(57)【要約】金属造形材料を用いた付加製造に関する。付加製造における様々な改良が開示されており、金属造形材料を用いて金属物体を製作するための、溶融フィラメント製法プロセスを適合させるための技術も含まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄ製作用プリンタであって：
実質的に円形の断面および外径を有するフィラメントとして形成された造形材料の供給源と；
前記フィラメントを軸方向に推進させるように構成された駆動システムと；
第１の開口部、第２の開口部、および前記第１の開口部を前記第２の開口部に接続するリザーバを含むノズルであって、前記第１の開口部が、前記駆動システムから前記フィラメントを受け入れるように配置された位置に第１の内径を有し、前記第２の開口部が、製作プロセスにおいて表面上に造形材料を堆積させるように、前記リザーバの反対側の端部に位置する第２の内径を有し、前記第２の内径が、前記第１の内径の９０％以上であるノズルと；
前記第１の開口部と前記第２の開口部との間で前記造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムと、を備える、プリンタ。
【請求項２】
前記表面は、前記製作プロセスによって製作される物体の表面である、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項３】
前記プリンタで製造された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、前記第２の開口部から前記造形材料を堆積させながら、前記ノズルを前記ビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと、物体の３Ｄモデルから前記ビルドプラットフォーム上に前記物体を製作するために、前記プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、をさらに備える、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項４】
前記ビルドプラットフォームおよび前記物体を制御された環境に内包するビルドチャンバをさらに備える、請求項３に記載のプリンタ。
【請求項５】
前記造形材料が金属造形材料を含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項６】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラス、オフ共晶組成物、および包晶組成物の少なくとも１つを含む、請求項５に記載のプリンタ。
【請求項７】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２の相と、を有する複合材料を含む、請求項５に記載のプリンタ。
【請求項８】
前記金属造形材料は、熱可塑性樹脂、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも１つを含むマトリックス中の金属粉末を含む、請求項５に記載のプリンタ。
【請求項９】
前記金属造形材料は、粉末の冶金組成物を含む、請求項５に記載のプリンタ。
【請求項１０】
前記第２の開口部の前記第２の内径は、前記第１の開口部の前記第１の内径の９９％以上である、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１１】
前記第２の開口部の前記第２の内径は、前記第１の開口部の前記第１の内径よりも小さくない、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１２】
前記第２の内径が前記フィラメントの前記外径よりも小さく、前記第２の開口部が前記第２の内径の下流側で前記第１の内径を超える第３の内径に拡がっている、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１３】
前記造形材料が前記ノズルの前記第２の開口部を出るときに、該造形材料を加熱するための局所加熱システムをさらに備える、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１４】
前記局所加熱システムは、前記ノズルを出る前記造形材料の第１の層と前記造形材料の下層との間の界面を介して前記造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムと、前記第２の開口部の周りの領域で前記造形材料を加熱するように構成されたレーザ加熱システムと、前記第２の開口部の近傍の前記ノズル内にある抵抗加熱システムの少なくとも１つ以上を含む、請求項１３に記載のプリンタ。
【請求項１５】
前記加熱システムは、前記第２の開口部を介した堆積に適し、かつ前記ノズルから前記造形材料を受け取る前記表面への接合に適した作業温度に前記造形材料を加熱する、請求項１４に記載のプリンタ。
【請求項１６】
前記加熱システムが、前記造形材料を周囲温度よりも高く作業温度範囲よりも低い温度に予熱し、前記作業温度範囲は、前記第２の開口部を介した堆積に適し、かつ前記ノズルから前記造形材料を受け取る前記表面に前記造形材料を結合させるのに適した温度範囲であり、前記局所加熱システムは、前記造形材料が前記ノズルを出るときに、前記造形材料を前記温度から前記作業温度範囲内の温度まで加熱する、請求項１５に記載のプリンタ。
【請求項１７】
前記作業温度範囲は、前記造形材料が押出しに適したレオロジー特性を示す温度の範囲を含む、請求項１６に記載のプリンタ。
【請求項１８】
前記ノズルは、堆積中に、前記プリンタのビルドボリュームのｘ−ｙ平面内のパスを移動し、前記ノズルは、前記パスに対して前記ノズルの前縁に、前記造形材料を加熱するためのエネルギーを提供する局所加熱器を含み、前記ノズルは、前記パスに対して前記ノズルの後縁に、アイロンシューを含み、前記アイロンシューは、前記造形材料が下の材料層に入るように該造形材料に垂直力を加えるように構成されている、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１９】
３Ｄ製作用プリンタであって：
実質的に一定の寸法を有する断面形状で形成された造形材料の供給源と；
前記造形材料を軸方向に推進させるように構成された駆動システムと；
前記駆動システムから前記造形材料を受け入れるための第１の開口部であって、前記断面形状を収容するための第１の形状を有する第１の開口部と、製作プロセスにおいて前記造形材料を堆積させるための第２の開口部であって、前記第１の形状よりも小さい１つ以上の内部寸法および前記第１の形状の９０％以上の断面積を伴う第２の形状を有する第２の開口部と、を含むノズルであって、前記第２の形状が、前記造形材料が前記ノズルを出るときに、前記プリンタのｚ軸に垂直なｘ−ｙ平面における前記造形材料の移動に抵抗するように、前記断面形状の周囲で前記造形材料と接触するノズルと；
前記第１の開口部と前記第２の開口部との間で前記造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記プリンタで製作された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと；
前記第２の開口部から前記造形材料を堆積させながら、前記ノズルを前記ビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと；
前記物体の３Ｄモデルから前記ビルドプラットフォーム上に当該物体を製作するために、前記プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。
【請求項２０】
方法であって：
断面形状および断面積を有するフィラメントとして形成された造形材料を供給するステップと；
前記造形材料を作業温度に加熱するステップと；
前記フィラメントの前記断面形状と実質的に同様の第２の断面形状と、前記フィラメントの前記断面形状よりも当該断面形状の１０％以下だけ小さい面積 と、を有する開口部を介して、前記造形材料を駆動するステップと；
前記造形材料から前記三次元物体を形成するためのパスに沿って、前記造形材料を前記開口部を介して堆積させるステップと、を含む、方法。
【請求項２１】
３Ｄ物体製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記造形材料を前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記造形材料のための前記リザーバからの出口通路を提供する開口部を含むノズルと；
前記ノズルを出る前記造形材料の上面に少なくとも１つのリッジを付ける成形固定具と；
前記造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内の温度で前記造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、を備える、プリンタ。
【請求項２２】
前記ノズルに接続され、前記ノズルを出る前記造形材料に当該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに備える、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項２３】
前記超音波振動子と前記プリンタの１つ以上の他の構成要素との間に介在し、前記振動子からの超音波エネルギーを前記１つ以上の他の構成要素から分離する、機械的デカップラをさらに備える、請求項２２に記載のプリンタ。
【請求項２４】
前記造形材料は、金属造形材料を含み、前記プリンタは、前記ノズルを出る前記金属造形材料の第１の層と前記金属造形材料の下層との間の界面を介して前記金属造形材料に電流を流すように構成された、ジュール加熱システムをさらに備える、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項２５】
前記造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項２６】
前記造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項２７】
前記造形材料は、第１の温度で溶融する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲は、前記金属ベースの融点を超える温度範囲を含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項２８】
前記造形材料は、包晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物は、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項２９】
前記造形材料は、熱可塑性物質、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも１つを含むマトリックス中の焼結可能な粉末を含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３０】
前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３１】
ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、前記ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように、前記ビルドプレートに対して前記ノズルを３Ｄパスで移動させるように構成されている、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３２】
前記加熱システム、前記駆動システム、および前記ロボットシステムを制御して、前記造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備える、請求項３１に記載のプリンタ。
【請求項３３】
前記成形固定具は、前記ノズルの中心軸を通る溝を含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３４】
前記成形固定具は、前記ノズルの中心軸を異なる角度で通る複数の溝を含む、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３５】
前記成形固定具は、前記ノズルから下方に延びる１つ以上の突起を含み、前記ノズルを出る前記造形材料の前記上面に谷を形成するように配置されている、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３６】
製作プロセスにおいて物体を形成するためにビルドプラットフォームに対しビルドパスを介して前記ノズルを移動させるように動作可能であるロボットシステムをさらに備え、前記成形固定具は、前記ノズルの中心軸の周りを回転して、前記ビルドパスが前記製作プロセスのｘ−ｙ平面内で方向を変えるときに、当該成形固定具を前記ビルドパスに整列させる、請求項２１に記載のプリンタ。
【請求項３７】
前記ビルドパスに沿って前記ノズルを追従するローラをさらに備え、前記ローラは、前記少なくとも１つのリッジの上方に後続層が堆積されるときに、当該後続層に下向きの垂直力および超音波エネルギーを加える、請求項３６に記載のプリンタ。
【請求項３８】
物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
前記プリンタのノズルを介して造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法で、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと
前記造形材料が前記ノズルを出るときに前記造形材料の上面を成形して、前記造形材料の後続層を受ける局部接触力が高い領域を提供する１つ以上のリッジを形成するステップと、を含む、方法。
【請求項３９】
前記造形材料の前記後続層に超音波エネルギーを加えながら、前記後続層を前記１つ以上のリッジ上に堆積させるステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記１つ以上のリッジにプラズマ流を加えながら、前記後続層を堆積させるステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記造形材料は、バルク金属ガラスおよびオフ共晶組成物の少なくとも１つを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである、粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れる入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部を含むノズルと；
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度の範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと；
前記ノズルを出る前記金属造形材料に向けられたプラズマ源と、を備える、プリンタ。
【請求項４４】
前記ノズルに接続され、前記ノズルを出る前記金属造形材料に当該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項４５】
前記ノズルを出る前記金属造形材料の上面に少なくとも１つのリッジを付ける成形固定具をさらに備える、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項４６】
前記ノズルを出る前記金属造形材料の第１の層と、前記金属造形材料の下層と、の間の界面を介して前記金属造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムをさらに備える、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項４７】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項４８】
前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項４９】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度範囲を含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５０】
前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶系組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５１】
前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５２】
ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、前記ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように、前記ノズルを前記ビルドプレートに対して３Ｄパスで移動させるように構成されている、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５３】
前記加熱システム、前記駆動システム、および前記ロボットシステムを制御して、前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備える、請求項５２に記載のプリンタ。
【請求項５４】
前記プラズマ源は、可変の化学プラズマ源を含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５５】
前記プラズマ源は、イオンプラズマ源を含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５６】
前記プラズマ源は、前記ノズルを出る前記金属造形材料が下層の前記金属造形材料に接合される位置に導入される、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５７】
前記プラズマ源は、前記ノズルを出る前記金属造形材料が下層の前記金属造形材料上のある位置に堆積される前に当該位置に導入される、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５８】
前記金属造形材料は、アルミニウムを含む、請求項４３に記載のプリンタ。
【請求項５９】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記金属造形材料が前記ノズルを出るときに、当該金属造形材料をプラズマ流内で下層の前記金属造形材料に接合するステップと、を含む、方法。
【請求項６０】
前記ノズルを出る前記金属造形材料に超音波エネルギーを加えながら、当該金属造形材料を前記下層の上に堆積させるステップをさらに含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスおよび共晶系のオフ共晶組成物の少なくとも１つを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記金属造形材料の作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度範囲を含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記金属造形材料は、アルミニウムを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部と含むノズルであって、前記金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと；
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと；
前記ノズルを出る前記金属造形材料と前記ノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と；
前記ノズルの前記開口部と前記ノズルを出る前記金属造形材料との間の温度差を、前記金属造形材料の各々および前記導電性ノズル材料についての前記電圧およびゼーベック係数に基づいて計算するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。
【請求項６５】
前記ノズルの絶対温度を測定するように構成された温度センサをさらに備え、前記プロセッサは、前記金属造形材料の絶対温度の推定値を、前記ノズルの前記絶対温度および前記ノズルの前記開口部と前記金属造形材料との間の前記温度差に基づいて計算するように構成されている、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項６６】
前記プロセッサは、前記金属造形材料の前記絶対温度の前記推定値に基づいて、前記加熱システムを制御するように構成されている、請求項６５に記載のプリンタ。
【請求項６７】
前記プロセッサは、前記一対の端子間における前記電圧の変化に基づいて、前記金属造形材料の温度変化を監視するようにさらに構成されている、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項６８】
前記プロセッサは、既知の条件下で１つ以上の測定値に基づいて、前記温度差を較正するように構成されている、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項６９】
前記金属造形材料の各々および前記導電性ノズル材料についての前記ゼーベック係数が、前記金属造形材料および前記導電性ノズル材料の材料タイプに基づく定数として提供される、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項７０】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度範囲を含む、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項７１】
前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含む、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項７２】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項７３】
前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項７４】
前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項６４に記載のプリンタ。
【請求項７５】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記ノズルと前記金属造形材料との間の電圧を監視するステップと；
前記電圧に基づいて、前記金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと；
前記温度パラメータに応じて前記金属造形材料の温度を制御するステップと、を含む、方法。
【請求項７６】
前記温度パラメータは、前記ノズルと前記金属造形材料との間の相対温度を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記温度パラメータは、前記金属造形材料の絶対温度を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記ノズルの温度を測定するステップと、前記ノズルと前記金属造形材料との間の温度差を、前記金属造形材料の各々および前記ノズルの材料についての前記電圧および前記ゼーベック係数に基づいて推定するステップと、をさらに含む、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第１の温度で融解する金属ベースと前記第１の温度を少なくとも上回る第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相とを有する組成物材料の少なくとも１つを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項８０】
前記金属造形材料の前記温度を制御するステップは、押出速度を制御すること、加熱システムを制御すること、ノズル速度を制御すること、の少なくとも１つを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項８１】
非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記ノズルと前記金属造形材料との間の電圧を監視するステップと；
前記電圧に基づいて、前記金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと；
前記温度パラメータに応じて前記金属造形材料の温度を制御するステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。
【請求項８２】
前記温度パラメータは、前記ノズルと前記金属造形材料との間の相対温度を含む、請求項８１に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８３】
前記温度パラメータは、前記金属造形材料の絶対温度を含む、請求項８１に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８４】
前記ノズルの温度を測定するステップと、前記ノズルと前記金属造形材料との間の温度差を、前記金属造形材料の各々および前記ノズルの材料についての前記電圧および前記ゼーベック係数に基づいて推定するステップと、実行するコードをさらに含む、請求項８１に記載の方法。
【請求項８５】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する、バルク金属ガラスを含む金属造形材料を供給源から受け入れる入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部を含むノズルであって、前記金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと；
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度の範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと；
前記ノズルを出る前記金属造形材料と前記ノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と；
前記造形材料の各々および前記導電性ノズル材料についての前記電圧およびゼーベック係数に基づく、前記ノズルの開口部と前記ノズルを出る前記金属造形材料との間の温度差の変化に無相関である前記電圧の変化に基づいて、前記バルク金属ガラスの結晶化度の変化を計算するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。
【請求項８６】
前記プロセッサは、前記金属造形材料に加えられる熱を低減して、前記電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を抑制するようにさらに構成されている、請求項８５に記載のプリンタ。
【請求項８７】
前記プロセッサは、前記金属造形材料に加えられる熱を増加させて、前記電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を促進するようにさらに構成されている、請求項８５に記載のプリンタ。
【請求項８８】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部と含むノズルと；
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度の範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと；
前記ノズルの表面との接触を電子的に検出するように構成された接触プローブであって、前記ノズルの表面と所定の位置で接触するように配置された接触プローブと；
前記接触に、１つ以上の、位置に基づく制御信号で応答するように構成されたプロセッサと、を含む、プリンタ。
【請求項８９】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、前記バルク金属ガラスの融点よりも低い温度を含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９０】
前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９１】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９２】
前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９３】
前記プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９４】
前記所定の位置は、前記プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９５】
前記プロセッサは、前記ノズルの前記表面との前記接触の検出に基づいて前記プリンタの前記ビルドボリューム内で前記ノズルを移動させる、ロボットシステム内の１つ以上のモータの位置を較正するように構成されている、請求項９４に記載のプリンタ。
【請求項９６】
複数の接触プローブをさらに備え、前記プロセッサは、前記複数の接触プローブの各々との同時接触に基づいて、前記ノズルを中心合わせするように構成されている、請求項９４に記載のプリンタ。
【請求項９７】
前記所定の位置は、前記プリンタのビルドプラットフォームに対する所定の高さを含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９８】
前記所定の位置は、製作プロセスにおいて前記ノズルから先に堆積された前記金属造形材料の層に対する所定の高さを含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項９９】
前記所定の位置は、製作プロセスにおいて前記ノズルから現在堆積されている前記金属造形材料の層に対する所定の高さを含む、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項１００】
前記接触プローブと一定の位置で接続された第２の接触プローブをさらに備え、前記接触プローブおよび前記第２の接触プローブは、前記プリンタのビルドボリューム内に制御可能に配置することができ、前記プロセッサは、物体を形成するために堆積された前記金属造形材料の露出した上面と接触して前記第２の接触プローブを位置決めし、前記ノズルの前記表面との接触に基づいて、前記露出した上面に対して前記ノズルの高さを決定するように構成されている、請求項８８に記載のプリンタ。
【請求項１０１】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記前記ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、前記ノズルの位置を検出するステップと；
前記接触に基づいて、前記ノズルの位置を制御するステップと、を含む、方法。
【請求項１０２】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０３】
前記金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０４】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０５】
前記所定の位置は、前記プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０６】
前記ノズルの前記表面との前記接触の検出に基づいて、前記ビルドパスに沿って前記ノズルを移動させるロボットシステム内の１つ以上のモータの位置を較正するステップをさらに含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０７】
前記所定の位置は、前記プリンタの前記ビルドプレートに対する所定の高さを含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０８】
非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記前記ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、前記ノズルの位置を検出するステップと；
前記接触に基づいて前記ノズルの位置を制御するステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。
【請求項１０９】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記金属造形材料を、前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記リザーバからの前記金属造形材料のための出口通路を提供する開口部を含むノズルと；
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すのに十分な力で、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと；
ビルドプレートと；
前記物体のコンピュータ化されたモデルに従って、前記ビルドプレート上に前記金属造形材料から物体を製作するために、前記ノズルを前記ビルドプレートに対して３Ｄパス内で移動させるように構成されたロボットシステムと；
ノズルクリーニング器具と；
前記ロボットシステムを動作させて、前記ノズルの前記開口部を移動させて前記ノズルクリーニング器具と係合させ、前記出口通路への障害物を除去するように構成されたコントローラと、を備える、プリンタ。
【請求項１１０】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１１】
前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度の範囲を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１２】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１３】
前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１４】
前記金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも１つから形成されるバインダ系と、を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１５】
前記金属造形材料は、粉末冶金組成物を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１６】
前記ノズルクリーニング器具は、前記ビルドプレート上にある、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１７】
前記ノズルクリーニング器具は、ピン形状部材であって、前記開口部が前記ピンの上に置かれたときに前記出口通路への障害物を機械的に外すためのピンを含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１１８】
前記ノズルクリーニング器具は、前記ピンが前記開口部と係合するときに、前記開口部から材料を除去するように配置された鋭利な縁部を含む、請求項１１７に記載のプリンタ。
【請求項１１９】
前記ノズルクリーニング器具は、金属造形材料を前記ノズルを介して融解して流動させるために、前記開口部内の前記金属造形材料にジュール加熱電流を加えるように構成された電流源を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１２０】
前記ノズルクリーニング器具は、前記金属造形材料を融解温度を超えて加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源を含む、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１２１】
前記コントローラは、所定のノズルクリーニングスケジュールに従って前記ノズルの前記開口部を移動させて、該ノズルの該開口部を前記ノズルクリーニング器具と係合させるように構成されている、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１２２】
前記コントローラは、前記ノズルを通る流れに対する潜在的な障害物の検出に応答して前記ノズルの前記開口部を移動させて、該ノズルの該開口部を前記ノズルクリーニング器具と係合させるように構成されている、請求項１０９に記載のプリンタ。
【請求項１２３】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記ノズルを通る前記金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと；
前記ノズルを移動させて当該ノズルをノズルクリーニング器具に係合させ、障害物の除去を容易にするステップと、を含む、方法。
【請求項１２４】
前記ノズルを通る前記金属造形材料の前記流れに対する前記潜在的な障害物を検出するステップが、前記ノズルを介して前記金属造形材料を駆動させる駆動システム上の負荷の増加を検出することを含む、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２５】
前記ノズルクリーニング器具がピンを含み、前記方法は、前記ピンを前記ノズルの開口部を通して挿入するステップをさらに含む、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２６】
前記ノズルクリーニング器具がマイクロ波エネルギー源を含み、前記方法は、前記マイクロ波エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを前記金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含む、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２７】
前記ノズルクリーニング器具が電流源を含み、前記方法は、前記電流源からの電流を前記ノズル内の前記金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含む、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２８】
非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると：
前記プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと；
前記ノズルを前記プリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、前記ビルドプレート上に前記物体を製作するステップと；
前記ノズルを通る前記金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと；
前記ノズルを移動させて当該ノズルをノズルクリーニング器具に係合させ、障害物の除去を容易にするステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。
【請求項１２９】
前記ノズルを通る前記金属造形材料の前記流れに対する前記潜在的な障害物を検出するステップが、前記ノズルを介して前記金属造形材料を駆動する駆動システム上の負荷の増加を検出することを含む、請求項１２８に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１３０】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
