JP2015016689A - ３次元対象物を回転する表面に印刷するためのデジタル製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】対象物を形成するためにステージを横切って印字ヘッドをスキャンする必要がない３次元プリンタの提供。【解決手段】壁３２を有する中空部材２４と、第１の印字ヘッド２８が壁３２の内部表面上に材料を射出することができるように中空部材２４内に装着される第１の印字ヘッド２８と、中空部材２４の壁３２を印字ヘッド２８の周りに回転させるように中空部材２４に動作可能に接続される第１のドライバ４０と、第１の印字ヘッド２８及び第１のドライバ４０に動作可能に接続されるコントローラ５８と、を備え、コントローラ５８は、中空部材２４を回転させるために第１のドライバ４０を動作させるように、及び、壁１１の前記内部表面上へ材料を射出し、壁１１が第１の印字ヘッド２８の周りを回転するにつれて壁１１の上に材料層を構築するために第１の印字ヘッド２８を動作させるように構成される３次元プリンタ１００。【選択図】図２

Description

この文書に開示される機器は、一般的には３次元プリンタに関し、より詳しくは、動く表面上に３次元対象物を生成するための機器に関する。

デジタル３次元製造は、デジタル付加製造としても知られ、デジタルモデルから実質的に任意の形状の３次元固体対象物を作製するプロセスである。３次元印刷は、連続する材料層が異なる形状で基板上に形成される付加するプロセスを用いて達成される。３次元印刷は、伝統的な対象物形成技術と区別することができる。伝統的な対象物形成技術は、切削またはドリル加工などの取り除くプロセスによってワークピースから材料を除去することに大部分依存している。

しかし、既存の３次元システムは、遅くて、著しい無駄を発生する生産技術を用いる。最高水準の技術のシステムは、対象物を形成するために単一のスキャンする印字ヘッドがその上に材料層をゆっくりと堆積させる平坦なステージ領域を用いる。印字ヘッドは、典型的にはステージより実質的に小さく、対象物の各層を形成するために、ステージの前後に複数回スキャンしなければならない。スキャン動作は、家庭用インクジェットプリンタが動作する方法に類似しており、３次元プリンタが対象物を生成することができる速度に厳しい制約を課す。対象物を形成するためにステージを横切って印字ヘッドをスキャンする必要がなくなるように、３次元プリンタを改良することが望ましい。

３次元対象物を生成するための機器の第１の実施形態を開発した。機器の第１の実施形態は、壁を有する中空部材と、第１の印字ヘッドが壁の内部表面上に材料を射出することができるように中空部材内に装着される第１の印字ヘッドと、中空部材の壁を印字ヘッドの周りに回転させるために、中空部材に動作可能に接続される第１のドライバと、第１の印字ヘッドおよび第１のドライバに動作可能に接続されるコントローラと、を備える。コントローラは、中空部材を回転させるために第１のドライバを動作させるように、および、壁の内部表面上へ材料を射出し、壁が第１の印字ヘッドの周りを回転するにつれて壁の上に材料層を構築するために第１の印字ヘッドを動作させるように構成される。

図１は、３次元対象物を生成するためのプリンタの第１の実施形態の斜視図である。 図２は、基板の回転軸に対して、回転する基板および少なくとも１つの印字ヘッドの方向を示す図１のプリンタの平面図である。 図３は、基板の回転軸に対して、回転する基板および少なくとも１つの印字ヘッドの方向を示す、図２のプリンタの線Ａ−Ａに沿った部分的断面図である。 図４は、図１のプリンタの第２の実施形態の平面図である。 図５は、基板の回転軸に対して、回転基板および少なくとも１つの印字ヘッドの方向を示す、図４のプリンタの線Ｂ−Ｂに沿った部分的断面図である。 図６は、図１のプリンタの第３の実施形態の平面図である。 図７は、基板の回転軸に対して、回転基板および少なくとも１つの印字ヘッドの方向を示す、図６のプリンタの線Ｃ−Ｃに沿った部分的断面図である。 図８は、図４のプリンタの第２の実施形態で形成される３次元対象物に作用する力の模式的な図である。 図９は、図１のプリンタの第１の実施形態で形成される３次元対象物に作用する力の模式的な図である。

図１および図２は、３次元対象物２０を生成するためのプリンタ１００の第１の実施形態を示す。プリンタ１００は、回転可能な中空部材２４を支持するように構成される外側フレーム２２および中空部材２４内で第１の印字ヘッド２８（図２）を支持するように構成される内側フレーム２６を含む。外側フレーム２２は、中空部材２４が軸３０の周りに内側フレーム２６に対して回転することができるようにさらに構成される。中空部材２４は、軸３０を囲む連続した内部表面３４または基板を形成する少なくとも１つの壁３２を有する。中空部材２４が軸３０の周りに回転（矢印３６の方向に）することによって、壁３２の内部表面３４の一部が第１の印字ヘッド２８を通過してプロセス方向３８（図２）に移動する。中空部材２４内に第１の印字ヘッド２８を配置することによって、第１の印字ヘッド２８が、一般的に軸３０から離れた方向に、壁３２の内部表面３４上に材料を射出することができる。本明細書において、「プロセス方向」という用語は、中空部材２４が軸３０の周りに回転する場合に、壁３２の内部表面３４の任意の位置の接線表面速度と同じ方向を意味する。

プリンタ１００は、中空部材２４に動作可能に接続される第１のドライバ４０および第１の印字ヘッド２８に動作可能に接続される第２のドライバ４２をさらに含む。第１のドライバ４０は、中空部材２４の壁３２を第１の印字ヘッド２８の周りに回転させるように構成される。一実施形態では、第１のドライバ４０は、１つ以上のモーター駆動のギアを介して中空部材２４を回転させるように構成される電気機械モーターである。他の実施形態では、第１のドライバ４０は、移動する磁場を生成することによって中空部材２４を回転させるように構成される磁気駆動システムである。さらに別の実施形態では、第１のドライバ４０は、圧力媒体の圧力差を生成することによって中空部材２４を回転させるように構成される空気圧または油圧システムである。

