(57)【要約】  付加製造は、支持体に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層から１つの層を堆積させることは、第１の粒子を分注することと、物体の表面に対応する選択領域に第２の粒子を選択的に分注することと、層の少なくとも一部を溶融させることとを含む。層は全体的に第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有する。代替又は追加として、複数の層を形成することは、複数の層のグループを堆積させることを含む。層のグループを堆積させることは、層のグループのうちの各層に対し、層を得るために供給材料を分注し、供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、層の選択部分を溶融させることを含む。層のグループのうちの全ての層が分注された後で、層のグループのうちの全ての層を通して延在する層のグループのある体積が溶融される。【選択図】図２Ｇ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の付加製造方法であって、
支持体に複数の層を連続的に形成することを含み、複数の層から１つの層を堆積させることが、
支持体又は下層に第１の平均直径を有する第１の粒子を分注することと、
前記層が全体的に前記第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有するように、前記物体の外面に対応する前記選択領域において前記支持体又は前記下層に前記第２の粒子を選択的に分注することであって、前記第２の粒子が前記第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有する、分注することと、
前記層の少なくとも一部を溶融させることと
を含む方法。
【請求項２】
前記第２の粒子が第１の粒子の層の中に浸透するように、前記第１の粒子を分注した後に前記第２の粒子を分注することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の粒子を分注することが、リザーバから前記支持体又は下層全体に前記第１の粒子を押し出すことを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の粒子の層を分注することが、ノズルから前記第２の粒子を射出することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
粒子の混合物を得るために、前記第１の粒子と前記第２の粒子を混合することと、前記選択領域に前記粒子の混合物を選択的に分注することとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記層の一部を溶融させることが、前記第１の粒子と前記第２の粒子の層にレーザビームを当てることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の粒子と前記第２の粒子は同じ材料組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
物体の付加製造方法であって、
支持体に複数の層を連続的に形成することであって、前記複数の層を形成することは複数の層のグループを堆積させることを含み、層のグループはそれぞれ複数の層を含み、前記複数の層から１つの層のグループを堆積させることは、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために、支持体又は下層に供給材料を分注することと、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために前記供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、前記層に単一のレーザ又はイオンビーム源からの第１のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって前記物体に対応する前記層の選択部分を溶融させることと
を含む、支持体に複数の層を連続的に形成することと、
前記層のグループのうちの全ての層を分注した後に、前記層に前記第１のレーザビーム又はイオンビームよりも大きい電力で前記単一のレーザ又はイオンビーム源からの第２のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって、前記層のグループのうちの前記層全てを通して延在する前記層のグループのある体積を溶融させることと
を含む方法。
【請求項９】
前記層の一部が前記物体の外面に対応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記層のグループのうちの少なくとも２つの隣接する層の領域が、横方向にオフセットした外周を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記層のグループのうちの少なくとも２つの隣接する層の領域が横方向にオフセットした外周を有することにより、前記物体の傾斜した外面が得られる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記供給材料を分注することが、
前記支持体又は下層に第１の平均直径を有する第１の粒子を分注することと、
前記層が全体的に前記第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有するように、前記選択領域において前記支持体又は下層に前記第２の粒子を選択的に分注することであって、前記第２の粒子が前記第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有する、選択的に分注することと
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記層のグループは、３〜１０の層を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
物体を形成する付加製造装置であって、
支持体と、
前記支持体又は下層に第１の粒子を供給する第１の分注器と、
前記支持体又は下層に第２の粒子を選択的に供給する第２の分注器と、
前記第１の粒子と前記第２の粒子を溶融させるエネルギー源と、
前記第１の分注器、前記第２の分注器及び前記エネルギー源に連結され、前記装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成されたコントローラと
を備え、
前記コントローラは前記装置に、
前記層が全体的に前記第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有するように、前記第１の粒子と第２の粒子を分注することであって、前記選択領域が前記物体の表面に対応する、分注することと、
前記選択領域を含む前記層の少なくとも第１の部分と、前記選択領域を含まない前記層の第２の部分とを溶融させることと
を実施させることによって、前記複数の層から１つの層を形成するように構成されている、装置。
【請求項１５】
前記選択領域が前記物体の外面に対応する、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記選択領域が、前記物体の内部を得るために前記第１の粒子が溶融される前記層の少なくとも一部を含まない、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の粒子を保持する第１のリザーバと、前記第２の粒子を保持する第２のリザーバとを備え、前記第１の粒子が第１の平均直径を有し、前記第２の粒子が前記第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有する、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の分注器が、前記支持体に隣接して位置づけされたリザーバと、前記リザーバから前記支持体又は下層全体に前記第１の粒子を押し出すように構成されたプッシャーとを備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の分注器が前記第２の粒子を射出するノズルを有する射出器を備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２の分注器が前記第１の粒子と前記第２の粒子を受け入れて、前記第１の分注器に粒子の混合物を提供するように構成された混合器を備え、前記コントローラは、ノズルからの前記粒子の混合物の射出を制御することによって前記第２の粒子を選択的に分注するように構成されている、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記エネルギー源はレーザ又はイオンビーム源を備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
物体を形成する付加製造装置であって、
支持体と、
供給材料を前記支持体又は下層に供給する分注器と、
前記供給材料を溶融させるエネルギー源であって、単一のレーザ又はイオンビーム源を備えるエネルギー源と、
前記分注器と前記エネルギー源に連結され、前記装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成されたコントローラであって、前記複数の層は複数の層のグループを含む、コントローラとを備え、前記コントローラは前記装置に、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために、支持体又は下層に供給材料を分注することと、
前記層のグループのうちの各層に対して、前記層を得るために前記供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、前記層に単一のレーザ又はイオンビーム源からの第１のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって前記物体に対応する前記層の選択部分を溶融させることと、
前記層のグループのうちの全ての層を分注した後に、前記層に前記第１のレーザビーム又はイオンビームよりも大きい電力で同じ前記単一のレーザ又はイオンビーム源からの第２のレーザビーム又はイオンビームを当てることによって、前記層のグループのうちの全ての層を通して延在する前記層のグループのある体積を溶融させることと
を実施させることによって、前記複数のグループから１つの層のグループを形成するように構成されている
を備える装置。
【請求項２３】
前記分注器は、前記支持体又は下層に第１の粒子を分注する第１の分注器と、前記選択領域において前記支持体又は前記下層に第２の粒子を選択的に分注する第２の分注器とを備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記コントローラは、前記層が全体的に前記第１の粒子を有し、前記選択領域に前記第２の粒子を有するように構成されている、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記コントローラは、前記第２の分注器に、前記第１の粒子の層の中に前記第２の粒子が浸透するように、前記第１の分注器が前記第１の粒子を分注した後に前記第２の粒子を分注させるように構成されている、請求項２３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、３Ｄ印刷としても知られる、付加製造に関する。
【０００２】
固体自由形状製造または３Ｄ印刷としても知られる付加製造（ＡＭ）は、原材料（例：粉末、液体、懸濁液、または融解固形物）を連続的に分注して二次元の層を形成することから３次元の物体を作り上げる、製造プロセスを意味する。対照的に、従来の機械加工技法には、木材、プラスチックまたは金属の塊といった在庫材料から物体が切り出されるサブトラクティブ加工が含まれる。
【０００３】
