JP2019148006A - 付加製造材料用の溶融池撹拌による微細構造の改良法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々なタイプに設計された構造物に対応し得る付加製造の最中に、金属材料の堆積層の微細構造を改良する方法を提供する。【解決手段】金属材料が固液界面を含むように、金属材料を溶融状態まで加熱することによって第１の層を生成し、さらに第１の層の金属材料に電磁場または振動を印加する。電磁場または振動によって金属材料の第１の層に摂動が生じ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、１つ以上の核生成部位が形成される。また、第１の層に連結された、第２の層を生成することも含む。第２の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ得る。【選択図】なし

Description

本開示は、概して付加製造プロセスに関し、具体的には、付加製造に使用される金属材料の微細構造の改良（ｒｅｆｉｎｉｎｇ）技法に関する。

バルク形状から材料を取り除いて最終形状に至る減法型の技法（例えば切削や削孔）に依存する従来型の製造とは異なり、付加製造は、３次元（３Ｄ）のデジタルモデルに従って材料の層を精密に付加して固結することを通じて形状を構築する。下層に使用されている材料に応じて、粉末床溶融結合、直接エネルギー堆積（溶接、電子ビーム及びレーザ処理）、光重合、材料噴射、結合剤噴射、及び押出といった、所望の構造を付加的に製造するための様々な固結技法が利用可能である。

付加製造は、しばしば、ポリマー材料から機能試作品または部品を作製するのに用いられる。通常は、プラスチック、ゴム、及び他のポリマー材料が使用される。なぜならば、これらの材料の層を形成して混合するための固結技法は、経済的であり、容易に利用可能だからである。反対に、金属材料（例えば金属、合金、化合物）の層を固結することに関連した、冶金が持つ課題によって、金属材料の付加製造への利用は、しばしば減らされ、さらには妨げられさえしている。その結果、付加製造では、通常は、医療、航空、または他の固有の目的用に高度に特化した構成要素を作り出すためのみに、金属材料が用いられている。

固結技法が金属材料にとって難しい一つの理由は、材料に内在している微細構造である。具体的には、金属及び合金は、不規則な形状を持つ多数のグレインからなる。グレインの大きさと配列は、肉眼では識別困難であるが、諸特性の中でも特に、材料の強度、延性、ひずみ速度、疲労耐久性、及びクリープ変形への耐性を含む、材料の諸特性にインパクトを与える。

付加製造中、金属材料の層が完全に固化すると、結果として生じる材料の微細構造は、より異方的な特性を有しており、この特性が、層の耐久性、強度、及び他の諸特性にインパクトを与える。付加製造は、レイヤーごとの処理を通じて構造物を生成することを含むため、層ごとに異なる一貫性のない樹枝状成長によって、しばしば異方的な特性が組み合わされる。

堆積層内の異方的な特性を低減させるために現在使用されている一つの技法は、後続の層を付加するのに先立って、各層の上に回転車輪を当てることを含む。回転車輪の技法は、堆積層内におけるグレインの再構築を促進し得るが、回転車輪の使用に必要な大きさと空間のため、回転車輪の全般的な利用は、より厚い特徴部や単純な幾何学的形状で材料を堆積する付加製造プロセスに限られる。したがって、様々なタイプに設計された構造物に対応し得る付加製造の最中に、金属材料の堆積層の微細構造を改良し得る、技術の必要性が存在している。

一実施例では、方法が記載される。方法は、金属材料を用いて一体物のうちの第１の層を生成することを含む。一体物は、相互接続された１つ以上の構成要素を含み、第１の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって、生成される。方法は、第１の層の金属材料に電磁場を印加することをさらに含む。具体的には、電磁場が金属材料の第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、１つ以上の核生成部位が形成される。方法は、一体物の第１の層に連結された、第２の層を生成することもまた含む。第２の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。ある例では、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる。

別の実施例では、器具が記載される。器具は、相互接続された１つ以上の構成要素を有する一体物を含む。一体物は、金属材料を用いて生成された第１の層を含む。第１の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって、生成される。金属材料の第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、１つ以上の核生成部位を形成するために、電磁場が印加される。一体物は、一体物の第１の層に連結された、第２の層もまた含む。第２の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。ある例では、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる。

別の実施例では、方法が記載される。方法は、金属材料を用いて一体物のうちの第１の層を生成することを含む。一体物は、相互接続された１つ以上の構成要素を含み、第１の層は、金属材料を溶融状態まで加熱し、それによって金属材料が固液界面を含むことによって、生成される。方法は、第１の層の金属材料に電磁場を印加することをさらに含む。電磁場は金属材料の第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、１つ以上の核生成部位が形成される。方法は、第１の層の金属材料に振動を印加することもまた含む。振動は、溶融状態にある金属材料内で成長している樹枝状結晶を、断裂させ、分離させる。その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる。方法は、一体物の第１の層に連結された、第２の層を生成することもまた含む。具体的には、第２の層を生成するは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。ある例では、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる。

上記で検討されてきた特徴、機能、及び利点は、様々な実施例において個別に実現可能であるか、または、さらに別の実施例において組み合わせることが可能である。これらの実施例のさらなる詳細は、下記の説明及び図面を参照することによって理解することが可能である。

例示的な実施例の特性と考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に明記されている。しかし、例示的な実施例、並びに好適な使用モード、それらのさらなる目的及び説明は、添付の図面と併せて、本開示の例示的な実施例についての以下の詳細な説明を読むことによって、最もよく理解されるだろう。

