JP2018523595A - 付加製造における複数層の材料の選択的分注及び溶融 - Google Patents
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Abstract
付加製造は、支持体に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層から1つの層を堆積させることは、第1の粒子を分注することと、物体の表面に対応する選択領域に第2の粒子を選択的に分注することと、層の少なくとも一部を溶融させることとを含む。層は全体的に第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有する。代替又は追加として、複数の層を形成することは、複数の層のグループを堆積させることを含む。層のグループを堆積させることは、層のグループのうちの各層に対し、層を得るために供給材料を分注し、供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、層の選択部分を溶融させることを含む。層のグループのうちの全ての層が分注された後で、層のグループのうちの全ての層を通して延在する層のグループのある体積が溶融される。【選択図】図2G
Description
本明細書は、3D印刷としても知られる、付加製造に関する。
固体自由形状製造または3D印刷としても知られる付加製造(AM)は、原材料(例:粉末、液体、懸濁液、または融解固形物)を連続的に分注して二次元の層を形成することから3次元の物体を作り上げる、製造プロセスを意味する。対照的に、従来の機械加工技法には、木材、プラスチックまたは金属の塊といった在庫材料から物体が切り出されるサブトラクティブ加工が含まれる。
付加製造には、様々な付加プロセスを用いることができる。例えば、選択的レーザ溶融法(SLM)や直接金属レーザ焼結法(DMLS)、選択的レーザ焼結法(SLS)、熱溶融積層法(FDM)といったいくつかの方法では、層を作り出すために材料を融解または軟化させるが、一方で、例えば光造形法(SLA)といった別の技法を用いて、液体材料を硬化させる技法もある。これらのプロセスは、完成物を作製するために層を形成する方法に関して種々であり、各プロセスで互換性をもって使用される材料に関して種々である。
粉末材料を焼結又は融解させるエネルギー源を使用する従来のシステム第1の層内の選択された箇所が全て焼結または融解されると、完成した層の上に粉末状材料の新たな層が堆積し、所望の物体が作製されるまで、層ごとにこのプロセスが反復される。
一態様では、物体の付加製造方法は、支持体に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層から層を堆積させることは、支持体又は下層に第1の粒子を分注することと、物体の表面に対応する選択領域の支持体又は下層に第2の粒子を選択的に分注することと、層の少なくとも一部を溶融させることとを含む。層は、全体的に第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有する。
実施態様は、下記のうちの1つ以上を含み得る。
第2の粒子が第1の粒子の層の中に浸透するように、第1の粒子の後に第2の粒子を分注することができる。第1の粒子は、リザーバから支持体又は下層全体に押し出すことができる、あるいはノズルから射出させることができる。第1の粒子と第2の粒子を混合して粒子混合物を得ることができ、粒子混合物を選択領域内に選択的に分注することが可能である。粒子混合物は、ノズルから射出させることができる。
第1の粒子は第1の平均直径を有していてよく、第2の粒子は、第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有していてよい。第2の平均直径は、第1の平均直径よりも少なくとも4倍小さくてもよい。第2の平均直径は、約100nm〜2μmでありうる。第1の平均直径は、約5μm〜10μmでありうる。第1の粒子と第2の粒子は、同じ材料組成を有する。層の一部を溶融させることは、第1の粒子及び第2の粒子の層にレーザビームを当てることを含みうる。
別の態様では、物体の付加製造方法は、支持体に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層を形成することは、複数の層のグループを堆積させることを含み、層のグループはそれぞれ複数の層を含む。複数の層からの層のグループを堆積させることは、層のグループの各層に対して、層を形成するために、支持体又は下層に供給材料を分注することと、層のグループの各層に対して、層を形成するために供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、物体に対応する層の選択部分を溶融させることと、層のグループのうちの全ての層を分注した後に、層のグループの全ての層を通して延在する層のグループのある体積を溶融させることとを含む。
実施態様は、下記のうちの1つ以上を含み得る。
層の一部は、物体の外面に対応しうる。層のグループのうちの少なくとも2つの隣接する層の領域は、横方向にオフセットした外周を有しうる。層のグループのうちの少なくとも2つの隣接する層の領域は、物体の傾斜した外面を得るために横方向にオフセットした外周を有しうる。
供給材料を分注することは、支持体又は下層に第1の粒子を分注することと、層が全体的に第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有するように、選択領域の支持体又は下層に第2の粒子を選択的に分注することとを含みうる。第2の粒子は、第1の粒子の第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有しうる。第2の粒子が第1の粒子の層の中に浸透するように、第1の粒子の後に第2の粒子を分注することができる。選択領域及び選択部分は、物体の外面に対応しうる。層の選択部分を溶融させることは、層に第1のレーザビーム又はイオンビームを当てることを含みうる。層のグループの体積を溶融させることは、層のグループに第2のレーザビーム又はイオンビームを当てることを含みうる。第2のレーザビーム又はイオンビームは、第1のレーザビーム又はイオンビームよりも大きい電力を有しうる。層のグループは、3〜10の層を含みうる。
別の態様では、物体を形成する付加製造装置は、支持体と、支持体又は下層に第1の粒子を供給する第1の分注器と、支持体又は下層に第2の粒子を選択的に供給する第2の分注器と、第1の粒子と第2の粒子を溶融させるエネルギー源と、第1の分注器、第2の分注器及びエネルギー源に連結されたコントローラとを含む。コントローラは、装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成される。コントローラは、層が全体的に第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有するように、装置に第1の粒子及び第2の粒子を分注させ、選択領域を含む層の少なくとも第1の部分と、選択領域を含まない層の第2の部分とを溶融させることによって、複数の層のうちの層を形成するように構成され、選択領域は物体の表面に対応する。
実施態様は、下記のうちの1つ以上を含み得る。
選択領域は、物体の外面に対応しうる。選択領域は、物体の内部を得るために第1の粒子が溶融される層の少なくとも一部を含む必要がない。
第1のリザーバは第1の粒子を保持することができ、第2のリザーバは第2の粒子を保持することができる。第1の粒子は第1の平均直径を有していてよく、第2の粒子は第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有していてよい。第1の粒子と第2の粒子は、同じ材料組成を有しうる。
コントローラは、第2の粒子が第1の粒子の層の中に浸透するように、第1の粒子の後に第2の粒子を分注させるように構成されうる。第1の分注器は、支持体に隣接して位置づけされたリザーバと、リザーバから第1の粒子を支持体又は下層全体に押し出すように構成されたプッシャーとを含みうる。30.第2の分注器は、第2の粒子を射出するノズルを有する射出器を備える。第2の分注器は、第1の粒子と第2の粒子とを受け入れて、第1の分注器に粒子混合物を提供するように構成された混合器を含みうる。コントローラは、ノズルからの粒子混合物の射出を制御することによって、第2の粒子を選択的に分注するように構成されうる。エネルギー源は、レーザ又はイオンビーム源でありうる。
別の態様では、物体を形成する付加製造装置は、支持体と、支持体又は下層に供給材料を供給する分注器と、供給材料を溶融させるエネルギー源と、分注器及びエネルギー源に連結されたコントローラとを含む。コントローラは、装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成され、複数の層は複数の層のグループを含む。コントローラは、層を得るために、層のグループの各層に対して、装置に、供給材料を支持体又は下層に分注させることによって、複数の層のグループのうちの1つの層のグループを形成し、層のグループの各層に対して、層を得るために供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、物体に対応する層の選択部分を溶融させ、層のグループのうちの全ての層を分注した後に、層のグループの全ての層を通して延在る層のグループのある体積を溶融させるように構成される。
実施態様は、下記のうちの1つ以上を含み得る。
コントローラは、層の一部が物体の表面、例えば物体の外面に対応するように構成されうる。層のグループは、3〜10の層を含みうる。
コントローラは、層のグループのうちの少なくとも2つの隣接する層の領域が、横方向にオフセットされた外周を有するように構成されうる。コントローラは、層のグループのうちの少なくとも2つの隣接する層の領域は、傾斜した物体の外面を得るために横方向にオフセットした外周を有するように構成されうる。
分注器は、支持体又は下層に第1の粒子を分注する第1の分注器と、選択領域の支持体又は下層に第2の粒子を選択的に分注する第2の分注器とを含みうる。コントローラは、層が全体的に第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有するように構成されうる。
第1のリザーバは第1の粒子を保持することができ、第2のリザーバは第2の粒子を保持することができる。第1の粒子は第1の平均直径を有していてよく、第2の粒子は第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有していてよい。コントローラは、第2の粒子が第1の粒子の層の中に浸透するように、第1の分注器が第1の粒子を分注した後に、第2の分注器に第2の粒子を分注させるように構成されうる。
エネルギー源は、レーザ又はイオンビーム源を含みうる。エネルギー源は、層の選択部分を溶融させる第1のエネルギー源と、層のグループの体積を溶融させる第2のエネルギー源とを含みうる。第1のエネルギー源は、第1のレーザ又はイオンビーム源を含んでいてよく、第2のエネルギー源は、第2のレーザ又はイオンビーム源を含んでいてよい。第2のレーザ又はイオンビーム源は、第1のレーザ又はイオンビーム源よりも大きい電力を有しうる。
