JP2022091137A - 付加製造システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善された液体金属ジェット印刷システム及びその方法を提供する。【解決手段】付加製造デバイスは、基板１１６を支持するように構成されている、ステージ１０６と、ステージの上方に配置されたプリントヘッド１０４と、プリントヘッドの近位に配置された標的加熱システム１０２と、を含み得る。プリントヘッドは、構築材料を溶融構築材料に加熱し、溶融構築材料を液滴の形態で基板上に堆積させて、物品を作製するように構成され得る。標的加熱システムは、プリントヘッドと基板との間に介在する飛行経路内の液滴の温度又は温度勾配を制御するように構成され得る。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態又は実施態様は、付加製造システム及びその方法を対象とする。

磁気流体力学（ＭＨＤ）液体金属ジェット印刷などの液体金属ジェット印刷は、ワークピース又は物品を形成するために、液体又は溶融金属滴をプリントヘッドから基板に射出することを含み、これは加熱ステージ又は予め堆積された金属であり得る。一般的に、液体金属ジェット印刷は、溶融金属滴を基板に向かって排出させるために、電磁コイルによって印加された直流パルスを利用することを含む。金属滴が基板に接触すると、金属滴は冷却されて物品を形成する。液体金属ジェット印刷が非常に進歩しているが、従来の液体金属ジェット印刷システムから作製された物品は、多くの場合、構築強度、接着力、多孔性、表面仕上げ、亀裂、破砕、ｚ高さ誤差などに関して不整合が示されている。

前述のことを考慮すると、機械加工及び仕上げなどの二次又は印刷後プロセスは、多くの場合、従来の液体金属ジェット印刷システムから作製された物品における不整合に対処するように実装される。しかしながら、印刷後のプロセスは生産性を大幅に低減し、それに対応して、液体金属ジェット印刷による物品の作製コストを増加させる。

次いで、必要とされるものは、改善された液体金属ジェット印刷システム及びその方法である。

以下は、本教示の１つ以上の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要を提示する。この概要は、広範な概略ではなく、本教示の主要な又は重要な要素を識別することも、本開示の範囲を明示することも意図していない。むしろ、その主要な目的は、単に、後に提示される詳細な説明の序文として、簡略化された形態で１つ以上の概念を提示するだけである。

本開示は、物品を製造するための付加製造デバイスを提供することができる。付加製造デバイスは、基板を支持するように構成されている、ステージと、ステージの上に配置されたプリントヘッドと、プリントヘッドの近位に配置された標的加熱システムと、を含む。プリントヘッドは、構築材料を溶融構築材料に加熱し、溶融構築材料を液滴の形態で基板上に堆積させて、物品を作製するように構成され得る。標的加熱システムは、プリントヘッドと基板との間に介在する飛行経路内の液滴の温度又は温度勾配を制御するように構成され得る。

いくつかの実施例では、標的加熱システムは、液滴を構築材料の融点の約±１０％～約±４０％の温度に加熱するように構成され得る。

いくつかの実施例では、プリントヘッド及び標的加熱システムは、互いに結合され得る。

いくつかの実施例では、標的加熱システムは、１つ以上のレーザを含み得る。

いくつかの実施例では、１つ以上のレーザは、約１Ｗ／ｃｍ^２～約１０，０００Ｗ／ｃｍ^２の照射量を含み得る。

いくつかの実施例では、１つ以上のレーザは、高出力レーザイメージャを含み得る。

いくつかの実施例では、高出力レーザイメージャは、１Ｄイメージャ又は２Ｄイメージャを含み得る。

いくつかの実施例では、標的加熱システムは、約３００℃以上～約６００℃以下の温度で動作するように構成され得る。

いくつかの実施例では、標的加熱システムは、レーザシステムを含み得る。

いくつかの実施例では、レーザシステムは、ファイバレーザと、ファイバ結合レーザモジュールと、ファイバ結合レーザモジュールと結合された出力ファイバと、ファイバ出力の下流に配置されたコリメータと、コリメータの下流に配置された偏光回転子と、コリメータの下流に配置された可変リターダと、可変リターダの下流に配置された波長リターダと、を含み得る。

いくつかの実施例では、付加製造システムは、コリメータと偏光回転子との間に配置された第１の偏光子と、偏光回転子と可変リターダとの間に配置された第２の偏光子と、波長リターダの下流に配置された第３の偏光子と、を更に含み得る。

いくつかの実施例では、偏光回転子は、可変リターダ及び波長リターダの上流に配置され得る。

いくつかの実施例では、付加製造システムは、コリメータと可変リターダとの間に配置された第１の偏光子と、波長リターダと偏光回転子との間に配置された第２の偏光子と、偏光回転子の下流に配置された第３の偏光子と、を更に含み得る。

いくつかの実施例では、可変リターダ及び波長リターダは、偏光回転子の上流に配置され得る。

いくつかの実施例では、標的加熱システムは、モノゴンシステムを含み得る。モノゴンシステムは、１つ以上のモノゴンスキャナ、１つ以上のガルバノミラー、又はこれらの組み合わせを含み得る。

いくつかの実施例では、モノゴンシステムは、モノゴンスキャナを含み得る。モノゴンスキャナは、反射性コーティングを実質的に含まなくてもよい。

いくつかの実施例では、付加製造デバイスは、付加製造デバイスの一部分を監視するように構成されている、監視システムを更に含み得る。

いくつかの実施例では、監視システムは、飛行経路内の液滴の温度を測定するように構成され得る。

いくつかの実施例では、付加製造デバイスは、プリントヘッド及び標的加熱システムと動作可能に結合されたコンピューティングシステムと、コンピューティングシステムと動作可能に結合され、付加製造デバイスを監視するように構成されている、監視システムと、を更に含み得る。

いくつかの実施例では、付加製造デバイスは、プリントヘッドの近位に配置され、標的加熱システムによって生成されたビームに入射するビームダンプを更に含み得、ビームダンプは、標的加熱システムによって生成されたビームからのエネルギーの少なくとも一部分を吸収するように構成されている。

いくつかの実施例では、標的加熱システムは、基板上に堆積された液滴の温度若しくは温度勾配、基板の近位の面積、又はこれらの組み合わせを制御するように更に構成され得る。

いくつかの実施例では、構築材料は、１つ以上の金属又は金属合金を含み得る。１つ以上の金属又は金属合金は、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、青銅、クロム、コバルトクロム合金、銅、銅合金、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルチタン合金、ステンレス鋼、スズ、チタン、チタン合金、金、銀、モリブデン、タングステン、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上を含み得る。

いくつかの実施例では、構築材料は、１つ以上のポリマーを含み得る。１つ以上のポリマーは、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリ（メタ）アクリレート、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリアミド、これらの複合物、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上を含み得る。

本開示は、付加製造デバイスを用いて物品を作製するための方法を提供することができる。この方法は、プリントヘッド内の構築材料を溶融構築材料に加熱すること、プリントヘッドから基板に向かって溶融構築材料を射出すること、飛行経路内の液滴を少なくとも部分的に加熱することと、及び溶融構築材料を基板上に堆積させることを含み得る。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本教示の実施形態を例解する。本開示の実施形態におけるこれら及び／又は他の態様及び利点は、添付の図面と併せて以下の様々な実施形態の説明から明らかになり、より容易に理解されるであろう。

図１は、開示される１つ以上の実施形態による、標的加熱システムを組み込んだ例示的な付加製造層化デバイス又は３Ｄプリンタの概略断面図を例解する。

図２は、開示される１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システムを組み込んだ別の例示的な付加製造層化デバイス又は３Ｄプリンタの概略図を例解する。

図３は、１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システムを組み込んだ別の例示的な付加製造層化デバイス又は３Ｄプリンタの概略図を例解する。

図４は、開示される１つ以上の実施形態による、図２、図３、図７、又は図８の標的加熱システムのレーザシステムの一部として利用され得る例示的なファイバ結合レーザを例解する。

図５は、開示される１つ以上の実施形態による、図２、図３、図７、又は図８の標的加熱システムのレーザシステムの一部として利用され得る別の例示的なファイバ結合レーザを例解する。

図６は、開示される１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システムを組み込んだ別の例示的な付加製造デバイス又は３Ｄプリンタの概略図を例解する。

