JP2017031505A

JP2017031505A - 生産物の付加製造のための装置および方法

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Publication number: JP2017031505A
Application number: JP2016139865A
Authority: JP
Inventors: マーク・ショウ; Shaw Mark; デイビッド・リチャード・バーンハート; Richard Barnhart David; ロナルド・レッデン; Redden Ronald; シオドア・アンダーソン; Anderson Theodore; グレゴリー・ムスター・モリス; Muster Morris Gregory
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: BR102016016322A2; EP3124140A2; EP3124140A3; CN106395408B; EP3124140B1; CN106395408A; JP6340040B2; US10357827B2; US20190321889A1; CA2936668A1; US20170028472A1; CA2936668C; US11292063B2

Abstract

【課題】生産物の付加製造のための装置および方法を提供する。
【解決手段】付加製造装置（３００）が、ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）を備えるとともに、以下の構成要素、すなわち（ａ）方向性のエネルギ源（７２、３７２）、（ｂ）粉末供給部（１４、１１４、３１４）、（ｃ）粉末回収容器（２２、１２２、１５４、２２２）、および（ｄ）粉末アプリケータ（１６、１１６、３１６）のうちの少なくとも１つを備えるが、すべては備えないビルドモジュール（１０、１００、２００）と、（ａ）〜（ｄ）のうちの前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）に含まれない残りの構成要素を備えるワークステーション（７１、７１’）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、広くには、付加製造装置に関し、さらに詳しくは、部品の大量生産のための装置に関する。

「付加製造（アディティブ・マニュファクチャリング）」は、（伝統的な機械加工プロセスのような材料の除去と対照的に）層ごとの構築または積層造形を含むプロセスを表すために本明細書において使用される用語である。そのようなプロセスは、「ラピッド製造プロセス（ｒａｐｉｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）」と称されることもある。付加製造プロセスとして、これらに限られるわけではないが、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェットおよびレーザジェットなどによる３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、レーザ・エンジニアリング・ネット・シェイピング（ＬＥＮＳ）、および直接金属積層（ＤＭＤ）が挙げられる。

現時点において、粉末床の技術が、先行技術の金属付加製造技術の最良の解決の能力を示している。しかしながら、製作が粉末床において行われる必要があるため、従来の装置は、大量の粉末を使用し、例えば粉末の量が１３０ｋｇ（３００ｌｂｓ）を超える可能性がある。これは、多数の装置を使用する工場の環境を考えると、高コストである。直接的に溶融して部品となるわけではないが、隣接した粉末床に含まれる粉末が、昇降システムに重量を加え、シールおよびチャンバの圧力の問題を複雑にし、部品の製作の終わりにおける部品の回収にとって有害であり、現時点において大型の部品について考慮される大型の床のシステムにおいて扱いにくくなるがゆえに、問題である。

さらに、現時点において利用可能な付加製造システムは、試作およびきわめて少量の製造に適する。部品間にかなりの相違が存在し得る。現在のシステムのいくつかの構成要素は、重量ゆえに取り扱いが面倒であり、法外な手作業による現場での相互作用が必要となる可能性がある。多数の部品を製造するために多数の装置を並列に並べると、結果として、制御部ならびに冷却および環境制御部などのコンポーネントおよびサービスの高価な重複につながる。

したがって、大量生産のやり方で部品を製造することができる付加製造装置および方法について、ニーズが依然として存在する。

米国特許出願公開第２０１５／００１７２７１号明細書

このニーズは、１つ以上の単純化されたビルドモジュール（ｂｕｉｌｄｍｏｄｕｌｅ）を、中央に設けられ、あるいはビルドモジュール間で共有される１つ以上の共通コンポーネントと組み合わせて利用する付加製造装置を提供する本明細書に記載の技術によって対処される。

本明細書に記載の技術の一態様によれば、付加製造装置が、ビルドチャンバ（ｂｕｉｌｄｃｈａｍｂｅｒ）を有するとともに、以下の構成要素、すなわち（ａ）方向性（ｄｉｒｅｃｔｅｄ）のエネルギ源、（ｂ）粉末供給部、（ｃ）粉末回収容器、および（ｄ）粉末アプリケータのうちの少なくとも１つを有するが、すべては有さないビルドモジュールと、（ａ）〜（ｄ）のうちの前記ビルドモジュールに含まれない残りの構成要素を有するワークステーションと、を備える。

本明細書に記載の技術の別の態様によれば、付加製造装置が、方向性のエネルギ源を備えるワークステーション、第１のビルドチャンバと第１のビルドチャンバの反対側に作業表面を過ぎて延び、作業空間を定めている周壁とを備えるビルドモジュール、およびビルドモジュールを移動させてワークステーションに出し入れするように動作することができる輸送機構を備える。

本明細書に記載の技術の別の態様によれば、付加製造方法が、ビルドチャンバを有するビルドモジュールをワークステーションへと移動させるステップと、ビルドチャンバ内に配置されたビルドプラットフォーム（ｂｕｉｌｄｐｌａｔｆｏｒｍ）へと粉末を配置するステップと、方向性のエネルギ源からビームを案内し、粉末を融合させるステップと、プラットフォームを粉末の層増分だけビルドチャンバにおいて鉛直方向に下方へと移動させるステップと、配置、案内、および移動のステップをサイクルにて繰り返すことで、部品を層ごとのやり方で作り上げ、完成させるステップと、を含む。

本発明を、以下の説明を添付の図面と併せて参照することによって、最もよく理解することができる。

本明細書に記載の技術の一態様に従って構成された付加製造ビルドモジュールの断面図である。図１のビルドモジュールの上面図である。別の付加製造ビルドモジュールの断面図である。図３のビルドモジュールの上面図である。アセンブリラインにおける図１のビルドモジュールの概略の側面図である。アセンブリラインにおける別のビルドモジュールの概略の側面図である。アセンブリラインにおける図３のビルドモジュールの概略の側面図である。別の付加製造ビルドモジュールの断面図である。回転アセンブリセンタにおける図８のビルドモジュールの概略の上面図である。