付加製造には、様々な付加プロセスを用いることができる。例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）や直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）、熱溶融積層法（ＦＤＭ）といったいくつかの方法では、層を作り出すために材料を融解または軟化させるが、一方で、例えば光造形法（ＳＬＡ）といった別の技法を用いて、液体材料を硬化させる技法もある。これらのプロセスは、完成物を作製するために層を形成する方法に関して種々であり、各プロセスで互換性をもって使用される材料に関して種々である。
【０００４】
粉末材料を焼結又は融解させるエネルギー源を使用する従来のシステム第１の層内の選択された箇所が全て焼結または融解されると、完成した層の上に粉末状材料の新たな層が堆積し、所望の物体が作製されるまで、層ごとにこのプロセスが反復される。
【発明の概要】
【０００５】
一態様では、物体の付加製造方法は、支持体に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層から層を堆積させることは、支持体又は下層に第１の粒子を分注することと、物体の表面に対応する選択領域の支持体又は下層に第２の粒子を選択的に分注することと、層の少なくとも一部を溶融させることとを含む。層は、全体的に第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有する。
【０００６】
実施態様は、下記のうちの１つ以上を含み得る。
【０００７】
第２の粒子が第１の粒子の層の中に浸透するように、第１の粒子の後に第２の粒子を分注することができる。第１の粒子は、リザーバから支持体又は下層全体に押し出すことができる、あるいはノズルから射出させることができる。第１の粒子と第２の粒子を混合して粒子混合物を得ることができ、粒子混合物を選択領域内に選択的に分注することが可能である。粒子混合物は、ノズルから射出させることができる。
【０００８】
第１の粒子は第１の平均直径を有していてよく、第２の粒子は、第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有していてよい。第２の平均直径は、第１の平均直径よりも少なくとも４倍小さくてもよい。第２の平均直径は、約１００ｎｍ〜２μｍでありうる。第１の平均直径は、約５μｍ〜１０μｍでありうる。第１の粒子と第２の粒子は、同じ材料組成を有する。層の一部を溶融させることは、第１の粒子及び第２の粒子の層にレーザビームを当てることを含みうる。
【０００９】
別の態様では、物体の付加製造方法は、支持体に複数の層を連続的に形成することを含む。複数の層を形成することは、複数の層のグループを堆積させることを含み、層のグループはそれぞれ複数の層を含む。複数の層からの層のグループを堆積させることは、層のグループの各層に対して、層を形成するために、支持体又は下層に供給材料を分注することと、層のグループの各層に対して、層を形成するために供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、物体に対応する層の選択部分を溶融させることと、層のグループのうちの全ての層を分注した後に、層のグループの全ての層を通して延在する層のグループのある体積を溶融させることとを含む。
【００１０】
実施態様は、下記のうちの１つ以上を含み得る。
【００１１】
層の一部は、物体の外面に対応しうる。層のグループのうちの少なくとも２つの隣接する層の領域は、横方向にオフセットした外周を有しうる。層のグループのうちの少なくとも２つの隣接する層の領域は、物体の傾斜した外面を得るために横方向にオフセットした外周を有しうる。
【００１２】
供給材料を分注することは、支持体又は下層に第１の粒子を分注することと、層が全体的に第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有するように、選択領域の支持体又は下層に第２の粒子を選択的に分注することとを含みうる。第２の粒子は、第１の粒子の第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有しうる。第２の粒子が第１の粒子の層の中に浸透するように、第１の粒子の後に第２の粒子を分注することができる。選択領域及び選択部分は、物体の外面に対応しうる。層の選択部分を溶融させることは、層に第１のレーザビーム又はイオンビームを当てることを含みうる。層のグループの体積を溶融させることは、層のグループに第２のレーザビーム又はイオンビームを当てることを含みうる。第２のレーザビーム又はイオンビームは、第１のレーザビーム又はイオンビームよりも大きい電力を有しうる。層のグループは、３〜１０の層を含みうる。
【００１３】
別の態様では、物体を形成する付加製造装置は、支持体と、支持体又は下層に第１の粒子を供給する第１の分注器と、支持体又は下層に第２の粒子を選択的に供給する第２の分注器と、第１の粒子と第２の粒子を溶融させるエネルギー源と、第１の分注器、第２の分注器及びエネルギー源に連結されたコントローラとを含む。コントローラは、装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成される。コントローラは、層が全体的に第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有するように、装置に第１の粒子及び第２の粒子を分注させ、選択領域を含む層の少なくとも第１の部分と、選択領域を含まない層の第２の部分とを溶融させることによって、複数の層のうちの層を形成するように構成され、選択領域は物体の表面に対応する。
【００１４】
実施態様は、下記のうちの１つ以上を含み得る。
【００１５】
選択領域は、物体の外面に対応しうる。選択領域は、物体の内部を得るために第１の粒子が溶融される層の少なくとも一部を含む必要がない。
【００１６】
第１のリザーバは第１の粒子を保持することができ、第２のリザーバは第２の粒子を保持することができる。第１の粒子は第１の平均直径を有していてよく、第２の粒子は第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有していてよい。第１の粒子と第２の粒子は、同じ材料組成を有しうる。
【００１７】
コントローラは、第２の粒子が第１の粒子の層の中に浸透するように、第１の粒子の後に第２の粒子を分注させるように構成されうる。第１の分注器は、支持体に隣接して位置づけされたリザーバと、リザーバから第１の粒子を支持体又は下層全体に押し出すように構成されたプッシャーとを含みうる。３０．第２の分注器は、第２の粒子を射出するノズルを有する射出器を備える。第２の分注器は、第１の粒子と第２の粒子とを受け入れて、第１の分注器に粒子混合物を提供するように構成された混合器を含みうる。コントローラは、ノズルからの粒子混合物の射出を制御することによって、第２の粒子を選択的に分注するように構成されうる。エネルギー源は、レーザ又はイオンビーム源でありうる。
【００１８】
別の態様では、物体を形成する付加製造装置は、支持体と、支持体又は下層に供給材料を供給する分注器と、供給材料を溶融させるエネルギー源と、分注器及びエネルギー源に連結されたコントローラとを含む。コントローラは、装置に、支持体に複数の層を連続的に形成させるように構成され、複数の層は複数の層のグループを含む。コントローラは、層を得るために、層のグループの各層に対して、装置に、供給材料を支持体又は下層に分注させることによって、複数の層のグループのうちの１つの層のグループを形成し、層のグループの各層に対して、層を得るために供給材料を分注した後、及び後続層を分注する前に、物体に対応する層の選択部分を溶融させ、層のグループのうちの全ての層を分注した後に、層のグループの全ての層を通して延在る層のグループのある体積を溶融させるように構成される。
【００１９】
実施態様は、下記のうちの１つ以上を含み得る。
【００２０】
コントローラは、層の一部が物体の表面、例えば物体の外面に対応するように構成されうる。層のグループは、３〜１０の層を含みうる。
【００２１】
コントローラは、層のグループのうちの少なくとも２つの隣接する層の領域が、横方向にオフセットされた外周を有するように構成されうる。コントローラは、層のグループのうちの少なくとも２つの隣接する層の領域は、傾斜した物体の外面を得るために横方向にオフセットした外周を有するように構成されうる。
【００２２】
分注器は、支持体又は下層に第１の粒子を分注する第１の分注器と、選択領域の支持体又は下層に第２の粒子を選択的に分注する第２の分注器とを含みうる。コントローラは、層が全体的に第１の粒子を有し、選択領域に第２の粒子を有するように構成されうる。
【００２３】
第１のリザーバは第１の粒子を保持することができ、第２のリザーバは第２の粒子を保持することができる。第１の粒子は第１の平均直径を有していてよく、第２の粒子は第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい第２の平均直径を有していてよい。コントローラは、第２の粒子が第１の粒子の層の中に浸透するように、第１の分注器が第１の粒子を分注した後に、第２の分注器に第２の粒子を分注させるように構成されうる。
【００２４】
エネルギー源は、レーザ又はイオンビーム源を含みうる。エネルギー源は、層の選択部分を溶融させる第１のエネルギー源と、層のグループの体積を溶融させる第２のエネルギー源とを含みうる。第１のエネルギー源は、第１のレーザ又はイオンビーム源を含んでいてよく、第２のエネルギー源は、第２のレーザ又はイオンビーム源を含んでいてよい。第２のレーザ又はイオンビーム源は、第１のレーザ又はイオンビーム源よりも大きい電力を有しうる。
【００２５】
前述の利点は、非限定的に以下を含みうる。層の選択領域に第１の粒子よりも小さい平均直径を有する第２の粒子を分注することによって、本書に記載されたＡＭプロセスの任意の組み合わせを実行する付加製造（ＡＭ）装置は、選択領域における物体の特徴を正確に制御することが可能になる。例えば、選択領域に分注された第２の粒子により物体の特定部分の密度が高まり得、これにより、これら特定部分が改善された表面特徴を有するようになりうる。これらの特徴は、高い構造的剛性及び低い表面粗さを含みうる。ＡＭプロセスは、選択領域内の粉末を溶融させて、他の部分の重量及び密度を上げることなく、完成物の特定部分の構造的剛性を改善することにより、これらの部分の物体の全重量に対する影響を減らすことができる。
【００２６】
表面特徴の制御に加えて、これらのプロセスは、ＡＭ装置が複雑な形状寸法を有する物体の外面を形成することを可能にする一方で、上述の改善された表面特徴を提供することも可能にする工程を含む。各選択領域内で、ＡＭ装置は、物体の外面の輪郭を制御するために、第１及び第２の粒子が溶融される場所を選択しうる。例えば、第１及び第２の粒子を有する各層の領域間に横方向のオフセットを組み込むことによって、外面に角度がついた傾斜した形状寸法を形成することができる。
【００２７】
本書に記載される方法は、ＡＭ装置の全体的なスループットを大幅に低下させることなく、これらの複雑な形状寸法と改善された表面特徴を実現しうる。ＡＭ装置は、正確な形状寸法及び低い表面粗さが要求されない場合がある内部には、第２の粒子を分注しない。代わりに、ＡＭ装置は、物体の他の特徴の中でも、美観、機能性、取扱い、及び適合性に影響する外面に第２の粒子を分注しうる。内部には第１の粒子のみが含まれうる。
【００２８】
２種類の粒子の使用の代替として、あるいは追加として、ＡＭ装置は、正確な形状寸法が必要とされる領域の個別の層を溶融させることができるが、例えば内部等の正確な形状寸法が必要とされない領域において、１つの工程内で幾つかの層を同時に溶融させることができる。したがって、これらの内部を溶融させる工程は、工程において各層に第１の粒子を分注した直後にこれらの内部を溶融させた場合に要求される時間よりも短い時間を要する。
【００２９】
本明細書に記載される主題の１つ以上の実施態様の詳細を、添付の図面および以下の記述で説明する。主題の他の可能な特徴、態様及び利点が、本記述、図面及び特許請求の範囲から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】例示の付加製造装置の概略側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの例示の付加製造装置の概略上面図である。
【図２Ａ−Ｄ】複数の層に第１及び第２の粒子を連続的に分注し溶融させる例示のプロセスを示す支持体の概略側面図である。
【図２Ｅ−Ｇ】複数の層に第１及び第２の粒子を連続的に分注し溶融させる例示のプロセスを示す支持体の概略側面図である。
