(57)【要約】  粉末生産方法は、長形加工物を用意することと、粉末を生産するように、少なくとも１つの所定の振動数に従って、長形加工物の外面を往復動カッタと繰り返し接触させることとを含む。粉末は、生産される粒子の少なくとも９５％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、複数の粒子を含む。カッタおよび少なくとも１つのコントローラを含む、複数の粒子を有する粉末を生産するためのシステムもここに提供される。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長形加工物を用意することと、
複数の粒子を含む粉末を生産するように、少なくとも１つの所定の振動数に従って、前記長形加工物の外面を往復動カッタと繰り返し接触させることであって、生産される粒子の少なくとも９５％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よう、繰り返し接触させることと
を含む、粉末生産方法。
【請求項２】
前記長形加工物は、注型成形材料、鍛造材料、または押出し成形可能な材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記長形加工物は鍛造金属ロッドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記鍛造金属ロッドは、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のうちの１つまたは複数を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記長形加工物は、ウラン、希土類元素、ポリマー、およびセラミックのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
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７】
前記目標粒度は、約１５μｍから約１００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、約１５μｍから約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９】
前記複数の粒子のうちの少なくとも９９％の粒子が、約１５μｍから約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１０】
少なくとも１つの所定の振動数に従って、前記長形加工物を前記カッタと繰り返し接触させることは、所定の第１の期間中に、第１の振動数に従って前記長形加工物を接触させ、その後、所定の第２の期間中に、前記第１の振動数とは異なる第２の振動数に従って前記長形加工物を接触させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の振動数に従って前記長形加工物を繰り返し接触させることは、第１の複数の粒子を生産し、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％以内の粒径または主寸法を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の振動数に従って前記長形加工物を繰り返し接触させることは、第２の複数の粒子を生産し、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％以内の粒径または主寸法を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１の目標粒度の粒子および第２の目標粒度の粒子を含む目標粒子粒度分布を選択することと、前記少なくとも１つのカッタによって前記長形加工物を接触させる前に、選択された粒子粒度分布に基づいて、前記第１の期間および前記第２の期間を決定することと
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
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、前記複数の粒子が前記長形加工物の気孔率と実質的に同じ気孔率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記長形加工物が前記カッタによって接触されるときに、選択された回転速度で前記長形加工物を回転させることをさらに含み、前記回転速度は、生産予定の目標粒子粒度に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記長形加工物を少なくとも１つのカッタと繰り返し接触させることは、前記長形加工物の第１の部分を第１のカッタと接触させることと、前記長形加工物の第２の部分を第２のカッタと接触させることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記粉末が生産される後に、熱、研磨力、および化学物質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１８】
前記複数の粒子を前記長形加工物から除去するのを助けるために、前記長形加工物を前記カッタと接触させる間に、前記長形加工物をレーザ光に曝露することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
長形加工物から粒子を除去するように、前記長形加工物の外面に接触するように構成される、少なくとも１つのカッタと、
前記カッタを往復移動させて前記長形加工物と接触解離させるように構成される、前記少なくとも１つのカッタに機械連結される、少なくとも１つのドライバと、
前記少なくとも１つのドライバに電気接続される、インプット要素を備える、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、前記インプット要素から受信される１つまたは複数の動作パラメータに従って、前記ドライバが前記カッタを往復移動させて前記長形加工物と接触解離させるように構成され、前記長形加工物と前記カッタとの繰り返しの接触が複数の粒子を含む粉末を生産する、少なくとも１つのコントローラと
を備え、
前記複数の粒子の少なくとも９５％は、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径を有する、
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】
