特許 7545579 大面積金属溶融システムのためのパルス伝達

(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】2024-08-27

(45)【発行日】2024-09-04

(54)【発明の名称】大面積金属溶融システムのためのパルス伝達

(51)【国際特許分類】

   B22F 12/57 20210101AFI20240828BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20240828BHJP

   B22F 10/85 20210101ALI20240828BHJP

   B22F 12/55 20210101ALI20240828BHJP

   B22F 10/32 20210101ALI20240828BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240828BHJP

   B29C 64/321 20170101ALI20240828BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20240828BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240828BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240828BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240828BHJP

【ＦＩ】

B22F12/57

B22F10/28

B22F10/85

B22F12/55

B22F10/32

B29C64/153

B29C64/321

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2023520060

(86)(22)【出願日】2021-09-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-24

(86)【国際出願番号】 US2021052311

(87)【国際公開番号】W WO2022072315

(87)【国際公開日】2022-04-07

【審査請求日】2023-05-02

(31)【優先権主張番号】63/087,105

(32)【優先日】2020-10-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】597013711

【氏名又は名称】スリーディー システムズ インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100139723

【弁理士】

【氏名又は名称】樋口 洋

(72)【発明者】

【氏名】ヘイゼルウッド，ブリオン ロバート

(72)【発明者】

【氏名】ドヴァル，ジョゼ ジュリオ

(72)【発明者】

【氏名】フライブルク，エヴァン シー

【審査官】田中 永一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２０－５３５９８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０８１８１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第１９９５／０３４４６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０２８９７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５８８１９０５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２２３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／００５０４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１０９９６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】英国特許出願公開第０２５６９６４９（ＧＢ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４５５２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １０／００ － １２／９０

Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０

Ｂ２８Ｂ １／３０

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元（３Ｄ）プリントシステムであって、
プリントエンジン；
粉末ディスペンサ；および
コントローラ
を備え、
前記プリントエンジンは、
ドッキングチャンバおよびプロセスチャンバを含む内側チャンバを画定するシャーシであって、前記ドッキングチャンバは、前記内側チャンバの側壁を介して前記プロセスチャンバに取り付けられる、シャーシ；
横方向に造形平面を含む上面を有し前記プロセスチャンバの内側に配置される造形プレートを含む、造形ボックス；
前記造形平面を横方向に画定する作製のための最大横方向範囲を有する、エネルギービームシステム；
粉末トラックコータ（ＰＴＣ）；および
前記ＰＴＣに連結されたガントリ
を含み、
前記粉末ディスペンサは、貯蔵された粉末を前記内側チャンバの外側に保持するように構成され、かつ前記ドッキングチャンバ内に延在し、
前記コントローラは、以下：
前記ガントリを動作させ、前記ＰＴＣを前記ドッキングチャンバから前記造形プレートの上面上に搬送する；
前記ＰＴＣを前記造形プレートの上面上に搬送するのと同時に、前記ＰＴＣを動作させ、前記造形プレート上に粉末のトラックを選択的に分配する；
前記ガントリを動作させ、前記ＰＴＣを前記ドッキングチャンバに戻すように搬送する；
前記エネルギービームシステムを動作させ、前記粉末のトラックを選択的に溶融する；および
前記エネルギービームを動作させるのと同時に、
前記ＰＴＣ内の粉末のレベルを測定し、
前記ＰＴＣ内の粉末のレベルが所定の閾値を下回る場合、前記粉末ディスペンサを動作させ、制御体積の粉末をＰＴＣに移送する
ように構成される、
ことを特徴とする、３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項2】

前記粉末ディスペンサが、前記ドッキングチャンバの上に物理的に配置されたサイロを含み、該サイロは貯蔵された粉末を保持することを特徴とする、請求項１に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項3】

前記粉末ディスペンサが、前記サイロの下に下側バルブを含み、前記サイロと前記下側バルブとの間に投与チャンバを画定し、前記粉末ディスペンサを動作させて前記制御体積の粉末を前記ＰＴＣに移送する工程が、前記下側バルブを開放し、前記制御体積の粉末を前記投与チャンバから前記ＰＴＣ内に落下させる工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項4】

前記下側バルブがボールバルブであることを特徴とする、請求項３に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項5】

前記粉末ディスペンサが、前記サイロと前記投与チャンバとの間に上側バルブを含み、前記コントローラは、前記上側バルブを動作させることによって前記制御体積の粉末を交換するように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項6】

前記上側バルブがロータリーバルブであることを特徴とする、請求項５に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項7】

前記投与チャンバに連結されたガス処理システムをさらに含み、前記コントローラは、前記投与チャンバから酸素を排出し、前記下側バルブを開放する前に、中間チャンバを非酸化性ガスで再充填し、前記内側チャンバに導入する酸素を最小限にするように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項8】

