JP6895974B2 - 反応性流体を使用する付加製造及びこれを使用して作る製品 - Google Patents
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-
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Description
本発明は２０１５年１２月２８日付けで出願した米国特許仮出願62/271,901号の優先権を主張し、その公開内容を全て本文中に引用する。本発明は付加製造（additive manufacturing、AM）プロセスを実行する方法、装置、及びそれにより製造される製品に関し、特に、エネルギービームを使用して材料を選択的に溶融させ、対象体を製造する付加製造プロセスに関する。更には、本発明は、反応性流体を使用して前記付加製造プロセスの前及び／或いは期間中に材料の表面を能動的に操作する方法及びシステムに関する。
付加製造プロセス（或いは積層造形と称する）は３Ｄプリンターとも呼ばれ、既に確立しているが成熟中の技術である。広義には付加製造プロセスは３Ｄ対象体の製造に関し、連続層材料が沈積されることによりネットシェイプ（net shape）またはニアネットシェイプ（near net shape、NNS）が作成される。付加製造は様々な既知の名称で呼ばれる多種類の製造技術及びプロトタイピング技術を包括し、自由形状造形（freeform fabrication）、３Ｄプリンター、ラピッドプロトタイピング／ツーリング（rapid prototyping/tooling）等を含む。付加製造技術は多様な材料で複雑な部材を製造可能である。
現在、大量の付加製造プロセスが使用可能な状況であり、特別な付加製造プロセスではエネルギービーム（例えば、電子ビーム）または電磁放射（例えば、レーザービーム）を使用して材料（例えば、粉末、柱体、ワイヤー、または流体）の焼結または溶融を行い、固体３Ｄ対象体を作成する。ここでは、粉末材料の粒子は結合される。粉末材料に組み合わせて最もよく使用される方法は電子ビーム溶融（electron-beam melting、EBM）、選択的レーザー溶融（selective laser melting、SLM）または直接金属レーザー焼結（direct metal laser sintering、DMLS）、選択的レーザー焼結（selective laser sintering、SLS）、熱溶解積層法（fused deposition modeling、FDM）、融解フィラメント製造（fused filament fabrication、FFF）、或いは粉末床及びインクジェットヘッド３Ｄプリンティング（powder bed and inkjet head 3D printing、3DP）である。これらの粉末層プロセスはレーザー粉末沈積またはレーザー付加製造（laser additive manufacturing (LAM)）と総称される。選択的レーザー焼結は顕著な付加製造プロセスであり、レーザービームを使用して細小粉末の焼結または溶融を行い、機能的プロトタイピング及びツーリングの高速製造を達成させる。より詳しくは、焼結は粉末材料の融点より低い温度で粉末の粒子を融合（集塊（agglomerating））させるが、但し、溶融では粉末の粒子を完全に溶融させて固体同質塊（solid homogeneous mass）を形成させる必要がある。レーザー焼結またはレーザー溶融の具体的なプロセスは、粉末材料への伝熱工程及びその後の前記粉末材料の焼結または溶融工程を含む。レーザー焼結及び溶融プロセスは広範の粉末材料に応用されるが、但し、製造プロセスの科学的及び技術的側面については未だ完全には理解されておらず、例えば、焼結または溶融速度及び積層造形過程中の処理パラメータが微細構造の進展に与える影響はよく分かっていない。この製造法には様々な熱、質量、及び運動量輸送モード、及び粉末表面に発生し、且つ処理をより複雑にする化学反応が伴う。
様々なレーザー付加製造形式が複雑な対象体の製造及び修復に対して高い潜在的可能性を示すが、但し、それらは粉末材料の使用について存在する幾つかの欠点に起因する制限を受ける。その内の１つの欠点として、粉末材料表面と酸素や窒素等の空気中の元素との間の反応性にある。粉末材料が反応性金属として鉄、アルミニウム、及びチタンを含む場合、これら前記金属粒子の表面がガスと反応して最終的に製品中に微細構造の欠点（例えば、隙間、不純物、または含有物）が形成される。このような欠点が悲惨な失敗に繋がる。これら前記不純物として金属酸化物及び金属窒化物を含み、且つこれらの欠点は、不純物、隙間、或いは含有物に限らず、その比率は粉末材料の表面積の増加に従って増える。
かつては、粉末材料を低酸素環境に形成させることにより不必要な化学反応を減少させたこともある。然しながら、粉末材料の製造時から付加製造プロセスにおける粉末材料の実際の使用時までを通じて実行される不活性ガス環境を利用した低酸素粉末材料の取り扱いは、粉末材料の製造コスト、粉末のサイズによる分類、輸送、及び安全性の確保のためのコストを著しく増加させてしまう。これは低酸素金属粉末が有する高い爆発性に起因する。このように取り扱われていない場合、不幸にも、酸化物または他の不純物が粉末材料表面上に存在することで金属製品の製造に用いられる粉末の付着が妨げられ、製造された製品の機械的特性が低下した。プロセス中の温度勾配に起因して多くの／大きな微細孔及び無秩序な粒配列が形成され、このような微細孔及び粒配列を有する粒構造（grain structure）は、製造される製品中に残留応力を生じさせた。
粉末材料は湿気を吸いやすく、金属粉末を例すると、湿気は金属酸化物を形成させ、レーザー粉末沈積により形成される金属対象体中に不要な多孔性を生じさせやすくなる。高強度の鋼に対しては湿気も水素の元であり、粉末表面及び製造される製品に水素の元を形成して、後に亀裂や水素脆化（hydrogen embrittlement）をもたらす。