図７は、開示される１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システムを組み込んだ別の例示的な付加製造デバイス又は３Ｄプリンタの概略図を例解する。

図８は、開示される１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システムを組み込んだ別の例示的な付加製造デバイス又は３Ｄプリンタの概略図を例解する。

様々な典型的な態様の以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、その用途、又は使用を限定することを意図するものではない。

全体にわたって使用されるように、範囲は、その範囲内にある各値及び全ての値を説明するために、省略として使用される。範囲内の任意の値は、範囲の終点として選択され得る。更に、本明細書に引用される全ての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本開示における定義と引用された参考文献との矛盾の場合には、本開示が制御する。

加えて、全ての数値は、示された値の「約」又は「およそ」であり、当業者によって期待されるであろう実験誤差及び変動を考慮する。本明細書に開示される全ての数値及び範囲は、「約」がそれと共に使用されるかどうかに関わらず、近似値及び範囲であることを理解されたい。本明細書で使用するとき、「約」という用語は、数字と共に、その数字の±０．０１％（境界値を含む）、±０．１％（境界値を含む）、±０．５％（境界値を含む）、その数字の±１％（境界値を含む）、その数字の±２％（境界値を含む）、その数字の±３％（境界値を含む）、その数字の±５％（境界値を含む）、その数字の±１０％（境界値を含む）、又はその数字の±１５％（境界値を含む）であり得る値を指すことも理解されたい。数値範囲が本明細書に開示されるとき、その範囲内に入る任意の数値もまた具体的に開示されることが更に理解されるべきである。

本明細書で使用するとき、「又は」という用語は、包括的な操作者であり、文脈上別段の明確な指示がない限り、「及び／又は」という用語と同等である。「に基づく」という用語は、排他的ではなく、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、記載されていない追加の要因に基づくことを可能にする。本明細書において、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」の記載は、Ａ、Ｂ、若しくはＣ、Ａ、Ｂ、若しくはＣの複数の例、又はＡ／Ｂ、Ａ／Ｃ、Ｂ／Ｃ、Ａ／Ｂ／Ｂ／Ｂ／Ｃ、Ａ／Ｂ／Ｃなどの組み合わせを含む実施形態を含む。加えて、本明細書全体を通して、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の意味は、複数の参考文献を含む。「ｉｎ」の意味は、「ｉｎ」及び「ｏｎ」を含む。

ここで、本教示の例示的な実施形態を詳細に参照し、この実施例を添付図面に例解する。可能な限り、同じ参照番号が、同じ、類似、又は同様の部分を指すように図面全体にわたって使用される。

本開示は、付加製造デバイス又は３Ｄプリンタ及びその方法を対象とする。特に、本開示は、３Ｄプリンタ用の標的加熱システム及びその方法を対象とする。溶融金属液滴を有する構造体を形成することは、再溶融、合体、冷却、及び凝固を伴う複雑な熱流体プロセスである。空隙及びコールドラップ（溶融の欠如）は、溶融金属液滴と以前に堆積した材料又は基板（例えば、液滴）との間に形成されている界面において不適切な温度下で、不十分な再溶融及び不十分な冶金結合によって引き起こされる。界面温度は、主に、以前に堆積した材料又は基板の液滴温度及び表面温度によって決定される。正確な部品形状及びｚ高さを取得及び保持することもまた、同じ要因によって悪影響を受ける。低すぎる界面温度は、不十分な再溶融及び合体から空隙及びコールドラップの形成をもたらす。界面温度が高すぎる場合、新たな液滴は、凝固前に以前に堆積した材料の表面から離れて流れ、これは、部品形状の形状不良及びｚ高さ誤差をもたらす。界面温度は、初期液滴温度、構築部品表面温度、構築プレート温度、液滴周波数、及び部品ｚ高さによって影響を受ける可能性がある。これは、プロセスパラメータの最適化によってある程度のレベルで制御することができるが、関与する熱プロセスは、許容できない界面温度をもたらす可能性がある部品印刷中に生じる変化及び力学により、過度に遅い場合がある。本明細書に更に記載されるように、標的加熱システムは、前述の問題に対処するために３Ｄプリンタによって調製された物品を形成する金属の粒径、成長、及び／又は構造を制御するために、基板及び／又は基板の近位の面積の界面温度及び／又は温度勾配を修正することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。例えば、標的加熱システムは、物品を形成する金属の粒径、成長、及び／又は構造を制御するために、溶融プールの界面温度及び／又は温度勾配を修正し、それによって、構築強度、接着力、多孔性、及び／又は表面仕上げを改善し、物品内の亀裂及び破砕を防止することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

図１は、１つ以上の実施形態による、標的加熱システム１０２を組み込んだ例示的な付加製造層化デバイス又は３Ｄプリンタ１００の概略断面図を例解する。３Ｄプリンタ１００は、磁気流体力学（ＭＨＤ）プリンタなどの液体金属ジェット印刷システムであり得る。しかしながら、任意の付加製造デバイスが、標的加熱システム１０２及び本明細書に開示される方法を利用し得ることを理解されたい。３Ｄプリンタ１００は、プリントヘッド１０４、ステージ１０６、コンピューティングシステム１０８、例示的な標的加熱システム１０２、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る。コンピューティングシステム１０８は、３Ｄプリンタ１００の構成要素のうちの任意の１つ以上に動作可能及び／又は通信可能に結合され得る。コンピューティングシステム１０８は、３Ｄプリンタ１００の構成要素のうちの任意の１つ以上から動作、変調、指示、データの受信などが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。プリントヘッド１０４は、本明細書でポンプチャンバとも称され得る本体１１０、１つ以上の加熱要素（１つは１１２で示される）、１つ以上の金属コイル１１４、又は互いに動作可能に結合された任意の組み合わせを含み得る。図１に例解されるように、加熱要素１１２は、本体１１０の周囲に少なくとも部分的に配置され得、金属コイル１１４は、本体１１０及び／又は加熱要素１１２の周囲に少なくとも部分的に配置され得る。本明細書で使用するとき、基板１１６は、ステージ１０６の表面、以前に堆積された金属（例えば、金属液滴）、３Ｄプリンタ１００若しくはその一部分から作製された物品１１８、ステージ１０６上に配置された加熱プラテン若しくは構築プレートなどのプラテン１２８、及び／又はそのそれぞれの表面を指し得る。図１に例解されるように、基板１１６は、ステージ１０６の上又は上方に、かつ本体１１０の下方に配置され得る。本体１１０は、その内部容積１２２を画定する内側表面１２０を有し得る。本体１１０は、本体１１０の第１の端部に配置されたノズル１２４を画定し得る。

図１を引き続き参照した３Ｄプリンタ１００の例示的な動作では、ソース１２６からの構築材料（例えば、金属）は、本体１１０の内部容積１２２に方向付けられ得る。加熱要素１１２は、本体１１０の内部容積１２２内に収容されている構築材料を少なくとも部分的に溶融し得る。例えば、構築材料は、中実金属などの固体であってもよく、加熱要素１１２は本体１１０を加熱し、それによって、構築材料を固体から液体（例えば、溶融金属）に加熱し得る。金属コイル１１４は、基板１１６上への構築材料の堆積を容易にすることが可能な、又はそのように構成されている、電源（図示せず）と結合され得る。例えば、金属コイル１１４及びそれと結合された電源は、磁場を発生させることが可能であり得るか、又はそれを生成するように構成され得、これは本体１１０内に起電力を発生させ、それによって、本体１１０内に配置された溶融金属内に誘導電流を発生させ得る。溶融金属内の磁場及び誘導電流は、ローレンツ力として知られる、液体金属上の半径方向内向きの力を生成し得、これによりノズル１２４に圧力が生じる。ノズル１２４における圧力は、ノズル１２４から基板１１６及び／又はステージ１０６に向かって、１つ以上の滴の形態で溶融金属を排出し、それによって物品１１８の少なくとも一部分を形成し得る。

