JP2023544585A - 最適化されたガスフローディレクタ構造を有する大面積造形平面を備える３次元プリントエンジン - Google Patents

Abstract

３次元（３Ｄ）プリントエンジンは、以下を含む：（Ａ）造形チャンバを横方向に画定する複数の壁、（Ｂ）造形プレートを含む造形ボックス、（Ｃ）粉末ディスペンサ、（Ｄ）粉末の層を溶融するためのビームシステム、（Ｅ）造形プレートと複数の壁との間に配置され、上面を有する、周辺プレート、（Ｆ）造形プレートおよび周辺プレートの上を通過するガスフロー流を放出するガス入口（５４）、（Ｇ）ガスフロー流を受け取るガス出口（５６）、（Ｈ）周辺プレートの上面に取り付けられ、その上方に延在する複数の突出構造（７０、７２、７４、７６）、および（Ｉ）ガス入口およびガス出口に連結されるガス処理システム。複数の突出構造は、ガスフロー流のフローフィールドを成形し、造形平面の上方でより均一な速度のガスフロー速度を提供する。

Description

関連出願の相互参照

政府権利の陳述
本発明は、米国陸軍研究所（Ｕ．Ｓ．Ａｒｍｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）によって授与された許可番号Ｗ９１１ＮＦ－１８－９－０００．３および国立製造科学センター（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）（ＮＣＭＳ）によって授与されたＡＭＭＰコンソーシアムメンバー許可番号２０１９３５の下で政府の支援を受けて行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。

関連出願の相互参照
本非仮特許出願は、米国特許出願第１１９（ｅ）号の利益の下で参照により本明細書に組み込まれる、２０２０年１０月２日に出願されたＪｏｓｅ Ｄｏｖａｌによる「Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｐｒｉｎｔ Ｅｎｇｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ａｒｅａ Ｂｕｉｌｄ Ｐｌａｎｅ Ｈａｖｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｇａｓ Ｆｌｏｗ Ｄｉｒｅｃｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」と題された米国仮特許出願第６３／０８６，８３７号に対する優先権の利益を主張する。

本開示は、金属粉末材料を選択的に溶融することによって３次元（３Ｄ）物品を層ごとに製造するための装置および方法に関する。より詳細には、本開示は、非常に大きいが高品質の３Ｄ物品を提供するシステムおよび方法に関する。

３次元（３Ｄ）プリントシステムは、プロトタイピングおよび製造などの目的のために急速に使用が増加している。１つのタイプの３次元プリンタは、層ごとのプロセスを利用して、粉末金属材料から３次元製造物品を形成する。粉末材料の各層は、造形平面上に分配され、次いで、レーザ、電子、または粒子ビームなどのエネルギービームを使用して選択的に溶融される。

非常に大きく欠陥のない３Ｄ物品を迅速に作製することが望まれている。そのような大型の３Ｄ物品の迅速な作製は、非常に大きな造形平面にわたって平行に動作する複数のレーザを必要とする。粉末の層が選択的に溶融されると、金属が蒸発する際に「プルーム（plume）」クラウドが生成される。プルームクラウドがエネルギービームを部分的に遮断し得る、または、クラウドからの凝縮物がレーザ窓を妨害し得ることによって、粉末溶融の完全性にばらつきが生じる。その結果、製品に欠陥が生じ得る。

典型的な解決策は、粉末の層の上に不活性ガスを通過させ、プルームを一掃することであった。非常に大きい造形平面面積では、造形平面にわたってガスフロー速度ベクトルが変動することに起因して様々な結果が生じ得、これによって、プルームを除去することができないかまたは粉末粒子が乱される。粉末粒子を乱すことなく、プルームを効果的に除去するために必要なガスフロー分布を提供するシステムが必要とされる。

本開示の第１の態様では、３次元（３Ｄ）プリントエンジンは、３Ｄ物品を作製するためのものであり、以下を含む：（Ａ）造形チャンバを横方向に画定する複数の壁、（Ｂ）垂直位置決め装置に連結された造形プレートを含む造形ボックスであって、造形プレートが側面積を画定する、造形ボックス、（Ｃ）粉末ディスペンサ、（Ｄ）造形プレートの側面積内の造形平面上を走査し、かつ粉末溶融のために概して固定高さにある、複数のエネルギービームを生成するように構成されたビームシステム、（Ｅ）造形プレートと複数の壁との間に配置され、上面を有する、周辺プレート、（Ｆ）造形チャンバの入口端部においてガスフロー流を放出し、造形平面および周辺プレートの上面の少なくとも一部を通過させる、ガス入口、（Ｇ）造形チャンバの出口端部に設けられ、ガス入口からガスフロー流を受け取る、ガス出口、（Ｈ）周辺プレートの上面に取り付けられ、その上方に延在する複数の突出構造であって、ガスフロー流のフローフィールドを成形して、造形平面の上方でより均一な速度のガスフロー速度を提供する、複数の突出構造、（Ｉ）ガス入口およびガス出口に連結されるガス処理システム、および（Ｊ）コントローラ。コントローラは、ソフトウェア命令を記憶する非一時的または不揮発性の情報記憶デバイスに連結されたプロセッサを含む。ソフトウェア命令を実行することによって、コントローラは、以下を実行するように構成される：（１）垂直位置決めシステムを動作させ、新しい粉末の層を受け取るために造形プレートを位置決めする、（２）粉末ディスペンサを動作させ、新しい粉末の層を造形プレートまたは以前に分配された粉末の層の上に分配し、新しい粉末の層は、造形平面に近接した上面を有する、（３）ガス処理システムを動作させ、ガスフロー流を提供する、（４）ビームシステムを動作させ、粉末ディスペンサによって分配された粉末の層を選択的に溶融させる、および、工程（１）～（４）を繰り返して３Ｄ物品の作製を完了する。

