JP2022099281A - 電磁流体力学（ｍｈｄ）プリントヘッド／ノズルの再利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリンタのシャットダウン又は冷却中にノズルなどの様々なプリンタ構造体の亀裂を低減又は解消することができる、金属及び金属合金などの高融点温度の材料を印刷するための方法を提供する。【解決手段】プリンタ１００を動作させるための方法は、プリンタから印刷材料１３６を排出することと、プリンタ内に犠牲金属を配置することと、プリンタのノズル１１８から犠牲金属を吐出することと、プリンタを印刷材料及び犠牲金属の融点よりも低い温度に冷却することと、を含み得る。印刷材料はアルミニウムであるか、又はアルミニウムを含むことができ、犠牲金属はスズであるか、又はスズを含むことができる。印刷材料は、印刷材料が、例えば約６００℃～約２０００℃の溶融形態であるときに、プリンタから排出され得る。犠牲金属は、犠牲金属の融点より高いが、印刷材料の融点より低い温度、例えば約３００℃未満の温度で、ノズルから吐出され得る。【選択図】図１

Description

本教示は、３次元印刷、機能印刷及びその他の印刷などの印刷の分野に関し、より具体的には、金属及び金属合金などの高融点温度の材料を印刷するための方法及び構造に関する。

金属などの高温材料を噴射又は吐出することができるドロップオンデマンド（ＤＯＤ）プリンタが開発され、改良されている。あるタイプのプリンタは、電磁流体力学（ＭＨＤ）技術を使用して、液体金属印刷材料、例えば溶融アルミニウムなどの導電性印刷流体又は印刷材料を操作し、磁場を使用して１滴又はある体積の印刷材料をノズルから吐出する。金属印刷プロセス中に、固体形態の金属をワイヤスプールからプリンタの供給リザーバに供給することができる。固体金属は、供給リザーバ内で、固体金属を溶融させ、供給リザーバ内の液体金属のレベルを維持するのに十分な温度まで、加熱される。供給リザーバ内の液体金属のレベルが十分である場合、液体金属は、供給リザーバからチャネルを通ってノズルに送られ、印刷を開始することができる。ノズルから表面上に吐出される液体金属は、所望のレベル又は量の液体金属が供給リザーバ内に維持されるように入れ替えられる。したがって、液体金属の印刷は連続的であり得る。

印刷後、金属プリンタを保管又は他の不使用期間に備えるために、溶融した金属印刷流体をノズルを通して排出し、次にプリンタを冷却することができる。プリンタを冷却する前に印刷流体を排出することにより、印刷材料と様々なプリンタ構造体との間の熱的不整合に関連する問題が低減される。

プリンタ構造体への損傷を低減する、液体金属などの高温印刷流体を印刷するプリンタで使用するための方法は、当技術分野への歓迎すべき追加である。

以下に、本教示の１つ以上の実装形態の一部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、本教示の主要又は重要な要素を特定することも、本開示の範囲を明示することも意図していない。むしろ、その主な目的は、単に、後に提示される詳細な説明の前置きとして、１つ以上の概念を簡略化された形式で提示するだけである。

本教示の一実装形態において、プリンタを動作させるための方法は、プリンタの供給リザーバから印刷材料を排出することであって、印刷材料は、第１の融点を有する第１の金属である、ことと、プリンタの供給リザーバ内に犠牲金属を配置することであって、犠牲金属は、第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の金属である、ことと、プリンタのノズルから犠牲金属を吐出することと、ノズルから犠牲金属を吐出した後、プリンタを冷却することと、を含む。

任意に、この方法は、印刷材料の排出の前に、印刷材料をプリンタのノズルから吐出することを更に含むことができる。印刷材料の吐出は、第１の融点よりも高い温度、例えば６００℃～２０００℃の温度でノズルから第１の金属を吐出することを更に含むことができる。第１の金属は、６００℃を超える融点を有するアルミニウムを含むことができ、印刷材料の排出は、６００℃を超える温度で印刷材料をプリンタのノズルから吐出することを含むことができる。更に、第２の金属は、３００℃未満の融点を有するスズを含むことができ、ノズルから犠牲金属を吐出することは、３００℃未満の温度でプリンタのノズルから犠牲金属を吐出することを含むことができる。プリンタの冷却は、犠牲金属を２０℃～２２℃の温度に冷却することを含むことができる。

一部の実装形態は、プリンタの冷却に続いて、ある体積の印刷材料をプリンタの供給リザーバ内に配置することと、次いで第１の融点より高い温度で印刷材料をプリンタのノズルから吐出することと、を含む。