前記制御体積の粉末が、０．５リットル未満の体積を有することを特徴とする、請求項１に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項9】

前記制御体積の粉末が、０．３リットル未満の体積を有することを特徴とする、請求項１に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項10】

前記ガントリが、前記エネルギービームシステムの動作中に前記内側チャンバの残りの部分から前記ドッキングチャンバを分離するように構成された壁を支持することを特徴とする、請求項１に記載の３次元（３Ｄ）プリントシステム。

【請求項11】

３次元（３Ｄ）物品を製造する方法であって、
以下を含むプリントエンジン：
ドッキングチャンバおよびプロセスチャンバを含む内側チャンバを画定するシャーシであって、前記ドッキングチャンバは、前記内側チャンバの側壁を介して前記プロセスチャンバに取り付けられる、シャーシ；
横方向に造形平面を含む上面を有し前記プロセスチャンバの内側に配置される造形プレートを含む、造形ボックス；
前記造形平面を横方向に画定する作製のための最大横方向範囲を有する、エネルギービームシステム；
粉末トラックコータ（ＰＴＣ）；および
前記ＰＴＣに連結されたガントリ、および
貯蔵された粉末を前記内側チャンバの外側に保持するように構成され、かつ前記ドッキングチャンバ内に延在する、粉末ディスペンサ
を含む３次元（３Ｄ）プリントシステムを提供する工程；
前記ガントリを動作させ、前記ＰＴＣを前記ドッキングチャンバから前記造形プレートの上面上に搬送する工程；
前記ＰＴＣを前記造形プレートの上面上に搬送するのと同時に、前記ＰＴＣを動作させ、前記造形プレート上に粉末のトラックを選択的に分配する工程；
前記ガントリを動作させ、前記ＰＴＣを前記ドッキングチャンバに戻すように搬送する工程；
前記エネルギービームシステムを動作させ、前記粉末のトラックを選択的に溶融する工程；および
前記エネルギービームを動作させるのと同時に、
前記ＰＴＣ内の粉末のレベルを測定し、
前記ＰＴＣ内の粉末のレベルが所定の閾値を下回る場合、前記粉末ディスペンサを動作させ、制御体積の粉末をＰＴＣに移送する工程
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項12】

前記粉末ディスペンサが、前記ドッキングチャンバの物理的に上方に位置付けられるサイロを含み、前記制御体積の粉末を移送する工程が、垂直にかつ外側から、前記ドッキングチャンバの制御された気体環境内に行われることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記粉末ディスペンサが、前記サイロの下に下側バルブを含み、前記サイロと前記下側バルブとの間に投与チャンバを画定し、前記粉末ディスペンサを動作させて前記制御体積の粉末を前記ＰＴＣに移送する工程が、前記下側バルブを開放し、前記制御体積の粉末を前記投与チャンバから前記ＰＴＣ内に落下させる工程を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記下側バルブがボールバルブであり、前記下側バルブを開放する工程は、前記ボールバルブを開放する工程を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記粉末ディスペンサが前記サイロと中間チャンバとの間に上側バルブを含み、該上側バルブを動作させることによって前記制御体積の粉末を交換する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記上側バルブがロータリーバルブであり、前記上側バルブを動作させる工程は前記ロータリーバルブを動作させる工程を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記中間チャンバに連結されたガス処理システムをさらに含み、該ガス処理システムを動作させ、前記中間チャンバから酸素を排出し、前記下側バルブを開放する前に、前記中間チャンバを非酸化性ガスで再充填し、前記中間チャンバに導入する酸素を最小限にする工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

前記制御体積の粉末が、０．５リットル未満の体積を有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

【請求項19】

前記制御体積の粉末が、０．３リットル未満の体積を有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

【請求項20】

前記ガントリが壁部分を支持し、ドッキング中の前記壁部分の位置決めを介して、前記エネルギービームシステムの動作中に前記内側チャンバの残りの部分から前記ドッキングチャンバを分離する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

政府権利の陳述
本発明は、米国陸軍研究所（Ｕ．Ｓ．Ａｒｍｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）によって授与された許可番号Ｗ９１１ＮＦ－１８－９－０００．３および国立製造科学センター（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）（ＮＣＭＳ）によって授与されたＡＭＭＰコンソーシアムメンバー許可番号２０１９３５の下で政府の支援を受けて行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。

【0002】

関連出願の相互参照
本非仮特許出願は、米国特許出願第１１９（ｅ）号の利益の下で参照により本明細書に組み込まれる、２０２０年１０月２日に出願されたＢｙｒｏｎ Ｈａｚｌｅｗｏｏｄらによる「Ｐｕｌｓｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ａｒｅａ Ｍｅｔａｌ Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国仮特許出願第６３／０８７，１０５号に対する優先権の利益を主張する。

