JP2015196383A - 光学センサおよびリバーシブル感熱下地を用いて、３次元の物体の印刷中に動作不能インクジェットを検知するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】印刷を行いながら、動作不能インクジェットを検知することができる３次元の物体を作成する装置を提供する。
【解決手段】３次元の物体の印刷中に、動作不能インクジェットを検知する装置であって、材料の小滴が下地上に吐出される領域内の光学密度を変化させるリバーシブル感熱下地を含み、材料の小滴が下地上に吐出された後、光学センサが下地の画像データを生成４２０し、これらの画像データを分析して、動作不能インクジェットを特定４２４する検知・制御装置を備えている３次元の物体を作成する装置。
【選択図】図４

Description

本明細書で開示される装置は、３次元の物体を作成するプリンタに関し、より具体的には、そのようなプリンタ内の動作不能インクジェットを正確に検知することに関する。

デジタル３次元造形とは、デジタル積層造形としても知られ、デジタルモデルからほとんど全ての形状の３次元の固体物体を作成する処理のことである。３次元印刷とは、１つ以上の印刷ヘッドが異なる形状の材料の層を連続して下地の上に吐出する積層処理のことである。３次元印刷は、その大部分が切断や穴あけなどの切削処理により加工物から材料を取り除くことに依存する、従来の物体造形技術とは区別することができる。

これらのプリンタを用いた３次元の物体の作成には、数時間、物によっては数日かかる可能性がある。３次元プリンタを用いて３次元の物体を作成する際の課題の一つは、物体を形成する材料の小滴を吐出する印刷ヘッド内のインクジェットの機能を一定に保つことである。物体の印刷中、１つ以上のインクジェットが、印刷ヘッドに対して通常とは異なる角度で材料を吐出することにより劣化し、インクジェットが吐出すべき大きさの小滴よりも小さな小滴を吐出したり、小滴を全く吐出しなくなったりする可能性がある。これらのような動作の欠陥のいずれかを抱えるインクジェットは、動作不能インクジェットとして知られている。３次元の物体の印刷中に１つ以上のインクジェットの動作状態が劣化した場合、印刷動作が完了するまで、印刷されている物体の品質を評価することはできない。したがって、長い時間または数日かかる印刷作業では、印刷ヘッド内の動作不能インクジェットにより、仕様書とは異なる物体が作成される可能性がある。そのような物体が検知されると、その印刷された物体を廃棄して、印刷ヘッドに修理処理を行い、インクジェットの機能を回復させ、その印刷作業を繰り返す。印刷を行いながら、動作不能インクジェットを検知することができる装置があれば、物体の印刷中の修理処理が可能となり、適切に形成される物体を製造することが可能となる。このようにして、プリンタの生産歩留りを向上させ、印刷を効率良くすることができる。この装置は、透明な材料、色の付いた材料、半透明な材料、燐光性材料、およびワックス状の材料などの多くの種類の印刷材料を吐出する、動作不能インクジェットを検知可能でなければならない。

３次元プリンタ内で動作不能インクジェットの検知を可能にする装置を開示する。この装置は、感熱下地と、感熱下地の表面のデータを生成するよう構成される光学センサと、光学センサが感熱下地上の小滴の画像データを生成できるよう、感熱下地を光学センサの向かい側の位置に移動させるよう構成される搬送部と、搬送部および光学センサに操作可能に接続する制御装置であって、搬送部を操作して感熱下地を光学センサの向かい側の位置に移動させ、印刷ヘッド内のインクジェットにより材料の小滴が感熱下地上に吐出された後に、光学センサを操作して感熱下地の画像データを生成し、感熱下地上の材料の小滴に対応する、光学センサから受け取られる画像データを参照して、小滴を吐出した印刷ヘッド内の動作不能インクジェットを特定するよう構成される制御装置と、を含む。

動作不能インクジェットを検知する装置を組み込んだプリンタを開示する。このプリンタは、インクジェットと共に構成されて材料の小滴を吐出する印刷ヘッドと、印刷ヘッドの向かい側の位置に移動して印刷ヘッドから吐出される小滴を受け取るよう構成される感熱下地と、感熱下地上の小滴に対応するデータを生成するよう構成される光学センサと、光学センサが感熱下地上の小滴の画像データを生成することができるよう、下地を光学センサの向かい側の位置に移動させるよう構成される搬送部と、搬送部、光学センサ、および印刷ヘッドに操作可能に接続する制御装置であって、感熱下地が印刷ヘッドの向かい側の位置に静止している間に、印刷ヘッドを操作して各インクジェットから感熱下地上に所定の数の小滴を吐出させ、所定の数の材料の小滴でインクジェットごとに感熱下地の上にテストドットの形成を可能にし、光学センサを操作して感熱下地の画像データを生成し、感熱下地上のテストドットに対応する、光学センサから受け取られる画像データを参照して、印刷ヘッド内の動作不能インクジェットを特定するよう構成される制御装置と、を含む。