第２のドライバ４２は、第１の印字ヘッド２８の位置を中空部材２４の壁３２に対して移動させるように構成される。一実施形態では、第２のドライバ４２は、壁３２の内部表面３４に平行な方向に第１の印字ヘッド２８を移動させる。いくつかの実施形態では、第２のドライバ４２は、壁３２の内部表面３４の幅を横切るクロスプロセス方向４４（図３）に第１の印字ヘッド２８を移動させる。本明細書において、「クロスプロセス方向」という用語は、プロセス方向３８に対して垂直であり、壁３２の平面内にある方向を意味する。

別の実施形態では、第２のドライバ４２は、壁３２の内部表面３４に垂直なｚ方向４６に第１の印字ヘッド２８を移動させる。いくつかの実施形態では、ｚ方向４６は軸３０に対して垂直である。他の実施形態では、ｚ方向４６は軸３０に対して傾斜している。第１の印字ヘッド２８がｚ方向４６に動くことによって、第１の印字ヘッド２８が中空部材２４の内部表面３４から最も遠い射出された材料層から離れて一定の距離またはギャップを保持することができる。軸３０に関するｚ方向４６および壁３２の内部表面３４の方向については、以下でさらに詳細に述べる。

一実施形態における第１の印字ヘッド２８は、中空部材２４の全幅にわたってクロスプロセス方向４４に材料を射出することができる全幅印字ヘッドである。別の実施形態では、プリンタ１００は、中空部材２４内に装着される１つ以上の付加的な全幅印字ヘッド４８を含み、内部表面３４が各印字ヘッドを通過して回転するにつれて、付加的な印字ヘッド４８の各々が壁３２上に材料を射出することができる。この実施形態における第１の印字ヘッド２８および付加的な印字ヘッド４８は、中空部材２４の回転によって定義される円周方向に互いに間隔を置いて配置される。円周方向に間隔を置くことで形成される印字ヘッド２８、４８の複数のラインによって、印字ヘッド２８、４８がより速いプロセス速度で３次元対象物を形成し、色、導電率など様々な特性を有する１つ以上の異なるタイプの材料を射出することができる。印字ヘッド２８、４８の複数のラインから異なるタイプの材料を射出することによって、プリンタ１００が３次元対象物を構築するための同じ層または異なる層上に様々なタイプの材料を射出することによって複雑なパーツを形成することができる。

別の実施形態における第１の印字ヘッド２８は、クロスプロセス方向４４に中空部材２４の幅の一部に材料を射出することができる部分幅印字ヘッドである。この実施形態における第１の印字ヘッド２８は、第１の印字ヘッド２８が中空部材２４の幅を横切って材料を射出することができるように、クロスプロセス方向４４に内部表面３４に対して平行に移動する。いくつかの実施形態では、第１の印字ヘッド２８がクロスプロセス方向４４に移動することによって、プリンタが複数の別々の、または隣接する垂直なリングを中空部材２４の内部表面３４上に形成することができる。他の実施形態では、第１の印字ヘッド２８がクロスプロセス方向４４に移動することによって、プリンタ１００が螺旋または理髪店の看板柱パターンを中空部材２４の内部表面３４上に形成することができる。第１の印字ヘッド２８が部分幅印字ヘッドである別の実施形態では、プリンタ１００は、中空部材２４内に装着され、第１の印字ヘッド２８に隣接して配置される１つ以上の付加的な部分幅印字ヘッド４８を含む。印字ヘッド４８は、クロスプロセス方向４４に中空部材２４の全幅にわたって継ぎ目なく材料を射出するように配列される。プリンタ１００は、円周方向に間隔を置いた部分幅印字ヘッド２８、４８の１つもしくは複数のラインまたは全幅印字ヘッド２８、４８の１つもしくは複数のラインを含むことができ、印字ヘッド２８、４８のそれぞれのラインから同じまたは異なるタイプの材料を射出することができる。

一実施形態では、プリンタ１００は、プリンタ１００がマルチチャネル印字ヘッドから中空部材２４上に１つ以上の異なるタイプの材料を射出することを可能にする、少なくとも１つのマルチチャネル印字ヘッドを有する。一実施形態におけるマルチチャネル印字ヘッドは、第１のチャネルから中空部材２４の内部表面３４上に、ポリ乳酸（ＰＬＡ）材料、ナイロン材料、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）材料、および金属粒子のうちの１つまたは複数を射出するように構成される。マルチチャネル印字ヘッドは、第２のチャネルから中空部材２４上に、または中空部材２４上に射出された１つ以上の１つ以上の材料層上に、除去可能な支持足場を射出するようにさらに構成される。一実施形態における射出された支持足場は、摩耗、切削および研磨を含むがこれらに限定されない１つ以上の差し引くプロセスによって除去することができる。別の実施形態では、射出された支持足場は、化学的または熱的溶解プロセスにより除去することができる。

プリンタ１００は、第１のドライバ４０が軸３０の周りに中空部材２４を回転させるにつれて、中空部材２４の累積的な位置および周期的な平均速度を決定するためのモニタリングシステムをさらに含む。モニタリングシステムは、中空部材２４に動作可能に接続される位置エンコーダ５０を含む。エンコーダ５０は、インデックスマークが軸３０の周りを回転するにつれて、中空部材２４のインデックスマークの角度位置を表す一連の周期信号を生成するように構成される。また、モニタリングシステムは、エンコーダ信号の最大周波数より大きい周波数でクロックパルスを発生させるように構成される高周波クロック、および所定のサンプル間隔の合計時間を制御するためのタイマーを含む。また、モニタリングシステムは、完了した整数のエンコーダ信号周期の数を累算するためのカウンタ、および最後の整数のエンコーダ周期とサンプル間隔の終わりとの間の完了したエンコーダ信号周期の分数部分のサイズを決定するように構成される算術論理ユニットを含む。

