特許 7549126 効率的なバルク未溶融粉末除去システムおよび方法

(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】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】効率的なバルク未溶融粉末除去システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/68 20210101AFI20240903BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20240903BHJP

   B22F 10/73 20210101ALI20240903BHJP

   B22F 12/20 20210101ALI20240903BHJP

   B22F 12/37 20210101ALI20240903BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240903BHJP

   B29C 64/35 20170101ALI20240903BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240903BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240903BHJP

【ＦＩ】

B22F10/68

B22F10/28

B22F10/73

B22F12/20

B22F12/37

B29C64/153

B29C64/35

B33Y10/00

B33Y30/00

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2023508550

(86)(22)【出願日】2021-08-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-06

(86)【国際出願番号】 US2021046081

(87)【国際公開番号】W WO2022036304

(87)【国際公開日】2022-02-17

【審査請求日】2023-02-16

(31)【優先権主張番号】63/065,859

(32)【優先日】2020-08-14

(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】ホイ，アーレン マイケル

(72)【発明者】

【氏名】キャシー，ターナー アシュビー

(72)【発明者】

【氏名】ゲイラン，アレクサンダー ジェイ

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１９６２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２５２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３９２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３６２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２９５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５０９２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１４９７２４７（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２７９８７１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １０／２８，１０／６８，１０／７３，１２／２０，１２／３７

Ｂ２９Ｃ ６４／１５３，６４／３５

Ｂ３３Ｙ １０／００，３０／００，４０／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元（３Ｄ）物品を製造するための付加製造システムであって、
粉末材料の溶融または結合によって層ごとに前記物品を製造するように構成されたプリントエンジン；
粉末ビンおよび造形プレートを含む造形ボックス；
製造後粉末除去装置；
搬送機構；および
コントローラ
を備え、
前記製造後粉末除去装置は、
内部レセプタクルキャビティを画定する回転フレーム；
対応する複数のアクチュエータに連結された複数のクランプ；
リフト装置に連結されたクランププレート；
前記クランププレートに取り付けられた撹拌装置
を含み、
前記コントローラは、以下：
（１）前記搬送機構を動作させ、前記造形ボックスを前記内部レセプタクルキャビティに搬送する工程；
（２）前記複数のアクチュエータを動作させ、前記造形ボックスを複数のクランプと係合させて、前記造形ボックスを前記回転フレームに固定する工程；
（３）前記回転フレームを動作させ、未溶融粉末が前記造形ボックスから出始めるまで該造形ボックスを回転させる工程；および
（４）前記撹拌装置を動作させ、前記造形ボックスからの未溶融粉末の注入を促進する工程
を実行するように構成される、
ことを特徴とする、付加製造システム。

【請求項2】

前記プリントエンジンが、エネルギービームの作用によって前記粉末材料の層を溶融および融合するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項3】

前記工程（１）の前に、前記搬送機構は、前記造形ボックスを前記プリントエンジンから冷却ステーションに搬送し、前記工程（１）は、前記造形ボックスを前記冷却ステーションから前記内部レセプタクルキャビティに搬送する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項4】

前記複数のクランプが、前記工程（２）において前記造形ボックスを垂直にクランプするための上側クランプを含むことを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項5】

前記複数のクランプが、前記工程（２）中に前記造形ボックスを水平にクランプするための複数の側方クランプを含むことを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項6】

前記複数のクランプが、前記工程（２）中に垂直軸および横軸に沿って前記造形ボックスをクランプするための上側クランプおよび少なくとも１つの側方クランプを含むことを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項7】

前記リフト装置が、前記クランププレートを上昇させて該クランププレートを前記造形プレートに係合させることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項8】

前記粉末ビンが、前記造形プレートを前記粉末ビンに固定するための少なくとも１つのラッチを含み、前記リフト装置の動作により前記少なくとも１つのラッチが係合解除されることを特徴とする、請求項７に記載の付加製造システム。

