(57)【要約】  プラテンと、コンピュータ支援設計プログラムによって指定されたプラテン上の箇所に供給材料を送達するように構成された供給材料送達システムと、全ての層にわたって、またはプラテンの幅全域に広がり且つプラテンの長さ全域をスキャンする領域にわたって供給材料の温度を上昇させるように構成された熱源とを含む、付加製造システム。熱源は、加熱灯の配列、またはプラズマ源であり得る。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラテンと、
前記プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、第１の供給材料を前記プラテン上に送達するように構成された供給材料分注アセンブリと、
供給材料の前記層全体を同時に加熱するように構成された熱源と、
前記熱源に、前記第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで、供給材料の前記層全体の温度を同時に上昇させるように構成されたコントローラと、
を備える、付加製造システム。
【請求項２】
前記熱源は、前記層全体を同時に加熱するように構成された加熱ランプの配列を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記熱源はプラズマ源を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
プラテンと、
前記プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、第１の供給材料を前記プラテン上に送達するように構成された供給材料分注器具と、
前記プラテンの幅にわたって広がる供給材料の前記層の一領域を同時に加熱し、前記プラテンの長さにわたって前記領域をスキャンするように構成された熱源と、
前記熱源に、前記第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで、供給材料の前記層の前記領域の温度を同時に上昇させるように構成されたコントローラと、
を備える、付加製造システム。
【請求項５】
前記領域はほぼ線形であり、前記熱源は、前記領域の主軸に対して垂直な方向に、前記領域をスキャンするように構成された、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱源はレーザービームを生成するレーザーを備え、前記システムは、前記レーザービームを受光し、前記プラテンの幅に従って前記レーザービームの断面を拡大する光学素子を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記熱源は線形配列された加熱ランプを備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記領域に前記プラテンの長さにわたってスキャンさせるために、少なくとも１つの前記熱源またはプラテンに連結されたアクチュエータを備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
プラテンと、
前記プラテン上に供給材料の層を形成するため、前記プラテン上に第１の供給材料を送達するように構成された供給材料分注器具と、
前記第１の供給材料の溶融を引き起こすプラズマを生成するように構成されたプラズマ源と
を備える、付加製造システム。
【請求項１０】
前記プラズマ源は、前記プラテン中にわたって広がるプラズマを生成し、前記第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで供給材料の前記層全体の温度を同時に上昇させるように構成され、前記分注器は、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、前記第１の供給材料を送達するように構成された、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記プラズマ源は、２つの電極、及び前記２つの電極のうちの少なくとも１つに高周波電圧を供給する電源を備える、請求項３または９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記２つの電極のうちの第１の電極は前記プラテンの中または上にある、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電源は、前記２つの電極のうちの１つに対して第１の周波数を有する高周波電圧を供給し、前記２つの電極のうちのもう１つに対して第２の周波数を有する高周波電圧を供給するように構成され、前記第１の周波数は前記第２の周波数とは異なる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
真空チャンバを備え、前記プラテンは前記チャンバ内で支持されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
ガスを前記チャンバ内に導入するように構成されたガス注入口をさらに備え、前記ガスは、イオンを形成するように構成され、前記電源は、前記イオンが前記層内に埋め込まれるような電力と周波数とで前記電極を駆動するように構成された、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の供給材料が溶融する温度よりも下の温度まで、供給材料の前記層を上昇させるように構成された第２の熱源を備える、請求項１、４、または９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第２の熱源は前記プラテンに埋設された抵抗加熱器を備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第２の熱源は複数の加熱ランプを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記第２の熱源が供給材料の前記層を加熱した後、前記熱源に、供給材料の前記層全体を同時に加熱させるように構成された、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記供給材料送達システムは、前記第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを備え、供給材料の前記層は、前記第１の材料と前記第２の材料を含む、請求項１、４、または９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１の供給材料は第１の温度で溶融し、前記第２の供給材料は第２の温度で溶融し、前記第１の温度は前記第２の温度よりも下である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記コントローラは、前記熱源に、前記第２の温度よりも下の温度まで、供給材料の前記層の前記温度を同時に上昇させるように構成された、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
プラテンと、
供給材料の層を前記プラテン上に分注する供給材料分注器具であって、前記供給材料分注器具は、第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを含み、供給材料の前記層は、前記第１の供給材料と前記第２の供給材料を含み、前記第１の供給材料は第１の温度で溶融し、前記第２の供給材料はより上の第２の温度で溶融する、供給材料分注器具と、
前記第１の供給材料を溶融させるのには十分だが、前記第２の供給材料を溶融させるのには不十分な温度まで、供給材料の前記層を加熱するように構成された熱源と、
前記分注器に、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで前記第１の供給材料を分注させるように構成されたコントローラと
を備える、付加製造システム。
【請求項２４】
