JP2015140019A - ポリマースプレー堆積方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の熱可塑性材料に対応する3次元成形技術の提供。
【解決手段】広範囲の熱可塑性材料と共に使用できるポリマースプレー堆積システム及び方法。２つのローラーのような２つの発散表面間、又は２つのピストン間で流体を延伸するスプレー発生器を使用し、延伸された流体は、複数の液滴に分かれ、任意の液滴サイズセレクタを含むことができる送達システムを通り、マルチノズルアレイに導かれ、マルチノズルアレイは制御されて、スプレーをターゲット表面上に方向付け、それによって三次元対象物を創出するポリマースプレー堆積システム及び方法。ポリマースプレー堆積システム及び方法は、三次元プリントヘッド及び印刷技術に使用できる。
【選択図】なし

Description

部品のカスタム製造は、成長期の産業であり、広範囲の用途がある。一般的には、射出成形機および他の機械加工技術を使用して、対象物のモデルを創出していた、または対象物自体を創出していた。より詳細には、ガラス、金属、熱可塑性物質および他のポリマーのような加熱された材料を、所望の対象物の形状に特別に形成された射出モールドに射出する。材料は、モールド中で冷却されて、モールドの形状をとり、対象物を形成する。射出モールドは高価であり、創出するのに時間がかかり、対象物の形状への変更は、対象物を創出する時間および費用をさらに増大させることなく、適合させるのが困難である。

付加製造産業は、モデルまたは対象物自体を創出するために射出モールドを変更する際の費用、時間および問題に対応するように生じたものである。既知の付加製造技術としては、特に熱溶解積層法（ＦＤＭ）、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、および噴射システムが挙げられる。それぞれ既知の付加製造技術は、材料、費用、および／または体積能において制限があり、小規模の製造、カスタマイズされた製造および完全な熱可塑性材料一式を用いるプロトタイピングを妨げる。さらに、既知の付加製造技術は、射出成形のような一般的な技術によって製造される高品質の対象物の機械的特性、表面仕上げ、およびフィーチャ複製を備えた部品を正確に創出することはできない。

付加製造が、用途に十分な性能を有する部品を製造できない状況では、ラピッドコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工および低コストツールを用いるラピッド射出成形の全体的な産業が生まれている。しかし、こうした技術は、付加製造技術よりも十分高価であり、それ自体のプロセス制限もある。

この産業では、射出成形のような一般的ではあるが、高価で柔軟性のない時間のかかる技術によって製造される高品質、高体積能の対象物か、所望の構造上の一体性を有しておらず、時には所望の材料も用いないが、速度が速く、柔軟性の高い、低品質の対象物を製造する付加製造技術かのどちらかを選択しなければならなかった。例えば、ＦＤＭおよびＳＬＳは、使用できる材料のタイプが制限され、１００％未満の密度の対象物を創出する。ラピッドＣＮＣ成形は、優れたフィーチャ詳細および仕上げを有する良好な品質の対象物を得るが、高価なままである。既知の付加製造技術を用いて創出されたプロトタイプは、多くの場合、最終設計が選択されるまで精錬され、選択された時点で射出モールドを大規模な高品質射出成形製造のために創出する。こうした多相製造プロセスも時間がかかり、高価である。

製造産業は、広範囲の熱可塑性材料一式を用いるデジタル付加製造の利点、およびより一般的な製造技術を用いて得られる複雑性および構造上の一体性を有する対象物を製造できるようなフィーチャ解像度を実現する製造プロセスから利益を享受する。

図１Ａは、開示の態様に従う、ポリマースプレー堆積システムのブロック図である。 図１Ｂは、開示に従う、ポリマースプレー堆積システムおよび方法を用いて、三次元対象物を創出する方法における工程を示す図である。 図２Ａは、例としての２つのローラースプレー発生器を示す図である。 図２Ｂは、例としての２つのピストンスプレー発生器を示す図である。 図３は、輸送チャンネルを含む例としてのハーベスティング要素を示す図である。 図４Ａは、例としての液滴サイズセレクタを示す図である。 図４Ｂは、別の例としての液滴サイズセレクタを示す図である。 図５は、例としてのマルチノズルアレイを示す図である。 図６Ａは、ノズルに対して垂直に循環する空気フローを有する例としてのマルチノズルアレイを示す図である。 図６Ｂは、ノズルに対して垂直に循環する空気フローを有する例としてのマルチノズルアレイを示す図である。 図７は、別の例としてのマルチノズルアレイを示す図である。 図８Ａは、例としてのポリマースプレー堆積システムを示す図である。 図８Ｂは、図８Ａに示される例としてのポリマースプレー堆積システムにおけるノズルを示す図である。 図９は、ターゲット表面上にスプレーを方向付けるための例としてのゲーティング機構を示す図である。 図１０Ａは、図９に示されるゲーティング機構から離れた位置での個々のノズルを示す図である。 図１０Ｂは、図９に示されるゲーティング機構にある位置での個々のノズルを示す図である。

