特表 2023-537919 金属粉末の使用を最小限に抑える３次元プリントシステム

(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】2023-09-06

(54)【発明の名称】金属粉末の使用を最小限に抑える３次元プリントシステム

(51)【国際特許分類】

   B22F 12/55 20210101AFI20230830BHJP

   B22F 1/05 20220101ALI20230830BHJP

   B22F 10/34 20210101ALI20230830BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20230830BHJP

   B22F 10/37 20210101ALI20230830BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20230830BHJP

   B33Y 50/00 20150101ALI20230830BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20230830BHJP

   B22F 10/40 20210101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

B22F12/55

B22F1/05

B22F10/34

B22F10/28

B22F10/37

B33Y30/00

B33Y50/00

B33Y10/00

B22F10/40

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023508548

(86)(22)【出願日】2021-08-16

(85)【翻訳文提出日】2023-02-16

(86)【国際出願番号】 US2021046077

(87)【国際公開番号】W WO2022036301

(87)【国際公開日】2022-02-17

(31)【優先権主張番号】63/065,847

(32)【優先日】2020-08-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】ワトソン，ジョナサン

(72)【発明者】

【氏名】ウィンター，カート

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AB04

4K018BB04

(57)【要約】

３次元（３Ｄ）物品を製造するための３次元（３Ｄ）プリントシステムは、支持粉末を収容する支持粉末ディスペンサ、金属粉末を収容する金属粉末ディスペンサ、造形プレート、ビームシステム、およびコントローラを含む。コントローラは、以下を実行するように構成される：（１）３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信する、（２）金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置する、（３）金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配し、金属粉末の新しい層は、２Ｄスライスにかかり、境界を超えて延在して、未溶融粉末のゾーンを画定する、（４）ビームシステムを動作させ、２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融する、（５）支持粉末ディスペンサを動作させ、未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配する。

【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３次元（３Ｄ）プリントシステムであって、
支持粉末を収容する支持粉末ディスペンサ；
金属粉末を収容する金属粉末ディスペンサ；
垂直位置決めシステムに連結された造形プレート；
ビームシステム；および
コントローラ
を含み、
該コントローラは、
（１）溶融領域を画定し、スライス境界を有する３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信し；
（２）前記垂直位置決めシステムを動作させ、金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置し；
（３）前記金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配し、該金属粉末の新しい層は、前記２Ｄスライスにかかり、前記スライス境界を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーンを画定し；
（４）前記ビームシステムを動作させ、前記２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融し、未溶融粉末のゾーンを残し；
（５）前記支持粉末ディスペンサを動作させ、前記未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配し；かつ
前記情報の受信、および、前記支持粉末ディスペンサ、前記垂直位置決めシステム、前記金属粉末ディスペンサ、および前記ビームシステムの動作を繰り返して、前記３Ｄ物品の作製を完了する、
３次元プリントシステム。

【請求項2】

前記工程（１）～（４）が、前記工程（５）を実行する前にＮ回繰り返され、Ｎは１より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項3】

前記工程（５）は、前記工程（１）～（４）が実行される前に行われ、前記工程（１）～（４）は、前記工程（５）を繰り返す前にＮ回繰り返され、Ｎは１よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項4】

前記支持粉末は、砂粒子、ジルコン粒子、および二酸化ケイ素粒子のうちの１つまたは複数を含むことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項5】

前記支持粉末は第１のアバランシェ角を有し、前記金属粉末は第２のアバランシェ角を有し、前記第１のアバランシェ角は前記第２のアバランシェ角よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項6】

前記支持粉末は、少なくとも４０度のアバランシェ角を有することを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項7】

前記支持粉末は第１の平均粒径を有する粒子からなり、前記金属粉末は第２の平均粒径を有する粒子からなり、前記第１の平均粒径は前記第２の平均粒径の少なくとも２倍であることを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項8】