別の実装形態では、プリンタシャットダウンプロセスは、プリンタの供給リザーバから金属印刷材料を排出することであって、印刷材料は、第１の融点を有し、金属印刷材料は、排出中に第１の融点よりも高い第１の温度にある、ことと、プリンタの供給リザーバ内に犠牲金属を配置することと、プリンタのノズルを通してプリンタの供給リザーバから犠牲金属を吐出することであって、犠牲金属は、第１の融点よりも低い第２の融点を有し、犠牲金属は、吐出中に、第１の融点よりも低く、かつ第２の融点よりも高い第２の温度にある、ことと、プリンタを、印刷材料の第１の融点及び犠牲金属の第２の融点よりも低い第３の温度に冷却することと、を含む。任意に、第１の温度は６００℃～２０００℃であってよく、第２の温度は３００℃未満であってよい。更に、印刷材料は、８０％～１００％のアルミニウムを含むことができ、犠牲金属は、３０％～１００％のスズを含むことができる。

犠牲金属は、２０％～１００％のガリウム、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛、カドミウム、若しくは鉛、又はそれらの２つ以上の組み合わせを含むことができる。

別の実装形態では、プリンタを動作させるための方法は、６００℃～２０００℃の温度でプリンタのノズルから金属印刷材料を吐出することと、吐出後、６００℃～２０００℃の温度でプリンタから金属印刷材料を排出することと、プリンタの供給リザーバ内に犠牲金属を配置することと、犠牲金属を３００°以下の温度に加熱し、それによって犠牲金属を溶融させることと、犠牲金属が溶融している間、３００℃以下の温度でプリンタのノズルから犠牲金属を吐出することと、プリンタのノズルから犠牲金属を吐出した後、プリンタを２０℃～２２℃の温度に冷却し、それによってプリンタ内の犠牲金属を固化させることと、を含む。

任意に、プリンタの冷却に続いて、この方法は、プリンタ内の犠牲金属を３００℃以下の温度に加熱し、それによって犠牲金属を溶融させることと、プリンタから溶融した犠牲金属を排出することと、プリンタの供給リザーバ内に金属印刷材料を配置することと、金属印刷材料を６００℃～２０００℃の温度に加熱し、それによって金属印刷材料を溶融させることと、次いで６００℃～２０００℃の温度でプリンタのノズルから金属印刷材料を吐出することと、を更に含むことができる。

任意に、この方法は、プリンタの供給リザーバ内に、排出された金属印刷材料を配置することと、排出された金属印刷材料を６００℃～２０００℃の温度に加熱し、それによって排出された金属印刷材料を溶融させることと、プリンタのノズルから溶融した排出された金属印刷材料を吐出することと、を更に含むことができる。

金属印刷材料は、任意に、アルミニウム、銅、鉄、及びチタンのうちの少なくとも１つ、又はそれらの組み合わせを含むことができ、また、犠牲金属は、任意に、ガリウム、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛、カドミウム、及び鉛のうちの少なくとも１つ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを含むことができ、アルミニウム、銅、鉄、及びチタンのうちの少なくとも１つ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを更に含む。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本教示の実装形態を示しており、説明と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。図は以下のとおりである。

本教示の一実装形態による、プリンタのリザーバを備えたプリンタの概略断面図である。

保管のためにプリンタが冷却される前に、ノズルを通してプリンタから印刷材料を排出する排出プロセス中の図１のプリンタを示す図である。

印刷材料がプリンタから排出された後の図２のプリンタを示す図である。

ある体積の犠牲材料をプリンタ内に配置した後の図３のプリンタを示す図である。

ノズルを通してプリンタから犠牲材料を排出した後の図４のプリンタを示す図であり、その後、プリンタを冷却して保管することができる。

本教示の一実装形態によるプリンタシャットダウンプロセスを示すフローチャートである。

図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。

次に、本教示の例示的な実装形態を詳細に参照するが、その例は添付の図面に示されている。便宜上、同一又は同様の部品を指すために、図面全体を通して同じ参照番号が使用される。

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「プリンタ」という用語は、任意の目的のために印刷出力機能を実行するいかなる装置をも包含する。更に、本明細書で使用される場合、「犠牲」金属という用語は、プリンタシャットダウンプロセス中に使用されるが、印刷された３次元（３Ｄ）構造を形成するために有意な量で使用されない材料を指す。以下に説明するように、印刷が再開されるときに犠牲金属の一部が印刷材料中に残る可能性があるが、印刷材料中の犠牲金属の量は少なく（即ち、体積で≦１％）、印刷材料の物理的特性に大きな影響を与えない。更に、印刷材料の一部は、印刷プロセス後に犠牲材料がリザーバに導入されるときに、犠牲材料と混合される可能性がある。