例示的な一実施形態による、付加製造に用いられる金属の微細構造を改良する、例示的な方法のフロー図を示す。 例示的な一実施形態による、図１に示す方法と共に使用される例示の方法のフロー図を示す。 例示的な一実施形態による、図１に示す方法と共に使用される別の例示の方法のフロー図を示す。 例示的な一実施形態による、図１に示す方法と共に使用されるさらなる例示の方法のフロー図を示す。 例示的な一実施形態による、付加製造中に微細構造改良技法を用いて生成された器具の図である。 例示的な一実施形態による、金属材料の樹枝状成長の図である。 例示的な一実施形態による、図６に示す金属材料の樹枝状成長が変更された図である。 例示的な一実施形態による、図６及び図７に示す金属材料の樹枝状成長のその後の図である。 堆積層の微細構造の一部分を構成する、長形のグレインの図である。 図９に示す堆積層の微細構造内の一部分を構成する、改良されたグレインの図である。 例示的な一実施形態による、付加製造に用いられる金属材料の微細構造を改良する例示的な方法のフロー図を示す。

これより、添付図面を参照しつつ、開示されている実施例についてより網羅的に説明するが、添付図面に示すのは開示されている実施例の一部であって、全てではない。実際には、いくつかの異なる実施例を説明することがあるが、これらの実施例は、本明細書に明記されている実施例に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施例が記載されているのは、この開示内容が包括的且つ完全となり、本開示の範囲が当業者に十分に伝わるためである。

これらの実施例は、付加製造中に金属材料層の微細構造を改良するための技法に関する。具体的には、例示的な技法は、金属材料の層が溶融状態（即ち溶融池）にあるときに、金属材料の層に摂動を生じさせるか、または別様の変更を生じさせる。付加製造中に、本明細書に記載の金属材料層の微細構造を改良するための１つ以上の技法を用いることによって、層の特性を強化することができ、その結果、諸特性の中でも特に、強度、延性、疲労、耐久性、ひずみ速度、及びクリープ変形への耐性を含む、材料の特性が向上され得る。

材料の微細構造内のグレインの大きさと配列は、通常、金属材料の樹枝状成長に影響を与える形成条件に依存する。金属材料が付加的なプロセスによって製造されるとき、金属材料は溶融され、所望に応じて堆積されて構造物の層を形成する。熱が、金属材料を局所的に溶融状態へと変化させ、それによって、結果として生じる製品を特定の形状に成形することが可能になる。溶融材料から十分な熱が去って材料の温度が融点よりも低下すると、材料は、固化と呼ばれるプロセスにおいて液状の溶融状態から元の固体状態に転移する。

固化の最中、金属材料内では、核生成及び成長による変態（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が生じる。核生成は、互いに結合して微小種結晶を形成している溶融材料からの原子クラスタを含む。微小種結晶は、本明細書で核生成部位と呼ばれる、材料内の箇所において発生し、結晶体からなる樹木のような構造である樹枝状結晶の形状で成長し続ける。樹枝状結晶の形成は、結晶体が、液相と固相の両方からなる、凝固遷移層（ｍｕｓｈｙ ｚｏｎｅ）と呼ばれる温度勾配へと成長することによって生じる。ある例では、固化中に、例えば、基板もしくは先行する層に対してといったように、不純物面または不純物粒子上に、不溶性の分離不純物上に、または、原子が安定な結晶核を形成するのに必要な臨界自由エネルギーを低下させる他の構造材料上に、核生成部位が形成され、不均一核生成が生じる。樹枝状結晶の結晶体の大きさは、溶融材料内で成長している他の樹枝状結晶によって成長が制限されるか、または樹枝状結晶が局所的な融点を超える温度で液体に遭遇するまで、より多くの原子を加えることによって増大する。

付加製造中の固化は、しばしば、金属材料の層が不均一なグレイン構造を有する元となる不均一な樹枝状成長を含む。具体的には、エネルギー的に好適な結晶学的方向、下にある基板または層、不純物、熱源（例えばレーザ）の指向性を持った使用、及び他の要因が、固化中、ある樹枝状結晶に他の樹枝状結晶よりも迅速な成長を示させ得る。成長を支配する樹枝状結晶は、しばしば、柱状の配向を有する長形のグレインに至る。これらの、長形で柱状のグレインは、例えば、急峻な温度勾配が存在する中で金属材料が若干ゆっくりと固化するといった状況で生じ得る、長くて薄い粗粒子である。支配的な樹枝状結晶はまた、隣接する他の配向の樹枝状結晶が同量の成長を経るのをしばしば妨げもする。

上記のように、金属材料の堆積層は、固化を経て溶融状態から元の固体状態へと転移する。固化中の不均一な核生成及び成長は、金属材料層に、異方的な特性を有させ得る。具体的には、エピタキシャル成長及び他の要因が、金属材料のグレインの微細構造に、層の強度及び他の特性に負のインパクトを及ぼす、長形で柱状のグレインを有させ得る。さらに、付加製造は層の上に層を生成して所望の構造物を作製することを伴うので、このインパクトによる影響の度合いは強くなり、構造物の性能及び有効性に負の影響が与えられる。

本明細書で提示される例示の技法は、金属材料の層に関する耐久性、強度、及び他の特性を向上させるため、付加製造中に層の微細構造を改良する。具体的には、ある実施例は、堆積された金属材料層の一部分に対して、この材料が溶融状態にあるときに、１つ以上の電磁場を印加することを含む。電磁場の印加は、溶融材料を撹拌して溶融材料に摂動を生じさせ、それによって、溶融材料内の様々な箇所（例えば固液界面）において新たな核生成部位が形成される。その結果、これらの核生成部位は、溶融材料が固化を経ているときに、新たな結晶体を成長させ得る。新たな結晶体は、金属材料内に空間的にランダムな配向で配列されており、それによって、層の改良された微細構造が、ランダムに配向された、より小さな等軸化されたグレインになる。この改良された微細構造によって、諸特性の中でも特に、強度、延性、疲労耐久性、ひずみ速度、及びクリープ変形への耐性が向上される。

