JP2019518864A - 金属造形材料を用いた付加製造 - Google Patents
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Abstract
金属造形材料を用いた付加製造に関する。付加製造における様々な改良が開示されており、金属造形材料を用いて金属物体を製作するための、溶融フィラメント製法プロセスを適合させるための技術も含まれている。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
<関連出願の相互参照>
本出願は、2016年3月3日に出願された米国特許仮出願第62/303324号に対する優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、2016年3月3日に出願された米国特許仮出願第62/303324号に対する優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、以下の米国特許出願:2015年12月16日に出願された米国特許仮出願第62/268458号;2016年12月16日に出願された米国特許出願第15/382535号;および2016年3月2日に出願された米国特許出願第15/059256号に関連する。上記出願の各々は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、付加製造に関し、より詳細には、金属物体の3Dプリントに関する。
溶融フィラメント製法(FFF)は、熱可塑性材料または同様の材料から3D物体を製作するための技術を提供する。この技術を用いる機械は、材料のラインを層状に堆積させることによって三次元(3D)物体を付加的に製作し、コンピュータモデルから物理的な物体を付加的に構築することができる。これらのポリマーベースの技術は、長年にわたって変更され、かつ改良されてきたが、ポリマーベースのシステムに適用可能である物理的な原理は、様々な課題を提起する傾向のある金属ベースのシステムには適用できない場合がある。金属を用いた付加製造に適した3Dプリント技術が、依然として必要とされている。
付加製造に対する様々な改良を開示しており、これらの改良には、溶融フィラメント製法のプロセスを、金属造形材料を使用した金属物体の製作に適合させるための技術が含まれる。
プリンタは、コンピュータ化されたモデルおよび溶融フィラメント製法プロセスに基づいて、造形材料から物体を製作する。造形材料を堆積させるためのノズルは、該ノズルに供給される造形材料の外径に近似する内径を有して、堆積中にノズルによって課される押出力および抵抗力を低減し、また、コンピュータ制御された製作プロセスにおいて材料を正確に堆積させるために、造形材料の平面位置を適切に制約する。
3D製作用プリンタは、実質的に円形の断面および外径を有するフィラメントとして形成された造形材料の供給源と、フィラメントを軸方向に推進させるように構成された駆動システムと、第1の開口部、第2の開口部、および第1の開口部を第2の開口部に接続するリザーバを含むノズルであって、第1の開口部が、駆動システムからフィラメントを受け入れるように配置された位置に第1の内径を有し、第2の開口部が、製作プロセスにおいて表面上に造形材料を堆積させるように、リザーバの反対側の端部に位置する第2の内径を有し、第2の内径が、第1の内径の90%以上であるノズルと、を備えることができる。このプリンタは、第1の開口部と第2の開口部との間で造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムをさらに備えることができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。上記の表面は、製作プロセスによって製作される物体の表面であってもよい。このプリンタは、プリンタで製造された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、第2の開口部から造形材料を堆積させながら、ノズルをビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと、物体の3Dモデルからビルドプラットフォーム上に物体を製作するために、プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、をさらに備えていてもよい。このプリンタは、ビルドプラットフォームおよび物体を制御された環境に内包するビルドチャンバをさらに備えていてもよい。造形材料が金属造形材料を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラス、オフ共晶組成物、および包晶組成物の少なくとも1つを含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。金属造形材料は、熱可塑性樹脂、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも1つを含むマトリックス中の金属粉末を含んでいてもよい。金属造形材料は、粉末の冶金組成物を含んでいてもよい。第2の開口部の第2の内径は、第1の開口部の第1の内径の99%以上であってもよい。第2の開口部の第2の内径は、第1の開口部の第1の内径よりも小さくなくてもよい。第2の内径がフィラメントの外径よりも小さく、第2の開口部が第2の内径の下流側で第1の内径を超える第3の内径に拡がっていてもよい。このプリンタは、造形材料がノズルの第2の開口部を出るときに、該造形材料を加熱するための局所加熱システムをさらに備えていてもよい。局所加熱システムは、ノズルを出る造形材料の第1の層と造形材料の下層との間の界面を介して造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムと、第2の開口部の周りの領域で造形材料を加熱するように構成されたレーザ加熱システムと、第2の開口部の近傍のノズル内にある抵抗加熱システムと、の少なくとも1つ以上を含んでいてもよい。加熱システムは、第2の開口部を介した堆積に適し、かつノズルから造形材料を受け取る表面への接合に適した作業温度に造形材料を加熱してもよい。加熱システムは、造形材料を周囲温度よりも高く作業温度範囲よりも低い温度に予熱し、作業温度範囲は、第2の開口部を介した堆積に適し、かつノズルから造形材料を受け取る表面への接合に適した温度範囲であり、局所加熱システムは、造形材料がノズルを出るときに該造形材料を上記の温度から作業温度範囲内の温度まで加熱してもよい。作業温度範囲は、造形材料が押し出しに適したレオロジー特性を示す温度範囲を含んでいてもよい。ノズルは、堆積中に、プリンタのビルドボリュームのx−y平面内のパスを移動し、該ノズルは、パスに対してノズルの前縁上に、造形材料を加熱するためのエネルギーを提供する局所加熱器を含み、該ノズルは、パスに対してノズルの後縁上に、アイロンシューを含み、該アイロンシューは、造形材料に下の材料層へと垂直力を加えるように構成されている。
3D製作用プリンタは、実質的に一定の寸法を有する断面形状で形成された造形材料の供給源と、造形材料を軸方向に推進させるように構成された駆動システムと、駆動システムから造形材料を受け入れるための第1の開口部であって、断面形状を収容するための第1の形状を有する第1の開口部と、製作プロセスにおいて造形材料を堆積させるための第2の開口部であって、第1の形状よりも小さい1つ以上の内部寸法および第1の形状の90%以上の断面積を伴う第2の形状を有する第2の開口部と、を含むノズルであって、第2の形状が、造形材料がノズルを出るときに、プリンタのz軸に垂直なx−y平面における造形材料の移動に抵抗するように断面形状の周囲で造形材料と接触するノズルと、を備えることができる。このプリンタは、第1の開口部と第2の開口部との間で造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムと、プリンタで製作された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、第2の開口部から造形材料を堆積させながら、ノズルをビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと物体の3Dモデルからビルドプラットフォーム上に物体を製作するために、プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、をさらに含むことができる。
方法は、断面形状および断面積を有するフィラメントとして形成された造形材料を供給するステップと、造形材料を作業温度に加熱するステップと、フィラメントの断面形状と実質的に同様の第2の断面形状と、フィラメントの断面形状よりも当該断面形状の10%以下だけ小さい面積と、を有する開口部を介して、造形材料を駆動するステップと、造形材料から3D物体を形成するためのパスに沿って、造形材料を開口部を介して堆積させるステップと、を含むことができる。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。リッジのような1つ以上のエネルギーディレクタを堆積された造形材料の露出表面に形成し、局所接触力の高い領域を提供することにより、造形材料の連続する層間における中間層の接合を改善することができる。後続層の堆積中に、これらのエネルギーディレクタに沿って追加のエネルギーを加える目的で、プリンタに超音波振動子を組み込むことも有用である。
3D物体製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、リザーバ内の造形材料を作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、造形材料のためのリザーバからの出口経路を提供する開口部を含むノズルと、ノズルを出る造形材料の上面に少なくとも1つのリッジを付ける成形固定具と、造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内の温度で造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、当該造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、を備えることができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルに接続され、ノズルを出る造形材料に該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに備えていてもよい。このプリンタは、超音波振動子とプリンタの1つ以上の他の構成要素との間に介在し、振動子からの超音波エネルギーを1つ以上の他の構成要素から分離する、機械的デカップラをさらに備えていてもよい。造形材料は、金属造形材料を含み、プリンタは、ノズルを出る金属造形材料の第1の層と金属造形材料の下層との間の界面を介して金属造形材料に電流を流すように構成された、ジュール加熱システムをさらに備えていてもよい。造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含んでいてもよい。第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲は、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。造形材料は、包晶組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物は、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示してもよい。造形材料は、熱可塑性物質、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも1つを含むマトリックス中の焼結可能な粉末を含んでいてもよい。このプリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備えていてもよく、ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように、ノズルをビルドプレートに対して3Dパスで移動させるように構成され得る。このプリンタは、加熱システム、駆動システム、およびロボットシステムを制御して、造形材料から物体をビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備えていてもよい。成形固定具は、ノズルの中心軸を通る溝を含んでいてもよい。成形固定具は、ノズルの中心軸を異なる角度で通る複数の溝を含んでいてもよい。成形固定具は、ノズルから下方に延びる1つ以上の突起を含み、ノズルを出る造形材料の上面に谷を形成するように配置されていてもよい。このプリンタは、製作プロセスにおいて物体を形成するために、ビルドプラットフォームに対しビルドパスを通ってノズルを移動させるように動作可能であるロボットシステムをさらに備え、成形固定具は、ノズルの中心軸の周りを回転して、ビルドパスが製作プロセスのx−y平面内で方向を変えるときに、当該成形固定具をビルドパスに整列させてもよい。このプリンタは、ビルドパスに沿ってノズルを追従するローラをさらに備えていてもよく、ローラは、少なくとも1つのリッジの上に後続層が堆積されるときに、当該後続層に下向きの垂直力および超音波エネルギーを加えることができる。
物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法で、ビルドプレート上に物体を製作するステップと造形材料がノズルを出るときに造形材料の上面を成形して、造形材料の後続層を受ける局部接触力が高い領域を提供する1つ以上のリッジを形成するステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。この方法は、造形材料の後続層に超音波エネルギーを加えながら、後続層を1つ以上のリッジ上に堆積させるステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、1つ以上のリッジにプラズマ流を加えながら、後続層を堆積させるステップをさらに含んでいてもよい。造形材料は、バルク金属ガラスおよびオフ共晶組成物の少なくとも1つを含んでいてもよい。造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである、粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。堆積中に、酸化物を除去して金属造形材料の連続的な層間の層間接合を改善するために、プラズマパッシベーションクリーニングを適用する。超音波振動、エネルギーディレクタの形成、ジュール加熱などの他の技術を組み合わせて使用して、層間に機械的に強固な結合を形成することができる。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れる入口を有するリザーバと、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部を含むノズルと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度の範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、ノズルを出る金属造形材料に向けられたプラズマ源と、を備えることができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルに接続され、ノズルを出る金属造形材料に該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルを出る金属造形材料の上面に少なくとも1つのリッジを付ける成形固定具をさらに備えていてもよい。このプリンタは、ノズルを出る金属造形材料の第1の層と、金属造形材料の下層と、の間の界面を介して金属造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムをさらに備えていてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示してもよい。このプリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように、ノズルをビルドプレートに対して3Dパスで移動させるように構成されていてもよい。このプリンタは、加熱システム、駆動システム、およびロボットシステムを制御して、金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備えていてもよい。プラズマ源は、可変の化学プラズマ源を含んでいてもよい。プラズマ源は、イオンプラズマ源を含んでいてもよい。プラズマ源は、ノズルを出る金属造形材料が下層の金属造形材料に接合される位置に導入されてもよい。プラズマ源は、ノズルを出る金属造形材料が下層の金属造形材料上のある位置に堆積される前に当該位置に導入されてもよい。金属造形材料は、アルミニウムを含んでいてもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、金属造形材料がノズルを出るときに、金属造形材料をプラズマ流内で下層の金属造形材料に接合するステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。この方法は、ノズルを出る金属造形材料に超音波エネルギーを加えながら、金属造形材料を下層の上に堆積させるステップをさらに含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスおよび共晶系のオフ共晶組成物の少なくとも1つを含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、金属造形材料の作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、アルミニウムを含んでいてもよい。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。ゼーベック効果は、造形材料と該造形材料を電圧に基づいて押し出しているノズルとの間の温度差を監視するために使用することができる。温度差は、プリンタの動作を制御するために、または、ノズルの温度の直接測定に基づいて絶対温度を決定するために使用され得る。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部と含むノズルであって、金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと、をさらに含むことができる。このプリンタは、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムをさらに含むことができる。このプリンタは、ノズルを出る金属造形材料とノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と、ノズルの開口部と該ノズルを出る金属造形材料との間の温度差を、金属造形材料の各々および導電性ノズル材料についての電圧およびゼーベック係数に基づいて計算するように構成されたプロセッサと、をさらに含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルの絶対温度を測定するように構成された温度センサをさらに備えていてもよく、プロセッサは、金属造形材料の絶対温度の推定値を、ノズルの絶対温度およびノズルの開口部と金属造形材料との間の温度差に基づいて計算するように構成されていてもよい。プロセッサは、金属造形材料の絶対温度の推定値に基づいて、加熱システムを制御するように構成されていてもよい。プロセッサは、一対の端子間における電圧の変化に基づいて、金属造形材料の温度変化を監視するようにさらに構成されていてもよい。プロセッサは、既知の条件下で1つ以上の測定値に基づいて、温度差を較正するように構成されていてもよい。金属造形材料の各々および導電性ノズル材料についてのゼーベック係数が、金属造形材料および導電性ノズル材料の材料タイプに基づく定数として提供されてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示してもよい。プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルと金属造形材料との間の電圧を監視するステップと、電圧に基づいて、金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと、温度パラメータに応じて金属造形材料の温度を制御するステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。温度パラメータは、ノズルと金属造形材料との間の相対温度を含んでいてもよい。温度パラメータは、金属造形材料の絶対温度を含んでいてもよい。この方法は、ノズルの温度を測定するステップと、ノズルと金属造形材料との間の温度差を、金属造形材料の各々およびノズルの材料についての電圧およびゼーベック係数に基づいて推定するステップと、をさらに含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第1の温度で融解する金属ベースと第1の温度を少なくとも上回る第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相とを有する組成物材料の少なくとも1つを含んでいてもよい。金属造形材料の温度を制御するステップは、押出速度を制御すること、加熱システムを制御すること、ノズル速度を制御すること、の少なくとも1つを含んでいてもよい。
金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルと金属造形材料との間の電圧を監視するステップと、電圧に基づいて、金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと、温度パラメータに応じて金属造形材料の温度を制御するステップと、を実行することができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。温度パラメータは、ノズルと金属造形材料との間の相対温度を含んでいてもよい。温度パラメータは、金属造形材料の絶対温度を含んでいてもよい。このコンピュータプログラム製品は、ノズルの温度を測定するステップと、ノズルと金属造形材料との間の温度差を、金属造形材料の各々およびノズルの材料についての電圧およびゼーベック係数に基づいて推定するステップと、を実行するコードをさらに含んでいてもよい。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する、バルク金属ガラスを含む金属造形材料を供給源から受け入れる入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、また、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部を含むノズルであって、金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと、を含むことができる。このプリンタは、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムをさらに含むことができる。このプリンタは、また、ノズルを出る金属造形材料とノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と、造形材料の各々および導電性ノズル材料についての電圧およびゼーベック係数に基づく、ノズルの開口部とノズルを出る金属造形材料との間の温度差の変化に無相関である電圧の変化に基づいて、バルク金属ガラスの結晶化度の変化を計算するように構成されたプロセッサと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。
プロセッサは、金属造形材料に加えられる熱を低減して、電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を抑制するようにさらに構成されていてもよい。プロセッサは、金属造形材料に加えられる熱を増加させて、電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を促進するようにさらに構成されていてもよい。
プロセッサは、金属造形材料に加えられる熱を低減して、電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を抑制するようにさらに構成されていてもよい。プロセッサは、金属造形材料に加えられる熱を増加させて、電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を促進するようにさらに構成されていてもよい。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。1つ以上の接触プローブを使用して、ノズルの高さおよび/または位置を検出することができ、例えば、プリント前にノズルをゼロにすること、中心に合わせること、もしくは較正することができ、または、製作中の造形材料の堆積層に対する高さを決定することができる。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、また、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部と含むノズルと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度の範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、を含むことができる。このプリンタは、ノズルの表面との接触を電子的に検出するように構成された接触プローブであって、ノズルの表面と所定の位置で接触するように配置された接触プローブをさらに含むことができる。このプリンタは、また、接触に、1つ以上の、位置に基づく制御信号で応答するように構成されたプロセッサを含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融点よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含んでいてもよい。プロセッサは、ノズルの表面との接触の検出に基づいてプリンタのビルドボリューム内でノズルを移動させる、ロボットシステム内の1つ以上のモータの位置を較正するように構成されていてもよい。複数の接触プローブをさらに備え、プロセッサは、複数の接触プローブの各々との同時接触に基づいて、ノズルを中心合わせするように構成されていてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドプラットフォームに対する所定の高さを含んでいてもよい。所定の位置は、製作プロセスにおいてノズルから先に堆積された金属造形材料の層に対する所定の高さを含んでいてもよい。所定の位置は、製作プロセスにおいてノズルから現在堆積されている金属造形材料の層に対する所定の高さを含んでいてもよい。接触プローブと一定の位置で接続された第2の接触プローブをさらに備え、接触プローブおよび第2の接触プローブは、プリンタのビルドボリューム内に制御可能に配置することができ、プロセッサは、物体を形成するために堆積された金属造形材料の露出した上面と接触して第2の接触プローブを位置決めし、ノズルの表面との接触に基づいて、露出した上面に対してノズルの高さを決定するように構成されていてもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、ノズルの位置を検出するステップと、接触に基づいて、ノズルの位置を制御するステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含んでいてもよい。金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含んでいてもよい。この方法は、ノズルの表面との接触の検出に基づいて、ビルドパスに沿ってノズルを移動させるロボットシステム内の1つ以上のモータの位置を較正するステップをさらに含んでいてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドプレートに対する所定の高さを含んでいてもよい。
金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、ノズルの位置を検出するステップと、接触に基づいてノズルの位置を制御するステップと、を実行することができる。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。凝固した造形材料および他の汚染物質をノズルから物理的に除去するように成形された、プリンタ用のノズルクリーニング器具を設けることができる。プリンタ用のロボットシステムを使用して、ノズルの定期的なクリーニングのために、または、ノズルが詰まっていることを示す診断条件などに応答して、ノズルを操作してノズルクリーニング器具に係合させることができる。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部を含むノズルと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、ビルドプレートと、物体のコンピュータ化されたモデルに従って、ビルドプレート上に金属造形材料から物体を製作するために、ノズルをビルドプレートに対して3Dパス内で移動させるように構成されたロボットシステムと、ノズルクリーニング器具と、ロボットシステムを動作させて、ノズルの開口部を移動させてノズルクリーニング器具と係合させ、出口経路への障害物を除去するように構成されたコントローラと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも1つから形成されるバインダ系と、を含んでいてもよい。金属造形材料は、粉末冶金組成物を含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、ビルドプレート上にあってもよい。ノズルクリーニング器具は、ピン形状部材であって、開口部がピンの上に置かれたときに出口経路への障害物を機械的に外すためのピンを含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、ピンが開口部と係合するときに、開口部から材料を除去するように配置された鋭利な縁部を含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、金属造形材料をノズルを介して融解して流動させるために、開口部内の金属造形材料にジュール加熱電流を加えるように構成された電流源を含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、金属造形材料を融解温度を超えて加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源を含んでいてもよい。コントローラは、所定のノズルクリーニングスケジュールに従ってノズルの開口部を移動させて、該ノズルの該開口部をノズルクリーニング器具と係合させるように構成されていてもよい。コントローラは、ノズルを通る流れに対する潜在的な障害物の検出に応答してノズルの開口部を移動させて、該ノズルの該開口部をノズルクリーニング器具と係合させるように構成されていてもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと、ノズルを移動させて当該ノズルをノズルクリーニング器具に係合させ、障害物の除去を容易にするステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップが、ノズルを介して金属造形材料を駆動させる駆動システム上の負荷の増加を検出することを含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具がピンを含み、方法は、ピンをノズルの開口部を通して挿入するステップをさらに含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具がマイクロ波エネルギー源を含み、この方法は、マイクロ波エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具が電流源を含み、この方法は、電流源からの電流をノズル内の金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含んでいてもよい。
金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと、を実行することができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップが、ノズルを介して金属造形材料を駆動する駆動システム上の負荷の増加を検出することを含んでいてもよい。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。溶融可能なバルク金属ガラスを用いて、物体の領域を支持するように熱的に適合する支持構造を形成することができる。
金属物体の3D製作用プリンタは、付加製作プロセスにおいて金属造形材料を堆積させるように構成された第1の押出機と、付加製作プロセスのための支持材料を堆積するように構成された第2の押出機であって、支持材料が溶融可能なバルク金属ガラスを含む第2の押出機と、ビルドプレートと、第1の押出機および第2の押出機を、ビルドプレートに対して3Dパスで移動させて、支持材料から支持構造体を製作し、かつ物体のコンピュータ化されたモデルに従って金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように構成されたロボットシステムと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含んでいてもよい。金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスがマグネシウムを含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスがカルシウムを含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスがリチウムを含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、塩化水素を含む水溶液に溶融可能であってもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、水溶液に溶解性であってもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、金属造形材料の10倍の速度で所定の溶媒に溶解してもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、第1のノズルをプリンタのビルドプレートに対して第1のビルドパスに沿って移動させながら第1のノズルから支持材料を押し出して、物体の支持構造体を製作するステップであって、当該支持材料が溶融可能なバルク金属ガラスを含むステップと、第2のノズルをビルドプレートに対して第2のビルドパスに沿って移動させ、支持構造体上に金属造形材料から物体を製作するステップであって、第2のビルドパスが物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含んでいてもよい。金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、マグネシウム合金を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、カルシウム合金を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、リチウム合金を含んでいてもよい。この方法は、溶融可能なバルク金属ガラスを水溶液中に溶解させるステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、溶融可能なバルク金属ガラスを、塩化水素を含む水溶液中に溶解させるステップをさらに含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスは、金属造形材料の少なくとも10倍の速さで所定の溶媒に溶解してもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、第1のノズルをプリンタのビルドプレートに対して第1のビルドパスに沿って移動させながら第1のノズルから支持材料を押し出して、物体の支持構造体を製作するステップと、第2のノズルをビルドプレートに対して第2のパスに沿って移動させ、支持構造体上に、溶融可能なバルク金属ガラスから溶解性剥離層を製作するステップと、第3のノズルをビルドプレートに対して第3のビルドパスに沿って移動させ、溶解性剥離層上に、金属造形材料から物体の一部を製作するステップであって、第3のビルドパスが、物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含むことができる。
製品は、物体の一部を付加製造するための支持構造体であって、溶融可能なバルク金属ガラスで形成された支持構造体を含むことができる。この製品は、また、支持構造体に隣接する物体の表面であって、金属造形材料で形成された物体の表面を含むことができる。