付加製作プロセスにおいて金属造形材料を堆積させるように構成された第１の押出機と；
前記付加製作プロセスのための支持材料を堆積するように構成された第２の押出機であって、前記支持材料が溶解可能なバルク金属ガラスを含む第２の押出機と；
ビルドプレートと；
前記第１の押出機および前記第２の押出機を、前記ビルドプレートに対して３Ｄパスで移動させて、前記支持材料から支持構造体を製作し、かつ物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように構成されたロボットシステムと、を備える、プリンタ。
【請求項１３１】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含む、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３２】
前記金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含む、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３３】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含む、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３４】
前記溶解可能なバルク金属ガラスがマグネシウムを含む、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３５】
前記溶解可能なバルク金属ガラスがカルシウムを含む、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３６】
前記溶解可能なバルク金属ガラスがリチウムを含む、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３７】
前記溶解可能なバルク金属ガラスが、塩化水素を含む水溶液に溶解可能である、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３８】
前記溶解可能なバルク金属ガラスが、水溶液に溶解性である、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１３９】
前記溶解可能なバルク金属ガラスが、前記金属造形材料の１０倍の速度で所定の溶媒に溶解する、請求項１３０に記載のプリンタ。
【請求項１４０】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
第１のノズルを前記プリンタのビルドプレートに対して第１のビルドパスに沿って移動させながら前記第１のノズルから支持材料を押出して、物体の支持構造体を製作するステップであって、前記支持材料が溶解可能なバルク金属ガラスを含むステップと；
第２のノズルを前記ビルドプレートに対して第２のビルドパスに沿って移動させ、前記支持構造体上に金属造形材料から物体を製作するステップであって、前記第２のビルドパスが前記物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含む、方法。
【請求項１４１】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４２】
前記金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４３】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含む、請求項１４０に記載のプリンタ。
【請求項１４４】
前記溶解可能なバルク金属ガラスが、マグネシウム合金を含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４５】
前記溶解可能なバルク金属ガラスが、カルシウム合金を含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４６】
前記溶解可能なバルク金属ガラスが、リチウム合金を含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４７】
前記溶解可能なバルク金属ガラスを水溶液中に溶解させるステップをさらに含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４８】
前記溶解可能なバルク金属ガラスを、塩化水素を含む水溶液中に溶解させるステップをさらに含む、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１４９】
前記溶解可能なバルク金属ガラスは、前記金属造形材料の少なくとも１０倍の速さで所定の溶媒に溶解する、請求項１４０に記載の方法。
【請求項１５０】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
第１のノズルを前記プリンタのビルドプレートに対して第１のビルドパスに沿って移動させながら前記第１のノズルから支持材料を押出して、物体の支持構造体を製作するステップと；
第２のノズルを前記ビルドプレートに対して第２のパスに沿って移動させ、前記支持構造体上に、溶解可能なバルク金属ガラスから溶解性剥離層を製作するステップと；
第３のノズルを前記ビルドプレートに対して第３のビルドパスに沿って移動させ、前記溶解性剥離層上に、金属造形材料から物体の一部を製作するステップであって、前記第３のビルドパスが、前記物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含む方法。
【請求項１５１】
製品であって：
物体の一部を付加製造するための支持構造体であって、溶解可能なバルク金属ガラスで形成された支持構造体と；
前記支持構造体に隣接する前記物体の表面であって、金属造形材料で形成された前記物体の表面と、を含む、製品。
【請求項１５２】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料の供給部と；
ビルドプレートと；
付加製造プロセスにおいて前記金属造形材料を前記ビルドプレート上に堆積させるように構成された押出機と；
前記ビルドプレート上のコーティングであって、前記金属造形材料の前記作業温度範囲の下限よりも低い融解温度を有する材料で形成されたコーティングと、を備えるプリンタ。
【請求項１５３】
前記ビルドプレート用の冷却システムをさらに備え、前記冷却システムは、前記ビルドプレート上での物体の製作中に、前記ビルドプレート上の前記材料を前記融解温度より低い温度に維持するように構成されている、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１５４】
前記ビルドプレート用の加熱システムをさらに備え、前記加熱システムは、製作後に、前記ビルドプレートから物体を除去するように、前記ビルドプレート上の前記材料を前記融解温度を超えて加熱するように構成されている、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１５５】
前記加熱システムは、前記ビルドプレート上の前記材料を、前記コーティングの前記融解温度を上回り、かつ前記物体の前記作業温度の下限よりも低い温度まで加熱することにより、前記物体を変形させることなく当該物体を除去し易くするように構成されている、請求項１５４に記載のプリンタ。
【請求項１５６】
前記コーティングの前記材料は、低融解温度のはんだを含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１５７】
前記コーティングの前記材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１５８】
前記コーティングの前記材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１５９】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１６０】
前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１６１】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１６２】
前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１６３】
前記金属造形材料は、コンピュータ化されたモデルに基づいて物体を製作するための造形材料を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１６４】
前記金属造形材料は、第２の材料から製作される物体を支持するための支持材料を含む、請求項１５２に記載のプリンタ。
【請求項１６５】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
ビルドプレートに融解温度を有する材料からなるコーティングを提供するステップと；
前記ビルドプレートの前記コーティング上に、金属造形材料で構造体を製作するステップであって、前記金属造形材料が、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有し、前記コーティングの前記融解温度が、前記作業温度範囲の下限よりも低いステップと、を含む、方法。
【請求項１６６】
前記ビルドプレートを冷却して、前記コーティングが前記金属造形材料に曝されたときに、前記コーティングを前記融解温度よりも低い温度に維持するステップをさらに含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１６７】
前記構造体の製作が完了した後に前記コーティングを前記融解温度を超えて加熱し、前記コーティングが液体である間に前記構造体を前記ビルドプレートから取り除くステップをさらに含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１６８】
前記構造体は、製作のために前記プリンタに提供されるコンピュータ化されたモデルに記載された物体を含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１６９】
前記構造体は、前記プリンタによって製作される物体のための支持構造体を含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１７０】
前記コーティングの前記材料は、低融解温度のはんだを含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１７１】
前記コーティングの前記材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１７２】
前記コーティングの前記材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１７３】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料の少なくとも１つを含む、請求項１６５に記載の方法。
【請求項１７４】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタであって：
溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバと；
前記リザーバ内の前記金属造形材料を前記作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと；
前記金属造形材料の、前記リザーバからの出口通路を提供する開口部を含むノズルと；
前記金属造形材料と機械的に係合し、前記作業温度範囲内の温度で前記金属造形材料を前記ノズルの前記開口部を介して押し出すために、前記造形材料を前記供給源から前記リザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと；
前記ノズルを通る供給パスに沿って前記金属造形材料の前進に抗する力を測定するように構成された力センサと；
前記力センサおよび前記駆動システムに接続されたプロセッサであって、前記力センサによって測定された前記力に従って、前記駆動システムの速度を調整するように構成されたプロセッサと、を備える、プリンタ。
【請求項１７５】
前記プロセッサは、前記力が減少した場合に熱伝達を減少させるように前記駆動システムの前記速度を増加させ、前記力が増加した場合に前記熱伝達を増加させるように前記駆動システムの前記速度を減少させるように構成されている、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１７６】
前記プロセッサは、前記作業温度範囲内の温度を示す前記力に対する所定の目標値を維持するように構成されている、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１７７】
前記金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、前記バルク金属ガラスの結晶化を回避するために、前記所定の目標値が前記バルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化する、請求項１７６に記載のプリンタ。
【請求項１７８】
前記プロセッサは、前記金属造形材料の前記前進に抗する前記力および前記駆動システムの速度に基づいてエラー状態を検出し、前記エラー状態に応答して是正措置を開始するように構成されている、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１７９】
前記是正措置が前記ノズルをクリーニングすることを含む、請求項１７８に記載のプリンタ。
【請求項１８０】
前記是正措置が製作プロセスを休止させることを含む、請求項１７８に記載のプリンタ。
【請求項１８１】
前記金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、前記作業温度範囲は、前記バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつ前記バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含む、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８２】
前記金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、前記作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含む、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８３】
前記金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも前記第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、前記作業温度範囲が、前記金属ベースの融点を超える温度の範囲を含む、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８４】
前記金属造形材料は、包晶系組成物を含み、前記作業温度範囲は、前記包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、前記包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示す、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８５】
前記金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも１つから形成されるバインダ系と、を含む、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８６】
前記プリンタは、溶融フィラメント製法式製造システムを含む、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８７】
ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、前記ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って前記金属造形材料から前記物体を前記ビルドプレート上に製作するように、前記ビルドプレートに対して前記ノズルを３Ｄパスで移動させるように構成されている、請求項１７４に記載のプリンタ。
【請求項１８８】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法であって：
加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと；
駆動システムを用いて前記金属造形材料を前記プリンタのノズルを介してある速度で前進させるステップと；
前記ノズルを通る前記金属造形材料の前進に抗して前記駆動システムに加えられる力を監視するステップと；
前記駆動システムに加えられる前記力に従って前記駆動システムの前記速度を調整するステップと；を含む、方法。
【請求項１８９】
前記速度を調整するステップは、前記力が減少した場合に熱伝達を減少させるように前記駆動システムの前記速度を増加させることと、前記力が増加した場合に前記熱伝達を増加させるように前記駆動システムの前記速度を減少させること、を含む、請求項１８８に記載の方法。
【請求項１９０】
前記金属造形材料の所定の温度を示す前記力に対して所定の目標値を維持するステップをさらに含む、請求項１８８に記載の方法。
【請求項１９１】
前記金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、前記バルク金属ガラスの実質的な結晶化を回避するために、前記所定の温度が前記バルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化する、請求項１９０に記載の方法。
【請求項１９２】
前記製作プロセスのための材料堆積速度を実質的に一定に維持するために、前記駆動システムの前記速度に比例して、製作プロセスにおけるノズルの移動速度を調整するステップをさらに含む、請求項１８８に記載の方法。
【請求項１９３】
前記駆動システムに加えられる力と前記駆動システムの前記速度との間の関係に基づいて、前記プリンタ内のエラー状態を検出するステップと、前記エラー状態に応答して是正措置を開始するステップと、をさらに含む、請求項１８８に記載の方法。
【請求項１９４】
前記駆動システム上に加えられる前記力は、前記ノズルに供給される前記金属造形材料への軸方向力、または、前記駆動システムのモータに対する回転力の少なくとも１つを含む、請求項１８８に記載の方法。
【請求項１９５】
非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含む、金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品であって、前記プリンタ上で実行すると：
加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと；
駆動システムを用いて前記金属造形材料を前記ノズルを介してある速度で前進させるステップと；
前記ノズルを通る前記金属造形材料の前進に抗する前記駆動システム上の力を監視するステップと；
前記駆動システム上の前記力に従って前記駆動システムの前記速度を調整するステップと、を実行する、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１６年３月３日に出願された米国特許仮出願第６２／３０３３２４号に対する優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、以下の米国特許出願：２０１５年１２月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／２６８４５８号；２０１６年１２月１６日に出願された米国特許出願第１５／３８２５３５号；および２０１６年３月２日に出願された米国特許出願第１５／０５９２５６号に関連する。上記出願の各々は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本開示は、一般に、付加製造に関し、より詳細には、金属物体の３Ｄプリントに関する。
【背景技術】
【０００４】
溶融フィラメント製法（ＦＦＦ）は、熱可塑性材料または同様の材料から３Ｄ物体を製作するための技術を提供する。この技術を用いる機械は、材料のラインを層状に堆積させることによって三次元（３Ｄ）物体を付加的に製作し、コンピュータモデルから物理的な物体を付加的に構築することができる。これらのポリマーベースの技術は、長年にわたって変更され、かつ改良されてきたが、ポリマーベースのシステムに適用可能である物理的な原理は、様々な課題を提起する傾向のある金属ベースのシステムには適用できない場合がある。金属を用いた付加製造に適した３Ｄプリント技術が、依然として必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
付加製造に対する様々な改良を開示しており、これらの改良には、溶融フィラメント製法のプロセスを、金属造形材料を使用した金属物体の製作に適合させるための技術が含まれる。
【０００６】
プリンタは、コンピュータ化されたモデルおよび溶融フィラメント製法プロセスに基づいて、造形材料から物体を製作する。造形材料を堆積させるためのノズルは、該ノズルに供給される造形材料の外径に近似する内径を有して、堆積中にノズルによって課される押出力および抵抗力を低減し、また、コンピュータ制御された製作プロセスにおいて材料を正確に堆積させるために、造形材料の平面位置を適切に制約する。
【０００７】
３Ｄ製作用プリンタは、実質的に円形の断面および外径を有するフィラメントとして形成された造形材料の供給源と、フィラメントを軸方向に推進させるように構成された駆動システムと、第１の開口部、第２の開口部、および第１の開口部を第２の開口部に接続するリザーバを含むノズルであって、第１の開口部が、駆動システムからフィラメントを受け入れるように配置された位置に第１の内径を有し、第２の開口部が、製作プロセスにおいて表面上に造形材料を堆積させるように、リザーバの反対側の端部に位置する第２の内径を有し、第２の内径が、第１の内径の９０％以上であるノズルと、を備えることができる。このプリンタは、第１の開口部と第２の開口部との間で造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムをさらに備えることができる。
【０００８】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。上記の表面は、製作プロセスによって製作される物体の表面であってもよい。このプリンタは、プリンタで製造された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、第２の開口部から造形材料を堆積させながら、ノズルをビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと、物体の３Ｄモデルからビルドプラットフォーム上に物体を製作するために、プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、をさらに備えていてもよい。このプリンタは、ビルドプラットフォームおよび物体を制御された環境に内包するビルドチャンバをさらに備えていてもよい。造形材料が金属造形材料を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラス、オフ共晶組成物、および包晶組成物の少なくとも１つを含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。金属造形材料は、熱可塑性樹脂、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも１つを含むマトリックス中の金属粉末を含んでいてもよい。金属造形材料は、粉末の冶金組成物を含んでいてもよい。第２の開口部の第２の内径は、第１の開口部の第１の内径の９９％以上であってもよい。第２の開口部の第２の内径は、第１の開口部の第１の内径よりも小さくなくてもよい。第２の内径がフィラメントの外径よりも小さく、第２の開口部が第２の内径の下流側で第１の内径を超える第３の内径に拡がっていてもよい。このプリンタは、造形材料がノズルの第２の開口部を出るときに、該造形材料を加熱するための局所加熱システムをさらに備えていてもよい。局所加熱システムは、ノズルを出る造形材料の第１の層と造形材料の下層との間の界面を介して造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムと、第２の開口部の周りの領域で造形材料を加熱するように構成されたレーザ加熱システムと、第２の開口部の近傍のノズル内にある抵抗加熱システムと、の少なくとも１つ以上を含んでいてもよい。加熱システムは、第２の開口部を介した堆積に適し、かつノズルから造形材料を受け取る表面への接合に適した作業温度に造形材料を加熱してもよい。加熱システムは、造形材料を周囲温度よりも高く作業温度範囲よりも低い温度に予熱し、作業温度範囲は、第２の開口部を介した堆積に適し、かつノズルから造形材料を受け取る表面への接合に適した温度範囲であり、局所加熱システムは、造形材料がノズルを出るときに該造形材料を上記の温度から作業温度範囲内の温度まで加熱してもよい。作業温度範囲は、造形材料が押し出しに適したレオロジー特性を示す温度範囲を含んでいてもよい。ノズルは、堆積中に、プリンタのビルドボリュームのｘ−ｙ平面内のパスを移動し、該ノズルは、パスに対してノズルの前縁上に、造形材料を加熱するためのエネルギーを提供する局所加熱器を含み、該ノズルは、パスに対してノズルの後縁上に、アイロンシューを含み、該アイロンシューは、造形材料に下の材料層へと垂直力を加えるように構成されている。
【０００９】
３Ｄ製作用プリンタは、実質的に一定の寸法を有する断面形状で形成された造形材料の供給源と、造形材料を軸方向に推進させるように構成された駆動システムと、駆動システムから造形材料を受け入れるための第１の開口部であって、断面形状を収容するための第１の形状を有する第１の開口部と、製作プロセスにおいて造形材料を堆積させるための第２の開口部であって、第１の形状よりも小さい１つ以上の内部寸法および第１の形状の９０％以上の断面積を伴う第２の形状を有する第２の開口部と、を含むノズルであって、第２の形状が、造形材料がノズルを出るときに、プリンタのｚ軸に垂直なｘ−ｙ平面における造形材料の移動に抵抗するように断面形状の周囲で造形材料と接触するノズルと、を備えることができる。このプリンタは、第１の開口部と第２の開口部との間で造形材料を加熱するように動作可能である加熱システムと、プリンタで製作された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、第２の開口部から造形材料を堆積させながら、ノズルをビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと物体の３Ｄモデルからビルドプラットフォーム上に物体を製作するために、プリンタを制御するように構成されたプロセッサと、をさらに含むことができる。
【００１０】
方法は、断面形状および断面積を有するフィラメントとして形成された造形材料を供給するステップと、造形材料を作業温度に加熱するステップと、フィラメントの断面形状と実質的に同様の第２の断面形状と、フィラメントの断面形状よりも当該断面形状の１０％以下だけ小さい面積と、を有する開口部を介して、造形材料を駆動するステップと、造形材料から３Ｄ物体を形成するためのパスに沿って、造形材料を開口部を介して堆積させるステップと、を含むことができる。
【００１１】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。リッジのような１つ以上のエネルギーディレクタを堆積された造形材料の露出表面に形成し、局所接触力の高い領域を提供することにより、造形材料の連続する層間における中間層の接合を改善することができる。後続層の堆積中に、これらのエネルギーディレクタに沿って追加のエネルギーを加える目的で、プリンタに超音波振動子を組み込むことも有用である。
【００１２】
３Ｄ物体製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、リザーバ内の造形材料を作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、造形材料のためのリザーバからの出口経路を提供する開口部を含むノズルと、ノズルを出る造形材料の上面に少なくとも１つのリッジを付ける成形固定具と、造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内の温度で造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、当該造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、を備えることができる。
【００１３】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルに接続され、ノズルを出る造形材料に該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに備えていてもよい。このプリンタは、超音波振動子とプリンタの１つ以上の他の構成要素との間に介在し、振動子からの超音波エネルギーを１つ以上の他の構成要素から分離する、機械的デカップラをさらに備えていてもよい。造形材料は、金属造形材料を含み、プリンタは、ノズルを出る金属造形材料の第１の層と金属造形材料の下層との間の界面を介して金属造形材料に電流を流すように構成された、ジュール加熱システムをさらに備えていてもよい。造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含んでいてもよい。第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲は、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。造形材料は、包晶組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物は、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示してもよい。造形材料は、熱可塑性物質、ワックス、相溶化剤、および可塑剤の少なくとも１つを含むマトリックス中の焼結可能な粉末を含んでいてもよい。このプリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備えていてもよく、ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように、ノズルをビルドプレートに対して３Ｄパスで移動させるように構成され得る。このプリンタは、加熱システム、駆動システム、およびロボットシステムを制御して、造形材料から物体をビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備えていてもよい。成形固定具は、ノズルの中心軸を通る溝を含んでいてもよい。成形固定具は、ノズルの中心軸を異なる角度で通る複数の溝を含んでいてもよい。成形固定具は、ノズルから下方に延びる１つ以上の突起を含み、ノズルを出る造形材料の上面に谷を形成するように配置されていてもよい。このプリンタは、製作プロセスにおいて物体を形成するために、ビルドプラットフォームに対しビルドパスを通ってノズルを移動させるように動作可能であるロボットシステムをさらに備え、成形固定具は、ノズルの中心軸の周りを回転して、ビルドパスが製作プロセスのｘ−ｙ平面内で方向を変えるときに、当該成形固定具をビルドパスに整列させてもよい。このプリンタは、ビルドパスに沿ってノズルを追従するローラをさらに備えていてもよく、ローラは、少なくとも１つのリッジの上に後続層が堆積されるときに、当該後続層に下向きの垂直力および超音波エネルギーを加えることができる。
【００１４】
物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法で、ビルドプレート上に物体を製作するステップと造形材料がノズルを出るときに造形材料の上面を成形して、造形材料の後続層を受ける局部接触力が高い領域を提供する１つ以上のリッジを形成するステップと、を含むことができる。
【００１５】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。この方法は、造形材料の後続層に超音波エネルギーを加えながら、後続層を１つ以上のリッジ上に堆積させるステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、１つ以上のリッジにプラズマ流を加えながら、後続層を堆積させるステップをさらに含んでいてもよい。造形材料は、バルク金属ガラスおよびオフ共晶組成物の少なくとも１つを含んでいてもよい。造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである、粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。
【００１６】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。堆積中に、酸化物を除去して金属造形材料の連続的な層間の層間接合を改善するために、プラズマパッシベーションクリーニングを適用する。超音波振動、エネルギーディレクタの形成、ジュール加熱などの他の技術を組み合わせて使用して、層間に機械的に強固な結合を形成することができる。
【００１７】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れる入口を有するリザーバと、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部を含むノズルと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度の範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、ノズルを出る金属造形材料に向けられたプラズマ源と、を備えることができる。
【００１８】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルに接続され、ノズルを出る金属造形材料に該ノズルを介して超音波エネルギーを加えるように構成された超音波振動子をさらに含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルを出る金属造形材料の上面に少なくとも１つのリッジを付ける成形固定具をさらに備えていてもよい。このプリンタは、ノズルを出る金属造形材料の第１の層と、金属造形材料の下層と、の間の界面を介して金属造形材料に電流を流すように構成されたジュール加熱システムをさらに備えていてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示してもよい。このプリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように、ノズルをビルドプレートに対して３Ｄパスで移動させるように構成されていてもよい。このプリンタは、加熱システム、駆動システム、およびロボットシステムを制御して、金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラをさらに備えていてもよい。プラズマ源は、可変の化学プラズマ源を含んでいてもよい。プラズマ源は、イオンプラズマ源を含んでいてもよい。プラズマ源は、ノズルを出る金属造形材料が下層の金属造形材料に接合される位置に導入されてもよい。プラズマ源は、ノズルを出る金属造形材料が下層の金属造形材料上のある位置に堆積される前に当該位置に導入されてもよい。金属造形材料は、アルミニウムを含んでいてもよい。
【００１９】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、金属造形材料がノズルを出るときに、金属造形材料をプラズマ流内で下層の金属造形材料に接合するステップと、を含むことができる。
【００２０】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。この方法は、ノズルを出る金属造形材料に超音波エネルギーを加えながら、金属造形材料を下層の上に堆積させるステップをさらに含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスおよび共晶系のオフ共晶組成物の少なくとも１つを含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、金属造形材料の作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、アルミニウムを含んでいてもよい。
【００２１】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。ゼーベック効果は、造形材料と該造形材料を電圧に基づいて押し出しているノズルとの間の温度差を監視するために使用することができる。温度差は、プリンタの動作を制御するために、または、ノズルの温度の直接測定に基づいて絶対温度を決定するために使用され得る。
【００２２】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部と含むノズルであって、金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと、をさらに含むことができる。このプリンタは、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムをさらに含むことができる。このプリンタは、ノズルを出る金属造形材料とノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と、ノズルの開口部と該ノズルを出る金属造形材料との間の温度差を、金属造形材料の各々および導電性ノズル材料についての電圧およびゼーベック係数に基づいて計算するように構成されたプロセッサと、をさらに含むことができる。
【００２３】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ノズルの絶対温度を測定するように構成された温度センサをさらに備えていてもよく、プロセッサは、金属造形材料の絶対温度の推定値を、ノズルの絶対温度およびノズルの開口部と金属造形材料との間の温度差に基づいて計算するように構成されていてもよい。プロセッサは、金属造形材料の絶対温度の推定値に基づいて、加熱システムを制御するように構成されていてもよい。プロセッサは、一対の端子間における電圧の変化に基づいて、金属造形材料の温度変化を監視するようにさらに構成されていてもよい。プロセッサは、既知の条件下で１つ以上の測定値に基づいて、温度差を較正するように構成されていてもよい。金属造形材料の各々および導電性ノズル材料についてのゼーベック係数が、金属造形材料および導電性ノズル材料の材料タイプに基づく定数として提供されてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示してもよい。プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。
【００２４】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルと金属造形材料との間の電圧を監視するステップと、電圧に基づいて、金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと、温度パラメータに応じて金属造形材料の温度を制御するステップと、を含むことができる。
