JP2017217911A - エアロゾルアプリケータを使用した静電型3dプリンタ制御層トポグラフィ - Google Patents

エアロゾルアプリケータを使用した静電型3dプリンタ制御層トポグラフィ Download PDF

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Abstract

【課題】3D印刷部分の全体的な精度及び均一性を改善し、さらなるレベルが添加される前に寸法の不正確さを低減又は除去する方法の提供。
【解決手段】ITBに造形材料104及び支持材料105の層を静電的に転写するように配置された造形及び支持材料現像ステーションを含む3Dプリンタ。ITBが、プラテン118がITBの1つに接触するたび、プラテンに造形及び支持材料の層を転写する。センサは、プラテン上の層のトポグラフィ測定値を生成するように配置され、エアロゾルアプリケータは、プラテン上の層上に造形及び支持材料を推進するように配置される。エアロゾルアプリケータは、層上に推進される造形材料及び支持材料の量及び位置を調整することで、プラテン上の独立した積層内の層の表面トポロジーの平坦性を制御するように、フィードバックループを介したセンサからのトポグラフィ測定値に基づいて、推進される造形及び支持材料を制御する方法。
【選択図】図7B

Description

本願明細書におけるシステム及び方法は、一般に、静電印刷プロセスを使用する3次元印刷プロセスに関する。
3次元印刷は、例えば、インクジェットプリンタを使用して物体を生成することができる。多くのシステムにおいて、プラットフォームは、造形及び支持材料の層を形成するようにインクジェットに対して移動し、各層は、UV光源を使用して硬化される。これらのステップは、層毎に繰り返される。支持材料は、一般に、3D印刷が完了した後に造形材料から選択的にすすがれることができる酸性、塩基性又は水溶性ポリマーを含む。
静電(電子写真)プロセスは、材料を(感光体ベルト又はドラムなどの)中間面に転写する2次元ディジタル画像を生成する周知の手段である。電子写真像が転写される方法の進歩は、印刷システムの速度、効率及びディジタル特性を活用することができる。
例示的な3次元(3D)プリンタは、他の要素のうち、中間転写ベルト(ITB)などの中間転写面と、ITBに対して造形及び支持材料の層を静電的に転写するように配置された造形及び支持材料現像ステーションと、ITBに隣接する転写定着ステーションとを含む。平坦面を有するプラテンは、ITBに繰り返し接触するように配置される。プラテンは、ITBに対して移動し、ITBは、プラテンの平坦面上の層の独立した積層を連続的に形成するように、プラテンが転写定着ステーションにおいてITB上の層の1つに接触するたびにプラテンの平坦面に造形材料及び支持材料の層を転写する。
また、任意の定着ステーションは、プラテン上で層を一体に定着するために独立した積層に熱及び圧力を印加するように配置されることができ、任意の硬化ステーションは、造形材料内のポリマーを架橋させるように独立した積層に熱及び紫外線光を印加するように配置されることができる。定着ステーションが層を定着した後にプラテン上の層のトポグラフィ測定値を生成するためにセンサが配置されている。さらに、(層が定着ステーションによって定着された後に)定着後層上に造形及び支持材料を推進するようにエアロゾルアプリケータが配置されている。(プロセッサを潜在的に含む)フィードバックループは、センサにエアロゾルアプリケータを電気的に接続する。センサは、定着後層内の窪みを検出し、フィードバックループを介して窪みの深さ及び位置をエアロゾルアプリケータに供給する。
エアロゾルアプリケータは、プラテン上の独立した積層内の層の表面トポロジーの平坦性を制御するために定着後層において推進される造形及び支持材料の量及び位置を調整するように、センサからフィードバックループを通る層のトポグラフィ測定値に基づいて、推進される造形及び支持材料の量及び位置を制御する。それゆえに、エアロゾルアプリケータは、全ての層の表面トポロジーを平坦にしてプラテンの平坦面に平行にするように、層の表面トポロジーの窪みを埋めるように各定着後層の異なる位置に異なる量の造形及び支持材料を選択的に推進する。
エアロゾルアプリケータは、加圧ガスによって駆動されるベンチュリ狭窄管状ジェット本体を有するガスジェットである。一例において、エアロゾルアプリケータは、造形及び支持材料の双方を選択的に推進することができるガスジェットのアレイである。いくつかの構造において、各ガスジェットは、造形材料又は支持材料が推進されるかどうか並びにエアロゾルアプリケータから推進される造形材料及び/又は支持材料の量を制御する電界ゲートを含む。他の構造において、ガスジェットの一部は、造形材料のみを推進するが、全ての他のガスジェットは、支持材料のみを推進し、アレイ構成は、造形材料ガスジェット及び支持材料ガスジェットを交互に含む。
これらの及び他の特徴は、以下の詳細な説明に記載されているか又はそれから明らかである。
様々な例示的なシステム及び方法が添付図面を参照して以下に詳細に記載される。
図1は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図2は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図3は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図4は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図5は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図6は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図7Aは、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図7Bは、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図7Cは、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図8Aは、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図8Bは、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図8Cは、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図9は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図10は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図11は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図12は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図13は、本願明細書における装置を部分的に示す概略的な断面図である。 