JP2003535712A - 三次元的印刷装置及び方法 - Google Patents
三次元的印刷装置及び方法Info
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Abstract
Description
作成法及びその装置に関する。
ルを構成するために使用される方法である。3−D印刷は、原型部分及び道具を
例えば、CADモデルから直接、作成することを許容する比較的速く且つ自由度
がある。
な3−Dモデルを製造メーカが作成することを許容し、これにより、道具の作成
のコストを著しく削減し且つ設計と製造とを一層良く調和させることになる。製
造コストが安く且つ製品の質を改良することも可能となる。
置は、合焦させた極紫外線レーザが光重合化可能な液体ポリマープラスチック材
料の浴の頂部の上を走査する、立体リソグラフィに基づいて作動する、米国、カ
リフォルニア州の3D・システムズ・インコーポレーテッド(3D Syste
ms Inc.)が開発した装置を含む。その浴の表面は、UVレーザと接触す
る状態で重合化され、その表面に又はその表面の丁度下方に、固体のプラスチッ
ク層を形成する。
着させ、次に、接着剤材料を選んだ領域内で付着させて、その選んだ領域に接着
した粉体の層を形成することにより、層状化した部分を提供するための技術が記
載されている。これらのステップは、所望の構成要素を形成するため連続的な層
に対して繰り返される。熱処理後、製造した部分が残るようにして接着しなかっ
た粉体を除去する。
、フォトポリマー材料を選択可能な形態に付着させる装置、及び後続の層を付着
する前に層の各々を硬化させる装置を含む三次元的モデルを作成する装置が記載
されている。
が難しい点である。米国特許第5,287,435号は、余分な厚さを除去する
ため層の各々の表面をトリミングする機械加工装置を利用する。
トヘッドの作動中、そのプリントヘッドを一方向に向けて基板に対して変位させ
ることにより、平行なインクドット線を基板上に印刷する。
と所望の線分解能との比率に等しい数のインクドット線を印刷することが必要と
される。実際には、このことは、プリントヘッドを基板に対して1つ又はより多
くのステップを通じて第一の方向に対し垂直な第二の方向に間欠的に前進させる
と共に、プリントヘッドを基板に対して第一の方向に変位させつつ、その新たな
位置の各々にてインクジェットノズルを作動させることにより実現される。残念
なことに、1つ又はより多くのノズルが詰まったならば、像は不完全となり、印
刷されない帯域が残ることになろう。
chnologies Ltd.)に譲渡された国際出願第97/31781号
には、印刷される線に対し直角の方向に向けてプリントヘッドを基板に対して変
位させる、線形列のノズルを有する、インクジェットプリンタを作動させ且つそ
の印刷ステップを繰り返す方法が記載されている。この方法は、ノズルの詰まり
に起因して非印刷帯域が生ずるという視覚上の効果をプリントヘッドの動きによ
り少なくするが、ノズルの詰まりを完全に補償するものではない。
るプリントヘッドを使用して3−Dモデルを構成する3−D印刷装置を提供する
ものである。
モデルを印刷する方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、何れかのノズルからの過剰及び不十分な付着を補償
する装置及び方法を提供することである。
三次元的印刷のための装置が提供される。この装置は、複数のノズルを有するプ
リンティングヘッドと、境界材料を層として選択的に分配すべくプリンティング
ヘッドに接続されたディスペンサと、付着させた層の各々を選択的に硬化させる
硬化手段とを備えている。付着させた層の各々の深さは、複数のノズルの各々か
らの吐出量を選択的に調節することにより制御可能である。
ングヘッドに接続されたディスペンサと、プリンティングヘッドに接続されたプ
ロセスコントローラと、該プロセスコントローラに接続されたコンピュータ支援
設計(CAD)装置とを備えている。
ノズルを有している。 更に、本発明の1つの好ましい実施の形態によれば、該装置は、プロセスコン
