JP2002500965A - 薄壁管液化器 - Google Patents
薄壁管液化器Info
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Abstract
Description
層を堆積するための分配ヘッドに関する。このようなデバイスの1つの有益な用
途は、モデルまたは物体のラピッドプロトタイプ化である。モデル化材料が、所
望の物品を形成する多層形成を伴って分配ヘッドからベース上までの押出上で固
化するように、モデル化材料を選択し、その温度を制御する。
から提供される設計データに基づいて三次元物体を作る工程を含む。固化材料の
層を堆積することによる三次元物体のラピッドプロトタイプ用の装置および方法
の例は、Crumpの米国特許第5,121,329号、Batchelder
らの米国特許第5,303,141号、Crumpの米国特許第5,340,4
33号、Batchelderの米国特許第5,402,351号、Batch
elderの米国特許第5,426,722号、Crumpらの米国特許第5,
503,785号およびAbramsらの米国特許第5,587,913号にお
いて開示されている(これらすべては、Stratasys,Inc.に譲渡さ
れている)。‘329、‘433および‘785号の特許(「Crump特許」
)において開示されているラピッドプロトタイプシステムは、押出ヘッドを記載
しており、押出ヘッドは三次元物品を形成するために使用される固体材料を受容
し、その凝固温度以上まで材料を加熱し、ベース上に液体として材料を分配する
。
施形態は3つのゾーン、すなわち入口ゾーンまたはキャップ、加熱ゾーンまたは
本体およびノズルからなる液化器を含む。第1の実施形態を‘433号の特許の
図3に示す。図3は、シールリング(すなわちキャップ)、加熱ヘッド(すなわ
ち加熱ゾーン)およびノズルを有する押出ヘッド内の液化器を示す。シールリン
グは、固体材料の供給ロッドを受容する。加熱ヘッド内の電気ヒータは、凝固温
度を越える温度まで供給ロッドを加熱し、液体状態に還元する。次いで液体材料
は、ノズルフロー通路を通ってノズル内に流れ、ノズル分配出口を通って分配さ
れる。
。この実施形態において、供給材料は固形の可撓性ストランドの形式である。図
5に示される材料の可撓性ストランドは、ガイドスリーブを通って押出ヘッドに
供給される。押出ヘッドは、上部に供給チャンバ、および下部に液化器を含む。
供給チャンバ内のドライブローラが可撓性ストランドを液化器内に導入する。押
出ヘッド内の液化器は、シールリング(すなわちキャップ)、材料供給およびフ
ロー通路(すなわち加熱ゾーン)、および分配出口オリフィス(すなわちノズル
)を含む。可撓性ストランドは、フロー通路の内表面の周囲で液圧シールを設け
るシールリングを通じて液化器内に進む。加熱コイルを含むスリーブ形式のヒー
タは、フロー通路および通路内でストランドを液体状態まで加熱するためのオリ
フィスの周囲に位置される。その材料は、液体状態でオリフィスを通じて分配さ
れる。
れる。図5に示される実施形態のように、材料は固形の可撓性ストランド形式で
供給される。ストランドは、ガイドスリーブを通って押出ヘッド内に前進する。
ストランド前進機構が、一対のモータ駆動フィードローラまたはプーリを備え、
ストランドを液化器内に進める。図13の液化器は、管状ガイド部材、シールリ
ング、液化器ノズル、および除去可能先端を備える。管状ガイド部材およびシー
ルリングは共にキャップゾーンを形成する。管状ガイド部材は、アルミニウムま
たは銀のような高伝導性金属から形成される。ストランド前進機構から加熱ゾー
ン内に移動中、適切な温度で可撓性ストランドを維持するために、急速に熱を分
散させる。さらに、ガイド部材から熱を分散させるために、送風機を使用して押
出ヘッド内、ガイド部材周囲の空気を循環させ得る。さらに「L」字形のガイド
部材から伸張する冷却フィンを利用して、ガイド部材から熱の分散を促進させる
。下側端部において、ガイド部材はシールリング上で支持される。シールリング
は、断熱性プラスチックから形成され、それにより熱シールとして機能する。加
熱コイルおよび外側の断熱スリーブによって囲まれる液化器ノズルは、加熱ゾー
ンを提供し、加熱ゾーンにおいてストランド材料は溶融する。液化器ノズル(す
なわち加熱管)は、銀または好ましくはアルミニウムのような熱伝導性材料から
形成される。除去可能先端は、ネジ結合によって液化器ノズルの下端部に取り付
けられる。
る。この実施形態において、多数の材料が別個の通路を通って分配され、単一の
排出出口内へ至る。図6の実施形態により異なる材料の利用が同じ物品の異なる
層を形成することを可能にする。
を保有する押出ヘッドを開示している。‘785号の特許の液化器は、それぞれ
受容端においてキャップを有し、管状分配器(すなわち加熱管)に載設すること
によって保証されている。加熱コイルは、フィラメント材料を加熱、融解するた
めに各管状分配器の周囲を覆っている。各液化器において、材料は液体状態で分
配ノズルに提供され、ノズル先端を通して排出される。フィラメントは、ステッ
ピングモータによって駆動する一対のピンチローラによって供給スプールから各
液化器に搬送される。
して機能する。ここでキャップへの入口における温度は、材料の軟化点未満であ
り、キャップの出口は、半液体状態の材料をポンピングするのに必要とされる温
度より高い。これは、250℃までの温度での変化をキャップ長に亘って必要と
する。キャップの理想的な特性は、軸方向に高い熱抵抗率であり、半径方向に低
い熱低効率であることである。Crump特許に記載されるような前述の設計は
、キャップがこれらの目的を達成するように高温熱可塑性プラスチックまたはD
