(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元（３Ｄ）物体の少なくとも一部を層ごとに製作するための装置であって、
層ごとに製作中に前記３Ｄ物体を支持するための導電性基体と、
前記導電性基体の上にワイヤを供給するためのワイヤ繰り出し機構と、
前記導電性基体と前記ワイヤ繰り出し機構の相対位置を制御するための１つまたは複数の機械式アクチュエータと、
前記ワイヤが前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の層に電気的に接続している間に前記ワイヤおよび前記導電性基体を通る前記ワイヤの一部を溶融させるのに十分な電流を供給するための電源と、
（ｉ）前記導電性基体と前記ワイヤ繰り出し機構の前記相対位置を調整するために前記１つまたは複数の機械式アクチュエータを制御するためおよび（ｉｉ）前記ワイヤが前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の前記層に電気的に接続している間に前記ワイヤおよび前記導電性基体を通る電流を供給し、前記ワイヤの前記一部を溶融させるのに十分な熱を発生させることで、前記導電性基体に隣接する前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部を層ごとに製作するための前記電源を利用するための回路と
を備える、装置。
【請求項２】
前記回路が、前記１つまたは複数の機械式アクチュエータまたは前記電源のうちの少なくとも１つを制御するためのコンピュータベースのコントローラを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コンピュータベースのコントローラがコンピュータメモリおよび３Ｄレンダリングモジュールを備え、前記コンピュータメモリが３次元構造物のコンピュータ表現を記憶し、前記３Ｄレンダリングモジュールが前記コンピュータ表現から連続する層に対応するデータのセットを抽出し、前記コントローラが、前記データに従って連続する層を形成することを前記機械式アクチュエータおよび前記電源に行わせる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ワイヤ繰り出し機構内に金属ワイヤをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コンピュータベースのコントローラが蒸着中の前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の多孔度を制御する、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記コンピュータベースのコントローラが前記ワイヤおよび前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の前記層の間の接触抵抗を調整する、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記回路が、前記接触抵抗に少なくとも部分的に基づいて、前記ワイヤが前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の前記層に電気的に接続している間に前記ワイヤを通る電流を供給し、前記ワイヤの前記一部を溶融させるのに十分な熱を発生させることで、前記導電性基体に隣接する前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部を層ごとに製作するための前記電源の電力を制御する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記コンピュータベースのコントローラが前記ワイヤおよび前記導電性基体を通る電流の流れにより十分なジュール加熱を生じるように前記ワイヤおよび前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の前記層の間の接触抵抗を調整する、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記コンピュータベースのコントローラが（ｉｉ）を１回以上繰り返すことによって前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの前記層の上への前記ワイヤの追加部分の蒸着を指示する、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記コンピュータベースのコントローラが前記ワイヤ繰り出し機構を介して追加ワイヤを導き、前記追加ワイヤの少なくとも一部が前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の前記層の上に蒸着するように前記追加ワイヤを加熱する、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記コンピュータベースのコントローラが層ごとに製作中の前記ワイヤの引き戻しの速度を制御することによって前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部のサイズを選択する、請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
蒸着パラメータおよび／または前記ワイヤの前記一部の特性を測定するフィードバック制御ユニットをさらに備え、前記コンピュータベースのコントローラが前記蒸着パラメータおよび／または特性に従って前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の層ごとの製作を指示する、請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記コンピュータベースのコントローラが前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の層ごとの製作の前に前記導電性基体上に形成され、前記導電性基体からの前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の取り外しを可能にする犠牲ラフト構造物の形成を指示し、前記犠牲ラフト構造物が（ａ）前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部を前記導電性基体に固着し、かつ（ｂ）前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の前記導電性基体からの取り外しを可能にする、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の層ごとの製作に続いて、前記コンピュータベースのコントローラが（ｉ）前記犠牲ラフト構造物の前記導電性基体からの取り外し、および（ｉｉ）前記犠牲ラフト構造物の前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部からの分離を指示する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記コンピュータベースのコントローラが前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部の密度および多孔度よりも低くなるように前記犠牲ラフト構造物の密度および多孔度の少なくとも一つを選択する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記コンピュータベースのコントローラが前記３Ｄ物体の少なくとも一つの層の厚さよりも厚くなるように前記犠牲ラフト構造物の厚さを選択する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記ワイヤがステンレス鋼、銅およびアルミニウムからなる群から選択される１つ以上の成分を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記ワイヤと電気的に接続する前記電源を用いて前記電流が前記ワイヤおよび前記導電性基体を通って流れる、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記電源が（ｉ）前記ワイヤ繰り出し機構を介して前記ワイヤに、および（ｉｉ）前記導電性基体に電気的に接続する、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
