JP7523880B2 - 積層造形システム、物品、および物品を製造する方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、高い特徴忠実度を実現する、方法、システム、および物品を対象とする。より具体的に、本実施形態は、後の機械加工を伴わずに積層造形（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）により特徴忠実度の高い物品を実現する。

３次元（３Ｄ）印刷は、コンピュータ制御により材料の連続層を形成して３Ｄ構造体を作成することによって物品の作成を可能にする積層造形技術である。処理は、典型的に、粉末材料の層の一部を選択的に加熱して、従前に載置された層に対して粉末を溶融または焼結して、物品を層毎に形成することを含む。３Ｄ印刷によって、樹脂、セラミック、ガラス、および金属の粉末のそれぞれから樹脂、セラミック、ガラス、および金属製の物品を形成することができる。３Ｄプリンタが粉末材料を敷き、集束エネルギー源が、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルによるモデルに基づいて予め定められた特定の位置で、その粉末材料を溶融または焼結する。加熱法としては、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、および電子ビーム溶融（ＥＢＭ）が挙げられる。１つの層が溶融または焼結されて形成されると、３Ｄプリンタは、一度に１層ずつ、第１の層の上または別に指示された場所に材料の付加層を載置することによって、物品全体が製作されるまで処理を繰り返す。３Ｄ印刷は、粉末層処理または他の粉末処理法により実現することができる。

金属３Ｄ印刷は、従来の鋳造技術で生成される最終用途金属物品よりもしばしば性能に優れた物品を製造者が作成することを可能にする。それらの物品は、最終用途のために備え付けられると、軽量、高強度、および精密な嵌め合いによってコストを削減し続ける。しかし、通常の物品製造では、３Ｄ印刷により形成された物品において、印刷による形成後に物品の機械加工を伴わずに高い特徴忠実度を実現するのは、不可能ではなくとも困難となることがある。＋／－２５μｍ（＋／－１．０ミル）の範囲の許容誤差の特徴を有する金属物品の場合、通常、そのような高い特徴忠実度を金属３Ｄ印刷だけで実現するのは可能ではない。現在の下限は約７６μｍ（３．０ミル）である。現在の通常の金属３Ｄプリンタでは、単一の粉末ホッパおよび単一の粉末分級物（ｃｕｔ）（粒子サイズ分布）が用いられる。ＤＭＬＭ用の通常の金属粉末分級物は、約３０μｍ（約１．２ミル）の平均粒子サイズを有し、粒子サイズ分布が約１０μｍ～約４５μｍ（約０．４～約１．８ミル）の範囲である。そのような金属粉末分級物は、約５０μｍ（２．０ミル）以上の形成層厚にとっては適当である。そのような形成層を用いて約７６μｍ（３．０ミル）未満の許容誤差を実現するには、金属３Ｄ印刷後の機械加工工程が必要とされる。

通常のセラミック粉末分級物は、従来の金属粉末分級物と同様の平均粒子サイズおよび粒子サイズ分布を有する。

米国特許第９１２６１６７号明細書

ある実施形態では、物品を積層造形する方法は、第１の特徴解像度に相当する第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物による複数の第１の層の３次元印刷によって物品の第１の部分を形成することを含む。第１の層は第１の平均層厚を有する。方法は、第１の特徴解像度よりも低い第２の特徴解像度に相当する第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物による複数の第２の層の３次元印刷によって物品の第２の部分を形成することも含む。第２の部分は少なくとも１つの特徴を含む。第２の層は、第１の平均層厚よりも小さな第２の平均層厚を有する。

別の実施形態では、３次元印刷システムは、印刷プラットフォーム、粉末堆積アセンブリ、および集束エネルギー源を含む。粉末堆積アセンブリは、第１の特徴解像度に相当する第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物、または第２の特徴解像度に相当する第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物を印刷プラットフォームに制御可能かつ選択的に提供するように構成されている。第２の平均粒子サイズは、第１の平均粒子サイズよりも小さい。集束エネルギー源は、印刷プラットフォーム上の粉末材料に加熱エネルギーを供給するように構成されている。

別の実施形態では、物品は、第１の特徴解像度に相当する第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物による複数の第１の層を含む第１の部分を含む。第１の層は第１の平均層厚を有する。物品は、第１の特徴解像度よりも低い第２の特徴解像度に相当する第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物による複数の第２の層を含む第２の部分も含む。第２の部分は少なくとも１つの特徴を含む。第２の層は、第１の平均層厚よりも小さな第２の平均層厚を有する。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として示した添付の図面を伴って、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示の実施形態における３次元（３Ｄ）印刷システムの概略図である。 本開示の実施形態における別の３Ｄ印刷システムの概略図である。 図１および図２の実施形態の印刷プラットフォーム、ホッパ、および粉末送出アセンブリを示す概略斜視図である。 図３の粉末送出アセンブリの概略斜視図である。 本開示の実施形態における別の３Ｄ印刷システムの概略図である。 本開示の実施形態における３Ｄ印刷される物品のモデルの概略図である。 本開示の実施形態における図６のモデルと同様のモデルに基づいて３Ｄ金属印刷された物品の写真である。 図７の物品のうちの１つに形成された特徴を示す写真である。

可能である場合、同じ部品を表すために図面を通して同じ参照数字を用いている。

後の機械加工を伴わずに積層造形により高い特徴忠実度を実現する、方法、システム、および物品が提供される。

本開示の実施形態は、例えば、本明細書に開示される特徴のうちの１つ以上を含まないコンセプトと比較して、より高い特徴忠実度を積層造形により実現すること、後の機械加工を伴わずに積層造形により高い特徴忠実度を実現すること、特徴忠実度の高い形成における機械加工を不要にすること、特徴忠実度の高い物品の形成のための製造時間を短縮すること、特徴忠実度の高い物品の製造コストを抑制すること、またはそれらの組合せを行う。

