JP2013502324A - 物体を形成する方法、機器、コンピュータ可読記憶媒体およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

物体を形成する方法であって、少なくとも第１の温度での融点をもつ第１の物質および第２の温度での融点をもつ第２の物質を提供すること、第１の物質および第２の物質の少なくとも一部分を、第１の温度および第２の温度を越えて加熱して、実質的溶融合金を形成することであって、溶融合金は、第３の温度での凝固点をもち、第３の温度は第１の温度および第２の温度未満であること、溶融合金の少なくとも一部分に、実質的に固体のさらなる物質を提供することであって、さらなる物質は、第３の温度より高い温度の融点をもつこと、ならびに実質的に固体のさらなる物質の少なくとも一部分を、さらなる物質の融点の温度を越えて加熱することを含む方法。

Description

本発明の実施形態は、物体を形成する方法、機器、コンピュータ可読記憶媒体およびコンピュータプログラムに関する。

ＳＦＦ（固体フリーフォーム製造）は、（たとえば、粉末の形をした）物質の連続的な層単位の成形および固化によって３Ｄ固体部品を作り出すことが可能な製造技術の集まりである。部品の幾何データは、どのような型も道具も必要とすることなく、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）モデルから直接とり、加工して、物体を形成することができる。プラスチック、蝋、金属およびセラミックなど、様々な物質および物質の組合せを、利用されるプロセスに従って加工することができる。

高い密度をもつ十分に機能的な部品を単一のステップで作り出すには、しばしば、粉末粒子の完全な溶融が要求される。完全な溶融は、溶融プールを作成する粉末粒子を十分に液化することが可能な温度を生じ得る高いエネルギー密度（たとえば、レーザビームや電子ビーム）を使用して遂行することができる。新たに生成された溶融プールから熱が除かれると、溶融物質は凝固して、巨大な塊（ｂｕｌｋ ｍａｓｓ）を形成し、しばしばその構造内に新たな粒状物を生成する。

上記プロセスは、金属粉末に適用されると、しばしば、物質の急速な溶融および再凝固を誘発し、これにより、大きな内部熱応力が引き起こされ、部品が凝固の間および後に反る場合がある。反りにより、いくつかの幾何形状（モデルに比較的共通する張出し／支持なし外形など）は、構築中に製造されるアンカで基板に強く押しつけられる必要がある。こうしたアンカは一般に、部品を作り出すのに使われるのと同じ金属から作られ、しばしば扱いにくく、時間をとられ、または部品を作った後で取り外すことが不可能である。アンカを取り外すと、構成要素が損傷され、部品が使用不可能になってしまう場合がある。

したがって、物体を形成する代替的方法および機器を提供することが望ましいであろう。

本発明の様々だが必ずしも全部ではない実施形態によると、物体を形成する方法が提供され、この方法は、少なくとも第１の温度での融点をもつ第１の物質および第２の温度での融点をもつ第２の物質を提供すること、第１の物質および第２の物質の少なくとも一部分を、第１の温度および第２の温度を越えて加熱して、実質的に溶融した合金（以下、実質的溶融合金）を形成することであって、溶融合金は、第３の温度での凝固点をもち、第３の温度は第１の温度および第２の温度未満であること、溶融合金の少なくとも一部分に、実質的に固体のさらなる物質を提供することであって、さらなる物質は、第３の温度より高い温度の融点をもつこと、ならびに実質的に固体のさらなる物質の少なくとも一部分を、さらなる物質の融点の温度を越えて加熱することを含む。

実質的に固体のさらなる物質が溶融合金の少なくとも一部分に提供されると、実質的溶融合金は、合金化物質がその温度を越えても大きくは反らない温度になり得る。

この方法は、さらなる物質を提供するステップと、さらなる物質を加熱して物体を形成するステップとを繰り返すことをさらに含み得る。

物体は実質的に溶融してよく、本方法は、制御されたミクロ構造を含む凝固物体を形成するように物体の冷却を制御することをさらに含み得る。物体の冷却を制御することは、単結晶で構成される凝固物体を形成し得る。

この方法は、溶融合金の温度を、第３の温度より上に、また、第１の物質および第２の物質の融点の温度より下に保つように、実質的溶融合金の加熱を制御することをさらに含み得る。

この方法は、溶融合金の温度を検出すること、検出された温度を使って溶融合金の加熱を、溶融合金の温度を第３の温度より上に、また、第１の物質および第２の物質の融点の温度より下に保つように制御することをさらに含み得る。

この方法は、第１の物質を提供することに先立って、第１の物質を、第１の温度より低い温度まで加熱すること、および／または第２の物質を提供することに先立って、第２の物質を、第２の温度より低い温度まで加熱すること、および／またはさらなる物質を、さらなる物質の融点温度より低い温度まで加熱することをさらに含み得る。

第１の物質および第２の物質は層として提供されてよく、さらなる物質は層として提供されてよい。層は、非混合物質の逐次堆積および／または混合物質の堆積によって形成され得る。

第１の物質、第２の物質およびさらなる物質は、粉末として提供され得る。

実質的に固体のさらなる物質は、少なくとも第１の物質および第２の物質を含み得る。

第１の物質および第２の物質は、共晶混合物を形成する比率で提供されてよく、第１の物質および第２の物質を加熱することは、実質的溶融共晶合金を形成し得る。

第１の物質および第２の物質は、第１の物質および第２の物質を加熱することが実質的溶融過共晶合金または実質的溶融亜共晶合金を形成するような比率で提供され得る。

本発明の様々だが必ずしも全部ではない実施形態によると、物体を形成する機器が提供され、この機器は、第１の温度での融点をもつ第１の物質および第２の温度での融点をもつ第２の物質を含む沈殿器であって、少なくとも第１の物質および第２の物質を沈殿させるように構成された沈殿器と、第１の物質および第２の物質の少なくとも一部分を、第１の温度および第２の温度を越えて加熱して、実質的溶融合金を形成するように構成された加熱器であって、溶融合金は、第３の温度での凝固点をもち、第３の温度は、第１の温度および第２の温度未満である、加熱器とを備え、沈殿器は、溶融合金の少なくとも一部分に実質的に固体のさらなる物質を提供するように構成され、さらなる物質は、第３の温度より高い温度の融点をもつ。

