JP2021088179A - 三次元印刷方法及び導電性液体三次元印刷システム - Google Patents

三次元印刷方法及び導電性液体三次元印刷システム Download PDF

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Abstract

【課題】ビルド表面を加熱するためのレーザビームを使用する三次元印刷の方法、及び導電性液体三次元印刷システムを提供する。【解決手段】三次元印刷の方法は、第１の堆積温度を有する予熱された液滴接触点を提供するように、ビルド表面にレーザビームを衝突させることによって、プラットフォーム上のビルド表面の第１の部分を加熱し、液体印刷材料の第１の液滴は、第１の堆積温度で予熱された液滴接触点に第１の液滴を堆積するように、３Ｄプリンタのプリントヘッドから射出される。【選択図】図１

Description

本開示は、ビルド表面を加熱するためのレーザビームを使用する三次元印刷の方法に関する。レーザを含む導電性液体三次元印刷システムも開示される。
溶融アルミニウム合金から３Ｄ部品を構築するための導電性液体三次元プリンタは、当該技術分野において既知である。このようなシステムの例は、米国特許第９，６１６，４９４号に開示されている。システムは、電磁コイルによって印加されたＤＣパルスを使用して、一連のパルスに応答して溶融アルミニウム液滴を吐出することによって機能する。液滴の標的となるプラテンは、液滴を結合させて蓄積させ、三次元部品を生成できるように移動する。
しかしながら、溶融アルミニウムの滴は、円滑に又は十分な結合強度で結合しない場合がある。更に、３Ｄ部は、望ましくない程度の多孔性、並びに製造中の不均一なビルド表面、溶接されていない液滴、及び形状不整合を有し得る。これらは全て、最終部品の外観の問題だけでなく、疲労強度や引張強度などの物理的特性の低下につながる。
したがって、導電性液体三次元プリンタから作製された三次元部品の品質を改善するための方法及びシステムは、当該技術分野における一歩となるであろう。
本開示の一実施形態は、三次元印刷の方法に関する。方法は、第１の堆積温度を有する予熱された液滴接触点を提供するように、ビルド表面にレーザビームを衝突させることによって、プラットフォーム上のビルド表面の第１の部分を加熱することを含む。液体印刷材料の第１の液滴は、第１の堆積温度で予熱された液滴接触点に第１の液滴を堆積するように、３Ｄプリンタのプリントヘッドから射出される。
本開示の別の実施形態は、導電性液体三次元印刷システムに関する。システムはプラットフォームと、プラットフォーム上の液滴接触点で導電性液体印刷材料の液滴を射出するためのプリントヘッドと、液滴接触点にレーザビームを向けるように構成されたレーザと、を備える。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明はいずれも、あくまで例示的かつ説明的なものであり、請求されるように、本教示を限定するものではないことを理解されたい。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本教示の実施形態を示し、説明と共に、本教示の原理を説明する役割を果たす。
本開示の一実施形態による、三次元印刷のためにビルド表面を加熱する方法のフローチャートを示す。
本開示の一実施例による、導電性液体三次元印刷システムの斜視図を示す。
ビルドノズルの内部コンポーネントの分解図を示す。
本開示の一実施形態による、ビルドノズル及びレーザの概略側面図を示す。
ビルドノズルの内部コンポーネントを示す、図４のビルドノズルの線５に沿って取られた断面図を示す。
本開示の一実施形態による、プリントヘッドの断面図を示す。
液体導電性材料を含むノズルポンプの切り取り断面斜視図と、レーザの斜視図を備えたビルド表面とを示している。
ポンプチャンバから出る液体材料の流れ及び電磁コイルを含む、ポンプチャンバ内の液体導電性材料の概略断面図を示す。
本開示の実施形態による、３Ｄオブジェクトを形成する液滴を生成するノズルポンプの斜視図を示す。
ビルド表面に入射するレーザビームの画像を示す。
本開示の実施例による、温度日付のグラフを示す。
図のいくつかの詳細は簡略化されており、厳密な構造精度、詳細、及び縮尺は維持されるものではなく、実施形態の理解を容易にするように描かれていることに留意されたい。