【図３Ａ−Ｃ】複数の層に第１及び第２の粒子を連続的に分注し溶融させる別の例示のプロセスを示す支持体の概略側面図である。
【図３Ｄ−Ｆ】複数の層に第１及び第２の粒子を連続的に分注し溶融させる別の例示のプロセスを示す支持体の概略側面図である。
【図３Ｇ−Ｈ】複数の層に第１及び第２の粒子を連続的に分注し溶融させる別の例示のプロセスを示す支持体の概略側面図である。
【図４】各層が、隣接する層間で横方向にオフセットした第２の粒子を含む選択領域を含む、支持体の第１及び第２の粒子の複数の層の概略側面図である。
【図５】各層が、選択領域の複数の部分が溶融した第２の粒子を含む選択領域を含む、支持体の第１及び第２の粒子の複数の層の概略側面図である。
【図６】各層が、隣接する層間で横方向にオフセットした第２の粒子の選択領域を含む、支持体の第１及び第２の粒子の複数の層の拡大概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
様々な図面における同じ参照番号及び記号表示は、同じ要素を表す。
【００３２】
粉末粒子を使用する付加製造（ＡＭ）プロセスは、他の特性の中でも、高い寸法精度と高解像度の表面特徴が要求される物体を生成することができる。ＡＭにおいて、粉末粒子のサイズ、バインダー粘性、液滴直径、及び印刷層の厚さにより、結果的な物体の強度及び表面品質が決定されうる。例えば、粉末粒子のサイズ、及び粉末粒子の分布の均一性は、３Ｄ印刷プロセスに影響しうる。粉末粒子のサイズが小さすぎると、粉末粒子の流動的な性質のために、粉末粒子は薄い層に分散することができない可能性がある。粉末粒子のサイズが大きすぎると、粉末粒子が溶融した後で、印刷部品は、粗い表面仕上げ及び低い表面解像度等の望ましくない特徴を有しうる。これらの望ましくない特徴は、印刷部品の外面が傾斜した輪郭を含むときに更にいっそう顕著になりうる。これらの望ましくない特徴をあまり目立たないようにするために、ＡＭプロセスでは、印刷部品を製造中に粉末粒子の薄い層を形成しうる。しかしながら、薄い層の連続的な分注及び溶融により、印刷部品を作製する時間が長くなり、ＡＭプロセスの全体的なスループットが低下しうる。
【００３３】
幾つかのＡＭプロセスでは、各々が異なる平均直径を有する二峰性又は三峰性の粉末粒子を選択的に分注して、ＡＭプロセスのスループットに影響を与えることなく、印刷部品の解像度と表面仕上げを改善することができる。例えば、ＡＭプロセスは、大きい平均直径を有する第１の粉末粒子の層を形成しうる。ＡＭプロセスでは、例えば解像度の改善、及び表面粗さの低減が非常に望ましい印刷部品の外面となる領域等の層の選択領域に、小さい平均直径を有する第２の粉末粒子を分注することにより、小さい粒子サイズを使用することによって授かった利点からこれらの選択領域が利益を得ることができる。これらの選択領域はまた、ＡＭプロセスにおいて第２の粉末粒子を薄い層の中に散布することができなくなるリスクを減らすことができる、第１の粉末粒子も含有する。
【００３４】
ＡＭプロセスではまた、印刷部品の外面に対応する選択領域と、内部に対応する他の領域を別個に溶融させうる。ＡＭプロセスでは、解像度の改善、及び表面粗さの低減を実現するために、選択領域を層ごとに溶融させるが、他の領域に対応する物体の内部には、外面に要求される解像度又は表面粗さが要求されない場合があるため、ＡＭプロセスでは、他の領域の幾つかの層を一度に溶融させることができる。小さい第２の粒子を第１の粒子の層の中に浸透させて、第２の粒子を含有する層の領域を選択的に溶融させることによって、ＡＭプロセスは、ＡＭプロセスのスループットを低下させずに印刷る部品の品質を改善しうる。
【００３５】
付加製造装置
図１Ａに、印刷物の外面の解像度及び表面粗さを改善するのに使用されうる、例示の付加製造（ＡＭ）装置１００、例えば選択的レーザ焼結システム（ＳＬＳ）、選択的レーザ融解法（ＳＬＭ）、又は電子ビーム融解システムの前面図を示す。
【００３６】
ＡＭ装置１００の支持体１０２は、物体が製造される製造粉末ベッド１０４を保持する。粉末供給システム１０６は、支持体１０２の上、例えば支持体に、あるいは支持体の前に堆積した層に第１の粉末粒子１１０の層１０８を供給する。粉末供給システム１０６は次に、第１の粉末粒子１１０の層１０８の選択領域１１３の中に、小さい第２の粉末粒子１１２を供給する。第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２は、物体を形成するための供給材料である。第２の粉末粒子は、第１の粉末粒子の、例えば２倍以上小さい平均直径を有する。
【００３７】
幾つかの実施態様では、選択領域１１３は物体の表面に対応する。表面は、物体の外側の特徴又は表面的な特徴を含む外面でありうる。例えば、物体の外面は、物体の製造が完了した後で、環境にさらされる物体の一部でありうる。付加製造が機械的アセンブリ内の複数の構成要素を同時に製造するのに使われるところでは、その物体の表面は、機械的アセンブリ内の構成要素の外面（例：機械的アセンブリ内部の他の構成要素と相互作用し接触する面）であってよい。
【００３８】
外面は、例えば物体の内部領域を通って延びる支柱、ブレーシング、又は同様の部品の様々な内面から区別され、物体に構造的支持を提供しうる。幾つかの実施態様では、選択領域１１３は、物体の別の構成要素の別の表面と滑動的に係合する、又はそうでなければ移動可能に係合する物体の構成要素の外面に対応する。例えば、物体が複数のギアを有するように構成されている場合、ギア自体が外側フレーム内に含まれていたとしても、係合するギアの表面は選択領域でありうる。
【００３９】
エネルギー源は、物体の一部を形成するために、粉末粒子１１０、１１２を溶融させるのに十分な熱を生成する。粉末粒子１１０、１１２の層を連続的に堆積させ、溶融させて、製造物が形成される。
【００４０】
第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の材料には、例えば鋼鉄、アルミニウム、コバルト、クロム、及びチタン、合金混合物、セラミック、複合物、及び生砂等の金属が挙げられる。幾つかの実施態様では、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２は異なる材料でできており、他の場合には、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２は同じ材料組成を有する。ＡＭ装置１００が金属の物体を形成するために動作する例において、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２は、金属合金又は金属間材料を形成するために組み合わされた組成を有しうる。
【００４１】
支持体１０２は、支持体１０２の垂直高さを制御するピストン１１４とともに垂直に移動する。ピストン１１４は、粉末粒子１１０、１１２の各層が分注され溶融された後に支持体１０２を下げる。アセンブリが新たな粉末の層を受け入れる準備ができるように、支持体１０２とともに支持体１０２の全ての層が下げられる。幾つかの実施態様では、ピストン１１４が各層に予期される厚さが増加するごとに下げることにより、ピストン１１４が支持体１０２を下げるたびに、支持体１０２の層は新たな層を受け入れる準備ができる。
【００４２】
粉末供給システム１０６は、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２を供給する。粉末供給システム１０６は、第１の粉末粒子１１０の層を支持体１０２上又は支持体に前に分注した層（例：層１０８）上に供給する第１の分注システムを含む。粉末供給システム１０６の第２の分注システムは、第１の粉末粒子１１０の外側層（例：層１０８）上に小さい第２の粉末粒子１１２を供給する。
【００４３】
第２の分注システムは、選択領域１１３内の第１の粉末粒子１１０の層１０８に第２の粉末粒子１１２が浸透するように、例えば層１０８の選択領域１１３の上に第２の粉末粒子１１２を分注する。第２の粉末粒子１１２は、例えば１ボクセル深さ等の単一層の深さまで第１の粉末粒子１１０に浸透しうる。
【００４４】
第１の分注システムは、粉末供給装置を使用して、支持体１０２に隣接する粉末供給プラテン１１６によって支持される粉末供給ベッド１１５から第１の粉末粒子１１０を供給する。粉末供給装置は、第１の粉末粒子１１０の層１０８を形成するために、粉末供給ベッド１１５から製造粉末ベッド１０４に第１の粉末粒子１１０を変位させる。粉末供給ベッド１１５は、第１の粉末粒子１１０のリザーバとして機能する。
【００４５】
図１Ａでは、粉末供給装置は、支持体１０２の表面と、支持体１０２の粉末材料の層の両方に平行して横方向に回転し、移動する主ローラ１１８を含む。主ローラ１１８は、粉末材料の最外層を形成するために、粉末供給ベッド１１５から第１の粉末粒子１１０を製造粉末ベッド１０４へ押し出す。主ローラ１１８は、粉末供給プラテン１１６と粉末供給ベッド１１５とを支持体１０２と製造粉末ベッド１０４から分離する壁１４６を越えて、第１の粉末粒子を変位させる。主ローラ１１８は、第１の粉末粒子１１０の層１０８を形成するために、粉末供給ベッド１１５から製造粉末ベッド１０４全体に第１の粉末粒子１１０を押し出す。
【００４６】
ＡＭ装置１００は、粉末供給ピストン１２０を制御することによって、所望の厚さの第１の粉末材料を供給するために、製造粉末ベッド１０４の上面の上の主ローラ１１８の高さを選択する。粉末供給ピストン１２０により粉末供給ベッド１１５からの第１の粉末粒子１１０の分配を制御するために、粉末供給プラテン１１６が垂直に動かされる。粉末供給ピストン１２０は、粉末供給プラテン１１６をある高さだけ上向きに垂直に動かして、支持体１０２の上に第１の粉末粒子１１０の層１０８を形成するのに十分な量の第１の粉末を供給する。主ローラ１１８は次に第１の粉末粒子１１０を変位させて層１０８を圧縮し、均一の厚さを有する層が形成されるように第１の粉末粒子１１０を移動させる。
【００４７】
各層の厚さは、例えば層の高さ、あるいは第１の粉末粒子１１０の平均直径を通して積み重ねられた第１の粉末粒子１１０の数によって変化する。幾つかの実施態様では、第１の粉末粒子１１０の各層は、単一の粒子厚である。ある場合には、各層は、複数の第１の粉末粒子１１０が重なり合うように積み重ねられた結果の厚さを有する。ある例において、各層は、第１の粉末粒子１１０の平均直径の約１〜４倍の厚さを有する。図１Ａに、第１の粉末粒子１１０の平均直径の約４倍の厚さを有する層１０８を示す。
【００４８】
第２の分注システムは、第１の分注システムが第１の粉末粒子１１０を分注したときに、あるいはした後で、第１の粉末粒子よりも小さい平均直径を有する第２の粉末粒子１１２を分注する。幾つかの実施態様では、第２の分注システムは、第２の粉末粒子１１２を第１の粉末粒子１１０の層１０８上に分注するために製造粉末ベッド１０４の上に位置づけ可能な、例えば分注アレイ１２２等の一または複数のノズルを含む。幾つかの実施態様において、分注アレイ１２２は、第２の粉末粒子を供給するために、支持体１０２の幅にわたって広がり、支持体の長さ全体をスキャンする。しかしながら、分注アレイ１２２が支持体の幅よりも狭く、支持体１０２をカバーするために２つの直交方向にスキャンすることもありうる。また、第２の分注システムは、アレイの代わりに単一の分注開孔を含みうる。幾つかの例では、支持体１０２全体に複数回のスキャンが実施され、各スキャンにおいて粉末が供給される。層１０８の最終的な厚さが例えば第１の粉末粒子の平均直径の１〜４倍等の所望の厚さを超える場合、プロセスが繰り返されうる。
【００４９】
オプションとして、第２の分注システムの第２のローラ１２４は、分注された第２の粉末粒子１１２を粉末材料の層のボイドに圧縮する。第２のローラ１２４は、層１０８が所望の厚さ、例えば第１の粉末粒子１１０の平均直径の１〜４倍に達するまで、第１と第２の粉末粒子１１０、１１２を含有する層１０８を圧縮しうる。
【００５０】
第２の粉末粒子１１２が第１の粉末粒子１１０の層１０８に分注されたときに、第２の粉末粒子１１２が第１の粉末粒子１１０の層に浸透して第１の粉末粒子１１０間のボイドを埋めるように、第２の粉末粒子１１２は第１の粉末粒子１１０よりも小さくなっている。第２の粉末粒子１１２は、例えば、第１の粉末粒子１１０の平均直径よりも少なくとも２倍小さい平均直径を有する。第２の粉末粒子１１２は、サブミクロン又はナノ粒子であってよい。幾つかの例では、第２の粉末粒子１１２の平均直径は、第１の粉末粒子１１０の平均直径よりも２〜１００倍、３〜５０倍、又は２〜１０倍小さい。幾つかの実施態様では、第１の粉末粒子１１０は、５〜１０μｍの平均直径を有し、第２の粉末粒子は、１００ｎｍ〜２μｍの平均直径を有する。
