(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（５０）を製造する付加製造方法であって、
基板上の第１の量の粉末材料（６０）に対してパルスレーザエネルギー（４２）を印加して、前記粉末材料（６０）の粒子を前記基板上の第１の層へと融合させるステップと、
所定の走査速度及び／又は所定のハッチ間隔で前記第１の層上の少なくとも第２の量の粉末材料（６０）に対してパルスレーザエネルギー（４２）を印加して前記粉末材料（６０）の粒子を前記第１の層上の少なくとも１つの更なる層へと融合させることにより前記第１の層上に少なくとも１つの更なる層を形成するステップと、
を備え、
前記パルスレーザエネルギー（４２）のレーザ出力及び／又はデューティサイクルは、前記所定の走査速度及び／又は前記所定のハッチ間隔に応じて制御され、
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、前記物体（５０）に微小クラックおよび多孔質を伴わせないようにする全エネルギー密度を前記パルスレーザエネルギー（４２）が有するようにし、全エネルギー密度は、全エネルギー密度＝Ｐavg／ｖｓなる方程式を用いて計算され、ここで、Ｐavgはレーザピーク出力（Ｐ０）とデューティサイクル（Ｄ）とを乗じたものであり、ｖは走査速度であり、ｓはハッチ間隔である、方法。
【請求項２】
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、前記第１および第２の量の粉末材料（６０）を十分に融解させる請求項１に記載の付加製造方法。
【請求項３】
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、前記第１の層および前記更なる層における少なくとも１つの微細構造欠陥を減少させ、前記少なくとも１つの微細構造欠陥が微小クラックと多孔質とから成るグループから選択される請求項１または２に記載の付加製造方法。
【請求項４】
前記粉末材料（６０）が金属粉末材料（６０）である請求項１乃至３のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項５】
前記金属粉末材料（６０）は、急速凝固と局所的加熱とに起因する微小クラッキングを生じ易い金属材料である請求項４に記載の付加製造方法。
【請求項６】
前記金属材料は、アルミニウム、ニッケル、チタン、銅、耐熱金属、および、これらの合金から成るグループから選択される請求項４または５に記載の付加製造方法。
【請求項７】
アルミニウム合金は、６０００系および７０００系のアルミニウム合金およびそれらの混合物から成るグループから選択される請求項４乃至６のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項８】
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、全エネルギー密度が２０〜６０Ｊ／ｍｍ2になるようにする請求項１乃至７のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項９】
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、パルス周波数が２０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚになるようにする請求項１乃至８のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項１０】
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、レーザピーク出力（ＰO）が１００Ｗ〜５００Ｗになるようにする請求項１乃至９のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項１１】
前記パルスレーザエネルギー（４２）を印加する制御態様は、デューティサイクルが０．５〜０．７になるようにする請求項１乃至１０のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項１２】
前記走査速度が１００ｍｍ／ｓ〜２０００ｍｍ／ｓであり、前記ハッチ間隔が０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍである請求項１乃至１１のいずれかに記載の付加製造方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の付加製造方法を行うように構成される付加製造装置（１０）であって、前記装置（１０）は、パルスレーザ発生システム（４０）と、前記パルスレーザエネルギー（４２）が請求項１乃至１３のいずれかにしたがって印加される制御態様を制御するコントローラ（３０）とを備える、付加製造装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、付加製造（ＡＭ）プロセス、具体的には、物体を生成するべく粉末材料を選択的に融合させるためにエネルギービームを使用するＡＭプロセスを行うようになっている方法および装置に関する。特に、本発明は、ＡＭプロセスにおいて所定の緻密化および微細構造発現を達成するために指向性パルスエネルギービームを使用する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＭプロセスは、一般に、減法的製造方法とは対照的に、ネットシェイプまたはニアネットシェイプ（ＮＮＳ）物体を形成するために１つ以上の材料の積層を伴う。「付加製造」は業界標準用語（ＡＳＴＭ  Ｆ２７９２）であるが、ＡＭは、自由製造、３Ｄ印刷、急速プロトタイピング／ツーリング等を含めて、様々な名前により知られる製造技術およびプロトタイピング技術を包含する。ＡＭ技術は、多種多様な材料から複雑な構成要素を製造することができる。一般に、自立物体は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから製造され得る。特定のタイプのＡＭプロセスは、粉末材料を焼結する或いは融解させるためにエネルギービーム、例えば電子ビームまたはレーザビームなどの電磁放射線を使用し、それにより、粉末材料の粒子が互いに結合される固体三次元物体を形成する。異なる材料系、例えば、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー、金属、および、セラミックが使用されている。レーザ焼結またはレーザ溶融は、機能的なプロトタイプおよびツールの急速製造のための注目すべきＡＭプロセスである。用途としては、インベストメント鋳造のためのパターン、射出成形およびダイカストのための金属金型、砂型鋳造のための金型およびコアが挙げられる。設計サイクル中にコンセプトのコミュニケーションおよび試験を促すためのプロトタイプ物体の製造は、ＡＭプロセスの他の一般的な用法である。
【０００３】
レーザ焼結は、微細粉末を焼結する或いは融解するべくレーザビームを使用することによって三次元（３Ｄ）物体を生成することを示すために使用される共通の業界用語である。より正確には、焼結は、粉末材料の融点を下回る温度で粉末の粒子を融合させること（凝集すること）を伴い、一方、融解は、固体均質塊を形成するべく粉末の粒子を十分に融解させることを伴う。レーザ焼結またはレーザ溶融と関連付けられる物理的なプロセスは、粉末材料への熱伝導、および、その後の粉末材料の焼結または融解のいずれかを含む。レーザ焼結プロセスおよびレーザ溶融プロセスは広範囲の粉末材料に適用され得るが、生成経路の科学的および技術的な局面、例えば焼結速度または融解速度や層製造プロセス中の微細構造発現に対する処理パラメータの影響は十分に理解されてこなかった。この製造方法は、熱移動、質量移動、および、運動量移動の複数の態様と、プロセスを非常に複雑にする化学反応とによって達成される。
