JP2003502184A - 高温模型製作装置 - Google Patents
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Abstract
Description
に関する。より詳しくは、本発明は、分配ヘッドおよび模型製作基部を互いに三
次元的に移動させながら、分配ヘッドから模型製作材料を模型製作基部に付着さ
せることにより加熱されたチャンバー内で三次元物体を形成する模型製作機械に
関する。
から提供される設計データに基づき、通常平坦な層の模型製作媒体を重ねて三次
元模型を製作する。作成すべき物理的な部分の数学的な記述は(通常)平坦な複
数の層に分割され、これらの層は個々に成形され加え合わせられ最終部分を生成
する。三次元模型は、審美的な判断、数学的なCADモデルの検証、ハードな道
具の形成、干渉と空間の配置の研究を含む、機能のために使用される。近年にお
ける層による製造の主要な適用は、迅速なプロトタイプ製作のためであった。
装置と方法の例は、バラベイラ(Valavara)の米国特許第4,749,
347号明細書、クルンプ(Crump)の米国特許第5,121,329号明
細書、バッチエルダ等(Batchelder,et al.)の米国特許第5
,303,141号明細書、クルンプ(Crump)の米国特許第5,340,
433号明細書、バッチエルダ等(Batchelder,et al.)の米
国特許第5,402,351号明細書、クルンプ等(Crump et al.
)の米国特許第5,503,785号明細書、アブラムズ等(Abrams e
t al.)の米国特許第5,587,913号明細書、ダンフォース等(Da
nthforth,et al.)の米国特許第5,738,817号明細書、
バッチエルダ等(Batchelder,et al.)の米国特許第5,76
4,521号明細書およびコーム等(Comb et al.)の米国特許第5
,939,008号明細書に開示されている。これらの明細書は全てストラタシ
ス社(Stratasys,Inc.)、つまり本発明の譲受人に帰属する。押
出ヘッドは加熱された流動性の模型製作材料をノズルから基部の上に押し出す。
この基部は模型製作プラットホームに着脱可能に取り付けられている模型製作基
材を備える。押し出しされた材料は、押出しヘッドと基部がx−y−zガントリ
ーシステムにより互いに三次元的に相対運動するに従い、CADモデルから規定
される領域内で層毎に付着される。この材料を付着後固化させて三次元模型を製
作する。模型製作材料として熱可塑性物質が使用され得ること、この物質が付着
後に冷却により固化し得ることが開示されている。
録商標)模型製作機械で商業化されている。液化器と分配ノズルを備える押出ヘ
ッドは模型製作材料を固体形態で受け取る。フィラメントは液化器の中で流動性
の温度に加熱され、次いでノズルを通して分配される。熱可塑性物質、特に熱可
塑性ABSは、Stratasys FDM(登録商標)模型製作機械内で付着
模型製作するのに特に適していることが分かっている。制御器は水平なx,y面
内での押出ヘッドの動きを制御し、垂直なz方向の製作プラットホームの動きを
制御し、そして模型製作物質をヘッドへ送ることを制御する。これらの処理変数
を制御することにより、模型製作材料をCADモデルにより規定される領域内で
層毎に「ビーズ」または「通路」内に所望の流速で付着させ、CADモデルに似
ている三次元物体を作り出す。模型製作材料は熱で固化し、仕上がった模型は基
材から取り外される。
移するに従い、熱可塑性材料の密度変化によって引き起こされる応力(つまり、
収縮)がこの材料中に生じる。これらの応力は模型に幾何学的な歪みを引き起こ
し得る。従って、幾何学的な歪みを最小にするために冷却で生じる応力を解放す
ることが、熱凝固を用いる模型形成システムにおける目的である。金属、熱硬化
性重合体や複合材料のような熱可塑性材料以外の付着材料は、押出し処理に付随
する密度、剪断歪み、温度および圧力の変化によって生じる幾何学的な歪みを最
小にする類似のチャレンジを共有する。米国特許第5,866,058号明細書
に開示されているように、熱可塑性または熱凝固する模型製作材料の凝固温度よ
り高い温度に加熱されているチャンバー内で模型を形成することは、次第に冷却
することに従い、この材料から応力を解放する。模型を形成している間に模型か
ら応力を焼き鈍すため、仕上がった模型には応力がなく歪みは殆どない。さらに
、米国特許第5,866,058号明細書に開示されているように、チャンバー
の温度は模型製作材料のガラス遷移温度(Tg)以下に維持すべきであり、その
