(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動面と、
当該作動面上に少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、
前記作動面上に粉体の複数の層を堆積させる粉体分注機構であって、前記エネルギービームにより溶融されるように前記粉体を構成する粉体分注機構と、を備え、
前記粉体分注機構は、
前記作動面上に粉体の複数の層を同時に形成し、
粉体の前記複数の層のそれぞれが、前記粉体の複数の層において下にある層を覆い、前記粉体の複数の層において最も下の層が前記作動面を覆い、
前記粉体のある層がその下の前記紛体の層の一部を覆っておらず、さらに、当該下の前記紛体の層がその下の前記紛体の層の一部を覆っていない状態が繰り返され、
前記エネルギービームにより加工作業されるとき、前記粉体の複数の層のそれぞれが、少なくとも部分的に、上層の粉体の層によって覆われていない露出最上面部を有するように、前記粉体の層を形成する、
ように構成され、
前記エネルギー源は、前記露出最上面部のそれぞれに、エネルギービームを同時に、または連続して放射することを特徴とする３次元物体印刷用の印刷装置。
【請求項２】
前記粉体分注機構は、複数の粉体分注用供給ホッパーおよび供給制御機構を備え、
前記供給ホッパーおよび前記供給制御機構は、前記供給ホッパーのそれぞれから前記作動面上に粉体を分注して、前記粉体の複数の層を同時に形成するように構成されることを特徴とする請求項１記載の印刷装置。
【請求項３】
エネルギービームを２つ以上に分けられたエネルギービームに分割して変換するための、エネルギービーム分割手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の印刷装置。
【請求項４】
前記粉体分注機構は、複数の粉体分注用供給ホッパーおよび供給制御機構を備え、
前記供給ホッパーおよび前記供給制御機構は、前記粉体の複数の層を、湾曲した経路で前記作動面上に堆積するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項５】
少なくとも１つの供給ホッパーを備え、
前記供給ホッパーまたはそれぞれの供給ホッパーは、粉体の複数のカスケード状の層が堆積物の外表面に形成されて前記堆積物の外表面を同時に流れるような方法で、前記作業面上の前記堆積物に粉体を分注するように構成され、
前記層を形成する一方で、粉体のそれぞれの層が、少なくとも部分的に、上にある粉体の層によって覆われていない露出面を有していることを特徴とする請求項１に記載の印刷装置。
【請求項６】
前記エネルギー源は、前記堆積物上の粉体の２つ以上の層に同時にエネルギービームを放射することを特徴とする請求項５に記載の印刷装置。
【請求項７】
前記エネルギー源は、前記堆積物上の粉体の個々の層に順次エネルギービームを放射することを特徴とする請求項５に記載の印刷装置。
【請求項８】
前記粉体に含まれる１つ以上の粒子の位置、速度、及び／又は大きさを、前記粒子またはそれぞれの粒子が前記供給ホッパーまたはそれぞれの供給ホッパーから前記堆積物へ移動しているときに決定する走査手段をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項９】
前記走査手段は、前記堆積物へ移動している前記粉体の浮遊密度を測定するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の印刷装置。
【請求項１０】
前記走査手段は、前記堆積物上に堆積された粉体の体積を測定するように構成されることを特徴とする請求項８または９に記載の印刷装置。
【請求項１１】
前記走査手段は、前記堆積物の外形や輪郭を測定するように構成されることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項１２】
前記走査手段は、前記堆積物の前記外表面に形成された粉体の前記層の、外形、形状、相対位置、または１つ以上の表面特性を測定するように構成されることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項１３】
前記エネルギー源は、レーザービームを放射するように構成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項１４】
前記エネルギー源は、平行な光ビームを放射するように構成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項１５】
前記エネルギー源は、マイクロプラズマ溶接のアークを放射するように構成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項１６】
前記エネルギー源は、電子ビームを放射するように構成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の印刷装置。
【請求項１７】
粉体の複数の層のそれぞれが、前記粉体の複数の層において下にある層を覆い、前記粉体の複数の層において最も下の層が作動面を覆い、前記粉体のある層がその下の前記紛体の層の一部を覆っておらず、さらに、当該下の前記紛体の層がその下の前記紛体の層の一部を覆っていない状態が繰り返され、エネルギービームにより加工作業されるとき、前記粉体の複数の層のそれぞれが、少なくとも部分的に、上層の粉体の層によって覆われていない露出最上面部を有するように、前記粉体の層を形成するように、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるステップと、
エネルギー源を使用して、前記露出最上面部のそれぞれに、エネルギービームを同時に、または連続して放射し、前記粉体を溶融して３次元物体の一部を形成するステップと、
前記３次元物体が完全に形成されるまで上述のステップを繰り返すステップと、