【０００４】
レーザ焼結／溶融技術は、しばしば、基板上の制御された量の粉末（通常は金属）材料に対してレーザビームを投影して、その上に融合粒子または溶融材料の層を形成することを伴う。しばしば走査パターンと称される所定の経路に沿ってレーザビームを基板に対して移動させることにより、基板上に層を二次元で規定することができ、層の幅は、レーザビームが粉末材料に衝突する際のレーザビームの直径によって決定される。走査パターンは、しばしば、走査ベクトルまたはハッチラインとも称される平行な走査ラインを備え、また、２つの隣り合う走査ライン間の距離はしばしばハッチ間隔と称され、この間隔は、通常は、粉末材料の完全な焼結または融解を確保するべく十分な重なり合いを得るためにレーザビームの直径よりも小さい。走査パターンの全部または一部に沿うレーザの動きを繰り返すことにより、材料の更なる層を堆積させてその後に焼結または融解することができ、それにより、三次元物体を製造することができる。
【０００５】
従来、レーザ焼結技術およびレーザ溶融技術は、連続波（ＣＷ）レーザ、一般的には１０６４ｎｍで動作するＮｄ：ＹＡＧレーザを使用して行われてきた。これは、修理用途または完成物体を得るためにその後の機械加工工程が許容できる場合に特に適した高い材料堆積速度を達成できる。しかしながら、方法は、精密公差に合わせた高品質表面仕上げを伴うニアネットシェイプ物体の生成に役立たない。これらのプロセスが直面する他の障害は、最終生成物における微細構造欠陥（例えば、空隙、不純物、または、含有物）の存在である。そのような欠陥は、破滅的な不具合をもたらし得る。
【０００６】
以上に照らして、レーザ焼結技術およびレーザ溶融技術と関連付けられる特定の問題、欠点、または、不都合が存在することが分かり、また、改良された方法および機器を利用できるとともに改良された方法および機器が精密公差に合わせて高品質表面仕上げを有するようにニアネットシェイプ物体を生成できるおよび／または完成物体における堆積層間のクラック、含有物、および、孔を減少させる或いは排除することができれば望ましいことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，８６３，５３８号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、３Ｄ物体を生成するべく粉末材料を選択的に焼結する（融合させる）或いは融解するためにエネルギービームが使用されるＡＭ（付加製造）技術で用いるのに適した方法および装置を提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、物体を製造する方法は、基板上の第１の量の粉末材料に対してパルスレーザエネルギーを印加して、粉末材料の粒子を基板上の第１の層へと融合させ、その後、第１の層上の少なくとも第２の量の粉末材料に対してパルスレーザエネルギーを印加して粉末材料の粒子を第１の層上の少なくとも１つの更なる層へと融合させることにより第１の層上に少なくとも１つの更なる層を形成するステップを伴う。パルスレーザエネルギーは、第１および第２の量の粉末材料の凝固動態が第１の層および更なる層を備える物体の少なくとも１つの微細構造特性を促進させるべく変えられるように、制御された態様で印加される。
【００１０】
本発明の他の態様は、前述したステップを備える方法を行うようになっている装置と、前述したステップを備える方法によって製造される物品とを含む。
【００１１】
本発明の技術的効果は、特に、生成される最終物体の特性のかなり細かい制御を達成し、それにより、例えば、微細構造欠陥、例えば空隙、不純物、含有物、および、特に微小クラックおよび多孔質が存在する場合にはそれらを減少させる目的で、粉末材料に印加される熱量を正確に精密に制御するべくレーザビームパルスを適切に変調させることができる能力である。任意の特定の理論に制限されることを望むことなく、材料の凝固動態に対するパルスレーザエネルギーの効果は、エネルギー堆積によって材料へもたらされる時間的および空間的な温度勾配、結果として生じる過渡的で局所的な温度勾配と釣り合う温度依存性材料特性、および、結果として生じる材料の物理的応答および微細構造特性に影響を及ぼすと考えられる。
【００１２】
以下に記載される実施形態に関連して、これらの態様および他の態様について更に十分に説明する。一般に、１つの実施形態の特徴が他の実施形態の特徴と組み合わせて使用されてもよく、また、実施形態が発明の範囲を限定しようとするものではないことが理解されるべきである。
【００１３】
説明が進むにつれて更に明らかとなる本発明の様々な典型的な実施形態が添付図面と関連して以下の詳細な説明に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の特定の態様を包含する装置の図を描く。
【図２】定常波技術（上）およびパルス波技術（中央および下）を使用して生成される物体の断面の顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の定義が本発明に適用される。
【００１６】
この文脈で使用される「機械的性能」は、靱性（例えば、破壊靱性）、延性、クリープ抵抗、および、中間温度強度を含むように意図される。
【００１７】
用語「超合金」は、通常、複合コバルト系合金または複合ニッケル系合金を包含するように意図され、複合コバルト系合金または複合ニッケル系合金は、１つ以上の他の元素、例えばレニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、および／または、鉄を含む。そのような材料は、参照することにより本願に組み入れられる米国特許第６，４７５，６４２号、第５，３９９，３１３号、および、第４，１１６，７２３号を含む様々な文献に記載される。
【００１８】
本明細書中で使用される用語「ＡＭプロセス」（「付加製造」プロセスも同様）とは、有用な三次元物体をもたらすとともに、物体の１つの層の形状を一度に連続的に形成するステップを含む任意のプロセスのことである。ＡＭプロセスは、三次元印刷（３ＤＰ）プロセス、レーザネットシェイプ製造、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、プラズマ移行性アーク、自由造形法などを含む。特定のタイプのＡＭプロセスは、粉末材料を焼結する或いは融解させるために、エネルギービーム、例えば、電子ビームまたはレーザビームなどの電磁放射線を使用する。ＡＭプロセスは、しばしば、比較的高価な金属粉末材料またはワイヤを原材料として使用する。３ＤＰプロセスの一例は、２０００年３月１４日に発行されたＳａｃｈｓの米国特許第６，０３６，７７７号において見出すことができる。
【００１９】
本発明は、一般に、物体（物品、構成要素、部品、生成物など）を製造するための急速な方法としてのＡＭプロセスに関し、このプロセスでは、物体を生成するために多数の薄い単位層が連続的に形成される。より具体的には、粉末材料の層が横たえられて、この粉末材料の層にエネルギービーム（例えば、レーザビーム）が照射され、それにより、各層内の粉末材料の粒子が連続的に焼結され（融合され）或いは融解されて、層が凝固される。本発明の好ましい態様によれば、パルスレーザ付加製造（ＡＭ）装置を使用して、パルスレーザビームを発生させるとともに、固体均質塊を形成するべく粉末材料の連続層内で粒子を十分に融解させることによって三次元物体を生成できるレーザ溶融法を実行する。
【００２０】
