard of Regents，The University of Texas Sysemに譲渡済み、で 説明されており、これらは参考文献として本文書中に含まれている。 試作物品の製造自体に加えて、選択的レーザー焼結加工は現在、１０，０００ 回の使用を超える予想工具寿命を有するような射出成形用試作金型の製造にも使 われている。選択的レーザー焼結によるそのような金型の製造には従来、ポリマ ー類でコートした金属粒子の粉末を使っており、この粒子から、ポリマーコーテ ィングの選択的レーザー焼結により、粒子を互いに結合させて「加工途中の」（ green）部品を製造する。次に加工途中のこの部品を、ポリマーの分解温度を超 える温度に加熱して、ポリマーを追い出し（drive off）、かつ金属生地粒子（m etal substrate particles）を互いに結合させて金属物品を形成する。物品が射 出成形用の成形ダイである場合、ダイに別の金属、例えば銅を含浸もさせること で、強度、耐摩耗性、及び金型寿命を増す。 別の従来方法によれば、ポリマー−金属複合部品または金型を、加工途中の部 品に後処理アニール（post-process anneal）をせずに形成できる。この技術で は、ポリマーコートした金属粉末の選択的レーザー焼結により成形した加工途中 の部品に、液状樹脂を含浸させる。樹脂は、樹脂の化学的性質によって室温また は高い温度で架橋して、ほぼ完全に稠密な（near-fully dense）複合物品を生じ る。 これらの従来技術によれば、熱可塑性ポリマー類は粉末中のポリマーコーティ ングとして、従って加工途中の部品の結合剤として、好適な種類となっている。 この理由は、熱可塑性ポリマー類は長期の保管時間にわたってかなり安定である からというもので、これは周知のように保管時間内に反応することがある熱硬化 性ポリマー類とは対照的である。従って、熱可塑性ポリマー類の選択的レーザー 焼結加工の状態は、熱硬化性ポリマー類の状態と比べて安定である。選択的レー ザー焼結加工に使われる複合粉末の例は、上記に参照した米国特許第5,284,695 号で説明されており、またＵＣＡＲ−４３０ポリマーとメタクリル酸メチル及び アクリル酸ブチルのコポリマーとがあり、各々、セラミックまたは金属生地上に 噴霧乾燥させて複合粉末を形成できる。 従来の複合粉末の特定の例は、アクリル酸エステルを基にした熱可塑性プラス チック（例えば、Ａ６３９、Zeneca Inc.から入手可能）であり、ガラス転移温 度６９℃を有する。これを流動床に加えることで、平均粒子径５５μmの炭素鋼 粉末（例えば、１０４５または１０８０鋼）に均一にコートする。この複合粉末 中のポリマー含有量は、複合粉末の約１．０重量％（７体積％）である。 周知のように、加工途中の物品の構造強度は、物品の実用性における重要な要 因であり、というのは弱い物品では、その後の作業で損傷なく取り扱うことがで きないからである。試作物品の品質における別の重要な要因は、設計寸法を基準 とした寸法精度である。しかしながら、部品強度と寸法精度というこれらの要因 は、後処理アニールの焼結で起きる粉末の高密度化も物品の収縮を引き起こすこ とを考えると、通常互いに対立している。例えば、上記に説明したポリマーコー トした鋼粉末のポリマー含有量は、加工途中の部品にさらに高い強度を与えるた めには、１重量％から上に増やすことができるだろうが、後処理アニールにおけ る部品の収縮はそれに応じて大きくなるだろう。結果として、選択的レーザー焼 結によって、特に射出成形金型用の高精度試作物品を形成することは困難であっ たが、というのは部品強度と寸法安定性との間の妥協を、粉末の設計で行わなけ ればならないからである。 熱可塑性ポリマー結合剤を取り込む従来の複合粉末については、他の難点も観 察されている。そのような結合剤を使った加工途中の部品に後処理アニールを行 う際に、ポリマー結合剤のガラス転移温度を超える温度でただし結合剤が放出さ れる分解温度未満の温度に部品を加熱した時に、クリープ変形が観察されている 。