JP2019509393A - レーザー付加製造によって製造される多孔質装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、濾過装置、流量制御装置、薬物送達装置、及びそれを通る流体（例えば気体及び液体）の制御流を与えるために用いるか、或いはそれに関連して用いる同様の装置において用いることができる多孔質媒体を製造するためにレーザ付加製造技術（ＬＡＭＴ）を用いる。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１５年１２月３０日出願の「レーザー付加製造によって製造される多孔質装置」と題された米国仮特許出願６２／２７３，１１８に対する優先権を主張する。上述の出願の内容は参照として本明細書中に包含する。

[0001]本発明の幾つかの態様は、概してレーザー付加製造によって多孔質装置を製造する方法、及びそれによって製造される装置に関する。

[0002]流体（例えば気体及び／又は液体）の濾過及び／又は流量制御のために用いる多孔質の連続気泡構造体を必要とする数多くの用途が存在する。これらの構造体は、通常の技術を用いて、金属又はセラミックの粉末又は粒子を圧縮して圧粉体を形成し、次に焼結して凝集多孔質構造体を形成することによって形成することができる。粒径、圧縮力、焼結時間、及び焼結温度は全て、細孔径及び機械特性に影響を与える可能性がある。一般に、細孔径は、流体を濾過し、焼結構造体を通る流体流の速度を制御する焼結構造体の能力において重要なファクターである。

[0003]従来の焼結された金属及びセラミック粉末製品は、製造して流量制御及び濾過用途のために用いることに成功しているが、得られる製品の多孔性及び他の構造特性、並びにしたがって性能特性は、製造プロセスによって制限される可能性がある。例えば、かかる材料における構造によって、予め定められた濾過仕様のために必要な所定の細孔径に関して限定された流速を与える可能性がある。したがって、新規な流体流動特性及び濾過特性を有する濾過装置、流量制御装置、薬物送達装置、及び同様の装置に対する必要性が存在する。また、増加した複雑さ及び新規な形状を有する装置、一体化した多孔質媒体と中実部分を有する装置、及び二重構造を有する媒体を製造する必要性も存在する。

[0004]図１は、従来の焼結製造プロセスを用いて製造した多孔質ディスク（左）、及び本発明の一態様にしたがってＬＡＭＴを用いて製造した多孔質ディスク（右）の写真である。 [0005]図２ａは、本発明の一態様にしたがう外側の中実完全密度構造体を有して作成されたＬＡＭＴ多孔質媒体構造体を含むカップアセンブリ（右）、及び従来の製造技術を用いて中実の金属スリーブに焼結接合された多孔質金属カップから構成されるカップアセンブリ（左）の写真である。図２ｂは、図２ａにおいて示されるカップアセンブリの端部の視点からの写真である。 [0006]図３ａは、本発明の幾つかの態様にしたがう外側の中実完全密度構造体を有して作成されたＬＡＭＴ多孔質媒体構造体（右の２つ）、及び従来の焼結技術を用いて製造された中実の金属スリーブに焼結接合された多孔質金属栓材から構成されるフローリストリクター（左端）の写真である。図３ｂ及び３ｂは、それぞれ、構造体の中実完全密度部分と構造体の多孔質部分との間の界面を示す本発明の一態様にしたがって製造されたＬＡＭＴ多孔質媒体構造体の光学顕微鏡写真及び走査電子顕微鏡写真である。 [0007]図４は、図１の写真に示されるディスクの走査電子顕微鏡写真である。 [0008]図５ａは、ＬＡＭＴによって製造された直径１インチのディスクの流動性能に対する運転パラメーターの影響を示すグラフである。 図５ｂは、ＬＡＭＴ（「８０％」と示し、これはＬＡＭＴディスクを製造するために用いた規定レーザー出力における減少率（％）を表す）、及び従来のプレス及び焼結（「Mott MG5」によって示す）によって製造された１インチのディスクの流動性能を示すグラフである。ここで更に示されるように、ＬＡＭＴディスクは同等の最大細孔径を有する従来の方法で製造されたディスクと比べて約５０％多い流量が観察されるという好ましい流動特性を与える。 [0009]図６は、本発明の一態様によるリストリクタースタイルのＬＡＭＴ部品に関する所定の圧力降下における単位面積あたりの平均Ｎ_２流量のグラフを示す。 [0010]図７は、従来の方法で製造されたカップアセンブリ、及び本発明の一態様にしたがってＬＡＭＴで製造されたカップアセンブリの走査電子顕微鏡写真を含む。 [0011]図８は、従来の同等物（「Mott標準化」と示す）と比べた本発明にしたがって製造されたＬＡＭＴカップアセンブリ（「ＬＡＭＴ標準化」と示す）の流動特性を表す。図５ｂにおいて観察される流動特性と同様に、ＬＡＭＴカップは、従来の焼結技術を用いて製造されたカップと比べてほぼ同等の最大細孔径を示しながらほぼ５０％多い単位面積あたりの流量を与える。 [0012]図９は、本発明のＬＡＭＴ技術を用いて製造することができる蛇腹スタイルのフィルターアセンブリの図である。 [0013]図１０は、本発明のＬＡＭＴ技術を用いて製造することができる多孔質カップを含む拡張面積パック(extended area pack)の写真である。 [0014]図１１は、本発明のＬＡＭＴ技術を用いて製造することができるＮＡＳＡ火炎伝搬装置のために用いられる製品の一例である金属チューブに焼結接合した球状の多孔質構造体の写真である。 [0015]図１２は、本発明のＬＡＭＴ技術を用いて製造することができる均一な壁厚を有する円錐形状の多孔質構造体の写真である。 [0016]図１３は、粗い基材及びその表面上の微細膜層から構成される層状の多孔質構造体の概要図である。 [0017]図１４は、本発明の一態様にしたがってＬＡＭＴ技術を用いて製造された部品に関する細孔径分布（マイクロメートル）を示すヒストグラム図である。 [0018]図１５は、本発明の一態様による、その周縁の周りに印刷された中実リングを有する従来法でプレス及び焼結されたディスクの図である。 [0019]図１６は、標準Mott 316Lステンレススチール媒体グレード５媒体カップを示す従来法でプレス及び焼結された多孔質カップ（右側）に焼結接合された１／４インチの雄ネジＮＰＴ金属部材（左側）を含むアセンブリ（多孔質部品は本発明のＬＡＭＴの態様にしたがって製造することができる）である。