を備えることを特徴とする３次元物体の印刷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置に関する。
【０００２】
より具体的には、本願発明は、物体を高速で製造することに適している３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
３次元（３Ｄ）で印刷された部品により物理的な物体ができ、当該物理的物体は、連続している薄い材料層を敷設することにより、３Ｄデジタル画像から作り上げられる。
【０００４】
通常、例えば選択的ビーム溶融や選択的ビーム焼結などの様々な手段により、これらの３Ｄ印刷された部品を作成でき、当該様々な手段は、粉体床を有することで、当該粉体床上にエネルギービームを投射し、この粉末床の最上層を溶融させて、基板や下層に溶接できるように行われる。当該下層に追加の層を追加するために、この溶融過程を繰り返し、完全に作り上げられるまで、上述の部品を徐々に作り上げる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの印刷方法は、実行するために非常に時間がかかり、妥当な大きさの物体を作り上げるために数日または数週間かかる虞がある。複雑な構成部品を備える複合物体に対しては、この問題が一層ひどくなる。このことは、３Ｄプリンタの有用性を実質的に低下させており、現在、消費者による３Ｄ印刷や製造業における３Ｄ印刷の大規模採用を遅らせている極めて重要な障害の１つである。
【０００６】
出力は、従来の印刷方法に対する重要な制限要因でもある。
【０００７】
選択的電子ビーム溶融は、効果的な材料加工方法として使用できる一方で、通常は、これを真空において行われなければならない。理由は、大気圧下での荷電粒子ビームと空気分子との間の相互作用が当該ビームの分散および減衰の原因となり、それらの出力を著しく弱めるからである。したがって、第１の真空筐体の内部に収容される高出力電子銃（例えば、150ｋＷの電子銃）を備えている組立部品を使用することが知られており、運用されるワークピースを収容している第２の真空筐体に、当該第１の真空筐体を隣接させている。しかしながら、このような組立部品は、これらの筐体を真空にするために必要なポンプ時間に起因して、低い生産率をもたらしてしまう。第２の筐体の内部に収容できるワークピースの実際の大きさもまた実質的に制限されている。
【０００８】
高出力電子銃と併せてプラズマ窓を使用し、材料加工作業を行なうことも知られている。このような組立部品は真空チャンバに収容される電子銃を備えており、ワークピースを収容しているより高圧（例えば大気圧など）の領域に、当該真空チャンバを隣接させている。この真空チャンバ内部から、チャンバの壁に配置されたビーム出射口を通って、荷電粒子ビームがチャンバ外部へ放射される。
【０００９】
プラズマを結合するための細長い流路を備えたビーム出射口にプラズマ界面が配置される。例えばヘリウムやアルゴン、窒素などの、高度にイオン化されたプラズマ形成ガスが、この流路内に注入される。この流路の両端に配置されたカソードおよびアノードに電流を流して、カソードとアノードの間にプラズマを形成し、静的に結合させている。このプラズマは、上述のさらなる高圧領域と真空チャンバとの間の圧力の連通を防止することに役立つ一方で、荷電粒子が当該真空チャンバから上述の流路を通って当該さらなる高圧領域へと実質的に制限されずに伝搬し、さらにワークピース上へと実質的に制限されずに伝搬することを可能にしている。
【００１０】
上述の方法で構成されたプラズマ界面もまた、真空チャンバを真空排気することに役立つ一方で、このポンプ作用は弱く、限られた有効性だけしかない。実際には、このプラズマの形成に先立って実質的に真空になるように、真空チャンバおよびプラズマ界面の流路の両方をポンピングする必要がある。このことは多大な時間を必要とし、また有効性を実現するために、高価で機械的に扱いにくい装置を必要とする。したがって、この方法で構成されたプラズマ界面を備える粒子銃の組立部品は、粒子銃の組立部品が運用において機敏かつ柔軟性であることを要求され、３Ｄ印刷装置にはあまり適していない。
【００１１】
本願発明の目的は、３Ｄの物体を高速で印刷するための方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様の１つによれば、３次元物体印刷用の印刷装置を提供し、当該印刷装置は、作動面と、当該作動面上に少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、前記作動面上に粉体を堆積させる粉体分注機構であって、前記エネルギービームまたはそれぞれのエネルギービームにより溶融されるように前記粉体を構成する粉体分注機構と、を備えており、前記エネルギービームまたはそれぞれのエネルギービームにより、前記粉体を溶融し、前記粉体分注機構は、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるように構成されている。
【００１３】
前記粉体分注機構は、複数の粉体分注用供給ホッパーおよび供給制御機構を備えてもよく、前記供給ホッパーおよび前記供給制御機構は、前記供給ホッパーのそれぞれから前記作動面上に粉体を分注して、粉体の複数の層を同時に形成するように構成されている。
【００１４】
前記供給ホッパーおよび前記供給制御機構は、前記作動面上に前記粉体の複数の層を千鳥状に堆積してもよく、前記エネルギービームにより前記層を加工作業するとき、それぞれの粉体の層が、少なくとも部分的に、上層の粉体の層によって覆われていない最上面を有するようにしている。
【００１５】
前記エネルギー源は、使用時に、粉体の２つ以上の層に同時にエネルギービームを放射してもよい。
【００１６】
前記エネルギー源は、使用時に、粉体の個々の層に順次エネルギービームを放射してもよい。
【００１７】