この温度範囲は、Ａ６３９熱可塑性ポリマーの場合６９℃〜約３５０℃の間で あるが、この温度範囲では、ポリマー粘度の減少は、重力を受けて鋼生地粒子が 互いに滑る（slide past）程のものになる。このクリープ変形の結果として、物 品の寸法が変化するのみならず、この寸法変化は、高い部分（taller features ）の方が低い部分に比べて大きく変形するという点で均一ではない。このような 変形の不均一性のため、加工途中の部品の選択的レーザー焼結製造において、常 数の収縮補正係数を使うことが不可能となり、高密度と高強度とを有し、かつ寸 法の正確な物品を実現するのがさらに困難になる。 クリープ変形により、高さのみならず、側壁のような垂直部分の形状も変形す ることが観察されている。例えば、ポリマーコートした金属粉末を選択的レーザ ー焼結して形成されたモールドキャビティの垂直壁は、厚さ０．７５インチで高 さ１．５インチであるが、クリープ変形の結果として外に向かって曲がることが 観察されている。溶浸済み最終部品の寸法精度は、もちろんそのような変形によ り、ひどく損なわれる。 加工途中の部品に、架橋樹脂を含浸させて金属−ポリマー複合物品を製造する 際には、歪みも観察されている。この歪みの原因は、架橋樹脂（例えば、アクリ ル酸エステルを基にした熱硬化性樹脂類であり、例としてＲｅｓｉｎｏｌ ＲＴ Ｃ、Loctite Companyから入手可能）と、選択的レーザー焼結用複合粉末の熱可 塑性結合剤ポリマーとが反応することにある。熱硬化性樹脂は熱可塑性結合剤を 可塑化し、これにより、含浸樹脂が完全に架橋する前の含浸処理中に、加工途中 の部品の形状を維持できなくなる。 従って、本発明の目的は、寸法制御が改良されるように、選択的レーザー焼結 によって高密度で高強度の物品を製造する方法を提供することにある。 さらに本発明の目的は、安定な保管寿命特性を有する複合粉末に基づく方法を 提供することにある。 さらに本発明の目的は、金属物品と金属−ポリマー複合物品との製造に使うこ とができる方法を提供することにある。 さらに本発明の目的は、物品製造中に本当に起きる収縮が、実質的に均一であ るような方法を提供することにある。 さらに本発明の目的は、射出成形用の試作金型の製造において、特に有益な方 法を提供することにある。 本発明の他の諸目的と利益とは、以下の明細書と共に図面を参照することで当 業者に明らかになろう。発明の要約 本発明は、選択的レーザー焼結による、物品例えば試作部品または射出成形用 の金型の製造方法に組み入れることができる。本発明によれば、ポリマー結合剤 が熱可塑性ポリマー類であるような、金属−ポリマー複合粉末を、選択的レーザ ー焼結して「加工途中の」部品を形成する。この製造に続いて、加工途中の部品 を熱硬化性材料で溶浸させ、その後この部品を加熱する。熱硬化性材料は、架橋 可能なポリマーと架橋剤との水性乳剤とすることができ、またはその代わりに架 橋剤のみの水性乳剤とすることができる。第一の場合には、架橋剤は、溶浸材中 の架橋可能なポリマーと反応することで、加工途中の物品のための硬質骨格（ri gld skeleton）を形成する。第二の場合には、架橋剤は、加工途中の物品のポリ マー結合剤と反応することで、硬質骨格を形成する。この硬質骨格の形成に続い て、物品を加熱してポリマーを分解し、また金属生地粒子を焼結できる。本発明 のいずれかの実施例によれば、ポリマー樹脂を物品に含浸させて、完全に稠密な 金属−ポリマー複合物品を形成できる。図面の簡単な説明 図１は、本発明の第一の好適な実施例に従って物品を製造する方法を説明する 流れ図である。 図２は、本発明の第二の好適な実施例に従って物品を製造する方法を説明する 流れ図である。 図３は、本発明の第三の好適な実施例に従って物品を製造する方法を説明する 流れ図である。発明の詳細な説明 本発明の好適な実施例によれば、加工途中の状態及び完成物品の両方において 、複雑な形状の三次元物品を、高い寸法精度と良好な部品強度とをもって作るこ とができる。