JP2019531403A - 付加製造後の優先的な回収を容易にするための適合された金属粉末原料 - Google Patents

Abstract

【解決手段】付加製造用の適合された金属粉末原料、及びそれから廃棄物流を回収する方法が記載される。原料の粒子の一つ以上の特性を予め選択してもよく、その後、適合された金属粉末原料を作製する。適合された金属粉末原料を付加製造操作において使用した後、廃棄粉末を得て、一つ以上の所定の粉末回収法に付してもよい。予め選択した粒子特性に少なくとも部分的に起因して、粉末回収中、第一の粒子の少なくとも一部が第二の粒子の少なくとも一部から優先的に分離する。【選択図】図１

Description

付加製造は、「切削製造法とは対照的な、通常、積層して行われる、３Ｄモデルデータから物体を作るための材料接合プロセス」と定義されている。「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（付加製造技術用の標準用語）」と題されたＡＳＴＭ Ｆ２７９２−１２ａ。一部の付加製造技術、例えばバインダージェット、粉末床溶融結合、または指向性エネルギー堆積では、粉末を使用して付加製造部品を作製することができる。場合により、金属粉末を使用して金属系付加製造部品を作製する。

図１は、所定の金属粉末原料を分離するための機械的分離スキームの一実施形態の概略図である。

図２は、所定の金属粉末原料を分離するための別の機械的分離スキームの一実施形態の概略図である

図３は、所定の金属粉末原料を分離するための電磁分離スキームの一実施形態の概略図である。

概して、本開示は、付加製造において使用するための適合された金属粉末原料、及びそのような金属粉末の一種類以上の粒子の対応する優先的な回収に関する。一態様においては、適合された金属粉末原料は、第一の体積の第一の粒子種（「第一の粒子」）及び第二の体積の第二の粒子種（「第二の粒子」）を少なくとも含んでもよい。適合された金属粉末原料は、さらなる種類及び体積の粒子（第三の体積、第四の体積など）を含んでもよい。第一及び第二の粒子のうちの少なくとも一つは、粒子中に少なくとも一種の金属を有する金属粒子を含む。一実施形態においては、第一及び第二の粒子が両方とも金属粒子を含み、粒子の金属は、各々の体積の粒子に対して同じでも異なってもよい。第一の粒子の少なくとも一つの特性は予め選択され、第一の粒子の選択された特性は、第二の粒子の特性とは異なる。例えば、第一の粒子の粒子の寸法及び／または物性を、使用する粉末回収法に基づいて予め決定してもよい。したがって、選択される粒子特性は、所定の粉末回収法に関するものとしてもよい。一実施形態においては、第二の粒子の一つ以上の特性も、それらの優先的な回収が容易になるよう予め選択する。

粒子特性を予め選択した後、第一及び第二の粒子を含む適合された金属粉末原料を作製し、続いて付加製造プロセスにおいて利用してもよい。適合された金属粉末原料を使用する一つ以上の付加製造ステップの後、金属粉末の廃棄部分を得て、一つ以上の所定の粉末回収法に付してもよい。廃棄部分は、第一の粒子の廃棄体積分率（ＷＰ−Ｖ_ｆ１Ｐ）及び第二の粒子の廃棄体積分率（ＷＰ−Ｖ_ｆ２Ｐ）を有してもよい。一実施形態においては、所定の粉末回収法は、粒子の第一の回収体積部を作製してもよい。第一の粒子（及び任意選択により第二の粒子）の予め選択した粒子特性に少なくとも部分的に起因して、粉末回収中、第一の粒子の少なくとも一部が第二の粒子の少なくとも一部から優先的に分離する。例えば、所定の粉末回収法は、機械的分離（例えば、特に、ふるい分け、浮遊選別、振動分離、濾過、遠心分離）を含んでもよく、ここで、異なるサイズ及び／または形状の粒子が優先的に分離される。分離は、湿性及び／または乾燥環境において完了させてもよい。したがって、第一の回収体積部は、第一の回収体積分率（ＲＶ１−Ｖ_ｆ１Ｐ）の第一の粒子を含む。優先的な分離に起因して、第一の粒子の第一の回収体積分率は、第一の粒子の廃棄体積分率を超え、（ＲＶ１−Ｖ_ｆ１Ｐ）＞（ＷＰ−Ｖ_ｆ１Ｐ）である。同様に、第二の回収体積部も回収してもよく、この第二の回収体積部は、回収体積分率（ＲＶ２−Ｖ_ｆ２Ｐ）の第二の粒子を含む。優先的な分離に起因して、第二の粒子の第二の回収体積分率は、第二の粒子の廃棄体積分率を超え、（ＲＶ２−Ｖ_ｆ２Ｐ）＞（ＷＰ−Ｖ_ｆ２Ｐ）である。

