JP6847261B2 - 付加製造システムにおける真空粉末配置の方法及びシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる２０１７年１月３日に出願された米国仮特許出願番号第６２／４４１，６４０号明細書に対する優先権を主張する。

本明細書に開示される主題は、一般に付加製造システムに関し、より詳細には、構築プラットフォーム上に材料粒子を堆積させるための材料送達システムを含む付加製造システムに関する。

少なくともいくつかの付加製造システムは、部品を製造するための粉末材料の固化を含んでいる。このようなシステムは、伝統的な製造技術と比較して、低コストで且つ製造効率を向上させて粉末材料から幾何学的に複雑な部品を製造する。直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）などのいくつかの既知の付加製造システムは、エネルギー源からのビーム及び粉末金属などの粉末材料を使用して部品を製造する。そのような付加製造システムでは、部品の特性は、部品を形成するのに使用される材料の特性によって少なくとも部分的に決定される。場合によっては、変化及び局所的な材料特性を有する部品を製造することが望ましい。したがって、少なくともいくつかの部品は、互いに接合された異なる特性を有する２つ以上の別個の部品から形成される。しかしながら、接合された部品は、部分的には部品間の接合部に起因して、単一の部品と比較して、組み立てコストが増大し、及び／又は故障のリスクが増大する可能性がある。

一態様では、付加製造システムを使用して部品を製造する方法が提供される。この方法は、真空源によって生成された空気流中の流れに乗せて第１材料粒子の第１部分を運ぶこと（ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇ）、及び第１材料粒子の第１部分を通気性スクリーンに対して係合させることを含んでいる。さらに、この方法は、第１材料粒子の第１部分を構築プラットフォーム上に堆積させることを含んでいる。この方法はまた、空気流中の流れに乗せて第２材料粒子の第２部分を運ぶこと、及び第２材料粒子の第２部分を通気性スクリーンに対して係合させることを含んでいる。さらに、この方法は、第２材料粒子の第２部分を構築プラットフォーム上に堆積させることを含んでいる。この方法は、第１材料粒子の第１部分又は第２材料粒子の第２部分のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分にエネルギー源を用いて熱を伝達して、第１材料粒子の第１部分及び第２材料粒子の第２部分の固化を容易にして部品を製造することを含んでいる。

別の態様では、部品を製造するための付加製造システムが提供される。付加製造システムは、エネルギー源と、複数の第１材料粒子と複数の第２材料粒子とを保持するよう構成された構築プラットフォームと、材料送達システムとを含んでいる。材料送達システムは、複数の真空弁と通気性スクリーンとを含むディスペンサアセンブリと、前記複数の真空弁に流体連通して結合された真空源とを含んでいる。付加製造システムはまた、複数の真空弁のうちの第１サブセットの真空弁を開き、第１サブセットの真空弁及び通気性スクリーンを通る空気流を発生させて、複数の第１材料粒子を取得するよう構成されているコントローラを含んでいる。コントローラはさらに、複数の真空弁のうちの第２サブセットの真空弁を開き、第２サブセットの真空弁及び通気性スクリーンを通る空気流を発生させて、複数の第２材料粒子を取得するよう構成されている。さらに、コントローラは、複数の第１材料粒子及び複数の第２材料粒子を構築プラットフォーム上に堆積させ、エネルギー源を作動させて、構築パラメータに基づいて複数の第１材料粒子及び複数の第２材料粒子のうちの少なくとも１つに熱を伝達し、複数の第１材料粒子及び複数の第２材料粒子を固化して前記部品を製造するのを容易にするよう構成されている。

さらに別の態様では、付加製造システム用の材料送達システムが提供される。材料送達システムは、複数の真空弁と通気性スクリーンとを含むディスペンサアセンブリを含んでいる。材料送達システムはまた、複数の真空弁に流体連通して結合された真空源を含んでいる。さらに、材料送達システムは、ディスペンサアセンブリに結合された装着システムを含んでいる。

本開示のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、図面を通して同様の文字は同様の部品を表す添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されよう。

図１は、例示的な付加製造システムの概略図である。 図２は、材料送達システムを含む、図１に示す付加製造システムの一部の概略図である。 図３は、図２に示す材料送達システムを含む、図１に示す付加製造システムの一部の概略平面図である。 図４は、図２に示す材料送達システムのディスペンサアセンブリと共に使用するための個々に制御可能な真空弁のアレイ配置の概略図である。 図５は、図１に示す付加製造システムと共に使用するためのコントローラのブロック図である。 図６は、図１に示す付加製造システムを使用して部品を製造するために実装することができる方法のフローチャートである。

特記しない限り、本明細書に提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を説明することを意図している。これらの特徴は、本開示の１又は複数の実施形態を含む多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示された実施形態の実施に必要な当業者に既知のすべての従来の特徴を含むことを意味しない。

以下の明細書及び特許請求の範囲において、以下の意味を有するように定義されるべきいくつかの用語が参照されるであろう。

単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数の言及を含んでいる。

「所望による（Ｏｐｔｉｏｎａｌ）」又は「所望により（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、続いて説明される事象又は状況が発生してもしなくてもよく、その説明にはその事象が発生した場合と発生しなかった場合が含まれることを意味する。