中空部材２４の回転速度は、整数のエンコーダ信号周期の数とエンコーダ周期の分数部分との合計を計算し、その合計を所定のサンプル間隔で割ることによって決定される。中空部材２４の累積的な位置は、整数のエンコーダ信号周期の数とエンコーダ周期の分数部分との合計にエンコーダ位置変換係数を掛けることによって決定される。いくつかの実施形態では、中空部材２４の不完全性による反復可能な周期的偏心、または対象物の構造による既知の計算可能なばらつきを補償するために、ルックアップ補正による較正がエンコーダ信号に追加される。回転体の累積的な位置および周期的な平均速度を決定するためのシステムに関する詳細は、Ｒａｊ ｅｔ ａｌ．による米国特許第５，２３７，５２１号に見いだされる。上記の開示は完全に参照することによって本明細書に全体として組み込まれる。

図３は、軸３０に対して中空部材２４の壁３２の方向を示すために、図２のプリンタ１００の第１の実施形態の線Ａ−Ａに沿った部分的断面図である。本開示の目的のために、「垂直」という相対的方向は、一般に図面の横縁に平行な方向を指し、「水平」という相対的方向は、一般に図面の上縁および下縁に平行な方向を指す。本明細書で用いる垂直方向は、重力が対象物に作用する方向に実質的に平行である。

プリンタ１００の第１の実施形態の中空部材２４の壁３２は、軸３０に平行である。図３には中空部材２４の軸３０を垂直方向に示しているが、軸３０を他の方向とすることが可能であり、例えば水平な方向あるいは水平方向と垂直方向との間の方向とすることができる。図３には、軸３０の右側に１つの部分幅印字ヘッド２８および軸３０の左側に２つのクロスプロセスの間隔をあけた部分幅印字ヘッド４８を有するプリンタ１００を示しているが、プリンタ１００は、３次元対象物を形成するための、部分幅および全幅印字ヘッドの任意の数および組合せを含むことができる。プリンタ１００の第１の実施形態を用いている３次元対象物の印刷は、射出された材料に作用する重力と、中空部材２４の内部表面３４上へ射出される材料の回転から生じる反力とのバランスに関係する。重力と反力とのバランスは、後でさらに詳細に述べる。

図２および図３を参照すると、一実施形態のプリンタ１００は、センサ５１と中空部材２４の内部表面３４から最も遠い射出された材料層との間のギャップの距離に対応する信号を生成するように構成される少なくとも１つのギャップセンサ５１をさらに含む。図示した本実施形態のセンサ５１は、センサ５１によって生成される信号が第１の印字ヘッド２８と内部表面３４から最も遠い材料層との間のギャップの距離に対応するように、第１の印字ヘッド２８の印刷面５３と同一平面上に配置される。別の実施形態におけるセンサ５１は、印字ヘッドの印刷面５３から既知の距離だけ間隔を置いて配置される。この配置によって、第１の印字ヘッド２８と内部表面３４から最も遠い材料層との間のギャップの距離を、センサ５１によって生成される信号および印刷面５３とセンサ５１との既知の間隔から決定することができる。いくつかの実施形態におけるギャップセンサ５１は接触覚センサであり、他の実施形態におけるギャップセンサ５１は非接触覚センサである。

図４は、軸３０の方向から見た、３次元対象物を生成するためのプリンタ２００の第２の実施形態を示す。プリンタ２００の第２の実施形態は、中空部材２４の壁３２が円筒状ではなく円錐状であることを除けば、図１〜図３に示すプリンタ１００の第１の実施形態に実質的に類似する。中空部材２４の壁３２の内部表面３４は、プリンタ２００の最上部の近くの上部エッジ４９とプリンタ２００の底部の近くの軸方向に間隔を置いた下部エッジ５５との間に延在する。下部エッジ５５の直径は、上部エッジ４９の直径より小さい。上部エッジ４９および下部エッジ５５の直径が異なることで、壁３２の内部表面３４がプリンタ２００の底部ではプリンタ２００の最上部におけるよりも軸３０により近く配置され、それによって軸３０に向かって内部表面３４に角度を付ける。

図５は、軸３０に対して中空部材２４の壁３２の方向をさらに示すために、図４のプリンタ２００の第２の実施形態の線Ｂ−Ｂに沿った部分的断面図である。図５に示すように、中空部材２４の壁３２は、軸３０に対して傾斜した方向を有する。中空部材２４の壁３２を軸３０に対してある特定の角度をもって示しているが、壁３２は軸３０について平行な方向と垂直な方向との間の任意の角度を有することができる。第２のドライバ４２および印字ヘッド２８、４８も、印字ヘッドが壁３２の勾配に平行になるように、壁３２に対してある角度に配置される。図５には、軸３０の右側に１つの部分幅印字ヘッド２８および軸３０の左側に２つのクロスプロセスの間隔をあけた部分幅印字ヘッド４８を有するプリンタ２００を示しているが、プリンタ２００は、３次元対象物を形成するための、部分幅および全幅印字ヘッドの任意の数および組合せを含むことができる。プリンタ２００の第２の実施形態を用いている３次元対象物の印刷は、射出された材料に作用する重力と、中空部材２４の内部表面３４上へ射出される材料の回転から生じる反力とのバランスに関係する。重力と反力とのバランスは、後でさらに詳細に述べる。

図６は、３次元対象物を生成するためのプリンタ３００の第３の実施形態を示す。プリンタ３００は、回転可能な円形部材５２を支持するように構成されるベースおよび円形部材５２の外径内に第１の印字ヘッド２８を支持するように構成されるフレーム５４を含む。ベースは、円形部材５２が軸３０（図７）の周りにフレーム５４に対して回転できるようにさらに構成される。円形部材５２は、プリンタ３００の軸３０を囲む少なくとも１つの連続した最上面５６または基板を有する。円形部材５２が軸３０の周りに回転する（矢印３６の方向に）ことによって、円形部材５２の最上面５６の一部が第１の印字ヘッド２８を通過してプロセス方向３８に動く。円形部材５２の外径内に第１の印字ヘッド２８を配置することによって、第１の印字ヘッド２８が、一般的に軸３０に平行な方向に、円形部材５２の最上面５６上に材料を射出することができる。本明細書において、「プロセス方向」という用語は、円形部材５２が軸３０の周りに回転する場合に、円形部材５２の最上面５６の任意の所与の位置の接線表面速度と同じ方向を意味する。

