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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-03
(54)【発明の名称】積層製造のためのモジュール構成
(51)【国際特許分類】
B22F 12/80 20210101AFI20230626BHJP
B29C 64/153 20170101ALI20230626BHJP
B29C 64/259 20170101ALI20230626BHJP
B29C 64/307 20170101ALI20230626BHJP
B29C 64/268 20170101ALI20230626BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20230626BHJP
B22F 12/40 20210101ALI20230626BHJP
B22F 12/44 20210101ALI20230626BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20230626BHJP
B22F 12/90 20210101ALN20230626BHJP
B22F 10/77 20210101ALN20230626BHJP
B22F 12/13 20210101ALN20230626BHJP
B22F 10/64 20210101ALN20230626BHJP
B22F 10/73 20210101ALN20230626BHJP
【ＦＩ】
B22F12/80
B29C64/153
B29C64/259
B29C64/307
B29C64/268
B33Y30/00
B22F12/40
B22F12/44
B22F10/28
B22F12/90
B22F10/77
B22F12/13
B22F10/64
B22F10/73
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022572493
(86)(22)【出願日】2021-05-26
(85)【翻訳文提出日】2023-01-13
(86)【国際出願番号】 US2021034273
(87)【国際公開番号】W WO2021242871
(87)【国際公開日】2021-12-02
(31)【優先権主張番号】63/030,757
(32)【優先日】2020-05-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ケブラー
(71)【出願人】
【識別番号】517405068
【氏名又は名称】シューラット テクノロジーズ，インク．
【氏名又は名称原語表記】ＳＥＵＲＡＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100074099
【弁理士】
【氏名又は名称】大菅 義之
(72)【発明者】
【氏名】バイラミアン アンドリュー ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】クック エイプリル エル．
(72)【発明者】
【氏名】ルブラン コート
(72)【発明者】
【氏名】キッシンジャー ドリュー ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】リード フランシス エル．
(72)【発明者】
【氏名】チティック ハロルド ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】デムス ジェイムス エー．
(72)【発明者】
【氏名】ジャーボエ ジェフリー
(72)【発明者】
【氏名】ギレスピー ジョセフ
(72)【発明者】
【氏名】カムサド コロッシュ
(72)【発明者】
【氏名】フェレリ ニコラス シー．
(72)【発明者】
【氏名】ドゥアンム ニン
(72)【発明者】
【氏名】クラス スザンヌ
(72)【発明者】
【氏名】ムンドン サマー カプアイミリア
(72)【発明者】
【氏名】シェン イユ
(72)【発明者】
【氏名】マクドナルド ジェイ． ターレ
【テーマコード（参考）】
4F213
4K018
【Ｆターム（参考）】
4F213WA25
4F213WB01
4F213WL03
4F213WL32
4F213WL74
4K018AA06
4K018AA09
4K018AA14
4K018AA24
4K018BA03
4K018BA08
4K018BA13
4K018BA20
4K018BC21
4K018DA35
(57)【要約】
積層製造システムの印刷エンジンは、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションを含む。フレームを含むレーザエンジンは、少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を含む少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するように配置することができる。光学位置合わせシステムを印刷ステーションまたはレーザエンジンの少なくとも一方に取り付けて、現場交換可能ユニットを取り外し可能なカートリッジに対して位置合わせすることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
積層製造システムの印刷エンジンであって、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションと、
少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を含む、少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するフレームを含むレーザエンジンと、
前記現場交換可能ユニットを前記取り外し可能なカートリッジに対して位置合わせするために、前記印刷ステーションまたは前記レーザエンジンの少なくとも一方に取り付けられた光学位置合わせシステムと、を含む、印刷エンジン。
【請求項2】
前記取り外し可能なカートリッジは、床とレーザ透過窓を有する密閉可能なチャンバを含む、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項3】
前記取り外し可能なカートリッジは、前記密閉可能なチャンバ内に配置された粉末ホッパと、前記粉末ホッパから前記床上に粉末を分配するために前記密閉可能なチャンバ内に配置された粉末散布機とを備える、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項4】
前記レーザエンジンの前記フレームが能動的に機械的に減衰される、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項5】
レーザ光が複数の現場交換可能ユニット間を通過する、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項6】
前記少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットおよび前記取り外し可能なカートリッジに、ガスシステム、流体システム、電気システム、制御システム、およびデータベースシステムを提供する施設ステーションへの接続をさらに含む、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項7】
印刷カートリッジトランスポータユニットをさらに含む、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項8】
現場交換可能なユニットトランスポータユニットをさらに含む、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項9】
前記レーザエンジンは、２次元パターン化されたレーザビームを前記取り外し可能なカートリッジに向けることができる、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項10】
前記取り外し可能な現場交換可能ユニットは、互いの間でレーザビームを向けることができる、請求項１に記載の積層製造システムの印刷エンジン。
【請求項11】
積層製造印刷方法であって、印刷ステーションでの取り外し可能なカートリッジを配置することと、
少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を含む、少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するフレームを含むレーザエンジンからのレーザビームを前記取り外し可能なカートリッジに向けることと、
前記印刷ステーションまたは前記レーザエンジンの少なくとも一方に取り付けられた光学位置合わせシステムを使用して、前記現場交換可能ユニットを前記取り外し可能なカートリッジに対して位置合わせすることと、を含む、積層製造印刷方法。
【請求項12】
前記取り外し可能なカートリッジは、床とレーザ透過窓を有する密閉可能なチャンバを含む、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項13】
前記取り外し可能なカートリッジは、前記密閉可能チャンバ内に配置された粉末ホッパと、前記粉末ホッパから前記床上に粉末を分配するために前記密閉可能チャンバ内に配置された粉末散布機と、を含む、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項14】
前記レーザエンジンの前記フレームが能動的に機械的に減衰される、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項15】
レーザ光が複数の現場交換可能ユニット間を通過する、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項16】
前記少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットおよび前記取り外し可能なカートリッジに、ガスシステム、流体システム、電気システム、制御システム、およびデータベースシステムを提供する施設ステーションへの接続をさらに含む、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項17】
印刷カートリッジトランスポータユニットをさらに含む、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項18】
現場交換可能なユニットトランスポータユニットをさらに含む、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項19】
前記レーザエンジンが２次元パターン化されたレーザビームを前記取り外し可能なカートリッジに向けることができる、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項20】
前記取り外し可能な現場交換可能ユニットは、互いの間でレーザビームを向けることができる、請求項１に記載の積層製造印刷方法。
【請求項21】
積層製造システムの印刷エンジンであって、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションと、
複数の取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するためのフレームを含むレーザエンジンであって、各現場交換可能ユニットは、レーザビームを前記印刷ステーション内の前記取り外し可能なカートリッジに向けるために、少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を有する、レーザエンジンと、を含む、印刷エンジン。
【請求項22】
積層製造システムの印刷エンジンであって、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションと、
複数の取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するためのフレームを含むレーザエンジンであって、各現場交換可能ユニットは、レーザビームを前記印刷ステーション内の前記取り外し可能なカートリッジに向けるために、少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を有し、前記レーザビームは、前記取り外し可能なカートリッジに向けられる前に複数の現場交換可能ユニットを通過する、レーザエンジンと、を含む、印刷エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
本開示は、２０２０年５月２７日に出願された米国特許出願Ｎｏ．６３／０３０，７５７の優先権の利益を主張する非仮特許出願の一部であり、参照によりその全体が組み込まれている。
本開示は、２０２０年５月２７日に出願された米国特許出願Ｎｏ．６３／０３０，７５７の優先権の利益を主張する非仮特許出願の一部であり、参照によりその全体が組み込まれている。
【0002】
本開示は、一般的に、ハイスループットの積層製造のためのシステムおよび方法に関する。一実施形態では、高速製造は、取り外し可能な印刷カートリッジと取り外し可能なレーザ印刷エンジンの使用によって支持される。
【背景技術】
【0003】
伝統的な構成要素の機械加工は、部品を形成するために、穴あけ、切断、または研削による材料の除去に依存することが多い。対照的に、３Ｄ印刷とも呼ばれる積層製造では、通常、部品を構築するために材料を層ごとに順次追加する。３Ｄコンピュータモデルから始まり、積層製造システムを使用して、多種多様な材料から複雑な部品を作製することができる。
【0004】
粉末床融合（ＰＢＦ）として知られる積層製造技術の１つは、レーザや電子ビームのような１つまたは複数の集束エネルギー源を使用して、粉末を溶融して下の層に結合させることによって、粉末の薄い層にパターンを描画し、徐々に３Ｄ印刷された部品を形成する。粉末には、プラスチック、金属、ガラス、セラミック、結晶、その他の可溶材料、または可溶材料と不溶材料の組み合わせ（すなわち、プラスチックと木材、または金属とセラミック）があり得る。この技術は非常に正確であり、通常は１５０～３００ｕｍの小さな特徴サイズを実現できる。しかし、工業用積層製造システムは動作が煩雑になる可能性があり、３Ｄ印刷された部品の取り外し、印刷チャンバの清掃、または摩耗品の修理などの通常の日常業務を行う際に、作業員が防護具（例えば、保護マスク、保護眼鏡、特殊制服）を着用する必要が生じることが多い。