溶融合金の少なくとも一部分に実質的に固体のさらなる物質が提供されると、実質的溶融合金は、合金化物質がその温度を越えると大きくは反らない温度になり得る。

加熱器は、実質的に固体のさらなる物質の少なくとも一部分を、さらなる物質の融点の温度を越えて加熱するように構成され得る。

この機器は、制御されたミクロ構造を含む凝固物体を形成するように、本機器によって作り出された物体の冷却を制御するように構成されたコントローラをさらに備え得る。コントローラは、単結晶を含む凝固物体を形成するように冷却を制御するように構成され得る。

この機器は、実質的溶融合金を加熱して、溶融合金の温度を、第３の温度より高く、また、第１の物質および第２の物質の融点の温度より低く保つように構成されたさらなる加熱器をさらに備え得る。

この機器は、溶融合金の温度を検出するように構成された検出装置と、検出された温度を使って溶融合金の加熱を制御して、溶融合金の温度を、第３の温度より高く、また、第１の物質および第２の物質の融点の温度より低く保つように構成されたコントローラとをさらに備え得る。

この機器は、第１の物質を提供するのに先立って、第１の物質を第１の温度より低い温度まで加熱し、かつ／または第２の物質を提供するのに先立って、第２の物質を第２の温度より低い温度まで加熱し、かつ／またはさらなる物質をさらなる物質の融点温度より低い温度まで加熱するように構成された別の加熱器をさらに備え得る。

沈殿器は、第１の物質および第２の物質を層として提供するように構成されてよく、さらなる物質を層として提供するように構成されてよい。層は、非混合物質の逐次堆積および／または混合物質の堆積によって形成され得る。

第１の物質、第２の物質およびさらなる物質は、沈殿器によって粉末として提供され得る。

実質的に固体のさらなる物質は、第１の物質および第２の物質を含み得る。

第１の物質および第２の物質は、共晶混合物を形成する比率で提供されてよく、第１の物質および第２の物質の加熱は、実質的溶融共晶合金を形成し得る。

第１の物質および前記第２の物質は、前記第１の物質および第２の物質の加熱が実質的溶融過共晶合金または実質的溶融亜共晶合金を形成するような比率で提供され得る。

本発明の様々だが必ずしも全部ではない実施形態によると、コントローラによって実行されると、先行段落のいずれかに記載した方法を実施する命令でエンコードされているコンピュータ可読記憶媒体が提供される。

本発明の様々だが必ずしも全部ではない実施形態によると、コントローラによって実行されると、先行段落のいずれかに記載した方法を実施するコンピュータプログラムが提供される。

本発明の様々だが必ずしも全部ではない実施形態によると、物体を形成する方法が提供され、この方法は、物質を繰り返し沈殿させ、物質の少なくとも一部分を、物質の融点を越えて加熱することによって実質的溶融物体を形成すること、制御されたミクロ構造を含む凝固物体を形成するように、溶融物体の冷却を制御することを含む。

制御冷却は、指向的に実施され得る。

この方法は、凝固中の物体または凝固済みの物体の制御されたミクロ構造が種晶のミクロ構造に従うように実質的溶融物体と接する種晶を提供することをさらに含み得る。種晶は、所定のミクロ構造をもつ固体物体でよい。種晶は、物質がその上に付着される土台でよい。

種晶は、実質的溶融物体の製造の間または後に実質的溶融物体に提供されてよい。

制御冷却は、実質的溶融物体上の単一点から始まってよい。制御冷却は、実質的溶融物体の凝固が種晶のみから広まり、種晶ではない点からは凝固が広まらないことを保証し得る。

この方法は、凝固中の物体または凝固済みの物体の制御されたミクロ構造が種晶のミクロ構造に従うように実質的溶融物体と接する複数の種晶を提供することをさらに含んでよく、制御冷却は、実質的溶融物体上の複数の点から始まり得る。

制御冷却は、実質的溶融部の凝固が複数の種晶のみから広まり、種晶ではない点からは凝固が広まらないことを保証し得る。

溶融物体の冷却を制御することは、単結晶を含む凝固物体を形成し得る。

本発明の実施形態の様々な例をより理解してもらうために、ここで、添付の図面に対して、例示の目的でのみ参照を行う。
本発明の様々な実施形態による機器を示す図である。 本発明の様々な実施形態による、物体を形成する方法を示すフロー図である。 異なる２つの物質が合金化されるときの、異なる物質比率の範囲に渡る、物質の融点温度を示すグラフである。 Ｂｉ、ＺｎおよびＢｉ−Ｚｎの合金の融点を示す示差走査熱量測定（ＤＳＣ）グラフ上のキーポイントを示す概略図である。 本発明の様々な実施形態による、溶融合金の温度を制御する方法を示すフロー図である。 本発明の様々な実施形態による、物体を形成する別の方法を示すフロー図である。

図１は、物体を形成する機器１０を示し、この機器は、第１の温度での融点をもつ第１の物質および第２の温度での融点をもつ第２の物質を含む沈殿器２０であって、少なくとも第１の物質および第２の物質を沈殿させるように構成された沈殿器２０と、第１の物質および第２の物質の少なくとも一部分を、第１の温度および第２の温度を越えて加熱して、実質的溶融合金を形成するように構成された加熱器２２であって、溶融合金は、第３の温度での凝固点をもち、第３の温度は、第１の温度および第２の温度未満である、加熱器とを備え、沈殿器２０は、溶融合金の少なくとも一部分に実質的に固体のさらなる物質を提供するように構成され、さらなる物質は、第３の温度より高い温度の融点をもつ。