【００２５】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。温度パラメータは、ノズルと金属造形材料との間の相対温度を含んでいてもよい。温度パラメータは、金属造形材料の絶対温度を含んでいてもよい。この方法は、ノズルの温度を測定するステップと、ノズルと金属造形材料との間の温度差を、金属造形材料の各々およびノズルの材料についての電圧およびゼーベック係数に基づいて推定するステップと、をさらに含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第１の温度で融解する金属ベースと第１の温度を少なくとも上回る第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相とを有する組成物材料の少なくとも１つを含んでいてもよい。金属造形材料の温度を制御するステップは、押出速度を制御すること、加熱システムを制御すること、ノズル速度を制御すること、の少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００２６】
金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルと金属造形材料との間の電圧を監視するステップと、電圧に基づいて、金属造形材料の温度パラメータを推定するステップと、温度パラメータに応じて金属造形材料の温度を制御するステップと、を実行することができる。
【００２７】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。温度パラメータは、ノズルと金属造形材料との間の相対温度を含んでいてもよい。温度パラメータは、金属造形材料の絶対温度を含んでいてもよい。このコンピュータプログラム製品は、ノズルの温度を測定するステップと、ノズルと金属造形材料との間の温度差を、金属造形材料の各々およびノズルの材料についての電圧およびゼーベック係数に基づいて推定するステップと、を実行するコードをさらに含んでいてもよい。
【００２８】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する、バルク金属ガラスを含む金属造形材料を供給源から受け入れる入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、また、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部を含むノズルであって、金属造形材料とは異なる導電性ノズル材料で形成されたノズルと、を含むことができる。このプリンタは、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムをさらに含むことができる。このプリンタは、また、ノズルを出る金属造形材料とノズルの開口部との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成された電圧検出器と、造形材料の各々および導電性ノズル材料についての電圧およびゼーベック係数に基づく、ノズルの開口部とノズルを出る金属造形材料との間の温度差の変化に無相関である電圧の変化に基づいて、バルク金属ガラスの結晶化度の変化を計算するように構成されたプロセッサと、を含むことができる。
【００２９】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。
プロセッサは、金属造形材料に加えられる熱を低減して、電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を抑制するようにさらに構成されていてもよい。プロセッサは、金属造形材料に加えられる熱を増加させて、電圧の変化に応答して生じる結晶化の開始を促進するようにさらに構成されていてもよい。
【００３０】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。１つ以上の接触プローブを使用して、ノズルの高さおよび／または位置を検出することができ、例えば、プリント前にノズルをゼロにすること、中心に合わせること、もしくは較正することができ、または、製作中の造形材料の堆積層に対する高さを決定することができる。
【００３１】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、また、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部と含むノズルと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度の範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、を含むことができる。このプリンタは、ノズルの表面との接触を電子的に検出するように構成された接触プローブであって、ノズルの表面と所定の位置で接触するように配置された接触プローブをさらに含むことができる。このプリンタは、また、接触に、１つ以上の、位置に基づく制御信号で応答するように構成されたプロセッサを含むことができる。
【００３２】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融点よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。プリンタは、溶融フィラメント製法の付加製造システムを含んでいてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含んでいてもよい。プロセッサは、ノズルの表面との接触の検出に基づいてプリンタのビルドボリューム内でノズルを移動させる、ロボットシステム内の１つ以上のモータの位置を較正するように構成されていてもよい。複数の接触プローブをさらに備え、プロセッサは、複数の接触プローブの各々との同時接触に基づいて、ノズルを中心合わせするように構成されていてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドプラットフォームに対する所定の高さを含んでいてもよい。所定の位置は、製作プロセスにおいてノズルから先に堆積された金属造形材料の層に対する所定の高さを含んでいてもよい。所定の位置は、製作プロセスにおいてノズルから現在堆積されている金属造形材料の層に対する所定の高さを含んでいてもよい。接触プローブと一定の位置で接続された第２の接触プローブをさらに備え、接触プローブおよび第２の接触プローブは、プリンタのビルドボリューム内に制御可能に配置することができ、プロセッサは、物体を形成するために堆積された金属造形材料の露出した上面と接触して第２の接触プローブを位置決めし、ノズルの表面との接触に基づいて、露出した上面に対してノズルの高さを決定するように構成されていてもよい。
【００３３】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、ノズルの位置を検出するステップと、接触に基づいて、ノズルの位置を制御するステップと、を含むことができる。
【００３４】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含んでいてもよい。金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドボリューム内の所定の位置を含んでいてもよい。この方法は、ノズルの表面との接触の検出に基づいて、ビルドパスに沿ってノズルを移動させるロボットシステム内の１つ以上のモータの位置を較正するステップをさらに含んでいてもよい。所定の位置は、プリンタのビルドプレートに対する所定の高さを含んでいてもよい。
【００３５】
金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルの表面が接触プローブと所定の位置で接触していることの電気的な検出に基づいて、ノズルの位置を検出するステップと、接触に基づいてノズルの位置を制御するステップと、を実行することができる。
【００３６】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。凝固した造形材料および他の汚染物質をノズルから物理的に除去するように成形された、プリンタ用のノズルクリーニング器具を設けることができる。プリンタ用のロボットシステムを使用して、ノズルの定期的なクリーニングのために、または、ノズルが詰まっていることを示す診断条件などに応答して、ノズルを操作してノズルクリーニング器具に係合させることができる。
【００３７】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、リザーバ内の金属造形材料を、作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、リザーバからの金属造形材料のための出口経路を提供する開口部を含むノズルと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すのに十分な力で、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、ビルドプレートと、物体のコンピュータ化されたモデルに従って、ビルドプレート上に金属造形材料から物体を製作するために、ノズルをビルドプレートに対して３Ｄパス内で移動させるように構成されたロボットシステムと、ノズルクリーニング器具と、ロボットシステムを動作させて、ノズルの開口部を移動させてノズルクリーニング器具と係合させ、出口経路への障害物を除去するように構成されたコントローラと、を含むことができる。
【００３８】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融点と最高の融点との間の温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも１つから形成されるバインダ系と、を含んでいてもよい。金属造形材料は、粉末冶金組成物を含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、ビルドプレート上にあってもよい。ノズルクリーニング器具は、ピン形状部材であって、開口部がピンの上に置かれたときに出口経路への障害物を機械的に外すためのピンを含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、ピンが開口部と係合するときに、開口部から材料を除去するように配置された鋭利な縁部を含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、金属造形材料をノズルを介して融解して流動させるために、開口部内の金属造形材料にジュール加熱電流を加えるように構成された電流源を含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具は、金属造形材料を融解温度を超えて加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源を含んでいてもよい。コントローラは、所定のノズルクリーニングスケジュールに従ってノズルの開口部を移動させて、該ノズルの該開口部をノズルクリーニング器具と係合させるように構成されていてもよい。コントローラは、ノズルを通る流れに対する潜在的な障害物の検出に応答してノズルの開口部を移動させて、該ノズルの該開口部をノズルクリーニング器具と係合させるように構成されていてもよい。
【００３９】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと、ノズルを移動させて当該ノズルをノズルクリーニング器具に係合させ、障害物の除去を容易にするステップと、を含むことができる。
【００４０】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップが、ノズルを介して金属造形材料を駆動させる駆動システム上の負荷の増加を検出することを含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具がピンを含み、方法は、ピンをノズルの開口部を通して挿入するステップをさらに含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具がマイクロ波エネルギー源を含み、この方法は、マイクロ波エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含んでいてもよい。ノズルクリーニング器具が電流源を含み、この方法は、電流源からの電流をノズル内の金属造形材料に、当該金属造形材料を液化させるのに十分に加えるステップをさらに含んでいてもよい。
【００４１】
金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法において、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップと、を実行することができる。
【００４２】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。ノズルを通る金属造形材料の流れに対する潜在的な障害物を検出するステップが、ノズルを介して金属造形材料を駆動する駆動システム上の負荷の増加を検出することを含んでいてもよい。
【００４３】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。溶融可能なバルク金属ガラスを用いて、物体の領域を支持するように熱的に適合する支持構造を形成することができる。
【００４４】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、付加製作プロセスにおいて金属造形材料を堆積させるように構成された第１の押出機と、付加製作プロセスのための支持材料を堆積するように構成された第２の押出機であって、支持材料が溶融可能なバルク金属ガラスを含む第２の押出機と、ビルドプレートと、第１の押出機および第２の押出機を、ビルドプレートに対して３Ｄパスで移動させて、支持材料から支持構造体を製作し、かつ物体のコンピュータ化されたモデルに従って金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように構成されたロボットシステムと、を含むことができる。
【００４５】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含んでいてもよい。金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスがマグネシウムを含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスがカルシウムを含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスがリチウムを含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、塩化水素を含む水溶液に溶融可能であってもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、水溶液に溶解性であってもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、金属造形材料の１０倍の速度で所定の溶媒に溶解してもよい。
【００４６】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、第１のノズルをプリンタのビルドプレートに対して第１のビルドパスに沿って移動させながら第１のノズルから支持材料を押し出して、物体の支持構造体を製作するステップであって、当該支持材料が溶融可能なバルク金属ガラスを含むステップと、第２のノズルをビルドプレートに対して第２のビルドパスに沿って移動させ、支持構造体上に金属造形材料から物体を製作するステップであって、第２のビルドパスが物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含むことができる。
【００４７】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含んでいてもよい。金属造形材料は、共晶系のオフ共晶組成物を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、マグネシウム合金を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、カルシウム合金を含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスが、リチウム合金を含んでいてもよい。この方法は、溶融可能なバルク金属ガラスを水溶液中に溶解させるステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、溶融可能なバルク金属ガラスを、塩化水素を含む水溶液中に溶解させるステップをさらに含んでいてもよい。溶融可能なバルク金属ガラスは、金属造形材料の少なくとも１０倍の速さで所定の溶媒に溶解してもよい。
【００４８】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、第１のノズルをプリンタのビルドプレートに対して第１のビルドパスに沿って移動させながら第１のノズルから支持材料を押し出して、物体の支持構造体を製作するステップと、第２のノズルをビルドプレートに対して第２のパスに沿って移動させ、支持構造体上に、溶融可能なバルク金属ガラスから溶解性剥離層を製作するステップと、第３のノズルをビルドプレートに対して第３のビルドパスに沿って移動させ、溶解性剥離層上に、金属造形材料から物体の一部を製作するステップであって、第３のビルドパスが、物体のコンピュータ化されたモデルに基づくステップと、を含むことができる。
【００４９】
製品は、物体の一部を付加製造するための支持構造体であって、溶融可能なバルク金属ガラスで形成された支持構造体を含むことができる。この製品は、また、支持構造体に隣接する物体の表面であって、金属造形材料で形成された物体の表面を含むことができる。
【００５０】
プリンタは、溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用して、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する。製作中に物体を受け取るビルドプレートは、低融解温度のはんだのような低い融解温度を有する材料からなるコーティングを含む。特に、コーティングの材料は、物体を受け取っている間は凝固しており、その後、製作が完了した後に物体の除去を容易にするように、隣接する製作物体が融解したり変形したりすることのない十分に低い温度で加熱されて液体状態となることができる、合金とすることができる。
【００５１】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料の供給部と、ビルドプレートと、付加製造プロセスにおいて金属造形材料をビルドプレート上に堆積させるように構成された押出機と、ビルドプレート上のコーティングであって、金属造形材料の作業温度範囲の下限よりも低い融解温度を有する材料で形成されたコーティングと、を含むことができる。
【００５２】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレート用の冷却システムをさらに備え、冷却システムは、ビルドプレート上での物体の製作中に、ビルドプレート上の材料を上記の融解温度より低い温度に維持するように構成されていてもよい。このプリンタは、ビルドプレート用の加熱システムをさらに備え、加熱システムは、製作後に、ビルドプレートから物体を除去するように、ビルドプレート上の材料を上記の融解温度を超えて加熱するように構成されていてもよい。加熱システムは、ビルドプレート上の材料を、コーティングの融解温度を上回り、かつ物体の作業温度の下限よりも低い温度まで加熱することにより、物体を変形させることなく当該物体を除去し易くするように構成されていてもよい。コーティングの材料は、低融解温度のはんだを含んでいてもよい。コーティングの材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。コーティングの材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。金属造形材料は、コンピュータ化されたモデルに基づいて物体を製作するための造形材料を含んでいてもよい。
金属造形材料は、第２の材料から製作される物体を支持するための支持材料を含んでいてもよい。
【００５３】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、ビルドプレートに融解温度を有する材料からなるコーティングを提供するステップと、ビルドプレートのコーティング上に、金属造形材料で構造体を製作するステップであって、金属造形材料が、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有し、コーティングの融解温度が、作業温度範囲の下限よりも低いステップと、を含むことができる。
【００５４】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。この方法は、ビルドプレートを冷却して、コーディングが金属造形材料に曝されたときに、当該コーティングを融解温度よりも低い温度に維持するステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、構造体の製作が完了した後にコーティングを融解温度を超えて加熱し、コーティングが液体である間に構造体をビルドプレートから取り除くステップをさらに含んでいてもよい。構造体は、製作のためにプリンタに提供されるコンピュータ化されたモデルに記載された物体を含んでいてもよい。構造体は、プリンタによって製作される物体のための支持構造体を含んでいてもよい。コーティングの材料は、低融解温度のはんだを含んでいてもよい。コーティングの材料は、ビスマスを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。コーティングの材料は、インジウムを含有するはんだ合金を含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、および第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料の少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００５５】
バルク金属ガラスのような金属造形材料の押し出しのための制御ループは、造形材料を押し出すのに必要な力を測定し、この感知されたパラメータを用いて造形材料の温度を推定する。温度、または推定温度と目標温度との間の差は、フィードパスに沿った加熱システムからの熱伝達を制御する目的で、造形材料の押し出しを加速または減速するように使用することができる。この一般的な制御ループは、ノズルの目詰まりまたは結晶化の開始のような他の生じ得る状態を考慮して変更することができる。
【００５６】
金属物体の３Ｄ製作用プリンタは、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する金属造形材料を、供給源から受け入れるための入口を有するリザーバを含むことができる。このプリンタは、また、リザーバ内の金属造形材料を作業温度範囲内の温度まで加熱するように動作可能である加熱システムと、金属造形材料と機械的に係合し、作業温度範囲内の温度で金属造形材料をノズルの開口部を介して押し出すために、造形材料を供給源からリザーバ内に前進させるように動作可能である駆動システムと、ノズルを通る供給パスに沿って金属造形材料の前進に抗する力を測定するように構成された力センサと、力センサおよび駆動システムに接続されたプロセッサであって、力センサによって測定された力に従って、駆動システムの速度を調整するように構成されたプロセッサと、を含むことができる。
【００５７】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。プロセッサは、力が減少した場合に熱伝達を減少させるように駆動システムの速度を増加させ、力が増加した場合に熱伝達を増加させるように駆動システムの速度を減少させるように構成されていてもよい。プロセッサは、作業温度範囲内の温度を示す力に対する所定の目標値を維持するように構成されていてもよい。金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、バルク金属ガラスの結晶化を回避するために、所定の目標値がバルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化してもよい。プロセッサは、金属造形材料の前進に抗する力および駆動システムの速度に基づいてエラー状態を検出し、エラー状態に応答して是正措置を開始するように構成されていてもよい。是正措置がノズルをクリーニングすることを含んでいてもよい。是正措置が製作プロセスを休止させることを含んでいてもよい。金属造形材料は、バルク金属ガラスを含み、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス遷移温度を超え、かつバルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含んでいてもよい。金属造形材料は、オフ共晶組成物を含み、作業温度範囲は、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み、作業温度範囲が、金属ベースの融点を超える温度の範囲を含んでいてもよい。金属造形材料は、包晶系組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が実質的な体積パーセントの液体および実質的な体積パーセントの個体を含む平衡体積分率を示す温度範囲を含み、包晶組成物が、約１００〜１０００パスカル秒の中間粘度を示していてもよい。金属造形材料は、金属粉末と、相溶化剤、可塑剤、熱可塑性樹脂、およびワックスの少なくとも１つから形成されるバインダ系と、を含んでいてもよい。プリンタは、溶融フィラメント製法式製造システムを含んでいてもよい。このプリンタは、ビルドプレートおよびロボットシステムをさらに備え、ロボットシステムは、物体のコンピュータ化されたモデルに従って金属造形材料から物体をビルドプレート上に製作するように、ビルドプレートに対してノズルを３Ｄパスで移動させるように構成されていてもよい。
【００５８】
金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと、ノズルを通る金属造形材料の前進に抗して駆動システムに加えられる力を監視するステップと、駆動システムに加えられる力に従って駆動システムの速度を調整するステップと、を含むことができる。
【００５９】
実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。速度を調整するステップは、力が減少した場合に熱伝達を減少させるように駆動システムの速度を増加させることと、力が増加した場合に熱伝達を増加させるように駆動システムの速度を減少させること、を含んでいてもよい。この方法は、金属造形材料の所定の温度を示す力に対して所定の目標値を維持するステップをさらに含んでいてもよい。金属造形材料がバルク金属ガラスを含み、バルク金属ガラスの実質的な結晶化を回避するために、所定の温度がバルク金属ガラスの時間−温度変形曲線に従って変化してもよい。この方法は、製作プロセスのための材料堆積速度を実質的に一定に維持するために、駆動システムの速度に比例して、製作プロセスにおけるノズルの移動速度を調整するステップをさらに含んでいてもよい。この方法は、駆動システムに加えられる力と駆動システムの速度との間の関係に基づいて、プリンタ内のエラー状態を検出するステップと、エラー状態に応答して是正措置を開始するステップと、をさらに含んでいてもよい。駆動システム上に加えられる力は、ノズルに供給される金属造形材料への軸方向力、または、駆動システムのモータに対する回転力の少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００６０】
金属物体の３Ｄ製作においてプリンタを制御するためのコンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータ実行可能コードを含み、プリンタ上で実行されると、加熱システムを用いて金属造形材料を加熱するステップと、駆動システムを用いて金属造形材料をノズルを介してある速度で前進させるステップと、ノズルを通る金属造形材料の前進に抗する駆動システムに加えられる力を監視するステップと、駆動システムに加えられる力に従って駆動システムの速度を調整するステップと、を実行することができる。
【００６１】
本明細書に記載される装置、システム、および方法の、上記および他の目的、特徴ならびに利点は、添付の図面に示すような、以下に記載する本発明の特定の実施形態から明らかである。図面は、必ずしも尺度通りではなく、本明細書で説明される装置、システム、および方法の原理を説明することに重点を置いている。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】付加製造システムのブロック図である。
【図２】コンピュータシステムのブロック図である。
【図３】例示的なバルク金属ガラスの時間−温度変換（Ｔ）ダイアグラムの概略図である。
【図４】共晶系のオフ共晶組成物の相図である。
【図５】包晶系の相図である。
【図６】３Ｄプリンタの押出機を示す図である。
【図７】物体の３Ｄ製作におけるプリンタの動作方法を示すフローチャートである。
【図８】３Ｄプリンタの押出機を示す図である。
【図９】３Ｄプリンタの押出機を示す図である。
【図１０】１０Ａは、スプレッド型の堆積ノズルを示す図である。１０Ｂは、スプレッド型の堆積ノズルを示す図である。
【図１１】エネルギーディレクタを製作するためのノズルの断面図である。
【図１２】堆積された造形材料の層に形成されたエネルギーディレクタを示す図である。
【図１３】複数の溝を有するノズル出口の上面図である。
【図１４】多数の突起部を有するノズル出口の上面図である。
【図１５】ゼーベック効果を用いた温度の監視方法を示す図である。
【図１６】３Ｄプリンタの押出機を示す図である。
【図１７】３Ｄプリンタにおけるノズルクリーニング器具の使用方法を示す図である。
【図１８】ノズル位置の検出方法を示す図である。
【図１９】溶融可能なバルク金属ガラス製の支持材料を使用する方法を示す図である。
【図２０】物体をビルドプレートに制御可能に固定する方法を示す図である。
【図２１】力のフィードバックを使用した押出制御プロセスのための方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
以下に、好適な実施形態が示された添付の図面を参照して、実施形態をより十分に説明する。しかしながら、上述のものは多くの異なる形態で実施することができ、以下の説明は、特に明記しない限り、限定的であると解釈されるべきではない。
【００６４】
本明細書で言及されるすべての文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。単数形の項目への言及は、明示的な記載がある場合または本文から明らかである場合を除いて、複数形の項目を含み、またその反対も同様であるものと理解されたい。文法上の接続詞は、別段の記載がある場合または本文から明らかである場合を除いて、つなぎ合わされた節、文、単語などのすべての離接的および接合的な組合せを表すことを意図している。したがって、例えば、「または」という用語は、通常、「および／または」を意味するものと理解されるべきである。
【００６５】
本明細書中における値の範囲の記載は、本明細書に別段の記載がある場合を除いて、限定することを意図するものではなく、範囲内のいずれのおよびすべての値を個別に言及することを意図しており、そのような範囲内の各値は、あたかも個別に列挙されているかのように本明細書に組み込まれる。数値を伴う「約」または「およそ」などの用語は、当業者に理解されるように、意図された目的のために満足に動作するための偏差を示しているものと解釈されるべきである。本明細書において、値および／または数値の範囲は、単なる例として提供されており、記載される実施形態の範囲を限定するものではない。本明細書に提供されるいずれのおよびすべての例、または例示的な用語（「例えば」または「のような」など）の使用は、実施形態をよりよく説明するためのものであり、実施形態の範囲を限定するものではない。明細書中のいかなる用語も、いずれの特許請求されていない要素を実施形態の実施に必要不可欠な要素として示すものとして解釈されるべきではない。
【００６６】
以下の説明では、「第１」、「第２」、「上部」、「下部」「上」、「下」などの用語は、特に断りのない限り、便宜上の単語であり、限定的な用語として解釈されないものと理解されたい。
【００６７】
一般に、以下の説明では、３Ｄ物体を形成するための造形材料として金属を使用する３Ｄプリンタに重点を置いている。より具体的には、この説明は、溶融フィラメント製法または同様の技術を用いて３Ｄ物体を形成するための金属、金属合金、または他の金属組成物を堆積させる、金属３Ｄプリンタに重点を置いている。これらの技術において、材料のビードは、「道」または「パス」として、デジタルモデルから３Ｄ物体を形成するための階層化された一連の二次元パターン内に押し出される。しかしながら、他の付加製造技術および他の造形材料もまた、本明細書で企図される多くの技術とともに使用されてもよく、または代わりに使用されてもよいことが理解されよう。したがって、装置、システム、および方法は、溶融フィラメント製造を用いた金属３Ｄプリントに重点を置いているが、当業者であれば、本明細書に記載される多くの技術が、他の材料（例えば、熱可塑性樹脂または他のポリマーなど、または押し出し可能なバインダーマトリックス中に充填されたセラミック粉末）および他の付加製造技術（限定しないが、マルチジェット印刷、電気流体力学的噴射、空気圧噴射、ステレオリソグラフィ、デジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ）３Ｄプリント、選択的レーザ焼結、バインダ噴射などを含む）を用いた３Ｄプリントに適合され得ることが理解されよう。そのような技術は、以下に記載されるシステムおよび方法から利益を得ることができ、そのような印刷技術はすべて、本開示の範囲内であり、より具体的な意味が明示的に記載されている場合または本文から明らかである場合を除いて、「プリンタ」、「３Ｄプリンタ」、「製作システム」、「付加製造システム」などの用語で使用されることが意図されている。さらに、特定の文脈においてプリンタのタイプが記載されていない場合、特定のタイプの３Ｄプリントプロセスを参照することなく、特定の材料、支持構造体、製品、または方法が記載されているような、任意のおよびすべてのそのようなプリンタが含まれることが意図されているものと理解されたい。
【００６８】
多くの金属造形材料が、本明細書に記載される技術とともに使用され得る。一態様において、金属造形材料は、バルク金属ガラス（ＢＭＧ）を含んでいてもよい。バルク固化非晶質合金、またはバルク金属ガラス（ＢＭＧ）は、非晶質の非結晶状態に過冷却された金属合金である。この状態において、これらの合金の多くは、ガラス転移温度を超えて再加熱され、その非結晶微細構造を保持しながら、溶融フィラメント製法プロセスにおける押し出しに適したレオロジーをもたらすることができる。したがって、これらの材料は、非晶質構造を保持しながら、溶融フィラメント製法または任意の同様の押し出しベースまたは堆積ベースのプロセスに有用な作業温度範囲を提供することができる。非晶質合金はまた、硬度、強度などの点で、それらの結晶性の同等物に対して多くの優れた特性を有する。しかしながら、非晶質合金は、特別な取り扱い要件が課される場合がある。例えば、非晶質合金の過冷却状態は、長期加熱への暴露、より具体的には結晶化に起因して劣化し始めるが、これは、融解温度以下の温度でさえも生じ得ることであり、合金を再溶融および過冷却することなしには一般に可逆的ではない。
【００６９】
ある範囲のＢＭＧは、溶融フィラメント製法（「ＦＦＦ」）のような付加製造プロセスにおける金属造形材料として使用することができる。一般に、ガラス転移温度（材料を押し出すことができる）と、融解温度（材料が融解してその後の冷却時に結晶化する）と、の間の温度範囲が大きいＢＭＧが好ましいが、適切に機能するＦＦＦシステムでは必要でない。同様に、この温度範囲内での特定の合金の結晶化速度は、長期加熱および可塑性操作の理由で、いくつかのＢＭＧを他のものよりもより適切にすることができる。同時に、高延性、高強度、非脆弱性は、一般に望ましい特性であり、比較的安価な元素成分の使用も同様である。様々なＢＭＧシステムがこれらの基準を様々な程度で満たす一方で、これらの合金は、本明細書で企図されるＢＭＧ  ＦＦＦシステムでの使用に必ずしも必要ではない。２０１５年１２月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／２６８４５８号に記載されているもののような、多くの追加の合金および合金システムが有用に使用されてもよく、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００７０】
他の材料もまた、同様にまたは代わりに、本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスにおける金属造形材料としての使用に、同様の魅力的な特性を提供し得る。例えば、２０１６年３月２日に出願された米国特許出願第１５／０５９２５６号（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）には、金属ベースと高温不活性第２相との組合せを使用する様々な多相の造形材料が記載されており、それらのいずれもが、溶融フィラメント製法に有用に用いられ得る。このように、本明細書で企図される有用な金属造形材料の１つには、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度よりも高い第２の温度まで不活性のままである粒子形態の高温不活性第２相とが含まれる。
【００７１】
他の態様において、共晶組成物ではない共晶系の組成物は、オフ共晶または非共晶組成物としても知られているが、金属造形材料として有用に使用することができる。これらのオフ共晶組成物は、異なる温度で異なる組合せで凝固する成分を含み、溶融フィラメントまたは同様の押出ベースの付加製造技術に適したレオロジー特性を集合的に提供する固体および液体の平衡混合物を、半固体状態にすることができる。一般に、共晶系のオフ共晶組成物は、系内のオフ共晶種の相対組成に応じて、亜共晶組成物または過共晶組成物に分類することができ、そのいずれかは、本明細書で企図する溶融フィラメント製法システムで使用するために、ある温度で半固体状態に有用に維持され得る。
【００７２】
包晶の組成物もまた、溶融フィラメント製法プロセスでの使用に適した半固体状態を伴う作業温度範囲を有し得る。例えば、青銅のような包晶組成物を、本明細書で企図する製作物体の造形材料として使用することができ、特に、包晶組成物は、組成物が固体相と液体相の混合物を示して、押し出しに適したレオロジー特性をもたらす温度範囲を有する。
【００７３】
マトリックスが軟化する低温（例えば、典型的な金属の融解温度よりもかなり低い摂氏約２００℃または他の温度）で押し出すことができる比較的低温の金属造形材料を得るために、他の材料は、焼結可能な金属粉末、または熱可塑性物質、ワックス、相溶化剤、可塑剤、もしくは他の材料マトリックスと混合された他の金属粉末のような金属含有物を含むことができる。例えば、金属射出成形材料または他の粉末冶金組成物のような材料は、著しい量の金属を含有するが、より低い温度での押し出しに使用することができる。これらの材料、または金属粉末と結合剤系から同様に構成される他の材料を使用して、完全に緻密化された金属物体内に、脱バインダされて焼結され得るグリーン部品を製作することができ、本明細書で企図される金属造形材料として使用することができる。
【００７４】
より一般的には、加熱押出に適したレオロジー特性を伴う有用な作業温度範囲をもたらす金属含有量を有する任意の造形材料は、本明細書で企図される金属造形材料として使用され得る。この作業温度範囲の限界は、組成物のタイプ（例えば、ＢＭＧ、オフ共晶など）並びに金属および非金属成分に依存する。バルク金属ガラスの場合、有用な温度範囲は、典型的には、ガラス転移温度と融解温度との間であり、結晶化の制約がある。オフ共晶組成物の場合、有用な温度範囲は、典型的には、共晶温度と液相線温度との間、または固相線温度と液相線温度との間である（しかしながら、組成物の粘度が急速に低下する温度範囲の上限を定量化するために、クリープ緩和温度などの他の測定基準を有用に使用することができる）。これに関連して、対応する作業温度範囲は、簡略化のために、オフ共晶組成物の最低の融解温度と最高の融解温度との間の作業温度範囲と称される。高温不活性第２相を有する多相の造形材料の場合、作業温度範囲は、ベース金属合金の融解温度を超える任意の温度から、混合物内で第２相の不活性が実質的に維持される任意の温度までの範囲であり得る。