[0020]本発明は、濾過装置、流量制御装置、薬物送達装置、及びそれを通る流体（例えば気体及び液体）の制御流を与えるために用いるか、或いはそれに関連して用いる同様の装置において用いることができる多孔質媒体を製造するためにレーザ付加製造技術（ＬＡＭＴ）を用いる。本発明において用いる付加製造とは、それによって材料の連続層を形成して所望の形状の物体を生成させる３Ｄ印刷プロセスを指す。レーザー付加製造とは、製造される物体において用いられる材料を溶融、軟化、焼結、又は他の形態で影響を与えるためにレーザーを用いる付加製造技術を指す。材料及び製造プロセスの仕様及び条件を変化させることによって、所望で且つ適合した細孔の寸法、形態、及び分布を生成させることができる。得られる多孔質構造体はそのままの状態で用いることができ、或いは最終製品を完成するために中実の完全密度部品と接合するか、又はこれを有して他の形態で製造することができる。本明細書において用いる「中実」及び「実質的に非多孔質」とは、同義に用いられ、厚さ方向に相互接続されている多孔性を示さない部品を意味する。本発明のレーザー付加製造プロセスは、多孔質構造体、中実構造体、及び一緒に一体的に形成されている多孔質部分及び中実部分の両方を有する構造体を生成させるために用いられる。

[0021]一般に、本明細書に記載するレーザー付加製造プロセスは、本発明にしたがって用いる場合には、従来の粉体圧縮／焼結多孔質構造体と比べて、所定の細孔径に関してより低い圧力降下特性を与える（本明細書に記載するような）ユニークな多孔質構造体を生成させるために用いる。本発明の製造プロセスによって、カスタマイズされた材料及び構造で最終形態の部品を生成させ、カスタマイズされ且つユニークな特性のために製品内の細孔構造を変化させる更なる能力が与えられる。ＬＡＭＴ技術によって製造される本発明の多孔質媒体は、長持ちし、効率的な粒子捕捉、フローリストリクター制御、ウィッキング、及び気／液接触を与える。本発明のＬＡＭＴプロセスは、製造する製品のための供給材料として機能するユニークな制御された粉体粒子の処方（球状及び／又は不規則形状の粉末）を用いる。粒子はレーザー技術を用いることによって接合して、均一な寸法の予測される焼結された細孔を与える相互接続細孔構造を形成することができる。具体的な用途のために製造することができる種々の細孔径は、０．１〜２００マイクロメートルの媒体又は製品グレードで分類又は類別することができ、これは製造される製品の平均細孔径を表す。

[0022]本発明において用いるレーザー付加製造のタイプは、選択的レーザー溶融法、選択的レーザー焼結法、及び直接金属レーザー焼結法のような任意の適用できる技術である。当該技術において公知なように、選択的レーザー溶融法は高エネルギーレーザーを用いて粒子の完全又はほぼ完全な溶融を与え、これに対して選択的レーザー焼結法及び直接金属レーザー焼結法は粒子状材料を焼結し、材料を接合して構造体を形成する。一般に、本発明の幾つかの態様によれば、溶融技術は本発明において用いるのに好ましいものよりも多孔性が低い構造体を与える可能性があるので、粒子の溶融を与えるものよりも、粒子の焼結を与えるレーザー付加製造技術が好ましい。本発明において用いるレーザーとしては、二酸化炭素パルスのような任意の好適なレーザーが挙げられる。当該技術において公知なように、レーザーを、ビルドプレート（即ち、任意の好適な寸法、形状、及び組成の下層支持構造体）上に配置される粒子床の第１の層の表面を横切って走査して粒子を溶融又は焼結し、続いて次のレーザー走査及び溶融又は焼結のための粒子の他の層を施す。しばしば製品の３Ｄ記述に対応するＣＡＤデータにしたがって、レーザーが床を横切って走査するにつれて複数の次の層が形成され、必要に応じて粒状物の複数の層を施して所望の寸法及び形状を有する製品を生成させる。ビルドプレートが最終製品の一体部品であるように意図されている場合を除いて、場合によっては製品をビルドプレートから分離して、使用に適した最終製品を形成する。本明細書において用いる「焼結」とは、粒子を完全に溶融させないで粒子を熱によって接合する任意のプロセスを指す。

[0023]レーザー出力及びラスター速度のような加工パラメーター、並びに粒子の寸法、形状、粗さ、及び組成に加えて、本発明者らは、ビルド角（即ち、ＬＡＭＴ製品をビルドプレートの水平面に対して形成する角度）が、本発明の製品を製造するために重要であることを見出した。具体的には、本発明者らは、ＬＡＭＴ技術を用いて粒子状材料の層を形成してビルドプレートに対して３０°以上で構造体を形成することが、ＬＡＭＴ構造体内の品質悪化を阻止するために十分であることを見出した。本発明の代表的な態様は、ビルドプレートに対して３０°、４５°、及び６０°でＬＡＭＴ構造体を形成する。ゼロのビルド角でＬＡＭＴ製品を形成して、その断面に沿った全ての位置においてビルドプレートと接触しているようにすることに対して、１つのビルド角でＬＡＭＴ製品を形成することは、ＬＡＭＴプロセスの完了後にビルドプレートに接触したままである（及び場合によってはそれに結合している）ＬＡＭＴ製造された製品の部分を減少させる有利な結果を与える。したがって、１つのビルド角で印刷されたＬＡＭＴ製品は、分離が所望である場合には、下層のビルドプレートから分離するのをより容易にすることができる。しかしながら、３０°未満のビルド角は、次のレーザー堆積のために十分な基部を与えない可能性がある。３０°未満のビルド角から得られる可能性がある１つ又は複数の基部層からの不十分な支持によって、得られる多孔質部品は複数のビルド層を横切る製品の一体性が失われる可能性がある。