【００５１】
第２の分注システムは、選択領域１１３内に第２の粉末粒子１１２を分注する。第１の粉末粒子１１０及び第２の粉末粒子１１２の両方を含む選択領域１１３では、第２の粉末粒子１１２は、第１の粉末粒子１１０間のボイドを埋める。選択領域１１３外の層１０８内では、層１０８は第１の粉末粒子１１０のみを含む。幾つかの実施態様において、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の組み合わせを含む選択領域１１３内では、第２の粉末粒子１１０、１１２は選択領域１１３内の層１０８の一部の約１５〜３０容量パーセントを占める。
【００５２】
幾つかの実施態様では、分注アレイ１２２は、デジタルアドレス指定可能である、及び／又はデジタルアドレス指定可能なアレイヘッドを含むことにより、異なるサイズ及び特性の粉末粒子を供給するように構成される。分注アレイ１２２は、例えば、サブミクロン粒子又はナノ粒子及び異なる材料を分注する、又は、同じサイズ又は同じ材料の粉末粒子を堆積させる。
【００５３】
分注アレイ１２２は、ある場合には、ノズルから第２の粉末粒子１１２を射出する微小分注アレイヘッドを含む。分注アレイ１２２は、分散媒内に第２の粉末粒子を分注しうる。分散媒は、例えば、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、エタノール、又はＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の高蒸気圧担体である。分注アレイ１２２は更に、層１０８を溶融させる前に、熱蒸発又は吸引を利用して分散媒を除去する。幾つかの場合には、分注アレイ１２２は、例えばアルゴン、窒素、又は混合ガス及び／又は超音波撹拌機構等の不活性ガスジェットを使用して第２の粉末粒子１１２を分注するドライ分注機構である。
【００５４】
分注アレイ１２２は、例えば、５００ｎｍ〜１μｍ、１μｍ〜５０μｍ、又は５０μｍ〜５００μｍの直径を有する複数のノズルを有しうる。分注アレイ１２２は、複数のノズルヘッドを含んでいてよく、各ノズルヘッドは、製造粉末ベッドの幅にわたって置かれた分割ノズルヘッドで構成されうる。幾つかの実施態様では、分注アレイ１２２はスロットベースのアレイヘッドを使用する。第２の分注システムは、第２の粉末粒子１１２を、約０．１ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓの速度で、例えば１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚのパルス周波数で、又は１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚのパルス周波数なしで第２の粉末粒子１１２を堆積させうる。
【００５５】
幾つかの実施形態では、分注アレイ１２２は、第１の粉末粒子１１０と第２の粉末粒子１１２の両方を射出する。分注アレイ１２２は、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の混合物を含み、分注アレイ１２２のノズルを通じて混合物を選択領域１１３に射出する。
【００５６】
ローラ１１８、１２４が粉末粒子１１０、１１２を製造粉末ベッド１０４へ供給する時に、粉末粒子１１０、１１２のローラ１１８、１２４への付着を防ぐために、粉末供給システムは、ローラ１１８、１２４を掃除するブレード１２６、１２８を含む。第１の分注システムのブレード１２６は、第１の粉末粒子１１０の主ローラ１１８への付着を防止し、第２の分注システムのブレード１２８は、第２の粉末粒子１１２の第２のローラ１２４への付着を防止する。ブレード１２６、１２８が粉末粒子のローラ１１８、１２４への付着を防ぐために使用される時は、ローラ１１８、１２４が回転したときにローラ１１８、１２４から全ての粉末粒子が効率的にこすり落とされるように、ローラ１１８、１２４にごく接近して位置づけされる。ブレード１２６、１２８は、例えば、分注されている粒子の最小直径未満の距離、あるいは、分注されている最小粒子の直径の半分以下の距離に位置づけされる。
【００５７】
ＡＭ装置１００のエネルギー源は、組み合わされた第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の層１０８を溶融させるために、層１０８に熱を加える。図１Ａに示す例では、エネルギー源は、方向づけされたエネルギービーム１３２を放射するビーム装置１３０である。方向づけされたエネルギービーム１３２は、例えばレーザビームである。ＡＭ装置１００は、エネルギービーム１３２を層１０８のターゲットエリアに方向づけするビーム位置調整制御機構として機能する、線形アクチュエータ又はレーザ検流計等のスキャナーシステム１３４を含む。スキャナーシステム１３４は、エネルギービーム１３２の照準を合わせてエネルギービーム１３２を調節し、ターゲットエリアの粉末材料の層（例：層１０８）を選択的に溶融させるように作動する。粉末材料は、第１の粉末粒子１１０、第２の粉末粒子１１２、又はこれらの組み合わせを含む。
【００５８】
エネルギービーム１３２は、粒子をともに選択的に溶融させ製造物を形成するために、製造粉末ベッド１０４の支持体１０２に位置する粉末材料に方向づけされる。ビーム装置１３０は、エネルギービーム１３２を層１０８の領域に正確に、また選択的に方向づけするために、例えばレーザ、レーザヘッド、安全シャッター、及びミラーアセンブリを含む。ある場合には、エネルギービーム１３２は、第１の粉末粒子１１０のみを含む層１０８のターゲットエリアに方向づけされ、ある場合には、エネルギービーム１３２は、第１の粉末粒子１１０及び第２の粉末粒子１１２の両方を含有するターゲットエリアに方向づけされる。
【００５９】
幾つかの例では、ビーム装置１３０は、選択領域１１３外の領域の第１の粉末粒子１１０を溶融させることなく、選択領域１１３内の第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２を溶融させるために、エネルギービーム１３２を選択領域１１３に向かって方向づけする。本書に記載したように、選択領域１１３は、印刷される物体の例えば外面等の表面に対応する。対照的に、選択領域１１３外の領域は、物体の内面又は内側部分に対応しうる。幾つかの例では、ビーム装置１３０は、第１の粉末粒子１１０を溶融させて内面の形状寸法及び構造を形成するために、選択領域１１３外の領域にエネルギービーム１３２を方向づけする。
【００６０】
第１の粉末粒子１１０のみを有する領域の溶融スループットを向上させるために、ビーム装置１３０は、エネルギービーム１３２の電力を上げることができ、これにより、エネルギービーム１３２が第１の粉末粒子１１０の複数の層を溶融させることが可能になる。エネルギービーム１３２は例えば、１回に１つの粒子１１０、１１２の層を溶融させうる。ある場合には、エネルギービーム１３２は、粒子１１０、１１２の層のグループも溶融させることができるため、単一の層だけを溶融させるのに要する電力量よりも大きい電力量を要しうる。加えて、単一の粒子の層に対し、第１の粉末粒子１１０の領域だけを溶融させるには、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の両方を含む領域を溶融させるよりも小さいエネルギーを要しうる。これは、両方の種類の粒子１１０、１１２を含む領域の密度が高いためである。ＡＭ装置１００はしたがって、溶融される層の数、及び溶融される部分の組成に基づいて、エネルギービーム１３２の電力を選択する。
【００６１】
図１Ｂは、ＡＭ装置１００を示す例示の上面図である。コントローラ１３６は、粉末供給システム１０６、主ローラ１１８、及び第２のローラ１２４を含むＡＭ装置１００の動作を制御する。コントローラ１３６は例えば、線形アクチュエータ１３８を含む駆動系を操作する。コントローラ１３６は、線形アクチュエータ１３８を操作して、ビーム装置１３０、粉末供給システム１０６、及びローラ１１８、１２４を、製造粉末ベッド１０４の上面に平行して前後に移動させる。線形アクチュエータ１３８は、例えば矢印１４０で示す方向に沿ってこれらの部分を移動させる。コントローラ１３６は、主ローラ１１８及び第２のローラ１２４にそれぞれ接続された駆動系のモータ１４２、１４４も操作する。モータ１４２、１４４は、ローラ１１８、１２４をそれぞれ回転させることにより、ローラ１１８、１２４が製造粉末ベッド１０４の上全体で移動したときに、第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２を製造粉末ベッド１０４へ変位させて圧縮しうる。主ローラ１１８の回転及び横方向の移動により、第１の粉末粒子１１０の粉末供給ベッド１１５から製造粉末ベッド１０４への変位が起こる。粉末供給システム１０６は、例えばレール１４６、１４８によって支持される。
【００６２】
ＡＭ装置１００及びＡＭ装置１００の構成要素は付加的に又は代替的に、本書に記載される他の特徴を含みうる。幾つかの実施態様では、一方又は両方のローラ１１８、１２４が、例えばローラの内部コア全体に冷却剤を流すことによって、ローラ表面の温度を能動的に制御する。ローラ１１８、１２４は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、又はセラミックでコーティングされた金属等の金属で形成される。ローラは、約０．０５μｍ〜５μｍの算術平均（Ｒａ）を有する表面粗さを有する。
【００６３】
ローラ、ブレード、分注器、粉末供給ベッド、及び他の適切な粉末分注機構の組み合わせを使用して、第１と第２の粉末粒子１１０、１１２を分注することができる。図１Ａに関して説明したように、ＡＭ装置１００の粉末供給装置は、幾つかの例では、主ローラ１１８を使って粉末供給ベッド１１５から製造粉末ベッド１０４上に第１の粉末粒子１１０を押し出す代わりに、付加的に又は代替的に、直線変位を通して粉末粒子を押し出すブレードを含む。ブレードは、支持体１０２の表面に対して約５度〜９０度の角度をなす前向きのナイフエッジを有し、均一のモノ粒子又はデュアル粒子層が作製されるように支持体１０２の表面に平行して移動しうる。ブレードは、粉末材料の層を形成するために、粉末供給ベッド１１５から製造粉末ベッド１０４に粉末粒子を押し出す。
【００６４】
幾つかの例では、第１の粉末粒子１１０を支持体１０２に隣接する粉末供給ベッド１１５から押し出す代わりに、第１の分注システムは、支持体１０２の上に位置づけ可能であり、ノズルから第１の粉末粒子１１０を射出する分注アレイを含む。この分注アレイは、第２の粉末粒子１１２の分注アレイ１２２と同様のものでありうるが、この分注アレイの構造は、大きい直径の第１の粉末粒子１１０を収容するように調節可能である。分注アレイは、粉末材料の層を形成するために、例えばイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、エタノール、またはＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）といった高蒸気圧担体等の分散媒の中で第１の粉末粒子を供給することができる。分散媒は、層の焼結ステップの前に、例えば第２の粒子が分注される前に、蒸発しうる。あるいは、第１の分注システムは、例えば第１の粉末粒子１１０を分注する、超音波撹拌及び加圧不活性ガスによって補助されるノズルのアレイ等のドライ分注機構を含みうる。
【００６５】
ある実施態様では、粉末供給システム１０６は、第１の粉末供給装置の両側に位置づけされた２つ以上の粉末供給ベッド（例：粉末供給ベッド１１５）を含む。ある粉末供給ベッドは第１の粉末粒子１１０を供給するためのものであり、別の粉末供給ベッドは第２の粉末粒子１１２を供給する。
【００６６】
幾つかの実施態様では、ＡＭ装置１００の粉末供給システム１０６は、主ローラ１１８及び／又は第２のローラ１２４に統合された分注アレイを使用して粉末材料の層を形成する第１の粉末粒子１１０及び／又は第２の粉末粒子１１２を分注する。ローラ１１８、１２４又は他の粉末供給装置の背後に位置づけされた分注アレイは、粉末供給装置が粉末材料の層１０８全体で移動するときに、粉末供給装置にしたがって動く。分注アレイは、粉末供給装置が移動している間は、層１０８に接触しない。
