JP2018528890A - 付加製作処理最適化のための技術ならびに関連するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

いくつかの側面によると、材料の複数の層が構築プラットフォームの表面上に形成され、材料の各層は、構築プラットフォームの表面および／または材料の以前に形成された層に加えて容器にも接触するように形成される、付加製作の方法が提供される。方法は、容器に接触し、および、材料の以前に形成された層に接触している、材料の層を形成すること、ならびに、材料の層の形成に続いて、構築プラットフォームの表面と垂直な方向において材料の層に第１の力を、および、構築プラットフォームの表面と平行な方向において材料の層に第２の力を、同時に適用することによって、容器から材料の層を分離することを含む。

Description

背景
付加製作、例えば、３次元（３Ｄ）印刷は、典型的には、構築材料の部分の特定の場所での凝固を引き起こすことによって物体を製作するための技術を提供する。付加製作技術は、ステレオリソグラフィ、選択的もしくは溶融堆積モデル化、直接複合製造、薄膜積層法、選択的相面堆積（selective phase area deposition）、多相噴射凝固、衝撃粒子製造、粒子堆積、レーザ焼結またはこれらの組み合わせを包含してもよい。多くの付加製作技術は、典型的には所望の物体の断面である連続層を形成することによって、部分を構築する。典型的には、各層は、以前に形成された層または物体が構築される基板のいずれかに接着するように形成される。

ステレオリソグラフィとして知られる、付加製作への１つのアプローチにおいて、固体物体は、典型的にはまず構築プラットフォーム上へ、そして次から次にその上へ、硬化性ポリマー樹脂の薄い層を連続的に形成することによって作り出される。化学放射線への曝露は、液状樹脂の薄い層を硬化させ、それが固くなり、以前に硬化した層または構築プラットフォームの底面に接着することを引き起こす。

本願は、一般的に、付加製作（例えば、３次元印刷）デバイス内の処理最適化のためのシステムおよび方法に関する。

いくつかの側面によると、材料の複数の層が構築プラットフォームの表面上に形成され、材料の各層は、構築プラットフォームの表面および／または材料の以前に形成された層に加えて容器にも接触するように形成される、付加製作の方法が提供される。方法は、容器に接触し、および、材料の以前に形成された層に接触している、材料の層を形成すること、ならびに、材料の層の形成に続いて、構築プラットフォームの表面と垂直な方向において材料の層に第１の力を、および、構築プラットフォームの表面と平行な方向において材料の層に第２の力を、同時に適用することによって、容器から材料の層を分離することを含む。第１の力および第２の力の大きさは、少なくとも１つのプロセッサによって、少なくとも部分的に、材料の層が有するオーバーハングの１以上の程度の段階に基づいて計算されてもよい。方法は、容器の表面を横断してワイパーを動かすことをさらに含んでもよい。

前記は、本発明の非限定的な要約であり、本発明は、添付の請求項によって定義される。

様々な側面および態様は、以下の図を参照して記載されるであろう。図は、必ずしも原寸に比例して描かれるわけではないことが理解されるべきである。図面において、様々な図示される各同一の、またはほぼ同一の構成要素は、同様の番号によって表される。明確にする目的のために、すべての構成要素が、すべての図面においてラベルを付されるわけでなくてもよい。

図１Ａは、ある態様による例示の付加製作システムを描写する； 図１Ｂは、ある態様による例示の付加製作システムを描写する；

図２Ａは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｂは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｃは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｄは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｅは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｆは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｇは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する； 図２Ｈは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する；

図３は、ある態様による付加製作のための処理最適化の方法のフローチャートである；および

図４Ａは、ある態様による本発明の側面が実行され得る、例示のステレオリソグラフィックプリンタの２つの異なる見方を示す略図である。 図４Ｂは、ある態様による本発明の側面が実行され得る、例示のステレオリソグラフィックプリンタの２つの異なる見方を示す略図である。

詳細な説明
上記のとおり、ある付加製作技術は、フォトポリマー樹脂などの液体を凝固させること（本明細書において「硬化させること」ともいう）によって、固体物体を形成する。かかるあるデバイスにおいて、固体材料の層は、容器などの他の表面に加えて、以前に形成された層、または、物体がそれ上に構築される基板のいずれかに接着するように形成される。かかるデバイスにおいて、製作される物体の基板への接着を保持する一方で、表面（例えば、容器）から層を分離するために必要な力を適用することから、多数の問題が生じ得る。力が物体それ自体に、または物体それ自体を通して適用されることは、分離機構において一般的に本来存在することであるが、この力の適用は、いくつかの潜在的な問題をもたらす結果になり得る。

ある例において、製作される物体に適用される力（単数または複数）は、物体が容器からではなく構築プラットフォームから部分的または全体的に分離すること、したがって、形成処理が途絶されることを、引き起こすかもしれない。ある例において、物体に適用される力は、物体それ自体における形のくずれおよび／または機械的な故障を引き起こすかもしれない。これらの潜在的な問題の１以上のいずれかが生じ得るにもかかわらず、表面からの物体の分離の間の分離力（単数または複数）を最小化することが、望ましい可能性がある。相対的により大きな力は、よりすばやい分離を提供し得るが、それは、製作される物体における形のくずれの、比較的により高いリスクを生み得、これに対し、より長い期間に渡って適用される、相対的により低い力は、典型的にはより正確に製作された物体を供給するであろう。１つの潜在的なアプローチは、剥離操作などにおいて、物体および容器を漸進的に分離することである。この解決策は、多くの利点を有するが、それでも処理は、分離処理の間、不必要な力を導入し得る。

