JP2020514555A - 粉末材料を用いた付加製造のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

三次元の未加工の使用可能なモデルを含む未加工のブロックを構築するための付加製造システムは、印刷ステーション、粉末送出ステーション、圧縮ステーション及びステージを含む。印刷ステーションは、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースし、使用可能なモデルのまわりの支持体領域の複数の個別区域をトレースすることによって、仕切りを形成する凝固可能な非粉末材料を選択的に堆積することによって構築トレイの上にパターンを印刷する。粉末送出ステーションは、パターンの上に粉末材料の層を付与する。圧縮ステーションは、粉末材料の層ごとに圧縮し、層を受けるためのダイを含む。ステージは、印刷ステーション、粉末送出ステーション及び圧縮ステーションの各々に構築トレイを繰り返し進ませ、未加工のブロックを一緒に形成する複数の層を構築する。【選択図】図２

Description

本発明は、その一部の実施形態では、付加製造の分野に関し、特に限定されないが、粉末材料を用いた三次元物体の付加製造に関する。

粉末材料の連続層を使用した付加製造によって立体的物体を作製するための多数の様々なプロセスが知られている。一部の公知の付加製造技術は、物体の三次元（３Ｄ）モデルに基づいて液体結合材を選択的に塗布し、層毎に粉末材料を結合して立体構造物を形成する。一部のプロセスでは、構築プロセスの最後に材料の結合をさらに強化するように、物体は加熱および／または焼結される。

選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）は、粉末材料の層を焼結するためのパワー源としてレーザを使用する。レーザは３Ｄモデルによって画定される空間内の点に照準するように制御され、材料を層毎に結合して立体構造を形成する。選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）は、焼結の代わりに材料の完全な溶融を含むＳＬＳと同等の技術である。ＳＬＭは、一般的に、粉末の溶融温度が均一であるとき、例えば純金属粉末が構築材料として使用されるときに適用される。

内容を本明細書に援用する「ＭＯＬＤＩＮＧ ＰＲＯＣＥＳＳ」と題する米国特許第４２４７５０８号明細書は、３Ｄ物品を層状に形成するための成形プロセスを記載している。一実施形態では、材料の平面的な層が順次堆積される。各層において、次の層の堆積前に、その領域の一部分が凝固され、その層における物品のその部分が画定される。各層の選択的凝固は、熱および選択されたマスクを使用することによって、または制御された熱走査プロセスを使用することによって達成され得る。レーザを使用して各層を選択的に溶融する代わりに、各層毎の別々のマスク、および熱源を使用してもよい。マスクは、それに関連する層の上に配置され、熱源は、マスクの上に位置する。マスクの開口部を通過する熱は、マスクの開口から露出した粒子を融合させる。直接加熱に曝露されない粒子は溶融しない。

内容を本明細書に援用する「ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＢＥＡＭ ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ」と題する米国特許第５０７６８６９号明細書は、粉末の層を選択的に焼結し、複数の焼結された層を含む部品を生産する方法および装置を記載している。装置は、レーザエネルギーを粉末上に向かわせて焼結塊を生産するようにレーザを制御するコンピュータを含む。各断面に対し、レーザビームの照準は粉末の層上で走査され、ビームは断面の境界内の粉末だけを焼結するようにスイッチオンされる。完成した部品が形成されるまで、粉末が塗布され、連続層が焼結される。粉末は、異なる解離温度または接合温度を有する複数の材料を含むことが好ましい。粉末は、配合材料または被覆材料を含むことが好ましい。

内容を本明細書に援用する「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ３Ｄ ＰＲＩＮＴＩＮＧ ＢＹ ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ」と題する国際公開第２０１５／１７０３３０号パンフレットは、構築トレイ上に粉末の層を設けるステップと、層にダイ圧縮を実行するステップと、ダイ圧縮された層を選択的レーザ焼結または選択的レーザ溶融により焼結するステップと、三次元物体が完成するまで層を設けること、ダイ圧縮、および層毎の焼結を繰り返すステップとを含む、３Ｄ印刷により物体を形成する方法を開示している。開示された選択的焼結は、焼結すべき層の部分のネガを画定するマスクパターンによる。

本開示の一部の実施形態の態様によれば、粉末層を用いた付加製造のためのシステム及び方法が提供される。一部の例示的な実施形態では、アルミニウム合金粉末が構築材料として使用される。任意選択的に、純粋なアルミニウム、他の金属粉末、セラミック材料、ポリマー材料、及び異なるタイプの材料の組み合わせのような他の材料を使用することができる。一部の例示的な実施形態によれば、同じ粉末材料が、物体を構築するため、及び物体を支持するための両方の目的で使用される。例えば、層構築プロセス中、粉末は、物体のネガ傾斜表面又は物体に含まれる中空体積を構築するための支持体として作用することができる。任意選択的に、層構築プロセスの終わりに、未加工のブロックが形成され、それは、一つ以上の要素、例えば使用可能なモデルの未加工のコンパクト及び支持体要素の未加工のコンパクトを画定するパターンをその中に埋め込まれて含む。任意選択的に、圧縮は、層構築プロセスの終わりでかつ支持体要素の未加工のコンパクトから使用可能なモデルの未加工のコンパクトを分離する前に未加工のブロックの上に適用される。例えば使用可能なモデルの未加工のコンパクトの焼結は、次いで物体を完成させるために適用されることができる。

一部の例示的な実施形態によれば、支持体領域（例えば支持体要素の未加工のコンパクトを含むことを意図される領域）とモデル領域（例えば使用可能なモデルの未加工のコンパクトを含むことを意図される領域）の間の境界は、層ごとに堆積される非粉末材料のパターンによって画定される。各層に対して、三次元（３Ｄ）プリンターは、物体を構築するために使用される粉末材料を、構築される物体を支持するために使用される粉末材料から分離する非粉末材料を吐出する。一部の例示的な実施では、パターンはまた、層構築プロセスの終わりに物体から分離されることができる個別の支持区域、即ち支持体要素の未加工のコンパクトに支持体領域を分解するように画定される。

例示的な実施形態によれば、非粉末材料は、層ごとに印刷される凝固可能なインク（例えばサーマルインク）である。各層に対して、三次元（３Ｄ）プリンターは、物体を構築するために使用される粉末材料を、構築される物体を支持するために使用される粉末材料から分離するインクを吐出する。一部の例示的な実施では、凝固可能なインクパターンはまた、層構築プロセスの終わりに物体から分離されることができる個別支持体区域、即ち支持体要素の未加工のコンパクトに支持体領域を分解するように画定される。一部の追加の例示的な実施では、凝固可能なインクは、画定された領域においてネガマスクとして適用されることができる。ネガマスクは、層が圧縮されるときに粉末粒子間の凝集を防止することができる。一部の追加の例示的な実施では、凝固可能なインクは、構築されたときに層のブロックにおける画定された位置の機械的特性を変更するために適用されることができる。一部の例示的な実施では、凝固可能なインクパターンはまた、二つ以上の異なるモデル又はモデル部分（例えば使用可能なモデルの未加工のコンパクト）の間の境界を区別又は形成するように画定される。