開示されるポリマースプレー堆積システムおよび方法は、より広範囲の熱可塑性材料を用い、射出成形プロセスのようなより一般的な製造技術と同様の複雑性および構造上の一体性で製造された対象物のフィーチャサイズ解像度を有する３次元デジタル付加製造技術の利益を実現するのに役立つ。開示されたポリマースプレー堆積システムおよび方法は、高分子量ポリマーおよびこれらの溶液ならびに他の熱可塑性物質、例えばナイロン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスルホンおよびアセタールを噴霧化し、これらから３次元対象物を創出できる。ポリマースプレー堆積システムおよび方法は、高度に粘弾性特性を有するニュートンおよび非ニュートン流体を噴霧化できる。

図１Ａは、例としてのポリマースプレー堆積システム１００のブロックダイアグラムを示し、これはスプレー発生器１０２、ハーベスティング要素１０４、マルチノズルアレイ１０６、および対象物製造ステージ１０８を含む。スプレー発生器１０２は、流体供給源１１０から流体を受容し、複数の流体液滴を発生させ、これがスプレーを形成する。複数の流体液滴は、流体延伸技術によって発生し、ここで流体は延伸されて流体フィラメントを形成する。流体フィラメントは、複数の液滴に分かれてスプレーを形成する。

図２Ａおよび２Ｂは、２つの発散表面間の流体を、流体フィラメントがスプレーを形成する複数の液滴に分かれるまで流体フィラメントに延伸することによって、複数の流体液滴を発生する例としてのスプレー発生器方法およびシステムを示す。２つの発散表面間の流体を延伸する他の好適な方法は、複数のローラー配置、同方向に回転するローラー、反対方向に回転するローラー、リングまたはベルト内のローラーなどを含む種々の選択肢を用いて達成できる。

図２Ａは、反対方向に回転するローラー２００、２０２の対によって延伸される流体の行程を示す。ニップ２０４は、２つのローラー２００、２０２間の空間として定義され、ローラー２００、２０２が反対方向に回転するときにここに流体が引き込まれる。ニップ２０４の上流側２０６にて流体がプールされ、ニップ２０４を通って引き込まれる。ニップ２０４の下流側２０８においては、流体は、２つの反対方向に回転するローラー２００、２０２の発散表面間で流体フィラメント２１０に延伸される。ローラー２００、２０２が反対方向に回転するので、流体フィラメント２１０が接着したローラー２００、２０２の発散表面は、同じままであるが、こうした表面間の空間は大きくなる。流体フィラメント２１２は、ローラー２００、２０２の表面が互いに離れるように回転するときにより長く、薄くなる。

流体フィラメント２１２が、液体ブリッジのポイントに到達したときに、不安定になり、これはまた流体フィラメント２１２のためのキャピラリー破断ポイントであり、流体フィラメント２１２は破断して、いくつかの液滴２１４に分かれ、ローラーの各表面に過剰の流体２１６を残し得る。過剰の流体２１６は、そのそれぞれのローラーの表面に引き戻され、流体の一部となることができ、これがリサイクルされて、ニップの上流側にプールされ、ローラーの次の回転で再びニップを通して引き込まれる。このプロセスが、繰り返されて連続ミストを提供できる。

図２Ｂは、最終的には破断して複数の液滴２２４に分かれる流体フィラメントを形成するために一対のピストン２２０、２２２間で延伸される流体２１８の行程を示す。流体２１８は、ピストン２２０、２２２間に置かれる。ピストン２２０、２２２は引き離され、連続的な歪が適用されて、流体２１８がピストン２２０、２２２間で延伸され、流体フィラメント２２６を形成する。流体フィラメント２２６がより長くなり、より薄くなるにつれて、流体フィラメント２２６は最終的には、そのキャピラリー破断ポイントに到達して、その時点で複数の液滴２２４に分かれ、過剰の流体２２８がそれぞれのピストン２２０、２２２の表面に残る。図２Ｂは、ビーズ・オン・ストリング構造２３０を示し、これは流体フィラメントの前駆体であり、そのキャピラリー破断ポイントに到達した時点で流体フィラメントが複数の液滴２２４に分かれる。過剰の流体２２８はピストン２２０、２２２にプールされ、ピストン２２０、２２２は、再び一緒になって、流体を延伸でき、それによってプロセスが繰り返され、追加のミスト液滴を形成する。