加えて本発明により、複合粉末の結合剤コーティングとして熱可塑 性ポリマーの使用が可能となり、選択的レーザー焼結用粉末に関して良好な保管 寿命特性が得られる。本発明は、試作射出用モールドと金型との製造に特に有用 であるが、本発明を使って、試作部品の製造に利益をもたらすこともでき、例え ば機械系の模型制作（modeling）に使うことができることは理解されよう。それ どころか、選択的レーザー焼結法と本発明の方法とを使って、最終利用物品とそ のための部品を製造でき、経済的な面が許す限りは、特に特注または非常に限定 された生産で製造できることは意図されている。そのため、「物品」という用語 は以下、部品（試作または最終利用）または射出成形用金型を指すために使い、 従って物品の様々な最終利用を含む。 ここで図１を参照して、本発明の第一の好適な実施例に従って物品を製造する 方法を、詳細に説明する。本発明のこの実施例によれば、本方法は工程１０から 始まり、この工程では、金属−ポリマー複合結合剤を選択的レーザー焼結して「 加工途中の」物品を形成する。「加工途中の」という用語は、物品の中間的な状 態であり、以下に説明するような高密度化の前の状態を指す。本発明のこの実施 例によれば、工程１０で使う複合粉末はポリマーコートした金属粉末であり、こ の粉末中のポリマーコーティングすなわち結合剤は、金属生地粒子を完全に覆う 熱可塑性ポリマーである。本発明のこの実施例に関して有用な複合粉末の好適な 例は、現在、選択的レーザー焼結加工で従来から使われているものであるが、平 均粒径約５５μmを有する１０４５または１０８０鋼の球形粒子のような低炭素 鋼の生地を有し、これをアクリル酸エステルを基にした熱可塑性ポリマー、例え ば、Ａ６３９、Zeneca Inc.から入手可能、でコートしたものである。ポリマー 結合剤は好ましくは、従来の流動床技術で金属粉末生地粒子に加え、その結果鋼 粒子を完全に覆う。本発明のための複合粉末中の好適なポリマー含有量は、約１ 重量％であり、これは７体積％に相当する。 代わりとして粉末を、金属またはセラミックのような高温材料とポリマー結合 剤との混合物とすることができる。しかしながら、上記に説明したコートした粉 末が好適であり、というのは、これは加工途中の物品のポリマー含有量を最小に し、従って後処理アニール時の収縮の程度も最小にするからである。 選択的レーザー焼結工程１０は、好ましくは、現代的な選択的レーザー焼結装 置、例えばＳＩＮＴＥＲＳＴＡＴＩＯＮ（登録商標）２０００装置、DTM Corpor ationから入手可能、で実施する。上記に参照した特許で説明したように工程１ ０では、加工途中の物品を層毎に製造するために、好ましくは制御環境で、ター ゲット表面に粉末の薄層を供給し、次に粉末層の選択された位置にレーザーエネ ルギーを加え、その場所で粉末を溶融すなわち焼結させる。粉末がポリマーコー トした金属粉末であるような本発明によれば、粉末粒子は、ポリマー結合剤の融 解と冷却とにより互いに溶融するのであり、金属生地粒子の焼結（この場合は、 非常に大きいレーザー出力が必要になるだろう）によるものではない。物品の計 算機援用設計（ＣＡＤ）データベース表現で定義される通りにして、粉末層の選 択 された位置は、物品形成予定の層の部分に対応する。層の選択的溶融後、それに 続く層を前に加工した層の上に配置し、形成予定の物品のＣＡＤ「スライス」に 対応する層の位置で、かつ新しい層で、選択的溶融を繰り返す。前の層の粉末の 溶融部分の上に重なるこうした層部分は、焼結時に前の層の溶融部分に結合し、 それにより固体の物品が生じる。各層の未溶融粉末は、それに続く層の支持媒体 となり、物品中に突出要素を形成することを可能にする。工程１０の結果として 、加工途中の物品は、所望のサイズと形状とに形成される。 工程１０で使う選択的レーザー焼結装置の特定の設定値と操作パラメータとは 、当業者には容易に選択できることは意図されている。