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課題・解決手段

付加製造方法は以下の工程を含むことができる:第1および第2の材料を用意すること、この第2の材料は第1の材料と反応することによって反応生成物を形成することができる;少なくとも第1の材料から第1の層を形成すること;第1の層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させることによって物品の一部分を形成するのに十分なものであり、その物品の一部分は反応生成物を含む;第1の層の上に少なくとも第1の材料の第2の層を形成すること;および、第2の層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させることによって物品の追加の部分を形成するのに十分なものである。

概要

背景

付加製造の技術は数十年間にわたって知られていて、現在はあらゆる広範囲の用途に適した広範囲の部品および物品を製造するために用いられる。最も一般的な付加製造のプロセスは、次の三つの主要なカテゴリー分類することができる。すなわち、粉末床焼結または溶融押出し、および噴射またはワイヤ送給による指向性エネルギー堆積である。一つのタイプの粉末床焼結法または溶融法(これは選択的レーザー焼結または溶融あるいは直接金属レーザー焼結と呼ぶことができる)は、単一層粉末材料の中に模様を描くためにレーザービーム指向性エネルギー源を利用する。レーザーからの熱が、なぞった模様を焼結または溶融させて、その層の厚さを有する固体ピースとする。適当な材料供給装置を用いて、焼結したばかりの層の上に別の粉末の層を施すことができる。次いで、このプロセスを繰り返し、三次元物体が形成されるまで行う。しかし、各々の材料の層を形成するのに要するエネルギー製造速度を制限し、また物体を製造するのに必要な装置のコストは増大し、この場合、セラミックス材料は典型的に金属よりも多くのエネルギーを必要とし、同様にプラスチックよりも多くのエネルギーを必要とする。

物品を形成するための別のプロセスは反応合成である。反応合成は、従来の焼結プロセスで可能な速度よりもずっと速く焼結材を形成するために用いることができる化学的プロセスである。典型的な反応合成プロセスには、化学的性質が似ていない二つ以上の反応物質(典型的には粉末の形態のもの)を共に混合することが含まれる。混合粉末圧縮して圧縮物品または圧縮粉を形成するために、プレス型を用いることができる。あるいは、粉末混合物を収容するために金型またはるつぼを用いてもよい。次いで、成分の間で化学反応を開始させるために熱を加えることができる。このプロセスはしばしば発熱を伴い、その結果、一つ以上の新たな相が形成する。例えば、炉または炎からの熱によって、チタン炭素粉末の混合物の中で反応を開始させることができる。結合の反応によって熱が放出されて、炭化チタン焼結セラミックス相が形成する。この反応によって生成する熱はその周囲の粉末へ広がり、存在するあらゆる反応物質を通して伝播する反応を生じさせる。そのようなプロセスの幾つかには、熱を吸収することによって反応を制御するための一つ以上の不活性種(これは希釈剤と呼ばれることがある)の添加が含まれる。

反応合成法は、セラミックス、金属、金属間化合物ポリマー、および複合材料を含めた多くのタイプの材料を製造するために用いられてきた。しかし、大部分の反応合成法はダイや金型の設計と製作を含む広範な加工処理工程を必要とし、典型的には、細部に制限のある単純な形状の物品を製造するために用いることができるに過ぎず、従って、このようなプロセスには限界がある。

概要

付加製造方法は以下の工程を含むことができる:第1および第2の材料を用意すること、この第2の材料は第1の材料と反応することによって反応生成物を形成することができる;少なくとも第1の材料から第1の層を形成すること;第1の層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させることによって物品の一部分を形成するのに十分なものであり、その物品の一部分は反応生成物を含む;第1の層の上に少なくとも第1の材料の第2の層を形成すること;および、第2の層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させることによって物品の追加の部分を形成するのに十分なものである。

目的

また、反応で合成されるセラミックス相に対するマトリックスとして提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

物品を製造するための方法であって、以下の工程:第1の材料を用意すること;第2の材料を用意すること、前記第2の材料は前記第1の材料と反応して反応生成物を形成することができる;少なくとも前記第1の材料から第1の層を形成すること;前記第1の層の少なくとも一部を前記第2の材料の存在下でエネルギーさらすこと、前記エネルギーは前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させて前記物品の一部分を形成するのに十分なものであり、前記物品の前記一部分は前記反応生成物を含む;前記第1の層の上に少なくとも前記第1の材料の第2の層を形成すること;および前記第2の層の少なくとも一部を前記第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、前記エネルギーは前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させて前記物品の追加の部分を形成するのに十分なものである;を含む、前記方法。

請求項2

前記第1の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第1の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な指向性のエネルギーにさらすことを含み、そして前記第2の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第2の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な指向性のエネルギーにさらすことを含む、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記第1の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第1の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な局所的なエネルギーにさらすことを含み、そして前記第2の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第2の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な局所的なエネルギーにさらすことを含む、請求項1に記載の方法。

請求項4

前記第1の材料および前記第2の材料を混合して混合材料を形成することをさらに含み、前記混合材料は前記第1の材料および前記第2の材料の実質的に均質な混合物を含み、そして前記第1の層および前記第2の層を形成することは、前記混合材料から前記第1の層および前記第2の層を形成することを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。

請求項5

前記形成することは、前記混合材料を圧縮して前記第1の層および前記第2の層を形成することを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。

請求項6

前記第1の材料および前記第2の材料は粉末を含み、そして前記混合材料は粉末を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。

請求項7

前記混合材料を第3の材料と合体させて混合ペーストを形成することをさらに含み、前記混合ペーストは前記第1の材料、前記第2の材料、および前記第3の材料の実質的に均質な混合物を含み、そして前記第1の層および前記第2の層を形成することは、前記混合ペーストを押し出して前記第1の層および前記第2の層を形成することを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記第3の材料は液体を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。

請求項9

前記第3の材料は結合剤を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。

請求項10

希釈物質の供給を用意することをさらに含み、前記希釈物質は前記第1の材料および前記第2の材料の間の反応を抑制する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。

請求項11

前記第1の層および前記第2の層を指向性のエネルギーにさらすことは、前記第1の層および前記第2の層にレーザービームを向けることを含む、請求項2および請求項4〜10のいずれか一項に記載の方法。

請求項12

前記第1の層および前記第2の層にレーザービームを向けることは、前記第1の層および前記第2の層に赤外波長範囲波長を有するレーザービームを向けることを含む、請求項11に記載の方法。

請求項13

前記第1の層および前記第2の層を指向性のエネルギーにさらすことは、前記第1の層および前記第2の層に電子ビームを向けることを含む、請求項2および請求項4〜10のいずれか一項に記載の方法。

請求項14

前記第1の層および前記第2の層を指向性のエネルギーにさらすことは、前記第1の層および前記第2の層を電気プラズマアークにさらすことを含む、請求項2および請求項4〜10のいずれか一項に記載の方法。

請求項15

前記混合する工程、形成する工程、およびさらす工程は不活性雰囲気の中で行われる、請求項4〜14のいずれか一項に記載の方法。

請求項16

前記第2の材料はプロセスガスを含み、前記さらす工程は前記プロセスガスを含む雰囲気の中で行われる、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。

請求項17

前記プロセスガスは窒素ガスを含む、請求項16に記載の方法。

請求項18

前記物品を形成後にエネルギーにさらして前記物品中に残っている未反応の物質を反応させることをさらに含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法。

請求項19

前記物品を形成後にエネルギーにさらすことは、前記物品を炉内で加熱して前記物品中に残っている未反応の物質を反応させることを含む、請求項18に記載の方法。

請求項20

物品を製造するための付加製造方法であって、以下の工程:a)第1の粉末材料と第2の粉末材料を含む混合粉末を用意すること、前記第1の粉末材料および前記第2の粉末材料はエネルギーを加えると互いに反応して反応生成物を形成することができる;b)前記混合粉末から第1の層を形成すること;c)前記第1の層の少なくとも一部を前記第1の粉末材料および前記第2の粉末材料の間で反応を開始させるのに十分なエネルギーにさらして前記反応生成物を形成すること、前記第1の層における前記反応生成物は前記物品の少なくとも一部分を形成する;d)前記第1の層の上に追加の量の前記混合粉末を供給して第2の層を形成すること;およびe)前記第2の層の少なくとも一部を前記第1の粉末材料および前記第2の粉末材料の間で前記反応を開始させるのに十分なエネルギーにさらして前記反応生成物を形成すること、前記第2の圧縮された層における前記反応生成物もまた前記物品の一部分を形成する;を含む、前記方法。

請求項21

前記物品が完全に形成されるまで工程d)およびe)を繰り返すことをさらに含む、請求項20に記載の方法。

請求項22

前記第1の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第1の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な指向性のエネルギーにさらすことを含み、そして前記第2の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第2の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な指向性のエネルギーにさらすことを含む、請求項20または21に記載の方法。

請求項23

前記第1の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第1の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な局所的なエネルギーにさらすことを含み、そして前記第2の層の少なくとも一部をエネルギーにさらすことは、前記第2の層の少なくとも一部を前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な局所的なエネルギーにさらすことを含む、請求項20または21に記載の方法。

請求項24

前記混合粉末を圧縮して第1の圧縮層を形成することをさらに含む、請求項20〜23のいずれか一項に記載の方法。

請求項25

前記物品を形成後にエネルギーにさらして前記物品中に残っている未反応の物質を反応させることをさらに含む、請求項21〜24のいずれか一項に記載の方法。

請求項26

物品を製造する方法であって、以下の工程:第1の材料を粉末の形態で用意すること;第2の材料を粉末の形態で用意すること、前記第2の材料は前記第1の材料と反応して反応生成物を形成することができる;前記第1の材料および前記第2の材料を第3の材料とともに合体させて混合ペーストを形成すること、前記混合ペーストは前記第1の材料、前記第2の材料および前記第3の材料の実質的に均質な混合物を含む;前記混合ペーストを押し出して未処理の物品を形成すること;および前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な温度まで前記未処理の物品を加熱して前記物品を形成すること、前記物品は前記反応生成物を含む;を含む、前記方法。

請求項27

前記押し出した混合ペーストから未処理の物品を形成することは、互いに隣接する前記押し出した混合ペーストの個々の層を堆積させることによって層状の構造物を形成することを含む、請求項26に記載の方法。

請求項28

前記第3の材料は水を含み、そして前記合体させることは、前記第1の材料および前記第2の材料を前記水と合体させて前記混合ペーストを形成することを含む、請求項26または27に記載の方法。

