JP2018526527A - 付加製造における材料分与及び圧縮 - Google Patents

Abstract

部分品を形成するための付加製造装置は、支持体、第１の粒子の層を支持体上又は支持体上の下層に供給するための第１の分与器、第２の粒子が第１の粒子の層内に浸透するように、第２の粒子を第１の粒子の層の上に供給するための第２の分与器、第１の粒子と第２の粒子とを融合し、部分品の融合された層を形成するためのエネルギー源、並びに第１の分与器、第２の分与器、及びエネルギー源に連結されたコントローラを含む。
【選択図】図１Ａ

Description

本明細書は、３Ｄプリンティングとしても知られている付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）に関する。

固体自由形状製造（ｓｏｌｉｄ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）又は３Ｄプリンティングとしても知られている付加製造（ＡＭ）は、３次元の物体が、連続する２次元層又は断面によって原材料（一般的に、粉末、液体、懸濁液、又は融解固形物）から作り上げられる、任意の製造プロセスのことを指す。対照的に、従来の機械加工技法には、サブトラクティブ加工が含まれ、木材、プラスチック、又は金属の塊といった成形材料から切り出された物体が作り出される。

付加製造には、様々な積層プロセスを用いることができる。この様々なプロセスは、完成物を作製するために層を堆積する方法において異なっており、各プロセスでの使用に互換性を有する材料において異なっている。例えば、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）や直接金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）、熱溶解積層法（ＦＤＭ）といった幾つかの方法では、層を作り出すために材料を融解又は軟化させるが、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。

焼結は、例えば、粉末である小さい粒（ｇｒａｉｎ）を融合するプロセスである。焼結には、通常、粉末を加熱することが含まれる。焼結に用いられる粉末は、融解とは対照的に、焼結プロセスの間に液相に達する必要がない。焼結プロセス中に、粉末状材料が融点よりも低い温度又は融点に近い温度まで加熱されたとき、粉末の粒子中の原子は粒子間の境界を超えて拡散し、粒子同士を融合させ、固体片を形成する。焼結温度はこの材料の融点に到達する必要がないため、焼結は、しばしばタングステンやモリブデンといった融点の高い材料に対して用いられる。

粉末状材料を焼結又は融解するためのエネルギー源としてレーザービームを用いる従来のシステムは、典型的には、粉末状材料のある層内の選択されたポイントにレーザービームを方向付け、この層中にわたる各箇所に対してレーザービームを選択的にラスタースキャンする。第１の層の選択された箇所が全て焼結又は融解されると、完成した層の上に粉末状材料の新たな層が堆積され、所望の物体が作製されるまで、このプロセスが層ごとに反復される。

材料において焼結又は融解を引き起すためのエネルギー源として、電子ビームを使用することもできる。この場合もまた、ある層の処理を完成させるためには、電子ビームをこの層中にわたってラスタースキャンする必要がある。

概して、一態様では、付加製造の方法は、支持体上に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層の層を堆積することは、支持体又は下層の上に第１の粒子の層を分与することと、第２の粒子が第１の粒子の層内に浸透するように、第１の粒子の層の上に第２の粒子を分与することと、第１の粒子と第２の粒子とを融合し、複数の層から層を形成することとを含む。第１の粒子は、第１の平均直径を有し、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の平均直径を有する。

諸実装態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。第１の粒子の層を分与することは、例えば、ブレード又はローラーを用いて、支持体又は下層にわたって第１の粒子を押すことを含み得る。第１の粒子の層を分与することは、回転するローラー内の開孔から第１の粒子を噴射することを含み得る。第１の粒子は、支持体に隣接する粉末供給床から押され得る。第２の粒子の層を分与することは、ノズルから第２の粒子を第１の粒子の層の上に噴射することを含み得る。第２の粒子を噴射することは、第２の粒子を含有するキャリア流体を噴霧することを含み得る。流体は蒸発し得る。

第１の粒子及び第２の粒子を融合する前に、浸透した第２の粒子を有する第１の粒子の層を圧縮することができる。例えば、回転するローラーは、浸透した第２の粒子を有する第１の粒子の層を押圧することができる。第１の粒子の層は、第１の平均直径の約１から４倍の間の厚さで形成され得る。第２の平均直径は、第１の平均直径より少なくとも４倍小さい場合がある。第２の平均直径は、約１００ｎｍから１０μｍであり得る。

第１の粒子の層を分与する前に、第１の平均直径より少なくとも２倍小さい第３の平均直径を有する第３の粒子の層を分与してもよい。第１の粒子の層は、第３の粒子の層の上に分与されてもよく、第１の粒子、第２の粒子、及び第３の粒子を融合して、複数の層から層を形成することができる。

複数を形成することは、第１の層及び第２の層を形成することを含み得る。第１の層を形成することは、第１のローラーを用いて第１の粒子を側方に押すことによって、第１の粒子の第１の層を分与することと、第２の粒子を第１の粒子の第１の層の上に分与することと、第１のローラー及び第２のローラーが第１の方向に水平に動く状態で、第２のローラーを用いて第１の粒子及び第２の粒子の第１の層を圧縮することとを含む。第２の層を形成することは、第２のローラーを用いて第１の粒子を側方に押すことによって、第１の粒子の第２の層を分与することと、第２の粒子を第１の粒子の第２の層の上に分与することと、第１のローラー及び第２のローラーが第１の方向とは反対の第２の方向に水平に動く状態で、第１のローラーを用いて第１の粒子及び第２の粒子の第２の層を圧縮することとを含む。