図14は、本願明細書における装置を示す拡張概略図である。 図15は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図16は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図17は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図18は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図19は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図20は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図21は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図22は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図23は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図24は、本願明細書における装置を部分的に示す概略断面図である。 図25は、本願明細書における印刷装置を示す概略図である。 図26は、本願明細書における印刷装置の要素を示す概略図である。 図27は、本願明細書における印刷装置の要素を示す概略図である。
3D印刷技術により、良好に形成された正確な最終3D部品を実現するために各層の厚さの均一性及び表面特性が制御される必要がある。層が互いに重ね合わされると、個々の層の厚さ若しくはトポグラフィのいかなる不均一性又は部品と支持材料との間の誤った位置合わせは、不均一性の相加的性質のために不正な及び/又は好ましくない最終部品を形成する。それゆえに、以下に記載される装置は、部品の堅牢性を保証するために各層についての平坦化プロセスを提供する。
当業者によって理解されるように、部品及び支持材料が静電プロセスを使用して現像されてベルトに転写された後、層は転写定着アセンブリにおいて前層に転写定着される。転写定着された層のトポグラフィは、部品がより厚くなるのにともないより多くの熱を保持する部品のために転写定着ステップにおいて加えられる圧力及び熱のために変動することができる。層間の平均トポグラフィ変動に加えて、層内トポグラフィもまた、環境不安定性、現像ロールの使い果たし、ドラムの摩耗などによって変動することができる。
層トポグラフィにおける変動に対抗するために、本願明細書における装置及び方法は、各層が部品に転写定着された後に、各層のトポグラフィ測定を行う。このフィードバックは、個々の層内でのクロスプロセス及びプロセス方向の不均一性のために、最終部品がより厚くなったり又はトポグラフィの変動が生じたりするために熱容量の変動の影響を低減するのに役立つことができる。
それゆえに、本願明細書における装置及び方法は、非均一表面トポロジーを有するようにその場で測定され且つ滑らかにされなければならない既に定着された表面に造形及び/又は支持材料を添加するようにエアロゾルアプリケータ(例えば、弾道エアロゾルマーキング(BAM)印刷ヘッドモジュール)を作動させるために、個々の層トポグラフィを監視してそのトポグラフィデータをフィードバックとして使用することによって3D印刷部分の全体的な精度及び均一性を改善し、そのため、さらなるレベルが添加される前に寸法の不正確さが低減又は除去される。不均一性測定情報は、エアロゾルアプリケータにフィードバックされた後、必要に応じて、上層を滑らかに又はより均一にして次層及び後層の準備をするために造形及び支持の双方の追加の材料が後定着部品にディジタル的に添加される。
それゆえに、エアロゾルアプリケータは、新たに転写定着された層を平坦化するために層上において測定された下側領域に支持及び造形材料を添加する。選択された造形及び支持材料に応じて、エアロゾルアプリケータが材料を発射する高速度が発射された造形及び支持材料を既存の層に定着するように作用する。他の造形及び支持材料の場合、本願明細書における他の構造は、発射された造形及び支持材料を既存の層に定着する、エアロゾルアプリケータに隣接する追加の定着ステーションを含む。エアロゾルアプリケータが平坦面を形成するために追加の造形及び支持材料を発射した後(及び潜在的な第2の定着プロセスの後)、プラテンは、転写定着ニップに戻り、転写定着されることになる次層の準備において予熱される。
例えば、図1に示されるように、本願明細書における3Dプリンタは、他の要素のうち、ローラー112上に支持された(表面、ドラム又はベルトとすることができ、本願明細書においては時には中間転写ベルト(ITB)と称される)中間転写面110と、第1の印刷要素(例えば、現像ステーション116)と、第2の印刷要素(例えば、現像ステーション114)と、(プラットフォーム表面又はベルトとすることができる)ITB110に隣接するプラテン118とを含む。造形及び支持材料のパターンは、現像ステーション114、116から中間転写ベルト110へ及び中間転写ベルトからプラテン118へ転写される。また、そのような構造は、転写定着ヒータ120と、(転写定着ニップ130に組み込まれることができる)任意の別個の定着ステーション126と、任意の別個のエアロゾル後定着ステーション164と、光源124を使用して光(例えば、UV光)を及び/又はヒータ122を使用して熱を印加するように配置された任意の硬化ステーションとを含むことができる。本構造はまた、冷却ステーション166と、支持材料除去ステーション148とを任意に含むことができる。
