▶ ダイバージェント テクノロジーズ， インコーポレイテッドの特許一覧
(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】P2024099573
(43)【公開日】2024-07-25
(54)【発明の名称】付加製造のための複数材料および印刷パラメータ
(51)【国際特許分類】
B22F 12/55 20210101AFI20240718BHJP
B22F 12/49 20210101ALI20240718BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20240718BHJP
B22F 12/52 20210101ALI20240718BHJP
B22F 12/58 20210101ALI20240718BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240718BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20240718BHJP
B22F 10/366 20210101ALI20240718BHJP
B22F 10/37 20210101ALI20240718BHJP
【ＦＩ】
B22F12/55
B22F12/49
B22F10/28
B22F12/52
B22F12/58
B33Y10/00
B33Y30/00
B22F10/366
B22F10/37
【審査請求】有
【請求項の数】38
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024062285
(22)【出願日】2024-04-08
(62)【分割の表示】P 2022140278の分割
【原出願日】2018-04-10
(31)【優先権主張番号】15/582,485
(32)【優先日】2017-04-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】516093851
【氏名又は名称】ダイバージェント テクノロジーズ， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】１９６０１ Ｈａｍｉｌｔｏｎ Ａｖｅｎｕｅ，Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９０５０２ ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(74)【代理人】
【識別番号】100165157
【弁理士】
【氏名又は名称】芝 哲央
(74)【代理人】
【識別番号】100205659
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100185269
【弁理士】
【氏名又は名称】小菅 一弘
(72)【発明者】
【氏名】テンホウテン ブロック ウィリアム
(72)【発明者】
【氏名】バックネル ジョン ラッセル
(72)【発明者】
【氏名】エル ナガ エハブ ナギ
(72)【発明者】
【氏名】ツィンガー ケヴィン ロバート
【テーマコード（参考）】
4K018
【Ｆターム（参考）】
4K018CA44
4K018EA51
4K018EA60
(57)【要約】 （修正有）
【課題】付加製造システムにおいて、複数材料のためのおよび印刷パラメータを変化させるためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】一例において、第１の粉末材料および第１の粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤが堆積され、それによって、第１の粉末材料の少なくとも第１の部分は第２の材料のない第１のエリアにある。エネルギービームが発生させられ、複数の場所でレイヤを融合させるためにあてられる。別の例において、粉末材料のレイヤがパラメータの第１のサブセットに基づいて堆積される。エネルギービームがパラメータの第２のサブセットに基づいて発生させられ、パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギーをあてられる。パラメータの少なくとも１つがスライス印刷動作の間異なる値を取るように設定される。
【選択図】図５Ａ
【解決手段】一例において、第１の粉末材料および第１の粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤが堆積され、それによって、第１の粉末材料の少なくとも第１の部分は第２の材料のない第１のエリアにある。エネルギービームが発生させられ、複数の場所でレイヤを融合させるためにあてられる。別の例において、粉末材料のレイヤがパラメータの第１のサブセットに基づいて堆積される。エネルギービームがパラメータの第２のサブセットに基づいて発生させられ、パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギーをあてられる。パラメータの少なくとも１つがスライス印刷動作の間異なる値を取るように設定される。
【選択図】図５Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
粉末材料および前記粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤを堆積させるデポジタであって、前記粉末材料の少なくとも一部は前記第２の材料のないエリアにある、デポジタと、
エネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、
複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてる偏向器と
を備える、粉末床融合のための装置。
エネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、
複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてる偏向器と
を備える、粉末床融合のための装置。
【請求項2】
前記第２の材料が第２の粉末材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記デポジタが前記場所のうちの１つの場所で前記粉末材料の第２の部分および前記第２の粉末材料の部分を堆積させるようにさらに構成され、前記偏向器が前記場所のうちの前記１つの場所で前記粉末材料および前記第２の粉末材料をともに融合させるために前記エネルギービームをあてるように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記粉末材料が第１の金属を含み、前記第２の粉末材料が第２の金属を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項5】
前記粉末材料が第１のサイズ分布を有する粉末を含み、前記第２の粉末材料が前記第１のサイズ分布とは異なる第２のサイズ分布を有する粉末を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項6】
前記デポジタが、前記第２の材料の少なくとも一部が、前記粉末材料のない第２のエリアにあるように前記第２の材料を堆積させるようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記デポジタが、前記粉末材料を前記第２のエリアに堆積させるようにさらに構成され、前記第２のエリアで前記第２の材料の前記一部を堆積させることに先立って、前記デポジタが前記粉末材料を前記第２のエリアから除去する粉末リムーバを含む、請求項６に記載の装置。
【請求項8】
前記粉末リムーバが前記第２のエリアから前記粉末材料を吸引する真空を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項9】
前記デポジタが前記第２の材料を堆積させる振動子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項10】
前記デポジタが前記第２の材料を堆積させるブロアーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項11】
前記デポジタが前記第２の材料を堆積させる可動アームを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項12】
複数のパラメータの第１のサブセットに基づいて粉末材料を含むレイヤを堆積させるデポジタと、
前記パラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、
前記パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてる偏向器と、
ある期間の間第１の時間において第１の値を取るように、また前記期間の間において前記第１の値とは異なる第２の値を取るように、前記パラメータのうちの少なくとも１つを設定するコントローラであって、前記期間は粉末の前記レイヤを前記堆積させることを始めたときに開始し、前記場所で前記レイヤを前記融合させることが終わったときに終了する、コントローラと
を備える、粉末床融合のための装置。
前記パラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、
前記パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてる偏向器と、
ある期間の間第１の時間において第１の値を取るように、また前記期間の間において前記第１の値とは異なる第２の値を取るように、前記パラメータのうちの少なくとも１つを設定するコントローラであって、前記期間は粉末の前記レイヤを前記堆積させることを始めたときに開始し、前記場所で前記レイヤを前記融合させることが終わったときに終了する、コントローラと
を備える、粉末床融合のための装置。
【請求項13】
前記パラメータが走査速度パラメータを含み、前記偏向器が前記場所のうちの第１の場所で第１の走査速度で前記エネルギービームを走査し、前記場所のうちの第２の場所で前記第１の走査速度とは異なる第２の走査速度で前記エネルギービームを走査するように、前記コントローラが前記走査速度パラメータの前記第１および前記第２の値を設定する、請求項１２に記載の装置。
【請求項14】
前記偏向器が、前記場所のうちの前記第１および前記第２の場所を含むエリアで前記粉末材料を融合させるために前記エネルギービームをあてるようにさらに構成され、前記エリアが外側縁部を有し、前記場所のうちの前記第１の場所が前記場所のうちの前記第２の場所よりも前記外側縁部に近く、また前記第１の走査速度は前記第２の走査速度よりも低速である、請求項１３に記載の装置。
【請求項15】
前記デポジタが、前記粉末材料の少なくとも一部が、第２の材料のないエリアにあるように前記粉末材料とは異なる前記第２の材料を堆積させるようにさらに構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項16】
前記パラメータが印加ビーム出力パラメータを含み、前記エネルギービーム源が前記期間の間の第１の時間に第１の出力で前記エネルギービームを発生させるように、また前記期間の間の第２の時間に第２の出力で前記エネルギービームを発生させるように、前記コントローラが前記印加ビーム出力パラメータの前記第１および前記第２の値を設定し、前記第１の出力が前記第２の出力とは異なる、請求項１２に記載の装置。
【請求項17】
前記デポジタが、前記粉末材料の少なくとも一部が、第２の材料のないエリアにあるように前記粉末材料とは異なる前記第２の材料を堆積させるようにさらに構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項18】
前記偏向器が前記場所のうちの第１の場所で第１の走査速度で前記エネルギービームを走査し、前記場所のうちの第２の場所で前記第１の走査速度とは異なる第２の走査速度で前記エネルギービームを走査するようにさらに構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項19】
前記デポジタが、前記粉末材料の少なくとも一部が、第２の材料のないエリアにあるように前記粉末材料とは異なる前記第２の材料を堆積させるようにさらに構成される、請求項１８に記載の装置。
【請求項20】
粉末材料および前記粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤを堆積させるステップであって、前記粉末材料の少なくとも一部は前記第２の材料のないエリアにある、堆積させるステップと、
エネルギービームを発生させるステップと、
