JP2018530672A - 付加製造システムのためのプリントヘッドモジュールのアレイ - Google Patents
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Abstract
付加製造システムは、製造されている物体を支持するための上面を有するプラテンと、支持構造と、プラテン又は支持構造のうちの少なくとも1つに連結され、上面に平行な第1の軸に沿ってそれらの間に相対運動を生成するためのアクチュエータと、支持構造に装着された複数のプリントヘッドと、エネルギー源とを含む。各プリントヘッドは、プラテン上に供給材料の複数の連続層を供給するためのディスペンサを含む。プリントヘッドは、第1の軸に沿った運動中に、複数のプリントヘッドが、第1の軸に沿って複数の平行なスワスに供給材料を分配するように、第1の軸に垂直な第2の軸に沿って間隔を空けて配置される。エネルギー源は、供給材料の少なくとも一部を溶融解させるように構成されている。【選択図】図5C
Description
本発明は、付加製造に関し、より具体的には、粉末の層が分配される3D印刷プロセスに関する。
固体自由形状製造又は3D印刷としても知られる付加製造(AM)は、3次元の物体が、連続する2次元層又は断面によって(一般的に粉末、液体、懸濁液、又は融解固形物である)原材料から作り上げられる、任意の製造プロセスを指す。それに対して、従来の機械加工技法にはサブトラクティブプロセスが含まれ、木材又は金属の塊といったストック材料から切り出された物体が作り出される。
付加製造には、様々な付加プロセスを用いることができる。様々なプロセスは、完成物を作製するために層を堆積させる方法、及び各プロセスでの使用に互換性がある材料で異なる。例えば、選択的レーザ溶融法(SLM)や直接金属レーザ焼結法(DMLS)、選択的レーザ焼結法(SLS)、熱溶解積層法(FDM)といったいくつかの方法では、層を作り出すために材料を融解又は軟化させるが、一方で、例えば光造形法(SLA)といった別の技法を用いて、液体材料を硬化させる技法もある。
焼結とは、例えば粉末などの小さな粒を融合させて物体を製作するプロセスである。焼結は通常、粉末の加熱を含む。焼結プロセス中に、粉末状材料が十分な温度まで加熱されたとき、粉末粒子中の原子が粒子間の境界を超えて拡散し、粒子同士を融合させ、固体ストリップを形成する。溶融解とは対照的に、焼結に用いられる粉末は、液相に達する必要がない。焼結温度が物体の溶融点に達する必要がないので、焼結は、タングステン及びモリブデンなどの溶融点が高い材料に使用されることが多い。付加製造には、焼結と溶融解の両方を用いることができる。
従来の粉末ベースの付加製造システムは、粉末状の材料の層をステージに堆積させることができる。粉末状材料を焼結又は溶融解させるためのエネルギー源、典型的にはビームが、粉末状材料の層の選択された点に向けられ、層全域の選択された場所での作動でラスタースキャンされる際に、レーザビーム又は電子ビームが使用される。第1の層の選択された場所全てが焼結又は溶融解されると、ステージが低くなり、完成した層の上に粉末状材料の新たな層が堆積し、所望の物体が作製されるまで、1層ごとにそのプロセスが繰り返される。
1つの態様では、付加製造システムは、製造されている物体を支持するための上面を有するプラテンと、支持構造と、プラテン又は支持構造のうちの少なくとも1つに連結され、上面に平行な第1の軸に沿ってそれらの間に相対運動を生成するためのアクチュエータと、支持構造に装着された複数のプリントヘッドと、エネルギー源とを含む。各プリントヘッドは、プラテン上に供給材料の複数の連続層を供給するためのディスペンサを含む。プリントヘッドは、第1の軸に沿った運動中に、複数のプリントヘッドが、第1の軸に沿って複数の平行なスワスに供給材料を分配するように、第1の軸に垂直な第2の軸に沿って間隔を空けて配置される。エネルギー源は、供給材料の少なくとも一部を溶融解させるように構成されている。
特徴は、下記の一又は複数を含みうる。プラテンはビルド幅(build width)を有し、供給材料の複数の平行なスワスがビルド幅に広がるように、複数のプリントヘッドが配置されうる。複数のプリントヘッドが、第2の軸に沿って重なるプリントヘッドの部分と千鳥状のアレイで配置されうる。千鳥状のアレイは、第1のディスペンサを有する第1のプリントヘッドを含む第1の列、及び第2のディスペンサを有する第2のプリントヘッドを含む第2の列を含みうる。
