(57)【要約】【課題】３次元部品を製造するための方法。【解決手段】方法は、緻密化されかつシールされたエンクロージャを形成するため、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、エンクロージャの内部に収容された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、及び、緻密化中にエンクロージャの内部の機械加工用粉末とエンクロージャとの間の金属結合を実装するため、エンクロージャ及びエンクロージャの内部の機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施し、それにより、ターゲット３次元部品を形成することを含む。【選択図】図１
2020033649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元部品を製造するための方法であって、
緻密化されかつシールされたエンクロージャを形成するため、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、前記エンクロージャの内部に収容された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、及び、
前記緻密化中に前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末と前記エンクロージャとの間の金属結合を実装するため、前記エンクロージャ及び前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施し、それにより、ターゲット３次元部品を形成すること
を含む、方法。
【請求項２】
機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施するステップは、付加製造技術を使用することによって実装される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記付加製造技術は、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）技術である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
エンクロージャを形成するため前記ＥＢＭ技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、
（ａ）機械加工用粉末層を機械加工用テーブルに搬送すること、
（ｂ）補償済み３次元空間モデルに基づいて前記機械加工用粉末層に対してＥＢＭ機械加工を実施すること、及び、
（ｃ）前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャが機械加工を終了するまでステップ（ａ）に戻ることを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
エンクロージャを形成するため前記ＥＢＭ技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、前記補償済み３次元空間モデルを計算することを更に含み、前記補償済み３次元空間モデルを計算することは、
（Ａ）オリジナルの３次元空間モデルを格納することであって、前記オリジナルの３次元空間モデルと機械加工されることを予想されるターゲット３次元部品は同じ形状である、格納すること、
（Ｂ）前記機械加工用粉末を収容し、前記オリジナルの３次元空間モデルの形状と同じ形状を有し、後続の全体的な緻密化機械加工後のものである前記エンクロージャの形状変化を解析すること、
（Ｃ）前記形状変化に基づいて前記補償済み３次元空間モデルを計算すること、及び、
（Ｄ）前記機械加工用粉末を収容し、前記補償済み３次元空間モデルの形状と同じ形状を有し、後続の全体的な緻密化機械加工後のものである前記エンクロージャの形状変化を解析し、前記形状変化後の形状が前記オリジナルの３次元空間モデルの形状と同じである場合、計算を終了し、そうでなければ、前記形状変化に基づいて前記補償済み３次元空間モデルを計算することに戻ることを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記付加製造技術は、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）技術、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）技術、又は赤外線溶融技術を含む、請求項２記載の方法。
【請求項７】
エンクロージャを形成するため機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、
気道管を備えるエンクロージャを形成するため、前記付加製造技術によって前記機械加工用粉末を層ごとに機械加工することであって、前記機械加工されたエンクロージャは機械加工用粉末を収容する、機械加工すること、
前記エンクロージャからガスを放出するため、前記気道管を空気取出し装置に接続する
こと、及び、
前記エンクロージャの内部の真空が所定の値に達した後、前記エンクロージャに対してシール処理を実施することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、選択的な機械変形及び塑性変形機械加工技術を使用することによって実装される、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記選択的な機械変形及び塑性変形機械加工技術は、ピーニング、バニシング、冷間押出し、又は温間押出しを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、空気圧静水圧鍛造（ＰＩＦ）技術を使用することによって実装される、及び／又は、前記エンクロージャ及び前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施することは、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）技術又はＰＩＦ技術を使用することによって実装される、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャの最外層の密度レベルは９５％より大きい、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャは少なくとも２つの層を備え、前記密度レベルは外側から内側に徐々に減少する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャの前記最外層を除く他の層の各層は、異なる密度レベルを有する少なくとも２つのセクションを備え、中央セクションの密度レベルは側部セクションの密度レベルより大きい、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記エンクロージャ及び前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施することは、前記エンクロージャを支持するための支持構造を機械加工するため、前記エンクロージャの前記緻密化中に前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
３次元部品を製造するための方法であって、
気道管を有する緻密化されたエンクロージャを形成するため、付加製造技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、前記エンクロージャの内部に配置された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、
前記エンクロージャからガスを放出するため、前記気道管を空気取出し装置に接続すること、
前記エンクロージャの内部の真空が所定の値に達した後、前記エンクロージャに対してシール処理を実施すること、
前記機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のシール式真空エンクロージャが機械加工されるまで、前記ステップを繰返すこと、及び、
前記緻密化中に前記幾つかのエンクロージャの内部の前記機械加工用粉末と対応するエンクロージャとの間の金属結合を実装するため、前記機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のエンクロージャに対して全体的な緻密化処理を同時に実施し、それにより、前記所定の数のターゲット３次元部品を同時に形成すること
を含む、方法。
【請求項１６】
３次元部品を製造するための方法であって、
第１の密度レベルを有する浸透性のある多孔性の半完成部品を形成するため、機械加工
用ルース粉末に対して第１の緻密化処理を実施すること、
前記半完成部品の外側表面エリアを、第２の密度レベルを有するシール式エンクロージャに形成するため、前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施すること、及び、
ターゲット３次元部品を形成するため、前記第２の密度レベルを有する前記外側表面エリア及び前記第１の密度レベルを有する内側エリアに対して全体的な緻密化処理を実施すること
を含む、方法。
【請求項１７】
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施することは、ＰＩＦ技術を使用することによって実装される、及び／又は、前記第２の密度レベルを有する前記外側表面エリア及び前記第１の密度レベルを有する内側エリアに対して全体的な緻密化処理を実施することは、ＨＩＰ技術又はＰＩＦ技術を使用することによって実装される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施する前に、前記半完成部品に対して加熱処理を実施することを更に含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