使用中に、前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部が前記ワイヤおよび前記導電性基体または前記導電性基体の上に以前に供給された前記ワイヤの材料の前記層の間の接触抵抗に少なくとも部分的に起因する熱に応じて形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記回路は、前記ワイヤをジュール加熱するために前記電源を利用して前記導電性基体に隣接する前記３Ｄ物体の少なくとも前記一部を層ごとに製作する、請求項１に記載の装置。
【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、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／０９１，０３７号の利益および優先権を主張する。
【０００２】
様々な実施形態では、本発明は、３次元（３Ｄ）プリンティングなどの積層造形技法に関し、詳細には、金属物の積層造形に関する。
【背景技術】
【０００３】
３Ｄプリンティングなどの積層造形技法は、ラピッドプロトタイピングおよび特殊構成部品の製作を含む、多数の様々な用途向けの有用な技法として急速に採用されている。今までは、ほとんどの積層造形プロセスは、３Ｄ物体を形成するために、層ごとに指定されたパターンに溶融される高分子材料を利用している。金属物の積層造形はさらなる課題を提示したが、ごく最近では、技法はこれらの課題に対処するように開発されている。
【０００４】
金属物の積層造形のための既存の技法は、一般に、３つのカテゴリ：レーザー焼結、その後に焼結が続く接着結合、および溶融金属蒸着に分類される。２つの焼結技術は、ビルドエリア内で金属粉末のベッドを使用し、粉末粒子は所望のパターンを形成するために互いに選択的に接合される。１つの層が完了すると、より多くの金属粉末が最初の層の上に拡散され、粉末粒子は、その層に必要なパターンで前の層に接合される。プロセスは、新規の粉末がビルドエリアの表面全体に拡散され、次いで選択的に接合され、層ごとに所望の構造物を構築することに進む。完成部品は粉末ベッド内部から取り出され、次いで、粉末は、次の部品を始めるためにビルドエリアから出される。
【０００５】
しかしながら、原料として金属粉末を使用することは、いくつかの理由で問題となり得る。金属粉末は製造コストが高く、一般に、同じ量の材料に対して同じ材料から作られるワイヤよりも高価である。金属粉末は扱うことが困難かつ危険である。たとえば、こぼれた金属粉末は、吸うと危険な空気中の塵を形成する場合があり、そのような塵は爆発の危険性さえあり得る。加えて、従来の積層造形技術に必要な粉末の量は、ビルドエリア全体が粉末で満たされなければならないので、部品を作るために必要な量の何倍も多い。これはプロセスのコストを増大させ、粉末の消耗および浪費につながり、粉末は容易に再使用されない可能性がある。従来の粉末ベースのプロセスは、また、粉末の並列層の拡散が、通常、ちょうど必要な層の厚さになるように行われなければならず、層ごとにビルドエリア全体にわたって行われなければならないので非常に遅い。
【０００６】
レーザー焼結は、粒子を溶解させるための熱源として高出力レーザーを使用する。レーザーは、特に金属を溶解させるために必要な電力において、多くの安全上のリスクを有する。熱源としてレーザーを使用すると、粒子は、それらを前の層に溶解させるのに十分な熱を加えるために、トップダウンに熱せられなければならないので、問題が発生する。そのようなトップダウン加熱は、熱が接合面に直接加えられた場合に必要なはずであった熱よりもかなり多くの熱を必要とし、それはプロセス全体を減速させ、過度の熱が粉末ベッドに放散される原因となる。このために、レーザーが加熱しているそのまわりのエリア内の粒子を不必要に焼結する危険が存在する。したがって、プロセスは、不十分な熱伝導性を有する金属および合金の使用を必要とする。
【０００７】
接着結合は、レーザーエネルギーによって粒子を直接溶解させる代わりに、接着剤を使用して隣接する粉末粒子を接合するが、プロセスはその他の点では同様である。接着剤はパターンを形成するために選択的に吹き付けられ、粉末は構造物を形成するために層ごとに加えられる。機械的に堅固な金属部品を作るために、構造物は、一般に、粉末ベッドから取り出され、接着された金属粉末を焼結するために炉内に置かれなければならない。焼結は、部品を製作するために必要なプロセスの複雑度ならびに時間を倍増する。
【０００８】
溶融金属蒸着技法では、金属を液化する熱は、プラズマまたは電気アークから生じる。次いで、溶融金属は、金属が冷えるにつれて層を構築することにより構造物を形成するために望ましいパターンで吹き付けられる。金属を蒸着させ、それが冷えることを可能にし、次いで、製粉ツールを使用してそれを適当な大きさに機械加工するためにハイブリッド機械が開発された限りでは、金属を吹き付けることによって実現される分解能は、一般に、他のプロセスと比較して不十分である。プラズマまたは電気アークによって発生する熱が非常に高温であるために、その上に積み上げられ得る前に下位層を冷却するための十分な時間が許容されなければならないので、プロセスの速度は遅い。良好な分解能が必要な場合、それは機械加工プロセスによってさらに減速される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述に鑑みて、原料として金属粉末を利用せず、過度の熱を発生させず、凝結用の時間のかかる不経済な焼結プロセスを必要としない、金属部品の製作用の改善された積層造形技法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の様々な実施形態によれば、金属物は、フィードストックとして金属ワイヤを利用し、３Ｄ構造物の造形を可能とする制御された方式で層ごとに製作される。本発明の実施形態は、製作される物体を形成するために必要なだけの量のフィードストックのみを利用し、粉末ベースの技法に関連する浪費プロセスおよび／または回復プロセスの（すべてではない場合）ほとんどを排除する。金属ワイヤフィードストックは、固形構造物が製作されるちょうどそのポイントのみに配置されるので、より簡単に扱われ、より速い製作を可能にする。ワイヤは、電気回路のパルスを介して製作プラットフォームまたは製作中の構造物の前の層と接触すると熱せられ、接触ポイントに溶融液滴（または「粒子」）を形成する。溶融液滴は所定の位置に接着し、部品の層ごとの製作を可能にする。有利なこと、ただ１つの溶融／蒸着ステップのみが必要とされ、金属粒子を一緒に接着する別の焼結プロセスを不要にする。加えて、電流は、通常、製作プラットフォームまたは製作中の構造物の前の層と接触するワイヤのみに流され、それにより、ワイヤ（および製作中の構造物）の加熱を最小化し、ワイヤの先端における電気アークの形成を防止する。
【００１１】
本発明の実施形態は、溶解に熱が必要とされるまさにその場所である、隣接する粒子間の（すなわち、ワイヤフィードストックの先端と製作プラットフォームまたは製作中の構造物の前の層との間の）接触ポイントにおいて熱が発生するという利点を有する。これにより、レーザー加熱技法において利用される入熱よりもかなり低温の入熱が可能になる。低温の入熱により、高速な全体処理、まわりの粒子の不必要な加熱のリスクがないこと、ならびに多くの異なる金属および合金の使用が可能になる。それにより、安全上の懸念も減少し、ビルドエリアは、通常、低い温度に維持される。
【００１２】
本発明の実施形態は、確立されたガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）技術、抵抗性スポット溶接（ＲＳＷ）技術、およびコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）技術の知識を活用することにより、既存の手法に固有の問題を解決する。本発明の実施形態は、（ＧＭＡＷと同様の）電極と金属フィードストックのソースの両方として不活性ガス遮蔽および細粒金属ワイヤ電極、（ＲＳＷと同様の）接触抵抗に起因するフィード金属およびベース金属を加熱および溶融する電流を利用し、コンピュータ制御インターフェースを介して、３次元で金属ワイヤ電極／フィードストックの動きを制御することができ、（ＣＡＭと同様に）所望の形状での材料の蒸着を可能にする。これらの特徴により、低いコストで安全上の懸念が最小の様々な金属および合金のいずれかを使用する３Ｄ金属構造物の製造を可能にする。
【００１３】
