JP2022091137A - 付加製造システム及びその方法 - Google Patents
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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/cm2~約10,000W/cm2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。
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/cm2~約10,000W/cm2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/cm2~最大1,000W/cm2、約2,000W/cm2、約3,000W/cm2、約4,000W/cm2、又は約4,500W/cm2~約5,500W/cm2、約6,000W/cm2、約7,000W/cm2、約8,000W/cm2、約9,000W/cm2、又は約10,000W/cm2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)=A1・Δ(t)+A2(t)t+A3(t)・x位置(t)+A4(t)・y位置(t)+A5(t)・z位置(t)+ΣBi(t)印刷パラメータ(t)i+ΣCj(t)・材料パラメータj+ΣDk(t)・環境パラメータ(t)k+...
(1)、
式中、
A1,A2,A3,...AN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、
B1...BN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、
C1...CNは、様々な材料パラメータの係数又はパラメータであり、
D1...DN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。
レーザ出力(t)=A1・Δ(t)+A2(t)t+A3(t)・x位置(t)+A4(t)・y位置(t)+A5(t)・z位置(t)+ΣBi(t)印刷パラメータ(t)i+ΣCj(t)・材料パラメータj+ΣDk(t)・環境パラメータ(t)k+...
(1)、
式中、
A1,A2,A3,...AN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、
B1...BN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、
C1...CNは、様々な材料パラメータの係数又はパラメータであり、
D1...DN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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 前記1つ以上のレーザが、約1W/cm2~約10,000W/cm2の照射量を含む、請求項4に記載の付加製造デバイス。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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