JP2020510138A - ボリュメトリック３ｄ印刷のシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

３Ｄ物体をボリュメトリックに作製するためのシステムおよび方法。このシステムは、ビルドボリュームおよび１つまたは複数のエネルギー源に動作可能に接続された少なくともコントローラを含む。ビルドボリュームは、作製されるべき物体の構築可能な体積のサイズを画定し、物体を作製するための媒体をその中に含む。エネルギー源は、少なくとも第１のエネルギービームおよび第２のエネルギービームをそこから放射するように構成されている。コントローラは、第１の放射エネルギービームおよび第２の放射エネルギービームをビルドボリューム内の交差点の方に向けて、その中の媒体から物体を作製し始めるように構成されている。第１のビームおよび第２のビームのそれぞれからのエネルギーは、媒体から物体を作製するのに十分ではない。複数のビームが交差すると、集合的に、交差しているビームのエネルギーは物体を作製するのに十分となるので物体が作製される。

Description

本開示は、一般に、付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）プロセスに関し、より詳細には、ボリュメトリック３Ｄ印刷システムおよびこれを用いる方法に関する。

付加製造により、モールドまたはダイを必要とすることなく高速プロトタイピングが可能である。ステレオリソグラフィ、熱溶解積層法、３Ｄ印刷、レーザ焼結およびレーザ直接積層を含む、多くのタイプの付加製造のアプローチが存在する。付加製造は、低コストの適応およびカスタマイズされた製品の構築を提供し、複数の材料から構築される可能性のある軽量で複雑な形状を可能にする。これらのタイプの付加製造方法のそれぞれで、点ごとまたは層ごとのいずれかで材料の蓄積が必要である。

付加製造は製品が構築される方法に革命を起こすと時々考えられてきたが、付加製造を用いる各コンポーネントの製造時間のため、この製造方法は伝統的な製造方法に取って代わらなかった。たとえば、上のタイプの付加製造プロセスのいずれかにおいて各層が完成した後、プロセスを継続することができるように、たとえば、粉末の追加層が追加される。しばしば、これらのプロセスは、次の層へと継続することができる前に、追加された材料が硬化するまでの待機期間を含む。このアプローチは、たとえば、伝統的な焼結または射出成形よりも本質的に遅い。この製造速度の不足は、コストの増加、量の減少、ひいては市場シェアの限定に直接つながる。

製造速度の不足に対する１つの解決策は、多数の低コストの３Ｄプリンタを提供することであり、これにより、より多くの個人が所望の製品を直接製造することが可能になる。他のアプローチは、１つのプリンタにおいて複数のプロトタイプを互いに重ねて印刷して、層および３Ｄプリンタごとの印刷材料を最大化することである。しかしながら、このアプローチでは、あらゆる材料の硬化、追加の粉末の提供、および清掃の必要性から、待機時間が増加することが知られている。

一実施形態において、物理的物体をボリュメトリックに作製するための方法が提供される。この方法は、物体を作製するための材料を中に配置させたビルドボリュームを提供するステップを含むことができる。この方法は、少なくとも第１のエネルギービームおよび第２のエネルギービームを、ビルドボリューム内の交差点、たとえば、ナゲットの方に向けるステップをさらに含むことができる。第１のビームと第２のビームとが交差すると、物体は材料から実体化し始める。第１のビームおよび第２のビームは、個々のビームでは材料から物体を作製するのに十分ではなく、代わりに、第１のビームおよび第２のビームは交差点で集合的に、物体を作製し始めるのに十分となるように構成することができる。

この方法は、エネルギー源の１つまたは複数を書き込みモードから読み取りモードに切り替えるステップをさらに含み、書き込みモードはビームを放射して物体を作製するモードであり、読み取りモードはビルドボリュームの内部、たとえば、材料および／または物体を走査して、加工中の物体の進行状況または状態を判断するように動作可能である。状態を判断するため、たとえば、走査された情報は、作製中の部品の形状または特徴に関連する画像または情報を含むことができる。走査された情報は次いで、作製プロセスを継続するようにエネルギー源の１つまたは複数のパラメータを調整するためのコントローラまたは他の装置に送信することができる。この方法は、支持構造の１つによって、または音響浮揚を介して、作製された物体を支持するステップをさらに含むことができる。

本明細書で提供される開示に従う、物体をボリュメトリックに３Ｄ印刷するためのシステムの実施形態のブロック図を示す。 図１のシステムで利用することができる、本明細書で提供される開示に従うコントローラの例示的な実施形態を示す。 図１のシステムで利用することができる、本明細書で提供される開示に従うビルドボリュームおよびエネルギー源の例示的な実施形態を示す。 図１のシステムで利用することができる、本明細書で提供される開示に従うビルドボリュームおよびエネルギー源の他の例示的な実施形態を示す。 図１のシステムで利用することができる、本明細書で提供される開示に従うビルドボリュームおよびエネルギー源のさらに他の例示的な実施形態を示す。 本明細書で提供される開示に従う、部品をボリュメトリックに作製する方法の例示的な実施形態のためのフローチャートを示す。