図1は、転写定着ニップ130が層をプラテン118に転写定着した後(及び場合によっては任意の追加の定着ステーション126が層を定着した後)に、プラテン118上の層のトポグラフィ測定値を生成するようにセンサ144が配置されていることを示している。さらに、(層102が転写定着ニップ130によって転写定着され、場合によっては定着ステーション126によって定着された後に)定着後層上に造形及び支持材料を推進するようにエアロゾルアプリケータ160が配置されている。(潜在的にプロセッサ224を含む)フィードバックループ146は、エアロゾルアプリケータ160をセンサ144に電気的に接続する。センサ144は、定着後層内の窪みを検出し、フィードバックループ146を介してエアロゾルアプリケータ160にトポロジカル測定における窪みの深さ及び位置を供給する。
図1に示されるように、第1の印刷要素116は、ITB110に第1の材料104(例えば、(潜在的に乾燥した)粉末ポリマー−ワックス材料(例えば、帯電した3Dトナー)などの造形材料)を(ベルトと転写される材料との間の電荷差によって)静電的に転写するように配置され、(例えば、感光体とすることもできる)第2の印刷要素114は、第1の材料104がITB110上に位置するITB110の位置に第2の材料105(例えば、同様に粉末ポリマー−ワックス材料(例えば、帯電した3Dトナー)などの支持材料)を静電的に転写するようにも配置されている。
支持材料105は、印刷された3D構造が印刷プロセスにおいて使用される支持材料105から分離されるのを可能とするように造形材料104に影響を与えない溶剤に溶解する。図面において、造形材料104及び支持材料105の組み合わせは、要素102として示されており、現像層と称される。造形材料104及び支持材料105の現像層102は、ITB110の別個の領域上にあり、その層(及びその関連する支持要素)における3D構造の要素に対応するパターンにあり、3D構造が造形されて現像層102によって層102が現像される。
図2における垂直矢印によって示されるように、プラテン118は、プラテン118をITB110と接触させるようにITB110に向かって(モータ、ギア、プーリ、ケーブル、ガイドなどを使用して(全て一般に物品118によって示されている))移動する。現像層102は、ITB110に静電的に転写されることができ、及び/又は、現像層102及びITB110は、転写定着前に現像層102を「粘着性」状態にするようにヒータ120によって局所的に加熱されることができる(すなわち、ガラス転移温度(Tg)よりも高いが、トナー樹脂の融点又は溶融温度Tmよりも低い温度)。プラテン118はまた、ほぼ同じ温度にヒータ120によって加熱されることができ、その後、ITB−プラテンニップ(転写定着ニップ130)を通って平行移動するのにともない粘着層102と同期して接触される。ITB110は、造形材料104及び支持材料105の現像層102をプラテン118上に連続的に形成するように、(静電力及び/又は材料の粘着性に基づいて)プラテン118がITB110に接触するたびに、造形材料104及び支持材料105の現像層102のうちの一方をプラテン118に転写する。
そのような造形及び支持材料は、それぞれの別個の現像ステーション114、116によってITB上にパターン印刷され、所定長を有する特定のパターンを表すように現像層102において一体に組み合わされる。それゆえに、現像層102のそれぞれは、(ITB110の隣にある矢印によって表される)ITB110が移動している処理方向に向かって配向された前縁134と、前縁134に対向する後縁136とを有する。
より具体的には、図2に示されるように、転写定着ニップ130において、転写定着ニップ130内の現像層102の前縁134は、プラテン118の対応する位置に転写定着され始める。それゆえに、図2において、プラテン118は、現像層102の前縁134が転写定着ニップ130のローラーの最低位置にある位置においてITB110上の現像層102に接触するように移動する。それゆえに、この例において、現像層102の後縁136は、まだ転写定着ニップ130に到達しておらず、したがって、プラテン118にまだ転写されていない。
図3に示されるように、プラテン118は、汚れなく、現像層102が清浄にプラテン118上に転写するのを可能とするように、プラテン真空ベルトを移動又は回転させることによってITB110と同期して移動する(ITB110と同じ速度で且つ同じ方向に移動する)。図3において、現像層102の後縁136は、まだ転写定着ニップ130に到達しておらず、したがってプラテン118又は現像層の独立した積層106に転写されていない唯一の部分である。
そして、ITB110が処理方向に移動するのにともない、プラテン118は、図4に示されるように、プラテン118がITB110から離れ且つ任意の別個の定着ステーション126にわたって移動する地点において現像層102の後縁136が転写定着ニップ130のローラーの底部に到達するまで、ITB110と同じ速度で且つ同じ方向に移動する(同様に、定着ステーション126は、省略されることができ、転写定着ニップ130に組み込まれることができる)。定着ステーション126のヒータは、非接触(例えば、赤外線(IR))ヒータ、又は定着ローラーなどの加圧ヒータとすることができる。定着ステーション126が加圧ローラーである場合、プラテン118は、ローラーが回転して現像層102をプラテン118に定着するように加熱及び加圧するのに同期して移動する。これらのプラテン118とITB110(及び加熱ローラー126)との間の同期移動は、歪み又は汚れなく、現像ステーション116、114によって印刷された支持及び造形材料(102)のパターンをITB110からプラテン118に正確に転写させる。
図5に示されるように、センサ144は、定着ステーション126が層102を定着した後(又は、別個の定着ステーション126が省略される場合、転写定着ステーション130が層102をプラテン118に転写定着した直後)にプラテン118上の層102のトポグラフィを検出するように配置されている。ここでも、フィードバックループ146は、センサ144及びエアロゾルアプリケータ160に電気的に接続されている。センサ144は、接触及び非接触装置を含む任意の形態のトポグラフィ測定装置とすることができ、プラテン118上の最上層の厚さ及び/又はトポグラフィのみを検出するように校正される。