プリンタ３００は、円形部材５２に動作可能に接続される第１のドライバ４０および第１の印字ヘッド２８に動作可能に接続される第２のドライバ４２をさらに含む。第１のドライバ４０は、第１の印字ヘッド２８を通過して、円形部材５２の最上面５６を回転させるように構成される。図１〜図３に関して上述したように、第１のドライバ４０は、電気機械モーター、磁気駆動システム、空気圧もしくは油圧システム、または円形部材５２を軸３０の周りに回転させるように構成されるいかなる機器またはシステムであってもよい。

第２のドライバ４２は、円形部材５２の最上面５６に対して第１の印字ヘッド２８の位置を移動するように構成される。一実施形態では、第２のドライバ４２は、円形部材５２の最上面５６に平行な方向に第１の印字ヘッド２８を移動させる。いくつかの実施形態では、第２のドライバ４２は、円形部材５２の最上面５６の幅を横切るクロスプロセス方向４４に印字ヘッドを移動させる。本明細書において、「クロスプロセス方向」という用語は、プロセス方向３８に対して垂直な方向を意味する。

図７は、プリンタ３００の構成要素の相対的方向を示すために、図６のプリンタ３００の第３の実施形態の線Ｃ−Ｃに沿って切断した一部分の断面図を示す。図７に示すように、円形部材５２の最上面５６は、軸３０に垂直である。本実施形態における第１の印字ヘッド２８は、軸３０に沿った部分的断面図である。第２のドライバ４２は、円形部材５２の最上面５６に垂直であって軸３０に平行なｚ方向４６に第１の印字ヘッド２８を動かすようにさらに構成される。第１の印字ヘッド２８がｚ方向４６に動くことによって、第１の印字ヘッド２８が円形部材５２の最上面５６から最も遠い射出された材料層から離れて一定の距離またはギャップを保持することができる。別の実施形態では、円形部材５２の最上面５６は、一定のギャップを保持するために第１の印字ヘッド２８から離れて低くなるように構成される。

プリンタ１００、２００の第１および第２の実施形態と同様に、プリンタ３００の第３の実施形態は、印字ヘッドが円形部材５２の最上面５６上に材料を射出することを可能にするために、円形部材５２の外径内に装着される１つ以上の付加的な印字ヘッド４８を含むことができる。第１の印字ヘッド２８および１つ以上の付加的な印字ヘッド４８は、全幅印字ヘッド、部分幅印字ヘッド、または全幅および部分幅印字ヘッドの任意の組合せであってもよい。

第１の印字ヘッド２８が部分幅印字ヘッドである一実施形態では、第１の印字ヘッド２８が円形部材５２の幅を横切って材料を射出できるように、第１の印字ヘッド２８はクロスプロセス方向４４に最上面５６に対して平行に移動する。いくつかの実施形態では、第１の印字ヘッド２８が移動することで、プリンタ３００が複数の隣接する、または別々の垂直なリングを円形部材５２の最上面５６の上に形成することができる。他の実施形態では、第１の印字ヘッド２８が移動することによって、プリンタ３００が螺旋または理髪店の看板柱パターンを円形部材５２の最上面５６上に形成することができる。複数の印字ヘッドを有する一実施形態では、第１の印字ヘッド２８および１つ以上の付加的な印字ヘッド４８は、円形部材５２の回転によって定義される円周方向に互いに間隔を置いて配置される。円周方向に間隔を置くことで形成される印字ヘッドの複数のラインによって、印字ヘッド２８、４８が例えば色、導電率などの様々な特性を有する１つ以上の異なるタイプの材料を射出することができる。印字ヘッドの複数のラインから異なるタイプの材料を射出することによって、プリンタ３００が３次元対象物を構築するための同じ層または異なる層上に様々なタイプの材料を射出することによって複雑なパーツを形成することができる。複数の印字ヘッドを含む別の実施形態では、第１の印字ヘッド２８および１つ以上の付加的な印字ヘッド４８は互いに隣接して配置され、そのようにして、印字ヘッド２８、４８がクロスプロセス方向４４に円形部材５２の全幅にわたって継ぎ目なく材料を射出するように配列される。

一実施形態では、プリンタ３００は、プリンタ３００がマルチチャネル印字ヘッドから円形部材５２上に１つ以上の異なるタイプの材料を射出することを可能にする、少なくとも１つのマルチチャネル印字ヘッドを有する。一実施形態におけるマルチチャネル印字ヘッドは、第１のチャネルから円形部材５２の最上面５６上に、ポリ乳酸（ＰＬＡ）材料、ナイロン材料、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）材料、および金属粒子のうちの１つまたは複数を射出するように構成される。マルチチャネル印字ヘッドは、第２のチャネルから円形部材５２上に、または円形部材５２上に射出された１つ以上の材料層上に、除去可能な支持足場を射出するようにさらに構成される。一実施形態における射出された支持足場は、摩耗、切削および研磨を含むがこれらに限定されない１つ以上の取り除くプロセスによって除去することができる。別の実施形態では、射出された支持足場は、化学的または熱的溶解プロセスにより除去することができる。

図６および図７を参照すると、一実施形態のプリンタ３００は、センサ５１と円形部材５２の最上面５６から最も遠い射出された材料層との間のギャップの距離に対応する信号を生成するように構成される少なくとも１つのギャップセンサ５１をさらに含む。図示した本実施形態のセンサ５１は、センサ５１によって生成される信号が第１の印字ヘッド２８と最上面５６から最も遠い材料層との間のギャップの距離に対応するように、第１の印字ヘッド２８の印刷面５３と同一平面上に配置される。別の実施形態におけるセンサ５１は、印字ヘッドの印刷面５３から既知の距離だけ間隔を置いて配置される。この配置によって、第１の印字ヘッド２８と最上面５６から最も遠い材料層との間のギャップの距離を、センサ５１によって生成される信号および印刷面５３とセンサ５１との既知の間隔から決定することができる。いくつかの実施形態におけるギャップセンサ５１は接触覚センサであり、他の実施形態におけるギャップセンサ５１は非接触覚センサである。

