(57)【要約】  構築面にマスクパターンを印刷するように構成された印刷ステーションであって、マスクパターンが凝固可能な材料により形成されている印刷ステーション；粉末材料の層をマスクパターン上に塗布するように構成された粉末送達ステーション；粉末材料の層およびマスクパターンを圧縮するためのダイ圧縮ステーション；構築トレイを印刷ステーション、粉末送達ステーション、およびダイ圧縮ステーションの各々に繰返し前進させて、全体で三次元グリーンコンパクトを形成する複数の層を構築するように構成されたステージ；を備えた、三次元グリーンコンパクトを構築するためのシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構築面にマスクパターンを印刷するように構成された印刷ステーションであって、マスクパターンが凝固可能な材料により形成されている印刷ステーションと、
粉末材料の層をマスクパターン上に塗布するように構成された粉末送達ステーションと、
粉末材料の層およびマスクパターンを圧縮するためのダイ圧縮ステーションと、
構築トレイを印刷ステーション、粉末送達ステーション、およびダイ圧縮ステーションの各々に繰返し前進させて、全体で三次元グリーンコンパクトを形成する複数の層を構築するように構成されたステージと
を備えた、三次元グリーンコンパクトを構築するためのシステム。
【請求項２】
三次元グリーンコンパクトは、形成される物体と支持領域とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
凝固可能な材料は、相変化インク、感熱インク、フォトポリマー材料、ワックス、またはそれらの任意の組合せから成る群から選択される、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
相変化インクは、１００℃を超える温度で実質的に蒸発するように構成される、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
粉末材料はアルミニウム合金である、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
粉末送達ステーションは粉末吐出ステーションと粉末展着ステーションとを含む、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
粉末送達ステーションは、粉末材料を貯蔵するように構成された粉末ホッパと、粉末材料を吐出するように構成された吐出チップと、吐出チップからの粉末材料を受容するように構成された粉末吐出トレイと、粉末吐出トレイ上の粉末材料を構築トレイに送達するように構成されたアクチュエータとを含む、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
粉末吐出トレイは、粉末材料を受容するように構成された複数のトラフを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
ホッパが粉末吐出トレイの複数のトラフの各々に粉末を吐出するように、粉末吐出トレイを前進させるように構成された第１レールを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
アクチュエータは、複数のトラフを同時にフリップするように構成される、請求項８又は９に記載のシステム。
【請求項１１】
アクチュエータは、複数のトラフの各々の底部に位置する長手方向のアパーチャを同時に開口させるように構成される、請求項８又は９に記載のシステム。
【請求項１２】
ホッパが粉末吐出トレイのトラフに沿って粉末を吐出するように、粉末吐出トレイを前進させるように構成された第２レールを含む、請求項７〜１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
ホッパはオーガを含み、それを介して粉末材料を吐出チップ内に制御可能に前進させる、請求項７〜１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
粉末送達ステーションはローラを含み、ローラは粉末材料を展着するために回転しながら層を横切って移動するように作動する、請求項７〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
ローラは前転ローラである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
粉末送達ステーションは、ローラが層を横切って移動する間に構築トレイの縁部から落下する余分な粉末材料を受容するように構成された複数のガターを含む、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１７】
複数のガターは、粉末材料の展着中にローラと共に移動するように作動する第１対のガターを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
第１対のガターはローラの側方端の下に位置する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
第１対のガターにおける各ガターは、ローラの直径の少なくとも２倍の長さを有し、ローラの側方端の両側に延在する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１対のガターに蓄積された粉末は、空気吸引を介して粉末材料の展着中に、ガターの内部空間から連続的に除去される、請求項１７〜１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項２１】
複数のガターは、構築トレイを横切るローラの移動方向に対して、構築トレイの前端および後端に配置される第２対のガターを含む、請求項１７〜２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項２２】
第２対のガターは、構築トレイに近づいたり遠ざかるように作動する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
第２対のガターはローラの高さに位置し、前記ガターに蓄積された粉末を除去するように、空気吸引が適用される、請求項２１又は２２に記載のシステム。
【請求項２４】
第１対のガターに適用される空気吸引がスイッチオフされている場合、空気吸引は第２対のガターに適用される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
粉末送達ステーションは余分な粉末材料を粉末ホッパに再循環させるように構成される、請求項１６〜２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項２６】
粉末送達ステーションは、複数のガターから回収された粉末材料から空気を除去するように構成された、少なくとも１つのサイクロンセパレータを含む、請求項１６〜２５のいずれかに記載のシステム。
【請求項２７】
粉末送達ステーションは、直列作動する複数のサイクロンセパレータを含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
少なくとも１つのサイクロンセパレータは、サイクロンセパレータの動作中に出口を封止するように構成されたキャップを含む、請求項２６又は２７に記載のシステム。
【請求項２９】
粉末送達ステーションは、粉末材料を粉末ホッパに送達する前に粉末材料をデブリから分離するように構成されたメッシュを含む、請求項１６〜２８のいずれかに記載のシステム。
【請求項３０】
ダイ圧縮ステーションは、構築トレイの周囲に導入されるように構成された側壁を含む、請求項１〜２６のいずれかに記載のシステム。
【請求項３１】
側壁は、圧縮ステーションに対する層の接触に基づいて構築トレイの周囲に導入されるように構成される、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれかに記載の三次元グリーンコンパクトを構築するためのシステムと、第２圧縮ステーション、加熱ステーション、焼結ステーション、およびそれらの任意の組合せから成る群から選択された後処理ステーションとを含む、三次元物体を形成するためのシステム。
【請求項３３】
凝固可能な材料により構築面にマスクパターンを印刷するステップと、粉末材料をマスクパターン上に展着することによって層を形成するステップと、層を圧縮するステップと、三次元グリーンコンパクトが完成するまで印刷、形成、および圧縮を繰り返すステップとを含む、三次元グリーンコンパクトを構築するための方法。
【請求項３４】
三次元グリーンコンパクトは、形成される物体と、支持領域とを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
粉末材料を展着するステップは、複数の列の粉末材料を構築面上に吐出するステップと、複数の列の粉末材料をローラにより展着するステップとを含む、請求項３３又は３４に記載の方法。
【請求項３６】
複数の列の粉末材料は、構築トレイ上に吐出する前にオフラインで用意される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
複数の列の粉末材料は、展着方向に対し直角に配置される、請求項３５又は３６に記載の方法。
【請求項３８】
展着ステップは、粉末材料上でローラを転動させることを含む、請求項３３〜３７のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
展着方向は粉末層毎に次々に反転される、請求項３３〜３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
複数の列の粉末の配置は粉末層毎に次々に変化する、請求項３３〜３９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
展着中に構築面の縁部から落下する余分な粉末材料を回収するステップと、余分な粉末材料を粉末ホッパに再循環させるステップとをさらに含む、請求項３３〜４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
回収ステップおよび再循環ステップは、オンラインで実行される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
余分な粉末を少なくとも１つのサイクロンセパレータに吸引するステップと、少なくとも１つのサイクロンセパレータ内で粉末を空気から分離するステップとを含む、請求項４１又は４２に記載の方法。
【請求項４４】
複数のサイクロンセパレータを直列作動させるステップを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