前記動作パラメータは、前記長形加工物の回転速度、前記カッタの往復振動数、または前記長形加工物に対する前記カッタの振幅のうちの１つまたは複数を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記カッタと前記長形加工物との前記繰り返しの接触によって形成される前記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つのドライバの前記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２２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、前記粒子の平均粒子体積、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ドライバの前記１つまたは複数の動作パラメータ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。
【請求項２７】
所定の回転速度で鍛造金属加工物を回転させることと、
所定の振動数で、前記鍛造金属加工物の外面を、カッタインサートを備えるカッタと繰り返し接触させることと、
前記カッタインサートと前記鍛造金属加工物の前記外面との接触によって生産される粒子を収集することと
を含む、金属粉末を生産する方法であって、
前記所定の回転速度および前記所定の振動数は、目標粒子粒度を有する粒子を得るように選択され、
収集される前記粒子の少なくとも９５％は、前記目標粒子粒度の１０％以内の粒径または主寸法を有する、方法。
【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、供給源または供給材料を往復動カッタで機械的に磨損させることによって、粒度分布が小さ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、長形加工物を用意することと、粉末を生産するように、少なくとも１つの所定の振動数に従って、長形加工物の外面を往復動カッタと繰り返し接触させることとを含む。粉末は、生産される粒子の少なくとも９５％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、複数の粒子を含む。
【００１１】
本開示の別の態様によれば、複数の粒子を有する粉末を生産するためのシステムは、長形加工物から粒子を除去するように、加工物の外面に接触するように構成される少なくとも１つのカッタと、カッタを往復移動させて加工物と接触解離させるように構成される、少なくとも１つのカッタに機械連結される、少なくとも１つのドライバと、少なくとも１つのコントローラとを含む。少なくとも１つのコントローラは、少なくとも１つのドライバに電気接続され、インプット要素を含む。コントローラは、インプット要素から受信される１つまたは複数の動作パラメータに従って、ドライバがカッタを往復移動させて加工物と接触解離させるように構成される。加工物とカッタとの繰り返しの接触が、複数の粒子を有する粉末を生産する。複数の粒子の少なくとも９５％は、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径を有する。
【００１２】
本開示の別の態様によれば、金属粉末を生産する方法は、所定の回転速度で鍛造金属加工物を回転させることと、所定の振動数で、鍛造金属加工物の外面を、カッタインサートを備えるカッタと繰り返し接触させることと、カッタインサートと金属加工物の外面との接触によって生産される粒子を収集することとを含む。所定の回転速度および所定の振動数は、目標粒子粒度を有する粒子を得るように選択される。収集される粒子の少なくとも９５％は、目標粒子粒度の１０％以内の粒径または主寸法を有する。
【００１３】
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。
【００１４】
項目１：長形加工物を用意することと、複数の粒子を含む粉末を生産するように、少なくとも１つの所定の振動数に従って、長形加工物の外面を往復動カッタと繰り返し接触させることであって、生産される粒子の少なくとも９５％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よう、繰り返し接触させることとを含む、粉末生産方法。
【００１５】
項目２：長形加工物は、注型成形材料、鍛造材料、または押出し成形可能な材料を含む、項目１に記載の方法。
【００１６】
項目３：長形加工物は鍛造金属ロッドを含む、項目１または項目２に記載の方法。
【００１７】
項目４：鍛造金属ロッドは、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のうちの１つまたは複数を含む、項目３に記載の方法。
【００１８】
項目５：長形加工物は、ウラン、希土類元素、ポリマー、およびセラミックのうちの少なくとも１つを含む、項目１〜４のいずれかに記載の方法。
【００１９】
項目６：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１〜５のいずれに記載の方法。
【００２０】
項目７：目標粒度は、約１５μｍから約１００μｍの範囲にある粒径または最大寸法を含む、項目６に記載の方法。
【００２１】
項目８：複数の粒子のうちの少なくとも９５％の粒子が、約１５μｍから約１００μｍの範囲にある粒径を有する、項目１〜７のいずれかに記載の方法。
【００２２】
項目９：複数の粒子のうちの少なくとも９９％の粒子が、約１５μｍから約１００μｍの範囲にある粒径を有する、１〜８のいずれかに記載の方法。
【００２３】
項目１０：少なくとも１つの所定の振動数に従って、長形加工物をカッタと繰り返し接触させることは、所定の第１の期間中に、第１の振動数に従って長形加工物を接触させ、その後、所定の第２の期間中に、第１の振動数とは異なる第２の振動数に従って長形加工物を接触させることを含む、項目１〜９のいずれかに記載の方法。
【００２４】
項目１１：第１の振動数に従って長形加工物を繰り返し接触させることは、第１の複数の粒子を生産し、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％以内の粒径または主寸法を有する、項目１０に記載の方法。
【００２５】
項目１２：第２の振動数に従って長形加工物を繰り返し接触させることは、第２の複数の粒子を生産し、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％以内の粒径または主寸法を有する、項目１１に記載の方法。
【００２６】
項目１３：第１の目標粒度の粒子および第２の目標粒度の粒子を含む目標粒子粒度分布を選択することと、少なくとも１つのカッタによって長形加工物を接触させる前に、選択された粒子粒度分布に基づいて、第１の期間および第２の期間を決定することとをさらに含む、項目１０〜１２のいずれかに記載の方法。
