JP2020143365A - 砕片粒子を用いた付加製造の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】砕片粒子を用いて構造物を付加製造する方法を提供する。【解決手段】指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の堆積ノズル１３２から砕片粒子３１０を噴出させることを含む。砕片粒子の各々は、少なくとも傾斜切子面によって形成された面を含む。当該方法は、堆積ノズルから出る砕片粒子を、指向性エネルギー堆積付加製造装置の指向性エネルギー源を用いて溶融することにより、部品を形成することを含む。【選択図】図３

Description

例示的な実施形態は、概して、付加製造に関し、より具体的には、砕片粒子を用いて構造物を付加製造する方法に関する。

指向性エネルギー堆積法による付加製造は、堆積ノズルから、例えば非常に微細な粒子状の指向性金属粉末流により、薄層を重ねて部品を作成するプロセスである。一般的に、このような指向性エネルギー堆積付加製造では、球状粉末にされた金属供給材料が、ホッパーから付加製造装置の堆積ノズルを通って送給される。球状粉末金属は、堆積ノズルを通過する際に、集束レーザーやその他の適当なエネルギー源によって溶融され、造形テーブル又は先に堆積された材料層の上に塗布される。部品の１つの層が完了すると、堆積ノズル又は造形テーブルが、通常、この堆積層から１層分（例えば、堆積層を形成する溶融プールの高さに実質的に等しい、非常に小さい増分だけ）垂直方向に離間し、堆積ノズルは、次の材料層の堆積作業に移る。すべての層が完了すると、部品が仕上げられて、造形テーブルから取り外される。

指向性エネルギー堆積付加製造プロセスに用いられる球状の粉末金属供給材料は、かなり高価であるが、プロセスにおけるホッパーから堆積ノズルへの供給材料の優れた流動性を実現できる。球状粉末金属を製造するためのプロセスには、プラズマ回転電極法、ガス噴霧法、プラズマ噴霧法、及び、プラズマ球状化法がある。球状金属粉末を製造するためのこれらの各プロセスが、指向性エネルギー堆積付加製造に使用される粉末金属供給材料のコスト（ひいては、これによって製造される部品のコスト）の大きな要因となっている。

従って、少なくとも上記事項に対処するように意図された方法は、有用であろう。

以下に、本開示による構成要件の実施例を列挙するが、これらは包括的なものではなく、また、請求項に記載されているものと記載されていないものとが含まれうる。

本開示による構成要件の一実施例は、部品を付加製造する方法に関する。当該方法では、指向性エネルギー堆積付加製造装置の堆積ノズルから砕片粒子を噴出させ、前記砕片粒子の各々は、少なくとも傾斜切子面によって形成された面を含み、前記堆積ノズルから出る前記砕片粒子を、前記指向性エネルギー堆積付加製造装置の指向性エネルギー源を用いて溶融することにより、前記部品を形成する。

本開示による構成要件の別の実施例は、部品を付加製造する方法に関する。当該方法では、指向性エネルギー堆積付加製造装置の堆積ノズルから刻面化粒子を噴出させ、前記堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融することにより、前記部品を形成する。

本開示による構成要件の別の実施例は、部品を付加製造する方法に関する。当該方法では、指向性エネルギー堆積付加製造装置の複数の堆積ヘッドの各々に含まれる堆積ノズルの少なくとも１つから刻面化粒子を噴出させ、各堆積ヘッドからの粉末粒子によって前記部品が形成されるよう、前記少なくとも１つの堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融する。

本開示による構成要件のさらに別の実施例は、部品を付加製造する方法に関する。当該方法では、粉末送給付加製造装置の堆積ノズルから刻面化粒子を噴出させ、前記堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融することにより、前記部品を形成する。

本開示の実施例を概括的に説明したが、以下では、添付図面を参照しつつ説明する。これらの図面は、必ずしも正確な縮尺にしたがっておらず、また、いくつかの図面において、同一又は同様の部品を同じ参照符号で示している。

本開示の態様による、砕片粒子の倍率５０倍の光学顕微鏡写真である。 本開示の態様による、図１Ａの砕片粒子の倍率１００倍の光学顕微鏡写真である。 本開示の態様による、砕片粒子を製造するための例示的なプロセスの例示的なフロー図である。 本開示の態様による付加製造装置の例示的な側面図である。 本開示の態様による付加製造装置の例示的な側面図である。 本開示の態様による図１Ａ及び図１Ｂの砕片粒子の堆積を示す、図３及び図４のうちの一方の付加製造装置の一部の例示的な図である。 本開示の態様による、図３及び図４のうちの１つ以上の付加製造装置の堆積ヘッドの例示的な図であり、堆積ヘッドからの砕片粒子の噴出を示す図である。 本開示の態様による、図３及び図４のうちの１つ以上の付加製造装置の堆積ヘッドの例示的な図であり、堆積ヘッドからの砕片粒子の噴出を示す図である。 本開示の態様による、部品を付加製造するための例示的なフロー図である。

材料のリードタイムを短縮（且つ、当該材料によって製造される部品のリードタイムを短縮）することができる、より低コストの指向性エネルギー堆積付加製造プロセスが求められている。図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、本開示の態様は、指向性エネルギー付加製造に関するコストを低減しうる、砕片粒子(masticated particles)３１０の形態の指向性エネルギー送給対象粒子を実現する。一例として、球状のＴｉ６Ａｌ−４Ｖ付加製造粉末供給材料の製造コストは、１ポンドあたり約７０．００ＵＳＤ〜約１５０．００ＵＳＤの間であり、より低価格の球状Ｔｉ６Ａｌ−４Ｖ付加製造粉末では、大幅な品質低下がみられる場合がある。本開示による砕片粒子３１０は、付加製造原料の製造コストを、約７５％〜約９０％削減すべく、概算で１ポンドあたり約１２．００ＵＳＤ〜約２０．００ＵＳＤのコストで生産することができる。