一般に、本明細書に記載の技術の態様は、複数のビルドモジュールがアセンブリラインプロセスにおいて使用される付加製造装置および方法を提供する。個々のビルドモジュールが、先行技術の付加装置と比べて単純化され、特定の部品または選択された部品群を製造するために必要な構成要素だけを含むように構成されてよく、共通の構成要素は、中央に用意され、あるいはビルドモジュール間で共有される。

ここで図面を参照すると、種々の図を通して、同じ構成要素は同一の参照番号によって指し示されており、図１および２が、本明細書に記載の技術の一態様による製造方法を実行するための典型的な付加製造ビルドモジュール１０を示している。ビルドモジュール１０は、作業表面１２と、粉末供給部１４と、アプリケータ１６と、ビルドプラットフォーム２０を囲むビルドチャンバ１８と、粉末回収容器２２とを備えている。これらのコンポーネントの各々は、さらに詳しく後述される。

作業表面１２は、堅固な構造体であり、仮想の作業面と同一平面にあり、仮想の作業面を定めている。図示の例において、作業表面１２は、ビルドチャンバ１８に連絡しているビルドチャンバ開口２４と、粉末供給部１４に連絡している供給開口２６と、粉末回収容器２２に連絡している回収開口２８とを備えている。モジュール１０は、作業空間３２を定めるように作業表面１２を過ぎて延びている周壁３０を備えている。作業表面１２は、ビルドモジュール１０の周壁３０によって囲まれている。随意により、図１に示されるとおり、作業空間３２は、放射エネルギを透過させる取り外し可能または開放可能な窓３４によって閉じられ、例えば窓３４を、ガラスで製作することができる。図６に示されるとおり、窓３４は、所望のプロセスの構成に応じて、取り除かれてもよい。

アプリケータ１６は、作業表面１２上に位置し、あるいは作業表面１２に接触し、作業表面１２の上方に位置する作業空間３２において可動である堅固な横方向に細長い構造体である。アプリケータ１６は、アプリケータ１６を作業表面１２に平行に選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ３６に接続される。アクチュエータ３６は、図１においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの公知の装置を、この目的のために使用することができる。図示のとおり、アプリケータ１６は、粉末供給部１４からの粉末をビルドチャンバ１８へと移動させ、余分な粉末を粉末回収容器２２へと移動させるために、右方から左方へと移動する。粉末供給部１４および粉末回収容器２２を逆にでき、アプリケータ１６が、粉末供給部１４からビルドチャンバ１８へと粉末を供給するために左方から右方へと移動してもよいことを、理解すべきである。

粉末供給部１４は、供給開口２６の下方に位置し、供給開口２６に連絡している供給容器３８と、エレベータ４０とを備えている。エレベータ４０は、供給容器３８内で上下方向にスライドすることができる板状の構造体である。エレベータ４０は、エレベータ４０を上方または下方に選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ４２に接続される。アクチュエータ４２は、図１においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの装置を、この目的のために使用できることを、理解すべきである。エレベータ４０が下降させられたときに、所望の合金組成の粉末「Ｐ」の供給を、供給容器３８へと入れることができる。エレベータ４０が上昇させられると、粉末Ｐが作業表面１２の上方に露出し、アプリケータ１６が、露出した粉末をビルドチャンバ１８へと引きずることができる。本明細書に記載の技術において使用される粉末が、付加製造に適した任意の材料であってよいことを、理解すべきである。例えば、粉末は、金属、ポリマー、有機、またはセラミック粉末であってよい。

ビルドプラットフォーム２０は、開口２４の下方のビルドチャンバ１８において上下方向にスライドすることができる板状の構造体である。ビルドプラットフォーム２０は、ビルドプラットフォーム２０を上方または下方に選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ４４へと固定される。アクチュエータ４４は、図１においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの装置を、この目的のために使用できることを、理解すべきである。

粉末回収容器２２は、回収開口２８の下方に位置し、回収開口２８に連絡しており、余分な粉末Ｐのための置き場として機能する。

ビルドモジュール１０を、さまざまな構成にて実現することができる。例えば、図３および４のビルドモジュール１００は、作業表面１１２と、粉末供給部１１４と、アプリケータ１１６と、第１のビルドプラットフォーム１２０を囲んでいる第１のビルドチャンバ１１８と、第２のビルドプラットフォーム１５２を囲んでいる第２のビルドチャンバ１５０と、第１の粉末回収容器１２２と、第２の粉末回収容器１５４とを備える。

作業表面１１２は、堅固な構造体であり、仮想の作業面と同一平面にあり、仮想の作業面を定めている。図示の例において、作業表面１１２は、ビルドチャンバ１１８に連絡している第１のビルドチャンバ開口１２４と、ビルドチャンバ１５０に連絡している第２のビルドチャンバ開口１５６と、粉末供給部１１４に連絡している中央供給開口１２６と、第１の粉末回収容器１２２に連絡している第１の回収開口１２８と、第２の粉末回収容器１５４に連絡している第２の回収開口１５８とを備えている。モジュール１００は、作業空間１３２を定めるように作業表面１１２を過ぎて延びている周壁１３０を備えている。作業表面１１２は、ビルドモジュール１００の周壁１３０によって囲まれている。随意により、図１に示されるとおり、作業空間１３２を、放射エネルギを透過させる取り外し可能または開放可能な窓１３４によって閉じることができ、例えば窓１３４を、ガラスで製作することができる。上述のように、所望の設定に応じて、窓１３４を取り除いてもよい。

アプリケータ１１６は、作業表面１１２上に位置し、作業表面１１２の上方に位置する作業空間１３２において可動である堅固な横方向に細長い構造体である。アプリケータ１１６は、アプリケータ１１６を作業表面１１２に沿って選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ１３６に接続される。アクチュエータ１３６は、図３においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの公知の装置を、この目的のために使用することができる。アプリケータ１１６は、アプリケータ１１６が粉末供給部１１４からビルドチャンバ１１８へと粉末を移動させるために第１の出発位置８８から右方へと移動し、粉末供給部１１４からビルドチャンバ１５０へと粉末を移動させるために第２の出発位置９０から左方へと移動する点を除き、アプリケータ１６と同様のやり方で動作する。

