JPH11222604A - 金属部品の直接金属製造の方法 - Google Patents

金属部品の直接金属製造の方法

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JPH11222604A
JPH11222604A JP10319409A JP31940998A JPH11222604A JP H11222604 A JPH11222604 A JP H11222604A JP 10319409 A JP10319409 A JP 10319409A JP 31940998 A JP31940998 A JP 31940998A JP H11222604 A JPH11222604 A JP H11222604A
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powder
eutectic
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Kenneth J Newell
ケネス・ジェイ・ニュウェル
Ira B Goldberg
アイラ・ビィ・ゴールドバーグ
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Rockwell Science Center LLC
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 「生」部品の部分的な還元から部品の構造的
一体性を維持する薄い炭素膜が残される連続した熱プロ
セスにより達成される金属部品の直接金属製造の方法を
提供する。 【解決手段】 残りの炭素は共晶還元元素を触媒して、
部品全体にわたって拡散させ、均質化された金属合金を
結合する有機金属結合を形成する。超固相線液相焼結
（ＳＬＰＳ）により合金を緻密化し、親材料の品質の最
終部品をもたらす。像を印刷するためマグネットグラフ
ィック印刷においてＤＭＦプロセスを用いてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】この発明は、金属部品の直接製造に関
し、より特定的には、親材料の品質の最終部品をもたら
す超固相線液相焼結（Supersolidus Liquid Phase Sint
ering:ＳＬＰＳ）プロセスにおいて、炭素前駆体が用い
られ「生（未処理）」部品を結合し共晶還元元素を触媒
する連続した熱プロセスに関する。
【０００３】
【関連技術の説明】従来、立体部品はブロックから材料
を除去することにより機械加工され、直接最終部品が形
成されるか、または最終部品を鋳造するための型が形成
される。最終部品の直接の機械加工は生産規模で行なわ
れる場合は大抵、費用効果が低い。より典型的には、大
規模生産では鋳造プロセスが用いられ、これはかなり時
間的に効果があり費用効果もあり、鋳造された高品質の
最終部品が生産される。しかしながら、新しい部品を再
装備し、機械加工する費用は、金銭および労働時間の投
資においても、新しい設計生産を開始するにあたっての
遅れの点においても、非常に高くつくことになりかねな
い。このことは部品の設計を最新のものにし改善する上
でこれを阻む大きな原因になり得る。
【０００４】近年では、急速原型製作および製造（Rapi
d Prototyping and Manufacturing）（ＲＰＭ）の名の
下でいくつかの新しい製造方法が開発されており、２つ
の共通点を有する。第１に、部品は立体の固体としてか
たどられ、これは非常に薄い平面の層に「スライス」さ
れ、三次元のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）ファイル
に記憶される。データはそこでＣＡＤファイルから製造
装置に転送され、製造装置は部品を層ごとにつくり立体
構造をつくる。直接ＣＡＤファイルから原型部品または
型へと進む「アート−ツー−パート」（‘Art-to-Par
t’）の概念は技術者にも経営者にも同様に非常に魅力
的である。第２に、部品は、材料が必要でないところか
ら材料を除去するかわりに必要であるところに材料を加
えることにより製造される。このため、再装備および機
械加工は不必要となり、複雑な構造をつくることができ
る。
【０００５】真のＲＰＭでは、単一の連続したプロセス
において「最終」部品が製造される。最終部品は最終的
には原型の形または型である。公知のＲＰＭ技術はいず
れも、構造内または機械内に用いることのできる金属部
品を製造できない。これは公知のＲＰＭ技術で製造され
る金属部品は脆すぎて構造上の荷重に耐えることができ
ないためである。開発において金属部品が必要となる場
合、典型的に、金属部品を鋳造するため、多ステッププ
ロセスにおいて典型的に重合体型が用いられる。
【０００６】現在、多数の異なるＲＰＭ技術が存在し、
これらはそれぞれ３つのカテゴリのうちの１つに含まれ
る。立体リソグラフィ（Stereolithography:ＳＬＡ）で
は光エネルギを用いた材料の化学変化を含む。選択レー
ザ焼結法（Selective LaserSintering:ＳＬＳ）では、
レーザを用いて粉末を焼結する。ソリッドグラウンド硬
化（Solid Ground Curing:ＳＧＣ）、積層物体製造（La
minated Object Manufacturing: ＬＯＭ）、溶融堆積モ
デリング（Fused Deposition Modeling:ＦＤＭ）および
弾動粉末粒製造（Ballistic Particle Manufacturing:
ＢＰＭ）などの堆積技術では、粉末粒または薄い積層物
のいずれかの選択的な堆積を用いる。
【０００７】立体リソグラフィでは、感光性液体重合体
を層ごとに凝固させる。液体重合体は低パワー紫外線
（ＵＶ）ビーム、たとえばＵＶレーザにさらされると凝
固する。各層が凝固した後、部品を液体中に増分的（イ
ンクリメント）に下ろし、次の層を凝固させる。この方
法はレーザビームによる凝固が可能な、ある特定の凝固
した重合体の使用に限られており、残念なことに、これ
らの重合体は多くの場合脆い。立体リソグラフィは市場
に現われた商業用ＲＰＭ方法の最初のものであり（１９
８７）、現在最も頻繁に用いられている。
【０００８】ウィリアム・Ｔ・カーター・Ｊｒ（Willia
m T. Carter, Jr.）およびマーシャル・Ｇ・ジョーンズ
（Marshall G. Jones ）による「金属の直接レーザ焼
結」（“Direct Laser Sintering of Metals”）（固体
自由造形製造会議議事録（Proc. Solid Freeform Fabri
cation Conference ）（テキサス州オースティン（Aust
in, Tx）（１９９３年８月９日−８月１１日））では、
バインダを含まない金属粉末から部品を焼結するための
基本的な選択レーザ焼結プロセスが説明される。プラス
チック、金属、セラミックまたは重合体の粉末のための
ＳＬＳプロセスは、テキサス大学システムの大学評議委
員会（Board of Regents of The University of Texas
System）に譲渡される一連の米国特許第４，８６３，５
３８号、第４，９３８，８１６号、第４，９４４，８１
７号、第５，０１７，７５３号および第５，０５３，０
９０号に詳しく説明されている。ローラにより粉末をプ
ラットホームの上に広げ、材料を融解温度より僅かに低
い温度に予め加熱する。凝集が望ましい場合には赤外線
レーザビームにより温度が上昇し、粉末は融解し一体と
なる。各層が凝固した後、ローラにより新しい薄い層の
粉末を部品の上に広げ、３Ｄ ＣＡＤファイルに従って
レーザにより部品の次の層を走査する。凝固プロセスが
完了すると、生部品を粉末で囲む。この粉末はブラシま
たは圧縮空気で除去することができる。この粉末はプロ
セスの間に薄い部分に対する重要な支えとなる。生部品
はかなり脆く、そのため原型製作段階においてしか利用
することができない。
