JP6859435B2 - 積層造形法のための方法及び熱的構造体 - Google Patents
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Description
本開示は、一般に、物体を構築するプロセスにおいて支持構造体を利用する積層造形（付加製造）法（ＡＭ）のための方法、及びこれらのＡＭプロセスの中で使用される新規な支持構造体に関する。
ＡＭプロセスは一般に、サブトラクティブ製造方法とは対照的に、ネット又はニアネットシェイプ（ＮＮＳ）物体を作成するための１又は複数の材料の堆積を含む。「積層造形法」は業界標準用語（ＡＳＴＭ Ｆ２７９２）であるが、ＡＭは、自由製造、３Ｄ印刷、ラピッドプロトタイピング／ツーリングなどを含む様々な名称で知られている様々な製造及びプロトタイピング技術を包含する。ＡＭ技術は多種多様な材料から複雑な構成要素を製造することが可能である。一般に、自立物体はコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから製造され得る。特定のタイプのＡＭプロセスでは、エネルギービームを使用して、例えば電子ビームを、又はレーザビームなどの電磁放射を使用して、粉末材料を焼結又は溶融して、粉末材料の粒子が互いに結合した中実の３次元物体が作られる。様々な材料系、例えば、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマ、金属、及びセラミックが使用されている。レーザ焼結又はレーザ溶融は、機能的なプロトタイプ及びツールの迅速な製造のための注目すべきＡＭプロセスである。用途としては、複雑な工作物、インベストメント鋳造のためのパターン、射出成形及びダイカストのための金型、砂型鋳造のためのモールド及びコアの直接製造が含まれる。設計サイクル中のコンセプトのコミュニケーション及び試験を向上させるためのプロトタイプ物体の製造は、ＡＭプロセスの他の一般的な使用法である。
選択的レーザ焼結、直接的レーザ焼結、選択的レーザ溶融、及び直接的レーザ溶融は、レーザビームを使用して微細粉末を焼結又は溶融することによって３次元（３Ｄ）物体を生成することを意味するために使用される一般的な業界用語である。例えば、米国特許第４，８６３，５３８号明細書及び米国特許第５，４６０，７５８号明細書には、従来のレーザ焼結技術が記載されている。より正確には、焼結は、粉末材料の融点未満の温度で粉末の粒子を融着（凝集）させることを伴い、溶融は、粉末の粒子を完全に溶融して中実の均質な塊を形成することを伴う。レーザ焼結又はレーザ溶融に関連する物理的プロセスは、粉末材料への熱移動と、次に前記粉末材料を焼結すること又は溶融することとを含む。レーザ焼結プロセス及びレーザ溶融プロセスは広範な粉末材料に適用可能であるが、生成経路の科学的及び技術的側面、例えば層製造プロセス中の焼結レート又は溶融レート、及び微細構造発達に対する処理パラメータの影響はよく理解されていない。この製造方法には、複数のモードの熱移動、質量移動、及び運動量移動、並びにプロセスを非常に複雑にする化学反応が伴う。
図１は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）又は直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）のための例示的な従来のシステム１００の断面図を示す概略図である。機器１００は、レーザ１２０などの光源によって生成されたエネルギービーム１３６を使用して粉末材料（図示せず）を焼結又は溶融することによって層ごとに物体、例えば部品１２２を構築する。前記エネルギービームによって溶融される粉末は、リザーバ１２６によって供給され、リコータアーム１１６であって粉末をレベル１１８において維持し粉末レベル１１８より上に延在する余分な粉末材料を廃棄物容器１２８に除去するために方向１３４に移動するリコータアーム１１６を使用して、造形プレート１１４上に均等に広げられる。エネルギービーム１３６は、ガルボスキャナ１３２の制御下で、構築される物体の断面層を焼結又は溶融させる。造形プレート１１４は下げられ、別の粉末層が前記造形プレート及び構築される物体の上に広げられ、次いでレーザ１２０による粉末の溶融／焼結が引き続き行われる。このプロセスは、溶融／焼結された粉末材料から部品１２２が完全に構築されるまで繰り返される。レーザ１２０は、プロセッサとメモリとを含むコンピュータシステムによって制御され得る。コンピュータシステムは、各層についての走査パターンを決定し、レーザ１２０を前記走査パターンに従って粉末材料を照射するよう制御し得る。部品１２２の製造が完了した後、様々な後処理手順が部品１２２に適用され得る。後処理手順は、例えば、ブローイング又はバキューミングによる余分な粉末の除去を含む。その他の後処理手順としては、応力除去プロセスが含まれる。追加の熱的、機械的、及び化学的後処理手順が、部品１２２を仕上げるために使用され得る。
機器１００は、制御プログラムを実行するコンピュータによって制御される。例えば、機器１００は、ファームウェア、オペレーティングシステム、又は機器１００とオペレータとの間のインタフェースを提供するその他のソフトウェアを実行するプロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）を含む。前記コンピュータは、入力として、形成される物体の３次元モデルを受け取る。例えば、前記３次元モデルは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムを使用して生成される。前記コンピュータは前記モデルを分析し、前記モデル内の各物体についてのツールパスを提案する。オペレータは、電力、速度、及び間隔などの走査パターンの様々なパラメータを規定又は調節し得るが、一般に、前記ツールパスを直接プログラムすることはしない。