【請求項9】

前記工程（４）の前に、前記リフト装置は、前記粉末ビンから前記造形プレートを取り出すように移動することを特徴とする、請求項７に記載の付加製造システム。

【請求項10】

前記工程（１）および（２）の間、前記回転フレームは、前記造形ボックスの開放頂部が上を向く０度の回転基準位置にあり、前記工程（３）の間、前記回転フレームは、中心軸の周りで前記基準位置から１８０度回転されることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項11】

前記撹拌装置の動作が、主に垂直軸に沿って行われることを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項12】

前記工程（４）の間、前記回転フレームは、Ｙ軸に平行な中心軸に沿って前後に回転し、未溶融粉末除去をさらに促進することを特徴とする、請求項１に記載の付加製造システム。

【請求項13】

３Ｄ物品を製造する方法であって、以下：
粉末材料の溶融または結合によって層ごとに前記３Ｄ物品を製造するように構成されたプリントエンジン；
粉末ビンおよび造形プレートを含む造形ボックス；
製造後粉末除去装置；
搬送機構
を提供する工程であって、
前記製造後粉末除去装置は、
内部レセプタクルキャビティを画定する回転フレーム；
対応する複数のアクチュエータに連結された複数のクランプ；
リフト装置に連結されたクランププレート；
前記クランププレートに取り付けられた撹拌装置
を含む、工程、および、
（１）前記搬送機構を動作させ、前記造形ボックスを前記内部レセプタクルキャビティに搬送する工程；
（２）前記複数のアクチュエータを動作させ、前記造形ボックスを複数のクランプと係合させて、前記造形ボックスを前記回転フレームに固定する工程；
（３）前記回転フレームを動作させ、未溶融粉末が前記造形ボックスから出始めるまで該造形ボックスを回転させる工程；および
（４）前記撹拌装置を動作させ、前記造形ボックスからの未溶融粉末の注入を促進する工程
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項14】

前記複数のクランプが、前記工程（２）において前記造形ボックスを垂直にクランプするための上側クランプ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】

前記複数のクランプが、前記工程（２）中に前記造形ボックスを水平にクランプするための複数の側方クランプを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記工程（２）の後であるが前記工程（３）の前に、前記リフト装置が、前記クランププレートを上昇させて造形プレートを前記クランププレートに係合させることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記工程（４）の前に、前記リフト装置は、前記粉末ビンから前記造形プレートを取り出すように移動することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記工程（４）の前に、前記リフト装置は、前記クランププレートを前記造形プレートとのクランプ係合に移動させ、次いで再び移動させて前記粉末ビンから前記造形プレートを取り出すことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

【請求項19】

３次元（３Ｄ）物品を製造するための付加製造システムであって、
粉末材料の溶融または結合によって層ごとに前記物品を製造するように構成されたプリントエンジン；
粉末ビンおよび造形プレートを含む造形ボックス；
製造後粉末除去装置；
搬送機構；および
コントローラ
を備え、
前記製造後粉末除去装置は、
内部レセプタクルキャビティを画定する回転フレーム；
上側クランプおよび少なくとも１つの側方クランプを含み、アクチュエータに個々に連結された複数のクランプ；
リフト装置に連結されたクランププレート；および
前記クランププレートに取り付けられた撹拌装置
を含み、
前記コントローラは、以下：
（１）前記搬送機構を動作させ、前記造形ボックスを前記内部レセプタクルキャビティに搬送する工程；
（２）前記複数のクランプを動作させ、前記造形ボックスを前記回転フレームに固定する工程；
（３）前記リフト装置を動作させ、前記クランププレートを前記造形プレートに係合およびクランプする工程；
（４）前記回転フレームを動作させ、未溶融粉末が前記造形ボックスから出るように該造形ボックスを回転させる工程；
（５）前記リフト装置を動作させ、前記粉末ビンから前記造形プレートを取り出す工程；
（６）前記撹拌装置を動作させ、前記造形プレートを攪拌して前記造形ボックスからの未溶融粉末の注入を促進する工程；および
（７）前記攪拌装置を動作させて前記造形プレートを攪拌するのと同時に、前記回転フレームを動作させて前記造形ボックスを前後に振動させ、未溶融粉末の除去をさらに促進する工程
を実行するように構成される、
ことを特徴とする、付加製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【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、２０２０年８月１４日に出願されたＡｈｒｅｎ Ｈｏｙらによる「ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ ＢＵＬＫ ＵＮＦＵＳＥＤ ＰＯＷＤＥＲ ＲＥＭＯＶＡＬ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」と題された米国仮特許出願第６３／０６５，８５９号に対する優先権の利益を主張する；その内容は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．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。