【技術分野】

【0003】

本開示は、金属粉末材料を選択的に溶融することによって３次元（３Ｄ）物品を層ごとに製造するための装置および方法に関する。より詳細には、本開示は、気体製造環境の品質を維持しながら、非常に大きな３Ｄ物品を製造するのに適した粉末供給システムに関する。

【背景技術】

【0004】

３次元（３Ｄ）プリントシステムは、プロトタイピングおよび製造などの目的のために急速に使用が増加している。１つのタイプの３次元プリンタは、層ごとのプロセスを利用して、粉末金属材料から３次元製造物品を形成する。粉末材料の各層は、造形平面上に選択的にコーティングされ、次いで、レーザ、電子、または粒子ビームなどのエネルギービームを使用して選択的に溶融される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非常に大きく欠陥のない３Ｄ物品を迅速に作製することが望まれている。そのようなシステムに関する１つの一般的な課題は、プリンタ内の雰囲気の完全性を維持しながら、製造プロセス中に金属およびおそらく他の粉末の供給を維持することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様では、３Ｄ物品を製造するための３次元（３Ｄ）プリントシステムは、プリントエンジンと、粉末ディスペンサと、コントローラとを含む。プリントエンジンは、内側チャンバを画定するシャーシと、造形ボックスと、エネルギービームシステムと、粉末トラックコータ（ＰＴＣ）と、ＰＴＣに連結されたガントリとを含む。内側チャンバは、ドッキングチャンバを含む。造形ボックスは、横方向に造形平面を含む上面を有する造形プレートを含む。エネルギービームシステムは、造形平面を横方向に画定する作製のための最大横方向範囲を有する。粉末ディスペンサは、貯蔵された粉末を内側チャンバの外側に保持するように構成され、かつドッキングチャンバ内に延在する。コントローラは、以下を実行するように構成される：（Ａ）ガントリを動作させ、ＰＴＣをドッキングチャンバから造形プレート上に搬送する；（Ｂ）ＰＴＣを造形プレート上に搬送するのと同時に、ＰＴＣを動作させ、造形プレート上に粉末のトラックを選択的に分配する；（Ｃ）ガントリを動作させ、ＰＴＣをドッキングステーションに戻すように搬送する；（Ｄ）エネルギービームシステムを動作させ、ＰＴＣがドッキングされている間に粉末のトラックを選択的に溶融する；および（Ｅ）エネルギービームを動作させるのと同時に、（Ｅ１）ＰＴＣ内の粉末のレベルを測定し、（Ｅ２）ＰＴＣ内の粉末のレベルが所定の閾値を下回る場合、粉末ディスペンサを動作させ、制御体積の粉末をＰＴＣに移送する。

【0007】

このシステムは、非酸化性ガスを主成分とする制御された雰囲気中で、金属から非常に大きな３Ｄ物品を作製するためのものである。シャーシの内側チャンバ内では、雰囲気の条件は特にストリンジェント（stringent）である。例示的な実施形態では、プリントエンジンシャーシ内の雰囲気は、５０パーツパーミリオン（ＰＰＭ）の酸素を含むアルゴンである。プリントシステム全体の他の部分の要件は、それほど厳しくない。５０ＰＰＭの酸素を必要とする容積を最小限にすることが好ましい。したがって、未使用の粉末をシャーシの外側に貯蔵することが好ましい。制御体積の粉末をシャーシの外側からＰＴＣに移送することによって、シャーシ内に貯蔵される粉末の量を最小限にし、かつシャーシ容積を最小限にする。エネルギービームを動作させながら移送を行うことによって、３Ｄ物品を作製するのに必要な時間に対する影響を排除することができる。最後に、制御体積の移送は、内側チャンバへ酸素を大幅に導入することなく行うことができる。

【0008】

一実装形態では、粉末ディスペンサは、ドッキングチャンバの上方からドッキングチャンバ内に延在し、粉末ディスペンサからＰＴＣへの効率的な重力誘導移送を可能にする。粉末ディスペンサは、サイロと、サイロの下の投与チャンバとを含む。投与チャンバは、上方から上方ロータリーバルブによっておよび下方からボールバルブによって、境界が定められている。ガス処理システムが投与チャンバに連結される。コントローラは、以下を実行するように構成される：（１）ロータリーバルブを動作させ、サイロから、粉末が重力の下で落下する投与チャンバに、制御体積の粉末を放出する、（２）ガス処理システムを動作させ、投与チャンバ内の酸素の濃度を低減し、非酸化性ガスで投与チャンバを再充填する、（３）ボールバルブを動作させ、制御体積の粉末を放出し、投与チャンバからＰＴＣに落下させる。コントローラはまた、ＰＴＣ内の粉末の体積を示す信号をセンサから受信する。コントローラは、ＰＴＣ内の粉末レベルがある所定の閾値未満であることを信号が示しているとき、粉末ディスペンサからＰＴＣへの制御体積の粉末の移送を開始する。粉末の制御体積は、０．５リットル未満、０．３リットル未満、または約０．１リットルであり得る。