【００７５】
以上より、本明細書で使用する「金属造形材料」という用語は、元素状のまたは合金化された金属成分、並びに、種々の機械的、レオロジー的、審美的、または他の目的のいずれかのために添加され得る他の非金属成分を含有する組成物を含み得る、任意の金属含有造形材料をいうことが意図されている。例えば、非金属強化剤が金属材料に添加されていてもよい。他の例では、押し出しのために、金属粉末に、ワックス、ポリマー、可塑剤、相溶化剤もしくは他の結合剤系またはそれらの組合せが組み合わせられていてもよい。この組成物は、従来、金属と称されず、金属の多くの典型的なバルク特性（良好な導電性など）を欠き得るが、このような材料から作られたネット形状の物体は金属物体に有用に焼結することができ、−金属物体の製作に有用である−このような造形材料を、以下の説明において、「金属造形材料」と称する。
【００７６】
セラミックなどの特定の材料もまた、本明細書に開示される技術の多くを用いて造形材料として使用するのに適し得る。したがって、それとは反対のことが明記されている場合または本文から明らかである場合を除いて、本明細書に記載される「造形材料」は、このようなセラミック造形材料および他の材料をさらに含むことを理解されたい。造形材料は、同様にまたはその代わりに焼結粉末を含んでいてもよく、該焼結粉末は、金属粉末、セラミック粉末、または高密度化された最終部品に焼結するのに適した任意の他の粉末材料とすることができる。これらの焼結可能な粉末は、金属性であるか否かに関わらず、押し出しおよび続く最終部品への加工のための任意の適切な結合剤系と組み合わせることができる。
【００７７】
本明細書に記載されるいくつかの用途では、例えば、導電加熱または抵抗加熱のための電気的経路を提供するために、金属造形材料の導電性が製作プロセスで使用される。これらの用途では、金属造形材料という用語は、より一般的に、電流を通電させる電気回路を形成するのに十分な導電性を有する金属含有造形材料を意味するものと理解されたい。造形材料が、付加製造の用途で電流を通電させるために具体的に使用される場合、これらの材料は、導電性の金属造形材料と称することもできる。
【００７８】
図１は、付加製造システムのブロック図である。図示される付加製造システム１００は、例えば、溶融フィラメント製法による付加製造システムを含む金属プリンタとすることができ、または、金属合金またはバルク金属ガラスのような金属造形材料を使用して３Ｄプリントするように構成された任意の他の付加製造システムもしくは製造システムの組合せとすることができる。しかしながら、付加製造システム１００は、同様にまたはその代わりに、プラスチック、セラミックなどの他の造形材料、並びに前述のものの組合せと共に使用することができる。
【００７９】
一般に、付加製造システムは、溶融フィラメント製法または任意の同様のプロセスを使用して、金属、金属合金、金属組成物などを堆積させる、３Ｄプリンタ１０１（または、単に「プリンタ」１０１）を含むことができる。一般に、プリンタ１０１は、造形材料１０２を含むことができ、該造形材料１０２は、駆動システム１０４によって推進され、加熱システム１０６によって押出可能な状態に加熱されてから、１つ以上のノズル１１０から押し出される。ロボットシステム１０８を同時に制御することによって、ノズル１１０をビルドプレート１１４に対して押出パスに沿って位置決めして、ビルドチャンバ１１６内のビルドプレート１１４上に物体１１２を製作することができる。一般に、制御システム１１８は、プリンタ１０１の動作を管理して、溶融フィラメント製法プロセスなどを使用して３Ｄモデルに従い物体１１２を製作することができる。
【００８０】
造形材料１０２は、例えば、本明細書に記載されているか、２０１５年１２月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／２６８４５８号（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている非晶質合金のいずれかを含むことができ、または、任意の他のバルク金属ガラスもしくは本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスで使用するのに適した他の材料もしくは材料の組合せを含むことができる。例えば、造形材料１０２は、同様にまたはその代わりに、オフ共晶組成物または包晶組成物を含むことができる。他の態様において、造形材料１０２は、第１の温度で融解する金属ベースと、第１の温度を超える温度で不活性のままである高温第２相と、を有する組成物を含むことができ、これは、例えば、２０１６年３月２日に出願された米国特許出願第１５／０５９２５６（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている。造形材料１０２は、同様にまたはその代わりに、ネット状に押し出されてから最終的に焼結され得る金属が配合された熱可塑性樹脂のような他の材料または組成物、粉末冶金材料のような金属部分、または、例えば、金属粉末と熱可塑性樹脂、ワックス、相溶化剤、可塑剤、またはこれらの組合せから形成された結合剤系との任意の他の組合せの範囲を含み得る。他の金属が配合された押出可能な組成物は、非限定的な例として、２０１６年１２月１４日に出願された米国特許出願第６２／４３４０１４号（参照により本明細書に組み込まれる）に記載されており、それらのいずれもが、本明細書で企図される造形材料として適切に使用され得る。
【００８１】
本明細書の文脈において、「融解」という用語およびその派生語は、例えば、金属造形材料の融解温度または金属造形材料を融解するプロセスに関して使用される場合、純粋な合金の融解温度のような特定の温度、または多相固体および液体状態内に非理想的な合金もしくは微量の汚染物質や追加の金属が存在している温度範囲（典型的には、狭い温度範囲）をいうことができる。換言すれば、この文脈における融解温度は、その温度よりも高い温度では、実質的にすべての金属造形材料が液体状態であり、および／または、その温度よりも低い温度では、実質的にすべての金属造形材料が固体状態である温度であり得る。オフ共晶組成物のような他の例では、合金は、材料が押し出しに適したレオロジー特性を伴うスラリーを形成する２つの同時相を有する、より広い温度範囲を示し得る。これらのオフ共晶は、それにも関わらず融解温度を有し、融解温度よりも高い温度で実質的に完全に液体であるが、平衡状態で材料の温度依存パーセンテージが固体状態（および対応する液体状態）にある広い温度範囲にわたって固体への移行が生じ得る。
【００８２】
造形材料１０２は、限定しないが、本明細書または参照により本明細書に組み込まれる文献に記載される形状因子のいずれかを含む、様々な形状因子で提供され得る。造形材料１０２は、例えば、密閉容器（例えば、パッシベーションを軽減するため）などから、連続供給物（例えば、ワイヤ）として、またはロッドもしくは直角プリズムなどの個別の物体として供給され、これらは造形材料１０２のそれぞれの個別のユニットが加熱されて押し出されるときにチャンバなどに供給され得る。一態様において、造形材料１０２は、炭素繊維、ガラス、ケブラー、ホウ素シリカ、黒鉛、石英、または押し出される材料のラインの引張り強度を高め得る任意の他の材料のような添加物を含んでいてもよい。一態様では、添加物を、プリントされた物体の強度を増加させるために使用してもよい。他の態様では、添加物を、ノズルと、製作される物体の冷却された剛性部分と、の間の構造的パスを維持することによって架橋能力を拡張するために使用してもよい。一態様では、２つの造形材料１０２を、例えば一方のノズルが一般的な製作のために使用され、他方のノズルが架橋、支持、または同様の特徴のために使用される、２つの異なるノズルを介して同時に使用してもよい。
【００８３】
造形材料１０２は、金属ワイヤを含むことができ、該ワイヤの直径は、約８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、または任意の他の適切な値とすることができる。造形材料１０２のロッドを代わりに使用することもでき、例えば、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍなどのより広い直径、または任意の他の適切な直径とすることができる。他の態様において、造形材料１０２は、金属粉末であってもよく、該金属粉末は、本明細書で企図される技術を用いて加熱および押し出しのための結合剤系に配合されていてもよい。この後者の技術は、例えば、結果的に脱バインダ処理されて最終的な金属部分に焼結され得る、グリーンパートの製作に特に有用であり得る。
【００８４】
造形材料１０２は、溶融フィラメント製法プロセスにおける押し出しに適した任意の形状またはサイズを有し得る。例えば、造形材料１０２は、加熱および圧縮のために小球もしくは微粒子の形態とすることができ、あるいは、造形材料１０２は、押し出しプロセスへ供給するために、ワイヤ（例えば、スプール）、ビレットなどのような形態とすることができる。より一般的には、加熱および押し出しに適切に使用され得る任意の形状を、本明細書で企図される造形材料１０２の形状因子として使用することができる。これには、球状、楕円状、またはフレーク状の粒子などの緩いバルク形状、ならびに、ロッド、ワイヤ、フィラメントなどの連続的な供給形状が含まれ得る。微粒子が使用される場合、微粒子は、加熱および押し出しに有用な任意のサイズを有し得る。例えば、粒子の平均的な直径は、約１ミクロン〜約１００ミクロンの間、約５ミクロン〜約８０っミクロンの間、約１０ミクロン〜約６０ミクロンの間、約１５ミクロン〜約５０ミクロンの間、約１５ミクロン〜約４５ミクロンの間、約２０ミクロン〜約４０ミクロンの間、または約２５ミクロン〜約３５ミクロンの間とすることができる。例えば、一実施形態において、微粒子の平均的な直径は、約２５ミクロン〜約４４ミクロンの間である。いくつかの実施形態では、ナノメートル範囲のものなどのより地位さ粒子、または１００ミクロンを超えるより大きな粒子を代わりに使用することもできる。
【００８５】
本明細書に記載されるように、造形材料１０２は、金属を含み得る。非限定的な例として、金属は、元素アルミニウムのようなアルミニウム、アルミニウム合金、またはセラミックまたは酸化物のような非金属材料を含有するアルミニウム複合体を含み得る。金属は、同様にまたは代わりに、鉄を含み得る。例えば、金属は、鋼、ステンレス鋼、または他の適切な合金などの鉄合金を含んでいてもよい。金属は、同様にまたは代わりに、金、銀、またはそれらの合金を含み得る。金属は、同様にまたは代わりに、超合金、ニッケル（例えば、ニッケル合金）、チタン（例えば、チタン合金）などの１つ以上を含んでいてもよい。より一般的に、本明細書で企図される物体の製作に適した任意の金属もまた、同様にまたは代わりに使用され得る。
【００８６】
本明細書で使用する金属という用語は、均質な金属組成物およびその合金の両方、並びに、改質剤、充填剤、着色剤、安定剤、強化剤などの追加の材料を包含することができる。例えば、いくつかの実施形態では、金属造形材料の構造的完全性を強化するために、非金属材料（例えば、プラスチック、ガラス、炭素繊維など）を支持材料として含有させることができる。非晶質金属に対する非金属添加剤は、非晶質金属のガラス転移温度または他の低粘度温度（例えば、ガラス転移温度と融解温度との間の温度）に適合する融解温度に基づいて選択することができる。非金属の支持材料の存在は、造形材料が大規模な領域にわたって支持のない位置に配置される拡張ブリッジングのような多くの製作状況において有利であり得る。さらに、犠牲的な支持材料などの他の非金属組成物は、本明細書で企図されるシステムおよび方法を用いて有用に堆積され得る。したがって、例えば、金属造形材料の温度範囲（すなわち、ガラス転移温度と融解温度との間）に適合する、高い融解温度を有する水溶性の支持構造を、プリントする物体に含めることができる。金属物体を構成する成分として、または金属物体の製作を助けるために使用される補助材料として、金属物体の製作に使用されるそのような材料および組成物はすべて、本明細書で企図される金属造形材料の範囲内であることが意図されている。
【００８７】
本明細書で開示されるプリンタ１０１は、第１の材料を押し出すための第１のノズルを含むことができる。プリンタ１０１は、また、第２の材料を押し出すための第２のノズルを含むことができ、第２の材料は、補助機能（例えば、支持材料または構造）を有するか、または多材料物体を製作するのに有用な異なる機械的、機能的、または審美的特性を有する第２の造形材料を提供する。第２の材料は、例えば、第２の材料が、支持されていないブリッジ動作中に第２のノズルと物体の凝固部分との間の構造パスを維持するのに十分な引張り強度または剛性を、押出温度で有するように、補強されていてもよい。他の材料もまた、同様にまたは代わりに、第２の材料として使用することができる。例えば、これは、充填、支持体、分離層などのための熱的に適合したポリマーを含むことができる。他の態様において、これは、第１の材料を押し出すためのウインドウまたはその近傍に高い融点を有する水溶性の支持材料のような支持材料を含むことができる。有用な溶融可能な材料は、本明細書で意図されるように、押し出しのための適切な熱的および機械的特性を有する塩または任意の他の水溶性材料を含み得る。プリンタ１０１は、２つのノズルを有用に含み得るが、プリンタ１０１は、特定の製作プロセスに必要であるか有用である材料の数に応じて、より一般的には、３つまたは４つのノズルなどの任意の実用的な数のノズルを組み込み得ることが理解されよう。
【００８８】
一態様において、造形材料１０２は、ビルドチャンバ１１６への送達、並びに続く加熱および堆積のために、ビレットまたは他の個別のユニットとして、中間チャンバに（１つずつ）供給されてもよい。造形材料１０２は、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ１１６の真空環境に直接的または間接的に接続することができる、真空環境を有するカートリッジ内などに提供されてもよい。他の態様では、例えばワイヤなどの造形材料１０２の連続的な供給物は、真空ガスケットを介してビルドチャンバ１１６内に連続的に供給されてもよく、真空ガスケット（または任意の同様の流体シール）は、チャンバ１１６の内部に制御されたビルド環境を維持しながら、造形材料１０２をチャンバ１１６に流入させる。
【００８９】
以下の説明は、金属造形材料に重点を置いているが、以下の方法およびシステムの多くは、他のタイプの材料に関しても有用である。したがって、本明細書で使用する「造形材料」という用語は、他の付加的な製作材料、特には、溶融フィラメント製法に適した付加的な製作材料を含むことを理解されたい。これは、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）または任意の他の適切なポリマーなどの熱可塑性物質を含むことができる。他の態様において、造形材料１０２は、ワックス、熱可塑性物質、相溶化剤、可塑剤、または脱バインダおよび溶結されて最終的に金属物体になり得るグリーンパートの溶融フィラメント製作に適した金属粉末などが充填されたこれらのいくつかの組合せの結合剤系を含むことができる。セラミック粉末またはセラミック粉末と金属粉末との組み合わせのような他の焼結可能な粉末も同様に、造形材料としての押し出しのために結合剤系に充填され得る。すべてのこのような材料は、異なる意味が明示的に述べられている場合や文脈から明らかである場合を除いて、「造形材料」という用語の範囲内である。
【００９０】
駆動システム１０４は、造形材料１０２を加熱システム１０６に連続的またはインデックス的に供給するための、任意の適切なギア、圧縮ピストンなどを含むことができる。一態様において、駆動システム１０４は、リッジ、ノッチ、または他の正または負の戻り止めなどの、造形材料の対応する特徴部と噛合するように形成された歯を有する平歯車などのギアを含むことができる。他の態様において、駆動システム１０４は、加熱されたギアまたはねじ機構を使用して、造形材料を変形させて係合させることができる。したがって、一態様において、金属ＦＦＦプロセス用のプリンタは、金属を押し出しのための作業温度範囲内の温度に加熱し、ノズル１１０に向かうフィードパス内の金属と係合し、該金属を変形させ、該金属を駆動するギアを加熱することができる。別の態様において、駆動システム１０４は、複数の段階を含むことができる。第１の段階において、駆動システム１０４は、材料を加熱し、材料に正の把持牽引力を供給し得るスレッドまたは他の機構を形成することができる。次の段階では、これらの特徴部に適合するギアなどを使用して、造形材料をフィードパスに沿って前進させることができる。
【００９１】
他の態様において、駆動システム１０４は、造形材料のロッド、ビレット、または同様のユニットを加熱システム１０６内に駆動するために、ベローズまたは任意の他の折り畳み式もしくは伸縮式プレスを使用することができる。同様に、電圧駆動またはリニアステッパ駆動を使用して、非連続的な一連のステップにおける離散的な機械的な前進の増分を使用して、インデクスされた方法でビルド媒体のユニットを前進させることができる。
【００９２】
加熱システム１０６は、金属造形材料を、押し出しに適した作業温度範囲内の温度に加熱するための様々な技術を使用することができる。本明細書で企図される溶融フィラメント製作システムにおいて、より一般的には、造形材料が溶融フィラメント製作または同様の押し出しに基づくプロセスに適したレオロジー特性を示す温度範囲が、作業温度範囲である。これらの特性は、一般的に溶融堆積モデリングに使用される、例えば、ＡＢＳまたはＰＬＡのような熱可塑性樹脂について一般に認識されているが、多くの金属造形材は、それらが下層に溶融される力および温度で物体上に堆積され得るように、その多くが加熱、変形およびノズルを通る流れのためにより大きな力およびより高い温度を有しているにも関わらず、同様の適切な特性を有する。とりわけ、これは、堆積用のノズルを通して推進され得る高温での可塑性（３Ｄプリントに適した時間尺度で）と、リザーバへのフィードパスの下流側に力を伝達するために使用され得る低温での剛性と、を必要とし、造形材料は、流動可能状態に加熱されてノズルから押し出され得る。
【００９３】
この作業温度範囲は、加熱システム１０６によって加熱される造形材料１０２のタイプに応じて変化し得る。例えば、造形材料１０２がバルク金属ガラスを含む場合、作業温度範囲は、バルク金属ガラスのガラス遷移温度よりも高く、バルク金属ガラスの融解温度よりも低い温度を含み得る。バルク金属ガラスの使用は、また、材料が高温で維持されるときに結晶化の開始を特徴づける、時間−温度遷移曲線によって制約される。造形材料１０２が共晶系のオフ共晶組成物を含む場合、作業温度範囲は、オフ共晶系の最低の融解温度より高く、オフ共晶系の最高の融解温度より低い温度範囲を含み得る。造形材料１０２は、同様にまたは代わりに、第１の温度で融解する金属ベースと、少なくとも第１の温度を超える第２の温度までは不活性のままである、粒子形態の高温不活性第２相と、を有する複合材料を含み得る。このタイプの材料では、作業温度範囲が、金属ベースの融点よりも高く、不活性第２相の反応温度または溶解温度よりも低い温度範囲を含み得る。他の態様では、造形材料１０２が包晶組成物を含み、作業温度範囲は、包晶組成物が固体および液体の両方の実質的な体積分率を示す温度範囲を含み得る。
【００９４】
造形材料１０２の対応する作業温度範囲を維持するのに適した任意の加熱システム１０６または加工システムの組合せは、造形材料１０２をノズル１１０に、およびノズル１１０を介して駆動するために、必要に応じて、本明細書で意図される加熱システム１０６として適切に使用することができる。一態様において、誘導加熱または抵抗加熱などの電気技術を、造形材料１０２を加熱するために有効に適用することができる。したがって、例えば、加熱システム１０６は、造形材料１０２の周囲のチャンバを作業温度範囲内の温度に電気的に加熱するように構成された、誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムであってもよく、あるいは、電気エネルギーの適用によって造形材料それ自体を直接的に加熱するように構成された、誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムなどの加熱システムを含んでいてもよい。金属造形材料は、一般に導電性であるため、接触法（例えば、印加電流による抵抗加熱）または非接触法（例えば、材料内の渦電流を駆動するための外部電磁石を用いった誘導加熱）によって電気的に加熱され得る。造形材料１０２を直接的に加熱する場合、電気誘導加熱をより良好に制御するために、造形材料１０２の形状およびサイズをモデル化することが有用であり得る。これは、形状、サイズ、質量などの推定値または実際の測定値、ならびに造形材料１０２のバルク電磁気特性に関する情報を含むことができる。加熱システム１０６は、例えば、化学加熱、燃焼、レーザ加熱または他の光学加熱、放射加熱、超音波加熱、電子ビーム加熱などを使用して、局所的または全体的に加熱を増強ずるための様々な補助システムを含んでいてもよい。
【００９５】
本明細書で企図される製作プロセスを支援するために磁力を使用してもよいことが理解されよう。例えば、磁力は、特に、鉄金属に適用されて、造形材料１０２の押出パスを制御するために力を加えることができる。これは、物体と支持構造との間の界面で結晶化を促進するために、ＢＭＧが融解温度を超えて加熱されるような移行シナリオにおいて特に有用であり得る。これらの例において、磁力は、層の所望の領域内に溶融合金を保持するために、表面張力を有効に補うことができる。
【００９６】
造形材料１０２の抵抗加熱を容易にする目的で、適切な位置に材料を通る回路を形成するための位置を提供するために、１つ以上の接触バッド、プローブなどは、材料のフィードパス内、例えば、ノズルまたは加熱リザーバの内部に配置されていてもよい。誘導加熱を容易にする目的で、１つ以上の電磁石は、フィードパスに隣接する適切な位置に配置されて、渦電柱の生成を通じて内部で造形材料１０２を加熱するように、例えば、制御システム１１８によって動作されてもよい。一態様では、これらの技術の両方を同時に使用して、造形材料１０２内のより厳しく制限された、またはより均一に分散された電気加熱を達成することができる。プリンタ１０１は、また、種々の方法で得られた加熱を監視するように装備されていてもよい。例えば、プリンタ１０１は、誘導性回路または抵抗性回路に供給される電力を監視することができる。プリンタ１０１は、また、同様にまたは代わりに、造形材料１０２または周囲環境の温度を任意の数の位置で測定することができる。
【００９７】
他の態様において、造形材料１０２の温度は、例えば、ノズル１１０またはフィードパスの他の部分を介して造形材料１０２を駆動するのに必要な力の量を測定することによって、推測することができる。温度に伴って粘度が変化し（例えば、温度が低下するにつれて粘度が増加する場合）、かつ粘度の変化が押し出しに必要な駆動力の変化を引き起こす場合、駆動力の変化を用いて造形材料の温度を推定することができる。制御ループは、この基準で有効に確立され、特に、熱伝達を増加させ、造形材料１０２の温度を上昇させるために、駆動力が増加するにつれて押出速度を減少させることができる。逆に、制御ループは、加熱システム１０６からの熱伝達を低減し、造形材料１０２の温度を低下させるために、駆動力が増加するにつれて押出速度を増加させることができる。この技術は、瞬時かつ効果的に温度を測定するために力を有利に使用し、あるいは、より一般的には、プロセス制御（（少なくとも粘度が温度に依存する程度まで）の駆動力の変化）に非常に関連する温度変化の結果をより一般的に測定する。同時に、このアプローチは、抵抗加熱要素などよりも迅速に熱を調節することができるように、駆動速度を使用して有利に加熱を制御する。このように、測定速度および応答速度の両方を増加させることにより、押出中の温度制御の改善が可能となる。したがって、本明細書では、一態様において、ノズル１１０を通るフィードパスに沿って造形材料１０２（例えば、金属造形材料）の前進に抗する力を測定するように構成された力センサと、力センサおよび駆動システム１０４に接続され、力センサによって測定された力に従って駆動システムの速度を調節するように構成された制御システム１１８のようなプロセッサと、が開示されている。システムは、押出機を介して造形材料を駆動するのに必要な力を測定するための様々な方法で計装されてもよく、それらのいずれもが、本明細書で企図される力センサとして有用に使用され得ることが理解されよう。より一般的には、造形材料１０２の温度および粘度を測定すること、および適用される電気エネルギーを応答的に制御することに適した任意の技術は、本明細書で企図される金属ＦＦＦプロセスの液化を制御するために使用され得る。
【００９８】
一態様では、製作中に物体１１２の中および周囲に堆積させることができ、または当該物体の一部および全体を形成することができる、非晶質金属粉末の制御された送達システムでプリンタ１０１を増強することができ、当該粉末は、隣接する粒子を結合させるのには十分であるが、材料を再結晶化させるのには不十分である温度に金属粉末の温度を上昇させる、レーザ加熱プロセスで焼結され得る。この技術は、例えば、粉末化された非晶質合金から物体全体を製作するために使用することができ、または、この技術は、例えば、ビルドチャンバ内で製作された２つ以上の物体を機械的に接続するためのメカニズムを提供することによって、溶融フィラメント製作プロセスを増強するため、または、独立した溶融フィラメント製作プロセスの前、最中、または後にフィーチャを付加するために使用することができる。
【００９９】
加熱システム１０６は、せん断エンジンを含むことができる。せん断エンジンは、例えば、バルク金属ガラスまたは他の金属組成物の結晶化が部分凝固し易い温度で使用されるのを防ぐために、加熱されるときに造形材料１０２内にせん断を生成することができる。バルク金属ガラスの場合、せん断エンジンは、加熱が融解温度に近づくとき、または造形材料１０２が（時間−温度変換曲線に対して）長時間にわたって高温に維持されるときに特に有用であり得る。せん断エンジンによって、様々な技術が使用されてもよい。一態様において、バルク媒体は、フィードパスに沿って加熱システム１０６に供給されるときに、軸方向に回転することができる。他の態様では、１つ以上の超音波トランスデューサを使用して、加熱された材料内にせん断を導入することができる。同様に、スクリュー、ポスト、アーム、または他の物理的要素を加熱された媒体内に配置し、回転させるか、そうでなければ作動させて、加熱された材料を混合することができる。
【０１００】
ロボティクス１０８は、物体のコンピュータ化されたモデルに従って造形材料１０２から物体１１２を製作するように、造形材料１０２を押し出しながら、ノズル１１０をビルドプレート１１４に対して３Ｄパスで移動させるのに適した、任意のロボットコンポーネントまたはシステムを含むことができる。当技術分野では、様々なロボットシステムが知られており、本明細書で企図されるロボティクス１０８としての使用に適している。例えば、ロボティクス１０８は、ビルドチャンバ１１６内でｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に独立して移動するための多数の線形制御を用いる、デカルト座標ロボットまたはｘ−ｙ−ｚロボットシステムを含むことができる。デルタロボットもまた、同様にまたは代わりに、有用に使用することができ、適切に構成すれば、速度および剛性の点で重要な利点を提供することができ、固定モータまたは駆動要素の設計上の利便性を提供することもできる。ダブルまたはトリプルデルタロボットのような他の構成は、複数のリンケージを使用して動作範囲を広げることができる。より一般的には、特には真空または同様の環境内における、ビルドプレート１１４に対するノズル１１０の制御された位置決めに適し、ビルドチャンバ１１６内での作動、操作、移動などに適した任意の機構または機構の組合せを含む、任意のロボティクスを有用に使用することができる。
【０１０１】
ロボティクス１０８は、１つ以上のノズル１１０およびビルドプレート１１４の動きを制御することによって、ビルドプレート１１４に対してノズル１１０を位置決めすることができる。例えば、一態様では、ノズル１１０がロボティクス１０８に動作可能に接続されて、ビルドプレート１１４が静止している間にロボティクス１０８がノズル１１０を位置決めするようにする。ビルドプレート１１４が、同様にまたは代わりに、ロボティクス１０８に動作可能に接続されて、ノズルが静止している間にロボティクス１０８がビルドプレート１１４を位置決めするようにする。または、ｚ軸制御のためにノズル１１０を上下に移動させたり、ｘ軸およびｙ軸制御のためにビルドプレート１１４をｘ−ｙ平面内で移動させたりすることなど、これらの技術のいくつかの組合せを採用することができるこのような実施形態のいくつかにおいて、ロボット１０８は、ビルドプレート１１４を１つ以上の軸に沿って並進させてもよく、および／または、ビルドプレート１１４を回転させてもよい。
【０１０２】
１つ以上の軸に沿う制御された直線運動、および／または、１つ以上の軸に沿う制御された回転運動を達成するために、様々な構成および技術が当該技術分野において知られていることが理解されよう。ロボティクス１０８は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各軸に沿って、ビルドチャンバ１１６内のノズル１１０またはビルドプレート１１４の位置を独立して制御するための、多数のステッパモータを含むことができる。より一般的には、ロボティクス１０８は、ステッパモータ、符号化ＤＣモータ、歯車、ベルト、プーリ、ウォーム歯車、スレッドなどの様々な組合せを含むが、これらに限定されない。ノズル１１０またはビルドプレート１１４を制御可能に位置決めするのに適した任意のこのような構成は、本明細書に記載の付加製造システム１００とともに使用するように適合させることができる。
【０１０３】
ノズル１１０は、駆動システム１０４で推進され、加熱システム１０６で加熱された造形材料１０２を押し出すための、１つ以上のノズルを含むことができる。ノズル１１０は、異なるタイプの材料を押し出す複数のノズルを含むことができ、例えば、第１のノズル１１０が金属造形材料を押し出す一方で、第２のノズル１１０は、ブリッジ、オーバーハング、およびさもなければ金属造形材料を使用した製作のための設計規範に違反するかもしれない物体１１２の他の構造的特徴を支持するために、支持材料を押し出す。他の態様では、ノズル１１０の１つが、熱的に適合するポリマーおよび／または繊維を充填した材料のような材料を堆積させて、引張強度を増加させるか、または機械的特性を改善することができる。
【０１０４】
一態様において、ノズル１１０は、本明細書で説明するように、１つ以上の超音波トランスデューサ１３０を含むことができる。超音波は、この文脈において、様々な目的のために有用に適用され得る。一態様において、超音波エネルギーは、ノズル１１０の内部表面への金属（例えば、ＢＭＧ）の付着を緩和することによって、押し出しを容易にすることができる。他の態様において、超音波エネルギーは、改良された中間層接着のために、プリント媒体の前の層上の不動態化層を破壊するために使用することができる。したがって、一態様において、金属ＦＦＦプリンタのノズルは、超音波トランスデューサを含むことができ、該超音波トランスデューサは、ノズルへの接着を低減することによって該ノズルを通る押し出しを改善しながら、前の層からターゲット媒体上の不動態化層を破壊することによって層間の結合を同時に改善することができる。
【０１０５】
他の態様において、ノズル１１０は、当該ノズル１１０の温度を直接的に制御する、導電加熱要素、抵抗加熱要素、または同様の構成要素を含むことができる。これは、例えば、造形材料１０２の温度を作業温度範囲に維持するために、プリンタ１０１を通るフィードパスに沿った一般的な液化プロセスを増強するために使用されてもよいし、または、造形材料１０２をＴｍ以上に加熱して造形材料１０２を液体状態に融解することによってプリントヘッドのつまりを解消するなどの、より特定の機能のために使用されてもよい。この液体状態で堆積を制御することは困難または不可能であるが、加熱することによれば、ビルドチャンバから真空を除去して影響を受けたコンポーネントを分解し、洗浄し、そして取り換えるなどの厳しい物理的介入なしに、ノズル１１０を清掃してリセットするための便利な技術を提供することができる。
【０１０６】
他の態様において、ノズル１１０は、媒体がノズル１１０を出る瞬間に該媒体を冷却するために、例えば、不活性ガスなどのインレットガスを含んでいてもよい。より一般的には、ノズル１１０は、造形材料１０２がノズル１１０を出る際に該造形材料１０２に冷却流体を加えるための任意の冷却システムを含むことができる。このガスジェットは、例えば、延伸ブリッジ、より大きなオーバーハング、または製作中に支持構造を必要とするかもしれない他の構造を容易にするために、押出材料を直ちに硬化させることができる。
【０１０７】
他の態様において、ノズル１１０は、堆積された材料の層を平坦化し、かつその層を下層に結合させるように圧力をかけるための１つ以上の機構を含んでいてもよい。例えば、加熱されたニップローラ、キャスタなどは、堆積された（かつ依然として柔軟な）層を平坦化するために、ビルドチャンバ１１６のｘ−ｙ平面を通るその通路内において、ノズル１１０に続いていてもよい。ノズル１１０は、同様にまたは代わりに、押出物がノズル１１０によって堆積されるときに該押出物を成形および拘束するように、成形壁、平坦面などを一体化してもよい。ノズル１１０は、非粘着材料（使用される造形材料１０２に応じて変化し得る）で有効にコーティングされていてもよいが、これは、このツールによってより一貫した成形および平滑化を容易にするためである。
【０１０８】
一般に、ノズル１１０は、リザーバと、該リザーバ内の造形材料（例えば、金属または金属合金）を液体またはそうでなければ押出可能な形態に維持するように構成された加熱器（加熱システム１０６など）と、出口と、を含むことができる。ノズル１１０の構成要素、例えば、リザーバおよび加熱器は、ハウジングなどに収容されていてもよい。一態様において、ノズル１１０は、バルブなどの機械的装置、計量孔付きプレート、またはノズル１１０から出る造形材料１０２を機械的に制御するための他の何らかの適切な機構を含んでいてもよい。ノズル１１０またはその一部は、ロボティクス１０８（例えば、ロボット位置決めアセンブリ）によって、ビルドチャンバ１１６内でビルドプレート１１４に対して移動可能であってもよい。例えば、ノズル１１０は、ロボティクス１０８によって、物体１１２を形成するように造形材料（例えば、液体材料）を堆積させながらツールパスに沿って移動可能であってもよく、または、ビルドプレート１１４は、ノズル１１０が静止状態である間にビルドチャンバ１１６内を移動してもよく、またはこれらの組合せとすることもできる。
【０１０９】
プリンタ１０１が複数のノズル１１０を含む場合、第２のノズルは、様々な追加の造形材料のいずれかを有用に提供してもよい。これは、例えば、異なるまたは同様の熱特性（例えば、Ｔｇ、Ｔｍ）を有する他の金属、マルチマテリアルプリントを支持するように熱的に適合したポリマー、支持材料、剥離支持体を形成するための界面材料、溶融可能な材料などを含み得る。一態様において、２つ以上のノズル１１０は、異なる過冷却液体領域を有する２つ以上の異なるバルク金属ガラスを提供してもよい。より低い過冷却液体領域を有する材料は支持材料として使用することができ、より高い温度領域を有する材料は物体１１２に形成することができる。このようにして、より低温の支持材料からなる下層の上に、より高温の材料（物体１１２）を堆積させることにより、堆積が生じるときにより低温の支持材料を融解させ、かつ／または、２つの層間の界面で結晶化させて界面を脆くし、機械的な力を加えることによる除去を比較的容易にすることができる。好都合なことに、下層の支持構造体のバルク形態は、この表面加熱を適用することによって一般に結晶化することがないので、支持構造体は、脆化した界面から単一片として除去するために、そのバルク形態全体にわたって完全な強度を保持することができる。制御システム１１８は、これらの異なる造形材料１０２の位置および温度を制御して、支持構造体１１３と物体１１２との間に本質的に脆い界面層を生成するように構成されていてもよい。したがって、本明細書には、一態様において、第１の過冷却液体領域を有する第１のバルク金属ガラスを使用して支持構造体の層を製作し、第１の過冷却液体領域よりも大きい最小温度および／または温度範囲を有する第２の過冷却液体領域を有する第２のバルク金属ガラスを使用して、支持構造体の層の上に物体の層を製作するプリンタが開示されている。
【０１１０】
したがって、上述のように、いくつかの実施形態において、３Ｄプリンタ１０１は、第２のバルク金属ガラスを押し出す第２のノズル１１０を含むことができる。第２のノズル１１０はまた、ワックス、第１のノズルで使用される第１の材料とは異なる第２の金属、ポリマー、セラミック、または支持を提供するため、支持構造体への界面を脆弱化させるため、もしくはそうでなければ物体および関連する支持構造体に所望の特性を付与するためのいくつかの他の材料のような、任意の数の他の有用な材料を押し出すために使用されてもよい。制御システム１１８は、例えば、第１および第２のノズルを、同時に、互いに独立して、または何らかの他の適切な方法で作動させて、第１の材料、第２の材料、またはその両方を含む層を生成するように構成されていてもよい。
【０１１１】
物体１１２は、本明細書で企図される技術を使用して製作するのに適した任意の物体とすることができる。これは、機械部品、彫刻のような美的物体、または任意の他のタイプの物体、並びにビルドチャンバ１１６およびビルドプレート１１４の物理的制約内に収まり得る物体の組合せを含むことができる。大きなブリッジやオーバーハングなどの構造物は、材料を堆積させることのできる物理的な表面がないため、ＦＦＦを使用して直接的に製作することはできない。この場合、支持構造体１１３は、対応する特徴を支持するために、好ましくは、可溶性材料または他の方法で容易に除去可能な材料で製作することができる。
【０１１２】
ビルドプレート１１４は、ノズル１１０かた堆積する金属または他の材料を受け取るのに適した任意の表面または物質で形成することができる。ビルドプレート１１４の表面は、剛性であり、実質的に平面とすることができる。一態様において、ビルドプレート１１４は、ビルドチャンバ１１６の温度または物体１１２が製作されている表面を制御するために、例えば、抵抗的または誘導的に加熱されてもよい。これは、例えば、接着性を改善し、熱的に誘発される変形または破損を防止し、かつ製作される物体内の応力の緩和を促進することができる。他の態様において、ビルドプレート１１４は、その上に形成された剛性の物体１１２から取り外すために、曲がるか、または物理的に変形し得る変形可能な構造または表面であってもよい。ビルドプレート１１４はまた、物体１１２の内部オーム加熱のための回路パスを提供するか、または物体１１２とノズル１１０を出る造形材料１０２との間の界面を加熱する、電気接点を含むことができる。
【０１１３】
ビルドプレート１１４は、例えば、位置決めアセンブリ（例えば、ノズル１１０を位置決めするのと同じロボット１０８または異なるロボット）によって、ビルドチャンバ１１６内を移動可能であってもよい。例えば、ビルドプレート１１４は、ｚ軸に沿って（例えば、上下、すなわちノズル１１０に近接または離間する）移動可能であってもよく、ｘ−ｙ平面に沿って（例えば、横から横に、例えば、ツールパスを形成するパターンで、ノズル１１２の移動と連動して、物体１１２を製作するためのツールパスを形成するパターンで）、またはこれらのいくつかの組合せで移動可能であってもよい。一態様において、ビルドプレート１１４は回転可能である。
【０１１４】
ビルドプレート１１４は、該ビルドプレート１１４の少なくとも一部の温度を維持または調整するための、温度制御システムを含んでいてもよい。温度制御システムは、ビルドプレート１１４内に、全体的または部分的に埋め込まれていてもよい。温度制御システムは、限定しないが、１つ以上の加熱器、冷却材、ファン、送風機などの１つ以上を含んでいてもよい。実施においては、金属プリント部分の誘導加熱によって温度を制御することができる。
【０１１５】