前述の利点は、非限定的に以下を含みうる。層の選択領域に第1の粒子よりも小さい平均直径を有する第2の粒子を分注することによって、本書に記載されたAMプロセスの任意の組み合わせを実行する付加製造(AM)装置は、選択領域における物体の特徴を正確に制御することが可能になる。例えば、選択領域に分注された第2の粒子により物体の特定部分の密度が高まり得、これにより、これら特定部分が改善された表面特徴を有するようになりうる。これらの特徴は、高い構造的剛性及び低い表面粗さを含みうる。AMプロセスは、選択領域内の粉末を溶融させて、他の部分の重量及び密度を上げることなく、完成物の特定部分の構造的剛性を改善することにより、これらの部分の物体の全重量に対する影響を減らすことができる。
表面特徴の制御に加えて、これらのプロセスは、AM装置が複雑な形状寸法を有する物体の外面を形成することを可能にする一方で、上述の改善された表面特徴を提供することも可能にする工程を含む。各選択領域内で、AM装置は、物体の外面の輪郭を制御するために、第1及び第2の粒子が溶融される場所を選択しうる。例えば、第1及び第2の粒子を有する各層の領域間に横方向のオフセットを組み込むことによって、外面に角度がついた傾斜した形状寸法を形成することができる。
本書に記載される方法は、AM装置の全体的なスループットを大幅に低下させることなく、これらの複雑な形状寸法と改善された表面特徴を実現しうる。AM装置は、正確な形状寸法及び低い表面粗さが要求されない場合がある内部には、第2の粒子を分注しない。代わりに、AM装置は、物体の他の特徴の中でも、美観、機能性、取扱い、及び適合性に影響する外面に第2の粒子を分注しうる。内部には第1の粒子のみが含まれうる。
2種類の粒子の使用の代替として、あるいは追加として、AM装置は、正確な形状寸法が必要とされる領域の個別の層を溶融させることができるが、例えば内部等の正確な形状寸法が必要とされない領域において、1つの工程内で幾つかの層を同時に溶融させることができる。したがって、これらの内部を溶融させる工程は、工程において各層に第1の粒子を分注した直後にこれらの内部を溶融させた場合に要求される時間よりも短い時間を要する。
本明細書に記載される主題の1つ以上の実施態様の詳細を、添付の図面および以下の記述で説明する。主題の他の可能な特徴、態様及び利点が、本記述、図面及び特許請求の範囲から明らかになろう。
様々な図面における同じ参照番号及び記号表示は、同じ要素を表す。
粉末粒子を使用する付加製造(AM)プロセスは、他の特性の中でも、高い寸法精度と高解像度の表面特徴が要求される物体を生成することができる。AMにおいて、粉末粒子のサイズ、バインダー粘性、液滴直径、及び印刷層の厚さにより、結果的な物体の強度及び表面品質が決定されうる。例えば、粉末粒子のサイズ、及び粉末粒子の分布の均一性は、3D印刷プロセスに影響しうる。粉末粒子のサイズが小さすぎると、粉末粒子の流動的な性質のために、粉末粒子は薄い層に分散することができない可能性がある。粉末粒子のサイズが大きすぎると、粉末粒子が溶融した後で、印刷部品は、粗い表面仕上げ及び低い表面解像度等の望ましくない特徴を有しうる。これらの望ましくない特徴は、印刷部品の外面が傾斜した輪郭を含むときに更にいっそう顕著になりうる。これらの望ましくない特徴をあまり目立たないようにするために、AMプロセスでは、印刷部品を製造中に粉末粒子の薄い層を形成しうる。しかしながら、薄い層の連続的な分注及び溶融により、印刷部品を作製する時間が長くなり、AMプロセスの全体的なスループットが低下しうる。
幾つかのAMプロセスでは、各々が異なる平均直径を有する二峰性又は三峰性の粉末粒子を選択的に分注して、AMプロセスのスループットに影響を与えることなく、印刷部品の解像度と表面仕上げを改善することができる。例えば、AMプロセスは、大きい平均直径を有する第1の粉末粒子の層を形成しうる。AMプロセスでは、例えば解像度の改善、及び表面粗さの低減が非常に望ましい印刷部品の外面となる領域等の層の選択領域に、小さい平均直径を有する第2の粉末粒子を分注することにより、小さい粒子サイズを使用することによって授かった利点からこれらの選択領域が利益を得ることができる。これらの選択領域はまた、AMプロセスにおいて第2の粉末粒子を薄い層の中に散布することができなくなるリスクを減らすことができる、第1の粉末粒子も含有する。
AMプロセスではまた、印刷部品の外面に対応する選択領域と、内部に対応する他の領域を別個に溶融させうる。AMプロセスでは、解像度の改善、及び表面粗さの低減を実現するために、選択領域を層ごとに溶融させるが、他の領域に対応する物体の内部には、外面に要求される解像度又は表面粗さが要求されない場合があるため、AMプロセスでは、他の領域の幾つかの層を一度に溶融させることができる。小さい第2の粒子を第1の粒子の層の中に浸透させて、第2の粒子を含有する層の領域を選択的に溶融させることによって、AMプロセスは、AMプロセスのスループットを低下させずに印刷る部品の品質を改善しうる。
付加製造装置
図1Aに、印刷物の外面の解像度及び表面粗さを改善するのに使用されうる、例示の付加製造(AM)装置100、例えば選択的レーザ焼結システム(SLS)、選択的レーザ融解法(SLM)、又は電子ビーム融解システムの前面図を示す。
図1Aに、印刷物の外面の解像度及び表面粗さを改善するのに使用されうる、例示の付加製造(AM)装置100、例えば選択的レーザ焼結システム(SLS)、選択的レーザ融解法(SLM)、又は電子ビーム融解システムの前面図を示す。
AM装置100の支持体102は、物体が製造される製造粉末ベッド104を保持する。粉末供給システム106は、支持体102の上、例えば支持体に、あるいは支持体の前に堆積した層に第1の粉末粒子110の層108を供給する。粉末供給システム106は次に、第1の粉末粒子110の層108の選択領域113の中に、小さい第2の粉末粒子112を供給する。第1及び第2の粉末粒子110、112は、物体を形成するための供給材料である。第2の粉末粒子は、第1の粉末粒子の、例えば2倍以上小さい平均直径を有する。
幾つかの実施態様では、選択領域113は物体の表面に対応する。表面は、物体の外側の特徴又は表面的な特徴を含む外面でありうる。例えば、物体の外面は、物体の製造が完了した後で、環境にさらされる物体の一部でありうる。付加製造が機械的アセンブリ内の複数の構成要素を同時に製造するのに使われるところでは、その物体の表面は、機械的アセンブリ内の構成要素の外面(例:機械的アセンブリ内部の他の構成要素と相互作用し接触する面)であってよい。
外面は、例えば物体の内部領域を通って延びる支柱、ブレーシング、又は同様の部品の様々な内面から区別され、物体に構造的支持を提供しうる。幾つかの実施態様では、選択領域113は、物体の別の構成要素の別の表面と滑動的に係合する、又はそうでなければ移動可能に係合する物体の構成要素の外面に対応する。例えば、物体が複数のギアを有するように構成されている場合、ギア自体が外側フレーム内に含まれていたとしても、係合するギアの表面は選択領域でありうる。
エネルギー源は、物体の一部を形成するために、粉末粒子110、112を溶融させるのに十分な熱を生成する。粉末粒子110、112の層を連続的に堆積させ、溶融させて、製造物が形成される。
第1及び第2の粉末粒子110、112の材料には、例えば鋼鉄、アルミニウム、コバルト、クロム、及びチタン、合金混合物、セラミック、複合物、及び生砂等の金属が挙げられる。幾つかの実施態様では、第1及び第2の粉末粒子110、112は異なる材料でできており、他の場合には、第1及び第2の粉末粒子110、112は同じ材料組成を有する。AM装置100が金属の物体を形成するために動作する例において、第1及び第2の粉末粒子110、112は、金属合金又は金属間材料を形成するために組み合わされた組成を有しうる。
支持体102は、支持体102の垂直高さを制御するピストン114とともに垂直に移動する。ピストン114は、粉末粒子110、112の各層が分注され溶融された後に支持体102を下げる。アセンブリが新たな粉末の層を受け入れる準備ができるように、支持体102とともに支持体102の全ての層が下げられる。幾つかの実施態様では、ピストン114が各層に予期される厚さが増加するごとに下げることにより、ピストン114が支持体102を下げるたびに、支持体102の層は新たな層を受け入れる準備ができる。
粉末供給システム106は、第1及び第2の粉末粒子110、112を供給する。粉末供給システム106は、第1の粉末粒子110の層を支持体102上又は支持体に前に分注した層(例:層108)上に供給する第1の分注システムを含む。粉末供給システム106の第2の分注システムは、第1の粉末粒子110の外側層(例:層108)上に小さい第2の粉末粒子112を供給する。
第2の分注システムは、選択領域113内の第1の粉末粒子110の層108に第2の粉末粒子112が浸透するように、例えば層108の選択領域113の上に第2の粉末粒子112を分注する。第2の粉末粒子112は、例えば1ボクセル深さ等の単一層の深さまで第1の粉末粒子110に浸透しうる。
第1の分注システムは、粉末供給装置を使用して、支持体102に隣接する粉末供給プラテン116によって支持される粉末供給ベッド115から第1の粉末粒子110を供給する。粉末供給装置は、第1の粉末粒子110の層108を形成するために、粉末供給ベッド115から製造粉末ベッド104に第1の粉末粒子110を変位させる。粉末供給ベッド115は、第1の粉末粒子110のリザーバとして機能する。
図1Aでは、粉末供給装置は、支持体102の表面と、支持体102の粉末材料の層の両方に平行して横方向に回転し、移動する主ローラ118を含む。主ローラ118は、粉末材料の最外層を形成するために、粉末供給ベッド115から第1の粉末粒子110を製造粉末ベッド104へ押し出す。主ローラ118は、粉末供給プラテン116と粉末供給ベッド115とを支持体102と製造粉末ベッド104から分離する壁146を越えて、第1の粉末粒子を変位させる。主ローラ118は、第1の粉末粒子110の層108を形成するために、粉末供給ベッド115から製造粉末ベッド104全体に第1の粉末粒子110を押し出す。
AM装置100は、粉末供給ピストン120を制御することによって、所望の厚さの第1の粉末材料を供給するために、製造粉末ベッド104の上面の上の主ローラ118の高さを選択する。粉末供給ピストン120により粉末供給ベッド115からの第1の粉末粒子110の分配を制御するために、粉末供給プラテン116が垂直に動かされる。粉末供給ピストン120は、粉末供給プラテン116をある高さだけ上向きに垂直に動かして、支持体102の上に第1の粉末粒子110の層108を形成するのに十分な量の第1の粉末を供給する。主ローラ118は次に第1の粉末粒子110を変位させて層108を圧縮し、均一の厚さを有する層が形成されるように第1の粉末粒子110を移動させる。
各層の厚さは、例えば層の高さ、あるいは第1の粉末粒子110の平均直径を通して積み重ねられた第1の粉末粒子110の数によって変化する。幾つかの実施態様では、第1の粉末粒子110の各層は、単一の粒子厚である。ある場合には、各層は、複数の第1の粉末粒子110が重なり合うように積み重ねられた結果の厚さを有する。ある例において、各層は、第1の粉末粒子110の平均直径の約1〜4倍の厚さを有する。図1Aに、第1の粉末粒子110の平均直径の約4倍の厚さを有する層108を示す。