以下の記載では、３次元印刷中に動作不能インクジェットを検知する装置すなわちプリンタの前述の様態およびその他の特徴を、添付図面を参照して説明する。

図１は、３次元プリンタの斜視図である。 図２は、印刷動作中に印刷ヘッド内の動作不能インクジェットを検知可能なモジュールを配置するための筺体内の空間を示す、筺体を有する３次元プリンタの正面図である。 図３は、図２に示される空間に嵌合する、動作不能インクジェットを検知するモジュールの側面図である。 図４は、図３のモジュールを動作させる方法のフローチャートである。

本明細書で開示される装置の環境、およびその装置の詳細の一般的な理解を得るために、これらの図面を参照する。図面では、同様の参照符号は同様の要素を示す。

図１には、３次元の物体すなわち部品１０を作成するプリンタ１００内の構成部品の構成が示されている。本明細書で使用される「３次元プリンタ」という用語とは、物体の画像データを参照し、材料を吐出して３次元の物体を形成する全ての装置のことを指す。このプリンタ１００は、支持材料容器１４、造形材料容器１８、一対のインクジェット印刷ヘッド２２および２６、造形下地３０、平面支持部材３４、支柱部材３８、アクチュエータ４２、および制御装置４６を含む。印刷ヘッド２２と支持材料容器１４は導管５０により接続され、印刷ヘッド２６と造形材料容器１８は導管５４により接続される。制御装置４６は、この制御装置に動作可能に接続したメモリ内の３次元の画像データを参照し、両方のインクジェットの印刷ヘッドを操作して、各印刷ヘッドに供給された支持材料および造形材料を吐出する。製造される部品１０の構造は造形材料により形成され、支持構造体５８は支持材料により形成される。この支持構造体５８により、部品を製造する際、造形材料が固化するまでの間、その形状を維持することができる。部品の完成後、この支持構造体５８は、洗浄、吹き飛ばし、あるいは溶かすことにより取り除かれる。

制御装置４６はまた、少なくとも１つのアクチュエータ４２（場合によっては、より多くのアクチュエータ４２）にも操作可能に接続して、互いに関連する平面支持部材３４、支柱部材３８、および印刷ヘッド２２および２６の移動を制御する。すなわち、１つ以上のアクチュエータは、印刷ヘッドを支持する構造体に動作可能に接続して、平面支持部材の表面を参照して、印刷ヘッドを処理方向とクロス処理方向に移動させることができる。あるいは、１つ以上のアクチュエータは、平面支持部材３４に動作可能に接続して、製造される部品を載せている表面を、平面支持部材３４の処理方向とクロス処理方向に移動させることができる。本明細書で使用される、用語「処理方向」とは、平面支持部材３４の表面の一方の軸に沿った移動のことを指し、「クロス処理方向」とは、平面支持部材の表面の処理方向の軸と直交する軸に沿った移動のことを指す。これらの方向は、図１で英字「Ｐ」および「Ｃ−Ｐ」で示されている。印刷ヘッド２２および２６と支柱部材３８は、平面支持部材３４と垂直な方向にも移動可能である。この方向は、本明細書では垂直方向と呼ばれ、支柱部材３８と平行であり、図１の英字「Ｖ」で示される。垂直方向の移動は、支柱部材３８に動作可能に接続する１つ以上のアクチュエータ、印刷ヘッド２２および２６に動作可能に接続する１つ以上のアクチュエータ、あるいは支柱部材３８と印刷ヘッド２２および２６に動作可能に接続する１つ以上のアクチュエータにより実行可能である。これらの種々の構成内のアクチュエータが制御装置４６に動作可能に接続し、この制御装置４６は、これらのアクチュエータを操作して、支柱部材３８、印刷ヘッド２２および２６、またはそれらの両方を垂直方向に移動させることができる。