結果、模型は垂れ下がるほど弱くならない。製作チャンバーの好ましい温度は、
材料の凝固温度とそのクリープ緩和温度の間の範囲内にある(クリープ緩和温度
は応力緩和率がその低温限界より係数10だけ低い点として定義される)。熱可
塑性ABSの場合には、温度の範囲(window)は約70℃と90℃との間
にある。
加熱されたチャンバー(製作エンベロープもしくはオーブンとも称される)の中
で模型を製作する。模型を製作する基部は、押出しヘッドおよびx−y−zガン
トリーと同じように、加熱されたチャンバー中に配置される。押出しヘッドおよ
びx−y−zガントリーをこの加熱された環境の中に置くと多くの欠点が生じる
。x−y−zガントリーは、モータ、軸受、ガイド棒、ベルトおよびケーブルの
ような動き制御部品から構成される。これらの動き制御部品を加熱されたチャン
バーの中に置くとこれらの部品の寿命が短くなる。加えて、このチャンバーの温
度の上限は動き制御部品が動作する温度に制限される。従って、チャンバーの温
度に関するそのような制限は、機械内で模型製作するのに有用な材料を比較的低
温で応力解放する材料に限定することになる。
ーの中に押出しヘッドを配置することは、(材料のフィラメントまたはウェハの
いずれかのように)ヘッドへ固体の形で提供するので模型製作材料の供給ストッ
クを冷却するため冷却機構を設けることを要求する。配線ハーネスを冷却する機
構も提供される。電源トラブルまたは停電の場合には、通常冷却されている材料
供給ストックおよび配線ハーネスが炉の温度に曝される。結局、実際には、動き
制御部品あるいは押出しヘッドの調整、保守、修理、交換が要求される場合、作
業員がチャンバーの中で作業する必要がある。このように、これらの作業を安全
に行う前に、チャンバーを冷ましておく必要がある。
部品を有する三次元模型製作装置である。三次元物体は、分配ヘッドと基部を制
御器からの制御信号によって決定されるパターンで三次元的に相互に移動させな
がら、模型製作材料を分配ヘッドから基部上に分配することによって形成される
。好ましい実施形態では、x−yガントリーが分配ヘッドをx,y面内で移動さ
せ、そしてzリフトが基部を垂直なz方向に移動させる。この実施形態では変形
可能な断熱材が製作チャンバーの一部を形成し、このチャンバーを通して分配ヘ
ッドが移動する。分配ヘッドは、製作チャンバーの内側に模型製作材料を分配す
る出口および製作チャンバーの外に模型製作材料を受け取る入口を有する。zリ
フトは製作チャンバーの壁に封止されたスリットを通して基部に結合している。
作チャンバーの温度は動き制御部品の動作温度では制限されないので、本発明の
機械により応力を比較的高い温度で解放する材料で模型を形成できる。さらに、
動き制御部品の寿命は製作チャンバーの温度によりマイナスの影響を受けること
はない。動き制御部品を製作チャンバーから断熱すると、利用者がこれらの部品
に近づき触る必要がある場合に使用し易くなる。動き制御部品の寿命が増加し、
本発明の装置の利用し易さが増せば、処理能力および信頼性が増大することにな
る。
を製作する装置であり、ここでは、動き制御部品は加熱されたチャンバーから断
熱されているので、その結果、加熱されたチャンバーの温度は動き制御部品の温
度限界で制限されることはない。この装置は、高いガラス遷移温度を有し、従っ
て高品位の模型を生じるために高温のチャンバー内で付着させなくてはならない
材料から、対象物を製作することを可能にする。これらの材料には、ポリカーボ
ネート、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、アモルフ
ァスポリアミド等のような高温熱可塑性物質が挙げられる。
10には、オーブン12、押出しヘッド14、プラットホーム16、押出しヘッ
ド14を水平なx,y面内で移動させるx−yガントリー18、プラットホーム
16を垂直なz軸に沿って移動させるzリフト20、およびフレーム22を備え
る。このオーブン12はフレーム22の内側に取り付けられている脚部23の上
に立設している。このフレーム22はオーブン12の外周(取り外した部分と共
に図1に示してある)に沿っていて、オーブン12、x−yガントリー18とz
リフト20を一定の配置にして支えている。
された製作チャンバー24の中に備えられる。この装置10は押出しヘッド14
からの模型製作材料をプラットホーム16の上に付着させることにより製作チャ
ンバー24内に三次元物体を製作する。その間、押出しヘッド14はx,y面内
を移動し、そしてプラットホーム16はz軸に沿って移動する。物体を、それが
