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技術 付加製造材料用の溶融池撹拌による微細構造の改良法

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 ガブチ,アラシュマイヤー,クリストファーエー.コットン,ジェームズディー.クリル,マシュージェー.
出願日 2018年11月27日 (1年3ヶ月経過) 出願番号 2018-221195
公開日 2019年9月5日 (6ヶ月経過) 公開番号 2019-148006
状態 未査定
技術分野 粉末冶金 電子ビームによる溶接、切断 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード 図解目的 応力軽減 幾何学的設計 回転車輪 幾何学的形 センチメートル単位 冷却ガス流 分離不純物
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図面 (11)

課題

様々なタイプに設計された構造物に対応し得る付加製造の最中に、金属材料堆積層微細構造を改良する方法を提供する。

解決手段

金属材料が固液界面を含むように、金属材料を溶融状態まで加熱することによって第1の層を生成し、さらに第1の層の金属材料に電磁場または振動印加する。電磁場または振動によって金属材料の第1の層に摂動が生じ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、1つ以上の核生成部位が形成される。また、第1の層に連結された、第2の層を生成することも含む。第2の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。各核生成部位は、空間的にランダム配向結晶体成長させ得る。

概要

背景

バルク形状から材料を取り除いて最終形状に至る減法型の技法(例えば切削や削孔)に依存する従来型の製造とは異なり、付加製造は、3次元(3D)のデジタルモデルに従って材料の層を精密に付加して固結することを通じて形状を構築する。下層に使用されている材料に応じて、粉末床溶融結合、直接エネルギー堆積溶接電子ビーム及びレーザ処理)、光重合、材料噴射結合剤噴射、及び押出といった、所望の構造を付加的に製造するための様々な固結技法が利用可能である。

付加製造は、しばしば、ポリマー材料から機能試作品または部品を作製するのに用いられる。通常は、プラスチックゴム、及び他のポリマー材料が使用される。なぜならば、これらの材料の層を形成して混合するための固結技法は、経済的であり、容易に利用可能だからである。反対に、金属材料(例えば金属、合金化合物)の層を固結することに関連した、冶金が持つ課題によって、金属材料の付加製造への利用は、しばしば減らされ、さらには妨げられさえしている。その結果、付加製造では、通常は、医療、航空、または他の固有の目的用に高度に特化した構成要素を作り出すためのみに、金属材料が用いられている。

固結技法が金属材料にとって難しい一つの理由は、材料に内在している微細構造である。具体的には、金属及び合金は、不規則な形状を持つ多数のグレインからなる。グレインの大きさと配列は、肉眼では識別困難であるが、諸特性の中でも特に、材料の強度、延性ひずみ速度疲労耐久性、及びクリープ変形への耐性を含む、材料の諸特性にインパクトを与える。

付加製造中、金属材料の層が完全に固化すると、結果として生じる材料の微細構造は、より異方的な特性を有しており、この特性が、層の耐久性、強度、及び他の諸特性にインパクトを与える。付加製造は、レイヤーごとの処理を通じて構造物を生成することを含むため、層ごとに異なる一貫性のない樹枝状成長によって、しばしば異方的な特性が組み合わされる。

堆積層内の異方的な特性を低減させるために現在使用されている一つの技法は、後続の層を付加するのに先立って、各層の上に回転車輪を当てることを含む。回転車輪の技法は、堆積層内におけるグレインの再構築を促進し得るが、回転車輪の使用に必要な大きさと空間のため、回転車輪の全般的な利用は、より厚い特徴部や単純な幾何学的形状で材料を堆積する付加製造プロセスに限られる。したがって、様々なタイプに設計された構造物に対応し得る付加製造の最中に、金属材料の堆積層の微細構造を改良し得る、技術の必要性が存在している。

概要

様々なタイプに設計された構造物に対応し得る付加製造の最中に、金属材料の堆積層の微細構造を改良する方法を提供する。金属材料が固液界面を含むように、金属材料を溶融状態まで加熱することによって第1の層を生成し、さらに第1の層の金属材料に電磁場または振動印加する。電磁場または振動によって金属材料の第1の層に摂動が生じ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、1つ以上の核生成部位が形成される。また、第1の層に連結された、第2の層を生成することも含む。第2の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。各核生成部位は、空間的にランダム配向結晶体を成長させ得る。なし

目的

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

金属材料を用いて一体物(118)の第1の層(120)を生成すること(102)であって、前記一体物(118)は、相互接続された1つ以上の構成要素を含み、前記第1の層(120)は、前記金属材料が固液界面を含むように前記金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第1の層を生成すること(102)と、前記第1の層(120)の前記金属材料に対して電磁場印加すること(104)であって、前記電磁場が前記第1の層(120)に摂動を生じさせ、それによって、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において1つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加すること(104)と、前記一体物(118)の前記第1の層(120)に連結された第2の層(122)を生成すること(106)であって、前記第2の層(122)を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダム配向結晶体成長させる、第2の層を生成すること(106)と、を含む方法(100)。

請求項2

前記第1の層(120)の前記金属材料に対して振動を印加すること(108)であって、前記振動が、前記溶融状態にある前記金属材料の相対的せん断運動を生じさせる、振動を印加すること(108)をさらに含む、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記第1の層(120)の前記金属材料に対して振動を印加すること(110)がさらに、前記溶融状態にある前記金属材料内で成長している1つ以上の樹枝状結晶(132−136)を、断裂させ、分離させ、その結果、前記金属材料の前記固液界面における核生成部位(140−144)の数を増加させる、請求項2に記載の方法。

請求項4

前記第1の層(120)の前記金属材料に対する振動の印加が、前記第1の層(120)の前記金属材料に対する前記電磁場の印加と並行して実施される、請求項2または3に記載の方法。

請求項5

前記第1の層(120)の前記金属材料への振動の印加が、前記第1の層(120)の前記金属材料に対する前記電磁場の印加に先立って実施される、請求項2または3に記載の方法。

請求項6

前記第1の層(120)の前記金属材料への振動の印加が、前記第1の層(120)の前記金属材料に対する前記電磁場の印加の後に実施される、請求項2または3の方法。

請求項7

前記金属材料が金属であり、前記金属材料を用いて前記一体物(118)の前記第1の層(120)を生成することが、ワイヤ供給による付加製造を用いて前記第1の層(120)を生成することを含む、請求項1−6のいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記金属材料が合金であり、前記金属材料を用いて前記一体物(118)の前記第1の層(120)を生成することが、粉末供給による付加製造を用いて前記第1の層(120)を生成することを含む、請求項1−7のいずれか一項に記載の方法。