図２には、筺体を有する３次元プリンタが示されている。このプリンタ６０は、筺体６４を有する。筺体６４の内部は、ほぼ立方体形状の６つのコンパートメントに分けられている。図２では、この筺体６４はドアを省略して示されており、このドアを閉めることによりコンパートメントは隠される。コンパートメント７２は、移動可能なプラットフォーム８２の上に載った平面支持体７８を含む。移動可能なプラットフォーム８２は１つ以上のアクチュエータおよびガイド部材（図示せず）と共に構成され、この構成により、移動可能なプラットフォーム８２は、垂直方向の上下移動が可能になる。この平面支持体７８の表面に、３次元の物体が形成される。いくつかの実施形態では、この印刷ヘッド８６は、コンパートメント７２の後壁からコンパートメントの表面の開口の方向に、平面支持体７８の長さとほぼ同じ長さを有する。これらの実施形態では、印刷ヘッド８６は、直線の往復移動だけを行えばいいよう、筺体６４の側壁９６と側壁１００の間の空間の支持部材９２に取り付けられる。他の実施形態では、印刷ヘッド８６は、コンパートメント７２の後壁からコンパートメントの表面の開口への方向に、平面支持体７８の長さより短い長さを有する。これらの実施形態では、印刷ヘッド８６は、コンパートメント７２の上の平面の２つの直交する方向に往復移動を行うよう、筺体６４の側壁９６と側壁１００の間の空間の支持部材９２に取り付けられる。これらの種々の実施形態では、１つ以上のアクチュエータ１０４が、印刷ヘッド８６に動作可能に接続する。制御装置１０８はアクチュエータ１０４を操作して、印刷ヘッド８６を支持部材９２上で直線的に往復移動させる、あるいは印刷ヘッドを平面の２つの直交する方向に移動させる。印刷ヘッド８６内のインクジェットを選択的に操作し、支持プラットフォーム８２を垂直方向に移動させ、支持部材９２に載った印刷ヘッド８６を水平方向に移動させることにより、平面支持体７８上で３次元の物体を形成することができる。

図２の点線で輪郭のみ示されている領域１１２は、感熱フィルムを用いてプリンタ６０の動作不能インクジェットを検知するモジュールの配置位置を示している。上記の通り、物体の印刷中に、インクジェットが、完全にまたは部分的に材料を吐出しなくなることにより、あるいは傾いた方向で不規則に材料を吐出することにより故障した場合、製造される物体は変形する。現在、このような変形は、物体の製造が完了するまで検知することはできない。以下により詳しく説明する通り、動作不能インクジェットを光学的に検知する領域１１２を用いることにより、プリンタ６０は、物体の製造中に動作不能インクジェットを検知するよう構成され得る。モジュール３００内のいくつかの構成部品は、図で示される、横方向Ｈ、奥行き方向Ｄ、および垂直方向Ｖに移動可能である。

図３のブロック図には、物体の印刷中に透明な材料を吐出して、動作不能インクジェットを検知するモジュールの一実施形態が示されている。モジュール３００は、プリンタ６０の領域１１２内に嵌合するよう構成されている。このモジュール３００は、光学センサ３０４、感熱下地３０８、１つ以上のアクチュエータ３１６、制御装置３２４、クリーニング部材３２０、および廃棄物容器３２８を含む。下地３０８は、２つのローラ３３２の周りに巻き付くエンドレスベルトとして構成されている。光学センサ３０４はベルトと同じ幅を有するが、アクチュエータによりベルトの幅方向で双方向に移動するよう構成されていれば、光学センサ３０４の幅はベルトより狭くてもよい。制御装置３２４は、アクチュエータ３１６に操作可能に接続し、ローラ３３２のうちの少なくとも一方を駆動させて、下地３０８のエンドレスベルトを光学センサ３０４の周りで回転させ、クリーニング部材３２０を用いて下地３０８を掃く。

感熱下地３０８は、印刷ヘッド８６から吐出される造形材料および支持材料を支持し、造形材料または支持材料内の熱に応じて、その色を変化させる材料から作られる平面部材である。これらの材料は、感熱下地の物質に伝わる熱エネルギーの単位当たりの光学密度の既知の関数を参照して光学密度を増加させる。熱により暗くなった領域は、熱エネルギーが消散すると、その元の色に戻る。例えば、平面下地は、イリノイ州グレンビューのＬＣＲ Ｈａｌｌｃｒｅｓｔ社製のフィルムでよい（例示的な材料に関しては、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｌｌｃｒｅｓｔ．ｃｏｍ／ｄｉｇｉｔｅｍｐｓｃ．ｃｆｍを参照）。本明細書で用いられる通り、感熱下地は、その領域に伝えられる熱エネルギーの単位当たりの下地上の領域の光学密度を変化させる。本明細書で使用される、リバーシブル感熱下地とは、熱エネルギーが領域に伝えられる前に、その下地の領域の光学密度を元の状態に戻す、感熱下地のことを指す。