空気及び湿気が粉末材料に与える有害な影響を更に緩和させるため、レーザー粉末沈積により生成される溶融プールは、アルゴンやヘリウム等の不活性ガスを応用することで防護される。然しながら、このような防護では、製造、保存、及び操作期間中に材料粉末の外面に形成されやすい、既に存在する酸化物を除去できない。結果、これら酸化物で被覆される金属充填材料は溶融プロセス中に還元を行って多孔性及び金属沈積が形成されるなどの欠点を回避させる必要がある。沈積後処理は、例えば、熱間等方圧加圧（hot isostatic pressing、HIP）が常用されて微細孔（隙間）、含有物、及び亀裂を陥没させ 、レーザー沈積金属の性質を改善させる。湿気の吸収を回避させるため、金属粉末充填材料を予め加熱された貯蔵槽に保存する方法も常用される。このような保護及び後処理方法は反応性が高い金属（例えば、超合金）を含む金属粉末及び広い表面積を有する微小粒子粉末にとっても非常に重要である。
一方、空気の有害な影響を軽減させる他の技術としては、粉末材料と一緒に融剤(flux)を使用してレーザー粉末沈積により生成される溶融プールの防護を試み、不純物を除去するものがある（例えば、米国特許出願第2013/0136868号公報参照）。融剤により製造される製品が空気中のガスと反応することを回避させ、例えば、シールドガスまたは先に論じられたガスの混合物との反応を回避させる。然しながら、融剤は固体材料であり、ときには製造された製品の材料中に組み込まれてしまう。
幾つかの付加製造プロセスに使用される原粉末材料の前処理も往々にして必要である。前処理は塗布、脱気、及び粉末の加熱を含む。脱気は粉末粒子中の水蒸気の除去に用いられる。環境中に曝される場合、粉末表面は製造過程で非常に高速に酸化される。水蒸気は酸化物内に吸収され、付加製造プロセスにより形成される材料中に隙間(voids)が形成される。製造された材料から水分を除去する方法により水素が形成され、最終材料が更に脆化する。前述の粉末の水蒸気の除去方法は多種類の脱気方法を含む。例えば、中国特許出願第105593185A号公報には水素雰囲気を使用して低酸素金属チタン粉末を生成する方法及び水素脆化が記載されている。然しながら、酸素との反応を回避させるため、安全運送／操作が複雑になるのは、低酸素金属粉末が高い爆発性を有する故である。
また、従来の方法として、金属酸化物ペーストを利用して製造した後、還元反応を十分に行える高温下で水素を使用して大量の金属酸化物を還元させる方法（例えば、米国特許出願第2013/0136868号公報参照）にも不足が存在する。それは、ガスを侵入及び拡散させにくいため、製造された製品内で酸化物を減らすことが困難だからである。ガスの高温熱処理は不要な粉末の焼結を生じさせる。
以上を鑑み、レーザー付加製造の技術に関して幾つかの問題、欠点、または不利な条件があることを理解し、ニアネットシェイプ対象体を製造する方法及び設備を改善することにより、完成品の許容誤差を厳しくし、及び／或いは完成品の高品質な表面加工をなし、及び／或いは完成品中の亀裂、含有物、及び沈積層の間の微細孔を減少または消除させることが望まれていることを理解することができる。このため、レーザー付加製造のシステムが必要であり、付加製造プロセスの前及び／或いは期間中に少なくとも１つの反応性流体または流体混合物を導入することにより材料の表面の能動的な操作を達成させることができる。反応性流体または流体混合物は基材の表面と反応し、例えば、限定されるわけではないが、粉末、プラズマ、柱体、ワイヤー、または流体等が沈積され、沈積される基材の異なる部分が異なる基材性質を有するように形成することができる。基材の表面が制御／改良／調整されることで、製造された対象体の機械的及び／或いは化学性質が基材の表面性質の操作により強化されることができる。
本発明が提供される方法及び装置は、付加製造技術に適用され、反応性流体は、例えば、限定されるわけではないが、粉末、プラズマ、柱体、ワイヤー、または流体の基材に接触させる。前記反応性流体はエネルギービームが施される前、期間中、または後に基材の表面を調整させて求められる化学性質を達成させる。前記エネルギービームは前記基材の選択的な焼結（融合（fuse））或いは溶融（melt）に用いられ、３Ｄ対象体が製造される。
本発明の第一のアスペクトに基づくと、基材の表面の化学成分は付加製造プロセスの前、期間中、及び／或いは後に基材の表面と化学反応を起こす少なくとも１つの反応性流体または流体混合物が導入されることにより制御／改良／調整されることができる。ガス混合物を含む流体混合物は、ヘリウム、アルゴン、或いは窒素のような浄化ガス（pure purge gas）を代替して／又は混合してチャンバー本体内、及び金属粉末輸送ライン、金属粉末輸送容器内、或いは使用済みの金属粉末収容容器内に使用される。流体混合物に含まれるガス混合物は、水素、一酸化炭素、或いは表面の酸化物を化学的に減少させるか、及び／或いは固体粉末の材料表面の不純物を洗浄または除去させる他のガス成分を含む。
本発明はガスまたは複数のガスにより行われる材料の処理を含み、ガスはガス混合物を含み、例えば、使用済みの金属粉末を回収して再利用するために用いられ、粉末のコストを減少させることができる。また、高い熱伝導性を有するこれら前記ガス（例えば、ヘリウム）が淨化ガスまたはバランスガスとして使用され、温度勾配に起因する残留応力を有効的に減少させる。
本発明にはガス混合物を含むガスが更に使用されて基材または製造される製品中の水素を除去させる及び／或いは基材の表面を意図的に酸化させる。前述のように、基材表面上及び製造される製品内の水素が水素脆化を引き起こすことが知られている。本発明に基づくと、ＣＯ、ＣＯ２及び／或いはフッ化炭素化合物を有するガス混合物を含むガスが水素を除去させて製造される製品の機械的強度を増強させるために使用される。