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。製作中に物体を受け取るビルドプレートは、低融解温度のはんだのような低い融解温度を有する材料からなるコーティングを含む。特に、コーティングの材料は、物体を受け取っている間は凝固しており、その後、製作が完了した後に物体の除去を容易にするように、隣接する製作物体が融解したり変形したりすることのない十分に低い温度で加熱されて液体状態となることができる、合金とすることができる。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料の供給部と、ビルドプレートと、付加製造プロセスにおいて金属造形材料をビルドプレート上に堆積させるように構成された押出機と、ビルドプレート上のコーティングであって、金属造形材料の作業温度範囲の下限よりも低い融解温度を有する材料で形成されたコーティングと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレート用の冷却システムをさらに備え、冷却システムは、ビルドプレート上での物体の製作中に、ビルドプレート上の材料を上記の融解温度より低い温度に維持するように構成されていてもよい。このプリンタは、ビルドプレート用の加熱システムをさらに備え、加熱システムは、製作後に、ビルドプレートから物体を除去するように、ビルドプレート上の材料を上記の融解温度を超えて加熱するように構成されていてもよい。加熱システムは、ビルドプレート上の材料を、コーティングの融解温度を上回り、かつ物体の作業温度の下限よりも低い温度まで加熱することにより、物体を変形させることなく当該物体を除去し易くするように構成されていてもよい。コーティングの材料は、低融解温度のはんだを含んでいてもよい。コーティングの材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。コーティングの材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。金属造形材料は、コンピュータ化されたモデルに基づいて物体を製作するための造形材料を含んでいてもよい。
金属造形材料は、第2の材料から製作される物体を支持するための支持材料を含んでいてもよい。
金属造形材料は、第2の材料から製作される物体を支持するための支持材料を含んでいてもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、ビルドプレートに融解温度を有する材料からなるコーティングを提供するステップと、ビルドプレートのコーティング上に、金属造形材料で構造体を製作するステップであって、金属造形材料が、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有し、コーティングの融解温度が、作業温度範囲の下限よりも低いステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。この方法は、ビルドプレートを冷却して、コーディングが金属造形材料に曝されたときに、当該コーティングを融解温度よりも低い温度に維持するステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、構造体の製作が完了した後にコーティングを融解温度を超えて加熱し、コーティングが液体である間に構造体をビルドプレートから取り除くステップをさらに含んでいてもよい。構造体は、製作のためにプリンタに提供されるコンピュータ化されたモデルに記載された物体を含んでいてもよい。構造体は、プリンタによって製作される物体のための支持構造体を含んでいてもよい。コーティングの材料は、低融解温度のはんだを含んでいてもよい。コーティングの材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。コーティングの材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料の少なくとも1つを含んでいてもよい。
バルク金属ガラスのような金属造形材料の押し出しのための制御ループは、造形材料を押し出すのに必要な力を測定し、この感知されたパラメータを用いて造形材料の温度を推定する。温度、または推定温度と目標温度との間の差は、フィードパスに沿った加熱システムからの熱伝達を制御する目的で、造形材料の押し出しを加速または減速するように使用することができる。この一般的な制御ループは、ノズルの目詰まりまたは結晶化の開始のような他の生じ得る状態を考慮して変更することができる。
金属物体の3D製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、また、リザーバ内の金属造形材料を作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内の温度で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すために、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、ノズルを通る供給パスに沿って金属造形材料の前進に抗する力を測定するように構成された力センサと、力センサおよび駆動システムに接続されたプロセッサであって、力センサによって測定された力に従って、駆動システムの速度を調整するように構成されたプロセッサと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。プロセッサは、力が減少した場合に熱伝達を減少させるように駆動システムの速度を増加させ、力が増加した場合に熱伝達を増加させるように駆動システムの速度を減少させるように構成されていてもよい。プロセッサは、作業温度範囲内の温度を示す力に対する所定の目標値を維持するように構成されていてもよい。金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、バルク金属ガラスの結晶化を回避するために、所定の目標値がバルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化してもよい。プロセッサは、金属造形材料の前進に抗する力および駆動システムの速度に基づいてエラー状態を検出し、エラー状態に応答して是正措置を開始するように構成されていてもよい。是正措置がノズルをクリーニングすることを含んでいてもよい。是正措置が製作プロセスを休止させることを含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも1つから形成されるバインダ系と、を含んでいてもよい。プリンタは、溶融フィラメント製法式製造システムを含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように、ビルドプレートに対してノズルを3Dパスで移動させるように構成されていてもよい。
金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと、ノズルを通る金属造形材料の前進に抗して駆動システムに加えられる力を監視するステップと、駆動システムに加えられる力に従って駆動システムの速度を調整するステップと、を含むことができる。
実施形態は、以下の特徴の1つ以上を含んでいてもよい。速度を調整するステップは、力が減少した場合に熱伝達を減少させるように駆動システムの速度を増加させることと、力が増加した場合に熱伝達を増加させるように駆動システムの速度を減少させること、を含んでいてもよい。この方法は、金属造形材料の所定の温度を示す力に対して所定の目標値を維持するステップをさらに含んでいてもよい。金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、バルク金属ガラスの実質的な結晶化を回避するために、所定の温度がバルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化してもよい。この方法は、製作プロセスのための材料堆積速度を実質的に一定に維持するために、駆動システムの速度に比例して、製作プロセスにおけるノズルの移動速度を調整するステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、駆動システムに加えられる力と駆動システムの速度との間の関係に基づいて、プリンタ内のエラー状態を検出するステップと、エラー状態に応答して是正措置を開始するステップと、をさらに含んでいてもよい。駆動システム上に加えられる力は、ノズルに供給される金属造形材料への軸方向力、または、駆動システムのモータに対する回転力の少なくとも1つを含んでいてもよい。
金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと、駆動システムを用いて金属造形材料をノズルを介してある速度で前進させるステップと、ノズルを通る金属造形材料の前進に抗する駆動システムに加えられる力を監視するステップと、駆動システムに加えられる力に従って駆動システムの速度を調整するステップと、を実行することができる。
本明細書に記載される装置、システム、および方法の、上記および他の目的、特徴ならびに利点は、添付の図面に示すような、以下に記載する本発明の特定の実施形態から明らかである。図面は、必ずしも尺度通りではなく、本明細書で説明される装置、システム、および方法の原理を説明することに重点を置いている。
以下に、好適な実施形態が示された添付の図面を参照して、実施形態をより十分に説明する。しかしながら、上述のものは多くの異なる形態で実施することができ、以下の説明は、特に明記しない限り、限定的であると解釈されるべきではない。
本明細書で言及されるすべての文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。単数形の項目への言及は、明示的な記載がある場合または本文から明らかである場合を除いて、複数形の項目を含み、またその反対も同様であるものと理解されたい。文法上の接続詞は、別段の記載がある場合または本文から明らかである場合を除いて、つなぎ合わされた節、文、単語などのすべての離接的および接合的な組合せを表すことを意図している。したがって、例えば、「または」という用語は、通常、「および/または」を意味するものと理解されるべきである。
本明細書中における値の範囲の記載は、本明細書に別段の記載がある場合を除いて、限定することを意図するものではなく、範囲内のいずれのおよびすべての値を個別に言及することを意図しており、そのような範囲内の各値は、あたかも個別に列挙されているかのように本明細書に組み込まれる。数値を伴う「約」または「およそ」などの用語は、当業者に理解されるように、意図された目的のために満足に動作するための偏差を示しているものと解釈されるべきである。本明細書において、値および/または数値の範囲は、単なる例として提供されており、記載される実施形態の範囲を限定するものではない。本明細書に提供されるいずれのおよびすべての例、または例示的な用語(「例えば」または「のような」など)の使用は、実施形態をよりよく説明するためのものであり、実施形態の範囲を限定するものではない。明細書中のいかなる用語も、いずれの特許請求されていない要素を実施形態の実施に必要不可欠な要素として示すものとして解釈されるべきではない。
以下の説明では、「第1」、「第2」、「上部」、「下部」「上」、「下」などの用語は、特に断りのない限り、便宜上の単語であり、限定的な用語として解釈されないものと理解されたい。
一般に、以下の説明では、3D物体を形成するための造形材料として金属を使用する3Dプリンタに重点を置いている。より具体的には、この説明は、溶融フィラメント製法または同様の技術を用いて3D物体を形成するための金属、金属合金、または他の金属組成物を堆積させる、金属3Dプリンタに重点を置いている。これらの技術において、材料のビードは、「道」または「パス」として、デジタルモデルから3D物体を形成するための階層化された一連の二次元パターン内に押し出される。しかしながら、他の付加製造技術および他の造形材料もまた、本明細書で企図される多くの技術とともに使用されてもよく、または代わりに使用されてもよいことが理解されよう。したがって、装置、システム、および方法は、溶融フィラメント製造を用いた金属3Dプリントに重点を置いているが、当業者であれば、本明細書に記載される多くの技術が、他の材料(例えば、熱可塑性樹脂または他のポリマーなど、または押し出し可能なバインダーマトリックス中に充填されたセラミック粉末)および他の付加製造技術(限定しないが、マルチジェット印刷、電気流体力学的噴射、空気圧噴射、ステレオリソグラフィ、デジタルライトプロセッサ(DLP)3Dプリント、選択的レーザ焼結、バインダ噴射などを含む)を用いた3Dプリントに適合され得ることが理解されよう。そのような技術は、以下に記載されるシステムおよび方法から利益を得ることができ、そのような印刷技術はすべて、本開示の範囲内であり、より具体的な意味が明示的に記載されている場合または本文から明らかである場合を除いて、「プリンタ」、「3Dプリンタ」、「製作システム」、「付加製造システム」などの用語で使用されることが意図されている。さらに、特定の文脈においてプリンタのタイプが記載されていない場合、特定のタイプの3Dプリントプロセスを参照することなく、特定の材料、支持構造体、製品、または方法が記載されているような、任意のおよびすべてのそのようなプリンタが含まれることが意図されているものと理解されたい。
多くの金属造形材料が、本明細書に記載される技術とともに使用され得る。一態様において、金属造形材料は、バルク金属ガラス(BMG)を含んでいてもよい。バルク固化非晶質合金、またはバルク金属ガラス(BMG)は、非晶質の非結晶状態に過冷却された金属合金である。この状態において、これらの合金の多くは、ガラス転移温度を超えて再加熱され、その非結晶微細構造を保持しながら、溶融フィラメント製法プロセスにおける押し出しに適したレオロジーをもたらすることができる。したがって、これらの材料は、非晶質構造を保持しながら、溶融フィラメント製法または任意の同様の押し出しベースまたは堆積ベースのプロセスに有用な作業温度範囲を提供することができる。非晶質合金はまた、硬度、強度などの点で、それらの結晶性の同等物に対して多くの優れた特性を有する。しかしながら、非晶質合金は、特別な取り扱い要件が課される場合がある。例えば、非晶質合金の過冷却状態は、長期加熱への暴露、より具体的には結晶化に起因して劣化し始めるが、これは、融解温度以下の温度でさえも生じ得ることであり、合金を再溶融および過冷却することなしには一般に可逆的ではない。
ある範囲のBMGは、溶融フィラメント製法(「FFF」)のような付加製造プロセスにおける金属造形材料として使用することができる。一般に、ガラス転移温度(材料を押し出すことができる)と、融解温度(材料が融解してその後の冷却時に結晶化する)と、の間の温度範囲が大きいBMGが好ましいが、適切に機能するFFFシステムでは必要でない。同様に、この温度範囲内での特定の合金の結晶化速度は、長期加熱および可塑性操作の理由で、いくつかのBMGを他のものよりもより適切にすることができる。同時に、高延性、高強度、非脆弱性は、一般に望ましい特性であり、比較的安価な元素成分の使用も同様である。様々なBMGシステムがこれらの基準を様々な程度で満たす一方で、これらの合金は、本明細書で企図されるBMG FFFシステムでの使用に必ずしも必要ではない。2015年12月16日に出願された米国仮特許出願第62/268458号に記載されているもののような、多くの追加の合金および合金システムが有用に使用されてもよく、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
他の材料もまた、同様にまたは代わりに、本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスにおける金属造形材料としての使用に、同様の魅力的な特性を提供し得る。例えば、2016年3月2日に出願された米国特許出願第15/059256号(参照によりその全体が本明細書に組み込まれる)には、金属ベースと高温不活性第2相との組合せを使用する様々な多相の造形材料が記載されており、それらのいずれもが、溶融フィラメント製法に有用に用いられ得る。このように、本明細書で企図される有用な金属造形材料の1つには、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度よりも高い第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相とが含まれる。
他の態様において、共晶組成物ではない共晶系の組成物は、オフ共晶または非共晶組成物としても知られているが、金属造形材料として有用に使用することができる。これらのオフ共晶組成物は、異なる温度で異なる組合せで凝固する成分を含み、溶融フィラメントまたは同様の押出ベースの付加製造技術に適したレオロジー特性を集合的に提供する固体および液体の平衡混合物を、半固体状態にすることができる。一般に、共晶系のオフ共晶組成物は、系内のオフ共晶種の相対組成に応じて、亜共晶組成物または過共晶組成物に分類することができ、そのいずれかは、本明細書で企図する溶融フィラメント製法システムで使用するために、ある温度で半固体状態に有用に維持され得る。
包晶の組成物もまた、溶融フィラメント製法プロセスでの使用に適した半固体状態を伴う作業温度範囲を有し得る。例えば、青銅のような包晶組成物を、本明細書で企図する製作物体の造形材料として使用することができ、特に、包晶組成物は、組成物が固体相と液体相の混合物を示して、押し出しに適したレオロジー特性をもたらす温度範囲を有する。
マトリックスが軟化する低温(例えば、典型的な金属の融解温度よりもかなり低い摂氏約200℃または他の温度)で押し出すことができる比較的低温の金属造形材料を得るために、他の材料は、焼結可能な金属粉末、または熱可塑性物質、ワックス、相溶化剤、可塑剤、もしくは他の材料マトリックスと混合された他の金属粉末のような金属含有物を含むことができる。例えば、金属射出成形材料または他の粉末冶金組成物のような材料は、著しい量の金属を含有するが、より低い温度での押し出しに使用することができる。これらの材料、または金属粉末と結合剤系から同様に構成される他の材料を使用して、完全に緻密化された金属物体内に、脱バインダされて焼結され得るグリーン部品を製作することができ、本明細書で企図される金属造形材料として使用することができる。
より一般的には、加熱押出に適したレオロジー特性を伴う有用な作業温度範囲をもたらす金属含有量を有する任意の造形材料は、本明細書で企図される金属造形材料として使用され得る。この作業温度範囲の限界は、組成物のタイプ(例えば、BMG、オフ共晶など)並びに金属および非金属成分に依存する。バルク金属ガラスの場合、有用な温度範囲は、典型的には、ガラス転移温度と融解温度との間であり、結晶化の制約がある。オフ共晶組成物の場合、有用な温度範囲は、典型的には、共晶温度と液相線温度との間、または固相線温度と液相線温度との間である(しかしながら、組成物の粘度が急速に低下する温度範囲の上限を定量化するために、クリープ緩和温度などの他の測定基準を有用に使用することができる)。これに関連して、対応する作業温度範囲は、簡略化のために、オフ共晶組成物の最低の融解温度と最高の融解温度との間の作業温度範囲と称される。高温不活性第2相を有する多相の造形材料の場合、作業温度範囲は、ベース金属合金の融解温度を超える任意の温度から、混合物内で第2相の不活性が実質的に維持される任意の温度までの範囲であり得る。
以上より、本明細書で使用する「金属造形材料」という用語は、元素状のまたは合金化された金属成分、並びに、種々の機械的、レオロジー的、審美的、または他の目的のいずれかのために添加され得る他の非金属成分を含有する組成物を含み得る、任意の金属含有造形材料をいうことが意図されている。例えば、非金属強化剤が金属材料に添加されていてもよい。他の例では、押し出しのために、金属粉末に、ワックス、ポリマー、可塑剤、相溶化剤もしくは他の結合剤系またはそれらの組合せが組み合わせられていてもよい。この組成物は、従来、金属と称されず、金属の多くの典型的なバルク特性(良好な導電性など)を欠き得るが、このような材料から作られたネット形状の物体は金属物体に有用に焼結することができ、−金属物体の製作に有用である−このような造形材料を、以下の説明において、「金属造形材料」と称する。
セラミックなどの特定の材料もまた、本明細書に開示される技術の多くを用いて造形材料として使用するのに適し得る。したがって、それとは反対のことが明記されている場合または本文から明らかである場合を除いて、本明細書に記載される「造形材料」は、このようなセラミック造形材料および他の材料をさらに含むことを理解されたい。造形材料は、同様にまたはその代わりに焼結粉末を含んでいてもよく、該焼結粉末は、金属粉末、セラミック粉末、または高密度化された最終部品に焼結するのに適した任意の他の粉末材料とすることができる。これらの焼結可能な粉末は、金属性であるか否かに関わらず、押し出しおよび続く最終部品への加工のための任意の適切な結合剤系と組み合わせることができる。
本明細書に記載されるいくつかの用途では、例えば、導電加熱または抵抗加熱のための電気的経路を提供するために、金属造形材料の導電性が製作プロセスで使用される。これらの用途では、金属造形材料という用語は、より一般的に、電流を通電させる電気回路を形成するのに十分な導電性を有する金属含有造形材料を意味するものと理解されたい。造形材料が、付加製造の用途で電流を通電させるために具体的に使用される場合、これらの材料は、導電性の金属造形材料と称することもできる。
図1は、付加製造システムのブロック図である。図示される付加製造システム100は、例えば、溶融フィラメント製法による付加製造システムを含む金属プリンタとすることができ、または、金属合金またはバルク金属ガラスのような金属造形材料を使用して3Dプリントするように構成された任意の他の付加製造システムもしくは製造システムの組合せとすることができる。しかしながら、付加製造システム100は、同様にまたはその代わりに、プラスチック、セラミックなどの他の造形材料、並びに前述のものの組合せと共に使用することができる。
一般に、付加製造システムは、溶融フィラメント製法または任意の同様のプロセスを使用して、金属、金属合金、金属組成物などを堆積させる、3Dプリンタ101(または、単に「プリンタ」101)を含むことができる。一般に、プリンタ101は、造形材料102を含むことができ、該造形材料102は、駆動システム104によって推進され、加熱システム106によって押出可能な状態に加熱されてから、1つ以上のノズル110から押し出される。ロボットシステム108を同時に制御することによって、ノズル110をビルドプレート114に対して押出パスに沿って位置決めして、ビルドチャンバ116内のビルドプレート114上に物体112を製作することができる。一般に、制御システム118は、プリンタ101の動作を管理して、溶融フィラメント製法プロセスなどを使用して3Dモデルに従い物体112を製作することができる。
造形材料102は、例えば、本明細書に記載されているか、2015年12月16日に出願された米国特許仮出願第62/268458号(参照によりその全体が本明細書に組み込まれる)に記載されている非晶質合金のいずれかを含むことができ、または、任意の他のバルク金属ガラスもしくは本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスで使用するのに適した他の材料もしくは材料の組合せを含むことができる。例えば、造形材料102は、同様にまたはその代わりに、オフ共晶組成物または包晶組成物を含むことができる。他の態様において、造形材料102は、第1の温度で融解する金属ベースと、第1の温度を超える温度で不活性のままである高温第2相と、を有する組成物を含むことができ、これは、例えば、2016年3月2日に出願された米国特許出願第15/059256(参照によりその全体が本明細書に組み込まれる)に記載されている。造形材料102は、同様にまたはその代わりに、ネット状に押し出されてから最終的に焼結され得る金属が配合された熱可塑性樹脂のような他の材料または組成物、粉末冶金材料のような金属部分、または、例えば、金属粉末と熱可塑性樹脂、ワックス、相溶化剤、可塑剤、またはこれらの組合せから形成された結合剤系との任意の他の組合せの範囲を含み得る。他の金属が配合された押出可能な組成物は、非限定的な例として、2016年12月14日に出願された米国特許出願第62/434014号(参照により本明細書に組み込まれる)に記載されており、それらのいずれもが、本明細書で企図される造形材料として適切に使用され得る。
本明細書の文脈において、「融解」という用語およびその派生語は、例えば、金属造形材料の融解温度または金属造形材料を融解するプロセスに関して使用される場合、純粋な合金の融解温度のような特定の温度、または多相固体および液体状態内に非理想的な合金もしくは微量の汚染物質や追加の金属が存在している温度範囲(典型的には、狭い温度範囲)をいうことができる。換言すれば、この文脈における融解温度は、その温度よりも高い温度では、実質的にすべての金属造形材料が液体状態であり、および/または、その温度よりも低い温度では、実質的にすべての金属造形材料が固体状態である温度であり得る。オフ共晶組成物のような他の例では、合金は、材料が押し出しに適したレオロジー特性を伴うスラリーを形成する2つの同時相を有する、より広い温度範囲を示し得る。これらのオフ共晶は、それにも関わらず融解温度を有し、融解温度よりも高い温度で実質的に完全に液体であるが、平衡状態で材料の温度依存パーセンテージが固体状態(および対応する液体状態)にある広い温度範囲にわたって固体への移行が生じ得る。
造形材料102は、限定しないが、本明細書または参照により本明細書に組み込まれる文献に記載される形状因子のいずれかを含む、様々な形状因子で提供され得る。造形材料102は、例えば、密閉容器(例えば、パッシベーションを軽減するため)などから、連続供給物(例えば、ワイヤ)として、またはロッドもしくは直角プリズムなどの個別の物体として供給され、これらは造形材料102のそれぞれの個別のユニットが加熱されて押し出されるときにチャンバなどに供給され得る。一態様において、造形材料102は、炭素繊維、ガラス、ケブラー、ホウ素シリカ、黒鉛、石英、または押し出される材料のラインの引張り強度を高め得る任意の他の材料のような添加物を含んでいてもよい。一態様では、添加物を、プリントされた物体の強度を増加させるために使用してもよい。他の態様では、添加物を、ノズルと、製作される物体の冷却された剛性部分と、の間の構造的パスを維持することによって架橋能力を拡張するために使用してもよい。一態様では、2つの造形材料102を、例えば一方のノズルが一般的な製作のために使用され、他方のノズルが架橋、支持、または同様の特徴のために使用される、2つの異なるノズルを介して同時に使用してもよい。
造形材料102は、金属ワイヤを含むことができ、該ワイヤの直径は、約80μm、90μm、100μm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、または任意の他の適切な値とすることができる。造形材料102のロッドを代わりに使用することもでき、例えば、8mm、9mm、10mmなどのより広い直径、または任意の他の適切な直径とすることができる。他の態様において、造形材料102は、金属粉末であってもよく、該金属粉末は、本明細書で企図される技術を用いて加熱および押し出しのための結合剤系に配合されていてもよい。この後者の技術は、例えば、結果的に脱バインダ処理されて最終的な金属部分に焼結され得る、グリーンパートの製作に特に有用であり得る。
造形材料102は、溶融フィラメント製法プロセスにおける押し出しに適した任意の形状またはサイズを有し得る。例えば、造形材料102は、加熱および圧縮のために小球もしくは微粒子の形態とすることができ、あるいは、造形材料102は、押し出しプロセスへ供給するために、ワイヤ(例えば、スプール)、ビレットなどのような形態とすることができる。より一般的には、加熱および押し出しに適切に使用され得る任意の形状を、本明細書で企図される造形材料102の形状因子として使用することができる。これには、球状、楕円状、またはフレーク状の粒子などの緩いバルク形状、ならびに、ロッド、ワイヤ、フィラメントなどの連続的な供給形状が含まれ得る。微粒子が使用される場合、微粒子は、加熱および押し出しに有用な任意のサイズを有し得る。例えば、粒子の平均的な直径は、約1ミクロン〜約100ミクロンの間、約5ミクロン〜約80っミクロンの間、約10ミクロン〜約60ミクロンの間、約15ミクロン〜約50ミクロンの間、約15ミクロン〜約45ミクロンの間、約20ミクロン〜約40ミクロンの間、または約25ミクロン〜約35ミクロンの間とすることができる。例えば、一実施形態において、微粒子の平均的な直径は、約25ミクロン〜約44ミクロンの間である。いくつかの実施形態では、ナノメートル範囲のものなどのより地位さ粒子、または100ミクロンを超えるより大きな粒子を代わりに使用することもできる。
本明細書に記載されるように、造形材料102は、金属を含み得る。非限定的な例として、金属は、元素アルミニウムのようなアルミニウム、アルミニウム合金、またはセラミックまたは酸化物のような非金属材料を含有するアルミニウム複合体を含み得る。金属は、同様にまたは代わりに、鉄を含み得る。例えば、金属は、鋼、ステンレス鋼、または他の適切な合金などの鉄合金を含んでいてもよい。金属は、同様にまたは代わりに、金、銀、またはそれらの合金を含み得る。金属は、同様にまたは代わりに、超合金、ニッケル(例えば、ニッケル合金)、チタン(例えば、チタン合金)などの1つ以上を含んでいてもよい。より一般的に、本明細書で企図される物体の製作に適した任意の金属もまた、同様にまたは代わりに使用され得る。
本明細書で使用する金属という用語は、均質な金属組成物およびその合金の両方、並びに、改質剤、充填剤、着色剤、安定剤、強化剤などの追加の材料を包含することができる。例えば、いくつかの実施形態では、金属造形材料の構造的完全性を強化するために、非金属材料(例えば、プラスチック、ガラス、炭素繊維など)を支持材料として含有させることができる。非晶質金属に対する非金属添加剤は、非晶質金属のガラス転移温度または他の低粘度温度(例えば、ガラス転移温度と融解温度との間の温度)に適合する融解温度に基づいて選択することができる。非金属の支持材料の存在は、造形材料が大規模な領域にわたって支持のない位置に配置される拡張ブリッジングのような多くの製作状況において有利であり得る。さらに、犠牲的な支持材料などの他の非金属組成物は、本明細書で企図されるシステムおよび方法を用いて有用に堆積され得る。したがって、例えば、金属造形材料の温度範囲(すなわち、ガラス転移温度と融解温度との間)に適合する、高い融解温度を有する水溶性の支持構造を、プリントする物体に含めることができる。金属物体を構成する成分として、または金属物体の製作を助けるために使用される補助材料として、金属物体の製作に使用されるそのような材料および組成物はすべて、本明細書で企図される金属造形材料の範囲内であることが意図されている。
本明細書で開示されるプリンタ101は、第1の材料を押し出すための第1のノズルを含むことができる。プリンタ101は、また、第2の材料を押し出すための第2のノズルを含むことができ、第2の材料は、補助機能(例えば、支持材料または構造)を有するか、または多材料物体を製作するのに有用な異なる機械的、機能的、または審美的特性を有する第2の造形材料を提供する。第2の材料は、例えば、第2の材料が、支持されていないブリッジ動作中に第2のノズルと物体の凝固部分との間の構造パスを維持するのに十分な引張り強度または剛性を、押出温度で有するように、補強されていてもよい。他の材料もまた、同様にまたは代わりに、第2の材料として使用することができる。例えば、これは、充填、支持体、分離層などのための熱的に適合したポリマーを含むことができる。他の態様において、これは、第1の材料を押し出すためのウインドウまたはその近傍に高い融点を有する水溶性の支持材料のような支持材料を含むことができる。有用な溶融可能な材料は、本明細書で意図されるように、押し出しのための適切な熱的および機械的特性を有する塩または任意の他の水溶性材料を含み得る。プリンタ101は、2つのノズルを有用に含み得るが、プリンタ101は、特定の製作プロセスに必要であるか有用である材料の数に応じて、より一般的には、3つまたは4つのノズルなどの任意の実用的な数のノズルを組み込み得ることが理解されよう。
一態様において、造形材料102は、ビルドチャンバ116への送達、並びに続く加熱および堆積のために、ビレットまたは他の個別のユニットとして、中間チャンバに(1つずつ)供給されてもよい。造形材料102は、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ116の真空環境に直接的または間接的に接続することができる、真空環境を有するカートリッジ内などに提供されてもよい。他の態様では、例えばワイヤなどの造形材料102の連続的な供給物は、真空ガスケットを介してビルドチャンバ116内に連続的に供給されてもよく、真空ガスケット(または任意の同様の流体シール)は、チャンバ116の内部に制御されたビルド環境を維持しながら、造形材料102をチャンバ116に流入させる。
以下の説明は、金属造形材料に重点を置いているが、以下の方法およびシステムの多くは、他のタイプの材料に関しても有用である。したがって、本明細書で使用する「造形材料」という用語は、他の付加的な製作材料、特には、溶融フィラメント製法に適した付加的な製作材料を含むことを理解されたい。これは、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)または任意の他の適切なポリマーなどの熱可塑性物質を含むことができる。他の態様において、造形材料102は、ワックス、熱可塑性物質、相溶化剤、可塑剤、または脱バインダおよび溶結されて最終的に金属物体になり得るグリーンパートの溶融フィラメント製作に適した金属粉末などが充填されたこれらのいくつかの組合せの結合剤系を含むことができる。セラミック粉末またはセラミック粉末と金属粉末との組み合わせのような他の焼結可能な粉末も同様に、造形材料としての押し出しのために結合剤系に充填され得る。すべてのこのような材料は、異なる意味が明示的に述べられている場合や文脈から明らかである場合を除いて、「造形材料」という用語の範囲内である。
駆動システム104は、造形材料102を加熱システム106に連続的またはインデックス的に供給するための、任意の適切なギア、圧縮ピストンなどを含むことができる。一態様において、駆動システム104は、リッジ、ノッチ、または他の正または負の戻り止めなどの、造形材料の対応する特徴部と噛合するように形成された歯を有する平歯車などのギアを含むことができる。他の態様において、駆動システム104は、加熱されたギアまたはねじ機構を使用して、造形材料を変形させて係合させることができる。したがって、一態様において、金属FFFプロセス用のプリンタは、金属を押し出しのための作業温度範囲内の温度に加熱し、ノズル110に向かうフィードパス内の金属と係合し、該金属を変形させ、該金属を駆動するギアを加熱することができる。別の態様において、駆動システム104は、複数の段階を含むことができる。第1の段階において、駆動システム104は、材料を加熱し、材料に正の把持牽引力を供給し得るスレッドまたは他の機構を形成することができる。次の段階では、これらの特徴部に適合するギアなどを使用して、造形材料をフィードパスに沿って前進させることができる。
他の態様において、駆動システム104は、造形材料のロッド、ビレット、または同様のユニットを加熱システム106内に駆動するために、ベローズまたは任意の他の折り畳み式もしくは伸縮式プレスを使用することができる。同様に、電圧駆動またはリニアステッパ駆動を使用して、非連続的な一連のステップにおける離散的な機械的な前進の増分を使用して、インデクスされた方法でビルド媒体のユニットを前進させることができる。
加熱システム106は、金属造形材料を、押し出しに適した作業温度範囲内の温度に加熱するための様々な技術を使用することができる。本明細書で企図される溶融フィラメント製作システムにおいて、より一般的には、造形材料が溶融フィラメント製作または同様の押し出しに基づくプロセスに適したレオロジー特性を示す温度範囲が、作業温度範囲である。これらの特性は、一般的に溶融堆積モデリングに使用される、例えば、ABSまたはPLAのような熱可塑性樹脂について一般に認識されているが、多くの金属造形材は、それらが下層に溶融される力および温度で物体上に堆積され得るように、その多くが加熱、変形およびノズルを通る流れのためにより大きな力およびより高い温度を有しているにも関わらず、同様の適切な特性を有する。とりわけ、これは、堆積用のノズルを通して推進され得る高温での可塑性(3Dプリントに適した時間尺度で)と、リザーバへのフィードパスの下流側に力を伝達するために使用され得る低温での剛性と、を必要とし、造形材料は、流動可能状態に加熱されてノズルから押し出され得る。
この作業温度範囲は、加熱システム106によって加熱される造形材料102のタイプに応じて変化し得る。例えば、造形材料102がバルク金属ガラスを含む場合、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス遷移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含み得る。バルク金属ガラスの使用は、また、材料が高温で維持されるときに結晶化の開始を特徴づける、時間−温度遷移曲線によって制約される。造形材料102が共晶系のオフ共晶組成物を含む場合、作業温度範囲は、オフ共晶系の最低の融解温度より高く、オフ共晶系の最高の融解温度より低い温度範囲を含み得る。造形材料102は、同様にまたは代わりに、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである、粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み得る。このタイプの材料では、作業温度範囲が、金属ベースの融点よりも高く、不活性第2相の反応温度または溶解温度よりも低い温度範囲を含み得る。他の態様では、造形材料102が包晶組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が固体および液体の両方の実質的な体積分率を示す温度範囲を含み得る。
造形材料102の対応する作業温度範囲を維持するのに適した任意の加熱システム106または加工システムの組合せは、造形材料102をノズル110に、およびノズル110を介して駆動するために、必要に応じて、本明細書で意図される加熱システム106として適切に使用することができる。一態様において、誘導加熱または抵抗加熱などの電気技術を、造形材料102を加熱するために有効に適用することができる。したがって、例えば、加熱システム106は、造形材料102の周囲のチャンバを作業温度範囲内の温度に電気的に加熱するように構成された、誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムであってもよく、あるいは、電気エネルギーの適用によって造形材料それ自体を直接的に加熱するように構成された、誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムなどの加熱システムを含んでいてもよい。金属造形材料は、一般に導電性であるため、接触法(例えば、印加電流による抵抗加熱)または非接触法(例えば、材料内の渦電流を駆動するための外部電磁石を用いった誘導加熱)によって電気的に加熱され得る。造形材料102を直接的に加熱する場合、電気誘導加熱をより良好に制御するために、造形材料102の形状およびサイズをモデル化することが有用であり得る。これは、形状、サイズ、質量などの推定値または実際の測定値、ならびに造形材料102のバルク電磁気特性に関する情報を含むことができる。加熱システム106は、例えば、化学加熱、燃焼、レーザ加熱または他の光学加熱、放射加熱、超音波加熱、電子ビーム加熱などを使用して、局所的または全体的に加熱を増強ずるための様々な補助システムを含んでいてもよい。