請求項29

前記第3の材料は結合剤を含み、そして前記合体させることは、前記第1の材料および前記第2の材料を前記結合剤と合体させて前記混合ペーストを形成することを含む、請求項26〜28のいずれか一項に記載の方法。

請求項30

物品を製造するための付加製造方法であって、以下の工程:混合ペーストを用意すること、前記混合ペーストは第1の粉末材料、第2の粉末材料および第3の材料の実質的に均質な混合物を含み、少なくとも前記第1の粉末材料および前記第2の粉末材料はエネルギーを加えると互いに反応して反応生成物を形成することができる;前記混合ペーストを押し出すこと;前記混合ペーストの個々の層を作り上げることによって、前記押し出した混合ペーストから未処理の物品を形成すること;および前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な温度まで前記未処理の物品を加熱して前記物品を形成すること、前記物品は前記反応生成物を含む;を含む、前記方法。

請求項31

物品を製造するための付加製造方法であって、以下の工程:混合ペーストを用意すること、前記混合ペーストは第1の粉末材料、第2の粉末材料および第3の材料の実質的に均質な混合物を含み、少なくとも前記第1の粉末材料および前記第2の粉末材料はエネルギーを加えると互いに反応して反応生成物を形成することができる;前記混合ペーストを押し出して前記物品の少なくとも一部を形成すること;および前記押出しの間に前記混合ペーストをエネルギーにさらすこと、前記エネルギーは前記混合ペーストにおいて反応を開始させて前記反応生成物を形成するのに十分なものである;を含む、前記方法。

請求項32

予め存在する物品に材料を付加する方法であって、以下の工程:第1の材料を用意すること;第2の材料を用意すること、前記第2の材料は前記第1の材料と反応して反応生成物を形成することができる;前記予め存在する物品の少なくとも一部分の上に少なくとも前記第1の材料から層を形成すること;および前記層の少なくとも一部を前記第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、前記エネルギーは前記第1の材料および前記第2の材料の間で反応を開始させて前記反応生成物を形成するのに十分なものであり、前記反応生成物は前記予め存在する物品の少なくとも一部分の上の追加の層を含む;を含む、前記方法。

技術分野

0001

本発明は、概して言えば付加製造に関し、特に、反応性材料を用いて付加製造を行うための方法と装置に関する。

背景技術

0002

付加製造の技術は数十年間にわたって知られていて、現在はあらゆる広範囲の用途に適した広範囲の部品および物品を製造するために用いられる。最も一般的な付加製造のプロセスは、次の三つの主要なカテゴリー分類することができる。すなわち、粉末床焼結または溶融押出し、および噴射またはワイヤ送給による指向性エネルギー堆積である。一つのタイプの粉末床焼結法または溶融法(これは選択的レーザー焼結または溶融あるいは直接金属レーザー焼結と呼ぶことができる)は、単一層粉末材料の中に模様を描くためにレーザービーム指向性エネルギー源を利用する。レーザーからの熱が、なぞった模様を焼結または溶融させて、その層の厚さを有する固体ピースとする。適当な材料供給装置を用いて、焼結したばかりの層の上に別の粉末の層を施すことができる。次いで、このプロセスを繰り返し、三次元物体が形成されるまで行う。しかし、各々の材料の層を形成するのに要するエネルギー製造速度を制限し、また物体を製造するのに必要な装置のコストは増大し、この場合、セラミックス材料は典型的に金属よりも多くのエネルギーを必要とし、同様にプラスチックよりも多くのエネルギーを必要とする。

0003

物品を形成するための別のプロセスは反応合成である。反応合成は、従来の焼結プロセスで可能な速度よりもずっと速く焼結材を形成するために用いることができる化学的プロセスである。典型的な反応合成プロセスには、化学的性質が似ていない二つ以上の反応物質(典型的には粉末の形態のもの)を共に混合することが含まれる。混合粉末圧縮して圧縮物品または圧縮粉を形成するために、プレス型を用いることができる。あるいは、粉末混合物を収容するために金型またはるつぼを用いてもよい。次いで、成分の間で化学反応を開始させるために熱を加えることができる。このプロセスはしばしば発熱を伴い、その結果、一つ以上の新たな相が形成する。例えば、炉または炎からの熱によって、チタン炭素粉末の混合物の中で反応を開始させることができる。結合の反応によって熱が放出されて、炭化チタン焼結セラミックス相が形成する。この反応によって生成する熱はその周囲の粉末へ広がり、存在するあらゆる反応物質を通して伝播する反応を生じさせる。そのようなプロセスの幾つかには、熱を吸収することによって反応を制御するための一つ以上の不活性種(これは希釈剤と呼ばれることがある)の添加が含まれる。

0004

反応合成法は、セラミックス、金属、金属間化合物ポリマー、および複合材料を含めた多くのタイプの材料を製造するために用いられてきた。しかし、大部分の反応合成法はダイや金型の設計と製作を含む広範な加工処理工程を必要とし、典型的には、細部に制限のある単純な形状の物品を製造するために用いることができるに過ぎず、従って、このようなプロセスには限界がある。

0005

物品を製造するための付加製造方法の一つの態様は、以下の工程を含むことができる:第1の材料を用意すること;第2の材料を用意すること、この第2の材料は第1の材料と反応して反応生成物を形成することができる;少なくとも第1の材料から第1の層を形成すること;第1の層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させて物品の一部分を形成するのに十分なものであり、その物品の一部分は反応生成物を含む;第1の層の上に少なくとも第1の材料の第2の層を形成すること;および、第2の層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させて物品の追加の部分を形成するのに十分なものである。

0006

物品を製造するための付加製造方法の別の態様は、以下の工程を含むことができる:第1の粉末材料と第2の粉末材料を含む混合粉末を用意すること、第1および第2の粉末材料はエネルギーを加えると互いに反応して反応生成物を形成することができる;混合粉末から第1の層を形成すること;第1の層の少なくとも一部を第1および第2の粉末材料の間で反応を開始させるのに十分なエネルギーにさらして反応生成物を形成すること、第1の層におけるその反応生成物は物品の一部分を形成する;第1の層の上に追加の量の混合粉末を形成して第2の層を形成すること;および、第2の層の少なくとも一部を第1および第2の粉末材料の間で反応を開始させるのに十分なエネルギーにさらして反応生成物を形成すること、第2の層におけるその反応生成物もまた物品の一部分を形成する。

0007

同様に開示されるものは、物品を製造する方法であって、この方法は以下の工程を含む:第1の材料を粉末の形態で用意すること;第2の材料を粉末の形態で用意すること、この第2の材料は第1の材料と反応して反応生成物を形成することができる;第1および第2の材料を第3の材料とともに合体させて混合ペーストを形成すること、この混合ペーストは第1、第2および第3の材料の実質的に均質な混合物を含む;混合ペーストを押し出すこと;押し出した混合ペーストから未処理の物品を形成すること;および、少なくとも第1および第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な温度まで未処理の物品を加熱して物品を形成すること、この物品は反応生成物を含む。

0008

以下の工程を含む、物品を製造するための付加製造方法も開示される:混合ペーストを用意すること、この混合ペーストは第1の粉末材料、第2の粉末材料および第3の材料の実質的に均質な混合物を含み、第1および第2の粉末材料はエネルギーを加えると互いに反応して反応生成物を形成することができる;混合ペーストを押し出すこと;混合ペーストの個々の層を作り上げることによって、押し出した混合ペーストから未処理の物品を形成すること;および、第1および第2の材料の間で反応を開始させるのに十分な温度まで未処理の物品を加熱して物品を形成すること、この物品は反応生成物を含む。

0009

物品を製造するための別の付加製造方法は、以下の工程を含むことができる:混合ペーストを用意すること、この混合ペーストは第1の粉末材料、第2の粉末材料および第3の材料の実質的に均質な混合物を含み、少なくとも第1および第2の粉末材料はエネルギーを加えると互いに反応して反応生成物を形成することができる;混合ペーストを押し出して物品の少なくとも一部を形成すること;および、前記の押出しの間に混合ペーストをエネルギーにさらすこと、このエネルギーは前記の混合ペーストにおいて反応を開始させて反応生成物を形成するのに十分なものである。

0010

同様に開示されるものは、予め存在する物品に材料を付加する方法であって、この方法は以下の工程を含む:第1の材料を用意すること;第2の材料を用意すること、この第2の材料は第1の材料と反応して反応生成物を形成することができる;少なくとも第1の材料を予め存在する物品の少なくとも一部分の上の層を形成すること;および、層の少なくとも一部を第2の材料の存在下でエネルギーにさらすこと、このエネルギーは第1および第2の材料の間で反応を開始させて反応生成物を形成するのに十分なものであり、この反応生成物は予め存在する物品の少なくとも一部分の上の追加の層を含む。

図面の簡単な説明

0011

本発明の例示的かつ現在において好ましい典型的な態様を図面で示す。
図1は、本発明の第1の態様に係る反応性付加製造プロセスの工程流れ図である。
図2は、本発明の第2の態様に係る反応性付加製造プロセスの工程流れ図である。
図3は、反応性付加製造プロセスの第3の態様の工程流れ図である。
図4は、実施例1の物品の一部分の5000倍の倍率での走査型電子顕微鏡写真である。

0012

反応性付加製造プロセス10の一つの態様は図1に例示されていて、これは、少なくとも第1の材料12と第2の材料14の供給物を用意することを含むことができる。第1および第2の材料12および14は、最終の物品または製品16を形成するためのエネルギーを加えると互いに反応することができる。幾つかの態様において、第1および第2の材料12および14は粉末を含むことができるが、しかし、第1および第2の材料12および14を粉末の形態で供給することは必須のことではない。例えば、別の態様においては、第2の材料14をガス状で(例えば、第1の材料12を包囲する雰囲気で)供給してもよく、そしてプロセスを行う間の適当な時点で第1の材料12と反応するように利用してもよい。さらに、本明細書中で後にもっと詳しく説明するが、製造するべき最終の製品16のタイプを含めた広範な因子に応じて、追加の反応物質の材料18、希釈剤20、液体22、および結合剤24のような追加の材料を添加してもよい。

0013

幾つかの態様において、用いられる特定の(複数の)材料を(例えば、ミキサーまたはブレンダー26の中で)結合させるか、あるいは混合して、混合材料28を形成してもよい。次いで、混合材料28を(例えば、工程30において)適当な基部34の上で第1の層32に形成することができる。あるいは、一つの主要な成分だけが関与する場合は(例えば、第2の材料14がガス状で供給される態様においては)、混合工程を省いて、第1の材料12から単独で第1の層32を形成してもよい。幾つかの態様において、第1の層32を、任意の圧縮プロセス36において材料(例えば、第1の材料12または混合材料28のいずれか)を圧縮することによって形成してもよい。あるいは(そして/または追加して)様々な材料(例えば、第1の材料12または混合材料28)を任意の蒸発プロセス38にさらして、それにより、場合によっては第1の材料12または混合材料28のいずれかの中に存在するかもしれない液体成分を除去してもよい。