本明細書及び特許請求の範囲を通して本明細書で使用されるような近似表現は、それが関連する基本機能に変化をもたらすことなく許容可能に変化し得る任意の定量的表現を修正するために適用され得る。したがって、「約」、「およそ」及び「実質的に」などの１又は複数の用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの事例では、近似表現は値を測定するための計測器の精度に対応し得る。本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の制限は組み合わせ及び／又は交換することができ、文脈又は表現でそうでないことを示さない限り、そのような範囲は特定され、それに含まれるすべての部分範囲を含んでいる。

本明細書で使用されるとき、用語「プロセッサ」及び「コンピュータ」及び関連用語、例えば「処理装置」、「計算装置」及び「コントローラ」は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路だけに限定されず、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路及び他のプログラム可能な回路を広く指し、これらの用語は本明細書では互換的に使用される。本明細書に記載の実施形態では、メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータ可読媒体、及びフラッシュメモリなどのコンピュータ可読不揮発性媒体を含むことができるが、それらに限定されない。あるいは、フロッピーディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）を使用することもできる。また、本明細書に記載の実施形態では、追加の入力チャネルは、マウス及びキーボードなどのオペレータインタフェースに関連するコンピュータ周辺機器であり得るが、それらに限定されない。あるいは、例えば、スキャナを含むがこれに限定されない他のコンピュータ周辺機器も使用することができる。さらに、例示的実施形態では、追加の出力チャネルは、オペレータインタフェースモニタを含むことができるが、これに限定されない。

さらに、本明細書で使用されるとき、用語「ソフトウェア」及び「ファームウェア」は交換可能であり、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、クライアント、及びサーバによる実行のためのメモリ内の任意のコンピュータプログラムストレージを含んでいる。

本明細書で使用されるとき、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール及びサブモジュール、又は任意の装置内の他のデータなどの短期及び長期の情報記憶のための任意の技術の方法で実装される任意の有形コンピュータベースの装置を表すことを意図する。したがって、本明細書に記載の方法は、記憶装置及び／又はメモリ装置を含むがこれらに限定されない、有形の非一時的コンピュータ可読媒体に組み込まれた実行可能な命令として符号化することができる。そのような命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。さらに、本明細書で使用されるとき、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、非限定的に、非一時的コンピュータストレージ装置を含む、非限定的に、揮発性及び不揮発性媒体を含むすべての有形のコンピュータ可読媒体、並びにファームウェア、物理ストレージ及び仮想ストレージ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどのリムーバブル及び非リムーバブル媒体、並びにネットワーク又はインターネット及び未開発のデジタル手段などの任意の他のデジタルソースを含み、唯一の例外は一時的な伝搬信号である。

さらに、本明細書で使用されるとき、用語「リアルタイム」は、関連するイベントの発生時間、所定のデータの測定及び収集の時間、データを処理する時間、並びにイベント及び環境にシステムが応答する時間のうちの少なくとも１つを指す。本明細書に記載の実施形態では、これらの活動及びイベントは実質的に瞬間的に発生する。

本明細書に記載のシステム及び方法は、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）システムなどの付加製造システムに関する。本明細書に記載の実施形態は、集束エネルギービームを放射するためのエネルギー源と、材料送達システムとを含んでいる。材料送達システムは、第１材料の複数の粒子を取得し、粒子を構築プラットフォーム上に堆積又は配置する。さらに、材料送達システムは、第１材料とは異なる第２材料の複数の粒子を取得し、第１及び第２材料の粒子が部品の層を画定するように構築プラットフォーム上に粒子を堆積させる。材料送達システムは、材料粒子を取得し堆積させるために、吸引力を加えるために複数の弁に結合された真空源を含んでいる。一実施形態では、材料送達システムは、犠牲材料、すなわち部品の一部ではない材料の粒子を取得して堆積させて、製造中に部品への支持を提供する。したがって、記載された実施形態は、独特の局所的材料特性を有する部品を提供することを容易にする。

図１は、例示的な付加製造システム１０の概略図である。例示的実施形態では、付加製造システム１０は直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）システムである。本明細書では付加製造システム１０をＤＭＬＭシステムとして説明しているが、付加製造システム１０は、付加製造システム１０が集束エネルギー装置及び少なくとも１つの粉末材料を使用して部品を製造することを可能にする任意の粉末ベッド融着プロセスであり得る。例えば、限定されないが、付加製造システム１０は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）システム、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）システム、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）システム、及び電子ビーム溶融（ＥＢＭ）システムとすることができる。

付加製造システム１０は、光学システム１４に光学的に結合されたエネルギー源１２と、エネルギー源１２の走査を制御するための検流計１６とを含んでいる。例示的実施形態では、エネルギー源１２は、エネルギービーム２０を放射するネオジムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）固体レーザなどのレーザ装置である。代替実施形態では、付加製造システム１０は、連続型、変調型、パルス波型レーザ、又は電子ビーム発生装置のうちの１つなど、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意のエネルギー源１２を含んでいる。さらに、いくつかの実施形態では、付加製造システム１０は、複数の光ファイバに結合された複数のダイオードレーザを含むダイオードファイバレーザアレイを含んでいる。そのような実施形態では、ダイオードファイバアレイは、少なくとも１つの粉末材料を加熱するために、光ファイバからの複数のレーザビームを表面又は構築プラットフォームに同時に向ける。代替的又は追加的に、付加製造システム１０は２つ以上のエネルギー源を含み得る。例えば、限定されないが、代替の付加製造システムは、第１パワー出力を有する第１エネルギー源と、第１パワー出力とは異なる第２パワー出力を有する第２エネルギー源とを有し得るか、又は代替の付加製造システムは、実質的に同じパワー出力を有する少なくとも２つのエネルギー源を有し得る。しかしながら、付加製造システム１０は、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にするエネルギー源の任意の組み合わせを含み得る。

