特開 2024-82247 プラズマ支援を用いた液体金属ジェット印刷のためのシステム及び方法

(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】P2024082247

(43)【公開日】2024-06-19

(54)【発明の名称】プラズマ支援を用いた液体金属ジェット印刷のためのシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   B22D 23/00 20060101AFI20240612BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240612BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240612BHJP

   B22F 10/20 20210101ALI20240612BHJP

【ＦＩ】

B22D23/00 E

B33Y10/00

B33Y30/00

B22F10/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】30

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023197906

(22)【出願日】2023-11-22

(31)【優先権主張番号】18/063,030

(32)【優先日】2022-12-07

(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】

【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】100141553

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 信彦

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル ブラード

(72)【発明者】

【氏名】パトリック ワイ．マエダ

(72)【発明者】

【氏名】ウォーレン ジャクソン

(72)【発明者】

【氏名】デイビッド ケイ．ビーゲルセン

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA03

4K018AA06

4K018AA07

(57)【要約】      （修正有）

【課題】プラズマ支援を用いた液体金属ジェット３Ｄ印刷システムおよび方法を提供する。
【解決手段】３Ｄ印刷システム１００は、造形材料を受け取るように構成されたエジェクタ１１０を含む。エジェクタ１１０は、ノズル１１４を含む。エジェクタ１１０は、造形材料１２０の複数の液滴１２４をノズル１１４を通して吐出するように構成されている。３Ｄ印刷システム１１０はまた、ノズル１１４の下方に配置された基材１４０を含む。滴は、ノズル１１４から吐出された後に基材１４０に向かって落下する。滴は、基材１４０上に３Ｄ物体１２６を形成する。３Ｄ印刷システム１１０はまた、交流電流を発生させるように構成された電源１３２を含む。３Ｄ印刷システム１１０はまた、交流電流を受け取ることに応答してプラズマを発生させるように構成された電極を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形材料を受け取るように構成されたエジェクタであって、ノズルを備え、かつ前記造形材料の複数の液滴を前記ノズルを通して吐出するように構成されている、エジェクタと、
前記ノズルの下方に配置された基材であって、前記液滴が、前記ノズルから吐出された後に前記基材に向かって落下し、かつ前記基材上に３Ｄ物体を形成する、基材と、
交流電流を発生させるように構成された電源と、
前記交流電流を受け取ることに応答してプラズマを発生させるように構成された電極と、
を備える３Ｄ印刷システムであって、前記液滴、前記３Ｄ物体、前記基材、又はこれらの組み合わせが、前記プラズマ内に少なくとも部分的に配置される、
３Ｄ印刷システム。

【請求項2】

前記造形材料が、約７００℃以上の融点を有する金属を含む、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項3】

前記造形材料が、銅、黄銅、チタン、ニッケル、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項4】

前記プラズマが、前記３Ｄ物体を局所的に加熱して、前記３Ｄ物体の第１の部分の温度を約８００℃～約１８００℃に上昇させる、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項5】

前記３Ｄ物体の第２の部分が、約２０℃～約２５０℃の温度を有する、請求項４に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項6】

前記プラズマが、前記３Ｄ物体から酸化物を除去する、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項7】

前記３Ｄ印刷システムが、前記エジェクタ及び前記基材の周囲にエンクロージャを備えない、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項8】

前記液滴が前記ノズルから吐出されるときに、前記エジェクタ、前記基材、前記液滴、及び前記３Ｄ物体が真空環境内にない、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項9】

前記液滴が前記ノズルから吐出されるときに、前記基材が、前記３Ｄ物体に熱を導入しない、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項10】

前記液滴が前記ノズルから吐出されるときに、前記ノズル、前記液滴、前記３Ｄ物体、又はこれらの組み合わせの周囲に不活性ガスも窒素ガスも導入されない、請求項１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項11】

造形材料を受け取るように構成されたエジェクタであって、前記造形材料が、金属を含み、前記金属が、銅、黄銅、チタン、ニッケル、又はこれらの組み合わせを含む、エジェクタと、
前記エジェクタの周囲に少なくとも部分的に配置された加熱要素であって、前記エジェクタ内で前記造形材料を固体状態から液体又は溶融状態に加熱するように構成されている、加熱要素と、
前記エジェクタの周囲に少なくとも部分的に配置されたコイルと、
前記コイルに複数のパルスを送るように構成された第１の電源であって、前記コイルが、各パルスに応答して前記造形材料の液滴を前記エジェクタのノズルから吐出させる、第１の電源と、
前記ノズルの下方に配置された基材であって、前記液滴が、前記ノズルから吐出された後に前記基材に向かって落下し、かつ前記基材上に３Ｄ物体の少なくとも一部を形成する、基材と、
前記エジェクタと前記基材との間に少なくとも部分的に配置された電極と、
前記電極に交流電流を送るように構成された第２の電源と、
を備える３Ｄ印刷システムであって、前記電極が、前記交流電流に応答してプラズマを発生させ、前記プラズマが、前記３Ｄ物体を局所的に加熱して、前記３Ｄ物体の第１の部分の温度を約８００℃～約１８００℃に上昇させ、前記３Ｄ物体の第２の部分が、約２０℃～約２５０℃の温度を有し、前記第１の部分が、前記第２の部分よりも小さく、前記第１の部分が、前記第２の部分の上方にあり、かつ前記プラズマが、前記３Ｄ物体の前記第１の部分から酸化物を除去する、
３Ｄ印刷システム。