一態様では、本発明の実施形態は、導電性基体上の３次元金属構造物の層ごとの製作の方法を特徴とする。構造物の第１の層は、基体上に複数の金属粒子を蒸着することによって形成される。各金属粒子は、（ｉ）基体と接触している状態で金属ワイヤを配置すること、ならびに（ｉｉ）金属ワイヤおよび基体を介して電流を通すことによって蒸着される。金属ワイヤの一部分は、基体上で溶融して金属粒子を形成する。構造物の１つまたは複数の次の層は、構造物の第１の層の上に複数の金属粒子を蒸着することによって形成される。各金属粒子は、（ｉ）前に蒸着された金属粒子と接触している状態で金属ワイヤを配置すること、ならびに（ｉｉ）金属ワイヤ、前に蒸着された金属粒子、および基体を介して電流を通すことによって蒸着される。金属ワイヤの一部分は、前に蒸着された金属粒子上で溶融して金属粒子を形成する。
【００１４】
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかで、以下のうちの１つまたは複数を含む場合がある。ガスは、金属粒子の蒸着中に少なくともワイヤの先端の上を流される場合がある。ガスは、蒸着中の金属粒子の酸化を低減するか、または実質的に防止することができる。ガスは、蒸着中の金属粒子の冷却速度を上げることができる。各金属粒子の蒸着後、金属ワイヤと基体の相対位置は、１つまたは複数の機械式アクチュエータ（たとえば、ステッパモータ、ソレノイドなど）を用いて変更される場合がある。金属ワイヤは、ステンレス鋼、銅、および／またはアルミニウムを含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成される場合がある。構造物の少なくとも一部分の多孔度は、（ｉ）金属ワイヤと基体もしくは下にある粒子との間の隣接する接触点間の間隔を変更すること、および／または（ｉｉ）金属ワイヤと基体との間に流れる電流の大きさを変更することによって制御される場合がある。３次元構造物のコンピュータ表現が記憶される場合がある。次にくる層に対応するデータのセットがコンピュータ表現から抽出される場合があり、形成ステップの各々はデータに従って実施される場合がある。少なくとも１つの金属粒子のサイズは、（たとえば、蒸着の間および／または後の）そこからの金属ワイヤの引き戻しの速度を制御することによって選択される場合がある。金属ワイヤが金属粒子のうちの少なくとも１つを形成するために溶融される前に、金属ワイヤの外側部は取り除かれる場合がある。構造物の第１の層および１つまたは複数の次の層を形成するために利用される金属ワイヤの量は、追跡および／または記憶される場合がある。金属粒子は、ワイヤの先端における接触抵抗（すなわち、ワイヤの先端と下にある構造物、たとえば基体または下にある粒子との間の接触からもたらされる抵抗）から、少なくとも部分的に（たとえば、実質的に完全にそれに起因して）発生する熱に応答して形成される場合がある。
【００１５】
別の態様では、本発明の実施形態は、金属ワイヤを溶融することによって形成される粒子からの３次元金属構造物の層ごとの製作のための装置を特徴とする。装置は、製作中に構造物を支持するための導電性基体、基体の上にワイヤを供給するためのワイヤ繰り出し機構、基体とワイヤ繰り出し機構との間の相対位置を制御するための１つまたは複数の機械式アクチュエータ、（たとえば、ワイヤとそれに接触する物体、たとえば基体との間の接触抵抗から発生する熱を介して）ワイヤに金属粒子を放出させるのに十分なワイヤと基体との間の電流を流すための電源、ならびに、連続的に放出された金属粒子から基体上に３次元金属構造物を作成するように１つまたは複数のアクチュエータおよび電源を制御するための回路を含むか、または事実上それらから構成される。
【００１６】
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかで、以下のうちの１つまたは複数を含む場合がある。回路は、１つまたは複数の機械式アクチュエータおよび／または電源を制御するためのコンピュータベースのコントローラを含むか、または事実上それから構成される場合がある。コンピュータベースのコントローラは、コンピュータメモリおよび３Ｄレンダリングモジュールを含むか、または事実上それらから構成される場合がある。コンピュータメモリは、３次元構造物のコンピュータ表現を記憶することができる。３Ｄレンダリングモジュールは、コンピュータ表現から連続する層に対応するデータのセットを抽出することができる。コントローラは、データに従って、金属粒子が蒸着された連続する層を形成することを機械式アクチュエータおよび電源に行わせることができる。金属ワイヤは、ワイヤ繰り出し機構内に配置される場合がある。
【００１７】
さらに別の態様では、本発明の実施形態は、導電性基体上の３次元金属構造物の層ごとの製作の方法を特徴とする。犠牲ラフト構造物は、基体上に複数の金属粒子を蒸着することによって形成される。各金属粒子は、（ｉ）基体と接触している状態で第１の金属ワイヤを配置すること、ならびに（ｉｉ）第１の金属ワイヤおよび基体を介して電流を通すことによって蒸着される。第１の金属ワイヤの一部分は、基体上で溶融して金属粒子を形成する。構造物の第１の層は、犠牲ラフト構造物上に複数の金属粒子を蒸着することによって形成される。各金属粒子は、（ｉ）犠牲ラフト構造物と接触している状態で第２の金属ワイヤを配置すること、ならびに（ｉｉ）第２の金属ワイヤ、犠牲ラフト構造物、および基体を介して電流を通すことによって蒸着される。第２の金属ワイヤの一部分は、犠牲ラフト構造物上で溶融して金属粒子を形成する。構造物の１つまたは複数の次の層は、構造物の第１の層の上に複数の金属粒子を蒸着することによって形成される。各金属粒子は、（ｉ）前に蒸着された金属粒子と接触している状態で第２の金属ワイヤを配置すること、ならびに（ｉｉ）第２の金属ワイヤ、前に蒸着された金属粒子、犠牲ラフト構造物、および基体を介して電流を通すことによって蒸着される。第２の金属ワイヤの一部分は、前に蒸着された金属粒子上で溶融して金属粒子を形成する。
【００１８】
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかで、以下のうちの１つまたは複数を含む場合がある。犠牲ラフト構造物の密度および／または多孔度は、構造物の密度および／または多孔度よりも小さい場合がある。犠牲ラフト構造物は、それを通る１つまたは複数の開口を画定することができる。犠牲ラフト構造物は、複数の層を含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成される場合がある。犠牲ラフト構造物の層のうちの少なくとも１つの厚さは、構造物の層のうちの少なくとも１つの厚さよりも大きい場合がある。犠牲ラフト構造物の層のうちの少なくとも１つの厚さは、構造物の層のすべての厚さよりも大きい場合がある。犠牲ラフト構造物の最下層（すなわち、基体と直接接触している犠牲ラフト構造物の層）の厚さは、構造物の層のうちの少なくとも１つ、または、さらにすべての厚さよりも大きい場合がある。構造物の製作後、犠牲ラフト構造物は、基体から取り外される場合があり、構造物の少なくとも一部分は、犠牲ラフト構造物上に残る場合がある。犠牲ラフト構造物が基体から取り外された後、犠牲ラフト構造物は構造物から分離される場合がある。第１の金属ワイヤおよび第２の金属ワイヤは、異なる材料（たとえば、異なる金属）を含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成される場合がある。第１の金属ワイヤおよび第２の金属ワイヤは、同じ材料（たとえば、同じ金属）を含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成される場合がある。金属粒子は、ワイヤの先端における接触抵抗（すなわち、ワイヤの先端と下にある構造物、たとえば基体、ラフト、または下にある粒子との間の接触からもたらされる抵抗）から、少なくとも部分的に（たとえば、実質的に完全にそれに起因して）発生する熱に応答して形成される場合がある。
【００１９】
これらおよび他の物体は、本明細書に開示された本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、添付図面、および特許請求の範囲への参照を通して、より明確になる。さらに、本明細書に記載された様々な実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、様々な組合せおよび並べ替えで存在してもよいことが理解されるべきである。本明細書で使用される、「おおよそ」および「実質的」という用語は、±１０％、いくつかの実施形態では±５％を意味する。「事実上〜から構成される」という用語は、本明細書において特に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それにもかかわらず、そのような他の材料は、微量ながら、集合的に、または個々に存在する場合がある。たとえば、事実上複数の金属から構成される構造物は、一般に、それらの金属のみ、および、化学分析によって検出可能であり得るが機能に寄与しない（金属または非金属であり得る）意図的でない不純物のみを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