前記支持粉末の境界輪郭は、前記２Ｄスライスを横方向に囲む外側境界輪郭と、前記２Ｄスライスによって横方向に囲まれる少なくとも１つの内側境界輪郭とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリントシステム。

【請求項9】

３Ｄ物品を製造する方法であって、
支持粉末を収容する支持粉末ディスペンサと、金属粉末を収容する金属粉末ディスペンサと、垂直位置決めシステムに連結された造形プレートと、ビームシステムとを含む３Ｄプリントシステムを提供する工程；
（１）溶融領域を画定し、スライス境界を有する３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信する工程；
（２）前記垂直位置決めシステムを動作させ、金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置する工程；
（３）前記金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配する工程であって、前記金属粉末の新しい層を分配し、金属粉末の新しい層は、２Ｄスライスにかかり、前記スライス境界を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーンを画定する、工程；
（４）前記ビームシステムを動作させ、前記２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融し、前記未溶融粉末のゾーンを残す、工程；
（５）前記支持粉末ディスペンサを動作させ、前記未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配する工程；および
前記情報の受信、および、前記支持粉末ディスペンサ、前記垂直位置決めシステム、前記金属粉末ディスペンサ、および前記ビームシステムの動作を繰り返して、前記３Ｄ物品の作製を完了する、工程
を含む、方法。

【請求項10】

前記工程（１）～（４）が、前記工程（５）を実行する前にＮ回繰り返され、Ｎは１より大きいことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記工程（５）は、前記工程（１）～（４）が実行される前に行われ、前記工程（１）～（４）は、前記工程（５）を繰り返す前にＮ回繰り返され、Ｎは１よりも大きいことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記支持粉末は、砂粒子、ジルコン粒子、および二酸化ケイ素粒子のうちの１つまたは複数を含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記支持粉末は第１のアバランシェ角を有し、前記金属粉末は第２のアバランシェ角を有し、前記第１のアバランシェ角は前記第２のアバランシェ角よりも大きいことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記支持粉末は、少なくとも４０度のアバランシェ角を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記支持粉末は第１の平均粒径を有する粒子からなり、前記金属粉末は第２の平均粒径を有する粒子からなり、前記第１の平均粒径は前記第２の平均粒径の少なくとも２倍であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項16】

前記支持粉末は第１の平均粒径を有する粒子からなり、前記金属粉末は第２の平均粒径を有する粒子からなり、前記第１の平均粒径は前記第２の平均粒径の少なくとも３倍であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項17】

前記支持粉末の境界輪郭は、前記２Ｄスライスを横方向に囲む外側境界輪郭と、前記２Ｄスライスによって横方向に囲まれる少なくとも１つの内側境界輪郭とを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項18】

３Ｄ物品を製造するためのソフトウェア命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、プロセッサによって実行されると、以下：
（１）溶融領域を画定し、境界を有する３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信し；
（２）前記垂直位置決めシステムを動作させ、金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置し；
（３）前記金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配し、該金属粉末の新しい層は、前記２Ｄスライスにかかり、前記境界を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーンを画定し；
（４）前記ビームシステムを動作させ、前記２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融し、前記未溶融粉末のゾーンを残し；
（５）前記支持粉末ディスペンサを動作させ、前記未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配し；かつ
前記情報の受信、および、前記支持粉末ディスペンサ、前記垂直位置決めシステム、前記金属粉末ディスペンサ、および前記ビームシステムの動作を繰り返して、３Ｄ物品の作製を完了する
の工程を実行する、非一時的記憶媒体。

【請求項19】

前記工程（１）～（４）が、前記工程（５）を実行する前にＮ回繰り返され、Ｎは１より大きいことを特徴とする、請求項１８に記載の非一時的記憶媒体。

【請求項20】

前記工程（５）は、前記工程（１）～（４）が実行される前に行われ、前記工程（１）～（４）は、前記工程（５）を繰り返す前にＮ回繰り返され、Ｎは１よりも大きいことを特徴とする、請求項１８に記載の非一時的記憶媒体。