図１Ａを参照すると、同図には、本開示による砕片粒子３１０の倍率５０倍の光学顕微鏡写真が示されている。図１Ｂは、より高い倍率（例えば１００倍）の図１Ａの砕片粒子３１０の光学顕微鏡写真であり、砕片粒子３１０の構造的特徴を、よりはっきりと示している。砕片粒子３１０は、原材料３６０を粉砕(grinding)及び／又は破砕(crushing)することによって形成された粒子である。砕片粒子３１０は、少なくとも傾斜切子面（angular facets）３２５によって形成された面３２１を含んでおり、刻面化粒子(faceted particles)３２０と称する場合もある。各刻面化粒子３２０の傾斜切子面３２５は、例えば、不揃いに形成されており、他の刻面化粒子３２０の他の傾斜切子面３２５とは異なるものである。一態様において、砕片粒子３１０の粒子サイズ分布３５０は、約４０ミクロン〜約１８０ミクロンであり、他の態様において、砕片粒子３１０の粒子サイズ分布３５０は、約４０ミクロン〜約７５ミクロンである。他の態様において、砕片粒子３１０は、約４０ミクロンより小さくてもよいし、約１８０ミクロンより大きくてもよい。砕片粒子３１０は、任意の適当な材料で形成することができ、材料の例としては、限定するものではないが、チタン、鋼、ニッケル、アルミニウム、又は、これらの金属のうちの１つ以上の合金がある。他の態様において、砕片粒子３１０は、ポリマーを含みうる。

本開示による傾斜切子面３２５を備えた面３２１を有する砕片粒子３１０は、図２に示す非限定的且つ例示的な方法２００によって、形成することができる。例えば、砕片粒子３１０を製造するためには、本明細書に記載した金属、合金、又はポリマーなどの任意の適当な原材料３６０を用意する（図２、ブロック２１０）。一態様において、原材料３６０は、リサイクルされたチタンあるいはチタン合金スクラップ材料などの、リサイクルされた原材料３６１であってもよい。リサイクル原材料３６１は、機械加工スクラップ、ファスナ、及び／又は、その他の種類のスクラップ材料を含みうる。６４チタン（Ｔｉ６４）の機械加工スクラップは、豊富に入手可能であり、砕片粒子３１０の製造に関するコストをさらに低減できるため、特に有益なリサイクル原材料である。他の態様において、原材料は、新たに製造された（すなわちリサイクルされていない）材料３６２であってもよい。原材料３６０は、砕片化（すなわち破砕及び／又は粉砕）して砕片粒子３１０にできるよう、任意の適当な方法で脆化される（図２、ブロック２２０）。原材料３６０は、非限定的な例として、水素脆化、極低温脆化、硫化水素脆化、吸着脆化、液体金属脆化、金属誘導（metal-induced）脆化、中性子脆化、及び、これらの組み合わせによって、脆化することができる。脆化された原材料３６０を任意の適当な方法で砕片化して、砕片化粒子３１０を形成する（図２、ブロック２３０）。原材料３６０の砕片化は、脆化された原材料３６０を粉砕及び／又は破砕する任意の適当な装置によって、行うことができる。砕片化装置の適当な例としては、限定するものではないが、ミル、グラインダ、シュレッダ、又は他の適当な装置又はこれらの組み合わせがある。砕片化後において、砕片粒子３１０は、脆化状態のままであってもよい。一態様において、例えば、脆化された砕片粒子３１０を脱水素化（dehydriding）及び／又は加熱することによって、砕片粒子３１０に対し脆性除去してもよい（図２、ブロック２４０）。砕片粒子３１０の脆性除去により、脆化及び砕片化中に砕片粒子３１０に蓄積された応力を解放することができる。砕片粒子３１０は、図３及び図４に粉末送給付加製造装置１０１として示した指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の堆積ヘッド１３２（例えば図３参照）に、供給又は送給される(図２、ブロック２５０)。

図３を参照すると、同図には、砕片粒子３１０を用いて部品を製造するための付加製造方法での使用に適した指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の例示的な側面図が示されている。指向性エネルギー堆積付加製造装置１００は、例えば、レーザークラッディング、指向性金属堆積、指向性光製造、レーザー指向性鋳造（laser direct casting）、レーザー成形、形状堆積製造、レーザー加工ネットシェイピング、レーザー粉末溶融、レーザー支援指向性金属堆積、レーザーベースの多方向金属堆積、又は、レーザー支援製造プロセス用に構成されており、砕片粒子３１０が指向性エネルギー源１３６（例えば任意の適当なレーザ）に送給される。指向性エネルギー堆積付加製造装置１００は、砕片粒子３１０を収容するためのホッパー１１０、砕片粒子３１０を堆積するための堆積ヘッド１３２、及び、部品１６０を形成するために砕片粒子３１０が溶融プール４３８（図５参照）として堆積される造形テーブル１５０（これは基板１４０を保持しうる）を含む。