レーザービームを第１の粒子及び第２の粒子の層に適用することによって、第１の粒子及び第２の粒子を融合することができる。第１の粒子及び第２の粒子は、同じ材料組成を有し得る。第２の粒子を分与することは、層ごとに第２の粒子の分与を選択的に制御し、製造される物体において種々の密度の層を設けること、或いは、層の内部の第２の粒子の分与を制御し、製造される物体の層の内部に種々の密度の領域を設けることを含み得る。

別の態様では、部分品を形成するための付加製造装置は、支持体、第１の粒子の層を支持体上又は支持体上の下層に供給するための第１の分与器、第２の粒子が第１の粒子の層内に浸透するように、第２の粒子を第１の粒子の層の上に供給するための第２の分与器、第１の粒子と第２の粒子とを融合し、部分品の融合された層を形成するためのエネルギー源、並びに第１の分与器、第２の分与器、及びエネルギー源に連結されたコントローラを備えている。

諸実装態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。第１の分与器は、第１の粒子の層を層に広がる第１の領域内に供給するように構成され得、支持体の表面に対して平行な第１の方向で側方に動くように構成されている。第２の分与器は、第２の粒子の層を層に広がる第２の領域内に供給するように構成され得、第１の方向で側方に動くように構成されている。第１の分与器は、支持体の表面に対して平行な第１の方向で側方に第１の粒子を押すためのローラー又はブレードを含み得る。第１の分与器は、支持体に隣接する粉末供給床を含み得る。

第２の分与器は、第２の粒子を噴射するためのノズル又はノズルのアレイを含み得る。アレイのうちのノズルは、コントローラによって個別に制御可能であり得る。ノズルは、第２の粒子を含有するキャリア流体を噴霧するように構成され得る。

ローラーは、第１の粒子及び第２の粒子の層を圧縮するように位置付けされ得る。第１の分与器は、支持体の表面に対して平行な第１の方向で第１の粒子を側方に押すための第１のローラーを含み得、当該装置は、第１の粒子及び第２の粒子の層を圧縮するための第２のローラーを含み得る。線形アクチュエータは、第１のローラー及び第２のローラーを第１の方向に動かし得る。モーターは、第１のローラー及び第２のローラーを回転させ得る。線形アクチュエータは、第１のローラー及び第２のローラーと共にエネルギー源を動かすように構成され得る。第１のローラー及び第２のローラーは、同じ直径を有し得る。

コントローラは、部分品の第２の層の形成の間、第２のローラーが、第１の方向とは反対の第２の方向で第１の粒子を側方に押し、第１のローラーが、第２の層の第１の粒子及び粒子を圧縮するように、線形アクチュエータに、第２の方向に第１のローラー及び第２のローラーを動かさせるように構成され得る。第１のローラーは、第２のローラーより大きい直径を有し得る。

エネルギー源はレーザーであり得る。当該装置は、支持体を垂直に動かすアクチュエータを含み得る。コントローラは、アクチュエータに連結され、部分品の層の形成の間、アクチュエータに、固定垂直位置で支持体を保持させるように構成され得る。コントローラは、第２の分与器に、層ごとに第２の粒子を選択的に分与させ、製造される物体において種々の密度の層を設けるように構成され得る。コントローラは、第２の分与器に、層の内部に第２の粒子を選択的に分与させ、製造される物体の層の内部に種々の密度の領域を設けるように構成され得る。

第１の粒子は、第１の平均直径を有し得、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の平均直径を有する。第２の平均直径は、約１００ｎｍから１０μｍであり得る。

本明細書に記載された主題の特定の実施形態は、以下の利点のうちの１つ又は複数を実現するように実装され得る。粉末化された材料の層は、融合前の物理的圧縮の強化を達成することができ、それにより、仕上がりの層の物理的縮小を減らすことができる。製造される部分の寸法の正確さを改善することもでき、複数の形状寸法に対するソフトウェア及び処理補正の要件がさほど厳しくない場合がある。粉末化された層の多孔度のレベル及びその他の機械的機能を同時に制御しながら、複数の異なる材料も分与され得る。多孔度のレベルを制御することにより、或いは、層から層への、そして幾つかの実施形態では、層の内部での、種々の材料の選択的堆積によって、機能的平衡化を達成することができる。このアプローチは、様々な粒子形態を有する、広範囲の主要粒子の組成及びサイズに適合することができる。

本明細書に記載された主題の１つ又は複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の記載で説明される。主題の他の潜在的な特徴、態様、及び利点は、本記述、図面、及び特許請求の範囲から明らかになろう。

例示的な付加製造装置を示す。 例示的な付加製造装置の上面図を示す。 第２の粉末粒子を粉末層内に導入するための分与及び積層の例示的なプロセスを示す。 第２の粉末粒子を粉末層内に導入するための分与及び積層の例示的なプロセスを示す。 双方向積層、並びにブレードを用いた第２の粉末粒子の粉末層内への圧縮の例示的なプロセスを示す。 双方向積層、並びにブレードを用いた第２の粉末粒子の粉末層内への圧縮の例示的なプロセスを示す。 双方向積層、並びに二次ローラーの対を用いた第２の粉末粒子の粉末層内への圧縮の例示的なプロセスを示す。 分与ノズルと一体化された１つ又は複数のローラーを使用して、粉末粒子の積層及び圧縮を実行する例示的なプロセスを示す。 分与ノズルと一体化された１つ又は複数のローラーを使用して、粉末粒子の積層及び圧縮を実行する例示的なプロセスを示す。 分与ノズルと一体化された１つ又は複数のローラーを使用して、粉末粒子の積層及び圧縮を実行する例示的なプロセスを示す。様々な図面における同じ参照番号及び記号は、同じ要素を表す。

