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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-04
(45)【発行日】2022-03-14
(54)【発明の名称】３Ｄプリンタ
(51)【国際特許分類】
B29C 64/165 20170101AFI20220307BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20220307BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20220307BHJP
B29C 64/209 20170101ALI20220307BHJP
B29C 64/40 20170101ALI20220307BHJP
B22F 10/14 20210101ALI20220307BHJP
B22F 10/40 20210101ALI20220307BHJP
【ＦＩ】
B29C64/165
B33Y10/00
B33Y30/00
B29C64/209
B29C64/40
B22F10/14
B22F10/40
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2019511434
(86)(22)【出願日】2017-09-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-10-17
(86)【国際出願番号】 US2017052593
(87)【国際公開番号】W WO2018057670
(87)【国際公開日】2018-03-29
【審査請求日】2020-09-10
(31)【優先権主張番号】62/397,549
(32)【優先日】2016-09-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】519059100
【氏名又は名称】セルゲイ・シンゴフ
(74)【代理人】
【識別番号】100103171
【弁理士】
【氏名又は名称】雨貝 正彦
(72)【発明者】
【氏名】セルゲイ・シンゴフ
【審査官】▲高▼村 憲司
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１２／００７３０９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－０６０１６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２４１８３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１００１０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０６７１３８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０
Ｂ２２Ｆ １０／００ － １２／９０
Ｂ２８Ｂ １／００ － １／５４
Ｂ２８Ｂ １１／００ － １９／００
Ｂ３３Ｙ １０／００ － ９９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
３次元の目標形状を有する物体を形成するための方法であって、ａ）造形用粉末、支持用粉末、および結合剤を用意することと、
ｂ）造形用粉末の３次元形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層に、前記造形用粉末および前記支持用粉末を分注することと、
ｃ）一連の層に前記造形用粉末と前記支持用粉末を分注した後に、少なくとも前記造形用粉末に前記結合剤を用い、それにより造形用粉末および結合剤で作られた前記物体を形成することであって、前記造形用粉末は、前記結合剤により、前記支持用粉末よりも強固に結合可能であり、前記造形用粉末と前記支持用粉末は前記結合剤を用いる前に結合していないことと、
ｄ）前記支持用粉末から前記物体を分離することと、
を含む、方法。
【請求項2】
前記造形用粉末および前記支持用粉末は、注出可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記結合剤は液体であり、前記造形用粉末は前記結合剤によって濡らすことが可能であり、前記支持用粉末は前記結合剤によって濡らすことが不可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記造形用粉末および前記支持用粉末は、前記結合剤が用いられたときに、固体粒子のままである、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記結合剤の結合特性を活性化させるために、前記結合剤が加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記造形用粉末が金属粉末であり、前記結合剤が溶融金属である、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記造形用粉末が金属粉末であり、前記結合剤が金属であり、前記結合剤が固体粒子の形態で用いられ、次いで、前記結合剤を溶融する温度まで加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記造形用粉末が鉄粉末であり、前記支持用粉末が二酸化ケイ素粉末であり、前記結合剤が溶融鉄－炭素合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記造形用粉末が銅であり、前記支持用粉末が二酸化ケイ素粉末であり、前記結合剤が溶融銅－銀合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記造形用粉末がセメント粉末であり、前記支持用粉末が二酸化ケイ素粉末であり、前記結合剤が水である、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