本発明の一部の例示的な実施形態の態様によれば、三次元の未加工の使用可能なモデルを含む未加工のブロックを構築するための付加製造システムであって、構築トレイの上にパターンを印刷するように構成された印刷ステーション、但しパターンは、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースし、使用可能なモデルのまわりの支持体領域の複数の個別区域をトレースすることによって、仕切りを形成する凝固可能な非粉末材料を選択的に堆積することによって形成される；パターンの上に粉末材料の層を付与するように構成された粉末送出ステーション；粉末材料の層ごとに圧縮するように構成された圧縮ステーション、但し圧縮ステーションは、層を受けるためのダイを含む；及び印刷ステーション、粉末送出ステーション及び圧縮ステーションの各々に構築トレイを繰り返し進ませ、未加工のブロックを一緒に形成する複数の層を構築するように構成されたステージを含むシステムが提供される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料が、サーマルインク、光硬化性インク、ワックス、又はそれらのいずれかの組み合わせから選択される凝固可能なインクである。

任意選択的に、複数の個別区域が、異なるサイズの区域を含む。

任意選択的に、複数の個別区域の一部が、偏菱形として造形される。

任意選択的に、個別区域のまわりのトレースの幅が、個別区域のサイズ及び使用可能なモデルへの距離に基づいて規定される。

任意選択的に、個別区域が、選択された抜け勾配（ｄｒａｆｔ ａｎｇｌｅ）を持つように規定される。

任意選択的に、個別区域の少なくとも一つが、凝固可能な非粉末材料のディザ（ｄｉｔｈｅｒ）でパターン化される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料のディザが、凝固可能な非粉末材料の除去後に粉末材料の結合を防止するように構成される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料のディザが、複数の個別区域の５０％以下を占有する。

任意選択的に、複数の個別区域におけるディザリング（ｄｉｔｈｅｒｉｎｇ）の百分率割合が、構築トレイの角からの個別区域の距離に基づく。

任意選択的に、複数の個別区域が、凝固可能な非粉末材料でディザリングされる。

任意選択的に、構築トレイの四つの角が、凝固可能な非粉末材料の柱で形成される。

任意選択的に、システムは、複数の層を通って延びる少なくとも一つの凝固可能な非粉末材料の柱を含む。

任意選択的に、使用可能なモデルの周囲をトレースすることによって形成された仕切りが、複数の間隙を含むように規定される。

任意選択的に、間隙が、１００μｍより狭い。

一部の例示的な実施形態の態様によれば、凝固可能な非粉末材料で形成されたパターンであって、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースする仕切り；及び支持体領域の個別区域をトレースする複数の仕切りを含むパターンが提供される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料が、サーマルインク、光硬化性インク、ワックス、又はそれらのいずれかの組み合わせから選択される凝固可能なインクである。

任意選択的に、複数の仕切りが、異なるサイズの個別区域をトレースする。

任意選択的に、個別区域の一部が、偏菱形として造形される。

任意選択的に、個別区域のまわりのトレースの幅が、個別区域のサイズ及び使用可能なモデルへの距離に基づいて規定される。

任意選択的に、個別区域が、選択された抜け勾配を持つように規定される。

任意選択的に、個別区域の少なくとも一つが、凝固可能な非粉末材料のディザでパターン化される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料のディザが、凝固可能な非粉末材料の除去後に粉末材料の結合を防止するように構成される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料のディザが、個別区域の５０％以下を占有する。

任意選択的に、個別区域におけるディザリングの百分率割合が、使用可能なモデルが構築される構築トレイの角からの個別区域の距離に基づく。

任意選択的に、個別区域が、凝固可能な非粉末材料でディザリングされる。

任意選択的に、使用可能なモデルが構築される構築トレイの四つの角が、凝固可能な非粉末材料の柱で形成される。

任意選択的に、パターンは、複数の層を通って延びる少なくとも一つの凝固可能な非粉末材料の柱を含む。

任意選択的に、使用可能なモデルの周囲をトレースすることによって形成された仕切りが、複数の間隙を含むように規定される。

任意選択的に、間隙が、１００μｍより狭い。

一部の例示的な実施形態の態様によれば、未加工の使用可能なモデルを含む未加工のブロックの付加製造のための方法であって、構築トレイの上にパターンを印刷すること、但し、前記パターンは、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースし、使用可能なモデルのまわりの支持体領域の複数の個別区域をトレースすることによって仕切りを形成し、パターンは、凝固可能な非粉末材料で印刷される；パターンの上に粉末材料の層を付与すること；粉末材料の層及び凝固可能な非粉末材料のパターンを圧縮すること；印刷、付与及び圧縮を繰り返し、前記未加工のブロックの複数の層を構築すること；非粉末材料を除去すること；及び個別の支持体区域から未加工の使用可能なモデルを分離することを含む方法が提供される。

任意選択的に、方法は、個別の支持体区域から分離された未加工の使用可能なモデルを焼結することをさらに含む。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料が、サーマルインク、光硬化性インク、ワックス、又はそれらのいずれかの組み合わせから選択される凝固可能なインクである。

任意選択的に、複数の個別区域が、異なるサイズの区域を含む。

任意選択的に、複数の個別区域の一部が、偏菱形として造形される。

任意選択的に、個別区域のまわりのトレースの幅が、個別区域のサイズ及び使用可能なモデルへの距離に基づいて規定される。

任意選択的に、個別区域が、選択された抜け勾配を持つように規定される。

任意選択的に、個別区域の少なくとも一つが、凝固可能な非粉末材料のディザでパターン化される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料のディザが、凝固可能な非粉末材料の除去後に粉末材料の結合を防止するように構成される。

任意選択的に、凝固可能な非粉末材料のディザが、少なくとも一つの個別区域の５０％以下を占有する。

任意選択的に、複数の個別区域におけるディザリングの百分率割合が、構築トレイの角からの個別区域の距離に基づく。

任意選択的に、複数の個別区域が、凝固可能な非粉末材料でディザリングされる。

任意選択的に、構築トレイの四つの角が、凝固可能な非粉末材料の柱で形成される。

任意選択的に、方法は、複数の層を通って延びる少なくとも一つの凝固可能な非粉末材料の柱を含む。

任意選択的に、使用可能なモデルの周囲をトレースすることによって形成された仕切りが、複数の間隙を含むように規定される。

任意選択的に、間隙が、１００μｍより狭い。

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

本明細書では本発明のいくつかの実施形態を単に例示し添付の図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。