第1のディスペンサが第1の分配領域を含み、第2のディスペンサが、第2の軸に沿って重なることなく、第1の領域と第2の領域が当接するように配置された第2の分配領域を含みうる。第1のディスペンサが第1の分配領域を含み、第2のディスペンサが、第1の領域と第2の領域が第2の軸に沿って重なるように配置された第2の分配領域を含みうる。
スプレッダ、ブレード及び/又はローラは、第1の領域及び第2の領域が重なるエリアに供給された供給材料を拡散しうる。スプレッダは含みうる。
第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第1のディスペンサ及び第2のディスペンサの開口を第2の軸に沿って重ならない領域に分配するように構成されうる。
複数のプリントヘッドは、並んで配置されうる。隣接するプリントヘッドの分配領域は、第2の軸に沿って間隙により分離されうる。スプレッダ、例えばブレード及び/又はローラは、ディスペンサによって供給された供給材料を間隙内に拡散しうる。
複数のプリントヘッドは、第1のプリントヘッド、及び第1のプリントヘッドに隣接した第2のプリントヘッドを含みうる。第1のプリントヘッドは、第1のディスペンサを含み、第2のプリントヘッドは、第2のディスペンサを含み、第1のディスペンサ及び第2のディスペンサの各々が、間隙に隣接した第1の領域で、間隙から離れた第2の領域よりも高速で、供給材料を分配するように構成されうる。第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第1のディスペンサ及び第2のディスペンサの開口を、第1の領域において第2の領域より高速で分配するように構成されうる。
エネルギー源は、複数のエネルギー源を含み、各プリントヘッドそれぞれは、複数のエネルギー源からのそれぞれのエネルギー源を含みうる。各エネルギー源それぞれは、それぞれのプリントヘッドによって分配されたスワスの供給材料を溶融解させるように構成されうる。エネルギー源は、プリントヘッドから分離して支持体に装着されてもよい。
熱源は、供給材料の粒子が溶融解する温度未満の温度まで供給材料を加熱するように構成されうる。熱源は、複数の熱源を含み、各プリントヘッドそれぞれは、複数の熱源からのそれぞれの熱源を含みうる。各熱源それぞれは、それぞれのプリントヘッドによって分配されたスワスの供給材料を加熱するように構成されうる。熱源は、プリントヘッドから分離して支持体に装着されてもよい。
スプレッダは、プラテン上に分配された供給材料を平滑化するように構成されうる。スプレッダは、ブレード及び/又はローラを含みうる。スプレッダは、複数のスプレッダを含み、各プリントヘッドそれぞれが、それぞれのプリントヘッドによって分配されたスワスの供給材料を平滑化するように構成された複数のスプレッダからのそれぞれのスプレッダを含みうる。スプレッダは、プリントヘッドから分離して支持体に装着されてもよい。
複数のプリントヘッドは、第1の複数の第1のプリントヘッド及び第2の複数の第2のプリントヘッドを含み、各第1のプリントヘッドが第1のディスペンサを含み、各第2のプリントヘッドが第2のディスペンサを含みうる。第1の複数の第1のプリントヘッドは、第2の軸に沿って間隔を空けて配置され、第2の複数の第2のプリントヘッドは、第2の軸に沿って間隔を空けて配置され、かつ第1の軸に沿って複数の第1のプリントヘッドから離間して配置され、第1の複数の第1のプリントヘッドの各第1のディスペンサは、第2の複数の第2のプリントヘッドの対応する第2のディスペンサの対応する第2の分配領域に重なる第1の分配領域を有しうる。各第1のディスペンサは、第1の複数の開孔を有し、各第2のディスペンサは、第2の複数の開孔を有しうる。
第1の複数の開孔は、第2の軸に沿って第2の複数の開孔に位置合わせされうる。第1のディスペンサは、第1の供給材料を保持するためのリザーバを含み、第2のディスペンサは、第2の供給材料を保持するためのリザーバを含みうる。第1の材料は、第1の粒子サイズを有する第1の粉末であり、第2の材料は、第1の粒子サイズより小さい第2の粒子サイズを有する第2の粉末でありうる。第1の材料及び第2の材料は、同一の材料組成物を有していてもよく、又は第1の材料及び第2の材料は、異なる材料組成物を有していてもよい。
