(57)【要約】  粉末生産方法は、延性材料を含む少なくとも１つの長形部材を用意することと、粒子を生産するように少なくとも１つの長形部材の端部を繰り返し切断するように構成される、回転式カッタまたは振動式カッタを用意することと、少なくとも１つの長形部材から粒子切り出して、複数の粒子を含む粉末を生産するように、少なくとも１つの長形部材またはカッタを、少なくとも１つの長形部材またはカッタのうちの他方に向かって前進させることとを含む。この方法によって生産される粒子は、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径を有することができる。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
延性材料を含む少なくとも１つの長形部材を用意することと、
粒子を生産するように前記少なくとも１つの長形部材の端部を繰り返し切断するように構成される、回転式カッタまたは振動式カッタを用意することと、
前記少なくとも１つの長形部材から前記粒子を切り出して、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する複数の粒子を含む粉末を生産するように、前記少なくとも１つの長形部材または前記カッタのうちの一方を、前記少なくとも１つの長形部材または前記カッタのうちの他方に向かって前進させること
を含む、粉末生産方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの長形部材を切断することは、少なくとも１つの所定の供給速度で前記少なくとも１つの長形部材を前記カッタに向かって前進させることと、少なくとも１つの所定の振動数または回転数で、前記少なくとも１つの長形部材から前記複数の粒子を切り出すように前記カッタを移動させることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カッタは、前記少なくとも１つの長形部材を受容するようにサイズ設定された少なくとも１つの開口部を備えた回転ディスクを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
複数の長形部材を用意することと、前記カッタを用いて前記複数の長形部材のそれぞれから粒子を同時に切り出すこととを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの長形部材は、引抜き成形された、断面が円形の金属ワイヤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの長形部材は、鋼、ニッケル、アルミニウム、またはチタンのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの長形部材は、１０μｍ以上の粒径または最大寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの長形部材は、１０μｍから２００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、目標粒度の１０％以内の粒径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記目標粒度は１０μｍから２００μｍの粒径を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、１５μｍから１００μｍの範囲にある粒径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の粒子のうちの少なくとも９９％の粒子が、１５μｍから１００μｍの範囲にある粒径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの長形部材を前記少なくとも１つのカッタに向かって前進させることは、第１の所定期間に第１の供給速度で前記少なくとも１つの長形部材を前進させることと、その後、第２の所定期間に第２の供給速度で前記少なくとも１つの長形部材を前進させることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の所定期間の間に前記粒子のうちの第１の複数の粒子が生産され、前記第１の複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、第１の目標粒度の１０％以内の粒径を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の所定期間の間に前記粒子のうちの第２の複数の粒子が生産され、前記第２の複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、前記第１の目標粒度とは異なる第２の目標粒度の１０％以内の粒径を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の目標粒度および前記第２の目標粒度に関する目標粒子粒度分布を選択することと、前記少なくとも１つの長形部材を前記カッタに向かって前進させる前に、前記選択された粒子粒度分布に基づいて前記第１の所定期間および前記第２の所定期間を決定することとをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの長形部材から前記粒子を切り出して前記粉末を生産することは、前記粒子に気孔を取り入れず、その結果、前記粒子の気孔率が前記長形部材の気孔率と実質的に同じになる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記粉末が生産される後に、熱、化学物質、および研磨力のうちの少なくとも１つを粒子に加えることによって、前記複数の粒子を球形化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
粒子を生産するように、延性材料を含む少なくとも１つの長形部材の端部を切断するように構成される、少なくとも１つの回転式または振動式のカッタであって、前記カッタは所定の振動数で前記カッタを振動または回転させるためのドライバを備える、カッタと、
前記少なくとも１つの長形部材を前記少なくとも１つのカッタに対して所望の位置に保持するための、少なくとも１つの支持体と、
前記少なくとも１つの長形部材を前記少なくとも１つのカッタに向かって前進させるように構成される、少なくとも１つのリニアアクチュエータと、
少なくとも１つのドライバおよび前記少なくとも１つのリニアアクチュエータに電気接続される、少なくとも１つのコントローラであって、前記コントローラは、インプット要素を備え、前記リニアアクチュエータに前記少なくとも１つの長形部材を前記カッタに向かって所定の供給速度で移動させ、前記カッタに前記所定の振動数で振動または回転させるように構成される、少なくとも１つのコントローラと
を備える、複数の粒子を含む粉末を生産するためのシステム。
【請求項２０】
前記所定の供給速度および前記所定の振動数は、前記インプット要素を備える前記コントローラによって受信される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの長形部材を切断することによって形成される複数の粒子を受容するように構成される収集容器をさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記収集容器は、前記粉末を前記収集容器中に吸引するように構成される真空装置を備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記収集容器は、前記少なくとも１つのコントローラに電気接続される１つまたは複数のセンサを備え、前記１つまたは複数のセンサは、生産される粉末の特徴を測定するように構成され、前記少なくとも１つのコントローラは、前記１つまたは複数のセンサによって検出される情報に基づいて、前記少なくとも１つのドライバの１つまたは複数の動作パラメータを修正するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記１つまたは複数のセンサは、平均粒子体積、中央粒子体積、粒子体積分布、粉末総重量、粉末総体積、または平均球形度のうちの少なくとも１つを検出するように構成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つのコントローラは、前記インプット要素によって目標粒子粒度を受信するように、また選択される粒度の粒子を生産するように前記供給速度および前記所定の振動数のうちの少なくとも１つを自動的に調節するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
選択される前記目標粒子粒度は、前記ドライバが動作している間に、ユーザによって動的に調節できる、請求項２５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１８年４月４日出願の米国仮特許出願第６２／６５２，４７３号、および２０１８年４月４日出願の米国仮特許出願第６２／６５２，４８３号の優先権を主張するものであり、各文献はここにその全体が援用される。
