組成勾配を有する物体を形成するための粉体混合物を堆積させる装置及び方法
本発明は、包括的には、組成勾配を有する物体を形成するために粉体混合物を堆積させる装置(1)であって、異なる粉体(A1,…,An)のそれぞれを収容するための複数のタンク(R1,…,Rn)と、タンクの下方に配置し、回転可能に取り付けた混合部材(32)を含む粉体ミキサ(30)と、タンクとそれぞれが協働し、タンクからミキサへ向かって排出される粉体の質量流量を調整するようそれぞれを設計した、複数の粉体分配手段(4,6)と、ミキサの下に配置した粉体混合物コレクタ(56)と、コレクタの下に配置した粉体混合物ディスペンサ(60)と、を備える装置に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、包括的には、FGM(「傾斜機能材料」)という名称でも知られている組成勾配を有する物体の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
このタイプの物体は、非常に多数の技術分野で応用される。一例として、これは、セラミック材料及び金属材料から構成した物体とすることができ、混合物中のこれら両方の材料の質量比とも称される質量の割合は、同じ物体内で経時的に変化し、その時々のニーズに従って設定される。例えば、ある物体を、その所与の方向で完全にセラミック材料の組成から完全に金属材料の組成へ、これら両方の材料間の遷移混合領域を通過しながら徐々に変化するように設計することができる。これを、該当する物体のこの所与の方向での組成勾配と言う。
【0003】
このタイプの物体を作製するためには、粉体を堆積させる技法を用い、続いて堆積物を、既知の技法、例えば焼結又は熱間等方圧縮により圧密する。
【0004】
それ故に、このタイプの組成勾配を有する物体を作製するために用いる装置は、粉体混合物を堆積させる装置を備え、これを、混合物の堆積を意図する支持体に対して例えばロボットにより可動とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、既知の堆積装置の設計では、そこから出された粉体混合物を完璧で申し分なく均一にすることが不可能であり、これは、作製した物体と所望の物体との間に整合性の欠如が生じ得ることを意味する。当然ながら、この欠点は、所望の物体の再現性の問題としても現れる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
これらの欠点に対する救済策を見出すために、まず、本発明の目的は、組成勾配を有する物体を形成するために粉体混合物を堆積させる装置であって、
異なる粉体(A1,…,An)のそれぞれを収容するための複数のタンク(R1,…,Rn)と、
上記タンク(R1,…,Rn)の下方に配置した粉体ミキサであり、回転可能に取り付けた混合部材を含み、タンクからの粉体(A1,…,An)を衝突させるための粉体ミキサと、
タンク(R1,…,Rn)とそれぞれが協働し、タンクから上記ミキサへ向かって排出される粉体の質量流量を調整するようそれぞれを設計した、複数の粉体分配手段と、
上記ミキサの下方に配置してミキサに連通させた粉体混合物コレクタと、
上記粉末混合物コレクタの下方に配置して粉体混合物コレクタに連通させた粉体混合物ディスペンサと、
を備える装置である。
【0007】
本発明による装置は、ディスペンサから出る粉体混合物を十分に均一にすること、作製した物体と所望の物体との間の整合性の欠如を抑制すること、又は完全になくすことさえ可能にする単純な設計を有することが有利である。したがって、この堆積装置は、物体の、信頼性が高く且つ制御されて再現性のある製造を可能にして、形成した物体の各点で特定の組成を確保する。
【0008】
タンクの数「n」は、同じ物体を製造するのに所望される異なる粉体の数に応じて選択される。したがって、これは決して2つに限定するものではない。さらに、装置内に組み込むタンクの数に関係なく、タンクは、当然ながら、複数の所与の粉体の混合物に相当する粉体をすでに収容していてもよい。
【0009】
好ましくは、上記回転可能に取り付けた混合部材は、この部材の回転軸線に相当する軸を有する概ね円錐形の第1の粉体衝突面を有する。
【0010】
好ましくは、上記ミキサは、概ね円錐形の第2の粉体衝突面を含み、第2の粉体衝突面は、上記第1の粉体衝突面との間に粉体を通すための概ね円錐形の間隙を形成するために、第1の粉体衝突面と同軸上に対向して配設する。
【0011】
好ましくは、概ね円錐形の上記第1の粉体衝突面は、1つ又は複数の凹部を有する。これらの凹部は、粉体の混合をさらになお改善させるものである。
【0012】
好ましくは、上記混合部材は、ミキサの案内部品に回転可能に取り付け、案内部品に、上記粉体混合物コレクタの上方でこれに連通する1つ又は複数の通過オリフィスを設ける。
【0013】
好ましくは、案内部品を通る粉体混合物の重力により効率的な流れを得るために、通過オリフィスのそれぞれを区画形成する画定面の任意の点で、この画定面に垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成する。
【0014】
同様の目的で、上記粉体混合物コレクタの画定面の任意の点で、この画定面が垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することが好ましい。
【0015】
選択的に、上記装置は、上記分配手段の下方で、これと上記ミキサとの間に配置した粉体(A1,…,An)のコレクタをさらに含む。このことに関して、このコレクタ内で粉体の重力による効率的な流れを得るというやはり同様の目的で、上記粉体コレクタ(A1,…,An)の画定面の任意の点で、この画定面が垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することが好ましい。
【0016】
好ましくは、上記分配手段のそれぞれは、粉体支持要素の振動による粉体送出装置の形態をとる。したがって、送出手段の振動の周波数及び振幅に応じて、各分配手段から排出される粉体の質量流量を完璧に制御することが可能である。この結果として、得られる物体の組成も完璧な制御下にある。
【0017】
本発明の目的は、組成勾配を有する物体を形成するための粉体混合物を堆積させる設備であって、空間的移動手段に取り付けた上述のような堆積装置を備え、且つ上記移動手段及び上記分配手段のそれぞれを制御することができる制御ユニットを備える、設備でもある。
【0018】
好ましくは、上記制御ユニットは、上記分配手段のそれぞれを期間Tにわたって制御するために、
上記期間Tにわたる、堆積させるべき粉体混合物中の粉体A1,…,Anの質量比の経時的変化と、
この混合物中の粉体A1,…,Anの質量比に応じた、堆積後の粉体混合物の比重の代表値と、
所与の質量比を有する粉体混合物を得るために粉体分配手段に制御を伝送する瞬間から、この粉体混合物を堆積させる瞬間までの間に経過した時間に相当する、堆積装置に関連する待ち時間(tl)と、
を考慮する。
【0019】
好ましくは、期間Tは、粉体混合物層全体を形成する継続時間に、又は複数の層を重ね合わせて形成する継続時間にさえ対応する。
【0020】
期間Tにわたる、堆積させるべき粉体混合物中の粉体A1,…,Anの質量比の経時的変化は、製造すべき物体の各点における所望の組成に応じて予め決定する。この経時的変化は、所与の瞬間の値を有する、時間に対する連続曲線の形態、又は任意の他の形態をとり得る。
【0021】
好ましくは、特に複数層の重ね合わせを目的として、堆積させた粉体混合物層が実質的に一定の厚さを有することを確実にするために、期間Tの各時間tに関する各粉体の質量流量は、この時間tにおける混合物の所望の質量比と、堆積後のこの混合物の比重の代表値とから実際には決定する。これに関して、これらの代表値を、例えばキャリブレーションによって予め決定することができることに留意されたい。これは、実比重、密度、又はさらにそれを表すと推定される任意の他の値とすることができる。
【0022】
また、上記したところから分かるように、装置内の粉体の通過時間を考慮するため、期間Tの各時間tに適用すべき質量流量の決定は、上述の待ち時間を考慮に入れて行う。待ち時間は、換言すれば、粉体に関連する分配命令から粉体がディスペンサを出た後で支持体上に実際に堆積するまでの、粉体に生じる遅延に相当する。
【0023】
次に、上述の方法で決定した粉体の質量流量を、これらの粉体の分配手段の制御に変換し、これらの制御は、例えばこれらの手段に供給する電気信号の形態をとり、流量と制御との間のリンクもまた、例えばキャリブレーションよって予め決定する。
【0024】
好ましくは、上記制御ユニットは、期間Tにわたって上記堆積装置始動手段を制御するため、期間Tにわたる粉体混合物ディスペンサで採用すべき位置(x,y)の経時的変化を考慮する。
【0025】
位置の座標x及びyは、粉体混合物層を堆積させるべき支持体に関連する平面基準座標系(planar reference system)に対応させることができる。層の重ね合わせにより物体を作製することを意図する場合は、前記座標に、層を堆積させる支持体に対するディスペンサの高さに関する変数zをさらに含ませることができる。
【0026】
当然のことながら、装置始動手段の制御及び分配手段の制御は、それぞれが互いに時間的に固定されていることが確実である。
【0027】
本発明の目的は、上述の装置又は設備により組成勾配を有する物体を作製する方法であって、上記粉体混合ディスペンサを支持体に対して移動させることにより、該支持体上に堆積した少なくとも1つの粉体混合物層の形成から組成勾配を有する物体を作製する方法でもある。
【0028】
好ましくは、上記粉体混合物層を生成するため、上記粉体混合物ディスペンサを移動させて、上記層を堆積させるべき支持体の表面のスイープを行い、このスイープ中に、分配手段の少なくとも一方の制御を変化させる。これにより、1つ又は複数の組成勾配を、堆積層の厚さの平面において有利に得ることができるため、これらの勾配を、組成が異なる複数の層の重ね合わせにより得ることができるものに加えることができる。