各第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第1のディスペンサ及び第2のディスペンサの開口を制御するように構成されうる。コントローラは、第1のディスペンサに、第1の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する第2のディスペンサに、第2の供給材料を、第1のディスペンサが第1の供給材料を分配しなかったボクセル内に分配させるように構成されうる。第1の材料は、第1の溶融温度を有する第1の粉末であり、第2の材料は、異なる第2の溶融温度を有する第2の粉末でありうる。エネルギー源は、支持体又は支持体及びプラテンを保持するフレームに装着され、第1の粉末と第2の粉末との両方が分配された後に、供給材料を溶融解させるように構成されうる。
コントローラが、第1のディスペンサに、第1の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する第2のディスペンサに、第2の供給材料を、第1のディスペンサが第1の供給材料を分配した複数のボクセルのサブセット内に分配させるように構成されうる。第1の材料は、第1の粒子サイズを有する第1の粉末であり、第2の材料は、第1の粒子サイズより小さい第2の粒子サイズを有する第2の粉末でありうる。複数のボクセルのサブセットは、製造されている物体のエッジにおけるボクセルでありうる。
第1の複数の開孔は、第2の軸に沿って第2の複数の開孔の間の空間に位置合わせされうる。各第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第1のディスペンサ及び第2のディスペンサの開口を制御するように構成されうる。コントローラは、3Dモデルの層のボクセルを表示するデータを、第1の複数の開口に対応するボクセルの第1の複数の平行なストリップを表示する第1のデータと、第1の複数の平行なストリップと交互に配置されかつ第2の複数の開口に対応するボクセルの第2の複数の平行なストリップを表示する第2のデータとに分割し、第1のデータに基づき第1の複数の開口を制御し、第2のデータに基づき第2の複数の開口を制御するように構成されうる。第1のディスペンサは第1のリザーバを含み、第2のディスペンサは第2のリザーバを含み、第1のリザーバ及び第2のリザーバは、同一の供給材料を保持しうる。
上記の利点は、以下のものを含みうるが、これらに限定されない。付加製造プロセスは、拡大縮小可能でありうる。例えば、製造プロセスのビルドベッドサイズを増加させることができ、又は処理時間を短縮することができる。これらの目標は、製造プロセスを実行する付加製造システムの構成要素の数を拡大縮小することによって実現することができる。例えば、一又は複数の構成要素、例えばディスペンサは、製造システムに加えることができる又は製造システムから除去することができるプリントヘッドモジュールと呼ばれるユニットを形成することができる。プリントヘッドモジュールの数を変えることによって、ディスペンサのカスタム製造を必要とせずに、製造プロセスを拡大縮小することができる。供給材料の層は、一方向への単一のスキャンで分配することができる。
付加製造プロセスは、プリントヘッドプラットフォームに含まれる種々の印刷構成要素によって実行される。プリントヘッドプラットフォームが支持体上を移動する際に、一又は複数の供給材料が、種々の印刷構成要素によって堆積及び処理される。印刷構成要素は、単一のユニットとしてプリントヘッドプラットフォームに加えることができる又はプリントヘッドプラットフォームから除去することができるプリントヘッドモジュールに含むことができる。印刷構成要素はまた、プリントヘッドプラットフォームに直接加えることもできる。プリントヘッドプラットフォームのプリントヘッドモジュール及び印刷構成要素を種々の構成で配置することによって、より大きなビルドベッドサイズを処理し、同一及び/又は異なる材料を分配し、処理時間を短縮し及び/又は製造プロセスの質を高めるために、付加製造プロセスを拡大縮小することができる。
