JP2021508620A - 粉末分注を用いた付加製造 - Google Patents

Abstract

付加製造装置は、プラットフォームと、プラットフォームの上に位置づけされた１又は複数の支持体と、プラットフォーム及び１又は複数の支持体のうちの少なくとも１つに連結され、１又は複数の支持体がプラットフォームを横切って走査するように、それらの間に相対運動を生じさせるように構成されたアクチュエータと、プラットフォームに支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成された第１のディスペンサシステムと、バインダ材料を構築エリア上に分注するように構成された第２のディスペンサシステムと、バインダ材料を固化させるためにプラットフォームに向かって放射線を放出するように構成されたエネルギー源とを有する。第１のディスペンサシステムは、１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、第１の粉末を構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１の粉末ディスペンサを含む。
【選択図】図１Ｃ

Description

本明細書は、付加製造装置、例えば未加工部品の製造のための粉末ディスペンサシステム、バインダ分注システム、及びエネルギー送達システムに関する。

付加製造（ＡＭ）は、固体自由成形又は３Ｄ印刷とも呼ばれ、原料（例：粉末、液体、懸濁液、又は溶融固体）の二次元層への連続的な分注から３次元物体が作成される製造プロセスを指すものである。これとは対照的に、従来の機械加工技法では、素材をストック材料（例：木材、プラスチック、又は金属のブロック）から切り取るサブトラクティブプロセスを使用する。

付加製造では、様々な付加プロセスが使用され得る。例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）や直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）、熱溶解積層法（ＦＤＭ）といった幾つかの方法では、層を作り出すために材料を融解又は軟化させる。幾つかの方法では、例えば光造形法（ＳＬＡ）といった別の技術を用いて、液体材料を硬化させる。幾つかのシステムでは、バインダ材料を粉末等の供給材料の層上に配置し、エネルギー源を使用してバインダ材料を硬化させて、遊離した粉末粒子を結合させる。

バインダジェッティング３Ｄプリンタ等の幾つかの乾燥粉末付加製造装置は、様々な材料で部品を製造することができる。典型的なバインダジェッティング付加製造プロセスには、プラットフォームを横切って第１の均一な粉末層を散布することが含まれる。粉末粒子は、金属、セラミック、砂、プラスチック、異なる材料の混合物等であり得る。次に、付加製造装置は、製造される物体の層に対応する位置で粉末層上にバインダ材料を堆積させる。エネルギー源は、粉末粒子を結合させるためにバインダ材料を硬化させるのに使用される。バインダ材料が層で硬化された後、装置は、第１の層の上に第２の均一な粉末層を散布し、バインダの堆積と硬化のステップを繰り返す。装置がすべての層の散布を完了すると、遊離した粉末のプール内に３次元の「未加工」部品が形成される。部品は「未加工」であり、主成分、すなわち粉末によって提供される材料はバインダ材料によって保持されており、まだ粉末を固体の材料の塊に固化させるために焼結又は焼成されていない。未加工部品は、硬化されたバインダ剤で接着された粉末で形成され、各粉末層の厚さに等しい垂直方向の空間解像度を有する。遊離した粉末粒子は、リサイクルして次の印刷のために保管することができる。粉末粒子の種類によっては、未加工部品が最終製品として機能する場合や、最終製品を形成するために、アニーリングや焼結、熱間静水圧プレス等の追加の後処理ステップが必要になる場合がある。

一態様では、付加製造装置は、プラットフォームと、プラットフォームの上に位置づけされた１又は複数の支持体と、プラットフォーム及び１又は複数の支持体のうちの少なくとも１つに連結され、１又は複数の支持体がプラットフォームを横切って走査するように、それらの間に相対運動を生じさせるように構成されたアクチュエータと、プラットフォームに支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成された第１のディスペンサシステムと、バインダ材料を構築エリア上に分注するように構成された第２のディスペンサシステムと、バインダ材料を固化させるためにプラットフォームに向かって放射線を放出するように構成されたエネルギー源とを含む。第１のディスペンサシステムは、１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、第１の粉末を構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１の粉末ディスペンサを含む。第２のディスペンサシステムは、第１のバインダ材料をボクセルごとに構築エリアの最上粉末層に選択的に分注して、粉末及びバインダ材料を有し且つ構築される部品の断面部分に対応するある体積の層を形成するように構成された第１のバインダ材料ディスペンサを含む。

実装は１又は複数の下記の特徴を含み得る。

第１の支持体は、第１の軸に沿って移動可能であり得、第１の粉末ディスペンサは、粉末を、第１の軸に対して非ゼロの角度をなす、例えば垂直である第２の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第１の粉末ディスペンサは、粉末を、第２の軸に沿ってボクセルごとに、又は領域がボクセルよりも大きい場合、第２の軸に沿って領域ごとに、選択的に分注するように構成され得る。

第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダ材料ディスペンサは、バインダ材料を第２の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第１のバインダ材料は、高密度化材料を含み得る。

第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得、第２の支持体は、第３の軸に沿って移動可能であり得、第１のバインダ材料ディスペンサは、バインダ材料を、第３の軸に対して非ゼロの角度をなす、例えば垂直である第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第３の軸は、第１の軸に平行であり得る。第４の軸は、第３の軸に平行であり得る。第１の支持体と第２の支持体は、ガイドレールに接続されてガイドレール上を個別に移動可能であり得る。第１の支持体は、第１のガイドレール上で移動可能であり得、第２の支持体は、第１のガイドレールに平行な第２のガイドレール上で移動可能であり得る。第３の軸は、第１の軸に対して垂直であり得る。第４の軸は、第３の軸に対して垂直であり得る。

第１の粉末ディスペンサは、粉末を、ボクセルごとに選択的に分注するように構成され得る。第１の粉末ディスペンサは、粉末を、領域がボクセルよりも大きい場合に、領域ごとに選択的に分注するように構成され得る。第１の粉末ディスペンサは、第１の複数の個別に制御可能なオリフィスを有し得、第１の複数のオリフィスの各オリフィスは、第１の粉末を制御可能に送達するように構成される。第１の粉末ディスペンサは、構築エリアの幅にまたがっていてよい。第１のディスペンサシステムは、複数の第１の粉末ディスペンサを含み得、第１の粉末ディスペンサは各々、第１の支持体に取り付けられている。複数の第１の粉末ディスペンサは、構築エリアの幅をカバーするように千鳥状のパターンに配置され得る。

コントローラは、製造される物体の層においてバインダ材料を固化させるパターンを識別するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有し得る。コントローラは、層に対して、アクチュエータに、支持体とプラットフォームとの間に相対運動を生じさせ、第１のディスペンサシステムに、支持体がプラットフォームを横切って走査するときに、構築される部品の断面部分を包含する領域に粉末層を分注させ、第２のディスペンサシステムに、データオブジェクトに基づくパターンで粉末層上にバインダ材料層を分注させて、構築中の部品の断面に対応する粉末とバインダ材料との結合層を提供させ、パターンに従って結合層のバインダ材料を固化させるためにエネルギー源を制御するように構成される。

第１のバインダ材料は、高密度化材料を含み得る。

第３の分注システムは、粉末層又は粉末とバインダ材料の結合層に高密度化材料を送達するように構成され得る。第１の高密度化剤ディスペンサは、複数の個別に制御可能なオリフィスを含み得、第１の高密度化剤ディスペンサの複数のオリフィスの各オリフィスは高密度化材料を制御可能に送達するように構成される。第１のバインダディスペンサは、第１のバインダディスペンサの運動方向に沿って、第１の高密度化剤ディスペンサの前又は後に位置づけされ得る。第１の高密度化剤ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得、又は１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第２の支持体は、第３の軸に沿って移動可能であり得、第１の高密度化剤ディスペンサは、高密度化材料を、第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。

第３のディスペンサシステムは、高密度化材料を、構築エリアに選択的に分注するように構成された第２の高密度化剤ディスペンサを含み得る。第１の高密度化剤ディスペンサと第２の高密度化剤ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１の高密度化剤ディスペンサは、１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得、第２の高密度化剤ディスペンサは、第３の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダディスペンサ及びエネルギー源は、１又は複数の支持体の第４の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。

高密度化材料は、粉末と同じ組成を有するが、より小さい平均直径を有し得る。高密度化材料は、内部に分散されたナノ粒子を有するゾルゲルを含み得る。ゾルゲルは、第１の粉末と同じ組成のセラミックの前駆体を含み得る。第３のディスペンサシステムは、高密度化材料を、構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１の高密度化ディスペンサを含み得る。

第１の高密度化剤ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダ材料ディスペンサとエネルギー源は、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動する、又は１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１の支持体は、第１の軸に沿って移動可能であり得、第２の支持体は、第１の支持体とは無関係に第１の軸に平行に移動可能であり得る。第１の支持体は、第１の軸に沿って移動可能であり、第２の支持体は、第１の支持体とは無関係に第１の軸に垂直に移動可能である。第１の支持体は、第１の軸に沿って移動可能であり得、第２の支持体は、第１の支持体とは無関係に第２の軸に沿って移動可能であり得、第１のバインダ材料ディスペンサは、バインダ材料を、第２の軸に対して非ゼロの角度をなす軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。

第１の高密度化剤ディスペンサは、１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得、第２の支持体は、第３の軸に沿って移動可能であり得る。第１の高密度化剤ディスペンサは、高密度化材料を、第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第３の軸は、第１の軸と実質的に平行であり得る。第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。

第１のバインダディスペンサ及び第１の高密度化剤ディスペンサは、第１のバインダディスペンサが運動方向に沿って第１の高密度化剤ディスペンサの前に位置づけされるように構成され得る。第１のバインダディスペンサ及び第１の高密度化剤ディスペンサは、第１のバインダディスペンサが運動方向に沿って第１の高密度化剤ディスペンサの後に位置づけされるように構成され得る。

第３のディスペンサシステムは、高密度化材料を、構築エリア上に選択的に分注するように構成された第２の高密度化剤ディスペンサを含み得る。第１の高密度化剤ディスペンサ及び第２の高密度化剤ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１の高密度化剤ディスペンサは１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得、第２の高密度化剤ディスペンサは第３の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダディスペンサ及びエネルギー源は、１又は複数の支持体の第４の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。高密度化材料は、粉末と同じ材料組成を有するが、より小さい平均直径の粒子サイズを有し得る。

第４のディスペンサシステムは、複数の連続する第２の粉末層を構築エリア上に分注するように構成され得、第４のディスペンサシステムは、第２の粉末を構築エリア上に選択的に分注するように構成される第２の粉末ディスペンサを含む。第２の粉末は、第１の粉末と組成が異なる場合がある。第１の粉末は金属粒子を含み得、第２の粉末はセラミック又はプラスチック粒子を含み得る。第１の粉末はセラミック粒子を含み得、第２の粉末はプラスチック粒子を含む。第２の粉末は、第１の粉末と同じ材料組成を有するが、第１の粉末とは異なるサイズ分布を有し得る。

第２の粉末ディスペンサは、複数の個別に制御可能なオリフィスを含み得、第２の粉末ディスペンサの複数のオリフィスの各オリフィスは、第２の粉末を制御可能に送達するように構成される。第２の粉末ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１の粉末ディスペンサ及びエネルギー源は、第１の支持体によって支持され得る、又は、１又は複数の支持体の第２の支持体によって支持されてそれと共に移動可能であり得る。第２の粉末ディスペンサは、１又は複数の支持体の第２の支持体によって支持されてそれと共に移動可能であり得る。