【００６７】
ローラを使用して第１の粉末粒子１１０を変位させる代わりに、幾つかの例では、第１の粉末供給装置は、第１の粉末粒子１１０を変位させる第１のブレードである。第２の粉末供給装置は、層１０８を形成するために、第１のブレードが粉末粒子１１０、１１２を散布した後で、層１０８内の第２の粉末粒子１１２を変位させ、また圧縮する第２のローラ（例：第２のローラ１２４）を含みうる。ある場合には、第２の粉末供給装置は、第１の粉末粒子１１０及び第２の粉末粒子１１２の両方を含む組み合わされた粉末材料を圧縮するように機能する。第２の粉末供給装置は、例えば、選択領域１１３に含有される第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２を圧縮する。幾つかの実施態様では、第２の粉末供給装置はブレードでもある。
【００６８】
ＡＭ装置１００は、双方向の層形成、及び第１の粉末粒子１１０の層内への第２の粉末粒子１１２の圧縮を実施する構成要素を含みうる。幾つかの実施態様では、第２の分注器は、粉末供給システム１０６の第１の粉末供給装置の両側に位置づけされた２つの分注アレイ（例：第２の粉末粒子１１２の分注アレイ１２２、及びこれも第２の粉末粒子１１２を分注する別の分注アレイ）を含む。第１の粉末供給装置は、例えば第１の粉末粒子１１０が支持体１０２、又は粉末材料の下層に供給された後で、第１の粉末粒子１１０を押し出す第１のローラ又は第１のブレード（例：主ローラ１１８）である。第１の粉末供給装置は、例えば粉末供給ベッド１１５から、あるいは分注アレイを使用して第１の粉末粒子１１０を供給する。
【００６９】
粉末供給システム１０６は、付加的に又は代替的に、第２の粉末粒子１１２の双方向の層形成及び圧縮を可能にする、第１の粉末供給装置の反対側に、例えば２つの第２のローラ又はブレード等の第２の粉末供給装置を含む。第２のローラは図１Ａの第２のローラ１２４と同様のものであり、分注アレイは図１Ａの分注アレイ１２２と同様のものである。第２の粉末粒子１１２の各分注アレイは、第２のローラのうちの１つと、第１の粉末供給装置との間にある。第２の粉末粒子の分注アレイと、第２のローラは、第１の粉末供給装置の各側面にある。例えば、１つの分注アレイは、第１の粉末供給装置又はローラが粉末材料の層１０８を順方向に横切るときに、第１の粉末供給装置を追いかける前方分注アレイでありうる。他の分注アレイは、順方向とは反対の後方に移動したときに、第１の粉末供給装置を追いかける後方分注アレイでありうる。
【００７０】
エネルギービーム１３２は概して熱を加えるエネルギービームとして記載しているが、幾つかの実施態様では、エネルギービーム１３２はイオンビームである。エネルギービーム１３２は例えば、電子を含み、電子ビームとして機能する。ミラーアセンブリは、電子ビームの経路に沿って設置され、ある場合には、プレートの静電気が電子と相互作用し、電子ビームの偏向が制御される。あるいは又は更に、エネルギービーム１３２が固定されたままで、支持体１０２が水平に変位しうる。支持体１０２が水平に変位することによって、エネルギービーム１３２のターゲットエリアが移動する。溶融されるボクセルに対して、ビームをパルス化することができる、又はエネルギービーム１３２を連続的なものにすることができる。
【００７１】
ある場合には、エネルギー源は、ターゲットエリアを溶融させるレーザビームを含む代わりに、個別に制御可能な光源のアレイの形態のデジタル的にアドレス指定可能な熱源を含む。アレイは例えば、支持体１０２の上に位置づけされた、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）チップを含む。制御可能な光源のアレイは、支持体１０２全体をスキャンする、アクチュエータによって駆動される線形アレイであってよい。ある場合には、アレイは、個別に制御可能な光源のサブセットを作動させることによって、層の領域を選択的に加熱する完全に二次元のアレイである。あるいは、又は更に、エネルギー源は、第１及び第２の粉末粒子が組み合わされた層を全て同時に加熱するランプアレイを含む。
【００７２】
付加製造装置を使用する方法
本書に記載されるＡＭ装置１００及び他のＡＭ装置を使用して、第１の粉末粒子１１０及び第２の粉末粒子１１２から形成された物体を製造することができる。ＡＭ装置は、層を形成し、また、物体を形成する溶融部分を生成するために層の領域を溶融させる。ＡＭ装置は、溶融部分の所望の特性によって変化する、層の局所領域又は選択領域内に第２の粉末粒子１１２を選択的に分散させうる。これらの選択領域は、例えば形成される物体の外面に対応する。選択領域内の層の領域が溶融した後に、溶融部分は外面を形成する。
【００７３】
例として、層ごとのＡＭプロセスにおいて、ＡＭ装置１００は、第１の粉末粒子１１０を層全体に均一に分注し得、次に選択領域１１３内に第２の粉末粒子１１２を選択的に分注しうる。ＡＭ装置１００は次に、溶融部分を形成するために、第１と第２の粉末粒子１１０、１１２を溶融させうる。溶融部分は、物体の印刷及び製造が完了した後に、物体の外面の一部を画定する。これらのプロセスから形成された外面は、高い解像度と、所望の範囲内に低減した表面粗さを有する複雑な表面形状寸法を含みうる。本方法及びプロセスによって、ＡＭ装置がこれらの外面を効率的に作製することが可能になる。
【００７４】
ある場合には、ＡＭ装置は、図２Ａ〜図２Ｇに関して説明したプロセスにおいて、物体を形成するために分注された他の層の選択領域の外周と同様の外周を有する選択領域内に、第２の粉末粒子を分注する。図２Ａ〜図２Ｇの例示のプロセスにおいて、外面の輪郭は層の支持体に対して全体的に垂直である（例：垂直の輪郭）。幾つかの実施態様において、ＡＭ装置は、図３Ａ〜３Ｈに関して説明したプロセスにおいて、外周が他の層の選択領域の外周から横方向にオフセットした選択領域内に、第２の粉末粒子を分注する。このプロセスを使用して形成された外面の輪郭は、層の支持体に対して角度をなしている（例：角度がついた輪郭）。図４及び図５は、選択領域の外周が互いにオフセットしている例示のプロセスも示す図であり、図６は、物体の外面の輪郭の軌道を制御するために、ＡＭ装置が制御するパラメータを示す図である。
【００７５】
物体を形成するためにＡＭ装置（例：ＡＭ装置１００）を使用する例示の方法を、図２Ａ〜図２Ｇを参照しながら説明する。図２Ａ〜図２Ｇは、ＡＭ装置が様々な工程２００Ａ〜２００Ｇを実施するときのＡＭ装置の支持体２０６の側面図である。ＡＭ装置は、種々のサイズの粒子を含む供給材料を使用して物体を形成する。ＡＭ装置を使用して形成される物体は、物体の内部を囲む外面によって画定される三次元形状寸法を有する。図２Ａ〜図２Ｇに示す事例において、外面は、互いに平行する内側部分と外側部分とを有する。
【００７６】
ＡＭ装置は、図２Ａに示すように、支持体２０６に供給材料を配置することによって開始する。工程２００Ａにおいて、ＡＭ装置は、供給材料としての役目を果たす第１の粉末粒子２０４（例：図１Ａの第１の粉末粒子１１０）の層２０２を分注する。第１の粉末粒子２０４は、第１の平均直径を有する。層２０２が分注された第１の層である場合、ＡＭ装置は、ＡＭ装置の支持体２０６に第１の粉末粒子２０４を分注する。下層が支持体２０６上にすでに分注されている場合、ＡＭ装置は、下層に第１の粉末粒子２０４を分注する。
【００７７】
工程２００Ａの間に、ＡＭ装置は例えば、第１の粉末粒子２０４を分注するために、図１Ａに関して記載された粉末供給システム及び第１の分注システムを使用する。例えば、図１Ａを参照すると、第１の粉末粒子１１０の層１０８を形成するために、ＡＭ装置１００は、主ローラ１１８を使用して、支持体１０２全体に、あるいは支持体１０２上の前に堆積した層に、第１の平均直径を有する第１の粉末粒子１１０を押し出す。ローラ１１８は、ＡＭ装置１００の左側から右側へ移動するために、反時計回りの方向に回転する。主ローラ１１８は、所望の厚さと等しい層１０８の上の高さに位置づけされる。主ローラ１１８は、積み重ねられた第１の粉末粒子１１０の数によって変化する厚さを有する層１０８を作り出すために、支持体１０２全体を例えば約０．１ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓで横切り、約１０ｒｐｍ〜５００ｒｐｍで回転する。
【００７８】
幾つかの実施態様では、ＡＭ装置１００の第１の分注システムは、分注アレイを使って第１の粉末粒子１１０を分注する。第１の分注システムが使用するときに、ＡＭ装置は、例えば分注アレイのノズルから第１の粉末粒子１１０を射出することによって、第１の粉末粒子１１０の層を分注する。
【００７９】
供給材料は更に、図２Ｂに示すように、第２の粉末粒子２０８（例：図１Ａの第２の粉末粒子１１２）を含む。層２０２が第１の粉末粒子２０４を含んだ状態で、ＡＭ装置は、工程２００Ｂにおいて第２の粉末粒子２０８を分注することに進む。ＡＭ装置は、層２０２の選択領域２１０内に第２の粉末粒子２０８を選択的に分注する。本書に記載したように、第２の粉末粒子２０８は、第１の粉末粒子２０４の第１の平均直径よりも小さい第２の平均直径を有する。層２０２が第１の層である場合、ＡＭ装置は、支持体２０６に第２の粉末粒子２０８を分注する。層２０２が下層に分注された場合、ＡＭ装置は、下層に第２の粉末粒子２０８を分注する。層２０２は、層２０２全体の第１の粉末粒子２０４と、選択領域２１０内の第２の粉末粒子２０８とを含む。選択領域２１０は、溶融される層の一部の外側エッジに位置する層２０２の一部を含む。したがって、溶融したときに、この領域２１０は物体の外面を画定する。
【００８０】
工程２００Ｂの間に、ＡＭ装置は例えば、第２の粉末粒子１１２（例：第２の粉末粒子２０８）を分注するために、図１Ａに関して説明した粉末供給システム及び第２の分注システムを使用する。図１Ａを再び参照する。ＡＭ装置１００は、第１の粉末粒子１１０の層１０８上に、分注アレイ１２２を使用して、第２の平均直径を有する第２の粉末粒子１１２を分注する。ＡＭ装置１００は、第２の粉末粒子１１２が第１の粉末粒子１１０の層に浸透するように、分注アレイ１２２を制御する。具体的には、分注アレイ１２２は、選択領域１１３内に第２の粉末粒子１１２を分注する。第２の粉末粒子１１２は、層に浸透するときに、第１の粉末粒子１１０間のボイドを埋める。
【００８１】
図２Ｂを再び参照する。工程２００Ｂの間に、ＡＭ装置は、粉末材料の層２０２内のボイドを更に埋めるために、分注された第２の粉末粒子２０８を圧縮する。図１Ａの例において、ＡＭ装置１００は、第２のローラ１２４をＡＭ装置１００の左側からＡＭ装置１００の右側まで移動させるように、第２のローラ１２４を反時計回りの方向に回転させうる。第２のローラ１２４は、主ローラ１１８と分注アレイ１２２がたどる経路を横切る。第２の粉末粒子１１２を圧縮し、第２の粉末粒子１１２を層１０８の中に浸透させることに加えて、第２のローラ１２４と第２の粉末粒子１１２との接触により、過剰な量の第２の粉末粒子が層１０８から押しのけられる。第２のローラ１２４は、必要な圧縮度によって、主ローラ１１８の水線の約０．１μｍ〜０．１μｍ上又は下に位置づけされうる。第２のローラ１２４は更に、層１０８内の粉末粒子１１０、１１２を同じ高さにする。
【００８２】
分注アレイ１２２が第２の粉末粒子１１２を分注する選択領域１１３の場所を制御することによって、ＡＭ装置１００が、層１０８内の物体の密度を制御しうる。ＡＭ装置１００は、第２の粉末粒子１１２が分注される選択領域１１３内の物体の密度を制御する。ＡＭ装置１００は、物体の外面の場所に基づいて第２の粉末粒子１１２が分注される領域１１３を選択しうる。選択領域１１３内の層１０８の一部が溶融すると、溶融部分により、高い解像度と低い表面粗さを有する外面が画定される。この結果、組み合わされた第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の層１０８の選択領域１１３は、第１の粉末粒子１１０のみを有する層１０８の他の領域よりも高い密度を有する。物体の平均密度は、第１の粉末粒子１１０のみを使用して形成される物体と大幅に違わない場合がある。物体の溶融が完了したとき、物体の密度は、例えば第１の粉末粒子１１０のみを使用して形成された対応する物体よりも０．１％〜１％、１％〜２％、２％〜５％、又は５％〜１５％高い。
【００８３】