粉末粒子のサイズ、バインダ粘度、液滴直径、及びプリント層の厚さは、３Ｄプリンティング処理の強度及び表面品質を決定する要因である。粉末のサイズ及び粉末粒子の均質分散は、３Ｄプリンティング処理に影響を与える。粉末の流動性に起因して粉末のサイズが小さすぎると、粉末が薄い層には広がらず、ローラーが粉末を押圧し得る。

エネルギー源により融合する前の粉末層の圧縮（例えば、密度）は、プリント部分の所望の構造的一体性及び寸法の正確さを得ることに役立ち得る。粉末圧縮密度が低いと、融合処理の間に顕著な空間的縮小が引き起され、製造部分の寸法の正確さが欠けることになり、長期的な構造的一体性及び製造部分の美観が影響を受ける。

物理的縮小に対応するアプローチは、融合層間の多孔度を低下させ、様々な課題の中でプリント部分の表面品質を確保する。物理的縮小に対応するため、構築面に沿った空間的縮小のソフトウェア補正を利用することができる。垂直方向の縮小を補正するために、融合前により厚さのある粉末層を使用することもできる。同様に、部分品設計の断面プロファイルの修正（例えば、物理的寸法を延長する）を通して、ＸＹ構築面に沿った物理的縮小を補正することができる。しかしながら、これらのアプローチは、形状の複雑性により、材料を替える際に一貫性をもたらすことはない。

融合層の多孔度を低下させるために二峰性又は三峰性分散の粒子を使用することができる。しかしながら、積層処理の間の二峰性又は三峰性分散の粒子は、粒子が凝集するため、粉末の流動性において課題を示す。具体的には、この問題は、分散がより大きな割合でより小さな粒子のサイズに傾くときに生じる場合がある。より大きな粒子の層を支持体上に分与し、次いで、より小さな粒子をより大きな粒子の層に分与することにより、より高い密度を有する層を実現することができる。さらに、より小さな粒子の選択的に堆積することによって、層の選択的な高密度化を得ることができる。

図１Ａは、例示的な付加製造装置１００（例えば、選択的レーザー焼結システム（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、又は電子ビーム融解システム）を示す。付加製造装置１００は、物体が製造される粉末床を保持するための支持体１４２、第１の粒子の層を供給し、さらにより小さな第２の粒子を第１の粒子の層の上に供給するように構成された粉末供給システム１３２、及び粉末を融合するために十分な熱を生成するためのエネルギー源を含む。

支持体１４２は、支持体１４２の垂直方向の高さを制御するピストン１１４に接続され得る。粉末の各層が分与され、融合された後、ピストン１１４は、支持体１４２及びその上の任意の粉末の層を１層の厚さ分だけ下降させ、それによってアセンブリは、新たな粉末の層を受け入れる準備が整う。

粉末供給システムは、第１の粉末粒子１０４の層又は前もって分与された層を支持体１４２の上に供給するための第１の分与器、及びより小さな第２の粉末粒子１２４を第１の粉末粒子１０４の外部層の上に供給するための第２の分与器を含む。連続して堆積され、融合された粉末の層は、製造される物体１１０を形成する。

第１の粉末粒子１０４用の材料には、金属（例えば、鋼、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、複合材、及び生砂が含まれる。

幾つかの実装形態では、第１の分与器は、支持体１４２に隣接する粉末供給床１０２を支持するための粉末供給プラテン１１２を含む。壁１４６は、粉末供給プラテン１１２及び供給粉末床１０２を支持体１４２及び製造粉末床１０６から分離することができる。粉末供給ピストン１０８は、粉末供給プラテン１１２の垂直運動を制御する。粉末供給ピストン１０８の垂直運動は、粉末供給床１０２からの第１の粉末粒子１０４の供与を制御する。粉末供給ピストン１０８は、支持体１４２の上に均一の厚さの層を形成するために十分な粉末粒子を供給する高さ分だけ、粉末供給プラテン１１２を垂直に上に動かす。

第１の分与器は、第１の粉末粒子１０４を粉末供給床１０２から製造粉末床１０６へと移して粉末材料１４４の層を形成するための粉末供給デバイス（例えば、ブレード又はローラー）をさらに含む。例えば、ブレード又はローラーは、粉末供給床１０２から粉末を製造粉末床１０６全面に押出して、粉末材料１４４の層を形成することができる。

粉末材料の各層は、単一の粒子の厚さであるか、又は、粉末材料の各層は、複数の第１の粉末粒子１０４を積層した結果生じる厚さを有し得る。例えば、粉末材料の各層は、第１の粉末粒子の平均直径の約１から４倍の厚さを有し得る。

分与器は、第１の粉末粒子１０４を押すための少なくとも１つのローラーを含み得る。例えば、図１Ａで示された実装形態では、付加製造装置１００は、主ローラー１１６及び二次ローラー１１８を含む。第１の粉末粒子１０４を粉末供給床１０２から製造粉末床１０６へと押し、粉末材料の最外層を形成するために、主ローラー１１６を側方に（すなわち、支持体１４２の表面及び支持体１４２上の粉末材料の任意の層に平行するように）動かすことができる。製造粉末床１０６上部の上の主ローラー１１６の高さは、望ましい厚さの第１の粉末材料を供給するように設定することができる。二次ローラー１１８は、粉末材料の層のボイドの中に分与された第２の粉末粒子１２４を圧縮することができる。最終的な厚さが所望の厚さ（例えば、第１の粉末粒子の平均直径の約１から４倍）を超えた場合、この処理を反復してもよい。