第２の支持体は、第３の軸に沿って移動可能であり得、第２の粉末ディスペンサは、第２の粉末を、第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る、又は１又は複数の支持体の第３の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第３の軸は、第１の軸に対して実質的に平行であり得る。第４の軸は、第２の軸と実質的に平行であり得る。第４の軸は、第３の軸に垂直であり得る。第１の粉末ディスペンサ及び第２の粉末ディスペンサは、第１の粉末ディスペンサが運動方向に沿って第２の高密度化剤ディスペンサの前に位置づけされるように構成され得る。第３の軸は、第１の軸に実質的に垂直であり得る。第１の支持体及び第２の支持体は、同じガイドレール上で移動可能であり得、又は別個の平行なガイドレール上で移動可能であり得る。

コントローラは、製造される物体の少なくとも１つの層に対応するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有し得、コントローラは、第１のディスペンサシステムに、第１の粉末を、製造される物体に対応する領域に分注させ、第４のディスペンサシステムに、第２の粉末を、製造される物体に対応しない領域に分注させるように構成され得る。

第１の粉末は金属粒子を含み得、第２の粉末はセラミック粒子を含み得る。第１の粉末は金属又はセラミック粒子を含み得、第２の粉末はプラスチック粒子を含み得る。コントローラは、第１のディスペンサシステムに、バインダ材料を、第１の粉末のみに分注させるように構成され得る。コントローラは、第１のディスペンサシステムに、バインダ材料を、第１の粉末及び第２の粉末の両方に分注させるように構成され得る。

コントローラは、製造される物体の少なくとも１つの層に対応するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有し、またコントローラは、第１のディスペンサシステムに、第１の粉末を、製造される物体に対応する第１の領域に分注させ、第４のディスペンサシステムに、第２の粉末を、第１の領域の一部に分注させるように構成される。第２の粉末は、第１の粉末のための高密度化材料を含み得る。

第１のディスペンサシステムは、第１の粉末を分注するための第２の粉末ディスペンサを含み得る。第２のディスペンサシステムは、バインダ材料を分注するための第２のバインダ材料ディスペンサを含み得る。第１の粉末材料ディスペンサ、第２の粉末材料ディスペンサ、第１のバインダ材料ディスペンサ及び第２のバインダ材料ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダ材料ディスペンサ、第２のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、第２のバインダ材料ディスペンサは、第３の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１の支持体、第２の支持体、及び第３の支持体は、第１の軸に沿って個別に移動可能であり得る。第１の粉末ディスペンサ、第１のバインダ材料ディスペンサ、エネルギー源、第２のバインダ材料ディスペンサ及び第２の粉末ディスペンサは、第３の軸に沿って上記の順序で配置され得る。

コントローラは、製造される物体の連続する層でバインダ材料を固化させるパターンを識別するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有し得、コントローラは、第１の粉末ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向に移動するときに、第１の粉末ディスペンサに第１の粉末層を分注させ、第１のバインダ材料ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向に移動するときに、第１のバインダディスペンサに第１のバインダ材料層を第１の粉末層上に分注させて、粉末とバインダ材料の第１の結合層を提供させ、パターンに従って第１の結合層のバインダ材料を固化させるために、エネルギー源を制御し、第２の粉末ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向と反対の第２の方向に移動するときに、第２のディスペンサシステムに第２の粉末層を分注させ、第２のバインダディスペンサが第２の方向に移動するときに、第２のバインダディスペンサに第２のバインダ材料層を第２の粉末層上に分注させて、粉末とバインダ材料の第２の結合層を提供させ、パターンに従って第２の結合層のバインダ材料を固化させるために、エネルギー源を制御するように構成され得る。

光源は、最上層に沿ってストライプを照射するように構成され得る。エネルギー源は、複数の支持体のうちの１つの支持体に連結され得、支持体は、構築エリアを横切ってストライプを掃引するために、ストライプに対して非ゼロの角度、例えば直角をなす軸に沿って移動可能であり得る。エネルギー源は、複数の個別に制御可能な光源を含み得る。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得る。光源は、ＵＶ又はＩＲ光源であり得る。

第１のディスペンサシステムは、プラットフォームによって支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成され得、第１のディスペンサシステムは、１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、第１の粉末を構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１の粉末ディスペンサと、第２の粉末を構築エリア上に選択的に分注するように構成された第２の粉末ディスペンサとを含み得る。

第１の粉末ディスペンサは、第１の複数の個別に制御可能なオリフィスを含み得る。第１の粉末ディスペンサの第１の複数のオリフィスの各オリフィスは、第１の粉末を制御可能に送達するように構成され得る。第２の粉末ディスペンサは、第２の複数の個別に制御可能なオリフィスを含み得る。第２の粉末ディスペンサの第２の複数のオリフィスの各オリフィスは、第２の粉末を制御可能に送達するように構成され得る。

第２の粉末ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１のバインダディスペンサ及びエネルギー源は、第１の支持体によって支持され得る。第２の粉末ディスペンサは、１又は複数の支持体の第２の支持体によって支持されてそれと共に移動可能であり得る。第２の支持体は、第３の軸に沿って移動可能であり得、第２の粉末ディスペンサは、第２の粉末を、第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成され得る。第１のバインダ材料ディスペンサ及びエネルギー源は、１又は複数の支持体の第３の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第３の軸は、第１の軸に実質的に平行であり得る。第３の軸は、第１の軸に実質的に垂直であり得る。

コントローラは、製造される物体の少なくとも１つの層に対応するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有し得る。

コントローラは、第１のディスペンサシステムに、第１の粉末を、製造される物体に対応する領域に分注させ、第４のディスペンサシステムに、第２の粉末を、製造される物体に対応しない領域に分注させるように構成され得る。第１の粉末は金属粒子であり得、第２の粉末はセラミック粒子であり得る、又は第１の粉末は金属又はセラミック粒子であり得、第２の粉末はプラスチック粒子であり得る。コントローラは、第１のディスペンサシステムに、バインダ材料を、第１の粉末のみに分注させるように構成され得る。コントローラは、第１のディスペンサシステムに、バインダ材料を、第１の粉末と第２の粉末の両方に分注させるように構成され得る。

コントローラは、第１のディスペンサシステムに第１の粉末を製造される物体に対応する第１の領域に分注させ、第４のディスペンサシステムに第２の粉末を第１の領域の一部に分注させるように構成され得る。第２の粉末は、第１の粉末のための高密度化材料であり得る。

第２のディスペンサシステムは、バインダ材料を分注するための第２のバインダ材料ディスペンサを含み得る。第１の粉末材料ディスペンサ、第２の粉末材料ディスペンサ、第１のバインダ材料ディスペンサ及び第２のバインダ材料ディスペンサは、第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し得る。第１の粉末ディスペンサ、第１のバインダ材料ディスペンサ、エネルギー源、第２のバインダ材料ディスペンサ及び第２の粉末ディスペンサは、支持体を横切る第１の粉末ディスペンサの運動方向に沿って前述の順序で配置され得る。第２の粉末は、第１の粉末と同じ材料組成とサイズ分布を有し得る。

コントローラは、製造される物体の連続する層でバインダ材料を固化させるパターンを識別するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有し得る。コントローラは、第１の粉末ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向に移動するときに、第１の粉末ディスペンサに第１の粉末層を分注させ、第１のバインダ材料ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向に移動するときに、第１のバインダディスペンサに第１のバインダ材料層を第１の粉末層上に分注させて、粉末とバインダ材料の第１の結合層を提供させ、パターンに従って第１の結合層のバインダ材料を固化させるためにエネルギー源を制御し、第２の粉末ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向と反対の第２の方向に移動するときに、第２のディスペンサシステムに第２の粉末層を分注させ、第２のバインダディスペンサが第２の方向に移動するときに、第２のバインダディスペンサに第２のバインダ材料層を第２の粉末層上に分注させて、粉末とバインダ材料の第２の結合層を提供させ、パターンに従って第２の結合層のバインダ材料を固化させるために、エネルギー源を制御するように構成され得る。

エネルギー源は、最上層に沿ってストライプを照射するように構成された光源を含み得る。エネルギー源は、複数の支持体のうちの１つの支持体に連結され得、支持体は、ストライプに対して非ゼロの角度をなす軸に沿って移動可能であり、構築エリアを横切ってストライプを掃引し得る。エネルギー源は、複数の個別に制御可能な光源を含み得る。

プラットフォーム上に製造された未加工部品は、オーブンで焼結され得る。未加工部品は、ロボットによりプラットフォームからオーブンに移され得る。エッチングシステムにより、バインダ材料がエッチングで除去され得る。密閉されたハウジングは、プラットフォーム、１又は複数の支持体、第１のディスペンサシステム、第２のディスペンサシステム及びエネルギー源を取り囲むチャンバを形成し得る。ポンプにより、チャンバが排気され得る。ガス供給により、第１の粉末及び第１のバインダ材料に対して不活性なガスが提供され得る。

別の態様では、未加工部品を製造する方法は、各層について、プラットフォームの構築エリア上に粉末層を選択的に分注することにより、未加工部品の複数の層を連続的に形成することを含み、選択的分注は全構築エリアよりも少ない範囲をカバーし、バインダ層を粉末層上に選択的に分注して粉末とバインダ材料の結合層を形成し、放射線をプラットフォームに方向づけしてバインダ材料を固化させ、未加工部品の複数の層のうちの１つの層を形成し、粉末は固化したバインダ材料によって保持される。

実装態様は、以下の特徴の一又は複数を含み得る。未加工部品は、粉末を溶解して固体の塊にするように処理され得る。未加工部品は処理のために、プラットフォームから取り外すことができる。処理には、アニーリング、焼結、及び／又は熱間静水圧プレスの１又は複数が含まれる。

粉末層を選択的に分注することは、粉末ディスペンサが第１の軸に沿って移動する間に、粉末ディスペンサの複数の個別に制御可能なノズルから粉末を分注することを含み得る。ノズルは、第１の軸に対して非ゼロの角度、例えば直角をなす第２の軸に沿って配置される。

バインダ材料を選択的に分注することは、バインダ材料ディスペンサが第３の軸に沿って移動する間に、バインダ材料ディスペンサの複数の個別に制御可能なノズルからバインダ材料を分注することを含み得る。ノズルは、第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って配置され得る。第３の軸は、第１の軸に平行又は垂直であり得る。第４の軸は、第３の軸に垂直であり得る。

放射線は、第４の軸に平行なストライプに沿ってエネルギーを送達することにより、プラットフォームに方向づけされ得る。層の処理中、第３の軸と放射線のストライプとの間に一定の距離が維持され得る。一定の距離を維持することは、バインダ材料ディスペンサと光源を同じ支持体に固定することを含み得る。放射線をプラットフォームに方向づけすることは、ストライプに沿ってエネルギーを選択的に送達することを含み得る。

粉末層を選択的に分注することは、部品によってカバーされる断面積の周囲を決定することと、断面積の周囲を囲む緩衝ゾーンを決定することと、断面積及び緩衝ゾーンと重なる領域に粉末を分注することを含み得る。粉末層を選択的に分注することは、緩衝ゾーンを囲む保持壁領域を決定することと、断面積、緩衝ゾーン及び保持リングエリアと重なる領域に粉末を分注することを含み得る。バインダ材料は、緩衝ゾーンには分注されなくてよい。粉末は、保持リングエリアと重なる領域の外側には分注されなくてよい。粉末層は第１のディスペンサから分注され得、バインダ材料は第２のディスペンサから分注され得、放射線はエネルギー源から生成され得、第１のディスペンサ、第２のディスペンサ及びエネルギー源は、各層が処理された後で、層の厚さとほぼ等しい高さだけ持ち上げられ得る。