さらに、付加製作の間で時々、 液体の領域は、固体、または部分的に固体の状態にまで硬化するが、製作される物体には接着し損ねるかもしれない。これは、不完全に行われた硬化操作、および／または、硬化した、または部分的に硬化した材料の、製作される物体以外の表面への（例えば、容器への）接着などの多様な理由によって起き得る。これが起きるとき、硬化した、または部分的に硬化した材料は、続いて、物体上の所望でない場所に接着することにより、および／または、後続の材料の正しい形成を阻害することなどにより（例えば、放射線源の経路をブロックすることによって、物体に機械的にくっつき、それによって望ましくない力を導入することなどにより）、物体の残りが成功裏に形成されることを妨げるかもしれない。

付加製作の間に起き得る追加の問題は、製作される物体に接着する樹脂の不完全な硬化である。すなわち、物体の製作される層は、樹脂が部分的に硬化した１以上の領域を包含し得る。本明細書において使用されるとおり、「部分的に 硬化した」とは、化学放射線 によってある程度まで硬化したが、化学的に、追加的な硬化によってより大きな構造的安定性および／または強度を備える樹脂を形成することができる材料を指す。ある場合において、部分的に硬化した樹脂は、追加的な化学放射線の適用によってさらに硬化し得る。ある場合において、単に化学放射線によって既に開始された化学反応が、さらに追加的な化学放射線を必ずしも提供せずに進行する間、待機することによって、部分的に硬化した樹脂がさらに硬化し得る。

部分的に硬化した樹脂は、構造的な不安定性、所望の物体の不正確な再生、および／または製作失敗につながり得る。本発明者は、かかる問題が、典型的にはフォトポリマー樹脂の不均一性および／または動作のいずれか、および／または、樹脂の部分の不十分な硬化による結果として生じることを認識した。

上記の問題に鑑みて、本発明者は、これらの問題の１以上を緩和する最適化された付加製作処理を認識し、理解した。特に、最適化された処理は、多くの操作を包含し、その各々が上記の問題の１以上を緩和する。ある態様において、操作は、生産される、特定の製作される物体の質を最大化するために、印刷される物体の幾何学的形状（形、サイズ、など）に基づいて適合されてもよい。

本明細書に記載される最適化された処理は、多くの操作を包含し、多くの操作は、上記のとおりフォトポリマー樹脂を硬化させるために、化学放射線の連続的な適用の間に行われてもよい。硬化処理の最初の概要を提供するために、例示の付加製作システムは、図１Ａ−図１Ｂにおいて描写される。例示のステレオリソグラフィックプリンタ１００は、構築プラットフォーム上において下向き方向に物体を形成し、それによって部分の層は、以前に硬化した層または構築プラットフォームに加えて、容器の表面に接触して形成される。 図１Ａ−図１Ｂの例において、ステレオリソグラフィックプリンタ１００は、構築プラットフォーム１０４、容器１０６および液状樹脂１１０を含む。下向き構築プラットフォーム１０４は、フォトポリマー樹脂１１０を収容する容器１０６の床に対向する。図１Ａは、構築プラットフォーム１０４上における物体のいずれの層の形成の前の、ステレオリソグラフィックプリンタ１００の構成を表す。

図１Ｂに示されるとおり、物体１１２は、層状に形成されてもよく、最初の層は、構築プラットフォーム１０４に付着する。図１Ｂにおいて、部分１１２の層は、それぞれ同じ材料から形成されるが、この例において単に視覚的にこれらを区別するために、交互の色で示される。容器のベース表面は、化学放射線に対して透過であってもよく、それによって放射線は、容器のベース表面上にある液体光硬化性樹脂の薄い層の部分を標的にし得る。化学放射線１１５への曝露は、液状樹脂の薄い層を硬化させ、固体化を引き起こす。層１１４は、形成されるとき、以前に形成された層および容器１０６の表面の両方に少なくとも部分的に接触する。硬化した樹脂層の上側は、典型的に、容器の透過な床に加えて、構築プラットフォーム１０４の底面または以前に硬化した樹脂層のいずれかに接合する。層１１４の形成に続いて、部分の追加的な層を形成するために、容器の透明な床と層との間に起きるいずれの接合も断たれなければならない。例えば、層１１４の表面の１以上の部分（または表面全体）は、後続層の形成の前に接着が除去されなければならないように、容器に接着してもよい。

上記のとおり、部分に付着する樹脂の不完全な硬化、容器に残っている樹脂（容器に接着されるおよび／または浮遊する）の不完全または完全な硬化、および、剥離処理の間の部分の構造への損傷を包含する、多くの問題が、この処理の間に潜在的に起き得る。本発明者は、図２Ａ−図２Ｈの例示の処理に記載される、少なくともこれらの問題を一緒に緩和する多くの操作を認識し、理解した。

図２Ａ−図２Ｈは、ある態様による例示の付加製作システムによる、物体の２つの連続的な層の形成の間の様々なステージを描写する。図２Ａ−図２Ｈは、構築プラットフォーム２０４、容器２０６、液状樹脂２１０およびワイパー２０３を包含する、例示のステレオリソグラフィックプリンタ２００を描写する。ワイパー２０３は、容器２０６のベースに平行な動作の水平軸に沿って動くように構成される。ある場合において、ワイパーは、容器２０６の下にあり、容器が付着する支持ベース上へ除去可能に搭載される。

図２Ａは、液状樹脂の部分が硬化し、製作される部分２１２の層２１４を形成することを引き起こす化学放射線の適用直後の、例示のステレオリソグラフィックプリンタを描写する。ある態様によると、前記曝露によって開始された化学反応が起きるおよび／または完了するための時間を提供するために、化学放射線への曝露に続く後続のステップを遅延させることが有利であり得る。この遅延は、本明細書において「硬化遅延」といい、製作される物体の構造的統合性を低減し得る、部分的に硬化した樹脂の上記の問題を緩和し得る。