【請求項12】

前記電極が、
前記ノズルの第１の側に配置された第１の電極プローブと、
前記ノズルの第２の反対の側に配置された第２の電極プローブと、
を備え、
前記基材が、前記第１の電極プローブに向けて第１の方向に移動しているときに、前記交流電流が、前記第２の電極プローブではなく前記第１の電極プローブに送られ、前記基材が、前記第２の電極プローブに向けて第２の反対の方向に移動しているときに、前記交流電流が、前記第１の電極プローブではなく前記第２の電極プローブに送られる、
請求項１１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項13】

前記電極が、電極リングを備え、前記ノズルが、前記ノズルを通って延びている中心長手方向軸を有し、前記電極リングが、前記中心長手方向軸を中心に、かつ前記ノズルと前記３Ｄ物体との間に垂直に配置される、請求項１１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項14】

前記温度、前記酸化物のレベル、又はその両方を測定するように構成されたセンサを更に備える請求項１１に記載の３Ｄ印刷システムであって、前記第２の電源が、測定値に応答して前記交流電流の波形を修正するように構成されている、請求項１１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項15】

前記液滴が溶接に使用されない、請求項１１に記載の３Ｄ印刷システム。

【請求項16】

３Ｄ印刷システムを使用して３Ｄ物体を印刷するための方法であって、
造形材料の複数の液滴であって、前記液滴が、前記ノズルから吐出された後に基材に向かって落下し、かつ前記基材上に前記３Ｄ物体を形成する、複数の液滴をノズルを通して吐出することと、
電極を用いてプラズマを発生させることと、
を含み、前記プラズマが、前記液滴、前記３Ｄ物体、前記基材、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的に配置される、
方法。

【請求項17】

電源を用いて、交流電流を発生させ、前記交流電流が前記電極に提供され、これにより、前記電極が、前記プラズマを発生させることを更に含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

パラメータであって、前記パラメータが、前記３Ｄ物体の温度、前記３Ｄ物体上の酸化物のレベル、又はその両方を含む、パラメータをセンサを用いて測定することと、
測定された前記パラメータに応答して、前記交流電流の波形を修正することと、
を更に含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記波形を修正することが、前記波形の電子正（ＥＰ）モードを増加させて、前記酸化物の除去を増加させるか、又は前記波形の電子負（ＥＮ）モードを増加させて、前記３Ｄ物体の前記温度を上昇させるように、前記波形の振幅、周波数、及び／又は波長を修正することを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記電極が、
前記ノズルの第１の側に配置された第１の電極プローブと、
前記ノズルの第２の反対の側に配置された第２の電極プローブと、
を備え、
前記基材が、前記第１の電極プローブに向けて第１の方向に移動しているときに、前記プラズマが、前記第２の電極プローブではなく前記第１の電極プローブを使用して発生し、前記基材が、前記第２の電極プローブに向けて第２の反対の方向に移動しているときに、前記プラズマが、前記第１の電極プローブではなく前記第２の電極プローブを使用して発生する、請求項１６に記載の方法。

【請求項21】

３Ｄ印刷システムを使用して３Ｄ物体を印刷するための方法であって、
造形材料の複数の液滴であって、前記液滴が、前記ノズルから吐出された後に基材に向かって落下し、かつ前記基材上に前記３Ｄ物体を形成する、複数の液滴をノズルを通して吐出することと、
電源を用いて交流電流を発生させ、これにより、電極が、前記液滴、前記３Ｄ物体、前記基材、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的にプラズマを発生させることと、
を含む、方法。

【請求項22】

前記造形材料が、約７００℃以上の融点を有する金属を含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記造形材料が、銅、黄銅、チタン、ニッケル、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項24】

前記交流電流が電子正モードであるときに、前記プラズマが、複数のアルゴンイオンを前記３Ｄ物体の表面に接触させ、かつ前記表面上の酸化物層を除去する、請求項２１に記載の方法。

【請求項25】

前記交流電流が電子負モードであるときに、前記３Ｄ物体の第１の部分が、前記プラズマで局所的に加熱される、請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記３Ｄ物体の前記表面に接触する前記アルゴンイオンの数は、前記電子負モードで低減され、前記３Ｄ物体の前記第１の部分の局所加熱は、前記電子正モードで低減される、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

