(57)【要約】      （修正有）【課題】軽量かつ耐熱性のある構造体とその製造方法を提供する。【解決手段】ポリマーを含む造形材料から物体のプリフォームを付加製造する。プリフォームは、プリフォームよりも高い温度に耐えることができる金属又は金属合金封止材で封止される。封止されたプリフォームは、プリフォームが炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように所定の温度で一定の期間にわたって加熱される。【選択図】図２
2018012324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元物体を製作する方法であって、
ポリマーを含む造形材料から物体のプリフォームを付加製造するステップと、
前記プリフォームを、該プリフォームよりも高い温度に耐えることができる金属又は金属合金封止材で封止するステップと、
前記プリフォームが炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように、前記プリフォームを所定の温度で一定の期間にわたって加熱するステップと、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記封止ステップは、前記加熱ステップに後に実行される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記封止ステップは、前記加熱ステップの前に実行される、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プリフォームを前記加熱中に不活性ガス環境内に維持するステップをさらに含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記物体のプリフォームを前記造形材料から付加製造する前記ステップは、
前記造形材料の層を、ベッド上、又は先に適用された粉末形態の造形材料の層上に適用するステップと、
前記造形材料の層の選択箇所を、前記選択箇所で前記造形材料が放射線によって固化するように、層に割り当てられた断面パターンに従って、電磁放射線又は粒子放射線から導入された熱エネルギーによって固化させるステップと、を含み、
前記施工するステップ及び前記固化させるステップは、前記物体の前記プリフォームの全ての断面が固化されるまで連続して繰り返される、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記造形材料は、ポリアリールエーテルケトン（「ＰＡＥＫ」）を含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記造形材料は、炭素繊維を含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記造形材料は、少なくとも１５重量％の炭素繊維である、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記造形材料は、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）を含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記プリフォームを高温に耐えることができる金属合金封止材で封止する前記ステップは、ニッケルメッキを含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記加熱ステップ中に溶媒を前記プリフォームから放出することができるように、前記加熱ステップの前に前記封止材に通気孔を準備するステップを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱ステップは、
前記不活性加熱環境内の温度を前記プリフォームの膨張を最小限に抑える制御された速度で増大させるステップと、
前記プリフォームが炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように、前記不活性加熱環境内の温度を４００℃から５００℃に維持するステップと、
を含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記温度は、前記プリフォームが炭素質固体残留物の形態に実質的に変質するように一定の期間にわたって維持される、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属合金封止材の前記通気孔を前記加熱ステップの後に閉鎖するステップをさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記通気孔を閉鎖するステップは、不活性環境内で実行される、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ポリマー及び所定量の炭素材の含む造形材料から付加製造されたプリフォームと、
