JP2018528879A - 予熱を用いた付加製造 - Google Patents

Abstract

付加製造方法は、供給材料をプラテン上に、層状で分配する前に、供給材料の温度を、室温より高いが供給材料が粘性を帯びる第２の温度より低い第１の温度へと上昇させること、第１の温度の供給材料を、プラテン上に、層状で分配すること、供給材料をプラテン上に分配した後、供給材料の層の実質的にすべての温度を、第１の温度より高いが供給材料が溶解する第４の温度より低い第３の温度へと上昇させること、及び供給材料の層の複数の部分の温度を、第４の温度以上である第５の温度へと選択的に上昇させることを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、３Ｄ印刷とも呼ばれる付加製造に関する。

固体自由形状製造又は３Ｄ印刷としても知られる付加製造（ＡＭ）は、連続する２次元層又は断面において原材料（通常は粉末、液体、懸濁液、又は融解固形物）から３次元の物体が造形される、任意の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生成される。

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及び各プロセスで互換可能に使用される材料において異なっている。選択的レーザー積層造形法（ＳＬＭ）又は直接金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）、熱溶融積層法（ＦＤＭ）といったいくつかの方法では、層を生成するために材料を融解又は軟化させ、他の方法では、光造形法（ＳＬＡ）などの異なる技術を用いて液体材料を硬化させる。

焼結は、小さな粒、例えば、粉末を溶融させて、物体を生成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。焼結プロセス中に、粉末状材料が十分な温度に加熱されたとき、粉末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て固体片を形成する。融解（ｍｅｌｔｉｎｇ）とは異なり、焼結に用いられる粉末は液相に到達する必要がない。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、タングステン及びモリブデンなどの融点の高い材料に対して用いられることが多い。

付加製造には、焼結と融解の両方を用いることができる。どちらのプロセスが行われるかは、用いられる材料によって決定される。例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）といった非晶質固体は、実際には過冷却粘性液体であり、実際には融解しない。なぜならば、融解とは固体状態から液体状態への相転移を伴うからである。このように、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）がＡＢＳにとっての適切な処理である。一方、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ）は、別個の融点／凍結温度を有し、ＳＬＭプロセスの間に融解が起きる、ナイロンや金属といった結晶性材料及び半結晶性材料に対して使用される。

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、粉末状材料の層内の選択されたポイントにレーザービームを配向し、この層にわたる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の層上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、一層毎にこのプロセスが反復される。

材料内で焼結又は融解を起こさせるためのエネルギー源として、電子ビームも用いることができる。この場合も、特定の層の処理を完成させるために、電子ビームをこの層全体にラスタースキャンされる。

一態様では、付加製造システムは、製造される物体を支持する上面を有するプラテン、プラテンの上に供給材料の複数の連続層を送達するディスペンサ、プラテンの上方に位置決めされて供給材料の最も外側の層の少なくとも一部を溶融させるためにビームを方向付けるエネルギー源、及びプラテンの上方及びエネルギー源の周りに配置されて供給材料の最も外側の層を放射加熱する複数のランプを含む。

実装態様は下記の特徴の一つ又は複数を含み得る。エネルギー源は、レーザー又はイオン源を含み得る。複数のランプは、回転可能な支持体上に保持されてよい。複数のランプは、プラテンの中心軸から等距離に位置決めすることができる。複数のランプは、中心軸周りに等角度間隔で位置決めされてもよい。

ヒータにより、供給材料の層を位置決めする前に供給材料を加熱してもよい。供給材は粉末とすることができ、ヒータは、供給材料を室温より高いが粉末が粘性を帯びる温度より低い第１の温度へと上昇させるように構成することができる。

作動システムは、ビームをプラテンに対して二つの直交する方向に移動させることができる。作動システムは、エネルギー源を二つの直交する方向のうちの少なくとも一つに移動させるように構成された線形アクチュエータを含み得る。作動システムは、プラテンを二つの直交する方向のうちの少なくとも一つに移動させるように構成された線形アクチュエータを含んでもよい。作動システムは、ビームを二つの直交する方向のうちの少なくとも一つに屈折させるように構成することができる。エネルギー源はレーザーを含むことができ、作動システムは、レーザービームをレーザーから偏向させる反照検流計を含むことができる。

作動システムは、ビームの焦点深度を調節するように構成することができる。作動システムは、焦点深度を調節するための可動光学部品を含むことができる。作動システムは、エネルギー源をプラテンの表面に直交する方向に移動させる線形アクチュエータを含んでもよい。