本発明はガス混合物を含むガスが使用されることで窒化物、炭化物、ホウ化物、リン化物、珪化物、または他の化学層が基材の表面上に形成されることを更に考慮し、例えば、限定されるわけではないが金属粉末により製造される製品の耐摩耗性や耐腐蝕性が強化される。
これらガスのあらゆる組み合わせが使用されて二元、三元、或いは更に高い高次化合物が同時に形成され、例えば、窒化物及びホウ化物が形成される。
本発明はその混合物を含むガス／流体が使用されて付加製造の前、期間中、及び／或いは後に基材の合金成分が改変されることを更に考慮する。揮発性の有機金属成分を含むガス／流体が使用されて化学気相成長、原子層堆積、或いは他のプロセスにより金属が粉末の表面上に導入または沈積され、このように３Ｄプリンタープロセスに使用される。
本発明はその混合物を含む反応性流体の使用は理想的には独立レーザー切断プロセスに一緒に使用されるかレーザー切断プロセスに付加製造プロセスが結合されて一緒に使用されることに適合することを更に考慮する。この例では、本発明は製造される対象体がレーザーを使用して更に成形されることを考慮し、前記レーザーにより基材が溶融、燃焼、または気化されて切断される。前記切断後及び／或いは期間中に前記製造される対象体の表面が反応性流体及び／或いはその混合物に曝され、製造される対象体の表面全体が同様に必要な化学性を有するようにする。
本発明の技術効果は機械的性質を改善させる能力であり、例えば、レーザー付加製造で製造される金属製品はより高い耐摩耗性、耐腐蝕性、機械的強度、及び低い残留応力を有する。いかなる理論にも制限されないことが望まれ、製造される製品の機械的及び／或いは化学性質は化学成分、製造される製品の基質、表面の粒子構造、及びプロセスに使用される基材に依拠すると考えられている。酸化物または他の不純物が基材表面に存在することで製造される製品の基材の付着が妨害され、製造される製品の機械的性質が低下する。プロセス中の温度勾配のために多くの／大きい微細孔及び不規則な粒配列を有する粒構造が製造される製品中に残留応力を生じさせる。
他の実施形態及び特徴は以下の説明で明らかにし、且つ本分野で通常知識を有する者ならば、本明細書を研究した後にこれら実施形態及び技術的特徴についてある程度理解でき、或いは記載の実施形態を実施することで学習できる。記載される実施形態の特徴及び有利な条件は明細書で述べる工具、組み合わせ、及び方法を通して理解及び達成可能である。
本発明の特徴及び長所は本明細書の残りの部分及び図面を参照することで更に理解可能である。
概略図において、相似する部材及び／或いは特徴については同じ符号を有する。また、同じ様式を有する多種類の部材については下線または第二符号を用いて区別する。例えば、明細書中で第一符号のみを有する場合、その説明は同じ第一符号を有する相似する部材に対してのみ有効であり、第二符号を有する部材とは関係ない。
以下の定義が本発明に適用される。付加製造プロセス（AM processes）（または積層造形と称する）は以下では有用な３Ｄ対象体の製造に用いられると共に前記対象体の形状が１回に一層づつ順に形成される工程を含むあらゆるプロセスに関する。付加製造プロセスとして電子ビーム溶融（electron-beam melting、EBM）、選択的レーザー溶融（selective laser melting、SLM）または直接金属レーザー焼結（direct metal laser sintering、DMLS）、直接金属レーザー溶融（direct metal laser melting、DMLM）、選択的レーザー焼結（selective laser sintering、SLS）、熱溶解積層法（fused deposition modeling、FDM）、融解フィラメント製造（fused filament fabrication、FFF）、粉末床及びインクジェットヘッド３Ｄプリンティング（powder bed and inkjet head 3D printing、3DP）、レーザーネットシェイプ製造、直接金属レーザー焼結（DMLS）、プラズマ移行アーク（plasma transferred arc）、自由形状造形（freeform fabrication）等を含む。特定の形式の付加製造プロセスにはエネルギービーム（例えば、電子ビーム）または電磁放射（例えば、レーザービーム）が使用され、粉末材料が焼結または溶融される。付加製造プロセスでは相対的に高価な材料が常用され、例えば、限定されないが粉末、金属粉末材料、柱体、流体、またはワイヤーを原材料とする（raw material）。
理解を容易にするため、以下では金属粉末について述べるが、但し、あらゆる材料の使用を考慮し、例えば、限定されないが粉末、柱体、流体、またはワイヤーの使用を考慮し、よって条件の制限と見做すべきではない。本発明は付加製造プロセスに関し、これは対象体（物、部材、部品、製品等）を高速に製造する方法であり、多重の薄い単位層が順に形成されて前記対象体が製造される。更には、多層の金属粉末が敷設されると共にエネルギービーム（例えば、レーザービーム）が照射され、各層内の金属粉末の粒子が順に焼結（溶解fused）または溶融（melted）されて前記層または基板が硬化される。本発明の一アスペクトによると、金属粉末または多種類の粉末の表面と反応する少なくとも１つの反応性流体または流体混合物が付加製造プロセスの前、期間中、及び／或いは後に導入されて前記金属粉末に接触させ、前記粉末材料の表面の化学性が能動的に操作される。これにより、粉末材料の表面の化学成分が付加製造プロセスの前、期間中、及び／或いは後に制御／改良／調整される。純浄化ガス（例えば、ヘリウム、アルゴン、または窒素）を不使用または使用する状況において、水素、一酸化炭素、或いは他の表面の酸化物を化学還元させ、及び／或いは固体の粉末表面上の不純物を洗浄または除去させるガス成分を含むガス混合物がビルドチャンバー自体、及び金属粉末輸送ライン上、金属粉末輸送容器中、または使用済みの金属粉末収容容器中に使用される。