図面では、同様の参照文字は、全般に、様々な図全体を通して同じ部品を指す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本発明の原理を図示することが全般に強調される。以下の説明では、以下の図面を参照して、本発明の様々な実施形態が記載される。
【００２１】
【図１】本発明の様々な実施形態による、積層造形装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明の様々な実施形態による、３次元物体の製作中の金属粒子の蒸着の概略図である。
【図２Ｂ】本発明の様々な実施形態による、３次元物体の製作中の金属粒子の蒸着の概略図である。
【図２Ｃ】本発明の様々な実施形態による、３次元物体の製作中の金属粒子の蒸着の概略図である。
【図２Ｄ】本発明の様々な実施形態による、３次元物体の製作中の金属粒子の蒸着の概略図である。
【図２Ｅ】本発明の様々な実施形態による、３次元物体の製作中の金属粒子の蒸着の概略図である。
【図２Ｆ】本発明の様々な実施形態による、３次元物体の製作中の金属粒子の蒸着の概略図である。
【図３】本発明の様々な実施形態による、様々な粒子分解能の領域を有する、プリントされた３次元物体の概略図である。
【図４Ａ】本発明の様々な実施形態による、多孔度が低くプリントされた粒子の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の様々な実施形態による、多孔度が高くプリントされた粒子の概略図である。
【図５Ａ】本発明の様々な実施形態による、ワイヤからの粒子の蒸着を概略的に描写する図である。
【図５Ｂ】本発明の様々な実施形態による、ワイヤからの粒子の蒸着を概略的に描写する図である。
【図５Ｃ】本発明の様々な実施形態による、ワイヤからの粒子の蒸着を概略的に描写する図である。
【図５Ｄ】本発明の様々な実施形態による、様々なワイヤの引き戻し速度の利用を介して蒸着された様々なサイズの粒子を概略的に描写する図である。
【図５Ｅ】本発明の様々な実施形態による、様々なワイヤの引き戻し速度の利用を介して蒸着された様々なサイズの粒子を概略的に描写する図である。
【図５Ｆ】本発明の様々な実施形態による、様々なワイヤの引き戻し速度の利用を介して蒸着された様々なサイズの粒子を概略的に描写する図である。
【図６】本発明の様々な実施形態による、機械式ワイヤ追跡システムの概略図である。
【図７】本発明の様々な実施形態による、光学式ワイヤ追跡システムの概略図である。
【図８】本発明の様々な実施形態による、対妨害機構の概略図である。
【図９Ａ】本発明の様々な実施形態による、基板と所望のプリント部品との間にプリントされた犠牲構造物の概略平面図である。
【図９Ｂ】本発明の様々な実施形態による、基板と所望のプリント部品との間にプリントされた犠牲構造物の概略平面図である。
【図９Ｃ】本発明の様々な実施形態による、基板上の犠牲構造物にプリントされた部品の概略断面図である。
【図１０Ａ】本発明の様々な実施形態による、基板からの犠牲構造物およびその上のプリント部品の取り外しの概略図である。
【図１０Ｂ】本発明の様々な実施形態による、プリント部品からの犠牲構造物の取り出しの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態によれば、３Ｄ金属構造物は、図１に示された装置１００を使用して層ごとに製作される場合がある。装置１００は、１つまたは複数のアクチュエータ１１０（たとえば、ステッパモータなどのモータ）を介して５つまたは６つの制御軸のうちの１つまたは複数（たとえば、ＸＹＺ平面のうちの１つまたは複数）における動きが可能な機械式ガントリ１０５を含む。図示されたように、装置１００は、装置の内部に金属ワイヤ１２０を配置し、金属ワイヤ１２０に電気接続を提供し、ソース１２５（たとえば、スプール）から装置に金属ワイヤ１２０を連続して繰り出すワイヤフィーダ１１５も含む。基板１３０も、通常、装置の内部に配置され、電気接続を提供し、基板１３０の上下の動きは、アクチュエータ１３５（たとえば、ステッパモータなどのモータ）を介して制御される場合がある。電源１４０は、金属ワイヤ１２０および基板１３０に接続し、それらの間の電気接続を可能にする。ガントリ１０５の動きおよびワイヤフィーダ１１５の動きは、コントローラ１４５によって制御される。電源１４０からの電流の供給、ならびに電流の電力レベルおよび継続時間は、コントローラ１４５によって制御される。
【００２３】
本発明の実施形態によるコンピュータベースのコントローラ１４５は、たとえば、コンピュータメモリ１５０および３Ｄレンダリングモジュール１５５を含む場合がある。３Ｄ構造物のコンピュータ表現は、コンピュータメモリ１５０に記憶される場合があり、３Ｄレンダリングモジュール１５５は、コンピュータ表現から所望の３Ｄ構造物の連続する層に対応するデータのセットを抽出することがある。コントローラ１４５は、データに従って、金属粒子が蒸着された連続する層を形成するように、機械式アクチュエータ１１０、１３５、ワイヤ繰り出し機構１１５、および電源１４０を制御することがある。
【００２４】
本発明の実施形態によるコンピュータベースの制御システム（または「コントローラ」）１４５は、処理ユニット（または「コンピュータプロセッサ」）１６０、システムメモリ１５０、および、システムメモリ１５０から処理ユニット１６０を含む様々なシステム構成要素を結合するシステムバス１６５を含む、コンピュータの形態の汎用コンピューティングデバイスを含むか、または事実上それから構成される場合がある。コンピュータは、通常、システムメモリ１５０の一部を形成することができ、処理ユニット１６０によって読み取られ得る、様々なコンピュータ可読媒体を含む。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体および／または通信媒体を含む場合がある。システムメモリ１５０は、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの、揮発性メモリおよび／または不揮発性メモリの形態のコンピュータ記憶媒体を含む場合がある。スタートアップ中などに要素間で情報を転送することを助ける基本ルーチンを含んでいる基本入力／出力システム（ＢＩＯＳ）は、通常、ＲＯＭに記憶され、ＲＡＭは、通常、処理ユニット１６０によって直接アクセス可能であり、かつ／または現在動作している、データおよび／またはプログラムモジュールを含んでいる。データまたはプログラムモジュールは、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、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータを含む場合がある。オペレーティングシステムは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  ＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）オペレーティングシステム、Ｕｎｉｘオペレーティングシステム、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）オペレーティングシステム、Ｘｅｎｉｘオペレーティングシステム、ＩＢＭ  ＡＩＸオペレーティングシステム、Ｈｅｗｌｅｔｔ  Ｐａｃｋａｒｄ  ＵＸオペレーティングシステム、Ｎｏｖｅｌｌ  ＮＥＴＷＡＲＥオペレーティングシステム、Ｓｕｎ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ  ＳＯＬＡＲＩＳオペレーティングシステム、ＯＳ／２オペレーティングシステム、ＢｅＯＳオペレーティングシステム、ＭＡＣＩＮＴＯＳＨオペレーティングシステム、ＡＰＡＣＨＥオペレーティングシステム、ＯＰＥＮＳＴＥＰオペレーティングシステム、またはプラットフォームの別のオペレーティングシステムなどの、様々なオペレーティングシステムであるか、またはそれらを含む場合がある。
【００２５】