upontの「Vespel」SP−1のような熱硬化性プラスチックを使用し
た。これらのキャップは高価であり、温度制限を有している。そしてこれらのキ
ャップは、キャップと典型的にはアルミニウムから形成される加熱本体との間の
シール機構を必要とする。キャップおよびシールはリークしがちである。
を形成することが望ましい。安価であり、液化器のパスの曲管が容易に形成され
得、さらにノズルゾーンを形成するために使用され得る媒体もまた望ましい。
システムの押出ヘッドにおいて使用するための改良された液化器である。本発明
は、加熱ブロックに入れられた単一の薄壁管から形成される薄壁管状液化器を提
供する。管は、液化器の加熱ゾーンおよびキャップゾーンの両方の機能を果たす
。好適な実施形態において、管は金属から形成される。ノズルゾーンは、金属管
をスエージ加工によってノズル形状に形成されてもよいし、または管の下部に鑞
付けまたは溶接されてもよい。加熱ブロックは、アルミニウムまたはベリリウム
銅(BeCu)のような熱伝導性材料から形成される。
の材料を送達するための出口端部を有する。入口端に隣接する管の第1の部分は
、入口またはキャップゾーンとして機能する。管の第1の部分は、加熱ブロック
に対して外側にある。管は、加熱ゾーンを形成する加熱ブロックを通過する第2
の部分を有している。ノズルは、管の出口端部に接続する。加熱ブロックは、好
適には管の第2の部分に熱交換関係にある加熱要素を含み、それによりフィラメ
ントを凝固温度以上の温度まで加熱する。
ダーである。管のキャップゾーンは、加熱ゾーン内に移動中適切な温度で可撓性
ストランドを維持するめに急速に熱を分散させなければならない。それによりス
トランドは、ぐにゃっとなったり、曲がったりしない。0.008〜0.015
インチの範囲の厚さの壁を有するステンレス鋼管は、この目的に対して適してお
り、安価である。管の内径は、好適には0.07インチのオーダーである。
の動力駆動のピンチローラは、フィラメントの把持および前進のための好適な前
進機構である。
部分は、機械的に脱着可能であり、それにより管への接近および管の除去を可能
とする。この加熱ブロックの設計は、管の維持および交換を容易にする。
料からなる2つのフィラメントを受容し、液体状態で各フィラメントを送達する
ための共通のノズルを共有する。この実施形態において、第1の実施形態を参照
して記載されたタイプの2つの薄壁管は、共通のノズルに対して鑞付け(bra
ised)または溶接される。加熱ブロックは好適には、3つの機械的検出可能
な垂直部分、2つの外側部分、管およびノズルを位置付ける1つの内側部分を有
する。外部部分の1つは、好適には各管の第2の部分に熱交換関係にある加熱要
素を含む。
により液化器本体とキャップゾーンとの間のシールの必要性を排除し、製造をよ
り単純かつ安価にする。さらに、本発明の液化器により液化器パス内の単純また
は複雑な曲管が、容易に製造されることを可能にする。さらに、液化器のノズル
ゾーンは、管をノズル形状にスエージ加工することによって同様に管から形成さ
れ得る。管は、加熱ブロックの第1および第2の部分を機械的に脱着することに
よって容易にアクセスできる。本発明の液化器は共通のノズルを介して2つの材
料を分配するためにさらに変更されてもよい。これは、2つの別個の液化器を有
するシステムよりも製造をより容易かつ安価に、そして制御をより容易にするシ
ステムを提供する。
れるようにキャビネット12内に含まれる。キャビネット12は、キャビネット
の正面、および左右の面に位置するドアおよびカバーを有している。キャビネッ
ト12の正面に、包絡面(envelope)ドア14、包絡面ドア14の右に
モデル化廃棄物用トレードア16、モデル化廃棄物用トレードア16の右にタッ
チスクリーン表示パネル21、包絡面ドア14の左に支持廃棄用トレードア18
、包絡面ドア14の下にプラットフォームカバー20がある。モデル化ドライボ
ックスドア22および電子部品仕切カバー24が、キャビネット12の右手側に
位置する。支持ドライボックスドア26がキャビネット12の左手側のコンプレ
ッサ仕切カバー28上に位置する。
化押出装置30は、モデル化x―y強制器(forcer)33の下に取り付け
られ、モデル化回転軸接合部36に関して回転するモデル化アーム34の端部に
接続されるモデル化押出ヘッド32を含む。モデル化押出装置30は、回転軸接
合部36の下のモデル化ドライボックス45(図2)内に位置するモデル化フィ
ラメントスプール42からモデル化ドライボックスドア22を通じてアクセス可
能なモデル化材料のフィラメント40を受容する。ドライボックス45は、低湿
度状態を維持してフィラメント40の状態を最適化する。モデル化押出装置30
を用いて基板60上の層状のモデル化材料を分配する。ドライボックス45内の
モデル化スピンドル43上に載設されるモデル化フィラメントスプール42を図
2でより明確に示す。
4は、支持x―y強制器52の下に取り付けられ、支持回転軸接合部50に関し
て回転する支持アーム48の端部に接続された支持押出ヘッド46からなる。支
持押出装置44は、支持回転軸接合部50の直下の支持フィラメントドライボッ
クス57(図3)内に位置する支持フィラメントスプール56からドライボック
スドア26を介してアクセス可能な支持材料のフィラメント54を受容する。ド
ライボックス57は、低湿度状態を維持してフィラメント54の状態を最適化す
る。支持押出装置44を用いて層状の支持材料を分配する。ドライボックス57
中の支持スピンドル58上に載設された支持フィラメントスプール56を、図3
により明確に示す。
成する。物体が生成されるにつれて、任意の余分に覆いかぶさった部分を支持す
るために支持材料を用いる。物体を生成する際に、モデル化材料によって最的な