これらのパラメータに含 まれる項目は、レーザー出力、レーザー走査速度、チャンバー周囲温度、層厚さ 及びその他同等なものである。一般にこうした操作パラメータの値は、所定の市 販の粉末、例えば上記に説明したポリマーコートした金属粉末に関して、装置製 造業者が提供する文書によれば最適化されている。 熱を基にした他の付加的な工程を代わりに使って、加工途中の物品を形成でき る。例えば、工程１０を実施する際に、複合粉末を層毎にマスクで遮断して光に 露光し、その結果溶融対象の粉末部分を光に露光し、未溶融部分をマスクで光か ら遮断することは意図されている。 工程１０が完了したら、次に工程１２を実施して、未溶融すなわち未焼結粉末 を物品の周囲から従来方法で除去する。そのような除去は、一般的に「粗除去」 （rough break-out）と呼ばれ、通常、未溶融粉末の機械的除去を伴い、加工途 中の物品を生じる。希望するなら、この時に加工途中の物品をさらに表面処理で きる。 本発明のこの第一の好適な実施例によれば、熱硬化性ポリマーとそれに対応す る架橋剤とを含む溶浸材を、加工途中の物品に加えることになっている。好まし くは、ポリマー乳剤の固体含有量は、０．２５重量％〜２０．０重量％の範囲に ある。乳剤の固体含有量のこの上限は、溶浸済みの加工途中の物品でポリマー含 有量が過度に増加することを防ぐためのものであり、その結果下記に説明するよ うに、余分のポリマー含有量が原因となる欠陥は、それに続く熱処理時には起き ない。溶浸材の好適な種類は、ＢＭＡ−スチレンコポリマーとそれに対応する架 橋剤との水性乳剤である。そのような水性乳剤の特定の例で、粉末のポリマー結 合剤がＡ３６９である場合に有用な水性乳剤は、７重量％のＡ６２２コポリマー 、Zeneca Inc.から入手可能と、３重量％のＣｙｔｅｃ３８５、メラミン・ホル ムアルデヒド架橋剤樹脂でCytec Industriesから入手可能とを組み合わせたもの である。 他の熱硬化性ポリマーも本発明で使うことができることは意図され、こうした 熱硬化性ポリマーは例えば、フェノールを基にしたポリマー、エポキシを基にし たポリマー（この例は、ＥＰＩ−ＲＥＺ Ｒｅｓｉｎ ＷＤ ５１０ポリマー、 Shell Chemical Companyから入手可能）、及びウレタンを基にしたポリマー（こ の例は、Ｎｅｏｒｅｚ Ｒ−９０００シリーズ、Zenecaから入手可能）であり、 各場合に、もちろん適切な架橋剤を乳剤に含むことは意図されている。 最終完成物品の寸法精度の必要性を考えれば、加工途中の物品の溶浸材として 水性乳剤または溶液を使用することは、非常に好適である。例えば、液状ポリマ ーを加工途中の物品の溶浸材として使った場合、溶浸済みの加工途中の物品のポ リマー含有量は大きくなって（例えば、約１１重量％）、結合剤の分解時に、膨 れ、亀裂及び他の欠陥の危険を引き起こす程の含有量になるだろう。従って、熱 硬化性ポリマーを担う溶液または乳剤が好適であるのは、溶浸済みの加工途中の 物品のポリマー含有量を、溶浸により過度に大きくしないことが観察されている からである。さらに、メタノールまたはトルエンのような有機溶媒は、一般にポ リマー溶液の媒質として使うことができないのは、これらは、加工途中の物品の 熱可塑性結合剤と反応して可塑化することが観察されているからである。そのた め、本発明のこの実施例に従い、ポリマーと架橋剤との水性乳剤を、熱硬化性ポ リマーの供給基材（delivery vehicle）として使う。 上記に言及したように、熱硬化性ポリマーは保管中に反応することがあり、そ の結果、選択的レーザー焼結用複合粉末中のポリマー結合剤として使うのは適切 ではない。しかしながら、熱硬化性ポリマーの水性乳剤は、本発明のこの実施例 によれば、溶浸材として有用であるのは、熱硬化性ポリマーの特性は溶液中にあ る間に変化しないからである。