以下の説明において、「接続する」および「結合する」という語法ならびにその派生形は、動作可能に接続／結合されることを意味する。任意の数の介在構成要素またはその組合せが存在し得る（介在構成要素なしを含む）ことを理解されたい。

図１は、本発明の様々な実施形態による、物体を形成する機器１０の図を示す。機器１０は、コントローラ１２、メモリ１４、支持具１６、基板１８、側壁１９、沈殿器２０、第１の加熱器２２、検出装置２４および第２の加熱器２６を含む。

コントローラ１２の実装は、ハードウェア単独（たとえば、回路、プロセッサなど）でよく、いくつかの側面を、ファームウェア単独を含むソフトウェアで有してよく、ハードウェアとソフトウェアの組合せ（ファームウェアを含む）でもよい。コントローラ１２は、ハードウェア機能性を可能にする命令を使って、たとえば、汎用または特殊目的プロセッサによって実行される、コンピュータ可読記憶媒体（ディスク、メモリなど）に格納することができる実行可能コンピュータプログラム命令をこのようなプロセッサ内で使うことによって実装され得る。

コントローラ１２は、メモリ１４に対して読み書きを行うように構成される。コントローラは、データおよび／またはコマンドがコントローラ１２によって出力される際に経由する出力インタフェース、およびデータおよび／またはコマンドがコントローラ１２に入力される際に経由する入力インタフェースも備え得る。

メモリ１４は、適切などのメモリでもよく、たとえば、フラッシュメモリなどの永続的内蔵メモリでもよく、ハードディスク、ＳＤ（セキュアデジタル）カードまたはマイクロドライブなどの取外し可能メモリでもよい。メモリ１４は、コントローラ１２にロードされると、機器１０の動作を制御するコンピュータプログラム命令を含むコンピュータプログラム２８を格納する。コンピュータプログラム命令２８は、図２、５に示す方法のステップの少なくとも一部を機器１０が実施することを可能にする論理およびルーチンを提供する。コントローラ１２は、メモリ１４を読み取ることによって、コンピュータプログラム２８をロードし実行することができる。

コンピュータプログラムは、適切などの配信機構３０を介しても機器１０に届き得る。配信機構３０は、たとえば、コンピュータ可読記憶媒体、コンピュータプログラム製品、メモリ素子、ブルーレイディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどの記録媒体、またはコンピュータプログラム２８を有形に実施するどの製造品でもよい。配信機構は、コンピュータプログラム２８を確実に転送するように構成された信号でよい。機器１０は、コンピュータプログラム２８を、コンピュータデータ信号として伝播し、または伝送することができる。

メモリ１４は、単一の構成要素として示されているが、１つまたは複数の別個の構成要素として実装してもよく、その一部または全部は、統合され／取外し可能でよく、かつ／または永続／半永続／動的／キャッシュ型記憶を提供し得る。

「コンピュータ可読記憶媒体」、「コンピュータプログラム製品」、「有形に実施されるコンピュータプログラム」など、または「コントローラ」、「コンピュータ」、「プロセッサ」などへの言及は、シングル／マルチプロセッサアーキテクチャおよびシーケンシャル／並列アーキテクチャなど、様々なアーキテクチャを有するコンピュータだけでなく、ＦＰＧＡ（フィールドプログラム可能ゲートアレイ）、ＡＳＩＣ（特定用途回路）などの特殊回路、信号処理装置および他の装置も包含するものと理解されるべきである。コンピュータプログラム、命令、コードなどへの言及は、プロセッサ向けの命令、または固定機能装置、ゲートアレイもしくはプログラム可能論理素子向けの構成設定などであるかに関わらず、プログラム可能プロセッサ向けのソフトウェア、または、たとえば、ハードウェア装置のプログラム可能内容などのファームウェアを包含するものと理解されるべきである。

支持具１６は、基板１８を支持するほぼ水平な平坦上面を有する。支持具１６は、適切などの形状を有してもよく、たとえば、ほぼ矩形の横断面および奥行きを有してよい。支持具１６は、比較的高温（たとえば、摂氏７００度超）でも固体のままである、適切などの物質で構成されてもよく、たとえばセラミックで構成されてよい。様々な実施形態において、支持具１６は、加工台と呼ばれ得る。

基板１８は、支持具１６によって支持され、沈殿器２０から物質を受け取るように配置される。基板１８は、支持具１６と同様の形状を有してよく、たとえば、ほぼ矩形の横断面および奥行きを有してよい。基板１８は、比較的高温（たとえば、摂氏７００度超）でも固体のままである適切などの物質で構成されてもよく、たとえばセラミックで構成されてよい。

様々な実施形態において、機器１０は、基板１８を含まなくてもよい。こうした実施形態において、物体は、合金化／混入されていない複数（ｎ個）の層を最初に沈殿させることによって形成することができ、次いで、層（ｎ＋１）において、機器１０は、図２に示すとともに以下の段落で論じる方法を開始する。

側壁１９は、支持具１６の周縁部の少なくとも一部の周りに配置され、支持具１６および基板１８から垂直に延びる。側壁１９は、沈殿した物質が基板１８から落ちるのを防止するように配置される。

支持具１６は、支持具１６が側壁１９に対して垂直に動くことを可能にする機構（図示せず）を介して側壁１９に結合される。上記説明から、支持具１６、基板１８および側壁１９は、物体がその中で形成され得るコンテナを形成することを理解されたい。

沈殿器２０は、沈殿される物質を格納する格納部材と、格納物質を沈殿させる１つまたは複数の開口とを備える。コントローラ１２は、沈殿器２０が基板１８の少なくとも一部分の上に物質を沈殿させ得るように、基板１８の上での沈殿器２０の動きを制御するように構成され得る。他の実施形態では、沈殿器２０は、機器１０のユーザによって手動で操作することができる。沈殿器２０は、沈殿した物質の表面を平坦にするように構成してもよい。たとえば、沈殿器は、表面全体に物質を拡散するブレードを備えてよい。