プリンタ１００、２００、３００の様々なサブシステム、構成部品および機能の動作および制御は、コントローラおよびメモリの助けにより実行される。特に、コントローラは、基板の速度および位置をモニタして、１つ以上の印字ヘッドから材料を射出するタイミングを決定する。コントローラは、プログラムされた命令を実行する、一般的または専門的なプログラマブルプロセッサを用いて実装することができる。コントローラはメモリに動作可能に接続され、コントローラが命令を読み出し、メモリ中のプログラムされた機能を実行するために必要なデータの読み出しおよび書き込みを行うことができる。これらの構成部品は、プリント回路カードで提供されてもよく、あるいは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の回路として提供されてもよい。回路の各々が別々のプロセッサで実装されてもよく、あるいは複数の回路が同じプロセッサに実装されてもよい。あるいは、回路が個別部品またはＶＬＳＩ回路で提供される回路を用いて実装されてもよい。また、本明細書に記載した回路は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、個別部品、またはＶＬＳＩ回路の組合せを用いて実装されてもよい。

コントローラ５８は、第１の印字ヘッド２８、第１のドライバ４０、第２のドライバ４２、およびエンコーダ５０に動作可能に接続される。コントローラ５８は、３次元プリンタ１００、２００、３００を動作させて３次元対象物を生成するために、メモリに格納されたプログラムされた命令を実行するように構成される。以下の議論では、「基板」という用語は、中空部材２４の内部表面３４（図１〜図５）および円形部材５２の最上面５６（図６および図７）を集合的に指す。また、「プリンタ」」という用語は、上述したプリンタ１００、２００、３００の第１（図１〜図３）、第２（図４および図５）、および第３（図６および図７）の実施形態を集合的に指す。

コントローラ５８は、基板３４、５６を一定の角速度で回転させるように第１のドライバ４０を動作させる。プリンタ１００の第１の実施形態では、基板３４、５６上の全ての位置が軸３０から近似的に同じ距離に位置するので、基板３４、５６全体にわたって任意の位置の表面速度は同じになる。プリンタ２００、３００の第２および第３の実施形態では、基板３４、５６のいくつかの位置は軸３０からの距離が他の位置とは異なるので、基板３４、５６全体の表面速度は変化する。

基板３４、５６全体の変化する表面速度に対応するために、一実施形態のコントローラ５８は、軸３０から所定の距離における所定の表面速度を保持する。この実施形態では、所定の距離より軸３０に近い基板３４、５６上の位置では、表面速度が所定の距離における速度より遅くなる。対照的に、所定の距離より軸３０から遠い基板３４、５６上の位置では、表面速度が所定の距離における速度より速くなる。別の実施形態では、コントローラ５８は第１のドライバ４０を基板３４、５６の角速度を調整するように動作させて、動作している印字ヘッドの所定の位置の反対側の基板３４、５６の一部が所定の表面速度で所定の位置を通過するようにする。

第１のドライバ４０が基板３４、５６を一定の角速度で回転させるにつれて、コントローラ５８は第１の印字ヘッド２８を基板３４、５６上に材料を射出するように動作させる。第１の印字ヘッド２８は、３次元対象物を生成するための材料層を構築するように、選択的または連続的に動作させることができる。コントローラ５８は、基板３４、５６の角度位置の関数として、選択的に印字ヘッドを動作させるために、モニタリングシステムから挿入されたエンコーダ信号を用いる。また、コントローラ５８は、基板３４、５６全体の速度変化を補償するように基板３４、５６の角速度を調整するために、挿入されたエンコーダ信号を用いる。コントローラ５８が所定の速度を保持する所定の位置から半径方向に離れたところにある、動作している印字ヘッドの位置における異なる実効的な速度を説明するために、いくつかの実施形態では画像処理ビットマップを修正することができる。

一実施形態のコントローラ５８は、印字ヘッドから射出された１つ以上の材料層を硬化することを可能にするために、基板３４、５６の１回または複数回の回転の後に基板３４、５６上に材料を射出するように、第１の印字ヘッド２８を選択的に動作させる。別の実施形態では、コントローラ５８は、直近に射出された材料の硬化またはキュアリングを可能にするために、基板３４、５６の回転を一時的に停止または中断するように、第１のドライバ４０を動作させる。別の実施形態では、直近に射出された材料を硬化させるために、後続の層が第１の印字ヘッド２８から射出される前にレーザー焼結プロセスを実行する。

コントローラ５８は、基板３４、５６上に形成される対象物のデジタル画像によって駆動されるほぼ一定の周波数で、第１の印字ヘッド２８に射出させる。一実施形態では、コントローラ５８は、約３９キロヘルツの周波数で印字ヘッドを動作させる。他の実施形態では、コントローラ５８は、３９キロヘルツより高い、またはそれより低い周波数で印字ヘッドを動作させる。印字ヘッド動作周波数は、典型的には、いくつかのシステムパラメータに関連して選択される。これらのパラメータは、生成する３次元対象物の複雑さおよび／またはサイズ、３次元対象物を生成するために用いる基板および／またはプリンタのサイズ、ならびに３次元対象物の層を構築するために用いる１つ以上の材料の性質および特性を含むが、これらに限定されるものではない。