少なくとも１つのサイクロンセパレータからの粉末材料をメッシュで濾過するステップと、メッシュを介して濾過された粉末材料を粉末ホッパに送達するステップとを含む、請求項４３又は４４に記載の方法であって、粉末ホッパは、三次元グリーンコンパクトを構築するための粉末材料を提供する、方法。
【請求項４６】
圧縮中に熱を加えるステップを含む、請求項３３〜４５のいずれかに記載の方法。
【請求項４７】
圧縮はダイ圧縮である、請求項３３〜４６のいずれかに記載の方法。
【請求項４８】
マスクパターンは層毎のグリーンコンパクトの輪郭を含む、請求項３３〜４７のいずれかに記載の方法。
【請求項４９】
印刷ステップ、形成ステップ、および圧縮ステップは周囲温度で実行される、請求項３３〜４８のいずれかに記載の方法。
【請求項５０】
最初の層は、粘着性材料で被覆された構築トレイ上に形成される、請求項３３〜４９のいずれかに記載の方法。
【請求項５１】
請求項３３〜５０のいずれかに記載の方法に従って三次元グリーンコンパクトを構築するステップであって、前記三次元グリーンコンパクトが物体と凝固可能な材料を含む支持領域とを備える、ステップと、凝固可能な材料を除去し、物体を支持領域から分離し、物体を焼結することによってグリーンコンパクトを後処理するステップとを含む、三次元物体を形成する方法。
【請求項５２】
凝固可能な材料を除去し、物体を支持領域から分離することは、焼結の前に実行される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
凝固可能な材料を除去することは、焼結中に実行される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
後処理ステップは、グリーンコンパクトを全体として圧縮することをさらに含む、請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２０１６年４月１１日出願の米国仮特許出願第６２／３２０６５５号及び２０１７年３月２０日出願の米国仮特許出願第６２／４７３６０５号の優先権の利益を、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下で主張するものであり、この仮出願の内容全体を参照によって本書に援用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、その一部の実施形態では、粉末材料の層による三次元（３Ｄ）印刷に関し、さらに詳しくは、粉末金属を構築材料とする金属物体の３Ｄ印刷に関するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００３】
粉末材料の連続層による３Ｄ印刷によって立体的物体を作製するための多数の様々なプロセスが知られている。一部の公知の３Ｄ印刷技法は、物体の３Ｄモデルに基づいて液体結合材を選択的に塗布し、層毎に材料を結合して立体構造物を形成する。一部のプロセスでは、構築プロセスの最後に材料の結合をさらに強化するように、物体は加熱および／または焼結される。
【０００４】
選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）は、粉末材料の層を焼結するためのパワー源としてレーザを使用する。レーザは３Ｄモデルによって画定される空間内の点に照準するように制御され、材料を層毎に結合して立体構造を形成する。選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）は、焼結の代わりに材料の完全な溶融を適用する同等の技法である。ＳＬＭは、通常、粉末の溶融温度が均一であるとき、例えば純金属粉末が構築材料として使用されるときに適用される。
【０００５】
内容を本願明細書に援用する「ＭＯＬＤＩＮＧ  ＰＲＯＣＥＳＳ」と題する米国特許第４２４７５０８号明細書は、３Ｄ物品を層状に形成するための成形プロセスを記載している。一実施形態では、材料の平面的な層が順次堆積される。各層において、次の層の堆積前に、その領域の一部分が凝固され、その層における物品のその部分が画定される。各層の選択的凝固は、熱および選択されたマスクを使用することによって、または制御された熱走査プロセスを使用することによって達成され得る。レーザを使用して各層を選択的に溶解する代わりに、各層毎の別々のマスク、および熱源を使用してもよい。マスクはそれに関連する層の上に配置され、熱源はマスクの上に位置する。マスクの開口部を通過する熱は、マスクの開口から露出した粒子を融合させる。直接加熱に曝露されない粒子は溶解しない。
【０００６】
内容を本願明細書に援用する「ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ  ＢＥＡＭ  ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ」と題する米国特許第５０７６８６９号明細書は、粉末の層を選択的に焼結し、複数の焼結された層を含む部品を生産する方法および装置を記載している。装置は、レーザエネルギーを粉末上に向かわせて焼結塊を生産するようにレーザを制御するコンピュータを含む。各断面に対し、レーザビームの照準は粉末の層上で走査され、ビームは断面の境界内の粉末だけを焼結するようにスイッチオンされる。完成した部品が形成されるまで、粉末が塗布され、連続層が焼結される。粉末は異なる解離温度または接合温度を有することが好ましい。粉末は配合材料または被覆材料を含むことが好ましい。
【０００７】
内容を本願明細書に援用する「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ３Ｄ  ＰＲＩＮＴＩＮＧ  ＢＹ  ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ  ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ」と題する国際公開第２０１５／１７０３３０号パンフレットは、構築トレイ上に粉末の層を設けるステップと、層にダイ圧縮を実行するステップと、ダイ圧縮された層を選択的レーザ焼結または選択的レーザ溶融により焼結するステップと、三次元物体が完成するまで層を設けること、ダイ圧縮、および層毎の焼結を繰り返すステップとを含む、３Ｄ印刷により物体を形成する方法を開示している。開示された選択的焼結は、焼結すべき層の部分のネガを画定するマスクパターンによる。
【発明の概要】
【０００８】
本開示の一部の実施形態の態様によれば、粉末層を用いる３Ｄ印刷のためのシステムおよび方法が提供される。このシステムおよび方法は、粉末金属を構築材料として金属物体を形成するために適用することができる。任意選択的に、プラスチックおよびセラミックのような他の粉末材料を使用してもよい。一部の例示的実施形態によれば、最初に各層のためのマスクが、凝固可能な材料、例えばフォトポリマー材料または相変化インク（例えば感熱インク）を堆積する三次元プリンタにより印刷され、次いで、マスク上に粉末層を展着することによって層が形成される。一般的にマスクは凝固可能な材料のパターンを描く。複数の層から形成される物体は、凝固可能な材料で物体の輪郭を描きかつ物体を周囲の領域、例えば支持領域から分離する、マスクパターンによって画定される。
【０００９】
一部の例示的実施形態では、印刷金属物体（「グリーン体」ともいう）はグリーンコンパクト（「グリーンブロック」ともいう）内で形成され、その後、層構築プロセスの最後に炉内で焼結される。一部の実施形態では、マスクパターンを形成する凝固可能な材料は、焼結前に専用の加熱プロセス中に燃焼、融解、または蒸発され、物体は、周囲の支持領域（支持体または支持領域もしくは支持部ともいう）を除去することによって、グリーンコンパクトから取り出される。一部の例示的実施形によれば、層毎に適用されるマスクパターンは、物体を取り囲む支持領域を層構築プロセスの最後に物体から容易に分離され得る部分に分割する、凝固可能な材料から形成された分割壁をもたらす。
【００１０】
本発明の一態様では、構築面にマスクパターンを印刷するように構成された印刷ステーションであって、マスクパターンが凝固可能な材料により形成されている印刷ステーションと、粉末材料の層をマスクパターン上に塗布するように構成された粉末送達ステーションと、粉末材料の層およびマスクパターンを圧縮するためのダイ圧縮ステーションと、構築トレイを印刷ステーション、粉末送達ステーション、およびダイ圧縮ステーションの各々に繰返し前進させて、全体で三次元グリーンコンパクトを形成する複数の層を構築するように構成されたステージとを備えた、三次元グリーンコンパクトを構築するためのシステムを提供する。
【００１１】
任意選択的に、三次元グリーンコンパクトは、形成される物体と支持領域とを含む。
【００１２】
任意選択的に、凝固可能な材料は、相変化インク、感熱インク、フォトポリマー材料、ワックス、またはそれらの任意の組合せから成る群から選択される。
【００１３】
任意選択的に、相変化インクは３００℃を超える温度で実質的に蒸発するように構成される。
【００１４】
任意選択的に、粉末材料はアルミニウム合金である。
【００１５】
任意選択的に、粉末送達ステーションは粉末吐出ステーションと粉末展着ステーションとを含む。
【００１６】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、粉末材料を貯蔵するように構成された粉末ホッパと、粉末材料を吐出するように構成された吐出チップと、吐出チップからの粉末材料を受容するように構成された粉末吐出トレイと、粉末吐出トレイ上の粉末材料を構築トレイに送達するように構成されたアクチュエータとを含む。
【００１７】
任意選択的に、粉末吐出トレイは、粉末材料を受容するように構成された複数のトラフを含む。
【００１８】
任意選択的に、システムは、ホッパが粉末吐出トレイの複数のトラフの各々に粉末を吐出するように、粉末吐出トレイを前進させるように構成された第１レールを含む。
【００１９】
任意選択的に、アクチュエータは、複数のトラフを同時にフリップするように構成される。
【００２０】
任意選択的に、アクチュエータは、複数のトラフの各々の底部に位置する長手方向のアパーチャを同時に開口させるように構成される。
【００２１】
任意選択的に、システムは、ホッパが粉末吐出トレイのトラフに沿って粉末を吐出するように、粉末吐出トレイを前進させるように構成された第２レールを含む。
【００２２】
任意選択的に、ホッパはオーガを含み、それを介して粉末材料を吐出チップ内に制御可能に前進させる。
【００２３】
任意選択的に、粉末送達ステーションはローラを含み、ローラは粉末材料を展着するために回転しながら層を横切って移動するように作動する。
【００２４】
任意選択的に、ローラは前転ローラである。
【００２５】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、粉末材料を展着するためにローラが層を横切って移動する間に構築トレイの縁部から落下する余分な粉末材料を受容するように構成された複数のガターを含む。