機械加工用ルース粉末に対して第１の緻密化処理を実施することは、機械式圧力を使用することによって実装される、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の密度レベル少なくとも３０％であり、前記第２の密度レベル少なくとも９５％である、請求項１６記載の方法。
【請求項２１】
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施することは、以下の技術、すなわち、マイクロ波処理、レーザ処理、電子ビーム処理、溶接処理、赤外線加熱処理、マイクロ波焼結、誘導焼結、制御可能レーザ焼結、ピーニング、バニシング、冷間押出し、温間押出し、レーザクラッディング、タングステン不活性ガス溶接、真鍮フォイルクラッディング、コールドスプレー、及び金属塗装のうちの１つを使用することによって実装される、請求項１６記載の方法。
【請求項２２】
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施することは、前記外側表面エリア上にコーティング層の層をコーティングすることを含む、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術の実施形態は、一般に、製造方法に関し、詳細には、粉末製品を使用した３次元物体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複雑でかつ高性能な物品を生産するために、粉末冶金処理が、使用されており、しばしば、他の鋳造及び鍛造処理経路に勝るかなりの利点を提供する。プレス及び焼結、キャニング及び緻密化、並びに付加製造を含む複数の技法が、粉末又は粒子材料を処理して、バルク状で本質的に完全に高密度の物品にするために開発されている。これらの技法のそれぞれにおいて、物品の生産について有効な経路を定義するときに処理の複雑さ及び生産コストを考慮しなければならない。未処理材料のコスト及び緻密化後の機械加工又はシェーピング処理の量もまた、最適化される処理経路の選択に著しく影響を及ぼす可能性がある。処理経路もまた、結果として得られる物品の物理的特性、微細構造的特性、及び機械的特性に影響を及ぼす場合があるため、物品性能レベルもまた、プロセス経路を定義すると
きに考慮される場合がある。複雑でかつ高性能な物品を生産するために、幾つかの典型的な技法が当技術分野で知られている。
【０００３】
複雑な形状の物品の場合、正味の又はほぼ正味の形状を直接生産する能力を有する付加製造処理が使用されている。電子ビーム溶融（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＥＢＭ）及び直接金属レーザ溶融（ｄｉｒｅｃｔ  ｍｅｔａｌ  ｌａｓｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＤＭＬＭ）は、特に金属物体のための、３次元物品用の付加製造のタイプの例である。それらは、迅速製造（ｒａｐｉｄ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）法として分類されることが多い。その理由は、それらが、他の処理経路によって物品の生産のための長いリードタイムをしばしばもたらす可能性がある特別な工具を生産する必要性無しで、電子的定義によって部品を生産することができるという利点を同様に有するからである。ＥＢＭ及びＤＭＬＭ技術を含む付加処理技術の多くは、ＥＢＭの場合には高真空チャンバ内で、また、ＤＭＬＭの場合には通常、不活性ガス下のチャンバ内で、レーザビーム又は電子ビームによって粉末を層ごとに溶融させることによって３次元物体を製造する。例えば、ＥＢＭ機又はＤＭＬＭ機は、３次元モデルからデータを読取り、３次元モデルに従って、粉末化された材料の連続した層を載置する。粉末化された材料のこれらの層は、コンピュータ制御式電子又はレーザビームを利用することによって共に溶融される。こうして、ＥＢＭ機又はＤＭＬＭ機は、製造される３次元物体を構築する。プロセスは、ＥＢＭの場合には真空下で行われ、一方、ＤＭＬＭは、真空又はアルゴン等の不活性ガス下で実施されてもよく、それによってプロセスが、酸素に高い親和性を有する反応性材料、例えばチタンを使用して３次元物体を製造するのに適するようにする。これらの技法は、使用される典型的な堆積レートのせいで、低いか又は中間の体積で制限された数の部品を生産するのに特に好適である。しかし、製造される３次元物体の数がかなり多いとき、全体の製造プロセスは、はるかに多くの時間をとり得る。これは、スループットを満たすためより多くのＥＢＭ機及び／又はＤＭＬＭ機を使用することが必要になり、投資を増加させることになる。
【０００４】
より単純な形状でかつより大きな物品の場合、粉末のキャニング及び緻密化処理もまた使用される。これらの粉末冶金プロセスによって、材料は、通常、周囲環境から材料を分離する缶に入るように設置され、熱間静水圧プレス（ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）（ＨＩＰ）及び空気圧静水圧鍛造（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｆｏｒｇｉｎｇ）（ＰＩＦ）等の更なるプロセスのために伝達媒体を提供する。缶は、通常、シート材料から作製され、関心の形状になるように溶接されて、物品を作る。缶は、緻密化中に起こる収縮を考慮するため、所望の最終製品サイズ及び形状に対して大きなサイズに作られる。缶は、ルース粉末で充填される可能性がある、又は、加圧済みの若しくは半多孔性の粉末プリフォームをカプセル化するために使用され得る。缶は、粉末材料が機械的に加圧して多孔性又は半多孔性物体になり得る方法を提供し、このような多孔性又は半多孔性物体は、ハンドリング、搬送、及びターゲット物体する圧密化又は緻密化に適する。しかし、缶の使用は、幾つかの余分のステップを必要とする可能性があり、（部分的には材料と缶材料との相互作用によって）より高い歩留りロスをもたらし、したがって、効率を減少させ、コストを増加させる。缶のコスト及び複雑さは、粉末物品又は物体を生産するために必要とされる全体のコスト及び時間に著しく寄与する可能性がある。
【０００５】
付加製造プロセスによって処理されても、部分的に緻密化されたルース圧粉体のキャニングによって処理されても、粉末導出材料は、構造を完全に緻密化するため、高温、高圧、又は両方を利用する緻密化プロセスを受けることが頻繁にある。こうした処理の幾つかの例は、焼結、熱間プレス、及び熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）を含む。更に、米国特許第５，８１６，０９０号は、空気圧静水圧鍛造（ＰＩＦ）を使用する粉末物体の圧密化のためのプロセスを開示する。典型的なＨＩＰプロセスの場合と同様に、長期間にわたって熱
と圧力を同時に印加するのではなく、’０９０号特許は、空気圧静水圧鍛造プロセスにおいて短期間にわたる高温と高圧に頼る。’０９０号特許は、その特許に開示される「予備焼結（ｐｒｅ−ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）」の前に、加工品の外側表面を部分的にのみシールすること、又は、おそらく反応性がある加工品をコーティングすることを述べている。したがって、’０９０号特許は、その特許で述べるプロセスにだけ適用される解決策を開示し、典型的なＨＩＰプロセスで使用されない余分なステップに頼る。
【０００６】
加圧及び焼結プロセスが同様に使用され、それにより、粉末は、ダイに入るように載置され、或る形状になるように加圧され、ダイから解除され、その後、高温で焼結されて、拡散によって緻密化する。この処理経路では、より高い部品体積が実現可能であるが、結果得られる物品は、通常、幾何形状及び最終的な密度レベルが制限され、他の粉末冶金処理経路に劣る場合がある。
【０００７】
しばしば、粉末冶金処理は、標準的な鋳造及び鍛造処理法を使用して達成することが難しいか又は不可能である特性を有する高性能材料を生産するために使用される。固体処理（例えば、加圧及び焼結又はキャニング及び緻密化）を含む処理経路は、微細スケール微細構造フィーチャが処理全体を通して維持され、凝結タイプ構造が処理中に全く生成され得ないある点で、溶解ベースの付加処理経路に勝って有利である場合がある。こうした制約はまた、複雑な高性能材料について最適な処理を難しくする可能性がある。
【０００８】
こうしたまたその他の理由で、迅速製造分野、特に、粉末冶金処理並びにＨＩＰ及び／又はＰＩＦ等のプロセスによる後続の緻密化を含む緻密化プロセスにおいて、効率を上げ、コストを節約することについての必要性が存在する。
【０００９】
１つ又は複数の態様が、本発明の基本的な理解を容易にするために本発明において要約され、本発明の導入部は、概要を拡張せず、また、本発明の一定の要素を特定することを意図されず、その範囲を引出すことも意図されない。逆に、導入部の主要な目的は、より詳細な説明が以下で提示される前に、簡略化した形態で本発明の幾つかの概念を提示することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の或る態様は、３次元部品を製造するための方法を提供することである。方法は、緻密化されかつシールされたエンクロージャを形成するため、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、エンクロージャの内部に収容された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、及び、緻密化中にエンクロージャの内部の機械加工用粉末とエンクロージャとの間の金属結合を実装するため、エンクロージャ及びエンクロージャの内部の機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施し、それにより、ターゲット３次元部品を形成することを含む。