幾何学的形状に直接支持されない余分に覆いかぶさった断片または部分は、支持
構造を必要とする。支持フィラメント54は必要とされる支持を提供するための
材料を堆積する押出ヘッド46を支持するために供給される。モデル化材料のよ
うな支持材料は、多層状に堆積される。
ある。図1において、システム10は、モデル化押出装置30が動作形成状態で
あり、支持押出装置44がホーム静止位置にある三次元物体64の生成を示す。
モデル化押出装置30が動作状態にある場合、モデル化フィラメント40はアー
ム34から押出ヘッド32まで移動し、押出ヘッド32において液体状体まで加
熱される。溶融状態のモデル化材料の層は、ヘッド32によって、ヘッド32の
下部表面を介して突出する液化器59を通じて基板60上に堆積される。基板6
0は真空圧盤62上で支持され真空の力によってその位置で保持される。支持押
出装置44が動作形成状態にある場合、支持ヘッド46は同様にアーム48を介
して支持フィラメント54を受容し、液体状体まで加熱する。溶融状態の支持材
料の層は、ヘッド46によってヘッド32の下部表面を介して突出する液化器5
9を通じて基板60上に堆積される。
体材料はその固化温度で比較的急速に加熱され得、押出ヘッドから分配された後
温度のわずかな減少により極めて急速に固化される。モデル化材料に対してホッ
トが選択される場合、それ自体に比較的高い粘着性を有する組成物が堆積される
。組成物が堆積されるモデル化材料に対して比較的低い粘着性を有する組成物が
支持材料にたいして選択され、それにより支持材料はモデル化材料およびそれ自
身に対して弱く壊れやすい結合を形成する。物体が完成した場合、支持材料はオ
ペレータによって破壊され、モデル化材料から形成された物体を無傷にする。
用され得る他の材料は、蜜蝋、鋳型ワックス、機械および産業用ワックス、パラ
フィン、様々な熱可塑性樹脂、金属および金属合金を含む。適した金属は、銀、
金、白金、ニッケル、これらの合金、アルミニウム、銅、金、鉛、マグネシウム
、鋼、チタン、シロメ、マンガンおよび青銅を含む。またガラス、特定的にはコ
ーニングガラスも十分である。2つの部分のエポキシを含む化学硬化材料もまた
適している。特に適切と思われるモデル化材料は、アクリロニトリル−ブタジエ
ン−スチレン(ABS)組成物である。支持材料に特に適切と思われる材料は、
フィラー(約80%まで)としてポリスチレン共重合体を添加されたアクリロニ
トリル−ブタジエン−スチレン(ABS)組成物であり、ABS組成物の低表面
エネルギーを形成し、材料の小さな粘着力および小さな接着力を提供する。両方
の材料のフィラメントは、好ましくは極めて小さな直径、すなわち0.070イ
ンチのオーダーである。しかしフィラメントは直径0.001インチと同じくら
い小さい。
ス可能な生成包絡面70である。図4において、ドア14、プラットフォームカ
バー20およびキャビネット12の隣接する面の板は取り除いてある。包絡面7
0は、ここで三次元物体を形成する。包絡面70は、生成プラットフォーム74
を含む。生成プラットフォーム74は、プラットフォーム引き器78上に載設す
る1組の脚76によって支持される真空圧盤62を含む。生成プラットフォーム
74は、包絡面70内のz方向である垂直方向に運動する。生成プラットフォー
ム74の運動は、zモータ114(図5で模式的に示す)によって駆動するz駆
動チェーン80によって制御される。生成プラットフォーム74は、単一の層を
形成中、静止した状態にある。各追加の層が基板60上に堆積されるにつれて、
生成プラットフォーム74は、次の層を形成するためのスペースを与えるように
わずかに低下する。プラットフォーム引き器78は、オペレータが真空圧盤62
へのアクセスの準備が可能になるように前方に引く。
入出力(IO)カード94および第2の入出力(IO)カード96と共にCPU
92が、電気システム90の全体の動作を制御する。CPU92は、タッチスク
リーンディスプレイ21から通信を介してオペレータからの命令を受信する。同
様に、CPU92はタッチスクリーンディスプレイ21と通信し、オペレータへ
のメッセージを表示し、オペレータから入力を要求する。次にCPU92はIO
カード94および96と通信する。電源98は動力を電気システム90に供給す
る。
0℃に維持する。包絡面熱遮断(THCO)スイッチ108は、機械の主制御器
動作コイルを介して電流を運ぶ。温度が約120℃に達すると、THCOスイッ
チが開き、システムへの主制御器を介する電流を遮断する。ヘッド送風機104
および106は、大気温度の空気を供給してフィラメント40および54の通路
を冷却する。それにより空気がモデル化押出ヘッド32および支持押出ヘッド4
6それぞれに伝わる。
縮空気を交互にx−y強制器33および52に供給し、圧盤62に真空を提供す
る。CPU92は、層状化の駆動信号を提供し、選択的にzモータ114を作動
させる。zモータ114は、z軸に沿ってプラットフォーム74を駆動させる。
32およびそこへのフィラメント供給に関連する信号を送受信する。IOカード
94は、x−y強制器33の運動および位置を制御する駆動信号を送信する。I
Oカード94は、さらにモデル化押出ヘッド32を行き来する信号を送受信し、
モデル化押出ヘッド32は、熱電対222(TC)、ヒータ220(HTR)、
モータ246(MTR)、および安全スイッチ210(SS)を含む(図8〜1
0に示す)。モデル化押出ヘッド32の温度が高くなりすぎると、安全スイッチ
210がシステムをシャットダウンする。
を介してモデル化材料のフィラメントスプール42に関するデータをモニタする
。モデル化ドライボックスプロセッサ基板116は、モデル化フィラメントドラ