幾つかの実装形態では、２つのローラーのうちの１つ又はその両方は、例えば、ローラーの内芯にわたって冷却剤が適用されることにより、ローラー表面が能動的に温度制御される。ローラーは、金属（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）から作製され得る。ローラーは、約０．０５μｍから５μｍの算術平均（Ｒａ）を有する表面粗度を有し得る。

任意選択的に、粉末粒子（例えば、第１の粉末粒子１０４又は第２の粉末粒子１２４）がローラーに付着することを防止するために、第１の分与器は、ローラー（例えば、主ローラー１１６及び／又は二次ローラー１１８）のうちの１つ又は複数を洗浄するための１つ又は複数のブレード（例えば、ブレード１２０ａ及び／又は１２０ｂ）を含む。１つ又は複数のブレードは、１つ又は複数のローラーに粉末粒子が付着することを防止するように用いられた際に、ローラーに近接するように位置付けされ、ローラーが回転するにつれて、ローラーから任意の粉末粒子を効果的に削り落とす。ブレードは、分与されている粒子の最小粒径よりもおよそ短い距離（例えば、分与されている最小の粒子の半径以下の距離）離れている。

幾つかの実装形態では、図２Ｂで示されているように、ローラーよりもむしろブレード（例えば、ブレード２０４）が、粉末粒子を粉末供給床１０２から製造粉末床１０６に押して、粉末材料の層を形成するように使用される。幾つかの実装形態では、支持体に隣接する分与床から粉末を押すよりも、第１の分与器は、支持体１４２の上に位置付け可能であり、且つノズルから粒子を噴射する分与アレイを含む。例えば、分与アレイは、第１の粉末粒子を、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）といった高蒸気圧キャリアなどのキャリア流体内で供給し、粉末材料の層を形成することができる。キャリア流体は、層の焼結工程の前、例えば、第２の粒子が分与される前に蒸発し得る。代替的に、第１の粒子を分与するため、例えば、超音波撹拌と加圧不活性ガスによって補助されるノズルアレイのような乾式分与機構を利用してもよい。

第２の分与器は、第２の粉末粒子１２４を第１の粉末粒子の層の上に分与するための分与アレイ１２２を含み得る。第２の粉末粒子は、より小さいため、第１の粉末粒子の層に浸透して粉末層のボイドを埋めることができる。

分与アレイ１２２は、製造粉末床１０６の上に位置付けすることができる。分与アレイ１２２は、デジタル的に指定可能であり得る。つまり、分与器は、デジタル的に指定可能なアレイヘッドを有する。分与アレイ１２２は、種々のサイズの粉末粒子（例えば、サブミクロン粒子又はナノ粒子）及び種々の材料を堆積することができ、或いは、同じサイズの粉末粒子又は同じ材料を堆積することができる。

第２の粉末粒子１２４は、第１の粉末粒子１０４の平均直径よりも、例えば、少なくとも２倍小さい（例えば、２倍から５０倍小さい、３倍から１０倍小さい）平均直径を有し得る。例えば、第２の粉末粒子１２４は、例えば、１００ｎｍから１０μｍの平均直径を有し得る。分与アレイ１２２は、ノズルから第２の粉末粒子を噴射するマイクロ分与アレイヘッドを含み得る。例えば、分与アレイ１２２は、キャリア流体内で第２の粉末粒子を分与することができる。キャリア流体は、高蒸気圧キャリア、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）であり得る。分与アレイ１２２は、例えば、熱蒸発又は吸引を用いて、層の焼結の前にキャリア流体を取り除くことができる。分与アレイは、不活性ガス（例えば、アルゴン、窒素、又は混合ガス）噴出を使用する乾式分与機構、及び／又は第２の粉末粒子を分与する超音波撹拌機構であり得る。

マイクロ分与アレイヘッドは、第２の粉末粒子が第１の粉末粒子の層に浸透するように、制御可能であり得る。こうして、第２の粉末粒子は、第１の粉末粒子間のボイドを充填し得る。結果として、組み合わされた第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子の層は、より高い密度を有し得、融合材料も同様により高い密度を有し得る。

さらに、分与アレイ１２２によって、第２の粉末粒子が分与される位置を選択的に制御することにより、製造される部分の密度を層間及び層内部の両方で制御することができる。

マイクロ分与アレイヘッドは、１μｍから５００μｍの間の直径を有する複数のノズルを有し得る。ノズルヘッドは、製造粉末床の幅にわたって置かれ、セグメント化されたノズルヘッドから構成され得る。他の実装形態では、マイクロ分与アレイは、スロット型アレイヘッドを使用する。材料分与器は、約０．１から３０ｍ／ｓの速度で第２の粉末粒子を堆積することができ、分与器は、１から５０ｋＨｚのパルス周波数で又はパルス周波数がない状態で粒子を導入することができる。

第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子は、同じ材料組成を有し得るが、単純に異なる平均直径を有する。代替的に、第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子は、異なる材料組成であり得る。第２の粉末粒子の材料として可能性のある材料には、第１の粉末粒子について以上で列挙したものが含まれる。幾つかの実装形態では、第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子は同じ組成を有する。幾つかの実装形態では、例えば、金属部品を形成するために、第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子は、金属合金又は金属間材料を形成するように組み合わされる組成を有する。第２の粉末粒子は、組み合わされた第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子の層の約１５から３０容積％を占めることができる。