本明細書に記載された機能を必要以上の実験なしに実装するために、任意の適切なプログラミング言語が使用される場合がある。例として、使用されるプログラミング言語には、たとえば、アセンブリ言語、Ａｄａ、ＡＰＬ、Ｂａｓｉｃ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＊、ＣＯＢＯＬ、ｄＢａｓｅ、Ｆｏｒｔｈ、ＦＯＲＴＲＡＮ、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｍｏｄｕｌａ−２、Ｐａｓｃａｌ、Ｐｒｏｌｏｇ、Ｐｙｔｈｏｎ、ＲＥＸＸ、および／またはＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）が含まれ得る。さらに、本発明のシステムおよび技法の動作とともに、ただ１つのタイプの命令またはプログラミング言語が利用されることは必要ではない。むしろ、任意の数の様々なプログラミング言語が、必要であるか、または望ましいとして、利用される場合がある。
【００２６】
コンピューティング環境は、他の取外しできる／取外しできない、揮発性／不揮発性のコンピュータ記憶媒体を含む場合もある。たとえば、ハードディスクドライブは、取外しできない不揮発性の磁気媒体に対して読み書きすることがある。磁気ディスクドライブは、取外しできる不揮発性の磁気ディスクに対して読み書きすることがあり、光ディスクドライブは、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光媒体などの取外しできる不揮発性の光ディスクに対して読み書きすることがある。例示的な動作環境において使用され得る、他の取外しできる／取外しできない、揮発性／不揮発性のコンピュータ記憶媒体には、限定はしないが、磁気テープカセット、フラッシュメモリカード、デジタル多用途ディスク、デジタルビデオテープ、半導体ＲＡＭ、半導体ＲＯＭなどが含まれる。記憶媒体は、通常、取外しできるまたは取外しできないメモリインターフェースを介して、システムバスに接続される。
【００２７】
コマンドおよび命令を実行する処理ユニット１６０は、汎用コンピュータプロセッサであり得るが、専用ハードウェア、マイクロコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、プログラム化マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、周辺集積回路要素、ＣＳＩＣ（カスタマ用途向け集積回路）、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、論理回路、デジタル信号プロセッサ、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、ＰＬＤ（プログラマブル論理デバイス）、ＰＬＡ（プログラマブル論理アレイ）などのプログラマブル論理デバイス、ＲＦＩＤプロセッサ、スマートチップ、または、本発明の実施形態のプロセスのステップを実装することが可能な任意の他のデバイスもしくはデバイスの配列を含む、多種多様な他の技法のいずれかを利用することがある。
【００２８】
本発明の実施形態は、図２Ａ〜図２Ｆに示されたように、金属ワイヤの溶融された先端に形成された金属粒子を介して金属構造物を形成する。図示されたように、所望の３Ｄ構造物の形成は、通常、ワイヤ１２０から溶融された単一の粒子２００の基板１３０への蒸着から始まる。粒子２００および後続の粒子は任意の形態を有してよいが、実質的に球形であると考えられてよい。前に蒸着された粒子に隣接して、さらなる粒子２０５、２１０が１つずつ蒸着され、各々の新しい粒子の形成からの熱が、隣接する粒子を部分的に溶融し、それらを一緒に溶解させる。所望の構造物のための単層上で互いに隣接する必要があるすべての粒子が蒸着されると、溶解された粒子２００、２０５、２１０の前の層の上に、粒子２１５、２２０、２２５の蒸着が１つずつ始まる。蒸着は、構造物全体が完成するまで、層ごとにこのように続く。構造物の各層は、構造物の所望の形状に応じて、様々な数の粒子から成る場合があり、上にある層の中の粒子は、下にある層の粒子の上に直接蒸着される必要はない（が、様々な実施形態では、必要があり得る）。
【００２９】
粒子の直径は、通常、各層の高さを決定し、そのため、構造物が形成され得る分解能を少なくとも部分的に規定する場合がある。粒子の直径は、金属ワイヤ１２０の直径、ならびに蒸着パラメータ（たとえば、電流レベル）を変更することによって変更される場合があり、このように、構造物の分解能はプロセスの間動的に制御される場合がある。一般に、高い分解能は構造物を形成するために必要な時間を増大させ、低い分解能はそれを減少させる。したがって、図３に示されたように、３Ｄ構造物のセクションは、厳しい機械公差を保持するために、またはより視覚に訴えるために高い分解能で製作される場合があり、他のセクションは、蒸着の速度を上げるために低い分解能で製作される場合がある。図３は、高い分解能の部分３１０によって少なくとも部分的に囲繞された低い分解能の部分３０５から成る、プリントされた構造物３００を描写する。図示されたように、低い分解能の部分３０５は、複数の大きい粒子３１５を含むか、または事実上それらから構成される場合があり、高い分解能の部分３１０は、複数の小さい粒子３２０を含むか、または事実上それらから構成される場合がある。部分３０５、３１０は、粒子の溶融中にそれらの間に残っている隙間からもたらされる粒子間の孔３２５を含む場合がある。
【００３０】
図４Ａおよび図４Ｂに示されたように、製作された３Ｄ構造物の多孔度は、少なくとも部分的に、隣接する粒子間の溶解の間隔および／または程度によって決定される場合がある。図４Ａは、（完成された部品では、その中の孔の少なくとも一部分であり得る）小さい多孔領域４００によって示された小さい多孔度をもたらす、密接に溶解された２つの粒子を描写し、図４Ｂは、大きい多孔領域４１０によって示された高い多孔度をもたらす、より小さい程度で一緒に溶解された２つの粒子を描写する。蒸着パラメータは、主に蒸着中に発生した熱量による粒子間の溶解度を決定するように変更される場合がある。熱が増大した場合、粒子間の溶解は大きくなり、多孔度は一般に低くなる。十分な熱が発生した場合、得られる構造物は実質的に多孔度をもたず、そのことは、特定の機械性状を実現するために好ましい場合がある。逆に、熱が少ないと、溶解は小さくなり、多孔度は高くなる。より多孔質の構造物は、通常、十分に緻密な構造物よりも低い重量を有する。熱量は蒸着中動的に制御される場合があるので、３Ｄ構造物のセクションは、意図的に、他のセクションよりも多孔質に作られる場合がある。たとえば、大きい３Ｄ構造物の内部通路には、多孔質のフィルタが含まれている場合がある。一般に、少ない加熱は少ない時間しか必要とせず、そのため、蒸着の速度は、多孔度が必要か、または構造物のセクション内で許容され得る場合、上げられる場合がある。多孔度が高い材料は、通常、伸長強度が低いが、良好な圧縮強度を実現することができる。構造物は、圧縮荷重内のエリアがいくらかの多孔度をもって製造され、より速い蒸着速度につながり、最終構造物の低重量にもつながる場合があるように、設計される場合がある。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、金属粒子は、電流を用いて金属ワイヤ１２０の先端を溶融することによって形成される。金属ワイヤ１２０は、実質的に円形の断面を有し得るが、他の実施形態では、金属ワイヤ１２０は、実質的に長方形、正方形、または楕円形の断面を有する。金属ワイヤ１２０の直径（または他の横断面寸法）は、蒸着の所望の性状に基づいて選ばれる場合があるが、一般に、おおよそ０．１ｍｍとおおよそ１ｍｍとの間であり得る。図１に示されたように、金属ワイヤ１２０は一方の電極であり、装置１００の金属基板１３０は他方の電極である。ワイヤ１２０が基板１３０と物理的に接触すると、２つは電気的にも接触する。細いワイヤ１２０の小さい表面積、ならびに基板１３０の表面およびワイヤ１２０の先端上の微細な欠陥に起因して、ワイヤ１２０と基板１３０との間に電気抵抗（すなわち、接触抵抗）が存在する。ワイヤ１２０と基板１３０との間の接触抵抗は、２つの電極（すなわち、ワイヤ１２０および基板１３０）の間を通る電流が遭遇する最も高い電気抵抗であり、接触点にあるローカルエリアは、式１（すなわち、ジュールの第１法則）に従って熱せられる。
【００３２】
Ｑ＝Ｉ２×Ｒ×ｔ  式１
【００３３】