レーザ焼結／溶融中に３次元物体の部分が望ましくないやり方で熱を散逸し得る可能性がある。例えば、未溶融粉末によって囲まれている溶融部分は、前記未溶融粉末によって熱的に絶縁され得る。そのような溶融部分は十分急速に冷却及び固化されない可能性がある。例えば、リコータ１１６が新たな粉末層を適用する前に前記溶融部分が固化されない場合、前記溶融部分はリコータ１１６によって乱される可能性がある。加えて、そのような溶融部分は、固化されるが、前記３次元物体内の大きな温度勾配を助長するための十分な熱を保持して、部品の変形を引き起こす可能性がある。そのような変形は、完成した物体が幾何学的仕様を満たさないことを、又は構築プロセス中に前記リコータに接触している部品が、前記部品をさらに変形させること、前記リコータを損傷すること、及び／又は前記構築プロセスを阻害することをもたらす可能性がある。
上記に鑑みて、ＡＭ技術に関連する問題、短所、又は欠点が存在すること、及びＡＭプロセス中に温度を制御するための改良された方法及び構造体が利用可能ならば望ましいであろうということが理解され得る。
以下では、１又は複数の態様の簡略化された要約を、そのような態様の基本的な理解を提供するために提示する。この要約は、全ての企図される態様の広範な概要ではなく、またこの要約は、全ての態様の重要な又は主要な要素を識別するものでも、任意の又は全ての態様の範囲を詳細に記述するものでもないことが意図されるものである。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、１又は複数の態様のうちのいくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
一態様では、本開示は、物体を製造するための方法を提供する。この方法は、（ａ）一連の走査線内でエネルギービームを用いて粉末ベッド内の粉末層を照射して融着領域を形成すること、（ｂ）前記粉末ベッドの第１の側から前記粉末ベッドの第２の側まで前記粉末ベッドの上でリコータアームを通過させることによって、前記粉末ベッドの上に後続の粉末層を提供すること、及び（ｃ）前記物体と少なくとも１つの支持構造体とが前記粉末ベッド内に形成されるまで工程（ａ）及び工程（ｂ）を繰り返すこと、を含む。前記少なくとも１つの支持構造体は、未融着粉末の部分によって前記物体から分離された犠牲構造体を含む。前記物体の各断面の領域からの熱散逸率は、前記犠牲構造体の存在によって増加されて、各層の熱散逸率は、前記物体の熱散逸の仕様以内又は制御限界以内であるように維持される。
本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下の詳細な説明を検討することによってより十分に理解されるようになるであろう。
添付の図面に関連して以下に記載する詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されるものであり、本明細書中に記載する概念が実施され得る唯一の構成を表すことが意図されるものではない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的のために、具体的な詳細を含んでいる。しかし、それらの概念がそれらの具体的な詳細なしに実施され得ることは当業者にとって明らかであろう。場合によっては、そのような概念を不明瞭にするのを避けるために、周知の構成要素はブロック図の形態で示されている。
ＤＭＬＭ及びＤＭＬＳなどの様々な積層造形プロセスの間、物体の以前に走査された部分からの熱が、前記物体の近くの部分の走査に影響を及ぼす可能性がある。例えば、前記熱は粉末の意図しない溶融又は焼結を引き起こす場合があり、これにより、前記物体の意図せずに融着した部分、又は別様に変形された物体がもたらされる可能性がある。物体全体（例えば、２０２、２０４、及び２０６）が、前記物体内で著しい温度勾配が形成されないように、例えばオーブン内で温度がある最終値までゆっくりと増加されて均一に加熱される場合、前記物体は熱くなるにつれて膨張し、しかしこれは部品の全体積にわたって均一に発生し、体積変化は材料の熱膨張係数によって説明される。一般に固体は、加熱された場合に膨張し、冷却された場合に収縮する傾向がある。レーザ積層造形プロセスにおいては、製造される物体内で温度勾配が不可避的に作られる。ごく最近溶接又は焼結された層の近くの材料は非常に高温になり膨張を必要とするが、溶接から遠い材料ははるかに低い温度に留まり膨張しない。これにより、高温材料における膨張の熱応力と、より低温の材料の材料強度との間の仮想的な綱引きがもたらされる。前記熱応力が前記材料強度に打ち勝つのに十分である場合、部品は変形し、幾何学的仕様を満たさないこと、又はさらには前記部品の割れがもたらされる。このプロセスにおける温度勾配は不可避であるため、課題は、熱応力が材料の強度を超過せず、変形した又は割れた完成部品をもたらさないように、前記温度勾配を制御することである。そのような変形を引き起こすために必要な温度勾配は、材料の熱的及び機械的特性に、並びに部品の幾何学的形状及び周囲の粉末ベッドの熱的特性に依存する。