例示的実施形態では、付加製造システム１０はまた、コンピュータ制御システム又はコントローラ１８を含んでいる。検流計１６は、コントローラ１８によって制御され、溶融プールを形成するために所定の経路に沿ってエネルギー源１２のビーム２０を偏向させる。一実施形態では、所定の経路は表面又は構築プラットフォーム２２上にある。他の実施形態では、検流計１６は、焼結を容易にする、あるいは材料の粒子を固化することを容易にするために所定の経路に沿ってビーム２０を偏向させる。焼結とは、例えば、粉末材料を焼結又は溶融するためにレーザビームを使用することによって、３次元（３Ｄ）部品を製造することを指すのに使用される用語である。より正確には、焼結は粉末材料の融点より低い温度で粉末材料の粒子を融着（凝集）させることを伴い、一方溶融は粉末材料の粒子を完全に溶融させて固体塊を形成することを伴う。レーザ焼結又はレーザ溶融に関連する物理的プロセスは、粉末材料への熱伝達、及び、次いで粉末材料の焼結又は溶融のいずれかを含んでいる。

例示的実施形態では、検流計１６は、アクチュエータ６４に動作可能に結合されたミラー６２を含んでいた。アクチュエータ６４は、コントローラ１８から受信した信号に応答してミラー６２を動かし（具体的には回転させ）、それによってビーム２０を構築プラットフォーム２２の選択部分に向けて且つ選択部分にわたって偏向させる。いくつかの実施形態において、ミラー６２は、ビーム２０の波長に対応する反射スペクトルを有する反射コーティングを含んでいる。代替実施形態では、付加製造システム１０は、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の走査装置を含んでいる。例えば、いくつかの実施形態では、検流計１６は、２つのミラー６２と２つのアクチュエータ６４とを含み、それぞれがミラー６２のうちの１つに動作可能に結合されている。他の実施形態では、検流計１６は、例えば、２次元（２Ｄ）走査検流計、３次元（３Ｄ）走査検流計、動的集束検流計、及び／又はエネルギー源１２のビーム２０を偏向させるのに使用される任意の他の検流計システムを含んでいる。付加製造システム１０はまた、材料の粒子を構築プラットフォーム２２に送達する材料送達システム２４を含んでいる。

例示的実施形態では、構築プラットフォーム２２は、材料送達システム２４によって送達される少なくとも複数の第１材料粒子２６及び複数の第２材料粒子２８を支持する。第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は、部品３０を製造するための付加製造プロセス中に、固化される、すなわち、加熱及び／又は溶融され、且つ冷却及び／又は再固化される粉末構築材料である。特に、エネルギー源１２は、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８に熱を伝達し、例えば、溶融プールを生成するか又は材料を焼結させて、部品３０内の材料の固化を容易にする。例示的実施形態では、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は、例えば、限定されないが、コバルト、鉄、アルミニウム、チタン、ニッケル、鋼のうちの１又は複数及びそれらの様々な組み合わせのガス噴霧合金を含んでいる。あるいは、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は、例えば、これらに限定されないが、セラミック粉末、非ガス噴霧法によって製造された金属粉末、金属被覆セラミック粉末、熱硬化性樹脂、及び熱可塑性樹脂など、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の材料の種類を含んでいる。本明細書では、部品３０を製造するために第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８を利用するものとして説明したが、部品３０などの部品を製造するために任意の数の材料を使用できることに留意されたい。

例示的実施形態では、付加製造システム１０は、層ごとの製造プロセスによって部品３０を製造するように動作する。部品３０は、部品３０の３Ｄ幾何学形状の電子表現から製造される。電子表現は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）又は同様のファイルで作成することができる。部品３０のＣＡＤファイルは、各層に対する複数の構築パラメータ３１を含む層ごとのフォーマットに変換される。例示的実施形態では、部品３０は、付加製造システム１０で使用される座標系の原点に対して所望の向きに電子的に配置される。部品３０の形状は、各層の形状がその特定の層位置における部品３０を通る断面の輪郭となるように、所望の厚さの層のスタックにスライスされる。１又は複数の「ツール経路」は、それぞれの層の形状全体にわたって生成される。部品３０を構成するのに使用される材料から部品３０のその層を製造するために、構築パラメータ３１は１又は複数のツール経路に沿って適用される。これらの工程は、部品３０の形状の各層ごとに繰り返される。プロセスが完了すると、すべての層を含む電子計算機構築ファイル（単数又は複数）が生成される。構築ファイルは、各層の製造中にシステムを制御するために、付加製造システム１０のコントローラ１８にロードされる。

構築ファイルがコントローラ１８にロードされた後、付加製造システム１０は、直接金属レーザ溶融法などの層ごとの製造プロセスを実装することによって部品３０を生成するために動作される。例示的な層ごとの付加製造プロセスは、最終部品の前駆体として既存の部品３０を使用せず、むしろプロセスは複数の粒子又は粉末などの構成可能な形態で原材料から部品を製造する。例えば、限定されないが、鋼部品は鋼粉末を用いて付加製造することができる。付加製造システム１０は、例えば、これらに限定されないが、金属、セラミック及びポリマーなど、広範囲の材料を使用して部品を製造することを可能にする。