幾つかの例において、ＡＭ装置１００は、選択領域１１３内に第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の両方の混合物を分注する。粉末供給システム１０６は、例えばノズルを通して混合物を射出する分注アレイを含む。混合物は、選択領域１１３に局所化される。第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２の両方を分注する上記分注アレイは、第１の粉末粒子１１０の層１０８を単独で分注する第１の分注システムを付加的に含む粉末供給システム１０６の付加的な構成要素であってよい。
【００８４】
図２Ｃの工程２００Ｃにおいて、ＡＭ装置は、第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８を溶融させるように、エネルギービーム２１２を選択領域２１０に向かって方向づけする。工程２００Ｃが完了すると、第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８により溶融部分２１４が形成され、選択領域２１０外の第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８は溶融せずに残る。図１Ａに関して説明したように、ＡＭ装置１００のエネルギー源は、例えば選択領域１１３等のターゲットエリアの上に位置づけされうる。ビーム装置１３０は次に、選択領域１１３内の第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２のみが溶融するように、エネルギービーム１３２を放射する。
【００８５】
図２Ｃに示すように、第２の粉末粒子２０８は、選択領域２１０内に分注されているが、全部が工程２００Ｃの間に溶融するわけではない。工程２００Ｃの後で、更なる溶融していない第２の粉末粒子２０８が層２０２内に残りうる。
【００８６】
ＡＭ装置は、下層２０２の上に第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８の後続層を形成することに進みうる。図２Ｄの工程２００Ｄにおいて、ＡＭ装置は、第１の層２０２に第２の層２１６を形成するために、第１の粉末粒子２０４を分注する。ＡＭ装置は、工程２００Ａにおいて第１の粉末粒子２０４を分注する工程に関して説明したように、工程２００Ｄを実施する同様のステップを実施する。層２１６は、第１の粉末粒子２０４の１〜２つの直径の平均厚さを有する。幾つかの実施態様では、層２１６は、層２０２と同じ厚さを有する。図２Ｅの工程２００Ｅにおいて、ＡＭ装置は次に、図２Ｂに関して説明したものと同様のステップを使用して、選択領域２１０内に第２の粉末粒子２０８を分注する。第２の粉末粒子２０８は、第２の層２１６の第１の粉末粒子２０４間のボイドの中に浸透する。
【００８７】
図２Ｆの工程２００Ｆにおいて、ＡＭ装置は、図２Ｃに関して説明したのと同様のステップを使用して、選択領域２１０内の第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８を溶融させるために、エネルギービーム２１２を選択領域２１０に向かって方向づけする。ＡＭ装置は、エネルギービーム２１２によって起こる溶融が最上層２１６に制限されるように、エネルギービーム２１２の電力又はエネルギーを設定する。溶融部分２１４は、工程２００Ｃの一部として溶融した粒子２０４、２０８と、工程２００Ｆの一部として溶融した粒子２０４、２０８の両方を含む。
【００８８】
ＡＭ装置は、図２Ｇの工程２００Ｇにおいて、下層の上に後続層を形成するために第１の粉末粒子２０４を分注する工程２００Ｄと、後続層の選択領域２１０内に第２の粉末粒子２０８を分注する工程２００Ｅと、選択領域２１０内の第１及び第２の粉末粒子２０８を溶融させる工程２００Ｆとを連続的に実施する。工程２００Ｆをそれぞれ実行することにより、第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８の最上層が結果的に溶融する。ＡＭ装置は、物体の外面が完成するまで、第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８の各層の形成、及び選択領域２１０内の粒子２０４、２０８の溶融を継続する。幾つかの実施態様では、ＡＭ装置は、溶融部分２１４が物体の外面の高さに対応する既定の高さに到達するまで、工程２００Ｇの反復を継続する。
【００８９】
工程２００Ｇの間に既定の高さに到達した時に、ＡＭ装置は内側領域２１８を溶融することに進む。ＡＭ装置は、支持体２０６の層全てを通して内側領域２１８内の第１の粉末粒子２０４を溶融させるバルク溶融プロセスを実施し、これにより溶融部分２２０が形成される。幾つかの実施態様では、バルク溶融プロセスを実施するために、ＡＭ装置は、エネルギービーム２２１を放射して溶融部分２２０を形成する。エネルギービーム２２１は、層又は層のグループ全部を通して第１の粉末粒子２０４が溶融するような、工程２Ｃ及び工程２Ｆのエネルギービーム２１２よりも大きい電力を有する。エネルギービーム２２１の電力は例えば、溶融させる必要がある層の数によって変化する。例えば、エネルギービーム２１２が１つの層を溶融させ、エネルギービーム２２１が４つの層を一度に溶融させる場合、エネルギービーム２２１は、エネルギービーム２１２よりも４倍大きい電力を有しうる。
【００９０】
溶融部分２２０は、物体の内部に対応する。図２Ｇに示すように、溶融部分２１４は、溶融される層の部分の外側エッジを画定する。これにより、物体の外面は、物体の内部に対応する溶融部分２２０よりも滑らかな表面粗さを有することが可能になる。溶融部分２１４は第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８の両方を含むため、第１の粉末粒子２０４のみを含む溶融部分２２０よりも高い密度を有する。
【００９１】
第１及び第２の粉末粒子２０４、２０８の粒子サイズにより、溶融部分２１４、２２０の輪郭が直線的垂直輪郭から逸脱する度合いが決定する。第１の粉末粒子２０４が第２の粉末粒子２０８よりも大きいため、第１の粉末粒子２０４のみを含む溶融部分２２０は、第１の粉末粒子２０４と第２の粉末粒子２０８の両方を含む溶融部分２１４の輪郭よりも直線的な垂直輪郭から更に逸脱した輪郭を有する。小さい第２の粉末粒子２０８により、溶融部分２１４の輪郭が直線的な垂直輪郭により密接に沿ったものとなることが可能になる。直線的な垂直輪郭からの逸脱量は、粉末粒子の平均サイズに比例しうる。したがって、第１の粉末粒子２０４のみを含有する部分を溶融させると、第１の粉末粒子２０４と第２の粉末粒子２０８の両方を含有する部分を溶融したときよりも更に逸脱する結果となる。
【００９２】
幾つかの例では、既定の高さは、物体の外面の高さに対応する代わりに、物体の外面の全高の一部を形成する層のグループの高さに対応する。例えば、溶融部分２２０を溶融させるために使用されるレーザ出力は、既定数の層全部を溶融させることが可能でありうる。層のグループが既定の層数に到達したら、ＡＭ装置は、内側領域２１８内の層のグループのある体積を溶融させることに進む。体積は、層のグループ内の全ての、あるいは幾つかの層を通って延在する。ＡＭ装置は次に、工程２００Ａ〜工程２００Ｇを反復し、第１の層のグループの上に別の層のグループを分注し溶融させる。
【００９３】
既定の高さ、あるいは各層のグループ内の既定の層数が増加するにつれ、バルク溶融プロセスを実施するのに要求されるエネルギービーム２２１の電力量が増加する。電力量が大きい場合、エネルギービーム２２１が層のグループに加えるエネルギーにより、エネルギービーム２２１のすぐ下の領域の外側が更に溶融されうる。大きい電力量は、溶融部分２２０の輪郭が、低い電力のエネルギービーム２１２で形成される溶融部分２１４の輪郭よりも更に逸脱する原因となりうる。
【００９４】
図２Ｇに示すように、溶融部分２１４は、内側輪郭２２２と、内側輪郭２２２に平行する外側輪郭２２４とを含む。選択領域２１０の外周は、物体の分注される隣接した層間で変化しないため、内側輪郭２２２の輪郭は、外側輪郭２２４の輪郭と一致する。工程２００Ａ〜工程２００Ｇにより、ＡＭ装置が、支持体２０６におおむね垂直な（例：支持体２０６を画定する面に対して８５度〜９５度の）外面の輪郭を形成することが可能になる。
【００９５】
工程２００Ａ〜工程２００Ｆで説明した層ごとの溶融により、高い解像度及び低い表面粗さを含む、外面の特徴の高い精度及び制御が得られる。ＡＭ装置は、各層を分注した後で、物体の外面に対応する各層の一部を溶融させる。対照的に、ＡＭ装置は、層のグループを分注した後で、物体の内部に対応する層のグループの一部を溶融させる。外面を画定するための溶融は、各層が分注された後で行われるため、ＡＭ装置は、層のグループに対して溶融が行われる内部と比べて、外面において高い精度と高い解像度を実現することができる。ＡＭプロセスの上記特徴は、第１及び第２の粉末粒子の両方を使用することと合わせて、本書に記載される複雑な特質を外面に得ることが可能になる。
【００９６】
工程２００Ａ〜工程２００Ｇに関して説明した外面はおおむね支持体２０６に垂直であるが、ある場合には、ＡＭ装置を使用して印刷される物体は、ＡＭ装置の支持体に対して傾斜した輪郭を有する外面を含む。ＡＭ装置（例：ＡＭ装置１００）を使用して上記のような特質を有する物体を形成する例示の方法を、図３Ａ〜図３Ｈを参照しながら説明する。図３Ａ〜図３Ｈは、分注され溶融される第１及び第２の粉末粒子の層において物体を保持する支持体３０６を示す側面図である。ＡＭ装置を使用して形成される物体は、物体の内部を封入する外面によって画定される三次元形状寸法を有する。外面は、個々の層それぞれの溶融部分のエッジによって画定される。
【００９７】
図３Ａ〜３Ｈに示す場合において、外面は、支持体に垂直な内側部分と、支持体に対して角度をなした外側部分とを有する。工程２００Ａ〜工程２００Ｇとは対照的に、図３Ａ〜図３Ｈに示す工程３００Ａ〜工程３００Ｈにより、ＡＭ装置が、下の支持体に対して傾斜した部分を有する外面を形成することが可能になる。工程３００Ａ〜工程３００Ｈに、層のグループの分注及び溶融を示す。
【００９８】
工程３００Ａ〜３００Ｂは、本書に記載した工程２００Ａ〜２００Ｂで実施される分注及び溶融工程と同様のものである。図３Ａの工程３００Ａにおいて、ＡＭ装置は、支持体３０６（例：図１Ａの支持体１０２）に第１の粉末粒子３０４（例：図１Ａの第１の粉末粒子１１０）の層３０２を分注する。図３Ｂの工程３００Ｂにおいて、ＡＭ装置は、支持体３０６の層３０２の選択領域３１０内に第２の粉末粒子３０８（例：図１Ａの第２の粉末粒子１１２）を分注する。本書で説明したように、第２の粉末粒子３０８は、第１の粉末粒子３０４の平均直径よりも小さい平均直径を有する。
【００９９】
図２Ｃの工程２００Ｃと同様に、図３Ｃの工程３００Ｃにおいて、ＡＭ装置は、エネルギービーム３１２を使用して、選択領域３１０内の第１の粉末粒子３０４と第２の粉末粒子３０８とを溶融させる。エネルギービーム３１２は、層３０２内に第１の溶融部分３１４を形成するために、選択領域３１０の一部に方向づけされる。第１の溶融部分３１４は、第１及び第２の粉末粒子３０４、３０８の両方を含む。図３Ｃに示すように、エネルギービーム３１２は、選択領域３１０内の全ての第１及び第２の粉末粒子３０４、３０８を溶融しなくてもよい。代わりに、エネルギービーム３１２は、第１の溶融部分３１４を形成するために、その選択領域３１０内の粒子３０４、３０８のサブセットを溶融しうる。図２Ｄの工程２００Ｄと同様に、図３Ｄの工程３００Ｄにおいて、ＡＭ装置は、層３０２の上に第１の粉末粒子３０４の別の層３１６を分注する。次に、図３Ｅの工程３００Ｅにおいて、ＡＭ装置は、選択領域３１０内に第２の粉末粒子３０８を分注する。
【０１００】
図３Ｆの工程３００Ｆにおいて、ＡＭ装置は、層３１６内に第２の溶融部分３１８を形成するために、エネルギービーム３１２を選択領域３１０の一部に向かって方向づけする。図３Ａ〜３Ｇに示すプロセスを使用して形成される物体は、内部と外部とを含む。外部は、物体の外面を含み、選択領域３１０は、選択領域３１０内の第１及び第２の粉末粒子３０４、３０８が溶融した後に、溶融部分３１４、３１８によって物体の外部及び外面が画定されるように選択される。
【０１０１】
図３Ｆに示すように、第２の溶融部分３１８は、第１の溶融部分３１４の外側エッジ３１４ａからオフセットした外側エッジ３１８ａを（支持体の表面に平行する平面に）有する。第２の溶融部分３１８の内側エッジ３１８ｂは、第１の溶融部分３１４の内側エッジ３１４ｂと一致していてよいが、これは要求されてはいない。