請求項9

前記金属材料を用いて前記一体物(118)の前記第1の層(120)を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料内の一式の樹枝状結晶(132−136)のエピタキシャル成長から複数の長形のグレイン(150−154)が生じるように、基板上に前記第1の層(120)を堆積することであって、前記複数の長形のグレイン(150−154)が、前記一体物(118)の前記第1の層(120)に異方的な特性を持たせる柱状の配向を有する、第1の層(120)を生成することを含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。

請求項10

前記第1の層(120)の前記金属材料に前記電磁場を印加することが、前記溶融状態にある前記金属材料を撹拌するために前記電磁場を印加することを含み、前記溶融状態にある前記金属材料を撹拌することが、前記複数の長形のグレイン(150−154)を減少させ、前記複数の長形のグレイン(150−154)を減少させることが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面における核生成部位の数を増加させる、請求項9に記載の方法。

請求項11

前記一体物(118)の前記第1の層(120)に連結された前記第2の層(122)を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面における前記核生成部位において空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ、前記結晶体が、前記長形のグレイン(150−154)よりもより小さい新たなグレイン(158)を形成し、前記新たなグレイン(158)が、前記金属材料の前記第1の層(120)に、より等方的な特性を持たせる等軸化されたグレイン構造を有する、請求項10に記載の方法。

請求項12

前記第1の層(120)の前記金属材料に対して前記電磁場を印加することが、前記溶融状態にある前記金属材料の温度を、前記金属材料の融点よりも下へと低下させる、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。

請求項13

前記溶融状態にある前記金属材料の温度を、前記金属材料の前記融点よりも下に低下させることが、前記金属材料を固化させる、請求項12に記載の方法。

請求項14

前記第1の層(120)の前記金属材料に冷却スプレーをかけることであって、前記冷却スプレーが、前記金属材料の樹枝状結晶(132−136)が成長するのに利用可能な時間の量を削減する、冷却スプレーをかけることをさらに含む、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。

請求項15

溶融状態にある前記第2の層(122)の前記金属材料に対して電磁場を印加することと、前記一体物(118)の、前記第2の層(122)に連結される第3の層(124)を生成することとをさらに含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。

請求項16

相互接続された1つ以上の構成要素を含む一体物(118)を含む器具(116)であって、前記一体物(118)が、金属材料を用いて生成される第1の層(120)であって、前記第1の層(120)は、前記金属材料が固液界面を含むように前記金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成され、電磁場が、前記第1の層(120)に摂動を生じさせ、それによって、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において1つ以上の核生成部位を形成するために印加される、第1の層(120)と、前記一体物(118)の前記第1の層(120)に連結された第2の層(122)であって、前記第2の層(122)を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面における前記核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第2の層(122)とを含む、器具(116)。

請求項17

前記溶融状態にある前記金属材料を撹拌するために前記第1の層(120)に対して振動が印加され、前記振動が、前記溶融状態にある前記金属材料内で成長している1つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ、その結果、前記金属材料の前記固液界面における核生成部位の数を増加させる、請求項16に記載の器具。

請求項18

前記第1の層(120)に摂動を生じさせるため、前記第1の層(120)に対して、前記電磁場の印加と並行して前記振動が印加される、請求項16または17に記載の器具。

請求項19

前記第1の層(120)に対する前記電磁場の印加の後に、前記第1の層(120)に対して前記振動が印加される、請求項16または17に記載の器具。

請求項20

金属材料を用いて一体物(118)の第1の層(120)を生成すること(164)であって、前記一体物(118)は、相互接続された1つ以上の構成要素を含み、前記第1の層(120)は、前記金属材料が固液界面を含むように前記金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第1の層(120)を生成すること(164)と、前記第1の層(120)の前記金属材料に対して電磁場を印加すること(166)であって、前記電磁場が前記第1の層(120)に摂動を生じさせ、それによって、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において1つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加すること(166)と、前記第1の層(120)の前記金属材料に対して振動を印加すること(168)であって、前記振動が前記溶融状態にある前記金属材料内で成長している1つ以上の樹枝状結晶を断裂させ、分離させ、その結果、前記金属材料の前記固液界面における核生成部位の数を増加させる、振動を印加すること(168)と、前記一体物(118)の前記第1の層(120)に連結された第2の層(122)を生成すること(170)であって、前記第2の層(122)を生成することが、前記溶融状態にある前記金属材料の前記固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第2の層を生成すること(170)と、を含む、方法(162)。

技術分野

0001

本開示は、概して付加製造プロセスに関し、具体的には、付加製造に使用される金属材料微細構造の改良(refining)技法に関する。

背景技術

0002

バルク形状から材料を取り除いて最終形状に至る減法型の技法(例えば切削や削孔)に依存する従来型の製造とは異なり、付加製造は、3次元(3D)のデジタルモデルに従って材料の層を精密に付加して固結することを通じて形状を構築する。下層に使用されている材料に応じて、粉末床溶融結合、直接エネルギー堆積溶接電子ビーム及びレーザ処理)、光重合、材料噴射結合剤噴射、及び押出といった、所望の構造を付加的に製造するための様々な固結技法が利用可能である。

0003

付加製造は、しばしば、ポリマー材料から機能試作品または部品を作製するのに用いられる。通常は、プラスチックゴム、及び他のポリマー材料が使用される。なぜならば、これらの材料の層を形成して混合するための固結技法は、経済的であり、容易に利用可能だからである。反対に、金属材料(例えば金属、合金化合物)の層を固結することに関連した、冶金が持つ課題によって、金属材料の付加製造への利用は、しばしば減らされ、さらには妨げられさえしている。その結果、付加製造では、通常は、医療、航空、または他の固有の目的用に高度に特化した構成要素を作り出すためのみに、金属材料が用いられている。

0004

固結技法が金属材料にとって難しい一つの理由は、材料に内在している微細構造である。具体的には、金属及び合金は、不規則な形状を持つ多数のグレインからなる。グレインの大きさと配列は、肉眼では識別困難であるが、諸特性の中でも特に、材料の強度、延性ひずみ速度疲労耐久性、及びクリープ変形への耐性を含む、材料の諸特性にインパクトを与える。

0005

付加製造中、金属材料の層が完全に固化すると、結果として生じる材料の微細構造は、より異方的な特性を有しており、この特性が、層の耐久性、強度、及び他の諸特性にインパクトを与える。付加製造は、レイヤーごとの処理を通じて構造物を生成することを含むため、層ごとに異なる一貫性のない樹枝状成長によって、しばしば異方的な特性が組み合わされる。