第１の加熱器２２は、基板１８に沈殿した物質に熱を与えるように構成される。第１の加熱器２２は、所望の温度（たとえば、摂氏６００度）を越えて物質を加熱する適切などの加熱器でもよく、たとえば、レーザ、電子エミッタ、赤外線ランプまたは誘導加熱器でよい。コントローラ１２は、沈殿した物質の少なくとも一部分が加熱されるように、基板１８の上での第１の加熱器２２の動きを制御するように構成すればよい。たとえば、コントローラ１２は、メモリ１４からデータ（たとえば、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ファイル）を読み取り、そのデータを使って第１の加熱器２２を制御することができ、その結果形成された物体は、ＣＡＤファイル中のモデルを表す。他の実施形態では、第１の加熱器２２は、機器１０のユーザによって手動で操作することができる。

検出装置２４は、基板１８に沈殿した物質の温度を検出し、検出された温度を、処理のためにコントローラ１２に与えるように構成される。検出装置２４は、たとえば、電子温度計でも、熱電対でも、高温計でも、赤外線熱画像カメラでもよい。本実施形態では、検出装置２４は、機器１０の側壁１９の１つに位置決めされるものとして示してある。他の実施形態では、検出装置２４は、他の所（たとえば、基板１８上や、沈殿した物質の上）に置いてもよく、さらなる実施形態では、機器１０は、機器１０上の異なる位置（たとえば、側壁１９上および基板１８上）に置かれ得る複数の検出装置２４を備えてよい。

第２の加熱器２６は、基板１８に沈殿した物質に熱を与えるように構成され、支持具１６および／または基板１８および／または側壁１９を加熱することもできる。第２の加熱器２６は、基板１８に沈殿した物質の温度を、所望の温度に保つ適切などの加熱器でもよい。コントローラ１２は、検出装置２４から受け取った、検出された温度を処理し、検出された温度を使って第２の加熱器２６を制御するように構成される。本実施形態では、第２の加熱器２６は、機器１０の側壁１９の１つに位置決めされるものとして示してある。他の実施形態では、第２の加熱器２６は、他の所（たとえば、基板１８上）に置いてもよく、さらなる実施形態では、機器１０は、機器１０上の異なる位置（たとえば、側壁１９上および基板１８上）に置かれ得る複数の第２の加熱器２６を備えてよい。様々な実施形態において、第２の加熱器２６は、機器１０のユーザによって手動で操作することができる。第２の加熱器は、放射によって（たとえば、沈殿した物質の上で赤外線加熱器を使って）熱を供給することができる。

様々な実施形態において、機器１０は、第２の加熱器２６を含まなくてよい。こうした実施形態において、基板１８に沈殿した物質は、比較的低い凝固点温度を有する場合があり、加熱を要求しない場合がある。さらに、第１の加熱器２２は、第２の加熱器２６と同じ機能性（すなわち、基板１８に沈殿した物質に熱を与える）を提供するように構成してよい。たとえば、第１の加熱器２２は、物質を混入／合金することなく、沈殿した物質の温度を保つように、沈殿した物質全体に対して素早く走査され得る電子ビームを与えることができる。沈殿した物質は、要求される場合は沈殿した物質を混入／合金するために、異なる速度／パワーなどで走査され得る。

物体を形成するための機器１０の動作について、ここで図１、２、３、４を参照して記載する。

プロセスの最初（ステップ３２）で、機器１０は、支持具１６が側壁１９の最上部近くに垂直に位置決めされるように配置される。沈殿器２０は、基板１８上に少なくとも第１の物質および第２の物質を提供し、第１の物質および第２の物質を、側壁１９の最上部とほぼ同じ高さになるように平坦にする（追加物質は、沈殿器２０によって機器１０から取り払われる）。上述したように、機器１０は、基板１８を含まない場合があり、代わりに、最初に物質の複数の非合金層を沈殿させ、次いで、複数の層の上に第１の物質および第２の物質を提供することができる。

本実施形態では、第１の物質は、沈殿器２０によって粉末として提供され、第２の物質は、沈殿器２０によって粉末として提供される。第１の物質および第２の物質は、予め混合しておき、一緒に沈殿させてよい。あるいは、第１の物質が第１の層として沈殿され、次いで、第２の物質が第１の層の上に沈殿されて第２の層を形成するように、第１の物質および第２の物質は順々に沈殿させてよい。他の実施形態では、第１および第２の物質は、粉末とは異なる形（たとえば、塊やワイヤーの形）でもよい。

任意の数の異なる物質を、ステップ３２で、第１および第２の物質とともに沈殿させてよいことを理解されたい。たとえば、ステップ３２は、第１および第２の物質と、さらに第３および第４の物質とを沈殿させることを含み得る。

第１の物質および第２の物質に対する、物質の選択およびこうした物質の相対比率について、図３、４を参照して以下の段落で論じる。

概して、第１および第２の物質は、第１の物質の融点温度および第２の物質の融点温度より低い凝固点温度をもつ合金を形成する比率で提供され得るどの物質でもよい。

図３は、全体合金化物質の百分率としての、第１の物質（グラフ中では物質Ａとラベルづけされている）と第２の物質（グラフ中では物質Ｂとラベルづけされている）との比率に対する水平（Ｘ）軸４２、ならびに第１および第２の物質の温度に対する垂直（Ｙ）軸４４、ならびに様々な比率で合金化されるときの第１および第２の物質の凝固点を表すトレース４６を有するグラフを示す。図３は本質的に位相図であり、線４６は事実上、固相線である。線４６より上の温度は、実質的に液体の物質を表し、線４６より下の温度は、実質的に液体ではなく、半液体や固体などの状態を含み得る。

トレース４６は、第１の物質のみの融点／凝固点に対応する第１の温度で始まる。トレース４６は、トレース４６上の最低限度を形成するある特定の物質比率（この例では５０％）まで、Ｘ軸に沿って位置が増大するのに従って負の勾配をもつ。トレース４６は次いで、Ｘ軸に沿って位置が増大するのに従って正の勾配をもち、第２の物質のみの融点／凝固点に対応する第２の温度で終わる。

