JP2018507798A - 三次元物体を形成する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

三次元物体を生成する装置及び方法が開示されている。固体自由形状製造用の装置は、ノズル開口部（２）を含む移動可能なノズル（１）と、移動可能なノズルに接続された加熱要素（３）と、移動可能なノズルに接続されたドライバ（４）と、移動可能なノズルから構築材料（８）を受け取るプラットフォーム（５）と、ドライバに構築材料を提供するホッパ（６）とを含み、ホッパは、ホッパ開口部（７）を含み、ノズル開口部及びホッパ開口部は、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、構築材料が、存在する場合に、少なくともホッパ開口部から直線軸に沿って移動することが可能であるように、直線軸上における同時アライメントが可能である。【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

［分野］
本発明は、三次元物体を生成する装置、方法、及び材料に関する。

［背景］
三次元印刷としても知られる加法的製造は、最終的な三次元物体が生成されるまで、一度に１つの部分ずつ物体を構築することにより、三次元物体を形成する技法である。加法的技法は、最終的な三次元物体を生成するために、材料の各部分が材料の相対的に大きい量から除去される、切削などの減法的技法と対比されうるものである。

溶融積層法（ＦＤＭ）としても知られる溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）は、固体構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、望ましい三次元物体の形状に対応したコンピュータデータに従って、ノズルを通じて構築材料を供給するステップとを伴う加法的製造技法である。通常、ＦＦＦ装置は、移動可能なノズルの開口部を通じて構築材料を供給する移動可能なノズルと、構築材料を流動可能な状態に加熱する加熱要素と、構築材料を移動可能なノズルまで導く、移動可能なノズルに接続されたドライバと、ドライバに接続された構築材料供給源とを含む。また、移動可能なノズルの開口部を通じて供給された構築材料を受け取るための、任意選択的に移動可能なプラットフォームも存在する。

多くの場合、構築材料供給源はドライバに接続されており、又はドライバは、構築材料自体により、又は柔軟なチューブを通じた構築材料の搬送を許容する柔軟なチューブにより、移動可能なノズルに接続される。構築材料供給源は、通常、構築材料が巻回されるボビンの形態を有する。構築材料は、通常、熱可塑性を有する。

ＦＦＦ装置が稼働するのに伴い、構築材料は、ドライバの動作を介してボビンから巻き出され、且つ加熱要素まで導かれ、ここで、構築材料は、流動可能な状態に遷移する。次いで、流動可能な構築材料は、望ましい三次元物体の形状に対応したコンピュータデータに従ってノズル開口部を通じて供給される。移動可能なノズルを離脱した際、構築材料は、周辺空気中において冷却され且つ流動不能な状態に遷移して戻る。

Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された国際公開第１９９７／１９７９８号パンフレットは、構築速度を増大させると共に相対的に高粘度の構築材料を可能にする目的で多段加圧を利用する。一実施形態では、構築材料は、カートリッジ内に収容されうる「ウエハ」の形態で存在する。ウエハは、ドライバを介して加熱要素まで導かれる。流動可能な状態に遷移した後、ウエハは、湾曲した連通チャネルを通じて且つ回転羽根車に向かって移動する。回転羽根車は、流体をノズルに向かって且つノズル開口部から外部に駆動する。

既知のＦＦＦ方法によって生成された三次元物体は、一般に、射出成形技法によって生成された同一製品との比較において乏しい機械特性を有する。従って、改善された機械性能を有する三次元物体をもたらすＦＦＦの方法が望ましいであろう。

［概要］
既存のＦＦＦ装置では、構築材料は、ボビンの周りに巻回されうるように柔軟である。また、構築材料は、材料供給源から移動可能なノズルまでの容易な搬送を許容するために、且つ材料供給源が静止状態に留まっている状態において移動可能なノズルの移動を許容するために柔軟であってもよい。この柔軟性は、いくつかの利点を提供するものの、一般に、材料の選択肢を制限する。

本発明者らは、構築材料が、存在する場合に、流動可能な状態を達成するまで、構築材料が少なくともホッパ開口部から直線軸に沿って移動することが可能であるように、ノズル開口部及びホッパ開口部が、直線軸上における同時アライメントが可能である装置において、これらの課題が少なくとも部分的に軽減されることを見出した。この結果、流動可能な状態に到達する前には十分に柔軟でないか、又は従来技術のＦＦＦ装置で使用される構築材料を上回る粘度で流動する構築材料を使用することができる。加えて、構築材料が流動状態で維持される時間量である滞留時間は、不連続な形態で存在する構築材料から三次元物体を形成することが可能である従来技術の装置におけるものを下回りうる。

