JP2020530879A - 三次元プリンタ - Google Patents

Abstract

本発明は、三次元プリンタであって、金属粉末である第１印刷材料を含む第１供給装置と、金属粉末である第２印刷材料を含む第２供給装置と、第１印刷材料及び第２印刷材料を含む印刷材料を噴霧する送達手段と、基板を保持する保持器と、コンピュータ制御される制御手段であって、第１印刷材料及び第２印刷材料が送達手段から噴霧されるとき、送達手段及び基板の相対的な位置を調整し、第１供給装置及び第２供給装置を、それらの印刷材料をそれぞれ送達手段に供給するように調整するコンピュータ制御される制御手段と、を含み、それにより、印刷材料は、基板上で三次元物品を形成し、三次元物品の異なる部分は、異なった第１印刷材料及び第２印刷材料又は三次元物品での異なった比率の第１印刷材料及び第２印刷材料が、三次元物品の異なる部分に使用されるために、異なる特徴を有する、三次元プリンタに関する。

Description

発明の分野
本発明は、三次元プリンタに関する。

背景
金属材料から物品を作るための様々な方法がある。純金属及び合金で作業する場合、鋳造による製造が一般的な技術である。これは、金属材料を溶融することと、次いでそれを型に流すこととを含む。溶融材料が固まり、適切に成形された物品を形成する。溶融材料は、均質であるため、通常、物品の様々な部分の強度を調節する唯一の方法は、型の形状及び構成によるものである。換言すると、型は、完成品のいくつかの壁を他のものより厚くするように成形される。

金属粉末から物品を形成することも知られている。より具体的には、それらは、基板に噴霧され、均一に混合される粉末の組合せから作られる。しかしながら、噴霧は、物品全体にわたって均一である。したがって、この場合にも、異なる部分の強度の調節は、物品の壁の厚さを調節することによって達成される。

成形後の熱処理により、粉末が噴霧された物品の特性を調整することも知られている。しかしながら、これは物品の体積全体又は単にその表面のみに影響を及ぼす傾向がある。

壁の厚さを調整する必要なく、異なる部分が異なる特徴を有する物品を作るために、少なくともいくらかの補助となることが本発明の好ましい実施形態の目的である。これは、好ましい実施形態に当てはまるが、より幅広く表される請求項の範囲に対する限定とみなされるべきではない。この点において、本発明自体の目的は、単純に公衆に有用な選択肢を提供することである。

「含む」という用語は、本明細書において組合せの特徴に関連して使用される場合、他の特徴があるという選択肢を除外するとみなされるべきではない。そのような特徴は、存在してもしなくてもよい。

発明の概要
本発明の一態様によると、
・金属粉末である第１印刷材料を含む第１供給装置と、
・金属粉末である第２印刷材料を含む第２供給装置と、
・第１印刷材料及び第２印刷材料を含む印刷材料を噴霧する送達手段（例えば、ノズル）と、
・基板を保持する保持器と、
・コンピュータ制御される制御手段であって、第１印刷材料及び第２印刷材料が送達手段から噴霧されるとき、
〇送達手段及び基板の相対的な位置（例えば、間隔及び／又は角度に関する）を調整し、
〇第１供給装置及び第２供給装置を、第１供給装置及び第２供給装置の第１印刷材料及び第２印刷材料を送達手段に供給するように調整するコンピュータ制御のコントローラと
を含み、それにより、第１印刷材料及び第２印刷材料は、基板上で三次元物品を形成し、三次元物品の異なる部分は、異なった第１印刷材料及び第２印刷材料又は三次元物品での異なった比率の第１印刷材料及び第２印刷材料が、三次元物品の異なる部分に使用されるために、異なる特徴（例えば、強度、結晶粒、電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性、剛性、耐摩耗性、き裂偏向又はエネルギー吸収特性）を有する、三次元プリンタが提供される。