ガスフロー速度の均一性が改善されることにより、従来可能であったよりも大きい造形平面にわたって、金属粒子を乱すことなくプルームを効果的に除去することが可能になる。これにより、ビームシステムが複数のエネルギービームを同時に利用する場合でさえ、少なくとも０．５平方メートル、少なくとも０．７平方メートル、または約１平方メートルである造形平面が均一に欠陥のない結果で可能になる。ビームシステムは、金属粉末の層を選択的に溶融するために、５つ以上、７つ以上、または９つ以上のエネルギービームを同時に利用することができる。図示の実施形態では、造形平面へのビーム衝突は、Ｙに対して互い違いにされ、別のレーザに対する１つのレーザとのプルームの干渉を最小限にする。この例示的な実施形態では、９つのレーザを有するシステムの場合、２つまたは３つのレーザは、プルームの発生および干渉を低減するために非アクティブである。

以下の実装形態では、横軸ＸおよびＹならびに垂直軸Ｚを含む、３つの相互に垂直な軸が使用される。横軸は概ね水平であり、垂直軸Ｚは概ね重力軸と一直線上にある。ガス入口とガス出口との間で、ガスフローストリームは、概して＋Ｘ方向の速度を有する。これは、概して当てはまるが（平均速度は主に＋Ｘ方向である）、層流パターン、乱流パターン、および／またはフロー中の渦に起因して変化する局所的なフローパターンが存在し得る。方向Ｙは、クロスフロー方向と呼ばれる。Ｙは、ガスフローストリームの全体的なフロー方向および速度に対して垂直であり得るが、Ｙ成分を生成する局所的な形状、乱流、または同調の欠如に起因して、局所的なフローが存在し得る。

一実装形態では、周辺プレートは、造形プレートを横方向に取り囲む。周辺プレートの上面は、造形平面と概ね平行または同一平面とすることができる。周辺プレートの上面は、入口表面、中間表面、および出口表面を含む、異なる表面またはセクションを含むか、またはそれらに分割されることができる。（１）入口表面は、造形プレートとガス入口との間でＸに対して横方向に配置される。複数の突出構造は、１つまたは２つのダイバータ、および、入口表面から上方に突出するフィンのアレイを含むことができる。（２）２つの中間表面は、横方向側壁と造形平面との間にあり、Ｘに関して造形平面と重なり合う。２つの中間表面は、入口表面と出口表面との間にある。複数の突出構造は、中間表面から上方に突出する複数または２つのアレイのフィンを含むことができる。（３）出口表面は、造形プレートとガス出口との間でＸに対して横方向に配置される。複数の突出構造は、出口表面から上方に突出する１つまたは２つのダムを含むことができる。

別の実装形態では、突出構造は、ダイバータ、フィン、およびダムのうちの１つまたは複数を含む。突出構造は、厚さを画定する短軸を有する。厚さは、概して、横方向に画定される。突出構造は、中間垂直軸と、主横軸とを有することができる。ダイバータについて、長軸は、Ｘに対して一直線上にあるか、または鋭角を画定する。短軸（厚さ）は、概して、主にＹに沿って画定される。フィンについて、長軸は、概して、Ｘに対して一直線上にあるか、または鋭角を画定する。ダイバータと同様に、短軸（厚さ）は、概して、主にＹに沿って画定される。ダムについて、長軸は、Ｙに対して一直線上にあるか、または鋭角を画定する。短軸（厚さ）は、概して、主にＸに沿って画定される。

さらに別の実装形態では、突出構造は、周辺プレートの上面の上方に距離Ｈだけ延在する。ガスフローが周辺プレートの上面および造形平面上を通過するとき、境界層は、その速度プロファイルが周辺プレートの上面によって影響を受けるガスフローの高さｈとして画定される。好ましくは、突出構造の影響を最大にするために、Ｈは少なくともｈに等しいか、またはＨはｈより大きい。例示的な実施形態では、Ｈは１０～１５ミリメートルまたは約１３ミリメートルである。

さらなる実装形態では、ガス入口は、ノズルの下側列およびノズルの上側列を含むノズルの２つの列を有する出口スナウトを含む。ノズルの下側列は、第１の速度Ｖ１でガスを放出し、ノズルの上側列は、第２の速度Ｖ２でガスを放出する。第２の速度Ｖ２は、第１の速度Ｖ１よりも大きい。ノズルの上側列からのより高速のフローは、ノズルの下側列からのより低速のガス流のフローを巻き込み、より低速のガス流のフローを造形平面上に維持する。理想的なモデルでは、より低速のガス流は、ガス入口からガス入口まで造形平面に近接して＋Ｘ方向に沿って流れる。実際には、Ｙ成分およびＺ成分を含み得る流路全体にわたって変化し得る局所的な速度成分が存在する。

さらなる実装形態では、複数の突出構造は、複数のフィンを含む。フィンは、Ｘに平行な垂直面に沿って投影された規定の形状を有することができる。規定の形状は、三角形、長方形、平行四辺形、台形、多角形、不規則な形状、または湾曲したエッジを有する形状のうちの１つまたは複数を含むことができる。