図２は、材料送達システム２４を含む付加製造システム１０の一部の概略図である。図３は、材料送達システム２４を含む付加製造システム１０の一部の概略平面図である。例示的実施形態では、材料送達システム２４は、ディスペンサアセンブリ３４に結合された真空源３２と、ディスペンサアセンブリ３４に結合された装着システム５０とを含んでいる。装着システム５０は、コントローラ１８と通信可能に結合され、コントローラ１８は概して５２で示されるＸ、Ｙ及びＺ軸に装着システム５０を平行移動又は移動させ、部品３０の層を製造するための少なくとも第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８を取得及び堆積するのを容易にする（図１に示す）。ディスペンサアセンブリ３４は、真空マニホールド３６と、真空マニホールド３６に結合された、アレイ状に配置された複数の個別制御可能な真空弁３８とを含んでいる。ディスペンサアセンブリ３４はまた、真空マニホールド３６に対向する、複数の真空弁３８に結合されたガス又は空気の通気性スクリーン４０（又は膜）を含んでいる。スクリーン４０は、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８がスクリーン４０を通過するのを実質的に防止しながら、空気がスクリーン４０を通過できるようにサイズ設定された複数の孔又は開口部を有する。

例示的実施形態では、材料送達システム２４はまた、少なくとも第１材料供給源５４と第２材料供給源５６とを含んでいる。代替として、材料送達システム２４は、部品３０を構築するのに必要な任意の数の材料源を含んでいる。例示的実施形態では、第１材料供給源５４及び第２材料供給源５６は、それぞれ、ある量の第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８を保持する。ディスペンサアセンブリ３４は、それぞれ第１材料供給源５４及び第２材料供給源５６から少なくとも第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８の一部を取得し、材料を構築プラットフォーム２２上に堆積させる。図３を参照すると、本明細書に記載されているように、ディスペンサアセンブリ３４は、構築プラットフォーム２２に対して平行移動又は移動する。特に、ディスペンサアセンブリ３４は、構築プラットフォーム２２に対して横方向（すなわち、Ｘ−Ｙ平面において）に平行移動又は移動する。加えて、ディスペンサアセンブリ３４は、構築プラットフォーム２２に向かって及び構築プラットフォーム２２から離れるように（すなわち、Ｚ方向に）平行移動又は移動する。したがって、材料送達システム２４は、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８のうちの少なくとも１つを任意の所望のパターンで構築プラットフォーム２２上に取得し堆積させる。代替の実施形態では、材料送達システム２４は、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の方法で平行移動又は移動する。

例示的実施形態では、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は実質的に水平である。さらに、第２材料粒子２８は、第１材料粒子２６と実質的に同じ厚さで堆積される。したがって、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８のならし（ｓｃｒｅｅｄｉｎｇ）又はレベリング（ｌｅｖｅｌｉｎｇ）は必要とされない。第１材料粒子２６及び／又は第２材料粒子２８のならしプロセスを省略することは、ならし中に発生する第１材料粒子２６と第２材料粒子２８の混合を減少させるのを容易にする。あるいは、いくつかの実施形態では、第１材料粒子２６及び／又は第２材料粒子２８はならされるか又は水平にされる。例えば、いくつかの実施形態において、第１材料粒子２６は、第２材料粒子２８の堆積前にならされる。他の実施形態では、第１材料粒子２６は構築プラットフォーム２２上の適所に少なくとも部分的に固定されて、第２材料粒子２８のならしを容易にする。

図２及び図３に示すように、材料送達システム２４は所望により、ある量の犠牲材料粒子６０を含む犠牲材料供給源５８を含んでいる。ディスペンサアセンブリ３４は、第１犠牲材料供給源５８から犠牲材料粒子６０の一部を取得して、犠牲材料粒子６０を構築プラットフォーム２２上に堆積させる。特に、犠牲材料粒子６０は、製造中に部品３０のための支持材料として機能するように、第１材料粒子２６と第２材料粒子２８との間に画定された領域に堆積される。一実施形態では、犠牲材料粒子６０は磁性材料から形成され、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は非磁性材料から形成される。したがって、部品３０の製造後、磁力を使用して犠牲材料粒子６０を容易に除去することができる。さらに、いくつかの実施形態では、犠牲材料粒子６０はセラミック材料から形成され、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は金属材料から形成される。したがって、犠牲材料粒子６０は、部品３０の製造中に第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８と固化されない。

図４は、ディスペンサアセンブリ３４（図３に示す）と共に使用するための個々に制御可能な真空弁３８のアレイ配置１００の概略図である。例示的実施形態では、複数の真空弁３８はＭ×Ｎアレイ配置１００に配置され、ここでＭは真空弁３８の列数を表し、Ｎは真空弁３８の行数を表す。例示的実施形態では、アレイ配置１００は６行Ｎ及び８列Ｍを含んでいる。あるいは、アレイ配置１００は、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の数の列及び行の真空弁３８を含んでいる。例えば、限定されないが、一実施形態では、複数の真空弁３８のアレイ配置１００は、構築プラットフォーム２２のサイズ及び形状に実質的に対応するサイズ及び形状で配置される。例示的実施形態では、行Ｎは、中心線１０２及び１０４によって示されるように、後続の各行が前の行と整列するように配置される。あるいは、行Ｎは、付加製造システム１０が本明細書に記載のように機能することを可能にする後続の行と任意の望ましい整列で配置される。例えば、限定されないが、一代替実施形態では、行Ｎは、後続の各行がそれぞれの真空弁３８の幅の半分だけ前の行からずれているように配置される。