トレース４６は、第１および第２の物質のある特定の比率（この例では５０％）で、最低限度（すなわち、合金化された第１および第２の物質の最も低い融点／凝固点）をもつことを図３から理解されたい。この最低限度は一般に、「共晶点」と呼ばれ、このような物質の組合せは一般に、共晶合金と呼ばれる。共晶点は、第１の物質の融点温度および第２の物質の融点温度より低い融点／凝固点温度を有する。

一実施形態では、第１の物質は、融点が摂氏２７１度のビスマス（質量が組成物全体の９７パーセント）でよく、第２の物質は、融点が摂氏４１９度の亜鉛（組成物全体の３パーセント）でよい。図４は、こうした２つの物質と、続いてこうした物質が、摂氏４１９度を超える加熱により形成する共晶合金との融点のＤＳＣグラフ上のキーポイントを示す概略図を示す。この概略グラフは、温度に対する水平（Ｘ）軸および熱流量に対する垂直（Ｙ）軸を含む。グラフは、加熱が行われると、ビスマスが摂氏２７１度で溶融すること、および亜鉛が摂氏４１９度で溶融することを示す。ただし、冷却が行われると、共晶ビスマス亜鉛合金は、摂氏２５３度で凝固する。

別の実施形態では、第１の物質は、融点が摂氏６６０度のアルミニウム（組成物の３２．３パーセント）でよく、第２の物質は、融点が摂氏６４９度のマグネシウム（組成物の６７．７パーセント）でよい。摂氏６６０度を超えて加熱すると、アルミニウムとマグネシウムは、凝固点温度が摂氏４３７度の共晶アルミニウムマグネシウム合金を形成する。

合金化された第１および第２の物質の凝固点温度が第１の物質の融点温度および第２の物質の融点温度より低くなるような、第１および第２の物質の比率範囲があることも、図３から理解されたい。こうした第１および第２の物質の組成物は一般に、組成物中の各物質が、特定の共晶合金組成物より多いかそれとも少ないかによって、過共晶または亜共晶と呼ばれる。こうした実施形態において、合金化された第１および第２の物質の凝固点温度は、形成された合金の固相線となることを理解されたい。

たとえば、アルミニウム（組成物の６５パーセント）とマグネシウム（組成物の３５パーセント）との合金は、融点が摂氏４５１度の亜共晶合金を形成する。この亜共晶合金の凝固点温度は、アルミニウムおよびマグネシウム両方の融点温度未満であることを理解されたい。

したがって、第１の物質および第２の物質は、第１の物質の融点温度および第２の物質の融点温度より低い凝固点温度をもつ合金を形成する比率で提供されるどの物質でもよい。

図２に戻ると、ステップ３４でコントローラ１２は、基板１８上に沈殿した第１および第２の物質の少なくとも一部分に熱を与えるように、第１の加熱器２２を制御する。第１の加熱器２２は、第１および第２の物質を、溶融して溶融合金を形成するように、そのそれぞれの融点温度を越えて加熱する。上に詳しく記載したように、この合金は、第１の物質および第２の物質の融点温度より低い凝固点温度をもつ。

ステップ３２が、様々な追加物質（たとえば、第３の物質、第４の物質など）を提供することを含む場合、様々な追加物質の少なくともいくつかは、合金化された第１および第２の物質の凝固点温度より低い融点温度を有し得ることを理解されたい。たとえば、第１の物質はアルミニウムでよく、第２の物質はマグネシウムでよく、ステップ３２で提供される第３の物質はリチウムでよい。リチウムは、形成されたアルミニウム、マグネシウム、リチウム合金の最も低い凝固点温度（物質の比率に応じて、約摂氏４５０度）より低い摂氏１８０度の融点温度をもつ。

これにより、論理的にはリチウムは溶融されるが、リチウムが非常に小さい比で供給されても、やはり部品が作られ、加熱器２２によって合金化されていない周辺物質からはずされることを、本発明者は理解している。

ステップ３２で提供される様々な追加物質の少なくともいくつかは、比較的高い融点温度を有してよく、ステップ３４で熱が与えられたときに溶融しなくてよいことも理解されたい。

ステップ３６で、コントローラ１２は、実質的に固体のさらなる物質を、基板１８を覆うように、そうすることによって溶融合金の少なくとも一部分に提供するように沈殿器２０を制御する。また、実質的に固体のさらなる物質が機器１０の側壁１９と同じ高さになるように、支持具１６は、垂直に下方向に動かされる。さらなる物質は、溶融合金の凝固点温度より高い融点温度をもつ。したがって、実質的に固体のさらなる物質は、実質的溶融合金の上に沈殿されたとき、固体のままである。

さらなる物質が実質的溶融合金に提供されるとき、実質的溶融合金は、液体でも、半液体でも、部分的に溶融し、または部分的に凝固していてもよい（たとえば、溶融合金の上面が、凝固膜を形成し得る）ことを理解されたい。様々な実施形態において、合金化物質は、その温度を下回ると、熱的に誘導された応力が、物体を弱らせる（たとえば、合金化物質が大きく／壊れるほど巻き上がる）のに十分な反りを引き起こすことになる温度まで冷えるはずはない。したがって、実質的溶融合金は、大きく／壊れるほど反り得る温度より上に留まるはずである。

溶融合金上に沈殿されるのに先立って、さらなる物質は、さらなる物質の融点温度未満の温度まで加熱してよい。このことは、溶融合金へのさらなる物質の追加により、溶融合金が実質的に冷却されることはないという利点をもたらす。