別の実装形態では、複数の突出構造は複数のフィンを含む。１つまたは複数のフィンは、周辺プレートの上面の表面からＺに沿って測定される高さＨだけ上方に延在することができる。高さＨは、フィンが周辺プレートの上面上のガスフローの境界層を完全に貫通して延在するのに充分である。

さらに別の実装形態では、複数の突出構造は、複数の垂直フィンを含む。垂直フィンは、周辺プレートの上面の側方エッジを含む３つのエッジを有する三角形の形状を有することができる。三角形の形状はまた、Ｘ軸に対して前縁および後縁を有する。後縁は、三角形の最短エッジである。前縁は、Ｘ軸に対して鋭角を画定することができ、後縁は、ほぼ垂直とすることができる。複数の垂直フィンは、Ｘ軸に対して対向する鋭角を画定する２つのフィンを個々に有する垂直フィンの対を含むことができる。より詳細には、一対のフィンの側縁部は、Ｘ軸に対して対向する鋭角を画定する。特定の実施形態では、フィンは、約１０～１５ミリメートルの範囲または約１３ミリメートルである高さＨを有するが、Ｈの他の値も可能である。側方エッジの長さは、Ｈの約２倍とすることができる。フィンが直角三角形を画定する場合、後縁はＨの長さを有することができ、側方エッジは約２Ｈの長さを有することができる。

さらなる実装形態では、周辺プレートの上面は、造形プレートとガス入口との間に横方向に配置された矩形の入口表面を含むことができる。複数の突出構造は、少なくとも１つのダイバータ壁を含むことができる。ダイバータ壁は、Ｘ軸に対して鋭角を画定する主横軸を有する第１のダイバータ壁を含むことができる。ダイバータ壁は、Ｘ軸に実質的に平行である長軸を有する第２のダイバータ壁を含むことができる。ダイバータ壁は、第１のダイバータ壁および第２のダイバータ壁を含む２つのダイバータ壁を含むことができ、これらのダイバータ壁は、Ｙに対して横方向に離間され、Ｘに平行な造形平面の対向するエッジとほぼ横方向に位置合わせされる。ダイバータ壁は垂直であり、高さＨを有する。高さＨは、約１０～１５ｍｍの範囲内または約１３ｍｍであり得る。

さらなる実装形態では、造形プレートの上面は、造形プレートとガス出口との間に横方向に配置された出口表面を含む。複数の突出構造は、ダム壁を含む。ダム壁は、Ｙに概ね平行な長軸を有する。ダム壁は、Ｙ軸に関して造形平面に重なるギャップを間に有する２つの位置合わせされたダム壁を含むことができる。２つの位置合わせされたダム壁は、第１のダム壁および第２のダム壁を含む。第１のダム壁は、第１のダム壁と第２のダム壁との間のギャップがＹ軸に対して中心にならないように、第２のダム壁より長くすることができる。

別の実装形態では、粉末ディスペンサは、粉末ディスペンサがドッキング位置にあるときに造形チャンバを横方向に画定する複数の壁の一部を形成する壁部分を含む。

３次元（３Ｄ）物品を製造するための付加製造システムの一実施形態の概略ブロック図 ３Ｄプリントエンジンの概略図であって、図示の実施形態では、３Ｄプリントエンジンは、金属粉末層の層ごとの溶融溶解によって３Ｄ物品を作製する図 ３Ｄプリントエンジンの一部の等角断面図 ３Ｄプリントエンジンの一部の側断面図 図４の図の一部である側断面図 造形チャンバの概略平面図 ３Ｄプリントエンジンの一部の等角断面図であり、図３の一部分である図 図７の一部の第１の詳細図 図７の一部の第２の詳細図 ２対のフィンの上面図 ３Ｄプリントエンジンを動作させるための方法を示すフローチャート

図１は、３次元（３Ｄ）物品３を製造するための付加製造（ＡＭ）システム２の一実施形態の概略ブロック図である。ＡＭシステム２は、プリントエンジン４と、冷却ステーション６と、バルク粉末除去装置８と、微粉末除去装置１０と、搬送装置１２と、ガス処理システム１４と、コントローラ１６とを含む。様々な構成要素４～１４は、それらの内部機能を制御するための別個の「下位レベル」コントローラを個々に有することができる。いくつかの実施形態では、コントローラは、中央コントローラとして機能することができる。以下の説明では、コントローラ１６は、構成要素４～１４の外部または内部に存在し得る全てのコントローラを含むと考えられる。コントローラ１６は、ＡＭシステム２の内部にあってもよく、ＡＭシステム２の外部にあってもよく、またはＡＭシステム２の内部および外部の両方にある部分を含んでもよい。

搬送装置１２は、製造されている３Ｄ物品３の作製、冷却、および粉末除去を含む手順で、様々な構成要素４～１０を介して造形ボックス１８を搬送するためのものである。ガス処理システム１４は、構成要素４～１０の環境を制御するためのものである。一実施形態では、ガス処理システムは、構成要素４～１０を排気し、次いで、造形ボックス１８を非酸化性環境内に維持するために、アルゴンまたは窒素などの非酸化性ガスでそれらを再充填するように構成される。いくつかの実施形態では、ガス処理システム１４は、構成要素４～１０の個々の構成要素に個別に専用のいくつかのシステムとすることができる。例示的な実施形態では、プリントエンジン４は排気され、ガスで再充填されるが、構成要素６～１０は排気されず、非酸化性ガスでパージされる。ガス処理システム１４のさらに他の変形形態が可能である。