[0024]本発明において用いる材料は、レーザー付加製造技術において用いられるレーザーによって焼結、部分的に溶融、又は完全に溶融させることができる粒子状形態で与えられる任意の材料である。本明細書において用いる「粒状物」、「粒子」、及び「粉末」とは、同義に用いられ、ミリメートル、マイクロメートル、又はナノメートルのオーダーの寸法であり、球状、実質的に球状（例えば０．６、０．７、又は０．８より高いアスペクト比を有する）、及び不規則形状、並びにこれらの混合形状のような任意の好適な形状を有する粒子を意味する。本発明において用いるのに好ましい粒径範囲は、１０〜５００マイクロメートル未満である。１つ又は複数の粒子表面端部は、平滑、鋭利、又はこれらの混合形態であってよい。本発明において用いるのに好ましい材料としては、例えばニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、並びにこれらの合金及び酸化物、例えばステンレススチール、及びハステロイ（登録商標）（Haynes Stellite Company, Kokomo, Indiana）のようなニッケルベースの鋼材のような材料が挙げられる。種々のポリマー材料も用いることができる。

[0025]本発明において製造されるか、又は本発明によって製造される部品を含む製品としては、ディスク、カップ、ブッシング、シート、チューブ、ロッド、スリーブ付き多孔質アセンブリ、カップアセンブリ、コーン、フローリストリクター、及び濾過装置が挙げられるが、これらに限定されない。

[0026]本発明の幾つかの態様によれば、最終形態のフィルター及び流量制御装置は、最終的な装置の多孔質構造部分から装置の構造部分を取り囲む完全密度（中実で実質的に非多孔質）へのスムーズな遷移を与えるために用いることができるＬＡＭＴ技術を用いて完全に加工される。多孔質の製品部分と中実の製品部分の間の接合部（これは、従来の製造技術に必要な複数の製品部品の接合からもたらされる）を排除することは、漏洩のリスクが減少し、且つ接合及び一体化技術のための要件が排除されるので、本発明の有利性の１つである。本発明の幾つかの態様にしたがってＬＡＭＴ技術を用いることにより、多孔質媒体部分及び中実構造を有する製品を全て１つの製造サイクル内で製造することが可能になる。かかる製品は、例えば単純な篩別及び深濾過用途、流体からの酸素のストリッピング、バブラーとして、臨界センサー保護における火炎防止器として、気体及び液体のフローリストリクター、散布器、及び音響緩衝材のような多種多様な産業用途のために好適である。

[0027]細孔の寸法及び分布は、特に濾過及び流体フローリストリクター装置のための媒体グレードを選択する際に考慮される重要なファクターである。細孔径によって、圧力降下、粒子濾過のレベル、粒子が多孔質構造体の上か又はその中のいずれかで堆積する位置、噴霧のための気泡の寸法、流体のウィッキング、流体の拡散等が制御される。したがって、安定した制御可能で再現可能な方法で予め定められた細孔径を生成させ、相互接続されている細孔を形成する能力は、本発明のＬＡＭＴ技術によって提供される大きな有利性である。更に、本発明のＬＡＭＴ技術によって、部品全体にわたる細孔の寸法、構造、及び分布を精密に制御することによって達成されるユニークで変化させることができる密度分布を有する部品を設計及び製造する能力が可能になる。したがって本発明の部品は、全体にわたって実質的に均一であるか、一定の割合で変化するか、或いは変動しうる割合で変化する密度を有するという特徴を有することができる。

[0028]幾つかの態様において、「媒体グレード」とは、ＬＡＭＴによって製造される多孔質製品の特性の幾つかを示すように規定される。媒体グレードは、例えば製品のみかけの平均流量細孔径を示す場合があり、例えばＩＳＯ−４００３又はＡＳＴＭ−Ｅ１２８によって規定されている標準工業バブルポイント試験を用いて計算することができる。例えば、媒体グレード１の製品は１ミクロンのみかけの平均流量細孔径を有することを特徴とし、媒体グレード２の製品は２ミクロンのみかけの平均流量細孔径を有することを特徴とする。しかしながら、媒体グレードは正確な細孔径に対応していなくてもよく；本発明の製品は寸法の広い分布を有する細孔を規定することができる。

[0029]時間をかけて制御された量の液体薬物を送達する装置において用いる場合には、本発明のＬＡＭＴ技術によって製造される相互接続されている多孔質構造によって、特定の薬物拡散速度に合わせて調整することができる流路が与えられる。この技術によって製造される多孔質媒体は、粉末の処方及び機械パラメーターによって細孔径を制御する能力において、フィルター及び流量制御媒体と事実上同等である。薬物又は他の物質は、制御された細孔径及び変化するレベルの湾曲部を通過する。本装置を通る種々の形態の薬物分子の送達は、バリア媒体、即ち製造される多孔質焼結金属を横切る拡散によって制御される。異なる寸法の細孔及び層を製造する能力を変化させることができ、拡散速度の制御は対照法と比べて大きく且つユニークであり、これを媒体及び最終形態の装置全体に組み立てることができる。部品の材料、細孔径、厚さ、及び面積を変化させる能力によって、薬物送達速度を所望のものに合わせることができる。これらの決定される調節によって、小型の移植片に受動型の長時間の一定速度の薬物送達を与える能力を与えることが可能である。