第2の分注システムは、第1の分注システムが第1の粉末粒子110を分注したときに、あるいはした後で、第1の粉末粒子よりも小さい平均直径を有する第2の粉末粒子112を分注する。幾つかの実施態様では、第2の分注システムは、第2の粉末粒子112を第1の粉末粒子110の層108上に分注するために製造粉末ベッド104の上に位置づけ可能な、例えば分注アレイ122等の一または複数のノズルを含む。幾つかの実施態様において、分注アレイ122は、第2の粉末粒子を供給するために、支持体102の幅にわたって広がり、支持体の長さ全体をスキャンする。しかしながら、分注アレイ122が支持体の幅よりも狭く、支持体102をカバーするために2つの直交方向にスキャンすることもありうる。また、第2の分注システムは、アレイの代わりに単一の分注開孔を含みうる。幾つかの例では、支持体102全体に複数回のスキャンが実施され、各スキャンにおいて粉末が供給される。層108の最終的な厚さが例えば第1の粉末粒子の平均直径の1〜4倍等の所望の厚さを超える場合、プロセスが繰り返されうる。
オプションとして、第2の分注システムの第2のローラ124は、分注された第2の粉末粒子112を粉末材料の層のボイドに圧縮する。第2のローラ124は、層108が所望の厚さ、例えば第1の粉末粒子110の平均直径の1〜4倍に達するまで、第1と第2の粉末粒子110、112を含有する層108を圧縮しうる。
第2の粉末粒子112が第1の粉末粒子110の層108に分注されたときに、第2の粉末粒子112が第1の粉末粒子110の層に浸透して第1の粉末粒子110間のボイドを埋めるように、第2の粉末粒子112は第1の粉末粒子110よりも小さくなっている。第2の粉末粒子112は、例えば、第1の粉末粒子110の平均直径よりも少なくとも2倍小さい平均直径を有する。第2の粉末粒子112は、サブミクロン又はナノ粒子であってよい。幾つかの例では、第2の粉末粒子112の平均直径は、第1の粉末粒子110の平均直径よりも2〜100倍、3〜50倍、又は2〜10倍小さい。幾つかの実施態様では、第1の粉末粒子110は、5〜10μmの平均直径を有し、第2の粉末粒子は、100nm〜2μmの平均直径を有する。
第2の分注システムは、選択領域113内に第2の粉末粒子112を分注する。第1の粉末粒子110及び第2の粉末粒子112の両方を含む選択領域113では、第2の粉末粒子112は、第1の粉末粒子110間のボイドを埋める。選択領域113外の層108内では、層108は第1の粉末粒子110のみを含む。幾つかの実施態様において、第1及び第2の粉末粒子110、112の組み合わせを含む選択領域113内では、第2の粉末粒子110、112は選択領域113内の層108の一部の約15〜30容量パーセントを占める。
幾つかの実施態様では、分注アレイ122は、デジタルアドレス指定可能である、及び/又はデジタルアドレス指定可能なアレイヘッドを含むことにより、異なるサイズ及び特性の粉末粒子を供給するように構成される。分注アレイ122は、例えば、サブミクロン粒子又はナノ粒子及び異なる材料を分注する、又は、同じサイズ又は同じ材料の粉末粒子を堆積させる。
分注アレイ122は、ある場合には、ノズルから第2の粉末粒子112を射出する微小分注アレイヘッドを含む。分注アレイ122は、分散媒内に第2の粉末粒子を分注しうる。分散媒は、例えば、イソプロピルアルコール(IPA)、エタノール、又はN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の高蒸気圧担体である。分注アレイ122は更に、層108を溶融させる前に、熱蒸発又は吸引を利用して分散媒を除去する。幾つかの場合には、分注アレイ122は、例えばアルゴン、窒素、又は混合ガス及び/又は超音波撹拌機構等の不活性ガスジェットを使用して第2の粉末粒子112を分注するドライ分注機構である。
分注アレイ122は、例えば、500nm〜1μm、1μm〜50μm、又は50μm〜500μmの直径を有する複数のノズルを有しうる。分注アレイ122は、複数のノズルヘッドを含んでいてよく、各ノズルヘッドは、製造粉末ベッドの幅にわたって置かれた分割ノズルヘッドで構成されうる。幾つかの実施態様では、分注アレイ122はスロットベースのアレイヘッドを使用する。第2の分注システムは、第2の粉末粒子112を、約0.1m/s〜30m/sの速度で、例えば1kHz〜50kHzのパルス周波数で、又は1kHz〜50kHzのパルス周波数なしで第2の粉末粒子112を堆積させうる。
幾つかの実施形態では、分注アレイ122は、第1の粉末粒子110と第2の粉末粒子112の両方を射出する。分注アレイ122は、第1及び第2の粉末粒子110、112の混合物を含み、分注アレイ122のノズルを通じて混合物を選択領域113に射出する。
ローラ118、124が粉末粒子110、112を製造粉末ベッド104へ供給する時に、粉末粒子110、112のローラ118、124への付着を防ぐために、粉末供給システムは、ローラ118、124を掃除するブレード126、128を含む。第1の分注システムのブレード126は、第1の粉末粒子110の主ローラ118への付着を防止し、第2の分注システムのブレード128は、第2の粉末粒子112の第2のローラ124への付着を防止する。ブレード126、128が粉末粒子のローラ118、124への付着を防ぐために使用される時は、ローラ118、124が回転したときにローラ118、124から全ての粉末粒子が効率的にこすり落とされるように、ローラ118、124にごく接近して位置づけされる。ブレード126、128は、例えば、分注されている粒子の最小直径未満の距離、あるいは、分注されている最小粒子の直径の半分以下の距離に位置づけされる。
AM装置100のエネルギー源は、組み合わされた第1及び第2の粉末粒子110、112の層108を溶融させるために、層108に熱を加える。図1Aに示す例では、エネルギー源は、方向づけされたエネルギービーム132を放射するビーム装置130である。方向づけされたエネルギービーム132は、例えばレーザビームである。AM装置100は、エネルギービーム132を層108のターゲットエリアに方向づけするビーム位置調整制御機構として機能する、線形アクチュエータ又はレーザ検流計等のスキャナーシステム134を含む。スキャナーシステム134は、エネルギービーム132の照準を合わせてエネルギービーム132を調節し、ターゲットエリアの粉末材料の層(例:層108)を選択的に溶融させるように作動する。粉末材料は、第1の粉末粒子110、第2の粉末粒子112、又はこれらの組み合わせを含む。
エネルギービーム132は、粒子をともに選択的に溶融させ製造物を形成するために、製造粉末ベッド104の支持体102に位置する粉末材料に方向づけされる。ビーム装置130は、エネルギービーム132を層108の領域に正確に、また選択的に方向づけするために、例えばレーザ、レーザヘッド、安全シャッター、及びミラーアセンブリを含む。ある場合には、エネルギービーム132は、第1の粉末粒子110のみを含む層108のターゲットエリアに方向づけされ、ある場合には、エネルギービーム132は、第1の粉末粒子110及び第2の粉末粒子112の両方を含有するターゲットエリアに方向づけされる。
幾つかの例では、ビーム装置130は、選択領域113外の領域の第1の粉末粒子110を溶融させることなく、選択領域113内の第1及び第2の粉末粒子110、112を溶融させるために、エネルギービーム132を選択領域113に向かって方向づけする。本書に記載したように、選択領域113は、印刷される物体の例えば外面等の表面に対応する。対照的に、選択領域113外の領域は、物体の内面又は内側部分に対応しうる。幾つかの例では、ビーム装置130は、第1の粉末粒子110を溶融させて内面の形状寸法及び構造を形成するために、選択領域113外の領域にエネルギービーム132を方向づけする。
第1の粉末粒子110のみを有する領域の溶融スループットを向上させるために、ビーム装置130は、エネルギービーム132の電力を上げることができ、これにより、エネルギービーム132が第1の粉末粒子110の複数の層を溶融させることが可能になる。エネルギービーム132は例えば、1回に1つの粒子110、112の層を溶融させうる。ある場合には、エネルギービーム132は、粒子110、112の層のグループも溶融させることができるため、単一の層だけを溶融させるのに要する電力量よりも大きい電力量を要しうる。加えて、単一の粒子の層に対し、第1の粉末粒子110の領域だけを溶融させるには、第1及び第2の粉末粒子110、112の両方を含む領域を溶融させるよりも小さいエネルギーを要しうる。これは、両方の種類の粒子110、112を含む領域の密度が高いためである。AM装置100はしたがって、溶融される層の数、及び溶融される部分の組成に基づいて、エネルギービーム132の電力を選択する。
図1Bは、AM装置100を示す例示の上面図である。コントローラ136は、粉末供給システム106、主ローラ118、及び第2のローラ124を含むAM装置100の動作を制御する。コントローラ136は例えば、線形アクチュエータ138を含む駆動系を操作する。コントローラ136は、線形アクチュエータ138を操作して、ビーム装置130、粉末供給システム106、及びローラ118、124を、製造粉末ベッド104の上面に平行して前後に移動させる。線形アクチュエータ138は、例えば矢印140で示す方向に沿ってこれらの部分を移動させる。コントローラ136は、主ローラ118及び第2のローラ124にそれぞれ接続された駆動系のモータ142、144も操作する。モータ142、144は、ローラ118、124をそれぞれ回転させることにより、ローラ118、124が製造粉末ベッド104の上全体で移動したときに、第1及び第2の粉末粒子110、112を製造粉末ベッド104へ変位させて圧縮しうる。主ローラ118の回転及び横方向の移動により、第1の粉末粒子110の粉末供給ベッド115から製造粉末ベッド104への変位が起こる。粉末供給システム106は、例えばレール146、148によって支持される。
AM装置100及びAM装置100の構成要素は付加的に又は代替的に、本書に記載される他の特徴を含みうる。幾つかの実施態様では、一方又は両方のローラ118、124が、例えばローラの内部コア全体に冷却剤を流すことによって、ローラ表面の温度を能動的に制御する。ローラ118、124は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、又はセラミックでコーティングされた金属等の金属で形成される。ローラは、約0.05μm〜5μmの算術平均(Ra)を有する表面粗さを有する。
ローラ、ブレード、分注器、粉末供給ベッド、及び他の適切な粉末分注機構の組み合わせを使用して、第1と第2の粉末粒子110、112を分注することができる。図1Aに関して説明したように、AM装置100の粉末供給装置は、幾つかの例では、主ローラ118を使って粉末供給ベッド115から製造粉末ベッド104上に第1の粉末粒子110を押し出す代わりに、付加的に又は代替的に、直線変位を通して粉末粒子を押し出すブレードを含む。ブレードは、支持体102の表面に対して約5度〜90度の角度をなす前向きのナイフエッジを有し、均一のモノ粒子又はデュアル粒子層が作製されるように支持体102の表面に平行して移動しうる。ブレードは、粉末材料の層を形成するために、粉末供給ベッド115から製造粉末ベッド104に粉末粒子を押し出す。
