JP2022027463A - 金属合金のレーザ粉末床溶融結合処理のためのレーザアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】溶融プールの揮発性がより低く、部品の、より制御可能で信頼性の高い製造をもたらす粉末床溶融結合処理方法を提供する。【解決手段】第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えることによって物体を積層造形するシステム及び方法であって、第１の熱源は、アレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、第１の熱源は第１の溶融プール１１８を生成する。第２の溶融プール１２０を生成するために、アレイ内の複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して、粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱が加えられる。第１の複数の金属粒子は、第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離されており、距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される。物体を形成するために複合溶融プールを凝固させる。【選択図】図１

Description

近年、複雑な形状を有する三次元（３Ｄ）造形物を比較的容易に製造することができる積層造形のためのさまざまな方法が開発されている。積層造形の一例は、高い成形精度及び積層層間の高い結合強度を可能にする粉末床溶融結合である。このように、粉末床溶融結合法は、最終製品の形状や特性を確認するための試作品の製造だけでなく、最終製品の製造にも利用され得る。

粉末床溶融結合では、造形物層は、一般にスライシング又はスライスと呼ばれる厚さ方向に３次元造形物を細かく分割することによって画定される。まず、樹脂材料又は金属材料からなる粒子を含む粉末材料を平坦に敷き詰めて薄層を形成し、薄層上の所望の位置にレーザを照射して、粉末材料を含む粒子を選択的に焼結又は溶融させて互いに結合させる（以下、焼結又は溶融による粒子の結合を単に「溶融結合」と呼ぶ）ことにより、規定の層を形成する。粉末材料は、このように形成された層上にさらに敷き詰められ、レーザが照射されて、粉末材料に含まれる粒子を選択的に融合させて、層画定に従って次の造形物層を形成する。この手順を繰り返し、造形物層を積層することにより、所望の形状を有する３次元造形物が製造される。

粉末床溶融結合（Ｌ－ＰＢＦ）におけるレーザの制御は、従来の単一レーザスポットでの粉末の送達を使用して生成された溶融プールの揮発性をもたらす。単一レーザスポット手法の他の固有の弱点は、キーホーリング、凝固した溶融プールの幾何学的形状による層間の融着の欠如、スパッタ及びヒュームの生成などである。したがって、この従来のプロセスでは、小さなサイズのスポットに高い線エネルギー密度が集中すると、粉末の層に過剰なエネルギー濃度がかかり、揮発性溶融プールが生じ、欠陥が生じる。最も一般的な欠陥はキーホーリングであり、伝導溶融モードが、溶融金属が蒸発して構築内に多孔性を生成する条件に変化し、伝導モードよりもはるかに深い深さへのエネルギー侵入を可能にし、それによって急速凝固中に生成された多孔性を捕捉する。溶融プールが前の層又はラインと十分に重なり合わず、未溶融領域が生じる場合にも、融着欠陥が発生する可能性がある。また、単一スポットを介した高度に集中したエネルギーにより、急速溶融及び急速凝固中に熱勾配が生成され、製造された部品に残留応力を引き起こす。これらの応力は、加工中又は加工後に歪み及びさらには亀裂をもたらす可能性がある。

揮発性がより低く、部品のより制御可能で信頼性の高い製造をもたらす粉末床溶融結合を実行する必要性が存在する。

いくつかの実装形態は、物体を積層造形するための方法を含む。本方法は、第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えるステップを含み、第１の熱源は、アレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、第１の熱源は第１の溶融プールを生成する。本方法は、第２の溶融プールを生成するために、アレイ内の複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱を加えるステップをさらに含む。第１の複数の金属粒子は、第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離されており、距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される。本方法はまた、物体を形成するために複合溶融プールを凝固させるステップを含む。

いくつかの実装形態は、金属粒子のコーティングを受け入れる粉末床と、少なくとも第１の熱源及び第２の熱源を含む熱源のアレイとを備える積層造形システムを含む。第１の熱源は、コーティング中の第１の複数の隣接する金属粒子に熱を加えて第１の溶融プールを生成するように構成され、第２の熱源は、コーティング中の第２の複数の隣接する金属粒子に熱を加えて第２の溶融プールを生成するように構成される。第１の複数の隣接する金属粒子は、第２の複数の隣接する金属粒子からある距離だけ分離されている。距離及び各前記熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される。

いくつかの実装形態は、積層造形中に熱源を動作させるためのコンピューター実行可能命令が記憶された１つ又は複数のコンピューター記憶装置を備え、この命令は、コンピューターによって実行されると、コンピューターに、第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えることを含む動作を実行させる。第１の熱源は、アレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、第１の熱源は第１の溶融プールを生成する。動作は、第２の溶融プールを生成するために、アレイ内の複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱を加えることをさらに含む。第１の複数の金属粒子は、第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離されている。距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される。動作は、物体を形成するために複合溶融プールを凝固させることをさらに含む。

本開示のこれら及び他の形態、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解され、図面全体を通して、同様の符号は同様の部分を表す。

本開示の一例による熱源アレイを使用する粉末床溶融結合による積層造形（ＡＭ）システムを示す図である。 本開示の別の例による熱源アレイを使用する粉末床溶融結合によるＡＭシステムを示す図である。 本開示の一例によるレーザアレイを示す図である。 本開示の別の例によるレーザアレイを示す図である。 本開示の一例によるアレイ熱源を使用する粉末床溶融結合によるＡＭシステムの動作を示す図である。 異なる熱源アレイ配置を使用して形成された溶融プールの溶融深さを示す図である。 本開示の例に従って生成されたヒートスポット構成を示す図である。 本開示の一例による、熱源によって生成された８つのヒートスポットを有するヒートスポット構成を示す図である。 本開示の例によるヒートスポットを生成するための異なる出力構成を示す図である。 本開示の例による物体を積層造形するための方法のフローチャートである。 一実装形態による航空機の製造及び保守点検のための方法を示すフローチャートである。 本開示の一例による航空機の概略斜視図である。 本開示の一例によるコンピューティング装置を示す機能ブロック図である。

対応する参照符号は、さまざまな例に従って図面を通して対応する部分を示す。

図面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、及び縮尺を維持するのではなく、本教示の理解を容易にするために描かれていることに留意されたい。

添付の図面と併せて読めば、上述の概要、並びに特定の実施形態の以下の詳細な説明がより良く理解されよう。本明細書で使用される場合、「ａ」又は「ａｎ」に続いて単数形で記載される要素又はステップは、要素又はステップの複数を排除するものではないと理解されるべきである。また、「一実施形態」、「一構成」、「一例」、又は「一実装形態」への言及は、記載した形態を組み込んだ付加的な実施形態、構成、例、又は実装形態の存在を除外するものとして解釈されるものではない。さらに、特に明示的に述べられていない限り、特定の特性を有するある要素又は複数の要素を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有していない追加の要素を含んでもよい。

例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」、「垂直方向」などのさまざまな空間及び方向の用語が、本開示の発明態様を説明するために使用されるが、このような用語は図示された向きに関して単に使用されることが理解される。向きは反転、回転、又は変更することができ、構造が１８０度反転した場合は上面が下面になり、構造が９０度回転した場合は左側又は右側になる。

本開示の実装形態は、粉末床溶融結合によるＡＭプロセスで使用される熱源のアレイ（例えば、レーザ）を含む。開示されたアレイ配置は、粉末床に直接適用されるか、又は粉末床に投影されるかのいずれかであり、金属合金の処理、特にチタン及びチタン合金の処理のために構成される。

アレイパターンのいくつかの実装形態は、単一レーザスポット手法の問題のいくつかを排除又は低減することを含む、金属粉末を溶融するための熱分布の改善を可能にする。さらに、本開示は、レーザのアレイが、単一のレーザスポット処理中に生じる急速な消散を可能にするのではなく、アレイ内の個々のレーザスポットによって生成された潜熱を利用することを可能にする。その結果、溶融速度を高めることができる。