粉末供給部１１４は、供給開口１２６の下方に位置し、供給開口１２６に連絡している供給容器１３８と、エレベータ１４０とを備えている。エレベータ１４０は、供給容器１３８内で上下方向にスライドすることができる板状の構造体である。エレベータ１４０は、エレベータ１４０を上方または下方に選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ１４２に接続される。アクチュエータ１４２は、図３においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの装置を、この目的のために使用できることを、理解すべきである。エレベータ１４０が下降させられたときに、所望の合金組成の粉末「Ｐ」の供給を、供給容器１３８へと入れることができる。エレベータ１４０が上昇させられたとき、エレベータ１４０は、粉末Ｐを作業表面１１２の上方に露出させる。本明細書に記載の技術において使用される粉末が、付加製造に適した任意の材料であってよいことを、理解すべきである。例えば、粉末は、金属、ポリマー、有機、またはセラミック粉末であってよい。

ビルドプラットフォーム１２０および１５２は、それぞれ開口１２４および１５６の下方のビルドエンクロージャ１１８および１５０において上下方向にスライド可能である板状の構造体である。ビルドプラットフォーム１２０および１５２は、ビルドプラットフォーム１２０および１５２を上方または下方に選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ１４４および１６０へと固定される。アクチュエータ１４４および１６０は、図３においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの装置を、この目的のために使用できることを、理解すべきである。

粉末回収容器１２２および１５４は、それぞれオーバーフロー開口１２８および１５８の下方に位置し、オーバーフロー開口１２８および１５８に連絡しており、余分な粉末Ｐのための置き場として機能する。

ビルドモジュール１０およびビルドモジュール１００の各々は、周壁３０、１３０を貫いて延びるそれぞれのガスポート６２、１６２およびそれぞれの真空ポート６４、１６４を備えることができる。ガスポート６２、１６２が、作業空間３２および１３２を適切な遮へいガスでパージすることを可能にする一方で、真空ポート６４、１６４は、作業空間３２および１３２の体積に含まれる遊離した粉末を作業空間３２および１３２から取り除くことを可能にする。これは、作業空間３２および１３２ならびに窓３４および１３４が稼働の際にきれいなままであることを保証する。

図５〜７に示されるように、ビルドモジュール１０および１００は、ビルドモジュール１０および１００を容易に持ち上げ、コンベア７０または他の適切な輸送機構へと配置することができ、したがって複数の部品を順々に製造すべく複数のビルドモジュールをアセンブリラインに配置できるように、単一の部品または限られた数の部品を小型のパッケージにて製造するように構成される。稼働時に、コンベア７０は、ビルドモジュールをワークステーション７１へと移動させるために使用される。図５に示されるとおり、ワークステーション７１を、全体としての付加製造システムの内部の物理的な場所と定義することができる。ワークステーション７１において、コンベア７０の上方に配置された方向性のエネルギ源７２を、粉末Ｐを溶融させて部品８６を形成するために使用することができる。

方向性のエネルギ源７２は、さらに詳しく後述されるビルドプロセスにおいて、粉末の溶融および融合のための適切な出力および他の動作特性のビームを生成するように動作することができる任意の装置を備えることができる。例えば、方向性のエネルギ源７２は、レーザであってよい。電子ビーム銃などの他の方向性のエネルギ源が、レーザの代案として適切である。

ビーム操縦装置７４が、エネルギ源を案内するために使用され、１つ以上のミラー、プリズム、および／またはレンズを備えるとともに、適切なアクチュエータを備え、方向性のエネルギ源７２からのビーム「Ｂ」を所望のスポットサイズへと集光し、作業表面１２、１１２に一致するＸ−Ｙ平面内の所望の位置へと導くことができるように構成される。

窓３４および１３４が使用される場合、ワークステーション７１は、図５および７に見られるように、開放された領域であってよい。これは、ビルドモジュール１０、１００が完全に囲まれており、上述のガスおよび真空ポートを備えるがゆえに可能である。

全体としてのシステムは、ビルドプロセスの遮へいおよびビルドエンクロージャ７６内の浮遊粒子のパージのために遮へいガスおよび／または強制換気をもたらすための中央通気システム７８、方向性のエネルギ源７２へと冷却流体を供給するための中央冷却システム７９、ならびに／あるいは例えば方向性のエネルギ源７２ならびにワークステーション７１および／またはビルドモジュール１０の種々の機能を駆動することによってビルドプロセスの制御をもたらすための電子中央コントローラ８０など、１つ以上の中央サービスを備えることができる。中央サービス７８、７９、８０を、全体としての製造システムの一部として複数のワークステーション７１に組み合わせることができる。中央サービスへの個々の接続を、ビルドモジュール１０、１００がワークステーション７１内の所定の場所へと移動したときに、手作業または自動化された接続装置を使用して行うことができる。

あるいは、ビルドモジュール１０、１００が窓３４、１３４を備えずに使用される場合、コンベア７０を、閉じた環境を提供するビルドエンクロージャ７６を有しているワークステーション７１’へとビルドモジュール１０、１００を運ぶために使用することができる。ビルドエンクロージャ７６は、ビルドモジュール１０、１００の通過を許容し、ひとたびビルドモジュール１０、１００がビルドエンクロージャ７６へと入り、あるいはビルドエンクロージャ７６から出たならばビルドエンクロージャ７６を密封するシール要素８２、８４（例えば、カーテン、フラップ、または扉）を備えることができる。上述の中央サービス（例えば、中央通気システム７８、中央冷却システム７９、および／または中央コントローラ８０）を、エンクロージャ７６に組み合わせることが考えられる。