0006

堆積層内の異方的な特性を低減させるために現在使用されている一つの技法は、後続の層を付加するのに先立って、各層の上に回転車輪を当てることを含む。回転車輪の技法は、堆積層内におけるグレインの再構築を促進し得るが、回転車輪の使用に必要な大きさと空間のため、回転車輪の全般的な利用は、より厚い特徴部や単純な幾何学的形状で材料を堆積する付加製造プロセスに限られる。したがって、様々なタイプに設計された構造物に対応し得る付加製造の最中に、金属材料の堆積層の微細構造を改良し得る、技術の必要性が存在している。

0007

一実施例では、方法が記載される。方法は、金属材料を用いて一体物のうちの第1の層を生成することを含む。一体物は、相互接続された1つ以上の構成要素を含み、第1の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって、生成される。方法は、第1の層の金属材料に電磁場印加することをさらに含む。具体的には、電磁場が金属材料の第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、1つ以上の核生成部位が形成される。方法は、一体物の第1の層に連結された、第2の層を生成することもまた含む。第2の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。ある例では、各核生成部位は、空間的にランダム配向結晶体を成長させる。

0008

別の実施例では、器具が記載される。器具は、相互接続された1つ以上の構成要素を有する一体物を含む。一体物は、金属材料を用いて生成された第1の層を含む。第1の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって、生成される。金属材料の第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、1つ以上の核生成部位を形成するために、電磁場が印加される。一体物は、一体物の第1の層に連結された、第2の層もまた含む。第2の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。ある例では、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる。

0009

別の実施例では、方法が記載される。方法は、金属材料を用いて一体物のうちの第1の層を生成することを含む。一体物は、相互接続された1つ以上の構成要素を含み、第1の層は、金属材料を溶融状態まで加熱し、それによって金属材料が固液界面を含むことによって、生成される。方法は、第1の層の金属材料に電磁場を印加することをさらに含む。電磁場は金属材料の第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において、1つ以上の核生成部位が形成される。方法は、第1の層の金属材料に振動を印加することもまた含む。振動は、溶融状態にある金属材料内で成長している樹枝状結晶を、断裂させ、分離させる。その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる。方法は、一体物の第1の層に連結された、第2の層を生成することもまた含む。具体的には、第2の層を生成するは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。ある例では、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる。

0010

上記で検討されてきた特徴、機能、及び利点は、様々な実施例において個別に実現可能であるか、または、さらに別の実施例において組み合わせることが可能である。これらの実施例のさらなる詳細は、下記の説明及び図面を参照することによって理解することが可能である。

0011

例示的な実施例の特性と考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に明記されている。しかし、例示的な実施例、並びに好適な使用モード、それらのさらなる目的及び説明は、添付の図面と併せて、本開示の例示的な実施例についての以下の詳細な説明を読むことによって、最もよく理解されるだろう。

図面の簡単な説明

0012

例示的な一実施形態による、付加製造に用いられる金属の微細構造を改良する、例示的な方法のフロー図を示す。
例示的な一実施形態による、図1に示す方法と共に使用される例示の方法のフロー図を示す。
例示的な一実施形態による、図1に示す方法と共に使用される別の例示の方法のフロー図を示す。
例示的な一実施形態による、図1に示す方法と共に使用されるさらなる例示の方法のフロー図を示す。
例示的な一実施形態による、付加製造中に微細構造改良技法を用いて生成された器具の図である。
例示的な一実施形態による、金属材料の樹枝状成長の図である。
例示的な一実施形態による、図6に示す金属材料の樹枝状成長が変更された図である。
例示的な一実施形態による、図6及び図7に示す金属材料の樹枝状成長のその後の図である。
堆積層の微細構造の一部分を構成する、長形のグレインの図である。
図9に示す堆積層の微細構造内の一部分を構成する、改良されたグレインの図である。
例示的な一実施形態による、付加製造に用いられる金属材料の微細構造を改良する例示的な方法のフロー図を示す。

実施例

0013

これより、添付図面を参照しつつ、開示されている実施例についてより網羅的に説明するが、添付図面に示すのは開示されている実施例の一部であって、全てではない。実際には、いくつかの異なる実施例を説明することがあるが、これらの実施例は、本明細書に明記されている実施例に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施例が記載されているのは、この開示内容包括的且つ完全となり、本開示の範囲が当業者に十分に伝わるためである。

0014

これらの実施例は、付加製造中に金属材料層の微細構造を改良するための技法に関する。具体的には、例示的な技法は、金属材料の層が溶融状態(即ち溶融池)にあるときに、金属材料の層に摂動を生じさせるか、または別様の変更を生じさせる。付加製造中に、本明細書に記載の金属材料層の微細構造を改良するための1つ以上の技法を用いることによって、層の特性を強化することができ、その結果、諸特性の中でも特に、強度、延性、疲労、耐久性、ひずみ速度、及びクリープ変形への耐性を含む、材料の特性が向上され得る。

0015

材料の微細構造内のグレインの大きさと配列は、通常、金属材料の樹枝状成長に影響を与える形成条件に依存する。金属材料が付加的なプロセスによって製造されるとき、金属材料は溶融され、所望に応じて堆積されて構造物の層を形成する。熱が、金属材料を局所的に溶融状態へと変化させ、それによって、結果として生じる製品を特定の形状に成形することが可能になる。溶融材料から十分な熱が去って材料の温度が融点よりも低下すると、材料は、固化と呼ばれるプロセスにおいて液状の溶融状態から元の固体状態転移する。

0016

固化の最中、金属材料内では、核生成及び成長による変態(transformation)が生じる。核生成は、互いに結合して微小種結晶を形成している溶融材料からの原子クラスタを含む。微小種結晶は、本明細書で核生成部位と呼ばれる、材料内の箇所において発生し、結晶体からなる樹木のような構造である樹枝状結晶の形状で成長し続ける。樹枝状結晶の形成は、結晶体が、液相と固相の両方からなる、凝固遷移層(mushy zone)と呼ばれる温度勾配へと成長することによって生じる。ある例では、固化中に、例えば、基板もしくは先行する層に対してといったように、不純物面または不純物粒子上に、不溶性分離不純物上に、または、原子が安定な結晶核を形成するのに必要な臨界自由エネルギーを低下させる他の構造材料上に、核生成部位が形成され、不均一核生成が生じる。樹枝状結晶の結晶体の大きさは、溶融材料内で成長している他の樹枝状結晶によって成長が制限されるか、または樹枝状結晶が局所的な融点を超える温度で液体遭遇するまで、より多くの原子を加えることによって増大する。