一般的に言えば、本開示の例は、溶融プールの安定性を制御するために、指定された又は定義されたアレイパターン／幾何学的形状内の近接した複数のレーザスポットの送達又は投影を提供し、これにより、従来の手法の基本的な欠点を解決することができる一方で、欠陥のない処理を可能にする十分に制御された溶融プールを提供する。アレイ領域内の共有熱はまた、Ｌ－ＰＢＦプロセスの生産性の向上及びより広い粉末分率分布の潜在的な使用を可能にする。

図１は、本開示の例による、アレイ熱源を使用する粉末床溶融結合によるＡＭシステム１００を示している。ＡＭシステム１００の実装形態は単に例示のために示されており、本明細書に記載のレーザアレイ構成及びレーザ制御方法と組み合わせて他の実装形態を使用することができることを理解されたい。すなわち、異なるタイプ及び配置の粉末床溶融結合システムを本開示とともに使用することができる。

図示の例では、粉末床溶融結合によるＡＭシステム１００は、図３により詳細に示されるようにレーザのアレイとして構成されるレーザシステム１０２として示される熱源を含む。レーザシステム１０２は、単に説明のために示されており、粉末を溶融するのに十分なエネルギーのビーム又は熱領域を生成することができる他の適切な熱源が使用され得る。一例では、粉末床溶融結合によるＡＭシステム１００は、レーザシステム１０２からの放射を構築空間１０８のターゲット箇所１０６に導いて物体１１０を構築するためのミラー１０４（例えば、集束能力を有する傾斜ミラー）として示される、１つ又は複数の光学的構成要素を含む。粉末床溶融結合によるＡＭシステム１００はまた、本明細書でより詳細に説明するように、複数の溶融プール１１８及び１２０を生成することなどによって、粉末１１４を貯蔵し、物体１１０を製造する際に使用される構築空間１０８に粉末１１４を送達するように構成された粉末送達システム１１２を含む。いくつかの例では、スプレッダ１１６が設けられ、粉末送達システム１１２から構築空間１０８に粉末１１４を散布するように構成される。

図２は、本開示に従って構成された熱源が実装される粉末供給によるＡＭシステム２００として示されたＡＭシステムの別の例である。再び、図２は非排他的な例であり、本明細書に記載の方法を実行及び／又は容易にするように構成されている。ＡＭシステム２００は、一般に、堆積装置２０２を有する積層造形機を含む。堆積装置２０２は、任意選択的に、（例えば、粉末供給システム又はワイヤ供給システムなどのための）ストック材料供給部２０４を含む。ストック材料供給部２０４は、堆積装置２０２の積層造形用ヘッドに原料（例えば、少なくとも１つのベース合金）を供給する。例えば、材料は、積層造形用ヘッドに設けられた１つ又は複数の材料出力部から排出される。１つ又は複数の材料出力部は、例えば開口部、ノズルなどのさまざまな構成を含むことができる。製造ヘッドの１つ又は複数の材料出力部は、本明細書でより詳細に説明するように、１つ又は複数のレーザ出力のネクサス又は収束部と整列した開口部から構成され得る。したがって、一実装形態では、ベース合金（例えば、チタン）は、粉末供給システムに供給される。ベーストレイ２１０は、（例えば、粉末床システムなどのための）ストック材料供給部２２２を支持する。

一実装形態では、図３も参照すると、本明細書に記載の方法による溶融プールを形成することは、ベース合金（例えば、第１及び第２の金属粒子の複数又は部分）の少なくとも一部を集束エネルギーの複数のビーム（例えば、複数の熱源）に曝露することを含む。集束エネルギーの例には、電子ビーム、レーザビーム、及び熱放射が含まれる。この図示の例では、レーザ源２２４（図１のレーザシステム１０２と同様に実装することができる）は、レーザアレイ３００（図３に示す）を使用するなどして複数のレーザビームを生成し、放射のために積層造形用レーザヘッド３０２のレーザ出力を介してレーザビームを送信する。レーザ出力から放射されたレーザビームは、複数のネクサス又は収束部に集光される。したがって、いくつかの例では、堆積装置２０２は、材料供給源によって供給される供給原料にエネルギーを放射するためのエネルギー源を含む。一構成では、堆積装置２０２は、エネルギー供給源から集束エネルギービームを供給して、ストック材料供給部２０４，２２２によって供給される原料から複数の溶融プールを形成する。例えば、原材料は、１つ又は複数の材料出力部から放出され、レーザ出力のネクサス又は収束部に入り、そこで提供された材料／供給原料の少なくとも一部が溶融して溶融プールを形成する。いくつかの例では、レーザ出力は、複数の溶融プールを生成するために同時に熱を加えるための熱源として動作する。より詳細に説明するように、異なるレーザアレイ構成及びレーザ移動制御が本開示によって企図される。

動作中、ＡＭプロセスを使用して、溶融プールの少なくとも一部が層ごとに堆積される。すなわち、ベーストレイ２１０には、堆積層２０６が形成される。堆積層２０６は、いくつかの例では所定のパターンで堆積され、インプロセス物品２０８の形態で冷却される。言い換えれば、一例ではレーザ３０４のアレイを有する積層造形用レーザヘッド３０２を含むレーザ源２２４が、形成されている製品に対して前進するにつれて、溶融プールの溶融材料は、材料が溶接プールから出ると、例えば、基板上又は以前に堆積された溶融プール材料の層上に堆積されると、冷却及び硬化を開始する（すなわち、凝固する）。

ベーストレイ２１０上に層２０６を形成するのを助けるために、一実装形態では、堆積装置２０２は、側方ステージ２１２に沿って並進し、ベーストレイ２１０は、軸方向又は垂直方向のステージ２１４に沿って並進する。ＡＭシステム２００は、任意選択的に、堆積装置２０２、ベーストレイ２１０、及び形成された層２０６を囲む製造チャンバ２１６を備える。１つ又は複数の異なる構成要素の異なるタイプ及び構成又は動きが本開示によって企図されることを理解されたい。例えば、レーザ３０４のアレイは、１つ又は複数の方向に異なる速度で（独立して）一緒に移動するように動作可能である。

一例では、堆積装置２０２は、ベーストレイ２１０及びインプロセス物品２０８から離れるように構成され、非接触のための明確な経路を残す。さらに、又は代替的に、堆積装置２０２は、インプロセス物品２０８の一部への明確な経路を提供し、インプロセス物品２０８に対して移動して、インプロセス物品２０８のすべての部分を順次露出させることができる。ＡＭシステム２００は、その構成要素のうちの１つ又は複数を含み、いくつかの例ではコンピューター２２０として構成されるコントローラー２１８によって制御される。コントローラー２１８は、堆積装置２０２（及び他の構成要素）の動作を調整し、本明細書に図示及び記載された製造方法のいずれか（例えば、２軸ガントリシステムを使用する）を実行するようにプログラムされ得る。

積層造形装置は、堆積装置と同じチャンバ内で部品の形成を達成するために利用可能又は変更可能であり得ることに留意されたい。溶融は、電子ビーム、プラズマ、電気アーク、レーザエネルギー、タッチフレームなどへの曝露を含むことができる。ベース合金の例は、チタンベース合金などの金属／金属合金を含む。チタン合金粉末の例には、約６％のアルミニウム及び約４％のバナジウムと合金化された約９０％のチタンを含有するＴｉ－６ Ａｌ－４Ｖと呼ばれるチタン粉末が含まれるが、これらに限定されない。