前記コントローラは、前記供給材料分注器に、供給材料の前記層内の各ボクセルに、前記第１の供給材料か構成された第２のもののどちらか１つを分注させるように構成された、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記熱源は、供給材料の前記層全体を同時に加熱するように構成された、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記プラテン内に第２の熱源をさらに備え、前記コントローラは、前記第２の熱源に、前記プラテンの基準温度を前記第１の温度及び第２の温度の両方よりも下まで上昇した温度に維持させるように構成された、請求項２０または２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１の分注器及び前記第２の分注器は、それぞれ個別に制御可能なゲートを備え、前記ゲートは、前記コンピュータ可読媒体内に指定された前記パターンにしたがって、前記プラテン上の箇所でそれぞれ第１の供給材料または第２の供給材料を放出するように構成された、請求項２０または２３に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ゲートは、圧電プリントヘッド、空気圧バルブ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）バルブ、ソレノイドバルブ、及び磁気バルブからなるグループから選択される要素を備える、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記供給材料送達システムは、１列の供給材料を同時に送達するように構成された１列の分注器を備え、前記１列の分注器は供給材料の層を送達するために前記プラテンをわたって移動するように構成された、請求項１、４、９、または２３に記載のシステム。
【請求項３０】
前記供給材料送達システムは、前記層全体に同時に送達するように構成された、２次元配列の分注器を備える、請求項１、４、または９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３１】
コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、第１の供給材料の層をプラテン上に分注することと、
前記第１の供給材料が溶融する温度よりも上まで、供給材料の前記層全体を同時に加熱することと
を含む、付加製造の方法。
【請求項３２】
コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、供給材料の層をプラテン上に分注することと、
第１の焼結または融解温度よりも上であり且つ第２の焼結または融解温度よりも下である温度まで、前記プラテンの幅にわたって広がる供給材料の前記層の１領域を同時に加熱することと、
前記プラテンの長さにわたって前記領域をスキャンすることと
を含む、付加製造の方法。
【請求項３３】
供給材料の層を形成するため、プラテン上に第１の供給材料を分注することと、
前記第１の供給材料を溶融させるプラズマを生成することと
を含む、付加製造の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１４年７月９日に出願された米国特許出願第６２／０２２，４２８号、及び２０１５年６月２３日に出願された米国特許出願第６２／１８３，５２２号に対して、優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、３Ｄ印刷としても知られる、付加製造に関する。
【背景技術】
【０００３】
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、３次元の物体が、連続する２次元層または断面によって（一般的に粉末、液体、懸濁液、または融解固形物である）原材料から作り上げられる、任意の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サブトラクティブ加工が含まれ、木材、プラスチックまたは金属の塊といった成形材料から切り出された物体が作り出される。
【０００４】
付加製造には、様々な積層プロセスを用いることができる。この様々なプロセスは、完成物を作製するために層を堆積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。例えば、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ）や直接金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）、熱溶解積層法（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。
【０００５】
焼結とは、例えば粉末である小さい粒（ｇｒａｉｎ）を溶融させ、例えば粉末であるより小さい粒から、原子拡散を用いて、物体を作製するプロセスである。焼結には、通常、粉末を加熱することが含まれる。焼結に用いられる粉末は、融解とは対照的に、焼結プロセスの間に液相に達する必要がない。焼結プロセス中に、粉末状材料が融点よりも下の温度まで加熱されたとき、粉末の粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅ）中の原子は粒子間の境界を超えて拡散し、粒子同士を融合させ、固体片を形成する。焼結温度はこの材料の融点に到達する必要がないため、焼結は、しばしばタングステンやモリブデンといった融点の高い材料に対して用いられている。
【０００６】
付加製造には、焼結と融解の両方を用いることができる。どちらのプロセスが行われるかは、用いられる材料によって決定される。例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）といった非晶質固体は、実際には過冷却粘性液体であり、実際には融解しない。なぜならば、融解とは固体状態から液体状態への相転移を伴うからである。このように、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）がＡＢＳにとっての適切な処理である。一方で、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ）は、例えばナイロンや金属といった、別々の融点／凝固点温度を有し、ＳＬＭプロセスの間に融解が起きる、結晶性材料及び半結晶性材料に対して使用される。
【０００７】
粉末状材料を焼結または融解するためのエネルギー源としてレーザービームを用いる従来のシステムは、典型的には、粉末状材料のある層内の選択されたポイントにレーザービームを配向し、この層中にわたる各箇所に対してレーザービームを選択的にラスタースキャンする。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、１層ごとにこのプロセスが反復される。完成した物体の密度は、レーザーの照射時間ではなく最大レーザー出力に依存するので、従来のシステムでは典型的にパルスレーザーが用いられている。
【０００８】
材料内で焼結または融解を起こさせるためのエネルギー源として、電子ビームもまた用いられ得る。この場合もまた、ある層の処理を完成させるためには、電子ビームをこの層中にわたってラスタースキャンする必要がある。
【発明の概要】
【０００９】
一実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ支援設計プログラムによって指定されたパターンで、第１の供給材料をプラテンに送達するように構成された供給材料分注器具と、供給材料の層全体を同時に加熱するように構成された熱源と、熱源に、第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで、供給材料の層全体の温度を同時に上昇させるように構成されたコントローラとを含む。
【００１０】
別の実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ支援設計プログラムによって指定されたパターンで、第１の供給材料をプラテンに送達するように構成された供給材料分注器具と、プラテンの幅にわたって広がる供給材料の層の一領域を同時に加熱し、プラテンの長さにわたってこの領域をスキャンするように構成された熱源と、熱源に、第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで、供給材料の層のこの領域の温度を同時に上昇させるように構成されたコントローラとを含む。
【００１１】
別の実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、コンピュータ支援設計プログラムによって指定されたプラテン上のある箇所に供給材料を送達するように構成された供給材料送達システムと、プラテン上の２以上の箇所において、供給材料の温度を同時に上昇させるように構成された熱源とを含む。
【００１２】
別の実施態様では、付加製造の方法は、供給材料の層をプラテン上に分注することを含み、この供給材料の層は、第１の供給材料で形成された第１の複数のセル、及び第２の供給材料で形成された第２の複数のセルを含む。第１の供給材料は第１の焼結または融解温度を有し、第２の供給材料は別の第２の焼結または融解温度を有する。本方法は、第１の焼結または融解温度よりも上であり且つ第２の焼結または融解温度よりも下である温度まで、供給材料の層全体を同時に加熱することを含む。
【００１３】