分かりやすくする目的で、以下では、ビルドモジュール１０だけが説明される。ビルドモジュール１００は、ビルドモジュール１０とは異なる構成であるが、ビルドモジュール１００に関するビルドプロセスが、アプリケータ１１６の動作（中央の位置を出発位置として、中央から右方へと移動し、中央から左方へと移動する）ならびに単一のビルドモジュールにおいて複数の部品を形成するために２つ以上のビルドチャンバが利用されるという事実を除き、基本的に同じプロセスであることを、理解すべきである。

上述のビルドモジュール１０を用いた部品８６のビルドプロセスは、以下のとおりである。ビルドモジュール１０が、粉末供給部１４に粉末Ｐを入れることによって準備される。これは、アクチュエータ４２を使用してエレベータ４０を作業表面１２よりも下方の位置へと下降させ、部品８６を製作するための充分な粉末Ｐをエレベータ４０へと載せることによって行われる。ひとたびビルドモジュール１０が準備されると、ビルドモジュール１０は、方向性のエネルギ源７２への輸送のためにコンベア７０上に配置される。ビルドモジュール１０が自己完結したユニットであり、コンベア７０上への移動およびコンベア７０からの移動が容易であるため、複数のビルドモジュールをコンベア７０上に配置し、ビルドモジュールのアセンブリラインをもたらすことができる。

ひとたびコンベア７０がビルドモジュール１０を方向性のエネルギ源７２へと輸送すると（図５および６）、ビルドプロセスを開始することができる。ビルドプラットフォーム２０が、初期の高い位置へと動かされる。初期の高い位置は、選択された層増分だけ作業表面１２よりも下方に位置する。層増分は、付加製造プロセスの速度および部品８６の分解能に影響を及ぼす。例として、層増分は、約１０〜５０マイクロメートル（０．０００３〜０．００２インチ）であってよい。次いで、粉末「Ｐ」が、ビルドプラットフォーム２０を覆って配置される。例えば、供給容器３８のエレベータ４０を上昇させることによって、粉末を供給開口２６を通って押し、作業表面１２の上方に露出させることができる。アプリケータ１６が、持ち上げられた粉末Ｐをビルドプラットフォーム２０を覆うように水平方向に広げるために、作業表面１２を横切って移動させられる。余分な粉末Ｐ（あれば）は、アプリケータ１６が右方から左方へと通過するにつれて作業表面１２に沿って押され、粉末回収容器２２へと落とされる。ビルドモジュール１０の構成を逆にしてもよく、すなわち粉末供給部１４および粉末回収容器２２の位置を入れ替えてもよいことを、理解すべきである。次いで、アプリケータ１６を、出発位置へと引き戻すことができる。

ビルドモジュール１００については、ビルドプラットフォーム１２０および１５２が、初期の高い位置へと動かされ、エレベータ１４０が、粉末を供給開口１２６を通って押すように上昇させられる。アプリケータ１１６が、粉末Ｐをビルドプラットフォーム１２０を覆って水平方向に広げるべく第１の中央位置８８から作業表面１１２を横切って移動し、余分な粉末Ｐは粉末回収容器１２２に置かれる。アプリケータ１１６が、第２の中央位置９０へと動かされ、エレベータ１４０が、粉末Ｐを供給開口１２６を通って押すように上昇させられ、アプリケータ１１６が、粉末Ｐをビルドプラットフォーム１５２を覆って広げるべく作業表面１１２を横切って移動し、余分な粉末は粉末回収容器１５４に置かれる。アプリケータが、第１の中央位置８８へと再び動かされる。ビルドプラットフォーム２０に関して後述される工程は、ビルドプラットフォーム１２０および１５２にも当てはまる。

方向性のエネルギ源７２が、製作される部品８６の二次元の断面または層を溶融させるために使用される。方向性のエネルギ源７２が、ビーム「Ｂ」を放射し、ビーム操縦装置７４が、適切なパターンにて露出した粉末の表面を横切ってビームＢの焦点「Ｓ」を操縦するために使用される。粉末Ｐの露出した層が、溶融、流動、および合同を可能にする温度へとビームＢによって加熱される。この工程を、粉末Ｐの融合と称することができる。

ビルドプラットフォーム２０が、層増分だけ鉛直方向に下方へと動かされ、粉末Ｐの別の層が、同様の厚さにて適用される。方向性のエネルギ源７２が、再びビームＢを放射し、ビーム操縦装置７４が、適切なパターンにて露出した粉末の表面を横切ってビームＢの焦点Ｓを操縦するために使用される。粉末Ｐの露出した層が、溶融、流動、ならびに上部の層内の合同および下方のすでに凝固した層との合同の両方を可能にする温度へと、ビームＢによって加熱される。

ビルドプラットフォーム２０の移動、粉末Ｐの適用、およびその後の方向性のエネルギによる粉末Ｐの溶融からなるこのサイクルが、部品８６の全体が完成するまで繰り返される。

ひとたび部品８６が完成すると、ユーザがビルドモジュール１０をコンベア７０から取り除き、部品８６をビルドモジュール１０から取り出し、ビルドモジュール１０を別の部品８６の製作のために準備できるように、コンベア７０が、ビルドモジュール１０を方向性のエネルギ源７２から去るように移動させる。１つの部品８６が完成したときに、コンベアが別のビルドモジュール１０を別の部品８６を完成させるための位置へと移動させるように、複数のビルドモジュールをコンベア７０上に配置できることを、理解すべきである。

代案のビルドモジュールが、図８に示されており、全体として参照番号２００で示されている。ビルドモジュール２００は、ビルドモジュール１０の別の構成を表している。ビルドモジュール２００は、作業表面２１２と、ビルドプラットフォーム２２０を囲むビルドチャンバ２１８と、粉末回収容器２２２とを備えている。

