JP2021525314A - 付加製造のためのエアナイフ - Google Patents

Abstract

付加製造装置は、プラットフォームと、プラットフォーム上に供給材料の複数の連続層を送達するように構成されたディスペンサと、プラットフォーム上で層内の供給材料を選択的に融合させるための少なくとも一つのエネルギー源と、エアナイフ供給ユニットとを含む。エアナイフ供給ユニットは、その長さに沿って間隔を空けて配置された複数の孔を有するチューブと、チューブ内に位置決めされた多溝螺旋ネジと、チューブの端部にガスを供給するように構成されたガス入口であって、ネジがガス入口からチューブを通して孔にガスを導くように構成されているガス入口と、孔からガスを受け取る内端及びガスをプラットフォーム上に送達する外端を含む、チューブを取り囲む螺旋プレナムとを含む。【選択図】図３Ａ

Description

関連出願のクロスレファレンス
本出願は、２０１８年６月１日に出願された米国仮出願第６２／６７９，６２２号の優先権を主張する。

技術分野
本開示は、３Ｄ印刷としても知られる付加製造のためのエアナイフに関する。

固体自由形状製造又は３Ｄ印刷としても知られる付加製造（ＡＭ）は、原材料（例えば、粉末、液体、懸濁液、又は溶融固体）を連続的に分注して二次元の層を形成することから３次元の物体を作り上げる製造プロセスを指す。対照的に、従来の機械加工技法には、在庫材料（例えば、木材、プラスチック、複合材、又は金属の塊）から物体を切り出すサブトラクティブ法が含まれる。

付加製造には、様々な積層プロセスを用いることができる。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）、又は熱融合積層法（ＦＤＭ）といったいくつかの方法では、層を作り出すために材料を融解又は軟化させ、他の方法では、光造形法（ＳＬＡ）といった異なる技法を用いて液体材料を硬化させる。これらのプロセスは、完成物をつくり出すために層を形成する方法、及びそのプロセスに使用するために互換可能な材料について様々であり得る。

付加製造のいくつかの形態では、粉末がプラットフォーム上に配置され、レーザビームが粉末上にパターンをトレースして粉末をまとめて融合させて形状を形成する。形状が形成されたら、プラットフォームを下降させ、粉末の新しい層を加える。このプロセスは、部品が完全に形成されるまで繰り返される。

一態様において、付加製造装置は、プラットフォームと、プラットフォーム上に供給材料の複数の連続層を送達するように構成されたディスペンサと、プラットフォーム上で層内の供給材料を選択的に融合させるための少なくとも一つのエネルギー源と、エアナイフ供給ユニットとを含む。エアナイフ供給ユニットは、その長さに沿って間隔を空けて配置された複数の孔を有するチューブと、チューブ内に位置決めされた多溝螺旋ネジと、チューブの端部にガスを供給するように構成されたガス入口であって、ネジがガス入口からチューブを通して孔にガスを導くように構成されているガス入口と、孔からガスを受け取る内端及びガスをプラットフォーム上に送達する外端を有するチューブを取り囲む螺旋プレナムとを含む。

実装態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。

螺旋プレナムの外端にノズルプレートを配置することができる。ノズルプレートは、複数の水平に延びるスロット又は孔を含み得る。螺旋プレナムの出力端は、プラットフォームの上面に平行な層流にガスを放出するように構成することができる。エアナイフ排気ユニットは、その長さに沿って間隔を空けて配置された第２の複数の孔を有する第２のチューブと、第２のチューブ内に位置決めされた第２の多溝螺旋ネジと、第２のチューブの端部でガスを受け取るように構成されたガス出口であって、多溝が孔から第２のチューブのガス出口にガスを導くように第２のネジが構成されているガス出口と、第２のチューブを取り囲む第２の螺旋プレナムであって、プラットフォーム上からガスを受け取る外端及びガスを孔に送出する内端を含む第２の螺旋プレナムとを備えることができる。

本開示に記載される主題の特定の実装態様は、以下の利点のうちの一つ又は複数を実現するように実装することができる。ガスは、ビルドプレートを横切って且つビルドプレートに垂直なｚ軸に沿って、均一な速度で粉末ベッドを横切って流れることができる。ガスは、金属蒸気によって誘導されるスパッタを運び去るのに十分な流速、例えば１ｍ／秒から５ｍ／秒の流速を有することができる。これは、製造される部品内の望ましくない含有物を減少させ、部品の性能を向上させることができる。

一つ又は複数の実装態様の詳細は、添付の図面及び記載に規定される。主題の他の特徴、態様、及び利点は、記載、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

例示的な付加製造装置の概略側面図である。 付加製造装置のプリントヘッドの概略側面図である。 付加製造装置のプリントヘッドの概略上面図である。 付加製造装置の一部分の概略側断面図である。 図３Ａの付加製造装置の部分の概略前断面図である。 付加製造装置のエアナイフの概略斜視図兼部分断面図である。 エアナイフの概略側断面図である。 エアナイフの概略拡大斜視図である。 エアナイフの一部の構成要素の概略斜視図兼部分断面図である。 エアナイフの一部の構成要素の概略斜視図兼部分断面図である。 エアナイフの一部の構成要素の概略斜視図である。 粉末融合アセンブリのガス供給ユニット及び排気ユニットの概略断面図である。