【０００９】部品の密度および強度を改善し、それによ
って原型試験（prototype testing）の間のある程度の
構造上の荷重に耐えることができるようにするため、基
本的なＳＬＳプロセスへの数多くの修正の研究がなされ
てきた。公知の方法はいずれも親材料の品質を備えた最
終部品をもたらすものではない。商業用または軍事用製
品に用いられることになる材料は認定を受けなければな
らず、これは長期にわたり費用のかかる過程である。そ
のため、製造者らは既に認定を受けた親金属合金を使用
することに強くひかれる。
【００１０】ＲＰＭプロセスは、銅などの二次液体金属
を毛管圧を介して部分的に緻密化した部分に逆浸透さ
せ、強度をもたらすことにより増強できる。浸透プロセ
スのため、連続したＲＰＭプロセスは中断され、典型的
に理論的限界の約８０％のみの密度をもたらし、金属合
金がもはや親の品質の材料とはみなされないほどにまで
金属合金が汚染される。この結果、強度および延性など
の部品の機械的性質は親合金のものと大幅に異なる。元
素組成も十分に異なるため、結果生じる合金は再認定を
要する。
【００１１】コーニヒ（Konig ）他の「急速金属原型製
作−金属部品の直接製造の新しい取り組み」（“Rapid
Metal Prototyping - New Approaches for Direct Manu
facturing of Metallic Parts ”）（Proc. 27th ISATA
（ドイツ、アーヘン（Aachen, Germany ）１９９４年１
０月３１日−１１月４日、pp. 281-288 ）では、低融点
および高融点の合金粉末がバインダを加えることなく用
いられるＳＬＳプロセスが説明される。レーザにより低
融点粉末が溶融され、これが高融点粉末の表面を濡ら
し、個々の粉末粒を結合させる。コーニヒは鋼およびニ
ッケル青銅合金を用いている。また、ドープされていな
いヘインズ２３０（Haynes２３０）金属合金粉末および
融点温度を低下させるために３重量％の硼素でドープし
たヘインズ２３０金属合金粉末も用いている。また、熱
間静水圧プレス（ＨＩＰ）プロセスを用いて、少量の独
立した気孔を塞ぐ。ドープされた合金を溶融させるのに
高温が必要であるため、ひどい温度勾配が生じ、このた
め部品を形成する間に部品に応力が加わり変形する。
【００１２】「機能本位のヘッジトリマ原型をつくるた
めリトルワンダーの用いるＳＬＳTMプロセスおよびナイ
ロン」（“Little Wonder Uses SLSTM Process & Nylon
toCreate Functional Hedge-Trimmer Prototype ”）
（Spring/Summer 1994 Volume 4, No.1 ）では、重合体
粉末が金属粉末と混合される、ＤＴＭコーポレイション
（DTM Corporation ）によるＳＬＳプロセスの変形が説
明される。レーザにより重合体粉末は３Ｄ ＣＡＤファ
イルに従って層ごとに溶融され、固体で多孔質の生部品
を形成する。生部品を加熱して重合体バインダを焼き尽
くした後、その部品はＨＩＰ処理を介して後に緻密化す
るために残りの金属粉末に残留強度を与えるため、部分
焼結にさらされる。このアプローチでは、重合体バイン
ダを焼き尽くした後に非常に低い金属密度がもたらさ
れ、この結果、ＨＩＰ処理の間に部品の寸法および形状
を制御できないことにつながり、最終的な緻密化のため
に液体金属浸透を利用した構成部品の強度が非常に弱い
ことにつながる。
【００１３】この発明の譲受人であるロックウェル・イ
ンターナショナル（Rockwell International）に譲渡さ
れる、「金属コンポーネントを自由造形製作する方法」
（“Free Form Fabrication of Metallic Component
s”）と題された１９９５年９月１９日出願の米国特許
出願連続番号第０８／５３０，７７０号（現在の米国特
許第 号）では、融点を低下させるため硼素
などの別の合金を作る元素でドープされることを除いて
合金Ｘと同じである金属合金Ｙ、すなわちヘインズ２３
０などの親金属合金Ｘと、重合体バインダとの混合物を
ＳＬＳプロセスにおいて用いる。３Ｄ ＣＡＤファイル
に従ってレーザにより重合体バインダが溶融され、層ご
とに生部品をつくる。
【００１４】生部品がひとたび完成すると、バインダは
真空炉内で除去される。除去する間および後の緻密化プ
ロセスの間に生部品を支える必要がある。なぜなら、重
合体バインダの除去および金属の部分的な液化のため、
一時的に部品の全体強度が減少するからである。セラミ
ック粉末またはある構造により支えてもよい。
【００１５】緻密化は、炉温度を上昇させ、ドープされ
た合金を溶融する液相焼結（ＬＰＳ）を介して、溶融物
でドープされていない合金粉末を包み込むようにするこ
とによって、達成できる。最後に、少しでも残った気孔
を塞ぎ、部品の均質化を完全にするためＨＩＰ処理が必
要となることもある。このプロセスでは依然として生部
品のためのさらなる支えとＨＩＰ処理とが必要である。
【００１６】公知の堆積技術には、ソリッドグラウンド
硬化（ＳＧＣ）、積層物体製造（ＬＯＭ）、溶融堆積モ
デリング（ＦＤＭ）および弾動粉末粒製造（ＢＰＭ）が
含まれる。ＳＧＣは、部品が光反応性の液体重合体でつ
くられている点で立体リソグラフィと類似するが、レー
ザビームで表面を走査する代わりに、この技術では静電
プロセスを用いて凝固するべきではない区域を覆う。各
層が凝固した後、残りの液体重合体は除去され、気孔お
よび穴を充填する液体ワックスの層で置換えられる。冷
却プレートによりワックスが固められ、その表面は精密
な厚さに仕上げられる。このプロセスは次の層に対して
繰返される。この技術の利点は、ワックスが各層のため
の固い地盤をなすことであり、これは幾何学形状が実質
上、何ら制限されないことを意味する。
【００１７】ＬＯＭアプローチでは、シート状の材料か
ら部品の第１の層の輪郭を切削し、後に除去するために
余分な材料にクロスハッチングする。シート材料の新し
い層を第１の層の上に置き、積層用ローラにより層を互
いに結合する。レーザの切削動作がこの層に対して繰返
される。ひとたびすべての層が積層され切削されると、
余分な材料が除去されて完成品が現われる。
【００１８】ＦＤＭでは、ワイヤに似た一巻きのモデリ
ングフィラメントを用いる。システムは加熱されたヘッ
ドおよびノズルを通してフィラメントを供給する。堆積
する直前に、ヘッドにより熱可塑性フィラメントをその
凝固状態より僅かに高い温度まで加熱する。これが材料
を堆積するにつれ、材料は凝固する。
【００１９】ＢＰＭでは、オフィス環境における立体印
刷のための技術が開発されている。そのプロセスでは、
溶融した熱可塑性材料を必要なところならどこでも堆積
する圧電ジェットヘッドを利用する。その液滴は表面に
接触すると、まず平らになり、そして凝固する。このプ
ロセスは主にモデリングに用いられる。
【００２０】比較的新しい発展において、ランダール・
Ｍ・ジャーマン（Randall M. Germann）による『粉末金
属学科学』（Powder Metallurgy Science ）（第２版、
金属粉末産業連盟（Metal Powder Industries Federati
on）（1994, pp.270-283）では、既に均質化されている
が多孔質である金属合金を緻密化するための、超固相線
液相焼結（ＳＬＰＳ）として知られる最近発見された方
法が説明されている。均質化された合金の温度がその固
相線温度より高くなると、粒子の間の粉末粒ネックおよ
び粒界に沿って液体膜が形成される。このため、多結晶
質粉末粒の粒界における滑りが促進される。粉末粒の境
界が崩壊することから、表面張力および毛管圧による急
速な緻密化が可能となる。液体が再沈澱すると、粒子自
体が変形して気孔の除去および最終の緻密化を助ける。
ＳＬＰＳは、ある合金が別の合金により包み込まれるの
ではなく単一の合金が形成されるという点で従来のＬＰ
Ｓに優る。ＬＰＳでは、十分に高い温度において十分に