0017

付加製造中の固化は、しばしば、金属材料の層が不均一なグレイン構造を有する元となる不均一な樹枝状成長を含む。具体的には、エネルギー的に好適な結晶学的方向、下にある基板または層、不純物、熱源(例えばレーザ)の指向性を持った使用、及び他の要因が、固化中、ある樹枝状結晶に他の樹枝状結晶よりも迅速な成長を示させ得る。成長を支配する樹枝状結晶は、しばしば、柱状の配向を有する長形のグレインに至る。これらの、長形で柱状のグレインは、例えば、急峻な温度勾配が存在する中で金属材料が若干ゆっくりと固化するといった状況で生じ得る、長くて薄い粗粒子である。支配的な樹枝状結晶はまた、隣接する他の配向の樹枝状結晶が同量の成長を経るのをしばしば妨げもする。

0018

上記のように、金属材料の堆積層は、固化を経て溶融状態から元の固体状態へと転移する。固化中の不均一な核生成及び成長は、金属材料層に、異方的な特性を有させ得る。具体的には、エピタキシャル成長及び他の要因が、金属材料のグレインの微細構造に、層の強度及び他の特性に負のインパクトを及ぼす、長形で柱状のグレインを有させ得る。さらに、付加製造は層の上に層を生成して所望の構造物を作製することを伴うので、このインパクトによる影響の度合いは強くなり、構造物の性能及び有効性に負の影響が与えられる。

0019

本明細書で提示される例示の技法は、金属材料の層に関する耐久性、強度、及び他の特性を向上させるため、付加製造中に層の微細構造を改良する。具体的には、ある実施例は、堆積された金属材料層の一部分に対して、この材料が溶融状態にあるときに、1つ以上の電磁場を印加することを含む。電磁場の印加は、溶融材料を撹拌して溶融材料に摂動を生じさせ、それによって、溶融材料内の様々な箇所(例えば固液界面)において新たな核生成部位が形成される。その結果、これらの核生成部位は、溶融材料が固化を経ているときに、新たな結晶体を成長させ得る。新たな結晶体は、金属材料内に空間的にランダムな配向で配列されており、それによって、層の改良された微細構造が、ランダムに配向された、より小さな等軸化されたグレインになる。この改良された微細構造によって、諸特性の中でも特に、強度、延性、疲労耐久性、ひずみ速度、及びクリープ変形への耐性が向上される。

0020

さらなる実施例は、層の微細構造を改良するため、付加製造中に金属材料の堆積層に対して振動を印加することを含む。振動は、金属材料の層が溶融状態にあるときに、金属材料の層に摂動を生じさせ得るか、または別様の変更を生じさせ得る。例えば、金属材料の層がまず加熱されて成形された後、溶融池状態にある材料の部分を撹拌するために、振動が印加され得る。振動は、上に層が位置している下層の基板の核生成中の固体に対する、溶融材料の相対的なせん運動を生じさせ得る。その結果、溶融材料内で成長している樹枝状結晶は、デフラグメンテーションを経る。デフラグメンテーション中に、樹枝状結晶の部分が断裂し、分離する。元の樹枝状結晶から分離するこれらの部分は、溶融材料内で、新たな核生成部位を形成し得る。例えば、分離した樹枝状結晶の部分のうちのあるものは、溶融材料の固液界面において、付着し、核生成し得る。その後、核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶を成長させてよく、その結果、振動層がより均一なグレイン構造を有することにつながる。これによって、諸特性の中でも特に、強度、延性、疲労耐久性、ひずみ速度、及びクリープ変形への耐性の向上がもたらされる。

0021

ある実施例では、金属材料の堆積層の微細構造を再構築するため、振動の技法と電磁場の技法との組み合わせが用いられる。ある層に、両方の技法を同時にまたは所与順序で適用することができる。例えば、一実施例は、堆積処理中に、振動を受け、次に電磁場を受け、さらなる振動を受ける、材料の溶融層を含み得る。これらの技法は、様々な継続時間と、様々な強度でもまた使用され得る。さらに、ある実施例は、付加製造中に、種々の層に対して振動による技法と電磁場による技法とを切り替えることを含む。

0022

上記の技法は、同様の処理と共に、付加製造中の他の応力軽減処理に対する必要性を削減するか、または潜在的に除去することができる。次に、処理手順を取り除くことによって、全体的なコストおよびフロー時間がしばしば削減される。加えて、回転車輪の技法とは異なり、電磁場による技法及び振動による技法は、付加製造用の構造物の幾何学的設計に関する制限を設けない。例えば、これらの技法は、大きさが小さい(例えば測定値センチメートル単位)である所望の構造物に対して迅速に使用することができ、付加製造中に、所望の構造物の全ての層(または層のサブセット)に対して、使用することができる。さらに、ある実施例では、電磁場による技法及び振動による技法は、どちらも、必要な構成要素が回転車輪の技法よりも少ない設定を使用することができる。新たに形成された核生成部位から発生するひずみのない複数のグレインは、置換されようとしている長形のグレインとは異なり、通常、同じような大きさと形態を持っている。置換する側のグレインはまた、空間的にランダムな配向を有する傾向にもあり、それによって、層が異方的な特性というよりも等方的な特性を有するようになっている。等方的な特性は、層の特性が、測定方向とは無関係に一定であることを示している。

0023

付加製造された構造物の特性を向上させるために、ある実施形態では、上記の技法は、付加製造中にすべての層(または層のサブセット)に対して適用され得る。この結果、より引張応力を受けにくい、強化された構造物が作り出される。引張応力は、構造物を引き離すか、または引き延ばそうとする力に対する構造物の抵抗を表し、その構造物を構成する材料の全体的な強度を表す。したがって、振動による技法及び/または電磁場による技法を通じて微細構造を改良することによって、引張応力及び他の材料欠陥の影響をより受けにくい金属材料から製作された、層及び付加製造された構造物全体が作り出され得る。

0024

ここで図面を参照すると、図1は、付加製造に用いられる金属の微細構造を改良する例示的な方法のフロー図を示す。図1に示す方法100は、付加製造中に用いられ得る1つ以上の材料の微細構造を改良するのに使用され得る、方法の一例を提示している。

