JP2020512482A - 金属積層造形を用いた波動歯車フレクスプラインの製造方法 - Google Patents

Abstract

特殊な金属積層造形技術を使用した、金属製波動歯車のフレクスプラインの製造方法を提供する。この方法では、すべての構成要素（嵌合機能を備えた出力面、カップの薄壁、およびフレクスプラインに不可欠な歯）を含むフレクスプライン全体を金属プリントすることが可能である。フレクスプラインは、ビルドトレイから取り外してすぐに使用することができる。【選択図】図８

Description

［連邦資金の声明］
本明細書に記載される発明は、ＮＡＳＡ契約：ＮＮＮ１２ＡＡ０１Ｃに基づく任務の遂行においてなされたものであり、契約者が所有権を保持することを選択した公法９６−５１７（３５ ＵＳＣ ２０２）の規定に従う。

本発明は、概して積層造形技術を用いた波動歯車の製造方法に関する。

ハーモニックドライブ（ＨＤ、登録商標）として知られる波動歯車は、その部材の１つが弾性的に撓むことに依拠する歯車装置である。通常、波動歯車は、わずかにずれた２組の歯車の歯を有し、これらは、一方の歯車部品が曲げられることで噛み合ってトルクを伝達する。したがって、これらの歯車装置は、高い減速比、高いトルク対重量およびトルク対体積比、ほぼゼロのバックラッシュ（部品の潜在的な摩耗を軽減する）、ならびにその他の利点を提供することができる。例えば、ハーモニックドライブの多くの有益な特性により、ロボット用途での使用が重要になっており、実際に、ハーモニックドライブは、高いギア減速および駆動力伝達を実現する方法として、ロボット工学で広く使用されている。より具体的には、ハーモニックドライブの有益な特性と機能には、とりわけ、複雑なメカニズムを使用せずに高効率のギアリングを提供する（歯車装置に対して）１／３０〜１／３２０の高速減速比、動作中にほぼゼロのバックラッシュ、非常に高い精度、フレクススプライン部品に耐疲労鋼を使用していることによる高トルク容量、高効率性、および部品が少数で簡単に組み立てられること、が含まれる。さらに、ハーモニックドライブは、これらすべてのベンチマークを非常に小さなフォームファクタで実現でき、非常に軽量である。

機能固有の様々な制約により、従来の波動歯車は、主に機械加工によって鋼から製造されている。場合によっては、製造コストを下げるために材料の強度を犠牲にできる場合、ハーモニックドライブは、安価な射出成形プロセスなどを介して、構成部品の形状に鋳造され得るポリマーなどの熱可塑性材料から製造される。

３Ｄプリントとしても知られる金属積層造形は、航空機やロケットエンジンのノズルの製造など、商業用途に急速に統合されつつある新しい製造技術である。金属積層造形の最も一般的な形態は、パウダーベッド方式またはパウダーフィード方式に基づく。パウダーベッド方式に基づく３Ｄプリントでは、レーザまたは電子ビームが金属粉末の薄い層を溶かし、それを継続的に適用して粉末に埋もれる部品を構築する。パウダーベッド方式の最も一般的な形態は、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）または選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）である。対照的に、パウダーフィード方式に基づくプリント方式では、金属粉末は、レーザまたは電子ビームに吹き込まれ、金属プールとして堆積される。さらに、パウダーベッドがなくても、金属が成形ヘッドから直接堆積される３Ｄプリント方式がある。そのようなベッドレス技術は、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）方式と呼ばれ、その最も一般的な形式は、レーザ直接積層法（Laser Engineering Net Shaping：ＬＥＮＳ）である。

本発明の実施形態は、波動歯車フレクスプラインの製造方法に関する。

フレクスプラインの製造方法の多くの実施形態は、金属積層造形方式を使用して、波動歯車フレクスプライン全体を１つの部品として形成し、
波動歯車フレクスプラインは、円筒形のカップであり、
円周を画定する底部、該底部の上に配置されて円筒容積を確定するカップ壁、および該カップ壁の縁の上部外面に配置された歯を備え、
カップ壁の厚さは、０．０５〜２ｍｍであり、
カップ壁の高さは、該カップ壁の最小厚さの少なくとも５０倍を超え、
波動歯車フレクスプラインの底部をビルドプラットフォーム上に配置し、カップ壁を製造中常に金属積層造形方式のビルドプラットフォームに対して垂直に向け、また、１つの堆積層における波動歯車フレクスプラインの特性が同一かつ軸対称になるように、波動歯車フレクスプラインを垂直方向に製造する。

別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインは、製造中に底部でのみ支持されるようにビルドプラットフォームに取り付けられ、製造中にいかなる支持材もカップ壁に追加されない。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインのフィーチャサイズは、寸法が１ｍｍ未満である。

さらに別の実施形態では、金属積層造形方式が、パウダーベッドフュージョンプリンティング、パウダーベッド選択的レーザ溶融、指向性エネルギー堆積プリンティング、金属押出、溶融フィラメントモデリング、金属バインダージェッティング、ワイヤーアーク積層造形、超音波積層造形、熱スプレー積層造形、液体噴射、レーザ焼結、電子ビームフリーフォーム、レーザ溶融、またはそれらの組み合わせからなる群から選択される。

さらに別の実施形態では、カップ壁の厚さが、金属積層造形方式のレーザのスポットサイズの１５％以内である。

さらに別の実施形態では、カップ壁を、金属積層造形方式の単一幅のレーザ走査またはシングルワイヤ押出堆積プロセスを使用して製造する。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインの特性、組成、または微細構造のうちの少なくとも１つは、ビルドプラットフォームに平行な方向では均一であるが、ビルドプラットフォームに垂直な方向で変化する。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインは、モノリシックな金属で作られた波動歯車フレクスプラインよりも１０％高い破壊靭性を有するように、水平な積層構造を有する。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインを、３０〜１５０ＭＰａ ｍ^１／２の破壊靭性を有する材料から製造する。いくつかのそのような実施形態では、材料の破壊靭性が、ビルドプラットフォームに垂直な方向に沿って可変である。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインの弾性限界が、０．１〜２％の範囲である。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインは、ビルドプラットフォームに垂直な方向に沿って配置された、化学組成は同じであるが物理的特性が異なる少なくとも２つの領域を含む。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインは、ビルドプラットフォームに垂直な方向に沿って配置された、化学組成が異なる少なくとも２つの領域を含む。

さらに別の実施形態では、歯を含む波動歯車フレクスプラインの有歯領域は、化学的に、物理的に、または化学的かつ物理的に、波動歯車フレクスプラインの他の部分とは異なる材料を含み、有歯領域は、波動歯車フレクスプラインの他の部分よりも耐摩耗性に優れている。

さらに別の実施形態では、歯を除く波動歯車フレクスプラインの非有歯領域は、化学的、物理的、または化学的かつ物理的に、波動歯車フレクスプラインの有歯領域とは異なる材料を含み、非有歯領域は、波動歯車フレクスプラインの他の部分よりも耐破壊性に優れている。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインの製造に使用される材料は、金属のベッドからではなくビルドヘッドから導入される。

さらに別の実施形態では、金属積層造形方式が、粉末、ワイヤ、溶融金属、液体金属、バインダ中の金属、溶解性インク中の金属、ポリマーに結合した金属、板金、垂直プリンティングを可能にする任意の他のプリンティングフォーム、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される形態のいずれかの材料を利用する。

さらに別の実施形態では、歯が、垂直方向の曲率を有する。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインが、
歯の表面およびカップ壁の内面を滑らかにする化学処理、
表面粗さを低減するための機械的な研削、サンディングまたは研磨、
別の金属でのコーティング、
物理的特性、多孔性、焼き戻し、析出物の成長、製造時の状態と比較した他の特性からなる群から選択される、１つまたは複数の特性を変化させるための熱処理、
およびそれらの任意の組み合わせ、
からなる群から選択される製造後のプロセスを経る。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインが、合金、バルク金属ガラス、またはＦｅ、Ｎｉ、Ｚｒ，Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｈｆ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｇ、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される１つまたは複数の元素に基づく、金属ガラス複合材料から製造される。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインが、金属マトリックス複合材から製造され、金属マトリックス複合材の体積分率もしくは化学組成、またはその両方が、ビルドプラットフォームに平行な方向には均一であるが、ビルドプラットフォームに垂直な方向には可変である。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインが、結晶金属合金および金属ガラス合金の両方から製造されており、当該２つの材料は、ビルドプラットフォームに垂直な向きに交互になっている。