発生する熱（Ｑ）は、ワイヤ１２０の先端を粒子に溶融し、粒子を隣接する粒子に溶解するために必要な熱を上回る。熱は、通った電流量（Ｉ）、ワイヤ１２０と基板１３０との間の接触抵抗（Ｒ）、および電流供給の継続時間（ｔ）によって決定される。（このように、本発明の実施形態は、電気アークおよび／またはプラズマの使用または発生なしに粒子を形成し、むしろワイヤの接触抵抗ベースの溶融を利用する。）電流および時間（Ｉおよびｔ）は、コントローラ１４５および電源１４０を介してプロセスの間制御される場合があり、本発明の様々な実施形態では、蒸着の速度を上げるために（長い継続時間の間の低い電流とは対照的に）短い継続時間の間の高い電流が利用される。必要な電流および継続時間は、所望の蒸着性状に依存するが、これらは、一般に、おおよそ１０アンペア（Ａ）からおおよそ１０００Ａまで、およびおおよそ０．０１秒（ｓ）からおおよそ１ｓまでの範囲であり得る。溶解された粒子の第１の層が完成した後、基板１３０と電気接触している粒子の前の層は、第２の電極として働く。プロセスが進むにつれて、１つの電極（金属ワイヤ１２０）は、ワイヤ１２０の先端からの金属が粒子を形成するために利用されるときに消耗される。
【００３４】
電極としての消耗可能金属ワイヤの使用は、ワイヤフィードストックが大きいスプールに格納され、蒸着プロセスを続けるために連続的に繰り出される場合があるという点でＧＭＡＷと同様である。このように、低いコストで容易に入手可能な多くの金属および合金のワイヤが存在する。ワイヤを繰り出し、ワイヤと電源との間の電気接触を行う機械的な動きのためのデバイスおよび技法も、当業者に知られている。蒸着された金属を酸化から防止するために、（Ａｒなどの）不活性ガスまたは（Ｎ２またはＣＯ２などの）準不活性ガスは、酸素を置換するために金属ワイヤ電極のまわりのエリアの上に流される場合がある。たとえば、ガスは、金属が高温にあるか、または、溶融されているときに、蒸着プロセスの間、たとえばおおよそ０．７ｍ３／ｈｒの速度で連続して流される場合がある。有利なことに、ガス流速は、遮蔽効果を与えて蒸着された金属が冷える速度を上げるために必要なガス流速を超えて上げられる場合がある。冷却速度も金属の得られる機械性状に影響を及ぼす場合があり、蒸着中の動的な制御により、構造物のセクションは様々な機械性状を有して製作される場合がある。たとえば、高い冷却速度は、硬度および摩耗抵抗を上げるために構造物の表面で使用される場合があり、一方、遅い冷却速度は、延性および強度を維持するために内部で使用される場合がある。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、基板電極１３０用の材料は、良好な導電性および蒸着さていれる金属との適合性のために選択される。基板１３０は、通常、消耗可能ではなく、したがって、損傷を受けず、通常の動作中交換される必要はない。基板材料は、蒸着された金属をそれに弱く接着することが可能になるように選ばれる場合があり、その結果、蒸着された金属の第１の層は、さらなる蒸着の間、基板１３０上の定位置に構造物を堅く保持する。たとえば、蒸着される金属が鋼鉄である場合、銅またはアルミニウムが基板１３０用の適切な材料であり得る。銅またはアルミニウムは高い導電性を有し、鋼鉄と合金せず、蒸着される金属の組成を変更せず、良好な熱伝導性を有し、そのため、蒸着エリアに発生する熱は迅速に奪われる場合があり、基板１３０を溶融する危険はない。基板１３０の表面仕上げはわずかに粗い場合があり、その結果、第１の層の金属は、基板１３０の細かい表面特徴（たとえば、擦り傷）に溶融し、弱い接着を可能にする。基板１３０の表面仕上げは、適切な量の接着力を与えるように選ばれる場合があり、その結果、構造物は蒸着中堅く保持されるが、蒸着の最後に基板１３０から完成した構造物を取り外すために妥当な力が使用される場合がある。基板１３０は、容易に交換可能に作られる場合があり、その結果、所望の蒸着金属用の適切な材料に変更される場合がある。
【００３６】
蒸着される粒子の形態は、金属ワイヤ１２０の直径、ならびに蒸着パラメータによって制御される場合がある。蒸着される粒子の直径は、通常、大体ワイヤ１２０と同じ直径である。粒子の直径は、粒子がまだ溶融されている間に、粒子にさらなるワイヤ１２０を繰り出すことによって増やされる場合がある。粒子の上部の形状は、たとえば、粒子の上部はワイヤの引き戻しを介してピークに引き込まれ得る場合、粒子がまだ溶融されている間にワイヤ１２０を引き戻すことによって影響される場合がある。粒子が部分的に冷えることが可能である場合、ワイヤ１２０は、粒子の上部を押して粒子を平らにするために使用される場合がある。粒子の形態のこれらの操作は、構造物の多孔度を変更するために使用される場合がある。
【００３７】
同様に、前に蒸着された粒子からまだ溶融されているワイヤの先端を引き戻すことは、図５Ａ〜図５Ｃに示されたように、ワイヤ１２０の先端の形態を制御するために使用される場合がある。本発明の様々な実施形態では、ワイヤ１２０が迅速に引き戻された場合、先端は鋭くとがる場合がある。図５Ａは、ワイヤ１２０の先端から溶融する粒子５００の最初の形成を描写する。図５Ｂでは、ワイヤ１２０は、まだ少なくとも部分的に溶融されている粒子５００から引き戻される。図示されたように、ワイヤ１２０の先端は、くびれ落ち始め、その直径を減少させる。図５Ｃは、粒子５００からの完全な引き戻しおよび分離の後のワイヤ１２０の鋭い先端５１０を示す。引き戻しの速度は、このように、ワイヤ１２０の先端の直径を制御するために使用される場合がある。先端の直径は、次の蒸着のためのワイヤ１２０の有効径なので、この制御されたくびれは、バルクのワイヤの直径よりも小さい直径を有する粒子を蒸着するために使用される場合がある。このようにして、大きいワイヤの直径を用いて、高い分解能の蒸着が可能である。図５Ｄ〜図５Ｆは、前の粒子を蒸着するときのワイヤの引き戻し速度を制御することにより、同じワイヤを使用して蒸着され得る様々なサイズの粒子５００を示す。
【００３８】
電流の供給の制御は、粒子の蒸着に影響を及ぼすために使用される場合がある。供給される電流の開ループ制御は、蒸着の前の継続時間とともに電力の所望の強度を選ぶことによって可能にされる。強度レベルは、一定の接触抵抗において特定の電圧または電流を実現するために、較正される場合がある。しかしながら、接触抵抗は、各蒸着場所において、および粒子の蒸着それ自体の間に変動する場合がある。したがって、開ループ制御は、蒸着中に多すぎる加熱か、または少なすぎる加熱をもたらす場合があり、粒子間の溶解が影響される場合がある。適正な較正を用いて、開ループ制御は、蒸着に成功するために使用される場合がある。本発明の他の実施形態では、閉ループ制御が使用される。閉ループ制御では、電圧および電流は蒸着中測定され、接触抵抗は、式２（すなわち、オームの法則）に従って計算される場合がある。
【００３９】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ  式２
【００４０】
接触抵抗は動的に計算されるので、供給される電流の電力は正確に制御される場合があり、したがって、蒸着中に加えられる正確な熱量をもたらして、所望の蒸着パラメータおよび／または粒子の特性を実現する。システムのインピーダンス応答を特定するために、蒸着回路のＤＣ電流に加えて、１ｍＶから１００ｍＶ程度の小さいＡＣ電流が供給される場合がある。インピーダンスも動的に測定され、フィードバック制御に使用される場合がある。閉ループ制御は、有益なことに、粒子の不完全な溶解に起因して失敗した部品を除去し、蒸着中の構造体への入熱を最小化する
【００４１】
蒸着の電気回路（すなわち、コントローラ１４５および電源１４０を介して基板１３０およびワイヤ１２０によって形成される回路）から測定され得るデータに加えて、補完データを収集するために、さらなるセンサが利用される場合がある。基板１３０の蒸着場所または装置１００もしくはプリントされた部品の他のポイントの温度測定値は、熱電対またはサーミスタなどの接触センサ、ならびに赤外線（ＩＲ）センサおよび光高温測定法などの非接触方法を使用して測定される場合がある。次いで、温度データは、所望の蒸着パラメータを保証するために、システム制御ループによって使用される場合がある。
【００４２】
ビルド面、すなわち、基板１３０またはプリントされている部品の粒子の前に蒸着された層を検出するために、他のセンサが使用される場合がある。ソナーまたは容量性応答システムは、表面をマップし、仕様にない任意のエリアを検出するために使用され、是正処置（たとえば、多孔度が高いか、または材料をなくしたエリア内のさらなる粒子の蒸着などの作り直し）を可能にすることができる。フィードバック制御用に収集されたすべてのデータは、ログ記録され、次いで、自動較正プロセスを開発して、任意の接続された装置１００の機能を改善するために、ネットワークレベルにおいて分析される場合もある。