長い間放置されていれば均質化する。
【００２１】
【発明の概要】この発明は、生部品を支える必要のな
い、または二次金属を毛管圧を介して部分的に緻密化さ
れた部分に浸透させ完全密度を達成する必要のない、単
一の連続した熱サイクルにおける親材料の品質を有する
複雑な形状の金属部品の直接金属製造（ＤＭＦ）の方法
を提供する。
【００２２】これは、炭素前駆体を用いて、共晶還元元
素と混合された親金属合金を濡らし、金属粉末粒を
「生」部品の形に結合させることによってなされる。炭
素前駆体は部分的に還元され、薄い炭素膜が残り、薄い
炭素膜のＣ＝Ｃ結合は部品の形状を保ち、触媒として作
用することにより、共晶還元元素が拡散して移動できる
ようにする。還元元素は粉末粒の粒界に沿って拡散し、
粉末粒間の界面において炭素膜と相互に作用し、膜のＣ
＝Ｃ結合よりかなり強い有機金属結合を形成する。還元
元素は好ましくは平衡状態に達するまで拡散され、その
時点で金属合金粉末は完全に均質化される。超固相線液
相焼結（ＳＬＰＳ）により、粉末粒の粒界に沿って液体
膜が形成されるため、粒子は互いに対して滑り、表面張
力および毛管圧に反応して緻密化し、有機金属結合によ
り互いに保持される最終部品が形成される。
【００２３】炭素補助のＳＬＰＳプロセスでは液相注入
を避け、それによって原型応用および商業用応用の双方
に用いることのできる親材料の品質の最終部品が単一の
熱サイクルにおいて製造される。このＤＭＦプロセスに
より、市場までの時間および製造費が削減される。ま
た、このＤＭＦプロセスは、「生」部品をつくるのに用
いられるＳＬＳ、マグネットグラフィック印刷および自
由造形鋳造などの応用と併せて用いることができる。
【００２４】この発明のこれらおよび他の特徴および利
点は、添付の図面と併せて好ましい実施例の以下の詳細
な説明を考慮することから当業者には明らかになるであ
ろう。
【００２５】
【詳細な説明】この発明は、「生」部品の部分的還元か
ら薄い炭素膜が残り、この薄い炭素膜が部品の構造的一
体性を保ち硼素などの共晶還元元素を触媒して部品全体
にわたって拡散させ、均質化された金属合金を結合する
有機金属結合が形成されるという連続した熱プロセスを
提供する。超固相線液相焼結（ＳＬＰＳ）では、合金を
緻密化して親材料の品質の最終部品をもたらす。単一の
連続した熱サイクルにおいて親材料の品質の最終部品を
直接形成できることから、市場までの時間および費用が
大幅に削減されることとなる。ＤＭＦは鋳造のための型
を形成するのに用いてもよく、原型または商業の品質の
部品を直接形成するのに用いてもよい。
【００２６】図１に示され、図２から図７において顕微
鏡組織レベルで表わされるＤＭＦプロセスは、親金属合
金Ｘ３０と、共晶還元元素Ａ３２と炭素前駆体３４とを
慎重に選択して混合する（ステップ１０）ことから始ま
る。親金属合金Ｘ３０は適当にはニッケルベースの合金
ヘインズ２３０であり、その公称組成は以下の表１のと
おりである。
【００２７】
【表１】
【００２８】ニッケルベースのヘインズ２３０粉末が選
択されるのは、延性特性が優れているためだが、たとえ
ば、鉄、コバルト、銅、タングステン、モリブデン、レ
ニウム、チタンおよびアルミニウムなどの他の親金属を
用いてもよい。
【００２９】共晶還元元素Ａ３２は定義上、親合金の融
解温度を低下させる。また、還元元素は、ヘインズ２３
０粉末粒３０内の個々の粒子３８の間の粒界３６に沿っ
て拡散して移動できるようにするため、非常に小さく、
かつ炭素との反応性が非常に高くなければならない。硼
素はこの合金の融点温度を低下させる金属間元素であ
り、非常に小さく、よって非常に移動性が高く、炭素と
反応して、ＤＭＦプロセスにおけるどんな温度をもはる
かに超える融解温度を有する、たとえばＢ4 ＣまたはＢ
12Ｃ3 などの、非常に強い有機金属結合を形成する。別
の例としてはスカンジウムが挙げられる。マンガン、イ
ットリウム、ニオブ、珪素およびコバルトなどの他の金
属元素は共晶性であるが、必要である拡散特性を有して
いないかもしれない。
【００３０】炭素前駆体３４は生の状態の親金属合金３
０を濡らし、かつ結合することができなければならず、
加熱した際には、気相元素（水素、窒素および酸素）の
分子を取除き、生部品の構造的一体性を保つ薄い炭素膜
を残すように、還元されることが可能でなければなら
ず、典型的な炭素前駆体は粉末、樹脂または触媒化学蒸
気などの有機重合体（Ｐ）である。ＤＭＦのため炭素膜
をつくるのに数多くの有機重合体を用いることができる
が、微粉として実際に商業的可能性のあるものはただ３
つしかなく、それはポリエステル（レーヨン）、ポリア
クリロニトリル（アクリル）およびポリアミド（ナイロ
ン）である。好ましい実施例では、炭素は細目ナイロン
１２高分子量重合体粉末を介して導入される。
【００３１】混合物は主に親金属合金Ｘ３０により構成
されているため、最終の緻密化されれた部品は親材料の
品質を保っている。共晶還元元素３２の濃度は、ａ）親
金属合金の粒界を通って完全に拡散し、ｂ）炭素と反応
して十分な数の有機金属結合を形成し、ｃ）ＳＬＰＳを
助けるのに十分高くなければならない。還元元素は、そ
の最低エネルギまたは平衡状態に達するのに拡散しなけ
ればならないような態様で導入される。現在の技術では
遊離硼素は完全に拡散しないことが試験から明らかにな
っているが、親材料内で予め合金化した硼素は平衡状態
まで拡散することがわかっている。還元元素のレベルが
高すぎると最終部品は脆くなる。前駆体３４の炭素レベ
ルは、ａ）気相成分を取除く還元に耐え、ｂ）薄い炭素
膜を形成し、ｃ）共晶還元元素と反応するのに十分高く
なければならない。炭素レベルが高すぎると多すぎる量
の還元元素が吸収されることとなるため、ＳＬＰＳプロ
セスが阻止される。
【００３２】重量および／または体積での正確な混合
は、親金属組成およびその状態図、特定の応用、生部品
を形成するのに用いるプロセス、最終部品の所望の性
質、促進された環境において前駆体が還元されるか否か
にかかわらず、どのように還元元素が導入されるかなど
に依存する。たとえば、親合金３０は適当にはヘインズ
２３０であり、全混合の約７５−８５体積％を構成し、
共晶還元元素３２は、０．１５−０．５重量％の硼素を
含む約５−１５体積％を構成する硼化したヘインズ２３
０ ３９（合金Ｙ）を介して導入され、炭素は、残りの
５−１５体積％をもたらす細目ナイロン１２高分子量重
合体粉末３４を介して導入される。生部品がＳＬＳを用
いて形成され補助のない環境において還元されたある特
定の応用においては、５％の硼化したヘインズ２３０
と、０．１５重量％の硼素と、１０体積％のナイロン１
２バインダと、その残り部分をなすヘインズ２３０との
混合を用いた。
【００３３】混合された金属および重合体粉末のこの混
合は次に、ＳＬＳ、マグネットグラフィック印刷、自由
造形鋳造などの特定のＤＭＦ応用に装填され、生部品４
０が形成される（ステップ１２）。生部品４０の一部分
は顕微鏡組織レベルにおいて図３に示されている。ＳＬ
Ｓおよびマグネットグラフィック印刷の応用では、混合
された粉末のナイロン部分３４が選択的に溶融され、立
体部品を濡らし結合させる。自由造形鋳造の応用では、
炭素前駆体は樹脂またはエポキシであり、直接粉末を濡
らし結合させるのに用いることができる。典型的に相対
密度が約５５％である生部品はさらなる支えがなくても
容易に扱うことができる。典型的な生部品は、それぞ
れ、炭素前駆体を含まない硼化したヘインズ２３０を用
いて構成される生部品の約４．３倍の強度を示し、炭素
前駆体を含むが共晶元素を含まないヘインズ２３０を用
いて構成される生部品の約２．９倍の強度を示し、９０
％のヘインズ２３０および１０％の硼化したヘインズ２
３０を用いて構成した生部品の約２３．３倍の強度を示
すことが試験によりわかっている。
【００３４】生部品はコンピュータにより制御される真
空炉内に置かれ、この真空炉内では温度および雰囲気圧
が精密に調節され、溶融したナイロンバインダを還元さ