様々な実施形態を構成するものとして以下に記載する構成要素および材料は、例示的であることが意図されており、限定的ではない。本明細書に記載の材料と同じまたは類似の機能を実行するであろう多くの適切な構成要素および材料が、本発明の実施形態の範囲内に包含されることが意図されている。

一般に、本明細書に記載のコンピューティングシステムおよびデバイスは、メモリまたは他の記憶媒体と通信する、たとえば、１つまたは複数のプロセッサ（たとえば、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）、ＡＭＤ（登録商標）、Ｓａｍｓｕｎｇ（登録商標））などのいくつかのコンピューティングコンポーネントおよび回路によって組み立てることができる。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュ可能またはフラッシュ不可能なリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ハードディスクドライブ、フラッシュドライブ、または当業者に知られ、記憶能力を有する任意の他のタイプのメモリとすることができる。コンピューティングシステムおよびデバイスは、クラウドコンピューティング技術を利用して、記憶能力、プログラム命令の実行などのいくつかの機能を促進することもできる。コンピューティングシステムおよびデバイスは、他のデバイスとの有線通信を実現するために必要な他のハードウェアおよびソフトウェアに加えて、たとえば、１つまたは複数のネットワークインターフェイスカード（ＮＩＣ）または類似の機能を有する回路、１つまたは複数の一方向または多方向ポート（たとえば、双方向補助ポート、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートなど）などの１つまたは複数の通信コンポーネントをさらに含むことができる。通信コンポーネントは、システム内で無線通信を実現する種類のブロードキャストハードウェアに結合することができる無線送信機、受信機（または統合トランシーバ）、たとえば、赤外線トランシーバ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）トランシーバ、または当業者に知られ、情報の転送を促進するのに役立つ任意の他の無線通信をさらに含むことができる。

ここで図面を参照すると、図は本明細書の主題の実施形態を例示することのみを目的としており、これを限定するためのものではない。図１は、物体をボリュメトリックに３Ｄ印刷するためのシステム１００の実施形態のブロック図を示す。システム１００は、有線または無線通信リンク１５０を介して、システム１００内の１つまたは複数の装置、たとえば、１つまたは複数のビルドボリューム３００および／またはエネルギー源４００に動作可能に接続され、エネルギー源４００を動作可能に制御してビルドボリューム３００内の材料から物体を変形および／または作成するための１つまたは複数のコントローラ２００を含むことができる。本発明者らの新規な３Ｄ印刷プロセスを用いて、ビルドボリューム内の材料から、３Ｄの物理的物体および部品を作製することができ、そのトポロジーおよびジオメトリーは通常、３Ｄデジタルモデルを介して記述する、たとえば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）技術を介して作成することができる。

引き続き図、次に図２を参照すると、コントローラ２００は少なくともプロセッサ２０２を含むことができ、プロセッサ２０２は、メモリ２０４に動作可能に接続され、メモリ２０４、またはプロセッサ２０２に動作可能に接続された他のデータ記憶コンポーネント２０６、たとえば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブなどに格納された制御アプリケーション２５０の１つまたは複数の命令またはコマンドを実行する。制御アプリケーション２５０は、システム１００の装置の１つまたは複数、たとえば、エネルギー源４００および作製プロセスを促進するためにそこから放射される任意のエネルギーを制御するための命令を含むことができることが理解されるべきである。コントローラ２００はユーザインターフェイス２０８をさらに含むことができ、ユーザインターフェイス２０８は、ユーザ入力を受信し、ディスプレイ（図示せず）上に表示可能な出力を生成するための任意の一般的なインターフェイスとすることができる。コントローラ２００はまた、コントローラ２００とシステム１００の他の装置との間の通信を促進するネットワークアダプタ／トランシーバ２１０を含むことができる。

引き続き図、次に図３から図５を参照すると、ビルドボリューム３００は、適切な量の材料または媒体ＭＴを少なくとも部分的に収容するように設計された完全または部分的なエンクロージャまたはコンテナとすることができ、たとえば作製／製造されるべき物体または部品（図示せず）の最大構築可能サイズを表す容積を画定している。すなわち、代表的な画定された容積は、作製プロセスの完了時に、ビルドボリューム３００が作製された物体を収容することができるようでなければならない。材料ＭＴは、作製されるべき部品または物体に応じて、たとえば、アルミニウム、鋼、高ニッケル合金、および他の過酷な環境および／または熱に耐性のある金属、ならびにセラミックおよびガラス材料を含むことができる。

例示的な一実施形態において、図３および図４に示すように、ビルドボリューム３００は、たとえば、４つ以上の面またはサイドパネルから形成された直方体形状を有することができる。図３は、４つの側壁３０２と、少なくとも上部パネル３０４およびベースパネル３０６とを備えたビルドボリュームの実施形態を示す。

加えて、またはあるいは、ビルドボリューム３００は、印刷部品を形成するためのボリューム内の材料、たとえば、ナゲットまたは他の構造を懸架するベースパネル３０６とともに、またはその代わりに用いられるべきプラットフォーム、台座または同様の部材３０８を含むことができる。この実施形態において、制御アプリケーション２５０は、たとえば、作製プロセス中に、プラットフォームの回転または他の運動（たとえば、振動運動）を制御するための命令を含むことができることが理解されるべきである。加えて、またはあるいは、２つ以上のワイヤ３１０、コードまたは同様の構造物が、ビルドボリュームを通って延び、または、たとえば、ビルドボリューム内のナゲットまたは印刷物体の一部を懸架するためにビルドボリューム内に位置し、たとえば、取り外し可能にまたは恒久的に固定され得る。

