JP2002500966A - フィラメント供給スプールモニタリングを備えたラピッドプロトタイプシステム - Google Patents

フィラメント供給スプールモニタリングを備えたラピッドプロトタイプシステム

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Abstract

(57)【要約】 ラピッドプロトタイプシステムで使用されるフィラメントスプール（４２）は、スプール（４２）上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを維持する回路（１８８）を保有する。スプール（４２）がラピッドプロトタイプシステム内の紡錘体（４３）上に載設される場合、回路（１８８）はシステムの電気制御に接続される。スプール（４２）上のフィラメントの量のを示すデータは、フィラメントがシステムによって使用されるにつれて更新される。フィラメントスプール（４２）は、フィラメントが巻かれ得る中央樽形円筒（１８０）、および紡錘体（４３）、スリーブ内に搭載される回路（１８８）を受容するための樽形円筒（１８０）内のスリーブ（１８２）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は三次元プロトタイプモデル化の分野に関する。詳細には、本発明は、
ベース上に押出ヘッドから液体状態の材料の複数の層を堆積することによって、
所定の設計の三次元物体を形成するためのラピッドプロトタイプシステムである
。所望の物体を形成する複数の層の生成に伴い、材料が押出後に固化されまたベ
ース上で分配するように材料が選択され、温度が制御される。本発明において、
三次元物体は、スプール上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを維
持するための関連する回路を有するスプールから供給されるフィラメントを用い
て形成される。
【０００２】 ラピッドプロトタイプシステムは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システム
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）。フィラメント給送あるいは固体ロッド給送を有するラピッドプロト
タイプシステムは、Ｃｒｕｍｐの’３２９号特許およびＣｒｕｍｐの’４３３号
特許に記載される。
【０００３】 固体ロッド給送を使用するラピッドプロトタイプシステムにおいては、モデル
化材料のロッドまたは「ウェハ」は典型的には、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．
に譲渡された同時係属出願第０８／５５６，５８３号で記載されるように、ロッ
ドをシステムに分配するカセット内に格納される。フィラメント給送を使用する
ラピッドプロトタイプシステムにおいては、フィラメントスプールに巻きつけら
れる所定長のフィラメントがシステムにフィラメントを供給する。
【０００４】 フィラメント給送または固体ロッド給送のいずれかを使用する際に、ラピッド
プロトタイプシステムの制御システムがカセット内またはスプール上に残るモデ
ル化材料の量を把握することが望ましい。また、制御システムが、カセットまた
はスプール上にあるモデル化材料のタイプおよび材料を分配するための適切な押
出パラメータを知ることが望ましい。
【０００５】 データを制御システムに提供する電子的に読み出しおよび書き込み可能なメモ
リ装置を有するロッド分配カセットが、同時係属出願第０８／５５６，５８３に
記載される。メモリ装置がカセットに取り付けられるので、カセットが手動で挿
入される場合、コネクタを介して制御システムに電気コンタクトがなされる。メ
モリ装置は電子タグとして機能し、電子タグは、カセット内にある材料のタイプ
、材料を分配するための適切な押出パラメータ、カセット内の現在のロッド数、
およびカセットのシリアル番号を制御システムに通知する。
【０００６】 （発明の要約） 本発明は、フィラメントスプールおよびフィラメント供給化ラピッドプロトタ
イプシステムであり、これはフィラメントスプール上のフィラメントに関するデ
ータをモニタリングするための回路を提供する。詳しくは、本発明は、スプール
上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを提供し、フィラメントのタ
イプが物体仕様データによって認識された材料のタイプと一致しない場合、また
はスプール上のフィラメントの量が所望の物体を生成するのに不十分な場合、オ
ペレータに通知する。さらに本発明のスプールは、フィラメントが完全にスプー
ルから除去される前にシステムの動作を抑制するので、オペレータはフィラメン
トドライブおよび押出ヘッドからフィラメントを掴みそして除去をし得、それに
より使用されるスプールおよびフィラメントの除去、ならびに次の新しいフィラ
メントスプールの置換を容易にする。
【０００７】 （好適な実施形態の詳細な説明） 好適な実施形態において、ラピッドプロトタイプシステム１０は、図１に示さ
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。
【０００８】 キャビネット１２の上方右手側にはモデル化押出装置３０を収容する。モデル
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。
【０００９】 キャビネット１２の左手側には支持押出装置４４を収容する。支持押出装置４
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。
【００１０】 モデル化押出装置３０によって層状に押出されたモデル化材料は物体６４を生
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。
【００１１】 物体を生成する際には、同時に１つの押出装置だけが動作状態かつ成形状態に
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。
【００１２】 モデル化材料および支持材料のフィラメントは、それぞれ固体材料である。固
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。
【００１３】 モデル化材料は好適には熱可塑性材料である。モデル化材料フィラメントに使
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。
【００１４】 図４は、システム１０の中央内部領域にあり、包絡面ドア１４を介してアクセ
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。
【００１５】 図５に模式的に示される電気システム９０がシステム１０を制御する。第１の
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。