本明細書で企図される製作プロセスを支援するために磁力を使用してもよいことが理解されよう。例えば、磁力は、特に、鉄金属に適用されて、造形材料102の押出パスを制御するために力を加えることができる。これは、物体と支持構造との間の界面で結晶化を促進するために、BMGが融解温度を超えて加熱されるような移行シナリオにおいて特に有用であり得る。これらの例において、磁力は、層の所望の領域内に溶融合金を保持するために、表面張力を有効に補うことができる。
造形材料102の抵抗加熱を容易にする目的で、適切な位置に材料を通る回路を形成するための位置を提供するために、1つ以上の接触バッド、プローブなどは、材料のフィードパス内、例えば、ノズルまたは加熱リザーバの内部に配置されていてもよい。誘導加熱を容易にする目的で、1つ以上の電磁石は、フィードパスに隣接する適切な位置に配置されて、渦電柱の生成を通じて内部で造形材料102を加熱するように、例えば、制御システム118によって動作されてもよい。一態様では、これらの技術の両方を同時に使用して、造形材料102内のより厳しく制限された、またはより均一に分散された電気加熱を達成することができる。プリンタ101は、また、種々の方法で得られた加熱を監視するように装備されていてもよい。例えば、プリンタ101は、誘導性回路または抵抗性回路に供給される電力を監視することができる。プリンタ101は、また、同様にまたは代わりに、造形材料102または周囲環境の温度を任意の数の位置で測定することができる。
他の態様において、造形材料102の温度は、例えば、ノズル110またはフィードパスの他の部分を介して造形材料102を駆動するのに必要な力の量を測定することによって、推測することができる。温度に伴って粘度が変化し(例えば、温度が低下するにつれて粘度が増加する場合)、かつ粘度の変化が押し出しに必要な駆動力の変化を引き起こす場合、駆動力の変化を用いて造形材料の温度を推定することができる。制御ループは、この基準で有効に確立され、特に、熱伝達を増加させ、造形材料102の温度を上昇させるために、駆動力が増加するにつれて押出速度を減少させることができる。逆に、制御ループは、加熱システム106からの熱伝達を低減し、造形材料102の温度を低下させるために、駆動力が増加するにつれて押出速度を増加させることができる。この技術は、瞬時かつ効果的に温度を測定するために力を有利に使用し、あるいは、より一般的には、プロセス制御((少なくとも粘度が温度に依存する程度まで)の駆動力の変化)に非常に関連する温度変化の結果をより一般的に測定する。同時に、このアプローチは、抵抗加熱要素などよりも迅速に熱を調節することができるように、駆動速度を使用して有利に加熱を制御する。このように、測定速度および応答速度の両方を増加させることにより、押出中の温度制御の改善が可能となる。したがって、本明細書では、一態様において、ノズル110を通るフィードパスに沿って造形材料102(例えば、金属造形材料)の前進に抗する力を測定するように構成された力センサと、力センサおよび駆動システム104に接続され、力センサによって測定された力に従って駆動システムの速度を調節するように構成された制御システム118のようなプロセッサと、が開示されている。システムは、押出機を介して造形材料を駆動するのに必要な力を測定するための様々な方法で計装されてもよく、それらのいずれもが、本明細書で企図される力センサとして有用に使用され得ることが理解されよう。より一般的には、造形材料102の温度および粘度を測定すること、および適用される電気エネルギーを応答的に制御することに適した任意の技術は、本明細書で企図される金属FFFプロセスの液化を制御するために使用され得る。
一態様では、製作中に物体112の中および周囲に堆積させることができ、または当該物体の一部および全体を形成することができる、非晶質金属粉末の制御された送達システムでプリンタ101を増強することができ、当該粉末は、隣接する粒子を結合させるのには十分であるが、材料を再結晶化させるのには不十分である温度に金属粉末の温度を上昇させる、レーザ加熱プロセスで焼結され得る。この技術は、例えば、粉末化された非晶質合金から物体全体を製作するために使用することができ、または、この技術は、例えば、ビルドチャンバ内で製作された2つ以上の物体を機械的に接続するためのメカニズムを提供することによって、溶融フィラメント製作プロセスを増強するため、または、独立した溶融フィラメント製作プロセスの前、最中、または後にフィーチャを付加するために使用することができる。
加熱システム106は、せん断エンジンを含むことができる。せん断エンジンは、例えば、バルク金属ガラスまたは他の金属組成物の結晶化が部分凝固し易い温度で使用されるのを防ぐために、加熱されるときに造形材料102内にせん断を生成することができる。バルク金属ガラスの場合、せん断エンジンは、加熱が融解温度に近づくとき、または造形材料102が(時間−温度変換曲線に対して)長時間にわたって高温に維持されるときに特に有用であり得る。せん断エンジンによって、様々な技術が使用されてもよい。一態様において、バルク媒体は、フィードパスに沿って加熱システム106に供給されるときに、軸方向に回転することができる。他の態様では、1つ以上の超音波トランスデューサを使用して、加熱された材料内にせん断を導入することができる。同様に、スクリュー、ポスト、アーム、または他の物理的要素を加熱された媒体内に配置し、回転させるか、そうでなければ作動させて、加熱された材料を混合することができる。
ロボティクス108は、物体のコンピュータ化されたモデルに従って造形材料102から物体112を製作するように、造形材料102を押し出しながら、ノズル110をビルドプレート114に対して3Dパスで移動させるのに適した、任意のロボットコンポーネントまたはシステムを含むことができる。当技術分野では、様々なロボットシステムが知られており、本明細書で企図されるロボティクス108としての使用に適している。例えば、ロボティクス108は、ビルドチャンバ116内でx軸、y軸、およびz軸に独立して移動するための多数の線形制御を用いる、デカルト座標ロボットまたはx−y−zロボットシステムを含むことができる。デルタロボットもまた、同様にまたは代わりに、有用に使用することができ、適切に構成すれば、速度および剛性の点で重要な利点を提供することができ、固定モータまたは駆動要素の設計上の利便性を提供することもできる。ダブルまたはトリプルデルタロボットのような他の構成は、複数のリンケージを使用して動作範囲を広げることができる。より一般的には、特には真空または同様の環境内における、ビルドプレート114に対するノズル110の制御された位置決めに適し、ビルドチャンバ116内での作動、操作、移動などに適した任意の機構または機構の組合せを含む、任意のロボティクスを有用に使用することができる。
ロボティクス108は、1つ以上のノズル110およびビルドプレート114の動きを制御することによって、ビルドプレート114に対してノズル110を位置決めすることができる。例えば、一態様では、ノズル110がロボティクス108に動作可能に接続されて、ビルドプレート114が静止している間にロボティクス108がノズル110を位置決めするようにする。ビルドプレート114が、同様にまたは代わりに、ロボティクス108に動作可能に接続されて、ノズルが静止している間にロボティクス108がビルドプレート114を位置決めするようにする。または、z軸制御のためにノズル110を上下に移動させたり、x軸およびy軸制御のためにビルドプレート114をx−y平面内で移動させたりすることなど、これらの技術のいくつかの組合せを採用することができるこのような実施形態のいくつかにおいて、ロボット108は、ビルドプレート114を1つ以上の軸に沿って並進させてもよく、および/または、ビルドプレート114を回転させてもよい。
1つ以上の軸に沿う制御された直線運動、および/または、1つ以上の軸に沿う制御された回転運動を達成するために、様々な構成および技術が当該技術分野において知られていることが理解されよう。ロボティクス108は、例えば、x軸、y軸、およびz軸の各軸に沿って、ビルドチャンバ116内のノズル110またはビルドプレート114の位置を独立して制御するための、多数のステッパモータを含むことができる。より一般的には、ロボティクス108は、ステッパモータ、符号化DCモータ、歯車、ベルト、プーリ、ウォーム歯車、スレッドなどの様々な組合せを含むが、これらに限定されない。ノズル110またはビルドプレート114を制御可能に位置決めするのに適した任意のこのような構成は、本明細書に記載の付加製造システム100とともに使用するように適合させることができる。
ノズル110は、駆動システム104で推進され、加熱システム106で加熱された造形材料102を押し出すための、1つ以上のノズルを含むことができる。ノズル110は、異なるタイプの材料を押し出す複数のノズルを含むことができ、例えば、第1のノズル110が金属造形材料を押し出す一方で、第2のノズル110は、ブリッジ、オーバーハング、およびさもなければ金属造形材料を使用した製作のための設計規範に違反するかもしれない物体112の他の構造的特徴を支持するために、支持材料を押し出す。他の態様では、ノズル110の1つが、熱的に適合するポリマーおよび/または繊維を充填した材料のような材料を堆積させて、引張強度を増加させるか、または機械的特性を改善することができる。
一態様において、ノズル110は、本明細書で説明するように、1つ以上の超音波トランスデューサ130を含むことができる。超音波は、この文脈において、様々な目的のために有用に適用され得る。一態様において、超音波エネルギーは、ノズル110の内部表面への金属(例えば、BMG)の付着を緩和することによって、押し出しを容易にすることができる。他の態様において、超音波エネルギーは、改良された中間層接着のために、プリント媒体の前の層上の不動態化層を破壊するために使用することができる。したがって、一態様において、金属FFFプリンタのノズルは、超音波トランスデューサを含むことができ、該超音波トランスデューサは、ノズルへの接着を低減することによって該ノズルを通る押し出しを改善しながら、前の層からターゲット媒体上の不動態化層を破壊することによって層間の結合を同時に改善することができる。
他の態様において、ノズル110は、当該ノズル110の温度を直接的に制御する、導電加熱要素、抵抗加熱要素、または同様の構成要素を含むことができる。これは、例えば、造形材料102の温度を作業温度範囲に維持するために、プリンタ101を通るフィードパスに沿った一般的な液化プロセスを増強するために使用されてもよいし、または、造形材料102をTm以上に加熱して造形材料102を液体状態に融解することによってプリントヘッドのつまりを解消するなどの、より特定の機能のために使用されてもよい。この液体状態で堆積を制御することは困難または不可能であるが、加熱することによれば、ビルドチャンバから真空を除去して影響を受けたコンポーネントを分解し、洗浄し、そして取り換えるなどの厳しい物理的介入なしに、ノズル110を清掃してリセットするための便利な技術を提供することができる。
他の態様において、ノズル110は、媒体がノズル110を出る瞬間に該媒体を冷却するために、例えば、不活性ガスなどのインレットガスを含んでいてもよい。より一般的には、ノズル110は、造形材料102がノズル110を出る際に該造形材料102に冷却流体を加えるための任意の冷却システムを含むことができる。このガスジェットは、例えば、延伸ブリッジ、より大きなオーバーハング、または製作中に支持構造を必要とするかもしれない他の構造を容易にするために、押出材料を直ちに硬化させることができる。
他の態様において、ノズル110は、堆積された材料の層を平坦化し、かつその層を下層に結合させるように圧力をかけるための1つ以上の機構を含んでいてもよい。例えば、加熱されたニップローラ、キャスタなどは、堆積された(かつ依然として柔軟な)層を平坦化するために、ビルドチャンバ116のx−y平面を通るその通路内において、ノズル110に続いていてもよい。ノズル110は、同様にまたは代わりに、押出物がノズル110によって堆積されるときに該押出物を成形および拘束するように、成形壁、平坦面などを一体化してもよい。ノズル110は、非粘着材料(使用される造形材料102に応じて変化し得る)で有効にコーティングされていてもよいが、これは、このツールによってより一貫した成形および平滑化を容易にするためである。
一般に、ノズル110は、リザーバと、該リザーバ内の造形材料(例えば、金属または金属合金)を液体またはそうでなければ押出可能な形態に維持するように構成された加熱器(加熱システム106など)と、出口と、を含むことができる。ノズル110の構成要素、例えば、リザーバおよび加熱器は、ハウジングなどに収容されていてもよい。一態様において、ノズル110は、バルブなどの機械的装置、計量孔付きプレート、またはノズル110から出る造形材料102を機械的に制御するための他の何らかの適切な機構を含んでいてもよい。ノズル110またはその一部は、ロボティクス108(例えば、ロボット位置決めアセンブリ)によって、ビルドチャンバ116内でビルドプレート114に対して移動可能であってもよい。例えば、ノズル110は、ロボティクス108によって、物体112を形成するように造形材料(例えば、液体材料)を堆積させながらツールパスに沿って移動可能であってもよく、または、ビルドプレート114は、ノズル110が静止状態である間にビルドチャンバ116内を移動してもよく、またはこれらの組合せとすることもできる。
プリンタ101が複数のノズル110を含む場合、第2のノズルは、様々な追加の造形材料のいずれかを有用に提供してもよい。これは、例えば、異なるまたは同様の熱特性(例えば、Tg、Tm)を有する他の金属、マルチマテリアルプリントを支持するように熱的に適合したポリマー、支持材料、剥離支持体を形成するための界面材料、溶融可能な材料などを含み得る。一態様において、2つ以上のノズル110は、異なる過冷却液体領域を有する2つ以上の異なるバルク金属ガラスを提供してもよい。より低い過冷却液体領域を有する材料は支持材料として使用することができ、より高い温度領域を有する材料は物体112に形成することができる。このようにして、より低温の支持材料からなる下層の上に、より高温の材料(物体112)を堆積させることにより、堆積が生じるときにより低温の支持材料を融解させ、かつ/または、2つの層間の界面で結晶化させて界面を脆くし、機械的な力を加えることによる除去を比較的容易にすることができる。好都合なことに、下層の支持構造体のバルク形態は、この表面加熱を適用することによって一般に結晶化することがないので、支持構造体は、脆化した界面から単一片として除去するために、そのバルク形態全体にわたって完全な強度を保持することができる。制御システム118は、これらの異なる造形材料102の位置および温度を制御して、支持構造体113と物体112との間に本質的に脆い界面層を生成するように構成されていてもよい。したがって、本明細書には、一態様において、第1の過冷却液体領域を有する第1のバルク金属ガラスを使用して支持構造体の層を製作し、第1の過冷却液体領域よりも大きい最小温度および/または温度範囲を有する第2の過冷却液体領域を有する第2のバルク金属ガラスを使用して、支持構造体の層の上に物体の層を製作するプリンタが開示されている。
したがって、上述のように、いくつかの実施形態において、3Dプリンタ101は、第2のバルク金属ガラスを押し出す第2のノズル110を含むことができる。第2のノズル110はまた、ワックス、第1のノズルで使用される第1の材料とは異なる第2の金属、ポリマー、セラミック、または支持を提供するため、支持構造体への界面を脆弱化させるため、もしくはそうでなければ物体および関連する支持構造体に所望の特性を付与するためのいくつかの他の材料のような、任意の数の他の有用な材料を押し出すために使用されてもよい。制御システム118は、例えば、第1および第2のノズルを、同時に、互いに独立して、または何らかの他の適切な方法で作動させて、第1の材料、第2の材料、またはその両方を含む層を生成するように構成されていてもよい。
物体112は、本明細書で企図される技術を使用して製作するのに適した任意の物体とすることができる。これは、機械部品、彫刻のような美的物体、または任意の他のタイプの物体、並びにビルドチャンバ116およびビルドプレート114の物理的制約内に収まり得る物体の組合せを含むことができる。大きなブリッジやオーバーハングなどの構造物は、材料を堆積させることのできる物理的な表面がないため、FFFを使用して直接的に製作することはできない。この場合、支持構造体113は、対応する特徴を支持するために、好ましくは、可溶性材料または他の方法で容易に除去可能な材料で製作することができる。
ビルドプレート114は、ノズル110かた堆積する金属または他の材料を受け取るのに適した任意の表面または物質で形成することができる。ビルドプレート114の表面は、剛性であり、実質的に平面とすることができる。一態様において、ビルドプレート114は、ビルドチャンバ116の温度または物体112が製作されている表面を制御するために、例えば、抵抗的または誘導的に加熱されてもよい。これは、例えば、接着性を改善し、熱的に誘発される変形または破損を防止し、かつ製作される物体内の応力の緩和を促進することができる。他の態様において、ビルドプレート114は、その上に形成された剛性の物体112から取り外すために、曲がるか、または物理的に変形し得る変形可能な構造または表面であってもよい。ビルドプレート114はまた、物体112の内部オーム加熱のための回路パスを提供するか、または物体112とノズル110を出る造形材料102との間の界面を加熱する、電気接点を含むことができる。
ビルドプレート114は、例えば、位置決めアセンブリ(例えば、ノズル110を位置決めするのと同じロボット108または異なるロボット)によって、ビルドチャンバ116内を移動可能であってもよい。例えば、ビルドプレート114は、z軸に沿って(例えば、上下、すなわちノズル110に近接または離間する)移動可能であってもよく、x−y平面に沿って(例えば、横から横に、例えば、ツールパスを形成するパターンで、ノズル112の移動と連動して、物体112を製作するためのツールパスを形成するパターンで)、またはこれらのいくつかの組合せで移動可能であってもよい。一態様において、ビルドプレート114は回転可能である。
ビルドプレート114は、該ビルドプレート114の少なくとも一部の温度を維持または調整するための、温度制御システムを含んでいてもよい。温度制御システムは、ビルドプレート114内に、全体的または部分的に埋め込まれていてもよい。温度制御システムは、限定しないが、1つ以上の加熱器、冷却材、ファン、送風機などの1つ以上を含んでいてもよい。実施においては、金属プリント部分の誘導加熱によって温度を制御することができる。
一態様では、コーティング115が、ノズル110から押し出された造形材料102(および/または支持構造体113の支持材料)の作業温度範囲の下限より低い融解温度を有する材料で形成されたビルドプレート114上に提供され得る。このコーティング115は、例えば、ビルドプレート114のための冷却システム117で固体形態に冷却されてもよく、該冷却システムは、ペルチェ冷却、液体冷却、ガス冷却、もしくは任意の他の適切な技術または技術の組合せを用いて、加熱された造形材料がコーティング115上に堆積されるときに、該コーティング115を個体状態に維持することができる。特に、冷却システム117は、造形材料102から物体112をビルドプレート114上に製作している間に、コーティング115の材料を該コーティング115の融解温度よりも低い温度に維持するように構成されていてもよい。同様に、プリンタの加熱システム106は、製作が完了した後に、物体112をビルドプレート114から除去するために、具体的には、ビルドプレート114上のコーティング115の材料を該コーティング115の融解温度を超えて加熱するように構成された、ビルドプレート114用の加熱システム106を含んでいてもよい。これは、ビルドプレート114上のコーティング115の材料を、コーティングの融解温度を超えると同時に、物体112の製作に使用される造形材料102の作業温度範囲の下限よりも低い温度で加熱することによって、物体112を変形させることなく該物体112の除去を容易にすることができる。
金属造形材料と使用するのに適切なコーティング115は、例えば、ビスマスまたはインジウムを含むはんだ合金のような低温融解温度のはんだを含むことができる。他の態様において、コーティング115は、該コーティング115が物体112の表面に拡散しないように、または物体112の表面を汚染しないように、融解時に造形材料102と非反応性である材料で形成することができる。一般的に反応性の低い有用な合金としては、鉛と鉄の合金、アルミニウム合金を含む鉛、アルミニウム合金を含む錫、または造形材料102(または必要に応じて支持材料)の成分で飽和されて効果的に非混和性である任意の合金が含まれ得る。
一般に、ビルドチャンバ116は、ビルドプレート114およびノズル110を収容し、造形材料102からビルドプレート114上に物体112を製作するのに適した構築環境を維持する。造形材料102に適切である場合、ビルドチャンバは真空環境、酸素枯渇環境、加熱環境、および不活性ガス環境などを含むことができる。ビルドチャンバ116は、ビルドプレート114、物体112、および物体112を製作するためにビルドチャンバ116内で使用されるプリンタ101の任意の他の構成要素を収容するのに適した任意のチャンバとすることができる。
プリンタ101は、ビルドチャンバ116に接続されて該ビルドチャンバ116内に真空を生成するように動作可能な真空ポンプ124を含んでいでもよい。当該技術分野では、多くの適切な真空ポンプが知られており、本明細書で企図される真空ポンプ124として使用に適合させることができる。ビルドチャンバ116は、製作用の真空環境を提供するように真空ポンプ124または任意の同様の装置を使用して排気され得る、環境的にシールされたチャンバからものとすることができる。これは、酸素が、本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスにおいて層関結合を弱める可能性のある不動態化層を引き起こす場合に特に有用であり得る。ビルドチャンバ116は、ハーメチックシール、気密、または他の方法で環境的にシールされていてもよい。環境的にシールされたビルドチャンバ116は、安定した構築環境を提供するために、酸素をパージするか、または制御された方法で1つ以上の不活性ガスで充填することができる。したがって、例えば、ビルドチャンバ116は、アルゴンなどの1つ以上の不活性ガス、またはプリンタ101によって使用される加熱された金属造形材料102と大きく相互作用しない他のガスで実質的に充填されていてもよい。環境的シールは、例えば、構築容積内の加熱された構成要素から外部環境への過度の熱伝達およびその逆の熱伝達を防止するために、ヒートシールを含んでいてもよい。ビルドチャンバ116のシールは、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ116の加圧を容易にするために圧力シールを含むこともでき、例えば、周囲の酸素および他の雰囲気ガスなどによる浸透に抵抗する正の圧力を提供することができる。ビルドチャンバ116のシールを維持するために、例えば、造形材料供給、電子機器などのためのビルドチャンバ116内の任意の開口は、適切に対応する真空シールなどを含むことができる。
いくつかの実施形態において、酸素ゲッタなどの環境制御要素を支持構造材料内に含めて、酸素または他のガスの局所的な除去を提供することができる。適切な構築環境を維持するために外部換気が必要な場合には、ビルドチャンバ116を出るガスをフィルタリングするために、炭フィルタのようなエアフィルタを有効に使用することができる。
1つ以上のパッシブまたはアクティブ酸素ゲッタ126または他の同様の酸素吸収材料またはシステムを、遊離酸素を取り込むためにビルドチャンバ116内で有効に使用することができる。酸素ゲッタ126は、例えば、ビルドチャンバ116の内部表面を被覆する反応性材料の堆積物、または残留ガス分子と結合するか該残留ガス分子を吸収することによって真空を改善または維持するビルドチャンバ116内に配置された個別の物体を含むことができる。一態様において、酸素ゲッタ126は、例えば、チタン、アルミニウムなどに基づく材料を含む酸素と選択的に反応する様々な材料のいずれかを含むことができる。他の態様において、酸素ゲッタ126は、可燃性ガス、ガストーチ、触媒ヒータ、ブンゼンバーナ、または環境から酸素を抽出するために反応する他の化学源および/または燃焼源などの化学エネルギー源を含むことができる。潜在的に有害なCOを排出することなくこの目的のために適切に使用され得る、様々な低COおよびNOx触媒バーナが存在する。酸素ゲッタ126は、同様にまたは代わりに、酸素フィルタ、電気化学的酸素ポンプ、カバーガス供給源、空気循環装置などを含んでいてもよい。したがって、実施形態において、ビルドチャンバ116を酸素でパージする手段には、ビルドチャンバ116に不活性ガスを供給すること、ビルドチャンバ116内に酸素ゲッタ126を配置すること、ビルドチャンバ116に電気化学的酸素ポンプを適用すること、ビルドチャンバ116内の空気を酸素フィルタ(例えば、多孔質セラミックフィルタ)を介して循環させること、の1つ以上が含まれる。
一態様において、酸素ゲッタ126は、またはより一般的に、ガスゲッタは、ノズル110の1つを使用する支持材料として堆積されてもよく、これにより、ガスゲッタがそれぞれ新しい製作工程で交換され易くなり、また、製作された物体上に新しい材料が堆積されている場合に、プリント媒体近傍のガスゲッタを有利に位置決めして、不動態化ガスをより局所的に除去することができる。酸素ゲッタ126は、同様にまたは代わりに、構築プロセス中に、個別の材料として堆積されてもよい。したがって、本明細書に開示される金属から3D物体を製作するため方法は、一態様において、3D物体の周りの不動態化ガスを除去するための薬剤を含む物理的に近接した構造を共同製作することを含む。ビルドチャンバ116内の環境の反応性を制御するために、他の技術を同様に使用することができる。例えば、酸化を防止するために、ビルドチャンバ116に不活性ガスなどを充填してもよい。
ビルドチャンバ116は、ビルドチャンバ116の容積(例えば、構築容積)の少なくとも一部の温度を維持または調整するための、温度制御システム128を含んでいてもよい。温度制御システム128は、限定しないが、1つ以上の加熱器、冷却剤、ファン、送風機などの1つ以上を含んでいてもよい。温度制御システム128は、ビルドチャンバ116内の所望の熱を伝達するための熱交換媒体として流体などを使用することができる温度制御システム128は、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ116内の空気を移動させて、該ビルドチャンバ116内の温度を制御し、該ビルドチャンバ116内により均一な温度を提供し、または、該ビルドチャンバ116内で熱を伝達することができる。
温度制御システム128、または本明細書に記載される任意の温度制御システム(例えば、加熱システム106の温度制御システムまたはビルドプレート114の温度制御システム)は、電流を熱に変換する抵抗素子などの1つ以上の能動素子、印加電流に応じて加熱または冷却するペルチェ効果装置、または他の熱電加熱および/または冷却装置を含むことができる。したがって、本明細書に記載する温度制御システムは、プリンタ101の構成要素に能動的な加熱を提供する加熱器、プリンタ101の構成要素に能動的な冷却を提供する冷却要素、またはそれらの組合せを含むことができる。温度制御システムは、制御システム118と通信関係で接続されていてもよいが、これは、制御システム118が、プリンタ101の構成要素への熱の適用または熱の除去を制御するためである。したがって、温度制御システムは128、プリンタ101の構成要素を制御可能に冷却するために、プリンタ101の構成要素の内部または近傍に配置された、能動的な冷却要素を含むことができる。他の態様において、温度制御システム128は、製作された物体および/または支持構造体をビルドプレート114に制御可能に固定および解放するために、低融解温度のはんだまたはビルドプレート114上のコーティングを制御可能に融解および凝固させるのに適した、加熱および冷却システムの任意の組合せを含んでいてもよい。プリンタ101の構成要素の温度を制御するために、様々な他の技術を用いることができることが理解されよう。例えば、温度制御システムは、その内部に真空チャンバなどのガス冷却装置またはガス加熱装置を使用してもよく、この装置は、急激に加圧されてプリンタ101の構成要素を加熱したり、空にされてプリンタ101の構成要素を所望のとおりに冷却したりすることができる。他の例として、加熱ガスまたは冷却ガス流は、構築プロセスの前、最中、および/または後に、プリンタ101の構成要素に直接的に適用され得る。プリンタ101の構成要素の温度を制御するのに適した装置または装置の組合せは、本明細書に記載される温度制御システムとしての使用に適合され得る。
ビルドチャンバ116のための温度制御システム128、加熱システム106の温度制御システム、ビルドプレート114の温度制御システムは、単一の温度制御システム内に含まれてもよく(例えば、制御システム118の一部として含まれるか、そうでない場合、制御システム118と通信している)、または、これらは個別の独立した温度制御システムであってもよい。このようにして、例えば、加熱されたビルドプレートまたは加熱されたノズルは、ビルドチャンバ116の加熱に寄与し、ビルドチャンバ116のための温度制御システム128の構成要素を形成し得る。
ビルドチャンバ116は、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ116の容積の少なくとも一部における圧力を維持または調整するための、圧力制御システムを含むことができ、例えば、周囲圧力に対して圧力を増加させて加圧されたビルドチャンバ116を提供すること、または周囲圧力に対して圧力を減少させて真空のビルドチャンバ116を提供することによって達成され得る。上述したように、真空のビルドチャンバ116は、酸素ゲッタまたは他の機構を有用に組み込んで、ビルドチャンバ116からガスを枯渇させるのを助けることができる。同様に、加圧されたビルドチャンバ116が使用される場合、ビルドチャンバ116は、製造のための制御された環境を提供するために、不活性ガス等で満たされて加圧されていてもよい。
金属から製作された物体は、比較的重く扱いにくい場合がある。この問題に対処するために、はさみテーブルまたは他の持ち上げ機構を設けて、製作された物体をビルドチャンバ116から持ち上げることができる。特に、ビルドチャンバ116が高度に加熱され、加圧され、もしくは減圧された環境を維持している場合、または周囲環境への直接的な暴露と一般的に両立しない他の処理環境では、プリントされた物体をビルドチャンバ116から移送するために、中間チャンバを有用に使用することができる。
一般に、制御システム118は、プリンタ101の動作を制御するように構成されたコントローラなどを含むことができる。制御システム118は、ノズル110、ビルドプレート114、ロボティクス108、様々な温度および圧力制御システム、ならびに本明細書に記載される付加製造システム100の任意の他の構成要素などの、付加製造システム100の構成要素を制御するために動作することができ、3Dモデル122または物体112を記述する任意の他のコンピュータ化されたモデルに基づいて、造形材料102から物体112を製作することができる。制御システム118は、本明細書に記載される付加製造システム100の様々な構成要素を制御するのに適したソフトウェアおよび/または処理回路の任意の組合せを含むことができ、これには、限定しないが、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ、および任意の他のデジタルおよび/またはアナログ構成要素、ならびに制御信号、駆動信号、電力信号、センサ信号などを送受信するための入力および出力とともに、前述のものの組合せが含まれる。一態様において、制御システム118は、オペレーティングシステムの実行、(例えば、制御システム118またはプリンタ101に接続されたディスプレイへの)グラフィカルユーザインタフェースの提供、3Dモデル122のツール命令への変換、並びにウェブサーバの操作またはネットワーク160を介した通信のためのネットワーインタフェース162を介したリモートユーザおよび/もしくはアクティビティのホストなどの、関連する機能を提供するのに十分な計算能力を有するマイクロプロセッサまたは他の処理回路を含むことができる。
制御システム118は、プロセッサおよびメモリ、ならびに任意の他のコプロセッサ、信号プロセッサ、入力および出力、デジタル−アナログまたはアナログ−デジタル変換器、および、例えば、プリンタ101の動作を制御する命令を提供することによって、プリンタ101上で実行される製作プロセスを制御および/または監視するのに有用な他の処理回路を含むことができる。この目的のために、制御システム118は、造形材料102、駆動システム104、加熱システム106、ノズル110、ビルドプレート114、ロボティクス108、および温度センサ、圧力センサ、酸素センサ、真空ポンプなどの、構築プロセスに関連する任意の他の計装または制御コンポーネントと、通信関係で接続されていてもよい。
制御システム118は、プリンタ101による実行のための機械対応コードを生成して、3Dモデル122から物体112を製作することができる。他の態様において、機械対応コードは、3Dモデル122に基づいて独立したコンピューティングデバイス164によって生成され、ネットワーク160を介して制御システム118と通信されてもよい。ネットワーク160には、ローカルエリアネットワーク、またはインターネットなどのインターネットワークが含まれ、制御システム118は、機械対応コードを解釈し、プリンタ101の構成要素に対応する制御信号を生成することができる。制御システム118は、得られる物理的物体を構造的または審美的に改善するための多数の戦略を展開することができる。例えば、制御システム118は、ノズル110が、堆積された材料の既存の層上で実行される場合、例えば、材料を平坦化するため、パッシベーション層を除去するため、または次の層の材料および/もしくは形状のために現在の層を準備して該材料を最終形状にトリミングするために、耕耘技術、アイロン技術、平削り技術、または同様の技術を使用してもよい。ノズル110は、この耕耘処理を容易にするために非粘着性の表面を含むことができ、また、平滑化効果を改善するためにノズル110を(超音波トランスデューサを使用して)加熱および/または振動させてもよい。一態様において、これらの表面準備ステップは、3Dモデルから導出されるgコードのような、当初に生成される機械準備コードに組み込まれて、製作中にプリンタ101を動作させるために使用され得る。他の態様において、プリンタ101は、堆積された層を動的に監視し、層単位で、追加の表面準備をすることが物体112を正常に完成させるために必要であるか、または有用であるかを決定することができる。このように、一態様において、本明細書に開示されるプリンタ101では、金属FFFプロセスを監視し、金属材料の先の層が追加の金属材料を受け入れに不適切である場合に、加熱されるか振動する非粘着ノズルで表面準備ステップを展開する。
プリンタ101は、ノズル110の圧力または流量を測定することができ、制御システム118は、プロセスフィードバック信号として対応する信号を使用することができる。金属造形においては温度が重要な物理量であり得るが、金属FFFプロセスの間に、フィードパス全体の金属の温度を正確に測定することは難しい場合がある。しかしながら、温度は、造形材料102の粘度によって推定されることが多く、この粘度は、フィードパスに沿って材料を駆動するためにどの程度の作業が行われているのかに基づいて容易に測定することができる。したがって、一態様では、本明細書で開示されるプリンタ101では、駆動システム104などによって金属造形材料に加えられる力を測定し、当該力(例えば、瞬時力)に基づいて造形材料102の温度を推定し、それに応じて加熱システム106を制御して温度を調整する。上述したように、制御システム118は、同様にまたは代わりに、加熱システム106から造形材料102への熱伝達を制御するための手段として押出速度を調整することもできる。
他の態様において、制御システム118は、支持材料と物体112との間の物理的界面を改変するために、堆積パラメータを制御することができる。支持構造体113は、典型的には、物体112の造形材料とは異なる材料、例えば、可溶性材料または柔らかいかより脆弱な材料から形成されているが、バルク金属ガラスの特性を改変して、同じプリント媒体を用いって同様に有用な結果を達成することができる。例えば、ノズル110によって加えられる圧力、液化温度、または任意の他の温度に関連するプロセスパラメータは、バルク金属ガラスの機械的特性を変化させるために、支持構造体113全体にわたって、または特には物体112と支持構造体113との間の界面で制御されてもよい。より具体的な例としては、融解および/または結晶化を引き起こすために融点付近またはそれを超える温度で層を製作することにより、界面でより脆い構造をもたらすことができる。したがって、一態様において、本明細書では、バルク金属ガラスを含む造形材料102から支持構造体113を製作するステップと、造形材料102の結晶化を誘発するのに十分な温度で支持構造体113の最上層(または物体112の最下層)を製作するステップと、ガラス転移温度と融解温度との間の温度で、支持構造体113の最上層上に物体112の底層を製作するステップと、を含む、物体112の製作技術が開示されている。他の態様では、不動態化層を誘導して、層間の酸化を許容または促進するなどして、支持層と物体層との間の結合の強度を低下させることができる。