さらなる物質は、第１の物質および／または第２の物質を含んでよく、粉末でよい。他の実施形態では、実質的に固体のさらなる物質は、第１および第２の物質とは異なる１つ／複数の物質を含んでよく、粉末とは異なる形（たとえば、塊やワイヤーの形）でよい。様々な実施形態において、ステップ３６は、さらなる物質とは異なる追加物質（複数可）を提供することを含み得る。ステップ３６が、複数の物質を提供することを含む場合、沈殿した物質は、層の中で予め混合して提供してもよく、順番に提供してもよい。追加物質（複数可）は、溶融合金の凝固点温度より低い融点温度を有し得る。追加物質（複数可）は、比較的高い融点温度を有してよく、物体の形成中は固体のままであり得る。

ステップ３８で、コントローラ１２は、実質的に固体のさらなる物質の少なくとも一部分に熱を与えるように第１の加熱器２２を制御する。第１の加熱器２２は、実質的に固体のさらなる物質を、さらなる物質が溶融するように、さらなる物質の融点温度を越えて加熱する。溶融されたさらなる物質が、ステップ３４で形成された溶融合金の最上部に位置決めされる場合、溶融されたさらなる物質は、溶融合金に混入する。

次いで、加熱された物質から所望の物体が形成されるまで、ステップ３６、３８が繰り返される。比較的複雑な３次元形状をもつ物体は、アンカを必要とすることなく、物質の各連続層の様々な領域を加熱し溶融させることによって形成され得ることを理解されたい。図１に示したように、ステップ３２から３８により、粉末化物質の複数の層５２（一般に、粉体床と呼ばれる）および物体５４が基板１８上に形成され得る。物体５４を囲む、加熱され溶融されていない物質は、粉末のままである。物体（複数可）のすべての層が、第１の加熱器２２によって合金化されているときは、冷却に先立って、部品（複数可）の最上部に複数の層を沈殿させ、部品（複数可）の凝固を完了することが有利な場合がある。

機器１０は、物体５４を冷却し凝固させる冷却器（たとえば、ファン）をさらに含んでよい。冷却され凝固されると、物体５４は、基板１８から取り外すことができ（基板１８に付着されている場合）、複数の層５２の中の残りの物質は、さらなる物体を形成するために破棄しても残してもよい。他の実施形態では、物体５４は、ステップ３２から３８の間に少なくとも部分的に凝固する場合があり、物質の最終層が沈殿されると、冷却を必要としない場合がある。

本発明の様々な実施形態において、また、図５に示すように、コントローラ１２は、ステップ３２、３４、３６、３８の間に、検出装置２４から溶融合金の検出温度を受け取り得る（ステップ５６）。コントローラは、溶融されていない物質から、検出温度を受け取り得る。コントローラ１２は次いで、溶融合金に熱を与えて溶融合金の温度を、溶融合金の凝固点温度は超えるがさらなる物質の融点温度未満に保つように、第２の加熱器２６を制御すればよい（ステップ５８）。物体５４が形成され、冷却される準備ができるまで、ステップ５６、５８を繰り返してよい。

コントローラ１２は、溶融物体５４が指向的に冷却され、物体の一端から他端（たとえば、上から下）に、制御された方向で凝固するように、第２の加熱器２６および冷却器を制御すればよい。指向的冷却は、凝固／再結晶化フロントの制御を可能にし、粒状構造の形成の制御を可能にし、粒状構造の制御は、所望の粒状構造（たとえば、単結晶構造）の形成を可能にし得る。したがって、この形の指向的冷却は、単結晶で構成される物体５４を機器１０が形成することを可能にし得る（ステップ４０）。部品（複数可）の制御冷却により、単結晶ではない他の構造の形成も可能になり得る。単結晶金属の形成は、冶金学の分野において公知であるので、ここではそれ以上詳しくは説明しない。

図６は、本発明の様々な実施形態による、物体を形成する別の方法のフロー図を示す。図６に示す方法は、図２に示す方法と同様であり、ステップが同様である場合は、同じ参照番号が使われる。図６に示す方法は、所望の粒状構造を有する物体がどのように形成され得るかに関する例示的な実施形態を提供する。

図６に示す方法は、この方法が、凝固中の物体または凝固済みの物体の制御されたミクロ構造が種晶のミクロ構造に従うように、実質的溶融物体と接する種晶を提供することをさらに含むという点で、図２に示す方法とは異なる。種晶は、所定／公知のミクロ構造を有する固体物体であり、適切などの形状を有してもよい。

種晶は、ステップ３２に先立ってステップ６０で提供することができ、したがって、物質がその上に付着される土台を提供する。あるいは、種晶は、実質的溶融物体の製造中（ステップ６２、すなわちステップ３４と３６との間またはステップ３６と３８との間）に、または実質的溶融物体の製造後（ステップ６４、すなわちステップ３８と４０との間）に実質的溶融物体に提供してよい。

単一の種晶が提供される場合、制御冷却は、実質的溶融物体上の単一点から始まる。制御冷却は、実質的溶融物体の凝固が、種晶からのみ広まり、種晶ではない点からは凝固が広まらないことを保証する。

複数の種晶が、実質的溶融物体と接して提供される場合、凝固中の物体または凝固済みの物体の制御されたミクロ構造は、種晶のミクロ構造に従う。本実施形態では、制御冷却は、実質的溶融物体上の複数の点から始まる。繰り返しになるが、制御冷却は、実質的溶融部の凝固が、複数の種晶から広まり、種晶ではない点からは凝固が広まらないことを保証する。

本発明の実施形態は、いくつかの利点をもたらす。このような利点の１つは、溶融合金は、比較的低い融点温度をもつので、物体５４の凝固が遅れ、物体／部分的に完成した物体が凝固する前に、かなりの厚みの物質が沈殿され得ることである。これにより、凝固するときの物質の反りを低減し、結果的に、形成された物体を、ＣＡＤファイル中のモデルに一層類似させるのが助けられ得る。検出装置２４および第２の加熱器２６の動作は、物体が完成されるまで、物体を、溶融した形に維持するのを支援し得る。