従って、本発明の第１の実施形態によれば、固体自由形状製造用の装置は、
ａ．ノズル開口部を含む移動可能なノズルと、
ｂ．移動可能なノズルに接続された加熱要素と、
ｃ．移動可能なノズルに接続されたドライバと、
ｄ．移動可能なノズルから構築材料を受け取るプラットフォームと、
ｅ．構築材料をドライバに提供するホッパであって、ホッパ開口部を含むホッパと
を含み、
ノズル開口部及びホッパ開口部は、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、構築材料が、存在する場合に、少なくともホッパ開口部から直線軸に沿って移動することが可能であるように、直線軸上における同時アライメントが可能である。

本発明の第２の実施形態は、三次元物体を形成する方法であり、方法は、
ａ．直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む装置を提供するステップと、
ｂ．構築材料をホッパからホッパ開口部を通じて直線軸に沿ってドライバ内に供給するステップと、
ｃ．ドライバを使用して、構築材料を直線軸に沿って移動可能なノズルまで導くステップと、
ｄ．構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
ｅ．構築材料を、移動可能なノズルを通じてプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと
を含む。

本発明の第３の実施形態は、三次元物体を形成する方法であり、方法は、
ａ．直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル及びドライバを含む装置を提供するステップと、
ｂ．直線の長手方向軸を含む構築材料を、直線の長手方向軸が直線軸とアライメントされるように位置決めするステップと、
ｃ．ドライバを使用して、構築材料を直線軸に沿って移動可能なノズルまで導くステップと、
ｄ．構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
ｅ．構築材料を、移動可能なノズルを通じてプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと、
を含む。

本発明の一実施形態による装置の概略図である。 本発明の一実施形態による装置の概略図である。 本発明の一実施形態による装置の概略図である。 本発明の一実施形態による装置の概略図である。 例１と関連した３０％だけガラス繊維が充填されたＰＡ４１０から形成された印刷部分の断面のＳＥＭ画像である。

［詳細な説明］
通常、ＦＦＦ装置は、曲がりくねった軸上において同軸アライメント状態で存在する材料供給源、ドライバ、及び移動可能なノズルを有することになる。この技法にはいくつかの利点が存在するが、１つの欠点は、ユーザーが、曲がりくねった軸の折り曲げ部分に沿って移動することが可能である柔軟な構築材料に制限されることである。

本発明の一実施形態によれば、構築材料は、存在する場合に、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、直線軸に沿って移動することが可能である。この結果、曲がりくねった軸に沿って移動するために十分な柔軟性を有してはいない構築材料をＦＦＦ装置で使用することができる。一実施形態では、これは、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、構築材料が、存在する場合に、直線軸に沿って移動することが可能であるように、ノズル開口部及びホッパ開口部が、直線軸上における同時アライメントが可能である、装置において実現される。前記実施形態において、ドライバ及びホッパ開口部が必要としているのは、直線軸上における同時アライメントの能力のみである。

図１は、本発明の一実施形態による装置の概略図である。

装置は、ノズル開口部２を含む移動可能なノズル１を含む。移動可能なノズルの移動は、適切なハードウェア（図示されてはいない）及びソフトウェアによって制御される。ノズル開口部２は、一般に、構築材料要素８の断面の厚さよりも小さい。一実施形態において、移動可能であるのはノズルのみであり、且つプラットフォームは移動可能ではない。

加熱要素３が移動可能なノズルに接続される。加熱要素３は、少なくとも構築材料が流動可能な状態、即ち、ノズル開口部２を通じて流動しうる状態を達成するポイントまでの構築材料の温度の増大をもたらす。好ましくは、加熱要素３は、可能な限り少ない構築材料が流動可能な状態で存在するように、ノズル開口部２の近傍に位置決めされる。

ドライバ４が移動可能なノズルに接続される。ドライバ４の目的は、構築材料を移動可能なノズル２まで導くことである。ドライバ４は、通常、構築材料を移動可能なノズルに向かって導くように構築材料に手動で係合することにより動作する。従って、ドライバは、歯を有するギア、ねじ、又は移動可能なノズルまでの構築材料の誘導を支援するその他の適切な方法を利用することができる。図１〜図４に示されているように、ドライバは、構築材料の外側表面で構築材料に係合すると共に構築材料を移動可能なノズルまで導く２つの回転ホイールを含む。ドライバは、ドライバが軸に沿って移動する構築材料を導くとき、軸に沿ってアライメントされる。