別の実施態様では、付加製造の方法は、供給材料の層をプラテン上に分注することを含み、この供給材料の層は、第１の供給材料で形成された第１の複数のセル、及び第２の供給材料で形成された第２の複数のセルを含む。第１の供給材料は第１の焼結または融解温度を有し、第２の供給材料は別の第２の焼結または融解温度を有する。本方法は、第１の焼結または融解温度よりも上であり且つ第２の焼結または融解温度よりも下である温度まで、プラテンの幅にわたって延伸する供給材料の層の一領域を同時に加熱することと、プラテンの長さにわたってこの領域をスキャンすることとを含む。
【００１４】
別の実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ支援設計プログラムによって指定されたパターンで、供給材料をプラテンに送達するように構成された供給材料分注器具と、供給材料の層内全体で同時に電位を生成するように構成されたプラズマ源であって、この電位が供給材料を溶融させるのに十分である、プラズマ源とを含む。
【００１５】
一実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、供給材料をプラテン上に送達するように構成された供給材料分注アセンブリと、供給材料の層全体を同時に加熱するように構成された熱源と、熱源に、第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで、供給材料の層全体の温度を同時に上昇させるように構成されたコントローラとを含む。
【００１６】
別の実施態様では、付加製造の方法は、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、第１の供給材料の層をプラテン上に分注することと、第１の供給材料が溶融する温度よりも上まで、供給材料の層全体を加熱することとが含まれる。
【００１７】
上記のシステムまたは方法のどちらかの実施は、以下の特徴のうちの１以上を含むことができる。
【００１８】
熱源は、層全体を同時に加熱するように構成された、加熱ランプの配列を含み得る。加熱ランプの配列は、プラテンの直ぐ真上に位置していてよい。熱源は、プラズマ源を含み得る。プラズマ源は、チャージされた粒子を供給材料の層に衝突させるように構成されていてよい。プラズマ源は、供給材料の層の各部分で同時に電位を生成し、この電位が第１の供給材料を溶融させるのに十分であるように、構成されていてよい。システムは、第１の供給材料が溶融する温度よりも下の温度まで、供給材料の層を上昇させるように構成された第２の熱源を含み得る。第２の熱源は、プラテン内に埋設された、抵抗加熱器を含み得る。コントローラは、第２の熱源が供給材料の層を加熱した後、熱源に、供給材料の層全体を同時に加熱させるように構成されていてよい。
【００１９】
供給材料送達システムは、第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを含み得、供給材料の層は、この第１の材料と第２の材料を含み得る。第１の供給材料は第１の温度で溶融し得、第２の供給材料は、第１の温度よりも上の第２の温度で溶融し得る。コントローラは、熱源が、第２の温度よりも下の温度まで、供給材料の層の温度を同時に上昇させるように構成されていてよい。第１の分注器及び第２の分注器は、それぞれ個別に制御可能なゲートを含み得、このゲートは、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンにしたがって、プラテン上の箇所でそれぞれ第１の供給材料または第２の供給材料を放出するように構成されていてよい。ゲートは、圧電プリントヘッド、空気圧バルブ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）バルブ、ソレノイドバルブ、または磁気バルブであり得る。システムは、プラテン内に第２の熱源を含み得る。コントローラは、第２の熱源によってプラテンの基準温度が第１の温度及び第２の温度のどちらよりも下まで上昇した温度で維持されるように、構成されていてよい。
【００２０】
熱源は、分注器に対してプラテンの同じ側に位置していてよく、層全体に同時に放射熱を加えるように構成されていてよい。分注器が熱源とプラテンとの間を通過できるように、熱源は、プラテンから十分に間隔を空けて配置されていてよい。熱源は、層全体を同時に加熱するように構成された、加熱ランプの配列を含み得る。熱源は、分注器からさらに離れて、プラテンの一面上に位置していてよい。熱源は、プラテン内に埋設され、層に対して伝導熱を加えるように構成されていてよい。
【００２１】
供給材料送達システムは、１列の供給材料を同時に送達するように構成された、１列の分注器（複数）を含み得る。分注器の列は、供給材料の層を送達するために、プラテンをわたって移動するように構成されていてよい。供給材料送達システムは、全ての層に同時に送達するように構成された、２次元配列の分注器（複数）を含み得る。ピストンが、プラテンを垂直に駆動するように構成されていてよい。コントローラは、供給材料の層が加熱された後で、且つ供給材料送達システムが加熱された供給材料の層の上に第２の層の供給材料を送達する前に、ピストンを下げるように構成されていてよい。
【００２２】
別の実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を形成するために、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、第１の供給材料をプラテン上に送達するように構成された供給材料分注器具と、プラテンの幅にわたって延伸する供給材料の層の一領域を同時に加熱し、プラテンの長さにわたってこの領域をスキャンするように構成された熱源と、熱源に、第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで、供給材料の層のこの領域の温度を同時に上昇させるように構成されたコントローラとを含む。
【００２３】
別の実施態様では、付加製造の方法は、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、供給材料の層をプラテン上に分注することと、第１の焼結または融解温度よりも上であり且つ第２の焼結または融解温度よりも下である温度まで、プラテンの幅にわたって延伸する供給材料の層の一領域を同時に加熱することと、プラテンの長さにわたってこの領域をスキャンすることとを含む。
【００２４】
上記のシステムまたは方法のどちらかの実施は、以下の特徴のうちの１以上を含むことができる。
【００２５】
この領域はほぼ線形であってよく、熱源は、この領域の主軸に対して垂直な方向に、この領域をスキャンするように構成されていてよい。熱源は、レーザービームを生成するレーザーを含み得、光学素子が、このレーザービームを受光し、プラテンの幅に従ってレーザービームの断面を拡大し得る。光学素子は、ビーム拡大器及び円柱レンズを含み得る。鏡検流計によって、この領域がプラテンの長さにわたってスキャンするようにされる。熱源は、１直線配列の加熱ランプ（複数）を含み得る。この領域をプラテンの長さにわたってスキャンさせるため、少なくとも１つの熱源またはプラテンに、１つのアクチュエータが連結され得る。第２の熱源が、第１の供給材料が溶融する温度よりも下の温度まで、供給材料の層を上昇させるように構成されていてよい。第２の熱源は、プラテン内に埋設された、抵抗加熱器を含み得る。
【００２６】
供給材料送達システムは、第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを含み得、それによって、供給材料の層には、第１の材料と第２の材料が含まれる。第１の供給材料は第１の温度で溶融し得、第２の供給材料は、第１の温度よりも上の第２の温度で溶融し得る。コントローラは、熱源が、第２の温度よりも下の温度まで、供給材料の層の温度を同時に上昇させるように構成されていてよい。プラテン内に、第２の熱源が設置されていてよく、コントローラは、第２の熱源によってプラテンの基準温度が第１の温度及び第２の温度のどちらよりも下まで上昇した温度で維持されるように、構成されていてよい。
【００２７】
別の実施態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に第１の供給材料を送達するように構成された供給材料分注器具と、第１の供給材料の溶融を引き起こすプラズマを生成するように構成されたプラズマ源とを含む。
【００２８】
別の実施態様では、付加製造の方法は、供給材料の層をプラテン上に分注することと、第１の供給材料の溶融を引き起こすプラズマを生成することとを含む。
【００２９】
上記のシステムまたは方法のどちらかの実施は、以下の特徴のうちの１以上を含むことができる。
【００３０】
プラズマ源は、２つの電極、及びこの２つの電極のうちの少なくとも１つに高周波電圧を供給する１つの電源を含み得る。この２つの電極のうちの第１の電極は、プラテン内またはプラテン上にあってよい。この２つの電極のうちの第２の電極は、プラテン上方に懸架されていてよい。電源は、この２つの電極のうちの１つに対して第１の周波数を有する高周波電圧を供給し、もう１つの電極に対して第２の周波数を有する高周波電圧を供給するように構成されていてよく、第１の周波数は第２の周波数とは異なる。