さらに図３を参照すると、砕片粒子３１０は、ホッパー１１０から、任意の適当な搬送ライン１２５（例えば砕片粒子３１０が通過するコンジット）を通って、堆積ヘッド１３２に送給又は搬送される。砕片粒子３１０は、ホッパー１１０から搬送ライン１２５を通って堆積ヘッド１３へと、重力により送給してもよいし、オーガーを用いて送給してもよいし、これに加えて又は変えて、空気圧で送ってもよい。一態様において、ホッパー１１０は、例えば、ホッパー１１０から堆積ヘッド１３２への砕片粒子３１０の流動を開始するために、ホッパー１１０の少なくとも側壁１１２を継続的又は断続的に振動させるように構成された任意の適当な振動装置１８５を含む。振動装置１８５は、例えば、振動子、圧電アクチュエータ、又は、ホッパー１１０内での砕片粒子３１０の動きを誘発する任意の他の適当な装置であってよい。

図３に示した指向性エネルギー堆積付加製造装置１００は、不活性ガス充填チャンバ１９０を形成するフレーム１９８を含んでおり、当該チャンバ内に堆積ヘッド１３２が配置されて部品１６０が製造される。堆積ヘッド１３２は、位置決め用移動システムに配置されており、当該システムを、ここでは、ガントリー１７０と称する。ガントリー１７０は、任意の適当なプログラマブルコントローラ１９９によって制御され、部品１６０の形成のために溶融プール４３８（図５）として砕片粒子３１０を堆積させるため、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向のうちの１つ以上における所定の経路に沿って、少なくとも堆積ヘッド１３２を移動させる。ガントリー１７０は、Ｘ軸レール１９５を含み、キャリッジ１９７が、当該Ｘ軸レールに移動可能に連結される（且つＸ軸レール１９５によって搬送される）ことにより、Ｘ方向に移動できるようになっている。堆積ヘッド１３２は、キャリッジ１９７に連結されている。Ｘ軸レール１９５は、Ｚ軸レール１９６に移動可能に連結されており、これにより搬送されることによって、堆積ヘッド１３２がＺ方向に移動できるようになっている。Ｚ軸レール１９６は、Ｙ軸レール１９４に連結されており、これにより搬送されることによって、堆積ヘッド１３２がＹ方向に移動できるようになっている。ガントリー１７０は、Ｙ軸レール１９４をフレーム１９８に移動可能に連結する端部支持部材１７２を含む。一態様において、さらにスムージングヘッド１３４をキャリッジ１９７に連結し、造形テーブル１５０上に堆積された堆積材料４８０（半溶融状態‐図５参照）を、溶融プール４３８（図５参照）の近傍で成形及び平滑化できるようにしてもよい。一態様において、造形テーブル１５０は、不活性ガス充填チャンバ１９０内で所定位置に固定されるのではなく、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向のうちの１つ以上において造形テーブルを移動させるプログラマブルコントローラ１９９によって制御される位置決め用移動システム１５１を含んでいてもよい。造形テーブル１５０がＸ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向のうちの１つにおいて、所与の移動の自由度を与えられている場合、これに相当する移動の自由度を、ガントリー１７０から除いてもよい。

図４を参照すると、一態様において、指向性エネルギー堆積付加製造装置１００は、少なくとも一種類の指向性エネルギー送給対象粒子６１６を堆積するための、任意の適当な数の堆積ヘッドを含みうる。ここで、各種の指向性エネルギー送給対象粒子は、互いに材料特性（例えば、形状、材料、サイズなど）が異なる。例えば、図４は、不活性ガス充填チャンバ１９０内に配置された２つの堆積ヘッド１３２、６３２を有する指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の例示的な側面図を示している。堆積ヘッド１３２及び造形テーブル１５０は、図３について上述したものと実質的に同様の態様で、フレーム１９８に連結されている。堆積ヘッド６３２は、例えば、上述したガントリー１７０と実質的に同様のガントリー６７０によってＸ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向のうちの１つ以上において移動できるように、フレーム１９８に連結されている。例えば、ガントリー６７０は、任意の適当なプログラマブルコントローラ１９９によって制御されて、部品１６０を形成するために砕片粒子３１０（又は他の適当な指向性エネルギー送給対象粒子６１６）を溶融プール４３８（図５参照）として堆積できるよう、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向のうちの１つ以上における所定の経路に沿って、少なくとも堆積ヘッド６３２を移動させる。ガントリー６７０は、Ｘ軸レール６９５を含み、キャリッジ６９７は、当該Ｘ軸レールに移動可能に連結されている（且つＸ軸レール６９５によって搬送される）ことにより、Ｘ方向に移動できるようになっている。スムージングヘッド６３４が、例えば、スムージングヘッド１３４について説明したのと同様の態様で、キャリッジ６９７に連結されている。堆積ヘッド６３２は、キャリッジ６９７に連結されている。Ｘ軸レール６９５は、Ｚ軸レール（図示しないがＺ軸レール１９６と同様）に移動可能に連結されており、これにより搬送されることによって、堆積ヘッド６３２がＺ方向に移動できるようになっている。Ｚ軸レールは、Ｙ軸レール６９４に連結されており、これにより搬送されることによって、堆積ヘッド６３２がＹ方向に移動できるようになっている。他の態様において、造形テーブル１５０がフレーム１９８に移動可能に連結されて、Ｙ方向に移動する構成でもよい。ガントリー６７０は、Ｙ軸レール６９４をフレーム１９８に移動可能に連結する端部支持部材６７２を含む。ガントリー１７０及びガントリー６７０を任意の適当な態様で構成することにより、其々の堆積ヘッド１３２、６３２が同じ経路をたどる（すなわち、一方の堆積ヘッドが、共通の経路に沿って、他方の堆積ヘッドに続く）ようにして、一方の堆積ヘッド１３２、６３２からの材料を他方の堆積ヘッド１３２、６３２からの材料の上に／堆積させ、その場形成合金（in situ alloy）４９９（図４及び図５参照）を形成することができる。