0025

方法100は、ブロック102、104、及び106のうちの1つ以上に示されている、1つ以上の工程、機能、または動作を含んでいることができる。ブロックは順番に示されているが、これらのブロックは、並行して実施されてもよいか、及び/または、本明細書に記載の順序とは別順で実施されてもよい。また、所望の実施形態に基づいて、様々なブロックは、組み合わされて数が減少するか、分割されて数が増加するか、及び/または除外されることがあり得る。

0026

方法100は、ブロック102において、金属材料を用いて一体物の第1の層を生成することを含む。一体物は、単一のピースとして共に形成された1つ以上の構成要素を持つ構造物である。例えば、一体物は、より大きい構造物の一構成要素役割を果たす、付加製造された構造物であることができる。他の実施例では、一体物は、独立した物体であることができる。一体物の他の例も可能である。さらに、従来型の製造とは異なり、付加製造された物体は、複数の要素を接続または接合するのに、ファスナ(例えばネジ)を必要としない。その結果、付加製造による層及び固結処理によって、様々な形状及び設計の、広範な一体物の製作が可能になっている。

0027

上記のように、付加製造は、1つまたは複数の金属材料の層を一緒に加熱して堆積させ、3Dデータのモデルに従って所望の一体物を形成することを含む。使用され得る例示の金属材料は、限定しないが、チタニウム、金、銀、鋼、アルミニウム、及び合金を含む。ある例では、材料の化合物もまた使用され得る。例えば、化合物は、組み合わされた金属と非金属とを含み得る。付加製造される物体用に選択される材料は、通常、材料のコスト、並びに物体の寸法及び所望の利用法に依存する。

0028

層の堆積中、金属材料が加熱され成形される。例えば、チタニウム合金といったある材料は、1600°C−1660°Cの範囲の溶融範囲を有する。材料(例えば溶融合金)は、通常レーザまたは電子ビームである入射エネルギーによって、この温度よりもずっと上まで局所的に加熱され、冷えて固化する前に、一時的に3,000°C−4,000°Cに至る。例えば、粉末供給による付加製造処理においては、粉末層は、集束熱源(例えばレーザ)を用いて層ごとに固結される。これによって、構成要素を、コンピュータ支援設計CAD)データから直接生成することが可能になっている。他の実施例では、他のタイプの付加製造技法が使用される。例えば、一実施例は、ワイヤ供給による付加製造処理を用いることを含み得る。

0029

ある実施例では、第1の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって、生成される。構造物の各部分を形成するために、第1の層(及びさらなる層)用に選択された1つまたは複数の材料は、後続の層と連結され、各層が混合されて継ぎ目のない最終構造物が作製されるように構成することが可能である。

0030

金属材料が溶融状態まで加熱された後、材料の温度は低下する。金属材料の温度が融点よりも下まで低下すると、固化が生じる。溶融材料は、当初、材料が加熱されてからの時間が、経過するのにつれて熱を失う。固化中、溶融材料からの原子が結合(例えば金属結合)し、大きさが極小(例えば1ミリメートル未満)である、微小種結晶を形成し始める。微小種結晶が成長を開始した後は、この結晶体は、核生成部位から成長する核として記載され得る。このように、固化は、複数の結晶が溶融材料中で樹枝状結晶の形態で成長することを含む。下にある基板または先行の層、不純物、印加された熱源の指向性を持った性質などといった様々な要因によって、ある樹枝状結晶が成長を支配し、それによって層がより異方的な特性を持つという、樹枝状結晶の不均一な成長に帰結し得る。異方的な特性のために、金属材料のある部分は他の部分よりもより強度が高く、金属材料が測定方向によって異なるということが生じる。

0031

方法100は、ブロック104において、第1の層の金属材料に電磁場を印加することを含む。金属材料の第1の層の堆積後、長形のグレインを作り出す樹枝状結晶のエピタキシャル成長の結果、層は異方的な特性を有し得る。異方的な特性を低減させるため、溶融状態にある金属材料の部分に対して、1つ以上の電磁場が印加される。電磁場が金属材料に摂動を生じさせ、それによって、溶融材料内に新たな核生成部位が形成される。例えば、溶融材料の固液界面において、多数の核生成部位が発生し得る。

0032

電磁場を印加することは、様々なタイプの電源を使用することを含み得る。例えば、一実施例における電源として、付加製造中に第1の層とその他の堆積層に対して電磁場を印加するために、壁のコンセントからの電力またはバッテリからの電力を利用することができる。加えて、印加の方法及び継続時間は、諸実施例の中で異なり得る。電磁場は、ある閾値の継続時間にわたって、溶融材料の層に対して印加される。この閾値の継続時間は、層を構成する材料のタイプと量によって決まる。例えば、ある実施例は、何秒か(例えば5−10秒間)にわたって、またはそれよりも長く(例えば30秒間)、電磁場を印加することを含み得る。さらなる実施例では、電磁場は、より長い時間(例えば2分間、5分間)にわたって印加される。閾値の継続時間は、金属材料の層の厚さ及び他の寸法や金属材料のタイプといった、様々な要素によって決まり得る。

0033

方法100は、ブロック106において、一体物の第1の層に連結された、第2の層を生成することを含む。一体物を作り出すために、一体物の構造が完全に形成されるまで、さらなる層が堆積される。さらなる層は、先行の層と同じ材料から、または先行の層とは異なる材料から、形成され得る。加えて、所望の構造物の形成に応じて、第2の層及び他の後続する層は、同じ寸法(例えば厚さ)または異なる寸法を有することができる。

0034

一体物の第1の層に連結された第2の層を生成することは、第1の層の溶融材料内の核生成部位の数を増加させ得る。熱及び第2の層の存在は、第1の層の核生成及び成長にインパクトを与え得る。例えば、ほぼ固化している第1の層の上の第2の層の存在は、層間の連結点に関する不均一核生成を生じさせ得る。

0035

上記のように、これらの核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ得る。層内で成長している他の樹枝状結晶によって設けられた制限のために結晶体の樹枝状結晶がこれ以上成長できなくなったとき、これらの結晶体の配列が、金属材料の改良されたグレインの微細構造を形成する。具体的には、この改良された微細構造は、柱状の長形のグレインとは異なり、ランダムな配向を有している、より小さく等軸化されたグレインからなっている。その結果、層の等方的特性は増大しており、全体的な強度、延性、及び他の特性は向上している。