【０１０２】
工程３００Ｇにおいて、ＡＭ装置は、物体の外面が完成するまで、選択領域３１０内の物体の幾つかの層を形成するために工程３００Ａ〜３００Ｆを反復する。各後続層の溶融部分は、下層の溶融部分の外側エッジに対して横方向にオフセットした外側エッジを有する。したがって、ＡＭ装置は工程３００Ａ〜３００Ｇにより、傾斜した外側輪郭３２０ａを有する外側溶融部分３２０を形成することが可能になる。ＡＭ装置は、工程２００Ｇに関して説明したように、層のグループ内の幾つかの層が既定の高さ、あるいは既定の層数に到達するまで、層のグループを形成するために、層を分注し、選択領域３１０内の層を溶融させ続ける。
【０１０３】
図３Ｈの工程３００Ｈにおいて、ＡＭ装置が既定の高さ、あるいは既定の層数に到達した後に、ＡＭ装置は、溶融部分３２５を形成するために、エネルギービーム３２１を第１の粉末粒子３０４の層の一または複数の領域３２２に向かって方向づけする。領域３２２は、物体の硬い内部に対応する。エネルギービーム３２１は、領域３２２内の第１の粉末粒子３０４を溶融させる。領域３２２は、外面に対応する領域３２０から横方向に離れているように示されているが、これは必要ではなく、内側領域が外面に対応する領域に隣接していてもよい。
【０１０４】
ＡＭ装置は、エネルギービーム３２１からのエネルギーにより、複数の層を通して第１の粉末粒子３０４が溶融されるように、エネルギービーム３２１を調節する。例えば、エネルギービーム３２１は、３〜１０の層のグループを溶融させることができる。エネルギービーム３２１はしたがって、エネルギービーム２１２及びエネルギービーム２２１に関して本書に記載されたエネルギービーム３１２よりも大きい電力を有しうる。ＡＭ装置は、バルク溶融工程において溶融部分３２５、３２６を形成することにより、図３Ａ〜図３Ｈに示すプロセスの全体的なスループットを改善する。
【０１０５】
図３Ｈに示すように、図３Ａ〜図３Ｈに示すＡＭプロセスの間のこの時点において、物体は、外側の溶融部分３２０と内側の溶融部分３２５及び３２６を含む。外側の溶融部分３２０は、傾斜した外側輪郭３２０ｂと垂直の内側輪郭３２０ａとを有するが、内側の溶融部分３２５及び３２６は、垂直輪郭を有する。外側の溶融部分３２０は、第１の粉末粒子３０４と、平均直径が小さい第２の粉末粒子３０８から形成されたため、内側の溶融部分３２５及び３２６に比べて低い表面粗さを有する。物体の外面を形成する外側の溶融部分３２０の低い表面粗さにより、作製される物体の美観が向上しうる。
【０１０６】
内側輪郭３２０ａと、溶融部分３２５及び３２６の輪郭を垂直に示したが、外側の溶融部分３２０の内側輪郭３２０ａは、直線的な垂直輪郭に、溶融部分３２５及び３２６の輪郭よりも密接に沿っていてもよい。図２Ｇに関して記載したように、溶融部分３２５及び３２６が第１の粉末粒子３０４のみでできているため、第１の粉末粒子３０４のサイズが大きいことが原因で、溶融部分３２５及び３２６の輪郭が直線的な垂直輪郭から逸脱する。また図２Ｇに関して記載したように、ＡＭ装置が、溶融部分３２５、３２６を形成するために幾つかの層を通して溶融させる高電力エネルギービームを使用するため、溶融部分３２５及び３２６の輪郭は、直線的な垂直輪郭から更に逸脱しうる。
【０１０７】
工程２００Ａ〜２００に関して記載したように、ＡＭ装置は、工程３００Ｈの後に、第１の層のグループの上に別の層のグループを分注するために、工程３００Ａ〜３００Ｈを反復しうる。また、ＡＭ装置は、層のグループ内の各層に対し、外面の外側エッジを形成するために、選択領域３１０を溶融させる。ＡＭ装置は次に、層のグループの内部のある体積を溶融させることに進む。この体積は、新たな層のグループ内の幾つかあるいは全ての層を通って延在する。
【０１０８】
要するに、複数の層を堆積させることは、それぞれが複数の層を含む、複数の層のグループを堆積させることを含みうる。層の少なくとも一部は個別に溶融され、層のグループの少なくとも一部は同時に溶融される。層のグループを堆積させるプロセスは、複数の層のグループに対して反復して実施されうる。つまり、第１の層のグループを溶融させた後で、本プロセスは、図３Ａに示すように、第２の層のグループを第１の層のグループの上に堆積させることによって再度開始されうる。第２のグループのそれぞれの個別の層に対し、選択部分の溶融が実施される。第２の層のグループが全部堆積されたら、次に高電力エネルギービームを使用して、第２のグループの複数の層を通して延在する一または複数の領域を溶融させることができる。
【０１０９】
加えて、外側の溶融部分３２０が、第１の粉末粒子３０４と、平均直径が小さい第２の粉末粒子３０８の両方から形成されるため、外側の溶融部分３２０は、内側の溶融部分３２５及び３２６に比べて低い表面粗さを有する。物体の外面を形成する外側の溶融部分３２０の低い表面粗さにより、作製される物体の美観が向上しうる。
【０１１０】
図３Ａ〜図３Ｈに示すプロセスでは、傾斜した外側輪郭であっても、第１の粉末粒子３０４のみを使用したときに予期される表面粗さよりも低い表面粗さを実現可能である。小さい第２の粉末粒子３０８を使用することによって可能になった利点に加えて、ＡＭ装置は、各層が分注された後で溶融部分３２０の部分を溶融させることで、溶融部分３２５、３２６の解像度に比べてより良い精度及び解像度を実現することが可能である。
【０１１１】
図３Ａ〜図３Ｇに示すプロセスでは、傾斜した外側輪郭３２０ｂと垂直の内側輪郭３２０ａを有する外側の溶融部分３２０を図示したが、幾つかの実施態様では、ＡＭプロセスは、傾斜した外側輪郭及び傾斜した内側輪郭を有する外側の溶融部分を形成しうる。図４に、上記ＡＭプロセスが実行された後に、第１及び第２の粉末粒子の層を支持しているＡＭ装置の側面図を示す。図４を参照すると、各層の溶融部分４０４ａ〜４０４ｅは、他の層の溶融部分４０４ａ〜４０４ｅから横方向にオフセットしている。ＡＭ装置は、図４に示すプロセスのその時点で、部分４０４ａ〜４０４ｅを溶融させ、また内部４０６、４０８も溶融させている。溶融部分４０４ａ〜４０４ｅは、第１及び第２の粉末粒子の両方がともに溶融される本書に記載した工程及びプロセスを使用して作製されるが、溶融した内部４０６、４０８は第１の粉末粒子のみを含む。これにより、溶融部分４０４ａ〜４０４ｅは、溶融部分４０６、４０８よりも低い表面粗さを実現することができる。
【０１１２】
ＡＭ装置は、溶融部分４０４ａ〜４０４ｅを形成する層ごとの製造プロセスにおいて、層の選択領域に第２の粉末粒子を分注し、次に、層の選択領域内の一部を溶融させるためにエネルギービームを方向づけする。選択領域は、隣接する層間でサイズが変化しうる。図４に示すように、後続層の選択領域のサイズが増大する。図４に、各層の選択領域の外側の外周４１０が各層の同様の位置にとどまり、各層の選択領域の内側の外周４１２が内向きにシフトしているところを示す。しかしながら、幾つかの実施態様では、外側及び内側の外周４１０、４１２は両方とも等しい距離だけシフトしている。その結果、異なる層の選択領域のサイズは同じとなる。
【０１１３】
層の選択領域内に第２の粉末粒子を分注した後で、エネルギービームにより、第１及び第２の粉末粒子を溶融させて溶融部分が形成される。幾つかの実施態様では、各層の後にエネルギービームにより既定の距離のシフトが起きる。例えばエネルギービームは、各層の等しくサイズ指定された部分を溶融させる。これに関し、各溶融部分４０４ａ〜４０４ｅのサイズは等しいが、互いにシフトしている。溶融部分４０４ａ〜４０４ｅは、内側及び／又は外側の外周４１０、４１２の間のオフセットと同様の距離だけ、互いからオフセットしている。
【０１１４】
ＡＭ装置は、溶融部分４０４ａ〜４０４ｅの間で横方向のオフセット４１４を実現するために、各層に溶融部分４０４ａ〜４０４ｅを形成した後にエネルギービームの位置をシフトさせる。横方向のオフセット４１４により、物体の外面は、傾斜した外側輪郭４１４と傾斜した内側輪郭４１６の両方を有することが可能になる。溶融部分の幅が層ごとに変化する図３Ａ〜３Ｇに示すプロセスとは対照的に、各溶融部分４０４ａ〜４０４ｅの幅は等しくサイズ指定されている。更に、溶融部分４０４ａ〜４０４ｅはともに、内面及び外面の両方が傾斜した物体の外面を画定する。言い換えると、外面の内側及び外側輪郭４１４、４１６は両方とも傾斜しているが、図３Ｇの溶融部分３２０の内側輪郭３２０ａは垂直である。溶融部分４０４ａ〜４０４ｅの幅は、物体の外面の厚さを画定する。図４に関して本書に記載したプロセスにより、ＡＭ装置が、高さ全体で均一な厚さを有する物体の外面を実現することが可能になる。本プロセスでは、物体の外側の内部及び外部の両方における複雑な形状寸法及び低い表面粗さが実現される。
【０１１５】
溶融部分４０４ａ〜４０４ｅは、サイズが等しいとして示したが、幾つかの実施態様では層間でサイズが異なっていてよい。内側及び外側輪郭４１４、４１６は一定の傾斜を有するように図示されているが、ＡＭ装置は、隣接する層の間で溶融部分４０４ａ〜４０４ｅのエッジの場所を変えることによって、内側及び外側輪郭４１４、４１６の傾斜を変化させることができる。上記変化によってＡＭ装置が、複雑な曲線と他の形状寸法を有する外面を形成することが可能になる。
【０１１６】
幾つかの実施態様では、物体の全体的な重量を軽いまま維持しながら、高い構造的剛性を有することが有益でありうる。例えば、物体との適合性を改善するために構造的適合性及び正確な形状寸法が要求される場合には、ＡＭ装置は、外面が第１及び第２の粉末粒子の両方を含む、複数の溶融部分から形成されるプロセスを実行しうる。ＡＭ装置は、より大きな厚さを有する外面を形成する代わりに、複数の溶融部分を形成して、外面を画定する。複数の溶融部分が組み合わされた特性により、高い構造的剛性が付与されるが、より大きな厚さの単一の溶融部分で形成された物体に比べて、物体に加わる重量は少なくなる。
【０１１７】
図５に、層の各選択領域の複数の部分を溶融させるＡＭプロセスが実行された後の、ＡＭ装置の側面図を示す。図５に示すように、ＡＭ装置は、第１及び第２の粉末粒子の両方から形成された２つの溶融部分５０２、５０４を形成する。ＡＭ装置は、粉末粒子の各層に対してこれら溶融部分５０２、５０４を形成するために、選択領域内に第２の粉末粒子を分注する。ある場合には、傾斜した輪郭を実現するために、各後続層とともに、第２の粉末粒子と第１の粉末粒子を含有する選択領域のサイズが増大する。
【０１１８】
溶融部分５０２、５０４は、溶融していない介在部５０６によって分離されている。ＡＭ装置は、層ごとの溶融工程の間、溶融されていない介在部５０６は溶融させない。各層の選択領域内の第１及び第２の粉末粒子の層ごとの溶融を完了した後に、ＡＭ装置は、物体の内部の場所に対応する第１の粉末粒子を溶融させる。ＡＭ装置はまた、物体の内部を形成し、第１の粉末粒子のみを含む２つの溶融部分５０８、５１０も形成する。
【０１１９】
層ごとのそれぞれの溶融工程の間、ＡＭ装置は、溶融部分５０２、５０４を最終的に形成する少なくとも２つの部分を溶融させる。本書に記載した層ごとのプロセスを使用して溶融部分５０２、５０４を形成するために、ＡＭ装置は、各層に対し、第１及び第２の粉末粒子の両方を含む２つの別々な部分を溶融させる。これら２つの別々な部分はそれぞれ、溶融部分５０２、５０４の一部である。ＡＭ装置は、各層の２つの溶融部分間の溶融されていない部分を維持する。溶融されていない部分は、溶融されていない介在部５０６の一部である。ＡＭ装置は、各層の溶融部分を各層に対して横方向にオフセットさせて、溶融部分５０２において傾斜した外側輪郭５１２と傾斜した内側輪郭５１４を実現し、溶融部分５０４において傾斜した外側輪郭５１６と傾斜した内側輪郭５１８を実現する。ＡＭ装置は、各層の選択部分内に、溶融していない介在部５０６を形成する溶融していない部分を維持し、溶融部分５０２、５０４を形成する部分を溶融させることによって、物体の重量を大幅に増加させることなく、溶融していない介在部５０６が溶融された場合に予期されるよりも高い構造的剛性、低い外面の表面粗さ、及び傾斜した輪郭の外面を実現する。
【０１２０】
傾斜した外側輪郭５１２、５１６が平行し、傾斜した内側輪郭５１４、５１８が平行するところを示したが、ある場合には、輪郭が互いに角度をなしており、外面が複雑な形状寸法を含むこともありうる。輪郭の傾斜は、ある場合には異なる層間で変化する。ＡＭ装置は更に、異なる幅の部分を溶融させることによって、輪郭の傾斜を調節する。各層の溶融部分のサイズは更に、物体の外面の全体的な厚さを画定する。各層の個々の溶融部分の幅が変化すると、物体の外面の厚さも変化する。