【００３１】
プラテンは、例えば真空チャンバなどのチャンバ内で支持されていてよい。ガス注入口が、ガスをチャンバに導入するために構成されていてよい。ガスは、イオンを形成するように構成されていてよく、電源は、イオンが層内に埋め込まれるように、ある電力と周波数とで電極を駆動するように構成されていてよい。
【００３２】
プラズマ源は、プラテン中にわたって広がるプラズマを生成し、第１の供給材料を溶融させるのに十分な温度まで供給材料の層全体を同時に上昇させるように、構成されていてよい。分注器は、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、第１の供給材料を送達するように構成されていてよい。
【００３３】
供給材料送達システムは、第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを含み得、それによって、供給材料の層には、第１の材料と第２の材料が含まれる。第１の供給材料は第１の温度で溶融し得、第２の供給材料は、第１の温度よりも上の第２の温度で溶融し得る。プラズマ源は、第２の供給材料の溶融は生じさせないプラズマを生成するように構成されていてよい。第２の熱源は、第１の温度及び第２の温度のどちらよりも下まで上昇した温度に、供給材料の層を上昇させるように構成されていてよい。
【００３４】
別の態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を分注する供給材料分注器具と、熱源と、コントローラとを含む。供給材料分注器具は、第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを含み、それによって、供給材料の層には、第１の供給材料と第２の供給材料が含まれる。第１の供給材料は第１の温度で溶融し得、第２の供給材料は、より上の第２の温度で溶融し得る。熱源は、第１の供給材料を溶融させるのには十分だが、第２の供給材料を溶融させるのには不十分な温度まで、供給材料の層を加熱するように構成されていてよい。コントローラは、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで、分注器が第１の供給材料を分注するように構成されていてよい。
【００３５】
実装態様は、１または複数の下記の特徴を含み得る。コントローラは、供給材料分注器に、供給材料の層内の各ボクセルに調整された第１の供給材料か第２の供給材料のどちらか１つを分注させるように、構成されていてよい。熱源は、その温度まで、供給材料の層全体を同時に加熱するように構成されていてよい。第１の分注器及び第２の分注器は、それぞれ個別に制御可能なゲートを含み得、このゲートは、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンにしたがって、プラテン上の箇所でそれぞれ第１の供給材料及び第２の供給材料を放出するように構成されていてよい。ゲートは、圧電プリントヘッド、空気圧バルブ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）バルブ、ソレノイドバルブ、または磁気バルブからなるグループから選択される要素を含み得る。
【００３６】
別の態様では、付加製造システムは、プラテンと、プラテン上に供給材料の層を分注する供給材料分注器具と、熱源と、コントローラとを含む。供給材料分注器具は、第１の供給材料を分注するように構成された第１の分注器と、第２の供給材料を分注するように構成された第２の分注器とを含み、それによって、供給材料の層には、第１の供給材料と第２の供給材料が含まれる。第１の供給材料は第１の温度で溶融し、第２の供給材料は、より上の第２の温度で溶融する。熱源は、供給材料の層全体を同時に加熱するように構成されている。コントローラは、分注器に、コンピュータ可読媒体内に指定されたパターンで第１の供給材料を分注させ、熱源に、第１の温度よりも上だが第２の温度よりは下の温度まで、供給材料の層全体の温度を同時に上昇させるように構成されている。
【００３７】
別の実施態様では、付加製造の方法は、供給材料の層をプラテン上に分注することであって、供給材料の層は第１の供給材料で形成された第１の複数のセルと第２の供給材料で形成された第２の複数のセルを含み、第１の供給材料は第１の温度で溶融し且つ第２の供給材料は別の第２の温度で溶融する、分注することと、第１の温度よりも上だが第２の温度よりは下である温度まで、供給材料の層全体を同時に加熱することとを含む。
【００３８】
実施態様は、以下の利点のうちの１以上を提供することができる。材料が受ける熱変動の回数と規模は、低減することができる。製造される物体の材料特性は、より空間的に均一であることができる。物体を製造するのに必要な時間は、低減することができる。例えば、長さＬを有する立方体に関して、この立方体を製造するのに必要な時間は、Ｌ３であるよりはむしろＬまたはＬ２であることができる。
【００３９】
本発明の１以上の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の記述で説明する。本発明の他の態様、特徴、及び利点は、これらの記述および図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】付加製造システムの概略図である。
【図１Ｂ】材料のいくつかの層が製造された後の、付加製造システムの概略図である。
【図２Ａ】点式分注器の概略図である。
【図２Ｂ】線式分注器の概略図である。
【図２Ｃ】配列式分注器の概略図である。
【図２Ｄ】２つの異なる動作モードによる、Ｓｉ貫通電極の概略図である。
【図３Ａ】付加製造システムの概略図である。
【図３Ｂ】カソード上の粒子の概略図である。
【図３Ｃ】駆動パルスのシーケンスの概略図である。様々な図面における同じ参照符号は同じ要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
パルスレーザービームによって焼結または融解されている粉末状材料の層上の点は、ラスタースキャンの間にその点付近の箇所にレーザービームがエネルギーを送達するのにつれて、一連の急激な温度変動を受ける。完成された層の上に、粉末状材料の新たな層が堆積するとき、パルスレーザービームによって蓄積された熱が最上層から完成された層へと伝導するのにつれて、完成された層上の同一の点は、別の一連の急激な温度変動を受ける。こうした温度変動は、層内の特定の点において１５００°Ｃよりも大きい温度の変化を引き起こすことができ、それをレーザービームのスキャン速度に応じて２〜３秒ごとに繰り返すことができる。
【００４２】
粉末状材料の各点ごとの焼結または融解によって引き起こされるこの大きな温度変動は、印刷された物体内に熱応力を作り出し得る。さらに、完成された物体内の種々の箇所における熱履歴の差異によって、焼結された材料の粒の大きさといった材料特性が多様になり得る。例えば、温度の上昇は、焼結または融解された部分の局所領域を再結晶させ得、近傍の領域とは異なる粒の大きさを持つ領域を形成させ得る。製造される物体の、より再現可能な材料特性を得るために、粒の大きさをよりよく制御することが望ましい。
【００４３】
ポイントツーポイントの焼結または融解技法を用いて物体を製造するのに必要な時間は、物体の長さ寸法の３乗に比例する。例えば、長さＬを有する立方体に関して、この立方体を製造するのに必要な時間は、Ｌ３である。
【００４４】
図１Ａは、例示的な付加製造システム１００の概略を示す。システム１００は、ハウジング１０２を含み、それに囲まれている。ハウジング１０２は、ハウジング内のチャンバ１０３内に例えば真空環境が維持されるのを可能にし得るが、代わりに、チャンバ１０３の内部はほぼ純粋なガスもしくは混合ガス（例えば、粒子を除去するために濾過されたガスもしくは混合ガス）であることができ、またはチャンバは大気に通じていることができる。真空環境または濾過されたガスによって、部品製造の間の欠陥を低減することができる。ある実施形態では、チャンバ１０３は正の圧力に、即ち大気圧よりも上に維持されることができる。これによって、外部の大気のチャンバ１０３への侵入を防止する助けとなることができる。
【００４５】
付加製造システム１００は、プラテン１２０の上方に位置する材料分注器アセンブリ１０４を含む。プラテン１２０の垂直の位置は、ピストン１３２によって制御することができる。粉末の各層が分注され溶融された後、ピストン１３２は、プラテン１２０及び、プラテン１２０上の粉末のあらゆる層を、１層の厚さ分だけ下げることができ、それによってアセンブリは、粉末の新たな層を受容する用意が整う。
【００４６】
プラテン１２０は、大型産業用部品の製造に適合するように、十分大きなものであることができる。例えば、プラテン１２０は、少なくとも差し渡し５００ｍｍ（例えば５００ｍｍ×５００ｍｍの正方形）であることができる。例えば、プラテン１２０は、少なくとも差し渡し１メートル（例えば１メートル四方）であることができる。