一般に、3Dモデル122または物体112の他のコンピュータ化されたモデルは、制御システム118として使用されるコンピューティングデバイスのローカルメモリなどデータベース120、またはサーバもしくは他のリモート源を介してアクセス可能なリモートデータベース、または制御システム118にアクセス可能な任意の他のコンピュータ可読媒体に格納することができる。制御システム118は、ユーザ入力に応答して特定の3Dモデル122を検索し、対応する物体112を製作するように、プリンタ101による実行のための機械準備命令を生成することができる。これには、CADモデルがSTLモデル、または他の多角形メッシュもしくは他の中間表現に変換される場合などの中間モデルの作成が含まれ、次に、中間モデルは、プリンタ101によって物体112を製作するためのgコードのような機械命令を生成するように処理され得る。
動作において、物体112の付加製造を準備するために、物体112の設計を、最初にコンピューティングデバイス164に提供することができる。この設計は、CADファイルなどに含まれる3Dモデル122であってもよい。コンピューティングデバイス164は、一般に、自律的に動作する任意のデバイス、またはユーザによって管理し、監視し、通信するように動作する任意のデバイス、または付加製造システム100内の他の構成要素と相互作用する任意のデバイスを含むことができる。これには、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットワークコンピュータ、タブレット、スマートフォン、スマートウォッチ、または本明細書で企図されるようなシステムに加えられる任意の他のコンピューティングデバイスが含まれる。一態様において、コンピューティングデバイス164は、プリンタ101と一体である。
コンピューティングデバイス164は、本明細書に記載されるような制御システム118または制御システム118のコンポーネントを含むことができる。コンピューティングデバイス164は、同様にまたは代わりに、制御システム118の代わりに設けられていてもよい。したがって、それとは反対のことが明示的に述べられている場合または文脈から明らかである場合を除いて、コンピューティングデバイス164の任意の機能は、制御システム118によって実行することができ、またその反対も同様である。他の態様において、コンピューティングデバイス164は、例えば、ネットワーク160を介して、制御システム118と通信しているか、または制御システム118と接続しており、ネットワーク160は、コンピューティングデバイス164をプリンタ101の制御システム118にローカル接続するローカルエリアネットワークであってもよいし、制御システム118と通信関係にあるコンピューティングデバイス164をリモート接続するインターネットのようなインターネットワークであってもよい。
コンピューティングデバイス164(および制御システム118)は、本明細書に記載されるような付加製造システム100の管理に関連する機能および処理タスクを実行するための、プロセッサ166およびメモリ168を含むことができる。一般に、メモリ168は、本明細書に記載される様々なステップを実行するためにプロセッサ166によって実行され得るコンピュータコードを含むことができ、メモリは、センサデータのような付加製造システム100の他のコンポーネントによって生成されたデータをさらに格納することができる。
1つ以上お超音波トランスデューサ130または同様の振動コンポーネントは、プリンタ101内の様々な場所に有効に配置されてもよい。例えば、振動トランスデューサを用いて、ペレット、粒子、または他の同様の媒体を造形材料102のホッパから駆動システム104に分配するときにそれを振動させることができる。駆動システム104がスクリュー駆動または同様の機構を含む場合、このような超音波撹拌は、妨害または一貫性のない供給を防止するので、ペレットをより均一に分配することができる。
他の態様では、超音波トランスデューサ130を使用して、加熱されたバルク金属ガラスなどの比較的高粘度の金属媒体を、ノズル110の高温端の加圧型ダイを通して変形させて押し出すように促すことができる。ノズル110内の結果として生じる振動を分離するために、ノズル110と他の部品との間に、1つ以上のダンパー、機械的デカップラなどを含めることができる。
製作中、その後の使用および分析のために、詳細なデータを収集することができる。これには、例えば、オブジェクト112の各層に生じるエラー、変動などを識別するセンサおよびコンピュータビジョンシステムからのデータを含むことができる。同様に、断層撮影法などを使用して、層間の界面の検出および測定、部品寸法の集約などを行うことができる。このデータは、例えば、エンドユーザが変動および欠陥などが物体112の使用にどのように影響を及ぼすかを評価できるように、物体112のデジタルツイン140として、エンドユーザに物体とともに集められてもよい。空間/幾何学的解析に加えて、デジタルツイン140は、例えば、使用される材料の重量、プリントの時間、ビルドチャンバ温度の分散などの集計統計情報、および任意の体積堆積速度、材料温度、環境温度などの関心のある任意のプロセスパラメータ時系列ログなどを含む、プロセスパラメータを記録することができる。
デジタルツイン140はまた、例えば、完成した物体112内のボクセル・バイ・ボクセルまたは他の体積基準で、造形材料102の熱履歴を有効に記録することができる。したがって、一態様において、デジタルツイン140は、物体112に組み込まれている造形材料の熱履歴の空間的時間マップを格納することができ、これは、例えば、物体112内のバルク金属ガラスの結晶化状態を推測し、適切な場合には製作中に修復作用を開始させるためにしようすることができる。制御システム118は、製作中にこの情報を使用することができ、また、熱履歴の空間的時間マップに従って、製作中に、溶融フィラメント製作システムなどの熱パラメータを調整するように構成されていてもよい。例えば、制御システム118は、バルク金属ガラスが結晶化に近づいているビルドチャンバを有用に冷却するか、または押出温度を低下させることができる。
プリンタ101は、カメラ150または他の光学デバイスを含んでいてもよい。一態様において、カメラ150を使用して、デジタルツイン140を作製するか、またはデジタルツイン140の空間データを提供することができる。カメラ150は、より一般的に、機械ビジョン機能を容易にすることができ、または製作プロセスの遠隔監視を容易にすることができる。カメラ150からのビデオまたは静止画は、同様にまたは代わりに、プリントプロセスを動的に修正するために、または、例えば、実際のプリンタ出力が予期された出力から逸脱している場合などに、自動調整または手動調整をどこでどのように行うべきかを視覚化するために使用されてもよい。カメラ150は、動作前にノズル110および/またはビルドプレート114の位置を確認するために使用することができる。一般に、カメラ150は、例えば、カメラ150がチャンバ壁内に形成された観察窓と位置合わせされている場合、ビルドチャンバ116内に配置されていてもよく、またはブル度チャンバ116の外部に配置されていてもよい。
付加製造システム100は、1つ以上のセンサ170を含むことができる。センサ170は、例えば、有線または無線接続(例えば、データネットワーク160を介して)、を介して、制御システム118と通信することができる。センタ170は、物体112の製作の進行を検出し、信号が物体112の製作の進行を特徴づけるデータを含む場合に、制御システム118に信号を送信するように構成されていてもよい。制御システム118は、信号を受信し、物体112の製作の検出された進行に応じて、付加製造システム100の少なくとも1つのパラメータを調整するように構成されていてもよい。
1つ以上のセンサ170は、限定しないが、接触プロフィルメータ、非接触プロフィルメータ、光学センサ、レーザ、温度センサ、動作センサ、画像デバイス、カメラ、エンコーダ、赤外線検出器、体積流量センサ、重量センサ、音センサ、光センサ、物体の有無を検出するセンサなどが含まれ得る。
本明細書で論じるように、制御システム118は、センサ170に応じて付加製造システム100のパラメータを調整することができる。調整されたパラメータには、造形材料102の温度、ビルドチャンバ116(または、ビルドチャンバ116の体積の一部)の温度、およびビルドプレート114の温度が含まれ得る。パラメータは、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ116内の大気圧のような圧力を含んでいてもよい。パラメータは、同様にまたは代わりに、造形材料と混合するための添加剤(強化添加剤、着色剤、脆化材料など)の量または濃度を含んでいてもよい。
いくつかの実施形態において、制御システム118は、(1つ以上のセンサ170とともに)付加製造システム100で使用される造形材料102を識別し、次いで、造形材料102の識別に基づいて、付加製造システム100のパラメータを調整することができる。例えば、制御システム118は、造形材料102の温度、ノズル110の作動、ロボティクス108を介して1つ以上のビルドプレート114およびノズル110の位置、造形材料102の体積流量などを調整することができる。
そのような実施形態のいくつかでは、ノズル110は、造形材料102の導電率、造形材料102のタイプ、ノズル110の出口の直径、駆動システム104によって押し出される造形材料102に作用する力、加熱システム106の温度、または任意の他の有用な情報のような、感知された条件または状態を示す信号を制御システム118に送信するようにさらに構成されている。制御システム118は、任意のそのような信号を受信し、それに応答して構築プロセスの態様を制御することができる。
一態様において、1つ以上のセンサ170は、造形材料102の温度を容積測定するように構成されたセンサシステムを含むことができる。すなわち、押出前、押出中、押出後、またはこれらの組合せにおいて、造形材料102の容積内で、特定の位置における温度を取得することができる。これは、任意の接触または非接触温度測定技術に基づいて、利用可能な場合には表面測定を含むことができる。これは、同様にまたは代わりに、フィードパスに沿って、完成した物体内の異なる地点において、造形材料102の内部の温度を推定することを含むことができる。この累積された情報を使用して、完成した物体112内の造形材料の各ボクセルの経時的な温度を含む熱履歴を生成することができ、これらのすべては、以下に説明するデジタルツイン140に記憶され、熱パラメータのインプロセス制御、または物体112の後処置レビューおよび分析に使用され得る。
付加製造システム100は、ネットワークインタフェース162を含むか、またはネットワークインタフェース162と通信関係で接続されていてもよい。ネットワークインタフェース162は、データネットワーク160を介してリモートコンピュータ(例えば、コンピューティングデバイス164)との通信関係で、制御システム118と付加製造システム100の他のコンポーネントとを接続するのに適した、ハードウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを含むことができる。限定ではなく一例として、これは、IEEE802.11標準(またはその任意の変形)、または任意の他の短距離または聴許地無線ネットワークコンポ−粘度などに基づいて動作する、有線または無線のイーサネット接続のための電子回路を含むことができる。これは、ブルートゥースまたは赤外線トランシーバのような短距離データ通信のためのハードウェアを含むことができ、これは、インターネットなどの広域データネットワークに接続されているローカルエリアネットワークなどに接続するために使用することができる。これは、同様にまたは代わりに、WiMAX接続またはセルラーネットワーク接続(例えば、CDMA、GSM、LTEまたは任意の他の適切なプロトコルもしくはプロトコルの組合せ)のためのハードウェア/ソフトウェアを含むことができる。一貫して、制御システム118は、ネットワーク160に自律的に接続してプリント可能なコンテンツを検索したり、またはプリンタ101のステータスまたは利用可能性の遠隔要求に応答したりするなどして、ネットワークインタフェース162が接続されている任意のネットワーク160内の付加製造システム100による参加を制御するように構成されていてもよい。
他の有用な特徴を、上述のプリンタ101に統合させることができる。例えば、プリンタ101は、溶媒源およびアプリケータを含み、溶媒(または、他の材料)は、例えば表面特性を改質するために、製作中に物体112の特定の表面(例えばプリンタ1010によって制御される)に適用されてもよい。添加される材料は、例えば、所望の電気的、熱的、光学的、機械的または審美的特性を提供するために、特定の位置または特定の領域で物体112の表面を意図的に酸化させることや、改質することができる。この機能は、テキストやグラフィックスなどの美的機能を提供するため、またはRF信号を受信するためのウィンドウなどの機能的特徴を適用するために使用することができる。これはまた、分離をサポートするための剥離層を適用するために使用することもできる。
プリントプロセスの完了時に、および/または、重い媒体を挿入するために、プリントされた物体112をビルドチャンバ116から回収するためのコンポーネントハンドリングデバイスを含めることができる。コンポーネントハンドリングデバイスは、プリントされた物体112を上昇させるためのはさみテーブルのような気候を含むことができる。コンポーネントハンドリングデバイスの持ち上げ力は、空気式もしくは油圧式のレバーシステムまたは任意の他の適切な機械システムを介して生成され得る。
いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイス164または制御システム118は、製作中に物体112の一部を支持する支持構造体113を識別または作成することができる。一般に、支持構造体113は、製作の完了後に除去される犠牲構造である。いくつかのこのような実施形態において、コンピューティングデバイス164は、製作されている物体112、当該物体112を製作するために使用される材料、およびユーザ入力などの要因に基づいて、支持構造体113を製造する技術を識別することができる。支持構造体113は、高温ポリマーまたは造形材料102に弱性の結合を形成する他の材料から製作することができる。他の態様において、支持構造体113と物体112との間の界面を操作して層間結合を弱め、分離する支持体の製作を容易にすることができる。
図2は、本明細書に記載のコンピューティングデバイス、制御システム、または他の処理回路のいずれかに使用することができるコンピュータシステムのブロック図である。コンピュータシステム200は、コンピューティングデバイス210を含み、該コンピューティングデバイスは、ネットワーク202を介して外部デバイス204に接続されている。コンピューティングデバイス210は、本明細書に記載されるコントローラのいずれかを含むことができ(または、逆も同様である)、そうでなければ本明細書に記載されるコントローラまたは他のデバイスのいずれかと通信することができる。例えば、コンピューティングデバイス210は、デスクトップコンピュータワークステーションを含むことができる。コンピューティングデバイス210は、同様にまたは代わりに、プロセッサまたは同様の処理回路を有し、ネットワーク202上で通信する任意のデバイスとすることができ、限定しないが、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント、タブレット、携帯電話、テレビ、セットトップボックス、ウェアラブルコンピュータなどが含まれる。コンピューティングデバイス210は、同様にまたは代わりに、サーバを含むか、または、サーバ上に配置されていてもよい。
コンピューティングデバイス210は、本明細書に記載されるデバイスおよびシステムのいずれかのために、または本明細書に記載される任意の方法のステップを実行するために使用することができる。例えば、コンピューティングデバイス210は、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する際にプリンタの動作を制御する、コンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラを含むことができる。特定の態様において、コンピューティングデバイス210は、(例えば、デスクトップコンピュータ内の)ハードウェア、(例えば、仮想マシン内の)ソフトウェア、またはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせを使用して実装されてもよい。コンピューティングデバイス210は、スタンドアロンデバイス、他のエンティティまたはデバイスに統合されたデバイス、複数のエンティティに分散されたプラットフォーム、または仮想化環境で実行される仮想化デバイスであってもよい。一例として、コンピューティングデバイス210は、3Dプリンタまたは3Dプリンタのコンロトローラに統合されていてもよいし、3Dプリンタから独立して動作して、プリント可能なコンテンツを配信し、様々な方法でプリント操作を遠隔制御または編成してもよい。
ネットワーク202は、コンピュータシステム200の参加者間でデータおよび制御情報を通信するのに適した任意のデータネットワークまたはインターネットワークを含み得る。これには、インターネットのようなパブリックネットワーク、プライベートネットワーク、および公衆交換電話網のような電気通信ネットワーク、または第3世代セルラー技術(例えば、3GまたはIMT−2000)、第4世代セルラー技術(4G、LTE、MT−Advanced、E−UTRAなど)、もしくはWiMAX−Advanced(IEEE 102.16m)を使用するセルラーネットワーク、および/または、他の技術ならびに様々な企業エリアネットワーク、都市エリアネットワーク、キャンパスネットワークもしくは他のローカルエリアネットワークもしくはエンタープライズネットワークのいずれかが含まれ、コンピュータシステム200内の参加者間でデータをキャリーするために使用され得る、任意のスイッチ、ルータ、ハブ、ゲートウェイなどと一緒になっている。ネットワーク202はまた、データネットワークの組合せを含むことができ、単一のパブリックまたはプライベートネットワークに限定される必要はない。
外部デバイス204は、ネットワーク202を介してコンピューティングデバイス210に接続する任意のコンピュータまたは他のリモートリソースであってもよい。これは、プリント管理リソース用のプラットフォーム、ゲートウェイもしくは他のネットワークデバイス、コンピューティングデバイス210によって要求されるコンテンツを含むリモートサーバなど、ネットワークストレージデバイスまたはリソース、プリントコンテンツをホストするデバイス、またはネットワーク202を介してコンピューティングデバイス210に接続し得る任意の他のリソースもしくはデバイスを含むことができる。
コンピューティングデバイス210は、プロセッサ212、メモリ214、ネットワークインタフェース216、データストア218、および1つ以上の入力/出力デバイス220を含むことができる。コンピューティングデバイス210は、周辺機器222および他の外部入力/出力デバイス224をさらに含むことができ、またはそれらと通信することができる。
プロセッサ212は、本明細書に記載される任意のプロセッサまたは他の処理回路とすることができ、一般に、コンピュータデバイス210内の命令を実行するか、または他の方法でデータを処理するように構成されていてもよい。プロセッサ212は、シンプルスレッドプロセッサ、マルチスレッドプロセッサ、もしくは任意の他のプロセッサ、またはプロセッサの組合せを含むことができる。プロセッサ212は、メモリ214またはデータストア218に格納された命令を処理することができる。
メモリ214は、コンピューティングデバイス210またはコンピュータシステム200内に上方を格納することができる。メモリ214は、任意の揮発性もしくは不揮発性メモリまたは他のコンピュータ可読媒体を含むことができ、限定しないが、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ(ROM)、プログラム可能リードオンリーメモリ(PROM)、消去型PROM(EPROM)、レジスタなどが含まれる。メモリ214は、コンピューティングデバイス200の動作を制御し、ユーザのための機能を実行するようにコンピューティングデバイス200を構成するために有用な、プログラム命令、プリント命令、デジタルモデル、プログラムデータ、実行可能ファイル、および他のソフトウェアおよびデータを格納することができる。メモリ214は、コンピューティングデバイス210の動作の様々な態様のための多数の異なるステージおよびタイプを含むことができる。例えば、プロセッサは、特定のデータまたは命令へのより高速なアクセスを可能にするオンボードメモリおよび/またはキャッシュを含むことができ、個別のメインメモリなどを含めることによって、必要に応じでメモリ容量を拡張することができる。単一のメモリ214が示されているが、任意の数のメモリがコンピューティングデバイス210に行こうに組み込まれ得ることが理解されよう。
ネットワークインタフェース216は、ネットワーク202を介して、他のリソースと通信関係でコンピューティングデバイス210を接続するための任意のハードウェアおよび/またはソフトウェアを含むことができる。これは、例えば、インターネットを介してアクセス可能なリモートリソースと同様に、例えば、物理的接続(例えば、イーサネット、USB、シリアル接続など)、無線周波数通信(例えば、Wi−Fi)、光通信(例えば、光ファイバ、赤外線など)、超音波通信、もしくはこれらの任意の組合せを用いた短距離通信プロトコルを使用して利用可能なローカルリソース、またはコンピューティングデバイス210と他のデバイスとの間でデータをキャリーするために使用される他の媒体を含むことができる。ネットワークインタフェース216は、例えば、ルータ、モデム、ネットワークカード、赤外線トランシーバ、無線周波数(RF)トランシーバ、近距離通信インタフェース、無線周波数識別(RFID)タグリーダ、または任意の他のデータ読み取りまたは書き込みリソースなどを含むことができる。
より一般に、ネットワークインタフェース216は、コンピューティングデバイス210のコンポーネントを他のコンピューティングリソースまたは通信リソースに接続するのに適したハードウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを含むことができる。これに限定されないが、例えば、IEEE 102.11規格(または、その任意の変形)、または任意の他の短距離または長距離無線ネットワークコンポーネントなどに従って動作する、有線または無線イーサネット接続用の電子機器を含むことができる。これは、ブルートゥースまたは赤外線トランシーバのような短距離データ通信のためのハードウェアを含むことができ、該ハードウェアは、他のローカルデバイスに接続するように、またはインターネットなどのデータネットワーク202に接続されているローカルエリアネットワークなどに接続するように使用されてもよい。これは、同様にまたは代わりに、WiMAX接続またはセルラーネットワーク接続(例えば、CDMA、GSM、LTE、または任意の他の適切なプロトコルもしくはプロトコルの組合せを使用する)のためのハードウェア/ソフトウェアを含んでいてもよい。ネットワークインタフェース216は、入力/出力デバイス220の一部として含まれていてもよく、またはその逆であってもよい。
データストア218は、ディスクドライブ、光ドライブ、磁気ドライブ、フラッシュドライブ、またはコンピューティングデバイス210に大容量ストレージを提供することができる他のデバイスなどの、コンピュータ可読媒体を提供する任意の内部メモリストアであってもよい。データストア218は、コンピューティングデバイス210またはコンピュータシステム200のための、コンピュータ可読命令、データ構造、デジタルモデル、プリント命令、プログラムモジュールおよび他のデータを、その後の検索および使用のための不揮発形式で格納することができる。例えば、データストア218は、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、プログラムデータ、データベース、ファイル、および他のプログラムモジュールまたは他のソフトウェアオブジェクトなどの1つ以上を制限なく格納することができる。
入力/出力インタフェース220は、コンピューティングデバイス210に接続し得る他のデバイスとの間の入力/出力をサポートすることができる。これは、例えば、シリアルポート(例えば、RS−232ポート)、ユニバーサルシリアルバス(USB)、光ポート、イーサネットポート、電話ポート、オーディオジャック、コンポーネントオーディオ/ビデオ入力、HDMIポートなどを含むことができ、これらのいずれもが、他のローカルデバイスとの有線接続を形成するために使用され得る。これは、同様にまたは代わりに、赤外線インタフェース、RFインタフェース、磁気カードリーダ、または他のローカルデバイスとの通信関係で接続するための他の入力/出力システムを含むことができる。ネットワーク通信用のネットワークインタフェース216は、ローカルデバイス通信用の入力/出力インタフェース220とは別に記載されているが、これらの2つのインタフェースは同じであってもよく、USBポートを使用してWi−Fiアクセサリに接続する場所や、ローカルネットワークに接続されたストレージに接続するためにイーサネット接続を使用する場所などの機能を共有してもよい。
周辺機器222は、コンピューティングデバイス200に情報を提供するか、またはコンピューティングデバイス200から情報を受信するために使用される任意のデバイスを含み得る。これには、キーボード、マウス、マウスパッド、トラックボール、ジョイスティック、マイク、フットペダル、カメラ、タッチスクリーン、スキャナ、またはコンピューティングデバイス210に入力を提供するためにユーザ230によって使用され得る他のデバイスのような、人間による入力/出力(I/O)デバイスが含まれ得る。これは、同様にまたは代わりに、ディスプレイ、スピーカ、プリンタ、プロジェクタ、ヘッドセット、またはユーザに情報を提示するための任意の他のオーディオビジュアルデバイスを含むことができる。周辺機器222は、同様にまたは代わりに、デジタル信号処理デバイス、アクチュエータ、または他のデバイスまたはコンポーネントへの制御または通信をサポートするための他のデバイスを含むことができる。周辺機器222としての使用に適した他のI/Oデバイスには、触感デバイス、3Dレンダリングシステム、拡張現実ディスプレイ、磁気カードリーダ、ユーザインタフェースなどが含まれる。一態様において、周辺機器222は、例えば、短距離通信プロトコル(例えば、Bluetooth、Wi−Fi、赤外線、RFなど)または長距離通信プロトコル(例えば、セルラーデータまたはWiMAX)を介して通信を提供するように構成されたUSBデバイスなどを用いて、ネットワークインタフェース216として機能することができる。他の態様において、周辺機器222は、全地球測位システム(GPS)デバイス、セキュリティドングルなどのコンピューティングデバイス210の動作を補強するデバイスを提供することができる。他の態様において、周辺機器は、フラッシュカード、USBドライブ、または他のソリッドステートデバイス、または光学ドライブ、磁気ドライブ、ディスクドライブ、またはバルクストレージに適した他のデバイスまたはデバイスの組合せなどのストレージデバイスであってもよい。より一般に、コンピューティングデバイス200と共に使用するのに適した任意のデバイスまたはデバイスの組合せを、本明細書で意図される周辺機器222として使用することができる。
コプロセッサ、デジタル信号処理システム、数値演算コプロセッサ、グラフィックスエンジン、ビデオドライバなどのような他のハードウェア226が、コンピューティングデバイス200に組み込まれていてもよい。他のハードウェア226は、同様にまたは代わりに、拡張された入力/出力ポート、増設メモリ、追加のドライブ(例えば、DVDドライバまたは他のアクセサリ)などを含んでいてもよい。
バス232またはバスの組合せは、プロセッサ、メモリ214、ネットワークインタフェース216、データストア128および入力/出力インタフェースなどのコンピューティングデバイス200のコンポーネントを相互接続するための電気機械的プラットフォームをして機能することができる。図示するように、コンピューティングデバイス210のコンポーネントの各々は、システムバス232または情報を通信するための他の通信メカニズムを使用して相互接続されていてもよい。
本明細書に記載される方法およびシステムは、コンピュータシステム200のプロセッサ212を使用して、所定のタスクを実行するためにメモリ214に含まれる命令の1つ以上のシーケンスを実行することによって実現することができる。実施形態において、コンピューティングデバイス200は、パフォーマンスを向上させるためにコードを共に実行するように同期された、いくつかの並列プロセッサとして展開されてもよく、またはコンピューティングデバイス200は、ハイパーバイザまたは他の仮想化管理ファシリティ上のソフトウェアが、コンピューティングデバイス200のハードウェアインスタンス化の機能の一部または全部を再生するのに適切なように、コンピューティングデバイス200のコンポーネントをエミュレートする仮想化環境で実現されてもよい。
図3は、本明細書で企図される金属付加造形プロセスで造形材料として使用され得る、バルク金属ガラスの時間−温度変換(TTT)冷却曲線を示す。バルク金属ガラスは、本明細書で企図される製作プロセスのための造形材料として有用に使用され得る。これらのバルク金属ガラスは、従来の金属のように、冷却時に液体/固体結晶化変換を示さない。その代わりに、高温(「融解温度」Tm付近)で見出される非結晶形態の金属は、温度が低下する(ガラス転移温度Tg付近)につれてより粘稠になり、最終的には、非晶質の内部構造を維持しながら従来の個体の物理的特性を引き継ぐ。この中間温度範囲内で、バルク金属ガラスは溶融フィラメント製法プロセスでの使用に適したレオロジー特性を示すことができる。
バルク金属ガラスにおいては、直接的な液体/結晶化変換はないが、融解温度Tmは、対応する結晶相の熱力学的液相線温度として定義され得る。このレジームのもとでは、融解温度でのバルク固化非晶質合金の粘度は、約0.1ポアズ〜約10000ポアズの範囲内にあってもよく、時には0.01ポアズ未満であってもよい。BMGを形成するためには、溶融金属の冷却速度は、図3のTTT図において結晶化領域303を境界とする楕円形の領域を避けるように十分に高くなければならない。図3において、Tn(Tnoseとも称される)は、臨界結晶化温度Txであり、結晶化速度が最大であり、かつ結晶化が最短の時間スケールで生じる。
過冷却液体領域、TgとTxとの間の温度領域は、非晶質合金のバルク凝固を可能にする結晶化に対する安定性の兆候である。この温度領域において、バルク金属ガラス合金は、高粘性液体として存在することができる。過冷却液体領域における粘度は、ガラス転移温度での1012Pa・sから、過冷却領域の高温限界である結晶化温度での105Pa・sまでの間で変動し得る。このような粘度を有する液体は、加えられた圧力下で実質的な塑性ひずみを受ける可能性があり、過冷却液体領域におけるこの大きな塑性加工性により、本明細書で企図される溶融フィラメント製作システムでの使用が可能になる。重要な利点として、過冷却液体領域内に残っているバルク金属ガラスは、一般に、酸化または他の急速な環境劣化の影響を受けないので、典型的には、溶融フィラメント製法に使用され得るいくつかの他の金属システムに比べて、製作中のビルドチャンバ内の環境の制御を必要としない。
過冷却された合金は、一般に、ワイヤ、ロッド、ビレットなどとして使用するために所望の形状に成形または加工することができる。一般に、TTT曲線に近づく軌道を伴うその後の熱成形を避けるために、成形を拘束冷却と同時に行ってもよい、付加製造押出プロセスにおいて、非晶質BMGは、利用可能な処理ウィンドウがダイカストよりもはくかに大きい可能性のあるTTT曲線にぶつかることなく、過冷却液体領域に再加熱可されるため、プロセスにより良好な制御性がもたらされる。また、例示的な軌道302および304によって示されるように、押し出しは、最高温度を伴って実行することができ、押出中の最高温度は、Tnoseよりも高いかTnoseよりも低く、約Tmまでである。非晶質合金の一片を加熱するがTTT曲線にぶつかるのを避けるならば、結晶化温度Txに達することなく、この比較的塑性の状態で材料を操作することができる。ガラス形成合金に有用な種々の適切な金属および非金属要素は、非限定的な例として、共同で所有されている、2015年12月16日に出願された米国特許仮出願第62/268458号に記載されており、この文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
非晶質または非結晶性の個体は、結晶の周期特性に格子がない固体である。本明細書で使用されるように、非晶体という用語は、ガラス転移温度を通って加熱するとなんかして液体様状態に変換する非晶質固体のガラスを含む。一般に、非晶物質は、化学結合の性質のために、原子長スケールである程度の短距離秩序を有することはできるが、結晶の長距離秩序を欠いている。非晶質固体と結晶性固体の区別は、X線解析や透過型電子顕微鏡などの構造的特徴付け技術によって決定される格子周期性に基づいて行うことができる。
本明細書で企図される合金は、結晶性、部分結晶性、非晶質、または実質的に非晶質であり得る。例えば、合金サンプル/試料片は、ナノメートルおよび/またはマイクロメートルの範囲のサイズを有する粒子/結晶を有する少なくともいくらかの結晶化度を含むことができる。あるいは、合金は、実質的に非晶質であるか、または完全に非晶質であってもよい。一実施形態において、合金組成物は、実質的に結晶質であるか、または完全に結晶質であるなど、少なくとも実質的に非晶質ではない。
一実施形態において、非晶質合金内における結晶または複数の結晶の存在は、その中の「結晶相」として解釈することができる。合金の結晶化の程度(または、単に「結晶化度」)は、合金中に存在する結晶相の量または合金中に存在する結晶の割合をいうことができる。割合は、文脈に応じて体積分率または重量分率をいうことができる。同様に、非晶質度は、非晶質合金がどのように非晶質であるか、または非構造化されているかを表す。非晶質度は、結晶化度との相対的な測定が可能である。したがって、低い結晶化度を有する合金は高い非晶質度を有し、逆もまた同様である。定量的な例として、60体積%の結晶相を有する合金は、40体積%の非晶質相を有する。
非晶質合金は、非晶質含量が50体積%を超える合金であり、好ましくは非晶質含量が90体積%を超える合金であり、より好ましくは非晶質含量が95体積%を超える合金であり、最も好ましくは非晶質含量が99体積%超であり最大で100%である合金である。なお、上述したように、非晶質性が高い合金は、透過的に結晶化度が低い。本明細書で使用されるように、非晶質金属という用語は、無秩序な原子スケール構造を有する非晶質金属物質をいう。結晶質であり、それが故に高度に規則的な原子配列を有する大概の金属とは対照的に、非晶質合金はである。非結晶性である。このような乱れた構造が冷却中に液体状態から直性生成される材料は、「ガラス」と称されることがある。したがって、非晶質金属は、一般に、「金属ガラス」または「ガラス状金属」と称される。本明細書で使用されるバルク金属ガラス(「BGM」)という用語は、完全にまたは部分的に非晶質の微細構造を有する合金をいう。
本明細書において、「バルク金属ガラス」(「BMG」)およびバルク非晶質合金(「BAA」)という用語は、互換的に使用される。これらは、少なくともミリメートル範囲で最小の物理的寸法を有する非晶質合金をいう。例えば、当該寸法は、約0.5mm以上、例えば約1mm以上、例えば約2mm以上、例えば約4mm以上、例えば約5mm以上、例えば約6mm以上、例えば約8mm以上、例えば約10mm以上、例えば約12mm以上とすることができる。ジオメトリに応じて、当該寸法は、直径、半径、厚さ、幅、長さなどを参照することができる。BMGはまた、約1.0cm以上、例えば約2.0cm以上、例えば約5.0cm以上、例えば約10.0cm以上など、センチメートル範囲の少なくとも1つの寸法を有する金属ガラスであってもよい。いくつかの実施形態において、BMGは、少なくともメートル範囲の少なくとも1つの寸法を有していてもよい。BMGは、金属ガラスに関連して、上記の形状または形態のいずれかをとることができる。したがって、いくつかの実施形態において本明細書に記載されるBMGは、1つの重要な側面において従来の体積技術によって製作された薄膜とは異なることができ、前者は後者よりもはるかに大きな寸法であり得る。
非晶質合金は、潜在的に様々な有用な特性を有する。特に、それらは、同様の化学組成を輸する結晶性合金よりも強くなる傾向にあり、結晶性合金よりも大きな可逆的(「弾性」)変形を持続することができる。非晶質金属は、非結晶質構造から直接強度を引き出すが、該非結晶質構造は、結晶性合金の強度を制限する可能性のある転移欠陥等を省いたものである。いくつかの実施形態において、室温での金属ガラスには延性がなく、張力を加えると一気に破損する傾向があり、差し迫った故障が明らかでないため、信頼性が重要な用途においては当該材料の適用性は制限される。したがって、この課題を克服するために、樹枝状粒子または延性のある結晶金属の繊維を含む金属ガラスマトリックスを有する金属マトリックス複合材料を溶融フィラメント製造に使用することができる。あるいは、脆化を引き起こす傾向のある元素が少ないBMG(例えば、Ni)を使用することができる。例えば、延性を改善するために、Niを含まないBMGを使用することができる。
上述したように、合金中に存在する結晶の割合、例えば、体積、重量などの単位で、非晶質度(および、その逆に結晶度)を測定することができる。部分的に非晶質の組成物とは、約5体積%以上、10体積%以上、20体積%以上、40体積%以上、60体積%以上、80体積%以上、90体積%以上、または任意の他のゼロでない量の非晶相を有する組成物をいうことができる。したがって、少なくとも実施酢的に非晶質である組成物は、約90体積%以上、95体積%以上、98体積%以上、99体積%以上、または任意の他の類似の範囲または量の非晶相を有する組成物をいうことができる。