プラットフォーム５は、移動可能なノズルから構築材料を受け取るために存在する。従って、三次元物体がプラットフォーム５上に形成される。プラットフォームは、任意の数の方向に移動可能であってもよく、且つ好ましくは、ｚ方向に移動可能である。プラットフォームは、５０〜１００℃、好ましくは、７０〜９０℃などに加熱されてもよい。一実施形態では、プラットフォームは、プラットフォームを加熱するヒーターを含む。

ホッパ６が構築材料をドライバに提供する。ホッパは、図１に示されているように、物理的にドライバ及びノズルに結束されていてもよく、又はドライバ及びノズルから分離されていてもよく、若しくは分離可能であってもよい。ホッパは、構築材料８が通過しうるホッパ開口部７を含む。

装置内における使用に適した構築材料は、任意の適切な形態を取ることができる。好ましくは、構築材料は、２５ｃｍ以下の最大長を有する断片などの不連続な形態で存在する。一実施形態では、構築材料は、棒状体などの細長い要素として存在する。図１には、棒状体として成形された構築材料が示されている。細長い要素は、円形、正方形、矩形、星形、又は何らかのその他の断面を有することができる。一実施形態では、構築材料は、直線の長手方向軸を含む。構築材料は、加えて、その表面上において、ドライバ４による構築材料の把持を促進する凹凸、切欠き、突出部、又はその他の表面形状を有することもできる。構築材料は、例えば、押出し又は射出成形プロセスを介して製造されてもよい。本発明の１つの利点は、射出成形された構築材料の経済的な使用を許容しうるという点にある。従って、異なるポリマー及び充填剤をブレンドすることにより、構築材料の組成を変更することができる。

本発明の別の利点は、方向付けされた充填剤を含む構築材料を使用することができることでありうる。方向付けされた充填剤を含む構築材料を使用する場合、充填剤が、形成された三次元物体内においてその向きを維持することが有用である。本発明は、方向付けされた充填剤を含む三次元物体の形成を実現することができる。更には、熱伝導性充填剤を含む材料を利用することもできる。熱伝導性材料は、従来技術のＦＦＦ装置内でジャミングのリスクを増大させる場合がある。更には、本発明は、２％未満などの非常に小さい破断伸びを有する構築材料の使用を実現することができる。一実施形態では、構築材料は剛性を有する。一実施形態では、構築材料は５％以下の破断伸びを有する。一実施形態では、構築材料は２％以下の破断伸びを有する。一実施形態では、構築材料は５ＧＰａ以上の弾性率を有する。一実施形態では、構築材料は７ＧＰａ以上の弾性率を有する。

一実施形態では、構築材料は装置内に存在し、且つ構築材料は充填剤を含む。充填剤は、特許請求される装置での使用が可能である多くの熱可塑性物質に組み込まれうる。一実施形態では、構築材料は充填剤を含み、且つ充填剤は、構築材料の長手方向軸に対して実質的に平行な方向において方向付けされている。一実施形態では、構築材料は充填剤を含み、且つ充填剤は、構築材料の長手方向軸に対して実質的に垂直な方向において方向付けされている。一実施形態では、充填剤は熱伝導性を有する。一実施形態では、充填剤は導電性を有する。一実施形態では、構築材料は、１０〜７０ｗｔ％、好ましくは１５〜７０ｗｔ％、更に好ましくは２０〜７０ｗｔ％の充填剤を含む。

一実施形態では、充填剤はガラスを含む。一実施形態では、充填剤はガラス繊維を含む。ガラス繊維は、通常、２：１〜５：１の長さ対幅比を有する。一実施形態では、充填剤は、重量において８０：２０〜２０：８０、好ましくは重量において６０：４０〜４０：６０の磨り潰されたガラス：ガラス繊維の比率を有する、磨り潰されたガラスとガラス繊維との混合体である。一実施形態では、充填剤はガラス球体を含む。一実施形態では、充填剤は中空ガラス球体を含む。一実施形態では、充填剤はガラスフレークを含む。