【００４７】
コントローラ１４０は、分注器アセンブリ１０４に接続された、例えばリニアアクチュエータといった駆動システム（図示せず）を制御する。駆動システムは、動作の間、分注器アセンブリがプラテン１２０の頂表面に平行に（矢印１０６で示す方向に沿って）前後に移動可能なように構成されている。例えば、分注器アセンブリ１０４は、チャンバ１０３にわたって広がるレールに支持されていることができる。代わりに、分注器アセンブリ１０４は、プラテン１２０が駆動システムによって移動されている間、固定位置に保持されていることができる。
【００４８】
分注器アセンブリ１０４がプラテンを渡ってスキャンする際、分注器アセンブリ１０４は、プラテン１２０上の適切な箇所に供給材料を堆積する。分注器アセンブリ１０４は、２以上の異なる供給材料を貯蔵し、分注することができる。分注器アセンブリは、第１の供給材料１１４ａを保持する第１のリザーバ１０８ａを有する第１の分注器１０４ａと、第２の供給材料１１４ｂを保持する第２のリザーバ１０８ｂを有する第２の分注器１０４ｂを含む。第１の供給材料１１４ａ及び第２の供給材料１１４ｂの放出は、それぞれ第１のゲート１１２ａ及び第２のゲート１１２ｂによって制御される。ゲート１１２ａ及び１１２ｂは独立して制御され、それによって、２つの供給材料のうちの１つが、プラテン１２０上の特定の箇所に堆積する。
【００４９】
コントローラ１４０は、持続性コンピュータ可読媒体内に保存可能な印刷パターンにしたがって、プラテン上の箇所に第１の供給材料１１４ａまたは第２の供給材料１１４ｂのうちのどちらかを堆積するように、分注器アセンブリ１０４に命令する。例えば、印刷パターンは、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ファイルとして保存することができ、このファイルは次いでコントローラ１４０に関連付けられたプロセッサによって読み取られることができる。次いで、それぞれの分注器１０４ａ及び１０４ｂがＣＡＤ互換性のファイルによって指定された位置まで移動したとき、それぞれの供給材料を分注するための電子制御信号が、ゲート１１２ａ及び１１２ｂに送られる。
【００５０】
ある実施形態では、各分注器１０４ａ、１０４ｂは、複数の開口部を含み、そこを通って供給材料が分注される。各開口部は独立して制御可能なゲートを有し、それによって、各開口部を通じた供給材料の送達が独立して制御され得る。
【００５１】
ある実施形態では、この複数の開口部は、例えば分注器１０４ａ、１０４ｂの行程１０６の方向と垂直な方向に、プラテンの幅に広がっている。この場合、分注器１０４ａ、１０４ｂは動作中、１０６の方向への１回のスイープで、プラテン１２０をわたってスキャンすることができる。ある実施形態では、層を交互に形成するため、分注器１０４ａ、１０４ｂは、例えば第１のスイープを１０６の方向、第２のスイープを反対の方向といったように、交互の方向に、プラテン１２０をわたってスキャンすることができる。
【００５２】
代わりに、例えば複数の開口部がプラテンの幅に広がっていない場合には、分注システム１０４は、分注器１０４ａ、１０４ｂがプラテン１２０をわたってスキャンするため、例えば層に材料を送達しにプラテン１２０をわたってラスタースキャンするため、２方向に移動するように構成されることができる。
【００５３】
分注器１０４ａ、１０４ｂのゲート１１２ａ、１１２ｂは、各分注器１０４ａ、１０４ｂからの供給材料の放出を制御するため、圧電プリントヘッド、及び／または、空気圧バルブ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）バルブ、ソレノイドバルブ、もしくは磁気バルブのうちの１または複数によって設けられ得る。分注器１０４ａ、１０４ｂは、選択された供給材料をプラテン１２０上の選択された箇所に堆積することができる。ボクセルの空間分解能が高いほどボクセルの体積は小さくなり、それによって、ボクセル当たりに分注される供給材料の量は少なくなる。
【００５４】
供給材料は、金属粒子もしくはセラミック粒子の乾燥粉末、液体懸濁液中の金属粉末もしくはセラミック粉末、または材料のスラリ懸濁液であり得る。例えば、圧電プリントヘッドを用いる分注器の場合、典型的には供給材料は液体懸濁液中の粒子である。例えば、分注器１０４ａ、１０４ｂのどちらかまたは両方は、粉末材料の層を形成するため、粉末を分散媒、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−ピロドリン（ＮＭＰ）といった高蒸気圧の分散媒の中で送達することができる。この分散媒は、層の焼結のステップに先立って蒸発することができる。代わりに、第１の粒子を分注するため、例えば超音波撹拌と加圧不活性ガスとによって補助されたノズルの配列といった、乾式分注メカニズムを採用することもできる。
【００５５】
金属粒子の例は、金属、合金、及び金属間合金を含む。金属粒子の材料の例は、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、及び、これらの金属の様々な合金または金属間合金を含む。セラミック材料の例は、セリア、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、またはこれらの物質の組み合わせといった、金属酸化物を含む。
【００５６】
プラテン１２０上に堆積した供給材料の層を圧縮及び／または平滑化するため、システム１００は、オプションで圧縮及び／または平坦化メカニズムを含むことができる。例えば、システムは、例えばリニアアクチュエータといった駆動システムによってプラテン表面に平行に移動可能な、ローラーまたはブレードを含むことができる。プラテン１２０に対するローラーまたはブレードの高さは、供給材料の最外側層を圧縮及び／または平滑化するように設定される。ローラーは、プラテンをわたって移動するのにつれて回転することができる。
【００５７】
製造中、供給材料の層は漸進的に堆積し、焼結または融解される。例えば、第１及び第２の供給材料１１４ａ及び１１４ｂは、図１Ｂに示すように、分注器アセンブリ１０４から分注されてプラテン１２０に接触する第１の層１５２を形成する。続いて堆積した供給材料の層は、例えば層１５４及び１５６といった追加の層を形成することができる。それら追加の各層は、例えば層１５４及び１５２といった、下にある層によってそれぞれ支持される。
【００５８】
各層が堆積した後、最外側層は、例えば焼結、または融解及び再凝固によって少なくとも層の一部を溶融させるために、処理される。
【００５９】
第２の供給材料１１４ｂは、第１の供給材料１１４ａよりも高い焼結点または融点を有することができる。例えば、第１の供給材料１１４ａと第２の供給材料１１４ｂとの間の融点の温度差は、２００°Ｃよりも大きくてよい。
【００６０】
システム１００は、堆積された層全体の温度を同時に上昇させるように構成された熱源１３４を含む。熱源１３４は動作中、第１の供給材料１１４ａが溶融する第１の温度よりは上だが、第２の供給材料１１４ｂが溶融する第２の温度よりは下である温度まで、最外側層１５６全体の温度を上昇させる。その結果、第１の供給材料１１４ａの堆積したクラスタは融解し得、したがって溶融して溶融物１６０を形成し得る。一方で、第２の供給材料１１４ｂは、凝集していない形態（例えば粉末）のままである。熱源１３４は、放射加熱器であり得る。例えば、熱源１３４は、２次元配列の加熱ランプ１３６であり得る。
【００６１】
熱源１３４は、分注器システム１０４によって各層が堆積した後に、トリガされることができる。物体内で材料が融解するのに必要な時間がＬ３で表される各点ごとのラスタ―スキャンとは対照的に、システム１００を用いて物体内で材料を溶融するのに必要な時間は、Ｌ即ち物体の厚さ（即ち層の数）で表される。これによって、スループットの顕著な増大が可能になり、より広い範囲の製品またはより大きなサイズに関して、付加製造が経済的に実行可能なものになり得る。
【００６２】
図１Ａ及び１Ｂに示すように、熱源１３４は、プラテンの「上方」、即ち供給材料が堆積しているのに対してプラテン１２０の同じ側に位置し得、分注器１０４ａ、１０４ｂがプラテン１２０と熱源１３４との間を通過できるように、プラテン１２０から十分に間隔を空けて配置されていることができる。図１Ａ及び１Ｂに示すように、加熱ランプ１３６の配列はプラテン１２０の直ぐ真上に配置されている。加熱ランプ１３６は、プラテン１２０の表面に平行な面に配列され、個別のランプはプラテンの表面に垂直に配向されている。しかし、加熱ランプ１３６は、プラテンの上方ではあるが部分的または全体的にプラテンの側面へとずれていることができ、熱放射が、プラテン上の供給材料層に対して非ゼロの入射角となるように、ランプが斜めに配向されていることができる。
【００６３】