次に、本教示の実施形態を詳細に参照し、それらの実施例は、添付の図面に示される。図中、同様の参照番号は、全体をとおして、同一の要素を指定するために使用される。以下の説明では、その一部を成し、本教示を実践することができる特定の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照する。したがって、以下の説明は、単なる例示に過ぎない。
導電性液体三次元プリンタによる溶融金属の印刷プロセスの間、プリンタから射出された溶融液滴とビルド表面との間の温度差により、ビルド強度、多孔性、及び最終ビルド部品の表面仕上げとの不一致が発生する。試験により、溶融金属をベースビルド材料に適切に溶融するために、受容表面温度を堆積温度に制御できることが示された。例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金の場合、この温度は、約４００℃〜約５５０℃、又はそれ以上である。導電性液体三次元プリンタシステムは、例えば約４００℃に設定された加熱されたベースプレートを使用して、初期層を加熱する。しかしながら、部品がベースプレートから成長し続けると、溶融液滴と冷却された上面との間の良好な結合を確実にするために、ベースプレートからの加熱は、上面のより高い温度を維持することができない。
導電性液体三次元プリンタと共に用いられるレーザシステムは、ビルド部品への強い、結合力のある、及び／又は均一な結合及び／又は部品の多孔性の低下を提供するために、液滴が堆積されるビルド表面上の標的位置での温度を制御するための低コストの溶融液滴堆積システムを可能にするハイブリッドシステムを提供する。
したがって、本開示の実施形態は、ハイブリッド導電性液体３次元（３Ｄ）構築システムに関し、ここで、レーザ予熱システムを使用して、液滴がビルド表面に接触する領域のビルド表面温度を調整する一方で、導電性液滴がビルド表面上に堆積される。液滴接触点における局所的領域内の温度を上昇させることによって、ビルド表面への液滴のより完全かつ制御された結合を実現でき、結合全体及び完成部品全体のより良好なビルド品質及び材料特性の向上につながる。液滴の堆積直前及び堆積中のビルド表面の温度を上昇させることにより、ビルド表面の温度を所望の温度まで上昇させない同じプロセスと比較して、以前に堆積した層との液滴の合体を改善することができる。
本開示の方法及びシステムの利点は、時間、エネルギー、及び部品構造に基づいて構築の性能を高めて積層材料の性能を改善することができる対話型レーザシステム、導電性液体三次元プリンタ内の部品構造を改善するための、制限領域内で正確な量の温度を上昇させるための標的化された加熱、特に、より低い気孔率、より高い降伏強度、より高い疲労サイクル及び／又は表面品質などの改善された部品特性、３Ｄ印刷中の材料結合を改善するための、局所的温度を調整する能力、表面外観及び他の部品特性などのビルド特性を改善するための、オブジェクトの形状、サイズ、及び／又は材料に基づいて局所的な温度を調整する能力、ビルドプロセス中に部品の方向を変えて、液体金属の衝撃点での加熱を可能にすること、局所的な予熱により、幾何学的一体性への影響を低減できること、加熱ゾーンの周囲の領域が、支持境界として機能できること、スライスデータを使用することにより、部品形状に基づいて部品へのエネルギーを制御する能力、従来の表面加熱（例えば、照射加熱又は誘導加熱）によって達成することができない集束位置（例えば、ボクセル）におけるより高い温度緯度の許容、のうちの１つ以上を含む。
三次元印刷の方法
本開示の一実施形態は、三次元印刷の方法に関する。図１のフローチャートによって示されるように、方法は、第１の堆積温度を有する予熱された液滴接触点を提供するように、ビルド表面にレーザビームを衝突させることによって、プラットフォーム上のビルド表面の第１の部分を加熱することを含む。液体印刷材料の第１の液滴は、第１の堆積温度で予熱された液滴接触点に第１の液滴を堆積するように、３Ｄプリンタのプリントヘッドから射出される。
ビルド表面の一部分を加熱し、液体印刷材料の液滴を射出するプロセスは、３Ｄ部品が完了するまで複数の液滴を堆積させるために、任意の回数繰り返すことができる。例えば、方法は、ビルド表面にレーザビームを衝突させることによって、第１の部分とは異なるビルド表面の第２の部分を加熱することと、これにより、第２の堆積温度を有する第２の予熱された液滴接触点を提供することと、プリントヘッドから印刷材料の第２の液滴を射出して、第２の堆積温度にある予熱された液滴接触点上に第２の液滴を堆積させることと、を含むことができる。方法は、連続する各液滴が堆積される液滴接触点を加熱するように、ビルド表面に対するレーザビームの位置を調整することを更に含む。