さらなる実施例は、層の微細構造を改良するため、付加製造中に金属材料の堆積層に対して振動を印加することを含む。振動は、金属材料の層が溶融状態にあるときに、金属材料の層に摂動を生じさせ得るか、または別様の変更を生じさせ得る。例えば、金属材料の層がまず加熱されて成形された後、溶融池状態にある材料の部分を撹拌するために、振動が印加され得る。振動は、上に層が位置している下層の基板の核生成中の固体に対する、溶融材料の相対的なせん断運動を生じさせ得る。その結果、溶融材料内で成長している樹枝状結晶は、デフラグメンテーションを経る。デフラグメンテーション中に、樹枝状結晶の部分が断裂し、分離する。元の樹枝状結晶から分離するこれらの部分は、溶融材料内で、新たな核生成部位を形成し得る。例えば、分離した樹枝状結晶の部分のうちのあるものは、溶融材料の固液界面において、付着し、核生成し得る。その後、核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶を成長させてよく、その結果、振動層がより均一なグレイン構造を有することにつながる。これによって、諸特性の中でも特に、強度、延性、疲労耐久性、ひずみ速度、及びクリープ変形への耐性の向上がもたらされる。

ある実施例では、金属材料の堆積層の微細構造を再構築するため、振動の技法と電磁場の技法との組み合わせが用いられる。ある層に、両方の技法を同時にまたは所与の順序で適用することができる。例えば、一実施例は、堆積処理中に、振動を受け、次に電磁場を受け、さらなる振動を受ける、材料の溶融層を含み得る。これらの技法は、様々な継続時間と、様々な強度でもまた使用され得る。さらに、ある実施例は、付加製造中に、種々の層に対して振動による技法と電磁場による技法とを切り替えることを含む。

上記の技法は、同様の処理と共に、付加製造中の他の応力軽減処理に対する必要性を削減するか、または潜在的に除去することができる。次に、処理手順を取り除くことによって、全体的なコストおよびフロー時間がしばしば削減される。加えて、回転車輪の技法とは異なり、電磁場による技法及び振動による技法は、付加製造用の構造物の幾何学的設計に関する制限を設けない。例えば、これらの技法は、大きさが小さい（例えば測定値がセンチメートル単位）である所望の構造物に対して迅速に使用することができ、付加製造中に、所望の構造物の全ての層（または層のサブセット）に対して、使用することができる。さらに、ある実施例では、電磁場による技法及び振動による技法は、どちらも、必要な構成要素が回転車輪の技法よりも少ない設定を使用することができる。新たに形成された核生成部位から発生するひずみのない複数のグレインは、置換されようとしている長形のグレインとは異なり、通常、同じような大きさと形態を持っている。置換する側のグレインはまた、空間的にランダムな配向を有する傾向にもあり、それによって、層が異方的な特性というよりも等方的な特性を有するようになっている。等方的な特性は、層の特性が、測定方向とは無関係に一定であることを示している。

付加製造された構造物の特性を向上させるために、ある実施形態では、上記の技法は、付加製造中にすべての層（または層のサブセット）に対して適用され得る。この結果、より引張応力を受けにくい、強化された構造物が作り出される。引張応力は、構造物を引き離すか、または引き延ばそうとする力に対する構造物の抵抗を表し、その構造物を構成する材料の全体的な強度を表す。したがって、振動による技法及び／または電磁場による技法を通じて微細構造を改良することによって、引張応力及び他の材料欠陥の影響をより受けにくい金属材料から製作された、層及び付加製造された構造物全体が作り出され得る。

ここで図面を参照すると、図１は、付加製造に用いられる金属の微細構造を改良する例示的な方法のフロー図を示す。図１に示す方法１００は、付加製造中に用いられ得る１つ以上の材料の微細構造を改良するのに使用され得る、方法の一例を提示している。

方法１００は、ブロック１０２、１０４、及び１０６のうちの１つ以上に示されている、１つ以上の工程、機能、または動作を含んでいることができる。ブロックは順番に示されているが、これらのブロックは、並行して実施されてもよいか、及び／または、本明細書に記載の順序とは別順で実施されてもよい。また、所望の実施形態に基づいて、様々なブロックは、組み合わされて数が減少するか、分割されて数が増加するか、及び／または除外されることがあり得る。

方法１００は、ブロック１０２において、金属材料を用いて一体物の第１の層を生成することを含む。一体物は、単一のピースとして共に形成された１つ以上の構成要素を持つ構造物である。例えば、一体物は、より大きい構造物の一構成要素の役割を果たす、付加製造された構造物であることができる。他の実施例では、一体物は、独立した物体であることができる。一体物の他の例も可能である。さらに、従来型の製造とは異なり、付加製造された物体は、複数の要素を接続または接合するのに、ファスナ（例えばネジ、釘）を必要としない。その結果、付加製造による層及び固結処理によって、様々な形状及び設計の、広範な一体物の製作が可能になっている。

上記のように、付加製造は、１つまたは複数の金属材料の層を一緒に加熱して堆積させ、３Ｄデータのモデルに従って所望の一体物を形成することを含む。使用され得る例示の金属材料は、限定しないが、チタニウム、金、銀、鋼、アルミニウム、及び合金を含む。ある例では、材料の化合物もまた使用され得る。例えば、化合物は、組み合わされた金属と非金属とを含み得る。付加製造される物体用に選択される材料は、通常、材料のコスト、並びに物体の寸法及び所望の利用法に依存する。

層の堆積中、金属材料が加熱され成形される。例えば、チタニウム合金といったある材料は、１６００°Ｃ−１６６０°Ｃの範囲の溶融範囲を有する。材料（例えば溶融合金）は、通常レーザまたは電子ビームである入射エネルギーによって、この温度よりもずっと上まで局所的に加熱され、冷えて固化する前に、一時的に３，０００°Ｃ−４，０００°Ｃに至る。例えば、粉末供給による付加製造処理においては、粉末層は、集束熱源（例えばレーザ）を用いて層ごとに固結される。これによって、構成要素を、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データから直接生成することが可能になっている。他の実施例では、他のタイプの付加製造技法が使用される。例えば、一実施例は、ワイヤ供給による付加製造処理を用いることを含み得る。