幾つかの例では、第1の粉末粒子110を支持体102に隣接する粉末供給ベッド115から押し出す代わりに、第1の分注システムは、支持体102の上に位置づけ可能であり、ノズルから第1の粉末粒子110を射出する分注アレイを含む。この分注アレイは、第2の粉末粒子112の分注アレイ122と同様のものでありうるが、この分注アレイの構造は、大きい直径の第1の粉末粒子110を収容するように調節可能である。分注アレイは、粉末材料の層を形成するために、例えばイソプロピルアルコール(IPA)、エタノール、またはN−メチル−2−ピロリドン(NMP)といった高蒸気圧担体等の分散媒の中で第1の粉末粒子を供給することができる。分散媒は、層の焼結ステップの前に、例えば第2の粒子が分注される前に、蒸発しうる。あるいは、第1の分注システムは、例えば第1の粉末粒子110を分注する、超音波撹拌及び加圧不活性ガスによって補助されるノズルのアレイ等のドライ分注機構を含みうる。
ある実施態様では、粉末供給システム106は、第1の粉末供給装置の両側に位置づけされた2つ以上の粉末供給ベッド(例:粉末供給ベッド115)を含む。ある粉末供給ベッドは第1の粉末粒子110を供給するためのものであり、別の粉末供給ベッドは第2の粉末粒子112を供給する。
幾つかの実施態様では、AM装置100の粉末供給システム106は、主ローラ118及び/又は第2のローラ124に統合された分注アレイを使用して粉末材料の層を形成する第1の粉末粒子110及び/又は第2の粉末粒子112を分注する。ローラ118、124又は他の粉末供給装置の背後に位置づけされた分注アレイは、粉末供給装置が粉末材料の層108全体で移動するときに、粉末供給装置にしたがって動く。分注アレイは、粉末供給装置が移動している間は、層108に接触しない。
ローラを使用して第1の粉末粒子110を変位させる代わりに、幾つかの例では、第1の粉末供給装置は、第1の粉末粒子110を変位させる第1のブレードである。第2の粉末供給装置は、層108を形成するために、第1のブレードが粉末粒子110、112を散布した後で、層108内の第2の粉末粒子112を変位させ、また圧縮する第2のローラ(例:第2のローラ124)を含みうる。ある場合には、第2の粉末供給装置は、第1の粉末粒子110及び第2の粉末粒子112の両方を含む組み合わされた粉末材料を圧縮するように機能する。第2の粉末供給装置は、例えば、選択領域113に含有される第1及び第2の粉末粒子110、112を圧縮する。幾つかの実施態様では、第2の粉末供給装置はブレードでもある。
AM装置100は、双方向の層形成、及び第1の粉末粒子110の層内への第2の粉末粒子112の圧縮を実施する構成要素を含みうる。幾つかの実施態様では、第2の分注器は、粉末供給システム106の第1の粉末供給装置の両側に位置づけされた2つの分注アレイ(例:第2の粉末粒子112の分注アレイ122、及びこれも第2の粉末粒子112を分注する別の分注アレイ)を含む。第1の粉末供給装置は、例えば第1の粉末粒子110が支持体102、又は粉末材料の下層に供給された後で、第1の粉末粒子110を押し出す第1のローラ又は第1のブレード(例:主ローラ118)である。第1の粉末供給装置は、例えば粉末供給ベッド115から、あるいは分注アレイを使用して第1の粉末粒子110を供給する。
粉末供給システム106は、付加的に又は代替的に、第2の粉末粒子112の双方向の層形成及び圧縮を可能にする、第1の粉末供給装置の反対側に、例えば2つの第2のローラ又はブレード等の第2の粉末供給装置を含む。第2のローラは図1Aの第2のローラ124と同様のものであり、分注アレイは図1Aの分注アレイ122と同様のものである。第2の粉末粒子112の各分注アレイは、第2のローラのうちの1つと、第1の粉末供給装置との間にある。第2の粉末粒子の分注アレイと、第2のローラは、第1の粉末供給装置の各側面にある。例えば、1つの分注アレイは、第1の粉末供給装置又はローラが粉末材料の層108を順方向に横切るときに、第1の粉末供給装置を追いかける前方分注アレイでありうる。他の分注アレイは、順方向とは反対の後方に移動したときに、第1の粉末供給装置を追いかける後方分注アレイでありうる。
エネルギービーム132は概して熱を加えるエネルギービームとして記載しているが、幾つかの実施態様では、エネルギービーム132はイオンビームである。エネルギービーム132は例えば、電子を含み、電子ビームとして機能する。ミラーアセンブリは、電子ビームの経路に沿って設置され、ある場合には、プレートの静電気が電子と相互作用し、電子ビームの偏向が制御される。あるいは又は更に、エネルギービーム132が固定されたままで、支持体102が水平に変位しうる。支持体102が水平に変位することによって、エネルギービーム132のターゲットエリアが移動する。溶融されるボクセルに対して、ビームをパルス化することができる、又はエネルギービーム132を連続的なものにすることができる。
ある場合には、エネルギー源は、ターゲットエリアを溶融させるレーザビームを含む代わりに、個別に制御可能な光源のアレイの形態のデジタル的にアドレス指定可能な熱源を含む。アレイは例えば、支持体102の上に位置づけされた、垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)チップを含む。制御可能な光源のアレイは、支持体102全体をスキャンする、アクチュエータによって駆動される線形アレイであってよい。ある場合には、アレイは、個別に制御可能な光源のサブセットを作動させることによって、層の領域を選択的に加熱する完全に二次元のアレイである。あるいは、又は更に、エネルギー源は、第1及び第2の粉末粒子が組み合わされた層を全て同時に加熱するランプアレイを含む。
付加製造装置を使用する方法
本書に記載されるAM装置100及び他のAM装置を使用して、第1の粉末粒子110及び第2の粉末粒子112から形成された物体を製造することができる。AM装置は、層を形成し、また、物体を形成する溶融部分を生成するために層の領域を溶融させる。AM装置は、溶融部分の所望の特性によって変化する、層の局所領域又は選択領域内に第2の粉末粒子112を選択的に分散させうる。これらの選択領域は、例えば形成される物体の外面に対応する。選択領域内の層の領域が溶融した後に、溶融部分は外面を形成する。
本書に記載されるAM装置100及び他のAM装置を使用して、第1の粉末粒子110及び第2の粉末粒子112から形成された物体を製造することができる。AM装置は、層を形成し、また、物体を形成する溶融部分を生成するために層の領域を溶融させる。AM装置は、溶融部分の所望の特性によって変化する、層の局所領域又は選択領域内に第2の粉末粒子112を選択的に分散させうる。これらの選択領域は、例えば形成される物体の外面に対応する。選択領域内の層の領域が溶融した後に、溶融部分は外面を形成する。
例として、層ごとのAMプロセスにおいて、AM装置100は、第1の粉末粒子110を層全体に均一に分注し得、次に選択領域113内に第2の粉末粒子112を選択的に分注しうる。AM装置100は次に、溶融部分を形成するために、第1と第2の粉末粒子110、112を溶融させうる。溶融部分は、物体の印刷及び製造が完了した後に、物体の外面の一部を画定する。これらのプロセスから形成された外面は、高い解像度と、所望の範囲内に低減した表面粗さを有する複雑な表面形状寸法を含みうる。本方法及びプロセスによって、AM装置がこれらの外面を効率的に作製することが可能になる。
ある場合には、AM装置は、図2A〜図2Gに関して説明したプロセスにおいて、物体を形成するために分注された他の層の選択領域の外周と同様の外周を有する選択領域内に、第2の粉末粒子を分注する。図2A〜図2Gの例示のプロセスにおいて、外面の輪郭は層の支持体に対して全体的に垂直である(例:垂直の輪郭)。幾つかの実施態様において、AM装置は、図3A〜3Hに関して説明したプロセスにおいて、外周が他の層の選択領域の外周から横方向にオフセットした選択領域内に、第2の粉末粒子を分注する。このプロセスを使用して形成された外面の輪郭は、層の支持体に対して角度をなしている(例:角度がついた輪郭)。図4及び図5は、選択領域の外周が互いにオフセットしている例示のプロセスも示す図であり、図6は、物体の外面の輪郭の軌道を制御するために、AM装置が制御するパラメータを示す図である。
物体を形成するためにAM装置(例:AM装置100)を使用する例示の方法を、図2A〜図2Gを参照しながら説明する。図2A〜図2Gは、AM装置が様々な工程200A〜200Gを実施するときのAM装置の支持体206の側面図である。AM装置は、種々のサイズの粒子を含む供給材料を使用して物体を形成する。AM装置を使用して形成される物体は、物体の内部を囲む外面によって画定される三次元形状寸法を有する。図2A〜図2Gに示す事例において、外面は、互いに平行する内側部分と外側部分とを有する。
AM装置は、図2Aに示すように、支持体206に供給材料を配置することによって開始する。工程200Aにおいて、AM装置は、供給材料としての役目を果たす第1の粉末粒子204(例:図1Aの第1の粉末粒子110)の層202を分注する。第1の粉末粒子204は、第1の平均直径を有する。層202が分注された第1の層である場合、AM装置は、AM装置の支持体206に第1の粉末粒子204を分注する。下層が支持体206上にすでに分注されている場合、AM装置は、下層に第1の粉末粒子204を分注する。
工程200Aの間に、AM装置は例えば、第1の粉末粒子204を分注するために、図1Aに関して記載された粉末供給システム及び第1の分注システムを使用する。例えば、図1Aを参照すると、第1の粉末粒子110の層108を形成するために、AM装置100は、主ローラ118を使用して、支持体102全体に、あるいは支持体102上の前に堆積した層に、第1の平均直径を有する第1の粉末粒子110を押し出す。ローラ118は、AM装置100の左側から右側へ移動するために、反時計回りの方向に回転する。主ローラ118は、所望の厚さと等しい層108の上の高さに位置づけされる。主ローラ118は、積み重ねられた第1の粉末粒子110の数によって変化する厚さを有する層108を作り出すために、支持体102全体を例えば約0.1m/s〜10m/sで横切り、約10rpm〜500rpmで回転する。
幾つかの実施態様では、AM装置100の第1の分注システムは、分注アレイを使って第1の粉末粒子110を分注する。第1の分注システムが使用するときに、AM装置は、例えば分注アレイのノズルから第1の粉末粒子110を射出することによって、第1の粉末粒子110の層を分注する。
供給材料は更に、図2Bに示すように、第2の粉末粒子208(例:図1Aの第2の粉末粒子112)を含む。層202が第1の粉末粒子204を含んだ状態で、AM装置は、工程200Bにおいて第2の粉末粒子208を分注することに進む。AM装置は、層202の選択領域210内に第2の粉末粒子208を選択的に分注する。本書に記載したように、第2の粉末粒子208は、第1の粉末粒子204の第1の平均直径よりも小さい第2の平均直径を有する。層202が第1の層である場合、AM装置は、支持体206に第2の粉末粒子208を分注する。層202が下層に分注された場合、AM装置は、下層に第2の粉末粒子208を分注する。層202は、層202全体の第1の粉末粒子204と、選択領域210内の第2の粉末粒子208とを含む。選択領域210は、溶融される層の一部の外側エッジに位置する層202の一部を含む。したがって、溶融したときに、この領域210は物体の外面を画定する。
工程200Bの間に、AM装置は例えば、第2の粉末粒子112(例:第2の粉末粒子208)を分注するために、図1Aに関して説明した粉末供給システム及び第2の分注システムを使用する。図1Aを再び参照する。AM装置100は、第1の粉末粒子110の層108上に、分注アレイ122を使用して、第2の平均直径を有する第2の粉末粒子112を分注する。AM装置100は、第2の粉末粒子112が第1の粉末粒子110の層に浸透するように、分注アレイ122を制御する。具体的には、分注アレイ122は、選択領域113内に第2の粉末粒子112を分注する。第2の粉末粒子112は、層に浸透するときに、第1の粉末粒子110間のボイドを埋める。