一実施形態では、液滴（例えば、第１の液滴、第２の液滴、及び連続的に堆積される液滴）は、溶融金属を含む。例として、溶融金属は、アルミニウム（例えば、純アルミニウム又はアルミニウム合金）、銅（例えば、純銅、又は青銅などの銅合金）、及び銀（例えば、純銀又は銀合金）から選択される少なくとも１つの金属を含み得る。アルミニウム合金の例としては、Ａ１ ６０６１などの６０００シリーズの合金、並びに３５６などの３００シリーズ、７０７５などの７０００氏リース、４０４３などの４０００シリーズなどがある。液体３Ｄ印刷技術を使用して印刷することができる任意の他のアルミニウム合金又は他の金属を使用することができる。金属は、以下により詳細に記載されるように、ワイヤ（例えば、本明細書に記載される金属のいずれかを含むワイヤ）又は他の形態などの任意の所望の形態で３Ｄプリンタに供給することができる。
ビルド表面の堆積温度は、３Ｄ印刷される材料の種類によって異なる。一例として、アルミニウム及びアルミニウム合金に関して、堆積温度は、約４００℃〜約６００℃、又は約４００℃〜約５５０℃などの、約４００℃〜約８００℃の範囲であってもよい。堆積される金属に応じて、これらの範囲外の温度も使用することができる。上記のような適切な堆積温度では、溶融液滴は均一な方法でビルド部品と結合し、強固かつ一貫したビルド構造を作り出す結合を生成する。一方、アルミニウム及びアルミニウム合金に関してビルド表面温度が約４００℃未満である場合、液滴は滑らかに又は所望の結合強度では結合しない。これにより、部品の多孔性、不均一なビルド表面、溶接されていない液滴、及び形状不整合が発生し、ひいては、疲労強度や引張強度などの物理的特性の低下、並びに最終部品の外観問題などが発生する可能性がある。しかしながら、ビルド表面の温度が４００℃以上である場合、ビルド品質はより制御される。レーザを用いて表面を標的化することにより、より低いビルド表面温度が用いられる場合に生じ得る結合と比較して、ビルド表面の温度を制御し、溶融液滴とビルド表面との間の改善された結合を生成するレベルまで上昇させることができる。レーザにより、部品がｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のビルドパターンを通って移動する際に表面が加熱され、表面層が形成される。レーザの集束エネルギーは、加熱される局所領域（例えば、溶融液滴のそれぞれがビルド表面に直接接触する場所を含む領域）への制御されたエネルギー送達を可能にする。これにより、入ってくる溶融液滴の下を通過するときに、部品の表面を加熱することができる。
ビルド表面は、液滴が堆積されるいかなる表面であってもよい。例えば、ビルド表面は、ビルドプレートと呼ばれることもあるプラットフォームの表面であり得る。別の実施形態では、ビルド表面は、プラットフォーム上に構築されている３Ｄ部品の表面部分である。
プラットフォームはまた、加熱素子、照射加熱などのレーザビーム以外の二次手段によって加熱することもできる。例えば、プラットフォームは、二次加熱手段を使用して基準温度に加熱され、続いてレーザビームで更に加熱され得る。基準温度は、約３００℃〜約５００℃、又は約３５０℃〜約４５０℃、又は約３８０℃〜約４２０℃の範囲の温度など、任意の所望の温度であり得る。
レーザビームによって照射されるビルド表面の一部分は加熱され、それによって、照射されない周囲のビルド表面の温度と比較して、上昇する温度を有する局所的なホットスポットを形成する。このホットスポット上に射出された溶融金属滴は、本明細書に記載されるように、改善された堆積特性を有することができ、及び／又は改善された特性を有する最終部品をもたらすことができる。図１０は、液滴１２０の堆積前にビルド表面に入射するレーザビーム１２５の画像を示す。
プリンタから射出された溶融金属滴は、約０．０５ｍｍ〜約２ｍｍ、又は約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲、又は約０．５ｍｍの直径など、ビルド表面上への堆積前に、任意の好適なサイズの直径を有することができる。堆積後、液滴は、より広い寸法を有するように広がる可能性がある。例えば、直径０．５ｍｍの液滴は、ビルド表面との衝突時に、約０．７ｍｍの面積を覆うように広がる可能性がある。