さまざまな例のベース合金は、ワイヤ、粉末若しくは液体の形態又はそれらの組み合わせで提供され得る。ベース合金ワイヤは、ＡＭシステム２００による使用などのために、制限なく任意のサイズ又はサイズの組み合わせで提供され得る。一例では、ベース合金ワイヤは、最大１／８インチのサイズで提供される。粉末は、１つ又は複数のベース合金粒子を含むことができる。ベース合金粒子は、制限なく、任意のサイズ又はサイズの組み合わせで提供され得る。例えば、原料ベース合金は、約１０ミクロン～約４５ミクロンを含む約１０ミクロン～約２５０ミクロン、例えば約４５ミクロン～約１０５ミクロンのサイズの粒子を含む粉末形態であり得る。このサイズ範囲で提供されるベース合金粒子は、より良好な流動性及びより容易な溶融を提供し、より均一に分布した粉末及びより均一に分布した改質合金化学をもたらす。したがって、レーザ又は電子ビームシステムなどの多くの加工システムは、約１０ミクロン～約２５０ミクロンの範囲のサイズを有する粒子を有する粉末を溶融するように構成されているが、他のサイズを利用することもできる。ベース合金粒子は、制限なく、任意の形状又は形状の組み合わせで提供され得る。例えば、原料ベース合金粒子は、球状、スポンジ状、フレーク状などの粒子を含む粉末形態であり得る。

さまざまな例では、レーザ３０４のアレイによって生成された熱は、複数の溶融プールを効果的に形成するように制御される。すなわち、レーザ３０４のアレイは、ベース合金粒子を溶融するのに十分な熱を発生させる熱源として構成される。

図示の例では、レーザ３０４のアレイの互いに対する、積層造形用レーザヘッド３０２に沿った位置決めは、別々に独立して調整可能である。例えば、図３に示すように、ねじ３０６、３０８、及び３１２は、積層造形用レーザヘッド３０２の各レーザ３１０を調整するように構成される。この例では、ねじ３０８は、レーザ３１０の各々を積層造形用レーザヘッド３０２にロックするように調整可能な水平又は側面ねじである。すなわち、ねじ３０８は、積層造形用レーザヘッド３０２上でのレーザ３１０の結合及び「大まかな」位置決めを可能にする。垂直ねじとして示されているねじ３０６は、積層造形用レーザヘッド３０２におけるレーザ３１０の位置決めの「微」調整を可能にする。結果として、レーザ３０４のアレイのレーザ３１０は、互いに対して、及び積層造形用レーザヘッド３０２内で正確に位置決めするように構成される。ねじ３１２は、レーザの内側及び外側への移動を可能にする。一例では、１２０ミクロン（μｍ）のビーム直径で、ねじ３０６、３０８、及び３１２は、１０μｍの最大誤差内でレーザを位置決めするために、ｘ方向調整、ｙ方向調整、及びｚ方向調整を可能にする。したがって、図示の例では、ねじ３０６及び３０８は、レーザ３００の位置決めの可変調整を可能にする（例えば、レーザ３００のうちの１つ又は複数のアライメントを変更する）。

したがって、複数の異なるねじ３０６及び３０８が設けられて、レーザ３０４の異なる方向又は軸の調整を可能にする。一例では、レーザヘッド３０２は、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の調整を可能にする複数のねじを含む。

異なる調整機構が本開示によって企図されることを理解されたい。すなわち、調整機構は、機械的構成要素、電気的構成要素、光学的構成要素、又はそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの例では、レーザ３００を調整するための調整機構は、プログラミングによって制御可能なアクチュエータを含む。アクチュエータを有する一構成では、コントローラー２１８は、例えば特定の用途に基づいて、レーザ３００の位置決めを制御する（例えば、レーザ３００の位置を変更する）ようにプログラムされる。レーザ３００は、ＡＭ動作の前、最中、及び／又は後に調整され得ることに留意されたい。したがって、本開示は、自動調整、半自動調整、及び／又は手動調整を可能にすることができる異なる制御機構を使用して、異なる時間に調整を企図する。例えば、一構成では、レーザ３００の物理的位置決めに対する手動調整は、固定アレイを画定するためにＡＭ動作の前に行われる。その後、レーザビームの相対位置などの調整は、光学技術で知られている光学系及び光学制御装置を使用して行われる。一例では、光学窓が使用され、レーザ３００によって生成されたレーザビームのうちの１つ又は複数の方向を調整するために移動するように構成される。

いくつかの例では、レーザ３１０の傾斜調整などの追加の調整が考えられる。ただし、さらに他の例では、積層造形用レーザヘッド３０２の構成（例えば、レーザ３１０のアライメント箇所）により、各レーザ３１０の傾斜角度が固定されている。

図４に示す調整装置４５０のような、調整のための異なる構成が考えられる。この例では、ねじ４５２及び４５４は、レーザ３１０（図３に示す）によって生成されるような１つ又は複数のレーザビームをコリメートするレーザコリメータ４５８を保持するレーザコリメータホルダ４５６の位置決めを変更するために別々に独立して調整可能である。図示の構成では、ねじ４５２及び４５４は、レーザコリメータ４５８を玉継ぎ手４６０の周りで回転させる（矢印Ｒで示す）ように調整可能である。すなわち、ねじ４５２及び４５４は、図４に見られるようにレーザコリメータ４５８を左右に回転させるレーザコリメータホルダ４５６の移動を可能にする。したがって、いくつかの例では、レーザスポット位置の調整は、レーザコリメータホルダ４５６（例えば、レーザコリメータ保持管）に直接力を加える、及び／又は４５度で要素を支持してロック力を水平及び垂直の両方に分散させるねじ４５２及び４５４を介して行うことができる。

いくつかの例では、追加の調整を実行することができる。例えば、レーザコリメータホルダ４５６はまた、一配置では、図４に示すように上下のレーザコリメータ４５８の並進運動（矢印Ｔで示す）を可能にするように構成される。すなわち、レーザコリメータホルダ４５６は、レーザコリメータ４５８がその中で長手方向に移動することを可能にするように構成される。レーザコリメータ４５８の移動は、レーザコリメータ４５８を移動させ、レーザコリメータ４５８をレーザコリメータホルダ４５６内の固定位置に固定する制御アーム４６２及びロック歯４６４として示される任意の適切なアクチュエータ及び制御手段を使用して達成され得る。

異なるタイプ及び種類の調整機構を使用して、レーザ３１０の異なる位置及び向きを可能にするなど、異なるタイプ及び種類の動きを引き起こすことができることを理解されたい。したがって、さまざまな例は、レーザ３１０の個々の調整、並びにそのＸ、Ｙ、及び／又はＺ位置を変更するための機構などにおける、すべてのレーザ３１０のスポットサイズ及び位置を可能にする。

レーザの異なる構成が考えられることも理解されたい。例えば、レーザ３０４のアレイは、４つのレーザ３１０の二列として構成された８つのレーザ３１０を有するものとして示されているが、本開示によって異なる構成が考えられる。例えば、異なる数のレーザ３１０を追加の又はより少ない数又は列で使用することができる。すなわち、レーザ３１０の異なる形状及びサイズの構成を使用することができる（例えば、レーザ３１０の異なる幾何学的形状）。例えば、図５は、粉末床溶融結合によるＡＭシステムで使用するための熱源として構成されたレーザ４００のアレイを示している。レーザ４００のアレイは、構築空間４０２に対して（矢印で示すように）移動する単一の列に配列されている。いくつかの例では、熱源として構成されたレーザ４００のアレイは静止しており、構築空間は移動可能である。図５に示すように、レーザ４００のアレイは、いくつかの例ではその後より大きな溶融プールに組み合わされる複数の溶融プールを形成するレーザの６つのビーム４０４を放射する６つのレーザ４０４を含む。レーザ４００のアレイの移動は、異なる方向及び異なる速度で移動するなど、時間及び空間において変化させることができることを理解されたい。レーザ４００のアレイの移動は、シフト又は回転／枢動運動などの単純な直線運動又はより複雑な運動を含むことができる。

さらに、レーザ３１０の異なる幾何学的形状は、異なる一次元（１Ｄ）、二次元（２Ｄ）、及び三次元（３Ｄ）配置を含むことができる。レーザ３１０の異なる幾何学的形状は、対称的及び／又は非対称的に整列、オフセット、シフト、互い違いなどされたレーザ３１０を含むことができる。すなわち、本開示は、レーザ３１０のさまざまな異なる形状、サイズ、位置、向きなどを企図する。