２つの堆積ヘッド１３２、６３２を設けることにより、サイクルタイムの短縮、ならびに、其々の堆積ヘッド１３２、６３２から併せて２種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子の堆積を実現することができる。図４に示すように、１つのホッパー１１０及び搬送ライン１２５は、砕片粒子３１０などの指向性エネルギー送給対象粒子６１６を、堆積ヘッド１３２に供給する。第２のホッパー６１４及び搬送ライン６２５は、指向性エネルギー送給対象粒子６１６を、堆積ヘッド６３２に供給する。堆積ヘッド６３２に供給される指向性エネルギー送給対象粒子６１６は、堆積ヘッド１３２に供給される砕片粒子３１０と同じ特性を有するものであってもよいし、異なる特性を有するものであってもよい。例えば、図４の指向性エネルギー堆積付加製造装置１００で用いられるホッパー１１０、６１４によって供給される２つの指向性エネルギー送給対象粒子６１６のうちの少なくとも一方は、砕片粒子３１０である。一態様において、他方のホッパー１１０、６１４によって供給される第２の指向性エネルギー送給対象粒子６１６は、例えば、球状粒子６１７を有する従来の球状粉末である。さらに別の態様では、ホッパー１１０とホッパー６１４の両方が、砕片粒子３１０の形態の指向性エネルギー送給対象粒子６１６を供給し、ホッパー１１０によって提供される砕片粒子３１０は、ホッパー６１４によって提供される砕片粒子３１０とは、材料組成及び／又は機械的特性が異なる。図４の２つのホッパー１１０、６１４から其々の堆積ヘッド１３２、６３２に異なる種類の指向性エネルギー送給対象粒子６１６を供給することにより、複数の堆積ヘッド１３２、６３２を有する指向性エネルギー堆積付加製造装置１００を用いたその場形成合金４９９（図４及び図５参照）の形成を実現することができる。

図３、図５及び図６を参照すると、堆積ヘッド１３２（堆積ヘッド６３２は堆積ヘッド１３２と実質的に同様である）は、指向性エネルギー源１３６を利用して、堆積ヘッド１３２の各堆積ノズル５３３（図５及び図６）から吐出される少なくとも１つの指向性エネルギー送給対象粒子流４９０（図５及び図６）を溶融する。指向性エネルギー源１３６は、この少なくとも１つの指向性エネルギー送給対象粒子流４９０を溶融して溶融プール４３８にするが、この動作が、ガントリー１７０（図３）によって実現される堆積ヘッド１３２の移動と組み合わさることにより、造形テーブル１５０又は先に堆積されている材料層４３９の上に堆積される材料層４３９を形成する。スムージングヘッド１３４（図３）が、例えば、堆積ヘッド１３２に隣接して設けられており、堆積された材料が冷めて固化する前に、材料層４３９のむらの除去や成形を行うことができる。材料層４３９が一層ずつ重ねて堆積される（例えば、堆積ヘッド１３２又は造形テーブル１５０がＹ方向に移動して積層材料層４３９Ｓを実現する）ことにより、部品１６０が形成される。完成した部品１６０は、任意の適当な方法で、造形テーブル１５０から取り除くことができる。

さらに図３、図５、及び図６を参照すると、堆積ヘッド１３２（繰り返すが、図４の堆積ヘッド６３２は堆積ヘッド１３２と実質的に同様である）は、フレーム５３２（図６）を含む。フレーム５３２は、開口５０１を形成しており、指向性エネルギー源１３６のビーム１３６Ｂが、この開口を通過する。開口５０１には集束レンズ５３５が配置されており、当該レンズが、溶融プール４３８の位置に実質的に一致する焦点に、指向性エネルギー源１３６のビーム１３６Ｂを集束させる。フレーム５３２は、指向性エネルギー源１３６のビーム１３６Ｂが通過する１つ以上の通路５０２も形成しており、当該１つ以上の通路５０２には、シールドガス５８０が充填されている。シールドガスは、溶融プール（及び、下層の材料層への溶融プールの溶接部分）を大量の酸素及び水蒸気から保護する任意の不活性ガス又は半不活性（semi-inert）ガスであってよい。堆積ヘッド１３２は、堆積ノズル５３３を形成する１つ以上の通路を含んでおり、当該ノズルを指向性エネルギー送給対象粒子３１６（例えば、砕片粒子３１０−図３）が通過する。堆積ノズル５３３は、其々の搬送ライン１２５、６２５（図３及び図４）によって、対応するホッパー１１０、６１４（図３及び図４）に連結されており、其々のホッパー１１０、６１４から指向性エネルギー送給対象粒子３１６（例えば砕片粒子３１０）を受け取る。指向性エネルギー送給対象粒子３１６（例えば砕片粒子３１０）は、粒子流４９０として、其々の堆積ノズル５３３から吐出される。粒子流４９０は、ビーム１３６Ｂの焦点に向かって吐出され、粒子流４９０の砕片粒子３１０は指向性エネルギー源１３６によって溶融されて、溶融プール４３８を形成する。