本明細書で説明する主題の特定の実施形態は、以下の利点のうちの１又は複数を実現するように実装することができる。付加製造における選択的な材料の分注により、原料の浪費及び汚染が低減され得、製造効率が改善され得る。高密度化材料の存在は、製品の剛性を高め、後処理中の製品の収縮を低減し得る。

本明細書で説明する主題の１又は複数の実装態様の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。他の潜在的な特徴、態様、及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

付加製造装置の一実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の一実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置、例えば図１Ａの付加製造装置を示す概略側面図である。 プリントヘッドアセンブリの実装態様を示す概略側面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 付加製造装置の実装態様を示す概略上面図である。 稼働中の付加製造装置の例を示す図である。 稼働中の付加製造装置の例を示す図である。 粉末を選択的に分注している粉末ディスペンサの例を示す図である。 粉末を選択的に分注している粉末ディスペンサの例を示す図である。 １又は複数の未加工部品を形成するのに使用されるプロセスのフロー図である。

未加工部品を形成するための現在の乾燥粉末付加製造装置では、粉末ディスペンサシステムは、工程中に構築エリア全体を横切って粉末を散布する。例えば、上記装置は、ローラ又はブレードリコータを使用し、構築エリアを横切って供給材料のプールを押すことができる。その結果、粉末は、製造される部品に対応しない構築エリアの領域に分注される。

しかし、粉末を過剰に使用すると、製品の品質と製造効率の両方に幾つかの欠点が生じる。特に、粉末のかなりの部分が無駄になり、部品コストが増加する。粉末の再利用は、非現実的であり得る、高価であり得る、あるいは部品の品質低下につながり得る。例えば、再生粉末を使用して再コーティングすると、粉末汚染の可能性が大幅に増加する。粉末汚染の例には、バインダ材料汚染、焼結汚染、酸素汚染等が含まれるが、これらに限定されない。汚染された粉末粒子は、最終部品の品質に直接影響を及ぼす。更に、実際の印刷が行われないエリアに粉末を散布する必要があるため、システム全体の印刷速度及び／又はスループットが低下する。

これらの問題のいくつかに対処するための技術は、粉末を構築エリアの上に選択的に送達し得るバインダジェッティング付加製造装置を使用することである。上記装置は、粉末の使用を減らし、印刷の効率を高め、粉末汚染の可能性を減らすことができる。

粉末ディスペンサシステムは、個別に制御可能なノズルのアレイを使用し得る。粉末ディスペンサがプラットフォームを横切って移動するときに、粉末ディスペンサノズルを個別に作動させて、プラットフォーム上の選択された位置にのみ粉末を分注することができる。

更に、バインダジェッティングプロセスでは、未加工部品の圧縮が低下し、後処理中に過度の収縮が発生することがしばしばある。粉末粒子間にバインダ材料粒子が存在すると、後処理中に潜在的な欠陥の原因となる空間が更にできる。しかしながら、付加製造装置は、層に分注された粒子間のボイドを低減させるために、バインダ配合物に高密度化材料を含み得る。高密度化材料は、最終製品の強度を向上させるための後処理中に、核生成部位としても機能し得る。

付加製造装置は、印刷効率を向上させるために異なる構成で作製可能である。

付加製造装置は少なくとも、部品が製造される構築エリアを提供するプラットフォーム、粉末材料ディスペンサ、バインダ材料ディスペンサ、及びバインダ材料を硬化させるためのエネルギーを送達するエネルギー源を含む。粉末材料ディスペンサ、バインダ材料ディスペンサ、及びエネルギー源は、プラットフォームの上の１又は複数の支持体によって保持され得る。

図１Ａに、付加製造装置１００の上面図の例を示す。付加製造装置１００は、部品が製造される構築エリアを提供するプラットフォーム１０２、プラットフォーム１０２の上に位置づけされた支持体１０４、及び支持体１０４上に装着されたプリントヘッドアセンブリ１０３を含む。

様々な構成要素、例えば、プラットフォーム１０２、支持体１０４及びプリントヘッドアセンブリ１０３は、制御された動作環境を提供する密閉されたハウジング１８０に封入され得る。ハウジング１８０は、例えばＡｒ又はＮ_２等のガス源に連結された入口１８２と、排気システム、例えばポンプに連結された出口１８４とを含み得る。これにより、ハウジング１８０の内部の圧力及び酸素含有量が制御され得る。例えば、Ｔｉ粉末粒子を処理する場合、酸素ガスは５０ｐｐｍ未満に維持され得る。

付加製造装置は、他の特徴、例えば、プリントヘッドアセンブリ１０３の様々な構成要素をパージ及び／又は洗浄するためのサービスステーション１９０、又はディスペンサをプリントヘッドアセンブリ１０３に再装填するための粉末充填ステーション１９２を含み得る。これらのステーションは、ハウジング１８０の内側に位置づけされ得る。

プリントヘッドアセンブリ１０３は、１又は複数のプリントヘッドを含み、各プリントヘッドは、支持体１０４に個別に取り外し可能に固定されるように構成される。各プリントヘッドは、粉末材料、バインダ材料、及び／又は高密度化材料を分注するための１又は複数の機構を含み得る。プリントヘッドの１つ、例えば、バインダ材料用のディスペンサを含むプリントヘッドは、バインダ材料を硬化させるためのエネルギーを送達するための機構も含み得る。あるいは、又は更に、エネルギーを送達するための機構は、支持体１０４に直接装着され得る。

例えば、図１Ｄは、プリントヘッド１０３ａの概略的な例を示す。プリントヘッド１０３ａは、計測システム用のセンサ１０９、１又は複数の粉末ディスペンサ１０６（例えば、２つの粉末ディスペンサ１０６ａ及び１０６ｂ）、１又は複数のバインダ材料ディスペンサ１１０（例えば、２つのバインダ材料ディスペンサ１１０ａ及び１１０ｂ）、及び１又は複数のエネルギー送達システム１１２（例えば、２つのエネルギー送達システム１１２ａ及び１１２ｂ）を含む。構成要素は共通のフレーム１０３ｂに装着され、フレーム１０３ｂは支持体１０４に取り外し可能に装着され得る。これにより、様々な構成要素を備えたプリントヘッド１０３ａを、支持体１０４からユニットとして着脱することが可能になる。図１Ｄは、フレーム１０３ｂの下に吊り下げられている構成要素を示しているが、これは必須ではない。フレーム１０３ｂは、単に、構成要素が適合する開孔を有するプレートであり得る。

図１Ａを再び参照すると、支持体１０４がプラットフォーム１０２に対して移動可能であることで、プリントヘッドアセンブリ１０３が構築エリアの上を移動可能である。付加製造装置１００は、１又は複数のアクチュエータ１２７ａを含む。アクチュエータ１２７ａは、支持体１０４とプリントヘッドアセンブリ１０３とがプラットフォーム１０２を横切って走査できるように、例えばＸ軸に沿って支持体１０４とプラットフォーム１０２との間に相対運動を生成するように操作可能である。例えば、１又は複数のレール１２５がプラットフォーム１０２に隣接して配置されてＸ軸に沿って延びていてよく、支持体１０４は、アクチュエータ１２７ａによってレール１２５ａ上に支持され、レール１２５ａに沿って移動可能であり得る。２つのレールが使用される場合、レール１２５ａは、プラットフォーム１０２の反対側にあってもよい。例えば、図１Ａに示すように、支持体１０４は、例えば２つのレール１２５ａ、１２５ｂによって２つの対向する側に支持されるガントリであり得る。あるいは、支持体１０４は、単一のレール上の片持ち式配置で保持され得る。

幾つかの実装態様では、支持体１０４及びプラットフォーム１０２は、Ｙ軸に沿って互いに対して動かないように構成され得る。あるいは、例えば図１Ｂに示すように、１又は複数のアクチュエータ１２７ｂを使用して、Ｙ軸に沿って支持体１０４とプラットフォーム１０２との間に相対運動を生じさせることができる。

図１Ａに示すように、プリントヘッドアセンブリ１０３は、粉末ディスペンサ１０６、高密度化材料ディスペンサ１０８、バインダ材料ディスペンサ１１０、及びエネルギー送達システム１１２を支持する。これらのプリントヘッドはそれぞれ、支持体１０４上の固定位置に互いに対して配置される。プリントヘッドは、プリントヘッドアセンブリ１０３が単一動作で１つの材料層の印刷を終了できるように、プリントヘッドアセンブリ１０３に位置づけされ得る。例えば粉末ディスペンサ１０６は、運動方向、例えば、ｘ軸に沿って、高密度化ディスペンサ１０８及びバインダ材料ディスペンサ１１０の前に配置され得、エネルギー送達システム１１２は、高密度化材料ディスペンサ１０８の後に配置され得る。その結果、プリントヘッドアセンブリ１０３は、構築エリアを横切る一方向の単一掃引で１つの層の印刷を完了し得る。

高密度化材料ディスペンサ１０８はオプションであるため、幾つかの実装態様では、プリントヘッドアセンブリは、粉末ディスペンサ１０６、バインダ材料ディスペンサ１１０、及びエネルギー送達システム１１２のみを含む。

幾つかの実装態様では、ディスペンサ１０６、１１０及びエネルギー送達システム１１２は、支持体１０４に直接装着され得る。

幾つかの実装態様では、それぞれのプリントヘッドが各々プラットフォーム１０２に対して位置決めされ、材料がそれぞれのラインに沿って、支持体１０４の運動方向に対してそれぞれの非ゼロの角度で、例えば直角で送達され得る。材料は、平行ラインに沿って２つ以上のプリントヘッドから送達され得る。例えば、支持体１０４及びプリントヘッドアセンブリ１０３がＸ軸に沿って移動している場合、各プリントヘッドは、Ｙ軸に沿ったラインに沿って材料を送達し得る。

プリントヘッドは、プラットフォーム１０２の構築エリア全体にわたるラインに沿って材料を送達するように構成され得る。例えば、幾つかの実装態様（例えば、図１Ａに示す）では、各プリントヘッドは、構築エリア全体にわたる。あるいは、プリントヘッドアセンブリは、２つ以上の列に配置された複数のプリントヘッドを含み、各プリントヘッドがＹ軸に沿ってプラットフォーム１０２全体を横切って広がるように千鳥状のアレイを形成し得る。

エネルギー送達システム１１２は、放射線を生成し、粉末とバインダ材料の結合層に放射線を方向づけするエネルギー源、例えば、光源を含む。バインダ材料が液体である場合、エネルギー源はバインダ材料を硬化させてバインダ材料を固化させ得る。これにより、バインダ材料の硬化したマトリックスに粉末が浮遊している本体が形成され得る。エネルギー送達システムからの放射線は、紫外光、赤外光、及び／又は可視光を含み得る。

幾つかの実装態様では、エネルギー源は、構築エリアの幅を横切って延在する帯を照射し、照射された帯を構築エリアの長さを横切って移動させて、構築エリア全体を横切って放射ビームを掃引するように構成される。帯は、帯の運動方向に対して非ゼロの角度、例えば垂直に延在し得る。幾つかの実装態様では、エネルギー源は、支持体に固定されてそれと共に移動し、支持体とプラットフォームとの間の相対運動により、光の帯が構築エリアを横切って掃引する。あるいは、光ビームを回転可能なミラーから偏向させ得、ミラーの回転により光の帯が移動し得る。