【0005】
いくつかの積層製造システムは、３Ｄ印刷を箱に密閉することによって、メンテナンスの容易さと安全性を向上させようとした。この箱は、積層製造システムが印刷を終えた後、機械から取り外せる。残念ながら、プリンタと密閉された箱の間に完全なシールを形成することは困難であり得るため、印刷チャンバの外には常に何らかの粉末が存在する。これにより、オペレータが吸入の危険にさらされる可能性がある。
【0006】
積層製造システムでは、次の３Ｄ印刷を開始できる前に、３Ｄ印刷の除去、清掃、およびプリンタの整備にかなりの時間が必要になることもある。３Ｄ印刷を箱に入れて密閉したとしても、印刷チャンバを手作業で清掃し、摩耗品（例えば散布機ブレードなど）を手作業で交換して再位置合わせする必要がまだある場合がある。印刷は本質的に汚れたプロセスであるため（本明細書でいう汚れとは、煤、未使用の粉末、溶着スラグなどを意味する）、散布機ブレード、ガス流ダクト、ガラス窓、散布機駆動機構など、印刷チャンバ内のすべてのものが汚れで覆われる可能性がある。使用する印刷粉の純度を確保することが重要であるため、材料を切り替える前に印刷チャンバやガスダクトを十分に清掃することが不可欠である。これには、汚れを除去できるように通常多くの構成要素を分解する入念な清掃が必要である場合がある。この作業はグローブポートを介して行うことはできず、保護マスクのような保護具を装着した特別に訓練された労働力を使用する必要がある。
【0007】
もう一つの問題は、不活性ガス環境を必要とする３Ｄ印刷に起因する。印刷チャンバを大気中に開放するときは、排気してパージしなければならない。このプロセスにはかなりの時間がかかり、高価な不活性ガスの損失につながる。これらの作業にはかなりの時間がかかることもあり、清掃と整備が完了するまで新しい３Ｄ印刷を開始できないことが多いため、積層製造スループットが低下する。
【0008】
積層製造システムでは、３Ｄ印刷を印刷チャンバから取り出すときに、制御された印刷環境から３Ｄ印刷を取り出す必要がある場合もある。これは３Ｄ印刷に悪影響を及ぼす可能性があり、後処理のために熱処理オーブンを必要とする場合は、クールダウンおよび／またはその後のストレス軽減、アニール、または熱処理を行う。積層製造システムは、印刷チャンバ内で印刷版を予熱すること、および／または印刷中に設定温度で印刷を維持することができるが、印刷チャンバの外では温度制御ができないことが多い。残念なことに、３Ｄ印刷を印刷チャンバから取り出す場合、通常は温度制御されておらず、多くのシステムでは制御されていない空気にもさらされる。これらの要因は、３Ｄ印刷の材料特性に影響を与える可能性がある。さらに、３Ｄ印刷は印刷チャンバからすぐに取り出せないほど高温であることが多いため、印刷を終えた後に印刷チャンバに何時間も置かなければならない。これにより、印刷チャンバが固定され、システムが新しい印刷ジョブを開始できなくなる。
【発明の概要】
【0009】
いくつかの実施形態では、積層製造システムの印刷エンジンは、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションを含む。フレームを含むレーザエンジンは、少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を含む少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するように配置することができる。光学位置合わせシステムを印刷ステーションまたはレーザエンジンの少なくとも一方に取り付けて、現場交換可能ユニットを取り外し可能なカートリッジに対して位置合わせすることができる。
【0010】
いくつかの実施形態では、取り外し可能なカートリッジは、床とレーザ透過窓を有する密閉可能なチャンバを含む。
【0011】
いくつかの実施形態では、取り外し可能なカートリッジは、密閉可能なチャンバ内に配置された粉末ホッパと、粉末ホッパから床に粉末を分配するために密閉可能なチャンバ内に配置された粉末散布機を含む。
【0012】
いくつかの実施形態では、レーザエンジンのフレームは能動的に機械的に減衰される。
【0013】
いくつかの実施形態では、レーザ光は複数の現場交換可能ユニット間を通過する。
【0014】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットと取り外し可能なカートリッジに、ガスシステム、流体システム、電気システム、制御システム、およびデータベースシステムを提供する施設ステーションへの接続が使用される。
【0015】
いくつかの実施形態では、取り外し可能なカートリッジを移動するために、印刷カートリッジトランスポータユニットを使用することができる。
【0016】
いくつかの実施形態では、現場交換可能なユニットトランスポータユニットを提供することができる。
【0017】
いくつかの実施形態では、レーザエンジンは２次元パターン化されたレーザビームを取り外し可能なカートリッジに向けることができる。
【0018】
いくつかの実施形態では、取り外し可能な現場交換可能ユニットは、互いの間でレーザビームを向けることができる。
【0019】
積層製造印刷法は、取り外し可能なカートリッジを印刷ステーションに配置することを含む。レーザビームは、取り外し可能なカートリッジに少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を含む少なくとも１つの取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するフレームを含むレーザエンジンから向けることができる。現場交換可能ユニットは、印刷ステーションまたはレーザエンジンの少なくとも一方に取り付けられた光学位置合わせシステムを使用して、取り外し可能なカートリッジに対して位置合わせすることができる。
【0020】
いくつかの実施形態では、積層製造システムの印刷エンジンは、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションを含む。レーザエンジンは、複数の取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するためのフレームを含む。各現場交換可能ユニットは、レーザビームを印刷ステーションの取り外し可能なカートリッジに向けるために、少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を有することができる。
【0021】
いくつかの実施形態では、積層製造システムの印刷エンジンは、取り外し可能なカートリッジを保持するように構成された印刷ステーションを含む。レーザエンジンは、複数の取り外し可能な現場交換可能ユニットを保持するためのフレームを含む。各現場交換可能ユニットは、レーザビームを印刷ステーションの取り外し可能なカートリッジに向けるために、少なくともいくつかのレーザ光学系またはパターン化光学系を有することができ、レーザビームは取り外し可能なカートリッジに向けられる前に複数の現場交換可能ユニットを通過する。
【0022】
本開示の非限定的および非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、ここで、同様の参照番号は、特に指定されない限り、様々な図全体にわたって同様の部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1A】部分断面の積層製造システム用印刷カートリッジを示している。
【図1B】印刷カートリッジのトランスポータを示している。
【図1B(i)】自動駆動トランスポータを示す。
【図1C】積層製造システムの印刷モジュールへの印刷カートリッジの設置を示している。
【図1D】印刷カートリッジのインターフェースを示している。
【図1E】印刷保管モジュールを示している。
【図1F】補助印刷モジュールの使用を示している。
【図1G】８システムワークセルの工場レイアウトを示している。
【図1G(i)】大型印刷カートリッジの使用と、大型印刷カートリッジの様々なトランスポータ機構を示している。
【図1G(ii)】大型印刷カートリッジの使用と、大型印刷カートリッジの様々なトランスポータ機構を示している。
【図1G(iii)】大型印刷カートリッジの使用と、大型印刷カートリッジの様々なトランスポータ機構を示している。
【図1H】印刷カートリッジ内の印刷版の全領域を横断することができるＸ－Ｙガントリと相互作用することができる印刷カートリッジの代替的な実施形態を示している。
【図1I】ベローズ接続による印刷カートリッジの代替的な実施形態を示している。
【図1J】ベローズ接続と２次Ｘ－Ｙガントリを備えた印刷カートリッジの代替的な実施形態を示している。
【図1K】ベローズ接続と、窓を押して移動するために接続された印刷ヘッドを備えた印刷カートリッジの代替的な実施形態を示している。
【図1L】レーザ入力窓をクリアに保つワイパブレードの概念を示している。
【図1M】固定窓を有する積層製造システムの代替的な実施形態を示している。
【図1O】印刷システムに含まれる様々なステーションの印刷施設制御を示している。
【図1P】可能なステーションの印刷施設制御を示している。
【図1Q】レーザエンジンを含む印刷モジュール内の現場交換可能ユニットの配置を示している。
【図1Q(i)】フレーム内に能動的および受動的振動減衰機構を含む実施形態を示している。
【図1R】現場交換可能ユニット（ＦＲＵ）の透視図である。
【図1S】例としての積層製造システムのブロック図を示している。
【図1T】レーザステーションのブロック図を示している。
【図2】カートリッジベースの積層製造システムの動作方法を示している。
【図3】カートリッジに１次元または２次元の光ビームを提供できるカートリッジベースの積層製造システムを示している。
【図4】カートリッジに１次元または２次元の光ビームを提供できるカートリッジベースの積層製造システムを動作する方法を示している。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下の説明では、その一部を形成し、開示を実施することができる具体的な例示的な実施形態を例示する方法で示されている添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示された概念を実践することができるように十分に詳細に説明されており、本開示の範囲から逸脱することなく、開示された様々な実施形態に修正を加えることができ、他の実施形態を利用することができることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味では取らない。
【0025】
図１Ａは、積層製造システム用の３Ｄ印刷カートリッジ１Ａを部分断面で示している。３Ｄ印刷カートリッジ（以下「カートリッジ」）は、「汚れた」印刷機能をすべてシステムの他の部分およびオペレータ環境から分離し、交換または取り外しができるように設計されている。「汚れた」とは、粉末が存在する場所、印刷用に加工された場所、または煤が発生する場所を意味する。カートリッジ１Ａが後述するステーション（プリンタ、粉末除去、または保管）などの相手機器に接続されるたびに、相手機器はどのステーションに接続されているかによって、必要に応じてカートリッジを動作するために必要な整備を提供することができる（例えば、プリンタステーションはカートリッジを完全に制御できるが、保管ステーションは加熱、電力、およびガスの再利用のみを提供し、カメラとライトを使用することができる）。カートリッジ１Ａは、相手ステーションから取り外したときに密閉されるように設計されている。
【0026】
カートリッジ１Ａは、床またはベースプレート２４Ａの周りに構築されている。全体積印刷に必要なすべての粉末を保管できる能力を有し得る粉末ホッパ２Ａには、新しい印刷用の新しい粉末が保管されている。粉末ドア２３Ａを介してベースプレート２４Ａ上に新しい粉末を計量する。粉末散布ブレードを使用して、粉末散布機４Ａによって粉末をプレート上に掃引する。粉末散布機駆動装置５Ａは、印刷版１２Ａを挟んで粉末散布機を前後に動かす。
【0027】
窓３Ａはカートリッジ１Ａの上部を粉末やガスの漏れから密閉し、レーザビーム（図にはない）を通過させて粉末を溶着できるようにする。窓３Ａは、印刷版のロード、印刷のアンロード、カートリッジ構成要素（シール、散布機ブレードなど）の清掃と整備のためにカートリッジにアクセスすることができる。カートリッジ１Ａの内部をカメラおよびライト２２Ａで照らして撮像することができる。カメラとライトは、密閉されたチャンバの内側または外側、またはその両方に配置でき、写真を撮影する、および／またはカートリッジ内のシーン、特に印刷版に焦点を合わせるために配置できる。カメラとライトはモーションステージに取り付けることもでき、ユーザーは印刷中に目的の項目をパンまたはズームすることができる。このカメラは、パイロメーター、モーション検出器、フォトダイオード、サーマルカメラ、またはその他のセンサなどの２次印刷診断と組み合わせることで、自動的にイベントを検出し、カメラをパン／ズームして目的の場所に焦点を合わせることができる。いくつかの実施形態では、カートリッジ内の物理的なポートまたは窓を通して直接見るのではなく、オペレータが電子的または仮想的な窓でカメラ画像を見ることができる。
【0028】
ガス供給ダクト６Ａでカートリッジに不活性ガスを供給できるため、印刷ごとに最適な大気で印刷できる。ガス戻しダクト７Ａは不活性ガスを除去する。ガスはＨＥＰＡフィルタ８Ａを通過し、不純物（煤、粉末の浮遊ナノ粒子など）を除去する。次に、ガスはガスリサイクラ（図には示されていない）に送られ、ガスリサイクラは相手機器に設置される。カートリッジを相手機器から取り外す際には、カートリッジ内の大気を保つためにガス供給ポート９Ａとガス戻しポート１０Ａを密閉する。その後、他の機器で酸素や水分などを除去してガスを精製する。
【0029】
Ｚ軸は各層を印刷した後に印刷版を下げ、新しい層の粉末を広げてその後印刷できるようにする。この設計では、Ｚ軸フレーム１１ＡがＺ軸構成要素を保持している。印刷版（ＡＫＡ構築プレート）１２Ａは、印刷時に粉末を溶着する場所である。印刷版ヒーター１３Ａは、（必要に応じて）印刷版１２Ａの加熱機構を含み、シールプレート１４Ａを絶縁および／または冷却することもできる。シールプレートＡにはシール１５Ａが装着されており、Ｚ軸フレーム１１Ａに粉末を閉じ込めている。Ｚ軸底板１６ＡはＺ軸フレーム１１Ａの下端を閉じており、シール１５Ａをすり抜ける可能性のある粉末を収納する機能を備えている。プランジャ１７Ａには、遠隔で、自動的に、および正確にＺ軸駆動装置とインターフェースできるようにインターフェースがある。プランジャシール１８Ａは底板１６Ａと勘合し、さらにカートリッジ１Ａを粉末および／またはガスの漏れに対して密閉する。