【0029】
本発明の他の利点及び特徴は、以下の非限定的な詳細な説明で明らかとなるであろう。
【0030】
この説明は、添付図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の好適な実施形態による、粉体混合物を堆積させる装置の断面図を示す。
【図2】図1に示す装置の一部の斜視図を示す。
【図3】図1及び図2に示す装置に属する混合部材の斜視図を示す。
【図3a】図1及び図2に示す装置に属する粉体ミキサの案内部品の斜視図を示す。
【図3b】図1及び図2に示す装置に属する粉体混合物コレクタの斜視図を示す。
【図4】図1及び図2に示す装置の一体部分であって、振動により粉体を送出する装置に属する粉体支持体の斜視図を示す。
【図5】振動による粉体送出装置の動作を示す概略図である。
【図6】図1〜図5に示す堆積装置を組み込んだ、粉体混合物を堆積する設備の部分斜視図を示す。
【図7】図6の設備が備える制御ユニットの動作を概略的に示す。
【図8】本発明の好適な実施形態による組成勾配を有する物体を作製する方法の適用中に行う、粉体混合物層を生成するためにディスペンサにより行うスイープを概略的に示す。
【図8a】図8と同様であり、代替的な実施形態によるスイープを示す。
【図9】組成勾配を有する所望の物体を複数の粉体混合物層の積層体から作製する、本発明の好適な実施形態による方法を概略的に示す。
【図9a】図9と同様であり、代替的な実施形態を示す。
【図10a】本発明により得ることができる組成勾配を有する物体の断面図である。
【図10b】本発明により得ることができる組成勾配を有する物体の断面図である。
【図10c】本発明により得ることができる組成勾配を有する物体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
図1及び図2を参照すると、本発明の好適な実施形態による、粉体混合物を堆積する装置1が示されている。堆積ヘッドと称されることのあるこの装置1は、この装置の軸線2の方向に対応して垂直方向に連続的に位置決めした一連の要素を有し、軸線2は、物体の作製中に粉体混合物の堆積を意図する支持体に対して実質的に直交するように設けることが好ましい。これにより、特に、以下に詳述するように、粉体が装置1からの排出前に本質的に重力により装置1を通過することを確実にすることが可能である。
【0033】
複数の粉体タンクを、ヘッド1の上側部分に配設する。より具体的には、図示の好適な実施形態では、2つの別個のタンクを設け、すなわち、タンクR1及びR2を軸線2の周りに配設する。一指標として、上から見て、すなわち軸線2の方向に沿って見て、タンクを、タンク全体の対称中心を形成するこの軸に対して偏心させて位置決めすることが好ましいことに留意されたい。
【0034】
タンクR1には、粉体A1を充填し、タンクR2には、A1とは異なる組成を有する粉体A2を充填する。
【0035】
指標的な例として、粉体A1は、例えば、Special Metalsが販売しているInconel600という銘柄で知られるタイプの金属材料であり、これは、少量の炭素、ケイ素、及びマグネシウムを含有したニッケル、クロム、及び鉄の複合合金に相当し、高い耐食性及び優れた機械的特性の両方を有する。その粒径は、約50μm〜120μmとすることができる。やはり一例として、粉体A2は、随意に三酸化イットリウムY2O3と予め混合した例えば酸化ジルコニウムZrO2タイプのセラミック材料である。その粒径は、約1μm〜120μmとすることができる。
【0036】
したがって、図示の実施形態では、それぞれ異なる材料を収容した2つのタンクだけを、堆積装置内に設けている。しかしながら、所望の物体に応じて、この物体を得るのに必要な異なる粉体の数を2つよりも多く、例えば3つ、4つ、又はさらにそれよりも多くすることが可能である。そのような場合、本発明による堆積装置は、必要な数のタンクを、好ましくはやはり軸線2を中心に分布して組み込むよう構成する。また、詳細を後述するこの装置の制御は、当然ながら塗布する異なる粉体の数に従って適合させる。
【0037】
各タンクは、装置に粉体を充填するための上側開口と、垂直方向に沿って開口の反対側に位置付けた出口オリフィスとを有することが好ましい。さらに、各タンクの画定面の任意の点で、この画定面は、垂直線と好ましくは40°未満、さらにより優先的にはこの方向に対して30°未満の角度を形成する。これにより、粉体は、重力のみにより、タンクの上から下に出口オリフィスへ向かって適切に流れることができる。
【0038】
各タンクR1,R2には、関連するタンクの下に配設されてそのタンクの出口オリフィスと協働する粉体分配手段を設ける。
【0039】
図示の好適な実施形態では、各分配手段は、粉体支持要素の振動による粉体送出装置の形状をとり、このタイプの送出装置は、それ自体が既知であり、例えば、参照により本明細書に援用される仏国特許第2666077号明細書に記載されたタイプである。
【0040】
したがって、送出装置4はタンクR1に結合され、送出装置6はタンクR2に結合される。概して、各装置4,6は、ロッド10を駆動してこのロッドの軸線12に沿って往復運動させる振動発生器8を有し、軸線12は、装置4に関して図1に示すように水平線に沿って角度αだけ傾いている。角度αは、約20°〜40°とすることができる。
【0041】
ロッド10の反対端は、分配板とも称される粉体支持体14に固定して支持させ、粉体支持要素14は、水平に、又は水平線に対してわずかに傾けて配置することが好ましい。したがって、振動発生器8に通電すると、支持体14は、この振動発生器8に印加した制御信号に応じて所与の振幅及び周波数に従って、軸線12の方向に対応する方向に高速往復運動を行う。
【0042】
図5において、送出装置6の動作を説明するためにその一部を表している。図4で分かり得るように、粉体支持体14は、ロッド10に連結するための取り付け部分16と、粉体を切り出すための反対部分18とを備える。反対部分18は、図5に示すように、粉体を放出するためのノッチ20を有する粉体レセプタクルを形成し、タンクR2の出口オリフィス22は、このレセプタクル18の底部に対向してそこからわずかに離れて位置付ける。出口オリフィス22とレセプタクル18の底部との間の隙間は、その時々のニーズに応じて調整することができ、例えば約1mm〜2mmに設定することができる。
【0043】
支持体14が、これが受ける往復運動の方向に沿った向きの両方向矢印24で図式化するように振動すると、オリフィス22から出てレセプタクル18の底部に収容された粉体A2は、ノッチ20へ向かって徐々に移動した後に、後述する粉体コレクタ26へ向かって重力により落下する。
【0044】
ノッチ20を通って排出され重力のみによりコレクタ26に落下する粉体A2の質量流量は、支持体14の振動の振幅及び周波数に応じて、非常に正確に調整することができる。これに関して、送出装置6に適用される、例えば電気信号等の制御と、タンクR2から排出される流量に一致し得る支持体20から排出される粉体A2の質量流量との間には、予め相関関係が成立する。例えば値対応テーブルの形態をとるこの相関関係は、装置1を用いて物体を作製するに先立って、装置1で実施するキャリブレーション作業によって得ることが好ましい。したがって、このような相関関係は、使用を意図する粉体ごとに成立する。さらに、装置6の動作のみを説明している場合であっても、装置4が同じ設計であることから、装置4の動作も同一又は類似であることを理解されたい。
【0045】
振動送出装置4,6は、その巨大さ故に、それらの支持体14から軸線2に対して実質的に半径方向外方へ延びる。
【0046】
したがって、図1を図2と合わせて再度参照すれば、堆積ヘッド1は、両方の支持体14の下に粉体コレクタ26を有するので、それぞれのノッチから排出される粉体A1及びA2は、重力によりこのコレクタ内に落下する。
【0047】
粉体コレクタ26は、軸線2を有する実質的に円錐状の画定面28を有する収束管の形状をとる。やはりこの収束管26内での重力による粉体A1,A2の流れを促すために、画定面28の任意の点で、この面は、好ましくは、垂直線と40°未満、さらにより優先的には、この方向に対して30°未満の角度をなす。
【0048】
コレクタ26は、粉体ミキサ30内に通じるように下方に開口しており、粉体ミキサ30は、軸線2を中心として軸線2に沿って回転可能に取り付けた混合部材32を備える。この混合部材32は、ヘッド1の上側部分に向かってコレクタ26を貫通するロッド34を有し、このロッドの上端は、軸線2を中心とした回転を開始させる手段36、例えば伝動ベルトを備えるモータと結合する。
【0049】
このロッド34の下端は、混合部材32のうち第1の粉体衝突面40を形成するより大きな部分に連結し、これは、軸線2を有する概ね円錐形であり、下方に広がっている。さらに、ミキサ30は、回転混合部材32を包囲する外側固定部分も含む。この固定部分は、第2の粉体衝突面42を有し、これは、軸線2を有する概ね円錐形であり、下方に広がっており、これを第1の衝突面40に面して配設することにより、粉体を通すための同じく概ね円錐形の間隙44を形成する。
【0050】
図3に示すように、粉体衝突面40は、1つ又は複数の凹部46を有し、これは、例えば軸線2を通る垂直面内で円錐面の母線に沿って延びることが好ましい。凹部46が図3において1つしか見えなくても、回転部材32の動的挙動の理由から、複数の凹部を優先的に軸線2の周りに360°にわたって等角度で分配して設けることに留意されたい。
【0051】
両方の粉体衝突面40,42間に形成した実質的に円錐状の間隙44は、粉体を部材32の面40及び/又は面42に複数回衝突させることができるように配設する。したがって、軸線2に相当する円錐の軸線に直交する方向に沿って考えた間隙の厚さを、1mm〜1cmに構成することが有利である。間隙44の厚さは、凹部46があることにより変動し、この厚さは、3mm〜7mmの変動があることに留意されたい。