その上、熱硬化性ポリマーの特性のいかなる変化 も、もちろん選択的レーザー焼結加工に影響を及ぼさないのは、熱硬化性ポリマ ーは加工途中の物品に加えられるのみであり、選択的レーザー焼結を受ける粉末 の構成成分ではないからである。 本発明のこの実施例によれば、水性乳剤の組成によるが、溶浸材と加工途中の 物品との両方を予熱することは、溶浸工程を助するために望ましいことがある。 図１に示すように、溶浸材の水性乳剤を工程１３で予熱し、また加工途中の物品 も工程１５で予熱する。水性乳剤と加工途中の物品とを各々予熱する温度は、好 ましくは、加工途中の物品のポリマー結合剤のガラス転移温度（Ｔ_g）未満とし て、物品の予熱中におけるかまたは予熱した水性乳剤による加工途中の物品の溶 浸中におけるクリープ変形を避ける。熱可塑性結合剤がＡ６３９であるような上 記の例においては、予熱は、ガラス転移温度６９℃未満でなければならない。溶 浸材と加工途中の物品との予熱は、これから説明する溶浸工程１６を大きく助け ることが観察されている。 予熱工程１３、１５の後で工程１６を実施し、この工程で加工途中の物品を、 上記に説明した熱硬化性ポリマーと架橋剤との水性乳剤で溶浸させる。そのよう な溶浸を行うための好適な技術は、予熱した加工途中の物品を予熱した溶浸材の 水性乳剤中に置き、選択された時間の間、加工途中の物品をその中に維持すると いうものである。一般に、溶浸材は、加工途中の物品中に毛管現象で吸い上げら れ（wick）、その結果、物品を乳剤に完全に浸漬する必要はない。物品を溶浸材 乳剤中に数分間、加工途中の物品が完全に溶浸されるまで保つ。この飽和状態は 、目視検査で容易に明らかになる。 工程１６の溶浸後、溶浸済みの加工途中の物品を工程１８で乾燥させ、水性乳 剤の水媒質を追い出す。乾燥工程１８も、好ましくは加工途中の物品の熱可塑性 ポリマー結合剤のガラス転移温度未満の温度で実施し、再度、これはクリープ変 形を防ぐためである。Ａ６３９がポリマー結合剤となるような例の場合、乾燥は 約５０℃で行うことができ、これは溶浸済みの加工途中の物品を溶浸材の水性乳 剤から取り出した後に行う。乾燥工程中に、架橋剤は溶浸材の熱硬化性ポリマー と反応し、硬化して物品のために硬質骨格を生じる。いったん加工途中の物品の 微細構造の周囲に硬質骨格が形成されると、加工途中の物品は一般に、架橋した ポリマーにより構造強度が改良される。物品の実際の強度は、溶浸材の量及び化 学的性質と乾燥温度とによる。上記に説明した例の場合、三点曲げ強度で約４０ ０psiが観察されている。加工途中の部品のこの強度増加により、部品がそれに 続く処理に対してより強くなるのみならず、加工途中の物品を損傷なく出荷でき る。 工程２０の分解アニールを、本発明のこの実施例によれば次に実施し、ここで 物品に高温アニールを施す。工程２０は一般に、物品を窒素または窒素−水素混 合雰囲気に、高い温度で曝すことで実施される。この温度は、加工途中の物品の 形成材料である複合粉末の熱可塑性ポリマー結合剤の分解温度を超える温度であ り、かつまた架橋熱硬化性ポリマーの分解温度を超える温度である。この高い温 度で、複合粉末の熱可塑性ポリマー結合剤と溶浸材の架橋熱硬化性ポリマーとの 両方は分解し、物品から追い出される。このポリマー分解すなわち結合解除（de bonding）をした後、物品が受ける温度をさらに上げ、金属の焼結温度（例えば 、７００℃より大）にし、その結果金属粒子は互いに焼結し、完成金属物品が形 成される。上記の例の場台、加工途中の物品を、熱可塑性ポリマー結合剤Ａ３６ ９を含む粉末から形成させてから、Ａ６２２ポリマーとＣｙｔｅｃ３８５架橋剤 との乳剤で溶浸させているが、工程２０は、最初に温度３５０℃で約５時間実行 しなければならず、これは架橋したＡ６２２ポリマーが３００℃〜４００℃の間 で分解することを考えてのことである。続いて物品を７００℃より高い温度で加 熱し、例えば温度を約１０００℃に約８時間ランピング（ramping）することで 、金属焼結をもたらす。本発明のこの実施例によれば、工程２０が完了すると、 加工途中の物品の形状と寸法に実質的に一致する形状と寸法を有する金属物品が 生じる。 