図６に示した態様では、一種類の砕片粒子３１０が、堆積ヘッド１３２の堆積ノズル５３３から噴出する。ただし、図７に示したような他の態様において、堆積ヘッド１３２の其々の堆積ノズル５３３から噴出する２つ以上の異なる種類の指向性エネルギー送給対象粒子５１２、５１３が存在してもよい。指向性エネルギー堆積付加製造装置１００で使用される２つ以上の異なる種類の指向性エネルギー送給対象粒子５１２、５１３は、例えば、形状（例えば従来の球状粉末あるいは砕片粒子３１０）、化学組成（例えばチタン、鋼、ニッケル又はアルミニウム）、及び／又は、機械的特性が、異なる。例えば、上述したように、指向性エネルギー送給対象粒子５１２が、チタン又はチタン合金によって形成された砕片粒子３１０である一方、指向性エネルギー送給対象粒子５１３は、アルミニウムによって形成された砕片粒子３１０であってもよい。他の態様において、指向性エネルギー送給対象粒子５１２が砕片粒子である一方、指向性エネルギー送給対象粒子３１６は、従来の球状粉末であってもよい。任意の所望のその場形成合金４９９（図４及び図５参照）を形成すべく、各堆積ノズル５３３によって、任意の適切な材料の組み合わせが実現される。これにより得られる溶融プール４３８は、２つ以上の材料の混合物／合金となり、これが後に冷却及び固化されると、その場形成合金４９９（図４及び図５参照）を形成する。本開示の態様によれば、本開示の指向性エネルギー送給対象粒子流５９０、５９１のうちの少なくとも一方が、砕片粒子３１０を含む。

次に、図１Ａ、図１Ｂ、図３、図４、及び、図６〜図８を参照して、部品１６０を付加製造するための例示的な方法８００について説明する。方法８００は、指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の少なくとも１つの堆積ノズル５３３から砕片粒子３１０を噴出させること（図８、ブロック８１０）を含み、砕片粒子３１０の各々は、少なくとも傾斜切子面３２５によって形成された面３２１を含む。一態様において、砕片粒子３１０は、ホッパー１１０、６１４（図３及び図４）に収容されており、ホッパーは、上述のように、堆積ノズル５３３に連結されている。一態様において、ホッパー１１０、６１４は、振動装置１８５（図３及び図４）によって、少なくとも定期的に振動させられて、其々のホッパー１１０、６１４から対応する堆積ノズル５３３への砕片粒子３１０の流動を誘起する。一態様において、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子６１６（図４）が提供されて、指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の其々の堆積ノズル５３３から噴出し、その場形成合金４９９（図４及び図５参照）を形成する。ここで、当該二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子６１６のうちの少なくとも一種類は、少なくとも傾斜切子面３２５によって形成された面３２１を有する砕片粒子３１０を含む。一態様において、第１の種類の刻面化粒子３２０が、複数の堆積ヘッド１３２、６３２（図４）のうちの１つの堆積ヘッド１３２の少なくとも１つの堆積ノズル５３３から噴出し、第２の種類の刻面化粒子３２０が、複数の堆積ヘッド１３２、６３２のうちの別の堆積ヘッド１３２、６３２の少なくとも１つの堆積ノズル５３３から噴出する。また、一態様において、第１の種類の指向性エネルギー送給対象粒子６１６が、１つの堆積ヘッド１３２（及び／又は堆積ヘッド６３２）の第１の堆積ノズル５３３から噴出し、第２の種類の指向性エネルギー送給対象粒子６１６が、当該１つの積層ヘッド１３２（及び／又は堆積ヘッド６３２）の第２の堆積ノズル５３３から噴出する。一態様において、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子６１６のうちの他の種類は、球状粉末を含む。一態様において、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子６１６の各種は、互いに異なる機械的特性を含む。刻面化粒子は、例えば、ＡＳＴＭ Ｂ２１３規格に基づくホール流量試験による判定において、５０グラム当たり５０秒未満の流動性を有する。

各堆積ノズル５３３から出る砕片粒子を、指向性エネルギー堆積付加製造装置１００の指向性エネルギー源１３６を用いて溶融する（図８、ブロック８２０）ことにより、部品１６０を形成する。

本開示を例証するために、以下の非限定的な実験例を提示する。

実験例

砕片粒子３１０と球状粒子６１７を有する従来の球状粉末との流動性の違いを定量化するために、砕片Ｔｉ６４粒子（約４５ミクロン〜約７５ミクロンのサイズ分布を有する）、及び、球状Ｔｉ６４粉末（約４５ミクロン〜約１５０ミクロンのサイズ分布を有する）に対して、（ＡＳＴＭ Ｂ２１３規格に基づき）ホール流量試験測定を行った。付加製造装置の送給材料が送給ホッパーから搬送ラインを通って堆積ヘッドに適切に流動するためには、送給材料のホール流量試験流動性は、５０グラムあたり５０秒未満、あるいは、５０グラムあたり４５秒未満であるべきである。砕片Ｔｉ６４粒子と球状Ｔｉ６４粉末との両方について、６個の２５グラムサンプルをホール流量試験でテストし、以下の表１に示す結果を得た。

このホール流量試験結果によれば、砕片Ｔｉ６４粒子は、４４秒／５０グラム未満の流動性を有しており、本明細書に開示の部品１６０の付加製造方法によって、指向性エネルギー付加製造装置１００に適切な量の材料を供給できることが示された。一方、球状Ｔｉ６４粉末のホール流量試験結果は、２６秒／５０グラム未満であった。表からわかるように、砕片Ｔｉ６４は、流動を開始／誘起するためにタップ（tap）動作を必要とし得るが、球状Ｔｉ６４は、流動を開始するのにタップ動作を必要としなかった。砕片粒子３１０（図１Ａ及び図１Ｂ）を用いると、ホッパー１１０、６１４から搬送ライン１２５、６２５（図４）を通って堆積ヘッド１３２、６３２（図４）への流動を開始するためには、送給ホッパー１１０、６１４（図４）を断続的に振動させる必要があり得る。しかしながら、注目すべきことは、砕片Ｔｉ６４粒子のコストは、球状Ｔｉ６４粉末よりも約７５％〜約９０％低く、これによれば、部品１６０を付加製造する方法において、非常に大きなコスト削減の機会が与えられる。