物質の反りが削減されるので、物体の張出し部分を適切な場所で強く支えるためのアンカ構造をモデルに含める必要をなくすことができる。したがって、本発明の実施形態は、このような支持構造を取り外すための物体の機械加工など、後に続く後処理動作を削減することができる。

図２、５、６に示すブロックは、方法におけるステップおよび／またはコンピュータプログラム２８中のコードのセクションを表し得る。ブロックに対するある特定の順序の例示は、ブロックに対して要求され、または好まれる順序があることを必ずしも含意するものではなく、ブロックの順序および配列は、変えてもよい。さらに、一部のステップを省くことも可能であり得る。

先行段落において、様々な例を参照して本発明の実施形態を記載したが、特許請求される本発明の範囲から逸脱することなく、挙げた例に対する修正を行ってよいことを理解されたい。たとえば、２つより多い物質を図２のステップ３２、３６で提供して、共晶／過共晶／亜共晶合金を形成してもよい。

第１の物質は、元素（たとえば、アルミニウム）でも合金でもよい。第１の物質は、純粋でもよく、不純物を含んでもよい。第２の物質は、元素（たとえば、マグネシウム）でも合金でもよい。第２の物質は、純粋でもよく、不純物を含んでもよい。さらなる物質は、元素（たとえば、マグネシウム）、物質（たとえば、アルミニウム粉末とマグネシウム粉末）の組合せまたは合金でよい。第２の物質は、純粋でもよく、不純物を含んでもよい。第１の物質、第２の物質およびさらなる物質は、金属、ポリマー、セラミックおよび／または有機成分を含んでよい。

本発明の様々な実施形態において、機器１０は、物質を繰り返し沈殿させ、物質の少なくとも一部分を、その物質の融点を越えて加熱することによって、実質的溶融物体を形成することができる。物質は、どの金属性物質を含んでもよく、必ずしも共晶合金、過共晶合金または亜共晶合金を含まなくてよい。機器１０は、所望の粒状構造（たとえば、単結晶）を含む凝固物体を形成するように溶融物体の冷却を制御する（たとえば、上述したようにファンおよびさらなる加熱器などの冷却器を使って）ように構成され得る。凝固物体は、先行段落に記載したように、１つまたは複数の種晶から形成され得る。

上記説明において記載した特徴は、明示的に記載した組合せ以外の組合せで使ってもよい。

特定の特徴を参照して機能を記載したが、こうした機能は、記載したかどうかに関わらず、他の特徴によっても実施可能であり得る。

特定の実施形態を参照して特徴を記載したが、こうした特徴は、記載したかどうかに関わらず、他の実施形態でも存在してよい。

上記明細では、特に重要と思われる、本発明の特徴に興味を引き付けるように努力したが、本出願人は、特に強調したかどうかに関わらず、これ以前で言及し、かつ／または図面に示した、特許可能などの特徴または特徴の組合せについても保護を請求することを理解されたい。

Claims (44)