さらに他の実施形態において、印刷された物体または部品を形成する材料は、音響または音波浮揚を介してビルドボリューム３００内に懸架または収容することができる。音響浮揚は、音、またはより具体的には、音の特性、たとえば、波または振動を用いて、固体、液体、および気体、たとえば、重い気体を浮かせるプロセスである。１つまたは複数の音響または浮揚装置４５０、たとえば、超音波装置、音響送信機、スピーカなどを介して材料ＭＴまたは部品ＰＴに向けて波を送信および／または指向することができる。この装置４５０は、制御アプリケーション２５０の制御下で、作製プロセス中に材料または部品を浮揚または固定するために、これに向けて、たとえば、音波の焦点を指向および制御するための、またはプロセスの完了時に部品ＰＴを運搬するための、コントローラ２００に動作可能に接続することができる。

浮かんでいる材料は、ビルドボリューム３００内の領域に、またはビルドボリューム３００が提供されない実施形態においては定義された印刷領域（図示せず）に限定され、放射エネルギーはこの時、交差して材料に作用するために指向させることができることが理解されるべきである。印刷された部品の一部または部品を形成するための材料を、音響浮揚を介して懸架、または所定の位置に保持することにより、ビルドボリュームの定義された容積を超えることができる体積を有する物体の構築または作製が可能になる。ベース、プラットフォーム、ワイヤ、浮揚装置、または圧縮空気の任意の組み合わせを、ビルドボリューム３００内に少なくとも部分的に部品または部品を形成する任意の材料を懸架するために用いることができることも理解されるべきである。

引き続き図を参照すると、直方体のビルドボリューム３００、またはパネルもしくは壁の１つまたは複数は、ビルドボリューム３００内に物体を構築するために任意の放射エネルギーを通過させることを可能にするための透明または半透明の材料で構成することができる。加えて、またはあるいは、上部３０４およびベースパネル３０６は、エネルギーが通過することを可能にするために、サイドパネルと同じまたは類似の材料から構築することができる。

図５を参照すると、ビルドボリューム３００は、円筒状または球状の形状を含むことができる。円筒状または球状の形状は、ビルドボリューム３００の回転対称性を提供することができることが理解されるべきである。直方体と同様に、円筒状または球状のビルドボリュームは、エネルギー源４００からの放射エネルギーが通過してビルドボリューム３００内の材料に伝達され得るように、透明または半透明の材料で構成することができる。ビルドボリュームは、任意の多角形状、たとえば、三角形状、または半円形のパネルに取り付けられてビルドボリューム３００の少なくとも部分的なエンクロージャを形成し、したがってビルドボリュームの少なくとも一部が弓形の輪郭になる、少なくとも１つのパネル、たとえば、平面を含む他の混成形状で構成することができることがさらに理解されるべきである。

加えて、またはあるいは、ビルドボリュームは、その中に位置する支持物体を含むことができる。支持物体は、ビルドボリュームのパネルのいずれかに結合して、物理的物体の作製中に、印刷物品、たとえば、物理的物体が、移動する、たとえば、浮くまたは沈むことを防ぐのを助けることができる。支持物体の例は、たとえば、１つまたは複数のパネルの内側部分から物理的物体に向かって延びるレバー、ロッド、または同様の部材を含むことができる。レバーは、ビルドボリューム内でこのように作製プロセス中に可動にヒンジで取り付けられて終始支持を提供することができる。支持物体は、作製プロセス中に加工されている材料と干渉しないように、ビルドボリューム内で生成されるエネルギー、たとえば、熱に耐性のある材料から作ることができることが理解されるべきである。音響熱またはレーザ加熱エネルギーの影響を受けにくいこのような材料の例は、特定の金属または高温セラミックであり得る。加えて、またはあるいは、支持物体の一部、たとえば、印刷物品と係合する部分は、支持物体から生じるおそれのあるあらゆる損傷、たとえば、表面損傷から印刷物品を保護する保護材料を含むことができる。

加えて、またはあるいは、さらなる実施形態において、支持物体／構造は、作製プロセス中に減少させることができる材料で構成される一時的構造であってもよい。この実施形態において、材料の減少は、高出力で複数の交差するレーザを用いる蒸発に基づいていてもよい。この実施形態において、支持構造は、将来の印刷領域の印刷のために最初に作成し、その後その構造または支持構造の少なくとも一部がもはや残らないように、蒸発プロセスを介して破壊することができる。

ビルドボリュームが液体材料を含む実施形態において、支持物体は、作製プロセス中に、印刷物体が位置を変化させることを防ぐ、たとえば、浮いたり沈んだりすることを防ぐように配置されるべきである。加えて、またはあるいは、本明細書に開示されたように、ビルドボリューム３００の任意の実施形態内の作製部品および／または材料のための支持を、音響浮揚を介して提供することができる。本明細書に記載の支持構造の組み合わせを、材料および／または印刷物体を支持することに利用することができることがさらに理解されるべきである。たとえば、ビルドボリューム内で印刷物体を支持するために、たとえば、レバーとともに音響浮揚を用いることができる。