さらに別の実施形態では、波動歯車フレクスプラインが、摂氏１５００度を超える有界温度を有する高融点合金から製造される。いくつかのそのような実施形態では、高融点合金が、インコネルまたはＮｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、それらの任意の組み合わせから選択される元素のいずれかに基づく合金である。

さらに別の実施形態では、歯は、波動歯車の性能が特定の用途のために向上または修正され得るように、湾曲した形状または任意の形状を有することができる。

追加の実施形態および特徴は、一部は以下の説明に記載され、一部は明細書の考察時に当業者に明らかになるか、開示された主題の実施により学習され得るであろう。本開示の性質および利点のさらなる理解は、本開示の一部を構成する、明細書および図面の残りの部分を参照することにより実現され得る。

本発明のこれらのおよび他の特徴は、以下の詳細な説明を、添付のデータおよび図面と併せて参照することにより、よりよく理解されるであろう。

従来技術による典型的なハーモニックドライブの設計および部品を示す図である。 ２ａ〜ｄは、従来技術によるハーモニックドライブの動作を詳細に説明する図である。 サーキュラスプラインおよびウェーブジェネレータ部品が従来の鋼から製造され、フレクスプラインが従来技術によってＢＭＧの鋳造により製造されている、鋼／ＢＧＭのハイブリッドの波動歯車を示す図である。 従来技術によってＢＭＧから鋳造されたフレクスプラインにクラックをもたらす可能性のあるフローラインを示す図である。 従来技術および本発明の実施形態による、非平坦な湾曲を有するフレクスプラインの歯を示す図である。 ６ａおよび６ｂは、従来技術による典型的な積層造形プロセスの様々なプリント方向を示す図である。６ａは、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）金属積層方式の標準的なビルドプラットフォームを示し、部品は、プリントの垂直方向（ｚ方向）および水平方向に示されている。６ｂは、部品が斜めに傾けられており、プリント中に支持材が部品に追加される、パウダーベッドフュージョンプリンタの概略図を示している。 金属プリントされた鋼製のフレクスプラインの底面図の画像であり、本発明の実施形態により支持材を除去したことに起因する粗い仕上がりを示している。 本発明の実施形態により製造されたフレクスプラインの画像であり、矢印は、ビルドプラットフォームに対する構築方向を示している。 従来技術によるフレクスプラインに形成されるクラックの伝播を示す画像である。 本発明の実施形態による積層フレクスプライン構造におけるクラックの抑制を示す概略図である。 実施形態によるフレクスプラインの製造に使用できる金属合金の特性、ならびにそのようなフレクスプラインで達成できる様々な特性を示す表である。 本発明の実施形態による、完全に組み立てられた標準的な波動歯車に組み込まれた、プリント済みのフレクスプラインの実際の動作を示す図である。 １３ａ〜１３ｄは、従来技術により製造された従来のフレクスプラインの例と、本発明の実施形態により製造されたフレクスプラインの例と、の比較を示す図である。１３ａは、プリント（左）、鋳造（中央）、および機械加工（右）されたフレクスプラインの上面および底面視の比較である。１３ｂは、機械加工（左）およびプリント（右）されたフレクスプラインの、マイクロメータ測定値（壁の薄さ）の比較である。１３ｃは、プリントされたフレクスプライン（左）および従来の機械加工されたフレクスプライン（右）における歯の粗さの違いを示している。１３ｄは、本発明の実施形態を用いてプリントされたフレクスプライン（左および中央）と、従来の加熱および再コーティング技術を用いたフレクスプライン（右）との違いを示している。

図面およびデータを参照すると、ハーモニックドライブで使用される金属製のフレクスプラインの簡単で効率的な製造方法が提供されている。本明細書に開示される実施形態は、網羅的であることや、本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではないことが理解されよう。むしろ、説明を目的として選択された実施形態は、当業者が本発明を実施できるように選択されたものである。

ハーモニックドライブは、金属の弾性ダイナミクス、特には永久的な（すなわち、塑性的な）変形を引き起こすリングの弾性限界を超えることなく歯車の歯と噛み合う金属リングの拡張を利用するために開発された。この目的のために、典型的なＨＤは、（図１に示す）３つの部品、すなわちウェーブジェネレータ、フレクスプライン（「内輪」ともいう）、およびサーキュラスプライン（「外輪」ともいう）で構成されている。ウェーブジェネレータは、外側に小さなボールベアリングが組み込まれた楕円形の容器（缶）で、通常は、入力シャフトに取り付けられている。図に示すように、フレクスプライン自体は、薄壁の金属製のカップであり、そのリムに外歯があり、出力軸に接続するためにカップの底部にダイヤフラムが付いている。サーキュラスプラインは、内歯のあるリングで、通常はケーシングに固定されている。サーキュラスプラインは、フレクスプラインよりも多くの（例えば、２つ以上の）歯を有し、その直径は、フレクスプラインの直径よりもわずかに大きいため、ウェーブジェネレータなしで組み立てた場合、それらは同心であり、かつそれらの歯は接触しない。

図２ａ〜ｄは、典型的なハーモニックドライブの動作を示している。図示するように、まず、フレクスプラインは、楕円形のウェーブジェネレータの動きによって楕円形に歪められ、フレクスプラインの歯が、ウェーブジェネレータの楕円の長軸でサーキュラスプラインの協働歯と噛み合い、該楕円の短軸では歯が完全に外れる（図２ａ）。次に、サーキュラスプラインが固定された状態でウェーブジェネレータが時計回りに回転すると、フレクスプラインは、弾性変形を受け、その歯の噛み合い位置がサーキュラスプラインに対して順に移動する（図２ｂ）。ウェーブジェネレータが時計回りに１８０度回転すると、フレクスプラインは、サーキュラスプラインに対して１歯だけ反時計回りに移動する（図２ｃ）。最後に、ウェーブジェネレータが時計回りに１回転（３６０度）すると、フレクスプラインの歯はサーキュラスプラインよりも２つ少ないため、フレクスプラインはサーキュラスプラインに対して反時計回りに２歯移動する（図２ｄ）。一般的に、この動きは出力として扱われる。また、いくつかの代替構成では、フレクスプラインが固定され、サーキュラスプラインを使用して出力トルクが提供されることに留意されたい。

このように、推測できるように、波動歯車の動作は特に繊細であり、非常に正確に設計されたギアシステムに依拠している。したがって、所望の動作を提供するためには、波動ギアの構成部品の形状を非常に正確に製造する必要がある。さらに、波動歯車の部品は、必要な機能を提供できる材料で製造する必要がある。特に、フレクスプラインは、非常に頻繁な周期的な変形に耐えるのに十分な柔軟性を備えている必要があり、同時に、波動歯車が受けると予想される負荷に対応するのに十分な強度を備えている必要がある。

波動歯車で使用するために必要な特性を有することが実証されている材料の１つは鍛鋼であり、鍛鋼は、所望の形状に正確に機械加工することもできる。しかしながら、特に、楕円形のウェーブジェネレータおよび薄壁のフレクスプラインの製造では、波動歯車部品を鋼から機械加工することは難しく、非常に高価である。特に、フレクスプラインの壁は、トルクを伝達するのに十分に機械的に堅牢でありながら、何百万回も弾性的に曲げることができるほど十分に薄くなければならない。通常、フレクスプラインの壁の厚さは、少なくとも２ｍｍ未満であり、大半の場合１．５ｍｍ未満であり、多くの場合１ｍｍ未満であり、０．０５ｍｍまで薄くすることが可能である。例えば、（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｒｉｖｅ社製の）直径が概ね５０ｍｍのＣＳＧ−２０波動歯車の鋼製のフレクスプラインの壁は、０．４ｍｍ未満の厚さに機械加工する必要がある。さらに小さいフレクスプラインの別の例では、壁の厚さを０．１５ｍｍまで薄く加工する必要がある。さらに、鍛鋼の機械加工は高価で、部品をビレットから機械加工する必要があり、初期材料の９０％超がスクラップ廃棄物として残される。

場合によっては、ハーモニックドライブは、熱可塑性材料から製造される。熱可塑性材料（例えば、ポリマー）は、（射出成形プロセスなどにより）構成部品の形状に鋳造することができるため、鋼ベースの波動歯車の製造で一般的に実装される高価な機械加工プロセスを回避することができる。しかしながら、熱可塑性プラスチック製の波動歯車は、鋼製の波動歯車ほどの強度および耐摩耗性がない。