1. 少なくとも第１の温度での融点をもつ第１の物質および第２の温度での融点をもつ第２の物質を提供するステップと、
   前記第１の物質および第２の物質の少なくとも一部分を、前記第１の温度および第２の温度を越えて加熱して、実質的溶融合金を形成するステップであって、前記溶融合金は、第３の温度での凝固点をもち、前記第３の温度は前記第１の温度および前記第２の温度未満である、ステップと、
   前記溶融合金の少なくとも一部分に、実質的に固体のさらなる物質を提供するステップであって、前記さらなる物質は、前記第３の温度より高い温度の融点をもつ、ステップと、
   前記実質的に固体のさらなる物質の少なくとも一部分を、前記さらなる物質の前記融点の前記温度を越えて加熱するステップと
   を含むことを特徴とする、物体を形成する方法。
2. 前記実質的に固体のさらなる物質が前記溶融合金の少なくとも一部分に提供されると、前記実質的溶融合金は、前記合金化物質がその温度を越えても大きくは反らない温度になることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. さらなる物質を提供する前記ステップと、前記さらなる物質を加熱して物体を形成する前記ステップとを繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記物体は実質的に溶融され、前記方法は、制御されたミクロ構造を含む凝固物体を形成するように前記物体の冷却を制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記物体の前記冷却を制御するステップは、単結晶で構成される凝固物体を形成することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記溶融合金の前記温度を、前記第３の温度より上に、また、前記第１の物質および第２の物質の前記融点の前記温度より下に保つように、前記実質的溶融合金の加熱を制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記溶融合金の前記温度を検出するステップと、前記検出された温度を使って前記溶融合金の前記加熱を、前記溶融合金の前記温度を前記第３の温度より上に、また、前記第１の物質および第２の物質の前記融点の前記温度より下に保つように制御するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の物質を提供するステップに先立って、前記第１の物質を、前記第１の温度より低い温度まで加熱するステップ、および／または前記第２の物質を提供するステップに先立って、前記第２の物質を、前記第２の温度より低い温度まで加熱するステップ、および／または前記さらなる物質を、前記さらなる物質の前記融点温度より低い温度まで加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ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第１の物質および前記第２の物質は層として提供され、前記さらなる物質は層として提供されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記層は、非混合物質の逐次堆積および／または混合物質の堆積によって形成されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の物質、前記第２の物質および前記さらなる物質は、粉末として提供されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記実質的に固体のさらなる物質は、少なくとも前記第１の物質および前記第２の物質を含むことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記第１の物質および前記第２の物質は、共晶混合物を形成する比率で提供され、前記第１の物質および第２の物質を加熱するステップは、実質的溶融共晶合金を形成することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記第１の物質および前記第２の物質は、前記第１の物質および第２の物質を加熱するステップが実質的溶融過共晶合金または実質的溶融亜共晶合金を形成するような比率で提供されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
15. 添付の図面を参照してほぼ説明し、かつ／または示してあることを特徴とする方法。
16. 第１の温度での融点をもつ第１の物質および第２の温度での融点をもつ第２の物質を含む沈殿器であって、少なくとも前記第１の物質および前記第２の物質を沈殿させるように構成された沈殿器と、
    前記第１の物質および第２の物質の少なくとも一部分を、前記第１の温度および第２の温度を越えて加熱して、実質的溶融合金を形成するように構成された加熱器であって、前記溶融合金は、第３の温度での凝固点をもち、前記第３の温度は、前記第１の温度および前記第２の温度未満である、加熱器と
    を備え、
    前記沈殿器は、前記溶融合金の少なくとも一部分に実質的に固体のさらなる物質を提供するように構成され、前記さらなる物質は、前記第３の温度より高い温度の融点をもつことを特徴とする、物体を形成する機器。
17. 前記溶融合金の少なくとも一部分に前記実質的に固体のさらなる物質が提供されると、前記実質的溶融合金は、前記合金化物質がその温度を越えると大きくは反らない温度になることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
18. 前記加熱器は、前記実質的に固体のさらなる物質の少なくとも一部分を、前記さらなる物質の前記融点の前記温度を越えて加熱するように構成されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の機器。
19. 制御されたミクロ構造を含む凝固物体を形成するように、前記機器によって作り出された物体の冷却を制御するように構成されたコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の機器。
20. 前記コントローラは、単結晶を含む凝固物体を形成するように冷却を制御するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の機器。
21. 前記実質的溶融合金を加熱して、前記溶融合金の前記温度を、前記第３の温度より高く、また、前記第１の物質および第２の物質の前記融点の前記温度より低く保つように構成されたさらなる加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１６ないし２０のいずれか１項に記載の機器。
22. 前記溶融合金の前記温度を検出するように構成された検出装置と、前記検出された温度を使って前記溶融合金の前記加熱を制御して、前記溶融合金の前記温度を、前記第３の温度より高く、また、前記第１の物質および第２の物質の前記融点の前記温度より低く保つように構成されたコントローラとをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の機器。
23. 前記第１の物質を提供するのに先立って、前記第１の物質を前記第１の温度より低い温度まで加熱し、かつ／または前記第２の物質を提供するのに先立って、前記第２の物質を前記第２の温度より低い温度まで加熱し、かつ／または前記さらなる物質を前記さらなる物質の前記融点温度より低い温度まで加熱するように構成された別の加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１６ないし２２のいずれか１項に記載の機器。
24. 前記沈殿器は、前記第１の物質および前記第２の物質を層として提供し、前記さらなる物質を層として提供するように構成されることを特徴とする請求項１６ないし２３のいずれか１項に記載の機器。
25. 前記層は、非混合物質の逐次堆積および／または混合物質の堆積によって形成されることを特徴とする請求項２４に記載の機器。
26. 前記第１の物質、前記第２の物質および前記さらなる物質は、前記沈殿器によって粉末として提供されることを特徴とする請求項１６ないし２５のいずれか１項に記載の機器。
27. 前記実質的に固体のさらなる物質は、前記第１の物質および前記第２の物質を含むことを特徴とする請求項１６ないし２６のいずれか１項に記載の機器。
28. 前記第１の物質および前記第２の物質は、共晶混合物を形成する比率で提供され、前記第１の物質および第２の物質の加熱は、実質的溶融共晶合金を形成することを特徴とする請求項１６ないし２７のいずれか１項に記載の機器。
29. 第１の物質および前記第２の物質は、前記第１の物質および第２の物質の加熱が実質的溶融過共晶合金または実質的溶融亜共晶合金を形成するような比率で提供されることを特徴とする請求項１６ないし２８のいずれか１項に記載の機器。
30. 添付の図面を参照してほぼ説明し、かつ／または示してあることを特徴とする機器。
31. コントローラによって実行されると、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法を実施する命令でエンコードされていることを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体。
32. コントローラによって実行されると、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法を実施することを特徴とするコンピュータプログラム。
33. 物質を繰り返し沈殿させ、前記物質の少なくとも一部分を、前記物質の前記融点を越えて加熱することによって実質的溶融物体を形成するステップと、
    制御されたミクロ構造を含む凝固物体を形成するように、前記溶融物体の冷却を制御するステップと
    を含むことを特徴とする、物体を形成する方法。
34. 前記制御冷却は、指向的に実施されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 前記凝固中の物体または凝固済みの物体の前記制御されたミクロ構造が前記種晶のミクロ構造に従うように前記実質的溶融物体と接する種晶を提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
36. 前記種晶は、所定のミクロ構造をもつ固体物体であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
37. 前記種晶は、前記物質がその上に付着される土台であることを特徴とする請求項３５または３６に記載の方法。
38. 前記種晶は、前記実質的溶融物体の製造の間または後に前記実質的溶融物体に提供されることを特徴とする請求項３５または３６に記載の方法。
39. 前記制御冷却は、前記実質的溶融物体上の単一点から始まることを特徴とする請求項３３ないし３８のいずれか１項に記載の方法。
40. 前記制御冷却は、前記実質的溶融物体の凝固が前記種晶のみから広まり、種晶ではない点からは凝固が広まらないことを保証することを特徴とする請求項３５ないし３９のいずれか１項に記載の方法。
41. 前記凝固中の物体または凝固済みの物体の前記制御されたミクロ構造が前記種晶のミクロ構造に従うように前記実質的溶融物体と接する複数の種晶を提供するステップをさらに含み、前記制御冷却は、前記実質的溶融物体上の複数の点から始まることを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
42. 前記制御冷却は、前記実質的溶融部の凝固が前記複数の種晶のみから広まり、種晶ではない点からは凝固が広まらないことを保証することを特徴とする請求項４１に記載の方法。
43. 前記溶融物体の冷却を制御するステップは、単結晶を含む凝固物体を形成することを特徴とする請求項３３ないし４２のいずれか１項に記載の方法。
44. 前記請求項に記載した同じ発明の範囲内であり、または前記発明に関するかどうかに関わらず、開示したことを特徴とする、新規性のある任意の主題または新規性のある主題を含む組合せ。

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