別の態様では、付加製造システムは、製造される物体を支持する上面を有するプラテン、プラテン上に供給材料の複数の連続層を送達するディスペンサ、供給材料を、供給材料がディスペンサによって分配される前に自由流動温度に加熱するように構成された第１のヒータ、及びプラテンの上の供給材料の最も外側の層の少なくとも一部を溶融させるエネルギー源を含む。

実装態様は下記の特徴の一つ又は複数を含みうる。ディスペンサは、プラテンに隣接するリザーバを含み得る。第１のヒータは、リザーバの上方に位置決めされる加熱ランプを含み得る。第１のヒータは、リザーバの支持プレートに埋め込まれた抵抗ヒータを含み得る。第１のヒータは、プラテン内に分配された供給材料の層に熱を加えることなく、ディスペンサ中の供給材料を加熱するように構成することができる。ディスペンサは、プラテンの両側に位置決めされた二つのリザーバを含むことができる。

第２のヒータは、最も外側の層の実質的にすべてをケーキング温度に加熱するように構成することができる。第２のヒータは、エネルギー源の周りに位置決めされる複数の加熱ランプを含み得る。複数の加熱ランプは回転可能な支持体上に保持されてよい。エネルギー源は、レーザー又はイオン源を含み得る。

別の態様では、付加製造方法は、供給材料をプラテン上に、層状で分配する前に、供給材料の温度を、室温より高いが供給材料が粘性を帯びる第２の温度より低い第１の温度へと上昇させること、第１の温度の供給材料を、プラテン上に、層状で分配すること、供給材料をプラテン上に分配した後、供給材料の層の実質的にすべての温度を、第１の温度より高いが供給材料が溶融する第４の温度より低い第３の温度へと上昇させること、及び供給材料の層の複数の部分の温度を、第４の温度以上である第５の温度へと選択的に上昇させることを含む。

実装態様は下記の特徴の一つ又は複数を含みうる。第３の温度は、第２の温度より高くてよい。供給材料の層の複数の部分の温度を第５の温度へと選択的に上昇させることは、レーザー又はイオン源を用いて実施され得る。供給材料の層の実質的にすべての温度を第３の温度へと上昇させることは、レーザー又はイオン源の周りに位置決めされる複数の加熱ランプを用いて実施され得る。複数の加熱ランプは、レーザー又はイオン源の周りを回ることができる。

供給材料の温度を第１の温度へと上昇させることは、供給材料がリザーバ内にある間に供給材料の温度を上昇させることを含む。供給材料がリザーバ内にある間に供給材料の温度を上昇させることは、リザーバの支持プレートに埋め込まれた抵抗ヒータを用いて供給材料を加熱することを含み得る。供給材料がリザーバ内にある間に供給材料の温度を上昇させることは、リザーバの上に位置決めされた加熱ランプ用いて供給材料を加熱することを含み得る。供給材料は粉末とすることができ、第４の温度は焼結温度とすることができる。

実装態様は、下記の利点のうちの一つ又は複数を含み得る。加熱ランプを、レーザーなどの走査ビーム熱源の周りに配置することにより、走査ビーム熱源による干渉を受けずに供給材料の層全体を加熱することが可能となる。加熱ランプを回転させることにより、供給材料の外層の温度均一性を改善することができる。堆積された供給材料の上面に入射するレーザービームの焦点深度を制御することにより、焼結プロセスの解像度を変更することができる。更に、焦点深度を制御することによりスポットサイズを制御することができ、したがって単位面積当たりの移動エネルギーを制御することができるので、レーザービームの走査速度を改善することができ、よってスループットが改善される。

本発明の一つ又は複数の実施形態の詳細を、添付の図面及び以下の記述において説明する。本発明のその他の態様、特徴、及び利点は、説明及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

付加製造システムの概略側面図である。 付加製造システムの概略上面図である。

付加製造プロセスは、プラテン又は以前に堆積された層の上に供給材料（例えば粉末）の層を分配した後に供給材料の層の複数の部分を溶融させる方法を含むことができる。エネルギー源は供給材料を加熱して固化し、例えば粉末を溶融させる。しかしながら、粉末状材料の各点ごとの焼結又は融解によって引き起こされる温度変動は、プリントされる物体内に熱応力を作り出す場合がある。加えて、供給材料の層全体にビームを走査するためには時間を要する。