【0030】
インターフェースプレート１９Ａには、カートリッジのすべての入出力（圧縮空気、電力、入出力信号、ガス、冷却水など）が含まれている。カートリッジを相手機器に接続すると、これらすべての接続が行われるように設計されている。インターフェースには、相手機器との勘合時に各カートリッジを電子的に識別する機構を含めることもできる。ローラー２０Ａを使用すると、カートリッジ１Ａを相手機器の相手レールに転がすことができる。フォークリフトチューブ２１Ａは、フォークリフトまたは他の搬送システムによってカートリッジを持ち上げて移動させることができる。
【0031】
別の実施形態では、インターフェースプレートは、様々なタイプまたはモデルのプリンタと勘合するように構成できる。
【0032】
一実施形態では、駆動構成要素（例えばモータ、アクチュエータなど）を相手ステーションに配置し、外部駆動構成要素からカートリッジ内の駆動構成要素に電力を移送するためのリンケージを採用することができる。これにより、各カートリッジのコストと複雑さが軽減される。例えば、粉末散布駆動装置５Ａは、カートリッジがギアシステム、ベルトシステム（５Ａに示す）、磁気制限、電気、磁気、誘導、油圧、またはその他の同様のタイプの信号またはエネルギー伝達を介して印刷ステーション／エンジンに接続されたときに自動的に接続されるリンケージ構造に結合することができる。同様に、カートリッジと互換性のある相手ステーションとの間のガスおよび流体の交換には、外部の粉末、流体および／またはガスポンプを使用でき、これらはインターフェースパネル１９Ａまたはその他の便利な場所のいずれかでカートリッジにフックされ、内部のサービス移送モータ／ポンプでカートリッジに過剰な負荷をかける必要なく粉末（ホッパ２Ａへ）、流体またはガスの移送を可能にする。内部のインペラ（粉末や流体の移送に使われる）は、前述のリンケージを介して外部モータから動力を得ることができる。
【0033】
インターフェースパネル１９Ａを介した電力結合は、電気的、誘導的、または光学的であり得、後者の２つは、電力と通信の両方を同時に移送することを可能にする。さらに、カートリッジに内蔵された様々なセンサからの診断情報は、電気的または光学的な方法で発生する可能性がある。
【0034】
一実施形態では、カートリッジ１Ａは、電子的に読み出し可能なメモリ２５Ａなどの電子的な識別、または添付されたテキスト、ＱＲコード（登録商標）、もしくはバーコードなどの他の電子的に読み出し可能な指標を含むことができる。メモリ２５Ａは、カートリッジまたはカートリッジ構成要素に関する電子情報を提供することができ、そのメーカー、モデル、タイプ、粉末タイプ、またはユニット、そのサブ構成要素、またはそれらの意図された用途に関するその他の定義の詳細を識別するために使用することができる。この情報を使用して、印刷する材料、所望の大気（圧力と温度）、またはその他の印刷関連の側面について印刷エンジンに通知し、印刷エンジンが必要に応じて印刷カートリッジまたはサブアセンブリに対応できるようにすることができる。誘発される変化には、内部レンズアセンブリの自動交換、レンズアセンブリのｚ高さ／最終光投射の調整、単位面積あたりの電力、パルス形状、パルス持続時間、パルス繰り返し率、波長、空間パルス形状、タイルサイズ、タイル内の空間エネルギー分布などのレーザパラメータ調整、データ診断の変更、データフィードバックアルゴリズム、印刷プロセスフィードバックアルゴリズム、または印刷プロセス中のタイルの配置方法のアルゴリズム変更などのアクションが含まれ得る。印刷カートリッジに関連付けられた電子メモリ２５Ａからの電子情報は、どのステーションでも読み出すことができ、印刷がどの程度行われたか、および散布機サイクル数、ｚ軸調整、温度サイクル、圧力サイクル、またはカートリッジまたはサブカートリッジが途中で受けたその他の属性などのその他の主要なメトリックに関するデータを収集できる。この情報は、ステーションのいずれか、サブシステムの１つ、工場自動システム、カートリッジ自体、カートリッジ搬送システム、またはその他の相手／インターフェース機器によって中央データベースに保存することもできる。
【0035】
図１Ｂは、カートリッジ２Ｂの実施形態を含む積層製造システム１Ｂの一実施形態を示す。図に示すように、カートリッジ２Ｂは、トランスポータ（ここではフォークリフト３Ｂで表される）によって運ばれたカスタム搬送固定具４Ｂ上の印刷ステーション１１Ｂに搬送されている。トランスポータは、そのサービスと機能のすべてまたは一部が能動的になるようにカートリッジとインターフェースすることも、カートリッジが部分的または完全にサービスから切り離され、トランスポータによって運ばれている間に機能しなくなることもできる。後でより詳細に説明するように、印刷エンジン１１Ｂは、印刷ステーションとレーザエンジンステーションを含むシステムモジュールである。カートリッジ２Ｂは、準備サービスステーション（図には示されていない）などの別の相手機器で準備（すなわち、新しい粉末が充填されている、新しい印刷版が設置されている、すべてのカートリッジ構成要素が検査され、リフレッシュされ、位置合わせされている、適切なガスが充填されている、印刷版が予熱されている、などである）されると、印刷できる状態になる。
【0036】
トランスポータ３Ｂは、搬送固定具４Ｂを相手レール５Ｂに位置合わせする。位置合わせが完了すると、捕捉機構６Ｂは印刷カートリッジ２Ｂを印刷ステーション１１Ｂに引き込む。印刷カートリッジ２Ｂは位置合わせされ、印刷ステーション１１Ｂ内の所定の位置に固定される。カートリッジ２Ｂが所定の位置に引き込まれると、そのインターフェースプレート（図１Ａに関して説明されているものと同様）が印刷ステーションのインターフェースプレート９Ｂに位置合わせされる。カートリッジ２Ｂが所定の位置に固定されると、インターフェースプレートが完全に勘合し、サービス（圧縮空気、電力、入出力信号、ガス、冷却水など）が印刷カートリッジ２Ｂに提供される。所定の位置に固定するには、代わりにまたはそれに加えて、永久磁石または電磁石、ピン、クランプ、フック、ケーブル、傾斜、空気軸受、リニア摺動、リンケージ、またはロボットのエンドエフェクタを使用することができる。さらに、反応性金属がカートリッジにロードされ、印刷ステーション内の大気が爆発を起こさないように適切であるという保証が必要な場合など、不適切な動作に対する追加の安全対策としてハードウェアキーイングを使用することができる。電子、光学、およびソフトウェアなどの追加または代替キーイングをオーバーレイ安全対策として使用し、承認されたステーションから独立したＦＲＵの不正使用を防ぐことができる。
【0037】
勘合されると、Ｚ軸ピストン７ＢはＺ軸プランジャに一致して上昇する（図１Ａに関して説明したものと同様）。接触すると、自動クランプ８Ｂが両者を接続する。カートリッジのＺ軸は、印刷ステーション１１Ｂによって完全に制御できるようになった。内蔵の光学診断（カメラ／センサ）とカートリッジ内の照明は、印刷ステーション１１Ｂから電力を供給されるようになり、診断画像／データを仮想窓１０Ｂに表示し得たり、および／またはその他の場所で印刷ステーションが画像／データを送信するように指示したりする。
【0038】
印刷が終了すると、トランスポータ３Ｂは搬送固定具４Ｂを印刷カートリッジ２Ｂに位置合わせする。捕捉機構６Ｂは、印刷カートリッジ２Ｂを押して、それが搬送固定具４Ｂに展開されるようにする。印刷カートリッジ２Ｂは、搬送固定具４Ｂと勘合して固定される。これで、トランスポータ３Ｂはカートリッジ２Ｂを別のステーションまたは相手機器に配送できるようになる。印刷ステーション１１Ｂはすぐに使用できるため、別の印刷カートリッジを所定の場所にロードして、次の印刷を印刷間の最小ダウンタイムで開始できる。この２番目の印刷カートリッジには、まったく異なる印刷可能な材料が含まれ得ることに注意されたい。
【0039】
この例では、トランスポータ（３Ｂ）は、人間が駆動するカートリッジトランスポータであるが、他の実施形態では、トランスポータを部分的または全体的に自動化することができる。他の例では、部分的または完全に自動化されたトランスポータは、テレプレゼンスカメラ（遠隔ペレータ）によってガイドされ、人工知能、ニューラルネットワーク、深層学習ネットワーク、ニューロモルフィックプロセシング、またはその他の自動決定方法などの単純または複雑なアルゴリズムによって組み込みトランスポンダーによってガイドされ、任意の数の光学センサまたは非光学センサによって支援され得る。
【0040】
他の実施形態では、カートリッジへのモジュールインターフェース（６Ｂ）は同じ高さであり、トランスポータ３Ｂは、高さを調整することなく、カートリッジ２Ｂとインターフェースして固定するように作られており、トランスポータ３Ｂでの「フォークリフトのような」動作を必要としない。
【0041】
図１Ｂ（ｉ）は、印刷カートリッジ１Ｂ（ｉ）を搭載した自動推進トランスポータを示している。印刷カートリッジ（３Ｂ（ｉ））を自走式トランスポータ５Ｂ（ｉ）にロードする。トランスポータは、独自のソフトウェア／命令／プログラミングによって、カートリッジ３Ｂ（ｉ）に配置された命令によって指示された３Ｂ（ｉ）を目的地に配送するように制御することができ、製造システム制御プログラム、そこにロードされた命令、テレプレゼンス制御、または後述の通信接続方法のいずれかによって制御することができる。トランスポータ５Ｂ（ｉ）は、カートリッジを能動的にし、制御システムがトランスポータに搭載された通信システムを介してカートリッジ内の診断を監視できるようにするための電力／通信も含まれている。
【0042】
図１Ｃは、印刷中に印刷カートリッジ２Ｃを保持している印刷ステーション１１Ｃの正面図を有する積層製造システム１Ｃの一実施形態を示している。カートリッジ２Ｃは位置合わせされ、相手レール３Ｃによって支持されている。Ｚ軸ピストン４Ｃが上昇し、カートリッジプランジャに接続されている（図１Ａに関して説明されているものと同様）。レーザビーム５Ｃは印刷ステーション１１Ｃから出て、カートリッジ上部の窓６Ｃを通過し、カートリッジ２Ｃ内の印刷された部品に粉末を溶着する。安全シールド７Ｃは、レーザ光が印刷ステーションから漏れるのを防ぎ、印刷中に誤って印刷チャンバ２Ｃに接触することからオペレータを保護する。オペレータは、仮想窓８Ｃに表示されたカメラ画像を見ることで、印刷を検査することができる。さらに、可視または不可視の波長範囲の画像、光学パイロメトリック、またはレーザ超音波撮像システム（ＬＵＩＳ）または同様の高速撮像システムから得られた情報などの任意の診断データを仮想窓８Ｃに表示することができる。
【0043】
図１Ｄは、標準カートリッジインターフェースの正面図の１Ｄの例を示している。これらのインターフェース機能６Ｄは、すべての相手機器に組み込むことができるため、カートリッジを同じ方法でそれぞれに勘合できる。カートリッジ相手レール６Ｄはカートリッジをガイドして支持する。捕捉機構２Ｄは、カートリッジを相手機器に引き込み、搬送固定具（図１Ｂに関して説明したものと同様である）に押し戻す。これらの特徴のサイズ、材料、機能、および位置を標準化できる。標準インターフェースは、カートリッジを扱うための最大限の柔軟性を顧客に提供する。任意の１つのモジュールとの通信は、インターフェースパネル３Ｄを介して実現できる。いくつかの実施形態では、低または高周波モダリティを使用して、またはハードウェアインターフェースによって通信を達成することができ、その他の方法には、ＲＦ、Ｗｉ－Ｆｉ、誘導、イーサネット、ＵＳＢまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）が含まれ得る。高周波の方法には、ファイバ、ＬｉＦｉ、またはフリースペースの光リンクが含まれ得る。ハードウェアインターフェースには、ＳＩＭ、フロッピー、ＤＶＤ、レーザＤＶＤ、ホログラフィックディスク、または体積光学メモリ構造を含めることができる。ハードウェアモダリティは、オペレータが設置するか、またはカートリッジが命令保管モードの１つをそれ自体からモジュール上の同様のレセプタクルインターフェースに物理的に移送できるようにする移送機構を有することができる。
【0044】
カートリッジが大きい（貨物コンテナのサイズ）他の実施形態では、非常に重くなる。これらの実施形態では、カートリッジは静止しており、ステーションは、図１Ｄの同じインターフェースがステーションを固定カートリッジと勘合することができるカートリッジに搬送される。
【0045】
図１Ｅは、３つのカートリッジ２Ｅがすでに設置されていることを示す保管ステーションまたはラック１１Ｅを含む積層製造システム１Ｅの例を示している。トランスポータ４Ｅは、第４のカートリッジ３Ｅをラック１１Ｅに搬送して保管するように図示されている。ラック１１Ｅには、支持、相手レール５Ｅ、インターフェースプレート６Ｅ、および捕捉機構７Ｅで構成される標準の印刷カートリッジインターフェースの４つのインスタンスがある。ラック１１Ｅには、必要に応じて各カートリッジにサービス（圧縮空気、電力、入出力信号、ガス、冷却水など）を提供する手段を収納する施設ステーション８Ｅがある。施設ステーション８Ｅは、顧客がラックを柔軟に使用できるように設定できる。各カートリッジ２Ｅの状態は、仮想窓９Ｅとしても機能する１つまたは複数のモニタで利用可能であるため、オペレータは各カートリッジ内を見ることができる。
【0046】
ラック１１Ｅはカートリッジを保管する場所を提供する。未使用または新しいカートリッジは、ここに新しい粉末と新しい印刷版でいっぱいの状態で保管され、新しい印刷を開始するために印刷エンジンに設置する準備ができている場合がある。ラック１１Ｅは、印刷版を予熱し、カートリッジに割り当てられている印刷ジョブの必要に応じてカートリッジをガスで一杯に保つことができる。また、新しく完成した印刷を含むカートリッジを、後処理を待っている間、ラック１１Ｅに保管することができる。印刷は任意の温度に保つことも、温度プロファイルに従って温度を上げたり下げたりすることもできる。これにより、ストレスを軽減したり、望ましい機械的特性を実現したりするために、印刷をアニールしたり熱処理したりすることができる。これは単に、印刷が十分に冷却されて粉末除去できるようにするための時間を確保できる。ガス大気は、望ましい機械的性質を達成するために、例えば新しいガスやガスの混合物を導入することによって変更することもできる。他のシステムの実施形態では、単に邪魔にならないように、空のカートリッジを保管ラック１１Ｅに保管することができる。カートリッジは、新品で粉末を充填した状態、粉末を使用して使い切った状態、または部分的に使用した状態を問わず、ラック１１Ｅに保管できる。