【0009】

０．５リットル未満の粉末を移送するために投与チャンバを利用することにより、内側チャンバの環境に対する粉末移送の影響（内側チャンバに酸素を導入する傾向がある）が最小限に抑えられる。ガス処理システムを酸素の濃度まで動作させる（チャンバを排気する）ことにより、粉末によって運ばれる酸素を低減することによって粉末移送の影響がさらに低減される。投与チャンバを非酸化性ガスで再充填することにより、投与チャンバと内側チャンバとの間の圧力が等しくなり、投与チャンバからＰＴＣへの粉末の移送が容易になる。

【0010】

別の実装形態では、プリントエンジンのシャーシの内側チャンバは、アルゴンおよび５０モルパーツパーミリオン（ＰＰＭ）未満の酸素含有量を含む、よりストリンジェントな雰囲気を有することができる。ガス処理システムは、まず内側チャンバに真空を適用して酸素圧力を低下させ、次いで内側チャンバをアルゴンで「再充填（backfilling）」することによって、このストリンジェントな雰囲気を達成する。粉末を貯蔵する３Ｄプリントシステムの他の部分は、２～４モルパーセントの酸素含有量を有するアルゴンを含み得る、それほど厳しくない雰囲気を有する。それほど厳しくない雰囲気は、真空を適用することを必要としない場合があるが、アルゴンまたは窒素などの非酸化性ガスで環境をパージすることによって達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】３次元（３Ｄ）物品を製造するための付加製造（ＡＭ）システムの概略図

【図2】３Ｄプリントエンジンの概略図であって、図示の実施形態では、３Ｄプリントエンジンは、金属粉末層の層ごとの溶融溶解によって３Ｄ物品を作製する図

【図3】第２の粉末供給部に粉末を供給するための第１の粉末供給部の側面図

【図4】第１の粉末供給部から粉末を受け取り、粉末トラックコータ（ＰＴＣ）に粉末を分配するための第２の粉末供給部の側面図であり、図４において、第１および第２の粉末を受け取り、分配するための２つのそのような第２の粉末供給部が並列配置され、例示的な実施形態では、一方の粉末は金属粉末であり、第２の粉末はジルコンなどの支持粉末である図

【図5】３Ｄプリントエンジンのシャーシによって画定される内側チャンバの側面平面図

【図6】３Ｄプリントエンジンの一部を通過する垂直断面図

【図7】図６の拡大部分を示す図

【図8】３Ｄ物品を製造する方法の一実施形態のフローチャート

【図9】第２のサイロ内の粉末レベルを維持するために、第１のサイロから第２のサイロに粉末を供給するための方法の一実施形態のフローチャート

【図10】ＰＴＣ内の粉末レベルを維持するために、第２のサイロから粉末トラックコータ（ＰＴＣ）に粉末を分配するための方法の一実施形態のフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、３次元（３Ｄ）物品３を製造するための付加製造（ＡＭ）システム２の一実施形態の概略ブロック図である。ＡＭシステム２は、プリントエンジン４と、冷却ステーション６と、バルク粉末除去装置８と、微粉末除去装置１０と、搬送装置１２と、ガス処理システム１４と、粉末処理システム１５と、コントローラ１６とを含む。様々な構成要素４～１４は、それらの内部機能を制御するための別個の「下位レベル」コントローラを個々に有することができる。いくつかの実施形態では、コントローラは、中央コントローラとして機能することができる。以下の説明では、コントローラ１６は、構成要素４～１５の外部または内部に存在し得る全てのコントローラを集合的に含むと考えられる。コントローラ１６は、ＡＭシステム２の内部にあってもよく、ＡＭシステム２の外部にあってもよく、またはＡＭシステム２の内部および外部の両方にある部分を含んでもよい。

【0013】

搬送装置１２は、製造されている３Ｄ物品３の作製、冷却、および粉末除去を含む手順で、様々な構成要素４～１０を介して造形ボックス１８を搬送するためのものである。例示的な実施形態では、搬送装置１２は、金属粉末が装填されると数トンの重量になり得る造形ボックス１８を搬送するためのレールベースのシステムである。

【0014】

ガス処理システム１４は、構成要素４～１０の環境を制御するためのものである。より詳細には、環境は、アルゴンまたは窒素などの非酸化性ガスを含む非酸化性環境である。例示的な実施形態では、ガス処理システム１４は、複数の異なるガス処理システム１４を含む。複数のガス処理システム１４は、ストリンジェンシーや酸素濃度に応じて互いに異なり得る。