【００２６】
任意選択的に、複数のガターは、粉末材料の展着中にローラと共に移動するように作動する第１対のガターを含む。
【００２７】
任意選択的に、第１対のガターはローラの側方端の下に位置する。
【００２８】
任意選択的に、第１対のガターにおける各ガターは、ローラの直径の少なくとも２倍の長さを有し、ローラの側方端の両側に延在する。
【００２９】
任意選択的に、前記第１対のガターに蓄積された粉末は、空気吸引を介して粉末材料の展着中に、ガターの内部空間から連続的に除去される。
【００３０】
任意選択的に、複数のガターは、構築トレイを横切るローラの移動方向に対して、構築トレイの前端および後端に配置される第２対のガターを含む。
【００３１】
任意選択的に、第２対のガターは、構築トレイに近づいたり遠ざかるように作動する。
【００３２】
任意選択的に、第２対のガターはローラの高さに位置し、前記ガターに蓄積された粉末を除去するように、空気吸引が適用される。
【００３３】
任意選択的に、第１対のガターに適用される空気吸引がスイッチオフされている場合、空気吸引は第２対のガターに適用される。
【００３４】
任意選択的に、粉末送達ステーションは余分な粉末材料を粉末ホッパに再循環させるように構成される。
【００３５】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、複数のガターから回収された粉末材料から空気を除去するように構成された、少なくとも１つのサイクロンセパレータを含む。
【００３６】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、直列作動する複数のサイクロンセパレータを含む。
【００３７】
任意選択的に、少なくとも１つのサイクロンセパレータは、サイクロンセパレータの動作中に出口を封止するように構成されたキャップを含む。
【００３８】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、粉末材料を粉末ホッパに送達する前に粉末材料をデブリから分離するように構成されたメッシュを含む。
【００３９】
任意選択的に、ダイ圧縮ステーションは、構築トレイの周囲に導入されるように構成された側壁を含む。
【００４０】
任意選択的に、側壁は、圧縮ステーションに対する層の接触に基づいて構築トレイの周囲に導入されるように構成される。
【００４１】
本発明の一態様では、上述の通り三次元グリーンコンパクトを構築するためのシステムと、第２圧縮ステーション、加熱ステーション、焼結ステーション、およびそれらの任意の組合せから成る群から選択された後処理ステーションとを含む、三次元物体を形成するためのシステムを提供する。
【００４２】
本発明の一態様では、凝固可能な材料により構築面にマスクパターンを印刷するステップと、粉末材料をマスクパターン上に展着することによって層を形成するステップと、層を圧縮するステップと、三次元グリーンコンパクトが完成するまで印刷、形成、および圧縮を繰り返すステップとを含む、三次元グリーンコンパクトを構築するための方法を提供する。
【００４３】
任意選択的に、三次元グリーンコンパクトは、形成される物体と、支持領域とを含む。
【００４４】
任意選択的に、粉末材料を展着するステップは、複数の列の粉末材料を構築面上に吐出するステップと、複数の列の粉末材料をローラにより展着するステップとを含む。
【００４５】
任意選択的に、複数の列の粉末材料は、構築トレイ上に吐出する前にオフラインで用意される。
【００４６】
任意選択的に、複数の列の粉末材料は、展着方向に対し直角に配置される。
【００４７】
任意選択的に、展着ステップは、粉末材料上でローラを転動させることを含む。
【００４８】
任意選択的に、展着方向は粉末層毎に次々に反転される。
【００４９】
任意選択的に、複数の列の粉末の配置は粉末層毎に次々に変化する。
【００５０】
任意選択的に、方法は、展着ステップに基づいて構築面から余分な粉末材料を回収するステップと、余分な粉末材料を粉末ホッパに再循環させるステップとを含む。
【００５１】
任意選択的に、回収ステップおよび再循環ステップは、オンラインで実行される。
【００５２】
任意選択的に、方法は、余分な粉末を少なくとも１つのサイクロンセパレータに吸引するステップと、少なくとも１つのサイクロンセパレータ内で粉末を空気から分離するステップとを含む。
【００５３】
任意選択的に、方法は、複数のサイクロンセパレータを直列作動させるステップを含む。
【００５４】
任意選択的に、方法は、少なくとも１つのサイクロンセパレータからの粉末材料をメッシュで濾過するステップと、メッシュを介して濾過された粉末材料を粉末ホッパに送達するステップとを含み、粉末ホッパは、三次元グリーンコンパクトを構築するための粉末材料を提供する。
【００５５】
任意選択的に、方法は、圧縮中に熱を加えるステップを含む。
【００５６】
任意選択的に、圧縮はダイ圧縮である。
【００５７】
任意選択的に、マスクパターンは層毎のグリーンコンパクトの輪郭を含む。
【００５８】
任意選択的に、印刷ステップ、形成ステップ、および圧縮ステップは周囲温度で実行される。
【００５９】
任意選択的に、最初の層は粘着性材料で被覆された構築トレイ上に形成される。
【００６０】
本発明の一態様では、上述した方法に従って三次元グリーンコンパクトを構築するステップであって、前記三次元グリーンコンパクトが物体と凝固可能な材料を含む支持領域とを備える、ステップと、凝固可能な材料を除去し、物体を支持領域から分離し、物体を焼結することによってグリーンコンパクトを後処理するステップとを含む、三次元物体を形成する方法を提供する。
【００６１】
任意選択的に、凝固可能な材料を除去し、物体を支持領域から分離することは、焼結の前に実行される。
【００６２】
任意選択的に、凝固可能な材料を除去することは、焼結中に実行される。
【００６３】
任意選択的に、後処理ステップは、グリーンコンパクトを全体として圧縮することをさらに含む。
【００６４】
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の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。本明細書に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
本明細書では本発明のいくつかの実施形態を単に例示し添付の図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。
【００６６】
【図１】図１は、本発明の一部の実施形態に係る例示的３Ｄ印刷システムの簡略模式図である。
【００６７】
【図２】図２は、本発明の一部の実施形態に係る、物体を画定するためにマスクの層を印刷するための例示的プリンタの簡略ブロック図である。
【００６８】
【図３Ａ−３Ｂ】図３Ａ−３Ｂは、本発明の一部の実施形態に係る、構築トレイに印刷された２種類のマスク層パターンの簡略模式表現である。
【００６９】
【図４】図４は、本発明の一部の実施形態に係る粉末吐出ステーションの簡略ブロック図である。
【００７０】
【図５】図５は、本発明の一部の実施形態に係る粉末展着ステーションの簡略ブロック図である。
【００７１】
【図６】図６は、本発明の一部の実施形態に係る、印刷されたマスクパターンおよび粉末材料を含むグリーンコンパクト層の簡略模式断面図である。
【００７２】
【図７Ａ−７Ｂ】図７Ａ−７Ｂは、本発明の一部の実施形態に係る、それぞれ解放状態および圧縮状態の例示的圧縮システムの簡略模式図である。
【００７３】
【図８Ａ−８Ｂ】図８Ａ−８Ｂは、本発明の一部の実施形態に係る、それぞれ圧縮状態および圧縮後の状態を示す圧縮システムのための例示的剥離防止機構の簡略模式図である。
【００７４】
【図９】図９は、本発明の一部の実施形態に係る、圧縮プロセス後でフライス加工前の層の簡略模式表現である。
【００７５】
【図１０】図１０は、本発明の一部の実施形態に係る、物体を形成するための３つの印刷された層の簡略模式表現である。
【００７６】
【図１１】図１１は、本発明の一部の実施形態に係る、３Ｄ印刷によりグリーンコンパクトの層を構築する例示的方法の簡略フローチャートである。
【００７７】
【図１２】図１２は、本発明の一部の実施形態に係る、３Ｄ印刷に基づいて物体を形成する例示的方法の簡略フローチャートである。
【００７８】
【図１３】図１３は、本発明の一部の実施形態に係る例示的な層毎の構築プロセスの簡略模式図である。
【００７９】
【図１４】図１４は、本発明の一部の実施形態に係る例示的構築プロセスの簡略ブロック図である。
【００８０】
【図１５】図１５は、本発明の一部の実施形態に係る例示的印刷システムの画像である。
【００８１】
【図１６】図１６は、本発明の一部の実施形態に係る粉末ディスペンサの例図である。
【００８２】
【図１７】図１７は、本発明の一部の実施形態に係るローラ、構築トレイ、および周囲ガターの例図である。
【００８３】
【図１８】図１８は、本発明の一部の実施形態に係る粉末再循環システムの例図である。
【発明を実施するための形態】
【００８４】
本発明は、その一部の実施形態では、粉末材料の層による三次元（３Ｄ）印刷に関し、さらに詳しくは、粉末金属を構築材料とする金属物体の３Ｄ印刷に関するが、それに限定されない。
【００８５】
本書で使用する場合、用語「凝固可能な材料」とは、液体であるか、あるいは液化して堆積を可能にすることができ、かつ構築面に堆積されたときに凝固することのできる材料を指す。凝固可能な材料の一例として凝固性インクがあり、それは構築面に印刷されるときは液体であり、構築面上で凝固することができる。凝固性インクの非限定的例として、光硬化性ポリマー（「フォトポリマー材料」ともいう）、ワックスがその一例である感熱インク（「相変化インク」ともいう）、およびそれらの任意の組合せが挙げられる。本書で使用する場合、感熱インクおよび相変化インクは置換可能な用語であり、室温（例えば約２５℃）で固体であり、融点が１２０℃未満であり、融点温度から１２０℃の間で５０ｃＰｓ未満の粘度を有し、１００℃を超える温度で実質的に炭素無痕跡で蒸発する材料と定義することができる。実質的に、炭素無痕跡とは５ｗｔ％未満または１ｗｔ％未満と定義される。一部の例示的実施形態では、感熱インクは５５〜６５℃の溶融温度および６５〜７５℃の作業温度を有し、粘度は１５〜１７ｃＰｓであってよい。本発明の実施形態によれば、感熱インクは、炭素痕跡をほとんどまたは全く残さずに、加熱に反応して蒸発するように構成される。
【００８６】