【００２７】
項目１４：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、複数の粒子が長形加工物の気孔率と実質的に同じ気孔率を有する、項目１〜１３のいずれかに記載の方法。
【００２８】
項目１５：長形加工物がカッタによって接触されるときに、選択された回転速度で長形加工物を回転させることをさらに含み、回転速度は、生産予定の目標粒子粒度に基づいて決定される、項目１〜１４のいずれかに記載の方法。
【００２９】
項目１６：長形加工物を少なくとも１つのカッタと繰り返し接触させることは、長形加工物の第１の部分を第１のカッタと接触させることと、長形加工物の第２の部分を第２のカッタと接触させることとを含む、項目１〜１５のいずれかに記載の方法。
【００３０】
項目１７：粉末が生産される後に、熱、研磨力、および化学物質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１〜１６のいずれかに記載の方法。
【００３１】
項目１８：複数の粒子を長形加工物から除去するのを助けるために、長形加工物をカッタと接触させる間に、長形加工物をレーザ光に曝露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。
【００３２】
項目１９：長形加工物から粒子を除去するように、長形加工物の外面に接触するように構成される、少なくとも１つのカッタと、カッタを往復移動させて長形加工物と接触解離させるように構成される、少なくとも１つのカッタに機械連結される、少なくとも１つのドライバと、少なくとも１つのドライバに電気接続される、インプット要素を備える、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、インプット要素から受信される１つまたは複数の動作パラメータに従って、ドライバがカッタを往復移動させて長形加工物と接触解離させるように構成され、長形加工物とカッタとの繰り返しの接触が複数の粒子を含む粉末を生産する、少なくとも１つのコントローラとを備え、複数の粒子の少なくとも９５％は、約１０μｍから約２００μｍの範囲にある粒径を有する、複数の粒子を含む粉末を生産するためのシステム。
【００３３】
項目２０：動作パラメータは、長形加工物の回転速度、カッタの往復振動数、または長形加工物に対するカッタの振幅のうちの１つまたは複数を含む、項目１９に記載のシステム。
【００３４】
項目２１：カッタと長形加工物との繰り返しの接触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。
【００３５】
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。
【００３６】
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２２に記載のシステム。
【００３７】
項目２４：１つまたは複数のセンサは、粒子の平均粒子体積、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。
【００３８】
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ドライバの１つまたは複数の動作パラメータ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。
【００３９】
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。
【００４０】
項目２７：所定の回転速度で鍛造金属加工物を回転させることと、所定の振動数で、鍛造金属加工物の外面を、カッタインサートを備えるカッタと繰り返し接触させることと、カッタインサートと鍛造金属加工物の外面との接触によって生産される粒子を収集することとを含む、金属粉末を生産する方法であって、所定の回転速度および所定の振動数は、目標粒子粒度を有する粒子を得るように選択され、収集される粒子の少なくとも９５％は、目標粒子粒度の１０％以内の粒径または主寸法を有する、方法。
【００４１】
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】
【００４２】
【図１Ａ】本開示の一態様による、長形部材または加工物から粒子を生産するための旋盤装置の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの旋盤装置の部分上面図である。
【図２Ａ】本開示の一態様による、粒子を生成するためのプロセスを実行する、図１Ａの旋盤装置の概略側面図である。
【図２Ｂ】図１Ａの旋盤装置の概略正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の各態様による、異なる形状を有するカッタから生産される粒子の例の斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の各態様による、異なる形状を有するカッタから生産される粒子の例の斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本開示の各態様による、異なる形状を有するカッタから生産される粒子の例の斜視図である。
【図４】本開示の一態様による、旋盤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。
【図７Ａ】図７Ａは、本開示の方法に従って形成された粉末粒子のＣＴスキャンによって生成された画像である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本開示の方法に従って形成された粉末粒子のＣＴスキャンによって生成された画像である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本開示の方法に従って形成された粉末粒子のＣＴスキャンによって生成された画像である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
本開示は、粉末を生産するように原料物質または供給材料を機械的に磨損または摩耗させる、装置１０、方法、および制御システム１００を対象とする。粉末は、望ましくは、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粒子を含む。粉末は、金属、セラミック、またはポリマー材料から形成される粒子を含むことができる。望ましくは、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含む相当量の粉末を必要とする。