本明細書で用いる場合、「高い忠実度」または「高い特徴忠実度」は、通常の３次元（３Ｄ）印刷された物品の許容誤差、例えば、金属の場合で約７６μｍ（３．０ミル）、よりも小さな許容誤差を有する物品の特徴を指す。いくつかの実施形態では、忠実度の高い特徴は、７０μｍ（２．８ミル）、代わりに６５μｍ（２．６ミル）、代わりに６０μｍ（２．４ミル）、代わりに５５μｍ（２．２ミル）、代わりに５０μｍ（２．０ミル）、代わりに４５μｍ（１．８ミル）、代わりに４０μｍ（１．６ミル）、代わりに３５μｍ（１．４ミル）、代わりに３０μｍ（１．２ミル）、代わりに２５μｍ（１．０ミル）、代わりに２０μｍ（０．８ミル）、またはそれらの間の任意の値の許容誤差を有する。

いくつかの実施形態では、忠実度の高い特徴は、約２５μｍ（約１．０ミル）、代わりに約２０μｍ（約０．８ミル）、代わりに約１５μｍ（約０．６ミル）、代わりに約１０μｍ（約０．４ミル）、またはそれらの間の任意の値の平均粒子サイズを有する粉末分級物により形成される。

いくつかの実施形態では、忠実度の高い特徴は、約１０μｍ～約４０μｍ（約０．４ミル～約１．６ミル）の範囲、代わりに約１０μｍ～約３５μｍ（約０．４ミル～約１．４ミル）の範囲、代わりに約１０μｍ～約３０μｍ（約０．４ミル～約１．２ミル）の範囲、代わりに約１０μｍ～約２５μｍ（約０．４ミル～約１．０ミル）の範囲、代わりに約１０μｍ～約２０μｍ（約０．４ミル～約０．８ミル）の範囲、代わりに約５μｍ～約１５μｍ（約０．２ミル～約０．６ミル）の範囲、またはそれらの間の任意の範囲もしくは部分的範囲の粒子サイズ分布を有する粉末分級物により形成される。

いくつかの実施形態では、忠実度の高い特徴は、約４５μｍ（約１．８ミル）、代わりに約４０μｍ（約１．６ミル）、代わりに約３５μｍ（約１．４ミル）、代わりに約３０μｍ（約１．２ミル）、代わりに約２５μｍ（約１．０ミル）、代わりに約２０μｍ（約０．８ミル）、またはそれらの間の任意の値の形成層厚により形成される。

図１を参照すると、積層造形処理は、３Ｄ印刷システム４００を用いて行うことができ、この場合、粉末堆積アセンブリ５００は、第１のホッパ５０１、第２のホッパ５０２、粉末送出アセンブリ４０１、および集束エネルギー源３１０を含む。粉末送出アセンブリ４０１は、第１のホッパ５０１から第１の粉末材料分級物３０１を供給されるか、または第２のホッパ５０２から第２の粉末材料分級物３０２を供給される、少なくとも１つの粉末材料フィーダ４０５を含む。粉末材料フィーダ４０５は、第１の粉末材料分級物３０１または第２の粉末材料分級物３０２の材料を、焼結または溶融される新たな層として印刷プラットフォーム４０７上の粉末層の表面４０６全体に堆積および分散させる。ホッパ５０１、５０２は、新たな層の堆積中に粉末材料フィーダ４０５とともに移動してもよく、代わりに３Ｄ印刷システム４００内に固定されてもよい。各ホッパ５０１、５０２について１つずつ、２つの粉末材料フィーダ４０５を図１に示しているが、１つの粉末分級物３０１、３０２のみが１度に送出されるので、代わりに、図２に示すように両方のホッパ５０１、５０２について単一の粉末材料フィーダ４０５を用いてもよい。

３Ｄ印刷システム４００は、樹脂粉末、金属粉末、セラミック粉末、またはガラス粉末を融合して物品２００を形成するための集束エネルギー源３１０を含む。いくつかの実施形態では、集束エネルギー源３１０は高出力レーザである。いくつかの実施形態では、高出力レーザは二酸化炭素レーザである。いくつかの実施形態では、集束エネルギービーム４０９はパルスビームである。集束エネルギービーム４０９は、スキャナ３２０により誘導されて、物品２００の３Ｄデジタル記述、例えば、ＣＡＤファイルまたはスキャンデータなどにより生成される断面をスキャンすることにより印刷プラットフォーム４０７上の粉末層の表面にある粉末材料を選択的に融合する。各断面がスキャンされる前に、粉末層は、製作ピストン４２０を作動させて印刷プラットフォーム４０７を降下させることにより１層の厚さ分で降下され、粉末材料フィーダ４０５のうちの１つは、粉末層の上に粉末材料の新たな層として、第１のホッパ５０１から第１の粉末材料分級物３０１の材料を堆積させるか、または第２のホッパ５０２から第２の粉末材料分級物３０２の材料を堆積させるように作動する。処理は、物品２００が完成するまで繰り返される。

構成される物品２００は、焼結していない粉末材料により常に囲まれており、このことは従前には不可能であった幾何形状の構成を可能にする。図１および図２における形成される物品２００は、第２の特徴解像度に基づく第２の層厚を有する第２の部分２２０により隔てられた、第１の特徴解像度に基づく第１の層厚を有する２つの第１の部分２１０を含む。第２の部分２２０は、忠実度の高い特徴２３０を含む。