図1Aは、例示的付加製造システム100の概略図を示す。システム100は、ハウジング102を含み、かつハウジング102に囲まれている。ハウジング102は、例えば、約1Torr以下の圧力などで、真空環境がハウジング内部のチャンバ101に維持できるようにすることができる。代替的には、チャンバ101の内部は、例えば、粒子を除去するためにフィルタリングされたガスなどの実質的に純粋な不活性混合ガスとすることができ、又はチャンバを大気に通気することができる、若しくはチャンバを大気を上回る正圧で保持することができる。ガスは、ガス源(図示されず)からガス入口103を通ってチャンバ101に侵入することができる。チャンバからのガスは、真空ベント104を通して除去することができる。
システム100は、供給材料の層を受ける又は支持するプラテン105を含む。プラテン105は、例えば、抵抗ヒータ又は下方ランプアレイなどのヒータ109を含むことができ又はヒータ109上方に載置することができ、ヒータ109により、プラテン105を加熱することができ、よってプラテン105上に堆積させた供給材料を加熱することができる。
付加製造プロセスを実行するプリントヘッドアセンブリは、プラテン105上に位置付けられる。プリントヘッドアセンブリは、プラットフォーム150などの支持体を含み、一又は複数のプリントヘッドモジュール110(図1Bを参照)を運ぶように構成される。各プリントヘッドモジュールは、プラットフォーム150に取り外し可能に装着される。この文脈における「取り外し可能に装着された」とは、プリントヘッド110がプラットフォーム150に対して固定位置に機械的に保持されるが、プリントヘッド又はプラットフォームに損傷を与えることなく、標準手持ち構築ツール、例えばレンチ又は電動ドライバなどを使用することによって、プリントヘッド110を取り外すことができるように、プリントヘッド110を設置できることを意味する。例えば、プリントヘッド110のフレームは、機械的締め具、例えばナット及びボルトによって、プラットフォーム150に固定することができる。オペレータがプリントヘッド110を取り外したいときには、ボルトが緩められ、プリントヘッドが取り出される。他の実施態様では、プリントヘッドモジュールは、磁気若しくはロックなどの他の機構及びキー機構を介して、プラットフォーム150に固定することができ、又はプラットフォーム150から取り外すことができる。モジュールの固定及び取り外しは、ロボット工学によって実行することができる。
プリントヘッドプラットフォーム150は、ガントリ130によって支持することができる。アクチュエータシステム152により、プリントヘッドプラットフォーム150は、プラテン105全域を(例えば、y軸に沿って)移動可能となる。プラットフォーム150及びプラテン105は、互いから分離され、どちらも他方を支持しない。例えば、プラットフォーム150は、プラテン105に装着されない。
コントローラ190は、付加製造プロセスの種々の態様を制御する。例えば、コントローラ190は、アクチュエータシステム152を制御し、よってプリントヘッドプラットフォーム150の運動を制御する。コントローラ190はまた、プリントヘッドプラットフォーム150に含まれるプリントヘッドモジュール110(図1Bを参照)の相対運動及び動作を制御することもできる。コントローラはまた、プリントヘッドプラットフォーム150に含まれる種々の「グローバル(global)」印刷構成要素の動作も制御することができる。
図1Bは、図1Aに示す例示的付加製造システムの上面図である。プリントヘッドプラットフォーム150は、ガントリ130の2つの平行なレール130a及び130bに装着される。例えばアクチュエータにより、ガントリ130のレール130a及び130b上をスライドすることにより、プリントヘッドプラットフォーム150は、プラテン105上を(y軸に沿って)横断することができる。
図1Bに示すように、プリントヘッドプラットフォーム150は、プラットフォーム150に取り外し可能に装着され、かつプラットフォーム150の部品である一又は複数のプリントヘッドモジュール110を含む。プリントヘッドモジュール110は、種々の3D印刷構成要素、例えば、供給材料ディスペンサ、スプレッダ、熱源、エネルギー源、計測機器及び冷却剤ディスペンサなどを含むことができる。プリントヘッドモジュールは、単一ユニットとしてプラットフォーム150に装着することができかつプラットフォーム150から装着解除することができるように構成される。これにより、付加製造システム100の構築及び修理が容易に可能となる。更に、印刷構成要素は、モジュール110のフレームに取り外し可能に装着することができる。これにより、例えば、修理が必要な又は製造プロセスに必要ない印刷構成要素を交換又は取り外すことができるようになる。