付加製造プロセスでは、供給材料は、プラテン上に堆積される前に加熱することができる。これは、走査ビームが特定のボクセルを固化させるために要する電力量を減少させることができる。これにより、ビームの層上での移動速度が上昇し、したがってスループットを上昇させることができる。加えて、これにより温度変動が小さくなり、したがって熱応力が減少し、材料特性が改善され得る。したがって、供給材料が初期温度、例えば室温で開始される場合、分配される前にその温度を第１の温度へと上昇させることができる。

しかしながら、何らかの温度を上回ると、粉末が粘性を帯び、すなわち粘つく場合がある。これは、層又は次の層の適切な堆積の妨げとなり得る。したがって、いくつかの付加製造プロセスのためには、粉末の温度を上昇させるが、粉末が粘性を帯びる、即ち粘つく第２の閾値温度を上回らないことが望ましい。金属粉末の場合、「粘性」は、少量のネッキング又は焼結、例えば、粒子の一部が接点において焼結されるが粒子に大きな形態変化がないことを示すことがある。

供給材料がプラテン上に堆積されたら、例えば、加熱ランプからの放射エネルギー輸送により、供給材料が溶融（例えば焼結又は融解）する第４の温度により近いが依然第４の温度より低い第３の温度へと、供給材料の最上層の温度を更に上昇させることができる。いくつかの実装態様では、このより高い第３の温度は、依然として、粉末が粘性を帯びる、即ち粘つく閾値温度、即ち第２の温度を下回っている。いくつかの実装態様では、このより高い第３の温度は、粉末が粘性を帯びる、即ち粘つく第２の閾値温度より高いが、粉末が接点において焼結されるが実質的に多孔性を保持し、大きな高密度化を受けない、例えば、ケーキ様密度を達成する「ケーキング温度」より低い。いくつかの実装態様では、このより高い第３の温度は、ケーキング温度より高いが、供給材料が溶融（例えば焼結又は融解）して、多孔性の低下した又は粒子間の間隙が減少した固形塊を形成する溶融温度を依然として下回っている。

最後に、供給材料の最上層の複数の所望の部分の温度は、堆積された供給材料の表面全体を走査するビームにより、ケーキング温度又は溶融温度へと上昇させることができる。

堆積された供給材料の上面の温度が、ビームによる走査の前に均一であることが、溶融したボクセルが所望のパターンに対応する信頼性を改善させるため、有利である。供給材料の予熱は、加熱ランプが必要とするエネルギーを減少させ、層の空間的温度均一性を改善することができる。加熱ランプによる供給材料の予熱は、ビームが特定のスポットを溶融させるために必要なエネルギーを減少させ、したがってスループットを改善し、温度変動を小さくすることができる。

図１及び図２は、付加製造システム１００の一実施形態のそれぞれ側面図及び上面図である。付加製造システム１００は、加工される物体を保持する支持体１０２、供給材料の層を支持体１０２の上に送達する供給材料送達システム、供給材料の層全体を加熱するように構成された第１の熱源１５５（例えば加熱ランプのアレイ）、及び供給材料の層全体を走査して供給材料を固化するために十分に供給材料の層の複数の部分を選択的に加熱するビーム１７５を生成するように構成された第２の熱源１６０を含む。

任意選択的に、付加製造システム１００のいくつかの部品、例えば、支持体、ディスペンサ、第１の熱源１５５及び第２の熱源１６０のうちの一つ又は複数の構成要素をハウジング１１０により封入することができる。ハウジング１１０は、例えば、ハウジング内部のチャンバ１１２を真空環境に、例えば、約１トール以下の圧力に維持することができる。代替的に、チャンバ１１２の内部は、実質的に純粋な気体、例えば微粒状物を濾過により除去した気体とすることができるか、又はチャンバを大気に通気することができる。純粋な気体は、アルゴン、窒素、キセノン、及び混合不活性ガスといった不活性ガスを構成することができる。

支持体１０２は、例えばピストンロッド１０７ａによりプラテン１０５に接続された線形アクチュエータによって、垂直に移動可能なプラテン１０５を含むことができる。各層の処理、即ち層の複数の所望の部分の固化後、支持体１０２は、加工対象の物体にちょうど付加された材料の層の厚さに等しい距離だけ下げることができる。

加えて、支持体は、プラテン及びプラテン１０５上に堆積された供給材料１３０を加熱するための、プラテン１０５に埋め込まれたヒータ（例えば抵抗ヒータ）又はプラテンの下の下側ランプアレイ１０９ａを含むことができる。

付加製造システム１００は、供給材料（例えば粉末）の層をプラテン１０５を覆うように、例えばプラテンの上又はプラテン上の下位層の上に送達するための供給材料送達システムを含む。