[0030]以下の非限定的な実施例を参照して本発明を更に記載する。
[0031]実施例１：従来の製造技術を用いて製造された部品と比べた、ＬＡＭＴを用いて製造されたディスク、カップアセンブリ、及びリストリクターの例：
[0032]図１は、従来方法でプレス及び焼結したディスク（左）及びＬＡＭＴ印刷したディスク（右）の画像である。両方のディスクとも、３１６Ｌステンレススチール粒子から製造した。従来のディスクは不規則形状の粉末粒子から製造し、ＬＡＭＴディスクは、３９マイクロメートルの平均粒子を有し、表Ｉに示す物理特性（みかけ密度及び粒径分布）を有する球状に成形された粉末粒子から製造した。

[0033]図４は、これらの製造されたディスクの表面の走査電子顕微鏡写真を示し、従来の製造技術とＬＡＭＴ製造技術から得られる構造における差を示す。従来プロセスでは不規則形状の粉末粒子を用いる一方で、ＬＡＭＴプロセスは球状の粉末を用いるために、個々の粉末粒子の形態は相違している。異なる構造によって有意な性能の差がもたらされる。例えば、従来の焼結及びプレス技術を用いて製造した（したがって図４に示す「従来プロセス」の顕微鏡写真に対応する構造を有する）ディスクを通る気体状窒素の流量を、ＬＡＭＴ中に製造された同じ寸法のディスクと比較した。従来法で製造されたディスクとＬＡＭＴディスクの測定されたバブルポイントはそれぞれ１．１７インチＨｇ及び１．１３インチＨｇであり、したがって２つの試料の間で最大細孔径が同等であったことが証明された。しかしながら、図５ｂにおいて示されるように、それぞれのディスクを通して窒素の所定の流速を与えるために必要な圧力は、ＬＡＭＴディスクに関しては従来法で製造されたディスクに関するものよりも非常に低かった。別の言い方をすると、ＬＡＭＴディスクに関しては所定の圧力に関して非常により高い流速が観察された。理論によって縛られることは望まないが、本発明者らは、従来法で製造された部品は機械プレスのプロセスからもたらされる密度勾配を示す可能性があり、これらの密度勾配は流体流量に悪影響を与える可能性があることを観察した。反対に、ＬＡＭＴ部品は構造が概して均一であり、密度勾配、及びこれにより得られる流体流量に対するいかなる悪影響も示さない。本発明のＬＡＭＴ技術から得られる均一な三次元多孔質構造体は、概して、融合した粉末粒子の間に均一に分布している相互接続されている細孔から構成される。

[0034]図５ａは、ＬＡＭＴディスクを通る気体状窒素の流れに関する圧力−流量曲線を示し、ＬＡＭＴ技術の多用途性を示している。それぞれの曲線は、それぞれ図に示すＬＡＭＴ加工パラメーターにしたがって製造した６つの異なるディスクに関する流量の関数としての圧力を示す。図５ａにリストしたパーセントは、規定のレーザー出力における減少（％）、或いは示されている場合には規定のレーザー速度における減少（％）を表す。図５ａを検討することによって分かるように、レーザー出力における減少によって所定の圧力に関してより高い流速がもたらされ、これはより少ない粒子の焼結及び／又は溶融からもたらされるより大きな細孔径のためであると考えられる。反対に、レーザー速度における減少によって所定の圧力に関してより低い流速がもたらされ、これはより多い粒子の焼結及び／又は溶融からもたらされるより小さい細孔径のためであると考えられる。

[0035]図２（ａ〜ｂ）は、カップアセンブリを構成する二重密度（多孔質／完全密度）の構造体の画像を示す。従来法で製造されたアセンブリは、それぞれの画像の左側に示す。それぞれのアセンブリの基部における中実のリングは、それぞれのアセンブリのプレスして焼結したカップ部分とは別に機械加工している。カップをリング中に押し込み、焼結接合によって取り付ける。それぞれの画像の右側のカップアセンブリは、ＬＡＭＴによって、中実のリングを別に製造及び取り付ける必要なしに、図１に示すディスクに関して記載したステンレススチール粒子を用いて１回の造形で製造した。それぞれの写真の右側に示される製品は「カップアセンブリ」と呼んでいるが、それは実際には複数の部品のアセンブリではなく一体部品であることを留意されたい。特別なパラメーター設定によって、造形プロセスの中断なしに中実構造体の印刷から制御された多孔質構造体へ移行することが可能である。図７は、従来法で製造されたカップアセンブリ及びＬＡＭＴで製造されたカップアセンブリの走査電子顕微鏡写真を含む。画像の左側の組はカップの縦軸に対してほぼ平行に撮影したものであり、一方で画像の右側の組は垂直に撮影したものである。従来プロセス／ＬＡＭＴによって製造されたディスクに関して図４において観察されるものと同様に、個々の粒子形態は相違しているが、細孔構造などの全体的な形態は類似している。図８は、従来の同等物（「Mott標準化」と示す）と比べたＬＡＭＴカップアセンブリ（「ＬＡＭＴ標準化」と示す）の流動特性を示す。ＬＡＭＴカップの圧力降下は従来法で加工されたカップアセンブリのものよりも非常に低く、これは同等の濾過能力で単位面積あたりの流量が増加することに言い換えられる。このデータはまたＬＡＭＴカップアセンブリの良好な再現性（１０部品の試料サイズ）も示しており、全長において±０．００２インチ、外径（ＯＤ）、内径（ＩＤ）、及び中実リングのＯＤにおいて±０．０００５インチ、並びに中実リングの厚さにおいて±０．００１インチの標準偏差を有している。バブルポイントは、カップ間で平均して０．６±０．１８インチＨｇであった。