【００１１】
本発明の別の態様は、３次元部品を製造するための別の方法を提供することである。方法は、緻密化されかつシールされた真空エンクロージャを形成するため、ＥＢＭ技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、エンクロージャの内部に収容された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のエンクロージャが機械加工されるまで、前記ステップを繰返すこと、及び、緻密化中に幾つかのエンクロージャの内部の機械加工用粉末と対応するエンクロージャとの間の金属結合を実装するため、機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のエンクロージャに対して全体的な緻密化処理を同時に実施し、それにより、所定の数のターゲット３次元部品を同時に形成することを含む。
【００１２】
本発明の更に別の態様は、３次元部品を製造するための別の方法を提供することである。方法は、気道管を有する緻密化されたエンクロージャを形成するため、付加製造技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、エンクロージャの内部に収容された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、エンクロージャからガスを放出するため、気道管を空気取出し装置に接続すること、エンクロージャの内部の真空度が所定の値に達した後、エンクロージャに対してシール処理を実施すること、機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のシール式真空エンクロージャが機械加工されるまで、前記ステップを繰返すこと、及び、緻密化中に幾つかのエンクロージャの内部の機械加工用粉末と対応するエンクロージャとの間の金属結合を実装するため、機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のエンクロージャに対して全体的な緻密化処理を同時に実施し、それにより、所定の数のターゲット３次元部品を同時形成することを含む。
【００１３】
本発明の更に別の態様は、３次元部品を製造するための別の方法を提供することである。方法は、第１の密度レベルを有する浸透性のある多孔性の半完成部品を形成するため、機械加工用ルース粉末に対して第１の緻密化処理を実施すること、半完成部品の外側表面エリアを、第２の密度レベルを有するシール式エンクロージャに形成するため、外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施すること、及び、ターゲット３次元部品を形成するため、第２の密度レベルを有する外側表面エリア及び第１の密度レベルを有する内側エリアに対して全体的な緻密化処理を実施することを含む。
【００１４】
従来技術と比較して、本発明では、３次元部品が、複数のステップで製造され機械加工される。最初に、選択的エンクロージャ機械加工が、例えば付加製造技術を使用することによって機械加工用ルース粉末に対して実施される。こうして、大量のターゲット部品が機械加工される状況では、全体の部品の非常に小さな部分を占めるエンクロージャセクションだけがそのステップにおいて機械加工されるため、効率が大幅に改善され、エネルギー消費が大幅に低減される。その後、ＨＩＰ又はＰＩＦ技術の後続のステップにおいて、全体的な緻密化処理が、機械加工を終了し機械加工用粉末を収容する前記多数のエンクロージャに対して同時に実施されて、多数のターゲット３次元部品を一括で機械加工する。多数の半完成部品がそのステップにおいて同時に一括で機械加工されるため、効率が同様に改善され、エネルギー消費が同様に低減される。更に、エンクロージャとエンクロージャの内部の機械加工用粉末との間の金属結合は、機械加工を補助する従来の缶を適用することなく、そのステップで実装される。こうして、製造技法が大幅に簡略化される。
【００１５】
本技術のこれらのまたその他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明が、添付図面を参照して読まれるとき、よりよく理解される。図面では、同様の記号は、図面全体を通して同様の部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ターゲット物体の粉末を含むシェルを製造するための例示的なＥＢＭ機の略図である。
【図２】図１のＥＢＭ機によって製造されるターゲット物体のシェルの異なる製造状態の略図である。
【図３】別の態様における、図１のＥＢＭ機によって製造されるターゲット物体のシェルの異なる製造状態の略図である。
【図４】開始状態における、図１のＥＢＭ機によって製造されるターゲット物体の粉末を含むシェルを製造するための例示的なＨＩＰ機の略図である。
【図５】終了状態における、図１のＥＢＭ機によって製造されるターゲット物体の粉末を含むシェルを製造するための例示的なＨＩＰ機の略図である。
【図６】一実施形態による、３次元物体を製造するための方法のフローチャートである。
【図７】オリジナルの３次元モデル及び本発明の実装方法による補償済みの３次元モデルの略図である。
【図８】本発明の実装方法による、ＳＬＭ法によって製造されるターゲット物体の粉末を含むシェルの異なる製造状態の略図である。
【図９】本発明の実装方法による、ＳＬＭ法によって製造されるターゲット物体の粉末を含むシェルの異なる製造状態の略図である。
【図１０】開始状態における、図８及び９の選択的レーザ溶融（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＳＬＭ）法によって製造されるターゲット３次元物体の粉末を含むシェルを製造するための例示的なＨＩＰ機の略図である。
【図１１】本発明の実装方法による、ターゲット物体からダクト部品を切断するプロセスの略図である。
【図１２】別の実施形態によるターゲット物体の粉末を含むシェルの略図である。
【図１３】別の実施形態によるターゲット物体を製造するための方法のフローチャートである。
【図１４】更に別の実施形態によるターゲット物体の粉末を含むシェルの略図である。
【図１５】更に別の実施形態によるターゲット物体の粉末を含むシェルの略図である。
【図１６】更に別の実施形態によるターゲット物体の粉末を含むシェルの略図である。
【図１７】ターゲット物体を形成するための方法の幾つかのステージを示す図である。
【図１８】ターゲット物体を形成するための方法の代替の実施形態の幾つかのステージを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示の実施形態は、添付図面を参照して述べられる。後続の説明では、よく知られている機能又は構造は、本開示を不必要な詳細で曖昧にすることを回避するため詳細に述べられない。
【００１８】
別途規定されない限り、本明細書で使用される技術用語及び科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語「第１（ｆｉｒｓｔ）」、「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」、及び同様なものは、任意の順序、量、又は重要性を示すのではなく、むしろ、１つの要素を別の要素から区別するために使用される。同様に、用語「ある（ａ）」及び「ある（ａｎ）」は、量の制限を示すのではなく、むしろ、参照されるアイテムの少なくとも１つのアイテムの存在を示し、「前部（ｆｒｏｎｔ）」、「後部（ｂａｃｋ）」、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、及び／又は「上部（ｔｏｐ）」等の用語は、別途記載のない限り、説明の便宜のために使用されるだけであり、任意の１つの位置又は空間的配向に限定されない。更に、用語「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」及び「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、２つのコンポーネント間の直接的又は間接的結合／接続を区別することを意図されない。むしろ、こうしたコンポーネントは、別途指示しない限り、直接的に又は間接的に結合／接続され得る。
【００１９】
図１を参照すると、３次元物体を製造するための例示的なＥＢＭ機１０が示される。説明を容易にするため、ＥＢＭ機１０の或る部分だけが図１に示される。例として、ＥＢＭ機１０は、電子ビーム銃１１、真空チャンバ１２、構築用テーブル１３、粉末容器１４、及びコントローラ１５を含む。他の実施形態では、ＥＢＭ機１０は、他の異なる構成を有し得る。更に、ＥＢＭ機を利用するのではなく、代替の実施形態は、限定はしないが、直接金属レーザ溶融、レーザ焼結、及び赤外線を含む、エネルギー又は熱を放出する考えられる任意の方法を利用し得る。
【００２０】
電子ビーム銃１１が使用されて、コントローラ１５に格納された３次元モデルに従って、構築用テーブル１３上に配置された粉末１４２を層ごとに溶融し、それにより、３次元
モデルと同じ形状を有するターゲッ３次元物体を構築する。粉末容器１４が使用されて、粉末１４２を収容し、コントローラ１５からの制御信号に従って構築用テーブル１３上に粉末１４２を層ごとに送出する。コントローラ１５は、所定の制御プログラムに従って、電子ビーム銃１１、真空チャンバ１２、構築用テーブル１３、及び粉末容器１４を制御し、全体の製造プロセスは、真空チャンバ１２内で真空環境下にある。ＥＢＭ機１０が、電源、通信インタフェース等のような他の付加部品を含み得ることが理解される。
【００２１】