レーザ焼結／溶融技術の詳細な説明は、米国特許第４，８６３，５３８号、米国特許第５，０１７，７５３号、米国特許第５，０７６，８６９号、および、米国特許第４，９４４，８１７号において見出すことができる。このタイプの製造プロセスの場合、レーザビームは、層内の材料の断面を走査することによって粉末材料を選択的に融合させるために使用される。これらの断面は、所望の物体の三次元描写に基づいて走査される。この描写は、例えばコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイル、スキャンデータ、または、何らかの他のソースなどの様々なソースから得られてもよい。
【００２１】
本発明の特定の態様によれば、粉末材料が金属材料であってもよく、その非限定的な例としては、アルミニウムおよびその合金、チタンおよびその合金、ニッケルおよびその合金、ステンレス鋼、コバルト−クロム合金、タンタル、および、ニオブが挙げられる。三次元構造体を生成する方法は、前述した粉末材料のうちの１つ以上の第１の層を基板上に堆積させることを含んでもよい。粉末材料の少なくとも１つの更なる層が堆積された後、所望の物体が得られるまでそれぞれの連続層のためのレーザ走査ステップが繰り返される。三次元構造体を製造する際に、粉末材料を固体ベースに塗布してもよく或いは塗布しなくてもよい。物品は、完成まで層状態様を成して形成される。本発明では、本発明の実施形態で使用される粉末材料の粒子形状に関して特定の制限はない。粉末材料の平均粒径は約１０〜１００μｍであることが好ましい。
【００２２】
特定の実施形態において、本発明は、金属スタンピング加工を使用することなく、生成物が焼結に耐性があると考えられる純アルミニウム系および／またはアルミニウム合金系の粉末材料から形成され得る場合であっても、例えば、空隙、不純物、含有物、および、特に微小クラックおよび多孔質などの微細構造欠陥の実質的欠如によって特徴付けられる、高い寸法精度と優れた微細構造特性とを有するアルミニウム生成物を提供する。アルミニウム合金は、本明細書中では、少なくとも５０質量％のアルミニウムを含有する金属合金として規定される。
【００２３】
１つの実施形態では、ＡＭプロセスが不活性雰囲気下で行われる。他の実施形態において、不活性雰囲気は、ヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素、空気、亜酸化窒素、アンモニア、二酸化炭素、および、これらの組み合わせから成るグループから選択されるガスを含む雰囲気である。１つの実施形態において、不活性雰囲気は、窒素（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、および、これらの混合物から成るグループから選択されるガスを含む雰囲気である。１つの実施形態では、不活性雰囲気が実質的にアルゴンガス雰囲気である。
【００２４】
他の有利な実施形態において、パルスレーザＡＭ装置は、内部で物品を製造できるビルドチャンバと、該チャンバ内にあってその上で物品が製造される可動ビルドプラットフォームと、粉末材料供給システムと、レーザ伝送システムとを備える。粉末材料供給システムは、粉末材料をビルドプラットフォームへ供給する。随意的な実施形態では、加熱されたガスを用いて粉末材料およびプラットフォームを加熱できる加熱システムが使用されてもよい。物体の形状に適合することにより、粉末材料は、プロセスが実行されるべき可動プラットフォームの部分のためだけに必要とされる。
【００２５】
ここで、図１を参照すると、パルスレーザＡＭ装置１０の図が１つの実施形態にしたがって描かれる。図１に示される特定の例では、装置１０がパルスレーザ付加製造（ＡＭ）デバイス１００を含み、該デバイス１００は、好ましくは、その内部で物体５０が製造されるようになっているビルドチャンバ（図示せず）と、ビルドチャンバ内にあってその上で物体５０が製造される可動ビルドプラットフォーム（図示せず）とを備える。装置１０は、パルスレーザ発生システム４０とコントローラ３０とを更に含む。図示の例では、発生システム４０により発生されるパルスレーザビーム４２を使用して物体５０を形成するために、粉末材料６０がＡＭデバイス１００内に配置されてもよい。物体５０は様々な形態を成してもよい。コントローラ３０は、加熱、好ましい実施形態では粉末材料６０の溶融を制御して物体５０を形成するために、制御信号を発生システム４０へ送るとともに、制御信号３２をＡＭデバイス１００へ送ってもよい。これらの制御信号３２は、設計データ２０を使用して発生されてもよい。
【００２６】
パルスレーザビーム４２は、パルス励起によって或いはパルスレーザ発生システム４０内の手段によって発生され得る（Ｑスイッチまたはモードカップリング）。パルスレーザビーム４２は、連続波（ＣＷ）レーザとは異なり連続的に放射されず、パルス化された態様で、すなわち、時間的に限られたパルス状態で放射される。
【００２７】
１つの実施形態において、発生システム４０は、粉末材料６０の層ごとの局所的な融合（溶融または焼結）を行うようになっている。１つの実施形態において、粉末材料６０は、従来のレーザ焼結／溶融プロセスにおいてクラッキングの影響を受け易い合金であり、また、レーザビーム４２は、溶融粉末材料６０の凝固動態が結果として生じる物体５０のより良好な微細構造特性を与えるべく変えられるように、制御された態様で供給される。１つの実施形態において、微細構造特性は、再凝固された粉末材料６０の応力状態、歪み状態、および、クラッキング状態のうちの１つ以上を含む。任意の特定の理論に制限されることを望むことなく、材料の凝固動態に対するパルスレーザエネルギーの効果は、エネルギー堆積によって材料へもたらされる時間的および空間的な温度勾配、結果として生じる過渡的で局所的な温度勾配と釣り合う温度依存性材料特性、および、結果として生じる材料の物理的応答および微細構造特性に影響を及ぼすと考えられる。
【００２８】
１つの実施形態では、パルスレーザ発生システム４０がパルスＮｄ：ＹＡＧレーザである。他の実施形態では、発生システム４０がパルスファイバ（ファイバ）レーザである。ファイバレーザは、一般に、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ジスプロシウム、プラセオジム、および、ツリウムなどの希土類元素がドープされた光ファイバを活性利得媒質とするレーザである。誘導ラマン散乱または四波混合などのファイバ非線形性は、利得を与えることもでき、したがって、ファイバレーザのための利得媒質としての役割を果たす。他の実施形態において、発生システム４０は、ガウス型密閉管ＣＯ2パルスレーザであってもよい。したがって、発生システム４０がＣＯ2レーザを実装してもよい。
【００２９】
本発明の好ましい態様によれば、微細構造欠陥、特に微小クラックおよび多孔性がない或いはほぼない物品を生成するために、レーザビーム４２は、レーザピーク出力、パルス列のデューティサイクル、走査速度（ハッチ速度）、および、ハッチ間隔（隣り合う走査される粉末材料間のオフセット）によって決定されるレーザ溶接パラメータを利用してパルス態様で印加される。特に、レーザパルスおよびその関連するパラメータは、以下の方程式を用いて計算される本明細書中で全エネルギー密度と称されるものを得るべく制御される。
【００３０】
全エネルギー密度＝Ｐavg／ｖｓ
ここで、ｖは走査速度であり、ｓはハッチ間隔であり、また、Ｐavgは、レーザピーク出力（ＰO）とデューティサイクル（Ｄ、無次元）とを乗じることによって計算されるレーザ平均出力であり、デューティサイクルは、パルス幅（τ、秒を単位とする持続時間）とパルス周波数（ｆ、１秒当たりのサイクルの割合）とを乗じることによって計算される。
【００３１】