任意選択的に、三次元プリンタは、
〇印刷材料がガス（例えば、空気）流によってそれぞれ搬送され、
〇制御手段がガス流における各印刷材料の量を調整可能に制御し、
〇送達手段が噴霧部を含み、
〇制御手段が、三次元物品が印刷材料により構築されるとき、保持器及び／又はノズルの相対的位置並びに噴霧される各印刷材料の量を決定するためにＣＡＭファイルを参照するようなものである。

制御手段は、三次元物品を形成する前に、三次元物品を三次元座標に概念的に分割し、三次元物品が構築されるときに三次元物品に第１印刷材料及び第２印刷材料が対応する実座標に向けられる第１印刷材料及び第２印刷材料の量を制御する、請求項１又は２に記載の三次元プリンタ。

任意選択的に、制御手段は、物品の異なる部分が、異なる、強度、結晶粒、電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性、剛性、耐摩耗性、き裂偏向又はエネルギー吸収特性を有するように、各供給装置から供給される印刷材料の量を調節する。

任意選択的に、第１印刷材料と第２印刷材料は、異なる印刷材料である。

任意選択的に、送達手段は、印刷材料のための共通の出口（例えば、ノズル）を有する。

任意選択的に、制御手段は、第１及び第２印刷材料を、送達手段から放出される前に、調節された割合で融合させる。

任意選択的に、送達手段は、第１印刷材料のための出口（例えば、第１ノズル）、第２印刷材料のための別の出口（例えば、第２ノズル）を有する。

任意選択的に、送達手段は、第１印刷材料を、第２供給装置からの第２印刷材料とは異なる温度及び／又は速度で第１供給装置から送達する。

任意選択的に、第１供給装置及び第２供給装置からの第１印刷材料及び第２印刷材料の速度及び／又は温度は、制御手段によって調節される。

任意選択的に、１１つ又は複数の追加の印刷材料のための１つ又は複数の追加の供給装置を含み、１つ又は複数の追加の供給装置は、より広汎な印刷材料又は混合物を提供するために、第１供給装置及び第２供給装置と実質的に同じ方法で動作する。

任意選択的に、１つ又は複数の印刷材料は、粉末又は他の形態の非金属材料（例えば、セラミック及び／又はポリマー）と組み合わされた金属粉末を含む。

本発明のさらなる態様によると、合金組成がある組成から別の組成に徐々に変化するように、２つ以上の主領域の間の中間又は遷移領域のオプションを有する、別々の合金組成からなる２つ以上の複雑な互いに噛み合う領域からなる三次元金属物体を作るための方法であって、
ａ）金属粉末を含むことができる２つ以上のホッパーと、
ｂ）空気流において所定の質量流量の粉末を搬送することができる粉末供給装置及びチューブを有するシステムと、
ｃ）粉末の質量流量をデジタル制御する方法と、
ｄ）粉末を受けるコールドスプレーノズル（例えば、当該技術分野で既知のタイプ）と、
ｅ）コールドスプレー積層を受ける標的又は基板と、
ｆ）三次元空間において複雑なツール経路を描き出すために、空間においてノズル及び／又は標的を操作する方法を具現化するモーションシステムと、
ｇ）モーションシステムをデジタル制御する方法と、
ｈ）基板上に積層された金属粉末の組成及び位置を制御する方法であって、
ｉ．三次元金属物体の部分が、コールドスプレーノズルによって標的上に積層された噴霧された金属粉末から作り出されるようにするために、ＣＡＭファイルを一連の非自明なツール経路に変換することができるアルゴリズムのセットと、
ｉｉ．ツール経路を処理し、且つツール経路を、ツール経路が作り出すＣＡＭファイルオブジェクトの領域に連続的に関連付けることができるアルゴリズムの副次的なセットと、
ｉｉｉ．ツール経路の各要素において必要とされる合金組成を決定するためにＣＡＭファイルを参照するアルゴリズムの副次的セットと、
ｉｖ．合金組成の要求を、金属粉末を含むホッパーによる粉末供給のため、流量要求のセットに変換するアルゴリズムのセットと、からなる方法と、を含む方法が提供される。
図面
ここで、本発明のいくつかの好ましい実施形態が一例として添付図面を参照して説明される。