近年、Ｈｏｆｍａｎｎらは、金属製のフレクスプラインをバルク金属ガラス（ＢＭＧ）からニアネットシェイプに鋳造できることを開示した。（例えば、米国特許出願第１４／１７７６０８号を参照のこと。この開示は、参照により本明細書に組み込まれる。）ここで、ＢＭＧは、比較的大きな鋳造厚さ（通常、１ｍｍ超）でガラス質状態に焼き入れできる、複雑で正確に構成された合金をいう。より具体的には、高度に秩序化された原子構造を有する従来の金属材料とは際立って対照的に、アモルファス合金（またはアモルファス金属）としても知られる金属ガラスは、それらの金属成分元素にも関わらず、無秩序な原子スケール構造によって特徴付けられる。さらに、原位置の複合材料またはバルク金属ガラスマトリックス複合材料（ＢＭＧＭＣ）は、急速冷却（１〜１０００Ｋ／ｓ）すると、２つ以上の相（１つはアモルファスマトリックスであり、その他は結晶性介在物）に化学的に分配される合金として定義される。したがって、本明細書に記載される本発明の実施形態において、「金属ガラス系材料」という用語は、ＢＭＧおよびＢＭＧＭＣの両方を意味するものと解されることが理解されよう。原則として、金属ガラスは、通常、非常に効果的なエンジニアリング材料として実装できる多くの有用な材料特性を有している。例えば、金属ガラスは、一般的に従来の金属よりもはるかに硬く、一般的にセラミック材料よりも丈夫である。また、ＢＭＧは、比較的耐食性があり、従来のガラスとは異なり優れた導電性を有する。重要なことは、金属ガラス材料の製造は、比較的簡単な処理に役立ち、特に、金属ガラスの製造は、例えばＨｏｆｍａｎｎらによって実証されているように、射出成形プロセスまたは類似の鋳造プロセスと互換性がある。例えば、図３は、鋼／ＢＭＧのハイブリッドの波動歯車を示している。サーキュラスプラインおよびウェーブジェネレータ部品は従来の鋼から製造され、フレクスプラインはＢＭＧから鋳造されている。ここでは、ＢＭＧ鋳造部品は、鋼製の波動歯車に直接収まり、ハイブリッドギアボックスが完成する。

しかしながら、Ｈｏｆｍａｎｎらにより開示された方法に従う、ＢＭＧの鋳造によるフレクスプラインの製造には多くの欠点もある。まず、鋳造プロセスは、ＢＭＧを含む鋳造される材料の全体的な物理的特性に影響を与えることが多い。具体的には、鋳造射出中の溶融材料の乱流により、鋳造された部品にフローマーク（図４）および他の欠陥が残り、ひいてはより脆弱な割れやすい部品になる。実際に、ＢＭＧから鋳造されたフレクスプラインは、鋳造プロセスで簡単に割れて欠陥が生じた。第２に、フレクスプラインの薄壁は、鋳造することが非常に困難である。一般に、壁の厚さが１ｍｍ未満の場合、そのような小さな金型の空隙に流体を注入させることは難しく、また、そのような寸法の壁の脆弱性が、金型の取り外し中の故障につながる可能性がある。第３に、多くの場合、フレクスプラインの歯は、図５に概略的に示されるように、平坦ではなく、曲線または他の任意の形状を有する場合がある。そのような場合、フレクスプラインの歯は、垂直方向にわずかに湾曲しているため、鋳造中に部品全体が金型に閉じ込められる可能性がある。これにより、このような湾曲した歯を有するフレクスプラインの製造は、不可能ではないにしても困難である。第４に、フレクスプラインをＨＤの回転要素に取り付けるために必要なフレクスプラインの底部の孔は、フレクスプラインに鋳込むことができず、後のステップで機械加工またはドリル可能する必要がある。これにより、鋳造によるフレクスプラインの製造に追加のステップを導入する必要が生じる。

フレクスプラインを製造するために検討されていない製造技術の１つが、金属積層造形法である。この製造技術は、従来の歯車および歯車の歯をプリントする技術としてよく知られているが、金属積層造形法は、壁の厚さよりも構造の高さがはるかに大きい薄壁構造の製造、例えば、カップ壁が該カップ壁の最小厚さの５０倍の（またはそれを超える）高さを有し得るＨＤフレクスプラインの製造には適さないと考えられていた。具体的には、既存のＤＭＬＳおよびＳＬＭパウダーベッドマシンは、構築方向に応じて、約０．０４〜０．２ｍｍのフィーチャ公差しか達成できない。さらに、部品がプリントされる向きは、その構築品質だけでなく、その機械的特性にも影響する。この目的のために、図６ａは、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）金属積層造形方式の標準的なビルドプラットフォームと、部品の様々な向き（プリントのｚ方向とも呼ばれる、スタンディングオンエンド（垂直）の構築方向を含む）を示している。加えて、ビルドプラットフォームに平行な表面は支持できないため、例えば、図７に示すように、非常に粗い仕上げになる。

したがって、従来技術の滑らかな表面を達成するために、パウダーベッド金属積層造形機における平坦な表面は、図６ｂに示すように、ビルドプレートに対して角度を付けて配置される。その結果、フレクスプラインの製造において、構築／プリント方向が重要な結果をもたらす。具体的には、波動歯車の合わせ面（すなわち、サーキュラスプラインとウェーブジェネレータの歯との係合面、およびウェーブジェネレータの底面と嵌合するフレクスプラインの底面）は、平坦で正確に仕上げられている必要があるため、これらの歯車部品を積層造形する従来のアプローチでは、底面仕上げを改善するために、（図６ｂに示すように）プリント中に当該合わせ面をビルドプラットフォームに対してある角度で傾斜させている。しかしながら、ビルドプラットフォームに対してある角度でフレクスプラインの壁および／または歯をプリントするには、（図６ｂに示すように）支持構造および材料を使用する必要がある。通常は金属であり、印刷対象に強力に付着する支持材は、製造後に取り除く必要がある。また、製造後の支持材の除去は、フレクスプラインの歯および壁の繊細な構造を損傷する可能性があるため、非常に望ましくない。さらに、カップの壁に付着したままの支持材は、フレクスプラインの屈曲挙動を変化させる。そのため、フレクスプラインの製造において、カップの歯および壁には、あらゆる支持材がないようにしなければならない。さらに、ある角度でのフレクスプラインの３Ｄプリントでは、フレクスプラインの機能に不可欠な完全な放射対称性および歯の曲率を達成する能力が妨げられる。

これらの従来の積層造形技術の欠陥の結果として、金属積層造形技術は、フレクスプラインおよびＨＤの製造部品に敏感なその他の製造には適さないと考えられている。特に、フレクスプラインの製造には、少なくとも以下の幾何学的な制約および考慮事項が含まれる。（１）フレクスプラインの壁の極端な薄さ（例えば、２ｍｍ未満または１．０ｍｍ未満であり、０．０５ｍｍまで薄い）、（２）合わせ面（例えば、サーキュラスプラインおよびウェーブジェネレータと係合する必要がある表面）の必要な平面度および滑らかさ、（３）歯車の歯の極端な幾何学的精度（例えば、歯は、１００マイクロメートル未満の典型的な公差で製造する必要がある）およびフレクスプラインのカップの全体的な放射（ｚ軸）対称性、（４）すべての部品表面（例えば、サーキュラスプラインの内面歯およびウェーブジェネレータの外面歯）の幾何学的精度の全体的な必要性。さらに、ＤＥＤなどの特定の金属積層造形技術では、多くの場合、必要な寸法のフレクスプライン壁または他のフレクスプラインフィーチャをプリントするのに十分小さいフィーチャサイズを達成できないか、あるいは（１ｍｍ未満など）の正しい形状の歯を生成することができない。したがって、現在利用可能な金属積層造形技術は、金属製のプレクスプラインの印刷に適しているとは考えられない。