前記印刷装置は、エネルギービームを２つ以上に分けられたエネルギービームに分割して変換するための、エネルギービーム分割手段を備えてもよい。
【００１８】
前記供給ホッパーおよび前記供給制御機構は、粉体の前記複数の層を、湾曲した経路で前記作動面上に堆積するように構成してもよい。
【００１９】
本発明のさらなる態様の１つによれば、３次元物体の印刷方法を提供し、当該方法は、作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させるステップと、エネルギー源を使用して、前記作動面上に形成された粉体の少なくとも１つの層に少なくとも１つのエネルギービームを放射し、前記粉体を溶融して前記３次元物体の一部を形成するステップと、前記３次元物体が完全に形成されるまで上述のステップを繰り返すステップと、を備えている。
【００２０】
前記方法における前記粉体の層を作動面上に千鳥状に堆積させてよく、前記エネルギービームまたはそれぞれのエネルギービームにより前記粉体の層を加工作業しているとき、堆積させたそれぞれの粉体の層が、少なくとも部分的に、上層の粉体の層によって覆われていない最上面を有するようにしている。
【００２１】
前記方法における前記エネルギービームまたはそれぞれのエネルギービームを、粉体の２つ以上の層に同時に放射してもよい。
【００２２】
前記方法における前記エネルギービームまたはそれぞれのエネルギービームを、粉体の個々の層に順次放射してもよい。
【００２３】
前記方法におけるエネルギービームを、エネルギービーム分割手段を使用して、２つ以上に分けられたエネルギービームに分割して変換してもよい。
【００２４】
本発明のさらなる態様の１つによれば、３次元物体印刷用の印刷装置を提供し、当該印刷装置は、作動面と、前記作動面上に粉体の複数の層を同時に堆積させる、少なくとも１つの供給ホッパーおよび供給制御機構と、前記作動面上に形成された少なくとも１つの粉体の層に、少なくとも１つのエネルギービームを放射するエネルギー源と、を備え、粉体の複数のカスケード状の層（cascading layers）が堆積物の外表面に形成されて前記堆積物の外表面を同時に流れるような方法で、前記作業面上の前記堆積物に粉体を分注するように、前記供給制御機構および、前記供給ホッパーまたはそれぞれの供給ホッパーが構成され、前記層を形成するとき、粉体のそれぞれの層が、少なくとも部分的に、隣接する粉体の層によって覆われていない露出面を有している。
【００２５】
前記堆積物上に前記粉体のカスケード状の層を形成させる１つ以上の物理的特性を、前記粉体に含まれる粒子がそれぞれ有していてもよい。
【００２６】
前記エネルギー源は、前記堆積物上の粉体の２つ以上の層に同時にエネルギービームを放射してもよい。
【００２７】
前記エネルギー源は、前記堆積物上の粉体の個々の層に順次エネルギービームを放射してもよい。
【００２８】
前記粉体に含まれる１つ以上の粒子の位置、速度、及び／又は大きさを、前記粒子またはそれぞれの粒子が前記供給ホッパーから前記堆積物上へと移動しているときに決定する走査手段を、前記印刷装置が備えていてもよい。
【００２９】
前記走査手段は、前記堆積物へ移動している前記粉体の浮遊密度を測定するように構成されてもよい。
【００３０】
前記走査手段は、前記堆積物上に堆積された粉体の体積を測定するように構成されてもよい。
【００３１】
前記走査手段は、前記堆積物の外形や輪郭を測定するように構成されてもよい。
【００３２】
前記走査手段は、前記堆積物の前記外表面に形成された前記粉体の層の、外形、形状、相対位置、または１つ以上の表面特性を測定するように構成されてもよい。
【００３３】
本発明のさらなる態様の１つによれば、３次元物体の印刷方法を提供し、当該方法は、粉体の複数のカスケード状の層（cascading layers）が堆積物の外表面に形成されて前記堆積物の外表面を同時に流れるような方法で、作業面上に堆積された前記堆積物に粉体を堆積させるステップと、エネルギー源を使用し、粉体の少なくとも１つの層に少なくとも１つのエネルギービームを放射するステップと、を備えている。
【００３４】
本発明のさらなる態様の１つによれば、荷電粒子伝搬装置を提供し、当該荷電粒子伝搬装置は、内部に銃を有する真空チャンバを備えるジェネレータであって、前記銃は、前記真空チャンバ内部から前記真空チャンバの壁に配置されたビーム出射口を通って、荷電粒子ビームをチャンバ外部へ放射するための銃であるジェネレータと、前記真空チャンバの圧力よりも高い圧力で維持可能である、前記ビーム出射口で前記真空チャンバに隣接している、さらなる高圧領域と、プラズマ流路を備える、前記ビーム出射口に配置されたプラズマ界面と、を備え、前記プラズマ流路は、前記ビーム出射口と一直線になっており、第１の端部および第２の端部を有し、前記第１および第２の端部の間に配置された、少なくとも３つの電極板を有しており、前記電極板に一連の電流を加えることにより、少なくとも１つのプラズマを前記プラズマ流路の前記第１の端部から前記第２の端部へ移動させ、それにより、前記ビーム出射口を真空排気し、前記荷電粒子ビームは、前記真空チャンバから前記プラズマ流路の前記プラズマまたはそれぞれのプラズマを通って前記さらなる高圧領域へと伝搬されている。
【００３５】
前記一連の電流は、複数のプラズマを、前記プラズマ流路の前記第１の端部から前記第２の端部へ同時に移動させてもよい。
【００３６】
非プラズマ領域は、前記プラズマ流路の前記第１の端部から前記第２の端部へ同時に移動している、連続する２つのプラズマの間で形成されてもよい。
【００３７】
前記非プラズマ領域またはそれぞれの非プラズマ領域は、前記真空チャンバからの残留ガスを含有してもよい。
【００３８】
前記一連の電流は、前記ビーム出射口を連続的に真空排気させる反復シーケンスであってよい。
【００３９】