希望するなら、ここで金属物品に銅のような別の金属を含浸でき、これは最終 部品または金型の作成では普通である。このようにしてこの含浸により、射出成 形のような高摩耗性使用（high wear use）に適切な、完全に稠密な物品が生じ る。 従って、本発明のこの実施例によれば、架橋熱硬化性ポリマーにより得られる 硬質骨格により、物品は、分解中に形状と寸法特性とを保持でき、かつ硬質骨格 により、温度上昇時に熱可塑性ポリマーの粘度が減少するにもかかわらず、クリ ープ変形を防ぐことができる。結果として、本発明のこの実施例の方法により、 選択的レーザー焼結用粉末中の金属生地粒子をコーティングする熱可塑性ポリマ ーを使うことができ、従って粉末に高い保管寿命安定性を与えることができる。 この恩恵は、加工途中の物品を高い寸法精度で製造するという形で得られ、これ が可能なのは、クリープ変形の影響は、架橋熱硬化性ポリマー溶浸材で形成され た硬質骨格により妨害されるからである。その上、加工途中の物品のポリマー含 有量は最小になるので、分解と焼結時に起きる収縮も最小になる。 ここで図２を参照して、本発明の別の好適な実施例に従って金属物品を製造す る方法を、詳細に説明する。図１に示すものと同じ工程は、同じ参照符号で参照 する。図２に示すように、本方法は工程１０から始まり、この工程では、選択的 レーザー焼結して複合粉末から加工途中の物品を形成する。複合粉末は好ましく は、図１に関して上記に説明したように、熱可塑性ポリマーでコートした金属生 地である。工程１０に続いて前の通り、工程１２で、加工途中の物品から未溶融 すなわち未焼結粉末は除去される。 本発明のこの実施例によれば、加工途中の物品は架橋剤の水性乳剤で溶浸させ ることになっており、この架橋剤はそれに続いて加工途中の物品のポリマー結合 剤と反応する。本発明のこの実施例によれば、有用な架橋剤の好適な例は、Ｃｙ ｔｅｃ３８５、メラミン・ホルムアルデヒド架橋剤樹脂でCytec Industriesから 入手可能、及びＣＸ１００、多官能（polyfunctional）アジリジン樹脂でZeneca Reslnsから入手可能、を含む。架橋剤の水性乳剤の好適な例は、Ｃｙｔｅｃ３ ８５架橋樹脂の１重量％溶液である。選択的レーザー焼結加工に使用される複合 粉末の熱可塑性ポリマーと反応する他の架橋剤も、本発明のこの実施例において 利用できることは意図されている。 図１に関して上記に説明した方法におけるように、加工途中の物品を架橋剤で 溶浸させる前に、加工途中の物品と溶浸材との両方を予熱するのが好適である。 実際、Ｃｙｔｅｃ３８５樹脂の１％溶液は、室温では加工途中の物品に溶浸でき ないことが観察されている。従って図２に示すように、工程１５で加工途中の物 品を、ポリマー結合剤のガラス転移温度未満の温度に予熱し、かつ工程２１で架 橋剤の水性乳剤を同様の温度に予熱する。 次に工程２３を実施し、この工程で、加工途中の物品を架橋剤の水溶液で溶浸 させる。図１に関して前に説明した本発明の実施例におけるように、この溶浸を 実施するためには、単に予熱済みの加工途中の物品をある体積の水性乳剤中に置 くだけでよいのは、乳剤は、加工途中の物品に飽和するまで「毛管現象で吸い上 げられ」るからであり、これには一般に数分間かかり、また容易に観察できる。 いったん工程２３の溶浸が完了したら、溶浸済みの加工途中の物品を次に工程 ２４で乾燥させるが、この時の温度は、加工途中の物品の熱可塑性ポリマー結合 剤のガラス転移温度未満である。工程２４の乾燥中に、溶浸材中の架橋剤は加工 途中の物品のポリマー結合剤と反応し、溶浸済みの加工途中の物品のための硬質 骨格を生じる。この例では、硬質骨格は、架橋ポリマー結合剤から形成され、か つ、ポリマー結合剤のガラス転移温度を超える温度で物品が加熱される時に、ク リープ変形を受けない。