【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Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｗａｔｓｏｎらによる「ＴＨＲＥＥ－ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＰＲＩＮＴＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＴＨＡＴ ＭＩＮＩＭＩＺＥＳ ＵＳＥ ＯＦ ＭＥＴＡＬ ＰＯＷＤＥＲ」と題された米国仮特許出願第６３／０６５，８４７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、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、３Ｄ物品の表面品質を維持しながら、金属粉末の使用を最小限に抑えるシステムおよび方法に関する。

【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、レーザビーム、電子ビーム、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】

これらのシステムの課題の１つは、金属粉末のコストが非常に高く、その一部は未溶融であることである。別の課題は、高解像度および高品質の表面を画定する能力である。

【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３次元（３Ｄ）プリントシステムは、支持粉末を収容する支持粉末ディスペンサ、金属粉末を収容する金属粉末ディスペンサ、垂直位置決めシステムに連結された造形プレート、ビームシステム、およびコントローラを含む。コントローラは、以下を実行するように構成される：（１）溶融領域を画定し、スライス境界を有する３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信する、（２）垂直位置決めシステムを動作させ、金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置する、（３）金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配し、金属粉末の新しい層は、２Ｄスライスにかかり、スライス境界を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーンを画定する、（４）ビームシステムを動作させ、２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融し、未溶融粉末のゾーンを残す、（５）支持粉末ディスペンサを動作させ、未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配し、情報の受信、および、支持粉末ディスペンサ、垂直位置決めシステム、金属粉末ディスペンサ、およびビームシステムの動作を繰り返して、３Ｄ物品の製造を完了する。特定の工程の順序は変更することができる。工程（５）は、金属の層を分配および溶融する前または後に行うことができる。

【0007】

支持粉末の境界輪郭を分配することによって、物品を製造するのに必要な金属粉末の量が最小限に抑えられる。これは、造形容積の全てが金属粉末で充填される必要はないため、非常に大きい金属物品を製造することができるシステムにとって特に重要である。また、境界輪郭とスライス境界との間のオフセットにより、支持粉末が３Ｄ物品の表面に埋め込まれることによって生じる任意の欠陥を伴わずに、ビームシステムが各スライスの外側境界を画定することが可能になる。いくつかの実施形態では、スライス境界は、内側および外側スライス境界を含むことができる。

【0008】

一実装形態では、支持粉末の境界輪郭は、金属粉末層の垂直厚さの少なくとも２倍である垂直厚さを有する。これにより、分配される支持粉末の各境界輪郭に対して２つ以上の金属粉末の層を分配することが可能になる。これにより、３Ｄ物品の製造に要する時間が短縮される。いくつかのシステムでは、分配される個々の境界輪郭に対して分配されるＮ層の金属粉末がある。Ｎは、支持粉末のアバランシェ角などの要因に応じて、２、３、４、５、またはそれ以上であり得る。したがって、工程（３）～（５）は、工程（２）が実行される個々の時間について、各時間に対してＮ回繰り返される。

【0009】

別の実装形態では、支持粉末は砂材料である。砂材料は、ジルコン（ケイ酸ジルコニウム）粒子または二酸化ケイ素粒子のうちの１つ以上を含むことができる。特定の実装形態では、支持材料はジルコン粒子からなる。

【0010】

さらに別の実装形態では、支持粉末は、第１のアバランシェ角を有する。金属粉末は、第２のアバランシェ角を有する。第１のアバランシェ角は、第２のアバランシェ角よりも大きい。第１のアバランシェ角は、分配された境界輪郭の高さ対幅の比を最大にする少なくとも４０度であり得る。第２のアバランシェ角は、分配される金属粉末層の均一性および表面品質を向上させるために、第１のアバランシェ角よりも小さい。