引き続き図を参照すると、ビルドボリューム３００の任意の実施形態は、ビルドボリューム３００の材料への放射エネルギーの伝達を促進するために、恒久的または選択的に取り付けられた１つまたは複数のガイド３５０を含むことができる。図３の実施形態において、複数のガイド３５０、たとえば、波ガイドが、エネルギーエミッタとビルドボリューム内の材料との間でビルドボリュームに含まれるか、または一体化され得る。例示的な一実施形態において、ガイド３５０は、パネル３０２またはビルドボリューム３００の壁のいずれかにおける１つまたは複数の開口（図示せず）を介してビルドボリューム内の材料に向かって延びることができ、これはビルドボリューム３００内の材料へのアクセスを提供している。ガイド３５０は、材料へのアクセスを提供するためのパネル内の開口を少なくとも部分的に通って延びることができるようなサイズにすることができることを理解すべきである。ガイド３５０は、たとえば、溶接または当該技術において知られている任意の他の締結および接続手段によってビルドボリューム３００に取り付けることができ、またはさらなる実施形態において、ガイドは１つまたは複数のパネルと一体に形成することができる。加えて、またはあるいは、ガイド３５０は、ビルドボリューム３００内の第１の位置から、ビルドボリューム３００の壁を通って少なくとも部分的に延びる第２の位置まで移動可能とすることができる。コントローラ２００は、制御アプリケーションの制御下で、可動ガイド３５０を作製プロセスの必要に応じて伸縮させ、放射エネルギーをビルドボリューム３００内の材料に向けて案内するのを助けることができる。

加えて、またはあるいは、ビルドボリューム３００は、透明な窓またはインターフェイスをさらに含むことができる。この実施形態において、たとえば、ガイドは、ビルドボリュームに選択的に取り付けられ、その中の材料へのアクセスを提供するための任意のパネルの透明な窓またはインターフェイス上に配置することができる。エネルギー源が音響エネルギー源である場合、透明の窓は、ビルドボリュームまたはガイド内に配置された任意の材料、またはエネルギー源の音響インピーダンスに一致または類似した音響インピーダンスを有してもよいことが理解されるべきである。

引き続き図を参照すると、エネルギー源４００は、音響エミッタのアレイ（図３）またはレーザエネルギー源（図４）とすることができる。エネルギー源４００は、たとえば、コントローラ２００を介して制御アプリケーション２５０の制御下で、作製プロセス中にそこから放射されるエネルギーを制御するように、独立して構成または調整することができる。

図３は、エネルギー源４００が複数の音響エミッタを含む実施形態を示す。この例示的な実施形態において、各パネル、またはパネルのサブセットは、実質的に均一な方法で互いに隣接して配置されて、エネルギーをビルドボリューム３００内に放射するためのパネルの少なくとも一部またはパネル全体を覆う小さな音響源を含むことができる。各エネルギー源４００、たとえば、各音響エミッタは、ビルドボリューム３００内の材料に向けられた任意の放射エネルギーを案内するための対応するガイド３５０と位置を合わせることができることが理解されるべきである。

互いに隣接して配置された複数のエネルギー源４００は、エネルギー源のグループを形成する。エネルギー源の複数のグループは、たとえば、エネルギー源の次のグループから等距離に離れて、ビルドボリュームの周りに均一に配置することができる。音響源のそれぞれは、電力および周波数に関して、たとえば、コントローラ２００を介して、互いに独立して電力供給および制御することができる。ビルドボリューム３００の外面の周りの音響源の強度も、たとえば、プロセスが作成を意図するボリュームの３Ｄ形状に沿った焦点干渉パターンを作成するように、コントローラ２００を介して、リアルタイムで制御することができる。

エネルギー源の調整は、たとえば、そこから放射される音響エネルギーの位相、振幅および／または周波数を調整することを含むことができる。一実施形態において、音響エミッタのアレイは、ビームステアリングおよびビームフォーミングＢＦ（図３）が可能な調整されたフェーズドアレイエミッタとすることができる。音響エミッタの位相、振幅および周波数の１つまたは複数の調整により、物体を作成するためのビルドボリューム３００内の音響エネルギーのステアリングまたは案内が可能になり得る。

この調整は、単一のエネルギー源４００から放射されるエネルギーが、ビルドボリューム内の材料に作用してその中に物体、すなわち印刷部品を作成するのに十分になり得ないようにすべきである。代わりに、複数のエネルギー源、たとえば、２つ以上のエネルギー源から放射されるエネルギーが、エネルギー源から放射されるエネルギーが交差する交差点ＩＰでビルドボリューム内に物体を構築し始めるために必要とされ得ることが理解されるべきである。すなわち、放射エネルギーが交差する点ＩＰは、物体を印刷する作製プロセス中に材料に作用し始めるのに十分なエネルギーを作成する。