前記第１の部分が、前記造形材料の次の液滴を受け取るように構成されている上面を備える、請求項２５に記載の方法。

【請求項28】

前記第１の部分が、前記３Ｄ物体の５０％未満を含む、請求項２５に記載の方法。

【請求項29】

前記３Ｄ物体の第２の部分が、約２０℃～約２５０℃の温度を有し、かつ前記３Ｄ物体の５０％超を含む、請求項２５に記載の方法。

【請求項30】

前記交流電流の周波数が、約７０Ｈｚ～約３００Ｈｚである、請求項２１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本教示は、概して、三次元（３Ｄ）印刷に関し、より詳細には、プラズマ支援を用いた液体金属ジェット３Ｄ印刷に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気流体力学（magnetohydrodynamic、ＭＨＤ）液体金属ジェット（liquid metal jet、ＬＭＪ）３Ｄ印刷などの金属ドロップオンデマンド（drop－on－demand、ＤＯＤ）積層造形方法は、再溶融、合体、冶金学的接合／接着、冷却、及び固化を伴う複雑な熱流体プロセスを介して、溶融金属滴を用いて構造を形成することを伴う。このプロセスは、２つの潜在的な問題を経験することがある。１つの場合では、噴射された溶融滴が着地する先に堆積された材料の局所表面温度は、溶融滴からの熱による再溶融を受けるには低すぎる。第２の場合は、先に堆積された材料の表面上に、噴射された溶融滴との冶金学的接合を阻害する酸化物層が存在することを伴う。したがって、これらの問題の一方又は両方に対処するためのシステム及び方法が必要とされている。

【発明の概要】

【0003】

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ことにすぎない。

【0004】

３Ｄ印刷システムは、造形材料を受け取るように構成されたエジェクタを含む。エジェクタは、ノズルを含む。エジェクタは、造形材料の複数の液滴をノズルを通して吐出するように構成されている。３Ｄ印刷システムはまた、ノズルの下方に配置された基材を含む。液滴は、ノズルから吐出された後に基材に向かって落下する。液滴は、基材上に３Ｄ物体を形成する。３Ｄ印刷システムはまた、交流電流を発生させるように構成された電源を含む。３Ｄ印刷システムはまた、交流電流を受け取ることに応答してプラズマを発生させるように構成された電極を含む。液滴、３Ｄ物体、基材、又はこれらの組み合わせは、プラズマ内に少なくとも部分的に配置される。

【0005】

別の実施形態では、３Ｄ印刷システムは、造形材料を受け取るように構成されたエジェクタを含む。造形材料は、金属を含む。金属は、銅、黄銅、チタン、ニッケル、又はこれらの組み合わせを含む。３Ｄ印刷システムはまた、エジェクタの周囲に少なくとも部分的に配置された加熱要素を含む。加熱要素は、エジェクタ内で造形材料を固体状態から液体又は溶融状態に加熱するように構成されている。３Ｄ印刷システムは、エジェクタの周囲に少なくとも部分的に置配されたコイルを含む。３Ｄ印刷システムはまた、複数のパルスをコイルに送るように構成された第１の電源を含む。コイルは、各電圧パルスに応答して、造形材料の液滴をエジェクタのノズルを通して吐出させる。３Ｄ印刷システムはまた、ノズルの下方に配置された基材を含む。液滴は、ノズルから吐出された後に基材に向かって落下する。液滴は、基材上に３Ｄ物体の少なくとも一部を形成する。３Ｄ印刷システムはまた、エジェクタと基材との間に少なくとも部分的に配置された電極を含む。３Ｄ印刷システムはまた、交流電流を電極に送るように構成された第２の電源を含む。電極は、交流電流に応答してプラズマを発生させる。プラズマは、３Ｄ物体を局所的に加熱して、３Ｄ物体の第１の部分の温度を約８００℃～約１８００℃に上昇させる。３Ｄ物体の第２の部分は、約２０℃～約２５０℃の温度を有する。第１部分は、第２部分よりも小さい。第１の部分は、第２の部分の上方にある。プラズマは、３Ｄ物体の第１の部分から酸化物を除去する。

【0006】

３Ｄ印刷システムを使用して３Ｄ物体を印刷するための方法も開示される。この方法は、造形材料の複数の液滴をノズルを通して吐出することを含む。滴は、ノズルから吐出された後に基材に向かって落下する。滴は、基材上に３Ｄ物体を形成する。方法はまた、電極を用いてプラズマを発生させることを含む。プラズマは、液滴、３Ｄ物体、基材、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的に配置される。

【0007】

別の実施形態では、方法は、造形材料の複数の液滴をノズルを通して吐出することを含む。滴は、ノズルから吐出された後に基材に向かって落下する。滴は、基材上に３Ｄ物体を形成する。この方法はまた、電源を用いて交流電流を発生させ、これにより、電極が、液滴、３Ｄ物体、基材、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的にプラズマを発生させることを含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

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。

【0009】

【図1】一実施形態による、３Ｄ印刷システムの側断面図を示す。

【図2】一実施形態による、１つ以上の電極プローブを含むプラズマシステムを有する３Ｄ印刷システムの一部の側断面図を示す。

【図3】一実施形態による、電極リングを含むプラズマシステムを有する３Ｄ印刷システムの一部の側断面図を示す。

【図4A】一実施形態による、電極に提供されている交流電流を示すグラフを示す。

【図4B】一実施形態による、交流電流に応答した電子の移動を示す３Ｄ印刷システムの一部の概略図を示す。

【図5】一実施形態による、（例えば、３Ｄ印刷システムを使用して）３Ｄ物体を印刷するための方法のフローチャートを示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