一実施形態では、充填剤は炭素繊維を含む。一実施形態では、炭素繊維はカーボンナノチューブである。一実施形態では、充填剤はグラファイトを含む。一実施形態では、充填剤は膨張可能なフレークグラファイトを含む。一実施形態では、充填剤はグラフェンを含む。一実施形態では、充填剤は炭素繊維及びカーボンナノチューブの混合体を含む。一実施形態では、充填剤は炭素繊維及びグラフェンの混合体を含む。

一実施形態では、充填剤はプラスチック繊維を含む。一実施形態では、充填剤は、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、又はポリビニルアルコール繊維、又はこれらの混合体を含む。

一実施形態では、充填剤は金属粉又は金属繊維を含む。一実施形態では、充填剤は、ＴｉＯ_２、ＺｎＳ、ＢａＳＯ_４、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ａｌ（ＯＨ）_３、Ｍｇ（ＯＨ）_２のうちの１つ又は複数を含む。

一実施形態では、装置は、充填剤を方向付ける磁界生成器を更に含む。磁界生成器の一例は電磁石である。

一実施形態では、構築材料は、熱安定剤、プロセス安定剤、酸化防止剤、光安定剤、可塑剤、帯電防止剤、離型剤、ＵＶ吸収剤、潤滑剤、顔料、染料、着色剤、流動促進剤、衝撃改質剤、又は上述の添加剤のうちの１つ若しくは複数の添加剤の組合せなどの１つ又は複数の添加剤を含む。

一実施形態では、構築材料は難燃剤を含む。一実施形態では、難燃剤は、水酸化アルミニウム（ＡＴＨ）、水酸化マグネシウム（ＭＤＨ）、フンタイト（ｈｕｎｔｉｔｅ）、ハイドロマグネサイト、赤リン、酸化アンチモン、ホウ酸亜鉛、ポリリン酸アンモニウム、グラファイト、及びナノクレイなどの無機物である。

一実施形態では、難燃剤は、デカブロモジフェニルエーテル（ｄｅｃａＢＤＥ）、デカブロモジフェニルエタン（ｄｅｃａＢＤＥの代用品）などの有機ハロゲン化合物、臭素化ポリスチレン、臭素化炭酸オリゴマ（ＢＣＯ）、臭素化エポキシオリゴマ（ＢＥＯ）、テトラブロモ無水フタル酸、テトラブロモビスフェノールＡ（ＴＢＢＰＡ）、及びヘキサブロモシクロドデカン（ＨＢＣＤ）などの高分子臭素化化合物である。すべてではないが大部分のハロゲン化難燃剤は、その効率を改善するために相乗剤との関連において使用される。三酸化アンチモンが広く使用されるが、五酸化物及びアンチモン酸ナトリウムなどのその他の形態のアンチモンも使用される。

一実施形態では、難燃剤は有機リン化合物である。この種類は、リゾルシノールビス（ジフェニルホスファート）（ＲＤＰ）、ビスフェノールＡジフェニルホスファート（ＢＡＤＰ）、ポリリン酸アンモニウム及びリン酸トリクレジル（ＴＣＰ）などの有機リン、ジメチルメチルホスホン酸塩（ＤＭＭＰ）などのホスホン酸塩、アルミニウムジエチルホスフィン酸、ホスファゼン、ホスファム（ｐｈｏｓｐｈａｍ）、及びホスフォロキシ窒化物（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）などのホスフィン酸塩を含む。

一実施形態では、難燃剤は、メラミン及びメラミン誘導体（即ち、ホウ酸、シアヌル酸、リン酸、又はピロ／ポリ−リン酸などの有機又は無機酸を有する塩）及びメラミンホモログ（ｍｅｌａｍｉｎｅ ｈｏｍｏｌｏｇｕｅ）などの窒素に基づいた難燃剤である。一実施形態では、難燃剤は、有機シリコーン誘導体及びポリジメチルシロキサンなどのケイ素に基づいた難燃剤である。一実施形態では、難燃剤は、硫黄に基づいた難燃剤である。

一実施形態では、構築材料の要素の長さは、構築材料の要素の厚さの５〜２００倍である。一実施形態では、構築材料の要素の長さは、構築材料の要素の厚さの２０〜１００倍である。一実施形態では、構築材料の要素の長さは、構築材料の要素の厚さの１０〜７０倍である。