【0011】

さらなる実装形態において、支持粉末は、第１の平均粒径を有する粒子からなる。金属粉末は、第２の平均粒径を有する粒子からなる。第１の平均粒径は、第２の平均粒径の少なくとも２倍であり得る。第１の平均粒径は、第２の平均粒径の少なくとも３倍であり得る。第１の平均粒径は、第２の平均粒径の少なくとも４倍であり得る。支持粉末と金属粉末との粒径差が大きいと、支持粉末と金属粉末との分離が容易になる。これにより、金属粉末をリサイクルすることができる。

【0012】

さらに別の実装形態では、支持粉末の境界輪郭は、２Ｄスライスを横方向に囲む外側境界輪郭と、２Ｄスライスによって横方向に囲まれる少なくとも１つの内側境界輪郭とを含む。

【0013】

本開示の第２の態様では、３Ｄ物品を製造する方法は、３Ｄプリントシステムを提供し、動作させる工程を含む。３Ｄプリントシステムは、支持粉末を収容する支持粉末ディスペンサと、金属粉末を収容する金属粉末ディスペンサと、垂直位置決めシステムに連結された造形プレートと、ビームシステムと、コントローラとを含む。３Ｄプリントシステムを動作させる工程は、以下を含む：（１）溶融領域を画定し、スライス境界を有する３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信する工程、（２）垂直位置決めシステムを動作させ、金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置する工程、（３）金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配する工程であって、金属粉末の新しい層を分配し、金属粉末の新しい層は、２Ｄスライスにかかり、スライス境界を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーンを画定する、工程、（４）ビームシステムを動作させ、２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融し、未溶融粉末のゾーンを残す、工程、（５）支持粉末ディスペンサを動作させ、未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配し、情報の受信、および、支持粉末ディスペンサ、垂直位置決めシステム、金属粉末ディスペンサ、およびビームシステムの動作を繰り返して、３Ｄ物品の製造を完了する、工程。

【0014】

本開示の第３の態様では、非一時的記憶媒体は、３Ｄ物品を製造するためのソフトウェア命令を記憶する。プロセッサによって実行されると、ソフトウェア命令は、少なくとも以下の工程を実行する：（１）溶融領域を画定し、スライス境界を有する３Ｄ物品の２次元（２Ｄ）スライスを画定する情報を受信する、（２）垂直位置決めシステムを動作させ、金属粉末の新しい層を受け取るように造形プレートを配置する、（３）金属粉末ディスペンサを動作させ、金属粉末の新しい層を分配し、金属粉末の新しい層は、２Ｄスライスにかかり、スライス境界を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーンを画定する、（４）ビームシステムを動作させ、２Ｄスライスに対応する領域上で粉末の新しい層を選択的に溶融し、未溶融粉末のゾーンを残す、（５）支持粉末ディスペンサを動作させ、未溶融粉末のゾーンに近接するまたは重なり合う支持粉末の境界輪郭を分配し、情報の受信、および、支持粉末ディスペンサ、垂直位置決めシステム、金属粉末ディスペンサ、およびビームシステムの動作を繰り返して、３Ｄ物品の製造を完了する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】３次元（３Ｄ）プリントシステムの一実施形態の概略図

【図2】金属３Ｄ物品を製造する方法の第１の実施形態のフローチャート

【図3A】支持粉末の境界輪郭が堆積された造形プレートの側方領域を見下ろした平面図である。境界輪郭の特定のパターンは、多くの他のパターンが可能であるため、単なる例示である。図示の境界輪郭は、外側境界輪郭と内側境界輪郭とを含み、それらの間には内部領域がある。

【図3B】内側境界輪郭と外側境界輪郭との間の内部領域上に金属粉末層が堆積されていることを除いて、図３Ａと同様である。図示の実施形態では、未溶融金属粉末層は、境界輪郭に近接するかまたは接触するエッジを有する。