パルスレーザビームのパルス周波数は約５０Ｈｚ〜５０ＫＨｚの範囲内であってもよい。他の実施形態では、パルス周波数が約１ＫＨｚ〜５０ＫＨｚの範囲内である。他の実施形態では、パルス周波数が約３ＫＨｚ〜５０ＫＨｚの範囲内である。他の実施形態では、パルス周波数が約１０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚの範囲内である。他の実施形態では、パルス周波数が約２０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚの範囲内である。
【００３２】
本発明によれば、レーザビーム４２は、周期的または非周期的であってもよい或いは高周波で繰り返し分路される、正弦波、矩形波、整流された正弦波、方形波、または、任意の他の波形（例えば、鋸歯波）の状態で変調され得る。そのような波は、立ち上がり、立ち下がり、または、これらの両方を有してもよい。好適には、変調の度合いは、最良の凝固品質性能のための要件を満たすように最適化され得る。
【００３３】
適切な時間遅延値を指定して好適にはバーストパルスを成す個々のパルスのパルスエネルギーを制御するために、オペレータ指定の値を波形発生器へコンピュータ入力することができる。したがって、パルスピーク強度の経過または進展に対するバーストエンベロープ内の異なるプロファイルおよび繰り返し率を任意に規定して変えることができる。例えば、パルスエネルギーエンベロープが単調に増大または減少する或いは一定のままである場合に、パルスのバーストを発生させることができる。ガウス、ローレンツ、超ガウス、指数関数的な上昇、指数関数的な低下、および、多くの他の形態のパルスエネルギーエンベロープが発明によって予期される。短い繰り返しバースト、繰り返し率の変化、正弦波分布、および、非周期的な分布の組み合わせが、本発明により記載される様々な実施形態によってもたらされてもよい。特定の実施形態では、レーザを過駆動する危険を伴わずに十分なポンプエネルギーを供給するために、変調波形が高いデューティサイクル（Ｄ＝Ｐavg／ＰO＝τｆ）を有する。
【００３４】
パルスレーザビーム４２のピーク出力（ＰO）は約５Ｗ〜約２０００Ｗであってもよい。他の実施形態では、ピーク出力が約４０〜約１０００Ｗである。他の実施形態では、ピーク出力が約１００Ｗ〜約５００Ｗである。他の実施形態において、ピーク出力は、より高い出力のビームを分割して複数の走査ヘッドを使用することによって複数の発生点で与えられる。
【００３５】
１つの実施形態では、レーザ走査速度が約１００ｍｍ／ｓ〜約２０００ｍｍ／ｓの範囲内である。他の実施形態では、レーザ走査速度が約２００ｍｍ／ｓ〜約１０００ｍｍ／ｓの範囲内である。他の実施形態では、レーザ走査速度が約２００ｍｍ／ｓ〜約４００ｍｍ／ｓの範囲内である。更なる他の実施形態では、例えば約８０〜約４００ｍｍ／ｓの範囲のより低い走査速度が使用されてもよい。
【００３６】
１つの実施形態では、ハッチ間隔が約０．０２ｍｍ〜約０．２ｍｍである。他の実施形態では、ハッチ間隔が約０．０４ｍｍ〜約０．１ｍｍである。他の実施形態では、ハッチ間隔が約０．０５ｍｍ〜約０．０７ｍｍである。ハッチ間隔とレーザビーム直径における典型的な範囲とに基づいて、典型的なビーム重なり（ｂ）が約１２００％〜約５０％であってもよい。
【００３７】
１つの実施形態では、デューティサイクルが約０．１〜約０．９５である。他の実施形態では、デューティサイクルが約０．２〜約０．８である。他の実施形態では、デューティサイクルが約０．３〜約０．７である。粉末材料６０がアルミニウムまたはアルミニウム合金である実施形態では、特に適したデューティサイクルが約０．５〜約０．７であると考えられる。他の実施形態では、特に適したデューティサイクルが約０．４〜約０．６であると考えられる。
【００３８】
パルスレーザビーム４２を用いて連続的に融合される粉末材料６０の第１の層およびそれに続く層の厚さは、好ましくは約５μｍ〜約２０００μｍである。１つの実施形態において、粉末材料層厚は、利用できるレーザ出力に対応する。他の実施形態では、粉末材料層厚が約１０μｍ〜２００μｍである。他の実施形態では、粉末材料層厚が約２０μｍ〜５０μｍである。
【００３９】
１つの実施形態において、ＡＭデバイス１００は、粉末材料６０がパルスレーザビーム４２に晒される前に加熱ガス７０を用いて粉末材料６０を加熱することができる。また、加熱ガス７０は、粉末材料６０の既に処理された層の温度を融合されるべき層の温度付近に維持するのに役立ち得る態様で、他の物体をＡＭデバイス１００内で加熱してもよい。
【００４０】
図１における装置１０の例示は、異なる環境が実施されてもよい態様への物理的および／または構造的な限定を示唆しようとするものではない。例えば、他の有利な実施形態において、パルスレーザ発生システム４０は、別個のユニットとしてではなくパルスレーザＡＭデバイス１００の一部として実施されてもよい。異なるユニットは、特定の実施に応じて組み合わされてもよく或いは更なるブロックへと更に分離されてもよい機能的構成要素として例示される。更なる他の例では、コントローラ３０がパルスレーザＡＭデバイス１００内に実装されてもよい。
【００４１】
最初に、物体５０の形状および材料積層がコンピュータ内で設計データ２０として決定される。設計データ２０は様々な形態を成してもよい。例えば、設計データ２０は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルまたはスキャンデータであってもよい。三次元電子表示のＣＡＤファイルは、一般に、ステレオリソグラフィックまたは標準三角言語（「ＳＴＬ」）ファイル形式またはＳＴＬ形式として業界で知られる他のファイル形式へ変換される。ＳＴＬ形式ファイルは、その後、物体５０の三次元電子表示を二次元スライスとして表される物体５０を構成するＳＴＬ形式ファイルへと変換する電子ファイルを生成するために、適切なスライシングプログラムによって処理される。これらの様々な電子ファイルを形成するのに適したプログラムは、当業者に良く知られている。
【００４２】
このプロセスからもたらされる層情報がコントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、ＡＭデバイス１００のコンピュータ（図示せず）へ供給される信号３２を生成して、ＡＭデバイス１００のビルドプラットフォームを制御する。制御信号３２は、粉末材料６０の供給を制御してパルスレーザ発生システム４０を制御するために利用されてもよい。また、コンピュータを特にＡＭデバイス１００の制御コンピュータとして使用することもできる。物体５０の生成の更なる過程では、既に説明した付加製造方法にしたがって物体５０の層ごとの積層が行われてもよい。
【００４３】
他の有利な実施形態では、ＡＭデバイス１００のビルドチャンバの容積が気密である必要がない。このタイプの実施に関しては、プラスの圧力がビルドチャンバ内で維持されることが好ましい。圧力は、圧力および／または温度調整器によって維持されてもよい。１つの実施形態では、ガスの温度が約１００℃〜約４００℃であってもよい。動作時、ガスは、ガスポートを通じて粉末材料供給システムおよびビルドチャンバへ導入されてもよい。特定の実施に応じて、ガスは、ガスポートを通じて導入される前に予熱されてもよい。加熱されたガスは、循環されるとともに、粉末材料およびビルドチャンバを加熱する。また、加熱されたガスがビルドプラットフォームを加熱してもよい。ビルドプラットフォームの加熱は、ビルドプラットフォーム上に位置される粉末材料の間接的な加熱をもたらしてもよい。粉末材料およびビルドプラットフォームを加熱するための不活性ガスの使用は、ビルドプラットフォームを直接に加熱するために石英、ロッドヒータ、または、カーボンファイバ加熱素子が用いられる現在使用されるメカニズムとは対照的である。ビルドプラットフォームおよび他のシステム構成要素の加熱は、粉末材料６０を融合させるために必要とされるレーザエネルギーの量を減少させることができる。この種の能力は、より高い温度の材料が粉末材料６０のために使用されるときに有益である。