例えば、図４に示されるように、レーザビーム１２５は、プラットフォーム１１２の上面に対して角度θにある。角度は、システムにレーザを組み込むことを可能にし、かつレーザビームによるビルド表面の効果的な加熱を提供する、任意の好適な角度であり得る。一実施形態では、角度は、約２０度〜約４０度、又は約３０度など、約１０度〜約４５度の範囲である。
溶融金属液滴を射出する任意の３Ｄ印刷技術を、本開示の方法で用いることができる。一実施形態では、３Ｄプリンタは、以下により詳細に記載されるように、電磁コイルによって印加されるＤＣパルスを使用して、第１の液滴を射出する。方法は、任意の所望の速度でビルド表面に液滴を堆積させることを含むことができる。例えば、複数の液滴は、約１Ｈｚ〜約１２００Ｈｚ、又は約１０Ｈｚ〜約１０００Ｈｚ、又は約１００Ｈｚ〜約１０００Ｈｚなど、約０．１Ｈｚ〜約２０００Ｈｚの範囲の周波数で射出することができる。
上述のように、本開示の方法は、ビルド表面に対するレーザビームの位置を調整することと、溶融金属液滴が堆積されるビルド表面の一部分を加熱するプロセスを繰り返すことと、を含む。レーザビームの位置は、レーザ、ビルド表面、又はその両方を移動させることによって、ビルド表面に対して調整することができる。一例では、以下により詳細に記載されるように、レーザビームの位置は、レーザビーム及びプリントヘッドをｚ軸に沿って移動させることと、ｘ軸、ｙ軸、又はｘ軸及びｙ軸の両方に沿ってプラットフォームを移動させることと、を含む。レーザビーム及びプラットフォームの移動は、同時に、又は異なる時間に発生することがある。
一実施形態では、方法は、液滴接触点での堆積温度を達成するために、ビルド表面の一部分に印加される熱エネルギーの量を決定することを更に含む。熱エネルギーの量は、ビルド表面の一部分の幾何学的形状、照射されるビルド表面の一部分のプラットフォーム１１２（図４）からの距離「Ｘ」、プラットフォームの温度及びビルド表面の一部分の温度のうちの１つ以上などのいくつかの要因に基づいて決定することができる。次いで、レーザビームは、ビルド表面の一部分に印加される熱エネルギーの量に基づいて制御され得る。例えば、ビルド表面の一部分が照射される時間の長さは、液滴接触点において所望の温度を提供するために減少又は増加させることができる。
ビルド表面は、液滴接触点の堆積前に、レーザで所望の温度に照射することができる。液滴がその上に堆積された後、一定期間、液滴接触点を加熱し続けることが望ましい場合がある。一実施形態では、レーザ照射の適用は、液滴の堆積の直前及びその間に行われ、以前に堆積した部品の層との液滴の良好な合体を提供する。代替的な実施形態では、レーザによる液滴接触点でのビルド表面の加熱は、液滴が液滴接触点に堆積される前に停止してもよい。
導電性液体三次元印刷システム
本開示の一実施形態は、本明細書に記載される三次元印刷方法を実行するために使用することができる導電性液体三次元印刷システムに関する。システムは、プラットフォームと、プラットフォーム上の液滴接触点で導電性液体印刷材料の液滴を射出するためのプリントヘッドと、を備える。レーザは、液滴接触点にレーザビームを向けるように構成されている。
図２は、本明細書で液体金属３Ｄプリンタ１００と呼ばれる導電性液体三次元印刷システムの一例を示す。三次元金属オブジェクトを形成するために使用される液体金属の液滴は、タワー１０４によって支持されたプリントヘッド１０２によって生成される。プリントヘッド１０２は、垂直ｚ軸トラック１０６ａ及び１０６ｂに取り付けられ、タワー１０４上で、ｚ軸に沿った移動として表される垂直方向に調整することができる。タワー１０４は、例えば、鋼管又は任意の他の好適な材料から製造されたフレーム１０８によって支持される。
フレーム１０８に近接して、例えば、花崗岩又は他の好適な材料で形成された基部１１０がある。基部１１０は、３Ｄオブジェクトが形成されるプラットフォーム１１２を支持する。プラットフォーム１１２は、ｘ軸トラック１１４ａ及び１１４ｂによって支持されており、これにより、プラットフォーム１１２がｘ軸に沿って移動することが可能になる。Ｘ軸トラック１１４ａ及び１１４ｂは、ステージ１１６に取り付けられている。ステージ１１６は、ｙ軸トラック１１８ａ及び１１８ｂによって支持されており、これにより、ステージ１１６がｙ軸に沿って移動することが可能になる。
