JP2024515034A - 金属窒化物セラミックの積層造形のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本明細書では、金属窒化物セラミックの三次元（３Ｄ）プリントを含む積層造形（ＡＭ）を対象とした実施形態について説明する。本明細書のいくつかの実施形態では、ＡＭは粉末床溶融（ＰＢＦ）技術を含み得る。また、本明細書では、ＡＭ技術によって形成された金属窒化物セラミックコンポーネントについても説明する。

Description

優先出願への参照による援用
本出願は、２０２１年３月３１日に出願された米国仮出願第６３／２００，８４１号の優先権の利益を主張し、その全開示は参照により本明細書に援用される。

本開示のいくつかの実施形態は、金属窒化物セラミックの積層造形及び積層造形によって作製される金属窒化物セラミックコンポーネントのためのシステム及び方法を対象とする。

窒化チタンなどの金属窒化物は、耐摩耗性保護コーティングとして医療用インプラントを含む様々な用途に使用されている。例えば、コバルトクロム（ＣｏＣｒ）又はチタン合金（例えば、Ｔｉ６４）から作られた現在の整形外科用インプラントの多くは、耐摩耗性に乏しく、体内でのインプラントの最終的な破損を防ぐために窒化チタンコーティングを必要とする。窒化チタンは耐摩耗性、耐食性に優れ、人体との親和性が高いセラミックスである。このコーティングは通常、化学気相成長法（ＣＶＤ）によってインプラントに適用される。ＣＶＤでは、チタン（Ｔｉ）の蒸気が窒素ガスと反応して窒化チタンコーティングが形成される。この方法により、非常に薄い窒化チタンの密着層が形成される。

しかし、積層造形（ＡＭ）の出現により、インプラントの設計も進化した。インプラントの重量を軽減し、インプラント内部で組織が成長する場所を提供する内部空洞を備えたインプラントを設計することが可能となった。しかし、内部の空洞が複雑なため、インプラント内部の表面に窒化チタンの層を均一にコーティングすることが困難になってきている。インプラント全体を窒化チタンでプリントすれば、高価で時間のかかるインプラントの余分な処理（ＣＶＤ）が不要になり、製造の待ち時間が短縮されるであろう。窒化チタンの耐摩耗性及び耐食性により、このようなインプラントは他のコーティングを必要としない。しかし、金属セラミックスのＡＭは、そのような材料の材料特性及びＡＭ法の入力材料の要件により、これまで不可能であった。

したがって、ＡＭ法用の金属窒化物を製造する新規システム及び方法、金属窒化物コンポーネントを製造するためのＡＭプロセス、並びに積層造形によって作製される金属窒化物コンポーネントが必要とされている。

発明の概要の目的のために、本発明の特定の態様、利点、及び新規の特徴が本明細書に記載される。このような利点の全てが、本発明の特定の実施形態に従って必ずしも達成され得るわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者は、本発明が、本明細書で教示又は示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点の群を達成する方法で具体化又は実行され得ることを認識するであろう。

本明細書のいくつかの実施形態は、積層造形法を使用して製造される金属窒化物セラミックコンポーネントであって、前記積層造形法が、レーザービーム又は電子ビームを金属窒化物粉末に照射することを含む粉末床拡散法を含む、金属窒化物セラミックコンポーネントを対象とする。

いくつかの実施形態では、前記粉末床拡散法は、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）又は選択的
レーザー溶解（ＳＬＭ）を含む。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物粉末は、約１５～４５ミクロン、約２０～６３ミクロン、又は約４５～１０６ミクロンの範囲内の粒径を有する。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物コンポーネントは、光学顕微鏡下で９５％以上の密度パーセントを有する。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物セラミックコンポーネントは、本質的に金属窒化物からなる。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物は、窒化チタンを含む。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物粉末は、窒化チタン粉末を含む。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物粉末は、マイクロ波プラズマ内で金属粉末と窒素含有ガスとを反応させることによって形成される。いくつかの実施形態では、前記窒素含有ガスは、水素又はアルゴンを含む。いくつかの実施形態では、前記レーザービーム又は電子ビームが、処理室内の前記金属窒化物粉末に向けられ、前記処理室が、前記処理全体を通じて１，２００℃以下の温度に維持される。

本明細書のいくつかの実施形態は、金属窒化物セラミックコンポーネントを製造するための方法を対象とし、前記方法は、レーザービーム又は電子ビームを金属窒化物粉末に照射する工程を含む。

いくつかの実施形態では、前記方法は、前記金属窒化物粉末の電子ビーム溶解（ＥＢＭ）又は選択的レーザー溶解（ＳＬＭ）を含む。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物粉末は、約１５～４５ミクロン、約２０～６３ミクロン、又は約４５～１０６ミクロンの範囲内の粒径を有する。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物コンポーネントは、光学顕微鏡下で９５％以上の密度パーセントを有する。いくつかの実施形態では、前記レーザービーム又は電子ビームが、処理室内の前記金属窒化物粉末に向けられ、前記処理室が、前記処理全体を通じて１，２００℃以下の温度に維持される。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物セラミックコンポーネントは、本質的に金属窒化物からなる。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物は、窒化チタンを含む。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物粉末は、窒化チタン粉末を含む。いくつかの実施形態では、前記金属窒化物粉末は、マイクロ波プラズマ内で金属粉末と窒素含有ガスとを反応させることによって形成される。いくつかの実施形態では、前記窒素含有ガスは、水素又はアルゴンを含む。本明細書のいくつかの実施形態は、プリントされた窒化チタンコンポーネントを対象とする。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、光学顕微鏡下で９５％以上の密度パーセントを有する。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、約４．７２ｇ／ｃｃ～４．９０ｇ／ｃｃの密度を有する。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、ＴｉＮ_０．５４の化学量論的組成を有する。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、αＴｉ相、ＴｉＮ相、及びＴｉ_２Ｎ相を含む。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、１３～１４重量％の窒素を含む。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、本質的に窒化チタンからなる。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、積層造形を使用して全体的にプリントされている。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、プリントされた立方体のクラスターを含む。いくつかの実施形態では、前記プリントされた窒化チタンコンポーネントは、医療用インプラントである。

図面は例示的な実施形態を説明するために提供されるものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書で説明されるシステム及び方法は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによってよりよく理解されるであろう。

図１は、本明細書のいくつかの実施形態による積層造形に使用可能な窒化チタン粉末の例示的な形態を示した図である。

図２は、本明細書のいくつかの実施形態による積層造形に使用可能な窒化チタン粉末の例示的な微細構造を示した図である。

図３は、本明細書のいくつかの実施形態による積層造形に使用可能なチタン粉末のＸ線粉末回折の例を示した図である。

図４は、本明細書のいくつかの実施形態による積層造形に使用可能なチタン粉末の粒度分布の例を示した図である。

図５Ａ及び図５Ｂは、本明細書に記載のいくつかの実施形態による、ＡＭを使用してプリントされた窒化チタン立方体の画像例を示した図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、本明細書に記載のいくつかの実施形態による、ＡＭを使用してプリントされた窒化チタン立方体の画像例を示した図である。