例えば、センサ144は、レーザ及びカメラを含むことができ、レーザシート光(三角測量)技術を使用して物体プロファイルが測定されるレーザプロファイリング(レーザ三角測量)を使用することができる。レーザプロファイリングセンサ144により、レーザラインが物体上に投影され、得られたセンサ画像がカメラコアによって評価され、物体にわたってレーザラインを走査することによって単一の高さプロファイルに変換される。それゆえに、物体の完全な高さ画像及びトポグラフィ画像を取得することができる。センサ144は、プロファイル速度を犠牲にすることなく、位置データ並びに追加の特徴(例えば、強度、ライン幅)を送出することができる。
他の例において、センサ144は、「シーン」全体が各レーザ又は光パルスによって(同様に、レーザ源及びカメラを使用して)取り込まれるという原理を使用して距離データを作成する飛行時間型のトポグラフィ測定を使用することができる。ここで、3Dカメラシステムは、使用される検出器材料に応じて、数メートルの距離をカバーする。カメラの中心には、カメラの内部照明源からの赤外光がシーン内の物体によって反射されてカメラに戻り、正確な到達時間が数万個のセンサ画素のそれぞれによって独立して測定されるという飛行時間型の距離測定原理を採用した高度なセンサ技術がある。
また、センサ144は、プロジェクタの視野以外の視点から歪んで見える照明ラインを生成するように光源が3次元形状の表面上に狭い光の帯域を投影する構造化された光を使用し且つ表面形状(明部)の正確な幾何学的再構成に使用されることができる光センサとすることができる。構造化光センサ144はまた、これが同時に多数のサンプルを得ることを可能とするように同時に多くのストライプからなるパターン又は任意の干渉縞のパターンを投影することによってより迅速且つより多彩なプロセスを提供することができる。異なる視点から見ると、パターンは、物体の表面形状に起因して幾何学的に歪んでみえる。
さらに、センサ144は、互いに水平方向に変位した2つのカメラを使用する立体視(ステレオビジョン)システムとすることができる。これらのカメラはともに、3D画像が再構成されることができるシーンの2つの異なる視野を得る。
他の代替例において、センサ144は、反射性皮膚によって覆われた透明なエラストマーからなるスラブを有する接触ベースの光線検知装置とすることができる。物体が反射性皮膚を押圧すると、反射性皮膚が歪んで物体の表面の形状をとる。(エラストマースラブを介して)後方から見ると、反射性皮膚は、表面のレリーフレプリカとしてみえる。3つの異なる位置にある赤色、緑色及び青色光源からの照明を使用して、このレリーフの画像を記録するためにカメラがセンサ144に含まれる。そして、表面を再構成するために装置に合わせた測光ステレオアルゴリズムが使用される。
図6に示されるように、(層102が定着ステーション126によって定着された後に又は層102が単に転写定着ニップ130によって定着された後)定着後層102上に造形及び支持材料を推進するようにエアロゾルアプリケータ160が配置されている。示されるように、(潜在的にプロセッサ224を含む)フィードバックループ146は、エアロゾルアプリケータ160をセンサ144に電気的に接続する。センサ144は、定着後層102内の窪みを検出し、フィードバックループ146を介してエアロゾルアプリケータ160にトポロジカル測定における窪みの深さ及び位置を供給する。エアロゾルアプリケータ160は、プラテン118上の独立した積層106内の層102の表面トポロジーの平坦性を制御するために定着後層102において推進される造形及び支持材料の量及び位置を調整するように、センサ144からフィードバックループ146を通る層102のトポグラフィ測定値に基づいて、推進される造形及び支持材料の量及び位置を制御する。
例えば、造形材料104の一部及び支持材料105の一部を含む層102の1つの部分を示す図7Aに示されるように、(窪み145などの)トポグラフィカル表面規則性が様々な印刷/転写定着の不規則性のために層102内に存在することができる。図7Bに示されるように、層102の表面トポロジーを平坦化するために、エアロゾルアプリケータ160は、窪み145を埋めるようにノズル182のアレイから各定着後層102の異なる位置145に異なる量の造形材料104及び支持材料105を選択的に推進する。そのような処理は、図7Cに示されるように、全ての層102の上部103の表面トポロジーを平坦にし、プラテン118の平坦面119に平行にする。
より詳細には、図8Aは、エアロゾルアプリケータ160が入口182に供給された加圧ガスによって駆動されるベンチュリ184と狭窄管状ジェット本体180を有する少なくとも1つのガスジェットであることを示している。ベンチュリ184は、管状ジェット本体180の狭窄部184を通過する高速ガスの作用によって供給容器から造形材料104及び支持材料105の粒子を選択的に引き込む。入口に供給される(例えば、CO、Nなど)ガスの圧力は、高圧であり(例えば、1Atm以上、10Atm以上、50Atm以上、100Atm以上など)、造形材料104及び支持材料105の粒子をノズル186から非常に高速で推進させる(例えば、2m/s、10m/s、25m/s、75m/s、100m/sなど)。
図8A及び図8Bに示される電界ゲート190、192は、造形材料104及び支持材料105の粒子がベンチュリ184を通過する高速ガスの流れに入るかどうかを制御する磁界を生成する。具体的には、電界ゲート190の一方は、造形材料104が高速ガスの流れに入るかどうかを制御する。他方の電界ゲート192は、支持材料105が潜在的に同じノズル186から高速ガスの流れに入るかどうかを制御する。
図8Bに示される例において、造形又は支持材料104、105の粒子が(矢印196によって示される)ガスの流れに入るのを可能とされるかどうか又はそのような造形又は支持材料104、105の粒子が(矢印198によって示される)逆方向に導かれるかどうかを制御する3相進行波グリッド194の異なる電極に電圧パルスが印加される。そのような電界ゲート190、192は、造形材料104又は支持材料105が推進されるかどうか並びにエアロゾルアプリケータ160のノズル186から推進される造形材料104及び/又は支持材料105の量を制御する。
図8Cに示される例において、エアロゾルアプリケータ160は、それぞれが入口182、ベンチュリ184及びノズル186を含むガスジェット180のアレイである。アレイ内のガスジェット180のそれぞれは、電界ゲート190、192によって制御されるように(双方とも同時にではないが)造形及び支持材料の双方を選択的に推進することができる。他の構造において、ガスジェット180の一部は、造形材料104のみを推進する一方で、全ての他のガスジェットは、支持材料105のみを推進し、そのようなアレイ構成は、造形材料ガスジェット及び支持材料ガスジェットを交互に含む。