溶融金属（例えば、溶融アルミニウム）１２０の液滴がプラットフォーム１１２に落下すると、プラットフォーム１１２のｘ軸及びｙ軸に沿ったプログラムされた水平移動は、三次元オブジェクトの形成をもたらす。ステージ１１６及びプラットフォーム１１２のＸ軸トラック１１４ａ及び１１４ｂ、並びにｙ軸トラック１１８ａ及び１１８ｂに沿ったプログラムされた移動は、例えば、当業者に既知であるように、アクチュエータ１２２ａ及び１２２ｂによって実行することができる。液体金属３Ｄプリンタ１００は、垂直方向で操作されるように設計されているが、他の向きでも使用できる。
図２はまた、アルミニウム１３２及びアルミニウムワイヤ１３０の供給源を示す。代替的な実施形態は、バー、ロッド、粒状又は追加の形態のアルミニウムを利用してもよい。代替的な実施形態では、当業者によって理解されるように、システムに適切な調整を加えて、アルミニウムの代わりに任意の十分に導電性の液体又はコロイド混合物を使用することができる。
プリントヘッド１０２は、ノズルポンプ３００及びレーザ１２４を含む。例えば、図２に示されるように、レーザ１２４は、プリントヘッド１０２内に配置され、レーザビーム１２５がオリフィス１２８を通って移動し、ビルド表面（例えばプラットフォーム１１２又はその上に製造されている三次元部品）を照射できるように構成され得る。液体金属３Ｄプリンタ１００及びプリンタを操作する方法は、米国特許第９，６１６，４９４号に詳細に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
レーザは、所望の照射を達成することができる任意の好適な種類のレーザであり得る。照射量は、例えば、堆積される金属の種類及び堆積速度に応答して変化し得る。一般的に言えば、液滴がビルド表面上に照射される速度が速いほど、所望の照射量は多くなる。所望の照射範囲の例は、約１５００Ｗ／ｃｍ２〜約５，０００Ｗ／ｃｍ２、又は約２０００Ｗ／ｃｍ２〜約３，０００Ｗ／ｃｍ２など、約１０００Ｗ／ｃｍ２〜約１０，０００Ｗ／ｃｍ２である。一例では、レーザは、２０００Ｗ／ｃｍ２以上など、１８００Ｗ／ｃｍ２以上の照射量を有するレーザビームを提供することができる。所望の照射量を達成することができる、コリメートされた及びコリメートされていないレーザを含む、電力及び光学構成の任意の組み合わせを有するレーザを使用することができる。
図３は、ノズルポンプ３００を含むプリントヘッド１０２の特定の内部コンポーネントの分解図を示す。上部ポンプハウジング２１０、ポンプ仕切り２０４、及び下部ポンプハウジング２１４は共に、本明細書でポンプチャンバ２２０と呼ばれる第１のチャンバを形成する。図３に示す内部コンポーネントは、例えば窒化ホウ素などの非導電性材料から製造されている。
図４は、組み立てられたプリントヘッド１０２の内部コンポーネントを示す。上部ポンプハウジング２１０、ポンプ仕切り２０４（図３に示される）、及び下部ポンプハウジング２１４は、一緒に組み立てられてノズルポンプ３００を形成する。
図５は、ノズルポンプ３００の組み立てられたコンポーネントを含む、図４の線５に沿って取られた断面図である。図５は、アルミニウムワイヤ１３０がプリントヘッド１０２に入る第１の端部、及び液体アルミニウムがチャネル４０４を出てポンプチャンバ２２０に入る第２の端部から延びるチャネル４０４を示す。ポンプチャンバ２２０はノズル４１０に隣接している。周囲チャネル４０４は、タンディッシュ４０２である。
図６は、プリントヘッド１０２の一部分の断面図を示しており、これは、冷却されたワイヤ入口６０８と、外側スリーブ６０６と、電磁コイル５１０によって囲まれたノズルポンプ３００と、を含む。一実施形態では、アルミニウムワイヤ１３０は、冷却されたワイヤ入口６０８と、銅製のワイヤガイド及びガスシール６１０に供給される。次いで、アルミニウムワイヤ１３０は、例えばマコールセラミック社製の絶縁カプラ６０４を通過し、ここで不活性ガス１４２は、例えば同じくマコールセラミック社製の溶融シールドガス入口ポート６０２を通じて供給され、アルミニウムが溶融される前に保護不活性ガス１４２シールドを適用する。