図６は、本明細書のいくつかの実施形態による、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末及びプリントされた部品の化学分析及び相分析のサンプル表を示した図である。

図７は、本明細書のいくつかの実施形態による、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末及びプリントされた部品のＸ線回折の例を示した図である。

図８は、本明細書のいくつかの実施形態による材料のＴｉ‐Ｎ相図を示した図である。

図９Ａ～図９Ｅは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭに使用される窒化チタン（ＴｉＮ）粉末の走査型電子顕微鏡画像の例を示した図である。 図９Ａ～図９Ｅは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭに使用される窒化チタン（ＴｉＮ）粉末の走査型電子顕微鏡画像の例を示した図である。 図９Ａ～図９Ｅは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭに使用される窒化チタン（ＴｉＮ）粉末の走査型電子顕微鏡画像の例を示した図である。 図９Ａ～図９Ｅは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭに使用される窒化チタン（ＴｉＮ）粉末の走査型電子顕微鏡画像の例を示した図である。 図９Ａ～図９Ｅは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭに使用される窒化チタン（ＴｉＮ）粉末の走査型電子顕微鏡画像の例を示した図である。

図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。 図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。 図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。 図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。 図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。 図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。 図１０Ａ～図１０Ｇは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示した図である。

図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。 図１１Ａ～図１１Ｈは、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示した図である。

図１２は、本明細書のいくつかの実施形態による材料の製造に使用できるマイクロ波プラズマトーチの一実施形態を示した図である。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、本明細書のいくつかの実施形態による側面供給ホッパーを含む例示的なマイクロ波プラズマトーチを示した図である。 図１３Ａ及び図１３Ｂは、本明細書のいくつかの実施形態による側面供給ホッパーを含む例示的なマイクロ波プラズマトーチを示した図である。

特定の好ましい実施形態及び例を以下に開示するが、本発明の保護対象は、具体的に開示された実施形態を超えて、他の代替実施形態及び／又は使用並びにその修正及び均等物に及ぶ。したがって、本明細書に添付された特許請求の範囲は、以下に説明される特定の実施形態のいずれによっても限定されない。例えば、本明細書に開示される任意の方法又はプロセスにおいて、方法又はプロセスの動作又は操作は、任意の適切な順序で実行してもよく、必ずしも特定の開示された順序に限定されない。様々な操作は、特定の実施形態を理解するのに役立つように、複数の個別の操作として順に説明され得る。但し、説明の順序は、これらの操作が順序に依存することを意味するものと解釈されるべきではない。さらに、本明細書で説明される構造、システム、及び／又はデバイスは、統合されたコン
ポーネントとして、又は別個のコンポーネントとして具体化されてもよい。様々な実施形態を比較する目的で、これらの実施形態の特定の態様及び利点が説明される。必ずしもすべてのそのような態様又は利点が特定の実施形態によって達成されるわけではない。したがって、例えば、様々な実施形態は、本発明が、本明細書で教示又は示唆もされ得る他の態様又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点の群を達成する又は最適化する方法で実行され得る。

本明細書で開示されるデバイス及び方法の構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解を提供するために、特定の例示的な実施形態について説明する。これらの実施形態の１又は複数の例が添付の図面に示されている。当業者であれば、本明細書に具体的に説明され、添付の図面に示されるデバイス及び方法が非限定的な例示的な実施形態であり、本発明の範囲が特許請求の範囲によってのみ定義されることを理解するであろう。１つの例示的な実施形態に関連して図示又は説明された特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせてもよい。そのような修正及び変形は、本発明の技術の範囲内に含まれるものとする。

本明細書では、金属窒化物セラミックの三次元（３Ｄ）プリントを含む積層造形（ＡＭ）を対象とした実施形態について説明する。本明細書のいくつかの実施形態では、ＡＭは粉末床溶融（ＰＢＦ）技術を含み得る。電子ビーム溶解（ＥＢＭ）、選択的レーザー溶解（ＳＬＭ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的加熱焼結（ＳＨＳ）、及び直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）などである。本明細書で使用される場合、ＡＭは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データに基づいて、材料の連続層を接合又は追加して対象物を形成することによって、材料をより複雑なコンポーネントに加工するための様々な技術を含み得る。ＰＢＦシステムは、レーザー、電子ビーム又はサーマルプリントヘッドを使用して、３次元空間内の材料の超微細層を溶融又は部分的に溶融する。前記処理が終了すると、余分な粉末が対象物から吹き飛ばされる。

以前は、鋳造、プレス、粉末冶金などの高温処理によって製造された金属窒化物セラミックの材料特性のために、このような材料はＡＭ法での使用には適合しなかった。例えば、理論に限定されるものではないが、以前に製造された金属窒化物セラミックの高融点、高硬度、脆弱性、及び密度により、これらの材料はＡＭ法に適合しなくなったと仮定される。例えば、窒化チタンの融点は約２，９３０℃であるが、代表的なＡＭ処理室は約１，２００℃までしか到達しない。しかしながら、本明細書の実施形態は、ＡＭ法で使用できる合成金属窒化物セラミック粉末、並びにそのようなＡＭ適合性金属窒化物セラミックを合成するための方法及びシステムを含む。さらに、本明細書の実施形態は、高温耐火金属窒化物セラミックの局所的溶融及びそのようなセラミックの制御された凝固により、亀裂を回避し、完全な密度の材料を得る方法を含む。いくつかの実施形態では、本明細書のＡＭ方法及びシステムは、前駆体材料中の金属又は窒素含有量の化学量論的組成を変えることなく、窒化チタンなどの金属窒化物セラミックをプリントすることを含んでいてもよい。

積層造形の基本的な材料要件は、球形で、通常は特定のミクロン範囲内（１５～４５ミクロン、２０～６３ミクロン、４５～１０６ミクロンなど）の指定された粒子サイズの金属合金粉末である。これらの要件を満たす窒化チタン粉末などの一部の窒化物粉末は現在公知ではなく、最終的には窒化チタンのＡＭは不明である。本明細書の実施形態は、ＡＭの仕様内で、かつ大規模な窒化チタン粉末の製造を可能にする。

本明細書の実施形態は、革新的なＡＭパラメータ及び戦略を使用して、ミクロンサイズの金属窒化物粉末を完全に高密度の固形成分にＡＭ処理する方法を含む。この革新的なアプローチにより、金属窒化物粉末からＡＭ加工固体を製造することができる。本明細書のシステム及び方法は、固化中に亀裂が生じることなく投入された金属窒化物粉末を溶融及
び固化するために重要である。いくつかの実施形態では、ＡＭ処理は、耐火性金属窒化物を完全に溶融し、制御された凝固を実行して亀裂のない固形成分を生成することを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書の方法は、窒化チタンなどの金属窒化物が構成金属及び窒素へ分解することをさらに防止し、窒化チタン粉末の化学量論的組成を維持する。いくつかの実施形態では、窒化チタンにおける強いＴｉ‐Ｈ結合は、化学量論的組成の維持に役立ち得る。いくつかの実施形態では、本明細書の方法は、初めて成功した電子ビーム又はレーザービームのいずれかを用いた粉末床融合技術を使用した金属窒化物セラミックの３Ｄプリントを表す。