本開示の態様によれば、以下が提供される。

付記Ａ１． 部品を付加製造する方法であって、
指向性エネルギー堆積付加製造装置の堆積ノズルから砕片粒子を噴出させ、その際に、前記砕片粒子の各々は、少なくとも傾斜切子面によって形成された面を含み、
前記堆積ノズルから出る前記砕片粒子を、前記指向性エネルギー堆積付加製造装置の指向性エネルギー源を用いて溶融することにより、前記部品を形成する、方法。

付記Ａ２． 前記砕片粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約１８０ミクロンである、付記Ａ１に記載の方法。

付記Ａ３． 前記砕片粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約７５ミクロンである、付記Ａ１又はＡ２に記載の方法。

付記Ａ４． 前記砕片粒子は、ホール流量試験による判定において、５０グラム当たり５０秒未満の流動性を有する、付記Ａ１〜Ａ３のいずれかに記載の方法。

付記Ａ５． 前記砕片粒子は、チタンを含む、付記Ａ１〜Ａ４のいずれかに記載の方法。

付記Ａ６． 前記砕片粒子は、鋼を含む、付記Ａ１〜Ａ４のいずれかに記載の方法。

付記Ａ７． 前記砕片粒子は、ニッケルを含む、付記Ａ１〜Ａ４のいずれかに記載の方法。

付記Ａ８． 前記砕片粒子は、アルミニウムを含む、付記Ａ１〜Ａ４のいずれかに記載の方法。

付記Ａ９． さらに、前記砕片粒子を、前記堆積ノズルに連結されたホッパーに収容し、
前記ホッパーを少なくとも定期的に振動させて、前記ホッパーから前記堆積ノズルへの前記砕片粒子の流動を誘起する、付記Ａ１〜Ａ８のいずれかに記載の方法。

付記Ａ１０． さらに、その場形成合金を形成すべく、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子を、前記指向性エネルギー堆積付加製造装置における其々の堆積ノズルから噴出させ、
前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの少なくとも一種類は、少なくとも前記傾斜切子面によって形成された面を有する前記砕片粒子を含む、付記Ａ１〜Ａ９のいずれかに記載の方法。

付記Ａ１１． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子の各種は、互いに異なる機械的特性を含む、付記Ａ１０に記載の方法。

付記Ａ１２． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの他の種類は、球状粒子を含む、付記Ａ１０に記載の方法。

付記Ａ１３． 前記砕片粒子は、脆化される、付記Ａ１〜Ａ１２のいずれかに記載の方法。

付記Ａ１４． 前記砕片粒子は、脆性除去される、付記Ａ１〜Ａ１３のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ１． 部品を付加製造する方法であって、
指向性エネルギー堆積付加製造装置の堆積ノズルから刻面化粒子を噴出させ、
前記堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融することにより、前記部品を形成する、方法。

付記Ｂ２． 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約１８０ミクロンである、付記Ｂ１に記載の方法。

付記Ｂ３． 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約７５ミクロンである、付記Ｂ１又はＢ２に記載の方法。

付記Ｂ４． 前記刻面化粒子は、ホール流量試験による判定において、５０グラム当たり５０秒未満の流動性を有する、付記Ｂ１〜Ｂ３のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ５． 前記刻面化粒子は、チタン、鋼、ニッケル、及び、アルミニウムのうちの１つ以上を含む、付記Ｂ１〜Ｂ４のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ６． さらに、前記刻面化粒子を、前記堆積ノズルに連結されたホッパーに収容し、
前記ホッパーを少なくとも定期的に振動させて、前記ホッパーから前記堆積ノズルへの前記刻面化粒子の流動を誘起する、付記Ｂ１〜Ｂ５のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ７． さらに、その場形成合金を形成すべく、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子を、前記指向性エネルギー堆積付加製造装置における其々の堆積ノズルから噴出させ、
前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの少なくとも一種類は、前記刻面化粒子を含む、付記Ｂ１〜Ｂ６のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ８． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子の各種は、互いに異なる機械的特性を含む、付記Ｂ７に記載の方法。

付記Ｂ９． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの他の種類は、球状粒子を含む、付記Ｂ７に記載の方法。

付記Ｂ１０． 前記刻面化粒子は、脆化される、付記Ｂ１〜Ｂ９のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ１１． 前記刻面化粒子は、脆性除去される、付記Ｂ１〜Ｂ１０のいずれかに記載の方法。

付記Ｂ１２． 前記刻面化粒子は、砕片粒子である、付記Ｂ１〜Ｂ１１のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ１． 部品を付加製造する方法であって、
指向性エネルギー堆積付加製造装置の複数の堆積ヘッドの各々に含まれる堆積ノズルの少なくとも１つから刻面化粒子を噴出させ、
各堆積ヘッドからの粉末粒子によって前記部品が形成されるよう、前記少なくとも１つの堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融する、方法。

付記Ｃ２． 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約１８０ミクロンである、付記Ｃ１に記載の方法。

付記Ｃ３． 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約７５ミクロンである、付記Ｃ１又はＣ２に記載の方法。

付記Ｃ４． 前記刻面化粒子は、ホール流量試験による判定において、５０グラム当たり５０秒未満の流動性を有する、付記Ｃ１〜Ｃ３のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ５． 前記刻面化粒子は、チタン、鋼、ニッケル、及び、アルミニウムのうちの１つ以上を含む、付記Ｃ１〜Ｃ４のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ６． さらに、前記刻面化粒子を、前記少なくとも１つの堆積ノズルに連結されたホッパーに収容し、
前記ホッパーを少なくとも定期的に振動させて、前記ホッパーから前記少なくとも１つの堆積ノズルへの前記刻面化粒子の流動を誘起する、付記Ｃ１〜Ｃ５のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ７． さらに、その場形成合金を形成すべく、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子を、前記複数の堆積ヘッドから噴出させ、
前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの少なくとも一種類は、前記刻面化粒子を含む、付記Ｃ１〜Ｃ６のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ８． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子の各種は、互いに異なる機械的特性を含む、付記Ｃ７に記載の方法。