ビルドモジュール１０に関して上述したように、作業表面２１２は、堅固な構造体であり、仮想の作業面と同一平面にあり、仮想の作業面を定めている。図示の例において、作業表面２１２は、ビルドチャンバ２１８に連絡し、ビルドプラットフォーム２２０を露出させるビルドチャンバ開口２２４と、粉末回収容器２２２に連絡している回収開口２２８とを備えている。

ビルドプラットフォーム２２０は、開口２２４の下方のビルドチャンバ２１８において上下方向にスライドすることができる板状の構造体である。ビルドプラットフォーム２２０は、ビルドプラットフォーム２２０を上方または下方に選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ２４４へと固定される。アクチュエータ２４４は、図８においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの装置を、この目的のために使用できることを、理解すべきである。

粉末回収容器２２２は、回収開口２２８の下方に位置し、回収開口２２８に連絡しており、余分な粉末Ｐのための置き場として機能する。

ビルドモジュール２００は、ビルドエンクロージャ３１０と回転ターンテーブル３７０とを有している付加製造装置３００（図８および９）と協働するように設計されている。ビルドエンクロージャ３１０は、粉末供給部３１４と、アプリケータ３１６と、方向性のエネルギ源３７２と、ビーム操縦装置３７４とを収容する。ビルドエンクロージャ３１０は、回転ターンテーブル３７０の一部分を囲む。

回転ターンテーブル３７０は、堅固な構造体をもたらし、仮想の作業面を定めるように作業表面２１２と同一平面にある作業表面３１２を備える。図示の例において、作業表面３１２は、複数のビルドモジュール開口３９２を備えており、複数のビルドモジュール開口３９２は、ビルドモジュール２００をユーザによって複数のビルドモジュール開口３９２の各々に位置させることができるように、回転ターンテーブル３７０を巡って間隔を空けて配置されている。回転ターンテーブル３７０を、歯車、モータ、および他の適切な方法など、公知の方法を使用して回転させることができる。

粉末供給部３１４が、粉末Ｐを作業表面３１２へと落下させるための細い吐出口３９４を有しているホッパの形態の供給容器３３８を備える。計量弁３９６が、細い吐出口３９４に配置され、所定の量の粉末Ｐを落下させるように構成される。計量弁３９６によって落下させられる粉末Ｐの量は、ビルドプラットフォーム２２０のサイズおよびビルドプロセスにおいて使用される層増分（ビルドモジュール１０に関連して上述）にもとづく。

アプリケータ３１６は、作業表面２１２および３１２上に位置し、作業表面２１２および３１２を横断する堅固な横方向に細長い構造体である。アプリケータ３１６は、アプリケータ３１６を作業表面に沿って選択的に移動させるように動作することができるアクチュエータ３３６に接続される。アクチュエータ３３６は、図８においては概略的に示されているが、空気または油圧シリンダ、ボールねじ、あるいは線形電気アクチュエータ、などの装置を、この目的のために使用できことを、理解すべきである。図示のとおり、アプリケータ３１６は、粉末供給部３１４からの粉末をビルドチャンバ２１８へと移動させ、余分な粉末を粉末回収容器２２２へと移動させるために、左方から右方へと移動する。粉末供給部３１４、方向性のエネルギ源３７２、ビルドチャンバ２１８、および粉末回収容器２２２を逆にでき、アプリケータ３１６が、粉末供給部３１４からビルドチャンバ２１８へと粉末を供給するために右方から左方へと移動してもよいことを、理解すべきである。

方向性のエネルギ源３７２は、さらに詳しく後述されるビルドプロセスにおいて、粉末の溶融および融合のための適切な出力および他の動作特性のビームを生成するように動作することができる任意の公知の装置を備えることができる。例えば、方向性のエネルギ源３７２は、レーザであってよい。電子ビーム銃などの他の方向性のエネルギ源が、レーザの代案として適切である。ビーム操縦装置３７４が、エネルギ源を案内するために使用され、１つ以上のミラー、プリズム、および／またはレンズを備えるとともに、適切なアクチュエータを備え、方向性のエネルギ源３７２からのビーム「Ｂ」を所望のスポットサイズへと集光し、作業表面２１２、３１２に一致するＸ−Ｙ平面内の所望の位置へと導くことができるように構成される。

部品１８６のビルドプロセスは、ビルドモジュール２００を複数のビルドモジュール開口３９２のうちの１つに配置することによって始まる。ビルドモジュール２００を各々のビルドモジュール開口３９２に配置することによって、複数のビルドモジュールを回転ターンテーブル３７０上に配置することができる。図示のとおり、回転ターンテーブル３７０は、８つのビルドモジュール開口３９２を備える。ビルドモジュール開口の数を、回転ターンテーブル３７０のサイズおよび用途にもとづいて変更できることを、理解すべきである。

ビルドモジュール２００をビルドモジュール開口３９２に配置した状態で、回転ターンテーブル３７０が、アプリケータ３１６、粉末供給部３１４、および方向性のエネルギ源３７２によって部品１８６を形成することができるよう、ビルドモジュール２００をビルド位置（図８）に位置させるように回転させられる。上述のように、ビルドプラットフォーム２２０が、初期の高い位置へと動かされる。初期の高い位置は、選択された層増分だけ作業表面２１２よりも下方に位置する。粉末供給部３１４の計量弁３９６が、所定の量の粉末Ｐを粉末供給部３１４から作業表面３１２へと落下させるように動作させられる。アプリケータ３１６が、落下した粉末Ｐをビルドプラットフォーム２２０を覆うように水平方向に広げるために、作業表面３１２および作業表面２１２を横切って移動させられる。余分な粉末Ｐ（あれば）は、作業表面２１２に沿って押され、粉末回収容器２２２へと落とされる。アプリケータ３１６を、再び初期の位置へと移動させることができる。

方向性のエネルギ源３７２が、製作される部品１８６の二次元の断面または層を溶融させるために使用される。方向性のエネルギ源３７２が、ビーム「Ｂ」を放射し、ビーム操縦装置３７４が、適切なパターンにて露出した粉末の表面を横切ってビームＢの焦点「Ｓ」を操縦するために使用される。粉末Ｐの露出した層が、溶融、流動、および合同を可能にする温度へとビームＢによって加熱される。この工程を、粉末Ｐの融合と称することができる。