３次元の目標形状を有する物体を形成するための方法であって、
ａ）造形用粉末、支持用粉末、および結合剤を用意することであって、前記造形用粉末は、前記結合剤により、前記支持用粉末よりも強固に結合可能であることと、
ｂ）造形用粉末の３次元形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層に、前記造形用粉末および前記支持用粉末を分注することと、
ｃ）前記造形用粉末に前記結合剤を用い、それにより造形用粉末および結合剤で作られた前記物体を形成することと、
ｄ）前記支持用粉末から前記物体を分離することと、
を含む、方法であり、
前記結合剤はエポキシであり、前記造形用粉末は前記エポキシによって濡らすことが可能なポリマーであり、前記支持用粉末は前記エポキシによって濡らすことが不可能なポリマーである、方法。
【請求項12】
３次元の目標形状を有する物体を形成するための方法であって、
ａ）造形用粉末、支持用粉末、および結合剤を用意することであって、前記造形用粉末は、前記結合剤により、前記支持用粉末よりも強固に結合可能であることと、
ｂ）造形用粉末の３次元形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層に、前記造形用粉末および前記支持用粉末を分注することと、
ｃ）前記造形用粉末に前記結合剤を用い、それにより造形用粉末および結合剤で作られた前記物体を形成することと、
ｄ）前記支持用粉末から前記物体を分離することと、
を含む、方法であり、
前記結合剤が接着剤であり、前記造形用粉末は前記接着剤によって濡らすことが可能なポリマーであり、前記支持用粉末は前記接着剤によって濡らすことが不可能なポリマーである、方法。
【請求項13】
３次元の目標形状を有する物体を形成するための方法であって、
ａ）造形用粉末、支持用粉末、および結合剤を用意することであって、前記造形用粉末は、前記結合剤により、前記支持用粉末よりも強固に結合可能であることと、
ｂ）造形用粉末の３次元形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層に、前記造形用粉末および前記支持用粉末を分注することと、
ｃ）前記造形用粉末に前記結合剤を用い、それにより造形用粉末および結合剤で作られた前記物体を形成することと、
ｄ）前記支持用粉末から前記物体を分離することと、
を含む、方法であり、
前記造形用粉末が第１のガラス転移温度を有し、前記支持用粉末が前記第１のガラス転移温度よりも高い第２のガラス転移温度を有し、前記結合剤が前記第１のガラス転移温度
よりも高いが前記第２のガラス転移温度よりも低い温度まで加熱することによって用意される、方法。
【請求項14】
異なる色の２種以上の造形用粉末をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
３次元の物理的物体を作るための装置であって、
（ａ）フレームと、
（ｂ）容器と、
（ｃ）造形用粉末で少なくとも部分的に満たされる造形用粉末注出器、および支持用粉末で少なくとも部分的に満たされる支持用粉末注出器であって、それぞれが、分注開口部、および前記分注開口部を制御可能に覆う分注栓を有する、造形用粉末注出器および支持用粉末注出器と、
（ｄ）前記容器の上で前記フレームによって支持され、移動要素を含む、注出器移動および分注栓作動アセンブリであって、前記移動要素が、前記造形用粉末注出器および前記支持用粉末注出器に選択的に交互に取付け可能であり、取り付けられた抽出器を３つの直交する次元において制御可能に移動させること、および、前記分注栓を制御することが可能である、注出器移動および分注栓作動アセンブリと、
（ｅ）目標３次元形状を受信するための入力部を含み、前記注出器移動および分注栓作動アセンブリを制御して、前記注出器を移動させ、前記栓を選択的に開き、それにより粉末を前記容器内に注ぎ込ませ、および、それにより、造形用粉末の前記目標形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層を前記容器内に作り出す、演算アセンブリと、
を備える、装置であり、
第１の補充タンク、および少なくとも１つの第２の補充タンクをさらに含み、前記第１および第２の補充タンクが、それぞれ、注出器がドッキングされ得る対応するドッキング・ステーションを有し、前記注出器が前記補充タンクから物理的に支持され、前記補充タンクから粉末を受け取り、前記第１の補充タンクが造形用粉末を収容し、前記第２の補充タンクが支持用粉末を収容する、装置。
【請求項16】
３次元の物理的物体を作るための装置であって、
（ａ）フレームと、
（ｂ）容器と、
（ｃ）造形用粉末で少なくとも部分的に満たされる造形用粉末注出器、および支持用粉末で少なくとも部分的に満たされる支持用粉末注出器であって、それぞれが、分注開口部、および前記分注開口部を制御可能に覆う分注栓を有する、造形用粉末注出器および支持用粉末注出器と、
（ｄ）前記容器の上で前記フレームによって支持され、移動要素を含む、注出器移動および分注栓作動アセンブリであって、前記移動要素が、前記造形用粉末注出器および前記支持用粉末注出器に選択的に交互に取付け可能であり、取り付けられた抽出器を３つの直交する次元において制御可能に移動させること、および、前記分注栓を制御することが可能である、注出器移動および分注栓作動アセンブリと、