本書で使用する場合、用語「グリーンコンパクト（ｇｒｅｅｎ  ｃｏｍｐａｃｔ）」および「グリーンブロック（ｇｒｅｅｎ  ｂｌｏｃｋ）」とは、置換可能に、凝固可能な材料のマスク上に粉末材料を展着することによって形成される層の連続的圧縮によって形成されるブロックを指す。グリーンコンパクトは通常、その体積中に、「グリーン体」とも呼ばれる構築される１つ以上の物体と、グリーン体の周囲の支持領域と、凝固可能な材料とを含む。凝固可能な材料はグリーン体の輪郭を画定し、周囲領域をより容易に除去される小領域に分割するために使用することができる。グリーンコンパクトの特定の層に言及する場合、グリーン体は「モデル領域」（または「物体領域」）として現われ、支持領域は１つ以上の「支持領域」として現われる。
【００８７】
本書で使用する場合、用語「マスク」および「マスクパターン」とは、置換可能に、凝固可能な材料を構築面（例えば構築トレイ、先行する層）に堆積することによって形成される構造を指す。マスクパターンは一般的に、凝固可能な材料の凝固の結果得られる、線、点、隅部、外周、または任意の他の幾何学的構造のような１つ以上の立体構造要素を含む。凝固可能な材料は自発的に、または外部トリガ、例えばＵＶ光の作動の後に、凝固することができる。
【００８８】
本書で使用する場合、用語「印刷ステーション」または「３Ｄ印刷ステーション」は、１つ以上の凝固可能な材料を構築面に堆積するのに適した何らかの装置を含む。印刷ステーションはプリントヘッド、押出器、および／または当該技術分野で知られているその他の適切な手段を含むことができる。
【００８９】
本発明の一部の実施形態では、相変化インク、感熱インク、フォトポリマー材料、ワックス、またはそれらの任意の組合せのような少なくとも１つの凝固可能な材料により形成されたマスクパターンを使用して、焼結するための物体を構築するための３Ｄ印刷システムおよび方法を提供する。任意選択的に、感熱インクは炭素含有量が低く、かつ加熱に反応して炭素痕跡をほとんどまたは全く残さずに蒸発するように構成される。一部の例示的実施形態では、システムおよび方法は、アルミニウムのような純金属により構築物体に適用される。システムおよび方法は純アルミニウムの使用に限定されず、金属合金、プラスチック、セラミック、および／または様々な材料の組合せによる構築に使用することもできることが注目される。
【００９０】
本発明の一部の実施形態によれば、システムは、構築トレイと、マスクパターンを印刷するための３Ｄプリンタと、粉末材料をマスク全体に塗布するためのスプレッダ付き粉末ディスペンサと、層を圧縮するための第１圧縮ユニットと、任意選択的に、各層の上面を削るフライス加工（または研削）ユニットとを含む。一部の例示的実施形によれば、被制御リニア駆動装置は、複数の層を構築するために、構築トレイを３Ｄプリンタ（「デジタル印刷ステーション」または「印刷ステーション」ともいう）、粉末吐出ステーションおよび粉末展着ステーション（これらは、一部の実施形態では、「粉末送達ステーション」に組み込まれる）、ならびに圧縮ステーション（「プロセス圧縮ステーション」ともいう）の各々に繰返し前進させることができる。任意選択的に、構築トレイは、最初の層を構築する前に接着剤のような粘着性材料により被覆される。
【００９１】
一部の例示的実施形態では、システムはさらに、層構築プロセスの最後に複数の層をそれぞれ圧縮しかつ次いで焼結するための第２圧縮ステーションおよび炉焼結ステーションを含む。一部の実施形態では、マスクは焼結プロセスの第１ステージ中に（特定の状態およびガス環境で）燃焼し、次いで複数の層が融合される。一部の他の実施形態では、マスクは感熱インクから形成され、感熱インクは、焼結前または焼結中に専用の加熱プロセスで燃焼するのとは対照的に、蒸発するように構成される。専用の加熱プロセス後、または焼結後に、物体は周囲材料から分離される。
【００９２】
一部の例示的実施形によれば、粉末ディスペンサは層毎に複数の列の粉末材料を展着させる。一部の例示的実施形態では、列は、それらがスプレッダと平行になるように、例えばスプレッダの回転軸と平行に、かつ構築トレイを横切るローラの直線運動に対し直角に、構築トレイ上に配置される。任意選択的に、層毎に２〜２０列の粉末が展着される。一部の例示的実施形態では、列は複数のトラフを含む展着トレイ上にオフラインで展着され、次いで（例えば複数のトラフを同時に開口またはフリップすることによって）構築トレイに移される。構築トレイ上の複数の列の吐出は、スプレッダが粉末を構築トレイ上により均一に展着させるのに役立つように構成することができ、かつ構築トレイ全体の層の高さを一定に維持することもできる。スプレッダは通常、定義された直径を持つローラであり、構築トレイを横切って移動しながら転動して粉末を展着させるように作動する。展着中に、余分な粉末は、構築トレイの周りに配置されたガター内に回収することができる。
【００９３】
一部の例示的実施形態によれば、ガター内に回収された粉末は容器内に、例えばその後の層を構築するための粉末の供給を含むホッパ内に混合される。ガター内に材料を回収し、かつ材料を粉末再循環システム内を前進させるために、吸引を適用することができる。一部の例示的実施形態では、過剰な量の粉末が層毎に構築トレイに吐出され、粉末の均一な層が展着されるのを容易にする。任意選択的に、吐出される粉末の量は各層に使用される量の２〜５倍である。展着中に、層毎に吐出された粉末の比較的大きい部分がガター内に押し込まれ、再循環してホッパ内に戻る。任意選択的に、再循環された粉末はホッパ内の粉末供給内に能動的に混合される。
【００９４】
一部の例示的実施形態では、ガターは構築トレイの四辺の各々に配置される。一部の例示的実施形態では、（ローラの移動方向に対して）前後のガターは小さい範囲の運動を有し、粉末を回収するためにそれらが構築トレイの方向に移動することを可能にし、かつ構築トレイが垂直方向および横方向に移動しかつ次のステーションに前進することができるように、構築トレイから遠ざかることを可能にする。任意選択的に、吐出された粉末の５０％〜８０％はガター内に回収されて再循環される。粉末再循環システムは粉末のより効率的な使用を容易にし、かつ粉末の不要な蓄積を回避する。
【００９５】
一部の例示的実施形態では、粉末再循環システムは、余分な粉末を回収するガターと、余分な粉末を移送させる真空ポンプと、空気から粉末を集める１つ以上のサイクロンセパレータと、集められた粉末からデブリを分離するメッシュと、メッシュによる濾過を容易にする振動器とを含む。一部の実施例では、粉末再循環システムは一連のサイクロンセパレータを含む。任意選択的に、一連のサイクロンセパレータは、例えば不均質な粉末の場合に、異なる粒径および重量の粉末粒子を高効率で回収することを容易にする。一部の例示的実施形態では、各々のサイクロンセパレータの底部における出口が、サイクロンセパレータの作動中は封止される。任意選択的に、ひとたび分離活動が完了すると、封止は全てのサイクロンセパレータで解除され、次いで粉末は、回収されたデブリまたは凝集粉末から粉末を濾過するメッシュに吐出される。任意選択的に、メッシュは振動器によって作動する。メッシュにより濾過された粉末は次いでホッパ内に導入され、ホッパ内の粉末に混合されてよい。
【００９６】
一部の例示的実施形によれば、３Ｄプリンタはインクジェット３Ｄプリンタ、例えばイスラエル国Ｓｔｒａｔａｓｙｓ  Ｌｔｄ．によって提供されたＰｏｌｙＪｅｔ（商標）プリンタである。特定の実施形態では、３Ｄプリンタによって印刷されるマスクパターンは、各層パターンの外周を描き、かつ任意選択的に、外周に沿った点から構築トレイの縁部に向かって延びる放射状の線をも含む。インク材の放射状の線は、層パターンの描かれた外周内の物体を、物体の一部ではない、マスクの外周の外側の構築材料から分離することを容易にすることができる。層構築プロセス中に、構築材料は、物体の負の勾配面または物体に含まれる中空の容積部を構築するための支持体として役立つことができる。一部の例示的実施形態では、３Ｄプリンタは、印刷中に構築トレイが静止している間に構築トレイ上を移動して層を走査する走査印刷ブロックに組み付けられたインクジェットプリントヘッドを含む。インクジェットプリントヘッドブロックが走査方向に静止しかつ直交方向に移動可能であるか、あるいは完全に静止している間に、構築トレイを走査方向に前進させるために、高精度ステージを使用することができる。一部の実施形態では、特定の層のマスクパターン全体を１回のパスで印刷することができる。
【００９７】
一部の例示的実施形態では、圧縮ユニットは、構築トレイおよびその上に展着された粉末の層を包囲する壁を含むダイ圧縮ユニットであり、層の占有面積を維持する。実施例では、トレイの占有面積は２０×２０ｃｍ〜２５×２５ｃｍであってよい。任意選択的に、圧縮ユニットは液圧プレスを含み、室温で動作する。液圧プレスは、例えばａｌ６０６１アルミニウム粉末を使用する場合、最大３００ＭＰａまでの圧力で各層を押圧することができる。ほとんどの場合、層毎の圧縮圧力は３００ＭＰａ未満、例えば１００ＭＰａ未満とすることができる。粉末の体積は空気を含むので、粉末の密度（ｇｒ／ｃｍ単位で測定）は通常、鍛錬材料の密度より低い。圧縮の品質は、圧縮された粉末密度を鍛錬材料密度で割ることによって定義される相対密度によって測定することができる（％単位）。ローラによって加えられる展着圧力は層の密度を約５０％から６０％に高めることができ、層毎の圧縮圧力は層の密度を約７０〜９０％に高めることができる。任意選択的に、圧縮前の平均層厚は１００〜３００μｍであってよい。
【００９８】
圧縮中に、マスクパターンを形成する凝固可能な材料は、層の上面付近が変形することがあり得る。フライス加工（または研削）ユニットは任意選択的に、変形を受け得る層の部分の除去に備える。任意選択的に、層の１０％〜５０％がフライス加工（または研削）ユニットによって除去される。任意選択的に、層の２０〜５０μｍが除去される。任意選択的に、層の厚さは、圧縮および任意選択的なフライス加工（または研削）後に層が所望の事前に定められた厚さを有するように定義される。次いで、追加マスクをフライス加工（または研削）後の既存の層上に印刷し、層構築プロセスが続行される。一部の例示的実施形によれば、層構築プロセス全体を周囲温度で実行することができる。周囲温度で作業する能力は、通常、作業の低コスト、およびシステムのコスト削減をも伴う。高温での作業は通常より多くの安全対策を必要とし、それは一般的により高いコストを伴う。
【００９９】
一部の例示的実施形によれば、グリーンコンパクトを形成する層の集合体は、層構築プロセスが完了した後で、第２圧縮ステーションにおいてより高い圧力および温度で、かつ時間もより長く、再び圧縮されてよい。代替的に、第２圧縮ステーションは不要である。
【０１００】
アルミニウムによる構築は、その軽量性、熱および電気の伝導性、ならびにその相対的耐食性のため、有利であることが知られている。通常、アルミニウムの融点は比較的低い。アルミニウム粉末による構築の課題の１つは、粉末のアルミニウム粒子が酸化アルミニウム被膜、例えばアルミナを形成する傾向があることである。酸化アルミニウム被膜はアルミニウム粒子間に、焼結中の粒子の結合を阻害する障壁を導入する。最終結果として、通常、粉末要素間の不十分な結合のため、強度が低下した物体が形成される。
【０１０１】