標的加熱システム１０２は、基板１１６の少なくとも一部分及び／又は基板１１６の近位の面積を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。例えば、標的加熱システム１０２は、プラテン１２８の少なくとも一部分で、物品１１８の一部分、そのそれぞれの表面、及び／又はその近位の面積を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。標的加熱システム１０２は、基板１１６上の溶融金属の１つ以上の滴の堆積前、堆積中、及び／又は堆積後に、基板１１６の一部分、及び／又は基板１１６の近位の面積を加熱し得る。例示的な実施形態では、標的加熱システム１０２は、基板１１６上の液の堆積前及び／又は堆積中に、基板１１６の一部分を加熱する。基板１１６上の液の堆積は、基板１１６上に溶融プールを生成又は形成し得、標的加熱システム１０２は、溶融プールの界面温度又は温度勾配を少なくとも部分的に変調（例えば、増加、減少、変更など）させ、それによって、物品１１８を形成する得られた中実金属の１つ以上の特性を制御することが可能であり得るか、又はそのように構成され得ることを理解されたい。例えば、溶融プールの温度勾配を変調させることにより、３Ｄプリンタ１００が、物品１１８を形成する得られた固体金属の粒径、粒成長、粒構造、粒配向、及び／又は粒界を制御することを可能にし得る。金属粒子形成、構造、及び／又は特性（例えば、サイズ、成長、配向、境界など）は、物品１１８の得られた部分の１つ以上の機械的特性を少なくとも部分的に決定し得ることを理解されたい。例えば、粒子形成及び／又は構造は、物品１１８を形成する得られた中実金属の降伏応力、延性、硬度、疲労寿命、又はこれらの組み合わせを少なくとも部分的に決定し得る。したがって、標的加熱システム１０２は、基板１１６の部分を少なくとも部分的に加熱し、それによって、物品１１８を形成する中実金属の１つ以上の特性を制御することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

標的加熱システム１０２はまた、物品１１８の以前に堆積された液又は区分を再熱又は再溶融して、溶融金属液及び以前に堆積された金属が合体し、それによって物品１１８の機械的及び／若しくは構築品質を改善するため、溶融プールの界面温度及び／若しくは温度勾配を制御することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。溶融プールの温度勾配を十分に制御するために必要な熱量又は熱エネルギーの量は、物品１１８及び／又は溶融プールの温度として最小であり得るか、又はその溶融プール又はその合体領域は、比較的高い温度で既に維持されていることを理解されたい。したがって、標的加熱システム１０２は、費用効果的に動作され、溶融プールの温度勾配を制御するのに十分な熱エネルギーを提供し得る。更に、標的加熱システム１０２は、生産性が低下しないようにインライン方式で動作され得ることを理解されたい。例えば、標的加熱システム１０２は、３Ｄプリンタ１００の他の構成要素に沿って動作されて、改善された特性を有し、オフライン二次又は後印刷プロセスなしに物品１１８を提供し得る。

前述に加えて、標的加熱システム１０２は、滴の堆積及び／又は溶融プールの近く若しくは近位に基板１１６の一部分を少なくとも部分的に加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。例えば、標的加熱システム１０２は、滴及び／又は溶融プールの堆積に隣接して又はその外側で、基板１１６の一部分を少なくとも部分的に加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。滴及び／又は溶融プールの堆積の近く、近位、又は隣接する基板１１６の一部分を加熱することは、表面粗さを低減することができ、かつ／又は、標的加熱システム１０２から加熱されていない表面と比較して改善された表面仕上げ能力を提供し得ることを理解されたい。

標的加熱システム１０２は、約０．０２５ｍｍ～約１．０ｍｍの直径を有する面積を直接加熱し得る。例えば、標的加熱システム１０２の出力（例えば、レーザビーム）は、約０．０２５ｍｍ～約１．０ｍｍの直径又は主軸を有し得る。少なくとも１つの実施形態において、標的加熱システム１０２の出力は、約０．０２５ｍｍ、約０．０３ｍｍ、約０．０４ｍｍ、約０．０５ｍｍ、約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、又は約０．４ｍｍ～約０．５ｍｍ、約０．６ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．９ｍｍ、約０．９５ｍｍ、又は約１ｍｍの直径又は主軸を有し得る。

基板１１６は、基板１１６の近位かつ／又は作製された物品１１８の近くの面積は、約２００℃～約６００℃の温度に維持され得る。例えば、温度は、約２００℃以上、約２５０℃以上、約３００℃以上、約３５０℃以上、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、又は約５５０℃以上、約６００℃以下であり得る。別の実施例では、温度は、約２００℃以上、又は約３００℃以上～約３５０℃以下、約４００℃以下、約４５０℃以下、約５００℃以下、約５５０℃以下、又は約６００℃以下であり得る。標的加熱システム１０２の全て又は実質的に全ての構成要素は、基板１１６の温度、基板１１６の近位及び／又は物品１１８付近の面積で動作することが可能であり得るか、又はそのように構成され得ることを理解されたい。

標的加熱システム１０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を、構築材料の融点の少なくとも６０％～約１００％の温度まで加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。例えば、標的加熱システム１０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を、構築材料の融点の少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、又は少なくとも９５％～約１００％の温度まで加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。別の実施形態では、標的加熱システム１０２は、基板１１６の温度及び／又は基板１１６の近位の面積（例えば、合体領域又は溶融プール）の温度を、構築材料の融点の約±１０％、±１５％、±２０％、±２５％、±３０％、±３５％、±４０％、±４５％又は±５０％上昇させることが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

少なくとも１つの実施形態では、構築材料は、１つ以上の金属及び／又はこれらの合金であるか、又はこれらを含み得る。例解的な構築材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、青銅、クロム、コバルトクロム合金、銅、銅合金、鉄合金（インバー）、ニッケル、ニッケル合金（インコネル）、ニッケルチタン合金（ニチノール）、ステンレス鋼、スズ、チタン、チタン合金、金、銀、モリブデン、タングステンなど、若しくはこれらの合金、又はこれらの任意の組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。液滴及び基板温度は、異なる金属に関して異なっていることを理解されたい。

別の実施形態では、構築材料は、１つ以上のポリマー材料若しくはポリマー、又はこれらの複合材料であるか、又はこれらを含み得る。ポリマーは、官能性ポリマーであってもよく、又は機能性ポリマーを含み得る。例解的な機能性ポリマーとしては、耐熱性ポリマー、導電性ポリマー、圧電ポリマー、感光性ポリマー、又はこれらの任意の組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。ポリマーはまた、ポリオレフィン系ポリマー、アクリル系ポリマー、ポリウレタン系ポリマー、エーテル系ポリマー、ポリエステル系ポリマー、ポリアミド系ポリマー、ホルムアルデヒド系ポリマー、シリコーン系ポリマー、又はこれらの任意の組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。例えば、ポリマーとしては、ポリ（エーテルエーテルケトン）（ＰＥＥＫ）、ＴＯＲＬＯＮ（登録商標）、ポリアミドイミド、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ（１－ブテン）、ポリ（４－メチルペンテン）、ポリスチレン、ポリビニルピリジン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、スチレン－アクリロニトリルコポリマー、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレンターポリマー、エチレン－メタクリル酸コポリマー、スチレン－ブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン共重合体、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルエーテル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルカルバゾール、ポリウレタン、ポリアセタール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エポキシ樹脂、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリヒドロキシメチルシクロヘキシルテレフタレート、セルロースエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、これらの任意のコポリマー、又はこれらの任意の組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。少なくとも１つの実施形態において、ポリマーは、エラストマー、合成ゴム、又はこれらの任意の組み合わせであるか、又はこれらを含み得る。例解的なエラストマー材料及び合成ゴムとしては、ＶＩＴＯＮ（登録商標）、ニトリル、ポリブタジエン、アクリロニトリル、ポリイソプレン、ネオプレン、ブチルゴム、クロロプレン、ポリシロキサン、スチレンブタジエンゴム、ヒドリンゴム、シリコーンゴム、エチレン－プロピレン－ジエンターポリマー、これらの任意のコポリマー、又はこれらの任意の組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。

例示的な実施形態では、ポリマーは、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリ（メタ）アクリレート、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリアミド（ナイロン）、これらの複合物、又はこれらの組み合わせを含み得る。