引き続き図を参照すると、エネルギー源４００がレーザエネルギー源であり得る実施形態において、そこから放射されるレーザエネルギーは連続的、たとえば、連続的レーザビーム、またはパルスとすることができる。この実施形態において、音響エネルギーの実施形態と同様に、単一のレーザエネルギー源４００から放射されるエネルギー、たとえば、エネルギービームは、ビルドボリューム内の材料に作用するのに十分にはなり得ず、代わりに、複数のエネルギー源４００から交差点ＩＰで生成されるエネルギーが、ビルドボリューム３００内で物体を作製するための材料に作用するために必要とされ得る。さらなる例示的な実施形態において、物体を作成するための作製プロセス中に、異なるエネルギー源４００の組み合わせを利用することができることが理解されるべきである。

さらなる実施形態において、単一のエネルギー源４００が、２つ以上のエネルギー源として機能するように動作可能に構成されてもよい。すなわち、単一のエネルギー源が、部品を作製するためのビルドボリューム内の材料に向かって複数のビームを放射するように構成されてもよい。この実施形態において、複数のビームが交差するときにのみ、材料を加工することができる。すなわち、単一の放射ビームでは材料を溶かすのに十分ではないであろう。代わりに、部品を形成するための材料を溶かすために、単一のエネルギー源４００からの複数の交差ビームが必要になり得る。

加えて、またはあるいは、エネルギー源４００のいずれの実施形態でも、ビルドボリューム３００に組み込まれるか、またはビルドボリュームの外側部分に選択的に取り付けられ、放射エネルギーをビルドボリューム内の材料、たとえば、作製の初期点を定義するナゲットに向けることができるように配置することができる。

本明細書で用いるナゲットは、製造されるべき物品が始まる焦点構築点を説明することができる。一実施形態において、ナゲットは、ビルドボリューム内に選択的に配置または堆積された、または放射エネルギーが交差する点で形成される、加工されるべき材料のクラスタとすることができる。加えて、またはあるいは、ナゲットは、コントローラを介して、たとえば、制御アプリケーションの制御下で、放射エネルギーの交差の初期点、すなわち、複数のビームが交差し、部品が材料から成長し始める初期点での材料として識別することができる。加えて、またはあるいは、ナゲットは、物体または作製中の物体に特有の他の構造であってもよい。たとえば、例示的な一実施形態において、ナゲットはプロセッサ、たとえば、シリコンベースの処理回路であってもよい。この実施形態において、グリッパ（図示せず）または同様のツールを用いて、ナゲットをビルドボリュームの上部中の１つまたは複数の開口を介してビルドボリューム内に下げることができる。ナゲットを下げると、ナゲットの表面が、交差する放射エネルギービームを介して加熱され、ナゲットから構造を成長させる。

加えて、またはあるいは、システム１００は、ビルドボリューム３００内に材料ＭＴを補充するための手段を含むことができる。材料ＭＴを補充するための手段は、外部装置、コンテナ、または、材料ＭＴを収容し、たとえば、材料ＭＴを、たとえば、ビルドボリューム３００内の印刷領域に供給するように適合およびサイズ決めされた１つまたは複数のチューブまたは入口を介して、ビルドボリューム３００に動作可能に接続される同様の構造物であってもよい。材料を補充するための手段は、たとえば、コンテナから印刷領域に移送されている材料ＭＴの流れを制御するための命令を含むことができる制御アプリケーション２５０の制御下でコントローラ２００を介して制御することができる。加えて、またはあるいは、補充源またはコンテナは、ビルドボリューム３００内かつ印刷領域の外側に位置し、部品を作製するために加工されている任意の材料と実質的に干渉しない材料で構成することができる。

引き続き図を参照すると、システム１００は、ビルドボリューム３００または印刷領域内で粉末材料を循環させるための手段をさらに含むことができる。粉末材料を循環させるための手段は、ビルドボリューム３００内の粉末材料の循環を促進および集中させるように動作可能なエアジェット流（図示せず）または同様の装置とすることができる。

引き続き図、次に図６を参照すると、ボリュメトリック３Ｄ印刷のための方法１０００が提供される。方法１０００の例示的な実施形態において、ビルドボリュームは、加工されるべき材料で満たされる（１００５）。１つまたは複数のガイドを含むビルドボリュームの実施形態において、１つまたは複数のガイドも、ビルドボリューム内の材料と同じまたは類似の材料を含んでもよいことが理解されるべきである。作製動作中に反射が生じないよう、ガイドの材料は、ビルドボリューム内の材料と同じまたは類似の音響インピーダンスを有することができる。たとえば、ビルドボリュームがアルミニウム粉末材料を含む実施形態において、鋼はアルミニウムより高い融点を有することが知られているため、ガイドは鉄または鋼粉末材料で満たすことができる。ガイド内の材料、たとえば、鋼粉末材料のサイズは、ビルドボリューム内の材料のサイズに対して減少させることができることがさらに理解されるべきである。加えて、ガイド材料はビルドボリューム３００内の材料ＭＴより熱耐性があることに基づいて、ガイド３５０においてより高いエネルギー密度を得ることができる。