［Ａ．所定の粒子特性］
上記のように、粒子の第一及び／または第二の体積部（及び／または粒子の第三の体積部、第四の体積部など）の一つ以上の特性は、一つ以上の所定の粉末回収法による、付加製造プロセス後の粒子の分離を容易にするよう予め選択してもよい。一つのアプローチにおいては、所定の特性は、寸法特性、例えば粒子のサイズ及び／または形状である。例えば、第一の粒子は第一のサイズ（例えば、比較的に大きい）を有してもよく、第二の粒子は異なるサイズ（例えば、比較的に小さい）を有してもよい。したがって、ふるい分け中、第一の粒子は第二の粒子から優先的に分離してもよい。別の例としては、第一の粒子は第一の形状（例えば、全体的に球状）を有してもよく、第二の粒子は異なる形状（例えば、矩形、ぎざぎざのある形状、楕円）を有してもよい。一実施形態においては、第一の粒子は第一の粒径分布を有し、第二の粒子は第一の粒径分布とは異なる第二の粒径分布を有する。一実施形態においては、第一及び第二の粒径分布は、部分的にのみ重なり合っている（例えば、第一及び第二の粒径分布のそれぞれＤ９０〜Ｄ９９及びＤ１０〜Ｄ０１周辺で重なり合う）。一実施形態においては、第一及び第二の粒径分布は、重なり合っていない（例えば、第一及び第二の粒径分布のそれぞれＤ９０〜Ｄ９９とＤ１０〜Ｄ０１との間に重なり合いがない）。

別のアプローチにおいては、予め選択された特性は物性、例えば密度、磁性、または静電荷である。例えば、第一の粒子は第一の密度（例えば、比較的に重い）を有してもよく、第二の粒子は異なる密度（例えば、比較的に軽い）を有してもよい。したがって、浮遊選別、空気分級、及び／または振動分離操作の間、第一の粒子は第二の粒子から優先的に分離してもよい。別の例としては、第一の粒子は第一の磁位（例えば、比較的に磁性）を有してもよく、第二の粒子は第二の磁位（例えば、比較的に非磁性）を有してもよい。したがって、電磁分離操作中、第一の粒子は第二の粒子から優先的に分離してもよい。さらに別の例としては、第一の粒子は第一の表面電荷（例えば、比較的に正）を有してもよく、第二の粒子は第二の表面電荷（例えば、比較的に負）を有してもよい。したがって、静電分離中、第一の粒子は第二の粒子から優先的に分離してもよい。

［Ｂ．適合された金属粉末原料の粒子］
上記のように、適合された金属粉末原料は、少なくとも第一の粒子及び第二の粒子を含んでもよい。適合された金属粉末原料は、さらなる種類及び体積の粒子（第三の体積、第四の体積など）も含んでもよい。第一及び第二の粒子のうちの少なくとも一つは、粒子中に少なくとも一種の金属を有する金属粒子を含む。