少なくとも１つの実施形態において、３Ｄプリンタ１００は、３Ｄプリンタ１００の１つ以上の構成要素又は部分、物品１１８の形成、基板１１６の１つ以上の部分、基板１１６の近位の１つ以上の面積及び／又は液滴の堆積を制御及び／又は監視することが可能であり得るか、又はそのように構成されている監視システム１３０を含み得る。例えば、監視システム１３０は、液滴、構築部品、構築プレート、及び基板温度を測定し、構築部品形状及びｚ高さを測定し、液滴サイズ及び速度を測定するなど、又はこれらの任意の組み合わせが可能であるか、又はそのように構成されている、１つ以上のイルミネータ（図示せず）を含み得る。例解的なイルミネータは、レーザ、ＬＥＤ、様々な種類のランプ、光ファイバ光源など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。別の例では、監視システム１３０は、３Ｄプリンタ１００の１つ以上の構成要素又は部分の温度を測定することが可能であり得るか、又は測定するように構成されている、１つ以上のセンサ（図示せず）を含み得る。例解的なセンサは、熱計、サーミスタ、撮像カメラ、フォトダイオードなど、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。監視システム１３０はまた、フィードバックを提供するか、又はコンピューティングシステム１０８と通信することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

少なくとも１つの実施形態において、３Ｄプリンタ１００の任意の１つ以上の構成要素は、互いに対して独立して移動し得る。例えば、プリントヘッド１０４、ステージ１０６、及びそれと結合されたプラテン１２８のうちの任意の１つ以上、標的加熱システム１０２、監視システム１３０、又はこれらの任意の組み合わせは、３Ｄプリンタ１００の他の構成要素のうちの任意の１つ以上に対して、独立してｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸に移動し得る。別の実施形態では、３Ｄプリンタ１００の構成要素のうちの任意の２つ以上が互いに結合され得、したがって、互いに移動し得る。例えば、プリントヘッド１０４及び標的加熱システム１０２は、ｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸におけるプリントヘッド１０４の移動又は並進が、それぞれｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸における標的加熱システム１０２の対応する移動をもたらすように、マウント（図示せず）を介して互いに結合され得る。同様に、標的加熱システム１０２及びステージ１０６は、標的加熱システム１０２のｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸における移動が、それぞれｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸のステージ１０６における対応する移動をもたらすように、マウント（図示せず）を介して互いに結合され得る。

図２は、１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システム１０２を組み込んだ別の例示的な付加製造層化デバイス又は３Ｄプリンタ２００の概略図を例解する。図２に例解される３Ｄプリンタ２００は、いくつかの点で上で説明される３Ｄプリンタ１００と同様であってもよく、したがって、図１の説明を参照して最良に理解され得、同様の数字は同様の構成要素を示しており、詳細には説明されない。

図２に例解されるように、３Ｄプリンタ１００の標的加熱システム１０２は、１つ以上のレーザ（２つが２０２で示されている）を含み得る。レーザ２０２は、所望の照射量レベル、照射量パターン（すなわち、円形、楕円形など）及び照射プロファイル（すなわち、ガウス、トップハット、ドーナツモード、マルチモードなど）を達成するために、フィルタ、コリメート光学系、集束光学系、及びビーム成形光学系のような外部光学構成要素を含み得る。図２に更に例解されるように、レーザ２０２は、マウント２０４を介してプリントヘッド１０４と結合され得る。図２は、プリントヘッド１０４と結合された標的加熱システム１０２のレーザ２０２を例解しているが、上で考察されるように、標的加熱システム１０２又はそのレーザ２０２は、３Ｄプリンタ２００の任意の他の構成要素と結合され得ることを理解されたい。図２に例解されるように、レーザ２０２のうちの任意の１つ以上は、基板１１６上又は基板１１６の近位にレーザビームを方向付け、それによって、基板１１６若しくはその一部分を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

標的加熱システム１０２のレーザ２０２は、基板１１６及び／若しくは基板１１６の近位の面積を十分に加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成されている、任意の好適なレーザであるか、又はこれを含み得る。少なくとも１つの実施形態において、利用されるレーザ２０２の種類は、物品１１８を作製するために堆積される金属の種類などの構築材料に少なくとも部分的に依存し得る。別の実施形態では、利用されるレーザ２０２の種類は、基板１１６上に滴が堆積される速度、又は堆積速度に少なくとも部分的に依存し得る。

少なくとも１つの実施形態において、レーザ２０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積に標的高出力レーザエネルギーを送達することが可能であり得るか、又はそのように構成されている、インライン高出力レーザイメージャであるか、又はこれを含み得る。高出力レーザイメージャは、１Ｄイメージャ又は２Ｄイメージャであり得る。インライン高出力レーザイメージャは、高出力レーザ、独立してアドレス可能なダイオードレーザ又は垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、照明光学システム、空間光変調器、画素化空間光変調器、投射光学系、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上を利用し得る。照明光学システムは、レーザ発光を成形し、空間光変調器上に送達することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。投射光学系は、空間光変調器を基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積上に画像化することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。画素化されたライン画像又は１Ｄ画像は、直線空間光変調器、又はダイオードレーザ若しくはＶＣＳＥＬの直線アレイで生成され得る。例解的な直線空間光変調器は、ガレーティングライト弁（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、反射型液晶（ＬＣＯＳ）空間光変調器など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。画素化された面積画像又は２Ｄ画像は、ＶＣＳＥＬの空間光変調器又は２Ｄアレイで生成され得る。２Ｄ画像を生成するための例解的な空間光変調器は、２Ｄデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、２Ｄ反射型液晶（ＬＣＯＳ）空間光変調器など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得る。１Ｄ又は２Ｄイメージャは、基板１１６上の２つ以上の液滴場所及び／又は基板１１６の近位の面積に標的レーザエネルギーを送達するために、線又は面積の上にパターン形成することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。１Ｄ又は２Ｄイメージャは、１つ以上の液滴場所内でレーザビームプロファイルを成形して、基板１１６における及び／又は基板１１６の領域の近位の１つ以上の液滴の溶融プール内の局所熱勾配を、変更することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。これは、より迅速な構築部品の作製及びより高いスループットのための並列印刷を可能にする複数の独立したエジェクタを有するプリントヘッドを用いるシステムにとって特に重要である。

例示的な実施形態において、レーザ２０２は、約１Ｗ／ｃｍ^２～約１０，０００Ｗ／ｃｍ^２の照射量を有し得る。例えば、レーザ２０２のうちの任意の１つ以上は、約１Ｗ／ｃｍ^２～最大１，０００Ｗ／ｃｍ^２、約２，０００Ｗ／ｃｍ^２、約３，０００Ｗ／ｃｍ^２、約４，０００Ｗ／ｃｍ^２、又は約４，５００Ｗ／ｃｍ^２～約５，５００Ｗ／ｃｍ^２、約６，０００Ｗ／ｃｍ^２、約７，０００Ｗ／ｃｍ^２、約８，０００Ｗ／ｃｍ^２、約９，０００Ｗ／ｃｍ^２、又は約１０，０００Ｗ／ｃｍ^２の照射量を有し得る。用途、金属、構成、及びスポットサイズに応じて、はるかに低い電力レーザ又はレーザアレイを使用することもできることを理解されたい。レーザ２０２のうちの任意の１つ以上は、所望の照射量を達成し得るコリメート及び非コリメートレーザを含む、電力及び光学構成の組み合わせを含み得ることを更に理解されたい。

図２に更に例解されるように、監視システム１３０は、基板１１６の温度、又は基板１１６の近く若しくは近位の面積を測定することが可能であり得るか、又はそのように構成されている、高温計２０６を含み得る。例えば、高温計２０６は、標的加熱システム１０２のレーザ２０２によって加熱された基板１１６における及び／若しくは又は基板１１６の近位の面積を測定することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。別の例では、高温計２０６は、プリントヘッド１０４又は３Ｄプリンタ２００の任意の他の構成要素からの液滴の温度を測定することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

図３は、１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システム１０２を組み込んだ別の例示的な付加製造層化デバイス又は３Ｄプリンタ３００の概略図を例解する。図３に例解される３Ｄプリンタ３００は、いくつかの点で上で説明される３Ｄプリンタ１００、２００と同様であってもよく、したがって、図１又は２の説明を参照して最良に理解され得、同様の数字は同様の構成要素を示し、詳細には説明されない。