溶融したアルミニウム又は他の導電性液体は、重力と不活性ガス１４２によって加えられた正圧の下で、長手方向ｚ軸に沿ってノズルポンプ３００へと下向きに流れる。例えば、ニクロムで作られた電気加熱要素６２０ａ及び６２０ｂは、例えば、耐火レンガで作られた炉６１８の内部を、アルミニウムの融点である６６０℃を超えて加熱する。熱導電性タンディッシュ４０２は、アルミニウム１３２の供給源から供給されたアルミニウムワイヤ１３０に熱を伝達して、ノズルポンプ３００に入るときに溶融させる。タンディッシュ４０２は、例えば、窒化ホウ素又は他の好適な熱伝導性材料を含み得る。
図７は、溶融アルミニウム７１０の電荷を形成するために、ポンプ仕切り２０４の周囲で上部ポンプハウジング２１０を通って下方に流れる溶融アルミニウムを示す。溶融アルミニウム７１０の電荷は、主にポンプチャンバ２２０内に含まれ、少量の溶融アルミニウムは、ポンプチャンバ２２０を完全にプライミングされた状態に保つために上部ポンプハウジング２１０に含まれる。ポンプチャンバ２２０の上部に過剰な溶融アルミニウムがあると、溶融アルミニウム７１０の電荷の慣性が増加し、ノズルポンプ３００の燃焼速度が望ましくないほど低下する。代替的な実施形態では、ポンプ仕切り２０４内の分割器の数を変更してもよい。
電磁コイル５１０は、ノズルポンプ３００を取り囲むように成形される。ノズルポンプ３００内の不活性ガス１４２上の圧力は、凸状メニスカス８１０を形成するために、ノズル４１０での表面張力の大部分を克服するように調整される。パルス前のポンプチャンバ２２０内の予圧は、不活性ガス１４２によって設定され、ノズルオリフィス４４０の半径より小さい球状キャップを有する凸状メニスカス８１０を形成する。この圧力は、ヤングの法則により、Ｐ＝２×表面張力／オリフィス４４０半径として決定される。
図８は、電磁コイル５１０及び溶融アルミニウム７１０の電荷のみを示す、ノズルポンプ３００の簡略化された３Ｄ断面である。溶融アルミニウム７１０の電荷は、動作のためにポンプチャンバ２２０内の適切なレベルで示されている。溶融アルミニウム７１０の電荷の上流部分の形状は、ポンプ仕切り２０４及び仕切り分割器２０６に適合する。
図８は、溶融アルミニウム７１０の電荷を通じて磁場線９４０を垂直に集束させるような方法で、ノズルポンプ３００の周りに形成された電磁コイル５１０を更に示す。ノズルポンプ３００は、磁場に対して透過的である。電磁コイル５１０は、電磁流体力学の原理に基づいて、溶融アルミニウム７１０の電荷に力を印加して液体金属を圧送する。電磁コイル５１０に印加されるステップ関数直流（ＤＣ）電圧プロファイルは、電磁コイル５１０への印加電流９００を急速に増加させ、それによって磁場線９４０に続く増加する磁場を生成する。効果的な動作のためのパルスの電圧及び電流強度の最適な範囲、並びにパルス持続時間の範囲は、流体の電気抵抗率、粘度、及び表面張力に応じて変化する。可能な有効範囲は広く、代替的な実施形態は、最適には１０〜１０００ボルト（Ｖ）及び１０〜１０００アンペア（Ａ）の範囲であり得る。
ファラデーの誘導の法則によれば、磁界の増加により、ポンプチャンバ２２０内に起電力が生じ、それによって、溶融アルミニウム７１０内の誘導電流９３０が、溶融アルミニウム７１０の電荷を通って円形経路に沿って流れる。溶融アルミニウム７１０中の誘導電流９３０及び磁場は、溶融アルミニウム７１０の電荷を通るリング形状要素において、ローレンツ力として知られる、溶融アルミニウム上に生じる径方向内向きの力９２０を生成する。溶融アルミニウム９２０上の径方向内向きの力は、印加されるＤＣ電圧の二乗に比例する。
ノズル４１０への入口で発生するピーク圧力もまた、印加されるＤＣ電圧の二乗に比例する。この圧力は、溶融アルミニウムの表面張力及び慣性を克服し、溶融アルミニウムの液滴を射出する。同時に、コンピュータは、ステージ１１６を移動させて、溶融アルミニウムの液滴をプラットフォーム１１２上の所望の位置に堆積させる。
本発明の代替的な実施形態では、ノズルの形状を変化させて、滑らかな入口ベルを達成することができる。一実施形態では、電磁コイルを約２０μＳ、３００アンペア、及び１５００Ｈｚでパルスすることによって、効率的な固有の電磁加熱モードが可能である。これにより、ハウジング及びアルミニウムを７５０℃に維持し、それによってアルミニウムを溶融させるのに十分な熱が生じる。熱は、電磁コイル内の抵抗損失及びアルミニウム内の誘導加熱によって発生する。この加熱モードを使用すると、外部加熱システムが不要になる。