前記プリフォームを少なくとも部分的に封止する金属合金封止材と、を備える物体であって、
前記プリフォームは、炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように所定の温度で一定の期間にわたって加熱されている、
ことを特徴とする物体。
【請求項１７】
前記造形材料は、ポリアリールエーテルケトン（「ＰＡＥＫ」）を含む、
請求項１６に記載の物体。
【請求項１８】
前記造形材料は、炭素繊維を含む、
請求項１７に記載の物体。
【請求項１９】
前記造形材料は、少なくとも１５重量％の炭素繊維である、
請求項１８に記載の物体。
【請求項２０】
前記造形材料は、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）を含む、
請求項１９に記載の物体。
【請求項２１】
封止材は、ニッケルメッキによって施工されたニッケル合金を含む、
請求項２０に記載の物体。
【請求項２２】
前記物体は、長い使用期間にわたって少なくとも摂氏５００℃までの温度に耐えることができる、
請求項２１に記載の物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、プリフォーム及びこのようなプリフォームを使用して物体を製造する方法に関し、詳細には、高温プリフォームから製造される高温物体及びこのようなプリフォームを使用して物体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造技術の利用は、宇宙産業における効率を高めるのに役立っている。一般的に、このような技術によって製造された部品は、軽量であり使用時に燃料消費量が低減される。さらに、このような技術は、一般的に、短いリードタイムでもって複雑な外形形状の製造を可能にする。このような付加製造技術の１つは、選択的レーザ焼結（「ＬＳ」）である。ＬＳは、積層造形（ｌａｙｅｒ  ｗｉｓｅ）付加製造技術であり、この技術では、例えば、ＣＯ２レーザからの電磁放射線を用いて、粉末造形材料（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を選択地点で結合して所望の３次元形状を有する固体構造体を作り出すようになっている。ＬＳにおいてポリマー系造形材料粉末を使用することが知られている。例えば、本発明に使用することができる造形材料は、オックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社から商標ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−ＥＳＤで販売される優れた機械的特性を有するカーボン充填ＰＥＫＫ化合物である。
【０００３】
ＬＳプロセスによって製造される部品、特にポリマー部品の短所は、このような部品が確実に動作及び機能することができる温度に上限がある点である。部品がこの温度を超えて使用される場合、ポリマー構造が劣化することになる。このような高い使用温度は、通常、超音速移動体の飛行構造体が経験し、移動体の内側構造は、一般に、飛行中に４００℃から６００℃の温度を受ける。ＬＳ技術をこの用途に利用してポリマーからプリントされた部品を確実に使用することはポリマー基材が劣化する可能性があるので不可能である。代わりに、高温合金を使用することが知られている。これらの材料は、使用するのが難しく高価なことが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、軽量かつ耐熱性のある構造体を形成する新しいアプローチが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様は、上記及び他の問題に関する。
【０００６】
本発明は、３次元物体を製作する方法の１つの態様である。本方法は、ポリマーを含む造形材料から物体のプリフォームを付加製造するステップを含む。次に、本方法は、プリフォームを、プリフォームよりも高い温度に耐えることができる金属又は金属合金封止材で封止するステップを含む。次に、本方法は、プリフォームが少なくとも部分的に炭素質固体残留物の形態に変質するようにプリフォームを所定の温度で所定の期間にわたって加熱するステップを含む。
【０００７】
本発明の一部の実施形態において、封止ステップは、加熱ステップの後に実行される。本発明の他の実施形態において、封止ステップは、加熱ステップの前に実行される。
【０００８】
本発明の一部の実施形態において、本方法は、プリフォームを加熱中に不活性ガス環境内に維持するステップを含む。
【０００９】
本発明の一部の実施形態において、物体のプリフォームを造形材料から付加製造するステップは、（ｉ）造形材料の層を、ベッド上に又は先に施工された粉末形態の造形材料の層上に施工するステップと、（ｉｉ）造形材料の層の選択箇所を、選択箇所での造形材料が放射線によって固化するように、層に割り当てられた断面パターンに従って、電磁放射線又は粒子放射線から導入された熱エネルギーによって固化させるステップと、（ｉｉｉ）施工するステップ及び固化させるステップを、物体のプリフォームの全ての断面が固化されるまで連続して繰り返すステップと、を含む。