図３に例解されるように、標的加熱システム１０２は、ファイバ結合レーザなどの１つ以上のファイバレーザ３０２を含み得る。図３に更に例解されるように、ファイバレーザ３０２は、マウント２０４を介してプリントヘッド１０４と結合され得る。標的加熱システム１０２のファイバレーザ３０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を十分に加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成されている、任意の好適なファイバレーザ３０２であるか、又はこれを含み得る。少なくとも１つの実施形態において、利用されるファイバレーザ３０２は、物品１１８を作製するために堆積される金属の種類などの構築材料に少なくとも部分的に依存し得る。別の実施形態では、利用されるファイバレーザ３０２は、基板１１６上に滴が堆積される速度、又は堆積速度に少なくとも部分的に依存し得る。

ファイバレーザ３０２は、連続波（ＣＷ）を出力することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。ファイバレーザ３０２はまた、パルス波ビームを出力することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。ファイバレーザ３０２は、偏光又は非偏光であり得る。ファイバレーザ３０２の出力光は、光単一モード又は光学マルチモード出力ファイバによって送達され得る。ファイバレーザ３０２の出力光は、外部光学システムでコリメート及び／又は成形され得る。ファイバレーザ３０２は、本明細書に記載される３Ｄプリンタの温度など、高い周囲温度で動作することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。少なくとも１つの実施形態において、ファイバレーザ３０２の少なくとも一部分は、水冷などで冷却され得る。更に別の実施形態では、ファイバレーザ３０２の少なくとも一部分は、本明細書に記載の３Ｄプリンタの高温面積の外側に位置し得る。例えば、ファイバレーザ３０２の少なくとも一部分は、５５０℃未満、４００℃未満、３００℃未満、又は２００℃未満の温度を有する面積に配置され得る。３Ｄプリンタの動作温度は、堆積される金属に少なくとも部分的に依存し得ることを理解されたい。

ファイバレーザ３０２は、約６００ｎｍ～約１２００ｎｍの波長を有するレーザ又は出力を提供又は形成し得る。しかしながら、レーザ供給業者及び製造業者から市販されているように、他の波長を使用することができることを理解されたい。例えば、ファイバレーザ３０２からの出力は、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約７８０ｎｍ、又は約８００ｎｍ～約８５０ｎｍ、約９００ｎｍ、約９５０ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１０５０ｎｍ、約１０７０ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１１５０ｎｍ、又は約１２００ｎｍであり得る。

図４は、１つ以上の実施形態による、図３の標的加熱システム１０２のファイバレーザ３０２の代わりに利用され得る例示的なレーザシステム４００を例解する。図４に例解されるレーザシステム４００は、ファイバ結合レーザを利用し得る。レーザシステム４００は、ファイバ結合レーザモジュール４０２と、出力ファイバ４０４と、１つ以上のコリメータ（１つが４０６で示されている）と、１つ以上の偏光子（３つが４０８、４１０、４１２で示されている）と、１つ以上の偏光回転子（１つが４１４で示されている）、１つ以上の可変リターダ（１つが４１６で示されている）、１つ以上の波長リターダ（１つが４１８で示されている）、又はこれらの組み合わせを含み得る。例示的な実施形態では、レーザシステム４００は、ファイバ結合レーザモジュール４０２、ファイバ出力部４０４、コリメータ４０６、１つ以上の偏光子４０８、４１０、４１２、偏光回転子４１４、可変リターダ４１６、及び波長リターダ４１８からなり得るか、又はこれらから本質的になり得る。

１つ以上の偏光子４０８、４１０、４１２は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、直線偏光子、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。偏光回転子４１４は、強誘電性液晶偏光回転子であるか、又はこれを含み得るが、これに限定されない。可変リターダ４１６は、ネマティック液晶（ＬＣ）可変リターダであるか、又はこれを含み得るが、これに限定されない。波長リターダ４１８は、１／４波長リターダであるか、又はこれを含み得るが、これに限定されない。

図４に例解されるように、ファイバ結合レーザモジュール４０２は、出力ファイバ４０４と結合され得る。ファイバ結合レーザモジュール４０２及びそれと結合された出力ファイバ４０４は、非偏光光又はレーザを生成及び出力することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。コリメータ４０６は、出力ファイバ４０４の下流に配置され得る。１つ以上の偏光子４０８、４１０、４１２は、コリメータ４０６の下流に配置され得る。例えば、図４に例解されるように、第１の偏光子４０８、第２の偏光子４１０、及び第３の偏光子４１２は、コリメータ４０６の下流に配置され得る。偏光回転子４１４は、偏光子４０８、４１０、４１２のうちの任意の１つ以上の下流、及び／又は偏光子４０８、４１０、４１２のうちの任意の１つ以上の上流に配置され得る。例えば、図４に例解されるように、偏光回転子４１４は、第１の偏光子４０８と第２の偏光子４１０との間に介在し得る。本明細書で更に説明される別の実施形態では、偏光回転子４１４は、第２の偏光子４１０と第３の偏光子４１２との間に介在し得る。可変リターダ４１６は、波長リターダ４１８の上流に配置され得る。同様に、波長リターダ４１８は、可変リターダ４１６の下流に配置され得る。少なくとも１つの実施形態において、可変リターダ４１６及び波長リターダ４１８は、偏光子４０８、４１０、４１２のうちの任意の１つ以上の下流、及び／又は偏光子４０８、４１０、４１２の任意の１つ以上の上流に配置され得る。例えば、図４に例解されるように、可変リターダ４１６及び波長リターダ４１８は、第２の偏光子４１０と第３の偏光子４１２との間に介在し得る。

少なくとも１つの実施形態において、強誘電性ＬＣ偏光回転子であり得る偏光回転子４１４は、液晶シャッタを形成するために、偏光子４０８、４１０、４１２（例えば、ＰＢＳ又は直線偏光子）のうちの任意の１つ以上と動作可能に結合され得る。偏光回転子４１４と偏光子４０８、４１０、４１２のうちの１つ以上との組み合わせは、約１００マイクロ秒の上昇及び下降時間で約５０％のデューティサイクルで動作し得る液晶シャッタを形成し得る。液晶シャッタは、ビームがＰ偏光されたままであり、偏光ビームスプリッタ４０８、４１０、４１２を通過することを可能にすることによって、ビーム「オン」を変調させるか、又はビームをＳ偏光状態に切り替えることによって、ビーム「オフ」を変調させて、したがって、偏光子４０８、４１０、４１２からビームダンプ４２０へと反射させ得る。

偏光回転子４１４及び偏光子４０８、４１０、４１２のうちの任意の１つ以上から形成された液晶シャッタは、様々なシャッタ速度を有して、それによってプリントヘッド１０４の液滴速度と一致することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。液滴速度を一致させることにより、液晶シャッタが、液滴が堆積される直前又は液滴が堆積されるにつれて、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積にレーザエネルギーを送達することを可能にし得る。液晶シャッタのシャッタ速度を変化させる又は修正する能力はまた、シャッタ速度における誤差の量を低減し得る。

少なくとも１つの実施形態において、ネマティック液晶可変リターダであり得る可変リターダ４１６は、１／４波長リターダであり得る波長リターダ４１８と組み合わされて、ネマティック液晶可変偏光回転子４２２を形成し得る。動作中、波長リターダ４１８は、可変リターダ４１６からの楕円偏光を変換して直線偏光を形成することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

ネマティック液晶可変偏光回転子４２２は、偏光子４０８、４１０、４１２のうちの任意の１つ以上と動作可能に結合され得る。ネマティック液晶可変偏光回転子４２２と偏光子４０８、４１０、４１２のうちの任意の１つ以上との組み合わせは、物品１１８に方向付けられたレーザの振幅及び／又は電力レベルを変化させることが可能であり得るか、又はそのように構成され得る（図１～３を参照）。ネマティック液晶可変偏光回転子４２２。ファイバ結合レーザモジュール４０２に方向付けられる駆動電流はまた、レーザシステム４００の出力電力レベルを変調するように調整され得ることを理解されたい。

レーザシステム４００は、そのビームプロファイルを調整、集束、及び／若しくは成形することが可能であり得るか、又はそのように構成されている、１つ以上の追加のアクセサリ及び／又は光学系を含み得る。ビームプロファイルは、ガウス、トップハット、又はマルチモードプロファイルを有し得る。例解的なアクセサリは、レンズ、アキシス、コリメータ、位相板、ビーム膨張器など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得る。