本発明は基材の全体調整（bulk modification）を含み、例えば、超薄膜／層（例えば、１μｍ以下）であり、反応性流体に曝されると共にエネルギーの補助（例えば、半導体プロセス中の熱拡散）により全体的な性質の調整が実行可能である。
本発明はガスまたはガス混合物を含む複数のガスにより行われる基材の処理を含み、且つ使用済みの金属粉末を回収しての再利用に用いられ、粉末のコストが低下する。また、高い熱伝導性を有するこれら前記ガス（例えば、ヘリウム）が淨化ガスまたはバランスガスとして使用され、温度勾配に起因する残留応力が有効的に減少する。
本発明はガス混合物を含むガスを更に使用して粉末中または製造される製品中の水素を除去させ、及び／或いは粉末の表面を意図的に酸化させる。前述のように、基材表面上及び製造される製品内の水素が水素脆化を招くことが知られている。本発明によると、ＣＯ、ＣＯ２及び／或いはフッ化炭素化合物を有するガス混合物を含むガスが使用されて水素を除去させ、製造される製品の機械的強度が増強される。これらのガスのほか、酸素、オゾン、及び／或いは過酸化水素も水素の除去に使用可能であるのみならず、金属酸化物材料の形成にも使用可能である。
本発明はガス混合物を含むガスを使用して窒化物、炭化物、ホウ化物、リン化物、珪化物、または他の化学層を基材の表面上に形成させ、製造される製品の耐摩耗性や耐腐蝕性を強化させることを更に考慮する。これらガスのあらゆる組み合わせが使用されて二元、三元、或いは更に高い高次化合物が同時に形成され、例えば、窒化物及びホウ化物。本発明はその混合物を含むガス／流体が使用されて付加製造の前及び／或いは期間中に粉末材料の合金成分を改変させることを更に考慮する。揮発性の有機金属成分を含むガス／流体が使用されて化学気相成長、原子層堆積、または他のプロセスにより金属が粉末の表面上に導入または沈積され、こうして３Ｄプリンタープロセスに使用される。
レーザー焼結／溶融技術の詳細な説明は米国特許出願第4,863,538号明細書、第5,017,753号明細書、第5,076,869号明細書、及び第4,944,817号明細書を参照する。このプロセスについて、ベッド上の材料の断面がスキャンされることによりレーザービームが使用されて粉末材料が選択的に溶融される。これら断面は求めれる対象体の３Ｄ描写に基づいてスキャンされる。前記描写は多種類の情報源から取得され、例えば、ＣＡＤ（computer aided design）ファイル、スキャンデータ、或いは他の情報源から取得される。
一実施形態においで、付加プロセス装置は物品がその中で製造されるビルドチャンバーと、前記ビルドチャンバー内に位置されると共に物品がその上で製造される移動可能な製造プラットフォームと、基材／流体輸送システム及びエネルギー伝送システムとを備える。基材／流体輸送システムは化学調整された基材を前記製造プラットフォームに輸送させる。選択的な実施形態において、加熱システムは加熱されたガスにより前記基材及び前記プラットフォームを加熱させるために用いられる。前記対象体の形状に符合することで、基材は前記移動可能なプラットフォームの幾つかの部分に供給されるのみで、前記プロセスがその上で実行される。
本発明の幾つかのアスペクトによれば、基材は金属材料であり、例えば、限定されないがアルミニウム及びその合金、鉄及びその合金、チタン及びその合金、ニッケル及びその合金、ステンレス、コバルトクロム合金、タンタル、並びにニオブを含む。反応性流体は使用される特定の金属材料及び求めれる表面の化学性に応じて選択される。反応性流体は、例えば、限定されないが高拡散ガス及び／或いは、還元、酸化剤、反応性ガス、または反応性流体等のガス混合物を含む。純浄化ガス（例えば、ヘリウム、アルゴン、または窒素）が不使用または使用される状況において、水素、一酸化炭素、或いは表面の酸化物を化学還元させる及び／或いは基材表面上の不純物を洗浄または除去させる他のガス成分を含むガス混合物の流体がビルドチャンバー自体、及び基材輸送ライン上、基材容器中、或いは使用済みの基材収容容器中に使用される。
３Ｄ構造の製造方法は第一層の少なくとも１種類の前述の基材が前記プラットフォームに沈積されることにより基板が形成される工程を含む。基板の少なくとも他の一層が沈積された後に各連続層のレーザースキャン工程が重複して実行され、求められる対象体が得られるまで厚い基板が形成される。３Ｄ構造の製造について、前記基材は積層プロセス期間中に反応性ガスが改変されることにより能動的に調整される。前記物品は完成するまで層毎に形成される。本発明において、一実施形態で使用される基材の粒子形状には特別な制限はない。粉末について、一実施形態における平均的な粒サイズは約１０-１００μｍである。金属粉末または金属製品の性質は製造プロセス期間中に付加製造プロセス期間の時空間的（チャンバー／ワイヤー／容器、連続／循環／複数の工程）制御がなされる化学反応により改善される。
ある実施形態においで、高寸法精度及び良好な微細構造特性以外、本発明は高純度を金属製品に提供する。前記金属製品は基板の相、結晶構造、及び冶金構造が改良され、例えば、隙間、不純物、含有物、及び特別な微小亀裂及び多孔性等の微細構造の欠点がなく、且つ金属プレス加工が不使用の状況において、前記製品は純金属及び／或いは合金粉末材料で製造される可能性があっても、耐焼結性を有すると見做せる。また、本発明は製造される製品中の磁気性質及び残留応力の調整の方法論を提供する。