付記Ｃ９． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの他の種類は、球状粒子を含む、付記Ｃ７に記載の方法。

付記Ｃ１０． 第１の種類の刻面化粒子が、前記複数の堆積ヘッドのうちの１つの堆積ヘッドにおける前記少なくとも１つの堆積ノズルから噴出し、
第２の種類の刻面化粒子が、前記複数の堆積ヘッドのうちの別の堆積ヘッドにおける前記少なくとも１つの堆積ノズルから噴出する、付記Ｃ７に記載の方法。

付記Ｃ１１． 第１の種類の指向性エネルギー送給対象粒子が、前記複数の堆積ヘッドのうちの１つの堆積ヘッドにおける前記少なくとも１つの堆積ノズルのうちの第１堆積ノズルから噴出し、
第２の種類の指向性エネルギー送給対象粒子が、前記複数の堆積ヘッドのうちの前記１つの堆積ヘッドにおける前記少なくとも１つの堆積ノズルのうちの第２堆積ノズルから噴出する、付記Ｃ７に記載の方法。

付記Ｃ１２． 前記刻面化粒子は、脆化される、付記Ｃ１〜Ｃ１１のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ１３． 前記刻面化粒子は、脆性除去される、付記Ｃ１〜Ｃ１２のいずれかに記載の方法。

付記Ｃ１４． 前記刻面化粒子は、砕片粒子である、付記Ｃ１〜Ｃ１３のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ１． 部品を付加製造する方法であって、
粉末送給付加製造装置の堆積ノズルから刻面化粒子を噴出させ、
前記堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融することにより、前記部品を形成する、方法。

付記Ｄ２． 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約１８０ミクロンである、付記Ｄ１に記載の方法。

付記Ｄ３． 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約７５ミクロンである、付記Ｄ１又はＤ２に記載の方法。

付記Ｄ４． 前記刻面化粒子は、ホール流量試験による判定において、５０グラム当たり５０秒未満の流動性を有する、付記Ｄ１〜Ｄ３のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ５． 前記刻面化粒子は、チタン、鋼、ニッケル、及び、アルミニウムを含む、付記Ｄ１〜Ｄ４のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ６． さらに、前記刻面化粒子を、前記堆積ノズルに連結されたホッパーに収容し、
前記ホッパーを少なくとも定期的に振動させて、前記ホッパーから前記堆積ノズルへの前記刻面化粒子の流動を誘起する、付記Ｄ１〜Ｄ５のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ７． さらに、その場形成合金を形成すべく、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子を、前記粉末送給付加製造装置における其々の堆積ノズルから噴出させ、
前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの少なくとも一種類は、刻面化粒子を含む、付記Ｄ１〜Ｄ６のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ８． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子の各種は、互いに異なる機械的特性を含む、付記Ｄ７に記載の方法。

付記Ｄ９． 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの他の種類は、球状粒子を含む、付記Ｄ７に記載の方法。

付記Ｄ１０． 前記刻面化粒子は、脆化される、付記Ｄ１〜Ｄ９のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ１１． 前記刻面化粒子は、脆性除去される、付記Ｄ１〜Ｄ１０のいずれかに記載の方法。

付記Ｄ１２． 前記刻面化粒子は、砕片粒子である、付記Ｄ１〜Ｄ１１のいずれかに記載の方法。

上記の図において、様々な要素及び／又はコンポーネントを繋ぐ実線がある場合、それらは、例えば、機械的接続、電気的接続、流体的接続、光学的接続、電磁気的接続、無線接続、その他の接続、及び／又はこれらの組み合わせを表す。本明細書において、「連結された（coupled）」は、直接的に関連付けられていることも、間接的に関連付けられていることも意味する。例えば、部材Ａは、部材Ｂと直接的に関連付けられていてもよいし、例えば別の部材Ｃを介して、間接的に関連付けられていてもよい。なお、開示された様々な要素間の関係が必ずしも全て示されているとは限らない。従って、図面に示した連結以外の連結も存在しうる。様々な要素及び／又はコンポーネントを表すブロックを繋ぐ破線がある場合、これらは、機能及び目的の面で、実線で表したものに類似する連結を表す場合がある。ただし、破線で表した連結は、選択的に設けられるもの、あるいは、本開示の代替的な実施例に関するものである場合がある。同様に、破線で示した要素及び／又はコンポーネントがある場合、これらは、本開示における代替的な実施例を表す場合がある。実線及び／又は破線で示した１つ以上の要素を、本開示の範囲から逸脱することなく、ある特定の実施例から省くこともできる。外部要素がある場合は、点線で表している。仮想上（想像上）の要素も、明確にするために図示している場合もある。当業者であればわかるように、図面に示した構成要素のいくつかは、これらの図面、その他の図面、及び／又は、付随する開示に記載された他の構成要素を含むことなく様々な方法で組み合わせることが可能であり、この際に、そのような組み合わせが本開示に明示されている必要はない。同様に、提示の実施例に限定されない追加の構成要素を、本明細書で図示及び説明した構成要素のいくつか又はすべてと組み合わせることもできる。