【0047】
カートリッジに内蔵された診断機能は、印刷の状態を監視し続けることができる。これらの内蔵診断には、部品、粉末、および環境温度、複数の波長での画像診断、振動および超音波撮像、印刷された部品のＬＵＩＳ体積マッピングなどの他のモダリティが含まれ得る。診断情報（画像またはデータ）は、ラックに含まれる任意のカートリッジの仮想窓９Ｅに示すことができる。さらに、現在および過去のカートリッジの情報は、制御システムによって他の仮想窓または任意のユーザーインターフェースに送信できる。
【0048】
図１Ｆは補助印刷ステーション２Ｆを取り付けた印刷エンジン１１Ｆの例を示している。印刷エンジン１１Ｆは印刷カートリッジ３Ｆに対応し得る。補助印刷ステーション２Ｆは印刷カートリッジ４Ｆにも対応し得る。補助印刷ステーション２Ｆは、印刷エンジン１１Ｆで発生するレーザエネルギーを使用して部品を印刷する。印刷エンジンは、それぞれの印刷モジュール１１Ｆと２Ｆに設置されている場合、カートリッジ３Ｆまたは４Ｆのいずれかにレーザエネルギーを向けることができる。処理の優先順位は、ほとんどのレーザショットがカートリッジ３Ｆに向けられるように、カートリッジ３Ｆを優先するように設定することができる。レーザエネルギーをカートリッジ３Ｆに送ることができない時間（例えば、粉末を散布しているときや、印刷カートリッジのアン／ロード中など）は、エネルギーをカートリッジ４Ｆに向けることができ、印刷エンジン１１Ｆのレーザの最大使用量を保証する。
【0049】
図１Ｇは、積層製造システム１Ｇの代替的な実施形態を示している。複数の印刷エンジン１１Ｇは、製造現場に近接して配置されている。サービス通路２Ｇを使用すると、トランスポータ３Ｇが印刷エンジンと粉末ステーション５Ｇ、ラック６Ｇ、およびその他の任意の相手機器の間で印刷カートリッジ４Ｇを搬送できる。施設ステーション７Ｇは、フロアスペースを節約するために中２階８Ｇに配置され得る。このプリンタは、サイクルタイムが短く、印刷速度が速いため、このタイプのマルチユニット工場レイアウトに特に適している。このレイアウトでは、多数の印刷ステーション／エンジン間で相手機器を共有できるため、コスト効率が向上する。いくつかの実施形態では、カートリッジ、印刷エンジン、粉末ステーション、およびラック間の様々なタイプの通信が可能である。他の実施形態では、カートリッジの識別情報を使用して、適切な印刷エンジン、粉末、または保管モジュールでカートリッジを自動、半自動、または手動で位置決めすることを指示することができる。使用できる通信種別には、ＲＦ、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＵＳＢ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（低周波種別）、ファイバ、ＬｉＦｉ、ＦＳＯ（高周波種別）などの低周波方式と高周波方式がある。さらに、この情報は、ＳＩＭ、フロッピー、ＤＶＤ、レーザＤＶＤ、ホログラフィックディスク、または体積光学メディアなどの物理メディアハードウェアを使用して、カートリッジから相手ステーションに移送できる。
【0050】
図１Ｇ（ｉ）は、カートリッジが貨物コンテナ１Ｇ（ｉ）として大きいカートリッジの実施形態を示している。カートリッジには、図１Ａにリストされているすべての機能構成要素が含まれているが、はるかに大きな構造である２Ｇ（ｉ）の内部にある。この実施形態では、印刷エンジンのレーザシステムへのインターフェースは、３Ｇ（ｉ）（上面）および５Ｇ（ｉ）（光学インターフェース）として示される２Ｇ（ｉ）の上面に存在する可動窓を介して行われる。このレーザ窓インターフェースは、図１Ｉ、１Ｊ、１Ｋ、１Ｍ、または１Ｎに記載されているカートリッジインターフェースの実施形態の１つを使用して構築され、これらのいくつかには実施形態１Ｌを使用して、インターフェースレーザ窓の清掃を支援する。窓の動き、上面３Ｇ（ｉ）を横切る７Ｇ（ｉ）は方向９Ｇ（ｉ）で示される。
【0051】
図１Ｇ（ｉ）に関して図示されているようなカートリッジの動きは、図１Ｇ（ｉｉ）に関して図示されているような特殊なクレーン１１Ｇ（ｉｉ）、頭上クレーン（船舶港で一般的に見られる）または図１Ｇ（ｉｉｉ）のレールシステム１３Ｇ（ｉｉｉ）とすることができる。その場合、印刷システムは、（レールベースのシステム１３Ｇ（ｉｉｉ）の場合）カートリッジ（１５Ｇ（ｉｉ））をレール１４Ｇ（ｉｉｉ）上で移動させ、専用のプロセスステーション（１７Ｇ（ｉｉｉ）、１９Ｇ（ｉｉｉ）、または２１Ｇ（ｉｉｉ））の下で停止させ、カートリッジの粉末内容物の全部または一部に対してプロセスを実行する場所を含むか、またはその場所にあり得る。他のプロセス（２３Ｇ（ｉｉｉ））は、示されているプロセスに先行または後続する可能性がある。プロセスは、プロセスの時間と順序に応じて、順次、並列、または任意の順序で実行できる。
【0052】
図１Ｈは、積層製造システム１Ｈの代替的な実施形態を示している。印刷モジュール（ａｋａ、チャンバ）１１Ｈの内部の印刷チャンバは、チャンバの上部にある固定窓６Ｈを有する。印刷ヘッド５Ｈは、印刷版２Ｈの全領域を横断できるようにＸ－Ｙガントリに取り付けることができる。この動きは矢印８Ｈで表される。印刷ヘッドからレーザビーム７Ｈを投射し、窓６Ｈを通過させて印刷版２Ｈ上の金属部品に粉末を溶着する。レーザを印刷版の全領域に向けることができるように、窓は十分な大きさ（印刷版とほぼ同じ大きさ）である必要がある。参考までに粉末ホッパ４ＨとＺ軸壁３Ｈを示す。
【0053】
図１Ｉは、積層製造システム１Ｉの代替的な実施形態を示している。この実施形態では、チャンバ１１Ｉは窓６Ｉを含み、窓はＸ－Ｙ平面（１０Ｉで示される）で自由に移動できるようにベローズ７Ｉに取り付けられている。カートリッジを印刷ステーションに設置した後、クランプ、磁石、運動学的マウント、またはその他の適切な取り付け機構を使用して、窓６Ｉを位置９Ｉで印刷ヘッド５Ｉに固定する（これは手動または自動で行うことができる）。印刷ヘッド５Ｉは、印刷版２Ｉの全領域を横断できるようにＸ－Ｙガントリに取り付けられている。この動作は矢印１０Ｉで表される。それらが取り付けられているため、窓６Ｉは印刷ヘッド５Ｉと一緒に移動する。レーザビーム８Ｉは印刷ヘッドから投射され、窓６Ｉを通過して印刷版２Ｉ上の金属部品に粉末を溶着する。この実施形態では、窓６Ｉは、印刷版の全領域にわたって運ばれるため、印刷版２Ｉよりも大幅に小さくすることができる。参考までに粉末ホッパ４ＩとＺ軸壁３Ｉを示す。
【0054】
図１Ｊは、積層製造システム１Ｊの代替的な実施形態を示している。印刷チャンバ１１Ｊは窓６Ｊを有し、窓はＸ－Ｙ平面で自由に移動できるように、ベローズ７Ｊに取り付けられている。カートリッジを印刷ステーションに設置した後、窓６Ｊは、クランプ、磁石、運動学的マウント、またはその他の適切な取り付け機構を使用して、印刷ステーションに取り付けられている２次Ｘ－Ｙガントリ１０Ｊに位置９Ｊで固定される（または、２次Ｘ－Ｙガントリを印刷カートリッジの一部にすることもできる）。２次Ｘ－Ｙガントリは、印刷ヘッドＸ－Ｙガントリと比較して、支持する重量が非常に少なく、印刷ヘッドＸ－Ｙガントリほど高速または正確に移動する必要がないため、印刷ヘッドＸ－Ｙガントリよりもはるかに安価で軽量にできる。印刷ヘッド５Ｊは、印刷版２Ｊの全領域を横断できるようにＸ－Ｙガントリに取り付けられている。この動きは矢印１３Ｊで表される。印刷ステーションのシステムコントローラは、２次ガントリ１０Ｊを印刷ヘッド５Ｊと同時に移動するように指示できる。印刷ヘッドからレーザビーム８Ｊを投射し、窓６Ｊを通過させて印刷版２Ｊ上の金属部品に粉末を溶着する。この実施形態では、窓６Ｊは、印刷版の全領域にわたって印刷ヘッドの動きに追従するため、印刷版よりも大幅に小さくすることができる。参考までに粉末ホッパ４ＪとＺ軸壁３Ｊを示す。
【0055】
図１Ｋは、積層製造システム１Ｋの代替的な実施形態を示している。この実施形態は、図１Ｉに関して示された実施形態と類似しているが、アタッチメント９Ｋはより柔軟で、印刷ヘッドが窓６Ｋを押したり動かしたりする。本実施形態では、機構は、窓がたるまないように、重力に逆らって窓６Ｋを支持する。
【0056】
図１Ｌは、積層製造システム１Ｌの代替的な実施形態を示している。この実施形態は、図１Ｈに関して示された実施形態と同様であるが、窓６Ｌがキャリッジ９Ｌに取り付けられたワイパ１０Ｌによって定期的に清掃される。キャリッジはレール８Ｌに乗り、駆動され窓６Ｌを通過する。ワイパを通すたびに窓面に溜まった汚れがきれいになり、レーザエネルギー７Ｌが邪魔されることなく窓を通過できる。いくつかの実施形態では、ワイパは、乾燥させるか、または溶剤に浸した後、カートリッジの内部窓に対してすばやく拭く布状の材料とすることができる。他の実施形態では、ワイパは、窓を傷つけたり引っかいたりしないが、あらゆる粉末を拭き取ることができるように十分に硬い柔らかい毛を有する毛ブラシ構成から作ることができる。いくつかの実施形態では、ワイパは非接触清掃のためのガスジェット（例えばエアナイフ）とすることができる。いくつかの実施形態では、ワイパは、ガスまたは液体噴霧器、またはそのような噴霧器と物理的ワイパの組み合わせであってもよい。窓を清掃した後は、ガスジェットでワイパを清掃したり、特殊な表面や凹凸のある表面にワイパを拭き取って粉末を落としたり、別の清掃場所で溶剤やバスで清掃したりすることができる。いくつかの実施形態では、汚れたときにワイパを交換することができる。いくつかの実施形態では、ワイパの汚れた部品を動かしてワイパの新しい部品を露出させることができる。いくつかの実施形態では、ワイパは、綿、ポリエステル、ウール、炭素繊維ストランド、ケブラー、ファイバグラス、アルミナイズ布、セラミック布、シリカ布、またはその他の適切な材料から作られる。
【0057】
図１Ｍは、積層製造システム１Ｍの代替的な実施形態を示している。印刷ヘッド５Ｍは、印刷版２Ｍの全領域を横断できるようにＸ－Ｙガントリに取り付けることができる。この動きは矢印８Ｍで表される。印刷チャンバ１１Ｍは、チャンバの上部に位置する開口部１６Ｍを有する。引き戸１２Ｍで開口部を閉じ、シール１３Ｍで周囲環境に密閉することができる。ドアはアクチュエータ１４Ｍで開閉できる。印刷ステーション１５Ｍには、周囲環境から印刷ステーションを密閉する固定窓６Ｍがある。
【0058】
図１Ｎは、積層製造システム１Ｍの代替的な実施形態の「開口」位置を示している。印刷ステーション１５Ｎは、シール１７Ｎを印刷チャンバの上部に向けて拡張し、周囲環境からチャンバを密閉する。次に、開口部１６Ｎを開いたまま、アクチュエータ１４Ｎによってドア１２Ｎを開くことができる。印刷ヘッドからレーザビーム７Ｎを投射し、窓６Ｎを通過させ、印刷版２Ｎ上の金属部品に粉末を溶着する。レーザを印刷版の全領域に向けられるように、窓は十分な大きさ（印刷版とほぼ同じ大きさ）である必要がある。この実施形態では、窓６Ｎが印刷ステーション１５Ｎに固定されているため、印刷チャンバ１１Ｎは安価である。参考までに粉末ホッパ４ＮとＺ軸壁３Ｎを示す。
【0059】
図１Ｏは、印刷施設制御システムと、印刷施設の様々なステーションに接続するデータベース接続性２Ｏを含む積層製造システム１Ｏを示している。制御システムおよびデータベース２Ｏは、カートリッジ３Ｏ、印刷ステーション４Ｏ、ラック５Ｏ、粉末除去ステーション６Ｏ、トランスポータ（カートリッジ移動システム）７Ｏ、および施設ステーション８Ｏと通信する。各構成要素はステータスを更新し、リアルタイムで再設定して施設の動作を最適化できる。
【0060】
図１Ｐは、積層製造システム１Ｐの一部となる可能性のある他の様々な潜在的なステーションを含む積層製造システム１Ｐを示している。いくつかの実施形態では、カートリッジはステーションにロードされる。ステーションの例としては、カートリッジを備えた印刷ステーションがあり、そこにはレーザエンジン（ステーション）からエネルギー（レーザまたは電子ビーム）が送り込まれ、部品を印刷できるようになっている。通常、レーザエンジンは、組み合わせを印刷エンジンにするために印刷ステーションと組み合わせて使用されるだけである。ステーションを配置して相互に接続し、製造システムを形成することができる。製造システムには、多くのカートリッジを備えたステーションと、制御システムによって調整され、印刷注文／ジョブを満たすためにユーザーから印刷指示を受け取るフレーム配置で捕捉された支持ステーションが含まれ得る。これらの他の機能ステーションには、３Ｄ部品を作製する際の人間の露出を減らすための汚れたプロセスを含めることができる。前述したように、３Ｄ印刷はそれ自体が乱雑であり、同様に乱雑なのはカートリッジの前処理と後処理、粉末の後処理、印刷された部品の後処理である。さらに、様々な診断システムと相互作用するためのカートリッジシステムインターフェース。制御システムおよびデータベース２Ｐは、カートリッジと個別に、またはリストされたステーション４０Ｐのいずれかに接続されているとき、またはトランスポータ５Ｐによって操作されているときに通信する。リストされているステーションはすべてを含むリストではないが、印刷エンジン４１Ｐ（印刷ステーション４２Ｐとレーザエンジン４３Ｐで構成）、保管（ラック）ステーション４４Ｐ、施設ステーション５６Ｐ、粉末準備／粉末除去ステーション４５Ｐが含まれている。粉末準備ステーションは、すでに印刷されたカートリッジから粉末を除去することを含むカートリッジを準備するための１つのステーションにすることができる。これらの２つの機能（カートリッジの準備と粉末の除去）は、１つのステーションまたは２つの別々のステーションで行うことができ、その場合、準備ステーションは「準備」と呼ばれ、もう一方は「粉末除去」と呼ばれることができる。他のステーションには、表面被覆ステーション４６Ｐ、熱処理ステーション４７Ｐ、ＣＮＣ／機械加工ステーション４８Ｐ、表面仕上げステーション４９Ｐ、準備サービスステーション、バリ取りステーション、粉末再ふるいステーション５２Ｐ、粉末表面処理／コーティングステーション５３Ｐ、ＬＵＩＳ診断ステーション５４Ｐ、他の体積および表面診断ステーション５５Ｐ、および他の処理ステーション５６Ｐを含めることができる。レーザエンジン４３Ｐは、印刷ステーション４２Ｐ（印刷エンジン４１Ｐを形成する）、表面被覆ステーション４６Ｐ、ＬＵＩＳ診断ステーション５４Ｐと勘合して相互作用し、熱処理ステーション４７Ｐおよび表面仕上げステーション４９Ｐと相互作用できる。