（ｅ）目標３次元形状を受信するための入力部を含み、前記注出器移動および分注栓作動アセンブリを制御して、前記注出器を移動させ、前記栓を選択的に開き、それにより粉末を前記容器内に注ぎ込ませ、および、それにより、造形用粉末の前記目標形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層を前記容器内に作り出す、演算アセンブリと、
を備える、装置であり、
少なくとも２つの注出器を備え、第１の注出器が第１のサイズとされた開口部を有する微細注出器であり、第２の注出器が前記第１の開口部よりも大きい第２のサイズとされた開口部を有する高速注出器である、装置。
【請求項17】
前記第２のサイズとされた開口部よりも大きい第３のサイズの開口部を有する第３の注出器をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項18】
前記第１および第２の注出器が造形用粉末で満たされる、請求項１６に記載の装置。
【請求項19】
各注出器のための補充タンクを含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項20】
３次元の物理的物体を作るための装置であって、
（ａ）フレームと、
（ｂ）容器と、
（ｃ）造形用粉末で少なくとも部分的に満たされる造形用粉末注出器、および支持用粉末で少なくとも部分的に満たされる支持用粉末注出器であって、それぞれが、分注開口部、および前記分注開口部を制御可能に覆う分注栓を有する、造形用粉末注出器および支持用粉末注出器と、
（ｄ）前記容器の上で前記フレームによって支持され、移動要素を含む、注出器移動および分注栓作動アセンブリであって、前記移動要素が、前記造形用粉末注出器および前記支持用粉末注出器に選択的に交互に取付け可能であり、取り付けられた抽出器を３つの直交する次元において制御可能に移動させること、および、前記分注栓を制御することが可能である、注出器移動および分注栓作動アセンブリと、
（ｅ）目標３次元形状を受信するための入力部を含み、前記注出器移動および分注栓作動アセンブリを制御して、前記注出器を移動させ、前記栓を選択的に開き、それにより粉末を前記容器内に注ぎ込ませ、および、それにより、造形用粉末の前記目標形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層を前記容器内に作り出す、演算アセンブリと、
を備える、装置であり、
前記注出器が、それぞれ、プラグ・ロッドを含み、前記注出器移動および分注栓作動アセンブリが、前記プラグ・ロッドを垂直に移動させて前記開口部を開閉するプラグ・ロッド作動装置を含む、装置。
【請求項21】
前記プラグ・ロッド作動装置が、前記プラグ・ロッドを周期的に回転させて、前記注出器の内容物の攪拌も行う、請求項２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、物体の製造のための３Ｄプリンタの技術分野におけるものである。
【背景技術】
【0002】
３次元（３Ｄ）印刷法が現在存在する。例えば、特許文献１、２などの手法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１００１０号明細書
【文献】米国特許出願公開第２００２／０１４５２１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、従来の技術のほとんどは、使用するのに費用がかかり、特定のプリンタで使用することができる材料の範囲は、通常、かなり限られる。これは、特に３Ｄ印刷法を通じて金属部品を作り出すことを望む者にとっては、厄介なことである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
第１の独立した態様では、本発明は、造形用粉末、支持用粉末、および結合剤を利用する、３次元の目標形状を有する物体を形成するための方法の形態を取り得る。造形用粉末は、結合剤により、支持用粉末よりも強固に結合される。造形用粉末および支持用粉末は、造形用粉末の３次元形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層に分注され、結合剤は、造形用粉末および支持用粉末の層に用いられて硬化させることができ、それにより、造形用粉末および結合剤から成る物体が形成される。最後に、支持用粉末が、形成された物体から除去される。
【0006】
第２の独立した態様では、本発明は、フレームとパンとを含む、３次元の物理的物体を作るための装置の形態を取り得る。造形用粉末注出器が、造形用粉末で少なくとも部分的に満たされ、支持用粉末注出器が、支持用粉末で少なくとも部分的に満たされ、注出器のそれぞれは、分注開口部と、分注開口部を制御可能に覆う分注栓とを有する。注出器移動および分注栓作動アセンブリが、パンの上でフレームによって支持され、移動要素を含み、この移動要素は、造形用粉末注出器および支持用粉末注出器に選択的に交互に取付け可能であり、取り付けられた注出器を３つの直交する次元において制御可能に移動させること、および、分注栓を制御することが可能である。目標３次元形状を受信するための入力部を含むコンピュータアセンブリが、注出器を移動させ、栓を選択的に開き、それにより粉末をパンに注ぎ込むように、および、それにより、造形用粉末の目標形状を集合的に形成する、支持用粉末でパターン化された造形用粉末の一連の層をパン内に作り出すように、注出器移動および分注栓作動アセンブリを制御する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1.1】３つの異なる角度から見た、本発明の１つの実施形態による３Ｄプリンタの斜視図である。