本開示では、製造中の物体内の温度勾配を調整するための熱散逸支持体を提供する。例えば、前記物体からの熱散逸率を増加させる構造体を提供するために、３次元コンピュータモデルに熱散逸支持体が追加されてもよい。前記熱散逸支持体の存在は、各断面についての熱散逸率が前記物体についての熱散逸の仕様以内又は制御限界以内であるように、前記物体の熱散逸率を増加させる。例えば、制御限界は、各断面についての熱散逸率が前記物体についての平均熱散逸率の８０パーセント以内であることを指定してもよい。前記熱散逸支持体は、前記物体から離れる熱を吸収してもよい。熱散逸支持体は、前記物体の部分ではない犠牲支持体であって未融着粉末の部分によって前記物体から分離された犠牲支持体であってもよい。例えば、犠牲支持体は、前記物体に隣接して構築されてもよく、前記物体に対する後処理の実行時に廃棄されてもよい。一態様では、前記熱散逸支持体は、前記物体より大きなサイズを有し、前記物体から熱を吸収する。その上、犠牲構造体は、未融着粉末より高い熱伝導率を有する。したがって、前記犠牲構造体は熱の散逸を支援する。例えば、前記犠牲構造体が造形プレート１１４と接触しているか又は造形プレート１１４に極めて接近している場合、前記犠牲構造体は造形プレート１１４内に熱を散逸する。熱散逸支持体を使用して物体を製造する本明細書中で開示される方法は、機器１００（図１）、機器１００を操作する人、又は機器１００を制御するコンピュータプロセッサによって実行されてもよい。
この書面記載では、好ましい実施形態を含めて本発明を開示するために、並びに、任意の当業者が任意の装置又はシステムを作成すること及び使用すること並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施できるようにするために、例を使用する。本発明の特許され得る範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に想到される他の例を含む場合がある。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言との非実質的な差を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。記載される様々な実施形態からの態様、及びそのような各態様についての他の公知の均等物は、本出願の原理に従って追加の実施形態及び技術を構築するために、当業者によって混合及び適合され得る。
図２は、本開示の一態様による例示的な物体２００及び熱散逸支持体２１０の垂直断面図を示す。物体２００は、ベース部分２０２と、狭い中間部分２０４と、より広いトップ部分２０６とを含む概して砂時計の形状を有する。ベース部分２０２は造形プレート１１４上に直接構築される。ベース部分２０２は、冷却を可能にするための十分な面積を有する水平断面を有する。例えば、ベース部分２０２はベースプレート１１４上に構築され、最近溶融された層から熱が散逸するための十分な熱結合を有する。したがって、熱散逸支持体２１０は、ベース部分２０２を形成する層において物体２００から離間されていてもよい。しかし熱散逸支持体２１０は、熱散逸支持体２１０に物理的支持を提供し且つまた熱散逸支持体２１０を造形プレート１１４に熱的に結合する、レッグ部分２１４を含む。
しかし狭い中間部分２０４は、より小さな水平断面積を有する。物体２００の水平断面積が狭い中間部分２０４に向けて減少するにつれて、物体２００の各後続層は走査のためにより少ない時間を要するようになる。その上、熱散逸支持体２１０がなければ、狭い中間部分２０４は未融着粉末で囲まれており、前記未融着粉末は狭い中間部分２０４を熱的に絶縁する傾向がある。例えば、層２０８において、新たに溶融された材料は、十分なレートで熱を散逸できない可能性がある。過剰な熱は、狭い中間部分２０４の反り又はその他の変形を引き起こすのに十分な温度勾配をもたらす可能性がある。材料（例えば粉末）についての閾値温度勾配は、温度勾配であってそれを超えると変形の可能性が高い温度勾配を規定する。一態様では、過剰な熱又は温度勾配は、１つの層内の物体２００の水平断面積が閾値未満である場合に発生する可能性がある。閾値面積は、現在の構築層より下にある前記物体の第１の部分の熱散逸率に基づいて決定されてもよい。前記熱散逸率は、前記物体の前記第１の部分が冷却される率を示す。前記熱散逸率は、例えば、前記物体の前記第１の部分のサイズと、前記物体の前記第１の部分を囲んでいる構造体又は粉末とに基づいてモデル化されてもよい。例えば、粉末によって囲まれている前記物体の部分は、前記物体のより下の部分に接続された前記物体の部分よりゆっくりと冷却される。前記熱散逸率は、前記物体の前記第１の部分が固化されるまで、又は閾値限界温度内の所望の温度に到達するまでの閾値時間を決定するために使用される。前記閾値時間は、レーザ走査パラメータに基づいて断面閾値面積に変換され得る。加えて、例えば、層を構築するための時間がＡＭ機器のパラメータに基づいて固定されている場合、閾値散逸率が、前記物体の変形を防止するために必要な最小熱散逸率を示す。