図２及び図４を参照すると、例示的実施形態では、真空源３２は、真空マニホールド３６、その結果各真空弁３８と流体連通するように結合されている。複数の真空弁３８の第１サブセット６６がコントローラ１８によって作動されて、真空弁３８の第１サブセット６６のそれぞれの真空弁３８を通して部分真空を選択的に吸引し、それによってスクリーン４０及びそれぞれの真空弁３８を通る空気流を発生させる。ディスペンサアセンブリ３４が第１材料供給源５４内に配置された状態で、第１材料粒子２６の第１部分が空気流中の流れに乗せられて運ばれ、真空弁３８の第１サブセット６６のそれぞれの真空弁３８でスクリーン４０に対して捕捉又は係合される。さらに、複数の真空弁３８の第２サブセット６８がコントローラ１８によって作動されて、真空弁３８の第２サブセット６８のそれぞれの真空弁３８を通して部分真空を選択的に吸引し、それによってスクリーン４０及びそれぞれの真空弁３８を通る空気流を発生させる。ディスペンサアセンブリ３４が第２材料供給源５６内に配置された状態で、第２材料粒子２８の第２部分が空気流中の流れに乗せられて運ばれ、真空弁３８の第２サブセット６８のそれぞれの真空弁３８でスクリーン４０に対して捕捉又は係合される。所望により、一実施形態では、複数の真空弁３８の第３サブセット６９がコントローラ１８によって作動されて、第３サブセット６９のそれぞれの真空弁３８を通して部分真空を選択的に吸引し、それによってスクリーン４０及びそれぞれの真空弁３８を通る空気流を発生させる。ディスペンサアセンブリ３４が犠牲材料供給源５８内に配置された状態で、犠牲材料粒子６０の第３部分が空気流中の流れに乗せられて運ばれ、真空弁３８の第３サブセット６９のそれぞれの真空弁３８でスクリーン４０に対して捕捉又は係合される。

図５は、付加製造システム１０（図１に示す）と共に使用するためのコントローラ１８のブロック図である。例示的実施形態では、コントローラ１８は、エネルギー源１２、材料送達システム２４、及び装着システム５０に結合されている。コントローラ１８は、メモリ装置７０と、メモリ装置７０に結合されたプロセッサ７２とを含んでいる。いくつかの実施形態において、プロセッサ７２は、限定されないが、マルチコア構成などの１又は複数の処理装置を含んでいる。例示的実施形態では、プロセッサ７２はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含んでいる。代替として、プロセッサ７２は、コントローラ１８が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の種類のプロセッサである。いくつかの実施形態において、実行可能な命令はメモリ装置７０に格納される。コントローラ１８は、プロセッサ７２をプログラミングすることによって本明細書で説明されている１又は複数の動作を実行するように構成可能である。例えば、プロセッサ７２は、動作を１又は複数の実行可能な命令として符号化し、その実行可能な命令をメモリ装置７０に提供することによってプログラムされる。例示的実施形態では、メモリ装置７０は、実行可能な命令又は他のデータなどの情報の記憶及び検索を可能にする１又は複数の装置である。いくつかの実施形態では、メモリ装置７０は、限定されないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ダイナミックＲＡＭ、スタティックＲＡＭ、ソリッドステートディスク、ハードディスク、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ、又は不揮発性ＲＡＭメモリなどの１又は複数のコンピュータ可読媒体を含んでいる。
上記のメモリ種類は例示的なものにすぎず、したがってコンピュータプログラムの記憶に使用可能なメモリの種類に関して限定するものではない。

いくつかの実施形態では、メモリ装置７０は、限定されないが、リアルタイム及び履歴構築パラメータ値、又は任意の他の種類のデータを含む構築パラメータ３１を格納する。構築パラメータ３１は、例えば、限定されないが、エネルギー源１２のパワー出力、ベクトル走査速度、ラスタパワー出力、ラスタ走査速度、ラスタツール経路、及び輪郭パワー出力を含んでいる。代替実施形態では、メモリ装置７０は、付加製造システム１０が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意のデータを記憶する。いくつかの実施形態では、プロセッサ７２は、データの年齢に基づいてメモリ装置７０からデータを削除又は「パージ」する。例えば、プロセッサ７２は、後続の時間又はイベントに関連して以前に記録され格納されたデータを上書きする。それに加えて、又はその代わりに、プロセッサ７２は、所定の時間間隔を超えるデータを削除する。さらに、メモリ装置７０は、付加製造システム１０によって製造された部品の構築パラメータ３１及び形状状態の監視及び測定を容易にするのに十分なデータ、アルゴリズム及びコマンドを含むが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態において、コントローラ１８は、プロセッサ７２に結合された提示インタフェース７４を含んでいる。提示インタフェース７４は、画像などの情報をユーザ７６に提示する。一実施形態では、提示インタフェース７４は、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、又は「電子インク」ディスプレイなどのディスプレイ装置（図示せず）に結合されたディスプレイアダプタ（図示せず）を含んでいる。いくつかの実施形態では、提示インタフェース７４は１又は複数のディスプレイ装置を含んでいる。それに加えて、又はその代わりに、提示インタフェース７４は、音声出力装置（図示せず）、例えば、限定されないが、音声アダプタ又はスピーカ（図示せず）を含んでいる。