ある実施形態では、熱源１３４はプラテンの「下方」、即ち、プラテン１２０の、供給材料が堆積している表面とは反対の側に位置していることができる。しかし、熱がプラテン及び下にある層１５２、１５４に伝達されるよりも、熱が主として最外側層、即ち層１５６に送達されることができるという点で、熱源１３４をプラテンの上方に有するのが有利である。
【００６４】
第１の供給材料が溶融する温度よりも下の温度まで、供給材料の層を上昇させるために、第２の熱源を使用することができる。第２の熱源は概して、熱源１３４よりも前に、供給材料の最外側層１５６に対して熱を加える。例えば、第２の熱源は、連続的に（例えば層が堆積している間）稼働されることができる。例えばプラテン１２０は、埋設されたヒータ１２６によって、第１及び第２の供給材料のどちらの融点よりも下である基準温度まで加熱されることができる。別の例として、追加の加熱ランプによって第２の熱源を設けることができる。
【００６５】
熱源１３４は、第２の供給材料を焼結または融解することなく第１の供給材料を焼結または融解するのに十分なエネルギーを与えるために、トリガされる。こうして、熱源１３４は、第１の供給材料を選択的に融解させるように、堆積した材料により小さい温度上昇をもたらすように構成されることができる。小さい温度差を通じて遷移することによって、堆積した供給材料の各層が、より迅速に処理されることが可能になる。小さい温度差を通じて遷移することによって、熱応力を低減することも可能になり、それによって、製造される物体の品質が向上する。例えば、プラテン１２０の基準温度は、約５００〜１７００°Ｃ、例えば１５００°Ｃであることができ、約５０°Ｃの温度を上昇させるエネルギーを与えるために、熱源１３４をトリガすることができる。
【００６６】
例えば、１６６８°Ｃの融点と、１４．１４ｋＪ／ｍｏｌの溶融熱と、２５．０６Ｊ／ｍｏｌ／Ｋのモル熱容量と、４．５０６ｇ／ｃｍ３の密度とを有する、チタンの場合を検討する。供給材料が、１０ミクロンの直径を有するチタンの球であると仮定すると、１つのチタン球を５０°Ｃ上昇させ融解させるのに必要なエネルギーは、〜０．７μＪである。加熱ランプが、単一の球の厚さを有する層を融解するのに用いられる度に、プラテン１２０上の１０ｃｍの一辺を有する正方形の区域を１秒間加熱すると仮定すると、加熱ランプからの全てのエネルギーがチタン球によって吸収されるという前提で、加熱ランプ１３６の配列が有する定格出力は、少なくとも〜７５Ｗであり得る。言い換えると、上記の場合、加熱ランプからの熱放射の反射及び散乱は、考慮に入れられていない。
【００６７】
対照的に、プラテンの基準温度が例えば第１の供給材料の融点の５０°Ｃ下に維持されていなければ、第１の供給材料の温度を室温からこの材料の融点にまで上昇させ、この材料を融解させるため、配列１３４の定格出力は少なくとも〜２７０Ｗでなくてはならない。
【００６８】
代わりに、プラテン１２０を基準温度まで加熱するために、熱源１３４が用いられ得、第２の供給材料を融解することなく第１の供給材料を融解するのに十分なエネルギーを与えるために、埋設されたヒータ１２６がトリガされ得る。しかし、熱がプラテン及び下にある層１５２、１５４を通じて伝播しなければならないのではなく、温度変化が主として最外側層、例えば層１５６内に生じ得るという点で、熱源１３４をトリガするのは有利である。
【００６９】
図１Ｂに示すように、プラテン１２０は、それぞれ加熱器１２８及び１３０によって加熱される、側壁１２２及び１２４を含み得る。
【００７０】
ある実施形態では、熱源１３４はむしろ、プラテンにわたって広がる概して直線である領域の、温度を上昇させるように構成されることができる。加熱領域は、例えばこの直線領域の主軸（即ち、長さが幅よりも大きいと仮定すると、主軸は長さ方向となる）に対して垂直な方向に、プラテンをわたって直線的にスキャンされることができる。こうしたシステムでは、物体内の材料を溶融させるのに必要な時間は、Ｌ３であるよりもむしろＬ２である。熱源１３４は、例えば線形を実現するために円柱レンズを用いるなどした、適正に成形されたレーザービームを含むことができる。一条のレーザービームが用いられる場合、このレーザービームは、堆積した供給材料の層全体をカバーするように、プラテン中をわたってスキャンすることができる。代わりに、または追加で、熱源１３４は、線形配列の加熱ランプ（複数）を含み得る。
【００７１】
熱源１３４によって加熱される線形領域の、供給材料の最外層をわたる相対的な移動は、例えばリニアアクチュエータで熱源１３４が移動する間にプラテン１２０を固定的に保持することによって、あるいは例えばリニアアクチュエータでプラテン１２０が移動する間に熱源１３４を静止させて保持することによって、あるいは例えば鏡検流計といった熱源で生成されたビームをスキャンすることによって、遂行することができる。
【００７２】
動作中、各層が堆積し熱処理された後、プラテン１２０は、層の厚さとほぼ等しい量だけ下げられる。次に、垂直方向に水平移動される必要がない分注器アセンブリ１０４は、過去に堆積した層の上を覆う新しい層を堆積するため、プラテンをわたって水平方向にスキャンする。次いで、第１の供給材料を溶融させるため、新たな層が熱処理され得る。このプロセスは、完全な３次元物体が製造されるまで繰り返され得る。第１の供給材料の熱処理によって得られた溶融物１６０によって、付加製造された物体が提供される。凝集していない第２の供給材料１１４ｂは、この物体が形成された後に、取り除かれ、拭い去られ得る。
【００７３】
上記のように、第１の供給材料１１４ａ及び第２の供給材料１１４ｂは、コントローラ１４０によって制御された３次元製図のコンピュータプログラムに保存されたパターンで、分注器アセンブリ１０４によって、各層内に堆積する。ある実施形態では、コントローラ１４０は、層内の各ボクセルが供給材料のうちの１つで満たされるように、例えば空のボクセルがなくなるように、分注器アセンブリ１０４を制御する。例えば、２つの供給材料が用いられると仮定すると、第１の分注器１０４ａが第１の供給材料１１４ａを送達しない全てのボクセルに、第２の分注器１０４ｂが第２の供給材料１１４ｂを送達する。これによって、続いて分注される層内の各ボクセルが、下にある材料によって支持されることが確保される。
【００７４】
例えば２次元配列の加熱ランプといった、層全体の温度を同時に上昇させる熱源を用いることで、供給材料の層別加熱が可能になり、製造プロセスが加速される。加えて、供給材料の層全体が加熱ランプの配列からの熱に同時に曝され、それによって層全体の熱履歴のよりよい制御がもたらされる。具体的には、層内の特定の点が受ける温度変動の数が低減され得る。その結果、溶融物の、粒のサイズのよりよい制御が達成され得る。
【００７５】
図２Ａに示すように、分注器１０４ａ及び／または１０４ｂに用いられ得る分注器２０４は、シングルポイント式分注器であってよく、この分注器は、供給材料１１４ａ及び／または供給材料１１４ｂであり得る供給材料２０６の完全な層をプラテン２１０上に堆積するため、プラテン２１０のＸ方向及びＹ方向をわたって移動される。
【００７６】
代わりに、図２Ｂに示すように、分注器１０４ａ及び／または１０４ｂに用いられ得る分注器２１４は、プラテンの幅にわたって広がる線式分注器であり得る。例えば、分注器２１４は、線形配列された個別制御可能な開口部（例えばノズル）を含み得る。分注器２１４は、プラテン上に供給材料の完全な層を堆積するため、１つの次元に沿ってのみ、移動され得る。
【００７７】
代わりに、図１Ｃに示すように、分注器１０４ａ及び／または１０４ｂに用いられ得る分注器２２４は、２次元配列された個別制御可能な開口部（例えばノズル）を含む。例えば、分注器２２４は、大面積ボクセルノズル印刷（ＬＡＶｏＮ）であり得る。ＬＡＶｏＮ２２４は、供給材料の完全な２次元の層を同時に堆積することが可能である。ＬＡＶｏＮ２２４は、バルクシリコン２２６内に形成されたＳｉ貫通電極（ＴＳＶ）２２８の高密度のグリルであってよい。各ＴＳＶ２２８は、適正な電圧が印加されたときに、供給材料２０６がこのＴＳＶの内部に保持されるように特定の２２８の出口開口部を閉鎖する、圧電ゲート２３０によって制御されることができる。ＴＳＶ２２８に異なる電圧が印加されると、圧電ゲート２３０は、特定のＴＳＶ２２８の出口開口部を開放することができ、それによって供給材料がプラテン上に堆積することが可能になる。ＬＡＶｏＮ２２４内のＴＳＶ２２８のそれぞれは、製造される物体を規定するＣＡＤファイルに基づいてコントローラから作成される制御信号によって、個別にアクセスされる。ＬＡＶｏＮ２２４は、単一の供給材料を堆積するのにのみ用いられ得る。こうした場合、製造される物体のボイド領域、または製造される物体を超えた領域には、供給材料は何も堆積しない。代わりに、ＬＡＶｏＮ２２４の各「ピクセル」は、それぞれが２タイプの供給材料のうちの１つを保持する２つのＴＳＶ２２８によって、供給を受け得る。１つの供給材料用のＴＳＶ２２８がスイッチオンされると、そのピクセルの、もう１つの供給材料用のＴＳＶ２２８がスイッチオフされる。図２Ｂ〜２Ｄに示す実施形態は、プラテン上に供給材料を堆積するプロセスを加速する。