いくつかの実施形態では、本明細書のシステム及び方法を使用して製造された金属窒化物３Ｄプリントコンポーネントは、医療用インプラントに使用される従来のコバルトクロム（ＣｏＣｒ）合金を置き換える可能性がある。コバルトクロム（ＣｏＣｒ）インプラントは、患者の血流中にクロム（Ｃｒ）イオン及びコバルト（Ｃｏ）イオンの放出を引き起こす場合があり、場合によっては細胞毒性効果及びアポトーシス効果を生じさせ得る。現在、金属窒化物は、コバルトクロム（ＣｏＣｒ）及びＴｉ６４インプラントの耐摩耗性保護コーティングとして医療用途で使用されており、ＦＤＡ承認材料のリストに掲載されている。しかし、以前は不可能であった窒化チタン（ＴｉＮ）などの金属窒化物の３Ｄプリントにより、気孔率が制御された生体適合性金属窒化物インプラントの製造が可能になることによって、より速い骨組織の成長及びより早い回復のための骨伝導性インプラントの製造が可能になる。

本明細書のいくつかの実施形態は、ＡＭ法に適合する金属窒化物粉末を製造するための方法を含む。いくつかの実施形態では、この方法は、金属窒化物を合成するために、前駆体として市販の純チタン（ｃＰＴｉ）粉末又は他の金属粉末を使用し、反応性プラズマガスとして窒素含有ガスを使用することを含む。

チタン（Ｔｉ）などの一部の金属は、窒素、水素、炭素、及び酸素などの格子間原子に対して大きな親和性を有する。プラズマガス中に存在する場合、そのような種はイオン化状態で存在し得るため、より「反応性」が高いと考えられる。少なくとも窒素を含み、とりわけ水素やアルゴンなどの他のガスを様々な量で含み得る反応性プラズマガスの組成を慎重に選択すること及び原料粉末を瞬時に前記ガスを通過させることによって、プラズマガス中の窒素がチタン（Ｔｉ）と反応して窒化チタンが生成される。反応性プラズマ中の窒素量と反応性プラズマ中のチタン（Ｔｉ）粉末粒子の滞留時間とを制御することにより、生成される窒化チタンの化学量論的組成（例えば、化合物中の窒素％）及び相を制御することが可能となり得る。

いくつかの実施形態では、積層造形のための基本的な材料要件は、球状であり、通常はミクロン範囲内の特定の粒径内の金属合金、金属炭化物、金属酸化物、又は金属窒化物の粉末である。粒度分布は、粉末の流動性、展延性、及び均一な粉末床密度を提供する能力に直接影響する。これは、粉末粒子を溶融又は焼結するのに必要なエネルギー入力を決定し、表面仕上げにも影響する。例えば、ＡＭ法に適した球状化粉末は、約１５～４５ミクロン、約２０～６３ミクロン、約４５～１０６ミクロン、又は約４５～１５０ミクロンの粒度分布を有し得る。いくつかの実施形態では、粒度分布はＤ５０粒度分布を含み得る。しかしながら、本明細書に記載の方法及びシステムによれば、球状化粉末は、ナノメートル範囲内～ミリメートル範囲内の粒度分布を含み得る。例えば、本明細書の実施形態による球状化粉末は、約０．１ミクロン～約１０００ミクロンの間の粒度分布を含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書の実施形態による球状化粉末は、約０．１ミクロン～約１ミクロン、約１ミクロン～１５ミクロン、約１５ミクロン～約４５ミクロン、約２０ミクロン～６３ミクロン、約４５ミクロン～約１０６ミクロン、約１０６ミクロン～約２００ミクロン、約２００ミクロン～約３００ミクロン、約３００ミクロン～約４００ミクロ
ン、約４００ミクロン～約５００ミクロン、約５００ミクロン～約６００ミクロン、約６００ミクロン～約７００ミクロン、約７００ミクロン～約８００ミクロン、約８００ミクロン～約９００ミクロン、及び約９００ミクロン～約１０００ミクロン、又は前述の範囲内のいずれかである粒度分布を含み得る。

さらに、高い粉末流量を必要とするＡＭ用途で有用であるためには、金属粉末粒子は球形形状を示す必要があり、これはプラズマ球状化法を通じて実現できる。この方法には、高温環境での粒子の完全溶融、表面溶融、又は部分溶融が含まれ、液体金属の表面張力によって各粒子が球形の形状に成形され、その後冷却されて再凝固する。

いくつかの実施形態では、プラズマ処理によって得られる最終粒子は、球形（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ）、球状化（ｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚｅｄ）、または球状（ｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ）であることができ、これらの用語は互換的に使用され得る。有利には、異なる金属窒化物のそれぞれに関連する重要かつ具体的な開示を使用することによって、原料の全てを球状粉末に変換することができる。

本開示のいくつかの実施形態は、実質的に球状化された、又は顕著な球状化を受けた粒子を生成することを対象とする。いくつかの実施形態では、球状、回転楕円体、又は球状化された粒子は、特定の閾値よりも大きい球形度を有する粒子を指す。粒子の球形度は、下記方程式を使用して、粒子の体積と一致する体積を有する球Ａ_ｓ，理想の表面積Ｖを計算することで計算できる。

理想的な表面積は、粒子の測定された表面積Ａ_ｓ，実際と比較できる。

いくつかの実施形態では、粒子は、０．５超、０．６超、０．７超、０．７５超、０．８超、０．９超、０．９１超、０．９５超、若しくは０．９９を超える（又は約０．５超、約０．６超、約０．７超、約０．７５超、約０．８超、約０．８超、約０．９１超、約０．９５超、若しくは約０．９９を超える）球形度を有し得る。いくつかの実施形態では、粒子は、０．７５以上若しくは０．９１以上（又は約０．７５以上若しくは約０．９１以上）の球形度を有し得る。いくつかの実施形態では、粒子は、０．５未満、０．６未満、０．７未満、０．７５未満、０．８未満、０．９未満、０．９１未満、０．９５未満、若しくは０．９９未満（又は約０．５未満、約０．６未満、約０．７未満、約０．７５未満、約０．８未満、約０．８未満、約０．９１未満、約０．９５未満、若しくは約０．９９未満）の球形度を有し得る。いくつかの実施形態では、粒子は、前述の球形度値のいずれか以上の球形度を有する場合、球形、球状または球状化されているとみなされる。また、いくつかの好ましい実施形態では、粒子は、その球形度が、正味若しくは約０．７５以上又は正味若しくは約０．９１以上である場合、球形であるとみなされる。