【００４４】
粉末材料６０の層がパルスレーザビーム４２によって融解される結果として処理された後、ビルドプラットフォームの少なくとも一部が移動されてもよく、例えばビルドチャンバ内で下降されてもよい。その後、先の層の上およびビルドプラットフォームのビルド表面上に粉末材料６０の他の層を堆積させるために、更なる粉末材料６０が供給されてもよい。粉末材料６０の更なる層は、その後、発生システム４０により供給されるレーザビーム４２を使用して処理され得る。粉末材料６０の層が堆積される度に、粉末層が略平坦な表面を規定するように粉末層を平滑にするべくリコーターが必要とされてもよい。ビルドプラットフォームのこの種の移動を伴うと、使用される粉末材料６０をより少なくすることができる。具体的に、可動ステージが下方へ移動しなかった或いは他の部分よりも少なく下方へ移動した領域上には、より少ない粉末材料６０が堆積される。
【００４５】
装置１０は、現在利用できるレーザ焼結システムまたはレーザ溶融システムを変更することによって構成されてもよい。異なる有利な実施形態は、パルスレーザ発生システム４０を含むように変更された現在利用できるレーザ焼結システムまたはレーザ溶融システムを使用してもよい。また、装置１０は、適切なビルドプラットフォームと加熱ガス７０の供給源とを含むように変更されてもよい。また、他の有利な実施形態では、ビルドチャンバから部品を除去できるようにする態様でドアが含まれてもよい。
【００４６】
従来技術のレーザ焼結プロセスを使用した部品の生成を困難にする最大の原因のうちの１つは、部品の生成中の残留応力の形成である。後述するように、パルスレーザビーム４２は、残留応力の大きさを減少させることができるように供給され、それにより、何らかの更なる幾何学的自由度およびプロセスローバスト性が与えられる。
【００４７】
様々な融点を伴う成分を有する材料は、コヒーレンス温度（この温度を下回ると、半溶融状態の金属が連結する粒子を生成し始め、それにより、何らかの引張強度が材料に与えられる）と無延性温度（この温度を下回ると、半溶融状態の金属が延性を有し始める）との間の差である、より幅広い脆化温度範囲を有する可能性が高い。クラッキングが生じるための本質的な条件は、材料が受ける応力が材料の破壊強度よりも大きくなければならないということである。ここで、応力は熱収縮によって引き起こされ、また、非常に低い破壊強度がこの脆化温度範囲内で生じる。パルスレーザビーム４２は、これらの応力が生じる長さを制限することによって、また、発現する任意のクラックの溶融材料による更に容易な埋め戻しを潜在的に可能にする振動を溶融領域内に与えることによって、特性の向上をもたらすことができると考えられる。
【００４８】
この物理的現象を有する多くの異なる材料パラメータが存在するが、一般に、伸びによって測定される高い延性を有する材料は、例えば、本発明によって改善される可能性が高い。低い延性を有する材料は、パルスレーザビーム４２の利益を享受する可能性が高い。とりわけ前述したアルミニウム材料においては、一般にかなり高い室温延性（殆どの場合、＞１０％伸び）を有するが、大きな脆化温度範囲および高い凝固収縮（例えば、アルミニウム合金鋳造物においては約６．６％）の両方に起因して高温クラッキングを非常に生じ易いという例外がある。大きな凝固収縮を有する材料は、溶接領域付近で大きな応力を受ける可能性が高く、それにより、クラッキングが生じる虞がある。
【００４９】
以上を考慮して、装置１０は、以下に記載される材料を含むがこれらに限定されない多種多様な材料を処理できる。
【００５０】
アルミニウムおよびアルミニウム合金：幾つかのアルミニウム合金は、溶接可能であると見なされ（５０００系）、一般に、溶接不可能であると見なされるアルミニウム合金（６０００系および７０００系）よりも低い強度を有する。本発明は、溶接不可能と見なされるアルミニウム合金のためのパルシングにおいて、かなりの利益をもたらす。粉末材料６０は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金であってもよい。また、粉末材料６０は、純アルミニウムの粒子と１つ以上のアルミニウム合金との混合物であってもよく、或いは、様々なアルミニウム合金の混合物であってもよい。アルミニウム粉末材料６０の組成に関しては、粉末材料粒子が実質的に覆い隠すアルミナ膜を形成するための十分な金属形態のアルミニウムをアルミニウム粉末材料が含むようになっていること以外、制限はない。
【００５１】
ニッケルおよびニッケル系超合金を含むニッケル合金：溶接可能性は重要な因子である。高いアルミニウム濃度またはチタン濃度を有するニッケル系合金は、一般に、溶接不可能であると見なされる。パルスレーザビーム４２の使用は、これらの溶接困難な材料におけるクラックレベルを減少させることができると考えられる。
【００５２】
チタンおよびチタン合金：大部分のチタン合金は、溶接可能であると見なされて、レーザ焼結プロセスにより比較的容易に処理されるが、大規模なクラッキングが観察される場合がある。本発明において、パルスレーザビーム４２は、残留応力の大きさを減少させることができるとともにクラッキングの減少に関して利益を与えると考えられる。
【００５３】
金属間化合物：金属間チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）は、室温で低い延性を示すとともに、かなりの大型クラッキングおよび微小クラッキングを生じ易い。
【００５４】
耐熱材料：本発明において、パルスレーザビーム４２は、残留応力の大きさと、再凝固中に割れ易い耐熱材料のクラッキングとを減少させることができると考えられる。タングステンおよびモリブデンなどの耐熱金属は、かなり高い延性−脆性遷移温度を有するとともに、生成がかなり困難である。また、本発明において、パルスレーザビーム４２は、残留応力の大きさと、ニオブおよびタンタル合金などの耐熱金属のクラッキングとを減少させることもできると考えられる。１つの実施形態において、粉末材料６０は、耐熱金属、ゲッタリングのために一般に使用される金属、アルカリ土類金属、ＩＶ族金属、並びに、これらの化合物および合金のグループから選択される元素金属を備える。耐熱金属の例としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｒｈ、および、Ｎｂが挙げられるが、これらに限定されない。ゲッタ材料は、吸着、吸収、および／または、閉鎖によって自由ガスを容易に収集する材料であり、一般に、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｈ、Ｔｉ、Ｕ、Ｂａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、および、Ｐを含むが、幾つかの他の材料も存在する。最後に、４族金属は、Ｔｉ、Ｚｒ、および、Ｈｆを含む。金属化合物の例は、金属水素化物、例えばＴｉＨ2、および、金属間化合物、例えばＴｉＡｌおよびＴｉＡｌ3を含む。合金の具体的な事例は、特にＴｉ−６Ａｌ４Ｖである。
【００５５】
銅および銅合金：本発明において、パルスレーザビーム４２は、残留応力の大きさと、銅および関連する高熱伝導率の低光吸収合金におけるクラッキングとを減少させることができると考えられる。
【００５６】