図５は、１つ以上の実施形態による、図３の標的加熱システム１０２のファイバレーザ３０２の代わりに利用され得る別の例示的なレーザシステム５００を例解する。図５に例解されるレーザシステム５００は、いくつかの点で上で説明されるレーザシステム４００と同様であってもよく、したがって、図４の説明を参照して最良に理解され得、同様の数字は同様の構成要素を示しており、詳細には説明されない。

図５に例解されるように、レーザシステム５００は、図４に例解されるレーザシステム４００と同様の構成要素を含み得る。しかしながら、レーザシステム５００のネマティック液晶可変偏光回転子４２２は、第１の偏光子４０８と第２の偏光子４１０との間に介在する。更に、偏光回転子４１４は、第２の偏光子４０８と第３の偏光子４１２との間に介在する。

本明細書に記載されるレーザのうちの任意の１つ以上は、ガスレーザ、ダイオードレーザ、ＶＣＳＥＬ、ダイオードレーザアレイ、ＶＣＳＥＬアレイ、ダイオード励起ソリッドステートレーザ、近紫外波長範囲（すなわち、紫及び青色）のレーザ、又は可視波長範囲のレーザ、又はこれらの組み合わせなどの他の種類のレーザと組み合わせて置換又は使用され得ることを理解されたい。

構築プレート又はプラテン１２８に対する３Ｄ印刷部品又は物品１１８の接着力は、部品が構築プレート又はプラテン１２８から分離しないようにするのに十分な強力でなければならない。印刷プロセスの間、構築部品１１８は、部品１１８がプリントヘッド１０４の下を移動する際に、方向の変化及び速度の変化による加速によって引き起こされる剪断力を受ける。一方、３Ｄ印刷部品１１８と構築プレート１２８との接着力が強力すぎる場合には、構築プレートから部品１２８を切断又は除去するために二次機械加工作業を行う必要がある。二次動作は、コストを増加させ、生産性を低下させる。したがって、本明細書に開示される標的加熱システム１０２の別の使用は、構築プレート１２８の局所面積にレーザエネルギーを送達することであり、次の溶融金属液滴は、又は特定の堆積金属の種類及び構築プレート１２８のコーティング又は材料に必要とされるものに応じて、より強力な接着力を促進するか、又はより微力な接着力を生成する。例えば、より高い局所的な構築プレート温度は、接着力を増加させるために、構築プレート１２８の表面上への液滴のより大きな湿潤を誘発し得る。温度を上昇させるいくつかの材料では、液滴表面上でより多くの酸化が生じ、接着力が低下する。これは、剪断機械衝撃又は熱衝撃を適用することによって、３Ｄ印刷部品１１８を構築プレート１２８から分離するために使用することができる剥離層を効果的に作り出す。これにより、構築プレート１２８から部品１１８を除去するための二次動作の必要性を排除する。

図６は、１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システム１０２を組み込んだ別の例示的な付加製造デバイス又は３Ｄプリンタ６００の概略図を例解する。図６に例解される３Ｄプリンタ６００は、いくつかの点で上で説明される３Ｄプリンタ１００、２００、３００と同様であってもよく、したがって、それぞれの図の説明を参照して最良に理解され得、同様の数字は同様の構成要素を示し、詳細には説明されない。

図６に例解されるように、標的加熱システム１０２は、１つ以上のモノゴンシステム（１つが６０２で示されている）を含み得る。モノゴンシステム６０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を十分に加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。少なくとも１つの実施形態では、利用されるモノゴンシステム６０２及び／又はその構成要素は、物品１１８を作製するために堆積される金属の種類などの構築材料に少なくとも部分的に依存し得る。別の実施形態では、使用されるモノゴンシステム６０２及び／又はその構成要素は、液滴が基板１１６上に堆積される速度、又は堆積速度に少なくとも部分的に依存し得る。

モノゴンシステム６０２は、１つ以上のモノゴンスキャナ（１つが６０４で示されている）、１つ以上のミラー（１つが６０８で示されている）、又はこれらの組み合わせを含み得る。ミラー６０８は、高出力レーザビームなどの出力源を受容し、出力源をモノゴンスキャナ６０４に反射又はリダイレクトすることが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。モノゴンスキャナ６０４は、ミラー又は別の光源から出力源を受容し、出力源を基板１１６及び／若しくは基板１１６の近位の面積に反射若しくはリダイレクトすることが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

任意の好適なモノゴンスキャナ６０４が利用され得る。図６に例解される少なくとも１つの実施形態では、モノゴンスキャナ６０４は、その軸（例えば、垂直軸）を中心に回転することが可能な、又はそのように構成されている、回転モノゴン全内部反射（ＴＩＲ）スキャナであるか、又はこれを含み得る。モノゴンスキャナ６０４は、基板１１６上、及び／又は基板１１６の近位の面積上の出力ビームの位置を方向付けるか、又は制御するために、軸を中心に回転され得る。例解的なモノゴンスキャナ６０４は、溶融シリカモノゴン光学スキャナなどであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。モノゴンスキャナ６０４は、モノゴンスキャナ６０の軸方向回転によって、３６０°を超える配向でスキャンすることが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。モノクロスキャナ６０４はまた、ミラー６０８（例えば、ガルバノミラー）と共に利用されるとき、高度で約２０°をスキャンすることが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。モノゴンスキャナ６０４は、約３００℃又は５００℃～約１２００℃、又は約６００℃～約１０００℃の高周囲温度下で動作することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。モノゴンスキャナ６０４は、高レーザパワー（例えば、１Ｗ～数ｋＷ）で動作することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

少なくとも１つの実施形態において、モノゴンスキャナ６０４は、反射性コーティング又は反射防止コーティングなどのコーティングを含まないか、又は実質的に含まなくてもよい。更に、モノゴンシステム６０２は、３Ｄプリンタ６００の高温面積の外側の出力源（例えば、レーザ源又は光学ビーム）を利用し得ることを更に理解されたい。図６は単一のモノゴンシステム６０２を例解しているが、複数のモノゴンシステム６０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を加熱するように独立して動作され得ることを理解されたい。

少なくとも１つの実施形態において、標的加熱システム１０２はまた、射出と堆積との間の飛行又は落下経路に沿った１つ以上の点で射出された液滴を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。例えば、標的加熱システム１０２は、プリントヘッド１０４からの射出後、かつ基板１１６上の堆積の前に、構築材料の液滴を少なくとも部分的に加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。標的加熱システム１０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を加熱することに加えて（又はそれと組み合わせて）、それと置き換えて、液滴をその飛行経路に沿って加熱し得ることを理解されたい。例えば、標的加熱システム１０２は、飛行経路に沿って液滴を加熱するように構成され得る。

図７は、１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システム１０２を組み込んだ別の例示的な付加製造デバイス又は３Ｄプリンタ７００の概略図を例解する。図７に例解される３Ｄプリンタ７００は、いくつかの点で上で説明される３Ｄプリンタ１００、２００と同様であってもよく、したがって、図１及び図２を参照して最良に理解され得、同様の数字は同様の構成要素を示し、詳細には説明されない。

図７に例解されるように、標的加熱システム１０２は、１つ以上のレーザ（１つが７０２で示されている）を含み得る。レーザ７０２は、本明細書で考察されるレーザのうちのいずれか１つと同様であり得る。例えば、レーザ７０２は、図２に関して上で考察されるレーザ２０２と同様であり得る。レーザ７０２は、図２のマウント２０４などのマウント（図示せず）を介してプリントヘッド１０４と結合され得る。代替的に、レーザ７０２は、３Ｄプリンタ７００の任意の他の構成要素と結合され得る。

レーザ７０２は、射出と堆積との間の飛行又は落下経路７０４に沿った１つ以上の点で射出された液滴を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。飛行経路又は落下経路７０４は、プリントヘッド１０４と基板１１６との間の任意の部分又は全長として画定され得る。先で考察されるように、基板１１６は、ステージ１０６の表面、以前に堆積された金属（例えば、金属液滴）、物品１１８若しくはその一部分、ステージ１０６上のプラテン１２８、及び／又はそのそれぞれの表面を指し得る。図７に例解されるように、レーザ７０２は、そのビーム７０６がステージ１０６の表面と平行な方向に伝搬するように配置又は配向され得る。例えば、レーザ７０２によって生成されるビーム７０６は、水平配向にあり得る。別の実施例では、レーザ７０２は、ビーム７０６がステージ１０６の表面に入射しないように配置又は配向され得る。