0014

第1の層32を形成するために用いることができる特定の材料およびプロセスの如何にかかわらず、次いで、反応性付加製造プロセス10を工程40へ進めてもよく、ここで第1の層32の少なくとも一部は、少なくとも第1および第2の材料12および14の間の反応を開始させるのに十分なエネルギーにさらされ、それにより反応生成物が形成される。幾つかの態様において、レーザービーム44のような指向性エネルギーのビーム42によってエネルギーを供給してもよい。別の態様において、ヒーターまたは熱フィラメント243のような局所的なエネルギー源によってエネルギーを供給してもよい(図3)。エネルギーが指向性エネルギービーム42によって供給される態様においては、指向性エネルギーのビーム42を、第1の層32の上を所望のパターンで移動させてもよく、その結果、製造されている物品16の反応した部分または層32’が形成するだろう。物品16の反応した部分または層32’は主として反応した生成物で構成されているであろうが、しかしそれは、未反応の量の第1および第2の材料12および14および/または第1および第2の材料12および14の部分的に反応した生成物のような、他の材料を比較的少ない量で含んでいてもよい。特定の態様に応じて、工程40を、反応性ガス(例えば、これは幾つかの態様における第2の材料14を含んでいてもよい)または不活性ガスのようなプロセスガス46の存在下で行ってもよい。あるいは、工程40を真空48または部分真空の中で行ってもよい。

0015

所望の物品16の第1の層32が反応して、反応した第1の層32’が形成した後、工程30を繰り返してもよく、これにおいて、反応したばかりの第1の層32’の上に第2の層50が形成される。その後、工程40を再び行ってもよく、これにおいて、物品16の反応した第2の層50’を形成するために、エネルギー(例えば、指向性エネルギービーム42からのエネルギー)が第2の層50へ、少なくとも第1および第2の材料12および14の間の反応を開始させるのに十分な量で供給される。物品16の反応した第2の部分または層50’もまた、主として少なくとも第1および第2の材料12および14の反応生成物で構成されているであろうが、しかしそれにもまた、他の材料が含まれていてもよい。物品16が完成したことを(例えば、工程52において)判別した後、プロセス10を終えることができる。

0016

特定の態様に応じて、製造したばかりの物品16は、様々な反応した層(例えば、32’および50’)を形成するために用いられた第1および第2の材料12および14の未反応の部分によって取り囲まれているかもしれない。最終の製品または物品16を露出させるために、(例えば、機械的に)そのような材料を除去してもよい。

0017

本発明の顕著な利点は、広範囲の形状、材料組成、および機械的または構造的な特性を含む物品を製造するためにこれを用いることができる、ということである。特に、高強度の部品を製造するための現行の付加製造方法は典型的に、所望の製品の組成と同じ組成の均質な粉末材料を用いる。このやり方では、高品質の部品を製造するためには、現行の付加製造プロセスによって首尾よく利用することができる材料の選択が限定されていた。最も一般的な商業的に利用できる付加製造プロセスのための現行の材料の選択は、現在は主としてポリマーと特定の合金に限定されている。大部分の現行の付加製造プロセスは材料の溶融温度の近傍またはそれよりも高い温度まで部品の層を加熱することを拠りどころとしているので、多くのセラミックスのような高温材料は高いエネルギーの入力を必要とし、これらのプロセスで製造することは困難である。現行のプロセスの限界のために、セラミックス、金属間化合物、および金属セラミックス複合材料は、付加製造プロセスで用いるためには多くは利用できない。

0018

セラミックス材料の場合、従来のセラミックス加工法によって製造されるセラミックス物品の特性は、微細粒の焼結セラミックス物品を製造するために小さな粒子サイズ(例えば、約10μm未満、そしてしばしば約1μm未満の直径)のセラミックス成分の粉末の使用によって、しばしば改善することができる。そのような極度微細な粒子サイズは、大部分の現行の粉末床付加製造プロセスにおいては用いることができない。何故ならば、微細な粉末の低い流動性のために、平らに広がった層を得ることが困難になるからである。

0019

公知の製作プロセスと関連する様々な制限、欠点、および不利益と対比して、本発明の反応性付加製造プロセスは、材料の組成、エネルギー要件、および製造の容易さの点で顕著な改善と選択肢を与える。

0020

例えば、様々な成分(例えば、第1および第2の材料12および14)の間の発熱性の化学反応によってエネルギーが放出される態様においては、粉末の形態の材料の完成した物品16への融合を達成するために必要な外部エネルギーの入力は、より少ない。低い外部エネルギーの要件は、製造速度の増大および/または設備コストの低下を可能にする。本発明は、従来の付加製造プロセスでは可能あるいは実際的であるとは考えられていなかった材料を使用するための付加製造技術を可能にする。反応物質の融点は多くの場合、製品物質の融点よりも低いので、本発明によって利用されるその場での製品の合成は、高温の製品段階で直接に焼結または溶融しようとする従来の付加製造技術と比較して、製品の密度が改善する結果となりうる。加えて、製品の段階のものがその場で形成されるので、比較的大きなサイズの反応物質を用いても、微細粒の製品物質を形成することができる。これにより、最適な粉末流動性配合混合物についての分散特性を維持しながら、製品の特性を改善することが可能になる。

0021

構成要素の反応物質を用いることはまた、成分材料比率を変えることによって混合物の組成を容易に変更するための適応性を増大させることを可能にする。例えば、20容量%のセラミックスを含むセラミックス・金属マトリックス複合材料を製造するために設計された配合混合物は、別の25容量%のセラミックス・金属マトリックス複合材料を製造するために容易に改変することができた。この適応性は開発研究のために特に有用であるが、しかしまた、製造物品に最も適した特定の組み合わせに基づく材料特性を容易にカスタマイズするのにも有用であろう。

0022

本発明に係る反応性付加製造プロセスの一つの態様10について簡単に説明したが、同様に、本発明で可能な、さらに顕著な特徴と利点、様々な態様、修正、および代替の配置の幾つかのものについて以下で詳しく説明する。しかし、詳細な説明に進む前に、様々な典型的な態様がここで示されて、そして説明されているのは、特定の出発材料を用いてそれらを利用して、それによりこれらの材料の反応性成分を含む物品を製造することができるからである、ということを認識すべきである。しかし、当業者であればここで提示される教示に精通した後に自明になるであろうが、本発明は種々様々な出発材料を用いて利用して、それにより広範な形状、組成、材料、および構造的特性を含む種々様々な物品を形成することができる。従って、本発明は、ここで示されて説明される特定の材料、加工処理工程、物品の形状、組成、および材料の特性に限定されるものとみなすべきではない。

0023

ここで再び図1を参照すると、本発明の一つの態様に係る反応性付加製造プロセス10は、第1の材料12と第2の材料14の供給物を用意することを含むことができる。少なくとも第1および第2の材料12および14は、(単一または複数の)反応生成物を形成するためのエネルギーを加えると互いに反応することができる。前に説明したように、材料12および14と反応することができる任意の反応物質の材料18を添加して、(単一または複数の)反応生成物を形成してもよい。

0024

幾つかの態様において、熱を吸収し、また反応速度、反応温度、および反応の伝播速度および/または反応の度合いを低下させるために、1種以上の希釈物質20を添加してもよい。追加の希釈物質20は、主要な化学反応(例えば、第1および第2の材料12および14および何らかの追加の反応物質の材料18の間の反応)を開始させるのに必要なエネルギーの入力を減少させることができる中間反応物質溶媒、または触媒として反応に関与させてもよい。1種以上の希釈物質20を添加する場合、1種以上の反応生成物と同じ組成の予め合成した生成物質を用いるのが望ましいだろう。また、反応で合成されるセラミックス相に対するマトリックスとして提供するために、物品16に有益な特性を付与する希釈物質20(例えば、金属または合金)を用いることも望ましいかもしれない。希釈物質20はまた、製造段階の焼結における助剤のように他の利点を与えるために、あるいは結晶粒成長を抑制するために、選択してもよい。

0025

関与する反応物質の種の相対的な量についての化学量論比を決定するために、反応式を用いてもよい。化学量論比は、化学種分子量または原子量を用いて質量比に容易に変換することができるが、このことは、当業者であればここで提示される教示に精通した後に自明になるであろう。反応によって放出または吸収される化学的エネルギーは、表にされた化学熱力学データ表(例えば、JANAF熱化学表)を用いて計算することができる。その表は、開示している全ての事項について引用文献として本明細書に特に組み込まれる。計算された反応のエネルギーは、所望の物質系について断熱反応の温度を計算するために、温度依存の熱容量および相変化エネルギーのデータとともに用いることができる。加工処理工程40の間に得られるであろう断熱ピーク温度見積もるために、反応のエネルギー、温度依存の熱容量データ、および指向性エネルギーのビーム42からのエネルギー密度の入力または局所的なエネルギー(例えば、ヒーターまたはフィラメント243からのエネルギー(図3))を用いることができる。

0026

発熱性の化学反応については、指向性のエネルギー源または局所的なエネルギー源による熱の入力および化学反応によって放出される熱は、材料によって隣接する領域へ伝えられ、そしてこれら隣接領域において化学反応を開始させるのに十分なものであろう。化学反応だけによって放出される熱が隣接する層において反応を開始させるのに十分なものである場合は、接触している反応物質の材料の全体を通して反応が伝播するかもしれない。化学反応だけによって放出される熱が隣接する層において反応を開始させるのに十分ではない場合は、指向性のエネルギー源42または局所的なエネルギー源243からの追加の熱の入力により、限定された局所的な反応の伝播がなお起こるかもしれない。局所的な反応の伝播の距離は、指向性のエネルギー源からのエネルギーの入力および化学反応によって放出されるエネルギーによって影響される。すでに述べたように、伝播の度合いおよび/または速度を制御するために、1種以上の希釈物質20を利用してもよい。

0027

粉末床の態様については(例えば、様々な層32、50が粉末から形成される場合)、限定された局所的な反応の伝播は、加工速度および有利なミクロ構造を増大させることによって有益なものになるかもしれないが、しかし、過剰な伝播は一般に望ましくはなく、というのは、それは付加製造プロセスによって達成しうる細部と許容度を低下させるだろうからである。従って、粉末床の態様については、反応の伝播を制限するように反応物質の系を設計するのが一般に好ましい。

