特開 2023-48126 金属噴射組成物の合金化及びその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023048126

(43)【公開日】2023-04-06

(54)【発明の名称】金属噴射組成物の合金化及びその方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/22 20210101AFI20230330BHJP

   B22F 12/53 20210101ALI20230330BHJP

   B22F 12/55 20210101ALI20230330BHJP

   B22F 10/34 20210101ALI20230330BHJP

   B22F 10/38 20210101ALI20230330BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20230330BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20230330BHJP

【ＦＩ】

B22F10/22

B22F12/53

B22F12/55

B22F10/34

B22F10/38

B33Y10/00

B33Y30/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022145568

(22)【出願日】2022-09-13

(31)【優先権主張番号】17/448,940

(32)【優先日】2021-09-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】596170170

【氏名又は名称】ゼロックス コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＸＥＲＯＸ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(74)【代理人】

【識別番号】100167911

【弁理士】

【氏名又は名称】豊島 匠二

(72)【発明者】

【氏名】コリン グレイ、フレッチャー

(72)【発明者】

【氏名】ダイモン、ヘラー

(72)【発明者】

【氏名】マリウス タデウシュ、ミカ

(72)【発明者】

【氏名】ミランダ、モッシェル

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA04

4K018AA08

4K018AA14

4K018AA25

4K018BA02

4K018BA08

4K018BA13

(57)【要約】      （修正有）

【課題】漸進的な組成物及び他のカスタム合金化材料を印刷するための液体金属噴射方法及びシステムを提供する。
【解決手段】システムは、内側空洞２３２と接続し、かつ液体金属の１つ以上の液滴を排出するように構成されたノズルオリフィスと、エジェクタ２０４の外部に位置する印刷材料源と、印刷材料源とエジェクタとの間に位置する合金システム２４４と、を含む。金属噴射のための方法は、印刷材料を供給源から合金システム内に導入することを含む。金属噴射のための方法はまた、合金システム内の合金材料を印刷材料上に堆積させて、合金化された印刷材料２２６を製造することと、印刷材料を保持することができる空洞を画定するエジェクタ内に、合金化された印刷材料を導入することと、エジェクタの空洞内の合金化された印刷材料を溶融させることと、合金化された印刷材料をエジェクタから排出することと、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属噴射のための方法であって、
印刷材料を供給源から合金システム内に導入することと、
前記合金システム内の合金材料を前記印刷材料上に堆積させて、合金化された印刷材料を製造することと、
印刷材料を保持することができる空洞を画定するエジェクタ内に、前記合金化された印刷材料を導入することと、
前記エジェクタの前記空洞内の前記合金化された印刷材料を溶融させることと、
前記合金化された印刷材料を前記エジェクタから排出することと、
を含む、金属噴射のための方法。

【請求項2】

前記印刷材料がワイヤ又はロッドを更に備える、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項3】

前記合金システムが物理蒸着プロセスを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項4】

前記物理蒸着プロセスがスパッタ堆積プロセスを更に含む、請求項３に記載の金属噴射のための方法。

【請求項5】

前記合金システムが電気めっきプロセスを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項6】

前記合金システムが無電解めっきプロセスを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項7】

前記合金システムが化学蒸着プロセスを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項8】

印刷材料を保持することができる前記エジェクタの前記空洞内に、前記合金化された印刷材料を導入した後、前記エジェクタの前記空洞内にある前記印刷材料及び前記合金材料を混合することを更に含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項9】

前記印刷材料の供給速度を調整することによって、前記印刷材料の量に対して前記合金材料の量を調整することを更に含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項10】

前記合金システムのパラメータを調整することによって、前記印刷材料の量に対して前記合金材料の量を調整することを更に含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項11】

前記印刷材料が、金属、元素、金属合金、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項12】

前記印刷材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項13】

前記合金材料が、金属、元素、金属合金、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項14】

前記合金材料がストロンチウムを含む、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項15】

前記合金化された印刷材料中の合金材料の含有量が、前記合金化された印刷材料の総重量の約０．１％～約１０％である、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項16】

前記合金化された印刷材料中の合金材料の含有量が、前記合金化された印刷材料の総重量の約１ｐｐｍ～約２００ｐｐｍである、請求項１に記載の金属噴射のための方法。

【請求項17】

金属を噴射するためのシステムであって、
内側空洞を画定するエジェクタと、
前記内側空洞と接続し、かつ液体金属の１つ以上の液滴を排出するように構成されたノズルオリフィスと、
前記エジェクタの外部に位置する印刷材料源と、
前記印刷材料源と前記エジェクタとの間に位置する合金システムと、を備え、
前記印刷材料源が、前記印刷材料を前記合金システム内に導入し、次いで前記エジェクタの前記内側空洞内に導入するように構成されている、
金属を噴射するためのシステム。

【請求項18】

前記エジェクタの前記内側空洞内の固体を加熱するように構成されており、それによって、前記エジェクタ内で前記固体を液体に変える、加熱要素を更に備える、
請求項１７に記載の金属を噴射するためのシステム。