金属ガラス：本発明の他の実施形態では、不規則な原子スケール構造を伴う固体金属材料、通常は合金であるアモルファス金属（金属ガラスまたはガラス状金属としても知られる）が使用される。大部分の金属はそれらの固体状態で結晶構造であり、これは、それらの金属が非常に規則正しい金属配列を有することを意味する。アモルファス金属は、非晶質であり、したがってガラスであるが、電気絶縁体である従来のガラスとは異なり、アモルファス金属は良好な電気伝導性を有する。極めて急速な冷却、物理蒸着、固相反応、イオン照射、および、機械的合金化を含めて、アモルファス金属を生成できる方法は幾つかある。本発明では、冷却速度の増大が更に小さい（更に良好な）沈殿をもたらす。１つの実施形態において、本方法は、０．５のデューティサイクルを伴う約２０ＫＨｚの電流パルス周波数を用いて使用され、また、材料は、１２００℃の最大温度を伴うオフ期間で液体から固体へと移行し、それにより、これまで使用された１．５×１０6Ｋ／ｓのシックスシグマ測定冷却速度を超える程度の大きさの冷却速度増大である約２．４×１０7ケルビン／秒の冷却速度がもたらされる。
【００５７】
金属ガラスを用いると、急速凝固は、異なる合金（急速凝固鋼、急速凝固アルミニウム、および、他のものが存在する）において異なる準安定強化状態をもたらす。溶融材料からゆっくりと冷却される場合には、これらの相の粒子が過度に成長し、それにより、それらの強化材としての効果が低下する。スカンジウム（Ｓｃａｌｍａｌｌｏｙ、Ｐａｎｄａｌｌｏｙ）を有するアルミニウム材料の場合には、急速に冷却することにより、溶液中のスカンジウムが大きな粒子を形成するための時間を有さない。レーザ焼結プロセスが極めて急速な冷却速度（１０6ケルビン／秒程度）を有することが知られているが、本発明は、急速凝固を必要とする材料に適している。パルシングを用いて、方法は、材料の温度がパルス間である程度まで低下できるようにすることによって冷却速度を高めることができる。
【００５８】
１つの実施形態では、金属ガラスが少なくとも２つの元素の合金を含む。第１の元素は、銀、アルミニウム、銅、ニッケル、または、これらの組み合わせを含んでもよい。他の実施形態において、第１の元素は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルビジウム（Ｒｂ）、クロム（Ｃｒ）、および、ストロンチウム（Ｓｒ）から選択される少なくとも１つを含んでもよい。
【００５９】
第２の元素は、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、トリウム（Ｔｈ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バリウム（Ｂａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リチウム（Ｌｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、プルトニウム（Ｐｕ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ウラン（Ｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、オスミウム（Ｏｓ）、バナジウム（Ｖ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ホウ素（Ｂ）、銅（Ｃｕ）、および、水銀（Ｈｇ）から選択される少なくとも１つを含んでもよい。
【００６０】
第１および／または第２の元素は、高い酸化電位を有してもよく、例えば、銅、チタン、ルテニウム、カドミウム、亜鉛、ロジウム、カリウム、ナトリウム、ニッケル、ビスマス、スズ、バリウム、ゲルマニウム、リチウム、ストロンチウム、マグネシウム、ベリリウム、鉛、カルシウム、モリブデン、タングステン、コバルト、インジウム、シリコン、ゲリウム、鉄、ジルコニウム、クロム、ホウ素、マンガン、アルミニウム、ランタン、ネオジウム、ニオブ、バナジウム、イットリウム、および／または、スカンジウムを有してもよい。
【００６１】
他の実施形態において、金属ガラスは、全重量に基づいて、約３０〜約９９重量パーセント（ｗｔ％）、約０．１〜約２０重量パーセント（ｗｔ％）、および、約０．９〜約６９．９重量パーセント（ｗｔ％）の量で含まれてもよい。
【００６２】
金属ガラスは、２つ以上の元素を含む不規則な原子構造を有する合金を含む。金属ガラスがアモルファス金属であってもよい。金属ガラスは、金属ガラスの全重量に基づいて、約５０〜約１００重量パーセント（「ｗｔ％」）、具体的には約７０〜約１００ｗｔ％、より具体的には約９０〜約１００ｗｔ％のアモルファス含有量を有してもよい。他の実施形態では、金属ガラスが実質的にアモルファスであってもよい。
【００６３】
金属粉末材料６０がアルミニウム（Ａｌ）を含む場合、金属ガラスは、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、プロメチウム（Ｐｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、プルトニウム（Ｐｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ウラン（Ｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、カルシウム（Ｃａ）、テクネチウム（Ｔｃ）、バリウム（Ｂａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、タンタル（Ｔａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、バナジウム（Ｖ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、レニウム（Ｒｅ）、ヒ素（Ａｓ）、モリブデン（Ｍｏ）、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タングステン（Ｗ）、または、銅（Ｃｕ）から選択される少なくとも１つを更に含んでもよい。
【００６４】
金属粉末材料６０が銅（Ｃｕ）およびジルコニウム（Ｚｒ）を含む場合、金属ガラスは、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、および、ハフニウム（Ｈｆ）から選択される少なくとも１つを更に含んでもよい。アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、および、ハフニウム（Ｈｆ）から選択される少なくとも１つは、金属ガラスの全体の量に基づいて、約１０原子パーセント（ａｔ％）以下の量で含まれてもよい。
【００６５】
金属ガラスを使用する他の実施形態では、ヘリウムが利用されてもよい。ヘリウムは、おおよそ大きさの程度がアルゴンよりも高い最も熱伝導性があるガスだからである。放射は、材料が極めて熱いときに最も重要な冷却効果であるが、対流が重要な役割を果たす。したがって、急速に凝固される材料の生成を促進させるために、実質的にヘリウムを備える雰囲気が利用される。１つの実施形態において、生成雰囲気は、少なくとも３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０パーセント以上のヘリウムを備える。他の実施形態では、雰囲気がヘリウムとアルゴンとを備える。他の実施形態では、ガス雰囲気と減圧との組み合わせが使用される。これに関連して、減圧ヘリウム雰囲気が単独で或いは１つ以上の更なるガスと組み合わせて使用される。他の実施形態では、生成中にビルドプラットフォームまたはプレートを熱的に冷やす或いは冷却することによって冷却速度が増大される。
【００６６】