付加製造装置１００は、第１の粉末粒子と第２の粉末粒子との組み合わせの層を融合するために熱を生成するエネルギー源を含む。例えば、エネルギー源は、指向性エネルギービーム１２８（例えば、レーザー又は電子ビーム）を発するためのビームデバイス１２６であり得る。エネルギービームは、製造粉末床１０６内の支持体１４２上の粉末材料に方向付けられ、粉末粒子を共に融合し、製造された物体１１０を形成する。エネルギー源がレーザーである場合、レーザーは、レーザーヘッド、安全シャッター、及びミラーアセンブリーを含み得る。

付加製造装置は、エネルギービーム１２８を目標領域内に方向付けるビーム位置付け制御機構、例えば、走査システム１３０を含む。ビーム位置付け制御機構は、目標領域内の粉末材料の層を選択的に融合するために、エネルギービーム１２８の目標を定め、エネルギービーム１２８を調節するように作動する。例えば、レーザービームについては、ミラーアセンブリーが、エネルギービームの経路に沿って配置されるが、電子ビームの偏向を制御するために静電的にプレートを使用してもよい。代替的に、支持体１４２が水平に変位する間に、ビーム１２８は静止したままであってもよい。エネルギービーム１２８を選択的に生成するためにビームをオン又はオフに調節してもよく、或いは、エネルギービーム１２８は連続的であってもよい。

別の例として、エネルギー源は、プラテン１０５の上に位置付けされた、個別に制御可能な光源のアレイという形態のデジタル的に指定可能な熱源、例えば、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）チップを含み得る。制御可能な光源のアレイは、例えば、アクチュエータによって、プラテン１０５にわたって走査される線形アレイ、或いは、どの光源が起動されたかに応じて層の領域を選択的に加熱する完全に２次元のアレイであり得る。

代替的又は追加的に、エネルギー源は、組み合わされた第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子の層全体を同時に加熱するために、ランプアレイを含み得る。

図１Ｂは、付加製造装置１００の例示的な上面図を示す。コントローラ１３８は、粉末供給システム１３２に接続された駆動トレイン、例えば、線形アクチュエータ１４６、並びにモーター１４０ａ及び１４０ｂを制御する。コントローラは、線形アクチュエータ１４６を使用して、（矢印１３４によって示された方向に沿って）製造粉末床１０６の上表面に対して平行に、ビームデバイス、粉末供給システム１３２、及びローラー（例えば、主ローラー１１６及び二次ローラー１１８）を前後に動かすように構成されている。モーター１４０ａ及び１４０ｂは、主ローラー１１６及び二次ローラー１１８を回転させる。例えば、粉末供給システム１３２は、レール（例えば、レール１３６ａ及び１３６ｂ）によって支持され得る。

図２Ａは、第２の粉末粒子を粉末層内に導入するための分与及び積層の例示的なプロセスを示す。例えば、付加製造装置（例えば、図１Ａ及び図１Ｂの付加製造装置１００）は、処理２００を実行することができる。

各層を形成するために、装置は、支持体１４２又は支持体１４２上で既に堆積された層にわたって第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を押し、粉末材料１４４の層を形成する（ステップ２０２）。装置は、主ローラー１１６を使用して第１の粉末粒子を押す。ローラー１１６が左から右へと移動すると仮定すると、ローラー１１６は、反時計回り方向で回転し得る。主ローラー１１６は、所望の厚さに等しい粉末層の上にある高さ、例えば、粒子又は二重微細化粒子の高さに位置付けされ得る。高さは、約１２μｍから２５μｍであり得る。主ローラー１１６は、（矢印２０６によって示された方向に沿って）約０．１ｍ／ｓから１０ｍ／ｓで支持体１４２にわたって移動することができ、単粒子又は二重粒子の厚さの層を生成するため、約１０ｒｐｍから５００ｒｐｍで回転する。

幾つかの実装形態では、装置は、支持体１４２又は支持体１４２上で既に堆積された層にわたって第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を押すために、主ローラー１１６ではなく、ブレード（例えば、図２Ｂのブレード２０４）を使用する。ブレード２０４は、支持体１４２の表面に対して約５度から９０度で角度付けられ、且つ、均一な単粒子又は二重粒子層が生成されるように支持体１４２の表面に対して平行に移動する、前方に向く刃先を有し得る。

幾つかの実装形態では、層を形成するために第１の粉末粒子を移す前に、装置は、第３の粉末粒子を、プラテン又は既に分与された下層に分与する。この第３の粉末粒子は、第１の粉末粒子が分与される薄い層を設けることができる。第３の粉末粒子は、第１の平均直径より少なくとも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落ち着くことが可能になる。この技法は、例えば、第２の粉末粒子が第１の粉末粒子の層の底部まで浸透できない場合、第１の粉末粒子の層の底部における物体の密度を高めることができる。

幾つかの実装形態では、装置は、図５Ｂで示されているように、主ローラー１１６と一体化された分与アレイ１２２を使用して、粉末材料の層を形成するために、第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を分与する。一体化された分与アレイは、図５Ａから図５Ｃを参照しつつ以下でさらに説明される。

装置は、分与アレイ１２２（例えば、マイクロ分与アレイヘッド）を使用して、第２の平均直径を有する第２の粉末粒子（例えば、サブミクロン粒子又はナノ粒子）を第１の粉末材料の層の上に分与する（ステップ２１４）。分与された第２の粉末粒子は、粉末材料の層に浸透する。分与アレイ１２２は、第１の粉末材料の層にわたって移動するにつれて、主ローラー１１６又はブレード２０４の跡を追うように、主ローラー１１６又はブレード２０４の背後に位置付けされる。分与アレイ１２２は、第１の粉末材料の層とは接触しない。