本発明に係る付加製造プロセスは不活性ガス環境で実現され、基材がビルドチャンバーに進入する前に反応性流体に保存されるか反応性流体と反応する。このような例では、不活性ガス環境としてヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素、空気、窒素酸化物、アンモニア、二酸化炭素、及びそれらの組み合わせで構成されるグループから選択されるガスを含む。一実施形態においで、不活性ガス環境として窒素（N2）、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、及びそれらの混合物で構成されるグループから選択されるガスを含む。一実施形態においで、不活性ガス環境は実質的にアルゴンガス環境である。また、本発明に係る付加製造プロセスは求められる反応性流体のガス環境下で実現され、基材が前記ビルドチャンバーに進入する前には反応性流体に保存されるか反応性流体と反応する。
図１は、本発明の一実施形態に係る付加製造装置１０の概略図である。図１に示されるように、付加製造装置１０は移動可能な製造プラットフォーム（図示省略）を有するビルドチャンバー１００を備え、対象体９０はその上で製造される。付加製造装置１０はエネルギー発生システム５０及びコントローラー４０を更に備える。実施形態において、反応性流体６０または複数の反応性流体６０’、６０’’が付加製造装置１０のビルドチャンバー１００内に導入される際に基材７０に接触させ、エネルギー発生システム５０により生成されるエネルギーが使用されて対象体９０が作成される。反応性流体６０が基材７０に接触すると、基材の表面が要求される結果に応じて調整されて調整された基材７５（図示省略）となる。基材７０の表面の前記調整は、化学的調整、塗布及び／或いは反応性流体６０の吸着作用の結果であってもよい。必要に応じて、付加製造装置には不活性ガス８０が導入される。対象体９０には多種類の形式がある。コントローラー４０は制御信号４２を発生システム５０に伝送させると共に制御信号４４をビルドチャンバー１００に伝送させ、調整された基材７５の加熱及び幾つかの実施形態における溶融を制御させて対象体９０を形成させる。これら制御信号４２、４４はデータファイル３０を使用して生成されることができる。
操作者により設定された値がコンピューターによりフィードされて基材７０に接触させる反応性ガスの量及び種類が設定される。これにより、操作者が製造プロセス期間中における対象体９０内の各層の化学的概要(profile)を設計可能になる。これにより、沈積している多層の沈積手順または沈積進行に基づいて導入される少なくとも１つの反応性ガス（６０、６０’及び／或いは６０’’）の異なる供給条件と繰り返し条件とが確定され、変更される。
図１の付加製造装置１０の説明は、実施される異なった環境に応じて異ならせるべき物理的及び／或いは構造的な限定を暗示するものではない。例えば、他の実施形態において、図２及び図３に示されるように、反応性ガスは異なる時間に基材に接触させる。例えば、図２に示される一実施形態において、反応性流体２６０及び基材２７０は供給ライン２７２において相互に接触させ、これにより基材２７０の表面上で発生する化学反応のためにより長い時間が提供される。基材及び反応性ガス２６０の混合物が加熱工程で曝されることも有益であり、よって、供給ライン２７２は前記ビルドチャンバーに導入される前に外部エネルギー源を消費させる（図示省略）。さらに、上述したように、調整される基材（図示省略）が続いてビルドチャンバー２００に導入され、対象体２９０がその中で製造される。他の実施形態は図３に示されるように、これは基材表面の化学性を調整させることによる利点のみを示すのではなく、前記基材を反応性流体３７０で保存すると共に輸送させることにより幾つかの基材の安全性、操作性、及び輸送性の向上を達成させることも示す。例えば、微小粒子または低酸素粉末は爆発性があり、反応性流体３７０中に懸濁されることによりこれら前記材料の操作性及び安全性が大幅に高まる。下記表１は反応性流体の複数の例及び付加製造プロセス中に金属材料と反応する箇所を提供する。
図１に示される付加製造装置１０は従来のレーザー焼結または溶融システムが調整されることにより構築される。異なる実施形態では、反応性ガスが使用されてこれらシステムの不活性ガスを代替させることにより達成される。
粉末材料を使用すると共に従来のレーザー付加製造プロセスにより部材を製造する最大の難題の１つは、粉末材料の表面と空気及び／或いは酸素との高い反応性である。このため、部材の製造期間中に残留応力及び欠陥が生じる。前述のように、反応性流体が金属粉末に接触することで、不純物、隙間、または含有物に起因する残留応力の量が減少し、且つこれにより高純度の金属、部材、或いは製品が得られると考えられている。また、付加製造装置の操作者は反応性流体を使用することで各層の機械的／化学的性質を調整可能であり、これは製造される対象体の表面を含み、これにより幾何学的自由度及びプロセスの安定性を別途提供する。なお、使用される材料の有効性が高まり、例えば、回収、浪費の減少、安全性の向上、操作性、及び酸化粉末の輸送性の向上を達成させる。
上述のように、装置１０は幅広い種類の材料を処理可能であり、限定されないが以下に説明するものを含む。
アルミニウム及びその合金。基材７０は純アルミニウムまたはアルミニウム合金である。基材７０は純アルミニウム及び少なくとも１つのアルミニウム合金の粒子の混合物、或いは多種類のアルミニウム合金の混合物でもよい。アルミニウム基材７０の成分についての制限はないが、粉末材料の粒子に対して十分な金属形式を含むアルミニウムにより本体上にアルミニウムの被覆膜（enveloping film）が形成されなければならない。
基材７０はニッケル及びニッケル合金（ニッケルを基礎にする超合金を含む）でもよく、銅及び銅合金でもよい。基材７０は耐火性金属でもよく、貴金属及び半金属及び／或いは高い酸化能力を有する材料を含み、例えば、銅、鉄、チタン、ルテニウム、カドミウム、亜鉛、ロジウム、カリウム、ナトリウム、ニッケル、ビスマス、スズ、バリウム、ゲルマニウム、リチウム、ストロンチウム、マグネシウム、ベリリウム、鉛、カルシウム、モリブデン、タングステン、コバルト、インジウム、シリコン、ガリウム、鉄、ジルコニウム、クロミウム、ホウ素、マンガン、アルミニウム、ランタン、ネオジム、ニオブ、バナジウム、イットリウム、及び／或いはスカンジウムを含む。