したがって、熱散逸支持体２１０は、過剰な熱を受けやすい可能性がある部分から熱を吸収するために、狭い中間部分２０４を形成する層において物体２００に極めて接近して配置される。例えば、熱散逸支持体２１０は、未融着粉末２１２の薄い部分によって、狭い中間部分２０４から分離される。未融着粉末２１２の前記部分は、未融着粉末２１２が融着するのを防止するのに十分な最小厚さを有する。しかし、未融着粉末２１２の前記部分は、狭い中間部分２０４から熱散逸支持体２１０まで依然として熱を伝導する。加えて、熱散逸支持体２１０は、少なくとも狭い中間部分２０４において、物体２００より大きなサイズを有する。より大きなサイズにより、熱散逸支持体２１０が大量の熱エネルギーを吸収し、狭い中間部分２０４の温度を低減させることが可能になる。熱散逸支持体２１０は、完成した物体２００の部分を形成しない犠牲支持体である。代わりに、熱散逸支持体２１０は、物体２００から除去され、廃棄されるか又はリサイクルされる。一態様では、熱散逸支持体２１０は、前記物体の各層の熱散逸率が前記物体の平均熱散逸率の８０パーセント以内であるよう維持することを可能にするように設計される。したがって、熱散逸支持体２１０は、物体２００がより小さな融着領域を有する層において、より大きな融着領域を含む。
より広いトップ部分２０６は、再び、十分な冷却を可能にするための十分な面積を有する水平断面を有する。したがって、熱散逸支持体２１０は、前記より広いトップ部分の高さまで延在しない。一態様では、より広いトップ部分２０６からの熱は狭い中間部分２０４に向けて散逸し得るが、前記熱はまた、狭い中間部分２０４を経由して熱散逸支持体２１０に流入し得る。
図示されているように、熱散逸支持体２１０は物体２００を少なくとも部分的に囲む。一態様では、熱散逸支持体２１０は、熱散逸支持体２１０が物体２００から容易に除去され得るように、１又は複数の破断又は分離点を含む。熱散逸支持体２１０の形状は様々であってもよいということを理解されたい。物体２００に面する熱散逸支持体２１０の表面は、物体２００の形状に概して合致している。例えば、物体２００及び熱散逸支持体２１０の向き合っている表面は、物体２００と熱散逸支持体２１０との間の均一な分離を維持するために、類似した湾曲を有してもよい。分離距離は前記物体の熱散逸率を調節するために変化されてもよい。しかし熱散逸支持体２１０のその他の部分は主として、熱散逸支持体２１０のサイズを増加する働きをする。したがって、熱散逸支持体２１０の形状は、特定の物体２００及び／又はその他の物体を構造内に収容するように適合されてもよい。例えば、レッグ２１４は、物体２００が造形プレート１１４に接触していない任意の場所に位置してもよい。レッグ２１４のサイズ及び形状は、造形プレート１１４内への熱散逸を制御するために調節されてもよい。
一態様では、任意の層における熱散逸支持体２１０の水平断面積は、物体２００の水平断面積に反比例している。以前に構築された層が新たに追加される層から熱を散逸できるように、熱散逸支持体２１０及び物体２００の合計水平断面積は実質的に一定のままであってもよい。例えば、物体２１０の水平断面積が閾値面積未満である間、物体２００及び熱散逸支持体２１０の合計水平断面積は１０パーセント未満だけ変化してもよい。
物体４００の熱的特性は、熱的モデルに従って判定されてもよい。例示的な熱的モデルは、Ｄ．ローゼンタール（Ｄ．Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ）著、「移動している熱源の理論及び金属処理へのその適用（Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ｈｅａｔ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｍｅｔａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ）」、Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、ｖｏｌ．６８、８４９〜８６６ページ（１９４６年）に記載されており、当該文献は参照によって本明細書中に援用される。ローゼンタールモデルの変形は、Ｎ．クリステンソン（Ｎ．Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｏｎ）ら著、「アーク溶接における温度分布（Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）」、Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、ｖｏｌ．１２、ｎｏ．２、５４〜７５ページ（１９６５年）及びＡ．Ｃ．ヌネス（Ａ．Ｃ．Ｎｕｎｅｓ）著、「拡張ローゼンタール溶接モデル（Ａｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ Ｗｅｌｄ Ｍｏｄｅｌ）」、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、ｖｏｌ．６２、ｎｏ．６、１６５ｓ〜１７０ｓページ（１９８３年）に記載されており、当該両文献は参照によって本明細書中に援用される。その他の熱的モデルは、Ｅ．Ｆ．リビッキ（Ｅ．Ｆ．Ｒｙｂｉｃｋｉ）ら著、「周−突き合わせ溶接された管における残留応力及びたわみについての有限要素モデル（Ａ Ｆｉｎｉｔｅ−Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｇｉｒｔｈ−Ｂｕｔｔ Ｗｅｌｄｅｄ Ｐｉｐｅｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１００、ｎｏ．３、２５６〜２６２ページ（１９７８年）及びＪ．ション（Ｊ．