【0052】
したがって、コレクタ26の出口オリフィスとこのオリフィスを通るロッド34とが形成する環状空間内に重力により落下する粉体A1及びA2を、間隙44に案内するとともに、その間隙内で、凹部46を有する円錐面40と最初に衝突したらすぐによく混合させる。これに関して、ユニット32の回転速度は、例えば、同じ粉体粒子をミキサ内での滞留中に回転面40と約10回衝突させることを可能にする値に設定し、このことを表す回転速度は、例えば、手段36が加える約3,000rpmである。有利には、作動時に、回転部材32を凹部46が向いている方向とは逆の方向に回転させることで、これらの凹部36における材料の蓄積を回避する。そのため図3に示す例では、回転部材32は、矢印47で示す反時計方向に回転させる。したがって、凹部の性質及び方向によって、部材32の回転方向が優先的に決まる。
【0053】
部材32の回転を案内するため、例えば転がり軸受50を、ロッド34の上側部分に設け、別の転がり軸受50を、部材32の下端と板の形態の案内部品52との間に配置する。外方に広がった概ね円錐形の間隙44の下方に水平に配置したこの部品52には、粉体ミキサコレクタ56の上でこれと連通する1つ又は複数の通過オリフィス54を設ける。
【0054】
重力の影響下で粉体混合物を通過させることを意図した各オリフィス54は、その画定面の任意の点でこの面が垂直線と40°未満、さらにより優先的にはこの方向と30°未満の角度を形成するようになっており、その目的はやはり、堆積ヘッド1内での粉体の適切な流れを促すことにある。軸線2の周りに分配したこれらのオリフィス54は、全体的に収束した形状を有し、これは、案内板52の例示的な実施形態を示す図3aに最もよく示されている。この図3aでは、軸線2を中心とした部品52が、転がり軸受を受け入れるための中央ハウジング55を有するハブ53を全体的に備え、ハブ53の傾斜外面57が、オリフィス54の半径方向内面を形成することが分かる。外側フェルール59を、ハブ53と同心に配置し、その傾斜内面61は、オリフィス54の半径方向外面を形成する。他方、放射状アーム63が、ハブ53を外側フェルール59に連結する。各アーム63は、やはり垂直線に対する角度に関する上記の定義を満たす傾斜面により、両側に2つのオリフィス54を画成する。各放射状アーム63の上側部分は、できる限り薄いエッジの形状をとることが好ましく、これにより、これらのエッジ上での粉体の蓄積の危険性を抑えることできる。
【0055】
図2を再度参照すれば、部品52を通るオリフィス54と同様に、この部品52の下方に位置させた粉体混合物コレクタ56が全体的に収束した形状を有することが分かる。ここでもまた、このコレクタ56の画定面58の任意の点で、この面は、垂直線と40°未満、さらにより優先的には30°未満の角度をなす。軸線2を中心としたコレクタ56は、座部56を形成する上側部分を有し、そこに案内部品52の外側フェルールを載せる。コレクタ56は、部品52に設けたオリフィス54のそれぞれから漏出する粉体混合物を回収可能にするために、適当な寸法を有する。図3bに示すように、手段67を、相互に90°で交差する2枚のステンレス鋼板の形態でさらに設けることができ、コレクタ56内に挿入したこの手段67により、オリフィス54の出口において粉体混合物が示すボルテックス効果を解消することができる。
【0056】
コレクタ56の延長上の下方には、粉体混合物ディスペンサ60を取り付けており、これを通して、装置1から混合物をやはり単に重力により取り出す。このディスペンサは、軸線2を中心として小径の、例えば2mm〜5mmの直線流路の形態を有する。
【0057】
装置は、金属要素、例えばステンレス要素316から組み立てられることを意図することに留意されたい。
【0058】
したがって、上記したところから明らかなように、粉体A1,A2は、タンクR1,R2、振動送出装置の支持体14,14、コレクタ26、案内部品52の通過用のオリフィス54、コレクタ56、及びディスペンサ60を連続的に通過した後に、粉体混合物層を形成するためにヘッド1から排出される。そのため、「粉体混合物」という表現は、広義に解釈されるべきである。すなわち、この表現は、堆積ヘッド1から出る粉体A1及びA2からなる組成物と、このヘッド1から出る粉体A1のみ又は粉体A2のみからなる組成物との両方を指すべきであることに留意されたい。
【0059】
最後に、粉体と接触し得る装置1の各面には、例えば平均表面粗さRaで0.4μm程度の、低い粗度を与えることが示唆される。
【0060】
次に図6を参照すると、上述の堆積ヘッド1を組み込んだ粉体混合物を堆積させる設備100を見ることができる。ヘッド1は、好ましくはロボットタイプの空間的始動装置102に取り付ける。このロボット102は、ヘッドを正規直交基準座標系(direct orthonormal reference system)x,y,zの任意の点で移動させるように設計することが好ましく、基準座標系の座標zは、ヘッド1の高さの方向、したがって軸線2と平行な方向に対応する。
【0061】
設備100は、制御ユニット104を備え、この制御ユニット104によれば、ロボット102を、出力S’1によって制御することができ、また、粉体A1に関連する切り出し手段4を、出力S1によって制御することができ、そして、粉体A2に関連する供給手段6を、出力S2によって制御することができる。さらに、この制御ユニット104は、コンピュータタイプ、コンバータタイプその他の従来の要素を含むものであって、図示されていないとしても、混合部材32の回転を開始させる手段36の制御も扱うことができる。
【0062】
図7に、例示的な制御ユニット104の概略図を示す。第1の部分は、粉体分配手段の制御の発生専用であり、第2の部分は、ロボット102の制御専用である。
【0063】
第1の部分に関して、ユニット104は、入力E1,E2,E3を通して数個の情報を受け取る。入力E1は、堆積すべき粉体混合物中の粉体A1,A2の質量比の経時的変化に関するものであり、この経時的変化は、期間Tにわたって決定され、この期間Tはその後、粉体混合物層全体を堆積することを可能にする期間とみなされる。当然ながら、混合物の質量比のこの経時的変化は、堆積すべき層の所望の組成に従って決定し、所望の組成は、堆積すべき層の任意の点において可変であるか又はある特定の場合には一定である。
【0064】
入力E2は、堆積後の粉体混合物中の粉体A1,A2の質量比に応じた、この混合物の比重の代表値に関する。これらの代表値は、好ましくはこの同じ設備で実施するキャリブレーションによって予め決定することができる。これは、実比重又は密度とすることができる。
【0065】
入力E3は、所与の質量比を有する粉体混合物を得るために粉体分配手段4,6に制御を伝送する瞬間から、この粉体混合物がディスペンサ60から出た後にこれが堆積する瞬間までの経過時間に相当する、堆積装置1に関連する待ち時間(tl)に相当する。この待ち時間も、この同じ設備で実施するキャリブレーションによって決定することができる。
【0066】
ユニット104は、まず、期間Tにわたる採用すべき粉体A1,A2の質量流量の経時的変化を決定することから開始する。概して、期間Tの時間tごとに、入力E1は、両方の流量間の比の設定を可能にし、入力E2は、命令した比を観察しながらこれら2つの流量のそれぞれの値を設定することを可能にし、入力E3は、流量の命令を時間的に早めることを可能にし、それにより、流量命令を出した時間と、粉体をディスペンサ60からの抽出後に堆積する時間との間に存在する遅延を補填することができる。
【0067】
入力E2を考慮することにより、流量を、実質的に一定の厚さを有する層の形成を確保する値に、この層内の粉体混合物の組成の経時的変化に関係なく設定することが可能であることに留意されたい。これは、所望の物体が複数の層の重ね合わせを必要とするような場合に特に有利であることが分かっており、このような場合は、任意の所与の層が、積層体における直上の(direct uppermost)層を適切に支持するために実質的に平面状且つ水平の上面を有するべきであることを意味する。
【0068】
次に、期間Tにわたる流量の所要の経時的変化から、ユニット104は、出力S1において粉体A1を供給する第1の手段4の制御を発生させるとともに、出力S2において粉体A2を供給する第2の手段6の制御を発生させる。そのために、送出装置4,6に適用した制御と、支持体20から排出される粉体A1,A2の質量流量との間で予め成立した上述の相関関係を優先的に用いる。
【0069】
ユニット104の、ロボット102の制御専用である第2の部分は、入力E’1から、ヘッド1のディスペンサ60で採用すべき位置(x,y)での、期間Tにわたる経時的変化に関する情報を受け取る。これらの情報は、予め決定されたものであり、粉体混合物層を得るために望ましくはディスペンサ60が辿るべき経路と、望ましくはこの経路をカバーすべき期間Tにわたって随意に経時的に変化し得るが優先的には一定である速度とを、全体的に表す。ユニット104は、E’1から、S’1において堆積ヘッド1の始動手段の制御を発生させることで、xy平面内でのその運動を確保する。
【0070】
所望の層を得るために、当然ながら、装置始動手段の制御及び分配手段の制御のそれぞれを、互いに時間的に固定することが確実である。
【0071】
次に図8を参照すると、基準座標系x,y,zを、層の堆積が予定されている支持体、すなわち基板108に関連付けることができることが分かる。ディスペンサ60の例示的な経路110を、概ねディスク形の層である特定の場合で示す。この経路は、支持体108の表面において層に辿らせることを意図したスイープに対応し、例えば方向xに沿った複数の往復行程の形態をとり、これは各行程間で方向yに沿って移動する。この移動中、粉体混合物の組成は、当然ながら、得られる層のxy平面における1つ又は複数の勾配組成の形成を特に目的として、経時的に変化させることができる。代替的な実施形態を図8aに示し、この図では経路110aを渦巻形としている。