本開示は、ノズルから溶融金属滴を基材上に吐出して、３Ｄ物体を形成する金属ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）３Ｄ印刷システム（３Ｄプリンタとも呼ばれる）を含む。３Ｄ印刷システムは、３Ｄ印刷システムの少なくとも一部が、８００℃、１０００℃、１２００℃、１４００℃、１６００℃、又は１８００℃を超える温度に達することを可能にして、高温金属を印刷するときに合体及び／又は冶金学的接合を阻害する問題に対処するプラズマシステム（プラズマ支援システムとも呼ばれる）を含む。上述したように、これらの問題は、（１）３Ｄ物体の下地金属（例えば、先に堆積された層）の低い表面温度、及び／又は（２）３Ｄ物体の下地金属（例えば、先に堆積された層）上の酸化物層の存在を含み得る。

【0012】

図１は、一実施形態による、３Ｄ印刷システム１００の概略側断面図を示す。３Ｄ印刷システム１００は、エジェクタ（印刷ヘッド又はポンプ室とも呼ばれる）１１０を含み得る。本明細書で使用される場合、エジェクタ１１０は、造形材料１２０をノズル１１４から吐出させるように選択的に作動させることができる構造体を指す。本明細書で使用される場合、ノズル１１４は、そこから造形材料１２０が飛出すことを開始する物理的構造を指す。

【0013】

造形材料１２０は、金属、ポリマーなどであってもよく、又はそれらを含んでもよい。例えば、造形材料１２０は、アルミニウム、銅、黄銅、チタン、ニッケル、又はこれらの組み合わせであってもよく、又はこれらを含んでもよい。造形材料１２０は、約６００℃よりも高い、約７００℃よりも高い、約８００℃よりも高い、約１０００℃よりも高い、約１２００℃よりも高い、約１４００℃よりも高い、又は約１６００℃よりも高い融点を有してもよい。例えば、アルミニウムの融点は約６６０℃であり、銅の融点は約１０８５℃であり、黄銅の融点は約９００℃であり、チタンの融点は約１６７０℃であり、ニッケルの融点は約１４５３℃である。

【0014】

３Ｄ印刷システム１００はまた、１つ以上の加熱要素１３０を含み得る。加熱要素１３０は、エジェクタ１１０の内部容積部内で造形材料１２０を溶融させるように構成されており、それにより、造形材料１２０を、エジェクタ１１０の内部容積部内で固体状態から液体（例えば、溶融）状態に変換する。

【0015】

３Ｄ印刷システム１００はまた、電源１３２及び１つ以上の金属コイル１３４を含み得る。金属コイル１３４は、エジェクタ１１０及び／又は加熱要素１３０の周囲に少なくとも部分的に巻き付けられている。電源１３２は、コイル１３４に結合され、それに電力を提供するように構成され得る。一実施形態では、電源１３２は、ステップ関数直流（direct current、ＤＣ）電圧プロファイル（例えば、電圧パルス）をコイル１３４に提供するように構成されてもよく、コイル１３４は、増加する磁場を作り出すことができる。増加する磁場は、エジェクタ１１０内に起電力を生じさせ得、これは、ひいては造形材料１２０内に誘導電流を生じさせる。造形材料１２０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造形材料１２０上に作り出すことができる。ローレンツ力は、エジェクタ１１０のノズル１１４の入口に圧力を作り出する。この圧力は、造形材料１２０を１つ以上の液滴１２４の形態でノズル１１４を通して噴射させる。

【0016】

３Ｄ印刷システム１００はまた、ノズル１１４の下方に配置された基材（ビルドプレートとも呼ばれる）１４０を含み得る。基材１４０は、基材１４０の温度を上昇させるように構成されているヒータ１４２をその中に含み得る。別の実施形態では、ヒータ１４２は省略されてもよく、又は印刷中に使用されなくてもよい。基材１４０はまた、液滴１２４が噴射されているとき（すなわち、印刷プロセス中）に基材１４０を移動させるように構成されている基材制御モータ１４４を含み得る。

【0017】

ノズル１１４を通して吐出される液滴１２４は、基材１４０上に着地し、３Ｄ物体１２６の少なくとも一部を生成し得る。例えば、液滴１２４は、基材１４０上に着地し、冷却及び固化して、３Ｄ物体１２６の（例えば、第１の）層を生成し得る。第１の層が冷却及び／又は固化されると、ノズル１１４は、次いで、第１の層上に追加の液滴１２４を吐出して、別の（例えば、第２の）層を形成し得る。追加の液滴１２４は、第１の層と再溶融、合体、及び／又は接合／接着し得る。次いで、追加の液滴１２４を冷却及び／又は固化させて、第１の層上に第２の層を形成してもよい。このプロセスは、３Ｄ物体１２６を印刷／造形するために繰り返され得る。一実施形態では、３Ｄ印刷システム１００及び／又は液滴１２４は、溶接（例えば、タングステン不活性ガス溶接）に使用されなくてもよい。