図１、２、及び３を共に参照すると、ＥＢＭ機１０によって製造されるターゲット物体２０の粉末１４２を含むシェル２４の幾つかの異なる製造状態が示される。説明を容易にするため、図５に示すターゲット物体２０は、円柱中実要素である。他の実施形態では、ターゲット物体２０の形状は、異なる要件に応じて変動し得る。図２及び３に示すターゲット物体２０は未完成ターゲット物体２０である。図２及び３では、後続のＨＩＰ製造プロセスの前にこのＥＢＭ製造プロセスにおいてシェル２４が補償される必要があるため、ターゲット物体２０のシェル２４は正確に円柱形状でない。ＥＢＭ機１０によって製造される粉末１４２を含むシェル２４をＨＩＰ処理した後、ターゲット物体２０は、予想される円柱形状になるよう製造されることができ、そのことは、以下の節で述べられる。
【００２２】
図２の開始状態（Ａ）では、粉末１４２の第１の層は、例えばローラ１３４を使用することによって構築用テーブル１３の構築用プラットフォーム１３２上に送出されて、構築用プラットフォーム１３２上で粉末１４２を平滑に押付ける。粉末１４２の第１の層が構築用プラットフォーム１３２上に均等に載置された後、シェル２４の下部表面２１は、図２の状態（Ｂ）に示し、図３の状態（Ａ）に同様に示すように、３次元モデルに従って粉末１４２の第１の層の対応する部分を溶融する電子ビーム１１２を使用することによって製造される。
【００２３】
シェル２４の下部表面２１が終了した後、シェル２４の側部表面２２は、３次元モデルに従って、後続の粉末１４２の対応する部分を層ごとに溶融する電子ビーム１１２を使用することによって製造される。図３の状態（Ｂ）に示すように、粉末１４２の第２の層は、構築用プラットフォーム１３２上に置かれ、側部表面２２の第１の層は、図３の状態（Ｃ）に示すように、３次元モデルに従って粉末１４２の第２の層の対応する部分を溶融する電子ビーム１１２を使用することによって製造される。側部表面２２の残りの層は、第１の層と同じ製造方法によって形成され、更に詳細には述べられない。図２の状態（Ｃ）及び図３の状態（Ｄ）は共に、側部表面２２の１つの層を製造するためのものである中間状態を示す。
【００２４】
側部表面２２が終了した後、シェル２４の上部表面２３は、３次元モデルに従って粉末１４２の最後の層の対応する部分を溶融する電子ビーム１１２を使用することによって製造される。図２の状態（Ｄ）及び図３の状態（Ｅ）に示すように、粉末１４２の最後の層は、構築用プラットフォーム１３２上に載置（ｌａｉｄ）され、その後、上部表面２３は、３次元モデルに従って粉末１４２の最後の層の対応する部分を溶融する電子ビーム１１２を使用することによって製造される。最後に、全体のシェル２４は完成し、全体のシェル２４はまた、以下でより詳細に述べるように、ルース粉末１４２又はルース粉末と急速焼結支持パターンの混合物を内部に含む。換言すれば、ＥＢＭ製造後に、図３の状態（Ｆ）に示すシェル２４及びシェル２４の内部の粉末１４２を含むターゲット物体２０が完成する。ルース粉末１４２はまた、所定の密度、例えば８０％未満までより高速の走査速度を使用して焼結され得る。こうして、シェル２４は、所定の内部多孔度を有する真空シール式３次元シェルとして形成される。
【００２５】
ターゲット物体２０と比較すると、シェル２４は、まだ完成しておらず、ルース粉末１４２又はルース粉末と急速焼結支持パターンの混合物を含む少なくとも１つの未完成部品
を有し、その未完成部品は、更なる製造方法によって製造されることになる。ここで、ターゲット物体２０は、以下で述べるＨＩＰ処理によって更に製造される。しかし、他の実施形態では、処理及び緻密化プロセスは、ＨＩＰ以外であるとすることができる。例えば、ＰＩＦ又は別の緻密化プロセスが利用され得る。
【００２６】
図４を参照すると、シェル２４は、ＨＩＰ機４０の高圧格納容器４２に入るように置かれる。ＨＩＰ機４０は、容器４２の内部の温度及び圧力を制御するために使用されるコントローラ４４を含むことができ、粉末１４２及び存在し得る任意の支持パターンで満たされたシェル２４にＨＩＰ処理力を提供し得る。ＨＩＰ機４０が、電源、通信インタフェース等のような他の付加部品を含み得ることが理解される。
【００２７】
図４に示す開始状態では、シェル２４の形状は、ターゲット物体２０の予想される形状より大きい補償済み形状を依然として維持する。所定のプログラムに従って、コントローラ４４は、容器４２内の温度及び圧力を制御して、シェル２４のＨＩＰ処理を提供することになる。ＨＩＰ処理プロセス中に、シェル２４は、ルース粉末１４２及び存在する任意の支持パターンを加圧して、それを固化させ、シェル２４と冶金結合させる。ＨＩＰ処理を終了した後、中実ターゲット物体２０が、図５に示すように製造される。図５では、粉末１４２は、シェル２４と同じか又はほぼ同じ密度になり、そのことは、シェル２４とルース粉末１４２と任意の支持パターンが、製造される１つのターゲット物体２０になることを意味し、ターゲット物体２０の形状は、例として、予想される円柱形状になる。
【００２８】
図６を参照すると、一実施形態による、３次元ターゲット物体２０を製造するための方法６０のフローチャートが示される。方法６０は、ステップ６１で始まり、オリジナルの３次元モデルが、好ましくはＥＢＭ機のコントローラに入力／格納される。オリジナルの３次元モデルはターゲット物体２０と同じである。例えば、図７は、円柱状であるオリジナルの３次元モデルＸ１を示す。幾つかの実施形態では、３次元モデルは、３次元コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルである。
【００２９】
ステップ６２において、オリジナルの３次元モデルＸ１は、オリジナルの３次元モデルＸ１と同じ形状を有するルース粉末を含むシェル２８がＨＩＰ処理によって処理された後、収縮／歪変化２９がどんなものになるかを決定するために解析される。粉末を含むシェル収縮変化の解析が、ＡＮＳＹＳソフトウェアの有限要素法（ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）（ＦＥＭ）ツールを使用することによる等の適切なアルゴリズムに基づいてシミュレートされ解析される可能性があることが理解される。詳細な解析プロセスはここでは開示されない。
【００３０】
ステップ６３において、補償済み３次元モデルが、収縮変化解析結果に従って、同様にＡＮＳＹＳソフトウェアのＦＥＭツールを使用することによる等の適切なアルゴリズムに基づいて計算される。例えば、図７は、円柱状のオリジナルの３次元モデルＸ１より大きい補償済み３次元モデルＸ２を示す。
【００３１】
ステップ６４において、補償済み３次元モデルＸ２の同じ形状を有する粉末を含むシェルが、ＨＩＰプロセスによって処理された後、補償済み３次元モデルＸ２が解析され、オリジナルの３次元モデルＸ１と同じ形状に変化することになるかどうかを判定する。はいの場合、プロセスは、次のステップ６５に進む。いいえの場合、プロセスは前のステップ６３に戻る。この解析が、ここでは述べられないＡＮＳＹＳソフトウェアのＦＥＭツールを使用することによる等の適切なアルゴリズムに基づいてシミュレートされ得ることが同様に理解される。このまたその他の実施形態では、粉末サイズ分布が、パッケージング密度及びその後の収縮に影響を及ぼす重要なファクタであることが同様に理解される。好ましくは、ステップ６１〜６４の解析は、ＥＢＭ機のコントローラに組込まれる。代替的に
、ステップ６１〜６４の解析は、別個のシステムで実施され、その後、後続のステップ６５等のためにコントローラに転送され得る。
【００３２】
ステップ６５において、ルース粉末１４２及び任意の更なる支持パターンで満たされたシェル２４は、上述した補償済み３次元モデルＸ２に基づいてＥＢＭ法を使用することによって製造される。
【００３３】
ステップ６６において、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンを含むシェル２４は、同様に上述したＨＩＰ法を使用することによって、ターゲット３次元物体２０になるように形成される。
【００３４】
先の方法６０に従って、ターゲット物体２０（例えば、図５に示す）は、ＥＢＭ法とＨＩＰ法を組合すことによって製造される。ＥＢＭプロセスによって、シェル２４だけが製造され、全体のターゲットオブジェクト２０は製造されないため、電子ビーム１１２によって使用されるパワーが低減され、時間もまた節約される場合がある。幾つかのターゲット物体２０が製造される必要がある場合、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンを有する対応するシェル２４は、容器４２内で同時にＨＩＰ処理される可能性があり、そのことが効率を増加させる可能性がある。更に、シェル２４は、ＨＩＰ処理後の粉末１４２との金属結合によってターゲット物体２０の一部分になることになり、そのことが、製造プロセスを更に簡略化する可能性がある。
【００３５】
他の実施形態では、ＥＢＭ法を使用する代わりに、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンを有する対応するシェル２４は、ＳＬＭ機及びＤＭＬＭ機においてそれぞれ実施され得る、非真空条件下での、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）法及び直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）法等の他の法によって製造される可能性がある。しかし、特に、ＳＬＭ及びＤＭＬＭは共に、真空下で同様に実施される可能性がある。
【００３６】
図８及び９を参照すると、ＳＬＭ法によって製造されるシェル２４の異なる製造状態を示すための２つの略図が示される。図２に示すＥＢＭ法を比較すると、図８のＳＬＭ法は非真空条件で実施され得る。更に、ＳＬＭ法は、上部表面２３から延在し得るダクト２５を更に製造し得る。他の実施形態では、ダクト２５は、側部表面２２から延在し得る。
【００３７】