本発明のさらなる態様の１つによれば、真空チャンバを真空排気するためのポンピング方法を提供し、当該ポンピング方法は、プラズマ流路を備えている前記真空チャンバの出射口で、プラズマ界面を配置するステップであって、前記プラズマ流路は、前記ビーム出射口と一直線になっており、第１の端部および第２の端部を有し、前記第１および第２の端部の間に配置された、少なくとも３つの電極板を有する、ステップと、少なくとも１つのプラズマを前記プラズマ流路の前記第１の端部から前記第２の端部へ移動させる前記電極板に、一連の電流を加えるステップと、を備えている。
【００４０】
前記ポンピング方法は、複数のプラズマを前記プラズマ流路の前記第１の端部から前記第２の端部へ同時に移動させる、さらなる一連の電流を前記電極板に加える追加のステップを備えてもよい。
【００４１】
前記ポンピング方法に使用される前記一連の電流は、非プラズマ領域を、前記プラズマ流路の前記第１の端部から前記第２の端部へ同時に移動している、連続する２つのプラズマの間で形成させてもよい。
【００４２】
前記真空チャンバからの残留ガスは、前記ポンピング方法を実行した時に形成される、前記非プラズマ領域またはそれぞれの非プラズマ領域に含有されていてもよい。
【００４３】
前記ポンピング方法に使用される前記一連の電流は、前記ビーム出射口を連続的に真空排気させるように繰り返されてもよい。
【００４４】
前記印刷装置に使用されるエネルギー源は、本明細書に開示されるような荷電粒子伝搬装置を備えていてもよい。
【００４５】
前記３次元物体の印刷方法に使用されるエネルギー源は、本明細書に開示されるような荷電粒子伝搬装置を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
以下、添付図面を参照して、本願発明の実施例を説明する：
【図１】当技術分野で周知の、従来の３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図３】図２に示される３Ｄ印刷装置のさらなる概略図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図５】本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図６】本発明のさらなる実施形態による荷電粒子伝搬装置の概略図である。
【図７】本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図８】図７に示される３Ｄ印刷装置のさらなる概略図である。
【図９】図７に示される３Ｄ印刷装置のさらなる概略図である。
【図１０】本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図１１】本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の概略図である。
【図１２ａ】本発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷装置の斜視図である。
【図１２ｂ】図１２（ａ）に示される３Ｄ印刷装置の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１を参照すると、当技術分野で周知の、従来の３Ｄ印刷装置１０の概略図が示されている。この３Ｄ印刷装置１０は、作動面１４を有する基板１２を備えており、当該作動面１４上に、３Ｄ印刷により印刷された物体を作り上げることができる。
【００４８】
３Ｄ印刷装置１０は供給ホッパー１６をさらに備えており、当該供給ホッパー１６は、粉体１８の単一の層を作動面１４上に堆積させるように構成されている。
【００４９】
エネルギー源２０（一般には、レーザーや電子銃）が粉体１８の層にエネルギービーム２２を放射することで、その粉体１８の層を選択的に溶融または選択的に焼結させて、３Ｄの物体の個々の層を形成している。この過程を追加層の追加のために繰り返し、この物体が完成するまで、当該物体を徐々に作り上げている。
【００５０】
図２を参照すると、本願発明の第１の実施形態による３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置３０の概略図が示されている。この３Ｄ印刷装置３０は、作動面３４を有する基板３２を備えており、当該作動面３４上に、３Ｄ印刷により印刷された物体を作り上げることができる。
【００５１】
３Ｄ印刷装置３０は粉体分注機構をさらに備えており、当該粉体分注機構は、粉体の複数の層を作動面３４上に同時に堆積させるように構成されている。図２では、この粉体分注機構が、複数の供給ホッパー３６の形態で表現されている。制御機構（図示せず）と共に運用している供給ホッパー３６は、粉体３８の複数の層を作動面３４上に、シングルパス方式で同時に堆積させるように構成されている。
【００５２】
この図に示されるように、粉体３８の層は供給ホッパー３６により、粉体のある層がその下の紛体の層の一部を覆っておらず、さらに、当該下の紛体の層がその下の紛体の層の一部を覆っていない状態が繰り返されるように堆積されるのが好ましく、個々の層のそれぞれの形成は、その直下の粉体の個々の層に僅かに遅れて開始されるようにしている。これにより、粉体３８の層のそれぞれの表面４０を、少なくとも部分的には露出すること、および粉体３８の層に同時に適用している間はそれぞれの表面４０が粉体３８の上層により覆われないことを確実にしている。
【００５３】
エネルギービーム４２をエネルギー源４４から放射し、粉体３８の層のそれぞれの露出面４０へ向かわせ、この粉体を選択的に溶融または選択的に焼結し、それによって３Ｄの物体の一部を形成している。この過程を、追加層の追加のための追加のパス用に繰り返し、この３Ｄの物体が完成するまで、当該３Ｄの物体を徐々に作り上げている。
【００５４】
図３に示されるように、本発明の第１の実施形態において、エネルギー源４４はラスターとして運用するように構成されており、供給ホッパー３６により粉体３８の層を同時に堆積している一方で、逐次的方法で、エネルギービーム４２が露出面４０のそれぞれに選択的に向けられるように、エネルギー源４４の方向を調整するようにしている。