【請求項19】

前記エジェクタの周囲に少なくとも部分的に巻き付けられているコイルと、
前記コイルに、前記液体金属の１つ以上の液滴を前記ノズルオリフィスから噴射させる１つ以上のパルスを供給するように構成された電源と、
を更に備える、請求項１７に記載の金属を噴射するためのシステム。

【請求項20】

前記合金システムが物理蒸着装置を含む、請求項１７に記載の金属を噴射するためのシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本教示は、概して、ドロップオンデマンド噴射に関し、より具体的には、合金化された金属組成物を噴射するための装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）又は三次元（３Ｄ）プリンタを必要とする付加製造方法は、通常、層上に材料層を連続的に堆積させることによって、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから３Ｄ物体を構築（例えば、印刷）する。ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）、特に金属又は金属合金を印刷するものは、発射パルスが印加されたときに、液体アルミニウム合金の小さな液滴を排出する。この技術を使用して、互いに結合して連続部品を形成する一連の液滴を排出することによって、３Ｄ部品又は他の材料をアルミニウム、別の合金、又は材料から作製することができる。例えば、堆積されたインク又は印刷された３Ｄ部品を支持するように構成された基材上に第１の層が堆積され得、次いで、第２の層が第１の層上に堆積され得る。３Ｄプリンタの１つの特定のタイプは、層上に液体金属層を噴射して３Ｄ金属物体を形成するのに好適な磁気流体力学（ＭＨＤ）プリンタである。磁気流体力学とは、導電性流体の磁気的特性及び挙動の研究を指す。金属ワイヤ及びロッドは、一般に、製造業者が製造するのに有利な大量の合金でのみ入手可能である。カスタム組成物は、わずかな修飾であっても、増加した費用で、典型的には、かなりのリードタイムを伴うより多くの量で、約２０００～３０００ポンドの最小注文量で、調達しなければならない。これにより、開発目的では、合金修飾は、困難かつ時間のかかるものとなる。

【0003】

金属ワイヤ伸線プロセスは比較的単純であるが、ワイヤを物理的に製造するための特別な装置及びいくつかのプロセスステップを必要とする。加えて、プロセスは、特定の化学組成物のインゴットを鋳造し、インゴットをワイヤ伸線に適した供給原料に形成することからなり、それに続いて最終線径が達成されるまで還元及び熱焼鈍ステップが繰り返される。ロッド供給材料は、同様の方法で製造されるが、典型的には、最終寸法に圧延又は押し出される。これらのプロセスは現在、ワイヤ又はロッドの非標準組成物を得るための唯一の経路である。材料用途では一般に、完全に均質な組成物を必要とするので、これは、コストのかかる解決策であり得る。供給材料としてワイヤ又はロッドを使用するいくつかの液体金属噴射プロセスの範囲内では、エジェクタの内側空洞内の投入材料の再溶融があるため、均質な組成物は必要ない。そのようなものとして、合金添加が投入材料の表面に行われ、噴射前の溶融プロセス中に一体化され得る。更に、漸進的な化学組成物を有する金属材料の付加製造は、現在、漸進的な組成物、例えば、異なる粉末組成物の投入材料を必要とする。

【0004】

したがって、漸進的な組成物及び他のカスタム合金化材料を印刷する際により大きな柔軟性及び能力を提供するために、使用可能な動的に修飾された投入原料による付加製造又は液体金属噴射方法を有することが望ましい。

【発明の概要】

【0005】

以下は、本教示の１つ以上の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要を提示する。この概要は、広範な概略ではなく、本教示の主要又は重要な要素を特定することも、本開示の範囲を明示することも意図していない。むしろ、その主な目的は、単に、後に提示される詳細な説明の前置きとして、１つ以上の概念を簡略化された形式で提示するだけである。

【0006】

金属噴射のための方法が開示される。金属噴射のための方法はまた、印刷材料を供給源から合金システム内に導入することを含む。金属噴射のための方法はまた、合金システム内の合金材料を印刷材料上に堆積させて、合金化された印刷材料を製造することを含む。金属噴射のための方法はまた、印刷材料を保持することができる空洞を画定するエジェクタ内に、合金化された印刷材料を導入することを含む。金属噴射のための方法はまた、エジェクタの空洞内の合金化された印刷材料を溶融させることを含む。方法はまた、合金化された印刷材料をエジェクタから排出することを含む。

【0007】

印刷材料がワイヤ又はロッドを含み得る、金属噴射のための方法。合金システムは、物理蒸着プロセスを含み得る。物理蒸着プロセスは、スパッタ堆積プロセスを更に含み得る。合金システムは、電気めっきプロセスを含み得る。合金システムは、無電解めっきプロセスを含み得る。合金システムは、化学蒸着プロセスを含み得る。金属噴射のための方法は、印刷材料を保持することができるエジェクタの空洞内に、合金化された印刷材料を導入した後、エジェクタの空洞内にある印刷材料及び合金材料を混合することを含み得る。金属噴射のための方法は、印刷材料の供給速度を調整することによって、印刷材料の量に対して合金材料の量を調整することを含み得る。金属噴射のための方法は、合金システムのパラメータを調整することによって、印刷材料の量に対して合金材料の量を調整することを含み得る。印刷材料は、金属、元素、金属合金、又はこれらの組み合わせを含み得る。印刷材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、又はこれらの組み合わせを更に含み得る。合金材料は、金属、元素、金属合金、又はこれらの組み合わせを含み得る。合金材料は、ストロンチウムを含み得る。合金化された印刷材料中の合金材料の含有量は、合金化された印刷材料の総重量の約０．１％～約１０％であり得る。合金化された印刷材料中の合金材料の含有量は、合金化された印刷材料の総重量の約１ｐｐｍ～約２００ｐｐｍであり得る。