せ炭化させ、金属粉末のＳＬＰＳ熱プロファイルの遷移
状態が調節され、親材料の品質を有する最終部品が製造
される。以下に詳しく説明するように、生部品は図９に
示されるように単一の連続した熱サイクル４１にさらさ
れ、熱サイクル４１において、重合体は還元され炭素膜
を堆積し（２００−５００℃）、硼素は平衡状態まで拡
散され（５００−１２００℃）、ＳＬＰＳが開始され
（１２００−１３００℃）、最終部品は冷まされる。特
定の熱サイクルは部品の幾何学形状、混合、応用などに
伴い変化する。
【００３５】ひとたび生部品が炉の中に置かれると、金
属粉末粒が加熱され始め（２００−５００℃）、炭素前
駆体３４が部分的に還元される（ステップ１４）。加熱
の初期段階に揮発が起こり、前駆体は水素、窒素および
酸素に分解され、ある程度の炭素は部品から排ガスされ
る。揮発性炭素の残りは粉末粒の表面上の金属酸化物と
反応して薄い炭素膜４２を形成し、薄い炭素膜４２の架
橋されたＣ＝Ｃ結合が形成された部品の形状を維持す
る。生部品が爆発するのを避けるため、還元の速度を、
ガス抜きによる圧力が常に粉末粒の結合力より小さくな
る態様で制御しなければならない。酸素および／または
水素により環境を促進することにより還元を加速しても
よい。促進された還元により、より大きい割合の炭素が
取除かれることとなり、そのため前駆体の炭素レベルを
上昇させなければならない。
【００３６】炭素はまた触媒として作用し、硼素、すな
わち図５に示される硼化したヘインズ２３０内の共晶還
元元素３２が、炉温度が上昇するにつれ（５００−１２
００℃）拡散して移動するようにさせ、粉末粒の粒界３
６に沿って拡散するように（ステップ１６）させる。炭
素は粉末粒の表面のニッケル酸化物と反応して表面をき
れいにする。このことから、図６に示されるように顕微
鏡組織全体にわたって硼素内容を平衡化させる（ステッ
プ１８）毛管圧の駆動力が促進される。この結果、粉末
粒間ネックに位置する独特の結合により互いに保持され
る完全に均質な金属合金粉末４６が生じる。重合体のガ
ス抜きにより触媒される硼素が比較的低い温度において
粉末全体にわたって平衡状態まで拡散し、非常に強い有
機金属結合を形成することがＤＭＦプロセスにおいて重
要である。炭素触媒がなければ、硼化したヘインズ２３
０は最終的には溶融し、従来のＬＰＳプロセスでヘイン
ズ２３０を包み込む。触媒されない硼素はヘインズ２３
０の中へ部分的に拡散して比較的に弱い結合しか形成し
ない。さらに、３００から４００℃のさらにかなり高い
融点温度では、部品に応力がかかり、部品が割れるまた
は破損することにつながる可能性がある。
【００３７】硼素は粉末粒の粒界に沿ってその平衡状態
に向けて拡散するにつれ、少しでも残っている炭素と反
応を起こし、（Ｂ4 Ｃ、またはＢ12Ｃ3 の鎖）の、固相
化学結合４８を介して炭化物を形成する。金属粉末粒の
隙間においてこれらの強い有機金属結合４８が形成され
ることから、炭素前駆体なしで製造された部品よりも強
度が増していることの説明ができる。この時点で、炭素
膜によりもたらされる結合力は、有機金属結合４８の前
ではとるに足らないものとなる。
【００３８】ひとたび必要な熱条件が達成され、硼素内
容が平衡状態に達すると、図７に示されるように超固相
線液相焼結が開始される（ステップ２０）。合金の温度
が固相線温度（１２００−１３００℃）より高くなるに
つれ、共晶還元元素のレベルが上昇することから、液体
膜が粒界３６および粉末粒ネックに沿って形成される。
液相は多結晶質粉末粒の粒界における滑りを促進させ
る。粉末粒が崩壊することから、表面張力および毛管圧
による急速な緻密化が可能となる。液体が再沈澱するに
つれ、粒界は変形し、気孔の除去および最終的な緻密化
を助ける。このプロセスの運搬機構は粘性流れ以外には
何もない。緻密化には粉末粒構造の局部分解が必然的に
伴い、このため、気孔が粒界拡散を通して、そして冷ま
される間に取除かれるため、図８に示されるように最終
的に完全な緻密化が達成できる。ここで、完全に均質な
金属合金粉末４６は緻密化され、生部品の形状を保ちつ
つも有機金属結合４８が行き渡った最終部品５０とな
る。完全に緻密化されると仮定して、この特定のプロセ
スにおいて部品は生の状態から最終部品になるまでにす
べての方向において約１７．２％収縮する。一般的に、
収縮の量は最初の相対密度に依存する。
【００３９】図１０は、Ｎｉ−Ｂ組成の状態図５２であ
る。硼素濃度は、それぞれ超固相線領域５４と液体領域
５６との間での遷移が急峻な勾配をたどり、完全な拡散
に必要な駆動力をもたらすように選択される。１０１８
℃より低い温度では、ニッケルおよび硼素は領域５８に
おいてＮｉ4 Ｂ3 、ＮｉＢ、Ｎｉ2 Ｂ、Ｎｉ3 Ｂとして
固相で存在する。温度が１０５０℃より高くなると、Ｎ
ｉＢは液体であり、拡散対はこのとき固相と液相との組
合せであり、言い換えると超固相線である。この液相は
ニッケル粉末粒のすべてを濡らし、Ｎｉ−Ｂ拡散をさら
に促進させる。また、このことで粉末粒の間の強いＮｉ
−Ｎｉネックが生じる。ついには硼素は１０９５℃より
低い温度で固体Ｎｉ3 Ｂとして平衡化される。温度が１
０９５℃より高くなると、残りの金属間溶融物は溶融
し、これらは容易に粒界を被覆するため、急速超固相線
液相焼結が引き起こされる。
【００４０】一般的に、温度が上昇するにつれ、液相体
積分率、よって粉末粒の間のネックの大きさが増大す
る。個々の粒子は回転しネック領域に滑り込み、過度の
曲りにより生じる表面張力を低下させようとする。液体
膜がしきい値に達すると、粒度によって粘性流れが優勢
となり始め、粉末粒が滑り始める。このため、この時点
で半固体である粉末粒の再配列が可能となる。しかしな
がら、液相が増加することに関連して粘性が失われるこ
とは毛管圧の現象により打ち消される。これは、部品が
完全密度に達すると粉末粒の速度が０に到達することに
対応する。
【００４１】図１１の標準化した毛管圧対相対収縮のプ
ロット６０に示されるように、ネックが無限小の点から
有限のネック区域へと発達するにつれ、粉末粒ネックの
間の毛管力は増大するが、圧力は減少する。ＳＬＰＳの
初期段階におけるこの圧力の減少により、急速な緻密化
の速度が生じる。毛管力が次第に小さくなるにつれ、緻
密化の速度も同様に小さくなる。
【００４２】図１２には、「生」から「最終」部品へと
単一の熱サイクルにおいてＤＭＦプロセスで製造された
代表的な最終部品５０が示される。硼素および炭素の濃
度は無視できるため、最終部品の材料品質は親合金ヘイ
ンズ２３０のものである。最終部品の引張り強さおよび
降伏強さは鋳造した部品より優れており、熱間圧延の焼
なまし部品に匹敵する。この結果、最終部品は型を鋳造
するだけでなく作業用商業用または原型部品を形成する
のに用いることができる。
【００４３】ａ）親金属合金、共晶還元元素および炭素
前駆体の適当な混合を特定するステップと、ｂ）生部品
を熱サイクルして最終部品を形成するステップとからな
る前述のＤＭＦプロセスは、いくつかの異なる製造応用
に組み込むことができる。ＳＬＳ、マグネットグラフィ
ック印刷、自由造形鋳造、ＦＤＭ、ＳＧＣおよびＬＯＭ
など、ほとんどすべての公知のＲＰＭ方法は、炭素前駆
体を金属粉末に選択的に導入して生部品を形成するのに
実現することができる。図１３、図１４および図１５
は、それぞれ、ＳＬＳ、マグネットグラフィック印刷お
よび自由造形鋳造に基づいたＤＭＦプロセスの概略図で
ある。
【００４４】図１３に示されるＳＬＳに基づいたＤＭＦ
プロセスでは、修正されたＳＬＳ機械６２を用いて生部
品６４を製造する。ＳＬＳ機械部品は、主に、ポリカー
ボネートから金属粉末へと材料重量が増加したことによ
り、重量支持部材に求められる構造上の要求が増大した
ことに対応して修正されている。カウンタウエイトを粉
末ピストンのために設けてもよいが、ＳＬＳ機械自体は
実質的に変わらない。部品台は加熱され粉末全体にわた
って均一の温度をもたらし、新しい層の粉末をローラで
上に載せる際に最初の部品部分が周囲の粉末内で滑るこ