基材７０は金属ガラスまたは非結晶金属化合物、非結晶構造を有する三元、四元、または更に高い高次金属合金でもよく、例えば、Ti-Al-Fe及びTi-Al-N等のアルミニウムチタン基合金、Zr-Cu-Al-Ni等のジルコニウム基合金、Pd-Ni-P 等のパラジウム基合金、鉄、ホウ素、シリコン、炭素、リン、ニッケル、コバルト、クロミウム、窒素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、及びニオブの組み合わせを含む鉄基合金でもよい。これら前記金属ガラスの製造において、ホウ素、リン、シリコン、炭素、及び／或いはあらゆる元素がジボラン、リン化水素、メタン等の反応性流体に使用されて装置１０内に添加される。本発明が応用されてIn-Ga-Zn-O及びZn-Rh-O等の非結晶金属酸化物が形成される。酸化物には酸素または過酸化水素等の反応性流体が使用されて装置１０内に形成される。
本発明には多種類の反応性流体が選択される。例えば、水素、一酸化炭素、ギ酸、アンモニア、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、１,２-ジメチルヒドラジン等の還元剤、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、及び更に高い高次炭化水素化合物等の飽和炭化水素化合物、アセチレン、プロピレン、ブテン異性体、及びエチレン等の不飽和炭化水素化合物等の浸炭剤（carbonizing agent／carbiding agent）、二酸化炭素、酸素、四フッ化炭素、フルオロホルムン、メチレンジフルオリド、フルオロメタン、過酸化水素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素、三フッ化窒素、フッ素等の酸化剤、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、アンモニア、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、１,２-ジメチルヒドラジン等の窒化剤、ジボラン、トリメチルホウ素、テトラメチルジボラン、三塩化ホウ素、三フッ化ホウ素等のほう化剤、硫化水素、メタンチオール、エタンチオール、プロパンチオール、ブタンチオール、ペンタンチオール、ジアルキルスルフィド等の硫化剤、リン化水素、tert-ブチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリメチルホスフィン、塩化ホスホリル、トリフルオロホスフィン、トリクロロホスフィン等のリン化剤、モノシラン、ジシラン、高次シラン、アルキルシラン、テトラエトキシシラン、フルオロシラン、クロロシラン、アミノシラン等のシラン化剤、セレン化水素、アルキルセレニド等のセレン化剤、プラズマ及び超臨界流体、六フッ化タングステン、トリメチルアルミニウム、テトラエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、テトラエチルガリウム、テトラクロロチタン、遷移金属化合物、タングステン化剤、及びそれらの組み合わせ等の他の反応性流体が挙げられる。
他に定義がない限り、ここで使用される全ての技術及び科学的名詞は本発明が属する技術分野における従来の技術者が熟知している意味を持つ。本発明について説明したものに類似するか同等の多くの方法及び材料が本発明の実施に使用されるが、但し、幾つかの実施形態に係る材料及び方法についてここで説明する。本発明の幾つかの実施形態により、明確に説明するが、然しながら従来の技術者ならばその内の多くの調整及び改変を実行可能である。更なる説明がなくとも、従来の技術者ならば本発明の説明に従って本発明を最大限活用することができると考えられる。
幾つかの実施形態を記載することで、本発明の実施形態の精神を逸脱せずに、従来の技術者が多様な調整、代替となる構造、及び同等のものを使用することを可能にする。また、本発明について不必要な混乱を避けるため、多くの従来のプロセス及び部材についてはここでは説明しない。よって、上述の説明は本発明の範疇を制限するものではない。
数値の範囲が提供される場合、前後の文中で別途明確な指示がない限り、前記範囲の上限と下限との間との各介在値（前後の文中で別途明確な指示がない限り、下限の単位の十分の一までとする）も具体的に記載されていることを理解すべきである。記載されたあらゆる数値の間の各小さい範囲または記載された範囲内の介在値及び前記記載された範囲内のあらゆる他の記載された数値または介在値も含まれる。これら小さい範囲の上限及び下限は前記範囲内に独立して含まれるか排除され、且つ各範囲も本発明に含まれ、その内の１つ、２つ、または０個の限界値は小さい範囲内に含まれ、且つ前記記載された範囲内の特別に排除された限界値により制限される。記載された範囲が１つまたは２つの限界値を含む場合、これらの含まれる限界値の内の１つまたは２つが排除された範囲も含まれる。
前後の文中で別途明確な指示がない限り、本発明及び特許出願範囲で述べる「一」または「前記」とは複数の指示対象を含む。よって、例えば、「一プロセス」とは複数のそのようなプロセスを含み、「誘電材料」は１つまたは複数の誘電材料及び従来の技術者が熟知する同等のもの等を含む。
また、本発明で使用する「含む」または「備える」とは記載された特徴、全体、部材、或いは工程の存在についての説明であり、但し、１つまたは複数の他の特徴、全体、部材、工程、行動、或いはグループが加えられることを禁止するものではない。
１０ 付加製造装置
２１０ 付加製造装置
３１０ 付加製造装置
３０ データファイル