【0072】
最後に、図9で示すように、この方法を、方向zに沿って複数の層114を積層させることによる物体の形成に拡張できることに留意されたい。この場合、制御S1,S2、及びS’1は、これらの層のすべてを作製するために必要な継続時間に相当する期間Tにわたって提供することができる。このことは、特に、制御S’1が、好ましくはディスペンサ60の下端と予め堆積した層との間の距離を常に実質的に同一に保つために、支持体108の表面に対するディスペンサ60の高さzをも操作することを意味する。
【0073】
図9において、支持体108は容器120の一体部分であって、その底部を形成することが分かる。z軸に沿って1つ又は複数の組成勾配を有し得る所望の積層体を形成するために、種々の層114をこの容器120内に順次堆積する。
【0074】
代替的な実施形態は、図9aで図式化したように、底部108をz軸に沿って可動にし、ディスペンサ60をこの同一方向に固定してなる。この状況では、底部108は、各層の作製後に好ましくは層の厚さに近い距離又は層の厚さと同一の距離に沿って下方へ移動するピストンの形状をとる。
【0075】
一指標として、各層114は約0.25mmの厚さ、最終積層体は約27mmの厚さを有し得ることに留意されたい。
【0076】
さらに、粉体混合物の堆積が終了したら、任意の既知の技法に従ってその圧密化を進めることで、組成勾配を有する物体を得ることができる。図9に示す例では、組立体を操作可能にするため、すなわち、積層体の粉体を乱すおそれを取り除くため、続いて積層体を冷間圧縮する。次に、製造法を、HTCとも称される熱間等方圧縮作業で組立体を緻密化することにより続けるが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の技法を用いることができる。この熱間等方圧縮を行うために、圧縮した積層体をまずガス抜きし、積層体が入っている容器120で該積層体を密閉する。次に、熱間等方圧縮を得るため、約1,325℃の温度及び約1,400barの圧力で密閉容器に組立体を入れて、緻密化を得る。
【0077】
上述のように、得られる三次元物体は、基準座標系x,y,zの任意の方向に1つ又は複数の組成勾配を有し得る。これに関して、図10a〜図10cは、xz平面に沿った断面図として、本発明で得ることができる物体を示す。
【0078】
これらの図では、色が濃いほど、混合物中の粉体A1の質量比が大きく、色が薄いほど、混合物中の粉体A2の質量比が大きい。したがって、図10a及び図10bは、xz平面において組成勾配が徐々に異なる実施形態を示しているが、図10cの白点は、これとは異なる材料でできた黒色エンベロープ内に組み込まれた球体に相当し得る。
【0079】
こうして作製した組成勾配を有する物体には、複数の用途が考えられる。こうした用途には、航空機ジェットエンジン、特に原子炉の熱交換器、水蒸気改質器、バイオマス反応器、燃料電池、電解槽等が含まれる。
【0080】
当然ながら、単に非限定的な例として、上述した本発明の当業者は様々な変更を行うことができる。
【技術分野】
【0001】
本発明は、包括的には、FGM(「傾斜機能材料」)という名称でも知られている組成勾配を有する物体の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
このタイプの物体は、非常に多数の技術分野で応用される。一例として、これは、セラミック材料及び金属材料から構成した物体とすることができ、混合物中のこれら両方の材料の質量比とも称される質量の割合は、同じ物体内で経時的に変化し、その時々のニーズに従って設定される。例えば、ある物体を、その所与の方向で完全にセラミック材料の組成から完全に金属材料の組成へ、これら両方の材料間の遷移混合領域を通過しながら徐々に変化するように設計することができる。これを、該当する物体のこの所与の方向での組成勾配と言う。
【0003】
このタイプの物体を作製するためには、粉体を堆積させる技法を用い、続いて堆積物を、既知の技法、例えば焼結又は熱間等方圧縮により圧密する。
【0004】
それ故に、このタイプの組成勾配を有する物体を作製するために用いる装置は、粉体混合物を堆積させる装置を備え、これを、混合物の堆積を意図する支持体に対して例えばロボットにより可動とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、既知の堆積装置の設計では、そこから出された粉体混合物を完璧で申し分なく均一にすることが不可能であり、これは、作製した物体と所望の物体との間に整合性の欠如が生じ得ることを意味する。当然ながら、この欠点は、所望の物体の再現性の問題としても現れる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
これらの欠点に対する救済策を見出すために、まず、本発明の目的は、組成勾配を有する物体を形成するために粉体混合物を堆積させる装置であって、
異なる粉体(A1,…,An)のそれぞれを収容するための複数のタンク(R1,…,Rn)と、
上記タンク(R1,…,Rn)の下方に配置した粉体ミキサであり、回転可能に取り付けた混合部材を含み、タンクからの粉体(A1,…,An)を衝突させるための粉体ミキサと、
タンク(R1,…,Rn)とそれぞれが協働し、タンクから上記ミキサへ向かって排出される粉体の質量流量を調整するようそれぞれを設計した、複数の粉体分配手段と、
上記ミキサの下方に配置してミキサに連通させた粉体混合物コレクタと、
上記粉末混合物コレクタの下方に配置して粉体混合物コレクタに連通させた粉体混合物ディスペンサと、
を備える装置である。
【0007】
本発明による装置は、ディスペンサから出る粉体混合物を十分に均一にすること、作製した物体と所望の物体との間の整合性の欠如を抑制すること、又は完全になくすことさえ可能にする単純な設計を有することが有利である。したがって、この堆積装置は、物体の、信頼性が高く且つ制御されて再現性のある製造を可能にして、形成した物体の各点で特定の組成を確保する。
【0008】
タンクの数「n」は、同じ物体を製造するのに所望される異なる粉体の数に応じて選択される。したがって、これは決して2つに限定するものではない。さらに、装置内に組み込むタンクの数に関係なく、タンクは、当然ながら、複数の所与の粉体の混合物に相当する粉体をすでに収容していてもよい。
【0009】
好ましくは、上記回転可能に取り付けた混合部材は、この部材の回転軸線に相当する軸を有する概ね円錐形の第1の粉体衝突面を有する。
【0010】
好ましくは、上記ミキサは、概ね円錐形の第2の粉体衝突面を含み、第2の粉体衝突面は、上記第1の粉体衝突面との間に粉体を通すための概ね円錐形の間隙を形成するために、第1の粉体衝突面と同軸上に対向して配設する。
【0011】
好ましくは、概ね円錐形の上記第1の粉体衝突面は、1つ又は複数の凹部を有する。これらの凹部は、粉体の混合をさらになお改善させるものである。
【0012】
好ましくは、上記混合部材は、ミキサの案内部品に回転可能に取り付け、案内部品に、上記粉体混合物コレクタの上方でこれに連通する1つ又は複数の通過オリフィスを設ける。
【0013】
好ましくは、案内部品を通る粉体混合物の重力により効率的な流れを得るために、通過オリフィスのそれぞれを区画形成する画定面の任意の点で、この画定面に垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成する。
【0014】
同様の目的で、上記粉体混合物コレクタの画定面の任意の点で、この画定面が垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することが好ましい。
【0015】
選択的に、上記装置は、上記分配手段の下方で、これと上記ミキサとの間に配置した粉体(A1,…,An)のコレクタをさらに含む。このことに関して、このコレクタ内で粉体の重力による効率的な流れを得るというやはり同様の目的で、上記粉体コレクタ(A1,…,An)の画定面の任意の点で、この画定面が垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することが好ましい。
【0016】
好ましくは、上記分配手段のそれぞれは、粉体支持要素の振動による粉体送出装置の形態をとる。したがって、送出手段の振動の周波数及び振幅に応じて、各分配手段から排出される粉体の質量流量を完璧に制御することが可能である。この結果として、得られる物体の組成も完璧な制御下にある。
【0017】
本発明の目的は、組成勾配を有する物体を形成するための粉体混合物を堆積させる設備であって、空間的移動手段に取り付けた上述のような堆積装置を備え、且つ上記移動手段及び上記分配手段のそれぞれを制御することができる制御ユニットを備える、設備でもある。
【0018】
好ましくは、上記制御ユニットは、上記分配手段のそれぞれを期間Tにわたって制御するために、
上記期間Tにわたる、堆積させるべき粉体混合物中の粉体A1,…,Anの質量比の経時的変化と、
この混合物中の粉体A1,…,Anの質量比に応じた、堆積後の粉体混合物の比重の代表値と、
所与の質量比を有する粉体混合物を得るために粉体分配手段に制御を伝送する瞬間から、この粉体混合物を堆積させる瞬間までの間に経過した時間に相当する、堆積装置に関連する待ち時間(tl)と、
を考慮する。
【0019】
好ましくは、期間Tは、粉体混合物層全体を形成する継続時間に、又は複数の層を重ね合わせて形成する継続時間にさえ対応する。
【0020】
期間Tにわたる、堆積させるべき粉体混合物中の粉体A1,…,Anの質量比の経時的変化は、製造すべき物体の各点における所望の組成に応じて予め決定する。この経時的変化は、所与の瞬間の値を有する、時間に対する連続曲線の形態、又は任意の他の形態をとり得る。