三次元プリンタの等角図である。 基板上に三次元印刷された製品の概略を示す側面図である。 三次元プリンタによって形成された歯車の概略を示す図である。

詳細な説明
図１を参照すると、三次元プリンタは、可動のロボットアーム２を含む把持部１を含む。プリンタは、コールドスプレーヘッド３も有する。把持部１は、基板を保持し、且つ基板を、基板上に３Ｄ製品を構築するためにスプレーヘッド３から噴霧された（金属粉末の形態の）印刷材料にさらす。基板４は、印刷材料の増分層６ａ〜ｅから構築される場合の三次元物品５とともに図２において示されている。ロボットアーム２は、製品が構築されるとき、印刷材料が正しい角度及び間隔で施されるように位置及び向きを調整する。

ロボットアーム２を介した把持部１、基板４及びスプレーヘッド３の動きは、コンピュータ制御の制御手段によって制御される。制御手段には、作り出されることになる製品についての形状パラメータ（例えば、三次元座標）がプログラムされ、印刷材料を、基板又は部分的に形成された製品に最適な結果のために正しい角度、速度及び温度で接触するようにスプレーヘッドから放出させる。

図１を参照すると、物品の異なる部分の強度を調節するために、コントローラは、スプレーヘッド３に、異なる特徴を有する粉末の金属性印刷材料を物品の異なる部分に噴霧させる。より具体的には、異なる量又は濃度の噴霧材料が異なる三次元座標に制御手段によって向けられる。結果として、完成品の異なる部分が異なる特徴を有する。これは、ある金属粉末から別の金属粉末に変更するか又は粉末の混合の仕方を調整することによって達成され得る。これを円滑にするために、第１粉末供給装置７及び第２粉末供給装置８がある。各供給装置からの金属粉末は、スプレーヘッド３を含む噴霧送達手段に供給される。スプレーヘッドは、ノズルの形態であり得る。

１つの供給装置からの粉末は、硬化する／固まると、他の供給装置の粉末と比べてより強く且つより重い。したがって、物品の、それほど堅牢であることが求められていない部分には、より軽い粉末が使用され得、より堅牢であることが求められている部分には、より重い粉末が使用され得る。軽い粉末による強度特性と重い粉末による強度特性の２つの極値間の強度特性を得るために、制御手段は、粉末の混合の割合を決定する。一例として、図３は、プリンタによって印刷された歯車を示す。スポーク９及び外周歯車１０は、それぞれに望ましい特徴を与えるために、異なる噴霧材料又は噴霧材料の異なる混ぜ合わせ方により形成される。

同様に、印刷材料は、例えば、熱伝導性又は電気伝導性の、例えばアルミニウム又は銅などの粉末を含む噴霧材料をより多く又はより少なく使用することにより、物品の異なる部分に異なる熱伝導性又は電気伝導性を与えるように選択され得る。さらなる例として、物品の、腐食の影響をより受けやすい部分は、耐腐食性材料又はシーラントがより大きい割合を有する粉末から形成され得る。物品の、特定の剛性、耐摩耗性、き裂偏向又はエネルギー吸収特性を必要とする部分についても同様である。

本発明のいくつかの実施形態において、供給装置７、８の一方は、金属粉末自体、例えばアルミニウムを有し得、様々な他の供給装置は、添加剤粉末であって、アルミニウムと組み合わされ、正しい割合で追加された場合に、合金、例えば合金６０６１又は合金７０７５をもたらす添加剤粉末を有し得る。合金６０６１の場合、添加剤粉末は、クロム、銅、鉄、マグネシウム、マンガン、シリコン、チタン及び亜鉛を含み得る。添加剤粉末は、望ましい最終特性を与えるために、様々な熱処理及び焼結プロセス、例えば液相焼結を受け得る。これらのプロセスは、印刷前又は印刷に続いて施され得、且つ高融点相に封入された低融点相など、組成における局所的バリエーションの利点を活用し得る。