上述したように、金属プリンタは、電磁流体力学（ＭＨＤ）技術を使用して、液体金属などの印刷材料の液滴をノズルから吐出して印刷された金属構造体を形成することができる。印刷後、印刷材料を排出し、次にプリンタを室温まで冷却することによって、プリンタを保管又は他の不使用期間に備えることができる。印刷材料として使用される金属は、通常、プリンタを形成する構造とは異なる熱膨張係数（ＴＣＥ）を有するため、プリンタを冷却する前に印刷流体を排出することにより、プリンタと印刷材料との間の熱的不整合に起因する様々なプリンタ構造体の亀裂などの問題が低減される。印刷材料の薄膜又はコーティングは、印刷材料の接着力のために排出後に内部構造体上に残ることができるが、プリンタ内の供給リザーバ及びチャネルを画定するブロックは堅牢であり、この薄膜用の印刷材料とブロックとの熱的不整合による損傷に対して耐性がある。しかしながら、印刷中に印刷材料が吐出されるノズルは、通常、セラミック又はセラミック複合材料などの壊れやすい材料から製造され、ノズルへの損傷がよく起こる。更に、印刷中に印刷材料が噴射されるノズルのオリフィスから印刷材料を完全に除去することは困難であり、ノズルと残りの印刷材料との熱的不整合は、プリンタの冷却中にノズルに亀裂を生じさせる可能性がある。したがって、ノズルは、通常、１回の使用後、例えば１回の印刷セッション後に交換される。ノズルの交換には、操作者がプリンタを分解する必要があり、またノズルを交換している間、プリンタは使用できない。したがって、ノズルの交換は当然のことながら、時間がかかり、高くつく。

また、印刷材料の凝固点／融点とプリンタが保管される温度との比較的大きな差が、ノズルの損傷に大きく寄与する。（簡単にするために、本明細書に記載される材料の凝固点及び融点は、同じ温度であると見なされることが理解されるであろう。）一例として、印刷材料として使用されるアルミニウムは、６６０℃（１２２０°Ｆ）の凝固点を有することができ、プリンタは通常、室温（即ち、本明細書で使用される場合、約２０℃～約２２℃、即ち約６８°Ｆ～約７２°Ｆ）で保管される。使用中、印刷材料はその融点以上に加熱される。印刷材料がプリンタから排出された後、液体印刷材料の薄いコーティングがプリンタの表面に残る。残りの印刷材料が冷却し固化するにつれて、印刷材料は、プリンタの壁及びノズルなど、それが物理的に接触するプリンタ構造体に物理的な応力／歪みを加え始め、これは印刷材料が保管温度に達するまで増強又は増加し続ける。この例では、印刷材料の凝固点とプリンタの保管温度との温度差は６３８℃（１１８０°Ｆ）である。銅、鉄及びチタンなどの他の可能な印刷材料は、更に高い融点を有し、その結果、印刷材料の融点とプリンタの保管温度との間の温度差が更に大きくなり、したがって、プリンタに更に大きな応力／歪みを加えることになる。

本教示の一実装形態は、プリンタのシャットダウン中又はシャットダウン後のノズルの定期的な交換の頻度が少なくなり、又は不要になるように、ノズルへの物理的損傷を低減、防止、又はその他の方法で軽減する、金属プリンタを動作及び／又はシャットダウンするための方法を含む。

図１は、電磁流体力学（ＭＨＤ）技術を使用して、印刷プロセス中に液体（即ち、溶融）形態の金属液滴１０２を表面１０４上に吐出する、金属プリンタなどのプリンタ１００の概略断面図である。本教示による様々な態様及び構造を他の吐出技術と共に使用することが企図されている。更に、図は、一般化された例示的な概略図を示しており、本教示による実際のプリンタは、簡略化のために図示されていない他の構造体を含むことができ、一方、示される様々な構造体を除去又は変更することができることが理解されるであろう。

図１のプリンタ１００は、リザーバ１０８、供給入口１１０、及び吐出チャンバ１１２を画定するブロック１０６を含む。ブロック１０６は単一の構造体として示されているが、ブロック１０６は、共に取り付けられた２つ以上の部分を含むことができることが理解されるであろう。ブロック１０６は、例えば、窒化ホウ素、グラファイト、ガラス、セラミック、又は金属（例えば、タングステン）若しくは印刷材料として使用される金属よりも高い融点を有する金属合金であるか、又はそれらを含むことができる。プリンタ１００は、交換可能なノズル１１８などのノズル１１８を更に含む。ノズル１１８は、印刷中に金属液滴１０２が吐出されるオリフィス１２０を含み、及び／又はそれを画定する。プリンタ１００は、ノズル１１８のオリフィス１２０から金属液滴１０２を吐出するために電気的に係合される（又は、吐出メカニズムに応じて、機械的に又は他の方法で係合される）吐出装置１２２を更に含む。吐出装置１２２は、例えば、吐出チャンバ１１２を取り囲む電磁コイル１２２、又は他のタイプの吐出装置１２２であり得る。