【0018】

３Ｄ印刷システム１００はまた、プラズマシステム１５０を含み得る。以下でより詳細に説明するように、プラズマシステム１５０は、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、又はこれらの組み合わせの周囲にプラズマを発生させ得る。プラズマシステム１５０の追加的な詳細が以下に提供される。プラズマシステム１５０の代わりに、又はそれに加えて、３Ｄ印刷システム１００は、１つ以上のレーザ、誘導ジュール加熱コイル、電子ビーム、熱エンクロージャ、又はこれらの組み合わせを更に又は代わりに含み得る。

【0019】

一実施形態では、３Ｄ印刷システム１００は、エンクロージャ１６０を含み得る。エンクロージャ１６０は、エジェクタ１１０、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、加熱要素１３０、コイル１３４、基材１４０、プラズマシステム１５０、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的に配置され得る。一実施形態では、エンクロージャ１６０は、印刷中に３Ｄ物体１２６上に酸化物層が形成されるのを防止するために真空環境を提供するように気密封止され得る。別の実施形態では、プラズマシステム１５０が３Ｄ物体１２６上の酸化物層を除去（例えば、アブレーション）するのに役立ち得るため、エンクロージャ１６０は気密封止されなくてもよい。更に別の実施形態では、エンクロージャ１６０は、省略され得る。

【0020】

一実施形態では、３Ｄ印刷システム１００はまた、１つ以上のガス源（１つが１７０として示されている）を含み得る。ガス源１７０は、エンクロージャ１６０の外側に配置され、エンクロージャ１６０内にガスを導入するように構成され得る。ガス源１７０は、エジェクタ１１０、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、又はこれらの組み合わせの周囲に（下流に）流れるガスを導入するように構成され得る。エジェクタ１１０にはガスを導入しなくてもよい。ガスは、不活性ガス（例えば、アルゴン）、窒素、又はこれらの組み合わせであってもよく、又はそれらを含んでもよい。ガスは、印刷中に３Ｄ物体１２６上に酸化物層が形成されるのを防止するのに役立ち得る。別の実施形態では、プラズマシステム１５０が３Ｄ物体１２６上の酸化物層を除去（例えば、アブレーション）するのに役立ち得るため、ガス源１７０は省略されてもよく、又はオフにされてもよい。

【0021】

３Ｄ印刷システム１００はまた、ガスセンサ１７２を含み得る。ガスセンサ１７２は、エンクロージャ１６０内に配置され得る。加えて又は代わりに、ガスセンサ１７２は、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、及び／又は基材１４０に近接して（例えば、これらから５ｃｍ以内に）配置され得る（例えば、エンクロージャ１６０が省略される実施形態において）。ガスセンサ１７２は、ガス源１７０によって導入されるガスの濃度、酸素の濃度、又はこれらの組み合わせを測定するように構成され得る。

【0022】

３Ｄ印刷システム１００はまた、コンピューティングシステム１８０を含み得る。コンピューティングシステム１８０は、造形材料１２０のエジェクタ１１０への導入、加熱要素１３０、電源１３２、基材制御モータ１４４、プラズマシステム１５０、ガス源１７０、ガスセンサ１７２、又はこれらの組み合わせを制御するように構成され得る。例えば、コンピューティングシステム１８０は、プラズマシステム１５０によって使用される交流電流の波形を修正するように構成され得る。

【0023】

図２は、一実施形態による、１つ以上の電極プローブ（２００Ａ、２００Ｂの２つが示されている）を含むプラズマシステム１５０を示す３Ｄ印刷システム１００の一部の側断面図を示す。一例では、電極プローブ２００Ａ、２００Ｂは、タングステン電極プローブであってもよく、又はタングステン電極プローブを含んでもよい。電極プローブ２００Ａ、２００Ｂは各々、ノズル１１４と基材１４０との間に（例えば、垂直に）、及び／又はノズル１１４と３Ｄ物体１２６との間に（例えば、垂直に）配置された下側（例えば、放電）端部２０２Ａ、２０２Ｂを含み得る。

【0024】

プラズマシステム１５０はまた、電源２１０を含み得る。電源２１０は、交流電流（例えば、ＡＣ電力）を電極プローブ２００Ａ、２００Ｂに提供するように構成され得、これにより、電極プローブ２００Ａ、２００Ｂは、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的にプラズマ２２０を発生させ得る。

【0025】

従来の液体金属ジェット印刷は、３Ｄ物体１２６を全体的に加熱して、その上に落下する次の液滴１２４との接着を提供することを伴う。例えば、アルミニウム造形材料を用い、プラズマシステムを用いない液体金属ジェット印刷の間、３Ｄ物体１２６の全体温度は、約３００℃～４５０℃に（例えば、加熱を介して）維持され得る。本明細書で使用される場合、「全体的に」は、３Ｄ物体１２６の大部分（例えば、体積の５０％超）を指す。しかしながら、３Ｄ物体１２６の全体的な加熱は、３Ｄ物体１２６の内部応力及び／又は歪みにつながることがある。