図2Bを再び参照する。工程200Bの間に、AM装置は、粉末材料の層202内のボイドを更に埋めるために、分注された第2の粉末粒子208を圧縮する。図1Aの例において、AM装置100は、第2のローラ124をAM装置100の左側からAM装置100の右側まで移動させるように、第2のローラ124を反時計回りの方向に回転させうる。第2のローラ124は、主ローラ118と分注アレイ122がたどる経路を横切る。第2の粉末粒子112を圧縮し、第2の粉末粒子112を層108の中に浸透させることに加えて、第2のローラ124と第2の粉末粒子112との接触により、過剰な量の第2の粉末粒子が層108から押しのけられる。第2のローラ124は、必要な圧縮度によって、主ローラ118の水線の約0.1μm〜0.1μm上又は下に位置づけされうる。第2のローラ124は更に、層108内の粉末粒子110、112を同じ高さにする。
分注アレイ122が第2の粉末粒子112を分注する選択領域113の場所を制御することによって、AM装置100が、層108内の物体の密度を制御しうる。AM装置100は、第2の粉末粒子112が分注される選択領域113内の物体の密度を制御する。AM装置100は、物体の外面の場所に基づいて第2の粉末粒子112が分注される領域113を選択しうる。選択領域113内の層108の一部が溶融すると、溶融部分により、高い解像度と低い表面粗さを有する外面が画定される。この結果、組み合わされた第1及び第2の粉末粒子110、112の層108の選択領域113は、第1の粉末粒子110のみを有する層108の他の領域よりも高い密度を有する。物体の平均密度は、第1の粉末粒子110のみを使用して形成される物体と大幅に違わない場合がある。物体の溶融が完了したとき、物体の密度は、例えば第1の粉末粒子110のみを使用して形成された対応する物体よりも0.1%〜1%、1%〜2%、2%〜5%、又は5%〜15%高い。
幾つかの例において、AM装置100は、選択領域113内に第1及び第2の粉末粒子110、112の両方の混合物を分注する。粉末供給システム106は、例えばノズルを通して混合物を射出する分注アレイを含む。混合物は、選択領域113に局所化される。第1及び第2の粉末粒子110、112の両方を分注する上記分注アレイは、第1の粉末粒子110の層108を単独で分注する第1の分注システムを付加的に含む粉末供給システム106の付加的な構成要素であってよい。
図2Cの工程200Cにおいて、AM装置は、第1及び第2の粉末粒子204、208を溶融させるように、エネルギービーム212を選択領域210に向かって方向づけする。工程200Cが完了すると、第1及び第2の粉末粒子204、208により溶融部分214が形成され、選択領域210外の第1及び第2の粉末粒子204、208は溶融せずに残る。図1Aに関して説明したように、AM装置100のエネルギー源は、例えば選択領域113等のターゲットエリアの上に位置づけされうる。ビーム装置130は次に、選択領域113内の第1及び第2の粉末粒子110、112のみが溶融するように、エネルギービーム132を放射する。
図2Cに示すように、第2の粉末粒子208は、選択領域210内に分注されているが、全部が工程200Cの間に溶融するわけではない。工程200Cの後で、更なる溶融していない第2の粉末粒子208が層202内に残りうる。
AM装置は、下層202の上に第1及び第2の粉末粒子204、208の後続層を形成することに進みうる。図2Dの工程200Dにおいて、AM装置は、第1の層202に第2の層216を形成するために、第1の粉末粒子204を分注する。AM装置は、工程200Aにおいて第1の粉末粒子204を分注する工程に関して説明したように、工程200Dを実施する同様のステップを実施する。層216は、第1の粉末粒子204の1〜2つの直径の平均厚さを有する。幾つかの実施態様では、層216は、層202と同じ厚さを有する。図2Eの工程200Eにおいて、AM装置は次に、図2Bに関して説明したものと同様のステップを使用して、選択領域210内に第2の粉末粒子208を分注する。第2の粉末粒子208は、第2の層216の第1の粉末粒子204間のボイドの中に浸透する。
図2Fの工程200Fにおいて、AM装置は、図2Cに関して説明したのと同様のステップを使用して、選択領域210内の第1及び第2の粉末粒子204、208を溶融させるために、エネルギービーム212を選択領域210に向かって方向づけする。AM装置は、エネルギービーム212によって起こる溶融が最上層216に制限されるように、エネルギービーム212の電力又はエネルギーを設定する。溶融部分214は、工程200Cの一部として溶融した粒子204、208と、工程200Fの一部として溶融した粒子204、208の両方を含む。
AM装置は、図2Gの工程200Gにおいて、下層の上に後続層を形成するために第1の粉末粒子204を分注する工程200Dと、後続層の選択領域210内に第2の粉末粒子208を分注する工程200Eと、選択領域210内の第1及び第2の粉末粒子208を溶融させる工程200Fとを連続的に実施する。工程200Fをそれぞれ実行することにより、第1及び第2の粉末粒子204、208の最上層が結果的に溶融する。AM装置は、物体の外面が完成するまで、第1及び第2の粉末粒子204、208の各層の形成、及び選択領域210内の粒子204、208の溶融を継続する。幾つかの実施態様では、AM装置は、溶融部分214が物体の外面の高さに対応する既定の高さに到達するまで、工程200Gの反復を継続する。
工程200Gの間に既定の高さに到達した時に、AM装置は内側領域218を溶融することに進む。AM装置は、支持体206の層全てを通して内側領域218内の第1の粉末粒子204を溶融させるバルク溶融プロセスを実施し、これにより溶融部分220が形成される。幾つかの実施態様では、バルク溶融プロセスを実施するために、AM装置は、エネルギービーム221を放射して溶融部分220を形成する。エネルギービーム221は、層又は層のグループ全部を通して第1の粉末粒子204が溶融するような、工程2C及び工程2Fのエネルギービーム212よりも大きい電力を有する。エネルギービーム221の電力は例えば、溶融させる必要がある層の数によって変化する。例えば、エネルギービーム212が1つの層を溶融させ、エネルギービーム221が4つの層を一度に溶融させる場合、エネルギービーム221は、エネルギービーム212よりも4倍大きい電力を有しうる。
溶融部分220は、物体の内部に対応する。図2Gに示すように、溶融部分214は、溶融される層の部分の外側エッジを画定する。これにより、物体の外面は、物体の内部に対応する溶融部分220よりも滑らかな表面粗さを有することが可能になる。溶融部分214は第1及び第2の粉末粒子204、208の両方を含むため、第1の粉末粒子204のみを含む溶融部分220よりも高い密度を有する。
第1及び第2の粉末粒子204、208の粒子サイズにより、溶融部分214、220の輪郭が直線的垂直輪郭から逸脱する度合いが決定する。第1の粉末粒子204が第2の粉末粒子208よりも大きいため、第1の粉末粒子204のみを含む溶融部分220は、第1の粉末粒子204と第2の粉末粒子208の両方を含む溶融部分214の輪郭よりも直線的な垂直輪郭から更に逸脱した輪郭を有する。小さい第2の粉末粒子208により、溶融部分214の輪郭が直線的な垂直輪郭により密接に沿ったものとなることが可能になる。直線的な垂直輪郭からの逸脱量は、粉末粒子の平均サイズに比例しうる。したがって、第1の粉末粒子204のみを含有する部分を溶融させると、第1の粉末粒子204と第2の粉末粒子208の両方を含有する部分を溶融したときよりも更に逸脱する結果となる。
幾つかの例では、既定の高さは、物体の外面の高さに対応する代わりに、物体の外面の全高の一部を形成する層のグループの高さに対応する。例えば、溶融部分220を溶融させるために使用されるレーザ出力は、既定数の層全部を溶融させることが可能でありうる。層のグループが既定の層数に到達したら、AM装置は、内側領域218内の層のグループのある体積を溶融させることに進む。体積は、層のグループ内の全ての、あるいは幾つかの層を通って延在する。AM装置は次に、工程200A〜工程200Gを反復し、第1の層のグループの上に別の層のグループを分注し溶融させる。
既定の高さ、あるいは各層のグループ内の既定の層数が増加するにつれ、バルク溶融プロセスを実施するのに要求されるエネルギービーム221の電力量が増加する。電力量が大きい場合、エネルギービーム221が層のグループに加えるエネルギーにより、エネルギービーム221のすぐ下の領域の外側が更に溶融されうる。大きい電力量は、溶融部分220の輪郭が、低い電力のエネルギービーム212で形成される溶融部分214の輪郭よりも更に逸脱する原因となりうる。
図2Gに示すように、溶融部分214は、内側輪郭222と、内側輪郭222に平行する外側輪郭224とを含む。選択領域210の外周は、物体の分注される隣接した層間で変化しないため、内側輪郭222の輪郭は、外側輪郭224の輪郭と一致する。工程200A〜工程200Gにより、AM装置が、支持体206におおむね垂直な(例:支持体206を画定する面に対して85度〜95度の)外面の輪郭を形成することが可能になる。
工程200A〜工程200Fで説明した層ごとの溶融により、高い解像度及び低い表面粗さを含む、外面の特徴の高い精度及び制御が得られる。AM装置は、各層を分注した後で、物体の外面に対応する各層の一部を溶融させる。対照的に、AM装置は、層のグループを分注した後で、物体の内部に対応する層のグループの一部を溶融させる。外面を画定するための溶融は、各層が分注された後で行われるため、AM装置は、層のグループに対して溶融が行われる内部と比べて、外面において高い精度と高い解像度を実現することができる。AMプロセスの上記特徴は、第1及び第2の粉末粒子の両方を使用することと合わせて、本書に記載される複雑な特質を外面に得ることが可能になる。
工程200A〜工程200Gに関して説明した外面はおおむね支持体206に垂直であるが、ある場合には、AM装置を使用して印刷される物体は、AM装置の支持体に対して傾斜した輪郭を有する外面を含む。AM装置(例:AM装置100)を使用して上記のような特質を有する物体を形成する例示の方法を、図3A〜図3Hを参照しながら説明する。図3A〜図3Hは、分注され溶融される第1及び第2の粉末粒子の層において物体を保持する支持体306を示す側面図である。AM装置を使用して形成される物体は、物体の内部を封入する外面によって画定される三次元形状寸法を有する。外面は、個々の層それぞれの溶融部分のエッジによって画定される。
図3A〜3Hに示す場合において、外面は、支持体に垂直な内側部分と、支持体に対して角度をなした外側部分とを有する。工程200A〜工程200Gとは対照的に、図3A〜図3Hに示す工程300A〜工程300Hにより、AM装置が、下の支持体に対して傾斜した部分を有する外面を形成することが可能になる。工程300A〜工程300Hに、層のグループの分注及び溶融を示す。
工程300A〜300Bは、本書に記載した工程200A〜200Bで実施される分注及び溶融工程と同様のものである。図3Aの工程300Aにおいて、AM装置は、支持体306(例:図1Aの支持体102)に第1の粉末粒子304(例:図1Aの第1の粉末粒子110)の層302を分注する。図3Bの工程300Bにおいて、AM装置は、支持体306の層302の選択領域310内に第2の粉末粒子308(例:図1Aの第2の粉末粒子112)を分注する。本書で説明したように、第2の粉末粒子308は、第1の粉末粒子304の平均直径よりも小さい平均直径を有する。