【００５５】
例えば、粉体４８の最下層の第１の露出面４６に、エネルギービーム４２を最初に向けてもよい。このエネルギービーム４２により第１の露出面４６を十分に加工作業した後、粉体５４の第２の層の第２の露出面５２に第２のエネルギービーム５０を向けるように、エネルギー源４４の方向を調整している。この過程は、供給ホッパー３６のパスに堆積された粉体の全ての層が、次のパスが行なわれる前に十分に加工作業されているまで続けられる。
【００５６】
エネルギー源４４がラスターとして作動する実施形態では、粉体を加熱するように、または粉体に電圧を印加するように、必要に応じて十分な期間にわたって、それぞれの粉体の層３８のそれぞれの露出面４０にエネルギービーム４２を加えてもよく、粉体を加熱すること、または粉体に電圧を印加することにより、次の層のためにエネルギー源４４を再配向する前にこの粉体を溶融または焼結している。
【００５７】
あるいは、次の層のためにエネルギー源４４を再配向する前に、粉体を部分的に加熱するように、または粉体に部分的に電圧を印加するように、より短い期間にわたって、粉体３８のそれぞれの露出面４０にエネルギービーム４２を加えてもよい。この方法では、それぞれの露出面４０にそれぞれの繰り返しで追加のエネルギーを加えるような迅速な方法で、複数の層３８の最初から最後まで、エネルギー源４４を繰り返し循環している。これにより、加工作業される露出面４０のそれぞれの温度またはエネルギーを、粉体が融解または焼結する点に達するまで追加的に増加させている。
【００５８】
図４を参照すると、本願発明による印刷装置３０のさらなる実施形態を示している。この実施形態では、印刷装置３０が複数のエネルギー源５６を備えている。図示された実施形態において４つのエネルギー源５６を使用している一方で、他の数を使用してもよいことが理解されよう。
【００５９】
上述したラスターの方法とは対照的に、エネルギー源５６を並べて配置し、複数のエネルギービーム５８を粉体３８の層の露出面４０に同時に放射するように構成される。
【００６０】
図５を参照すると、印刷装置３０のさらなる実施形態を示している。この実施形態では、印刷手段３０は、単一のエネルギービーム４２をエネルギービーム分割手段６０に放射するように構成された、単体のエネルギー源４４を備えている。
【００６１】
このエネルギービーム分割手段６０は、単一のエネルギービーム４２を、分離した複数の変換エネルギービーム６２に分割している。エネルギービーム分割手段６０は分割制御機構（図示せず）と共に運用しており、当該分割制御機構は、エネルギービーム分割手段６０から放射された変換エネルギービーム６２のそれぞれが、粉体３８の層の異なる露出面４０に同時に向けられることを確実にしている。
【００６２】
図２〜図５に示される実施形態では、５個の供給ホッパーを使用し、作動面３４上に粉体８の５つの層を同時に堆積させている。このことは、図１に示される従来の印刷装置および方法と比較して、印刷の生産性レベルにおいて５倍の増加をもたらしている。
【００６３】
しかしながら、他の数の供給ホッパー（例えば、１０個の供給ホッパー）を本願発明に使用してもよいことは理解されよう。より一般に、Ｎ個（ここで、Ｎ＞２）を使用し、Ｎ層の粉体の層を同時に堆積し、印刷の生産性においてＮ倍の増加をもたらしてもよい。
【００６４】
本願発明で使用されるエネルギー源４４やエネルギー源５６は、レーザービーム、平行な光ビーム、マイクロプラズマ溶接のアーク、電子ビーム、粒子ビーム、または他の適切なエネルギービームのうち、いずれか１つを備えることができる。
【００６５】
電子ビームのエネルギー源を使用する本発明の実施形態において、（作動面３４を含んでいる）印刷装置３０を完全に真空チャンバ内部に収容し、操作してもよく、粉体の層への電子ビームの伝搬を容易にしている。
【００６６】
あるいはエネルギー源４４が、本願出願人により考案されている荷電粒子伝搬装置を備えてもよく、真空チャンバ内部に印刷装置３０全体を収容する必要性をなくすことができる。
【００６７】
図６を参照すると、本願発明のさらなる態様を形成する粒子伝搬装置６４を示している。
【００６８】
この粒子伝搬装置６４は、真空チャンバ６８を備えるジェネレータ６６を備えている。この真空チャンバ６８内部に、荷電粒子ビーム７２を放射する銃７０を配置している。この銃７０は、例えば、高出力150ｋＷ電子ビーム銃を備えていてもよい。
【００６９】
この図に示されるように、真空チャンバ６８内部から真空チャンバ６８の壁７６に配置されたビーム出射口７４を通って、荷電粒子ビーム７２を真空チャンバ６８外部へ放射している。
【００７０】
さらなる高圧領域７８は、真空チャンバ６８に隣接しており、この真空チャンバ６８の圧力よりも高い圧力で維持可能である。当該さらなる高圧領域７８を大気圧に維持できることが望ましい。
【００７１】
プラズマ流路８２を備えるビーム出射口７４に、プラズマ界面８０を配置している。このプラズマ流路８２はビーム出射口７４と実質的に一直線になっていることが望ましく、このプラズマ流路８２の細長い長手方向を、荷電粒子ビーム７２が通過するようにしてもよい。
【００７２】
プラズマ流路８２は第１の端部８４と第２の端部８６を有し、これら第１の端部８４と第２の端部８６の間に、複数の電極板８８を配置している。電極板８８のそれぞれは、プラズマ流路と同軸に並べられた中央開口部（図示せず）を有しており、当該中央開口部を、荷電粒子ビーム７２が通過してもよい。
【００７３】
複数の電極板８８において、隣接する電極板８８の間に配置された絶縁体８９により、それぞれの電極板８８を他の電極板８８から切り離している。それぞれの絶縁体８９もまた、プラズマ流路と同軸に並べられた中央開口部（図示せず）を有しており、当該中央開口部を、荷電粒子ビーム７２が通過してもよい。それぞれの絶縁体８９は、例えば酸化アルミニウムや高密度ポリエチレン、雲母、ポリテトラフルオロエチレンなどの、電気絶縁性を有する材料からなる。電極板８８同士の電気的干渉を防止する一方で、隣接する電極板８８同士の間隔を最小にするように、それぞれの絶縁体の寸法を構成している。