いくつかの実施形態では、所与の粉末内の全ての粒子のメジアン球形度は、０．５超、０．６超、０．７超、０．７５超、０．８超、０．９超、０．９１超、０．９５超、若しくは０．９９を超え得る（又は約０．５超、約０．６超、約０．７超、約０．７５超、約０．８超、約０．８超、約０．９１超、約０．９５超、若しくは約０．９９を超え得る）。いくつかの実施形態では、所与の粉末内の全ての粒子のメジアン球形度は、０．５未満、０．６未満、０．７未満、０．７５未満、０．８未満、０．９未満、０．９１未満、０．９５未満、若しくは０．９９未満（又は約０．５未満、約０．６未満、約０．７未満、約０．７５未満、約０．８未満、約０．８未満、約０．９１未満、約０．９５未満、若しくは約０．９９未満）であり得る。いくつかの実施形態では、所定の粉末について測定された粒子の全て又は閾値パーセンテージ（以下の画分のいずれかで説明される）が、前述の球形度値のいずれか以上のメジアン球形度を有する場合、粉末は球状化しているとみなされる。いくつかの実施形態では、粒子の全て又は閾値パーセンテージが、メジアン球形度が正味若しくは約０．７５以上又は正味若しくは約０．９１以上である場合、粉末は球状化しているとみなされる。

いくつかの実施形態では、粉末内の粒子の割合が、上記のような所定の球形度閾値を超える可能性があり、５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、９０％超、９５％超、若しくは９９％を超え得る（又は約５０％超、約６０％超、約７０％超、約８０％超、約９０％超、約９５％超、若しくは約９９％を超え得る）。いくつかの実施形態では、粉末内の粒子の割合が、上記のような所定の球形度閾値を超える可能性があり、５０％未満、６０％未満、７０％未満、８０％未満、９０％未満、９５％未満、若しくは９９％未満になり得る（又は約５０％未満、約６０％未満、約７０％未満、約８０％未満、約９０％未満、約９５％未満、若しくは約９９％未満になり得る）。

粒度分布及び球形度は、ＳＥＭ、光学顕微鏡法、動的光散乱、レーザー回折、画像解析ソフトウェアを使用した寸法の手動測定などの任意の適切な公知の技術によって、例えば、同じ材料切片又は試料の少なくとも３つの画像にわたる画像あたり約１５～３０の測定値及びその他の技術によって決定され得る。

上記の仕様に該当する窒化チタン粉末は現時点では公知ではないため、窒化チタンを使用するＡＭ法は現時点では公知ではない。したがって、本明細書の一部の実施形態は、ＡＭに要求される仕様内の窒化チタン粉末を含む金属窒化物の製造のためのシステム及び方法を対象とする。本明細書のいくつかの実施形態は、例えばミクロンサイズの球状窒化チタン粉末を合成することを対象とする。いくつかの実施形態では、主な合金元素は窒素である。窒化チタン粉末の組成に関して、異なる窒素濃度では、ＴｉＮ、Ｔｉ_２Ｎ、ＴｉＮ_２などの異なる窒化物相が形成される。これらの相は異なる物理的特性を有する。例えば、ＴｉＮは高い耐摩耗性を備えた非常に硬い相であり、Ｔｉ_２Ｎは比較的柔らかい相であり得る。したがって、用途及び必要な機能特性に基づいて、異なる組成、最終的には異なる微細構造が望まれることになる。本明細書の実施形態は、反応性プラズマガスの化学量論的組成を制御することによって制御できる、任意の所望の相の窒化チタンの合成を対象としてもよい。

上記の方法に従って製造された及び／又は上記の仕様を有する金属窒化物粉末を使用し、特定のＡＭ加工技術を使用して、３Ｄプリントされた金属窒化物コンポーネントを得てもよい。ＥＢＭによる金属窒化物粉末の溶融又は融合の能力は、粉末表面で受け取られるエネルギー密度に少なくとも部分的に依存する場合がある。ＥＢＭの場合、このエネルギー密度は、電流×加速電圧／スキャン速度×ハッチ間隔×層の厚さとして計算され得る。粉末溶融の最適なパラメータは、電流、スキャン時間、ハッチ間隔が主なパラメータである個々のパラメータの組み合わせによって実現され得る。一方、チャンバー温度は、粉末
の溶融塊の冷却速度又は固化速度を制御するのに役立ち得る。いくつかの実施形態では、チャンバー温度を上昇させると、溶融塊の冷却速度が低下する。いくつかの実施形態では、冷却速度を遅くすると、固化した粉末塊の亀裂が防止され得る。ＥＢＭマシンのチャンバー温度は通常、約１０００～１１００℃で維持されることもあり得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、チャンバー温度を約１１００℃の限界を超えて上昇させるために、より多くの固形塊がチャンバー内に存在し得るように、立方体のクラスターをプリントすることができる。立方体のクラスターはプリントされた立方体の周囲でより多くの熱を保持する。実際のアプリケーションでは、プリント時により多くの固形塊が存在するように、プリント領域を最大化することで印刷を完了してもよい。さらに、部品プリントの場合、部品設計に１又は複数の支持構造が存在する場合があり、これは熱管理だけでなく、たわみからの張り出しを支持することにも役立ち得る。これは、プリントされる断面の厚さ及びプリントされる隣接する部品の近接性に基づいて、部品ごとに異なる。

例えば、ＥＢＭプロセスを使用したプリントは通常、真空中で、チャンバー温度が約１１００℃まで維持されて行われる。いくつかの実施形態では、電子ビームの電流を増加させ、最終的に粉体層に供給されるエネルギーを増加させることによって、粉末を溶融及び融合させてもよい。いくつかの実施形態では、電流は、金属窒化物の溶融は達成され得るが、チャンバーベースの反りは起こらないようなレベルまで上昇させてもよい。例えば、本明細書で使用される窒化チタンの溶融は、窒化チタンの融点が約２９３０℃であるにもかかわらず、約１２００℃以下のチャンバー温度で達成され得、最終部品は部品の構造に実質的に亀裂を示さない場合がある。これは、金属窒化物立方体のクラスターをプリントすることによって達成され得る。それにより、チャンバー内に存在する質量が大きくなり、その結果、より多くの熱が保持され、より均一な粉末が溶融し、より低い質量の単一の金属窒化物立方体を溶融する場合と比較して冷却が達成され得る。金属窒化物立方体のクラスターを使用することに加えて、ＡＭ法のハッチ間隔（２つの隣接するビームトラックの重なり）を減らすことが可能であり、それによってビームの重なりが増加し、粉体層の実質的にビームが触れない領域がなくなるようにする。上記のＡＭ処理技術を使用すると、少なくとも９５％の密度を有する金属窒化物が生成され得る。密度％は、プリントされた部品の断面を顕微鏡で観察することによって測定することができ、密度％は観察された高密度領域の％として計算され得る。それ以外の場合、密度％は、材料（例えば、窒化チタン）の理論密度の関数として達成される立方体密度のパーセントによって計算され得る。