図2Cの工程200Cと同様に、図3Cの工程300Cにおいて、AM装置は、エネルギービーム312を使用して、選択領域310内の第1の粉末粒子304と第2の粉末粒子308とを溶融させる。エネルギービーム312は、層302内に第1の溶融部分314を形成するために、選択領域310の一部に方向づけされる。第1の溶融部分314は、第1及び第2の粉末粒子304、308の両方を含む。図3Cに示すように、エネルギービーム312は、選択領域310内の全ての第1及び第2の粉末粒子304、308を溶融しなくてもよい。代わりに、エネルギービーム312は、第1の溶融部分314を形成するために、その選択領域310内の粒子304、308のサブセットを溶融しうる。図2Dの工程200Dと同様に、図3Dの工程300Dにおいて、AM装置は、層302の上に第1の粉末粒子304の別の層316を分注する。次に、図3Eの工程300Eにおいて、AM装置は、選択領域310内に第2の粉末粒子308を分注する。
図3Fの工程300Fにおいて、AM装置は、層316内に第2の溶融部分318を形成するために、エネルギービーム312を選択領域310の一部に向かって方向づけする。図3A〜3Gに示すプロセスを使用して形成される物体は、内部と外部とを含む。外部は、物体の外面を含み、選択領域310は、選択領域310内の第1及び第2の粉末粒子304、308が溶融した後に、溶融部分314、318によって物体の外部及び外面が画定されるように選択される。
図3Fに示すように、第2の溶融部分318は、第1の溶融部分314の外側エッジ314aからオフセットした外側エッジ318aを(支持体の表面に平行する平面に)有する。第2の溶融部分318の内側エッジ318bは、第1の溶融部分314の内側エッジ314bと一致していてよいが、これは要求されてはいない。
工程300Gにおいて、AM装置は、物体の外面が完成するまで、選択領域310内の物体の幾つかの層を形成するために工程300A〜300Fを反復する。各後続層の溶融部分は、下層の溶融部分の外側エッジに対して横方向にオフセットした外側エッジを有する。したがって、AM装置は工程300A〜300Gにより、傾斜した外側輪郭320aを有する外側溶融部分320を形成することが可能になる。AM装置は、工程200Gに関して説明したように、層のグループ内の幾つかの層が既定の高さ、あるいは既定の層数に到達するまで、層のグループを形成するために、層を分注し、選択領域310内の層を溶融させ続ける。
図3Hの工程300Hにおいて、AM装置が既定の高さ、あるいは既定の層数に到達した後に、AM装置は、溶融部分325を形成するために、エネルギービーム321を第1の粉末粒子304の層の一または複数の領域322に向かって方向づけする。領域322は、物体の硬い内部に対応する。エネルギービーム321は、領域322内の第1の粉末粒子304を溶融させる。領域322は、外面に対応する領域320から横方向に離れているように示されているが、これは必要ではなく、内側領域が外面に対応する領域に隣接していてもよい。
AM装置は、エネルギービーム321からのエネルギーにより、複数の層を通して第1の粉末粒子304が溶融されるように、エネルギービーム321を調節する。例えば、エネルギービーム321は、3〜10の層のグループを溶融させることができる。エネルギービーム321はしたがって、エネルギービーム212及びエネルギービーム221に関して本書に記載されたエネルギービーム312よりも大きい電力を有しうる。AM装置は、バルク溶融工程において溶融部分325、326を形成することにより、図3A〜図3Hに示すプロセスの全体的なスループットを改善する。
図3Hに示すように、図3A〜図3Hに示すAMプロセスの間のこの時点において、物体は、外側の溶融部分320と内側の溶融部分325及び326を含む。外側の溶融部分320は、傾斜した外側輪郭320bと垂直の内側輪郭320aとを有するが、内側の溶融部分325及び326は、垂直輪郭を有する。外側の溶融部分320は、第1の粉末粒子304と、平均直径が小さい第2の粉末粒子308から形成されたため、内側の溶融部分325及び326に比べて低い表面粗さを有する。物体の外面を形成する外側の溶融部分320の低い表面粗さにより、作製される物体の美観が向上しうる。
内側輪郭320aと、溶融部分325及び326の輪郭を垂直に示したが、外側の溶融部分320の内側輪郭320aは、直線的な垂直輪郭に、溶融部分325及び326の輪郭よりも密接に沿っていてもよい。図2Gに関して記載したように、溶融部分325及び326が第1の粉末粒子304のみでできているため、第1の粉末粒子304のサイズが大きいことが原因で、溶融部分325及び326の輪郭が直線的な垂直輪郭から逸脱する。また図2Gに関して記載したように、AM装置が、溶融部分325、326を形成するために幾つかの層を通して溶融させる高電力エネルギービームを使用するため、溶融部分325及び326の輪郭は、直線的な垂直輪郭から更に逸脱しうる。
工程200A〜200に関して記載したように、AM装置は、工程300Hの後に、第1の層のグループの上に別の層のグループを分注するために、工程300A〜300Hを反復しうる。また、AM装置は、層のグループ内の各層に対し、外面の外側エッジを形成するために、選択領域310を溶融させる。AM装置は次に、層のグループの内部のある体積を溶融させることに進む。この体積は、新たな層のグループ内の幾つかあるいは全ての層を通って延在する。
要するに、複数の層を堆積させることは、それぞれが複数の層を含む、複数の層のグループを堆積させることを含みうる。層の少なくとも一部は個別に溶融され、層のグループの少なくとも一部は同時に溶融される。層のグループを堆積させるプロセスは、複数の層のグループに対して反復して実施されうる。つまり、第1の層のグループを溶融させた後で、本プロセスは、図3Aに示すように、第2の層のグループを第1の層のグループの上に堆積させることによって再度開始されうる。第2のグループのそれぞれの個別の層に対し、選択部分の溶融が実施される。第2の層のグループが全部堆積されたら、次に高電力エネルギービームを使用して、第2のグループの複数の層を通して延在する一または複数の領域を溶融させることができる。
加えて、外側の溶融部分320が、第1の粉末粒子304と、平均直径が小さい第2の粉末粒子308の両方から形成されるため、外側の溶融部分320は、内側の溶融部分325及び326に比べて低い表面粗さを有する。物体の外面を形成する外側の溶融部分320の低い表面粗さにより、作製される物体の美観が向上しうる。
図3A〜図3Hに示すプロセスでは、傾斜した外側輪郭であっても、第1の粉末粒子304のみを使用したときに予期される表面粗さよりも低い表面粗さを実現可能である。小さい第2の粉末粒子308を使用することによって可能になった利点に加えて、AM装置は、各層が分注された後で溶融部分320の部分を溶融させることで、溶融部分325、326の解像度に比べてより良い精度及び解像度を実現することが可能である。
図3A〜図3Gに示すプロセスでは、傾斜した外側輪郭320bと垂直の内側輪郭320aを有する外側の溶融部分320を図示したが、幾つかの実施態様では、AMプロセスは、傾斜した外側輪郭及び傾斜した内側輪郭を有する外側の溶融部分を形成しうる。図4に、上記AMプロセスが実行された後に、第1及び第2の粉末粒子の層を支持しているAM装置の側面図を示す。図4を参照すると、各層の溶融部分404a〜404eは、他の層の溶融部分404a〜404eから横方向にオフセットしている。AM装置は、図4に示すプロセスのその時点で、部分404a〜404eを溶融させ、また内部406、408も溶融させている。溶融部分404a〜404eは、第1及び第2の粉末粒子の両方がともに溶融される本書に記載した工程及びプロセスを使用して作製されるが、溶融した内部406、408は第1の粉末粒子のみを含む。これにより、溶融部分404a〜404eは、溶融部分406、408よりも低い表面粗さを実現することができる。
AM装置は、溶融部分404a〜404eを形成する層ごとの製造プロセスにおいて、層の選択領域に第2の粉末粒子を分注し、次に、層の選択領域内の一部を溶融させるためにエネルギービームを方向づけする。選択領域は、隣接する層間でサイズが変化しうる。図4に示すように、後続層の選択領域のサイズが増大する。図4に、各層の選択領域の外側の外周410が各層の同様の位置にとどまり、各層の選択領域の内側の外周412が内向きにシフトしているところを示す。しかしながら、幾つかの実施態様では、外側及び内側の外周410、412は両方とも等しい距離だけシフトしている。その結果、異なる層の選択領域のサイズは同じとなる。
層の選択領域内に第2の粉末粒子を分注した後で、エネルギービームにより、第1及び第2の粉末粒子を溶融させて溶融部分が形成される。幾つかの実施態様では、各層の後にエネルギービームにより既定の距離のシフトが起きる。例えばエネルギービームは、各層の等しくサイズ指定された部分を溶融させる。これに関し、各溶融部分404a〜404eのサイズは等しいが、互いにシフトしている。溶融部分404a〜404eは、内側及び/又は外側の外周410、412の間のオフセットと同様の距離だけ、互いからオフセットしている。
AM装置は、溶融部分404a〜404eの間で横方向のオフセット414を実現するために、各層に溶融部分404a〜404eを形成した後にエネルギービームの位置をシフトさせる。横方向のオフセット414により、物体の外面は、傾斜した外側輪郭414と傾斜した内側輪郭416の両方を有することが可能になる。溶融部分の幅が層ごとに変化する図3A〜3Gに示すプロセスとは対照的に、各溶融部分404a〜404eの幅は等しくサイズ指定されている。更に、溶融部分404a〜404eはともに、内面及び外面の両方が傾斜した物体の外面を画定する。言い換えると、外面の内側及び外側輪郭414、416は両方とも傾斜しているが、図3Gの溶融部分320の内側輪郭320aは垂直である。溶融部分404a〜404eの幅は、物体の外面の厚さを画定する。図4に関して本書に記載したプロセスにより、AM装置が、高さ全体で均一な厚さを有する物体の外面を実現することが可能になる。本プロセスでは、物体の外側の内部及び外部の両方における複雑な形状寸法及び低い表面粗さが実現される。
溶融部分404a〜404eは、サイズが等しいとして示したが、幾つかの実施態様では層間でサイズが異なっていてよい。内側及び外側輪郭414、416は一定の傾斜を有するように図示されているが、AM装置は、隣接する層の間で溶融部分404a〜404eのエッジの場所を変えることによって、内側及び外側輪郭414、416の傾斜を変化させることができる。上記変化によってAM装置が、複雑な曲線と他の形状寸法を有する外面を形成することが可能になる。
幾つかの実施態様では、物体の全体的な重量を軽いまま維持しながら、高い構造的剛性を有することが有益でありうる。例えば、物体との適合性を改善するために構造的適合性及び正確な形状寸法が要求される場合には、AM装置は、外面が第1及び第2の粉末粒子の両方を含む、複数の溶融部分から形成されるプロセスを実行しうる。AM装置は、より大きな厚さを有する外面を形成する代わりに、複数の溶融部分を形成して、外面を画定する。複数の溶融部分が組み合わされた特性により、高い構造的剛性が付与されるが、より大きな厚さの単一の溶融部分で形成された物体に比べて、物体に加わる重量は少なくなる。