図９を参照すると、ダクト２５を含み、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンを含むシェル２４が完成した後に、空気ポンプ（図示せず）が使用されて、空気及び／又は残留不活性ガスを、シェル２４からダクト２５と連通したパイプ９０を通して圧送し、そのことが、シェル２４の内側空間を真空にする（図９の状態（Ａ）参照）。幾つかの実施形態では、ダクト２５は、かなり長い、又は、パイプ９０は、垂直方向に沿ってかなり長く、したがって、ルース粉末１４２は、シェル２４から外へ取出すことができない。幾つかの実施形態では、シェル２４は、出口（図示せず）を有する大きな容器内に設置されることができ、その後、空気ポンプが使用されて、大きな容器から出口を通して空気を圧送し、したがって、シェル２４の内部の空気は、ルース粉末１４２を除去することなく、間接的に外に圧送される。シェル２４の内部の空気は、他のモードに従って同様に外に圧送されることができる。
【００３８】
シェル２４の内部空間の真空レベルが所定の値に従って満たされるとき、例えば真空レベルが約０．０１パスカルより低いとき、延在するダクト２５は、適切な溶接法による等の適切な方法によってシールされる（図９の状態（Ｂ）参照）。すなわち、シェル２４の内部空間は溶接部２９によってシールされる。その後、溶接部２９は、適切な切断方法によって切断され（図９の状態（Ｃ）参照）、そのことが、図４に示すシェル２４のようにシェル２４を真空にする。パイプが、局所的に加熱され、圧着閉鎖され、したがって、真
空がシェル２４の内部で維持されることを保証する。パイプは、圧着ラインを超えて切断され得る。
【００３９】
図１０を参照すると、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンで満たされたシールされたシェル２４は、ＨＩＰ機４０によって処理されて、ターゲット物体２０を形成する。製造プロセスは、図４に示す製造プロセスと同様であり、したがって、プロセスはやはり述べられない。
【００４０】
図１１を参照すると、ＨＩＰプロセス後に、中実ターゲット物体２０が形成されるが、ダクト部２６は、ダクト２５により、ターゲット物体２０上の更なる部分である。ダクト部２６は、適切な切断法、例えば油圧切断法等によって切断され得る。ダクト部２６を切断した後、ターゲット物体２０が完成する。ＨＩＰ法を組合せるＥＢＭ法と同様に、ＨＩＰ法を組合せるＳＬＭ法もまた、シェル２４と粉末１４２を冶金学的に結合するターゲット物体２０を達成し得る。明確にするため、ＤＭＬＭ、ＳＬＭ、及びＥＢＭ等の堆積プロセスは、本発明の範囲内でダクトが有る状態又は無い状態で実施され得る。
【００４１】
上述した実施形態では、外側シェル２４だけが、ＥＢＭ又はＳＬＭプロセス中に完成する。しかし、他の実施形態では、シェル２４の内部の粉末１４２の一部はまた、溶融され、又は異なる密度レベルになるよう焼結され得る。その点に関して、図１２を参照すると、別の実施形態によるルース粉末又は部分的に圧密化された粉末１４２を含むターゲット物体２０のシェル２４が示される。図４に示すシェル２４と比較すると、図１２のシェル２４は、均一な中実シェルではなく、少なくとも２つの異なる密度レベル層を含む。図１２に示す例示的な実施形態として、示すシェル２４は、外側から内側に３つの異なる密度レベル層２４１、２４２、及び２４３を含む。層２４１〜２４３の密度レベルは徐々に減少する。例えば、第１の層２４１の密度レベルは約１００％、ターゲット物体の密度レベルであり、第２の層２４２の密度レベルは約９０％であり、第３の層２４３の密度レベルは約８０％である。他の実施形態では、密度レベル層の数、各層の密度レベル、各層の厚さは、ここでは述べないＡＮＳＹＳソフトウェアのＦＥＭツールを使用することによる等の適切なアルゴリズムに基づいて調整され得る。
【００４２】
図１３を参照すると、別の実施形態による、３次元物体を製造するための方法７０のフローチャートが示される。方法６０と比較すると、方法７０のステップ７１〜７３は、方法６０のステップ６１〜６３と同じである。したがって、ステップ７１〜７３は、ここでは述べられない。
【００４３】
ステップ７４において、補償済み３次元モデルに基づいて、シェル２４は、シェル２４の（層２４１、２４２、２４３のような）密度レベル層の数、各層の密度レベル、及び各層の厚さを決定するために計算される。上述したように、これらのパラメータは、ここでは述べないＡＮＳＹＳソフトウェアのＦＥＭツールを使用することによる等の適切なアルゴリズムに基づいて計算され得る。
【００４４】
ステップ７５において、補償済み３次元モデルの同じ形状を有する、粉末及び任意の支持パターンを含むシェルが、ＨＩＰプロセスによって処理された後、オリジナルの３次元モデルと同じ形状に変化することになるかどうかを判定するために補償済み３次元モデルが解析される。はいの場合、プロセスは、次のステップ７６に進む。いいえの場合、プロセスは前のステップ７３に戻る。このステップ７５は、上述したステップ６４と同様である。
【００４５】
ステップ７６において、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンを含むシェル２４は、ＥＢＭ法を使用することによって製造される。シェル２４が少なくとも２つの異なる密
度レベル層を含むため、電子ビーム１１２は、シェル２４の先の計算されたパラメータに従って電子ビームの異なるパワーレベルを使用することによって異なる密度レベル層を溶融することになる。図１２に示すシェル２４が図４に示すシェル２４よりたとえ厚くても、電子ビーム１１２によって使用されるパワーは、依然として低減され、従来のＥＢＭ法と比較して時間を節約する可能性がある。
【００４６】
ステップ７７において、ルース粉末１４２及び任意の支持パターンを含むシェル２４は、ＨＩＰ法を使用することによって製造される。ＨＩＰプロセス後、（図５に示す物体２０のような）中実ターゲット物体２０が完成する。シェル２４が、ＥＢＭプロセス中に幾つかの異なる密度レベル層になるように製造されるため、ＨＩＰプロセスは、方法６０と比較して、より容易にかつより効率的に中実ターゲット物体２０を達成し得る。
【００４７】
他の実施形態では、物体２０の形状は、涙のしずく形状等、一定でないとすることができる。図１４は、例としてのターゲット物体２０を示す。ＥＢＭプロセスでは、図１４の物体は、図４に示すシェル２４のようなシェルから、すなわち、単一密度のシェルから製造され得る。図１４のターゲット物体２０が、幾つかの異なる密度レベル層、例えば図１４に示す２４１、２４２、２４３、及び２４４を有するシェルから同様に製造され得ることが認識されるべきである。詳細なパラメータは、ここでは述べないＡＮＳＹＳソフトウェアのＦＥＭツールを使用することによる等の適切なアルゴリズムに基づいて計算され得る。
【００４８】
他の実施形態では、シェル２４が幾つかの異なる密度レベル層を含むように設計されるとき、各層は、シェル２４の材料、ＨＩＰプロセス、及び他の関連するパラメータに基づいて異なる密度レベル部分を同様に含み得る。図１５は、ＥＢＭプロセスによって製造されるターゲットオブジェクト２０の例示的な実施形態を示す。図１５のターゲットオブジェクト２０のシェル２４は、３つの層２４１、２４２、及び２４３を含む。第１の層２４１の密度レベルは約１００％である。第２の層２４２は、２つの密度レベル部分２４２１及び２４２２を含み、第１の部分２４２１は第２の層２４２の各サイドの中間にある。例えば、第１の部分２４２１の密度レベルは約１００％であり、第２の部分２４２２の密度レベルは約９０％である。すなわち、第１の部分２４２１の密度レベルは第２の部分２４２２より大きい。同様に、第３の層２４３は、約９０％密度レベルを有する第１の部分２４３１及び約８０％密度レベルを有する第１の部分２４３２を含み得る。上記パラメータの配置は、上述した方法７０のステップ７４において計算される。
【００４９】
他の実施形態では、図１６に示す実施形態と比較すると、シェル２４は、シェル２４の内側表面から対向する内側表面まで延在した幾つかの支持リブ２７を更に含み得る。これらの支持リブ２７は、同様に電子ビーム１１２を使用して、支持リブを有する３次元モデルに従って粉末１４２の対応する部分を溶融することによって製造され得る。他の実施形態では、粉末１４２を含むシェル２４は、限定はしないが、先に開示した実施形態の場合と同様に、関連するパラメータに従って異なるタイプで設計され得る。
【００５０】
図１７に関して、別の実施形態では、ターゲット物体を製造するための方法は、ルース粉末から第１の密度レベルを有する多孔性物体３００を形成することを含み、第１の密度レベルは少なくとも約３０％することができ、また他の実施形態では、約５０％より大きいとすることができる。示す実施形態では、多孔性物体３００の密度レベルは約７０％である。多孔性の又は「予成形済みの（ｐｒｅ−ｃｏｍｐａｃｔｅｄ）」物体３００を形成するため、或る量のルース粉末がコンストリクションダイ（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｄｉｅ）（図示せず）内に送られ、第１の密度レベルに緻密化され得る。ルース粉末は、母合金又は合金粉末冶金製品を含み得る素粉末（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ）、混合素粉末（ｂｌｅｎｄｅｄ  ｅｌｅｍｅｎｔａｌ）であるとすることができる。好ましい実施形態では
、多孔性物体の外側表面領域３０２は、細かく分布した孔を有する表面多孔度を有する。孔は、約１０マイクロメータと約１００マイクロメータとの間のサイズを有することができ、そのサイズは、当技術分野で理解されるように、粉末冶金製品のサイズ及び物体の密度レベルに依存する。物体の或る部分の密度レベルを増加させるため、多孔性物体３００は、処理され、それにより、第２の密度レベルを有する処理済み領域３０４を画定する。より具体的には、外側表面領域３０２は、第２の密度レベルを有するように処理される。本明細書で述べるように、「外側表面領域（ｏｕｔｅｒ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｇｉｏｎ）」は、物体の領域であって、外側表面で始まり、物体の仮想軸に向かって物体の本体の内側に横切る、物体の領域を述べることを意味される。更に、本明細書で「外側表面領域」に言及するとき、こうした用語は、先に開示した外側表面領域３０２の全体又は代替的にその一部分だけを包含する。したがって、一実施形態では、処理済み領域３０４は、外側表面領域３０２の全て又は一部を包含し得る。代替的に、処理済み領域３０４は、物体３００の他の部分に配置され得る。