図６は、異なる熱源アレイ配置に対する溶融プールの程度を示す溶融深さ比較のグラフ５００を示している。溶融プール５０２は、５つのレーザの一次元アレイの単一パスを使用して生成され、溶融プール５０４は、個々のレーザの５つのパスを使用して生成される。溶融プール５０２及び５０４は、各熱源アレイ配置から形成された溶融形態の断面を示している。すなわち、溶融プール５０２は、５つの平行レーザから形成され、溶融プール５０４は、（異なる時間に）５つのパスを作る個々のレーザから形成される。図から分かるように、５つの個々の単一レーザパスによって生成された溶融プール５０４の断面領域の合計（対応する線によって定められる領域の合計）は、５つのレーザの離間した同時の線形アレイ（対応する線によって定められる領域）を通過させることによって達成される溶融プール５０２の断面領域よりもはるかに小さい。したがって、本開示は、いくつかの例では、単一のレーザを使用するよりも短い時間で達成される拡大された溶融プールを生成する（例えば、レーザビームの近接は、複数のパスで動作する個々のビームよりも速い溶融を可能にする）。

さまざまな例では、グラフ５００を見ることから理解されるように、それにより、本開示はまた、溶融等温線によって示されるように熱共有を提供する。溶融プール５０２及び５０４は、深さに関して一致した速度を示していることに留意されたい。

レーザのアレイの異なる構成６００が図７に示されている。この図は、８つのレーザを有するレーザのアレイによって生成されたヒートスポット構成を示しているが、奇数及び偶数の両方のレーザを含む異なる数のレーザを使用することができることに留意されたい。異なるヒートスポット構成は、ヒートスポットを生成するための熱源と同様のパターンで配置されたレーザに対応する。すなわち、ヒートスポットを生成するレーザの幾何学的形状は、生成されたヒートスポット６１２と同じ幾何学的形状（例えば、向き）に配置される。

より詳細には、図７は、６０２に示す８×１構成、６０４に示す４×２構成、６０６に示す３×２×３構成、６０８に示す２×４構成、及び６１０に示す１×８構成を示している。他のヒートスポット構成は、異なる幾何学的形状のレーザを使用して生成され得る。例えば、４つのヒートスポット構成の場合、ヒートスポットは、４×１、２×２、又は１×４構成に配置され得る。したがって、本開示は、非対称構成又は非矩形構成を画定するように、異なる数であり得る複数の行及び列を有する構成を企図する（例えば、２つの列の各々が第１の数のレーザを有し、１つの列が第２の異なる数のレーザを有する）。すなわち、異なる行及び／若しくは列、又は行及び／若しくは列のサブセットは、その中に異なる数のレーザを有することができる。いくつかの例では、異なる数のレーザの交互の行及び／又は列が提供される。他の例では、異なる数のレーザを有する行／列は、異なる非反復又は非交互構成で提供される。

ヒートスポット６１２の特徴及び特性は、レーザの動作構成及びパラメータに基づいて変化させることができることを理解されたい。例えば、レーザによって生成される温度及びレーザ間の距離（又は対応する生成されたヒートスポット６１２間の距離）は、ヒートスポット６１２のサイズ、それらの間の間隔、温度などを含む、ヒートスポット６１２の所望の又は必要なパターン又は幾何学的形状に基づいて変更され得る。したがって、レーザの動作パラメータ又はレーザの物理的配置を変更することによって、ヒートスポット６１２の特徴及び特性が調整され、生成された溶融プールの異なる特徴又は特性をもたらす（例えば、溶融プールのサイズ、溶融プールを生成する時間など）。

例えば、図８は、本開示の例による、４行の２列（２×４）に配置された複数の熱源（例えば、レーザ）によって生成された８つのヒートスポット７１０を含むヒートスポット構成７００を示している。熱源の配置は、いくつかの例では、列分離間隔７０２、行分離間隔７０４、及びスポット直径７０６を含むヒートスポット７１０の幾何学的形状を画定する。すなわち、ヒートスポット構成７００の幾何学的形状の特性は、ヒートスポット７１０を生成するレーザの幾何学的形状によって画定される。動作中、ヒートスポット構成７００は、矢印で示すように、走査方向７０８に移動可能である。しかしながら、異なる走査方向が考えられることを理解されたい。また、本明細書で説明するように選択されたパラメータでは、ヒートスポット７１０は重ならない。

さらに、図９に示すように、ヒートスポットの異なる出力構成８００を提供するなどのために、レーザの動作特性を調整することができる。すなわち、レーザの異なる行及び／又は列（又は個々のレーザ）の出力を、異なる出力構成８００又は他の構成を画定するように調整することができる。図示の例では、構成８０２は、（後列８１０よりも）先頭列８０８においてより高い出力を提供し、矩形構成８０４は、列８０８及び８１０の両方において等しい出力を提供し、構成８０６は、（後列８１０よりも）先頭列８０８においてより低い出力を提供する。したがって、異なる列及び／又は行のレーザによって生成される相対熱は、ヒートスポットを生成するレーザの１つ又は複数の特性を調整することによって、所望のように又は必要に応じて調整され得る。一例では、各列の全出力で動作するレーザの最小及び最大出力レベルが定義される（例えば、４０ワット（Ｗ）及び４００Ｗ）。出力レベルはまた、例えば粉末ストックの供給速度に基づいて調整され得る。一例では、６６ミリメートル／秒（ｍｍ／ｓ）などのより低い供給速度の場合、１．６ジュール（Ｊ）／ｍｍの出力レベルが使用され、１０５Ｗの総出力が得られる。しかしながら、他の出力レベル及び供給速度の組み合わせも考えられる。例えば、１．６６ Ｊ／ｍｍの出力レベルを有する２１８ｍｍ／ｓがいくつかの例で使用され、３６３Ｗの総出力が得られ、又は０．８６ジュールＪ／ｍｍの出力レベルを有する４４３ｍｍ／ｓが他の例で使用され、３８１Ｗの総出力が得られる。出力レベル及び供給速度は、適切な基板浸透及び安定性を提供するためにさまざまな例で調整される。

したがって、列は異なる出力レベルを有することができる。いくつかの例では、フロントエンド予熱がバックエンド冷却とともに使用される。出力レベルは、所望のように又は必要に応じて異なる列にわたって変化させることができることを理解されたい。いくつかの例では、特定の列内のすべてのスポットは第１の出力を有し、第２の列内のすべてのスポットは第２の異なる出力を有する。しかしながら、各列内の１つ又は複数のスポットは、その同じ列内の１つ又は複数のスポットとは異なる出力を有することができる。

図９は２×４のヒートスポット構成を示しているが、これは１つの非限定的な例にすぎないことを理解されたい。他の数のヒートスポットもまた、本開示による本明細書に記載の構成（又は他の構成）に配置され得る。さまざまな例において、熱源は、重なり合わないヒートスポットを生成するように制御されることに留意されたい。

したがって、熱源として構成された本開示のレーザのアレイは、ＡＭプロセス中に異なる溶融プールを同時に生成するように変化させることができる。レーザの幾何学的形状、並びにレーザの他の特徴又は動作パラメータは、ヒートスポット、例えば、異なるスポットサイズ、スポット分離間隔、及び列分離間隔を有するヒートスポットの異なる幾何学的形状及びパターンを生成するように変化させることができる。いくつかの例では、スポットサイズ、スポット分離間隔、及び列分離間隔は、１５０μｍ～３００μｍの間で変化し得る。しかしながら、他の範囲の値が考えられることを理解されたい。一例では、全長が１．４ｍｍのレーザの列について、２５０μｍのヒートスポット間ピッチで１５０μｍのヒートスポット直径が生成される。スポットサイズ、スポット分離間隔、及び列分離間隔のそれぞれの値は、同じであっても異なっていてもよいことに留意されたい。