トローラからの命令によりプリンティングヘッドを選択的に位置決めすべくプロ
セスコントローラに接続された位置決め装置を更に備えている。
は赤外線を照射することにより硬化可能なフォトポリマー材料である。 更に、本発明の1つの好ましい実施の形態によれば、該装置は、プロセスコン
トローラに接続された基準センサと、センサを位置決めすべくプロセスコントロ
ーラに接続されたセンサの位置決め装置と、ノズルの各々からの付着層の高さの
相違を計算する手段とを更に備えている。
る。この方法は、 長手方向軸線に沿って複数のノズルを有するプリンティングヘッドを第一の
予め選んだ位置に位置決めするステップと、 境界材料をプリンティングヘッドから層状に選択関に分配するステップと、 プリンティングヘッドを第二の予め選んだ位置に再位置決めするステップと
、 選択的に分配することを繰り返すステップとを含む。
方向に変位させる。 更に、本発明の1つの好ましい実施の形態によれば、この方法は、 複数のノズルの各々から分配された境界材料の量を制御すべく複数のインク
ジェットノズルの各々からの吐出量を選択的に調節するステップを更に含む。
ー材料であり、また、この方法は、極紫外線又は赤外線を照射することにより付
着した層を硬化させるステップを更に含む。
るステップと、 ノズルの各々からの付着物の高さを基準レベルと比較するステップと、 基準レベルとの差を計算するステップと、 ノズルの各々からの境界材料の分配量を調節するステップとを含む。
付着させる前に、層を各々の相違を補償するステップを更に含む。 更に、この補償ステップは、 直近に付着した層の高さを基準レベルと比較するステップと、 基準レベルとの差を計算するステップと、 ノズルの各々からの境界材料の分配量を調節するステップとを含む。
該基準壁が複数の基準層を有し、複数の基準層の各々が相応するモデル層を付着
する過程中に付着されるようにするステップを含む。
印刷装置を全体として参照番号10で示す図1に関して説明する。
ジェットノズル14を有するプリンティングヘッド12と、参照番号20で示し
た三次元的構成要素を形成すべく境界材料16を硬化する硬化装置18とを備え
ている。境界材料16はドイツ、タムのマラブヴェルケ Gmbh & Co.
(Marabuwerke Gmbh & Co.)が製造するDI 7090
透明被覆のようなフォトポリマーであることが好ましい。好ましくは、フォトポ
リマーは極紫外線(UV)又は赤外線(IR)硬化性材料を含むことが好ましい
。例えば、反応性アクリレート系の材料は、硬化装置18から紫外線を照射する
ことにより紫外線硬化させ又は固化させるのに適している。三次元的構成要素2
0は層状に構成され、層の各々の深さは、複数のインクジェットノズル14の各
々からの吐出量を選択的に調節することにより、制御可能である。
該技術分野で既知のインクジェットノズルと同様のノズルを含むべく使用するが
、インクを噴射するノズルにのみ限定されるものではなく、三次元的モデルを構
成する境界材料を噴射するノズルも含むものであることを理解すべきである。
、コンピュータ支援設計(CAD)装置26とを更に備えている。プロセスコン
トローラ24は、CAD装置26、硬化装置18及びプリンティングヘッド12
に接続されている。
続されている。 好ましくは、三次元構成要素20は、位置決め装置(図示せず)によりX軸及
びY軸に選択的に配置可能である支持面28の上に形成されるようにする。
の実施の形態において、プリンティングヘッド12の各側部に一対の硬化装置1
8が配置されている。
のインクジェットノズル14の数及びその間隔に依存する。1つの好ましい実施
の形態において、プリンティングヘッド12は少なくとも1列のノズル14を備
えている。
た1列のノズル14を有するプリンティングヘッド12の概略図的な平面図であ
る。図3Bは、図3Aのプリンティングヘッド12により作成された三次元的物
体の平面図である。
れたとき、インクジェットノズル1乃至18は、境界材料(列102)を付着す