【００１６】 包絡面ヒータ１００および包絡面送風機１０２は、包絡面７０内の温度を約８
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。
【００１７】 またＣＰＵ９２はコンプレッサ１１０を制御する。コンプレッサ１１０は、圧
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。
【００１８】 ＣＰＵ９２のコントロールの下にあるＩＯカード９４は、モデル化押出ヘッド
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。
【００１９】 ＩＯカード９４はモデル化ドライボックスプロセッサ基板１１６を用いた通信
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。
【００２０】 ＣＰＵ９２はモデル化フィラメントデータをＩＯカード９４から受信する。作
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
。
【００２１】 さらにＩＯカード９４は、包絡面熱電対１２２から受信される信号を介して包
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。
【００２２】 ＩＯカード９６は支持押出ヘッド５２およびそこへのフィラメント供給のため
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。
【００２３】 ＩＯカード９６は、支持ドライボックスプロセッサ基板１３２との通信を介し
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。
【００２４】 さらにＩＯカード９６は、第１圧力バルブ１３８および第２圧力バルブ１４０
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。
【００２５】 ラピッドプロトタイプシステ１０を用いて物体を生成するために、オペレータ
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。
【００２６】 較正が完了した後、システムはメンテナンスモードから出て待機状態に入る。
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。
【００２７】 モデル化押出装置３０を図６により詳細に示す。モデル化押出装置３０は、水
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。
【００２８】 モデル化押出アーム３４は、可撓性チェーン搬送器である。可撓性チェーン搬
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。
【００２９】 共振周波数は、小さな振動の場合約５５Ｈｚであり、大きな振動の場合約４５
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。
【００３０】 機械的共振の減衰は、供給管１６３の移動中に生成される摩擦力によって主に
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。
【００３１】 図５はモデル化装置３０を示すが、支持ヘッド装置４４が同様の構造を有し、
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。
【００３２】 真空圧盤６２および基板６０を図６内の分解様式で示す。真空圧盤６２は、図
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。
【００３３】 基板６０と物体との間の弱く壊れやすい結合がある場合、可撓性基板６０は、
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。
【００３４】 他の可撓性シート材料を基板６０として使用してもよい。例えば、コーティン
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。
【００３５】 真空は、基板６０を圧盤６２に対して押えるように適切な保持力を達成するた
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。
【００３６】 図７は、図２および図３で示されるフィラメントスプールおよびスピンドルの
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。
【００３７】 フィラメントスプール４２は、フィラメントが巻かれ得るセンターバレル１８
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。
【００３８】 ラッチ１７８がスリーブ１８２からスピンドル４３の挿入または除去を可能に
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。
【００３９】 図８に押出装置の詳細を示す。図８はモデル化押出装置３０を示すが、支持押
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。
【００４０】 押出ヘッド３２は、液化器５９、フィラメントドライブ２０８および安全スイ
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。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４
０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。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（ｐｏｌｙｍｉｄｅ）
（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。
【００４１】 管２１２は加熱ブロックの正面部分２２８と背面部分２３０との間の加熱ブロ
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。
【００４２】 管２１２のキャップゾーン長は、０．１５インチ〜２インチの範囲内である。
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。
【００４３】 円柱状のヒータ２２０および熱電対２２２が加熱ブロック２１４の背面部分２
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。
【００４４】 ガイド管２３６は、フィラメント４０を回転軸３６から押出ヘッド３２までガ
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。
【００４５】 送風機２５６は、大気温度の空気を可撓性管６０内に流し、ガイド管２３６お