いくつかの実施形態では、コントローラ１８はユーザ入力インタフェース７８を含んでいる。例示的実施形態では、ユーザ入力インタフェース７８はプロセッサ７２に結合されており、ユーザからの入力を受け取る。いくつかの実施形態では、ユーザ入力インタフェース７８は、例えば、限定されないが、キーボード、ポインティング装置、マウス、スタイラス、限定されないが、タッチパッド又はタッチスクリーンなどのタッチパネル、及び／又は限定されないが、マイクロフォンなどの音声入力インタフェースを含んでいる。さらなる実施形態では、タッチスクリーンなどの単一の部品が、提示インタフェース７４の表示装置及びユーザ入力インタフェース７８の両方として機能する。

例示的実施形態では、通信インタフェース８０はプロセッサ７２に結合され、材料送達システム２４などの１又は複数の他の装置と通信可能に結合し、入力チャネルとして実行しながら、そのような装置に関して入力及び出力動作を実行する。例えば、いくつかの実施形態では、通信インタフェース８０は、有線ネットワークアダプタ、無線ネットワークアダプタ、移動体通信アダプタ、シリアル通信アダプタ、又はパラレル通信アダプタを含むが、これらに限定されない。通信インタフェース８０は、１又は複数の遠隔装置からデータ信号を受信し、あるいは１又は複数の遠隔装置にデータ信号を送信する。

提示インタフェース７４及び通信インタフェース８０は両方とも、本明細書に記載の方法と共に使用するための情報を提供すること、例えば情報をユーザ７６及び／又はプロセッサ７２に提供することができる。したがって、提示インタフェース７４及び通信インタフェース８０は出力装置と呼ばれる。同様に、ユーザ入力インタフェース７８及び通信インタフェース８０は、本明細書に記載の方法と共に使用するための情報を受け取ることができ、入力装置と呼ばれる。

図６は、付加製造システム１０（図１に示す）を使用して部品３０を製造するために実装することができる方法１１０のフローチャートである。図１〜図５を参照すると、例示的実施形態では、コントローラ１８は、材料送達システム２４を第１材料供給源５４に平行移動させる、１１２。本明細書に記載されるように、第１材料供給源５４は、ある量の第１材料粒子２６を含んでいる。材料送達システム２４は、複数の真空弁３８と通気性スクリーン４０とを含んでいる。コントローラ１８は、複数の真空弁３８の第１サブセット６６を作動又は開放して、真空弁３８の第１サブセット６６及び通気性スクリーン４０を通る空気流を発生させて、第１材料粒子２６の第１部分を空気流中の流れに乗せて運び、第１材料粒子２６の第１部分を通気性スクリーン４０に係合させる。第１材料粒子２６の第１部分は構築プラットフォーム２２上に堆積１１６される。

さらに、コントローラ１８は、材料送達システム２４を第２材料供給源５６に平行移動１１８する。本明細書に記載のように、第２材料供給源５６は、ある量の第２材料粒子２８を含んでいる。コントローラ１８は、複数の真空弁３８の第２サブセット６８を作動又は開放１２０して、真空弁３８の第２サブセット６８及び通気性スクリーン４０を通る空気流を発生させて、第２材料粒子２８の第２部分を空気流中の流れに乗せて運び、第２材料粒子２８の第２部分を通気性スクリーン４０に係合させる。第２材料粒子２８の第２部分は構築プラットフォーム２２上に堆積１２２される。追加又は代替として、第１材料粒子２６の第１部分を構築プラットフォーム２２上に堆積させること１１６は、第２材料粒子２８の第２部分を構築プラットフォーム２２上に堆積させること１２２と同時に行われる。部品３０の製造を容易にするために、エネルギー源１２を使用して、第１材料粒子２６の第１部分又は第２材料粒子２８の第２部分の一部のうちの少なくとも１つに溶融プールを発生１２４させる。加えて、方法１１０はまた、堆積１２２する工程と発生１２４させる工程との間に、構築プラットフォーム２２を振動させることと、第１材料粒子２６又は第２材料粒子２８をならすこととを含み得る。

方法１１０の代替の実施形態では、コントローラ１８は、材料送達システム２４を複数の犠牲材料粒子６０を有する犠牲材料供給源５８にさらに平行移動させる。コントローラ１８は、複数の真空弁３８の第３サブセット６９の真空弁３８を作動又は開放して、真空弁３８の第３サブセット６９及び通気性スクリーン４０を通る空気流を発生させる。空気流は、犠牲材料粒子６０の第３部分をその流れに乗せて運び、犠牲材料粒子６０の第３部分を通気性スクリーン４０に対して係合させる。そのような実施形態では、真空弁３８の第３サブセット６９は、真空弁３８の第１サブセット６６及び真空弁３８の第２サブセット６８とは異なる。犠牲材料粒子６０の第３部分は構築プラットフォーム２２上に堆積される。

例示的実施形態では、コントローラ１８は、真空弁３８の第１サブセット６６及び第２サブセット６８を閉じることによって、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８を構築プラットフォーム２２上に堆積させる、１１６、１２２。真空弁３８を閉じることにより、通気性スクリーン４０と真空弁３８の第１サブセット６６及び第２サブセット６８とを通る空気流を妨げることが容易になる。空気流が通気性スクリーン４０並びに真空弁３８の第１サブセット６６及び第２サブセット６８を通って流れるのを止めると、第１材料粒子２６及び第２材料粒子２８は通気性スクリーン４０から離れる。