鉄系金属ガラスの場合、約４５〜７０原子パーセント（ａｔ％）Ｆｅ、１０〜３０ａｔ％Ｎｉ、０〜１５ａｔ％Ｃｏ、７〜２５ａｔ％Ｂ、０〜６ａｔ％Ｃ、および、０〜２ａｔ％Ｓｉを含む、これらから実質的に成る、または、これらから成る鉄系ガラス形成合金が使用されてもよい。例えば、鉄のレベルは、４５，４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０原子パーセントであってもよい。ニッケルのレベルは、１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０原子パーセントであってもよい。コバルトのレベルは、０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５原子パーセントであってもよい。ホウ素のレベルは、７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５原子パーセントであってもよい。炭素のレベルは、０，１，２，３，４，５，６原子パーセントであってもよい。シリコンのレベルは、０，１，２原子パーセントであってもよい。ガラス形成化学反応は、１０3Ｋ／ｓ〜１０5Ｋ／ｓの範囲内の全ての値および増分を含めて、１０００００Ｋ／ｓ未満の金属ガラス形成のための臨界冷却速度を示し得る。臨界冷却速度は、合金組成内でガラス片の形成をもたらす冷却速度として理解されてもよい。鉄系ガラス形成合金は、主に金属ガラスから成ってもよい構造をもたらしてもよい。すなわち、１．０％増分で５０％〜９９％の範囲内の全ての値および増分を含めて、金属構造の少なくとも５０％以上がガラス質である。したがって、原子スケール付近での順序付けが殆ど存在しなくてもよいことが理解され得る。すなわち、起こり得る任意の順序付けが５０ｎｍ未満であってもよい。他の例において、鉄系合金は、金属ガラス相および結晶相を含む、これらの相から実質的に成る、または、これらの相から成る構造を成してもよく、その場合、結晶相は、１ｎｍ増分で約１ｎｍ〜約５００ｎｍの全ての値および増分を含めて、サイズが５００ｎｍ未満であってもよい。
【００６７】
幾つかの例において、合金は、４６ａｔ％〜６９ａｔ％の範囲内で存在する鉄、１２ａｔ％〜２７ａｔ％の範囲内で存在するニッケル、随意的に、存在する場合には２ａｔ％〜１５ａｔ％の範囲内で存在してもよいコバルト、１２ａｔ％〜１６ａｔ％の範囲内で存在するホウ素、随意的に、存在する場合には４ａｔ％〜５ａｔ％の範囲内で存在してもよい炭素、随意的に、存在する場合には０．４ａｔ％〜０．５ａｔ％の範囲内で存在してもよいシリコンを含んでもよく、これらから実質的に成ってもよく、または、これらから成ってもよい。合金が前述の合金化元素を１００ａｔ％で含んでもよく、また、不純物が０．１ａｔ％〜５．０ａｔ％の範囲内でその範囲内の全ての値および増分を含めて存在してもよいことが理解され得る。不純物は、いくつかある機構の中で特に、原材料組成体、処理機器、処理中の環境との反応性などによって導入されてもよい。
【００６８】
合金は、個々の元素または元素組み合わせを含んでもよい１つ以上の原材料組成体を融解することによって生成されてもよい。原材料は、粉末材料として或いは他の形態を同様に成して与えられてもよい。原材料は、高周波（ｒｆ）誘導、電気アーク炉、プラズマアーク炉、または、他の加熱炉、或いは、シールドガス、例えばアルゴンガスまたはヘリウムガスを使用する装置によって融解されてもよい。原材料が融解された時点で、それらの原材料は、不活性ガス環境内に遮蔽されるインゴットへと形成されてもよい。インゴットは、均質性を高めるおよび／または向上させるために反転されて再び融解されてもよい。その後、合金は、最大で約１．２５ｍｍの幅を有するリボンへと溶融紡糸されてもよい。溶融紡糸は、例えば、５〜２５メートル／秒の範囲内の接線速度であって、その範囲内の全ての値および増分を含む接線速度で、行われてもよい。リボンは、０．０２ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲内の厚さであって、その範囲内の全ての値および増分を含む厚さを有してもよい。他のプロセス、例えば双ロール鋳造または１０００００Ｋ／ｓ以下の速度で合金を冷却できる他の比較的急速な冷却プロセスが同様に使用されてもよい。
【００６９】
前述した合金は、７．７０グラム／立方センチメートル〜７．８９グラム／立方センチメートル±０．０１グラム／立方センチメートルの範囲内の密度であって、その範囲内の全ての値および増分を含む密度を有してもよい。また、合金は、１０℃／分の割合でＤＳＣ（示差走査熱量計）を使用して測定される、４１０℃〜５００℃の範囲内の１つ以上のガラス−結晶転移温度であって、その範囲内の全ての値および増分を含むガラス−結晶転移温度を有してもよい。ガラス−結晶転移温度は、結晶構造がガラス合金から形成および成長を始める温度として理解されてもよい。一次発生ガラス−結晶転移温度が４１５℃〜４７４℃の範囲内であってもよく、また、二次発生ガラス−結晶転移温度が４５０℃〜４８８℃の範囲内であってもよく、これらの範囲は、その範囲内の全ての値および増分を含み、先と同様に１０℃／分の割合でＤＳＣにより測定される。一次ピークガラス−結晶転移温度が４２５℃〜４７９℃の範囲内であってもよく、また、二次ピークガラス−結晶転移温度が４５４℃〜４９４℃の範囲内であってもよく、これらの範囲は、その範囲内の全ての値および増分を含み、先と同様に１０℃／分の割合でＤＳＣにより測定される。更に、変態のエンタルピーは、−４０．６Ｊ／ｇ〜−２１０Ｊ／ｇの範囲内であってもよく、その範囲の全ての値および増分を含む。ＤＳＣは、サンプル、例えば高純度アルゴンガスの酸化を防止するために不活性ガス下で行われてもよい。
【００７０】
また、前述した合金は、１０６０℃〜１１２０℃の範囲内の初期融解温度を有してもよく、融解温度は、合金の状態が固体から液体へと変化する温度として理解されてもよい。合金は、１０６２℃〜１０９３℃の範囲内の一次発生融解温度を有してもよく、また、１０７３℃〜１１０５℃の範囲内の二次発生融解温度を有してもよく、これらの範囲は、その範囲内の全ての値および増分を含む。
【００７１】
更なる実施形態において、鉄系ガラス形成合金は、１１９〜１３４ＧＰａの範囲内のヤング率であって、その範囲内の全ての値および増分を含むヤング率を示す構造をもたらしてもよい。ヤング率は、伸長状態または圧縮状態の材料の比例限度内の単位歪みに対する単位応力の比率として理解されてもよい。また、合金は、１ＧＰａよりも大きい範囲内、例えば１ＧＰａ〜５ＧＰａの範囲内、例えば２．７ＧＰａ〜４．２０ＧＰａの範囲内の極限強度または破損強度であって、その範囲内の全ての値および増分を含む極限強度または破損強度を有してもよい。破損強度は最大応力値として理解されてもよい。合金は、０．５〜４．０％の範囲内の全ての値および増分を含めて、０．５％以上の弾性歪みを有してもよい。
【００７２】
例．パルスレーザビームおよび粉末層レーザ溶融装置の使用
例１．非パルス化アルミニウムサンプル
６０６１アルミニウム合金粉末材料の形成および圧密固化のための方法において、定常波（ＣＷ）レーザビームシステムが粉末層レーザ溶融装置と共に使用された。
【００７３】
一般に粉末層と称されるものを成して配置される所定量のアルミニウム合金粉末材料を選択的に急速に融解して凝固するために、連続波（ＣＷ）レーザビームシステムを備えたＥＯＳＩＮＴ  Ｍ２７０レーザ焼結（ＤＭＬＳ）機械（ＥＯＳ  ＧｍｂＨ，Ｍｕｎｉｃｈ，ＤＥ）が使用された。
【００７４】
例２（後述する）のパルスレーザで測定される出力と等しい出力を生み出すためにレーザ出力レベルが１６５Ｗに設定された。走査速度（ハッチ速度）は５００ｍｍ／ｓに設定された。ハッチ間隔は０．０８ｍｍに設定された。
【００７５】
この手続きの結果が図２の一番上の画像に表され、この画像から分かるように、最終生成物は、かなりの量の、本発明の目的のために許容できない量の微小クラッキングを含んだ。
【００７６】
例２．パルス化アルミニウムサンプル＃１
例１で使用された当初のレーザ源が除去されて４００Ｗ、ＧＳＩ  ＪＫ４００ＦＬイッテルビウムファイバレーザ（ＧＳＩ  Ｇｒｏｕｐ，Ｂｅｄｆｏｒｄ  ＭＡ）と置き換えられた。