この時点で、プラテン118は、推進された造形及び支持材料を層102の既存の造形及び支持材料に定着させるように、任意の追加の定着ステーション164(図9)へと移動することができる。
図10に示されるように、任意の硬化ステーション122、124は、(例えば、積層106内のポリマーを架橋することによって)独立した積層106内の現像層102をプラテン118上の他のものに結合するために3D構造に光及び/又は熱を印加するように構成されて配置されている。硬化ステーションのヒータ、ライト及び他の要素122、124の選択的な使用は、現像層102の化学的構成に応じて変化する。
一例において、造形材料104は、UV硬化性トナーを含むことができる。硬化ステーション122、124は、材料をそれらのガラス転移温度とそれらの溶融温度との間の温度に加熱することによってそのような材料を結合させた後、材料内のポリマーを架橋させるようにUV光を印加し、それにより、剛性構造を形成する。当業者は、他の造形及び支持材料が他の結合処理及び結合要素を利用し、上述したものが1つの限定された例として提示されているにすぎないことを理解するであろう。本願明細書における装置及び方法は、現在知られているか又は将来開発されるかにかかわらず、そのような結合方法及び要素の全てに適用可能である。
さらに、プラテン118は、追加の層が転写定着される前に層102を冷却する(例えば、ファン及びダクトを使用して)冷気を供給する任意の冷却ステーション166(図11)へと移動することができる。あるいは、層102の転写の間にプラテン118上の層102を冷却するために処理中の冷却中断が使用されることができる。
様々な要素のうちのいくつかは、上述した図面における特定の位置に示されているが、上述した要素の多くは任意であり、削除又は再配置されることができる。したがって、他の代替的な構造において、定着ステーション126、冷却ステーション166及び(以下に記載される)支持材料除去ステーション148が削除されることができ、硬化ステーション122、124は、図12に示されるように、定着ステーション164が層102を定着した後に造形及び支持材料を硬化させることができる。
他の構造において、図13に示されるように、追加の定着ステーション126及び164、硬化ステーション122、124、冷却ステーション166、並びに(以下に記載される)支持材料除去ステーション148が削除されることができる。図13に示される構造により、転写定着ニップ130は、必要な全ての定着動作を行い、エアロゾルアプリケータ160が造形及び支持材料を推進する速度は、粒子が層102に当たるときに熱を発生し、そのような熱は、追加の定着ステーションを必要とすることなく、単独でそのような材料を既存の層102に定着する。さらに、図13において、造形及び支持材料は、UV硬化を必要としないように選択され、硬化ステーション122、124がまた構造から削除されるのを可能とする。いくつかの構成及び代替構造が上記示されているが、当業者は、多くの他の構成及び構造が利用可能であり、以下に提示される特許請求の範囲内に含まれるように意図されることを理解するであろう。
それゆえに、図2〜図13における処理は、複数の現像層102をプラテン118に(及び互いに)定着させるように繰り返される。図14は、現像層102が造形材料104の一部及び支持材料105の一部をどのように含むことができるか、最も下側の現像層102がプラテン118にどのように接合されているか、並びに、プラテン118上に現像層102の積層106を形成するように各連続現像層102がどのように下方にある直前の隣接する現像層102に接触して接合されるかを示す拡大図である。上述したように、(識別番号102を使用して、図14において粒子(縮尺どおりには描かれていない)として示されている)現像層102内の造形材料104及び支持材料105の粒子は、加熱された粘着性の上部現像層102を接合する粉末の粘着性粒子に加熱されることができ、及び/又は、電荷発生器128によって生成された電荷152によって引き寄せられた粒子を静電的に引き寄せられることができる。
現像層102の積層106が成長するのにともない、図15に示されるように、積層106の上部に追加の現像層102が形成され、そのような追加の現像層102は、定着ステーション126によって定着され、図16に示されるように、造形及び支持材料を推進するのを可能とするように上層のみのトポグラフィがセンサ144によって測定され、図17に示されるように、エアロゾルアプリケータ160がプラテン118上の独立した積層106内の層102の表面トポロジーの平坦性を制御する。トポグラフィ測定センサ144は、(最終的に非常に均一な層102のトポグラフィをもたらす)層102の正確なトポグラフィカル情報を提供するように積層106の最上層のトポグラフィのみを測定するように校正される。さらに、図17は、独立した積層106内の支持材料105及び造形材料104の部分を示すオーバーレイを示している。そのようなものは、視認可能であってもなくてもよく、そのような造形及び支持材料が配置されることができる1つの例示的な方法を示すように図示されているにすぎない。
プラテン118は、ITB110がプラテン118に現像層102のそれぞれを転写するたびに、定着ステーション126、硬化ステーション122、124、エアロゾルアプリケータ160、追加の定着ステーション164、及び冷却ステーション166のいずれか又は全てへと移動することができる。他の代替例において、プラテン118は、複数の現像層102が同時に定着、硬化、平坦化、冷却されるのを可能とするように特定数(例えば、2、3、4など)の現像層102がプラテン118上に配置された後、定着ステーション126、硬化ステーション122、124、エアロゾルアプリケータ160、追加の定着ステーション164、及び冷却ステーション166のいずれか又は全てへと移動するのみであってもよい。
独立した積層106の3D構造物は、外部溶剤浴を使用して支持材料105を手動で除去するのを可能とするように出力されることができるか、又は、図18〜図20に示されるように処理を進めることができる。より具体的には、図18において、支持材料除去ステーション148は、プラテン118上の独立した積層106のここで結合された3D構造を受けるように配置される。支持材料除去ステーション148は、造形材料104に影響を与えずに支持材料105を溶解する溶剤156を加える。同様に、上述したように、利用される溶剤は、造形材料104及び支持材料105の化学的構成に依存する。図19は、支持材料105の約半分が残存し且つ造形材料104の一部が支持材料105の残存積層から突出する処理を示している。図20は、支持材料除去ステーション148が全ての支持材料105を溶解させるのに十分な溶剤156を加えた後の処理を示しており、造形材料104のみが残っており、造形材料104のみから構成された完成した3D構造物を残している。