【０００２】
本開示は、粉末製造のためのシステムおよび方法、詳細には、粒子を形成するように押出し成形部材、引抜き成形部材、または延性部材を切断する装置を用いて、粒度分布が狭い粒子を含む粉末を製造するためのシステムおよび方法を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
設計された部品を迅速に高精度で生産するための好ましい手法として、３Ｄプリンティングまたはラピッドプロトタイピングなどの付加製造プロセスが幅広い支持を得ている。３Ｄプリンティング機は、ＥＯＳ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｇｒｏｕｐ、ＳＬＭ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ  Ｇｒｏｕｐ  ＡＧ、Ｃｏｎｃｅｐｔ  Ｌａｓｅｒ  ＧｍｂＨ、Ａｒｃａｍ  ＡＢ、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  Ｐｌｃ、３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．、ＥｘＯｎｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ＬＬＰ、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  Ｃｏ．、およびＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＧＥ  Ａｄｄｉｔｉｖｅ）を含む、いくつかの製造業者から市販されている。このような付加製造機および３Ｄプリンティング機は、粉末を、通常は金属粉末を、ツール、ダイ、機械類、自動車部品、装飾品、および同様の物品などの製造部品に変える。金属粉末は、例えば、ステンレス鋼、低合金鋼、ニッケル合金、チタン、および同様の材料を含むことができる。付加製造プロセスの広範な利用の観点から、金属粉末などの原料物質の必要が増大し続けることが予期される。
【０００４】
付加製造のための粉末は、従来から、プラズマアトマイズまたはガスアトマイズなどのアトマイズ技術によって作製されている。アトマイズは、概して、広範囲の粒度を有する粒子を含む粉末を生産する。一部の事例では、このようなアトマイズプロセスによって生産される粉末の約２０％から４０％だけが付加製造にとって利用可能（例えば、適切な粒度および形状）である。粉末の残りの６０％から８０％は、他の用途に用いられるか、リサイクルされるか、または廃棄される。
【０００５】
金属粉末を生産するための例示的なアトマイズ装置が、ここにその全体が援用される特許文献１に開示されている。アトマイズ装置は、ある量の溶融金属を保持するための冶金容器を含む。溶融金属は金属流の形態でアトマイズチャンバ中に導入され、金属流はノズル要素を通してアトマイズチャンバ中に至る。アトマイズチャンバでは、様々な向きのガス噴射が溶融金属流と接触し、接触によって溶融金属流が分割されて液滴を形成し、その液滴が凝固して粒状物になり、そうすることで、金属粒子が生産される。
【０００６】
特許文献１は、アトマイズ法によって粒度が０μｍから５００μｍの範囲にある粒子を含む粉末を生産することを開示している。形成された粒子の約７５％は粒度が１００μｍ未満であった。生産された粉末の３４．９％は粒度が０と４５μｍとの間であった。同様の歩留まりまたは粒子粒度分布を有する粉末を形成するための他の例示的なアトマイズ法が、特許文献２および特許文献３に開示されている。
【０００７】
一部の付加製造機には１５０μｍ程度の大きさの粒子を使用できるが、通常、付加製造プロセスは、粒度が約１５μｍから約１００μｍの範囲にある粒子を用いて実行される。多くの場合、アトマイズ法によって生産される粉末の大部分が、粒子が大き過ぎるかまたは不均一であり付加製造には適さないので、他の用途に使用しなければならない。さらに、３Ｄプリンティング機の効率および速度は、機械に入ってそこを通る粉末粒子の流量による影響を受けることがある。実質的に均一の粒度および形状の粒子を含む粉末は、概して、より良好な流動特性を有し、より簡単に機械を通って流れる。したがって、均一の粒度および形状の粉末を効率よく生産するための粉末製造プロセスは、３Ｄプリンティング機の動作効率を改善する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，６３２，３９４号
【特許文献２】米国特許第４，３８２，９０３号
【特許文献３】国際公開第８９／０５１９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現行の粉末生産方法によってもたらされる粒子粒度分布のばらつきおよび粒子均一性の欠如に鑑みて、狭い粉末粒度分布（ＰＳＤ：ｐｏｗｄｅｒ  ｓｉｚｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）および粒子均一性を有する粉末を生産するための装置および方法の必要がある。望ましくは、生産される粒子の大部分が付加製造プロセスで使用するのに適切であるべきである。３Ｄプリンティング機の動作効率を改善するために、気孔率が低く形状が均一な稠密粒子を生産するための方法の必要もある。本書で開示する装置および方法は、このような必要に対処するように設計される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様によれば、粉末生産方法は、延性材料を含む少なくとも１つの長形部材を用意することと、粒子を生産するように少なくとも１つの長形部材の端部を繰り返し切断するように構成される、回転式カッタまたは振動式カッタを用意することと、少なくとも１つの長形部材から粒子を切り出して、粉末を生産するように、少なくとも１つの長形部材またはカッタのうちの一方を、少なくとも１つの長形部材またはカッタのうちの他方に向かって前進させることとを含む。粉末は、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する複数の粒子を含む。
【００１１】
別の態様によれば、複数の粒子を含む粉末を生産するためのシステムは、粒子を生産するように、延性材料を含む少なくとも１つの長形部材の端部を切断するように構成される、少なくとも１つの回転式または振動式のカッタを含む。カッタは、所定の振動数でカッタを振動または回転させるためのドライバを含む。このシステムはさらに、少なくとも１つの長形部材を少なくとも１つのカッタに対して所望の位置に保持するための、少なくとも１つの支持体と、少なくとも１つの長形部材を少なくとも１つのカッタに向かって前進させるように構成される、少なくとも１つのリニアアクチュエータとを含む。システムはさらに、少なくとも１つのドライバおよび少なくとも１つのリニアアクチュエータに電気接続される、少なくとも１つのコントローラを含む。コントローラは、インプット要素を含み、リニアアクチュエータに少なくとも１つの長形部材をカッタに向かって所定の供給速度で移動させ、カッタに所定の振動数で振動または回転させるように構成される。
【００１２】
ここで、以下の番号を付した項目に、本発明の例を記載する。
【００１３】
項目１：延性材料を含む少なくとも１つの長形部材を用意することと、粒子を生産するように少なくとも１つの長形部材の端部を繰り返し切断するように構成される、回転式カッタまたは振動式カッタを用意することと、少なくとも１つの長形部材から粒子を切り出して、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する複数の粒子を含む粉末を生産するように、少なくとも１つの長形部材またはカッタのうちの一方を、少なくとも１つの長形部材またはカッタのうちの他方に向かって前進させることを含む、粉末生産方法。
【００１４】
項目２：少なくとも１つの長形部材を切断することは、少なくとも１つの所定の供給速度で少なくとも１つの長形部材をカッタに向かって前進させることと、少なくとも１つの所定の振動数または回転数で、少なくとも１つの長形部材から複数の粒子を切り出すようにカッタを移動させることとを含む、項目１に記載の方法。
【００１５】
項目３：カッタは、少なくとも１つの長形部材を受容するようにサイズ設定された少なくとも１つの開口部を備えた回転ディスクを有する、項目１または項目２に記載の方法。
【００１６】
項目４：複数の長形部材を用意することと、カッタを用いて複数の長形部材のそれぞれから粒子を同時に切り出すこととを含む、項目１〜３のいずれかに記載の方法。
【００１７】
項目５：少なくとも１つの長形部材は、引抜き成形された、断面が円形の金属ワイヤを含む、項目１〜４のいずれかに記載の方法。
【００１８】
項目６：少なくとも１つの長形部材は、鋼、ニッケル、アルミニウム、またはチタンのうちの１つまたは複数を含む、項目１〜５のいずれかに記載の方法。
【００１９】
項目７：少なくとも１つの長形部材は、１０μｍ以上の粒径または最大寸法を有する、項目１〜６のいずれかに記載の方法。