製作されるように支えるために、プラットホーム16には模型製作材料を付着さ
せる上面がなくてはならない。物体を形成するプラットホーム16の上端に模型
製作基材を装備するとよい。模型製作基材を使用すると、模型が完成した後に模
型をこの装置から外すのが容易になる。本発明で使用するために選択される模型
製作基材は高温環境で使用するのに適しているべきである。例えば、コウム等(
Comb et al.)の米国特許第5,939,008号明細書に開示され
ているように、プラットホーム16はその上に取り外し可能に取り付けた柔軟な
シート基材を有する真空プラテンであるとよい。この柔軟なシート基材は、真空
ポンプが動作すると、プラットホームに付着し、真空ポンプを止めると、プラッ
トホームから離れる。本発明を高温環境に適合させるためには、真空ポンプに吹
き込む空気を冷却するため熱交換器(例えば、インラインの熱交換器コイル)が
必要であり得る。柔軟なシート基材として使用するため選択する材料は、模型製
作材料に接合する材料であるべきである。高温の熱可塑性物質からなる模型を製
作するには、高温の熱可塑性物質の柔軟なシートが好ましい基材である。Ult
emTMから作られた模型は、約200℃に加熱されたチャンバー中で、真空プラ
テンに取り付けられたUltemTMの薄いシート上に首尾良く製作されている。
クセスできる。図2に示すように、製作チャンバー24は加熱ダクト26で取り
囲まれている床、右側面および左側面を有する。加熱ダクト26はシート金属で
形成され、チャンバー24の右上側部と左上側部のところで製作チャンバー24
に向けて開いている。右手側のオーブン12の下部に配置される一対の送風機2
8(一方を示す)は、加熱ダクト26を通して時計方向に回る空気流路を発生す
る。従って、チャンバー24の右上側部の開口は空気吸引口30であり、そして
チャンバー24の左上側部の開口は空気排出口32である。同じ2層の六個の7
50ワットのフィンストリップヒータ34が加熱ダクト26の空気吸引側に取り
付けられている。空気排出口32を経由して製作チャンバー24に戻る空気の直
線的なフローパターンを作るためにベンチュリ管36が加熱ダクト26の中に置
かれている。製作チャンバー24は、空気がヒータ34を通して引き込まれ、ダ
クト26を通して循環し、そしてこのチャンバーに戻るので、対流により加熱さ
れる。一束の断熱材37はオーブン12の右側部および左側部、底部ならびに裏
側を取り囲み、保温している(図解のために、図1では断熱材37が取り除かれ
ている)。製作チャンバー24は少なくとも200℃の温度に達するように設計
されている。好ましくは、熱電対および熱フューズを空気吸引口30の上に置き
、その結果、チャンバー24の温度を監視し得、チャンバー24が過熱状態にな
ると、ヒータ34が遮断され得る。
チャンバー24の内側に保持されている。オーブン12に対して外側に配置され
るこのzリフト20は、2個の同一のI型部分38の2つ、1つのzモータ40
、および1つのタイミングベルト42で形成されている。これらのI型部分38
はオーブン12の右側と左側でフレーム22に平行に保持されている。プラット
ホーム16は一対の水平な硬い水平ビーム44によりzリフト20の各I型部分
38に結合し、これらのビームはプラットホーム16を水平面で保持する。各ビ
ーム44は垂直スリット46を通してオーブン12の中に延びていて、このビー
ムによりzリフト20がプラットホーム16を製作チャンバー24内で垂直に移
動させる。オーブン12の各側部には、加熱ダクト26の前側に向かう一方のス
リット46と加熱ダクト26の後側に向かう別のスリット46がある。スリット
46はチャンバー24からzリフト20へ熱の移動を最小にするようにシリコー
ンの柔軟なストリップで封止されている。ビーム44はステンレス鋼のような低
熱伝導性の金属で製作され、チャンバー24からzリフト20へ熱の移動をさら
に低減するために、これらのビームに多数の穴が穿孔されている。
設けた案内ナット50、およびこの案内ナット50が載って上下する垂直案内ネ
ジ52で構成されている。案内ネジ52はその上端で水平な上板54の下側に接
続し、下端近くの水平な下板56を通して延びており、そしてその下端で滑車5
8に結合している。案内ネジ52は滑車58の回転と共に回転する。各I型部分
38のこれらの滑車58はタイミングベルト42により互いに結合している。
0によって駆動される。このzモータ40は滑車58を時計方向または反時計方
向のいずれかに選択的に駆動し得る。タイミングベルト42は2つの滑車58の
動きを同期させる。滑車58のこれらの同期回転はそれらの案内ネジ52を同期