図３は、図１および図２に概略的に示したシステムなど、３Ｄ印刷システム４００の実施形態の内部の斜視図を示している。印刷プラットフォーム４０７、粉末材料フィーダ４０５、および第１のホッパ５０１に加えて、制御システム５０５、第１のホッパ５０１への粉末供給ライン５１０、および印刷プラットフォーム４０７を横切るように粉末材料フィーダ４０５を並進させるためのトラック５２０も見ることができる。いくつかの実施形態では、図３に示される粉末材料フィーダ４０５はレコーダと呼ばれる。

図４は、図１および図２に示した第１のホッパなど、第１のホッパ５０１の実施形態の斜視図を示している。第１のホッパ５０１の粉末チャンバの下方の制御システム５０５は、第１の粉末材料分級物３０１の材料が第１のホッパ５０１から出て粉末材料フィーダ４０５に入ることを選択的に可能にする。

３Ｄ印刷処理は、代わりに、図５に示されるような３Ｄ印刷システム４００を用いて行ってもよく、この場合、粉末堆積アセンブリ５００は、第１のホッパ５０１、第２のホッパ５０２、および粉末送出アセンブリ４０１を含む。粉末送出アセンブリ４０１は、第１のホッパ５０１から第１の粉末材料分級物３０１を供給されるか、または第２のホッパ５０２から第２の粉末材料分級物３０２を供給される、少なくとも１つの粉末材料フィーダ４０５と、第１の粉末材料分級物３０１または第２の粉末材料分級物３０２の材料を、印刷プラットフォーム４０７上の粉末層全体の上の層としての表面４０６に、焼結または溶融される新たな層として分散させる少なくとも１つのスプレッダ５３０とを含む。少なくとも１つのバルブ４５０が、第１の粉末材料分級物３０１が表面４０６に供給されるか、第２の粉末材料分級物３０２が表面４０６に供給されるか、または粉末材料が表面４０６に供給されないかを選択的に制御する。

各ホッパ５０１、５０２について１つずつ、２つの粉末材料フィーダ４０５、２つのバルブ４５０、および２つのスプレッダ５３０を図５に示しているが、１度に１つの粉末分級物３０１、３０２のみを表面４０６に送出することが好ましいので、代わりに、ホッパ５０１、５０２の両方について、単一の粉末材料フィーダ４０５、単一のバルブ４５０、および／または単一のスプレッダ５３０を用いてもよい。スプレッダ５３０は、粉末材料を表面４０６全体に移動させて印刷プラットフォーム４０７上に層を形成可能な任意のデバイスとすることができる。いくつかの実施形態では、スプレッダ５３０はローラである。いくつかの実施形態では、スプレッダ５３０はブレードである。印刷プラットフォーム４０７の両側に粉末材料を堆積させるように粉末材料フィーダ４０５を示しているが、代わりに、第１の粉末材料分級物３０１および第２の粉末材料分級物３０２は、印刷プラットフォーム４０７の同じ側または印刷プラットフォーム４０７の直上に堆積されてもよい。

３Ｄ印刷処理は、樹脂粉末、金属粉末、セラミック粉末、またはガラス粉末を融合して物品２００を形成するための集束エネルギー源３１０を含む。いくつかの実施形態では、集束エネルギー源３１０は高出力レーザである。いくつかの実施形態では、高出力レーザは二酸化炭素レーザである。いくつかの実施形態では、集束エネルギービーム４０９はパルスビームである。集束エネルギービーム４０９は、スキャナ３２０により誘導されて、物品２００の３Ｄデジタル記述、例えば、ＣＡＤファイルまたはスキャンデータなどにより生成される断面をスキャンすることにより印刷プラットフォーム４０７上の粉末層の表面４０６にある粉末材料を選択的に融合する。各断面がスキャンされる前に、粉末層は、印刷プラットフォーム４０７を降下させるように製作ピストン４２０を作動させることにより１層の厚さ分で降下され、第１のホッパ５０１からの第１の粉末材料分級物３０１または第２のホッパ５０２からの第２の粉末材料分級物３０２は、粉末層の１層の厚さと約同等量の材料で表面４０６に導入され、スプレッダ５３０は、スプレッダ５３０による新たな層として粉末層の上に新たな材料を適用する。処理は、物品２００が完成するまで繰り返される。

構成される物品２００は、焼結していない粉末材料により常に囲まれており、このことは従前には不可能であった幾何形状の構成を可能にする。図５における形成される物品２００は、第２の特徴解像度に基づく第２の層厚を有する第２の部分２２０により隔てられた、第１の特徴解像度に基づく第１の層厚を有する２つの第１の部分２１０を含む。第２の部分２２０は、忠実度の高い特徴２３０を含む。

図６は、管状の幾何形状を有する物品２００のモデルを概略的に示している。物品２００は、第２の特徴解像度に基づく第２の層厚を有する第２の部分２２０により隔てられた、第１の特徴解像度に基づく第１の層厚を有する２つの第１の部分２１０を含む。第２の部分２２０は、忠実度の高い少なくとも１つの特徴２３０を含む。第１の層厚は約５０μｍ（２ミル）であり、第２の層厚は約２０μｍ（０．８ミル）である。

図７は、本明細書に開示されるシステムによる３Ｄ印刷により形成された複数の物品２００の写真を示している。物品２００は、円柱状の幾何形状を有し、第２の特徴解像度に基づく第２の金属層厚を有する第２の部分２２０により隔てられた、第１の特徴解像度に基づく第１の金属層厚を有する２つの第１の部分２１０を含む。第１の層厚は約５０μｍ（２ミル）であり、第２の層厚は約２０μｍ（０．８ミル）である。図７から分かるように、第１の部分２１０は、第１の部分２１０のより高い表面粗度に起因して、第２の部分２２０とは異なる外観を有し、両方の部分２１０、２２０は、機械加工された表面とは異なる表面性状および外観を有する。