イボックス45の内部に搭載される。モデル化ドライボックスプロセッサ基板1
16は、モデル化フィラメントセンサ118(図8に示されるフィラメントガイ
ド236への入口に位置する)およびモデル化EEPROM基板120からモデ
ル化フィラメントに関するデータを受信する。モデル化EEPROM基板120
は、モデル化材料のフィラメントスプール42に取り付けられた電気的に読み出
しおよび書き込み可能なデバイス(図7に示されるEEPROM188)を保有
する回路基板である。EEPROM基板120は、様々な機能を有する電気的タ
グとして機能する。EEPROM基板120は、スプール上およびスプール上の
フィラメントの線の末端(lineal feet)のフィラメントのタイプに
関して制御システム90に情報を伝える。フィラメント40がスプール42から
巻ほどかれるにつれて、CPUはどの程度材料が押出されるために命令されたか
を把握し、EEPROM188上にこの量を全量から減じ、新しい値をEEPR
OM188に書き込む。好ましくは、EEPROM基板120上のデータは、暗
号化され、それによりCPU92によってのみ更新され得る。フィラメントセン
サ118は、フィラメント給送管の入口にフィラメントが存在するかしないかを
探知し示す。フィラメントがスプール上にある場合は、オペレータがフィラメン
トを掴み、押出ヘッド32から引き抜き得る。従って使用したフィラメントおよ
びスプールのアンロードおよび新しいスプール再ロードはより容易になる。
業の最初にCPU92は、スプール42または56がその作業を完了するのに十
分なフィラメントを含むかどうかを計算する。次いでタッチスクリーンディスプ
レイ21を介してオペレータに通知し、フィラメントが作業を完了するのに十分
であるか、またはフィラメントスプールがプロセス中に交換および再ロードを必
要とするかのいずれかを知らせる。また作業の初めにCPUはスプール上のモデ
ル化フィラメント材料が物体のデータに指定された同じ材料であることを確認す
る。これらの材料が同じでない場合、タッチスクリーンディスプレイ21を介し
てオペレータに通知され、オペレータにスプールをスイッチする機会を提供する
。
絡面70内の温度をモニタし、モデル化ヘッド近接センサ124、高−z近接セ
ンサ126、低−z近接センサ128およびxyz非接触先端位置センサ130
へおよびそこから信号を送信する。これらすべては以下で記述する。
にIOカード94と同様の機能を果たす。IOカード96は、x−y強制器52
の運動および位置を制御する駆動信号を送信する。さらにIOカード96は、支
持押出ヘッド46へおよびそこから信号を送受信する。支持押出ヘッド46は、
熱電対(TC)、ヒータ(HTR)、モータ(MTR)および安全スイッチ(S
S)を含む。安全スイッチSSは、モデル化押出ヘッド46内の温度が高くなり
すぎた場合システムをシャットダウンする。
て支持材料のフィラメントスプール56に関するデータをモニタする。IOカー
ド96は、支持フィラメントセンサ134および支持EEPROM基板136か
ら支持フィラメントに関するデータを受信する。支持EEPROM基板136は
、支持材料フィラメントスプール56に取り付けられる。EEPROM基板13
6は、電子タグとしてEEPROM基板120と同様の様態で機能する。CPU
92は、支持プロセッサ基板132から支持フィラメントデータを受信し、それ
を用いてモデル化フィラメントに関して上述したように同様の様態でオペレータ
情報を提供する。
を制御する。第1圧力バルブ138および第2圧力バルブ140は、コンプレッ
サ110からの空気の流れを方向付けするように交互に開閉される。バルブ13
8が閉じ、バルブ140が開いている場合、コンプレッサ110からの空気はモ
デル化x−y強制器33に向けられる。バルブ138が開き、バルブ140が閉
じている場合、コンプレッサ110からの空気は支持ヘッドx−y強制器52に
向けられる。さらにIOカード96は、以下に記述される支持ヘッド近接センサ
142と通信する。
はまずタッチスクリーンディスプレイ21上に位置するパワーオンスイッチ(図
示せず)を押してシステムを立ち上げる。次いでシステム10は、メンテナンス
モードに入り、その状態でシステムはルーチンを実行し、モデル化押出ヘッド3
2、支持押出ヘッド46および生成プラットフォーム74の位置を較正する。較
正は2つの局面で実行される。第1の局面は、システムが押出ヘッドおよびプラ
ットフォームのための運動境界を初期化する。モデル化ヘッド近接センサ124
はモデル化ヘッド32の境界を初期化し、支持ヘッド近接センサ142は支持ヘ
ッド44の境界を初期化する。高−z近接センサ126および低−z近接センサ
128は共にプラットフォーム74の境界を初期化する。第2の段階は、xyz
非接触先端位置センサ130が液化器59および65の先端の位置を初期化する
。xyz非接触先端位置センサ130は、プラットフォーム74内に埋め込まれ
る磁気センサである。磁気センサは、3つの変位自由度を有する液化器先端の位
置を検出する。先端位置センサ130は、参照として援用される継続中の特許出
願第08/556,583号に記載されるタイプである。
待機状態では三次元物体64の設計が、Stratasys,Inc.のQUI
CKSLICE(登録商標)のようなCADソフトウェアを利用したLANネッ
トワーク接続(図5に模式的に示す)を介してCPU92に入力される。Str
atasys,Inc.のQUICKSLICE登録商標のようなCADソフト
ウェアは、物体の設計を複数の層に分割し、各別個の層の特定の形状に対応する
多層データを提供する。層状データが受信された後、包絡面70が加熱される間
、システム10はウォームアップ局面に入る。温度が80℃に達するとすぐにシ