【００４３】
本発明の実施形態において粒子ごとの蒸着機構を利用するために、設計プロセスは、ボクセル体系を使用するように適応される場合がある。３Ｄレンダリングモジュール１５５は、たとえば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアを使用して、所望の蒸着パラメータに基づいて、部品のある特定のセクションに性状を割り当てることができる。たとえば、部品の内部セクションはフィルタとして働くために多孔質であるべき場合、ＣＡＤ設計におけるそのセクションが選択される場合があり、ユーザは、所望な割合の多孔度などのパラメータに値を割り当てることができる。３Ｄレンダリングモジュール１５５用のボクセルベースの拡張と協力して、コンピュータ支援製造ソフトウェアは、所望のボクセル性状を、ユーザのＣＡＤ設計を実現するために必要なツールパスおよび蒸着パラメータに変換するために利用される場合がある。
【００４４】
ボクセルベース設計の別の例は、ヒートシンクの設計である。３Ｄレンダリングモジュール１５５によって利用されるＣＡＤ設計では、ユーザは、部品の特定のエリアを通って熱を向けるために、材料および密度などの性状を指定することができる。この概念は、複数の部片から、または複数の異なる蒸着を介して部品を作る必要なしに、同じ部品の熱に敏感なエリアを冷却し続けるために使用される場合がある。ボクセルベースの設計システムは、外面または内面のいずれかの表面組織の制御に活用される場合もある。表面は、部品に高摩擦面、効率的に冷却する高放射面を与えるか、電極に高導電性を与えるか、または表面コーティングの強化された接着を可能にするために、非常に大きい表面積で意図的に作られる場合がある。
【００４５】
正確な位置に粒子を蒸着するために、金属ワイヤ電極１２０および基板１３０は、ＣＡＭ機械ツールによって利用される方式と同様の方式で、コンピュータ制御機械式アクチュエータ１１０、１３５を用いて配置される場合がある。電気モータ、油圧モータ、または空気モータ、および線形アクチュエータ、ベルト、プーリー、リードスクリュー、ならびに他のデバイスの組み合わせを使用して、必要な動きを達成することができる多くの機械システムが存在する。一実施形態では、金属ワイヤ電極１２０は、上述されたように、Ｘ方向およびＹ方向における動きを可能にするガントリシステム１０５上に置かれる。基板電極１３０は、単独にＺ軸上を移動する。金属ワイヤ１２０の繰り出しは、別の独立したアクチュエータ制御源１２５によって制御される場合がある。蒸着に使用される電流のタイミング、継続時間、および電力は、コントローラ１４５によって制御される。コントローラ１４５からの信号によって制御される構造物の形成は、以下の例に従って進む場合がある。構造物は、各々が１単位の直径を有する８個の粒子から形成される単純な立方体である。
【００４６】
１．ガントリ１０５がＸＹ平面内の第１の場所（Ｘ０、Ｙ０）にワイヤ１２０を移動させる。
２．基板１３０がＺ軸内で金属ワイヤ１２０の先端に近い場所（Ｚ０）に移動する。
３．ワイヤ１２０が基板１３０に接触するまでソース１２５から繰り出される。
４．電流が電極（すなわち、基板１３０およびワイヤ１２０）を通って流れ、ワイヤ１２０の先端を溶融し、基板１３０上に金属粒子を形成する。
５．ガントリ１０５がＸＹ平面内の次の場所（Ｘ１、Ｙ０）にワイヤ１２０を移動させる。
６．ワイヤ１２０が基板１３０に接触するように繰り出され、電流が通され、別の粒子が形成される。
７．ガントリ１０５がＸＹ平面内でワイヤ１２０を移動させ、Ｘ１、Ｙ１およびＸ０、Ｙ１にさらに２つの粒子を形成する。
８．基板１３０が金属ワイヤ１２０から１単位離れて移動する（Ｚ１）。
９．ガントリ１０５がワイヤ１２０を（Ｘ０、Ｙ０）に移動させ、ワイヤ１２０はその下の粒子と接触するまでソース１２５から繰り出され、前に蒸着された粒子の上に新しい粒子が形成される。
１０．ガントリ１０５が各々の残っているＸＹの場所に順番にワイヤ１２０を移動させ、前の層の上の各々に粒子を蒸着する。
【００４７】
多くのＣＡＭツールのように、本発明の実施形態による金属ベースの積層造形プロセスは、単一の機械内で他のツールおよび／またはプロセスと組み合わされる場合がある。これの例は、金属蒸着ツールと一緒にガントリに取り付けられたポリマー押出成形ツールおよびフライスツールを有する、上述されたガントリタイプの機械である。このようにして、ポリマーと金属の組合せを使用して構造物を構築する速度を上げ、構造物のコストを低減し、または構造物のその部分に所望の性状を有する金属を使用して、ポリマーと金属の組合せからハイブリッド構造物が構築される場合がある。たとえば、本発明の実施形態によって製作された部品は、大部分が非導電性ポリマーから構築されるが、内部プリント金属電気回路も特徴とする構造物を有する場合がある。フライスは、構造物上で必要な任意の精度の表面を機械加工するために使用される場合がある。この概念は、単一の機械の中に任意の数のツールを含めて、必要な構造物の形成に必要な任意の動作を実施するように拡張される場合がある。
【００４８】
人間のユーザが関与することなく、自動化方式で複数の部品が連続して製作される場合がある。部品が完成した後、アームは基板１３０を横切り、部品を取り外し、それを収集エリアの中に蒸着することがある。基板１３０から前の部品および取り出しアームが取り除かれると、次の部品が製作される場合がある。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態では、３Ｄレンダリングモジュール１５５によって実施される蒸着パラメータのための計算は、金属ワイヤまたはポリマー繊維についての静的な直径値に基づく。しかしながら、上述されたように、供給された繊維の直径は可変の場合があり、これらの変動により、不十分なプリント性能、ワイヤフィーダ１１５の詰まり／目詰まり（たとえば、ノイズ）、または深刻な場合、装置１００の機械システムに対する損傷が引き起こされる場合がある。ワイヤ１２０の欠落を検出してソース１２５がいつ使い尽くされるかを判定することは望ましい場合もある。加えて、消耗されるワイヤ１２０の絶対長の正確な測定値は、ログ記録され、必要な全ワイヤ１２０およびプリントを完了する時間を良好に予測するアルゴリズムを開発するために使用される場合がある。
【００５０】
本発明の様々な実施形態では、ワイヤ１２０の使用（またはその欠落）を検知および追跡するために、装置１００は、ワイヤ１２０と接触する機械式車輪、または１２０のスムーズなビューを有する光学システムのいずれかを含むか、または事実上それから構成されるシステムを組み込む。図６は、プリント中にワイヤ１２０がソース１２５から繰り出されるときに、ワイヤフィーダ１１５内のあるポイントでワイヤ１２０と接触する車輪６１０を含む機械式ワイヤ追跡システム６００を概略的に描写する。ワイヤ１２０の動きは、車輪６１０に接続されたデジタルエンコーダによって記録される場合がある。ある期間中に利用されるワイヤ１２０の量は、エンコーダの読み出しから計算される場合がある。図示されたように、車輪６１０は、ワイヤ１２０に対して車輪６１０を押し付けるばね仕掛けのレバー６２０などの機構に接続される場合がある。このようにして、レバー６２０のたわみは、ワイヤ１２０の直径を計算するために使用される場合がある。車輪の動きの欠如または非常に小さい直径測定値は、通常、ソース１２５がワイヤ１２０の空の状態であることを示す。
【００５１】
図７は、本発明の様々な実施形態に組み込まれ得る、光学式ワイヤ追跡システム７００を描写する。光学式画像センサ７１０は、ワイヤの表面内の微細な変化に基づいてワイヤ１２０の動きを判定するために利用され、したがって、プリントプロセス中に利用されるワイヤ１２０の絶対長を測定するために使用される場合がある。センサ７１０に対向するワイヤ１２０の背面にある角度で置かれたライト７２０は、ワイヤ１２０によって遮られた光の面積に基づいて、ワイヤ１２０の直径を測定するために使用される場合がある。複数のセンサ７１０は、ワイヤ１２０に関して複数の軸における正確な測定値を提供するために使用される場合がある。ワイヤ追跡システム６００と同様に、ワイヤ１２０の動きおよび直径は、利用されたワイヤの全長を計算し、ソース１２５がいつワイヤ切れになるかを検出するなどのために使用される場合がある。
【００５２】