供給材料は、金属、セラミック、又はプラスチックの粒子の乾燥粉末、液体懸濁物中の金属、セラミック、又はプラスチック、又は材料のスラリ懸濁物とすることができる。例えば、圧電プリントヘッドを用いるディスペンサの場合、典型的には供給材料は液体懸濁物中の粒子である。懸濁物の場合、液体成分は溶融に先立って蒸発させることができる。

金属粒子の例は、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、及びこれらの金属の様々な合金を含む。セラミック材料の例は、セリア、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又はこれらの物質の組み合わせといった金属酸化物を含む。プラスチックの例は、ＡＢＳ、ナイロン、ポリエーテルイミド、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）、ポリウレタン、アクリレート、エポキシ、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリカーボネート系又はポリエステルを含み得る。

供給材料送達システムは、リザーバからプラテンへと供給材料を送達し、供給材料はそこで固化され得る。例えば、粉末の場合、供給物送達システムは、粉末の層を支持体全体に送達することができ、粉末はそこで溶融される。

図１及び２に示す実施形態では、供給材料１３０は、支持体１０２に隣接するリザーバ１２０内に保持される。図１及び２に示す実装態様では、システム１００は、プラテン１０５の両側に位置決めされた二つのリザーバ１２０ａ、１２０ｂを含んでいるが、システムはリザーバを一つだけ含んでいてもよい。

各リザーバ１２０は、側壁１２４によって囲まれた垂直に移動可能な支持プレート１２２によって画定され得る。支持プレート１２２を移動させるメカニズムは、ピストンロッド１０７ｂによって支持プレート１２２に接続された線形アクチュエータとすることができる。供給材料１３０は、プラテン１０５を横切るようにリザーバ１２０から押し出すことができる。

これは、例えば、壁１２４の上方にプラテン１０５又は下位層を被覆するために十分な粉末量を提供するために十分な距離だけ、リザーバ１２０を上に（＋ｚ方向に）移動させることにより行うことができる。次いで、ローラ又はブレードといったデバイス１４０が、支持プレート１２２から離れてプラテン１０５を横切るように供給材料を押し出す。

システム１００が、プラテンの両側に配置された二つのリザーバ１２０ａ、１２０ｂを含む場合、材料は、交互層のために交互リザーバから分配することができる。例えば、ローラ又はブレード１４０を、プラテン１０５の左端のリザーバ１２０ａからプラテン１０５の右端のリザーバ１２０ｂへと、リザーバ１２０ａから供給材料１３０の層をプラテン１０５上に広げるプロセス において、移動させることができる。この層が処理された後、ローラ又はブレード１４０を、プラテン１０５の右端のリザーバ１２０ｂからプラテン１０５の左端のリザーバ１２０ａへと移動させることにより、リザーバ１２０ｂから供給材料の層をプラテン１０５上に広げるプロセスにおいて、別の粉末層を分配することができる。

任意選択的に、リザーバは、支持プレート及び支持プレート１２２の上のリザーバ１２０内にある供給材料１３０を加熱するための、支持プレート１２２又は支持プレート１２２の下の下側ランプアレイ１２６に埋め込まれたヒータ（例えば抵抗ヒータ）を含むことができる。下側ランプアレイは、デジタル式にアドレス指定されて、選択領域の加熱又は複数の異なる領域の加熱の独立制御を可能にし、製造及び冷却プロセスの間に更に均一な加熱を可能にすることができる。

支持プレート１２２内又は同プレートの下の任意のヒータに代替的に又は追加的に、いくつかの実装態様では、システム１００は、リザーバ内の粉末を加熱するために側壁１２４を加熱するための熱源、例えば、側壁に埋め込まれた抵抗ヒータを含むことができる。

支持プレート１２２内又は同プレートの下の任意のヒータに代替的に又は追加的に、いくつかの実装態様では、システム１００は、リザーバ１２０内の供給材料１３０を放射加熱するために位置決めされた熱源１３５を含むことができる。熱源１３５は、プラテン１０５の上の供給材料の層に熱を供給しないように位置決めすることができる。熱源１３５は、加熱ランプ（例えばＩＲランプ１３５）とすることができる。二つ以上のリザーバ１２０ａ、１２０ｂを有する実装態様においては、ＩＲ ランプ１３５を各リザーバの上方に配置することができる。