コントローラ１６は、ソフトウェア命令を記憶する非一時的または不揮発性の情報記憶デバイスに連結されたプロセッサを含む。プロセッサによって実行されると、ソフトウェア命令は、システム２のいずれかまたは全ての部分を動作させる。例示的な実施形態では、作製、冷却、脱粉末、および他の機能は、コントローラ１６によって完全に自動化された方法で実行することができる。

コントローラ１６は、以下のような工程を実行するように構成される：（１）ガス処理システム１４を動作させ、構成要素４～１０を排気および／または再充填する、（２）プリントエンジン４を動作させ、造形ボックス１８内に３Ｄ物品を作製する、（３）搬送装置１２を動作させ、造形ボックス１８（現在は３Ｄ物品および未溶融粉末を含む）を冷却ステーション６に搬送する、（４）適切な冷却時間の後、搬送装置１２を動作させ、造形ボックス１８をバルク粉末除去装置８に搬送する、（５）バルク粉末除去装置８を動作させ、造形ボックス１８から未溶融粉末の大部分を除去する、（６）搬送装置１２を動作させ、造形ボックス１８を微粉末除去装置１０に搬送する。微粉末除去装置１０において、残留する未溶融粉末は、自動的にまたは手動で除去される。その間ずっと、コントローラ１６は、ガス処理システム１４を動作させ、必要に応じて構成要素４～１０内の非酸化性ガス環境を維持する。

ＡＭシステム２は、検査ステーションまたは造形ボックス１８からの３Ｄ物品１００の取り出しを容易にするためのステーションなどの他の構成要素を有することができる。追加の構成要素は、手動で動作させることができ、またはコントローラ１６の制御内にすることができる。

図２は、３Ｄ物品３を作製するための３Ｄプリントエンジン４の一実施形態の概略図である。図２の説明においておよび以降の図について、互いに直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺを用いることができる。軸ＸおよびＹは、概して水平である横軸である。軸Ｚは、重力基準と概ね位置合わせされた垂直軸である。「概して」とは、設計によってそうであることを意図するが、製造または他の公差により変化し得る。

造形ボックス１８（図１）は、造形プレート２２を収容する粉末ビン２０を含む。造形プレート２２は上面２４を有し、垂直位置決めシステム２６に機械的に連結される。造形ボックス１８は、分配された金属粉末２７を収容するように構成される。造形ボックス１８は、ハウジングまたはシャーシ３０によって囲まれたチャンバ２８内に収容される。

垂直位置決めシステム２６は、コントローラ１６の制御下で上面２４を位置決めするように構成される。例示的な実施形態では、垂直位置決めシステム２６は、垂直に固定されたナットに連結される親ネジを含む。ナットはモータに連結される。ナットがモータによって回転されると、ナットの内側ネジ山が親ネジの外側ネジ山に係合し、親ネジの先端が造形プレート２２を上昇または下降させる。もちろん、これは垂直位置決めシステムの一例に過ぎない。別の例では、親ネジを垂直に固定することができ、ナットは、親ネジの電動回転下で上昇および下降させることができる。ナットは、レバーまたは垂直フォロワロッドに結合することができ、これは、造形プレート２２に機械的に結合される。次いで、親ネジの電動回転により、レバーまたはフォロワロッドが造形プレート２２を上昇および下降させる。垂直位置決めシステム２６の他の例も可能である。

金属粉末ディスペンサ３２は、造形プレート２２の上面２４上に、または以前に分配された金属粉末の層２７上に金属粉末の層２７を分配するように構成される。粉末の層２７がちょうど分配されるとき、それは、好ましくは造形平面３１と一致または同一平面上にある上面２９を有する。いくつかの動作上の実装形態では、上面２９は、造形平面３１のわずかに下に配置され得る。

図示の実施形態では、第２の粉末ディスペンサ３４は、追加の粉末を分配するように構成される。粉末ディスペンサ３２および３４は、それぞれ粉末供給部３６および３８から粉末を受け取るように構成される。追加の粉末は、異なる金属粉末、同じ金属粉末、または支持材料であってもよい。プリントエンジン４は、複数の異なる材料を分配できるように、３つ以上の粉末ディスペンサを含むことができる。

プリントエンジン４は、分配された金属粉末の層を選択的に溶融するためのエネルギービーム４２を生成するように構成されたビームシステム４０を含む。例示的な実施形態では、ビームシステム４０は、少なくとも１００ワット、少なくとも５００ワット、約１０００ワット、少なくとも１０００ワット、または別の光出力レベルの光出力を個々に有する放射ビームを生成するための複数の高出力レーザを含む。ビームシステム４０は、金属粉末の層２７の上面２９と略一致する造形平面３１を横切って放射ビームを個別に操向するための光学系を含むことができる。代替的な実施形態では、ビームシステム４０は、電子ビーム、粒子ビーム、または異なるビームタイプのハイブリッド混合を生成することができる。

造形平面３１は、ビームシステム４０によってアドレス指定可能な最大側面積によって横方向に画定され、ビームシステム４０の焦点によって垂直に画定される。最大側面積は、ソフトウェアおよび／またはハードウェアの制限によって制限され得る。造形平面３１の側面積は、造形プレート２２の側面積内にある。好ましくは、造形プレート３１と粉末ビン２０との間に横方向に画定された境界領域があり、未溶融粉末２７の除去を容易にする。