本出願は、特殊な金属積層造形技術を使用した、金属製の波動歯車フレクスプラインの製造方法の実施形態に関する。多くの実施形態では、この方法により、すべての部品（嵌合機能を有する出力面、カップの薄壁、フレクスプラインに不可欠な歯）を含むフレクスプライン全体を金属プリントすることができる。多くの実施形態では、フレクスプラインは、ビルドトレイから取り外してすぐに使用することができる。いくつかのそのような実施形態では、プリントプロセス中、フレクスプラインの壁は、図８に示されるように、ビルドプラットフォーム上で垂直に（すなわち、適用される金属材料に対して垂直に）向けられている。さらに、多くの実施形態では、標準の構築パラメータは、フレクスプライン壁の所望の薄さおよび正確に画定された歯を達成するように修正される。多くの実施形態では、この方法は、ＤＭＬＳ、ＳＬＭ、または現在市場で入手可能な他の方式での使用に適している。いくつかの実施形態において、この方法は、そのようなシステムの堆積スポットサイズがフレクスプラインの所望の壁厚の１５％以内であるＤＥＤシステムで使用され得る。いくつかの実施形態において、金属プリントされたフレクスプラインは、機械的または化学的仕上げ作業によりさらに仕上げられる。多くの実施形態では、フレクスプライン全体が、ネットシェイプまたはニアネットシェイプに金属プリントされる。多くの実施形態では、本出願の方法によりプリントされたフレクスプラインの壁の厚さは、０．３ｍｍと薄い。多くの実施形態では、本出願の方法により、所望の幾何学的形状のフレクスプラインの、迅速、容易、低コスト、かつ無駄が少ない製造が可能になる。いくつかの実施形態では、この方法により、単一のプリントで複数のフレクスプラインをプリントすることが可能になる。多くの実施形態において、本出願の方法は、従来の金属機械加工技術と比較して、コストおよび時間を大幅に節約することができる。

機械加工とは対照的に、フレクスプラインを金属プリントすることの利点は、たとえ部品の品質が多少犠牲になったとしても意義深い。例えば、標準トレイサイズのＥＯＳ Ｍ２９０ ３Ｄプリンタでは、直径５０ｍｍのフレクスプライン約１８個を、６時間未満の構築時間で一度にプリントすることができる。対照的に、同様のサイズおよびコストの機械加工プラットフォームでは、一度に１つのフレクスプラインしか製造できず、機械加工時間は、最大１時間であり、スクラップ率はビレッド材料の９０％を超える。

［積層造形によるフレクスプライン形成の実施形態］
多くの実施形態は、リストから選択された材料堆積法に基づくプリント方式を対象としている：パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）プリンティング、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）プリンティング、金属押出、溶融フィラメントモデリング、金属バインダージェッティング、ワイヤーアーク積層造形（wire arc additive manufacturing）、超音波積層造形、熱スプレー積層造形、液体噴射、レーザ焼結、電子ビームフリーフォーム、レーザ溶融、またはビルド層が歯に垂直であり、かつ歯とカップが上を向くようにして、フレクスプラインを垂直方向にプリントするために使用可能な他の技術、ならびにそれらの組み合わせ。多くのこのような実施形態において、金属積層造形方式は、リストから選択されたいずれかの材料を使用する：粉末、ワイヤ、溶融金属、流体液体金属、バインダ中の金属、溶解性インク中の金属、ポリマーに結合した金属、板金、垂直プリントを可能にする他のプリンティングフォーム、それらの任意の組み合わせ。多くの実施形態において、本出願の方法は、フレクスプラインの製造に特に有利である。

具体的には、多くの実施形態では、本出願の方法では２ｍｍ未満の厚さから０．３５ｍｍの厚さまでのフレクスプライン壁の製造が可能になり、底部支持ビルドプレートを超えて支柱または支持材を使用する必要なくなる。実際に、実施形態にしたがい積層造形技術を使用して、２ｍｍ未満の壁厚を有するフレクスプラインを製造することが特に有利である。そのような実施形態では、壁厚は、およそビルドビーム（例えば、レーザスポット）であり、１つのレーザパスに関連する溶融プールが壁とほぼ同じ幅になり、熱影響ゾーン（またはプロセスゾーン）がすべての場合に壁の厚さ全体に広がる。これは、冷たい材料を熱い材料に接合する複数のパスではなく、フレクスプライン壁全体を同時に処理し、フレクスプライン壁の厚さ全体を一度に加熱することを意味する。したがって、本出願の方法は、金属ガラス材料からフレクスプラインを製造するのに特に有利である。具体的には、この方法は、他の熱製造技術で発生する可能性のある金属ガラス材料の再加熱または結晶化の心配なしに、完全にアモルファスのフレクスプライン部品の形成を可能にし、優れた特性を有するフレクスプラインをもたらすことができる。

適切な公差にしたがってフレクスプラインの適切な製造を確実にするために、本開示に従うフレクスプライン製造方法の多くの実施形態は、以下でより詳細に議論される次の特定の製造パラメータの１つ以上を含み得る：
・ビルドプレートに垂直な垂直方向（ｚ方向）におけるフレクスプラインの壁の特定の方向。
・製造中にオーバーハングが形成されないように、フレクスプラインのカップの底部をビルドの底部に配置すること。
・積層された層の全体的な積層構造が形成されるように、フレクスプラインの壁の各層が連続したシームレスな円に形成されることを確実にすること。
・１つのビルドビームパスに関連する溶融プールが少なくとも壁の厚さと同じサイズになるように、フレクスプラインの壁の厚さを十分に小さく維持すること。
・光学系が動かない場合は、ビルドビームを曲げる必要なしにフレクスプラインの真円度を維持できるように、フレクスプラインをビルドプレートの中心の十分近くに配置すること。
・カスタムされた特性を有するフレクスプラインの製造を可能にするために、フレクスプライン壁の垂直方向に沿って、材料、材料状態、または構築パラメータを変更すること。
・フレクスプライン壁に過度の応力がかからないように、柔らかい材料（例えば、従来のスチール製リコータブレードよりも柔らかい）の積層造形装置のリコータブレードを形成すること。従来の積層造形装置に対するこの修正は、以下でより詳細に議論されるように、薄壁のフレクスプラインを形成するときに特に有利である。

［垂直な構築方向を取り入れた実施形態］
最初の問題として、フレクスプライン積層造形法の多くの実施形態では、薄い垂直壁をビルドのｚ軸に平行な状態として、フレクスプラインが上向きにプリントされるように構成されている。フレクスプラインをビルドプラットフォームに対して垂直に向けると、フレクスプラインのボトムカップの合わせ面が下向きになり、オーバーハングが回避されるため、合わせ面が最も粗い表面になるが、このような垂直な構築方向により、フレクスプラインの積層造形が可能になり、他の予期しない利点を生み出すことができる。

例えば、製造プロセス中にフレクスプラインを垂直に向けることにより、底部を除いて、部品のどこにも支持材を必要とせずに、歯を正確にプリントすることができる。さらに、場合によっては、フレクスプラインの歯が平坦ではなく、（図５に示すように）曲線または他の任意の形状を有する場合、製造中に厳密な垂直方向をとることは、各歯について、まったく同じフィーチャサイズで、まったく同じ曲率および曲線形状を実現するために、したがって適切に機能するフレクスプラインを実現するために重要である。さらに、前述のように、そのような平坦でない歯は、他の製造技術を使用して形成するのが難しい可能性がある。さらに、フレクスプラインは完全に円形である必要があるため、本開示の方法にしたがって垂直にプリントすると、壁を歯および出力軸と確実に同心にすることができる。これは、フレクスプラインの適切な機能に対する重要な考慮事項である。絶対真円度のこの要件は非常に重要であるため、多くの実施形態では、プリントシステムの光学系を動かすことができない場合（パウダーベッドフュージョンプリンタなど）、ビルドビームを変更する必要性なしにフレクスプラインの真円度を維持するために、フレクスプラインをビルドプラットフォームの中央近くにプリントする必要がある。対照的に、そのようなシステムのビルドプラットフォームの端付近でプリントするためには、レーザビームを曲げてプリント領域に到達させる必要があり、その結果、レーザスポットサイズは正確に円形ではなくなる。

さらに、多くの実施形態では、プリント中におけるフレクスプラインの垂直な方向付けは、結果として得られるフレクスプラインの機械的特性が向上するという点で有利である。積層造形の分野で周知のように、３Ｄプリントされた金属部品では、プリントのｚ軸に沿って形成された材料は、プリントのｘまたはｙ平面に沿って堆積された材料よりも延性が低い。しかしながら、フレクスプラインの動作は主にその水平方向（横方向）の屈曲に依存するため、フレクスプラインのｚ軸（すなわち、本発明の実施形態に従うフレクスプラインのプリント方向）に沿った材料の延性は、フレクスプラインの全体的な機能にはあまり重要ではない。