窒化チタン粉末はｃｐＴｉ（工業用純チタン）粉末から合成した。窒化チタン粉末は、４５～１０６ミクロンの粒度分布（ＰＳＤ）を示し、プラズマガスとして窒素含有ガス（Ｎ_２）を使用して生成されたマイクロ波プラズマを使用して合成した。水素化物－脱水素化物（ＨＤＨ）法によって製造されたｃｐＴｉを、窒素（Ｎ_２）及び水素（Ｈ_２）の混合物を含む反応性プラズマ中で処理した。プラズマ処理中のｃｐＴｉ粉末の酸化を防ぐために、反応性窒素ガスに少量の水素（約１０％）を導入した。プラズマ処理により、不規則な形状のＨＤＨ ｃｐＴｉ粉末が球状の窒化チタン粉末に変化した。球状化中、高温及びプラズマ中のイオン化窒素種と完全溶融、表面溶融、又は部分溶融したｃｐＴｉ粒子との接触により、チタン（Ｔｉ）と窒素（Ｎ）との間の反応が開始され、窒化チタン（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）が生成した。反応例を以下に示す。
２Ｔｉ（ｓ）＋Ｎ_２（ｇ）→２ＴｉＮ（ｓ）
４Ｔｉ（ｓ）＋Ｎ_２（ｇ）→２Ｔｉ_２Ｎ（ｓ）

合成された窒化チタンの元素組成は、１２重量％の窒素、０．３４重量％の酸素、０．０３４重量％の鉄、０．００６８重量％の炭素、及び８５．９重量％のチタンであった。合成された窒化チタンは、Ｄ_１０が５０．３５ミクロン、Ｄ_５０が６８．５ミクロン、及
びＤ_９０が９７．７３ミクロンの粒度分布を有していた。合成された窒化チタンは以下の物性を示した。ホール流量：２７ｓ／５０ｇ、見掛け密度（ＡＤ）：２．５４ｇ／立方センチメートル、真密度：４．９ｇ／立方センチメートル、及びタップ密度（ＴＤ）：２．９１ｇ／立方センチメートル。窒化チタン粉末は、マイクロ波プラズマ処理を通じて合成してもよい。いくつかの実施形態では、プラズマ、プラズマプルーム、又は排気内で、溶融金属は液体の表面張力により本質的に球状化される。マイクロ波生成プラズマは実質的に均一な温度プロファイルを示すため、粒子の９０％を超える球状化（例えば、９１％、９３％、９５％、９７％、９９％、１００％）を達成されることもあり得る。

図１に、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭ法で使用可能な窒化チタン粉末の例示的な形態を示す。

図２に、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭ法で使用可能な窒化チタン粉末の例示的な微細構造を示す。いくつかの実施形態では、窒化チタン粉末の微細構造は、１又は複数の別個の相を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、それらの相には、α－Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ_２Ｎ、及び／又はＴｉＮ_２が含まれ得る。いくつかの実施形態では、窒化チタンシェルはｃＰ‐Ｔｉコアとともに形成される。

図３に、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭ法で使用可能な窒化チタン粉末の例示的なＸ線粉末回折を示す。

図４に、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭ法で使用可能な窒化チタン粉末の例示的な粒度分布を示す。いくつかの実施形態では、窒化チタン粉末は、約１５ミクロンと約１５０ミクロンとの間の粒度分布を含み得る。

図５Ａ及び図５Ｂに、本明細書に記載のいくつかの実施形態による、ＡＭを使用してプリントされた窒化チタン立方体の画像例を示す。ＥＢＭプリンタを使用して窒化チタン粉末をプリントし、１５×１５ｍｍの正方形を高さ約８．６ｍｍで作成した。ＥＢＭチャンバーの温度は、構築中全体を通じて約１１００℃に維持した。この構造は、支持構造なしでステンレス鋼プレート上に直接構築された。パラメータを最適化すると、プリントされた構造上で約４．７２ｇ／ｃｃ～４．９０ｇ／ｃｃの密度が達成された。ＴｉＮ相の理論密度は５．４ｇ／ｃｃ、Ｔｉ_２Ｎ相の理論密度は４．８８ｇ／ｃｃである。

図６に、本明細書のいくつかの実施形態による、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末及びプリントされた部品の化学分析及び相分析のサンプル表を示す。この表は、本明細書の実施形態による金属窒化物粉末及び以前の方法によって形成された基準粉末の特性を示している。いくつかの実施形態では、本明細書のいくつかの実施形態による最終プリント部品は、ＴｉＮ_０．５４の化学量論的組成を含み得る（Ｔｉ_２ＮはＴｉＮ_０．５と同等である）。

図７に、本明細書のいくつかの実施形態による、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末及びプリントされた部品のＸ線回折の例を示す。

図８に、Ｔｉ‐Ｎ相図を示す。Ｔｉ－Ｎ相図から分かるように、Ｔｉ_２Ｎは約１２～１３重量％のＮを含む狭い相領域である。ＴｉＮは約１３～２５重量％の広い範囲内のＮを含む。図７のＸＲＤは、本明細書のいくつかの実施形態による粉末が３つの相であるαＴｉ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_２Ｎを有することを示す。同様に、比率は異なるが、最終的なプリント固相にも、αＴｉ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_２Ｎの３つのフェーズがある。％Ｎは、粉末からプリント固相まで実質的に変化しない。したがって、いくつかの実施形態では、ＥＢＭプリント条件によって窒素が拡散し、ＴｉＮがＴｉ_２Ｎに変化する場合がある。

図９Ａ～図９Ｅに、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭに使用される窒化チタン（ＴｉＮ）粉末の走査型電子顕微鏡画像の例を示す。球状化粉末粒子は再結晶層を示し、粒子断面は均一な化学的性質を示す。

図１０Ａ～図１０Ｇに、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって生成された窒化チタン（ＴｉＮ）中間体部品の例示的な走査電子顕微鏡画像及び後方散乱検出器画像を示す。中間体のプリント固相は高い多孔性を示し、微細構造には鉄が豊富な領域が観察され、おそらくチャンバーのベースプレートからピックアップされたものと思われる。

図１１Ａ～図１１Ｈに、本明細書のいくつかの実施形態によるＡＭによって製造された窒化チタン（ＴｉＮ）最終部品の走査型電子顕微鏡及び後方散乱検出器画像の例を示す。最終的なプリント固相は、中間体部品と比較して、気孔率が少なく、密度が高くなる。鉄が豊富な領域が観察され、おそらくチャンバーのベースプレートからピックアップされたものと思われる。

要約すると、本明細書のいくつかの実施形態によれば、合成された窒化チタン粉末は、Ｔｉ_２Ｎ相及びαＴｉ相を含むＴｉＮ相が豊富であり得る。本明細書に記載の方法に従って製造されたＴｉＮ粉末を使用して、ＥＢＭを使用して９５％の緻密なプリントを形成した。プリント固相は、ＴｉＮ相とαＴｉ相とを含むＴｉ_２Ｎ相が豊富であった。窒素含有量は粉末からプリント物まで約１３～１４重量％で一定であった。プリント固相は、粉末の金色とは対照的に、灰色に見えた。いくつかの研究では、チタン（Ｔｉ）の関数として色の変化が示されている。Ｎのストイキオメトリで、ＴｉＮ相は金色に見え、Ｔｉ_２Ｎは銀灰色に見える。