【００７４】
図６に示される例示的な実施形態では、プラズマ流路８２が９個の電極板８８を備えている。ただし、最少で３枚の電極板を使用すれば、他の枚数の電極板を使用してもよいことは理解されよう。
【００７５】
使用時において、例えば供給管や機械的なガスポンプ（図示せず）などの当技術分野で周知の注入手段を用いて、例えばヘリウムやアルゴン、窒素などの、高度にイオン化され、正イオンおよび電子を含有するプラズマ形成ガスをプラズマ流路８２に注入する。
【００７６】
このガスがプラズマ流路８２を十分に充填した時点で、電流を電極板８８に流すことで、第１のプラズマをプラズマ流路８２の第１の端部８４に形成して高圧に維持される。当該高圧は、例えば大気圧であってよい。第１のプレート部９０に高電圧、低電流の電力を供給することにより、この第１のプレート部９０に陰極を形成させ、続いて、第２のプレート部９２に低電圧、高電流の電力を供給することにより、この第２のプレート部９２に陽極を形成させて、それにより、第１のプレート部９０と第２のプレート部９２の間にプラズマを抑制することで、このことを達成してもよい。
【００７７】
そして、プラズマ流路８２における他の電極板８８に所定の一連の電流を選択的に加え、それにより、プラズマ流路８２の第１の端部８４での低圧領域からプラズマ流路８２の第２の端部８６での高圧領域へ、この第１のプラズマを移動させる。
【００７８】
第１のプラズマがプラズマ流路８２を通り、その第２の端部８６に向かって十分な長さだけ伝搬した後、第１および第２の電極板９０，９２にさらなる電流を流してもよく、プラズマ流路８２の第１の端部８４に第２のプラズマを形成する。そして、他の電極板８８に一連の電流を選択的に流すことにより、第２のプラズマも同様に、プラズマ流路８２を通り、その第２の端部８６に向かって伝搬されている。
【００７９】
この過程を繰り返してもよく、さらなるプラズマが連続して生成されて、プラズマ流路８２の細長い長手方向に沿って連続して同時に伝わっている。このような方法で、プラズマ流路８２を通って第２の端部８６に向かって上述の、またはそれぞれのプラズマが移動することにより、ビーム出射口７４で実質的な真空排気を発生させている。真空チャンバ６８において真空を迅速に作り出し、一度形成された真空を維持するために、この過程を使用することができる。
【００８０】
さらに、プラズマ流路８２の細長い長手方向に沿って同時に伝わっている２つのプラズマの間に非プラズマ領域を形成するように、電極板８８に流される一連の電流を構成してもよい。
【００８１】
多数の電極板８８を備えているプラズマ流路８２の実施形態において、多数のプラズマおよび対応している非プラズマ領域は、プラズマ流路８２の細長い長手方向に沿って同時に伝わってもよい。
【００８２】
これらの非プラズマ領域、またはそれぞれの非プラズマ領域は、上述の真空チャンバからの残留ガスを含有していてもよい。このことは、ビーム出射口７４で実施される真空排気の力および有効性を、実質的に増加させている。
【００８３】
粒子ビーム７２は、真空チャンバ６８からビーム出射口７４を通り、プラズマ流路８２に存在し得る、上述の、またはそれぞれのプラズマを、分散または減衰せずに通って、さらなる高圧領域７８に配置されたワークピース９４上に伝搬している。この配置により、銃７０からワークピース９４への、荷電粒子の実質的に制限されない伝搬をもたらしている。
【００８４】
プラズマ流路８２内に形成され、このプラズマ流路８２を通って伝搬しているプラズマのそれぞれは、約15,000°Ｋの高温に達してもよい。安定化手段を使用しており、それぞれのプラズマの周囲よりも低温の温度境界を好ましくは備えることにより、それぞれのプラズマを安定化させている。この安定化手段は、お互い同軸に積み重ねられた、複数の環状の冷却板９６を、これらの冷却板９６が中央孔を集合的に有している状態で備えてもよく、当該中央孔は、これらを通っているプラズマ流路８２を定めている。
【００８５】
圧力をかけて、冷却液または冷却ガスをそれぞれの冷却板９６経由で循環させ、これらの冷却板９６から熱を除去し、それぞれのプラズマの周囲に、より低温の温度境界を定めている。運用の間、熱は、冷却板９６経由で半径方向外側に伝達され、そして、それらの冷却板９６経由で循環している冷却液により除去されている。その結果、プラズマ流路８２の周囲に冷却液または冷却ガスを循環させることにより、プラズマ流路８２から熱を除去し、それぞれのプラズマを安定化させている。
【００８６】
ここで、図７〜図９を参照すると、本願発明のさらなる実施形態による３Ｄ印刷方法および３Ｄ印刷装置１００の概略図を示している。この３Ｄ印刷装置１００は作動面１０４を有する基板１０２を備えており、当該作動面１０４上に、３Ｄ印刷により印刷された物体を作り上げることができる。
【００８７】
３Ｄ印刷装置１００は、単体の供給ホッパー１０６をさらに備えている。この供給ホッパー１６は、粉体を作動面１０４上の堆積１０８に分注するように構成されている。
【００８８】
図７に示されるように、使用時に堆積１０８は、最初は小さく、それに対応している少量の粉体を含有している。供給ホッパー１０６から追加の粉体を分注するにつれて、図８に図示されるように、堆積１０８の大きさ、およびこの堆積１０８が含有する、対応している粉体の量が、相応に増加している。
【００８９】
図２〜図５に図示される実施形態と同様に、本発明のこの実施形態では、供給ホッパー１０６もまた、粉体の複数の層を上述の作動面１０４上に堆積させるように構成されている。このことを達成するため、この粉体を供給ホッパー１０６から作動面１０４上に徐々に分注するにつれて、この粉体が堆積物１０８の外表面を、粉体のある層がその下の紛体の層の一部を覆っておらず、さらに、当該下の紛体の層がその下の紛体の層の一部を覆っていない状態が繰り返されるように流れ落ち、粉体１１２の複数のカスケード状の層が外表面１１０に形成されて、当該外表面を同時に流れるようにしている。