例示の例のとおり、メタクリレートラジカル硬化フォトポリマー樹脂などのフォトポリマー樹脂は、重合を開始させる化学放射線への曝露の後の０．５秒から１．５秒において、構造的安定性および強度が実質的に増加し得る。したがって、物体への化学放射線の停止直後に行われる０．５−１．５秒の間の硬化遅延期間を待機することは、製作される物体の質を増加させるために行われ得る。０．２ｓ−２．０ｓの間、０．５ｓ−１．０ｓの間、０．７５ｓ−１．２５ｓの間、または０．８ｓ−１．２ｓの間などの他の硬化遅延時間の期間もまた、好適であり得る。

ある態様によると、硬化遅延期間の最適な長さは、化学放射線のエネルギーレベル、フォトポリマー樹脂の化学的性質、フォトポリマー樹脂の温度、および新しく形成された層２１４の幾何学的形状を包含する、多くの要因の１以上に基づいて決定されてもよい。０．５秒と１秒との間の遅延などの硬化遅延は、化学放射線によって開始されたフォトポリマー反応が十分な材料強度を誘導し、後続のステップにおける不必要な歪みおよび／または機械的破損を回避するための十分な時間を提供し得る。ある態様において、最適な遅延期間は、新しく形成された層の特定の領域が製作を完了したかどうかに基づいて計算されてもよい。

一例として、ある態様において、硬化遅延の長さを決定するときに、典型的には物体の外側に対応する、新しく形成された層の周囲の曝露と、「フィル」または「インフィル」として知られることもある内部面積との間を区別することは、有利になり得る。例えば、層の周囲は、フィルの曝露の前に曝されてもよく、最適な硬化遅延期間は、周囲曝露が完了したときに硬化遅延が始まるように時間を合わせて、前記フィル曝露の完了に基づくのではなく、前記周囲曝露の完了に基づいて決定される。理解されるであろうとおり、かかる周囲曝露は、美観上の懸念に起因して、不必要な歪みに対してより敏感であり得る。

図２Ｂにおいて、硬化遅延期間は終了し、容器２０６から物体２１２を分離する操作が開始される。容器から物体を分離するための物体への力の適用は、接着および／または流体力に起因して必要であることも有り得る。例えば、フォトポリマーは、硬化処理の間、容器に接着し得、および／または、硬化したフォトポリマーと容器との間に液体が存在しないことは、２つの分離に反して作用する吸引力を生じ得る。物体と容器との間の付着の源（source）にかかわりなく、かかる付着は、形成処理を継続するために断たれなければならない。この付着は、容器を水平にスライドさせること、（例えば容器の端での）軸について容器を回転させること、構築プラットフォームから離れるように容器を下方へ動かすこと、またはそれらの組み合わせによることを包含する、様々な 技術を使用して断たれ得る。

ある態様において、図２Ｂにおいて力２３１として示されるとおり、物体と容器との間の付着は、ｘ軸に沿って力を容器２０６に適用することによって低減されてもよい。ある場合において、容器２０６はｘ方向に動かされる（例えば、容器の下の）支持構造に結合されてもよく、それによってｘ方向における力２３１を生じる。加えて、または代替として、図２Ｂにおいて力２３２として示されるとおり、かかる付着は、ｚ軸を通して力を物体２１２に適用することによって低減されてもよい。力２３２は、構築プラットフォーム２０４をｚ軸に沿って上方に並進させることによって、および／または、容器２０６をｚ軸に沿って下方に動かすことによって生じてもよい。

ある態様によると、システムは、容器から物体を有効に分離するために、ｘ軸方向およびｚ軸方向の両方において容器に力を適用してもよい。特に、発明者は、ｘ軸に沿った力の適用を始める前に、ｚ軸方向における力を適用すること、本明細書において「予荷重力」という、が有利でありうることを決定した。多くの場合、新しく形成された層２１４と容器の底との間の付着によって、ｚ軸力は、容器の底に対して相対的に、構築プラットフォームを実際に動かすという結果をもたらさなくてもよい。しかしながら、代わりに予荷重力は、かかる付着を断ち切り始める力を導入してもよい。

一例として、本発明者は、予荷重力の望ましい大きさが、ちょうど製作された層の有効表面積（例えば、図２Ｂにおいて容器２０６に面する層２１４の面積）に基づいて計算されてもよいことを認識した。ある場合において、予荷重力の大きさは、あらかじめ決められた有効面積計算に基づいて補間することによって決定されてもよい。例えば、理想的な予荷重力の値は、 層面積サイズの２以上の対応する値のためにあらかじめ決められてもよい。製作の間、付加製作システムは、適用するのに好適な予荷重力を動的に決定するために、ちょうど製作された層の層面積を決定してもよく、および、２つの最も近い層面積値と、それらの対応する予荷重力値との間の線形補間を行ってもよい。そして計算される力は、上記のとおりｚ軸を通して適用され得る。

ある場合において、有効面積の所与の範囲のために、以前に計算された値への参照によって予荷重力の大きさを動的に決定することは、有利になり得る。前記値は、成功裏の層形成を確実にするために、実験的に決定されてもよい。本発明者は、ちょうど製作された層の幾何学的特徴が、前記値の決定において有利に考慮されてもよいことを認識した。一例として、最適な予荷重力の大きさは、ちょうど製作された層の周囲に対する面積の比に基づいて計算されてもよい。