【００２０】
項目８：少なくとも１つの長形部材は、１０μｍから２００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する、項目１〜７のいずれかに記載の方法。
【００２１】
項目９：複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、目標粒度の１０％以内の粒径を有する、項目１〜８のいずれかに記載の方法。
【００２２】
項目１０：目標粒度は１０μｍから２００μｍの粒径を含む、項目９に記載の方法。
【００２３】
項目１１：複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、１５μｍから１００μｍの範囲にある粒径を有する、項目１〜１０のいずれかに記載の方法。
【００２４】
項目１２：複数の粒子のうちの少なくとも９９％の粒子が、１５μｍから１００μｍの範囲にある粒径を有する、項目１〜１１のいずれかに記載の方法。
【００２５】
項目１３：少なくとも１つの長形部材を少なくとも１つのカッタに向かって前進させることは、第１の所定期間に第１の供給速度で少なくとも１つの長形部材を前進させることと、その後、第２の所定期間に第２の供給速度で少なくとも１つの長形部材を前進させることとを含む、項目１〜１２のいずれかに記載の方法。
【００２６】
項目１４：第１の所定期間の間に粒子のうちの第１の複数の粒子が生産され、第１の複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、第１の目標粒度の１０％以内の粒径を有する、項目１３に記載の方法。
【００２７】
項目１５：第２の所定期間の間に粒子のうちの第２の複数の粒子が生産され、第２の複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、第１の目標粒度とは異なる第２の目標粒度の１０％以内の粒径を有する、項目１４に記載の方法。
【００２８】
項目１６：第１の目標粒度および第２の目標粒度に関する目標粒子粒度分布を選択することと、少なくとも１つの長形部材をカッタに向かって前進させる前に、選択された粒子粒度分布に基づいて第１の所定期間および第２の所定期間を決定することとを含む、項目１５に記載の方法。
【００２９】
項目１７：少なくとも１つの長形部材から粒子を切り出して粉末を生産することは、粒子に気孔を取り入れず、その結果、粒子の気孔率が長形部材の気孔率と実質的に同じになる、項目１〜１６のいずれかに記載の方法。
【００３０】
項目１８：粉末が生産される後に、熱、化学物質、および研磨力のうちの少なくとも１つを粒子に加えることによって、複数の粒子を球形化することをさらに含む、項目１〜１７のいずれかに記載の方法。
【００３１】
項目１９：粒子を生産するように、延性材料を含む少なくとも１つの長形部材の端部を切断するように構成される、少なくとも１つの回転式または振動式のカッタであって、カッタは所定の振動数でカッタを振動または回転させるためのドライバを備える、カッタと、少なくとも１つの長形部材を少なくとも１つのカッタに対して所望の位置に保持するための、少なくとも１つの支持体と、少なくとも１つの長形部材を少なくとも１つのカッタに向かって前進させるように構成される、少なくとも１つのリニアアクチュエータと、少なくとも１つのドライバおよび少なくとも１つのリニアアクチュエータに電気接続される、少なくとも１つのコントローラであって、コントローラは、インプット要素を備え、リニアアクチュエータに少なくとも１つの長形部材をカッタに向かって所定の供給速度で移動させ、カッタに所定の振動数で振動または回転させるように構成される、少なくとも１つのコントローラとを備える、複数の粒子を含む粉末を生産するためのシステム。
【００３２】
項目２０：所定の供給速度および所定の振動数は、インプット要素を備えるコントローラによって受信される、項目１９に記載のシステム。
【００３３】
項目２１：少なくとも１つの長形部材を切断することによって形成される複数の粒子を受容するように構成される収集容器をさらに備える、項目１９または項目２０に記載のシステム。
【００３４】
項目２２：収集容器は、粉末を収集容器中に吸引するように構成される真空装置を備える、項目２１に記載のシステム。
【００３５】
項目２３：収集容器は、少なくとも１つのコントローラに電気接続される１つまたは複数のセンサを備え、１つまたは複数のセンサは、生産される粉末の特徴を測定するように構成され、少なくとも１つのコントローラは、１つまたは複数のセンサによって検出される情報に基づいて、少なくとも１つのドライバの１つまたは複数の動作パラメータを修正するように構成される、項目２１または項目２２に記載のシステム。
【００３６】
項目２４：１つまたは複数のセンサは、平均粒子体積、中央粒子体積、粒子体積分布、粉末総重量、粉末総体積、または平均球形度のうちの少なくとも１つを検出するように構成される、項目２３に記載のシステム。
【００３７】
項目２５：少なくとも１つのコントローラは、インプット要素によって目標粒子粒度を受信するように、また選択される粒度の粒子を生産するように供給速度および所定の振動数のうちの少なくとも１つを自動的に調節するように構成される、項目１９〜２４のいずれかに記載のシステム。
【００３８】
項目２６：選択される目標粒子粒度は、ドライバが動作している間に、ユーザによって動的に調節できる、項目２５に記載のシステム。
【００３９】
本発明のこれらのおよび他の特性および特徴、ならびに、構造物の関連要素の動作方法および機能と、部品の組み合わせと、製造の経済性は、添付の図面を参照しながら以下の説明および添付の特許請求の範囲を検討する際により明らかになるであろう。添付の図面はいずれも本明細書の一部を成し、様々な図において同様の参照番号は対応する部分を指す。明細書および請求項では、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明白に異なる解釈を要する場合を除き、複数の指示対象を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本開示の一態様による粒子カッティング装置の概略側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの装置の概略正面図である。
【図２Ａ】本開示の一態様による、粒子装置用のカッティングダイの別の例の概略図である。
【図２Ｂ】本開示の一態様による、粒子装置用のカッティングダイの別の例の概略図である。
【図２Ｃ】本開示の一態様による、粒子装置用のカッティングダイの別の例の概略図である。
【図３】本開示の一態様による、粒子カッティング装置を用いて粒子を生産するための方法のステップを示すフローチャートである。
【図４Ａ】本開示の一態様による、粒子カッティング装置の別の例の概略上面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの装置の概略正面図である。
【図５】本開示の一態様による、粉末を生成するためのシステムの概略図である。
【図６Ａ】本開示の一態様による、図１Ａの旋盤装置を含む粉末製造システムを制御し、そのシステムからフィードバックを受信するためのユーザインターフェースの画面を示す。
【図６Ｂ】本開示の一態様による、図１Ａの旋盤装置を含む粉末製造システムを制御し、そのシステムからフィードバックを受信するためのユーザインターフェースの画面を示す。
【図６Ｃ】本開示の一態様による、図１Ａの旋盤装置を含む粉末製造システムを制御し、そのシステムからフィードバックを受信するためのユーザインターフェースの画面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の詳細な説明のために、本発明は、明白な反対の指定がある場合を除き、様々な代替の変更形態およびステップの順序を想定できることを理解されたい。さらに、別段の指示がある場合以外は、明細書および請求項で用いられる全ての数値表現、例えば、粒子の粒度、粒径、または最大寸法が、全ての例で用語「約（ａｂｏｕｔ）」によって修飾されていると理解されたい。したがって、反対の指示がある場合を除き、以下の明細書および添付の図面に記載される数値パラメータは、本発明によって得ることになる所望の特性に応じて変更できる概数である。最低限でも、また特許請求の範囲に対する同等物の原則の適用を制限する試みとしてではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告される有効数字の数に鑑みて、また一般的な丸め方法を行うことによって、解釈されるべきである。
【００４２】
本発明の広い範囲を説明する数値範囲およびパラメータは概数であるが、具体例に記載する数値は可能な限り正確に報告する。ただし、どの数値も本質的に、それぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を含む。
【００４３】