複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてるステップと
を含む、粉末床融合のための方法。
エネルギービームを発生させるステップと、
複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてるステップと
を含む、粉末床融合のための方法。
【請求項21】
前記第２の材料が第２の粉末材料を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記レイヤを堆積させるステップが、前記場所のうちの１つの場所で前記粉末材料の第２の部分および前記第２の粉末材料の部分を堆積させるステップをさらに含み、前記エネルギービームをあてるステップが前記場所のうちの前記１つの場所で前記粉末材料および第２の粉末材料をともに融合させる、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記粉末材料が第１の金属を含み、前記第２の粉末材料が第２の金属を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項24】
前記粉末材料が第１のサイズ分布を有する粉末を含み、前記第２の粉末材料が前記第１のサイズ分布とは異なる第２のサイズ分布を有する粉末を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項25】
前記レイヤを堆積させるステップが、前記第２の材料の少なくとも一部が、前記粉末材料のない第２のエリアにあるように前記第２の材料を堆積させるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項26】
前記レイヤを堆積させる前記ステップが、前記粉末材料を前記第２のエリアに堆積させるステップをさらに含み、前記方法が前記第２のエリアで前記第２の材料の前記一部を堆積させるステップに先立って、前記粉末材料を前記第２のエリアから除去するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項27】
前記粉末材料を除去するステップが、前記第２のエリアから前記粉末材料を吸引するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項28】
前記第２の材料を堆積させるステップが、前記第２の粉末材料を振動させるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項29】
前記第２の材料を堆積させるステップが、前記第２の材料を吹き付けるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項30】
前記第２の材料を堆積させるステップが、前記第２の材料を堆積させるための可動アームを制御するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項31】
複数のパラメータの第１のサブセットに基づいて粉末材料を含むレイヤを堆積させるステップと、
前記パラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させるステップと、
前記パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてるステップと、
ある期間の間第１の時間において第１の値を取るように、また前記期間の間において前記第１の値とは異なる第２の値を取るように、前記パラメータのうちの少なくとも１つを設定するステップであって、前記期間は粉末の前記レイヤを前記堆積させることを始めたときに開始し、前記場所で前記レイヤを前記融合させることが終わったときに終了する、設定するステップと
を含む、粉末床融合のための方法。
前記パラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させるステップと、
前記パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所で前記レイヤを融合させるために前記エネルギービームをあてるステップと、
ある期間の間第１の時間において第１の値を取るように、また前記期間の間において前記第１の値とは異なる第２の値を取るように、前記パラメータのうちの少なくとも１つを設定するステップであって、前記期間は粉末の前記レイヤを前記堆積させることを始めたときに開始し、前記場所で前記レイヤを前記融合させることが終わったときに終了する、設定するステップと
を含む、粉末床融合のための方法。
【請求項32】
前記パラメータが走査速度パラメータを含み、前記パラメータのうちの少なくとも１つを設定するステップが、前記エネルギービームをあてるステップが前記場所のうちの第１の場所で第１の走査速度で前記エネルギービームを走査するステップと、前記場所のうちの第２の場所で前記第１の走査速度とは異なる第２の走査速度で前記エネルギービームを走査するステップとを含むように、前記走査速度パラメータの前記第１および前記第２の値を設定するステップを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
前記エネルギービームを走査するステップが、前記場所のうちの前記第１および前記第２の場所を含むエリアで前記粉末材料を融合させるために前記エネルギービームをあてるステップを含み、前記エリアが外側縁部を有し、前記場所のうちの前記第１の場所が前記場所のうちの前記第２の場所よりも前記外側縁部に近く、また前記第１の走査速度は前記第２の走査速度よりも低速である、請求項３２に記載の方法。
【請求項34】
前記レイヤを堆積させるステップが、前記粉末材料の少なくとも一部が、第２の材料のないエリアにあるように前記粉末材料とは異なる前記第２の材料を堆積させるステップを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項35】
前記パラメータが印加ビーム出力パラメータを含み、前記パラメータのうちのうち少なくとも１つを設定するステップが、前記エネルギービームを発生させるステップが前記期間の間の第１の時間に第１の出力で前記エネルギービームを発生させるステップと、前記期間の間の第２の時間に第２の出力で前記エネルギービームを発生させるステップとを含むように、前記印加ビーム出力パラメータの前記第１および前記第２の値を設定するステップを含み、前記第１の出力が前記第２の出力とは異なる、請求項３１に記載の方法。
【請求項36】
前記レイヤを堆積させるステップが、前記粉末材料の少なくとも一部が、第２の材料のないエリアにあるように前記粉末材料とは異なる前記第２の材料を堆積させるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項37】
前記エネルギービームを導くステップが、前記場所のうちの第１の場所で第１の走査速度で前記エネルギービームを走査するステップと、前記場所のうちの第２の場所で前記第１の走査速度とは異なる第２の走査速度で前記エネルギービームを走査するステップとを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項38】
前記レイヤを堆積させるステップが、前記粉末材料の少なくとも一部が、第２の材料のないエリアにあるように前記粉末材料とは異なる前記第２の材料を堆積させるステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれている２０１７年４月２８日に出願した「ＭＵＬＴＩ－ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＰＲＩＮＴ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ」と題する米国特許出願第１５／５８２，４８５号の利益を主張するものである。
本出願は、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれている２０１７年４月２８日に出願した「ＭＵＬＴＩ－ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＰＲＩＮＴ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＦＯＲ ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ」と題する米国特許出願第１５／５８２，４８５号の利益を主張するものである。
【0002】
本開示は一般的に付加製造システム（Additive Manufacturing systems）に関し、より詳細には、付加製造システムにおける複数材料および印刷パラメータに関する。
【背景技術】
【0003】
３Ｄプリンタシステムとしても説明される付加製造（ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システムは、従来の製造プロセスでは作成することが困難または不可能ないくつかの形状を含む、幾何学的に複雑な形状を有する構造体（造形片と称される）を作成することができる。粉末床融合（ＰＢＦ：Ｐｏｗｄｅｒ－ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）システムなどのＡＭシステムは、レイヤごとに造形片を作成する。それぞれのレイヤまたは「スライス」は粉末のレイヤを堆積すること、および粉末の部分をエネルギービームに曝すことによって形成される。エネルギービームはレイヤにおける造形片の断面に一致する粉末レイヤのエリアを溶融するためにあてられる。溶融粉末は冷却し、造形片のスライスを形成するように融合する。造形片の次のスライスを形成するためにプロセスを次々と繰り返すことができる。それぞれのレイヤは前のレイヤの上部に堆積される。得られる構造は下から上までスライスごとに組み立てられた造形片である。
【0004】
ＰＢＦシステムは、ビーム出力、走査速度、堆積した粉末レイヤ厚などの、様々なシステムパラメータに基づいて造形片のスライスを印刷する。印刷運転の間に、すなわち造形片が完全に印刷された後、様々なパラメータへの調整がなされ得る。例えば、より高いビーム出力が次の造形片を印刷するために使用されてもよい。
【発明の概要】
【0005】
ＡＭシステムにおける、複数材料および印刷パラメータのための装置および方法のいくつかの態様を、以降でより詳しく説明する。
【0006】
様々な態様において、粉末床融合のための装置は、粉末材料および粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤを堆積させるデポジタであって、粉末材料の少なくとも一部は第２の材料のないエリアにある、デポジタと、エネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギービームをあてる偏向器とを含むことができる。
【0007】
様々な態様において、粉末床融合のための装置は、パラメータの第１のサブセットに基づいて粉末材料を含むレイヤを堆積させるデポジタと、パラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギービームをあてる偏向器と、ある期間の間第１の時間において第１の値を取るように、またその期間の間において第１の値とは異なる第２の値を取るように、パラメータのうちの少なくとも１つを設定するコントローラであって、期間は粉末のレイヤを堆積させることを始めたときに開始し、その場所でレイヤを融合させることが終わったときに終了する、コントローラとを含むことができる。サブセットは単一のパラメータを含むことができることに留意すべきである。
【0008】
様々な態様において、粉末床融合のための方法は、粉末材料の少なくとも一部は第２の材料のないエリアにあるように、粉末材料および粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤを堆積させることと、エネルギービームを発生させることと、複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギービームをあてることとを含むことができる。
【0009】
様々な態様において、粉末床融合のための方法は、複数のパラメータの第１のサブセットに基づいて粉末材料を含むレイヤを堆積させることと、パラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させることと、パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギービームをあてることと、ある期間の間第１の時間において第１の値を取るように、またその期間において第１の値とは異なる第２の値を取るように、パラメータのうちの少なくとも１つを設定することであって、期間は粉末のレイヤを堆積させることを始めたときに開始し、その場所でレイヤを融合させることが終わったときに終了する、設定することとを含むことができる。