図4は、本明細書に記載される方法およびシステムにおいて、造形材料としての使用に適した共晶系のオフ共晶組成物の相図を示す。一般に、造形材料は、混合物が、温度に依存する平衡体積割合において固体成分および液体成分を含む作業温度範囲を有する、オフ共晶または非共晶合金を含むことができる。この多相条件は、溶融フィラメント製法または類似の押出ベースの付加製造技術に適したレオロジー特性を示す流動可能な状態にするための作業温度範囲内で、純粋な液体粘度を超えて材料の粘度を有用に増加させる。不活性高温第2相をオフ共晶系に導入して、粘度をさらに制御することもできる。他の態様において、不活性第2相は、実質的に純水な共晶合金とともに使用され得る。この組み合わせは、追加の不活性第2相によって付与され得る所望の流動特性と、それに加えて共晶合金の特徴である比較的低い融解温度と、の二重の利点を提供する。
一般に、相の間に共晶が形成されるような複数の相が存在する場合、凝集組成物の周転は液相線温度となる。オフ共晶国金が凝固すると、その成分は異なる温度で凝固し、完全凝固する前に固体および液体成分の半固体懸濁液が生じる。オフ共晶組成物の作業温度は、一般に、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲である。共晶点402の周りの(体積百分率の)混合物において、(この混合物が部分的に融解した状態にある)最低の融解温度は、システム内の純水な共晶組成物の共晶温度404である。最高の融解温度は、一般に、成分AおよびBの体積百分率の関数である。共晶線が終結する共晶組成から遠い領域、すなわち、相図400の左端または右端では、最低の融解温度は、例えば、共晶温度よりもいくらか高い温度であり、例えば、合金の固相線温度である。例えば、材料A(ライン410で示される)を非常に高い割合で有するオフ共晶組成物の場合、組成物は、共晶温度よりも幾分高い固相線温度412と、組成物の最高液相線温度における液相線温度414と、を有し得る。いずれのタイプの組成物についても、オフ共晶系は、最低の融解温度(例えば、システム全体が固体になる)よりも高く、最高の融解温度(例えば、システム全体が液体になる)よりも低い温度の範囲を含む作業温度範囲を有し、組成物、または対応する金属造形材料は、押し出しに適した可変の温度依存性粘度およびレオロジー特性を提供する組合せにおいて固相および液相を含む。この作業温度範囲408は、塑性および合金化元素によって異なるが、本明細書で企図される陽右フィラメント製法プロセスなどで使用される広範囲の金属合金に適合させることができる。
図5は、包晶系の相図である。本明細書で使用される包晶系とは、固相と液相が冷却して反応することにより、第3の固相を形成する化学系をいう。特に、図5は、90/10ブロンズの比較的一般的な包晶系の相図500を示す。このシステムは、構成要素が固体部分と液体部分との間に多相混合物を形成する作業温度範囲502をもたらすことができる。この温度範囲内では、温度を変えることによって固体および液体の平衡体積分率を変化させることができる。押出物のレオロジーは、組成物の体積分率(従って、温度)を調整することによって調整することができ、得られる材料は、押し出しに適した実質的に可塑性の温度挙動を提供することができる。非常に不均一な固化挙動は、設計上および取り扱い上の課題をもたらすが、この技術は、ブロンズおよび同様の合金および材料を用いた製作に有用に適用され得る。
特定の態様において、共晶相挙動または包晶相挙動のいずれも示さずに固体と液体との間の2相平衡を示す化学系は、2相の、半固体領域の温度での押し出しに有用なレオロジーを示すことができる。一般に、所与の組成物について、有用な流動挙動は、特定の合金の固相線と液相線との間の温度範囲で存在し得る。
さらに一般に、適切な温度応答を示す、部分的または全体的に金属が混合されたいずれの混合物を、本明細書で企図されるような押出型の付加製造プロセスでの使用に適合させることができる。例えば、いくつかの化学系は、共晶相挙動または包晶相挙動のいずれも示さずに、固体と液体との間の二相平衡を示す。このようなシステムは、本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスにおける使用に適したレオロジーを有する、2相の、半固体領域を有する固相線と液相線との間の作業温度範囲を提供することができる。
図6は、3Dプリンタの押出機600を示す図である。一般に、押出機600は、ノズル602、リザーバ604、加熱システム606、および本明細書に記載されたシステムのいずれかのような駆動システム608、または本明細書で企図する溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用してコンピュータ化されたモデルから物体を製作するプリンタに適した、任意の他のデバイスまたはデバイスの組合せを含むことができる。一般に、押出機600は、本明細書に記載される造形材料のような造形材料610を、本明細書に記載される供給源のような供給源612から受け取り、造形材料610をビルドプレート618または他の適切な表面上に体積させるために、該造形材料610をフィードパス(概して矢印614で示す)に沿ってノズル602の開口部616に前進させる。本明細書において、造形材料という用語は、金属造形材料、金属造形材料の種および組み合わせ、または任意の他の造形材料(例えば、熱可塑性樹脂)をいうように互換可能に使用される。したがって、より具体的な意味が提供されている場合または文脈から明らかである場合を除いて、「造形材料610」への言及は、金属造形材料610、バルク金属ガラス610、オフ共晶組成物610、または本明細書に記載される他の造形材料または造形材料の組合せのいずれかを含むと理解されるべきである。
ノズル602は、造形材料610に必要な温度および機械的力に適した任意のノズルとすることができる。金属造形材料の押し出しのために、ノズル602(およびリザーバ604)の部分は、システム構成要素の安全性を大幅に向上させ、かつ誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムに必要な場所に電気的絶縁性を有用に提供する、サファイアまたは石英などの硬い高温材料で形成することができる。
リザーバ604は、造形材料610を加熱するのに適した任意のチャンバなどであってもよく、本明細書に記載される金属造形材料のいずれかのような造形材料610を供給源612から受け取るための入口605を含んでいてもよい。金属造形材料は、該金属造形材料が押し出しに適したレオロジー特性を示す、固体と液体状態との間の作業温度範囲を有し得る。有用な造形材料は、広範囲のバルク機械的特性を示すが、加熱された造形材料610の可塑性は、一般に、一方では、材料が駆動システム608、ノズル602、および他のコンポーネントによって動作可能かつ流動可能であるのに対して、他方では、材料が体積中に押出機を通る暴走流を避けるのに十分な粘性を有し、または十分にペースト状であるようなものであるべきである。
加熱システム606は、本明細書に記載の加熱デバイスまたは技術のいずれかを使用することができる。一般に、加熱システム606は、リザーバ604内の造形材料610(例えば、金属造形材料)を、造形材料610の作業温度範囲内の温度に加熱するように動作可能であり得る。加熱システム606は、同様にまたは代わりに、ノズル602を出る造形材料610もしくは先に体積された材料の第2の層692と融合する造形材料610を局所的に加熱することによって、または、ノズル602が物体を製作するビルドチャンバもしくは他のビルド環境を加熱することなどによって、追加の熱制御を提供するように構成されていてもよい。
ノズル602は、例えば、造形材料610がビルドプレート618上に堆積され得るフィードパス614に沿って、該造形材料610がリザーバ604を出るための出口パスを提供する、開口部616を含むことができる。
駆動システム608は、造形材料610を個体形態で機械に係合させ、造形材料610を、作業温度範囲内の温度で、ノズル602の開口部616を通って押し出すのに十分な力で、供給源612からリザーバ604に造形材料610を前進させるように動作可能である、任意の駆動システムとすることができる。一般に、駆動システム608は、作業温度範囲よりも低い温度(例えば、固体形態)または作業温度範囲の上限よりも低い温度(造形材料610がより柔軟であるが、押出負荷を支持し、かつ駆動システム608からの駆動力を造形材料610を介して変換して加熱された造形材料をリザーバ604内に押し出すのに十分な剛性を有する)で造形材料610と係合することができる。
溶融フィラメント製法で従来使用されている熱可塑性樹脂とは異なり、金属造形材料は、熱伝導性が高い。その結果、リザーバの高温は、駆動システム608内の温度上昇に寄与することができる。したがって、一態様において、リザーバ604およびノズル602の作業温度範囲の底部は、駆動システム608と係合する造形材料610の温度よりも高い上述の温度範囲内の任意の温度であってもよく、したがって、造形材料610を駆動するための第1の温度範囲と、造形材料を押し出すための第1の温度範囲よりも高い第2の温度範囲を提供する。あるいは、上述の作業温度範囲と択一的に一貫して述べると、造形材料610は、典型的には、押出中は作業温度範囲内の温度に維持され、駆動システム608と係合している間は作業温度範囲よりも低い温度に維持され得るが、いくつかの実施形態において、造形材料610は、駆動システム608と係合するとき、および、その後ノズル602によって押し出されるときに、作業温度範囲内の温度に維持されてもよい。本明細書で企図されるような金属造形材料の押し出しと一致するこのような温度プロファイルはすべて、適切に使用され得る。駆動システム608は、歯車として図示されているが、本明細書に記載される駆動チェーン構成要素のいずれかを含むことができ、造形材料610は、任意の適切な対応する形状要素であり得るこが理解されよう。
超音波振動子620は、プリントプロセスを改善するために押出機600に組み込まれていてもよい。超音波振動子620は、電圧振動子、容量型トランスデューサ、または超微細加工超音波トランスデューサなどの任意の適切な超音波トランスデューサとすることができる。超音波振動子620は、使用目的に応じて押出機600の多数の位置に配置され得る。例えば、超音波振動子620は、ノズル602に接続されて、金属造形材料のような造形材料610に超音波エネルギーを伝え、製作中に金属造形材料がノズル602の開口部616を通って押し出されるように配置されていてもよい。
超音波振動子620は、いくつかの方法で、金属造形材料を用いた製作を改善することができる。例えば、超音波振動子620は、溶融フィラメント製法プロセスにおける層間結合を改善するために、堆積材料上の不動態化層(例えば、酸化による)を破壊するために使用することができる。超音波振動子620は、金属造形材料などの造形材料610のノズル602またはリザーバ604の内壁への付着を防止または緩和するなどの他の利点を提供することができる。他の態様において、超音波振動子620は、例えば、バルク金属ガラスの結晶化を緩和する目的で、造形材料610に追加の加熱を提供するために、または、リザーバ604内のせん断変位を誘発するために使用することができる。
押出機を組み込んでいるプリンタ(不図示)は、超音波振動子620および他のシステムコンポーネントの動作を制御するためのコントローラ630を含み得る。例えば、コントローラ630は、超音波振動子620(または制御システムもしくはこれと同等の電力システム)と通信関係で接続されており、押出機602を出る金属造形材料の押出物を、ビルドプレート618上に先に堆積された金属造形材料の1つ以上の層から形成される物体640に、超音波接合するのに十分なエネルギーで超音波振動子を動作させるように構成され得る。コントローラ630は、同様にまたは代わりに、図6に示す第2の層692のような、予め形成された造形材料610の層の受容表面上の不動態化層を阻止するのに十分なエネルギーで、超音波振動子620を動作させることもできる。他の態様において、コントローラ630は、加熱システムによって提供される鉄エネルギーを増大させて金属造形相良をリザーバ内の作業温度範囲内の温度に維持するのに十分なエネルギーで、超音波振動子を動作させることができる。コントローラ630は、同様にまたは代わりに、ノズル602(例えば、開口部616の周り)およびリザーバ604の内部への造形材料610の付着を低減するのに十分なエネルギーで、超音波振動子620を動作させることができる。
造形材料610がバルク金属ガラスを含む場合、超音波振動子620は、同様にまたは代わりに、支持構造体に対する脆弱な界面を形成するために使用することができる。例えば、コントローラ630は、ノズルからのバルク金属ガラスで製作された物体640と、バルク金属ガラスで製作された物体640の支持構造体640と、の間の層(例えば、界面層652)でバルク金属ガラスを液化するのに十分なエネルギーで、超音波振動子620を動作させるように構成されていてもよい。液化したバルク金属ガラスは、典型的には、非晶質の過冷却材料よりも実質的に脆い、結晶質マクロ構造で再凝固する。この技術は、有利なことに、単一の造形材料を用いて任意の位置に分離した支持構造体の製作を容易にする。
押出機600はまた、超音波振動子からの超音波エネルギーを分離するために、超音波振動子620とプリンタの1つ以上の他の構成要素との間に介在する、機械的デカップラ658を含むことができる。機械的デカップラ658は、例えば、弾性材料または任意の他の音響デカップラなどのような、任意の適切なデカップリング要素を含んでいてもよい。機械的デカップラ658は、超音波振動子620から生成された超音波エネルギーから他のコンポーネント、特には、機械的に敏感なコンポーネントを分離すること、および/または、より多くの超音波エネルギーをリザーバ604の内壁またはノズル602の開口部616のような意図された標的に向けることができる。
押出機600または付随するプリンタはまた、製作プロセスを制御するためにコントローラ630にフィードバックを提供する、センサ650を含んでいてもよい。例えば、センサ650は、超音波振動子620の活性化を可変にまたはその他の方法で選択的に制御するための信号を提供することができる。
一態様において、センサ650は、造形材料610の先に堆積された層の受容表面の適合性を監視するためのセンサを含むことができる。例えば、造形材料610が金属造形材料の場合、センサ650は、ノズル602を出る造形材料610と造形材料610の先に堆積された層との間の界面層652を介して、物体640内の電気抵抗を測定することができ、抵抗は、センサ650とビルドプレート618内の第2のセンサ656との間の電流経路654またはその他の適切な回路形成位置に沿って測定される。界面層652を横切る接合が良好な場合、電流経路654に沿う抵抗は低くなる傾向にあり、界面層652を横切る接合が不十分な場合、電流毛糸654に沿ってより大きな抵抗が得られる。したがって、コントローラ630は、界面層652の電気抵抗を示す信号などのセンサ650からの信号に応答して超音波振動子620の動作と動的に制御し、必要に応じて超音波振動子620からの超音波エネルギーを増加させて、造形材料610界面層652にわたる融合を改善するように構成することができる。したがって、一態様において、センサ650は、金属造形材料610の隣接する層間の接合の質を測定することができ、コントローラ630は、接合の質が悪いことを示すセンサ650からの信号に応答して、超音波振動子620からの超音波エネルギーの適用を増加させるように構成することができる。
他の態様において、センサ650は、造形材料610の目詰まり、またはバルク金属ガラスからなる造形材料の結晶化を検出し、検出された状態を緩和するように超音波振動子620を制御するために使用され得る。例えば、センサ650は、駆動システム608によって造形材料610に加えられる力を測定するように構成された力センサを含んでいてもよく、コントローラ630は、駆動システム604によって加えられる力の増加を示すセンサ605からの信号に応答して、超音波振動子620によってリザーバ604に適用される超音波エネルギーを増加させるように構成されていてもよい。力は、機械的な力センサによって、または、例えば、駆動システム608の電力負荷を測定することによって測定することができる。
造形材料610に加えられる力を測定する力センサは、他の方法で使用されてもよい。例えば、造形材料610の温度−粘度関係が分かっている場合、力センサは、造形材料610の粘度を推定するために使用されてもよく、造形材料610の温度を推定するために使用されてもよい。同時に、加熱システムから造形材料610への熱伝達は時間に依存するので、駆動システム608の速度は、造形材料610が熱源に隣接している長さを制御することによって、リザーバ内の材料の加熱を制御するように動的に調整されてもよい。したがって、制御ループは、例えば、駆動システム608またはノズル602に対する造形材料610上の線形のまたは軸方向の力として測定される駆動システム608への負荷を、駆動または押出速度を動的に変化させる制御信号として使用することができる制御ループを有効に確立することができる。一態様において、プロセッサ(例えば、コントローラ630)は、力が低減したときの熱伝達を低減するように駆動システム608の速度を増加させ、力が増加したときの熱伝達を増加させるように駆動システム608の速度を低減させるように構成されていてもよい。プロセッサは、より一般的には、造形材料の作業温度範囲内の温度を示す力に対して所定の目標値を維持するように構成されていてもよい。力のフィードバックは、押し出しプロセスに他の有用な制御信号を提供することができる。例えば、造形材料610がバルク金属ガラスを含む場合、実質的な結晶化の開始を回避するために、バルク金属ガラスの時間−温度変換曲線に従ってフィードバックシステムのための目標温度を変えることができる。
他の態様では、例えば、押出速度を低下させても力を低減できない場合など、金属造形材料の前進に抵抗する力が予想外の方法で変化する場合、エラー状態を検出することができる。このような状況下では、目詰まりまたは他のエラーが推測され、ノズルの洗浄またはユーザの検査もしくは介入を可能にするために、製造プロセスの一次停止などの是正措置がプロセッサによって開始され得る。例えば、ノズル602に沿って、もしくはノズル602を駆動システム608に接続する機械的構造に沿って、ひずみゲージなどを含む目的のために力を測定するための様々な力センサを使用してもよく、または、駆動システム608によって造形材料610に加えられる力を測定するように物理亭に配置された任意の他の力測定センサもしくはシステムを使用してもよいことが理解されよう。駆動モータのための回転力センサ、または駆動モータ上の電気負荷を検出するセンサなどの他のセンサもまた、同様にまたは代わりに、適切な制御入力を取得するために採用することができる。
造形材料610が金属造形材料である場合、押出機600は、同様にまたは代わりに、抵抗加熱システム660を含むことができる。抵抗加熱システム660は、電源662と、ノズル602に近接する金属造形材料610のいくつかの層のうちの第1の層690内の金属造形材料610と電気的に連通するよに接続された第1のリード664と、ビルドプレート656に近接するいくつかの層のうちの第2の層692内と電気的に連通するように接続された第2のリードと、を含み、これによって、第1の層690と第2の層692との間の界面(例えば、界面層652)を介して電源662からの電力を送達するためにの、形材料610を介した電気回路が形成され、該界面を介して金属造形材料を抵抗加熱することができる。
広範囲の物理的構成が、界面層652を通って電流を送達するのに適した電気回路を生成するのに役立つことが理解されよう。例えば、第2のリード666は、ビルドプレート618に接続され、物体640の本体を通る導電経路を介して第2の層692と電気的に連通して接続されていてもよく、または、第2のリード666は、界面層652の下の物体640の表面に取り付けられていてもよく、または界面層652を介して回路を完成するために任意の適切な位置で物体の表面と接触して配置された移動プローブなどとして実施されてもよい。他の態様において、第1のリード666は、ノズル602を出た金属造形材料で製作された物体640の表面に制御可能に配置された移動可能なプローブ668に接続されていてもよく、ノズル602の出口616に隣接する所定位置で、造形材料610の表面672に接触するブラシリード670などを含んでいてもよい。第1のリード664は、同様にまたは代わりに、様々な他の位置に配置され得る。例えば、第1のリード664は、リザーバ604の内面上の造形材料610に接続していてもよく、または、第1のリード664は、ノズル602の開口部616において造形材料610に接続していてもよい。しかしながら、第1のリード664および第2のリード666は、一般に、界面層652を通る電気回路を生成するように配置されていてもよい。
この一般的な構成では、ジュール加熱を利用して、物体640内の造形材料610の層を融合させることができる。一般に、ジュール加熱は、造形材料と製作される物体との間の物理的な界面で、プリント媒体を軟化または融解させるために使用され得る。これは、可変パルスジュールおよび/またはDC信号を用いて界面層652を通る回路を駆動して温度を上昇させ、例えば、BMGまたは半固体印刷金属または適切な熱的および電気的特性を有する任意の他の金属媒体からなる個々の層を接着させることができる。界面層652中に電力を放電させるために、広範囲の信号を使用することができる。例えば、約1ヘルツと100ヘルツとの間の低周波パルスでは、低電圧(例えば、24ボルト未満)および高電流(例えば、数百または数千アンペアのオーダー)を印加することができる。電力の供給は、例えば、直流電流のパルス幅変調、コンデンサの制御された放電、または任意の他の適切な技術を用いて制御することができる。
ジュール加熱は、他の目的のために有利に使用することができる。例えば、内壁上に固化した金属デブリを融解または軟化させてノズル602をクリーニングするために、ノズル602内の表面に電流を断続的に印加することができる。したがって、本明細書で開示される技術は、ジュール加熱パルスを分配ノズルの内部表面にわたって周期的に適用して、金属デブリを洗浄および除去することを含むことができる。このステップは、所定の規則的なスケジュールで実行されてもよいし、または、このステップは、潜在的な目詰まりを示す、造形材料610のフィードパス614に沿う機械的抵抗の増加に応答して、もしくは、任意の他の適切な信号またはプロセス変数に応答して実行されてもよい。
一般に、ジュール加熱は、プリントプロセス中に一定の電力で適用されてもよく、あるいは、例えば、層間結合が検出された状態に基づいて動的に変化するか、または、例えば、体積流量、堆積表面積、もしくは何らかの他の因子もしくは因子の集合に基づいてプログラム的に変化する、可変出力で適用されてもよい。他の電気技術を用いて同様の効果を売ることができる。例えば、容量性放電抵抗溶接装置は、大きなコンデンサを使用してエネルギーを蓄え、迅速に放電する。容量性放電溶接ソースは、新しい層が堆積されている間に、隣接する層間の界面をパルス状に加熱するために使用することができる。ジュール加熱と容量性放電溶接は、同じ回路を用いて有利に重畳させることができる。一態様において、造形材料610がバルク金属ガラスを含む場合、バルク金属ガラスは、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群から選択される磁性金属と組み合わされた、ホウ素、シリコン、およびリンからなる群から選択されるガラス形成剤で製作されて、ジュール加熱を容易にするように、電気抵抗が増大した非晶質合金を提供する。
抵抗加熱システム660は、製作中に検出された条件に従って動的に制御されてもよい。例えば、センサシステム680は、ノズル602を出る金属造形材料の第1の領域と、該第1の領域の下側に隣接する金属造形材料の先に堆積された層内の金属造形材料の第2の領域と、の間の界面(例えば、界面層652)における界面温度を推定するように構成され得る。これは、例えば、界面層652における温度を直接的または間接的に測定または推定するのに適したサーミスタ、赤外線センサ、または任意の他のセンサまたはセンサの組み合わせを含むことができる。界面温度を示す推定または測定された信号を用いて、コントローラは、例えば、界面層652が最適な層間接着のために経験的または分析的に導出された目標温度に維持されるように、電源662によって供給される電流を界面温度に応じて調整するように構成されていてもよい。
一態様において、センサ650は、電圧検出回路または他の電圧検出器を含むことができ、これは、ノズル602を出る金属造形材料と、ノズル602の開口部616との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成されており、造形材料およびノズル材料のための既知のゼーベック係数と組み合わせて、材料間の温度差を測定するように使用することができる。センサ650はまた、適切な位置でノズル602の絶対温度を測定するように構成された温度センサを含むことができ、これを温度差と組み合わせて使用することにより、ノズル602を出ている金属造形材料の絶対温度の推定値を計算することができる。電圧は、同様にまたは代わりに、対応するゼーベック係数の変化をもたらす造形材料の状態の変化に応答し得る。したがって、例えば、造形材料が非晶質状態から結晶状態に変換することができるバルク金属ガラスを含む場合、プロセッサは、電圧の変化に基づいてバルク金属ガラスの結晶化度の変化を、ノズル602と該ノズル602から出ている金属造形材料との間の温度差の変化と無相関である電圧の変化に基づいて計算するように構成することができる。結晶化の開始が検出された場合、プロセッサは、結晶化の継続を抑制するために金属造形材料に加えられる熱を低減するようにさらに構成されていてもよい。あるいは、例えば、本明細書に記載されているような分離サポート層を生成するために、結晶化が意図または所望されている場合、プロセッサは、電圧の変化に応答して結晶化の開始を促すために、金属造形材料に加えられる熱を増加させるように構成されていてもよい。
上述したように、プリンタは、複数の造形材料および支持材料などを供給するための2つ以上のノズルおよび押出機を含んでいてもよい。したがって、押出機600は、補足的な造形材料を押し出すための、第2の押出機であってもよい。例えば、押出機600は、支持構造体を製作するための支持材料、または容易に取り外し可能な支持構造体のための分離界面を提供する界面層を堆積させることができる。一実施形態において、第2の押出機は、付加製造プロセスの支持材料を堆積するように構成されていてもよく、この場合、支持材料は、溶融可能なバルク金属ガラスを含む。例えば、マグネシウム、カルシウムおよびリチウムを含有する合金から形成された溶融可能なバルク金属ガラスは、様々な条件下で溶解することが実証されている。いくつかのバルク金属ガラスは、塩化水素を含む水溶液に溶融可能である。他のものは、水溶液または純水に溶融可能である。より具体的な例として、マグネシウム銅イットリウムは酸化溶液中に容易に溶解することが実証されている。さらに、マグネシウムカルシウム塩基を有する多くの合金が、例えば生分解性インプラントのために模擬生理液に溶解することが実証されており、本明細書で企図される溶解性バルク金属ガラスの支持材料として適切に使用され得る。
より一般的には、バルク金属ガラスを形成することができ、関連する造形材料よりも実質的により迅速に溶媒に溶解する(例えば、金属造形材料よりも少なくとも10倍速い速度で、またはより一般的には、対応する溶媒の存在下で製作された物体の実質的な分解を防止する速度で所定の溶媒中に溶解する)合金は、本発明で企図されるような溶融可能な支持構造または界面層を形成するための溶融可能なバルク金属ガラスとして適切に使用され得る。そのような材料は、好ましくは、異なる材料間の界面における望ましくない熱的影響を回避するために、必要に応じて熱的に整合される。
図7は、物体の3D製作におけるプリンタの動作方法を示すフローチャートである。
ステップ702に示すように、方法700は、本明細書に記載されるいずれの造形材料のような造形材料を押出機に提供することから始めることができる。一例として、造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、高温不活性第2相が充填された金属ベース、包晶組成物、またはワックス、ポリマーもしくは他のバインダ中の焼結可能な粉末を含んでいてもよい。以下の説明は、押し出しに適したレオロジー特性を有する作業温度範囲を有する金属造形材料の使用に重点を置いているが、いくつかの態様において、造形材料は、同様にまたは代わりに、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)または任意の他の適切なポリマーなどを含んでいてもよい。
ステップ704に示すように、方法700は、例えば、造形材料がバルク金属ガラスまたは処理条件下で結晶形成もしくは硬化を受け易い他の材料を含む場合、造形材料をせん断するステップを任意に含むことができる。本明細書でさらに説明するように、バルク金属ガラスは、長期加熱中の結晶化の結果として分解される。共晶組成物はまた、作業温度範囲内における長期滞留中に、固体粒子の比較的大きな凝集を生じることがある。これらのまたは同様に脆弱な金造形材料が、例えば、押出機のリザーバ内で加熱されると、せん断力がせん断エンジンによって加えられて、結晶化または他の凝集またはグループ化を緩和または防止することができる。一般に、せん断は、リザーバ内の材料にせん断力を加えて、結晶化または他の破壊的現象を緩和するために、リザーバを通ってノズルまで延びるフィードパスに沿って材料の流れのせん断変形を積極的に誘発する任意の技術を含むことができる。バルク金属ガラスの流れに対する機械的抵抗が測定される場合、せん断力は動的に制御されてもよい。したがって、一態様において、この方法は、フィードパスに沿ったバルク金属ガラスの流れに対する機械的抵抗を測定するステップ(例えば、ステップ712)と、機械的抵抗に従ってせん断力の大きさを制御するステップと、を含む。
ステップ706に示すように、方法700は、造形材料を押し出すステップを含むことができる。これは、例えば、造形材料を供給源から供給すること、造形材料を駆動システムで駆動すること、造形材料をリザーバ内で加熱すること、および造形材料を本明細書に一般に記載されるプリンタのノズルを介して押し出すこと、を含む。
ステップ708に示すように、方法700は、ノズルをプリンタのビルドプレートに対して移動させて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいて溶融フィラメント製法プロセスでビルドプレート上に物体を製作するか、または造形材料を層ごとに堆積させて物体を製作する。
ステップ710に示すように、方法は、ノズルの出口形状を調整するステップを含むことができる。本明細書に記載されるように、ノズルが押し出しのための調整可能な形状を含む場合、当該形状は、例えば、所望の形状サイズ、押出機の移動方向などに従って、製作中に定期的に調整されてもよい。したがって、一態様において、方法700は、ノズルの出口の断面形状を、造形材料を押し出しながら変化させて、物体の製作中に可変形状の押出物を提供することを含んでいてもよい、断面形状を変化させることには、押出成形のために露出された固定開口部の一部を調整するために、ダイの固定開口部に対してプレートを移動させること、または押出機の断面プロファイルを制御するのに適した他の機構を適用することなどが含まれ得る。一般に、断面形状を変化させることには、断面形状の形状、サイズ、および回転方向の少なくとも1つを変化させることが含まれ得る。
一態様において、出口形状は、多数の同心リングで制御されていてもよい。これらの実施形態では、出口形状を調節することは、1つ以上の造形材料のうちの1つの押し出しを制御するように押し出しながら、多数の同心リングの各々を選択的に開閉することを含むことができる。同心リングの各々を選択的に開閉することは、物体における押し出しの位置に従って、または押し出しの目標体積流量に従って、同心リングの各々を開閉することをさらに含むことができる。
ステップ712に示すように、方法700は、堆積を監視するステップを含むことができる。これは、上述したような層間の界面における電気抵抗を感知するなど、プリントプロセスを制御するためのフィードバックセンサを得るための監視が含まれ得る。これは、同様にまたは代わりに、将来的な使用のための構築プロセスに関するロギングデータも含み得る。
ステップ714に示すように、方法700は、プリンタによって製作されている現在の層が、物体の一部のための支持構造体への界面であるか否かを決定するステップを含むことができ、これは、支持構造体にすぐ隣接する層であってもよく、物体にすぐ隣接する層であってもよく、または支持構造体の層と物体の層との間の間質層であってもよい。現在の層が支持構造体への界面でない場合、方法700は、1つ以上の技術を使用して下層への融合を改善するステップ716に進むことができる。現在の層が支持構造体への界面である場合、方法700は、他の技術を使用して(または、使用せずに)層間の結合強度を低下させるステップ718に進むことができる。
ステップ716に示すように、方法700は、例えば、隣接する、例えば、直接的な下層に堆積物を融合させるステップを含むことができる。これは、様々な技術を使用することができ、これらの技術は、堆積した造形材料の連続的な層の間の層間結合を強化するために、単独でまたは任意の実行可能な組み合わせで使用されてもよい。
例えば、層を融合させることには、ノズルを出る金属造形材料と先に堆積された層の金属造形材料との間の界面に、超音波エネルギーをノズルを介して加えることを含み得る。例えば、界面における電気抵抗が監視される場合、これは、電気抵抗から推測される結合強度に基づいて超音波エネルギーの大きさを制御することを含み得る。
他の例として、層を融合させることには、ノズルから出る金属造形材料と、物体の先に堆積された層内の金属造形材料と、の間の界面を介して電流パルスを適用して、例えば、パッシベーション層を破壊し、材料を軟化させ、そうでなければ、層間の機械的結合を改善させることが含まれてもよい。このプロセスは、例えば、界面の抵抗を測定すること、および、抵抗から推測される結合強度に基づいて電流パルスを制御することによって動的に実行されてもよい。したがって、一態様において、方法700は、金属造形材料の第1の層をプリンタのノズルを介して堆積するステップと、金属材料の第2の層をノズルを介して第1の層の上に堆積させて、第1の層と第2の層との間に界面を形成するステップと、第1の層と第2の層との間の界面に電流パルスを加えて、金属造形材料の第1の層の露出した表面上のパッシベーション層を破壊し、界面をよこぎる機械的結合を改善するステップと、を含んでいてもよい。ノズルがプリンタのビルドプレートに対して移動して物体を製作するとき、この方法は、界面の抵抗を測定するステップと、抵抗から推測される結合強度に基づいて電流パルスを制御するステップと、をさらに含んでいてもよい。
他の例として、層を融合させるステップは、ノズルから出てくる造形材料に、ノズルから延びる先の金属造形材料を伴う先に堆積された金属造形材料の層に向かう垂直力を加えるステップをさらに含んでいてもよい。このプロセスは、例えば、任意の適切なセンサで、前者とノズルを出る金属造形材料との間の瞬時接触力を測定し、瞬時接触力を示す信号に基づいて前者の位置を制御することによって動的に実行されてもよい。
他の例として、層を融合させるステップは、押出機のノズルを出る際の金属造形材料をプラズマ流内の金属造形材料の下層に接合させることを含むことができる。一般に、プラズマパッシベーション洗浄は、酸化を低減し、かつ金属造形材料の連続的な層間の層間結合を改善するために、堆積中に適用することができる。これは、強い酸化元素を含む金属造形材料とともに使用することができる。したがって、例えば、アルミニウムを含有する金属造形材料を押し出す際に、プラズマ洗浄を有効に使用することができる。
ステップ718に示すように、支持構造体への界面が製作されている場合、様々な技術を用いて、隣接する層間の結合を弱めるまたは低減させることができる。一態様において、これは、ステップ716を参照して上述した融合促進技術のいずれか1つ以上を保留することを含み得る。他の技術は、同様にまたは代わりに、支持構造体と物体との層間の融合を特に弱めるため使用することもできる。
造形材料がバルク金属ガラスである場合、バルク金属ガラスの温度を単に上昇させて、製作中に支持構造体への界面でバルク金属ガラスを結晶化させるか、または再結晶の際に結晶化するように合金を融解することによって、除去可能な支持構造体を有利に製造することができる。この技術を使用して、支持構造体、分離サポート界面および単一の造形材料からの物体を製作することができる。一般に、支持構造体および物体は、ガラス転移温度よりも高い任意の温度でバルク金属ガラスから製作され得る。これらの他の層間に界面層を製作する場合、製造プロセスの時間枠内でバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高い温度まで温度を上げることができる。
したがって、一態様では、バルク金属ガラスを使用して、支持構造と物体との間の界面を製作する方法が本明細書に開示されている。この方法は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高い第1の温度で過冷却液体領域を有するバルク金属ガラスから物体の支持構造体の層を製作するステップと、製作中にバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高い第2の温度で、支持構造体の層上にバルク金属ガラスの界面層を製作するステップと、第2の温度よりも低く、ガラス転移温度よりも高い第3の温度で、界面層上に物体の層を製作するステップと、を含むことができる。この文脈において「製作」という用語は、溶融フィラメント製法プロセスでの製作、またはバルク金属ガラスの結晶化によって分離支持構造体の製作から利益を得ることができる任意の他のプロセスでの製作を含み得ることを理解されたい。したがって、例えば、分離支持構造体は、バルク金属ガラス粉末のレーザ焼結に基づく付加製造プロセス、またはバルク金属ガラスを使用する任意の他の添加プロセスで、これらの技術を用いて有用に製造することができる。