再度、工程２４の乾燥は、ポリマー結合剤のガラス転移 温度未満の温度で起きなければならず、この温度は例えば、Ａ６３９ポリマーを 使った時に５０℃であり、その結果、架橋反応の前にクリープ変形は起きない。 本発明のこの実施例によれば、従って構造強度の大きくなった加工途中の物品が 得られる。 工程２４における硬質骨格形成に続いて、架橋ポリマーの硬質骨格を有する加 工途中の物品を、最初にポリマーの分解温度を超える温度に加熱し、ポリマーを 分解しかつ追い出す。次に、金属生地粒子を互いに焼結するのに十分な温度に加 熱する。これは上記に説明した通りである。この加熱は、不活性雰囲気、例えば 窒素または窒素−水素混合雰囲気中で実施し、既に存在する酸化物を除去し、か つさらに焼結中の金属の酸化を防ぐ。希望するなら、ここで金属物品に銅のよう な別の金属を含浸できる。図１に関して上記に説明した実施例におけるように、 図２の方法により、熱可塑性ポリマーでコートした金属生地粒子の複合粉末を、 選択的レーザー焼結することで形成された、金属物品が生じ、これは優れた保管 寿命特性を有する一方、それに続く高温焼結とポリマー分解とのステップを通じ て、なお優れた寸法安定性を保つ余裕がある。加えて、前に説明した実施例にお けるように、加工途中の物品のポリマー含有量は最小になるので、分解と焼結時 の物品の収縮も最小になる。 ここで図３を参照して、本発明の別の実施例を説明するが、ここでは金属−ポ リマー複合物品を製造する。図３の工程は、図２に関して上記に説明したものと 同じステップを含み、これは工程２４を含めた工程までを指す。この工程２４で は、加工途中の物品のポリマー結合剤のガラス転移温度未満の温度で、溶浸済み の加工途中の部品を乾燥させる。前の通り、選択的レーザー焼結で製造した加工 途中の物品はここで、架橋剤との反応後に熱可塑性ポリマー結合剤自体から形成 された硬質骨格を有し、その結果、より高い温度での作業時のクリープ変形を防 ぐことができる。 本発明のこの実施例によれば、次に工程３０を実施し、この工程でポリマー樹 脂を物品に含浸させる。このポリマー樹脂は、物品のポリマーコートした粒子の 間の間隙を埋めるためのものであり、これにより完全に稠密な金属−ポリマー複 合物品を生じる。ポリマー樹脂の好適な例は、本発明のこの実施例によれば、Ｒ ｅｓｉｎｏｌ ＲＴＣである。ポリマー樹脂の含浸は、溶浸工程２４と同様に実 施し、単に物品をある体積の樹脂中に置き、樹脂は飽和するまで、物品に毛管現 象で吸い上げられる。含浸工程３０に続いて、工程３２ではポリマー樹脂を適切 な方法で、一般には含浸済み物品を加熱することで硬化し、完全に稠密な金属− ポリマー複合物品を形成する。 図１と２に関して上記に説明した本発明の実施例におけるように、本発明のこ の実施例に従う方法により高強度物品を形成でき、この場合金属−ポリマー複合 品を、金属と熱可塑性ポリマーとの複合粉末を選択的レーザー焼結して形成でき る。最終金属−ポリマー複合物品は、物品中に硬質骨格を形成することにより、 改良された方法で形成でき、その際ポリマー樹脂は、加工途中の物品のポリマー 結合剤を可塑化しない。 本発明の各実施例によれば、高強度物品は、耐摩耗性材料、例えば鋼または金 属−ポリマー複合品から製造され、従って、適度な寿命（約１，０００〜１０， ０００回の使用）を有する試作用射出成形金型として使うのに適切である。本発 明のこの実施例によれば、物品は高精度で製造でき、かつクリープ変形及び他の 歪みの影響を受けにくい方法で製造できる。 本発明を、その好適な実施例に従って説明したが、こうした実施例の変更及び 代案、本発明の利益と恩恵を獲得するような変更及び代案は、本明細書と図面と を参照することで当業者に明らかになることはもちろん意図されている。そのよ うな変更及び代案は、本文書中に続いて請求するように、本発明の範囲内にある ことは意図されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ブース，リチャード・ビー アメリカ合衆国テキサス州78660，プフル ガーヴィル，カミレ・コート 304