【0010】
例示としてほんのいくつかの実施形態を示し説明している以下の詳細な説明から、他の態様が当業者にとって容易に明らかとなろう。当業者によって理解されるように、本明細書の概念は、他のおよび異なる実施形態にも可能であり、様々な他の観点においてすべて本開示から逸脱することなく、いくつかの詳細が修正可能である。したがって、図面および詳細な説明は、性質において限定としてではなく例示として見なされるものである。
【0011】
次に、様々な態様が、添付の図面において、限定ではなく例として詳細な説明において提示される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1A】動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。
【図1B】動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。
【図1C】動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。
【図1D】動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。
【図2】複数材料および印刷パラメータの変形例を含む例示のＰＢＦ装置を示している。
【図3】複数材料および閉ループ制御を伴う印刷パラメータの変形例を含む別の例示のＰＢＦ装置を示している。
【図4A】粉末材料を堆積させるのに先立って第２の材料を堆積させることができる、例示の実施形態を示している。
【図4B】粉末材料を堆積させるのに先立って第２の材料を堆積させることができる、例示の実施形態を示している。
【図4C】粉末材料を堆積させるのに先立って第２の材料を堆積させることができる、例示の実施形態を示している。
【図5A】複数の材料を単一レイヤで重なり合うように堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図5B】複数の材料を単一レイヤで重なり合うように堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図5C】複数の材料を単一レイヤで重なり合うように堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図6A】レイヤ内に混合材料エリアを堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図6B】レイヤ内に混合材料エリアを堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図6C】レイヤ内に混合材料エリアを堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図7A】第２の材料を粉末材料の堆積したレイヤ上に堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図7B】第２の材料を粉末材料の堆積したレイヤ上に堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図8A】一体化された堆積システムが粉末材料と第２の材料を交互に堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図8B】一体化された堆積システムが粉末材料と第２の材料を交互に堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図8C】一体化された堆積システムが粉末材料と第２の材料を交互に堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図9A】第２の材料を除去された粉末のエリアに堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図9B】第２の材料を除去された粉末のエリアに堆積させることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図10】はＰＢＦシステムにおいて複数材料の堆積の例示の方法のフローチャートである。
【図11A】堆積した粉末材料の上面の高さが変化し得る、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図11B】堆積した粉末材料の上面の高さが変化し得る、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図11C】堆積した粉末材料の上面の高さが変化し得る、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図12】例示のエネルギーアプリケータの詳細を示している。
【図13A】たわみ変形を生じ得るビーム走査動作を示している。
【図13B】たわみ変形を生じ得るビーム走査動作を示している。
【図13C】たわみ変形を生じ得るビーム走査動作を示している。
【図14】複数の連続する粉末レイヤで、張り出しエリアにおいて粉末材料を融合することによって作成されたたわみ変形を示している。
【図15A】エネルギービームが異なる走査速度で走査されることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図15B】エネルギービームが異なる走査速度で走査されることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図15C】エネルギービームが異なる走査速度で走査されることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図16】例示の走査速度パラメータを示している。
【図17A】エネルギーを異なるビーム出力であてることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図17B】エネルギーを異なるビーム出力であてることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図17C】エネルギーを異なるビーム出力であてることができる、ＰＢＦ装置および方法の例示の実施形態を示している。
【図18】例示の印加ビーム出力パラメータを示している。
【図19】ＰＢＦ装置において可変の印刷パラメータでのスライス印刷動作の例示の方法のフローチャートである。
【図20】ＰＢＦ装置において走査速度パラメータの可変の値でのスライス印刷動作の例示の方法のフローチャートである。
【図21】ＰＢＦ装置において印加ビーム出力パラメータの可変の値でのスライス印刷動作の例示の方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
添付の図面と併せて以下で説明される詳細な説明は、本明細書で開示される概念の様々な例示の実施形態の説明を提供するよう意図されており、本開示が実践され得る実施形態だけを表現することは意図されていない。本開示で使用される用語「例示の」は、「例、事例、または図示として機能する」ことを意味しており、必ずしも本開示で提示される他の実施形態より好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。詳細な説明は当業者に概念の範囲をすべて伝達する徹底的かつ完全な開示を提供する目的のための具体的な詳細を含む。しかしながら、本開示はこれらの具体的な詳細なしに実践され得る。いくつかの事例において、本開示にわたって提示される様々な概念を曖昧にすることを避けるために、良く知られている構造および構成要素がブロック図の形態で示され得、または全体的に省略され得る。
【0014】
本開示は粉末床融合（ＰＢＦ）システムなどのＡＭシステムにおける複数材料および印刷パラメータを対象としている。現在のＰＢＦシステムにおいて、様々なパラメータへの調整は印刷運転の間に行うことができる。換言すると、造形片を完全に印刷した後、パラメータへの調整を行うことができる。さらには、現在のＰＢＦシステムは均一な材料組成を有する粉末レイヤを堆積させる。例えば、粉末レイヤは単一の粒子サイズの金属粉末を含むことができ、または粉末レイヤは異なる粒子サイズの金属粉末の均一な混合を含むことができるなどである。換言すると、レイヤに堆積した粉末材料は互いに別の領域とは異なっていない。
【0015】
本開示で説明される様々な実施形態において、ＰＢＦシステムの１つのパラメータ（または複数のパラメータ）はスライス印刷動作の間異なる時間において異なる値を取ることができる。例えば、エネルギービームの走査速度は粉末レイヤのあるエリアにわたって速いことができ、また粉末レイヤの別のエリアにわたって遅いことができる。別の例において、粉末レイヤの走査の間ビーム出力を変化させることができる。さらに別の例において、レイヤが粉末材料および粉末材料とは異なる第２の材料を含み、粉末材料の少なくとも一部は第２の材料のないエリアにあるように粉末のレイヤを堆積させることができる。スライス印刷動作の間異なる値を取ることができるＰＢＦシステムのパラメータのいくつかの例は、粉末レイヤの表面高さ（例えば、レイヤ内で堆積した材料の上面の高さ）およびハッチ（hatch）空間（例えば、エネルギービームによって作成された走査線同士の間の空間）を含む。パラメータを変化させる他のやり方、および複数材料レイヤを堆積させる他のやり方が、本開示に照らして明らかとなろう。
【0016】
複数材料レイヤを使用することおよび／または印刷パラメータを変化させることは、印刷された造形片のある物理的な特徴、例えば材料性質を調整する能力などのいくつかの利点を提供することができ、また印刷された造形片の特定の領域の他の特徴を特定の目的のために最適化することができる。例えば、航空機において強い応力に曝されることになる印刷された航空機の部品の領域は、金属粉末（例えば、金属合金）の異なる混合物を使用してその領域を印刷することによって、部品の他の領域よりも強くすることができる。別の例において、仕上げられた造形片の表面が改善された表面仕上げ品質を有することができるように、それぞれのスライスの縁部の領域を融合するために低速走査速度を使用することができる。同じく、スライスの内部の領域を融合するために走査速度を大きくさせることにより、合計の走査時間を短くすることができ、生産歩留まりを増加させることができる。
【0017】
様々な実施形態において、例えば、複数材料で造形片を作成するためにレーザ融合吹き付け粉末を粉末床レーザ融合と組み合わせて使用することができる。換言すると、粉末材料を粉末レイヤに堆積させることができ、レイヤのエリアをレーザビームで融合させることができ、次に異なる粉末材料を融合粉末のエリアに吹き付けることができ、その間吹き付けられた粉末は同一または異なるエネルギービームにより融合される。プロセス温度が適合性のある場合、金属、セラミック、またはプラスチックの材料を、次の粉末レイヤの堆積に先立って粉末堆積を吹き付けることにより粉末床融合構造に追加することができる。この様式で、例えば、プロセスを交互にすることで、類似しない材料性質を伴う材料を堆積することができる。
【0018】
様々な実施形態において、例えば、大きな球形の粉末である粉末材料は焼結された構成要素の材料密度を下げることができる。例えば、流体のろ過、熱伝達などの目的のため、造形片は密度が小さい部分を有して作成され得る。大きな球形を有する粉末材料の追加は低密度の局所領域を作成することができる。加えて、様々な実施形態は、低出力エネルギービームおよび／または高速走査速度をあてることを含むことができ、これは大きな球形の粉末材料を融合ではなく焼結するために、大きな球形の粉末材料にあてることができる。
【0019】
様々な実施形態において、第２の材料の堆積はロボットアームで実施することができる。例えば、ロボットアームはレイヤに第２の材料を堆積することができる。第２の材料の異なる量をレイヤの異なる深度に使用することができる。様々な実施形態において、ロボットアームはｘ、ｙ、およびｚ軸に沿って横移動することができ、同じく軸の周りで回転することができる。
【0020】
様々な実施形態において、ロボットアームは粉末材料を分注するためのノズルおよび真空吸引チューブを搭載することができる。吸引チューブは主となる材料粉末を真空吸引によって除去し、第２の材料を堆積させるための空間を与える。例えば、第２の材料の堆積は、音響振動によって達成することができ、それによって、振動の振幅および振動数を制御することにより、ロボットアームによって分注される粉末の量を注意深く微調整することができる。堆積ノズルの端部近くに圧電変換器を取り付けることによって、音響振動をかけることができる。次に第２の材料のために最適化されたパラメータ値のセットでエネルギービームがアクティブ化される。