【００５１】
少なくとも１つの実施形態では、外側表面領域３０２が処理されると、処理済み領域３０４の密度レベル、第２の密度レベルは、処理の前に存在した孔が実質的になくなるように少なくとも約９５％である。少なくとも約９５％の密度レベル及び約０．０２５ｍｍと約１ｍｍとの間の厚さによって、処理済み領域３０４は、第１の密度レベルを依然として有する内側部分３０６に対するハーメチックシールとして本質的に働く。処理済み領域３０４の厚さは、シールが形成できるよう、また、ＨＩＰ又はＰＩＦによる等、更なるトランスポーテーション（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ）、処理、及び処理加工、或は、物体がそれによって緻密化又は圧密化され得る任意の他の処理プロセス又は方法を通してシールを維持するために十分な強度が存在するように十分である。多孔性物体３００が処理されると、物体３００は、緻密化又は圧密化されて、少なくとも約９５％密度レベルまた好ましくは約１００％密度レベルを有するターゲット物体３０８を形成する。特に、ＨＩＰ又はＰＩＦプロセス後のターゲット物体３０８の収縮が、他の実施形態に関して上述したのと同じか又は同様の方法で考慮されることになる。ＨＩＰ又はＰＩＦ処理後であるが収縮が起こる前に、多孔性物体３００に対してターゲット物体３０８が所有し得るサイズ及び形状差が示されないことが認識されるであろう。内側未処理領域３０６が第１の密度レベルを含み、処理済み領域３０４が第２の密度レベルを含み得るが、第１の密度と第２の密度との間に正確な輪郭描写点が存在しない場合があることも認識されるであろう。むしろ、第２の密度レベルから第１の密度レベルへの徐々の変化又は密度勾配が存在し得る。
【００５２】
多孔性物体３００を本質的にシールするこうしたアプローチは、ターゲット物体形状及びサイズへの物体３００の圧密化又は緻密化の前に、環境源及び汚染源が多孔性物体３００に浸透することを防止する。更に、本明細書で開示されるアプローチは、低いパッキング密度レベル材料の使用を可能にする。処理済み領域３０４が、当技術分野において典型的な慣行であるように、本明細書で述べる缶の使用を必要としない可能性がある、本質的に原位置での缶であることが認識されるであろう。最後に、缶が全く必要とされないため、（物体と缶との間の相互作用によって生じる）過剰な材料を除去するため緻密化後にターゲット物体３０８を機械加工することは必要でなく、それにより、時間を節約し、歩留りロスを低減する。緻密化済みターゲット物体を生成するためよく知られているプロセスを新しいプロセスで置換するのではなく、本明細書の開示が、ＨＩＰ又はＰＩＦ等の既存の粉末冶金プロセスに対して補足的であるアプローチを教示することが考えられるときに、更なるコスト節約が実現される。
【００５３】
一実施形態では、多孔性物体３００を処理することは、材料溶融プロセスを利用することを含む。外側表面領域３０２の処理を実施するため、溶融プロセスの貫入は、外側表面領域３０２だけが処理されるように一定の深さに限定される。こうした材料溶融プロセス
は、マイクロ波、レーザ溶融、電子ビーム（ＥＢ）溶融、ＴＩＧ溶融、赤外線加熱、並びに、オーバラップする溶融ゾーン及び高品質表面層を生成する表面のラスタースキャンを含む他の溶接肉盛タイププロセスを含み得るが、それに限定されない。局所溶融層もまた、限定はしないが、過渡的液相焼結及び誘導溶融を含むプロセスによって形成され得る。
【００５４】
別の実施形態では、多孔性物体３００を処理することは、外側表面領域３０２における焼結及び拡散による固体処理を含む。こうしたプロセスは、マイクロ波焼結、誘導焼結、及び制御されたレーザ焼結を含むが、それに限定されない。更に別の実施形態では、多孔性物体３００を処理することは、外側表面領域３０２における局所溶融層の形成を含む。
【００５５】
更に別の実施形態では、多孔性物体３００を処理することは、外側表面領域３０２を選択的に機械変形させ、塑性変形させることを含む。変形は、限定はしないが、ピーニング、バニシング、冷間押出し、温間押出し、又は他の変形プロセスを含むプロセスによって達成され、それにより、外側表面領域３０２は、その密度レベルが少なくとも約９５％であるように変形される。
【００５６】
更に別の実施形態では、多孔性物体３００を処理することは、コーティング層で外側表面領域３０２をコーティングすることを含む。好ましくは、コーティング層は、多孔性物体３００がそこから作られる材料に関して非反応性である。こうした非反応性材料は、ガラス又はアルミニウムを含み得る。代替的に、表面と反応して、安定したコーティグ層を形成する材料であって、ベース材料内に又はそれと共に拡散するときに、多孔性物体３００がそこから作られる材料の溶融温度の約１／２の温度以上の温度で負荷を伝達することができる、材料が使用され得る。コーティング層は、外側表面領域３０２全体、又は代替的に、その一部分だけをコートし得る。
【００５７】
更に別の実施形態では、多孔性物体３００を処理することは、クラッディングタイププロセスを含む。こうしたクラッディングタイププロセスは、レーザクラッディング、ＴＩＧオーバレイ、真鍮フォイルクラッディング、コールドスプレー、及び金属塗装等を含むが、それに限定されない。任意選択で、クラッディングタイププロセスが行われると、外側表面領域３０２は、任意選択で、熱処理されて、クラッディングタイプ材料と共に粉末冶金製品を制御された方式で拡散させ、それにより、代替のコーティグ層を形成する。別の実施形態では、図１８を参照すると、多孔性物体４００を処理すること、具体的に、表面領域４０１を処理することは、ゴム、シリコーン、エラストマー、又は他の同様な材料で作られたバッグ４０２内に多孔性物体４００をカプセル化することを含む。多孔性物体４００及びバッグ４０２は、排気され、それにより、両者は真空プロセスを受ける。多孔性物体４００及びバッグ４０２は、その後、或る期間の間、バッグ４０２及び多孔性物体４００の外側表面領域４０１は高温に達するが、多孔性物体４００の内側部分４０３は高温未満の温度（すなわち、室温）であるように高温に加熱される。一実施形態では、高温は、約６００°Ｆと約７００°Ｆとの間である。多孔性物体４００がたった今述べたように加熱されると、加熱済み多孔性物体４００はＰＩＦプロセスを受ける。加熱済み表面領域４０１の流動応力がより冷たい内側部分の流動応力より低いため、ＰＩＦプロセスは、表面領域４０１の緻密化だけをもたらす。他の実施形態と同様に、外側表面領域４０１が処理された後、シェル４０４が形成される。シェル４０４の密度は、少なくとも約３０％の密度を有する内側未処理領域４０６についてハーメチックシールをシェル４０４が提供するように、少なくとも約９５％である。前と同様に、処理済み領域（シェル４０４）と未処理内側領域４０６との間に密度勾配が存在し得る。シェル４０４が形成される、本質的に、原位置での缶を形成するように表面領域４０１が処理されると、物体４００は、ＨＩＰ、ＰＩＦ、又は他のプロセス等のプロセスに従って緻密化され得る。例えば、ＰＩＦプロセスでは、物体４００は、物体がそれから構成される材料（複数可）の融点の関数である高温まで加熱され得る。物体４００は、その後、熱源から取除かれ、約５，０００ｐ
ｓｉと６０，０００ｐｓｉとの間の圧力を受けて、ターゲット物体４０８が形成されるように、少なくとも約９５％の密度、好ましくは１００％の密度に多孔性物体４００を緻密化させる。
【００５８】
本明細書で述べる実施形態の任意の実施形態では、ＨＩＰ処理は、約４５ｋｓｉまでの範囲の圧力でかつ溶融温度の約半分より高いがＨＩＰを受ける材料の固相線より低い温度で実施され得る。他の材料特有の考慮事項は、使用されるＨＩＰ温度の範囲を同様に更に制限する場合があり、したがって、ＨＩＰ処理は、本明細書で述べる圧力及び温度に制限される。ＰＩＦ条件は、約１０ｋｓｉから約６０ｋｓｉの圧力及び溶融温度の約半分より高いがＨＩＰプロセスを受ける材料の固相線より低い予熱温度の範囲であり得る。同様の材料特有の考慮事項は、使用されるＰＩＦ温度の範囲を同様に更に制限する場合があり、したがって、ＰＩＦに関して本明細書で述べる圧力及び予熱温度は、制限的であることを意味されない。
【００５９】
本明細書に記載される開示は、参照によりそれらの全体が本明細書に組込まれる、米国特許第６，７３７，０１７号、第７，３２９，３８１号、及び第７，８９７，１０３号に開示される処理技法を含む他の処理技法と組合せて使用され得る。本明細書に記載される開示は、高品質チタン合金材料の圧密化に特に有用であるが、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、及び材料の他の組合せを含む他の材料系に同様に適用可能である。本明細書で開示するプロセスは、缶等の容器を使用することなく、全ての側でそれ自身の形状を維持するルース粉末材料（母合金又は合金を含有し得る素粉末、混合素粉末）の（本明細書で「予成形済みの形状（ｐｒｅｃｏｍｐａｃｔｅｄ  ｓｈａｐｅ）」とも呼ばれる）多孔性物体３００の外側表面領域３０２上にシールを本質的に作る。予成形済みの形状は、円柱、長方形角柱、六角柱、又は下流での圧密化及び使用に適切である他の３次元形状を含む任意の形状であり得る。プロセスは、コンポーネントになるよう又は正味の若しくはほぼ正味の形状のコンポーネントに直接なるよう更に処理され得る延伸材（バー、ビレット、板、シート、管、パイプ等）に適用され得る。関心のコンポーネントは、ディスク、リング、ブリスク、シャフト、ブレード、ベーン、ケース、管、及び他のコンポーネントのようなタービンエンジン部品；エンジン及び本体部品を含む自動車コンポーネント；産業用コンポーネント；医用物品；スポーツ用品、及び他の適用物を含む。しかし、本発明のこれらの実施形態は、特定の適用物に限定されない。