図７に例解される標的加熱システム１０２はまた、ビームダンプ７０８を含み得る。ビームダンプ７０８は、レーザ７０２によって生成されたビーム７０６からエネルギー（例えば、光子又は他の粒子）の少なくとも一部分を吸収することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。図７に例解されるように、ビームダンプ７０８は、物品１１８の近位に配置され、レーザ７０２によって生成されたビーム７０６に入射し得る。例解的なビームダンプとしては、ビームブロック、ビームトラップ、電荷粒子ビームダンプなど、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。

図８は、１つ以上の実施形態による、例示的な標的加熱システム１０２を組み込んだ別の例示的な付加製造デバイス又は３Ｄプリンタ８００の概略図を例解する。図８に例解される３Ｄプリンタ８００は、いくつかの点で上で説明される３Ｄプリンタ１００、２００、７００と同様であってもよく、したがって、図１、図２、及び図７を参照して最良に理解され得、同様の数字は同様の構成要素を示し、再度詳細には説明されない。

図８に例解されるように、標的加熱システム１０２は、１つ以上のレーザ（１つが８０２で示されている）を含み得る。レーザ８０２は、本明細書で考察されるレーザのうちのいずれか１つと同様であり得る。例えば、レーザ８０２は、図２に関して上で考察されるレーザ２０２と同様であり得る。レーザ８０２は、マウント２０４を介してプリントヘッド１０４と結合され得る。図８は、マウント２０４を介してプリントヘッド１０４と結合された標的加熱システム１０２のレーザ８０２を例解しているが、レーザ８０２は、３Ｄプリンタ８００の任意の他の構成要素と結合され得ることを理解されたい。レーザ８０２は、射出と堆積との間の飛行経路７０４に沿った１つ以上の点で射出された液滴を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。

レーザ８０２は、レーザ８０２のビーム８０６を飛行経路７０４内の液滴に、最終的にビームダンプ７０８に方向付けることが可能な、又はそのように構成されている、反射器８０４と動作可能に結合され得る。例えば、図８に例解されるように、レーザ８０２は、そのビーム８０６が反射器８０４に向かう方向に伝搬するように配置又は配向され得、反射器８０４は、反射ビーム８０６を飛行経路７０４まで、また飛行経路７０４を通って、ビームダンプ７０８に向かって方向付けるように、配置又は配向され得る。図８は、非反射ビーム８０６がステージ１０６に方向付けられるように垂直配向にレーザ８０２を例解するが、レーザ８０２及び反射器８０４が、非反射ビーム８０６がビームダンプ７０８に向かって飛行経路７０４を通過することを可能にする任意の配向で配置され得ることを理解されたい。

標的加熱システム１０２のレーザ７０２、８０２及び／又は反射器８０４のうちのいずれか１つを利用することにより、３Ｄプリンタ７００の製造、組み立て、及び／又は最適化（例えば、角度の微調整）を単純化し得ることを理解されたい。例えば、レーザ７０２、８０２及び／又は反射器８０４のうちいずれか１つの配向に対する調整を単純化し得る。例えば、図７に例解されるレーザ７０２は、基板１１６の表面、ステージ１０６、又はその任意の表面に対して平坦化して、３Ｄプリンタ７００の製造、組み立て、及び／又は最適化を簡略化することのみが必要である。別の実施例では、レーザ８０２及び反射器８０４は、プリントヘッド１０４に取り付けられて、それによって３Ｄプリンタ７００の製造、組み立て、及び／又は最適化を簡略化し得る。ビーム７０６、８０６を飛行経路７０４まで、かつ飛行経路７０４を通って方向付けることによって、基板の他の面積へのエネルギー「こぼれ」に関する懸念が低減されることが更に理解されるべきである。例えば、飛行経路７０４内の液滴のみを加熱することにより、基板１１６の意図しない部分を加熱する変数を排除する。したがって、ビーム７０６、８０６のサイズ及び／又は形状は、厳密に制御される必要はない場合がある。

上で考察されるように、標的加熱システム１０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積を加熱することに加えて（又はそれと組み合わせて）、それと置き換えて、液滴をその飛行経路７０４に沿って加熱し得ることを理解されたい。例えば、標的加熱システム１０２は、飛行経路、基板１１６、基板１１６の近位の面積又はこれらの組み合わせに沿って液滴を加熱するように構成され得る。例えば、標的加熱システム１０２は、図２、図３及び／又は図４を参照して考察されるように、図７及び図８を参照して考察されるように、飛行経路７０４に沿って液滴を加熱し得る構成要素で、基板１１６又は基板１１６の近位の面積を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成されている構成要素を組み込み得る。具体的には、本明細書に開示される実施形態は、３Ｄプリンタ１００、２００、３００、６００、７００、８００のうちのいずれかからの２つ以上の構成要素又は特徴の組み合わせを互いに組み込み得る、例示的な標的加熱システム１０２を含み得る。

図１を引き続き参照した３Ｄプリンタ１００の例示的な動作では、ステージ１０６及び基板１１６は、ｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸のプリントヘッド１０４に対して互いに移動するように構成され得る。例えば、ステージ１０６及び基板１１６は、プリントヘッド１０４が静止したままで、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸内で互いに移動するように構成され得る。別の例では、プリントヘッド１０４は、ステージ１０６及び基板１１６が静止している間、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸内で移動するように構成され得る。更に別の実施例では、プリントヘッド１０４はｚ軸内で移動し得、ステージ１０６及び基板１１６はｘ軸及びｙ軸内で移動し得る。同様に、ステージ１０６及び基板１１６は、プリントヘッド１０４がｘ軸及びｙ軸内で移動し得る間、ｚ軸内で移動し得る。

プリントヘッド１０４は、構築材料の液滴をプラテン１２８又は基板１１６上の構築経路に沿って方向付けて、層内で液滴によって物品１１８を層状に一滴ずつ形成し得る。現在噴射された滴が、構築経路に沿って移動しながら合体する、現在噴射された滴と以前に噴射された滴との間の時間は変化し得るが、これは、物品１１８の形状及び／又は設計によって少なくとも部分的に決定され得る。現在の噴射された滴は、以前に噴射された滴に方向付けられ得るが、これは、様々な量の予め噴射された材料（例えば、下方及び／又は隣接する）によって包囲され得る。したがって、現在及び／又は以前に噴射された滴は、様々な温度で維持され得ることを理解されたい。例えば、熱伝導経路は、物品１１８の形状及び／又は設計に少なくとも部分的に依存し得る。したがって、以前に噴射された滴及び／又は現在噴射された滴の温度は、異なる温度で維持され得る。動作中、標的加熱システム１０２は、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積の温度を調節することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。標的加熱システム１０２はまた、プリントヘッド１０４と基板１１６又はその表面との間の飛行経路に沿った１つ以上の点で液滴を加熱することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。標的加熱システム１０２は、構築材料の依然尾液滴と現在の液滴との間の時間差、物品１１８の様々な部分に沿った熱伝導差、構築経路、利用される構築材料の種類、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上に少なくとも部分的に依存するように動作され得る。