回転させる。これらの案内ネジ52が回転するにつれて、案内ナット50が上か
下のいずれかに移動し、滑車の回転方向に依存して、各垂直板48を上に移動さ
せるかまたは下に移動させるかのいずれかを引き起こす。
している。各対の案内軸受60は、案内ネジ52と平行に案内軸受60の各々を
通して延びる一つの付属案内レール62を有する。各案内レール62の上端は上
板54の下側に接続し、そして各案内レール62の底部は下板56の上端に接続
する。案内軸受60は案内レール62に沿って移動し、上下に移動するに従い、
垂直板48に対する横方向の支持を与える。各I型部分38の上板54および下
板56に接続するブラケット63の対はI型部分38をフレーム22に取り付け
る。
リー18により、プラットホーム16の上でx,y面内を移動する。図2に示す
ように、押出しヘッド14は、模型製作材料を受け取るための入口63および模
型製作材料を流動性状態でプラットホーム16の上に分配するための出口ノズル
66を有する。ノズル出口66は、代表的には、大抵模型製作材料を所定の温度
で付着させるように加熱される。押出しヘッドノズル66は製作チャンバー24
の内側に配置されている。好ましい実施形態では、押出しヘッド入口63は製作
チャンバー24の外に配置されている。従って、押出しヘッド14はオーブン1
2の上端を貫通して延びている。この好ましい実施形態の押出しヘッド14はx
y面内で移動する筈であるから、オーブン12の上端は以下に詳しく説明する変
形可能な断熱材で形成されている。
4、橋部65、一対のxレール68、一対のyレール70、キャリッジ72、x
モータ74、yモータ76、x駆動ベルト78、y駆動ベルト80および種々の
滑車を備える。開放中心を有する基部板64はzリフト20の上板54の上端に
着座し、フレーム22に固定されている。橋部65は開放中心を有し、そして基
部板64を横断してy方向に延びている。xレール68は橋部65の前端と後端
の下で基部板64の上端に取り付けられており、そして基部板64に沿ってx方
向に延びている。橋部65は二対の軸受82によりレール68に結合している。
一方の対の軸受82は橋部65の前端の下側に取り付けられ、そして他方の対の
軸受82は橋部65の後端の下側に取り付けられている。軸受82により橋部6
5をxレール68に沿って移動させることができる。
いる。これらのyレール70は互いに平行にy方向に延びている。キャリッジ7
2は対置されている二対の軸受84によりyレール70に結合している。yレー
ル70上に着座するキャリッジ72は橋部65の開放中心部に配置されている。
押出しヘッド14がキャリッジ72に取り付けられているので、yレール70に
沿ったキャリッジ72の動きは押出しヘッド14をy方向に移動させる。押出し
ヘッド14は、押出しヘッド入口63が橋部65の上にあり、そして押出しヘッ
ドノズル66が橋部65の下にあるように、キャリッジ72の中に取り付けられ
ている。
ル68に沿って往復移動させて、押出しヘッド14をx方向に移動させる。yモ
ータ76は、yベルト80および種々の滑車を介して、キャリッジ72をyレー
ル70に沿って移動させて、押出しヘッド14をy方向に移動させる。このシス
テムはH型ブリッジガントリーとして知られている。
動滑車86の回転によりxモータ74で駆動される。このxベルト78は固定具
88のところに止めてあり、順次、滑車90、滑車92、滑車94、滑車96、
滑車86、滑車98、滑車100および滑車102の周りに巻き付き、次いで再
び固定具104のところに固定してある。滑車90、滑車96および滑車102
は橋部65の上に取り付けられているが、滑車92、滑車94、滑車98および
滑車100は基部板64の上に取り付けられている。
転によりyモータ76で駆動される。このyベルト80は固定具108のところ
に固定してあり、順次、滑車110、滑車112、滑車114、滑車116、滑
車118、滑車106、滑車120、滑車122および滑車124の周りに巻き
付き、次いで再び固定具126のところに固定してある。滑車110、滑車11
4、滑車120および滑車124は橋部65に取り付けられ、滑車116および
滑車118は基部板64に取り付けられ、そして滑車122および滑車112は
キャリッジ72に取り付けられている。滑車110、滑車114および滑車12
4はx軸駆動システムのそれぞれ滑車90、滑車102および96と同じ回転軸
を共有している。
い実施形態では両方のモータが定置されていて、可動部品の重量を低減し、従っ
て、かなり高価なベルト輸送配置となる。xベルト78の張力は固定具88と1