一実施形態では、ホッパ６は、構築材料要素８を不連続な形態でドライバに提供するように構成される。例えば、ホッパは、ホッパからドライバへの構築材料の制御された移動を実現する弁又は類似のメカニズムを含むことができる。一実施形態では、ホッパは、構築材料の要素が、図１に示されているように、開口部を通じて制御可能に供給されることを許容する漏斗形状の内部を有する。

図１に示されているように、ドライバ４及びホッパ開口部７は、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、構築材料が、存在する場合に、少なくともホッパ開口部７から直線軸９に沿って移動することが可能であるように、直線軸９上においてアライメントされる。流動可能な状態は、通常、加熱要素の近傍又は内部において実現され、且つ構築材料の粘度の十分な低減を特徴とする。

装置の動作中、構築材料要素８はホッパ６内に保存される。構築材料は、ホッパ開口部７を通過し且つ直線軸９に沿ってドライバ４に到達する。ドライバは、構築材料を、加熱要素３を通じて移動可能なノズルまで導く。構築材料は、加熱要素３の近傍で又はその内部で流動可能な状態に到達する。次いで、流動可能な状態における構築材料は、移動可能なノズル１に且つノズル開口部２を通じて導かれる。移動可能なノズルが図示の方向に移動するのに伴って、構築材料は、三次元物体の形状に従ってプラットフォーム５上に供給される。プラットフォーム上に供給するステップは、構築材料をプラットフォーム自体上に、又はプラットフォーム上に既に存在する構築材料の予め供給された部分上に供給するステップを必然的に伴いうる。

図２は、本発明の一実施形態による装置の概略図である。ホッパ１６は、図１に示されている実施形態とは対照的に、図２の実施形態ではドライバ１４に固定されていない。一実施形態では、ホッパはドライバから分離可能である。一実施形態では、ホッパはドライバから分離されている。一実施形態では、ホッパ１６は、ドライバ１４から分離された状態において固定されており、且つドライバ１４及び移動可能なノズル１１は、ドライバ１４及びホッパ開口部１７が、直線軸１９上において一時的にアライメントされうるように移動可能である。

図２に示されているように、移動可能なノズル１１は、図示の方向に移動しつつ、構築材料を、開口部１２を通じて供給する。ドライバ１４は、構築材料を、加熱要素１３を通じて移動可能なノズル１１まで導く。移動可能なノズル内に残っている構築材料が存在しない場合、又は構築材料の量が処方された量に到達した場合など、何らかの時点において、移動可能なノズル１１、加熱要素１３、及びドライバ１４を含む組立体は、ドライバ１４及びホッパ開口部１７を直線軸１９上においてアライメントさせるために、ホッパ１６に向かって移動してもよく、且つ構築材料要素１８が組立体に進入してもよい。代わりに、ホッパ１６が組立体に向かって移動してもよく、又はホッパ及び組立体の両方が移動してもよい。

図３は、本発明の一実施形態による装置の概略図である。図３に示されているように、ホッパ２６はカートリッジを含む。カートリッジは、構築材料要素２８を順序付けられた方式によって保持すると共に、構築材料要素２８を、ホッパ開口部２７を通じて一度に１つずつ供給するように構成される。図１に示されている実施形態と同様に、ホッパ２６は、ドライバ２４に固定されている。ホッパ開口部２７及びドライバ２４は、直線軸２９上においてアライメントされる。構築材料は、ホッパ開口部２７を通じてホッパを離脱し、且つドライバ２４に提供される。構築材料は、移動可能なノズル２１内で流動可能な状態に構築材料を遷移させるために加熱要素２３によって加熱される。次いで、構築材料は、組立体が図示の方向に移動するのに伴って、ノズル開口部２２を通じてプラットフォーム２５上に供給される。

図４は、本発明の一実施形態による装置の概略図である。図４に示されているように、ホッパ３６はカートリッジを含む。カートリッジは、順序付けされた方式によって構築材料要素３８を保持すると共に、構築材料要素３８を、ホッパ開口部３７を通じて一度に１つずつ供給するように構成されている。ホッパ３６は、ドライバ３４に固定されてはいない。ホッパ３６は、ドライバ３４から分離された状態において固定されており、且つドライバ３４及び移動可能なノズル３１は、ドライバ３４及びホッパ開口部３７が直線軸３９上において一時的にアライメントされうるように移動可能である。