一態様では、コーティング１１５が、ノズル１１０から押し出された造形材料１０２（および／または支持構造体１１３の支持材料）の作業温度範囲の下限より低い融解温度を有する材料で形成されたビルドプレート１１４上に提供され得る。このコーティング１１５は、例えば、ビルドプレート１１４のための冷却システム１１７で固体形態に冷却されてもよく、該冷却システムは、ペルチェ冷却、液体冷却、ガス冷却、もしくは任意の他の適切な技術または技術の組合せを用いて、加熱された造形材料がコーティング１１５上に堆積されるときに、該コーティング１１５を個体状態に維持することができる。特に、冷却システム１１７は、造形材料１０２から物体１１２をビルドプレート１１４上に製作している間に、コーティング１１５の材料を該コーティング１１５の融解温度よりも低い温度に維持するように構成されていてもよい。同様に、プリンタの加熱システム１０６は、製作が完了した後に、物体１１２をビルドプレート１１４から除去するために、具体的には、ビルドプレート１１４上のコーティング１１５の材料を該コーティング１１５の融解温度を超えて加熱するように構成された、ビルドプレート１１４用の加熱システム１０６を含んでいてもよい。これは、ビルドプレート１１４上のコーティング１１５の材料を、コーティングの融解温度を超えると同時に、物体１１２の製作に使用される造形材料１０２の作業温度範囲の下限よりも低い温度で加熱することによって、物体１１２を変形させることなく該物体１１２の除去を容易にすることができる。
【０１１６】
金属造形材料と使用するのに適切なコーティング１１５は、例えば、ビスマスまたはインジウムを含むはんだ合金のような低温融解温度のはんだを含むことができる。他の態様において、コーティング１１５は、該コーティング１１５が物体１１２の表面に拡散しないように、または物体１１２の表面を汚染しないように、融解時に造形材料１０２と非反応性である材料で形成することができる。一般的に反応性の低い有用な合金としては、鉛と鉄の合金、アルミニウム合金を含む鉛、アルミニウム合金を含む錫、または造形材料１０２（または必要に応じて支持材料）の成分で飽和されて効果的に非混和性である任意の合金が含まれ得る。
【０１１７】
一般に、ビルドチャンバ１１６は、ビルドプレート１１４およびノズル１１０を収容し、造形材料１０２からビルドプレート１１４上に物体１１２を製作するのに適した構築環境を維持する。造形材料１０２に適切である場合、ビルドチャンバは真空環境、酸素枯渇環境、加熱環境、および不活性ガス環境などを含むことができる。ビルドチャンバ１１６は、ビルドプレート１１４、物体１１２、および物体１１２を製作するためにビルドチャンバ１１６内で使用されるプリンタ１０１の任意の他の構成要素を収容するのに適した任意のチャンバとすることができる。
【０１１８】
プリンタ１０１は、ビルドチャンバ１１６に接続されて該ビルドチャンバ１１６内に真空を生成するように動作可能な真空ポンプ１２４を含んでいでもよい。当該技術分野では、多くの適切な真空ポンプが知られており、本明細書で企図される真空ポンプ１２４として使用に適合させることができる。ビルドチャンバ１１６は、製作用の真空環境を提供するように真空ポンプ１２４または任意の同様の装置を使用して排気され得る、環境的にシールされたチャンバからものとすることができる。これは、酸素が、本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスにおいて層関結合を弱める可能性のある不動態化層を引き起こす場合に特に有用であり得る。ビルドチャンバ１１６は、ハーメチックシール、気密、または他の方法で環境的にシールされていてもよい。環境的にシールされたビルドチャンバ１１６は、安定した構築環境を提供するために、酸素をパージするか、または制御された方法で１つ以上の不活性ガスで充填することができる。したがって、例えば、ビルドチャンバ１１６は、アルゴンなどの１つ以上の不活性ガス、またはプリンタ１０１によって使用される加熱された金属造形材料１０２と大きく相互作用しない他のガスで実質的に充填されていてもよい。環境的シールは、例えば、構築容積内の加熱された構成要素から外部環境への過度の熱伝達およびその逆の熱伝達を防止するために、ヒートシールを含んでいてもよい。ビルドチャンバ１１６のシールは、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ１１６の加圧を容易にするために圧力シールを含むこともでき、例えば、周囲の酸素および他の雰囲気ガスなどによる浸透に抵抗する正の圧力を提供することができる。ビルドチャンバ１１６のシールを維持するために、例えば、造形材料供給、電子機器などのためのビルドチャンバ１１６内の任意の開口は、適切に対応する真空シールなどを含むことができる。
【０１１９】
いくつかの実施形態において、酸素ゲッタなどの環境制御要素を支持構造材料内に含めて、酸素または他のガスの局所的な除去を提供することができる。適切な構築環境を維持するために外部換気が必要な場合には、ビルドチャンバ１１６を出るガスをフィルタリングするために、炭フィルタのようなエアフィルタを有効に使用することができる。
【０１２０】
１つ以上のパッシブまたはアクティブ酸素ゲッタ１２６または他の同様の酸素吸収材料またはシステムを、遊離酸素を取り込むためにビルドチャンバ１１６内で有効に使用することができる。酸素ゲッタ１２６は、例えば、ビルドチャンバ１１６の内部表面を被覆する反応性材料の堆積物、または残留ガス分子と結合するか該残留ガス分子を吸収することによって真空を改善または維持するビルドチャンバ１１６内に配置された個別の物体を含むことができる。一態様において、酸素ゲッタ１２６は、例えば、チタン、アルミニウムなどに基づく材料を含む酸素と選択的に反応する様々な材料のいずれかを含むことができる。他の態様において、酸素ゲッタ１２６は、可燃性ガス、ガストーチ、触媒ヒータ、ブンゼンバーナ、または環境から酸素を抽出するために反応する他の化学源および／または燃焼源などの化学エネルギー源を含むことができる。潜在的に有害なＣＯを排出することなくこの目的のために適切に使用され得る、様々な低ＣＯおよびＮＯｘ触媒バーナが存在する。酸素ゲッタ１２６は、同様にまたは代わりに、酸素フィルタ、電気化学的酸素ポンプ、カバーガス供給源、空気循環装置などを含んでいてもよい。したがって、実施形態において、ビルドチャンバ１１６を酸素でパージする手段には、ビルドチャンバ１１６に不活性ガスを供給すること、ビルドチャンバ１１６内に酸素ゲッタ１２６を配置すること、ビルドチャンバ１１６に電気化学的酸素ポンプを適用すること、ビルドチャンバ１１６内の空気を酸素フィルタ（例えば、多孔質セラミックフィルタ）を介して循環させること、の１つ以上が含まれる。
【０１２１】
一態様において、酸素ゲッタ１２６は、またはより一般的に、ガスゲッタは、ノズル１１０の１つを使用する支持材料として堆積されてもよく、これにより、ガスゲッタがそれぞれ新しい製作工程で交換され易くなり、また、製作された物体上に新しい材料が堆積されている場合に、プリント媒体近傍のガスゲッタを有利に位置決めして、不動態化ガスをより局所的に除去することができる。酸素ゲッタ１２６は、同様にまたは代わりに、構築プロセス中に、個別の材料として堆積されてもよい。したがって、本明細書に開示される金属から３Ｄ物体を製作するため方法は、一態様において、３Ｄ物体の周りの不動態化ガスを除去するための薬剤を含む物理的に近接した構造を共同製作することを含む。ビルドチャンバ１１６内の環境の反応性を制御するために、他の技術を同様に使用することができる。例えば、酸化を防止するために、ビルドチャンバ１１６に不活性ガスなどを充填してもよい。
【０１２２】
ビルドチャンバ１１６は、ビルドチャンバ１１６の容積（例えば、構築容積）の少なくとも一部の温度を維持または調整するための、温度制御システム１２８を含んでいてもよい。温度制御システム１２８は、限定しないが、１つ以上の加熱器、冷却剤、ファン、送風機などの１つ以上を含んでいてもよい。温度制御システム１２８は、ビルドチャンバ１１６内の所望の熱を伝達するための熱交換媒体として流体などを使用することができる温度制御システム１２８は、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ１１６内の空気を移動させて、該ビルドチャンバ１１６内の温度を制御し、該ビルドチャンバ１１６内により均一な温度を提供し、または、該ビルドチャンバ１１６内で熱を伝達することができる。
【０１２３】
温度制御システム１２８、または本明細書に記載される任意の温度制御システム（例えば、加熱システム１０６の温度制御システムまたはビルドプレート１１４の温度制御システム）は、電流を熱に変換する抵抗素子などの１つ以上の能動素子、印加電流に応じて加熱または冷却するペルチェ効果装置、または他の熱電加熱および／または冷却装置を含むことができる。したがって、本明細書に記載する温度制御システムは、プリンタ１０１の構成要素に能動的な加熱を提供する加熱器、プリンタ１０１の構成要素に能動的な冷却を提供する冷却要素、またはそれらの組合せを含むことができる。温度制御システムは、制御システム１１８と通信関係で接続されていてもよいが、これは、制御システム１１８が、プリンタ１０１の構成要素への熱の適用または熱の除去を制御するためである。したがって、温度制御システムは１２８、プリンタ１０１の構成要素を制御可能に冷却するために、プリンタ１０１の構成要素の内部または近傍に配置された、能動的な冷却要素を含むことができる。他の態様において、温度制御システム１２８は、製作された物体および／または支持構造体をビルドプレート１１４に制御可能に固定および解放するために、低融解温度のはんだまたはビルドプレート１１４上のコーティングを制御可能に融解および凝固させるのに適した、加熱および冷却システムの任意の組合せを含んでいてもよい。プリンタ１０１の構成要素の温度を制御するために、様々な他の技術を用いることができることが理解されよう。例えば、温度制御システムは、その内部に真空チャンバなどのガス冷却装置またはガス加熱装置を使用してもよく、この装置は、急激に加圧されてプリンタ１０１の構成要素を加熱したり、空にされてプリンタ１０１の構成要素を所望のとおりに冷却したりすることができる。他の例として、加熱ガスまたは冷却ガス流は、構築プロセスの前、最中、および／または後に、プリンタ１０１の構成要素に直接的に適用され得る。プリンタ１０１の構成要素の温度を制御するのに適した装置または装置の組合せは、本明細書に記載される温度制御システムとしての使用に適合され得る。
【０１２４】
ビルドチャンバ１１６のための温度制御システム１２８、加熱システム１０６の温度制御システム、ビルドプレート１１４の温度制御システムは、単一の温度制御システム内に含まれてもよく（例えば、制御システム１１８の一部として含まれるか、そうでない場合、制御システム１１８と通信している）、または、これらは個別の独立した温度制御システムであってもよい。このようにして、例えば、加熱されたビルドプレートまたは加熱されたノズルは、ビルドチャンバ１１６の加熱に寄与し、ビルドチャンバ１１６のための温度制御システム１２８の構成要素を形成し得る。
【０１２５】
ビルドチャンバ１１６は、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ１１６の容積の少なくとも一部における圧力を維持または調整するための、圧力制御システムを含むことができ、例えば、周囲圧力に対して圧力を増加させて加圧されたビルドチャンバ１１６を提供すること、または周囲圧力に対して圧力を減少させて真空のビルドチャンバ１１６を提供することによって達成され得る。上述したように、真空のビルドチャンバ１１６は、酸素ゲッタまたは他の機構を有用に組み込んで、ビルドチャンバ１１６からガスを枯渇させるのを助けることができる。同様に、加圧されたビルドチャンバ１１６が使用される場合、ビルドチャンバ１１６は、製造のための制御された環境を提供するために、不活性ガス等で満たされて加圧されていてもよい。
【０１２６】
金属から製作された物体は、比較的重く扱いにくい場合がある。この問題に対処するために、はさみテーブルまたは他の持ち上げ機構を設けて、製作された物体をビルドチャンバ１１６から持ち上げることができる。特に、ビルドチャンバ１１６が高度に加熱され、加圧され、もしくは減圧された環境を維持している場合、または周囲環境への直接的な暴露と一般的に両立しない他の処理環境では、プリントされた物体をビルドチャンバ１１６から移送するために、中間チャンバを有用に使用することができる。
【０１２７】
一般に、制御システム１１８は、プリンタ１０１の動作を制御するように構成されたコントローラなどを含むことができる。制御システム１１８は、ノズル１１０、ビルドプレート１１４、ロボティクス１０８、様々な温度および圧力制御システム、ならびに本明細書に記載される付加製造システム１００の任意の他の構成要素などの、付加製造システム１００の構成要素を制御するために動作することができ、３Ｄモデル１２２または物体１１２を記述する任意の他のコンピュータ化されたモデルに基づいて、造形材料１０２から物体１１２を製作することができる。制御システム１１８は、本明細書に記載される付加製造システム１００の様々な構成要素を制御するのに適したソフトウェアおよび／または処理回路の任意の組合せを含むことができ、これには、限定しないが、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ、および任意の他のデジタルおよび／またはアナログ構成要素、ならびに制御信号、駆動信号、電力信号、センサ信号などを送受信するための入力および出力とともに、前述のものの組合せが含まれる。一態様において、制御システム１１８は、オペレーティングシステムの実行、（例えば、制御システム１１８またはプリンタ１０１に接続されたディスプレイへの）グラフィカルユーザインタフェースの提供、３Ｄモデル１２２のツール命令への変換、並びにウェブサーバの操作またはネットワーク１６０を介した通信のためのネットワーインタフェース１６２を介したリモートユーザおよび／もしくはアクティビティのホストなどの、関連する機能を提供するのに十分な計算能力を有するマイクロプロセッサまたは他の処理回路を含むことができる。
【０１２８】
制御システム１１８は、プロセッサおよびメモリ、ならびに任意の他のコプロセッサ、信号プロセッサ、入力および出力、デジタル−アナログまたはアナログ−デジタル変換器、および、例えば、プリンタ１０１の動作を制御する命令を提供することによって、プリンタ１０１上で実行される製作プロセスを制御および／または監視するのに有用な他の処理回路を含むことができる。この目的のために、制御システム１１８は、造形材料１０２、駆動システム１０４、加熱システム１０６、ノズル１１０、ビルドプレート１１４、ロボティクス１０８、および温度センサ、圧力センサ、酸素センサ、真空ポンプなどの、構築プロセスに関連する任意の他の計装または制御コンポーネントと、通信関係で接続されていてもよい。
【０１２９】
制御システム１１８は、プリンタ１０１による実行のための機械対応コードを生成して、３Ｄモデル１２２から物体１１２を製作することができる。他の態様において、機械対応コードは、３Ｄモデル１２２に基づいて独立したコンピューティングデバイス１６４によって生成され、ネットワーク１６０を介して制御システム１１８と通信されてもよい。ネットワーク１６０には、ローカルエリアネットワーク、またはインターネットなどのインターネットワークが含まれ、制御システム１１８は、機械対応コードを解釈し、プリンタ１０１の構成要素に対応する制御信号を生成することができる。制御システム１１８は、得られる物理的物体を構造的または審美的に改善するための多数の戦略を展開することができる。例えば、制御システム１１８は、ノズル１１０が、堆積された材料の既存の層上で実行される場合、例えば、材料を平坦化するため、パッシベーション層を除去するため、または次の層の材料および／もしくは形状のために現在の層を準備して該材料を最終形状にトリミングするために、耕耘技術、アイロン技術、平削り技術、または同様の技術を使用してもよい。ノズル１１０は、この耕耘処理を容易にするために非粘着性の表面を含むことができ、また、平滑化効果を改善するためにノズル１１０を（超音波トランスデューサを使用して）加熱および／または振動させてもよい。一態様において、これらの表面準備ステップは、３Ｄモデルから導出されるｇコードのような、当初に生成される機械準備コードに組み込まれて、製作中にプリンタ１０１を動作させるために使用され得る。他の態様において、プリンタ１０１は、堆積された層を動的に監視し、層単位で、追加の表面準備をすることが物体１１２を正常に完成させるために必要であるか、または有用であるかを決定することができる。このように、一態様において、本明細書に開示されるプリンタ１０１では、金属ＦＦＦプロセスを監視し、金属材料の先の層が追加の金属材料を受け入れに不適切である場合に、加熱されるか振動する非粘着ノズルで表面準備ステップを展開する。
【０１３０】
プリンタ１０１は、ノズル１１０の圧力または流量を測定することができ、制御システム１１８は、プロセスフィードバック信号として対応する信号を使用することができる。金属造形においては温度が重要な物理量であり得るが、金属ＦＦＦプロセスの間に、フィードパス全体の金属の温度を正確に測定することは難しい場合がある。しかしながら、温度は、造形材料１０２の粘度によって推定されることが多く、この粘度は、フィードパスに沿って材料を駆動するためにどの程度の作業が行われているのかに基づいて容易に測定することができる。したがって、一態様では、本明細書で開示されるプリンタ１０１では、駆動システム１０４などによって金属造形材料に加えられる力を測定し、当該力（例えば、瞬時力）に基づいて造形材料１０２の温度を推定し、それに応じて加熱システム１０６を制御して温度を調整する。上述したように、制御システム１１８は、同様にまたは代わりに、加熱システム１０６から造形材料１０２への熱伝達を制御するための手段として押出速度を調整することもできる。
【０１３１】
他の態様において、制御システム１１８は、支持材料と物体１１２との間の物理的界面を改変するために、堆積パラメータを制御することができる。支持構造体１１３は、典型的には、物体１１２の造形材料とは異なる材料、例えば、可溶性材料または柔らかいかより脆弱な材料から形成されているが、バルク金属ガラスの特性を改変して、同じプリント媒体を用いって同様に有用な結果を達成することができる。例えば、ノズル１１０によって加えられる圧力、液化温度、または任意の他の温度に関連するプロセスパラメータは、バルク金属ガラスの機械的特性を変化させるために、支持構造体１１３全体にわたって、または特には物体１１２と支持構造体１１３との間の界面で制御されてもよい。より具体的な例としては、融解および／または結晶化を引き起こすために融点付近またはそれを超える温度で層を製作することにより、界面でより脆い構造をもたらすことができる。したがって、一態様において、本明細書では、バルク金属ガラスを含む造形材料１０２から支持構造体１１３を製作するステップと、造形材料１０２の結晶化を誘発するのに十分な温度で支持構造体１１３の最上層（または物体１１２の最下層）を製作するステップと、ガラス転移温度と融解温度との間の温度で、支持構造体１１３の最上層上に物体１１２の底層を製作するステップと、を含む、物体１１２の製作技術が開示されている。他の態様では、不動態化層を誘導して、層間の酸化を許容または促進するなどして、支持層と物体層との間の結合の強度を低下させることができる。
【０１３２】
一般に、３Ｄモデル１２２または物体１１２の他のコンピュータ化されたモデルは、制御システム１１８として使用されるコンピューティングデバイスのローカルメモリなどデータベース１２０、またはサーバもしくは他のリモート源を介してアクセス可能なリモートデータベース、または制御システム１１８にアクセス可能な任意の他のコンピュータ可読媒体に格納することができる。制御システム１１８は、ユーザ入力に応答して特定の３Ｄモデル１２２を検索し、対応する物体１１２を製作するように、プリンタ１０１による実行のための機械準備命令を生成することができる。これには、ＣＡＤモデルがＳＴＬモデル、または他の多角形メッシュもしくは他の中間表現に変換される場合などの中間モデルの作成が含まれ、次に、中間モデルは、プリンタ１０１によって物体１１２を製作するためのｇコードのような機械命令を生成するように処理され得る。
【０１３３】
動作において、物体１１２の付加製造を準備するために、物体１１２の設計を、最初にコンピューティングデバイス１６４に提供することができる。この設計は、ＣＡＤファイルなどに含まれる３Ｄモデル１２２であってもよい。コンピューティングデバイス１６４は、一般に、自律的に動作する任意のデバイス、またはユーザによって管理し、監視し、通信するように動作する任意のデバイス、または付加製造システム１００内の他の構成要素と相互作用する任意のデバイスを含むことができる。これには、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットワークコンピュータ、タブレット、スマートフォン、スマートウォッチ、または本明細書で企図されるようなシステムに加えられる任意の他のコンピューティングデバイスが含まれる。一態様において、コンピューティングデバイス１６４は、プリンタ１０１と一体である。
【０１３４】
コンピューティングデバイス１６４は、本明細書に記載されるような制御システム１１８または制御システム１１８のコンポーネントを含むことができる。コンピューティングデバイス１６４は、同様にまたは代わりに、制御システム１１８の代わりに設けられていてもよい。したがって、それとは反対のことが明示的に述べられている場合または文脈から明らかである場合を除いて、コンピューティングデバイス１６４の任意の機能は、制御システム１１８によって実行することができ、またその反対も同様である。他の態様において、コンピューティングデバイス１６４は、例えば、ネットワーク１６０を介して、制御システム１１８と通信しているか、または制御システム１１８と接続しており、ネットワーク１６０は、コンピューティングデバイス１６４をプリンタ１０１の制御システム１１８にローカル接続するローカルエリアネットワークであってもよいし、制御システム１１８と通信関係にあるコンピューティングデバイス１６４をリモート接続するインターネットのようなインターネットワークであってもよい。
【０１３５】
コンピューティングデバイス１６４（および制御システム１１８）は、本明細書に記載されるような付加製造システム１００の管理に関連する機能および処理タスクを実行するための、プロセッサ１６６およびメモリ１６８を含むことができる。一般に、メモリ１６８は、本明細書に記載される様々なステップを実行するためにプロセッサ１６６によって実行され得るコンピュータコードを含むことができ、メモリは、センサデータのような付加製造システム１００の他のコンポーネントによって生成されたデータをさらに格納することができる。
【０１３６】
１つ以上お超音波トランスデューサ１３０または同様の振動コンポーネントは、プリンタ１０１内の様々な場所に有効に配置されてもよい。例えば、振動トランスデューサを用いて、ペレット、粒子、または他の同様の媒体を造形材料１０２のホッパから駆動システム１０４に分配するときにそれを振動させることができる。駆動システム１０４がスクリュー駆動または同様の機構を含む場合、このような超音波撹拌は、妨害または一貫性のない供給を防止するので、ペレットをより均一に分配することができる。
【０１３７】
他の態様では、超音波トランスデューサ１３０を使用して、加熱されたバルク金属ガラスなどの比較的高粘度の金属媒体を、ノズル１１０の高温端の加圧型ダイを通して変形させて押し出すように促すことができる。ノズル１１０内の結果として生じる振動を分離するために、ノズル１１０と他の部品との間に、１つ以上のダンパー、機械的デカップラなどを含めることができる。
【０１３８】
製作中、その後の使用および分析のために、詳細なデータを収集することができる。これには、例えば、オブジェクト１１２の各層に生じるエラー、変動などを識別するセンサおよびコンピュータビジョンシステムからのデータを含むことができる。同様に、断層撮影法などを使用して、層間の界面の検出および測定、部品寸法の集約などを行うことができる。このデータは、例えば、エンドユーザが変動および欠陥などが物体１１２の使用にどのように影響を及ぼすかを評価できるように、物体１１２のデジタルツイン１４０として、エンドユーザに物体とともに集められてもよい。空間／幾何学的解析に加えて、デジタルツイン１４０は、例えば、使用される材料の重量、プリントの時間、ビルドチャンバ温度の分散などの集計統計情報、および任意の体積堆積速度、材料温度、環境温度などの関心のある任意のプロセスパラメータ時系列ログなどを含む、プロセスパラメータを記録することができる。
【０１３９】
デジタルツイン１４０はまた、例えば、完成した物体１１２内のボクセル・バイ・ボクセルまたは他の体積基準で、造形材料１０２の熱履歴を有効に記録することができる。したがって、一態様において、デジタルツイン１４０は、物体１１２に組み込まれている造形材料の熱履歴の空間的時間マップを格納することができ、これは、例えば、物体１１２内のバルク金属ガラスの結晶化状態を推測し、適切な場合には製作中に修復作用を開始させるためにしようすることができる。制御システム１１８は、製作中にこの情報を使用することができ、また、熱履歴の空間的時間マップに従って、製作中に、溶融フィラメント製作システムなどの熱パラメータを調整するように構成されていてもよい。例えば、制御システム１１８は、バルク金属ガラスが結晶化に近づいているビルドチャンバを有用に冷却するか、または押出温度を低下させることができる。
【０１４０】
プリンタ１０１は、カメラ１５０または他の光学デバイスを含んでいてもよい。一態様において、カメラ１５０を使用して、デジタルツイン１４０を作製するか、またはデジタルツイン１４０の空間データを提供することができる。カメラ１５０は、より一般的に、機械ビジョン機能を容易にすることができ、または製作プロセスの遠隔監視を容易にすることができる。カメラ１５０からのビデオまたは静止画は、同様にまたは代わりに、プリントプロセスを動的に修正するために、または、例えば、実際のプリンタ出力が予期された出力から逸脱している場合などに、自動調整または手動調整をどこでどのように行うべきかを視覚化するために使用されてもよい。カメラ１５０は、動作前にノズル１１０および／またはビルドプレート１１４の位置を確認するために使用することができる。一般に、カメラ１５０は、例えば、カメラ１５０がチャンバ壁内に形成された観察窓と位置合わせされている場合、ビルドチャンバ１１６内に配置されていてもよく、またはブル度チャンバ１１６の外部に配置されていてもよい。
【０１４１】
付加製造システム１００は、１つ以上のセンサ１７０を含むことができる。センサ１７０は、例えば、有線または無線接続（例えば、データネットワーク１６０を介して）、を介して、制御システム１１８と通信することができる。センタ１７０は、物体１１２の製作の進行を検出し、信号が物体１１２の製作の進行を特徴づけるデータを含む場合に、制御システム１１８に信号を送信するように構成されていてもよい。制御システム１１８は、信号を受信し、物体１１２の製作の検出された進行に応じて、付加製造システム１００の少なくとも１つのパラメータを調整するように構成されていてもよい。
【０１４２】
１つ以上のセンサ１７０は、限定しないが、接触プロフィルメータ、非接触プロフィルメータ、光学センサ、レーザ、温度センサ、動作センサ、画像デバイス、カメラ、エンコーダ、赤外線検出器、体積流量センサ、重量センサ、音センサ、光センサ、物体の有無を検出するセンサなどが含まれ得る。
【０１４３】
本明細書で論じるように、制御システム１１８は、センサ１７０に応じて付加製造システム１００のパラメータを調整することができる。調整されたパラメータには、造形材料１０２の温度、ビルドチャンバ１１６（または、ビルドチャンバ１１６の体積の一部）の温度、およびビルドプレート１１４の温度が含まれ得る。パラメータは、同様にまたは代わりに、ビルドチャンバ１１６内の大気圧のような圧力を含んでいてもよい。パラメータは、同様にまたは代わりに、造形材料と混合するための添加剤（強化添加剤、着色剤、脆化材料など）の量または濃度を含んでいてもよい。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、制御システム１１８は、（１つ以上のセンサ１７０とともに）付加製造システム１００で使用される造形材料１０２を識別し、次いで、造形材料１０２の識別に基づいて、付加製造システム１００のパラメータを調整することができる。例えば、制御システム１１８は、造形材料１０２の温度、ノズル１１０の作動、ロボティクス１０８を介して１つ以上のビルドプレート１１４およびノズル１１０の位置、造形材料１０２の体積流量などを調整することができる。
【０１４５】
そのような実施形態のいくつかでは、ノズル１１０は、造形材料１０２の導電率、造形材料１０２のタイプ、ノズル１１０の出口の直径、駆動システム１０４によって押し出される造形材料１０２に作用する力、加熱システム１０６の温度、または任意の他の有用な情報のような、感知された条件または状態を示す信号を制御システム１１８に送信するようにさらに構成されている。制御システム１１８は、任意のそのような信号を受信し、それに応答して構築プロセスの態様を制御することができる。
【０１４６】
一態様において、１つ以上のセンサ１７０は、造形材料１０２の温度を容積測定するように構成されたセンサシステムを含むことができる。すなわち、押出前、押出中、押出後、またはこれらの組合せにおいて、造形材料１０２の容積内で、特定の位置における温度を取得することができる。これは、任意の接触または非接触温度測定技術に基づいて、利用可能な場合には表面測定を含むことができる。これは、同様にまたは代わりに、フィードパスに沿って、完成した物体内の異なる地点において、造形材料１０２の内部の温度を推定することを含むことができる。この累積された情報を使用して、完成した物体１１２内の造形材料の各ボクセルの経時的な温度を含む熱履歴を生成することができ、これらのすべては、以下に説明するデジタルツイン１４０に記憶され、熱パラメータのインプロセス制御、または物体１１２の後処置レビューおよび分析に使用され得る。
【０１４７】
付加製造システム１００は、ネットワークインタフェース１６２を含むか、またはネットワークインタフェース１６２と通信関係で接続されていてもよい。ネットワークインタフェース１６２は、データネットワーク１６０を介してリモートコンピュータ（例えば、コンピューティングデバイス１６４）との通信関係で、制御システム１１８と付加製造システム１００の他のコンポーネントとを接続するのに適した、ハードウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを含むことができる。限定ではなく一例として、これは、ＩＥＥＥ８０２．１１標準（またはその任意の変形）、または任意の他の短距離または聴許地無線ネットワークコンポ−粘度などに基づいて動作する、有線または無線のイーサネット接続のための電子回路を含むことができる。これは、ブルートゥースまたは赤外線トランシーバのような短距離データ通信のためのハードウェアを含むことができ、これは、インターネットなどの広域データネットワークに接続されているローカルエリアネットワークなどに接続するために使用することができる。これは、同様にまたは代わりに、ＷｉＭＡＸ接続またはセルラーネットワーク接続（例えば、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＬＴＥまたは任意の他の適切なプロトコルもしくはプロトコルの組合せ）のためのハードウェア／ソフトウェアを含むことができる。一貫して、制御システム１１８は、ネットワーク１６０に自律的に接続してプリント可能なコンテンツを検索したり、またはプリンタ１０１のステータスまたは利用可能性の遠隔要求に応答したりするなどして、ネットワークインタフェース１６２が接続されている任意のネットワーク１６０内の付加製造システム１００による参加を制御するように構成されていてもよい。
【０１４８】
他の有用な特徴を、上述のプリンタ１０１に統合させることができる。例えば、プリンタ１０１は、溶媒源およびアプリケータを含み、溶媒（または、他の材料）は、例えば表面特性を改質するために、製作中に物体１１２の特定の表面（例えばプリンタ１０１０によって制御される）に適用されてもよい。添加される材料は、例えば、所望の電気的、熱的、光学的、機械的または審美的特性を提供するために、特定の位置または特定の領域で物体１１２の表面を意図的に酸化させることや、改質することができる。この機能は、テキストやグラフィックスなどの美的機能を提供するため、またはＲＦ信号を受信するためのウィンドウなどの機能的特徴を適用するために使用することができる。これはまた、分離をサポートするための剥離層を適用するために使用することもできる。
【０１４９】
プリントプロセスの完了時に、および／または、重い媒体を挿入するために、プリントされた物体１１２をビルドチャンバ１１６から回収するためのコンポーネントハンドリングデバイスを含めることができる。コンポーネントハンドリングデバイスは、プリントされた物体１１２を上昇させるためのはさみテーブルのような気候を含むことができる。コンポーネントハンドリングデバイスの持ち上げ力は、空気式もしくは油圧式のレバーシステムまたは任意の他の適切な機械システムを介して生成され得る。
【０１５０】
いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイス１６４または制御システム１１８は、製作中に物体１１２の一部を支持する支持構造体１１３を識別または作成することができる。一般に、支持構造体１１３は、製作の完了後に除去される犠牲構造である。いくつかのこのような実施形態において、コンピューティングデバイス１６４は、製作されている物体１１２、当該物体１１２を製作するために使用される材料、およびユーザ入力などの要因に基づいて、支持構造体１１３を製造する技術を識別することができる。支持構造体１１３は、高温ポリマーまたは造形材料１０２に弱性の結合を形成する他の材料から製作することができる。他の態様において、支持構造体１１３と物体１１２との間の界面を操作して層間結合を弱め、分離する支持体の製作を容易にすることができる。
【０１５１】
図２は、本明細書に記載のコンピューティングデバイス、制御システム、または他の処理回路のいずれかに使用することができるコンピュータシステムのブロック図である。コンピュータシステム２００は、コンピューティングデバイス２１０を含み、該コンピューティングデバイスは、ネットワーク２０２を介して外部デバイス２０４に接続されている。コンピューティングデバイス２１０は、本明細書に記載されるコントローラのいずれかを含むことができ（または、逆も同様である）、そうでなければ本明細書に記載されるコントローラまたは他のデバイスのいずれかと通信することができる。例えば、コンピューティングデバイス２１０は、デスクトップコンピュータワークステーションを含むことができる。コンピューティングデバイス２１０は、同様にまたは代わりに、プロセッサまたは同様の処理回路を有し、ネットワーク２０２上で通信する任意のデバイスとすることができ、限定しないが、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント、タブレット、携帯電話、テレビ、セットトップボックス、ウェアラブルコンピュータなどが含まれる。コンピューティングデバイス２１０は、同様にまたは代わりに、サーバを含むか、または、サーバ上に配置されていてもよい。
【０１５２】
コンピューティングデバイス２１０は、本明細書に記載されるデバイスおよびシステムのいずれかのために、または本明細書に記載される任意の方法のステップを実行するために使用することができる。例えば、コンピューティングデバイス２１０は、コンピュータ化されたモデルから物体を製作する際にプリンタの動作を制御する、コンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラを含むことができる。特定の態様において、コンピューティングデバイス２１０は、（例えば、デスクトップコンピュータ内の）ハードウェア、（例えば、仮想マシン内の）ソフトウェア、またはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせを使用して実装されてもよい。コンピューティングデバイス２１０は、スタンドアロンデバイス、他のエンティティまたはデバイスに統合されたデバイス、複数のエンティティに分散されたプラットフォーム、または仮想化環境で実行される仮想化デバイスであってもよい。一例として、コンピューティングデバイス２１０は、３Ｄプリンタまたは３Ｄプリンタのコンロトローラに統合されていてもよいし、３Ｄプリンタから独立して動作して、プリント可能なコンテンツを配信し、様々な方法でプリント操作を遠隔制御または編成してもよい。
【０１５３】
ネットワーク２０２は、コンピュータシステム２００の参加者間でデータおよび制御情報を通信するのに適した任意のデータネットワークまたはインターネットワークを含み得る。これには、インターネットのようなパブリックネットワーク、プライベートネットワーク、および公衆交換電話網のような電気通信ネットワーク、または第３世代セルラー技術（例えば、３ＧまたはＩＭＴ−２０００）、第４世代セルラー技術（４Ｇ、ＬＴＥ、ＭＴ−Ａｄｖａｎｃｅｄ、Ｅ−ＵＴＲＡなど）、もしくはＷｉＭＡＸ−Ａｄｖａｎｃｅｄ（ＩＥＥＥ  １０２．１６ｍ）を使用するセルラーネットワーク、および／または、他の技術ならびに様々な企業エリアネットワーク、都市エリアネットワーク、キャンパスネットワークもしくは他のローカルエリアネットワークもしくはエンタープライズネットワークのいずれかが含まれ、コンピュータシステム２００内の参加者間でデータをキャリーするために使用され得る、任意のスイッチ、ルータ、ハブ、ゲートウェイなどと一緒になっている。ネットワーク２０２はまた、データネットワークの組合せを含むことができ、単一のパブリックまたはプライベートネットワークに限定される必要はない。
【０１５４】
外部デバイス２０４は、ネットワーク２０２を介してコンピューティングデバイス２１０に接続する任意のコンピュータまたは他のリモートリソースであってもよい。これは、プリント管理リソース用のプラットフォーム、ゲートウェイもしくは他のネットワークデバイス、コンピューティングデバイス２１０によって要求されるコンテンツを含むリモートサーバなど、ネットワークストレージデバイスまたはリソース、プリントコンテンツをホストするデバイス、またはネットワーク２０２を介してコンピューティングデバイス２１０に接続し得る任意の他のリソースもしくはデバイスを含むことができる。
【０１５５】
コンピューティングデバイス２１０は、プロセッサ２１２、メモリ２１４、ネットワークインタフェース２１６、データストア２１８、および１つ以上の入力／出力デバイス２２０を含むことができる。コンピューティングデバイス２１０は、周辺機器２２２および他の外部入力／出力デバイス２２４をさらに含むことができ、またはそれらと通信することができる。
【０１５６】
プロセッサ２１２は、本明細書に記載される任意のプロセッサまたは他の処理回路とすることができ、一般に、コンピュータデバイス２１０内の命令を実行するか、または他の方法でデータを処理するように構成されていてもよい。プロセッサ２１２は、シンプルスレッドプロセッサ、マルチスレッドプロセッサ、もしくは任意の他のプロセッサ、またはプロセッサの組合せを含むことができる。プロセッサ２１２は、メモリ２１４またはデータストア２１８に格納された命令を処理することができる。
【０１５７】
メモリ２１４は、コンピューティングデバイス２１０またはコンピュータシステム２００内に上方を格納することができる。メモリ２１４は、任意の揮発性もしくは不揮発性メモリまたは他のコンピュータ可読媒体を含むことができ、限定しないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能リードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、消去型ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、レジスタなどが含まれる。メモリ２１４は、コンピューティングデバイス２００の動作を制御し、ユーザのための機能を実行するようにコンピューティングデバイス２００を構成するために有用な、プログラム命令、プリント命令、デジタルモデル、プログラムデータ、実行可能ファイル、および他のソフトウェアおよびデータを格納することができる。メモリ２１４は、コンピューティングデバイス２１０の動作の様々な態様のための多数の異なるステージおよびタイプを含むことができる。例えば、プロセッサは、特定のデータまたは命令へのより高速なアクセスを可能にするオンボードメモリおよび／またはキャッシュを含むことができ、個別のメインメモリなどを含めることによって、必要に応じでメモリ容量を拡張することができる。単一のメモリ２１４が示されているが、任意の数のメモリがコンピューティングデバイス２１０に行こうに組み込まれ得ることが理解されよう。