【図1.2】３つの異なる角度から見た、本発明の１つの実施形態による３Ｄプリンタの斜視図である。
【図1.3】３つの異なる角度から見た、本発明の１つの実施形態による３Ｄプリンタの斜視図である。
【図8A】窯内に配置される前の、充填されて覆われるプロセスにおけるパンを示す図である。
【図8B】窯内に配置される前の、充填されて覆われるプロセスにおけるパンを示す図である。
【図8C】窯内に配置される前の、充填されて覆われるプロセスにおけるパンを示す図である。
【図8D】窯内に配置される前の、充填されて覆われるプロセスにおけるパンを示す図である。
【図9A】３Ｄプリンタの代替実施形態の前面－上面－側面等角図である。
【図13A】９Ａのプリンタの一部分を形成する注出器の上からの等角図である。
【図14A】９Ａのプリンタの一部分を形成する注出器の代替実施形態の上からの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
定義：本出願において使用される「金属」という用語は、金属合金を含む。
【0009】
ここで、本発明の原理の理解を促進する目的のために、図面に示された実施形態に言及し、それらを説明するために特定の用語が使用される。しかしながら、これによって本発明の範囲を限定する意図はないことを理解されたい。説明される実施形態におけるいかなる変更およびさらなる修正、ならびに本明細書において説明されるような本発明の原理のいかなるさらなる適用も、本発明が関連する当業者には通常思い浮かぶものと考えられる。
【0010】
注記：Ｎ．１～Ｎ．４（Ｎは整数）と符号付けされた一組の同様の要素があって、それらのうちの任意の１つが、例えばＮと符号付けされる場合、Ｎ．１～Ｎ．４のうちのどれが言及されているかは問わない。例えば、注出器１０．１～１０．４のうちの任意の１つが言及される場合、その注出器は「１０」によって参照される。
【0011】
図１．１、図１．２、および図１．３は、３Ｄプリンタを様々な角度から示す。３Ｄプリンタ８は、パン４（容器とも呼ばれる）と、それぞれがドッキング・ステーション３０．１～３０．４に対応する注出器１０．１～１０．４の組とで主に構成され、注出器１０は、関連する補充タンク１１によって補充され得る。また、剛体フレーム３が、ドッキング・ステーション３０．１～３０．４および注出器移動アセンブリ１１６（図１０Ａ）を支持する。アセンブリ１１６は、フォークアセンブリ５（「移動要素」と呼ばれる場合もある）を含み、このフォークアセンブリ５は、選択された注出器１０に取り付き、注出器１０をドッキング・ステーション３０から取り外し、フォークアセンブリ５が注出器１０を作動させるときのパターンに沿って注出器１０を移動させて、粉末を（以下で論じられる注出器プラグ・ロッド１９により）選択的に分注する。注出器１０は、アセンブリ５上に存在するとき、フォーク６の上に載る。したがって、注出器移動アセンブリ１１６は、注出器移動および分注栓作動アセンブリ１１６とも呼ばれ得る。
【0012】
３Ｄプリンタは、造形用粉末および支持用粉末を使用して、パン４内で３Ｄ物体を１層ずつ造形する。各層は、造形用粉末で満たされた１つまたは複数の領域から成るが、その層内のパン領域の残りの部分は、支持用粉末で満たされる。１つの実施形態では、注出プロセスの速度を向上させるために、ある領域の一部分が、層の注出中に飛ばして進められて、後でその上に層を注出するときに充填され得る。全ての層が注出された後、造形用粉末は、結合剤によって結合されて、結果として３Ｄ物体になり、次いで支持用粉末から分離される。
【0013】
粉末は、以下の要求事項が満たされるのであれば、任意の適切な材料から作られ得る：
１．造形用粉末および支持用粉末は、注出可能であるか、または、少なくとも適切な機構により所望のパターンに配置可能である。
２．造形用粉末は、結合剤により強固に結合可能である。
３．支持用粉末は、結合剤により、造形用粉末が結合可能であるのよりもはるかに弱く結合可能である。
４．造形用粉末および支持用粉末は、形状の歪みを防ぐために、プロセス中は主に固体粒子の形態のままである。
１．造形用粉末および支持用粉末は、注出可能であるか、または、少なくとも適切な機構により所望のパターンに配置可能である。
２．造形用粉末は、結合剤により強固に結合可能である。
３．支持用粉末は、結合剤により、造形用粉末が結合可能であるのよりもはるかに弱く結合可能である。
４．造形用粉末および支持用粉末は、形状の歪みを防ぐために、プロセス中は主に固体粒子の形態のままである。
【0014】
上記の要求事項を支援するために周囲ガスが適切に選択されることも、重要である。例えば、結合剤による造形用粉末の結合性に酸化が悪影響を及ぼす場合、周囲ガスは、酸化を防ぐように選択されるべきである。例えば、いくつかの実施形態では、周囲ガスは、アルゴンである。これらの実施形態では、機構は、気密チャンバ内に閉じ込められる。代替実施形態では、コークスの形態の炭素などの、酸素と結合する物質が、パン４が加熱される前にパン４に入れられる。
【0015】
好ましい実施形態では、鉄粉末が、造形用粉末として使用され、二酸化ケイ素粉末が、支持用粉末として使用され、炭素含有量の多い溶融鉄－炭素合金が、結合剤として使用される。様々な炭素含有量の鉄－炭素合金が使用され得るが、４．３％の炭素含有量が、最も低い溶融温度－摂氏約１１４７度－を有するという利点を有する。この合金は、一般に「銑鉄」として入手可能であり、本明細書では、これ以降単純に「銑」と呼ぶ。この実施形態では、粉末は、露出した造形用粉末を最上層が有するように、注出される。
【0016】