【００７８】
供給材料の層別の溶融を達成するため、図１Ａ及び１Ｂの実施形態で記載された放射熱源及び／または伝導熱源の代わりにまたはそれらに加えて、プラズマベースのシステムもまた用いられ得る。図３Ａに示すように、付加製造システム３００は、図１Ａ及び１Ｂの付加製造システム１００と同様であるが、プラズマ源を提供するプラズマ生成システム３０２を含んでいる。付加製造システム３００は、チャンバ１０３を画定するチャンバ壁３０４を含む。
【００７９】
プラズマ生成システム３０２は、電極３１０、即ち第１の電極を含む。電極３１０は、プラテン１２０上のまたはプラテン１２０内の導電層であり得る。これによって、図１Ａ及び１Ｂのピストン１３２と同様に、電極３１０が垂直に移動されることが可能になる。電極３１０は、アノードの役目を果たし得る。
【００８０】
付加製造システム３００はまた、対電極３１２、即ち第２の電極も含む。対電極３１２は、アノードの役目を果たし得る。図３Ａは、対電極３１２をチャンバ１０３内に懸架されたプレートとして示しているが、対電極３１２は、他の形状を有し得るか、またはチャンバ壁３０４の一部によって設けられ得る。
【００８１】
電極３１０及び／または対電極３１２のうちの少なくとも１つは、例えばＲＦ電圧源といったＲＦ電源に接続されている。例えば、電極３１０はＲＦ電源３２０に接続され得、対電極はＲＦ電源３２２に接続され得る。ある実施形態では、電極３１０または対電極３１２のうちの１つはＲＦ電源に接続され、電極３１０または対電極３１２のうちの残りの１つは、接地またはインピーダンス整合回路網に接続されている。
【００８２】
適正な電力と周波数のＲＦ信号を印加することによって、電極３１０と対電極３１２との間の放電空間３４２にプラズマ３４０が形成される。プラズマは、正の粒子及び負の粒子からなる、電気的に中性の媒体である（即ち、プラズマ全体の電荷は、ほぼゼロである）。プラズマ３４０は、説明のため、楕円形のみで示されている。概して、プラズマは電極３１０と対電極３１２との間の領域を満たしているが、アノード表面付近の「デッドゾーン」は除外される。
【００８３】
オプションで、システム３００は、例えば５０ガウスから４００ガウスの磁界を作り出し得る磁石アセンブリ３５０を含み得る。磁石アセンブリ３５０は、プラテン１２０内、例えばプラテン１２０の頂表面３１４付近に設置された、永久磁石を含み得る。代わりに、磁石アセンブリは、例えば真空チャンバ１０３の壁３０４の誘電体（例えば石英）部分の外側表面に巻きつけられたアンテナコイルといった、電磁石を含み得る。このアンテナコイルを通って、ＲＦ電流が流れている。印加されたＲＦ電力で共振モードで稼働しているとき、アンテナコイルは、チャンバ１０３内で軸方向磁場を生成する。この磁場は、例えば電子などの負の粒子といった、チャージされた粒子を、螺旋運動に封じ込めることができる。
【００８４】
チャンバ壁３０４によって画定されたチャンバ１０３は、ハウジング１０２に囲まれている。チャンバ壁３０４は、例えばハウジング１０２内部のチャンバ１０３内を真空環境に維持することができる。チャンバ１０３内からガスを排気するため、真空ベント３０６によって、ハウジング１０２内の真空ポンプがチャンバ１０３に接続されていることができる。非反応性である、アルゴン及びヘリウムといった処理ガスが、ガス注入口３０８を介してチャンバ１０３内に導入され得る。処理に応じて、異なるガスがチャンバ１０３内に導入され得る。例えば、化学反応を引き起こすため、酸素が導入され得る。
【００８５】
図１Ａ及び１Ｂに示されるものと同様の分注器アセンブリ１０４、または代わりの形態では図２Ａ〜２Ｃに示される分注器アセンブリが、プラテン１２０上に供給材料１１４ａ及び１１４ｂを堆積するために用いられ得る。コントローラ１４０は、同様に、分注器アセンブリ１０４に接続された、例えばリニアアクチュエータといった駆動システム（図示せず）を制御する。駆動システムは、動作の間、分注器アセンブリがプラテン１２０の頂表面に平行に前後に移動可能なように構成されている。
【００８６】
図３Ｂの左側に、供給材料１１４ａの粒子３６０の輪郭３６２（誇張されており縮尺どおりでない）が示されている。粒子３６０は、電極３１０の頂表面３１４、即ちプラテン１２０上の過去に堆積した下の導電層と、点接触している。要約すると、表面粗さ及び／または粒子の湾曲によって「点接触」することで、粒子の限定された表面区域のみが頂表面３１４と接触している。
【００８７】
いかなる特定の理論にも限定されずに、プラズマ３４０を生じさせるために電極３１０にＲＦ電力を印加すると、頂表面３１４と直接接触していない粒子３６０の部分は、例えばプラズマバイアスによって高電圧を受け得る。プラズマバイアスによって高電圧を受けるため、供給材料は非金属または非導電性でなくてもよい。金属粒子の場合、断面積が減少するのにつれて導電性が減少する。したがって、この点接触は、基本的に金属粒子のための抵抗器の役割を果たす。
【００８８】
再びいかなる特定の理論にも限定されずに、粒子３６０と電極３１０または下にある導電層との間の間隙３６６をまたぐ局所アーキングをすると、溶融、例えば融解または焼結を生じさせることができる。概して、カソードと粒子との間の所与の電圧差に関して、間隙が大きいほど、アーキングの量は小さい。アーキング／溶融はカソードと直接接触していない粒子の領域に局限されるが、アーキングによって生成された熱は、例えば粒子３６０全体を融解させることによって、または粒子３６０を隣接する粒子に焼結させることによって、材料を溶融させるのに十分である。
【００８９】
一般的に、第１の供給材料１１４ａの粒子のうちのあるもの（例えば全て）には、アーキングを生じさせるのに十分な湾曲が存在する。したがって、これらの粒子はカソード上に堆積するために特定の方法で配向される必要がない。付加製造される部品内では溶融されない第２の供給材料１１４ｂは、はるかにより高い融点を有しており、そのため、プラズマのアーキングでさえ、第１の供給材料１１４ａの融解または溶融を引き起こさない。例えば、第１の供給材料１１４ａと第２の供給材料１１４ｂとの間の融点の温度差は、２００°Ｃよりも大きくてよい。
【００９０】
図３Ｂの右側は、局所アーキングによって、溶融粒子３６１へと溶融／融解された後の、粒子３６０の輪郭３６３を示す。溶融の後、粒子３６１と頂表面３１４との間の間隙は、溶融粒子３６１内の局所アーキングがもはや発生しない程度まで、縮小される（例えば、取り除かれる）。
【００９１】
上記の記載が限定的でないことは、理解されるべきである。供給材料の層の加熱は、部分的または全面的に、例えば動的な衝撃といった、プラズマからの熱移動によるものであってよい。
【００９２】
図１Ａ及び１Ｂに関連して記載されているように、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）互換性のファイルとして保存され次いでコントローラ１４０に関連付けられたコンピュータによって読み取られ得る印刷パターンにしたがって、分注器アセンブリ１０４は、第１の供給材料１１４ａまたは第２の供給材料１１４ｂのどちらかを、プラテン１２０上の箇所に堆積する。
【００９３】
図３Ｂは説明のため電極３１０上に単一の粒子のみを示しているが、実際には、システム３００内にプラズマ３４０が形成される前に、プラテン１２０上に供給材料の完全な層が堆積している。例えば、図３Ｃに示すように、プラズマ形成は、電極３１０及び／または対電極３３０への電力供給を制御するために適用される、駆動パルス３７０に合わせてタイミングが取られてよい。
【００９４】
駆動パルス３７０のオン状態３７２の間、電極と対電極３３０の間にプラズマ３４０が形成され、堆積した第１の供給材料１１４ａに局限された溶融／融解が発生する。駆動パルス３７０のオフ状態３７４の間は、プラズマ３４０は形成されず、プラズマ３４０によって処理される供給材料の新たな層を堆積するため、分注器アセンブリ１０４がプラテン１２０をわたって移動され得る。オン状態とオフ状態は、例えば０．５秒間継続し得る。
【００９５】
システム１００と同様に、システム３００もまた、一度に１層ずつ供給材料１１４ａ及び１１４ｂを処理する。これによって、処理時間をＬで表すことが可能になる。溶融／融解されている供給材料の層の上に、供給材料の新たな層が堆積するとき、供給材料の最上層で発生する局所アーキング／溶融は、下にある供給材料の処理されたまたは溶融／融解した層には影響しない。プラテン１２０は各層が処理され溶融された後に下げることができ、それによって、分注器アセンブリ１０４は垂直に移動する必要がない。
【００９６】
真空環境下でシステム３００を稼働することによって、システム３００内で行われる処理で形成される物質の品質管理が提供され得る。それにも関わらず、ある実施形態では、大気圧下でもまたプラズマ３４０を作り出すことができる。
【００９７】