るように作動させ、ノズル1は最左側位置にある。プリンティングヘッド12の
1回の通過厚さは約10μである。図3Bに図示するように、ノズル9(例えば
詰まる可能性がある)を除く全てのノズルが材料を付着している。材料を受け取
った箇所はその番号で表示されており、材料を受け取らないノズル9はブランク
で示してある。詰まったノズルの効率の低下を解消するため、プリンティングヘ
ッド12は、次の通過の間ずらして、ノズル9の位置が別のノズルにより占めら
れるようにする。例えば、図3Aを再度参照すると、プリンティングヘッド12
は左方向に2つの間隔だけずらされており(外形線の位置L2)、ノズル3は、
それ以前にノズル1が位置していた位置の真上に配置される最左側位置にある。
この場合にも、18個のノズル(3乃至21の番号で表示)を作動させる。非効
率的なノズル9はインクを付着せず、この時点で、ブランク箇所はそれ以前にイ
ンクを付着させた箇所7(列104)の上方にある。
ルが通過する毎にこの過程を繰り返すことができる。例えば、ノズル6が最左側
位置(列106)になるようにプリンティングヘッド12を位置L3までずらし
、次に、ノズル2が最左側位置(列108)となるように位置L4までずらす。
このようにして、その層の品質に影響を与えずに、1つ又はより多くのノズルの
効率の悪さを補償することが可能である。
4に図示)は、m個の横列及びn個の縦列を有するノズルマトリックスを備えて
いる。これらのノズルは、参照番号M1N1(左上方)からマトリックスの右下方
までMnNnで表示してある。三次元的印刷に適した一例としてのプリンティング
ヘッドは36×12のノズルマトリックスを含む。
プロセスコントローラ24からの命令によりX軸及びY軸に選択的に位置決め可
能である。
次元的構成要素20の構成を示すフローチャートである図5に関して説明する。
作成すべきモデルのファイルはCAD装置26にダウンロードされ(ステップ2
02)、オペレータがそのモデルを見て且つ作動方法を制御することを許容する
。
に、オペレータはジェットヘッドの所望の分解能を選択する(ステップ204)
。プリンティングヘッドの形態の選択に影響を与えるファクタの1つは、インチ
当たりのドット数(dpi)により規定される所望の線の質である。線の質の典
型的な工業的標準は、240乃至740dpiである。このファクタは作成され
るモデルに依存して加減可能であり、プリンティングヘッドの能力によってのみ
制限される。例えば、10cmモデルの三次元的印刷のための典型的な許容公差
は100μである。
プ206)及びモデルを構成するときに使用すべき層の数(h)も選ぶ(ステッ
プ208)ことができる。
変位させる(ステップ210)ステップの数(j)を計算し、モデルを印刷する
ためのz軸における垂直方向ステップ(i)の数を計算する(ステップ212)
。
せることを必要とするインクジェットノズル14の開始位置に配置する(ステッ
プ214)。
)、次に、変位ステップ(j)の各々に対しステップ214を繰り返す(ステッ
プ216)。
に戻し且つ第一の層の上方の垂直位置(z軸)内に再位置決めする(ステップ2
18)。1つの層の厚さは約10μであるため、各層の後にプリンティングヘッ
ドをモデルに対して再位置決めすることは必須ではないが、このステップはオペ
レータの判断で遅らせてもよい。
。モデルが完成する迄、後続の層の各々に対しステップ218、220を繰り返
す(ステップ222)。層が完成する迄、各通過の後、プリンティングヘッドを
変位させる(ステップ215)。層の各々に対し、その特定の層を印刷するのに
必要なインクジェットノズル14のみを作動させる。
ことにより、プリンティングヘッド12の再位置決めが行われる。 各層を付着した後に硬化を行うことが好ましい。しかし、これと代替的に、1
つ以上の層を付着した後に硬化が生ずるように硬化を選択的に遅らせてもよい。
寸法図である図6に関して説明する。この実施の形態において、三次元的印刷装
置は、プロセスコントローラ24に接続されたモデルセンサ40と、基準センサ
42とを更に備えている。三次元的印刷装置のオペレータの命令に従ってセンサ