上述したシステム及び方法は、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）システムなどの付加製造システムに関する。本明細書に記載の実施形態は、複数の第１材料粒子及び複数の第２材料粒子を構築プラットフォーム上に取得し堆積させる材料送達システムを含んでいる。材料送達システムは、第１及び第２材料粒子の選択された部分の取得を容易にするために、個々に制御可能な真空弁アレイを含んでいる。さらなる実施形態では、犠牲材料が取得され、第１材料粒子と第２材料粒子との間の構築プラットフォーム上に堆積されて、製造されている部品への支持を容易にする。したがって、説明した実施形態は、所定の局所的材料特性を有する部品を製造することを可能にする。例えば、限定されないが、部品内の材料特性の局所化を容易にするために、部品の構築中に同じ部品層内に異なる部品粒子が含まれる。

本明細書に記載された方法及びシステムの例示的な技術的効果は、（ａ）所定の、局所化された材料特性を有する部品を製造することと、（ｂ）部品を製造するのに必要な時間及び資源を削減することと、（ｃ）同じ構築層内に異なる材料粒子を含む部品を製造することと、（ｄ）少なくとも２つの異なる材料粒子を構築プラットフォーム上に同時に堆積させるための材料送達システムを提供すること、のうちの少なくとも１つを含む。

真空材料送達システムを含む付加製造システムの例示的実施形態は、上で詳細に説明されている。本明細書に記載のシステム及び方法は、記載された特定の実施形態に限定されず、むしろシステムの部品及び／又は方法のステップは、本明細書に記載の他の部品及び／又はステップとは独立して別々に利用できる。例えば、方法はまた、他のレーザ製造システムの磁気軸受システム及び方法と組み合わせて使用されてもよく、本明細書に記載されるような、システム及び方法のみを用いた実施に限定されない。むしろ、例示的実施形態は、多くの付加製造システム応用に関連して実装及び利用することができる。

本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面には示され、他の図面には示されないことがあるが、これは単に便宜上のものである。本開示の原理に従って、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照及び／又は特許請求され得る。

いくつかの実施形態は、１又は複数の電子装置又は計算装置の使用を含んでいる。そのような装置は、典型的に、汎用中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号処理（ＤＳＰ）装置、及び／又は本明細書に記載の機能を実行することができる任意の他の回路又は処理装置などの、プロセッサ、処理装置又はコントローラを含んでいる。本明細書に記載の方法は、記憶装置及び／又はメモリ装置を含むがこれらに限定されない、コンピュータ可読媒体に組み込まれた実行可能な命令として符号化することができる。そのような命令は、処理装置によって実行されると、し処理装置に本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。上記の例は例示的なものにすぎず、したがって、プロセッサ及び処理装置という用語の定義及び／又は意味を決して限定することを意図するものではない。

この書面の説明は、最良の形態を含む実施形態を開示し、また任意の装置又はシステムの製造及び使用並びに任意の組み込まれた方法の実行を含む実施形態を当業者が実施できるように例を使用する。本開示の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い浮かぶ他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが請求項の文言通りの表現と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが請求項の文言通りの表現とはわずかに異なる同等の構造要素を含む場合、請求項の範囲内にあることが意図される。

Claims (25)