さらに、多くの実施形態では、本出願の方法による、プリント中におけるフレクスプラインの垂直な方向付けは、耐破壊性のフレクスプラインを生成する。具体的には、波動歯車の動作中におけるフレクスプラインカップの曲げは、カップにおける割れ目の形成を促進するが、クラックは、歯からカップの底部に向かって、歯の配列と平行に形成される傾向がある（図９に明らかにみられる）。しかしながら、本出願の製造方法は、複数の垂直に積層された３Ｄプリント層からなる、耐クラック性の「積層」構造のフレクスプライン（図１０）を生成する。より具体的には、本出願の製造プロセス中にフレクスプラインを垂直に向けて、フレクスプラインカップを多くの薄層（例えば、厚さが約２０ミクロン）で構成される積層構造に変える。ここで、積層造形の分野では、堆積プロセス中に金属材料を溶融しても堆積層の間の区別が完全には消失されないこと、ならびに積層の証拠は依然として構築体の垂直方向に検出可能であることは周知であることに留意されたい。例えば、この効果は、図８および図１３ｃを注意深く調べると分かる。したがって、本明細書に記載されるこのような「積層」構造は、層を通して成長するクラックに耐性があり、積層体にクラックが入るのを困難にするため、フレクスプラインの形成に予想外に有利である（例えば、ＶｅｃｃｈｉｏらによるＴｉ−Ａｌ_３Ｔｉ積層体に関する研究を参照のこと。その開示は、参照により本明細書に組み込まれる）。具体的には、本出願の「積層」プリントされたフレクスプラインは、全体がモノリシックな金属合金で作られたフレクスプラインよりも、少なくとも１０％高い破壊靭性を有する。

さらに、多くの実施形態において、本出願の垂直な製造方法では、その本体に沿った潜在的な破損点がより少ない、より強靭なフレクスプラインが生成される。具体的には、多くの実施形態において、フレクスプラインは垂直にプリントされるため、材料の各堆積層は、個々の円周（例えば、パウダーベッド方式が使用される場合、溶融金属の１つの連続的なレーザパス）に沿った付着／融合点のない金属の連続ストランド（リング）に堆積され得る。その結果、円形のフレクスプライン壁に積層された材料層には周囲の「破損」がなく、したがって潜在的な破損点がない。ここで、３Ｄプリントプロセスは、多孔質で同様に欠陥のある構造をしばしば生成することが当技術分野で知られており、したがって、欠陥のある脆弱なフレクスプラインも生成し得ることが予想されることに留意されたい。しかしながら、フレクスプラインは、ＸＹ平面におけるフレクスプラインのカップの屈曲によって動作的に負荷がかかるため、また、この負荷は、（本明細書で説明するように）堆積した材料の連続的な「リング」の堆積体に加えられており、個々の円周に製造上の欠陥はないため、本出願の方法にしたがって製造されたフレクスプラインは、予想外に非常に強力な性能を発揮する。

最後に、構築中にフレクスプラインを垂直に向けると、フレクスプラインの最も強い部分（カップの底部）がビルドプラットフォームに取り付けられる。プリントされたほとんどのフレクスプラインは、表面粗さを滑らかにしたり、他の表面処理に影響を与えたりするために後処理で熱処理を行う必要があるが、熱処理は、フレクスプラインを反らせる傾向がある。しかしながら、垂直にプリントし、フレクスプラインの最も堅牢な部分をベースに取り付けると、壁の変形を引き起こすことなく、このようなフレクスプラインを安全に熱処理することができる。これは、フレクスプラインの質量の大部分がプラットフォームの底部に固定さており、フレクスプラインのより繊細な部分の過熱が防止されるためである。

［曲率が改善された歯を取り入れた実施形態］
前述したように、従来の製造技術は、平坦なプロファイルを有しない歯のフレクスプラインを形成できるという点で不利である。実施形態に従うプリントにより、フレクスプライン上の歯は、平坦ではなく、曲線または任意の別の形状（図５に概略的に示される）のプロファイルを有することができる。多くの実施形態において、そのような歯が組み込まれたフレクスプラインは、製造上の困難を避けるために垂直にプリントされる。例えば、オブジェクトが斜めにプリントされる積層造形技術では、各歯が同じ特徴サイズで同じ曲率を有することは不可能である。したがって、多くの実施形態では、歯は平坦ではなく、湾曲している。具体的には、図５に示すように、実際に歯が垂直方向にわずかに湾曲していることを意味する。前述のように、従来の機械加工なしでこの曲率を歯に加える唯一の方法はプリントであることが分かっている。垂直なプリント方向は、水平なビルド構成に関連するいくつかの問題も回避する。例えば、パウダーベッド方式で水平にプリントすると、堆積粉末層の可能な厚さ（通常は、約２０ミクロン）によってプリント可能な特徴サイズが制限される。垂直にプリントすることで、「ステップ」を作成せずに、はるかに細かい解像度を実現することができる。これにより、フレクスプラインの向きが異なる場合には不可能な、より小さな曲線および他の形状をフレクスプラインの歯に形成することができる。

［設計された熱影響ゾーンを取り入れた実施形態］
様々な実施形態において、本出願の方法に従うフレクスプラインの金属積層造形では、垂直方向に製造されたフレクスプラインを組み込むことができる。フレクスプラインの壁は、層ごとに１回のレーザパスで構築されて、より良い品質のフレクスプラインを提供する。具体的には、１つのレーザパスに関連する溶融プールが壁とほぼ同じ幅であり、熱影響ゾーン（またはプロセスゾーン）が壁の厚さ全体に及ぶため、フレクスプラインの壁の厚さ全体が、複数のパスではなく同時に処理される。したがって、本出願の方法により、冷たい材料が熱い材料に接合される状況を回避することが可能になり、したがって、フレクスプライン壁の厚さ全体が一度に加熱される。さらに、金属ガラス材料が使用される場合、これは、そのような金属ガラスの再加熱中に生じ得る結晶化に関連する問題を回避するため、特に有利である。

多くの実施形態において、本出願の方法に従うフレクスプラインの金属積層造形は迅速である。具体的には、フレクスプラインの合わせ面が、本出願の方法によって指示されたビルドプレートに対して平行に配置されているため、ほとんどの金属堆積は、プリントプロセスの開始時に生じる。したがって、フレクスプラインの薄壁の構造は、層ごとにレーザからの１回のパス（例えば、ＥＯＳ Ｍ２９０では、０．３８ｍｍと小さい）だけを必要とするように構成できるため、フレクスプラインの垂直方向の構築は、必要なラスタリング時間が非常に短く、したがって非常に高速である。さらに、多くの実施形態では、機械パラメータの変更により、レーザのスポットサイズ以下の厚さのフレクスライン壁が得られる（多くの場合、カップ壁の厚さは、金属積層造形方式のレーザのスポットサイズの１５％以内にある）。これにより、プリント後すぐにフレクスプラインをハーモニックドライブで使用できるようになる。しかしながら、いくつかの実施形態では、より大きな直径を有し、それに比例してより厚い壁を有するフレクスプラインは、レーザの２回以上のパスで製造される。

［カスタムビルドパラメータを取り入れた積層造形技術の実施形態］
多くの実施形態では、３Ｄプリンティング製造中におけるフレクスプラインの垂直な方向付けにより、各プリント堆積層は、フレクスプラインの円筒形状に対して放射対称性を有する。したがって、そのような実施形態では、垂直にプリントされたフレクスプラインの個々の堆積層は、層全体で一貫して連続した材料特性を備え、この材料特性は、例えば、レーザ出力および材料供給速度などのユーザ定義の構築パラメータによって管理される。同時に、この３Ｄプリント方式により、材料の微細構造化を含む、プリント中の堆積方向（ｚ方向）の材料の物理的特性を簡単に制御することができる。

具体的には、例えば、材料の粒度、靭性、硬度、破壊靭性、疲労限度、延性、弾性率などの材料の物理的特性を、構築／堆積パラメータの調整により、プリントのｚ方向に制御および変更することができる。したがって、本発明の実施形態によれば、フレクスプラインをｚ方向にプリントすることにより、ｚ軸に沿ったフレクスプラインの異なるセクションが異なる機械的特性を示すことが可能になる。例えば、多くの実施形態では、粒径が大きいと材料の破壊靭性および疲労限度が改善される。そのため、この特性は、（プリントパラメータを調整することにより）フレクスプラインがこれらのモードで故障する可能性が最も高い領域の周囲に、簡単に導入／増加させられ得る。例えば、いくつかの実施形態では、本出願の方法にしたがって製造されたフレクスプラインは、フレクスプラインの歯の近くの耐摩耗性が高く、薄壁の破壊耐性が高いことを特徴とし得る。その結果、金属加工に基づく方法とは対照的に、本発明の方法は、「機能的に傾斜した」特性を有するフレクスプラインの製造を可能にする。