電極のうちの１つ（カソードまたはアノードのどちらか）に対して、より高い周波数（例えば５０ＭＨｚより上）の駆動電圧が印加され得る。一方で、もう１つの電極に対して、より低い電圧（例えば２０ＭＨｚ未満）のバイアス電圧が印加され得る。一般的に、より高い周波数信号はプラズマのフラックスを作り出す。より高い周波数のＲＦ駆動電圧は、より高いフラックスを作り出す（即ち、プラズマ中のイオンと電子の量がより多い）。より低い周波数のＲＦバイアス電圧は、プラズマ中のイオンのエネルギーを制御する。十分に低い周波数（例えば２ＭＨｚ）では、バイアス信号は、基板上（例えばシリコンウエハ）上に堆積した供給材料（例えばアルミニウム粉末）を蒸発させるのに十分なエネルギーを、プラズマ中のイオンに持たせることができる。対照的に、より高い周波数のバイアス信号（例えば１３ＭＨｚ）では、供給材料の融解が発生し得る。ＲＦ周波数及び印加する地点を変更することによって、供給材料の融解性能は変化する。融解性能は、供給材料の再結晶化を決定することができ、この再結晶化は、金属内の種々の応力と種々の緩和挙動をもたらすことができる。
【００９８】
供給材料の層内に温度ジャンプを引き起こすプラズマの使用によって、供給材料の層特性を容易に制御することもまた、可能になる。例えば、供給材料の層は、プラズマからのイオンを選択的に注入することによって、ドープされ得る。ドーピング濃度は、層ごとに異なっていてよい。イオンを注入することは、供給材料の層内の点の応力を解放するのに役立ち得る。ドーパントの例は、リンを含む。
【００９９】
実際、供給材料の粉末粒子と電子との間の間隙が、この粉末上に十分大きな電圧を生じさせ、それによって供給材料上に電子またはイオンの衝撃が起こるように、プラズマにバイアスをかけることが可能である。この衝撃に用いられる電子またはイオンは、プラズマに由来し得、供給材料に対してＤＣバイアスまたはＡＣバイアスのどちらかが印加されたとき、この供給材料に向かって加速され得る。衝撃は、層を処理するため、材料をエッチングするため、供給材料を（例えば反応イオンエッチングで）化学変化させるため、供給材料をドーピング（例えば窒化物層を追加）するため、または表面処理のために、用いられ得る。
【０１００】
図１Ａまたは３Ａのどちらかを参照すると、システム１００または３００のコントローラ１４０は、例えばアクチュエータ、バルブ、及び電圧源といったシステム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、システム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、例えば持続性マシン可読保存媒体といった、コンピュータプログラム製品内に保存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。
【０１０１】
上記のように、コントローラ１４０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持続的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、遠隔の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１４０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、システムの構成要素を制御して各層に指定されたパターンを印刷す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。
【０１０２】
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、著しくより高い処理温度を必要とする。例えば、金属は、４００°Ｃのオーダー、またはそれよりも高い温度（例えば、アルミニウムの場合は７００°Ｃ）で処理する必要がある。加えて、金属の処理は、例えば酸化を防止するため、真空環境で行われるべきである。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。加えて、大型産業用部品の製造条件は、著しくより厳密であり得る。
【０１０３】
しかし、本書に記載されたいくつかの技法は、プラスチック粉末に適用可能であり得る。プラスチック粉末の例は、ナイロン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリウレタン、アクリレート、エポキシ、ポリエーテルイミド、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）、ポリスチレン、またはポリアミドを含む。
【０１０４】
別の実施形態の文脈で記載されているいくつかの特徴を、組み合わせてまたは単独の実施形態で、実施することもまた可能である。また逆に、単独の実施形態の文脈で記載されている様々な特徴を、その実施形態の他の特徴なしに単独で実施することもまた可能である。
【０１０５】
例えば、上記の記載は、種々の温度を有する複数の供給材料の使用に焦点が当てられてきたが、各層に対して単一の供給材料のみが用いられたとしても、放射熱かプラズマのどちらかによって、層全体の温度を上昇させるかまたはプラテンをわたってスキャンする線形領域の温度を上昇させる技法を適用することは、可能である。この場合、１つの分注器アセンブリのみが必要とされる。加えて、コントローラは、分注器アセンブリ１０４に、単一の供給材料をプラテン１２０上の所望のボクセルに対して送達するようにさせることができる。製造中の物体は、いくつかの制約を受け得る。例えば、新たな層内の供給材料の各ボクセルは、下にある層に材料が送達されたボクセルの上にのみ、堆積される。
【０１０６】
別の例として、上記の記載は、層全体の温度を上昇させるか、またはプラテンをわたってスキャンする線形領域の温度を上昇させることに焦点が当てられてきたが、複数の供給材料を分注する本技法は、ボクセルごとに制御可能に熱を加えるために材料の層をわたってスキャンする熱源によっても、使用することが可能である。例えば、熱源は、プラテンをわたってスキャンするレーザービームを生成し、どのボクセルを溶融するかを制御するために調整された強度を有する、レーザーであり得る。熱源によって加熱される領域の相対的な移動は、例えば一対のリニアアクチュエータで熱源１３４が移動する間にプラテン１２０を固定的に保持することによって、あるいは例えば一対のリニアアクチュエータでプラテン１２０が移動する間に熱源１３４を静止させて保持することによって、あるいは例えば鏡検流計といった熱源で生成されたビームをスキャンすることによって、遂行することができる。
【０１０７】
別の例として、上記の記載は供給材料の層全体にプラズマを印加することに焦点が当てられてきたが、プラズマは、供給材料の層よりも小さい区域内で生成されることができる。例えば、プラズマが生成される区域は、例えば単一のボクセル、プラテン全体には広がらない複数のボクセルの領域、またはプラテン全体の幅にわたって広がる引き伸ばされた領域といった、供給材料の層の領域の溶融を制御するために、サイズ決めされ得る。この領域は、プラテンをわたってスキャンすることができる。プラズマが作用する領域は、電極の適正な構成によって制御することができる。例えば、適正な大きさの対電極が、プラテンの付近に設置され得る。ボクセルごとの制御が可能である場合、単一の供給材料の連続した層がプラテン上に分注され得、特定のボクセルが溶融されるかを決定するために、プラズマが用いられ得る。プラズマが生成される空間の相対的移動は、例えば一対のリニアアクチュエータで対電極が移動する間にプラテン１２０を固定して保持することによって、または例えば一対のリニアアクチュエータでプラテン１２０が移動する間に対電極を静止させて保持することによって、もたらされ得る。
【０１０８】
別の例として、放射熱源１３４即ち加熱ランプの配列１３５と、プラズマ生成システム３０２とは、別個の実施形態の一部として上記されてきたが、ある実施形態は、放射熱源１３４及びプラズマ生成システム３０２の両方を含むことができる。
【０１０９】
幾つかの実施態様が記載されてきた。だが、様々な修正が行われ得ることは理解すべきである。実施形態も、同様に下記の特許請求の範囲内にある。
【図１Ａ】
2017530251.tif 000003
【図１Ｂ】
2017530251.tif 000004
【図２Ａ】
2017530251.tif 000005
【図２Ｂ】
2017530251.tif 000006
【図２Ｃ】
2017530251.tif 000007
【図２Ｄ】
2017530251.tif 000008
【図３Ａ】
2017530251.tif 000009
【図３Ｂ】
2017530251.tif 000010
【図３Ｃ】
2017530251.tif 000011
【国際調査報告】
2017530251.tif 000012
2017530251.tif 000013
2017530251.tif 000014