【0008】

金属を噴射するためのシステムが開示される。金属を噴射するためのシステムは、内側空洞と接続し、かつ液体金属の１つ以上の液滴を排出するように構成されたノズルオリフィスと、エジェクタの外部に位置する印刷材料源と、印刷材料源とエジェクタとの間に位置する合金システムと、を含み得る。金属を噴射するためのシステムはまた、印刷材料源が、印刷材料を合金システム内に導入し、次いでエジェクタの内側空洞内に導入するように構成されている場所を含み得る。

【0009】

金属を噴射するためのシステムは、エジェクタの内側空洞内の固体を加熱するように構成されており、それによって、エジェクタ内で固体を液体に変える、加熱要素を含み得る。金属を噴射するためのシステムは、エジェクタの周囲に少なくとも部分的に巻き付けられているコイルと、コイルに、液体金属の１つ以上の液滴をノズルオリフィスから噴射させる１つ以上のパルスを供給するように構成された電源と、を含み得る。合金システムは、物理蒸着装置を含み得る。

【図面の簡単な説明】

【0010】

本明細書の一部に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本教示の実施形態を示し、本明細書とともに本開示の原理を説明する役割を果たす。図は以下のとおりである。

【0011】

【図1】一実施形態による、３Ｄプリンタ（例えば、ＭＨＤプリンタ及び／又はマルチジェットプリンタ）の単一液体エジェクタジェットの概略断面図を図示する。

【図2】一実施形態による、合金化された金属組成物を噴射するように構成された金属噴射印刷システムの単一液体エジェクタジェットの概略断面図である。

【図3】一実施形態による、合金化された金属を金属噴射する方法を示すフロー図である。

【0012】

図のいくつかの詳細は簡略化されており、厳密な構造精度、詳細、及び縮尺は維持されるものではなく、本教示の理解を容易にするように描かれていることに留意されたい。

【発明を実施するための形態】

【0013】

ここで、本教示の例示の実施形態を詳細に参照し、この実施例を添付図面に示す。可能な限り、同じ参照番号が、同じ、類似、又は同様の部分を指すように図面全体にわたって使用される。

【0014】

既知の液体金属噴射プロセスは、典型的には、供給材料としてワイヤ又はロッドを使用するが、これらの供給材料は、一般に、大量に生産された合金に対してのみ手頃なコストで入手可能である。カスタム組成物は、わずかな修飾であっても、経済的及びスケジュール的に法外であり得、開発目的では合金修飾を困難かつ時間のかかるものにし得る。動的に修飾された投入原料を使用可能にしている付加製造又は液体金属噴射方法は、漸進的な組成物及び他のカスタム合金化材料を印刷する際により大きな柔軟性及び能力を提供し得る。本明細書に記載の例示的な実施形態は、付加製造のための投入供給材料の表面上への１種以上の合金元素のインプロセス堆積を提供する。提案された実施形態は、付加製造マシン機の溶融プール又はエジェクタ空洞内で溶融する前に、投入ワイヤ又はロッドの表面上に合金元素を堆積させるであろう。そのような修飾は、印刷材料を最初に合金サブシステムに通すことによって、マシン内への通常の投入材料供給経路内で行われるであろう。例示的な合金サブシステムは、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、又はこれらの組み合わせなどの堆積プロセスを含む。

【0015】

付加製造エジェクタの内部に入ると、堆積された元素は、エジェクタの内側空洞内の溶融プール内にある又はそこに保持されている間に、溶融状態の合金に混合される。本明細書の１つ以上の実施形態による方法を使用するインプロセスの合金修飾は、結晶粒微細化、強度増加、酸化防止、傾斜組成などの目的のために組成物に対する制御された調整を可能にし得る。投入された印刷材料供給はまた、合金プロセスにおいてマシン内に供給される前にコーティング又は合金化もされ得る。