0028

さらに、材料が粉末状で用意される態様においては、球形または球の形態を有する粉末を用いることが、それらの流動性の故に、一般に望ましいかもしれない。すなわち、流動性の粉末の使用は、粉末が散布されて均一な層になる能力を改善する。粉末の流動性は粒子の直径によっても影響され、低い流動特性を有する小さすぎる粒子および大きすぎる粒子は微細な物品の細部を形成する能力を制限し、また化学的な活性を妨げる。

0029

構成要素の粉末のそれぞれの粒子サイズは、望ましいサイズの粉末を用意するための粉末製造技術または分級工程(例えば、い分け)によって個々に制御することができる。各々の構成粉末の好ましいサイズは、密度、形態、吸湿性酸素の親和性と酸化物または水酸化物の層の特性、および静電気的相互作用を含めた成分材料の特性に基づくであろうが、これもまた、当業者であればここで提示される教示に精通した後に自明になるであろう。

0030

ここで再び図1を参照すると、混合物に1種以上の液体22および/または結合剤24を添加することも望ましいかもしれない。液体22および/または結合剤24は、微細な粒子(例えば、材料12、14、18および20)を結合させて凝集物にすることによって粒子の流動性を改善するか、あるいは、ペーストスラリー、懸濁液、コロイド懸濁液、または塑性変形性の複合材料を形成するために添加することができる。添加される液体22および/または結合剤24のいかなるものも、層を形成した後で、化学反応を開始させるためにエネルギーを適用する前か、または適用している間に、揮発または分解するように選択してもよい。そのような材料22および24はまた、化学反応に関与して、それにより物品16の中で生成物の相を形成してもよい。

0031

例として、液体22および/または結合剤24は、液体であるか、または粘稠液体であるような、または室温においてか、あるいは混合工程の前またはその間に粘性流れを受けることができるような、何らかの広範囲のワックス、ポリマー、またはその他の低融点材料を含んでいてもよい。

0032

第1および第2の材料12および14、そして任意の何らかの反応物質、希釈剤、液体、および/または結合剤の物質18、20、22および24を、適当なミキサー26の中で合体させるか、あるいは混合して、混合材料28を形成してもよい。ミキサー26は、タンブラー、ミキサー、ボールミル、またはブレンダーなど、当分野で知られているか、あるいは特定の用途(例えば、スラリーまたはコロイド懸濁液の形成)および関連する材料に適した(あるいは、適することになるであろう)将来開発されるかもしれない何らかの広範囲の混合装置を含んでいてもよい。得られた混合材料28は、工程30において広げて、それにより第1の層32を形成することができる。混合材料28は広範な展開装置および形成装置(図示せず)のいずれかによってそのように形成することができるが、そのような装置は、例えば、当分野で知られているか、あるいは所望の層を形成するのに適した(あるいは、適することになるであろう)将来開発されるかもしれない塗布用ブレードブラシ、ローラー噴霧器、またはディスペンサーである。

0033

第1の層32は適当な基板34の上に広げるか、または形成することができる。あるいは、第1の層32は、物品16と同じ材料で構成されるかもしれない予め存在する物品34’の上に形成してもよい。そのような態様においては、そのように形成される物品16を予め存在する物品34’に溶接するか、あるいは結合させてもよいが、しかし、これは必須のことではない。

0034

様々な層(例えば、32、50)を形成する材料(例えば、第1の材料12単独、または混合材料28)は、任意に(例えば、工程36において)圧縮するか、または固めてもよく、それにより圧縮された層が形成される。そのような圧縮工程は、圧縮プレート、ダイ、またはローラーなどの広範な圧縮装置のいずれかによって遂行することができる。あるいは、様々な層(例えば、32、50)は等方圧によって圧縮するか、または固めることができる。液体22および/または結合剤24が添加された場合は、液体22および/または結合剤の物質24を工程38において蒸発または分解させることができる。工程38は、液体22および/または結合剤24を蒸発または分解させるのに十分な時間にわたって熱および/または減圧(例えば、真空または部分真空)を適用することを含んでいてもよい。

0035

その後、次に層32の少なくとも一部を、層32を構成する材料の少なくとも幾つかの間で反応を開始するのに十分なエネルギーにさらすことができる(すなわち、工程40の間)。幾つかの態様において、反応を開始するのに十分なエネルギーは指向性エネルギーのビーム42によって与えることができ、このビームは層32の上に所望のパターンで向かうようにすることができる。指向性エネルギーのビーム42は、レーザー(または同様のタイプの電磁放射線)のビーム44、電子(またはその他の粒子の)ビーム、あるいは電気プラズマアークのような、広範な指向性エネルギーのビームのいかなるものも含んでいてもよい。他の態様において、反応を開始するのに必要なエネルギーは、層32に隣接して配置された熱フィラメントまたはヒーター243(図3)のような、局所的なエネルギーの供給源を含んでいてもよい。

0036

特定の系(すなわち、層32における(複数の)材料の組み合わせ)について化学反応を開始させるのに必要な温度は、実験的に決定するか、文献から得るか、あるいは理論的に見積もることができる。反応開始温度は、反応物質についての熱容量と相変化エネルギーのデータを用いてエネルギーの要求量に変換することができ、これについては、当業者であればここで提示される教示に精通した後に自明になるであろう。

0037

指向性エネルギーのビーム42を利用する態様において、層32の一部に十分なエネルギーを与えることによって混合材料28における材料の間で反応を開始させ、それにより反応生成物が形成するとともに材料どうしを融合させて物品16の中に反応した層32’が形成するように、指向性エネルギーのビーム42を構成または改変することができる。基板34または予め製作された物品34’の上に第1の層32が広げられた場合、指向性エネルギーのビーム42および/または反応のエネルギーは、反応した第1の層32’を基板34または物品34’に融合させることもできる。

0038

前に簡単に述べたように、また特定の態様に応じて、工程40を、反応性ガス(例えば、幾つかの態様において、これは第2の材料14を含みうる)または不活性ガスのようなプロセスガス46の存在下で行ってもよい。あるいは、工程40を真空または部分真空48の中で行ってもよい。その場合、工程40を適当な処理チャンバ54の中で行うことができる。

0039

既に述べたように、物品16の反応した部分または層32’は、主として、反応物質の生成物と任意の希釈剤を含む平衡相を含むことができるが、しかし、それはまた、未反応の反応物質の材料と第1および第2の材料12および14の中間化合物、および場合によっては追加の反応物質の材料18、希釈物質20、および液体と結合剤の物質22および24を含む少ない量の非平衡相も含むかもしれない。

0040

所望の物品16の第1の層32’が十分に形成された後、工程30を繰り返してもよく、これにおいて、追加の量の反応性物質(例えば、特定の態様に応じて、第1の材料12または混合材料28)が、物品16の形成されたばかりの層32’の上に広げられるか、あるいは形成されて、第2の層50となる。その後、工程40を再び実行することができ、これにおいて、物品16の第2の反応した部分または層50’を形成するために、指向性エネルギーの供給源またはビーム42が第2の層50の上に向けられる。物品16の第2の部分または反応した層50’もまた、主として平衡生成物の相を含むことができるが、しかし、それもまた、他の非平衡相も含むかもしれない。(工程30において)追加の層を付加し、そして(工程40において)それらを指向性エネルギーにさらす工程は、物品16が完成したことを工程52において判定するまで繰り返すことができる。物品16が完成すると、プロセス10を終了させることができる。

0041

多くの態様において、製造された物品16は、様々な層を形成するために用いられた材料の未反応の部分および非融合部分によって包囲されているだろう。そのような材料は、最終的な製品または物品16を露出させるために、(例えば、機械的に)除去することができる。

0042

反応性付加製造プロセスの第2の態様110は図2に例示されていて、これもまた、第1の材料112と第2の材料114の供給物を用意することを含むことができる。しかし、第2の態様110においては、第2の材料114をガスの形で適当な処理チャンバ154へ供給してもよく、それによりガス状の物質114が様々な層132、150の周囲に雰囲気を形成するようにする。従って、この代替形においては、第2の材料114をプロセスガス146と呼んでも良い。第1の材料112はエネルギーを加えるとガス状の物質114と反応することができ、それにより反応生成物または製品を形成する。

0043

説明を進める前に、他の態様においては第2の材料114をガスの形で供給する必要はないことを認識するべきである。例えば、他の態様においては、第2の材料114を蒸気ミストスプレーまたは液体として供給してもよい。さらに他の態様においては、第2の材料114をワイヤ、チューブまたはストリップの形で供給してもよい。そのような態様においては、指向性エネルギーをプラズマアークまたは電子ビームの形で供給するために、第2の材料114のワイヤ、チューブまたはストリップを消耗電極の形で供給してもよい。

0044

第1の態様10の場合と同様に、反応生成物または製品を形成するために、材料112、114と反応することができる1種以上の追加の反応物質の材料118を任意に添加してもよい。熱を吸収し、また反応速度、反応温度、反応の度合い、または反応の伝播の量を低下させるために、1種以上の希釈物質120を添加してもよい。既に述べたように、追加の希釈物質120は、主要な化学反応を開始させるのに必要なエネルギーの入力を減少させることができる中間反応物質、溶媒、または触媒として反応に関与させてもよい。希釈物質120を添加する場合、1種以上の反応生成物と同じ組成の予め合成した生成物質を用いるのが望ましいだろう。また、反応で合成されるセラミックス相に対するマトリックスとして提供するために、最終の物品116に有益な特性を付与する希釈物質120(例えば、金属または合金)を用いることも望ましいかもしれない。希釈物質120はまた、製造段階の焼結における助剤のように他の利点を与えるために、あるいは結晶粒成長を抑制するために、選択してもよい。

0045

ここでまた、第1の態様10の場合と同様に、関与する反応物質の種の相対的な量についての化学量論比を決定するために、第2の態様110において反応式を用いてもよい。化学量論比は、関与する特定の化学種の分子量または原子量を用いて質量比に容易に変換することができる。反応によって放出または吸収される化学的エネルギーは、表にされた化学熱力学データ表(例えば、JANAF熱化学表)を用いて計算することができる。この計算された反応のエネルギーは、物質系について断熱反応の温度を計算するために、全ての成分についての温度依存の熱容量および相変化エネルギーのデータとともに用いることができる。加工処理工程の間に得られるであろう断熱ピーク温度を見積もるために、反応のエネルギー、温度依存の熱容量データ、および指向性エネルギーの供給源からのエネルギー密度の入力を用いることができる。