図８は、第２の層厚を伴う第２の部分２２０の忠実度の高い特徴２３０の拡大写真を示している。２０μｍ（０．８ミル）の形成層厚により形成された特徴２３０は、５０μｍ（２ミル）の形成層厚により形成された特徴よりも高い特徴忠実度を有する。同じ形成ジョブについて異なるサイズおよび分布の粉末材料の使用が可能となることで、機械加工仕上げと組み合わされた通常の金属３Ｄ印刷が場合によっては実現可能な性能も超えて、スタンドアローン製造処理としての金属３Ｄ印刷の性能が著しく向上する。

いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷システム４００の印刷プラットフォーム４０７および／または粉末堆積アセンブリ５００の移動が、ＣＡＤモデルに基づいて処理を自動化するように、および／または物品２００に付加された材料を形成するように構成されたソフトウェアにより制御される。いくつかの実施形態では、処理は自動化された３Ｄ印刷処理である。いくつかの実施形態では、印刷プラットフォーム４０７および／または粉末堆積アセンブリ５００の相対移動は、少なくとも＋／－２５μｍ（＋／－１ミル）の寸法精度をもたらす。フィードバックセンサ３５０は、堆積された層の実寸法を測定することによって、３Ｄ ＣＡＤモデルによる物品２００の層の寸法と比較して物品２００の精密性を評価する。

いくつかの実施形態では、粉末材料は金属粉末であり、３Ｄ印刷は金属３Ｄ印刷である。いくつかの実施形態では、金属粉末は高温超合金である。いくつかの実施形態では、金属粉末は、アルミニウム系合金、チタン系合金、スチール系合金、ニッケル系超合金、またはコバルト系超合金である。

いくつかの実施形態では、粉末材料はセラミック粉末であり、３Ｄ印刷はセラミック３Ｄ印刷である。セラミック粉末の組成としては、非限定的に、ジルコニア、シリカ、およびアルミナが挙げられる。

物品２００を製造する方法は、任意の積層造形法または粉末材料の層の溶融もしくは焼結を含む技術によることができる。いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷としては、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、粉末層処理、またはそれらの組合せが挙げられる。いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷としては、粉末層を用いたＳＬＳが挙げられる。

いくつかの実施形態では、ＳＬＳ処理は、樹脂粉末、金属粉末、セラミック粉末、またはガラス粉末を融合して物品２００を形成するための集束エネルギー源３１０を含む。いくつかの実施形態では、集束エネルギー源３１０は高出力レーザである。いくつかの実施形態では、高出力レーザは二酸化炭素レーザである。いくつかの実施形態では、集束エネルギービーム４０９はパルスビームである。集束エネルギービーム４０９は、物品２００の３Ｄデジタル記述、例えば、ＣＡＤファイルまたはスキャンデータなどにより生成される断面をスキャンすることにより印刷プラットフォーム４０７上の粉末層の表面４０６にある粉末材料を選択的に融合する。各断面がスキャンされた後に、粉末層は、印刷プラットフォーム４０７を降下させることにより１層の厚さ分で降下され、粉末材料の新たな層が上に適用され、処理は、物品２００が完成するまで繰り返される。

いくつかの実施形態では、ＤＭＬＳ処理は、金属粉末の層に熱を加える集束エネルギー源３１０を含む。いくつかの実施形態では、集束エネルギー源３１０は、イッテルビウム（Ｙｂ）繊維レーザ、より具体的には高出力２００ワットＹｂ繊維光学レーザである。集束エネルギー源３１０は、３Ｄ ＣＡＤモデルにより定義された、空間中の点で自動的に着火されて、金属粉末を加熱し、形成される物品２００に焼結させる。いくつかの実施形態では、コンピュータ上のコンピュータソフトウェアが、集束エネルギー源３１０を誘導する。成形チャンバ領域の内側では、粉末送出アセンブリ４０１は、スプレッダ５３０が新たな粉末材料を印刷プラットフォーム４０７の上に移動させるときに、金属粉末を印刷プラットフォーム４０７およびリコータブレードに分配する材料分配プラットフォームを含む。物品２００は、層毎に付加的に形成される。いくつかの実施形態では、付加される材料の層厚は約２０マイクロメートルである。

いくつかの実施形態では、ＤＭＬＭ処理は、１つ以上の粉末材料フィーダ４０５を含む粉末送出アセンブリ４０１を用いて行われる。ＤＭＬＭ処理中、粉末材料フィーダ４０５は、粉末材料および／または任意の他の材料を、印刷プラットフォーム４０７上の粉末層上の新たな層として、または代わりに表面４０６に、選択的に直接送出し、この場合、少なくとも１つのスプレッダ５３０は、粉末材料を印刷プラットフォーム４０７に導入する。

ＤＭＬＭ処理中の印刷プラットフォーム４０７および／またはスキャナ３２０の相対移動は、少なくとも２５μｍ（１ミル）、少なくとも１３０μｍ（５ミル）、少なくとも２５０μｍ（１０ミル）、２５μｍ～２５０μｍ（１～１０ミル）、２５μｍ～１３０μｍ（１～５ミル）、またはそれらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲の寸法精度をもたらすことができる。加えて、ＤＭＬＭ処理は、金属から形成される物品２００内に完全に緻密な金属をもたらす。