【0015】

最もストリンジェントなガス処理システム１４は、プリントエンジン４の内部の雰囲気を制御する。プリントエンジン４は、内側チャンバを画定するシャーシを含む。例示的な実施形態では、プリントエンジン４の内側チャンバ内の雰囲気は、約１００モルパーツパーミリオン（ＰＰＭ）または約５０ＰＰＭ未満の酸素含有量を有する。ガス処理システム１４は、まず内側チャンバを排気し、次いで内側チャンバをアルゴンで再充填することによって、この程度のストリンジェンシーを得る。

【0016】

プリントエンジン４の内側チャンバの外側では、粉末は、２～４モルパーセントの酸素（２０，０００～４０，０００ＰＰＭ）の範囲内の酸素含有量を有する雰囲気中に維持することができる。これは、だいぶストリンジェントではない。この雰囲気は、粉末容器を非酸化性ガスでパージすることによって得られるが、パージの前に排気を必要としない。

【0017】

粉末処理システム１５は、１つまたは複数の粉末を貯蔵し、プリントエンジン４に供給するという主要な機能を有する。粉末処理システム１５はまた、リサイクル機能を提供することができ、ガス処理システムとある程度の統合を有する。粉末処理システム１５は、統合されることができる、または複数の独立した粉末処理システム１５を含むことができる。例示的な実施形態では、粉末処理システム１５は、金属粉末および支持ジルコン粉末を含む２つの粉末をプリントエンジン４に供給するための粉末処理システム５０を含む。

【0018】

ガス処理システム１４は、粉末処理システム５０内の雰囲気を制御するためのサブシステムを含む。粉末処理システム５０の一部には、サイロなどの粉末容器がある。粉末容器は上部通気部分を有する。粉末容器の下部にアルゴンを導入することができる。アルゴンは空気よりも密度が高いので、空気が容器から上昇するにつれてアルゴンが容器を満たす。これは、おそらく２～４モルパーセントの酸素の容器内のよりストリンジェントでない雰囲気を維持するのに充分である。ガス処理システムはまた、粉末が粉末処理システム５０からプリントエンジン４に移送される直前に、粉末処理システム５０の小部分を排気し、再充填するサブシステムを含むことができる。

【0019】

コントローラ１６は、ソフトウェア命令を記憶する非一時的または不揮発性の情報記憶デバイスに連結されたプロセッサを含む。プロセッサによって実行されると、ソフトウェア命令は、システム２のいずれかまたは全ての部分を動作させる。例示的な実施形態では、ガス処理、粉末処理、作製、冷却、脱粉末、および他の機能は、コントローラ１６によって完全に自動化された方法で実行することができる。いくつかの実施形態では、製造の特定の工程を手動で処理することもできる。

【0020】

コントローラ１６は、以下のような工程を実行するように構成される：（１）ガス処理システム１４を動作させ、構成要素４～１０を排気および／または再充填する、（２）プリントエンジン４を動作させ、造形ボックス１８内に３Ｄ物品を作製する、（３）搬送装置１２を動作させ、造形ボックス１８（現在は３Ｄ物品および未溶融粉末を含む）を冷却ステーション６に搬送する、（４）適切な冷却時間の後、搬送装置１２を動作させ、造形ボックス１８をバルク粉末除去装置８に搬送する、（５）バルク粉末除去装置８を動作させ、造形ボックス１８から未溶融粉末の大部分を除去する、（６）搬送装置１２を動作させ、造形ボックス１８を微粉末除去装置１０に搬送する。微粉末除去装置１０において、残留する未溶融粉末は、自動的にまたは手動で除去される。その間ずっと、コントローラ１６は、ガス処理システム１４を動作させ、必要に応じて構成要素４～１０内の非酸化性ガス環境を維持する。例示的な実施形態では、コントローラ１６はまた、粉末処理システム１５を動作させ、３Ｄ物品の作製中にプリントエンジン４に粉末を供給する。

【0021】

ＡＭシステム２は、検査ステーションまたは造形ボックス１８からの３Ｄ物品１００の取り出しを容易にするためのステーションなどの他の構成要素を有することができる。追加の構成要素は、手動で動作させることができ、またはコントローラ１６の制御内にすることができる。

【0022】

図２は、３Ｄ物品３を作製するための３Ｄプリントエンジン４の一実施形態の概略図である。図２の説明においておよび以降の図について、互いに直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺを用いることができる。軸ＸおよびＹは、概して水平である横軸である。軸Ｚは、重力基準と概ね位置合わせされた垂直軸である。「概して」とは、設計によってそうであることを意図するが、製造または他の公差により変化し得る。