本明細書において使用する場合、「金属粉末」とは、複数の金属粒子を、任意選択により下記のいくつかの非金属粒子とともに含む材料を意味する。金属粉末の金属粒子は、予め選択された物性及び／または予め選択された組成を有し、これにより、適合された付加製造品の作製を容易にすることができる。金属粉末を金属粉末床で使用して、適合された製品を付加製造によって作製してもよい。同様に、金属粉末の任意の非金属粒子は、予め選択された物性及び／または予め選択された組成を有し、これにより、適合された付加製造品の付加製造による作製を容易にすることができる。非金属粉末を金属粉末床で使用して、適合された製品を付加製造によって作製してもよい。

本明細書において使用する場合、「金属粒子」とは、少なくとも一種の金属を含む粒子を意味する。金属粒子は、下記のように、一種の金属の粒子、複数種の金属の粒子、及び金属−非金属（Ｍ−ＮＭ）粒子としてもよい。金属粒子は、一例として、ガス噴霧法によって作製してもよい。

本明細書において使用する場合、「粒子」とは、粉末床の粉末で使用するのに好適なサイズ（例えば、５ミクロン〜１００ミクロンのサイズ）を有する物質の微小断片を意味する。粒子は、例えばガス噴霧法によって作製してもよい。

本特許出願に関しては、「金属」とは、以下の元素：アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、任意の有用なアルカリ土類金属元素、任意の有用な遷移金属元素、任意の有用なポスト遷移金属元素、及び任意の有用な希土類元素の元素のうちの一種である。

本明細書において使用する場合、有用なアルカリ土類金属元素は、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、及びストロンチウム（Ｓｒ）である。

本明細書において使用する場合、有用な遷移金属元素は、以下の表１に示す金属のうちのいずれかである。

本明細書において使用する場合、有用なポスト遷移金属元素は、以下の表２に示す金属のうちのいずれかである。

本明細書において使用する場合、有用な希土類元素の元素は、スカンジウム、イットリウム、及び１５個のランタニド元素のうちのいずれかである。ランタニドは、原子番号５７から７１を有するランタンからルテチウムまでの１５個の金属化学元素である。

本明細書において使用する場合、非金属粒子は、金属を本質的に含まない粒子である。本明細書において使用する場合、「金属を本質的に含まない」とは、粒子が不純物以外にいずれの金属も含まないことを意味する。非金属粒子としては、例えば、特に、窒化ホウ素（ＢＮ）及び炭化ホウ素（ＢＣ）粒子、炭素系ポリマー粒子（例えば、短鎖または長鎖炭化水素（分岐または非分岐））、カーボンナノチューブ粒子、並びにグラフェン粒子が挙げられる。非金属材料は、付加製造品の作製または完成において補助するよう非粒子形態とすることもできる。

一実施形態においては、金属粒子の少なくとも一部は、単一の金属から本質的になる（「一種金属粒子」）。一種金属粒子は、製品の作製に有用な任意の一種の金属、例えば上記で規定した金属のうちのいずれかから本質的になってもよい。一実施形態においては、一種金属粒子は、アルミニウムから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、銅から本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、マンガンから本質的になる。実施形態においては、一種金属粒子は、ケイ素から本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、マグネシウムから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、亜鉛から本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、鉄から本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、チタンから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、ジルコニウムから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、クロムから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、ニッケルから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、スズから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、銀から本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、バナジウムから本質的になる。一実施形態においては、一種金属粒子は、希土類元素から本質的になる。

別の実施形態においては、金属粒子の少なくとも一部は、複数の金属を含む（「複数種金属粒子」）。例えば、複数種金属粒子は、上記の金属の規定に列挙した金属のいずれかの二種以上を含んでもよい。一実施形態においては、複数種金属粒子は、アルミニウム合金から本質的になる。別の実施形態においては、複数種金属粒子は、チタン合金から本質的になる。別の実施形態においては、複数種金属粒子は、ニッケル合金から本質的になる。別の実施形態においては、複数種金属粒子は、コバルト合金から本質的になる。別の実施形態においては、複数種金属粒子は、クロム合金から本質的になる。別の実施形態においては、複数種金属粒子は、鋼鉄から本質的になる。