【００４９】
一部の例では、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、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。
【００５０】
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、装置１０は、生産される粒子の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。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。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。
【００５１】
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。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、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。
【００５２】
さらに、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より球形に近づけることができる。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、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、原料物質または加工物１２と実質的に同じ気孔率を有する。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。
【００５３】
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。
【００５４】
粒子を生産する旋盤装置
図１Ａ〜図２Ｂに、バルク材から形成される長形加工物１２から粒子を生産する、粉末を生産する旋盤装置１０を示す。旋盤装置１０は、高度に制御可能な状態で、加工物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。加工物１２は、概して、長形部材であり、その長形部材は、第１の端部または近位端１４と、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。加工物１２は、加工物１２のバルク材から制御可能な粒度の粒子を生産するために、機械的に磨損、切削、切り抜き、機械加工、打撃、はつり、彫り出し、または別法で接触されるように構成された、バルク材の供給源または供給材料として働く。加工物１２は、鍛造、注型成形、または押出し成形できる材料から長形部材またはロッドになるように形成される。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、材料は再利用材料とすることができる。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。他の事例では、加工物１２は、ウラン、希土類元素、ポリマー、およびセラミックを含むことができる。例えば、材料は、Ｓｏｌｖａｙ  Ｓ．Ａ．製造のＴｏｒｌｏｎ（登録商標）ポリアミド‐イミドなど、エンジニアードポリマーとすることもできる。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。
【００５５】
一部の例では、旋盤装置１０は、粒子の形成中に加工物１２の近位端１４を受容し確実に保持するように構成されたリテーナアセンブリ２０を備える。例えば、リテーナアセンブリ２０は、クランプ、ジョー、止め具、万力、または同様のコネクタなど、環状のロック構造２２を備えることができ、ロック構造２２は、加工物１２を適位置に保持するために、近位端１４の加工物１２を受容しその周りを締めるように構成されている。一部の例では、リテーナアセンブリ２０はさらに、選択される回転速度で加工物１２を回すように構成された、駆動機構またはドライバ２４を備えるかまたはそれに連結される。例えば、ドライバ２４は、回転ベルトまたはドライブシャフト２８に機械連結される回転スピンドル２６を備えることができる。ベルトまたはドライブシャフト２８は、（図２Ａに示す）モータ３０に連結でき、モータ３０によって駆動することができる。使用の際には、モータ３０の回転は、ベルトまたはドライブシャフト２８を介して加工物１２に伝達される。一部の例では、モータ３０によって、加工物が、例えば、（図２Ａおよび図２Ｂに示す）矢印Ａ１の方向に完全に回転する。あるいは、加工物１２を、正逆方向に回動させることができる。例えば、駆動機構２４によって、加工物１２が（矢印Ａ１によって示す）第１の方向に９０度以上回転し、次いで、（矢印Ａ２によって示す）第２の方向に９０度以上回転してよい。一部の例では、本書で詳細に説明するように、ドライバ２４はさらに、加工物１２の表面の表面積のより大きい部分をカッタアセンブリ３４、３６に曝露するように、加工物１２を（矢印Ａ３によって示す）軸方向に前後に移動させるためのリニアアクチュエータ３２を備えることができる。
【００５６】
旋盤装置１０はさらに、カッタ３８を含むカッタアセンブリ３４、３６またはツールホルダを備え、カッタ３８は、粒子を生産するように加工物１２の本体１８に接触するように構成されている。カッタ３８は、生産される粒子の粒度および形状に応じて、様々な形状および構成を有することができる。例えば、加工物１２に接触するカッタ３８の前縁は、例えば、平坦、三角形、または丸形とすることができる。形状の異なるカッタ３８は異なる形態を有する粒子を生産すると考えられる。
【００５７】
異なる形状のカッタ３８によって生産される粒子のいくつかの例を図３Ａ〜図３Ｃに示す。図３Ａ〜図３Ｃは、形状の異なるカッタ３８がどのように異なる形態を有する粒子を生産するかを例示するものである。例えば、丸形の前縁を有するカッタ３８によって図３Ａの粒子９０が生産される。図３Ａに示すように、粒子９０は、丸形の先端部６２まで延びる丸いまたは長円形のベース６０を備える。粒子９０はさらに、ベース６０と先端部６２との間を延びる、対向する湾曲面６４を備える。詳細には、丸形のカッタ３８は、複数の寸法または方向に湾曲する湾曲面６４を生産する。
【００５８】
図３Ｂは、前縁が平坦なカッタ３８によって形成される粒子９０の一例である。粒子９０は、丸形の先端部６８まで延びる矩形のベース６６を含む。図３Ｂの粒子９０はさらに、ベース６６から先端部６８に延びる湾曲面７０を備える。湾曲面７０は１つの方向または寸法に湾曲する。さらに、粒子９０は、カッタ３８の平坦な面によって形成される、対向する平坦な面７２を含む。