幾つかの実装態様では、エネルギー送達システムは、個別に作動させることができる複数の光源を含む。各光源は、帯の主軸に沿って選択可能な照明を提供するように、アレイ、例えば線形アレイに配置され得る。エネルギー源は、例えば、ＬＥＤに送達される電流に依存する強度を有する放射線を放出するように構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み得る。エネルギー源はまた、例えば、レーザのアレイ、例えば、レーザダイオード、広域スペクトル照射を提供するランプ、例えば水銀ランプのアレイ、又は固体赤外線エミッタアレイを含み得る。

幾つかの実装態様では、エネルギー源は、各放射ビームが層の異なるボクセルに方向づけされるように配置される。幾つかの実装態様では、エネルギー源は、各放射ビームが層の異なる領域に方向づけされ、その領域がバインダ材料ディスペンサによって提供されるボクセルよりも大きくなるように配置される。

幾つかの実装態様では、アクチュエータ１２７ａは、支持体１０４がプラットフォーム１０２に対して前方方向に前進するように、プラットフォーム１０２と支持体１０４との間に相対運動を引き起こす。粉末ディスペンサ１０６、高密度化材料ディスペンサ１０８、及びバインダ材料ディスペンサ１１０がエネルギー送達システム１１２の前の支持体１０４上に位置づけされ得、これにより、支持体１０４がプラットフォーム１０２に対して前進するときに、支持体としてのエネルギー送達システム１１０によって、最近分注された粉末１１６が続いて硬化され得る。

幾つかの実装態様では、プラットフォーム１０２は、Ｘ軸に沿ってプラットフォームを移動させるように操作可能なコンベヤ上に位置づけされる。アクチュエータ１２７ａは、Ｘ軸に沿ったコンベヤの直線運動を生成し得、それにより、プラットフォーム１０２及び支持体１０４の相対運動が引き起こされる。

幾つかの実装態様では、装置１００は、線形アレイ又は二次元アレイに配置された複数のプラットフォーム１０２を含む。

幾つかの実装態様では、装置１００は複数の粉末ディスペンサを含み得、各ディスペンサは異なる種類の粉末、例えば異なる材料組成の異なる粉末を分注するように構成される。例えば、図１Ｄでは、第１の粉末ディスペンサ１０６ａは金属粒子を含む粉末を分注し得、第２の粉末ディスペンサ１０６ｂは、プラスチック粒子を含む粉末を分注し得る。

幾つかの実装態様では、装置は、同じ組成であるが異なるサイズの粉末を分注するように構成された複数の粉末ディスペンサを含む。例えば、図１Ｄでは、粉末ディスペンサ１０６ａは、第１の平均直径より大きい金属粒子を含む粉末を分注し得、粉末ディスペンサ１０６ｂは、第１の直径より小さい金属粒子を含む粉末を分注し得る。

幾つかの実装態様では、アセンブリは、異なる種類のバインダ材料を分注するように構成された複数のバインダ材料ディスペンサを含む。例えば、図１Ｄでは、バインダ材料ディスペンサ１１０ａは、粉末ディスペンサ１０６ａからの粉末上で操作可能な第１のバインダ材料を分注するように構成され得、バインダ材料ディスペンサ１１０ｂは、粉末ディスペンサ１０６ｂからの粉末上で操作可能な第２のバインダ材料を分注するように構成され得る。

バインダ材料は、粘度、硬化波長、硬化速度、及び／又は湿潤挙動が異なり得る。バインダ材料は、それぞれのバインダ材料ディスペンサから分注され得る。幾つかの実装態様では、第１のバインダ材料は、第１のバインダ材料が粉末層を通して迅速に内部ろ過され得るのに十分に低い粘度を有する。対照的に、第２のバインダ材料は、第１のバインダ材料より高い粘度、例えば、第２のバインダ材料が粒子間のギャップを埋めて層のレベリングを改善するのに十分に高い粘度を有し得る。これにより、良好な層間接着が促進され得る。

幾つかの実装態様では、第１のバインダ材料は優先的に粉末を濡らし、第２のバインダ材料は優先的に第１のバインダ材料を濡らす。

幾つかの実装態様では、第１のバインダ材料は、通常の放射線条件下で第２のバインダ材料よりも速く硬化する。これにより、第１のバインダ材料が粉末を適所に迅速に固定し、第２のバインダ材料が粉末をより確実に保持し得る。幾つかの実装態様では、第２のバインダ材料は、続いて堆積される層へのエネルギーの印加中に硬化され得る。

図１Ｂに、付加製造装置１００の別の例を示す。図１Ｂに示す実装態様は、図１Ａに示す実装態様と同様であるが、図１Ｂでは、支持体１０４に装着されたプリントヘッド１０６〜１１０及びエネルギー送達システム１１２は、プラットフォーム１０２の全幅に沿って延在しない。例えば、図１Ｂでは、粉末ディスペンサ１０６の幅は、プラットフォーム１０２の幅よりも短い。結果として、プリントヘッドアセンブリ１０３は、支持体１０４の主要な運動方向に対して非ゼロの角度、例えば直角をなす軸、例えばＹ軸に沿ってプラットフォーム１０２に対して移動可能であるように構成される。これにより、ディスペンサがプラットフォーム１０２の構築エリア全体をカバーすることが可能になる。プリントヘッドアセンブリ１０３は、支持体１０４に移動可能に装着され得るため、各構成要素を再位置づけして材料を分注し得る、又はプラットフォーム１０２の全幅を横切ってエネルギーを送達し得る。幾つかの実装態様では、１又は複数のアクチュエータ１２７ｂが支持体１０４上に位置づけされ、レール１２５ｂ上のプリントヘッドアセンブリ１０３の構成要素を、支持体１０４及びプラットフォーム１０２に対してＹ軸に沿って移動させるように操作可能である。

幾つかの実装態様では、粉末ディスペンサ１０６は、アクチュエータ１２７ｂを使用してレール１２５ｙに沿って、例えばＹ軸に沿って延在し得、これにより、粉末粒子１１６がラインに沿って、例えば支持体１０４の運動方向に垂直、例えばＸ軸に垂直なＹ軸に沿って分注される。したがって、支持体１０４が運動方向に沿って前進するときに、粉末粒子１１６は、プラットフォーム１０２全体を横切って送達され得る。

図１Ｃに、付加製造装置１００の側面図の例を示す。付加製造装置１００は、例えば、プラットフォーム１０２の高さ又は粉末層１１６の上面の高さを検出するために、感知システム１０９を含み得る。例えば、感知システム１０９は、例えば、プリントヘッドアセンブリ１０３の底面に対する最上粉末層１１６の高さを測定する１又は複数の光センサを含み得る。

装置１００はまた、アクチュエータ１２７ｃを選択的に作動させて、プリントヘッドアセンブリ１０３とプラットフォーム１０２との間に（すなわち、Ｚ軸に沿った）相対的な垂直運動を生じさせるように構成されたコントローラ１１１も含み得る。例えば、相対的な垂直運動は、プラットフォーム１０２又は支持体１０４をレール１２５ｃに沿ってＺ軸に沿って移動させることによって達成され得る。特に、重金属部品の場合、プラットフォーム１０２が静止している間に、支持体１０４が移動し得る。

コントローラ１１１は、コントローラ１１１が感知システム１０９からのデータを使用して適切な高さ調整を決定するように、感知システム１０９に結合され得る。例えば、各粉末層１１６が分注された後、感知システム１０９は、粉末層１１６の上面とプリントヘッドアセンブリ１０３の底面との間の新たな距離を決定する。コントローラ１１１は、このデータを受け取り、アクチュエータ１２７ｃを使用して、粉末層１１６の高さに等しい適切な高さだけ支持体１０４を持ち上げる。その結果、装置１００は、粉末層１１６の上面とプリントヘッドアセンブリ１０３との間の層から層への一定の高さオフセットを維持し得る。

幾つかの実装態様では、プリントヘッドアセンブリ１０３とプラットフォーム１０２との間の相対運動は、増分的又は連続的であり得る。例えば、プリントヘッドアセンブリ１０３は、連続する分注工程の間、連続する硬化工程の間、又はその両方で、プラットフォーム１０２に対して移動し得る。あるいは、プリントヘッドアセンブリ１０３は、粉末１１６が分注され硬化されている間は連続的に移動し得る。

幾つかの実装態様では、付加製造装置１００は、複数の支持体を含み得、各支持体は、１又は複数のプリントヘッド又はエネルギー送達システムを装着し得る。複数の支持体が使用される幾つかの実装態様では、各支持体は個別に平行に移動可能であり得る。

図２Ａに、付加製造装置１００の別の実装態様の上面図の例を示す。図２Ａでは、装置１００は、４つの支持体１０４ａ〜１０４ｄを含む。粉末ディスペンサ１０６は、支持体１０４ａに装着される。高密度化材料ディスペンサ１０８は、支持体１０４ｂに装着される。バインダ材料ディスペンサ１１０は、支持体１０４ｃに装着される。エネルギー送達システム１１２は、支持体１０４ｄに装着される。

幾つかの実装態様では、各支持体は、例えばＹ軸に沿って平行に個別に移動可能である。例えば、支持体は、それぞれのアクチュエータによって、同じレール、例えばレール１２７ａに連結されてそれに沿って移動可能であり得る。あるいは、各支持体は異なるレールに連結されて、個別に、また互いに平行に移動し得る。

幾つかの実装態様では、すべてではなく一部の構成要素が同じ支持体に装着され得る。例えば、図２Ｂでは、粉末ディスペンサ１０６及び高密度化材料ディスペンサ１０８は、互いに対して及び支持体１０４ａに対して固定された位置で、同じ支持体１０４ａ上に装着される。エネルギー送達システム１１２及びバインダ材料ディスペンサ１１０は、互いに対して、及び支持体１０４ｂに対して固定された位置で、別個の支持体１０４ｂに装着される。

別のオプションとして、高密度化材料ディスペンサ１０８、バインダディスペンサ１１０及びエネルギー源１１２は、同じ支持体に装着され得、粉末ディスペンサ１０６は、別個の支持体に装着され得る。

幾つかの実装態様では、支持体１０４ａ〜１０４ｄは同じレール１２５ａに連結され得る。あるいは、支持体は異なるレールに連結され得、個別に、また互いに平行に移動し得る。

幾つかの実装態様では、１又は複数のプリントヘッドは、互いに垂直に移動する異なる支持体に装着され得る。例えば、図２Ｃでは、支持体１０４ｂはレール１２５ａに沿ってＸ軸に移動し、支持体１０４ａはレール１２５ｂに沿ってＹ軸に移動する。この場合、支持体１０４ｂ上の各プリントヘッドは、支持体１０４ａ上の各プリントヘッドによって材料が送達されるラインに対して直角をなすラインに沿って材料を送達し得る。

幾つかの実装態様では、付加製造装置は、同じ種類の複数のプリントヘッド（例えば、粉末送達、高密度化材料送達、又はバインダ材料送達）を含み得る。これにより、装置を双方向モードで作動させることが可能になり得る。