同様に、本明細書で開示されているのは、3Dプリンタであり、上述の技術を使用して支持体、物体、および分離支持体のための界面を製作する、本明細書に記載のプリンタのいずれかであってもよい。したがって、本明細書では、金属物体の3D製作用プリンタが開示されており、このプリンタは:バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高い第1の温度で過冷却領域を有するバルク金属材料を押し出すように構成されたノズルと;溶融フィラメント製作プロセスにおいて、コンピュータ化されたモデルに基づいて支持構造体および物体を製作するようにノズルを移動させるように構成されたロボットシステムと、バルク金属ガラスを第1の温度よりも高い第2の温度で界面層に堆積させることによって、支持構造体と物体との間に界面層を製作するように構成されたコントローラと、を備え、第2の温度は、製作中に、バルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高い温度である。
他の態様において、支持構造体と物体との間の界面は、界面を実質的に結晶化させないが、その領域内の材料を物体および/または支持体の残りの部分よりもTTT冷却曲線内の結晶化にさらに進める、幾分高い温度で堆積される。この結果として生じる物体は、その後、第2の加熱プロセス(例えば、高温で焼成する)を用いて加熱されて、物体の本体前の界面層はより完全に結晶化される。したがって、物体は実質的に非晶質の状態になり、界面層は実質的に結晶化した状態になる。したがって、この方法は、界面層を部分的に結晶化させること、または製作中に界面層を十分に結晶化させて、第2の加熱プロセスで物体を結晶化させることなく界面層だけを結晶化させることを可能にする。
他の態様では、熱的に一致しない2つのバルク金属ガラスから支持構造体および物体を製作することによって、界面が本質的に弱体化する場合がある。物体および隣接する支持構造体に熱的に一致しないバルク金属ガラスを使用することによって、これらの構造間の界面層が融解および結晶化され、製作後の物体からの支持構造体の除去を容易にするより脆い界面を作り出すことができる。より具体的には、支持構造体を製作するために使用される別のバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高いガラス転移温度を有するバルク金属ガラスから物体を製作することによって、第2の造形材料(支持構造体の製作に使用される)に隣接して第1の材料(物体の製作に使用される)を単に堆積させて、物体からの支持構造体の機械的除去を容易にすることができる。
したがって、一態様において、本明細書には、バルク金属ガラスを使用した金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法が開示されており、より具体的には、異なる作業温度範囲を有する2つの異なるバルク金属ガラスを使用して、分離支持構造体の製作を容易にする方法が開示されている。この方法は、第1の過冷却液体領域を有する第1のバルク金属ガラスから物体の支持構造体を製作するステップと、第1のバルク金属ガラスとは異なる第2のバルク金属ガラスから、支持構造体上に物体を製作するステップと、を含み、第2のバルク金属ガラスは、製作中に第1のバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高いガラス転移温度を有し、第2のバルク金属ガラスは、第2のバルク金属ガラスのガラス転移温度以上の温度で支持構造体上に堆積されて、支持構造体と物体との間の界面で、該支持構造体の結晶化を誘発する。プリンタは、溶融フィラメント製作デバイスであってもよく、または本明細書で企図される界面の結晶化と一致する方法で、第1のバルク金属ガラスから支持体を製作し、第2のバルク金属ガラスから物体を製作するための任意の他の負荷製造システムであってもよい。
上述した、単一の材料を使用する技術と同様に、結果として得られる物体および支持構造体は、これらの2つの間に介在する界面層を加熱して完全に結晶化させるための第2のプロセスを受けることができる。
第2のバルク金属ガラスは、第1のバルク金属ガラスの臨界結晶化温度を超えるガラス転移温度を有していてもよく、この方法は、第2のバルク金属ガラスを第1のバルク金属ガラス上に堆積さる前に、該第2のバルク金属ガラスを第1のバルク金属ガラスの臨界結晶化温度よりも高い第2の温度に加熱するステップを含んでいてもよい。第1のバルク金属ガラスの結晶化は、20MPa√mを超えない界面での破壊靱性を有用にもたらす。界面層および支持構造体のいくつかの隣接部分は、界面層を結晶化し易くするために、第1のバルク金属ガラスから有用に製作されていてもよく、支持構造体の下層は、潜在的に安価な他の範囲の材料から製作されてもよい。したがって、一態様において、支持構造体を製作するステップは、第1の材料から支持構造体のベースを製作することと、当該ベースと物体との間に第1のバルク金属ガラスから支持構造体の界面層を製作すること、とを含むことができる。この方法はまた、第1のバルク金属ガラスが結晶化されている界面で支持構造体を破砕することによって、支持構造体を物体から除去するステップを含むことができる。
ガラス形成合金の多くのシステムを使用して、脆弱な界面層の製作に適した熱的に一致しない対を得ることができる。例えば、低温の支持構造体は、マグネシウムベースのバルク金属ガラスから製作され得る。支持用のマグネシウムベースの金属ガラスは、例えば、カルシウム、銅、イットリウム、銀およびカドミウムの1つ以上を含み得る。マグネシウムベースのガラスは、例えば、Mg65Cu25Y10,Mg54Cu28Ag7Y11の組成を有し得る。物体は、例えば、ジルコニウム、鉄、またはチタンベースの金属ガラスを含む比較的高温のバルク金属ガラスから製作され得る。例えば、高温合金は、1つ以上の銅を含有するジルコニウムベースの合金を含み、また追懐の合金要素として、銅、ニッケル、アルミニウム、ベリリウム、またはチタンを含み得る。より具体的な例としては、ジルコニウムベースの合金は、Zr35Ti30Cu8.25Be26.7,Zr60Cu20Ni8Al7Hf3Ti2,またはZr65Cu17.5Ni10Al7.5のうちのいずれか1つを含み得る。鉄ベースの高温合金は、(Co0.5Fe0.5)62Nb6Dy2B30,Fe41Cr15Co7C12B7Y2またはFe55Co10Ni5Mo5P12C10B5を含み得る。さらに具体的には、合金の有用なペアは、約400℃(摂氏)のガラス転移温度を有するZr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3および約350℃(摂氏)のガラス遷移温度を有するZr44Ti11Cu10Ni10Be25を含み得る。他の例としては、Fe48Cr15Mo14Er2C15B6は、約570℃(摂氏)のガラス転移温度を有し、Zr65Al10Ni10Cu15は、約370℃(摂氏)のガラス転移温度を有し、約200℃の処理マージンを提供するので、これは、例えば、体積の直後に実質的な冷却が行われる状況下において有用であり得る。
図8は、3Dプリンタ用の押出機を示す図である。一般に、バルク金属ガラスプリンタのような3Dプリンタ用の押出機800は、ビルドプレート818上に物体840を形成するために、駆動システム808によってリザーバ804を通って前進させられ、ノズル802の開口部816から出てくる造形材料810の供給源812を含むことができ、すべては一般に本明細書に記載されている通りである。コントローラ830は、押出機800およびプリンタの他のコンポーネントの動作を制御して、コンピュータ化されたモデルから物体440を製作することができる。押出機800は、材料の取扱性または層形成の改良および融合を容易にするために、様々な特徴を単独でまたは組み合わせて含むことができる。例えば、押出機800は、せん断エンジン850を含むことができ、かつ押出機は、同様にまたは代わりに、プラズマ源870を含むことができる。
せん断エンジン850は、造形材料810(例えば、バルク金属ガラス)のフィードパス内に設けられて、バルク金属ガラスのせん断変位を積極的に誘導して、凝固金属の凝集または結晶化を緩和することができる。これは、高温でバルク金属ガラスを取り扱うための処理時間を有利に延ばすことができる。一般に、せん断エンジン850は、バルク金属ガラスの流れのせん断変位をフィードパス814に沿ってリザーバ804に積極的に誘導してバルク金属ガラスの結晶化を緩和するように構成された、任意の機械的駆動部を含むことができる。
一態様において、せん断エンジン850は、リザーバ804内に配置されたアーム852を含んでいてもよい。アーム852は、例えば、フィードパス814の軸周りを回転することによって、リザーバ804内のバルク金属ガラスを移動および変位させるように構成させることができる。せん断エンジンは、例えば、2つ、3つ、または4つのアームのような複数のアームを含むことができ、これらのアームは、フィードパス814の軸を横断する単一の平面内に配置されていてもよく、または、リザーバ804の軸方向長さ全体にわたってせん断変位を促進するために、軸方向に沿って互い違いに配置されていてもよい。せん断エンジン850は、同様にまたは代わりに、リザーバ804内のバルク金属ガラス810内にせん断を導入するように配置された、1つ以上の超音波トランスデューサ854を含んでいてもよい。せん断エンジン850は、同様にまたは代わりに、回転クランプ856を含んでいてもよい。回転クランプ856は、バルク金属ガラス810がガラス転移温度よりも低い温度でリザーバ804に入るときに該バルク金属ガラス810と機械的に係合する、クランプ機構またはグリップ機構の任意の組合せとすることができ、バルク金属ガラス810がリザーバ804に入るときに、該バルク金属ガラス810を回転させてせん断を導入するように構成されている。これは、例えば、クランプ内の回転運動を防止しながら回転クランプ856を通る軸方向運動を可能にする内部ベアリングを有する、カラークランプ、シャフトカラーなどを含むことができる。回転運動を防止することにより、回転クランプ856は、固体形態で造形材料810に回転力を加えることができる。造形材料810の供給源812もまた、該供給源からの造形材料810内に応力が蓄積するのを防ぐために同期して回転することができるが、この応力は、造形材料810が供給源812からリザーバ804に移動するときに、造形材料810を機械的に破壊する可能性がある。
せん断エンジン850は、様々なフィードバック信号に従って有用に制御することができる。一態様において、押出機800は、リザーバ804内の造形材料810(例えば、バルク金属ガラス)の粘度を検出するセンサ858を含むことができ、コントローラ830は、バルク金属ガラスの粘度を示すセンサ858からの信号に基づいて、せん断エンジン850によるせん断変位の速度を変化させるように構成することができる。センサ858は、例えば、駆動システム808の負荷、せん断エンジン850の回転負荷、またはリザーバ804内の造形材料810の粘度を直接または間接的に示す任意の他のパラメータを測定することができる。他の態様において、センサ858は、駆動システム808によってバルク金属ガラス810に加えられる力を測定するように構成された力センサを含むことができ、コントローラ830は、駆動システム850によって加えられる力を示すセンサからの信号に応答してせん断エンジン850によるせん断変位の速度を変化させるように構成されていてもよい。他の態様において、センサ858は、せん断エンジン850の負荷を測定するように構成された力センサであってもよく、コントローラ830は、せん断エンジン850への負荷を示す力センサからの信号に応答して、せん断エンジンによるせん断変位の速度を変化させるように構成されていてもよい。
一般に、結晶化は、ガラス転移温度を超えるバルク金属ガラスの粘度が約10〜12パスカル秒を超えるときに推測され得る。この閾値と比較するために粘度を直接的または間接的に測定または推定するための任意の適切な機構が、本明細書で企図されるような剪断エンジン850の動作を制御するためのセンサ信号を提供するために有用に使用され得る。
一般に、結晶化は、ガラス転移温度を超えるバルク金属ガラスの粘度が約10〜12パスカル秒を超えるときに推測され得る。この閾値と比較するために粘度を直接的または間接的に測定または推定するための任意の適切な機構が、本明細書で企図されるような剪断エンジン850の動作を制御するためのセンサ信号を提供するために有用に使用され得る。
押出機800は、同様にまたは代わりに、プラズマ源870を含むことができる。プラズマ源870は、ノズル802を通って出てくる金属造形材料810に向けられて、物体840内の造形材料810の層間結合を妨害する可能性のある酸化層および他の潜在的な汚染物質を除去または緩和する脱パッシベーション洗浄を提供することができ、より具体的には、材料を堆積させている間に、ノズルを出る金属造形材料が先に堆積された金属造形材料の下層と接合する連続層の間の界面872上の位置にプラズマの流れを向けることによって、脱パッシベーション洗浄を提供することができる。他の態様において、プラズマ源870は、ノズルを出る金属造形材料がその場所の上に堆積される前に下層上のある場所に向けられ、造形材料を受けようとしている表面を予め洗浄する。アルミニウムなどの強力な酸化剤は、層が形成されている間に直ちにプラズマにさらされることがより好ましいが、他の汚染物質は、事前洗浄プロセスで有用に除去されてもよい。プラズマ源870は、製作中にプラズマ洗浄の所望の強度および方向を提供するために、コントローラ830によって操縦可能または他の方法で制御可能であってもよい。プラズマ源870は、任意の適切な技術を用いてプラズマを発生させることができる。例えば、プラズマ源870は、可変化学プラズマ源、イオンプラズマ源、または本明細書で意図される3Dプリンタのビルドチャンバ内での展開に適した、任意の他の市販のまたは所有者のプラズマ源を含み得る。
一態様において、押出機800は、例えば、ノズル802(ノズル802が金属または導電性である)と、ノズルから出ている成形材料810との間の電圧差を測定するために使用され得る電圧監視回路880を含むことができる。上述のように、この電位差は、ノズル材料および造形材料810のゼーベック係数に関する情報と組み合わせて、2つの材料間の温度差を以下の関係式に従って計算することができる:
AおよびBがノズル802および造形材料810の材料を示す場合、Sは相対または特定のゼーベック係数を示し、Vは電圧を示し、Tは温度を示す。
図9は、3Dプリンタの押出機を示す。一般に、上記の押出機のいずれかのような押出機900は、ノズル902から延びるフォーマ950を含むことができ、該フォーマ950は、造形材料910がノズル902を出るときに造形材料910の先に堆積された層952に垂直力を加えることによって層融合プロセスを補うことができる。
一態様では、フォーマ950は、ノズル902の開口部916から先に堆積した層952の表面956に向かって下方に傾斜する傾斜面を有する成形壁954を含み、矢印958で全体的に示されるように、ノズル902が前に堆積された表面956に平行な平面内を移動するときに、下向きの力を生成する。成形壁954は、同様にまたは代わりに、材料910がノズル902を出て先に堆積された層952と結合するときに、ノズル902の移動方向に垂直な平面内に造形材料910を成形する断面を設けることもできる。この断面は、例えば、造形材料が開口部を出るときに造形材料の側面を形作るように配置された垂直エッジまたは曲線などの垂直形状を含むことができる。このタイプの垂直形状では、成形壁954は、溶融フィラメント製作プロセスで堆積された材料の道に良好に形成された矩形の断面形状を提供するために、膨らみおよび過剰の堆積材料をトリミングおよび/または成形することができ、物体940の外面仕上げを提供し、造形材料910の次の層を受け入れるための一貫した平坦な上面956を提供することができる。
フォーマ950は、同様にまたは代わりに、垂直力を加えるように配置されたローラ960を含んでもよい。ローラ960は、加熱ローラであってもよく、ローリングシリンダー、キャスターホイール、または付着した材料に連続的なローリング垂直力を加えるのに適した他のローラまたはローラの組み合わせを含んでもよい。
一態様において、造形材料との接着性が乏しい非粘着性材料をノズル902の開口部916の周囲、特に開口部916の周りのノズル902の底面に配置することができる。金属造形材料の場合、有用な非固着材料は、窒化物、酸化物、セラミック、または黒鉛を含むことができる。非粘着性材料はまた、顕微鏡的な機械的接着のための軌跡を最小限にする、減少した微小表面積を有する任意の材料を含み得る。非粘着性の材料は、同様にまたは代わりに、金属製の造形材料によって濡れていない任意の材料を含んでいてもよい。
図10Aは、スプレッド型の堆積ノズルを示す。本明細書に一般的に記載されているように、プリンタは、コンピュータ化されたモデルおよび溶融フィラメント製法プロセスに基づいて造形材料から物体を製造することができる。構築材料1001を堆積させるためのノズル1000は、流れおよび堆積特性を改善するために、本明細書に記載されるように修正されてもよい。一般に、ノズル1000は、堆積中にノズル1000によって課される押出および抵抗力を低減するために、ノズル1000に供給される造形材料1001の外径に近似する内径を有する出口を有する一方で、コンピュータ制御された製作プロセスにおいて、正確な材料堆積のために造形材料の平面位置を適切に拘束することができる。
一般に、ノズル1000は、第1の開口部1002、第2の開口部1004、および第1の開口部と第2の開口部とを接続するリザーバ1006を含むことができる。
第1の開口部1002は、様々な形状を有することができる。造形材料1001(本明細書に記載されるいずれの造形材料を含む)が、実質的に円形の断面を有する場合、第1の開口部もまた円形の断面を有することができ、造形材料1001を受け取る第1の開口部1002は、造形材料1001の外径1009と少なくとも同等の大きさの第1の内径1008を有する。第1の内径1008は、構築材料1001がリザーバ1006の第1の開口部1002に入るときに、結合または摩擦を回避するために、構築材料1001の外径1009よりもわずかに大きいことが好ましい。第1の開口部1002の上方、例えば、構築材料1001のためのフィードパス1007の始めの方で、ノズル1000は、造形材料1001を受け取り、造形材料1001が第1の開口部1002に向かってフィードパス1007に沿って前進するときに造形材料1001を案内するために、徐々にまたは突然サイズが増加する漏斗または他の形状の開口部を含むことができる。この入口のサイズおよび形状は、供給原料に応じて変化し得る。例えば、供給原料が、第1の開口部1002に遠くから供給される薄く可撓性のあるフィラメントである場合、入口は、供給原料を開口部に向かって漸進的に案内するために、比較的大きく、幅広く、長い漏斗を形成することができる。反対に、供給材料が剛性で線形セグメントに設けられている場合、第1の開口部1002には僅かな位置合わせしか必要とされないため、入口は、第1の開口部1002の前縁の小さな斜面または面取りによって適切に形成される。
第2の開口部1004は、一般に第2の内径1010を有し、第1の開口部1002に対してリザーバ1006の反対側の端部に配置され、製作プロセスにおいて、造形材料1001がリザーバ1006を出るときに、造形材料1001を表面(ビルドプレートまたは物体が製作される表面など)上に堆積させることができる。第2の内径1010は、リザーバ1006を通るフィードパス1007に沿った造形材料1001のための、最も狭いくびれの点であるのが一般的であるが、いくつかの実施形態では、リザーバ1006は、内部位置にわずかに狭い直径を含んでいてもよい。従来の溶融フィラメント製法のノズルは、押し出される造形材料の直径を実質的に制限し、例えば、1.75mm〜0.4mm以下に出口点において制限する一方で、この出口ポートは、造形材料1001および/またはノズル1000の入口開口部(第1の開口部1002)とほぼ同じ寸法に有効に維持され得ることが決められている。したがって、例えば、第2の開口部1004の第2の内径1010は、第1の内径1008の90%以上、またはより一般的には第1の内径1008より小さくてもよく、例えば、製作プロセスのx−y平面内に存在する造形材料1001を整列させ固定するだけの十分な制限があればよい。造形材料1001がリザーバ内で半径方向に膨張する場合、第2の開口部1004は、第1の開口部1002よりも僅かに大きくてもよい。したがって、一態様において、第2の開口部1004の内径1010は、第1の内径1008以上、または第1の内径1008よりも僅かに大きくてもよい。具体的な寸法に関わらず、造形材料1001の堆積を製作プロセスに整列させ、かつ加熱システム1016からの熱伝達を維持するように造形材料1001とノズル1000の内壁との間の物理的接触を維持するために、造形材料1001が出口で開口部1004を僅かに接触することが一般的に有利であり得る。
第1の開口部1002および第2の開口部1004は、同様にまたは代わりに、フィラメントまたは他の原料の非円形の断面形状用に構成されていてもよいことが理解される。したがって、供給原料がより一般化された断面形状を有する場合、第1の開口部1002は、断面形状に適合する(例えば、すべての寸法において等しいまたはより大きい)第1の形状を有していてもよく、第2の開口部1004は、第1の形状よりも小さい1つ以上の内部寸法および第1の形状の90%以上の断面積を有する第2の形状を有していてもよい。一般的な概念は、構築材料が第2の開口部1004を出るときに、構築材料1001をx−y平面内のあらゆる方向に非常にわずかに収縮させることであり、第1の開口部1002から第2の開口部1004への断面形状の僅かな下方縮尺、または1つ以上の特定の寸法の拡大縮小を含む多種多様な寸法制限により、この目的が効果的に達成できることを理解されたい。この一般化された構成において、第2の開口部1004は、造形材料1001が第2の開口部1004を通過するときに断面形状の周囲で造形材料1001と接触して、プリンタのz軸に対して垂直なx−y平面における造形材料の移動に抵抗することができる。
第2の開口部1004は、第2の開口部1004が第2の内径1010から第3の内径1004(例えば、第1の内径1002よりも大きい)に向かって下流側にフレアになっているか同様に広がるように、ノズル100の出口において面取りされた縁部1012または任意の同様に面取りされるかもしくは傾斜した面などを有用に含んでいてもよい。この面取りされた縁部1012は、さもなければ堆積された材料が第2の開口部1004の末端部の内面に(ビルドパスに対して)後方および上方に押し込まれ得る、ノズル1000の末端部での結合を回避することができる。
リザーバ1006内の造形材料1001を本明細書で一般に企図される作業温度範囲内に加熱するために、加熱システム1016は、フィードパスに沿って、例えば、第1の開口部1002と第2の開口部1004との間のリザーバ1006に隣接して配置され得る。これは、抵抗加熱要素、誘導加熱要素、または本明細書に記載される他の加熱要素、システムまたはデバイスのいずれかを含み得る。一般に、加熱システム1016は、造形材料1001を、第2の開口部1004を介した押し出しに適した作業温度に加熱し、造形材料1001をノズル1000から受け取る表面に結合させることができる。
ノズル1000は、本明細書に記載されたいずれのシステムのような、溶融フィラメント製作システムまたは同様の押出根ベースまたは堆積ベースの負荷製造デバイスと関連していてもよい。したがって、この図には示されていないが、ノズル1000は、プリンタで製作された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、第1の開口部1004から造形材料1001を堆積しながらノズルをビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと、物体の3Dモデルからビルドプラットフォーム上に物体を製作するためにプリンタを制御するように構成されたプロセッサと、を含む。制御された環境内でビルドプラットフォームおよび物体を囲うビルドチャンバのような他の特徴を、同様にまたは代わりに、含んでいてもよい。
他の態様において、ノズル1000は、造形材料がノズル1000の第2の開口部1004を出る際に該造形材料を加熱するための、本明細書に記載の加熱システムのいずれかのような局所加熱システムを含むことができる。この局部加熱システムは、堆積、拡散および/または下層との融合を改善するために、造形材料1001を軟化させるのを助けることができる。これは、例えば、ノズル1000を出る造形材料1001の第1の層と造形材料1001の下層との間の界面を横切って造形材料1001に電流を流すように構成されたジュール加熱システムと、第2の開口部の周りの領域で造形材料1001を加熱するように構成されたレーザ加熱システムと、第2の開口部1004近くのノズル1000内の抵抗加熱システムと、を含むことができる。他の態様において、加熱システム1016は、造形材料1001を、周囲温度よりも高くかつリザーバ1006内の造形材料の作業温度範囲よりも低い温度に予熱してもよく、局所加熱システムは、その後、造形材料1001がノズル1000を出る際に、該造形材料1001をこの中間温度から作業温度範囲内の第2の温度まで加熱することができる。本明細書に記載されるように、作業温度範囲は、造形材料1001が押し出しに適したレオロジー特性を示す任意の温度範囲を含むことができ、材料ごと、システムごとに変化し得る。特定の材料の場合、図10Aを参照して説明されるノズル1000のようなワイドボアノズルからの押し出しは、開口が大きいほど軸方向の負荷が小さくなるので、より制限的な従来のノズルよりも低い温度で有効に実施することができる。
上述の技術は、互いに、または本明細書に記載の他の技術と組み合わせることもできる。例えば、プリンタは、堆積中に、該プリンタの構築体積のx−y平面内のパス内でノズル1000を移動させることができ、ノズル1000は、その前縁上の造形材料を加熱するためのエネルギーを提供する局所ヒータを含むことができる。その一方で、パスに対してノズルの後縁にあるアイロンシューは、造形材料に対して垂直な力を材料の下層に加えることができる。
製作方法は、図10Aのノズル1000を有効に組み込むことができる。この方法は、例えば、断面形状および断面積を有するフィラメントとしての造形材料を提供するステップと、造形材料を作業温度範囲に加熱するステップと、フィラメントの断面形状と実質的に同様の第2の断面形状と、フィラメントの断面形状よりも当該断面形状の10%以下だけ小さい面積と、を有する開口部を介して造形材料を駆動するステップと、造形材料から3D物体を形成するためのパスに沿って、造形材料を開口部を介して堆積させるステップと、を含むことができる。本明細書に記載された多くの他の製作方法およびステップも同様にまたは代わりに、上述のノズル100を使用した製作プロセスに含まれ得る。
図10Bは、スプレッド型の堆積ノズルを示す。一般に、ノズル1000は、加熱システム1016、リザーバ1006、温度センサ1020およびヒートシンク1030を含むことができる。上述のように、リザーバ1006は、一般に、ほぼ均一な断面形状を有し得る。リザーバ1006は、上述したような適度な狭窄部を含むことができ、かつリザーバ1006は、図示されているような入口テーパ(ヒートシンク1030とリザーバ1006との間)と出口テーパなど、適度な膨張部を含むことができる。リザーバ1006は、金型等を介して造形材料を押し出すことを必要とする実質的な制約、または関連するプリンタの駆動システムに実質的な押出関連負荷を課す同様に制限的な他の開口部を含まない。
図11は、エネルギーディレクタを製作するためのノズルの断面図を示す。造形材料がノズル1100を出る際に、堆積された造形材料の露出した表面にリッジのような1つ以上のエネルギーディレクタを形成して、造形材料の連続する層間の層間結合を改善することができる局所接触力の高い領域を提供することができる。超音波振動のような他の技術を用いて、これらのエネルギーディレクタの特徴に沿って融合を改善することもできる。
一般に、ノズル1100は、金属造形材料のような造形材料が矢印1104によって示される方向にノズル1100を出るときに、該造形材料の上面に少なくとも1つのリッジを付けるための成形固定具1102を含むことができる。成形固定具1102は、例えば、ノズル1100の中心軸1108を通る溝1106を含むことができ、当該溝1106は、ノズル1100の移動方向に能動的または受動的に整列するように回転すること、または、固定されたままにすることができ、その結果、ノズル1100は、該ノズル1100がx−y平面内の特定の方向に移動するときのみ、エネルギーディレクタ機構を生成するようにすることができる。したがって、一態様において、成形固定具1102は、ノズル1100の中心軸1108の周りを回転することにより、ビルドパスが製作プロセスのx−y平面内で方向を変えるときに、成形固定具1102をビルドパスに対して整列させることができる。
本明細書に記載される他のノズルと同様に、ノズル1100は、製作プロセスにおいて物体を形成するために、ノズル1100をビルドプラットフォームに対してビルドパスを通って移動させるように動作可能なロボットシステムを含むシステムなどの付加製作システムに組み込むことができる。他の有用な特徴は、ビルドパスに沿ってノズルを追従するローラを含むことができ、該ローラは、次の層が少なくとも1つのリッジ上に堆積されるときに、該次の層に下方向の垂直力および超音波エネルギーを加えることができる。システムは、より一般に、ビルドプレートと、加熱システムと、ロボットシステムであって、ビルドプレート上の造形材料からコンピュータ化された物体の3Dモデルに従って物体を製作するために、ノズルをビルドプレートに対して3Dパスで移動させるように構成されたロボットシステムと、加熱システム、駆動システム、およびロボットシステムを制御して、ビルドプレート上に金属造形材料から物体を製作するためのコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラと、を含むことができる。
図12は、堆積された造形材料の層に形成されたエネルギーディレクタを示す。一般に、造形材料1200のビードまたは道は、本明細書に記載されるいくつかの技術のいずれかを用いて堆積され得る。図11に記載されるノズルのようなノズルを使用して、後に続く層との接触中に層間の融合を改善するために、局所的な領域にエネルギーを向ける隆起した小さな表面表面積を有する領域のフィーチャを有するリッジ1202または同様の特徴を形成することができる。
図13は、複数の溝を有するノズル出口の上面図を示す。上述したように、ノズル1300は、上に例示したような多数の溝1302、または、異なる角度でノズル1300の中心軸を通過する同様に成形形状を含むことができる。この構成によれば、有利には、ノズル1300を中心軸の周りで回転させることなく、該ノズル1300がx−y平面内のより多くの方向へ移動する際に、エネルギーダイレクタの特徴を生成することを可能になる。図中の溝は、ノズル1300の中心軸を通るように示されているが、必須の要件ではない。複数の平行な溝または中心軸に対して異なる角度を有する複数の溝を含む任意の数の溝を、中心軸を通らないように組み込むことができる。
図14は、多数の突起部を有するノズルの出口の上面図を示す。一般に、ノズル1400の成形固定具は、ノズルから造形面に向かって下方に延びる、フィンガ、ロッドなどのような1つ以上の突起部1402を含むことができ、これらは、材料が堆積されている間に表面を掻き集めるまたは他の方法で成形することによって、ノズルを出る造形材料の上面に谷(および対応するピーク)を形成するように配置されている。
付加製作方法は、造形材料の露出した表面にエネルギーディレクタを形成するために、上記のノズルを有効に組み込むことができる。例えば、本明細書で企図されるような物体の3D製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法で、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、造形材料がノズルを出るときに造形材料の上面を成形して、造形材料の後続層を受ける局部接触力が高い領域を提供する1つ以上のリッジを形成するステップと、を含むことができる。この方法は、本明細書に記載される造形材料のいずれかを使用することができ、また、層間の融合を改善するための他の技術を有用に組み込むことができ、該他の技術には、造形材料の後続層が1つ以上のリッジ上に堆積されている間に、該後続層に超音波エネルギーを適用すること、または、後続層が堆積されている間に、1つ以上のリッジにプラズマ流を適用することなどがある。
図15は、ゼーベック効果を用いて温度を監視する方法を示す。ゼーベック効果は、2つの異なる導電体または半導体の間の温度差が2つの材料間に電圧差を生じさせる現象である。この特性は、造形材料が導電性材料で形成されたノズルを出る場合など、材料温度が直接測定に向かない場合であっても、材料温度を推定するために利用することができる。以下の説明はゼーベック効果を具体的に述べているが、熱電効果の名称で集合的に移動するペルチェ効果およびトムソン効果のような多数の熱力学的に関連する概念は、温度差が電圧に変換されるか、またはその逆の現象を説明しており、そのいずれもが本明細書で意図される測定温度に等価的に適用され得ることが理解されよう。
ステップ1502に示すように、方法1500は、製作プロセスにおいて造形材料を押し出すステップを含むことができる。これには、例えば、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出し、本明細書に記載される任意の技術を使用して、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、溶融フィラメント製作プロセスにおいて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいてビルドプレート上に物体を製作することが含まれ得る。
ステップ1504に示されるように、方法1500は、ノズルと金属造形材料との間の電圧を監視するステップを含むことができる。これには、電圧測定が、ノズルの2つの異なる材料と造形材料との間の物理的界面に及ぶ場合に、本明細書で説明される様々な回路およびプローブ配置のいずれかを用いて電圧を監視することを含むことができ、ゼーベック効果は温度差に基づいて電圧差を生成する。
ステップ1506に示すように、方法1500は、電圧に基づいて金属造形材料の温度パラメータを推定するステップを含むことができる。温度パラメータは、加熱システムを制御するために有用な温度の任意の指標とすることができる。例えば、温度パラメータは、ゼーベック関係から得られる最も直接的な結果であるノズルと金属造形材料との間の相対温度を含むことができる。しかしながら、金属造形材料の絶対温度は、加熱システムを制御するためのより有用な測定値であり得る。したがって、一態様において、温度パラメータは、金属造形材料の絶対温度を含むことができる。絶対温度を得るために、方法1500は、例えば、外部の熱電対、赤外線スキャナ、または他の適切な技術と用いてノズルの温度を測定するステップと、次いで、金属造形材料とノズルの材料のそれぞれについての電圧およびゼーベック係数に基づいて、ノズルと金属造形材料との間の温度差を推定するステップと、を含むことができる。これらの2つの値(ノズルの絶対温度およびノズルと造形材料との間の温度差)を合計して、造形材料の絶対温度を計算することができる。
ステップ1508に示されるように、方法1500は、温度パラメータに応じて金属造形材料の温度を制御するステップを含むことができる。本明細書には、温度を制御するための様々な技術が記載されており、そのいずれもが、金属造形材料の温度を制御するのに適している。例えば、温度を制御するステップには、造形材料がノズルを通る際の、加熱システムから造形材料への熱伝達を増加または減少させるために、該造形材料の押出速度を制御することが含まれ得る。温度を制御ステップには、同様にまたは代わりに、造形材料がフィードパスに沿って移動するときに該造形材料に熱を提供する加熱システムを制御することや、材料が堆積される場所への局所加熱を緩和するようにノズル速度を制御することが含まれ得る。他の態様では、本明細書に記載される局所加熱技術、例えば、レーザ加熱、冷却流体のストリーム、ジュール加熱などのいずれかをノズルの出口で使用して、押し出された材料の温度をより局所的に制御することができる。より一般には、周囲のハードウェアの推定的な測定とは区別されるように、ゼーベック効果を用いて造形材料の熱パラメータの迅速かつ正確な直接測定を提供することにより、熱制御を改善することができる。
図16は、3Dプリンタの押出機を示す。押出機600は、本明細書に記載されるいずれのノズルのようなノズル1604と、該ノズルに沿ってクリーニング器具1602と、を含むことができる。
ノズルクリーニング器具1602は、プリンタのビルドチャンバ内(またはビルドチャンバの近く)の任意の適切な位置であって、プリンタのビルドプレート上などのプリンタのロボットシステムを用いてノズル1602がアクセスできる場所に配置され得る。一般に、ノズルクリーニング器具1602は、ノズル1600から凝固した造形材料および他の汚染物質を物理的に除去または機械加工するように成形されていてもよく、プリンタ用のロボットシステムを使用して、定期的なクリーニングのために、または詰まったノズルを示す診断条件などに応じて、ノズル1604をノズルクリーニング器具1602と係合させるように操作することができる。したがって、プリンタ用のコントローラは、ノズル1604の開口部がノズルクリーニング器具1602と係合するように該ノズル1604の開口部を移動させ、硬化した金属や汚染物資などの障害物1606を出口パスに移動させるように構成することができる。これは、ノズル1604をノズルクリーニング器具1602に移動させること、ノズルクリーニング器具1602をノズル1604に移動させること、またはこれらのいくつかの組合せを含むことができる。
一般に、ノズルクリーニング器具1602は、ノズル1604の出口と幾何学的に適合することができる。例えば、ノズルクリーニング器具1602は、開口部1622がピン1620上に配置されたときに、出口パスへの障害物を機械的に外すための形状のピン1620または類似の形状のものを含むことができる。より一般的に、任意の適切な相補的な幾何形状を採用することができる。例えば、ノズル1604が非円形の断面ボアを有する場合、補完的な形状をピンに使用することができる。ノズルクリーニング器具1602は、ピン1620が開口部1622と係合するときに開口部から材料を除去するように配置された鋭利な縁部1624を有効に一体化することができる。