クリーニング部材３２０は、アクチュエータに動作可能に接続する支持部材に取り付けられる。下記に示される通り、制御装置３２４がアクチュエータを操作して、支持部材を動かし、下地３３２をクリーニング部材３２０に係合させる。この動作により、造形材料および支持材料を下地３０８から廃棄物容器３２８に掃き取り、次のテストパターンの印刷のために下地３０８の表面を新しくする。このクリーニング部材３２０は、クリーニング溶剤の供給器３４０を含むことができ、この供給器３４０は、クリーニング部材が下地を掃く前に、クリーニング溶剤を下地の上に分散させるよう構成される。このクリーニング溶剤が、造形材料および支持材料と化学的に反応し、クリーニング部材を当てる前にこれらの材料を柔らかくする。さらに、または、あるいは、ヒータ３２６が、クリーニング部材３２０に対して配置され、クリーニング部材３２０が下地３０８を掃く前に造形材料および支持材料を加熱する。他の実施形態では、クリーニング部材は設けられず、制御装置は、テストパターンを印刷可能な量だけ下地３３２を進ませ、センサ３０４を用いて画像を形成する。ベルト３０８が一回転に近づくことを制御装置３２４が検知すると、この制御装置３２４はベルト３０８を交換する必要があることを示す信号を生成する。

図４には、３次元の物体を作成するプリンタを動作させる方法が示されている。この方法の説明では、処理があるタスクまたは機能を実行するという記載は、制御装置すなわち汎用プロセッサが、この制御装置すなわちプロセッサに動作可能に接続するメモリに格納されたプログラム命令を実行して、データを処理すること、あるいは、プリンタ内の１つ以上の構成部品を動作させてタスクまたは機能を実行することを指す。上記に記載した制御装置３２４は、そのような制御装置すなわちプロセッサでよい。あるいは、制御装置３２４は、本明細書に記載される１つ以上のタスクまたは機能を実行するようそれぞれ構成される、複数のプロセッサならびに関連する回路および構成部品を用いて実装可能である。

印刷動作中の所定の時間で、制御装置１０８（図２）がアクチュエータ１０４を操作して、印刷ヘッド８６を領域１１２内に配置されたモジュール３００内に移動させ、そこで制御装置１０８は、印刷ヘッド８６を操作して、印刷中に静止している下地３０８の上に、造形材料および支持材料を吐出する（ブロック４０４）。ある実施形態では、印刷ヘッド内の各インクジェットが繰り返して動作し、インクジェットの向かい側の下地３０８の部分に材料のパイル（テストドットとも呼ばれる）を形成する。テストパターンの印刷後、制御装置１０８は、材料の吐出によるテストパターンの形成が完了したことを示す信号を生成し、制御装置３２４に送信する（ブロック４０８）。制御装置１０８からの信号に応じて、制御装置３２４は光学センサ３０４を操作して、下地３０８の画像データを生成する（ブロック４２０）。材料から放出される熱およびその熱の下地３３２への作用が、インクジェットから材料が吐出されると消散し始めるため、センサ３０４の動作は、テストパターンが印刷された後すぐに開始される。センサ３０４により生成される電気信号が画像データであり、テストパターンを形成するために用いられる造形材料および支持材料の予想される位置を参照しこの画像データを分析して、動作不能インクジェットを特定し（ブロック４２４）、動作不能インクジェットが特定された場合、不良の印刷ヘッドを示す信号を、プリンタの操作者用に生成する（ブロック４２８）。次いで、操作者が適切な動作を行うことができる。制御装置３２４は、アクチュエータ３１６の操作を続けて、下地３０８を回転させて次のインクジェットのテストのために、下地のきれいな部分を用意する（ブロック４３０）。上記に説明した通り、このクリーニングは、下地３０８がクリーニング部材を通過する際、この下地３０８がクリーニング部材３２０と係合して、材料を下地から取り除くことにより行われる、あるいは、下地を進めて次のテストパターンのために下地のきれいな部分を供給することにより行われる。部材３２０により材料が取り除かれる場合、取り除かれる材料は廃棄物容器３２８に回収され、この容器３２８は、ときどきプリンタから取り外し、交換することができる、あるいは空にして再度取り付けることができる。