【0061】
印刷ステーション４２Ｐ、表面被覆ステーション４６Ｐ、熱処理ステーション４７Ｐ、ＣＮＣ／機械加工ステーション４８Ｐ、表面仕上げステーション４９Ｐ、およびバリ取りステーション５１Ｐは、印刷された部品に対して後処理を行う。レーザエンジン４３Ｐと連動する表面被覆ステーション４６Ｐは、ドリルビット、エアフォイル表面、タービンブレードまたは医療用インプラントの場合と同様に、選択された表面に機能層を追加するために印刷された部品で動作する。熱処理ステーション４７Ｐは、レーザエンジン４３Ｐと連携して、表面のアニールと硬化を行うことができるか、または標準的な熱源や指向性エネルギーの非レーザ源などの他の伝統的な方法を使用して、この形式の後処理を行うことができる。ＣＮＣ／機械加工ステーション４８Ｐは、最終的な図形と形状のために、印刷された部品に対して標準的な除去製造を行う。表面仕上げステーション４９Ｐは、レーザエンジン４３Ｐと相互作用して、物質搬送／表面張力、またはレーザピーニング／硬化を介して表面平滑化を行うことができる。表面仕上げステーション４９Ｐは、より伝統的な除去方法でも行うことができる（これは４９Ｐを４３Ｐに結合する必要はない）。バリ取りステーション５１Ｐは、伝統的な除去機械加工方法を使用して、印刷された部品の表面仕上げを強化する。ＬＵＩＳ診断ステーション５４Ｐは、レーザエンジン４３Ｐ（ＬＵＩＳ専用のＦＲＵで構成）と結合して、印刷された部品を体積スキャンし、印刷精度、密度、および欠陥の統計情報を確認する。さらに、ＬＵＩＳおよび他の体積診断（それぞれ５４Ｐと５５Ｐ）を保管ステーションおよびレーザエンジンと組み合わせて使用することで、高温または低温、高圧または部分的な真空、またはその他の極端な環境または動作などの条件付き環境下で印刷された部品の機能性を決定し、印刷された部品が静的な動作パフォーマンス要件に耐えられることを保証できる。
【0062】
準備サービスステーション５０Ｐはカートリッジを整備するために使用され、粉末ステーション４５Ｐおよび施設ステーション５６Ｐと組み合わせて使用することができる。準備ステーションでは、汚れた環境との人間の相互作用を最小限に抑えるように、消耗品（図１Ａのブレード４Ａ、構築プレート１２Ａ、ＨＥＰ Ａフィルタ８Ａなど）が交換される。ガスと流体は、施設ステーション５６Ｐを介して後処理のために除去される。使用済みの粉末は除去され、粉末回収のために粉末再ふるいステーション５２Ｐに移される。
【0063】
粉末処理／コーティングステーションは、化学または放射率強化のために粉末を処理する。これは、どの粉末／金属が使用されているかに依存するが、特殊な印刷パラメータのために粉末に化学ドーパントを追加することによって、放射率を強化するための化学または酸化物処理（粉末の表面処理による銅またはスチールの吸収の増加など）を含めることができる。
【0064】
他の体積診断ステーション５５Ｐには、いくつかの例を挙げると、Ｘ線断層撮影、表面スキャン撮像、高解像度表面、およびサーモグラフィー撮像が含まれ、損傷処理を最小限に抑えながら印刷された部品が操作され、（Ｘ線断層撮影の場合のように）危険な測定方法に人体がさらされることはない。
【0065】
他の処理ステーションは、潜在的に危険なプロセス、テストまたは診断プロセスを作業者および／または印刷された部品から隔離することを使用して顧客のニーズを満たすことができる。
【0066】
有利なことに、記載されている積層製造システムは、印刷チャンバ全体とそのすべての構成要素を含むカートリッジを記述している。カートリッジは、相手機器間で搬送できる。カメラと仮想窓を使用すると、物理窓を有する必要がなくなる。一実施形態では、表示スクリーンはカートリッジの遠隔検査を可能にし得る。レーザ光は上部の窓を通過し、粉末の溶着、予熱、熱処理、またはその他の熱動作を行うことができる。レーザ光を補助印刷ステーションに向けることで、無駄になるレーザショットを活用し、製造スループットを向上させることができる。
【0067】
記述された積層製造システムの他の利点は、データを保存したり、その意図された用途に関連付けることができるように、カートリッジ用の電子的に読み出し可能なメモリを使用することに基づいている。カートリッジの設計では、標準的なインターフェースを使用して、カートリッジを相手機器に一致できる。カートリッジの電子的に読み出し可能なメモリは、印刷プロセスの前、中、または後に印刷エンジンで実行するアクションを通知できる。相手機器は、電子的に読み出し可能なメモリに情報を読み書きできる。オペレータは、ハンドヘルドユニットを使用して電子的に読み出し可能なメモリにアクセスできる。保管ラックは、カートリッジに整備を提供し、電子的に読み出し可能なメモリに情報を割り当てたり、印刷版から取り外される前に印刷を熱処理するために使用したりすることができる。
【0068】
記載されている積層製造システムは、有害なプリンタ副生成物（金属粉、煤、溶着スラグ、不活性ガスなど）から作業者を隔離することによって作業者を保護し、プリンタ副生成物は印刷カートリッジ内に含まれている。プリンタの副生成物にさらされた機械構成要素はすべてカートリッジで除去され、専用の粉末処理ステーション内でカートリッジを開くことができる。この配置により、プリンタの副生成物が工場環境に流出する機会が制限される。カートリッジを粉末ステーションまたは予備ステーションに設置すると、作業者はグローブポートを介してカートリッジのすべての構成要素を整備することができるため、作業者はカートリッジを整備するために特別な保護具を着用する必要はない。あるいは、粉末または準備ステーションをクリーンルームに設置でき、作業者はカートリッジを整備するために保護マスクと防護服を着用する。このスキームにより、汚れはすべてクリーンルームに隔離され、工場の他の部分の露出がなくなる。
【0069】
上記の積層製造システムのもう一つの利点は、印刷間のアイドル時間を短縮することによってプリンタの稼働時間が増加することである。印刷が完了すると、オペレータは印刷カートリッジを取り外し、すぐに新しいカートリッジを設置して新しい印刷を開始できる。印刷間のアイドル時間が数時間から数分に短縮される。印刷カートリッジは、清掃、整備、新しい粉や新しい印刷版をオフラインで準備ステーションで装填することができる。この作業は密閉された環境で行われるため、印刷チャンバと粉末が空気、高湿度、または工場の汚染物質にさらされることはない。顧客の生産スケジュールに合わせて、新しいカートリッジを事前に準備することができる。新しいカートリッジは保管ラックに置かれ、必要なガス大気で予熱、冷却、加圧、または減圧することができる。プリンタに空きができたら、新しいカートリッジを差し込んですぐに印刷が始まる。これは、カートリッジが予熱されたり、大気ガスが排出されたりするのを待つ時間がないためである。
【0070】
説明されている積層製造システムのもう一つの利点は、プリンタが任意の材料（スチール、アルミニウム、インコネル、チタン、木材、ガラス、またはセラミックなどの金属）で印刷物を作製し、その印刷物が完成するとすぐに、印刷間の整備のためのダウンタイムがほとんどまたはまったくない他の材料を印刷できることである。プリンタには粉末が残っていないため、別の材料を入れたカートリッジで印刷できる前に清掃する必要はない。これは時間を節約するだけでなく、プリンタが１つの材料だけを処理する専用にする必要がないため、顧客に最大限の柔軟性を提供する。
【0071】
説明されている積層製造システムのもう一つの利点は、カートリッジおよびまたはステーションを顧客の要件に合わせて若干または高度に変更できることである。例えば、カートリッジは、はるかに小さな表面積または異なる形状（すなわち正方形ではなく丸い）の印刷版で設計できる。これは例えば、顧客が非常に高価な材料（例えば金）を少量印刷することを可能にする。この小さな体積カートリッジは、様々な印刷ステーションとインターフェースするように設計して、顧客の印刷物の柔軟性を最大化することができる。
【0072】
説明されている積層製造システムのもう一つの利点は、それが印刷された制御された環境（すなわち、印刷カートリッジは加熱と冷却を行い、大気を制御する）から印刷を除去することなく、印刷の熱処理（例えば熱処理、アニール、制御クールダウン）を可能にすることである。カートリッジは保管ラックに送られ、顧客の指示に従って任意のガス環境で任意の温度に保つことができる。印刷は大気にさらされたり、冷却されたりしていないため、顧客は材料特性に影響を与える優れた制御ができる。これにより、熱応力による印刷版の反りの問題を軽減することもできる。
【0073】
説明されている積層製造システムのもう１つの利点は、１つまたは複数の補助印刷ステーションに同時に設置できる複数の印刷カートリッジのいずれでも印刷物を作製できることである。これにより、本来は無駄になるレーザエネルギーを利用して、全体的な印刷時間をさらに短縮する。また、顧客が印刷のスケジュールを柔軟に設定できるようになり、機械の使用率も向上する。
【0074】
説明されている積層製造システムのもう一つの利点は、カートリッジと相手機器の機能が、他の機器メーカー製の積層製造システムの標準またはオプション機能として実装できることである。レーザ粉末床融合や他の３Ｄ印刷法を用いて、積層製造機器に組み込むサブシステムとして提供される技術。カートリッジ／ステーション方式を利用する積層製造システムは、この方式の利点を享受する。カートリッジとステーションは、メーカーや顧客の特定のニーズに合わせて若干または大幅に変更することができる。
【0075】
記載されている積層製造システムの様々な構成要素の様々な代替または拡張が考えられている。例えば、以下の通りである。
【0076】
図１Ｈ、１Ｉ、および１Ｊに関して図示された実施形態のベローズは、ＸおよびＹ軸で自由に動くことができるが、Ｚ軸でたるむことがないように窓を支持する一連の摺動プレート（ケーブルなど）で交換または補足することができる。
【0077】
粉末ホッパは、特定の印刷に必要な粉末が少ない場合、ユーザーが部分的に充填することがある。
【0078】
ブレード散布機はローラーや静電散布機で代用可能である。
【0079】
粉末散布機駆動装置は遠隔で設置でき、機構に電力を移送する適切なインターフェースで駆動できる（例えばフレックスシャフト）。粉末散布機はギア駆動装置を含む多くのタイプのアクチュエータによって作動させることができる。いくつかの実施形態では、粉末散布機はカートリッジの取り外し可能かつアップグレード可能なサブシステムとすることができる。
【0080】
ＨＥＰＡフィルタは、相手機器の印刷カートリッジに設置され得るか、または両方の場所に設置され得る。ＨＥＰＡフィルタは、大量の煤を処理するために、ボルテックスセパレーターやスクリーンなどのプレフィルタを有することもできる。
【0081】
複数のガス供給および戻しポートを支持でき、ガス供給および戻しポートをカートリッジの異なる場所に物理的に配置して、異なる粉末タイプが混合するのを防ぐことができる。
【0082】
いくつかの実施形態では、カメラはビデオと静止画を撮影して仮想窓を提供することができる。カメラとライトは、複数の光の波長（例えばＩＲ、可視、またはＵＶ）を照らして撮像することができる。カメラは、いくつかのカメラの配列であり得、１つまたは多くの光の波長で、多くの異なる角度から静止画像およびまたはビデオ画像を記録することができる。ライトは、１つまたは多数のライトの配列であり得、様々な角度から、様々な波長でカートリッジを照らす。仮想窓はどこからでも見ることができるので、画像を遠隔の視聴場所に送ることができる。仮想窓モニタは、カートリッジ自体、印刷ステーションの前面、または産業用モニタ／キーボードアームに取り付けられたモニタのディスプレイとして配置できる。いくつかの実施形態では、カートリッジは、目で直接見るか、または外部カメラもしくは他のセンサで直接見ることができるように、物理的な窓またはポートを有することもできる。
【0083】
様々なタイプのカートリッジ搬送が考えられている。いくつかの実施形態では、ローラーを伸縮管、ピックアンドプレースロボット、頭上持ち上げ、レール、またはコンベアに置き換えることができる。フォークリフトのチューブは、カート、ベルトコンベアのような自動化された機器、レール、ボトムリフトストッカー、ロボットタグ、またはロボットフォークリフトのようなロボット機器に置き換えることができる。頭上のガントリ／クレーン機構の使用；床を転がる（手動または完全に自動化された）カートまたはバギー、車輪付きまたは車輪なし（磁気浮上、空気軸受）であり得る手動または自動の鉄道システム、ロボットマニピュレータ、コンフォーマルボディパワースーツが代替的な実施形態である。
【0084】
プランジャ／ｚ軸ピストンは、ゼロ点クランプまたは他の種類の自動クランプと一致させることができる。
【0085】
安全シールドは、カートリッジの一部であるか、印刷エンジンに取り付けられているか、またはその両方の組み合わせであり得る。その材料はレーザ光に対して不透明になる。システムが動作している間は、外面が触れると冷たくなる必要がある。
【0086】
粉末タイプ間の交差汚染を防止するために、カートリッジに使用されるガスまたは粉末のタイプに応じて、インターフェースプレートは異なる構成を使用するか、または異なる領域（例えば、左右や上下に移動する）に配置することができる。例えば、スチール粉末を含むカートリッジの再利用ガスポートは左側にあり、アルミニウム粉末を含むカートリッジの再利用ガスポートは右側にあり得る。異なる材料のポートが並ばないため、オペレータは間違ったカートリッジをガスリサイクラに誤って接続することはできない。いくつかの実施形態では、各印刷エンジン内の複数のガスリサイクラが異なる材料の印刷を支持できる。例えば、外部モータを使用した駆動ガスリサイクラインペラは、２組のインペラ間で切り替えることができる。これにより、１つの高価なモータだけを使用して、別々の材料用の別々のガスダクトにある比較的安価な２つのインペラを駆動することができる。いくつかの実施形態では、処理を必要とする材料に応じて印刷エンジンに挿入またはそこから取り出すことができるガス再利用モジュール（ガスカートリッジ）。いくつかの実施形態では、フィルタを含むガス再利用機器を印刷エンジンに直接設置することができる。他の実施形態では、フィルタおよび「材料に依存する」機器はカートリッジユニット自体に設置されるため、異なる材料を含む異なるカートリッジを設置する際の交差汚染を完全に回避する。