とを防ぐ。このことで、生部品が製造される際に生部品
にかかる応力および歪を最小にする。
【００４５】機械は所望の金属粉末混合物６６で装填さ
れる。この混合物は、特定の比率でのヘインズ２３０、
硼化したヘインズ２３０、硼素およびナイロン１２重合
体バインダを含む。標準のＳＬＳ方法を用いて、個々の
粉末層をローラで上に載せ、コンピュータ６８により供
給される３Ｄ ＣＡＤデータに従ってレーザを用いて選
択的にバインダを溶融し、部品の各部分における金属粉
末粒の表面を濡らす。このことから、金属混合物が生部
品６４内で互いに保持される。バインダの平均の粒度は
適当には５ｍｍである。このため、バインダは生部品の
全体積の５−１５％という少ない割合しか占めておら
ず、最終部品の体積の数パーセントしか占めていない。
粒度が小さいことはまた、隙間の空隙を充填することか
ら粉末の流動性を増すことにもつながる。これらの部品
の濃度は理論の約５５％であり、ランダム閉塞充填より
僅かに低い。
【００４６】ひとたびＳＬＳ機械から出されると、余分
な粉末はブラシなどで払われ、部品は真空炉内で約１０
-5トルの雰囲気圧において熱分解される。試験体は加熱
サイクルのためのセラミックボート内にあるか、または
それらが複雑な部品である場合、それらはセラミックる
つぼ内部の窒化硼素粉末に詰め込まれる。るつぼおよび
窒化硼素粉末は均等に加熱された環境をつくり、また部
品が沈み込むのを防ぐように支える。真空はバインダを
排ガスするのを助け、金属が高い温度に置かれている間
に過度に酸化するのも防ぐ。加熱サイクルは等温浸漬速
度（isothermalsoak temperature ）（ＳＬＰＳ）まで
遅い傾斜速度（硼素拡散）を用い、その後、炉内で冷ま
すことを含む。
【００４７】図１４に示されるように、マグネットグラ
フィック印刷に基づいたＤＭＦプロセスでは、高速直接
金属形成プリンタ７２（ブル産業（Bull Industries ）
により開発され、黒鉛、炭素および重合体を含む磁性ト
ナー粉末を紙に印刷するタイプに類似のもの）を用い
て、所望の金属粉末混合物７８から形成される像７６を
基板キャリア７４に印刷し、いくつかの層の印刷された
キャリアを積層して生部品８０を形成し、これを図９に
示される熱サイクルにさらして最終部品を形成する。マ
グネットグラフィーは磁気合金粉末混合物でしか用いる
ことができない。高い温度において、ヘインズ２３０ベ
ースの混合物はトナーの磁気成分として用いるのに十分
な磁性を帯びている。高いＮｉまたはＦｅベースの合金
では、あるいはキュリー点未満であるより低い温度にお
いてプロセスを実現できるであろう。基板キャリア自体
が、炭素を与え炭素膜を形成させ還元元素を触媒する重
合体であってもよい。磁気印刷の原理はかなり古いもの
である。既に１８３９年には、Ｗ．ジョーンズ（W. Jon
es）が「自然の磁力による刷り」をつくることを提案
し、その結果が「リソグラフィと全く対等である」と主
張した。このプロセスの中心となるのは磁気的に感度の
ある印刷ドラム８２であり、これは「選択的に」磁化し
たり、消磁したりすることができ、磁界の別個の点によ
りドラムに像７６を転写することを可能にする。ドラム
は一定の速度、適当には毎分６０回転（ｒｐｍ）で回転
する。ドラムの外面は、磁気的に軟らかい基板に電着さ
れた磁気的に硬い層でできている。飽和保磁力は典型的
に５００エルステッドの範囲内にある。ドラムの機械的
強度のため、その媒体寿命は幾千万もの印刷に達するこ
とが予想される。各回転においてドラムは従来の消去バ
ー８４に励磁することにより磁気的にリセットされる。
【００４８】並列高速静的書込ヘッドアレイ８６は、別
個に制御される磁界により、回転するドラム８２に潜像
を転写する。静的記録ステーションはドラムを横切って
延在する並列アレイの磁気記録ヘッドからなる。印刷ヘ
ッドは、垂直記録閉ループ磁束動作を特徴とし、より高
い磁気効率をもたらし、そのため１００−１５０ミリア
ンペアの範囲内での低い駆動電流を用いることができ
る。さらに、磁気印刷ヘッドのこの構成のため、従来の
ヘッド構造では本来は不可能である、高い横方向の充填
密度において展開される能力がもたらされる。
【００４９】現在、１インチ当り２４０から３００ポー
ルの印刷密度が用いられている。こうした密度では、直
接金属製造に対して３００ｄｐｉの印刷解像度をもたら
すことが可能であり、これは将来開発が進めば恐らく６
００ｄｐｉを超えるであろう。この密度では幾千ものヘ
ッドが電子的に制御される。実際には、ヘッドはブロッ
クごとに構成され、または７本の選択された線上での内
部多重化を備えたモジュールとして構成される。すなわ
ち、ブロックを駆動するのに必要なのは４８ビットだけ
である。さらに、ヘッド動作は非常に速く、数マイクロ
秒であるため、記録ステーションを構成するのに用いら
れる異なるブロックをさらに時分割することができる。
つまり、４８ビットの電子バスはいくつかのブロックを
駆動するのに十分である。この静的並列ヘッドは、電子
写真の直列電気工学システムのマグネットグラフィー版
である。直列電気工学システムは多くの場合、レーザ音
響光学モジューラ、レンズおよび精密多角形ミラーから
なる。
【００５０】活性化されると、各ヘッドは直径が約１０
０μである小さな磁気の点を記録する。各々が永久磁化
を保つこのような点を組合わせたものが磁気潜像を構成
している。ドラムの表面の、ドラムにごく近接した付近
における、像により発達した外部磁界はかなり低く、典
型的に１００エルステッドから２００エルステッドのオ
ーダである。しかしながら磁界は非常に高い磁界勾配を
示しており、これは高解像度の金属粉末付着（pick-up
）を確立して、層ごとに構成される部品の印刷をつく
る際には非常に重要である。磁界勾配によりエッジ規定
の正確さと生部品の最終の公差とが定められる。こうし
た勾配のため、実際に磁気印刷方法が選択レーザ焼結能
力に優ることが可能となり、より良く制御でき、層ごと
の部分位置合わせがもたらされる。
【００５１】層ごとの金属像発達は磁気ドラム潜像を粉
末供給８８を通過させることによりなされ、ここで金属
粉末が標準の印刷プロセスにおけるトナーの役割を果た
す。静止したウエッジ９０により金属粉末粒がドラム８
２に接して蓄積され、十分な圧力が蓄積され、剪断力に
より粉末粒が像のない区域に付着するのを防ぐようにす
る。真空ナイフにより助けられる磁気掃去装置９２は、
拮抗力をもたらし、堆積される金属粉末の量を十分に制
御する。そこで、像を重合体基板キャリア膜７４に転写
する準備ができる。
【００５２】重合体基板は１対のローラ９４を通して引
き込まれ、その上部ローラは基板を加熱するため基板は
くっつきやすくなる。熱的に活性化された基板をドラム
にごく近接したローラ９６上を通過させることによりも
たらされる機械圧（６０％）により妥当な程度の転写力
がもたらされるが、残りの転写力は、金属粉末像に結合
しこれを印刷ドラムから引っ張る熱的に活性化された接
着重合体基板によりもたらされる。熱的に活性化された
重合体基板は、金属粉末をくっつけ、次に冷却ロール９
８により不活性化することができ、そのため像を残りの
ウェブの働きにより容易に扱うことができるようにする
という点でＨＳ−ＤＭＦプロセスにおいて欠くことので
きない要素である。
【００５３】像７６が転写された後、転写を免れた余分
な金属粉末をドラム表面からきれいに取除く。ドラム媒
体の機械的強度のため、単純なドクターブレードスクレ
ーパを用いるなど、非常に単純な方法を用いて効率よく
掃除することができる。捕らえた粉末は掃去した粉末と
ともにすべて回収して再利用することができる。磁気印
刷プロセスは粒度の分級現象から悪影響を受けることが
ないことが分析から立証されている。そのため、トナー
をリサイクルすることにより性能に影響が及ぶことはな
く、全体の転写効率が９８％と高くなる。
【００５４】ひとたび金属像７６の基板７４への転写が
完了すると、基板は機械１００に向けて進められ、機械
１００は基板をその予め印刷された位置合わせマーク１