【0016】

図１は、一実施形態による、３Ｄプリンタ（例えば、ＭＨＤプリンタ及び／又はマルチジェットプリンタ）の単一液体エジェクタジェットの概略断面図を図示する。図１は、あるタイプのドロップオンデマンド（ＤＯＤ）又は三次元（３Ｄ）プリンタ１００の一部分を示す。３Ｄプリンタ又は液体エジェクタジェットシステム１００は、下部ブロックとも呼ばれる、外部エジェクタハウジング１０２内にエジェクタ（本体又はポンプチャンバ、若しくは「ワンピース」ポンプとも呼ばれる）１０４を含み得る。エジェクタ１０４は、内容積部１３２（内部空洞とも呼ばれる）を画定し得る。印刷材料１２６は、エジェクタ１０４の内部容積１３２内に導入され得る。印刷材料１２６は、金属、ポリマーなどであってもよく、又はこれらを含んでもよい。例えば、印刷材料１２６は、アルミニウム又はアルミニウム合金であり得るか、又はそれを含み得、印刷材料供給部１１６又は印刷材料ワイヤフィード１１８のスプール、この場合はアルミニウムワイヤを介して導入され得る。液体エジェクタジェットシステム１００は、エジェクタ１０４のポンプキャップ又は上部カバー部分１０８内に第１の入口１２０を更に含み、それによって、印刷材料ワイヤフィード１１８がエジェクタ１０４の内部容積１３２に導入される。エジェクタ１０４は、ノズル１１０、上部ポンプ１２２エリア、及び下部ポンプ１２４エリアを更に画定する。１つ以上の加熱要素１１２が、ポンプ室１０４の周りに分配されて、高温度源を提供し、プリンタ動作中に印刷材料１２６を溶融状態に維持する。加熱要素１１２は、印刷材料ワイヤフィード１１８を加熱又は溶融させるように構成されており、それによって、エジェクタ１０４の内容積部１３２内で印刷材料ワイヤフィード１１８を固体状態から液体状態（例えば、印刷材料１２６）に変える。三次元３Ｄプリンタ１００及びエジェクタ１０４は、ノズル１１０の近くに位置する空気又はアルゴンシールド１１４、及びノズル及び／又はエジェクタ１０４の温度調節を更に可能にするための水冷却源１３０を更に含み得る。液体エジェクタジェットシステム１００は、エジェクタ１０４内部の印刷材料１２６の表面に向かって検出器ビーム１３６を方向付け、反射検出器ビーム１３６をレベルセンサ１３４の内部で読み取ることによって、エジェクタ１０４の内部容積１３２内の溶融印刷材料１２６のレベルを検出するように構成されたレベルセンサ１３４システムを更に含む。

【0017】

３Ｄプリンタ１００はまた、本明細書に示されていない電源、及び少なくとも部分的にエジェクタ１０４の周囲に巻き付けられているポンプヒータに封入された１つ以上の金属コイル１０６を含み得る。電源は、コイル１０６に結合され、コイル１０６に電流を提供するように構成され得る。コイル１０６によって引き起こされた増加する磁場が、エジェクタ１０４内に起電力を生じさせ得、引いては印刷材料１２６内に誘導電流を生じさせ得る。印刷材料１２６内の磁場及び誘導電流は、ローレンツ力として知られる、半径方向内向きの力を印刷材料１２６に作製し得る。ローレンツ力は、エジェクタ１０４のノズル１１０の入口に圧力を作製する。この圧力は、印刷材料１２６を１つ以上の液滴１２８の形態でノズル１１０を通して噴射させる。

【0018】

３Ｄプリンタ１００はまた、ノズル１１０に近接して（例えば、下方に）位置付けられた、本明細書に示されていない基材を含み得る。排出された液滴１２８は、基材上に着地し、固化して３Ｄ物体を製造し得る。３Ｄプリンタ１００はまた、液滴１２８がノズル１１０を通して噴射されている間、又は液滴１２８がノズル１１０を通して噴射されているときの間の一時停止中に基材を移動させて、３Ｄ物体が所望の形状及び大きさを有することを引き起こすように構成された基材制御モータを含み得る。基材制御モータは、基材を一次元（例えば、Ｘ軸に沿って）、二次元（例えば、Ｘ軸及びＹ軸に沿って）、又は三次元（例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って）で移動するように構成され得る。別の実施形態では、エジェクタ１０４及び／又はノズル１１０はまた、若しくはその代わりに、一次元、二次元、又は三次元で移動するように構成され得る。換言すれば、基材は、静止ノズル１１０の下で移動されてもよく、又はノズル１１０は、静止基材の上方で移動されてもよい。更に別の実施形態では、４つ又は５つの軸位置制御部が存在するように、ノズル１１０と基材との間に、１つ又は２つの追加の軸の周囲の相対回転が存在してもよい。特定の実施形態では、ノズル１１０及び基材の両方が移動してもよい。例えば、基材は、ノズル１１０がＹ方向において上方及び／又は下方に移動しながらＸ方向及びＹ方向に移動してもよい。

【0019】

３Ｄプリンタ１００はまた、ガス源１３８であってもよいか、又はこれを含んでもよい１つ以上のガス制御デバイスを含み得る。ガス源１３８は、ガスを導入するように構成されてもよい。ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及び／又はキセノンなどの不活性ガスであってもよいか、又はこれらを含んでもよい。別の実施形態では、ガスは、窒素であってもよいか、又は窒素を含んでもよい。ガスは、約１０％未満の酸素、約５％未満の酸素、又は約１％未満の酸素を含んでもよい。少なくとも１つの実施形態では、ガスは、ガス源１３８から三次元３Ｄプリンタ１００に導入される１つ以上のガスの流れ又は流量を調整するように構成されたガス調整器１４０を含むガスライン１４２を介して導入され得る。例えば、ガスは、ノズル１１０及び／又は加熱要素１１２の上方の場所に導入され得る。これは、ガス（例えば、アルゴン）が、ノズル１１０、液滴１２８、３Ｄ物体、及び／又は基材の周囲にシュラウド／シースを形成して、空気シールド１１４の形態で酸化物（例えば、酸化アルミニウム）の形成を低減／防止することを可能にし得る。ガスの温度を制御することはまた、又はその代わりに、酸化物形成が起こる速度を制御する（例えば、最小化する）ことに役立ち得る。