【００９０】
図７において、堆積物１０８が粉体の２層（１１２．１，１１２．２）を有して示されており、当該粉体の２層は、外表面１１０に沿って形成しており、この外表面１１０に沿って同時に流れている。図８では堆積物１０８が、連鎖している（cascading）粉体の４層（１１２．１，１１２．２，１１２．３，１１２．４）を有して示されており、当該粉体の４層は、外表面１１２に沿って形成しており、この外表面１１２に沿って同時に流れている。しかしながら、３Ｄ印刷装置１００を使用する間の任意の時点で、他の層数の連鎖している粉体の層１１２を積層し、また堆積物１０８の外表面１１０に沿って同時に流れていてもよいことは理解されよう。
【００９１】
単独で、または一斉に運用している、１つ以上の手段の結果として、粉体１１２のカスケード状の層を形成している。例えば３Ｄ印刷装置１００は、粉体を供給ホッパー１０６から、粉体のある層がその下の紛体の層の一部を覆っておらず、さらに、当該下の紛体の層がその下の紛体の層の一部を覆っていない状態が繰り返されるように放出させる流量制御機構を備えていることが好ましく、これにより、これらの粉体が外表面１１０を同時に流れ落ちるにつれて、当該粉体にカスケード状の層１１２を形成させている。
【００９２】
あるいは、例えば粒子の、表面粗さ、粘着性及び／又は脆さなど、上述の粉体を備えている粒子の１つ以上の物理的特性の結果として、当該粉体をカスケード状の層１１２に形成している。
【００９３】
カスケード状の層１１２に粉体を分注することにより、３Ｄ印刷装置１００を運用する間の任意の時点で、堆積物１０８上の粉体１１２の個々の層のそれぞれは外表面１１４を有し、当該外表面１１４は、少なくとも部分的に、隣接する粉体の層により覆われていない。例えば、図８を参照すると、この図に示されている粉体の第１の層１１２．１は、粉体の第２の層１１２．２、第３の層１１２．３および第４の層１１２．４により実質的に覆われている一方で、その粉体の第１の層１１２．１の外表面１１４．１は、少なくとも部分的には覆われていないままである。
【００９４】
３Ｄ印刷装置１００は、エネルギー源１１６をさらに備えている。エネルギー源１１６からエネルギービーム１１８を放射し、当該エネルギービーム１１８は、堆積物１０８上の粉体のそれぞれの層１１２の露出面１１４に向けられ、これらの粉体を選択的に溶融または焼結し、それによって、３Ｄの物体の一部を形成している。
【００９５】
堆積物１０８の大きさが増加するにつれて、この堆積物１０８にエネルギービーム１１８を徐々に加えて、完成させるまで、この３Ｄの物体を徐々に作り上げている。
【００９６】
図９に示されるように、エネルギー源１１６はラスターとして運用するように構成されてもよく、粉体の層１１２が連鎖方式（cascading manner）で同時に外表面１１０を流れ落ちる一方で、逐次的方法で、エネルギービーム１１８が露出面１１４のそれぞれに選択的に向けられるように、エネルギー源１１６の方向を調整するようにしている。
【００９７】
例えば、粉体の第１の層１１２．１の第１の露出面１１４．１に、エネルギービーム１１８を最初に向けてもよい。このエネルギービーム１１８により第１の露出面１１４．１を十分に加工作業した後、粉体の第２の層１１２．２の第２の露出面１１４．２に第２のエネルギービーム１２０を向けるように、エネルギー源１１６の方向を調整している。この過程は、供給ホッパー３６のパスに堆積された粉体の全ての層が、次のパスが行なわれる前に十分に加工作業されているまで続けられる。
【００９８】
エネルギー源１１６がラスターとして作動する実施形態では、粉体を加熱するように、または粉体に電圧を印加するように、必要に応じて十分な期間にわたって、それぞれの粉体の層１１２のそれぞれの露出面１１４にエネルギービーム１１８を加えてもよく、粉体を加熱すること、または粉体に電圧を印加することにより、次の層１１２のためにエネルギー源１１６を再配向する前に、この粉体を溶融または焼結している。
【００９９】
あるいは、次の層１１２のためにエネルギー源１１６を再配向する前に、粉体を部分的にのみ加熱するように、または粉体に部分的にのみ電圧を印加するように、より短い期間にわたって、粉体のそれぞれの露出面１１４にエネルギービーム１１８を加えてもよい。この方法では、それぞれの露出面にそれぞれの繰り返しで追加のエネルギーを加えるような迅速な方法で、複数の層１１４の最初から最後まで、エネルギー源１１６を繰り返し循環している。これにより、加工作業される面のそれぞれの温度またはエネルギーを、粉体が融解または焼結する点に達するまで追加的に増加させている。
【０１００】
粉体１０８に含まれる１つ以上の粒子の位置、速度、及び／又はサイズを、前記粒子またはそれぞれの粒子が供給ホッパー１０６から堆積物１０８へと移動しているときに決定するように構成されている走査手段もまた、３Ｄ印刷装置１００が備えていることが好ましい。
【０１０１】
この走査手段が、上述の粉体の浮遊密度を測定するように構成されていることもまた好ましい。
【０１０２】
この走査手段が、堆積物１０８上に堆積された粉体の体積を測定するように構成されていることもまた好ましい。
【０１０３】
この走査手段が、堆積物１０８上に堆積された粉体の高さや輪郭を測定するように構成されていることもまた好ましい。
【０１０４】
この走査手段が、超音波やレーザー、または他の適切な周知の走査技術あるいは位置決め技術を利用してもよい。
【０１０５】
この走査手段を使用して収集された情報やデータは、制御電子回路やソフトウェアと共に利用され、供給ホッパー１０６から放出される粉体の体積流量、方向及び／又は速度を決定し、及び／又はエネルギービーム１１８の方向や強度を決定し、印刷されている部分の製作を最適化している。
【０１０６】