０２に沿って剪断し、これを熱の下で加圧してこれを前
に印刷されたシートに積層し、部分的に形成された生部
品８０を下ろして次のシートを受け取るようにステッピ
ングモータ１０４に指し示す。同時に、ドラム８２は、
ＣＡＤファイルからの次の１組の層データにより再度像
が作られる。このプロセスは現在毎分約１００枚の速度
で実行できる。この速度では、部品のｚ軸において２イ
ンチ（約５ｃｍ）をつくるのに１０分しかかからない。
これはＳＬＳ方法によって約２インチが２０時間で達成
されることに匹敵する。
【００５５】マグネットグラフィック印刷に基づいたＤ
ＭＦでは市場までの時間および生産費が大幅に削減され
る。ＤＭＦプロセスでは型およびダイを用いず、またス
クラップ材料を出すことなく部品を製造することがで
き、たとえば５ポンド（約２３００ｇ）の材料から５ポ
ンドの部品が生産されることになる。生産費は金属粉末
原料と、真空炉を１３００℃において１２時間から３０
時間の間動作させるために必要な電力とに限られる。Ｄ
ＭＦでは、他のいずれの機械加工または製造方法でも本
来不可能である部品設計をつくる能力がもたらされる。
ＤＭＦにより、技術者および設計者が中空の金属部品、
逆カウンタリリーフ、複雑な内部構造および非常に複雑
な複合湾曲を製造できるようになる。層をなす堆積方法
から、粉末の複合組合せを実現し、機械的挙動を選択的
に構成する独特の能力が導入される。延性、靭性および
硬度は、標準の金属粉末と混合される微量元素、微粉末
粒および繊維により、決まった態様で調節される。同様
に、ＤＭＦプロセスはベース金属の完全な液相線融解お
よび再結晶を回避するので、概して強度が増す。
【００５６】図１５には、ＲＰＭプロセス１０６がマス
ター型１０８を形成するのに用いられる自由造形鋳造に
基づいたＤＭＦプロセスが示される。たとえば、立体リ
ソグラフィプロセスでは、低パワーの紫外線レーザビー
ム１１０を用いて感光性液体重合体１１２を凝固する。
各層が凝固された後、部品は液浴１１４の中へ増分的に
下ろされ、次の層のためのデータがＣＡＤファイル１１
６から読まれレーザを制御する。適当には７５−８５％
のヘインズ２３０および５−１５％の硼化したヘインズ
２３０である金属粉末混合物１１８は重合体樹脂または
エポキシ１２０と混合され、重合体樹脂またはエポキシ
１２０は金属粉末粒を濡らし結合させ、焼結することな
く型１０８内に生部品をもたらす。型１０８は次に炉１
２２内に置かれ、図９に表わされるタイプの熱サイクル
にさらされる。還元環境は慎重に制御されているため、
炭素の一部分だけが還元され、共晶還元元素の硼素を触
媒するのに十分な量は残される。冷めると最終部品１２
４は型から取外される。
【００５７】この発明のいくつかの例示的な実施例を示
し説明したが、当業者は数多くの変形および代替の実施
例に思い至るであろう。そのような変更および代替の実
施例も考慮され、添付の特許請求の範囲に規定されるこ
の発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＤＭＦプロセスを示すフローチャー
トの図である。
【図２】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図３】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図４】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図５】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図６】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図７】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図８】図１に示されるそれぞれ対応のステップに対応
するこの発明の炭素補助のＳＬＰＳを受ける金属合金粉
末粒の絵で表わした図である。
【図９】生部品から最終の緻密化された部品までの典型
的な熱サイクルのプロットの図である。
【図１０】複数の超固相線領域を示す金属合金のための
２元状態図である。
【図１１】ＳＬＰＳのための標準化した毛管圧対相対収
縮のプロットの図である。
【図１２】この発明に従って形成される代表的な最終部
品の部分的に切り欠いた図である。
【図１３】ＳＬＳに基づいたＤＭＦプロセスの概略図で
ある。
【図１４】金属組織学印刷に基づいたＤＭＦプロセスの
概略図である。
【図１５】自由造形鋳造に基づいたＤＭＦプロセスの概
略図である。
【符号の説明】
３０ 親金属合金Ｘ、３２ 共晶還元元素Ａ、３４ 炭
素前駆体、３６ 粒界、３８ 個々の粒子、３９ 硼化
したヘインズ２３０（合金Ｙ）、４０ 生部品、４１
単一の連続した熱サイクル、４２ 薄い炭素膜、４６
完全に均質の金属合金粉末、４８ 有機金属結合、５０
最終部品、５２ 状態図、５４ 超固相線領域、５６
液体領域、５８ 領域、６０ プロット、６２ ＳＬ
Ｓ機械、６４ 生部品、６６ 金属粉末混合物、６８
コンピュータ、７０ 真空炉、７２ 高速直接金属形成
プリンタ、７４ 基板キャリア、７６ 像、７８ 金属
粉末混合物、８０ 生部品、８２ 印刷ドラム、８４
消去バー、８６ 並列高速静的書込ヘッドアレイ、８８
粉末供給、９０ 静止したウエッジ、９２ 掃去装
置、９４ １対のローラ、９６ ローラ、９８ 冷却ロ
ール、１００ 機械、１０２ 予め印刷された位置合わ
せマーク、１０４ ステッピングモータ、１０６ ＲＰ
Ｍプロセス、１０８ マスター型、１１０ 低パワーの
紫外線レーザビーム、１１２ 感光性液体重合体、１１
４ 液浴、１１６ ＣＡＤファイル、１１８ 金属粉末
混合物、１２０ 重合体樹脂またはエポキシ、１２２
炉、１２４ 最終部品。
フロントページの続き (72)発明者 アイラ・ビィ・ゴールドバーグ アメリカ合衆国、91360 カリフォルニア 州、サウザンド・オークス、ウェストベリ ー・コート、54

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属部品の直接金属製造（ＤＭＦ）の方
    法であって、 炭素前駆体を用いて、粉末粒が共晶還元元素（Ａ）と混
    合される金属粉末合金（Ｘ）を濡らし、かつ粉末粒を結
    合して特定された形状を有する生部品を作るステップを
    含み、前記粉末粒は各々が粒界に沿って互いに結合され
    る複数の粒子を有しており、前記方法はさらにそのＣ＝
    Ｃ結合が前記部品の特定された形状を維持する薄い炭素
    （Ｃ）膜が残され触媒として作用して共晶還元元素が拡
    散して移動できるようにさせるような態様で前記炭素前
    駆体を部分的に還元させるステップと、 前記還元元素が前記粉末粒の間の界面において前記炭素
    膜と相互作用し、前記膜のＣ＝Ｃ結合よりかなり強い有
    機金属結合Ｃ＝Ａを形成するような態様で前記共晶還元
    元素を前記粉末粒の粒界に沿って拡散させるステップ
    と、 超固相線液相焼結（ＳＬＰＳ）を開始し、前記粉末粒の
    粒界に沿って液体膜を形成させ、粒子が表面張力および
    毛管圧に反応して互いに対して滑り、緻密化し、有機金
    属Ｃ＝Ａ結合が前記特定された形状を維持する最終部品
    を形成するステップとを含む、方法。
  2. 【請求項２】 前記共晶還元元素の濃度は、ａ）金属粉
    末合金の前記粒界を通って完全に拡散し、ｂ）前記炭素
    と反応して前記有機金属結合を形成し、ｃ）ＳＬＰＳを
    助けるのに十分であり、炭素の濃度は、ａ）還元に耐
    え、ｂ）前記薄い炭素膜を形成し、ｃ）前記共晶還元元
    素と反応して前記有機金属結合を形成するのに十分であ
    る、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記共晶還元元素は前記粒界に沿って拡
    散して移動できるよう十分に小さく、炭素との反応性が