【００１０】
本発明の一部の実施形態において、造形材料は、ポリアリールエーテルケトン（「ＰＡＥＫ」）を含む。
【００１１】
本発明の一部の実施形態において、造形材料は、炭素繊維を含む。本発明のさらに他の実施形態において、造形材料は、少なくとも１５重量％の炭素繊維である。
【００１２】
本発明の一部の実施形態において、造形材料は、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）を含む。
【００１３】
本発明の一部の実施形態において、プリフォームを封止するステップは、ニッケルメッキである。
【００１４】
本発明の一部の実施形態において、本方法は、加熱ステップ中に溶媒をプリフォームから放出することができるように、加熱ステップの前に封止材に通気孔を準備するステップを含む。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態において、加熱ステップは、不活性加熱環境内の温度をプリフォームの膨張を最小限に抑える制御された速度で増大させるステップと、プリフォームが炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように不活性加熱環境内の温度設定値を４００℃から５００℃の間に維持するステップとを含む。
【００１６】
本発明の別の実施形態において、温度は、プリフォームが炭素質固体残留物の形態に実質的に変質するように一定の期間にわたって維持される。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、本方法は、金属合金封止材の通気孔を加熱ステップの後に閉鎖するステップを含む。本発明の別の実施形態において、このステップは、不活性環境内で実行される。
【００１８】
本発明は、ポリマー及び所定量の炭素材の含む造形材料から付加製造されたプリフォームと、プリフォームを少なくとも部分的に封止する金属合金封止材と、を備える物体の別の態様に属し、プリフォームは、炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように所定の温度で一定の期間にわたって加熱されている。
【００１９】
本発明の別の実施形態において、造形材料は、ポリアリールエーテルケトン（「ＰＡＥＫ」）を含む。別の実施形態において、造形材料は、炭素繊維を含む。本発明の別の実施形態において、造形材料は、少なくとも１５重量％の炭素繊維である。
【００２０】
本発明の一部の実施形態において、造形材料は、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）を含む。
【００２１】
本発明の一部の実施形態において、封止材は、ニッケルメッキによって施工されたニッケル合金を含む。
【００２２】
本発明の別の実施形態において、物体は、長い使用期間にわたって少なくとも５００℃までの持続された温度に耐えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の１つの実施形態によるＬＳ機械を示す。
【図２】本発明の１つの実施形態による方法を示す。
【図３】本発明の１つの実施形態によるプリフォームを製造する方法を示す。
【図４】本発明による物体を示す。
【図５】本発明の１つの実施形態による、封止材の複数の通気孔の位置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示は、図面に示した例示的な実施形態を参照して本発明の態様を説明するが、本発明の態様は、図面に示す例示的な実施形態に限定されない。本発明の態様はより多くの実施形態を含むことが当業者に明らかであろう。従って、本発明の態様は、図面に示す例示的な実施形態の観点から制限されるものではない。また、本開示の真の範囲から逸脱することなく変形及び修正を行うことは当業者には明らかであろう。例えば、一部の例において、１つの実施形態に関連して開示される１又は２以上の特徴は、単独で、もしくは１又は２以上の他の実施形態の１又は２以上の特徴に関連して使用することができる。
【００２５】
図２を参照すると、本発明による３次元物体を製作する方法１００が示されている。本方法は、以下のステップを含む。第１に、本方法は、物体のプリフォームを、ポリマーを含む造形材料から付加製造するステップ１０２を含む。第２に、本方法は、プリフォームを、プリフォームよりも高い温度に耐えることができる金属又は金属合金封止材で封止するステップ１０４を含む。本方法は、プリフォームが少なくとも部分的に炭素質固体残留物の形態に変質するように、プリフォームを所定の温度で所定の期間にわたって加熱するステップ１０６をさらに含む。
【００２６】