ビルドプラットフォーム２２０が、層増分だけ鉛直方向に下方へと動かされ、粉末Ｐの別の層が、同様の厚さにて適用される。方向性のエネルギ源３７２が、再びビームＢを放射し、ビーム操縦装置３７４が、適切なパターンにて露出した粉末の表面を横切ってビームＢの焦点Ｓを操縦するために使用される。粉末Ｐの露出した層が、溶融、流動、ならびに上部の層内の合同および下方のすでに凝固した層との合同の両方を可能にする温度へと、ビームＢによって加熱される。

ビルドプラットフォーム２２０の移動、粉末Ｐの適用、およびその後の方向性のエネルギによる粉末Ｐの溶融からなるこのサイクルが、部品１８６の全体が完成するまで繰り返される。

ひとたび部品１８６が完成すると、ユーザがビルドモジュール２００を回転ターンテーブル３７０から取り出し、他のビルドモジュール２００と交換できるように、回転ターンテーブル３７０が、ビルドモジュール２００を方向性のエネルギ源３７２から移動させて遠ざける。部品１８６が、ビルドモジュール２００から取り出され、ビルドモジュール２００を、別の部品１８６の製作に向けて準備することができる。１つの部品１８６が完成したときに、回転ターンテーブル３７０が別のビルドモジュール２００を別の部品１８６を完成させるための位置へと回転させるように、複数のビルドモジュールを回転ターンテーブル３７０上に配置できることを、理解すべきである。

上述の付加製造装置および方法は、先行技術に対していくつかの利点を有する。上述の付加製造装置および方法は、閉じた粉末取り扱いシステムに適合し、複数の部品を製作するための大型の開いた粉末リザーバの必要性をなくし、製作サイクルの後の余分な粉末の処理においてかなりの労力を節約する。

以上、付加製造装置および方法を説明した。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む）に開示したすべての特徴ならびに／あるいはそのように開示された任意の方法またはプロセスのすべての工程を、そのような特徴および／または工程の少なくともいくつかが互いに排他的である組み合わせを除き、任意の組み合わせにて組み合わせることができる。

本明細書（添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む）に開示した各々の特徴を、そのようでないと明示的に述べられている場合を除き、同一、同等、または同様の目的を果たす代案の特徴によって置き換えることができる。したがって、そのようでないと明示的に述べられている場合を除き、開示された各々の特徴は、包括的な一連の均等物または類似の特徴の一例に過ぎない。