【０１５８】
ネットワークインタフェース２１６は、ネットワーク２０２を介して、他のリソースと通信関係でコンピューティングデバイス２１０を接続するための任意のハードウェアおよび／またはソフトウェアを含むことができる。これは、例えば、インターネットを介してアクセス可能なリモートリソースと同様に、例えば、物理的接続（例えば、イーサネット、ＵＳＢ、シリアル接続など）、無線周波数通信（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ）、光通信（例えば、光ファイバ、赤外線など）、超音波通信、もしくはこれらの任意の組合せを用いた短距離通信プロトコルを使用して利用可能なローカルリソース、またはコンピューティングデバイス２１０と他のデバイスとの間でデータをキャリーするために使用される他の媒体を含むことができる。ネットワークインタフェース２１６は、例えば、ルータ、モデム、ネットワークカード、赤外線トランシーバ、無線周波数（ＲＦ）トランシーバ、近距離通信インタフェース、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグリーダ、または任意の他のデータ読み取りまたは書き込みリソースなどを含むことができる。
【０１５９】
より一般に、ネットワークインタフェース２１６は、コンピューティングデバイス２１０のコンポーネントを他のコンピューティングリソースまたは通信リソースに接続するのに適したハードウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを含むことができる。これに限定されないが、例えば、ＩＥＥＥ  １０２．１１規格（または、その任意の変形）、または任意の他の短距離または長距離無線ネットワークコンポーネントなどに従って動作する、有線または無線イーサネット接続用の電子機器を含むことができる。これは、ブルートゥースまたは赤外線トランシーバのような短距離データ通信のためのハードウェアを含むことができ、該ハードウェアは、他のローカルデバイスに接続するように、またはインターネットなどのデータネットワーク２０２に接続されているローカルエリアネットワークなどに接続するように使用されてもよい。これは、同様にまたは代わりに、ＷｉＭＡＸ接続またはセルラーネットワーク接続（例えば、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＬＴＥ、または任意の他の適切なプロトコルもしくはプロトコルの組合せを使用する）のためのハードウェア／ソフトウェアを含んでいてもよい。ネットワークインタフェース２１６は、入力／出力デバイス２２０の一部として含まれていてもよく、またはその逆であってもよい。
【０１６０】
データストア２１８は、ディスクドライブ、光ドライブ、磁気ドライブ、フラッシュドライブ、またはコンピューティングデバイス２１０に大容量ストレージを提供することができる他のデバイスなどの、コンピュータ可読媒体を提供する任意の内部メモリストアであってもよい。データストア２１８は、コンピューティングデバイス２１０またはコンピュータシステム２００のための、コンピュータ可読命令、データ構造、デジタルモデル、プリント命令、プログラムモジュールおよび他のデータを、その後の検索および使用のための不揮発形式で格納することができる。例えば、データストア２１８は、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、プログラムデータ、データベース、ファイル、および他のプログラムモジュールまたは他のソフトウェアオブジェクトなどの１つ以上を制限なく格納することができる。
【０１６１】
入力／出力インタフェース２２０は、コンピューティングデバイス２１０に接続し得る他のデバイスとの間の入力／出力をサポートすることができる。これは、例えば、シリアルポート（例えば、ＲＳ−２３２ポート）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、光ポート、イーサネットポート、電話ポート、オーディオジャック、コンポーネントオーディオ／ビデオ入力、ＨＤＭＩポートなどを含むことができ、これらのいずれもが、他のローカルデバイスとの有線接続を形成するために使用され得る。これは、同様にまたは代わりに、赤外線インタフェース、ＲＦインタフェース、磁気カードリーダ、または他のローカルデバイスとの通信関係で接続するための他の入力／出力システムを含むことができる。ネットワーク通信用のネットワークインタフェース２１６は、ローカルデバイス通信用の入力／出力インタフェース２２０とは別に記載されているが、これらの２つのインタフェースは同じであってもよく、ＵＳＢポートを使用してＷｉ−Ｆｉアクセサリに接続する場所や、ローカルネットワークに接続されたストレージに接続するためにイーサネット接続を使用する場所などの機能を共有してもよい。
【０１６２】
周辺機器２２２は、コンピューティングデバイス２００に情報を提供するか、またはコンピューティングデバイス２００から情報を受信するために使用される任意のデバイスを含み得る。これには、キーボード、マウス、マウスパッド、トラックボール、ジョイスティック、マイク、フットペダル、カメラ、タッチスクリーン、スキャナ、またはコンピューティングデバイス２１０に入力を提供するためにユーザ２３０によって使用され得る他のデバイスのような、人間による入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスが含まれ得る。これは、同様にまたは代わりに、ディスプレイ、スピーカ、プリンタ、プロジェクタ、ヘッドセット、またはユーザに情報を提示するための任意の他のオーディオビジュアルデバイスを含むことができる。周辺機器２２２は、同様にまたは代わりに、デジタル信号処理デバイス、アクチュエータ、または他のデバイスまたはコンポーネントへの制御または通信をサポートするための他のデバイスを含むことができる。周辺機器２２２としての使用に適した他のＩ／Ｏデバイスには、触感デバイス、３Ｄレンダリングシステム、拡張現実ディスプレイ、磁気カードリーダ、ユーザインタフェースなどが含まれる。一態様において、周辺機器２２２は、例えば、短距離通信プロトコル（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉ−Ｆｉ、赤外線、ＲＦなど）または長距離通信プロトコル（例えば、セルラーデータまたはＷｉＭＡＸ）を介して通信を提供するように構成されたＵＳＢデバイスなどを用いて、ネットワークインタフェース２１６として機能することができる。他の態様において、周辺機器２２２は、全地球測位システム（ＧＰＳ）デバイス、セキュリティドングルなどのコンピューティングデバイス２１０の動作を補強するデバイスを提供することができる。他の態様において、周辺機器は、フラッシュカード、ＵＳＢドライブ、または他のソリッドステートデバイス、または光学ドライブ、磁気ドライブ、ディスクドライブ、またはバルクストレージに適した他のデバイスまたはデバイスの組合せなどのストレージデバイスであってもよい。より一般に、コンピューティングデバイス２００と共に使用するのに適した任意のデバイスまたはデバイスの組合せを、本明細書で意図される周辺機器２２２として使用することができる。
【０１６３】
コプロセッサ、デジタル信号処理システム、数値演算コプロセッサ、グラフィックスエンジン、ビデオドライバなどのような他のハードウェア２２６が、コンピューティングデバイス２００に組み込まれていてもよい。他のハードウェア２２６は、同様にまたは代わりに、拡張された入力／出力ポート、増設メモリ、追加のドライブ（例えば、ＤＶＤドライバまたは他のアクセサリ）などを含んでいてもよい。
【０１６４】
バス２３２またはバスの組合せは、プロセッサ、メモリ２１４、ネットワークインタフェース２１６、データストア１２８および入力／出力インタフェースなどのコンピューティングデバイス２００のコンポーネントを相互接続するための電気機械的プラットフォームをして機能することができる。図示するように、コンピューティングデバイス２１０のコンポーネントの各々は、システムバス２３２または情報を通信するための他の通信メカニズムを使用して相互接続されていてもよい。
【０１６５】
本明細書に記載される方法およびシステムは、コンピュータシステム２００のプロセッサ２１２を使用して、所定のタスクを実行するためにメモリ２１４に含まれる命令の１つ以上のシーケンスを実行することによって実現することができる。実施形態において、コンピューティングデバイス２００は、パフォーマンスを向上させるためにコードを共に実行するように同期された、いくつかの並列プロセッサとして展開されてもよく、またはコンピューティングデバイス２００は、ハイパーバイザまたは他の仮想化管理ファシリティ上のソフトウェアが、コンピューティングデバイス２００のハードウェアインスタンス化の機能の一部または全部を再生するのに適切なように、コンピューティングデバイス２００のコンポーネントをエミュレートする仮想化環境で実現されてもよい。
【０１６６】
図３は、本明細書で企図される金属付加造形プロセスで造形材料として使用され得る、バルク金属ガラスの時間−温度変換（ＴＴＴ）冷却曲線を示す。バルク金属ガラスは、本明細書で企図される製作プロセスのための造形材料として有用に使用され得る。これらのバルク金属ガラスは、従来の金属のように、冷却時に液体／固体結晶化変換を示さない。その代わりに、高温（「融解温度」Ｔｍ付近）で見出される非結晶形態の金属は、温度が低下する（ガラス転移温度Ｔｇ付近）につれてより粘稠になり、最終的には、非晶質の内部構造を維持しながら従来の個体の物理的特性を引き継ぐ。この中間温度範囲内で、バルク金属ガラスは溶融フィラメント製法プロセスでの使用に適したレオロジー特性を示すことができる。
【０１６７】
バルク金属ガラスにおいては、直接的な液体／結晶化変換はないが、融解温度Ｔｍは、対応する結晶相の熱力学的液相線温度として定義され得る。このレジームのもとでは、融解温度でのバルク固化非晶質合金の粘度は、約０．１ポアズ〜約１００００ポアズの範囲内にあってもよく、時には０．０１ポアズ未満であってもよい。ＢＭＧを形成するためには、溶融金属の冷却速度は、図３のＴＴＴ図において結晶化領域３０３を境界とする楕円形の領域を避けるように十分に高くなければならない。図３において、Ｔｎ（Ｔｎｏｓｅとも称される）は、臨界結晶化温度Ｔｘであり、結晶化速度が最大であり、かつ結晶化が最短の時間スケールで生じる。
【０１６８】
過冷却液体領域、ＴｇとＴｘとの間の温度領域は、非晶質合金のバルク凝固を可能にする結晶化に対する安定性の兆候である。この温度領域において、バルク金属ガラス合金は、高粘性液体として存在することができる。過冷却液体領域における粘度は、ガラス転移温度での１０１２Ｐａ・ｓから、過冷却領域の高温限界である結晶化温度での１０５Ｐａ・ｓまでの間で変動し得る。このような粘度を有する液体は、加えられた圧力下で実質的な塑性ひずみを受ける可能性があり、過冷却液体領域におけるこの大きな塑性加工性により、本明細書で企図される溶融フィラメント製作システムでの使用が可能になる。重要な利点として、過冷却液体領域内に残っているバルク金属ガラスは、一般に、酸化または他の急速な環境劣化の影響を受けないので、典型的には、溶融フィラメント製法に使用され得るいくつかの他の金属システムに比べて、製作中のビルドチャンバ内の環境の制御を必要としない。
【０１６９】
過冷却された合金は、一般に、ワイヤ、ロッド、ビレットなどとして使用するために所望の形状に成形または加工することができる。一般に、ＴＴＴ曲線に近づく軌道を伴うその後の熱成形を避けるために、成形を拘束冷却と同時に行ってもよい、付加製造押出プロセスにおいて、非晶質ＢＭＧは、利用可能な処理ウィンドウがダイカストよりもはくかに大きい可能性のあるＴＴＴ曲線にぶつかることなく、過冷却液体領域に再加熱可されるため、プロセスにより良好な制御性がもたらされる。また、例示的な軌道３０２および３０４によって示されるように、押し出しは、最高温度を伴って実行することができ、押出中の最高温度は、Ｔｎｏｓｅよりも高いかＴｎｏｓｅよりも低く、約Ｔｍまでである。非晶質合金の一片を加熱するがＴＴＴ曲線にぶつかるのを避けるならば、結晶化温度Ｔｘに達することなく、この比較的塑性の状態で材料を操作することができる。ガラス形成合金に有用な種々の適切な金属および非金属要素は、非限定的な例として、共同で所有されている、２０１５年１２月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／２６８４５８号に記載されており、この文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１７０】
非晶質または非結晶性の個体は、結晶の周期特性に格子がない固体である。本明細書で使用されるように、非晶体という用語は、ガラス転移温度を通って加熱するとなんかして液体様状態に変換する非晶質固体のガラスを含む。一般に、非晶物質は、化学結合の性質のために、原子長スケールである程度の短距離秩序を有することはできるが、結晶の長距離秩序を欠いている。非晶質固体と結晶性固体の区別は、Ｘ線解析や透過型電子顕微鏡などの構造的特徴付け技術によって決定される格子周期性に基づいて行うことができる。
【０１７１】
本明細書で企図される合金は、結晶性、部分結晶性、非晶質、または実質的に非晶質であり得る。例えば、合金サンプル／試料片は、ナノメートルおよび／またはマイクロメートルの範囲のサイズを有する粒子／結晶を有する少なくともいくらかの結晶化度を含むことができる。あるいは、合金は、実質的に非晶質であるか、または完全に非晶質であってもよい。一実施形態において、合金組成物は、実質的に結晶質であるか、または完全に結晶質であるなど、少なくとも実質的に非晶質ではない。
【０１７２】
一実施形態において、非晶質合金内における結晶または複数の結晶の存在は、その中の「結晶相」として解釈することができる。合金の結晶化の程度（または、単に「結晶化度」）は、合金中に存在する結晶相の量または合金中に存在する結晶の割合をいうことができる。割合は、文脈に応じて体積分率または重量分率をいうことができる。同様に、非晶質度は、非晶質合金がどのように非晶質であるか、または非構造化されているかを表す。非晶質度は、結晶化度との相対的な測定が可能である。したがって、低い結晶化度を有する合金は高い非晶質度を有し、逆もまた同様である。定量的な例として、６０体積％の結晶相を有する合金は、４０体積％の非晶質相を有する。
【０１７３】
非晶質合金は、非晶質含量が５０体積％を超える合金であり、好ましくは非晶質含量が９０体積％を超える合金であり、より好ましくは非晶質含量が９５体積％を超える合金であり、最も好ましくは非晶質含量が９９体積％超であり最大で１００％である合金である。なお、上述したように、非晶質性が高い合金は、透過的に結晶化度が低い。本明細書で使用されるように、非晶質金属という用語は、無秩序な原子スケール構造を有する非晶質金属物質をいう。結晶質であり、それが故に高度に規則的な原子配列を有する大概の金属とは対照的に、非晶質合金はである。非結晶性である。このような乱れた構造が冷却中に液体状態から直性生成される材料は、「ガラス」と称されることがある。したがって、非晶質金属は、一般に、「金属ガラス」または「ガラス状金属」と称される。本明細書で使用されるバルク金属ガラス（「ＢＧＭ」）という用語は、完全にまたは部分的に非晶質の微細構造を有する合金をいう。
【０１７４】
本明細書において、「バルク金属ガラス」（「ＢＭＧ」）およびバルク非晶質合金（「ＢＡＡ」）という用語は、互換的に使用される。これらは、少なくともミリメートル範囲で最小の物理的寸法を有する非晶質合金をいう。例えば、当該寸法は、約０．５ｍｍ以上、例えば約１ｍｍ以上、例えば約２ｍｍ以上、例えば約４ｍｍ以上、例えば約５ｍｍ以上、例えば約６ｍｍ以上、例えば約８ｍｍ以上、例えば約１０ｍｍ以上、例えば約１２ｍｍ以上とすることができる。ジオメトリに応じて、当該寸法は、直径、半径、厚さ、幅、長さなどを参照することができる。ＢＭＧはまた、約１．０ｃｍ以上、例えば約２．０ｃｍ以上、例えば約５．０ｃｍ以上、例えば約１０．０ｃｍ以上など、センチメートル範囲の少なくとも１つの寸法を有する金属ガラスであってもよい。いくつかの実施形態において、ＢＭＧは、少なくともメートル範囲の少なくとも１つの寸法を有していてもよい。ＢＭＧは、金属ガラスに関連して、上記の形状または形態のいずれかをとることができる。したがって、いくつかの実施形態において本明細書に記載されるＢＭＧは、１つの重要な側面において従来の体積技術によって製作された薄膜とは異なることができ、前者は後者よりもはるかに大きな寸法であり得る。
【０１７５】
非晶質合金は、潜在的に様々な有用な特性を有する。特に、それらは、同様の化学組成を輸する結晶性合金よりも強くなる傾向にあり、結晶性合金よりも大きな可逆的（「弾性」）変形を持続することができる。非晶質金属は、非結晶質構造から直接強度を引き出すが、該非結晶質構造は、結晶性合金の強度を制限する可能性のある転移欠陥等を省いたものである。いくつかの実施形態において、室温での金属ガラスには延性がなく、張力を加えると一気に破損する傾向があり、差し迫った故障が明らかでないため、信頼性が重要な用途においては当該材料の適用性は制限される。したがって、この課題を克服するために、樹枝状粒子または延性のある結晶金属の繊維を含む金属ガラスマトリックスを有する金属マトリックス複合材料を溶融フィラメント製造に使用することができる。あるいは、脆化を引き起こす傾向のある元素が少ないＢＭＧ（例えば、Ｎｉ）を使用することができる。例えば、延性を改善するために、Ｎｉを含まないＢＭＧを使用することができる。
【０１７６】
上述したように、合金中に存在する結晶の割合、例えば、体積、重量などの単位で、非晶質度（および、その逆に結晶度）を測定することができる。部分的に非晶質の組成物とは、約５体積％以上、１０体積％以上、２０体積％以上、４０体積％以上、６０体積％以上、８０体積％以上、９０体積％以上、または任意の他のゼロでない量の非晶相を有する組成物をいうことができる。したがって、少なくとも実施酢的に非晶質である組成物は、約９０体積％以上、９５体積％以上、９８体積％以上、９９体積％以上、または任意の他の類似の範囲または量の非晶相を有する組成物をいうことができる。
【０１７７】
図４は、本明細書に記載される方法およびシステムにおいて、造形材料としての使用に適した共晶系のオフ共晶組成物の相図を示す。一般に、造形材料は、混合物が、温度に依存する平衡体積割合において固体成分および液体成分を含む作業温度範囲を有する、オフ共晶または非共晶合金を含むことができる。この多相条件は、溶融フィラメント製法または類似の押出ベースの付加製造技術に適したレオロジー特性を示す流動可能な状態にするための作業温度範囲内で、純粋な液体粘度を超えて材料の粘度を有用に増加させる。不活性高温第２相をオフ共晶系に導入して、粘度をさらに制御することもできる。他の態様において、不活性第２相は、実質的に純水な共晶合金とともに使用され得る。この組み合わせは、追加の不活性第２相によって付与され得る所望の流動特性と、それに加えて共晶合金の特徴である比較的低い融解温度と、の二重の利点を提供する。
【０１７８】
一般に、相の間に共晶が形成されるような複数の相が存在する場合、凝集組成物の周転は液相線温度となる。オフ共晶国金が凝固すると、その成分は異なる温度で凝固し、完全凝固する前に固体および液体成分の半固体懸濁液が生じる。オフ共晶組成物の作業温度は、一般に、最低の融解温度と最高の融解温度との間の温度範囲である。共晶点４０２の周りの（体積百分率の）混合物において、（この混合物が部分的に融解した状態にある）最低の融解温度は、システム内の純水な共晶組成物の共晶温度４０４である。最高の融解温度は、一般に、成分ＡおよびＢの体積百分率の関数である。共晶線が終結する共晶組成から遠い領域、すなわち、相図４００の左端または右端では、最低の融解温度は、例えば、共晶温度よりもいくらか高い温度であり、例えば、合金の固相線温度である。例えば、材料Ａ（ライン４１０で示される）を非常に高い割合で有するオフ共晶組成物の場合、組成物は、共晶温度よりも幾分高い固相線温度４１２と、組成物の最高液相線温度における液相線温度４１４と、を有し得る。いずれのタイプの組成物についても、オフ共晶系は、最低の融解温度（例えば、システム全体が固体になる）よりも高く、最高の融解温度（例えば、システム全体が液体になる）よりも低い温度の範囲を含む作業温度範囲を有し、組成物、または対応する金属造形材料は、押し出しに適した可変の温度依存性粘度およびレオロジー特性を提供する組合せにおいて固相および液相を含む。この作業温度範囲４０８は、塑性および合金化元素によって異なるが、本明細書で企図される陽右フィラメント製法プロセスなどで使用される広範囲の金属合金に適合させることができる。
【０１７９】
図５は、包晶系の相図である。本明細書で使用される包晶系とは、固相と液相が冷却して反応することにより、第３の固相を形成する化学系をいう。特に、図５は、９０／１０ブロンズの比較的一般的な包晶系の相図５００を示す。このシステムは、構成要素が固体部分と液体部分との間に多相混合物を形成する作業温度範囲５０２をもたらすことができる。この温度範囲内では、温度を変えることによって固体および液体の平衡体積分率を変化させることができる。押出物のレオロジーは、組成物の体積分率（従って、温度）を調整することによって調整することができ、得られる材料は、押し出しに適した実質的に可塑性の温度挙動を提供することができる。非常に不均一な固化挙動は、設計上および取り扱い上の課題をもたらすが、この技術は、ブロンズおよび同様の合金および材料を用いた製作に有用に適用され得る。
【０１８０】
特定の態様において、共晶相挙動または包晶相挙動のいずれも示さずに固体と液体との間の２相平衡を示す化学系は、２相の、半固体領域の温度での押し出しに有用なレオロジーを示すことができる。一般に、所与の組成物について、有用な流動挙動は、特定の合金の固相線と液相線との間の温度範囲で存在し得る。
【０１８１】
さらに一般に、適切な温度応答を示す、部分的または全体的に金属が混合されたいずれの混合物を、本明細書で企図されるような押出型の付加製造プロセスでの使用に適合させることができる。例えば、いくつかの化学系は、共晶相挙動または包晶相挙動のいずれも示さずに、固体と液体との間の二相平衡を示す。このようなシステムは、本明細書で企図される溶融フィラメント製法プロセスにおける使用に適したレオロジーを有する、２相の、半固体領域を有する固相線と液相線との間の作業温度範囲を提供することができる。
【０１８２】
図６は、３Ｄプリンタの押出機６００を示す図である。一般に、押出機６００は、ノズル６０２、リザーバ６０４、加熱システム６０６、および本明細書に記載されたシステムのいずれかのような駆動システム６０８、または本明細書で企図する溶融フィラメント製法プロセスおよび金属造形材料を使用してコンピュータ化されたモデルから物体を製作するプリンタに適した、任意の他のデバイスまたはデバイスの組合せを含むことができる。一般に、押出機６００は、本明細書に記載される造形材料のような造形材料６１０を、本明細書に記載される供給源のような供給源６１２から受け取り、造形材料６１０をビルドプレート６１８または他の適切な表面上に体積させるために、該造形材料６１０をフィードパス（概して矢印６１４で示す）に沿ってノズル６０２の開口部６１６に前進させる。本明細書において、造形材料という用語は、金属造形材料、金属造形材料の種および組み合わせ、または任意の他の造形材料（例えば、熱可塑性樹脂）をいうように互換可能に使用される。したがって、より具体的な意味が提供されている場合または文脈から明らかである場合を除いて、「造形材料６１０」への言及は、金属造形材料６１０、バルク金属ガラス６１０、オフ共晶組成物６１０、または本明細書に記載される他の造形材料または造形材料の組合せのいずれかを含むと理解されるべきである。
【０１８３】
ノズル６０２は、造形材料６１０に必要な温度および機械的力に適した任意のノズルとすることができる。金属造形材料の押し出しのために、ノズル６０２（およびリザーバ６０４）の部分は、システム構成要素の安全性を大幅に向上させ、かつ誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムに必要な場所に電気的絶縁性を有用に提供する、サファイアまたは石英などの硬い高温材料で形成することができる。
【０１８４】
リザーバ６０４は、造形材料６１０を加熱するのに適した任意のチャンバなどであってもよく、本明細書に記載される金属造形材料のいずれかのような造形材料６１０を供給源６１２から受け取るための入口６０５を含んでいてもよい。金属造形材料は、該金属造形材料が押し出しに適したレオロジー特性を示す、固体と液体状態との間の作業温度範囲を有し得る。有用な造形材料は、広範囲のバルク機械的特性を示すが、加熱された造形材料６１０の可塑性は、一般に、一方では、材料が駆動システム６０８、ノズル６０２、および他のコンポーネントによって動作可能かつ流動可能であるのに対して、他方では、材料が体積中に押出機を通る暴走流を避けるのに十分な粘性を有し、または十分にペースト状であるようなものであるべきである。
【０１８５】
加熱システム６０６は、本明細書に記載の加熱デバイスまたは技術のいずれかを使用することができる。一般に、加熱システム６０６は、リザーバ６０４内の造形材料６１０（例えば、金属造形材料）を、造形材料６１０の作業温度範囲内の温度に加熱するように動作可能であり得る。加熱システム６０６は、同様にまたは代わりに、ノズル６０２を出る造形材料６１０もしくは先に体積された材料の第２の層６９２と融合する造形材料６１０を局所的に加熱することによって、または、ノズル６０２が物体を製作するビルドチャンバもしくは他のビルド環境を加熱することなどによって、追加の熱制御を提供するように構成されていてもよい。
【０１８６】
ノズル６０２は、例えば、造形材料６１０がビルドプレート６１８上に堆積され得るフィードパス６１４に沿って、該造形材料６１０がリザーバ６０４を出るための出口パスを提供する、開口部６１６を含むことができる。
【０１８７】
駆動システム６０８は、造形材料６１０を個体形態で機械に係合させ、造形材料６１０を、作業温度範囲内の温度で、ノズル６０２の開口部６１６を通って押し出すのに十分な力で、供給源６１２からリザーバ６０４に造形材料６１０を前進させるように動作可能である、任意の駆動システムとすることができる。一般に、駆動システム６０８は、作業温度範囲よりも低い温度（例えば、固体形態）または作業温度範囲の上限よりも低い温度（造形材料６１０がより柔軟であるが、押出負荷を支持し、かつ駆動システム６０８からの駆動力を造形材料６１０を介して変換して加熱された造形材料をリザーバ６０４内に押し出すのに十分な剛性を有する）で造形材料６１０と係合することができる。
【０１８８】
溶融フィラメント製法で従来使用されている熱可塑性樹脂とは異なり、金属造形材料は、熱伝導性が高い。その結果、リザーバの高温は、駆動システム６０８内の温度上昇に寄与することができる。したがって、一態様において、リザーバ６０４およびノズル６０２の作業温度範囲の底部は、駆動システム６０８と係合する造形材料６１０の温度よりも高い上述の温度範囲内の任意の温度であってもよく、したがって、造形材料６１０を駆動するための第１の温度範囲と、造形材料を押し出すための第１の温度範囲よりも高い第２の温度範囲を提供する。あるいは、上述の作業温度範囲と択一的に一貫して述べると、造形材料６１０は、典型的には、押出中は作業温度範囲内の温度に維持され、駆動システム６０８と係合している間は作業温度範囲よりも低い温度に維持され得るが、いくつかの実施形態において、造形材料６１０は、駆動システム６０８と係合するとき、および、その後ノズル６０２によって押し出されるときに、作業温度範囲内の温度に維持されてもよい。本明細書で企図されるような金属造形材料の押し出しと一致するこのような温度プロファイルはすべて、適切に使用され得る。駆動システム６０８は、歯車として図示されているが、本明細書に記載される駆動チェーン構成要素のいずれかを含むことができ、造形材料６１０は、任意の適切な対応する形状要素であり得るこが理解されよう。
【０１８９】
超音波振動子６２０は、プリントプロセスを改善するために押出機６００に組み込まれていてもよい。超音波振動子６２０は、電圧振動子、容量型トランスデューサ、または超微細加工超音波トランスデューサなどの任意の適切な超音波トランスデューサとすることができる。超音波振動子６２０は、使用目的に応じて押出機６００の多数の位置に配置され得る。例えば、超音波振動子６２０は、ノズル６０２に接続されて、金属造形材料のような造形材料６１０に超音波エネルギーを伝え、製作中に金属造形材料がノズル６０２の開口部６１６を通って押し出されるように配置されていてもよい。
【０１９０】
超音波振動子６２０は、いくつかの方法で、金属造形材料を用いた製作を改善することができる。例えば、超音波振動子６２０は、溶融フィラメント製法プロセスにおける層間結合を改善するために、堆積材料上の不動態化層（例えば、酸化による）を破壊するために使用することができる。超音波振動子６２０は、金属造形材料などの造形材料６１０のノズル６０２またはリザーバ６０４の内壁への付着を防止または緩和するなどの他の利点を提供することができる。他の態様において、超音波振動子６２０は、例えば、バルク金属ガラスの結晶化を緩和する目的で、造形材料６１０に追加の加熱を提供するために、または、リザーバ６０４内のせん断変位を誘発するために使用することができる。
【０１９１】
押出機を組み込んでいるプリンタ（不図示）は、超音波振動子６２０および他のシステムコンポーネントの動作を制御するためのコントローラ６３０を含み得る。例えば、コントローラ６３０は、超音波振動子６２０（または制御システムもしくはこれと同等の電力システム）と通信関係で接続されており、押出機６０２を出る金属造形材料の押出物を、ビルドプレート６１８上に先に堆積された金属造形材料の１つ以上の層から形成される物体６４０に、超音波接合するのに十分なエネルギーで超音波振動子を動作させるように構成され得る。コントローラ６３０は、同様にまたは代わりに、図６に示す第２の層６９２のような、予め形成された造形材料６１０の層の受容表面上の不動態化層を阻止するのに十分なエネルギーで、超音波振動子６２０を動作させることもできる。他の態様において、コントローラ６３０は、加熱システムによって提供される鉄エネルギーを増大させて金属造形相良をリザーバ内の作業温度範囲内の温度に維持するのに十分なエネルギーで、超音波振動子を動作させることができる。コントローラ６３０は、同様にまたは代わりに、ノズル６０２（例えば、開口部６１６の周り）およびリザーバ６０４の内部への造形材料６１０の付着を低減するのに十分なエネルギーで、超音波振動子６２０を動作させることができる。
【０１９２】
造形材料６１０がバルク金属ガラスを含む場合、超音波振動子６２０は、同様にまたは代わりに、支持構造体に対する脆弱な界面を形成するために使用することができる。例えば、コントローラ６３０は、ノズルからのバルク金属ガラスで製作された物体６４０と、バルク金属ガラスで製作された物体６４０の支持構造体６４０と、の間の層（例えば、界面層６５２）でバルク金属ガラスを液化するのに十分なエネルギーで、超音波振動子６２０を動作させるように構成されていてもよい。液化したバルク金属ガラスは、典型的には、非晶質の過冷却材料よりも実質的に脆い、結晶質マクロ構造で再凝固する。この技術は、有利なことに、単一の造形材料を用いて任意の位置に分離した支持構造体の製作を容易にする。
【０１９３】
押出機６００はまた、超音波振動子からの超音波エネルギーを分離するために、超音波振動子６２０とプリンタの１つ以上の他の構成要素との間に介在する、機械的デカップラ６５８を含むことができる。機械的デカップラ６５８は、例えば、弾性材料または任意の他の音響デカップラなどのような、任意の適切なデカップリング要素を含んでいてもよい。機械的デカップラ６５８は、超音波振動子６２０から生成された超音波エネルギーから他のコンポーネント、特には、機械的に敏感なコンポーネントを分離すること、および／または、より多くの超音波エネルギーをリザーバ６０４の内壁またはノズル６０２の開口部６１６のような意図された標的に向けることができる。
【０１９４】
押出機６００または付随するプリンタはまた、製作プロセスを制御するためにコントローラ６３０にフィードバックを提供する、センサ６５０を含んでいてもよい。例えば、センサ６５０は、超音波振動子６２０の活性化を可変にまたはその他の方法で選択的に制御するための信号を提供することができる。
【０１９５】
一態様において、センサ６５０は、造形材料６１０の先に堆積された層の受容表面の適合性を監視するためのセンサを含むことができる。例えば、造形材料６１０が金属造形材料の場合、センサ６５０は、ノズル６０２を出る造形材料６１０と造形材料６１０の先に堆積された層との間の界面層６５２を介して、物体６４０内の電気抵抗を測定することができ、抵抗は、センサ６５０とビルドプレート６１８内の第２のセンサ６５６との間の電流経路６５４またはその他の適切な回路形成位置に沿って測定される。界面層６５２を横切る接合が良好な場合、電流経路６５４に沿う抵抗は低くなる傾向にあり、界面層６５２を横切る接合が不十分な場合、電流毛糸６５４に沿ってより大きな抵抗が得られる。したがって、コントローラ６３０は、界面層６５２の電気抵抗を示す信号などのセンサ６５０からの信号に応答して超音波振動子６２０の動作と動的に制御し、必要に応じて超音波振動子６２０からの超音波エネルギーを増加させて、造形材料６１０界面層６５２にわたる融合を改善するように構成することができる。したがって、一態様において、センサ６５０は、金属造形材料６１０の隣接する層間の接合の質を測定することができ、コントローラ６３０は、接合の質が悪いことを示すセンサ６５０からの信号に応答して、超音波振動子６２０からの超音波エネルギーの適用を増加させるように構成することができる。
【０１９６】
他の態様において、センサ６５０は、造形材料６１０の目詰まり、またはバルク金属ガラスからなる造形材料の結晶化を検出し、検出された状態を緩和するように超音波振動子６２０を制御するために使用され得る。例えば、センサ６５０は、駆動システム６０８によって造形材料６１０に加えられる力を測定するように構成された力センサを含んでいてもよく、コントローラ６３０は、駆動システム６０４によって加えられる力の増加を示すセンサ６０５からの信号に応答して、超音波振動子６２０によってリザーバ６０４に適用される超音波エネルギーを増加させるように構成されていてもよい。力は、機械的な力センサによって、または、例えば、駆動システム６０８の電力負荷を測定することによって測定することができる。
【０１９７】
造形材料６１０に加えられる力を測定する力センサは、他の方法で使用されてもよい。例えば、造形材料６１０の温度−粘度関係が分かっている場合、力センサは、造形材料６１０の粘度を推定するために使用されてもよく、造形材料６１０の温度を推定するために使用されてもよい。同時に、加熱システムから造形材料６１０への熱伝達は時間に依存するので、駆動システム６０８の速度は、造形材料６１０が熱源に隣接している長さを制御することによって、リザーバ内の材料の加熱を制御するように動的に調整されてもよい。したがって、制御ループは、例えば、駆動システム６０８またはノズル６０２に対する造形材料６１０上の線形のまたは軸方向の力として測定される駆動システム６０８への負荷を、駆動または押出速度を動的に変化させる制御信号として使用することができる制御ループを有効に確立することができる。一態様において、プロセッサ（例えば、コントローラ６３０）は、力が低減したときの熱伝達を低減するように駆動システム６０８の速度を増加させ、力が増加したときの熱伝達を増加させるように駆動システム６０８の速度を低減させるように構成されていてもよい。プロセッサは、より一般的には、造形材料の作業温度範囲内の温度を示す力に対して所定の目標値を維持するように構成されていてもよい。力のフィードバックは、押し出しプロセスに他の有用な制御信号を提供することができる。例えば、造形材料６１０がバルク金属ガラスを含む場合、実質的な結晶化の開始を回避するために、バルク金属ガラスの時間−温度変換曲線に従ってフィードバックシステムのための目標温度を変えることができる。
【０１９８】
他の態様では、例えば、押出速度を低下させても力を低減できない場合など、金属造形材料の前進に抵抗する力が予想外の方法で変化する場合、エラー状態を検出することができる。このような状況下では、目詰まりまたは他のエラーが推測され、ノズルの洗浄またはユーザの検査もしくは介入を可能にするために、製造プロセスの一次停止などの是正措置がプロセッサによって開始され得る。例えば、ノズル６０２に沿って、もしくはノズル６０２を駆動システム６０８に接続する機械的構造に沿って、ひずみゲージなどを含む目的のために力を測定するための様々な力センサを使用してもよく、または、駆動システム６０８によって造形材料６１０に加えられる力を測定するように物理亭に配置された任意の他の力測定センサもしくはシステムを使用してもよいことが理解されよう。駆動モータのための回転力センサ、または駆動モータ上の電気負荷を検出するセンサなどの他のセンサもまた、同様にまたは代わりに、適切な制御入力を取得するために採用することができる。
【０１９９】
造形材料６１０が金属造形材料である場合、押出機６００は、同様にまたは代わりに、抵抗加熱システム６６０を含むことができる。抵抗加熱システム６６０は、電源６６２と、ノズル６０２に近接する金属造形材料６１０のいくつかの層のうちの第１の層６９０内の金属造形材料６１０と電気的に連通するよに接続された第１のリード６６４と、ビルドプレート６５６に近接するいくつかの層のうちの第２の層６９２内と電気的に連通するように接続された第２のリードと、を含み、これによって、第１の層６９０と第２の層６９２との間の界面（例えば、界面層６５２）を介して電源６６２からの電力を送達するためにの、形材料６１０を介した電気回路が形成され、該界面を介して金属造形材料を抵抗加熱することができる。
【０２００】
広範囲の物理的構成が、界面層６５２を通って電流を送達するのに適した電気回路を生成するのに役立つことが理解されよう。例えば、第２のリード６６６は、ビルドプレート６１８に接続され、物体６４０の本体を通る導電経路を介して第２の層６９２と電気的に連通して接続されていてもよく、または、第２のリード６６６は、界面層６５２の下の物体６４０の表面に取り付けられていてもよく、または界面層６５２を介して回路を完成するために任意の適切な位置で物体の表面と接触して配置された移動プローブなどとして実施されてもよい。他の態様において、第１のリード６６６は、ノズル６０２を出た金属造形材料で製作された物体６４０の表面に制御可能に配置された移動可能なプローブ６６８に接続されていてもよく、ノズル６０２の出口６１６に隣接する所定位置で、造形材料６１０の表面６７２に接触するブラシリード６７０などを含んでいてもよい。第１のリード６６４は、同様にまたは代わりに、様々な他の位置に配置され得る。例えば、第１のリード６６４は、リザーバ６０４の内面上の造形材料６１０に接続していてもよく、または、第１のリード６６４は、ノズル６０２の開口部６１６において造形材料６１０に接続していてもよい。しかしながら、第１のリード６６４および第２のリード６６６は、一般に、界面層６５２を通る電気回路を生成するように配置されていてもよい。
【０２０１】
この一般的な構成では、ジュール加熱を利用して、物体６４０内の造形材料６１０の層を融合させることができる。一般に、ジュール加熱は、造形材料と製作される物体との間の物理的な界面で、プリント媒体を軟化または融解させるために使用され得る。これは、可変パルスジュールおよび／またはＤＣ信号を用いて界面層６５２を通る回路を駆動して温度を上昇させ、例えば、ＢＭＧまたは半固体印刷金属または適切な熱的および電気的特性を有する任意の他の金属媒体からなる個々の層を接着させることができる。界面層６５２中に電力を放電させるために、広範囲の信号を使用することができる。例えば、約１ヘルツと１００ヘルツとの間の低周波パルスでは、低電圧（例えば、２４ボルト未満）および高電流（例えば、数百または数千アンペアのオーダー）を印加することができる。電力の供給は、例えば、直流電流のパルス幅変調、コンデンサの制御された放電、または任意の他の適切な技術を用いて制御することができる。
【０２０２】
ジュール加熱は、他の目的のために有利に使用することができる。例えば、内壁上に固化した金属デブリを融解または軟化させてノズル６０２をクリーニングするために、ノズル６０２内の表面に電流を断続的に印加することができる。したがって、本明細書で開示される技術は、ジュール加熱パルスを分配ノズルの内部表面にわたって周期的に適用して、金属デブリを洗浄および除去することを含むことができる。このステップは、所定の規則的なスケジュールで実行されてもよいし、または、このステップは、潜在的な目詰まりを示す、造形材料６１０のフィードパス６１４に沿う機械的抵抗の増加に応答して、もしくは、任意の他の適切な信号またはプロセス変数に応答して実行されてもよい。