【００５９】
図３Ｃに、先端部が三角形のカッタ３８によって形成される粒子９０を示す。粒子９０は弓形のベース７４を備える。粒子９０はさらに、ベース７４から中央の縁部８０に向かって延びる湾曲面７６、７８を備える。概略的には、三角形の先端部は、粒子９０上に硬いまたは中央の縁部８０を生産し、その結果、前述の丸いまたは平坦なカッタ３８によって作製される場合よりも形状が複雑になる。粉末粒子の形態をより複雑にするために、溝、リッジ、突起、および表面のより複雑な機構を含む、他のカッタの設計も本開示の範囲内で旋盤装置１０と共に使用できる。
【００６０】
一部の例では、カッタアセンブリ３４、３６は、様々な位置または向きで加工物１２に接触できる。例えば、カッタアセンブリ３４、３６は、接触位置を調節するために加工物１２に対して回転可能または傾斜可能とすることができる。接触位置を調節すると、異なる形態を有する粒子を生産することができる。したがって、カッタアセンブリ３４、３６を調節できることによって、生産される粒子の形態をより厳密に制御でき、具体的には、生産される粒子の形状について感度および選択性を高めることを可能にできる。
【００６１】
一部の例では、複数のカッタアセンブリ３４、３６は、単一の粒子を形成するように、加工物１２に接触するように構成することができる。例えば、第１の工程中に、カッタアセンブリ３４が、加工物１２の表面に、ある一定のテクスチャパターンまたは溝およびリッジの機構を生成するように、加工物１２に接触することもできる。次いで、同じまたは第２のカッタアセンブリ３６が、第２の工程中に、そのテクスチャまたは溝の付いた加工物１２の表面から粒子を生産するように、加工物１２の表面に接触することもできる。複数の工程で粒子を形成することで、粒子の形状をより厳密に制御し、一部の例では、旋盤装置１０によって、単一の工程では生み出すことができない独特の形態を有する粒子を生産できるようになる。
【００６２】
一部の例では、旋盤装置１０は、生産性および効率を改善するために、加工物１２の様々な部分に接触するように構成された２以上のカッタアセンブリ３４、３６を含むことができる。効率は、旋盤装置１０を産業上の用途に利用するときに特に重要である。例えば、産業上の用途で効果的にするために、旋盤装置１０は、妥当な期間内で１００ｋｇ以上の粉末を生産可能にする必要がある場合がある。例えば、旋盤装置１０は、第２のカッタアセンブリ３６から加工物１２の長さに沿って距離Ｄ１だけ軸方向に離間した第１のカッタアセンブリ３４を備えることができる。一部の例では、２つのカッタアセンブリ３４、３６のカッタ３８はそれぞれ、加工物１２の同じ周方向位置に接触する（例えば、アセンブリ３４、３６の各カッタ３８は、加工物１２に、例えば、３時の位置または９０度の位置で接触するように配置できる）。他の例では、２つのカッタアセンブリ３４、３６は、異なる周方向位置で加工物１２に接触することができる。例えば、第１のカッタアセンブリ３４は３時の位置で加工物に接触することもでき、第２のカッタアセンブリ３６は９時の位置で加工物に接触することもできる。
【００６３】
カッタアセンブリ３４、３６はさらに、例えば、往復動ロッドまたは共振構造４２によって少なくとも１つのカッタ３８に機械連結される、往復動ドライバまたは駆動機構４０を少なくとも１つ備えることができる。例えば、共振構造４２は、ある振動数に、例えば、２０ｋＨｚの振動数に励起される、同調ソノトロードとすることができる。駆動機構４０は、（図２Ａおよび図２Ｂに示す）矢印Ａ４の方向にカッタ３８を往復移動させて加工物１２と接触解離させるように構成される。例えば、駆動機構４０は、約１０ｋＨｚから約３０ｋＨｚの低い超音波振動数で、好ましくは、約２０ｋＨｚで、カッタ３８を移動させるように構成することができる。他の例では、カッタ３８は、約３０ｋＨｚから４０ｋＨｚ以上の、より高い振動数で動作するように構成することができる。また、駆動機構４０は、選択される振幅または深さに従って、加工物１２に向かって押し込むようにカッタ３８を移動させるように構成される。本書では、カッタ３８の「振幅」は、各回動中または各サイクル中にカッタ３８をどの程度遠くに移動させるかを指す。振幅が大きくなるほど、カッタ３８がより遠くに加工物１２に押し込まれる。カッタ３８をより遠くに加工物１２に押し込むと、より大きい粒子が生産される。また、本書でさらに詳細に説明するように、カッタ３８の振幅または移動は、加工物１２の幾何形状の変化を考慮に入れて、旋盤装置１０の動作中に調節を必要とする場合がある。例えば、加工物１２の直径は、粒子が形成されるにつれて小さくなる。したがって、ばらつきのない粒度の粒子を供給し続けるために、カッタ３８の位置または加工物の速度は、加工物１２の直径Ｄ５の変化に従って更新しなければならない。本書で開示する旋盤装置１０および制御システム１００は、加工物１２の直径Ｄ５のこのような変化を自動的に考慮に入れるように構成することができる。
【００６４】
旋盤装置１０はさらに、粉末収集システム４５を備えることができ、粉末収集システム４５は、例えば、カッタ３８と加工物１２との接触によって形成される粒子を受容するための（図２Ａおよび図２Ｂに示す）収集容器またはホッパ４４を備える。一部の例では、ホッパ４４は重力供給式とすることができ、つまり、加工物１２から形成される粒子は重力によってホッパ４４中に落下する。他の例では、粉末収集システム４５は、粒子をホッパ４４中に引き込むための、様々な吸引アセンブリまたは真空アセンブリを備えることができる。例えば、粒子を加工物１２から引き離し、ホッパ４４中に引き込むために、（図２Ａおよび図２Ｂに示す）吸引ポンプまたは真空ポンプ４６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４４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４４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。
【００６５】
一部の例では、旋盤装置１０はさらに、１つまたは複数の放射線ビームを加工物１２に向けるように構成された、（図２Ａに概略的に示す）放射線源４８を１つまたは複数備える。例えば、放射線源４８はレーザビームとすることができる。加工物１２のうち、カッタ３８によって接触されている部分の近傍で加工物１２に放射線を加えることが、加工物１２の表面から粒子を除去するのを助けるかまたは強化すると考えられる。例えば、加工物１２の表面を軟化させるかまたは弱めるために、レーザビームを加工物１２に向けることができる。このようにして加工物１２の表面を処理することで、加工物１２から粒子を引き離すためにカッタ３８によって加えなければならない力を軽減させることができる。