図21〜図23は、図1に示される転写定着ニップ130の代わりに平面転写定着ステーション138を含む代替的な3D静電印刷構造を示している。図21に示されるように、平面転写定着ステーション138は、ローラー112の間にあり且つプラテン118に平行なITB110の平面部である。図21に示されるように、この構造により、プラテン118が平面転写定着ステーション138に接触するように移動すると、現像層102の全てがプラテン118又は部分的に形成された積層106に同時に転写定着され、図2及び図3に示される回転転写定着プロセスを回避する。図22は、層102のトポグラフィを検出するセンサ144を示しており、図23は、層102の窪みを埋めるように造形及び支持材料104、105を推進するエアロゾルアプリケータ160を示している。
あるいは、図24に示されるように、ドラム158は、本願明細書において記載されるように動作する全ての他の要素とともに、ITB110の代わりに使用されることができる。それゆえに、ドラム158は、上述したように、現像ステーション114、116からの材料を受ける中間転写面とすることができ、又は、感光体とすることができ、電荷の潜像を保持して現像装置254からの材料を受けることによって以下に記載される感光体256が動作するのにともない動作する。
図25は、本願明細書における3D印刷装置204の多くの要素を示している。3D印刷装置204は、コントローラ/有形プロセッサ224と、有形プロセッサ224及び印刷装置204の外部のコンピュータ化ネットワークに動作可能に接続された通信ポート(入力/出力)214とを含む。また、印刷装置204は、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)アセンブリ212などの少なくとも1つのアクセサリ機能要素を含むことができる。ユーザは、グラフィカルユーザインターフェース又はコントロールパネル212からメッセージ、命令及びメニューオプションを受信し、グラフィカルユーザインターフェース又はコントロールパネル212を介して命令を入力することができる。
入力/出力装置214は、3D印刷装置204との間の通信に使用され、(現在知られているか又は将来開発されるかにかかわらず、任意の形態の)有線装置又は無線装置を備える。有形プロセッサ224は、印刷装置204の様々な動作を制御する。持続性で有形のコンピュータ記憶媒体装置210(光学的、磁気的、キャパシタベースなどであり、一時的信号とは異なる)は、有形プロセッサ224によって読み取り可能であり、コンピュータ化装置が本願明細書において記載されるものなどの様々な機能を実行するのを可能とするように有形プロセッサ224が実行する命令を記憶する。それゆえに、図25に示されるように、本体ハウジングは、電源218によって交流(AC)電源220から供給される電力で動作する1つ以上の機能的要素を有する。電源218は、共通電力変換ユニット、電力貯蔵素子(例えば、電池など)などを備えることができる。
3D印刷装置204は、上述したようにプラテン上に造形及び支持材料の連続層を堆積させる少なくとも1つのマーキング装置(印刷エンジン)240を含み、(画像データを処理するために特化されていることから汎用コンピュータとは異なる)特殊画像プロセッサ224に動作可能に接続されている。また、印刷装置204は、(電源218を介して)外部電源220から供給される電力で同様に動作する(スキャナ232などの)少なくとも1つのアクセサリ機能要素を含むことができる。
1つ以上の印刷エンジン240は、現在知られているか又は将来開発されるかにかかわらず、例えば、(図26に示されるように)中間転写ベルト110を使用する装置を含むことができる、造形及び支持材料(トナーなど)を塗布する任意のマーキング装置を説明するように意図される。それゆえに、図26に示されるように、図25に示される印刷エンジン240のそれぞれは、1つ以上の潜在的に異なる(例えば、異なる色、異なる材料など)造形材料現像ステーション116、1つ以上の潜在的に異なる(例えば、異なる色、異なる材料など)支持材料現像ステーション114などを利用することができる。現像ステーション114、116は、現在知られているか又は将来開発されるかにかかわらず、個々の静電マーキングステーション、個々のインクジェットステーション、個々のドライインクステーションなど、任意の形態の現像ステーションとすることができる。現像ステーション114、116のそれぞれは、(中間転写ベルト110の状態とは潜在的に独立して)単一ベルト回転中に順次中間転写ベルト110の同一位置に材料のパターンを転写し、それにより、完全且つ完全な像が中間転写ベルト110に転写される前に中間転写ベルト110が構成しなければならない経路数を削減する。図26は、回転ベルト(110)に隣接するか又は接触する5つの現像ステーションを示しているが、当業者によって理解されるように、そのような装置は、任意数(例えば、2、3、5、8、11など)のマーキングステーションを使用することができる。
中間転写ベルト110に隣接して(又は潜在的に接触して)配置された1つの例示的な個々の静電現像ステーション114、116が図27に示されている。個々の静電現像ステーション114、116のそれぞれは、内部感光体256上に均一な電荷を生成する独自の帯電ステーション258と、均一な電荷を電荷潜像にパターン形成する内部露光装置260と、電荷潜像に一致するパターンで感光体256に造形又は支持材料を転写する内部現像装置254とを含む。そして、造形又は支持材料のパターンは、通常は中間転写ベルト110の反対側に電荷発生器128によって形成される、造形又は支持材料の電荷に対する中間転写ベルト110の逆電荷によって感光体256から中間転写ベルト110へと引き出される。
いくつかの例示的な構造が添付図面に示されているが、当業者は、図面は簡略化された概略図であり、以下に提示される特許請求の範囲は図示されていない(又は潜在的に多くはない)がそのような装置及びシステムとともに一般的に利用されるより多くの特徴を包含することを理解するであろう。したがって、特許出願人は、以下に提示される特許請求の範囲が添付図面によって限定されることを意図しておらず、代わりに、添付図面は、特許請求された特徴が実施されることができるいくつかの方法を例示するために提供されるにすぎない。