図１は、金属供給器１３０を更に示し、これは、本実装形態では、固体形態の金属ワイヤ１３４をリザーバ１０８に供給する供給リール１３２である。金属ワイヤ１３４は、リザーバ１０８内で溶融し、液体（即ち、溶融）金属の形態の印刷材料１３６（即ち、印刷流体）になる。印刷材料１３６は、リザーバ１０８から、供給入口１１０を通って、吐出チャンバ１１２内に流れ、そしてノズル１１８に流れる。印刷材料１３６用の他の流路を含むプリンタが企図される。金属ワイヤ１３４は、固体アルミニウムワイヤ又は別の固体金属若しくは金属合金であるか、又はそれらを含むことができ、印刷材料１３６は、溶融アルミニウム又は別の溶融金属若しくは金属合金であるか、又はそれらを含むことができる。

ノズル１１８のオリフィス１２０から金属液滴１０２を吐出するために、電流がコイル１２２に印加され、それがコイル１２２を通してパルス磁場を発生させる。このパルス磁場は、吐出チャンバ１１２内の印刷材料１３６内にＭＨＤベースの力密度を誘起し、これは、ノズル１１８のオリフィス１２０内の印刷材料１３６の毛細管現象及び／又は表面張力を克服し、それによって、オリフィス１２０から金属液滴１０２を吐出する。リザーバ１０８、供給入口１１０及び／又は吐出チャンバ１１２の輪郭は、その中の印刷材料１３６の流動力学を改善、カスタマイズ、及び／又は最適化するように設計することができることが理解されるであろう。リザーバ１０８、供給入口１１０、吐出チャンバ１１２、ノズル１１８及びオリフィス１２０は、互いに流体連通している。

本教示の一実装形態は、プリンタシャットダウンプロセスを含むことができる。プリンタシャットダウンプロセスは、例えば、プリンタを保管、保守、修理、又は別の目的のために備えるために実行することができる。

図１に示される印刷プロセスが完了した後、印刷材料１３６は、図２に示されるように、プリンタから排出される。印刷材料１３６は、例えば、ノズル１１８のオリフィス１２０を通して、又は別の開口部を通して、プリンタ１００から収集容器２００内に排出されることができる。排出された印刷材料２０２は、印刷材料１３６として後で再使用するために処理されるか、又はリサイクルすることができる。図２は、印刷材料１３６の排出中のプリンタ１００を示し、図３は、印刷材料排出プロセス後のプリンタ１００を示す。

図２の印刷材料排出プロセスが完了した後、図３のプリンタ１００が残る。図３に示されるように、印刷材料１３６の一部は、少なくとも部分的に、プリンタ１００の表面と印刷材料１３６との間の接着力の結果として、プリンタ１００の内面の上（例えば、リザーバ１０８、供給入口１１０、及び吐出チャンバ１１２を画定するブロック１０６の壁又は表面の上、並びにノズル１１８及びノズル１１８のオリフィス１２０内）に印刷材料コーティング３００を形成する。従来のシャットダウンプロセスでは、図３に示されるプリンタ１００が冷却され、その結果、少なくとも部分的に、印刷材料１３６がその融点未満に冷却されるときに印刷材料１３６によってノズルに加えられる応力及び歪みのために、ノズル１１８に頻繁な亀裂が生じる。

対照的に、本教示によるシャットダウンプロセスは、図４に示されるように、図３のプリンタ１００を犠牲金属４００で少なくとも部分的に又は完全に充填することを更に含む。犠牲金属４００は、印刷材料よりも低い凍結温度を有する溶融金属材料であり得る。別の態様では、犠牲金属４００は、印刷材料１３６のＴＣＥよりも、ノズル１１８、並びにリザーバ１０８、入口１１０、及び吐出チャンバ１１２を画定するブロック１０６の表面など、印刷材料に接触するプリンタ構造体のＴＣＥに、より厳密に一致するＴＣＥを有することができる。一部の実装態様では、犠牲金属４００は、犠牲金属４００及び印刷材料１３６が液体状態にあるときに、印刷材料１３６として使用される金属とあらゆる割合で混和できる溶融金属材料であり得る。言い換えれば、犠牲金属４００及び印刷材料１３６は、導入の順序に関係なく、互いに完全に可溶性である。更に、犠牲金属４００は、固体形態の場合に比較的軟質の金属である溶融金属材料であり得る。

アルミニウム又はアルミニウム合金が印刷材料１３６として使用される場合、犠牲金属４００は、スズ、スズ合金、鉛、鉛合金、スズ－鉛合金（例えば、はんだ）、又は別の適切な金属若しくは金属合金であり得る。スズは、アルミニウム印刷材料よりもはるかに低い融点を有する固体形態の軟質金属であるという物理的特性を有し、液体状態ではあらゆる割合でアルミニウムと混和できる。更に、スズの凝固点は２３２℃（４４９°Ｆ）であり、したがって、スズの凝固点とプリンタの保管温度２２℃（７２°Ｆ）との差は２１０℃（４１０°Ｆ）である。対照的に、上述したように、印刷材料としてのアルミニウムの凝固点は６６０℃（１２２０°Ｆ）であり、アルミニウムの凝固点と保管温度との差は６３８℃（１１８０°Ｆ）になる。したがって、本明細書に記載されるように、プリンタの保管中に犠牲金属として本明細書に記載のスズ又は別の材料を使用すると、印刷材料１３６を排出した直後にプリンタを冷却するよりも、ノズルに対する応力／歪みがはるかに低くなる。