【0021】
好ましくは、特に複数層の重ね合わせを目的として、堆積させた粉体混合物層が実質的に一定の厚さを有することを確実にするために、期間Tの各時間tに関する各粉体の質量流量は、この時間tにおける混合物の所望の質量比と、堆積後のこの混合物の比重の代表値とから実際には決定する。これに関して、これらの代表値を、例えばキャリブレーションによって予め決定することができることに留意されたい。これは、実比重、密度、又はさらにそれを表すと推定される任意の他の値とすることができる。
【0022】
また、上記したところから分かるように、装置内の粉体の通過時間を考慮するため、期間Tの各時間tに適用すべき質量流量の決定は、上述の待ち時間を考慮に入れて行う。待ち時間は、換言すれば、粉体に関連する分配命令から粉体がディスペンサを出た後で支持体上に実際に堆積するまでの、粉体に生じる遅延に相当する。
【0023】
次に、上述の方法で決定した粉体の質量流量を、これらの粉体の分配手段の制御に変換し、これらの制御は、例えばこれらの手段に供給する電気信号の形態をとり、流量と制御との間のリンクもまた、例えばキャリブレーションよって予め決定する。
【0024】
好ましくは、上記制御ユニットは、期間Tにわたって上記堆積装置始動手段を制御するため、期間Tにわたる粉体混合物ディスペンサで採用すべき位置(x,y)の経時的変化を考慮する。
【0025】
位置の座標x及びyは、粉体混合物層を堆積させるべき支持体に関連する平面基準座標系(planar reference system)に対応させることができる。層の重ね合わせにより物体を作製することを意図する場合は、前記座標に、層を堆積させる支持体に対するディスペンサの高さに関する変数zをさらに含ませることができる。
【0026】
当然のことながら、装置始動手段の制御及び分配手段の制御は、それぞれが互いに時間的に固定されていることが確実である。
【0027】
本発明の目的は、上述の装置又は設備により組成勾配を有する物体を作製する方法であって、上記粉体混合ディスペンサを支持体に対して移動させることにより、該支持体上に堆積した少なくとも1つの粉体混合物層の形成から組成勾配を有する物体を作製する方法でもある。
【0028】
好ましくは、上記粉体混合物層を生成するため、上記粉体混合物ディスペンサを移動させて、上記層を堆積させるべき支持体の表面のスイープを行い、このスイープ中に、分配手段の少なくとも一方の制御を変化させる。これにより、1つ又は複数の組成勾配を、堆積層の厚さの平面において有利に得ることができるため、これらの勾配を、組成が異なる複数の層の重ね合わせにより得ることができるものに加えることができる。
【0029】
本発明の他の利点及び特徴は、以下の非限定的な詳細な説明で明らかとなるであろう。
【0030】
この説明は、添付図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の好適な実施形態による、粉体混合物を堆積させる装置の断面図を示す。
【図2】図1に示す装置の一部の斜視図を示す。
【図3】図1及び図2に示す装置に属する混合部材の斜視図を示す。
【図3a】図1及び図2に示す装置に属する粉体ミキサの案内部品の斜視図を示す。
【図3b】図1及び図2に示す装置に属する粉体混合物コレクタの斜視図を示す。
【図4】図1及び図2に示す装置の一体部分であって、振動により粉体を送出する装置に属する粉体支持体の斜視図を示す。
【図5】振動による粉体送出装置の動作を示す概略図である。
【図6】図1〜図5に示す堆積装置を組み込んだ、粉体混合物を堆積する設備の部分斜視図を示す。
【図7】図6の設備が備える制御ユニットの動作を概略的に示す。
【図8】本発明の好適な実施形態による組成勾配を有する物体を作製する方法の適用中に行う、粉体混合物層を生成するためにディスペンサにより行うスイープを概略的に示す。
【図8a】図8と同様であり、代替的な実施形態によるスイープを示す。
【図9】組成勾配を有する所望の物体を複数の粉体混合物層の積層体から作製する、本発明の好適な実施形態による方法を概略的に示す。
【図9a】図9と同様であり、代替的な実施形態を示す。
【図10a】本発明により得ることができる組成勾配を有する物体の断面図である。
【図10b】本発明により得ることができる組成勾配を有する物体の断面図である。
【図10c】本発明により得ることができる組成勾配を有する物体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
図1及び図2を参照すると、本発明の好適な実施形態による、粉体混合物を堆積する装置1が示されている。堆積ヘッドと称されることのあるこの装置1は、この装置の軸線2の方向に対応して垂直方向に連続的に位置決めした一連の要素を有し、軸線2は、物体の作製中に粉体混合物の堆積を意図する支持体に対して実質的に直交するように設けることが好ましい。これにより、特に、以下に詳述するように、粉体が装置1からの排出前に本質的に重力により装置1を通過することを確実にすることが可能である。
【0033】
複数の粉体タンクを、ヘッド1の上側部分に配設する。より具体的には、図示の好適な実施形態では、2つの別個のタンクを設け、すなわち、タンクR1及びR2を軸線2の周りに配設する。一指標として、上から見て、すなわち軸線2の方向に沿って見て、タンクを、タンク全体の対称中心を形成するこの軸に対して偏心させて位置決めすることが好ましいことに留意されたい。
【0034】
タンクR1には、粉体A1を充填し、タンクR2には、A1とは異なる組成を有する粉体A2を充填する。
【0035】
指標的な例として、粉体A1は、例えば、Special Metalsが販売しているInconel600という銘柄で知られるタイプの金属材料であり、これは、少量の炭素、ケイ素、及びマグネシウムを含有したニッケル、クロム、及び鉄の複合合金に相当し、高い耐食性及び優れた機械的特性の両方を有する。その粒径は、約50μm〜120μmとすることができる。やはり一例として、粉体A2は、随意に三酸化イットリウムY2O3と予め混合した例えば酸化ジルコニウムZrO2タイプのセラミック材料である。その粒径は、約1μm〜120μmとすることができる。
【0036】
したがって、図示の実施形態では、それぞれ異なる材料を収容した2つのタンクだけを、堆積装置内に設けている。しかしながら、所望の物体に応じて、この物体を得るのに必要な異なる粉体の数を2つよりも多く、例えば3つ、4つ、又はさらにそれよりも多くすることが可能である。そのような場合、本発明による堆積装置は、必要な数のタンクを、好ましくはやはり軸線2を中心に分布して組み込むよう構成する。また、詳細を後述するこの装置の制御は、当然ながら塗布する異なる粉体の数に従って適合させる。
【0037】
各タンクは、装置に粉体を充填するための上側開口と、垂直方向に沿って開口の反対側に位置付けた出口オリフィスとを有することが好ましい。さらに、各タンクの画定面の任意の点で、この画定面は、垂直線と好ましくは40°未満、さらにより優先的にはこの方向に対して30°未満の角度を形成する。これにより、粉体は、重力のみにより、タンクの上から下に出口オリフィスへ向かって適切に流れることができる。
【0038】
各タンクR1,R2には、関連するタンクの下に配設されてそのタンクの出口オリフィスと協働する粉体分配手段を設ける。
【0039】
図示の好適な実施形態では、各分配手段は、粉体支持要素の振動による粉体送出装置の形状をとり、このタイプの送出装置は、それ自体が既知であり、例えば、参照により本明細書に援用される仏国特許第2666077号明細書に記載されたタイプである。
【0040】
したがって、送出装置4はタンクR1に結合され、送出装置6はタンクR2に結合される。概して、各装置4,6は、ロッド10を駆動してこのロッドの軸線12に沿って往復運動させる振動発生器8を有し、軸線12は、装置4に関して図1に示すように水平線に沿って角度αだけ傾いている。角度αは、約20°〜40°とすることができる。
【0041】
ロッド10の反対端は、分配板とも称される粉体支持体14に固定して支持させ、粉体支持要素14は、水平に、又は水平線に対してわずかに傾けて配置することが好ましい。したがって、振動発生器8に通電すると、支持体14は、この振動発生器8に印加した制御信号に応じて所与の振幅及び周波数に従って、軸線12の方向に対応する方向に高速往復運動を行う。
【0042】
図5において、送出装置6の動作を説明するためにその一部を表している。図4で分かり得るように、粉体支持体14は、ロッド10に連結するための取り付け部分16と、粉体を切り出すための反対部分18とを備える。反対部分18は、図5に示すように、粉体を放出するためのノッチ20を有する粉体レセプタクルを形成し、タンクR2の出口オリフィス22は、このレセプタクル18の底部に対向してそこからわずかに離れて位置付ける。出口オリフィス22とレセプタクル18の底部との間の隙間は、その時々のニーズに応じて調整することができ、例えば約1mm〜2mmに設定することができる。
【0043】
支持体14が、これが受ける往復運動の方向に沿った向きの両方向矢印24で図式化するように振動すると、オリフィス22から出てレセプタクル18の底部に収容された粉体A2は、ノッチ20へ向かって徐々に移動した後に、後述する粉体コレクタ26へ向かって重力により落下する。
【0044】
ノッチ20を通って排出され重力のみによりコレクタ26に落下する粉体A2の質量流量は、支持体14の振動の振幅及び周波数に応じて、非常に正確に調整することができる。これに関して、送出装置6に適用される、例えば電気信号等の制御と、タンクR2から排出される流量に一致し得る支持体20から排出される粉体A2の質量流量との間には、予め相関関係が成立する。例えば値対応テーブルの形態をとるこの相関関係は、装置1を用いて物体を作製するに先立って、装置1で実施するキャリブレーション作業によって得ることが好ましい。したがって、このような相関関係は、使用を意図する粉体ごとに成立する。さらに、装置6の動作のみを説明している場合であっても、装置4が同じ設計であることから、装置4の動作も同一又は類似であることを理解されたい。