図３Ａに、互いに固定された位置で単一の支持体１０４に装着された６つのプリントヘッドを有する付加製造装置１００の上面図の例を示す。エネルギー送達システム１１２は、２つのバインダ材料ディスペンサ１１０ａと１１０ｂとの間に位置づけされ、２つのバインダ材料ディスペンサは２つの高密度化材料ディスペンサ１０８ａと１０８ｂとの間に位置づけされ、２つの高密度化ディスペンサは２つの粉末ディスペンサ１０６ａと１０６ｂとの間に位置づけされる。あるいは、高密度化ディスペンサ１０８ａ、１０８ｂとバインダ材料ディスペンサ１１０ａ、１１０ｂの位置を交換してもよい。アクチュエータ１２７ａは、Ｘ軸に沿って支持体１０４とプラットフォーム１０２との間に相対運動を生じさせ得る。例えば、支持体１０４は、レール１２５ｘに移動可能に連結され得る。

図３Ａに示すように、支持体１０４が第１の走査運動で正のＸ方向にプラットフォーム１０２を横切って移動すると、粉末ディスペンサ１０６ａ、高密度化材料１０８ａ、及びバインダ材料ディスペンサ１１０ａが、それぞれの材料をプラットフォーム１０２に順次に堆積させて、第１の材料マトリクス層を形成し得る。粉末ディスペンサ１０６ａ、高密度化材料ディスペンサ１０８ａ、及びバインダ材料ディスペンサ１１０ａはすべてエネルギー送達システム１１２の前に位置づけされるため、エネルギー送達システム１１２は続いて、この第１の材料層を硬化させて未加工部品の第１の層を形成し得る。この走査運動の後、支持体１０４は、図３Ｂに示すように、プラットフォーム１０２に対する新たな位置で停止する。

図３Ｂに示すように、次に、支持体１０４が反対方向、すなわち負のＸ方向に移動して、図３Ａに示す初期位置に戻る。粉末ディスペンサ１０６ｂ、高密度化材料ディスペンサ１０８ｂ、及びバインダ材料ディスペンサ１１０ｂは、それぞれの材料をプラットフォーム１０２上に順次堆積させて、第２の材料層を形成し得る。次に、エネルギー送達システム１１２は、この第２の材料層を硬化させて、未加工部品の第２の層を形成し得る。その結果、支持体１０４がプラットフォームに対してその初期位置に戻ったときに、２つの材料層が堆積され硬化されている。

幾つかの実装態様では、プリントヘッドは、高密度化材料ディスペンサ１０８ａ及びバインダ材料ディスペンサ１１０ａがエネルギー送達システム１１２の前及び粉末ディスペンサ１０６ａの後に位置づけされるように、支持体１０４に装着され得る。高密度化材料ディスペンサ１０８ｂ及びバインダ材料ディスペンサ１１０ｂは、粉末ディスペンサ１０６ｂの前及びエネルギー送達システム１１２の後に位置づけされる。高密度化材料ディスペンサ及びバインダ材料ディスペンサの位置は交換可能である。

幾つかの実装態様では、装置１００は、図３Ｃに示すように、それぞれが１又は複数のプリントヘッドを保持する複数の支持体を含み得る。複数のプリントヘッドを保持する各支持体上で、プリントヘッドは、図３Ｂに開示された配置に従って位置づけされ得る。

幾つかの実装態様では、装置１００は、複数の対の粉末ディスペンサを含み得、２つの対は異なる種類の粉末を分注するように構成される。例えば、図３Ｄに示すように、装置１００は、第１の対の粉末ディスペンサ１０６ａ及び１０６ｄと、第２の対の粉末ディスペンサ１０６ｂ及び１０６ｃとを含み得る。第２の対の粉末ディスペンサ１０６ｂ、１０６ｃは、第１の対の粉末ディスペンサ１０６ａ、１０６ｄの間に位置づけされる。これによっても、装置が双方向モードで作動することが可能になり得る。

例えば、図３Ｄでは、粉末ディスペンサ１０６ａ及び１０６ｄは、第１の材料組成の第１の粉末、例えば金属粒子を含む粉末を分注し得、粉末ディスペンサ１０６ｂ及び１０６ｃは、異なる第２の材料組成の粉末、例えばプラスチック粒子を含む粉末を分注し得る。

幾つかの実装態様では、複数の粉末ディスペンサは、同じ材料組成であるが異なるサイズの粉末を分注するように構成される。例えば、図３Ｄでは、粉末ディスペンサ１０６ａ及び１０６ｄは、第１の材料組成及び第１のサイズ、例えば１００ナノメートルより大きい範囲内の第１の粉末を分注し、粉末ディスペンサ１０６ｂ及び１０６ｃは、同じ材料組成であるが、異なる第２のサイズ、例えば１００ナノメートル未満の範囲内の第２の粉末を分注し得る。サイズ範囲は重複しなくてよい。

幾つかの実装態様では、装置１００は、複数の対のバインダ材料ディスペンサを含み得、２つの対は、異なる種類のバインダ材料を分注するように構成される。例えば、図３Ｅに示すように、装置１００は、第１の対のバインダ材料ディスペンサ１１０ａ及び１１０ｄと、第２の対のバインダ材料ディスペンサ１１０ｂ及び１１０ｃとを含み得る。第２の対のバインダ材料ディスペンサ１１０ｂ、１１０ｃは、第１の対のバインダ材料ディスペンサ１１０ａ、１１０ｄの間に位置づけされる。これによっても、装置が双方向モードで作動することが可能になり得る。

幾つかの実装態様では、複数のバインダ材料ディスペンサの異なる対は、異なる種類のバインダ材料を分注するように構成される。ディスペンサ１１０ａ及び１１０ｄから分注されたバインダ材料は、上記の様々な理由により、ディスペンサ１１０ｂ及び１１０ｃから分注されたバインダ材料とは、粘度、硬化波長、硬化速度、及び／又は湿潤挙動が異なり得る。例えば、図３Ｅでは、バインダ材料ディスペンサ１１０ａ及び１１０ｄは、粉末ディスペンサ１０６ａ及び１０６ｄからの粉末上で操作可能なバインダ材料をそれぞれ分注するように構成され、バインダ材料ディスペンサ１１０ｂ及び１１０ｃは、それぞれ粉末ディスペンサ１０６ｂ及び１０６ｃからの粉末上で操作可能なバインダ材料を分注するように構成される。

図３Ｄ及び図３Ｅに、前述のように、様々なディスペンサをすべて同じ支持体１０４上に示したが、一部のディスペンサは別個に移動可能な支持体上にあってよい。例えば、２つの粉末ディスペンサ１０６ａ、１０６ｂが第１の支持体上にあってよく、バインダ材料ディスペンサ１１０ａ〜１１０ｄ及びエネルギー送達システム１１２が第２の支持体上にあってよく、２つの粉末ディスペンサ１０６ｃ、１０６ｄが第３の支持体上にあってよい。あるいは、各粉末ディスペンサ１０６ａ〜１０６ｄは、それ自体の別個に移動可能な支持体上にあってもよい。高密度化材料ディスペンサ１０８ａ、１０８ｂは、それら自体の支持体上、又は隣接するディスペンサの１つの支持体上にあってもよい。

図４に、三次元部品、例えば未加工部品を製造する付加製造装置１００の例を示す。

粉末ディスペンサ１０６は、最初に粉末粒子層１１６をプラットフォーム１０２上の所望の位置に分注する、すなわち、粉末ディスペンサ１０６は横方向空間解像度を有する。粉末ディスペンサの横方向解像度は、バインダ材料ディスペンサの横方向解像度よりも悪い、すなわち低い場合がある。例えば、バインダ材料ディスペンサは、ボクセルごとに構築エリアの最上粉末層にバインダ材料を分注して、粉末とバインダ材料を有し、構築される部品の断面部分に対応するある体積の層を形成し得る。対照的に、粉末ディスペンサは、ボクセルよりも大きい領域ごとに選択的に粉末を分注するように構成され得る。それでも、不要なエリアに一部の粉末が送達される可能性があるが、これにより粉末の使用を低減することが可能になる。幾つかの実装態様では、粉末ディスペンサの横方向解像度は例えばボクセルごとに、バインダ材料ディスペンサの横方向解像度と同じである。

幾つかの実装態様では、機械的ローラ又はブレード４０１を使用して、粉末粒子の薄層１１６を続いて散布及び／又は圧縮する。

層ごとに必要な粉末粒子１１６の量は、規定の層の厚さ、粒子のサイズ、未加工部品のサイズ、及び／又は保持壁、所望の空間解像度、有効な印刷エリア等を含むがこれに限定されない幾つかの要因に基づいて、コントローラ１１１によって決定される。コントローラ１１１は、プリントヘッドの動き及び材料の分注を制御するパターンを識別するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有する。

幾つかの実装態様では、高密度化材料ディスペンサ１０８は、前に散布された粉末粒子層１１６上の選択された位置に高密度化材料１１８を分注する。例えば、高密度化材料は、製造される物体の表面に対応する領域に堆積させることができる。高密度化材料１１８は、幾つかの異なる目的を果たし得る。例えば、高密度化材料１１８は、隣接する粉末粒子１１６間の空間を充填するのに役立ち、これにより、未加工部品の密度、収縮の低下及び剛性が改善され得る。

幾つかの実装態様では、高密度化材料１１８は粒子の粉末であるか、又はそれを含む。上記高密度化粒子１１８は、未加工部品の後処理中に核形成部位として作用し得、より強い結合とより低い焼結温度をもたらす。幾つかの実装態様では、高密度化材料１１８は、粉末粒子１１６の化学組成と同様又は同一の化学組成の粒子を含む。特に、粉末粒子及び高密度化材料の粒子の両方がセラミック粒子であり得る。あるいは、高密度化材料１１８は、高密度化剤及び化学的ドーパントの両方として作用する様々な化学組成の粒子を含み得る。

高密度化材料１１８の粒子は、ナノ粒子であり得る。例えば、粒子は、１０から１０００ｎｍ、例えば、５０から５００ｎｍの平均直径を有し得る。対照的に、粉末粒子１１６は、高密度化材料１１８の粒子の平均直径よりも２倍から１００倍、例えば３倍から５０倍、２倍から１０倍、又は１０倍から２０倍大きい平均直径を有し得る。幾つかの実装態様では、粉末粒子１１０は、１から５００μｍ、例えば、５から５０μｍ、例えば、５μｍから１０μｍの平均直径を有し、高密度化粒子は、例えば、１０ｎｍから１０μｍ、例えば１０ｎｍから１μｍ、例えば１０ｎｍから１００ｎｍの平均直径を有する。

幾つかの実装態様では、高密度化材料１１８は、キャリア流体又はゲルと混合された粒子を含む。例えば、高密度化材料１１８は、ゲル、例えばゾルゲルと混合されたナノ粒子を含み得る。ゾルゲルは、セラミック材料、例えば粉末粒子と同じセラミック材料の前駆体であり得る。別の例として、高密度化材料１１８は、キャリア流体と混合されたナノ粒子を含み得る。あるいは、高密度化材料１１８は、液体であり得る。

幾つかの実装態様では、分注する前に、高密度化粒子１１８をバインダ材料１２０ａと混合させ得る。この場合、単一のディスペンサが、バインダ材料と高密度化粒子の混合物を構築エリア上に送達し得る。

バインダ材料を分注して硬化させる前に、ブレード及び／又はローラを使用して、滑らかで均一な層を得ることができる。ナノスケールの高密度化剤の場合、ブレードとローラの組み合わせを用いて高密度化剤を取り外して押し、層に散布し得る。

幾つかの実装態様では、高密度化粒子１１８は、分注する前にバインダ材料１２０ａと混合され得る。この場合、単一のディスペンサが、バインダ材料と高密度化粒子との混合物を構築エリア上に送達し得る。