犠牲材料は、通常、例えば約４２５℃未満、又は約３５０℃未満、又は約３００℃未満、又は約２００℃未満の低い融点を有する金属又はそれらの合金から選択される。例えば、例として、列挙された材料に限定されないが、企図される一部の低融点材料には、ガリウム（３０℃）、インジウム（１５７℃）、スズ（２３２℃）、ビスマス（２７１℃）、亜鉛（４２０℃）、カドミウム（３２１℃）、鉛（３２８℃）などが挙げられる。組成に応じて、金属合金の融点は、各金属又は他の材料の割合を増減することによって調整することができる。更に、これらの元素又はそれらの合金の多くは、適切な温度で、アルミニウム、銅、鉄、チタンなどの様々な印刷材料とよく混合することができる。例えば、アルミニウム又は銅が印刷材料として使用される場合、スズは、犠牲金属要素の良い候補になり得る。純粋なスズ、スズの割合が高いスズ／アルミニウム合金、又はスズの割合が高いスズ／銅合金のいずれかは、シャットダウンプロセスの冷却中に熱応力を低減する低融点を有する犠牲材料を提供することができる。

犠牲金属４００が、図４に示されるようにプリンタ１００の内部に配置されると、犠牲金属４００は、印刷材料１３６と混合しそれを希釈して、印刷材料コーティング３００を形成し、印刷材料コーティングは、印刷材料１３６の排出後にプリンタ１００内に残る。犠牲金属４００の体積は、プリンタ１００内の印刷材料コーティング３００の体積よりもはるかに大きく、したがって、２つの材料（即ち、材料コーティング３００及び犠牲金属４００）の混合物の物理的特性は、犠牲金属４００自体の物理的特性からは感知できない。

次に、図５に示されるように、犠牲金属４００は、例えば、ノズル１１８のオリフィス１２０から犠牲金属４００を吐出することによって、プリンタ１００から排出される。図５は、まさに犠牲金属４００の排出が完了したときのプリンタ１００を概略的に示す。犠牲金属４００を排出することにより、図３のプリンタ１００内に残っている印刷材料１３６のほぼすべてが除去される。例えば、図５に示されるような犠牲金属４００の排出は、印刷材料１３６を排出する図２の処理の後にプリンタ１００内に残る印刷材料１３６の約９０％～約１００％、又は約９５％～約１００％、又は約９９％～約１００％を除去することができ、その結果、図３と同様の構造が得られる。排出された犠牲金属５００は、低い割合の印刷材料１３６を含み、収集容器２００内に収集することができる。排出された犠牲金属５００は、非常に低い割合の印刷材料１３６を含むため、排出された犠牲金属５００は、１つ以上の後続のシャットダウンプロセス中に犠牲金属４００として再利用することができる。再利用された排出された犠牲金属５００内の印刷材料１３６の割合は、シャットダウンプロセスのたびに増加する。排出された犠牲金属５００内の印刷材料１３６の割合が十分に高くなった後、排出された犠牲金属５００を処理して印刷材料１３６を除去するか又はリサイクルすることができる。

様々な金属材料及び金属合金材料が印刷に適しており、印刷材料は非常に異なる融点を有することができる。印刷材料１３６は、約５００℃～約３０００℃、又は約６００℃～約２５００℃の第１の凝固点／融点を有する材料であり得る。犠牲金属４００は、約２２０℃～約４００℃、又は約２３０℃～約３５０℃、又は約２２０℃～約３２０℃、又は約３００℃未満、又は約２００℃未満の第２の凝固点／融点を有する材料であり得る。印刷材料１３６と犠牲金属４００との凝固点／融点の差は、約２００℃～約２０００℃、又は約３５０℃～約１８００℃、又は約５００℃～約１６００℃であり得る。

図６は、プリンタを動作させるための方法６００のフローチャートであり、方法６００は、プリンタシャットダウンプロセス６００であるか、又はそれを含む。説明を簡単にするために、また本教示を限定するものではないが、図６の方法６００は、図１～図５に示される構造を参照して説明されるが、他の実装形態は、簡略化のために示されていない構造及び方法行為を含んでもよく、一方、示される様々な構造及び方法行為は、削除又は変更されてもよいことが想到される。