また、本書に記載のどの数値範囲も、そこに包含される部分範囲を全て含むものであることを理解されたい。例えば、「１から１０」の範囲は、記載された最小値１と記載された最大値１０との間にありそれらの数値を含むあらゆる部分範囲、すなわち、１以上の最小値から始まり１０以下の最大値で終わる全ての部分範囲およびそれらの間の全ての部分範囲、例えば、１から６．３、または５．５から１０、または２．７から６．１を含むものである。
【００４４】
本書では、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明白に異なる解釈を要する場合を除き、複数の指示対象を含む。
【００４５】
本書では、用語「上部（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、およびそれらの派生語は、図面中の発明品の向きを基準として用いるものとする。用語「近位（ｐｒｏｘｉｍａｌ）」は、物体のうちの、別の構造体によって保持されるかまたはそれに装着される部分を指す。用語「遠位（ｄｉｓｔａｌ）」は、物体のうちの、その「近位」端の反対の部分を指し、例えば、その物体のうちの、別の構造体によって保持されないかまたはそれに装着されない自由部分または自由端とすることができる。ただし、本発明は様々な代替の向きを想定でき、したがって、このような用語は限定的と解釈すべきでないと理解されたい。また、明白な反対の指定がある場合を除き、本発明は様々な代替の変更形態および段階の順序を想定できることを理解されたい。添付の図面に示され以下の詳細な説明に記載される、特定の装置およびプロセスは例であることも理解されたい。したがって、本書で開示する実施形態に関連する特定の寸法および他の物理的な特徴は限定的と解釈すべきでない。
【００４６】
本開示は、シャーリング装置および／またはカッティング装置１０、ならびに方法およびこのような装置１０のための制御システム１００を対象とする。カッティング装置１０、方法、および制御システム１００は、延性材料から形成された、ワイヤ、ケーブル、フィラメント、またはストランドなどの押出し成形部材または引抜き成形部材から、所望の粒度の粒子を切り出すことによって粉末を生産するように構成される。押出し成形部材または引抜き成形部材は、押出し成形または引抜き成形できる、金属および選択されたポリマーなどの延性材料から形成される粒子を含むことができる。生産される粒子は、３Ｄプリンティング機およびラピッドプロトタイピング機で使用するような付加製造プロセスに適切なものとすることができる。望ましくは、カッティング装置１０は、粒子粒度、形態アスペクト比、密度、気孔率および他の特徴に対して、他の製造プロセスによって提供できる制御よりも優れた制御を提供する。粒子粒度および形状に対する制御を強化することは、３Ｄプリンティング機およびラピッドプロトタイピング機で実行される製造プロセスなどの付加製造プロセスにとって特に有用であると考えられる。前に論じたように、このような付加製造プロセスは、概して、実質的に均一の形状を有する同様の粒度の粒子を有する相当量の粉末を必要とする。
【００４７】
一部の例では、カッティング装置１０は、粉末粒度分布（ＰＳＤ）が狭いかまたは厳しく制御された粉末を生産することができる。例えば、生産される粉末は複数の粒子を含み、粒子の少なくとも約９５％は２００μｍ未満の粒径または最大寸法を有し、好ましくは、粒子の少なくとも９５％は、粒度が約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する。理論的には、カッティング装置１０は、粒子の少なくとも９９％が１５μｍから１００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を有する粉末を生産することもできる。本書では、「最大寸法（ｍａｘｉｍｕｍ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）」は、粒子の反対側の各点の間の、粒子の軸に沿った、粒子の中心を通る、最大直線距離を指す。例えば、球形の粒子の場合、最大寸法と粒径とは同一である。円柱形、長円形、または矩形の粒子の場合、最大寸法は粒子の軸方向の長さになる。
【００４８】
一部の例では、粉末の少なくとも９５％の粒子は、目標粒度の１０％以内の粒径または最大寸法を有することができる。理論的には、本書で開示する方法は、粒子の９５％が目標粒度の１％以内の粒径または最大寸法を有する粉末を供給することもできる。目標粒度は、例えば、３Ｄプリンティングに最適な目標粒度とすることができる。理論に縛られるつもりはないが、３Ｄプリンティングに最適な粒度は、使用される材料およびプリンティング機に応じて、約１５μｍから１００μｍでよいと考えられる。例えば、カッティング装置１０は、粒子の９５％が４５μｍ±１０％の粒径または最大寸法を有する粉末を生産するために使用できる。カッティング装置１０は、２以上の目標粒子粒度を含む粉末を生産することもできる。例えば、粒子の５０％が第１の狭い粒度範囲内に収まり、粒子の５０％が、第１の粒度範囲とは異なる別個の第２の狭い粒度範囲内にある粉末を作ることもできる。例えば、粒子の５０％が２０μｍ±１０％の粒径または最大寸法を有し、粒子の５０％が８０μｍ±１０％の粒径または最大寸法を有する粉末を生産することもできる。カッティング装置１０は、選択された１つまたは複数の粒子粒度を有する粉末を生産できる。ユーザは、新たな粒子粒度をシステムに入力するだけで簡単に所望の粒子粒度または形状を変更することができる。
【００４９】
理論に縛られるつもりはないが、粒子の形状または形態は付加製造プロセス中の粒子流量に関係があると考えられる。具体的には、ある一定の均一の形状の粒子は、様々なまたは不均一の形状を有する粒子を含む粉末よりも容易に３Ｄプリンティング機を通って流れると考えられる。カッティング装置１０は、高感度で粒子の形態を制御する機構を提供する。したがって、カッティング装置１０は、付加製造プロセスにおける流量を増大させるのに最適な粒子を生産するために使用できる。
【００５０】
さらに、カッティング装置１０は、気孔を取り入れることなく様々な形態およびアスペクト比を有する粒子を生産することができる。形成される粒子の形態が満足の行くものではない場合、本書で開示する方法によって生産される粒子を、後処理技術によって所望の形状により良好に合うように（例えば、より球形になるように）することができる。さらに、本書で開示する方法によって生産される粒子は、概して、他の方法によって生産される粒子と比べて低い気孔率を有する。本書では、「低気孔率材料（ｌｏｗ  ｐｏｒｏｓｉｔｙ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」は、気孔、空洞、空所、開放部、または裂け目が実質的にない、内部の大部分またはバルク部分を有する材料である。具体的には、カッティング装置１０による粒子の形成が気孔を取り入れないので、本書で開示するカッティング装置１０および方法によって形成される粒子は、原料物質または長形部材１２と実質的に同じ気孔率を有する。カッティング装置１０によって形成される粒子はまた、アトマイズ法によって形成される粒子よりも稠密である。一部の事例では、付加製造により稠密の粒子を用いると、気孔を取り除くための成形品または印刷製品の後処理の必要を減らすかまたは無くすことができる。例えば、本書で開示する粉末を用いて作製された成形品は、付加製造中に現在行われるような熱間等方圧加圧法によって加工する必要を無くすことができる。
【００５１】
理論に縛られるつもりはないが、本書で開示する装置１０および方法は、アトマイズによって形成される粒子と比べて一定の化学的利点を有する粉末粒子を生産するとも考えられる。例えば、本書で開示する装置１０および方法は、粉末の形成中に原料物質または供給材料の相組成を変化させない。したがって、本書で開示する装置１０および方法を使用して、アトマイズに必要な追加のプロセスステップなしに、溶接不能な材料から粉末を形成できる。溶接不能な材料は、高融点金属の合金（例えば、７０００系アルミニウム合金）および高融点のエンジニアードポリマーを含むことができる。高融点材料は、このような材料から形成される析出物が加熱中または溶接中に溶体に再溶解する傾向があるので溶接不能な場合がある。その場合、溶体は、析出物を溶体外に戻すことができるように時効可能であることが必要になる。同様にして、高融点材料のアトマイズでも析出物が溶体に溶解する。析出物を再形成するために、一部のアトマイズプロセスは溶体を再度溶解し、他の手法（例えば、バインダジェッティング法およびコールドスプレ法の場合）は溶体全体の溶解を避ける。一方、特定の一例では、溶接不能な合金（例えば、７０００系アルミニウム）から形成される異形粉末は、コールドスプレ法によってプリントすることもできる。有益なことに、粉末粒子の相組成は形成プロセス中に保持される。相組成は、やはりコールドプロセスであるバインダジェッティング中でも維持されることになる。
【００５２】
回転式または振動式の粒子カッタ装置