動作時に、支持プレート１２２内又は同プレート下の熱源１３５及び／又はヒータからの全熱量は、供給材料１３０の温度を、室温より高い（即ち３０℃より高い）が、それを上回ると粉末が粘性を帯びる、即ち粘つく閾値温度（「自由流動温度」とも呼ぶ）より低い第１の温度へと上昇させるために十分である。これにより、上昇した温度で供給材料をプラテンの上に分配することが可能となり、したがって焼結に必要とされる温度変動及びその他の加熱構成要素に必要とされる電力が、分配プロセスを妨げることなく低減される。例えば、供給材料（例えば粉末チタン）を５０°Ｃから５００°Ｃの温度へと上昇させることができる。

粘性には必然的に形態の変化（例えば粒子間のネッキング）が伴い、このような地形画像は、高解像度のイメージング機器を用いて検出することができる。画像のフラクタル解析も厚さを検出するために用いることができる。

いくつかの実施形態では、ローラ又はブレードによってリザーバから供給材料を押し出すのではなく、プラテン１０５の上でディスペンサを位置決め可能にすることができ、このディスペンサが、それらを通して一つ又は複数の供給材料をプラテン上に堆積させることのできる複数の開口を含む。ディスペンサは開口を通して供給材料を放出することができる。例えば、ディスペンサは、分散媒（例えば高蒸気圧担体）中の粉末粒子を送達して粉末金属の層を形成することができる。この分散媒は、層の溶融ステップに先立って蒸発させることができる。

粉末を第１の温度に加熱するためには、ヒータをディスペンサに埋め込むことができるか、又は分散媒を加熱することができる。

上記のように、供給材料１３０は、十分な温度へと上昇させることにより固化する（及び次いで必要に応じて、例えば液化した供給材料を固化するために、冷却する）ことができる。例えば、粉末の場合、粉末は焼結温度に加熱すると焼結することができる。供給材料１３０の温度は、一つ又は複数のエネルギー源により供給材料１３０を加熱することにより、溶融温度へと上昇させることができる。供給材料の温度は、供給材料を連続して加熱する一つ又は複数のエネルギー源により、室温から焼結温度に変化させることができる。

例えば、供給材料は、プラテン上に堆積させる前に、「自由流動温度」より低い第１の温度に加熱することができる。しかしながら、任意選択的に、供給材料は、プラテン上に堆積させる前に加熱しない。

プラテン上に堆積されたら、堆積された供給材料の層全体を加熱又は更に加熱することができる。堆積された供給材料は、「自由流動温度」以上である第３の温度に加熱することができる。供給材料の層は、例えばローラ又はブレードによって、第３の温度へと上昇させる前に均一に広げることができる。代替的に、いくつかのプロセスに関し、供給材料はいくらか粘性でもよいが、依然として供給材料を広げることが可能である。この場合、供給材料の層は、例えばローラ又はブレードによって、ケーキング温度より低い第３の温度へと上昇させた後に、均一に広げることができる。

プラテン又は下位層の上に均一に広げた後、供給材料の層全体を「ケーキング温度」へと上昇させることができる。いくつかのプロセスに関し、供給材料は、ケーキ様組成物を有することができるが、依然として圧縮可能である。この場合、供給材料の層は、供給材料が溶融する温度より低い第３の温度へと上昇させた後に、例えばローラによって、圧縮することができる。

最後に、堆積された供給材料を、溶融温度、例えば焼結温度へと、選択的に加熱することができる。

プラテン１０５上に堆積された供給材料の最上層の温度は、一つ又は複数のエネルギー源によって熱を供給することにより、第１の温度から、「自由流動温度」、「ケーキング温度」又は「溶融温度」（例えば、融解温度又は焼結温度）へと上昇させることができる。

上記のように、支持体は、任意選択的に、プラテン１０５上に堆積された供給材料１３０を加熱するために、プラテンに埋め込まれたヒータ（例えば抵抗ヒータ）又はプラテン１０５の下の若しくは壁に沿った下側ランプアレイ１０９ａを含むことができる。

プラテン１０５内又は同プレートの下の任意のヒータに代替的に又は追加的に、いくつかの実装態様では、システム１００は、プラテンの１０５上の供給材料１３０を放射加熱するために配置された熱源１５５を含むことができる。例えば、第１の熱源１５５は、プラテン１０５の上方且つ第２の熱源１６０の周りに位置決めされた複数の加熱ランプ１５５ａ〜１５５ｅを含むことができる。これにより、供給材料の層全体を、走査ビーム熱源により妨害されることなく加熱することが可能になる。