【0087】
保管ラックは、１つまたは複数のカートリッジを搭載するために、様々なサイズにすることができる。カートリッジは保管ラックでプログラムでき、事前に決定されたジョブスケジューリングに基づいてジョブを実行するように自動的に設定できる。各カートリッジ内に保持された電子メモリは、ロボット操作システム、クレーン、鉄道、搬送装置とインターフェースしたり、トランスポータおよび／もしくはそのオペレータ、またはシステムと通信して、生産環境でどの印刷ステーション／エンジンに接続するかを伝えることができる。カートリッジはバッテリー駆動にできるため、取り外したときにセンサや情報提供機能を利用できる。
【0088】
印刷エンジンには、複数の補助印刷ステーションを取り付けることができ（すなわち１－Ｎ）、Ｎには１、１０，１００、または１０００、またはその中間、またはそれより多くを指定できる。
【0089】
印刷カートリッジは、同時または順次印刷しながら、同じ材料または異なる材料で充填することができる。
【0090】
レーザ光は、各印刷ステーションが独自のライトバルブまたはパターン化デバイスを有するパターン化の前に、印刷ステーション間で分割することができる。他の実施形態では、第１チャンバが正（優先）画像を取得し、後続のチャンバが残りの（負）画像を取得するパターン化の後に、レーザ光をチャンバ間で分割することができる。
【0091】
各カートリッジに向けられるエネルギーフルエンスは、材料のタイプに応じて同じであったり、変化したりする可能性がある。
【0092】
一実施形態では、印刷カートリッジおよび／または印刷エンジンの使用を優先することができ、各印刷カートリッジまたはエンジンの使用を印刷前または印刷中に優先することができる。例えば、優先順位のあるカートリッジは静的なままにすることも、入力に基づいて変更することもできる（すなわち、ジョブの優先順位の変更などのユーザーから、または印刷の完了、印刷エラー、またはその他の外部の希望による）。任意のカートリッジの優先順位を昇格または降格できる。例えば、カートリッジが２つあり、最優先カートリッジがアイドル（ユーザーの介入、散布、画像読み込みなどのサブシステム処理、エラーなどによるもの）になった場合、優先順位が以前の優先順位の低いカートリッジに変更されるため、全体の印刷スループットが最大になる。このバリエーションは、１より大きい任意の数のカートリッジに当てはまる。別の例として、顧客は、主カートリッジが挿入されている主印刷ステーションでの高温印刷の印刷を優先し、補助印刷ステーションでの室温、負荷の少ない印刷に低い優先度を割り当てることができる。低温印刷は、印刷品質を犠牲にしたり、補助チャンバを不必要に高温に保つことなく、はるかに遅いペースで進行することができる。
【0093】
各印刷ステーションの各印刷カートリッジは、同じ印刷ファイルまたは異なる印刷ファイルを印刷できる。補助印刷カートリッジ内の印刷が印刷を継続している間、各印刷を開始および停止することができる。印刷カートリッジは、複数のチャンバでの印刷動作中に、取り外されていないチャンバでの印刷プロセスを中断することなく、印刷ステーションに設置したりそこから取り外したりすることができる。
【0094】
図１Ｑは、印刷エンジンとそれに関連する施設ステーション１Ｑの内部にある現場交換可能ユニット（ＦＲＵ）を示している。カートリッジ３Ｑは、レーザエンジン（１３Ｑ）を取り付けて印刷エンジン（９Ｑ）を形成する印刷ステーション（１５Ｑ）にロードされるように示されている。レーザ光は、ガルボ光学系４Ｑを介してレーザエンジン１３Ｑから印刷ステーション１５Ｑに通過する前に、ＦＲＵ内で生成、調整、パターン化、および分析される（例えば５Ｑ）。レーザエンジンは、多数のＦＲＵ（５Ｑ）を保持する能動的または受動的振動減衰フレーム（１１Ｑ）で構成されている。施設ステーション（７Ｑ）は、ガス、電気、通信（制御システムおよびデータベースへの）、流体システムを印刷エンジン（９Ｑ）に提供する。ＦＲＵ（５Ｑ）は、レーザ光学系、パターン化光学系、各種補償光学系、各種診断サブシステムとその光学系を組み込んだレーザエンジンのサブシステムである。
【0095】
ガルボ光学系４Ｑには、位置合わせを補助する光学位置合わせシステム（下記のＦＲＵのペリスコープの項で詳述）、動的タイル印刷順序のための高速ガルボ、パターン化された光を床に届けるための光学系、床診断、冷却、制御、および通信のためのシステムが含まれている。
【0096】
ＦＲＵは、独自の不活性で清掃された大気でパッケージ化される前に、個別にパッケージ化され、位置合わせされる。これらは位置合わせレール上のレーザエンジンステーションにロードされ、カートリッジに示されているのと同様の接続パネルを備えているため、ロードされると自動的にフレームシステム１１Ｑに接続される。フレームシステム（１１Ｑ）は、３Ｄ印刷または機械加工が可能な構造化ハウジングであり、特にＦＲＵだけでなく、印刷ステーションとカートリッジのための機械的、電気的、流体、ガス、制御および通信インフラストラクチャを形成する。各ＦＲＵには、ハウジング内部に能動的および／または受動的振動絶縁が含まれており、一方、フレームには、印刷エンジンが存在する環境および流体とガスのフローポンプ、冷却ファン、および印刷カートリッジによって誘発されるノイズと振動から来る内部振動からＦＲＵを分離するための能動的および／または受動的振動制御（６Ｑ）が含まれている。例えば、各ＦＲＵ上のレールおよび／またはフレームは、各ＦＲＵ内の加速度計によって感知された振動を打ち消すために、空気圧式、圧電式、ボイスコイルもしくは同様の機械式、または電気機械式のアクチュエータを備えて、フレームまたは他のＦＲＵに対してＦＲＵの座標系を調整し、システム制御ロジックを介して調整して補償することができる。フレーム内のＦＲＵインターフェースは、ＦＲＵを簡単に摺動させて、フレームによって提供される施設整備を接続できるようにする運動学的位置合わせ機能と、ＦＲＵが生成された高フルエンスレーザをＦＲＵからパターン化ＦＲＵ、補償ＦＲＵ、診断ＦＲＵを経由して、印刷ステーションとカートリッジに渡すことができるようにする光パスである。カートリッジには診断が含まれ得るが、特殊な診断はＦＲＵに存在し、レーザやその他の同一直線上の光源によって照射された床情報がカートリッジからこれらの診断に移動し、リアルタイムで高速かつＬＵＩＳなどの特殊な画像診断を行う。ＦＲＵシステムでは、印刷システムを最適化するために、ソース、光学系、診断を組み合わせ一致させることができる完全な汎用性を可能にする。
【0097】
ＦＲＵをフレームシステムに位置合わせして一致する方法により、複雑なレーザシステムの調整を監督する高度な訓練を受けた人員を必要とせずに、レーザエンジンの組み立てが容易になり、高速回転が可能になる。ＦＲＵのフレームの運動学的特徴により、光学式ＦＲＵの相対位置を光学的に位置合わせされたサブシステムに必要なレベルに維持できる。さらに、各レーザ、光学系および診断サブシステムが１つまたは複数の個別のＦＲＵに組み込まれているため、これらのサブシステムを交換することが日常的になり、高度な訓練を受けた人を必要とせずに所有、アップグレード、および消耗品を容易にする。さらに、各ＦＲＵは１つのユニットとして組み立てられ、「プラグアンドプレイ」構成要素と見なすことができるため、ＦＲＵ内の何かを交換する必要がある場合は、印刷エンジンと印刷ジョブのダウンタイムを最小限に抑えて、ＦＲＵ全体を交換し、修理／メンテナンスのために返送できる。
【0098】
図１Ｑ－Ｉは、フレーム１Ｑ（ｉ）内の受動的および能動的振動減衰構造を示している。図１Ｑの印刷エンジンは、フレーム３Ｑ（ｉ）のセグメントがカットされた詳細に描かれた２Ｑ（ｉ）で示されている。３Ｄ印刷または機械的に組み立てることができる構造化フレームは、適切なコンジット７Ｑ（ｉ）によって伝達される電気／通信、電力、および制御などの施設ステーションによって提供される様々なサービスのための経路を有する構造化材料５Ｑ（ｉ）と、流体で満たされたガスおよび／または冷却流体コンジット（９Ｑ（ｉ））と能動的および受動的減衰コンジット（１１Ｑ（ｉ））のための経路で構成できる。この例示的なシステムにおける受動的振動減衰の特徴は、ポンプやインペラのような流体搬送システムの場合、流体ラインに沿って移動する振動の通過を妨害するように流体コンジットが広がる機械的なブラダー領域であり得る。能動的減衰では、能動化構造の前のラインに配置されたセンサ（１５Ｑ（ｉ）と１９Ｑ（ｉ））が、減衰コンジット１１Ｑ（ｉ）内の不要な振動を感知し、制御システムがアクチュエータ１７Ｑ（ｉ）に、１１Ｑ（ｉ）内の流体がこれらのブラダー領域のいずれかを通過するときに見るインピーダンス負荷を変更することによって、これらの振動を排除または減衰するようにブラダー領域を変更するように指示する。後続のセンサ１９Ｑ（ｉ）を配置して、１７Ｑ（ｉ）へのコンプライアンスと追加の調整、または図に示された調整ブラダーから上流および下流のその他のそのような調整を確実にすることができる。コンジットの線形レイアウトの描写は、受動的／能動的減衰コンジットに関して示されているが、この配置は、減衰コンジット１１Ｑ（ｉ）がフレーム全体により分散されるように変更することができる。いくつかの実施形態では、フレームの内部構造は、制御流体がフォームを満たして分散型受動的減衰機能を提供するフォームであると同時に、一連の分散型センサ１５Ｑ（ｉ）をフレームに沿って分散させて、フレーム構造全体にわたる振動を全体的に制御するために、ブラダーの分散アレイに供給制御調整を行うことができる。
【0099】
図１Ｒは、ＦＲＵ１Ｒの様々な特徴を示している。ＦＲＵは、箱内の光学サブシステムである。ＦＲＵの外部構造により、レール（５Ｒ）上のレーザエンジンフレームシステムに簡単に滑り込ませることができ、レールはＦＲＵをフレーム内のインターフェースパネルにガイドし、接続部（２Ｒ）はフレームサービスに固定され、ＦＲＵに必要なガス、流体、電気、および施設ステーションと制御システムへの通信を供給する。ＦＲＵの外部構造上の３Ｒおよび７Ｒの機能により、フレームシステムに対して、つまりそのシステム内の他のＦＲＵに対して、ＦＲＵが運動学的に所定の位置に配置され、固定される。この方法により、ＦＲＵ間の光学的な位置合わせが確保され、位置合わせ要件が最小限に抑えられ、高度な訓練を受けたレーザ専門家がアセンブリの位置合わせを行うことなくレーザシステムを動作させることができる。ＦＲＵ内部では、位置合わせ基準１３Ｒ（例）が光学プラットフォームに組み込まれており、光学サブシステムの構築を容易にする。ＦＲＵの光学位置合わせは、ＦＲＵの組み立て時に、フレームシステムで使用されているものと同じシステム座標系に対して実行される。フレームシステムへの挿入および接続時に、機械化されたペリスコープ１５Ｒを使用して最終的な光学調整が行われ、任意の１つのＦＲＵの出口パラメータが次のＦＲＵが必要とするものと一致するようにする。この同じ方法は、レーザエンジンの最後のＦＲＵと印刷ステーションの受信光学系の間で使用され、印刷エンジン全体にわたって継続的な位置合わせを確保する。さらに、診断ＦＲＵには同じ機械化された光学出力ペリスコープが含まれており、床上の画像が診断ＦＲＵ内の撮像センサに忠実に撮像されるようになっている。
【0100】
すべてのＦＲＵの機械化されたペリスコープは、印刷ステーションおよび他の診断ＦＲＵの診断と連動して制御システムによって制御される。機械化されたペリスコープには、リアルタイム補正（圧電、ボイスコイル、空気圧または類似のアクチュエータなど）を含めることができ、特に高速掘削や一部の工場の設定で見られるその他のパーカッション動作の場合のように、フレームシステムで補償できない周波数帯域にある場合に、いくつかの振動調整を軽減する。
【0101】
一部のＦＲＵでは、追加の機能強化として、焦点面の変更をタイルの印刷順序の関数として調整できるようにする望遠鏡、エッジと継ぎ目がタイルの印刷順序とは無関係に位置合わせされるようにするためのタイルの回転、およびＦＲＵからＦＲＵまたはＦＲＵが床または最終使用場所の構成を印刷するために実装できるいくつかの例として設計のあるタイル印刷位置を確保するために、床の場所に合わせて調整されたレーザトラッカーがある。
【0102】
診断サブシステムは各ＦＲＵに含まれており、また、スタンドアロンハウジングにパッケージ化され得る。診断サブシステムには、床と粉末の状態、構成要素、サブシステムの安全性、レーザ損傷閾値、および構成要素のレーザ損傷の進展を監視し、床への最適なレーザスループットの最適な位置合わせを確保するためのセンサと計測機器が含まれている。診断には、様々な異なる波長（レーザＦＲＵで生成される）、様々な異なるフレーム速度の下で印刷を撮像する方法、ＬＵＩＳの場合は、印刷プロセス中および完了後に印刷の品質を調べるための位相と偏光のパラメータを変化させる方法を含めることができる。測定モダリティの範囲には、床、粉末および印刷温度、高速および低速撮像、結晶粒成長、結晶粒歪の大きさと方向、ボイド、汚染および核形成サイト、損傷閾値と進展を監視するための後方散乱、および光学収差を適応的に補正し、印刷品質を向上させるための位相情報が含まれるが、これらに限定されない。
【0103】
図１Ｓは、制御システム／データベース（例えば図１Ｐの箱２Ｐ）を介して相互に接続された１つまたは複数のステーション（例えば、図１Ｐの箱４０Ｐにリストされているような）から少なくとも一部形成された積層製造印刷システム（２Ｓ）を含む積層製造システム１Ｓのブロック図を示す。積層製造システム１Ｓは、例えば、レーザエンジン（１０Ｓ）に接続された印刷ステーション（６Ｓ）を備えた印刷エンジン（４Ｓ）と、構成要素または材料を搬送するための施設ステーション（１２Ｓ）およびトランスポータユニット（１６Ｓ）などの様々な他のモジュールを含むことができる。いくつかの実施形態では、レーザエンジン１２Ｓは、さらにレーザ、レーザ増幅器、または少なくともいくつかのレーザ光学系およびパターン化光学系を含むことができる１つまたは複数の現場交換可能ユニット１４Ｓを含むことができる。いくつかの実施形態では、現場交換可能ユニット１４Ｓは、トランスポータユニット１６Ｓによって所定の位置に移動し、互いの間でレーザビームを分配するように配置され、例えば、ビーム品質テストだけでなく、レーザの生成、増幅、パターン化、方向転換または位置合わせの１つまたは複数を主に提供する特殊な現場交換可能ユニットの利用を可能にする。いくつかの実施形態では、レーザエンジン１２Ｓは２次元パターン化されたレーザビームを提供することができる。印刷ステーション６Ｓには、トランスポータユニット１６Ｓによって取り外し可能な印刷カートリッジ８Ｓをロードできる。レーザエンジン１０Ｓは、印刷ステーション６Ｓにパターン化された高フルエンスのエネルギービーム１５Ｓを送り込み、印刷ステーション６Ｓが印刷カートリッジ（８Ｓ）内の層状粉末の領域を空間的に操作することで、対象物の１層を１タイルずつ印刷することができる。一連の層にわたって、所望の対象物を印刷カートリッジ８Ｓ内に印刷できる。