図９は、プラットフォーム１１２上の３Ｄ印刷オブジェクト１１００の形成中に溶融アルミニウム１２０の液滴を生成するノズルポンプ３００を示す。３Ｄ印刷オブジェクト１１００は、溶融金属液滴がノズル４１０ら向けられる位置である。溶融アルミニウム１２０の各液滴が堆積するにつれて、それは固化し、それによって３Ｄ印刷オブジェクト１１００の体積が増加する。３Ｄ印刷オブジェクト１１００の適切な向きは、プラットフォーム１１２の移動を制御及び調整するコンピュータプログラムによって維持される。
熱電対は、約５００ｍｍ３の体積を有するアルミニウム部品のほぼ中心に埋め込まれた。部品は、図２に示されるものと同様の導電性液体三次元ビルドシステムを使用して、３Ｄ印刷によって作製された。部品の表面を、１５０Ｗ、９７６ｎｍ繊維結合レーザダイオードを使用して予熱し、ビルド表面に対して約３０°の鋭角で照射されたレーザビームで表面を標的化した。レーザビームは直径３ｍｍ、照射レベルは〜２０００Ｗ／ｃｍ２であった。
３Ｄ印刷された金属部品の温度を時間と共に記録し、結果を図１１のグラフに示す。図１１のプロットにおける２つの曲線は、部品の２つの異なる側面からの測定温度結果である。比較的良好な合体を有する滑らかな側面と、比較的乏しい合体を有するビルド側面。結果は、比較的低出力のレーザであっても、アルミニウム部品を効果的に加熱できることを示している。部品の加熱時間は、例えば、レーザタイプ、出力、ビーム直径、及び角度の最適化により大幅に短縮することができ、エネルギー伝達を最適化することができる。
本開示の広い範囲を記載する数値範囲及びパラメーターは近似値であるが、特定の実施例に記載される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いずれの数値も、それぞれの試験測定値に見出される標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。更に、本明細書に開示される全ての範囲は、その中に包含される任意の及び全ての小範囲を包含すると理解されるべきである。
１つ以上の実装形態に関して本教示は例示されているが、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、改変及び／又は修正を例示の実施例に対して行うことができる。加えて、本教示の特定の特徴がいくつかの実装のうちの１つにのみ関して開示されていることがあり得るが、そのような特徴は、任意の所与の機能又は特定の機能のために所望されかつ有利であり得るものとして、他の実装の１つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。更に、用語「含む（including）」、「含む（includes）」、「有する（having）」、「有する（has）」、「有する（with）」、又はこれらの変形が発明を実施するための形態及び特許請求の範囲のいずれかで使用される限りにおいて、そのような用語は、用語「含む（comprising）」と同様の手法での包含であることが意図される。更に、本明細書における考察及び「特許請求の範囲」内の「約」という用語は、変更が例示された実装形態へのプロセス又は構造の非適合性をもたらさない限り、列挙された値が幾分変更されてもよいことを示す。最後に、「例示的な」は、その記載が理想的であることを暗示するのではなく、一実施例として使用されることを示す。
上記で開示されたものの変形例、並びに他の特徴及び機能、又はこれらの代替物が、他の異なるシステム又は用途に組み合わされ得ることが理解されるであろう。様々な現在予期されていない、又は先行例のない代替物、修正、変形、若しくは改善が、以後に当業者によってなされてもよく、それらも以下の「特許請求の範囲」によって包含されることを意図している。

Claims (20)

  1. 三次元印刷の方法であって、
    ａ）第１の堆積温度を有する予熱された液滴接触点を提供するように、ビルド表面にレーザビームを衝突させることによって、プラットフォーム上の前記ビルド表面の第１の部分を加熱することと、
    ｂ）前記第１の堆積温度で前記予熱された液滴接触点に第１の液滴を堆積するように、３Ｄプリンタのプリントヘッドから液体印刷材料の前記第１の液滴を射出することと、を含む、方法。