【0026】

プラズマシステム１５０（例えば、プラズマ２２０）は、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、又はこれらの組み合わせを加熱し得る。一実施形態では、プラズマシステム１５０（例えば、プラズマ２２０）は、３Ｄ物体１２６を局所的に加熱して、その上に落下する次の液滴１２４との接着を提供する一方で、３Ｄ物体１２６を全体的に可能な限り加熱しなくてもよい。例えば、プラズマシステム１５０（例えば、プラズマ２２０）は、次の液滴１２４が着地する３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層を加熱し得る。これは、３Ｄ物体１２６の内部応力及び／又は歪みを最小限に抑えながら接着を提供し得る。本明細書で使用される場合、「局所的に」とは、３Ｄ物体１２６の小部分（例えば、体積の５０％未満）を指す。

【0027】

一実施形態では、プラズマシステム１５０（例えば、プラズマ２２０）は、３Ｄ物体１２６を局所的に約８００℃～約１０００℃、約１０００℃～約１２００℃、約１２００℃～約１４００℃、約１４００℃～約１６００℃、又は約１６００℃～約１８００℃の温度に加熱し得る。３Ｄ物体１２６が局所的に加熱される温度は、印刷される金属の種類及び／又はその融点に基づいて変化し得る。しかしながら、３Ｄ物体１２６の残りの部分（例えば、３Ｄ物体１２６の下側）の温度は、約２０℃～約５０℃、約５０℃～約１００℃、又は約１００℃～約２５０℃に維持され得る。本明細書で使用される場合、「残りの部分」は、次の液滴１２４が上に着地しない３Ｄ物体１２６の大部分（例えば、体積の５０％超）を指す。

【0028】

加えて、プラズマ２２０は、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層から、液滴１２４がその上に着地する前に、酸化物層の少なくとも一部を除去（例えば、アブレーション）し得る。温度を上昇させること及び／又は酸化物層を除去することは、（例えば、金属の）液滴１２４と３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層との間の合体及び／又は冶金学的接着／接合を促進し得る。

【0029】

プラズマシステム１５０はまた、１つ以上のセンサ（２３０の１つが示されている）を含み得る。センサ２３０は、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、プラズマ２２０、又はこれらの組み合わせの温度を測定するように構成され得る。例えば、センサ２３０は、次の液滴１２４が着地する３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層の第１の（例えば、局所的な）温度と、３Ｄ物体１２６の残りの部分（例えば、上部層の下）の第２の（例えば、全体的な）温度とを測定するように構成され得る。センサ２３０は、パイロメータ、熱電対、カメラなどであってもよく、又はこれらを含んでもよい。

【0030】

センサ２３０は、更に又は代わりに、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層上の酸化物の量／レベルを測定するように構成されてもよい。センサ２３０は、更に又は代わりに、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、プラズマ２２０、又はこれらの組み合わせの化学分析を測定／提供し得る。例えば、センサ２３０は、グロー放電発光分光器（glow discharge optical emission spectroscope、ＧＤＯＥＳ）であってもよく、又はそれを含んでもよい。プラズマの高い電子エネルギーを使用して、元素の放出特性を生成することができる。

【0031】

センサ２３０によって測定された特性は、コンピューティングシステム１８０（図１）に送られ得る。上述のように、コンピューティングシステム１８０は、測定された特性に少なくとも部分的に基づいて、電源２１０によって発生した交流電流の波形を修正するように構成され得る。例えば、コンピューティングシステム１８０は、測定された特性に少なくとも部分的に基づいて、電極プローブ２００Ａ、２００Ｂに提供される交流電流の振幅、周波数、波長、波形、及び／又はパルスレートを修正し得る。波形はまた、全体的又は部分的に、構築部品機械設計のマルチフィジックスモデリング、印刷プロセスの知識、所定の造形経路、及び関与する造形材料に基づいて、先験的に決定され得る。

【0032】

コンピューティングシステム１８０は、更に又は代わりに、所定の量／レベルの酸化物が存在することをＯＥＳタイプの放出が示す場合、波形を修正し得る。この例では、波形は、より電極が負なるように動的に修正され得、逆もまた同様である。コンピューティングシステム１８０は、更に又は代わりに、３Ｄ物体１２６上の空間位置に基づいて波形を修正し得る。この例では、波形が、より多くの熱を３Ｄ物体１２６に注入して冷却速度を遅らせるために、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層で／その近くでより電極が正となるように動的に修正され得、これにより３Ｄ物体１２６の微細構造を変更し得る。

【0033】

示されるように、第１の電極プローブ２００Ａは、ノズル１１４の第１の側に配置され得、第２の電極プローブ２００Ｂは、ノズル１１４の第２の反対の側に配置され得る。より具体的には、ノズル１１４は、ノズル１１４を通って延びる中心長手方向軸１１６を有し得る。第１の電極プローブ２００Ａの下側端部２０２Ａは、軸１１６の第１の側に配置され得、第２の電極プローブ２００Ｂの下側端部２０２Ｂは、軸１１６の第２の側に配置され得る。電気プローブ２００Ａ、２００Ｂの下側端部２０２Ａ、２０２Ｂと軸１１６との間の（例えば、水平方向の）距離は、約１ｍｍ～約１ｃｍ、約１ｃｍ～約３ｃｍ、約３ｃｍ～約５ｃｍ、又はそれ以上であり得る。電気プローブ２００Ａ、２００Ｂの下側端部２０２Ａ、２０２Ｂと、基材１４０及び／又は３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層との間の（例えば、垂直）距離は、約１ｍｍ～約１ｃｍ、約１ｃｍ～約３ｃｍ、約３ｃｍ～約５ｃｍ、又はそれ以上であり得る。したがって、電気プローブ２００Ａ、２００Ｂは、３Ｄ物体１２６が印刷／造形されるときに（例えば、上方に）移動し得る。