例示的な実施形態では、造形平面３１は、少なくとも約０．５平方メートルまたは少なくとも約０．７平方メートルである側面積を有する。より大きな面積が可能である。図示の開示では、造形平面３１は、約１平方メートルの面積を有し、プリントエンジン４は、造形プロセス中に最大４トン以上の金属を処理することができる。これは、金属粉末を選択的に分配および溶融するための比類なく大きな面積である。

図３は、プリントエンジン４の一実施形態の一部の等角断面図である。チャンバ２８（図２）内には造形チャンバ４３がある。造形チャンバ４３は、造形チャンバ４３を横方向に画定する複数の境界壁４４、上部天井４６、および床４８（図４も参照）によって囲まれる略平行六面体の形状を有する。壁４４および天井４６は、ガスフローへの悪影響を回避するように概して平滑な表面であり、金属およびガラスなどの様々な材料から形成することができる。

天井４６の上方には、ビームシステム４０がある。図示の実施形態では、ビームシステム４０は、約１０００ワットの放射出力を個々に放出する９つの高出力レーザのアレイを含む。

床４８は、造形平面３１と、造形プレート２２と壁４４との間に横方向に配置された周辺プレート５２の上面５０とによって画定される。上面５０は、造形平面３１と概ね平行または同一平面上にある。図示の実施形態では、上面５０は、４つの側面の全てにおいて造形プレート２２を横方向に囲む。

ガス処理システム１４（図２）は、ガス入口５４およびガス出口５６に連結される。ガス入口５４は、横軸Ｘに沿ってガス入口５４からガス出口５６へ通過するシート状ガス流６０を放出するスナウト５８を有する。ガス流６０は、エネルギービーム４２が粉末２７に衝突し溶融する結果として生成されるヒューム（fume）を巻き込んで抽出するように機能する。造形平面３１の直上のガス流６０の速度を制御する必要がある。速度が高すぎる場合、ガス流６０は粉末２７の粒子を巻き込む可能性があり、これは望ましくない。速度が低すぎると、プルームを充分に除去できないことがある。滑らかな壁４４および天井４６、ならびに造形チャンバ４３の全体的な平行六面体形状は、より均一な速度プロファイルを容易にする。理解されるように、他の特徴も速度プロファイルを改善する。

図４は、プリントエンジン４の側面断面図である。切り口は、ガス流６０の全体的な移動に対して概ね垂直であるＹＺ平面に沿っている。ガス流６０は、Ｘに正確に平行ではない渦および他の速度変動を有し得る。金属粉末ディスペンサ３２も示されている。図示の位置および構成では、粉末ディスペンサ装置３２は、側壁４４の後方に「停止（parked）」された構成および位置にある。

図５は、ディスペンサ３２をより良く説明するために図４から取られた詳細である。ディスペンサ３２は、分配チップ６２と、ガントリ６４と、壁部分６６とを含む。図示の停止位置では、ディスペンサ３２は、粉末供給部３６からの金属粉末２７で充填されている。製造中、ガスフロー流６０が流れている間、およびビームシステム４０が動作している間、壁部分６６は、側壁４４（図４）の一部を形成するように位置決めされる。壁部分６６が側壁４４の一部を形成するとき、ディスペンサ３２は「ドック（dock）」６７に配置される。粉末２７の分配中、ガントリ６６は、ノズルチップ６２を造形プレート２２上で移動させる。粉末２７の新しい層が分配された後、ディスペンサ３２はドック６７に戻り、再び壁部分６６が側壁４４の一部を形成する。

図６は、床４８を見下ろした造形チャンバ４３の概略図である。ガス流６０（図３）は、概して、ガス入口５４からガス出口５６まで横方向＋Ｘ方向に沿って流れる。しかし、これは概して「平均フローベクトル」方向Ｘである。造形チャンバ４３内の任意の位置において、局所的なフローベクトルは、ＹおよびＺの成分を有するベクトル方向を有することができる。局所的なフローベクトルは、乱流の－Ｘ成分さえ有し得る。造形チャンバ４３内の個々の位置におけるガスフロー速度の大きさおよび方向を定義するベクトル「フローフィールド（flow field）」を定義することができる。平均フローはまた、ガス入口５４およびガス出口５６の正確な幾何学形状に基づいてＹまたはＺの成分を有することができるが、優勢な平均フロー方向は＋Ｘである。このため、Ｙは横方向の横断方向またはクロスフロー方向と呼ぶことができ、Ｚは垂直のクロスフロー方向と呼ぶことができる。

ガスの境界層は、表面５０の上を直接流れる。境界層は、流動ガスの一部として定義され、これは、ベクトルフローフィールドが表面５０によって直接影響を受けるガスの層である。境界層の上方には、好ましくは層流が存在するが、多少の乱流および旋回ガスが存在し得る。

ガス流の重要な態様は、ビームシステム４０が動作する造形平面３１の真上にある境界層である。理想的には、ガスフロー速度は、造形平面３１にわたって制御可能かつ均一である。しかしながら、実際にはばらつきがある。ガスフロー速度は、所与のＹ値に対してＸに沿って減少する傾向がある。ガスフロー速度はまた、Ｙに沿って変化する傾向があり、Ｙに関してフローストリームの中心に向かって速度が高くなる。