【図3C】金属粉末層の２Ｄスライス領域が溶融されていることを除いて、図３Ｂと同様である。溶融金属粉末と輪郭との間には、未溶融金属のゾーンがある。未溶融金属のゾーンは、溶融金属の領域が支持粉末のいかなる粒子も含有または溶融しないことを確保する。

【図4】図３ＣのＡＡ’からとられた断面図

【図5】金属３Ｄ物品を作製する方法の第２の実施形態のフローチャート

【図6A】金属粉末の新しい層が選択的に分配された造形プレートの側方領域を見下ろした平面図である。金属粉末の新しい層は、３Ｄ物品の２Ｄスライスの領域と、２Ｄスライスの境界を超えて延在して少なくともオフセット距離Ｄの横幅を有するゾーンを含む未溶融粉末のゾーンとを含む。

【図6B】金属粉末の新しい層の２Ｄスライス領域がビームシステムによって溶融されていることを除いて、図６Ａと同様である。未溶融粉末のゾーンは、２Ｄスライス領域の境界を超えて延在する。

【図6C】支持材料の輪郭が、未溶融粉末のゾーンに近接してまたはそれと重なり合って分配されていることを除いて、図６Ｂと同様である。

【図7】図６Ｃの側面図を通した断面ＡＡ’の側面図

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、金属粉末から３次元（３Ｄ）物品３を製造するための３次元（３Ｄ）プリントシステム２の一実施形態を示す概略図である。３Ｄプリントシステム２を説明する際に、相互に直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺを使用することができる。軸ＸおよびＹは、概して水平である横軸である。軸Ｚは、重力基準と概して位置合わせされた縦軸である。「概して」とは、設計上そうであることを意図するが、製造または他の公差のために変化し得る。

【0017】

システム１は、造形プレート６を収容する造形ボックス４を含む。造形プレート６は、上面８を有し、垂直位置決めシステム１０に連結される。造形ボックス４は、粉末（図示せず）を収容するように構成されている。造形ボックス４は、ハウジング１４によって囲まれたチャンバ１２内に収容される。ガス処理システム１６は、チャンバ１２から空気（酸素を含む）を排気し、窒素またはアルゴンなどの非酸化性ガスでチャンバ１２を埋め戻すように構成される。

【0018】

チャンバ１２内には、第１の粉末ディスペンサ１８および第２の粉末ディスペンサ２０がある。第１の粉末ディスペンサ１８（支持粉末ディスペンサ１８）は、支持粉末を含み、連続的または断続的に支持粉末供給部２２に連結される。支持粉末は、ジルコン（ケイ酸ジルコニウム）粉末などの砂材料であり得る。例示的な実施形態では、砂またはジルコンは、少なくとも約１００ミクロンのサイズの粒子からなる。いくつかの実施形態では、粒子は、少なくとも約１５０または２００または２５０ミクロンのサイズであり得る。粒子は、サイズが１００～３００ミクロン、またはサイズが１５０～２００ミクロンの範囲内に入るサイズを有することができる。他のサイズも可能である。

【0019】

粒子または粒子のサイズに言及する場合、「サイズ」は線寸法である。粒子が球体である場合、サイズは直径である。不規則または非球状粒子については、「サイズ」は、粒子と同等の質量を有する固体球体の直径にほぼ等しくてもよい。

【0020】

第２の粒子ディスペンサ２０（金属粉末ディスペンサ２０）は、金属粉末を含み、連続的または断続的に金属粉末供給部２４に連結される。金属粉末は、元素または合金であり得る。金属粉末の例としては、チタンおよびステンレス鋼が挙げられるが、多数の他の可能性が存在する。金属粉末は、約１０～６０ミクロンのサイズを有することができる粒子からなる。より詳細には、金属粉末粒子は、２０～５０ミクロンの範囲のサイズを有することができる。他の範囲の粒径も可能である。