図１Ａを再び参照して、ポリマースプレー堆積システム１００は、複数のスプレー発生器１１２を含むことができる。複数のスプレー発生器１１２は、主要なスプレー発生器１０２と平行に液滴を発生できる。すべてのスプレー発生器１０２、１１２は、図１Ａに示される例としての実施形態において同じ流体供給源１１０からの流体を受容する。複数のスプレー発生器１０２、１１２はそれぞれ、複数の液滴を発生させ、これが一緒になってスプレーを形成する。ハーベスティング要素１０４は、複数のスプレー発生器１０２、１１２からの形成されたスプレーをキャリアガスフローに取り込む。

ハーベスティング要素１０４は、スプレー発生器１０２、１１２によって発生された液滴を、スプレー発生器１０２、１１２からマルチノズルアレイ１０６へ、および複数のノゾルアレイ１０６からターゲット表面へ輸送するために十分な速度を提供できる送達システムであり、この表面にて三次元対象物が創出される。ハーベスティング要素１０４はまた、液滴を複数のノゾルアレイに円滑に輸送するために均一な定常状態のフローを提供し、液滴の合一またはアグロメレーションが発生するのを防止する。

ハーベスティング要素１０４は、任意の温度調節器１１４を含むことができ、これがキャリアガスフローの温度を調節する。例えば、流体は、特定の融点を有する熱可塑性物質である。熱可塑性物質の液滴がハーベスティング要素１０４によってキャリアガスフローに取り込まれる場合、温度調節器１１４は、熱可塑性物質の液滴を液滴形態に維持するために、それらの融点を超える温度にキャリアガスフロー中の熱可塑性物質の液滴を維持する。熱可塑性物質の液滴の温度がそれらの融点未満に低下する場合に、液滴は、硬化または凍結する場合があり、マルチノズルアレイ１０６を通して方向付けることができなくなる、または方向付ける効率が落ちる。ハーベスティング要素１０４は、それらの融点を維持するためにハーベスティング要素１０４のフローパス全体に沿ってキャリアガスフロー中に取り込まれた液滴に対して均一に温度を提供し、液滴がマルチノズルアレイを通して方向付けられることができることを確実にする。

例えば、図３は、例としてハーベスティング要素３００を示す。ハーベスティング要素は、ポリマースプレー３０４が移動する輸送チャンネル３０２を有するシースフロー設計３００であることができる。ポリマースプレー３０４は、空気層３０６によって放射状に取り囲まれ、これは多くの場合、その融点を超えるポリマースプレー３０４を維持する温度まで加熱される。空気層３０６は、加熱要素３０８、例えば抵抗性パイプヒーターによって囲まれ、これが空気フロー３０６およびポリマースプレー３０４の一方または両方を、ポリマースプレー３０４の融点を超える所望の温度に維持するのに役立つ。任意の断熱３１０が、図３に示されるように、効率を増大させ、ポリマースプレー３０４の温度を維持するのに役立つように含まれることができる。

図１Ａを再び参照して、ハーベスティング要素１０４はまた、液滴サイズセレクタ１１６を含むことができる。液滴サイズセレクタ１１６は、マルチノズルアレイ１０６に輸送される液滴のサイズを制御する。複数のノゾルアレイ１０６に輸送され、最終的に三次元対象物を創出するためにターゲット表面に方向付けられた液滴のサイズを制御することにより、三次元対象物の解像度を制御する。マルチノズルアレイからターゲット表面に方向付けられたより小さい液滴は、より高い解像度の三次元対象物を得る。液滴のサイズは、マルチノゾルアレイに輸送される液滴のサイズを制御する補助機構によって調整できる。所望の三次元対象物を創出するために必要とされる液滴のサイズは、用途に依存し、単一対象物を創出するプロセス内であっても変動し得る。