ステムは三次元物体を生成する形成状態に入る。
平面内のxおよびy方向に移動可能である。モデル化x−y強制器33は、ステ
ータ要素のグリッド(図示せず)を含む平面ステータ150の下に位置し、平面
ステータ150に対して平行である。x−y強制器33および平面ステータ15
0は共に電磁リニアステッピングモータ152を形成する。線形ステッピングモ
ータは、California州Santa ClaritaのNorther
n Magnetics Inc.で市販されている。x−y強制器33は、互
いに対して90°で載設される2組の単軸強制器およびステータ(図示せず)に
対して強制器33を保持する永久磁石からなる。コンプレッサ110によって供
給される圧縮空気サプライ154は、モデル化装置30が動作状態の場合、x−
y強制器33に提供される。圧縮空気サプライ154は、x−y強制器33を通
じて上方に流れ、図6Bに示されるようにその上部表面を通って排出される。排
出空気は、x−y強制器33および平面ステータ150との間の空気ベアリング
156を形成する。空気ベアリング156によって、平面ステータ150の下の
水平面内で強制器がほぼ摩擦のない運動を可能にする。x−y強制器33への駆
動信号33は、電気サプライ158を介して受信される。電気サプライ158は
、動作を達成するためにx−y強制器33(図示せず)内に位置するステッピン
グモータドライバに動力を供給する。通常、このタイプの線形ステッピングモー
タは、機械的共振を生成する突然の耳障りな動作を示す。この共振は、典型的に
はラピッドプロトタイプシステムのような高精度システムにおけるモータのよう
な使用を不可能にする。以下に記述するように、ヘッドへの供給管(umbil
ical)は、従来技術のラピッドプロトタイプシステムの速度をはるかに凌ぐ
高速で高精度堆積を可能にするのに十分な減衰効果を提供する驚くべき結果を生
成する。
送器は、水平面に対して可撓性であり、他の方向に対して実質的に強固である。
アーム34は、その中に空気サプライ154および強制器電気サプライ158を
運ぶ。アーム34はまた、その中にモデル化押出ヘッド電気サプライ160およ
び可撓性空気管162を保有する。可撓性空気管162は、図8に示されるよう
に外気供給およびモデル化フィラメント40を含む。空気サプライ154、強制
器電気サプライ158、押出ヘッド電気サプライ160およびフィラメント40
を含む空気管162を共に有するアーム34は、押出ヘッド32への供給管16
3を形成する。供給管163は、ステータ30に関して押出ヘッド32の機械的
共振を減衰する驚くべき結果を生成する。機械的共振は、強制器33によるヘッ
ド32の加速および減速によって生成される。好適な実施形態において、ヘッド
32およびx−y強制器33を併用した重量は、約8lbsに等しいかまたはそ
れ以下である。
Hzである。この実施形態において最終的な値(約4時間の減衰時定数に等しい
)の98%に達するまでの減衰時間は、約150msに等しいかまたはそれ以下
である。振動および機械的共振の減衰は、A=A0sin(ωt+φ)e‐t/Tの
ように表され得、ここでA=振幅、A0=初期不減衰振幅、w=2πf、f=シ ステムの共振周波数、φ=位相定数、t=時間、およびT=減衰時定数である。
T=1/ωの場合、臨界減衰が生じる。記述された好適な実施形態において、シ
ステムには、臨界減衰に基づく約10の要因(factor)がある。従って所
望であれば、さらなる減衰が加えられる。減衰時定数は、押出ヘッド32および
x−y強制器33を組合せた重量に影響される。重量が軽くなればなるほど、減
衰時定数は短くなる。
達成される。あるいは、押出ヘッド32内に保有される振動分散器(またはショ
ックアブソーバ)のような他の形式の減衰手段が使用されてもよい。またさらな
る減衰が、(鋼ではなくて銅を使用するような)ステータ150のバッキングの
抵抗を減少することによって生成され、それによりステータ150内の渦電流の
損失を増加させ得る。
モデル化装置30を参照して記述される同じタイプの供給管を有していることが
理解されるべきである。詳細には、支持x−y強制器52は、平面化ステータ1
50を共有するのでx−y強制器52およびステータ150は、第2のリニアモ
ータを形成する。支持装置44は、モデル化装置30からキャビネット12の対
向側から開始する。参照を容易にするために1つのヘッドのみを詳細に示す。
6Aに詳細に示されるように溝164のグリッドからなる上部表面167を有す
る。好適な実施形態において、溝164は、0.06インチの深さ、0.06イ
ンチの幅、ならびに中央においては1インチ離れている。開口部166は、真空
圧盤62の中央から広がっている。開口部166は真空ポンプ112に接続する
真空ホース168を受容する。システム10がエネルギーをパワーアップする場
合、真空は真空ホース168および真空ポンプ112によって真空圧盤62に適
用される。圧盤62に供給された真空は溝164を介して空気を引き、それによ
り圧盤に沿って真空が分布する。この真空は、基板60を圧盤62の上部表面1
67に対して保持される。好適な実施形態において、基板60は、可撓性シート
である。重合体材料は適した可撓性シート基板を形成する。約0.06インチの
厚さを有するアクリルシートは、基板として首尾よく使用されてきた。所望の物
体が形成される場合、オペレータは基板60をシートの一端をリフトすることお
よび適用される真空のシールを破ることによって圧盤62から除去し得る。
物体から基板をはがすために物体から離れて曲げられる。この弱く壊れやすい結
合は、基板60上の支持材料の第2の層(または複数の層)によって後に続くモ
デル化材料の第1の層(または複数の層)を堆積することによって生成され得る