様々な図面における同様の参照番号及び記号表示は、同様の要素を示す。

多くの付加製造プロセスでは、供給材料をパターンに融合させ、それによって物体の一部分を形成するために、付加製造装置によって分配される供給材料、例えば粉末の層に、エネルギーが選択的に送達される。例えば、光線、例えばレーザビームは、ガルボスキャナ又は回転ポリゴンスキャナで反射されて、供給材料の層を横切る経路内に光線を駆動することができる。この融合プロセスの間、粉末が融合される際に蒸気を発生させることができる。例えば、供給材料が金属粉末である場合、金属粉末に捕捉された蒸気は、金属が溶融するときに放出され得る。加えて、液体金属自体の一部分を気化させることもできるであろう。この蒸気は、スパッタを発生させることができる。例えば、金属の溶融プールの液体部分は、蒸気が金属から沸騰するときに排出させることができ、粉末粒子は、同様に、液体金属から逃げる蒸気によって粉末層から吹き飛ばすことができ、気化した金属は、沈殿して液体を形成することができる。このスパッタは、部品の周囲領域を汚染する可能性があり、その結果、望ましくない含有物が生じ、それが物体の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

スパッタを低減する一つの技術は、「エアナイフ」を使用して、蒸気及び／又はスパッタを層から吹き飛ばし、よって汚染の可能性を低減することである。しかしながら、ナイフからの空気流が不均一であると、スパッタの軽減が非効率となり得る。以下に記載される特徴の一部又は全部を有するエアナイフは、ビルドプレートを横切る空気流の均一性を改善することができる。

付加製造装置
図１は、プリントヘッド１０２及びビルドプラットフォーム１０４（例えば、ビルドステージ）を含む例示的な付加製造（ＡＭ）装置１００の概略側面図である。プリントヘッド１０２は、プラットフォーム１０４の上面１０５上に一つ又は複数の粉末の層を分配する。粉末の層を繰り返し分配及び融合させることによって、装置１００は、プラットフォーム上に部品を形成することができる。

プリントヘッド１０２及びビルドプラットフォーム１０４の両方は、制御された動作環境を提供する密閉されたチャンバ１３６、例えば真空チャンバを形成するハウジング１３０内に封入することができる。チャンバ１３６は、ガス源に連結された入口１３２と、排気システム、例えばポンプに連結された出口１３４とを含むことができる。ガス源は、例えば、不活性ガス、例えばＡｒ、又は粉末が溶融又は焼結するために到達する温度で非反応性であるガス、例えばＮ２を提供することができる。これにより、ハウジング１３０の内部の圧力及び酸素含有量の制御が可能となる。例えば、酸素ガスは、０．０１気圧未満の分圧に維持することができる。

チャンバ１３６は、完全真空適合システムを構築するコスト及び複雑性を回避するために、大気圧（ただし、１％未満の酸素）に維持することができる。圧力が１気圧であるとき、例えばＴｉ粉末粒子を処理するとき、酸素含有量は５０ｐｐｍ未満とすることができる。バルブ１３８、例えばスリットバルブを通してアクセス可能なロードロックチャンバを用いて、チャンバ１３６を外部環境から分離しながら、部品、例えば加工対象物を含むビルドプラットフォームをチャンバから取り外すことができる。例えば、ビルドプラットフォーム１０４は、軌道１３９、例えばレール上で可動とすることができる。

図１及び２Ｂでは、プリントヘッド１０２は、プラットフォーム１０４を横切るように構成されている（矢印Ａで示す）。例えば、装置１００は、支持体、例えば線形レール又は一対の線形レール１１９を含むことができ、これに沿ってプリントヘッドは線形アクチュエータ及び／又はモータにより移動することができる。これで、プリントヘッド１０２が、第１の水平軸に沿ってプラットフォーム１０４を横切って移動することが可能となる。いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２は、第１の軸に垂直な第２の水平軸に沿って移動することもできる。

プリントヘッド１０２はまた、垂直軸に沿って可動とすることができる。特に、各層が融合された後、プリントヘッド１０２は、粉末の堆積層１１０の厚さに等しい量だけ持ち上げることができる。これにより、プリントヘッド上のディスペンサとプラットフォーム１０４上の粉末の頂部との高さの差を一定に維持することができる。駆動機構、例えば、ピストン又は線形アクチュエータを、プリントヘッド又はプリントヘッドを保持する支持体に接続して支持してプリントヘッドの高さを制御することができる。代替的に、プリントヘッド１０２は、固定された垂直位置に保持することができ、プラットフォーム１０４は、各層が堆積された後で下降させることができる。

図２Ａ及び２Ｂにおいて、プリントヘッド１０２は、ビルドプラットフォーム１０４上に、例えばビルドプラットフォーム１０４上に直接、又は以前に堆積された層上に、粉末１０６の層１１０を選択的に分配する少なくとも第１のディスペンサ１１２を含む。図２Ａに示される実装態様では、第１のディスペンサ１１２は、粉末１０６を受け取るホッパ１１２ａを含む。粉末１０６は、粉末がプラットフォーム１０４上に分配されるかどうかを制御する制御可能な開孔、例えばバルブを有するチャネル１１２ｂを通って移動することができる。いくつかの実装態様では、第１のディスペンサ１１２は、進行方向Ａに垂直なラインに沿って粉末を制御可能に送達することができるように、独立して制御可能な複数の開孔を含む。

任意で、プリントヘッド１０２は、堆積された粉末の温度を上昇させるためのヒータ１１４を含むことができる。ヒータ１１４は、堆積された粉末をその焼結温度又は融解温度より低い温度まで加熱することができる。ヒータ１１４は、例えば、ヒートランプアレイとすることができる。ヒータ１１４は、プリントヘッド１０２の前進方向に対して、第１のディスペンサ１１２の後方に位置させることができる。プリントヘッド１０２が前進すると、ヒータ１１４は、第１のディスペンサ１１２が以前に位置していたエリアを横切って移動する。