ある実施例では、第１の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって、生成される。構造物の各部分を形成するために、第１の層（及びさらなる層）用に選択された１つまたは複数の材料は、後続の層と連結され、各層が混合されて継ぎ目のない最終構造物が作製されるように構成することが可能である。

金属材料が溶融状態まで加熱された後、材料の温度は低下する。金属材料の温度が融点よりも下まで低下すると、固化が生じる。溶融材料は、当初、材料が加熱されてからの時間が、経過するのにつれて熱を失う。固化中、溶融材料からの原子が結合（例えば金属結合）し、大きさが極小（例えば１ミリメートル未満）である、微小種結晶を形成し始める。微小種結晶が成長を開始した後は、この結晶体は、核生成部位から成長する核として記載され得る。このように、固化は、複数の結晶が溶融材料中で樹枝状結晶の形態で成長することを含む。下にある基板または先行の層、不純物、印加された熱源の指向性を持った性質などといった様々な要因によって、ある樹枝状結晶が成長を支配し、それによって層がより異方的な特性を持つという、樹枝状結晶の不均一な成長に帰結し得る。異方的な特性のために、金属材料のある部分は他の部分よりもより強度が高く、金属材料が測定方向によって異なるということが生じる。

方法１００は、ブロック１０４において、第１の層の金属材料に電磁場を印加することを含む。金属材料の第１の層の堆積後、長形のグレインを作り出す樹枝状結晶のエピタキシャル成長の結果、層は異方的な特性を有し得る。異方的な特性を低減させるため、溶融状態にある金属材料の部分に対して、１つ以上の電磁場が印加される。電磁場が金属材料に摂動を生じさせ、それによって、溶融材料内に新たな核生成部位が形成される。例えば、溶融材料の固液界面において、多数の核生成部位が発生し得る。

電磁場を印加することは、様々なタイプの電源を使用することを含み得る。例えば、一実施例における電源として、付加製造中に第１の層とその他の堆積層に対して電磁場を印加するために、壁のコンセントからの電力またはバッテリからの電力を利用することができる。加えて、印加の方法及び継続時間は、諸実施例の中で異なり得る。電磁場は、ある閾値の継続時間にわたって、溶融材料の層に対して印加される。この閾値の継続時間は、層を構成する材料のタイプと量によって決まる。例えば、ある実施例は、何秒か（例えば５−１０秒間）にわたって、またはそれよりも長く（例えば３０秒間）、電磁場を印加することを含み得る。さらなる実施例では、電磁場は、より長い時間（例えば２分間、５分間）にわたって印加される。閾値の継続時間は、金属材料の層の厚さ及び他の寸法や金属材料のタイプといった、様々な要素によって決まり得る。

方法１００は、ブロック１０６において、一体物の第１の層に連結された、第２の層を生成することを含む。一体物を作り出すために、一体物の構造が完全に形成されるまで、さらなる層が堆積される。さらなる層は、先行の層と同じ材料から、または先行の層とは異なる材料から、形成され得る。加えて、所望の構造物の形成に応じて、第２の層及び他の後続する層は、同じ寸法（例えば厚さ）または異なる寸法を有することができる。

一体物の第１の層に連結された第２の層を生成することは、第１の層の溶融材料内の核生成部位の数を増加させ得る。熱及び第２の層の存在は、第１の層の核生成及び成長にインパクトを与え得る。例えば、ほぼ固化している第１の層の上の第２の層の存在は、層間の連結点に関する不均一核生成を生じさせ得る。

上記のように、これらの核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ得る。層内で成長している他の樹枝状結晶によって設けられた制限のために結晶体の樹枝状結晶がこれ以上成長できなくなったとき、これらの結晶体の配列が、金属材料の改良されたグレインの微細構造を形成する。具体的には、この改良された微細構造は、柱状の長形のグレインとは異なり、ランダムな配向を有している、より小さく等軸化されたグレインからなっている。その結果、層の等方的特性は増大しており、全体的な強度、延性、及び他の特性は向上している。

図２は、例示の実施形態による、方法１００とともに使用する例示的な方法のフロー図を示している。機能は、ブロック１０８において、第１の層の金属材料に振動を印加することを含む。溶融材料の堆積層を振動することは、この層が上に載っている下の基板上で核生成している固体に対する、溶融材料の相対的せん断運動を生じさせる。その結果、溶融材料内で成長している樹枝状結晶は、デフラグメンテーションを経ることができる。このデフラグメンテーションでは、樹枝状結晶の部分が断裂し、分離する。これらの分離した部分は、溶融材料内で位置変更して、核生成部位を形成することができる。この核生成部位は、その後、固化中に空間的にランダムな配向で新たな結晶体を成長させる。これらの結晶体の成長は、材料の固化層の改良された微細構造に、より小さいグレインの均一な配列を持たせ、それによって層の特性を改善する。

振動の量（例えば振幅、継続時間）は、諸実施例の中で異なり得る。例えば、振動による技法は、所与の層の堆積中に周期的または連続した態様で行われる、音波を印加する手法と超音波を印加する手法の両方を含み得る。ある実施形態では、音波振動のレンジは１００−４００ヘルツの間の範囲であることができ、超音波振動のレンジは、２０−４５メガヘルツの間の範囲であることができる。音波及び超音波の振動のレンジは、振動の提供源次第であり得る。このように、音波振動及び／または超音波振動は、エネルギーを金属材料の堆積層に対して向けることができる。例えば、このエネルギーは、付加製造中、堆積後の溶融金属材料に摂動を生じさせ得る。諸実施例中では、他の高周波の機械的なインパクト処理が用いられ得る。

ある実施例では、第１の層の金属材料への振動の印加は、第１の層の金属材料への電磁場の印加と並行して実施される。例えば、付加製造処理中、溶融材料の各堆積層は、特性を向上させるため、振動を受けるのと同時に、電磁場もまた受けることができる。他の実施例では、第１の層の金属材料への電磁場の印加に先立って、基板に振動が印加される。さらに、ある例では、振動は、溶融材料の層に対して、この層が１つ以上の電磁場によって変更された後に、印加される。