ある態様によると、分離力は、ｘ方向およびｚ方向の両方において同時に適用されてもよい。上記のとおり予荷重力が適用される場合、かかる力は、ｚ方向に適用される予荷重力に続いて適用されてもよい。組み合わされたｘ方向およびｚ方向の力は、容器から物体２１２を分離してもよく、そして物体が、容器と相対的な、あらかじめ決められた位置に動くことを引き起こしてもよい。かかる動作の速度および距離は、成功裏の層形成を確実にするために、実験的に決定される一定の値に設定されてもよい。ｘ方向およびｚ方向の力は、どのくらいの力が物体を分離するのに必要かにおいて変動性を有してもよいので、分離の前に力が適用される間の時間の量は、製作の間、層から層へと変動してもよい。

ある態様によると、ｘ方向およびｚ方向に適用される力の絶対的および相対的な大きさは、ちょうど製作された層の幾何学的形状、１以上の前に製作された層（例えば、以前の２番目に製作された層など）の幾何学的形状、容器の底の上の構築プラットフォームの高さ、および／または、フォトポリマー樹脂の粘度を包含する、多数の要因に基づいて動的に決定されてもよい。決定される力は、分離操作において同時に適用されてもよい。

一例として、本発明者は、ｘ方向に適用される力の最適な大きさが、ｘ軸において測定された、ちょうど製作された物体の層の最長の長さに反比例してもよいことを認識した。したがって、ある態様において、付加製作システムは、ｘ軸に沿った、ちょうど製作された物体の層の程度を決定し得、および、分離の間ｘ方向に沿って適用する力の大きさを計算し得る。物体の層は、製作処理を通して、一般的に異なるサイズおよび形を有し、したがってこの仕方において決定されるｘ軸力は、一般的に層から層へと値が変わるであろう。

ある実施において、ｘ軸に沿って適用される分離力は、上記のとおりｘ軸における層の長さに基づいて計算されてもよいが、長さがあるカットオフ値を上回るとき、さらに修正されてもよい。例えば、ｘ方向力の適用の結果として容器がｘ方向に動くであろうと予想される距離（または、０．９と１．１との間の係数を掛けたこの距離）などの臨界値よりも短い長さのために、ｘ方向力の大きさは、修正されてもよい。しかしながら、この臨界値よりも大きなｘ軸長さのために、上記のとおり計算されるｘ軸力は、kだけ低減されてもよく、ここでkは、信頼できる部分形成を確実にするために、システムの構成に基づいて実験的に決定される。一般に、ｋの最適な値は、ｘ軸方向に働く不十分な力に起因する剥離の失敗によって引き起こされるなどの印刷失敗が起きるまで、ｋを増加させること（それにより、適用される力を低減すること）によって見出されてもよい 。ある態様において、最小限の力のためよりも印刷成功のために最適化することが好ましくてもよく、したがって、ある場合において、ｋの最適な値は、ｘ軸方向に働く力が、部分分離失敗が観察される閾値を上回るまでｋを増加させることによって決定されてもよい。

また、本発明者は、ｘ方向および／またはｚ方向における予荷重力および／または後続の力を包含する分離力の最適な大きさが、付加製作デバイスに使用されるフォトポリマー樹脂の粘度に依存してもよいことを認識した。したがって、ある態様において、先行する力の大きさの計算の各々は、標準化された粘度測定Ｖにさらに基づいてもよい。かかる態様において、前記力の大きさは、使用される標準化された粘度測定樹脂によって分けられるフォトポリマーの実際の（作業）粘度の係数によって掛けられる、上記手順（単数または複数）を介して達成された結果を掛けることによって、計算されてもよい。理解されるであろうとおり、フォトポリマー樹脂の実際の粘度は、所与の操作温度のために実験的に決定されてもよく、または、参照温度のために実験的に決定され、および、フォトポリマー樹脂の実際の温度に基づいて調整されてもよい。

ある態様によると、ｘ方向および／またはｚ方向における予荷重力および／または後続の力を包含する分離力の大きさは、物体の所与の層がオーバーハングを有する程度に基づいて決定されてもよく、この程度のことを本明細書においてオーバーハング度という。オーバーハングは、構築プラットフォームまたはすぐ前に形成された層のいずれにも付着しない層の面積である。オーバーハングは、どのくらい物体が、分離処理の間に適用される力に耐えることができるかに影響してもよく、部分的に、オーバーハングの面積が、オーバーハングを形成する層面積の機械的強度に依存して、形のくずれに影響をより受けやすくてもよいという事実に起因する。オーバーハングの異なる形状は、異なる機械的強度を有し得る。ある場合において、例えば、オーバーハング面積は、非オーバーハング面積から伸び出てもよく、したがって、オーバーハングの一端上にのみ支持されてもよい。しかしながら、他の場合において、オーバーハング面積は、１よりも多い非オーバーハング面積から伸びてもよく、それによってオーバーハングの一端よりも多くに支持される。理解されるであろうとおり、かかるオーバーハングは、ブリッジと多くの機械的特性を共有し、事実、時々ブリッジとして参照されて知られる。様々な経験則は、オーバーハング度を特徴づけるために利用されてもよい。

ある実施において、所与の層Ｎにおけるオーバーハング度は、現在の層（Ｎ）と以前の層（Ｎ−１）との間のブール微分の面積によって特徴づけられる。ある実施において、オーバーハング度は、オーバーハング点から非オーバーハング点までの最大距離によって特徴づけられる。ある実施において、オーバーハング度は、オーバーハング構造上の予想される最大許容荷重に基づく、有限要素解析（ＦＥＡ）などのオーバーハング面積の構造解析によって決定されてもよい。かかるＦＥＡ技術の例は、２０１４年１１月１７日に出願され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、“Systems and Methods of Simulating Intermediate Forms for Additive Fabrication”と題する米国特許出願第１４/５４３，１３８号に見出されてもよい。