エネルギー源１１６は、レーザービーム、平行な光ビーム、マイクロプラズマ溶接のアーク、電子ビーム、粒子ビーム、または他の適切なエネルギービームのうち、いずれか１つであることができる。
【０１０７】
電子ビームのエネルギー源を使用する本発明の実施形態において、（作動面１０４を含んでいる）印刷装置１００を完全に真空チャンバ内部に収容し、操作してもよく、粉体の層への電子ビームの伝搬を容易にしている。
【０１０８】
あるいは、エネルギー源１１６が上述の荷電粒子伝搬装置を備えてもよく、真空チャンバ内部に印刷装置１００全体を収容する必要性をなくすことができる。
【０１０９】
このような方法で、作動面１０４上に複数の粉体の層１１４を同時に分注し、これらの層の上で運用することにより、図１に示される従来の印刷装置および方法と比較して、印刷の生産性レベルを実質的に増加させている。
【０１１０】
図１０を参照すると、本願発明のさらなる実施形態を示している。この開示された実施形態は、印刷装置１００が複数のエネルギー源を備えること、特に第１のエネルギー源１１６および第２のエネルギー源１２２を備えることを除けば、重要な全ての点で図７〜図９に図示されている実施形態と同一である。第１の層１１２．１および第２の層１１２．２の露出面１１４．１，１１４．２に、２つのエネルギービーム１１８，１２４を同時に出射するように、エネルギー源１１６，１２２を構成している。堆積物１０８に含まれる粉体のカスケード状の層の２つを、エネルギー源１１６，１２２は一度に同時に加工作業している。
【０１１１】
この実施形態において、２つのエネルギー源１１６，１２２および対応する２つのエネルギービーム１１８，１２４を使用している一方で、Ｎ個のエネルギー源およびＮ個のエネルギービームを同時に使用してもよく、堆積物１０８の粉体の層１１４でＮ層同時に加工作業することは理解されよう。
【０１１２】
図１０を参照すると、本願発明のさらなる実施形態を示している。この開示された実施形態もまた、粉体の堆積物１０８の、個々の側面または個々の部分に、順次または連続して、実質的に粉体を堆積させるように供給ホッパー１０６が構成されることを除けば、重要な全ての点で図７〜図９に図示されている実施形態と同一である。
【０１１３】
例えば、この図では、供給ホッパー１０６が粉体の堆積物１０８の右端面１２６に粉体を堆積することを示しており、それにより、この右側面１２６で粉体のカスケード状の第１の層１１２．１および第２の層１１２．２を形成している。粉体の２つの層１１２．１，１１２．２のそれぞれの露出面１１４．１，１１４，２にそのエネルギービーム１１８を向けるようにエネルギー源１１６は構成されており、これらの粉体を選択的に溶融または焼結し、右側面１２６で３Ｄの物体の一部を作り上げている。
【０１１４】
次に、その後、粉体の堆積物１０８のさらなる個々の側面または一部に、供給ホッパー１０６およびエネルギービーム１１８が向けられ、これらの側面または一部において、上述の３Ｄの物体が完全に形成されるまで、この３Ｄの物体のさらなるカスケード状の層やさらなる一部を形成している。
【０１１５】
上述の走査手段を使用し、堆積物１０８側面に形成されている粉体の個々の層１１２．１，１１２．２の、外形、形状、表面特性、及び／又は相対位置をリアルタイムで測定している。この情報は、制御電子回路やソフトウェアと共に装置１００により利用され、エネルギービーム１１８の方向や出力を決定して連続的に制御し、また、その結果として得られる溶融池の対応している位置を決定して連続的に制御し、形成された個々の層１１２．１，１１２．２を、正確に溶融、焼結、及び／又は融着するようにして、上述の３Ｄの物体を作り上げている。
【０１１６】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照すると、本願発明による印刷装置３０の、さらなる実施形態を示している。この実施形態では、作動面３４上に湾曲した経路で、粉体の層３８を同時に堆積するように、印刷装置３０の供給ホッパー３６および制御機構が構成されている。このことは、通常は円形または湾曲形状を有している３Ｄの物体を作り上げるように、この実施形態が特に構成されることをもたらしている。
【０１１７】
粉体の複数の層３８を、階段状または螺旋状に堆積することが好ましい。このことは、供給ホッパー３６の全ての回転を終了しており、エネルギー源４４により、堆積された層３８のバッチを十分に加工作業していて、３Ｄの物体の第１の層を形成するとき、次に、前のバッチのすぐ上の、複数の層の次のバッチを続いて堆積し、この物体の次の層を追加的に形成している。
【０１１８】
この図に示された実施形態では４つの供給ホッパーを有し、当該４つの供給ホッパーは、参照番号１２８で示される回転方向に沿って、湾曲した経路で粉体の４つの層３８を同時に堆積させるように構成されている。このことは、従来の印刷装置および方法と比較して、円形または湾曲形状を有している３Ｄの物体の印刷の生産性において４倍に増加する利点をもたらしている。より一般的には、Ｎ個（ここで、Ｎ＞２）の供給ホッパーを使用してもよく、湾曲した経路で粉体のＮ個の層を同時に堆積させ、円形または湾曲形状を有している３Ｄの物体の印刷の生産性においてＮ倍の増加につながることが理解されよう。
【０１１９】
当業者には明らかであるような変更や変形は、本願発明の範囲におけるものと見なされる。
【０１２０】
本発明の以下の特許請求の範囲において、また本発明の前述の記載において、言語表現や必要な示唆のために、文脈が他に必要とする場合を除き、用語“comprise”や、例えば“comprises”や“comprising”などの変形は包括的な意味で使用され、すなわち、記載された特徴の存在を特定しているが、本発明の様々な実施形態において、さらなる特徴の存在や追加を除外するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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