【0021】
様々な実施形態において、ジェットタイプのプリンタメカニズムで１回の通過または複数の通過で、液体の第２の材料を堆積させることができる。例えば、堆積した第２の材料は融合に先立って乾燥させることができる。
【0022】
様々な実施形態において、低速走査速度を使用すること、および張り出しにおけるまたは張り出し近くの印刷領域への溶融プールを変えることは、特に最小限の支持構造を使用して部品の変形（例えば、たわみ）を減らすまたは防ぐために有益であり得る。別の例において、粉末デポジタは粉末レイヤの上面が不均一であるように、例えば、くぼみおよび／または膨らみを有するように、粉末を堆積させることができる。例えば、粉末が融合する際たわみが起こるであろうエリアにおいて、材料がより高い高さに融合できるように厚みのある粉末のレイヤを堆積させることができ、それによって、たわみが起こると所望の最終的な幾何学形状が達成される。換言すると、たわみが起こるよりも前に、たわみを埋め合わせるように余分な粉末を堆積させることができる。一方で支持構造を使用する造形のためには、支持構造を容易に除去できるように、実際の造形片と比べて脆くなるように支持構造を印刷することができる。
【0023】
図１Ａ～Ｄは、動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステム１００のそれぞれの側面図を図示している。上述のように、図１Ａ～Ｄに図示した特定の実施形態は、本開示の原理を採用するＰＢＦシステムの多くの適切な例の１つである。本開示の図１Ａ～Ｄおよび他の図面の要素は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、本明細書で説明される概念のより良い図示を目的として大きくまたは小さく描かれ得ることにも留意すべきである。ＰＢＦシステム１００は金属粉末のそれぞれのレイヤを堆積することができるデポジタ１０１、エネルギービームを発生させることができるエネルギービーム源１０３、粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができる偏向器１０５、および造形片１０９などの１つまたは複数の造形片を支持することができる造形プレート１０７を含むことができる。ＰＢＦシステム１００はまた粉末床収容部内に位置付けられた造形フロア１１１を含むこともできる。粉末床収容部１１２の壁は全体的に粉末床収容部の境界を画定しており、壁１１２の間で側方から挟まれて、下方で造形フロア１１１の部分に当接している。造形フロア１１１は、デポジタ１０１が次のレイヤを堆積することができるように次第に造形プレート１０７を下げる。全体のメカニズムを他の構成要素を囲い込むことができるチャンバ１１３に存在させることができ、それにより機器を保護しており、雰囲気および温度の調節を可能にし、汚染リスクを軽減している。デポジタ１０１は金属粉末などの粉末１１７を含むホッパ１１５、堆積した粉末のそれぞれのレイヤの上部をならすことができるレベラ１１９を含むことができる。
【0024】
具体的に図１Ａを参照すると、この図面は、造形片１０９のスライスが融合された後ではあるが、粉末の次のレイヤが堆積されてしまう前のＰＢＦシステム１００を示している。実際には、図１ＡはＰＢＦシステム１００が、造形片１０９の現在の状態、例えば１５０のスライスから形成したものを形成するために、既に複数のレイヤ、例えば１５０のレイヤのスライスを堆積して融合してしまった時点を図示している。既に堆積された複数のレイヤが、堆積されたが融合はしていない粉末を含む粉末床１２１を形成している。
【0025】
図１Ｂは造形フロア１１１が粉末レイヤ厚１２３の分下がることができる工程にあるＰＢＦシステム１００を示している。造形フロア１１１を下げることにより、造形片１０９および粉末床１２１を粉末レイヤ厚１２３の分降下させ、それによって造形片および粉末床の上部が、粉末床収容部壁１１２の上部よりも粉末レイヤ厚に等しい厚みの分低くなる。このやり方で、例えば、粉末レイヤ厚１２３と等しい一貫した厚みのある空間が造形片１０９および粉末床１２１の上部の上に作成され得る。
【0026】
図１Ｃは、デポジタ１０１が粉末１１７を造形片１０９および粉末床１２１の上に作成され、また粉末床収容部壁１１２によって境界画定された空間に堆積させるように位置付けられる工程にあるＰＢＦシステム１００を示している。この例において、デポジタ１０１はホッパ１１５から粉末１１７を放出しながら画定された空間の上を次第に移動する。レベラ１１９は、放出された粉末をならして、粉末レイヤ厚１２３に実質的に等しい厚みを有し（図１Ｂ参照）、また実質的に平坦な粉末レイヤ上面１２６を有する粉末レイヤ１２５を形成することができる。したがって、ＰＢＦシステム内の粉末は粉末材料支持構造によって支持することができ、例えば造形プレート１０７、造形フロア１１１、造形片１０９、壁１１２などを含むことができる。明確にするために、図示された粉末レイヤ１２５の厚み（すなわち、粉末レイヤ厚１２３（図１Ｂ））は、図１Ａを参照して上記で議論した１５０の先に堆積したレイヤを伴う例に使用される実際の厚みよりも厚く示されることに留意すべきである。
【0027】
図１Ｄは、粉末レイヤ１２５の堆積に続いて（図１Ｃ）、エネルギービーム源１０３がエネルギービーム１２７を発生させ、偏向器１０５が造形片１０９の次のスライスを融合するためにエネルギービームをあてる工程にあるＰＢＦシステム１００を示している。様々な例示の実施形態において、エネルギービーム源１０３は電子ビーム源であり得、その場合エネルギービーム１２７は電子ビームを構成する。偏向器１０５は電子ビームを選択的に偏向させる電場または磁場を発生させることができる偏向板を含むことができ、電子ビームを融合されるよう指定されたエリアを横切って走査させる。様々な実施形態において、エネルギービーム源１０３はレーザであり得、その場合エネルギービーム１２７はレーザビームである。偏向器１０５は、反射および／または屈折を使用してレーザビームを操作して融合されるよう選択されたエリアを走査する、光学システムを含むことができる。
【0028】
様々な実施形態において、偏向器１０５はエネルギービームを位置付けるためにエネルギービーム源を回転および／または並進させることができる１つまたは複数のジンバルおよびアクチュエータを含むことができる。様々な実施形態において、エネルギービーム源１０３および／または偏向器１０５はエネルギービームを調節する（modulate）ことができ、例えばエネルギービームが粉末レイヤの適当なエリアだけにあてられるように、偏向器が走査するのに伴ってエネルギービームをオンおよびオフにすることができる。例えば、様々な実施形態において、エネルギービームはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって調節することができる。
【0029】
粉末レイヤを堆積させること、エネルギービームを発生させること、エネルギービームを走査させること、などのＰＢＦシステムの動作はＰＢＦシステムのシステムパラメータに基づいて制御される（本明細書において単純に「パラメータ」とも称される）。例えば、１つのパラメータはエネルギービーム源によって発生されるエネルギービームの出力である。様々なＰＢＦシステムにおいて、ビーム出力パラメータは例えば、電子ビーム源のグリッド電圧、レーザビーム源のワット数出力などによって表すことができる。パラメータの別の例は、偏向器の走査速度、すなわち偏向器が粉末レイヤをわたってエネルギービームをどれだけ速く走査するか、である。走査速度パラメータは例えば、電子ビームＰＢＦシステムにおいて偏向板にかけられる偏向電圧、レーザビームＰＢＦシステムにおいて走査ミラーに接続されるモータにかけられるアクチュエータモータ電圧、などの変化の速度によって表すことができる。パラメータの別の例は、前の粉末レイヤの上面の上の粉末レベラの高さであり、例えば、レベラの延在部の距離として表すことができる。
【0030】
様々な実施形態において、パラメータのうちの少なくとも１つはスライス印刷動作の間第１の時間、すなわち粉末のレイヤの堆積の始まりにおいて開始し、様々な場所でレイヤの融合が終わったときに終了する期間、において第１の値を取り、またスライス印刷動作の間第１の値とは異なる第２の値を取る。例えば、ＰＢＦ装置はパラメータの第１のサブセット（例えば、粉末レベラの高さ、堆積した材料の組成など）に基づいて粉末材料のレイヤを堆積させるデポジタと、パラメータの第２のサブセット（例えば、ビーム出力）に基づいてエネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、パラメータの第３のサブセット（例えば、走査速度）に基づいて複数の場所においてレイヤを融合するためにエネルギービームをあてる偏向器とを含むことができ、パラメータのうちの少なくとも１つがスライス印刷動作の間異なる値を取ることができる。
【0031】
図２は複数材料および印刷パラメータの変形例の機能を含む例示のＰＢＦ装置２００を示している。図２は造形プレート２０１、粉末床収容部壁２０４内の粉末床２０３、および粉末床内の造形片２０５を示している。デポジタ２０７は粉末床２０３の粉末材料を含む材料のレイヤを堆積させることができ、エネルギーアプリケータ２１０は堆積したレイヤで粉末材料を融合するためにエネルギーをあてることができる。図４Ａ～Ｃ、図５Ａ～Ｃ、図６Ａ～Ｃ、図７Ａ～Ｂ、図８Ａ～Ｃ、および図９Ａ～Ｂに関して以下でより詳細に説明するように、デポジタ２０７はそれぞれが異なる材料を堆積させる１つまたは複数の別個のデポジタを含むことができる。エネルギーアプリケータ２１０はエネルギービームを発生させるエネルギービーム源２１１、および堆積したレイヤを横切ってエネルギービームを走査する偏向器２１３を含むことができる。ＰＢＦ装置２００はまた例えば、コンピュータプロセッサであり得るコントローラ２１４を含むことができる。ＰＢＦ装置２００はまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、コンピュータ記憶ディスク（例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フラッシュドライブ）などのコンピュータメモリ２１５を含むことができる。コントローラ２１４はメモリ２１５にパラメータ２１６を記憶することができる。コントローラ２１４はパラメータ２１６に基づいてＰＢＦ装置２００の構成要素を制御することができる。例えば、コントローラ２１４は造形片２０５のそれぞれのスライスを形成するためにパラメータ２１６を使用して走査速度、ビーム出力などを決定することができる。換言すると、コントローラ２１４はデポジタ２０７を制御して材料のレイヤを堆積させることができ、エネルギービーム源２１１を制御してエネルギービームを発生させることができ、また偏向器２１３を制御して堆積したレイヤを横切ってエネルギービームを走査することができる。
【0032】
ＰＢＦ装置２００のスライス印刷動作の間、パラメータ２１６は２つまたはそれ以上の異なる値を取る、１つのパラメータ（または複数のパラメータ）を含むことができる。例えば、印加ビーム出力パラメータは印刷動作の間ある時間において低出力値を取ることができ、動作の間の別の時間においては高出力を取ることができる。例えば、コントローラ２１４は粉末レイヤのあるエリア（例えば、造形片の非変形エリアの上）について低出力の印加ビーム出力パラメータ値を設定することができ、また粉末レイヤの別のエリア（例えば、造形片のたわみエリアの上）について高出力の印加ビーム出力パラメータ値を設定することができる。この例示の実施形態において、パラメータの変化（すなわち異なるパラメータ値）は、造形片２０５の印刷に先立って決定されメモリ２１５に格納することができる。
【0033】
様々な実施形態において、コントローラは例えば、図２の例示の実施形態に示すような共有プロセッサであってもよい。様々な実施形態において、コントローラは、例えばそれぞれの構成要素が個別のコントローラを有する分散システムであってもよい。例えば、デポジタは別個のコントローラを有することができ、エネルギービーム源は別個のコントローラを有することができ、偏向器は別個のコントローラを有することができる、などである。同じく、パラメータは共有メモリに記憶することができ、個別の構成要素に関連付けられる個別のメモリに記憶することができ、またはこれらの手法の組み合わせであることができる。
【0034】