任意で、プリントヘッド１０２は、第１の分配システム１１２と協働して、第１のディスペンサ１１２によって分配された粉末を圧縮して広げる第１のスプレッダ１１６、例えばローラ又はブレードを含むこともできる。第１のスプレッダ１１６は、実質的に均一な厚さを有する層を提供することができる。くつかの事例では、第１のスプレッダ１１６は、粉末の層をプレスして粉末を圧縮することができる。

プリントヘッド１０２はまた、任意で、粉末が分配システム１１２によって分配される前に及び／又は後で層の特性を検出する第１の感知システム１１８及び／又は第２の感知システム１２０を含むことができる。

いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２は、第２の粉末１０８を分配するための第２のディスペンサ１２２を含む。第２のディスペンサ１２２は、存在する場合、ホッパ１２２ａ及びチャネル１２２ｂと同様に構築することができる。第２のスプレッダ１２６は、第２のディスペンサ１２２と共に動作し、第２の粉末１０８を広げて圧縮することができる。第２のヒータ１２４は、プリントヘッド１０２の前進方向に対して、第２のディスペンサ１２２の後方に位置させることができる。

第１の粉末粒子１０６は、第２の粉末粒子１０８よりも大きい平均直径、例えば２倍以上の平均直径を有することができる。第２の粉末粒子１０８が第１の粉末粒子１０６の層の上に分配されると、第２の粉末粒子１０８は第１の粉末粒子１０６の層に浸透して第１の粉末粒子１０６間のボイドを埋める。第２の粉末粒子１０８は、第１の粉末粒子１０６より小さく、より高い解像度、より高い予備焼結密度、及び／又はより高い圧縮速度を達成することができる。

代替的に又は追加的に、装置１００が二種類の粉末を含む場合、第１の粉末粒子１０６は、第２の粉末粒子とは異なる焼結温度を有することができる。例えば、第１の粉末は、第２の粉末より低い焼結温度を有することができる。そのような実装態様では、エネルギー源１１４を使用して、粉末の層全体を、第１の粒子は融合するが第２の粉末は融合しないような温度に加熱することができる。

複数の種類の粉末が使用される実装態様では、第１及び第２のディスペンサ１１２、１２２は、形成される物体の部分の解像度要件に応じて、第１及び第２の粉末粒子１０６、１０８を異なる選択エリアへと送達することができる。

金属粒子の例には、金属、合金及び金属間合金が含まれる。金属粒子の材料の例には、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が含まれる。セラミック材料の例には、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、又はこれらの材料の組み合わせといった金属酸化物が含まれる。

二つの異なる種類の粉末を用いる実装態様において、いくつかの事例では、第１及び第２の粉末粒子１０６、１０８は、異なる材料から形成することができ、他の事例では、第１及び第２の粉末粒子１０６、１０８は、同じ材料組成物を有する。装置１００を動作させて金属物体を形成し、二種類の粉末を分配する一実施例では、第１及び第２の粉末粒子１０６、１０８は、金属合金又は金属間材料を形成するために組み合わされる組成を有することができる。

金属及びセラミックの付加製造のための処理条件は、プラスチック用の処理条件とは著しく異なる。例えば、一般に、金属及びセラミックは、有意により高い処理温度を必要とする。したがって、プラスチック用の３Ｄ印刷の技法は、金属又はセラミックの処理には適用できない場合があり、装置も同等ではない場合がある。しかしながら、ここで述べるいくつかの技法は、ポリマー粉末、例えばナイロン、ＡＢＳ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）及びポリスチレンに適用することができた。

再び図１を参照すると、装置１００は、ビルドプラットフォーム１０４を横切って平行移動することのできる粉末融合アセンブリ１４０も含んでいる。粉末融合アセンブリ１４０は、プラットフォーム１０４上の粉末の最上層に向かって方向付けけられ、プラットフォーム１０４上での粉末の層の融合に少なくとも使用することができ且つ少なくとも一つの光線１５２を生成することのできる少なくとも一つのエネルギー送達システム１５０を含む。光線１５２及び／又は別の光線は、粉末の層の予熱及び／又は熱処理のために使用することができる。

粉末融合アセンブリ１４０は、粉末の層を横切るガスの流れ（矢印２０６によって示される）を生成するためのエアナイフ２００も含む。このガス２０６の流れは、光線１５２による粉末の融合によって引き起こされるスパッタを減少させるのに役立つ。

上述のように、粉末融合アセンブリ１４０は、ビルドプラットフォーム１０４を横切って平行移動することができる。例えば、装置１００は、支持体、例えば線形レール又は一対の線形レール１４９を含むことができ、これに沿って粉末融合アセンブリ１４０を線形アクチュエータ及び／又はモータによって移動させることができる。いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２及び粉末融合アセンブリ１４０は、独立して移動可能である。いくつかの実装態様では、粉末融合アセンブリ１４０は、プリントヘッド１０２と同じ方向（例えば、矢印Ａによって示される）に沿って平行移動することができる。代替的に、粉末融合アセンブリ１４０は、プリントヘッドによって移動する方向に垂直な水平方向に沿って平行移動することができる。

いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２及び粉末融合アセンブリ１４０は、同じ支持体、例えば線形レール又は一対の線形レール１１９によって支持され、且つその上で移動可能である。いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２と粉末融合アセンブリ１４０とは、互いに対して固定された位置で物理的に接続される（図２Ｂ参照）。この場合、プリントヘッド１０２及び粉末融合アセンブリ１４０は、例えば同じアクチュエータ又はモータによって一緒に移動する。

いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２と粉末融合アセンブリ１４０とは、両方が一緒に上下に可動であるように、同じ垂直アクチュエータに機械的に連結される。これにより、ディスペンサ（複数可）と粉末融合アセンブリの任意のビームスキャナは（複数可）とは、粉末の最上層から層ごとに一定の距離を維持することができる。

図１及び３Ａでは、粉末融合アセンブリ１４０は、様々な構成要素、例えば、エネルギー送達システム１５０及びエアナイフ２００の構成要素が固定されるフレーム１４２を含むことができる。いくつかの実装態様では、プリントヘッド１０２はフレーム１４２に固定される。図１及び図３Ａは、閉じたハウジングとしてフレーム１４２を示しているが、これは必要ではなく、フレームは、単純に、ハウジング１３０内部に位置する開放フレームワークとしてもよい。

粉末融合アセンブリ１４０は、ビルドプラットフォーム１０４の表面１０５からエネルギー送達システム１５０の光学構成要素まで延びる開放容積１４４を含む。開放容積１４４は、エネルギー送達システム１５０の視野１５４、即ち、光線１５２が掃引して粉末の層１１０を走査することができる領域を少なくとも包含する。エアナイフ２００は、ビルドプラットフォーム１０４上の層１１０に隣接する開放容積１４４の部分１４６を横切るガス２０６の流れを生成するように構成される。

エネルギー送達システム１５０は、少なくとも一つの光線１５２を生成するための少なくとも一つの光源と、粉末の層１１０の上で光線１５２を走査するための少なくとも一つのリフレクタアセンブリとを含む。

いくつかの実装態様では、少なくとも一つのリフレクタアセンブリは、最上層上の実質的に直線的な経路に沿って光線を走査するように構成される。特に、各掃引は、方向Ｂに沿った粉末層上の線形経路とすることができる（図３Ｂ参照）。方向Ｂは、粉末融合アセンブリ１４０の移動方向Ａに対して垂直にすることができる（例えば、図１及び３Ａに示されるページの中へ又はそこから外に）か、又はディスペンサ１０２の移動方向Ａと平行とすることができる。

いくつかの実装態様では、少なくとも一つのリフレクタアセンブリは、Ａ方向及びＢ方向の両方への任意の経路に沿って光線を走査するように構成され、例えば、上記の実装態様とは異なり、光線は、線形経路に沿って移動するように制限されない。

図３Ｂに示すように、いくつかの実装態様では、エネルギー送達システム１５０は、第１ビーム走査システム１６０、第２ビーム走査システム１７０、及び第３ビーム走査システム１８０を含む。三つのビーム走査システム１６０、１７０、１８０は、それぞれ三つの光線１６２、１７２、１８２を発生させ、これらの光線は、それぞれ、第１の多角形ミラースキャナ１６６、及び第２の多角形ミラースキャナ１７６、及びデュアルボガルミラースキャナ１８６によって粉末の層１１０の上で走査される。光線１５２は、光線１６２、１７２、１８２のいずれによっても提供することができ、リフレクタアセンブリは、それぞれ、第１の多角形ミラースキャナ１６６、第２の多角形ミラースキャナ１７６、又はデュアルボガルミラースキャナ１８６のいずれかを含むことができる。各ビーム走査システム１６０、１７０、１８０は、粉末融合アセンブリ１４０のフレーム１４２に固定されて、それと共に移動することができる。

第１のビーム走査システム１６０は、第１の光源１６８、例えばレーザを含み、第１の光線１６２、例えばレーザビームを生成することができる。第１の光源１６２は、発光ダイオード、例えば、４００〜４５０ｎｍの青色発光ダイオード、レーザ、例えば、５００〜５４０ｎｍの第２の高調波レーザ、又は別の適切な光源とすることができる。第１の多角形ビームスキャナ１６６は、第１の光線１６２の経路内に位置決めされて、第１の光線１６２をプラットフォーム１０４に向けて反射させる。第１の多角形ビームスキャナ１６６は、例えば正多角形の形状の複数の反射ファセットを有するミラーを含む。多角形の回転は、第１の光線１６２がプラットフォーム１０４上の経路に沿って掃引するように、各ファセットを移動させる。多角形の回転軸は、経路に沿った第１の光線の進行方向Ｂに対して垂直とすることができる。

第１の光線１６２が経路に沿って掃引する際、粉末の層１１０の選択されたエリアにエネルギーを送達するために、例えば、第１の光源１６８に第１の光線１６２をオン／オフさせることによって、第１の光線１６２を変調することができる。粉末融合アセンブリ１４０とプラットフォーム１０４との相対運動と関連して、第１の光線１６２による経路に沿った線形掃引のシーケンスは、最上層１１０を横切る光線１６２のラスタ走査を生成することができる。

第２のビーム走査システム１７０は、第２の光源１７８、例えばレーザビームを含み、第２の光線１７２、例えばレーザビームを生成することができる。第２の光源１７２は、発光ダイオード、例えば、４００〜４５０ｎｍの青色発光ダイオード、レーザ、例えば、５００〜５４０ｎｍの第２の高調波レーザ、又は別の適切な光源とすることができる。第２の多角形ビームスキャナ１７６は、第２の光線１７２の経路内に位置決めされて、第２の光線１７２をプラットフォーム１０４に向けて反射させる。第２の多角形ビームスキャナ１７６は、例えば正多角形の形状の複数の反射ファセットを有するミラーを含む。多角形の回転は、第２の光線１７２がプラットフォーム１０４上の経路に沿って掃引するように、各ファセットを移動させる。多角形の回転軸は、経路に沿った第２の光線の進行方向Ｂに対して垂直とすることができる。