加熱ランプ１５５ａ〜ｅは、プラテン１０５の上方において円形配置に、例えば、第２の熱源１６０から等しい半径方向距離に位置することができる。加えて、加熱ランプ１５５ａ〜１５５ｅは、第２の熱源１６０の周りに等角度間隔で位置決めすることができる。加熱ランプは、プラテン１０５の上面に対する法線に対して一定の角度に方向付けることができる。これにより、ランプ１５５ａ〜１５５ｅからの熱が、第２の熱源１６０の下に位置する供給材料の層の部分に到達することが可能となる。図２に示す実施形態では、第２の熱源１５５は五つの加熱ランプを含むが、異なる数のランプが使用されてもよい。

複数の異なる加熱ランプは、熱を不均一に放射しうる。これにより、供給材料の最上層に不均一な温度分布が生じる可能性がある。しかしながら、堆積された供給材料の最上層の様々な部分が各加熱ランプから連続して放射を受けるように加熱ランプ１５５ａ〜１５５ｅを移動させた場合、堆積された供給材料の最上層にもっと均一な温度分布を得ることができる。例えば、加熱ランプ１５５１ａ〜１５５ｅは、第２の熱源１６０周りで円形経路上を移動させることができる。

例えば、加熱ランプ１５５ａ〜１５５ｅは、回転可能な支持体１５０から吊り下げることができる。モータにより、ランプ１５５ａ〜１５５ｅが垂直な中心軸１５７周りを回るように、支持体１５０を回転させることができる。中心軸１５７は、プラテン１０５の中心を通ることができる。同様に、中心軸１５７は第２の熱源１６０を通ることができる。加熱ランプ１５５ａ〜１５５ｅは、堆積された供給材料の最上層の温度均一性を改善する円形経路上で移動させることができる。加熱速度は、回転速度と各ランプに適用される電力の組み合わせにより間接的に制御することができる。

プラテン１０５内又は同プレートの下の任意のヒータに代替的に又は追加的に、いくつかの実装態様では、システム１００は、プラテン１０５上の供給材料を加熱するために、プラテン１０５を囲む側壁１２４を加熱するための熱源、例えば、側壁１２４に埋め込まれた抵抗ヒータを含むことができる。

上記のように、堆積された供給材料の複数の所望の部分を固化するために、その温度を、例えば、粉末の焼結温度へと上昇させる必要がある。プラテン１０５の上の供給材料の層１３０の温度がケーキング温度である場合、追加的なエネルギー源、例えば第２の熱源１６０が、供給材料を焼結温度に加熱するために用いられる。

第２の熱源１６０は、例えば、レーザービーム１７５を生成するためのレーザーとすることができる。代替的に、第２の熱源１６０は、電子ビーム１７５を生成するための電子源、又はプラズマ点源、例えば、プラズマアークとすることができる。ビーム１７５は、供給材料の層を走査することができ、ビームの電力は、供給材料の層の複数の部分を選択的に溶融（例えば焼結）するために変調することができる。

層の堆積に先立って及び／又は第１の熱源１５５を用いて供給材料の層を予熱することにより、走査ビーム１７５が供給材料の層の一部を固化させるために必要とする電力量を減少させることができる。これにより、ビーム１７５の層上での移動速度が上昇し、したがってスループットを上昇させることができる。加えて、これにより層全体の空間的温度変動が小さくなるので、熱応力が減少し、材料特性が改善され得る。

第２の熱源１６０は、ビーム源１７０及び作動システム１６５を含む。作動システム１６５は、ｘ−ｙ面内でプラテン１０５に対してビーム１７６を並行移動させることができる。その結果として、レーザービーム１７５は供給材料の上面を走査することができる。例えば、プラテン１０５を固定位置に保持することができ、例えばビーム源１７０を二つの直交する方向に移動させるように構成された一対の線形アクチュエータによって、ビーム源１７０を移動させることができる。代替的に、ビーム原１７０を固定位置に保持することができ、例えばビーム源１７０を二つの直交する方向に移動させるように構成された一対の線形アクチュエータによって、プラテン１０５を移動させることができる。代替的に、プラテンを、第１の線形アクチュエータによって一方向に移動させることができ、且つプラテンを、第２の線形アクチュエータによって直交方向に移動させることができる。上記実装態様のいずれにおいても、ビームが供給材料の層を横切って走査する際、ビーム１７５は、プラテン１０５の表面に垂直な配向に維持することができる。また別の可能性として、ビーム１７５は、二つの方向において制御可能な角度に偏向させることができる。また別の可能性として、ビーム源１７０又はプラテン１０５を第１の方向に沿って移動させることができ、ビーム１７５を、第２の方向に沿って制御するために制御可能に偏向させることができる。