【００６６】
粉末生産方法
旋盤装置１０および加工物１２について説明してきたが、ここで、旋盤装置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４に示す。一部の例では、図４の方法のステップの多くが、旋盤装置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、旋盤装置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旋盤装置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、ドライバ２４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。
【００６７】
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、旋盤装置１０のための動作パラメータを手動で入力し、旋盤装置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旋盤装置１０を手動で停止することができる。
【００６８】
粉末生産方法は、まず、ステップ４１０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、加工物の質量、長さ、直径、または旋盤装置１０の動作を制御するために必要な他の任意の特徴など、加工物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。
【００６９】
ステップ４１２で、長形加工物１２が旋盤装置１０に用意される。前に論じたように、加工物１２は、概して、注型成形、鍛造、または押出し成形できる材料から形成された、長形部材またはロッドである。一部の例では、加工物１２を用意することは、旋盤装置１０で使用するために加工物１２を適切な長さに切断することと、図１Ａおよび図１Ｂに示すように加工物１２の端部１４を旋盤装置１０のリテーナアセンブリ２０に挿入することとを含む。
【００７０】
ステップ４１４で、加工物１２の特徴を判定することができる。ほとんどの場合、このような判定は自動的に起こることになる。例えば、旋盤装置１０は、加工物１２の幾何形状を判定するために加工物１２を走査するように構成することができる。加工物１２を走査するために、旋盤装置１０は、加工物１２の画像を取得する光学センサを１つまたは複数含むことができる。画像は、例えば、加工物１２の（図２Ａおよび図２Ｂに示す）長さＬ２および直径Ｄ５を判定するために処理することができる。本書で詳細に説明するように、加工物１２の長さＬ２および直径Ｄ５は、カッタアセンブリ３４、３６の移動を制御するために用いることができる。例えば、直径Ｄ５は、カッタアセンブリ３４、３６のための振幅を決定するのに適している場合がある。他の例では、加工物１２の幾何形状についての情報を、ユーザによって旋盤装置１０に提供することができる。例えば、ユーザが、制御システム１００によって処理するための加工物１２の長さ、直径、形状、および他の特性についての情報を手動で入力することができる。
【００７１】
ステップ４１６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）および判定された加工物１２の幾何形状に基づいて、旋盤装置１０のための動作パラメータを決定することを含む。旋盤装置１０の動作パラメータは、例えば、カッタアセンブリ３４、３６の往復動速度または振動数および加工物１２に対するカッタ３８の振幅を含むことができる。動作パラメータは、リテーナアセンブリ２０によって制御される加工物１２の回転速度または軸方向移動速度を含むこともできる。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、所与の粒子粒度および加工物の直径に関して最適化された動作パラメータを旋盤装置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、加工物１２およびカッタ３８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。
【００７２】
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４１８で、旋盤装置１０は、自動的にまたは手動で、決定された動作パラメータで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、制御システム１００は、決定されたパラメータに関して、旋盤装置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、旋盤装置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。
【００７３】
ステップ４２０で、この方法はさらに、粒子を生産するように、長形加工物１２の外面を往復動カッタ３８と繰り返し接触させるステップを含む。具体的には、旋盤装置１０は、所望の粒度および形状の粒子を形成するために、動作パラメータに従って、リテーナアセンブリ２２およびカッタアセンブリ３４、３６の駆動機構２４、４０を動作させてよい。具体的には、カッタアセンブリ３４、３６は、指定の粒度および形状の粒子を生産するように、十分な振動数で動作することができる。一部の例では、前に論じたように、旋盤装置１０のリテーナアセンブリ２０は、加工物１２がカッタ３８によって接触されているときに加工物１２を回転させる。加工物１２を回転させると、加工物１２の表面の様々な部分がカッタ３８に曝露される。有利には、加工物１２の様々な部分をカッタ３８に曝露すると、生産プロセス中の加工物の摩耗を確実に一様にすることを助ける。
【００７４】
ステップ４２２で、カッタ３８と加工物１２との接触から生産される粒子は、旋盤装置１０の収集容器またはホッパ４４に収集される。例えば、前に論じたように、加工物１２からの粒子は、重力によって収集容器またはホッパ４４に落下することもできる。他の例では、吸引システムまたは真空システムを用いて、生産される粒子を収集容器またはホッパ４４中に引き込むことができる。
【００７５】
ステップ４２４で、収集された粒子は、収集容器４４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４１０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、旋盤装置１０の動作パラメータを動的に調節することができる。例えば、粒子が小さ過ぎる場合、カッタの振幅を増大できかつ／または回転振動数を増大でき、そうすることで、より大きい粒子が生産されるようになる。