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。
【００４６】 図１０Ａおよび１０Ｂは、液化器の別の実施形態を示す。図１０Ａは、液化器
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。
【００４７】 薄壁２６０Ａおよび２６０Ｂは、加熱ブロック２６６によって適所に保持され
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。
【００４８】 本発明は好適な実施形態を参照して記載されてきたが、当業者は本発明の意図
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
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、生成状態のシステムを示す本発明の好適な実施形態の外側正面立面図
である。
【図２】 図２は、本発明の好適な実施形態の右側の外側正面立面図である。
【図３】 図３は、本発明の好適な実施形態の左側の外側正面立面図である。
【図４】 図４は、生成状態のシステムを示すプロトタイプ包絡面の正面立面図である。
【図５】 図５は、本発明の好適な実施形態のコントロールシステムの電気ブロック図で
ある。
【図６】 図６は、生成位置におけるモデル化押出ヘッドを示すプロトタイプ包絡面の部
分分解斜視図である。
【図６Ａ】 図６Ａは、真空圧盤溝を示す図５の一部の詳細図である。
【図６Ｂ】 図６Ｂは、リニアモータの空気ベアリングを示す図５の一部の詳細図である。
【図７】 図７は、図２および３に示されるフィラメントスピンドルおよびフィラメント
スプールの分解図である。
【図７Ａ】 図７Ａは、ＥＥＰＲＯＭ基板の外表面の透視図である。
【図８】 図８は、組立式に示される部分のモデル化押出ヘッドの正面図である。
【図９】 図９は、液化器の分解図である。
【図１０Ａ】 図１０Ａは、液化器の別の実施形態を示す。
【図１０Ｂ】 図１０Ｂは、液化器の別の実施形態を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ネルソン， バーナード シー． アメリカ合衆国 ミネソタ 55431， ブ ルーミントン， ベアード アベニュー サウス 8918 (72)発明者 ドッケン， ケビン ディー． アメリカ合衆国 ミネソタ 55318， エ デン プレイリー， キンボール ドライ ブ 8298 Ｆターム(参考） 4F213 WA25 WA97 WB01 WL02 WL27 WL74 WL85 WL95

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多層状に固化可能材料を堆積することによって三次元の物理
    的物体を形成するためのラピッドプロトタイプシステムであって、該システムは
    、 移動可能な押出ヘッドであって、該移動可能な押出ヘッドは、所定の温度で固
    化する材料のフィラメントを受容するための入口、および溶融状態の該材料を送
    達するための出口を有する、移動可能な押出ヘッドと、 フィラメントのコイルを有するスプールであって、該スプールは、該スプール
    上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを維持するための関連する回
    路を有する、スプールと、 フィラメントを該スプールから引き出し、該フィラメントを液化器に供給する
    ためのフィラメントドライブと、 該フィラメントドライブによって該スプールから引き出されたフィラメントの
    関数として該フィラメント上のフィラメント量に関するデータを更新するための
    更新手段と、 を包含する、ラピッドプロトタイプシステム。
  2. 【請求項２】 前記押出ヘッドおよび前記フィラメントドライブの動作を制
    御するための制御手段をさらに含む、請求項１に記載のラピッドプロトタイプシ
    ステム。
  3. 【請求項３】 前記制御手段が、前記スプール上のフィラメントの量が所定
    の最小値に達した場合、前記フィラメントドライブおよび前記押出ヘッドの動作
    を抑制する手段を含む、請求項２に記載のラピッドプロトタイプシステム。
  4. 【請求項４】 前記制御手段が、前記スプール上のフィラメントのタイプが
    物体仕様データによって認識される材料のタイプに一致しない場合、オペレータ
    に通知を提供するための手段を含む、請求項２に記載のラピッドプロトタイプシ
    ステム。
  5. 【請求項５】 前記制御手段が、前記フィラメントスプールが所望の物体を
    生成するプロセス中に置換を必要とする場合、オペレータに通知を提供するため
    の手段を含む、請求項２に記載のラピッドプロトタイプシステム。
  6. 【請求項６】 所定の温度で固化する材料のフィラメントを受容するための
    入口および溶融状態の該材料を送達するための出口を有する押出ヘッドを備えた
    タイプのラピッドプロトタイプシステムを使用するための材料キャリアであって
    、該材料キャリアは、 該フィラメントが巻かれるスプールと、 該スプールによって保有される回路であって、該回路が該スプール上のフィラ
    メントのタイプおよび量に関するデータを維持し、フィラメントが該スプールか
    ら引き出されるにつれて該スプール上のフィラメントの量に関するデータを更新
    する、回路と、 該回路と該ラピッドプロトタイプシステムとの間の電気的接触を提供するため
    のコンタクトと、 を包含する、材料キャリア。
  7. 【請求項７】 所定の温度で固化する材料のフィラメントを受容するための
    入口および溶融状態の該材料を送達するための出口を有する押出ヘッドを備えた
    タイプのラピッドプロトタイプシステムを使用するためのフィラメントスプール
    であって、該フィラメントスプールは、 フィラメントが巻かれる得るセンターバレルと、 スピンドルを受容するための該センターバレル内のスリーブと、 該スリーブ内に搭載される回路基板であって、該回路基板は、該スプール上の
    フィラメントのタイプおよび量に関するデータを維持するための電子的に読み出
    しおよび書き込み可能なデバイス、および該システムに接続される１組の接合コ
    ネクタピンを受容するための１組の電気コンタクトとを保有する、回路基板と、
    を包含する、フィラメントスプール。
  8. 【請求項８】 前記スリーブがその両端にフランジを有し、一方の該フラン
    ジが前記バレルから該スリーブを引き出すのを可能にするように除去可能な、請
    求項７に記載のフィラメントスプール。
  9. 【請求項９】 前記回路基板が固定されたフランジに隣接し、前記バレルに
    対して垂直に搭載される、請求項８に記載のフィラメントスプール。
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