図３は複数材料および閉ループ制御を伴う印刷パラメータの変形例を含む別の例示のＰＢＦ装置３００を示している。図３は造形プレート３０１、粉末床収容部壁３０４内の粉末床３０３、および粉末床内の造形片３０５を示している。デポジタ３０７は粉末床３０３の粉末材料を含む材料のレイヤを堆積させることができ、エネルギーアプリケータ３１０は堆積したレイヤで粉末材料を融合するためにエネルギーをあてることができる。エネルギーアプリケータ３１０はエネルギービームを発生させるエネルギービーム源３１１、および堆積したレイヤを横切ってエネルギービームを走査する偏向器３１３を含むことができる。ＰＢＦ装置３００はまた例えば、コンピュータプロセッサであり得るコントローラ３１４を含むことができる。ＰＢＦ装置３００はまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、コンピュータ記憶ディスク（例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フラッシュドライブ）などのコンピュータメモリ３１５を含むことができる。メモリ３１５はＰＢＦ装置３００の構成要素を制御するためのパラメータ３１６を記憶することができる。パラメータ３１６はスライス印刷動作の間、２つまたはそれ以上の異なる値を取り、ＰＢＦ装置３００の動作の間変更することができる、１つのパラメータ（または複数のパラメータ）を含むことができる。コントローラ３１４は造形片３０５のそれぞれのスライスを形成するためにパラメータ３１６を使用して走査速度、ビーム出力などを決定することができる。特に、コントローラ３１４はデポジタ３０７を制御して材料のレイヤを堆積させることができ、エネルギービーム源３１１を制御してエネルギービームを発生させることができ、また偏向器３１３を制御して堆積したレイヤを横切ってエネルギービームを走査することができる。さらには、様々な実施形態において、問題の特定の印刷動作（張り出しを管理すること、表面仕上げ品質を向上させること、印刷速度を最適化すること、これらおよび他の動作の全体的な組み合わせを最適化すること、など）について所望の結果を達成するために、コントローラ３１４はこれらの構成要素を異なって決定されたパラメータの値もしくはタイプを使用することによって、および／または異なって決定されたパラメータのサブセットもしくは組み合わせを使用することによって記載されるやり方で制御することができる。
【0035】
ＰＢＦ装置３００はレイヤの堆積、粉末材料の融合などに関する情報を取得するセンサ３２１を含むことができる。この例において、センサ３２１は造形片３０５の形状についての情報を感知することができる。例えば、センサ３２１はカメラなどの光学センサを含むことができる。センサ３２１は形状情報３２３、例えば、造形片３０５の寸法上の測定値、を感知することができ、形状情報をコントローラ３１４に送信することができる。例えば、造形片３０５のそれぞれのスライスがエネルギー印加システム３０９によって融合された後、粉末材料の次のレイヤが堆積され感知された形状をコントローラ３１４に送信する前に、センサ３２１が造形片の形状を感知することができる。
【0036】
この例において、コントローラ３１４はセンサ３２１から受信した情報に基づいて、メモリ３１５内の１つまたは複数のパラメータ３１６の値を変更することができる。例えば、センサ３２１は造形片３０５の上部スライスの縁部エリアにおける不規則性を感知することができ、コントローラ３１４は、印刷される領域の結果的に非本質的な形状（outlying shape）を訂正するために、次のスライスの融合の間その縁部エリアにおいてエネルギービーム源３１１によって発生されたエネルギービームの軌道を変更することができる。このやり方で、例えば、ビーム出力は縁部エリアにあてられると高く、次のレイヤの他のエリアにあてられると低いため、ビーム出力パラメータは次のスライスの融合の間変更することができる。上記の例示の実施形態において、ＰＢＦ装置３００の動作の間、センサ３２１を通じて受信されたフィードバック情報に基づいてパラメータを修正することができ、パラメータの閉ループ制御が得られる。
【0037】
様々な実施形態において、センサは融合粉末材料の縁部の情報を感知する縁部センサを含むことができる。例えば、スライスの縁部において、または縁部の近くでは、融合に伴う問題がしばしば起きることがある。これらの場合において、縁部センサはスライスの縁部の形状についての有益な情報を与えることができる。
【0038】
様々な実施形態において、ＰＢＦ装置は、例えば別個のデポジタ、一体化されたデポジタなどを使用して、粉末材料および粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤを堆積させるデポジタを含むことができる。堆積させることは、レイヤが堆積された後、粉末材料の少なくとも一部は第２の材料のないエリアにあるようになされる。このやり方で、例えば、ＰＢＦ装置は複数の材料を単一レイヤに堆積させることができる、すなわちそのレイヤの材料組成はレイヤの異なるエリアにわたって不均一であることができる。
【0039】
次に、図４Ａ～Ｃ、図５Ａ～Ｃ、図６Ａ～Ｃ、図７Ａ～Ｂ、図８Ａ～Ｃ、および図９Ａ～Ｂを説明する。これらの図面は複数の材料をＰＢＦ装置において単一レイヤに堆積させることができる、装置および方法の様々な例示の実施形態を示している。
【0040】
図４Ａ～Ｃは粉末材料を堆積させるのに先立って第２の材料を堆積させることができる、例示の実施形態を示している。例えば、デポジタの第１の構成要素はワークエリアの上を通過し、所望のエリアに第２の材料を堆積させることができ、次いでデポジタの別の構成要素がワークエリアの上を通過し、残りのエリアに粉末のレイヤを堆積させることができる。
【0041】
図４Ａ～Ｃは複数の材料を単一レイヤに堆積させることができる、ＰＢＦ装置４００および方法の例示の実施形態を示している。図４Ａ～Ｃは、造形プレート４０１および粉末床４０３を示している。粉末床４０３の中にあるものは造形片４０５である。ＰＢＦ装置４００はエネルギービーム源４０９、偏向器４１１、ならびに粉末デポジタ４１３および第２の材料デポジタ４１５を含むデポジタを含むことができる。粉末デポジタ４１３は粉末材料４１６を含むことができ、第２の材料デポジタ４１５は第２の材料４１７を含むことができる。図２および図３に関して上記で議論したように、粉末デポジタ４１３および第２の材料デポジタ４１５はコントローラ４１９によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。
【0042】
図４Ａは単一レイヤに複数の材料を堆積させるためのＰＢＦ装置４００の例示の動作を示している。第２の材料デポジタ４１５は、レイヤのエリアに第２の材料４１７を堆積させるために、ワークエリアを横切って移動することができる。粉末デポジタ４１３は第２の材料デポジタ４１５に続いてワークエリア横切って移動し、レイヤの残りのエリアに粉末を堆積することができる。
【0043】
図４Ｂに示すように、第２の材料４１７が堆積されてしまった後、粉末デポジタ４１３は動き続けることができ、ひいては第２の材料の上を横切る。この例において、粉末デポジタ４１３は粉末を放出し続けることができ、粉末デポジタのレベラは表面から粉末を無くすために第２の材料４１７の上面をまんべんなく掃くことができる。他の実施形態において、粉末デポジタは、例えば、第２の材料の上を粉末デポジタが横切る際に粉末の供給を中断することができる。
【0044】
図４Ｃは第２の材料デポジタ４１５がワークエリアを横切って移動し、現在のレイヤで第２の材料４１７を堆積することを終えてしまった状態を示している。粉末デポジタ４１３はワークエリアを横切って移動し、第２の材料４１７を含まない残りのエリアに粉末を堆積し続けることができる。
【0045】
様々な例示の実施形態において、第２の材料デポジタはレイヤの所望のエリアに第２の材料を堆積させるように構成された自動化されたロボットアームであることができる。様々な例示の実施形態において、ロボットアームはＰＢＦ装置に内蔵されてもよく、またそのようなものとして、同一の処理およびタイミングメカニズムの制御の下で、ならびにデポジタ４１３などの、第２の材料を堆積させるための他の構成要素と同期して、動作することができる。
【0046】
図４Ａ～Ｃの例示の実施形態において、第２の材料が粉末材料より前に堆積されるため、完成されたレイヤは粉末材料だけのエリア（すなわち第２の材料のない）、および第２の材料だけのエリア（すなわち粉末材料のない）を含むことに留意されたい。
【0047】
図５Ａ～Ｃは複数の材料を単一レイヤで重なり合うように堆積させることができる、ＰＢＦ装置５００および方法の例示の実施形態を示している。図５Ａ～Ｃは、造形プレート５０１および粉末床５０３を示している。粉末床５０３の中にあるものは造形片５０５である。ＰＢＦ装置５００はエネルギービーム源５０９、偏向器５１１、ならびに粉末デポジタ５１３および第２の材料デポジタ５１５を含むデポジタを含むことができる。粉末デポジタ５１３は粉末材料５１６を含むことができ、第２の材料デポジタ５１５は第２の材料５１７を含むことができる。図２および図３に関して上で議論したように、粉末デポジタ５１３および第２の材料デポジタ５１５はコントローラ５１９によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。
【0048】
図５Ａは単一レイヤに材料を重ねて堆積させるためのＰＢＦ装置５００の例示の動作を示している。第２の材料デポジタ５１５は、レイヤのエリアに第２の材料５１７の薄いレイヤを堆積させるために、ワークエリアを横切って移動することができる。粉末デポジタ５１３は第２の材料デポジタ５１５に続いてワークエリア横切って移動し、レイヤの残りのエリアに粉末を堆積することができる。
【0049】
図５Ｂに示すように、第２の材料５１７の薄いレイヤが堆積されてしまった後、粉末デポジタ５１３は動き続けることができ、ひいては第２の材料の薄いレイヤの上を横切る。粉末デポジタ５１３は第２の材料５１７の薄いレイヤの上で粉末を放出し続けて、そのレイヤで重なり合う材料５２１を作成することができ、重なり合う材料５２１は第２の材料５１７の領域に重なり合う粉末材料５１６の領域を含む。
【0050】
図５Ｃは第２の材料デポジタ５１５がワークエリアを横切って移動し、現在のレイヤで第２の材料５１７を堆積することを終えてしまった状態を示している。粉末デポジタ５１３はワークエリアを横切って移動し、第２の材料５１７を含まない残りのエリアに粉末を堆積し続けることができる。
【0051】
図５Ａ～Ｃの例示の実施形態において、完成されたレイヤは粉末材料だけのエリア（すなわち第２の材料のない）、および粉末材料と第２の材料の両方を含むエリア（すなわち重なり合う材料）を含むことに留意されたい。
【0052】
図６Ａ～Ｃはレイヤ内に混合材料エリアを堆積させることができる、ＰＢＦ装置６００および方法の例示の実施形態を示している。図６Ａ～Ｃは、造形プレート６０１および粉末床６０３を示している。粉末床６０３の中にあるものは造形片６０５である。ＰＢＦ装置６００はエネルギービーム源６０９、偏向器６１１、ならびに粉末材料６１５および第２の材料６１７を堆積させることができる一体化された堆積システム６１３を含むことができる。以下の図６Ｂで図示するように、一体化された堆積システム６１３はまた、粉末材料６１５および第２の材料６１７を混合することができる混合チャンバ６１８を含む。図２および図３に関して上で議論したように、一体化された堆積システム６１３はコントローラ６１９によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。
【0053】
図６Ａは粉末材料６１５をレイヤに堆積させるための例示の動作を示している。一体化された堆積システム６１３は、レイヤのエリアに粉末材料６１５だけを堆積させながらワークエリアを横切って移動することができる。
【0054】
図６Ｂは混合材料６２１をレイヤに堆積させるための例示の動作を示している。具体的に、一体化された堆積システム６１３は粉末材料６１５および第２の材料６１７を混合チャンバ６１８に注入して混合材料６２１を作成することができ、混合材料６２１をレイヤに堆積させることができる。様々な実施形態において、例えば異なる性質を有する混合材料を作成するために、粉末材料６１５と第２の材料６１７との比率は変えることができる。図６Ｃは第２の材料６１７をレイヤに堆積させるための例示の動作を示している。特に、一体化された堆積システム６１３はレイヤのエリアに第２の材料６１７だけを堆積させることができる。
【0055】
図６Ａ～Ｃの例示の実施形態において、完成されたレイヤは粉末材料だけのエリア（すなわち第２の材料のない）、第２の材料だけのエリア（すなわち粉末材料のない）、および粉末材料と第２の材料の両方を含むエリア（すなわち混合材料）を含むことに留意されたい。
【0056】