いくつかの液滴サイズセレクタの例としては、フローマニフォールド幾何学形状および捕捉フィーチャを用いる慣性衝突、渦濃縮および分離技術、および静電ステアリングが挙げられる。液滴サイズセレクタのタイプは、ポリマースプレー堆積システム１００全体の幾何学形状および処理量に基づいて選択されてもよい。

慣性衝突技術の一例を図４Ａに示す。左のフローパス４００は、液滴４０２、４０４が、異なるサイズを有し、それらがフローパス４００において仕切板４１０または壁のようなベンドに向かって流れるときに、それぞれ異なるパス４０６、４０８をとることを示す。より大きな液滴の慣性は、より小さい液滴の慣性よりも大きい。取り込まれたキャリアガスフローが壁、仕切板または他の対象物にぶつかるときに、より大きな液滴は、対象物を横断できず、または効率良く横断できず、より小さい液滴は、対象物の周りに上手く移動でき、所望のフローパスに沿って持続する。

例えば、液滴サイズセレクタは、複数の仕切板４１４および壁４１６を含むことができ、これらが所望の液滴サイズを有する取り込まれたキャリアガスフロー４２０を生じるフローパス４１８を規定する。所望のサイズを超える液滴は、仕切板４１４および壁４１６によって創出されたフローパス４１８の幾何学形状の周りに曲がることができない。仕切板４１４および壁４１６の形状、長さ、サイズ、外形、テクスチャ、材料および他の特徴は、所望の液滴サイズを有するキャリアガスフローを生じるように調節できる。

図４Ｂは、別のタイプの液滴サイズセレクタ４２２を示し、これは、ポリマースプレー４２８がスプレー発生器４３０から放出されるときに、より大きな液滴４２４をより小さな液滴４２６に沈降させる重力に依る。重力の力は、より大きな液滴４２４を、スプレー発生器４３０に落とす。一部の場合には、落ちて戻ったより大きな液滴４２４は、ポリマースプレー堆積システムにリサイクルされ、これは再び延伸される流体であることができ、スプレー発生器４３０によって新しい一式の液滴になる。任意の空気フロー４３２は、より小さい液滴４２６に方向付けられることができ、この場合に液滴がスプレー発生器から噴出される方向に対して垂直な角度である。空気フロー４３２は、輸送チャンネルに沿ってマルチノズルアレイの方へ、より小さい液滴を方向付ける。空気フロー４３２は、分離ライン４３４の上方に位置し、これはより大きな液滴４２４がスプレー発生器４３０に落ちて戻るポイントとして定義される。

再び図１Ａを参照して、ポリマースプレー堆積システム１００は、ターゲット表面上にスプレーを方向付けるための複数のマルチノズルアレイ１０６、１１８を含むことができる。ポリマースプレー堆積システム１００は、いずれかの好適な数のマルチノズルアレイを含むことができる。図１Ａに示される例は、２つのマルチノズルアレイ１０６、１１８を含み、これらそれぞれが、ハーベスティング要素１０４からのキャリアガスフローを受容し、液滴をターゲット表面に方向付けて、三次元対象物を形成する。マルチノズルアレイの数は、三次元対象物の解像度を増大すると共に、３Ｄ対象物の創出の効率を増大させることもできる。例えば、一部の場合には、第２のマルチノズルアレイは、構造の大部分を埋める粗い解像度ノズルを含むことができる。別の例において、マルチノズルアレイの数を増大させると、形成された三次元対象物の解像度が増大する。さらに、複数のマルチノズルアレイシステムにおいて、個々のマルチノズルアレイは、ターゲット表面に方向付けられるときに、キャリアガスフローの濃度、液滴サイズおよび方向を制御することによって形成された三次元対象物の解像度をさらに精錬し、制御するように個々に作動させるまたは停止させる。

いずれかのマルチノズルアレイシステムにおいて、マルチノズルアレイの個々のノズルは、ターゲット表面に方向付けられるときに、キャリアガスフローの幾何学形状、濃度、液滴サイズ、方向などの詳細な制御を与えるために作動させ、停止させることができ、これが形成された三次元対象物の全体解像度および形状に影響を与えるおよび制御する。

システムのいくつかの例では、例えば図１Ａに示されるポリマースプレー堆積システム１００において、マルチノズルアレイは、流体リサイクラ１２０を含む。流体リサイクラ１２０は、リサイクルされた流体を流体供給源１１０に戻すことによって、マルチノズルアレイ１０６からターゲット表面上に方向付けられていない液滴をリサイクルする。