【0003】

本開示は、粉末材料を選択的に溶融または結合することによって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、材料で充填されたときに手作業で取り扱いおよび持ち上げるには概して大きすぎかつ重すぎる造形ボックスから未溶融または未結合の粉末を効率的に除去するための脱粉末（de-powdering）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、プロトタイピングならびに高価値および／またはカスタマイズされた物品の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、粉末材料から３次元製造物品を形成する。粉末材料の各層は、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か、または結合剤マトリクスと組み合わされる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

物理的に大きな物品を製造することができる大容量システムを有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つの課題は、作製が完了した後に未溶融または未結合の粉末を除去するための効率的かつ安全な方法である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の第１の態様では、３次元（３Ｄ）物品を製造するための付加製造システムは、少なくともプリントエンジンと、製造後粉末除去装置と、搬送機構と、コントローラとを含む。製造後除去装置は、内部レセプタクルキャビティを画定する回転フレームと、対応する複数のアクチュエータに連結された複数のクランプと、リフト装置に連結されたクランププレートと、クランププレートに取り付けられた撹拌装置とを含む。コントローラは、以下の工程を実行するように構成される：（１）搬送機構を動作させ、造形ボックスを内部レセプタクルキャビティに搬送する。（２）複数のアクチュエータを動作させ、造形ボックスを複数のクランプと係合させて、造形ボックスを回転フレームに固定する。（３）回転フレームを動作させ、未溶融粉末が造形ボックスから出始めるまで造形ボックスを回転させる。（４）撹拌装置を動作させ、造形ボックスからの未溶融粉末の注入を促進する。

【0007】

開示されたシステムは、３Ｄ物品からの未溶融粉末の効率的かつ完全に自動化されたバルク除去を可能にする。クランプの動作は、造形ボックスの非常に滑らかな回転を確保する。３Ｄ物品および未溶融粉末の重量が大きいため、大型の金属粉末造形ボックスにとって適切なクランプが特に重要である。撹拌装置をクランププレートに直接取り付けることにより、造形プレートを通して伝達される撹拌エネルギーの割合が最大になり、最小の撹拌エネルギーで粉末の除去が促進される。

【0008】

一実装形態では、プリントエンジンは、エネルギービームを使用して粉末材料の層を溶融および融合するように構成される。エネルギービームは、レーザ、電子ビーム、または粒子ビームとすることができる。

【0009】

別の実装形態では、搬送機構は、プリントエンジンから冷却ステーションに造形ボックスを搬送する。工程（１）は、造形ボックスを冷却ステーションから回転フレームの内部レセプタクルキャビティに搬送する工程を含む。

【0010】

さらに別の実装形態では、複数のクランプは、工程（２）中に垂直軸および横軸に沿って造形ボックスをクランプするための上部クランプおよび少なくとも１つの側方クランプを含む。側方クランプは、対向する横方向から係合する側方クランプを含むことができる。複数の軸に沿ったクランプを提供することは、非常に重い造形ボックスを支持および回転させる場合に有利である。

【0011】

さらなる実装形態では、工程（４）の前に、リフト装置は、クランププレートを造形プレートとのクランプ係合に移動させ、次いで、粉末ビンから造形プレートを取り出すために再び移動させる。これにより、撹拌装置の動作中に造形プレートと粉末ビンとの間に振動防止が提供される。ワイヤロープは、造形プレートと回転フレームとの間の振動防止を提供することができる。振動防止により、振動出力レベルの要求が低減される。振動防止および低減された振動出力レベルは、ＮＶＨ（ノイズ、振動、およびハーシュネス）を低減し、これは様々な理由で有利である。これは、造形ボックス、回転フレーム、および粉末除去装置の他の構成要素を含む製造システムの構造構成要素への振動による損傷を低減する。これはまた、プリントエンジンなどの製造システムの他の構成要素への振動エネルギー伝達を低減する。粉末堆積およびビームシステムはいずれも振動に敏感である。