他の実施形態では、フレクスプラインをプリントすることにより、鋳造ビレットまたは機械加工鍛造ビレットでは作成できない微細構造を形成することが可能になる。具体的には、冷却速度が非常に高速であるため、この方法の実施形態は、金属ガラスまたはナノ結晶金属から少なくとも部分的に形成されるフレクスプラインの形成を可能にする。したがって、フレクスプラインは、他の方法では得られない特性を有することができる。

［可変材料を取り入れた積層造形技術の実施形態］
多くの実施形態において、本出願のプリント方法は、指向性エネルギー（ＤＥＤ）方式に拡張可能である。ＤＥＤシステムは、本出願の方法に追加の利点をもたらす。すなわち、ＤＥＤシステムでは、プリントのｚ方向で材料組成を変化させることができる。具体的には、パウダーベッドプリンタとは対照的に、指向性エネルギープリンタでは、金属がビルドヘッドに導入されるため、金属の組成を垂直なｚ方向に変化させることができる。したがって、ＤＥＤ方式では、フレクスプラインの異なる領域を異なる材料でプリントすることができる。例えば、図１１の表は、本出願の方法を使用して製造できる金属合金の６つの例の特性を示している。これらの例には、ステンレス鋼１５−５、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｎｉｔｒｏｎｉｃ ６０鋼、Ｖａｓｃｏｍａｘ Ｃ３００マルエージング鋼、Ｚｒベースのバルク金属ガラス、およびＴｉベースのバルク金属ガラス複合材が含まれる。この表は、多くの実施形態にしたがって、フレクスプラインの異なる部分を異なる合金でプリントすることによって達成され得る特性の組み合わせも示している。別の例として、適切なレーザスポットサイズを有するＤＥＤまたは同様に機能する方式が、本出願の実施形態にしたがって使用される場合、耐摩耗性マルエージング鋼で作られた歯と、低密度チタン合金で作られた壁と、を備えるフレクスプラインを製造することができる。さらに別の例として、ＤＥＤタイプの方式をいくつかの実施形態にしたがって使用してフレクスプラインを製作することができる。ここでは、フレクスプラインの歯部分のプリント中に、その近くでＴｉＣをＴｉとブレンドし、フレクスプラインの該領域に耐摩耗性複合材を選択的に作成する。別の例として、いくつかの実施形態では、フレクスプラインは、３０４Ｌ合金などの強靭な鋼で作られた壁と、１５−５ＰＨなどの耐摩耗性鋼で作られた歯と、を有するように、本出願の方法にしたがって２つの異なる材料から垂直にプリントされる。図１１には、例示的な材料の特性の要約を示す表が提供されているが、破壊靭性が３０〜１５０ＭＰ ｍ^１／２であり、かつ／あるいは弾性限界が０．１〜２％である材料が、実施形態にしたがうフレクスプラインの形成に特に有利であることが示されている。

［特殊材料を取り入れた実施形態］
多くの実施形態において、本出願の方法は、フレクスプラインの製造において現在使用されているすべての伝統的な材料からフレクスプラインを製造することを可能にする。当該材料には、限定しないが、マルエージング鋼、工具鋼、析出効硬化鋼、低炭素鋼および高炭素鋼が含まれる。したがって、本出願の方法にしたがって製作されたフレクスプラインは、従来の鍛鋼製フレクスプラインと同じＨＤ方式で、かつ同じ設計パラメータ内で使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、本出願の方法は、金属合金を機械加工することが困難もしくは不可能であるなど、フレクスプラインの従来の製造方法と適合しない合金、またはは（例えば、マージナルガラス形成材料およびナノ結晶金属など）粉末よりも大きな形で製造できない合金からのフレクスプラインの容易な製造を可能にする。

さらに、本出願の方法を使用して、最適な材料よりも少ない材料から調製されたフレクスプラインの特定の特性をさらに改善することができる。この場合、プリントパラメータの調整により、例えば、通常はフレクスプラインで十分に機能するには柔らかすぎる材料を硬化させることができる。例えば、チタンおよびインコネルなどの高強度金属は、一般に機械加工が困難であるが、本出願の方法にしたがってフレクスプラインにプリントすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、本出願の３Ｄプリント方法を使用して、通常は機械加工できずネットシェイプで鋳造する必要がある、金属マトリックス複合材料およびバルク金属ガラス（アモルファス金属としても知られる）からフレクスプラインを製造することができる。またさらに、いくつかの実施形態では、フレクスプラインは、機械加工が困難なことで有名なＮｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、またはＶ合金などの、耐火性材料またはその他の高融点材料からプリントされる。そのような合金から部品をプリントする能力は、非常に高い温度で動作できる波動歯車の開発につながり、波動歯車の高温用途を可能にする。したがって、多くの実施形態では、３Ｄプリント方法は、特に従来の機械加工方法と比較して、フレクスプラインの製造におけるカスタマイズされた金属の使用を可能にし、特定の特性および製造コストの改善を可能にする。

［仕上げ技術を取り入れた実施形態］
多くの実施形態において、本出願の金属積層造形を使用して作られたフレクスプラインは、表面粗さを改善したり、安価かつ簡単に寸法公差を合わせたりするために、簡単な仕上げ作業を行うことができる。したがって、本出願の方法にしたがってプリントされたフレクスプラインは、研磨またはフライス加工による機械的な仕上げにより、滑らかな表面を達成することができる。これには、歯の粗さのみを除去する最小限の研磨が含まれる。さらに、多くの実施形態では、フレクスプラインの表面は（限定しないが）、エッチングなどの化学処理、ウォーターブラストなどの機械的仕上げ加工、サンドもしくはビーズブラストを含む処理のうちの１つ、またはそれらの任意の組み合わせを使用して平滑化することができる。多くの実施形態では、本出願の方法にしたがって垂直にプリントされたフレクスプラインの半径方向対称性もまた、製造後の処理を簡素化し、より効果的にする。例えば、多くの実施形態において、フレクスプラインの合わせ面は軸対象であり、容易に旋盤加工される。多くの実施形態において、フレクスプラインの粗面は、例えば、電気分解などの化学エッチング加工を使用して容易に平滑化され、フレクスプラインの半径方向の対称性および均一な厚さにより、均一で効果的なエッチングが保証される。さらに、多くの実施形態において、フレクスプラインの半径方向の対称性もまた、均一な量の材料を確実に除去することにより、コンピュータ数値制御フライス盤（ＣＮＣ）による、製造後の機械加工を簡素化する。本出願のフレクスプラインの操作性を向上させ得る製造後処理のより具体的な例には、（限定しないが）以下のものがある：歯の表面およびカップ壁の内面を平滑化する（例えば、表面粗さを５０マイクロメートル未満の特徴サイズに低減する）ための化学処理；（例えば、２４０グリッドのサンドペーパによる）サンディングによる処理；表面粗さを減らすための機械的研削；研磨作業（例えば、表面粗さを少なくとも２５％減らす）；他の金属によるコーティング；物理的特性、多孔性、焼き戻し、析出物の成長、製造時の状態と比較した他の特性からなる群から選択される１つまたは複数の特性、それらの任意の組み合わせを変更するための熱処理。

しかしながら、いくつかの実施形態では、コストを節約するために、フレクスプライン表面はプリントされたときのままであり、フレクスプラインはそのまま使用される。そのような実施形態では、プリントされたままのプレクスプラインは、粗い表面仕上げのために、機械加工されたフレクスプラインと比較して性能は低いが、プリンタから直接使用することで、生産コストを大幅に削減することができる。この目的のために、図１２は、実施形態にしたがって３Ｄプリントされ、機械加工なしでプリンタから直接、標準的な波動歯車に組み立てられたフレクスプラインの動作を示している。プリントされたフレクスプラインの表面は非常に粗いが、実際のテストでは依然として機能することが証明された。

新規の金属堆積技術が利用可能になると、本出願の方法は、他の３Ｄプリンティング方法に拡張することができる。例えば、利用可能な場合、本出願の方法で使用される高解像度インクジェット金属プリンティングまたは液体金属プリンティングにより、後処理なしでプリント後にすぐに利用できる、滑らかで正確に実行されたフレクスプラインの製造が可能になる。別の例として、同じプロセスで３ＤプリンティングとＣＮＣ機械加工との両方を組み合わせた金属プリンタが最近利用可能になっており、これは、多くの実施形態において、本出願の方法に従ってフレクスプラインを製造および仕上げるために使用され得る。具体的には、フレクスプラインは、上下に、あるいは円形にしか移動できないＣＮＣの工具ビットを活用するために、このようなシステムでの製造中に、（本出願の方法にしたがって）垂直に向けられる。