上述の図２及び図８において、ブロックは、工程やその一部を示す場合があり、様々なブロックを繋ぐ線は、それらの工程やその一部について特定の順序や従属関係を暗示するものではない。破線で示したブロックは、代替の工程及び／又はその一部を示す。様々なブロックを繋ぐ破線がある場合、これらは、工程やその一部の代替的な従属関係を示す。なお、開示されている様々な工程間の従属関係が、必ずしもすべて示されているとは限らない。図２及び図８ならびに本明細書に記載の方法の工程を説明する付随の開示は、これらの工程が行われる順序を決定する絶対的なものであると解釈されるべきではない。むしろ、１つの例示的な順序が示されてはいるが、これらの工程の順序は適宜変更可能であると理解されるべきである。従って、いくつかの工程を、異なる順序で、あるいは実質的に同時に行うこともできる。また、当業者であればわかるように、記載した工程を必ずしもすべて行う必要はない。

以下の説明においては、開示の概念が十分に理解されるように、多くの具体的な詳細事項を提示しているが、本開示は、これらの詳細事項のいくつか又はすべてが無くても実施可能である。他の例では、既知の装置及び／又は処理についての詳細を省いているが、これは本開示が不必要に曖昧になることを避けるためである。特定の実施例に関連させて説明している概念もあるが、これらの実施例が本開示を限定することを意図するものではないことは、理解されよう。

本明細書で用いられる場合、特に断りの無い限り、「第１」、「第２」等の語句は、単に標識として用いられており、これらの用語で言及しているアイテムに対し、順序、位置、又は階層的な要件を課すものではない。また、例えば「第２の」アイテムについて言及することによって、例えば、「第１の」アイテムやより小さい序数のアイテム、及び／又は、「第３の」アイテムテムやより大きい序数のアイテムの存在を要件としたり排除したりするものではない。

本明細書において、「一実施例」という時は、当該例に関連させて述べる１つ又は複数の構成要素、構造、特徴が、少なくとも１つの実施態様に含まれるということを意味する。本明細書の様々な箇所で用いられる「一実施例」という用語は、同一の実施例を指す場合もあるし、そうでない場合もある。

本明細書において、特定の機能を実行するように「構成された」システム、装置、構造、物品、要素、コンポーネント、又はハードウェアは、一切の変更を要することなくその特定の機能を実行できるものを指し、その特定の機能を実行するのに何らかの変更を要するものを指すのではない。換言すれば、特定の機能を実行するように「構成された」システム、装置、構造、物品、要素、コンポーネント、又はハードウェアは、その特定の機能を実行することを目的として、具体的に、選択、作製、実施、利用、プログラム、及び／又は設計されたものを指す。本明細書において、「構成されている」ということは、システム、装置、構造、物品、要素、コンポーネント、又はハードウェアが既に備えている特性に言及するものであり、この特性により、当該システム、装置、構造、物品、要素、コンポーネント、又はハードウェアは、一切の変更を要することなくその特定の機能を実行することができる。本開示において、特定の機能を実行するように「構成されている」システム、装置、構造、物品、要素、コンポーネント、又はハードウェアは、この記載に加えて、あるいは、この記載に代えて、当該機能を行うように「適合化された」、及び／又は「動作可能な」ものとして記載される場合もある。

本明細書に開示のデバイス、装置、及び、方法の様々な実施例は、様々なコンポーネント、特徴、及び機能を有する。なお、本開示のデバイス、装置、及び、方法の様々な実施例は、本開示の装置及び方法の他の任意の実施例のコンポーネント、構成要素、及び機能のいずれでも任意に組み合わせて含むことができ、そのすべての可能性は、本開示の範囲内に含まれることを意図している。

本開示に関連する分野の当業者であれば、上述の説明及び関連図面に示された教示を受けて、本開示に記載された実施例に対する様々な改変を思いつくであろう。

従って、本開示は、例示した特定の実施例に限定されるものではなく、改変及び他の実施例も添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。また、上述の記載及び関連図面は、要素及び／又は機能のある特定の例示的な組み合わせに関連させて本開示の実施例を説明しているが、代替の実施態様によって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、要素及び／又は機能の別の組み合わせを提供することもできる。従って、添付の特許請求の範囲内の挿入参照数字は、例示のみを目的としたものであり、特許請求の構成要件の範囲を、本開示で提示した特定の実施例に限定することを意図したものではない。

Claims (11)

1. 部品を付加製造する方法であって、
   粉末送給付加製造装置の堆積ノズルから刻面化粒子を噴出させ、
   前記堆積ノズルから出る前記刻面化粒子を溶融することにより、前記部品を形成する、方法。
2. 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約１８０ミクロンである、請求項１に記載の方法。
3. 前記刻面化粒子の粒子サイズ分布は、約４０ミクロン〜約７５ミクロンである、請求項１に記載の方法。
4. 前記刻面化粒子は、ホール流量試験による判定において、５０グラム当たり５０秒未満の流動性を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記刻面化粒子は、チタン、鋼、ニッケル、及び、アルミニウムを含む、請求項１に記載の方法。
6. さらに、前記刻面化粒子を、前記堆積ノズルに連結されたホッパーに収容し、
   前記ホッパーを少なくとも定期的に振動させて、前記ホッパーから前記堆積ノズルへの前記刻面化粒子の流動を誘起する、請求項１に記載の方法。
7. さらに、その場形成合金を形成すべく、二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子を、前記粉末送給付加製造装置における其々の堆積ノズルから噴出させ、前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの少なくとも一種類は、刻面化粒子を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子の各種は、互いに異なる機械的特性を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記二種類以上の指向性エネルギー送給対象粒子のうちの他の種類は、球状粒子を含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記刻面化粒子は、少なくとも傾斜切子面によって形成された面を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記刻面化粒子は、脆化又は脆性除去される、請求項１に記載の方法。

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