【0012】

さらなる実装形態では、工程（１）および（２）の間、回転フレームは、造形ボックスの開放頂部が上を向く０度の回転基準位置にある。工程（３）の間、回転フレームは、中心軸の周りで基準位置から約１８０度回転される。

【0013】

別の実装形態では、回転フレームは、中心軸に沿って前後に回転して、工程（４）の間の未溶融粉末除去をさらに促進する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】３次元（３Ｄ）物品を製造するための付加製造システムの一実施形態の概略ブロック図である。

【図2】３Ｄプリントエンジンの概略図である。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融合によって３Ｄ物品を作製する。

【図3A】造形ボックスの一実施形態を概ね下向きに見た等角図である。この図および続く図では、相互に直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺが使用される。Ｘ軸およびＹ軸は、概して、横方向または水平方向である。Ｚ軸は、概して垂直であり、重力基準と位置合わせされる。「概して」とは、方向が設計によるものであるが、製造公差内で変動し得ることを想定する。

【図3B】造形ボックスの一実施形態を概ね上向きに見た等角図である。

【図4】粉末ビンおよび造形プレートを含む造形ボックスの一部分の等角図である。造形プレートを粉末ビン内に固定する下側ラッチが強調される。

【図5】バルク粉末除去装置内に回転可能に取り付けられた回転フレームの等角図である。

【図6】ＹＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの断面等角図である。

【図7】造形ボックスからバルク未溶融粉末を除去するための方法の一実施形態のフローチャートである。

【図8A】ＹＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。回転フレームは、造形ボックスが装填された内部レセプタクルキャビティを画定する。図示の実施形態では、造形ボックスは、横方向Ｙ軸に平行な方向に装填されている。

【図8B】ＸＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。回転フレームは、「回転基準」またはゼロ度位置にあり、造形ボックスの開放頂部は＋Ｚ方向で上を向いている。回転フレームは、横方向Ｙ軸に平行な中心軸上で回転するように構成される。

【図8C】垂直ＹＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。図８Ａと比較すると、上部クランプが下降し、造形ボックスの頂部と垂直クランプ係合している。上側クランプは、Ｚ軸に沿って下降し、Ｚ軸に沿ったクランプを提供する。

【図8D】横方向ＸＹ平面に平行に水平切断された等角断面図である。回転フレームは回転基準位置にある。側方クランプは、内向きに延在し、造形ボックスと側方クランプ係合している。側方クランプは、横方向Ｘ軸に沿って移動し、横方向Ｘ軸に沿ってクランプを提供する。

【図8E】ＸＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。回転フレームは回転基準位置にある。図８Ｂと比較すると、造形ボックスは垂直方向および横方向にクランプされており、クランププレートは造形プレートにクランプされている。クランププレートは、リフト装置によって造形プレートと係合するようにＺ軸に沿って移動される。

【図8F】ＸＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。図８Ｅと比較すると、回転フレームは、基準位置からＹ軸に平行な中心軸の周りに１８０度回転される。中心軸は、回転フレームの回転軸として定義され、概して、ＸＺ平面に対して回転フレームの中心にある。

【図8G】ＸＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。図８Ｆと比較すると、クランププレートは、上向き（＋Ｚ）方向に粉末ビンから造形プレートを取り出している。リフト装置は、クランププレートをＺ軸に沿って持ち上げて造形プレートを取り出すように動作している。

【図8H】粉末ビン、造形プレート、造形プレートクランプ、および造形プレートに取り付けられた３Ｄ物品を示す概略側断面図である。造形ボックスの開放側が下向きになるように、配向は基準位置から１８０度である。クランププレートは、粉末ビンに対して取り出された位置で造形プレートを支持する。