一部の例示的実施形態では、圧縮プロセスに適用される圧縮強度は、粉末層の永久変形をもたらすように、例えば粉末粒子をそれが弾性状態を超えて塑性状態になるまで押圧するように定義される。通常、物体の密度およびそれによるその機械的強度は圧縮によって向上する。圧縮はまた、アルミナ層を破壊してアルミニウムを露出させ、粉末材料のアルミニウム粒子間の直接係合を可能にすることによって、焼結中の結合をも向上する。任意選択的に、圧縮は粉末層の熱伝導率を高め、より均一な焼結を可能にする。任意選択的に、圧縮は層間の結合を向上し、焼結後に発生し得る層の分離を防止する。一部の例示的実施形態では、層毎の圧縮は結果的に、３Ｄプリンタにより堆積された、固体の相変化インクまたはフォトポリマー材料のような凝固可能な材料（すなわちマスクパターン）によって任意選択的に分離される、１つ以上のグリーン体（すなわち形成される物体）を含むブロックの形のグリーンコンパクトをもたらす。
【０１０２】
一部の例示的実施形態では、第２圧縮ステーションは集合体を１５０〜３５０ＭＰａの圧力で、最高４３０℃までの温度で、１〜６分間圧縮する。任意選択的に、この第２圧縮ステーションもまた、Ｚ軸の精度を維持するダイ圧縮ステーションである。定義された物体はマスクパターンの外周内にのみ存在するが、矩形の層を形成する追加的粉末材料は維持され、ダイ圧縮中に物体の形状を支持するために使用される。任意選択的に、グリーンコンパクトの圧縮を最終的に仕上げるのは第２圧縮ステーションである。
【０１０３】
炉焼結は通常、最終圧縮ステージ後に適用されるが、グリーンコンパクトの最終層が生成された直後に適用されてもよい。焼結の温度および持続時間は通常、使用される粉末材料によって異なり、かつ任意選択的に物体のサイズによっても異なる。一部の例示的実施形態では、粉末材料はアルミニウムである。炉焼結プロセスの第１ステージは２０〜１８０分間、３００〜４００℃で行うことができる。このステージで炉環境は不活性（窒素）である、または通気することができる。一部の実施形態では、マスクを形成する凝固可能な材料がフォトポリマー材料を含む場合、焼結プロセス中の第１ステージは、フォトポリマー材料を燃焼させるように構成することができる。ポリマーはその構成酸素分子を使用して燃焼し、外部酸素供給を必要としない。窒素環境ではより高温の焼結が通常実行される。任意選択的に、アルミニウム粉末の場合、物体は６０〜１８０分間、５７０℃〜６３０℃にすることができる。例えばステンレス鋼粉末の場合、温度は１２５０℃に達し得る。任意選択的に、炉は２〜２０℃／分の割合で温度を変化させることができる。通常、焼結は複数のステージにわたって実行され、各ステージは定義された温度で定義された時間実行される。任意選択的に、ブロックは第１ステージ後に冷却され、物体は取り出され、焼結は完了する。
【０１０４】
一部の例示的実施形態では、本書に記載する３Ｄ印刷システムは、改善された速度で印刷を実行する。例えば層毎の印刷時間は２５〜３５秒とすることができ、約４００層を含むグリーン体、すなわち印刷される物体の推定構築時間は、例えば４時間とすることができる。ブロック、すなわち構築トレイ上に構築されるグリーンコンパクトは、複数の埋め込まれたグリーン体、例えば１〜１５個の物体を含む。ブロックの例示的な占有面積は２０×２０ｃｍとすることができる。
【０１０５】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に示されるか、および／または図面および／または実施例において例示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に必ずしも限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。
【０１０６】
次に図面を参照すると、図１は、本発明の一部の実施形態に係る例示的３Ｄ印刷システムの簡略ブロック図を示す。本発明の一部の実施形態によれば、３Ｄ印刷システム１００は作業用プラットフォーム５００に組み込まれる。本発明の一部の実施形態によれば、作業用プラットフォーム５００は精密ステージ２５０を含み、その上で、グリーンコンパクト１５を一度に１層ずつ印刷するために構築トレイ２００が複数のステーション内を前進する。通常、精密ステージ２５０はリニアステージであり、例えばＸ‐Ｚステージは層を構築しながら単一軸、例えばＸ軸に沿って運動し、かつトレイ２００の高さを調整するために、例えば各新層が追加されるにつれてトレイ２００を下降させるために、垂直（Ｚ軸）方向に運動する。
【０１０７】
本発明の一部の実施形態によれば、作業用プラットフォーム５００は、マスクパターンを印刷するための印刷プラットフォームステーション３０と、トレイ２００に粉末層を吐出するための粉末吐出ステーション１０と、印刷されたマスクパターン上に吐出された粉末の層を展着させるための粉末展着ステーション２０と、粉末の層を圧縮するための圧縮ステーション４０と、別の層を印刷する前に現在の層の上面を削るためのフライス加工ステーション５０とを含む。通常、各層に対し印刷トレイ２００は各々のステーションに前進し、次いで、全ての層が印刷されるまでプロセスを繰り返す。一部の例示的実施形態では、トレイ２００は一方向に進んで印刷プラットフォームステーション３０で停止し、次いで逆方向に進んで粉末吐出ステーション１０、粉末展着ステーション２０、圧縮ステーション４０、およびフライス加工ステーション５０で停止する。本発明の一部の実施形態によれば、コントローラ３００は３Ｄ印刷システム１００の動作を制御し、精密ステージ２５０上のトレイ２００の配置および／または移動により各々のステーションの動作を調整する。通常、コントローラ３００はメモリおよび処理能力を含み、かつ／またはそれらに関連付けられる。
【０１０８】
一部の例示的実施形によれば、層構築プロセスの最後に、グリーンコンパクト１５は最終圧縮のために第２圧縮ステーション６０に進みまたは配置され、次いで焼結のために焼結ステーション７０に進む。代替的に、第１圧縮ステーション４０は層構築プロセス中に、または層構築プロセスの最後に圧縮を完了する。一部の特定の実施形態では、焼結プロセス中に、印刷ステーション３０によって構築されたマスクが燃焼し、グリーンコンパクト１５が凝縮する。マスクの燃焼は、マスクの層毎の外周内に画定されたグリーンコンパクト１５を外周の外側の層の部分から分離することを可能にする。
【０１０９】
任意選択的に、不活性ガス源５１０は窒素源である。通常、焼結ステーション７０および任意選択的に第２圧縮ステーション６０は、作業用プラットフォーム５００とは切り離されたスタンドアローンステーションである。任意選択的に、グリーンコンパクト１５は、精密ステージ２５０によってではなく、手動で焼結ステーション７０および任意選択的に第２圧縮ステーション６０内に配置される。
【０１１０】
任意選択的に、第２圧縮ステーション６０および焼結ステーション７０は各々、それぞれのステーションを作動させるための別個のコントローラを有する。
【０１１１】
次に、本発明の一部の実施形態に係る例示的３Ｄ印刷システムの簡略模式図を示す図２を参照する。本発明の一部の実施形態によれば、印刷プラットフォームステーション３０は、生成されたマスクデータ３９に基づいてフォトポリマー材料３２を堆積する直接インクジェットプリントヘッド３５を含む。通常、マスクパターンは通常、メモリに格納されたマスクデータ３９によって定義される。すなわち、通常マスクデータは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアプログラム等によって生成される。
【０１１２】
一部の例示的実施形態では、プリントヘッド３５は静止しており、プリンタコントローラ３７はシステムコントローラ３００と共に、トレイ２００がプリントヘッド３５の下を進むときに材料３２を堆積するためようにタイミングを制御する。通常、硬化ユニット３３は、トレイ２００がプリントヘッド３５の下を進むときに堆積した材料を硬化する。任意選択的に、プリントヘッド３５および硬化ユニット３３はＹ軸ステージ上に搭載され、トレイ２００に対し直角の方向に移動する。代替的に、トレイ２００は印刷中静止しており、プリントヘッド３５および硬化ユニット３３は、プリントヘッド３５を１つ以上の方向に移動させるためにＸ、Ｙ、またはＸＹステージによって支持される。通常、プリントヘッド３５はノズルのアレイを含み、それを通して材料が選択的に堆積される。
【０１１３】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、構築トレイ上に印刷された１つのマスク層パターンの簡略模式表現を示す図３Ａを参照する。本発明の一部の実施形態によれば、プリントヘッド３５は、フォトポリマー材料または相変化インクのような凝固可能な材料により、形成される物体の各層における輪郭１５０を印刷する。通常、マスクの最初の層は構築トレイ２００または他の構築面に印刷される。一部の例示的実施形態では、プリントヘッドは、輪郭１５０から構築トレイ２００の縁部に向かって、または構築トレイ２００の縁部におけるガター２５０に向かって延びる放射状の線１５５をさらに印刷する。一部の例示的実施形態では、放射状の線１５５は、構築プロセスの最後に構築層が凝固された後、輪郭１５０の外側の領域（すなわち支持領域）を、輪郭領域内の物体から容易に分離することができるように、輪郭１５０の外側の粉末に切込みを導入する。通常、マスクされていない／パターン化されていない部分には物体を構築するために使用される粉末材料が充填される。
【０１１４】
次に図３Ｂを参照すると、一部の例示的実施形態では、凝固可能な材料は、輪郭１５０の外側の放射状の線１５５とは対照的に、支持領域１５７を完全にまたは部分的に占有するようにパターン化し、物体の一部にならない層の部分を充填することができる。任意選択的に、支持領域は凝固可能な材料構造と粉末材料の組合せによって形成される。
【０１１５】
一部の例示的実施形態では、層を形成するために使用される粉末材料の体積は、輪郭１５０の外側の領域の一部分を凝固可能な材料により印刷することによって、保存することができる。一部の例示的実施形態では、輪郭１５０の外側に印刷される凝固可能な材料の量は、凝固可能な材料が物体の周囲にもたらす支持体の種類に依存する。
【０１１６】
次に、本発明の一部の実施形態に係る粉末吐出ステーションの簡略ブロック図を示す図４を参照する。通常、粉末吐出ステーション１０は、粉末５１を貯蔵する容器１２と、チューブ１６を介してトレイ２００上に定められた量および／または体積の粉末５１を取り出すためのオーガ１４とを含む。一部の例示的実施形態では、定められた量は、システム１００および／またはコントローラ３００からのフィードバックに基づいて、構築プロセス全体にわたって調整される。任意選択的に、粉末５１がトレイ２００の長さ全体にわたって展着されるように、粉末５１はトレイ２００の移動中に吐出される。一部の例示的実施形態では、粉末吐出ステーション１０は粉末アルミニウムを送達するように適応される。他の例示的実施形態では、他の金属、合金、および／または材料が粉末吐出ステーション１０によって貯蔵されかつ送達される。任意選択的に、容器１２は混合された成分を含む。任意選択的に、容器１２は貯蔵された内容物を混合するための機構を含む。