第２の光線１７２が経路に沿って掃引する際、粉末の層１１０の選択されたエリアにエネルギーを送達するために、例えば、第２の光源１７８に第１の光線１７２をオン／オフさせることによって、第２の光線１７２を変調することができる。粉末融合アセンブリ１４０とプラットフォーム１０４との相対運動と関連して、第２の光線１７２による経路に沿った掃引のシーケンスは、最上層１１０を横切る第２の光線１７２のラスタ走査を生成することができる。

任意で、第１の光線１６２及び／又は第２の光線１７２は、一つ又は複数の集束レンズを通過することができる。集束レンズは、それぞれの多角形ビームスキャナの前及び／又は後に位置決めすることができる。

いくつかの実装態様では、第１のビーム走査システム１６０の視野１６４は、プラットフォーム１０４上のビルドエリアの幅の少なくとも半分をカバーし、第２のビーム走査システム１７０の視野１７４は、プラットフォーム１０４上のビルドエリアの幅の少なくとも他の半分をカバーする（幅はＢ方向に沿っている）。いくつかの実装態様では、フィールド１６４及びフィールド１７４は、例えば、約２５％以下、例えば、１０％以下だけ部分的に重なり合う。

いくつかの実装態様では、第１の光線１６２のフィールド１６４及び第２の光線１７２のフィールド１７４の各々は、プラットフォーム１０４上のビルドエリアの幅全体をカバーする。

図３Ｂは、第１の光線１６２及び第２の光線１７２のための、別個で独立に制御可能な光源１６８、１７８を示しているが、例えば、ビームスプリッタで第１の光線及び第２の光線に分割される光線を生成する共通の光源が存在してもよい。

図３Ａ及び３Ｂに示すように、第３ビーム走査システム１８０は、第３の光線１８２を生成するために、第３の光源１８８、例えばレーザを含むことができる。第３の光源は、比較的高い出力、例えば１〜１０ｋＷとすることができる。第３の光線１８２は、二つの垂直軸に沿った第３の光線１８２の運動を提供できる一対のガルボミラースキャナ１８６によって、プラットフォーム１０４上のビルドエリアを横切って走査することができる。走査レンズ１８９を使用して、第３の光線１８２を焦点合わせし、方向付けることができる。ガルボミラースキャナ１８６の対により、光線１８２は、例えば第１のエネルギー送達システム１４０とは異なり、任意の経路で粉末の層を横断することができ、光線は、ライナ経路又はラスタ走査に沿って移動するように制限されない。

図１、３Ａ及び３Ｂに示すように、第３のビーム走査システム１８０の走査フィールド１８４、例えば、ガルボミラースキャナ１８６の対によってアドレス可能なエリアは、プラットフォーム１０４上のビルドエリアの幅全体に及ぶことができる。いくつかの実装態様では、例えば、粉末融合アセンブリ１４０が可動である場合、ガルボミラースキャナ１８６の対によってアドレス可能なエリアは、プラットフォーム１０４上のビルドエリアの全長より短い距離に及ぶことができる。

代替的に、第１、第２及び／又は第３のビーム走査システム１６０、１７０及び／又は１８０によってアドレス可能なエリアは、ビルドエリアの幅の一部でもよく、粉末融合アセンブリ１４０は、幅方向（例えば、図３ＢのＢ方向）に沿ってプラットフォーム１０４を横切って走査フィールド１８４をシフトするために可動とすることができる。

図３Ｂに示されるビーム走査システム１６８、１７８、１８８は、粉末融合アセンブリ１４０のフレーム１４２に固定されて、それと共に移動する。代替的に、光源１６８、１７８、１８８のいずれか又はすべてを静止させることができ、光は、フレキシブル光ファイバによってそれぞれのビームスキャナ１６６、１７６、１８６に送達することができる。フレキシブル光ファイバの一端は光源に取り付けられ、フレキシブル光ファイバの他端は可動で、ビームスキャナに対して固定の位置に固定される。

様々なビームスキャナ１６０、１７０、１８０の各々は、粉末の予熱、粉末の融合、及び／又は層の熱処理に使用することができる。予熱の場合、光線は、粉末の温度を、初期温度から、粉末が溶融又は融合する温度より依然として低い高温まで上昇させる。融合の場合、光線が粉末の層を走査し、粉末が溶融又は融合するのに十分な温度まで粉末の温度を選択的に上昇させる。加熱処理の場合、光線は、材料の冷却速度を制御するために熱を送達する。

いくつかの実装態様では、第１及び第２のビームスキャナ１６０、１７０は、粉末の予熱及び／又は層の熱処理に使用され、第３ビームスキャナ１８０は、粉末を融合するために使用される。いくつかの実装態様では、第１のビームスキャナ１６０は予熱に使用され、第２のビームスキャナ１７０は熱処理に使用される。いくつかの実装態様では、第１のビームスキャナ１６０及び第２のビームスキャナ１７０は、予熱及び熱処理の両方のためであるが、プラットフォーム上のビルドエリアの別個の領域のためである。