図１は、本発明の一部の実施形態による例示的な付加製造システムの簡略化した概略図である。

図２は、本発明の一部の実施形態による例示的な層ごとの構築プロセスの簡略化した概略図（側面図）である。

図３は、本発明の一部の実施形態による例示的な循環層構築プロセスの簡略化した概略図（側面図）である。

図４Ａ−４Ｂは、本発明の一部の実施形態による解放及び圧縮された状態のそれぞれの例示的な圧縮システムの簡略化した概略図（側面図）である。

図５は、本発明の一部の実施形態による物体を規定するための層ごとにパターンを印刷するための例示的なプリンターの簡略化したブロック図である。

図６は、本発明の一部の実施形態による層中に印刷されたパターンの簡略化した概略図（平面図）である。

図７は、本発明の一部の実施形態による三つの印刷層の簡略化した概略図（側面図）である。

図８は、本発明の一部の実施形態による層中に形成された別の例示的なパターンの簡略化した概略図（平面図）である。

図９は、本発明の一部の実施形態によるネガマスク領域を含む例示的なパターンの簡略化した概略図（平面図）である。

図１０は、本発明の一部の実施形態による粉末層内の例示的なパターンの画像（平面図）である。

図１１は、本発明の一部の実施形態による凝固可能なインクで形成された例示的な仕切りの簡略化した概略図（側面図）である。

図１２Ａ−１２Ｂは、本発明の一部の実施形態による平面図及び側面図のそれぞれで示された層を通って凝固可能なインクから形成された例示的な柱の簡略化した概略図である。

図１３は、本発明の一部の実施形態による複数の層にわたって凝固可能なインクから形成された例示的なアンカーの簡略化した概略図（側面図）である。

図１４は、本発明の一部の実施形態による粉末材料を用いた付加製造のための例示的な方法の簡略化したフローチャートである。

図１５Ａ、１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ、及び１５Ｆは、本明細書に記載された付加製造の方法及び装置で製造された例示的な物体を示す。

本発明は、その一部の実施形態では、粉末化された材料の層を用いた三次元（３Ｄ）印刷に関し、特に限定されないが、粉末化された金属を用いた金属物体の３Ｄ印刷に関する。

本明細書で使用される用語「未加工のブロック（ｇｒｅｅｎ ｂｌｏｃｋ）」及び「未加工のコンパクト（ｇｒｅｅｎ ｃｏｍｐａｃｔ）」は、交換可能である。さらに、本明細書で使用される「使用可能なモデルの未加工のコンパクト」及び「未加工体」は、交換可能である。本明細書で使用される用語「物体」、「モデル」及び「使用可能なモデル」は、交換可能である。

さらに、本明細書で使用される「支持体要素の未加工のコンパクト」、「支持体要素」、「支持体領域の個別区域」及び「個別区域」は、交換可能である。

本明細書で使用される用語「未加工のブロック」、「未加工のコンパクト」、「使用可能なモデルの未加工のコンパクト」、「未加工体」、「支持体要素の未加工のコンパクト」はそれぞれ、「ブロック（ｂｌｏｃｋ）」、「コンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）」、「使用可能なモデルのコンパクト」、「体（ｂｏｄｉｅｓ）」、及び「支持体要素のコンパクト」に関するものであり、それらの主要成分は、焼結プロセスを受ける前の、一般的には結合された粉末の形の、結合材料である。

さらに、用語「マスク」、「パターン」、「マスクパターン」又は「印刷パターン」は、凝固可能な非粉末材料、例えば凝固可能なインクで形成されたパターンに関するものとされる。

用語「印刷ブロック（ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）」は、３Ｄインクジェット印刷システム又はステーションの部分に関し、それは、特にインクジェット印刷ヘッドを収容する。

本発明の一部の実施形態の態様によれば、粉末層を用いた付加製造のためのシステム及び方法が提供される。一部の例示的な実施形態では、アルミニウム合金粉末が構築材料として使用される。任意選択的に、純粋なアルミニウム、他の金属粉末、セラミック材料、ポリマー材料、及び異なるタイプの材料の組み合わせのような他の材料を使用することができる。一部の例示的な実施形態によれば、同じ粉末材料が、物体を構築するため、及び物体を支持するための両方の目的で使用される。例えば、層構築プロセス中、粉末は、物体のネガ傾斜表面又は物体に含まれる中空体積を構築するための支持体として作用することができる。任意選択的に、層構築プロセスの終わりに、未加工のブロックが形成され、それは、一つ以上の要素、例えば使用可能なモデルの未加工のコンパクト及び支持体要素の未加工のコンパクトを画定するパターンをその中に埋め込まれて含む。任意選択的に、圧縮は、層構築プロセスの終わりでかつ支持体要素の未加工のコンパクトから使用可能なモデルの未加工のコンパクトを分離する前に未加工のブロックの上に適用される。例えば使用可能なモデルの未加工のコンパクトの焼結は、次いで物体を完成させるために適用されることができる。

本発明の一部の実施形態によれば、凝固可能な非粉末材料で規定されたパターンを使用して三次元物体を構築するための付加製造システム及び方法が提供される。

一部の実施形態によれば、凝固可能な非粉末材料は、凝固可能なインクである。本明細書で使用される用語「凝固可能なインク」は、周囲温度で固体でありかつ印刷のときに液体であるインク材料に関する。凝固可能なインクの限定されない例は、ワックス、光硬化性ポリマー、サーマルインク（又は相変化インク）、及びそれらのいずれかの組み合わせを含む。本明細書で使用されるサーマルインク及び相変化インクは、交換可能な用語であり、室温で固体であり、１２０℃未満の融点、融点と１２０℃の間で５０ｃＰｓ未満の粘度を有し、１００℃以上の温度で実質的に炭素痕跡なしで蒸発する材料として規定されることができる。実質的には、炭素の痕跡がないとは、５重量％未満又は１重量％未満として規定されることができる。一部の例示的な実施形態では、サーマルインクは、５５〜６５℃の溶融温度及び約６５〜７５℃の加工温度を持ち、粘度は、１５〜１７ｃＰｓであることができる。本発明の実施形態によれば、サーマルインクは、炭素痕跡なしか又はほとんどなしで加熱することに反応して蒸発するように構成されている。

本発明の一部の実施形態によれば、システムは、構築トレイ、凝固可能な非粉末材料でパターンを印刷するための３Ｄプリンター、パターンの上に粉末化された材料を付与するためのスプレッダーを持つ粉末吐出装置、及び層ごとに圧縮するための圧縮加工ユニットを含む。一部の例示的な実施形態によれば、制御されたリニアドライブは、複数の層を構築するために構築トレイを３Ｄプリンター、粉末吐出装置、及び圧縮加工ユニットの各々に繰り返し進めることができる。一部の例示的な実施形態では、システムは、例えば未加工のブロックの構築プロセスの終わりに、未加工のブロックを圧縮するための追加の圧縮ユニットを含む。任意選択的に、凝固された非粉末材料のパターンは、専用の加熱プロセスで加熱することによって蒸発され、支持体領域は、未加工のブロックから使用可能なモデルの未加工のコンパクトを抽出するために除去される。任意選択的に、使用可能なモデルの未加工のコンパクトは、次いで炉焼結ユニットで焼結される。特定の実施形態では、凝固された非粉末材料は、燃焼され、複数の層が焼結プロセス中に合体される。

一部の例示的な実施形態によれば、３Ｄプリンターは、インクジェットプリンターであり、凝固可能な非粉末材料は、凝固可能なインクである。凝固可能なインクは、線、点、角、ダミー要素及び境界線などの様々な構造要素を含むことができるパターンを各層に対してトレースするために選択的に堆積される。特定の実施形態では、印刷されたパターンは、構築されるモデルの境界線をトレースし、また支持体領域を、使用可能なモデルの未加工のコンパクトから後で分離されることができる個別区域に分割する。個別区域の形状及びサイズはともに、構築されるモデル、即ち使用可能なモデルに対するそれらの近接に関して規定されることができる。一部の例示的な実施形態では、境界線を規定する凝固可能なインク要素の厚さは、モデルに対する近接、及び包囲する、隣接する又は近接する個別区域のサイズに基づいて選択される。任意選択的に、凝固可能なインクは、複数の層にわたって又はそれらを通して偏菱形のパターンを構築するように規定される。一部の例示的な実施形態では、凝固可能なインクは、物体の幾何学的形状に基づいて規定された抜け勾配で支持体の個別区域を構築するように規定される。