ある態様において、オーバーハング指数は、次の仕方において計算されてもよい：まず、進行中の層とのブール比較に基づいて決定されるとおり、すべてのオーバーハング部分の面積が、決定される；次に、あるカットオフ値（例えば、０．５ｍｍ^２）よりも大きな面積を備える領域のオーバーハング面積が、一緒に合計され、および、かかる面積の平方根が、決定される；最後に、オーバーハング指数が、前記平方根値を０．０から１．０の線形スケールにマッピングすることによって整えられ、ここで０．０は、０の面積平方根値を表し、１．０は、５ｍｍよりも大きな面積平方根値を表す。ｘ方向および／またはｚ方向における予荷重力および／または後続の力を包含する分離力の大きさは、この処理を介して決定されるオーバーハング指数に基づいて決定されてもよい。例えば、ある実施において、１以上のかかる分離力の計算は、１／３^Ｉの係数に基づいてもよく、Ｉは、０と１との間の値を有するオーバーハング指数である（例えば、力は、この係数によって掛けられて計算された値と等しくてもよい）。

ある態様において、ｘ方向および／またはｚ方向における予荷重力および／または後続の力を包含する分離力の大きさは、硬化した樹脂の所与の層が、物体の他の部分よりも実質的に脆弱な物体の特徴または面積の部分を形成する程度に基づいて決定されてもよく、本明細書において脆弱度という。脆弱度は、他の係数のなかでもとりわけ、所与の層の幾何学的形状に依存して、層の間で変動してもよい。ある態様において、どの領域が、製作される物体の平均抵抗と比較して分離力へのより低い抵抗を有するかを決定するために、脆弱度は、物体の構造解析および／または有限要素解析を行うことによって確認されてもよい。

ある実施において、脆弱度は、層が閾値より下の表面積の孤立領域を収容する程度に基づいて決定されてもよい。ある実施において、脆弱度はまた、層がそれらの寸法において高いアスペクト比の領域を収容する程度に基づいて決定されてもよい。ある実施において、脆弱度は、層の周囲長に対する層の表面積の比によって特徴づけられてもよい。

図２Ｂに関して、進行中の例は、現在容器２０６から堆積され、分離されている層２１４に基づいてなされる決定を参照して記載された。しかしながら、ある場合において、１以上の分離力を計算するとき、現在の層の前または後に形成される層における類似の特性を考慮することもまた、有利になり得る。一例として、本発明者は、以前に形成された層が、液状樹脂の流れを制限してもよく、それによって分離の間に伴う力が増加する傾向にあることに留意した。このように、以前に形成された高い表面積の層は、現在の層に影響を与え、現在の層のための有効な接着指数（接着力の尺度）を増加させる傾向にあってもよい。試験において、本発明者は、８００ｃＰほどの粘度を備える樹脂のために、最後に製作された層より２ ｍｍまで上に置かれる層の特性が、数あるなかでも接着指数、オーバーハング指数、および脆性指数などの指数を計算するときに考慮されてもよいことを見出した。

ある態様によると、ｘ方向および／またはｚ方向における予荷重力および／または後続の力を包含する分離力の大きさは、樹脂容器の耐用年数が費やされた程度に基づいて決定されてもよく、本明細書において摩耗度という。ある樹脂容器は、低い反応性および接着係数のために選択される材料を備えて構築されてもよい。しかしながら、各層が形成され、樹脂容器の床から除去されるときに発生する機械的および化学的応力に部分的に起因して、多くの樹脂容器設計の材料特性は、徐々に変わる傾向にある。材料特性におけるかかる変化は、典型的に、接着力の増加に起因する物体の失敗率の増加という結果になる。摩耗度は、所与の構築トレイが、かかる劣化を被り得る程度を特徴づける。摩耗度は、各層の形成および除去とともに構築トレイの耐用年数が減少するため、層の間と同様に印刷の間で変動してもよい。

多数の経験則は、摩耗度を特徴づけるために考慮されてもよい。一例として、本発明者は、容器の摩耗度が、容器を使用して製作される層の総数に関連してもよいことを観察した。ある場合において、摩耗度は、所与の樹脂容器設計のために、層の総数の、および／または層の予想される平均最大数の、線形または非線形関数から計算されてもよい。加えて、樹脂容器の異なる領域のために、所与の樹脂容器のための摩耗度を追跡することは、層形成が樹脂容器の中心に集中する傾向がある場合に有利になり得る。

１以上の分離力の大きさを計算するときに付加製作デバイスおよび／または製作される物体の様々な特徴が考慮される上記技術のいずれもが、組み合わされ、一緒に使用されてもよい。上記のとおり、様々な特徴の考慮は、上記の解析を通して計算される係数を使用して実際に行われてもよい。付加製作デバイスを介して適用される分離力の値に達するために、分離力は、いくつかのかかる係数を最初の力の値と一緒に掛けることによって計算され得ることが、理解されるであろう。かかる計算は、付加製作デバイスのハードウェアによって、および／または、付加製作デバイスへの製作指示を提供する計算デバイスによって行われてもよく、および、付加製作の間および／または製作の開始の前に行われてもよい。

分離力（単数または複数）を計算するための上記技術のいずれが続くかにかかわりなく、分離の後、物体２１２は、ｚ軸に沿って上方に構築プラットフォーム２０４を動かすことによって持ち上げられてもよく、それによって図２Ｃに示される構成を生じる。

図２Ａ−図２Ｈの例において、分離が少なくとも部分的に完了した後、ワイパー２０３は、容器２０６の表面を横断して動き始める。ある態様によると、ワイパーは、容器に接着され、分離後に物体２１２に付着しない樹脂片を除去するために構成されてもよい。ある場合において、ワイパー２０３は、２０１６年８月２６日に出願され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、“Techniques For Surface Preparation During Additive Fabrication and Related Systems And Methods”と題する米国特許出願番号第１５／２４８，２９５号に記載されるとおりのワイパーでもよい。