    非常に高い、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記共晶還元元素は硼素である、請求項
    ３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記共晶還元元素は、前記共晶還元元素
    の濃度が高くされていることを除いて金属粉末合金Ｘと
    同じ元素組成を有する金属粉末合金Ｙ内へ導入される、
    請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 混合物は、７５−８５体積％の合金Ｘ
    と、０．１５−０．５重量％の元素Ａを含む５−１５体
    積％の合金Ｙと、その残りをなす前記炭素前駆体とを含
    む、請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記生部品を形成するのに、前記炭素前
    駆体が層ごとに選択レーザ焼結を用いて溶融され、前記
    生部品が形成される、請求項２に記載の方法。
  8. 【請求項８】 粉末混合物がマグネットグラフィック印
    刷プロセスを用いて基板キャリアに印刷され積層され、
    前記生部品が形成される、請求項２に記載の方法。
  9. 【請求項９】 粉末はプレキャスト型内で混合され、前
    記生部品が形成される、請求項２に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記生部品は炉の中に置かれ、前記炭
    素前駆体を部分的に還元し前記共晶還元元素を拡散しＳ
    ＬＰＳを開始する熱サイクルにさらされる、請求項１に
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記熱サイクルにおいて、前記炉の温
    度は ａ） その周囲温度から、前記前駆体が部分的に還元さ
    れ前記炭素膜が前記部品の表面に堆積される第１の温度
    範囲まで上昇し、 ｂ） 第２の温度範囲に上昇し、前記共晶還元元素の粒
    界拡散を開始させ、前記共晶元素がその平衡状態に達す
    るまで続け、 ｃ） 第３の温度範囲まで上昇してＳＬＰＳを開始さ
    せ、 ｄ） その周囲温度にまで冷まされ、前記最終部品の緻
    密化を完了させる、請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記第１、第２および第３の温度範囲
    は、それぞれ約（２００−５００℃）、（５００−１２
    ００℃）および（１２００−１３００℃）である、請求
    項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記生部品は、前記炭素前駆体から炭
    素のすべてを取り除くことができない環境において還元
    される、請求項１１に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記最終部品における炭素および前記
    共晶還元元素の濃度は十分に低く、前記最終部品が親金
    属粉末合金Ｘの材料品質を示す、請求項２に記載の方
    法。
  15. 【請求項１５】 金属部品の直接金属製造（ＤＭＦ）の
    方法であってある濃度の炭素（Ｃ）を有する重合体
    （Ｐ）と、合金（Ｙ）がより高いレベルの共晶還元元素
    Ａを有することを除いて実質的に同じ元素組成を有する
    金属粉末合金（Ｘ）および（Ｙ）との混合物をもたらす
    ステップを含み、前記ＸおよびＹ合金の粉末粒は各々、
    粒界に沿って互いに結合される複数の粒子を有し、前記
    方法はさらに前記重合体を用いて前記ＸおよびＹ合金粉
    末粒を濡らし結合して、特定された形状を有する生部品
    をつくるステップと、 単一の熱サイクルにおいて、 前記生部品を加熱して前記重合体を部分的に還元し、Ｃ
    ＝Ｃ結合が前記部品の特定された形状を維持する薄い炭
    素膜が残され触媒として作用し、共晶還元元素が拡散し
    て移動できるようにするステップと、 温度を上昇させ、前記混合物における元素Ａの平衡状態
    が達成されるまで、前記合金Ｙ粉末粒の前記粒界に沿っ
    て、前記炭素膜を通して、および隣接する合金Ｘ粉末粒
    の前記粒界に沿って、前記共晶還元元素の拡散を加速さ
    せ、前記混合物が、前記元素Ａが前記炭素膜と相互作用
    する際に形成される前記有機金属結合Ｃ＝Ａにより互い
    に保持される完全に均質化された金属粉末合金Ｚとなる
    ようにするステップと、 温度を合金Ｚの固相線温度より高く上昇させ、超固相線
    液相焼結（ＳＬＰＳ）を開始させ、超固相線液相焼結に
    おいて、液体膜が前記粉末粒の粒界に沿って形成され、
    そのため、表面張力および毛管圧に反応して前記粒子が
    互いに対して滑り、緻密化され、有機金属Ｃ＝Ａ結合が
    前記特定された形状を維持する最終部品が形成されるス
    テップとを含み、前記炭素および共晶還元元素は前記最
    終部品の小さい部分しか構成していないため前記最終部
    品が親合金Ｘの性質を示し、前記方法はさらに前記最終
    部品を冷まして緻密化を完了するステップを含む、方
    法。
  16. 【請求項１６】 前記共晶還元元素の濃度は、ａ）前記
    金属粉末合金ＸおよびＹの前記粒界を通って完全に拡散
    し、ｂ）合金粉末粒の間の界面において前記炭素と反応
    して十分な数の有機金属結合を形成し、ｃ）ＳＬＰＳを
    助けるのに十分であり、炭素の濃度はａ）還元に耐え、
    ｂ）前記薄い炭素膜を形成し、ｃ）前記共晶還元元素と
    反応して前記有機金属結合を形成するのに十分である、
    請求項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 混合物は、７５−８５体積％の合金Ｘ
    と、０．１５−０．５重量％の元素Ａを含む５−１５体
    積％の合金Ｙと、その残りをなす前記炭素前駆体とを含
    む、請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記生部品を形成するのに、前記炭素
    前駆体が層ごとに選択レーザ焼結を用いて溶融され、前
    記生部品が形成される、請求項１５に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 粉末混合物がマグネットグラフィック
    印刷プロセスを用いて基板キャリアに印刷され積層さ
    れ、前記生部品が形成される、請求項１５に記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】 粉末はプレキャスト型内で混合され、
    前記生部品が形成される、請求項１５に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 金属部品の直接金属製造（ＤＭＦ）の
    方法であって ａ） 親金属、共晶還元元素および重合体の粉末を混合
    して混合物を形成するステップと、 ｂ） 前記混合物の層をプラットホーム上に広げるステ
    ップと、 ｃ） エネルギのビームを前記層の選択される区域に向
    けて前記重合体の局部融解を起こすステップとを含み、
    前記重合体は再凝固して前記金属粉末を前記選択された
    区域において結合させ、前記方法はさらに ｄ） ステップｂおよびステップｃを繰返して生部品を
    つくるステップと、 ｅ） 前記生部品を炉の中に置き、炉の中で前記生部品
    は、ｆ）前記重合体を部分的に還元して、Ｃ＝Ｃ結合が
    前記部品の特定された形状を維持し、かつ触媒として作
    用し前記共晶還元元素が拡散して移動できるようにさせ
    る薄い炭素膜を残し、ｇ）前記隣接する合金Ｘ粉末粒の