図１及び３Ａに示すように、粉末融合アセンブリ１４０は、熱源１９０も含むことができる。熱源１９０は、層の予熱及び／又は熱処理に使用することができる。熱源１９０は、加熱ランプ１９２、例えば赤外線ランプの少なくとも一つのアレイを含むことができる。例えば、熱源１９０は、エネルギー送達システム１５０の下方の線形走査領域の前の（進行方向Ａに対して）領域を照射して層１１０の予熱を提供するように位置決めされた加熱ランプの第１のアレイ１９２ａと、エネルギー送達システム１５０の下方の線形走査領域の（進行方向Ａに対して）後ろの領域を照射して層１１０の熱処理を提供するように位置決めされた加熱ランプの第２のアレイ１９２ｂとを含むことができる。

加熱ランプ１９２の各アレイは、ビルドプラットフォーム１０４の上面１０５に対して斜めの平面に沿って配置することができる。これにより、加熱ランプ１９２は、エネルギー送達システム１５０の視野１５４の外側に位置することができる。

図１及び図３Ａに示すように、エアナイフ２００は、供給ユニット２０２と排気ユニット２０４とを含む。供給ユニット２０２及び排気ユニット２０４は、粉末融合アセンブリ１４０のそれぞれの反対側に位置決めされる。特に、供給ユニット２０２及び排気ユニット２０４は、開放容積１４４のそれぞれの反対側に位置決めすることができる。供給ユニット２０２と排気ユニット２０４は、実質的に同一であるが、鏡像として構成することができる。

図４−１０を参照すると、各ユニット、即ち、供給ユニット２０２及び排気ユニット２０４の両方は、一次プレナム２２０、一次プレナム２２０内部の螺旋状ガス分配器２３０、及び一次プレナム２２０を取り囲む二次プレナム２４０を含む。各ユニット２０２、２０４は、フレーム１４２に固定することができる。したがって、エアナイフ２００は、エネルギー送達システム１５０と共に移動することができる。供給ユニット２０２については後述する。排気ユニット２０４は、供給ユニットと同じ部品及び構成を有することができるが、ビルド面１０５に垂直な面を横切って鏡像構成に配置される。

図７に示すように、一次プレナム２２０は、円形チューブ２２２を含み、プレナム２２０の容積は、チューブ２２２の内部によって画定される。複数の孔２２４が、ガスの流れのためにチューブ２２２の本体を貫通して形成されている。孔２２４は、多溝螺旋ネジを有する。孔２２４は、線形アレイに配置することができ、線形アレイ内において等しいサイズ及び等しい間隔で配置することができる。孔２２４は、円形チューブ２２２の本体を通って接線方向に延びる。この接線方向の配置は、一貫したガス流のために有益であり得る。

図５、図７及び図８に示すように、三角形、例えば直角三角形の断面を有する部品２２６は、チューブ２２２の長さ方向に沿って延びることができる。円形チューブ２２２の孔２２４は、三角形の部分２２６を貫通して対応する孔２２８まで延びている。部品２２６は、チューブ２２２に接することができ、例えば、三角形断面の斜辺を提供する表面２２６ａは、チューブ２２２に接することができる。加えて、チューブ２２２の外面の一部分は、部分２２６とチューブ２２２とが平面内で接するように、平坦にすることができる。

図９に示すように、一次プレナム２２０は、例えばキャップ２２９ａによって、一端２２０ａでふたをされる。他端は、ガス入口２２９ｂ、例えば軸方向ガス入口を有するガス入力端２２０ｂを提供する。ガス入口２２９ｂは、ガス供給、例えばポンプに接続されるか又はガス供給ラインを補助するチューブ２２９ｃ、例えばフォアラインを含むことができる。

図５に示すように、一次プレナム２２０内部には、螺旋状ガス分配器２３０がある。螺旋状ガス分配器２３０は、チューブ２２２内に位置決めされた多溝螺旋ネジとすることができる。即ち、ガス分配器は、複数の縦溝２３２を含む。縦溝２３２は、ネジの長手軸２３４の周りで螺旋状になっている。例えば、螺旋状ガス分配器は、縦溝２３２ａ〜２３２ｄを有する４つの縦溝の螺旋とすることができる。縦溝２３２は、長手方向軸線２３４の周りに等間隔に配置することができる。

一次プレナム２２０の入力端２２０ｂに流入するガスは、螺旋状ガス分配器２３０の縦溝２３２間の空間の間で均等に分割される。次いで、縦溝２３２は、ガスをチューブ２２２の長さに沿って孔２２４に均等に分配する。螺旋状ガス分配器２３０は、例えば２ｐｓｉ未満の低い圧力降下で、それぞれの縦溝２３２によって覆われた孔２２４を通してガスを均一に分配することができる。螺旋状ガス分配器２３０は、チューブ２２２に対して定在させることができる。

螺旋状ガス分配器２３０の螺旋は、一次プレナム２２０から孔２２４を通してガスを時計回り又は反時計回りに回転させるのを助けるために、入口チューブ２２９ｃの位置決めに応じて左回り又は右回りの螺旋とすることができる。

再び図５−６を参照すると、二次プレナム２４０は螺旋断面を有する空洞であり、この空洞内に、ガスは一次プレナム２２０から孔２２４／２２８のアレイを通って入る。プレナム２４０は、ハウジング２４２の内部によって提供することができる。ハウジング２４２は、図５−７に示されるように、平坦なサイドパネルを有することができるか、又は連続的に湾曲した部分とすることができる。二次プレナム２４０の螺旋は、一次プレナム２２０の周りで少なくとも完全な一周を完了することができる。ガスが出口に向かって二次プレナム２４０を螺旋状に通過するにつれて、二次プレナム２４０の幅にわたる不均一性は、螺旋状キャビティを通る移動長に沿って平均化する傾向がある。ガス流は、二次プレナム２４０内部の一つ又は複数のベーン２４４によって分割することもできる。