造形平面３１に沿ったガスフロー速度の均一性を改善するために、ガスフローディレクタ構造９８の革新的な組み合わせが実施されている。ガスフローディレクタ構造９８は、スナウト５８設計ならびに複数の突出構造７０を含む。突出構造７０は、概して、表面５０から上方に突出する。理想的には、突出構造７０は、表面５０の上方に垂直に突出し、最大効果を有するために境界層の高さを超える。スナウト５８設計および突出構造７０の効果は、ガスのフローフィールドを成形し、そうでなければ可能であろう造形平面３１にわたるはるかに均一な速度を提供することである。

例示的な実施形態では、突出構造７０は、表面５０から垂直に突出し、高さＨがすべて約１３ミリメートルである。しかしながら、異なる実施形態では、突出構造は、高さが約１０ミリメートルから約２０ミリメートルまで変化し得るか、または１０ミリメートル未満、または２０ミリメートル超の高さを有し得る。プリントエンジン４の図示される実施形態では、高さＨの値は、有意な効果を有し、粉末ディスペンサ３２の動きを妨げないように、約１０から１５ミリメートルまで変動することができる。しかし、他の設計は、より大きな範囲のＨをもたらし得る。ガスフローを最適に制御するために、Ｈは、表面５０の上方の境界層の高さよりも大きい。

図示される実施形態では、突出構造７０は、フィン７２、ダイバータ７４、およびダム壁７６の対を含む。表面５０は、Ｘに関してスナウト５８と造形平面３１との間に横方向に位置する表面５０の矩形部分である入口表面７８を含む。ダイバータ７４およびフィン７２のアレイは、入口表面７８上に配置される。表面５０は、側壁４４と造形平面３１との間にある２つの矩形の中間表面８０を含む。中間表面８０は、Ｘに関して造形平面３１と重なる。フィン７２の一部は、中間表面８０上に配置される。最後に、表面５０は、Ｘに関して造形平面３１と出口５６との間に横方向にある出口表面８２を含む。ダム壁７６は、出口表面８２上に位置する。突出構造７０は、以下でより詳細に説明される。

図７は、スナウト５８およびフィン７２を含む、ガス入口５４から造形平面３１までのフローディレクタ構造９８の一部を示す、図３の詳細図である。図８は、ガス入口５４およびスナウト５８の一部に焦点を当てた、図７の詳細図である。ガス入口５４は、スナウト５８に形成されたノズルまたはオリフィスまたは開口部８６の下側アレイに結合された下側マニホールド８４を含む。ノズル８６は、第１の直径Ｄ１を有し、これは、表面５０および造形平面３１に近接して移動する第１の速度Ｖ１で下側ガス流８８を放出する。ガス入口５４は、ノズルまたはオリフィスまたは開口部９２の上側アレイに連結された上側マニホールド９０を含む。ノズル９２は、第２の直径Ｄ２を有し、これは、Ｖ１より大きい第２の速度Ｖ２で上側ガス流９４を放出する。より高い速度Ｖ２でガス流９４を有することは、表面５０および造形平面３１にわたってより低いガス流８８のフローを巻き込み維持するのに役立つ。図示の実施形態では、Ｄ１は約１１ミリメートルであり、Ｄ２は約７ミリメートルである。より一般的には、Ｄ１＞Ｄ２である。

図示の実施形態では、ノズル８６は、１６ミリメートルの中心間間隔と、造形平面３１および表面５０の上方３１．５ミリメートルの中心とを有する。ノズル９２は、１１ミリメートルの中心間間隔と、造形平面３１および表面５０の上方４９．５ミリメートルの中心とを有する。ノズル８６および９２は、横軸Ｙに沿って造形チャンバ４３の幅のほぼ全体に及ぶ。

図９は、フィン７２の一部を示す図７の詳細図である。図示の実施形態では、フィン７２は、表面５０から垂直に突出し、直角三角形の垂直形状を有する。直角三角形の小さい方の底辺は垂直であり、高さＨを有する。直角三角形の大きい方の底辺は横方向であり、２Ｈの長さを有する。直角三角形の大きい方の底辺は、Ｘに対して１８度の角度を画定する。

他のフィン形状も可能である。フィン７２は、非直角三角形、長方形、平行四辺形、台形、正方形、他の多角形形状、または湾曲したエッジを有する形状などの他の形状を有することができるが、依然として造形平面３１の真上の境界層の速度フローフィールドに対してある程度の制御を提供する。概して、高さＨは、フィンが表面５０の上方に延在する範囲であると解釈される。好ましくは、Ｈは、境界層の高さよりも大きく、境界層フローフィールドのより良好な制御を提供する。

図１０は、２対のフィン７４（縮尺通りではない）の例示的な実施形態の上面図である。所与の対のフィンについて、フィンはＸに沿って横方向に広がる。一対のフィンの風下側エッジでは、それらは２．５Ｈ離れている。配列されたフィンの対は、Ｙに沿って６Ｈのピッチで離間される。

この例示的な実施例では、ダイバータ７４およびダム７６は、表面５０の上方に高さＨだけ延在する垂直壁である。ダイバータ７４は、軸Ｘに対して鋭角を画定する１つのダイバータと、Ｘに対してほぼ平行である別のダイバータ７４とを含む。ダイバータは、造形平面３１の後方（より大きいＸ）部分に沿って、かつＹに対する造形平面のエッジにおいて、境界層の速度を維持するのに役立つ。