0036

図2は、例示の実施形態による、方法100とともに使用する例示的な方法のフロー図を示している。機能は、ブロック108において、第1の層の金属材料に振動を印加することを含む。溶融材料の堆積層を振動することは、この層が上に載っている下の基板上で核生成している固体に対する、溶融材料の相対的せん断運動を生じさせる。その結果、溶融材料内で成長している樹枝状結晶は、デフラグメンテーションを経ることができる。このデフラグメンテーションでは、樹枝状結晶の部分が断裂し、分離する。これらの分離した部分は、溶融材料内で位置変更して、核生成部位を形成することができる。この核生成部位は、その後、固化中に空間的にランダムな配向で新たな結晶体を成長させる。これらの結晶体の成長は、材料の固化層の改良された微細構造に、より小さいグレインの均一な配列を持たせ、それによって層の特性を改善する。

0037

振動の量(例えば振幅、継続時間)は、諸実施例の中で異なり得る。例えば、振動による技法は、所与の層の堆積中に周期的または連続した態様で行われる、音波を印加する手法と超音波を印加する手法の両方を含み得る。ある実施形態では、音波振動レンジは100−400ヘルツの間の範囲であることができ、超音波振動のレンジは、20−45メガヘルツの間の範囲であることができる。音波及び超音波の振動のレンジは、振動の提供源次第であり得る。このように、音波振動及び/または超音波振動は、エネルギーを金属材料の堆積層に対して向けることができる。例えば、このエネルギーは、付加製造中、堆積後の溶融金属材料に摂動を生じさせ得る。諸実施例中では、他の高周波機械的なインパクト処理が用いられ得る。

0038

ある実施例では、第1の層の金属材料への振動の印加は、第1の層の金属材料への電磁場の印加と並行して実施される。例えば、付加製造処理中、溶融材料の各堆積層は、特性を向上させるため、振動を受けるのと同時に、電磁場もまた受けることができる。他の実施例では、第1の層の金属材料への電磁場の印加に先立って、基板に振動が印加される。さらに、ある例では、振動は、溶融材料の層に対して、この層が1つ以上の電磁場によって変更された後に、印加される。

0039

図3は、例示の実施形態による、方法100とともに使用する例示的な方法のフロー図を示している。機能は、ブロック110において、第1の層の金属材料に冷却ガス流を印加することを含む。付加製造中、材料の堆積層を冷却するため、冷却ガスまたは他の温度低下技法が使用され得る。例えば、溶融材料の層を過冷却してこの層を固化させるため、冷却技法が使用され得る。金属材料の樹枝状結晶が成長するのに利用可能な時間の量を削減するために、冷却ガスまたは別の温度低下技法が使用され得る。例えば、冷却ガスの印加は、樹枝状結晶のサブセットがエピタキシャル成長によって成長を支配するのを制限するための層として、金属材料が堆積される後に生じ得る。他の例では、金属材料の所与の層に対して1つ以上の振動による技法及び/または電磁場による技法が適用される前またはされた後に、冷却ガスまたは別の温度低下技法が適用される。

0040

図4は、例示の実施形態による、方法100とともに使用する例示的な方法のフロー図を示している。機能は、ブロック112において、第2の層の金属材料に電磁場を印加することを含む。金属材料の第2の層の微細構造の再構築を促進するため、電磁場は、第1の層の生成と同様に、第2の層にもまた印加され得る。電磁場の印加は、付加製造中の種々の層にわたって、異なり得る。例えば、電磁場を印加する継続時間、量、数、及び他の要素は、各層ごとに異なり得る。

0041

機能は、ブロック114において、一体物の第3の層を生成することを含む。上記のとおり、付加製造は、材料の複数の層を固結することによって一体物を生成する。したがって、一体物を形成して完成させるため、一体物が完成するまで、先行する層の上にさらなる層が堆積される。さらなる層の数、大きさ、及び形状は、一体物の寸法及び設計によって決まる。具体的には、一体物の設計に応じて、ある層が、異なる形状でより多いかまたはより少ない材料を有していることができる。

0042

さらなる層が同様の改良された微細構造を維持することを確保するために、電磁場による技法及び/または振動による技法が、これらの層に対しても同様に適用される。使用される技法は、各層間で同じままでもよいし、異なっていてもよい。例えば、一実施例は、ある層に対して電磁場を印加するのと、他の層に対して振動を印加するのとを、交互に行うことを含み得る。

0043

図5は、付加製造中に微細構造改良技法を用いて生成された器具116の図である。器具116は、付加製造中に生成され混合された、相互接続された1つ以上の構成要素からなる一体物118を含む。示されているように、一体物118は、第1の層120、第2の層122、第3の層124、第4の層126、及び第5の層128からなる。他の付加製造された一体物は、他の構成で成形された、より多いかまたはより少ない層を有することができる。

0044

器具116は、付加製造された花瓶であり、花を保持して展示するように構成されている。図1図4に示す方法100、または他の付加製造技法が、器具116を作製することができる。各堆積層(即ち、層120−128)は、別々の層120−128の配置を示す図解の目的で、識別可能境界線と共に示されている。層120−128は、アルミニウム、チタニウム、合金、などといった、様々な金属材料からなっていることができる。加えて、層120−128の高さ及び幅は、図5では図解目的のために誇張されているが、実施形態中では、より小さいものであることができる。

0045

器具116を付加製造する際、一体物118の各層は、次の層を堆積する前に、上記の1つ以上の技法を用いて強化され得る。例えば、器具116の生成は、最初に、基板上に第1の層120を堆積して形成することを含む。基板に対するエピタキシャル成長は、第1の層120の特性にインパクトを与え得る、不均一な樹枝状結晶の成長を生じさせ得る。基板は、付加製造中に層を保持するプラットフォームの役割を果たし得る。

0046

第1の層120の堆積後、第1の層120の溶融材料に対して、1つ以上の電磁場が印加され得る。同様に、第1の層120を構成している金属材料の微細構造の再構築を促進するため、振動による技法もまた使用され得る。上記のように、これらの技法は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる新たな核生成部位を作製することによって、再構築を生じさせ得る。

0047

付加製造中に第1の層120が作製された後、一体物118の一部分を形成するために、第1の層120上に第2の層122が堆積される。ある例では、第2の層122は、第1の層120が電磁場及び/または振動を受けた直後に堆積される。他のケースでは、第1の層120は、第2の層122が堆積される前に、冷えて、若干のエネルギーを放出することが可能である。例えば、第2の層122は、第1の層120の上に直接堆積され得る。

0048

さらなる層(例えば第3の層124、第4の層126、及び第5の層128)が堆積されるのにつれて、電磁場による技法及び/または振動による技法を含む上記の処理が繰り返され、層が強化される。複数の層にわたるこの繰り返しによって、器具116の全体の強度が向上し、水と花を加えても一体物118が弱められないことが確保され得る。