一実施形態においては、金属粉末の金属粒子の少なくとも一部は、金属−非金属（Ｎ−ＮＭ）粒子である。金属−非金属（Ｎ−ＮＭ）粒子は、少なくとも一種の金属を少なくとも一種の非金属とともに含む。非金属元素の例としては、酸素、炭素、窒素、及びホウ素が挙げられる。Ｍ−ＮＭ粒子の例としては、金属酸化物粒子（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、金属炭化物粒子（例えば、ＴｉＣ）、金属窒化物粒子（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）、金属ホウ化物（例えば、ＴｉＢ_２）、及びこれらの組合せが挙げられる。

適合された金属粉末原料の金属粒子及び／または非金属粒子は、適合された物性を有してもよい。例えば、粒径、粉末の粒径分布、及び／または粒子の形状を予め選択してもよい。一実施形態においては、粒子の少なくとも一部の一つ以上の物性は、密度（例えば、バルク密度及び／もしくはタップ密度）、金属粉末の流動性、並びに／または金属粉末床の空隙容量パーセント（例えば、金属粉末床の多孔度パーセント）のうちの一つ以上を制御するために適合させる。例えば、粒子の粒径分布を調節することにより、粉末床の空隙は制限され、それによって粉末床の空隙容量パーセントが減少してもよい。その結果、理論密度に近い実際の密度を有する付加製造品を作製することができる。これに関し、金属粉末は、異なるサイズ分布を有する粉末のブレンドを含んでもよい。例えば、金属粉末は、第一の粒径分布を有する第一の粒子と第二の粒径分布を有する第二の粒子とのブレンドを含んでもよく、第一及び第二の粒径分布は異なる。金属粉末は、第三の粒径分布を有する第三の粒子、第四の粒径分布を有する第四の粒子などをさらに含んでもよい。したがって、サイズ分布特性、例えば、特に、メジアン粒径、平均粒径、及び粒径の標準偏差は、異なる粒径分布を有する異なる金属粉末をブレンドすることによって適合させてもよい。

一実施形態においては、最終付加製造品は、製品の理論密度の９８％以内の密度を実現する。別の実施形態においては、最終付加製造品は、製品の理論密度の９８．５％以内の密度を実現する。さらに別の実施形態においては、最終付加製造品は、製品の理論密度の９９．０％以内の密度を実現する。別の実施形態においては、最終付加製造品は、製品の理論密度の９９．５％以内の密度を実現する。さらに別の実施形態においては、最終付加製造品は、製品の理論密度の９９．７％以上以内の密度を実現する。

適合された金属粉末原料は、一種金属粒子、複数種金属粒子、Ｍ−ＮＭ粒子、及び／または非金属粒子の任意の組合せを含んで、任意の予め選択された物性を任意選択により有する、付加製造品を作製してもよい。
例えば、金属粉末は、第一の種類の金属粒子と第二の種類の粒子（金属または非金属）とのブレンドを含んでもよく、第一の種類の金属粒子は、第二の種類とは異なる種類である（組成的に異なるか、物理的に異なるか、またはその両方）。金属粉末は、第三の種類の粒子（金属または非金属）、第四の種類の粒子（金属または非金属）などをさらに含んでもよい。金属粉末は、付加製造品の付加製造を通して同じ金属粉末としてもよく、または金属粉末は、付加製造プロセス中に変えてもよい。

［Ｃ．付加製造］
上記のように、適合された金属粉末原料は、少なくとも一つの付加製造操作において使用する。本明細書において使用する場合、「付加製造」とは、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（付加製造技術用の標準用語）」と題されたＡＳＴＭ Ｆ２７９２−１２ａにおいて定義されているように、「切削製造法とは対照的な、通常、積層して行われる、３Ｄモデルデータから物体を作るための材料接合プロセス」と定義される。本明細書に記載の付加製造品は、このＡＳＴＭ規格に記載されている、粒子を利用する任意の適切な付加製造技術、例えば、特に、バインダージェット、指向性エネルギー堆積、材料ジェット、または粉末床溶融結合によって製造してもよい。