04のところの調整で調整され得る。yベルト80の張力は固定具108と12
6のところの調整で調整され得る。
図1〜3に示すように、二組の断熱アコーディオン折り畳みバッフルを備える変
形可能な断熱材により製作チャンバー24から断熱されている。開放中心を有す
るxバッフルトレー130は基部板64の内周に取り付けてあり、この内周を整
列させて一組のxバッフル132を支持する。これらのxバッフル132は橋部
65の右側と左側の両方で基部板64から橋部65へ延びている。yバッフルト
レー134は、これも開放中心を有するが、橋部65の下側の下に着座し、そし
てその下側に取り付けられていて、一組のyバッフル136を支持する。この一
組のyバッフル136は押出しヘッドの前側と後側の両方で基部板64から押出
しヘッド14へ延びている。これらのxバッフル132はyバッフルトレー13
4に取り付けることにより橋部65に固定されている。図3では、バッフル13
2の組および136の組は、トレー130および134を示すように、一部除去
されている。
134によって支持されているこれらのyバッフル136は、製作チャンバー2
4の変形可能な断熱天井を形成する。これらのxバッフル132は橋部65がx
レール68に沿って往復移動すると圧縮および膨張する。これらのyバッフル1
36はキャリッジ72がyレール70に沿って移動すると圧縮および膨張する。
)で被覆されたガラス繊維のような高温布地材料で形成されている。これらのバ
ッフルは膨張および収縮が可能なように、そしてx−yガントリー18を製作チ
ャンバー24の熱から断熱するように八角形の断面にして縫い付けられている。
他のバッフル配置は当該分野で公知であり、そして被覆された布地の代わりに使
用され得る。例えば、これらのバッフルはステンレス鋼のシートから溶接されて
いるか、またはこれらのバッフルはプレート上でプレートをスライドさせて形成
され得る。製作チャンバー24から逸脱する熱を放散させて、x−yガントリー
18を周囲温度に保持するため、必要に応じて、ファンをxガントリー18の上
に取り付け得る。
ラットホーム16の上に層毎に付着させることによって三次元物体を製作する。
この材料は流動状態で付着され、先に付着させた材料に融合される。制御器14
0は形成すべき物体を決めるCADデータ142を受け取り、そして図1に模式
的に示すように、公知の方法でこのデータに基づき駆動信号を発生する。これら
の駆動信号はxモータ74、yモータ76およびzモータ40へ送られ、押出し
ヘッド14およびプラットホーム16の動きを制御する。図1にも例示されるよ
うに、押出しヘッド14およびプラットホーム16の動き制御に連動して、制御
器140は駆動信号を発生して押出しポンプ144を制御する。この押出しポン
プ144は、これに応じて模型製作材料を材料供給部146から押出しヘッド1
4の入口63へ供給し、そしてノズル66から材料を押出す速度を制御する。C
ADデータによって決定されるパターンで押出しヘッド14をプラットホーム1
6の上で移動させながら押出し速度を制御することにより、CADモデルに似た
三次元物体を作り出す。
4のノズル66のすぐ近くで上昇位置に置かれる。次いで、各層の形成に従って
、プラットホーム16を一段ずつ下げながら、模型製作材料の水平層を順次付着
させることによって材料の付着が行われ得る。あるいは、これらの層を垂直面内
に、または水平に対してある角度を成す面内に形成し得る。
した実施形態に対して、多くの改変がなされ得ることを当業者は理解する。押出
しヘッド14がx−y面内を移動し、一方プラットホーム16はz軸に沿って移
動する、好ましい実施形態のガントリー配置に対する代替としては、z軸に沿っ
てプラットホーム16に向かいそして離れる動きのために装着された押出しヘッ
ド14を用いる、x−y面内の動きのためのプラットホーム16が支持され得る
。そのような場合では、変形可能な断熱材が製作チャンバーの一部を形成し、こ
の製作チャンバーを通してガントリーがプラットホームを移動させる。x−y面
内の動きは直交方向の動きに制限される必要はなく、半径方向、接線方向、鋭角
方向やx−y面内の他の方向の動きを含み得ることもまた、理解される。同様に
、x−yガントリー18およびzリフト20の代わりに、x−y−zガントリー
は制御器から生じた駆動信号により制御可能な、当該分野で周知であるいずれか
の機械的な駆動システムの形態をとり得る。xバッフル132およびyバッフル
136の代わりに、製作環境と適合可能な何らかの変形可能な断熱材を使用して
もよい。
りこのチャンバーから断熱されているが、zリフト20がチャンバー24内にあ