【０１２１】
連続的、且つ第１及び第２の粉末粒子の後続層でサイズが増大していく選択領域を示したが、幾つかの実施態様では、各層は、第２の粉末粒子を含む２以上の選択領域を含む。これら２以上の選択領域は、第１の粉末粒子のみを有する部分によって互いから分離されている。このため、上記の場合には、溶融されていない介在部は、代替又は追加として、第１の粉末粒子のみを有する部分を含む。
【０１２２】
物体の外面の輪郭を制御するために、ＡＭ装置は、分注工程及び溶融工程のパラメータを調節する。図６は、ＡＭ装置によって支持される第１及び第２の粉末粒子の複数の層を示す拡大側面図である。図６に、外面の輪郭を調節するのに使用されうるパラメータの例を示す。図６に示すように、ＡＭ装置の支持体６００上の第１の粉末粒子６０２の各層は、第１の粉末粒子６０２と第２の粉末粒子６０４の両方を有する選択領域を含む。例えば、第１の層６０６は、第２の粉末粒子６０４が浸透する第１の粉末粒子６０２を含有する選択領域６０８を含む。
【０１２３】
ＡＭ装置は、層の厚さ６１０と段の距離６１２を調節して、物体の輪郭６１６の角度６１４を制御する。本書に記載したように、第１の粉末粒子６０２は、第２の粉末粒子６０４よりも大きい直径を有する。層の厚さ６１０は、ＡＭ装置の支持体６００への最初の分注工程の間に分注される第１の粉末粒子６０２の厚さと、互いに積み重ねられた第１の粉末粒子６０２の数に比例する。第１の粉末粒子６０２のこれらのパラメータは、本書の他の箇所に記載されている。
【０１２４】
段の距離６１２は、各層の間に第１及び第２の粉末粒子６０２、６０４を含む溶融部分間の横方向のオフセット（例：図４に関して説明した横方向のオフセット４１４）に対応する。ＡＭ装置は、例えば溶融部分を溶融させるエネルギー源の横方向の変位を調節することによって、段の距離６１２を制御する。幾つかの実施態様では、ＡＭ装置は、各層に向かって方向づけされたエネルギービームの場所を制御する。
【０１２５】
ＡＭ装置はしたがって、層の厚さ６１０と段の距離を制御して、角度６１４を有する輪郭６１６を実現する。第１の平均直径を有する所定の第１の粉末粒子６０２に対し、ＡＭ装置は、各層に積み重ねられた第１の粉末粒子６０２の数を調節することによって、層の厚さ６１０を選択する。ＡＭ装置は次に、輪郭６１６の角度６１４を画定するために、段の距離６１２を選択する。いくつかの実施態様では、ＡＭ装置は、大抵の物体の製造において同じ層の厚さ６１０を維持する。層の厚さ６１０は、ＡＭ装置のメモリに記憶された既定の数値であってよく、ＡＭ装置は、所望の角度６１４を実現するために必要な段の距離６１２を算出する。ＡＭ装置は、所望の角度６１４のタンジェントで割った層の厚さ６１０に等しい段の距離６１２を選択する。
【０１２６】
本書に記載されるＡＭ装置の実施態様は、２種類の粒子（例：第１及び第２の粉末粒子）を含み、ある場合には、追加の種類の粒子を使用可能である。幾つかの実施態様では、装置は、層を形成するために第１の粉末粒子を変位させる前に、プラテン上に、又は前に分注された下層上に第３の粉末粒子を分注する。この第３の粉末粒子は、第１の粉末粒子が分注される薄い層を提供しうる。第３の粉末粒子は、第１の平均直径よりも少なくとも２倍小さい平均直径を有する。これにより、第１の粉末粒子が第３の粉末粒子の層の中に沈殿することが可能になる。この技法により、例えば第２の粉末粒子が第１の粉末粒子の層の底部に浸透できない場合に、物体の第１の粉末粒子の層の底部の密度を上げることができる。
【０１２７】
金属用とセラミック用の付加製造の処理条件は、プラスチック用のそれとは著しく異なる。例えば、金属とセラミックは概して、著しく高い処理温度を必要とする。プラスチック用の３Ｄ印刷の技法は、金属またはセラミックの処理には適用できないかもしれず、装置も均等ではないかもしれない。しかしながら、本書に記載された幾つかの技法を、例えばナイロン、ＡＢＳ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）及びポリスチレン等のポリマー粉末に適用可能でありうる。
【０１２８】
コントローラは、本書に記載された工程及びプロセスを実行しうる。図１Ｂを例として参照すると、ＡＭ装置１００のコントローラ１３６は、例えばアクチュエータ、バルブ、及び電圧源といったＡＭ装置１００の様々な構成要素に接続されていて、これらの構成要素に対して信号を生成して動作を連係させ、ＡＭ装置１００に様々な機能操作または上記のステップのシーケンスを実行させる。コントローラ１３６は例えば、供給材料が第１及び第２の粉末粒子１１０、１１２を含む箇所を制御する。コントローラ１３６はまた、一度に溶融される層のグループの層数に基づいて、エネルギー源の強度も制御する。コントローラ１３６はまた、例えば線形アクチュエータ１３８でエネルギー源を移動することによってエネルギーが加えられる箇所も制御する。
【０１２９】
コントローラ１３６は、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェア内に実装され得る。例えばコントローラは、例えば非一過性マシン可読記憶媒体といった、コンピュータプログラム製品内に記憶されたコンピュータプログラムを実行する、プロセッサを含み得る。こうしたコンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーションまたはコードとしても知られている）は、コンパイルまたは翻訳された言語を含むプログラミング言語の任意の形で書くことができ、また独立型プログラムとして、またはモジュール、構成要素、サブルーチン、もしくは計算環境で使用するのに適している他のユニットとして配置することを含め、任意の形で配置することができる。
【０１３０】
上記のように、コントローラ１３６は、各層に供給材料が堆積するためのパターンを指定する、例えばコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）互換性のファイルといったデータオブジェクトを保存するための非一過性コンピュータ可読媒体を含み得る。例えば、このデータオブジェクトは、ＳＴＬ形式のファイル、３Ｄマニュファクチャリングフォーマット（３ＭＦ）ファイル、または付加製造ファイルフォーマット（ＡＭＦ）ファイルであってよい。例えば、コントローラは、遠隔コンピュータからデータオブジェクトを受信し得る。コントローラ１３６内のプロセッサは、例えばファームウェアまたはソフトウェアによって制御される際に、ＡＭ装置１００の構成要素を制御して各層又は層のグループの指定されたパターンを溶融させるのに必要な信号のセットを生成するため、コンピュータから受信したデータオブジェクトを解釈することができる。これにより、コントローラ１３６は、エネルギービームの位置及び強度を制御しうる。加えて、層の選択部分に第２の供給材料が使用される場合、コントローラは、選択部分へ供給材料を供給するように分注器を制御しうる。
【０１３１】
本明細書は特定の実施態様の詳細を多数包含しているが、これらは本発明のいかなる範囲、または特許請求の範囲においても限定するものとして解釈すべきでなく、特定の発明の特定の実施形態に特有であり得る特徴の説明として解釈すべきである。別々の実施形態に関連して本明細書に記載された特定の特徴を、単一の実施形態において組み合わせて実行することも可能である。反対に、単一の実施形態に関連して記載される様々な特徴を、複数の実施形態に別々に、または任意の適切なサブコンビネーションにおいて実行することもできる。さらに、特徴は特定の組み合わせにおいて作用するものとして上記され、またそのように特許請求さえされうるが、ある場合には特許請求された組み合わせの中の１または複数の特徴をその組み合わせから除外することもでき、特許請求された組み合わせが、組み合わせの一部または組み合わせの一部の変形を対象とする場合もある。
【０１３２】
例えば、本書に記載したプロセス及び工程を使用して製造される物体の外面は、物体の任意の表面特徴に対応しうる。例として、精密歯車の製造では、外面は表面的であり環境に暴露されるため、精密歯車の外周の内部である面を含む。精密歯車の歯は、外周の内部に位置する面を含む。精密歯車の歯は、機械システムにおける精密歯車の使用中に他の物体と接触するため、低い表面粗さから利益を受けうる。
【０１３３】
別の例では、物体は軸のハブであってよく、ハブの外面は、直接軸に接触するハブの内周を含む。内周は、ハブの外側形状寸法の内部であり、環境に暴露され、表面的であるため、ハブの外面の一部を形成する。他の表面形状寸法の内部である外面を含みうる他の機械的構成要素は、例えばねじ、カム、スプロケット、プーリ、及びクランプを含む。
【０１３４】
表面粗さの度合いの変化を実現するために、第１及び第２の粉末粒子の両方を各層に分注すると記載したが、ある場合には、第１の粉末粒子のみが層のグループ内の各層に分注される。ＡＭ装置は、低エネルギービームを使用して、物体の外面に対応する各層の選択領域を溶融させる。ＡＭ装置は、層のグループを構成する層の全てを分注してから、高エネルギービームを使用して物体の内部の層のグループを溶融させる。各層全体に分散しているのが第１の粉末粒子のみであっても、低エネルギービーム及び選択領域の層ごとの溶融により、物体の内部に対するバルク溶融工程によって達成されるよりも低い表面粗さが実現される。選択領域内に付加的に第２の粉末粒子を配置することによって、物体の外面の表面粗さが更に低減する。
【０１３５】
同様に、物体の内部の複数の層のバルク溶融を、ＡＭ装置によって実施される工程の一部として記載しているが、幾つかの実施態様では、ＡＭ装置は、バルク溶融を実施せず、代わりに層ごとに内部を溶融させる。ＡＭ装置はしたがって、バルク溶融プロセスの対象となる層のグループを分注しない。物体の外面の表面粗さ低減を実現するために、ＡＭ装置は、物体の外面に対応する各層の選択領域内に小さい第２の粉末粒子を分注する。付加的にバルク溶融プロセスを使用することで、物体の外面の表面粗さを更に低減させることができる。エネルギー源を単一のレーザとして記載したが、それぞれが異なる電力を有する２つ以上のレーザを使用して溶融工程を実施することができる。低電力を有する１つのレーザを使用して層ごとの溶融を実施することができ、高電力を有する第２のレーザを使用してバルク溶融を実施することができる。代替又は追加として、ヒータランプを使用して、層のグループ内の、あるいは層の幾つかの領域にわたる幾つかの層全体のバルク溶融を実施することができる。
【０１３６】
・内部の層のグループを溶融させずに小さい第２の粒子を使用することができ、例えば１回ごとに各層を単独で溶融させることができる。この場合、小さい第２の粒子を使用することでやはり、物体の表面の表面粗さを低減させることができる。
【０１３７】
・小さい第２の粒子の使用はオプションである。個々の層は、小さい第２の粒子を使用して、例えば物体のエッジに対応する部分を溶融させることができ、その後で層のグループを溶融させることができる。これにより、物体の表面の解像度が維持されつつ、スループットが向上する。
【０１３８】
・例えば第２のレーザ等の異なるエネルギー源を用いて、層のグループを溶融させることができる。第２のレーザは、個々の層を溶融するのに使用される第１のレーザとは異なる波長を有しうる。
【０１３９】
幾つかの実施態様が記載されている。だが、様々な修正が行われ得ることは理解すべきである。結果的に、他の実施態様も特許請求の範囲内にある。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ−Ｄ】
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【図２Ｅ−Ｇ】
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【図３Ａ−Ｃ】
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【図３Ｄ−Ｆ】
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【図３Ｇ−Ｈ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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