任意選択的に、作動システム１６５は、ビーム源１７０をＺ方向にも並行移動させるように構成することができ、これにより供給材料の最上層の上におけるビーム１７５のスポットサイズの形状の制御を可能にすることができる。

図１及び２に示すそれぞれ側面図及び上面図では、第２の熱源１６０はレーザーシステムである。作動システム１６５は、反照検流計、又は単に「ガルボ」と呼ばれることもある光学システムを含む。レーザー源１７０によって放射されるレーザービーム１７５は、ガルボ内の光学要素によって反射又は屈折させることができる。ガルボ内のこの光学要素（例えばミラー及びレンズ）は、光学要素を並行移動又は回転させることのできる取付台に取り付けることができる。取付台及びアクチュエータ１６５は、付加製造システム１００の外側に位置してもよいコンピュータによって制御することができる。ガルボ内の光学要素の配向を変化させることにより、堆積された供給材料に入射するレーザービーム１７５の配向及び特性を変化させることができる。例えば、光学要素の配向は、レーザービーム１７５が入射する供給材料の上面上の位置を決定することができる。

加えて、ビーム源１６０は、供給材料の上面上におけるレーザービーム１７５の焦点深度及び／又はスポットサイズを制御するための光学部品１６７を含むことができる。したがって、アクチュエータ１６５及びガルボは、供給材料の上面上におけるレーザービームの位置及びスポットサイズを制御することができる。

スポットサイズは焼結プロセスにおいて重要な役割を果たす。スポットサイズが大きい程、溶融プロセスの解像度は低下する。しかしながら、スポットサイズが大きい程、供給材料の層を横切って走査するために必要な時間が短縮される。所与の電力について、スポットサイズは、堆積された供給材料の上面上のレーザービームの強度も決定することができる。例えば、所与の出力電力を有するレーザー源１７０の場合、スポットサイズはレーザービーム強度に反比例する。レーザービームの強度が低下する場合、レーザービームによって照射される供給材料の単位面積に伝わる熱エネルギーも減少する。同様に、供給材料に入射するレーザービームの強度を増大させると（スポットサイズを小さくすることによって）、レーザービームによって照射される供給材料の単位面積に伝わる熱エネルギーが増加する。

本発明の実施形態、及び本明細書に記載された機能的動作のすべては、本明細書に開示された構造的手段、及びこれらの構造的同等物、又はこれらの組み合わせを含め、デジタル電気回路において、又はコンピュータのソフトウェア、ファームウェア、又はハードウェアにおいて実装することができる。本発明の実施形態は、一つ又は複数のコンピュータプログラム製品、即ち、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、又は複数のプロセッサ若しくはコンピュータなどのデータ処理装置による実行のため、又はそのようなデータ処理装置の動作を制御するために、非一過性の機械可読記憶媒体又は被伝播信号などの情報担体において有形に具現化された、一つ又は複数のコンピュータプログラムとして、実装され得る。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又はコードとしても知られる）は、コンパイル又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式で書くことができ、また独立型プログラムとして、又はモジュール、構成要素、サブルーチン、若しくは計算環境での使用に適した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。一つのコンピュータプログラムは、必ずしも一つのファイルに対応しない。プログラムは、他のプログラム又はデータを保持するファイルの一部分、対象のプログラム専用の単一のファイル、又は複数の連携しているファイル（例えば、一つ又は複数のモジュール、サブプログラム、若しくはコードの複数の部分を収納するファイル）に収納することができる。コンピュータプログラムは、一つのコンピュータ上で、又は一箇所にあるか若しくは複数の場所に分散された、通信ネットワークによって相互接続される複数のコンピュータ上で、実行されるように配置することができる。

本明細書で説明されているプロセス及び論理フローは、一つ又は複数のプログラマブルプロセッサによって実施することができ、このプログラマブルプロセッサは、一つ又は複数のコンピュータプログラムを実行して、入力データに対して動作し、且つ出力を生成することによって諸機能を実施する。プロセス及び論理フローは、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などの特殊用途論理回路によって実施することができ、このような特殊用途論理回路として装置が実装されてもよい。