図5に、層の各選択領域の複数の部分を溶融させるAMプロセスが実行された後の、AM装置の側面図を示す。図5に示すように、AM装置は、第1及び第2の粉末粒子の両方から形成された2つの溶融部分502、504を形成する。AM装置は、粉末粒子の各層に対してこれら溶融部分502、504を形成するために、選択領域内に第2の粉末粒子を分注する。ある場合には、傾斜した輪郭を実現するために、各後続層とともに、第2の粉末粒子と第1の粉末粒子を含有する選択領域のサイズが増大する。
溶融部分502、504は、溶融していない介在部506によって分離されている。AM装置は、層ごとの溶融工程の間、溶融されていない介在部506は溶融させない。各層の選択領域内の第1及び第2の粉末粒子の層ごとの溶融を完了した後に、AM装置は、物体の内部の場所に対応する第1の粉末粒子を溶融させる。AM装置はまた、物体の内部を形成し、第1の粉末粒子のみを含む2つの溶融部分508、510も形成する。
層ごとのそれぞれの溶融工程の間、AM装置は、溶融部分502、504を最終的に形成する少なくとも2つの部分を溶融させる。本書に記載した層ごとのプロセスを使用して溶融部分502、504を形成するために、AM装置は、各層に対し、第1及び第2の粉末粒子の両方を含む2つの別々な部分を溶融させる。これら2つの別々な部分はそれぞれ、溶融部分502、504の一部である。AM装置は、各層の2つの溶融部分間の溶融されていない部分を維持する。溶融されていない部分は、溶融されていない介在部506の一部である。AM装置は、各層の溶融部分を各層に対して横方向にオフセットさせて、溶融部分502において傾斜した外側輪郭512と傾斜した内側輪郭514を実現し、溶融部分504において傾斜した外側輪郭516と傾斜した内側輪郭518を実現する。AM装置は、各層の選択部分内に、溶融していない介在部506を形成する溶融していない部分を維持し、溶融部分502、504を形成する部分を溶融させることによって、物体の重量を大幅に増加させることなく、溶融していない介在部506が溶融された場合に予期されるよりも高い構造的剛性、低い外面の表面粗さ、及び傾斜した輪郭の外面を実現する。
傾斜した外側輪郭512、516が平行し、傾斜した内側輪郭514、518が平行するところを示したが、ある場合には、輪郭が互いに角度をなしており、外面が複雑な形状寸法を含むこともありうる。輪郭の傾斜は、ある場合には異なる層間で変化する。AM装置は更に、異なる幅の部分を溶融させることによって、輪郭の傾斜を調節する。各層の溶融部分のサイズは更に、物体の外面の全体的な厚さを画定する。各層の個々の溶融部分の幅が変化すると、物体の外面の厚さも変化する。
連続的、且つ第1及び第2の粉末粒子の後続層でサイズが増大していく選択領域を示したが、幾つかの実施態様では、各層は、第2の粉末粒子を含む2以上の選択領域を含む。これら2以上の選択領域は、第1の粉末粒子のみを有する部分によって互いから分離されている。このため、上記の場合には、溶融されていない介在部は、代替又は追加として、第1の粉末粒子のみを有する部分を含む。
物体の外面の輪郭を制御するために、AM装置は、分注工程及び溶融工程のパラメータを調節する。図6は、AM装置によって支持される第1及び第2の粉末粒子の複数の層を示す拡大側面図である。図6に、外面の輪郭を調節するのに使用されうるパラメータの例を示す。図6に示すように、AM装置の支持体600上の第1の粉末粒子602の各層は、第1の粉末粒子602と第2の粉末粒子604の両方を有する選択領域を含む。例えば、第1の層606は、第2の粉末粒子604が浸透する第1の粉末粒子602を含有する選択領域608を含む。
AM装置は、層の厚さ610と段の距離612を調節して、物体の輪郭616の角度614を制御する。本書に記載したように、第1の粉末粒子602は、第2の粉末粒子604よりも大きい直径を有する。層の厚さ610は、AM装置の支持体600への最初の分注工程の間に分注される第1の粉末粒子602の厚さと、互いに積み重ねられた第1の粉末粒子602の数に比例する。第1の粉末粒子602のこれらのパラメータは、本書の他の箇所に記載されている。
段の距離612は、各層の間に第1及び第2の粉末粒子602、604を含む溶融部分間の横方向のオフセット(例:図4に関して説明した横方向のオフセット414)に対応する。AM装置は、例えば溶融部分を溶融させるエネルギー源の横方向の変位を調節することによって、段の距離612を制御する。幾つかの実施態様では、AM装置は、各層に向かって方向づけされたエネルギービームの場所を制御する。
AM装置はしたがって、層の厚さ610と段の距離を制御して、角度614を有する輪郭616を実現する。第1の平均直径を有する所定の第1の粉末粒子602に対し、AM装置は、各層に積み重ねられた第1の粉末粒子602の数を調節することによって、層の厚さ610を選択する。AM装置は次に、輪郭616の角度614を画定するために、段の距離612を選択する。いくつかの実施態様では、AM装置は、大抵の物体の製造において同じ層の厚さ610を維持する。層の厚さ610は、AM装置のメモリに記憶された既定の数値であってよく、AM装置は、所望の角度614を実現するために必要な段の距離612を算出する。AM装置は、所望の角度614のタンジェントで割った層の厚さ610に等しい段の距離612を選択する。
本書に記載されるAM装置の実施態様は、2種類の粒子(例:第1及び第2の粉末粒子)を含み、ある場合には、追加の種類の粒子を使用可能である。幾つかの実施態様では、装置は、層を形成するために第1の粉末粒子を変位させる前に、プラテン上に、又は前に分注された下層上に第3の粉末粒子を分注する。この第3の粉末粒子は、第1の粉末粒子が分注される薄い層を提供しうる。第3の粉末粒子は、第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい平均直径を有する。これにより、第1の粉末粒子が第3の粉末粒子の層の中に沈殿することが可能になる。この技法により、例えば第2の粉末粒子が第1の粉末粒子の層の底部に浸透できない場合に、物体の第1の粉末粒子の層の底部の密度を上げることができる。
金属用とセラミック用の付加製造の処理条件は、プラスチック用のそれとは著しく異なる。例えば、金属とセラミックは概して、著しく高い処理温度を必要とする。プラスチック用の3D印刷の技法は、金属またはセラミックの処理には適用できないかもしれず、装置も均等ではないかもしれない。しかしながら、本書に記載された幾つかの技法を、例えばナイロン、ABS、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)及びポリスチレン等のポリマー粉末に適用可能でありうる。
コントローラは、本書に記載された工程及びプロセスを実行しうる。図1Bを例として参照すると、AM装置100のコントローラ136は、例えばアクチュエータ、バルブ、及び電圧源といったAM装置100の様々な構成要素に接続されていて、これらの構成要素に対して信号を生成して動作を連係させ、AM装置100に様々な機能操作または上記のステップのシーケンスを実行させる。コントローラ136は例えば、供給材料が第1及び第2の粉末粒子110、112を含む箇所を制御する。コントローラ136はまた、一度に溶融される層のグループの層数に基づいて、エネルギー源の強度も制御する。コントローラ136はまた、例えば線形アクチュエータ138でエネルギー源を移動することによってエネルギーが加えられる箇所も制御する。
コントローラ136は、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェア内に実装され得る。例えばコントローラは、例えば非一過性マシン可読記憶媒体といった、コンピュータプログラム製品内に記憶されたコンピュータプログラムを実行する、プロセッサを含み得る。こうしたコンピュータプログラム(プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーションまたはコードとしても知られている)は、コンパイルまたは翻訳された言語を含むプログラミング言語の任意の形で書くことができ、また独立型プログラムとして、またはモジュール、構成要素、サブルーチン、もしくは計算環境で使用するのに適している他のユニットとして配置することを含め、任意の形で配置することができる。
上記のように、コントローラ136は、各層に供給材料が堆積するためのパターンを指定する、例えばコンピュータ支援設計(CAD)互換性のファイルといったデータオブジェクトを保存するための非一過性コンピュータ可読媒体を含み得る。例えば、このデータオブジェクトは、STL形式のファイル、3Dマニュファクチャリングフォーマット(3MF)ファイル、または付加製造ファイルフォーマット(AMF)ファイルであってよい。例えば、コントローラは、遠隔コンピュータからデータオブジェクトを受信し得る。コントローラ136内のプロセッサは、例えばファームウェアまたはソフトウェアによって制御される際に、AM装置100の構成要素を制御して各層又は層のグループの指定されたパターンを溶融させるのに必要な信号のセットを生成するため、コンピュータから受信したデータオブジェクトを解釈することができる。これにより、コントローラ136は、エネルギービームの位置及び強度を制御しうる。加えて、層の選択部分に第2の供給材料が使用される場合、コントローラは、選択部分へ供給材料を供給するように分注器を制御しうる。
本明細書は特定の実施態様の詳細を多数包含しているが、これらは本発明のいかなる範囲、または特許請求の範囲においても限定するものとして解釈すべきでなく、特定の発明の特定の実施形態に特有であり得る特徴の説明として解釈すべきである。別々の実施形態に関連して本明細書に記載された特定の特徴を、単一の実施形態において組み合わせて実行することも可能である。反対に、単一の実施形態に関連して記載される様々な特徴を、複数の実施形態に別々に、または任意の適切なサブコンビネーションにおいて実行することもできる。さらに、特徴は特定の組み合わせにおいて作用するものとして上記され、またそのように特許請求さえされうるが、ある場合には特許請求された組み合わせの中の1または複数の特徴をその組み合わせから除外することもでき、特許請求された組み合わせが、組み合わせの一部または組み合わせの一部の変形を対象とする場合もある。
例えば、本書に記載したプロセス及び工程を使用して製造される物体の外面は、物体の任意の表面特徴に対応しうる。例として、精密歯車の製造では、外面は表面的であり環境に暴露されるため、精密歯車の外周の内部である面を含む。精密歯車の歯は、外周の内部に位置する面を含む。精密歯車の歯は、機械システムにおける精密歯車の使用中に他の物体と接触するため、低い表面粗さから利益を受けうる。
別の例では、物体は軸のハブであってよく、ハブの外面は、直接軸に接触するハブの内周を含む。内周は、ハブの外側形状寸法の内部であり、環境に暴露され、表面的であるため、ハブの外面の一部を形成する。他の表面形状寸法の内部である外面を含みうる他の機械的構成要素は、例えばねじ、カム、スプロケット、プーリ、及びクランプを含む。
表面粗さの度合いの変化を実現するために、第1及び第2の粉末粒子の両方を各層に分注すると記載したが、ある場合には、第1の粉末粒子のみが層のグループ内の各層に分注される。AM装置は、低エネルギービームを使用して、物体の外面に対応する各層の選択領域を溶融させる。AM装置は、層のグループを構成する層の全てを分注してから、高エネルギービームを使用して物体の内部の層のグループを溶融させる。各層全体に分散しているのが第1の粉末粒子のみであっても、低エネルギービーム及び選択領域の層ごとの溶融により、物体の内部に対するバルク溶融工程によって達成されるよりも低い表面粗さが実現される。選択領域内に付加的に第2の粉末粒子を配置することによって、物体の外面の表面粗さが更に低減する。