図１Ａおよび図１Ｂにカッティング装置１０を示す。カッティング装置１０は、カッティング装置１０を通って延びる、押出し成形または引抜き成形された長形部材１２の端部から、所望の粒度の粒子を切り取るかつ／または切り出すことによって粒子を生産する。長形部材の数に限定の意図はないが、図１Ａおよび図１Ｂに示すカッティング装置１０は長形部材を８本含む。他の例では、生産速度および効率を上昇させるために、カッティング装置１０は、追加の長形部材を含むように適合することもできる。例えば、カッティング装置１０が長形部材１２を１２本以上含むこともできる。カッティング装置１０は、高精度でかつ高度に制御可能な状態で、長形部材１２から実質的に均一の所定の粒度またはＰＳＤの粒子を生産するように構成される。長形部材１２は、概して、引抜き成形品（例えば、ワイヤ、ケーブル、フィラメント、ロッド、ロッド、またはストランド）であり、その引抜き成形品は、第１の端部または近位端１４と、カッタアセンブリ２０によって切断されるように構成された第２の端部または遠位端１６と、近位端１４と遠位端１６との間を延びる長形の本体１８とを備える。
【００５３】
長形部材１２は延性材料から形成することができる。本書では、「延性材料（ｄｕｃｔｉｌｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」とは、細いワイヤまたはストランドになるように押出し成形または引抜き成形できる材料を指す。例えば、付加製造プロセスに適した粒度の粒子を生産するために、本書で言及する延性材料は、１０μｍ程度の粒径を有する細いワイヤになるように引抜き成形できる必要がある場合がある。一部の例では、長形部材１２の粒径は、１０μｍから２００μｍ、または好ましくは、１５μｍから１００μｍの範囲に収まることができる。延性材料は、概して、高品質またはプレミアム品質のものであり、汚染のない、既知の組成の未使用材料とすることができる。一部の例では、材料は再利用材料を含むことができる。材料は、鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、白金、レニウム、ニオブ、およびそれらの合金など、金属材料とすることができる。材料は、７０００系アルミニウムなど、高機能または高融点の合金とすることもできる。他の例では、長形部材１２は、押出し成形または引抜き成形できるポリマーを含むことができる。一部の例では、アトマイズ化による影響を受けることになる、析出硬化強化剤を有する材料は、難題をもたらすことなく、本明細書で開示する装置１０および方法と共に使用することができる。
【００５４】
カッティング装置１０はさらに、長形部材１２をカッタアセンブリ２０に向かって前進させるように構成される機械式供給アセンブリ２２を備えることができる。一部の例では、供給アセンブリ２２は、長形部材１２を解放するかまたは繰り出すように構成されたモータ２４を備える。例えば、モータ２４は、長形部材１２を受容する１つまたは複数の回転可能なスピンドル（図示せず）に機械連結することもできる。例えば、長形部材１２は、スピンドルに連結されるように構成されたスプールに巻いて供給することができる。モータ２４は、一様に切断しかつ粒子粒度を制御可能なように調整して長形部材１２を繰り出すように、スピンドルを回転させるように構成することもできる。一部の例では、供給アセンブリ２２は、長形部材１２を独立に繰り出すかまたは解放するように構成された、複数のかつ／または分散された供給モータ２４を備えることができる。例えば、各スピンドルを、異なるモータ２４に連結し、モータ２４によって駆動することもできる。その場合、スピンドルは、各長形部材１２の移動に対する制御を強化するために、独立に回転するように構成することができる。
【００５５】
一部の例では、カッティング装置１０はさらに、長形部材１２をカッタアセンブリ２０に対して所望の位置に保持するための支持体２６を備える。図１Ａに示すように、支持体２６は、供給アセンブリ２２とカッタアセンブリ２０との間に配置することができる。支持体２６は、複数の孔、開放部、隙間、空間、または開口部２８を含む、円形のダイとすることができ、開口部２８はそれぞれ長形部材１２の１つを受容するように構成される。開口部２８は、望ましくは、長形部材１２がカッタアセンブリ２０に向かって開口部２８を簡単に貫通できるように、長形部材１２の断面よりも少なくともわずかに大きい。
【００５６】
カッタアセンブリ２０は、概して、回転式または振動式のカッタ３０と、選択された振動数でカッタ３０を回転または振動させるための、関連付けられた機械式または振動式の構成要素とを備える。カッタ３０は、長形部材１２の遠位端１６を切断して粒子を生産するように構成することができる。カッタ３０は、平坦な近位の表面または側面３２と、対向する平坦な遠位の表面または側面３４とを含む、ディスク形の構造とすることができる。カッタ３０は、近位の表面または側面３２と遠位の表面または側面３４との間でカッタ３０を貫通する、複数の孔、開放部、隙間、空間、または開口部３６を含む。図１Ｂに示すように、開口部３６は、長形部材１２の遠位端１６を受容するように構成された円形の開放部とすることができる。他の例では、開口部３６は、正方形、ダイヤモンド形、三角形、または長円形など、他の形状とすることができる。
【００５７】
カッタ３０は、開口部３６の一部が長形部材１２の遠位端１６に接触するように、回転または振動するように構成される。接触から生じるせん断力によって、望ましくは、粒子が長形部材１２の遠位端１６から破断する。粒子を生成するのに十分にカッタ３０を回転させるために、カッタ３０は、回転型または振動型のドライブまたはドライブアセンブリ３８に機械連結することができる。回転式カッタ３０の場合、ドライブアセンブリ３８は、シャフト４２に機械連結されシャフト４２を回転させるように構成された、回転式または往復動式のモータまたは駆動装置（本書ではドライブ４０と称する）を備えることができる。シャフト４２は、例えば、選択された方向にカッタ３０を回転させるために、カッタ３０の遠位側面３４に装着することができる。例えば、ドライブ４０は、カッタ３０に（図１Ｂに示す）矢印Ａ１の方向の１周３６０度の回転など、フル回転させることができる。他の例では、ドライブ４０は、カッタ３０に、長形部材１２から粒子を生産するように往復揺動させることもできる。
【００５８】
粒子を形成するために回転力ではなく振動力をカッタ３０に加えるカッティング装置１０の場合、ドライブアセンブリ３８は、選択された振動数で振動するように構成された、共振構造などの振動式装置を備えることができる。振動数は超音波振動数とすることができる。例えば、共振構造は、共振に励起される同調ソノトロードを備えることができる。
【００５９】
図１Ｂに示すように、カッタ３０を貫通する開口部３６は円形である。さらに、開口部３６は、カッタ３０の側面３２、３４の外周に沿ってほぼ均等に配置される。図１Ｂに示すように、カッタ３０は開口部３６を８個含むことができ、開口部３６はそれぞれ、長形部材１２の１つを受容するように構成される。ただし、長形部材１２および開口部３６の数に限定の意図はない。その代わりに、一部の装置１０は、別々の１２本の長形部材１２を受容するように構成された開口部３６を１２以上含むことができる。他の例では、カッティング装置１０は、長形部材１２および開口部３６を１つだけ含むこともできる。図２Ａ〜図２Ｃに、異なる形状の開口部３６を含むカッタ３０を示す。例えば、図３Ａに示すカッタ３０では、開口部３６は三角形である。図２Ｂに示すカッタ３０では、開口部３６はダイヤモンド形である。図２Ｃのカッタ３０は長形スロットを含み、その長形スロットはそれぞれカッタ３０の半径に沿って延びる。開口部３６の形状が異なると、生産される粒子の形態が異なるものになると考えられる。形態が異なる粒子は、様々なタイプの付加製造機およびプリンティング機で使用するように適合することができる。例えば、現在では、ほとんどの用途で球形の粒子が望ましい。しかし、一部の用途では、ディスク形であるか、板状であるか、または平坦な面を有する粒子が望ましい場合がある。本書に記載するように、粒子の形態に対するより優れた制御が必要な場合は、例えば、粒子の球形度を上昇させるように粒子に後処理を行うことができる。
【００６０】
再び図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、カッティング装置１０はさらに粉末収集システム４４を備えることができる。粉末収集システム４４は、長形部材１２とカッタ３０との接触によって形成される粒子を受容するための収集容器またはホッパ４６を備えることができる。一部の例では、収集容器またはホッパ４６は重力供給式とすることができ、つまり、長形部材１２から形成される粒子は重力によってホッパ４６中に落下する。他の例では、粉末収集システム４４は、粒子を収集容器またはホッパ４６中に引き込む真空装置または陰圧源を備えることができる。例えば、粒子を長形部材１２から引き離し、ホッパ４６中に引き込むために、吸引器または真空ポンプ４８を設けることもできる。十分な量の粉末が生産されたときに、ホッパ４６を空にするためにも吸引器を使用できる。例えば、吸引器は、排出口または出口を通して、粒子をホッパ４６から引き出し、別の保管コンテナ中に引き込むために使用することもできる。
【００６１】
粉末生産方法