【0034】

一実施形態では、電気プローブ２００Ａ、２００Ｂは、印刷中に連続的にオンであり得る（すなわち、交流電流を受け取り、プラズマ２２０を生成する）。別の実施形態では、交流電流は、離散パルスで電気プローブ２００Ａ、２００Ｂに提供され得る。例えば、パルスは、液滴吐出及び／又は液滴着地に少なくとも部分的に基づいて（例えば、液滴吐出及び／又は液滴着地の間に）タイミングを合わせられ得る。別の実施形態では、基材１４０が第１の電気プローブ２００Ａに向けて第１の方向２４０Ａに移動しているときに、第１の電極プローブ２００Ａはオンであり得、かつ第２の電極プローブ２００Ｂはオフであり得る（すなわち、交流電流を受け取らず、プラズマ２２０を生成しない）。同様に、基材１４０が第２の電気プローブ２００Ｂに向けて第２の反対方向２４０Ｂに移動しているときに、第２の電極プローブ２００Ｂはオンであり得、かつ第１の電極プローブ２００Ａはオフであり得る。これは、次の液滴１２４がまさに着地しようとしている場所において、加熱を提供し、かつ／又は酸化物層を除去し得る。更に別の実施形態では、プラズマを交互にすることを使用して、３Ｄ物体１２６の冷却速度を修正し得、これは、３Ｄ物体１２６の微細構造を修正し得る。冷却速度は、（例えば、表面をより硬く及び／又はより耐摩耗性にするために）表面において増加され得、又は３Ｄ物体１２６の残りの部分においてより強靭にするために減速され得る。

【0035】

システム１００はまた、熱アーム２５０を含み得る。熱シールド２５０は、ノズル１１４と基材１４０及び／又は３Ｄ物体１２６との間に（例えば、垂直に）配置され得る。示された例では、熱シールド２５０は、電極プローブ２００Ａ、２００Ｂの上方にあり得る。熱シールド２５０は、液滴１２４が落下し得る開口部を含み得る。熱シールド２５０は、エジェクタ１１０及び／又はコイル１３４を、基材１４０から放出される熱から、並びに溶融造形材料の任意の飛散から絶縁し得る。熱シールド２５０は、熱を反射／遮蔽するために高反射性の上面及び／又は下面を有し得る。

【0036】

図３は、一実施形態による、電極リング３００を含むプラズマシステム１５０を示す３Ｄ印刷システム１００の一部の側断面図を示す。電極リング３００は、電極プローブ２００Ａ、２００Ｂの代わりに又はそれに加えて、使用され得る。電極リング３００は、ノズル１１４と基材１４０との間に（例えば、垂直に）、及び／又はノズル１１４と３Ｄ物体１２６との間に（例えば、垂直に）配置され得る。電極リング３００は、更に又は代わりに、ノズル１１４、軸１１６、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的に配置されてもよい。

【0037】

電源２１０は、電極リング３００に交流電流を提供するように構成されてもよく、これにより、電極リング３００は、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的にプラズマ２２０を発生させ得る。一実施形態では、電極リング３００全体（例えば、周囲３６０度）が同時にオンであり得る。別の実施形態では、電極リング３００の第１の円周部分（例えば、１８０度）がオンであり得る一方で、別の第２の円周部分（例えば、他の１８０度）はオフである。例えば、基材１４０が第１の円周部分に向けて第１の方向２４０Ａに移動しているときに、第１の円周部分はオンであり得、かつ第２の円周部分はオフであり得る。同様に、基材１４０が第２の円周部分に向けて第２の反対方向２４０Ｂに移動しているとき、第２の円周部分はオンであり得、第１の円周部分はオフであり得る。

【0038】

図４Ａは、電極２００Ａ、２００Ｂ、３００に提供されている、電源２１０からの交流電流を示すグラフ４００を示し、図４Ｂは、一実施形態による、交流電流に応答した電子の移動を示す３Ｄ印刷システム１００の一部の概略図を示す。プラズマシステム１５０（例えば、電源２１０）は、電子正（electron positive、ＥＰ）モード及び／又は電子負（electron negative、ＥＮ）モードで動作し得る。ＥＰモードでは、複数のイオン（例えば、アルゴンイオン）が、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層に接触して、その上の酸化物層を除去（例えば、アブレーション）し得る。ＥＮモードでは、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層を（例えば、約８００℃～約１８００℃になるように）加熱し得る。