【００７６】
一部の例では、旋盤装置１０の動作パラメータは、旋盤装置１０の使用中に動的に調節することができる。例えば、旋盤装置１０は、初期のまたは第１の期間に初期の動作パラメータを用いて設定してよい。初期のまたは第１の期間の後に、動作パラメータは、旋盤装置１０に別の粒度または形状の粒子を生産させるように変更することができる。このように、旋盤装置１０を使用すると、粒子の多くの部分が別々の２以上の目標粒子粒度または目標粒度範囲内に収まる粉末を生産することができる。例えば、前述のように、粒子の５０％が第１の範囲（例えば、２０μｍから３０μｍの粒径を有する粒子）内に収まり、粒子の５０％が第２の範囲（例えば、７０μｍから８０μｍ）内にある粉末を生産することもできる。一部の事例では、形成される粒子のごく一部がいずれの範囲内にも収まらなくてよい。
【００７７】
ステップ４２６で、この方法はさらに、粒子が生産されているときに加工物１２をモニタリングすること含むことができる。例えば、旋盤装置１０および制御システム１００は、カッタ３８と繰り返し接触することによる加工物１２の幾何形状の変化を把握するように構成することができる。前に論じたように、粒子が生産されているときは、加工物１２の直径が小さくなることがある。この方法は、加工物１２の直径のこのような変化を考慮に入れるように、旋盤装置１０の動作パラメータを周期的に更新することを含むことができる。また、加工物１２は、加工物１２が確実に一様に摩耗し実質的に円柱形状を確実に維持するために、モニタリングすることができる。加工物１２が一様に摩耗していないと判定される場合は、カッタアセンブリ３４、３６は、より一様な摩耗を促すために加工物１２の様々な領域に接触するように移動することができる。
【００７８】
ステップ４２８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。
【００７９】
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、異なるカッティングアセンブリ３４、３６を用いて、一定の非球形の形状を得ることができる。また、他の非球形の粒子形態を得るために、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。
【００８０】
粉末生産システム
旋盤装置１０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旋盤装置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は加工物１２を含む旋盤装置１０を備え、加工物１２は、粒子を生産するように、カッタ３８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、旋盤装置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、リテーナアセンブリ２０の駆動機構またはドライバ２４、およびカッタアセンブリ３４、３６の往復動駆動機構４０に電気的に接続することができる。コントローラ１１０は、旋盤装置１０のコンピュータプロセッサ、または旋盤装置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。
【００８１】
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、旋盤装置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。
【００８２】
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、旋盤装置１０のための手動で入力される動作パラメータを含む。例えば、ユーザは、カッタアセンブリ３４、３６に関する振動数または振幅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旋盤装置１０を動作させるように、旋盤装置１０に指示を送信するように構成することができる。
【００８３】
他の例では、図４のステップ４１０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旋盤装置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加工物の幾何形状に基づいて、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、旋盤装置１０が新たな動作パラメータに従って動作するように、旋盤装置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。
【００８４】
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、加工物１２を走査するための、旋盤装置１０上に配置されるセンサ１１８を含むことができる。センサ１１８は、旋盤装置１０上でカッタアセンブリ３４、３６またはリテーナアセンブリ２０の近傍に装着することができる。センサ１１８は、加工物１２の画像を取得するように構成された光学センサとすることができる。画像は、例えば、加工物１２の直径および／または長さを判定するために処理することができる。センサ１１８からの情報は、カッタアセンブリ３４、３６との繰り返しの接触によって起こる加工物１２の幾何形状の変化をモニタリングするように、コントローラ１１０によって受信および処理することができる。
【００８５】
システム１００は、収集容器またはホッパ４４の近くにまたはその中に配置されるセンサ１２０を含むこともできる。センサ１２０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１２０は、収集容器４４に落下する粒子がセンサ１２０の視野内を通るように、収集容器またはホッパ４４の開放部の近くに配置することもできる。センサ１２０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１２０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４４内に配置されるかまたはそれに関連付けられるセンサ１２２を含むこともできる。例えば、センサ１２２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１２２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。
【００８６】