一実施形態においては、金属粉末床を使用して付加製造品（例えば、適合された付加製造品）を作成する。本明細書において使用する場合、「金属粉末床」とは、金属粉末を含む床を意味する。付加製造中、異なる組成の粒子を溶融し（例えば、急速溶融し）、次いで（例えば、均質混合せずに）固化させてもよい。したがって、均質または不均質の微細構造を有する付加製造品を作製してもよい。

適合された金属粉末原料を使用する一つ以上の付加製造ステップの後、廃棄粉末を得て、所定の粉末回収法に付してもよい。例えば、バインダージェット中、原料の一部分のみを使用して、付加製造品を作製することになる。原料の未使用部分の少なくとも一部は、下記のように、その後の回収用の廃棄粉末ストックの形態で回収してもよい。

［Ｄ．粉末回収］
上記のように、金属粉末原料は、付加製造ステップの後に、一つ以上の所定の粉末回収法によって第二の粒子から少なくとも第一の粒子を分離することを容易にするよう適合されている。所定の粉末回収法は、廃棄粉末の異なる粒子を優先的に分離するのに好適な任意の方法及び装置としてもよい。一実施形態においては、所定の粉末回収法として、機械的分離、例えば、特に、ふるい分け、浮遊選別、空気分級、振動分離、濾過、及び／または遠心分離が挙げられる。分離は、湿性及び／または乾燥環境において完了させてもよい。別の実施形態においては、所定の粉末回収法として、電磁及び／または静電分離が挙げられる。

機械的分離スキームの一つを図１に示す。示されている実施形態においては、所定の粒径を有する金属粉末原料（１０）をノズル（２０）によって基材（１５）に供給する。レーザー（３０）及び対応する制御システム（示さず）を使用して、金属粉末原料（１０）から付加製造部品（４０）を作製する。金属粉末原料（１０）の一部分を含む廃棄粉末（５０）は、ふるい（６０、６２、６４、６６）に供給する。ふるい（６０、６２、６４、６６）の開口部（示さず）は、金属粉末原料（１０）の所定の粒径に一致するものとしてもよい。結果として、及び少なくとも金属粉末原料（１０）の所定の粒径に起因して、金属粉末原料（１０）の粒子は、ふるい（６０、６２、６４、６６）の開口部により、適合された回収粒子流（７０、７２、７４、７６）へと分離可能である。ふるいに示されているサイズ（９０ｕｍ、７５ｕｍ、５０ｕｍ、及び２５ｕｍ）は、スキームを示すための単なる非限定的な例のふるいサイズであり、実際には任意の適切なふるいサイズを使用してもよいことを理解すべきである。

らせん分離機（８０）を使用した別の機械的分離スキームを図２に示す。示されている実施形態においては、所定の粒子密度を有する金属粉末原料（１０）をノズル（２０）によって基材（１５）に供給する。レーザー（３０）及び対応する制御システム（示さず）を使用して、金属粉末原料（１０）から付加製造部品（４０）を作製する。図２の実施例においては、金属粉末原料（１０）の一部分を含む廃棄粉末（５０）は、らせん分離機（８０）に供給する。少なくとも所定の粒子密度に起因して、金属粉末原料（１０）の粒子は、らせん分離機（８０）により、適合された回収粒子流（７０、７２、７４、７６）へと分離可能である。