【0020】

液体エジェクタジェットシステム１００はまた、内容積部（大気とも呼ばれる）を画定するエンクロージャ１０２を含み得る。１つの実施形態では、エンクロージャ１０２は、密封されていてもよい。別の実施形態では、エンクロージャ１０２は、密封されていなくてもよい。１つの実施形態では、エジェクタ１０４、加熱要素１１２、電源、コイル、基材、追加のシステム要素、又はそれらの組み合わせは、少なくとも部分的にエンクロージャ１０２内に位置付けられ得る。別の実施形態では、エジェクタ１０４、加熱要素１１２、電源、コイル、基材、追加のシステム要素、又はそれらの組み合わせは、少なくとも部分的にエンクロージャ１０２の外側に位置付けられ得る。

【0021】

図２は、一実施形態による、合金化された金属組成物を噴射するように構成された金属噴射印刷システムの単一液体エジェクタジェットの概略断面図である。図２は、あるタイプのドロップオンデマンド（ＤＯＤ）又は三次元（３Ｄ）プリンタ２００の一部分を示す。３Ｄプリンタ又は液体エジェクタジェットシステム２００は、下部ブロックとも呼ばれる、外部エジェクタハウジング２０２内にエジェクタ２０４を含み得る。エジェクタ２０４は、内容積部２３２を画定してもよい。合金化された印刷材料２２６は、エジェクタ２０４の内容積部２３２内に導入されてよい。合金化された印刷材料２２６は、金属、ポリマーなどであってもよく、又はこれらを含んでもよい。例えば、合金化された印刷材料２２６は、アルミニウム合金であり得るか、又はそれを含み得、印刷材料供給部２１６又は印刷材料ワイヤフィード２１８のスプールを介して導入され得、この場合は、アルミニウムワイヤで始まる。印刷材料ワイヤフィード２１８が液体エジェクタジェットシステム２００内に導入されると、印刷材料ワイヤフィード２１８は、印刷材料源とエジェクタとの間に位置する合金サブシステム２４４を通ってルーティングされ、印刷材料ワイヤフィード２１８は、追加の合金材料を印刷材料ワイヤフィード２１８の表面に導入するための１つ以上のプロセスに供される。印刷材料供給部２１６又は印刷材料源は、印刷材料を合金システム２４４内に導入し、次いでエジェクタ２０４の内側空洞２３２又は内容積部内に導入するように構成されている。特定の実施形態では、合金システム２４４は、物理蒸着（ＰＶＤ）装置を含み得る。代替実施形態は、前述の物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき、粉末若しくは冷間溶接材料を使用する冷間噴霧プロセス、化学蒸着（ＣＶＤ）、又はこれらの組み合わせなどの堆積プロセスを含み得る。使用に適した追加の堆積プロセスとしては、特定の実施形態において、溶射プロセス、溶融亜鉛めっきプロセス、若しくは他の浸漬、噴霧、化成コーティング、又はこれらの組み合わせが挙げられ得る。合金化され、印刷された材料の傾斜組成は、投入印刷材料の供給速度が調整されること、並びに堆積プロセス又は合金プロセス内のパラメータが調整されることによって達成され得る。本明細書に記載の実施形態は、ワイヤ又はロッド印刷材料源を利用するが、他の実施形態は、印刷材料源としてのるつぼ又はエジェクタのサイズに応じて、ペレット又は小さなインゴットの使用を含み得る。

【0022】

液体エジェクタジェットシステム２００は、エジェクタ２０４のポンプキャップ又は上部カバー部分２０８内に第１の入口２２０を更に含み、それによって、印刷材料ワイヤフィード２１８がエジェクタ２０４の内容積部２３２に導入される。エジェクタ２０４は、ノズル２１０、上部ポンプ２２２エリア、及び下部ポンプ２２４エリアを更に画定する。１つ以上の加熱要素２１２が、ポンプ室２０４の周りに分配されて、高温度源を提供し、プリンタ動作中に印刷材料２２６を溶融状態に維持する。加熱要素２１２は、印刷材料ワイヤフィード２１８を加熱又は溶融させるように構成されており、それによって、エジェクタ２０４の内容積部２３２内で印刷材料ワイヤフィード２１８を固体状態から液体状態に変える。三次元３Ｄプリンタ２００及びエジェクタ２０４は、ノズル２１０の近くに位置する空気又はアルゴンシールド２１４、並びにノズル及び／又はエジェクタ２０４の温度調節を更に可能にするための水冷却源２３０を更に含み得る。液体エジェクタジェットシステム２００は、エジェクタ１０４内部の合金化された印刷材料２２６の表面に向かって検出器ビーム２３６を方向付け、反射検出器ビーム２３６をレベルセンサ２３４の内部で読み取ることによって、エジェクタ２０４の内容積部２３２内の溶融合金化印刷材料２２６のレベルを検出するように構成されたレベルセンサ２３４システムを更に含む。