コントローラ５８は、第１の印字ヘッド２８のｚ方向４６の位置を調整するために、第１の印字ヘッド２８から各材料層までの距離を特定する。一実施形態のコントローラ５８は、基板３４、５６上に射出される材料の位置、量および性質に基づいて距離を推定する。別の実施形態では、コントローラ５８は、ギャップセンサ５１によって生成された信号を参照して、基板３４、５６から最も遠い材料層の距離を特定する。一実施形態のギャップセンサ５１は、印字ヘッドの動きによってセンサ５１も動くように第１の印字ヘッド２８に固定される。他の実施形態では、ギャップセンサ５１は、センサ５１から基板までの距離が一定にとどまるようにフレーム２６、５４に固定される。ギャップセンサ５１を実装する全ての実施形態において、基板に関するセンサ５１の位置は、基準点として較正され、メモリに記憶される。

コントローラ５８は、印字ヘッドと基板３４、５６から最も遠い射出された材料層との間の所定のギャップを保持するために、第１の印字ヘッド２８をｚ方向４６に動かすように、特定された距離を参照して第２のドライバ４２を動作させる。所定のギャップによって、プリンタ１００、２００、３００が３次元対象物を形成するための一貫した条件を、コントローラ５８が保持することができる。所定のギャップによって、コントローラ５８が、第１の印字ヘッド２８から基板３４、５６または既存の材料層までの予測可能な飛行時間で、第１の印字ヘッド２８から材料を射出することができる。また、所定のギャップによって、コントローラ５８が回転する対象物から引き込まれる空気を説明することができる。さらに所定のギャップによって、すでに基板上に射出された材料が第１の印字ヘッド２８を通過する場合に、衝突の発生を防止する。一実施形態では、第２のドライバ４２は、挿入されたエンコーダ出力およびギャップセンサ５１の１つまたは複数を参照して、コントローラ５８によって動作するステップモーターとして実現される。いくつかの実施形態では、印字ヘッドのｚ方向４６の動きは、基板３４、５６の回転中は、滑らかであり、あるいは連続的である。他の実施形態では、印字ヘッドのｚ方向４６の動きは別々の動きであって、例えば、基板３４、５６が印字ヘッドを通過する回転が完了するごとに別々の並進移動が成される。

いくつかの実施形態のコントローラ５８は、第１の印字ヘッド２８を基板３４、５６に対してクロスプロセス方向４４に動かすように、第２のドライバ４２を動作させる。クロスプロセス方向の動きによって、印字ヘッドが、クロスプロセス方向４４に固定された印字ヘッドで可能であるよりも高いクロスプロセス解像度で材料を射出することができる。いくつかの実施形態では、印字ヘッドのクロスプロセス方向４４の動きは、基板３４、５６の回転中は、滑らかであり、あるいは連続的である。他の実施形態における印字ヘッドのクロスプロセス方向４４の動きは別々の動きであって、例えば、基板３４、５６が動作可能な印字ヘッドを通過する回転が完了するごとに別々の並進移動が成される。さらに他の実施形態では、印字ヘッドのクロスプロセス方向４４の動きは、印字ヘッドが中空部材２４の幅に沿って均一で連続的な射出を形成するように、連続もしくは螺旋運動および個別の運動の組合せを含む。

様々なプリンタの実施形態の基板方向、重力、および射出された材料に作用する向心力は、３次元対象物を生成する際に、特徴のずれもしくは弛みなどの対象物の欠陥、またはプリンタ１００、２００および３００から射出される材料の方向のずれを回避するために考慮される。さらなる材料層が基板３４、５６上に堆積するにつれて向心力が変化するので、向心力を考慮することは有益である。いくつかの実施形態では、ピクセル位置および／または印字ヘッドから材料を射出するタイミングを調整して、様々な力による対象物の特徴の弛みまたはずれを補償するために、コントローラ５８がソフトウェアマッピング処理を実行することができる。いくつかの実施形態では、特徴欠陥を回避するための調整を特定するために、対象物画像ファイルの有限要素モデル計算を実行する。対象物がその形成中に転倒しないことを確実にするために、ロールオーバー計算を実行することもできる。

重力または向心力によって対象物が基板３４、５６上で滑らないことを確実にするために、３次元対象物を生成する際に、基板３４、５６と基板３４、５６に隣接した射出された材料の一部との間の摩擦力も考慮される。いくつかの実施形態では、高摩擦表面を有する基板３４、５６を構成することによって滑ることを回避する。しかし、高摩擦表面は、完成した３次元対象物を基板３４、５６から取り外すことをますます困難にするおそれがある。

図８は、対象物がプリンタ２００（図４および図５）の第２の実施形態の基板３４、５６に載置されている場合に、一般的な対象物２０に作用する様々な力を示す。図は、重力に平行な鉛直軸に対して任意角（θ）を有する基板３４、５６を示す。重力（Ｆ_ｇ）は鉛直方向に向き、基板面内のベクトル（Ｆ_ｇｐ）と基板面に垂直なベクトル（Ｆ_ｇｎ）とに分解される。ここで、Ｆ_ｇｐ＝Ｆ_ｇｃｏｓθであり、Ｆ_ｇｎ＝Ｆ_ｇｓｉｎθである。見かけ上の遠心力（Ｆ_ｃ）は軸３０に垂直な方向に向き、基板面内の軸３０から離れる方向に向くベクトル（Ｆ_ｃｐ）と基板面に垂直なベクトル（Ｆ_ｃｎ）とに分解される。ここで、Ｆ_ｃｐ＝Ｆ_ｃｓｉｎθであり、Ｆ_ｃｎ＝Ｆ_ｃｃｏｓθである。対象物に作用する重力（Ｆ_ｇｎ）の法線力成分および対象物に作用する見かけ上の遠心力（Ｆ_ｃｎ）の法線力成分の合計は、基板上の対象物の法線力（Ｆ_ｎ）に等しい。ここで、Ｆ_ｎ＝Ｆ_ｇｎ＋Ｆ_ｃｎである。

いくつかの実施形態では、対象物が軸３０の周りに回転する際に対象物を所定の位置に保持するために、対象物と基板３４、５６との間の静止摩擦が十分であるように、プリンタ１００、２００、３００は対象物に作用する力のバランスをとるように構成される。表１は、プリンタ２００により生成される対象物に作用する力を近似的にバランスさせるために、プリンタ２００の第２の実施形態で用いられる設計パラメータの一例を示す。