種々のプリントヘッドモジュール110は、交換可能に構築することができる。例えば、各供給材料ディスペンサは、物理的構築において実質的に同一とすることができる。より一般的には、プリントヘッドモジュール110の各々は、物理的構築において実質的に同一とすることができる。この文脈で「実質的に同一」とは、物理的構築、例えば、任意のフレーム及びフレームのプラットフォームへの連結機構の寸法、ディスペンサなどの構成要素のフレーム内への位置付け、孔を分配する供給材料の場所などが、プリントヘッドモジュールが交換可能である十分な許容範囲内で同一であることを示す。これにより、構成要素のカスタム製造を必要とせずに、製造プロセスを拡大縮小することが可能になる。「実質的に同一」とは、プリントヘッドモジュールを交換する能力に影響しない幾つかの違い、例えば、プリントヘッドモジュールのエレクトロニクスに印刷される又は埋め込まれるシリアル番号、ファームウェアバージョンなどをなおも許容すると留意されたい。
図1Bに示すように、プリントヘッドモジュール110は、プラテン105の幅全体に広がるよう千鳥状に(in a staggered fashion)配置される。これにより、プラテン105上をプラットフォーム150が1回通過するだけで(with a single pass)対象物の層が製造可能となる。プリントヘッドモジュール110は、プラテン105にわたって平行なストライプを形成する領域で付加製造プロセスを実行する。ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、ディスペンサによって所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができると理解すべきである。
プラットフォーム150はまた、グローバル印刷構成要素120及び122を支持することもできる。これらのグローバル印刷構成要素は、プリントヘッド110のフレームというよりはむしろ、プラットフォーム150に直接装着される。印刷構成要素120は、堆積した供給材料を分配し滑らかにすることができるグローバルディスペンサとすることができる。印刷構成要素120及び/又は122は、付加製造プロセスと関連する種々のパラメータを測定することができるグローバル計測システムとすることができる。グローバル計測システムは、センサ、熱イメージャ又は光学カメラのうちの一又は複数を備えることができる。更に、印刷構成要素120若しくは122又はそれらの両方は、堆積した供給材料を加熱するためのエネルギー源とすることができる。例えば、モジュール110の供給材料ディスペンサは、供給材料を堆積させることができ、120及び122のエネルギー源は、堆積した供給材料を溶融解させることができる。
1つの実施態様において、プラットフォーム150がプラテン105全域を左から右へ(+y方向に沿って)移動する際に、第1のグローバル計測システム120は、システムの前方エッジを形成し、順次、プリントヘッドモジュール110、最後に第2のグローバル計測システム122を続けて形成する。システム150の前方エッジにおけるグローバル計測システム120は、したがって、例えば、層が堆積することになるプラテン又は下層のような、表面の温度及び/又は垂直位置などの種々のパラメータを測定することができる。このデータは、プリントヘッドモジュール110の動作を制御するためにコントローラ190に供給することができる。例えば、供給材料ディスペンサが制御可能である場合、表面の高さの測定は、分配する材料の量を決定し、層の厚さの均一性を改善するために、コントローラによって使用することができる。同様に、層の温度に関するデータは、溶融解する部分が均一の温度まで上昇するように、熱源及び/又はエネルギー源に供給される電力を制御するために使用することができる。システム150の後方エッジにおけるグローバル計測システム122は、付加製造プロセスと関連した種々のパラメータ、例えば、溶/融解した供給材料の温度及び/又は表面粗さなど、を測定することができる。また、このデータは、例えばフィードバックループ内で、プリントヘッドモジュール110の動作を制御し、改良された均一性を提供するためにコントローラ190に供給することができる。