［製造されたフレクスプラインの例示的な実施形態］
したがって、多くの実施形態では、本明細書に開示される方法により、金属積層造形法を使用して、波動歯車のフレクスプラインの容易で迅速かつ安価な製造が可能になる。波動歯車、特にはフレクスプライン部品に課される様々な機能固有の制約（例えば、高い材料公差および滑らかな表面仕上げが必要であること）、ならびに金属プリンティング機能の制限を考慮すると、本出願の方法は、予想外であり、非自明である。さらに、多くの実施形態では、本出願の方法により、この目的のために以前は利用できなかった合金および材料組成物からのフレクスプラインの製造が可能になる。さらに、いくつかの実施形態では、本出願の方法により、従来の鋼機械加工法によって達成することは不可能であった、フレクスプライン構造内の材料特性勾配または材料組成勾配が可能になる。多くの実施形態では、この方法を使用して、極めて薄い壁、正確にネットシェイプされた歯、および強化された延性などの強化された機械的特性を特徴とする、機能的フレクスプラインを効率的に製造する。さらに、多くの実施形態では、本出願の方法にしたがって製造されたフレクスプラインは、製造後の機械加工または製造後の仕上げをほとんど必要としない。図１３ａ〜１３ｄでは、本明細書に開示される方法にしたがって製造されたフレクスプラインの例が示されており、また従来のフレクスプラインと比較されている。

具体的には、図１３ａでは、プリントされたフレクスプライン（左）と、鋳造されたフレクスプライン（中央）と、機械加工されたフレクスプライン（右）と、が比較されている。実施形態にしたがってプリントされたフレクスプラインは、外観が最も粗いが、機械加工または鋳造が困難な金属で作成することができ、かつ／あるいは底部から歯の方向に特性の勾配を有することができる。図１３ｂでは、マイクロメータ測定値（すなわち壁厚）が比較されており、機械加工された鋼製のフレクスプライン（左：０．０２インチ）と、実施形態にしたがって鋼からプリントされたフレクスプライン（右：０．０１５インチ）と、が比較されている。本出願の方法が、機械加工による方法と同等またはそれより薄い厚さを達成できることが実証されている。このような薄い壁厚は、鋳造法によっては完全に実現できないことに留意されたい。最後に、図１３ｃは、プリントされたフレクスプライン（左）と、機械加工された従来のフレクスプライン（右）と、における歯の粗さの違いを示している。プリントされたフレクスプラインの仕上げはより粗いが、予想される通常の破損モードの方向に垂直なビルド層で形成された「積層」構造も明確に示されている。これは、モノリシックな材料よりもクラック成長に対する耐性が高いことを意味している。さらに、本出願の方法により、機械加工によって達成することは困難であり、鋳造によっては達成され得ない、歯の複雑な湾曲を実現することができる。

最後に、図１３ｄは、本実施形態にしたがってプリントされた２つのフレクスプライン（左および中央）と、フレクスプライン壁が破壊に耐え、フレクスプライン壁全体を各ビルド層にわたって確実に加熱し、フレクスプライン壁の耐破壊性を保証するようにレーザ特性を変更しないで、従来の硬質鋼リコータブレードを使用してプリントされたフレクスプライン（右）と、を示している。図示のとおり、この組み合わせでは、フレクスプライン壁の破壊的な破損が生じる可能性がある。

本発明のこの記載は、例示および説明の目的で提示されている。網羅的であること、あるいは本発明を記載された正確な形態に限定することは意図されておらず、上記の教示に照らして、多くの修正および変形が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際の応用を最もよく説明するために選択および説明された。この説明により、当業者は、様々な実施形態で、および特定に用途に適した様々な修正を加えて、本発明を最良に利用および実施することが可能になる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

従来技術による典型的なハーモニックドライブの設計および部品を示す図である。 ２ａから２ｄは、従来技術によるハーモニックドライブの動作を詳細に説明する図である。 サーキュラスプラインおよびウェーブジェネレータ部品が従来の鋼から製造され、フレクスプラインが従来技術によってＢＭＧの鋳造により製造されている、鋼／ＢＧＭのハイブリッドの波動歯車を示す図である。 従来技術によってＢＭＧから鋳造されたフレクスプラインにクラックをもたらす可能性のあるフローラインを示す図である。 従来技術および本発明の実施形態による、非平坦な湾曲を有するフレクスプラインの歯を示す図である。 ６ａおよび６ｂは、従来技術による典型的な積層造形プロセスの様々なプリント方向を示す図である。６ａは、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）金属積層方式の標準的なビルドプラットフォームを示し、部品は、プリントの垂直方向（ｚ方向）および水平方向に示されている。６ｂは、部品が斜めに傾けられており、プリント中に支持材が部品に追加される、パウダーベッドフュージョンプリンタの概略図を示している。 金属プリントされた鋼製のフレクスプラインの底面図の画像であり、本発明の実施形態により支持材を除去したことに起因する粗い仕上がりを示している。 本発明の実施形態により製造されたフレクスプラインの画像であり、矢印は、ビルドプラットフォームに対する構築方向を示している。 ９ａおよび９ｂは、従来技術によるフレクスプラインに形成されるクラックの伝播を示す画像である。 本発明の実施形態による積層フレクスプライン構造におけるクラックの抑制を示す概略図である。 実施形態によるフレクスプラインの製造に使用できる金属合金の特性、ならびにそのようなフレクスプラインで達成できる様々な特性を示す表である。 本発明の実施形態による、完全に組み立てられた標準的な波動歯車に組み込まれた、プリント済みのフレクスプラインの実際の動作を示す図である。 １３ａ〜１３ｄは、従来技術により製造された従来のフレクスプラインの例と、本発明の実施形態により製造されたフレクスプラインの例と、の比較を示す図である。１３ａは、プリント（左）、鋳造（中央）、および機械加工（右）されたフレクスプラインの上面および底面視の比較である。１３ｂは、機械加工（左）およびプリント（右）されたフレクスプラインの、マイクロメータ測定値（壁の薄さ）の比較である。１３ｃは、プリントされたフレクスプライン（左）および従来の機械加工されたフレクスプライン（右）における歯の粗さの違いを示している。１３ｄは、本発明の実施形態を用いてプリントされたフレクスプライン（左および中央）と、従来の加熱および再コーティング技術を用いたフレクスプライン（右）との違いを示している。

図２ａから２ｄは、典型的なハーモニックドライブの動作を示している。図示するように、まず、フレクスプラインは、楕円形のウェーブジェネレータの動きによって楕円形に歪められ、フレクスプラインの歯が、ウェーブジェネレータの楕円の長軸でサーキュラスプラインの協働歯と噛み合い、該楕円の短軸では歯が完全に外れる（図２ａ）。次に、サーキュラスプラインが固定された状態でウェーブジェネレータが時計回りに回転すると、フレクスプラインは、弾性変形を受け、その歯の噛み合い位置がサーキュラスプラインに対して順に移動する（図２ｂ）。ウェーブジェネレータが時計回りに１８０度回転すると、フレクスプラインは、サーキュラスプラインに対して１歯だけ反時計回りに移動する（図２ｃ）。最後に、ウェーブジェネレータが時計回りに１回転（３６０度）すると、フレクスプラインの歯はサーキュラスプラインよりも２つ少ないため、フレクスプラインはサーキュラスプラインに対して反時計回りに２歯移動する（図２ｄ）。一般的に、この動きは出力として扱われる。また、いくつかの代替構成では、フレクスプラインが固定され、サーキュラスプラインを使用して出力トルクが提供されることに留意されたい。