一部の例示的な実施形態によれば、３Ｄ印刷はまた、圧縮中に粉末粒子間の凝集を防止又は弱化するネガマスクを形成するために層ごとに支持体領域中の粉末内で凝固可能な非粉末材料をディザリングするために適用されることができる。かかるネガマスクは、小さい開口を有する空洞又は狭い内部中空（例えば管又はパイプ）を持つモデルを構築するために一時的に有用でありうる。かかる場合には、いったん凝固可能な非粉末材料が蒸発されたら、残りの粉末は、管又は空洞から容易に除去されることができる。一部の追加の例示的な実施形態では、ディザリングは、構築トレイを横切って規定された位置で層間の接着を支持したり、及び／又は粉末層を強化するために支持体領域において適用されることができる。任意選択的に、ディザリングのために適用される凝固可能な非粉末材料は、支持体材料の区域間、及びモデルのまわりの境界線を規定する（即ち、モデルの輪郭を規定する）パターン要素を印刷するために適用される凝固可能な非粉末材料とは異なる組成を有する。

一部の例示的な実施形態では、３Ｄプリンターはまた、粉末の第一層が構築トレイの上に吐出される前に構築トレイの完全な底面の上に凝固可能な非粉末材料の層を印刷するために適用されることができる。凝固可能な非粉末材料のこの層は、粉末の第一層を安定化することができ、また構築プロセスの終わりに構築トレイから未加工のブロックを分離することを可能にする。

一部の例示的な実施形態では、３Ｄプリンターはまた、層のブロックの高さに沿って凝固可能な非粉末材料で支持体柱を構築するために適用されることができる。

一部の例示的な実施形態では、３Ｄプリンターは、構築トレイが静止したままでありながら、印刷中に層を走査するために構築トレイの上を移動する走査印刷ブロックの上に組み立てられたインクジェット印刷ヘッドを含む。あるいは、精密ステージを使用して構築トレイを走査方向に進め、一方インクジェット印刷ヘッドは、その方向に静止したままであり、直交方向には移動可能であるか、又は完全に静止したままであることができる。一部の実施形態では、特定の層の全パターンは、単一の通過で印刷されることができる。

一部の例示的な実施形態によれば、層構築プロセス全体は、周囲温度で実施されることができる。周囲温度で操作する能力は、一般的には操作の低コストと関連し、またシステムのコスト減少と関連する。高温での操作は、一般的に高いコストと関連する安全手段を要求することが一般的である。

一部の例示的な実施形態によれば、層の全体は、未加工のブロックの構築プロセスが完了した後、高い圧力及び／又は温度で長い期間にわたって第二圧縮ユニットで再び圧縮されることができる。あるいは、第二圧縮ユニットは、要求されない。

アルミニウムでの構築は、その軽量、熱及び電気伝導性、及びその相対的な耐腐食性のために有利であることが知られている。一般的に、アルミニウムの溶融温度は、相対的に低い。アルミニウム粉末で構築する場合の問題の一つは、粉末のアルミニウム粒子が酸化アルミニウム被覆、例えばアルミナを形成する傾向を有することである。酸化アルミニウム被覆は、焼結中に粒子の結合を妨げるアルミニウム粒子間の障壁を導入する。最終的な結果は、一般的に粉末化された要素間の劣った結合のために強度の低下した物体である。未加工の使用可能なモデルの圧縮は、アルミナ層を破壊してアルミニウムを露出することによって焼結時の結合を促進し、粉末化された材料のアルミニウム粒子間の直接係合を可能にすることができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に示されるか、および／または図面または画像において示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に必ずしも限定されないことを理解しなければならない。本発明は、他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。

図を参照すると、図１は、本発明の一部の実施形態による例示的な付加製造システムの簡略化されたブロック図を示す。本発明の一部の実施形態によれば、付加製造システム１００は、加工プラットフォーム５００の上に一体化される。本発明の一部の実施形態によれば、加工プラットフォーム５００は、精密ステージ２５０を含み、その上で構築トレイ２００が、未加工のブロック、例えば層１５のブロックを一回で一層形成するために複数のステーションを通って前進される。一般的に、精密ステージ２５０は、直線状のステージ、層を構築しながら単一の軸（例えばＸ軸）に沿って動きを与え、また各々の新しい層が加えられるときにトレイ２００の高さを調整する（例えばトレイ２００を下降する）ための鉛直方向（Ｚ軸）の動きを与えるＸ−Ｚステージである。

本発明の一部の実施形態によれば、加工プラットフォーム５００は、非粉末材料のパターンを印刷するための印刷プラットフォームステーション３０、粉末層を吐出するための粉末吐出ステーション１０、吐出された粉末の層を展延するための粉末展延ステーション２０、及び任意選択的に印刷されたパターンを含む粉末の層を圧縮するための圧縮ステーション４０を含む。一般的には、各層に対して、構築トレイ２００は、ステーションの各々に前進し、次いで全ての層が印刷されるまでプロセスを繰り返す。一部の例示的な実施形態では、トレイ２００は、印刷プラットフォームステーション３０の停止部で一方向に前進し、次いで粉末吐出ステーション１０、粉末展延ステーション２０及び圧縮ステーション４０の停止部で方向を反転する。本発明の一部の実施形態によれば、コントローラー３００は、加工プラットフォーム５００の上のステーションの各々の操作を制御し、精密ステージ２５０の上のトレイ２００の動き及び／又は位置決めとステーションの各々の操作を調和する。一般的に、コントローラー３００は、メモリー及び処理能力を含むか、及び／又はそれらと関連される。任意選択的に、粉末吐出ステーション１０及び粉末展延ステーション２０は、単一の粉末送出ステーションへと組み合わせられる。

一部の例示的な実施形態では、追加の圧縮ステーション６０が１５０〜３５０ＭＰａの圧力で、任意選択的に４３０℃までの温度で１〜６分間層全体を圧縮する。この追加の圧縮ステーションはまた、Ｚ軸精度を維持するダイ圧縮を実現することができる。任意選択的に、それは、後加工前に使用可能なモデルの未加工のコンパクト及び支持体要素の未加工のコンパクトを含む未加工のブロックを形成するために層のブロックを圧縮する追加の圧縮ステーション６０である。あるいは、圧縮ステーション４０は、層構築プロセス中、又は層構築プロセスの終わりに圧縮を完了する。

一般的に、焼結ステーション７０及び任意選択的に追加の圧縮ステーション６０は、加工プラットフォーム５００から分離した独立型ステーションである。任意選択的に、層１５のブロックは、精密ステージ２５０によってではなく、焼結ステーション７０及び／又は追加の圧縮ステーション６０中に手で位置される。任意選択的に、追加の焼結ステーションは、例えば不活性ガス源５１０を使用する、焼結のための不活性環境を与える。任意選択的に、不活性ガス源５１０は、窒素源である。