【0021】

支持粉末と金属粉末との分離を容易にするために、支持粉末粒径範囲と金属粉末粒径範囲とは重ならないことが好ましい。好ましくは、支持粉末の平均粒径は、金属の平均粒径よりも少なくとも１００％、１５０％、２００％、２５０％、または３００％大きい。この差が大きいほど混合粉末の分離が容易になる。粉末を分離できることにより、非常に高価である金属粉末のリサイクルが容易になる。

【0022】

いくつかの実施形態では、複数の種類の金属粉末を分配できるように、複数の金属粉末ディスペンサ２０があってもよい。粉末ディスペンサ１８および２０のために、様々な種類の粉末ディスペンサを利用することができる。粉末ディスペンサの一例が米国特許第１０，５７６，５４２号に説明される。他の粉末ディスペンサの設計もシステム２において使用することができる。

【0023】

粒子ディスペンサ１８および２０は、粉末の輪郭を分配するように構成される。輪郭は、幅を有し、頂部が平坦であり、粉末の安息角またはアバランシェ角に依存する傾斜を有する傾斜エッジを有する。輪郭は、上面８上で粉末ディスペンサ１８および２０を移動させる運動制御によって決定される任意の所望の幾何学的形状を有することができる。運動制御は、分配システムに横方向および垂直方向の運動を提供する既知の方法である機械的ガントリシステムによって提供することができる。

【0024】

システム２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２８を生成するように構成されたビームシステム２６を含む。例示的な実施形態では、ビームシステム２６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２６は、金属粉末の新しい層の上面と概ね一致する造形平面２９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。造形平面２９は、ＸおよびＹにおける側方領域およびＺ高さによって画定される。造形平面２９の側方領域は、３Ｄ物品３を製造する際のビームシステム２６の横方向走査限界によって画定される。造形平面２９は、概して、ビームシステム２６の最適な焦点範囲に対応するＺ座標を有する。代替的な実施形態では、ビームシステム２６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。

【0025】

コントローラ３０は、垂直位置決めシステム１０、ガス処理システム１６、粉末ディスペンサ１８および２０、粉末供給部２２および２４、ビームシステム２６、ならびに３Ｄプリントシステム２の他の部分を動作させるように制御可能に連結される。コントローラ３０は、不揮発性または非一時的な情報記憶装置に結合されたプロセッサを含む。情報記憶装置は、３Ｄプリントシステム２の一部またはすべての制御可能な部分を動作させるためのソフトウェア命令を記憶する。プロセッサによって実行されると、ソフトウェア命令は、３Ｄプリントシステム２を動作させ、以下の工程を含む３Ｄ物品を製造する方法を実行することができる：（１）ガス処理システム１６を動作させて、アルゴンまたは窒素を含む非酸化性ガス環境をチャンバ１２内に提供する、（２）垂直位置決めシステムを動作させて、上面８（または後の金属粉末の上面）を造形平面２９に近接して（金属粉末の最も新しく分配された層の上面と概ね一致するように）配置する、（３）支持粉末ディスペンサ１８を動作させて、支持粉末の１つ以上の輪郭を上面８上に分配する、（４）金属粉末ディスペンサを動作させて、支持粉末の１つ以上の輪郭によって境界付けられた１つ以上の領域内に金属粉末の層を分配する、（５）ビームシステムを動作させて、金属粉末の最も新しく分配された層を選択的に溶融させて３Ｄ物品の層を画定し、工程（２）～（５）を繰り返して３Ｄ物品の製造を完了する。この方法の一実施形態は、図２の方法３２に関して説明される。いくつかの実施形態では、工程（３）は、図５の方法７０のように工程（５）の後に行われる。

【0026】

図２は、３Ｄ物品を製造するための方法またはプロセス３２の第１の実施形態を示すフローチャートである。コントローラ３０は、ソフトウェア命令の実行を通じて方法３２を実行するようにシステム２のコンポーネントを動作させるように構成される。図３Ａ～図３Ｃおよび図４は、方法３２の工程を示す。図３Ａ～図３Ｃは、分配され選択的に溶融された粉末のパターンを示す側面図である。図４は、図３Ｃの側面図を通した断面ＡＡ’の側面図である。