[0036]図３（ａ〜ｃ）は、中実のスリーブ内に多孔質のリストリクター部品を含む流体フローリストリクタータイプの製品の画像を示す。図３ａの左端の製品は、多孔質のインサートをプレス及び焼結し、中実の外側スリーブを機械加工し、インサートを外側スリーブ中に押し込み、焼結接合し、部品を一体製品にすることを含む従来プロセスによって製造されている。図３ａの中央及び右側に示されるフローリストリクター製品は、ＬＡＭＴによって外側スリーブを別に製造する必要なしに１回の造形で製造されている。言い換えれば、レーザー付加製造プロセスを用いて、異なる部品を別々に製造してそれらを一緒に組み立てる必要なしに、単一の製造プロセスにおいて中実のスリーブ内の多孔質のリストリクター部品の両方を製造している。図３ｂは、ＬＡＭＴによって製造されたリストリクター製品の断面を示し、完全密度の外側スリーブからその中の多孔質材料への移行部を示している。図３ｃは、ＬＡＭＴによって製造された製品の多孔質リストリクター部分と中実スリーブ部分との間の界面を示す走査電子顕微鏡写真である。図６は、リストリクタースタイルのＬＡＭＴ部品に関する所定の圧力降下における単位面積あたりの平均Ｎ_２流量のプロットを示す。約７％の標準偏差を有する部品間の良好な再現性が観察された（１０の試料サイズ）。

[0037]図１４におけるグラフは、本発明の幾つかの態様にしたがってＬＡＭＴ技術を用いて製造することができる細孔径分布の例を与える。この分布は、レーザー出力、レーザーラスター速度（即ち、粒子を横切ってレーザービームを動かす速度、又は別の形態では粒子床をレーザービームに対して動かす速度）、粒子の寸法及び組成のような製造パラメーターを調節することによって更に最適化及び制御することができる。例えば、より高いレーザー出力及びより遅いラスター速度によって、一般に、所定の粒子の寸法、形状、及び組成に関して、より低いレーザー出力及びより速いラスター速度よりもより高密度で多孔性がより低い構造体を与えることができる。

[0038]実施例２：ＬＡＭＴ技術を用いて製造されるフィルター、流量制御装置、及び他の装置に関する新規な形状：
[0039]本発明は、向上した性能のために設計されている一体化された中実の金属部材を有するか又は有しない種々の形状の多孔質部品を包含する。例えば、従来の焼結技術によって形成される装置と比べて、本発明にしたがって形成されるフィルター及び流量制御装置は、最終製品の全体的な寸法を増加させることなくフィルター又は流量制御表面積の増加を与える。言い換えれば、本発明にしたがって製造される装置は、好ましくは、従来の焼結製品と比べて減少した製品寸法を有するが、同等か又は優れた機能的性能を有して製造される。

[0040]図９は、本発明のＬＡＭＴ技術を用いて製造される蛇腹スタイルのフィルターアセンブリの端面図及び側面図を示す。入口／出口領域は、それを他の金属部材に接合することを可能にする中実の材料であり、一方で部品の残りの部分全体は多孔質構造体である。中実の入口／出口領域、及び多孔質の蛇腹デザインの濾過部材の両方を含むこの部品全体は、完全にＬＡＭＴを用いて単一のプロセスで製造される。この新規なデザインによって、円筒形状のような従来の手段を用いて製造することができる濾過デザインと比べて増加した濾過表面積が与えられる。ここに示すスケールにおいては、図９に示されるアセンブリの表面積は、従来の焼結技術によって製造される同等の寸法の円筒形の濾過装置の表面積の約２５０％である。更に、それらの間により小さい間隔を与えてより多くの環状部を単純に蛇腹デザインに加えることによって、アセンブリの全体的な寸法を増加させることなく表面積を更に増加させることができる。

[0041]図１０は、従来の焼結技術を用いてプレス及び焼結接合されたマルチカップディスク(multi-cup disc)アセンブリの写真である。このアセンブリ及び同様のアセンブリは、噴霧、濾過、及びポリマーの押出などの種々の用途のために用いることができる。ＬＡＭＴ技術を用いてこのような製品を容易に製造して、その所期の用途に取り付けるために中実のプレートに接合されている高表面積の多孔質体を有するアセンブリを製造することができる。

[0042]図１１は、ほぼゼロの重力における火炎伝搬の研究のために用いられる中実のチューブに取り付けられている多孔質の球体の写真である。ＬＡＭＴ技術を用いて内部キャビティーを有するか又は有しない球体を印刷して、任意の所望の壁厚さを生成させる能力を与えることができる。中実のチューブは、二次加工として球体に挿入して結合させるか、或いは最初のＬＡＭＴ製造中に中実の部品として印刷することができる。

[0043]図１２は、３１６Ｌステンレススチールから製造される円錐形状の多孔質部品である。ＬＡＭＴ技術によって、円錐に関する実質的に任意の角度及び一定か又は変化する壁厚さを有するこのような形状を印刷することができる。

[0044]図１３は、最大の流量（最も低い圧力降下）を与える粗い細孔径を生成させるように印刷されている基材、及び所望のレベルの濾過効率を与える非常により小さい細孔を有する基材上の薄層を含む層状構造のフィルター装置の一例である。粗い基材によって、フィルターにそれが必要とする機械的強度が与えられ、微細な表面又は膜フィルター層が支持される。表面膜層は大きな圧力降下を生起させないのに十分に薄く、これによって高い圧力降下の不利益なしに非常に微細な粒子を分離することができるフィルターが与えられる。層状構造はまた、リストリクター及び流量制御装置のような他の用途のために用いることもできる。

[0045]本発明のＬＡＭＴ法は、「複合アセンブリ」（本明細書において用いるこの用語は、ＬＡＭＴ技術によって形成され、従来のプレス及び焼結技術によって形成されている少なくとも１つの部分に結合又は他の形態で接合されている少なくとも１つの部分を含むアセンブリを指す）を製造するために用いることができる。かかる複合アセンブリは、例えば予め形成されている従来法によって製造された部分の上に直接ＬＡＭＴ部分を印刷することによるか、又はそれぞれの部分を別々に形成し、熱、圧力、及び／又は機械的若しくは化学的接合を用いてそれらを結合させることによって形成することができる。ＬＡＭＴ部分及び従来法で製造された部分のそれぞれは、完全に中実か又は多孔質であってよい。かかるアセンブリのＬＡＭＴ部分及び従来法で形成された部分は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、並びにこれらの合金及び酸化物、例えばステンレススチール及びハステロイ（登録商標）のようなニッケルベースの鋼材など（しかしながらこれらに限定されない）の具体的な用途のために好適な材料の任意の組合せで構成することができる。また、種々のポリマー材料を用いることもできる。かかる複合アセンブリ、及び多孔質媒体そのものは、音の低減、噴霧用途、並びに気体及び液体の濾過及び流量制御、気体拡散装置、熱管理−熱伝達制御、低流量薬物送達、火炎防止器、クロマトグラフィーのような用途のための流体ミキサー、食品及び飲料、燃料電池及び水素発生において用いられる反応層のための多孔質基材、灯心材、多孔質鋳型、材料を取り扱うための空気式浮上装置、真空チャック、均一な孔を含む多孔質構造体、ユニークな支持構造体、多孔質の宝石、アクションフィギュア、及び手術マーカーを含む埋込型装置など（しかしながらこれらに限定されない）の種々の用途において用いることができる。