プラズマ処理
図１２に、本明細書のいくつかの実施形態による窒化チタンＡＭ材料の製造に使用できるマイクロ波プラズマトーチ１２００の一実施形態を示す。いくつかの実施形態では、原料は、１又は複数の原料入口１２０２を介してマイクロ波プラズマ１２０４に導入することができる。いくつかの実施形態では、同伴ガス流及び／又はシース流をマイクロ波プラズマアプリケータ１２０５内に注入して、マイクロ波放射源１２０６を介して前記プラズマ１２０４を点火する前に、プラズマアプリケータ内に流れ状態を作り出してもよい。いくつかの実施形態では、前記同伴流及びシース流は両方とも軸対称で層流であるが、他の実施形態では、ガス流は旋回している。いくつかの実施形態では、原料は前記マイクロ波プラズマトーチ１２００内に導入されてもよく、原料は、材料を前記プラズマ１２０４に向けて導くガス流によって同伴されてもよい。

前記ガス流は、窒素及び／又はヘリウム、ネオン、アルゴンなどの周期表の希ガス列を含み得る。上述のガスを使用してもよいが、所望の材料及び処理条件に応じて様々なガスを使用できることを理解されたい。いくつかの実施形態では、前記マイクロ波プラズマ１２０４内で、原料は物理的及び／又は化学的変換を受け得る。入口１２０２は、前記プラズマ１２０４に向けて原料を同伴及び加速する処理ガスを導入するために使用することができる。いくつかの実施形態では、第２のガス流を生成して、プラズマアプリケータ１２０４及び反応室１２１０の内壁に被覆を提供し、前記プラズマ１２０４からの熱放射による溶融からこれらの構造を保護することができる。

所望の材料を達成するために、プラズマアプリケータ１２０５によって生成される前記マイクロ波プラズマ１２０４の様々なパラメータを手動又は自動で調整することができる。これらのパラメータには、例えば、電力、プラズマガス流量、プラズマガスの種類、延長管の有無、延長管の材質、反応室又は延長管の断熱レベル、延長管のコーティングのレベル、延長管の形状（例えば、テーパー付き／段付き）、供給材料のサイズ、供給材料の
挿入速度、供給材料入口の位置、供給材料入口の向き、供給材料入口の数、プラズマ温度、滞留時間、及び冷却速度が含まれ得る。結果として得られる材料は前記プラズマから出て密閉室１２１２に入り、前記材料は急冷されて回収される。

いくつかの実施形態では、前記原料は、前記マイクロ波プラズマトーチの「プルーム（ｐｌｕｍｅ）」又は「排気（ｅｘｈａｕｓｔ）」内で処理するために、前記マイクロ波プラズマアプリケータの後に注入される。したがって、前記マイクロ波プラズマトーチのプラズマは、プラズマトーチコア管１２０８の出口端又はさらに下流で関与する。いくつかの実施形態では、調整可能な下流供給により、温度レベル及び滞留時間を正確に設定することにより、原料の最適な溶融に適した温度で原料を下流のプラズマプルームと関与させることができる。前記入口の位置及びプラズマ特性を調整すると、材料特性をさらにカスタマイズできる場合がある。さらに、いくつかの実施形態では、電力、ガス流量、圧力、及び装置構成（例えば、延長管の導入）を調整することによって、プラズマプルームの長さを調整してもよい。

いくつかの実施形態では、供給構成は、プラズマプルームを取り囲む１又は複数の個別の供給ノズルを含み得る。供給原料は任意の方向からプラズマに入ってもよく、入口１２０２の配置及び方向に応じてプラズマの周囲３６０°に供給することができる。さらに、特定の温度が測定され、得られる材料の望ましい特性を提供するための滞留時間が推定されている場合、供給原料は、前記入口１２０２の配置を調整することによって、前記プラズマ１２０４の長さに沿った特定の位置でプラズマに入ってもよい。

いくつかの実施形態では、原料を前記プラズマ１２０４に対して任意の角度で注入できるように、前記プラズマ１２０４に対する前記入口１２０２の角度を調整することができる。例えば、前記原料が、前記プラズマ１２０４の方向に対して、約０度、約５度、約１０度、約１５度、約２０度、約２５度、約３０度、約３５度、約４０度、約４５度、約５０度、約５５度、約６０度、約６５度、約７０度、約７５度、約８０度、約８５度、若しくは約９０度、又は前述の値のいずれかの間の角度でプラズマに注入され得るように、前記入口１２０２は調整されてもよい。

いくつかの実施形態では、下流噴射方法の実施は、下流スワール（ｓｗｉｒｌ）又は急冷を用いてもよい。下流スワールとは、前記アプリケータ１２０５、前記反応室１２１０、及び／又は延長管１２１４の壁から粉末を守るために、プラズマアプリケータの下流に導入することができる追加の旋回成分を指す。

いくつかの実施形態では、マイクロ波プラズマ装置の反応室１２１０の長さは、約１フィート、約２フィート、約３フィート、約４フィート、約５フィート、約６フィート、約７フィート、約８フィート、約９フィート、約１０フィート、約１１フィート、約１２フィート、約１３フィート、約１４フィート、約１５フィート、約１６フィート、約１７フィート、約１８フィート、約１９フィート、約２０フィート、約２１フィート、約２２フィート、約２３フィート、約２４フィート、約２５フィート、約２６フィート、約２７フィート、約２８フィート、約２９フィート、若しくは約３０フィート、又は前述の値のいずれかの間の値であり得る。

いくつかの実施形態では、様々な処理条件及び装置構成を調整することによって延長され得るプラズマ１２０４の長さは、約１フィート、約２フィート、約３フィート、約４フィート、約５フィート、約６フィート、約７フィート、約８フィート、約９フィート、約１０フィート、約１１フィート、約１２フィート、約１３フィート、約１４フィート、約１５フィート、約１６フィート、約１７フィート、約１８フィート、約１９フィート、約２０フィート、約２１フィート、約２２フィート、約２３フィート、約２４フィート、約
２５フィート、約２６フィート、約２７フィート、約２８フィート、約２９フィート、若しくは約３０フィート、又は前述の値のいずれかの間の値であり得る。