【００６０】
実施形態のそれぞれにおいて、シェルは、薄いか又は厚くなるように、シェルの内部の材料との急峻な界面を持つように、又は段階的密度界面を持つように選択され得る、圧密化される粉末と同じ材料から作られ得るか又は異なる材料から作られ得る。シェルは、最終産業用部品内に維持され得る、或いは、従来の機械加工プロセス又は他の溶解若しくはエッチングプロセスによって除去され得る。更に、シェルは、一体ダクトであって、初期物体の内部キャビティを排気するために使用され、その後、緻密化処理の前にシールオフされ得る、一体ダクトを含んで、緻密化の前にバルク材料の内部部分から望ましくない気体種の除去を可能にする。更に、この方法によって生成される緻密化物品は、正味の形状、ほぼ正味の形状であり得る、又は、使用する前に鍛造、機械加工、及び／若しくは他の処理経路による、かなりの更なる処理を必要とし得る。好ましくは、物品は、金属材料またより好ましくは金属合金材料で形成されるが、本開示の範囲はそのように限定されない。
【００６１】
本技術が例示的な実施形態を参照して述べられたが、特許請求される本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が行われ、等価物がその要素と置換され得ることが当業者によって理解されるであろう。更に、特許請求される本発明の範囲から逸脱することなく本開示の教示に従って、特定の状況又は材料に適合するため多くの修正が行われ得る。したがって、特許請求される本発明が、開示される特定の実施形態に限定されないこと、し
かし、特許請求される本発明が、添付特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。
【００６２】
上述した全てのこうした目的又は利点が必ずしも任意の特定の実施形態に従って達成され得るわけではないことが理解される。そのため、例えば、本明細書に述べるシステム及び技法が、本明細書で教示又は提案され得る他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化するように具現化又は実行され得ることを当業者は認識するであろう。
以上の開示から以下の付記が提案される。
（付記１）
３次元部品を製造するための方法であって、
緻密化されかつシールされたエンクロージャを形成するため、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、前記エンクロージャの内部に収容された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、及び、
前記緻密化中に前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末と前記エンクロージャとの間の金属結合を実装するため、前記エンクロージャ及び前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施し、それにより、ターゲット３次元部品を形成すること
を含む、方法。
（付記２）
機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施するステップは、付加製造技術を使用することによって実装される、付記１記載の方法。
（付記３）
前記付加製造技術は、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）技術である、付記２記載の方法。
（付記４）
エンクロージャを形成するため前記ＥＢＭ技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、
（ａ）機械加工用粉末層を機械加工用テーブルに搬送すること、
（ｂ）補償済み３次元空間モデルに基づいて前記機械加工用粉末層に対してＥＢＭ機械加工を実施すること、及び、
（ｃ）前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャが機械加工を終了するまでステップ（ａ）に戻ることを含む、付記３記載の方法。
（付記５）
エンクロージャを形成するため前記ＥＢＭ技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、前記補償済み３次元空間モデルを計算することを更に含み、前記補償済み３次元空間モデルを計算することは、
（Ａ）オリジナルの３次元空間モデルを格納することであって、前記オリジナルの３次元空間モデルと機械加工されることを予想されるターゲット３次元部品は同じ形状である、格納すること、
（Ｂ）前記機械加工用粉末を収容し、前記オリジナルの３次元空間モデルの形状と同じ形状を有し、後続の全体的な緻密化機械加工後のものである前記エンクロージャの形状変化を解析すること、
（Ｃ）前記形状変化に基づいて前記補償済み３次元空間モデルを計算すること、及び、
（Ｄ）前記機械加工用粉末を収容し、前記補償済み３次元空間モデルの形状と同じ形状を有し、後続の全体的な緻密化機械加工後のものである前記エンクロージャの形状変化を解析し、前記形状変化後の形状が前記オリジナルの３次元空間モデルの形状と同じである場合、計算を終了し、そうでなければ、前記形状変化に基づいて前記補償済み３次元空間モデルを計算することに戻ることを含む、付記４記載の方法。
（付記６）
前記付加製造技術は、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）技術、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）技術、又は赤外線溶融技術を含む、付記２記載の方法。
（付記７）
エンクロージャを形成するため機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、
気道管を備えるエンクロージャを形成するため、前記付加製造技術によって前記機械加工用粉末を層ごとに機械加工することであって、前記機械加工されたエンクロージャは機械加工用粉末を収容する、機械加工すること、
前記エンクロージャからガスを放出するため、前記気道管を空気取出し装置に接続する
こと、及び、
前記エンクロージャの内部の真空が所定の値に達した後、前記エンクロージャに対してシール処理を実施することを含む、付記６記載の方法。
（付記８）
機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、選択的な機械変形及び塑性変形機械加工技術を使用することによって実装される、付記１記載の方法。
（付記９）
前記選択的な機械変形及び塑性変形機械加工技術は、ピーニング、バニシング、冷間押出し、又は温間押出しを含む、付記８記載の方法。
（付記１０）
機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することは、空気圧静水圧鍛造（ＰＩＦ）技術を使用することによって実装される、及び／又は、前記エンクロージャ及び前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施することは、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）技術又はＰＩＦ技術を使用することによって実装される、付記１記載の方法。
（付記１１）
前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャの最外層の密度レベルは９５％より大きい、付記１記載の方法。
（付記１２）
前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャは少なくとも２つの層を備え、前記密度レベルは外側から内側に徐々に減少する、付記１１記載の方法。
（付記１３）
前記機械加工用粉末を収容する前記エンクロージャの前記最外層を除く他の層の各層は、異なる密度レベルを有する少なくとも２つのセクションを備え、中央セクションの密度レベルは側部セクションの密度レベルより大きい、付記１２記載の方法。
（付記１４）
前記エンクロージャ及び前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して全体的な緻密化処理を実施することは、前記エンクロージャを支持するための支持構造を機械加工するため、前記エンクロージャの前記緻密化中に前記エンクロージャの内部の前記機械加工用粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することを含む、付記１記載の方法。
（付記１５）
３次元部品を製造するための方法であって、
気道管を有する緻密化されたエンクロージャを形成するため、付加製造技術を使用することによって、機械加工用ルース粉末に対して部分的な緻密化処理を実施することであって、前記エンクロージャの内部に配置された機械加工用ルース粉末が依然として存在する、実施すること、
前記エンクロージャからガスを放出するため、前記気道管を空気取出し装置に接続すること、
前記エンクロージャの内部の真空が所定の値に達した後、前記エンクロージャに対してシール処理を実施すること、
前記機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のシール式真空エンクロージャが機械加工されるまで、前記ステップを繰返すこと、及び、
前記緻密化中に前記幾つかのエンクロージャの内部の前記機械加工用粉末と対応するエンクロージャとの間の金属結合を実装するため、前記機械加工用ルース粉末を収容する所定の数のエンクロージャに対して全体的な緻密化処理を同時に実施し、それにより、前記所定の数のターゲット３次元部品を同時に形成すること
を含む、方法。
（付記１６）
３次元部品を製造するための方法であって、