【0023】

３Ｄプリンタ２００はまた、本明細書に示されていない電源、及び少なくとも部分的にエジェクタ２０４の周囲に巻き付けられているポンプヒータに封入された１つ以上の金属コイル２０６を含み得る。電源は、コイル２０６に結合され、コイル２０６に電流を提供するように構成され得る。コイル２０６によって引き起こされた増加する磁場が、エジェクタ２０４内に起電力を生じさせ得、引いては合金化された印刷材料２２６内に誘導電流を生じさせ得る。合金化された印刷材料２２６内の磁場及び誘導電流は、ローレンツ力として知られる、半径方向内向きの力を合金化された印刷材料２２６に生成し得る。ローレンツ力は、エジェクタ２０４のノズル２１０の入口に圧力を生成する。この圧力は、合金化された印刷材料２２６を１つ以上の液滴２２８、この場合は、合金化された印刷材料の液滴２２８の形態で、ノズル２１０を通して噴射させる。

【0024】

３Ｄプリンタ２００はまた、ノズル２１０に近接して（例えば、下方に）位置付けられた、本明細書に示されていない基材を含み得る。排出された液滴２２８は、基材上に着地し、固化して３Ｄ物体を製造し得る。３Ｄプリンタ２００はまた、液滴２２８がノズル２１０を通して噴射されている間、又は液滴２２８がノズル２１０を通して噴射されているときの間の一時停止中に基材を移動させて、３Ｄ物体が所望の形状及び大きさを有することを引き起こすように構成された基材制御モータを含み得る。基材制御モータは、基材を一次元（例えば、Ｘ軸に沿って）、二次元（例えば、Ｘ軸及びＹ軸に沿って）、又は三次元（例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って）で移動するように構成され得る。別の実施形態では、エジェクタ２０４及び／又はノズル２１０はまた、若しくはその代わりに、一次元、二次元、又は三次元で移動するように構成され得る。換言すれば、基材は、静止ノズル２１０の下で移動されてもよく、又はノズル２１０は、静止基材の上方で移動されてもよい。更に別の実施形態では、４つ又は５つの軸位置制御部が存在するように、ノズル２１０と基材との間に、１つ又は２つの追加の軸の周囲の相対回転が存在してもよい。特定の実施形態では、ノズル２１０及び基材の両方が移動してもよい。例えば、基材は、ノズル２１０がＹ方向において上方及び／又は下方に移動しながらＸ方向及びＹ方向に移動してもよい。次いで、３Ｄプリンタ２００は、具体的に説明されるものに限定されないが、前述の方法で、３Ｄ構成要素又は部品を製造し得、これは、印刷材料供給部２１６から直接供給された材料で、又は合金サブシステム２４４を通過した後の合金化された材料で作製される。合金サブシステム２４４を使用することによって、２種以上の合金元素又は合金原材料が印刷材料供給部２１６に導入され得ることに留意されたい。更に、合金サブシステム２４４は、印刷動作が行われている間の変化する合金組成の一部を作成するために、オンにされるか、オフにされるか、又は合金サブシステム２４４の１つ以上のパラメータが動作中に調整され得る。合金元素の組成は、段階的な様式、漸進的若しくは傾斜的な様式、又は両方の組み合わせのいずれかで調整され得る。合金元素の例としては、特定の実施形態では、アルミニウム印刷材料供給原料上への銅若しくは亜鉛の電気めっき、アルミニウム印刷材料供給原料上へのストロンチウムのスパッタリング、スチール印刷材料供給原料上へのニッケルの無電解めっき、又はこれらの組み合わせが挙げられ得る。本明細書に記載の実施形態で使用される印刷材料源の例示的な例としては、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、及びそれらの合金が挙げられる。本明細書に記載の実施形態で使用される合金材料源の例示的な例としては、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、及びそれらの合金が挙げられる。