電磁分離スキームの一実施形態を図３に示す。示されている実施形態においては、所定の磁性を有する金属粉末原料（１２）をノズル（２０）によって基材（１５）に供給する。具体的には、少なくとも第一の粒子（１３）は、第一の所定の磁気的性質（例えば、比較的に非磁性）を有し、少なくとも第二の粒子（１４）は、第二の所定の磁気的性質（例えば、比較的に磁性）を有する。レーザー（３０）及び対応する制御システム（示さず）を使用して、金属粉末原料（１２）から付加製造部品（４０）を作製する。図３の実施形態においては、廃棄粉末（５２）は、電磁分離機（９０）に供給され、そこで第二の粒子（１４）は、電磁分離機（９０）に引きつけられ、したがって電磁分離機（９０）の外面（９１）に付着する。比較的に非磁性である第一の粒子（１３）は、外面（９１）に付着せず、電磁分離機（９０）が回転すると、例えば重力によって第二の粒子（１４）から分離し、これにより第一の回収粒子流（９２）を作る。第二の粒子（１４）は、例えば機械式スクレーパー（８５）によって外面（９１）から取り除き、これにより第二の回収粒子流（９４）を形成してもよい。

本明細書に記載されている新しい技術の様々な実施形態を詳細に記載したが、これらの実施形態の変更及び改変が当業者に行われることになることは明らかである。しかしながら、このような変更及び改変が本開示の技術の趣旨及び範囲内であることは明白に理解されるべきである。

Claims (8)

1. 第一の粒子及び第二の粒子を有する金属粉末の前記第一の粒子の少なくとも一つの第一の粒子特性を選択することであって、
   前記第一の粒子特性は、前記第二の粒子の一つ以上の粒子特性と異なり、
   前記第一の粒子特性は、所定の粉末回収法に関するものであり、
   前記第一及び第二の粒子のうちの少なくとも一つは金属を含む、選択することと、
   前記第一及び前記第二の粒子を有する金属粉末を作製することであって、前記第一の粒子は、前記少なくとも一つの第一の粒子特性を有する、作製することと、
   前記金属粉末を付加製造装置において利用して、付加製造品を作製することと、
   前記利用するステップに関連して、前記金属粉末の廃棄部分を得ることであって、前記廃棄部分は、第一の粒子の廃棄体積分率（ＷＰ−Ｖ_ｆ１Ｐ）を有する、得ることと、
   前記廃棄部分を前記所定の粉末回収法に付すことであって、前記付すステップは、前記少なくとも一つの第一の粒子特性により、前記廃棄部分の前記第二の粒子の少なくとも一部から、前記第一の粒子の少なくとも一部を優先的に分離して、これにより、第一の粒子の第一の回収体積分率（ＲＶ１−Ｖ_ｆ１Ｐ）を有する第一の回収体積部を作製することを含み、
   前記第一の粒子の第一の回収体積分率は、前記第一の粒子の廃棄体積分率を超え、（ＲＶ１−Ｖ_ｆ１Ｐ）＞（ＷＰ−Ｖ_ｆ１Ｐ）である、付すことと、を含む、方法。
2. 前記廃棄部分が、第二の粒子の廃棄体積分率（ＷＰ−Ｖ_ｆ２Ｐ）を含み、前記方法が、
   前記廃棄部分から第二の回収体積部を回収することを含み、
   前記第二の回収体積部が、第二の粒子の回収体積分率（ＲＶ２−Ｖ_ｆ２Ｐ）を含み、
   前記第二の粒子の回収体積分率は、前記第二の粒子の廃棄体積分率を超え、（ＲＶ２−Ｖ_ｆ２Ｐ）＞（ＷＰ−Ｖ_ｆ２Ｐ）である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一の粒子特性が、前記第一の粒子の寸法特性及び物性特性のうちの少なくとも一つである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記寸法特性が、前記第一の粒子の形状及びサイズのうちの少なくとも一つである、請求項３に記載の方法。
5. 前記物性特性が、前記第一の粒子の磁性、表面電荷、及び密度のうちの少なくとも一つである、請求項３または４に記載の方法。
6. 所定の粉末再利用法が、機械的分離を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記機械的分離が、ふるい分け、浮遊選別、濾過、遠心分離、空気分級、及び振動分離のうちの少なくとも一つである、請求項６に記載の方法。
8. 前記所定の粉末再利用法が、電磁分離及び静電分離のうちの少なくとも一つである、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。

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