る配置の利点を有する本発明を実行し得ることを理解すべきである。開示する実
施形態のように、ガントリー18によりx−y面内で動く押出しヘッドから模型
製作材料を層にして付着させる場合には、x−y面内の動きはz軸に沿った基部
の動きを遥かに上回っている。このように、zリフトはx−yガントリーの速度
も精度も有していない。このような場合には、x−yガントリーはzリフトより
顕著にコストがかかり、zリフトの動き制御部品の交換をより実行可能にする。
配し得るならば、本発明の付着処理を実行する際に流動性の模型製作材料を分配
するために少なくとも一つの出口を有する何らかの移動可能なヘッドを使用し得
ることが当業者に理解される。そのような装置には、例えば、通常のピストンも
しくはプランジャ式の分配機構または米国特許第5,312,224号明細書に
開示されているような高度に制御可能なスクリュー式の供給機が含まれ得る。
模型製作材料は、例えば、供給リールに巻き取られている連続的に曲がり易いフ
ィラメントのような、または米国特許第5,121,329号明細書に記載され
ているような長さを制限した固形のロッドのような、固体の形にして供給され得
る。この代わりに、模型製作材料は、米国特許第5,764,521号明細書に
記載されるようにウェハの形態で供給され得るか、または材料を米国特許第4,
749,347号明細書に記載されるように貯蔵容器から液体の形態にして汲み
出し得る。供給ストック材料を分配ヘッドへ供給する形態に関わらず、材料供給
ポンプは制御可能である筈であるから、材料の分配速度を正確に制御して三次元
物体を形成し得る。このポンプは供給ストックの型や分配ヘッドに適合させる必
要がある。
。凝固可能な材料の層を付着させることによって、三次元物体を形成する際に、
支持層もしくは構造が、物体の張り出し部分の下に、または模型製作材料自体に
よって直接支持されない製作中の物体の空洞内に一般に必要とされる。模型製作
材料の付着に合わせて支持材料を付着させて、これらの支持構造もしくは層を形
成し得ることは当該分野において周知である。本発明を実施する際、模型製作材
料を付着させるのと同じ付着技術と装置を使用して支持構造を製作し得る。模型
製作装置内の別の押出しヘッドから、または模型製作材料を付着させる同じ押出
しヘッドによってのいずれかで、支持材料を付着させ得る。より詳細には、装置
10は、(1)それぞれ一つのキャリッジによって保持される二つの分配ヘッド
を設けること、ここでヘッドの一方は模型製作材料を供給し、そしてもう一方は
支持材料を供給する;(2)模型製作材料および支持材料の両方を供給し、両方
の材料を分配するための単一ノズルを備えた単一分配ヘッド(例えば、米国特許
第5,121,329号明細書の図6に示すようなもの)を提供すること;また
は(3)両方の材料を供給し、各材料が独立したノズルを通して分配される単一
分配ヘッド(例えば、米国特許第5,503,785号明細書の図6に示すよう
なもの)を設けることによって、二つの材料の分配に適応し得る。同様に、異な
る2つの模型製作材料を分配して多相の物品あるいは多色の物品を同様に形成す
るように装置を設計し得る。
模型製作する場合、材料供給部146を水分に対して防御すべきである。水分が
模型製作材料によって吸収される場合、模型の品質が損なわれ得る。例えば、U
ltemTMを用いて模型製作する際に、0.05パーセントより高い水分含量は
模型の品質を損なうことが見出されている。材料供給部146を積極的に乾燥さ
せることによって乾かして適切な乾燥環境を達成し得る。または、製作環境から
酸素を減らし、代わりに他の気体または混合気体を充填し得、積極的な乾燥に対
する要求を排除する。
防止するために、図2に示すように、空気偏向ダクト150を押出しヘッド14
に取り付ける。押出しヘッド14を僅かに移動させることを必要とする部分を形
成する場合には、押出しヘッド14から放射する熱が停滞し、そしてノズル66
のところにホットスポットを作り出す傾向がある。ホットスポットが広がる場合
、ホットスポットを取り囲んでいる押出された材料の温度が上昇する。押出され
た材料がそのガラス遷移温度に近づけば、その材料は変形し、そして局所的な品
質の劣化が生じる。70℃と90℃の間に加熱された製作チャンバーを有する先
行技術のシステムでは、周囲の空気をそのチャンバー内に吹き込み、ノズルの領
域においてホットスポットの発生を防止している。高温の製作環境では、周囲温
度の空気は、押出された材料を余りにも急激に冷却し、巻き応力を発生させ、そ
して製作された物体に幾何学的な歪みを生じる。
用してノズル領域を冷却する。示されるように、空気偏向機150は空気排出口