図１３Ａ及び図１３Ｂに、側面供給ホッパーを含む例示的なマイクロ波プラズマトーチを示す。よって、この実施では、前記原料は、前記マイクロ波プラズマトーチの「プルーム（ｐｌｕｍｅ）」又は「排気（ｅｘｈａｕｓｔ）」内で処理するために、前記マイクロ波プラズマトーチアプリケータの後に注入される。したがって、前記マイクロ波プラズマトーチのプラズマは前記プラズマトーチの出口端で関与し、原料の下流への供給を可能にする。この下流側の供給により、ホットゾーンライナーの壁上の材料の堆積からホットゾーンが無期限に保護されるため、トーチの寿命を有利に延ばすことができる。さらに、温度レベル及び滞留時間を正確に設定することで、粉末の最適な溶融に適した温度で下流のプラズマプルームを関与させることができる。例えば、プラズマプルームを含む急冷容器内のマイクロ波粉末、ガス流、及び圧力を使用してプルームの長さを調整する性能を有する。

通常、下流球状化法では２つの主要なハードウェア構成を利用して、安定したプラズマプルームを確立できる。環状トーチ、例えば、米国特許出願公開第２０１８／０２９７１２２号に記載されているような環状トーチ、又は米国特許第８７４８７８５（Ｂ２）号及び米国特許第９９３２６７３（Ｂ２）号に記載されている旋回トーチである。図１３Ａ及び図１３Ｂはいずれも、環状トーチ又は旋回トーチのいずれかを用いて実施できる方法の実施形態を示している。プラズマトーチの出口でプラズマプルームと密接に結合された供給システムを使用して、粉末を軸対称に供給し、プロセスの均一性を維持する。他の供給構成は、プラズマプルームを取り囲む１つ又はいくつかの個別の供給ノズルを含み得る。

供給材料３１４は、マイクロ波プラズマトーチ３０２に導入することができる。ホッパー３０６は、前記マイクロ波プラズマトーチ３０２、プルーム、又は排気に供給材料３１４を供給する前に、前記供給材料３１４を貯蔵するために使用することができる。代替実施形態では、前記原料はプラズマトーチの長手軸に沿って注入することができる。マイクロ波放射は、導波路３０４を通じてプラズマトーチに導入することができる。前記供給材料３１４はプラズマ室３１０に供給され、プラズマトーチ３０２によって生成されたプラズマと接触するように配置される。プラズマ、プラズマプルーム、又はプラズマ排気と接触すると、前記供給材料が溶解する。前記供給材料３１４は、前記プラズマ室３１０内にある間に、容器３１２に回収される前に冷却及び固化する。あるいは、前記供給材料３１４は、溶融相にある間に前記プラズマ室３１０から出て、プラズマ室の外で冷えて固化し得る。いくつかの実施形態では、陽圧を使用してもしなくてもよい急冷室が使用されてもよい。図１２とは別に説明されているが、図１３Ａ及び図１３Ｂの実施形態は、図１２の実施形態と同様の特徴及び条件を使用することが理解される。

追加の実施形態
前述の明細書では、本発明をその特定の実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明のより広い精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更が行われ得ることは明らかである。したがって、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味としてみなされるべきである。

実際、本発明は特定の実施形態及び例に関連して開示されたが、当業者であれば、本発明が、具体的に開示された実施形態を超えて、他の代替実施形態及び／又は本発明の使用、並びにそれらの明白な修正及び均等物に拡張されることが理解されよう。また、本発明の実施形態のいくつかの変形を示し、詳細に説明したが、本発明の範囲内にある他の修正は、この開示に基づいて当業者には容易に明らかとなるであろう。また、実施形態の特定の特徴及び態様の様々な組み合わせ又は部分組み合わせを行ってもよく、それらも本発明
の範囲内に含まれることも考えられる。開示された発明の実施形態の様々な様式を形成するために、開示された実施形態の様々な特徴及び態様が互いに組み合わされ得る又は置換され得ることを理解されたい。本明細書に開示されるいずれの方法も、記載された順序で実施される必要はない。したがって、本明細書に開示される本発明の範囲は、上記に説明する特定の実施形態によって限定されるべきではないことが意図されている。

本開示のシステム及び方法はそれぞれいくつかの革新的な態様を有しており、そのうちの単一の態様が本明細書に開示される望ましい属性に単独で責任を伴う又は必要とされるわけではないことが理解されるであろう。上記で説明した様々な特徴及びプロセスは、互いに独立して使用されても、様々な方法で組み合わせて使用されてもよい。可能な全ての組み合わせ及び部分組み合わせは、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。

別個の実施形態に関連して本明細書で説明される特定の特徴は、単一の実施形態で組み合わせて実施されてもよい。逆に、単一の実施形態の文脈で説明されている様々な特徴は、複数の実施形態で個別に、又は適切なサブコンビネーションで実施されてもよい。さらに、上記の特徴は特定の組み合わせで機能するものとして説明されている場合及び最初に特許請求されている場合もあるが、場合によっては、特許請求される組み合わせから１又は複数の特徴をその組み合わせから削除することができ、その特許請求される組み合わせはサブコンビネーション又はサブコンビネーションのバリエーションを対象とする場合がある。単一の特徴又は特徴の群は、それぞれの実施形態にとって必要又は不可欠ではない。

本明細書で使用される「～し得る／できる／可能である（ｃａｎ）」、「～できた／こともあり得る（ｃｏｕｌｄ）」、「～可能性がある（ｍｉｇｈｔ）」、「～し得る／であってもよい／である場合がある（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」などの条件付きの文言は、特に明記されていない限り、又は使用される文脈内で理解されない限り、通常、特定の実施形態には特定の特徴、要素、及び／又は工程が含まれるが、他の実施形態には含まれないことを伝えることを意図していることが理解されるであろう。したがって、このような条件付きの文言は、通常、何らかの形で特徴、要素、及び／又は工程が、１若しくは複数の実施形態に必要であることを示唆すること、又は１若しくは複数の実施形態が、オーサー入力若しくはプロンプトの有無にかかわらず、これらの特徴、要素、及び／又は工程が特定の実施形態において含まれるか実行されるべきかを決定するためのロジックを必ず含むことを意図したものではない。「備える／含む（こと）（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（こと）（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（こと）（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は同義であり、変更可能に包括的に使用され、追加の要素、特徴、動作、操作などを排除するものではない。さらに、「又は」という用語は、包括的な意味で（排他的な意味ではなく）使用されるため、例えば、要素のリストを接続するために使用される場合、「又は」という用語は、リスト内の要素の１つ、一部、又は全てを意味する。さらに、本出願及び添付の特許請求の範囲で使用される冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「前記（ｔｈｅ）」は、別段の指定がない限り、「１又は複数」又は「少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきである。同様に、操作は特定の順序で図面に示される場合があるが、望ましい結果を達成するために、そのような操作が示された特定の順序又は連続した順序で実行される必要はなく、あるいは図示された全ての操作が実行される必要もないことを認識されたい。さらに、図面は、１又は複数の例示的なプロセスをフローチャートの形式で概略的に示し得る。しかしながら、図示されていない他の操作が、概略的に図示される例示的な方法及びプロセスに組み込まれていてもよい。例えば、１又は複数の追加の操作を、図示した操作のいずれかの前、後、同時に、又は間に実行してもよい。さらに、他の実施形態では、操作を再配列又は再順序付けしてもよい。特定の状況では、マルチタスク及び並列処理が有利な場合がある。さらに、上記実施形態における様々なシステムコンポーネントの分離は、全ての実施形態でそのような分離を必要とするもの
として理解されるべきではなく、記載されたプログラムコンポーネント及びシステムは通常、単一のソフトウェア製品に一緒に統合されても、複数のソフトウェア製品にパッケージ化されてもよいことを理解されたい。さらに、他の実施形態も下記特許請求の範囲に含まれる。場合によっては、特許請求の範囲に記載されている動作は、異なる順序で行われても、依然として望ましい結果が得られ得る。