ある態様によると、ワイパー２０３は、容器の表面を横断して動いてもよく、および、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅおよび図２Ｆに示されるとおり、続く追加的な層の形成の前に、その開始位置に戻ってもよい。ある態様において、ワイパー２０３の動作を限定し、それによってワイパー２０３が、物体の追加的な層の形成のために使用されることが予想される領域などの容器２０６の底の領域内のみを自由に移動することは、有利になり得る。

本発明者は、物体が少なくともＨの距離だけｚ軸に沿って上方に動かされたらすぐに、高さＨを有するワイパーが拭き取り動作を始めてもよいことを認識した。そのうえ、ワイパーが動く間に物体がｚ軸に沿って上方に動かされ得る場合、物体の部分がＨのクリアランスの高さに到達する前に、形成されている物体のいずれの部分にも到達しないであろう限り、ワイパーが、Ｈのクリアランスが確立する前にワイパー動作を始めることは、さらに可能である。実際、図２Ｃ−図２Ｄの例において、ワイパー２０３は、物体２１２がワイパーの動作をクリアするのに十分な高さに到達する（物体が図２Ｄにおける高さなどに到達する）前に動き始める。

ある態様によると、ワイパーが動作し始める時点は、好適な衝突検知技術を使用して決定されてもよい。ある実施において、例えば、ｘ軸に沿った計画されたワイパー動作と、ｚ軸に沿った構築プラットフォームおよび物体の計画された動作との間の潜在的な衝突を確認するために、物体の底から距離Ｈ内の物体におけるすべての層の結合の境界ボックスが計算され、使用されてもよい。さらに、同じ技術は、逆に、以下に記載される圧搾操作などにおいて構築プラットフォームおよび物体が下に動かされる間、容器の底に渡ってワイパーを動かすために利用されてもよい。

ワイプ操作の完了に続いて、構築プラットフォーム２０４は、物体２１２上への新しい層の形成のための位置中へ、ｚ軸に沿って下げられてもよい。本明細書において「圧搾（squish）」ステージというこのステージの間、物体２１２の底と容器２０６の底との間に置かれるフォトポリマー樹脂は、物体が下降するときに押し出されてもよく、最終的に、物体２１２の底と容器２０６の底との間の所望の厚さのフォトポリマー樹脂の層という結果になる。かかる圧搾動作の終了は、図２Ｇに示され、領域２２０は、後続の硬化操作における硬化の標的にされるフォトポリマー樹脂の領域である。

ある態様において、続いてフォトポリマー樹脂２２０の領域を化学放射線に曝す前に、「圧搾後待機」として知られる期間の間遅延させることは、有利になり得る。特に、本発明者は、圧搾操作の直後に、少なくとも液状樹脂のいくらかについて容器２０６は、動作中であり得ることを認識し、理解した。したがって、待機なしに樹脂の硬化を始めることは、動作中である樹脂の領域を硬化させるリスクがあり得る。これは、硬化した部分が、意図された場所における硬化を終えない可能性があるため、製作される物体の精度を低減し得る。さらに、かかる効果は、物体の構造的統合性に悪影響を与え得る。

ある態様によると、圧搾後待機期間は、成功裏の層形成を確実にするために、実験的に決定される、十分に高い一定の値に設定されてもよい。一例として、圧搾動作の完了後０．１ − ０．５秒の間の圧搾後待機は、システムにおける様々な構成要素が、適用される様々な静的および流体力の下での平衡状態に到達することを可能にし得る。

ある態様において、圧搾後待機期間は、現在の層の幾何学的形状、前の層の幾何学的形状、容器の底の上の構築プラットフォームの高さ、および使用されるフォトポリマー樹脂の粘度を包含する、多数の要因に基づいて動的に決定されてもよい。一例として、より長い圧搾後待機期間は、まさに製作されるところである層の表面積、および／または、その製作されるところである層から２ｍｍの距離内のいずれかの以前の層の表面積が、この物体の層の平均表面積を上回ると決定されるときに選択されてもよい。

ある場合において、フォトポリマー樹脂を通した構築プラットフォームの表面の動作は、前記動作の間、および、構築プラットフォームの動きが止まった後の時間の間の両方で、樹脂が容器にどのくらい広がり出るかに影響を与え得る。したがって、構築プラットフォームの下面がフォトポリマー樹脂に接触しているとき、圧搾後待機を計算する目的において、まるで部分の１以上の前の層であるかのように構築プラットフォームの表面積を考慮することは、有利になり得る。加えて、使用されるフォトポリマー樹脂の粘度が増加するにつれて圧搾後待機を増加させることは、液状樹脂が容器において均一の厚さに落ち着くことを可能にするために、有利になり得る。したがって、圧搾後待機は、樹脂の粘度に基づいて決定されてもよい。

一例として、本発明者は、圧搾後待機が終了した直後に、形成されるところの層の有効面積に基づいて圧搾後遅延を計算することが望ましいことを認識した。ある態様において、この認識は、以下の最適化戦略につながる：最大の圧搾遅延時間は、構築プラットフォームの全面積のために実験的に決定されてもよい。そして、形成されるところの層の有効面積が決定されてもよく、最大の圧搾後遅延は、線形補間によって決定されてもよい、ここで、ゼロ面積断面は、圧搾後遅延を有さず、および、構築プラットフォームの全面積は、最大の圧搾後遅延を受け入れる。ある態様において、前記有効面積は、単に形成されるところの層の幾何学的解析によって決定されてもよい。しかしながら、他の態様において、構築プラットフォームと同様に、以前に形成された層の幾何学的形状を考慮することは、圧搾操作の間に働く流体力における影響を説明するために有利になり得る。ある態様において、かかる影響は、形成されるところの層の面積と以前に形成された各層の有効面積とを合計することにより、形成されるところの層の有効面積を計算することによって、説明されてもよく、それぞれは、以前に形成された層が圧搾操作に影響を与えるのに計算される程度を表す係数によって掛けられる。この係数は、観察される流量係数を樹脂粘度で割ることによって実験的に決定されてもよい。ある態様において、層の高さ１００μｍあたり０．７５−０．８５の係数が、有効であると見出された。そして、理解されるであろうとおり、上で提供されるとおり計算される圧搾後待機は、追加的なパラメータに基づいてさらに最適化されてもよい。