0046

発熱性の化学反応については、指向性のエネルギー源による熱の入力および化学反応によって放出される熱は、層132における材料によって隣接する領域へ伝えられ、そしてこれら隣接領域において化学反応を開始させるのに十分なものであろう。化学反応だけによって放出される熱が隣接する層(例えば、第2の層150)において反応を開始させるのに十分なものである場合は、接触している反応物質の材料の全体を通して反応が伝播するかもしれない。化学反応だけによって放出される熱が隣接する層において反応を開始させるのに十分ではない場合は、指向性のエネルギー源142からの追加の熱の入力により、限定された局所的な伝播がなお起こるかもしれない。局所的な伝播の距離は、指向性のエネルギー源142からのエネルギーの入力および化学反応によって放出されるエネルギーによって影響される。伝播の度合いを制御するために、希釈物質120を利用してもよい。

0047

第2の態様110の大部分の変形において、第1の材料112および任意の材料118および120は粉末を構成するであろうが、しかし、粉末の形態で供給することは必須ではない。ここでもまた、粉末を散布して均一な層にする能力(すなわち、粉末の流動性)を改善するために、球形の粉末の形態が一般に好ましい。粉末の流動性は粒子の直径によっても影響され、低い流動特性を有する小さすぎる粒子および大きすぎる粒子は微細な物品の細部を形成する能力を制限し、また化学的な活性を妨げる。構成要素の粉末のそれぞれの粒子サイズは、望ましいサイズの粉末を用意するための粉末製造技術または分離技術(例えば、篩い分け)によって個々に制御することができる。各々の構成粉末の好ましいサイズは、密度、形態、吸湿性、酸素の親和性と酸化物または水酸化物の層の特性、および静電気的相互作用を含めた成分材料の特性に基づくであろう。

0048

第2の態様110において、第1の材料112に1種以上の液体122および/または結合剤124を添加することも望ましいかもしれない。ここでもまた、液体122および/または結合剤124は、第1の材料112および/または任意の添加材料(例えば、材料118および120)を結合させて凝集物にすることによって材料の流動性を改善するか、あるいは、ペースト、スラリー、懸濁液、コロイド懸濁液、または塑性変形性の複合材料を形成するために添加することができる。添加される液体122および/または結合剤124のいかなるものも、層を形成した後で、化学反応を開始させるためにエネルギーを適用する前か、または適用している間に、揮発または分解するように選択してもよい。そのような材料122および124はまた、化学反応に関与して、それにより物品116の中で生成物の相を形成してもよい。液体122および/または結合剤124は、液体であるか、または粘稠液体であるような、または室温においてか、あるいは混合工程の前またはその間に粘性流れを受けることができるような、何らかの広範囲のワックス、ポリマー、またはその他の低融点材料を含んでいてもよい。

0049

第1の材料112および任意の何らかの追加の反応物質、希釈剤、液体、および/または結合剤の物質118、120、122および/または124を(例えば、適当なミキサー126の中で)合体させるか、あるいは混合して、混合材料128を形成してもよい。得られた混合材料128は、工程130において基部134または予め存在する物品134’の上に広げて、それにより第1の層132を形成することができる。第1の態様10の場合と同様に、塗布用ブレード、ブラシ、ローラー、噴霧器、またはディスペンサーのような、あらゆる範囲の展開装置および形成装置をこの目的のために用いることができる。

0050

様々な層を形成する材料(例えば、第1の材料112単独、または混合材料128)は、任意に工程136において圧縮するか、または固めてもよく、それにより圧縮された層が形成される。この場合もまた、この目的のために、圧縮プレート、ダイ、またはローラーなどの広範な圧縮装置のいずれかを用いることができる。層はまた、等方圧を用いて圧縮するか、または固めてもよい。液体122または結合剤124が添加された場合は、そのような物質122および124を任意の蒸発工程138において蒸発または分解させることができる。場合によっては、工程138は、液体および/または結合剤の物質122、124の実質的に全てを蒸発または分解させるのに十分な時間にわたって熱および/または減圧を適用することを含んでいてもよい。この場合もまた、圧縮および蒸発の工程136および138を別個に、または組み合わせて、行うことができる。あるいは、圧縮および蒸発の工程136および138のいずれも行う必要はない。

0051

第2の態様110において、第2の材料114(すなわち、これはプロセスガス146を構成していてもよい)を処理チャンバ154に導入してもよい。プロセスガス146は、単一の反応性ガスのタイプ(例えば、第2の材料114)、複数の反応性ガスのタイプ、あるいは1種以上の不活性ガス(例えば、アルゴン)を伴う反応性ガスから成っていてもよい。

0052

その後、工程140の間に第1の層132をエネルギーにさらすことができ、それにより、製造されるべき物品116の反応した部分または層132’が形成する。ここでもまた、供給されるエネルギーは指向性エネルギーを含んでいてもよい(例えば、指向性エネルギーのビーム142からのエネルギー)。あるいは、エネルギーは局所的なエネルギー、例えば、熱フィラメントまたはヒーター243(図3)からのエネルギーを含んでいてもよい。反応プロセスの間に反応生成物、速度、ピーク温度、反応の伝播、または完成の度合いを制御するために、プロセスガス146(すなわち、これは第2の反応物質の材料114を含んでいてもよい)を制御された圧力、流量、および/または比率で供給してもよい。処理チャンバ154を含む態様については、任意の圧縮136および/または蒸発138の工程を含めて、層を広げることから工程140においてエネルギーにさらすまでの間、プロセスガス146の雰囲気を維持してもよい。処理チャンバ154を圧力容器としても用いてもよい態様においては、プロセスガス146の圧力は、何らかの所望の圧力で、すなわち、周囲圧力よりも上か下の圧力で維持されるように選択してもよい。あるいは、プロセス140を真空または部分真空148の中で行ってもよい。

0053

反応を開始させるのに必要なエネルギーが指向性エネルギーによって供給される態様においては、層132の一部に十分なエネルギーを与えることによって材料の間で反応を開始させ、それにより反応生成物が形成するとともに材料どうしを融合させて反応した層132’が形成するように、指向性エネルギーのビーム142を制御または構成することができる。適合する基板134または予め製作された物品134’の上に第1の層132が広げられた場合、指向性エネルギーのビーム142および/または反応のエネルギーは、第1の層132’を基板134または予め製作された物品134’に融合させることもできる。反応生成物には、配合した混合物128の中の反応性材料の成分の反応によって形成された生成物、配合した混合物128の中の成分とプロセスガス146を構成する様々な化学種(すなわち、第2の反応物質114)との反応によって形成された生成物、およびプロセスガス146の成分がプロセスガス146の中の他の成分と反応する反応によって形成された生成物が含まれるかもしれない。反応した層132’は、反応物質の生成物と任意の希釈物質を含む平衡相をも含むことができるが、しかし、それはまた、未反応の反応物質の材料および混合材料128の成分とプロセスガス146の中間化合物を含む非平衡相も含むかもしれない。

0054

所望の物品116の第1の層132’が十分に形成された後、工程130を繰り返してもよく、これにおいて、追加の量の混合材料128が、物品116の形成されたばかりの層132’の上に広げられるか、形成されるか、あるいは(任意に)圧縮されて、第2の層150が形成する。その後、工程140を再び実行することができ、これにおいて、製造されるべき物品116の第2の反応した部分または層150’を形成するために、指向性エネルギーのビーム142が第2の層150の上に向けられる。物品116の第2の部分または層150’もまた、様々な成分の平衡生成物の相を含むことができるが、しかし、それもまた、他の非平衡相も含むかもしれない。追加の層を付加し、そしてそれを指向性エネルギーにさらす工程130および140は、物品116が完成したことを工程152において判定するまで繰り返すことができる。物品116が完成すると、プロセス110を終了させることができる。この第2の態様110の大部分のやり方において、製造された物品116は、様々な層(例えば、132’、150’)を形成するために用いられた混合材料128の未反応の部分および非融合部分によって包囲されているだろう。そのような材料は、最終的な製品または物品116を露出させるために、(例えば、機械的に)除去することができる。

0055

本発明のさらに他の変形および修正が可能である。例えば、ここで主として図3を参照すると、本発明に係る反応性付加製造プロセスの第3の態様210は混合ペースト材料228の形成を含むことができ、このペースト材料はその後に工程230において押し出すことができ、それにより「未処理の」物品215が形成される。製造されるべき特定の最終物品216に応じて、未処理の物品215は最終の物品216の実質的に全体を含んでいてもよい。あるいは、未処理の物品215はもっと小さな部分を含むか、あるいは最終の物品216の個々の層232を含んでいてもよい。

0056

未処理の物品215または層232が十分に形成されたならば、次にそれを(例えば、ヒーター243によって)加熱してもよく、それにより一つ以上の化学反応が開始し、そして最終の物品216が形成される。あるいは、次の層250を付加する前に、未処理の物品215または層232を指向性エネルギーのビーム242にさらしてもよい。熱または指向性エネルギーは層232、250を部分的または完全に融合させることができ、これは層の中で一つ以上の化学反応を開始させるのに十分であるか、あるいは十分ではないかもしれない。この態様において、層を熱または指向性エネルギーにさらしたときに、化学反応によって所望の生成物相がすでに形成されたならば、(例えば、工程256を行う間に)さらに熱にさらす必要なくして、完全に形成された物品216は最終の物品216を構成するだろう。第1の態様10と比較して、この第3の態様210における最も重要な相違点は、第1の態様10の場合には層の全体の上に混合材料が広げられるのに対して、物品が形成されるべき層の位置にのみ混合材料228が適用される、ということである。

0057

具体的には、方法210は、第1および第2の材料212および214と任意の追加の反応物質および希釈物質218および220を用意することを含むことができる。第1および第2の態様10および110の場合と同様に、第1および第2の材料212および214と任意の反応物質の材料218は、エネルギーを加えると互いに反応することができ、それにより、物品216を形成するための所望の反応生成物または製品が形成される。

0058

他の態様10および110の場合と同様に、熱を吸収し、そして/または反応速度、反応温度、および反応の伝播の量を低下させるために、1種以上の希釈剤220を添加してもよい。追加の希釈物質220は、主要な化学反応を開始させるのに必要なエネルギーの入力を減少させることができる中間反応物質、溶媒、または触媒として反応に関与させてもよい。希釈物質220を添加する場合、1種以上の反応生成物と同じ組成の予め合成した生成物質を用いるのが望ましいだろう。また、反応で合成されるセラミックス相に対するマトリックスとして提供するために、物品に有益な特性を付与する希釈物質220(例えば、金属または合金)を用いることも望ましいかもしれない。希釈物質220はまた、製造段階の焼結における助剤のように他の利点を与えるために、あるいは結晶粒成長を抑制するために、選択してもよい。