【０２０３】
一般に、ジュール加熱は、プリントプロセス中に一定の電力で適用されてもよく、あるいは、例えば、層間結合が検出された状態に基づいて動的に変化するか、または、例えば、体積流量、堆積表面積、もしくは何らかの他の因子もしくは因子の集合に基づいてプログラム的に変化する、可変出力で適用されてもよい。他の電気技術を用いて同様の効果を売ることができる。例えば、容量性放電抵抗溶接装置は、大きなコンデンサを使用してエネルギーを蓄え、迅速に放電する。容量性放電溶接ソースは、新しい層が堆積されている間に、隣接する層間の界面をパルス状に加熱するために使用することができる。ジュール加熱と容量性放電溶接は、同じ回路を用いて有利に重畳させることができる。一態様において、造形材料６１０がバルク金属ガラスを含む場合、バルク金属ガラスは、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群から選択される磁性金属と組み合わされた、ホウ素、シリコン、およびリンからなる群から選択されるガラス形成剤で製作されて、ジュール加熱を容易にするように、電気抵抗が増大した非晶質合金を提供する。
【０２０４】
抵抗加熱システム６６０は、製作中に検出された条件に従って動的に制御されてもよい。例えば、センサシステム６８０は、ノズル６０２を出る金属造形材料の第１の領域と、該第１の領域の下側に隣接する金属造形材料の先に堆積された層内の金属造形材料の第２の領域と、の間の界面（例えば、界面層６５２）における界面温度を推定するように構成され得る。これは、例えば、界面層６５２における温度を直接的または間接的に測定または推定するのに適したサーミスタ、赤外線センサ、または任意の他のセンサまたはセンサの組み合わせを含むことができる。界面温度を示す推定または測定された信号を用いて、コントローラは、例えば、界面層６５２が最適な層間接着のために経験的または分析的に導出された目標温度に維持されるように、電源６６２によって供給される電流を界面温度に応じて調整するように構成されていてもよい。
【０２０５】
一態様において、センサ６５０は、電圧検出回路または他の電圧検出器を含むことができ、これは、ノズル６０２を出る金属造形材料と、ノズル６０２の開口部６１６との間の界面を介して配置された一対の端子間の電圧を測定するように構成されており、造形材料およびノズル材料のための既知のゼーベック係数と組み合わせて、材料間の温度差を測定するように使用することができる。センサ６５０はまた、適切な位置でノズル６０２の絶対温度を測定するように構成された温度センサを含むことができ、これを温度差と組み合わせて使用することにより、ノズル６０２を出ている金属造形材料の絶対温度の推定値を計算することができる。電圧は、同様にまたは代わりに、対応するゼーベック係数の変化をもたらす造形材料の状態の変化に応答し得る。したがって、例えば、造形材料が非晶質状態から結晶状態に変換することができるバルク金属ガラスを含む場合、プロセッサは、電圧の変化に基づいてバルク金属ガラスの結晶化度の変化を、ノズル６０２と該ノズル６０２から出ている金属造形材料との間の温度差の変化と無相関である電圧の変化に基づいて計算するように構成することができる。結晶化の開始が検出された場合、プロセッサは、結晶化の継続を抑制するために金属造形材料に加えられる熱を低減するようにさらに構成されていてもよい。あるいは、例えば、本明細書に記載されているような分離サポート層を生成するために、結晶化が意図または所望されている場合、プロセッサは、電圧の変化に応答して結晶化の開始を促すために、金属造形材料に加えられる熱を増加させるように構成されていてもよい。
【０２０６】
上述したように、プリンタは、複数の造形材料および支持材料などを供給するための２つ以上のノズルおよび押出機を含んでいてもよい。したがって、押出機６００は、補足的な造形材料を押し出すための、第２の押出機であってもよい。例えば、押出機６００は、支持構造体を製作するための支持材料、または容易に取り外し可能な支持構造体のための分離界面を提供する界面層を堆積させることができる。一実施形態において、第２の押出機は、付加製造プロセスの支持材料を堆積するように構成されていてもよく、この場合、支持材料は、溶融可能なバルク金属ガラスを含む。例えば、マグネシウム、カルシウムおよびリチウムを含有する合金から形成された溶融可能なバルク金属ガラスは、様々な条件下で溶解することが実証されている。いくつかのバルク金属ガラスは、塩化水素を含む水溶液に溶融可能である。他のものは、水溶液または純水に溶融可能である。より具体的な例として、マグネシウム銅イットリウムは酸化溶液中に容易に溶解することが実証されている。さらに、マグネシウムカルシウム塩基を有する多くの合金が、例えば生分解性インプラントのために模擬生理液に溶解することが実証されており、本明細書で企図される溶解性バルク金属ガラスの支持材料として適切に使用され得る。
【０２０７】
より一般的には、バルク金属ガラスを形成することができ、関連する造形材料よりも実質的により迅速に溶媒に溶解する（例えば、金属造形材料よりも少なくとも１０倍速い速度で、またはより一般的には、対応する溶媒の存在下で製作された物体の実質的な分解を防止する速度で所定の溶媒中に溶解する）合金は、本発明で企図されるような溶融可能な支持構造または界面層を形成するための溶融可能なバルク金属ガラスとして適切に使用され得る。そのような材料は、好ましくは、異なる材料間の界面における望ましくない熱的影響を回避するために、必要に応じて熱的に整合される。
【０２０８】
図７は、物体の３Ｄ製作におけるプリンタの動作方法を示すフローチャートである。
【０２０９】
ステップ７０２に示すように、方法７００は、本明細書に記載されるいずれの造形材料のような造形材料を押出機に提供することから始めることができる。一例として、造形材料は、バルク金属ガラス、共晶系のオフ共晶組成物、高温不活性第２相が充填された金属ベース、包晶組成物、またはワックス、ポリマーもしくは他のバインダ中の焼結可能な粉末を含んでいてもよい。以下の説明は、押し出しに適したレオロジー特性を有する作業温度範囲を有する金属造形材料の使用に重点を置いているが、いくつかの態様において、造形材料は、同様にまたは代わりに、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）または任意の他の適切なポリマーなどを含んでいてもよい。
【０２１０】
ステップ７０４に示すように、方法７００は、例えば、造形材料がバルク金属ガラスまたは処理条件下で結晶形成もしくは硬化を受け易い他の材料を含む場合、造形材料をせん断するステップを任意に含むことができる。本明細書でさらに説明するように、バルク金属ガラスは、長期加熱中の結晶化の結果として分解される。共晶組成物はまた、作業温度範囲内における長期滞留中に、固体粒子の比較的大きな凝集を生じることがある。これらのまたは同様に脆弱な金造形材料が、例えば、押出機のリザーバ内で加熱されると、せん断力がせん断エンジンによって加えられて、結晶化または他の凝集またはグループ化を緩和または防止することができる。一般に、せん断は、リザーバ内の材料にせん断力を加えて、結晶化または他の破壊的現象を緩和するために、リザーバを通ってノズルまで延びるフィードパスに沿って材料の流れのせん断変形を積極的に誘発する任意の技術を含むことができる。バルク金属ガラスの流れに対する機械的抵抗が測定される場合、せん断力は動的に制御されてもよい。したがって、一態様において、この方法は、フィードパスに沿ったバルク金属ガラスの流れに対する機械的抵抗を測定するステップ（例えば、ステップ７１２）と、機械的抵抗に従ってせん断力の大きさを制御するステップと、を含む。
【０２１１】
ステップ７０６に示すように、方法７００は、造形材料を押し出すステップを含むことができる。これは、例えば、造形材料を供給源から供給すること、造形材料を駆動システムで駆動すること、造形材料をリザーバ内で加熱すること、および造形材料を本明細書に一般に記載されるプリンタのノズルを介して押し出すこと、を含む。
【０２１２】
ステップ７０８に示すように、方法７００は、ノズルをプリンタのビルドプレートに対して移動させて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいて溶融フィラメント製法プロセスでビルドプレート上に物体を製作するか、または造形材料を層ごとに堆積させて物体を製作する。
【０２１３】
ステップ７１０に示すように、方法は、ノズルの出口形状を調整するステップを含むことができる。本明細書に記載されるように、ノズルが押し出しのための調整可能な形状を含む場合、当該形状は、例えば、所望の形状サイズ、押出機の移動方向などに従って、製作中に定期的に調整されてもよい。したがって、一態様において、方法７００は、ノズルの出口の断面形状を、造形材料を押し出しながら変化させて、物体の製作中に可変形状の押出物を提供することを含んでいてもよい、断面形状を変化させることには、押出成形のために露出された固定開口部の一部を調整するために、ダイの固定開口部に対してプレートを移動させること、または押出機の断面プロファイルを制御するのに適した他の機構を適用することなどが含まれ得る。一般に、断面形状を変化させることには、断面形状の形状、サイズ、および回転方向の少なくとも１つを変化させることが含まれ得る。
【０２１４】
一態様において、出口形状は、多数の同心リングで制御されていてもよい。これらの実施形態では、出口形状を調節することは、１つ以上の造形材料のうちの１つの押し出しを制御するように押し出しながら、多数の同心リングの各々を選択的に開閉することを含むことができる。同心リングの各々を選択的に開閉することは、物体における押し出しの位置に従って、または押し出しの目標体積流量に従って、同心リングの各々を開閉することをさらに含むことができる。
【０２１５】
ステップ７１２に示すように、方法７００は、堆積を監視するステップを含むことができる。これは、上述したような層間の界面における電気抵抗を感知するなど、プリントプロセスを制御するためのフィードバックセンサを得るための監視が含まれ得る。これは、同様にまたは代わりに、将来的な使用のための構築プロセスに関するロギングデータも含み得る。
【０２１６】
ステップ７１４に示すように、方法７００は、プリンタによって製作されている現在の層が、物体の一部のための支持構造体への界面であるか否かを決定するステップを含むことができ、これは、支持構造体にすぐ隣接する層であってもよく、物体にすぐ隣接する層であってもよく、または支持構造体の層と物体の層との間の間質層であってもよい。現在の層が支持構造体への界面でない場合、方法７００は、１つ以上の技術を使用して下層への融合を改善するステップ７１６に進むことができる。現在の層が支持構造体への界面である場合、方法７００は、他の技術を使用して（または、使用せずに）層間の結合強度を低下させるステップ７１８に進むことができる。
【０２１７】
ステップ７１６に示すように、方法７００は、例えば、隣接する、例えば、直接的な下層に堆積物を融合させるステップを含むことができる。これは、様々な技術を使用することができ、これらの技術は、堆積した造形材料の連続的な層の間の層間結合を強化するために、単独でまたは任意の実行可能な組み合わせで使用されてもよい。
【０２１８】
例えば、層を融合させることには、ノズルを出る金属造形材料と先に堆積された層の金属造形材料との間の界面に、超音波エネルギーをノズルを介して加えることを含み得る。例えば、界面における電気抵抗が監視される場合、これは、電気抵抗から推測される結合強度に基づいて超音波エネルギーの大きさを制御することを含み得る。
【０２１９】
他の例として、層を融合させることには、ノズルから出る金属造形材料と、物体の先に堆積された層内の金属造形材料と、の間の界面を介して電流パルスを適用して、例えば、パッシベーション層を破壊し、材料を軟化させ、そうでなければ、層間の機械的結合を改善させることが含まれてもよい。このプロセスは、例えば、界面の抵抗を測定すること、および、抵抗から推測される結合強度に基づいて電流パルスを制御することによって動的に実行されてもよい。したがって、一態様において、方法７００は、金属造形材料の第１の層をプリンタのノズルを介して堆積するステップと、金属材料の第２の層をノズルを介して第１の層の上に堆積させて、第１の層と第２の層との間に界面を形成するステップと、第１の層と第２の層との間の界面に電流パルスを加えて、金属造形材料の第１の層の露出した表面上のパッシベーション層を破壊し、界面をよこぎる機械的結合を改善するステップと、を含んでいてもよい。ノズルがプリンタのビルドプレートに対して移動して物体を製作するとき、この方法は、界面の抵抗を測定するステップと、抵抗から推測される結合強度に基づいて電流パルスを制御するステップと、をさらに含んでいてもよい。
【０２２０】
他の例として、層を融合させるステップは、ノズルから出てくる造形材料に、ノズルから延びる先の金属造形材料を伴う先に堆積された金属造形材料の層に向かう垂直力を加えるステップをさらに含んでいてもよい。このプロセスは、例えば、任意の適切なセンサで、前者とノズルを出る金属造形材料との間の瞬時接触力を測定し、瞬時接触力を示す信号に基づいて前者の位置を制御することによって動的に実行されてもよい。
【０２２１】
他の例として、層を融合させるステップは、押出機のノズルを出る際の金属造形材料をプラズマ流内の金属造形材料の下層に接合させることを含むことができる。一般に、プラズマパッシベーション洗浄は、酸化を低減し、かつ金属造形材料の連続的な層間の層間結合を改善するために、堆積中に適用することができる。これは、強い酸化元素を含む金属造形材料とともに使用することができる。したがって、例えば、アルミニウムを含有する金属造形材料を押し出す際に、プラズマ洗浄を有効に使用することができる。
【０２２２】
ステップ７１８に示すように、支持構造体への界面が製作されている場合、様々な技術を用いて、隣接する層間の結合を弱めるまたは低減させることができる。一態様において、これは、ステップ７１６を参照して上述した融合促進技術のいずれか１つ以上を保留することを含み得る。他の技術は、同様にまたは代わりに、支持構造体と物体との層間の融合を特に弱めるため使用することもできる。
【０２２３】
造形材料がバルク金属ガラスである場合、バルク金属ガラスの温度を単に上昇させて、製作中に支持構造体への界面でバルク金属ガラスを結晶化させるか、または再結晶の際に結晶化するように合金を融解することによって、除去可能な支持構造体を有利に製造することができる。この技術を使用して、支持構造体、分離サポート界面および単一の造形材料からの物体を製作することができる。一般に、支持構造体および物体は、ガラス転移温度よりも高い任意の温度でバルク金属ガラスから製作され得る。これらの他の層間に界面層を製作する場合、製造プロセスの時間枠内でバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高い温度まで温度を上げることができる。
【０２２４】
したがって、一態様では、バルク金属ガラスを使用して、支持構造と物体との間の界面を製作する方法が本明細書に開示されている。この方法は、バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高い第１の温度で過冷却液体領域を有するバルク金属ガラスから物体の支持構造体の層を製作するステップと、製作中にバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高い第２の温度で、支持構造体の層上にバルク金属ガラスの界面層を製作するステップと、第２の温度よりも低く、ガラス転移温度よりも高い第３の温度で、界面層上に物体の層を製作するステップと、を含むことができる。この文脈において「製作」という用語は、溶融フィラメント製法プロセスでの製作、またはバルク金属ガラスの結晶化によって分離支持構造体の製作から利益を得ることができる任意の他のプロセスでの製作を含み得ることを理解されたい。したがって、例えば、分離支持構造体は、バルク金属ガラス粉末のレーザ焼結に基づく付加製造プロセス、またはバルク金属ガラスを使用する任意の他の添加プロセスで、これらの技術を用いて有用に製造することができる。
【０２２５】
同様に、本明細書で開示されているのは、３Ｄプリンタであり、上述の技術を使用して支持体、物体、および分離支持体のための界面を製作する、本明細書に記載のプリンタのいずれかであってもよい。したがって、本明細書では、金属物体の３Ｄ製作用プリンタが開示されており、このプリンタは：バルク金属ガラスのガラス転移温度よりも高い第１の温度で過冷却領域を有するバルク金属材料を押し出すように構成されたノズルと；溶融フィラメント製作プロセスにおいて、コンピュータ化されたモデルに基づいて支持構造体および物体を製作するようにノズルを移動させるように構成されたロボットシステムと、バルク金属ガラスを第１の温度よりも高い第２の温度で界面層に堆積させることによって、支持構造体と物体との間に界面層を製作するように構成されたコントローラと、を備え、第２の温度は、製作中に、バルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高い温度である。
【０２２６】
他の態様において、支持構造体と物体との間の界面は、界面を実質的に結晶化させないが、その領域内の材料を物体および／または支持体の残りの部分よりもＴＴＴ冷却曲線内の結晶化にさらに進める、幾分高い温度で堆積される。この結果として生じる物体は、その後、第２の加熱プロセス（例えば、高温で焼成する）を用いて加熱されて、物体の本体前の界面層はより完全に結晶化される。したがって、物体は実質的に非晶質の状態になり、界面層は実質的に結晶化した状態になる。したがって、この方法は、界面層を部分的に結晶化させること、または製作中に界面層を十分に結晶化させて、第２の加熱プロセスで物体を結晶化させることなく界面層だけを結晶化させることを可能にする。
【０２２７】
他の態様では、熱的に一致しない２つのバルク金属ガラスから支持構造体および物体を製作することによって、界面が本質的に弱体化する場合がある。物体および隣接する支持構造体に熱的に一致しないバルク金属ガラスを使用することによって、これらの構造間の界面層が融解および結晶化され、製作後の物体からの支持構造体の除去を容易にするより脆い界面を作り出すことができる。より具体的には、支持構造体を製作するために使用される別のバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高いガラス転移温度を有するバルク金属ガラスから物体を製作することによって、第２の造形材料（支持構造体の製作に使用される）に隣接して第１の材料（物体の製作に使用される）を単に堆積させて、物体からの支持構造体の機械的除去を容易にすることができる。
【０２２８】
したがって、一態様において、本明細書には、バルク金属ガラスを使用した金属物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法が開示されており、より具体的には、異なる作業温度範囲を有する２つの異なるバルク金属ガラスを使用して、分離支持構造体の製作を容易にする方法が開示されている。この方法は、第１の過冷却液体領域を有する第１のバルク金属ガラスから物体の支持構造体を製作するステップと、第１のバルク金属ガラスとは異なる第２のバルク金属ガラスから、支持構造体上に物体を製作するステップと、を含み、第２のバルク金属ガラスは、製作中に第１のバルク金属ガラスの結晶化を促進するのに十分に高いガラス転移温度を有し、第２のバルク金属ガラスは、第２のバルク金属ガラスのガラス転移温度以上の温度で支持構造体上に堆積されて、支持構造体と物体との間の界面で、該支持構造体の結晶化を誘発する。プリンタは、溶融フィラメント製作デバイスであってもよく、または本明細書で企図される界面の結晶化と一致する方法で、第１のバルク金属ガラスから支持体を製作し、第２のバルク金属ガラスから物体を製作するための任意の他の負荷製造システムであってもよい。
【０２２９】
上述した、単一の材料を使用する技術と同様に、結果として得られる物体および支持構造体は、これらの２つの間に介在する界面層を加熱して完全に結晶化させるための第２のプロセスを受けることができる。
【０２３０】
第２のバルク金属ガラスは、第１のバルク金属ガラスの臨界結晶化温度を超えるガラス転移温度を有していてもよく、この方法は、第２のバルク金属ガラスを第１のバルク金属ガラス上に堆積さる前に、該第２のバルク金属ガラスを第１のバルク金属ガラスの臨界結晶化温度よりも高い第２の温度に加熱するステップを含んでいてもよい。第１のバルク金属ガラスの結晶化は、２０ＭＰａ√ｍを超えない界面での破壊靱性を有用にもたらす。界面層および支持構造体のいくつかの隣接部分は、界面層を結晶化し易くするために、第１のバルク金属ガラスから有用に製作されていてもよく、支持構造体の下層は、潜在的に安価な他の範囲の材料から製作されてもよい。したがって、一態様において、支持構造体を製作するステップは、第１の材料から支持構造体のベースを製作することと、当該ベースと物体との間に第１のバルク金属ガラスから支持構造体の界面層を製作すること、とを含むことができる。この方法はまた、第１のバルク金属ガラスが結晶化されている界面で支持構造体を破砕することによって、支持構造体を物体から除去するステップを含むことができる。
【０２３１】
ガラス形成合金の多くのシステムを使用して、脆弱な界面層の製作に適した熱的に一致しない対を得ることができる。例えば、低温の支持構造体は、マグネシウムベースのバルク金属ガラスから製作され得る。支持用のマグネシウムベースの金属ガラスは、例えば、カルシウム、銅、イットリウム、銀およびカドミウムの１つ以上を含み得る。マグネシウムベースのガラスは、例えば、Ｍｇ６５Ｃｕ２５Ｙ１０，Ｍｇ５４Ｃｕ２８Ａｇ７Ｙ１１の組成を有し得る。物体は、例えば、ジルコニウム、鉄、またはチタンベースの金属ガラスを含む比較的高温のバルク金属ガラスから製作され得る。例えば、高温合金は、１つ以上の銅を含有するジルコニウムベースの合金を含み、また追懐の合金要素として、銅、ニッケル、アルミニウム、ベリリウム、またはチタンを含み得る。より具体的な例としては、ジルコニウムベースの合金は、Ｚｒ３５Ｔｉ３０Ｃｕ８．２５Ｂｅ２６．７，Ｚｒ６０Ｃｕ２０Ｎｉ８Ａｌ７Ｈｆ３Ｔｉ２，またはＺｒ６５Ｃｕ１７．５Ｎｉ１０Ａｌ７．５のうちのいずれか１つを含み得る。鉄ベースの高温合金は、（Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５）６２Ｎｂ６Ｄｙ２Ｂ３０，Ｆｅ４１Ｃｒ１５Ｃｏ７Ｃ１２Ｂ７Ｙ２またはＦｅ５５Ｃｏ１０Ｎｉ５Ｍｏ５Ｐ１２Ｃ１０Ｂ５を含み得る。さらに具体的には、合金の有用なペアは、約４００℃（摂氏）のガラス転移温度を有するＺｒ５８．５Ｎｂ２．８Ｃｕ１５．６Ｎｉ１２．８Ａｌ１０．３および約３５０℃（摂氏）のガラス遷移温度を有するＺｒ４４Ｔｉ１１Ｃｕ１０Ｎｉ１０Ｂｅ２５を含み得る。他の例としては、Ｆｅ４８Ｃｒ１５Ｍｏ１４Ｅｒ２Ｃ１５Ｂ６は、約５７０℃（摂氏）のガラス転移温度を有し、Ｚｒ６５Ａｌ１０Ｎｉ１０Ｃｕ１５は、約３７０℃（摂氏）のガラス転移温度を有し、約２００℃の処理マージンを提供するので、これは、例えば、体積の直後に実質的な冷却が行われる状況下において有用であり得る。
【０２３２】
図８は、３Ｄプリンタ用の押出機を示す図である。一般に、バルク金属ガラスプリンタのような３Ｄプリンタ用の押出機８００は、ビルドプレート８１８上に物体８４０を形成するために、駆動システム８０８によってリザーバ８０４を通って前進させられ、ノズル８０２の開口部８１６から出てくる造形材料８１０の供給源８１２を含むことができ、すべては一般に本明細書に記載されている通りである。コントローラ８３０は、押出機８００およびプリンタの他のコンポーネントの動作を制御して、コンピュータ化されたモデルから物体４４０を製作することができる。押出機８００は、材料の取扱性または層形成の改良および融合を容易にするために、様々な特徴を単独でまたは組み合わせて含むことができる。例えば、押出機８００は、せん断エンジン８５０を含むことができ、かつ押出機は、同様にまたは代わりに、プラズマ源８７０を含むことができる。
【０２３３】
せん断エンジン８５０は、造形材料８１０（例えば、バルク金属ガラス）のフィードパス内に設けられて、バルク金属ガラスのせん断変位を積極的に誘導して、凝固金属の凝集または結晶化を緩和することができる。これは、高温でバルク金属ガラスを取り扱うための処理時間を有利に延ばすことができる。一般に、せん断エンジン８５０は、バルク金属ガラスの流れのせん断変位をフィードパス８１４に沿ってリザーバ８０４に積極的に誘導してバルク金属ガラスの結晶化を緩和するように構成された、任意の機械的駆動部を含むことができる。
【０２３４】
一態様において、せん断エンジン８５０は、リザーバ８０４内に配置されたアーム８５２を含んでいてもよい。アーム８５２は、例えば、フィードパス８１４の軸周りを回転することによって、リザーバ８０４内のバルク金属ガラスを移動および変位させるように構成させることができる。せん断エンジンは、例えば、２つ、３つ、または４つのアームのような複数のアームを含むことができ、これらのアームは、フィードパス８１４の軸を横断する単一の平面内に配置されていてもよく、または、リザーバ８０４の軸方向長さ全体にわたってせん断変位を促進するために、軸方向に沿って互い違いに配置されていてもよい。せん断エンジン８５０は、同様にまたは代わりに、リザーバ８０４内のバルク金属ガラス８１０内にせん断を導入するように配置された、１つ以上の超音波トランスデューサ８５４を含んでいてもよい。せん断エンジン８５０は、同様にまたは代わりに、回転クランプ８５６を含んでいてもよい。回転クランプ８５６は、バルク金属ガラス８１０がガラス転移温度よりも低い温度でリザーバ８０４に入るときに該バルク金属ガラス８１０と機械的に係合する、クランプ機構またはグリップ機構の任意の組合せとすることができ、バルク金属ガラス８１０がリザーバ８０４に入るときに、該バルク金属ガラス８１０を回転させてせん断を導入するように構成されている。これは、例えば、クランプ内の回転運動を防止しながら回転クランプ８５６を通る軸方向運動を可能にする内部ベアリングを有する、カラークランプ、シャフトカラーなどを含むことができる。回転運動を防止することにより、回転クランプ８５６は、固体形態で造形材料８１０に回転力を加えることができる。造形材料８１０の供給源８１２もまた、該供給源からの造形材料８１０内に応力が蓄積するのを防ぐために同期して回転することができるが、この応力は、造形材料８１０が供給源８１２からリザーバ８０４に移動するときに、造形材料８１０を機械的に破壊する可能性がある。
【０２３５】
せん断エンジン８５０は、様々なフィードバック信号に従って有用に制御することができる。一態様において、押出機８００は、リザーバ８０４内の造形材料８１０（例えば、バルク金属ガラス）の粘度を検出するセンサ８５８を含むことができ、コントローラ８３０は、バルク金属ガラスの粘度を示すセンサ858からの信号に基づいて、せん断エンジン８５０によるせん断変位の速度を変化させるように構成することができる。センサ８５８は、例えば、駆動システム８０８の負荷、せん断エンジン８５０の回転負荷、またはリザーバ８０４内の造形材料８１０の粘度を直接または間接的に示す任意の他のパラメータを測定することができる。他の態様において、センサ８５８は、駆動システム８０８によってバルク金属ガラス８１０に加えられる力を測定するように構成された力センサを含むことができ、コントローラ８３０は、駆動システム８５０によって加えられる力を示すセンサからの信号に応答してせん断エンジン８５０によるせん断変位の速度を変化させるように構成されていてもよい。他の態様において、センサ８５８は、せん断エンジン８５０の負荷を測定するように構成された力センサであってもよく、コントローラ８３０は、せん断エンジン８５０への負荷を示す力センサからの信号に応答して、せん断エンジンによるせん断変位の速度を変化させるように構成されていてもよい。
一般に、結晶化は、ガラス転移温度を超えるバルク金属ガラスの粘度が約１０〜１２パスカル秒を超えるときに推測され得る。この閾値と比較するために粘度を直接的または間接的に測定または推定するための任意の適切な機構が、本明細書で企図されるような剪断エンジン８５０の動作を制御するためのセンサ信号を提供するために有用に使用され得る。
【０２３６】
押出機８００は、同様にまたは代わりに、プラズマ源８７０を含むことができる。プラズマ源８７０は、ノズル８０２を通って出てくる金属造形材料８１０に向けられて、物体８４０内の造形材料８１０の層間結合を妨害する可能性のある酸化層および他の潜在的な汚染物質を除去または緩和する脱パッシベーション洗浄を提供することができ、より具体的には、材料を堆積させている間に、ノズルを出る金属造形材料が先に堆積された金属造形材料の下層と接合する連続層の間の界面８７２上の位置にプラズマの流れを向けることによって、脱パッシベーション洗浄を提供することができる。他の態様において、プラズマ源８７０は、ノズルを出る金属造形材料がその場所の上に堆積される前に下層上のある場所に向けられ、造形材料を受けようとしている表面を予め洗浄する。アルミニウムなどの強力な酸化剤は、層が形成されている間に直ちにプラズマにさらされることがより好ましいが、他の汚染物質は、事前洗浄プロセスで有用に除去されてもよい。プラズマ源８７０は、製作中にプラズマ洗浄の所望の強度および方向を提供するために、コントローラ８３０によって操縦可能または他の方法で制御可能であってもよい。プラズマ源８７０は、任意の適切な技術を用いてプラズマを発生させることができる。例えば、プラズマ源８７０は、可変化学プラズマ源、イオンプラズマ源、または本明細書で意図される３Ｄプリンタのビルドチャンバ内での展開に適した、任意の他の市販のまたは所有者のプラズマ源を含み得る。
【０２３７】
一態様において、押出機８００は、例えば、ノズル８０２（ノズル８０２が金属または導電性である）と、ノズルから出ている成形材料８１０との間の電圧差を測定するために使用され得る電圧監視回路８８０を含むことができる。上述のように、この電位差は、ノズル材料および造形材料８１０のゼーベック係数に関する情報と組み合わせて、２つの材料間の温度差を以下の関係式に従って計算することができる：
【数１】
2019518864.tif 000003
【０２３８】
ＡおよびＢがノズル８０２および造形材料８１０の材料を示す場合、Ｓは相対または特定のゼーベック係数を示し、Ｖは電圧を示し、Ｔは温度を示す。
【０２３９】
図９は、３Ｄプリンタの押出機を示す。一般に、上記の押出機のいずれかのような押出機９００は、ノズル９０２から延びるフォーマ９５０を含むことができ、該フォーマ９５０は、造形材料９１０がノズル９０２を出るときに造形材料９１０の先に堆積された層９５２に垂直力を加えることによって層融合プロセスを補うことができる。
【０２４０】
一態様では、フォーマ９５０は、ノズル９０２の開口部９１６から先に堆積した層９５２の表面９５６に向かって下方に傾斜する傾斜面を有する成形壁９５４を含み、矢印９５８で全体的に示されるように、ノズル９０２が前に堆積された表面９５６に平行な平面内を移動するときに、下向きの力を生成する。成形壁９５４は、同様にまたは代わりに、材料９１０がノズル９０２を出て先に堆積された層９５２と結合するときに、ノズル９０２の移動方向に垂直な平面内に造形材料９１０を成形する断面を設けることもできる。この断面は、例えば、造形材料が開口部を出るときに造形材料の側面を形作るように配置された垂直エッジまたは曲線などの垂直形状を含むことができる。このタイプの垂直形状では、成形壁９５４は、溶融フィラメント製作プロセスで堆積された材料の道に良好に形成された矩形の断面形状を提供するために、膨らみおよび過剰の堆積材料をトリミングおよび／または成形することができ、物体９４０の外面仕上げを提供し、造形材料９１０の次の層を受け入れるための一貫した平坦な上面９５６を提供することができる。
【０２４１】
フォーマ９５０は、同様にまたは代わりに、垂直力を加えるように配置されたローラ９６０を含んでもよい。ローラ９６０は、加熱ローラであってもよく、ローリングシリンダー、キャスターホイール、または付着した材料に連続的なローリング垂直力を加えるのに適した他のローラまたはローラの組み合わせを含んでもよい。
【０２４２】
一態様において、造形材料との接着性が乏しい非粘着性材料をノズル９０２の開口部９１６の周囲、特に開口部９１６の周りのノズル９０２の底面に配置することができる。金属造形材料の場合、有用な非固着材料は、窒化物、酸化物、セラミック、または黒鉛を含むことができる。非粘着性材料はまた、顕微鏡的な機械的接着のための軌跡を最小限にする、減少した微小表面積を有する任意の材料を含み得る。非粘着性の材料は、同様にまたは代わりに、金属製の造形材料によって濡れていない任意の材料を含んでいてもよい。
【０２４３】
図１０Ａは、スプレッド型の堆積ノズルを示す。本明細書に一般的に記載されているように、プリンタは、コンピュータ化されたモデルおよび溶融フィラメント製法プロセスに基づいて造形材料から物体を製造することができる。構築材料１００１を堆積させるためのノズル１０００は、流れおよび堆積特性を改善するために、本明細書に記載されるように修正されてもよい。一般に、ノズル１０００は、堆積中にノズル１０００によって課される押出および抵抗力を低減するために、ノズル１０００に供給される造形材料１００１の外径に近似する内径を有する出口を有する一方で、コンピュータ制御された製作プロセスにおいて、正確な材料堆積のために造形材料の平面位置を適切に拘束することができる。
【０２４４】
一般に、ノズル１０００は、第１の開口部１００２、第２の開口部１００４、および第１の開口部と第２の開口部とを接続するリザーバ１００６を含むことができる。
【０２４５】
第１の開口部１００２は、様々な形状を有することができる。造形材料１００１（本明細書に記載されるいずれの造形材料を含む）が、実質的に円形の断面を有する場合、第１の開口部もまた円形の断面を有することができ、造形材料１００１を受け取る第１の開口部１００２は、造形材料１００１の外径１００９と少なくとも同等の大きさの第１の内径１００８を有する。第１の内径１００８は、構築材料１００１がリザーバ１００６の第１の開口部１００２に入るときに、結合または摩擦を回避するために、構築材料１００１の外径１００９よりもわずかに大きいことが好ましい。第１の開口部１００２の上方、例えば、構築材料１００１のためのフィードパス１００７の始めの方で、ノズル１０００は、造形材料１００１を受け取り、造形材料１００１が第１の開口部１００２に向かってフィードパス１００７に沿って前進するときに造形材料１００１を案内するために、徐々にまたは突然サイズが増加する漏斗または他の形状の開口部を含むことができる。この入口のサイズおよび形状は、供給原料に応じて変化し得る。例えば、供給原料が、第１の開口部１００２に遠くから供給される薄く可撓性のあるフィラメントである場合、入口は、供給原料を開口部に向かって漸進的に案内するために、比較的大きく、幅広く、長い漏斗を形成することができる。反対に、供給材料が剛性で線形セグメントに設けられている場合、第１の開口部１００２には僅かな位置合わせしか必要とされないため、入口は、第１の開口部１００２の前縁の小さな斜面または面取りによって適切に形成される。
【０２４６】
第２の開口部１００４は、一般に第２の内径１０１０を有し、第１の開口部１００２に対してリザーバ１００６の反対側の端部に配置され、製作プロセスにおいて、造形材料１００１がリザーバ１００６を出るときに、造形材料１００１を表面（ビルドプレートまたは物体が製作される表面など）上に堆積させることができる。第２の内径１０１０は、リザーバ１００６を通るフィードパス１００７に沿った造形材料１００１のための、最も狭いくびれの点であるのが一般的であるが、いくつかの実施形態では、リザーバ１００６は、内部位置にわずかに狭い直径を含んでいてもよい。従来の溶融フィラメント製法のノズルは、押し出される造形材料の直径を実質的に制限し、例えば、１．７５ｍｍ〜０．４ｍｍ以下に出口点において制限する一方で、この出口ポートは、造形材料１００１および／またはノズル１０００の入口開口部（第１の開口部１００２）とほぼ同じ寸法に有効に維持され得ることが決められている。したがって、例えば、第２の開口部１００４の第２の内径１０１０は、第１の内径１００８の９０％以上、またはより一般的には第１の内径１００８より小さくてもよく、例えば、製作プロセスのｘ−ｙ平面内に存在する造形材料１００１を整列させ固定するだけの十分な制限があればよい。造形材料１００１がリザーバ内で半径方向に膨張する場合、第２の開口部１００４は、第１の開口部１００２よりも僅かに大きくてもよい。したがって、一態様において、第２の開口部１００４の内径１０１０は、第１の内径１００８以上、または第１の内径１００８よりも僅かに大きくてもよい。具体的な寸法に関わらず、造形材料１００１の堆積を製作プロセスに整列させ、かつ加熱システム１０１６からの熱伝達を維持するように造形材料１００１とノズル１０００の内壁との間の物理的接触を維持するために、造形材料１００１が出口で開口部１００４を僅かに接触することが一般的に有利であり得る。
【０２４７】
第１の開口部１００２および第２の開口部１００４は、同様にまたは代わりに、フィラメントまたは他の原料の非円形の断面形状用に構成されていてもよいことが理解される。したがって、供給原料がより一般化された断面形状を有する場合、第１の開口部１００２は、断面形状に適合する（例えば、すべての寸法において等しいまたはより大きい）第１の形状を有していてもよく、第２の開口部１００４は、第１の形状よりも小さい１つ以上の内部寸法および第１の形状の９０％以上の断面積を有する第２の形状を有していてもよい。一般的な概念は、構築材料が第２の開口部１００４を出るときに、構築材料１００１をｘ−ｙ平面内のあらゆる方向に非常にわずかに収縮させることであり、第１の開口部１００２から第２の開口部１００４への断面形状の僅かな下方縮尺、または１つ以上の特定の寸法の拡大縮小を含む多種多様な寸法制限により、この目的が効果的に達成できることを理解されたい。この一般化された構成において、第２の開口部１００４は、造形材料１００１が第２の開口部１００４を通過するときに断面形状の周囲で造形材料１００１と接触して、プリンタのｚ軸に対して垂直なｘ−ｙ平面における造形材料の移動に抵抗することができる。
【０２４８】
第２の開口部１００４は、第２の開口部１００４が第２の内径１０１０から第３の内径１００４（例えば、第１の内径１００２よりも大きい）に向かって下流側にフレアになっているか同様に広がるように、ノズル１００の出口において面取りされた縁部１０１２または任意の同様に面取りされるかもしくは傾斜した面などを有用に含んでいてもよい。この面取りされた縁部１０１２は、さもなければ堆積された材料が第２の開口部１００４の末端部の内面に（ビルドパスに対して）後方および上方に押し込まれ得る、ノズル１０００の末端部での結合を回避することができる。
【０２４９】
リザーバ１００６内の造形材料１００１を本明細書で一般に企図される作業温度範囲内に加熱するために、加熱システム１０１６は、フィードパスに沿って、例えば、第１の開口部１００２と第２の開口部１００４との間のリザーバ１００６に隣接して配置され得る。これは、抵抗加熱要素、誘導加熱要素、または本明細書に記載される他の加熱要素、システムまたはデバイスのいずれかを含み得る。一般に、加熱システム１０１６は、造形材料１００１を、第２の開口部１００４を介した押し出しに適した作業温度に加熱し、造形材料１００１をノズル１０００から受け取る表面に結合させることができる。
【０２５０】
ノズル１０００は、本明細書に記載されたいずれのシステムのような、溶融フィラメント製作システムまたは同様の押出根ベースまたは堆積ベースの負荷製造デバイスと関連していてもよい。したがって、この図には示されていないが、ノズル１０００は、プリンタで製作された物体を受け取るためのビルドプラットフォームと、第１の開口部１００４から造形材料１００１を堆積しながらノズルをビルドプラットフォームに対して移動させるように構成されたロボットシステムと、物体の３Ｄモデルからビルドプラットフォーム上に物体を製作するためにプリンタを制御するように構成されたプロセッサと、を含む。制御された環境内でビルドプラットフォームおよび物体を囲うビルドチャンバのような他の特徴を、同様にまたは代わりに、含んでいてもよい。
【０２５１】