粉末粒子１１６及び高密度化粒子１１８の層１３０がプラットフォーム１０２上に散布され、圧縮されると、バインダ材料ディスペンサ１１０が、バインダ材料１２０ａを層１３０上に選択的に配置し得る。

図４Ａに示すように、バインダ材料ディスペンサ１１０は、バインダ材料１２０ａを粉末及び高密度化材料の層１３０上に配置する。

幾つかの実装態様では、バインダ材料ディスペンサ１１０は、インクジェッティング（この場合、バインダ材料は液滴で分注され得る）、ピペッティング、接触転写、インプリント転写等を介してバインダ材料１２０ａを分注し得る。幾つかの実装態様では、バインダ材料１２０ａが粉末粒子１１６間の空間に浸透し得る。幾つかの実装態様では、バインダ材料は液体である。幾つかの実装態様では、バインダ材料は固体であり、この場合、バインダ材料の粒子は、バインダ材料が粉末に浸透するように、粉末よりも小さくなくてはならない。

バインダ材料１２０ａが粉末粒子１１６及び高密度化材料１１８の層１３０上の選択された位置に配置されると、エネルギー送達システム１１０は、バインダ材料１２０ａを粉末粒子１１６とオプションの高密度化粒子１１８の両方の周りで固化、例えば重合させる放射ビーム１２２を送達することができる。これにより、粉末粒子１１６がバインダ材料１２０ａのマトリックス中に保持される。

放射ビーム１２２の例には、電子ビーム、熱放射、ＵＶ放射、ＩＲ放射、単色放射、マイクロ波放射等が含まれるが、これらに限定されない。硬化の結果として、硬化したバインダ材料１２０ｂは、隣接する粉末粒子１１６と１１８を互いに物理的に結合させる接着剤として機能し得る。硬化したバインダ材料１２０ｂは、同じ層内の粒子を結合し、隣接する層の粒子を結合し得る。
幾つかの実装態様では、バインダ材料は、水溶性又は溶媒可溶性になるように配合され得る。幾つかの実装態様では、バインダ材料１２０ａは、熱又はＵＶ硬化性ポリマーであり得る。幾つかの実装態様では、バインダ材料１２０ａは、無色又は特定の色のいずれかであり得る。

粉末粒子１１６、高密度化粒子１１８、バインダ材料１２０ａ、及び放射ビーム１２２を続いて適用すると、遊離した粉末粒子１１６のプールに未加工部品が形成される。

それぞれがそれぞれの粉末を選択的に分注できる複数の粉末ディスペンサを備えた装置では、異なる粉末が異なる領域に提供され得る。

図４Ｂに、分注された粉末、バインダ、及び高密度化材料の層の様々な領域の例を示す。例えば、粉末は、製造される物体の周囲を囲み、そこから分離された保持壁領域４０３に分注され得る。この粉末は、硬化したバインダ材料１２０ｂによって適所に保持されて、保持壁４０３を形成する。保持壁４０３の粉末は、物体の形成に使用される粉末の組成と同じ又は異なる組成であり得る。例えば、未加工部品の粉末が金属粉末である場合、保持壁の粉末はセラミック粉末又はプラスチック粉末であり得る。別の例として、未加工部品の粉末がセラミック粉末である場合、保持壁の粉末はプラスチック粉末であり得る。

保持壁４０３は、製造される未加工部品の層を含む未加工部品領域４０７と、遊離した粉末粒子を含む緩衝領域４０５の両方を囲む。遊離した粉末粒子は、硬化したバインダ材料１２０ｂで囲まれていない粉末粒子であり、横方向の支持を提供して、未加工部品領域の粉末が横方向に滑るのを防止する。緩衝領域４０５の遊離した粉末粒子は、後続の層の粉末粒子を垂直に支持し得る。緩衝領域４０５は、保持壁４０３を未加工部品領域４０７から分離させて、保持壁が部品に結合するのを防止する。この結果、未加工部品は、一旦完成すると、プラットフォーム１０２から容易に取り外すことができる。緩衝領域４０５の粉末は、物体を形成するために使用される粉末の組成と同じ又は異なる組成であり得る。例えば、未加工部品の粉末が金属粉末の場合、緩衝領域の粉末はセラミック粉末又はプラスチック粉末であり得る。別の例として、未加工部品の粉末がセラミック粉末の場合、緩衝領域の粉末はプラスチック粒子であり得る。構築中の部品の構造的剛性を向上させるために、緩衝領域４０５にバインダ材料を選択的に配置することにより、水平の「ブリッジ」又は「テザー構造」が形成され得る。

未加工部品が形成されると、未加工部品はプラットフォーム１０２から取り外され、未結合の粉末粒子１１６は、将来の使用のために付加製造装置１００によってリサイクルされる。次に、未加工部品は、粉末を固体の塊に固化させるために更に処理され、したがって最終製品の密度又は剛性が増加する。未加工部品の後処理の例は、焼結とアニーリングを含むが、これらに限定されない。高密度化粒子１１８の存在により、これらの後処理ステップ中の未加工部品の収縮の度合いが低下する。バインダ材料は、後続の処理中に蒸発又は溶融する可能性がある。

幾つかの実装態様では、粉末ディスペンサ１０６及び高密度化材料ディスペンサ１０８は、それぞれの粒子を選択的に分注するように構成される。

粉末ディスペンサ１０６は、粉末が流れるプラットフォーム１０２の上に吊り下げられた複数のノズルを含み得る。例えば、粉末は重力下で流れるか、又は例えば圧電アクチュエータによって排出され得る。個々のノズルの分注の制御は、空気圧バルブ、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）バルブ、ソレノイドバルブ、及び／又は磁気バルブによって提供され得る。粉末を分注するのに使用可能な他のシステムは、制御可能な開孔を有するローラ、及び複数の制御可能な開孔を有するチューブ内部のオーガを含む。

粉末は、乾燥粉末又は液体懸濁液の粉末、又は材料のスラリー懸濁液であり得る。例えば、圧電プリントヘッドを使用するディスペンサの場合、供給材料は通常、液体懸濁液の粒子である。例えば、ディスペンサは、粉末をキャリア流体、例えば高蒸気圧キャリア、例えばイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、エタノール、又はＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）で送達して、粉末材料層を形成し得る。キャリア流体は、層の焼結ステップの前に蒸発する可能性がある。あるいは、乾式分注機構、例えば、超音波攪拌及び加圧された不活性ガスによって支援されるノズルのアレイを使用して、粒子を分注し得る。

図５Ａに、プラットフォーム１０２に向かって粉末粒子１１６を選択的に分注するように構成された粉末ディスペンサ１０６の例を示す。粉末ディスペンサ１０６は、それぞれが粉末粒子１１６を分注することができる複数の個別に制御可能なマイクロディスペンサ１０６ａを含む。

マイクロディスペンサ１０６ａは、各マイクロディスペンサ１０６ａが粉末粒子１１６を形成されるべき未加工部品の対応するエリアに分注し得るように位置づけされる。マイクロディスペンサ１０６ａの上記配置により、マイクロディスペンサ１０６ａが、粉末ディスペンサ１０６とプラットフォーム１０２との間のＹ軸に沿った相対運動を必要とせずに、Ｙ軸に沿って延在する複数の粉末粒子１１６を一度に選択的に分注することが可能になる。

図５Ｂに、マイクロディスペンサ１０６ａの概略例を示す。例えば、マイクロディスペンサ１０６ａは、ディスペンサの開口部にあるバルブアクチュエータ５０１によって制御され得る。バルブアクチュエータ５０１が開いて、重力下で粉末の流れが起きる。別の例では、マイクロディスペンサ１０６ａは、ディスペンサの開口部にあるマイクロギア５０２によって制御され得る。マイクロギア５０２が回転して、マイクロギア５０２と粉末粒子１１６との間の摩擦により、粉末の流れが引き起こされ得る。

幾つかの実装態様では、マイクロディスペンサ１０６ａの開口部の幾何学的形状は、円形、三角形、細長いスロット、正方形等を含み得る。

粉末ディスペンサ１０６がプラットフォーム１０２を横切って走査すると、マイクロディスペンサ１０６ａが作動して、粉末を構築エリア上に選択的に分注する。例えば、マイクロディスペンサ１０６ａは、粉末ディスペンサ１０６がＸ軸に沿った第１の位置にある間、部品の第１の列のボクセルに沿って第１のセットの粉末粒子１１６を分注するように作動し得、次に、粉末ディスペンサがＸ軸に沿った第２の位置にある間、第１のセットのボクセルからオフセットされた第２の列のボクセルに沿って第２のセットの粉末粒子１１６を分注し得る。粉末ディスペンサ１０６の動きは、粉末の分注中は連続的であり得る、又は粉末ディスペンサは、分注工程間で段階的に移動し得、特定の列のボクセルへの分注中は粉末ディスペンサは静止している状態である。

マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、Ｙ軸に沿って、例えばプラットフォーム１０２と支持体１０４の相対運動の方向に対して垂直な方向に延在する。
幾つかの実装態様では、マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、プラットフォーム１０２の全幅を横切って延在する。支持体１０４は、マイクロディスペンサ１０６ａが、プラットフォーム１０２全体を横切って粉末粒子１１６を選択的に分注し得るように、Ｘ軸に沿って走査する。

幾つかの実装態様では、マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、プラットフォーム１０２の運動方向に沿って、例えばＸ軸に沿って延在する。したがって、マイクロディスペンサ１０６ａは、Ｘ軸に沿って粉末粒子１１６を分注し得る。
この結果、マイクロディスペンサ１０６ａにプラットフォーム１０２の全長を横切って走査させるための、Ｘ軸に沿った支持体１０４とプラットフォーム１０２との間の相対運動のインクリメント数が削減され得る。

幾つかの実装態様では、マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、Ｘ軸とＹ軸の両方に沿って延在する。例えば、マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、マイクロディスペンサ１０６ａが平行な段と列に配置される長方形のアレイを形成し得る。あるいは、マイクロディスペンサ１０６ａの隣接する列は相対的に千鳥状になっている、又はマイクロディスペンサ１０６ａの隣接する段が相対的に千鳥状になっている。

幾つかの実装態様では、マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、Ｘ軸及びＹ軸に沿って延在し、マイクロディスペンサ１０６ａのアレイは、プラットフォーム１０２を横切って延在する。プラットフォーム１０２と支持体１０４の相対運動の間、プラットフォーム１０２はマイクロディスペンサ１０６ａのアレイに対して、構築エリアがマイクロディスペンサ１０６ａのアレイの下になり、マイクロディスペンサ１０６ａが未加工部品の構築エリアの任意の部分に向かって直接分注し得るように、位置づけされる。

幾つかの実装態様では、バインダ材料ディスペンサ１１０及び高密度化材料ディスペンサ１０８は、異なる材料及び分注機構（例えば、バインダ材料ディスペンサは圧電アクチュエータを使用して液体バインダ材料の液滴を射出し得る）にもかかわらず、上記の粉末ディスペンサ１０６と同様のアーキテクチャで構成され得る。

図６に、未加工部品を形成する例示のプロセス６００を示す。例えば、コントローラ１１１を含む装置１００は、プロセス６００を実行し得る。

支持体１０４とプラットフォーム１０２との間に相対運動が生成される（６０２）。例えば、コントローラ１１１によって１又は複数のアクチュエータ１２７ａが相対運動を生成するように作動し得る。相対運動は、プリントヘッドアセンブリ１０３が、粉末粒子１１６、高密度化粒子１１８、及びバインダ粒子１２０が選択的に分注されるターゲット位置に再位置づけされ得るように制御される。