【0039】

上述したように、電源２１０からの波形（例えば、振幅、周波数、波長、波形、及び／又はパルスレート）は、センサ２３０によって測定された特性に少なくとも部分的に基づいて修正され得る。波形の修正は、ＥＰモード中の酸化物層の除去を改善し、及び／又はＥＮモード中の加熱を改善し得る。一実施形態では、波形は不平衡であり得る。例えば、波形の正の部分（例えば、ＥＰモードの間）は、波形の負の部分（例えば、ＥＮモードの間）よりも大きくても小さくてもよい。（例えば、正弦）波形の周波数は、特に液滴１２４の周波数と対にされる場合、溶接で使用される周波数（例えば、６０Ｈｚ）よりも高くてもよい。例えば、波形の周波数は、約７０Ｈｚ～約１００Ｈｚ、約１００Ｈｚ～約１５０Ｈｚ、約１５０Ｈｚ～約３００Ｈｚ、又はそれ以上であり得る。

【0040】

図４に示されるように、電源２１０から電極２００Ａ、２００Ｂ、３００への波形は、湾曲したＡＣ波形（例えば、正弦又は余弦波形に類似する）であり得る。これは、非湾曲（例えば、正方形又は長方形）波形であり得る、電源１３２からコイル１３４へのＤＣ波形とは対照的であり得る。

【0041】

図５は、一実施形態による、３Ｄプリンタ１００を動作させて３Ｄ物体１２６を印刷するための方法５００のフローチャートを示す。上述したように、方法５００は、溶接に（例えば、２つの既存の構成要素を互いに溶接するために）使用されなくてもよい。方法５００の例示的な順序が以下に提供されているが、しかしながら、方法５００の１つ以上のステップは、異なる順序で実行されてもよく、組み合わされてもよく、繰り返されてもよく、又は省略されてもよい。

【0042】

方法５００はまた、５０２におけるように、エジェクタ１１０内の造形材料１２０を加熱することを含み得る。造形材料１２０は、加熱要素１３０を使用して加熱され得る。造形材料１２０を加熱して、造形材料１２０を固体状態から液体状態及び／又は溶融状態に変換し得る。

【0043】

方法５００はまた、５０４におけるように、造形材料１２４の１つ以上の液滴１２４を吐出することを含み得る。これは、電源１３２を用いて１つ以上のパルスを発生させることを含み得る。パルスは、エジェクタ１１０の周囲のコイル１３４に送られ得る。１つの液滴１２４は、各吐出パルスに応答してノズル１１４から吐出され得る。

【0044】

方法５００はまた、５０６におけるように、基材１４０を移動させることを含み得る。基材１４０は、一次元、二次元、又は三次元で移動され得る。基材１４０は、連続的に移動させてもよいし、離散的に移動させてもよい。基材１４０は、パルス、ノズル１１４からの液滴１２４の吐出、３Ｄ物体１２６の層の完成、又はこれらの組み合わせに応答して移動させ得る。基材１４０の移動は、３Ｄ物体１２６のサイズ及び／又は形状を決定し得る。

【0045】

方法５００はまた、５０８におけるように、電源２１０から電極２００Ａ、２００Ｂ、３００に交流電流を提供することを含み得る。これにより、電極２００Ａ、２００Ｂ、３００は、ノズル１１４、液滴１２４、３Ｄ物体１２６、基材１４０、又はこれらの組み合わせの周囲に少なくとも部分的にプラズマ２２０を発生させ得る。上述したように、プラズマ２２０は、３Ｄ物体１２６を全体的にではなく局所的に加熱し得る。プラズマ２２０は、更に又は代わりに、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層から、液滴１２４がその上に着地する前に、酸化物層の少なくとも一部を除去（例えば、アブレーション）し得る。

【0046】

方法５００はまた、５１０におけるように、センサ２３０を使用して１つ以上の特性を測定することを含み得る。特性は、液滴１２４、３Ｄ物体１２６の先に堆積された（例えば、上部）層、３Ｄ物体１２６の残りの部分、基材１４０、プラズマ２２０、又はこれらの組み合わせの温度であってもよく、又はこれらを含んでもよい。特性は、更に又は代わりに、３Ｄ物体１２６上の酸化物の量／レベルであり得る。

【0047】

方法５００はまた、５１２におけるように、交流電流の波形を修正することを含み得る。波形は、測定された特性に応じて少なくとも部分的に修正され得る。波形は、（例えば、ＥＮモード中に）加熱を修正するように、及び／又は（例えば、ＥＰモード中に）酸化物の除去を修正するように修正され得る。

【0048】

本教示の広い範囲を記載する数値範囲及びパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の実施例に記載される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いかなる数値も、それぞれの試験測定において見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。更に、本明細書に開示される全ての範囲は、その中に含まれる任意及び全てのサブ範囲を包含すると理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、０の最小値と１０の最大値との間の（０の最小値と１０の最大値とを含む）ありとあらゆるサブ範囲、すなわち、０以上の最小値及び１０以下の最大値を有するありとあらゆるサブ範囲、例えば、１～５を含み得る。

【0049】

本教示は、１つ以上の実装形態に関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、かかる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、かかる用語は、「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（on）」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（over）」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「例証的な」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、本明細書の検討及び本明細書での本開示の実施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、単なる例示として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】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【外国語明細書】