図７Ａ～Ｂは第２の材料を粉末材料の堆積したレイヤ上に堆積させることができる、ＰＢＦ装置７００および方法の例示の実施形態を示している。図７Ａ～Ｂは、造形プレート７０１および粉末床７０３を示している。粉末床７０３の中にあるものは造形片７０５である。ＰＢＦ装置７００はエネルギービーム源７０９、偏向器７１１、ならびに粉末デポジタ７１３および第２の材料デポジタ７１４を含むデポジタを含むことができる。粉末デポジタは粉末材料７１５を堆積させることができる。この例において、第２の材料デポジタは粘稠な第２の材料７１７を堆積させることができるノズル７１６を含むことができる。図２および図３に関して上記で議論したように、粉末デポジタ７１３および第２の材料デポジタ７１４はコントローラ７１９によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。
【0057】
図７Ａで図示されるように、粉末デポジタ７１３は粉末のレイヤを堆積させるためにワークエリアを横切って移動することができる。第２の材料デポジタ７１４は粉末デポジタ７１３に続いてワークエリアを横切って移動することができる。図７Ｂで図示されるように、第２の材料デポジタ７１４は第２の材料７１７を、粉末デポジタ７１３によってあるエリアに堆積された粉末材料の上に堆積させることができる。第２の材料７１７はこの例において粘稠であり、第２の材料は粉末材料７１５に染み込むことができる。具体的に、第２の材料７１７は粉末材料７１５の粉末粒子間の空間に染み込み、混合材料７２１を形成することができる。このやり方で、例えば、粉末レイヤの高さを高くすることなく、第２の材料７１７を粉末材料７１５に堆積させることができる。様々な実施形態において、粘稠な第２の材料は液体、ゲルなどを含むことができる。様々な実施形態において、粉末床を横切ってデポジタ７１３の後を追うプリントヘッドによって粘稠な第２の材料を塗布することができる。
【0058】
様々な実施形態において、粉末材料のエリアに堆積した液体またはゲルを融合の補助として使用することができ、例えば、粉末の散乱を減らすこと（「スモーキング」とも称される）、融合する粉末と周囲環境および／または粉末床の他の部分との望ましくない化学反応を減らすこと、である。様々な実施形態において、液体の第２の材料は粉末材料が液体のコロイド懸濁液中または溶液中に保持されるように堆積させることができる。
【0059】
図７Ａ～Ｃの例示の実施形態において、完成されたレイヤは粉末材料だけのエリア（すなわち第２の材料のない）、および粉末材料と第２の材料の両方だけを含むエリア（すなわち第２の材料が染み込んだ粉末材料のエリア）を含むことに留意されたい。
【0060】
様々な実施形態において、重なり合う材料および／または混合材料（図５Ａ～Ｃ、図６Ａ～Ｃ、および図７Ａ～Ｂを参照して上述のものなど）を、レイヤ内のどこかの融合エリアとは異なる材料性質を有する融合材料を作成するために融合させることができる。融合は、例えば本明細書で説明されるエネルギービームをあてる方法のうちいずれかを使用して行うことができ、またはあらゆる他の方法によって行うことができる。例えば、粉末材料は第１の金属を含むことができ、第２の材料は第２の金属を含む粉末材料であることができる。第１の金属粉末および第２の金属粉末が重なり合うエリアは、融合させることができ、融合により合金を作成するために２つの金属をマージすることができる。別の例において、粉末材料は第１のサイズ分布を有することができ、第２の材料は第１のサイズ分布とは異なる第２のサイズ分布を有する粉末を含むことができる。別の例において、粉末材料は金属粉末であることができ、第２の材料は金属弱化材料であることができる。このやり方で、例えば、より容易に除去できる弱化金属からなる支持構造を形成することができる。別の例において、第２の材料と粉末材料を融合させることによって、融合した粉末材料だけの場合とは異なる電気的性質を有する融合材料を作成することができる。例えば、第２の材料の追加によって、融合粉末だけの場合に対して、電気抵抗、磁気的性質などを変えることができる。
【0061】
図８Ａ～Ｃは、一体化された堆積システムが粉末材料および第２の材料を交互に堆積させることができる、ＰＢＦ装置８００および方法の例示の実施形態を示している。図８Ａ～Ｃは、造形プレート８０１および粉末床８０３を示している。粉末床８０３の中にあるものは造形片８０５である。ＰＢＦ装置８００はエネルギービーム源８０９、偏向器８１１、ならびに粉末材料８１５および第２の材料８１７を堆積させることができる一体化された堆積システム８１３を含むことができる。図２および図３に関して上記で議論したように、一体化された堆積システム８１３はコントローラ８１９によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。
【0062】
図８Ａは粉末材料８１５をレイヤに堆積させるための例示の動作を示している。一体化された堆積システム８１３は、レイヤのエリアに粉末材料８１５だけを堆積させながらワークエリアを横切って移動することができる。
【0063】
図８Ｂは第２の材料８１７だけをレイヤに堆積させるための例示の動作を示している。この例において、一体化された堆積システム８１３は第２の材料８１７を堆積させて、後続のレイヤにおいて造形片８０３の張り出しを支持することになる支持構造８２１に別のレイヤを追加する。第２の材料は、例えば、発泡体、セラミックなどであることができ、張り出しエリアにおいて粉末材料の融合について支持を与えることができ、また造形片が完成した後容易に除去されることもできる。図８Ｃは第２の材料８１７がレイヤに堆積された後、粉末材料８１５だけを堆積させるための例示の動作を示している。
【0064】
図８Ａ～Ｃの例示の実施形態において、粉末材料および第２の材料が交互に堆積されるため、完成されたレイヤは粉末材料だけのエリア（すなわち第２の材料のない）、および第２の材料だけのエリア（すなわち粉末材料のない）を含むことに留意されたい。
【0065】
図９Ａ～Ｂは、粉末材料のレイヤが堆積されることができ、粉末材料の部分が除去されることができ、第２の材料が除去された粉末のエリアに堆積されることができる、ＰＢＦ装置９００および方法の例示の実施形態を図示している。この例において、粉末デポジタは粉末材料のレイヤを堆積させ、次いで真空は粉末材料があるべきではないエリアから粉末材料を除去することができる。次いで空のエリアを第２の材料で満たすことができる。様々な実施形態において、他の機械ベースの粉末除去手段を使用することができる。
【0066】
図９Ａ～Ｂは、造形プレート９０１および粉末床９０３を示している。粉末床９０３の中にあるものは造形片９０５である。ＰＢＦ装置９００はエネルギービーム源９０９、偏向器９１１、ならびに粉末デポジタ９１３および第２の材料デポジタ９１４を含むデポジタを含むことができる。粉末デポジタは粉末材料９１５を堆積させることができ、第２の材料デポジタ９１４は第２の材料９１７を堆積させることができる。第２の材料デポジタ９１４は真空９１９および材料ノズル９２１を含むことができる。図２および図３に関して上記で議論したように、粉末デポジタ９１３および第２の材料デポジタ９１４はコントローラ９２３によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。
【0067】
図９Ａは、粉末デポジタ９１３がワークエリアを横切って移動し、粉末のレイヤを堆積し、また第２の材料デポジタ９１４が順にデポジタの後ろでワークエリアを横切って移動する、ＰＢＦ装置９００の例示の動作を示している。この例の第２の材料デポジタ９１４は真空メカニズムを使用して粉末材料の堆積物をワークエリアの指定された部分から除去し、同時にまたはそのすぐ後に、その指定された部分に第２の材料９１７を堆積するように構成される。図９Ａにおいて、第２の材料デポジタ９１４は動作可能であるが、まだワークエリアの上でそれの定められた位置によりそれの機能を実施するよう起動するようには示されていない。図９Ｂは第２の材料デポジタ９１４が第２の材料９１７が堆積されるべきエリアの上を通過した後の状態の例を示している。第２の材料デポジタ９１４がそのエリアの上を通過する際、真空９１９は吸引によって堆積した粉末を除去することができ、材料ノズル９２１はそのエリアに第２の材料９１７を堆積することができる。
【0068】
図９Ａ～Ｂの例示の実施形態において、粉末材料のない空間を作成するために堆積した粉末材料がエリアから除去されるため、完成されたレイヤは粉末材料だけのエリア（すなわち第２の材料のない）、および第２の材料だけのエリア（すなわち粉末材料のない）を含むことに留意されたい。
【0069】
様々な実施形態において、粉末材料の複数のレイヤは一度に除去することができる。例えば、粉末材料の複数のレイヤを造形プレートに堆積してしまった後、真空によって複数のレイヤの粉末材料を除去して、造形プレートまで下に延在する穴を作成することができる。第２の材料は、その穴に堆積させることができ、したがって、穴を現在のレイヤの上面まで満たすことができる。このやり方で、例えば、粉末材料の除去動作はレイヤごとに実施することを必要としないが、十分な数の粉末材料のレイヤが堆積されてしまうと、実施することができる。
【0070】
図４Ａ～Ｃ、図５Ａ～Ｃ、図６Ａ～Ｃ、図７Ａ～Ｃ、図８Ａ～Ｃ、および図９Ａ～Ｂの例示の実施形態などの、第２の材料が堆積される様々な実施形態において、例えば、第２の材料をより均一に分布させることができる振動ホッパなどで第２の材料を振動させることによって、第２の材料を堆積させることができる。様々な実施形態において、第２の材料は、例えばチューブの長さによって第２の材料のコンテナに取り付けることができるノズルスプレーから第２の材料を吹き付けることにより堆積させることができる。このやり方で、例えば、第２の材料のコンテナはノズルがワークエリアを横切って移動する間静止したままでいることができる。様々な実施形態において、ノズルは第２の材料を堆積させるために可動アームによってワークエリアを横切って移動され得る。
【0071】
様々な実施形態において、第２の材料を含むエリアは例えば本明細書で説明される方法のいずれか、または別の方法によって融合され得る。様々な実施形態において、第２の材料を含むエリアは融合されなくてもよい。さらには、様々な実施形態は第２の材料を堆積させることに限定されず、本明細書で説明される技法に類似する技法を使用して、レイヤの様々に異なるエリアに第３の材料、第４の材料などを堆積させることもできることを理解すべきである。
【0072】
図１０はＰＢＦ装置において複数材料の堆積の例示の方法のフローチャートである。ＰＢＦ装置は粉末材料および第２の材料を含むレイヤを堆積させることができる（１００１）。換言すると、第１の粉末材料および第１の粉末材料とは異なる第２の材料を含むレイヤを堆積することができ、それによって、第１の粉末材料の少なくとも第１の部分は第２の材料のない第１のエリアにある。ＰＢＦ装置はエネルギービームを発生させ（１００２）、複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギービームをあてることができる（１００３）。
【0073】
次に、図１１Ａ～Ｃ、図１２、図１３Ａ～Ｃ、図１４、図１５Ａ～Ｃ、図１６Ａ～Ｃ、および図１７～２１を議論する。これらの図面は、ＰＢＦ装置の１つのパラメータ（または複数のパラメータ）がスライス印刷動作の間異なる値を取ることができる、装置および方法の例示の実施形態を図示している。
【0074】
図１１Ａ～Ｃは、粉末高さパラメータの変化に基づいて堆積した粉末材料の上面の高さが粉末レイヤの中で変化し得る、ＰＢＦ装置１１００および方法の例示の実施形態を示している。図１１Ａ～Ｃは、造形プレート１１０１および粉末床１１０３を示している。粉末床１１０３の中にあるものは造形片１１０５である。ＰＢＦ装置１１００はエネルギービーム源１１０９、偏向器１１１１、および粉末材料１１１５を堆積させる粉末デポジタ１１１３を含むことができる。粉末デポジタ１１１３は、異なる高さで堆積した粉末をならすために延在されることおよび引き込まれることができる高さ可変レベラ１１１７を含むことができる。図２および図３に関して上記で議論したように、粉末デポジタ１１１３はコントローラ１１１９によって１つまたは複数のパラメータに基づいて制御することができる。この例において、１つまたは複数のパラメータは、レベラ高さなどの粉末高さパラメータであることができる。
【0075】
図１１Ａはほとんどの融合する動作に使用される標準的な厚みで粉末レイヤを作り出す高さで粉末材料を堆積させるためのＰＢＦ装置１１００の例示の動作を示している。特に、高さ可変レベラ１１１７は、粉末レイヤの標準的な厚みを作り出す高さで粉末材料をならす延在部長さに設定され得、いくつかの先の実施形態を参照して説明したように、粉末デポジタ１１１３は所望の厚みを作り出すために粉末材料を堆積させながらワークエリアを横切って移動することができる。
【0076】