Ｘｉｏｎｇ）ら著、「ニューラルネットワーク及び２次回帰分析を介したロボットによるＧＭＡＷベースの迅速製造についてのビード形状予測（Ｂｅａｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｉｃ ＧＭＡＷ−ｂａｓｅｄ ｒａｐｉｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ａ ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、ｖｏｌ．２５、１５７〜１６３ページ（２０１４年）に記載されており、当該両文献は参照によって本明細書中に援用される。熱的モデルは、物体２００の３次元コンピュータモデル（例えば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデル）に基づいて熱散逸支持体２１０の必要性及びその寸法を判定するために使用されてもよい。
一態様では、任意の所与の層についての物体２００の分析又はモデル化は、直前の層に基づき、いかなる後続の層にも基づかない。後続の層はまだ製造されておらず、所与の層の熱散逸には影響を及ぼさない。例えば、物体２００の水平断面積についての閾値は、層２１２と複数の先行する層とに基づいてもよい。別の例では、物体２００のアスペクト比が閾値を超過した場合に、熱散逸支持体２１０がＣＡＤモデルに追加されてもよい。
図３は、物体２００のための熱散逸支持体３１０の別の例を示す。図３に示すように、物体４００の同じ水平断面積を有する２つの層が、熱散逸支持体３１０の異なるサイズの層を有してもよい。例えば、熱散逸支持体３１０の最も広い部分は、物体２００の最も狭い部分のわずかに上の層３２０に位置している。層３２２において、物体２００は層３２０におけるのと同じ断面積を有し、しかし層３２２の直前の層は層３２０の直前の層より大きいサイズを有するため、熱散逸支持体３１０は同様に大きい必要はない。図示されているように、ベース部分２０２のすぐ上の狭い中間部分２０４の層は、レッグ３１４から熱的に切り離されていてもよい。現在の構築層の直前の層を含む物体２００の熱的モデルに基づいて、物体２００に熱散逸支持体３１０を適合させることによって、構築時間、未融着粉末、及びエネルギーなどの資源を節約するために熱散逸支持体３１０の合計サイズが減少され得る。
一態様では、機器１００は、パイロメータ又はサーマルイメージングカメラなどの温度センサをさらに含む。前記温度センサは、粉末ベッド１１２に関するか又は前記物体２００の部分に関する情報（例えば、温度）を提供する。前記温度センサは、熱散逸率などの物体２００の熱的特性を判定するために使用される。物体２００の熱的特性は次に、熱散逸支持体２１０又は３１０の寸法を構築中に動的に調節するために使用される。別の態様では、熱散逸支持体２１０又は３１０の寸法は、後続の構築のために調節される。例えば、構築手順からの経験的証拠により、前記物体の変形が構築手順の間の過剰な温度勾配によるものであることが示されている場合、新たな熱散逸支持体が追加されるか又は既存の熱散逸支持体が後続の構築について修正されてもよい。前記経験的証拠は、以前の構築から製造された物体の測定値を含んでもよい。
図４は、物体４００から熱を移動させるための別の例示的な熱的構造体４１０の斜視図を示す。熱的構造体４１０及び物体４００は、図１の機器１００を使用して上述の方法と同じ方法で製造されてもよい。
図４に示す例示的な態様では、熱的構造体４１０は、第１の熱的構造体４０２と第２の熱的構造体４０４とを含む。熱的構造体４０２、４０４は、物体４００の第１の端４０６及び第２の端４０８から延在する。図４に示すように、熱的構造体４０２、４０４のそれぞれは物体４００の端４０６、４０８の外形を持続する。例えば、物体４００は湾曲しており、端４０６、４０８に向けてより狭く／より薄くなる。第１の熱的構造体４０２及び第２の熱的構造体４０４はそれぞれ、端４０６、４０８と同様の厚さを有する。図４に示すように、第１の熱的構造体４０２は物体４００の端４０６とほぼ同じ厚さ及び高さを有し、第２の熱的構造体４０４は物体４００の端４０８とほぼ同じ厚さ及び高さを有する。第１の熱的構造体４０２及び第２の熱的構造体４０４のそれぞれの幅は、物体４００の幅の約０．５倍〜１．５倍、又は前記物体の幅の約０．７５倍〜約１．２５倍である。熱的構造体４０２、４０４は物体４００の最大厚さに比較して相対的に薄い。例えば、物体４００の最大点の厚さと、熱的構造体４０２、４０４の厚さとの比率は、約５：１〜約２：１、又は約４：１〜３：１であってもよい。さらに、熱的構造体４０２、４０４の高さと、熱的構造体４０２、４０４の厚さとの比率は、約２０：１〜約１０：１、約１８：１〜約１２：１、又は約１６：１〜約１４：１であってもよい。熱的構造体４０２、４０４の長さは、物体４００の熱容量に基づいていてもよい。例えば、熱的構造体４０２、４０４の長さは、熱的構造体４０２、４０４の合計サイズが物体４００のサイズより大きいように選択されてもよい。前記物体に対するこれらの相対寸法を有することによって、前記熱的構造体は物体４００から離れる熱の移動を向上する。
図５は、物体５００及び熱的構造体５１２の斜視図を示す。熱的構造体５１２及び物体５００は、図１の機器１００を使用して上述の方法と同じ方法で製造されてもよい。