ＤＭＬＭ処理に適した集束エネルギー源３１０としては、粉末層上の第１の粉末材料分級物３０１または第２の粉末材料分級物３０２の層を溶融するための出力範囲および進行速度で動作する任意の集束エネルギー源３１０が挙げられる。いくつかの実施形態では、集束エネルギー源３１０はレーザである。一実施形態では、ＤＭＬＭ処理における集束エネルギー源３１０の出力範囲としては、非限定的に、１００～３，０００ワット、２００～２，５００ワット、３００～２，０００ワット、またはそれらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲が挙げられる。別の実施形態では、進行速度としては、非限定的に、最高３００ｍｍ／秒、１～３００ｍｍ／秒、４～２５０ｍｍ／秒、またはそれらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲が挙げられる。例えば、さらなる実施形態では、集束エネルギー源３１０は、３００～２，０００ワットの出力範囲、４～２５０ｍｍ／秒の進行速度で動作する。別の実施形態では、標準的なスチール、チタン、および／またはニッケル合金の堆積速度としては、例えば、最大１ｋｇ／時、最大０．７５ｋｇ／時、最大０．５ｋｇ／時，０．１～０．５ｋｇ／時、最大０．４ｋｇ／時、最大０．３ｋｇ／時、またはそれらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲が挙げられる。しかし、集束エネルギー源３１０のパラメータおよび堆積速度は、第１の粉末材料分級物３０１が供給されるか、第２の粉末材料分級物３０２が供給されるかに応じて、および／または層厚に応じて、調節および／または設定することができる。

いくつかの実施形態では、集束エネルギービーム４０９の誘導は、スキャナ３２０および／または印刷プラットフォーム４０７を互いに対して移動させることを含み、移動によって、物品２００に付加される材料の形状および幾何形状がもたらされる。相対移動をもたらすために、印刷プラットフォーム４０７を固定し、スキャナ３２０を調節してもよく、スキャナ３２０を固定し、印刷プラットフォーム４０７を移動させてもよく、スキャナ３２０と印刷プラットフォーム４０７の両方を互いに独立して調節してもよい。例えば、一実施形態では、印刷プラットフォーム４０７は、スキャナ３２０に対して移動するための３つ以上の回転軸を含む。

いくつかの実施形態では、ＳＬＭ処理は、デジタル情報源としての３Ｄ ＣＡＤデータと、集束エネルギー源３１０とを含む。いくつかの実施形態では、集束エネルギー源３１０は高出力（数百ワット）レーザ、より具体的にはＹｂ繊維レーザである。集束エネルギービーム４０９は、物品２００を形成するように微細粉末材料を溶融する。粉末材料は層毎に付加され、層厚は、通常約２０μｍ～１００μｍ（０．８～４ミル）である。集束エネルギービーム４０９は、形成される物品２００上に粉末材料フィーダ４０５により一様に分布された粉砕された微細粉末材料の薄層を選択的に溶融する。このことは、制御された不活性ガスチャンバ内で生じる。不活性ガスは、典型的に、アルゴンまたは窒素のいずれかであり、酸素レベルが５００ピーピーエム未満である。集束エネルギー源３１０のエネルギーは、粉末材料粒子の完全な溶融を可能にするほど十分に高い。

いくつかの実施形態では、ＥＢＭ処理は、ＳＬＭ処理と類似するが、集束エネルギービーム４０９としてレーザビームではなく電子ビームが用いられる。ＥＢＭ処理は、例えば、最高１０００℃（１８３０°Ｆ）など、より高い温度で稼働することができ、より高温の予熱性能を有する。

いくつかの実施形態では、粉末層処理は、粉末材料を融合するための集束エネルギー源３１０を含む。粉末層処理は、典型的に約５μｍ～５０μｍ（０．２～２ミル）のサイズの微細粉末による付加された材料２００を層毎に形成する。粉末層システムは、典型的に、粉末供給部、印刷プラットフォーム４０７、粉末材料フィーダ４０５を含む粉末送出アセンブリ４０１、集束エネルギー源３１０としてのレーザ、およびレーザ誘導システムを含む。粉末材料フィーダ４０５は、粉末材料の薄層を印刷プラットフォーム４０７上の粉末層上に分散させる。レーザは、形成が行われる所定位置の粉末材料を溶融または焼結する。分散および溶融／焼結処理は、物品２００が層毎に形成されるように繰り返される。

選択的制御によって、第１の粉末材料分級物３０１による第１の層厚の形成と、第２の粉末材料分級物３０２による第２の層厚の形成との間の切替が可能になる。いくつかの実施形態では、各層は、実質的に均一な層厚を与えるように、２つの粉末材料分級物３０１、３０２のうちの一方のみを用いて形成される。第１の層厚および第２の層厚は、約１０μｍ～約１００μｍ（０．４ミル～４ミル）の範囲であることが好ましい。第１の層厚は、少なくとも約４０μｍ（１．６ミル）、代わりに約４０μｍ～約１００μｍ（１．６ミル～４ミル）の範囲、代わりに約５０μｍ～約８０μｍ（２ミル～３．２ミル）の範囲、代わりに約５０μｍ～約７０μｍ（２ミル～２．８ミル）の範囲、代わりに約４０μｍ～約６０μｍ（１．６ミル～２．４ミル）の範囲、またはそれらの間の任意の範囲もしくは部分的範囲とすることができる。第２の層厚は、約２５μｍ（１ミル）以下、代わりに約１０μｍ～約４５μｍ（０．４ミル～１．８ミル）の範囲、代わりに約１０μｍ～約３５μｍ（０．４ミル～１．４ミル）の範囲、代わりに約１０μｍ～約２５μｍ（０．４ミル～１ミル）の範囲、代わりに約１５μｍ～約２５μｍ（０．６ミル～１ミル）の範囲、またはそれらの間の任意の範囲もしくは部分的範囲とすることができる。