本発明の実施形態によるプリンタは、ワイヤフィーダ（たとえば、それのノズル）に対する詰まりまたは他の損傷を、大幅に大きすぎるワイヤが引き起こさないように防止するために、対妨害機構を組み込む場合もある。たとえば、ワイヤフィーダ１１５内、またはワイヤフィーダ１１５とソース１２５との間に、最大許容ワイヤ直径と一致する内径を有するリングが配置される場合がある。ワイヤ１２０はリングを通り抜ける場合があり、ワイヤ１２０が大きすぎる場合、ワイヤはリング内で動けなくなるか、または場合によってはプリントのためにフィーダ１１５を通り抜けることができない場合がある。この状態は、たとえば、ワイヤ追跡システム６００または７００によって検知され、オペレータに報告される場合がある。加えて、図８はそのようなリング８００の実施形態を描写する。図示されたように、リング８００は、内径に鋭い縁部を有する場合があり、その結果、ワイヤ１２０は、リング８００を通り抜けるとき、適正な直径に自動的に切り取られる場合がある。
【００５３】
いくつかのプリントされた部品、特に高い密度および／または可変もしくは複雑な幾何形状を有する部品は、プリント後、基板１３０から取り外すことが困難な場合がある。本発明の様々な実施形態では、犠牲構造物（または「ラフト」）は、部品の前に基板１３０上でプリントされ、基板１３０からの部品の取り外しを可能にするために利用される場合がある。様々な実施形態では、ラフトの構造物は、基板１３０への部品の固着を容易にし、プリント後の完成部品からのラフトの取り外しを容易にしながら、部品（すなわち、ワイヤ電極）と基板１３０との間の電気導電を可能にするように選択される。さらに、同じサイズおよび／または形状および／または内部構成を有するラフトは、大きく異なる幾何形状を有する部品のために利用され、それにより、基板１３０から異なる部品を取り外すための標準化されたプロセスを可能にすることができる−プリント後、ラフト（およびその上にプリントされた部品）が基板１３０から取り外され、次いで、ラフトが部品から取り外される。様々な実施形態では、ラフトは、たとえば、金属および／またはポリマーを含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成される場合がある。様々な実施形態では、ラフトは、装置１００によってプリントされないが、他の手段によって設けられる（たとえば、別の装置によって製作され、所望の部品をプリントする前に基板１３０に貼り付けられる（たとえば、接着される））。様々な実施形態では、ラフトは、その上で部品を製作するために利用される材料とは異なる１つまたは複数の材料を含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成される場合がある。たとえば、様々な金属を含むか、事実上それらから構成されるか、またはそれらから構成されるワイヤは、ラフトをプリントし、その上に１つまたは複数の部品をプリントするために利用される場合がある。
【００５４】
図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の実施形態によって製作されるラフト９００の概略上面図である。図示されたように、ラフトは、所望の部品のプリント前に基板１３０の上に（たとえば、ワイヤ１２０を使用して）プリントされた材料の１つまたは複数の層を含むか、または事実上それらから構成される場合がある。プリントされた部品からのラフトの後続の取り外しを容易にするために、ラフトは、図９Ａおよび図９Ｂに示されたように、たとえば、プリントされた材料の一連の帯９１０またはグリッドパターン９２０から成る場合がある。すなわち、様々な実施形態では、ラフト９００が材料の固体シートから成るのではなく、ラフト９００は、基板１３０とラフト９００上にプリントされた部品との間を通って延在する、１つまたは複数の開口を画定する。ラフト９００は、ラフト９００の上の部品をプリントするために利用されるワイヤ１２０に対応する（すなわち、同じ材料および／もしくは同じワイヤ直径および／もしくは蒸着状態の）ワイヤ１２０を利用してプリントされる場合があるか、またはラフト９００は、異なる材料、異なるワイヤ直径、および／もしくは異なる蒸着状態（たとえば、ワイヤ引戻し速度）を利用してプリントされる場合がある。
【００５５】
様々な実施形態では、ラフト９００は、少なくとも部分的に、それらの間にギャップ９４０をもつ厚さ９３０を有するプリントされたエリアから成る。厚さ９３０および／またはギャップ９４０のサイズは、ラフト９００とプリントされた部品および／または基板１３０との間の接着を制御するように選択される場合がある。代わりに、または加えて、ラフト９００のすべてまたは一部分の高さ（すなわち、垂直方向の厚さ）は、その上の部品の後続するプリントを容易にするように選択される場合がある。図９Ｃは、１つまたは複数の最下層９６０、１つまたは複数の中間層９７０、および１つまたは複数の最上層９８０から成る例示的なラフト９００の上にプリントされた部品９５０を描写する。最下層９６０は、たとえば、基板１３０の表面の任意の粗さまたは不均一さから部品を隔離するために、通常、部品をプリントするために利用される層の厚さよりも大きい厚さを有する場合がある。たとえば、プリントされた部品が、通常、おおよそ０．６ｍｍの厚さを有する層から成る場合、少なくともラフト９００の最下層９６０は、０．６ｍｍよりも大きい、たとえば１ｍｍよりも大きい、またはさらに大きい厚さを有する場合がある。図９Ｃの例示的なラフト９００は、通常、基板１３０または部品９５０のいずれとも機械的に接触しない１つまたは複数の中間層９７０も含んでいる。（１または複数の）中間層９７０は、たとえば、ラフト９００を通る電気導電も実現しながら、ラフト９００に構造的安定性を与えることができる。最上層９８０は、ラフト９００とラフトの上にプリントされた部品９５０との間の接着力を制御するように設計された構造物を有する場合がある。たとえば、最上層９８０の多孔度および／または最上層９８０のギャップ９４０のサイズは、ラフト９００と部品９５０との間の界面における表面積（および、したがって接着力）を減らすように増やされる場合がある。
【００５６】
本明細書に詳述されたように部品９５０がプリントされると、部品９５０およびラフト９００は、基板１３０から分離される場合がある。図１０Ａは、基板１３０からラフト９００を分離するためにブレード１０００が利用される、例示的な実施形態を示す。図１０Ｂに示されたように、基板１３０からのラフト９００の分離後、ラフトは部品９５０から剥がされる場合がある。
【００５７】
本発明の様々な実施形態によれば、プリント装置１００は、装置１００の自動化能力を活用するために、モジュール方式自動化製造ステーションの組立てラインに沿った単一の「ステーション」であり得る。たとえば、部品は、装置１００を利用してプリントされ、次いで、（たとえば、コンベアベルト、ロボットハンドラ、または同様のシステムを介して）仕上げステーション（たとえば、ロックタンブラ、振動ボックス、ビーズ噴出キャビネットなど）に、そこからＵＶライト、ケミカルなどによる自動消毒用の洗浄ステーションに、自動的に転送される場合がある。次いで、部品は、たとえば、ラップステーションに、次いで、それらが出るときに箱詰めされた部品にラベル付けする自動ラベラを有する包装ステーションに転送される場合がある。並列組立てラインは、プリントされた部品用の包装剤を製作する場合がある。たとえば、プリントされた部品の型は、完成部品にぴったり合うように包装用発泡体を成形するために利用される場合がある。成形された発泡体は、メインの組立てライン内の箱とともに包装システムに供給される場合がある。
【００５８】
本発明の様々な実施形態によれば、ワイヤ追跡システム６００、７００などのワイヤ追跡システム、ならびにラフト（たとえば、ラフト９００）および／または装置１００の他の部分は、非金属材料（たとえば、プラスチック）から成るワイヤを用いて、かつ／または非金属（たとえば、プラスチック）の物体をプリントするために利用される場合がある。
【００５９】
本明細書で使用された用語および表現は、限定ではなく説明の用語および表現として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および記載された特徴の任意の均等物またはそれらの部分を排除するものではない。加えて、本発明のいくつかの実施形態を記載すると、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、本明細書で開示された概念を組み込む他の実施形態が使用され得ることは、当業者に明らかであろう。したがって、記載された実施形態は、あらゆる点で、例示的に過ぎず、限定的ではないと考えられるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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