。モデル化材料および基板は、モデル化材料が完全に基板に接着するように選択
される。物体を生成する際に、モデル化材料は基板60上に1つ以上の層状に堆
積される。次いで支持材料が、モデル化材料上に1つ以上の層状に堆積される。
次いで物体が、複数のモデル化材料および/または支持材料の層を用いて支持材
料上に生成される。物体が完成した場合、真空は基板60のコーナーをリフトす
ることで破られ、基板60はオペレータによって圧盤62から除去される。基板
60を曲げることによって次にオペレータは、物体から基板60をはがす。モデ
ル化材料の第1の層は基板に付着したままの状態となるが、モデル化材料の第1
の層と支持材料の第2の層との間の弱い結合は、物体を損傷することなく基板6
0の除去を可能にするように壊れる容易な別個の接合部である。
グしない紙またはコーティングした紙、金属箔および他の重合体材料が適してい
る。高温の支持材料およびモデル化材料の場合、重合体材料(例えば、Kapt
on)または金属箔が特に望ましい。
めの好適な方法であるが、適切な保持力を提供するための他の手段もまた使用さ
れ得る。例えば、基板60が静電チャックまたは基板60の下部表面あるいは圧
盤62の上部表面(または両方)に塗布される弱い接着によって圧盤62に対し
て保持される。
詳細な分解図を示す。フィラメントスプールおよびスピンドルの機械的構成は、
モデル化フィラメントおよび支持フィラメントの両方と同一である。参照を容易
にするために、図7はモデル化フィラメントスプール42およびモデル化スピン
ドル43を詳細に示す。スピンドル43は、ドライボックス45から水平方向に
延び、半円形を有する。1組の6つの押し込み可能なコネクタピン176を有す
る半円コネクタ174が、ドライボックス45に隣接するスピンドル43の上部
に載設される。バネ押しラッチ178が外側エッジ179においてスピンドル4
3の上部に埋め込まれる。
0、バレル180の両端から広がる一対のスプールフランジ181、スピンドル
43を受容するためのバレル180内に嵌合するスリーブ182、スリーブ18
2内に載設されバレル180に対して垂直であるモデル化EEPROM基板12
0からなる。バレル180はスリーブ182に関して回転し、それによりフィラ
メント40がスプール42から巻きほどかれ得る。スリーブ182は、その一端
にフランジ184、対向端にフランジ186およびスピンドル43を支えるため
の内部半円形空洞を有している。好適な実施形態において、フランジ184は除
去可能であり、フランジ186は固定されている。フランジ184の除去によっ
てバレル180からスリーブ182の引き出しを可能にする。上述のように、E
EPROM基板120はEEPROM188を保有する。好適な実施形態におい
て、EEPROM基板120は、一対のネジ190によって固定フランジ186
に隣接して載設される。それによりEEPROM188は保護のためのスリーブ
182と内向きに面する。その外側に面してEEPROM基板120は図7Aに
示すように1組6個の丸形電気的コンタクト192を保有する。コネクタ192
は、スプール42がスピンドル43上に載設された場合にコネクタピン176用
の受容表面を提供するように構築される。
するように手動で押し込まれなければならない。スリーブ182がスピンドル4
3上に載設される場合、ラッチ179は上向きの位置で静止し、コンタクト19
2がコネクタピン176を完全に押し込むようにスプール42をその位置でロッ
クする。フィラメントスプール42が手動でスプールホルダ43内に挿入される
場合、EEPROM基板120およびドライボックスプロセッサ基板116との
間の電気的接触がコネクタ190を介してなされる。
出装置44は同じ部分を含み、180°回転した位置においてモデル化押出装置
30と同様の様態で動作することを理解されるべきである。押出ヘッド32は、
一対の載設板200によってx−y強制器38の下に載設される。二対のボルト
202がヘッド32を板200に取り付ける。2つのボルト204は、板200
をx−y強制器38に接続し、ヘッド32を保持する。
ッチ210を保持するエンクロージャ206から形成される。液化器59は、熱
伝導性の薄壁管212、加熱ブロック214、押出先端216、先端保持具21
8、ヒータ220および熱電対222を含む。図9は、液化器59の分解図を示
す。図9に示されるように、薄壁管212は、入口端部224、出口端部226
を有し、90°曲げられている。好適な実施形態において、先端216は管21
2の出口端部内にハンダ付けされる。あるいは、先端216は管212に鑞付け
または溶接されてもよい。または、ノズルが管の出口端部226をスエージ加工
することによって管212自身の内部に形成されてもよい。0.070インチの
フィラメントを使用する場合、管212は好適には約0.074インチの内径を
有する。管212の壁の厚さは好適には0.005〜0.015インチの間であ
る。管212からフィラメント40まで最大熱伝導が達成されるように可能な限
り管212を薄くすることが望ましい。好適な実施形態において、管212はス
テンレス鋼からなる。黄銅、銅、タングステン、チタン、モリブデン、ベリリウ
ム銅または他の鋼のような他の金属を使用してもよい。また、ポリアミド(po
lymide)(Kapton)、高融点を有するプラスチックのような他の熱
伝導性材料を薄壁管を形成するために使用してもよい。
ック214のチャネル229に嵌合する。加熱ブロック214は、アルミニウム
またはベリリウム銅のような熱伝導性材料から形成される。1組4個のボルト2
32は、加熱ブロック214の外側部分228および背面部分230を通って延
び、管212を保持する。加熱ブロック214が載設された場合、入口端部22