任意選択的に、追加の圧縮ステーション６０及び焼結ステーション７０の各々は、各ステーションを操作するための別個のコントローラーを持つ。

一部の例示的な実施形態によれば、焼結前、凝固可能な非粉末材料から形成されたパターンは、専用の加熱プロセスで加熱することによって蒸発され、支持体区域は、使用可能なモデルの未加工のコンパクトを解放するために除去される。加熱は、１００℃〜１５０℃の温度で、又は２００℃までの温度であることができる。凝固可能な非粉末材料は、実質的に炭素の痕跡なしでかかる温度で蒸発するように構成されることができる。任意選択的に、加熱は、一つ以上の圧縮ステージが完了された後に実施される。使用可能なモデルの未加工のコンパクトは、次いで最終物体を形成するために焼結されることができる。

炉焼結は、追加の圧縮ステージの後に適用されてもよい。焼結の温度及び時間は、一般的に、使用される粉末材料、及び任意選択的に製造される物体のサイズに依存する。一部の例示的な実施形態では、粉末材料は、アルミニウムである。炉焼結プロセスの第一ステージは、２０〜１８０分の時間で３００〜４００℃であることができる。炉環境は、不活性（窒素）であるか、又はこのステージで通気されることができる。より高温での焼結は、一般的に窒素環境で実施されることができる。任意選択的に、物体は、アルミニウム粉末については、６０〜１８０分間で５７０〜６３０℃であることができる。例えばステンレス鋼粉末に対して、温度は、１２５０℃に到達することができる。ステンレス鋼焼結のために要求される雰囲気は、不活性雰囲気ではなく、例えば水素のような還元された雰囲気である。任意選択的に、炉は、２〜２０℃／分の割合で温度を変化することができる。一般的に、焼結は、各ステージを規定された時間で規定された温度で複数のステージにわたって実施される。硬化された光ポリマーが使用されて層のブロック内にパターンを形成する一部の特定の実施形態では、焼結ステージは、モデルが周囲の支持体区域から解放されうるように光ポリマーを燃焼するために使用されることができる。

一部の実施形態では、本明細書に記載された付加製造システム１００は、改良されたスピードで印刷することをもたらす。例えば層ごとの印刷時間は、２５〜３５秒であることができ、４００層を含む未加工のブロックのための想定される構築時間は、約４時間であることができる。構築トレイ２００の上に構築されるブロック１５は、複数の埋め込まれた使用可能なモデル、例えば１〜１５の物体を含むことができる。ブロック１５の一例の底面は、２０×２０ｃｍであることができる。

図２を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による例示的な層ごとの構築プロセスの簡略化された概略図を示す。図２は、例示的な第一層５０２及び第二層５０４の上に構築されるプロセスにおける例示的な第三層５０６を示す。一部の例示的な実施形態では、パターン５１０は、三次元プリンターを用いて層ごとに吐出される。一部の例示的な実施形態によれば、パターン５１０は、例えば凝固可能なインクのような凝固可能な非粉末材料で形成される。パターン５１０は、前の層（単数又は複数）、例えば層５０４及び５０２においてパターン５１０と物理的に接触してもよく、又は粉末材料を含む前の層の領域の上にパターン化されてもよい。層ごとのパターン５１０の高さは、層の高さと実質的に同じであってもよく、又は任意選択的に、層の高さ、例えば層５０４中のパターン５１０の部分５１０Ａより短くてもよい。

一部の例によれば、粉末５１は、パターン５１０の上に、かつ構築トレイ２００の底面を横切って展延される。一部の例示的な実施形態では、粉末５１は、ローラー２５で展延される。任意選択的に、ローラー２５は、その軸２４のまわりに回転し、Ｘ軸に沿って構築トレイ２００を横切って移動するように作動される。いったん粉末５１がトレイ２００の底面を横切って展延されると、圧縮５２０は、層５０６を圧縮するために層全体の上に適用されてもよい。一般的には、層５０６の高さは、任意選択的に前の層５０２及び５０４と同様に、圧縮処理によって減少される。

図３を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による層を構築するための例示的な循環プロセスの簡略化されたブロック図を示す。一部の例示的な実施形態によれば、物体（即ち、使用可能なモデルの未加工のコンパクト）は、循環プロセスにおいて未加工のブロック内で層ごとに構築されてもよい。循環プロセスの各サイクルは、印刷プラットフォームステーション３０でパターンを印刷し（ブロック２５０）、吐出ステーション１０及び展延ステーション２０（任意選択的に単一の「粉末送出ステーション」へと組み合わせられる）でパターンの上に粉末材料を吐出し（ブロック２６０）、展延し（ブロック２７０）、圧縮ステーション４０でパターンを含む粉末層を圧縮する（ブロック２８０）工程を含むことができる。一部の例示的な実施形態では、パターンは、凝固可能なインクのような凝固可能な非粉末材料から形成される。圧縮は、層ごとのダイ圧縮を含んでもよい。本発明の実施形態によれば、各サイクルは、未加工のブロックの一つの層を形成し、サイクルは、全ての層が構築されるまで繰り返される。任意選択的に、一つ以上の層は、パターンを必要とせず、パターンを印刷する工程（ブロック２５０）を選択された層から除外してもよい。任意選択的に、一つ以上の層は、粉末材料を必要とせず、粉末材料を吐出及び展延する工程（ブロック２６０及び２７０）は、選択された層から除外されてもよい。この循環プロセスは、未加工のブロックを生み出し、それは、使用可能なモデルの一つ以上の未加工のコンパクト、支持体要素の一つ以上の未加工のコンパクト、及び凝固された非粉末材料を含む。

図４Ａ及び４Ｂを参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による解放及び圧縮状態のそれぞれで示された例示的なダイ圧縮ステーションの簡略化された概略図を示す。圧縮ステーション４０は、層３００を圧縮するための圧縮圧力を与えるピストン４２を含むことができる。圧縮中、ピストン４２は、ボア４９を通って上昇されてもよく、任意選択的に加工プラットフォーム５００又は精密ステージ２５０においてロッド４２Ａを押し、構築トレイ２００の上に位置される表面４５に向かって構築トレイ２００を上昇させる。ロッド４２Ａは、ピストン４２が圧縮を達成するために移動することが要求される距離を減少するように機能してもよい。

任意選択的に、いったん層３００が表面４５と接触すると、壁４３は、層３００のまわりに閉じ、圧縮中の層３００の一定の底面積を維持する。

構築トレイ２００は、ピストン４２がトレイ２００を上昇及び／又は下降するときにリニア軸受４６に沿って動く一つ以上のリニアガイド４１に固定されてもよい。任意選択的に、トレイ２００は、一つ以上の圧縮ばね４７に対して上昇される。重力並びにばね４７は、層３００を圧縮した後にピストン４２を下降することをもたらしてもよい。

２５０ＭＰａ又は３００ＭＰａまでの圧力が、層を圧縮するために付与されることができる。典型的には、付与された圧力は、層３００中の空気を除去して、層３００中の粉末がその弾性状態を通り越して層の永続的な変形が達成されるようにする。任意選択的に、圧縮は、層の相対密度を粉末材料の加工密度（ｗｒｏｕｇｈｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）の約７０％〜７５％に増加することをもたらす。幾つかの合金に対しては、相対密度は、加工密度の９０％まで達することができる。任意選択的に、圧縮は、層の厚さを２５％まで減少する。任意選択的に、約３０〜９０ＭＰａの圧縮圧力が付与される。任意選択的に、圧縮は、室温で実施される。