さらに、熱共有プロセスのモデリングは、凝固が起こる前に並列溶融プール内に貯蔵された残留熱がそれらの溶融プールの併合を可能にするときに熱共有が起こることを示す。このプロセスは、いくつかの小さなレーザ源が、あたかもこれらのレーザ源が１つの大きなレーザ源であるかのように機能することを可能にする。

モデリング予測に基づいて、ＬＰＢＦ積層造形を実行するためにレーザのマルチスポットアレイを使用する利点を示す実験を行った。アレイの幾何学的形状変化は一定に保たれたが、スポットの数を体系的に変化させた。出力供給速度の組み合わせは、すべてのスポット番号に対して一定に保たれた。ハッチ距離のパーセンテージは、各アレイにわたって可能な限り近くに保たれた。

結果は、９９．９９％の密度が達成可能な最高の正規化溶融速度が、スポットがアレイに追加されるにつれて対数的に増加することを示している。これらのパラメータの両方の最大の増加は、第２のスポットの追加によって起こり、その後、各追加のスポットの増加はより小さくなる。

これらの結果は、個々のレーザ間で熱共有が生じ、プロセス効率が大幅に改善されることを示している。効率利得は、８から１０のレーザの後に漸近的に制限されるが、任意の数のレーザを追加することによって、絶対溶融速度の大幅な改善を依然として行うことができる。

表１及び表２は、それぞれ、さまざまなパラメータの組み合わせの実験結果及び３つのデータセットからの結果を示している。

一例では、体積エネルギー密度（ＶＥＤ）を最小化し、溶融速度を最大化しながら、１００％の密度を達成するようにモデルを最適化した。この例では、最適なパラメータの組み合わせは、出力＝１１６Ｗ、走査速度＝６６ｍｍ／ｓ、ハッチ距離＝１２２５μｍ、スポットサイズ＝７５μｍ、スポット分離間隔＝１７５μｍである。この組み合わせに関連するＶＥＤ、溶融速度、及び線エネルギー密度（ＬＥＤ）は、それぞれ７６．２ Ｊ／ｍｍ^３、１９６．５ｇ／ｈ、及び１．８ Ｊ／ｍｍである。

いくつかの例では、ＶＥＤは、レーザの異なる動作特性を決定するために計算される。ＶＥＤと溶融速度（ＭＲ）は反比例することに留意されたい。ＶＥＤは、以下のように表すことができる：

単位は以下であり、

ここで、Ｐはレーザ出力、ｖは走査速度（ｍｍ／ｈ）、ｔは粉末層厚さ（ｍｍ）である。ＭＲは、以下のように表すことができる：
ＭＲ＝ｐｖｔｈ（２）
さらに、以下のように表すことができる：

単位は以下であり、

ここで、ρは材料の密度である。上記の式から分かるように、（ｉ）レーザ出力を増加させるとＶＥＤが増加し、（ｉｉ）走査速度、ハッチ間隔又は層の厚さを増加させるとＶＥＤが減少する。したがって、溶融速度を増加させることが所望される場合、出力を増加させることができ、ｔ、ｖ、又はｈを増加させることによって、又は分離されたスポット（密度が９９．９９％であるという制約を受ける）を有する熱源アレイ内で熱を共有することによってＶＥＤを減少させることができる。一例では、レーザスポットの密度は、以下のパラメータを使用して生成される：
供給速度＝４０ｍｍ／ｓ；
出力＝２００Ｗ；
密度＝９９．９９％；
ハッチ間隔＝０．９ｍｍ；
粉末層＝１００μｍ；及び
ＶＥＤ＝５５．５ Ｊ／ｍｍ^３。

一例では、本開示により、３．２ｋＷで５００ｇ／ｈを超える溶融速度、９９％の密度、及び５０μｍ未満の孔径が達成される。レーザスポットの生成を制御するために、本開示に従ってさまざまなパラメータを制御することができることを理解されたい。例えば、出力、供給速度、及びハッチ距離などのパラメータは、特定の用途などのために、所望のように又は必要に応じて変化させることができる。いくつかの例では、スポットサイズ、スポット分離間隔、出力、供給速度、及びハッチ距離のうちの１つ又は複数は、手動又は自動で調整され得る。一例では、パラメータは、並列溶融プールが凝固前に融合するように選択される。

いくつかの例では、レーザ出力は２００Ｗ、ビーム直径は１５０μｍ、供給速度は１５０ｍｍ／ｓである。単一のレーザの５つの別個のパスにより、別個の溶融プールが形成される（図６を参照）。理解されるように、各溶融等温線の範囲は、レーザ出力に比例し、供給速度及び相互作用からどれだけのエネルギーが伝導されるかに反比例する（主に材料の熱伝導率及び拡散性によって決定される）。ＬＰＢＦシステムでは、所与の点における基板の温度は、所与の点を通過したレーザビームの１つのパスと次のパスとの間で著しく冷却される。結果として、各パスは実質的に同じ温度基板上にあり、各溶融プールは、ビームの前のパスによって生成されたものと同じ形状及びサイズである。

複数のレーザビームを使用する本開示では、上記の例を続けて、５つのビームを同時に使用すると、材料のバルクへの垂直方向の導電性損失は単一ビームの場合と同じである。したがって、溶融物の最大深さは、単一のビームで達成される深さよりもわずかに深い。しかしながら、水平方向の導電損失は減少し、各ビームの溶融プールは、隣接するビームによって加えられる熱によって増強される。これにより、各ビームの溶融プールが大きくなり、本明細書に記載のように選択されたパラメータで、単一の溶融プールをもたらすことができる。供給速度が増加するにつれて、熱共有に利用可能な時間が少なくなり、溶融プールが分離し始める可能性があることを理解されたい。さらに、本開示を使用した熱共有では、平行なアレイにおけるビームの間隔は、単一のビームシステムによって必要とされるハッチ間隔を超えることができる（効率を最適化するために）。

したがって、本開示によれば、マルチスポットアレイ構成は、シングルスポット構成と比較して溶融効率を改善する。９９．９９％の密度での正規化された溶融速度は、各追加のレーザで増加することが決定された。一方のレーザを表す点は、１３．３ｇ／ｈ／１００Ｗでの基準線値である。第２のレーザを追加すると、値は３１．９ｇ／ｈ／１００Ｗに増加する。これは２．４の係数であり、一緒に作用する２つのレーザが単一のレーザの２倍以上の効率であることを示している。この値は、追加のレーザごとに対数的に増加し、３８．２ｇ／ｈ／１００Ｗの値で横ばいになる。これは、全体の効率の２．９倍の増加に相当する。

図１０は、本開示の例による、物体を積層造形するための方法９００のフローチャートである。本方法は、本明細書に記載又は企図される例のいずれかを使用して実行され得る。さらに、方法９００の１つ又は複数のステップを異なる順序で実行することができ、追加の又はより少ないステップを提供することができる。１つ又は複数のステップは、同時に、並行して、又は順次に実行され得る。

方法９００は、９０２において、第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えるステップを含む。第１の熱源は、アレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、第１の溶融プールを生成する。例えば、図３に示すように、レーザ３１０は、熱源として構成され、ターゲット箇所で粉末を溶融するヒートスポット（図７に示すような構成で）を生成する。すなわち、レーザ３１０の各々は、粉末を溶融して溶融プールを形成するために熱を発生させるビームを生成するように構成される（例えば、レーザ３１０のうちの１つは、図１に示す溶融プール１１８として第１の溶融プールを形成するように構成される）。

方法９００は、９０４において、第２の溶融プール（例えば、図１に示すヒートプール１２０）を生成するために、アレイ内の複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱を加えるステップをさらに含む。一例では、第１の複数の金属粒子は、第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離されている。距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される。例えば、第１の熱源及び第２の熱源は、２つの異なる箇所で粉末を同時に溶融して、凝固させて物体又は物体の一部を形成する２つの溶融プールを形成する複数のレーザである。すなわち、方法９００は、９０６において、物体又はその一部を形成するために複合溶融プールを凝固させるステップをさらに含む。