【図8I】粉末ビン、造形プレート、および造形プレートクランプの等角図である。造形プレートクランプは、粉末ビンに対して取り出された位置で造形プレートを支持している。取り出し位置では、造形プレートは粉末ビンから振動防止される。さらに、造形プレートを回転フレームから少なくとも部分的に振動防止する特徴が示されている。

【図8J】ＸＺ平面に平行に垂直切断された回転フレームの側断面図である。図８Ｇと比較すると、回転フレームは、回転基準位置に対して９０～２７０度で回転振動している。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１は、３次元（３Ｄ）物品１００（図８Ｈ）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。システム２は、プリントエンジン４、冷却ステーション６、バルク粉末除去装置またはステーション８、微粉末除去装置またはステーション１０、搬送装置１２、ガス処理システム１４、およびコントローラ１６を少なくとも含む複数の構成要素を含む。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４～１４の外部または内部に存在し得る全てのコントローラを含むと見なされる。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。

【0016】

搬送装置１２は、製造される３Ｄ物品の作製、冷却、および脱粉末を含む順序で、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。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。一実施形態では、ガス処理システムは、構成要素４～１０を排気し、次いで、造形ボックス１８を非酸化性環境内に維持するために、アルゴンまたは窒素などの非酸化性ガスで再充填するように構成される。

【0017】

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、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。

【0018】

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を排気し、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１００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、搬送装置を動作させ、造形ボックス１８を傍系粉末除去ステーション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を微粉末除去ステーション１０に搬送する。微粉末除去ステーション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。

【0019】

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の制御下におくことができる。

【0020】

図２は、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。

【0021】

造形ボックス１８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、分配された金属粉末（図示せず）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３０によって囲まれたチャンバ２８内に収容される。

【0022】

金属粉末ディスペンサ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層上に金属粉末の層を分配するように構成される。図示の実施形態では、第２の粉末ディスペンサ３４は、別の金属または支持材料などの追加の粉末を分配するように構成される。粉末ディスペンサ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。

【0023】

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、または約１０００ワット以上の光パワー層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、金属粉末の層の上面と一致する造形平面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。

【0024】

コントローラ１６は、プリントエンジン４を動作させて３Ｄ物品を作製するように構成することができる：（１）垂直位置決めシステム２６を動作させ、造形プレート２２の上面２４または以前に堆積された粉末の層を、１つの粉末層厚さだけ造形面の下に配置する、（２）ディスペンサ３２を動作させ、上面２４上に金属粉末の層を分配する、（３）ビームシステムを動作させ、分配されたばかりの金属粉末の層を選択的に溶融し、次いで、工程１～３を繰り返して、３Ｄ物品の作製を終了する。コントローラはまた、作製の一部として、粉末ディスペンサ３４およびプリントエンジン４の他の構成要素を動作させることができる。

【0025】

図３Ａおよび図３Ｂは、粉末ビン２０内に造形プレート２２を含む造形ボックス１８の一実施形態の等角図である。粉末ビン２０は、Ｙ軸に沿って粉末ビン２０の端部から延びる上側クランプレシーバ４６を有する開放端４４を含む。粉末ビン２０はまた、システム２内で搬送するためのローラ５０を備えた一対のレール４８を有する。レール４８およびローラ５０は、システム２を通る搬送方向である軸Ｙに沿って延在する。Ｙは横方向の搬送方向であり、Ｘは直交する横方向である。４つの側方クランプレシーバ５２は、粉末ビン２０の（Ｙ軸に対して）対向する端部にあり、Ｘ軸に対して外向きに面する。

【0026】

図４は、造形プレート２２を粉末ビン２０に固定するためのラッチ５４を強調するための造形ボックス１８の一部分の等角図である。粉末ビン２０は、作製および冷却プロセス中に造形プレート２２を固定し、その下限を提供する４つの下側ラッチ５４を含む。下側ラッチ５４は、造形プレート２２に係合するための上面５６を個々に有する。下側ラッチ５４は、Ｙ軸に平行な回転軸を有するヒンジ５８の周りに個々に回転可能に取り付けられる。