同様に、物体の内部の複数の層のバルク溶融を、AM装置によって実施される工程の一部として記載しているが、幾つかの実施態様では、AM装置は、バルク溶融を実施せず、代わりに層ごとに内部を溶融させる。AM装置はしたがって、バルク溶融プロセスの対象となる層のグループを分注しない。物体の外面の表面粗さ低減を実現するために、AM装置は、物体の外面に対応する各層の選択領域内に小さい第2の粉末粒子を分注する。付加的にバルク溶融プロセスを使用することで、物体の外面の表面粗さを更に低減させることができる。エネルギー源を単一のレーザとして記載したが、それぞれが異なる電力を有する2つ以上のレーザを使用して溶融工程を実施することができる。低電力を有する1つのレーザを使用して層ごとの溶融を実施することができ、高電力を有する第2のレーザを使用してバルク溶融を実施することができる。代替又は追加として、ヒータランプを使用して、層のグループ内の、あるいは層の幾つかの領域にわたる幾つかの層全体のバルク溶融を実施することができる。
・内部の層のグループを溶融させずに小さい第2の粒子を使用することができ、例えば1回ごとに各層を単独で溶融させることができる。この場合、小さい第2の粒子を使用することでやはり、物体の表面の表面粗さを低減させることができる。
・小さい第2の粒子の使用はオプションである。個々の層は、小さい第2の粒子を使用して、例えば物体のエッジに対応する部分を溶融させることができ、その後で層のグループを溶融させることができる。これにより、物体の表面の解像度が維持されつつ、スループットが向上する。
・例えば第2のレーザ等の異なるエネルギー源を用いて、層のグループを溶融させることができる。第2のレーザは、個々の層を溶融するのに使用される第1のレーザとは異なる波長を有しうる。
幾つかの実施態様が記載されている。だが、様々な修正が行われ得ることは理解すべきである。結果的に、他の実施態様も特許請求の範囲内にある。
Claims (25)
- 物体の付加製造方法であって、
支持体に複数の層を連続的に形成することを含み、複数の層から1つの層を堆積させることが、
支持体又は下層に第1の平均直径を有する第1の粒子を分注することと、
前記層が全体的に前記第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有するように、前記物体の外面に対応する前記選択領域において前記支持体又は前記下層に前記第2の粒子を選択的に分注することであって、前記第2の粒子が前記第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有する、分注することと、
前記層の少なくとも一部を溶融させることと
を含む方法。 - 前記第2の粒子が第1の粒子の層の中に浸透するように、前記第1の粒子を分注した後に前記第2の粒子を分注することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の粒子を分注することが、リザーバから前記支持体又は下層全体に前記第1の粒子を押し出すことを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記第2の粒子の層を分注することが、ノズルから前記第2の粒子を射出することを含む、請求項2に記載の方法。
- 粒子の混合物を得るために、前記第1の粒子と前記第2の粒子を混合することと、前記選択領域に前記粒子の混合物を選択的に分注することとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記層の一部を溶融させることが、前記第1の粒子と前記第2の粒子の層にレーザビームを当てることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の粒子と前記第2の粒子は同じ材料組成を有する、請求項1に記載の方法。
- 物体の付加製造方法であって、
支持体に複数の層を連続的に形成することであって、前記複数の層を形成することは複数の層のグループを堆積させることを含み、層のグループはそれぞれ複数の層を含み、前記複数の層から1つの層のグループを堆積させることは、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために、支持体又は下層に供給材料を分注することと、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために前記供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、前記層に単一のレーザ又はイオンビーム源からの第1のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって前記物体に対応する前記層の選択部分を溶融させることと
を含む、支持体に複数の層を連続的に形成することと、
前記層のグループのうちの全ての層を分注した後に、前記層に前記第1のレーザビーム又はイオンビームよりも大きい電力で前記単一のレーザ又はイオンビーム源からの第2のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって、前記層のグループのうちの前記層全てを通して延在する前記層のグループのある体積を溶融させることと
を含む方法。 - 前記層の一部が前記物体の外面に対応する、請求項8に記載の方法。
- 前記層のグループのうちの少なくとも2つの隣接する層の領域が、横方向にオフセットした外周を有する、請求項8に記載の方法。
- 前記層のグループのうちの少なくとも2つの隣接する層の領域が横方向にオフセットした外周を有することにより、前記物体の傾斜した外面が得られる、請求項10に記載の方法。
- 前記供給材料を分注することが、
前記支持体又は下層に第1の平均直径を有する第1の粒子を分注することと、
前記層が全体的に前記第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有するように、前記選択領域において前記支持体又は下層に前記第2の粒子を選択的に分注することであって、前記第2の粒子が前記第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有する、選択的に分注することと
を含む、請求項8に記載の方法。 - 前記層のグループは、3〜10の層を含む、請求項8に記載の方法。
- 物体を形成する付加製造装置であって、
支持体と、
前記支持体又は下層に第1の粒子を供給する第1の分注器と、
前記支持体又は下層に第2の粒子を選択的に供給する第2の分注器と、
前記第1の粒子と前記第2の粒子を溶融させるエネルギー源と、
前記第1の分注器、前記第2の分注器及び前記エネルギー源に連結され、前記装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成されたコントローラと
を備え、
前記コントローラは前記装置に、
前記層が全体的に前記第1の粒子を有し、選択領域に第2の粒子を有するように、前記第1の粒子と第2の粒子を分注することであって、前記選択領域が前記物体の表面に対応する、分注することと、
前記選択領域を含む前記層の少なくとも第1の部分と、前記選択領域を含まない前記層の第2の部分とを溶融させることと
を実施させることによって、前記複数の層から1つの層を形成するように構成されている、装置。 - 前記選択領域が前記物体の外面に対応する、請求項14に記載の装置。
- 前記選択領域が、前記物体の内部を得るために前記第1の粒子が溶融される前記層の少なくとも一部を含まない、請求項15に記載の装置。
- 前記第1の粒子を保持する第1のリザーバと、前記第2の粒子を保持する第2のリザーバとを備え、前記第1の粒子が第1の平均直径を有し、前記第2の粒子が前記第1の平均直径よりも少なくとも2倍小さい第2の平均直径を有する、請求項14に記載の装置。
- 前記第1の分注器が、前記支持体に隣接して位置づけされたリザーバと、前記リザーバから前記支持体又は下層全体に前記第1の粒子を押し出すように構成されたプッシャーとを備える、請求項14に記載の装置。
- 前記第2の分注器が前記第2の粒子を射出するノズルを有する射出器を備える、請求項18に記載の装置。
- 前記第2の分注器が前記第1の粒子と前記第2の粒子を受け入れて、前記第1の分注器に粒子の混合物を提供するように構成された混合器を備え、前記コントローラは、ノズルからの前記粒子の混合物の射出を制御することによって前記第2の粒子を選択的に分注するように構成されている、請求項14に記載の装置。
- 前記エネルギー源はレーザ又はイオンビーム源を備える、請求項14に記載の装置。
- 物体を形成する付加製造装置であって、
支持体と、
供給材料を前記支持体又は下層に供給する分注器と、
前記供給材料を溶融させるエネルギー源であって、単一のレーザ又はイオンビーム源を備えるエネルギー源と、
前記分注器と前記エネルギー源に連結され、前記装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成されたコントローラであって、前記複数の層は複数の層のグループを含む、コントローラとを備え、前記コントローラは前記装置に、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために、支持体又は下層に供給材料を分注することと、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために前記供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、前記層に単一のレーザ又はイオンビーム源からの第1のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって前記物体に対応する前記層の選択部分を溶融させることと、
前記層のグループのうちの全ての層を分注した後に、前記層に前記第1のレーザビーム又はイオンビームよりも大きい電力で同じ前記単一のレーザ又はイオンビーム源からの第2のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって、前記層のグループのうちの全ての層を通して延在する前記層のグループのある体積を溶融させることと
を実施させることによって、前記複数のグループから1つの層のグループを形成するように構成されている
を備える装置。 - 前記分注器は、前記支持体又は下層に第1の粒子を分注する第1の分注器と、前記選択領域において前記支持体又は前記下層に第2の粒子を選択的に分注する第2の分注器とを備える、請求項22に記載の装置。
- 前記コントローラは、前記層が全体的に前記第1の粒子を有し、前記選択領域に前記第2の粒子を有するように構成されている、請求項23に記載の装置。
- 前記コントローラは、前記第2の分注器に、前記第1の粒子の層の中に前記第2の粒子が浸透するように、前記第1の分注器が前記第1の粒子を分注した後に前記第2の粒子を分注させるように構成されている、請求項23に記載の装置。
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