図５に示す例示的な態様では、熱的構造体５１２は、第１の熱的構造体５１４と第２の熱的構造体５１６とを含む。熱的構造体５１４、５１６は、例えば物体５００が第１の熱的構造体５１４と第２の熱的構造体５１６との間に挟まれるように、物体５００の対向する面上に延在する。図５に示すように、熱的構造体５１４、５１６のそれぞれは、物体５００の外形に適合する。例えば、物体５００の表面は湾曲しており、後部表面は前部表面より大きな湾曲を有する。第１の（後部）熱的構造体５１４は物体５００の後部表面の湾曲に類似して適合し、第２の（前部）熱的構造体５１６は物体５００の前部表面の湾曲に適合する。図５に示すように、第１の熱的構造体５１４及び第２の熱的構造体５１６のそれぞれは、物体５００とほぼ（又は正確に）同じ高さ及び幅を有する。すなわち、第１の熱的構造体５１４は後部表面の表面領域をほぼ（又は正確に）等しく覆い、第２の熱的構造体５１６は前部表面をほぼ（又は正確に）等しく覆う。物体５００の最も厚い部分の厚さと、熱的構造体５１４、５１６のそれぞれの各厚さとの比率は、約５：１〜約２：１、又は約４：１〜約３：１であってもよい。熱的構造体５１４、５１６は、いくつかの領域においては熱的構造体５１４、５１６が物体５００の隣接する部分より厚いように、概して一定の厚さを有してもよい。熱的構造体５１４、５１６の合計サイズは物体５００のサイズより大きい。前記物体に対するこれらの相対寸法を有することによって、前記熱的構造体は、前記物体の前部及び後部を介して前記物体から離れる熱の移動を向上する。
図６は、別の例示的な熱的構造体６１８を有する物体６００の斜視図を示し、熱的構造体６１８は図４及び図５の両方に類似した熱的構造体を含む。熱的構造体６１８及び物体６００は、図１の機器１００を使用して上述の方法と同じ方法で製造されてもよい。
図６に示す例示的な態様では、熱的構造体６１８は、第１の熱的構造体６２０と第２の熱的構造体６２２と第３の熱的構造体６２４と第４の熱的構造体６２６とを含む。第１の熱的構造体６１４及び第２の熱的構造体６１６は、図４に関連して上述した熱的構造体４０２、４０４と同じ特性及び相対寸法を有する。第３の熱的構造体６１８及び第４の熱的構造体６２０は、図５に関連して上述した熱的構造体５１４、５１６と同じ特性及び相対寸法を有する。第３の熱的構造体６２４及び第４の熱的構造体６２６の厚さと、第１の熱的構造体６２０及び第２の熱的構造体６２２の厚さとの比率は、約４：１〜約１．５：１、又は約３：１〜約２：１であってもよい。４つの熱的構造体の全てを物体６００の周りに含めることによって、図６の熱的構造体６２０は、物体６００から、両端において並びに前部表面及び後部表面の両方においても熱を引き抜く。その上、熱的構造体６１８のサイズは、物体６００のサイズの少なくとも２倍である。
熱的構造体４１０、５１２、６１８のそれぞれについて、前記熱的構造体と各物体４００、５００、６００との間に、前記熱的構造体が前記物体に接触しないように隙間が存在してもよい。前記隙間は未溶融粉末の薄い部分を用いて充填されていてもよい。前記未溶融粉末の存在により、前記物体と前記熱散逸支持体との熱結合のための機構が、前記支持構造体と前記物体との間の直接接続を必要とせずに依然として提供される。熱的構造体４１０、５１２、６１８のそれぞれは、各物体４００、５００、６００と一体的に接続されたもう１つの接続リブをさらに含んでもよい。前記接続リブは、前記物体に面する且つ／又は当接する前記熱的構造体の任意の表面から延在する。前記接続リブは前記熱的構造体の高さに沿って漸増的に形成されてもよい。
熱的構造体２１０、３１０、４１０、５１２、６１８を各物体２００、３００、４００、５００、６００から除去することが必要になった場合、接続リブが存在するならば、オペレータは力を加えて支持構造体を取り外してもよい。前記熱的構造体は、ねじり、破断、切断、研削、やすり掛け、又は研磨などの機械的手順によって除去されてもよい。加えて、前記物体を仕上げるために熱的及び化学的後処理手順が使用されてもよい。接続部材が存在せず、代わりに、製造中に前記物体と前記熱的構造体との間に粉末が配置されている場合、前記粉末は、例えばブローイングによって単に除去されてもよい。
一態様では、複数の支持体が、物体の製造を支援するため、前記物体の移動を防止するため、且つ／又は前記物体の熱的特性を制御するために組み合わせて使用されてもよい。すなわち、積層造形法を使用して物体を製造することは、足場、固定用支持体、分離支持体、横方向支持体、コンフォーマル支持体、接続支持体、周囲支持体、キー溝支持体、破断可能な支持体、前縁支持体、又は粉末除去ポートのうちの１又は複数の使用を含んでもよい。以下の特許出願は、これらの支持体及びその使用の方法の開示を含む。
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．００００８を有し「積層造形法のための方法及びコンフォーマル支持体（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４２，０１９号明細書
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．００００９を有し「積層造形法のための方法及び接続支持体（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＣＯＮＮＥＣＴＩＮＧ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４２，０２４号明細書