4に隣接する管212の第1の部分は、加熱ブロック214の外部にあり、管2
12の第2の中間部分は加熱ブロック214内にクランプされ、先端216を含
む管212の第3の部分はブロック214の下部を通じて延びる。管212の第
1の部分は液化器59用のキャップゾーンを形成し、管212の第2の部分は加
熱ゾーンを形成し、第3の部分はノズルゾーンを形成する。ノズルゾーンは、押
出先端216内に含まれ、そこに銀ハンダ付けされている。押出先端216は、
先端保持具218、中央開口部を有する四角い板によって加熱ブロック214に
対して支持される。先端保持具218は、押出先端216の周りに締り嵌めされ
、一対のネジ234によって加熱ブロック214の下に載設される。
キャップゾーンは、約70℃の包絡面温度から約280℃の液化器温度までの温
度勾配を経なければならない。キャップゾーンをより短くすることにより溶融フ
ィラメントが押出される速度(すなわち流速)をシステムによるより大きな制御
を可能にするが、キャップゾーンを通じてフィラメントの冷却温度を維持するの
をより困難にする。加熱ゾーン長は、0.04インチから7インチまでのいずれ
かである。加熱ゾーンが長くなればなるほど、最大押出し流速は速くなるが、流
速が加速および減速され得るのが遅くなる。0.02〜0.04インチ長のキャ
ップゾーンおよび約2.5インチ長の加熱ゾーンを有する液化器は、本システム
の好適な実施形態において首尾よく使用されている。
30内へ水平方向に延びる。ヒータ220は、管212の加熱ゾーンと熱交換関
係にある位置にされ、管をフィラメントの溶融温度以上の温度まで加熱する。フ
ィラメント40にABS組成物を用いた場合、管は約270℃まで加熱される。
熱電対222は、管212に隣接して位置し、管内の温度をモニタする。安全ス
イッチ210は、温度が所定のレベルを超える場合システム10をシャットダウ
ンする。
イドし、動作を支援するためのテフロンのような適した低摩擦材料から形成され
る。上述のように、ガイド管36内のフィラメント40は、アーム34の内部に
含まれる可撓性管60内に位置される。フィラメント40は、入口アパーチャ2
38を通じて押出ヘッド32に入る。押出ヘッド32の内部においてフィラメン
ト40は、制限されたガイド通路242を有するテーパー状のガイド240を通
じて供給される。フィラメントドライブ208は、ステッピングモータ246、
プーリ248および一対の供給ローラ250および252からなる。ローラ25
0は、ステッピングモータ246によって駆動するドライブシャフト254を有
する。ローラ252はゴムコーティングされたアイドラーである。フィラメント
40は、ローラ250および252との間のニップ内にテーパー状のガイド24
0のガイド通路242から供給される。ローラ250の回転がフィラメント40
を液化器59の方へ進める。薄壁管212の入口端部224は、フィラメント4
0がローラ250および252を通過するにつれてフィラメント40を受容する
ように位置される。液化器59外側の溶融フィラメントの流速は、フィラメント
ドライブ208がフィラメント40を液化器59内に進める速度で制御される。
よびフィラメント40を冷却する。ストランド40の冷却は、液化器59内へ通
じる通路内でぐにゃっとしたり曲がったりすることのない十分な低温でフィラメ
ントを維持するために重要である。送風機256からの空気は、管60を通じて
伝わり、空気導管258を介して押出ヘッド32に入る。空気導管258は、空
気用の経路を提供する。経路は押出ヘッド32内のフィラメント40から前方に
あり、フィラメント40から平行の位置にある。
259の組立図である。一方図10Bは、液化器259の分解図である。この実
施形態において、上述のこのタイプの2つの薄壁管260Aおよび260Bは、
1つのノズル262内に流動する。このタイプの液化器は、図8に示される分配
ヘッド内において置換され得、交互に2つの異なる堆積材料を分配する押出ヘッ
ドに提供する。2つの堆積材料は、モデル化材料および支持材料であり得、ある
いはそれらは2つの異なる色のモデル化材料または他の多様な特性を有していて
もよい。ノズル262は、管260Aおよび260Bの出口端部264に鑞付け
または溶接される。ノズル262は、垂直方向に位置し、一方管260Aおよび
260Bは水平方向に対して角度付けされ得る。別個の供給機構(図示せず)は
、管260Aおよび260Bに提供され、それによりフィラメント材料は任意の
所与の時間で1つの管のみ内に供給される。
る。加熱ブロック266は、外側板268、内側板270、背面板272からな
る。背面板272は、押出ヘッド内に載設され、管260間に延びるヒータ27
4を保持する。管260Aおよび260Bを保持する2つのチャネル276は、
内側のブロック270を通じて一定のルートで通過する。1組5個のボルト(図
示せず)は、外側板268、内側板270および背面板272を通って延び、液
化器259を脱着可能に共に保持する。液化器を交換および清掃の場合に加熱ブ
ロックから除去可能であることは有利である。
および範囲を逸脱することなく形式および詳細を変更され得ることを認識し得る
。
である。
ある。
分分解斜視図である。
スプールの分解図である。
Claims (20)
- 【請求項1】 所望のパターンに三次元の物理的物体を形成するために固化
材料の層を堆積するための押出ヘッドであって、該押出ヘッドは、 熱伝導性材料から形成される加熱ブロックと、 第1薄壁管であって、該薄壁管は第1材料のフィラメントを受容するための入
口端部および溶融状態の該第1材料を送達するための出口端部を有し、該入口端
部に隣接し、該加熱ブロックの外側にある第1部分、および該加熱ブロックを通