供給ユニットでは、ノズルプレート２５０が二次プレナム２４０の出口面に固定される。ノズルプレート２５０は、ガスの均等な供給を受け取ることができる。このガスは、ノズルプレートのスロット又は孔２５２を通過して、ビルドプレートを横切る均一な層流を生成する。スロット２５２は、ガス供給ユニット２０２の長手軸に平行に、例えば水平に、延びることができる。スロット２５２は、ノズルプレート上で垂直に等間隔に配置することができる。

図１０では、排気ユニット２０４は、ノズルプレートを含まないが、代わりに、均一な層流を達成するために、排気と供給とのバランスを取るためのシャッタ２６０を含むことができる。

螺旋状ガス分配器と連結した螺旋状ボディアーキテクチャは、２〜３ｍ／ｓの流速で送達することができる。

ガスは、不活性ガス、例えばアルゴンとすることができる。

装置１００は、装置の様々な構成要素、例えば、光源及びヒータのための電源、プリントヘッド１０２及び粉末融合アセンブリ１４０を移動させるためのアクチュエータ及び／又はモータ、プリントヘッド１０２及び粉末融合アセンブリ１４０内部の構成要素、例えばディスペンサ及びビームスキャナのためのアクチュエータ及び／又はモータなどに結合されて、装置に物体を製造するために必要な動作を実行させるコントローラ１９５を含む。

コントローラ１９５は、ＣＡＤデータを受信及び／又は生成するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムを含むことができる。ＣＡＤデータは、形成される対象物を示すものであり、本書に記載するように、付加製造プロセスの間に形成される構造の特性を決定するのに使用されうる。ＣＡＤデータに基づいて、コントローラ１９５は、例えば、粉末１０６を分配し、粉末１０６を融合させ、装置１００の様々なシステムを移動させ、システム、粉末、及び／又は物体１０の特性を感知するために、コントローラ１９５を用いて動作可能なシステムの各々が使用可能な命令を生成することができる。いくつかの実装態様では、コントローラ１９５は、第１及び第２の分配システム１１２、１２２を制御して、第１及び第２の粉末粒子１０６、１０８を異なる領域に選択的に送達することができる。

コントローラ１９５は例えば、装置の様々な構成要素を移動させる駆動機構に制御信号を送信することができる。いくつかの実装態様では、駆動機構は、これらの異なるシステムの平行移動及び／又は回転を引き起こすことができる。駆動機構の各々は、装置の構成要素の移動を可能にする、一つ又は複数のアクチュエータ、リンケージ、及び他の機械的若しくは電気機械的部品を含むことができる。

結論
ここに記載されるシステムのコントローラ及び他のコンピューティングデバイスパーツは、デジタル電子回路、又はコンピュータソフトウエア、ファームウエア、若しくはハードウエアに実装することができる。例えば、コントローラは、コンピュータプログラム製品、例えば持続性マシン可読ストレージ媒体内に記憶されたコンピュータプログラムを実行するためのプロセッサを含むことができる。このようなコンピュータプログラム（プログラム、ソフトウエア、ソフトウエアアプリケーション、又はコードとも呼ばれる）は、コンパイル又は翻訳された言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書くことができ、独立型プログラムとして、又はコンピューティング環境内での使用に適したモジュール、構成要素、サブルーチン、又はその他のユニットとして含む任意の形式で展開することができる。

本明細書は特定の実装態様の詳細を多数包含しているが、これらはいずれかの発明又は特許請求の範囲を限定するものでなく、特定の発明の特定の実施態様に特有の特徴の説明として解釈すべきである。別個の実施態様の文脈で本明細書に記載した特定の特徴を、単一の実施態様において組み合わせて実装することもできる。逆に、単一の実施態様の文脈で記載した様々な特徴を、複数の実施態様で別々に、又は任意の適切な部分的組み合わせで実装することもできる。さらに、特徴は特定の組み合わせにおいて作用するものとして上述され、一部はそのように特許請求されるが、特許請求された組み合わせの中の一つ又は複数の特徴は、いくつかの事例においてはその組み合わせから除外することができ、特許請求された組み合わせは、部分的組み合わせ又は部分的組み合わせの変形を対象とし得る。