32に対向する先端部152を有する。この先端部152の上には、排出口32
から流れ込む空気を二つのフローに分割する一対の羽根154がある。これらの
空気のフローは先端部152の両脇に位置する2つのダクト156の中に流れ込
む。空気ダクト156は下向きに、次いで内向きに互いに向かい合うように曲が
っているので、両方のダクトからの空気のフローはノズル66へ向かう。空気ダ
クト156の各々は、空気のフローを各ダクト156内でさらに三つの通路に分
割する前方羽根159および後方羽根160を有する。これらの通路は空気のフ
ローのノズル領域へのかなり一様な分布を保証する。しかし、空気ダクト156
を複数の通路に細分する必要はない。むしろ、本発明の利点を用いて、空気のフ
ローをノズル領域に偏向させるいずれかの手段を使用し得る。
し得、最終的にはノズルを詰まらせ得る。高温の熱可塑性樹脂は粘着性になりや
すいので、特に蓄積し易い。従って、本発明の好ましい実施形態は、ノズル66
を詰まらせる模型製作材料を除去するためのノズル清掃アセンブリ170を備え
る。図9に示すノズル清掃アセンブリ170は、その右手側の製作チャンバー2
4の上端近くに取り付けられている。ノズル清掃アセンブリの下には、はがれた
模型製作材料を捕集するゴミシュート172がある。このゴミシュート172は
加熱ダクト26と垂直スリット46との間で狭まって進み、オーブン12の底部
を経由して出てゆく。ノズル清掃アセンブリ170は、制御器40からの制御信
号に応じてモータ178(図1に示してある)によって駆動される逆回転シャフ
ト176に並べて取り付けられている2つのクリーナー174を備える。このモ
ータ178はオーブン12の外に取り付けられている。
て配置されかつシャフト184に中心がある2つの十文字の柔軟なパドル182
とで形成されている。鋼がブラシ180に好ましい材料であり、そしてシリコー
ンがパドル182に好ましい材料である。使用の際には、ノズル66をクリーナ
ー174の間で往復駆動させ、その間、ノズルに対して下向きの力を付与するよ
うにこれらのクリーナー174を駆動して、ノズル清掃アセンブリ170により
押出しヘッドノズル66をクリーニングする。回転数は550 rpmが効果的
である。パドル182は材料をノズル66から払い落とし、そしてブラシ180
は材料をノズル66から擦り落とす。そうすると余計な材料はゴミシュート17
2の中に落下する。好ましくは、ゴミ受けをゴミシュート172の出口の下に配
置する。クリーナー174はクリーニングまたは交換のためにシャフト176か
ら取り外せる。当業者は、クリーナーが材料に対して回転するときにノズル66
から材料を取り除く限り、多種多様なノズルクリーナー174が可能であること
を理解する。
よび範囲を逸脱することなく形状および詳細において変更がなされ得ることを理
解する。例えば、本発明は、本明細書中に記載した好ましい実施形態の、押出し
に基づく付着模型製作システムにおいて使用することに限定されない。加熱チャ
ンバー内で三次元物体を形成する他の付加的プロセス製作技術(例えば、凝固材
料の液滴のジェット噴射、消耗ロッドアーク溶接、またはプラズマ溶射によって
、三次元物体を形成するシステム)は、本発明からの利益を得ることができる。
る。
ッドの平面図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 三次元模型製作装置であって、 三次元物体を製作する加熱された製作チャンバー、該製作チャンバー中に配置さ
れる基部、該製作チャンバーの内側に模型製作材料分配出口を有する、模型製作
材料を該基部の上に分配する分配ヘッド、および該分配ヘッドと該基部との間で
三次元の相対運動を発生させるために該分配ヘッドおよび該基部に結合するx−
y−zガントリーを備え、 該x−y−zガントリーが該製作チャンバーの外に配置され、そして変形可能
な断熱材により該チャンバーから分離されていることを特徴とする、装置。 - 【請求項2】 前記変形可能な断熱材が前記製作チャンバーの一部を形成し
、該製作チャンバーを通して前記x−y−zガントリーが前記分配ヘッドを移動
させる、請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載の装置であって、 前記x−y−zガントリーが、分配ヘッドに結合しx,y面内で分配ヘッドの
移動をもたらすx−yガントリー;および前記基部に結合しz軸に沿って該基部
の移動をもたらすzリフトを備える、装置。 - 【請求項4】 前記zリフトが前記製作チャンバーの壁の封止されたスリッ