【0045】
振動送出装置4,6は、その巨大さ故に、それらの支持体14から軸線2に対して実質的に半径方向外方へ延びる。
【0046】
したがって、図1を図2と合わせて再度参照すれば、堆積ヘッド1は、両方の支持体14の下に粉体コレクタ26を有するので、それぞれのノッチから排出される粉体A1及びA2は、重力によりこのコレクタ内に落下する。
【0047】
粉体コレクタ26は、軸線2を有する実質的に円錐状の画定面28を有する収束管の形状をとる。やはりこの収束管26内での重力による粉体A1,A2の流れを促すために、画定面28の任意の点で、この面は、好ましくは、垂直線と40°未満、さらにより優先的には、この方向に対して30°未満の角度をなす。
【0048】
コレクタ26は、粉体ミキサ30内に通じるように下方に開口しており、粉体ミキサ30は、軸線2を中心として軸線2に沿って回転可能に取り付けた混合部材32を備える。この混合部材32は、ヘッド1の上側部分に向かってコレクタ26を貫通するロッド34を有し、このロッドの上端は、軸線2を中心とした回転を開始させる手段36、例えば伝動ベルトを備えるモータと結合する。
【0049】
このロッド34の下端は、混合部材32のうち第1の粉体衝突面40を形成するより大きな部分に連結し、これは、軸線2を有する概ね円錐形であり、下方に広がっている。さらに、ミキサ30は、回転混合部材32を包囲する外側固定部分も含む。この固定部分は、第2の粉体衝突面42を有し、これは、軸線2を有する概ね円錐形であり、下方に広がっており、これを第1の衝突面40に面して配設することにより、粉体を通すための同じく概ね円錐形の間隙44を形成する。
【0050】
図3に示すように、粉体衝突面40は、1つ又は複数の凹部46を有し、これは、例えば軸線2を通る垂直面内で円錐面の母線に沿って延びることが好ましい。凹部46が図3において1つしか見えなくても、回転部材32の動的挙動の理由から、複数の凹部を優先的に軸線2の周りに360°にわたって等角度で分配して設けることに留意されたい。
【0051】
両方の粉体衝突面40,42間に形成した実質的に円錐状の間隙44は、粉体を部材32の面40及び/又は面42に複数回衝突させることができるように配設する。したがって、軸線2に相当する円錐の軸線に直交する方向に沿って考えた間隙の厚さを、1mm〜1cmに構成することが有利である。間隙44の厚さは、凹部46があることにより変動し、この厚さは、3mm〜7mmの変動があることに留意されたい。
【0052】
したがって、コレクタ26の出口オリフィスとこのオリフィスを通るロッド34とが形成する環状空間内に重力により落下する粉体A1及びA2を、間隙44に案内するとともに、その間隙内で、凹部46を有する円錐面40と最初に衝突したらすぐによく混合させる。これに関して、ユニット32の回転速度は、例えば、同じ粉体粒子をミキサ内での滞留中に回転面40と約10回衝突させることを可能にする値に設定し、このことを表す回転速度は、例えば、手段36が加える約3,000rpmである。有利には、作動時に、回転部材32を凹部46が向いている方向とは逆の方向に回転させることで、これらの凹部36における材料の蓄積を回避する。そのため図3に示す例では、回転部材32は、矢印47で示す反時計方向に回転させる。したがって、凹部の性質及び方向によって、部材32の回転方向が優先的に決まる。
【0053】
部材32の回転を案内するため、例えば転がり軸受50を、ロッド34の上側部分に設け、別の転がり軸受50を、部材32の下端と板の形態の案内部品52との間に配置する。外方に広がった概ね円錐形の間隙44の下方に水平に配置したこの部品52には、粉体ミキサコレクタ56の上でこれと連通する1つ又は複数の通過オリフィス54を設ける。
【0054】
重力の影響下で粉体混合物を通過させることを意図した各オリフィス54は、その画定面の任意の点でこの面が垂直線と40°未満、さらにより優先的にはこの方向と30°未満の角度を形成するようになっており、その目的はやはり、堆積ヘッド1内での粉体の適切な流れを促すことにある。軸線2の周りに分配したこれらのオリフィス54は、全体的に収束した形状を有し、これは、案内板52の例示的な実施形態を示す図3aに最もよく示されている。この図3aでは、軸線2を中心とした部品52が、転がり軸受を受け入れるための中央ハウジング55を有するハブ53を全体的に備え、ハブ53の傾斜外面57が、オリフィス54の半径方向内面を形成することが分かる。外側フェルール59を、ハブ53と同心に配置し、その傾斜内面61は、オリフィス54の半径方向外面を形成する。他方、放射状アーム63が、ハブ53を外側フェルール59に連結する。各アーム63は、やはり垂直線に対する角度に関する上記の定義を満たす傾斜面により、両側に2つのオリフィス54を画成する。各放射状アーム63の上側部分は、できる限り薄いエッジの形状をとることが好ましく、これにより、これらのエッジ上での粉体の蓄積の危険性を抑えることできる。
【0055】
図2を再度参照すれば、部品52を通るオリフィス54と同様に、この部品52の下方に位置させた粉体混合物コレクタ56が全体的に収束した形状を有することが分かる。ここでもまた、このコレクタ56の画定面58の任意の点で、この面は、垂直線と40°未満、さらにより優先的には30°未満の角度をなす。軸線2を中心としたコレクタ56は、座部56を形成する上側部分を有し、そこに案内部品52の外側フェルールを載せる。コレクタ56は、部品52に設けたオリフィス54のそれぞれから漏出する粉体混合物を回収可能にするために、適当な寸法を有する。図3bに示すように、手段67を、相互に90°で交差する2枚のステンレス鋼板の形態でさらに設けることができ、コレクタ56内に挿入したこの手段67により、オリフィス54の出口において粉体混合物が示すボルテックス効果を解消することができる。
【0056】
コレクタ56の延長上の下方には、粉体混合物ディスペンサ60を取り付けており、これを通して、装置1から混合物をやはり単に重力により取り出す。このディスペンサは、軸線2を中心として小径の、例えば2mm〜5mmの直線流路の形態を有する。
【0057】
装置は、金属要素、例えばステンレス要素316から組み立てられることを意図することに留意されたい。
【0058】
したがって、上記したところから明らかなように、粉体A1,A2は、タンクR1,R2、振動送出装置の支持体14,14、コレクタ26、案内部品52の通過用のオリフィス54、コレクタ56、及びディスペンサ60を連続的に通過した後に、粉体混合物層を形成するためにヘッド1から排出される。そのため、「粉体混合物」という表現は、広義に解釈されるべきである。すなわち、この表現は、堆積ヘッド1から出る粉体A1及びA2からなる組成物と、このヘッド1から出る粉体A1のみ又は粉体A2のみからなる組成物との両方を指すべきであることに留意されたい。
【0059】
最後に、粉体と接触し得る装置1の各面には、例えば平均表面粗さRaで0.4μm程度の、低い粗度を与えることが示唆される。
【0060】
次に図6を参照すると、上述の堆積ヘッド1を組み込んだ粉体混合物を堆積させる設備100を見ることができる。ヘッド1は、好ましくはロボットタイプの空間的始動装置102に取り付ける。このロボット102は、ヘッドを正規直交基準座標系(direct orthonormal reference system)x,y,zの任意の点で移動させるように設計することが好ましく、基準座標系の座標zは、ヘッド1の高さの方向、したがって軸線2と平行な方向に対応する。
【0061】
設備100は、制御ユニット104を備え、この制御ユニット104によれば、ロボット102を、出力S’1によって制御することができ、また、粉体A1に関連する切り出し手段4を、出力S1によって制御することができ、そして、粉体A2に関連する供給手段6を、出力S2によって制御することができる。さらに、この制御ユニット104は、コンピュータタイプ、コンバータタイプその他の従来の要素を含むものであって、図示されていないとしても、混合部材32の回転を開始させる手段36の制御も扱うことができる。
【0062】
図7に、例示的な制御ユニット104の概略図を示す。第1の部分は、粉体分配手段の制御の発生専用であり、第2の部分は、ロボット102の制御専用である。
【0063】
第1の部分に関して、ユニット104は、入力E1,E2,E3を通して数個の情報を受け取る。入力E1は、堆積すべき粉体混合物中の粉体A1,A2の質量比の経時的変化に関するものであり、この経時的変化は、期間Tにわたって決定され、この期間Tはその後、粉体混合物層全体を堆積することを可能にする期間とみなされる。当然ながら、混合物の質量比のこの経時的変化は、堆積すべき層の所望の組成に従って決定し、所望の組成は、堆積すべき層の任意の点において可変であるか又はある特定の場合には一定である。
【0064】
入力E2は、堆積後の粉体混合物中の粉体A1,A2の質量比に応じた、この混合物の比重の代表値に関する。これらの代表値は、好ましくはこの同じ設備で実施するキャリブレーションによって予め決定することができる。これは、実比重又は密度とすることができる。
【0065】
入力E3は、所与の質量比を有する粉体混合物を得るために粉体分配手段4,6に制御を伝送する瞬間から、この粉体混合物がディスペンサ60から出た後にこれが堆積する瞬間までの経過時間に相当する、堆積装置1に関連する待ち時間(tl)に相当する。この待ち時間も、この同じ設備で実施するキャリブレーションによって決定することができる。
【0066】