方法６００は、６０２のようにプリンタ印刷プロセスを完了することを含むことができる。印刷プロセスが完了した後、液体又は溶融状態の印刷材料１３６は、プリンタ１００から排出される。印刷材料１３６は、アルミニウムなどの金属若しくは別の適切な印刷材料であるか、又はそれを含むことができる。印刷材料１３６は、印刷材料１３６が約６６０℃～約７２０℃の温度、又は使用される印刷材料に応じた別の温度にあるときに、プリンタ１００から排出されることができる。印刷材料１３６は、例えば、アクチュエータ１２２を係合させて印刷材料１３６をノズル１１８のオリフィス１２０から容器２００内に吐出することによって、プリンタ１００から排出されることができる。別の実装形態では、印刷材料１３６は、プリンタ１００のブロック１０６内の別の開口部を通して排出されることができる（簡略化のために図示されていない）。

上述したように、印刷材料１３６を排出した後、印刷材料コーティング３００は、図３に示されるように、プリンタ１００の内面上に残ることができる。印刷材料コーティング３００を除去又は実質的に除去するために、犠牲金属４００は、６０６のように、プリンタ１００のリザーバ１０８内に配置される。例えば、プリンタ１００のブロック１０６を印刷流体１３６の溶融温度以上に加熱した状態で、固体形態の犠牲金属４００をプリンタ１００のリザーバ１０８内に配置し、次にプリンタ１００内で及びプリンタ１００によって溶融することができる。別の実装形態では、液体（溶融）形態の犠牲金属４００をプリンタ１００のリザーバ内に配置することができる。液体形態の犠牲金属４００は、例えば、約２００℃～約４５０℃の温度で融解するスズ若しくはスズ合金であるか、又はそれを含むことができる。

次に、６０８に示されるように、犠牲金属４００は、印刷材料コーティング３００を溶融させるのに十分な温度に加熱される。犠牲金属４００は、印刷材料１３６よりもはるかに低い融点を有するため、印刷材料を排出した後のプリントヘッドの残留温度は、依然として、犠牲金属４００の融点をはるかに上回ることができる。ほとんどの場合、プリントヘッド構造内の残留熱以外に追加の加熱は必要とされない。例えば、印刷材料がアルミニウムであるか、又はアルミニウムを含む場合、犠牲金属４００は、約４００℃～約５００℃の温度に加熱することができる。この実装形態では、犠牲金属４００は、犠牲金属４００及び印刷材料１３６の両方の融点より高いが沸点より低い温度に加熱される。犠牲金属４００及び印刷材料１３６は互いに混和性であるため、印刷材料コーティング３００は犠牲金属４００に溶解する。

次に、６１０において、犠牲金属４００及び犠牲金属４００内に溶解したいかなる印刷材料コーティング３００も、プリンタ１００から排出される。続いて、プリンタ１００は、６１２のように、保管のために、例えば、約１８℃～約２４℃の温度に冷却することができる。６１２においてプリンタが冷却される温度は、印刷材料１３６及び犠牲金属４００の融点よりも低い。犠牲金属４００の一部は、図５に示されるように、プリンタ１００内に残ることができるが、犠牲金属４００の凝固点は、印刷材料１３６の凝固点よりも低い。したがって、６１２でのプリンタ１００の冷却中に、犠牲金属４００及びプリンタ内に残るごく一部の印刷材料１３６は、プリンタ１００の構造体、特にノズル１１８に過度の応力をかけない。これは、少なくともある程度、印刷材料１３６よりも犠牲金属４００の方が、保管温度と凍結温度との差がはるかに小さい（例えば、４００℃小さい、又は８００℃小さい、又は１５００℃小さい）ことに起因する。

プリンタ１００の保管後、プリンタ１００に起動処理を実行して、後続の印刷を可能にすることができる。この起動処理は、図１に示されるように、印刷材料１３６をプリンタ１００のリザーバ１０８内に配置することを含むことができる。図５に示されるように犠牲金属４００を排出した後にプリンタ１００内に残る犠牲金属４００の体積は、図１のプリンタ１００内の印刷材料１３６の体積と比較して小さい。図１の印刷材料１３６の加熱中に、図５のプリンタ１００内に残っている犠牲金属４００は、印刷材料１３６に溶解する。犠牲金属４００の体積は印刷材料１３６の体積と比較して小さいため、図５のプリンタ１００内のある体積の犠牲金属４００と混合された図１のある体積の印刷材料１３６の特性は、印刷材料１３６自体からは感知できない。

したがって、本教示の一実装形態は、プリンタ１００のシャットダウン又は冷却中のプリンタ１００の構造体及び印刷材料１３６のＴＣＥの差に関連する問題を軽減する。犠牲金属４００の凍結温度は印刷材料１３６の凝固点よりもはるかに低いため、プリンタ１００のシャットダウン又は冷却中にプリンタ１００の構造体、特にノズル１１８に加えられる応力／歪みは減少する。ノズル亀裂の結果としてプリンタがシャットダウンするたびに当然のこととしてノズルを定期的に交換することを含む一部のシャットダウン処理とは対照的に、本明細書に記載のシャットダウン処理は、冷却及び／又はシャットダウン処理中のノズルの亀裂の頻度を減少させるか、又はノズルの亀裂を解消する。