引き続き図を参照すると、材料は、たとえば、特定のタイプ／スペクトルの放射、たとえば、熱、紫外線などを通じて硬化する液体、樹脂、または粉末材料を含むことができる。音響エネルギーを用いる実施形態において、液体フィラー材料がより良い波伝播を可能にすることができることが理解されるべきである。材料は、たとえば、金属、合金、およびポリマーを含むことができ、これらは室温では固相であることができるとともに、制御された高温に曝されると、液相（たとえば、溶融物）に変化する。

加えて、またはあるいは、ビルドボリューム３００は気体で満たされてもよく、すなわち、ビルドボリューム３００内の材料、たとえば粉末材料とともに、またはその代わりに気体を用いてもよい。気体のタイプは、たとえば、ヘリウム、アルゴン、窒素を含むことができる。

ビルドボリュームが作製プロセスのために準備される、すなわち、加工されるべき材料ＭＴを含むと、エネルギー源４００を、ビルドボリューム３００、より具体的には、印刷領域内の材料ＭＴの方に向けることができる（１０１０）。その後、エネルギー源４００から放射される任意のエネルギーを、中心点、たとえば、作製されるべき物体／部品の中心点にもなり得る、ビルドボリューム内のナゲット上に向けることができる（１０１５）。ビルドボリューム内の材料は、２つ以上のエネルギー源からの放射エネルギーが交差すると加工される。すなわち、放射ビームは、ビルドボリューム内で交差して材料から部品を印刷し始めるように、ステアリングおよび指向される（１０２０）。この実施形態において、放射エネルギーを中心点の方に指向またはステアリングすることにより、部品を内側から、たとえば、内面から外面へ、または適切な場合はその逆で作製することが可能になる。放射エネルギーが交差する場合、１つまたは複数のボクセルが硬化または焼結材料（たとえば、粉末、液体、樹脂、または気体）から形成され、固体の印刷製品が得られるように、交差点ＩＰをラスターすることができる。

印刷材料が、たとえば、分子レベルで気体または液体に溶解する実施形態において、放射されたレーザエネルギーを用いて、印刷材料を成長させることを目的とするホットスポットを作成することができる。印刷材料は、たとえば、ハロゲンに溶解し、印刷領域に供給することができる。レーザを用いて、材料を追加する必要がある領域にホットスポットを作成することができる。ホットスポットにより、溶解した材料をハロゲンから分離することができ、それは加熱された材料に付着することになる。この材料は、非常に細かく制御された方法で成長させることができる。分子溶解材料ではなく微粉末を用いるとき、表面は、粉末粒子が対象の表面点に焼結する点まで加熱することができる。ビルドボリューム３００内の粉末材料は、作製プロセス中に、たとえば、塵雲のように印刷領域内で連続的に漂うことができることが理解されるべきである。

説明したように、各エネルギー源４００は、単一の源からの放射エネルギーが、ビルドボリューム内の材料を加工する、たとえば、溶かして最終部品を構築するのに十分ではないように構成されるべきである。本明細書で用いたように、十分ではないということは、単一の放射エネルギーはベース材料に対して限定的な効果しか、または全く効果を持たないことを意味する。加えて、材料は放射エネルギーの十分な伝播深さを可能にしなければならない。

この方法で部品を作製することにより、従来の層ごとのプロセスの代わりに、たとえば、部品のボリュームの等値面に従って配置することができる複雑な３Ｄ表面輪郭で、ボリューム内の材料を成長させる、すなわち、構築することができる。このプロセスの結果として得られる製品／部品は、部品のボリュームのトポロジーに従うため、圧力に対する耐性が高い製品になる。ボリュームの内側部分から外側部分への作製を実現することによって、このプロセスは、最終部品の一部として固化していないが、最終製品から除去する必要があるあらゆる粉末についてのコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）フェーズの逃げ道の必要性を低減することが理解されるべきである。逃げ道は、作製が完了した後に余分な材料を除去するために、たとえば、粉末ベースの付加製造で用いられる。加えて、本明細書の発明者らの開示に従って作製された部品の外面は、等値面が部品の外面の形状に整合するため、より高い品質を有することになる。

引き続き図を参照すると、加えて、またはあるいは、方法１０００は、たとえば、作製プロセス中に、エネルギー源を書き込みモードから読み取りモードに切り替えることをさらに含むことができる（１０２５）。たとえば、エネルギー源が音響アレイである実施形態において、音響アレイの１つまたは複数またはそれぞれは、書き込みモードまたは読み取りモードで動作可能とすることができる。書き込みモードは、ビルドボリューム内の粉末を一時的に溶かし、所望の形状に固化させる音の建設的干渉であり得る。読み取りモードは、アレイによって生成され、シリンダの外面上の同じまたは異なるアレイによって読み取られ得るはるかに低い力の音響信号の反射的または横方向の読み取りを含むことができる。この例示的な実施形態において、介在する反射材料が特性を、たとえば、粉末から固体に変えるにつれて、書き込みモード中に対象の音響経路長が変化することがあるため、書き込みモードを停止して所定の期間後に読み取りモードを開始することにより、ビルドボリューム内部のリアルタイムの音響３Ｄ環境を特徴付けることが可能になる。この特徴は続いて、たとえば、コントローラ２００、エネルギー源４００またはアレイを制御／駆動するために動作可能に構成された他の装置に送り返されることになるであろう。この特徴、すなわち、読み取り情報を受信すると、アレイを駆動する装置は、書き込みビーム、たとえば、音響ビームをより正確に制御するように調整することができる（１０３０）。