米国特許第8,488,994号明細書に示されるように、電子写真法を使用した3D部品を印刷するための積層造形システムが知られている。このシステムは、表面を有する光導電体要素と、光導電体要素の表面上に材料の層を現像するように構成された現像ステーションとを含む。このシステムはまた、回転可能な光導電体要素の表面から現像層を受けるように構成された転写媒体と、受けた層の少なくとも一部から3D部品を印刷するために層毎に転写要素から現像層を受けるように構成されるプラテンとを含む。
米国特許第7,250,238号明細書に開示されるようなUV硬化性トナーに関して、印刷プロセスにおいてUV硬化性トナー組成物を利用する方法と同様にUV硬化性トナー組成物を提供することが知られている。米国特許第7,250,238号明細書は、実施形態において約100nmから約400nmのUV光などのUV放射線にさらすことによって硬化可能なトナーの生成を可能とする様々なトナーエマルジョン凝集プロセスを開示している。米国特許第7,250,238号明細書において、生成されたトナー組成物は、温度感受性包装及びホイルシールの製造などの様々な印刷用途において利用されることができる。米国特許第7,250,238号明細書において、実施形態は、任意の着色剤、任意のワックス、スチレンから生成されるポリマー、並びに、ブチルアクリレート、カルボキシエチルアクリレート及びUV光硬化性アクリレートオリゴマーからなる群から選択されるアクリレートを含むUV硬化性トナー組成物に関する。さらに、これらの態様は、顔料、任意のワックス、及びUV硬化性脂環式エポキシドから生成されたポリマーなどの着色剤を含むトナー組成物に関する。
さらに、米国特許第7,250,238号明細書は、スチレン、ブチルアクリレート、カルボキシエチルアクリレート、及びUV硬化アクリレートから形成されるポリマーを含有するラテックスを着色剤及びワックスと混合することと、必要に応じて第2の混合物に分散されたトナー前駆体粒子の凝集及び形成を引き起こすようにこの混合物に凝集剤を添加することと、トナー粒子を形成するためにポリマーのガラス転移温度(Tg)以上の温度までトナー前駆体粒子を加熱することと、必要に応じてトナー粒子を洗浄することと、必要に応じてトナー粒子を乾燥させることとを含むUV硬化性トナー組成物を形成する方法を開示している。さらなる態様は、この方法によって製造されたトナー粒子に関する。
いくつかの例示的な構造が添付図面に示されているが、当業者は、図面は簡略化された概略図であり、以下に提示される特許請求の範囲は図示されていない(又は潜在的に多くはない)がそのような装置及びシステムとともに一般的に利用されるより多くの特徴を包含することを理解するであろう。したがって、特許出願人は、以下に提示される特許請求の範囲が添付図面によって限定されることを意図しておらず、代わりに、添付図面は、特許請求された特徴が実施されることができるいくつかの方法を例示するために提供されるにすぎない。
多くのコンピュータ化された装置が上述されている。チップベースの中央処理装置(CPU)と、(グラフィックユーザインターフェース(GUI)、メモリ、コンパレータ、有形プロセッサなどを含む)入力/出力装置とを含むコンピュータ化装置は、米国テキサス州ラウンドロックのデルコンピュータ及び米国カリフォルニア州クパチーノのアップルコンピュータ社などの製造業者によって製造された周知且つ容易に入手可能な装置である。そのようなコンピュータ化装置は、一般に、入力/出力装置、電源、有形プロセッサ、電子記憶メモリ、配線などを含み、読者が本願明細書に記載されるシステム及び方法の顕著な態様にフォーカスするのを可能とするように、その詳細は本願明細書から省略されている。同様に、プリンタ、複写機、スキャナ及び他の類似の周辺機器は、米国コネチカット州ノーウォークのゼロックス社から入手可能であり、そのような装置の詳細は、簡潔性及び読者のフォーカスの目的のために本願明細書においては記載されない。
本願明細書において使用されるプリンタ又は印刷装置という用語は、任意の目的のために印刷出力機能を実行するディジタル複写機、製本機、ファクシミリ装置、複合機などの任意の装置を包含する。プリンタや印刷エンジンなどの詳細は周知であり、提示された顕著な特徴にフォーカスされた本開示を維持するために本願明細書においては詳細に記載されない。本願明細書におけるシステム及び方法は、カラー、モノクロで印刷する又はカラー若しくはモノクロ画像データを処理するシステム及び方法を包含することができる。全ての上述したシステム及び方法は、静電及び/又は電子写真装置及び/又はプロセスに特に適用可能である。
本発明の目的のために、定着という用語は、乾燥、硬化、重合、架橋、結合、又は付加反応若しくはコーティングの他の反応を意味する。さらに、本願明細書において使用される「右(right)」、「左(left)」、「垂直(vertical)」、「水平(horizontal)」、「上部(top)」、「底部(bottom)」、「上(upper)」、「下(lower)」、「下方(under)」、「下(below)」、「下層(underlying)」、「上(over)」、「上層(overlying)」、「平行(parallel)」、「垂直(perpendicular)」などの用語は、(特に断らない限り)それらが図面において配向及び図示されるように相対的位置であると理解される。「接触(touching)」、「上(on)」、「直接接触(in direct contact)」、「当接(abutting)」、「直接隣接(directly adjacent to)」などの用語は、少なくとも1つの要素が(記載された要素を分離する他の要素なしで)他の要素に物理的に接触することを意味する。さらに、自動化又は自動的にという用語は、(機械又はユーザによって)処理が開始されると、1つ以上の機械がユーザからのさらなる入力なしで処理を行うことを意味する。本願明細書における図面において、同一の識別符号は、同一又は類似の項目を識別する。
上記開示された及び他の特徴及び機能又はその代替例は、多くの他の異なるシステム又は用途に望ましくは組み合わせることができることが理解されるであろう。様々な現在予見できない又は予測されない代替例、変更例、変形例又は改良は、当業者によって後に行われることができ、以下の特許請求の範囲に包含されるようにも意図される。特定の請求項自体に具体的に定義されない限り、本願明細書におけるシステム及び方法のステップ又は構成要素は、任意の特定の順序、数、位置、大きさ、形状、角度、色又は材料に対する限定として任意の上記例から暗示又は取り込まれることはできない。