一部の実施形態では、上部表面４５は、加熱されることができ、例えば圧縮中に加熱要素４４で予備加熱されることができる。表面４５を加熱する場合、層３００は、層の上に付与される圧力が少なくてもその塑性変形及び／又は永久変形の状態を達成することができる。任意選択的に、アルミニウム粉末の場合には、上部表面４５は、１５０℃の温度に、例えば１５０〜２００℃に加熱される。典型的には、圧縮温度と圧力の間にトレードオフがある。圧縮中に温度を高めることは、低圧での塑性変性をもたらすことができる。他方、上部表面４５の温度を低下することは、圧縮のエネルギー効率を低下しうる。なぜならより高い圧力が要求されるからである。

図５を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による例示的な３Ｄ印刷システムの簡略化された概略図を示す。本発明の一部の実施形態によれば、印刷プラットフォームステーション３０は、一般化されたパターンデータ３９に基づいて凝固可能なインク３２を堆積するインクジェット印刷ヘッド３５を含む。一般的に、パターンは、メモリーに記憶されるパターンデータ３９によって規定される。一般的に、パターンデータは、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアプログラムなどによって生成される。

一部の例示的な実施形態では、印刷ヘッド３５は、静止しており、プリンターコントローラー３７が、システムコントローラー３００とともに、トレイ２００が印刷ヘッド３５の下で進むときに凝固可能なインク３２を堆積するためのタイミングを制御する。任意選択的に、印刷ヘッド３５は、Ｙ軸ステージの上に装着され、トレイ２００と垂直な方向に移動する。あるいは、トレイ２００は、印刷中、静止しており、印刷ヘッド３５は、印刷ヘッド３５を一つ以上の方向で移動するためにＸ，Ｙ又はＸＹステージによって支持されている。一般的には、印刷ヘッド３５は、ノズルの配列を含み、それを通して凝固可能なインクが選択的に吐出される。

図６を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による構築トレイ（又は先行する上部層表面）の上に印刷された一つのパターン層の簡略化された概略図（平面図）を示す。本発明の一部の実施形態によれば、印刷ヘッド３５は、各層において、形成されるモデルの輪郭１５０を画定するパターンを凝固可能なインクで印刷する。一般的には、第一パターン層は、構築トレイ２００又は他の構築表面の上に印刷される。一部の例示的な実施形態では、印刷ヘッドは、構築トレイ２００の縁の側溝２５０の方に又は構築トレイ２００の縁の方に輪郭１５０から延びるパターン化線１５５を追加して印刷する。一部の例示的な実施形態では、層内の凝固可能なインクパターンのパターン化線１５５は、輪郭１５０の外側（即ち、支持体領域内）の粉末を個別区域に分割するように画定され、従って輪郭１５０の外側の領域が未加工のブロックの構築プロセスの終わりにモデルから容易に分離されることができる。

図７を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による物体を形成するための三つの印刷された層の簡略化された概略図を示す。本発明の一部の実施形態によれば、一つの層３００の上にパターン化された凝固可能なインク５１０は、層３００を通して連続的な境界を形成するために続く層３００の上にパターン化された凝固可能なインク５１０と物理的に接触することができる。積み重ねられたパターン５１０から形成されたこの連続的な境界は、未加工のブロックの構築プロセスの終わりにモデルの３Ｄ輪郭を規定してもよく、また支持体区域を規定してもよい。

図８を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による三次元物体を構築するための層で形成された例示的なパターンの簡略化された概略図を示す。例示的な実施によれば、凝固可能な非粉末材料、例えば凝固可能なインクは、物体７５０の輪郭１５０をトレースし、またパターン化線１５５を有する支持体領域を、未加工のブロックの構築プロセスの終わりに物体７５０から容易に分離されることができる区域に分割する。一部の支持体領域は、大きい支持体区域７１０に分割される。他の支持体領域は、小さい支持体区域７２０に分割され、それは、物体７５０の幾何学的形状を注意深く考慮し、未加工のブロックの構築プロセスの終わりに物体７５０からの支持体区域７２０の分離を容易にする。一部の例示的な実施形態では、支持体区域７２０は、未加工のブロックからの物体７５０の抽出を容易にするために希望の抜け勾配を与えるように規定されることができる。支持体区域７２０のサイズ及び形状はともに、未加工のブロックからの物体の分離を容易にするために規定されることができる。小さい支持体区域７２０は、物体７５０の表面の近くに規定されることができ、大きい支持体区域７１０は、物体７５０の表面から離れて規定されることができる。

図９を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態によるネガマスク領域を含む例示的なパターンの簡略化された概略図を示す。ネガマスキングは、例えば物体によって規定される空洞内のような凝固された支持体区域を除去することが難しい規定された領域で適用されてもよい。ネガマスキングは、凝固可能な非粉末材料が除去された後に粉末状態で残り、従って（プロセス中に個別区域へと凝固する他の支持体領域とは反対に）空洞から容易に除去可能である支持体区域７３０を作る。一部の例示的な実施形態によれば、ネガマスキングは、規定された支持体区域７３０において凝固可能な非粉末材料をディザリングすることによって形成される。ディザリングの程度は、層中の凝固可能な非粉末材料の５〜５０％又は５〜１００％の範囲であることができる。典型的には、凝固された非粉末材料の仕切りは、物体からネガマスクを分離する。層のある部分は、ネガマスクでパターン化されてもよく、一方、他の部分は、支持体領域を個別区域７１０に分割するパターンを含んでもよい。

図１０を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による粉末層内の凝固された非粉末材料、例えば凝固されたインクの例示的パターンの画像を示す。凝固可能な非粉末材料から構築される構造的要素は、白い線又はドットとして示され、粉末材料は、黒で示される。グレー領域は、粉末材料内に凝固可能な非粉末材料のディザを含む。一部の例示的な実施では、物体のまわりの輪郭１５０を形成する凝固可能な非粉末材料の壁又は仕切りは、個別支持体区域、例えば区域７１０，７２０及び７２５のまわりの壁又はパターン化線１５５より厚い。厚い壁ほど周囲区域の分離を小さい力で容易にし、一方薄い壁ほど凝固可能な非粉末材料の使用量が少ない。一部の例示的な実施では、仕切りを構築するために適用される非粉末材料の量を選択的に制限することが望ましいかもしれない。凝固可能な非粉末材料の仕切りは、仕切りに隣接する粉末の圧縮を減らしうる。なぜなら凝固可能な非粉末材料は、実質的に圧縮可能でないからである。さらに、多量の凝固可能な非粉末材料は、圧力下で仕切りの変形及び座屈を起こしうる。

任意選択的に、小さい支持体区域７２０は、物体７５０を包囲する支持体領域において規定されることができ、支持体区域、例えば支持体区域７２５及び７１０は、それらが物体７５０から離れるにつれてサイズを増加することができる。小さい支持体区域７２０並びに支持体区域７２５は、物体の形状により密接に従うことができ、大きい支持体区域７１０の除去と比較して少ない力で物体から分離されることができる。小さいサイズの支持体区域７２０及びおそらく支持体区域７２５はまた、支持体が空洞の開口を通して除去されることができるように物体７５０内に形成された空洞に位置されることができる。一部の例示的な実施では、偏菱形の支持体区域が、支持体領域を仕切るために支持体領域において規定される。