【０１１７】
次に、本発明の一部の実施形態に係る粉末展着ステーションの簡略ブロック図を示す図５を参照する。通常、展着ステーション２０は、アクスル２４に回転自在に取り付けられた電動ローラ２５を含む。一部の例示的実施形態では、リニアモータ２２はアクスル２４と係合し、粉末の均一な層を展着するために層を横切って移動する。一部の例示的実施形態では、定められた層厚を得るために、テーブル２００の高さが調整され、例えばＺステージにより上下動する。一部の例示的実施形態では、厚さ約１５０μｍ、例えば厚さ１００μｍ〜３００μｍの粉末層がローラ２５により展着される。通常、粉末層はマスク層の上に展着され、圧縮前にはマスク層より上の高さを有する。通常、圧縮後には、粉末層の高さはマスク層の高さまで低減される。一部の例示的実施形態では、圧縮後の層の高さは監視され、トレイ２００の高さは、１つ以上の従前の層の層厚のずれまたは変動を補償するために、現在の層の厚さを変更するように調整される。任意選択的に、展着されなかった粉末を回収し、それを容器１２に戻すために、粉末再循環の機構が容器１２に接続される。
【０１１８】
一部の例示的実施形態では、ローラ２５は実質的にトレイ２００の全長にわたって延び、粉末を展着するためにローラは１回通過するだけでよい。
【０１１９】
任意選択的に、ローラ２５はトレイ２００の移動中に作動する。任意選択的に、ローラ２５はトレイ２００より上の高さに保持され、展着のために必要に応じてＺ昇降器により下降される。
【０１２０】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、印刷されたマスクパターンおよび粉末材料を含むグリーンコンパクトの簡略模式断面図を示す図６を参照する。本発明の一部の実施形態によれば、層３００は、最初にマスクパターン１５０を印刷し、次いでマスクパターン上に粉末５１を展着することによって形成される。層３００は通常、粉末５１がマスク１５０の高さと同じ高さに達するように定義される。
【０１２１】
一部の例示的実施形態では、トレイ２００上に構築する前に、例えば最初のマスク１５０を印刷する前に、接着剤または他の粘着性材料の層がトレイ２００上に展着される。接着剤の層は厚さ１〜１０μｍとすることができる。一部の例示的実施形態では、接着剤の薄い層はトレイ上の層を安定させ、かつ層構築プロセスの最後に層を構築トレイから分離するのにも役立つ。一部の例示的実施形態では、接着剤層の厚さだけでなく、機械的特性もまた、粉末が接着剤層を貫通することを容易にするように選択される。貫通は構築トレイ上の最初の層を安定化させるのに役立つ。
【０１２２】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、それぞれ解放状態および圧縮状態の例示的ダイ圧縮ステーションの簡略模式図を示す図７Ａおよび図７Ｂを参照する。
【０１２３】
本発明の一部の実施形態によれば、層３００は、マスク層上に粉末層を展着した後に圧縮される。本発明の一部の実施形態によれば、層毎に圧縮プロセスが実行されると、圧縮ステーションは層毎のダイを生成する。
【０１２４】
本発明の一部の実施形態によれば、圧縮ステーションは、層３００を圧縮するための圧縮圧力を提供するように機能するピストン４２を含む。本発明の一部の実施形態によれば、圧縮中に、ピストン４２はボア４９を介して上昇し、任意選択的にロッド４２Ａを作業用プラットフォーム５００または精密ステージ２５０内に押し込み、構築トレイ２００をトレイ２００より上に位置する表面４５に向かって上昇させる。任意選択的に、ロッド４２Ａを加えることで、圧縮を達成するためにピストン４２が移動する必要のある距離が低減される。
【０１２５】
任意選択的に、ひとたび層３００が表面４５に接触すると、層３００の周りで壁４３が閉じて、圧縮中に層３００の一定の占有面積を維持する。
【０１２６】
一部の例示的実施形態では、トレイ２００は、ピストン４２がトレイ２００を上昇および／または下降させるにつれて、リニアベアリング４６に沿って移動する１つ以上のリニアガイド４１に固定される。
【０１２７】
任意選択的に、トレイ２００は１つ以上の圧縮ばね４７に抗して上昇する。一部の例示的実施形態では、重力と同様にばね４７もまた、層３００の圧縮後にピストン４２を下降させるように働く。
【０１２８】
本発明の一部の実施形態によれば、粉末およびマスク層を圧縮するために、最大２５０ＭＰａまたは３００ＭＰａまでの圧力が加えられる。通常、加えられる圧力は、空気を除去し、かつ層の永久変形が達成されるように層３００内の粉末にその弾性状態を超えさせるように働く。任意選択的に、圧縮は、層の相対密度を約７０％〜７５％に増大させる。幾つかの合金の場合、相対密度は最高９０％に達することがある。任意選択的に、圧縮は、層の厚さを最大２５％低減させる。任意選択的に、約５０〜９０ＭＰａの圧縮圧力が加えられる。任意選択的に、圧縮は室温で実行される。
【０１２９】
一部の例示的実施形態では、上面４５は加熱され、例えば圧縮中に加熱要素４４により予熱され、温間ダイ圧縮が実行される。表面４５を加熱した場合、層３００は、より低い圧力を層に加えて、その塑性変形および／または永久変形状態に達することができる。任意選択的に、アルミニウム粉末の場合、上面４５は１５０℃、例えば１５０〜２００℃の温度まで加熱される。通常、圧縮温度と圧力との間にはトレードオフが存在する。圧縮中に温度を上げると、より低い圧力で組成変形に達することができる。他方、上面４５の温度を低下すると、より高い圧力が必要になるので、圧縮のエネルギー効率が低下する。
【０１３０】
通常、加えられる圧力および温度は、粉末材料および層３００の厚さに基づいて定められる。
【０１３１】
一部の例示的実施形態では、例えばアルミニウム粉末が使用される場合、圧縮は酸化物層、例えば粉末粒子上のアルミナを破壊するように機能する。通常、アルミニウムが露出すると、粉末材料のアルミニウム粒子間の直接係合が促進され、焼結中の粒子の結合が向上する。
【０１３２】
一部の例示的実施形態では、マスクパターン１５０は圧縮中に変形することがある。通常、変形は、マスクパターン１５０が露出する表面４５近くで発生し得る。層を包囲する壁４３によって保持される粉末５１は通常、層の上面より下に変形が発生しないように、上面より低いマスクパターン１５０の支持体をもたらす。
【０１３３】
本発明の一部の実施形態によれば、物体の高さ、例えば組み立てられているときの物体の１つ以上の層の高さは圧縮ステーションで検出され、決定され、かつ／または感知される。任意選択的に、表面４５に押し付けられている間のトレイ２００の高さが検出される。本発明の一部の実施形態によれば、コントローラ３００（図１）は高さおよび／または高さの変化を監視し、所望の高さからのずれおよび／または高さの変化を補償するために層厚の調整が必要な場合に、粉末吐出ステーションおよび／またはトレイ２００のＺステージに入力を提供する。一部の例示的実施形態では、コントローラ３００はメモリに格納された１つ以上のルックアップテーブルまたは数式を使用して、層厚の調整を制御する。
【０１３４】
一部の例示的実施形態では、精密ステージ２５０の経路に沿った１つ以上のステーションは、経路に沿って延びるレール上に、かつ／または１つ以上のブリッジ、例えば作業用プラットフォーム５００の上に配置されたブリッジによって支持される。一部の例示的実施形態では、圧縮ステーション４０は、本書で以下にさらに詳述するように、作業用プラットフォーム５００より下に位置するピストン４２であって、ロッド４２Ａによりトレイ２００をトレイ２００より上に位置する平坦化表面４５または他の表面に向かって上昇させるように作動するピストン４２を含む。
【０１３５】
次に、両方とも本発明の一部の実施形態に係る、それぞれ圧縮状態および圧縮後の状態で示される圧縮システムのための例示的剥離防止機構の簡略模式図を示す図８Ａおよび図８Ｂを参照する。本発明の一部の実施形態によれば、４５の側面に箔および／またはフィルム４９が緩く取り付けられる。圧縮中に、箔４９は４５の表面と層３００との間で押圧される。圧縮プロセスの最後に、構築トレイ２００は下降し、層は箔から静かに分離され、層の剥離が回避され、圧縮中は層３００とダイ４８の接触面４５との間に位置する。任意選択的に、箔は０．１〜０．４ｍｍの間、例えば０．３ｍｍの厚さを有する。任意選択的に、箔はステンレス鋼３０２；３０１、または３１６Ｌ箔である。通常、箔４９は表面４５を粉末の蓄積から保護し、かつ表面４５の分離中、層３００の実質的な剥離をも防止する。本発明者は、箔をこのように徐々に取り外すことにより、箔４９上の層３００からの材料の剥離および／または損失が回避されることを見出した。
【０１３６】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、圧縮プロセス後およびフライス加工（または研削）前の層の簡略模式表現を示す図９を参照する。一部の例示的実施形によれば、層３００の上方部分３０１は、圧縮のためマスク１５０の変形を含むことがある。一部の例示的実施形によれば、層３００は、変形を含む上面３０１を除去するためにフライス加工（または研削）される。除去される部分は線４１０によって模式的に示される。層は、圧縮プロセスの後、フライス加工（または研削）の前に、約５０〜１８０μｍの厚さを有し得る。フライス加工（または研削）は層３００から１０〜５０μｍをそぎ落とし得る。一部の例示的実施形態では、層３００は、圧縮プロセスおよびフライス加工の後に約２５〜１２０μｍの厚さを有するように規定することができる。
【０１３７】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、物体を形成するための３つの印刷層の簡略模式表現を示す図１０を参照する。本発明の一部の実施形態によれば、マスクパターン１５０は通常、追加の層３００が加えられるにつれて、１つのマスクパターン１５０が別のマスクパターンと接触する、連続境界または輪郭を形成することができる。積重ねられたマスクパターン１５０から形成されるこの連続境界は、グリーンコンパクト形成プロセスの最後に、形成される物体の３Ｄ輪郭および物体の外側の支持領域内の部分を画定する。
【０１３８】