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００１０を有し「積層造形法のための方法及びその周囲の支持体（ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＵＲＲＯＵＮＤＩＮＧ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４１，９７３号明細書
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００１１を有し「積層造形法のための方法及びキー溝支持体（ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＫＥＹＷＡＹ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４２，０１０号明細書
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００１２を有し「積層造形法のための方法及び破断可能な支持体（ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＢＲＥＡＫＡＢＬＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４２，００１号明細書
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００１４を有し「積層造形法のための方法及び前縁支持体（ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＬＥＡＤＩＮＧ ＥＤＧＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４１，９９１号明細書
２０１６年２月１１日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００１５を有し「積層造形法のための粉末除去ポートを有する方法及び支持体（ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＷＩＴＨ ＰＯＷＤＥＲ ＲＥＭＯＶＡＬ ＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ）」と題された、米国特許出願第１５／０４１，９８０号明細書
これらの各出願の開示は、本明細書中で開示された支持構造体と組み合わせて他の物体を作成するために使用されることが可能な追加の支持構造体をそれらが開示する程度まで、それらの全体が本明細書中に援用される。
さらに、足場は、物体に垂直方向の支持を提供するために前記物体の下に構築される支持体を含む。足場は、例えばハニカムパターンにおける、相互接続された支持体から形成されてもよい。一態様では、足場は中実であるか又は中実の部分を含んでもよい。前記足場は、様々な位置において前記物体に接触して、前記物体が前記足場の上に構築されるための耐荷重支持を提供する。支持構造体と前記物体との接触はまた、前記物体の横方向の移動を防止する。
固定用支持体は、比較的薄い平坦な物体が、又は物体の少なくとも第１の部分（例えば第１の層）が構築プロセス中に移動するのを防止する。比較的薄い物体は、反り又は剥離が発生しやすい。例えば、熱散逸は、薄い物体が冷却されるにつれて反ることを引き起こす可能性がある。別の例として、リコータは物体に横方向の力が加えられることを引き起こす可能性があり、これにより場合によっては前記物体の縁部が持ち上げられる。一態様では、固定用支持体は、物体をアンカー表面に固定するために前記物体の下に構築される。例えば、固定用支持体は、プラットフォームなどのアンカー表面から物体まで垂直に延在してもよい。固定用支持体は、物体の下の各層内の特定の位置において粉末を溶融させることによって構築される。固定用支持体は、プラットフォーム及び物体（例えば、前記物体の縁部）の両方に接続されて、前記物体が反ること又は剥離することを防止する。固定用支持体は、後処理手順において物体から除去されてもよい。
分離支持構造体は、支持構造体と物体との間の接触面積を低減させる。例えば、分離支持構造体は、それぞれが空間によって分離された分離部分を含んでもよい。前記空間により、前記分離支持構造体の合計サイズ、及び前記分離支持構造体の製造において消費される粉末の量が低減され得る。さらに、前記部分のうちの１又は複数は、前記物体との低減された接触表面を有してもよい。例えば、前記支持構造体の部分は、後処理中に前記物体から除去されることがより容易な尖った接触表面を有してもよい。例えば、前記尖った接触表面を有する前記部分は、前記尖った接触表面において前記物体から分離する。前記尖った接触面は、耐荷重支持を提供する機能、及び反り又は剥離を防止するために前記物体を固定する機能を依然として提供する。
横方向支持構造体は、垂直な物体を支持するために使用される。前記物体は、（例えば１を超える）比較的高い高さ対幅のアスペクト比を有してもよい。すなわち、前記物体の高さはその幅より何倍も大きい。前記横方向支持構造体は、前記物体の側方に位置する。例えば、前記物体及び前記横方向支持構造体は、前記物体の部分と前記横方向支持構造体の部分とを含む各層内の走査パターンを用いて同じ層内で構築される。前記横方向支持構造体は、（例えば、各層内の未溶融粉末の部分によって）前記物体から分離されるか又は分離支持構造体によって接続される。したがって、前記横方向支持構造体は、後処理中に前記物体から容易に除去され得る。一態様では、前記横方向支持構造体は、追加の粉末を適用する際にリコータによって加えられる力に対抗する支持を提供する。一般に、リコータによって加えられる力は、前記リコータが追加の粉末層を平らにする際の前記リコータの移動方向におけるものである。したがって、前記横方向支持構造体は、前記物体からの前記リコータの移動方向において構築される。その上、前記横方向支持構造体は、頂部におけるよりも底部においてより広くてもよい。より広い底部は、前記リコータによって生成されるいかなる力にも抵抗するための安定性を前記横方向支持構造体に提供する。