本発明は、上述の実施形態の詳細に限定されるわけではない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む）に開示された特徴の任意の新規な１つまたは任意の新規な組み合わせ、あるいはそのように開示された任意の方法またはプロセスの工程の任意の新規な１つまたは任意の新規な組み合わせに及ぶ。
［実施態様１］
ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０；２１８）を備えるとともに、以下の構成要素、すなわち
（ａ）方向性のエネルギ源（７２；３７２）、
（ｂ）粉末供給部（１４；１１４；３１４）、
（ｃ）粉末回収容器（２２；１２２、１５４；２２２）、および
（ｄ）粉末アプリケータ（１６；１１６；３１６）
のうちの少なくとも１つを備えるが、すべては備えないビルドモジュール（１０；１００；２００）と、
（ａ）〜（ｄ）のうちの前記ビルドモジュール（１０；１００；２００）に含まれない残りの構成要素を備えるワークステーション（７１；７１’）と
を備える付加製造装置（３００）。
［実施態様２］
前記ビルドモジュール（１０；１００；２００）を移動させて前記ワークステーション（７１；７１’）に出し入れするように構成された輸送機構（７０；３７０）
をさらに備える実施態様１に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様３］
前記輸送機構は、コンベア（７０）である、実施態様２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様４］
前記ワークステーション（７１；７１’）は、１つ以上のビルドモジュール（２００）を囲むように寸法付けられたエンクロージャ（３１０）を備え、
前記輸送機構は、一部分が前記エンクロージャ（３１０）の内部に配置され、前記ビルドモジュール（２００）を受け入れるように構成された作業表面（３１２）を定めているターンテーブル（３７０）を備えている、実施態様２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様５］
前記ビルドモジュール（１０；１００；２００）または前記ワークステーション（７１；７１’）のいずれかが、前記ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０；２１８）に連絡するビルドチャンバ開口（２４；１２４、１５６；２２４）を備えている平坦な作業表面（１２；１１２；２１２）を備えている、実施態様１に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様６］
前記ビルドモジュール（１０；１００）は、
前記ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０）に連絡するビルドチャンバ開口（２４；１２４、１５６）を有している平坦な作業表面（１２；１１２）と、
前記ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０）の反対側に前記作業表面（１２；１１２）を過ぎて延びており、作業空間を定めている周壁（３０；１３０）と、
前記周壁（３０；１３０）にまたがって前記作業空間（３２；１３２）を閉じる放射エネルギを透過させる窓（３４、１３４）と
を備える、実施態様１に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様７］
前記ワークステーション（７１）は、前記ビルドモジュール（１０；１００）のうちの１つを囲むように寸法付けられたエンクロージャ（７６）を備え、前記エンクロージャ（７６）は、ビルドモジュールの通過を許すように構成された１つ以上のシール（８２、８４）を備えている、実施態様６に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様８］
実施態様１に記載の複数のワークステーション（７１；７１’）およびビルドモジュール（１０；１００；２００）と、
前記ワークステーション（７１；７１’）の各々へと動作可能に接続された電子中央コントローラ（８０）と
を備える付加製造装置（３００）。
［実施態様９］
実施態様１に記載の複数のワークステーション（７１；７１’）およびビルドモジュール（１０；１００；２００）と、
前記ワークステーション（７１；７１’）の各々に組み合わせられた中央遮へいガス供給部（７８）と
を備える付加製造装置（３００）。
［実施態様１０］
実施態様１に記載の複数のワークステーション（７１；７１’）およびビルドモジュール（１０；１００；２００）と、
前記ワークステーション（７１；７１’）の各々に組み合わせられた中央冷却流体供給部（７９）と
を備える付加製造装置（３００）。
［実施態様１１］
実施態様１に記載の複数のワークステーション（７１；７１’）およびビルドモジュール（１０；１００；２００）と、
前記ワークステーション（７１；７１’）の各々に組み合わせられた中央通気システム（７８）と
を備える付加製造装置（３００）。
［実施態様１２］
方向性のエネルギ源（７２；３７２）を備えるワークステーション（７１；７１’）と、
第１のビルドチャンバ（１８；１１８；２１８）と、
前記第１のビルドチャンバ（１８；１１８；２１８）の反対側に作業表面（１２；１１２）を過ぎて延び、作業空間（３２；１３２）を定めている周壁（３０；１３０）と
を備えるビルドモジュール（１０；１００；２００）と、
前記ビルドモジュール（１０；１００；２００）を移動させて前記ワークステーション（７１；７１’）に出し入れするように動作することができる輸送機構（７０；３７０）と
を備える付加製造装置（３００）。
［実施態様１３］
前記ビルドモジュール（１０；１００；２００）は、前記第１のビルドチャンバ（１８；１１８；２１８）に連絡する第１のビルドチャンバ開口（２４；１２４；２２４）を有する平坦な作業表面（１２；１１２；２１２）を備える、実施態様１２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様１４］
各々のモジュール（１０；１００）は、前記周壁（３０；１３０）にまたがって前記作業空間（３２；１３２）を閉じる放射エネルギを透過させる窓（３４、１３４）を備える、実施態様１２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様１５］
前記ワークステーション（７１）は、前記ビルドモジュール（１０；１００）のうちの１つを囲むように寸法付けられたエンクロージャ（７６）を備え、前記エンクロージャ（７６）は、ビルドモジュールの通過を許すように構成された１つ以上のシール（８２、８４）を備える、実施態様１２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様１６］
前記輸送機構は、コンベア（７０）である、実施態様１２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様１７］
前記ワークステーション（７１；７１’）は、前記ビルドモジュール（２００）のうちの１つ以上を囲むように寸法付けられたエンクロージャ（３１０）を備え、
前記輸送機構は、一部分が前記エンクロージャ（３１０）の内部に配置され、前記ビルドモジュール（２００）を受け入れるように構成された作業表面（３１２）を定めているターンテーブル（３７０）を備えている、実施態様１２に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様１８］
前記エンクロージャ（３１０）は、前記作業表面（３１２）へと粉末を落下させるように構成された粉末供給部（３１４）を備えている、実施態様１７に記載の付加製造装置（３００）。
［実施態様１９］
前記作業空間内に配置され、前記作業表面に接触する可動の粉末アプリケータをさらに備える、実施態様１７に記載のビルドモジュール。
［実施態様２０］
ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０；２１８）を有するビルドモジュール（１０；１００；２００）をワークステーション（７１；７１’）へと移動させるステップと、
前記ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０；２１８）内に配置されたビルドプラットフォーム（２０；１２０、１５２；２２０）へと粉末を配置するステップと、
方向性のエネルギ源（７２；３７２）からビームを案内し、前記粉末を融合させるステップと、
前記プラットフォーム（２０；１２０、１５２；２２０）を粉末の層増分だけ前記ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０；２１８）において鉛直方向に下方へと移動させるステップと、
前記配置、案内、および移動のステップをサイクルにて繰り返すことで、部品を層ごとのやり方で作り上げ、完成させるステップと
を含む付加製造方法。
［実施態様２１］
前記ビルドモジュール（１０；１００；２００）を前記ワークステーション（７１；７１’）から移動させるステップと、
ビルドチャンバ（１８；１１８、１５０；２１８）を有する別のビルドモジュール（１０；１００；２００）を前記ワークステーション（７１；７１’）へと移動させるステップと、
前記配置、案内、および移動のステップをサイクルにて実行することで、次の部品を層ごとのやり方で作り上げ、完成させるステップと
をさらに含む実施態様２０に記載の方法。
［実施態様２２］
前記ビルドモジュール（１０；１００）は、コンベア（７０）を使用して前記ワークステーション（７１）に出し入れされる、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２３］
前記ビルドモジュール（２００）は、ターンテーブル（３７０）を使用して前記ワークステーション（７１；７１’）に出し入れされる、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２４］
複数のワークステーション（７１；７１’）を用意するステップと、
前記複数のワークステーション（７１；７１’）の動作を電子中央コントローラ（８０）を使用して制御するステップと
をさらに含む実施態様２０に記載の方法。
［実施態様２５］
複数のワークステーション（７１；７１’）を用意するステップと、
各々のワークステーション（７１；７１’）の方向性のエネルギ源（７２；３７２）を中央冷却システム（７９）を使用して冷却するステップと
をさらに含む実施態様２０に記載の方法。
［実施態様２６］
複数のワークステーション（７１；７１’）を用意するステップと、
前記複数のワークステーション（７１；７１’）へと中央ガス供給システム（７８）を使用して遮へいガスを供給するステップと
をさらに含む実施態様２０に記載の方法。
［実施態様２７］
複数のワークステーション（７１；７１’）を用意するステップと、
前記複数のワークステーション（７１；７１’）へと中央通気システム（７８）を使用して通気をもたらすステップと
をさらに含む実施態様２０に記載の方法。