【0023】

造形ボックス１８（図１）は、造形プレート２２を収容する粉末ビン２０を含む。造形プレート２２は上面２４を有し、垂直位置決めシステム２６に機械的に連結される。造形ボックス１８は、選択的にコーティングされた金属粉末２７を収容するように構成される。造形ボックス１８は、ハウジングまたはシャーシ３０によって囲まれた内側チャンバ２８内に収容される。

【0024】

垂直位置決めシステム２６は、コントローラ１６の制御下で上面２４を位置決めするように構成される。例示的な実施形態では、垂直位置決めシステム２６は、垂直に固定されたナットに連結される親ネジを含む。ナットはモータに連結される。ナットがモータによって回転されると、ナットの内側ネジ山が親ネジの外側ネジ山に係合し、親ネジの先端が造形プレート２２を上昇または下降させる。もちろん、これは垂直位置決めシステムの一例に過ぎない。別の例では、親ネジを垂直に固定することができ、ナットは、親ネジの電動回転下で上昇および下降させることができる。ナットは、レバーまたはフォロワに結合することができ、これは、造形プレート２２に機械的に結合される。次いで、親ネジの電動回転により、レバーまたはフォロワが造形プレート２２を上昇および下降させる。垂直位置決めシステム２６の他の例も可能である。

【0025】

金属粉末トラックコータ（ＰＴＣ）３２は、造形プレート２２の上面２４上に、または以前に分配された金属粉末の層２７上に、金属粉末のトラックまたは層２７を分配するように構成される。粉末の層２７がちょうど分配されるとき、それは、好ましくは造形平面３１と一致または同一平面上にある上面２９を有する。いくつかの動作上の実装形態では、上面２９は、造形平面３１のわずかに下に配置され得る。

【0026】

図示の実施形態では、第２の粉末トラックコータ（ＰＴＣ）３４は、追加の粉末を分配するように構成される。粉末トラックコータ３２および３４は、それぞれ粉末供給部３６および３８から粉末を受け取るように構成される。追加の粉末は、異なる金属粉末、同じ金属粉末、またはジルコンなどの支持材料であってもよい。プリントエンジン４は、複数の異なる材料を分配できるように、３つ以上の粉末トラックコータを含むことができる。図３～図１０に関する説明のいくつかは、粉末供給部５０に関するか、またはそれに言及する。粉末供給部５０についての説明は、粉末供給部３６または３８に関連し得ることを理解されたい。

【0027】

プリントエンジン４は、分配された金属粉末の層を選択的に溶融するためのエネルギービーム４２を生成するように構成されたビームシステム４０を含む。例示的な実施形態では、ビームシステム４０は、少なくとも１００ワット、少なくとも５００ワット、約１０００ワット、少なくとも１０００ワット、または別の光粉末レベルの光出力を個々に有する放射ビームを生成するための複数の高出力レーザを含む。ビームシステム４０は、金属粉末の層２７の上面２９と略一致する造形平面３１を横切って放射ビームを個別に操向するための光学系を含むことができる。代替的な実施形態では、ビームシステム４０は、電子ビーム、粒子ビーム、または異なるビームタイプのハイブリッド混合を生成することができる。

【0028】

造形平面３１は、ビームシステム４０によってアドレス指定可能な最大側面積によって横方向に画定され、ビームシステム４０の焦点によって垂直に画定される。最大側面積は、ソフトウェアおよび／またはハードウェアの制限によって制限され得る。造形平面３１の側面積は、造形プレート２２の側面積内にある。好ましくは、造形プレート３１と粉末ビン２０との間に横方向に画定された境界領域があり、未溶融粉末２７の除去を容易にする。

【0029】

例示的な実施形態では、造形平面３１は、少なくとも約０．５平方メートルまたは少なくとも約０．７平方メートルである側面積を有する。より大きな面積が可能である。図示の開示では、造形平面３１は、約１平方メートルの面積を有し、プリントエンジン４は、造形プロセス中に最大４トン以上の金属を処理することができる。これは、金属粉末を選択的に分配および溶融するための比類なく大きな面積である。

【0030】

図３～図１０は、粉末供給部５０の装置および動作を説明する。粉末供給部５０は、粉末トラックコータ３２および３４のいずれかに粉末を供給することができる。図３～図１０の説明は、図３～図７の装置から開始し、次いで図８～図１０の動作について説明する。

【0031】

図３は、内側チャンバ２８の外側に存在する粉末供給部５０の第１の粉末供給部５１の側面図である。第１のサイロ５２は、第１の量の粉末を貯蔵する。例示的な実施形態では、第１のサイロ５２は、１００リットル超の粉末または約１２０リットルの粉末を貯蔵する。第１のサイロ５２の下方には、第１の上側バルブ５６と第１の下側バルブ５８との間にある第１の投与セクション５４がある。例示的な実施形態では、第１の上側バルブ５６はオリフィスゲートバルブ５６であり、第１の下側バルブ５８は第１のボールバルブ５８である。第１の下側バルブ５８の下方には、搬送導管６０がある。搬送導管６０内には、非酸化性搬送ガスの定常流が維持される。図３の中間供給部５１の動作について、図８を参照して説明する。