図１１Ｂはより高い高さで粉末材料を堆積させるためにコントローラ１１１９によって導かれるＰＢＦ装置１１００の例示の動作を示しており、標準的な厚みよりも厚い粉末レイヤを作り出す。特に、粉末デポジタ１１１３が、厚みのある粉末レイヤが堆積されることになるエリアに達すると、コントローラ１１１９は、ならされる粉末材料の高さが対応して高くなるように、一時的に高さ可変レベラを引き込む（例えば短くする）ように構成する。このやり方で、例えば、粉末レイヤは他のエリアよりもいくつかのエリアにおいて高くなることができる。
【0077】
図１１Ｃは粉末デポジタ１１１３が厚みのある粉末材料のエリアを通過してしまって、高さ可変レベラが標準的な粉末レイヤ厚を作り出す高さに粉末材料をならすように元の構成に戻されて延びた状態を示している。高さ可変レベラを引き込むことによって作り出された厚みのある粉末レイヤのエリアが、厚みのある粉末レイヤ部分１１２１として示されている。
【0078】
様々な実施形態において、高さ可変レベラを使用するなどの堆積した粉末レイヤの上面の高さを変える能力によって、粉末材料のないレイヤのエリアの作成を可能とできることに留意されたい。例えば、高さ可変レベラは粉末材料のレイヤの表面にくぼみを作成するために延在されてもよい。くぼみは例えば浅くてもよく、または深くてもよい。
【0079】
図１２は例示のエネルギーアプリケータの詳細を示している。この例において、エネルギービームは電子ビームである。エネルギービーム源は電子グリッド１２０１、電子グリッドモジュレータ１２０３、およびフォーカス１２０５を含むことができる。コントローラ１２０６は、電子グリッド１２０１および電子グリッドモジュレータ１２０３を制御して、ビーム出力を制御するグリッド電圧などの様々なパラメータに基づいて電子ビーム１２０７を発生させることができ、フォーカス１２０５を制御して、ビームフォーカスを制御するフォーカス電圧などの様々なパラメータに基づいて電子ビーム１２０７をフォーカスされた電子ビーム１２０９にフォーカスすることができる。図面においてより明瞭な見え方となるように、コントローラ１２０６と他の構成要素との間の接続は示されていない。フォーカスされた電子ビーム１２０９は偏向器１２１３によって粉末レイヤ１２１１を横切って走査されることができる。偏向器１２１３は２つのｘ偏向板１２１５、および２つのｙ偏向板１２１７を含むことができ、図１２ではそれらのうちの１つは良く見えていない。コントローラ１２０６は偏向器１２１３を制御してｘ偏向板１２１５同士の間に電場を発生させ、フォーカスされた電子ビーム１２０９をｘ方向に偏向させることができ、ｙ偏向板１２１７同士の間に電場を発生させ、フォーカスされた電子ビームをｙ方向に偏向させることができる。コントローラ１２０６は、電子ビームの走査速度を制御する偏向電圧率（defection voltage rate）などの様々なパラメータに基づいて、偏向器１２１３を制御することができる。様々なパラメータはメモリ（図示せず）に記憶することができる。様々な実施形態において、偏向器は電子ビームを偏向させるために１つまたは複数の磁気コイルを含むことができる。
【0080】
ビームセンサ１２１９はフォーカスされた電子ビーム１２０９の偏向の量を感知することができ、この情報をコントローラ１２０６に送信することができる。偏向の所望の量を達成するために、コントローラ１２０６はこの情報を使用して電場の強さを調整することができる。緩い粉末１２１１を溶融するために、フォーカスされた電子ビーム１２０９はフォーカスされた電子ビームを走査することによって粉末レイヤ１２１１にあてることができ、ひいては、融合粉末１２２３を形成する。様々な実施形態にしたがって、レイヤの走査の間、上記で議論したパラメータのうちの１つ（または複数のパラメータ）は異なる値を取ることができる。
【0081】
図１３Ａ～Ｃは、たわみ変形を生じ得るビーム走査動作を示している。ＰＢＦ装置１３００は、粉末床１３０５内で造形片１３０３が形成される造形プレート１３０１を含む。粉末床１３０５は粉末レイヤ１３０７を含む。造形片１３０３の部分は張り出しエリア１３０９を含む。ＰＢＦ装置１３００はまたエネルギービーム源１３１３および偏向器１３１５を含む。コントローラ１３１７はメモリ（図示せず）に記憶されるパラメータに基づいてエネルギービーム源１３１３および偏向器１３１５の動作を制御することができる。
【0082】
この例において、ＰＢＦ装置１３００のパラメータは変化しない。したがって、図１３Ｂ～Ｃは一定の走査速度でエネルギービームを走査することによる粉末の融合を図示している。
【0083】
図１３Ｂは張り出しエリア１３０９内の粉末レイヤ１３０７の部分において、一定の走査速度でエネルギービーム１３１９を走査することにより粉末を融合することを図示している。走査エネルギービーム１３１９は、エネルギービームが動いていることを図示する目的で図面中２つのエネルギービームとして示されている。しかしながら、単一のエネルギービームだけが走査されることを理解すべきである。同じく本開示の他の図面が走査の動きを図示するために２つのエネルギービームを使用することに留意されたい。
【0084】
図１３Ｂに示されるように、張り出しエリア１３０９において融合した粉末材料の部分が粉末レイヤ１３０７の下部より下にたわむことがある。このたわみは、例えば溶融した粉末材料が下にある緩い粉末よりも密度が大きいという事実に起因し得る。場合によっては、高速走査速度がたわみを悪化させることがある。この場合、低速走査速度を使用して、張り出しエリアに、融合して固化するための追加的な時間を与えることにより、たわみを低減させること、または防ぐことができる。換言すると、低速走査速度を使用して、得られる造形片の品質を改善させることができる。
【0085】
図１３Ｃは張り出しエリア１３０９の外側の粉末レイヤ１３０７の部分において、走査エネルギービーム１３１９を一定の走査速度に戻すことにより、粉末を融合することを図示している。図１３Ｃに示されるように、張り出しエリアの外側の粉末レイヤの部分のために使用される走査速度はたわみを引き起こさない。この場合、低速走査速度を使用することは得られる造形片の品質を改善しないことがあり、印刷時間を増やすことになる。
【0086】
図１３Ａ～Ｃの例において、一定の走査速度での走査は設計上の選択が行われることを必要とする。一方、張り出しエリアでたわみが少なく作り出されるよう低速走査速度が使用されることがあり、ひいては張り出しエリアにおいて造形品質を改善する。しかしながら、低速走査速度は印刷時間を増やすことがあり、また造形片の他の部分の品質を改善しないことがある。一方、図面で示されるような走査速度などの高速走査速度は、張り出しエリアにおける造形品質を犠牲にして印刷時間を減らすために使用されてもよい。
【0087】
さらには、図１３Ａ～Ｃは造形片１３０３の１つのスライスだけに起こるたわみを図示している。しかしながら、いくつかの造形片において、張り出しエリアが複数個所に存在し、重なり合うレイヤが複数のレイヤの上でたわみを悪化させることがあり、造形品質をさらに下げることがある。
【0088】
例えば、図１４は複数の連続する粉末レイヤで、張り出しエリアにおいて粉末材料を融合することによって作成されたたわみ変形を示している。図１４は造形プレート１４０１および粉末床１４０３を示している。粉末床１４０３の中にあるものは造形片１４０５である。比較のために所望の造形片アウトライン１４０７が破線で図示されている。造形片１４０５は多くの場所で、すなわち変形のない場所で、所望の造形片アウトライン１４０７に重なっている。したがって、張り出し境界１４１０の右のエリアにおいて、造形片１４０５を特徴づける実線は、所望の造形片アウトライン１４０７で画定される破線と重なっている。しかしながら、たわみ変形が張り出しエリア１４０９で起こっている。この例において、張り出しエリア１４０９は互いの上部に融合した複数のスライスから形成される。この場合、張り出しエリア１４０９が造形片１４０５の塊からさらに延在するにつれ変形は次第にひどくなり得る。
【0089】
変形、高い残留応力などのいくつかの問題は、融合が直接緩い粉末の上で起こらなくても、１つのレイヤの粉末が下にあるレイヤのスライスの縁部近くで融合するエリアに起こり得ることに留意すべきである。例えば、下にあるスライスの縁部近くで粉末を融合する際、予想外に高い温度になることがあるが、それは熱を伝達して逃がすための融合した材料が下に少ないためである。下にあるスライスが鋭利な縁部を形成する場合これらの問題は特に重大なものとなり得る。
【0090】
図１５Ａ～Ｃは、エネルギービームがレイヤ内の第１の場所で第１の走査速度で走査されることができ、レイヤ内の別の場所で第１の走査速度とは異なる第２の走査速度で走査されることができる、ＰＢＦ装置１５００および方法の例示の実施形態を図示している。例えば、エネルギービームはたわみを減らすために張り出しエリアの場所で高速走査速度で走査されることができ、張り出しエリアの外側の場所で低速走査速度で走査されることができる。特に、走査速度はあるエリアにあてられるエネルギーの合計量に影響を及ぼす。例えば、高速走査速度はそのエリアにより少ない合計エネルギーをあてる一方で、低速走査速度はそのエリアにより多くの合計エネルギーをあてる。
【0091】
図１５Ａは粉末床１５０５内で造形片１５０３が形成される造形プレート１５０１を含むＰＢＦ装置１５００を示している。粉末床１５０５は粉末レイヤ１５０７を含む。造形片１５０３の部分は張り出しエリア１５０９を含む。ＰＢＦ装置１５００はまたエネルギービーム源１５１３および偏向器１５１５を含む。コントローラ１５１７は様々なパラメータの値を設定すること、およびメモリ（図示せず）にパラメータを記憶することができ、メモリに記憶されたパラメータに基づいてエネルギービーム源１５１３および偏向器１５１５の動作を制御することができる。
【0092】
図１５Ｂは張り出しエリア１５０９内の粉末レイヤ１５０７の部分において、高速走査速度で高速走査エネルギービーム１５１９により粉末を融合することを図示している。この場合、偏向電圧変化率などの走査速度パラメータを、高速走査速度に相当する値に設定することができる。このやり方で、例えば、たわみを少なく、またはたわみを無視できる程度に、張り出しエリア１５０９における粉末材料の融合が達成され得る。
【0093】
図１５Ｃは張り出しエリア１５０９外側の粉末レイヤ１５０７の部分において、低速走査速度で低速走査エネルギービーム１５２１により粉末を融合することを図示している。この場合、走査速度パラメータ、例えば偏向電圧変化率を、高速走査エネルギービーム１５１９より低速の走査速度に相当する値に設定することができる。したがって、走査速度パラメータは粉末レイヤ１５０７の走査の間変化することができる。このやり方で、例えば、外側縁部を有するエリアで粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができ、エネルギービームは外側縁部に近い場所で、外側縁部から遠い場所でのエネルギービームの走査速度より速い走査速度で走査されることができる。
【0094】
図１６はＰＢＦ装置１５００の例示の走査速度パラメータを示している。特に、図１６は、図１５Ｂ～Ｃに示したエネルギービームの走査動作の間、走査速度パラメータがどのように異なる値を取り得るかを示している。この例において、走査速度パラメータはｘ偏向電圧率パラメータ１６００である。コントローラ１５１７はｘ偏向電圧率パラメータ１６００に基づいてエネルギービームの走査速度を制御することができる。より具体的に、コントローラ１５１７はｘ偏向電圧率パラメータ１６００を使用して、エネルギービームを偏向させるために偏向板（図１２のｘ偏向板１２１５など）にかけられるｘ偏向電圧１６０１をどれくらい速く変化させるかを決定することができる。
【0095】
図１６は、図１５Ｂ～Ｃの例における走査の始まりから走査の終わりまでの、時間に対するｘ偏向電圧率パラメータ１６００のグラフを示している。この例において、走査は粉末床１５０５の左側（図面に見られるように）から始まり、右に向かい、張り出しエリア１５０９を横切って、造形片１５０３の残りの上に続く。走査の始めにおいて、ｘ偏向電圧率パラメータ１６００は低電圧率パラメータ値に設定され、ＰＢＦ装置１５００の低速走査速度に相当する。エネルギービームが張り出しエリア１５０９に達すると、ｘ偏向電圧率パラメータ１６００は高電圧率パラメータ値に変わり、それによって、図１５Ｂの高速走査エネルギービーム１５１９として示されるように、エネルギービームは高速走査速度で張り出しエリアを横切って走査される。エネルギービームが張り出しエリア１５０９の端部に達すると、ｘ偏向電圧率パラメータ１６００は低電圧率パラメータ値に戻り、それによって、図１５Ｃの低速走査エネルギービーム１５２１として示されるように、エネルギービームは低速走査速度で造形片１５０３の残りを横切って走査される。
【0096】