幾つかの実装形態では、第１の粉末材料の層全体が支持体１４２の上に供給された後に、第２の分与器は、第２の粉末粒子を分与する。代替的に、幾つかの実装形態では、第２の分与器は、第２の粉末粒子を分与された第１の粉末材料の層の領域に分与するが、これは、第１の分与器が、第１の粉末材料を支持体１４２の別の領域の上にまだ供給している間に行われる。例えば、マイクロ分与アレイヘッド１２２は、主ローラー１１６又はブレード２０４の後ろに付いていくことができる。幾つかの実装形態では、分与アレイ１２２は、図５Ａから図５Ｂで示されるように、二次ローラー１１８と一体化され得る。一体化された分与アレイは、図５Ａから図５Ｃで以下でさらに説明される。

任意選択的に、装置は、分与された第２の粉末粒子を圧縮し（ステップ２１６）、粉末材料の層内のボイドを埋める。例えば、装置は、二次ローラー１１８を使用することができ、二次ローラー１１８は、主ローラー１１６と同じサイズであってもよく、又は主ローラー１１６よりも小さくてよい。二次ローラー１１８が左から右へと移動すると仮定すると、ローラー１１８は、反時計回り方向で回転し得る。これは、圧縮に加えて、任意の過剰な量の第２の粉末粒子を組み合わされた層から押すことができる。第２のローラーは、粉末層のレベリングを行うため、必要な圧縮の度合いに応じて、主ローラー１１６の水線から約０．１μｍから１μｍ上か下に位置付けされ得る。二次ローラー１１８は、主ローラー１１６及び分与アレイの跡を追う経路を移動する。

装置は、主ローラー１１６及び二次ローラー１１８に近接するように位置付けされたブレード１２０ａ及び１２０ｂを使用して、粒子がローラー上に付着することを防止する（ステップ２１８）。ブレード１２０ａ及び１２０ｂの近接度は、およそ粒子の最小直径よりも少なくとも短い距離（例えば、分与されている最小の粒子の直径の半分以下の間隔）である。装置は、ローラーから粒子をこすり落とすか、ローラを洗浄するか、又は粒子がローラーに付着することを防ぐために、ブレード１２０ａ及び１２０ｂを使用する。

装置は、圧縮された第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子によって設けられた粉末材料の層を融合する。第３の粉末粒子の層がある場合、装置は、第１の粉末粒子、第２の粉末粒子、及び第３の粉末粒子によって設けられた粉末材料の層を融合する。

図３Ａ及び図３Ｂは、粉末層への第２の粉末粒子の双方向積層及び圧縮の例示的な処理を実行し得る装置３００を示す。この付加製造装置は、図１Ａ及び図１Ｂの付加製造装置１００と類似するが、主ローラー又はブレード２０４の両側に位置付けされた分与アレイ３０８ａ、３０８ｂを含む。任意選択的に、装置は、主ローラー又はブレード２０４の両側に二次ローラー３１８ａ、３１８をさらに含み得る。第１の分与器が粉末床を使用すると仮定すると、システムは、主ローラー又はブレード２０４の両側に位置付けされた粉末供給床１０２ａ、１０２ｂを含み得る。

装置は、（矢印３０２の方向に沿って）前方に移動することができ、支持体１４２又は支持体１４２上で既に堆積された層にわたって、粉末供給床１０２ａから第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を押し、粉末材料１４４の層を形成する（ステップ３０４）。装置は、ローラー又はブレード２０４を使用して第１の粉末粒子を押す。代替的又は追加的に、装置は、ローラー又はブレード２０４のスロット又はノズルを通して第１の粉末粒子を分与することができる。

第２の粉末粒子のための分与アレイ３０８ａ、３０８ｂ及び二次ローラー３１８ａ、３１８ｂ（例えば、ローラー又はブレードが前方方向に（矢印３０２の方向に沿って）粉末材料の層を横断する際に、ローラー又はブレード２０４の跡を追う前方分与アレイ３０８ａ、及び（矢印３１０の方向に沿って）反対方向に移動する際に、ローラー又はブレード２０４の跡を追う後方分与アレイ３０８ｂ）は、ローラー又はブレード２０４の両側に留まる。二次ローラー３１８ａ又は３１８ｂは、図１Ａで示した二次ローラー１１８と同じ種類のローラーであってもよく、分与アレイ３０８ａ及び３０８ｂは、図１Ａで示した分与アレイ１２２と同じ種類の分与アレイであってもよい。第２の粉末粒子のための分与アレイは、二次ローラー３１８ａ又は３１８ｂとブレードの両側のブレード２０４との間に留まる。

装置は、ローラー又はブレードの跡を追う分与アレイを使用して、第２の粉末粒子を分与する（ステップ３１２）。例えば、ローラー又はブレード２０４が左から右へと移動すると仮定すると、分与アレイ３０８ａは、第２の粉末粒子を供給するために使用され得る。装置は、跡を追う二次ローラー３１８ａ又は３１８ｂを使用して、第２の粉末粒子を圧縮し、対応する方向で粉末層の上表面を滑らかにする（ステップ３１４）。例えば、再度ローラー又はブレード２０４が左から右へと移動すると仮定すると、二次ローラー３１８ａは、組み合わされた第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子の層を円滑化及び／又は圧縮するように使用され得る。