特に好ましい実施形態において、第１供給装置７における印刷材料は、５００℃の温度及び７００ｍ／ｓの速度でコールドスプレーとして施されるValimet 6061アルミニウムである。第２供給装置８における印刷材料のための特に好ましい材料は、５００℃の温度及び７００ｍ／ｓの速度でコールドスプレーとして施されるＭＳＳＡ ＣＰ銅である。

さらなる例を与えるために、第１供給装置７における粉末は、ＭＳＳＡ ＣＰアルミニウムであり得、第２供給装置における粉末は、ＭＳＳＡ ＣＰ亜鉛であり得る。

本発明の好ましい実施形態において、制御手段は、印刷された物品に望ましい粒子の向きを与えるために、噴霧される粉末又はこれらの混合物の放出を制御する。

本発明のいくつかの好ましい形態が一例として説明されたが、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、修正形態及び改良形態が生じ得ることが理解されるべきである。

Claims (13)

1. 金属粉末である第１印刷材料を含む第１供給装置と、
   金属粉末である第２印刷材料を含む第２供給装置と、
   前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料を含む印刷材料を噴霧する送達手段と、
   基板を保持する保持器と、
   コンピュータ制御される制御手段であって、前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料が前記送達手段から噴霧されるとき、
   前記送達手段と前記基板との相対的な位置を調整し、
   前記第１供給装置及び前記第２供給装置を、前記第１供給装置及び前記第２供給装置の前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料を前記送達手段に供給するように調整する、制御手段と、
   を含み、
   前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料は、前記基板上で三次元物品を形成し、前記三次元物品の異なる部分は、異なった前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料又は前記三次元物品での異なった比率の前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料が、前記三次元物品の異なる部分に使用されるために、異なる特徴を有する、三次元プリンタ。
2. 前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料は、ガス流によって搬送され、
   前記制御手段は、前記ガス流における前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料の量を調整可能に制御し、
   前記送達手段は、噴霧部を含み、
   前記制御手段は、前記三次元物品が前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料により構築されるとき、前記保持器及び／又は前記噴霧部の相対的な位置及び噴霧される前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料の量を決定するために、ＣＡＭファイルを参照する、請求項１に記載の三次元プリンタ。
3. 前記制御手段は、前記三次元物品を形成する前に前記三次元物品を三次元座標に概念的に分割し、前記三次元物品が構築されるときに、前記三次元物品に前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料が対応する実座標に向けられる前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料の量を制御する、請求項１又は２に記載の三次元プリンタ。
4. 前記制御手段は、前記三次元物品の異なる部分が、異なる、強度、結晶粒、電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性、剛性、耐摩耗性、き裂偏向又はエネルギー吸収特性を有するように、各供給装置から供給される印刷材料の量を調節する、請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
5. 前記第１印刷材料と前記第２印刷材料は、異なる材料である、請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
6. 前記送達手段は、前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料のための共通の出口（例えば、ノズル）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
7. 前記制御手段は、前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料が前記送達手段から噴霧される前に、前記第１印刷材料と前記第２印刷材料とを調節される割合で混合させる、請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
8. 前記送達手段は、前記第１印刷材料のための出口（例えば、第１ノズル）、前記第２印刷材料のための別の出口（例えば、第２ノズル）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
9. 前記送達手段は、前記第１印刷材料を、前記第２供給装置からの前記第２印刷材料とは異なる温度及び／又は速度で前記第１供給装置から送達する、請求項１から８のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
10. 前記第１供給装置及び前記第２供給装置からの前記第１印刷材料及び前記第２印刷材料の前記速度及び／又は温度は、前記制御手段によって調節される、請求項９に記載の三次元プリンタ。
11. １つ又は複数の追加の印刷材料のための１つ又は複数の追加の供給装置を含み、前記１つ又は複数の追加の供給装置は、より広汎な印刷材料又は混合物を提供するために、前記第１供給装置及び前記第２供給装置と実質的に同じ方法で動作する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
12. １つ又は複数の前記印刷材料は、粉末又は他の形態のセラミック及び／又はポリマーを含む非金属材料と組み合わされた金属粉末を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の三次元プリンタ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の三次元プリンタによって印刷された三次元の物品。
    

Images