往復動式または回転式のカッティング装置１０および長形部材１２について説明してきたが、ここで、カッティング装置１０を用いて粉末を生産するための方法を詳細に説明する。粉末を生産する方法を実行するためのステップのフローチャートを図３に示す。一部の例では、図３の方法のステップの多くが、カッティング装置１０に関連付けられた自動制御システムによって自動的に実行される。具体的には、カッティング装置１０の動作パラメータを選択および調節するためのステップの多くを、自動的に実行することができる。一部の例では、形成予定の粉末について、ユーザがコントローラまたは制御システムに指示を与えてよい。例えば、ユーザは、形成予定の粉末に関して、目標の粒度、粒度分布、またはＰＳＤを手動で入力してよい。ユーザは、生産予定の粉末の総体積または総質量も入力できる。その場合、コントローラまたは制御システムは、選択された特徴を有する粉末を生産するための動作パラメータまたはプログラムを算出し、プログラムを実行するためにカッティング装置１０に動作指示を出すように構成することができる。指定量の粉末が生産され、プログラムが完了すると、コントローラまたは制御システムは、供給アセンブリ２２を停止し、一部の例では、粉末の生産が完了したことをユーザに通知するように構成することができる。
【００６２】
他の例では、この方法の一部の態様は手動で実行または制御することができる。例えば、ユーザは、カッティング装置１０のための動作パラメータを手動で入力し、カッティング装置１０を作動させて粉末の生産を開始し、十分な量の粉末が生産されたときにカッティング装置１０を手動で停止することができる。
【００６３】
粉末生産方法は、まず、ステップ３１０で、生産予定の粉末に関するインプットを受信または判定することを含むことができる。前に論じたように、インプットは、目標の粒子粒度または粉末粒度分布（ＰＳＤ）を含むことができる。インプットは材料のタイプ、材料の密度、長形部材の直径、またはカッティング装置１０の動作を制御するために必要な他の任意の特徴など、長形部材についての情報も含むこともできる。インプットは、生産されるべき粉末の量（例えば、総質量または総体積）についての情報を含むこともできる。
【００６４】
ステップ３１２で、長形部材１２がカッティング装置１０に用意される。例えば、長形部材１２は、スプールまたは同様の保持部材に用意することもできる。カッティング装置１０の使用中に供給アセンブリ２２が長形部材１２を繰り出すことができるように、スプールを供給アセンブリ２２の対応するスピンドルに装着することもできる。ステップ３１４で、長形部材１２はカッティング装置１０を通して供給できる。例えば、長形部材１２の端部１６は、支持体２６またはダイを通して、また回転式または振動式のカッタ３０の開口部３６を通して、供給することができる。
【００６５】
ステップ３１６で、この方法はさらに、生産予定の粉末に関するインプット（例えば、粒子粒度および粉末の総体積または総質量）、および、例えば、長形部材１２の特徴に基づいて、カッティング装置１０のための動作パラメータを決定することを含む。カッティング装置１０の動作パラメータは、例えば、供給アセンブリ２２の供給速度または繰り出し速度、およびカッタ３０の回転数または振動数を含むことができる。一部の例では、動作パラメータは、ルック−アップテーブルから取得できるか、または、所与の粒子粒度（例えば、粒径または最大寸法）および長形部材１２のタイプ（例えば、サイズおよび材料の組成）に関して最適化された動作パラメータをカッティング装置１０に提供する較正曲線もしくは較正式から算出できる。ルックアップテーブルおよび／または較正曲線の値は実験に基づいて決定することができる。あるいは、このような値は、例えば、長形部材１２とカッタ３０との間の相互作用をモデリングするためのコンピュータモデリングソフトウェアを用いて、数学的に導くことができる。
【００６６】
一部の例では、ステップ３１６はさらに、粒度が異なりかつ／または異なる形態を有する粒子を生産するように複数の動作パラメータを決定することを含むことができる。制御された独自の粉末粒度分布を有するように、粉末を生産することもできる。例えば、粒子の５０％が第１の目標粒度の１０％以内にあり、粒子の５０％が第２の目標粒子粒度の１０％以内にある粉末を生産することもできる。このような独自の粉末粒度分布を生み出すために、ステップ３１６は、第１の目標粒度の粒子を生産する第１の期間のための動作パラメータを決定することと、第２の目標粒度の粒子を生産する第２の期間のための動作パラメータを決定することとを含むことができる。ステップ３１６はさらに、選択された粒度分布を生み出すのに必要な、第１の期間および第２の期間の長さを決定することを含むことができる。例えば、第１の粒度粒子と第２の粒度粒子の所望の比が５０／５０である場合、各期間は同じでよい。別の比（例えば、２０／８０、３０／７０、または４０／６０）が必要な場合、第１の期間と第２の期間とは異なる場合がある。
【００６７】
目標粒子粒度または目標粒子分布を実現する動作パラメータが決定されると、ステップ３１８で、カッティング装置１０は、自動的にまたは手動で、決定された動作パラメータに従って粒子を生産するためのプログラムまたは指示を実行するように構成することができる。例えば、カッティング装置１０のための制御システム１００は、決定されたパラメータに関して、カッティング装置１０の動作パラメータを自動的に調節するように構成することもできる。他の例では、ユーザは、適切なインターフェース装置を用いて、カッティング装置１０のための動作パラメータを手動で選択または入力してよい。
【００６８】
ステップ３２０で、この方法はさらに、粒子を生産するようにカッティング装置１０を動作させるステップを含む。例えば、カッティング装置１０を動作させることは、長形部材１２をカッタ３０に向かって前進させることと、少なくとも１つの長形部材１２から粒子を切り出して粉末を生産するようにカッタ３０を回転または振動させることとを含むことができる。具体的には、粒子を生産するために、カッティング装置１０は、構成された動作パラメータに従って（例えば、所定の供給速度に従って）供給アセンブリ２２に長形部材１２を繰り出しさせることができる。カッティング装置１０は、所望の粒度または粒度範囲の粒子を生産するのに適切な、選択された回転数または振動数で、カッタ３０を回転または振動させることもできる。
【００６９】
ステップ３２２で、この方法はさらに、異なる目標粒度または目標形態を有する粒子を生産するように、粒子の生産中にカッティング装置１０の動作パラメータを変更することを含むことができる。例えば、前に論じたように、この方法は、決定された第１の期間の間は第１の供給速度および第１の回転数または振動数でカッティング装置１０を動作させることを含むことができる。第１の期間の後に、この方法は、異なる粒度の粒子を生産するようにカッティング装置１０の動作パラメータを自動的にまたは手動で変更することを含むことができる。
【００７０】
ステップ３２４で、カッタ３０と長形部材１２との接触から生産される粒子は、粉末収集システム４４によって収集される。例えば、粒子は、収集容器またはホッパ４６に重力によってかつ／または真空ポンプ４８からの吸引力によって引き込むことができる。
【００７１】
ステップ３２６で、収集された粒子は、収集容器またはホッパ４６に位置するセンサによって特徴を描写できる。例えば、センサを用いて、粒子の粒度、形状、および他の特徴を検出することができる。一部の例では、検出された特徴は、ステップ３１０で受信したユーザインプットと比較することができる。収集された粒子が受信したインプットと異なる場合は、そのような差を考慮に入れて、カッティング装置１０の動作パラメータを動的に調節することができる。
【００７２】
ステップ３２８で、一部の例では、粉末が生産される後に、この方法は、任意選択でさらに、例えば熱および／または研磨力を粒子に加えることによって、複数の粒子を球形化することを含む。本書では、球形化とは、球形にさらによく似た形になるように、形成される粒子の形状に影響を与えるための、いくつかの化学処理、熱処理、または機械加工のうちいずれかを指す。球形の粒子は、特に微細粒子の場合、概して、非球形の粒子よりも流量が豊富である。微細粒子は、概して、より大きい粒子と比較すると流動しにくい。微細粒子を球形にすると流量が改善される。また、本書で開示するカッティング装置１０および方法は、粒子の表面に汚染を持ち込むとは考えられず、粒子を球形化することは、粒子を精製しかつ／または汚染物が存在するならその汚染物を粒子の表面から取り除くことにもなる。
【００７３】
理論に縛られるつもりはないが、一定の付加製造プロセスには極めて均一の球形の粒子が好ましい場合があると考えられる。特に、現在利用可能なレーザ粉末床方式と共に使用する業界で、球形の粒子が好ましいことが多い。他の付加製造プロセスは、形態学が無関係の場合もあり、非球形の粒子が好まれることもある。前に論じたように、異なる形状および構成の開口部３６を含むカッタ３０を用いて、異なる非球形の粒子を得ることができる。また、非球形の粒子の形態をさらに制御するために、形成される粒子に他の加工技術を利用することもできる。
【００７４】