[0046]本発明の一態様によれば、複合アセンブリの１つの例は、従来の技術（即ち金属粒子のプレス及び焼結）によって多孔質のディスクを形成し、次にＬＡＭＴ技術を用いてディスクの周縁の周りに中実のリングを印刷して図１５に示す構造を形成することによって形成される装置である。本発明の一態様による複合アセンブリの他の例を図１６に示し、これは標準Mott 316Lステンレススチール媒体グレード５媒体カップ（右）（Mott Corporation, Farmington, Connecticut）を表す従来法でプレスして焼結した多孔質カップを有する３１６ステンレススチールねじ込み継手の写真である。多孔質部品は、本発明のＬＡＭＴ手順の幾つかの態様にしたがって製造することができる。この例においては、複合アセンブリは、空気弁差動装置における排気騒音を減少させるための緩衝器、或いは圧縮管継手、ねじ込み管継手、ＶＣＲ（バキュームカップリングラジエーション (vacuum coupling radiation)）圧縮継手、衛生用及び真空継手などのような数多くの用途において用いることができる。

[0047]実施例３：従来のプレス及びＬＡＭＴによって製造されたディスク、及び中実のスリーブ内の多孔質リストリクター部品を含む流体フローリストリクターの比較：
[0048]従来の焼結製造プロセス又はＬＡＭＴの両方を用いて、図１に示すもののような多孔質ディスク、及び図３に示すもののような中実のスリーブ内の多孔質リストリクターを含む流体フローリストリクターを製造した。表ＩＩは、所定の媒体グレード値に関する、ＬＡＭＴ部品（「３Ｄ印刷（ＬＡＭＴ）部品」と示す）と比べた、従来法で製造された３１６Ｌステンレススチール多孔質金属部品（「従来のプレス部品」と示す）に関する性能データを示す。バブルポイント値は「Ｈ_２Ｏ」の単位で表し、ＡＳＴＭ−Ｅ１２８−９９にしたがって採取した。列のそれぞれの組は、ＬＡＭＴプロセス中に用いた金属粒子の相対粒径分布（ＰＳＤ）を示す。標準ＰＳＤデータを表Ｉにおいて見ることができ、これは金属付加製造装置において通常用いられる粉末を代表するものである。部品の透過性は２．５ｐｓｉにおけるＮ_２の流量によって特徴付け、これは１平方インチあたりの標準リットル／分（ＳＬＭ／ｉｎ^２）の単位で表す。従来のプレス部品の透過性データは、試験した同等のＬＡＭＴ部品の厚さに標準化した。バブルポイント及び流量データは、更に０．１から１００までの範囲の内部Mott媒体グレード値によって分類している。

[0049]表ＩＩにおいては、従来のプレス部品と同等に機能し、幾つかの場合にはそれよりも優れている部品の製造におけるＬＡＭＴパラメーターの調節及びＰＳＤ範囲の有効性が強調される。これらのＬＡＭＴ部品は、球状の粉末を用いて再現性のある方法で制御された細孔径を有する多孔質金属媒体を製造する能力を示したデザインの実験研究から得られる。表ＩＩに示すデータを生成させるために製造して試験したＬＡＭＴ製品の中で、かかる部品の６８％は、同じ媒体グレードを有する従来の部品の流動性能と合致したか、又はそれよりも優れていた流量を有しており、一方で、かかる部品の３２％は、従来法で製造された部品よりもうまく機能しなかった。大部分の場合において、優れた機能を発揮する部品は、従来の同等物のほぼ２倍の流量を有していた。この流動性能の有利性は更に図８において強調され、ここでは一定範囲の入口圧力にわたってＬＡＭＴ部品及び従来のプレス部品に関して透過性データを記録している。この図は、同等のバブルポイント値の従来のプレス部品に対して、ＬＡＭＴ部品の流量がほぼ２倍増加することを示している。流量／圧力曲線は非線状挙動を示しているので、層流から乱流への遷移が起こっていると思われる。また、この遷移はＬＡＭＴ部品に関してはより遅い時点で起こっていることも留意されたい。

[0050]表ＩＩは、種々の多孔質構造体の製造において達成することができる高い程度の柔軟度を示している。標準粉末ＰＳＤの範囲内においては、調節されたＬＡＭＴパラメーターを用いることによって広範囲の従来のプレス製品を再現することができる。粉末の１つのＰＳＤ内で変化する範囲の多孔質媒体を生成させる能力は、１つの造形サイクル内で階層的又は複数の密度タイプの多孔質部品を生成させる能力に役立つ。図１３に示す部品の断面は、階層的な多孔質部品の概念を示している。