さらに、多くの実施形態では、本出願の方法による、プリント中におけるフレクスプラインの垂直な方向付けは、耐破壊性のフレクスプラインを生成する。具体的には、波動歯車の動作中におけるフレクスプラインカップの曲げは、カップにおける割れ目の形成を促進するが、クラックは、歯からカップの底部に向かって、歯の配列と平行に形成される傾向がある。例えば、このような割れ目の進展は、図９ａおよび９ｂの両方に明らかにみられる。しかしながら、本出願の製造方法は、複数の垂直に積層された３Ｄプリント層からなる、耐クラック性の「積層」構造のフレクスプライン（図１０）を生成する。より具体的には、本出願の製造プロセス中にフレクスプラインを垂直に向けて、フレクスプラインカップを多くの薄層（例えば、厚さが約２０ミクロン）で構成される積層構造に変える。ここで、積層造形の分野では、堆積プロセス中に金属材料を溶融しても堆積層の間の区別が完全には消失されないこと、ならびに積層の証拠は依然として構築体の垂直方向に検出可能であることは周知であることに留意されたい。例えば、この効果は、図８および図１３ｃを注意深く調べると分かる。したがって、本明細書に記載されるこのような「積層」構造は、層を通して成長するクラックに耐性があり、積層体にクラックが入るのを困難にするため、フレクスプラインの形成に予想外に有利である（例えば、ＶｅｃｃｈｉｏらによるＴｉ−Ａｌ_３Ｔｉ積層体に関する研究を参照のこと。その開示は、参照により本明細書に組み込まれる）。具体的には、本出願の「積層」プリントされたフレクスプラインは、全体がモノリシックな金属合金で作られたフレクスプラインよりも、少なくとも１０％高い破壊靭性を有する。

しかしながら、いくつかの実施形態では、コストを節約するために、フレクスプライン表面はプリントされたときのままであり、フレクスプラインはそのまま使用される。そのような実施形態では、プリントされたままのプレクスプラインは、粗い表面仕上げのために、機械加工されたフレクスプラインと比較して性能は低いが、プリンタから直接使用することで、生産コストを大幅に削減することができる。この目的のために、図１２は、実施形態にしたがって３Ｄプリントされ、機械加工なしでプリンタから直接、標準的な波動歯車に組み立てられたフレクスプラインの、組み立てプロセス（左）および完全に組み立てられたフレクスプライン（右）の動作を示している。プリントされたフレクスプラインの表面は非常に粗いが、実際のテストでは依然として機能することが証明された。

Claims (25)

1. 金属積層造形方式を使用して、波動歯車フレクスプライン全体を１つの部品として形成することを含む、波動歯車フレクスプラインの製造方法であって、
   前記波動歯車フレクスプラインは、円筒形のカップであり、
   前記円筒形のカップは、円周を画定する底部、前記底部の上に配置されて円筒容積を画定するカップ壁、および前記カップ壁の縁の上部外面に配置された歯を備え、
   前記カップ壁の厚さは、０．０５〜２ｍｍであり、
   前記カップ壁の高さは、前記カップ壁の最小厚さの少なくとも５０倍を超え、
   前記波動歯車フレクスプラインを垂直方向に製造し、前記波動歯車フレクスプラインの前記底部をビルドプラットフォーム上に配置し、前記カップ壁を製造中常に前記金属積層造形方式の前記ビルドプラットフォームに対して垂直に向け、また、任意の堆積層における前記波動歯車フレクスプラインの特性が同一かつ軸対称にする、製造方法。
2. 前記波動歯車フレクスプラインは、製造中に前記底部でのみ支持されるように前記ビルドプラットフォームに取り付けられ、製造中にいかなる支持材も前記カップ壁に追加されない、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記波動歯車フレクスプラインのフィーチャサイズは、寸法が１ｍｍ未満である、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記金属積層造形方式が、パウダーベッドフュージョンプリンティング、パウダーベッド選択的レーザ溶融、指向性エネルギー堆積プリンティング、金属押出、溶融フィラメントモデリング、金属バインダージェッティング、ワイヤーアーク積層造形、超音波積層造形、熱スプレー積層造形、液体噴射、レーザ焼結、電子ビームフリーフォーム、レーザ溶融、またはこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記カップ壁の厚さが、前記金属積層造形方式のレーザのスポットサイズの１５％以内である、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記カップ壁を、前記金属積層造形方式の単一幅のレーザ走査またはシングルワイヤ押出堆積プロセスを使用して製造する、請求項１に記載の製造方法。
7. 前記波動歯車フレクスプラインの特性、組成、または微細構造のうちの少なくとも１つは、前記ビルドプラットフォームに平行な方向では均一であるが、前記ビルドプラットフォームに垂直な方向で変化する、請求項１に記載の製造方法。
8. 前記波動歯車フレクスプラインは水平な積層構造を有し、前記波動歯車フレクスプラインはモノリシックな金属で作られた波動歯車フレクスプラインよりも１０％高い破壊靭性を有する、請求項１に記載の製造方法。
9. 前記波動歯車フレクスプラインを、３０〜１５０ＭＰａ ｍ^１／２の破壊靭性を有する材料から製造する、請求項１に記載の製造方法。
10. 前記材料の破壊靭性が、前記ビルドプラットフォームに垂直な方向に沿って可変である、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記波動歯車フレクスプラインの弾性限界が、０．１〜２％の範囲である、請求項１に記載の製造方法。
12. 前記波動歯車フレクスプラインは、前記ビルドプラットフォームに垂直な方向に沿って配置された、化学組成は同じであるが物理的特性が異なる少なくとも２つの領域を含む、請求項１に記載の製造方法。
13. 前記波動歯車フレクスプラインは、前記ビルドプラットフォームに垂直な方向に沿って配置された、化学組成が異なる少なくとも２つの領域を含む、請求項１に記載の製造方法。
14. 前記歯を含む前記波動歯車フレクスプラインの有歯領域は、化学的に、物理的に、または化学的かつ物理的に、前記波動歯車フレクスプラインの他の部分とは異なる材料を含み、前記有歯領域は、前記波動歯車フレクスプラインの前記他の部分よりも耐摩耗性に優れている、請求項１に記載の製造方法。
15. 前記歯を除く前記波動歯車フレクスプラインの非有歯領域は、化学的、物理的、または化学的かつ物理的に、前記波動歯車フレクスプラインの前記有歯領域とは異なる材料を含み、前記非有歯領域は、前記波動歯車フレクスプラインの他の部分よりも耐破壊性に優れている、請求項１に記載の製造方法。
16. 前記波動歯車フレクスプラインの製造に使用される材料は、金属のベッドからではなくビルドヘッドから導入される、請求項１に記載の製造方法。
17. 前記金属積層造形方式が、粉末、ワイヤ、溶融金属、液体金属、バインダ中の金属、溶解性インク中の金属、ポリマーに結合した金属、板金、垂直プリンティングを可能にする任意の他のプリンティングフォーム、またはこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される形態のいずれかの材料を利用する、請求項１に記載の製造方法。
18. 前記歯が、垂直方向の曲率を有する、請求項１に記載の製造方法。
19. 前記波動歯車フレクスプラインが、
    前記歯の表面および前記カップ壁の内面を滑らかにする化学処理、
    表面粗さを低減するための機械的な研削、サンディングまたは研磨、
    別の金属でのコーティング、
    物理的特性、多孔性、焼き戻し、析出物の成長、製造時の状態と比較した他の特性からなる群から選択される、１つまたは複数の特性を変化させるための熱処理、
    およびこれらの任意の組み合わせ、
    からなる群から選択される製造後のプロセスを経る、請求項１に記載の製造方法。
20. 前記波動歯車フレクスプラインが、合金、バルク金属ガラス、若しくはＦｅ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｈｆ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｇからなる群から選択される１つ以上の元素に基づく、金属ガラス複合材料、またはこれら任意の組み合わせから製造される、請求項１に記載の製造方法。
21. 前記波動歯車フレクスプラインが、金属マトリックス複合材から製造され、前記金属マトリックス複合材の体積分率もしくは化学組成、またはその両方が、前記ビルドプラットフォームに平行な方向には均一であるが、前記ビルドプラットフォームに垂直な方向には可変である、請求項１に記載の製造方法。
22. 前記波動歯車フレクスプラインが、結晶金属合金および金属ガラス合金の両方から製造されており、２つの材料は、前記ビルドプラットフォームに垂直な向きに交互になっている、請求項１に記載の製造方法。
23. 前記波動歯車フレクスプラインが、摂氏１５００度を超える融解温度を有する高融点合金から製造される、請求項１に記載の製造方法。
24. 前記高融点合金が、インコネルまたはＮｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、これらの任意の組み合わせから選択される元素の１つに基づく合金である、請求項２３に記載の製造方法。
25. 前記歯は、波動歯車の性能が特定の用途のために向上または修正され得るように、湾曲した形状または任意の形状を有することができる、請求項１に記載の製造方法。

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