リニアカッタ装置
図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、複数の長形部材２１２から粒子を生産するためのカッタ装置２１０の別の例が示されている。先の例の通り、カッタ装置２１０は、長形部材２１２をカッティングアセンブリ２２０に向かって前進させるための供給アセンブリ２２２を備える。先の例の通り、カッティングアセンブリ２２０は、切断中に長形部材２１２を受容および支持するためのダイまたは支持体２２６を備える。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、長形部材２１２は、円形パターンではなく、線形の配列を形成するように、直線的に配置される。線形に配置された長形部材２１２を収容するために、支持体２２６は、線状に配置された開口部２５０または貫通孔を備える。開口部２５０はそれぞれ、長形部材２１２の１つを受容する。例えば、図４Ａに示すように、支持体２２６は矩形構造であり、その矩形構造は、平坦な近位の表面または側面２５２と、対向する平坦な表面または側面２５４とを備える。支持体２２６はさらに、対向する平坦な側面２５２と２５４との間を延びる開口部２５０を備える。
【００７５】
前に論じたように、カッティング装置２１０は供給アセンブリ２２２を含む。一部の例では、供給アセンブリ２２２は、前に説明した例と比べて単純化することができる。具体的には、線状に配置される長形部材２１２の前進または繰り出しの制御は、先の例の通り長形部材１２が円形パターンに配置される場合よりも簡単な場合があると考えられる。例えば、線形に整列された長形部材２１２が同一方向（図４Ａに矢印Ａ２で示す方向）に同一速度で前進するので、供給アセンブリ２２２は、全ての長形部材２１２を前進させるための共通の供給モータ２２４を１つ含むだけでよい。一方、長形部材２１２を円形に配置すると、複数のまたは分散されたモータを必要とする場合があり、そうすることで、カッティングアセンブリ２２０に向かう別々の長形部材２１２の前進を独立に制御することができる。
【００７６】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、カッタ装置２１０は、先の例の円形の回転式カッタ３０の代わりに往復動カッタ２３０を用いる。往復動カッタ２３０は、矢印Ａ３で示すように、直線上を往復移動する。カッタ２３０は、長形部材２１２を受容するように配置された開口部２３６を含む矩形構造（図４Ｂに示す）とすることができる。開口部２３６は、円形、長円形、矩形、または他の任意の好都合な形状とすることができる。開口部２３６は長形スロットを備えることもできる。先の例の通り、開口部２３６の形状は、カッタ装置２１０によって生産される粒子の形態に影響を与えることができる。
【００７７】
カッタアセンブリ２１０はさらに、矢印Ａ３で示す通りカッタ２３０を往復移動させるようにカッタ２３０に連結されたドライブ２３８を備えることができる。図１Ａおよび図１Ｂに示すカッタ２３０の回転運動とは異なり、ドライブ２３８は、線形超音波励起によってカッタ２３０を往復揺動させるように構成することができる。先の例の通り、駆動機構は、所定の速度でカッタ２３０を振動および／または揺動させるように構成することができる。カッタ２３０の移動速度は、生産される粒子の粒度および形態に影響を与えることができる。一部の例では、ドライブ２３８は、予め選択された共振に励起される、同調ソノトロードなどの共振構造を備えることができる。共振構造は、粒子を形成するためにカッタ２３０を長形部材２１２に接触させるように、カッタ２３０の振動力に影響を与えるように構成することができる。
【００７８】
より具体的には、カッティング装置２１０を用いて粒子を生成するために、長形部材２１２が供給アセンブリ２２２に用意される。例えば、長形部材２１２のスプールまたは同様の保持部材を、供給アセンブリ２２２の回転可能なスピンドルに取り付けできる。次いで、長形部材２１２は、支持体２２６またはダイの開口部２５０または開放部を通ってカッタ２３０に向かって供給できる。使用の際には、供給アセンブリ２２２によって、長形部材２１２の一部が支持体２２６またはダイを通ってカッタ２３０の開口部２３６に突出する。カッタ２３０は、開口部２３６が長形部材２１２の遠位端２１６にせん断力を加えるように、揺動または振動するように構成することができる。長形部材２１２の遠位端２１６にせん断力が加えられると、長形部材２１２から粒子が生産される。生産される粒子は、先の例で説明したように、粉末収集システム２４４によって収集することができる。例えば、粒子は、重力によって収集容器またはホッパ２４６中に落下できる。その代わりにまたはそれに加えて、長形部材２１２とカッタ２３０との接触によって形成される粒子を収集容器またはホッパ２４６中に引き込むために、真空ポンプ２４８を使用することができる。
【００７９】
粉末生産システム
カッティング装置１０、２１０および粉末を生産する方法の特性を説明してきたが、ここで、粉末を生産するようにカッティング装置１０を制御するための制御システム１００の電気要素を詳細に説明する。システム１００の概略図を図５に示す。システム１００は長形部材１２を含むカッティング装置１０を備え、長形部材１２は、粒子を生産するようにカッタ３０によって接触されるように構成される。システム１００はさらに、カッティング装置１０の電気機械部品に電気的に接続されるコントローラ１１０を備える。例えば、コントローラ１１０は、少なくとも、供給アセンブリ２２と、カッタ３０に接続されたドライブアセンブリ３８とに電気的に接続される。コントローラ１１０は、カッティング装置１０のコンピュータプロセッサ、またはカッティング装置１０と有線通信もしくは無線通信する別個の電子デバイスのプロセッサとすることができる。例えば、図５に示すように、コントローラ１１０は、当技術分野で知られているように、コンピュータタブレット、端末、ラップトップ、デスクトップ、または同様のコンピュータ装置など、携帯型または据え置き型のコンピュータ装置１１２に関連付けることができる。
【００８０】
コントローラ１１０は、ユーザの選択および動作指示を受信するための１つまたは複数のインプット要素１１４に接続することもできる。例えば、インプット要素１１４は、カッティング装置１０のボタンおよび／またはタッチ画面表示器を備えることができる。他の例では、インプット要素１１４は、携帯型または据え置き型のコンピュータ装置１１２のキーボード、マウス、タッチ画面表示器、または同様のデータ入力アクセサリとすることもできる。他の例では、インプット要素１１４は、遠隔電子デバイスおよびネットワークからの指示を受信するように構成された、有線または無線の通信インターフェース１１６とすることができる。例えば、ユーザは、遠隔コンピュータ装置を用いて指示を入力してよい。入力される指示は、コントローラ１１０によって通信インターフェース１１６を介して伝達および受信することができる。
【００８１】
一部の例では、少なくとも１つのコントローラ１１０は、インプット要素１１４を介してユーザからの動作指示を受信する。動作指示は、カッティング装置１０のための手動で入力される動作パラメータを含むことができる。例えば、ユーザは、コンピュータ装置１１２のインプット要素１１４を用いて、供給速度または振動数もしくは回転数を手動で入力してよい。その場合、コントローラ１１０は、手動で入力されたパラメータに従ってカッティング装置１０を動作させるように、カッティング装置１０に指示を送信するように構成することができる。
【００８２】
他の例では、図３のステップ３１０に関連して説明したように、ユーザは、生産予定の粒子または粉末についての情報を入力する。例えば、ユーザは目標粒子粒度または目標粒子粒度分布を入力することができる。コントローラ１１０は、ユーザから受信されるインプットに基づいてカッティング装置１０のための動作パラメータを決定するように構成することができる。例えば、動作パラメータは、ルックアップテーブルまたは較正曲線の値から、また目標の粒子粒度または分布および長形部材１２の特徴に基づいて、決定または算定することができる。新たな動作パラメータが判明または決定されると、コントローラ１１０は、カッティング装置１０が新たな動作パラメータに従って動作するように、カッティング装置１０の動作パラメータを設定または調節するように構成することができる。
【００８３】
一部の例では、システム１００はさらに、コントローラ１１０に電気的に接続されるセンサ１１８、１２０を備える。例えば、システム１００は、収集容器またはホッパ４６の近くにまたはその中に配置されるセンサ１１８を含むことができる。センサ１１８は、生産される粒子の特徴を表す情報を検出するように構成することができる。例えば、センサ１１８は、収集容器４４に落下する粒子がセンサ１１８の視野内を通るように、収集容器またはホッパ４６の開放部の近くに配置することもできる。センサ１１８は、視野内を通る粒子についての情報を検出するように構成することができる。例えば、このようなセンサ１１８は、粒子の平均粒子体積、中央粒子体積、粒子体積分布、または平均球形度を含む、粒子の特徴を測定するように構成することができる。システム１００は、生産される粉末の質を測定するための、ホッパ４６内に配置されるかまたはそれに関連付けられるセンサ１２０を含むこともできる。例えば、センサ１２０は、生産される粉末の総質量を測定するためのスケールを備えることができる。センサ１２０は、生産される粉末の総体積を測定するように構成することもできる。