  2. 前記第１の液滴は溶融金属である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記溶融金属は、アルミニウム、銅、及び銀から選択される少なくとも１つの金属を含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記溶融金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金である、請求項２に記載の方法。
  5. 前記堆積温度は、約４００℃〜約６００℃、又は約４００℃〜約５５０℃などの、約４００℃〜約８００℃の範囲である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ビルド表面は、前記プラットフォームの前記表面である、請求項１に記載の方法。
  7. 前記ビルド表面は、前記プラットフォーム上に構築されている３Ｄ部品の表面である、請求項１に記載の方法。
  8. 前記レーザビームは、前記プラットフォームの上面に対してある角度であり、前記角度は約１０度〜約４５度の範囲である、請求項１に記載の方法。
  9. 前記３Ｄプリンタは、電磁コイルによって印加されるＤＣパルスを使用して前記第１の液滴を射出する、請求項１に記載の方法。
  10. 前記ビルド表面に対する前記レーザビームの前記位置を調整することと、ａ）及びｂ）の前記プロセスを繰り返すことと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記レーザビームの前記位置を調整することは、ｚ軸に沿って前記レーザビーム及び前記プリントヘッドを移動させることを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記レーザビームの前記位置を調整することは、ｘ軸、ｙ軸、又は前記ｘ軸及び前記ｙ軸の両方に沿って前記プラットフォームを移動させることを含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記ビルド表面に複数の液滴を堆積させることを更に含み、前記複数の液滴は、約０．１Ｈｚ〜約２０００Ｈｚの範囲の周波数で射出される、請求項１に記載の方法。
  14. 前記第２の部分に前記レーザビームを衝突させることによって前記ビルド表面の第２の部分を加熱することを更に含み、これにより、第２の堆積温度を有する第２の予熱された液滴接触点を提供することと、前記プリントヘッドから前記印刷材料の第２の液滴を射出して、前記第２の堆積温度にある前記第２の予熱された液滴接触点上に前記第２の液滴を堆積させることと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記ビルド表面の前記一部分の前記幾何学的形状、前記プラットフォームからの前記ビルド表面の前記一部分の前記距離、前記プラットフォームの前記温度及び前記ビルド表面の前記一部分の前記温度のうちの１つ以上に基づいて、前記堆積温度を達成するために前記ビルド表面の前記一部分に印加される熱エネルギーの量を決定することと、前記ビルド表面の前記一部分に印加される熱エネルギーの前記量に基づいて前記レーザビームを制御することと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記レーザビームは、約１０００Ｗ／ｃｍ２〜約１０，０００Ｗ／ｃｍ２の照射量を有する、請求項１に記載の方法。
  17. 導電性液体三次元印刷システムであって、
    プラットフォームと、
    前記プラットフォーム上の液滴接触点で導電性液体印刷材料の液滴を射出するためのプリントヘッドと、
    前記液滴接触点にレーザビームを向けるように構成されたレーザと、を備える、システム。
  18. 前記プリントヘッドは、前記液滴を射出するためのＤＣパルスを印加するための電磁コイルを含む、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記レーザは、前記プラットフォームの作業面に対してある角度で前記レーザビームを向けるように構成され、前記角度は約１０度〜約４５度の範囲である、請求項１７に記載のシステム。
  20. 前記レーザは、約１０００Ｗ／ｃｍ２〜約１０，０００Ｗ／ｃｍ２の照射量を有するように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
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