ダム７６は、Ｙに沿って造形チャンバを完全に横断しない１つのより長いダムおよび１つのより短いダムを含む。出口表面８２上の造形チャンバ４３のコーナー部分には、造形平面３１に向かって上方に延在し、境界層ガスフローを減速させることができる、横方向に画定された渦がある。ダム７６は、これらの渦を遮断し、造形平面３１の後方（より高いＸ部分）コーナーにおいて、Ｘに沿ってより高い速度を確保する。

表面５０にわたる突出構造７０のこの配置は、造形平面に近接する速度の最も均一なフローフィールドを提供するのに最適であることが分かっている。これにより、金属粉末２７粒子を乱すことなくプルームを効果的に除去するために、造形平面の全ての領域において速度を最大にすることが可能になる。最適な平均速度は、金属粉末２７粒子の密度および粒径の関数である。

要約すると、説明されているのは、造形平面３１の上方を流れる境界層ガス流６０を、可能な限りＸに沿った均一な流速で最適化するように構成された、完全なガスフロー制御アーキテクチャ９６（図６）である。フローディレクタ構造９８は、ガス入口５４からガス出口５６までの略ダクト状の矩形チャンバ４８と、下側および上側の速度（それぞれＶ１、Ｖ２、Ｖ２＞Ｖ１）を有する下側および上側の列のノズル（それぞれ８６および９２）を備えたガス入口５４スナウト５８と、ダイバータ壁７８およびフィン７２を有する入口表面７８と、フィン７２を有する中間領域８０と、ダム７６を有する出口表面８２とを含む。

図１１は、プリントエンジン４を動作させて３Ｄ物品３を作製する方法１００を示すフローチャートである。コントローラ１６は、以下で説明するように、プリントエンジン８の様々なデバイスを動作させることによって方法１００を実行するように構成される。

１０２によれば、垂直位置決めシステム２６は、新しい粉末層２７を受け取るために造形プレート２２を垂直に位置決めする。新しい粉末層は、造形平面３１に垂直に近接または一致する上面を有する。

１０４によれば、ディスペンサ３２は、新しい粉末層２７を上面２４または２９上に分配する。次いで、新しい粉末層は、造形平面３１と概ね一致する新しい上面２９を画定する。

１０６によれば、ガントリ６４は、ディスペンサをドック６７に戻すように移動させる。次いで、壁部分６６は、側壁４４の一部を形成する。

１０８によれば、ガス処理システム１４は、ガス入口５４からガス出口５６に流れるガス流６０を生成するように動作される。フローディレクタ構造９８は、ガスフロー流のフローフィールドを形成し、造形平面３１の上方でより均一な速度のガスフロー速度を提供する。

１１０によれば、ビームシステム４０は、新しい粉末層２８を選択的に溶融および融合するように動作される。矢印によって示されるように、工程１０２～１１０は、３Ｄ物品が作製されるまで繰り返される。

上述の特定の実施形態およびその適用は、例示のみを目的としており、以下の特許請求の範囲によって包含される修正および変形を排除するものではない。

Claims (20)