【0027】

３４によれば、コントローラ３０は、３Ｄ物品の複数のＮ（１つまたは複数）の層またはスライスを画定する情報を受信する。３６によれば、コントローラ３０は、支持粉末ディスペンサ１８を動作させて、支持粉末５２の少なくとも１つの境界輪郭５０を分配する。（図３Ａ参照）。支持粉末５２の境界輪郭５０は、３Ｄ物品の２Ｄ層またはスライスを取り囲む。境界輪郭５０は、２Ｄスライスを含む内部領域５６に面する境界面５４を個々に有する。境界面５４と２Ｄスライスとの間にはオフセット距離Ｄがある（まだ示されていないが、後続の図に示されている）。図示の実施形態では、境界輪郭５０は、外側境界輪郭５０－Ｏおよび内側境界輪郭５０－Ｉを含む。内部領域５６は、外側境界輪郭５０－Ｏと内側境界輪郭５０－Ｉとの間の側方領域である。

【0028】

３８によれば、３Ｄ物品の作製が完了したかどうかに関する決定が行われる。イエスの場合、プロセス３２は終了する（これは、工程３４および３６が工程３８の前に行われなかったことを示す）。そうでなければ、プロセス３２は工程４０に移行する。４０によれば、コントローラ３０は、垂直位置決めシステム１０を動作させて、１層の金属層厚さ分だけ造形平面２９の下に上面８（造形プレート６のまたは部分的に溶融した粉末の上面）を位置決めする。

【0029】

４２によれば、コントローラ３０は、金属粉末ディスペンサ２０を動作させて、境界面５４によって境界付けられた内部領域５６の上に未溶融金属粉末５８の層を分配する。（図３Ｂ参照）。４４によれば、コントローラ３０は、ビームシステム２６を動作させて、金属粉末５８を選択的に溶融させて溶融金属粉末６０の領域を画定する。（図３Ｃ、４参照）。溶融金属粉末６０の領域は、３Ｄ物品の層またはスライスに対応し、画定する。溶融金属粉末６０と境界輪郭５０との間には、未溶融金属粉末５８のゾーン６２がある。ゾーン６２は、オフセット距離Ｄに等しい幅を有する。

【0030】

好ましくは、図４に示すように、境界輪郭５０の垂直厚さは、金属粉末層の垂直厚さよりも大きい。これは、３Ｄ物品を形成する間に工程３６を繰り返す必要がある回数を低減する。図２を参照すると、プロセス３２は、工程４４から工程３８へ戻るループを最大Ｎ回（作製が完了するまで）行う。Ｎ個の金属層が形成された後、プロセスは、工程４４から工程３４または工程３６にループして、新しい支持輪郭５０を形成する。

【0031】

好ましくは、境界輪郭５０は、溶融金属粉末６０の単一層の垂直厚さの少なくとも２倍である垂直厚さを有する。境界輪郭は、溶融金属粉末６０の層の厚さの少なくとも２倍、少なくとも３倍、少なくとも４倍、少なくとも５倍、または５倍超であり得る。金属粉末の単一層は、厚さが１０～６０ミクロンまたは厚さが約２０～５０ミクロンであり得る。

【0032】

１つの境界輪郭５０層の厚さを部分的に制限するのは、支持粉末５２の安息角またはアバランシェ角である。安息角は、横軸または水平軸に対する最大安定角である。アバランシェ角は、その上で傾斜が安定性を失い滑り始める水平面に対する角度である。典型的には、アバランシェ角は安息角より約２度大きい。好ましくは、支持粉末５２は、水平に対して少なくとも４０度のアバランシェ角を有する。また、未溶融金属粉末５８のアバランシェ角は、支持粉末５２のアバランシェ角よりも小さいことが好ましい。