【0032】

図４は、粉末供給部５０の２つの第２の粉末供給部６１の並列配置の側面図である。第２の粉末供給部６１は、粉末ディスペンサ６１とも称され得る。粉末供給部５０は、第１の供給部５１と第２の供給部６１とを含む。第１の粉末供給部５１は、粉末ディスペンサ６１に粉末を供給するように構成される。第２のサイロ６２は、第２の量の粉末を貯蔵する。第２サイロ６２の上方には、入口６６および出口６８を有するサイクロン６４がある。入口６６は、巻き込まれた粉末を伴うガスを受け取るために搬送導管６０に連結される。粉末は、サイクロン６４によってガス流から分離され、第２のサイロ６２内に落下する。第２のサイロ６２は、第２のサイロ６２内の粉末のレベルを示す情報を提供するためのセンサ６９を含むことができる。例示的な実施形態では、センサ６９は、低レベルセンサおよび高レベルセンサを含むことができる。

【0033】

第２のサイロ６２の下方には、第２の上側バルブ７２と第２の下側バルブ７４との間にある第２の投与チャンバ７０がある。例示的な実施形態では、第２の上側バルブ７２はロータリーバルブ７２であり、第２の下側バルブ７４は第２のボールバルブ７４である。第２の投与チャンバ７０は、０．１リットル～０．５リットルの範囲または約０．３リットルの容量を有することができる。例示的な実施形態では、第２の下側バルブ７４は、内側チャンバ２８を部分的に囲むチャンバ壁７６の上方にある。チャンバ壁７６の下には、粉末ディスペンサ６１の出口またはドッキング接続部７８がある。また、ＰＴＣ３２（または３４）内の粉末レベルを感知するように構成されたセンサ７９も示されている。

【0034】

第２の投与チャンバ７０には、ガス処理システム８０が連結されている。ガス処理システム８０は、第２の投与チャンバ７０内の酸素濃度および全ゲージ圧を感知するための少なくとも１つのセンサを含む。

【0035】

図５は、内側チャンバ２８の側方平面図である。内側チャンバ２８は、複数の側壁８０によって境界が定められ、プロセスチャンバ８２およびドッキングチャンバ８４を含む。プロセスチャンバ８２は、造形平面３１を横方向に含む。作製プロセス中、ガスは、概して、ガス入口８６からガス出口８８までプロセスチャンバ８２を横切って流れる。特に造形平面３１を横切るガス流の均一性が重要である。

【0036】

図６は、プリントエンジン４の一部を通る垂直断面図である。ＰＴＣ３２は、ドッキングチャンバ８４内にドッキングされて示されている。ＰＴＣ３２は、ガントリ９０に機械的に結合される。ガントリ９０は、壁９２を含み、支持する。壁９２は、ＰＴＣ３２がドッキングチャンバ８４内のドッキング位置にあるとき、ドッキングチャンバ８４をプロセスチャンバ８２から分離する。この分離は、壁９２の非存在下で形成される渦状ガス流を排除し、ガス入口８６とガス出口８８との間のより均一な流速を提供する、ＹおよびＺにおける単純な矩形断面を有するプロセスチャンバ８２を提供する。

【0037】

図７は、ＰＴＣ３２が粉末ディスペンサ６１から粉末を受け取るためのドッキング位置にある、図６の拡大部分である。ＰＴＣ３２は、粉末２７のトラックを造形プレート２２上に選択的に分配するための出口９４を有する。図６および図７の図は単一のＰＴＣ３２を示すが、例示的な実施形態では、粉末ディスペンサ３２（金属粉末）および３４（支持材料または第２の金属粉末）はいずれも、２つの粉末ディスペンサ６１の下にドッキングされる。

【0038】

図８は、コントローラ１６によって自動化された方法で実行される３Ｄ物品を製造するための方法の一実施形態のフローチャートである。１０２によれば、ガントリ９０は、ＰＴＣ３２をドッキングチャンバ８４から造形平面３１の側方領域に移動させるように動作される。１０４によれば、ガントリ９０およびＰＴＣ３２は、粉末のトラックまたは層を選択的に分配するように動作される。これは、（１）ガントリ９０を動作させ、ＰＴＣ３２の出口９４を上面２９上で何らかのパターンに従って搬送する工程、および（２）ガントリの動作と同時に、ＰＴＣ３２を動作させ、表面２９上に粉末のトラックまたは層を選択的に堆積させる工程、を含む。