本教示の広い範囲を記載する数値範囲及びパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の実施例に記載される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いかなる数値も、それぞれの試験測定において見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。更に、本明細書に開示されるすべての範囲は、その中に含まれる任意及びすべてのサブ範囲を包含すると理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、最小値ゼロと最大値１０との間の（及びそれらを含む）任意及びすべてのサブ範囲、即ち、ゼロ以上の最小値及び１０以下の最大値を有する任意及びすべてのサブ範囲、例えば、１～５を含むことができる。場合によっては、パラメータについて記載された数値は、負の値をとることができる。この場合、「１０未満」と記載される範囲の例示的な値は、負の値、例えば、－１、－２、－３、－１０、－２０、－３０などをとることができる。

本教示は１つ以上の実装形態に関して示されているが、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示された実施例に対して変更及び／又は修正を行うことができる。例えば、プロセスは一連の行為又は事象として記載されているが、本教示は、そのような行為又は事象の順序によって限定されないことが理解されるであろう。一部の行為は、異なる順序で、及び／又は本明細書に記載されているものとは別の他の行為若しくは事象と同時に発生する可能性がある。また、本教示の１つ以上の態様又は実装形態による方法論を実装するために、すべてのプロセス段階が必要とされるわけではない。構造的構成要素及び／又は処理段階を追加することができ、あるいは既存の構造的構成要素及び／又は処理段階を削除又は変更することができることが理解されるであろう。更に、本明細書に示される行為のうちの１つ以上は、１つ以上の別の行為及び／又は段階で実行されてもよい。更に、「含む（including）」、「含む（includes）」、「有する（having）」、「有する（has）」、「有する（with）」という用語、又はそれらの変形が発明を実施するための形態及び特許請求の範囲のいずれかで使用される限りにおいて、そのような用語は、「含む（comprising）」という用語と同様の方法で包括的であることが意図されている。用語「～のうちの少なくとも１つ」は、列挙された項目のうちの１つ以上を選択することができることを意味するために使用される。本明細書で使用される場合、例えば、Ａ及びＢなどの項目のリストに関して用語「のうちの１つ以上」は、Ａ単独、Ｂ単独、又はＡ及びＢを意味する。更に、本明細書の議論及び特許請求の範囲において、２つの材料に関して使用される用語「上（on）」、即ち、一方が他方「上」にあることは、材料間の少なくともある程度の接触を意味し、一方、「の上方（over）」は、材料は近接しているが、１つ以上の追加の介在材料があり得、そのため、接触が可能ではあるが必要とはされないことを意味する。「上（on）」又は「の上方（over）」のいずれも、本明細書で使用される場合にいかなる指向性も暗示しない。「共形」という用語は、下にある材料の角度が共形材料によって保持されるコーティング材料を記述する。「約」という用語は、変更によってプロセス又は構造が例示された実装形態に不適合にならない限り、列挙された値がいくらか変更されてもよいことを示す。最後に、「例示的な」は、説明が理想的であることを意味するのではなく、例として使用されていることを示す。本教示の他の実装形態は、本明細書及び本明細書の開示の実施を考慮することから当業者には明らかとなるであろう。本明細書及び実施例は、例示としてのみ見なされることが意図され、本教示の真の範囲及び趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示される。

本出願で使用される場合、相対位置の用語は、ワークピースの方向に関係なく、ワークピースの従来の平面又は作業面に平行な平面に基づいて定義される。本出願で使用される場合、「水平」又は「横方向」という用語は、ワークピースの方向に関係なく、ワークピースの従来の平面又は作業面に平行な平面として定義される。「垂直」という用語は、水平に垂直な方向を指す。「上」、「側」（「側壁」のように）、「より高い」、「より低い」、「上方」、「上部」、及び「下」などの用語は、ワークピースの方向に関係なく、ワークピースの上面にある従来の平面又は作業面に関して定義される。

Claims (16)