40、42を位置決め可能であるセンサ位置決め装置(図示せず)にセンサ40
、42が接続される。
0の構造に対し平行に且つ該構造に隣接して層毎に構成される。基準壁44は「
Y」軸線に沿って構成され、「X」軸線に沿ったその幅はプリンティングヘッド
12の幅である、すなわち、ノズルのマトリックスを有する(単一の軸線に沿っ
て)幅である。このように、基準壁44に各層が複製される。同様に、プリンテ
ィングヘッド12が二次元的マトリックスを備える場合、基準壁の幅はX軸線及
びY軸線の双方に沿ってノズルのマトリックスを含む。次に、基準壁44の単一
の層の異なる例を示す拡大断面図である図7A乃至図7Cに関して説明する。図
7Bには、材料が余分に構成された場合を示し、図7Cは、付着された材料が不
十分な場合を示す。
単に一例としての目的のため、矩形の層として図示されている。層46の寸法は
プリンティングヘッド12を形成するノズルのマトリックスにより表示される。
層46の隅部は、図3に図示するようにM1N1乃至MnNnで表示してある。
MaN1−MaNnで示した点A(例えば、M17、N1)の断面である切断部分が図
7Bに図示されている。
部にてノズルの各位置を測定する。次に、それら測定値を実際のモデルと比較す
る。例えば、矩形の層46の高さはhである。1つの隅部(M17Nn)にて、層
の高さはhよりも高いh1である。参照番号52で示した最高点(例えば、M17 N12)の高さは、h2+である。
Cに図示されている。付着した材料が存在しないことを示す凹所54(例えば、
ノズルM=36、N=19)の高さは、hではなくてh3である。
、後続の層を堆積する前に機械によって余剰な層の厚さをトリミングする。次の
層を印刷する前に1つの層をトリミングするステップが不要である点が本発明の
1つの特徴である。それに代えて、各ノズルに対し基準センサ42により記憶さ
れたデータを利用して、余剰な材料(図7B)又は不十分な材料(図7C)の付
着を補償するため、プリンティングヘッド12の個々のノズルを調節することが
できる。
制御のため基準壁44を使用することができる。次に、プリンティングヘッド1
2のノズルマトリックスの較正状態を示すフローチャートである図8に関しても
説明する。ノズルを較正するため、ノズルの完全なマトリックスに対する試験層
を付着させ(ステップ302)及び各ノズル点における層の高さを基準センサ4
2を利用して測定する(ステップ304)。ノズルの各々に対し、基準点との差
を計算する(ステップ306)。次に、全ての余剰/不十分な付着を補償し得る
ようこれらノズルのディスペンサを調節する(ノズルの各々に必要な補償プラス
/マイナスの程度を計算することにより)(ステップ308)。
及び補正制御のため基準壁44が使用される(図5に関して上述)。モデルの作
成はオペレータが制御可能である。
ャートである図9に関して説明する。各層を構成した後(ステップ318)、モ
デルセンサ40を層の頂部に配置し(ステップ320)、層の頂部で各ノズルの
位置を測定することにより層の外形を点検する(ステップ322)。ノズルの各
々に対し基準点との差を計算する(ステップ324)。
来技術によるモデルの作成の場合と相違して、各層の後でトリミングは不要であ
るが、オペレータの選択によりトリミングしてもよい。トリミングが選ばれるな
らば、適当なトリミング装置により余剰な材料は除去される(ステップ328)
。
0)、全ての余剰/不十分な付着を補償し得るようこれらノズルのディスペンサ
を調節する(ステップ332)。
を繰り返す。 本発明は上述した内容に限定されず、その全てが本発明の範囲に属する多数の
改変例が存在することが理解されよう。本発明の範囲は特許請求の範囲によって
規定される。
刷装置の概略図である。
図的な平面図である。 3Bは、図3Aのプリンティングヘッドにより作成される三次元的物体の一部
の平面図である。
ンティングヘッドの代替的な実施の形態の詳細図である。
図である。 7Bは、図7Aの基準壁の層を示す拡大断面図である。 7Cは、図7Aの基準壁の層を示す拡大断面図である。