第１の密度レベルを有する浸透性のある多孔性の半完成部品を形成するため、機械加工
用ルース粉末に対して第１の緻密化処理を実施すること、
前記半完成部品の外側表面エリアを、第２の密度レベルを有するシール式エンクロージャに形成するため、前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施すること、及び、
ターゲット３次元部品を形成するため、前記第２の密度レベルを有する前記外側表面エリア及び前記第１の密度レベルを有する内側エリアに対して全体的な緻密化処理を実施すること
を含む、方法。
（付記１７）
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施することは、ＰＩＦ技術を使用することによって実装される、及び／又は、前記第２の密度レベルを有する前記外側表面エリア及び前記第１の密度レベルを有する内側エリアに対して全体的な緻密化処理を実施することは、ＨＩＰ技術又はＰＩＦ技術を使用することによって実装される、付記１６記載の方法。
（付記１８）
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施する前に、前記半完成部品に対して加熱処理を実施することを更に含む、付記１７記載の方法。
（付記１９）
機械加工用ルース粉末に対して第１の緻密化処理を実施することは、機械式圧力を使用することによって実装される、付記１６記載の方法。
（付記２０）
前記第１の密度レベル少なくとも３０％であり、前記第２の密度レベル少なくとも９５％である、付記１６記載の方法。
（付記２１）
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施することは、以下の技術、すなわち、マイクロ波処理、レーザ処理、電子ビーム処理、溶接処理、赤外線加熱処理、マイクロ波焼結、誘導焼結、制御可能レーザ焼結、ピーニング、バニシング、冷間押出し、温間押出し、レーザクラッディング、タングステン不活性ガス溶接、真鍮フォイルクラッディング、コールドスプレー、及び金属塗装のうちの１つを使用することによって実装される、付記１６記載の方法。
（付記２２）
前記半完成部品の前記外側表面エリアに対して第２の緻密化処理を実施することは、前記外側表面エリア上にコーティング層の層をコーティングすることを含む、付記１６記載の方法。
【符号の説明】
【００６３】
１０  ＥＢＭ機
１１  電子ビーム銃
１２  真空チャンバ
１３  構築用テーブル
１４  粉末容器
１５  コントローラ
２０  ターゲット物体
２１  下部表面
２２  側部表面
２３  上部表面
２４、２８  シェル
２５  ダクト
２６  ダクト部
２７  支持リブ
２９  収縮／歪変化（図７）
２９  溶接部（図９Ｃ）
４０  ＨＩＰ機
４２  高圧格納容器
４４  コントローラ
９０  パイプ
１１２  電子ビーム
１３２  構築用プラットフォーム
１４２  粉末
２４１、２４２、２４３、２４４  密度レベル層
２４４  第２の密度レベル層
２４３  第３の密度レベル層
２４２１、２４３１  第１の部分
２４２２、２４３２  第２の部分
３００  多孔性物体
３０２  外側表面領域
３０４  処理済み領域
３０６  内側部分
３０８  ターゲット物体
４００  多孔性物体
４０１  表面領域
４０２  バッグ
４０３  内側部分
４０４  シェル
４０６  未処理領域
４０８  ターゲット物体
Ｘ１  オリジナルの３次元モデル
Ｘ２  補償済みの３次元モデル
【図１】
2020033649.tif 000003
【図２】
2020033649.tif 000004
【図３】
2020033649.tif 000005
【図４】
2020033649.tif 000006
【図５】
2020033649.tif 000007
【図６】
2020033649.tif 000008
【図７】
2020033649.tif 000009
【図８】
2020033649.tif 000010
【図９】
2020033649.tif 000011
【図１０】
2020033649.tif 000012
【図１１】
2020033649.tif 000013
【図１２】
2020033649.tif 000014
【図１３】
2020033649.tif 000015
【図１４】
2020033649.tif 000016
【図１５】
2020033649.tif 000017
【図１６】
2020033649.tif 000018
【図１７】
2020033649.tif 000019
【図１８】
2020033649.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月20日(2019.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット物体を製造するための方法であって、
粉末及び／又は急速焼結支持パターンを含有し、ターゲット物体に対応する緻密化されかつシールされたエンクロージャを含み、体積が前記ターゲット物体の体積よりも大きい補償済み形状をしたシェルを、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）技術を用いて形成することと、
前記補償済み形状を前記ターゲット物体の予想形状に合わせ、前記シールされたエンクロージャ内で前記シェルを前記粉末及び／又は前記急速焼結支持パターンに冶金結合することによって、前記ターゲット物体を形成する、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理又は空気圧静水圧鍛造（ＰＩＦ）処理を、前記粉末及び／又は前記急速焼結支持パターンを含有する前記シェルに施すことと、
を含む方法。
【請求項２】
（Ａ）前記ターゲット物体と同じ形状であるオリジナルの３次元空間モデルを格納することと、
（Ｂ）前記ＨＩＰ処理又は前記ＰＩＦ処理から予想される、前記シェルの形状変化を解析することと、
（Ｃ）少なくとも部分的に前記形状変化に基づいて、前記補償済み形状に対応する補償済み３次元空間モデルを計算することと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シェルを形成することが、
延在する気道管を備えるエンクロージャを形成することと、
前記気道管を空気取出し装置に接続することと、
前記エンクロージャからガスを取り出して、前記エンクロージャ内を真空にすることと、
前記エンクロージャをシールして、前記シールされたエンクロージャを形成することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＨＩＰ処理又は前記ＰＩＦ処理を前記シェルに施す前に、前記シェルの外側表面を選択的に機械変形及び塑性変形することを更に含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記選択的に機械変形及び塑性変形することが、ピーニング、バニシング、冷間押出し、又は温間押出しを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ＰＩＦ処理を実施することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記シェルが最外層を備え、前記最外層の密度レベルが９５％より大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記シェルが少なくとも２つの層を備え、前記少なくとも２つの層の密度レベルが外側から内側に徐々に減少する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも２つの層が１つ以上の内側層を含み、前記内側層の少なくとも１つが中央セクション及び側部セクションを備え、前記中央セクションの密度レベルが前記側部セクションの密度レベルより大きい、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記急速焼結支持パターンを、前記ＥＢＭ技術を用いて形成することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＨＩＰ処理を実施することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ターゲット物体が、タービンエンジン部品を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記タービンエンジン部品が、ディスク、リング、ブリスク、シャフト、ブレード、ベーン、ケース、又は管を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法に従って、複数のターゲット物体を同時に形成することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
ターゲット物体を製造するための方法であって、
粉末及び／又は急速焼結支持パターンを含有し、ターゲット物体に対応する緻密化されかつシールされたエンクロージャを含み、体積が前記ターゲット物体の体積よりも大きい補償済み形状をしたシェルを、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）技術を用いて形成することと、
前記補償済み形状を前記ターゲット物体の予想形状に合わせ、前記シールされたエンクロージャ内で前記シェルを前記粉末及び／又は前記急速焼結支持パターンに冶金結合することによって、前記ターゲット物体を形成する、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理又は空気圧静水圧鍛造（ＰＩＦ）処理を、前記粉末及び／又は前記急速焼結支持パターンを含有する前記シェルに施すことと、
を含む方法であって、
前記シェルが、密度レベルが９５％より大きい最外層を備え、前記シェルの密度レベルが、外側から内側に徐々に減少する方法。