鉄粉末およびＳｉＯ2粉末の３Ｄパターンが作り出された後、造形用粉末の形状を変形させるのを避ける方法で、貫通孔を有する分離器１１０が、粉末の上方に配置され、銑片、およびコークスなどの炭素片が、分離器上に配置される。銑は、ＳｉＯ2粉末が溶融銑の流れを阻止するのを避けるように、露出した造形用粉末の表面の上方に位置するべき分離器１１０の穴を覆うべきである。次いで、パン４は、残りの部分をＳｉＯ2粉末（いくつかの方法では、砂）で満たされる。炭素片は、加熱されたときに酸素を一酸化炭素に変換して鉄の酸化を防ぐために必要とされる。パン４は、蓋で閉じられ、窯へ移されて、加熱される。窯温度は、銑の溶融温度を上回るが鉄粉末の溶融温度を下回るように選択される。温度が十分に高くなると、銑は溶融して、毛管作用により鉄粉末に染み込むが、銑は、溶融鉄による濡れに耐性を有する二酸化ケイ素粉末には染み込まない。パンは、保持時間と呼ばれる特定の時間にわたってその温度に保持される。保持時間中、溶融銑の炭素原子は、鉄粉末の粒子中に拡散し、したがって、炭素含有量を均一にする。保持時間が長いほど、拡散はより良好になる。パンが冷却された後、プリントされた物体は、支持用粉末から分離され、銑の残りが切り離される。プリントされる物体は、溶融銑がパッドおよびネックを通じて物体に染み込んで、物体をパッドおよび銑の残りから分離するネックを切断または破壊することをより容易にするように、頂部に位置する追加的な細いネックと、その上方の平坦なパッドを有するように設計されることが好ましい。結果として得られるプリントされた物体の材質は、炭素鋼である。所望の特性および寸法を達成するために、さらなる後処理および熱処理が使用され得る。
【0017】
別の実施形態では、造形用粉末は、銅粉末であり、支持用粉末は、二酸化ケイ素であり、結合剤は、銅－銀合金である。
【0018】
さらなる実施形態では、結合剤として溶融物質を使用する代わりに、化学プロセスが使用されて、造形用粉末の粒子を結合させる。
【0019】
１つの実施形態では、造形用粉末は、セメントであり、支持用粉末は、二酸化ケイ素であり、結合剤は、セメントに染み込んで結合を生じさせる水である。
【0020】
別の実施形態では、結合剤としてエポキシが使用される。造形用粉末は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、ナイロン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ（メチル・メタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリエーテル・スルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニレン・オキシド（ＰＰＯ）、またはポリフェニレン・スルフィド（ＰＰＳ）などのポリマーであり、支持用粉末は、同じリストからの別のポリマーである。支持用粉末に使用されるポリマーは、エポキシによって濡らすことが不可能であり、造形用粉末に使用されるポリマーは、エポキシによって濡らすことが可能である。
【0021】
別の実施形態では、エポキシの代わりに接着剤が結合剤として使用される。接着剤は、化学的なものまたは熱的なもののどちらであってもよい。
【0022】
別の実施形態では、造形用粉末の粒子を結合させるために熱が使用される。造形用粉末は、支持用粉末のガラス転移温度よりも低いガラス転移温度を有するように選択される。結合に使用される温度は、物体を破壊することなく支持部を物体から分離することができるように、造形用粉末のガラス転移温度を上回りかつ造形用粉末粒子同士を強固に結合させるのに十分であるが支持用粉末粒子を強固に結合させるほどには十分に高くないように、選択される。選択される温度は、形状の歪みを防ぐために、２種の粉末のどちらかの融点を下回るべきである。
【0023】
別の実施形態では、色彩に富んだ物体を作り出すために、異なる色の複数の造形用粉末が使用される。
【0024】
再度図１．１、図１．２、および図１．３を参照すると、注出器移動アセンブリ１１６は、ステッパ・モータ１．Ｘ、１．Ｙ、１．Ｚを含み、これらのステッパ・モータは、それぞれ、送りねじ２．Ｘ、２．Ｙ、２．Ｚを回転させて、注出器１０を保持しているフォークアセンブリ５をＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿って３次元で移動させる。
【0025】
図２．１、図２．２、および図２．３は、フォークアセンブリ５の詳細を示す。フォークアセンブリ５は、フォークアセンブリ５に接触する部分という点で同一である４つの注出器１０のうちの任意の１つを保持することができる。
【0026】
【0027】
【0028】
次に図２．１から図２．３を参照すると、フォークアセンブリ５は、送りねじ２．Ｐを回転させて注出器制御キャリッジ１５を垂直に移動させる、注出栓作動用ステッパ・モータ１．Ｐを有する。この論述のためにフォークアセンブリ５と係合される注出器１０の頂部を示す３．１を次に参照すると、キャリッジ１５は、下方に移動するときに、ばね１７（図２．３）を介してシーソー１６を押して傾けさせる。シーソー１６は、傾くときに玉軸受１８を押し上げ、それにより注出器プラグ・ロッド１９（図３．４）を持ち上げ、その結果、ロッド１９の端部は注出器穴２０に栓をしなくなり、したがって、粉末が穴２０から流れることが可能になる。プラグ・ロッド１９の端部は注出器穴２０に栓をするので、この端部は「栓」と呼ばれる場合もある。
【0029】
フォークアセンブリ５はまた、クロー２１を回転させるプラグ・ロッド回転用ステッパ・モータ１．Ｓを含む。キャリッジ１５が下降されると、クロー２１が、ノブ２２（図３．１）と係合してそれを回転させる。図３．５を参照すると、ノブ２２は、心棒２３および連結器２４を介して注出器プラグ・ロッド１９に接続される。心棒２３は、ブリッジ２６の内側で別の２つの玉軸受（図示せず）により水平方向に保持されるが、自由に回転することおよび垂直方向に摺動することができる。ばね２５が、プラグ・ロッド１９の閉じる力を増大する。