より高い忠実度の特徴２３０を実現するために、より小さな形成層厚ならびにより小さな対応する粒子サイズおよび分布がもたらされる。いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷システムは、異なる２つの粒子サイズおよび分布を有する２つの粉末ホッパ５０１、５０２を含む。より微細なサイズおよび分布の金属粉末を有するホッパ５０２は、高い忠実度の特徴２３０が望まれる非常に特殊な層についてのみ用いることが好ましい。それらの特殊な層は、２０μｍ（０．８ミル）、または２０μｍ未満（０．８ミル未満）の形成層厚で形成することが好ましい。他の形成層は、必要または希望に応じて全て５０μｍ（２ミル）以上の厚さを有することができる。

いくつかの実施形態では、第１の粉末材料分級物３０１の層と、第２の粉末材料分級物３０２の層との両方について単一の集束エネルギー源３１０が用いられる。しかし、集束エネルギー源３１０のパラメータおよび堆積速度は、第１の粉末材料分級物３０１が供給されるか、第２の粉末材料分級物３０２が供給されるかに応じて、および／または層厚に応じて、調節および／または設定することができる。第１の粉末材料分級物３０１は、物品２００の第１の部分２１０を素早く形成するために用いることが好ましい一方、第２の粉末材料分級物３０２は、より高い解像度が望まれる、物品２００の第２の部分２２０を形成するために用いられる。

いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷システム４００は、３Ｄ印刷システム４００が、異なる２つの粉末分級物３０１、３０２を保持する２つのホッパ５０１、５０２と、２つのホッパ５０１、５０２から粉末材料を選択的に供給するための１つの、少なくとも１つの、または２つの粉末材料フィーダ４０５とを含む点を除いて、ＳＬＭ２８０ＨＬモデル（ＳＬＭ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＧｍｂＨ、リューベック、独国）の選択的レーザ溶融システムと同様の方法で構成され動作する。いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷システム４００は、最大２８０ｍｍ×２８０ｍｍ×３６５形成エンベロープ、３Ｄスキャン光学素子を有する最大２つの繊維レーザ、最高５５ｃｍ^３／時の形成速度、またはそれらの組合せを含む。

異なる２つの粉末分級物３０１、３０２および分布を保持する２つのホッパ５０１、５０２を有する３Ｄ印刷システム４００は、可変の形成層厚を可能にし、精細な忠実度を伴う特徴２３０を可能にする。粒子サイズが大きいほど、大きなばらつきが生じ、粉末直径自体が５０μｍ（２ミル）に近いので、２５μｍ（＋／－１ミル）の許容誤差が要求される特徴２３０を不可能にする。より小さな形成層厚および対応するより小さな粉末粒子サイズを用いることによって、小さな許容誤差が実現される。異なる粉末材料分級物３０１、３０２を供給する２つのホッパ５０１、５０２を有することによって、より良好な忠実度の特徴２３０が、形成速度を妥協せずに実現される。異なる粉末材料分級物３０１、３０２は、同じ粉末組成でもよく、または異なる粉末組成でもよい。

物品２００は、物品２００の少なくとも一部分に忠実度の高い少なくとも１つの特徴２３０を必要とする任意の部品とすることができる。いくつかの実施形態では、物品２００は、タービンの高温ガス路部品である。いくつかの実施形態では、物品２００は、ガスタービンシール、例えば燃料ノズルなどのガスタービン燃焼部品、または例えば、ガスタービンシュラウド、ガスタービンノズル、もしくはガスタービンブレードなどのガスタービン高温ガス路部品である。

いくつかの実施形態では、そうでなければ機械加工が困難であるか不可能である、忠実度の高い特徴２３０が実現される。例えば、燃料孔の許容誤差は、非常に厳しく、到達が困難である位置に孔を機械加工することは高価となる。形成された状態で忠実度が高い燃料孔によって、機械加工の問題が取り除かれ、製造コストが抑えられる。