２３０ データファイル
３３０ データファイル
４０ コントローラー
２４０ コントローラー
３４０ コントローラー
４２ 制御信号
４４ 制御信号
５０ エネルギー発生システム
２５０ エネルギー発生システム
３５０ エネルギー発生システム
６０ 反応性流体
６０’ 反応性流体
６０’’ 反応性流体
２６０ 反応性流体
２６０’ 反応性流体
２６０’’ 反応性流体
７０ 基材
２７０ 基材
８０ 不活性ガス
２８０ 不活性ガス
３８０ 不活性ガス
９０ 対象体
２９０ 対象体
３９０ 対象体
１００ ビルドチャンバー
２００ ビルドチャンバー
３００ ビルドチャンバー
２７２ 供給ライン
３７０ 反応性流体／基材
３７０’ 反応性流体／基材
３７０’’ 反応性流体／基材
２１０ 付加製造装置
３１０ 付加製造装置
３０ データファイル
２３０ データファイル
３３０ データファイル
４０ コントローラー
２４０ コントローラー
３４０ コントローラー
４２ 制御信号
４４ 制御信号
５０ エネルギー発生システム
２５０ エネルギー発生システム
３５０ エネルギー発生システム
６０ 反応性流体
６０’ 反応性流体
６０’’ 反応性流体
２６０ 反応性流体
２６０’ 反応性流体
２６０’’ 反応性流体
７０ 基材
２７０ 基材
８０ 不活性ガス
２８０ 不活性ガス
３８０ 不活性ガス
９０ 対象体
２９０ 対象体
３９０ 対象体
１００ ビルドチャンバー
２００ ビルドチャンバー
３００ ビルドチャンバー
２７２ 供給ライン
３７０ 反応性流体／基材
３７０’ 反応性流体／基材
３７０’’ 反応性流体／基材
Claims (28)
- 製造プラットフォーム上に対象体を製造する付加製造法であって、
１つまたは複数の反応性流体により（ｉ）前記少なくとも１つの反応性流体により求められる化学性に調整される表面を有する少なくとも１つの基材及び（ｉｉ）前記１つまたは複数の第一の反応性流体に対して不純物で汚染された表面を有する少なくとも１つの基材の第一数量が製造プラットフォームに沈積され、製造プラットフォームは、ビルドチャンバー内に配置される工程と、
前記第一の反応性流体のうち１つまたは複数が前記ビルドチャンバーに導入されることにより前記基材の前記表面が求められる化学性に調整されて不純物のない化学的に調整された表面を有する調整された反応性の基材が生成されると共に前記少なくとも１つの基材の全体にエネルギーが応用されることにより第一層または基板が生成される工程と、
第二数量の前記少なくとも１つの基材が沈積されることにより、前記基板上に少なくとも他の一層が形成され、１つまたは複数の他の反応性流体が前記ビルドチャンバーに導入される工程と、
前記１つまたは複数の他の反応性流体は、
（ｉ） 前記１つまたは複数の反応性流体と同一であり、且つ
（ｉｉ） 前記１つまたは複数の反応性流体によって求められる化学性に調整される表面を有する基材に反応性であり、
（ｉｉｉ） 前記１つまたは複数の反応性流体によって求められる化学性に調整される表面を有する前記少なくとも１つの基材の表面に位置する不純物に無反応性である、又は、
（ｉｖ） 前記１つまたは複数の反応性流体とも前記１つまたは複数の反応性流体によって求められる化学性に調整される表面を有する基材に反応性である１つまたは複数の他の反応性流体とも異なり、不純物によって汚染された前記表面を有する前記少なくとも１つの基材に反応性であると共に、前記不純物にも反応性であり、
前記第一層又は前記基板に沈積された少なくとも他の一層の全体にエネルギーが応用されることにより、前記少なくとも他の一層が前記第一層又は前記基板に溶融され、
前記対象体の製造が完成するまで先行して形成される層上には他の数量の前記少なくとも１つの基材が継続的に形成され、前記１つまたは複数の他の反応性流体が前記ビルドチャンバーに導入され、前記形成された層の全体にエネルギーが応用される工程とを含むことを特徴とする付加製造法。 - 前記１つまたは複数の他の反応性流体に反応性である前記少なくとも１つの基材の表面の不純物として水素で構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記調整される反応性基材により前記基板の前記第一層及び少なくとも他の一層の少なくとも１つの微細構造の欠点が減少し、且つ前記少なくとも１つの微細構造の欠点として不純物、微小亀裂、多孔性で構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの調整される反応性基材の調整される前記表面により前記基材の位相、結晶構造、及び冶金構造の内の１つが改良されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの調整される反応性基材の調整される前記表面により製造される前記対象体の磁性が調整されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの調整される反応性基材の調整される前記表面により前記製造される対象体の残留応力性質が調整されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの反応性基材として粉末材料、プラズマ、柱体、ワイヤー、または流体で構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記粉末材料は金属粉末材料であることを特徴とする請求項７に記載の付加製造法。
- 前記金属粉末材料は金属ガラス材料または非結晶金属化合物材料であることを特徴とする請求項８に記載の付加製造法。
- 前記金属粉末材料はアルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、銅、耐火性金属、及びそれらの合金で構成されるグループから選択され、酸化しやすく、前記酸化は空気及び／或いは酸素と前記表面とが反応することにより発生することを特徴とする請求項８に記載の付加製造法。