0059

多くの態様において、第1および第2の材料212および214、および任意の追加の反応物質および希釈物質218および220は粉末の形態で用意することができるが、しかし、これらの材料を粉末の形態で用意することは必須ではない。第1および第2の材料212および214と任意の追加の反応物質および/または希釈物質218および/または220を用意したならば、それらを(例えば、適当なミキサー226の中で)結合させるか、あるいは混合して、混合材料228を形成してもよい。この態様210の多くの形において、混合材料228は、後の押出しに適したペーストまたはペースト状の材料(例えば、スラリーまたはコロイド)を構成しているべきである。従って、ここで示されて説明される特定の態様において、液体222および/または結合剤224を混合のプロセスの間に添加して、混合ペーストまたはペースト状の材料228を形成してもよい。

0060

他の態様10および110の場合と同様に、関与する反応物質の種の相対的な量についての化学量論比を決定するために、態様210において反応式を用いてもよい。化学量論比は、化学種の分子量または原子量を用いて質量比に容易に変換することができる。反応によって放出または吸収される化学的エネルギーは、表にされた化学熱力学データ表(例えば、JANAF熱化学表)を用いて計算することができる。この計算された反応のエネルギーは、物質系について断熱反応の温度を計算するために、全ての成分についての温度依存の熱容量および相変化エネルギーのデータとともに用いることができる。加工処理工程の間に得られるであろう断熱ピーク温度を見積もるために、反応のエネルギー、温度依存の熱容量データ、および指向性エネルギーの供給源からのエネルギー密度の入力を用いることができる。

0061

発熱性の化学反応については、工程240(または工程256)における熱の入力ならびに化学反応によって放出される熱は、反応する材料によって隣接する領域へ伝えられ、そしてこれら隣接領域において化学反応を開始させるのに十分なものであろう。化学反応によって放出される熱が隣接する層において反応を開始させるのに十分なものである場合は、反応物質の材料の全体を通して反応が伝播するかもしれない。化学反応だけによって放出される熱が隣接する層において反応を開始させるのに十分ではない場合は、指向性のエネルギー源242またはヒーター243からの追加の熱の入力により、限定された局所的な伝播がなお起こるかもしれない。局所的な伝播の距離は、指向性のエネルギー源242またはヒーター243からのエネルギーの入力および化学反応によって放出されるエネルギーによって影響される。この場合もまた、反応の伝播の度合いを制御するために、1種以上の希釈物質220を利用してもよい。(第3の態様210のような)押出しをベースとする態様については、化学反応の十分な伝播が望ましいだろう。

0062

様々な成分の材料が合体されて混合された後、生じた混合ペースト材料228を工程230において押し出すことができ、それにより未処理の物品215または製造すべき物品の一部分または層232が形成する。添加された何らかの液体および/または結合剤の物質222および/または224は、場合によっては、工程238において熱および/または減圧を十分な時間にわたって適用することによって、押し出した材料から蒸発または分解させてもよい。工程240において、押し出された層232は、場合によっては、材料を部分的または完全に融合させることによって融合または反応した層232’を形成するために、指向性エネルギーのビーム242またはヒーター243からの熱にさらしてもよい。この態様において、工程240の間に指向性エネルギーのビーム242またはヒーター243によって与えられるエネルギーは未処理の物品215または層232の中で一つ以上の化学反応を開始させるのに十分であるか、あるいは十分ではないかもしれない、ということを認識すべきである。この態様において、様々な層(例えば、232、250)を熱または指向性エネルギーにさらしたときに、化学反応によって所望の生成物相がすでに形成されたならば、工程256においてさらに熱にさらす必要なくして、完全に形成された物品は最終の物品216であろう。

0063

関与する特定の材料および/または製造すべき最終の物品216に応じて、工程240はプロセスガス246の存在下で行ってもよい。プロセスガス246は反応性ガスまたは不活性ガスを含んでいてもよい。その場合、プロセス240は適当な処理チャンバ254の中で行ってもよい。あるいは、工程240は真空または部分真空248の中で行ってもよい。

0064

物品が完全に形成されるまで(これは例えば、工程252において判定される)、追加の押し出した層(例えば、第2の層250)を付加してもよい。第3の態様210の変形において、層どうしの間の押出しプロセスという不連続を伴わずに、押出しプロセスを連続的なやり方で進行させてもよい。そのような連続的な押出しプロセスにおいては、熱または指向性エネルギーを任意に適用することもまた、物品216が完全に形成されるまで連続的なやり方で進行させてもよい。(工程240の間に)所望の生成物相を形成するための化学反応を開始させるのに十分な熱または指向性エネルギーに物品の層がさらされていない場合、形成または製造された物品は「未処理の」物品215を引き続き構成していて、そしてこれは、混合ペースト228を構成する未反応の物質(例えば、第1および第2の材料212および214と任意の追加の反応物質218)、希釈物質220、および何らかの液体および/または結合剤の物質222および/または224を含むだろう。

0065

その後、第1および第2の材料212および214と任意の追加の反応物質218、希釈物質220、および何らかの液体および/または結合剤の物質222、224の間の反応を開始させるために、工程256において未処理の物品215を加熱してもよい。特定の系について化学反応を開始および完了させるのに必要な温度と時間は、実験的に決定するか、文献から得るか、あるいは理論的に見積もることができる。反応開始温度は、反応物質についての熱容量と相変化エネルギーのデータを用いてエネルギーの要求量に変換することができる。

0066

その結果得られるものは、主として第1および第2の材料212および214と任意の追加の反応物質218および液体および/または結合剤の物質222および/または224ならびに何らかの任意の希釈物質220の反応生成物で構成される最終の物品216であろう。関与する特定の材料に応じて、混合ペースト228を形成するために用いられた何らかの液体および/または結合剤の物質222および/または224は、任意の蒸発工程238の間あるいは加熱工程240または256の間のいずれかにおいて除去することができる。あるいは、液体および/または結合剤の物質222および/または224は、完全に蒸発させるか、または生成物相に寄与するように化学反応に関与させる代わりに、分解させてもよい。

0067

反応式の例:
本発明で説明される方法によって広範囲の生成物質を製造することができる。本発明は金属、金属間化合物、セラミックス、複合材料、およびポリマーを含めた材料を製造するために用いることができる。プロセスの多能性例証するために適当な反応の例を以下に示すが、本発明はこれらの例によって限定されるべきではない。化学量論係数(示していない場合は1)は各々の化学種のモル数を表している。変数のxおよびyは、反応温度および/または生成物の組成を調整するために変化させることができる希釈係数を表すために用いられる。示される化学量論係数についての固相反応に対して、出発温度を298Kとしたときの、計算される断熱燃焼温度Tadが示されている。

0068

0069

0070

0071

物品の例:
実施例1- TiB2-TiC-85Al:
重量で76.8%のアルミニウム、16.8%のチタン、および6.5%の炭化ホウ素の粉末を含む発熱反応性の混合物を作製して、容量で85%のアルミニウム、10.75%の二ホウ化チタン、および4.25%の炭化チタンを含むアルミニウムのマトリックスとセラミックスの補強相を有する生成物を製造した。混合物は933ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末量することによって、4000gの総重量を有する混合物を用意した。モーター付きのタンブラーを用いて粉末を混合した。次いで、混合粉末を、EOS of North America, Inc.(米国ミシガン州、ノバイ)から入手できるEOS M290ダイレクトメタルレーザー焼結DMLS)機械装置のディスペンサートレーの中に置いた。

0072

製造するための物品の三次元モデルコンピューター支援設計(CADソフトウェアプログラムを用いて設計し、そして広げるべき粉末の1層の厚さに相当する層になるようにデジタル方式スライスした。デジタル情報をEOS M290DMLS機械装置へ送った。

0073

M290DMLS機械装置の加工処理チャンバアルゴンガス充満させ、そして約30μmの厚さを有する粉末混合物の層をアルミニウム基板の全体にリコーターブレードによって広げた。粉末層の上で物品のこの最初のスライスをM290のイッテルビウム繊維レーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、発熱性の化学反応を開始させるのに十分なものであった。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって材料自体およびアルミニウム合金ビルドプレートへの融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上にリコーターブレードによって広げ、そして物品のこの第2のスライスをレーザーによってトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、帯鋸切り取ることによって、完成した物品をビルドプレートから取り出した。

0074

各々の部品についてレーザー出力と移動速度の設定の独自の組み合わせを行い、一つの層につき一回または二回のレーザー曝露のいずれかを用いて、一回の生産運転において合計で20個の物品をビルドプレートの上で製造した。X線回折および走査型電子顕微鏡検査(SEM)によって物品の生成物相を検査したところ、アルミニウムのマトリックスの中に主として二ホウ化チタンと炭化チタンが見いだされた。実施例1の物品のうちの一つのSEM顕微鏡写真図4として再現する。

0075

部品の密度を、アルキメデス法を用いて3.00g/cm3の理論密度に対して測定したところ、部品について用いたレーザー曝露とレーザー出力および移動速度の組み合わせに応じて、約92.04%から約99.63%までの範囲の理論密度を有することが見いだされた。ロックウェルスケールHRB)を用いて硬度の値を測定したところ、測定値は、高い相対密度を有する部品について平均で62.9HRB(およそ1100MPa)であることが見いだされた。アルミニウムマトリックスの複合材料の測定された硬度は、30BHN500(およそ294MPa)(これはHRBスケールではゼロ未満である)の報告されたブリネル硬度を有する商業上純粋なアルミニウムについての文献値に都合よく匹敵する。

0076

実施例2- (Ti-V)B2,C-85Al-Mgマトリックス:
重量で75.19%アルミニウム/4.5%マグネシウム合金の粉末、18.23%チタン/6%アルミニウム/4%バナジウムの粉末、および6.58%の炭化ホウ素の粉末を含む発熱反応性の混合物を作製して、容量で85%となるアルミニウム/4.5%マグネシウムのマトリックスと容量で15%となるチタンと二ホウ化バナジウムおよび炭化物を含むセラミックスの補強相を有する生成物を製造した。混合物は933ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、4000gの総重量を有する混合物を用意した。モーター付きのタンブラーを用いて粉末を混合した。次いで、混合粉末をEOS M290ダイレクトメタルレーザー焼結(DMLS)機械装置のディスペンサートレーの中に置いた。