本発明について１つ以上の実施形態を参照して記述してきたが、本発明の範囲から逸脱せずに、種々の変更を施してもよいこと、およびその要素を等価物に置換してもよいことが当業者にとっては理解されるであろう。加えて、特定の状況または材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に属する全ての実施形態を含むことを意図している。加えて、詳細な説明で特定される全ての数
値は、正確な値と近似値の両方が明示的に特定されているものと解釈されるべきである。
［実施態様１］
物品（２００）を積層造形する方法であって、
第１の特徴解像度に相当する第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物（３０１）による複数の第１の層の３次元印刷によって前記物品（２００）の第１の部分（２１０）を形成することであり、前記複数の第１の層は第１の平均層厚を有する、ことと、
前記第１の特徴解像度よりも低い第２の特徴解像度に相当する第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物（３０２）による複数の第２の層の３次元印刷によって前記物品（２００）の第２の部分（２２０）を形成することであり、前記第２の部分（２２０）は少なくとも１つの特徴（２３０）を含み、前記複数の第２の層は、前記第１の平均層厚よりも小さな第２の平均層厚を有する、ことと
を含む方法。
［実施態様２］
前記第１の部分（２１０）を形成することおよび前記第２の部分（２２０）を形成することは、粉末層処理と、直接金属レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ溶融、選択的レーザ焼結、電子ビーム溶融、およびそれらの組合せからなる群から選択される技術とを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
前記第１の平均層厚は少なくとも４０μｍである、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
前記第２の平均層厚は２５μｍ以下である、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
前記少なくとも１つの特徴（２３０）は、５０μｍ未満の許容誤差を有する表面特徴を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
前記第１の部分（２１０）および前記第２の部分（２２０）を前記３次元印刷により形成した後に機械加工を伴わずに前記物品（２００）を提供することをさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
前記第１の粉末材料分級物（３０１）および前記第２の粉末材料分級物（３０２）は、セラミック、高温超合金、アルミニウム系合金、チタン系合金、スチール系合金、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、およびそれらの組合せからなる群から選択される粉末材料を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
印刷プラットフォーム（４０７）と、
第１の特徴解像度に相当する第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物（３０１）、または第２の特徴解像度に相当する第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物（３０２）を前記印刷プラットフォーム（４０７）に制御可能かつ選択的に提供するように構成された粉末堆積アセンブリ（５００）であり、前記第２の平均粒子サイズは前記第１の平均粒子サイズよりも小さい、粉末堆積アセンブリ（５００）と、
前記印刷プラットフォーム（４０７）上の粉末材料に加熱エネルギーを供給するように構成された集束エネルギー源（３１０）と
を備える３次元印刷システム（４００）。
［実施態様９］
前記粉末堆積アセンブリ（５００）は、
前記第１の平均粒子サイズを有する前記第１の粉末材料分級物（３０１）を蓄える第１のホッパ（５０１）と、
前記第２の平均粒子サイズを有する前記第２の粉末材料分級物（３０２）を蓄える第２のホッパ（５０２）と、
前記第１の粉末材料分級物（３０１）を前記第１のホッパ（５０１）から前記印刷プラットフォーム（４０７）に、または前記第２の粉末材料分級物（３０２）を前記第２のホッパ（５０２）から前記印刷プラットフォーム（４０７）に選択的に送出する粉末送出アセンブリ（４０１）と
を備える、実施態様８に記載の３次元印刷システム（４００）。
［実施態様１０］
前記３次元印刷システム（４００）により形成される物品（２００）のコンピュータモデルに基づいて前記加熱エネルギーを誘導する制御システム（５０５）をさらに備える、実施態様８に記載の３次元印刷システム（４００）。
［実施態様１１］
前記集束エネルギー源（３１０）は、レーザ生成器および電子ビーム生成器からなる群から選択される、実施態様８に記載の３次元印刷システム（４００）。
［実施態様１２］
前記第１の平均粒子サイズは少なくとも４５μｍである、実施態様８に記載の３次元印刷システム（４００）。
［実施態様１３］
前記第２の平均粒子サイズは２５μｍ未満である、実施態様８に記載の３次元印刷システム（４００）。
［実施態様１４］
前記第１の粉末材料分級物（３０１）および前記第２の粉末材料分級物（３０２）は、セラミック、高温超合金、アルミニウム系合金、チタン系合金、スチール系合金、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、およびそれらの組合せからなる群から選択される粉末材料を含む、実施態様８に記載の３次元印刷システム（４００）。
［実施態様１５］
３次元印刷により粉末材料から形成された物品（２００）であって、
第１の特徴解像度に相当する第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物（３０１）による複数の第１の層を含む第１の部分（２１０）であり、前記複数の第１の層は第１の平均層厚を有する、第１の部分（２１０）と、
前記第１の特徴解像度よりも低い第２の特徴解像度に相当する第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物（３０２）による複数の第２の層を含む第２の部分（２２０）であり、前記第２の部分（２２０）は少なくとも１つの特徴（２３０）を含み、前記複数の第２の層は、前記第１の平均層厚よりも小さな第２の平均層厚を有する、第２の部分（２２０）と
を備える物品（２００）。
［実施態様１６］
前記第１の粉末材料分級物（３０１）および前記第２の粉末材料分級物（３０２）は、セラミック、高温超合金、アルミニウム系合金、チタン系合金、スチール系合金、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、およびそれらの組合せからなる群から選択される粉末材料を含む、実施態様１５に記載の物品（２００）。
［実施態様１７］
前記物品（２００）は、前記３次元印刷により形成された後の機械加工を伴っていない、実施態様１５に記載の物品（２００）。
［実施態様１８］
前記第１の平均層厚は少なくとも４０μｍである、実施態様１５に記載の物品（２００）。
［実施態様１９］
前記第２の平均層厚は２５μｍ以下である、実施態様１５に記載の物品（２００）。
［実施態様２０］
前記少なくとも１つの特徴（２３０）は、５０μｍ未満の許容誤差を有する表面特徴を含む、実施態様１５に記載の物品（２００）。

２００ 物品、材料
２１０ 第１の部分
２２０ 第２の部分
２３０ 特徴
３０１ 第１の粉末材料分級物、粉末分級物
３０２ 第２の粉末材料分級物、粉末分級物
３１０ 集束エネルギー源
３２０ スキャナ
３５０ フィードバックセンサ
４００ ３Ｄ印刷システム
４０１ 粉末送出アセンブリ
４０５ 粉末材料フィーダ
４０６ 表面
４０７ 印刷プラットフォーム
４０９ 集束エネルギービーム
４２０ 製作ピストン
４５０ バルブ
５００ 粉末堆積アセンブリ
５０１ 第１のホッパ
５０２ 第２のホッパ
５０５ 制御システム
５１０ 粉末供給ライン
５２０ トラック
５３０ スプレッダ

Claims (8)