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 熱可塑性ポリマー結合剤を有する複合粉末を選択的に焼結することにより 、加工途中の物品を形成するステップと、 前記加工途中の物品を、熱硬化性材料の水性乳剤で溶浸させるステップと、 前記溶浸済みの加工途中の物品を乾燥させるステップと、 を含む物品製造方法。 ２． 前記乾燥ステップの後に、前記物品を第一の温度に加熱して、前記ポリマ ー結合剤を分解させるステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 ３． 前記複合粉末は金属粒子をさらに含むことと、 前記加熱ステップは、前記物品を前記第一の温度を超える第二の温度に加熱して 、前記金属粒子を互いに焼結するステップをさらに含むことを特徴とする請求項 ２記載の方法。 ４． 前記水性乳剤は、 熱硬化性ポリマーと、 該熱硬化性ポリマーを架橋するための架橋剤と、 を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。 ５． 前記加熱ステップの後に、前記物品に金属を含浸させるステップをさらに 含むことを特徴とする請求項４記載の方法。 ６． 前記水性乳剤は、 前記熱可塑性ポリマー結合剤を架橋するための架橋剤を含むことを特徴とする請 求項１記載の方法。 ７． 前記乾燥ステップの後に、前記物品を加熱して、前記ポリマー結合剤を分 解させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。 ８． 前記乾燥ステップの後に、前記物品にポリマー樹脂を含浸させるステップ と； 該樹脂を硬化するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法 。 ９． 前記溶浸ステップの前に、前記水性乳剤を予熱するステップをさらに含む ことを特徴とする請求項１記載の方法。 １０． 前記溶浸ステップの前に、前記加工途中の物品を、前記ポリマー結合剤 のガラス転移温度未満の温度に予熱するステップをさらに含むことを特徴とする 請求項１記載の方法。 １１． 前記溶浸ステップの前に、前記水性乳剤を、前記ポリマー結合剤のガラ ス転移温度未満の温度に予熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項 １０記載の方法。 １２． 熱可塑性ポリマー結合剤を有する複合粉末を選択的に焼結することによ り、加工途中の物品を形成するステップと、 前記加工途中の物品を、熱硬化性材料の水性乳剤で溶浸させるステップと、 前記溶浸済みの加工途中の物品を乾燥させるステップと、 を含む前記方法により製造する物品。 １３． 前記方法は、 前記乾燥ステップの後に、前記物品を第一の温度に加熱して、前記ポリマー結合 剤を分解させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の物品。 １４． 前記複合粉末は金属粒子をさらに含むことと、 前記加熱ステップは、前記物品を前記第一の温度を超える第二の温度に加熱して 、前記金属粒子を互いに焼結するステップをさらに含むことを特徴とする請求項 １３記載の物品。 １５． 前記水性乳剤は、 熱硬化性ポリマーと、 該熱硬化性ポリマーを架橋するための架橋剤と、 を含むことを特徴とする請求項１４記載の物品。 １６． 前記方法は、 前記加熱ステップの後に、前記物品に第二の金属を含浸させるステップをさらに 含むことを特徴とする請求項１５記載の物品。 １７． 前記水性乳剤は、 前記熱可塑性ポリマー結合剤を架橋するための架橋剤を含むことを特徴とする請 求項１２記載の物品。 １８． 前記方法は、 前記乾燥ステップの後に、前記物品にポリマー樹脂を含浸させるステップと； 該樹脂を硬化するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の物 品。