【0104】
図１Ｔは、積層製造システム（２Ｔ）で使用されるレーザエンジン（４Ｔ）の一実施形態のブロック図１Ｔを示している。レーザエンジン４Ｔは、積層製造印刷システム（２Ｔ）の一部であるステーションである。レーザエンジンは、積層製造システム２Ｔ内の対象物を印刷するために使用できる様々なサブステーションの配置を含むことができる。積層製造システム２Ｔ内の対象物を印刷するために使用される場合、レーザエンジン４Ｔは、３Ｄ印刷された部品の作製、検査、測定、または後処理のために、光学サブシステム、パターン化サブシステム、診断サブシステム、および制御サブシステムを介して印刷チャンバに送り込まれる低、中、または高フルエンスで構成される各波長を有する１つまたは複数の波長のレーザ光の生成と調整を可能にする方法で配置されたサブシステムを含むことができる。サブシステムは、ハードマウントすることも、現場交換可能ユニット（ＦＲＵ）で配置することもできる。ＦＲＵシステムには、作製するために使用される多数のレーザサブシステム６Ｔと、フルエンス、空間、時間、偏光、位相または波長の光の状態を含めることができ、診断システム（照明と参照）の一部としての印刷、または以前に印刷された部品の後処理に使用される。光学サブシステムまたはＦＲＵ８Ｔは、レーザＦＲＵ／サブシステム内で生成された光の位置、スケール、および強度を、その原点から印刷へ、および印刷から伝達、調整、パターン化、または変更できる。診断サブシステムまたはＦＲＵ１０Ｔは、レーザＦＲＵ６Ｔまたは光学ＦＲＵ８Ｔのいずれかの構造体によって床または印刷された部品により放出される床に送られる光の品質を測定するための、任意の数の計測または診断サブシステムで構成でき、これらのサブシステムの正常性と潜在的な障害、および印刷された部品と支持環境と印刷条件の正常性と潜在的な障害を監視する。制御サブシステムまたはＦＲＵ１２Ｔは、積層製造システム２Ｔ内の他のサブシステムにガバナンス、通信、または是正措置を適用する回路、機構、固定具、または構成要素にすることができる。様々なサブシステムを個々のＦＲＵにパッケージ化することも、任意の機能のＦＲＵを任意のＦＲＵに便利に組み合わせることもできる。例えば、いくつかの実施形態では、レーザＦＲＵは、様々な光学、診断、および制御サブシステムの一部または全体を含むことができる。
【0105】
図２は、カートリッジベースの積層製造システムの動作のためのプロセスフロー２００を示している。ステップ２０２で、新しいカートリッジまたは再使用されたカートリッジが印刷エンジンに配置される。ステップ２０４では、レーザエネルギーをカートリッジ内に向けて、３Ｄ部品を構築する。ステップ２０４では、レーザエネルギーをカートリッジ内に向けて、粉末層を融合、焼結、溶融、またはその他の方法で修正する。ステップ２０６では、追加の粉末を配置してレーザエネルギーを受け、このプロセスを追加的に繰り返して各層を構築し、３Ｄ印刷構造を生成する。ステップ２０８で、カートリッジを取り外し、別の粉末処理ステーションで整備することができる。整備されたカートリッジまたは新しいカートリッジは、追加または新しい３Ｄ印刷を製造するために印刷エンジンに配置できる。
【0106】
図３に関して示された別の実施形態では、図１Ａ－Ｈおよび図２のプロセスフローに関して示されたような積層製造システムは、積層製造方法およびシステム３００を形成する様々なモジュールによって表すことができる。図３に見られるように、レーザ源と増幅器３１２は連続またはパルスレーザとして構成することができる。他の実施形態では、レーザ源は、任意の波形発生器またはレーザダイオードのような連続レーザ源に作用する同等物のようなパルス電気信号源を含む。いくつかの実施形態では、これは、次に音響光学または電気光学変調器によって変調されるファイバレーザまたはファイバ発射レーザ源を介して達成することもできる。いくつかの実施形態では、Ｐｏｃｋｅｌｓセルを使用する高反復率パルス源を使用して、任意の長さのパルス列を生成することができる。
【0107】
使用可能なレーザのタイプには、ガスレーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、固体レーザ（例えばファイバ）、半導体（例えばダイオード）レーザ、自由電子レーザ、ガスダイナミックレーザ、「ニッケル様」サマリウムレーザ、ラマンレーザ、または核ポンプレーザが含まれるが、これらに限定されない。
【0108】
ガスレーザには、ヘリウム－ネオンレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、キセノンイオンレーザ、窒素レーザ、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、またはエキシマレーザなどのレーザを含めることができる。
【0109】
化学レーザには、フッ化水素レーザ、フッ化重水素レーザ、ＣＯＩＬ（化学酸素－ヨウ素レーザ）、またはＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）などのレーザを含めることができる。
【0110】
金属蒸気レーザは、ヘリウム－カドミウム（ＨｅＣｄ）金属蒸気レーザ、ヘリウム－水銀（ＨｅＨｇ）金属蒸気レーザ、ヘリウム－セレン（ＨｅＳｅ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－銀（ＨｅＡｇ）金属－蒸気レーザ、ストロンチウム蒸気レーザ、ネオン－銅（ＮｅＣｕ）金属－蒸気レーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ、またはマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ２）蒸気レーザなどのレーザを含み得る。ルビジウムなどのアルカリ金属蒸気レーザも使用できる。固体レーザには、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジウムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザ、ネオジウムドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザ、ネオジウムドープオキソホウ酸イットリウムカルシウムＮｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３または単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジウムガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザ、チタンサファイア（Ｔｉ：サファイア）レーザ、ツリウムＹＡＧ（Ｔｍ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウムＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウム：２Ｏ３（ガラスまたはセラミック）レーザ、イッテルビウムドープガラスレーザ（ロッド、プレート／チップ、およびファイバ）、ホルミウムＹＡＧ（ Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ、クロムＺｎＳｅ（Ｃｒ：ＺｎＳｅ）レーザ、セリウムドープリチウムストロンチウム（またはカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸塩ガラス（１４７Ｐｍ＋３：ガラス）固体レーザ、クロミウムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープおよびエルビウムイッテルビウム共ドープガラスレーザ、三価ウランドープフッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ２）固体レーザ、二価サマリウムドープフッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ２）レーザ、またはＦセンターレーザなどのレーザを含み得る。
【0111】
半導体レーザには、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器形面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、またはこれらの組み合わせなどのレーザ媒質タイプを含めることができる。
【0112】
図３に示すように、積層製造システム３００は、エネルギーパターン化システム３１０の一部として１次元または２次元の指向性エネルギーを提供できるレーザを使用する。いくつかの実施形態では、１次元パターン化は、直線状または曲線状のストリップ、ラスター状の線、スパイラル状の線、またはその他の任意の適切な形式で指示することができる。２次元パターン化には、分離されたタイルや重複したタイル、またはレーザの強度が変化する画像を含めることができる。非正方形の境界を有する２次元画像パターンを使用することができ、重複または相互貫通画像を使用することができ、２つ以上のエネルギーパターン化システムによって画像を提供することができる。エネルギーパターン化システム３１０は、レーザ源と増幅器３１２を使用して、１つまたは複数の連続的または断続的なエネルギービームをビーム成形光学系３１４に向ける。成形後、必要に応じて、ビームはエネルギーパターン化ユニット３１６によってパターン化され、一般的に、一部のエネルギーは拒絶エネルギー処理ユニット３１８に向けられる。パターン化されたエネルギーは、床３４６の近くに焦点を合わせた２次元画像３２２としての一実施形態において、画像リレー３２０によって物品処理ユニット３４０に向けて中継される。物品処理ユニット３４０は、前述のようなカートリッジを含むことができる。物品処理ユニット３４０は、プレートまたは床３４６（壁３４８を有する）を有し、これらが一緒になって、粉末ホッパまたは他の材料ディスペンサー３４２によって分注される材料３４４（例えば金属粉）を含む密閉されたカートリッジチャンバを形成する。画像リレー３２０によって指示されるパターン化されたエネルギーは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注および分散された材料３４４を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、レーザ源と増幅器３１２、ビーム成形光学系３１４、レーザパターン化ユニット３１６、および画像リレー３２０、およびシステム３００の他の構成要素の動作を調整することができる。理解されるように、接続は有線または無線で、連続または断続的に行うことができ、フィードバック（例えば、感知された温度に応じて熱加熱を調整することができる）の機能を備えている。
【0113】
いくつかの実施形態では、ビーム成形光学系３１４は、レーザ源および増幅器３１２から受信した１つまたは複数のレーザビームをレーザパターン化ユニット３１６に向けて、結合、集束、発散、反射、屈折、均質化、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法で成形および指向させるために、非常に多様な撮像光学系を含むことができる。一実施形態では、それぞれが異なる光波長を有する複数の光ビームを、波長選択ミラー（例えば二色性）または回折要素を使用して組み合わせることができる。他の実施形態では、多面鏡、マイクロレンズ、および屈折または回折光学要素を使用して、複数のビームを均質化または組み合わせることができる。
【0114】
レーザパターン化ユニット３１６は、静的または動的エネルギーパターン化要素を含むことができる。例えば、レーザビームは固定または可動要素を有するマスクによって遮断することができる。画像パターン化の柔軟性と容易さを高めるために、ピクセルアドレス指定可能なマスキング、画像生成、または伝送を使用できる。いくつかの実施形態では、レーザパターン化ユニットは、単独で、または他のパターン化機構と組み合わせて、パターン化を提供するアドレス指定可能なライトバルブを含む。ライトバルブは、透過型、反射型、または透過型と反射型の要素を組み合わせて使用するものとできる。パターンは、電気的または光学的アドレス指定を使用して動的に変更できる。一実施形態では、透過光学的にアドレス指定された光バルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレス指定されたピクセルは、光投影源によって定義されるパターンを形成する。別の実施形態では、反射光学アドレス指定されたライトバルブは、読み出しビームの偏光を変更するための書き込みビームを含む。特定の実施形態では、光学的にアドレス指定されていないライトバルブを使用することができる。これらには、電気的にアドレス指定可能なピクセル要素、可動ミラーまたはマイクロミラーシステム、ピエゾまたはマイクロ作動光学系、固定マスクまたは可動マスク、またはシールド、または高強度の光のパターン化を提供できるその他の従来のシステムが含まれ得るが、これらに限定されない。
【0115】
拒絶エネルギー処理ユニット３１８は、パターン化されず画像リレー３２０を通過しないエネルギーを分散、リダイレクト、または利用するために使用される。一実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニット３１８は、レーザ源と増幅器３１２およびレーザパターン化ユニット３１６の両方から熱を除去する受動または能動の冷却要素を含むことができる。他の実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、レーザパターンの定義に使用されないビームエネルギーを吸収して熱に変換するための「ビームダンプ」を含むことができる。さらに他の実施形態では、ビーム成形光学系３１４を使用して、拒絶レーザビームエネルギーを再利用することができる。代わりに、またはそれに加えて、拒絶ビームエネルギーを加熱またはさらなるパターン化のために物品処理ユニット３４０に向けることができる。特定の実施形態では、拒絶ビームエネルギーを追加のエネルギーパターン化システムまたは物品処理ユニットに向けることができる。
【0116】