【0027】

図５は、バルク粉末除去装置８内に回転可能に取り付けられた回転フレーム６０の等角図である。回転フレーム６０は、中心軸６２を中心にして最大で完全な３６０度回転まで回転するように構成される。中心軸６２は、Ｙと平行であり、回転フレーム６０の円形断面の略中心である。回転フレーム６０は、造形ボックス１８を受け入れるための内部レセプタクルキャビティ６４を画定する。造形ボックス１８は、Ｙ軸に沿って内部レセプタクルキャビティ６４内に受け入れられる。図５に示す回転フレーム６０の向きは、回転フレーム６０の回転「基準（home）」位置である。９０度または１８０度などの回転角度は、基準位置から中心軸６２を中心にした時計回りの回転を指す。

【0028】

回転フレーム６０は、粉末ビン２０の開放端４４および上側クランプレシーバ４６を係合およびクランプするための上側クランプ６６を含む。上側クランプ６６と回転フレーム６０との間に、垂直軸Ｚに沿って上側クランプ６６を昇降させるためのアクチュエータ６８が連結される。上側クランプ６６は、開放頂部７０を有し、約１８０度の回転角度で粉末が出ることを可能にする。

【0029】

図６は、回転フレーム６０の断面等角図である。軸Ｘ、Ｙ、およびＺは、図５および図６に関して同じ向きを有する。回転フレーム６０は、粉末ビン２０の４つの側方クランプレシーバ５２と係合および係合解除するために、Ｘ軸に沿って伸縮するように構成された４つの側方クランプ７２を含む。側方クランプ７２と回転フレーム６０との間には、側方クランプレシーバ５２をＸ軸に沿って伸縮させるためのアクチュエータ７４が連結されている。

【0030】

回転フレーム６０は、造形プレート２２を係合し、クランプし、変位させるように構成されたクランププレート７６を含む。クランププレート７６と回転フレーム６０との間には、クランププレート７６を造形プレート２２と係合するように移動させ、造形プレート２２を粉末ビン２０から取り出すためのリフト装置７８（さらなる検討については図８Ｂ、８Ｉを参照）が連結されている。クランププレート７６は、造形プレート２２の一部を把持するための１つまたは複数の空気圧チャック７７を含む。

【0031】

図７は、バルク粉末除去装置８を使用して造形ボックス１８からバルク粉末を除去するための方法８０の一実施形態のフローチャートである。方法８０の前に：（１）プリントエンジン４は、造形プレート２２の上面２４上に３Ｄ物品１００を作製した；未溶融粉末は、上面の上方で粉末ビン２０内で３Ｄ物品を取り囲む。（２）搬送装置は、造形ボックス１８を冷却ステーションに搬送し、造形ボックス１８の内容物が冷却される時間が経過した。

【0032】

８２によれば、搬送装置１２は、造形ボックス１８を回転フレーム６０の内部レセプタクルキャビティ６４に搬送する（Ｙ軸に沿ってブロック矢印８３によって示される移動の方向）。クランプ（６６、７２、７６）のいずれかが造形ボックス１８の一部に係合する前の造形ボックス１８を含む回転フレーム６０の、図８ＡはＹＺ側断面図であり、図８ＢはＸＺ側断面図である。したがって、クランプ（６６、７２、７６）は、それらの収縮状態にある。

【0033】

８４によれば、アクチュエータ６８を収縮させて上側クランプ６６を下降させ、粉末ビン２０の開放端４４および上側クランプレシーバ４６と係合させる。図８Ｃは、工程８４を示すＹＺ平面を通る側断面図である（ブロック矢印８５によって示される移動の方向）。次いで、上側クランプ６６は、造形ボックス１８に垂直クランプ力を加える。

【0034】

８６によれば、アクチュエータ７４は、Ｘ軸に沿って内向きに拡張されて、側方クランプ７２を側方クランプレシーバ５２と係合させる。図８Ｄは、工程８６を示す等角断面図である。工程８４および８６の後、造形ボックス１８は、垂直および横方向にクランプされ、制止される。