[0051]表ＩＩに報告する１つの具体的な態様においては、微細ＰＳＤの部品を、直径０．１６９インチの多孔質ディスクを被包している直径０．２５インチの中実のスリーブを有することを特徴とする中実のスリーブ内の多孔質リストリクター部品を含む流体フローリストリクターとしてＬＡＭＴ技術を用いて印刷した。この部品は、０．１３７インチの多孔質媒体の厚さを有する図３ａに示す標準リストリクターアセンブリと同等である。表ＩＩを検討することによって分かるように、２．５ｐｓｉのＮ_２ガスを用いて測定されるこの部品に関する流量データは０．３９４ＳＬＭ／ｉｎ^２であり、この部品は１１１．８４インチＨ_２Ｏ（０．１ＭＧ）のバブルポイントを有していた。同等の厚さの多孔質ディスクであることを特徴とする従来の焼結技術を用いて製造された同等の部品は、０．１８ＳＬＭ／ｉｎ^２の流量を有すると測定された。したがって、ＬＡＭＴ部品は、Mott媒体グレード０．１の従来法でプレスされた多孔質媒体と比べて同等の圧力降下において１１９％の流量の増加を与えることが分かった。

[0052]表ＩＩに報告する他の具体的な態様においては、標準ＰＳＤ部品を、１．００８２インチの直径及び０．０５２インチの厚さを有することを特徴とする多孔質ディスクとしてＬＡＭＴ技術を用いて印刷した。このディスクのバブルポイントは１８．４４インチＨ_２Ｏ（Mott媒体グレード２と相当）であると測定され、Ｎ_２ガスを２．５ｐｓｉの圧力降下において１９．４６ＳＬＭ／ｉｎ^２の速度で流した。従来の焼結技術を用いて製造された同等のディスクは、１０．７ＳＬＭ／ｉｎ^２で流した。したがって、このＬＡＭＴ部品は、Mott媒体グレード２の従来法でプレスされた多孔質媒体と比べて同等の圧力降下において８２％の流量の増加を与えることが分かった。

[0053]表ＩＩに報告する他の具体的な態様においては、標準ＰＳＤ部品を、０．９９５インチの直径及び０．０４３インチの厚さを有することを特徴とする多孔質ディスクとしてＬＡＭＴ技術を用いて印刷した。このディスクのバブルポイントは１０．７４インチＨ_２Ｏ（Mott媒体グレード１０に相当）であると測定され、Ｎ_２ガスを２．５ｐｓｉの圧力降下において７４．３４ＳＬＭ／ｉｎ^２の速度で流した。従来の焼結技術を用いて製造された同等のディスクは、６６．８ＳＬＭ／ｉｎ^２で流した。したがって、このＬＡＭＴ部品は、Mott媒体グレード１０の従来法でプレスされた多孔質媒体と比べて同等の圧力降下において１１％の流量の増加を与えることが分かった。

[0054]表ＩＩに報告する更に他の具体的な態様においては、標準ＰＳＤ部品を、０．９９７インチの直径及び０．０４２インチの厚さを有することを特徴とする多孔質ディスクとしてＬＡＭＴ技術を用いて印刷した。このディスクのバブルポイントは６．２８インチＨ_２Ｏ（Mott媒体グレード２０に相当）であると測定され、Ｎ_２ガスを２．５ｐｓｉの圧力降下において１５９．４２ＳＬＭ／ｉｎ^２の速度で流した。従来の焼結技術を用いて製造された同等のディスクは、Ｎ_２ガスを２．５ｐｓｉの圧力降下において１４３．３ＳＬＭ／ｉｎ^２の速度で流した。したがって、このＬＡＭＴ部品は、Mott媒体グレード２０の従来法でプレスされた多孔質媒体と比べて同等の圧力降下において１１％の流量の増加を与えることが分かった。

[0055]本発明の幾つかの態様を上記に記載する。しかしながら、本発明はこれらの態様に限定されず、むしろ本明細書に明記されるものへの付加及び修正も本発明の範囲内に含まれることが意図されることが明確に留意される。更に、本明細書に記載する種々の態様の特徴は、相互に排他的ではなく、かかる組合せ又は置換が本明細書において述べられていない場合であっても、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の組合せ及び置換の形態で存在することができると理解すべきである。実際に、本明細書に記載するもののバリエーション、修正、及び他の実施態様は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく当業者が想到するであろう。したがって、本発明は上述の説明の記載及び実施例のみによって規定すべきではない。

Claims (41)