少なくとも１つの実施形態において、標的加熱システム１０２のエネルギー又は電力は、物品１１８の形状及び／又は設計、物品１１８の層と共に構築経路が形成又は印刷される、熱環境、材料パラメータ、利用される印刷パラメータ、飛行経路７０４の長さ、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上から事前に決定され得る。例解的な印刷パラメータは、滴周波数、滴温度、プラテン１２８の温度、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。例示的な実施形態では、標的加熱システム１０２のエネルギー又は電力は、式（１）に従って判定され得る：
レーザ出力（ｔ）＝Ａ_１・Δ（ｔ）＋Ａ_２（ｔ）ｔ＋Ａ_３（ｔ）・ｘ位置（ｔ）＋Ａ_４（ｔ）・ｙ位置（ｔ）＋Ａ_５（ｔ）・ｚ位置（ｔ）＋ΣＢ_ｉ（ｔ）印刷パラメータ（ｔ）_ｉ＋ΣＣ_ｊ（ｔ）・材料パラメータ_ｊ＋ΣＤ_ｋ（ｔ）・環境パラメータ（ｔ）_ｋ＋．．．
（１）、
式中、
Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３，．．．Ａ_Ｎは、様々な部分形状パラメータに対する係数又は重みであり、
Ｂ_１．．．Ｂ_Ｎは、様々な印刷プロセスパラメータの係数又はパラメータ重みであり、
Ｃ_１．．．Ｃ_Ｎは、様々な材料パラメータの係数又はパラメータであり、
Ｄ_１．．．Ｄ_Ｎは、様々な環境パラメータの係数又はパラメータであり、
Δｔは、以前に堆積した材料又は液滴と次の液滴との間の時間であり、
ｘ位置は、構築プレート又は他の座標系原点に対する構築部品又は物品の特定の点のｘ座標であり、
ｙ位置は、構築プレート又は他の座標系原点に対する構築部品又は物品の特定の点のｙ座標であり、
ｚ位置は、構築プレート基準又は他の座標系原点に対する構築部品又は物品の特定の点のｚ座標である。
パラメータ又はプリンタパラメータは、初期液滴温度、構築プレート若しくはプラテン温度、液滴周波数、初期液射出高さ、レーザ波長など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。材料パラメータとしては、融解温度、光吸収係数、密度、比熱、熱伝導率、エンタルピー、固相温度、液相線温度など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。環境パラメータは、周囲温度、湿度、シースガス濃度など、又はこれらの組み合わせであるか、又はこれらを含み得るが、これらに限定されない。他の又は追加のパラメータ及び重みは、構築部品若しくは物品１１８及び／又は構築プレート１２８へのレーザ電力又はエネルギーの量を更に最適化し、精緻化するために式において使用され得ることを理解されたい。

標的加熱システム１０２によって提供され、基板１１６及び／又は基板１１６の近位の面積に方向付けられる熱は、構築材料の以前の、及び／又は現在の滴若しくは層に加熱、軟化、再溶融、又はこれらの任意の組み合わせを行うために利用され得る。標的加熱システム１０２によって提供される熱はまた、冷却中の液滴の溶融プールの熱勾配に影響を及ぼして、物品１１８の様々な特徴を制御することが可能であり得るか、又はそのように構成され得る。例えば、標的加熱システム１０２によって提供される熱は、物品１１８内の構築強度、接着力、多孔性、表面仕上げ、亀裂及び／又は破砕形成、粒径、粒配向、構造などのうちの１つ以上に影響を及ぼし得る。

標的加熱システム１０２によって提供され、飛行経路７０４内の射出された液滴に方向付けられる熱は、構築材料の液滴に加熱、軟化、再溶融又はこれらの任意の組み合わせを行うために利用され得る。

本開示を、例示的な実施態様を参照して説明してきた。限定された数の実装形態が図示及び説明されてきたが、当業者は、前述の発明を実施するための形態の原理及び趣旨から逸脱することなく、これらの実装形態において変更がなされ得ることが理解されるであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内にあるような、そのような修正及び変更の全てを含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (26)

1. 物品を作製するための付加製造デバイスであって、
   基板を支持するように構成されている、ステージと、
   前記ステージの上方に配置されたプリントヘッドであって、構築材料を溶融構築材料に加熱し、前記溶融構築材料を液滴の形態で前記基板上に堆積させて、前記物品を作製するように構成されている、プリントヘッドと、
   前記プリントヘッドの近位に配置された標的加熱システムであって、前記プリントヘッドと前記基板との間に介在する飛行経路内の前記液滴の温度又は温度勾配を制御するように構成されている、標的加熱システムと、を含む、付加製造デバイス。
2. 前記標的加熱システムが、前記液滴を前記構築材料の融点の約±１０％～約±４０％の温度に加熱するように構成されている、請求項１に記載の付加製造デバイス。
3. 前記プリントヘッド及び前記標的加熱システムが、互いに結合されている、請求項１に記載の付加製造デバイス。
4. 前記標的加熱システムが、１つ以上のレーザを含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
5. 前記１つ以上のレーザが、約１Ｗ／ｃｍ^２～約１０，０００Ｗ／ｃｍ^２の照射量を含む、請求項４に記載の付加製造デバイス。
6. 前記１つ以上のレーザが、高出力レーザイメージャを含む、請求項４に記載の付加製造デバイス。
7. 前記高出力レーザイメージャが、１Ｄイメージャ又は２Ｄイメージャを含む、請求項６に記載の付加製造デバイス。
8. 前記標的加熱システムが、約３００℃以上～約６００℃以下の温度で動作するように構成されている、請求項１に記載の付加製造デバイス。
9. 前記標的加熱システムが、レーザシステムを含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
10. 前記レーザシステムが、
    ファイバレーザと、
    ファイバ結合レーザモジュールと、
    前記ファイバ結合レーザモジュールと結合された出力ファイバと、
    前記ファイバ出力の下流に配置されたコリメータと、
    前記コリメータの下流に配置された偏光回転子と、
    前記コリメータの下流に配置された可変リターダと、
    前記可変リターダの下流に配置された波長リターダと、を含む、請求項９に記載の付加製造デバイス。
11. 前記コリメータと前記偏光回転子との間に配置された第１の偏光子と、
    前記偏光回転子と前記可変リターダとの間に配置された第２の偏光子と、
    前記波長リターダの下流に配置された第３の偏光子と、を更に含む、請求項１０に記載の付加製造デバイス。
12. 前記偏光回転子が、前記可変リターダ及び前記波長リターダの上流に配置されている、請求項１１に記載の付加製造デバイス。
13. 前記コリメータと前記可変リターダとの間に配置された第１の偏光子と、
    前記波長リターダと前記偏光回転子との間に配置された第２の偏光子と、
    前記偏光回転子の下流に配置された第３の偏光子と、を更に含む、請求項１０に記載の付加製造デバイス。
14. 前記可変リターダ及び前記波長リターダが、前記偏光回転子の上流に配置されている、請求項１３に記載の付加製造デバイス。
15. 前記標的加熱システムが、モノゴンシステムを含み、前記モノゴンシステムが、１つ以上のモノゴンスキャナ、１つ以上のガルバノミラー、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
16. 前記モノゴンシステムが、モノゴンスキャナを含み、前記モノゴンスキャナが、反射性コーティングを実質的に含まない、請求項１５に記載の付加製造デバイス。
17. 前記付加製造デバイスの一部分を監視するように構成されている、監視システムを更に含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
18. 前記監視システムが、前記飛行経路内の前記液滴の温度を測定するように構成されている、請求項１７に記載の付加製造デバイス。
19. 前記プリントヘッド及び前記標的加熱システムと動作可能に結合されたコンピューティングシステムと、
    前記コンピューティングシステムと動作可能に結合され、前記付加製造デバイスを監視するように構成されている、監視システムと、を更に含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
20. 前記プリントヘッドの近位に配置され、前記標的加熱システムによって生成されたビームに入射するビームダンプを更に含み、前記ビームダンプが、前記標的加熱システムによって生成された前記ビームからのエネルギーの少なくとも一部分を吸収するように構成されている、請求項１に記載の付加製造デバイス。
21. 前記標的加熱システムが、前記基板上に堆積された前記液滴の温度若しくは温度勾配、前記基板の近位の面積、又はこれらの組み合わせを制御するように更に構成されている、請求項１に記載の付加製造デバイス。
22. 前記構築材料が、１つ以上の金属又は金属合金を含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
23. 前記１つ以上の金属又は金属合金が、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、青銅、クロム、コバルトクロム合金、銅、銅合金、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルチタン合金、ステンレス鋼、スズ、チタン、チタン合金、金、銀、モリブデン、タングステン、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む、請求項２２に記載の付加製造デバイス。
24. 前記構築材料が、１つ以上のポリマーを含む、請求項１に記載の付加製造デバイス。
25. 前記１つ以上のポリマーが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリ（メタ）アクリレート、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリアミド、これらの複合物、又はこれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む、請求項２４に記載の付加製造デバイス。
26. 請求項１に記載の付加製造デバイスを用いて、物品を作製するための方法であって、
    前記プリントヘッド内の前記構築材料を前記溶融構築材料に加熱することと、
    前記プリントヘッドから前記基板に向かって前記溶融構築材料を射出することと、
    前記飛行経路内の前記液滴を少なくとも部分的に加熱することと、
    前記溶融構築材料を前記基板上に堆積させることと、を含む、方法。
    

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