ユニット104は、まず、期間Tにわたる採用すべき粉体A1,A2の質量流量の経時的変化を決定することから開始する。概して、期間Tの時間tごとに、入力E1は、両方の流量間の比の設定を可能にし、入力E2は、命令した比を観察しながらこれら2つの流量のそれぞれの値を設定することを可能にし、入力E3は、流量の命令を時間的に早めることを可能にし、それにより、流量命令を出した時間と、粉体をディスペンサ60からの抽出後に堆積する時間との間に存在する遅延を補填することができる。
【0067】
入力E2を考慮することにより、流量を、実質的に一定の厚さを有する層の形成を確保する値に、この層内の粉体混合物の組成の経時的変化に関係なく設定することが可能であることに留意されたい。これは、所望の物体が複数の層の重ね合わせを必要とするような場合に特に有利であることが分かっており、このような場合は、任意の所与の層が、積層体における直上の(direct uppermost)層を適切に支持するために実質的に平面状且つ水平の上面を有するべきであることを意味する。
【0068】
次に、期間Tにわたる流量の所要の経時的変化から、ユニット104は、出力S1において粉体A1を供給する第1の手段4の制御を発生させるとともに、出力S2において粉体A2を供給する第2の手段6の制御を発生させる。そのために、送出装置4,6に適用した制御と、支持体20から排出される粉体A1,A2の質量流量との間で予め成立した上述の相関関係を優先的に用いる。
【0069】
ユニット104の、ロボット102の制御専用である第2の部分は、入力E’1から、ヘッド1のディスペンサ60で採用すべき位置(x,y)での、期間Tにわたる経時的変化に関する情報を受け取る。これらの情報は、予め決定されたものであり、粉体混合物層を得るために望ましくはディスペンサ60が辿るべき経路と、望ましくはこの経路をカバーすべき期間Tにわたって随意に経時的に変化し得るが優先的には一定である速度とを、全体的に表す。ユニット104は、E’1から、S’1において堆積ヘッド1の始動手段の制御を発生させることで、xy平面内でのその運動を確保する。
【0070】
所望の層を得るために、当然ながら、装置始動手段の制御及び分配手段の制御のそれぞれを、互いに時間的に固定することが確実である。
【0071】
次に図8を参照すると、基準座標系x,y,zを、層の堆積が予定されている支持体、すなわち基板108に関連付けることができることが分かる。ディスペンサ60の例示的な経路110を、概ねディスク形の層である特定の場合で示す。この経路は、支持体108の表面において層に辿らせることを意図したスイープに対応し、例えば方向xに沿った複数の往復行程の形態をとり、これは各行程間で方向yに沿って移動する。この移動中、粉体混合物の組成は、当然ながら、得られる層のxy平面における1つ又は複数の勾配組成の形成を特に目的として、経時的に変化させることができる。代替的な実施形態を図8aに示し、この図では経路110aを渦巻形としている。
【0072】
最後に、図9で示すように、この方法を、方向zに沿って複数の層114を積層させることによる物体の形成に拡張できることに留意されたい。この場合、制御S1,S2、及びS’1は、これらの層のすべてを作製するために必要な継続時間に相当する期間Tにわたって提供することができる。このことは、特に、制御S’1が、好ましくはディスペンサ60の下端と予め堆積した層との間の距離を常に実質的に同一に保つために、支持体108の表面に対するディスペンサ60の高さzをも操作することを意味する。
【0073】
図9において、支持体108は容器120の一体部分であって、その底部を形成することが分かる。z軸に沿って1つ又は複数の組成勾配を有し得る所望の積層体を形成するために、種々の層114をこの容器120内に順次堆積する。
【0074】
代替的な実施形態は、図9aで図式化したように、底部108をz軸に沿って可動にし、ディスペンサ60をこの同一方向に固定してなる。この状況では、底部108は、各層の作製後に好ましくは層の厚さに近い距離又は層の厚さと同一の距離に沿って下方へ移動するピストンの形状をとる。
【0075】
一指標として、各層114は約0.25mmの厚さ、最終積層体は約27mmの厚さを有し得ることに留意されたい。
【0076】
さらに、粉体混合物の堆積が終了したら、任意の既知の技法に従ってその圧密化を進めることで、組成勾配を有する物体を得ることができる。図9に示す例では、組立体を操作可能にするため、すなわち、積層体の粉体を乱すおそれを取り除くため、続いて積層体を冷間圧縮する。次に、製造法を、HTCとも称される熱間等方圧縮作業で組立体を緻密化することにより続けるが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の技法を用いることができる。この熱間等方圧縮を行うために、圧縮した積層体をまずガス抜きし、積層体が入っている容器120で該積層体を密閉する。次に、熱間等方圧縮を得るため、約1,325℃の温度及び約1,400barの圧力で密閉容器に組立体を入れて、緻密化を得る。
【0077】
上述のように、得られる三次元物体は、基準座標系x,y,zの任意の方向に1つ又は複数の組成勾配を有し得る。これに関して、図10a〜図10cは、xz平面に沿った断面図として、本発明で得ることができる物体を示す。
【0078】
これらの図では、色が濃いほど、混合物中の粉体A1の質量比が大きく、色が薄いほど、混合物中の粉体A2の質量比が大きい。したがって、図10a及び図10bは、xz平面において組成勾配が徐々に異なる実施形態を示しているが、図10cの白点は、これとは異なる材料でできた黒色エンベロープ内に組み込まれた球体に相当し得る。
【0079】
こうして作製した組成勾配を有する物体には、複数の用途が考えられる。こうした用途には、航空機ジェットエンジン、特に原子炉の熱交換器、水蒸気改質器、バイオマス反応器、燃料電池、電解槽等が含まれる。
【0080】
当然ながら、単に非限定的な例として、上述した本発明の当業者は様々な変更を行うことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
組成勾配を有する物体を形成するために粉体混合物を堆積させる装置(1)であって、
異なる粉体(A1,…,An)のそれぞれを収容するための複数のタンク(R1,…,Rn)と、
該タンク(R1,…,Rn)の下方に配置した粉体ミキサ(30)であり、回転可能に取り付けた混合部材(32)を含み、前記タンクからの前記粉体(A1,…,An)を衝突させるための粉体ミキサ(30)と、
前記タンク(R1,…,Rn)とそれぞれが協働し、該タンクから前記ミキサへ向かって排出される前記粉体の質量流量を調整するようそれぞれを設計した、複数の粉体分配手段(4,6)と、
前記ミキサ(30)の下方に配置して該ミキサに連通させた粉体混合物コレクタ(56)と、
該粉体混合物コレクタ(56)の下方に配置して該粉体混合物コレクタに連通させた粉体混合物ディスペンサ(60)と、
を備える装置。
【請求項2】
請求項1に記載の装置において、前記回転可能に取り付けた混合部材(32)は、該部材の回転軸線に相当する軸(2)を有する概ね円錐形の第1の粉体衝突面(40)を有することを特徴とする装置。
【請求項3】
請求項2に記載の装置において、前記ミキサ(30)は、概ね円錐形の第2の粉体衝突面(42)を含み、該第2の粉体衝突面は、前記第1の粉体衝突面(40)との間に前記粉体を通すための概ね円錐形の間隙(44)を形成するために、前記第1の粉体衝突面と同軸上に対向して配設したことを特徴とする装置。
【請求項4】
請求項2に記載の装置において、概ね円錐形の前記第1の粉体衝突面(40)は、1つ又は複数の凹部(4,6)を有することを特徴とする装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置において、前記混合部材(32)は、前記ミキサの案内部品(52)に回転可能に取り付け、該案内部品に、前記粉体混合物コレクタ(56)の上方で該粉体混合物コレクタと連通する1つ又は複数の通過オリフィス(54)を設けたことを特徴とする装置。
【請求項6】
請求項5に記載の装置において、前記通過オリフィス(54)のそれぞれの画定面の任意の点で、該画定面は、垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することを特徴とする装置。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置において、前記粉体混合物コレクタ(56)の画定面(58)の任意の点で、該画定面は、垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することを特徴とする装置。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置において、前記分配手段(4,6)の下方で該分配手段と前記ミキサと(30)の間に配置した前記粉体(A1,…,An)のコレクタ(26)をさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項9】
請求項8に記載の装置において、前記粉体(A1,…,An)の前記コレクタ(26)の画定面(28)の任意の点で、該画定面(28)は、垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度をなすことを特徴とする装置。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置において、前記分配手段(4,6)のそれぞれは、粉体支持要素(14)の振動による粉体送出装置の形態をとることを特徴とする、装置。
【請求項11】
組成勾配を有する物体を形成するための粉体混合物を堆積させる設備(100)であって、空間的移動手段(102)に取り付けた請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置(1)を備え、且つ前記移動手段(102)及び前記分配手段(4,6)のそれぞれを制御することができる制御ユニット(104)を備える設備。