0049

図6は、金属材料の樹枝状成長の図である。フレーム130は、成長中の樹枝状結晶132、134、136であり、金属材料の樹枝状成長を示している。上記のとおり、樹枝状結晶とは、分岐した、樹木のような構造を持つ結晶の塊である。フレーム130は、同様の大きさを有する樹枝状結晶132と樹枝状結晶136を示す。樹枝状結晶134のサイズは、比較すると、わずかにより大きい。ある例では、樹枝状結晶134のサイズがより大きいことによって、樹枝状結晶134が成長を支配し、樹枝状結晶132、136の成長にインパクトを与えていることが示され得る。その結果、樹枝状結晶134は、長形のグレインへと成長し得る。他の実施例では、フレーム130は、長形のグレインであることよって金属材料の層により異方的な特性を持たせ得るようにして成長を支配している、複数の樹枝状結晶132−136を含む状況を表し得る。

0050

図7は、図6に示す金属材料の樹枝状成長の変更された図である。具体的には、フレーム138は、上記の電磁場による技法または振動による技法といった1つ以上の微細構造再構築技法の適用後に、部分的に断裂しいくつかの部分がなくなっている、樹枝状結晶132、134、136を示す。その結果、樹枝状結晶の部分によって、新たな核生成部位140、142、144が形成された。これらの核生成部位140、142、144は、金属材料の全体的な微細構造を均衡させるさらなるグレインに至る、結晶体を成長させることができる。

0051

図8は、図6及び図7に示す金属材料の樹枝状成長のその後の図である。フレーム146は、フレーム138の後続の時間を表す。この時間には、核生成部位140、142、及び144が成長し、元の樹枝状結晶132、134、及び136と同様の大きさを有する樹枝状結晶を作り出している。示されるように、樹枝状結晶132、134、136、及び核生成部位140、142、144は、金属材料の微細構造の再構築を生じさせ得る。各樹枝状結晶は、他の樹枝状結晶によって課される成長の限界の閾値に到達するまで成長した、空間的にランダムな配向の、1つ以上の結晶体を作り出すことができる。結果として生じる改良された微細構造は、空間的にランダムな配向を有する、等軸化されたグレインを含む。

0052

図9は、堆積層の微細構造の一部を構成する、長形のグレインの図である。図9に示す堆積層の一部148は、柱状の配向に配列された、長形のグレイン150、長形のグレイン152、及び長形のグレイン154を含む。付加製造中のある層の堆積後、エピタキシャル成長がある樹枝状結晶に成長を支配させ、結果として長形のグレイン150−154が生じる。図9に示すように、これらの長形のグレイン150−154は、しばしば特定の配向で一体に成形される。この配向は、堆積層に、強度、耐久性、及び他の特性に負のインパクトを与え得る、より異方的な特性を持たせる。これらの長形のグレイン150−154を作り出すいくつかの樹枝状結晶の成長は、層内で異なる配向を持っている他の樹枝状結晶が、同様に成長するのを妨げもする。これらの理由により、グレインの微細構造を変形して再構築を可能にし、異方的な特性を低減するために、付加製造中に、電磁場による技法及び/または振動による技法が使用され得る。

0053

図10は、図9に示す堆積層の微細構造の一部分を構成する、改良されたグレインの図である。具体的には、部分156は、電磁場及び振動を含む1つ以上の技法を経た後の、図9に示す堆積層を表す。示されているように、部分156は、空間的にランダムな配向を有するより小さいグレイン(例えばグレイン158、16)を含む。これらの、円形でより小さいグレインが、図9に示す長形のグレイン150−154に代替し、層の強度を増大させる。その結果、強化された層が、構造物の効用と耐久性を向上し得るより等方的な特性を持った、付加製造による構造物を可能にする。

0054

図11は、付加製造に用いられる金属の微細構造を改良する例示的な方法のフロー図を示す。図11に示す方法162は、付加製造中に用いられ得る金属または別の材料の微細構造を改良するのに使用され得る、方法の別の例を提示している。

0055

方法162は、ブロック164、166、168、及び170のうちの1つ以上に示されている、1つ以上の工程、機能、または動作を含んでいることができる。ブロックは順番に示されているが、これらのブロックは、並行して実施してもよいか、及び/または、本明細書に記載の順序とは別順で実施してもよい。また、様々なブロックが、組み合わされて数が減少すること、分割されて数が増加すること、及び/または、所望の実施形態に基づいて除外されることがあり得る。

0056

方法162は、ブロック164において、金属材料を用いて一体物のうちの第1の層を生成することを含む。具体的には、第1の層は、ある一式の樹枝状結晶が全体的な成長を支配し、長形のグレインを作り出すようにして成長する、金属(例えばチタニウム、アルミニウム)または金属の合金を用いて堆積される。例えば、長形のグレインは、柱状の配列で整列していることができる。成長を支配しているいくつかの樹枝状結晶は、反対の配向にある他の樹枝状結晶が同程度に成長することを防止し得る。その結果、金属の堆積層は、異方的な特性を有し得る。

0057

方法162は、ブロック166において、第1の層の金属材料に電磁場を印加することを含む。1つ以上の電磁場の印加が金属材料の第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融材料内に1つ以上の核生成部位が形成される。例えば、溶融材料の固液界面において、核生成部位が形成され得る。

0058

方法162は、ブロック168において、第1の層の金属材料に振動を印加することを含む。電磁場と同様に、振動もまた付加製造中に溶融材料に摂動を生じさせ得る。具体的には、振動は、溶融状態にある金属材料中で成長している1つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ得る。元の樹枝状結晶から分離する部分は、溶融材料内で核生成部位を形成し得る。ある例では、振動は、金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。

0059

ある実施例では、第1の層の金属材料への振動の印加は、第1の層の金属材料への電磁場の印加と並行して実施される。他の実施例では、金属材料への振動の印加は、この層に電磁場の印加の前及び/または後に行われる。

0060

方法162は、ブロック170において、一体物の第1の層に連結された、一体物の第2の層を生成することを含む。具体的には、第2の層を生成することは、溶融状態にある金属材料の固液界面における、核生成部位の数を増加させる。したがって、各核生成部位は、空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ得る。複数の核生成部位では、新たなグレインを形成する結晶体が成長する。その結果生じる金属材料の改良された微細構造は、第1の層により等方的な特性を持たせ得る等軸化されたグレイン構造を有する、新たなグレインからなっている。新たなグレインは、材料の層の特性を変更する、同様の大きさとランダムな配向を有していることができる。