図５は、複数のノズル５０２を有する例としてのマルチノズルアレイ５００を示し、そのそれぞれがそれぞれのバルブ５０４を有する。キャリアガスフローは、マルチノズルアレイ５００のノズル５０２を通って空気圧で方向付けられる。各ノズル５０２からのキャリアガスフローの出口は、バルブ５０４によって制御される。ノズル５０２のすべてのバルブ５０４は、同時に、グループにおいて、または個々に作動させて、キャリアガスフローをターゲット表面に方向付けることができる。各ノズルは、デバイスの解像度に依存して、１〜１００ミクロンの範囲の直径を有するオリフィスを有する。オリフィスは、ターゲット表面上のノズルから方向付けられた液滴の体積、および液滴が方向付けられた領域のサイズを制御する。

例えば、単一の液滴または少数の液滴のみが各ノズルからターゲット表面上に方向付けられることができるより小さいオリフィスは、ターゲット表面上の形成された三次元対象物の解像度を増大させる。比較として、より大きなオリフィスは、より多数の液滴をノズルからターゲット表面上に分配することができ、これにより解像度が低下するが、適用される液滴の体積は増大する。一部の例において、同じマルチノズルアレイ内のノズルは、同じサイズのオリフィスを有し、他の例では同じマルチノズルアレイにおけるノズルのオリフィスサイズは、異なることができる。さらに他の例において、同じマルチノズルアレイ内のノズルのオリフィスサイズは、サイズに応じて調整でき、これにより形成された三次元対象物の解像度も同様に調整できる。

再び図５を参照して、マルチノズルアレイは、ノズル５０２およびバルブ５０４の組み合わせを通してターゲット表面に空気圧で方向付けられた連続的に循環するキャリアガスフローを有する。ノズル５０２は、キャリアガスフローを輸送管５０６に方向付ける。シースガス供給源は、シースガス５０８を放出し、これが放射線状に輸送管５０６を囲み、ノズル付近を循環して、キャリアガスフローにおける液滴が凍結するのを防止し、ノズル５０２から輸送管５０６への漏れを防止する。

いくつかの例において、シースガスフロー６０４、６０６は、ノズル６０８、６１０に対して垂直であり、例えば図６Ａおよび６Ｂに示される例としてのマルチノズルアレイ６００、６０２である。図６Ａに示されるマルチノズルアレイ６００において、シースガスフロー６０４は、ノズル６０８に対して垂直であり、バルブ６１２の軸に沿う。図６Ｂに示されるマルチノズルアレイ６０２は、ノズル６１０に対して垂直であり、さらにバルブ６１４の軸に対して垂直のシースガスフロー６０６を有する。図６Ａおよび６Ｂにおいて示される例としてのマルチノズルアレイ６００、６０２において、バルブ６１２、６１４は正方形の形状で示される平面バルブである。

図７は、複数のノズル７０２およびそれぞれのバルブ７０４を有する代替マルチノズルアレイ７００を示す。この例において、バルブ７０４は、ノズル７０２からオフセットし、ノズル７０２の許容可能な空間を増大させる。バルブ７０４は、互いに隣接して配置され、それぞれがそれぞれのノズル７０２に連結される。ノズル７０２は、２つの列７０６、７０８に配置され、ここで１つの列７０６からのノズル７０２は、他の列７０８からのノズル７０２と交互に続いてそれぞれのバルブ７０４に連結される。バルブに連結するノズルに好適ないずれかの配置を実行することができ、いくつかの例において、マルチノズルアレイにおいて利用可能な物理的な間隔に基づくことができる。

図８Ａは、スプレー発生器８０２、ハーベスティング要素８０４または送達システム、マルチノズルアレイ８０６、および対象物製造ステージ８０８を有する例としてのポリマースプレー堆積システム８００である。スプレー発生器８０２は、２つのローラー８１０、８１２の実施形態であり、これは流体を、２つの反対方向に回転するローラーの発散表面間で流体フィラメントに延伸する。スプレー発生器８０２は、大きな液滴８１４および小さい液滴８１６を含む複数の液滴を発生する。スプレー発生器によって製造された小さい液滴は、一部の例において１０ミクロン以下の範囲にあることができる。空気フロー８１８は、発生した流体液滴８１４、８１６に方向付けられ、ハーベスティング要素８０４に向かうようにそれらを導く。