粉末粒子１１６の層がプラットフォーム１０２上に分注される（６０４）。例えば、プリントヘッドアセンブリ１０３は、コントローラ１１１によって、粉末粒子１１６を分注するように作動し得る。図５も参照すると、コントローラ１１１は、マイクロディスペンサ１０６ａがどのように粉末粒子１１６を分注するかを制御し得る。粉末ディスペンサ１０６がプラットフォーム１０２の全幅を横切って延在せず、支持体１０４に対して移動可能である場合、幾つかの実装態様では、工程６０４において、粉末ディスペンサ１０６はＹ軸に沿って走査し、プラットフォーム１０２の全幅に沿って粉末粒子１１６を分注する。

オプションとして、高密度化粒子１１８は、粉末粒子１１６の層上の選択された位置に分注される（６０６）。例えば、高密度化材料ディスペンサ１０８は、コントローラ１１１によって、高密度化粒子を分注するように作動し得る。高密度化材料ディスペンサ１０８がプラットフォーム１０２の全幅を横切って延在せず、支持体１０４に対して移動可能である場合、幾つかの実装態様では、工程６０６において、高密度化材料ディスペンサ１０８はＹ軸に沿って走査して、高密度化粒子１１８をプラットフォーム１０２の全幅に沿って分注する。

バインダ材料１２０は、粉末層−高密度化粒子混合物上の選択された位置に分注される（６０８）。バインダ材料ディスペンサ１１０がプラットフォーム１０２の全幅を横切って延在せず、支持体１０４に対して移動可能である場合、幾つかの実装態様では、工程６０８において、バインダ材料ディスペンサ１１０はＹ軸に沿って走査してバインダ粒子１２０ａをプラットフォーム１０２の幅に沿って分注する。

エネルギー送達システム１１２は、バインダ材料１２０ａを固化させて、粉末粒子がバインダ材料の固化したマトリックス中に保持される層を形成する。例えば、エネルギー送達システムは、液体バインダ材料１２０ｂを硬化させ得る。

コントローラ（コントローラ１１１等）は、デジタル電子回路において、又はコンピュータのソフトウェア、ファームウェア、若しくはハードウェアにおいて、又はそれらの組み合わせにおいて、実装され得る。コントローラは、１又は複数のコンピュータプログラム製品、すなわち、情報キャリアにおいて（例えば、非一過性のマシン可読記憶媒体又は伝播信号において）有形に具現化され、データ処理装置（例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、又は、複数のプロセッサ若しくはコンピュータ）によって実行されるか、又は、かかるデータ処理装置の動作を制御するための、１又は複数のコンピュータプログラムを含み得る。コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、又はコードとしても既知である）は、コンパイラ型又はインタープリタ型の言語を含む、任意の形態のプログラミング言語で書かれ得、かつ、任意の形態で展開され得る（スタンドアロンプログラムとして、又は、モジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくは、演算環境での使用に適したその他のユニットとして、展開されることを含む）。コンピュータプログラムは、１台のコンピュータで実行されるよう、又は、１つの場所の、あるいは複数の場所にわたって分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータで実行されるように展開され得る。

この明細書に記載のプロセス及び論理フローは、１又は複数のプログラマブルプロセッサによって実施され得、このプログラマブルプロセッサは、入力データに対して動作すること、及び出力を生成することによって機能を実施するために、１又は複数のコンピュータプログラムを実行する。プロセス及び論理フローは、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）といった特殊用途の論理回路によって実施され得、かつ、装置が、かかる特殊用途の論理回路として実装されることも可能である。

上述のシステムのコントローラ１１１及びその他の演算デバイス部分は、データオブジェクト（例えば、供給材料が各層として形成されるべきパターンを特定する、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）対応型ファイル）を記憶するための、非一過性のコンピュータ可読媒体を含み得る。例えば、このデータオブジェクトは、ＳＴＬフォーマットのファイル、３Ｄ製造フォーマット（３ＭＦ）のファイル、又は、付加製造ファイルフォーマット（ＡＭＦ）のファイルであることが可能である。例えば、コントローラは、遠隔コンピュータからデータオブジェクトを受信することもある。例えばファームウェア又はソフトウェアによって制御されている、コントローラ１１１のプロセッサは、コンピュータから受信したデータオブジェクトを解釈して、各層を望ましいパターンに堆積させ、かつ／又は硬化させるよう、装置１００の構成要素を制御するために必要な信号のセットを生成し得る。

幾つかの実装態様について説明してきた。それでもなお、様々な改変が行われ得ることが、理解されよう。

粉末粒子１１６の層の各層の厚さ、及び、各ボクセルのサイズは、実装態様ごとに変動し得る。幾つかの実装態様では、プラットフォーム１０２上に分注が行われる時に、各ボクセルは、例えば１０μｍから１ｍｍ、例えば１０μｍ５０μｍ（例えば、１０μｍから３０μｍ、２０μｍから４０μｍ、３０μｍから５０μｍ、約２０μｍ、約３０μｍ、又は約５０μｍ）、又は５０μｍから１ｍｍ（例：５０μｍから３００μｍ、５０μｍから１００μｍ、１００μｍから３００μｍ）の幅を有し得る。この厚さは、例えば、１０μｍから１２５μｍ（例えば、１０μｍから２０μｍ、１０μｍから４０μｍ、４０μｍから８０μｍ、８０μｍから１２５μｍ、約１５μｍ、約２５μｍ、約６０μｍ、又は約１００μｍ）であり得る。

粉末は、金属粒子を含み得る。金属粒子の例は、金属、合金、金属間合金を含む。金属粒子の材料の例は、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、及びこれらの金属の様々な合金又は金属間合金を含む。

粉末は、セラミック粒子を含み得る。セラミック材料の例は、セリア、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又はアルミニウム合金粉末等のこれらの材料の組み合わせといった、金属酸化物を含む。

幾つかの実施態様では、粉末粒子１１６は、１〜５００μｍ、例えば、５μｍ〜５０μｍ、例えば、５μｍ〜１０μｍ、１０μｍ〜１００μｍの平均直径であり得る。

幾つかの例では、１、２、又は３つのプリントヘッドを含む付加製造装置１００が記載されている。あるいは、装置１００は、４つ又はそれ以上のプリントヘッドを含む。各プリントヘッドは、例えば、支持体１０４上に装着される。プリントヘッドはしたがって、プラットフォーム１０２を横切って一単位として移動可能である。幾つかの例では、プリントヘッドは異なる支持体に装着され、互いに独立して移動可能であり得る。ある場合には、装置１００は、走査方向に沿って整列した８つ又はそれ以上のプリントヘッド、例えば８つのプリントヘッド、１２個のプリントヘッド等を含む。

上記の説明では、具体的な詳細とともに多数の例が示されている。しかしながら、これらの例は、これらの特定の詳細に対する制限なしに実施され得ることを理解すべきである。更に、これらの例は互いに組み合わせて使用できることを理解すべきである。

バインダジェッティングを使用して物品を製造することに関して装置を説明してきたが、この装置は、他の粉末ベースの方法による物品の製造にも適合し得る。例えば、
・ 幾つかの実装態様では、高密度化材料ディスペンサ１０８はオプションである。例えば、エネルギー送達システム１１２は、粉末及びバインダ材料のみの層を硬化させる。
・ 幾つかの実装態様では、エネルギー送達システム１１２はオプションである。例えば、バインダ材料１２０は、冷却することにより自己硬化させることができ、追加の放射ビーム１２２は必要ではない。
・ 幾つかの実装態様では、バインダ材料ディスペンサはオプションである。例えば、システムを使用して（未加工部品ではなく）最終部品を製造する場合、１又は複数のディスペンサ１０６によって粉末が送達され得る。エネルギー送達システムを使用して、プラットフォーム上の粉末を溶解させ得る。
・ エネルギー源は、バインダ材料ディスペンサと同じ支持体上ではなく、別個の支持体上にあってもよい。あるいは、エネルギー源は、プラットフォームに対して不動であり、層全体を同時に溶解させるように構成され得る。

したがって、その他の実装態様も特許請求の範囲に含まれる。

Claims (40)