他の態様において、ノズル１０００は、造形材料がノズル１０００の第２の開口部１００４を出る際に該造形材料を加熱するための、本明細書に記載の加熱システムのいずれかのような局所加熱システムを含むことができる。この局部加熱システムは、堆積、拡散および/または下層との融合を改善するために、造形材料１００１を軟化させるのを助けることができる。これは、例えば、ノズル１０００を出る造形材料１００１の第１の層と造形材料１００１の下層との間の界面を横切って造形材料１００１に電流を流すように構成されたジュール加熱システムと、第２の開口部の周りの領域で造形材料１００１を加熱するように構成されたレーザ加熱システムと、第２の開口部１００４近くのノズル１０００内の抵抗加熱システムと、を含むことができる。他の態様において、加熱システム１０１６は、造形材料１００１を、周囲温度よりも高くかつリザーバ１００６内の造形材料の作業温度範囲よりも低い温度に予熱してもよく、局所加熱システムは、その後、造形材料１００１がノズル１０００を出る際に、該造形材料１００１をこの中間温度から作業温度範囲内の第２の温度まで加熱することができる。本明細書に記載されるように、作業温度範囲は、造形材料１００１が押し出しに適したレオロジー特性を示す任意の温度範囲を含むことができ、材料ごと、システムごとに変化し得る。特定の材料の場合、図１０Ａを参照して説明されるノズル１０００のようなワイドボアノズルからの押し出しは、開口が大きいほど軸方向の負荷が小さくなるので、より制限的な従来のノズルよりも低い温度で有効に実施することができる。
【０２５２】
上述の技術は、互いに、または本明細書に記載の他の技術と組み合わせることもできる。例えば、プリンタは、堆積中に、該プリンタの構築体積のｘ−ｙ平面内のパス内でノズル１０００を移動させることができ、ノズル１０００は、その前縁上の造形材料を加熱するためのエネルギーを提供する局所ヒータを含むことができる。その一方で、パスに対してノズルの後縁にあるアイロンシューは、造形材料に対して垂直な力を材料の下層に加えることができる。
【０２５３】
製作方法は、図１０Ａのノズル１０００を有効に組み込むことができる。この方法は、例えば、断面形状および断面積を有するフィラメントとしての造形材料を提供するステップと、造形材料を作業温度範囲に加熱するステップと、フィラメントの断面形状と実質的に同様の第２の断面形状と、フィラメントの断面形状よりも当該断面形状の１０％以下だけ小さい面積と、を有する開口部を介して造形材料を駆動するステップと、造形材料から３Ｄ物体を形成するためのパスに沿って、造形材料を開口部を介して堆積させるステップと、を含むことができる。本明細書に記載された多くの他の製作方法およびステップも同様にまたは代わりに、上述のノズル１００を使用した製作プロセスに含まれ得る。
【０２５４】
図１０Ｂは、スプレッド型の堆積ノズルを示す。一般に、ノズル１０００は、加熱システム１０１６、リザーバ１００６、温度センサ１０２０およびヒートシンク１０３０を含むことができる。上述のように、リザーバ１００６は、一般に、ほぼ均一な断面形状を有し得る。リザーバ１００６は、上述したような適度な狭窄部を含むことができ、かつリザーバ１００６は、図示されているような入口テーパ（ヒートシンク１０３０とリザーバ１００６との間）と出口テーパなど、適度な膨張部を含むことができる。リザーバ１００６は、金型等を介して造形材料を押し出すことを必要とする実質的な制約、または関連するプリンタの駆動システムに実質的な押出関連負荷を課す同様に制限的な他の開口部を含まない。
【０２５５】
図１１は、エネルギーディレクタを製作するためのノズルの断面図を示す。造形材料がノズル１１００を出る際に、堆積された造形材料の露出した表面にリッジのような１つ以上のエネルギーディレクタを形成して、造形材料の連続する層間の層間結合を改善することができる局所接触力の高い領域を提供することができる。超音波振動のような他の技術を用いて、これらのエネルギーディレクタの特徴に沿って融合を改善することもできる。
【０２５６】
一般に、ノズル１１００は、金属造形材料のような造形材料が矢印１１０４によって示される方向にノズル１１００を出るときに、該造形材料の上面に少なくとも１つのリッジを付けるための成形固定具１１０２を含むことができる。成形固定具１１０２は、例えば、ノズル１１００の中心軸１１０８を通る溝１１０６を含むことができ、当該溝１１０６は、ノズル１１００の移動方向に能動的または受動的に整列するように回転すること、または、固定されたままにすることができ、その結果、ノズル１１００は、該ノズル１１００がｘ−ｙ平面内の特定の方向に移動するときのみ、エネルギーディレクタ機構を生成するようにすることができる。したがって、一態様において、成形固定具１１０２は、ノズル１１００の中心軸１１０８の周りを回転することにより、ビルドパスが製作プロセスのｘ−ｙ平面内で方向を変えるときに、成形固定具１１０２をビルドパスに対して整列させることができる。
【０２５７】
本明細書に記載される他のノズルと同様に、ノズル１１００は、製作プロセスにおいて物体を形成するために、ノズル１１００をビルドプラットフォームに対してビルドパスを通って移動させるように動作可能なロボットシステムを含むシステムなどの付加製作システムに組み込むことができる。他の有用な特徴は、ビルドパスに沿ってノズルを追従するローラを含むことができ、該ローラは、次の層が少なくとも１つのリッジ上に堆積されるときに、該次の層に下方向の垂直力および超音波エネルギーを加えることができる。システムは、より一般に、ビルドプレートと、加熱システムと、ロボットシステムであって、ビルドプレート上の造形材料からコンピュータ化された物体の３Ｄモデルに従って物体を製作するために、ノズルをビルドプレートに対して３Ｄパスで移動させるように構成されたロボットシステムと、加熱システム、駆動システム、およびロボットシステムを制御して、ビルドプレート上に金属造形材料から物体を製作するためのコンピュータ実行可能コードによって構成されたコントローラと、を含むことができる。
【０２５８】
図１２は、堆積された造形材料の層に形成されたエネルギーディレクタを示す。一般に、造形材料１２００のビードまたは道は、本明細書に記載されるいくつかの技術のいずれかを用いて堆積され得る。図１１に記載されるノズルのようなノズルを使用して、後に続く層との接触中に層間の融合を改善するために、局所的な領域にエネルギーを向ける隆起した小さな表面表面積を有する領域のフィーチャを有するリッジ１２０２または同様の特徴を形成することができる。
【０２５９】
図１３は、複数の溝を有するノズル出口の上面図を示す。上述したように、ノズル１３００は、上に例示したような多数の溝１３０２、または、異なる角度でノズル１３００の中心軸を通過する同様に成形形状を含むことができる。この構成によれば、有利には、ノズル１３００を中心軸の周りで回転させることなく、該ノズル１３００がｘ−ｙ平面内のより多くの方向へ移動する際に、エネルギーダイレクタの特徴を生成することを可能になる。図中の溝は、ノズル１３００の中心軸を通るように示されているが、必須の要件ではない。複数の平行な溝または中心軸に対して異なる角度を有する複数の溝を含む任意の数の溝を、中心軸を通らないように組み込むことができる。
【０２６０】
図１４は、多数の突起部を有するノズルの出口の上面図を示す。一般に、ノズル１４００の成形固定具は、ノズルから造形面に向かって下方に延びる、フィンガ、ロッドなどのような１つ以上の突起部１４０２を含むことができ、これらは、材料が堆積されている間に表面を掻き集めるまたは他の方法で成形することによって、ノズルを出る造形材料の上面に谷（および対応するピーク）を形成するように配置されている。
【０２６１】
付加製作方法は、造形材料の露出した表面にエネルギーディレクタを形成するために、上記のノズルを有効に組み込むことができる。例えば、本明細書で企図されるような物体の３Ｄ製作におけるプリンタの制御方法は、プリンタのノズルを介して造形材料を押し出すステップと、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、物体のコンピュータ化されたモデルに基づく溶融フィラメント製法で、ビルドプレート上に物体を製作するステップと、造形材料がノズルを出るときに造形材料の上面を成形して、造形材料の後続層を受ける局部接触力が高い領域を提供する１つ以上のリッジを形成するステップと、を含むことができる。この方法は、本明細書に記載される造形材料のいずれかを使用することができ、また、層間の融合を改善するための他の技術を有用に組み込むことができ、該他の技術には、造形材料の後続層が１つ以上のリッジ上に堆積されている間に、該後続層に超音波エネルギーを適用すること、または、後続層が堆積されている間に、１つ以上のリッジにプラズマ流を適用することなどがある。
【０２６２】
図１５は、ゼーベック効果を用いて温度を監視する方法を示す。ゼーベック効果は、２つの異なる導電体または半導体の間の温度差が２つの材料間に電圧差を生じさせる現象である。この特性は、造形材料が導電性材料で形成されたノズルを出る場合など、材料温度が直接測定に向かない場合であっても、材料温度を推定するために利用することができる。以下の説明はゼーベック効果を具体的に述べているが、熱電効果の名称で集合的に移動するペルチェ効果およびトムソン効果のような多数の熱力学的に関連する概念は、温度差が電圧に変換されるか、またはその逆の現象を説明しており、そのいずれもが本明細書で意図される測定温度に等価的に適用され得ることが理解されよう。
【０２６３】
ステップ１５０２に示すように、方法１５００は、製作プロセスにおいて造形材料を押し出すステップを含むことができる。これには、例えば、プリンタのノズルを介して金属造形材料を押し出し、本明細書に記載される任意の技術を使用して、ノズルをプリンタのビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させ、溶融フィラメント製作プロセスにおいて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいてビルドプレート上に物体を製作することが含まれ得る。
【０２６４】
ステップ１５０４に示されるように、方法１５００は、ノズルと金属造形材料との間の電圧を監視するステップを含むことができる。これには、電圧測定が、ノズルの２つの異なる材料と造形材料との間の物理的界面に及ぶ場合に、本明細書で説明される様々な回路およびプローブ配置のいずれかを用いて電圧を監視することを含むことができ、ゼーベック効果は温度差に基づいて電圧差を生成する。
【０２６５】
ステップ１５０６に示すように、方法１５００は、電圧に基づいて金属造形材料の温度パラメータを推定するステップを含むことができる。温度パラメータは、加熱システムを制御するために有用な温度の任意の指標とすることができる。例えば、温度パラメータは、ゼーベック関係から得られる最も直接的な結果であるノズルと金属造形材料との間の相対温度を含むことができる。しかしながら、金属造形材料の絶対温度は、加熱システムを制御するためのより有用な測定値であり得る。したがって、一態様において、温度パラメータは、金属造形材料の絶対温度を含むことができる。絶対温度を得るために、方法１５００は、例えば、外部の熱電対、赤外線スキャナ、または他の適切な技術と用いてノズルの温度を測定するステップと、次いで、金属造形材料とノズルの材料のそれぞれについての電圧およびゼーベック係数に基づいて、ノズルと金属造形材料との間の温度差を推定するステップと、を含むことができる。これらの２つの値（ノズルの絶対温度およびノズルと造形材料との間の温度差）を合計して、造形材料の絶対温度を計算することができる。
【０２６６】
ステップ１５０８に示されるように、方法１５００は、温度パラメータに応じて金属造形材料の温度を制御するステップを含むことができる。本明細書には、温度を制御するための様々な技術が記載されており、そのいずれもが、金属造形材料の温度を制御するのに適している。例えば、温度を制御するステップには、造形材料がノズルを通る際の、加熱システムから造形材料への熱伝達を増加または減少させるために、該造形材料の押出速度を制御することが含まれ得る。温度を制御ステップには、同様にまたは代わりに、造形材料がフィードパスに沿って移動するときに該造形材料に熱を提供する加熱システムを制御することや、材料が堆積される場所への局所加熱を緩和するようにノズル速度を制御することが含まれ得る。他の態様では、本明細書に記載される局所加熱技術、例えば、レーザ加熱、冷却流体のストリーム、ジュール加熱などのいずれかをノズルの出口で使用して、押し出された材料の温度をより局所的に制御することができる。より一般には、周囲のハードウェアの推定的な測定とは区別されるように、ゼーベック効果を用いて造形材料の熱パラメータの迅速かつ正確な直接測定を提供することにより、熱制御を改善することができる。
【０２６７】
図１６は、３Ｄプリンタの押出機を示す。押出機６００は、本明細書に記載されるいずれのノズルのようなノズル１６０４と、該ノズルに沿ってクリーニング器具１６０２と、を含むことができる。
【０２６８】
ノズルクリーニング器具１６０２は、プリンタのビルドチャンバ内（またはビルドチャンバの近く）の任意の適切な位置であって、プリンタのビルドプレート上などのプリンタのロボットシステムを用いてノズル１６０２がアクセスできる場所に配置され得る。一般に、ノズルクリーニング器具１６０２は、ノズル１６００から凝固した造形材料および他の汚染物質を物理的に除去または機械加工するように成形されていてもよく、プリンタ用のロボットシステムを使用して、定期的なクリーニングのために、または詰まったノズルを示す診断条件などに応じて、ノズル１６０４をノズルクリーニング器具１６０２と係合させるように操作することができる。したがって、プリンタ用のコントローラは、ノズル１６０４の開口部がノズルクリーニング器具１６０２と係合するように該ノズル１６０４の開口部を移動させ、硬化した金属や汚染物資などの障害物１６０６を出口パスに移動させるように構成することができる。これは、ノズル１６０４をノズルクリーニング器具１６０２に移動させること、ノズルクリーニング器具１６０２をノズル１６０４に移動させること、またはこれらのいくつかの組合せを含むことができる。
【０２６９】
一般に、ノズルクリーニング器具１６０２は、ノズル１６０４の出口と幾何学的に適合することができる。例えば、ノズルクリーニング器具１６０２は、開口部１６２２がピン１６２０上に配置されたときに、出口パスへの障害物を機械的に外すための形状のピン１６２０または類似の形状のものを含むことができる。より一般的に、任意の適切な相補的な幾何形状を採用することができる。例えば、ノズル１６０４が非円形の断面ボアを有する場合、補完的な形状をピンに使用することができる。ノズルクリーニング器具１６０２は、ピン１６２０が開口部１６２２と係合するときに開口部から材料を除去するように配置された鋭利な縁部１６２４を有効に一体化することができる。
【０２７０】
一態様において、ノズルクリーニング器具１６０２は、開口部１６２２内の金属造形材料にジュール加熱電流を適用するように、本明細書に記載されたジュール加熱システムのいずれかなどの電流源を含むことができる。これは、ノズル１６０４を通る金属造形材料を融解して流動させるためである。これは、結晶化し、硬化し、または他の方法で詰まった造形材料または汚染物がノズル１６０４から流出することができるように、それを有効に液化することができる。ノズルクリーニング器具１６０２は、同様にまたは代わりに、融解温度を超える金属造形材料を加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源を含んでいてもよい。
【０２７１】
プリンタ用のコントローラは、ノズルクリーニング器具１６０２を複数の方法で選択的に適用することができる。例えば、コントローラは、所定のノズル洗浄スケジュールに従って、またはノズルを通る流れに対する潜在的な障害物の検出に応じて、またはこれらのいくつかの組合せに従って、ノズル１６０４の開口部１６２２をノズルクリーニング器具１６０２と係合するように移動させることができる。
【０２７２】
他の態様において、押出機１６００または押出機１６００を使用するプリンタは、ノズルの表面１６３２との接触プローブの接触を電子的に検出するように構成された接触プローブ１６３０を含むことができ、接触プローブ１６３０は、所定の位置でノズルの表面と接触するように配置される。より一般的には、１つ以上の接触プローブを使用して、ノズルの高さおよび／または位置を検出することができ、例えば、プリント前にノズルをゼロにしたり、中心に合わせたり、または較正したりすることや、製作中の造形材料の堆積された層に対する高さを決定することができる。所定の位置は、例えば、特定のｘ−ｙ−ｚ座標、またはビルドボリューム内の特定のｚ軸位置など、プリンタのビルドボリューム内の所定の場所を含み得る。所定の位置は、同様にまたは代わりに、プリンタのビルドプラットフォームに対する所定の高さ、製作プロセスにおいてノズルから先に堆積された金属造形材料の層に対する所定の高さ、製作プロセスにおいて現在ノズルから堆積されている金属造形材料の層に対する所定の高さを含み得る。下方に面するノズル１６００の表面１６３０を使用すれば、ノズル１６００を電気接触が検出されるまで接触プローブ１６３０に向けて下降させることによって、ｚ軸の測定値を容易に捕捉することができる。
【０２７３】
一般に、プロセッサまたはプリンタの他のコントローラは、１つ以上の位置に基づく制御信号との接触に応答するように構成され得る。例えば、プロセッサは、ノズルの表面との接触の検出に基づいて、プリンタのビルドボリューム内でノズルを移動させるロボットシステム内の１つ以上のモータの位置を較正するように構成されていてもよい。単一の接触プローブ１６３０が図示されているが、異なるタイプの位置測定を容易にするために、または特定の測定のｘ−ｙ−ｚ分解能を向上させるために、複数の接触プローブ１６３０を使用してもよいことが理解されよう。したがって、例えば、プリンタは、複数の接触プローブ１６３０を含むことができ、プロセッサは、複数の接触プローブ１６３０のそれぞれとの同時接触に基づいて、ノズル１６０４を中心合わせするように構成することができる。他の態様において、プリンタは、接触プローブ１６３０と固定された配向で接続された第２の接触プローブ１６３０を含むことができる。これらのプローブ１６３０は、プリンタのビルドボリューム内で制御可能に配置されていてもよく、プロセッサは、第２の接触プローブを、物体を形成するように堆積された金属造形材料の露出した上面と接触させて配置するように位置決めし、かつ第１の接触プローブとノズルの表面との接触に基づいて、露出した上面に対するノズルの高さを決定するように構成されていてもよい。
【０２７４】
図１７は、３Ｄプリンタにおけるノズルクリーニング器具の使用方法を示す。
【０２７５】
ステップ１７０２に示すように、方法１７００は、製作プロセスにおいて造形材料を押し出すステップを含むことができる。これは、例えば、金属造形材料をプリンタのノズルを介して押し出し、ノズルをビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させて、本明細書に記載される任意の技術を用いて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいて、溶融フィラメント製法プロセスでビルドプレート上に物体を製作すること含み得る。
【０２７６】
ステップ１７０４に示すように、この方法は、潜在的な障害物を検出するステップを含むことができる。押出ノズルを通って流れる障害物を検出するために、多くの技術を使用することができる。これには、例えば、フィラメントまたはフィラメントを受け入れる押出機に加えられる瞬時的な力を測定し、ノズルを介して造形材料を駆動するのに必要な力を測定することが含まれる。同様の測定値は、駆動システムによって加えられる回転力から、またはノズルを介して造形材料を駆動する駆動システム上の電気的または機械的負荷によって得ることができる。他の態様において、ゼーベック効果または他の技術を用いて、目詰まりまたは硬化を示すノズル内の材料の状態変化を検出することができる。
【０２７７】
ステップ１７０６に示されるように、潜在的な障害物が検出されたとき、方法１７００は、例えば、加熱、物理的変位などの本明細書に記載された技法のいずれか、またはこれらのいくつかの組合せを使用して障害物の除去を容易にするために、ノズルを移動させてノズル清掃器具と係合させることを含み得る。ピンを含むノズルクリーニング器具の場合、これは、例えば、３Ｄプリンタ用のロボットシステム、またはノズルクリーニング器具の空間的制御のために設けられた補足的ロボットシステムを用いって、ノズルを操作してピンと整列された後に、ピンをノズルの開口部を通して挿入することを含み得る。これは、同様にまたは代わりに、マイクロ波エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを金属造形材料に、該金属造形材料を液化させるのに十分に適用すること、または電流をノズル内の金属造形材料に、該金属造形材料を液化させるのに十分に加えることを含み得る。障害物を物理的に排除するための任意の他の同様の機械的または電磁的技術が、同様にまたは代わりに、本明細書で企図されるノズルクリーニング器具に用いられてもよい。
【０２７８】
図１８は、ノズル位置の検出方法を示す。
【０２７９】
ステップ１８０２に示すように、方法１８００は、製作プロセスにおいて造形材料を押し出すステップを含むことができる。これは、例えば、金属造形材料をプリンタのノズルを介して押し出し、ノズルをビルドプレートに対してビルドパスに沿って移動させて、本明細書に記載される任意の技術を用いて、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいて、溶融フィラメント製法プロセスでビルドプレート上に物体を製作すること含み得る。
【０２８０】
ステップ１８０４に示すように、方法１８００は、ノズルの表面と所定の位置にある接触プローブとの接触の電気的な検出に基づいて、ノズルの位置を検出するステップを含むことができる。所定の位置は、プリンタのビルドボリューム内の所定の位置、プリンタのビルドプレートに対する所定の高さ、またはプリンタまたは製作プロセスの座標系内の他の相対的または絶対的な位置を含むことができる。
【０２８１】
ステップ１８０６に示すように、方法１８００は、ノズルと接触プローブとの間の接触に音付いて、ノズルの位置を制御するステップを含むことができる。これには、接触が検出されたときの製作プロセス内におけるノズルの移動を制御すること、またはより一般的には、例えば、ノズルの表面との接触の検出に基づいて、ビルドパスに沿ってノズルを移動させるロボットシステム内の１つ以上のモータの位置を較正することによってノズルの移動を制御すること、が含まれ得る。
【０２８２】
図１９は、溶融可能なバルク金属ガラスの支持材料を使用する方法を示す。一般に、これは、完全に溶融可能な支持体を製作するステップ、または物体と非溶解性の支持構造体との間に溶融可能な界面を製作するステップを含むことができる。
【０２８３】
ステップ１９０２に示すように、方法１９００は、支持構造体を製作するステップを含むことができる。これは、一般的に、プリンタのビルドプレートに対して第１のビルドパスに沿って第１のノズルを含み、第２のノズルから支持材料を押し出して物体の支持構造体を製作するステップを含むことができる。例えば、支持構造体全体が溶媒で除去されることが意図されている場合、支持材料は溶融可能なバルク金属ガラスを含んでいてもよく、または、支持材料は、本明細書で企図されるような物体を支持するのに適した任意の他の材料であってもよい。
【０２８４】
ステップ１９０４に示すように、方法１９００は、界面層を製作するステップを含むことができる。特に、支持構造体それ自体が特定の溶媒に溶解しない場合、界面層は、支持構造体と隣接する物体表面との間に別々に製作されていてもよく、界面層は、溶媒で除去して物体を支持構造体から解放することができる溶融可能なバルク金属ガラスを含む。当技術分野では、多くの好適なバルク金属ガラス合金が知られている。上述したように、溶融可能なバルク金属ガラスには、マグネシウム合金、カルシウム合金、またはリチウム合金が含まれ得る。
【０２８５】
ステップ１９０６に示すように、方法１９００は、第２のノズルをビルドプレートに対して第２のビルドパスに沿って移動させて、金属造形材料から支持構造体上に物体の一部を製作することなどによって、物体を製作するステップを含むことができ、当該ステップにおいて、第２のビルドパスは、物体のコンピュータ化されたモデルに基づいている。界面層が上述のように堆積される場合、第１のノズルおよび第２のノズルが同じノズルであってもよく、および／または、支持構造体および物体が同じノズルから製作されてもよい。いずれの場合においても、得られる物体は、物体の一部を付加的に製作するための支持構造体と、溶融可能なバルク金属ガラスから形成された支持構造体と、支持構造体に隣接する物体の表面と、を含む製品を含み得る。ここにおいて、物体の表面は、金属造形ガラスから形成されている。
【０２８６】
ステップ１９０８に示すように、方法１９００は、支持構造体または界面層のいずれかの溶媒可能なバルク金属ガラスを溶解させるステップを含むことができる。凝集構造は、例えば、適切な対応する溶媒中に浸漬またはリンスすることができる。適切な場合には、加熱してもよく、または溶媒を撹拌してもよく、または溶解プロセスを促進するためにエネルギーを加えてもよい。使用される特定の溶媒はシステムに依存するが、種々の態様において、このステップは、バルク金属ガラスを水または塩化水素もしくは他のｐＨ修正酸もしくは塩基を含有する水溶液に溶解することを含み得る。
【０２８７】
図２０は、物体をビルドプレートに制御可能に固定する方法を示す。一般に、製作中に物体を受けるビルドプレートは、融解温度が低いはんだのような、（造形材料と比較して）融解温度の低い材料のコーティングを含み得る。具体的に、材料は、構造体を受けている間は凝固することができ、次いで、製作後に、隣接する製作された物体が融解または変形しないように十分に低い温度で液体状態に加熱されて、構造体の除去を容易にし得る。
【０２８８】
ステップ２００２に示すように、方法２０００は、ビルドプレートに、融解温度を有する材料のコーティングを提供するステップを含むことができる。これは、本明細書に記載されるビルドプレートのいずれかを含み得る。コーティングの融解温度は、ビルドプレートに使用される造形材料の作業温度範囲の底部よりも低い温度、例えば、造形材料が固体である温度であり得る。コーティングは、例えば、ビスマスまたはインジウムを含むはんだ合金のような融解温度の低いはんだを含むことができる。
【０２８９】
ステップ２００４に示すように、方法２０００は、ビルドプレートを冷却するステップを含むことができる。これは、金属造形材料（作業温度範囲内にあるときに、コーティングを融解温度を超えて加熱し得る傾向にある）にされられたときに、コーティングを融解温度よりも低い温度に維持するためにビルドプレートを冷却することを含み、ビルドプレートを内部で流体冷却するなどの能動的な冷却を常に適用し、ビルドプレートに冷却ガスまたは冷却流体を導入し、または実際の温度とは無関係にビルドプレートを連続的に冷却することができる。これは、同様にまたは代わりに、ビルドプレートを目標温度または目標温度範囲内に維持するために、能動的冷却システムを制御することを含んでいてもよい。なお、ビルドチャンバおよびビルドプレートが通常のプリント条件下で十分に冷たいままである場合、ビルドプレートを積極的に冷却するステップを省略してもよいことが理解されよう。
【０２９０】
ステップ２００６に示すように、方法２０００は、金属造形材料を用いてビルドプレートのコーティング上に構造体を製作するステップを含むことができ、ここにおいて、金属造形材料は、溶融フィラメント製法に適したレオロジー特性を示す流動可能状態を伴う作業温度範囲を有する。構造は、例えば、製造用にプリンタに提出されたコンピュータ化されたモデルによって記述された任意物体を（適切な形式またはデータ構造で）含むことができる。構造は、同様にまたは代わりに、プリンタによって製作される物体のための支持構造体を含むことができる。上述したように、コーティングの融解温度は、好ましくは、ビルドプレート上に堆積される造形材料の作業温度範囲の底部よりも低い。
【０２９１】
ステップ２００８に示すように、構造の製作が完了した後、方法２０００は、コーティングを融解温度を超える温度に加熱するステップを含むことができる。一般に、これは、構造体のネット形状を融解または変形させることなく、あるいは構造体の形状に実質的に影響を及ぼすことなく、ビルドプレート上のコーティングを液化することができる。
【０２９２】
ステップ２０１０に示すように、方法２０００は、コーティングが液体である間に、ビルドプレートから構造体を除去するステップを含むことができる。コーティングが融解温度を超えて加熱されると、構造体は同時に作業温度範囲よりも低い温度で固体状態にあり、構造体からの実質的な機械的抵抗なしに構造体をビルドプレートから取り外すことができる。
【０２９３】
同様の技術が、同様にまたは代わりに、製作中に支持体を必要とする物体から支持体を除去するための溶融可能な界面を形成するために使用され得る。したがって、例えば、本明細書で企図される構造体には、付加的に製作された物体の一部を支持するための支持構造体、低温合金で形成された融解可能な界面層、および物体の表面が含まれていてもよく、溶融可能な界面は、支持構造体と物体の表面との間に配置され、金属造形材料から形成された物体は、溶融可能な界面層よりも実質的に高い融解温度を有する。溶融可能な界面は、例えば、本明細書に記載されるいずれのはんだのような低温はんだで形成することができる。
【０２９４】
図２１は、力のフィードバックを使用した押出制御プロセスの方法を示す。一般に、金属造形材料のような造形材料を押し出すための制御ループは、造形材料を押し出すのに必要な力を測定し、次いで、この感知されたパラメータを使用して造形材料の温度を推定する。温度、または推定温度と目標温度との間の差は、造形材料の押出速度を増加または低減して、フィードパスに沿った加熱システムからの熱伝達を制御するために使用され得る。この一般的な制御ループは、ノズルの目詰まりまたは結晶化の開始のような他の可能な条件を説明するように変更することができる。重要な利点として、これは、一方では温度を検出するのに要する時間を短縮し、他方では、熱を加えるのに要する時間を短縮することによって、熱制御を大幅に改善することができる。以下の技術は、金属造形材料を用いて製作を行う技術として記載されているが、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリ乳酸などの非金属の溶融フィラメント製作材料にも有用に適合させ得ることを理解されたい。
【０２９５】
ステップ２１０２に示すように、方法２１００は、本明細書に記載される加熱システムのいずれのような加熱システムを用いて、金属造形材料のような造形材料を加熱するステップを含むことができる。一般に、これは、本明細書で一般に企図されている作業温度範囲内の温度に金属造形材料を加熱することを含む。
【０２９６】
ステップ２１０４に示すように、方法２１００は、本明細書に記載される駆動システムのいずれかのような駆動システムの速度で、金属造形材料をプリンタのノズルを介して前進させるステップを含むことができる。
【０２９７】
ステップ２１０６に示すように、方法２１００は、ノズルを通る造形材料の前進に抵抗する駆動システムの力を監視するステップを含むことができる。これは、押出機を通って前進させられるときに成形材料によって駆動システムに加えられる荷重を決定するのに適した任意のセンサまたはセンサの組み合わせを使用して監視することができる。例えば、これは、線形変位センサ、力センサ、回転センサ、または供給原料による押出機またはノズル上の軸方向荷重、駆動システムのモータにおける回転機械的負荷、または押出機を介して造形材料を前進させる際の駆動システムの電気的負荷などの、関連する物理的パラメータを測定するための任意の他のタイプのセンサを含むことができる。
【０２９８】
ステップ２１０８に示すように、方法２１００は、駆動システムの力に応じて駆動システムの速度を調整するステップを含むことができる。これには、駆動速度を制御するためのフィードバック信号として感知された力を加えるための、任意の比例の、積分の、微分のまたは他のシステムが含まれる。例えば、これは、一般に、力が減少したときの熱伝達を減少させるために駆動システムの速度を増加させることによって速度を調整することを含むことができる。これは、同様に、力が増加したときの熱伝達を増加させるために駆動システムの速度を減少させることを含むことができる。すなわち、増加した力が増加する粘度およびより低い温度を示唆する場合、より多くの熱伝達が起こり得る加熱システムの近くで構築材料がより長い時間を費やすように、速度を幾分遅くすることができる。その逆に、（より高い温度およびより低い粘度を示唆する）減少する力に応答して、固定位置加熱源が熱を加えるリザーバまたは他の場所で生じる加熱量を減少させるために、速度を増加させることができる。一般に、この技術を実施する制御システムは、造形材料の所定の温度を示す力に対して所定の目標値を維持することができる。
【０２９９】
ステップ２１１０に示すように、方法２１００は、ノズル速度を調整するステップを含むことができる。特に、これは、製作プロセスのための実質的に一定の材料堆積速度を維持するために、駆動システムの速度に比例して、製作プロセスにおけるノズル移動速度を調整することを含み得る。駆動速度が変化するにつれて、造形材料の押出量も変化する。押出速度が変化するときに、物体の残りに対して過剰または過少な押し出しを避けるために、製作プロセスのｘ−ｙ平面におけるノズルの速度は、実質的に一定の体積分布速度と、造形材料の対応するバランスの取れた、または一貫した空間分布と、を維持するように調整されていてもよい。より具体的には、駆動速度が増加するにつれて、ノズル速度は比例して増加し、その逆もまた同様である。
【０３００】
ステップ２１１２に示すように、方法２１００は、駆動システムの力と駆動システムの速度との間の関係に基づいてプリンタ内のエラー状態を検出するステップを含むことができる。例えば、プリンタは、温度の上昇と共に駆動速度が低下（より多くの加熱をもたらす）するのに応答して、駆動システムの軸方向、回転方向または他の負荷を減少させる。代わりに、力が増加すると、詰まり、造形材料の結晶化または他の誤動作のようなエラーが推測され得る。同様に、（サーミスタ、ゼーベック効果測定などを使用して）測定された温度が駆動速度の変化と矛盾するように変化しているように見える場合、同様にエラー状態が推測される。
【０３０１】
ステップ２１１４に示すように、この方法は、エラー状態に応答して是正措置を開始するステップを含むことができる。
【０３０２】
上述のシステム、デバイス、方法、プロセスなどは、ハードウェア、ソフトウェア、または特定のアプリケーションに適したこれらの任意の組合せで実現され得る。ハードウェアは、汎用コンピュータおよび/または専用コンピュータデバイスを含むことができる。 これには、1つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、組み込みマイクロコントローラ、プログラマブルデジタル信号プロセッサ、または他のプログラマブルデバイス、または処理回路、ならびに内部および/または外部メモリが含まれ得る。これには、同様にまたは代わりに、１つ以上の特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ、プログラマブルアレイロジックコンポーネント、または任の他のデバイスまたは電気信号を処理するように構成され得るデバイスを含み得る。上述のプロセスまたはデバイスの実現には、Ｃのような構造的プログラミング言語、Ｃ＋＋のようなオブジェクト指向プログラミング用語、または任意の他の高レベルまたは低レベルのプログラミング言語（アセンブリ言語、ハードウェア記述言語、データベースプログラミング言語および技術を含む）を使用して作成されたコンピュータ実行可能コードが含まれ、これらは、上記のデバイスの１つ、プロセッサの異種の組合せ、プロセッサアーキテクチャ、または異なるハードウェアとソフトウェアとの組合せで実行されるように、格納、コンパイル、または解釈され得ることを理解されたい。他の態様において、方法は、そのステップを実行するシステムで実施されてもよく、また、いくつかの方法でデバイスに分散されてもよい。同時に、処理は、上述した様々なシステムのようなデバイスに分散されてもよく、または、すべての機能が専用のスタンドアロンデバイスまたは他のハードウェアに統合されていてもよい。他の態様において、上述のプロセスに関連するステップを実行するための手段は、上述のハードウェアおよび／またはソフトウェアのいずれかを含むことができる。そのようなすべての置換および組合せは、本開示の範囲内であることが意図される。
【０３０３】
本明細書に開示される実施形態は、１つ以上のコンピュータデバイス上で実行するときに、そのステップのいずれかおよび／またはすべてを実行する、コンピュータ実行可能コードまたはコンピュータ使用可能コードを含む、コンピュータプログラム製品を含むことができる。コードは、非一時的な方法でコンピュータメモリに格納されてもよく、該コンピュータメモリは、プログラムが実行されるメモリ（プロセッサに関連するランダムアクセスメモリなど）、ディスクドライブ、フラッシュメモリ、または任意の他の光学的、電磁気的、磁気的、赤外線の、もしくは他のデバイスまたはデバイスの組合せなどの記憶デバイスであってもよい。他の態様において、上述のシステムおよび方法のいずれかは、コンピュータ実行可能コードおよび／またはそれからの任意の入力または出力を搬送する任意の適切な送信または伝播媒体で実施することができる。
【０３０４】
上述のデバイス、システム、および方法は、限定ではなく例として記載されていることが理解されよう。明示的な反対の指示がない限り、開示されたステップは、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、補足、省略、および／または並べ替えが可能である。多数の変形、追加、省略、および他の改変が、当業者には明らかであろう。さらに、上述した明細書および図における方法ステップの順序または提示は、具体的な順序が明示的に要求されている場合または本文から明らかである場合を除いて、列挙されたステップをこの順序で実行すること要求することを意図していない。
【０３０５】
本明細書に記載される実施形態の方法ステップは、異なる意味が明示的に示されている場合または本文から明らかである場合を除いて、以下の特許請求の範囲の特許性に矛盾しない方法ステップを実施するための任意の適切な方法を含むことが意図される。したがって、例えば、Ｘのステップを実行することには、リモートユーザ、リモート処理リソース（例えば、サーバまたはクラウドコンピュータ）またはマシンのような他のパーティにＸのステップを実行させるための任意の適切な方法が含まれ得る。同様に、ステップＸ、ＹおよびＺを実行することには、そのようなステップの利点を得るために、ステップＸ、ＹおよびＺを実行するための他の個人またはリソースの任意の組合せを支持または制御する任意の方法が含まれ得る。したがって、他の意味が明示的に示されていない限り、または文脈から明らかでない限り、本明細書に記載される実施形態の方法ステップは、１つ以上の他のパーティまたはエンティティに、以下の特許請求の範囲の特許性と一致するステップを実行させる任意の適切な方法を含むことが意図されている。そのようなパーティまたはエンティティは、任意の他のパーティまたはエンティティの指示または制御下にある必要はなく、特定の管轄内に位置している必要もない。
【０３０６】
上述の方法は、例として提供されていることをよく理解されたい。明示的な反対の指示がない限り、開示されたステップは、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、補足、省略、および／または並べ替えが可能である。
【０３０７】
上述の方法およびシステムは、限定ではなく例として記載されていることが理解されよう。多数の変形、追加、省略、および他の改変が当業者には明らかであろう。さらに、上述の説明および図面における方法ステップの順序または提示は、具体的な順序が明示的に要求されていないか、または文脈から明らかでない限り、記載されたステップを実行するこの順序を要求することを意図しない。したがって、特定の実施形態が開示されて記載されているが、当業者には、本開示の精神および範囲から逸脱することなく形式および詳細における様々な変更および修正を行うことができ、これらは法律で許容される最も広い意味で解釈されるべきであって、請求項で規定される本発明の一部を形成することが意図されていることが理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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