【0030】
図５．１および図５．２は、プラグ・ロッド１９がわずかに曲がっていることを示し、そのため、棒が上に移動するときに、棒の下端部もまた横方向に移動し、それにより、ロッド１９が回転するときに粉末を攪拌し、したがって流量および粘稠性が高められる。ロッド１９はまた、可撓性であり、そのため、底面の傾斜に沿って下方に移動するときに、その先端を注出器の中心へ、および穴２０内へとスライドするように案内して、開口部を封止する。
【0031】
１つの実施形態では、４つの注出器、すなわち、支持用粉末のための２つの注出器と、造形用粉末のための２つの注出器とが存在する。各タイプの粉末のための２つの注出器のうち、１つの注出器は、より高い解像度の注出ためのより小さい穴２０を有し、１つの注出器は、より高速の注出のためのより大きい穴２０を有する。
【0032】
図６．１、図６．２、図７．１、および図７．２は、注出器補充機構を示す。各注出器１０．１～１０．４は、それ自体の補充タンク１１．１～１１．４それぞれから補充される。補充タンク１１．１～１１．４は、パイプ１２によりインジェクタ・チャンバ１３に接続される。図７．２に詳細に示されるように、インジェクタ・チャンバは、底部に穴３５を有し、この穴３５は、補充開口部として機能し、補充栓として機能する栓１４によって閉じられる。歯車付きステッパ・モータ３１が、ケーブル３２の巻取りおよび繰出しを行い、それによりヒンジ３３上で補充アセンブリを傾けさせる。補充アセンブリが傾けられるときに、インジェクタ・チャンバが垂直に移動する。注出器１０．１～１０．４がそのドッキング・ステーション３０．１～３０．４に係合され、インジェクタ・チャンバが下降されるときに、注出器の棒３４が、インジェクタプラグ・ロッド１４を押し上げ、それにより穴３５を開いて、粉末が補充タンクから注出器に流入することを可能にする。インジェクタ・チャンバが持ち上げられるとき、または注出器１０．１～１０．４が存在しないときに、棒１４は下方に移動して、穴３５を閉じる。
【0033】
図１７Ａを参照すると、プリント処理が始まる前に、ステレオリソグラフィ（ＳＴＬ）ファイル１６２がコンピュータ１６０にロードされ、このコンピュータ１６０は、スライサ・プログラムと一般に呼ばれる、一時的でないコンピュータ可読記憶装置からロードされるコンピュータ・プログラムを実行し、このコンピュータ・プログラムは、ＳＴＬファイルを、制御盤１６１によって理解され得る動作コマンドの一形態であるＧ－コードに変換する。制御盤１６１は、プリント処理を通してモータ１．ｘ、１．ｙ、１．ｚ、１．ｐ、および１５１を制御する信号一式を作り出す。このプロセスの開始時に、フォークアセンブリ５は、ドッキング・ステーション３０から所望の注出器１０を取り出して、その注出器１０をパン４の上方の所望の場所に位置決めする。ステッパ・モータ１．Ｐは、（上記で説明されたような）貫通孔２０を開いて、粉末がパンに流入するのを可能にする。粉末が貫通孔２０から注出されるときに、ステッパ・モータ１．Ｘおよび１．Ｙは、フォークアセンブリ５をＸおよびＹパターンで移動させて造形用粉末または支持用粉末のどちらかの所望のパターンを作り出すように、制御盤１６１によって制御される。次いで、ステッパ・モータ１．Ｐは、穴２０を閉じ、粉末の流れを止めて、注出器を補充ドッキング・ステーション３０に戻す。次いで、フォークアセンブリ５は、所望の通りにパンが満たされるまで、異なる注出器１０を取り出したりする。
【0034】
図９Ａから図１６Ｂは、プリンタ８の実施形態に対する代替実施形態１０８を示す。実施形態１０８は、ドッキング・ステーション３０およびフォークアセンブリ５との著しい違いをいくつか有する、ドッキング・ステーション１４０およびフォークアセンブリ１０５を含む。全体的に見ると、ドッキング・ステーション１４０は、モータを含まない。むしろ、補充動作は、以下でさらに説明されるように、フォークアセンブリの一連の運動によって行われる。また、フォークアセンブリ１０５は、ステッパ・モータ１．ｐではなくＤＣモータ１５１を使用して、注出器プラグ・ロッド１９を上げ下げする。もう１つの違いとして、プリンタ１０８は、窯基部１３１の上に配置され得るように、長さ調節可能な脚１３０を備える。１つの使用方法では、パン４およびその内容物が所定の位置で加熱され得るように、プリンタ１０８は、造形用および支持用の粉末を配置した後、持ち上げられて離され、窯の残りの部分が窯基部１３１に載せられて、窯を完成させる。
【0035】
初めに図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１６Ａを参照すると、各ドッキング・ステーション１４０は、粉末注出口１４３に通じる粉末通路１４２を画定する。ステーション１４０は、支持ボール１６３（１つだけ示されている）をさらに含む。さらに、ロッカ・アーム１４１が、ステーション１４０にヒンジ留めされ、１対の歯１４５、および栓１４６を有する。ばねが、ロッカ・アーム１４１を粉末の流れを遮断する位置に動かし、この位置では、栓１４６は、通路１４２と注出口１４３との間に介在する。注出器１０がドッキングされる予定であることをコンピュータ１６０が判定すると、コンピュータ１６０は、注出器１０の頂部の一部分が歯１４５の直下に位置する位置へ注出器１０を移動させ、次いで注出器１０を押し上げて歯１４５を持ち上げ、それによりロッカ・アーム１４１を粉末分注位置へ移動させるように、モータ１．ｘ、１．ｙ、および１．ｚに命令し、粉末分注位置では、栓１４６が注出口１４３の頂部から持ち上げられる。次いで、注出器は、注出器１０の縁１４８が支持球１６３の上に載り、歯１４５が注出器１０の上面に接触するように、さらに移動されてドッキング・ステーション１４０に接触し、それにより、歯は、注出口１４３を塞がない位置に位置決めされた栓１４６を維持する、上昇位置に維持される。最後に、注出器１０がフォークアセンブリ１０５の上には載っていないときに、フォークアセンブリ１０５を下降させて注出器１０から離れさせることにより注出器１０がフォークアセンブリ１０５によって解放されるときに、注出器１０を保持するために縁１４８の底面にある１対のくぼみ１７０（図１３Ｃ）は１対の支持球１６３（図１５Ａ）に係合される。この設計は、４つの電気モータを際立たせ、費用、複雑さ、および潜在的な維持費を減少させるという利点を有する。