加えて、またはあるいは、カメラ５００（図５）、ビデオレコーダ、または同様の装置が、作製プロセス中にリアルタイムのフィードバックを提供するために、システム１００内、たとえば、ビルドボリューム３００内に、またはそれに動作可能に接続されて提供されてもよい。この実施形態において、たとえば、エネルギー源４００がレーザエネルギー源である場合、カメラ５００は、どのように光が場を伝播しているかに関する情報を提供し、この情報に基づいて、放射エネルギー特性、たとえば、電磁ビームの強度および／または深さに対して調整を行って書き込みビームをより正確に制御することができる。

さらなる実施形態において、方法１０００は、印刷物体内に１つまたは複数の空洞を形成して、作製プロセス中に硬化しなかった余分な材料を逃がすステップを含むことができる。加えて、またはあるいは、方法１０００は、余分な材料または残留物を除去するのを支援するために溶媒を加えることをさらに含むことができる。たとえば、微細な耐水性粉末がベース材料である実施形態において、水を任意の空洞に挿入することができ、たとえば、微粒子の溶液を水中に作成し、たとえば、超音波ミキサーを介して加えることができる。この溶液を次いで印刷物体から洗い流し、表面空洞を閉じることができる。溶液を沈殿させることによって、またはろ過することによって、残っている材料を回収することができる。

本発明者らは今や、既知の３Ｄ印刷技術のようにスライスごとではなく、任意の物体をボリュメトリックに印刷することができる手段を開発したことが理解されるべきである。本明細書で提供された開示に従う装置および物体の印刷時間は、何倍も速くなるであろう。多くの後続の干渉パターンを作成して、固体になる必要があるビルドボリューム内のすべての点を加熱して溶かさなければならないことがさらに理解されるべきである。本明細書に開示された実施形態に従って、干渉パターンを作成するとき、複数の加熱点を同時に生成することができ、その結果、必要に応じて、ビルドボリューム全体がより速くカバーされる。したがって、同じ干渉パターン内で、ボリューム内の複数の点を同時に溶かして固体にすることができる。

具体的な実施形態を詳細に説明してきたが、当業者は、本開示の全体的な教示に照らせば、これらの詳細に対する様々な修正および代替案を開発することができるであろうことを理解するであろう。たとえば、異なる実施形態に関連して説明した要素は組み合わせることができる。したがって、開示された特定の構成は、例示のみを意味しており、添付の特許請求の範囲、およびそのあらゆる同等物の全幅が与えられるべき、請求項または開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語はオープンエンドであり、他の要素またはステップを排除するものではなく、冠詞「ａ」または「ａｎ」の使用は複数を排除しないことに留意すべきである。

１５０ 有線または無線通信リンク
２００ コントローラ
３００ ビルドボリューム
４００ エネルギー源
２０２ プロセッサ
２０４ メモリ
２０６ データ記憶コンポーネント
２０８ ユーザインターフェイス
２１０ ネットワークアダプタ／トランシーバ
２５０ 制御アプリケーション
３０２ 側壁
３０４ 上部パネル
３０６ ベースパネル
３５０ ガイド
３０８ 台座
３１０ ワイヤ
４５０ 音響または浮揚装置
５００ カメラ

Claims (29)