種々の付加製造技術を用いて、ポリマーを含む造形材料から３次元プリフォームを準備することができる。本発明の１つの実施形態において、選択的レーザ焼結（「ＬＳ」）が使用される。ＬＳは、積層造形付加製造技術であり、この技術では、例えば、ＣＯ2レーザからの電磁放射線を用いて、粉末造形材料を選択地点で結合して所望の３次元形状を有する中実構造体を作り出すようになっている。別の実施形態において、粒子放射線が使用される。一部の関連した技術、例えば、金属を使用する技術において、選択的レーザ溶融（「ＬＭ」）と呼ばれる技術が使用され、粉末は、焼結とは対照的に溶融される。各プロセスの間に類似点があるが、そこで使用されるプロセス及び粉末の両方において明確な違いがある。
【００２７】
一般に、ＬＳにより造形されるプリフォームのＣＡＤモデルは、公知のソフトウェアアプリケーションを使用して作成される。ＣＡＤモデルは、物体の造形データを作り出すために各層に切断される。造形データは、ＣＡＤモデルによる複数の断面パターンを含む。図３を参照すると、ＬＳ造形プロセス２００の１つの実施形態が示されている。本方法は、造形材料の層を、ベッド上に又は先に施工された粉末形態の造形材料の層上に施工する２０２のステップを含む。本方法は、造形材料の層の選択箇所を、選択箇所での造形材料が放射線によって固化するように、層に割り当てられた断面パターンに従って、電磁放射線又は粒子放射線から導入された熱エネルギーによって固化させるステップ２０４をさらに含む。本方法は、物体のプリフォームの全ての断面が固化されるまで、施工ステップ及び固化ステップを連続して繰り返すステップをさらに含む。
【００２８】
走査に先立って、ＬＳ機械は、ベッド上に堆積された粉末材料を粉末の融点に近い温度まで予熱することができる。一般に、予熱は、１又２以上の放熱加熱器により達成される。粉末を予熱すると、レーザが粉末の温度を融点まで上昇させるのが容易になる。
【００２９】
積層造形プロセスの完了後、形成された物体は、多量の未融合粉末（ケーキと呼ぶ）内に置かれる。形成された物体は、ケーキから取り出され、未融合粉末は、物体の何らかの空隙から除去される。この工程を助けるために圧縮空気を使用することができる。造形部品に融合していないケーキの粉末は、回収してふるいにかけられ、その後のＬＳ造形で使用することができる。
【００３０】
本開示に精通した当業者であれば、本発明の一部の実施形態によるポリマー造形材料からプリフォームを得るために他の製造技術を使用できることが理解できるはずである。
【００３１】
ＬＳプロセスで使用される造形材料はポリマーを含む。このように、構造的に強固で軽量の３次元物体をもたらす付加製造技術を使用することができる。このようなポリマー粉末の１つの種類は、ポリアリールエーテルケトン（「ＰＡＥＫ」）ポリマーである。ＰＡＥＫは、ＬＳプロセスにおいて特に興味深く、その理由は、ＰＡＥＫ粉末又はＰＡＥＫ粒から製造された部品は、低い着火性、良好な生体適合性、並びに加水分解及び放射線に対する高い耐性を特徴とするからである。高温での熱抵抗並びに耐化学性により、ＰＡＥＫ粉末は、通常のプラスチック粉末と区別される。ＰＡＥＫポリマー粉末は、ポリエーテルエーテルケトン（「ＰＥＥＫ」）、ポリエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＫ」）、ポリエーテルケトン（「ＰＥＫ」）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（「ＰＥＥＫＫ」）、又は、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（「ＰＥＫＥＫＫ」）から成る群からの粉末とすることができる。
【００３２】
ＰＥＫＫは、本技術分野において公知であり、以下の特許、すなわち米国特許第３，０６５，２０５号、米国特許第３，４４１，５３８号明細書、米国特許第３，４４２，８５７号明細書、米国特許第３，５１６，９６６号明細書、米国特許第４，７０４，４４８号、米国特許第４，８１６，５５６号明細書、及び米国特許第６，１７７，５１８号明細書で説明される方法を含む、何らかの適切な重合技術を使用して調製することができ、これらの特許の各々は、全ての目的のために全体が引用により本明細書に組み込まれている。ＰＥＫＫポリマーは、ケトン−ケトン型の２つの異なる異性体を反復単位として含む場合が多い点で一般的なＰＡＥＫポリマー類と異なる。これらの反復単位は、以下の式Ｉ及びＩＩにより表すことができる。
【００３３】
［式１］
−Ａ−Ｃ（＝Ｏ）−Ｂ−Ｃ（＝Ｏ）    （Ｉ）
［式２］
−Ａ−Ｃ（＝Ｏ）−ＤＣ（＝Ｏ）      （ＩＩ）
【００３４】
ここで、Ａがｐ，ｐ’−Ｐｈ−Ｏ−Ｐｈ基である場合、Ｐｈは、フェニレン基であり、Ｂは、ｐ−フェニレンであり、Ｄは、ｍ−フェニレンである。一般にＰＥＫＫにおけるＴ：Ｉ比と一般に呼ばれる式Ｉ：式ＩＩ異性体の比は、ポリマーの全体の結晶性を変えるように選択される。Ｔ：Ｉ比は、一般に５０：５０から９０：１０まで、一部の実施形態においては６０：４０から８０：２０まで変えることができる。６０：４０などの小さなＴ：Ｉと比較すると、８０：２０などのＴ：Ｉ比が大きいほど高い結晶性が得られる。