一実施形態では、「スイッチヤード」スタイルの光学系を使用することができる。スイッチヤードシステムは、印刷されるパターンによる不要な光の拒絶によって生じる、積層製造システムで無駄になる光を減らすのに適している。スイッチヤードには、複雑なパターンの生成（この場合、構造化ビームまたは非構造化ビームに空間パターンが付与される平面）から一連のスイッチポイントを介した配信への複雑なパターンのリダイレクトが含まれる。各スイッチポイントは、必要に応じて入射ビームの空間プロファイルを変更できる。スイッチヤード光学系は、例えば、限定されず、光にマスクを適用するレーザベースの積層製造技術に利用することができる。有利なことに、本開示に従った様々な実施形態において、捨てられたエネルギーは、均質化された形態で、あるいは、高い電力効率または高いスループット率を維持するために使用されるパターン化された光として再利用され得る。さらに、捨てられたエネルギーを再利用および再使用して強度を高め、より難しい材料を印刷することができる。
【0117】
画像リレー３２０は、レーザパターン化ユニット３１６から直接またはスイッチヤードを介してパターン化された画像（１次元または２次元）を受信し、それを物品処理ユニット３４０にガイドすることができる。ビーム成形光学系３１４と同様の方法で、画像リレー３２０は、結合、集束、発散、反射、屈折、強度の調整、周波数の調整、またはパターン化された光を成形して指向させるための光学系を含むことができる。パターン化された光は、実質的な物理的移動を必要としない可動ミラー、プリズム、回折光学要素、または固体光学系を使用して指向させることができる。複数のレンズアセンブリのうちの１つは、倍率比を有する入射光を提供するように構成でき、レンズアセンブリは光学レンズの第１セットと光学レンズの第２セットの両方を備え、光学レンズの第２セットはレンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに取り付けられた１つまたは複数のミラーセットと構築プラットフォームガントリに取り付けられた最終的なミラーの回転を使用して、先行ミラーからの入射光を所望の場所に向けることができる。補償ガントリと構築プラットフォームガントリの並進運動はまた、物品処理ユニット３４０の先行ミラーからの入射光の距離が実質的に画像距離と同等であることを保証することができる。事実上、これにより、システムの高可用性を確保しながら、異なる材料の構築領域の場所全体で光ビームの配信サイズと強度を迅速に変更することができる。
【0118】
物品処理ユニット３４０（例えばカートリッジ）内の材料ディスペンサー３４２（例えば粉ホッパ）は、分散、除去、混合、材料のタイプや粒径のグラデーションや変化の付与、または材料の層厚の調整が可能である。この材料には、金属、セラミック、ガラス、高分子粉末、固体から液体への熱的に誘起された相変化と再び戻ることができる他の可溶材料、またはそれらの組み合わせが含まれ得る。この材料にはさらに、可溶材料と不溶材料の複合材料が含まれ、いずれかまたは両方の成分を撮像リレーシステムによって選択的にターゲットにして、溶融可能な成分を溶融させる一方で、不溶材料に沿って残すか、または気化／破壊／燃焼またはその他の破壊プロセスを行わせることができる。特定の実施形態では、スラリー、スプレー、コーティング、ワイヤー、ストリップ、または材料シートを使用することができる。不要な材料は、送風機、真空システム、掃引、振動、振盪、傾斜、または床３４６の反転を使用して、使い捨てまたは再利用のために除去することができる。
【0119】
物品処理ユニット３４０は、材料を扱う構成要素に加えて、３Ｄ構造を保持して支持するための構成要素、チャンバを加熱または冷却するための機構、補助または支持光学系、ならびに材料または環境条件を監視または調整するためのセンサおよび制御機構を含むことができる。物品処理ユニットは、全体または部分的に、真空または不活性ガス大気を支持して、不要な化学的相互作用を減らし、火災または爆発（特に反応性金属）のリスクを軽減することができる。いくつかの実施形態では、様々な純粋または他の大気の混合物が使用され得、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、ＳＦ６、ＣＨ４、ＣＯ、Ｎ２Ｏ、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ｉ－Ｃ４Ｈ１０、Ｃ４Ｈ１０、１－Ｃ４Ｈ８、ｃｉｃ－２、Ｃ４Ｈ７、１、３－Ｃ４Ｈ６、１、２－Ｃ４Ｈ６、Ｃ５Ｈ１２、ｎ－Ｃ５Ｈ１２、ｉ－Ｃ５Ｈ１２、ｎ－Ｃ６Ｈ１４、Ｃ２Ｈ３Ｃｌ、Ｃ７Ｈ１６、Ｃ８Ｈ１８、Ｃ１０Ｈ２２、Ｃ１１Ｈ２４、Ｃ１２Ｈ２６、Ｃ１３Ｈ２８、Ｃ１４Ｈ３０、Ｃ１５Ｈ３２、Ｃ１６Ｈ３４、Ｏ６Ｈ６、Ｃ６Ｈ５－ＣＨ３、Ｃ８Ｈ１０、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、ＣＨ３ＯＨ、ｉＣ４Ｈ８を含むものを含む。いくつかの実施形態では、冷媒または大きな不活性分子（六フッ化硫黄を含むがこれに限定されない）を使用することができる。選択されたパーセンテージの不活性／非反応性ガスとともに、体積（または数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有するエンクロージャ大気組成を使用することができる。
【0120】
特定の実施形態では、それぞれが粉末床を保持するための構築プラットフォームを有する複数の物品処理ユニット、カートリッジ、または構築チャンバを、１つまたは複数の入射エネルギービームを受け取ってカートリッジに向けるように配置された複数の光学機械アセンブリと組み合わせて使用することができる。複数のカートリッジを使用すると、１つまたは複数の印刷ジョブを同時に印刷できる。
【0121】
別の実施形態では、１つまたは複数の物品処理ユニット、カートリッジ、または構築チャンバは、固定された高さに維持されるカートリッジを有することができ、一方、光学系は垂直に移動できる。レンズアセンブリの最終光学系と粉末床ａの上面との間の距離は、構築プラットフォームを固定された高さに保ったまま、最終光学系を粉末層の厚さに相当する距離だけ上方にインデックスすることによって、本質的に一定に管理することができる。有利には、構築プラットフォームを垂直方向に移動させる場合と比較して、構築プラットフォームの絶えず変化する質量の正確なミクロンスケールの移動が必要ないため、大きくて重い対象物をより簡単に製造できる。通常、約０．１～０．２立方メートル（すなわち、１００～２００リットルを超えるか、５００～１，０００ｋｇより重い）を超える体積の金属粉末を対象とする構築チャンバは、構築プラットフォームを固定された高さに保つことで最もメリットがある。
【0122】
一実施形態では、カートリッジ内の粉末床の層の一部を選択的に融解または融合して、粉末床の層の融合部分から１つまたは複数の一時的な壁を形成し、構築プラットフォーム上の粉末床の層の別の部分を含むことができる。選択された実施形態では、改善された熱管理を可能にするために、１つまたは複数の第１壁に流体通路を形成することができる。
【0123】
いくつかの実施形態では、積層製造システムは、ホッパ内で粉末床を構築プラットフォームから実質的に分離するために、傾斜、反転、および振盪することができる粉末床を支持する物品処理ユニットまたはカートリッジを含むことができる。粉末床を形成する粉末状の材料は、後の印刷ジョブで再使用するためにホッパに回収され得る。粉末の回収プロセスは自動化され、粉末の排出と除去を支援するためにバキュームやガスジェットシステムも使用され得る。
【0124】
いくつかの実施形態では、積層製造システムは、利用可能な構築チャンバまたはカートリッジよりも長い部品を容易に扱うように構成することができる。連続した（長い）部品を、第１ゾーンから第２ゾーンへと縦方向に順次進めることができる。第１ゾーンでは、選択した粒状材料の顆粒を結合できる。第２ゾーンでは、粒状材料の未結合の顆粒を除去することができる。連続部品の第１部分は、第２ゾーンから第３ゾーンに進むことができ、一方、連続部品の最後の部分は第１ゾーン内で形成され、第１部分は、第１部分が第１ゾーンと第２ゾーン内で占めていた横方向および横断方向の同じ位置に維持される。実際には、粒状材料および／または部品の除去のために停止する必要なく、部品コンベア上の異なる場所またはゾーンで、積層製造とクリーンアップ（例えば、未使用または未結合の粒状材料の分離および／または再生）を並行して（すなわち同時に）実行することができる。
【0125】
別の実施形態では、エンクロージャの内部とエンクロージャの外部との間のガス状物質の交換を制限するエンクロージャを使用することによって、積層製造能力を向上させることができる。エアロックは、内部と外部の間のインターフェースを提供し；動力床融合を支持するものを含む、複数の積層製造チャンバを内部に有する。ガス管理システムは、内部のガス状酸素を制限酸素濃度以下に維持し、システムで使用できる粉末のタイプや処理の柔軟性を高める。
【0126】
別の製造実施形態では、物品処理ユニット、カートリッジ、または構築チャンバをエンクロージャ内に収容し、構築チャンバが２，０００キログラム以上の重量を有する部品を作製できるようにすることで、能力を向上させることができる。ガス管理システムは、大気レベル未満の濃度でエンクロージャ内のガス状酸素を維持することができる。いくつかの実施形態では、エアロックは、エンクロージャ内のガス環境とエンクロージャ外のガス環境の間の緩衝、およびエンクロージャとエアロックの両方の外部の場所に動作するため、車輪付き車両は、エンクロージャ内からエアロックを介して部品を搬送することができる。
【0127】
他の製造の実施形態は、粉末床からリアルタイムで粉末サンプルを収集することを含む。インゲスターシステムは、粉末サンプルのインプロセス収集と特性評価に使用される。収集は定期的に実施することができ、特性評価の結果、粉末床融合プロセスの調整が行われる。インゲスターシステムは、必要に応じて、監査、プロセス調整、またはプリンタパラメータの変更やライセンスされた粉末材料の適切な使用の確認などのアクションの１つまたは複数に使用できる。
【0128】
クレーン、リフティングガントリ、ロボットアームなどのマニピュレータ装置を使用することで、または同様に人が動かすことが困難または不可能な部品の操作を可能にする、積層製造プロセスのさらなる改善が可能であると説明されている。マニピュレータ装置は、部品上に永続的または一時的に積層製造された様々な操作点を把握し、部品の再配置や操作を可能にすることができる。
【0129】
制御プロセッサ３５０は、レーザ、レーザ増幅器、光学系、熱制御、構築チャンバ、およびマニピュレータ装置を含む、本明細書に記載されている積層製造システム３００の任意の構成要素を制御するために接続することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、動作を調整することができる。制御や監視に使用される情報を提供するために、イメージャ、光強度モニタ、熱センサ、圧力センサ、またはガスセンサなどの幅広いセンサを使用できる。制御プロセッサは、単一の中央コントローラとすることも、または代わりに、１つまたは複数の独立した制御システムを含めることもできる。コントローラプロセッサ３５０には、製造指示の入力を可能にするインターフェースが設けられている。幅広いセンサを使用することで、品質、製造スループット、およびエネルギー効率を向上させる様々なフィードバック制御機構が可能になる。
【0130】
積層または除去製造に適した製造システムの動作の一実施形態を図４に示す。この実施形態では、フローチャート４００は、記述された光学構成要素および機械構成要素によって支持される製造プロセスの一実施形態を示している。ステップ４０２では、カートリッジ、床、チャンバ、またはその他の適切な支持に材料を配置する。材料は、除去製造技術を使用したレーザ切断用の金属板、または溶融、融合、焼結、結晶構造を変化させるための誘導、応力パターンの影響を受ける、またはその他の方法で化学的または物理的に積層製造技術によって修飾して所望の特性を有する構造を形成することができる粉末であり得る。
【0131】
ステップ４０４では、パターン化されていないレーザエネルギーが、固体または半導体レーザを含むがこれに限定されない、１つまたは複数のエネルギー放射体によって放射され、その後、１つまたは複数のレーザ増幅器によって増幅される。ステップ４０６では、パターン形成されていないレーザエネルギーを成形し、修正する（例えば、強度変調または集束）。ステップ４０８では、このパターン化されていないレーザエネルギーをパターン化し、パターンの一部を形成していないエネルギーはステップ４１０で処理される（これには、廃熱への変換、パターン化されたエネルギーまたはパターン化されていないエネルギーとしての再利用、またはステップ４０４でレーザ増幅器を冷却することによって発生する廃熱が含まれ得る）。ステップ４１２では、１次元または２次元の画像を形成するパターン化されたエネルギーが材料に向けて中継される。ステップ４１４では、画像が材料に適用され、３Ｄ構造の一部が除去処理されるか、または積層的に構築される。積層製造では、画像（または異なる画像と後続の画像）が材料の最上層の必要なすべての領域に適用されるまで、これらの手順を繰り返すことができる（ループ４１８）。材料の最上層へのエネルギーの適用が終了したら、新しい層を適用して（ループ４１６）、引き続き３Ｄ構造を構築できる。これらのプロセスループは、残った余分な材料を除去または再利用できる場合、３Ｄ構造が完成するまで継続される。
【0132】
本発明の多くの修正および他の実施形態は、上記の説明および関連する図面に示された教えの利益を有する当業者の頭に浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、修正および実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図していると理解される。また、本発明の他の実施形態は、本明細書で特に開示されていない要素／ステップがない場合にも実施できることが理解される。
【図1A】
【図1B】
【図1B(i)】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1G(i)】
【図1G(ii)】
【図1G(iii)】
【図1H】
【図1I】
【図1J】
【図1K】
【図1L】
【図1M】
【図1N】
【図1O】
【図1P】
【図1Q】
【図1Q(i)】
【図1R】
【図1S】
【図1T】
【図2】
【図3】
【図4】
【国際調査報告】