図３は、例示の実施形態による、方法１００とともに使用する例示的な方法のフロー図を示している。機能は、ブロック１１０において、第１の層の金属材料に冷却ガス流を印加することを含む。付加製造中、材料の堆積層を冷却するため、冷却ガスまたは他の温度低下技法が使用され得る。例えば、溶融材料の層を過冷却してこの層を固化させるため、冷却技法が使用され得る。金属材料の樹枝状結晶が成長するのに利用可能な時間の量を削減するために、冷却ガスまたは別の温度低下技法が使用され得る。例えば、冷却ガスの印加は、樹枝状結晶のサブセットがエピタキシャル成長によって成長を支配するのを制限するための層として、金属材料が堆積される後に生じ得る。他の例では、金属材料の所与の層に対して１つ以上の振動による技法及び／または電磁場による技法が適用される前またはされた後に、冷却ガスまたは別の温度低下技法が適用される。

図４は、例示の実施形態による、方法１００とともに使用する例示的な方法のフロー図を示している。機能は、ブロック１１２において、第２の層の金属材料に電磁場を印加することを含む。金属材料の第２の層の微細構造の再構築を促進するため、電磁場は、第１の層の生成と同様に、第２の層にもまた印加され得る。電磁場の印加は、付加製造中の種々の層にわたって、異なり得る。例えば、電磁場を印加する継続時間、量、数、及び他の要素は、各層ごとに異なり得る。

機能は、ブロック１１４において、一体物の第３の層を生成することを含む。上記のとおり、付加製造は、材料の複数の層を固結することによって一体物を生成する。したがって、一体物を形成して完成させるため、一体物が完成するまで、先行する層の上にさらなる層が堆積される。さらなる層の数、大きさ、及び形状は、一体物の寸法及び設計によって決まる。具体的には、一体物の設計に応じて、ある層が、異なる形状でより多いかまたはより少ない材料を有していることができる。

さらなる層が同様の改良された微細構造を維持することを確保するために、電磁場による技法及び／または振動による技法が、これらの層に対しても同様に適用される。使用される技法は、各層間で同じままでもよいし、異なっていてもよい。例えば、一実施例は、ある層に対して電磁場を印加するのと、他の層に対して振動を印加するのとを、交互に行うことを含み得る。

図５は、付加製造中に微細構造改良技法を用いて生成された器具１１６の図である。器具１１６は、付加製造中に生成され混合された、相互接続された１つ以上の構成要素からなる一体物１１８を含む。示されているように、一体物１１８は、第１の層１２０、第２の層１２２、第３の層１２４、第４の層１２６、及び第５の層１２８からなる。他の付加製造された一体物は、他の構成で成形された、より多いかまたはより少ない層を有することができる。

器具１１６は、付加製造された花瓶であり、花を保持して展示するように構成されている。図１−図４に示す方法１００、または他の付加製造技法が、器具１１６を作製することができる。各堆積層（即ち、層１２０−１２８）は、別々の層１２０−１２８の配置を示す図解の目的で、識別可能な境界線と共に示されている。層１２０−１２８は、アルミニウム、チタニウム、合金、などといった、様々な金属材料からなっていることができる。加えて、層１２０−１２８の高さ及び幅は、図５では図解目的のために誇張されているが、実施形態中では、より小さいものであることができる。

器具１１６を付加製造する際、一体物１１８の各層は、次の層を堆積する前に、上記の１つ以上の技法を用いて強化され得る。例えば、器具１１６の生成は、最初に、基板上に第１の層１２０を堆積して形成することを含む。基板に対するエピタキシャル成長は、第１の層１２０の特性にインパクトを与え得る、不均一な樹枝状結晶の成長を生じさせ得る。基板は、付加製造中に層を保持するプラットフォームの役割を果たし得る。

第１の層１２０の堆積後、第１の層１２０の溶融材料に対して、１つ以上の電磁場が印加され得る。同様に、第１の層１２０を構成している金属材料の微細構造の再構築を促進するため、振動による技法もまた使用され得る。上記のように、これらの技法は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる新たな核生成部位を作製することによって、再構築を生じさせ得る。

付加製造中に第１の層１２０が作製された後、一体物１１８の一部分を形成するために、第１の層１２０上に第２の層１２２が堆積される。ある例では、第２の層１２２は、第１の層１２０が電磁場及び／または振動を受けた直後に堆積される。他のケースでは、第１の層１２０は、第２の層１２２が堆積される前に、冷えて、若干のエネルギーを放出することが可能である。例えば、第２の層１２２は、第１の層１２０の上に直接堆積され得る。

さらなる層（例えば第３の層１２４、第４の層１２６、及び第５の層１２８）が堆積されるのにつれて、電磁場による技法及び／または振動による技法を含む上記の処理が繰り返され、層が強化される。複数の層にわたるこの繰り返しによって、器具１１６の全体の強度が向上し、水と花を加えても一体物１１８が弱められないことが確保され得る。

図６は、金属材料の樹枝状成長の図である。フレーム１３０は、成長中の樹枝状結晶１３２、１３４、１３６であり、金属材料の樹枝状成長を示している。上記のとおり、樹枝状結晶とは、分岐した、樹木のような構造を持つ結晶の塊である。フレーム１３０は、同様の大きさを有する樹枝状結晶１３２と樹枝状結晶１３６を示す。樹枝状結晶１３４のサイズは、比較すると、わずかにより大きい。ある例では、樹枝状結晶１３４のサイズがより大きいことによって、樹枝状結晶１３４が成長を支配し、樹枝状結晶１３２、１３６の成長にインパクトを与えていることが示され得る。その結果、樹枝状結晶１３４は、長形のグレインへと成長し得る。他の実施例では、フレーム１３０は、長形のグレインであることよって金属材料の層により異方的な特性を持たせ得るようにして成長を支配している、複数の樹枝状結晶１３２−１３６を含む状況を表し得る。