図４に示されているように、移動可能なノズル３１は、図示の方向に移動しつつ、構築材料を、開口部３２を通じて供給する。ドライバ３４は、構築材料を、加熱要素３３を通じて移動可能なノズル３１まで導く。移動可能なノズル内に残っている構築材料が存在しない場合、又は構築材料の量が処方された量に到達した場合など、何らかの時点において、移動可能なノズル３１、加熱要素３３、及びドライバ３４を含む組立体は、ドライバ３４及びホッパ開口部３７を直線軸３９上においてアライメントさせるためにホッパ３６に向かって移動してもよく、且つ構築材料要素３８が組立体に進入してもよい。代わりに、ホッパ３６が組立体に向かって移動してもよく、又はホッパ及び組立体の両方が移動してもよい。

以上、装置内に存在している構築材料を含むいくつかの実施形態について記述したが、特に添付の請求項の観点において記述された本発明が、構築材料を収容する装置に限定されるものと解釈してはならない。但し、一実施形態では、装置は構築材料を更に含む。

構築材料は、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、少なくともホッパ開口部から直線軸に沿って移動することが可能である。直線軸は垂直方向である必要はない。一実施形態では、直線軸は実質的に垂直方向である。一実施形態では、直線軸とプラットフォームのプレーンとは８０〜９０度の角度を形成する。一実施形態では、直線軸とプラットフォームのプレーンとは３５〜９０度の角度を形成する。一実施形態では、直線軸とプラットフォームのプレーンとは６０〜９０度の角度を形成する。一実施形態では、直線軸とプラットフォームのプレーンとは６０〜８５度の角度を形成する。

一実施形態では、装置は、空間とコントローラとを更に含む。一実施形態では、コントローラは、ＦＦＦプロセスの動作に影響を及ぼすために、温度、湿度、及び／又は組成など、空間内の気体（空気など）の周辺条件を変化させる。一実施形態では、空間は封入される。一実施形態では、コントローラは、移動可能なノズル近傍の条件を変化させる。一実施形態では、コントローラは、構築材料の硬化の動作に影響を及ぼすために強制気体を導く。例えば、強制気体は、空間外の周辺条件との関係において加熱又は冷却されてもよい。

本発明の第２の実施形態は、三次元物体を形成する方法であり、方法は、
ａ．直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む装置を提供するステップと、
ｂ．構築材料をホッパからホッパ開口部を通じて直線軸に沿ってドライバ内に供給するステップと、
ｃ．ドライバを使用して、構築材料を直線軸に沿って移動可能なノズルまで導くステップと、
ｄ．構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
ｅ．構築材料を、移動可能なノズルを通じてプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと
を含む。

構築材料を選択的に供給するステップは、例えば、望ましい三次元物体の断面の寸法に従って移動可能なノズル又はプラットフォームを移動させることにより、特定の形状に従って供給することによって実現することができる。

一実施形態では、直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口を含む装置を提供するステップは、直線軸上においてアライメント状態で固定された移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部により実行される。一実施形態では、直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む装置を提供するステップは、直線軸上において、移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部をアライメントさせることにより実行される。

本発明の第３の実施形態は、三次元物体を形成する方法であって、方法は、
ａ．直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル及びドライバを含む装置を提供するステップと、
ｂ．直線の長手方向軸を含む構築材料を、直線の長手方向軸が直線軸とアライメントされるように位置決めするステップと、
ｃ．ドライバを使用して、構築材料を直線軸に沿って移動可能なノズルまで導くステップと、
ｄ．構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
ｅ．構築材料を、移動可能なノズルを通じてプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと
を含む。

一実施形態では、提供された装置は、直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む。

更には、プラットフォーム及び／又はノズルは移動可能であってもよい。従って、本発明の第４の実施形態は、固体自由形状製造用の装置であり、装置は、
ａ．ノズル開口部を含むノズルと、
ｂ．ノズルに接続された加熱要素と、
ｃ．ノズルに接続されたドライバと、
ｄ．ノズルから構築材料を受け取る移動可能なプラットフォームと、
ｅ．構築材料をドライバに提供するホッパであって、ホッパ開口部を含むホッパと
を含み、
ノズル開口部及びホッパ開口は、構築材料が流動可能な状態を達成するまで、構築材料が、存在する場合に、少なくともホッパ開口部から直線軸に沿って移動することが可能であるように、直線軸上における同時アライメントが可能である。