表１に示すように、基板３４は５００ｆｔ／ｍｉｎの表面速度で回転する。表に示す静止摩擦係数０．４５は、スチール基板上に射出されるポリエステル熱可塑性材料の静止摩擦係数の範囲のほぼ中間点である。一実施形態では、必要に応じて静止摩擦係数を約０．５から０．６までの範囲に増加させるために、業界標準の高摩擦コーティングを基板に適用する。表１に記載したシステムの基板３４は、プリンタ２００の軸３０から３０インチの半径を有する。射出された材料に作用する重力と遠心力とのバランスをとるために、基板の角度（θ）は、鉛直線から約３０度である。角度をもつ基板は、プリンタ２００によって形成される対象物の表面において速度差をもたらす。０．１ｍのクロスプロセス長さを有する対象物では、軸３０に最も近い対象物の底部から、軸３０から最も遠い対象物の最上部までで、約７％の速度差が存在する。いくつかの実施形態では、基板の角度（θ）は、軸３０からの基板の半径を小さくすることによって小さくなる。

表２は、プリンタ１００により生成される対象物に作用する力を近似的にバランスさせるために、プリンタ１００の第１の実施形態で用いられる設計パラメータの一例を示す。

表２に示すように、基板３４は５００ｆｔ／ｍｉｎの表面速度で回転する。表に示す静止摩擦係数０．４５は、スチール基板上に射出されるポリエステル熱可塑性材料の静止摩擦係数の範囲のほぼ中間点である。プリンタ１００の第１の実施形態のサイズは、対象物に作用する遠心力を最大にするために、プリンタ２００の第２の実施形態のそれより典型的に小さい。対象物に作用する重力より大きい反作用摩擦力を生成するために、回転する対象物に作用する遠心力が十分であることを確実にするように、基板３４のサイズが設定される。表２に示すように、プリンタ１００の第１の実施形態の基板３４は、プリンタ１００の軸３０からの半径が約９．８４インチになるようにサイズが設定される。

プリンタ１００の第１の実施形態は、本明細書で開示されるプリンタ２００、３００の他の実施形態より一般に小さいが、基板３４の全ての位置が軸３０から等間隔に設けられるので、プリンタ１００の第１の実施形態によって形成される対象物は、その表面全体にわたって速度差を感じない。表２に記載したプリンタ１００の基板３４は、そのより小さいサイズにも関わらず、他の実施形態と比較して、対象物生産のための実質的な表面積を有する。一実施形態では、例えば、プリンタ１００の第１の印字ヘッド２８は、約３インチの基板３４全体にわたってクロスプロセス方向４４に材料を射出する。１０インチの半径の基板３４を有するシステムでは、印字ヘッドは約１．２５平方フィートの表面積を超える基板３４上に材料を射出することができて、それは既存の生産システムと同等である。クロスプロセス方向４４の第１の印字ヘッド２８に隣接した１つ以上の印字ヘッド４８をさらに追加することによって、単一バッチで多くの別々の対象物を形成する可能性をもつ拡張性のあるアーキテクチャが可能になる。

表３は、プリンタ３００により生成される対象物に作用する力を近似的にバランスさせるために、プリンタ３００の第３の実施形態で用いられる設計パラメータの一例を示す。

表３に示すように、基板５６は３２５ｆｔ／ｍｉｎの表面速度で回転する。表に示す静止摩擦係数０．３５は、スチール基板上に射出されるポリエステル熱可塑性材料の静止摩擦係数の範囲のほぼ中間点である。プリンタ３００の第３の実施形態のサイズは、対象物に作用する遠心力を最小にするために、プリンタ１００、２００の他の実施形態のそれより典型的に大きい。対象物に作用する重力のみから生じる反作用摩擦力が、基板５６が回転する際に対象物に作用する遠心力に打ち勝つために十分であることを確実にするように、基板５６のサイズが設定される。表３に示すように、プリンタ３００の第３の実施形態の基板５６は、軸３０からの半径が約７８．７４インチになるようにサイズが設定される。

プリンタ３００の第３の実施形態の基板５６の表面速度は、対象物に作用する遠心力を最小化するために、プリンタ１００、２００の他の実施形態のそれよりも典型的に小さい。プリンタ３００によって形成される対象物の表面全体にわたる速度差は、軸３０からの基板５６の半径を大きくすることによって小さくなる。表３に示すように、大きな半径の基板５６は、０．１ｍのクロスプロセス長さを有する対象物全体にわたって約５％の速度偏差を生じる。

一実施形態では、プリンタ１００、２００は、対象物に作用する重力が対象物と基板３４との間に作用する反作用摩擦力を超える重力バイアスシステムとして構成される。プリンタ２００（図８）の第２の実施形態およびプリンタ１００（図９）の第１の実施形態の各々において、基板３４は、レッジ６０と隣接する射出された材料と相互作用するように構成されるレッジ６０を含む。レッジ６０は、対象物２０がレッジ６０を押圧する力に抵抗して、対象物２０が基板３４を横切って滑ることを防止する。対象物２０に作用する遠心力が対象物２０に作用する重力を超える必要はないが、遠心力は対象物２０がレッジ６０上で回転することを防止するために十分に強いことを必要とする。

一実施形態では、プリンタ１００、２００は、プリンタ１００、２００によって形成された１つ以上の３次元対象物２０を受け取って、プリンタ１００、２００から対象物２０を移動させるように構成される搬送機構６２（図１）を含む。この実施形態では、コントローラ５８は、基板３４の角速度を減少させて、完成した対象物２０に作用する重力が対象物に作用する遠心力を超えるように第１のドライバ４０を動作させる。そして、対象物２０は基板３４を横切って搬送機構６２上まで摺動する。プリンタが、対象物の形成中に対象物を支持するレッジ６０を含む実施形態では、完成した対象物がレッジ６０を通過し、搬送機構６２上に摺動することができるように、レッジ６０は基板３４に対して移動可能に構成される。