一態様において、ノズルクリーニング器具1602は、開口部1622内の金属造形材料にジュール加熱電流を適用するように、本明細書に記載されたジュール加熱システムのいずれかなどの電流源を含むことができる。これは、ノズル1604を通る金属造形材料を融解して流動させるためである。これは、結晶化し、硬化し、または他の方法で詰まった造形材料または汚染物がノズル1604から流出することができるように、それを有効に液化することができる。ノズルクリーニング器具1602は、同様にまたは代わりに、融解温度を超える金属造形材料を加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源を含んでいてもよい。
プリンタ用のコントローラは、ノズルクリーニング器具1602を複数の方法で選択的に適用することができる。例えば、コントローラは、所定のノズル洗浄スケジュールに従って、またはノズルを通る流れに対する潜在的な障害物の検出に応じて、またはこれらのいくつかの組合せに従って、ノズル1604の開口部1622をノズルクリーニング器具1602と係合するように移動させることができる。
他の態様において、押出機1600または押出機1600を使用するプリンタは、ノズルの表面1632との接触プローブの接触を電子的に検出するように構成された接触プローブ1630を含むことができ、接触プローブ1630は、所定の位置でノズルの表面と接触するように配置される。より一般的には、1つ以上の接触プローブを使用して、ノズルの高さおよび/または位置を検出することができ、例えば、プリント前にノズルをゼロにしたり、中心に合わせたり、または較正したりすることや、製作中の造形材料の堆積された層に対する高さを決定することができる。所定の位置は、例えば、特定のx−y−z座標、またはビルドボリューム内の特定のz軸位置など、プリンタのビルドボリューム内の所定の場所を含み得る。所定の位置は、同様にまたは代わりに、プリンタのビルドプラットフォームに対する所定の高さ、製作プロセスにおいてノズルから先に堆積された金属造形材料の層に対する所定の高さ、製作プロセスにおいて現在ノズルから堆積されている金属造形材料の層に対する所定の高さを含み得る。下方に面するノズル1600の表面1630を使用すれば、ノズル1600を電気接触が検出されるまで接触プローブ1630に向けて下降させることによって、z軸の測定値を容易に捕捉することができる。
一般に、プロセッサまたはプリンタの他のコントローラは、1つ以上の位置に基づく制御信号との接触に応答するように構成され得る。例えば、プロセッサは、ノズルの表面との接触の検出に基づいて、プリンタのビルドボリューム内でノズルを移動させるロボットシステム内の1つ以上のモータの位置を較正するように構成されていてもよい。単一の接触プローブ1630が図示されているが、異なるタイプの位置測定を容易にするために、または特定の測定のx−y−z分解能を向上させるために、複数の接触プローブ1630を使用してもよいことが理解されよう。したがって、例えば、プリンタは、複数の接触プローブ1630を含むことができ、プロセッサは、複数の接触プローブ1630のそれぞれとの同時接触に基づいて、ノズル1604を中心合わせするように構成することができる。他の態様において、プリンタは、接触プローブ1630と固定された配向で接続された第2の接触プローブ1630を含むことができる。これらのプローブ1630は、プリンタのビルドボリューム内で制御可能に配置されていてもよく、プロセッサは、第2の接触プローブを、物体を形成するように堆積された金属造形材料の露出した上面と接触させて配置するように位置決めし、かつ第1の接触プローブとノズルの表面との接触に基づいて、露出した上面に対するノズルの高さを決定するように構成されていてもよい。
図17は、3Dプリンタにおけるノズルクリーニング器具の使用方法を示す。
ステップ1702に示すように、方法1700は、製作プロセスにおいて造形材料を押し出すステップを含むことができる。これは、例えば、金属造形材料をプリンタのノズルを介して押し出し、ノズルをビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させて、本明細書に記載される任意の技術を用いて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいて、溶融フィラメント製法プロセスでビルドプレート上に物体を製作すること含み得る。
ステップ1704に示すように、この方法は、潜在的な障害物を検出するステップを含むことができる。押出ノズルを通って流れる障害物を検出するために、多くの技術を使用することができる。これには、例えば、フィラメントまたはフィラメントを受け入れる押出機に加えられる瞬時的な力を測定し、ノズルを介して造形材料を駆動するのに必要な力を測定することが含まれる。同様の測定値は、駆動システムによって加えられる回転力から、またはノズルを介して造形材料を駆動する駆動システム上の電気的または機械的負荷によって得ることができる。他の態様において、ゼーベック効果または他の技術を用いて、目詰まりまたは硬化を示すノズル内の材料の状態変化を検出することができる。
ステップ1706に示されるように、潜在的な障害物が検出されたとき、方法1700は、例えば、加熱、物理的変位などの本明細書に記載された技法のいずれか、またはこれらのいくつかの組合せを使用して障害物の除去を容易にするために、ノズルを移動させてノズル清掃器具と係合させることを含み得る。ピンを含むノズルクリーニング器具の場合、これは、例えば、3Dプリンタ用のロボットシステム、またはノズルクリーニング器具の空間的制御のために設けられた補足的ロボットシステムを用いって、ノズルを操作してピンと整列された後に、ピンをノズルの開口部を通して挿入することを含み得る。これは、同様にまたは代わりに、マイクロ波エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを金属造形材料に、該金属造形材料を液化させるのに十分に適用すること、または電流をノズル内の金属造形材料に、該金属造形材料を液化させるのに十分に加えることを含み得る。障害物を物理的に排除するための任意の他の同様の機械的または電磁的技術が、同様にまたは代わりに、本明細書で企図されるノズルクリーニング器具に用いられてもよい。
図18は、ノズル位置の検出方法を示す。
ステップ1802に示すように、方法1800は、製作プロセスにおいて造形材料を押し出すステップを含むことができる。これは、例えば、金属造形材料をプリンタのノズルを介して押し出し、ノズルをビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させて、本明細書に記載される任意の技術を用いて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいて、溶融フィラメント製法プロセスでビルドプレート上に物体を製作すること含み得る。
ステップ1804に示すように、方法1800は、ノズルの表面と所定の位置にある接触プローブとの接触の電気的な検出に基づいて、ノズルの位置を検出するステップを含むことができる。所定の位置は、プリンタのビルドボリューム内の所定の位置、プリンタのビルドプレートに対する所定の高さ、またはプリンタまたは製作プロセスの座標系内の他の相対的または絶対的な位置を含むことができる。
ステップ1806に示すように、方法1800は、ノズルと接触プローブとの間の接触に音付いて、ノズルの位置を制御するステップを含むことができる。これには、接触が検出されたときの製作プロセス内におけるノズルの移動を制御すること、またはより一般的には、例えば、ノズルの表面との接触の検出に基づいて、ビルドパスに沿ってノズルを移動させるロボットシステム内の1つ以上のモータの位置を較正することによってノズルの移動を制御すること、が含まれ得る。
図19は、溶融可能なバルク金属ガラスの支持材料を使用する方法を示す。一般に、これは、完全に溶融可能な支持体を製作するステップ、または物体と非溶解性の支持構造体との間に溶融可能な界面を製作するステップを含むことができる。
ステップ1902に示すように、方法1900は、支持構造体を製作するステップを含むことができる。これは、一般的に、プリンタのビルドプレートに対して第1のビルドパスに沿って第1のノズルを含み、第2のノズルから支持材料を押し出して物体の支持構造体を製作するステップを含むことができる。例えば、支持構造体全体が溶媒で除去されることが意図されている場合、支持材料は溶融可能なバルク金属ガラスを含んでいてもよく、または、支持材料は、本明細書で企図されるような物体を支持するのに適した任意の他の材料であってもよい。
ステップ1904に示すように、方法1900は、界面層を製作するステップを含むことができる。特に、支持構造体それ自体が特定の溶媒に溶解しない場合、界面層は、支持構造体と隣接する物体表面との間に別々に製作されていてもよく、界面層は、溶媒で除去して物体を支持構造体から解放することができる溶融可能なバルク金属ガラスを含む。当技術分野では、多くの好適なバルク金属ガラス合金が知られている。上述したように、溶融可能なバルク金属ガラスには、マグネシウム合金、カルシウム合金、またはリチウム合金が含まれ得る。
ステップ1906に示すように、方法1900は、第2のノズルをビルドプレートに対して第2のビルドパスに沿って移動させて、金属造形材料から支持構造体上に物体の一部を製作することなどによって、物体を製作するステップを含むことができ、当該ステップにおいて、第2のビルドパスは、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいている。界面層が上述のように堆積される場合、第1のノズルおよび第2のノズルが同じノズルであってもよく、および/または、支持構造体および物体が同じノズルから製作されてもよい。いずれの場合においても、得られる物体は、物体の一部を付加的に製作するための支持構造体と、溶融可能なバルク金属ガラスから形成された支持構造体と、支持構造体に隣接する物体の表面と、を含む製品を含み得る。ここにおいて、物体の表面は、金属造形ガラスから形成されている。
ステップ1908に示すように、方法1900は、支持構造体または界面層のいずれかの溶媒可能なバルク金属ガラスを溶解させるステップを含むことができる。凝集構造は、例えば、適切な対応する溶媒中に浸漬またはリンスすることができる。適切な場合には、加熱してもよく、または溶媒を撹拌してもよく、または溶解プロセスを促進するためにエネルギーを加えてもよい。使用される特定の溶媒はシステムに依存するが、種々の態様において、このステップは、バルク金属ガラスを水または塩化水素もしくは他のpH修正酸もしくは塩基を含有する水溶液に溶解することを含み得る。
図20は、物体をビルドプレートに制御可能に固定する方法を示す。一般に、製作中に物体を受けるビルドプレートは、融解温度が低いはんだのような、(造形材料と比較して)融解温度の低い材料のコーティングを含み得る。具体的に、材料は、構造体を受けている間は凝固することができ、次いで、製作後に、隣接する製作された物体が融解または変形しないように十分に低い温度で液体状態に加熱されて、構造体の除去を容易にし得る。
ステップ2002に示すように、方法2000は、ビルドプレートに、融解温度を有する材料のコーティングを提供するステップを含むことができる。これは、本明細書に記載されるビルドプレートのいずれかを含み得る。コーティングの融解温度は、ビルドプレートに使用される造形材料の作業温度範囲の底部よりも低い温度、例えば、造形材料が固体である温度であり得る。コーティングは、例えば、ビスマスまたはインジウムを含むはんだ合金のような融解温度の低いはんだを含むことができる。
ステップ2004に示すように、方法2000は、ビルドプレートを冷却するステップを含むことができる。これは、金属造形材料(作業温度範囲内にあるときに、コーティングを融解温度を超えて加熱し得る傾向にある)にされられたときに、コーティングを融解温度よりも低い温度に維持するためにビルドプレートを冷却することを含み、ビルドプレートを内部で流体冷却するなどの能動的な冷却を常に適用し、ビルドプレートに冷却ガスまたは冷却流体を導入し、または実際の温度とは無関係にビルドプレートを連続的に冷却することができる。これは、同様にまたは代わりに、ビルドプレートを目標温度または目標温度範囲内に維持するために、能動的冷却システムを制御することを含んでいてもよい。なお、ビルドチャンバおよびビルドプレートが通常のプリント条件下で十分に冷たいままである場合、ビルドプレートを積極的に冷却するステップを省略してもよいことが理解されよう。
ステップ2006に示すように、方法2000は、金属造形材料を用いてビルドプレートのコーティング上に構造体を製作するステップを含むことができ、ここにおいて、金属造形材料は、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する。構造は、例えば、製造用にプリンタに提出されたコンピュータ化されたモデルによって記述された任意物体を(適切な形式またはデータ構造で)含むことができる。構造は、同様にまたは代わりに、プリンタによって製作される物体のための支持構造体を含むことができる。上述したように、コーティングの融解温度は、好ましくは、ビルドプレート上に堆積される造形材料の作業温度範囲の底部よりも低い。
ステップ2008に示すように、構造の製作が完了した後、方法2000は、コーティングを融解温度を超える温度に加熱するステップを含むことができる。一般に、これは、構造体のネット形状を融解または変形させることなく、あるいは構造体の形状に実質的に影響を及ぼすことなく、ビルドプレート上のコーティングを液化することができる。
ステップ2010に示すように、方法2000は、コーティングが液体である間に、ビルドプレートから構造体を除去するステップを含むことができる。コーティングが融解温度を超えて加熱されると、構造体は同時に作業温度範囲よりも低い温度で固体状態にあり、構造体からの実質的な機械的抵抗なしに構造体をビルドプレートから取り外すことができる。
同様の技術が、同様にまたは代わりに、製作中に支持体を必要とする物体から支持体を除去するための溶融可能な界面を形成するために使用され得る。したがって、例えば、本明細書で企図される構造体には、付加的に製作された物体の一部を支持するための支持構造体、低温合金で形成された融解可能な界面層、および物体の表面が含まれていてもよく、溶融可能な界面は、支持構造体と物体の表面との間に配置され、金属造形材料から形成された物体は、溶融可能な界面層よりも実質的に高い融解温度を有する。溶融可能な界面は、例えば、本明細書に記載されるいずれのはんだのような低温はんだで形成することができる。
図21は、力のフィードバックを使用した押出制御プロセスの方法を示す。一般に、金属造形材料のような造形材料を押し出すための制御ループは、造形材料を押し出すのに必要な力を測定し、次いで、この感知されたパラメータを使用して造形材料の温度を推定する。温度、または推定温度と目標温度との間の差は、造形材料の押出速度を増加または低減して、フィードパスに沿った加熱システムからの熱伝達を制御するために使用され得る。この一般的な制御ループは、ノズルの目詰まりまたは結晶化の開始のような他の可能な条件を説明するように変更することができる。重要な利点として、これは、一方では温度を検出するのに要する時間を短縮し、他方では、熱を加えるのに要する時間を短縮することによって、熱制御を大幅に改善することができる。以下の技術は、金属造形材料を用いて製作を行う技術として記載されているが、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリ乳酸などの非金属の溶融フィラメント製作材料にも有用に適合させ得ることを理解されたい。
ステップ2102に示すように、方法2100は、本明細書に記載される加熱システムのいずれのような加熱システムを用いて、金属造形材料のような造形材料を加熱するステップを含むことができる。一般に、これは、本明細書で一般に企図されている作業温度範囲内の温度に金属造形材料を加熱することを含む。
ステップ2104に示すように、方法2100は、本明細書に記載される駆動システムのいずれかのような駆動システムの速度で、金属造形材料をプリンタのノズルを介して前進させるステップを含むことができる。
ステップ2106に示すように、方法2100は、ノズルを通る造形材料の前進に抵抗する駆動システムの力を監視するステップを含むことができる。これは、押出機を通って前進させられるときに成形材料によって駆動システムに加えられる荷重を決定するのに適した任意のセンサまたはセンサの組み合わせを使用して監視することができる。例えば、これは、線形変位センサ、力センサ、回転センサ、または供給原料による押出機またはノズル上の軸方向荷重、駆動システムのモータにおける回転機械的負荷、または押出機を介して造形材料を前進させる際の駆動システムの電気的負荷などの、関連する物理的パラメータを測定するための任意の他のタイプのセンサを含むことができる。
ステップ2108に示すように、方法2100は、駆動システムの力に応じて駆動システムの速度を調整するステップを含むことができる。これには、駆動速度を制御するためのフィードバック信号として感知された力を加えるための、任意の比例の、積分の、微分のまたは他のシステムが含まれる。例えば、これは、一般に、力が減少したときの熱伝達を減少させるために駆動システムの速度を増加させることによって速度を調整することを含むことができる。これは、同様に、力が増加したときの熱伝達を増加させるために駆動システムの速度を減少させることを含むことができる。すなわち、増加した力が増加する粘度およびより低い温度を示唆する場合、より多くの熱伝達が起こり得る加熱システムの近くで構築材料がより長い時間を費やすように、速度を幾分遅くすることができる。その逆に、(より高い温度およびより低い粘度を示唆する)減少する力に応答して、固定位置加熱源が熱を加えるリザーバまたは他の場所で生じる加熱量を減少させるために、速度を増加させることができる。一般に、この技術を実施する制御システムは、造形材料の所定の温度を示す力に対して所定の目標値を維持することができる。
ステップ2110に示すように、方法2100は、ノズル速度を調整するステップを含むことができる。特に、これは、製作プロセスのための実質的に一定の材料堆積速度を維持するために、駆動システムの速度に比例して、製作プロセスにおけるノズル移動速度を調整することを含み得る。駆動速度が変化するにつれて、造形材料の押出量も変化する。押出速度が変化するときに、物体の残りに対して過剰または過少な押し出しを避けるために、製作プロセスのx−y平面におけるノズルの速度は、実質的に一定の体積分布速度と、造形材料の対応するバランスの取れた、または一貫した空間分布と、を維持するように調整されていてもよい。より具体的には、駆動速度が増加するにつれて、ノズル速度は比例して増加し、その逆もまた同様である。
ステップ2112に示すように、方法2100は、駆動システムの力と駆動システムの速度との間の関係に基づいてプリンタ内のエラー状態を検出するステップを含むことができる。例えば、プリンタは、温度の上昇と共に駆動速度が低下(より多くの加熱をもたらす)するのに応答して、駆動システムの軸方向、回転方向または他の負荷を減少させる。代わりに、力が増加すると、詰まり、造形材料の結晶化または他の誤動作のようなエラーが推測され得る。同様に、(サーミスタ、ゼーベック効果測定などを使用して)測定された温度が駆動速度の変化と矛盾するように変化しているように見える場合、同様にエラー状態が推測される。
ステップ2114に示すように、この方法は、エラー状態に応答して是正措置を開始するステップを含むことができる。
上述のシステム、デバイス、方法、プロセスなどは、ハードウェア、ソフトウェア、または特定のアプリケーションに適したこれらの任意の組合せで実現され得る。ハードウェアは、汎用コンピュータおよび/または専用コンピュータデバイスを含むことができる。 これには、1つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、組み込みマイクロコントローラ、プログラマブルデジタル信号プロセッサ、または他のプログラマブルデバイス、または処理回路、ならびに内部および/または外部メモリが含まれ得る。これには、同様にまたは代わりに、1つ以上の特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ、プログラマブルアレイロジックコンポーネント、または任の他のデバイスまたは電気信号を処理するように構成され得るデバイスを含み得る。上述のプロセスまたはデバイスの実現には、Cのような構造的プログラミング言語、C++のようなオブジェクト指向プログラミング用語、または任意の他の高レベルまたは低レベルのプログラミング言語(アセンブリ言語、ハードウェア記述言語、データベースプログラミング言語および技術を含む)を使用して作成されたコンピュータ実行可能コードが含まれ、これらは、上記のデバイスの1つ、プロセッサの異種の組合せ、プロセッサアーキテクチャ、または異なるハードウェアとソフトウェアとの組合せで実行されるように、格納、コンパイル、または解釈され得ることを理解されたい。他の態様において、方法は、そのステップを実行するシステムで実施されてもよく、また、いくつかの方法でデバイスに分散されてもよい。同時に、処理は、上述した様々なシステムのようなデバイスに分散されてもよく、または、すべての機能が専用のスタンドアロンデバイスまたは他のハードウェアに統合されていてもよい。他の態様において、上述のプロセスに関連するステップを実行するための手段は、上述のハードウェアおよび/またはソフトウェアのいずれかを含むことができる。そのようなすべての置換および組合せは、本開示の範囲内であることが意図される。
本明細書に開示される実施形態は、1つ以上のコンピュータデバイス上で実行するときに、そのステップのいずれかおよび/またはすべてを実行する、コンピュータ実行可能コードまたはコンピュータ使用可能コードを含む、コンピュータプログラム製品を含むことができる。コードは、非一時的な方法でコンピュータメモリに格納されてもよく、該コンピュータメモリは、プログラムが実行されるメモリ(プロセッサに関連するランダムアクセスメモリなど)、ディスクドライブ、フラッシュメモリ、または任意の他の光学的、電磁気的、磁気的、赤外線の、もしくは他のデバイスまたはデバイスの組合せなどの記憶デバイスであってもよい。他の態様において、上述のシステムおよび方法のいずれかは、コンピュータ実行可能コードおよび/またはそれからの任意の入力または出力を搬送する任意の適切な送信または伝播媒体で実施することができる。
上述のデバイス、システム、および方法は、限定ではなく例として記載されていることが理解されよう。明示的な反対の指示がない限り、開示されたステップは、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、補足、省略、および/または並べ替えが可能である。多数の変形、追加、省略、および他の改変が、当業者には明らかであろう。さらに、上述した明細書および図における方法ステップの順序または提示は、具体的な順序が明示的に要求されている場合または本文から明らかである場合を除いて、列挙されたステップをこの順序で実行すること要求することを意図していない。
本明細書に記載される実施形態の方法ステップは、異なる意味が明示的に示されている場合または本文から明らかである場合を除いて、以下の特許請求の範囲の特許性に矛盾しない方法ステップを実施するための任意の適切な方法を含むことが意図される。したがって、例えば、Xのステップを実行することには、リモートユーザ、リモート処理リソース(例えば、サーバまたはクラウドコンピュータ)またはマシンのような他のパーティにXのステップを実行させるための任意の適切な方法が含まれ得る。同様に、ステップX、YおよびZを実行することには、そのようなステップの利点を得るために、ステップX、YおよびZを実行するための他の個人またはリソースの任意の組合せを支持または制御する任意の方法が含まれ得る。したがって、他の意味が明示的に示されていない限り、または文脈から明らかでない限り、本明細書に記載される実施形態の方法ステップは、1つ以上の他のパーティまたはエンティティに、以下の特許請求の範囲の特許性と一致するステップを実行させる任意の適切な方法を含むことが意図されている。そのようなパーティまたはエンティティは、任意の他のパーティまたはエンティティの指示または制御下にある必要はなく、特定の管轄内に位置している必要もない。
上述の方法は、例として提供されていることをよく理解されたい。明示的な反対の指示がない限り、開示されたステップは、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、補足、省略、および/または並べ替えが可能である。
上述の方法およびシステムは、限定ではなく例として記載されていることが理解されよう。多数の変形、追加、省略、および他の改変が当業者には明らかであろう。さらに、上述の説明および図面における方法ステップの順序または提示は、具体的な順序が明示的に要求されていないか、または文脈から明らかでない限り、記載されたステップを実行するこの順序を要求することを意図しない。したがって、特定の実施形態が開示されて記載されているが、当業者には、本開示の精神および範囲から逸脱することなく形式および詳細における様々な変更および修正を行うことができ、これらは法律で許容される最も広い意味で解釈されるべきであって、請求項で規定される本発明の一部を形成することが意図されていることが理解されよう。
Claims (195)
- 3D製作用プリンタであって:
実質的に円形の断面および外径を有するフィラメントとして形成された造形材料の供給源と;
前記フィラメントを軸方向に推進させるように構成された駆動システムと;
第1の開口部、第2の開口部、および前記第1の開口部を前記第2の開口部に接続するリザーバを含むノズルであって、前記第1の開口部が、前記駆動システムから前記フィラメントを受け入れるように配置された位置に第1の内径を有し、前記第2の開口部が、製作プロセスにおいて表面上に造形材料を堆積させるように、前記リザーバの反対側の端部に位置する第2の内径を有し、前記第2の内径が、前記第1の内径の90%以上であるノズルと;
前記第1の開口部と前記第2の開口部との間で前記造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムと、を備える、プリンタ。 - 前記表面は、前記製作プロセスによって製作される物体の表面である、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記プリンタで製造された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、前記第2の開口部から前記造形材料を堆積させながら、前記ノズルを前記ビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと、物体の3Dモデルから前記ビルドプラットフォーム上に前記物体を製作するために、前記プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、をさらに備える、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記ビルドプラットフォームおよび前記物体を制御された環境に内包するビルドチャンバをさらに備える、請求項3に記載のプリンタ。
- 前記造形材料が金属造形材料を含む、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラス、オフ共晶組成物、および包晶組成物の少なくとも1つを含む、請求項5に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2の相と、を有する複合材料を含む、請求項5に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、熱可塑性樹脂、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも1つを含むマトリックス中の金属粉末を含む、請求項5に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、粉末の冶金組成物を含む、請求項5に記載のプリンタ。
- 前記第2の開口部の前記第2の内径は、前記第1の開口部の前記第1の内径の99%以上である、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記第2の開口部の前記第2の内径は、前記第1の開口部の前記第1の内径よりも小さくない、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記第2の内径が前記フィラメントの前記外径よりも小さく、前記第2の開口部が前記第2の内径の下流側で前記第1の内径を超える第3の内径に拡がっている、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記造形材料が前記ノズルの前記第2の開口部を出るときに、該造形材料を加熱するための局所加熱システムをさらに備える、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記局所加熱システムは、前記ノズルを出る前記造形材料の第1の層と前記造形材料の下層との間の界面を介して前記造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムと、前記第2の開口部の周りの領域で前記造形材料を加熱するように構成されたレーザ加熱システムと、前記第2の開口部の近傍の前記ノズル内にある抵抗加熱システムの少なくとも1つ以上を含む、請求項13に記載のプリンタ。
- 前記加熱システムは、前記第2の開口部を介した堆積に適し、かつ前記ノズルから前記造形材料を受け取る前記表面への接合に適した作業温度に前記造形材料を加熱する、請求項14に記載のプリンタ。
- 前記加熱システムが、前記造形材料を周囲温度よりも高く作業温度範囲よりも低い温度に予熱し、前記作業温度範囲は、前記第2の開口部を介した堆積に適し、かつ前記ノズルから前記造形材料を受け取る前記表面に前記造形材料を結合させるのに適した温度範囲であり、前記局所加熱システムは、前記造形材料が前記ノズルを出るときに、前記造形材料を前記温度から前記作業温度範囲内の温度まで加熱する、請求項15に記載のプリンタ。
- 前記作業温度範囲は、前記造形材料が押出しに適したレオロジー特性を示す温度の範囲を含む、請求項16に記載のプリンタ。
- 前記ノズルは、堆積中に、前記プリンタのビルドボリュームのx−y平面内のパスを移動し、前記ノズルは、前記パスに対して前記ノズルの前縁に、前記造形材料を加熱するためのエネルギーを提供する局所加熱器を含み、前記ノズルは、前記パスに対して前記ノズルの後縁に、アイロンシューを含み、前記アイロンシューは、前記造形材料が下の材料層に入るように該造形材料に垂直力を加えるように構成されている、請求項1に記載のプリンタ。
- 3D製作用プリンタであって:
実質的に一定の寸法を有する断面形状で形成された造形材料の供給源と;
前記造形材料を軸方向に推進させるように構成された駆動システムと;
前記駆動システムから前記造形材料を受け入れるための第1の開口部であって、前記断面形状を収容するための第1の形状を有する第1の開口部と、製作プロセスにおいて前記造形材料を堆積させるための第2の開口部であって、前記第1の形状よりも小さい1つ以上の内部寸法および前記第1の形状の90%以上の断面積を伴う第2の形状を有する第2の開口部と、を含むノズルであって、前記第2の形状が、前記造形材料が前記ノズルを出るときに、前記プリンタのz軸に垂直なx−y平面における前記造形材料の移動に抵抗するように、前記断面形状の周囲で前記造形材料と接触するノズルと;
前記第1の開口部と前記第2の開口部との間で前記造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記プリンタで製作された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと;
前記第2の開口部から前記造形材料を堆積させながら、前記ノズルを前記ビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと;
前記物体の3Dモデルから前記ビルドプラットフォーム上に当該物体を製作するために、前記プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。 - 方法であって:
断面形状および断面積を有するフィラメントとして形成された造形材料を供給するステップと;
前記造形材料を作業温度に加熱するステップと;
前記フィラメントの前記断面形状と実質的に同様の第2の断面形状と、前記フィラメントの前記断面形状よりも当該断面形状の10%以下だけ小さい面積 と、を有する開口部を介して、前記造形材料を駆動するステップと;
前記造形材料から前記三次元物体を形成するためのパスに沿って、前記造形材料を前記開口部を介して堆積させるステップと、を含む、方法。 - 3D物体製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記造形材料を前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記造形材料のための前記リザーバからの出口通路を提供する開口部を含むノズルと;
前記ノズルを出る前記造形材料の上面に少なくとも1つのリッジを付ける成形固定具と;
前記造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内の温度で前記造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、を備える、プリンタ。 - 前記ノズルに接続され、前記ノズルを出る前記造形材料に当該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに備える、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記超音波振動子と前記プリンタの1つ以上の他の構成要素との間に介在し、前記振動子からの超音波エネルギーを前記1つ以上の他の構成要素から分離する、機械的デカップラをさらに備える、請求項22に記載のプリンタ。
- 前記造形材料は、金属造形材料を含み、前記プリンタは、前記ノズルを出る前記金属造形材料の第1の層と前記金属造形材料の下層との間の界面を介して前記金属造形材料に電流を流すように構成された、ジュール加熱システムをさらに備える、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含む、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記造形材料は、第1の温度で溶融する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲は、前記金属ベースの融点を超える温度範囲を含む、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記造形材料は、包晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物は、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記造形材料は、熱可塑性物質、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも1つを含むマトリックス中の焼結可能な粉末を含む、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項21に記載のプリンタ。
- ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、前記ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように、前記ビルドプレートに対して前記ノズルを3Dパスで移動させるように構成されている、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記加熱システム、前記駆動システム、および前記ロボットシステムを制御して、前記造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備える、請求項31に記載のプリンタ。
- 前記成形固定具は、前記ノズルの中心軸を通る溝を含む、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記成形固定具は、前記ノズルの中心軸を異なる角度で通る複数の溝を含む、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記成形固定具は、前記ノズルから下方に延びる1つ以上の突起を含み、前記ノズルを出る前記造形材料の前記上面に谷を形成するように配置されている、請求項21に記載のプリンタ。
- 製作プロセスにおいて物体を形成するためにビルドプラットフォームに対しビルドパスを介して前記ノズルを移動させるように動作可能であるロボットシステムをさらに備え、前記成形固定具は、前記ノズルの中心軸の周りを回転して、前記ビルドパスが前記製作プロセスのx−y平面内で方向を変えるときに、当該成形固定具を前記ビルドパスに整列させる、請求項21に記載のプリンタ。
- 前記ビルドパスに沿って前記ノズルを追従するローラをさらに備え、前記ローラは、前記少なくとも1つのリッジの上方に後続層が堆積されるときに、当該後続層に下向きの垂直力および超音波エネルギーを加える、請求項36に記載のプリンタ。
- 物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
前記プリンタのノズルを介して造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法で、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと
前記造形材料が前記ノズルを出るときに前記造形材料の上面を成形して、前記造形材料の後続層を受ける局部接触力が高い領域を提供する1つ以上のリッジを形成するステップと、を含む、方法。 - 前記造形材料の前記後続層に超音波エネルギーを加えながら、前記後続層を前記1つ以上のリッジ上に堆積させるステップをさらに含む、請求項38に記載の方法。