図２Ｈに示されるとおり、圧搾待機操作が完了すると、化学放射線は、新しい層２１５を形成するために適用されてもよい。そして図２Ａ−図２Ｈの処理は、物体の各層のために繰り返されてもよい。

図３は、ある態様による付加製作のための処理最適化の方法のフローチャートである。方法３００は、図１Ｂおよび図２Ａ−図２Hに関連した上記の操作の順序を行う。

動作３０２において、物体の層は、図１Ｂおよび図２Ａに示されるとおり、化学放射線の適用を介して形成されてもよい。動作３０４において、硬化遅延操作は、図２Ａに示されるとおり行われてもよい。動作３０６において、分離操作は、図２Ｃに示されるとおり行われてもよい。動作３０８において、ワイプ操作は、図２Ｄ−２Ｆに示されるとおり行われてもよい。動作３１０において、圧搾操作は、図２Ｇに示されるとおり行われてもよい。動作３１２において、圧搾待機操作は、図２Ｇに示されるとおり行われてもよい。動作３１２の後、方法３００は、図２Ｈに示されるとおり物体の他の層を生産するために動作３０２に戻る。

動作３０４、３０８、３１０および３１２のすべてが、化学放射線の連続的な適用の間のすべての期間において行われ得るわけではないが、かかる各期間は、これらの動作の１以上を潜在的に包含してもよいことが理解されるであろう。例えば、硬化遅延操作は、いくつかの層のためにのみ、化学放射線の適用の後に行われてもよい；例えば、付加製作デバイスは、ちょうど製作された層がある閾値のサイズよりも小さいとき、硬化遅延を行わないように構成されてもよい。したがって、付加製作デバイスのスピードの最適化は、所望の精度を備える物体を生産するために、上記の操作のいずれが望ましく、または望ましくないかの決定を包含してもよい。さらに、方法３００における操作の各適用は、異なる時間で異なるように適用されてもよい。例えば、連続的な分離操作の間に適用される力は、上記のとおり、力の計算において考慮される係数に起因して異なってもよい。

さらに、ある場合において、方法３００の特定の動作は、並行して実行されてもよい。例えば、上記のとおり、ワイパー操作は、少なくともある場合において、分離操作が完了する前に始まってもよい。同様に、圧搾操作は、少なくともある場合において、ワイプ操作が完了する前に始まってもよい。

図４Ａ−図４Ｂは、ある態様による本発明の側面が実行され得る、例示のステレオリソグラフィックプリンタの２つの異なる方向から見た略図である。

例示のステレオリソグラフィックプリンタ４００は、支持ベース４０１、ディスプレイおよび制御パネル４０８、ならびにフォトポリマー樹脂のためのリザーバおよび分配システム４０４を含む。支持ベース４０１は、システムを使用して物体を製作するのに動作可能でもよい様々な機械的、光学的、電気的、および電子的構成要素を収容してもよい。操作の間、フォトポリマー樹脂は、分配システム４０４から容器４０２中に分配されてもよい。構築プラットフォーム４０５は、垂直軸４０３に沿って位置づけられてもよく、それによって、製作される物体の層に面する底、または、構築プラットフォーム４０５それ自体の層に面する底は、容器４０２の底４１１から所望の距離にある。容器４０２の底４１１は、（示されない）支持ベース内に置かれる源によって生成される化学放射線に対して、好ましくは透明であり得、それによって、容器４０２の底４１１と、構築プラットフォーム４０５またはそれ上に製作される物体の部分に面する底との間に置かれる液体フォトポリマー樹脂は、放射線に曝されてもよい。かかる化学放射線への曝露で、液体フォトポリマーは、硬化し、および、構築プラットフォーム４０５の部分に面する底またはそれ上に製作される物体に付着してもよい。（図４Ａ−図４Ｂは、構築プラットフォーム４０５上の物体のいずれの層の形成の前の、ステレオリソグラフィックプリンタ４０１の構成を表す。）ワイパー４０６は、追加的に提供され、動作４１０の水平軸に沿った動作が可能であり、および、４０９で支持ベース上へ除去可能に搭載されてもよい。ワイパーは、容器の表面を横断するワイパーの横方向の動きを生む１以上のアクチュエータ（例えば、ステッパモータ、モータ（単数または複数）に付着したベルト、など）に結合されてもよい。

上記のとおり、記載される多くの最適化ステップは、製作される物体の幾何学的形状の定性的側面など、記載される１以上の係数に基づいて計算され得る１以上のパラメータを有してもよい。これらのパラメータは、製作の間、製作前、またはその両方で、少なくとも１つのプロセッサによって計算され得る（すなわち、所与の計算の少なくともいくつかの側面において、製作の間に行われる他とともにプレ製作が行われてもよい。）。「付加製作システム」が計算を行うこととして言及される上記において、この記載は、外部計算デバイスに結合される付加製作デバイスと同様に、１以上のプロセッサを包含する付加製作デバイスの両方を網羅することが意図され、製作処理を実行するデバイスのみに限定されない。