本発明の第５の実施形態は、三次元物体を形成する方法であって、方法は、
ａ．直線軸上においてアライメントされたノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む装置を提供するステップと、
ｂ．構築材料をホッパからホッパ開口部を通じて直線軸に沿ってドライバ内に供給するステップと、
ｃ．ドライバを使用して、構築材料を直線軸に沿ってノズルまで導くステップと、
ｄ．構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
ｅ．構築材料を、ノズルを通じて移動可能なプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと
を含む。

本発明の第６の実施形態は、三次元物体を形成する方法であって、方法は、
ａ．直線軸上においてアライメントされたノズル及びドライバを含む装置を提供するステップと、
ｂ．直線の長手方向軸を含む構築材料を、直線の長手方向軸が直線軸とアライメントされるように位置決めするステップと、
ｃ．ドライバを使用して、構築材料を直線軸に沿ってノズルまで導くステップと、
ｄ．構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
ｅ．構築材料を、ノズルを通じて移動可能なプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと
を含む。

［実施例］
［実施例１ − ３０％だけガラス繊維が充填されたＰＡ４１０による印刷］
ノズル開口部及びホッパ開口部が直線軸上においてアライメントされるように、ＣａｒｔｅｓｉｏのＦＦＦ装置が変更される。直径が１．７５ｍｍの円形断面と、１５０ｍｍの長さとを有する構築材料が射出成形プロセスを介して形成される。構築材料は、３０％だけガラス繊維が充填されたＤＳＭ ＥｃｏＰａＸＸ（登録商標）（ポリアミド４１０）である。ガラス繊維は、長手方向において方向付けられている。

２０×２０×２０ｍｍの中空較正立方体（ｗｗｗ．ｔｈｉｎｇｉｖｅｒｓｅ．ｃｏｍ）が印刷される。ノズル温度は２６５℃に設定される。プラットフォームは８０℃に加熱される。印刷速度は５０ｍｍ／分である。３Ｄ ｌａｃ接着促進剤が構築プラットフォームに適用される。

印刷された立方体は、良好な分解能を示し、且つ反りをほとんど示していない。材料の断面が形成され、且つ断面のＳＥＭ画像が約５００×の倍率で記録される。画像が図１に示されている。この画像から、印刷後、ガラス繊維が方向付けされた状態に留まっていることがわかる。

［実施例２ − 引張試験］
実施例１において記述されている装置を使用することにより、ＩＳＯ５２７−１ＢＡタイプの引張バーが、３０％だけガラス繊維が充填されたＤＳＭ ＥｃｏＰａＸＸ（登録商標）（ポリアミド４１０）及び充填されていないポリアミド６から印刷される。

ノズル温度は２６５℃又は２８５℃である。印刷速度は５０ｍｍ／分である。印刷方向は４５°／４５°である。プラットフォームは８０°に加熱される。印刷速度は５０ｍｍ／分である。

印刷後、引張バーは、少なくとも２４時間にわたって室温及び５０％の相対湿度において維持されることが許容される。次いで、ヤング率がＩＳＯ５２７に従って計測される。結果が以下の表１に示されている。

それぞれの材料は正常に印刷されている。ヤング率は、ガラス繊維が充填された材料の場合に格段に大きい。

本発明の説明に関連して（特に添付の請求項に関連して）、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」という用語及び類似の指示物の使用は、本明細書においてそうでない旨が示されていない限り、又は文脈によって明瞭に否定されていない限り、単数形と複数形との両方を含むものと解釈されたい。「含む」、「有する」、「包含する」、及び「含有する」という用語は、そうでない旨が記述されていない限り、オープンエンド型の用語である（即ち、「限定を伴うことなしに含む」を意味する）ものと解釈されたい。本明細書における値の範囲の記述は、本明細書においてそうでない旨が示されていない限り、その範囲に含まれているそれぞれの別個の値を個別に参照するための簡便な方法として機能するように意図されたものに過ぎず、且つそれぞれの別個の値は、あたかも個別に本明細書において記述されているかのように本明細書に包含される。本明細書において記述されているすべての方法は、本明細書においてそうでない旨が示されていない限り、又はさもなければ文脈によって明確に否定されていない限り、任意の適切な順序において実行することができる。任意の且つすべての例の使用、又は本明細書において提供されている（例えば、「などの」のような）例示用の言語は、本発明を相対的に良好に明確にすることを意図したものに過ぎず、且つそうでない旨が主張されていない限り、本発明の範囲に対して限定を課すものではない。本明細書におけるいずれの言語も、任意の主張されていない要素が本発明の実施にとって不可欠であることを通知するものとして解釈されてはならない。