0077

製造するための物品の三次元モデルをコンピューター支援設計(CAD)ソフトウェアプログラムを用いて設計し、そして広げるべき粉末の1層の厚さに相当する層になるようにデジタル方式でスライスした。デジタル情報をEOS M290DMLS機械装置へ送った。

0078

DMLS機械装置の加工処理チャンバにアルゴンガスを充満させ、そして約30μmの厚さを有する粉末混合物の層をアルミニウムのビルドプレートの全体にリコーターブレードによって広げた。粉末層の上で物品のこの最初のスライスをM290のイッテルビウム繊維レーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって材料自体およびアルミニウム合金のビルドプレートへの融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上にリコーターブレードによって広げ、そして物品のこの第2のスライスをレーザーによってトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ワイヤ放電加工(EDM)によって、完成した物品をビルドプレートから取り出した。

0079

各々の部品についてレーザー出力と移動速度の設定の独自の組み合わせを行い、一つの層につき一回または二回のレーザー曝露のいずれかを用いて、一回の生産運転において合計で20個の物品をビルドプレートの上で製造した。X線回折およびSEMによって物品の生成物相を検査したところ、アルミニウム・マグネシウム合金のマトリックスの中に主として二ホウ化チタンと炭化チタンおよび少量の二ホウ化バナジウムと炭化物が見いだされた。部品の密度を、アルキメデス法を用いて2.95g/cm3の理論密度に対して測定したところ、部品について用いたレーザー曝露とレーザー出力および移動速度の組み合わせに応じて、理論上約97.7%から約100%までの範囲であることが見いだされた。ロックウェルBスケール(HRB)を用いて硬度の値を測定したところ、100%の相対密度を有する部品について平均で90.4HRB(およそ1900MPa)であることが見いだされた。アルミニウムマトリックスの複合材料の測定された硬度は、30BHN500(およそ294MPa)(これはHRBスケールではゼロ未満である)の硬度を有する商業上純粋なアルミニウムについての文献値に都合よく匹敵する。この硬度の値はまた、実施例1で説明した純アルミニウムマトリックスの複合材料の値に都合よく匹敵する。

0080

実施例3- NiTi:
重量で55.5%のニッケルと44.5%のチタンを含む発熱反応性の混合物を作製して、金属間化合物のニッケル・チタン形状記憶合金から成る生成物を製造した。混合物は1438ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、2500gの総重量を有する混合物を用意した。モーター付きのタンブラーを用いて粉末を混合した。次いで、混合粉末をEOS M290ダイレクトメタルレーザー焼結(DMLS)機械装置のディスペンサートレーの中に置いた。

0081

製造するための物品の三次元モデルをコンピューター支援設計(CAD)ソフトウェアプログラムを用いて設計し、そして広げるべき粉末の1層の厚さに相当する層になるようにデジタル方式でスライスした。デジタル情報をEOS M290DMLS機械装置へ送った。

0082

DMLS機械装置の加工処理チャンバにアルゴンガスを充満させ、そして約40μmの厚さを有する粉末混合物の層を316Lステンレス鋼のビルドプレートの全体にリコーターブレードによって広げた。粉末層の上で物品のこの最初のスライスをM290のイッテルビウム繊維レーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって材料自体および316L合金のビルドプレートへの融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上にリコーターブレードによって広げ、そして物品のこの第2のスライスをレーザーによってトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、帯鋸で切り取ることによって、完成した物品をビルドプレートから取り出した。

0083

各々の部品についてレーザー出力と移動速度の設定の独自の組み合わせを行い、一つの層につき一回または二回のレーザー曝露のいずれかを用いて、一回の生産運転において合計で12個の物品をビルドプレートの上で製造した。X線回折およびSEMによって物品の生成物相を検査したところ、主として1対1のニッケル・チタン金属化合物であることが見いだされた。部品の密度を、アルキメデス法を用いて6.5g/cm3の理論密度に対して測定したところ、部品について用いたレーザー曝露とレーザー出力および移動速度の組み合わせに応じて、約86.7%から約97.2%までの範囲であることが見いだされた。これらの部品は、その後の熱処理と機械的な変形を用いる形状固定に適していた。

0084

実施例4-押出し:
重量で55.12%のチタン、13.83%の炭素、および31.06%のアルミニウムを含む発熱反応性の混合物を作製して、容量で45%となるアルミニウムのマトリックスと容量で55%となる炭化チタンの粒子を有する生成物を製造した。混合物は2368ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、200gの総重量を有する混合物を用意した。粉末をナルゲン型のボトルの中で手を使って振り動かし、そしてガラスビーカーの中に注ぎ、続いて、そこに80gのプロピレングリコールを加えた。ステンレス鋼の攪拌用具を用いて手を使って攪拌することによって、粉末を液体のプロピレングリコールと混合した。次いで、混合粉末とプロピレングリコールのスラリーを、材料を収容した袋に圧力をかけることによって材料を押し出すのに適したノズル付きの可撓性のポリマーの袋の中に配置した。

0085

約210℃の温度を維持するために、電気ホットプレートの表面上に3枚の鋼シートの金属製ビルドプレートを置いた。3枚のシートの金属製ビルドプレートのそれぞれに個々の物品を押し出し、このときビルドプレートの上昇した温度のために押出し工程の間にプロピレングリコールは蒸発した。材料を連続して押し出すことによって、押出した材料の15の連続的に供給して相互に連結した層からなる未処理の部品を製造することによって、最初の物品の押出しを完了した。物品の一つの層を連続的に押し出し、次いで、次の層を開始する前に押し出した材料を切り離すことによって、第2の物品を製造した。各々の層の上に一連セグメントを押し出し、一つのセグメントの端部の間を切り離し、そして次のものを開始して各々の層の間を切り離すことによって、第3の未処理の物品を完成させた。この実施例において押出しのプロセスを手作業で行ったが、このプロセスはコンピューターに基づく自動化に適している。

0086

次いで、未処理の物品を酸素アセチレン炎と局所的に接触させることによって発熱性の化学反応を局所的に開始させ、次にこれを物品の全体に自己伝播させることによって、未処理の物品を反応させた。高温の化学反応によって反応物質は生成物相に急速に変化し、それによって物品は融合して強化するとともに、残留するプロピレングリコールのような全ての揮発性不純物は蒸発する。反応した物品は押出しの間に生じた形状を維持し、そして炭化チタンの生成物相の硬さのために高い耐摩耗性を有することが示された。

0087

実施例5- SiC:
重量で70.0%のケイ素と30.0%の炭素を含む発熱反応性の混合物を作製して、炭化ケイ素から成る生成物を製造した。混合物は1852ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、10gの総重量を有する混合物を用意した。粉末を振り動かすことによって混合し、次いで、モーター乳棒を用いて手作業で微粉砕した。

0088

40ワット二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の円筒形の穴を有するスチールダイを有するように改造し、調節可能な高さ位置決めテーブルによってダイの高さを位置決めし、位置決めテーブルにおいて円筒形のプレスロッドを穴に通すことによって機械装置のベース上で固定した高さで平らにした。エピログのZingレーザー彫刻機を制御される雰囲気のグローブボックスの内部に配置し、そしてグローブボックスにアルゴンガスを充満させた。プレスロッドとダイの最上部の間に約2mmの隙間ができるように、位置決めテーブルの高さを調節した。混合粉末の層をダイにおけるプレスロッドの最上部に配置し、層の最上部がダイの最上部と同じ高さになるように、粉末の層を鋼製の掻き取り刃を用いて手で平らに削り取った。

0089

約12.7mm×約9.5mm(約0.5インチ×0.375インチ)の寸法を有する二次元の長方形の物品を、CADソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で長方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、位置決めテーブルの高さを約200μmに相当する一段分上昇させ、一方、プレスロッドの位置は静止したままにした。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上に手で広げ、そして鋼製の掻き取り刃を用いてダイの最上部と同じ高さに削り取った。長方形の物品をレーザーによって再びトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、約1mmの厚さまたは高さを有する完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0090

X線回折によって物品の生成物相を検査したところ、主として炭化ケイ素であることが見いだされたが、しかし、ケイ素と炭素のピークも存在していた。残留のケイ素と炭素の存在は、約200μmの層厚レーザー加工条件に対して大きすぎるためであると考えられる。

0091

実施例6- WC-Co:
重量で75.1%のタングステン、4.9%の炭素、および20.0%のコバルトを含む発熱反応性の混合物を作製して、重量で80%の炭化タングステンと20%のコバルトのマトリックスから成る生成物を製造した。混合物は876ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、10gの総重量を有する混合物を用意した。粉末を振り動かすことによって混合し、次いで、モーターと乳棒を用いて手作業で微粉砕した。

0092

40ワットの二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の円筒形の穴を有するスチールダイを有するように改造し、調節可能な高さ位置決めテーブルによってダイの高さを位置決めし、位置決めテーブルにおいて円筒形のプレスロッドを穴に通すことによって機械装置のベース上で固定した高さで平らにした。エピログのZingレーザー彫刻機を制御される雰囲気のグローブボックスの内部に配置し、そしてグローブボックスにアルゴンガスを充満させた。プレスロッドとダイの最上部の間に約2mmの隙間ができるように、位置決めテーブルの高さを調節した。混合粉末の層をダイにおけるプレスロッドの最上部に配置し、層の最上部がダイの最上部と同じ高さになるように、粉末の層を手で圧縮し、次いで、鋼製のプレートを用いて平らに削り取った。

0093

約12.7mm(約0.5インチ)四方の寸法を有する二次元の正方形の物品を、CADソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で正方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、位置決めテーブルの高さを約200μmに相当する一段分上昇させ、一方、プレスロッドの位置は静止したままにした。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上に手で広げてから圧縮し、そして鋼製の掻き取り刃を用いてダイの最上部と同じ高さに削り取った。正方形の物品をレーザーによって再びトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、約1mmの高さまたは厚さを有する完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0094

X線回折によって物品の生成物相を検査したところ、主として炭化タングステンとコバルトであることが見いだされたが、しかし、タングステンと炭素のピークも存在していた。残留のタングステンと炭素の存在は、約200μmの層厚がレーザー加工条件に対して大きすぎるためであると考えられる。