0061

さらに、本開示は、下記の条項による実施例を含む。

0062

条項1.金属材料を用いて一体物の第1の層を生成することであって、一体物は、相互接続された1つ以上の構成要素を含み、第1の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第1の層を生成することと、第1の層の金属材料に対して電磁場を印加することであって、電磁場が第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において1つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加することと、一体物の第1の層に連結された第2の層を生成することであって、第2の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶を成長させる、第2の層を生成することと、を含む方法。

0063

条項2.第1の層の金属材料に対して振動を印加することであって、振動が、溶融状態にある金属材料の相対的せん断運動を生じさせる、振動を印加することをさらに含む、条項1に記載の方法。

0064

条項3.第1の層の金属材料に対して振動を印加することがさらに、溶融状態にある金属材料内で成長している1つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ、その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、条項2に記載の方法。

0065

条項4.第1の層の金属材料に対する振動の印加が、第1の層の金属材料に対する電磁場の印加と並行して実施される、条項2または3に記載の方法。

0066

条項5.第1の層の金属材料への振動の印加が、第1の層の金属材料に対する電磁場の印加に先立って実施される、条項2または3に記載の方法。

0067

条項6.第1の層の金属材料への振動の印加が、第1の層の金属材料に対する電磁場の印加の後に実施される、条項2または3に記載の方法。

0068

条項7.金属材料が金属であり、金属材料を用いて一体物の第1の層を生成することが、
ワイヤ供給による付加製造を用いて第1の層を生成することを含む、条項1−6のいずれか一項に記載の方法。

0069

条項8.金属材料が合金であり、金属材料を用いて一体物の第1の層を生成することが、粉末供給による付加製造を用いて第1の層を生成することを含む、条項1−7のいずれか一項に記載の方法。

0070

条項9.金属材料を用いて一体物の第1の層を生成することが、溶融状態にある金属材料内の一式の樹枝状結晶のエピタキシャル成長から複数の長形のグレインが生じるように、基板上に第1の層を堆積することであって、複数の長形のグレインが、一体物の第1の層に異方的な特性を持たせる柱状の配向を有する、第1の層を生成することを含む、条項1から8のいずれか一項に記載の方法。

0071

条項10.第1の層の金属材料に電磁場を印加することが、溶融状態にある金属材料を撹拌するために電磁場を印加することを含み、溶融状態にある金属材料を撹拌することが、複数の長形のグレインを減少させ、複数の長形のグレインを減少させることが、溶融状態にある金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、条項9に記載の方法。

0072

条項11.一体物の第1の層に連結された第2の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面における核生成部位に空間的にランダムな配向で結晶体を成長させ、結晶体が、長形のグレインよりもより小さい新たなグレインを形成し、当該新たなグレインが、金属材料の第1の層により等方的な特性を持たせる等軸化されたグレイン構造を有する、条項9または10に記載の方法。

0073

条項12.第1の層の金属材料に対して電磁場を印加することが、溶融状態にある金属材料の温度を、当該金属材料の融点よりも下へと低下させる、条項1から11のいずれか一項に記載の方法。

0074

条項13.溶融状態にある金属材料の温度を、当該金属材料の融点よりも下に低下させることが、当該金属材料を固化させる、条項12に記載の方法。

0075

条項14.第1の層の金属材料に冷却ガス流を印加することをさらに含み、冷却ガスが、金属材料の樹枝状結晶が成長するのに利用可能な時間の量を削減する、条項1から12のいずれか一項に記載の方法。

0076

条項15.溶融状態にある第2の層の金属材料に対して電磁場を印加することと、一体物の、第2の層に連結される第3の層を生成することとをさらに含む、条項1から14のいずれか一項に記載の方法。

0077

条項16.相互接続された1つ以上の構成要素を有する一体物を含む器具であって、一体物が、金属材料を用いて生成される第1の層であって、第1の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成され、電磁場が、第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において1つ以上の核生成部位を形成するために印加される、第1の層と、一体物の第1の層に連結された第2の層であって、第2の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第2の層とを含む、器具。

0078

条項17.溶融状態にある前記金属材料を撹拌するために第1の層に対して振動が印加され、振動が、溶融状態にある金属材料内で成長している1つ以上の樹枝状結晶を、断裂させ、分離させ、その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、条項16に記載の器具。

0079

条項18.第1の層に摂動を生じさせるため、第1の層に対して、電磁場の印加と並行して振動が印加される、条項16または17に記載の器具。

0080

条項19.第1の層に対する電磁場の印加の後に、第1の層に対して振動が印加される、条項16または17に記載の器具。

0081

条項20.金属材料を用いて一体物の第1の層を生成することであって、一体物は、相互接続された1つ以上の構成要素を含み、第1の層は、金属材料が固液界面を含むように金属材料を溶融状態まで加熱することによって生成される、第1の層を生成することと、第1の層の金属材料に対して電磁場を印加することであって、電磁場が第1の層に摂動を生じさせ、それによって、溶融状態にある金属材料の固液界面において1つ以上の核生成部位が形成される、電磁場を印加することと、第1の層の金属材料に対して振動を印加することであって、振動が、溶融状態にある金属材料内で成長している1つ以上の樹枝状結晶を断裂させ、分離させ、その結果、金属材料の固液界面における核生成部位の数を増加させる、振動を印加することと、一体物の第1の層に連結された第2の層を生成することであって、第2の層を生成することが、溶融状態にある金属材料の固液界面において核生成部位の数を増加させ、各核生成部位が空間的にランダムな配向で結晶体を成長させる、第2の層を生成することと、を含む方法。

0082

本書で使用されている「ほぼ(substantially)」または「約(about)」という語は、記載されている特性、パラメータ、または値が厳密に実現される必要はなく、特性によって得られることが意図されている効果を除外しない、及び/または排除しない量の、測定誤差測定精度限界、及び、当業者には既知のその他の要因などを含む、逸脱または差異が発生してよいことを、意味している。

0083

種々の有利な構成の説明は、例示及び説明の目的で提示されているのであり、網羅的であったり、開示された形態の実施例に限定したりする意図はない。当業者には、多くの修正形態及び変形形態が自明であろう。さらに、種々の有利な実施例には、他の有利な実施例とは異なる利点が記載されていてよい。選択された単数または複数の実施例が選択され記載されているのは、実施例の原理と実際的な用途を最もよく説明するため、及び、様々な実施例の開示内容と、検討される特定の用途に適した様々な修正例とが当業者に理解され得るようにするためである。

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