いくつかの例では、金属粒子に熱を加えるステップは、チタン又はチタン合金の粒子に熱を加えるステップを含むことに留意されたい。

いくつかの例では、方法９００は、９０８において、複合溶融プールに対応するサイズ変化を伴う対応する追加の溶融プールを生成するために、アレイ内の追加の熱源を使用するステップを含む。例えば、アレイは、（ｍ×ｍ）構成又は（ｎ×ｍ）構成で構成され、ｎはｍ未満である。しかしながら、本明細書で説明するように、非矩形アレイ構成又は非対称アレイ構成が生じるように、異なる数のレーザを有する行又は列などの他の構成が考えられる。

複合溶融プールは、熱を加えるアレイ内の熱源の数、及び本明細書に記載のレーザの動作特徴又は特性に従ってサイズ決めされる。アレイ内に追加の熱源を有する例では、複合溶融プールを生成するためにアレイ内の追加の熱源を使用するステップはまた、９１０において、アレイ内のどの熱源が熱を加えて複合溶融プールを拡大及び成形するかを制御するステップを含む。

いくつかの例では、方法９００は、９１２において、複合溶融プールから製造された物体の機械的特性を調整するために、第１の熱源と第２の熱源の相対位置を調整するステップをさらに含む。例えば、レーザの間隔及び／又はアライメントが調整される。

いくつかの例では、方法９００は、９１４において、以前の複合溶融プール箇所が凝固するにつれて、複合溶融プールが粉末床を横切って第１の方向に移動する（例えば、図５を参照）ように、粉末床に対して第１の方向にアレイを移動させるステップをさらに含む。すなわち、レーザの移動は、溶融プールも移動させる。

いくつかの例では、９０２で熱を加えるステップは、９１６において、走査方向に粉末床に対してアレイを移動させるステップをさらに含む。この走査方向の移動は、直線移動又は本明細書に記載の他のタイプの移動であり得る。

いくつかの例では、９０２で熱を加えるステップは、９１８で、粉末床において、第１の熱源と第２の熱源とを、粉末床における熱源のスポットサイズに対応する距離だけ分離するステップをさらに含む。すなわち、レーザは、ヒートスポット間に所望の又は必要なピッチを生成するために分離される。

本開示の態様は、関連する動作を伴うさまざまな実装形態に関して説明されてきたが、当業者であれば、任意の数の異なる実装形態からの動作の組み合わせも本開示の態様の範囲内であることを理解されよう。

したがって、本開示は、単一のスポットを使用して溶融プールを作成する複数のレーザの使用とは対照的に、Ｌ－ＰＢＦなどの溶融プールを作成するための複数のスポットのレーザアレイパターン／設計の使用を可能にする。複数のスポットの配置により、本開示は、さまざまな例（例えば、チタン及びチタン合金）における特定の合金のための最適化された溶融プール及び加工条件を達成する。

例示的な動作環境
本開示は、図１１の方法１０００のような実装形態による航空機の製造及び保守点検方法内で動作可能である。航空機の試作中、方法１０００のいくつかの実装形態は、動作１００２における航空機の仕様及び設計、並びに動作１００４における材料調達を含む。製造中、方法１０００のいくつかの実装形態は、動作１００６における構成要素及び部分組立品の製造と、動作１００８における航空機システム統合とを含む。航空機は、動作１０１２において就航中となるために、動作１０１０において認証及び搬送を受ける。顧客の就航中、航空機は、動作１０１４において定期的な整備及び保守点検の予定が組まれる。いくつかの実装形態では、動作１０１４は、修正、再構成、改修、及び進行中の飛行動作中に航空機を許容可能な安全な状態に維持することに関連する他の動作を含む。本明細書に開示される積層造形のためのシステム及び方法は、例えば、動作１００６及び／又は１０１４の間に使用される。

方法１０００の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、又はオペレータ（例えば、顧客）によって実行可能又は実施可能である。本開示の目的のために、システムインテグレータは、任意の数の航空機製造業者及び主要システムの下請業者を含み、第三者は、任意の数のベンダ、下請契約者、及びサプライヤを含み、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織、及び同様の販売及びリースサービスを提供する同様の団体を含む。

本開示は、さまざまな用途のためにさまざまな陸上環境及び地球外環境において動作可能である。例示のみを目的とし、本開示の実装形態が動作する可能な動作環境を限定する意図はなく、以下の例示的な動作環境が提示される。本開示は、図１２の航空機１１００としての実装形態による航空機動作環境内で動作可能である。航空機１１００の実装形態は、機体１１０２、複数の高レベルシステム１１０４、及び内部１１０６を含むが、これらに限定されない。航空機１１００のいくつかの実装形態は、限定はしないが、推進システム１１０８、電気システム１１１０、油圧システム１１１２、及び環境システム１１１４のうちの１つ又は複数を含む高レベルシステム１１０４を組み込む。任意の数の他のシステムを航空機１１００の実装形態に含めることができる。航空宇宙の実装形態が示されているが、この原理は、自動車産業及び海洋産業などの他の産業にも適用可能である。

本開示は、図１３の機能ブロック図１２００としての実装形態によるコンピューティング装置で動作可能である。そのような実装形態では、コンピューティング装置１２０２の構成要素は、本明細書に記載の１つ又は複数の実装形態による電子デバイスの一部として実装され得る。コンピューティング装置１２０２は、電子デバイスの動作を制御するためにコンピューター実行可能命令を処理するためのマイクロプロセッサ、コントローラー、又は任意の他の適切なタイプのプロセッサとすることができる１つ又は複数のプロセッサ１２０４を備える。オペレーティングシステム１２０６又は任意の他の適切なプラットフォームソフトウェアを含むプラットフォームソフトウェアを装置１２０２上に提供して、アプリケーションソフトウェア１２０８をデバイス上で実行できるようにすることができる。一実装形態によれば、本明細書に記載のＡＭシステムは、少なくとも部分的にソフトウェアによって実施され得る。

コンピューター実行可能命令は、コンピューティング装置１２０２によってアクセス可能な任意のコンピューター読み取り可能な媒体を使用して提供され得る。コンピューター読み取り可能な媒体は、メモリ１２１０などのコンピューター記憶媒体及び通信媒体を含むことができるが、これらに限定されない。メモリ１２１０などのコンピューター記憶媒体は、コンピューター読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュールなどの情報を記憶するための任意の方法又は技術で実装された揮発性及び不揮発性、取り外し可能及び取り外し不可能な媒体を含む。コンピューター記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ若しくは他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）若しくは他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶装置、又はコンピューティング装置によるアクセスのための情報を格納するために使用可能な任意の他の非伝送媒体を含むが、これらに限定されない。対照的に、通信媒体は、搬送波又は他の伝送機構などの変調データ信号内のコンピューター読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュールなどを実現することができる。本明細書で定義されるように、コンピューター記憶媒体は通信媒体を含まない。したがって、コンピューター記憶媒体は、伝播信号自体であると解釈されるべきではない。伝搬される信号自体は、コンピューター記憶媒体の例ではない。コンピューター記憶媒体（メモリ１２１０）は、コンピューティング装置１２０２内に示されているが、記憶装置は、遠隔に分散又は配置され、ネットワーク又は他の通信リンクを介して（例えば、通信インターフェース１２１２を使用して）アクセスされ得ることが当業者には理解されよう。

コンピューティング装置１２０２は、いくつかの実装形態ではディスプレイ又はスピーカであり、電子デバイスとは別個であっても一体であってもよい、１つ又は複数の出力デバイス１２１６に情報を出力するように構成された入出力コントローラー１２１４を備えることができる。入出力コントローラー１２１４はまた、いくつかの実装形態ではキーボード、マイクロフォン、又はタッチパッドである、１つ又は複数の入力デバイス１２１８からの入力を受信して処理するように構成され得る。一実装形態では、出力デバイス１２１６は入力デバイスとしても機能する。タッチセンシティブディスプレイは、そのようなデバイスの１つである。また、入出力コントローラー１２１４は、出力デバイス以外のデバイス、例えばローカルに接続された印刷デバイスにデータを出力することもできる。いくつかの実装形態では、ユーザは、入力デバイス１２１８に入力を提供し、及び／又は出力デバイス１２１６から出力を受信することができる。