- 前記1つ以上のリッジにプラズマ流を加えながら、前記後続層を堆積させるステップをさらに含む、請求項38に記載の方法。
- 前記造形材料は、バルク金属ガラスおよびオフ共晶組成物の少なくとも1つを含む、請求項38に記載の方法。
- 前記造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである、粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含む、請求項38に記載の方法。
- 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れる入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部を含むノズルと;
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度の範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと;
前記ノズルを出る前記金属造形材料に向けられたプラズマ源と、を備える、プリンタ。 - 前記ノズルに接続され、前記ノズルを出る前記金属造形材料に当該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記ノズルを出る前記金属造形材料の上面に少なくとも1つのリッジを付ける成形固定具をさらに備える、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記ノズルを出る前記金属造形材料の第1の層と、前記金属造形材料の下層と、の間の界面を介して前記金属造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムをさらに備える、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度範囲を含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶系組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項43に記載のプリンタ。
- ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、前記ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように、前記ノズルを前記ビルドプレートに対して3Dパスで移動させるように構成されている、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記加熱システム、前記駆動システム、および前記ロボットシステムを制御して、前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備える、請求項52に記載のプリンタ。
- 前記プラズマ源は、可変の化学プラズマ源を含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記プラズマ源は、イオンプラズマ源を含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記プラズマ源は、前記ノズルを出る前記金属造形材料が下層の前記金属造形材料に接合される位置に導入される、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記プラズマ源は、前記ノズルを出る前記金属造形材料が下層の前記金属造形材料上のある位置に堆積される前に当該位置に導入される、請求項43に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、アルミニウムを含む、請求項43に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記金属造形材料が前記ノズルを出るときに、当該金属造形材料をプラズマ流内で下層の前記金属造形材料に接合するステップと、を含む、方法。 - 前記ノズルを出る前記金属造形材料に超音波エネルギーを加えながら、当該金属造形材料を前記下層の上に堆積させるステップをさらに含む、請求項59に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスおよび共晶系のオフ共晶組成物の少なくとも1つを含む、請求項59に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記金属造形材料の作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度範囲を含む、請求項59に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、アルミニウムを含む、請求項59に記載の方法。
- 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部と含むノズルであって、前記金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと;
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと;
前記ノズルを出る前記金属造形材料と前記ノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と;
前記ノズルの前記開口部と前記ノズルを出る前記金属造形材料との間の温度差を、前記金属造形材料の各々および前記導電性ノズル材料についての前記電圧およびゼーベック係数に基づいて計算するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。 - 前記ノズルの絶対温度を測定するように構成された温度センサをさらに備え、前記プロセッサは、前記金属造形材料の絶対温度の推定値を、前記ノズルの前記絶対温度および前記ノズルの前記開口部と前記金属造形材料との間の前記温度差に基づいて計算するように構成されている、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、前記金属造形材料の前記絶対温度の前記推定値に基づいて、前記加熱システムを制御するように構成されている、請求項65に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、前記一対の端子間における前記電圧の変化に基づいて、前記金属造形材料の温度変化を監視するようにさらに構成されている、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、既知の条件下で1つ以上の測定値に基づいて、前記温度差を較正するように構成されている、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料の各々および前記導電性ノズル材料についての前記ゼーベック係数が、前記金属造形材料および前記導電性ノズル材料の材料タイプに基づく定数として提供される、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度範囲を含む、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含む、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項64に記載のプリンタ。
- 前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項64に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記ノズルと前記金属造形材料との間の電圧を監視するステップと;
前記電圧に基づいて、前記金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと;
前記温度パラメータに応じて前記金属造形材料の温度を制御するステップと、を含む、方法。 - 前記温度パラメータは、前記ノズルと前記金属造形材料との間の相対温度を含む、請求項75に記載の方法。
- 前記温度パラメータは、前記金属造形材料の絶対温度を含む、請求項75に記載の方法。
- 前記ノズルの温度を測定するステップと、前記ノズルと前記金属造形材料との間の温度差を、前記金属造形材料の各々および前記ノズルの材料についての前記電圧および前記ゼーベック係数に基づいて推定するステップと、をさらに含む、請求項77に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第1の温度で融解する金属ベースと前記第1の温度を少なくとも上回る第2の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相とを有する組成物材料の少なくとも1つを含む、請求項75に記載の方法。
- 前記金属造形材料の前記温度を制御するステップは、押出速度を制御すること、加熱システムを制御すること、ノズル速度を制御すること、の少なくとも1つを含む、請求項75に記載の方法。
- 非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記ノズルと前記金属造形材料との間の電圧を監視するステップと;
前記電圧に基づいて、前記金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと;
前記温度パラメータに応じて前記金属造形材料の温度を制御するステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。 - 前記温度パラメータは、前記ノズルと前記金属造形材料との間の相対温度を含む、請求項81に記載のコンピュータプログラム製品。
- 前記温度パラメータは、前記金属造形材料の絶対温度を含む、請求項81に記載のコンピュータプログラム製品。
- 前記ノズルの温度を測定するステップと、前記ノズルと前記金属造形材料との間の温度差を、前記金属造形材料の各々および前記ノズルの材料についての前記電圧および前記ゼーベック係数に基づいて推定するステップと、実行するコードをさらに含む、請求項81に記載の方法。
- 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する、バルク金属ガラスを含む金属造形材料を供給源から受け入れる入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部を含むノズルであって、前記金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと;
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度の範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと;
前記ノズルを出る前記金属造形材料と前記ノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と;
前記造形材料の各々および前記導電性ノズル材料についての前記電圧およびゼーベック係数に基づく、前記ノズルの開口部と前記ノズルを出る前記金属造形材料との間の温度差の変化に無相関である前記電圧の変化に基づいて、前記バルク金属ガラスの結晶化度の変化を計算するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。 - 前記プロセッサは、前記金属造形材料に加えられる熱を低減して、前記電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を抑制するようにさらに構成されている、請求項85に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、前記金属造形材料に加えられる熱を増加させて、前記電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を促進するようにさらに構成されている、請求項85に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部と含むノズルと;
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度の範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと;
前記ノズルの表面との接触を電子的に検出するように構成された接触プローブであって、前記ノズルの表面と所定の位置で接触するように配置された接触プローブと;
前記接触に、1つ以上の、位置に基づく制御信号で応答するように構成されたプロセッサと、を含む、プリンタ。 - 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、前記バルク金属ガラスの融点よりも低い温度を含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記所定の位置は、前記プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、前記ノズルの前記表面との前記接触の検出に基づいて前記プリンタの前記ビルドボリューム内で前記ノズルを移動させる、ロボットシステム内の1つ以上のモータの位置を較正するように構成されている、請求項94に記載のプリンタ。
- 複数の接触プローブをさらに備え、前記プロセッサは、前記複数の接触プローブの各々との同時接触に基づいて、前記ノズルを中心合わせするように構成されている、請求項94に記載のプリンタ。
- 前記所定の位置は、前記プリンタのビルドプラットフォームに対する所定の高さを含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記所定の位置は、製作プロセスにおいて前記ノズルから先に堆積された前記金属造形材料の層に対する所定の高さを含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記所定の位置は、製作プロセスにおいて前記ノズルから現在堆積されている前記金属造形材料の層に対する所定の高さを含む、請求項88に記載のプリンタ。
- 前記接触プローブと一定の位置で接続された第2の接触プローブをさらに備え、前記接触プローブおよび前記第2の接触プローブは、前記プリンタのビルドボリューム内に制御可能に配置することができ、前記プロセッサは、物体を形成するために堆積された前記金属造形材料の露出した上面と接触して前記第2の接触プローブを位置決めし、前記ノズルの前記表面との接触に基づいて、前記露出した上面に対して前記ノズルの高さを決定するように構成されている、請求項88に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記前記ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、前記ノズルの位置を検出するステップと;
前記接触に基づいて、前記ノズルの位置を制御するステップと、を含む、方法。 - 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含む、請求項101に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含む、請求項101に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含む、請求項101に記載の方法。
- 前記所定の位置は、前記プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含む、請求項101に記載の方法。
- 前記ノズルの前記表面との前記接触の検出に基づいて、前記ビルドパスに沿って前記ノズルを移動させるロボットシステム内の1つ以上のモータの位置を較正するステップをさらに含む、請求項101に記載の方法。
- 前記所定の位置は、前記プリンタの前記ビルドプレートに対する所定の高さを含む、請求項101に記載の方法。
- 非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記前記ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、前記ノズルの位置を検出するステップと;
前記接触に基づいて前記ノズルの位置を制御するステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。 - 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部を含むノズルと;
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと;
ビルドプレートと;
前記物体のコンピュータ化されたモデルに従って、前記ビルドプレート上に前記金属造形材料から物体を製作するために、前記ノズルを前記ビルドプレートに対して3Dパス内で移動させるように構成されたロボットシステムと;
ノズルクリーニング器具と;
前記ロボットシステムを動作させて、前記ノズルの前記開口部を移動させて前記ノズルクリーニング器具と係合させ、前記出口通路への障害物を除去するように構成されたコントローラと、を備える、プリンタ。 - 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度の範囲を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも1つから形成されるバインダ系と、を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、粉末冶金組成物を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記ノズルクリーニング器具は、前記ビルドプレート上にある、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記ノズルクリーニング器具は、ピン形状部材であって、前記開口部が前記ピンの上に置かれたときに前記出口通路への障害物を機械的に外すためのピンを含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記ノズルクリーニング器具は、前記ピンが前記開口部と係合するときに、前記開口部から材料を除去するように配置された鋭利な縁部を含む、請求項117に記載のプリンタ。
- 前記ノズルクリーニング器具は、金属造形材料を前記ノズルを介して融解して流動させるために、前記開口部内の前記金属造形材料にジュール加熱電流を加えるように構成された電流源を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記ノズルクリーニング器具は、前記金属造形材料を融解温度を超えて加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源を含む、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記コントローラは、所定のノズルクリーニングスケジュールに従って前記ノズルの前記開口部を移動させて、該ノズルの該開口部を前記ノズルクリーニング器具と係合させるように構成されている、請求項109に記載のプリンタ。
- 前記コントローラは、前記ノズルを通る流れに対する潜在的な障害物の検出に応答して前記ノズルの前記開口部を移動させて、該ノズルの該開口部を前記ノズルクリーニング器具と係合させるように構成されている、請求項109に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記ノズルを通る前記金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと;
前記ノズルを移動させて当該ノズルをノズルクリーニング器具に係合させ、障害物の除去を容易にするステップと、を含む、方法。 - 前記ノズルを通る前記金属造形材料の前記流れに対する前記潜在的な障害物を検出するステップが、前記ノズルを介して前記金属造形材料を駆動させる駆動システム上の負荷の増加を検出することを含む、請求項123に記載の方法。
- 前記ノズルクリーニング器具がピンを含み、前記方法は、前記ピンを前記ノズルの開口部を通して挿入するステップをさらに含む、請求項123に記載の方法。
- 前記ノズルクリーニング器具がマイクロ波エネルギー源を含み、前記方法は、前記マイクロ波エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを前記金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含む、請求項123に記載の方法。
- 前記ノズルクリーニング器具が電流源を含み、前記方法は、前記電流源からの電流を前記ノズル内の前記金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含む、請求項123に記載の方法。
- 非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると:
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと;
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと;
前記ノズルを通る前記金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと;
前記ノズルを移動させて当該ノズルをノズルクリーニング器具に係合させ、障害物の除去を容易にするステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。 - 前記ノズルを通る前記金属造形材料の前記流れに対する前記潜在的な障害物を検出するステップが、前記ノズルを介して前記金属造形材料を駆動する駆動システム上の負荷の増加を検出することを含む、請求項128に記載のコンピュータプログラム製品。
- 金属物体の3D製作用プリンタであって:
付加製作プロセスにおいて金属造形材料を堆積させるように構成された第1の押出機と;
前記付加製作プロセスのための支持材料を堆積するように構成された第2の押出機であって、前記支持材料が溶解可能なバルク金属ガラスを含む第2の押出機と;
ビルドプレートと;
前記第1の押出機および前記第2の押出機を、前記ビルドプレートに対して3Dパスで移動させて、前記支持材料から支持構造体を製作し、かつ物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように構成されたロボットシステムと、を備える、プリンタ。 - 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含む、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含む、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含む、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスがマグネシウムを含む、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスがカルシウムを含む、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスがリチウムを含む、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスが、塩化水素を含む水溶液に溶解可能である、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスが、水溶液に溶解性である、請求項130に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスが、前記金属造形材料の10倍の速度で所定の溶媒に溶解する、請求項130に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
第1のノズルを前記プリンタのビルドプレートに対して第1のビルドパスに沿って移動させながら前記第1のノズルから支持材料を押出して、物体の支持構造体を製作するステップであって、前記支持材料が溶解可能なバルク金属ガラスを含むステップと;
第2のノズルを前記ビルドプレートに対して第2のビルドパスに沿って移動させ、前記支持構造体上に金属造形材料から物体を製作するステップであって、前記第2のビルドパスが前記物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含む、方法。 - 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含む、請求項140に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含む、請求項140に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含む、請求項140に記載のプリンタ。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスが、マグネシウム合金を含む、請求項140に記載の方法。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスが、カルシウム合金を含む、請求項140に記載の方法。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスが、リチウム合金を含む、請求項140に記載の方法。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスを水溶液中に溶解させるステップをさらに含む、請求項140に記載の方法。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスを、塩化水素を含む水溶液中に溶解させるステップをさらに含む、請求項140に記載の方法。
- 前記溶解可能なバルク金属ガラスは、前記金属造形材料の少なくとも10倍の速さで所定の溶媒に溶解する、請求項140に記載の方法。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
第1のノズルを前記プリンタのビルドプレートに対して第1のビルドパスに沿って移動させながら前記第1のノズルから支持材料を押出して、物体の支持構造体を製作するステップと;
第2のノズルを前記ビルドプレートに対して第2のパスに沿って移動させ、前記支持構造体上に、溶解可能なバルク金属ガラスから溶解性剥離層を製作するステップと;
第3のノズルを前記ビルドプレートに対して第3のビルドパスに沿って移動させ、前記溶解性剥離層上に、金属造形材料から物体の一部を製作するステップであって、前記第3のビルドパスが、前記物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含む方法。 - 製品であって:
物体の一部を付加製造するための支持構造体であって、溶解可能なバルク金属ガラスで形成された支持構造体と;
前記支持構造体に隣接する前記物体の表面であって、金属造形材料で形成された前記物体の表面と、を含む、製品。 - 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料の供給部と;
ビルドプレートと;
付加製造プロセスにおいて前記金属造形材料を前記ビルドプレート上に堆積させるように構成された押出機と;
前記ビルドプレート上のコーティングであって、前記金属造形材料の前記作業温度範囲の下限よりも低い融解温度を有する材料で形成されたコーティングと、を備えるプリンタ。 - 前記ビルドプレート用の冷却システムをさらに備え、前記冷却システムは、前記ビルドプレート上での物体の製作中に、前記ビルドプレート上の前記材料を前記融解温度より低い温度に維持するように構成されている、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記ビルドプレート用の加熱システムをさらに備え、前記加熱システムは、製作後に、前記ビルドプレートから物体を除去するように、前記ビルドプレート上の前記材料を前記融解温度を超えて加熱するように構成されている、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記加熱システムは、前記ビルドプレート上の前記材料を、前記コーティングの前記融解温度を上回り、かつ前記物体の前記作業温度の下限よりも低い温度まで加熱することにより、前記物体を変形させることなく当該物体を除去し易くするように構成されている、請求項154に記載のプリンタ。
- 前記コーティングの前記材料は、低融解温度のはんだを含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記コーティングの前記材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記コーティングの前記材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、コンピュータ化されたモデルに基づいて物体を製作するための造形材料を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第2の材料から製作される物体を支持するための支持材料を含む、請求項152に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
ビルドプレートに融解温度を有する材料からなるコーティングを提供するステップと;
前記ビルドプレートの前記コーティング上に、金属造形材料で構造体を製作するステップであって、前記金属造形材料が、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有し、前記コーティングの前記融解温度が、前記作業温度範囲の下限よりも低いステップと、を含む、方法。 - 前記ビルドプレートを冷却して、前記コーティングが前記金属造形材料に曝されたときに、前記コーティングを前記融解温度よりも低い温度に維持するステップをさらに含む、請求項165に記載の方法。
- 前記構造体の製作が完了した後に前記コーティングを前記融解温度を超えて加熱し、前記コーティングが液体である間に前記構造体を前記ビルドプレートから取り除くステップをさらに含む、請求項165に記載の方法。
- 前記構造体は、製作のために前記プリンタに提供されるコンピュータ化されたモデルに記載された物体を含む、請求項165に記載の方法。
- 前記構造体は、前記プリンタによって製作される物体のための支持構造体を含む、請求項165に記載の方法。
- 前記コーティングの前記材料は、低融解温度のはんだを含む、請求項165に記載の方法。
- 前記コーティングの前記材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含む、請求項165に記載の方法。
- 前記コーティングの前記材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含む、請求項165に記載の方法。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料の少なくとも1つを含む、請求項165に記載の方法。
- 金属物体の3D製作用プリンタであって:
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと;
前記リザーバ内の前記金属造形材料を前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと;
前記金属造形材料の、前記リザーバからの出口通路を提供する開口部を含むノズルと;
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内の温度で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すために、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと;
前記ノズルを通る供給パスに沿って前記金属造形材料の前進に抗する力を測定するように構成された力センサと;
前記力センサおよび前記駆動システムに接続されたプロセッサであって、前記力センサによって測定された前記力に従って、前記駆動システムの速度を調整するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。 - 前記プロセッサは、前記力が減少した場合に熱伝達を減少させるように前記駆動システムの前記速度を増加させ、前記力が増加した場合に前記熱伝達を増加させるように前記駆動システムの前記速度を減少させるように構成されている、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、前記作業温度範囲内の温度を示す前記力に対する所定の目標値を維持するように構成されている、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、前記バルク金属ガラスの結晶化を回避するために、前記所定の目標値が前記バルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化する、請求項176に記載のプリンタ。
- 前記プロセッサは、前記金属造形材料の前記前進に抗する前記力および前記駆動システムの速度に基づいてエラー状態を検出し、前記エラー状態に応答して是正措置を開始するように構成されている、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記是正措置が前記ノズルをクリーニングすることを含む、請求項178に記載のプリンタ。
- 前記是正措置が製作プロセスを休止させることを含む、請求項178に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含む、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、第1の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第1の温度を超える第2の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第2相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約100〜1000パスカル秒の中間粘度を示す、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも1つから形成されるバインダ系と、を含む、請求項174に記載のプリンタ。
- 前記プリンタは、溶融フィラメント製法式製造システムを含む、請求項174に記載のプリンタ。
- ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、前記ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように、前記ビルドプレートに対して前記ノズルを3Dパスで移動させるように構成されている、請求項174に記載のプリンタ。
- 金属物体の3D製作におけるプリンタの制御方法であって:
加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと;
駆動システムを用いて前記金属造形材料を前記プリンタのノズルを介してある速度で前進させるステップと;
前記ノズルを通る前記金属造形材料の前進に抗して前記駆動システムに加えられる力を監視するステップと;
前記駆動システムに加えられる前記力に従って前記駆動システムの前記速度を調整するステップと;を含む、方法。 - 前記速度を調整するステップは、前記力が減少した場合に熱伝達を減少させるように前記駆動システムの前記速度を増加させることと、前記力が増加した場合に前記熱伝達を増加させるように前記駆動システムの前記速度を減少させること、を含む、請求項188に記載の方法。
- 前記金属造形材料の所定の温度を示す前記力に対して所定の目標値を維持するステップをさらに含む、請求項188に記載の方法。
- 前記金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、前記バルク金属ガラスの実質的な結晶化を回避するために、前記所定の温度が前記バルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化する、請求項190に記載の方法。
- 前記製作プロセスのための材料堆積速度を実質的に一定に維持するために、前記駆動システムの前記速度に比例して、製作プロセスにおけるノズルの移動速度を調整するステップをさらに含む、請求項188に記載の方法。
- 前記駆動システムに加えられる力と前記駆動システムの前記速度との間の関係に基づいて、前記プリンタ内のエラー状態を検出するステップと、前記エラー状態に応答して是正措置を開始するステップと、をさらに含む、請求項188に記載の方法。
- 前記駆動システム上に加えられる前記力は、前記ノズルに供給される前記金属造形材料への軸方向力、または、前記駆動システムのモータに対する回転力の少なくとも1つを含む、請求項188に記載の方法。
- 非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の3D製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると:
加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと;
駆動システムを用いて前記金属造形材料を前記ノズルを介してある速度で前進させるステップと;
前記ノズルを通る前記金属造形材料の前進に抗する前記駆動システム上の力を監視するステップと;
前記駆動システム上の前記力に従って前記駆動システムの前記速度を調整するステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。
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