さらに、本明細書に記載の方法及びデバイスは、様々な修正及び代替形態であってもよいが、その特定の例が図面に示されており、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、本発明は、開示された特定の形態又は方法に限定されるものではなく、逆に、本発明は、記載された様々な実施形態及び添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内にある全ての修正、均等物、及び代替物を包含するものである。さらに、実施又は実施形態に関連する任意の特定の特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）、態様、方法、特性、特徴（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）、品質、属性、要素などの本明細書での開示は、本明細書に記載の他の全ての実施又は実施形態で使用することができる。本明細書に開示されるいずれの方法も、記載された順序で実施される必要はない。本明細書に開示される方法には、実行者によって行われる特定の動作が含まれる場合があるが、この方法には、明示的又は黙示的に、これらの動作に対する第三者の指示が含まれる場合もある。本明細書に開示される範囲は、あらゆる重複範囲、部分範囲、及びそれらの組み合わせも包含する。「～まで（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「～より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ）」、「～未満（ｌｅｓｓ ｔｈａｎ）」、「～の間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」などの用語には、記載された数値が含まれる。「約（ａｂｏｕｔ）」又は「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」などの用語が前に付く数値には、列挙された数値が含まれており、状況に基づいて解釈される必要がある（例えば、状況下で合理的に可能な限り正確、例えば、±５％、±１０％、±１５％などである）。例えば、「約３．５ｍｍ」には「３．５ｍｍ」も含まれる。「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語が先行する句には、引用された句が含まれており、状況に基づいて（例えば、その状況下で合理的に可能な限り）解釈される必要がある。例えば、「実質的に一定」には「一定」が含まれる。特に明記されていない限り、全ての測定は温度及び圧力を含む標準条件で行われる。

本明細書で使用される場合、項目リストの「少なくとも１つ」を指す語句は、それらの項目の任意の組み合わせを指し、単一のメンバーを含む例として、「Ａ、Ｂ、又はＣの少なくとも１つ」は、Ａと、Ｂと、Ｃと、Ａ及びＢと、Ａ及びＣと、Ｂ及びＣと、並びにＡ、Ｂ、及びＣとを包含することを意図している。「Ｘ、Ｙ、及びＺの少なくとも１つ」などの接続詞は、特に明記されていない限り、通常、項目や用語などが、少なくともＸ、Ｙ、又はＺであり得ることを伝えるために使用される文脈で理解される。したがって、そのような接続詞は、通常、特定の実施形態が、Ｘの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、及びＺの少なくとも１つのそれぞれの存在を必要とすることを暗示することを意図したものではない。本明細書で提供される見出しは、もしあれば、便宜上のものであり、本明細書で開示されるデバイス及び方法の範囲又は意味に必ずしも影響を与えるものではない。

したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本開示、本明細書に開示される原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。

Claims (31)

1. 積層造形法を使用して製造される金属窒化物セラミックコンポーネントであって、前記積層造形法が、
   レーザービーム又は電子ビームを金属窒化物粉末に照射する工程を含む粉末床拡散法を含む、金属窒化物セラミックコンポーネント。
2. 前記粉末床拡散法が、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）又は選択的レーザー溶解（ＳＬＭ）を含む、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
3. 前記金属窒化物粉末が、約１５～４５ミクロン、約２０～６３ミクロン、又は約４５～１０６ミクロンの範囲内の粒径を有する、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
4. 前記金属窒化物コンポーネントが、光学顕微鏡下で９５％以上の密度パーセントを有する、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
5. 前記金属窒化物セラミックコンポーネントが、本質的に金属窒化物からなる、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
6. 前記金属窒化物が、窒化チタンを含む、請求項５に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
7. 前記金属窒化物粉末が、窒化チタン粉末を含む、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
8. 前記金属窒化物粉末が、マイクロ波プラズマ内で金属粉末と窒素含有ガスとを反応させることによって形成される、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
9. 前記窒素含有ガスが、水素又はアルゴンを含む、請求項８に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
10. 前記レーザービーム又は電子ビームが、処理室内の前記金属窒化物粉末に向けられ、前記処理室が、前記処理全体を通じて１，２００℃以下の温度に維持される、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
11. 前記電子ビームを前記金属窒化物粉末に向けて、前記金属窒化物セラミックコンポーネントを形成する複数の立方体又は物品を形成する、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
12. 前記金属窒化物粉末が、９０％を超える球形度を有する、請求項１に記載の金属窒化物セラミックコンポーネント。
13. 金属窒化物セラミックコンポーネントを製造する方法であって、
    処理室内の金属窒化物粉末にレーザービーム又は電子ビームを照射する工程、及び
    前記処理全体を通じてチャンバーの温度を１，２００℃以下に維持する工程、を含む、方法。
14. 前記金属窒化物粉末の電子ビーム溶解（ＥＢＭ）又は選択的レーザー溶解（ＳＬＭ）を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記金属窒化物粉末が、約１５～４５ミクロン、約２０～６３ミクロン、又は約４５～１０６ミクロンの範囲内の粒径を有する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記金属窒化物コンポーネントが、光学顕微鏡下で９５％以上の密度パーセントを有する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記金属窒化物セラミックコンポーネントが、本質的に金属窒化物からなる、請求項１３に記載の方法。
18. 前記金属窒化物が、窒化チタンを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記金属窒化物粉末が、窒化チタン粉末を含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記金属窒化物粉末が、マイクロ波プラズマ内で金属粉末と窒素含有ガスとを反応させることによって形成される、請求項１３に記載の方法。
21. 前記窒素含有ガスが、水素又はアルゴンを含む、請求項２０に記載の方法。
22. プリントされた窒化チタンコンポーネント。
23. 光学顕微鏡下で９５％以上の密度パーセントを有する、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
24. 約４．７２ｇ／ｃｃ～４．９０ｇ／ｃｃの密度を有する、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
25. ＴｉＮ_０．５４の化学量論的組成を有する、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
26. αＴｉ相、ＴｉＮ相、及びＴｉ_２Ｎ相を含む、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
27. １３～１４重量％の窒素を含む、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
28. 本質的に窒化チタンからなる、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
29. 積層造形を使用して全体的にプリントされている、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
30. プリントされた立方体のクラスターを含む、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。
31. 医療用インプラントである、請求項２２に記載のプリントされた窒化チタンコンポーネント。

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