一部の例示的な実施によれば、凝固可能な非粉末材料は、選択された支持体領域、例えば支持体区域７１０を横切ってディザリングされる。凝固可能な非粉末材料のディザリングは、特に圧縮時に低い圧力を見ることができる領域において粉末を一緒に保持することを助けうる接着剤として作用することができる。任意選択的に、ディザリングの量は、構築トレイの角の近くで多いディザリングで、そして構築トレイの中心領域に向かって少ないディザリングで構築トレイを横切って変化するように規定されることができる。一般的には、支持体領域だけが凝固可能な非粉末材料でディザリングされる。任意選択的に、ディザリングは、層体積の５％〜５０％又は５％〜１００％を占有することができる。任意選択的に、ディザリングは、規定された領域を横切って適用された凝固可能な非粉末材料の滴のランダムパターンである。

図１１を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による凝固可能な非粉末材料で形成された例示的な仕切りの簡略化された概略図を示す。凝固可能な非粉末材料の三つの例示的な層が示される。一部の例示的な実施では、凝固可能な非粉末材料８１０で形成された仕切りは、規定された間隙８２０を含むことができる。任意選択的に、間隙８２０は、６０〜１００μｍ幅又は約８０μｍ幅である。狭い間隙８２０は、凝固可能な非粉末材料パターン８１０の上に粉末展延するときに間隙８２０中に侵入する粉末が相対的に少ないか又は全くないように規定されることができる。間隙は、仕切りに圧縮性を加えることができる。圧力に反応して、凝固可能な非粉末材料は、間隙中で座屈又は崩壊しうる。これは、仕切りに隣接する粉末を適切に圧縮することを可能にしうる。

間隙８２０は、層を横切って交互に配列されるように示されている。任意選択的に、交互配列は、間隙８２０中に侵入しうる粉末の量を制限するために使用されることができる。あるいは、各層は、粉末が間隙を通って侵入できないようにカプセル封入される間隙を含むことができる。

図１２Ａ及び１２Ｂを参照すると、それらは、本発明の一部の実施形態による平面図及び側面図でそれぞれ示される複数の層を通って凝固可能な非粉末材料から形成された例示的な柱の簡略化された概略図を示す。圧縮中に構築トレイの上に適用される圧力は、一般的には、構築トレイ２００全体の上で均一でないかもしれない。一般的に、圧力分布は、複数の同心等圧線８３０によって規定されることができる。圧力の変動及び構築トレイ２００の正方形形状のため、構築トレイ２００の角は、最も低い圧力になり、それゆえ圧縮は、その角で最も低い。一部の例示的な実施形態では、凝固可能な非粉末材料の柱８４０は、角で構築されることができる。柱８４０は、例えば凝固可能な非粉末材料５０〜１００％で粉末と凝固可能な非粉末材料の混合物を含むことができる。凝固可能な非粉末材料は、角に機械的支持を与えることができる。一部の例示的な実施形態によれば、柱８４０に加えて、又は柱８４０の代わりに、凝固可能な非粉末材料が、構築トレイ２００を横切って変動する濃度で支持体領域においてディザリングされる。任意選択的に、支持体領域に対する凝固可能な非粉末材料の濃度は、（ディザリングの相対的に高い濃度でパターン化された）構築トレイの縁から（ディザリングの相対的に低い濃度でパターン化された）中心領域に向かって、例えば続く同心等圧線８３０に従って直線的に変動することができる。任意選択的に、変動は、縁と規定された中心領域の間であり、規定された中心領域ではディザリングの一定の濃度は、支持体領域において適用される。

図１３を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による複数の層を通して凝固可能な非粉末材料から形成された例示的なアンカーの簡略化された概略図を示す。一部の例示的な実施形態によれば、凝固可能な非粉末材料で、又は粉末と凝固可能な非粉末材料の混合物で形成された層を通る一つ以上のアンカー８５０が、一般的には物体７５０を含まず、従って凝固可能な非粉末材料のパターンを含まない、例えば構築トレイ２００の上の下部区域８６０において層の分離を防止するために適用される。物体７５０を含まない区域８６０におけるベース層と物体７５０を含む層との間の機械的特性の差は、上部層からの下部層の分離に導く歪を起こしうる。任意選択的に、物体７５０から変位された一つ以上のアンカー８５０は、層構築プロセス中に層間の結合を高めることができる。

図１４を参照すると、それは、本発明の一部の実施形態による粉末材料を使用した付加製造のための例示的な方法の簡略化されたフローチャートを示す。一部の例示的な実施形態によれば、３Ｄ印刷システムは、層のブロック、即ち未加工の支持体区域によって包囲される一つ以上の未加工の物体を含む未加工のブロック、即ち使用可能なモデルの未加工のコンパクト及び支持体要素の未加工のコンパクトを構築する（ブロック９０５）。使用可能なモデルの未加工のコンパクト及び支持体要素の未加工のコンパクトはともに、粉末材料、例えば同じ粉末材料から形成されることができる。構築プロセスの終わりに、未加工のブロックは、追加の圧縮プロセスを受けることができる（ブロック９１０）。追加の圧縮は、ブロックの密度を加工材料密度の９５％以上にもたらすように構成されることができる。任意選択的に、圧縮は、２５００ｂａｒ付近である。任意選択的に、追加の圧縮は、冷間等方圧加圧法で実施される。任意選択的に、圧縮は、複数のサイクルにわたって実施される。

凝固可能な非粉末材料は、次いで除去されることができる（ブロック９１５）。除去は、未加工のブロックを、凝固可能な非粉末材料が蒸発される温度まで加熱することに基づくことができる。任意選択的に、ブロックは、このプロセス中、１００〜１５０℃の温度に上昇されることができる。

凝固可能な非粉末材料が除去された後、支持体要素は、ブロック中の一つ以上の使用可能なモデルから分離されることができる（ブロック９２０）。任意選択的に、支持体要素は、手によって除去される。他の例示的な実施形態では、支持体要素は、液体、例えば水に未加工のブロックを浸漬することに基づいて除去されることができる。分離された未加工の使用可能なモデルは、次いで焼結されることができる（ブロック９２５）。焼結は、約６００℃以上であることができる。焼結は、未加工の使用可能なモデルを最終的な三次元物体に変換する。

図１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ及び１５Ｆを参照すると、それらは、本明細書に記載された付加製造の方法及び装置で製造される三次元物体の例を示す。見られるように、複雑な幾何学形状及び小さな空洞を有する物体は、本明細書に記載された方法で相対的に高い精度で構築されることができる。

用語「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、「含み、それらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、主張される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。

明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴が、単一の実施形態に組み合わせて提供されることもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで、あるいは本発明の他の記載される実施形態において好適なように提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。

Claims (46)