次いで、装置は、方向を変えて、他の分与アレイ及び装置が反対方向に移動するにつれて今やローラー又はブレードの跡を追う他の二次ローラーを使用して、上記の処理を反復する。例えば、ローラー又はブレード２０４が右から左へと移動していると仮定すると、ローラー又はブレード２０４は、支持体１４２又は支持体１４２上で既に堆積された層にわたって粉末供給床１０２ｂから第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を押すことができ、分与アレイ３０８ｂは、第２の粉末粒子を供給するために使用され得、任意選択的な二次ローラー３１８ｂは、組み合わされた第１の粉末粒子及び第２の粉末粒子の層を円滑化及び／又は圧縮するように使用され得る。

装置は、ブレード３１６ａ及び３１６ｂを使用して、粒子がローラー上に蓄積することを防ぐことができる（ステップ３２０）。

図４は、双方向積層、並びに二次ローラーの対を用いた第２の粉末粒子の粉末層内への圧縮の例示的な装置及びプロセスを示す。この付加製造装置は、図１Ａ及び図１Ｂの付加製造装置１００と類似するが、単一の分与器１２２及び２つのローラー３１８ａ及び３１８ｂのみを含む。例えば、付加製造装置（例えば、図１Ａ及び図１Ｂの付加製造装置１００）は、プロセス４００を実行することができる。

装置は、（矢印４０２の方向に沿って）前方に移動し、支持体１４２又は支持体１４２上で既に堆積された層にわたって、第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を押し、粉末材料１４４の層を形成する（ステップ４０４）。装置は、分与アレイ１２２の両側に二次ローラー３１８ａ、３１８ｂを有する。装置は、第１の粉末粒子を押圧するために先行二次ローラーを使用する。先行二次ローラーは、分与アレイ１２２の前方に位置付けされるが、跡を追う二次ローラーは、分与アレイ１２２の後方に位置付けされ、分与アレイ１２２によって横断された経路を追う。例えば、ローラーが左から右へと移動していると仮定すると、二次ローラー３１８ｂは、先行二次ローラーであり、第１の粉末粒子を押圧して粉末材料の層を形成するように使用され得る。ローラーが右から左へと移動していると仮定すると、二次ローラー３１８ａは、先行二次ローラーであり、第１の粉末粒子を押圧するように使用され得る。

装置は、分与アレイ１２２を使用して、第２の粉末粒子を分与する（ステップ４１２）。装置は、分与アレイ４０８の跡を追う二次ローラーを使用して、第２の粉末粒子を圧縮する（ステップ４１４）。例えば、再度ローラーが左から右へと移動すると仮定すると、二次ローラー３１８ａは、粉末材料１４４の層を圧縮及び／又は円滑化するように使用され得、ローラーが右から左へと移動する場合、粉末材料１４４の層を圧縮及び／又は円滑化するために、二次ローラー３１８ｂが使用され得る。

装置は、ブレード４１６ａ、４１６ｂ、４１６ｃ、及び４１６ｄを使用して、粒子がローラー上に蓄積することを防ぐことができる（ステップ４２０）。

次いで、装置は、（矢印４１８の方向に沿って）反対方向に移動する。例えば、ローラーが既に左から右へと移動した場合、ローラーは、方向を切り替え、右から左へと移動する。

ブレードを２つのローラー３１８ａ及び３１８ｂと取り換えてもよい。

図５Ａから図５Ｃは、分与器と一体化された１つ又は複数のローラーを使用して、粉末粒子の積層及び圧縮を実行する例示的なプロセスを示す。例えば、付加製造装置（例えば、図１Ａ及び図１Ｂの付加製造装置１００）は、プロセス５００を実行することができる。

装置は、支持体１４２又は支持体１４２上で既に堆積された層にわたって第１の平均直径を有する第１の粉末粒子を押し、粉末材料１４４の層を形成する（ステップ５０２）。装置は、主ローラー１１６を使用して第１の粉末粒子を押す。主ローラー１１６は、（矢印５０８の方向に沿って）前方方向に移動する。主ローラー１１６が左から右へと移動すると仮定すると、主ローラー１１６は、反時計回り方向で回転し得る。幾つかの実装形態では、装置は、粉末材料の層を形成するためにプラテンにわたって第１の粉末粒子を押圧しない。その代わりに、装置は、図５Ｂで示すように、主ローラー１１６内の開孔（例えば、一体化された分与アレイ５０６又は一体化されたノズル）を通して第１の粉末粒子を分与する（ステップ５０４）。

装置は、例えば、二次ローラー１１８と一体化された分与アレイ５１０を使用して、開孔を通して第２の平均直径を有する第２の粉末粒子を分与する。二次ローラー１１８は、粉末材料の層にわたって移動するにつれて、主ローラーの跡を追い、粉末材料１４４の層を圧縮及び／又は円滑化する（ステップ５１８）。例えば、ローラーが左から右へと移動すると仮定すると、二次ローラー１１８は、粉末材料１４４の層を圧縮及び／又は円滑化する。

一体化された分与アレイ５１０（例えば、ノズル又は供給スクリュー）は、第２の粉末粒子を分与する際に粉末層と接触することができる。

図５Ｂで示されているように、主ローラー１１６が、例えば、一体化された分与アレイ５０６又は開孔を通して、第１の粉末粒子を分与し、二次ローラー１１８が、例えば、開孔又は一体化された分与アレイ５１０を通して、第２の粉末粒子を分与する際に、装置は、積層処理の各回転の区切りで第２の粉末粒子の前に第１の粉末粒子が分与されるように、第１の粉末粒子の分与の時間を適切に決める。幾つかの実装形態では、図５Ｃで示されるように、二重コアシェルローラー５１４は、第１の粉末粒子を供給する内部コア５１６、及び第２の粉末粒子を分与する外部クラッディング機構５２２を含む。このローラーアレイは、積層処理中に複数の材料が必要とされる際に実装してもよい。