本明細書では、本発明を実施するための本発明者らに既知の最良の形態を含む本発明の好適な実施形態について記述している。上述の説明を参照する際、当業者には、これらの好適な実施形態の変形形態が明らかになるであろう。本発明者らは、当業者が適宜このような変形形態を利用することを予想しており、且つ本発明者らは、本発明が、本明細書において具体的に記述されているもの以外の方式により実施されることを意図している。従って、本説明は、適用可能な法律によって許容される、本明細書に添付の請求項において記述された主題のすべての変更形態及び均等物を含む。特定の任意選択の特徴が本発明の実施形態として記述されているが、本説明は、そうでない旨が具体的に示されていない限り、又は物理的に不可能でない限り、これらの実施形態のすべての組合せを包含すると共に具体的に開示することを意図したものである。

Claims (15)

1. 固体自由形状製造用の装置であって、
   ａ．ノズル開口部を含む移動可能なノズルと、
   ｂ．前記移動可能なノズルに接続された加熱要素と、
   ｃ．前記移動可能なノズルに接続されたドライバと、
   ｄ．前記移動可能なノズルから構築材料を受け取るプラットフォームと、
   ｅ．前記構築材料を前記ドライバに提供するホッパであって、ホッパ開口部を含むホッパと
   を含み、
   前記ノズル開口部及び前記ホッパ開口部は、前記構築材料が流動可能な状態を達成するまで、前記構築材料が、存在する場合に、少なくとも前記ホッパ開口部から直線軸に沿って移動することが可能であるように、前記直線軸上における同時アライメントが可能である、装置。
2. 前記ノズル開口部、前記ドライバ、及び前記ホッパ開口部は、直線軸上においてアライメントされる、請求項１に記載の装置。
3. 前記構築材料は、存在する場合に、少なくとも前記ホッパ開口部から前記ノズルまで前記直線軸に沿って移動することが可能である、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記構築材料は、存在する場合に、少なくとも前記ホッパ開口部から前記ノズル開口部まで前記直線軸に沿って移動することが可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ホッパは弁を更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ホッパは前記ドライバに固定されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記ホッパは前記ドライバから分離されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記プラットフォームは、前記プラットフォームを加熱するヒーターを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 不連続な形態で前記ホッパ内に存在する構築材料の要素を更に含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記構築材料の要素の長さは、前記構築材料の要素の厚さの５〜２００倍、好ましくは、前記構築材料の要素の前記厚さの２０〜１００倍である、請求項９に記載の装置。
11. 三次元物体を形成する方法であって、
    ａ．直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む装置を提供するステップと、
    ｂ．構築材料をホッパから前記ホッパ開口部を通じて前記直線軸に沿って前記ドライバ内に供給するステップと、
    ｃ．前記ドライバを使用して、前記構築材料を前記直線軸に沿って前記移動可能なノズルまで導くステップと、
    ｄ．前記構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
    ｅ．前記構築材料を、前記移動可能なノズルを通じてプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
    ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと
    を含む、方法。
12. 三次元物体を形成する方法であって、
    ａ．直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル及びドライバを含む装置を提供するステップと、
    ｂ．直線の長手方向軸を含む構築材料を、前記直線の長手方向軸が前記直線軸とアライメントされるように位置決めするステップと、
    ｃ．前記ドライバを使用して、前記構築材料を前記直線軸に沿って前記移動可能なノズルまで導くステップと、
    ｄ．前記構築材料を流動可能な状態に加熱するステップと、
    ｅ．前記構築材料を、前記移動可能なノズルを通じてプラットフォーム上に選択的に供給するステップと、
    ｆ．三次元物体を構築するために、ステップｂ〜ｅを十分な回数にわたって反復するステップと、
    を含む、方法。
13. 前記提供される装置は、直線軸上においてアライメントされた移動可能なノズル、ドライバ、及びホッパ開口部を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記構築材料は、１５〜７０ｗｔ％の充填剤を含み、及び前記充填剤は、ガラス繊維、炭素繊維、プラスチック繊維、又は金属繊維を含む、請求項９若しくは１０に記載の装置又は請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記構築材料は、１５〜７０ｗｔ％の充填剤を含み、及び前記充填剤は、前記構築材料の前記長手方向軸に対して実質的に平行な又は実質的に垂直な方向において方向付けされている、請求項９若しくは１０に記載の装置又は請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。

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