プリンタ１００のいくつかの実施形態では、軸３０の方向は重力に対して傾斜している。例えば、一実施形態では、軸３０の水平方向は、プリンタ１００の１つ以上の印字ヘッドが重力と実質的に平行な方向に下方へ材料を射出することを可能にする。この実施形態では、形成中に対象物が基板上にとどまることを確実にするために、対象物が軸３０の周りを回転する際に対象物に作用する重力の方向が変化することを考慮しなければならない。そのような考慮は、重力の最大重力成分が対象物を基板から分離するように対象物に作用する場合に、対象物が基板上にとどまることを確実にするために適切な速度を選択することを含む。

プリンタ１００、２００、３００の代替的実施形態では、１つ以上の印字ヘッドは、３次元対象物を形成するために、静止した基板を通過して回転するように構成される。この代替的実施形態では、１つ以上の印字ヘッドは、基板に対して回転するように構成される可動フレーム上に支持される。材料供給はプリンタの軸に沿って設けられ、材料供給ラインが材料供給から１つ以上の印字ヘッドまでインクを届けるように設けられる。コントローラは、材料供給および材料供給ラインと共に可動フレームを軸の周りに回転させるように、少なくとも１つのドライバを動作させる。コントローラは、材料層を構築し、３次元対象物を形成するために、基板上に材料を射出するように、１つ以上の印字ヘッドを動作させる。コントローラは、印字ヘッドが基板を通過して回転する際に、基板に対して１つ以上の印字ヘッドを動かすように、プリンタ１００、２００、３００の第１、第２、および第３の実施形態に関して上述したドライバに類似する付加的なドライバを動作させる。

Claims (10)

1. 壁を有する中空部材と、
   第１の印字ヘッドが前記壁の内部表面上に材料を射出することができるように前記中空部材内に装着される前記第１の印字ヘッドと、
   前記中空部材の前記壁を前記印字ヘッドの周りに回転させるように前記中空部材に動作可能に接続される第１のドライバと、
   前記第１の印字ヘッドおよび前記第１のドライバに動作可能に接続されるコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記中空部材を回転させるために前記第１のドライバを動作させるように、および、前記壁の前記内部表面上へ材料を射出し、前記壁が前記第１の印字ヘッドの周りを回転するにつれて前記壁の上に材料層を構築するために前記第１の印字ヘッドを動作させるように構成される３次元プリンタ。
2. 前記中空部材の前記壁に対して前記第１の印字ヘッドを動かすように前記第１の印字ヘッドに動作可能に接続される第２のドライバをさらに備え、前記コントローラが、前記第２のドライバに動作可能に接続され、前記第１の印字ヘッドを第１の位置から第２の位置まで動かすために前記第２のドライバを動作させるようにさらに構成される、請求項１に記載の３次元プリンタ。
3. 前記第２のドライバが、前記第１の印字ヘッドを前記中空部材の前記壁に対して垂直な方向に前記第１の位置から前記第２の位置まで動かすようにさらに構成される、請求項２に記載の３次元プリンタ。
4. 前記コントローラが、（ｉ）前記中空部材の回転中の連続的な運動および（ｉｉ）前記中空部材の１つもしくは複数の回転の後の少なくとも１つの個別的な運動のうちの１つ以上の運動で、前記第１の印字ヘッドを前記第１の位置から前記第２の位置まで動かすために前記第２のドライバを動作させるようにさらに構成される、請求項３に記載の３次元プリンタ。
5. センサと前記中空部材の前記内部表面から最も遠い射出された材料層との間のギャップの距離に対応する信号を生成するように構成される前記センサをさらに備え、前記コントローラは前記センサに動作可能に接続され、前記コントローラが、
   前記センサによって生成された前記信号を参照して、前記センサから、前記中空部材の前記内部表面から最も遠い射出された前記材料層までの距離を特定するように、および、
   前記特定された距離を参照して、前記中空部材の前記内部表面に対して垂直な方向に前記第１の印字ヘッドを動かし、前記第１の印字ヘッドと前記中空部材の前記内部表面から最も遠い射出された前記材料層との間の所定のギャップを保持するために、前記第２のドライバを動作させるように、さらに構成される、請求項２に記載の３次元プリンタ。
6. 前記第２のドライバが、前記中空部材の前記壁に対して平行な方向に前記第１の位置から前記第２の位置まで前記第１の印字ヘッドを動かすようにさらに構成される、請求項２に記載の３次元プリンタ。
7. 前記コントローラが、（ｉ）前記中空部材の回転中の連続的な運動および（ｉｉ）前記中空部材の１つもしくは複数の回転の後の少なくとも１つの個別的な運動のうちの１つ以上の運動で、前記第１の印字ヘッドを前記第１の位置から前記第２の位置まで動かすために前記第２のドライバを動作させるようにさらに構成される、請求項６に記載の３次元プリンタ。
8. 前記中空部材の前記壁が、前記ドライバが前記中空部材を回転させる軸に対して平行な角度を形成する、請求項１に記載の３次元プリンタ。
9. 前記中空部材の前記壁が、前記ドライバが前記中空部材を回転させる軸に対して傾斜した角度を形成する、請求項１に記載の３次元プリンタ。
10. 前記中空部材に動作可能に接続される位置エンコーダであって、前記位置エンコーダが、前記中空部材の回転位置の関数として交流信号を生成するように構成され、前記コントローラが、前記位置エンコーダに動作可能に接続され、前記コントローラが、
    所定の期間に生成される前記交流信号のいくつかの整数周期および分数周期を合計し、前記所定の期間の前記交流信号の整数周期および分数周期を参照して、前記中空部材の回転速度を特定し、
    前記交流信号の前記整数周期および分数周期ならびに変換係数を参照して、前記中空部材の位置を特定し、
    前記中空部材の前記特定された回転速度および前記特定された位置を参照して、前記壁の前記内部表面上へ前記材料を射出するために、前記第１の印字ヘッドを動作させるようにさらに構成される、請求項１に記載の３次元プリンタ。
    

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