一部の例では、コントローラ１１０は、センサ１１８、１２０、１２２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旋盤装置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、１２２に関する情報は、旋盤装置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、加工物１２の幾何形状の変化についての情報を用いて、旋盤装置１０の動作パラメータを更新でき、そうすることで、旋盤装置１０は目標粒子粒度の粒子を生産し続ける。具体的には、前に論じたように、加工物１２の直径は、加工物１２からの粒子の形成によって小さくなる。振幅および回転速度を含む動作パラメータは、このような加工物１２の直径の変化を考慮に入れて調節する必要がある場合がある。また、収集容器４４のセンサ１２０、１２２からの情報は、生産されている粒子の特徴を判定することができる。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旋盤装置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、カッタアセンブリ３４、３６の往復振動数を増大させて、カッタ３８が加工物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、カッタアセンブリ３４、３６の振幅は、カッタ３８が加工物１２の中までは押し込まれないように調節することもでき、そうすることによって、より小さい粒子が生産される。
【００８７】
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、旋盤装置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。
【００８８】
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。
【００８９】
図６Ａに、旋盤装置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、加工物１２についての情報（例えば、加工物の長さおよび初期の直径）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、旋盤装置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、加工物１２についての情報は、旋盤装置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。セクション６１８は、ユーザが生産予定の粒子の形態を選択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。一部の事例では、装置１０の一定の動作パラメータは、指定の形態を有する粒子が生産される可能性を高めるように調節することができる。前に論じたように、粒子は、より特有の粒子形態を得るために、例えば、後処理をすることによって改変することもできる。
【００９０】
図６Ｂに、旋盤装置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、旋盤装置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。
【００９１】
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、旋盤装置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４４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。
【実施例】
【００９２】
本書で開示する方法を用いて粒子を生産した。約２０ｋＨｚの低超音波振動数で、鍛造金属の供給材料をカッタ装置によって繰り返し接触して、粒子からなる粉末を生産した。形成された粒子は粒度が約５０μｍから７５μｍであった。形成された粒子は形状が概して三角形であった。しかし、旋盤装置の動作パラメータの最適化および／または後処理によって、本書で開示する方法を用いて球形の粒子を生産できると考えられる。
【００９３】
形成した粒子の２μｍ走査によるＣＴ画像を取り込んで検討した。取り込んだＣＴ画像を図７Ａ〜図７Ｃに示す。ＣＴ画像によれば、形成した粒子は気孔の観点からはきれいに見えた。具体的には、粒子には閉鎖（例えば、独立）気孔の証拠は見られなかった。
【００９４】
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】
【００９５】
１０  旋盤装置
１２  長形加工物
１４  近位端
１６  遠位端
１８  本体
２０  リテーナアセンブリ
２２  ロック構造
２４  ドライバ（駆動機構）
２６  回転スピンドル
２８  ドライブシャフト
３０  モータ
３２  リニアアクチュエータ
３４  カッタアセンブリ
３６  カッタアセンブリ
３８  カッタ
４０  ドライバ（駆動機構）
４２  共振構造
４４  ホッパ
４５  粉末収集システム
４６  真空ポンプ
４８  放射線源
６０  ベース
６２  先端部
６４  湾曲面
６６  ベース
６８  先端部
７０  湾曲面
７２  面
７４  ベース
７６  湾曲面
７８  湾曲面
８０  縁部
９０  粒子
１００  制御システム
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
１２２  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
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】
2021520453.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
2021520453.tif 000009
【図４】
2021520453.tif 000010
【図５】
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【図６Ａ】
2021520453.tif 000012
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
2021520453.tif 000014
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2021520453.tif 000016
【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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