【0033】

オフセット距離Ｄは、効率を改善するために最小限に抑えられるが、溶融金属粉末６０が境界輪郭５０に重なるのを防止するように充分に大きくなければならない。これにより、溶融金属粉末６０の境界６４の品質が向上する。境界輪郭５０と境界６４との重なりにより、支持粉末５２のピットおよび埋め込み粒子などの境界６４における欠陥が生じ得る。

【0034】

図５は、３Ｄ物品を作製するための方法またはプロセス７０の第２の実施形態を示すフローチャートである。コントローラ３０は、ソフトウェア命令の実行を通じて方法７０を実行するようにシステム２のコンポーネントを動作させるように構成される。図６Ａ～図６Ｃおよび図７は、方法７０の工程を示す。図６Ａ～図６Ｃは、分配され選択的に溶融された粉末のパターンを示す側面図である。図７は、図６Ｃの側面図を通した断面ＡＡ’の側面図である。方法７０は、特定の工程の順序が変更されることを除いて、方法３２と非常に類似している。

【0035】

７２によれば、コントローラ３０（またはコントローラ３０内のプロセッサ）は、３次元（３Ｄ）物品の２次元（２Ｄ）スライス８４（図６Ｂ）を画定する情報を受信する。２Ｄスライスは、溶融される領域を境界付ける境界８６を含む選択的に溶融されるべき金属粉末の２Ｄ領域を画定する。図６Ｂの図示される実施形態では、境界は、外側境界８６－Ｏおよび内側境界８６－Ｉを含む。

【0036】

７４によれば、垂直位置決めシステム１０は、粉末８８の新しい層を受け取るように造形プレート６を位置決めするように動作される。この位置は、粉末８８の新しい層の上面が、ビームシステム２６の焦点面である造形平面２９に配置されることを確保する。

【0037】

７６によれば、金属粉末ディスペンサ２０は、金属粉末８８の新しい層を分配するように動作される。金属粉体８８の新しい層は、２Ｄスライス８６にかかり、境界８６を超えて延在して、少なくともオフセット距離Ｄである横幅を有する未溶融粉末のゾーン９０を画定する。図６Ａは、外側境界８９－Ｏおよび内側境界８９－Ｉを含む境界８９を有する金属粉末の新しい層を図示する。

【0038】

７８によれば、ビームシステム２６は、２Ｄスライス８４に対応し、横方向に同じである金属粉末の２Ｄ領域上に金属の新しい層を選択的に溶融するように動作される。工程７８の後に残っているのは、未溶融粉末のゾーン９０である。ゾーン９０は、最小幅Ｄを有する。Ｄは「オフセット距離」と称される。

【0039】

８０によれば、３Ｄ物品の作製が完了したかどうかを調べるための決定が行われる。イエスの場合、方法７０は終了する。ノーの場合、プロセスは工程７２にループバックする。

【0040】

工程７２～８０をＮ回繰り返す。Ｎは少なくとも１に等しい。Ｎ回繰り返した後、プロセスは工程８２に進む。

【0041】

８２によれば、支持粉末ディスペンサ２２は、支持粉末９４の輪郭９２を分配するように動作される。支持粉末９４の輪郭９２は、未溶融粉末のゾーン９０に近接して、またはそれと重なり合って分配される。次いで、プロセスは８０にループバックする。

【0042】

図７は、図６（Ｃ）のＡＡ’を通して取られた断面図である。図示の実施形態では、金属粉末８８の３つの層が堆積され、輪郭９２が堆積される前に、選択的に溶融される。全ての層について、最小オフセット距離Ｄは、支持粉末９４の輪郭９２と溶融粉末の２Ｄスライス８４との間に維持される。

【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。例えば、方法３２および７０を含む多数の異なる動作可能なシーケンスのバリエーションが存在し、これらは依然として特許請求の範囲内であり得る。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【国際調査報告】