上述ではいくつかの実装態様について記載した。しかしながら、複数の特定の特徴を、他の特徴を含めずに、有利な効果のために組み合わせることができる。例えば、以下の組み合わせが可能である：
・供給材料の層全体の温度は、供給材料を分配する前に第１の温度（自由流動温度より低い）へと上昇させることができ、次いで供給材料の層の温度を、供給材料の層のすべてを自由流動温度又はケーキング温度へと上昇させることなく、選択的に溶融温度へと上昇させることができる。この場合、第１の熱源は任意選択とすることができる。
・プラテン上の供給材料の層全体の温度は、材料の分配前に、意図的に供給材料の温度を上昇させることなく、自由流動温度又はケーキング温度以上に上昇させることができる。この場合、リザーバのヒータは任意選択とすることができる。
・供給材料の層が分配された後で、供給材料の層のすべての温度は、自由流動温度以上に上昇させることができるが、供給材料の層のすべてがケーキング温度へと上昇することはない。
・第２の熱源を囲むランプアレイを用いて、供給材料の温度を、ケーキング温度を上回らない温度へと上昇させることができる。
・第２の熱源を囲むランプアレイは、回転せずに静止したままとすることができる。
・ランプアレイはプラテンの上方に、エネルギー源より低いが依然としてエネルギー源の「周り」と考慮される高さに位置決めすることができる。
・例えば制御可能な開口のアレイを有するディスペンサによって供給材料が選択的に堆積される場合、例えばランプアレイによって、供給材料の層全体を同時に溶融温度へと上昇させることができる。

加えて、様々な修正が行われ得ることを理解すべきである。したがって、他の実装態様が特許請求の範囲に含まれる。

Claims (16)

1. 製造される物体を支持する上面を有するプラテン、
   前記プラテンの上に、供給材料の複数の連続層を、前記供給材料が粘性を帯びる第２の温度より低い第１の温度で送達するディスペンサ、
   前記プラテンの上の供給材料の前記層の少なくとも一部を、前記第２の温度以上であり且つ前記供給材料が溶融する第４の温度より低い第３の温度に加熱するように構成された第１のヒータ、及び
   前記プラテンの上の供給材料の最も外側の層の少なくとも一部を選択的に溶融させるためのエネルギー源
   を備える付加製造システム。
2. 前記ディスペンサが前記プラテンに隣接するリザーバを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のヒータが、前記リザーバの上方に位置決めされる加熱ランプ又は前記リザーバの支持プレート若しくは側壁に埋め込まれた抵抗ヒータを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１のヒータが、前記プラテンの上に分配された供給材料の前記層に熱を加えることなく、前記ディスペンサ内の前記供給材料を加熱するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
5. 前記最も外側の層の実質的にすべてをケーキング温度に加熱するように構成されている第２のヒータを備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第２のヒータが、前記エネルギー源の周りに位置決めされた複数の加熱ランプ又は前記プラテンを囲む側壁に埋め込まれた抵抗ヒータを含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第３の温度が前記供給材料のケーキング温度より高い、請求項１に記載のシステム。
8. 前記供給材料を、前記供給材料が前記ディスペンサによって分配される前に、前記第１の温度に加熱するように構成されているヒータを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記供給材料を、前記プラテンの上に、層状で、前記供給材料が粘性を帯びる第２の温度より低い第１の温度で分配すること；
   前記供給材料を前記プラテンの上に分配した後で、供給材料の前記層の少なくとも一部の温度を、前記第２の温度より高く、且つ前記供給材料が溶融する第４の温度より低い第３の温度へと上昇させること、及び
   前記プラテンの上の供給材料の最も外側の層の少なくとも一部を選択的に溶融させること
   を含む付加製造方法。
10. 溶融させることが、供給材料の前記層の複数の部分の温度を、前記供給材料を溶融させるために十分な第５の温度へと選択的に上昇させることを含む、請求項９に記載の方法。
11. 供給材料の前記層の複数の部分の温度を前記第５の温度へと選択的に上昇させることが、レーザー又はイオン源を用いて実行される、請求項１０に記載の方法。
12. 供給材料の前記層の少なくとも一部の温度を前記第３の温度へと上昇させることが、供給材料の前記層の実質的にすべてを前記第３の温度へと上昇させることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 供給材料の前記層の実質的にすべての温度を前記第３の温度へと上昇させることが、複数の加熱ランプを用いて実行される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記供給材料がリザーバ内にある間に前記供給材料の温度を前記第１の温度へと上昇させることを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記供給材料がリザーバ内にある間に前記供給材料の温度を上昇させることが、前記リザーバの支持プレートに埋め込まれた抵抗ヒータを用いて前記供給材料を加熱すること、又は前記リザーバの上に位置決めされた加熱ランプを用いて前記供給材料を加熱することを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記供給材料が粉末を含み、前記第４の温度が焼結温度を含む、請求項９に記載の方法。

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