【0036】
図１２Ａを参照すると、ヒンジ１４９においてフォークアセンブリ１０５にヒンジ留めされた作動アーム１５０が、下方に延在する押板１５６を含む。アーム１５０が下降されると、押板１５６は注出器ロッカ・アーム１６（図１３Ａ）を押し下げ、注出器ロッカ・アーム１６は玉軸受１８を持ち上げ、玉軸受１８は注出器プラグ・ロッド１９を持ち上げて、粉末が流れ出ることを可能にする。アーム１５０がその上昇位置に戻るときに、注出器プラグ・ロッド１９は、ばね２５により下方に動かされて、粉末の流れを止め、ヒンジ留めされたアーム１６、および玉軸受１８もまた、非分注位置に戻る。図１３Ａ～図１３Ｃに示された注出器１０と図１４Ａ～図１４Ｃに示された注出器１０との間には、いくつかの違いがある。図１３Ａ～図１３Ｃに示された穴２０は、より微細な粉末の線を配置するために、より小さい。プリンタ８の場合と同様に、注出器１０がフォークアセンブリ１０５上に位置するとき、注出器１０はフォーク１０６の上に載る。
【0037】
上記のアーム１５０の運動は、ＤＣモータ１５１（図１２Ｂ）によってもたらされ、このＤＣモータ１５１は、スプール１５４を回転させて、プーリ１５７に係合され、スイッチ１５２に係止された鋼ケーブル１５５を引っ張るかまたは緩める。アーム１５０がその下降位置にある状態から始まり、押板１５６は、スイッチ１５２をそのケーブル弛み位置に配置したケーブル１５５にわずかな張力が存在するように、ロッカ・アーム１６の上に載る。粉末の分注を止めることが求められた場合、ＤＣモータ１５１は、スプール１５４を回転させてケーブル１５５を巻き取り、それにより、スイッチ１５２をそのケーブル緊張位置（動作に影響を及ぼさない移行）に切り替えさせ、ケーブルをプーリ１５７上で引き寄せて、それにより、アーム１５０を引っ張り上げ、アーム１５０は、アーム１５０の経路に沿って配置された処理を止める信号を作り出す別のスイッチ（図示せず）に接触するまで、上昇し続ける。ＤＣモータ１５１は、内部の歯車アセンブリの摩擦により、その位置を維持し、アーム１５０は、アーム１５０を移動させて粉末を分注するときがくるまで、同じ位置に留まる。この動作が求められると、ＤＣモータ１５１は、ケーブル１５５を繰り出して、板１５６がアーム１６の上に載るまでアーム１５０を下降させるように、スプール１５４を回転させる。この時点において、ケーブル１５５は、スイッチ１５２がケーブル弛み位置に移行するように十分に弛み、これは、コンピュータ１６０によって認識されるか、または代替実施形態では制御盤１６１だけによって認識されて、処理が止められ、ＤＣモータは所定の位置で再度停止される。
【0038】
フォークアセンブリ１０５は、部分的に囲まれた空間１８８を通って延在する垂直のチューブ１８６（図１０Ｂ）に支えられて垂直に移動し、上部玉軸受１８２の対および下部玉軸受１８４の対が、移動を円滑にする。垂直のチューブ１８６は、キャリッジ１９０に支えられて移動し、このキャリッジ１９０は、チューブ１９２上で左右に移動され、チューブ１９４（図１０Ｂ）上で前後に移動される。チューブ１９２および１９４は、キャリッジ１９０の、したがって同じくチューブ１８６上で移動するフォークアセンブリの移動のための、軽量であるがしっかりとした骨組を提供する。他に記したように、この運動は、モータ１．Ｘ、１．Ｙ、および１．Ｚを原動力とする。
【0039】
実施例１：
１つの実施例では、高炭素鋼の３Ｄ印刷された物体を作り出すために、以下のパラメータが使用された。
１つの実施例では、高炭素鋼の３Ｄ印刷された物体を作り出すために、以下のパラメータが使用された。
【0040】
造形用粉末：ＩＲＯＮ１００
ＩＲＯＮ１００に関する仕様および発注情報は、インターネット上のｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｒｏｎ－ｐｏｗｄｅｒ．ｃｏｍ／ｗｐ－ｃｏｎｔｅｎｔ／ｕｐｌｏａｄｓ／２０１４／０３／ＩＲＯＮ１００＿Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．ｐｄｆで見つけることができる。
ＩＲＯＮ１００に関する仕様および発注情報は、インターネット上のｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｒｏｎ－ｐｏｗｄｅｒ．ｃｏｍ／ｗｐ－ｃｏｎｔｅｎｔ／ｕｐｌｏａｄｓ／２０１４／０３／ＩＲＯＮ１００＿Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．ｐｄｆで見つけることができる。
【0041】
以下は、ＩＲＯＮ１００に関するいくつかの情報である：
化学分析（重量による）
Ｆｅ ９９．５％＋
Ｏ ０．２００％
Ｃ ０．０３０％
Ｓｉ ０．０３０％
流量 ２９．００ｓｅｃ／５０ｇ
粒子サイズ ＜２１２ミクロン
中央粒子サイズ：１００ミクロン
支持用粉末：ＯＫ８５
ＵＳＳｉｌｉｃａの製品であるＯＫ８５に関する仕様は、以下のインターネット・アドレスで見つけることができ、以下に複写される。
化学分析（重量による）
Ｆｅ ９９．５％＋
Ｏ ０．２００％