【００７７】
ファイバレーザは、粉末層を成して配置される所定量のアルミニウム合金粉末材料を選択的に急速に融合させるべくパルス波レーザビームを発生させるために動作された。
【００７８】
レーザピーク出力（ＰO）が４００Ｗに設定された。走査速度は５００ｍｍ／ｓに設定された。ハッチ間隔は０．０８ｍｍに設定された。３０ｋＨｚのパルス周波数と１７μｓのパルス幅とに基づき、デューティサイクル（Ｄ）は０．５１であり、平均出力（Ｐavg）は約２０４Ｗであった。全エネルギー密度は約５．１Ｊ／ｍｍ2であった。この手続きの結果が図２の真ん中の画像に表されており、この画像から分かるように、最終生成物は例１よりもかなり少ない微小クラッキングを含むが、本発明の好ましい実施形態の観点から見ると、微小クラッキングのレベルが依然として過度であると見なされた。
【００７９】
例３．パルス化アルミニウムサンプル＃２
例２で使用されたファイバレーザが、粉末層を成して配置される所定量のアルミニウム合金粉末材料を選択的に急速に融合させるべくパルス波レーザビームを発生させるために動作された。
【００８０】
レーザピーク出力（ＰO）が５００Ｗに設定された。走査速度は１００ｍｍ／ｓに設定された。ハッチ間隔は０．０６ｍｍに設定された。２２．５ｋＨｚのパルス周波数と２５μｓのパルス幅とに基づき、デューティサイクル（Ｄ）は０．５６２５であり、平均出力（Ｐavg）は約２８１Ｗであった。全エネルギー密度は約４７Ｊ／ｍｍ2であった。この手続きの結果が図２の一番下の画像に表されており、この画像から分かるように、最終生成物は、本発明の好ましい態様にしたがって微小クラッキングが実質的になかった。図２の一番下の画像は「最適」として標示されるが、そのような記述は、この非限定的な実験内で特定のサンプルを識別するためにすぎない。
【００８１】
この検証に基づき、Ａｌ６０６１粉末材料および他のアルミニウム合金を融解するパルスレーザによって物体を形成するのに特に適した全エネルギー密度は約２０〜約６０Ｊ／ｍｍ2であってもよいことが結論付けられた。また、平均出力（Ｐavg）に特に適した範囲が約２８０〜３５０Ｗであり、デューティサイクル（Ｄ）に特に適した範囲が約０．５〜０．７であり、走査速度（ｖ）に特に適した範囲が約１００〜２００ｍｍ／ｓであり、ハッチ間隔（ｓ）に特に適した範囲が約０．０６ｍｍであることが結論付けられた。そのようなデューティサイクル範囲は、例えば、約２５〜３５マイクロ秒の範囲のパルス幅と約２２．５ｋＨｚのパルス周波数とを有するパルスレーザビームを用いて達成され得る。
【００８２】
また、この検証に基づき、アルミニウム系粉末材料以外の粉末材料を融解するパルスレーザによって物体を形成するのに特に適した全エネルギー密度が先に開示されたそれとは異なることが結論付けられた。例えば、アルミニウム系粉末材料以外の材料に関する全エネルギー密度およびデューティサイクルにおける範囲が、融点などの因子に応じて、アルミニウムおよびその合金における範囲よりも高い或いは低いことが予期される。特定の粉末材料に関して、全エネルギー密度が０．１〜５０Ｊ／ｍｍ2の範囲内、例えば０．２〜２５Ｊ／ｍｍ2の範囲内、または、０．３〜１５Ｊ／ｍｍ2の範囲内、または、０．３〜８Ｊ／ｍｍ2の範囲内であってもよいことが考えられる。一方、更に高い全エネルギー密度が、アルミニウムおよびその合金よりも高い融点を有する材料から形成される粉末に特に適する場合がある。
【００８３】
本明細書中で引用された全ての刊行物、特許、および、特許出願は、上記であろうと下記であろうと、参照することにより、あたかもそれぞれの刊行物、特許、および、特許出願が参照することにより組み入れられるように具体的に且つ個別に示されたかのように同じ程度まで、それらの全体が本願に組み入れられる。参照することにより本願に組み入れられると言われる任意の特許、刊行物、または、他の開示資料は、全体的に或いは部分的に、組み入れられた資料がこの開示に記載される既存の定義、記述、または、他の開示資料と矛盾しない範囲でのみ本願に組み入れられることが理解されるべきである。したがって、また、必要な程度まで、本明細書中に明確に記載される開示は、参照することにより本願に組み入れられる任意の矛盾する資料に優先する。参照することにより本願に組み入れられると言われるが本明細書中に記載される既存の定義、記述、または、他の開示資料と矛盾する任意の資料またはその一部は、その組み入れられた資料と既存の開示資料との間に矛盾が生じない範囲でのみ組み入れられる。
【００８４】
この明細書および添付の特許請求の範囲で使用される単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および、「その（ｔｈｅ）」は、内容が別段明確に述べなければ、複数の指示対象を含むことに留意しなければならない。
【００８５】
別段に規定されなければ、本明細書中で使用される全ての技術用語および科学用語は、発明が関連する技術分野における当業者により共通に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書中に記載される方法および材料と類似する或いは等しい多くの方法および材料を本発明の実施において使用できるが、好ましい材料および方法が本明細書中に記載される。
【００８６】
当業者によって理解されるように、本発明の方法および組成体は、従来技術の方法および組成体と関連付けられる不都合および欠点を実質的に減少させる或いは排除する。
【００８７】
用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」、および、根本を成す用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」からの他の派生語は、本開示で使用されるときには、任意の述べられた特徴、要素、整数、ステップ、または、構成要素の存在を特定する非制約的な用語であるように意図されるとともに、１つ以上の他の特徴、要素、整数、ステップ、構成要素、または、そのグループの存在または付加を排除するように意図されないことに留意すべきである。
【００８８】
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書中に開示されるが、開示された実施形態が様々な形態で具現化されてもよい発明の単なる典型例にすぎないことが理解されるべきである。例えば、レーザ放射線を電磁放射線として使用する代わりとして、例えば電子放射線などの粒子放射線が使用されてもよい。また、単一のレーザ装置の代わりに、２つ以上のレーザ源が使用されてもよい。したがって、本明細書中に開示される特定の構造的および機能的な詳細は、限定として解釈されるべきでなく、単に特許請求の範囲のための基準として、また、ほぼ任意の適切に詳述された構造で本発明を様々に使用することを当業者に教示する典型的な基準として解釈されるべきである。
【００８９】
本明細書中に開示される発明の例示的な実施形態が前述した態様を果たすことは明らかであるが、多くの変更および他の実施形態が当業者によって考え出されてもよいことが分かる。したがって、添付の特許請求の範囲が本発明の思想および範囲の中に入るそのような全ての変更および実施形態を網羅しようとしていることが理解される。
【符号の説明】
【００９０】
１０  パルスレーザＡＭ装置
２０  設計データ
３０  コントローラ
３２  制御信号
４０  パルスレーザ発生システム
４２  パルスレーザビーム
５０  物体
６０  粉末材料
７０  加熱ガス
１００  パルスレーザ付加製造（ＡＭ）デバイス
【図１】
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【図２】
0006378688.tif 000003