【００８４】
一部の例では、コントローラ１１０は、センサ１１８、１２０によって検出された情報を受信し、受信された情報に基づいてカッティング装置１０のための動作パラメータを調節するように構成することができる。このように、センサ１１８、１２０に関する情報は、カッティング装置１０の動作を最適化または調節するためのフィードバックループとして使用することができる。例えば、センサ１１８、１２０からの、生産されている粒子の特徴についての情報を用いて、カッティング装置１０によって生産されている粒子の特徴を描写することができる。検出された情報に基づいて、平均粒子体積または平均粒度が予期または目標の粒子体積または粒度とは異なるとコントローラ１１０が判定する場合、コントローラ１１０は、このような差を考慮に入れるようにカッティング装置１０の動作パラメータを調節するように構成することができる。例えば、生産されている粒子が目標粒子粒度よりも大きいと判定される場合、カッタ３０の振動数または回転数を増大させて、カッタ３０の開口部または孔が長形部材１２と接触状態にある時間を短縮することもできる。同様に、長形部材の繰り出し速度または供給速度は、長形部材１２がカッタをより迅速に貫通するように増大することもできる。回転速度および／または供給速度を上昇させることは両者とも、より小さい粒子を生産することが予期される。
【００８５】
粉末を生産するシステムのためのユーザインターフェース
一部の例では、システム１００はさらに、コントローラ１１０と有線通信または無線通信するユーザインターフェースモジュール１２４を備える。概略的には、ユーザインターフェースモジュール１２４は、目標粒子粒度および粒子の他の特徴についてのインプットなど、ユーザインプットを受信する。コントローラ１１０は、それらインプットを処理し、前述のように、少なくとも部分的に、受信されたユーザインプットに基づいて、カッティング装置１０の動作を制御することができる。コントローラ１１０は、形成されている粒子および／または製造プロセスについての通知およびフィードバックをユーザインターフェースモジュール１２４に提供することもできる。例えば、コントローラ１１０は、製造プロセスの様々な面が完了したときに通知を発することができる。コントローラ１１０は、粉末形成プロセスの進捗をモニタリングし、例えば、残り時間を見積もることもできる。このような情報および通知は、ユーザインターフェースモジュール１２４に提供することができる。ユーザインターフェースモジュール１２４によって、視覚的表示器１２６などのフィードバック装置がユーザに情報を提供できる。
【００８６】
ユーザインターフェース１２４は、ユーザからインプットを受信しユーザにフィードバックを提供するための、いくつかのアプリケーション画面またはページを含むことができる。このような画面の例を図６Ａ〜図６Ｃに示す。
【００８７】
図６Ａに、カッティング装置１０のための初期インプット画面６１０の一例を示す。初期インプット画面６１０は、生産される粉末についての情報をユーザが入力できるデータ入力フィールドをいくつか備えることができる。例えば、画面６１０は、ユーザが目標粒子粒度を入力するフィールド６１２を１つまたは複数備えることができる。画面６１０は、特定の粒度にすべき粒子の割合をユーザが指定するフィールド６１４を含むこともできる。例えば、図６Ａに示すように、粒子の５０％は粒径が約２５μｍにすべきであり、粒子５０％は約５０μｍにすべきであると、ユーザが指定することができる。ユーザは、生産予定の粉末に関するインプットを入力することもできる。例えば、画面６１０は、必要とされる粉末の総質量をユーザが入力するフィールド６１６を含むことができる。一部の例では、画面６１０は、長形部材１２についての情報（例えば、材料の組成および／または直径）を入力するためのセクション６１８を含むこともでき、その情報は、カッティング装置１０のための動作パラメータを判定するために使用できる。他の例では、前に論じたように、長形部材１２についての情報は、カッティング装置１０に関連付けられたセンサによって自動的に判定することができる。一部の例では、セクション６１８は、例えば、ユーザが（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル合金、およびチタンを含むリストから）原料物質を特定できるようにする、ドロップダウンリストまたはドロップダウンメニューを含むこともできる。
【００８８】
図６Ｂに、カッティング装置１０が使用中の間にユーザに提示できる画面６３０を示す。例えば、画面６１０に提示されるユーザインプットを用いて、カッティング装置１０による粉末を生産するプログラムの実行の進捗状況をユーザに知らせるために、画面６３０をユーザに示すことができる。使用中の画面６３０は、生産されている粉末についての累積的情報を有するセクション６３２を備えることができる。例えば、セクション６３２は、平均粒子粒径、平均粒子体積、平均球形度、および同様の情報を含む、生産される粒子の特徴に関するリアルタイムデータを含むことができる。画面６３０は、プログラム完了に向かった進捗についての情報を有するセクション６３４を含むこともできる。例えば、セクション６３４は、その時点で生産済みの粉末の総質量または総体積についての情報を含むこともできる。セクション６３４は、例えば、必要な粉末の総体積または総質量が生産されるまでの推定時間を示すカウントダウンタイマ６３６を含むこともできる。
【００８９】
図６Ｃにプログラム完了画面６５０を示す。このプログラム完了画面６５０は、カッティング装置１０が初期のユーザインプットに従った粉末の用意を完了した後でユーザに表示することができる。画面６５０は、例えば、プログラムが完了したことをユーザに知らせる、文字通知６５２を含むことができる。画面６５０はさらに、例えば、要した総時間、生産された粉末の総質量、または生産された粉末の総体積を含む、完了したプログラムに関する統計値を有するセクション６５４を備えることができる。例えば、画面６５０はさらに、例えば生産された粉末の粉末粒度分布（ＰＳＤ）を示すグラフ６５６を備えることができる。画面６５０は、例えば、平均粒子粒径、平均粒子体積、または平均球形度を含む、粉末の粒子についての情報を有するセクション６５８を含むこともできる。粒子の特徴についての情報は、前述のように、収集容器またはホッパ４６に関連付けられたセンサによって収集することができる。
【００９０】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに基づいて、例示のために本発明を詳細に説明してきたが、このような詳細は単に例示目的であることと、本発明は開示した実施形態に限定されず、逆に、修正および均等な構成を包含するものであることを理解されたい。さらに、本発明は、可能な限り、任意の実施形態の１つまたは複数の特性を他の任意の実施形態の１つまたは複数の特性と組み合わせできることを企図すると理解されたい。
【符号の説明】
【００９１】
１０  カッティング装置
１２  長形部材
１４  近位端
１６  遠位端
１８  本体
２０  カッタアセンブリ
２２  供給アセンブリ
２４  モータ
２６  支持体
２８  開口部
３０  カッタ
３２  側面
３４  側面
３６  開口部
３８  ドライブアセンブリ
４０  ドライブ
４２  シャフト
４４  粉末収集システム
４６  ホッパ
４８  真空ポンプ
１００  システム
１１０  コントローラ
１１２  コンピュータ装置
１１４  インプット要素
１１６  通信インターフェース
１１８  センサ
１２０  センサ
１２４  ユーザインターフェースモジュール
１２６  視覚的表示器
２１０  カッティング装置
２１２  長形部材
２１６  遠位端
２２０  カッティングアセンブリ
２２２  供給アセンブリ
２２４  供給モータ
２２６  支持体
２３０  カッタ
２３６  開口部
２３８  ドライブ
２４４  粉末収集システム
２４６  ホッパ
２４８  真空ポンプ
２５０  開口部
２５２  側面
２５４  側面
６１０  画面
６１２  フィールド
６１４  フィールド
６１６  フィールド
６１８  セクション
６３０  画面
６３２  セクション
６３４  セクション
６３６  カウントダウンタイマ
６５０  画面
６５２  文字通知
６５４  セクション
６５６  グラフ
６５８  セクション
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2021520452.tif 000012
【図６Ｂ】
2021520452.tif 000013
【図６Ｃ】
2021520452.tif 000014
【国際調査報告】
2021520452.tif 000015
2021520452.tif 000016