トを経由して前記基部に結合している、請求項3に記載の装置。 - 【請求項5】 前記変形可能な断熱材が製作チャンバーの一部を形成し、該
製作チャンバーを経由して前記x−y−zガントリーが前記基部に結合している
、請求項1に記載の装置。 - 【請求項6】 前記分配ヘッドが前記製作チャンバーの外に前記模型製作材
料を受け取る入口を有する、請求項1に記載の装置。 - 【請求項7】 前記x−y−zガントリーおよび前記製作チャンバーを取り
付けるフレームをさらに備える、請求項1に記載の装置。 - 【請求項8】 前記製作チャンバーが150℃より高い温度に加熱されてい
る、請求項1に記載の装置。 - 【請求項9】 前記x−y−zガントリーが前記分配ヘッドおよび前記基部
に非直交の3つの自由度の移動をもたらす、請求項1に記載の装置。 - 【請求項10】 三次元模型製作装置であって、 加熱された製作チャンバー; 該製作チャンバー中に配置される移動可能な基部; 模型製作材料を制御可能に分配するための出口を有する移動可能な分配ヘッド
であって、該出口が製作チャンバー中に配置されている、分配ヘッド;および x−y−zガントリーであって、該x−y−zガントリーは、所定の形状の三
次元物体を形成するために模型製作材料の分配に同期して該分配ヘッドおよび該
基部を互いに三次元移動させるために該分配ヘッドおよび該基部に結合し、そし
て該製作チャンバーの外にあって該チャンバーから断熱されている、x−y−z
ガントリー、 を備える、三次元模型製作装置。 - 【請求項11】 前記製作チャンバーが変形可能な断熱材から形成される天
井を有し、該天井を通して前記x−y−zガントリーが前記分配ヘッドを移動さ
せる、請求項10に記載の模型製作装置。 - 【請求項12】 前記x−y−zガントリーが、 前記分配ヘッドのx,y面内での移動をもたらすために該分配ヘッドに結合す
るx−yガントリー;および前記基部のz軸に沿った移動をもたらすために該基
部に結合するzリフトを備える、請求項11に記載の模型製作装置。 - 【請求項13】 前記分配ヘッドが、製作チャンバーの外側に配置される模
型製作材料を受け取る入口を有する、請求項12に記載の模型製作装置。 - 【請求項14】 前記製作チャンバーの外にあって、前記x−y−zガント
リーおよび前記製作チャンバーを取り付けるフレームをさらに備える、請求項1
0の模型製作装置。 - 【請求項15】 請求項10に記載の模型製作装置であって、前記製作チャ
ンバーは空気のフローパターンが該製作チャンバー内に生じるように対流で加熱
されており、前記分配ヘッドに取り付けられ、該フローパターン内の空気を分配
ヘッド出口に向けて偏向させるための手段をさらに備える、模型製作装置。 - 【請求項16】 前記分配ヘッド出口から模型製作材料の蓄積物を除去する
手段をさらに備える、請求項10に記載の模型製作装置。 - 【請求項17】 前記製作チャンバーが150℃より高い温度に加熱される
、請求項10の模型製作装置。 - 【請求項18】 三次元模型製作装置であって、三次元物体を製作する加熱
された製作チャンバー、該製作チャンバー中に配置される基部、該製作チャンバ
ーの中に材料分配出口を有し、模型製作材料を該基部の上に分配するための分配
ヘッド、および該分配ヘッドをx,y面内で並進移動させるために該分配ヘッド
に結合するx−yガントリーを備え、 該x−yガントリーが該製作チャンバーの外に配置され、かつ該チャンバーか
ら断熱されており:そして 変形可能な断熱材が該製作チャンバーの一部を形成し、該製作チャンバーを通
して該x−yガントリーが該分配ヘッドを移動させることを特徴とする、 装置。 - 【請求項19】 前記分配ヘッドが前記製作チャンバーの外側に材料を受け
入れる入口を有する、請求項18に記載の装置。 - 【請求項20】 請求項18に記載の模型製作装置であって、ここで、前記
製作チャンバーは空気のフローパターンを該製作チャンバー内に生じさせるよう
に対流で加熱されており、 前記分配ヘッドに取り付けられており、該フローパターン内の空気を分配ヘッ
ド出口に向けて偏向させるための手段をさらに備える、請求項18に記載の模型
製作装置。 - 【請求項21】 前記模型製作材料の蓄積物を分配ヘッド出口から除去する
ための手段をさらに備える、請求項18に記載の模型製作装置。 - 【請求項22】 前記製作チャンバーの外部に配置され、かつ該製作チャン
バーから断熱されているzリフトをさらに備え、該zリフトが該製作チャンバー
の壁の封止されたスリットを経由して前記基部に結合している、請求項18に記
載の装置。
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