上記で議論されるように、流体は、高い粘弾性のポリマーおよびこれらの溶液、例えば高温熱可塑性物質溶融物またはその溶液を含むいずれかの流体であることができる。いずれかの好適な量の溶媒は、流体に添加でき、流体の濃度、ひいてはスプレー発生器によって生じる液滴のサイズを制御するのに役立ち得る。

図８Ａに示される例としてのハーベスティング要素８０４は、図３に示されるように、シースフロー設計ハーベスティング要素３００において上記で議論されるように、断熱配管、断熱シースフロー、および濾過を含む。このハーベスティング要素８０４は、小さい液滴８１６を大きい液滴８１４と分離するための慣性衝撃機に依る。ハーベスティング要素８０４は、小さい液滴８１６をマルチノズルアレイ８０６に輸送する。マルチノズルアレイ８０６は、ターゲット表面８２０上の液滴の方向をデジタル制御する。空気８２２のクロスフローは、マルチノズルアレイ８０６に方向付けられ、以下で議論されるように、および図８Ｂにおいて示されるように、流体の単一液滴を、ターゲット表面８２０に方向付ける。過剰の液滴は、リサイクル経路８４０を通ってスプレー発生器８０２に提供されるべき流体供給源に戻ってリサイクルできる。

対象物の製造ステージ８０８は、マルチノズルアレイ８０６からターゲット表面８２０に方向付けられる液滴の各層のためにマルチノズルアレイ８０６に対して転換される。三次元対象物の第１の層８２４は、マルチノズルアレイ８０６が液滴８２４の第一の層を方向付け、三次元対象物の第１の層を形成するときに、創出される。対象物の製造ステージ８０８は、マルチノズルアレイ８０６から離れて、マルチノズルアレイ８０６に垂直な方向でこれらから離れる方向に移動し、結果としてシステムは、液滴８２６の第２の層を創出する準備をする。

対象物の製造ステージ８０８は、ポリマースプレー堆積システム８００へインプットされる三次元対象物についてのデジタル情報に基づいてマルチノズルアレイ８０６に対する移動を継続する。図８Ａに示される例としてのシステムにおいて、対象物の製造ステージ８０８は、マルチノズルアレイ８０６に対して移動する。マルチノズルアレイ８０６、ハーベスティング要素８０４、およびスプレー発生器８０２は、対象物製造ステージ８０８がシステムが創出している三次元対象物を詳述するデジタル情報と一致するようにマルチノズルアレイ８０６に対して移動する間は、静止したままである。他の例において、マルチノズルアレイはまた、ターゲット表面に対して移動してもよく、対象物製造ステージは移動してもよく、または移動しなくてもよい。

図８Ｂは、ターゲット表面８２０に流体の液滴を方向付ける図８Ａのマルチノズルアレイのノズル８２８の１つを示す。図８Ｂは、オリフィス８３２および入口開口部８３４を有するノズル８２８の断面図を示す。圧力８３６は、ノズルの入口開口部８３４を通ってノズルに適用でき、流体の単一液滴８３８をノズルのオリフィス８３２を通してノズル８２８から出し、ターゲット表面８２０に方向付ける。上記で議論されるように、ポリマースプレー堆積システムは、ノズルに対する圧力の適用、ひいてはターゲット表面に向かう流体液滴の方向を選択的に制御できる。いずれかの好適な基材が、ターゲット表面として使用できる。

マルチノズルアレイ内の個々のノズルは、対象物製造ステージがマルチノズルアレイに対して移動し、三次元対象物について所望の幾何学形状を創出するために、選択的に作動するまたは停止する。マルチジェットシステムを使用する従来の付加製造方法は、停止がデフォルトであり、次いでインクを噴出するように作動させるか、または停止できる。本願に開示される個々のノズル制御システムは、マルチノズルアレイの１つ以上のノズルから噴出されるべき液滴をターゲット表面に方向付ける空気または圧力のオンデマンドのまたは計画的なバーストを伴う連続液滴ジェットを有するクロスフローシステムを提供する。

対象物製造ステージ８０８は、図８Ｂに示されるノズル８２８のようなノズルから液滴が方向付けられるときにターゲット表面８２０を制御する。上記で議論されたように、対象物製造ステージ８０８は、マルチノズルアレイ８０６に垂直で、マルチノズルアレイ８０６から離れる方向にターゲット表面８２０を転換し、多層の三次元対象物を層毎に創出する。図８Ｂは、対象物製造ステージ８０８が、マルチノズルアレイ８０６のオリフィスに平行で、マルチノズルアレイ８０６の軸に沿った方向８３８に転換できることを示し、これがターゲット表面８２０に方向付けられた液滴の各層の形状、外形、テクスチャなどを創出する。図８Ａおよび８Ｂに示される対象物製造ステージ８０８は、マルチノズルアレイ８０６に関して２つの方向に転換する。他の例において、対象物製造ステージは、マルチノズルアレイに関していずれかの好適な方向に転換できる。