    前記粒界に沿っての前記共晶還元元素の拡散を加速さ
    せ、有機金属結合Ｃ＝Ａを形成させ、ｈ）超固相線液相
    焼結（ＳＬＰＳ）を開始させ、前記粉末を緻密化し、有
    機金属Ｃ＝Ａ結合が前記特定された形状を維持する最終
    部品をつくり、ｉ）前記最終部品を冷まして緻密化を完
    了する熱サイクルにさらされるステップを含む、方法。
  22. 【請求項２２】 前記共晶還元元素の濃度は、ａ）金属
    粉末合金の前記粒界を通って完全に拡散し、ｂ）前記炭
    素と反応して前記有機金属結合を形成し、ｃ）ＳＬＰＳ
    を助けるのに十分であり、炭素の濃度は、ａ）還元に耐
    え、ｂ）前記薄い炭素膜を形成し、ｃ）前記共晶還元元
    素と反応して前記有機金属結合を形成するのに十分であ
    る、請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記共晶還元元素は、前記共晶還元元
    素の濃度が高くされていることを除いて金属粉末合金Ｘ
    と同じ元素組成を有する金属粉末合金Ｙ内へ導入され
    る、請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 混合物は、７５−８５体積％の合金Ｘ
    と、０．１５−０．５重量％の元素Ａを含む５−１５体
    積％の合金Ｙと、その残りをなす前記炭素前駆体とを含
    む、請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 金属部品の直接金属製造の方法であっ
    て ａ） 親金属、共晶還元元素および重合体の粉末を混合
    して混合物を形成するステップと、 ｂ） 前記混合物をマグネットグラフィックプリンタに
    供給し、前記マグネットグラフィックプリンタは前記混
    合物から形成される潜像を、熱的に活性化された基板キ
    ャリアのそれぞれのシート上に、これが前記プリンタを
    通って移動するにつれ順次印刷するステップと、 ｃ） 前記基板キャリアから次のシートを切取るステッ
    プと、 ｄ） 各々の連続するシートを前のシートの上に位置合
    わせし積層して、生部品を層ごとにつくるステップと、 ｅ） 前記生部品を炉の中に置き、炉の中で前記生部品
    は、ｆ）前記重合体を部分的に還元して、Ｃ＝Ｃ結合が
    前記部品の特定された形状を維持し、かつ触媒として作
    用し前記共晶還元元素が拡散して移動できるようにさせ
    る薄い炭素膜を残し、ｇ）前記隣接する合金Ｘ粉末粒の
    前記粒界に沿っての前記共晶還元元素の拡散を加速さ
    せ、有機金属結合Ｃ＝Ａを形成させ、ｈ）超固相線液相
    焼結（ＳＬＰＳ）を開始させ、前記粉末を緻密化し、有
    機金属Ｃ＝Ａ結合が前記特定された形状を維持する最終
    部品をつくり、ｉ）前記最終部品を冷まして緻密化を完
    了する熱サイクルにさらされるステップを含む、方法。
  26. 【請求項２６】 前記共晶還元元素の濃度は、ａ）金属
    粉末合金の前記粒界を通って完全に拡散し、ｂ）前記炭
    素と反応して十分な数の有機金属結合を形成し、ｃ）Ｌ
    ＰＳを助けるのに十分であり、炭素の濃度は、ａ）還元
    に耐え、ｂ）前記薄い炭素膜を形成し、ｃ）前記共晶還
    元元素と反応して前記有機金属結合を形成するのに十分
    である、請求項２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記共晶還元元素は、前記共晶還元元
    素の濃度が高くされていることを除いて金属粉末合金Ｘ
    と同じ元素組成を有する金属粉末合金Ｙ内へ導入され
    る、請求項２６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 混合物は、７５−８５体積％の合金Ｘ
    と、０．１５−０．５重量％の元素Ａを含む５−１５体
    積％の合金Ｙと、その残りをなす前記炭素前駆体とを含
    む、請求項２７に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記基板キャリアは、前記炭素膜およ
    び前記有機金属結合の形成のため炭素を与える重合体材
    料を含む、請求項２５に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記マグネットグラフィックプリンタ
    は、 回転するドラムと、 ＣＡＤファイルから電子潜像を磁気潜像の形で前記回転
    するドラム上に転写する静止書込ヘッドアレイと、 前記回転するドラムに前記混合物を供給し、これが前記
    磁気潜像に転写されるようにする粉末供給と、 前記基板キャリアを熱的に活性化させ、前記回転ドラム
    を通過して引き込み、前記潜像の形である前記混合物が
    前記基板キャリアの次のシート上に転写されるようにす
    る熱ローラと、 前記混合物が前記基板キャリアに転写された後に前記ド
    ラムから前記磁気潜像を磁気的に消去する消去バーと、 前記基板キャリアを熱的に不活性化させ、これを切断し
    て前記生部品に積層できるようにする冷却ロールとを含
    む、請求項２５に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 金属部品の直接金属製造（ＤＭＦ）の
    方法であって ａ） 生部品のためのマスター型をもたらすステップ
    と、 ｂ） 金属粉末合金および共晶還元元素を、前記型内で
    粉末粒を濡らし結合させる重合体樹脂と混合して前記生
    部品を形成するステップと、 ｃ） 前記型を炉の中に置き、炉の中で前記型は、ｆ）
    前記重合体樹脂を部分的に還元し、Ｃ＝Ｃ結合が前記部
    品の特定された形状を維持し触媒として作用して、前記
    共晶還元元素が拡散して移動できるようにさせる薄い炭
    素膜を残し、ｇ）隣接する合金Ｘ粉末粒の粒子領域に沿
    っての前記共晶還元元素の拡散を加速させ、有機金属結
    合Ｃ＝Ａを形成し、ｈ）超固相線液相焼結（ＳＬＰＳ）
    を開始させ、粉末を緻密化し、有機金属Ｃ＝Ａ結合が前
    記特定された形状を維持する最終部品をつくり、ｉ）前
    記最終部品を冷まして緻密化を完了させる熱サイクルに
    さらされるステップと、ｊ）前記最終部品を前記型から
    取外すステップとを含む、方法。
  32. 【請求項３２】 前記マスター型は急速原型製造（Ｒ
    Ｍ）プロセスを用いて形成される、請求項３１に記載の
    方法。
  33. 【請求項３３】 前記最終部品は前記金属粉末合金の材
    料品質を有する、請求項３１に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記生部品は、前記重合体樹脂内の炭
    素すべてを取り除くことができない前記炉内の環境にお
    いて還元される、請求項３１に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記共晶還元元素の濃度は、ａ）金属
    粉末合金の前記粒界を通って完全に拡散し、ｂ）前記炭
    素と反応して十分な数の有機金属結合を形成し、ｃ）Ｌ
    ＰＳを助けるのに十分であり、炭素の濃度は、ａ）還元
    に耐え、ｂ）前記薄い炭素膜を形成し、ｃ）前記共晶還
    元元素と反応して前記有機金属結合を形成するのに十分
    である、請求項３１に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 前記共晶還元元素は、前記共晶還元元
    素の濃度が高くされていることを除いて金属粉末合金Ｘ
    と同じ元素組成を有する金属粉末合金Ｙ内へ導入され
    る、請求項３５に記載の方法。
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