本明細書に記載の機能は、少なくとも部分的に、１つ又は複数のハードウェア論理コンポーネントによって実行可能である。一実装形態によれば、コンピューティング装置１２０２は、プログラムコードがプロセッサ１２０４によって実行されると、記載された動作及び機能の実装形態を実行するように構成される。代替的又は追加的に、本明細書に記載の機能は、少なくとも部分的に、１つ又は複数のハードウェア論理コンポーネントによって実行可能である。限定するものではないが、使用可能な例示的なタイプのハードウェア論理コンポーネントには、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム固有標準製品（ＡＳＳＰ）、システムオンチップシステム（ＳＯＣ）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ）、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）が含まれる。

したがって、さまざまな実装形態は、積層造形を実行するためのシステム及び方法を含む。

例えば、上、底、下、中間、横方向、水平方向、垂直方向、正面などのさまざまな空間及び方向の用語を、本開示を説明するために使用することができるが、このような用語は図示された向きに関して単に使用されることが理解される。向きは、反転され、回転され、又は他の方法で変更されてもよく、このため、上部が下部に、及びその逆や、水平方向が垂直方向になどなる。

本明細書で使用される、タスク又は動作を実行する「ように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」構造、制限、又は要素は、特に構造的に形成され、構築され、又はタスク若しくは動作に対応するように適合されている。明確にする目的及び誤解を避けるために、タスク又は動作を実行するように変更されることが単に可能なオブジェクトは、本明細書で使用されるタスク又は動作を実行する「ように構成され（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」ていない。

当業者には明らかなように、本明細書で与えられる任意の範囲又は値は、求められる効果を失うことなく拡張可能又は変更可能である。

主題は構造的特徴及び／又は方法論的行為に特有の言語で説明されているが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は必ずしも上記の特定の特徴又は行為に限定されないことを理解されたい。むしろ、上記の特定の特徴及び行為は、特許請求の範囲を実装する例示的な形態として開示されている。

上述の利益及び利点は、一実装形態に関連するか、又はいくつかの実装形態に関連し得ることが理解されよう。実装形態は、本明細書の背景技術で論じたあらゆる問題に対処するもの、又は記載された利益及び利点のいずれか又はすべてを有するものに限定されない。

本明細書に図示及び記載された実装形態、並びに本明細書に具体的に記載されていないが特許請求の範囲の態様の範囲内の実装形態は、ガス回収を伴うコールドスプレー積層造形のための例示的な手段を構成する。

本明細書に図示及び記載される本開示の実装形態における動作の実行の順序は、特に明記されない限り、必須ではない。すなわち、動作は、特に指定されない限り、任意の順序で実行することができ、本開示の例は、本明細書に開示されるものよりも多い又は少ない動作を含むことができる。例示として、別の動作の前、同時、又は後に特定の動作を実行することは、本開示の態様の範囲内であると考えられる。

本開示の態様の要素又はその実装形態を紹介するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、１つ又は複数の要素があることを意味するものとする。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的であることを意図しており、リストされた要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味する。「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、「の例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ）」を意味するものである。「Ａ、Ｂ、及びＣの１つ又は複数」という語句は、「Ａの少なくとも１つ及び／又はＢの少なくとも１つ及び／又はＣの少なくとも１つ」を意味する。

本開示の態様を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される本開示の態様の範囲から逸脱することなく修正及び変更が可能であることは明らかである。本開示の態様の範囲から逸脱することなく、上記の構造、製品、及び方法にさまざまな変更を加えることができるため、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されているすべての事項は、限定的な意味ではなく、例示として解釈されるものとする。

上記の説明は例示であって限定されないことを意図することが理解されるべきである。例示として、上述の実装形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて使用可能である。さらに、本開示のさまざまな実装形態の教示に特定の状況又は材料を適合させるために、それらの範囲から逸脱することなく、多くの修正が実用的である。本明細書中に記載される材料の寸法及びタイプは、本開示のさまざまな実装形態のパラメータを画定することを意図されているが、本実装形態は、決して限定的ではなく例示的な実装形態である。多くの他の実装形態は、上記の説明を検討することにより当業者には明らかにされよう。本開示のさまざまな実装形態の範囲は、したがって、その請求項が権利を有する均等物の全範囲とともに、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」や「ここで（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、普通の英語の各用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」や「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」と同等として使用される。また、用語「第１（ｆｉｒｓｔ）」、「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」、及び「第３（ｔｈｉｒｄ）」などは、単にラベルとして使用され、これらの対象に数の要件を課すことを意図するものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の制限は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、この特許請求の範囲の制限がさらなる構造の機能ボイドの記述に続く「手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」のフレーズを明示的に使用しない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されるものではない。

この記載は、ベストモードを含む本開示のさまざまな実装形態を開示するために例を使用し、また、当業者が、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含む、本開示のさまざまな実装形態を実施することを可能にする。本開示のさまざまな実装形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含む。例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は例が特許請求の範囲の文言と実質的でない差を有する同等の構造的要素を含む場合、このような他の例は、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

条項
次の条項では、さらなる態様について説明する。

条項セットＡ：
Ａ１．物体を積層造形するための方法であって、方法は、
第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えるステップであって、第１の熱源は、アレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、第１の熱源は、第１の溶融プールを生成する、ステップと、
第２の溶融プールを生成するために、アレイ内の複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱を加えるステップであって、第１の複数の金属粒子は、第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離され、距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１の溶融プール及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される、ステップと、
物体を形成するために複合溶融プールを凝固させるステップとを含む、方法。

Ａ２．複合溶融プールに対応するサイズ変化を伴う対応する追加の溶融プールを生成するためにアレイ内の追加の熱源を使用するステップであって、アレイは（ｍ×ｍ）構成又は（ｎ×ｍ）構成で構成され、ｎはｍ未満である、ステップをさらに含む、条項Ａ１に記載の方法。

Ａ３．複合溶融プールが、熱を加えるアレイ内の熱源の数に応じてサイズ決めされる、条項Ａ１又はＡ２に記載の方法。

Ａ４．複合溶融プールを生成するためにアレイ内の追加の熱源を使用するステップが、複合溶融プールを拡大及び成形するために熱を加えるアレイ内の熱源の数を選択的に制御するステップを含む、条項Ａ１からＡ３のいずれか一項に記載の方法。

Ａ５．複合溶融プールから形成された物体の機械的特性を調整するために、第１の熱源と第２の熱源との相対位置を調整するステップをさらに含む、条項Ａ１からＡ４のいずれか一項に記載の方法。

Ａ６．熱を加えるステップが、レーザを使用して熱を加えるステップを含む、条項Ａ１からＡ５のいずれか一項に記載の方法。

Ａ７．以前の複合溶融プール箇所が凝固するにつれて、複合溶融プールが粉末床を横切って第１の方向に移動するように、粉末床に対して第１の方向にアレイを移動させるステップをさらに含む、条項Ａ１からＡ６のいずれか一項に記載の方法。

Ａ８．金属粒子に熱を加えるステップが、チタン合金の粒子に熱を加えるステップを含む、条項Ａ１からＡ７のいずれか一項に記載の方法。

Ａ９．熱を加えるステップが、規定の直径及び規定のピッチを有する複数のヒートスポットを生成するために、第１及び第２の熱源を制御するステップをさらに含む、条項Ａ１からＡ８のいずれか一項に記載の方法。

Ａ１０．熱を加えるステップが、粉末床において、第１の熱源と第２の熱源とを、粉末床における熱源のスポットサイズに対応する距離だけ分離するステップをさらに含む、条項Ａ１からＡ９のいずれか一項に記載の方法。