【0039】

１０６によれば、ガントリ９０は、ＰＴＣ３２を搬送し、ドッキングチャンバ８４内にドッキングする。工程１０６の結果として、壁９２は、ドッキングチャンバ８４をプロセスチャンバ８２から分離するように位置決めされる。この時点で、１０８および１１０を含む２つの並列プロセスを行うことができる。

【0040】

１０８によれば、工程１０４で分配された粉末トラックまたは層は、選択的に溶融される。これは、（１）ガス処理システム１４を動作させ、ガス入口８６からガス出口８８へのガスの流れを確立する工程、および（２）ビームシステム４０を動作させ、分配された粉末の層またはトラックを選択的に溶融させる工程によって達成される。１１０によれば、１０８と同時に、粉末処理システム５０は、ＰＴＣ３２内の粉末の制御されたレベルを維持するように動作される。１１０は方法１００の工程として示されているが、以下で図９および図１０に関して論じる方法１２０および１４０を包含する。

【0041】

１１２によれば、物品３のすべての層が溶融されたかどうかに関する特定がなされる。そうである場合、方法１００は１１４に従って終了する。そうでない場合、プロセスは工程１０２にループバックする。

【0042】

図９および図１０は、図８の工程１１０に関する詳細を示すフローチャートである。図９は、第２の粉末サイロ６２内の粉末レベルを維持する方法１２０に関する。１２２によれば、第２のサイロ６２内の粉末レベルを特定するために、センサ６９から信号が受信され分析される。１２４によれば、粉末レベルが低いかどうかに関する特定が行われる。そうでない場合、プロセスは１２２にループバックし、センサは監視され続ける。粉末レベルが低い場合、プロセスは工程１２６に進む。

【0043】

１２６によれば、ゲートバルブ５６が開かれる。１２８によれば、第１の粉末サイロ５２からの粉末は、重力の下で第１の投与セクション５４内に落下する。１３０によれば、制御された投与量の粉末が投与セクション５４に受け取られた後、ゲートバルブ５６が閉じられる。例示的な実施形態では、投与セクション５４に受け取られる粉末の量は、０．３～０．７リットルの容積範囲内または約０．５リットルである。

【0044】

１３２によれば、第１の下側バルブ５８が開かれる。１３４によれば、次いで、投与セクション５４内の制御された投与量の粉末は搬送導管６０内に落下する。当該投与量の粉末が落下するのと同時に、搬送導管６０は、当該投与量の粉末を巻き込むのに充分な速度でガスを搬送している。

【0045】

１３６によれば、搬送導管６０内の粉末を巻き込んだガス流は、サイクロン６４内に入る。１３８によれば、制御された投与量の粉末は、第２のサイロ６２内に落下する。その後、プロセスは１２２にループバックする。注記として、コントローラ１６は、センサデータを受信し、次いで、工程１２２、１２４、１２６、１３０、および１３２に従って、バルブ５６および５８を動作させる。方法１２０の他の工程は、コントローラ動作の結果である。コントローラ１６はまた、必要に応じて搬送導管６０を通るガス流を調節することができる。

【0046】

図１０は、ＰＴＣ３２内の粉末レベルを維持する方法１４０に関する。方法１４０に関しては図４および図７を参照されたい。１４２によれば、ＰＴＣ３２内の粉末レベルを示す信号がセンサ７９から受信される。１４４によれば、ＰＴＣ３２内の粉末レベルが低いか否かが特定される。そうでない場合、方法は工程１４２にループバックする。そうでなければ、方法は工程１４６に進む。

【0047】

１４６によれば、第２の下側バルブ７４が開かれる。１４８によれば、第２の投与チャンバ７０内に収容された制御体積または投与量の粉末は、重力の下でＰＴＣ３２内に落下する。１５０によれば、第２の下側バルブが閉じられる。第２の投与チャンバは今や空であるため、工程１５２～１５８に従って再充填される。

【0048】

１５２および１５４によれば、ロータリーバルブ７２を作動させて、制御された投与量の粉末を第２の粉末サイロ６２から第２の投与チャンバ７０内に放出する。１５６によれば、ガス処理システム８０は、第２の投与チャンバ７０から酸素を含むガスを排出するように動作される。１５８によれば、ガス処理システムは、第２の投与チャンバ７０を非酸化性ガスで再充填するように動作される。工程１５８の後、方法１４０は工程１４２にループバックする。注記として、コントローラ１６は、センサ７９から情報を受信し、バルブ７４および７２を動作させ、工程１４２～１４６、１５０、１５２、１５６、および１５８に従ってガス処理システム８０を動作させる。工程１４８および１５４は、本方法を示すためのコントローラ動作から生じる動作である。

【0049】

上述の特定の実施形態およびその適用は、例示のみを目的としており、以下の特許請求の範囲によって包含される修正および変形を排除するものではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】