次に図１１を参照すると、これは、本発明の一部の実施形態に係る、３Ｄ印刷によって物体を構築するための例示的方法の簡略フローチャートである。本発明の一部の実施形態によれば、方法は、形成される物体またはグリーン体の境界、および後で物体を周囲の材料から分離するのを容易にする延長部をも画定する、層毎のマスクパターンを印刷するステップを含む（ブロック３０５）。マスクの印刷後に、方法はさらに、構築トレイ上に粉末層を吐出するステップ（ブロック３１０）と、マスクパターン上に粉末層を展着して粉末の均一な層を得るステップ（ブロック３２０）とを含む。一部の例示的実施形態では、粉末はアルミニウムである。任意選択的に、他の金属または代替的にセラミック材料が構築材料、例えば粉末として使用される。任意選択的に、粉末は複数の材料の混合物である。一部の例示的実施形態では、各層は圧縮され（ブロック３３０）、次いで、圧縮のためマスクの上面に形成された変形を除去するために、圧縮された層の上面が任意選択的にフライス加工される（ブロック３４０）。通常、圧縮は印刷された層から空気を除去するのに役立つ。
【０１３９】
任意選択的に、圧縮はまた、通常、金属粉末、例えばアルミニウム粉末の粒子に形成される酸化被膜を破壊するのに役立つ。通常、これらのステップは、全ての層が印刷されるまで繰り返される。
【０１４０】
一部の例示的実施形によれば、図１１に記載する層構築プロセスは、自動化されたステージ上で周囲温度で実行することができる。周囲温度条件であるため、不活性ガスの正の流れを提供したり、あるいは高温でまたは不活性ガス環境で作業する場合に通常必要とされる追加的な注意事項を付け加える必要が無い。通常、不活性ガスの正の流れを提供し、あるいは燃焼に対する注意事項を追加することは、コストの増大を伴う。本書に記載する層構築プロセスの考えられる利点として、安全な作業および低コストが挙げられる。
【０１４１】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、３Ｄ印刷に基づいて物体を形成するための例示的方法の簡略フローチャートを示す図１２を参照する。一部の例示的実施形によれば、ひとたび層構築プロセスが完了すると、グリーンコンパクトを形成する構築された層は自動化されたステージから取り出され（ブロック４０５）、かつ任意選択的により高い圧力、温度、および／またはより長い時間で再び圧縮される（ブロック４１０）。一部の例示的実施形態では、グリーン体全体の最終圧縮は、１５０〜３００ＭＰａの圧力で、アルミニウムの場合、例えば２５０ＭＰａで、または４３０℃未満の温度で実行される。任意選択的に、層は延長時間にわたって、例えば２〜６分間圧縮される。通常、圧縮はダイ圧縮であるので、プロセス中にＺ軸だけが圧縮される。圧縮後に、通常、焼結が適用される（ブロック４１５）。一部の例示的実施形態では、焼結は複数のステージで適用される。任意選択的に、第１ステージでは、構築された層が、例えば４００℃未満の比較的低い温度で、第１持続時間にわたって、例えば２０〜１８０分間加熱される。アルミニウム粉末、およびステンレス鋼のような他の金属を使用する場合、このステップは窒素の不活性環境を必要とすることがある。一部の実施形態では、マスクパターンは、主としてポリマーに含まれる酸素のため、このステージで燃焼する。第２ステージでは、温度を例えば４５０℃に上昇させてよく、この温度は第２持続時間にわたって、例えば０〜３０分間維持されてよい。温度上昇および冷却は定められた率で、例えば１０℃／分で行われてよい。第３ステージでは、温度を再び、（使用中の合金によって異なるが、アルミニウム粉末の場合）例えば５７０〜６３０℃に上昇させてよく、この温度は第３持続時間にわたって、例えば６０〜１２０分間維持されてよい。アルミニウム粉末の場合、これらのステップは全て、不活性環境で処理されてよい。焼結および冷却の後、物体は層のブロックから取り出してよい。印刷された物体の密度を向上するために、他の後処理ステップ（すなわちグリーンコンパクトの構築後に実行されるステップ）が必要になることがある。
【０１４２】
本発明の一部の例示的実施形態の態様は、構築面上にマスクを印刷するように構成されたデジタル印刷ステーションであって、マスクが、焼結中に燃焼するように構成されたフォトポリマー材料およびワックス材のうちの少なくとも１つから形成されているデジタル印刷ステーションと、粉末材料の層をマスクパターン上に塗布するように構成された粉末送達ステーションと、粉末材料の層毎の圧縮のためのプロセス圧縮ステーションであって、層を受容するためのダイを含む圧縮ステーションと、構築トレイをデジタル印刷ステーション、粉末送達ステーション、およびプロセス圧縮ステーションの各々に繰返し前進させ、全体で三次元物体を形成する複数の層を構築するように構成されたステージと、複数の層を焼結するように構成された焼結ステーションとを備えた、三次元物体を構築するためのシステムを提供する。
【０１４３】
任意選択的に、プロセス圧縮ステーションは、層と界接するダイの表面を温めるための加熱要素を含む。
【０１４４】
任意選択的に、プロセス圧縮ステーションは、最大３００ＭＰａまでの圧力を層に加えるように動作可能である。
【０１４５】
任意選択的に、プロセス圧縮ステーションは、層と圧縮ステーションの接触に基づいて、構築トレイの周りに導入されるように構成された側壁を含む。側壁は、圧縮中に粉末ブロックに発生する反作用力の下で、動きが最小限に例えば０．１ｍｍ未満になるように、所定の位置に係止される。
【０１４６】
任意選択的に、ここでプロセス圧縮ステーションは剥離防止機構を含み、剥離防止機構はダイの間に位置する箔を含む。
【０１４７】
任意選択的に、システムはフライス加工または研削ステーションを含み、フライス加工または研削ステーションは、圧縮後に層の表面を除去するように構成され、ステージは、構築トレイをデジタル印刷ステーション、粉末送達ステーション、プロセス圧縮ステーション、およびフライス加工または研削ステーションの各々に繰返し前進させて、全体で三次元物体を形成する複数の層を構築するように構成される。
【０１４８】
任意選択的に、フライス加工または研削ステーションは、層の厚さの１０〜４０％を削るように構成される。
【０１４９】
任意選択的に、システムは、複数の層を圧縮するように構成された最終圧縮ステーションを含む。
【０１５０】
任意選択的に、最終圧縮ステーションは複数の加熱ステージ上の複数の層を熱圧縮する。
【０１５１】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、粉末を展着するために層を横切って移動するように構成された電動ローラを含む。
【０１５２】
任意選択的に、粉末送達ステーションは、粉末を展着するためにローラが層を横切って移動することに基づいて、余分な粉末を受容するためのガターを含む。
【０１５３】
任意選択的に、粉末送達ステーションは余分な粉末を再循環するように構成される。
【０１５４】
本発明の一部の例示的実施形態の態様は、構築面上にマスクを印刷するステップであって、マスクが焼結中に燃焼するように構成されたフォトポリマー材料およびワックスのうちの少なくとも１つから形成されている、ステップと、マスクパターン上に粉末の層を展着するステップと、粉末の層を圧縮するステップと、三次元物体の層が完成するまで印刷、展着、および圧縮を繰り返すステップと、三次元物体の層を焼結するステップとを含む、三次元物体を構築する方法を提供する。
【０１５５】
任意選択的に、方法は圧縮中に熱を加えることを含む。
【０１５６】
任意選択的に、圧縮はダイ圧縮である。
【０１５７】
任意選択的に、マスクは層毎の物体の輪郭を含む。
【０１５８】
任意選択的に、マスクはさらに、層毎の物体の輪郭から層の占有面積の縁部に向かって延びるパターンを含む。
【０１５９】
任意選択的に、方法は、圧縮後、追加のマスクを層上に印刷する前に、層をフライス加工または研削するステップを含む。
【０１６０】
任意選択的に、フライス加工または研削に基づいて、層の厚さの１０〜４０％は除去される。
【０１６１】
任意選択的に、印刷、展着、および圧縮は周囲温度で実行される。
【０１６２】
任意選択的に、方法は、焼結前に最終熱圧縮を実行することを含み、最終熱圧縮は複数の加熱ステージ上で実行される。
【０１６３】
任意選択的に、方法は、焼結中にフォトポリマー材料およびワックスのうちの少なくとも１つを燃焼することを含む。
【０１６４】
次に、本発明の一部の実施形態に係る別の例示的な層毎の構築プロセスの簡略模式図を示す図１３を参照する。図１３は、例示的な第１層５０２および第２層５０４の上に構築されるプロセス中の例示的な第３層５０６を示す。一部の例示的実施形態では、マスクパターン５１０は三次元プリンタにより層毎に吐出される。一部の例示的実施形によれば、マスクパターン５１０は相変化インクのような凝固可能な材料から形成される。マスクパターン５１０は、前の層、例えば層５０４におけるマスクパターン５１０と物理的に接触してよく、あるいは構築材料を含む前の層の領域全体にパターン形成されてよい。層毎のマスクパターン５１０の高さは実質的に層の高さと同一であってよく、あるいは任意選択的に、例えば層５０４におけるマスクパターン５１０の部分５１０Ａのように、層の高さより低くてもよい。任意選択的に、フライス加工は不要である。
【０１６５】
一部の実施例では、粉末５１はマスクパターン５１０全体および構築トレイ２００の占有面積全体に展着される。一部の例示的実施形態では、粉末５１はローラ２５により展着される。任意選択的に、ローラ２５は、アクスル２４を中心に回転すると共に、Ｘ軸に沿って構築トレイ２００を横切って移動するように作動する。ひとたび粉末５１がトレイ２００の占有面積全体に展着されると、層５０６を圧縮するために層全体に圧縮５２０が適用される。通常、層５０６の高さはプロセス圧縮のため低減される。
【０１６６】
次に、本発明の一部の実施形態に係る、例示的構築プロセスの簡略ブロック図を示す図１４、および例示的３Ｄ印刷システムの簡略模式図を示す図１５を参照する。一部の例示的実施形によれば、物体（すなわちグリーン体）は、循環的プロセスでグリーンコンパクト内に１層ずつ構築することができる。循環的プロセスの各サイクルは、印刷ステーション５３５でマスクパターンを印刷するステップ（ブロック５３０）と、吐出および展着ステーション５４５（「粉末送達ステーション」ともいう）でマスク上に粉末材料を吐出かつ展着するステップ（ブロック５４０）と、圧縮ステーション５５５でマスクパターンを含む粉末層を圧縮するステップ（ブロック５５０）とを含むことができる。一部の例示的実施形態では、マスクパターンは相変化インクのような凝固可能な材料から形成される。一部の例示的実施形態では、圧縮は、図７Ａおよび図７Ｂに関連して記載したように実行される。本発明の実施形態によれば、各サイクルはグリーンコンパクトの１層を構築し、サイクルは全ての層が構築されるまで繰り返される。任意選択的に、１つ以上の層はマスクパターンを必要としない場合があり、マスクパターンを印刷するステップ（ブロック５３０）は選択された層から除外されてよい。任意選択的に、１つ以上の層は粉末材料を必要としない場合があり、粉末材料を吐出かつ展着するステップ（ブロック５４０）は選択された層から除外されてよい。
【０１６７】