したがって、１以上の最適化ステップのために１以上のパラメータを計算する少なくとも１つのプロセッサは、付加製作デバイスそれ自体の部分でもよく、および／または、付加製作デバイスに有線および／または無線接続を介して結合される計算デバイスに置かれてもよい 。この結合は、本質的に一時的でもよい−例えば、計算デバイスのプロセッサは、上記処理の最適化ステップにおける使用のためのパラメータ値（単数または複数）を計算し、無線でその値を付加製作デバイスに伝送してもよく、付加製作デバイスは、その値（単数または複数）を保存し、後の製作の間に検索する。ある場合において、付加製作デバイスによって保存されたパラメータは、製作の間、上記のとおり製作処理の様々な側面に基づいて修正されてもよい。例えば、パラメータのための「ベースライン」値は、 保存されてもよく、乗法係数は、パラメータが製作の間に適用される方法で、各層の製作処理の間、バリエーションを生むためにパラメータ値に適用されてもよい。

したがって、本発明の少なくとも１つの態様のいくつかの側面を記載したが、様々な変更、修正、および改良が当業者にとって容易に想起可能であるこることが理解されるであろう。

かかる変更、修正、および改良は、本開示の部分であることが意図され、および、本発明の精神および範囲内であることが意図される。さらに、本発明の利点が示唆されるが、本明細書に記載される技術のすべての態様が、すべての記載された利点を包含しないであろうことが理解されるべきである。ある態様は、本明細書において有利として記載されたいずれの特徴も実施しなくてもよく、および、ある例において、記載された特徴の１以上は、さらなる態様を達成するために実行されてもよい。それに応じて、前記の記載および図面は、例示のみである。

本発明の様々な側面は、単独で、組み合わせにおいて、または前記の態様においては明確に議論されない多様な配列において、使用されてもよく、したがって、前記の記載または図面における図示による構成要素の詳細および配列への適用に限定されない。例えば、１つの態様に記載される側面は、他の態様において記載される側面といずれの仕方においても組み合わされてよい。

また、本発明は、方法として具体化されてもよく、その例が提供された。方法の部分として行われる動作は、いずれの好適な方法においても順序づけられてよい。それに応じて、態様は、動作が、図示される順序とは異なる順序で行われるように構築されてもよく、例示の態様においては連続的な動作として示されても、ある動作を同時に行うことを包含してもよい。

請求項の要素を修正するための、請求項における「第１」、「第２」、「第３」 のような序数用語などの使用は、それ自体によっては１つの請求項の要素の他に対する優先、優位、もしくは順序または方法の動作が行われる一時的な順序を含意しないが、請求項の要素を区別するために、（序数用語の使用を別にすれば）同じ名称を有する他の要素から特定の名称を有する１つの請求項の要素を区別するようなラベルとして、単に使用される。

また、本明細書において使用される表現法および用語法は、記載の目的のためであり、限定としてみなされべきではない。本明細書における「を包含すること」、「を含むこと」もしくは「を有すること」、「を収容すること」、「を伴うこと」、およびそれらのバリエーションの使用は、その後に列挙された項目および追加的な項目と同様にその同等のものを網羅することを意味する。

Claims (14)

1. 材料の複数の層が構築プラットフォームの表面上に形成され、材料の各層は、構築プラットフォームの表面および／または材料の以前に形成された層に加えて容器にも接触するように形成される、付加製作の方法であって、
   材料の層を形成すること、ここで材料の層は、容器に接触し、および、材料の以前に形成された層に接触している；
   材料の層の形成に続いて、
   構築プラットフォームの表面と垂直な方向において材料の層に第１の力と、
   構築プラットフォームの表面と平行な方向において材料の層に第２の力
   とを、同時に適用することによって容器から材料の層を分離すること、
   ここで、第１の力および第２の力の大きさは、少なくとも１つのプロセッサによって、少なくとも部分的に、材料の層がオーバーハングを収容する程度に基づいて計算される；および
   容器の表面を横断してワイパーを動かすこと
   を含む、前記方法。
2. 第１の力が、少なくとも１つのプロセッサによって、構築プラットフォームの表面と垂直な方向における材料の層の最長の長さに少なくとも部分的に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
3. 材料の層が、液体フォトポリマーから形成され、および、第１の力および／または第２の力が、少なくとも１つのプロセッサによって、液体フォトポリマーの粘度に少なくとも部分的に基づいて計算される、請求項１または２に記載の方法。
4. 第１の力および／または第２の力が、少なくとも１つのプロセッサによって、材料の層の少なくとも一部の脆性の測定に少なくとも部分的に基づいて計算される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 第１の力および第２の力の適用の前に、構築プラットフォームの表面と垂直な方向において予荷重力を適用することをさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 少なくとも１つのプロセッサによって、材料の層の面積に少なくとも部分的に基づいて予荷重力を計算することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 材料の層の形成に続いて、および、能動的に容器から材料の層を分離する前に、あらかじめ決められた硬化時間の間待機することをさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも１つのプロセッサによって、材料の層の面積に少なくとも部分的に基づいて硬化時間を計算することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 材料の層が材料の第１層であり、および、方法が、
   容器の表面を横断してワイパーを動かすことに続いて、あらかじめ決められた待機時間の間待機すること；および
   あらかじめ決められた待機時間の後に、材料の第２層を形成すること、ここで材料の第２層は、材料の第１層に接触する
   をさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも１つのプロセッサによって、材料の第１層の面積に少なくとも部分的に基づいて待機時間を計算することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも１つのアクチュエータを使用して容器を動かすことによって、第１の力が適用される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 少なくとも１つのアクチュエータを使用して、容器から離れるように構築プラットフォームを動かすことによって、第２の力が適用される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. ワイパーが、ワイパーアーム、および、ピボットカップリングを使用して当該ワイパーアームに結合されるワイパーブレードを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 容器の表面を横断したワイパーの動きが、第１の力および第２の力の適用中に始まり、第１の力および第２の力の適用が完了した後に終わる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。