1. 付加製造装置であって、
   プラットフォームと、
   前記プラットフォームの上に位置づけされた１又は複数の支持体と、
   前記プラットフォーム及び前記１又は複数の支持体のうちの少なくとも１つに連結され、前記１又は複数の支持体が前記プラットフォームを横切って走査するように、それらの間に相対運動を生じさせるように構成されたアクチュエータと、
   前記プラットフォームに支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成された第１のディスペンサシステムであって、前記１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられ且つそれと共に移動する第１の粉末ディスペンサを含み、前記第１の粉末を前記構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１のディスペンサシステムと、
   バインダ材料を前記構築エリア上に分注するように構成された第２のディスペンサシステムであって、第１のバインダ材料をボクセルごとに前記構築エリアの最上粉末層に選択的に分注して、粉末及びバインダ材料を有し且つ構築される部品の断面部分に対応するある体積の層を形成するように構成された第１のバインダ材料ディスペンサを含む第２のディスペンサシステムと、
   前記バインダ材料を固化させるために前記プラットフォームに向かって放射線を放出するように構成されたエネルギー源と
   を備える装置。
2. 前記第１の支持体は第１の軸に沿って移動可能であり、前記第１の粉末ディスペンサは、前記粉末を、前記第１の軸に対して非ゼロの角度をなす第２の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の粉末ディスペンサは、前記粉末を、前記第２の軸に沿ってボクセルごとに選択的に分注するように構成される、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記第１の粉末ディスペンサは、領域がボクセルよりも大きい場合に、前記粉末を、前記第２の軸に沿って前記領域ごとに選択的に分注するように構成される、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記第１の粉末ディスペンサは、第１の複数の個別に制御可能なオリフィスを有し、前記第１の複数のオリフィスの各オリフィスは、前記第１の粉末を制御可能に送達するように構成される、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１のバインダ材料ディスペンサ及び前記エネルギー源は、前記１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、前記第２の支持体は第３の軸に沿って移動可能であり、前記第１のバインダ材料ディスペンサは、前記バインダ材料を、前記第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成される、請求項２に記載の装置。
7. 前記第１のディスペンサシステムは複数の第１の粉末ディスペンサを含み、第１の粉末ディスペンサは各々、前記第１の支持体に取り付けられ、前記複数の第１の粉末ディスペンサは前記構築エリアの幅をカバーするように千鳥状のパターンで配置される、請求項１に記載の装置。
8. 製造される物体の層において前記バインダ材料を固化させるパターンを識別するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有するコントローラを備え、前記コントローラは、前記層に対して、
   前記アクチュエータに、前記支持体と前記プラットフォームとの間に相対運動を生じさせ、
   前記第１のディスペンサシステムに、前記支持体が前記プラットフォームを横切って走査するときに、構築される部品の断面部分を包含する領域に粉末層を分注させ、
   前記第２のディスペンサシステムに、前記データオブジェクトに基づく前記パターンで粉末層上にバインダ材料層を分注させて、前記構築される部品の断面に対応する粉末とバインダ材料との結合層を提供させ、
   前記パターンに従って前記結合層の前記バインダ材料を固化させるために前記エネルギー源を制御する
   ように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記エネルギー源が、最上層に沿ってストライプを照射するように構成された光源を含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記プラットフォーム、前記１又は複数の支持体、前記第１のディスペンサシステム、前記第２のディスペンサシステム及び前記エネルギー源を封入するチャンバを形成する密閉されたハウジングを備える、請求項１に記載の装置。
11. 付加製造装置であって、
    プラットフォームと、
    前記プラットフォームの上に位置づけされた１又は複数の支持体と、
    前記プラットフォーム及び前記１又は複数の支持体のうちの少なくとも１つに連結され、前記１又は複数の支持体が前記プラットフォームを横切って走査するように、それらの間に相対運動を生じさせるように構成されたアクチュエータと、
    前記プラットフォームに支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成された第１のディスペンサシステムであって、前記１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、第１の粉末を前記構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１の粉末ディスペンサを含む、第１のディスペンサシステムと、
    バインダ材料を前記構築エリア上に分注するように構成された第２のディスペンサシステムであって、第１のバインダ材料をボクセルごとに前記構築エリアの最上粉末層に選択的に分注して、粉末及びバインダ材料を有し且つ構築される部品の断面部分に対応するある体積の層を形成するように構成された第１のバインダ材料ディスペンサを含む、第２のディスペンサシステムと、
    高密度化材料を前記粉末層又は粉末とバインダ材料の結合層に送達するように構成された第３の分注システムと、
    前記バインダ材料を固化させるために、前記プラットフォームに向かって放射線を放出するように構成されたエネルギー源と
    を備える装置。
12. 前記高密度化材料が、第１の粉末の粒子よりも小さい平均直径を有する粒子を含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記高密度化材料の粒子は、前記第１の粉末の粒子と同じ組成を有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記高密度化材料は、内部に分散されたナノ粒子を有するゾルゲルを含む、請求項１２に記載の装置。
15. 前記ゾルゲルが、前記第１の粉末と同じ組成のセラミックの前駆体を含む、請求項１４に記載の装置。
16. 第１の高密度化剤ディスペンサが、前記第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動する、請求項１に記載の装置。
17. 第１の高密度化剤ディスペンサは、前記１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、前記第２の支持体は第３の軸に沿って移動可能であり、前記第１の高密度化剤ディスペンサは、高密度化材料を、前記第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って帯状に選択的に分注するように構成される、請求項１に記載の装置。
18. 第３のディスペンサシステムが、高密度化材料を前記構築エリア上に選択的に分注するように構成された第２の高密度化剤ディスペンサを含む、請求項１に記載の装置。
19. 第１の高密度化剤ディスペンサ及び第２の高密度化剤ディスペンサは前記第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動する、前記第１の高密度化剤ディスペンサは前記１又は複数の支持体の第２の支持体に取り付けられてそれと共に移動する、前記第２の高密度化剤ディスペンサは第３の支持体に取り付けられてそれと共に移動する、又は第１のバインダディスペンサと前記エネルギー源は前記１又は複数の支持体の第４の支持体に取り付けられてそれと共に移動する、請求項１５に記載の装置。
20. 付加製造装置であって、
    プラットフォームと、
    前記プラットフォームの上に位置づけされた１又は複数の支持体と、
    前記プラットフォーム及び前記１又は複数の支持体のうちの少なくとも１つに連結され、前記１又は複数の支持体が前記プラットフォームを横切って走査するように、それらの間に相対運動を生じさせるように構成されたアクチュエータと、
    前記プラットフォームに支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成された第１のディスペンサシステムであって、前記１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動し、第１の粉末を前記構築エリア上に選択的に分注するように構成された第１の粉末ディスペンサを含む、第１のディスペンサシステムと、
    バインダ材料を前記構築エリア上に分注するように構成された第２のディスペンサシステムであって、第１のバインダ材料をボクセルごとに前記構築エリアの最上粉末層に選択的に分注して、粉末及びバインダ材料を有し且つ構築される部品の断面部分に対応するある体積の層を形成するように構成された第１のバインダ材料ディスペンサを含み、前記第１のバインダ材料は高密度化材料を含む、第２のディスペンサシステムと、
    前記バインダ材料を固化させるために前記プラットフォームに向かって放射線を放出するように構成されたエネルギー源と
    を備える装置。
21. 付加製造装置であって、
    プラットフォームと、
    前記プラットフォームの上に位置づけされた１又は複数の支持体と、
    前記プラットフォーム及び前記１又は複数の支持体のうちの少なくとも１つに連結され、前記１又は複数の支持体が前記プラットフォームを横切って走査するように、それらの間に相対運動を生じさせるように構成されたアクチュエータと、
    前記プラットフォームに支持された構築エリア上に複数の連続する粉末層を分注するように構成された第１のディスペンサシステムであって、
    前記１又は複数の支持体の第１の支持体に取り付けられてそれと共に移動する第１の粉末ディスペンサであって、第１の粉末を前記構築エリアに選択的に分注するように構成された第１の粉末ディスペンサと、
    第２の粉末を前記構築エリア上に選択的に分注するように構成された第２の粉末ディスペンサと
    を含む第１のディスペンサシステムと、
    バインダ材料を前記構築エリア上に分注するように構成された第２のディスペンサシステムであって、第１のバインダ材料をボクセルごとに前記構築エリアの最上粉末層に選択的に分注して、粉末及びバインダ材料を有し且つ構築される部品の断面部分に対応するある体積の層を形成するように構成された第１のバインダ材料ディスペンサを含む、第２のディスペンサシステムと、
    前記バインダ材料を固化させるために前記プラットフォームに向かって放射線を放出するように構成されたエネルギー源と
    を備える装置。
22. 前記第１の粉末ディスペンサは、第１の複数の個別に制御可能なオリフィスを含み、前記第１の粉末ディスペンサの第１の複数のオリフィスの各オリフィスは、前記第１の粉末を制御可能に送達するように構成され、第２の粉末ディスペンサは、第２の複数の個別に制御可能なオリフィスを含み、前記第２の粉末ディスペンサの第２の複数のオリフィスの各オリフィスは、前記第２の粉末を制御可能に送達するように構成される、請求項２１に記載の装置。
23. 製造される物体の少なくとも１つの層に対応するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有するコントローラを備え、前記コントローラは、
    前記第１のディスペンサシステムに、前記第１の粉末を前記製造される物体に対応する領域に分注させ、
    第４のディスペンサシステムに、前記第２の粉末を前記製造される物体に対応しない領域に分注させる
    ように構成される、請求項２１に記載の装置。
24. 前記第１の粉末が金属粒子を含み、前記第２の粉末がセラミック粒子を含む、又は前記第１の粉末が金属又はセラミック粒子を含み、前記第２の粉末がプラスチック粒子を含む、請求項２３に記載の装置。
25. 前記コントローラは、前記第１のディスペンサシステムに、バインダ材料を前記第１の粉末のみに分注させるように構成される、請求項２４に記載の装置。
26. 前記コントローラは、前記第１のディスペンサシステムに、バインダ材料を前記第１の粉末及び前記第２の粉末の両方に分注させるように構成される、請求項２４に記載の装置。
27. 製造される物体の少なくとも１つの層に対応するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有するコントローラを備え、前記コントローラは、
    前記第１のディスペンサシステムに、前記第１の粉末を前記製造される物体に対応する第１の領域に分注させ、
    第４のディスペンサシステムに、前記第２の粉末を前記第１の領域の一部に分注させる
    ように構成される、請求項２１に記載の装置。
28. 前記第２のディスペンサシステムは、前記バインダ材料を分注するための第２のバインダ材料ディスペンサを含む、請求項２１に記載の装置。
29. 前記第１の粉末ディスペンサ、第１のバインダ材料ディスペンサ、エネルギー源、第２のバインダ材料ディスペンサ及び第２の粉末ディスペンサは、前記支持体を横切る前記第１の粉末ディスペンサの運動方向に沿って前述の順序で配置される、請求項２８に記載の装置。
30. 製造される物体の連続する層において前記バインダ材料を固化させるパターンを識別するデータオブジェクトを記憶するように構成されたメモリを有するコントローラを備え、前記コントローラは、
    前記第１の粉末ディスペンサが第１の軸に沿って第１の方向に移動するときに、前記第１の粉末ディスペンサに第１の粉末層を分注させ、
    前記第１のバインダ材料ディスペンサが前記第１の軸に沿って前記第１の方向に移動するときに、第１のバインダディスペンサに第１のバインダ材料層を第１の粉末層上に分注させて、粉末とバインダ材料の第１の結合層を提供させ、
    前記パターンに従って前記第１の結合層の前記バインダ材料を固化させるために、前記エネルギー源を制御し、
    前記第２の粉末ディスペンサが前記第１の軸に沿って前記第１の方向と反対の第２の方向に移動するときに、前記第２のディスペンサシステムに第２の粉末層を分注させ、
    第２のバインダディスペンサが前記第２の方向に移動するときに、前記第２のバインダディスペンサに第２のバインダ材料層を第２の粉末層上に分注させて、粉末とバインダ材料の第２の結合層を提供させ、
    前記パターンに従って前記第２の結合層の前記バインダ材料を固化させるために、前記エネルギー源を制御する
    ように構成される、請求項２９に記載の装置。
31. 付加製造によって物体を製造する方法であって、
    各層に対し、
    プラットフォームの構築エリア上に粉末層を選択的に分注することであって、選択的分注は全構築エリアより少ない範囲をカバーする、プラットフォームの構築エリア上に粉末層を選択的に分注することと、
    粉末とバインダ材料の結合層を形成するために、バインダ材料を前記粉末層上に選択的に分注することと、
    前記バインダ材料を固化させて、固化した前記バインダ材料によって前記粉末が保持されている未加工部品の複数の層のうちの１つの層を形成するために、前記プラットフォームに向かって放射線を方向づけすることと、
    前記粉末を溶解して固体の塊にするために、前記未加工部品を処理することと
    によって、未加工部品の複数の層を連続的に形成することにより、前記未加工部品を形成すること
    を含む方法。
32. 前記未加工部品を処理することは、アニーリング、焼結、及び／又は熱間静水圧プレスのうちの１又は複数を含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記粉末層を選択的に分注することは、粉末ディスペンサが第１の軸に沿って移動する間に、前記粉末ディスペンサの複数の個別に制御可能なノズルから粉末を分注することを含み、前記ノズルは前記第１の軸に対して非ゼロの角度をなす第２の軸に沿って配置される、請求項３１に記載の方法。
34. 前記バインダ材料を選択的に分注することは、バインダ材料ディスペンサが第３の軸に沿って移動する間、前記バインダ材料ディスペンサの複数の個別に制御可能なノズルからバインダ材料を分注することを含み、前記ノズルは前記第３の軸に対して非ゼロの角度をなす第４の軸に沿って配置される、請求項３３に記載の方法。
35. 前記プラットフォームに向けて放射線を方向づけすることが、前記第４の軸に平行なストライプに沿ってエネルギーを送達することを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 層の処理中に、前記第３の軸と前記放射線のストライプとの間に一定距離を維持することを含む、請求項３５に記載の方法。
37. 前記粉末層を選択的に分注することは、部品によってカバーされる断面積の周囲を決定することと、前記断面積の周囲を囲む緩衝ゾーンを決定することと、前記断面積及び前記緩衝ゾーンと重なる領域に粉末を分注することとを含む、請求項１に記載の方法。
38. 前記粉末層を選択的に分注することは、前記緩衝ゾーンを囲む保持壁領域を決定することと、前記断面積、前記緩衝ゾーン及び保持リングエリアと重なる領域に粉末を分注することとを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記緩衝ゾーンにはバインダ材料を分注しないことを含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記保持リングエリアと重なる領域の外側には前記粉末を分注しないことを含む、請求項３９に記載の方法。

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