１０ビルドモジュール
１２作業表面
１４粉末供給部
１６アプリケータ
１８ビルドチャンバ
２０ビルドプラットフォーム
２２粉末回収容器
２４ビルドチャンバ開口
２６供給開口
２８回収開口
３０周壁
３２作業空間
３４窓
３６アクチュエータ
３８供給容器
４０エレベータ
４２アクチュエータ
４４アクチュエータ
６２ガスポート
６４真空ポート
７０コンベア
７１ワークステーション
７１’ ワークステーション
７２方向性のエネルギ源
７４ビーム操縦装置
７６ビルドエンクロージャ
７８中央通気システム
７９中央冷却システム
８０電子中央コントローラ
８２シール要素
８４シール要素
８６部品
８８第１の出発位置、第１の中央位置
９０第２の出発位置、第２の中央位置
１００ビルドモジュール
１１２作業表面
１１４粉末供給部
１１６アプリケータ
１１８第１のビルドチャンバ、ビルドエンクロージャ
１２０第１のビルドプラットフォーム
１２２第１の粉末回収容器
１２４第１のビルドチャンバ開口
１２６中央供給開口
１２８第１の回収開口、オーバーフロー開口
１３０周壁
１３２作業空間
１３４窓
１３６アクチュエータ
１３８供給容器
１４０エレベータ
１４２アクチュエータ
１４４アクチュエータ
１５０第２のビルドチャンバ
１５２第２のビルドプラットフォーム
１５４第２の粉末回収容器
１５６第２のビルドチャンバ開口
１５８第２の回収開口
１６２ガスポート
１６４真空ポート
１８６部品
２００ビルドモジュール
２１２作業表面
２１８ビルドチャンバ
２２０ビルドプラットフォーム
２２２粉末回収容器
２２４ビルドチャンバ開口
２２８回収開口
２４４アクチュエータ
３００付加製造装置
３１０ビルドエンクロージャ
３１２作業表面
３１４粉末供給部
３１６アプリケータ
３３６アクチュエータ
３３８供給容器
３７０回転ターンテーブル
３７２方向性のエネルギ源
３７４ビーム操縦装置
３９２ビルドモジュール開口
３９４細い吐出口
３９６計量弁

Claims

ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）を備えるとともに、以下の構成要素、すなわち
（ａ）方向性のエネルギ源（７２、３７２）、
（ｂ）粉末供給部（１４、１１４、３１４）、
（ｃ）粉末回収容器（２２、１２２、１５４、２２２）、および
（ｄ）粉末アプリケータ（１６、１１６、３１６）
のうちの少なくとも１つを備えるが、すべては備えないビルドモジュール（１０、１００、２００）と、
（ａ）〜（ｄ）のうちの前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）に含まれない残りの構成要素を備えるワークステーション（７１、７１’）と
を備える付加製造装置（３００）。
前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）を移動させて前記ワークステーション（７１、７１’）に出し入れするように構成された輸送機構（７０、３７０）
をさらに備える請求項１に記載の付加製造装置（３００）。
前記ワークステーション（７１、７１’）は、１つ以上のビルドモジュール（１０、１００、２００）を囲むように寸法付けられたエンクロージャを備え、
前記輸送機構（７０、３７０）は、コンベア（７０）を備え、あるいは一部分が前記エンクロージャの内部に配置され、前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）を受け入れるように構成された作業表面（３１２）を定めているターンテーブル（３７０）を備える、請求項２に記載の付加製造装置（３００）。
前記ビルドモジュールは、
前記ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）に連絡するビルドチャンバ開口を有している平坦な作業表面（１２、１１２、２１２）と、
前記ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）の反対側に前記作業表面（１２、１１２、２１２）を過ぎて延び、作業空間（３２、１３２）を定めている周壁（３０；１３０）と、
前記周壁（３０、１３０）にまたがって前記作業空間（３２、１３２）を閉じる放射エネルギを透過させる窓（３４、１３４）と
を備える、請求項１に記載の付加製造装置（３００）。
前記ワークステーション（７１、７１’）は、前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）のうちの１つを囲むように寸法付けられたエンクロージャを備え、前記エンクロージャは、ビルドモジュール（１０、１００、２００）の通過を許すように構成された１つ以上のシール（８２、８４）を備える、請求項１に記載の付加製造装置（３００）。
請求項１に記載の複数のワークステーション（７１、７１’）およびビルドモジュール（１０、１００、２００）と、
前記ワークステーション（７１、７１’）の各々に組み合わせられた電子中央コントローラ、遮へいガス、冷却流体、または通気のうちの少なくとも１つの中央供給部と
を備える付加製造装置（３００）。
ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）を有するビルドモジュール（１０、１００、２００）をワークステーション（７１、７１’）へと移動させるステップと、
前記ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）内に配置されたビルドプラットフォーム（２０、１２０、１５２）へと粉末を配置するステップと、
方向性のエネルギ源（７２、３７２）からビームを案内し、前記粉末を融合させるステップと、
前記プラットフォーム（２０、１２０、１５２）を粉末の層増分だけ前記ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）において鉛直方向に下方へと移動させるステップと、
前記配置、案内、および移動のステップをサイクルにて繰り返すことで、部品を層ごとのやり方で作り上げ、完成させるステップと
を含む付加製造方法。
前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）を前記ワークステーション（７１、７１’）から移動させるステップと、
ビルドチャンバ（１８、１１８、１５０、２１８）を有する別のビルドモジュール（１０、１００、２００）を前記ワークステーション（７１、７１’）へと移動させるステップと、
前記配置、案内、および移動のステップをサイクルにて実行することで、次の部品を層ごとのやり方で作り上げ、完成させるステップと
をさらに含む請求項９に記載の方法。
前記ビルドモジュール（１０、１００、２００）は、コンベア（７０）またはターンテーブル（３７０）を使用して前記ワークステーション（７１、７１’）に出し入れされる、請求項１０に記載の方法。
複数のワークステーション（７１、７１’）を用意するステップと、
中央システムを使用して、前記複数のワークステーション（７１、７１’）の動作を制御すること、各々のワークステーション（７１、７１’）の方向性のエネルギ源（７２、３７２）を冷却すること、前記複数のワークステーション（７１、７１’）へと遮へいガスを供給すること、および前記複数のワークステーション（７１、７１’）へと通気をもたらすこと、のうちの少なくとも１つを実行するステップと
をさらに含む請求項９に記載の方法。