図１６はまた、ｘ偏向電圧が、ｘ偏向電圧率パラメータ１６００に基づいてどのように制御されるかを図示するために、ｘ偏向電圧１６０１のグラフを示している。走査の始めからエネルギービームが張り出しエリア１５０９を横切って走査し始める時間まで、ｘ偏向電圧１６０１は低電圧率パラメータ値に対応する率を上昇させる、すなわちこの期間のｘ偏向電圧のグラフ線の傾きは低電圧率に対応する。エネルギービームが張り出しエリア１５０９を横切って走査し始めると、ｘ偏向電圧のグラフ線の傾きが変わる、すなわち線の傾きは高電圧率パラメータ値に対応するように上昇する。エネルギービームが張り出しエリア１５０９を横切って走査し終えると、ｘ偏向電圧のグラフ線の傾きは低電圧率パラメータ値に対応するように減少する。様々な実施形態において、ＰＢＦ装置１５００の印刷動作に先立って、ｘ偏向電圧率パラメータ１６００の値はメモリに記憶することができる。様々な実施形態において、ｘ偏向電圧パラメータ１６００の値は印刷動作の間、例えばスライス縁部情報、たわみ検出などのフィードバック情報に基づいて、修正されることができる。
【0097】
図１７Ａ～Ｃは、印加ビーム出力パラメータの異なる値に基づいて、エネルギーを粉末材料のレイヤに第１の時間に第１の出力のエネルギービームであてることができ、また第２の時間に第２の出力のエネルギービームであてることができる、ＰＢＦ装置１７００および方法の例示の実施形態を図示している。この例において、異なるビーム出力の使用は造形片の前のレイヤで起こってしまったたわみを軽減する助けができる。
【0098】
ＰＢＦ装置１７００は、粉末床１７０５内で造形片１７０３が形成される造形プレート１７０１を含む。粉末床１７０５は所望の粉末レイヤ厚１７０９を有する粉末レイヤ１７０７を含む。粉末レイヤ１７０７の部分は、造形片１７０３のたわみ部分の上に厚みのある粉末レイヤ厚１７１１を有しており、したがって、所望の粉末レイヤ厚１７０９よりも厚い。ＰＢＦ装置１７００はまたエネルギービーム源１７１３および偏向器１７１５を含む。コントローラ１７１７によって設定され、メモリ（図示せず）に記憶されることができる、印加ビーム出力パラメータなどのパラメータに基づいて、コントローラ１７１７はエネルギービーム源１７１３および偏向器１７１５を制御することができる。この例において、印加ビーム出力パラメータは、造形片１７０３のたわみ部分の上で粉末レイヤ１７０７の増加した厚みを埋め合わせるように高い値を取ることができ、他のエリアを融合する場合は低い値を取ることができる。より具体的には、印加ビーム出力パラメータは高出力ビームに相当する値、および低出力ビームに相当する値を取ることができる。
【0099】
図１７Ｂは厚みのある粉末レイヤ厚１７１１を有する粉末レイヤ１７０７の部分において、高ビーム出力に設定された印加ビーム出力パラメータ使用して粉末を融合することを図示している。具体的に、厚みのある粉末レイヤ厚１７１１を有する粉末レイヤ１７０７の部分を融合するために、コントローラ１７１７は粉末レイヤの厚みのある部分の上を走査する際高出力エネルギービーム１７１９を達成できるよう、エネルギービーム源１７１３に高い印加ビーム出力パラメータ値に基づいてビーム出力を上昇させるよう指示する。このやり方で、例えば、粉末が完全に融合され得るように、より多くのエネルギーを厚みのある粉末レイヤ厚１７１１を有する粉末レイヤ１７０７の部分にあてることができる。
【0100】
図１７Ｃは所望の粉末レイヤ厚１７０９を有する粉末レイヤ１７０７の部分で粉末を融合することを図示している。この場合、コントローラ１７１７は低出力エネルギービーム１７２１を達成するよう、エネルギービーム源１７１３に低い印加ビーム出力値に基づいてビーム出力を下げるよう指示し、それは所望の粉末レイヤ厚１７０９を有する粉末を完全に融合するために使用されるビーム出力であることができる。
【0101】
図１８はＰＢＦ装置１７００の例示の印加ビーム出力パラメータ１８００を示している。特に、図１８は図１７Ｂ～Ｃに示されるエネルギービームによる粉末材料の融合の間、印加ビーム出力パラメータ１８００がどのように変化するかを示している。コントローラ１７１７は印加ビーム出力パラメータ１８００に基づいてエネルギービームの印加ビーム出力を制御することができる。換言すると、コントローラ１７１７は印加ビーム出力パラメータ１８００を使用して、エネルギービームがあてられている（すなわちオフではない）期間中、エネルギービーム源１７１３によって発生させられるエネルギービームの出力を決定することができる。例えば、粉末を融合すること、および／または融合せず粉末床の部分を加熱するなどの他の動作のために使用される際、低出力のエネルギービームをあてることにより融合粉末の冷却速度を制御しながらエネルギービームがあてられる、などである。
【0102】
印加ビーム出力パラメータの一例は電子ビーム源のグリッド電圧であり、例えば図１２の電子グリッド１２０１および電子グリッドモジュレータ１２０３である。この場合、例えば、コントローラは印加ビーム出力パラメータ値に基づいてグリッド電圧を制御することができる。
【0103】
図１８は、この例では走査速度が変化しないことを図示するために、ｘ偏向電圧１８０１のグラフを示している（しかしながら、様々な実施形態において、走査速度および印加ビーム出力の両方が変化することができる）。コントローラ１７１７はｘ偏向電圧を偏向板（図１２のｘ偏向板１２１５など）にかけることによりエネルギービームを走査することができる。この例において、走査は粉末床１７０５の左側（図面に見られるように）から始まり、右に向かい、厚みのある粉末レイヤ厚１７１１エリアを横切って、造形片１７０３の残りの上に続く。走査の始めから走査の終わりまで、コントローラ１７１７は一定の走査速度でエネルギービームを走査し、すなわちｘ偏向電圧の傾きは変化しない。
【0104】
図１８はまた、図１７Ｂ～Ｃの例における走査の始めから走査の終わりまでの、印加ビーム出力パラメータ１８００の時間に対するグラフを示す。走査の始まりにおいて、エネルギービームが融合されることがない粉末床１７０５のエリアの上を走査しているため、コントローラ１７１７はビーム出力をオフ（すなわちゼロ出力）にし続けることができる。この点において、エネルギービームがオフである間の期間に関連付けられる印加ビーム出力パラメータ値はないことを理解すべきである。エネルギービームが厚みのある粉末レイヤ厚１７１１エリアに達すると、すなわちこの粉末レイヤにおける粉末融合の始まりにおいて、コントローラ１７１７はメモリから印加ビーム出力パラメータ１８００の値を読み取ることができる。この例において、印加ビーム出力は高ビーム出力値であり、コントローラ１７１７は、ビームが厚みのある粉末レイヤ厚のエリアで粉末材料を融合する際エネルギービーム源１７１３を制御して高出力エネルギービームを発生させることができ、これは図１７Ｂにおいて高出力エネルギービーム１７１９として示されている。エネルギービームが厚みのある粉末レイヤ厚１７１１エリアの端部に達すると、コントローラ１７１７はメモリから印加ビーム出力パラメータ１８００の値を読み取ることができ、読み取られた印加ビーム出力パラメータ値は異なる値、すなわち低ビーム出力値である。したがって、コントローラ１７１７は、ビームが造形片１７０３の残りで粉末材料を融合する際エネルギービーム源１７１３を制御して低出力エネルギービームを発生させることができ、これは図１７Ｃにおいて低出力エネルギービーム１７２１として示されている。このやり方で、例えば、粉末レイヤ１７０７で粉末材料を融合することは、印加ビーム出力パラメータ１８００の複数の値に基づくことができ、例えば低ビーム出力および高ビーム出力がレイヤにおいて粉末材料を融合させるために使用される。換言すると、複数の非ゼロビーム出力を粉末レイヤにあてることができる。エネルギービームが造形片の端部（図示せず）に達すると、コントローラ１７１７はビーム出力をオフにすることができる。
【0105】
様々な実施形態において、ＰＢＦ装置１７００の印刷動作に先立って、印加ビーム出力パラメータ１８００の値はコントローラによって設定され、メモリに記憶することができる。様々な実施形態において、印加ビーム出力パラメータ１８００の値は印刷動作の間、例えばコントローラによって、またスライス縁部情報、たわみ検出などのフィードバック情報に基づいて、修正されることができる。
【0106】
図１６および図１８の例示の実施形態ならびに本明細書で説明される他の例示の実施形態は、スライス印刷動作の間異なる値のパラメータが順次（すなわち、次から次へと）あてられる例を図示しているが、異なる値のパラメータが順次ではなくあてられてもよいことを理解すべきである。例えば、粉末レイヤのあるエリアにおいて低印加ビーム出力を使用して造形片を融合することができ、粉末レイヤの別のエリアを走査している間エネルギービームはオフにすることができ、他のエリアではエネルギービームを高印加ビーム出力で造形片にあてることができる。
【0107】
図１９はＰＢＦ装置において可変の印刷パラメータでのスライス印刷動作の例示の方法のフローチャートである。ＰＢＦ装置はスライス印刷動作の間異なる値を取るように、１つのパラメータ（または複数のパラメータ）を設定することができる（１９０１）。換言すると、ＰＢＦ装置は、ある期間の間第１の時間に第１の値を取るように、またその期間の間第１の値とは異なる第２の値を取るように、１つのパラメータ（または複数のパラメータ）を設定することができ、ここで期間とは粉末のレイヤの堆積の始まりにおいて開始し、レイヤの融合が終わるときに終了するものである。ＰＢＦ装置はパラメータの第１のサブセットに基づいて粉末材料のレイヤを堆積させることができる（１９０２）。ＰＢＦ装置はパラメータの第２のサブセットに基づいてエネルギービームを発生させ（１９０３）、パラメータの第３のサブセットに基づいて複数の場所でレイヤを融合させるためにエネルギービームをあてることができる（１９０４）。
【0108】
図２０はＰＢＦ装置において走査速度パラメータの可変の値でのスライス印刷動作の例示の方法のフローチャートである。ＰＢＦ装置は粉末材料のレイヤを堆積させることができ（２００１）、エネルギービームを発生させることができる（２００２）。ＰＢＦ装置は粉末レイヤにおいて第１の場所で第１の走査速度でビームを走査することによってエネルギービームをあてることができる（２００３）。ＰＢＦ装置は粉末レイヤにおいて第２の場所で第２の走査速度でビームを走査することによってエネルギービームをあてることができる（２００４）。
【0109】
図２１はＰＢＦ装置において印加ビーム出力パラメータの可変の値でのスライス印刷動作の例示の方法のフローチャートである。ＰＢＦ装置は粉末材料のレイヤを堆積させることができる（２１０１）。ＰＢＦ装置は第１の出力でエネルギービームを発生させ（２１０２）、第１の時間に第１の出力でエネルギービームをあてることができる（２１０３）。ＰＢＦ装置は第２の出力でエネルギービームを発生させ（２１０４）、第２の時間に第２の出力でエネルギービームをあてることができる（２１０５）。
【0110】
様々な実施形態は本明細書で説明される例示の実施形態の組み合わせを含むことができることが了解されるべきである。例えば、粉末レイヤは複数の材料で堆積させ、次いで異なる走査速度および／または印加ビーム出力を使用して融合させることができる、などである。
【0111】
前述の説明はあらゆる当業者が本明細書で説明される様々な態様を実践できるようにするために提供される。本開示を通して提示されるこれらの例示の実施形態に対する様々な修正は、当業者にとって容易に明らかになるであろう。したがって、特許請求の範囲は本開示を通して提示されるこれらの例示の実施形態に限定されるよう意図されていないが、文言通りの特許請求の範囲と一貫する完全な範囲に与えられるものである。既知の、または後に当業者に知られることになる、本開示を通して説明されるこれらの例示の実施形態の要素に対するすべての構造的な、および機能的な等価物は、特許請求の範囲によって包含されるよう意図されている。さらに、本明細書で開示されているものは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に述べられているかどうかに関わらず、公共に捧げられることを意図されていない。要素が語句「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」を使用して明示的に述べられない限り、または方法クレームの場合、要素が語句「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」を使用して述べられない限り、クレーム要素は、米国特許法第１１２条（ｆ）の既定、または該当する管轄権にある類似の法の下で解釈されない。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【外国語明細書】