図７は、図６に示す金属材料の樹枝状成長の変更された図である。具体的には、フレーム１３８は、上記の電磁場による技法または振動による技法といった１つ以上の微細構造再構築技法の適用後に、部分的に断裂しいくつかの部分がなくなっている、樹枝状結晶１３２、１３４、１３６を示す。その結果、樹枝状結晶の部分によって、新たな核生成部位１４０、１４２、１４４が形成された。これらの核生成部位１４０、１４２、１４４は、金属材料の全体的な微細構造を均衡させるさらなるグレインに至る、結晶体を成長させることができる。

図８は、図６及び図７に示す金属材料の樹枝状成長のその後の図である。フレーム１４６は、フレーム１３８の後続の時間を表す。この時間には、核生成部位１４０、１４２、及び１４４が成長し、元の樹枝状結晶１３２、１３４、及び１３６と同様の大きさを有する樹枝状結晶を作り出している。示されるように、樹枝状結晶１３２、１３４、１３６、及び核生成部位１４０、１４２、１４４は、金属材料の微細構造の再構築を生じさせ得る。各樹枝状結晶は、他の樹枝状結晶によって課される成長の限界の閾値に到達するまで成長した、空間的にランダムな配向の、１つ以上の結晶体を作り出すことができる。結果として生じる改良された微細構造は、空間的にランダムな配向を有する、等軸化されたグレインを含む。

図９は、堆積層の微細構造の一部を構成する、長形のグレインの図である。図９に示す堆積層の一部１４８は、柱状の配向に配列された、長形のグレイン１５０、長形のグレイン１５２、及び長形のグレイン１５４を含む。付加製造中のある層の堆積後、エピタキシャル成長がある樹枝状結晶に成長を支配させ、結果として長形のグレイン１５０−１５４が生じる。図９に示すように、これらの長形のグレイン１５０−１５４は、しばしば特定の配向で一体に成形される。この配向は、堆積層に、強度、耐久性、及び他の特性に負のインパクトを与え得る、より異方的な特性を持たせる。これらの長形のグレイン１５０−１５４を作り出すいくつかの樹枝状結晶の成長は、層内で異なる配向を持っている他の樹枝状結晶が、同様に成長するのを妨げもする。これらの理由により、グレインの微細構造を変形して再構築を可能にし、異方的な特性を低減するために、付加製造中に、電磁場による技法及び／または振動による技法が使用され得る。

図１０は、図９に示す堆積層の微細構造の一部分を構成する、改良されたグレインの図である。具体的には、部分１５６は、電磁場及び振動を含む１つ以上の技法を経た後の、図９に示す堆積層を表す。示されているように、部分１５６は、空間的にランダムな配向を有するより小さいグレイン（例えばグレイン１５８、１６）を含む。これらの、円形でより小さいグレインが、図９に示す長形のグレイン１５０−１５４に代替し、層の強度を増大させる。その結果、強化された層が、構造物の効用と耐久性を向上し得るより等方的な特性を持った、付加製造による構造物を可能にする。

図１１は、付加製造に用いられる金属の微細構造を改良する例示的な方法のフロー図を示す。図１１に示す方法１６２は、付加製造中に用いられ得る金属または別の材料の微細構造を改良するのに使用され得る、方法の別の例を提示している。

方法１６２は、ブロック１６４、１６６、１６８、及び１７０のうちの１つ以上に示されている、１つ以上の工程、機能、または動作を含んでいることができる。ブロックは順番に示されているが、これらのブロックは、並行して実施してもよいか、及び／または、本明細書に記載の順序とは別順で実施してもよい。また、様々なブロックが、組み合わされて数が減少すること、分割されて数が増加すること、及び／または、所望の実施形態に基づいて除外されることがあり得る。

方法１６２は、ブロック１６４において、金属材料を用いて一体物のうちの第１の層を生成することを含む。具体的には、第１の層は、ある一式の樹枝状結晶が全体的な成長を支配し、長形のグレインを作り出すようにして成長する、金属（例えばチタニウム、アルミニウム）または金属の合金を用いて堆積される。例えば、長形のグレインは、柱状の配列で整列していることができる。成長を支配しているいくつかの樹枝状結晶は、反対の配向にある他の樹枝状結晶が同程度に成長することを防止し得る。その結果、金属の堆積層は、異方的な特性を有し得る。

方法１６２は、ブロック１６６において、第１の層の金属材料に電磁場を印加することを含む。１つ以上の電磁場の印加が金属材料の第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融材料内に１つ以上の核生成部位が形成される。例えば、溶融材料の固液界面において、核生成部位が形成され得る。

方法１６２は、ブロック１６８において、第１の層の金属材料に振動を印加することを含む。電磁場と同様に、振動もまた付加製造中に溶融材料に摂動を生じさせ得る。具体的には、振動は、溶融状態にある金属材料中で成長している１つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ得る。元の樹枝状結晶から分離する部分は、溶融材料内で核生成部位を形成し得る。ある例では、振動は、金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。

ある実施例では、第１の層の金属材料への振動の印加は、第１の層の金属材料への電磁場の印加と並行して実施される。他の実施例では、金属材料への振動の印加は、この層に電磁場の印加の前及び／または後に行われる。

方法１６２は、ブロック１７０において、一体物の第１の層に連結された、一体物の第２の層を生成することを含む。具体的には、第２の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。したがって、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ得る。複数の核生成部位では、新たなグレインを形成する結晶体が成長する。その結果生じる金属材料の改良された微細構造は、第１の層により等方的な特性を持たせ得る等軸化されたグレイン構造を有する、新たなグレインからなっている。新たなグレインは、材料の層の特性を変更する、同様の大きさとランダムな配向を有していることができる。