1. プリンタを動作させるための方法であって、
   前記プリンタの供給リザーバから印刷材料を排出することであって、前記印刷材料は、第１の融点を有する第１の金属である、ことと、
   前記プリンタの前記供給リザーバ内に犠牲金属を配置することであって、前記犠牲金属は、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の金属である、ことと、
   前記プリンタのノズルから前記犠牲金属を吐出することと、
   前記ノズルから前記犠牲金属を吐出した後、前記プリンタを冷却することと、を含む、方法。
2. 前記印刷材料の前記排出の前に、前記印刷材料を前記プリンタの前記ノズルから吐出することを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記印刷材料の前記吐出は、前記第１の融点よりも高い温度で前記ノズルから前記第１の金属を吐出することを更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記印刷材料が６００℃～２０００℃の温度にあるときに、前記印刷材料を前記プリンタの前記ノズルから吐出することを更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の金属は、アルミニウムを含み、６００℃を超える融点を有し、
   前記印刷材料の前記排出は、６００℃を超える温度で前記印刷材料を前記プリンタの前記ノズルから吐出することを含み、
   前記第２の金属は、スズを含み、３００℃未満の融点を有し、
   前記犠牲金属を前記ノズルから吐出することは、３００℃未満の温度で前記プリンタの前記ノズルから前記犠牲金属を吐出することを含み、
   前記プリンタの前記冷却は、前記犠牲金属を２０℃～２２℃の温度に冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記プリンタの前記冷却に続いて、ある体積の前記印刷材料を前記プリンタの前記供給リザーバ内に配置することと、次いで、
   前記第１の融点より高い温度で前記印刷材料を前記プリンタの前記ノズルから吐出することと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. プリンタシャットダウンプロセスであって、
   前記プリンタの供給リザーバから金属印刷材料を排出することであって、前記印刷材料は、第１の融点を有し、前記金属印刷材料は、前記排出中に前記第１の融点よりも高い第１の温度にある、ことと、
   前記プリンタの前記供給リザーバ内に犠牲金属を配置することと、
   前記プリンタのノズルを通して前記プリンタの前記供給リザーバから前記犠牲金属を吐出することであって、前記犠牲金属は、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有し、前記犠牲金属は、前記吐出中に、前記第１の融点よりも低く、かつ前記第２の融点よりも高い第２の温度にある、ことと、
   前記プリンタを、前記印刷材料の前記第１の融点及び前記犠牲金属の前記第２の融点よりも低い第３の温度に冷却することと、を含む、プリンタシャットダウンプロセス。
8. 前記第１の温度は６００℃～２０００℃であり、
   前記第２の温度は３００℃未満である、請求項７に記載のプリンタシャットダウンプロセス。
9. 前記印刷材料は、８０％～１００％のアルミニウムを含み、
   前記犠牲金属は、３０％～１００％のスズを含む、請求項８に記載のプリンタシャットダウンプロセス。
10. 前記犠牲金属は、２０％～１００％のガリウム、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛、カドミウム、若しくは鉛、又はそれらの２つ以上の組み合わせを含む、請求項８に記載のプリンタシャットダウンプロセス。
11. プリンタを動作させるための方法であって、
    ６００℃～２０００℃の温度でプリンタのノズルから金属印刷材料を吐出することと、
    前記吐出後、６００℃～２０００℃の温度で前記プリンタから前記金属印刷材料を排出することと、
    前記プリンタの供給リザーバ内に犠牲金属を配置することと、
    前記犠牲金属を３００°以下の温度に加熱し、それによって前記犠牲金属を溶融させることと、
    前記犠牲金属が溶融している間、３００℃以下の温度で前記プリンタの前記ノズルから前記犠牲金属を吐出することと、
    前記プリンタの前記ノズルから前記犠牲金属を吐出した後、前記プリンタを２０℃～２２℃の温度に冷却し、それによって前記プリンタ内の前記犠牲金属を固化させることと、を含む、方法。
12. 前記プリンタの前記冷却に続いて、前記プリンタ内の前記犠牲金属を３００℃以下の温度に加熱し、それによって前記犠牲金属を溶融させることと、
    前記プリンタから前記溶融した犠牲金属を排出することと、
    前記プリンタの前記供給リザーバ内に前記金属印刷材料を配置することと、
    前記金属印刷材料を６００℃～２０００℃の温度に加熱し、それによって前記金属印刷材料を溶融させることと、次いで、
    ６００℃～２０００℃の温度で前記プリンタの前記ノズルから前記金属印刷材料を吐出することと、を更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記プリンタの前記供給リザーバ内に、前記排出された金属印刷材料を配置することと、
    前記排出された金属印刷材料を６００℃～２０００℃の温度に加熱し、それによって前記排出された金属印刷材料を溶融させることと、
    前記プリンタの前記ノズルから溶融した前記排出された金属印刷材料を吐出することと、を更に含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記金属印刷材料は、アルミニウム、銅、鉄、及びチタンのうちの少なくとも１つ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記犠牲金属は、ガリウム、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛、カドミウム、若しくは鉛のうちの少なくとも１つ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記金属印刷材料は、アルミニウム、銅、鉄、及びチタンのうちの少なくとも１つ、又はそれらの組み合わせを含み、
    前記犠牲金属は、ガリウム、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛、カドミウム、及び鉛のうちの少なくとも１つ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを含み、アルミニウム、銅、鉄、及びチタンのうちの少なくとも１つ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを更に含む、請求項１１に記載の方法。
    

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