複数の実装態様について説明した。それでもなお、様々な変形例が可能であることが理解されよう。例えば：
・粉末を分配するために、他の技法を使用することができる。例えば、粉末は、キャリア流体、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）などの急速に蒸発する液体中に分配することができる、及び／又は圧電プリントヘッドから噴射させることができる。代替的に、粉末は、ビルドプラットフォームに隣接する粉末リザーバからブレードによって押し出されてもよい。
・図３Ｂには、二つのポリゴンスキャナ及びガルボスキャナが示されているが、システムは、それより多い又は少ない数の各種類のスキャナを有することができる。例えば、システムは、単一のポリゴンスキャナのみ、単一のガルボスキャナのみ、二つのポリゴンスキャナのみ、二つのガルボスキャナのみ、又は単一のポリゴンスキャナと単一のガルボスキャナ、ガルボスキャナ及びポリゴンスキャナを二つずつ等を含むことができる。粉末の予熱及び／又は熱処理及び／又は融合のために、任意の所与のスキャナを使用することができる。
・一部の粉末の場合、レーザビームの代わりに電子ビームを用いて粉末を融合させることができた。したがって、第２のエネルギー供給システムは、光源と一対のガルボミラースキャナではなく、電子ビーム源と電子ビームスキャナを含んでもよい。
・構成要素のための種々の支持体は、両端（例えば、図２Ｂに示されるプラットホーム１０４の両側）に支持されたガントリ、又はカンチレバーアセンブリ（例えば、プラットフォーム１０４の片側にのみ支持される）として実装することができる。
したがって、他の実装態様が特許請求の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. プラットフォーム、
   供給材料の複数の連続層をプラットフォーム上に送達するように構成されたディスペンサ、
   供給材料をプラットフォーム上の層内で選択的に融合させるための少なくとも一つのエネルギー源、並びに
   その長さに沿って間隔を空けて配置された複数の孔を有するチューブと、
   チューブ内に位置決めされた多溝螺旋ネジと、
   ガスをチューブの一つの端部に供給するように構成されたガス入口であって、多溝螺旋ネジは、多溝がガス入口からチューブを通って孔から出て行くようにガスを導くように成形されている、ガス入口と、
   孔からガスを受け取る内端及びガスをプラットフォーム上に送達する外端を含む、チューブを取り囲む螺旋プレナムと
   を含むエアナイフ供給ユニット
   を備える付加製造装置。
2. 螺旋プレナムの外端にノズルプレートを備える、請求項１に記載の装置。
3. ノズルプレートが、複数の水平方向に延びるスロットを含む、請求項２に記載の装置。
4. 螺旋プレナムの外端が、プラットフォームの上面に平行な層流でガスを排出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
5. その長さに沿って間隔を空けて配置された第２の複数の孔を有する第２のチューブと、
   第２のチューブ内に位置決めされた第２の多溝螺旋ネジと、
   第２のチューブの一つの端部でガスを受け取るように構成されたガス出口であって、第２の多溝螺旋ネジは、多溝が孔から第２のチューブの端部のガス出口にガスを導くように構成されている、ガス出口と、
   第２のチューブを取り囲む第２の螺旋プレナムであって、プラットフォーム上からガスを受け取る外端及びガスを孔に送達する内端を含む、第２の螺旋プレナムと
   を含むエアナイフ排気ユニットを備える、請求項１に記載の装置。
6. プラットフォーム、
   供給材料の複数の連続層をプラットフォーム上に送達するように構成されたディスペンサ、
   供給材料をプラットフォーム上の層内で選択的に融合させるための少なくとも一つのエネルギー源、並びに
   その長さに沿って間隔を空けて配置された複数の孔を有するチューブと、
   チューブ内に位置決めされた多溝螺旋ネジと、
   チューブの一つの端部からガスを受け取るように構成されたガス出口であって、多溝螺旋ネジは、多溝が孔からチューブを通ってガス出口から出るようにガスを導くように成形されている、ガス出口と
   チューブを取り囲む螺旋プレナムであって、ガスを孔に送達する内端及びガスをプラットフォームから受け取る外端を含む螺旋プレナムと
   を含むエアナイフ排気ユニット
   を備える付加製造装置。
7. 螺旋プレナムの外端にシャッタを備える、請求項６に記載の装置。
8. プラットフォーム、
   供給材料の複数の連続層をプラットフォーム上に送達するように構成されたディスペンサ、
   供給材料をプラットフォーム上の層内で選択的に融合させるための少なくとも一つのエネルギー源、
   プラットフォーム上において可動なハウジングであって、プラットフォーム上の底部で開き且つ傾斜した側壁を有するチャンバを画定するハウジング、及び
   ガス供給ユニットとガス排気ユニットとを含むエアナイフであって、ガス供給ユニットとガス排気ユニットが、ハウジングに固定されてハウジングと共に移動し、且つチャンバのそれぞれ反対側に位置決めされている、エアナイフ
   を備える付加製造装置。
9. ガス供給ユニット及びガス排気ユニットが、ハウジングの底縁部に位置決めされている、請求項８に記載の装置。
10. 少なくとも一つのエネルギー源が、ハウジングに固定されてハウジングと共に移動する、請求項８に記載の装置。
11. 少なくとも一つのエネルギー源が、少なくとも一つのエネルギー源からの第１の光線を走査するガルボミラースキャナを含む、請求項１０に記載の装置。
12. 少なくとも一つのエネルギー源が、少なくとも一つのエネルギー源からの第２の光線を走査するガルボミラースキャナを含む、請求項１０に記載の装置。
13. チャンバの傾斜した側壁上に位置決めされたヒートランプのアレイをさらに備える、請求項８に記載の装置。
14. ハウジングが、第１の軸に沿ってプラットフォーム上において可動であり、ガス供給ユニット及びガス排気ユニットが、第１の軸に対してチャンバのそれぞれ反対側に位置決めされる、請求項８に記載の装置。
15. プラットフォーム、
    供給材料の複数の連続層をプラットフォーム上に送達するように構成されたディスペンサ、
    第１の光線及び複数の第２の光線を生成する一つ又は複数の光源、
    プラットフォーム上の供給材料の層上で第１の光線を走査するガルボミラースキャナであって、プラットフォームのビルドエリアの幅に広がる第１の視野を有するガルボミラースキャナ、並びに
    各々が第２の視野を有し、複数の第２の視野を提供する複数のポリゴンミラースキャナであって、各第２の視野は第１の視野の一部分であり、複数のポリゴンミラースキャナは、複数の第２の視野がプラットフォームのビルドエリアの幅に広がるように位置決めされている、複数のポリゴンミラースキャナ
    を備える付加製造装置。

Images