上記に議論した実施形態は、３次元の物体を形成するプリンタ内で用いられているが、そのような吐出される材料の熱の下地への作用から動作不能インクジェットを検知する感熱下地およびシステムは、２次元の文書印刷システム、具体的には、透明なインクを用いる文書印刷システムでも使用可能である。そのようなシステムでは、感熱下地が、ときどき、印刷ヘッドのそばを通過して、印刷され、画像形成され、分析されて、動作不能インクジェットを特定する。同様に、移動ウェブまたはドラムなどの画像形成部材に透明なインクを吐出する印刷ヘッドを感熱下地の向かい側に移動させて、印刷を行い、動作不能インクジェットを検知することができる。したがって、本明細書で使用される用語「材料」とは、３次元の物体を形成するために使用可能な物質、および文書印刷で使用されるインクのことを指す。

Claims (9)

1. インクジェットと共に構成されて、材料の小滴を吐出する印刷ヘッドと、
   前記印刷ヘッドの向かい側の位置に移動して、前記印刷ヘッドから吐出される小滴を受け取るよう構成される感熱下地と、
   前記感熱下地上の小滴に対応するデータを生成するよう構成される光学センサと、
   前記光学センサが、前記感熱下地上の小滴の画像データを生成することができるよう、前記下地を前記光学センサの向かい側の位置に移動させるよう構成される搬送部と、
   前記搬送部、前記光学センサ、および前記印刷ヘッドに操作可能に接続する制御装置であって、前記感熱下地が前記印刷ヘッドの向かい側の位置に静止している間に、前記印刷ヘッドを操作して各インクジェットから前記感熱下地上に所定の数の小滴を吐出させ、前記所定の数の小滴でインクジェットごとに前記感熱下地の上にテストドットの形成を可能にし、前記光学センサを操作して前記感熱下地の画像データを生成し、前記感熱下地上の前記テストドットに対応する、前記光学センサから受け取られる画像データを参照して、前記印刷ヘッド内の動作不能インクジェットを特定するよう構成される制御装置と、を含むプリンタ。
2. 前記感熱下地が、リバーシブル感熱下地である、請求項１に記載のプリンタ。
3. 前記下地が、
   複数のローラの周りに巻き付くリバーシブル感熱下地のエンドレスベルトをさらに含み、
   前記制御装置が、アクチュエータを操作して、前記複数のローラの周りで前記リバーシブル感熱下地のエンドレスベルトを移動させるようさらに構成される、請求項２に記載のプリンタ。
4. クリーニング部材をさらに含み、
   前記制御装置が、前記クリーニング部材を操作して、前記リバーシブル感熱下地のエンドレスベルトが前記クリーニング部材を通過するときに、前記リバーシブル感熱下地と係合させるようさらに構成される、請求項３に記載のプリンタ。
5. クリーニング溶剤の供給部をさらに含み、
   前記制御装置が、前記クリーニング溶剤の供給部を操作して、前記クリーニング部材が前記リバーシブル感熱下地と係合する前に、前記リバーシブル感熱下地にクリーニング溶剤を塗布するようさらに構成される、請求項４に記載のプリンタ。
6. 前記クリーニング部材が、
   前記リバーシブル感熱下地が前記クリーニング部材を通過するとき、前記リバーシブル感熱下地を加熱するよう構成されるヒータをさらに含む、請求項４に記載のプリンタ。
7. 前記光学センサが、前記リバーシブル感熱下地の幅より広い幅を有する、請求項２に記載のプリンタ。
8. 前記光学センサは、前記印刷ヘッドから小滴を受け取る、前記リバーシブル感熱下地側とは反対の、前記リバーシブル感熱下地側に配置される、請求項２に記載のプリンタ。
9. 感熱下地と、
   前記感熱下地の表面のデータを生成するよう構成される光学センサと、
   前記光学センサが、前記感熱下地上の小滴の画像データを生成できるよう、前記感熱下地を前記光学センサの向かい側の位置に移動させるよう構成される搬送部と、
   前記搬送部および前記光学センサに操作可能に接続する制御装置であって、前記搬送部を操作して前記感熱下地を前記光学センサの向かい側の位置に移動させ、印刷ヘッド内のインクジェットにより、材料の小滴が前記感熱下地上に吐出された後に、前記光学センサを操作して前記感熱下地の画像データを生成し、前記感熱下地上の前記材料の小滴に対応する、前記光学センサから受け取られる前記画像データを参照して、前記小滴を吐出した前記印刷ヘッド内の動作不能インクジェットを特定するよう構成される制御装置と、を含む装置。

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