【００３５】
ＰＥＫＫの結晶構造、同質異像、及びホモポリマー形態は、例えば、Ｃｈｅｎｇ、Ｚ．Ｄ．ら共著「ポリ（アリールエーテルケトンケトン）内の多相性及び結晶構造識別」）Ｍａｃｒｏｍｏｌ．ｃｈｅｍ．ｐｈｙｓ．１９７、１８５〜２１３頁（１９９６年）で研究及び報告されており、この開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれている。この論文では、全てのパラフェニレン結合［ＰＥＫＫ（Ｔ）］、１つのメタフェニレン結合［ＰＥＫＫ（Ｉ）］、又は、交番Ｔ及びＩ異性体［ＰＥＫＫ（Ｔ／Ｉ）］を有するＰＥＫＫホモポリマーが研究されている。ＰＥＫＫ（Ｔ）及びＰＥＫＫ（Ｔ／Ｉ）は、結晶化状態及び方法に応じて結晶性同質異像を示す。
【００３６】
ＰＥＫＫ（Ｔ）において、２つの結晶形態、形態Ｉ及びＩＩが観察される。形態Ｉは、試料が低過冷時に溶融から結晶化する場合に生成することができ、一方、形態ＩＩは、一般に、溶媒誘起結晶化によって又は比較的高い過冷時にガラス状態からの低温結晶化により見られる。ＰＥＫＫ（Ｉ）は、ＰＥＫＫ（Ｔ）の形態Ｉ構造と同じ分類に属する１つの結晶単位格子のみをもっている。単位格子のｃ軸次元は、ジグザグ構造を有する３つのフェニレンとして決定され、メタフェニレンは、バックボーン平面上にある。ＰＥＫＫ（Ｔ／Ｉ）は、（ＰＥＫＫ（Ｔ）の場合と同様に）結晶形態Ｉ及びＩＩを示し、また、特定の状態では形態ＩＩＩを示す。
【００３７】
適切なＰＥＫＫは、様々な商標の下で複数の商業的供給源から販売されている。例えば、ポリエーテルケトンケトンは、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｃポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｃｅポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｄポリマー及びＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−ＳＰポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−Ｎポリマー、ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）−ＥＳＤポリマーを含む、米国コネチカット州サウスウィンザーのオックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社から商標名ＯＸＰＥＫＫ（登録商標）ポリマーとして販売されている。また、ポリエーテルケトンケトンポリマーは、Ａｒｋｅｍａからり製造及び供給されている。特定のＴ：Ｉ比を有するポリマーを使用することに加えて、ポリエーテルケトンケトン混合物を用いることができる。
【００３８】
これらの用途において使用される粉末は、細粉、空気粉砕、噴霧乾燥、凍結乾燥、又は直接溶融処理などの様々なプロセスによって微粉末に生成される。熱処理は、粉末が生成される前又は後に行うことができるが、粉末形成の前に熱処理を行う場合、粉末形成プロセスの温度は、溶融温度、又は熱処理プロセスで形成された結晶化度の大きさを有意に低減しないように調整する必要がある。
【００３９】
本発明の一部の実施形態において、炭素繊維が造形材料に含まれる。炭素繊維は、ＬＳプロセス中に製造されるプリフォームのポリマーマトリックスから炭素質固体残留物を有する形態までの変質を強化する。造形材料は、例えば、８５重量％ＰＥＫＫ粉末及び１５重量％炭素繊維から成ることができる。このような混成物は、米国コネチカット州サウスウィンザー所在オックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社から販売されている。本発明の一部の実施形態において、造形材料の炭素繊維の量は、少なくとも１５重量％である。本開示に精通した当業者であれば、ポリマー混成物に添加される炭素繊維の量は変え得ることを理解できるはずである。
【００４０】
本開示は、ＰＡＥＫポリマー、詳細にはＰＥＫＫポリマーを参照して示されるが、本開示はこれに限定されない。本開示に精通した当業者であれば、本発明が、ＬＳで有用な他の形式のポリマーと共に、並びに限定されるものではないが金属及びセラミックを含むＬＳに有用な他の材料と共に使用できることを理解できるはずである。
【００４１】
図１を参照すると、本発明によるＬＳシステム１０が例示される。システム１０は、内部に配置された作動可能なピストン２４を有する第１のチャンバ２０を含む。ベッド２２が、ピストン２４の端部に配置される。用語「ベッド」は、ピストン上に支持された物理構造体、又はピストン上に堆積された粉末の最上層を意味することを理解されたい。図１において、ベッドは加熱されるように示されている。当業者であれば、本発明ではビルドプラットフォーム上方の放射ヒータ、あるいはビルドプラットフォーム内又はその周りの導電性ヒータを含む、複数の加熱器を使用できることを理解できるはずである。