図９は、キャリアガスフローをターゲット表面に方向付けられた連続インクジェットゲーティング機構を含むマルチノズルアレイ９００の別の実施形態を示す。ポリマー液滴９０２の連続ジェットは、主要チャンバ９０４において第１のノズルアレイ９０６を通ってマルチノズルアレイ９００の主要チャンバ９０４から噴出される。主要チャンバ９０４に適用される圧力により、液滴が主要チャンバ開口部９０８を通って中間チャンバ９１２に至るように主要チャンバ９０４から噴出される。中間チャンバ９１２は、主要チャンバ９０４からの液滴フローが中間チャンバ９１２に至り、中間チャンバ９１２からの液滴フローが主要チャンバ９０４に戻るのを防止するように主要チャンバ９０４の圧力未満の圧力を有する。

中間チャンバ９１２は、複数の開口部９１４を有する第２のノズルアレイ９１０を含む。第２のノズルアレイ９１０の開口部９１４は、第１のノズルアレイ９０６の開口部９０８と整列され、液滴がターゲット表面９１６上に分配されるようなスルーパスを提供する。上記で議論されるように、ポリマー液滴９０２の連続ジェットは、主要チャンバ９０４から中間チャンバ９１２に至るように噴出される。しかし、第２のノズルアレイ９１０の個々のノズルは、液滴を中間チャンバ９１２からターゲット表面９１６の方に選択的に噴出するように作動でき、停止できる。個々のノズルが作動するかまたは停止するかに依存して、液滴は、個々のノズルから噴出される。図９に示される例としての機構において、第２のノズルアレイ９１０は、作動中の２つのノズル経路９１８を有し、液滴は、２つの「作動中」ノズルからターゲット表面９１６に噴出される。

回収ガター１３０を、中間チャンバ９１０に配置できる。回収ガター１３０は、第２のノズルアレイ９１０において作動中のノズルを通過しない第１のノズルアレイ９０６から回収された液滴を収集する。収集された液滴は、リサイクルされ、一部の例にあるスプレー発生器に再利用され得る。

図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ停止中および作動中にある図９に示されるマルチノズルアレイの個々のノズルを示す。図１０Ａは、停止位置のノズルを示す。液滴は、第１のノズルアレイ９０６のノズル開口部９０８を通るように方向付けられ、それを通ったポリマー液滴９２２の連続ジェットは、主要チャンバ９０４から中間チャンバ９１２に噴出される。この例において、第１のノズルアレイの開口部９０８および第２のノズルアレイ９１０の開口部９１４は、互いにオフセット状態である。この例において、任意のガスジェット９２４を使用して、ポリマー液滴９２２のジェットを回収ガター９２０の方に方向付け、第２のノズルアレイ９１０のノズルの開口部９１４から離す。ガスジェット９２４は、開口部９０８に対して垂直であり、第２のノズルアレイ９１０の開口部９１４から離れた角度で第１のノズルアレイ９０６の開口部９０８に方向付けられる。故に、ポリマー液滴９２２のジェットは、ノズルが停止位置にあるときに、第２のノズルアレイ９１０の開口部９１４を通って噴出されない。

ノズルが作動位置にあるとき、ポリマー液滴９２２のジェットは、第２のノズルアレイ９１０の開口部９１４を通りターゲット表面９１６に方向付けられる。オンデマンドで、方向付けられた空気パルス９２６を、ノズルが停止しているときに使用されるガスジェット９２４とは反対の方向であるだけでなく、第１のノズルアレイ９０６の開口部９０８と垂直な方向にポリマー液滴９２２のジェットに方向付ける。方向付けられた空気パルス９２６により、ポリマー液滴９２２のジェットは、第２のノズルアレイ９１０の開口部９１４、ひいてはターゲット表面９１６に方向付けられる。