Claims (10)

  1. 3次元(3D)プリンタにおいて、
    中間転写面と、
    前記中間転写面に造形材料及び支持材料を静電的に転写するように配置された造形及び支持材料現像ステーションと、
    前記中間転写面に繰り返し接触するように配置されたプラテンであって、前記中間転写面に対して移動し、前記プラテン上に前記層の独立した積層を連続的に形成するように、前記プラテンが前記中間転写面の1つに接触するたびに、前記中間転写面が前記プラテンに前記造形材料及び前記支持材料の層を転写するプラテンと、
    前記プラテン上の前記層のトポグラフィ測定値を生成するように配置されたセンサと、
    前記プラテン上の前記層上に前記造形材料及び前記支持材料を推進するように配置されたエアロゾルアプリケータとを備え、
    前記エアロゾルアプリケータが、前記プラテン上の前記独立した積層内の前記層の表面トポロジーの平坦性を制御するために前記層において推進される前記造形材料及び前記支持材料の量及び位置を調整するように、前記センサからの前記トポグラフィ測定値に基づいて、推進される前記造形材料及び前記支持材料の量及び位置を制御する、3Dプリンタ。
  2. 前記エアロゾルアプリケータがガスジェットのアレイを備える、請求項1に記載の3Dプリンタ。
  3. 前記エアロゾルアプリケータが、前記エアロゾルアプリケータから推進される前記造形材料及び前記支持材料の量を制御する電界ゲートを備える、請求項1に記載の3Dプリンタ。
  4. 前記エアロゾルアプリケータが、前記層の前記表面トポロジーを平坦にし且つ前記プラテンの平坦面に平行にするように、前記層の前記表面トポロジーの窪みを埋めるように前記層の異なる位置に異なる量の前記造形材料及び前記支持材料を選択的に推進する、請求項1に記載の3Dプリンタ。
  5. 3次元(3D)プリンタにおいて、
    中間転写ベルト(ITB)と、
    前記ITBに造形材料を静電的に転写するように配置された造形材料現像ステーションと、
    前記ITBに支持材料を静電的に転写するように配置された支持材料現像ステーションであって、前記造形材料現像ステーション及び前記支持材料現像ステーションが前記ITBに前記造形材料及び前記支持材料の層を転写する、支持材料現像ステーションと、
    前記ITBに繰り返し接触するように配置された平坦面を有するプラテンであって、前記ITBに対して移動し、前記プラテンの前記平坦面上に前記層の独立した積層を連続的に形成するように、前記プラテンが前記ITB上の前記層の1つに接触するたびに、前記ITBが前記プラテンの前記平坦面に前記造形材料及び前記支持材料の層を転写するプラテンと、
    前記プラテン上の前記層のトポグラフィ測定値を生成するように配置されたセンサと、
    前記センサに電気的に接続されたフィードバックループと、
    前記層上に前記造形材料及び前記支持材料を推進するように配置されたエアロゾルアプリケータとを備え、
    前記エアロゾルアプリケータが、前記プラテン上の前記独立した積層内の前記層の表面トポロジーの平坦性を制御するために前記層において推進される前記造形材料及び前記支持材料の量及び位置を調整するように、前記フィードバックループを介した前記センサからの前記トポグラフィ測定値に基づいて、推進される前記造形材料及び前記支持材料の量及び位置を制御する、3Dプリンタ。
  6. 前記エアロゾルアプリケータがガスジェットのアレイを備える、請求項5に記載の3Dプリンタ。
  7. 前記エアロゾルアプリケータが、前記エアロゾルアプリケータから推進される前記造形材料及び前記支持材料の量を制御する電界ゲートを備える、請求項5に記載の3Dプリンタ。
  8. 前記エアロゾルアプリケータが、前記層の前記表面トポロジーを平坦にし且つ前記プラテンの平坦面に平行にするように、前記層の前記表面トポロジーの窪みを埋めるように前記層の異なる位置に異なる量の前記造形材料及び前記支持材料を選択的に推進する、請求項5に記載の3Dプリンタ。
  9. 3次元(3D)プリンタにおいて、
    中間転写ベルト(ITB)と、
    前記ITBに造形材料を静電的に転写するように配置された造形材料現像ステーションと、
    前記ITBに支持材料を静電的に転写するように配置された支持材料現像ステーションであって、前記造形材料現像ステーション及び前記支持材料現像ステーションが前記ITBに前記造形材料及び前記支持材料の層を転写する、支持材料現像ステーションと、
    前記ITBに隣接する転写定着ステーションと、
    前記ITBに繰り返し接触するように配置された平坦面を有するプラテンであって、前記ITBに対して移動し、
    前記プラテンの前記平坦面上に前記層の独立した積層を連続的に形成するように、前記プラテンが前記転写定着ステーションにおいて前記ITB上の前記層の1つに接触するたびに、前記ITBが前記プラテンの前記平坦面に前記造形材料及び前記支持材料の層を転写するプラテンと、
    前記層を一体に定着するために前記独立した積層に熱及び圧力を加えるように配置された定着ステーションと、
    前記造形材料内のポリマーを架橋させるように前記独立した積層に熱及び紫外線光を印加するように配置された硬化ステーションと、
    前記定着ステーションが前記層を定着した後に前記プラテン上の前記層のトポグラフィ測定値を生成するように配置されたセンサと、
    前記センサに電気的に接続されたフィードバックループと、
    前記層が前記定着ステーションによって定着された後に前記層上に前記造形材料及び前記支持材料を推進するように配置されたエアロゾルアプリケータとを備え、
    前記エアロゾルアプリケータが、前記プラテン上の前記独立した積層内の前記層の表面トポロジーの平坦性を制御するために前記層が前記定着ステーションによって定着された後に前記層において推進される前記造形材料及び前記支持材料の量及び位置を調整するように、前記フィードバックループを介した前記センサからの前記トポグラフィ測定値に基づいて、推進される前記造形材料及び前記支持材料を制御する、3Dプリンタ。
  10. 前記エアロゾルアプリケータがガスジェットのアレイを備える、請求項9に記載の3Dプリンタ。
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