【００４２】
ベッド２２の温度は、ベッド２２内及びその周りの発熱体（図示せず）と通信するコントローラ６０によって可変制御することができる。さらに、本発明によるＬＳシステム１０は、ベッド２２の上方の加熱装置を含むことができ、加熱装置は、新しく施工された粉末層を粉材の固化が生じる温度より低い動作温度まで予熱する。加熱装置は、電磁放射線を出射することによって、熱エネルギーを広い面積で新しく施工された粉末層に導入することができる放射加熱装置（例えば、１又は２以上の放射加熱器）とすることができる。
【００４３】
第２のチャンバ３０は、第１のチャンバ２０の近傍にある。第２のチャンバ３０は、内部に配置されたピストン３４の端部上に配置されたテーブル面３２を含む。ＬＳシステム１０で使用される粉末３６は、焼結ステップの前に第２のチャンバ３０に貯蔵される。ＬＳシステムの特定の実施形態が開示されているが、本開示を熟知する当業者であれば、本発明は限定されるものではなく、公知の別のＬＳシステムを本発明の実施において使用できることを理解できるはずである。
【００４４】
ＬＳシステム１０の作動中、スプレッダ４０は、第１のチャンバ２０の上面を横切って並進し、ベッド２２の上面又はベッド２２上に先に配置された材料にわたって粉末３６の層を均一に分散させる。ＬＳシステム１０は、ベッド上に堆積された粉末材料３６を粉末の融点に近い温度まで予熱する。一般に、粉末層は、１２μｍの厚さを有するように分散されるが、粉末層の厚さは、特定のＬＳプロセスに応じて、及びＬＳシステムの範囲内で増減させることができる。
【００４５】
レーザ５０及び走査装置５４が、ベッド２２の上方に配置される。レーザ５０は、ビーム５２を走査装置５４に送り、次に、走査装置５４は、造形データに従ってレーザビーム５６をベッド２２上に堆積された粉末３６の層を横切って分布させる。レーザは、堆積された粉末材料層を有するベッドの表面で、部品の３次元デジタル記述から生成された断面を走査することで粉末材料を選択的に融合させる。レーザ５０及び走査装置５４は、コントローラ６０と通信する。断面を走査した後、ベッド２２は、１層分だけ降下し（下向き矢印で示す）、スプレッダ４０によって粉末材料の新しい層がベッド２２上に堆積され、ベッド２２は、レーザにより再走査される。このプロセスは、造形物２８が完成するまで繰り返される。このプロセス中、第２のチャンバ内のピストン３４は漸進的に上昇し（上向き矢印で示す）、粉末３６の十分な供給を保証するようになっている。
【００４６】
プリフォームは、製造後、プリフォームのポリマーが耐え得る温度よりも高い使用温度に耐えることができる金属又は金属合金内に封止される。図２を参照すると、プリフォームは、ニッケルメッキによって封止される。無電解ニッケルメッキは、触媒化学技術であり、ニッケル燐又はニッケルボロン合金の層を、ＬＳ技術によって準備されたプリフォームなどの中実工作物上に堆積するために使用される。このプロセスは、還元剤の存在に依存し、還元剤は、例えば、金属イオンと反応して金属を堆積させるようになった水和次亜リン酸ナトリウム（ＮａＰＯ2Ｈ2・Ｈ2Ｏ）である。２〜５（低燐）から１１〜１４（高燐）までの範囲の種々の燐の割合を有する合金が可能である。合金の冶金学的特性は、燐の割合に左右される。電気メッキとは異なり、堆積物を形成するために溶液に電流を通す必要はない。従って、このメッキ技術は、ポリマー系プリフォームに関して好ましい。このメッキ技術は、腐食及び摩耗の防止を可能にする。また、無電解ニッケルメッキは、粉末を電解槽内に懸濁させることによって複合コーティングを作るために使用することもできる。本発明の一部の実施形態において、電解ニッケルメッキが使用される。この場合、最初に、複数の銅層を、電解銅メッキの前に施工することができる。
【００４７】
一般には、封止材の厚さは、約１／１，０００インチ〜２０／１，０００インチであるが、この厚さは、プリフォームのタイプ、プリフォームの構成、コーティングのタイプ、及び部品が設計される特定の使用環境を含む、多くの要因によって変わる可能性がある。本発明の一部の実施形態において、厚さは、００６インチ〜０１２インチである。本開示に精通した当業者であれば、プリフォームを封止するために他のタイプのメッキ技術及び材料を使用できることを理解できるはずである。これらとしては、限定されるものではないが、無電解コバルトメッキ、無電解タングステンメッキ、無電解銅メッキ、及び無電解チタンメッキを挙げることができる。電解メッキ技術は、特にプリフォームの造形材料が十分な導電率を示す場合でも使用できることをさらに理解されたい。一般に、封止材の材料は、プリフォーム単独が耐えることができる使用温度よりも高い使用温度に耐え得るように選択する必要がある。これにより、ＬＳに関連する好ましい特性の少なくとも一部を含むが、より高い使用温度に耐え得る物体を得ることが可能である。