ターゲット表面９１６の周りおよびターゲット表面９１６付近の圧力は、周囲圧力であり、これは中間チャンバ９１２と主要チャンバ９０４との両方の圧力よりも低い。一部の代替例において、中間チャンバ９１２の圧力は、ターゲット表面の周りの周囲圧力に等しくできる。ガスジェット９２４および方向付けられた空気パルス９２６は、第１のノズルアレイ９０６および第２のノズルアレイ９１０に適合したノズルアレイ（図示せず）から分配され、液滴を分配する各ノズルについて独立に切り替えることができる。いずれかの好適なゲーティング機構が、開示されたポリマースプレー堆積システムに含まれることができる。

本明細書に開示されるポリマースプレー堆積システムは、三次元プリンタのためのプリントヘッドに埋め込まれることができる。三次元プリンタは、複数のプリントヘッドを含むことができる。一部のマルチプリントヘッドの例において、１つ以上のプリントヘッドが使用されて、三次元対象物のための支持体材料を印刷でき、別の１つ以上のプリントヘッドを使用して、この支持体材料上に主要材料をプリントできる。一部の支持体材料は、溶解性であることができ、結果としてそれらは、三次元対象物が創出される間は支持体を提供するが、三次元対象物が完成した後は溶解する。

図１Ｂは、ポリマースプレー堆積システムを用いて三次元対象物を得る方法における工程のブロックダイアグラムを示し、これは、流体１２２からのスプレーを発生させ、このスプレー１２４をハーベスティングし、スプレーをターゲット表面１２６に方向付け、方向付けられたスプレーから対象物１２８を創出することを含む。

Claims (10)

1. ２つの発散表面の間にある流体を、流体フィラメントがスプレーを形成する複数の液滴に分かれるまで、前記流体フィラメントに延伸することによって、流体供給源から流体を受容し、前記複数の流体液滴を発生させるスプレー発生器と、
   前記スプレー発生器からのスプレーを受容し、キャリアガスフローにスプレーを取り込むハーベスティング要素と、
   前記キャリアガスフローを受容し、前記キャリアガスフローをターゲット表面に方向付けるマルチノズルアレイと、
   前記マルチノズルアレイを制御して、前記キャリアガスフローをターゲット表面に繰り返し適用して、ターゲット表面に三次元対象物を形成する対象物製造ステージと、
   を含むポリマースプレー堆積システム。
2. 前記流体が、高分子量のポリマー性流体の溶液である、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
3. 前記スプレー発生器が、前記流体を前記２つのローラー間に規定されるニップの上流側に引き込み、前記流体を前記ニップの下流側で前記２つのローラーのそれぞれの発散表面の間で延伸する２つのローラーを含む、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
4. 前記スプレー発生器が、前記２つの発散表面間の流体を、前記第１の流体フィラメントが分かれて複数の第１の液滴になるまで第１の流体フィラメントに延伸することによって複数の第１の流体液滴を発生させる第１のスプレー発生器であり、前記流体供給源からの流体を受容し、第２の流体フィラメントが複数の第２の流体液滴に分かれるまで前記２つの発散表面間の流体を第２の流体フィラメントに延伸することによって複数の第２の流体液滴を発生させる第２のスプレー発生器をさらに含み、前記複数の第１の流体液滴および前記複数の第２の流体液体がスプレーを形成する、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
5. 前記流体が、融点を有する熱可塑性物質であり、前記ハーベスティング要素が、前記融点を超える温度にキャリアガスフロー中の熱可塑性物質を維持する、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
6. 前記ハーベスティング要素が、放射線状に前記キャリアガスフローを囲む空気の層、および前記空気層を放射線状に囲む加熱要素を含む、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
7. 前記ハーベスティング要素がさらに、前記加熱要素を放射線状に囲む断熱を含む、請求項６に記載のポリマースプレー堆積システム。
8. 前記マルチノズルアレイが、キャリアガスフローを前記ターゲット表面に空気圧で方向付ける、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
9. 前記マルチノズルアレイが、複数のノズルを含み、さらに前記ノズルに垂直な方向においてノズルの周りを循環するシースガスを放出するシースガス供給源を含み、前記対象物製造ステージが温度制御されたハウジングに封入され、このハウジングがキャリアガスフローを、前記スプレーおよび前記ステージの凍結温度を超え、前記三次元対象物のガラス転移温度未満に維持する、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
10. 前記対象物製造ステージが、前記ターゲット表面に垂直な方向においてマルチノズルアレイに対して転換し、前記三次元対象物を形成する、請求項１に記載のポリマースプレー堆積システム。
    
    

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