さらに、本開示は、下記の条項による実施例を含む。

条項１．金属材料を用いて一体物の第１の層を生成することであって、一体物は、相互接続された１つ以上の構成要素を含み、第１の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第１の層を生成することと、第１の層の金属材料に対して電磁場を印加することであって、電磁場が第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において１つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加することと、一体物の第１の層に連結された第２の層を生成することであって、第２の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶を成長させる、第２の層を生成することと、を含む方法。

条項２．第１の層の金属材料に対して振動を印加することであって、振動が、溶融状態にある金属材料の相対的せん断運動を生じさせる、振動を印加することをさらに含む、条項１に記載の方法。

条項３．第１の層の金属材料に対して振動を印加することがさらに、溶融状態にある金属材料内で成長している１つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ、その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、条項２に記載の方法。

条項４．第１の層の金属材料に対する振動の印加が、第１の層の金属材料に対する電磁場の印加と並行して実施される、条項２または３に記載の方法。

条項５．第１の層の金属材料への振動の印加が、第１の層の金属材料に対する電磁場の印加に先立って実施される、条項２または３に記載の方法。

条項６．第１の層の金属材料への振動の印加が、第１の層の金属材料に対する電磁場の印加の後に実施される、条項２または３に記載の方法。

条項７．金属材料が金属であり、金属材料を用いて一体物の第１の層を生成することが、
ワイヤ供給による付加製造を用いて第１の層を生成することを含む、条項１−６のいずれか一項に記載の方法。

条項８．金属材料が合金であり、金属材料を用いて一体物の第１の層を生成することが、粉末供給による付加製造を用いて第１の層を生成することを含む、条項１−７のいずれか一項に記載の方法。

条項９．金属材料を用いて一体物の第１の層を生成することが、溶融状態にある金属材料内の一式の樹枝状結晶のエピタキシャル成長から複数の長形のグレインが生じるように、基板上に第１の層を堆積することであって、複数の長形のグレインが、一体物の第１の層に異方的な特性を持たせる柱状の配向を有する、第１の層を生成することを含む、条項１から８のいずれか一項に記載の方法。

条項１０．第１の層の金属材料に電磁場を印加することが、溶融状態にある金属材料を撹拌するために電磁場を印加することを含み、溶融状態にある金属材料を撹拌することが、複数の長形のグレインを減少させ、複数の長形のグレインを減少させることが、溶融状態にある金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、条項９に記載の方法。

条項１１．一体物の第１の層に連結された第２の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面における核生成部位に空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ、結晶体が、長形のグレインよりもより小さい新たなグレインを形成し、当該新たなグレインが、金属材料の第１の層により等方的な特性を持たせる等軸化されたグレイン構造を有する、条項９または１０に記載の方法。

条項１２．第１の層の金属材料に対して電磁場を印加することが、溶融状態にある金属材料の温度を、当該金属材料の融点よりも下へと低下させる、条項１から１１のいずれか一項に記載の方法。

条項１３．溶融状態にある金属材料の温度を、当該金属材料の融点よりも下に低下させることが、当該金属材料を固化させる、条項１２に記載の方法。

条項１４．第１の層の金属材料に冷却ガス流を印加することをさらに含み、冷却ガスが、金属材料の樹枝状結晶が成長するのに利用可能な時間の量を削減する、条項１から１２のいずれか一項に記載の方法。

条項１５．溶融状態にある第２の層の金属材料に対して電磁場を印加することと、一体物の、第２の層に連結される第３の層を生成することとをさらに含む、条項１から１４のいずれか一項に記載の方法。

条項１６．相互接続された１つ以上の構成要素を有する一体物を含む器具であって、一体物が、金属材料を用いて生成される第１の層であって、第１の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成され、電磁場が、第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において１つ以上の核生成部位を形成するために印加される、第１の層と、一体物の第１の層に連結された第２の層であって、第２の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第２の層とを含む、器具。

条項１７．溶融状態にある前記金属材料を撹拌するために第１の層に対して振動が印加され、振動が、溶融状態にある金属材料内で成長している１つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ、その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、条項１６に記載の器具。

条項１８．第１の層に摂動を生じさせるため、第１の層に対して、電磁場の印加と並行して振動が印加される、条項１６または１７に記載の器具。

条項１９．第１の層に対する電磁場の印加の後に、第１の層に対して振動が印加される、条項１６または１７に記載の器具。

条項２０．金属材料を用いて一体物の第１の層を生成することであって、一体物は、相互接続された１つ以上の構成要素を含み、第１の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第１の層を生成することと、第１の層の金属材料に対して電磁場を印加することであって、電磁場が第１の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において１つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加することと、第１の層の金属材料に対して振動を印加することであって、振動が、溶融状態にある金属材料内で成長している１つ以上の樹枝状結晶を断裂させ、分離させ、その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、振動を印加することと、一体物の第１の層に連結された第２の層を生成することであって、第２の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第２の層を生成することと、を含む方法。

本書で使用されている「ほぼ（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」または「約（ａｂｏｕｔ）」という語は、記載されている特性、パラメータ、または値が厳密に実現される必要はなく、特性によって得られることが意図されている効果を除外しない、及び／または排除しない量の、測定誤差、測定精度限界、及び、当業者には既知のその他の要因などを含む、逸脱または差異が発生してよいことを、意味している。

種々の有利な構成の説明は、例示及び説明の目的で提示されているのであり、網羅的であったり、開示された形態の実施例に限定したりする意図はない。当業者には、多くの修正形態及び変形形態が自明であろう。さらに、種々の有利な実施例には、他の有利な実施例とは異なる利点が記載されていてよい。選択された単数または複数の実施例が選択され記載されているのは、実施例の原理と実際的な用途を最もよく説明するため、及び、様々な実施例の開示内容と、検討される特定の用途に適した様々な修正例とが当業者に理解され得るようにするためである。

Claims (20)