1. 物理的物体をボリュメトリックに作製するための方法であって、
   ビルドボリューム（３００）内の交差点の方に複数のエネルギービームを指向するステップ（１０１０）であって、それにより少なくとも２つのエネルギービームが前記交差点で交差して、前記ビルドボリューム内の媒体から前記物理的物体を作製する、ステップ
   を含む、方法。
2. 前記ビルドボリュームは、前記物体の最大構築可能サイズを表し、前記指向されたエネルギービームが通過して前記媒体に到達することを可能にするための透明部分を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数のエネルギービームは単一のエネルギー源から指向される、請求項１に記載の方法。
4. 前記複数のエネルギービームは複数のエネルギー源（４００）から指向される、請求項１に記載の方法。
5. 前記エネルギー源は、複数のフェーズドアレイ音響トランスデューサまたはレーザエネルギー源の一方である、請求項４に記載の方法。
6. 前記ビルドボリュームは、前記エネルギー源と前記ビルドボリューム内の前記媒体との間に位置し、前記エネルギー源から放射された前記エネルギービームを指向するための複数のガイド（３５０）を含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記エネルギー源は前記複数のフェーズドアレイ音響トランスデューサであり、各ガイドが、前記ビルドボリューム内の前記媒体と同じまたは類似の音響インピーダンスを有する媒体を含む、請求項５に記載の方法。
8. 各エネルギー源は、前記放射エネルギーを前記ビルドボリューム内の前記媒体の方に指向するためのそれぞれのガイドと位置を合わせている、請求項６に記載の方法。
9. 前記ビルドボリュームの少なくとも内部を走査して、前記作製された物体の状態を判断するステップと、前記判断された状態に基づいて前記１つまたは複数のエネルギー源の１つまたは複数のパラメータを調整して前記物体を作製することを継続するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ビルドボリュームの少なくとも内部を走査して、前記作製された物体の状態を判断するステップと、前記判断された状態に基づいて前記エネルギー源の１つまたは複数のパラメータを調整して前記物体を作製することを継続するステップと、
    をさらに含む、請求項５に記載の方法。
11. 前記内部を走査し、前記１つまたは複数のパラメータを調整するためのコントローラに前記走査された情報を送信するために、カメラ（５００）が前記ビルドボリュームおよび前記コントローラ（２００）に動作可能に接続されている、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ビルドボリューム内の前記媒体は、微粒粉末材料、液体材料、および気体の１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記ビルドボリュームは直方体形状を含むとともに複数のフェイスパネル（３０２、３０４、３０６）を含み、前記複数のガイドは少なくとも２つの異なるフェイスパネルから延びる、請求項６に記載の方法。
14. 前記ビルドボリュームは円筒形状または球形状を含み、前記ガイドは前記ビルドボリュームの周囲に均一に配置される、請求項６に記載の方法。
15. 前記エネルギー源は複数のフェーズドアレイ音響トランスデューサであり、前記複数のフェーズドアレイ音響トランスデューサの１つまたは複数は、前記ビルドボリュームの前記内部を走査し、前記作製された物体の状態を判断するように読み取りモードで動作可能である、請求項１０に記載の方法。
16. 前記ビルドボリュームに配置された支持構造、前記作製された物体の下の可動プラットフォーム、ビルドボリュームの内部から懸架された、または少なくとも部分的にそこを通って延びる１つまたは複数のワイヤ、および音響浮揚のうちの１つまたは複数によって、前記ビルドボリュームの前記媒体または前記作製された物体の少なくとも一部を支持するステップ
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
17. 作製されるべき物体の構築可能なサイズを表し、前記物体を作製するための媒体を中に含む、ビルドボリューム（３００）と、
    １つまたは複数のエネルギー源（４００）に動作可能に接続され、前記１つまたは複数のエネルギー源が、少なくとも第１のエネルギーおよび第２のエネルギーを、放射された前記第１のエネルギーおよび第２のエネルギーが集合的に前記媒体から前記物体を作製するのに十分となるように、前記媒体内の交差点に向けて放射するように構成された、コントローラ（２００）と、
    を含む３Ｄボリュメトリック印刷システム。
18. 放射された前記第１のエネルギーおよび第２のエネルギーは単一のエネルギー源からのものである、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記１つまたは複数のエネルギー源は、複数のフェーズドアレイ音響トランスデューサまたはレーザエネルギー源の１つまたは複数である、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記ビルドボリュームから延び、前記１つまたは複数のエネルギー源と前記ビルドボリューム内の前記媒体との間に配置された１つまたは複数のガイド（３５０）
    をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
21. 前記エネルギー源は複数のフェーズドアレイ音響トランスデューサであり、前記１つまたは複数のガイドは、前記ビルドボリューム内の前記媒体と同じまたは類似の音響インピーダンスを有する媒体を含む、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記ビルドボリュームの少なくとも内部を走査して、前記作製された物体の状態を判断し、前記判断された状態に基づいて前記１つまたは複数のエネルギー源の１つまたは複数のパラメータを調整して、前記物体を作製することを継続するために、前記ビルドボリュームおよびコントローラに動作可能に接続されたカメラ（５００）
    をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
23. 前記エネルギー源の少なくとも１つが読み取りモードで動作可能であり、前記読み取りモードを起動すると、前記読み取りモードのエネルギー源は、前記ビルドボリュームの内部を走査して、前記作製されている物体の状態を判断するように構成され、前記コントローラは、前記判断された状態に基づいて前記１つまたは複数のエネルギー源の１つまたは複数のパラメータを調整して前記物体を作製することを継続するように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
24. 前記ビルドボリュームおよび前記コントローラに動作可能に接続され、前記ビルドボリューム内の媒体を補充するための手段
    をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
25. 前記補充するための手段は、１つまたは複数の供給ラインを介して前記ビルドボリュームに動作可能に接続された保管装置であり、前記保管装置は、前記ビルドボリューム内の前記媒体と同じまたは類似の媒体を含み、前記媒体を補充するための手段は、前記同じまたは類似の媒体を前記保管装置から前記ビルドボリュームの定義された印刷領域に指向する、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記ビルドボリュームおよび前記コントローラに動作可能に接続され、前記ビルドボリューム内で前記媒体を循環させる手段であって、前記材料を循環させる前記手段は、前記ビルドボリュームの定義された印刷領域内で前記媒体を循環させる、手段
    をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
27. 前記ビルドボリュームは、前記物体の最大構築可能サイズを表す、請求項１７に記載のシステム。
28. 前記ビルドボリュームは、直方体形状、円筒形状、または球形状のうちの１つを含む、請求項１７に記載のシステム。
29. 請求項１に記載の方法によって作製される部品。

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