スの較正状態を示すフローチャートである。
る。
Claims (14)
- 【請求項1】 三次元的モデルの三次元的印刷装置において、 複数のノズルを有するプリンティングヘッドと、 前記複数のノズルの各々からの境界材料の吐出量を選択的に制御し、これによ
り、前記三次元的モデルを層状態で構成し得るように前記プリンティングヘッド
に接続された、制御手段と、 付着された前記層の各々を選択的に硬化させる硬化手段とを備える、装置。 - 【請求項2】 請求項1による装置において、前記制御手段が、 前記プリンティングヘッドに接続されたディスペンサと、 前記プリンティングヘッドに接続されたプロセスコントローラと、 前記プロセスコントローラに接続されたコンピュータ支援設計(CAD)装
置とを備える、装置。 - 【請求項3】 請求項1による装置において、前記複数のノズルが1列のノ
ズルを備える、装置。 - 【請求項4】 請求項2による装置において、前記プロセスコントローラか
らの命令により前記プリンティングヘッドを選択的に位置決めし得るよう前記プ
ロセスコントローラに接続された位置決め装置を更に備える、装置。 - 【請求項5】 請求項1による装置において、前記境界材料が極紫外線又は
赤外線の照射により硬化可能なフォトポリマー材料である、装置。 - 【請求項6】 請求項1による装置において、 前記プロセスコントローラに接続された基準センサと、 前記センサを位置決めし得るように前記プロセスコントローラに接続されたセ
ンサの位置決め装置と、 前記ノズルの各々からの前記付着した層の高さの差を計算する手段とを更に備
える、装置。 - 【請求項7】 三次元的モデルの三次元的印刷方法において、 長手方向軸線に沿って複数のノズルを有するプリンティングヘッドを予め選ん
だ第一の位置に位置決めするステップと、 前記プリンティングヘッドから境界材料を層状態に選択的に分配するステップ
と、 前記プリンティングヘッドを予め選んだ第二の位置に再位置決めするステップ
と、 前記選択的な分配ステップを繰り返すステップと、 前記予め選んだ第二の位置が予め選んだ前記第一の位置から前記長手方向軸線
に沿って軸方向に変位されるようにすることとを備える、方法。 - 【請求項8】 請求項7による方法において、 前記複数のノズルの各々から分配された前記境界材料の量を制御し得るよう前
記複数のインクジェットノズルの各々からの吐出量を選択的に調節するステップ
を更に備える、方法。 - 【請求項9】 請求項7による方法において、前記境界材料がフォトポリマ
ー材料であり、前記付着した層を極紫外線又は赤外線の照射により硬化させるス
テップを更に備える、方法。 - 【請求項10】 請求項7による方法において、 前記複数のノズルを較正するステップを更に備える、方法。
- 【請求項11】 請求項10による方法において、前記較正するステップが
、 前記複数のノズルの全てから境界材料を選択的に分配することにより単一の層
を付着するステップと、 前記複数のノズルの各々からの付着分の高さを基準レベルと比較するステップ
と、 前記基準レベルとの差を計算するステップと、 前記複数のノズルの各々からの前記境界材料の分配量を調節するステップとを
備える、方法。 - 【請求項12】 請求項7による方法において、 後続の層を付着する前に前記層の各々における差を補償するステップを更に備
える、方法。 - 【請求項13】 請求項12による方法において、前記補償ステップが、 直近に付着した層の高さを基準レベルと比較するステップと、 前記基準レベルとの差を計算するステップと、 前記複数のノズルの各々からの前記境界材料の分配を調節するステップとを
備える、方法。 - 【請求項14】 請求項13による方法において、前記比較するステップが
、 前記複数のノズルの全てから境界材料を選択的に分配することにより基準壁
を構成し、該基準壁が複数の基準層を備え、該複数の基準層の各々が前記相応す
るモデル層を付着する過程の間に付着されるようにするステップを含む、方法。
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