0095

実施例7- TiB2-TiC-ガラスマトリックス
重量で50.0%のガラス粉末(およそ74.5%のシリカ、13.5%のソーダ、10.5%の石灰、1.5%のアルミナ)、36.1%のチタン、および13.9%の炭化ホウ素を含む発熱反応性の混合物を作製して、重量で50%パーセントのガラスのマトリックス中の二ホウ化チタンと炭化チタンで構成される生成物を製造した。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、5gの総重量を有する混合物を用意した。粉末を振り動かすことによって混合し、次いで、モーターと乳棒を用いて手作業で微粉砕した。

0096

40ワットの二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の円筒形の穴を有するスチールダイを有するように改造し、調節可能な高さ位置決めテーブルによってダイの高さを位置決めし、位置決めテーブルにおいて円筒形のプレスロッドを穴に通すことによって機械装置のベース上で固定した高さで平らにした。エピログのZingレーザー彫刻機を制御される雰囲気のグローブボックスの内部に配置し、そしてグローブボックスにアルゴンガスを充満させた。プレスロッドとダイの最上部の間に約2mmの隙間ができるように、位置決めテーブルの高さを調節した。混合粉末の層をダイにおけるプレスロッドの最上部に配置し、層の最上部がダイの最上部と同じ高さになるように、粉末の層を手で圧縮し、次いで、鋼製のプレートを用いて平らに削り取った。

0097

約12.7mm×約9.5mm(約0.5インチ×0.375インチ)の寸法を有する二次元の長方形の物品を、CADコンピューターソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で長方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、位置決めテーブルの高さを約200μmに相当する二段分上昇させ、一方、プレスロッドの位置は静止したままにした。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上に手で広げてから圧縮し、そして鋼製の掻き取り刃を用いてダイの最上部と同じ高さに削り取った。長方形の物品をレーザーによって再びトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、約0.8mmの高さまたは厚さを有する完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0098

X線回折によって物品の生成物相を検査したところ、主として二ホウ化チタン、炭化チタン、および非晶質物質を含み、加えて少量の反応物質と中間相を含むことが見いだされた。これらの付加的な相の存在は、200ミクロンの層厚がレーザー加工条件に対して大きすぎるためであると考えられる。

0099

実施例8- B4C:
重量で78.3%のホウ素と21.7%の炭素を含む発熱反応性の混合物を作製して、炭化ホウ素から成る生成物を製造した。混合物は957ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、10gの総重量を有する混合物を用意した。粉末を振り動かすことによって混合し、次いで、モーターと乳棒を用いて手作業で微粉砕した。

0100

40ワットの二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の円筒形の穴を有するスチールダイを有するように改造し、調節可能な高さ位置決めテーブルによってダイの高さを位置決めし、位置決めテーブルにおいて円筒形のプレスロッドを穴に通すことによって機械装置のベース上で固定した高さで平らにした。エピログのZingレーザー彫刻機を制御される雰囲気のグローブボックスの内部に配置し、そしてグローブボックスにアルゴンガスを充満させた。プレスロッドとダイの最上部の間に約2mmの隙間ができるように、位置決めテーブルの高さを調節した。混合粉末の層をダイにおけるプレスロッドの最上部に配置し、層の最上部がダイの最上部と同じ高さになるように、粉末の層を手で圧縮し、次いで、鋼製のプレートを用いて平らに削り取った。

0101

約12.7mm×約9.5mm(約0.5インチ×0.375インチ)の寸法を有する二次元の長方形の物品を、CADソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で長方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、位置決めテーブルの高さを約400μmに相当する二段分上昇させ、一方、プレスロッドの位置は静止したままにした。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上に手で広げてから圧縮し、そして鋼製の掻き取り刃を用いてダイの最上部と同じ高さに削り取った。長方形の物品をレーザーによって再びトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、約5.6ミリメートルの高さまたは厚さを有する完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0102

X線回折によって物品の生成物相を検査したところ、炭化ホウ素が含まれることが見いだされ、またホウ素と炭素のピークも存在していた。残留のホウ素と炭素の存在は、約400μmの層厚がレーザー加工条件に対して大きすぎるためであると考えられる。

0103

実施例9- B4C-TiB2-SiCの共晶
重量で61.3%のホウ素、25.1%の炭素、11.1%のケイ素、および2.5%のチタンを含む発熱反応性の混合物を作製して、炭化ホウ素、炭化ケイ素、および二ホウ化チタンから成る3元共晶セラミックス生成物を製造した。混合物は1408ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、10gの総重量を有する混合物を用意した。粉末を振り動かすことによって混合し、次いで、モーターと乳棒を用いて手作業で微粉砕した。

0104

40ワットの二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の円筒形の穴を有するスチールダイを有するように改造し、調節可能な高さ位置決めテーブルによってダイの高さを位置決めし、位置決めテーブルにおいて円筒形のプレスロッドを穴に通すことによって機械装置のベース上で固定した高さで平らにした。エピログのZingレーザー彫刻機を制御される雰囲気のグローブボックスの内部に配置し、そしてグローブボックスにアルゴンガスを充満させた。プレスロッドとダイの最上部の間に約2mmの隙間ができるように、位置決めテーブルの高さを調節した。混合粉末の層をダイにおけるプレスロッドの最上部に配置し、層の最上部がダイの最上部と同じ高さになるように、粉末の層を鋼製の掻き取り刃を用いて手で平らに削り取った。

0105

約12.7mm×約9.5mm(約0.5インチ×0.375インチ)の寸法を有する二次元の長方形の物品を、CADソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で長方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。次いで、位置決めテーブルの高さを約200μmに相当する一段分上昇させ、一方、プレスロッドの位置は静止したままにした。次いで、粉末混合物の第2の層を最初の層の上に手で広げ、そして鋼製の掻き取り刃を用いてダイの最上部と同じ高さに削り取った。長方形の物品をレーザーによって再びトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、約1.4mmの高さまたは厚さを有する完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0106

実施例10- TiC-TiC希釈剤:
重量で40.0%のチタン、10.0%の炭素、および50.0%の炭化チタンの希釈剤を含む発熱反応性の混合物を作製して、炭化チタンから成る生成物を製造した。希釈剤の炭化チタンは、設計される物品を構成することを意図する領域の外側での反応の伝播が防がれるように、反応温度を下げるために添加された。混合物は2076ケルビンの計算上の断熱反応温度を有する。上記のパーセントに従う成分粉末を秤量することによって、10gの総重量を有する混合物を用意した。粉末を振り動かすことによって混合し、次いで、モーターと乳棒を用いて手作業で微粉砕した。

0107

40ワットの二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の直径の円筒形の穴を有する取り外し可能なスチールダイを収容するように改造した。ダイの中で混合粉末の層を二つのプレスロッドの間で1メートルトンの力で押し込み、そしてダイの中に残っている圧縮した粉末で上方のプレスロッドを押し出した。ダイと圧縮粉末をレーザー彫刻機に配置し、そして加工処理チャンバにアルゴンガスを充満させた。

0108

約12.7mm×約9.5mm(約0.5インチ×0.375インチ)の寸法を有する二次元の長方形の物品を、CADソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で長方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。総量で0.1gの追加の混合粉末を最初の層の上に加え、1メートルトンの力を用いて再度圧縮し、そしてダイと圧縮粉末をレーザー彫刻機に配置した。加工処理チャンバにアルゴンガスを再び充満させ、そして長方形の物品を再びレーザーでトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0109

X線回折によって物品の生成物相を検査したところ、主として炭化チタンが含まれることが見いだされ、また少量のチタンと炭素も存在していた。残留のホウ素と炭素の存在は、周囲の粉末を不完全に除去したためであり、また層の高さがレーザー加工条件に対して大きすぎるためであると考えられる。

0110

実施例11- Ti-TiN:
重量で100%のチタンを含む粉末を作製して、これを90%のアルゴンガスと10%の窒素ガスから成る雰囲気中で1気圧の圧力において窒素ガスと発熱反応させ、それにより窒化チタンとチタン金属から成る生成物を製造した。

0111

40ワットの二酸化炭素レーザーを備えたエピログのZingレーザー彫刻機を、約25.4mm(約1インチ)の円筒形の穴を有するスチールダイを有するように改造し、調節可能な高さ位置決めテーブルによってダイの高さを位置決めし、位置決めテーブルにおいて円筒形のプレスロッドを穴に通すことによって機械装置のベース上で固定した高さで平らにした。エピログのZingレーザー彫刻機を制御される雰囲気のグローブボックスの内部に配置し、そしてグローブボックスにアルゴンガスと窒素ガスの混合物を充満させた。プレスロッドとダイの最上部の間に約2mmの隙間ができるように、位置決めテーブルの高さを調節した。混合粉末の層をダイにおけるプレスロッドの最上部に配置し、層の最上部がダイの最上部と同じ高さになるように、粉末の層を鋼製の掻き取り刃を用いて手で平らに削り取った。

0112

約12.7mm×約9.5mm(約0.5インチ×0.375インチ)の寸法を有する二次元の長方形の物品を、CADソフトウェアプログラムを用いて設計した。デジタル情報をエピログのZing40ワットレーザー彫刻機へ送り、そして粉末層の上で長方形のパターンをレーザーでトレースし、それにより、トレースした領域を窒素ガスと発熱性の化学反応を開始するのに十分な温度まで加熱した。反応の速度と程度は、窒素の有効性によって動力学的に制限された。レーザーおよびトレースした領域における化学反応からの合体したエネルギーは、製品の材料が焼結して溶融することによって融合を生じさせるのに十分なものであった。総量で0.1gの追加の混合粉末を最初の層の上に加え、1メートルトンの力を用いて再度圧縮し、そしてダイと圧縮粉末をレーザー彫刻機に配置した。加工処理チャンバにアルゴンガスを再び充満させ、そして長方形の物品を再びレーザーでトレースし、それによりこの層において化学反応を開始させた。レーザーおよび化学反応のエネルギーは、第2の層のトレースした領域をそれ自体および最初の層に融合させた。次いで、約1mmの高さまたは厚さを有する完全な物品が製造されるまで、このプロセスを層ごとに繰り返した。次いで、ピンセットを用いて、完成した物品を周囲の未反応の粉末から取り出した。

0113

生成物は窒化チタンの金色の特徴を有し、また未反応のチタン金属も含んでいることが見いだされた。窒化チタンに転化される生成物相の量は、窒素の濃度と圧力を増大させることによって、ならびにチタン粒子のサイズと層の厚さを低下させることによって増大させることができる。

実施例

0114

本発明の好ましい態様をここに提示したが、それらの態様に適当な修正がなされうることが予想され、それでもなお、そのようなものは本発明の範囲内のものである。従って、本発明は特許請求の範囲に従ってのみ解釈されるべきである。

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