装置は、さらに、捕獲シールドを使用して分与された粒子を堆積領域内に含み、ブレード１２０ａ及び１２０ｂを使用して、粒子がローラー上に蓄積することを防ぐことができる（ステップ５２０）。

図示のローラー又はブレード１１６、１１８、２０４、並びに分与アレイ１２２は、ユニットとしてレール１３６ａ、１３６ｂ上で移動する単一のアセンブリで支持されてもよく、又は、各構成要素は、レール１３６ａ、１３６ｂに個別に摺動可能に取り付けられ、各構成要素のアクチュエータによって個別に可動であってもよい。粉末床上の指定位置に第２の粉末粒子を配置するために、分与アレイ１２２を代替的にロボットアームに装着／取り付けしてもよい。

金属及びセラミックの付加製造の処理条件は、プラスチックの処理条件とは著しく異なる。例えば、概して、金属及びセラミックは、著しくより高い処理温度を必要とする。プラスチックのための３Ｄプリンティング技法は、金属又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、本明細書に記載された幾つかの技法は、ポリマー粉末（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）、及びポリスチレンに適用することができる。

本書は特定の実装形態の詳細を多数含むが、これらは、任意の本発明の範囲、又は可能性のある特許請求の範囲を限定すると解釈すべきでなく、特定の発明の特定の実施形態に固有である特徴の説明であると解釈すべきである。別々の実施形態に関連して本書に記載された特定の特徴は、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た様々な特徴は、別々に、又は、任意の適切なサブコンビネーションで、複数の実施形態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以上で記載され、最初はそのように主張される場合があるが、主張される組み合わせからの１つ又は複数の特徴は、ある場合には、その組み合わせから削除してもよく、主張される組み合わせは、サブコンビネーション又は様々なサブコンビネーションの対象としてもよい。

数々の実装形態が説明されてきた。だが、様々な修正が行われ得ることは理解すべきである。したがって、他の実装形態も特許請求の範囲内にある。

Claims (15)

1. 部分品を形成するための付加製造装置であって、
   支持体、
   第１の粒子の層を支持体上又は支持体上の下層に供給するための第１の分与器、
   第２の粒子が前記第１の粒子の層内に浸透するように、前記第２の粒子を前記第１の粒子の層の上に供給するための第２の分与器、
   前記第１の粒子と前記第２の粒子とを融合し、前記部分品の融合された層を形成するためのエネルギー源、並びに
   前記第１の分与器、前記第２の分与器、及び前記エネルギー源に連結されたコントローラ
   を備えている、付加製造装置。
2. 前記第２の分与器が、前記第１の粒子の層に広がる第２の領域において前記第２の粒子を供給するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の分与器が、前記支持体の表面に対して平行な第１の方向で前記第１の粒子を側方に押すためのローラー、或いは、前記支持体の表面に対して平行な第１の方向で前記第１の粒子を側方に押すためのブレードのうちの１つ又は複数を備えている、請求項１に記載の装置。
4. 前記第２の分与器が、前記第２の粒子を噴射するためのノズルを備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記第２の分与器が、前記第２の粒子を噴射するためのノズルのアレイを備えており、前記アレイのノズルは、前記コントローラによって個別に制御可能である、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の分与器が、前記支持体の表面に対して平行な第１の方向で前記第１の粒子を側方に押すための第１のローラーを備えており、前記装置が、前記第１の粒子及び前記第２の粒子の層を圧縮するための第２のローラーを備えている、請求項１に記載の装置。
7. 線形アクチュエータが、前記第１のローラー及び前記第２のローラーと共に前記エネルギー源を動かすように構成されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記コントローラは、前記部分品の第２の層の形成の間、第２のローラーが、前記第１の方向とは反対の前記第２の方向で第１の粒子を側方に押し、前記第１のローラーが、前記第２の層の前記第１の粒子及び前記粒子を圧縮するように、前記線形アクチュエータに、前記第２の方向に前記第１のローラー及び前記第２のローラーを動かさせるように構成されている、請求項６に記載の装置。
9. 前記コントローラは、前記第２の分与器に、層ごとに前記第２の粒子を選択的に分与させ、製造される物体において種々の密度の層を設けるように構成されている、請求項１に記載の装置。
10. 前記コントローラは、前記第２の分与器に、層の内部に前記第２の粒子を選択的に分与させ、製造される物体の層の内部に種々の密度の領域を設けるように構成されている、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１の粒子を供給するための第１のリザーバ、及び前記第２の粒子を供給するための第２のリザーバを備えており、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１に記載の装置。
12. 付加製造の方法であって、
    支持体上に複数の層を連続的に形成することを含み、前記複数の層の層を堆積することが、
    支持体又は下層の上に第１の粒子の層を分与することであって、前記第１の粒子が、第１の平均直径を有する、第１の粒子の層を分与することと、
    前記第１の粒子の層の上に第２の粒子を分与することであって、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の平均直径を有し、前記第２の粒子が、前記第１の粒子の層の内部に浸透する、第２の粒子を分与することと、
    前記第１の粒子と前記第２の粒子とを融合し、前記複数の層から前記層を形成することとを含む、方法。
13. 前記第１の粒子及び前記第２の粒子が、同一の材料組成を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２の粒子を分与することが、層ごとに前記第２の粒子の分与を選択的に制御し、製造される物体において種々の密度の層を設けることを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第２の粒子を分与することが、層の内部の前記第２の粒子の分与を選択的に制御し、製造される物体の層の内部に種々の密度の領域を設けることを含む、請求項１２に記載の方法。

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