【0035】

８８によれば、リフト装置７８は、クランププレート７６を上昇させ、これは造形プレート２２に係合してクランプする。図８Ｅは、工程８８を示す、Ｘ平面に平行に水平切断された側断面図である。上方への移動は、造形プレート２２を下側ラッチ５４から持ち上げ、造形プレート２２は、クランププレート７６の一部である少なくとも１つの空気圧チャック７７（図６）でクランプされる。

【0036】

９０によれば、粉末ビン２０および造形プレート２２が回転フレーム６０に別々にクランプされている間に、回転フレーム６０が１８０度回転される。図８Ｆは、工程９０を示すＸＺ側断面図である。粉末ビン２０は、造形プレート２２の反対側の端部で開放されているので、未溶融粉末の大部分は、垂直下向きに落下し、回転フレーム６０の下方のバルク粉末除去装置８の捕捉部に入る。また、回転フレーム６０の１８０度反転位置では、ラッチ５４は内向きに回転し、工程９２において造形プレート２２を取り出すことができる。

【0037】

９２によれば、リフト装置は、クランププレート７６を上昇させ、粉末ビン２０から造形プレート２２を取り出す。これは、粉末ビン２０からの造形プレート２２の振動防止を提供するための重要な工程である。図８Ｇは、工程９２を示すＸＺ側断面図であり、リフト装置７８は、クランププレート７６を持ち上げて造形プレート２２を取り出す。

【0038】

図８Ｈは、クランププレート７６に連結された造形プレート２２に連結されている未溶融粉末が付着した３Ｄ物品１００を含む分離された部品を示す概略側断面図である。３Ｄ物品１００は、粉末ビン２０の内面１０４と３Ｄ物品１００との間に間隙１０２を有して作製されている。

【0039】

図８Ｉは、粉末ビン２０、造形プレート２２、およびクランププレート７６の等角図である。図８Ｇ、８Ｈ、および８Ｉはすべて、造形プレート２２が粉末ビン２０から取り出され、したがって造形プレート２２が粉末ビン２０から機械的に分離される、工程９２に対応する。ワイヤロープアイソレータ１０６はまた、クランププレート７６を回転フレーム６０に機械的に連結する。したがって、クランププレート７６は、粉末ビン２０からおよび回転フレーム６０から振動的に隔離される。ワイヤロープアイソレータ１０６は、Ｘ軸に沿ってより高い剛性Ｋ_ｃを有し、Ｙ軸に沿ってより低い剛性Ｋ_ａ＝０．５Ｋ_ｃを有し、Ｚ軸に沿ってより低い剛性Ｋ_ｂ＝０．５Ｋ_ｃを有する。

【0040】

クランププレート７６には２つの攪拌装置１０８が取り付けられている。図示の実施形態では、撹拌装置１０８は、偏心ウェイトに連結されたモータを個々に含む。モータは、Ｘ軸と位置合わせされた回転軸を有する。主振動力方向は、垂直Ｚ軸（造形プレートの上面２４に垂直）に沿う。二次振動力方向は、上面２４に平行なＹ軸に沿う。

【0041】

９４によれば、撹拌装置１０８の一方または両方を作動させて、未溶融粉末の除去を促進し、強化する。造形プレートクランプは粉末ビン２０および回転フレーム６０から振動隔離されているので、振動エネルギーのほぼすべてが伝達され、さもなければ粉末ビン２０および／または回転フレーム６０を振動させるであろう無駄なエネルギーを最小限に抑えて粉末を除去するために利用される。

【0042】

９６によれば、撹拌装置１０８の動作と同時に、回転フレームは図８Ｇの位置から前後に回転する。図８Ｊは、中心軸６２（図５）の周りのこの揺動回転運動を示す。この揺動運動は、未溶融粉末の除去をさらに促進し、強化する。例示的な実施形態では、揺動運動は、Ｙ軸の周りで図８Ｇの位置からプラスマイナス９０度（または図８Ｂの位置から９０～２７０度の間）である。

【0043】

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3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図8E】

【図8F】

【図8G】

【図8H】

【図8I】

【図8J】