【0025】

３Ｄプリンタ２００はまた、ガス源２３８であってもよいか、又はこれを含んでもよい１つ以上のガス制御デバイスを含み得る。ガス源２３８は、ガスを導入するように構成されてもよい。ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及び／又はキセノンなどの不活性ガスであってもよいか、又はこれらを含んでもよい。別の実施形態では、ガスは、窒素であってもよいか、又は窒素を含んでもよい。ガスは、約１０％未満の酸素、約５％未満の酸素、又は約１％未満の酸素を含んでもよい。少なくとも１つの実施形態では、ガスは、ガス源２３８から三次元３Ｄプリンタ２００に導入される１つ以上のガスの流れ又は流量を調整するように構成されたガス調整器２４０を含むガスライン２４２を介して導入され得る。例えば、ガスは、ノズル２１０及び／又は加熱要素２１２の上方の場所に導入され得る。これは、ガス（例えば、アルゴン）が、ノズル２１０、液滴２２８、３Ｄ物体、及び／又は基材の周囲にシュラウド／シースを形成して、空気シールド２１４の形態で酸化物（例えば、アルミニウム印刷材料の使用では酸化アルミニウム）の形成を低減／防止することを可能にし得る。ガスの温度を制御することはまた、又はその代わりに、酸化物形成が起こる速度を制御する（例えば、最小化する）ことに役立ち得る。ガス源は、合金サブシステム２４４を介して印刷材料源２１６に導入される合金材料と組み合わせて合金プロセスを更に増強するか、又は合金組成物を修飾するために、特定の実施形態において、合金サブシステム２４４への投入物で修飾又はブレンドされ得ることにも留意されたい。

【0026】

液体エジェクタジェットシステム２００はまた、内容積部（大気とも呼ばれる）を画定するエンクロージャ２０２を含み得る。１つの実施形態では、エンクロージャ２０２は、密封されていてもよい。別の実施形態では、エンクロージャ２０２は、密封されていなくてもよい。１つの実施形態では、エジェクタ２０４、加熱要素２１２、電源、コイル、基材、追加のシステム要素、又はそれらの組み合わせは、少なくとも部分的にエンクロージャ２０２内に位置付けられ得る。別の実施形態では、エジェクタ２０４、加熱要素１１２、電源、コイル、基材、追加のシステム要素、又はそれらの組み合わせは、少なくとも部分的にエンクロージャ２０２の外側に位置付けられ得る。

【0027】

図３は、一実施形態による、合金化された金属を金属噴射する方法を示すフロー図である。図３は、印刷材料を供給源から合金システム３０２内に導入するための第１のステップを含む、金属噴射のための方法３００のステップを示す。合金システムは、スパッタ堆積プロセスなどの物理蒸着プロセスを含み得る。代替実施形態は、電気めっきプロセス、無電解めっきプロセス、化学蒸着プロセス、又は本明細書に記載の他の合金若しくは堆積プロセスのいずれかを有する合金システムを組み込み得る。印刷材料は、ワイヤ、ロッド、又は他の材料源を含み得る。次に、金属噴射のための方法３００は、合金システム内の合金材料を印刷材料上に堆積させて、合金化された印刷材料を製造するステップ３０４、及び印刷材料を保持することができる空洞を画定するエジェクタ内に、合金化された印刷材料を導入するステップ３０６を含む。合金化された印刷材料がエジェクタ内に導入されると、金属噴射のための方法３００の次のステップは、エジェクタ３０８の空洞内の合金化された印刷材料を溶融させ、合金化された印刷材料をエジェクタ３１０から排出することである。

【0028】

金属噴射のための方法３００の代替実施形態は、エジェクタの空洞内に、合金化された印刷材料を導入した後、エジェクタの空洞内にある印刷材料及び合金材料を混合することを含み得る。特定の実施形態は外部混合要素を含み得、又は混合は、モルトプール（malt pool）若しくはエジェクタ空洞内での溶融材料内の対流電流若しくは渦電流に依存し得る。金属噴射のための方法３００の他の例示的な実施形態は、印刷材料の供給速度を調整することによって、印刷材料の量に対して合金材料の量を調整することを含み得る。

【0029】

特定の実施形態では、金属噴射のための方法３００は、合金システムのパラメータを調整することによって、印刷材料の量に対して合金材料の量を調整することを含み得る。金属噴射のための方法３００で使用される印刷材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、又はこれらの組み合わせなど、金属、金属合金、又はこれらの組み合わせを含み得る。同様に、金属噴射のための方法３００における合金材料は、金属、元素、金属合金、又はこれらの組み合わせを含み得る。特定の実施形態では、ストロンチウムは、例示的な合金材料である。合金化された印刷材料中の例示的な実施形態での合金材料の含有量は、合金化された印刷材料の総重量の約０．１％～約１０％であり得る。微量の合金化された材料は、合金化された印刷材料の総重量に対して、１百万分率（ｐｐｍ）～約１０百万分率（ｐｐｍ）程度、又は最大２００百万分率（ｐｐｍ）であり得る。

【0030】

本明細書に記載される実施形態の利点は、合金化された金属のカスタム組成物を作製するためのインプロセス方法の使用を含み得ることに留意されたい。印刷された部品を傾斜化学組成物で作成することができる合金化された金属の傾斜を作成するための更なる機会が存在し得る。本明細書に記載される例示的な実施形態の追加の利点には、合金組成物を特注するのとは対照的にインラインで合金化することによるコスト削減が含まれ、結果として生じる印刷された部品の改善された品質は、微量元素が凝固及び層間接着などの印刷された部品の特性を改善するため、より高い品質を有する。微量の合金元素を添加すると、酸化などの特性に良い影響を与え、層間接着、凝固、及び他の微細構造特性を改善する。合金組成物におけるそのような小さな変化は、材料の特定の態様に影響を与え得るが、噴射パラメータに関する溶融状態での物理的特性に対して依然として比較的わずかなままである。更に、添加される微量合金元素の量が他の原材料の変動の範囲内にあり得るので、噴射パラメータが悪影響を受ける可能性は高くないであろう。