1. 物品（２００）を積層造形する方法であって、当該方法が、
   第１の特徴解像度に相当する４５μｍ以上の第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物（３０１）による複数の第１の層の３次元印刷によって前記物品（２００）の第１の部分（２１０）を形成するステップであって、前記複数の第１の層が第１の平均層厚を有する、ステップと、
   前記第１の特徴解像度よりも高い第２の特徴解像度に相当する２５μｍ未満未満の第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物（３０２）による複数の第２の層の３次元印刷によって前記物品（２００）の第２の部分（２２０）を形成するステップであって、前記第２の部分（２２０）が少なくとも１つの特徴（２３０）を含み、前記複数の第２の層が、前記第１の平均層厚よりも小さな第２の平均層厚を有する、ステップと
   を含んでおり、
   前記第１の粉末材料分級物（３０１）が第１のホッパ（５０１）に蓄えられ、かつ前記第２の粉末材料分級物（３０２）が第２のホッパ（５０２）に蓄えられており、
   前記第１の部分（２１０）を形成するステップ及び前記第２の部分（２２０）を形成するステップが、粉末送出アセンブリ（４０１）によって、前記第１の粉末材料分級物（３０１）を前記第１のホッパ（５０１）から印刷プラットフォーム（４０７）に及び前記第２の粉末材料分級物（３０２）を前記第２のホッパ（５０２）から前記印刷プラットフォーム（４０７）に選択的に送出することを含んでおり、前記粉末送出アセンブリ（４０１）が、前記印刷プラットフォーム（４０７）上の粉末層の表面（４０６）全体に、前記第１の粉末材料分級物（３０１）又は前記第２の粉末材料分級物（３０２）を焼結又は溶融すべき新たな層として堆積及び分散させる少なくとも１つの粉末材料フィーダ（４０５）を含んでおり、
   前記第１の平均層厚が少なくとも４５μｍであり、前記第２の平均層厚が２５μｍ以下である、方法。
2. 前記第１の部分（２１０）を形成するステップ及び前記第２の部分（２２０）を形成するステップが、粉末層処理と、直接金属レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ溶融、選択的レーザ焼結、電子ビーム溶融及びそれらの組合せからなる群から選択される技術とを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の部分（２１０）及び前記第２の部分（２２０）を前記３次元印刷により形成した後に機械加工を伴わずに前記物品（２００）を提供することをさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の粉末材料分級物（３０１）及び前記第２の粉末材料分級物（３０２）の各々が、高温超合金、ニッケル系超合金、コバルト系超合金及びそれらの組合せからなる群から選択される粉末材料である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. ３次元印刷システム（４００）であって、当該３次元印刷システム（４００）が、
   印刷プラットフォーム（４０７）と、
   第１の特徴解像度に相当する４５μｍ以上の第１の平均粒子サイズを有する第１の粉末材料分級物（３０１）、又は第２の特徴解像度に相当する２５μｍ未満未満の第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物（３０２）を前記印刷プラットフォーム（４０７）に制御可能かつ選択的に提供するように構成された粉末堆積アセンブリ（５００）であって、前記第２の平均粒子サイズが前記第１の平均粒子サイズよりも小さい、粉末堆積アセンブリ（５００）と、
   前記印刷プラットフォーム（４０７）上の粉末材料に加熱エネルギーを供給するように構成された集束エネルギー源（３１０）と
   を備えており、前記粉末堆積アセンブリ（５００）が、
   前記第１の平均粒子サイズを有する前記第１の粉末材料分級物（３０１）を蓄える第１のホッパ（５０１）と、
   前記第２の平均粒子サイズを有する前記第２の粉末材料分級物（３０２）を蓄える第２のホッパ（５０２）と、
   前記第１の粉末材料分級物（３０１）を前記第１のホッパ（５０１）から前記印刷プラットフォーム（４０７）に、又は前記第２の粉末材料分級物（３０２）を前記第２のホッパ（５０２）から前記印刷プラットフォーム（４０７）に選択的に送出する粉末送出アセンブリ（４０１）であって、該粉末送出アセンブリ（４０１）が、前記印刷プラットフォーム（４０７）上の粉末層の表面（４０６）全体に、前記第１の粉末材料分級物（３０１）又は前記第２の粉末材料分級物（３０２）を焼結又は溶融すべき新たな層として堆積及び分散させる少なくとも１つの粉末材料フィーダ（４０５）を含む、粉末送出アセンブリ（４０１）と
   を備えており、
   当該３次元印刷システム（４００）が、前記第１の粉末材料分級物（３０１）及び前記第２の粉末材料分級物（３０２）から、
   前記第１の特徴解像度に相当する前記第１の平均粒子サイズを有する前記第１の粉末材料分級物（３０１）による複数の第１の層を含む第１の部分（２１０）であって、前記複数の第１の層が第１の平均層厚を有する、第１の部分（２１０）と、
   前記第１の特徴解像度よりも高い前記第２の特徴解像度に相当する前記第２の平均粒子サイズを有する第２の粉末材料分級物（３０２）による複数の第２の層を含む第２の部分（２２０）であって、前記第２の部分（２２０）が少なくとも１つの特徴（２３０）を含み、前記複数の第２の層が、前記第１の平均層厚よりも小さな第２の平均層厚を有する、第２の部分（２２０）と
   を備える物品（２００）を形成するように構成されており、前記第１の平均層厚が少なくとも４５μｍであり、前記第２の平均層厚が２５μｍ以下である、３次元印刷システム（４００）。
6. 前記３次元印刷システム（４００）により形成される物品（２００）のコンピュータモデルに基づいて前記加熱エネルギーを誘導する制御システム（５０５）をさらに備える、請求項５に記載の３次元印刷システム（４００）。
7. 前記物品（２００）が前記３次元印刷により形成した後の機械加工を伴っていない、請求項５又は請求項６に記載の３次元印刷システム（４００）。
8. 前記第１の粉末材料分級物（３０１）及び前記第２の粉末材料分級物（３０２）の各々が、高温超合金、ニッケル系超合金、コバルト系超合金及びそれらの組合せからなる群から選択される粉末材料である、請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の３次元印刷システム（４００）。