1. エネルギー源と、複数の真空弁及び通気性スクリーンを含むディスペンサアセンブリ、並びに前記複数の真空弁と流体連通している真空源を含む材料送達システムとを有する付加製造システムを用いて部品を製造する方法であって、前記方法は、
   前記真空源によって生成された空気流中の流れに乗せて第１材料粒子の第１部分を運ぶこと、及び前記第１材料粒子の前記第１部分を前記通気性スクリーンに対して係合させること、
   前記第１材料粒子の前記第１部分を構築プラットフォーム上に堆積させること、
   前記空気流中の流れに乗せて第２材料粒子の第２部分を運び、前記第２材料粒子の前記第２部分を前記通気性スクリーンに対して係合させること、
   前記第２材料粒子の前記第２部分を前記構築プラットフォーム上に堆積させること、及び、
   前記第１材料粒子の前記第１部分又は前記第２材料粒子の前記第２部分のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分にエネルギー源を用いて熱を伝達して、前記第１材料粒子の前記第１部分及び前記第２材料粒子の前記第２部分の固化を容易にして、前記部品を製造すること
   を含む、方法。
2. 前記第１材料粒子の第１部分を前記空気流中の流れに乗せて運ぶことが、複数の真空弁のうちの第１サブセットの真空弁を開いて、前記第１サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る前記空気流を発生させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２材料粒子の第２部分を前記空気流中の流れに乗せて運ぶことが、前記複数の真空弁のうちの第２サブセットの真空弁を開いて、前記第２サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る前記空気流を発生させることを含み、前記第２サブセットの真空弁は前記第１サブセットの真空弁とは異なる、請求項２に記載の方法。
4. 前記材料送達システムを、前記第１材料粒子を含む第１材料供給源に平行移動することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記材料送達システムを、前記第２材料粒子を含む第２材料供給源に平行移動させることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１材料粒子の前記第１部分を構築プラットフォーム上に堆積させることは、前記第２材料粒子の前記第２部分を前記構築プラットフォーム上に堆積させることと同時に行われる、請求項１に記載の方法。
7. 前記材料送達システムを、複数の犠牲材料粒子を有する犠牲材料供給源に平行移動させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
8. 前記複数の真空弁のうちの第３サブセットの真空弁を開いて、前記第３サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る空気流を発生させることをさらに含み、前記空気流は、前記犠牲材料粒子の第３部分をその流れに乗せて運び、前記犠牲材料粒子の前記第３部分を前記通気性スクリーンに対して係合させ、前記第３サブセットの真空弁は前記第１サブセットの真空弁及び前記第２サブセットの真空弁とは異なる、請求項７に記載の方法。
9. 前記犠牲材料粒子の前記第３部分を前記構築プラットフォーム上に堆積させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記犠牲材料粒子の前記第３部分を前記構築プラットフォーム上に堆積させることは、前記犠牲材料粒子の前記第３部分が前記通気性スクリーンから離れるように、前記第３サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る前記空気流を防ぐために、前記第３サブセットの真空弁を閉じることを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１材料粒子の前記第１部分を前記構築プラットフォーム上に堆積させることは、前記第１材料粒子の前記第１部分が前記通気性スクリーンから離れるように、前記第１サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る前記空気流を防ぐために、前記第１サブセットの真空弁を閉じることを含む、請求項２に記載の方法。
12. 前記第２材料粒子の前記第２部分を前記構築プラットフォーム上に堆積させることは、前記第２材料粒子の前記第２部分が前記通気性スクリーンから離れるように、前記第２サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る前記空気流を防ぐために、前記第２サブセットの真空弁を閉じることを含む、請求項３に記載の方法。
13. 熱を伝達することが、前記エネルギー源のパワー出力、ベクトル走査速度、ラスタパワー出力、ラスタ走査速度、ラスタツール経路、及び輪郭パワー出力のうちの１又は複数に基づいて、前記エネルギー源を使用して熱を伝達することを含む、請求項１に記載の方法。
14. 部品を製造するための付加製造システムであって、前記付加製造システムは、
    エネルギー源と、
    材料送達システムであって、
    複数の真空弁及び通気性スクリーンを含むディスペンサアセンブリ、及び
    前記複数の真空弁と流体連通している真空源、
    を含む、材料送達システムと、及び
    コントローラであって、
    前記複数の真空弁のうちの第１サブセットの真空弁を開いて、前記第１サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る空気流を発生させて、複数の第１材料粒子を取得し、
    前記複数の真空弁のうちの第２サブセットの真空弁を開いて、前記第２サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る空気流を発生させて、複数の第２材料粒子を取得し、
    前記複数の第１材料粒子及び前記複数の第２材料粒子を構築プラットフォーム上に堆積させ、且つ
    前記エネルギー源を作動させて、構築パラメータに基づいて前記複数の第１材料粒子及び前記複数の第２材料粒子のうちの少なくとも１つに熱を伝達して、前記複数の第１材料粒子及び前記複数の第２材料粒子の固化を容易にして、前記部品を製造するよう構成された、コントローラと、
    を備える、付加製造システム。
15. 前記複数の第１材料粒子を含む第１材料供給源と前記複数の第２材料粒子を含む第２材料供給源とをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記材料送達システムに結合された装着システムをさらに含み、前記コントローラは、
    前記材料送達システムを前記第１材料供給源に平行移動させて前記複数の第１材料粒子を取得し、
    前記材料送達システムを前記第２材料供給源に平行移動させて前記複数の第２材料粒子を取得する、
    ようさらに構成される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ディスペンサアセンブリが、前記複数の真空弁に結合された真空マニホールドをさらに含み、前記真空源が前記真空マニホールドと流体連通して結合されている、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記複数の第１材料粒子及び前記複数の第２材料粒子を保持するよう構成された構築プラットフォームをさらに備え、前記コントローラは、前記複数の第１材料粒子及び前記複数の第２材料粒子を前記構築プラットフォーム上に堆積させるようさらに構成されている、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記複数の犠牲材料粒子を含む犠牲材料供給源をさらに備え、前記コントローラが
    前記複数の真空弁の第３サブセットの真空弁を開いて、前記第３サブセットの真空弁及び前記通気性スクリーンを通る空気流を発生させて、前記複数の犠牲材料粒子を取得し、
    前記複数の犠牲材料粒子を前記構築プラットフォーム上に堆積させる、
    ようさらに構成されている、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記構築パラメータは、前記エネルギー源のパワー出力、ベクトル走査速度、ラスタパワー出力、ラスタ走査速度、ラスタツール経路、及び輪郭パワー出力のうちの１又は複数を含む、請求項１４に記載のシステム。
21. 付加製造システム用の材料送達システムであって、前記材料送達システムは、
    複数の真空弁と通気性スクリーンとを含むディスペンサアセンブリと、
    前記複数の真空弁に流体連通して結合された真空源と、及び
    前記ディスペンサアセンブリに結合された装着システムと、
    を含む、材料送達システム。
22. 前記装着システムが、前記材料送達システムの前記ディスペンサアセンブリを１又は複数の材料供給源と付加製造システムの構築プラットフォームとの間で平行移動させる、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記ディスペンサアセンブリが、前記複数の真空弁に結合された真空マニホールドをさらに含み、前記真空源が前記真空マニホールドと流体連通して結合されている、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記複数の真空弁がＭ×Ｎアレイに配置され、Ｍはアレイ内の列数に対応し、Ｎはアレイ内の行数に対応する、請求項２１に記載のシステム。
25. 前記Ｍ×Ｎアレイが、付加製造システムの構築プラットフォームのサイズ及び形状に実質的に対応するサイズ及び形状を有する、請求項２１に記載のシステム。
    

Images