【0031】

修飾された金属を金属噴射するための方法４００の特定の実施形態は、固体を加熱して気化した固体を形成することと、代替的に、気化した固体を第２のガス源からの第２のガスと組み合わせることとを含む、第２の供給源４０４からの第１のガスに添加剤を導入するステップを含み得る。例示的な実施形態では、気化した固体は、ストロンチウムなどの結晶粒微細化剤、又はカルシウムなどの他の気化した固体を含み得る。修飾された金属を金属噴射するための方法４００はまた、エジェクタノズルから溶融金属印刷材料の液滴を排出すること、第１の不活性ガスと第２の不活性ガス中に懸濁された粒子との組み合わせを溶融金属印刷材料の液滴と反応させて、修飾された溶融金属印刷材料を形成すること、又は修飾された溶融金属印刷材料の液滴を基材若しくは固体印刷材料上に堆積させることを含み得る。修飾された金属組成物を噴射するための方法の代替実施形態は、プロセス中、又は「オンザフライ」での添加剤の濃度の修正を含み得る。堆積の比は、ガス源の圧力を調節すること又は他のプロセス制御によってなど、流量の比を制御又は変更することによって制御され得る。修飾された金属組成物を噴射するための方法の更なる実施形態は、印刷される部品の組成物を層ごとに変更することを含み得る。修飾はまた、修飾プロセス、又はシステム内に投入される添加剤源をオン及びオフにすることによって、断続的な様式で使用又は実施され得る。

【0032】

修飾された金属組成物を噴射するための方法は、支持構造と製品構造との間の「ブレークアウェイ」部分又は界面のための弱い境界層を形成することを含み得る。特定の実施形態では、酸素又は他の脆化剤若しくは添加剤の添加は、主要な又は所望の印刷された構成要素又は部品から支持構造をより容易に分離をすることを可能にするために、部品の特定の領域で使用され得る。ブレークアウェイ支持又は界面はまた、必要に応じて特定の点又は印刷された部品の部分でのみ可変様式で添加剤又は印刷材料組成物をメーターアウトすることによって構築され得る。例えば、ブレークアウェイを容易にする、又は構成要素の部分を容易に分離する特性を提供するための一定量の添加剤を送達するために、二次ガス調整器がオンにされるか、オフにされるか、又は調整され得る。この方法は、化学的又は物理的な層破壊、並びに組成破壊を生じさせ得、部品構造内の特定の場所での破壊がより容易になり得る。

【0033】

本教示は、１つ以上の実装態様に対して示されているが、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、示された実施例に対して変更及び／又は修正が行われ得る。例えば、プロセスが一連の行為又は事象として説明されているが、本教示は、そのような行為又は事象の順序によって限定されないことが理解され得る。一部の行為は、異なる順序で、及び／又は本明細書に記載されているものとは別の他の行為若しくは事象と同時に発生する可能性がある。また、全てのプロセス段階が、本教示の１つ以上の態様又は実施形態に従う方法論を実装するために必要とされ得るわけではない。構造的物体及び／若しくは処理段階が追加され得るか、又は既存の構造的物体及び／若しくは処理段階が除去若しくは修正され得ることが理解され得る。更に、本明細書に示される行為のうちの１つ以上は、１つ以上の別個の行為及び／又は段階で実行され得る。更に、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｗｉｔｈ）」という用語、又はそれらの変形が発明を実施するための形態及び特許請求の範囲のいずれかで使用される限りにおいて、そのような用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様の方法で包括的であることが意図されている。「少なくとも１つの」という用語は、列挙された項目のうちの１つ以上が選択され得ることを意味するように使用される。更に、本明細書における考察及び特許請求の範囲において、２つの材料に対して使用される「上」という用語、他方「上」の一方は、材料間の少なくとも一部の接触を意味し、一方、「の上」は、材料が、場合によっては、接触が可能であるが必要とされないように、１つ以上の追加の介在材料に近接していることを意味する。「上（ｏｎ）」又は「の上（ｏｖｅｒ）」のいずれも、本明細書で使用される場合にいかなる指向性も暗示しない。「共形」という用語は、下にある材料の角度が共形材料によって保持されるコーティング材料を記述する。「約」という用語は、変更が、示された実施形態に対してプロセス又は構造の不適合とならない限り、列挙される値が少し変更され得ることを示す。「結合する」、「結合される」、「接続する」、「接続」、「接続される」、「と接続して」、及び「接続している」という用語は、「と直接接続する」又は「１つ以上の中間要素又は部材を介して接続する」ことを指す。最後に、「例示の」又は「例示的な」という用語は、説明が理想的であることを意味するのではなく一例として使用されることを示す。本教示の他の実施形態は、本明細書及び本明細書での本開示の慣行を考慮して当業者に明らかであり得る。本明細書及び実施例は、例示としてのみみなされることが意図され、本教示の真の範囲及び趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示される。

【図1】

【図2】

【図3】