条項セットＢ：
Ｂ１．金属粒子のコーティングを受け入れる粉末床と、
少なくとも第１の熱源及び第２の熱源を含む熱源のアレイであって、第１の熱源は、コーティング中の第１の複数の隣接する金属粒子に熱を加えて第１の溶融プールを生成し、第２の熱源は、コーティング中の第２の複数の隣接する金属粒子に熱を加えて第２の溶融プールを生成し、第１の複数の隣接する金属粒子は、第２の複数の隣接する金属粒子からある距離だけ分離されており、距離及び各前記熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される、熱源のアレイと
を備える、積層造形システム。

Ｂ２．熱源のアレイがレーザのアレイを備え、レーザのアレイは、各々が規定の直径及び規定のピッチを有する複数のヒートスポットを生成する、条項Ｂ１に記載の積層造形システム。

Ｂ３．熱源のアレイが、粉末床に対して走査方向に移動するように構成される、条項Ｂ１又はＢ２に記載の積層造形システム。

Ｂ４．熱源のアレイが、（ｍ×ｍ）構成又は（ｎ×ｍ）構成で構成され、ｎはｍ未満である、条項Ｂ１からＢ３のいずれか一項に記載の積層造形システム。

Ｂ５．熱源のアレイが複数のレーザを備え、複数のレーザの各レーザが機械的に調整可能な位置を有する、条項Ｂ１からＢ４のいずれか一項に記載の積層造形システム。

Ｂ６．熱源のアレイが、それぞれが異なる温度で熱を加えるように制御可能な熱源の列を含む、条項Ｂ１からＢ５のいずれか一項に記載の積層造形システム。

Ｂ７．熱源のアレイがヒートスポットパターンを生成するように構成され、ヒートスポットパターンのヒートスポット直径又はヒートスポットピッチの少なくとも一方は、複合溶融プールのサイズを制御するように制御可能である、条項Ｂ１からＢ６のいずれか一項に記載の積層造形システム。

Ｂ８．熱源のアレイが複数のレーザを備え、複数のレーザの各レーザは、異なる温度でヒートスポットを生成するように制御可能である、条項Ｂ１からＢ７のいずれか一項に記載の積層造形システム。

Ｂ９．複数のレーザが複数の列に配置され、列のうちの少なくとも２つが異なる数のレーザを有する、条項Ｂ１からＢ８のいずれか一項に記載の積層造形システム。

条項セットＣ：
Ｃ１．積層造形中に熱源を動作させるためのコンピューター実行可能命令が格納された１つ又は複数のコンピューター記憶装置であって、この命令は、コンピューターによって実行されると、コンピューターに、
第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えることであって、第１の熱源は、アレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、第１の熱源は、第１の溶融プールを生成する、ことと、
第２の溶融プールを生成するために、アレイ内の複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱を加えることであって、第１の複数の金属粒子は、第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離され、距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きく、第１及び第２の溶融プールを包含する複合溶融プールを生成するように制御される、ことと、
物体を形成するために複合溶融プールを凝固させることとを含む動作を実行させる、１つ又は複数のコンピューター記憶装置。

１００ ＡＭシステム
１０２ レーザシステム
１０４ ミラー
１０６ ターゲット箇所
１０８ 構築空間
１１０ 物体
１１２ 粉末送達システム
１１４ 粉末
１１６ スプレッダ
１１８ 溶融プール
１２０ 溶融プール
２００ ＡＭシステム
２０２ 堆積装置
２０４ ストック材料供給部
２０６ 層
２０８ インプロセス物品
２１０ ベーストレイ
２１２ 側方ステージ
２１４ ステージ
２１６ 製造チャンバ
２１８ コントローラー
２２０ コンピューター
２２２ ストック材料供給部
２２４ レーザ源
３００ レーザアレイ
３０２ 積層造形用レーザヘッド
３０４，３１０ レーザ
３０６，３０８，３１２ ねじ
４００ レーザ
４０２ 構築空間
４０４ ビーム
４５０ 調整装置
４５２，４５４ ねじ
４５６ レーザコリメータホルダ
４５８ レーザコリメータ
４６０ 玉継ぎ手
４６２ 制御アーム
４６４ ロック歯

Claims (11)

1. 物体を積層造形するための方法であって、前記方法は、
   第１の熱源を使用して粉末床の第１の複数の金属粒子に熱を加えるステップであって、前記第１の熱源はアレイ状に構成された複数の熱源のうちの１つであり、前記第１の熱源は第１の溶融プール（１１８）を生成する、ステップと、
   第２の溶融プール（１２０）を生成するために、前記アレイ内の前記複数の熱源のうちの第２の熱源を使用して前記粉末床の第２の複数の金属粒子に同時に熱を加えるステップであって、前記第１の複数の金属粒子は前記第２の複数の金属粒子からある距離だけ分離され、前記距離及び各熱源からの熱量は、サイズがより大きい、前記第１及び第２の溶融プール（１１８，１２０）を包含する複合溶融プール（５０２）を生成するように制御される、ステップと、
   前記物体を形成するために前記複合溶融プール（５０２）を凝固させるステップとを含む、方法。
2. 前記複合溶融プール（５０２）に対応するサイズ変化を伴う対応する追加の溶融プールを生成するために前記アレイ内の追加の熱源を使用するステップであって、前記アレイは（ｍ×ｍ）構成又は（ｎ×ｍ）構成で構成され、ｎはｍ未満である、ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複合溶融プール（５０２）を生成するために前記アレイ内の追加の熱源を使用するステップが、前記複合溶融プール（５０２）を拡大及び成形するために熱を加える前記アレイ内の前記熱源の数を選択的に制御するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記複合溶融プール（５０２）から形成された前記物体の機械的特性を調整するために、前記第１の熱源及び前記第２の熱源の相対位置を調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記複合溶融プール（５０２）に対応するサイズ変化を伴う対応する追加の溶融プールを生成するために、前記アレイ内の追加の熱源を使用するステップであって、前記アレイは、非矩形構成又は非対称構成のうちの１つで構成される、ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 金属粒子のコーティングを受け入れる粉末床と、
   少なくとも第１の熱源及び第２の熱源を含む熱源のアレイであって、前記第１の熱源は、前記コーティング中の第１の複数の隣接する金属粒子に熱を加えて第１の溶融プール（１１８）を生成し、前記第２の熱源は、前記コーティング中の第２の複数の隣接する金属粒子に熱を加えて第２の溶融プール（１２０）を生成し、前記第１の複数の隣接する金属粒子は、前記第２の複数の隣接する金属粒子からある距離だけ分離されており、前記距離及び各前記熱源からの熱量は、サイズがより大きい、前記第１及び第２の溶融プール（１１８，１２０）を包含する複合溶融プール（５０２）を生成するように制御される、熱源のアレイと
   を備える、積層造形システム（１００）。
7. 前記熱源のアレイがレーザ（３１０）のアレイを備え、前記レーザ（３１０）のアレイは、各々が規定の直径及び規定のピッチを有する複数のヒートスポット（７１０）を生成する、請求項６に記載の積層造形システム（１００）。
8. 前記熱源のアレイが、（ｍ×ｍ）構成又は（ｎ×ｍ）構成で構成され、ｎはｍ未満である、請求項６に記載の積層造形システム（１００）。
9. 前記熱源のアレイが複数のレーザ（３１０）を備え、前記複数のレーザ（３１０）の各前記レーザ（３１０）が機械的に調整可能な位置を有する、請求項６に記載の積層造形システム（１００）。
10. 前記熱源のアレイが、ヒートスポットパターンを生成するように構成され、前記ヒートスポットパターンのヒートスポット直径又はヒートスポットピッチの少なくとも一方は、前記複合溶融プール（５０２）のサイズを制御するように制御可能である、請求項６に記載の積層造形システム（１００）。
11. 前記熱源のアレイが複数のレーザ（３１０）を備え、前記複数のレーザ（３１０）の各前記レーザ（３１０）は、異なる温度でヒートスポットを生成するように制御可能である、請求項６に記載の積層造形システム（１００）。

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