【請求項12】
請求項11に記載の設備において、前記制御ユニット(104)は、前記分配手段(4,6)のそれぞれを期間Tにわたって制御するために、
該期間Tにわたる、堆積させるべき粉体混合物中の粉体(A1,…,An)の質量比の経時的変化と、
前記混合物中の前記粉体(A1,…,An)の質量比に応じた、堆積後の前記粉体混合物の比重の代表値と、
所与の質量比を有する粉体混合物を得るために前記粉体分配手段に制御を伝送する瞬間から、前記粉体混合物を堆積する瞬間までの間に経過した時間に相当する、前記堆積装置に関連する待ち時間(tl)と、
を考慮することを特徴とする設備。
【請求項13】
請求項11又は12に記載の設備において、前記制御ユニット(104)は、期間Tにわたって前記堆積装置始動手段(102)を制御するために、前記期間Tにわたる粉体混合物ディスペンサ(60)で採用すべき位置(x,y)の経時的変化を考慮することを特徴とする設備。
【請求項14】
請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置(1)又は請求項11〜13のいずれか1項に記載の設備(100)により組成勾配を有する物体を作製する方法であって、前記粉体混合ディスペンサ(60)を支持体(108)に対して始動させることにより、該支持体(108)上に堆積した少なくとも1つの粉体混合物層(114)の形成から組成勾配を有する物体を作製する方法。
【請求項15】
請求項14に記載の方法において、前記粉体混合物層(114)を作製するために、前記粉体混合物ディスペンサ(60)を始動させて、前記層を堆積させるべき前記支持体(108)の表面のスイープを行い、前記スイープ中に、分配手段(4,6)の少なくとも一方の制御を変化させることを特徴とする方法。
【請求項1】
組成勾配を有する物体を形成するために粉体混合物を堆積させる装置(1)であって、
異なる粉体(A1,…,An)のそれぞれを収容するための複数のタンク(R1,…,Rn)と、
該タンク(R1,…,Rn)の下方に配置した粉体ミキサ(30)であり、回転可能に取り付けた混合部材(32)を含み、前記タンクからの前記粉体(A1,…,An)を衝突させるための粉体ミキサ(30)と、
前記タンク(R1,…,Rn)とそれぞれが協働し、該タンクから前記ミキサへ向かって排出される前記粉体の質量流量を調整するようそれぞれを設計した、複数の粉体分配手段(4,6)と、
前記ミキサ(30)の下方に配置して該ミキサに連通させた粉体混合物コレクタ(56)と、
該粉体混合物コレクタ(56)の下方に配置して該粉体混合物コレクタに連通させた粉体混合物ディスペンサ(60)と、
を備える装置。
【請求項2】
請求項1に記載の装置において、前記回転可能に取り付けた混合部材(32)は、該部材の回転軸線に相当する軸(2)を有する概ね円錐形の第1の粉体衝突面(40)を有することを特徴とする装置。
【請求項3】
請求項2に記載の装置において、前記ミキサ(30)は、概ね円錐形の第2の粉体衝突面(42)を含み、該第2の粉体衝突面は、前記第1の粉体衝突面(40)との間に前記粉体を通すための概ね円錐形の間隙(44)を形成するために、前記第1の粉体衝突面と同軸上に対向して配設したことを特徴とする装置。
【請求項4】
請求項2に記載の装置において、概ね円錐形の前記第1の粉体衝突面(40)は、1つ又は複数の凹部(4,6)を有することを特徴とする装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置において、前記混合部材(32)は、前記ミキサの案内部品(52)に回転可能に取り付け、該案内部品に、前記粉体混合物コレクタ(56)の上方で該粉体混合物コレクタと連通する1つ又は複数の通過オリフィス(54)を設けたことを特徴とする装置。
【請求項6】
請求項5に記載の装置において、前記通過オリフィス(54)のそれぞれの画定面の任意の点で、該画定面は、垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することを特徴とする装置。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置において、前記粉体混合物コレクタ(56)の画定面(58)の任意の点で、該画定面は、垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度を形成することを特徴とする装置。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置において、前記分配手段(4,6)の下方で該分配手段と前記ミキサと(30)の間に配置した前記粉体(A1,…,An)のコレクタ(26)をさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項9】
請求項8に記載の装置において、前記粉体(A1,…,An)の前記コレクタ(26)の画定面(28)の任意の点で、該画定面(28)は、垂直線と40°未満、好ましくは30°未満の角度をなすことを特徴とする装置。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置において、前記分配手段(4,6)のそれぞれは、粉体支持要素(14)の振動による粉体送出装置の形態をとることを特徴とする、装置。
【請求項11】
組成勾配を有する物体を形成するための粉体混合物を堆積させる設備(100)であって、空間的移動手段(102)に取り付けた請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置(1)を備え、且つ前記移動手段(102)及び前記分配手段(4,6)のそれぞれを制御することができる制御ユニット(104)を備える設備。
【請求項12】
請求項11に記載の設備において、前記制御ユニット(104)は、前記分配手段(4,6)のそれぞれを期間Tにわたって制御するために、
該期間Tにわたる、堆積させるべき粉体混合物中の粉体(A1,…,An)の質量比の経時的変化と、
前記混合物中の前記粉体(A1,…,An)の質量比に応じた、堆積後の前記粉体混合物の比重の代表値と、
所与の質量比を有する粉体混合物を得るために前記粉体分配手段に制御を伝送する瞬間から、前記粉体混合物を堆積する瞬間までの間に経過した時間に相当する、前記堆積装置に関連する待ち時間(tl)と、
を考慮することを特徴とする設備。
【請求項13】
請求項11又は12に記載の設備において、前記制御ユニット(104)は、期間Tにわたって前記堆積装置始動手段(102)を制御するために、前記期間Tにわたる粉体混合物ディスペンサ(60)で採用すべき位置(x,y)の経時的変化を考慮することを特徴とする設備。
【請求項14】
請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置(1)又は請求項11〜13のいずれか1項に記載の設備(100)により組成勾配を有する物体を作製する方法であって、前記粉体混合ディスペンサ(60)を支持体(108)に対して始動させることにより、該支持体(108)上に堆積した少なくとも1つの粉体混合物層(114)の形成から組成勾配を有する物体を作製する方法。
【請求項15】
請求項14に記載の方法において、前記粉体混合物層(114)を作製するために、前記粉体混合物ディスペンサ(60)を始動させて、前記層を堆積させるべき前記支持体(108)の表面のスイープを行い、前記スイープ中に、分配手段(4,6)の少なくとも一方の制御を変化させることを特徴とする方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図3a】
【図3b】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図8a】
【図9】
【図9a】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【図2】
【図3】
【図3a】
【図3b】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図8a】
【図9】
【図9a】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【公表番号】特表2012−509762(P2012−509762A)
【公表日】平成24年4月26日(2012.4.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−537982(P2011−537982)
【出願日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際出願番号】PCT/EP2009/065932
【国際公開番号】WO2010/060969
【国際公開日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【出願人】(509248165)コミサリア ア レネルジ アトミ−ク エ オエネルジー アルテルナティヴ (28)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成24年4月26日(2012.4.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際出願番号】PCT/EP2009/065932
【国際公開番号】WO2010/060969
【国際公開日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【出願人】(509248165)コミサリア ア レネルジ アトミ−ク エ オエネルジー アルテルナティヴ (28)
【Fターム(参考)】
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