過する第2部分を有する、第1薄壁管と、 該第1材料のフィラメントを該第1薄壁管の該入口端部に前進するように位置
された材料前進機構と、 該加熱ブロック内および該第1薄壁管の該第2部分に熱交換関係にある加熱要
素と、 溶融状態の該第1材料を分配するための該第1薄壁管の該出口端部にあるノズ
ルと、 を包含する、押出ヘッド。 - 【請求項2】 前記加熱ブロックが前記第1薄壁管の除去を可能にするよう
に機械的に脱着可能な第1および第2部分からなる、請求項1に記載の押出ヘッ
ド。 - 【請求項3】 前記第1薄壁管が金属から生成される、請求項1に記載の押
出ヘッド。 - 【請求項4】 前記第1材料のフィラメントが約1/16インチの直径を有
し、 前記第1薄壁管が0.008〜0.015インチの範囲の壁厚、および約0.0
7インチの内径を有する、請求項3に記載の押出ヘッド。 - 【請求項5】 前記第1薄壁管がステンレス鋼から生成される、請求項4に
記載の押出ヘッド。 - 【請求項6】 第2薄壁管であって、該第2薄壁管が第2材料のフィラメン
トを受容するための入口端部および溶融状態の該第2材料を送達するための出口
端部を有し、該入口端部に隣接し、前記加熱ブロックの外側にある第1部分、お
よび前記加熱要素に熱交換関係にある該加熱ブロックを通過する第2部分を有す
る、第2薄壁管と、 該第2材料のフィラメントを該第2管の入口端部に前進するように位置される
第2材料前進機構と、 をさらに含み、 前記ノズルが、前記第1材料を受容するための第1入口、該第2材料を該第2
管の該出口端部から受容するための第2入口、および別々の時間で溶融状態の該
第1および第2材料を分配するための単一の出口を有する、請求項1に記載の押
出ヘッド。 - 【請求項7】 前記加熱ブロックが、前記第1および第2薄壁管へのアクセ
スおよび除去を可能にするように機械的に検出可能な第1、第2および第3部分
からなる、請求項6に記載の押出ヘッド。 - 【請求項8】 前記第1および第2薄壁管が金属から生成される、請求項6
に記載の押出ヘッド。 - 【請求項9】 前記第1および第2材料のフィラメントがそれぞれ、約1/
16インチの直径を有し、 前記第1および第2薄壁管がそれぞれ、0.008〜0.015インチの範囲の
壁厚および約0.07インチの内径を有する、請求項8に記載の押出ヘッド。 - 【請求項10】 前記第1および第2薄壁管がステンレス鋼から生成される
、請求項9に記載の押出ヘッド。 - 【請求項11】 材料のフィラメントを受容し、溶融状態で堆積するために
該材料を液化する液化器であって、該液化器は、 熱伝導性材料から形成される加熱ブロックと、 第1薄壁管であって、該薄壁管は第1材料フィラメントを受容するための入口
端部および溶融状態の該第1材料を送達するための出口端部を有し、該入口端部
に隣接し、該加熱ブロックの外側にある第1部分、および該加熱ブロックを通過
する第2部分を有する、第1薄壁管と、 溶融状態の該第1材料を分配するための該第1薄壁管の該出口端部にあるノズ
ルと、 を包含する、液化器。 - 【請求項12】 前記加熱ブロックが前記第1薄壁管へのアクセスおよ除去
を可能にするように機械的に脱着可能な第1および第2部分からなる、請求項1
1に記載の液化器。 - 【請求項13】 前記第1薄壁管が金属から生成される、請求項12に記載
の液化器。 - 【請求項14】 前記第1材料のフィラメントが、約1/16インチの直径
を有し、 前記第1薄壁管が、0.008〜0.015インチの範囲の壁厚、および約0.
07インチの内径を有する、請求項13に記載の液化器。 - 【請求項15】 前記第1薄壁管がステンレス鋼から生成される、請求項1
4に記載の液化器。 - 【請求項16】 第2薄壁管であって、該第2薄壁管が第2材料のフィラメ
ントを受容するための入口端部および溶融状態の該第2材料を送達するための出
口端部を有し、該入口端部に隣接し、前記加熱ブロックの外側にある第1部分、
および該加熱ブロックを通過する第2部分を有する、第2薄壁管と、 をさらに包含し、 前記ノズルが、前記第1材料を受容するための第1入口、該第2材料を該第2
管の該出口端部から受容するための第2入口、および別々の時間で溶融状態の該
第1および第2材料を分配するための単一の出口を有する、請求項11に記載の
液化器。 - 【請求項17】 前記加熱ブロックが、前記第1および第2薄壁管へのアク
セスおよび除去を可能にするように機械的に脱着可能な第1、第2および第3部
分からなる、請求項16に記載の液化器。 - 【請求項18】 前記第1および第2薄壁管が金属から生成される、請求項
17に記載の液化器。 - 【請求項19】 前記第1および第2材料のフィラメントそれぞれが、約1
/16インチの直径を有し、 前記第1および第2薄壁管のそれぞれが、0.008〜0.015インチの範
囲の壁厚、および約0.07インチの内径を有する、請求項18に記載の液化器
。 - 【請求項20】 前記第1および第2薄壁管がステンレス鋼から生成される
、請求項19に記載の液化器。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/013,388 | 1998-01-26 | ||
US09/013,388 US6004124A (en) | 1998-01-26 | 1998-01-26 | Thin-wall tube liquifier |
PCT/US1999/000798 WO1999037453A1 (en) | 1998-01-26 | 1999-01-14 | Thin-wall tube liquifier |
Publications (1)
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