1. 粒子の第１の層をビルドプレート上に配置し；
   第１の層の少なくとも第１の部分の中の粒子をレーザービームに曝露して、第１の層内の粒子の少なくとも一部を完全に溶融させないで互いと結合させ；
   第１の層の上に粒子の第２の層を配置し；
   第２の層の少なくとも第１の部分の中の粒子をレーザービームに曝露して、第２の層内の粒子の少なくとも一部を完全に溶融させないで互い及び第１の層の少なくとも一部と結合させ；そして
   必要に応じて第２の層の上に粒子の次の層を配置して物品を形成し、それぞれの次の層の少なくとも一部をレーザービームに曝露して、次の層のそれぞれの中の粒子の少なくとも一部を完全に溶融させないで互いと結合させる；
   工程を含み；
   物品は実質的に均一で相互接続されている多孔性を示す厚さを有することを特徴とする、少なくとも部分的に多孔質である物品の製造方法。
2. ビルドプレートが非多孔質であり、第１の層の少なくとも一部の中の粒子をレーザービームに曝露する工程によって、第１の層の少なくとも一部がビルドプレートに結合し、ビルドプレートは物品の一体部分である、請求項１に記載の方法。
3. 第１、第２、及び次の層の中の粒子が、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、並びにこれらの合金及び酸化物を含む、請求項１に記載の方法。
4. 第１、第２、及び次の層の中の粒子がポリマー材料を含む、請求項１に記載の方法。
5. 第１、第２、及び次の層の中の粒子がニッケルベースの合金を含む、請求項１に記載の方法。
6. 第１、第２、及び次の層の中の粒子がステンレススチール合金を含む、請求項１に記載の方法。
7. 第１、第２、及び次の層の中の粒子が、実質的に球状、不規則形状、及びこれらの混合形状からなる群から選択される形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 多孔性が０．１〜２００マイクロメートルの平均細孔径を有することを特徴とする、請求項１に記載の物品。
9. 第１、第２、及び次の層の中の粒子の平均径が１０〜５００マイクロメートルの範囲内である、請求項１に記載の方法。
10. 第１の層の少なくとも第２の部分の中の粒子を、第１の層の第１の部分の中の粒子を曝露するレーザービームの出力と異なる出力を有するレーザービームに曝露して、第１の層の第２の部分の中の粒子を互いと結合させて、第１の層の第１の部分の中に形成される構造と異なる密度を有する構造を形成する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 第１の層の少なくとも第２の部分の中の粒子を、レーザービームが第１の第１の部分を横切って動く速度と異なる速度で第１の層の第２の部分を横切って動くレーザービームに曝露して、第１の層の第２の部分の中の粒子を互いと結合させて、第１の層の第１の部分の中に形成される構造と異なる密度を有する構造を形成する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
12. 物品をビルドプレートに対して少なくとも３０°の角度で形成する、請求項１に記載の方法。
13. 粒子の第１の層をビルドプレート上に配置し；
    粒子の第１の層の上に粒子の複数の次の層を配置し；そして
    粒子の次の層をその上に配置する前に、第１の層及び複数の次の層のそれぞれの少なくとも一部の中の粒子をレーザービームに曝露する；
    工程を含み；
    第１の層及び複数の次の層のそれぞれの少なくとも一部の中の粒子をレーザービームに曝露する工程が、
    粒子の第１の部分を、実質的に均一で相互接続されている多孔性を有することを特徴とする第１の構造の形成をもたらす第１の条件下でレーザービームに曝露し；そして
    粒子の第２の部分を、実質的に非多孔質である第２の構造の形成をもたらす第２の条件下でレーザービームに曝露する；
    ことを含み：
    第１及び第２の構造が互いと一体的に接続されており；そして
    第１及び第２の構造が一緒になって物品の少なくとも一部を形成している、少なくとも部分的に多孔質である物品の製造方法。
14. 第１の条件が、第２の条件において用いるレーザー出力よりも小さいレーザー出力を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 第１の条件が、第２の条件において用いるレーザーラスター速度よりも高いレーザーラスター速度を含む、請求項１３に記載の方法。
16. 第１及び複数の次の層の中の粒子が、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、並びにこれらの合金及び酸化物を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 第１及び複数の次の層の中の粒子がステンレススチール合金を含む、請求項１３に記載の方法。
18. 第１及び複数の次の層の中の粒子がニッケルベースの合金を含む、請求項１３に記載の方法。
19. 第１及び複数の次の層の中の粒子がポリマー材料を更に含む、請求項１６に記載の方法。
20. 第１及び複数の次の層の中の粒子が、実質的に球状、不規則形状、及びこれらの混合形状からなる群から選択される形状を有することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
21. 多孔性が０．１〜２００マイクロメートルの平均細孔径を有することを特徴とする、請求項１３に記載の物品。
22. 第１及び複数の次の層の中の粒子の平均径が１０〜５００マイクロメートルの範囲内である、請求項１３に記載の方法。
23. 物品をビルドプレートに対して少なくとも３０°の角度で形成する、請求項１３に記載の方法。
24. 粒子の第１の層を複合アセンブリの第１の部分の上に配置し；
    第１の層の少なくとも第１の部分の中の粒子をレーザービームに曝露して、第１の層内の粒子の少なくとも一部を完全に溶融させないで複合アセンブリの第１の部分及び互いと結合させ；
    粒子の第２の層を第１の層の上に配置し；
    第２の層の少なくとも第１の部分の中の粒子をレーザービームに曝露して、第２の層内の粒子の少なくとも一部を完全に溶融させないで互い及び第１の層の少なくとも一部と結合させ；そして
    第２の層の上に粒子の複数の次の層を配置して、それぞれの次の層の少なくとも一部をレーザービームに曝露して、次の層のそれぞれの中の粒子の少なくとも一部を完全に溶融させないで互いと結合させる；
    工程を含み；
    第１の層、第２の層、及び複数の次の層は、一緒になって複合アセンブリの第２の部分を形成する、第１及び第２の部分を含む複合アセンブリの製造方法。
25. 複合アセンブリの第１及び第２の部分の少なくとも一方が、実質的に均一で相互接続されている多孔性を示す厚さを有することを特徴とし、複合アセンブリの第１及び第２の部分の他方が、実質的に非多孔質である厚さを有することを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
26. 第１、第２、及び複数の次の層の中の粒子が、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、並びにこれらの合金及び酸化物を含む、請求項２４に記載の方法。
27. 第１、第２、及び複数の次の層の中の粒子がステンレススチール合金を含む、請求項２４に記載の方法。
28. 第１、第２、及び複数の次の層の中の粒子がニッケルベースの合金を含む、請求項２４に記載の方法。
29. 第１、第２、及び複数の次の層の中の粒子がポリマー材料を更に含む、請求項２６に記載の方法。
30. 第１、第２、及び次の層の中の粒子が、実質的に球状、不規則形状、及びこれらの混合形状からなる群から選択される形状を有することを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
31. 多孔性が０．１〜１００マイクロメートルの平均細孔径を有することを特徴とする、請求項２４に記載の物品。
32. 第１、第２、及び次の層の中の粒子の平均径が１０〜５００マイクロメートルの範囲内である、請求項２４に記載の方法。
33. 請求項１に記載の方法によって製造される物品。
34. 物品がフィルター装置である、請求項３３に記載の物品。
35. 物品が流体流量制限装置である、請求項３３に記載の物品。
36. 請求項１３に記載の方法によって製造される物品。
37. 物品がフィルター装置である、請求項３６に記載の物品。
38. 物品が流体流量制限装置である、請求項３６に記載の物品。
39. 請求項２４に記載の方法によって製造される複合アセンブリ。
40. 複合アセンブリがフィルター装置である、請求項３９に記載の複合アセンブリ。
41. 複合アセンブリが流体流量制限装置である、請求項３９に記載の複合アセンブリ。