1. 金属材料を用いて一体物（１１８）の第１の層（１２０）を生成すること（１０２）であって、前記一体物（１１８）は、相互接続された１つ以上の構成要素を含み、前記第１の層（１２０）は、前記金属材料が固液界面を含むように前記金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第１の層を生成すること（１０２）と、
   前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対して電磁場を印加すること（１０４）であって、前記電磁場が前記第１の層（１２０）に摂動を生じさせ、それによって、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において１つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加すること（１０４）と、
   前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）に連結された第２の層（１２２）を生成すること（１０６）であって、前記第２の層（１２２）を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第２の層を生成すること（１０６）と、
   を含む方法（１００）。
2. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対して振動を印加すること（１０８）であって、前記振動が、前記溶融状態にある前記金属材料の相対的せん断運動を生じさせる、振動を印加すること（１０８）
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対して振動を印加すること（１１０）がさらに、前記溶融状態にある前記金属材料内で成長している１つ以上の樹枝状結晶（１３２−１３６）を、断裂させ、分離させ、その結果、前記金属材料の前記固液界面における核生成部位（１４０−１４４）の数を増加させる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対する振動の印加が、前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対する前記電磁場の印加と並行して実施される、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料への振動の印加が、前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対する前記電磁場の印加に先立って実施される、請求項２または３に記載の方法。
6. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料への振動の印加が、前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対する前記電磁場の印加の後に実施される、請求項２または３の方法。
7. 前記金属材料が金属であり、前記金属材料を用いて前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）を生成することが、
   ワイヤ供給による付加製造を用いて前記第１の層（１２０）を生成することを含む、請求項１−６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記金属材料が合金であり、前記金属材料を用いて前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）を生成することが、
   粉末供給による付加製造を用いて前記第１の層（１２０）を生成することを含む、請求項１−７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記金属材料を用いて前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）を生成することが、
   前記溶融状態にある前記金属材料内の一式の樹枝状結晶（１３２−１３６）のエピタキシャル成長から複数の長形のグレイン（１５０−１５４）が生じるように、基板上に前記第１の層（１２０）を堆積することであって、前記複数の長形のグレイン（１５０−１５４）が、前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）に異方的な特性を持たせる柱状の配向を有する、第１の層（１２０）を生成することを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料に前記電磁場を印加することが、
    前記溶融状態にある前記金属材料を撹拌するために前記電磁場を印加することを含み、前記溶融状態にある前記金属材料を撹拌することが、前記複数の長形のグレイン（１５０−１５４）を減少させ、前記複数の長形のグレイン（１５０−１５４）を減少させることが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面における核生成部位の数を増加させる、請求項９に記載の方法。
11. 前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）に連結された前記第２の層（１２２）を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面における前記核生成部位において空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ、前記結晶体が、前記長形のグレイン（１５０−１５４）よりもより小さい新たなグレイン（１５８）を形成し、前記新たなグレイン（１５８）が、前記金属材料の前記第１の層（１２０）に、より等方的な特性を持たせる等軸化されたグレイン構造を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対して前記電磁場を印加することが、前記溶融状態にある前記金属材料の温度を、前記金属材料の融点よりも下へと低下させる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記溶融状態にある前記金属材料の温度を、前記金属材料の前記融点よりも下に低下させることが、前記金属材料を固化させる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の層（１２０）の前記金属材料に冷却スプレーをかけることであって、前記冷却スプレーが、前記金属材料の樹枝状結晶（１３２−１３６）が成長するのに利用可能な時間の量を削減する、冷却スプレーをかけること
    をさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 溶融状態にある前記第２の層（１２２）の前記金属材料に対して電磁場を印加することと、
    前記一体物（１１８）の、前記第２の層（１２２）に連結される第３の層（１２４）を生成することと
    をさらに含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 相互接続された１つ以上の構成要素を含む一体物（１１８）を含む器具（１１６）であって、前記一体物（１１８）が、
    金属材料を用いて生成される第１の層（１２０）であって、前記第１の層（１２０）は、前記金属材料が固液界面を含むように前記金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成され、電磁場が、前記第１の層（１２０）に摂動を生じさせ、それによって、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において１つ以上の核生成部位を形成するために印加される、第１の層（１２０）と、
    前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）に連結された第２の層（１２２）であって、前記第２の層（１２２）を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面における前記核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第２の層（１２２）と
    を含む、器具（１１６）。
17. 前記溶融状態にある前記金属材料を撹拌するために前記第１の層（１２０）に対して振動が印加され、前記振動が、前記溶融状態にある前記金属材料内で成長している１つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ、その結果、前記金属材料の前記固液界面における核生成部位の数を増加させる、請求項１６に記載の器具。
18. 前記第１の層（１２０）に摂動を生じさせるため、前記第１の層（１２０）に対して、前記電磁場の印加と並行して前記振動が印加される、請求項１６または１７に記載の器具。
19. 前記第１の層（１２０）に対する前記電磁場の印加の後に、前記第１の層（１２０）に対して前記振動が印加される、請求項１６または１７に記載の器具。
20. 金属材料を用いて一体物（１１８）の第１の層（１２０）を生成すること（１６４）であって、前記一体物（１１８）は、相互接続された１つ以上の構成要素を含み、前記第１の層（１２０）は、前記金属材料が固液界面を含むように前記金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第１の層（１２０）を生成すること（１６４）と、
    前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対して電磁場を印加すること（１６６）であって、前記電磁場が前記第１の層（１２０）に摂動を生じさせ、それによって、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において１つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加すること（１６６）と、
    前記第１の層（１２０）の前記金属材料に対して振動を印加すること（１６８）であって、前記振動が前記溶融状態にある前記金属材料内で成長している１つ以上の樹枝状結晶を断裂させ、分離させ、その結果、前記金属材料の前記固液界面における核生成部位の数を増加させる、振動を印加すること（１６８）と、
    前記一体物（１１８）の前記第１の層（１２０）に連結された第２の層（１２２）を生成すること（１７０）であって、前記第２の層（１２２）を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第２の層を生成すること（１７０）と、
    を含む、方法（１６２）。

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