- 前記金属粉末材料は湿気を吸いやすいことを特徴とする請求項８に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの他の反応性流体としてガス、プラズマ、超臨界流体、及びそれらの組み合わせで構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの反応性流体として還元剤、浸炭剤（carbonizing agents）、酸化剤、窒化剤、ほう化剤、硫化剤、リン化剤、シラン化剤、セレン化剤、タングステン化剤、炭化剤（carbonizer agents）、及びそれらの組み合わせで構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１２に記載の付加製造法。
- レーザー切断により製造される前記対象体に新しい表面が形成され、前記新しい表面が前記少なくとも１つの反応性流体に曝される工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記応用されるエネルギーは電子ビーム処理であることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 前記新しい表面の部分または全ては前記反応性流体により求められる化学性に調整可能であることを特徴とする請求項１２に記載の付加製造法。
- 求められる化学性に調整可能な前記表面は前記反応性流体により塗布されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 求められる化学性に調整可能な前記表面は前記反応性流体が吸収されることにより生成されることを特徴とする請求項１に記載の付加製造法。
- 製造プラットフォーム上に対象体を製造する付加製造法であって、
少なくとも１つの調整される基材がビルドチャンバーに入る前に、求められる化学性を有する前記少なくとも１つの調整される基材が形成され、前記一又は複数の反応性流体は前記１つまたは複数の反応性流体によって求められる化学性に調整可能な表面を有する前記少なくとも１つの基材に対して反応性であり、
前記少なくとも１つの調整される基材が前記製造プラットフォームを有する前記ビルドチャンバーに導入される工程と、
第一数量の前記少なくとも１つの調整される基材が前記製造プラットフォームに応用されると共に前記第一数量の前記少なくとも１つの調整される基材にエネルギーが応用され、前記少なくとも１つの調整される基材の複数の粒子が第一層または基板に溶融される工程と、
前記基板上に沈積される少なくとも１つの第二数量の前記少なくとも１つの調整される基材にエネルギーが応用され、前記第二数量の前記少なくとも１つの調整される基材の粒子が前記基板に溶融され、前記基板上に少なくとも他の一層が形成される工程と、
前記対象体の製造が完成するまで前記基板上には調整される基材の各層が継続的に形成される工程とを含むことを特徴とする付加製造法。 - 前記一又は複数の基材の調整される前記表面により前記第一層及び少なくとも他の一層の少なくとも１つの微細構造の欠点が減少し、且つ前記少なくとも１つの微細構造の欠点として不純物、微小亀裂、及び多孔性で構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１９に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの調整される基材の調整される前記表面により前記基材の位相、結晶構造、及び冶金構造の内の１つが改良されることを特徴とする請求項１９に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの調整される基材の調整される前記表面により前記製造対象体の磁性が調整されることを特徴とする請求項１９に記載の付加製造法。
- 前記少なくとも１つの調整される基材の調整される前記表面により前記製造対象体の残留応力性質が調整されることを特徴とする請求項１９に記載の付加製造法。
- 製造プラットフォーム上に増強される機械的強度を有する対象体を製造する付加製造法であって、
水素を除去させるガスに少なくとも１つの反応性基材が保存され、水素を含まない基材が形成され、前記水素を除去させるガスとしてＣＯ、ＣＯ２、フッ化炭素化合物またはそれらの混合物で構成されるグループから選択される工程と、
前記水素を含まない基材が製造プラットフォームを有するビルドチャンバーに導入される工程と、
第一数量の前記水素を含まない基材が前記製造プラットフォームに応用されると共に前記第一数量の前記水素を含まない基材にエネルギーが応用され、前記第一数量の前記水素を含まない基材が第一層または基板として溶融される工程とを含むことを特徴とする付加製造法。 - 前記応用されるエネルギーは熱拡散であることを特徴とする請求項２４に記載の付加製造法。
- 前記基板上に沈積される少なくとも１つの第二数量の基材にエネルギーが応用され、前記第二数量の前記基材が前記基板に溶融され、前記基板上に少なくとも他の一層が形成される工程と、
前記対象体の製造が完成するまで前記基板上には基材の各層が継続的に形成される工程とを含むことを特徴とする請求項２４に記載の付加製造法。 - 前記水素を含まない基材により前記第一層及び少なくとも他の一層の少なくとも１つの微細構造の欠点として不純物、微小亀裂、及び多孔性で構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項２６に記載の付加製造法。
- 前記水素を含まない基材により前記製造される対象体の残留応力性質が調整されることを特徴とする請求項２６に記載の付加製造法。
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