【００４８】
封止ステップに関して、このステップは、加熱ステップの前又は後に実行することができる。一部の実施形態において、封止は、堅く結合された無電解ニッケル封止を含む。封止ステップは、封止材が以下に説明する変質プロセスを役立つので、加熱ステップの前に実行されることが好ましい。湿式メッキは、封止材の均一層がプリフォーム上に堆積されるのを保証する。特に単純な外形形状を有する部品の場合、他の方法が可能である。
【００４９】
図４を参照すると、本発明によって製造された物体３００が示されている。物体は、タービンエンジンの第２段で使用される複数のブレードの一部である。当業者には、ＬＳプロセスは、現在公知の方法と比較して、低コストで独特の形状の物体３００の製作を可能にすることが明らであろう。
【００５０】
通気孔を準備するステップに関して、通気孔は戦略的に配置することができ、金属合金封止材の構造は、過度に損なわれないようになっているが、加熱ステップ中に排ガス生成物が逃げることができるよう適当な通気が可能となっている。図５を参照すると、物体３００は、複数の通気孔３０２がその中に形成されている。本発明に精通する当業者であれば、孔のサイズ及び形状は変更できることを理解できるはずである。孔は、孔加工で形成することができる。他の実施形態において、孔が所定の位置でスナップ嵌合するのを可能にする特有の特徴部をプリフォームに組み込むことができる。
【００５１】
プリフォームを加熱するステップに関して、加熱の所定の温度及び持続時間は、プリフォーム及び／又は金属合金封止材を変形及び／又は破断させる可能性があるガス膨張を防止するように選択することができる。加熱ステップの目的は、プリフォームが金属合金封止材から外れないようにすることである。代わりに、この目的は、少なくとも部分的にプリフォームを炭素質固体残留物の形態に変質させると同時に、金属合金封止材に対するプリフォームの位置を維持することである。変質したプリフォーム（従って、結果として得られた変質したプリフォーム及び金属合金封止部を含む物体）は、例えば、摩擦発熱によって引き起こされる高温に耐えることができる。加熱プロセス中、ポリマーは、溶融することができ及び溶融固定物になる範囲で鎖延長し、さらに、ポリマーの水素及び酸素の離脱が始まり炭素になることができる。
【００５２】
プリフォームが変質した後、プリフォームによって、混合した黒鉛繊維及びランダム黒鉛、及び混合状態の無定形炭素を含む構造体がもたらされる。変質したプリフォームは、封止材で取り囲まれている。キャビティ内部の変質質量体によって、一般には、しわ及び折り返しが生じやすい中空封止材の構造的特性が向上することが見出されている。変質したプリフォームは、溶融することなく特定の温度範囲内で使用できるという別の利点を有する。
【００５３】
本発明の一部の実施形態において、加熱ステップは、従来式のオーブンで行われる。不活性加熱環境が、変質効果の向上を示した。１つの実施形態において、加熱は、窒素環境で行われる。温度勾配を使用して、温度を所望の変質温度に確実に上昇させることが好ましい。その後、部品は、設定温度点で維持される。変質が完全に発生した後、温度は下げられる。本発明によるＰＥＫＫ及び炭素繊維混成物を有する造形材料を使用して、封止されたプリフォームは、４００℃から５００℃の温度設定値で加熱され、少なくとも数時間、温度が維持される。
【００５４】
通気孔を閉鎖するステップに関して、このステップは、通気孔を選択的に溶接、ろう付け、メッキ、及び／又は接着して閉鎖することを含むことができる。このステップは、炭化構造を保護するために、不活性ガス環境内で実行することができる。
【００５５】
上記の方法に従って製作される物体は、（ｉ）上記の粉末混合物から付加製造され、炭素質固体残留物の形態に少なくとも部分的に変質するように所定の温度で所定の期間にわたって加熱されたプリフォームと、（ｉｉ）プリフォームを少なくとも部分的に封止する、高温に耐えることができる材料で作製された金属合金封止材とを含む。
【００５６】
本開示では、上述した実施形態を参照して本発明の態様を説明するが、本発明の態様は、それらの実施形態に限定されない。当業者には、本発明の態様がより多くの実施形態を含むことが明らかであろう。従って、本発明の態様は、上述した実施形態の観点から制限されるべきではない。また、当業者には、本開示の真の範囲から逸脱することなく変形及び修正行うことができることも明らかであろう。例えば、一部の例において、１つの実施形態に関連して開示する１又は２以上の特徴は、単独で又は１又は２以上の他の実施形態の１又は２以上の特徴と関連して使用することができる。
【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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【外国語明細書】
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