Ｃ ０．０３０％
Ｓｉ ０．０３０％
流量 ２９．００ｓｅｃ／５０ｇ
粒子サイズ ＜２１２ミクロン
中央粒子サイズ：１００ミクロン
支持用粉末：ＯＫ８５
ＵＳＳｉｌｉｃａの製品であるＯＫ８５に関する仕様は、以下のインターネット・アドレスで見つけることができ、以下に複写される。
【0042】
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｓｓｉｌｉｃａ．ｃｏｍ／ｓｉｔｅｓ／ｕｓｓｉｌｉｃａ．ｃｏｍ／ｕｐｌｏａｄｓ／ｆｉｌｅｓ／ｐｒｏｄｕｃｔ－ｄａｔａ－ｓｈｅｅｔｓ／ｉｎｄｕｓｔｒｙ／ｆｏｕｎｄｒｙ／ＯＫ８５．ｐｄｆ
粒形：球
融点：華氏３１００度
無機質：石英
典型的な化学分析：ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）９９．８％
粒子サイズ：＜４２５ミクロン
中央粒子サイズ：１５０ミクロン
ソレルメタル等級ＲＦ１
炭素 ケイ素 マンガン リン 硫黄
４．２５％ ０．１５％ ０．０２２％ ０．０３３％ ０．０１３％
入手可能な鋳塊サイズ（約）：
１８５×１２０×５５ｍｍ（７．２５”×４．７×２．５）
重量（約）：
５．５４ｋｂ（１２ｌｂｓ．）
注出器穴径：小さい方の穴に対しては１ｍｍ、大きい方の穴に対しては４ｍｍ
注出中の注出器の水平移動速度（１秒間当たりのミリメートルでの）：
造形用：２
支持用：８
窯の設定：
ランプ：１時間当たり摂氏６００度
保持温度：摂氏１２５０度
保持時間：４時間。
粒形：球
融点：華氏３１００度
無機質：石英
典型的な化学分析：ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）９９．８％
粒子サイズ：＜４２５ミクロン
中央粒子サイズ：１５０ミクロン
ソレルメタル等級ＲＦ１
炭素 ケイ素 マンガン リン 硫黄
４．２５％ ０．１５％ ０．０２２％ ０．０３３％ ０．０１３％
入手可能な鋳塊サイズ（約）：
１８５×１２０×５５ｍｍ（７．２５”×４．７×２．５）
重量（約）：
５．５４ｋｂ（１２ｌｂｓ．）
注出器穴径：小さい方の穴に対しては１ｍｍ、大きい方の穴に対しては４ｍｍ
注出中の注出器の水平移動速度（１秒間当たりのミリメートルでの）：
造形用：２
支持用：８
窯の設定：
ランプ：１時間当たり摂氏６００度
保持温度：摂氏１２５０度
保持時間：４時間。
【0043】
実施例２：
別の実施例では、以下のことを除いて、同様のパラメータが使用された：
ＯＫ８５粉末は、最大粒子の２５％および最小粒子の５％を除去するためにフィルタを通された
ＩＲＯＮ１００粉末は、最小粒子の２０％を除去するためにフィルタを通された
注出器穴径：小さい方の穴に対しては１ｍｍ、大きい方の穴に対しては２ｍｍ
注出中の注出器の水平移動速度（１秒間当たりのミリメートルでの）：
造形用：１６
支持用：２０
窯の設定：
ランプ：１時間間当たり摂氏６００度
保持温度：摂氏１１８０度
保持時間：２時間
次に図８Ａから図８Ｄを参照すると、３Ｄプリンタにより造形用粉末および支持用粉末でパン４を満たすプロセスが完了した後、開口部を有し、この開口部を通る液体の流れを促す形状とされている棚１１０が、この粉末の上に載せられる。銑片１１１およびコークス片１１２が棚１１０上に配置され、蓋１１３が、それら全てを覆って配置される。次いで、砂などの不活性粒子状物質が、蓋１１３にある穴１１４から注がれる。これは、棚がずり上がるのを防ぎ、かつ、ＳｉＯ2粉末をきつく詰め込んでおくのを支援し、それにより、溶融銑がＳｉＯ2を持ち上げるのを防ぐ。
別の実施例では、以下のことを除いて、同様のパラメータが使用された：
ＯＫ８５粉末は、最大粒子の２５％および最小粒子の５％を除去するためにフィルタを通された
ＩＲＯＮ１００粉末は、最小粒子の２０％を除去するためにフィルタを通された
注出器穴径：小さい方の穴に対しては１ｍｍ、大きい方の穴に対しては２ｍｍ
注出中の注出器の水平移動速度（１秒間当たりのミリメートルでの）：
造形用：１６
支持用：２０
窯の設定：
ランプ：１時間間当たり摂氏６００度
保持温度：摂氏１１８０度
保持時間：２時間
次に図８Ａから図８Ｄを参照すると、３Ｄプリンタにより造形用粉末および支持用粉末でパン４を満たすプロセスが完了した後、開口部を有し、この開口部を通る液体の流れを促す形状とされている棚１１０が、この粉末の上に載せられる。銑片１１１およびコークス片１１２が棚１１０上に配置され、蓋１１３が、それら全てを覆って配置される。次いで、砂などの不活性粒子状物質が、蓋１１３にある穴１１４から注がれる。これは、棚がずり上がるのを防ぎ、かつ、ＳｉＯ2粉末をきつく詰め込んでおくのを支援し、それにより、溶融銑がＳｉＯ2を持ち上げるのを防ぐ。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明は、３Ｄ印刷法を介して物体を製造することに産業上の利用可能性を見出す。
【0045】
複数の例示的な態様および実施形態が上で論じられたが、当業者は、それらのいくつかの修正、置換、追加、および部分的組合せを認識するであろう。したがって、以下の添付の特許請求の範囲、および今後導入される請求項は、あらゆるそのような修正、置換、追加、および部分的組合せを、それらの真の主旨および範囲内にあるものとして含むと解釈されることが、意図されている。
【図1.1】
【図1.2】
【図1.3】
【図2.1】
【図2.2】
【図2.3】
【図3.1】
【図3.2】
【図3.3】
【図3.4】
【図3.5】
【図4.1】
【図4.2】
【図4.3】
【図5.1】
【図5.2】
【図6.1】
【図6.2】
【図7.1】
【図7.2】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17A】