本発明の実施形態によれば、この循環的プロセスはグリーンコンパクトまたはグリーンブロックを生み出す。グリーンコンパクトは、物体の外側の支持領域を形成するマスクおよび構築材料によって包囲された１つ以上の物体（すなわちグリーン体）を含んでよい。本発明の実施形態によれば、物体、およびマスクを含む周囲の支持領域の両方が、循環的プロセス中に吐出かつ展着された粉末材料により形成されたグリーンコンパクトを構成する。本発明の実施形態によれば、印刷されたマスクパターンは、物体の周囲の境界と、任意選択的に、物体を周囲の材料から取り出すことを可能にするブロック内の領域とを画定する。一部の例示的実施形態によれば、周囲の材料から取り出された物体は、さらに後処理することができ、例えば焼結前に１つ以上のステップでさらに圧縮することができる。
【０１６８】
次に、本発明の一部の実施形態に係る粉末ディスペンサの例図を示す図１６を参照する。一部の例示的実施形によれば、粉末ディスペンサ６００は層毎に複数の列の粉末材料を吐出する。一部の例示的実施形態では、粉末ディスペンサ６００によって吐出された粉末の列は、粉末５１を受容する複数のトラフ６６０を含む専用の展着トレイ６７０上にオフラインで展着される。一部の例示的実施形態では、粉末ディスペンサ６００は、ホッパが粉末吐出トレイの複数のトラフ６６０の各々に粉末を次々に吐出することができるように、ホッパ６４０の下にトラフを前進させる第１レール６１０と、全てのトラフが満杯になるまで、ホッパ６４０が複数のトラフ６６０の各々に沿って吐出チップ６５０を介して粉末５１を吐出するように、粉末吐出トレイをホッパの下に移動させる第２レール６２０とを含む。通常、第１レール６１０および第２レール６２０の各々に沿った移動は、専用のモータにより作動する。一部の例示的実施形態では、粉末ホッパ６４０は、例えばトラフ６６０毎に正確な粉末投与を行うためのオーガを含む。通常、オーガは専用のモータにより制御可能に回転する。任意選択的に、オーガは、粉末ホッパ６４０が複数のトラフ６６０の各々に沿って粉末５１を吐出するので、第２レール６２０が粉末ホッパ６４０の下に粉末吐出トレイを移動させている間に作動し、かつ粉末ホッパ６４０が次々に複数のトラフ６６０の各々の上にくるように、第１レール６１０が粉末吐出トレイを移動させている間は作動しない。
【０１６９】
一部の例示的実施形によれば、粉末ディスペンサ６００は、全ての列が準備されると、粉末材料の列の展着トレイ６７０から構築トレイ２００（図１５）への移動を始動させるピストン６３０を含む。一部の例示的実施形態では、ピストン６３０は、展着トレイ６７０のトラフ６６０の各々を構築トレイ２００上に同時にフリップするように構成される。他の例示的実施例では、トラフ６６０の各々は、被覆または閉鎖されたトラフの基部に沿って長手方向アパーチャを含み、ピストン６３０は、長手方向アパーチャの同時開口を始動させて、粉末材料の列を構築トレイ２００上に吐出するように構成される。
【０１７０】
一部の例示的実施形態によれば、列は、ローラ２５（図１３）と平行に、例えばローラ２５の回転のアクスル２４と平行に、構築トレイを横切るローラ２５の直線移動に対して直角に、例えばＸ軸に対して直角になるように、構築トレイ上に配置される（図１３）。任意選択的に、２〜２０列の粉末が層毎に展着トレイ６７０上に展着される。一部の例示的実施形によれば、ローラ２５は構築トレイ２００を横切って粉末５１の列を展着させる。
【０１７１】
ここで、本発明の一部の実施形態に係る例示的展着ユニットを示す図１７を参照する。一部の例示的実施形によれば、展着ユニット７００は、ローラ２５と、１対の側部ガター７３０と、１対の端部ガター７４０とを含む。側部ガター７３０および端部ガター７４０は、ローラ２５が構築トレイ２００を横切って転動するときに余分な粉末５１を構築トレイ２００上に回収するように構成される。一部の例示的実施形によれば、ローラ２５はレール７１０に沿って、Ｘ軸に沿って構築トレイ２００を横切って移動するように作動し（図１３）、かつモータ７２０によりそのアクスル２４を中心に回転するようにも作動する。通常、モータ７２０はレール７１０上を走行し、かつローラ２５がＸ軸の方向に沿って構築トレイ２００を横切って移動するときにローラ２５を回転させる。ローラ２５は、Ｘ軸の方向に沿って前方または後方に移動し、あるいはＸ軸の方向に沿って前方および後方の両方に移動するように作動させてよい。任意選択的に、展着ユニット７００はローラ２５の前方向および後方向の移動を交互に行う。通常、ローラ２５のそのアクスル２４を中心とする回転の方向は、ローラ２５の直線的移動方向に適応される。
【０１７２】
一部の例示的実施形によれば、側部ガター７３０の各々はローラ２５の各端部の下に配置され、側部ガター７３０の対はレール７１０に沿ってローラ２５と共に移動する。側部ガターは、ローラ２５が粉末５１を展着するときに、構築トレイ２００から落下する余分な粉末５１を回収するように構成される。一部の例示的実施形態では、レール７１０の方向（Ｘ軸の方向）に沿った側部ガター７３０の長さは、ローラ２５の直径の少なくとも２倍である。
【０１７３】
一部の例示的実施形によれば、端部ガター７４０の各々は、ローラ２５に平行かつレール７１０に直角な構築トレイ２００の縁部付近に位置し、ローラ２５が粉末５１を展着するときに、構築トレイ２００から落下する余分な粉末５１を回収するように、少なくとも構築トレイ２００の縁部全体に沿って延びる。一部の例示的実施形態では、端部ガター７４０は、ローラ２５が構築トレイ２００または構築面、例えば最上層の頂面に接触する高さに配置される。端部ガター７４０はレール７１０に沿ってローラ２５と共に移動するが、必要に応じて構築トレイ２００に近づいたり遠ざかるように、別個にも作動する。任意選択的に、端部ガター７４０の構築トレイ２００に近づいたり遠ざかる移動は、１ｍｍ〜１ｃｍ程度の大きさである。一部の例示的実施形態では、端部ガターは、余分な粉末を回収するために構築トレイ２００に近づくように、かつ構築トレイの移動中に、例えば構築トレイ２００の垂直方向または横方向の移動中に、構築トレイから遠ざかるように構成される。
【０１７４】
一部の例示的実施形態によれば、真空（空気吸引を形成する）は、ローラが構築トレイ２００を横切って粉末５１を展着するときに、側部ガター７３０および端部ガター７４０の各々に蓄積された粉末を除去するために適用される。任意選択的に、真空は、ローラ２５の位置に基づいて、側部ガター７３０および端部ガター７４０に交互に適用される。任意選択的に、真空は、ローラ２５の位置に基づいて、端部ガター７４０の対の各々に交互に適用される。一部の例示的実施形態では、構築トレイ２００上に層毎に展着された粉末５１の５０％〜８０％が、側部ガター７３０および端部ガター７４０に回収される。回収された粉末は、回収された粉末を粉末ホッパ６４０に再導入する再循環システムに移送されてよい。
【０１７５】
次に、本発明の一部の実施形態に係る粉末再循環システムの例図を示す図１８を参照する。一部の例示的実施形態によれば、粉末再循環システム８００は、展着ユニット７００の側部ガター７３０および端部ガター７４０から回収された粉末を受容するように構成された容器８１０と、容器８１０内の粉末から空気を除去するように構成された１つ以上のサイクロンセパレータ８２０と、サイクロンセパレータ８２０によって分離された粉末からデブリを分離するメッシュ８４０と、粉末を粉末ホッパ６４０内に吐出する排出口８６０とを含む。一部の例示的実施形態では、サイクロンセパレータ８２０は直列作動する。任意選択的に、一連のサイクロンセパレータは、濾過条件（例えば空気流速、サイクロン直径）をサイクロンセパレータ８２０毎に変えることによって、異なる粒径および重量の粉末粒子を高効率で回収することを容易にする。例えば、容器８１０の内容物は最初にサイクロンセパレータ８２０の１つに導入されてよい。第１のサイクロンセパレータから除去された空気は第２のサイクロンセパレータ８２０内に導入されてよい。任意選択的に、第１のサイクロンセパレータから除去された空気は、依然として粉末材料を含んでいてよく、その材料は第２サイクロンセパレータで分離することができる。このプロセスは全てのサイクロンセパレータで継続されてよい。通常、粉末は展着プロセス中に実質的に連続して容器８１０内に導入され、１つのサイクロンセパレータから次のサイクロンセパレータへと連続的に流れていくので、全てのサイクロンセパレータが同時に作動する。任意選択的に、粉末再循環システム８００は４つのサイクロンセパレータを含む。
【０１７６】
一部の例示的実施形態によれば、サイクロンセパレータは、サイクロンセパレータの動作中は出口を封止するように構成されたキャップを含む。一部の例示的実施形態では、キャップは、サイクロンセパレータ８２０から粉末を回収するために周期的に解放される。通常、キャップは、展着ユニット７００の作動期間の合間に解放される。任意選択的に、ピストン８３０は全てのキャップの同時解放を制御する。一部の例示的実施形態では、サイクロンセパレータ８２０から回収された粉末は、回収されたデブリまたは凝集粉末から粉末を分離するために、メッシュ８４０を通して濾過される。任意選択的に、ピストン８５０は、濾過を促進するためにメッシュ８４０の振動を作動させる。メッシュを通して濾過された粉末は次いで、ホッパ内に導入され、ホッパ６４０内の粉末と混合されてよい。
【０１７７】
用語「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」ことを意味する。
【０１７８】
用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」は、「含み、それらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ａｎｄ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」ことを意味する。
【０１７９】
表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、主張される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。
【０１８０】
明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴が、単一の実施形態に組み合わせて提供されることもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで、あるいは本発明の他の記載される実施形態において好適なように提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ−３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ−７Ｂ】
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【図８Ａ−８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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