1. ３Ｄ物品を作製するための３次元（３Ｄ）プリントエンジンであって、以下：
   造形チャンバを横方向に画定する複数の壁；
   垂直位置決め装置に連結され側面積を画定する造形プレートを含む、造形ボックス；
   粉末ディスペンサ；
   前記造形プレートの側面積内の造形平面上を走査し、かつ粉末溶融のために概して固定高さにある、複数のエネルギービームを生成するように構成されたビームシステム；
   前記造形プレートと前記複数の壁との間に配置され、上面を有する、周辺プレート；
   前記造形チャンバの入口端部においてガスフロー流を放出し、前記造形平面および前記周辺プレートの上面の少なくとも一部を通過させる、ガス入口；
   前記造形チャンバの出口端部に設けられ、前記ガス入口からガスフロー流を受け取る、ガス出口；
   前記周辺プレートの上面に取り付けられ、その上方に延在する複数の突出構造であって、前記ガスフロー流のフローフィールドを成形して、前記造形平面の上方でより均一な速度のガスフロー速度を提供する、複数の突出構造；
   前記ガス入口およびガス出口に連結されるガス処理システム；および
   コントローラ
   を備え、
   前記コントローラが、以下：
   １）前記垂直位置決めシステムを動作させ、新しい粉末の層を受け取るために前記造形プレートを位置決めする；
   ２）前記粉末ディスペンサを動作させ、新しい粉末の層を前記造形プレートまたは以前に分配された粉末の層の上に分配し、前記新しい粉末の層は、前記造形平面に近接した上面を有する；
   ３）前記ガス処理システムを動作させ、ガスフロー流を提供する；
   ４）前記ビームシステムを動作させ、前記新しい粉末の層を選択的に溶融させる；および
   ５）工程（１）～（４）を繰り返して３Ｄ物品の作製を完了する
   ように構成される、３Ｄプリントエンジン。
2. 前記造形プレートの側面積が、少なくとも約０．５平方メートルであることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
3. 前記造形プレートの側面積が、少なくとも約０．７平方メートルであることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
4. 前記周辺プレートが、前記造形平面を横方向に取り囲むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
5. 前記周辺プレートの上面が、前記造形平面に概ね平行であることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
6. 前記周辺プレートの上面が、前記造形平面に対して概ね同一平面上にあることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
7. 前記ガス入口が、第１の流入速度でガスを放出するノズルの下側列および第２の流入速度でガスを放出するノズルの上側列を含み、前記第２の流入速度は、前記第１の流入速度よりも高く、前記造形平面にわたって前記ノズルの下側列からのフロー流を巻き込むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
8. 前記周辺プレートの上面が、前記造形プレートと前記ガス入口との間に横方向に配置される入口表面を含み、前記複数の突出構造は、前記入口表面の上方に延在するフィンのアレイを含み、全体的なフロー方向Ｘに沿って見たときに、三角形、矩形、多角形、および曲線のうちの１つである、垂直プロファイルを個々に有することを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
9. 前記周辺プレートの上面が、側壁と前記造形平面との間にあり、全体的なフロー方向Ｘに関して前記造形平面と重なり合う２つの中間表面を含み、前記複数の突出構造は、前記中間表面の上方に延在するフィンのアレイを含み、全体的なフロー方向Ｘに沿って見たときに、三角形、矩形、多角形、および曲線のうちの１つである、垂直プロファイルを個々に有することを特徴とする、請求項８に記載の３Ｄプリントエンジン。
10. 前記複数の突出構造が、ガス流の全体的な流れ方向Ｘに対して対向する鋭角を画定する２つのフィンを個々に有する垂直フィンの複数の対を含むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
11. 前記複数の突出構造が、ガス流の全体的な流れ方向Ｘに対して鋭角を画定する垂直短軸および横軸を個々に有する複数のフィンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
12. 前記複数の突出構造が、複数の三角形フィンを含み、該三角形フィンは、前記周辺プレートの上面の下側エッジ、前縁、および後縁を含み、風下側エッジは最短エッジであることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
13. 前記周辺プレートの上面が、前記造形プレートと前記ガス入口との間に横方向に配置された入口表面を含み、前記複数の突出構造は、前記入口表面の上方に突出し、前記ガス流の全体的な流れ方向Ｘに対して斜角を画定する長軸を有する、第１の垂直ダイバータ壁を含むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
14. 前記複数の突出構造が、前記入口表面の上方に突出し、前記ガス流の全体的な流れ方向Ｘと概ね位置合わせされた長軸を有する、第２の垂直ダイバータ壁を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の３Ｄプリントエンジン。
15. 前記周辺プレートの上面が、前記造形プレートと前記ガス出口との間に横方向に配置された出口表面を含み、前記複数の突出構造は、前記入口表面の上方に突出し、前記ガス流の全体的な流れ方向Ｘにほぼ垂直な軸Ｙに沿った長軸を有する、ダム壁を含むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
16. 前記ダム壁が、前記造形チャンバの幅の一部に個々に広がり、軸Ｙに沿ってそれらの間にギャップを有する、２つのダム壁を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の３Ｄプリントエンジン。
17. 前記ダム壁がＹに沿って不均等な長さを有し、前記ギャップは、Ｙに対して中心にないことを特徴とする、請求項１６に記載の３Ｄプリントエンジン。
18. 前記粉末ディスペンサが、該粉末ディスペンサがドッキング位置にあるときに前記造形チャンバを横方向に画定する前記複数の壁の一部を形成する壁部分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリントエンジン。
19. ３次元（３Ｄ）物品を作製する方法であって、
    以下：
    造形チャンバを横方向に画定する複数の壁；
    垂直位置決め装置に連結され側面積を画定する造形プレートを含む、造形ボックス；
    粉末ディスペンサ；
    前記造形プレートの側面積内の造形平面上を走査し、かつ粉末溶融のために概して固定高さにある、複数のエネルギービームを生成するように構成されたビームシステム；
    前記造形プレートと前記複数の壁との間に配置され、上面を有する、周辺プレート；
    前記造形チャンバの入口端部においてガスフロー流を放出し、前記造形平面および前記周辺プレートの上面の少なくとも一部を通過させる、ガス入口；
    前記造形チャンバの出口端部に設けられ、前記ガス入口からガスフロー流を受け取る、ガス出口；
    前記周辺プレートの上面に取り付けられ、その上方に延在する複数の突出構造であって、前記ガスフロー流のフローフィールドを成形して、前記造形平面の上方でより均一な速度のガスフロー速度を提供する、複数の突出構造；および
    前記ガス入口およびガス出口に連結されるガス処理システム
    を備える３Ｄプリントエンジンを提供する工程；
    前記垂直位置決めシステムを動作させ、新しい粉末の層を受け取るために前記造形プレートを位置決めする工程；
    前記粉末ディスペンサを動作させ、新しい粉末の層を前記造形プレートまたは以前に分配された粉末の層の上に分配する工程であって、前記新しい粉末の層は、前記造形平面に近接した上面を有する、工程；
    前記ガス処理システムを動作させ、前記ガス入口からガスフロー流を放出する工程；
    前記複数の突出構造で前記ガスフロー流を成形し、前記ガスフロー流のフローフィールドを成形して、前記造形平面の上方でより均一な速度のガスフロー速度を提供する工程；
    前記ビームシステムを動作させ、前記新しい粉末の層を選択的に溶融させる工程；および
    工程（１）～（４）を繰り返して３Ｄ物品の作製を完了する工程
    を含む、方法。
20. 前記ガス入口でガスフロー流を放出する工程が、第１の速度Ｖ１でノズルの下側アレイから下側ガス流を放出する工程、および、前記第１の速度Ｖ１より大きい第２の速度Ｖ２でノズルの上側アレイから上側ガス流を放出することにより前記下側ガス流を巻き込む工程を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。

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