1. 三次元の未加工の使用可能なモデルを含む未加工のブロックを構築するための付加製造システムであって、
   構築トレイの上にパターンを印刷するように構成された印刷ステーション、但しパターンは、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースし、使用可能なモデルのまわりの支持体領域の複数の個別区域をトレースすることによって、仕切りを形成する凝固可能な非粉末材料を選択的に堆積することによって形成される；
   パターンの上に粉末材料の層を付与するように構成された粉末送出ステーション；
   粉末材料の層ごとに圧縮するように構成された圧縮ステーション、但し圧縮ステーションは、層を受けるためのダイを含む；及び
   印刷ステーション、粉末送出ステーション及び圧縮ステーションの各々に構築トレイを繰り返し進ませ、未加工のブロックを一緒に形成する複数の層を構築するように構成されたステージ
   を含むシステム。
2. 凝固可能な非粉末材料が、サーマルインク、光硬化性インク、ワックス、又はそれらのいずれかの組み合わせから選択される凝固可能なインクである、請求項１に記載のシステム。
3. 複数の個別区域が、異なるサイズの区域を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 複数の個別区域の一部が、偏菱形として造形される、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
5. 個別区域のまわりのトレースの幅が、個別区域のサイズ及び使用可能なモデルへの距離に基づいて規定される、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 個別区域が、選択された抜け勾配を持つように規定される、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 個別区域の少なくとも一つが、凝固可能な非粉末材料のディザでパターン化される、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
8. 凝固可能な非粉末材料のディザが、凝固可能な非粉末材料の除去後に粉末材料の結合を防止するように構成される、請求項７に記載のシステム。
9. 凝固可能な非粉末材料のディザが、複数の個別区域の５０％以下を占有する、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
10. 複数の個別区域におけるディザリングの百分率割合が、構築トレイの角からの個別区域の距離に基づく、請求項９に記載のシステム。
11. 複数の個別区域が、凝固可能な非粉末材料でディザリングされる、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
12. 構築トレイの四つの角が、凝固可能な非粉末材料の柱で形成される、請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム。
13. 複数の層を通って延びる少なくとも一つの凝固可能な非粉末材料の柱を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載のシステム。
14. 使用可能なモデルの周囲をトレースすることによって形成された仕切りが、複数の間隙を含むように規定される、請求項１〜１３のいずれかに記載のシステム。
15. 間隙が、１００μｍより狭い、請求項１４に記載のシステム。
16. 凝固可能な非粉末材料で形成されたパターンであって、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースする仕切り；及び支持体領域の個別区域をトレースする複数の仕切りを含むパターン。
17. 凝固可能な非粉末材料が、サーマルインク、光硬化性インク、ワックス、又はそれらのいずれかの組み合わせから選択される凝固可能なインクである、請求項１６に記載のパターン。
18. 複数の仕切りが、異なるサイズの個別区域を含む、請求項１６又は１７に記載のパターン。
19. 個別区域の一部が、偏菱形として造形される、請求項１６〜１８のいずれかに記載のパターン。
20. 個別区域のまわりのトレースの幅が、個別区域のサイズ及び使用可能なモデルへの距離に基づいて規定される、請求項１６〜１９のいずれかに記載のパターン。
21. 個別区域が、選択された抜け勾配を持つように規定される、請求項１６〜２０のいずれかに記載のパターン。
22. 個別区域の少なくとも一つが、凝固可能な非粉末材料のディザでパターン化される、請求項１６〜２１のいずれかに記載のパターン。
23. 凝固可能な非粉末材料のディザが、凝固可能な非粉末材料の除去後に粉末材料の結合を防止するように構成される、請求項２２に記載のパターン。
24. 凝固可能な非粉末材料のディザが、個別区域の５０％以下を占有する、請求項１６〜２３のいずれかに記載のパターン。
25. 個別区域におけるディザリングの百分率割合が、使用可能なモデルが構築される構築トレイの角からの個別区域の距離に基づく、請求項２４に記載のパターン。
26. 個別区域が、凝固可能な非粉末材料でディザリングされる、請求項１６〜２５のいずれかに記載のパターン。
27. 使用可能なモデルが構築される構築トレイの四つの角が、凝固可能な非粉末材料の柱で形成される、請求項１６〜２６のいずれかに記載のパターン。
28. 複数の層を通って延びる少なくとも一つの凝固可能な非粉末材料の柱を含む、請求項１６〜２７のいずれかに記載のパターン。
29. 使用可能なモデルの周囲をトレースすることによって形成された仕切りが、複数の間隙を含むように規定される、請求項１６〜２８のいずれかに記載のパターン。
30. 間隙が、１００μｍより狭い、請求項２９に記載のパターン。
31. 未加工の使用可能なモデルを含む未加工のブロックの付加製造のための方法であって、
    構築トレイの上にパターンを印刷すること、但し、前記パターンは、層ごとに印刷される使用可能なモデルの周囲をトレースし、使用可能なモデルのまわりの支持体領域の複数の個別区域をトレースすることによって仕切りを形成し、パターンは、凝固可能な非粉末材料で印刷される；
    パターンの上に粉末材料の層を付与すること；
    粉末材料の層及び凝固可能な非粉末材料のパターンを圧縮すること；
    印刷、付与及び圧縮を繰り返し、前記未加工のブロックの複数の層を構築すること；
    非粉末材料を除去すること；及び
    個別の支持体区域から未加工の使用可能なモデルを分離すること
    を含む方法。
32. 個別の支持体区域から分離された未加工の使用可能なモデルを焼結することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
33. 凝固可能な非粉末材料が、サーマルインク、光硬化性インク、ワックス、又はそれらのいずれかの組み合わせから選択される凝固可能なインクである、請求項３１又は３２に記載の方法。
34. 複数の個別区域が、異なるサイズの区域を含む、請求項３１〜３３のいずれかに記載の方法。
35. 複数の個別区域の一部が、偏菱形として造形される、請求項３１〜３４のいずれかに記載の方法。
36. 個別区域のまわりのトレースの幅が、個別区域のサイズ及び使用可能なモデルへの距離に基づいて規定される、請求項３１〜３５のいずれかに記載の方法。
37. 個別区域が、選択された抜け勾配を持つように規定される、請求項３１〜３６のいずれかに記載の方法。
38. 個別区域の少なくとも一つが、凝固可能な非粉末材料のディザでパターン化される、請求項３１〜３７のいずれかに記載の方法。
39. 凝固可能な非粉末材料のディザが、凝固可能な非粉末材料の除去後に粉末材料の結合を防止するように構成される、請求項３８に記載の方法。
40. 凝固可能な非粉末材料のディザが、少なくとも一つの個別区域の５０％以下を占有する、請求項３８又は３９に記載の方法。
41. 複数の個別区域におけるディザリングの百分率割合が、構築トレイの角からの個別区域の距離に基づく、請求項４０に記載の方法。
42. 複数の個別区域が、凝固可能な非粉末材料でディザリングされる、請求項３１〜４１のいずれかに記載の方法。
43. 構築トレイの四つの角が、凝固可能な非粉末材料の柱で形成される、請求項３１〜４２のいずれかに記載の方法。
44. 複数の層を通って延びる少なくとも一つの凝固可能な非粉末材料の柱を含む、請求項３１〜４３のいずれかに記載の方法。
45. 使用可能なモデルの周囲をトレースすることによって形成された仕切りが、複数の間隙を含むように規定される、請求項３１〜４４のいずれかに記載の方法。
46. 間隙が、１００μｍより狭い、請求項４５に記載の方法。