この書面記載では、好ましい実施形態を含めて本発明を開示するために、並びに、任意の当業者が任意の装置又はシステムを作成すること及び使用すること並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施できるようにするために、例を使用する。本発明の特許され得る範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に想到される他の例を含む場合がある。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言との非実質的な差を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。記載される様々な実施形態からの態様、及びそのような各態様についての他の公知の均等物は、本出願の原理に従って追加の実施形態及び技術を構築するために、当業者によって混合及び適合され得る。
Claims (19)
- 物体を製造するための方法であって、
（ａ）一連の走査線内でエネルギービームを用いて粉末ベッド内の粉末層を照射して融着領域を形成すること、
（ｂ）前記粉末ベッドの第１の側から前記粉末ベッドの第２の側まで前記粉末ベッドの上でリコータアームを通過させることによって、前記粉末ベッドの上に後続の粉末層を提供すること、及び
（ｃ）前記物体と少なくとも１つの支持構造体とが前記粉末ベッド内に形成されるまで工程（ａ）及び工程（ｂ）を繰り返すこと、
を含み、
前記少なくとも１つの支持構造体は、未融着粉末の部分によって前記物体から分離された犠牲構造体を含み、前記物体の各断面の領域からの熱散逸率は、前記犠牲構造体の存在によって増加されて、各断面の熱散逸率は、前記物体内の温度勾配が、前記物体の変形を防止する指定された閾値未満に留まるように維持され、
（ｄ）パイロメータ又はサーマルイメージングカメラを使用して前記物体の温度を測定すること、及び
（ｅ）測定された温度に基づいて前記犠牲構造体の寸法を動的に調節することをさらに含む、方法。 - 前記物体の断面の前記領域からの熱散逸率を、前記物体のための構築プロセスの熱的モデルに基づいて判定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記物体の前記熱的モデルは、１つの層内の前記物体の水平断面と、１又は複数の先行する層内の前記融着領域とに基づく、請求項２に記載の方法。
- 前記犠牲構造体のサイズは前記物体のサイズより大きい、請求項１に記載の方法。
- 前記犠牲構造体は、各層内の前記融着領域と、前記粉末ベッドの合計面積との間の実質的に一定の比率を維持する、請求項１に記載の方法。
- 各層内の前記物体及び前記少なくとも１つの支持構造体の合計融着領域は、熱的モデルに基づく閾値面積を超過する、請求項１に記載の方法。
- 前記犠牲構造体の表面は、前記物体の表面に合致し、未融着粉末の部分によって前記物体から分離される、請求項１に記載の方法。
- 前記犠牲構造体は造形プレートから、少なくとも、熱的モデルに基づいて前記物体のサイズが閾値サイズを超過する高さまで延在する、請求項１に記載の方法。
- 前記物体は、湾曲の大きさが異なる対向する２つの面および前記２つの面が接続する対向する２つの端を有し、
前記犠牲構造体は前記物体の対向する２つの端から延在する、請求項１に記載の方法。 - 前記物体は、湾曲の大きさが異なる対向する２つの面および前記２つの面が接続する対向する２つの端を有し、
前記犠牲構造体は前記物体の対向する２つの面を覆う、請求項１に記載の方法。 - 前記物体は、湾曲の大きさが異なる対向する２つの面および前記２つの面が接続する対向する２つの端を有し、
前記犠牲構造体は前記物体の対向する２つの端から延在する、及び前記物体の対向する２つの面を覆う、請求項１に記載の方法。 - 前記少なくとも１つの支持構造体の合計サイズは、前記物体のサイズの２倍より大きい、請求項１に記載の方法。
- 前記物体は湾曲した表面を有し、前記支持構造体は対応する湾曲を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記犠牲構造体と前記物体との間に隙間が存在する、請求項１に記載の方法。
- 前記隙間は粉末を用いて充填される、請求項１４に記載の方法。
- 前記物体と前記犠牲構造体とはほぼ同じ高さを有する、請求項１に記載の方法。
- 以前に製造された物体の経験的測定値に基づいて前記犠牲構造体の寸法を調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 閾値を超過する前記物体のアスペクト比に基づいて、前記犠牲構造体を前記物体の３次元モデルに追加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記指定された閾値は、粉末の熱的特性に基づく、請求項１に記載の方法。
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