幾つかの実施態様では、計測システムの各セグメントが、一又は複数のプリントヘッドモジュールによって溶融解した供給材料の測定実行に関与するように、グローバル計測システム122は、x方向に沿って幾つかのセグメントに分割することができる。
幾つかの実施態様では、付加製造プロセスは、一方向的なもの、即ち、付加製造プロセスは、システム150が左から右へ又は右から左へ移動しているときだけ生じる、とすることができる。別の例では、付加製造プロセスは、双方向的なもの、即ち、付加製造プロセスは、システム150が左から右へ及び右から左への両方で移動しているときに生じる、とすることができる。一又は複数のモジュール110及びグローバル印刷構成要素を有する付加製造システムの種々の実施態様が、後ほど詳しく説明されることになる。
図1Cは、製造システムの別の実施態様を示す。このシステムは、基本的には、図1A及び図1Bのシステムと同一であるが、図1Cで、プリントヘッドプラットフォーム150は、プラテン105上方でプリントヘッドプラットフォーム150を移動させることができるロボット132のロボットアーム131に取り付けられる。ロボットアーム131は、自由にかつ制御可能に回転することができ、例えば、ロボットアーム131を、z軸周囲で90度、例えば150度まで、回転させることができる。これにより、付加製造プロセスがx軸に沿って実行可能となりうる。ロボットアーム131は、供給材料の層が処理されている間、z軸に沿って移動させることができる。これにより、供給材料の不均一な形状が生じる可能性があり、例えば、供給材料は、傾斜した形状を有する可能性がある。各プリントヘッドモジュール110は、プラットフォーム150に取り外し可能に装着されている。ロボットアーム131の運動は、コントローラ190によって制御される。
幾つかの実施態様では、プリントヘッドプラットフォーム150は、カンチレバー配置で(in a cantilever arrangement)装着することができる。カンチレバー配置では、プリントヘッドプラットフォーム150は、プリントヘッドプラットフォームの1つの端部だけを支持する支持体によって、プラテン105上で保持される。例えば、図1A及び図1Bとは異なり、ガントリ130が2つのレール(130a及び130b)によってプリントヘッドプラットフォームを支持する場合、カンチレバー配置では、y軸に平行なプリントヘッドプラットフォーム150の1つのエッジのみが、支持体によって支持される。支持体は、プラットフォーム150がプラテン105上を移動可能とすることができる。プラットフォームが移動する際に、プラットフォーム150に取り外し可能に取り付けられているプリントヘッドモジュール110は、付加製造プロセスを実行することができる。y軸に平行であり、支持体に全く支持されていないプラットフォーム150のエッジは、第2のプリントヘッドプラットフォームに取り付けることができる。そのような配置は、付加製造プロセスをx軸に沿って延長することができ、より大きなビルドベッドサイズを可能にする。
幾つかの実施態様では、プラットフォームは存在せず、その代わりにプリントヘッドモジュールが互いに直接装着される。この場合、アレイの1つのエッジのプリントヘッドモジュール(カンチレバー配置の場合)又はアレイの対向するエッジのプリントヘッドモジュール(ガントリ配置の場合)は、例えば垂直な支持プレートなどの支持体に装着される。
幾つかの実施態様では、例えば図1Aから図1Cに記載された実施態様では、プリントヘッドプラットフォーム150及びプラテン105は、z軸に沿って互いに対して移動することができる。これは、一又は複数のアクチュエータ又はロボットアームを使用して、プリントヘッドプラットフォーム150か、若しくはプラテン105かのどちらか、又はそれらの両方をz軸に沿って移動させることにより、実現することができる。
供給材料の層をプラテン105での処理のために堆積させる際に、堆積した層とプリントヘッドプラットフォーム150との間の距離は、堆積した層の厚さだけ低減される。付加製造プロセス中に、処理のために堆積させた層とプラットフォーム150との間の距離を一定に保つことが望ましいだろう。そうすることで、例えば、製造プロセスの質を向上させることができる。堆積した層の厚さだけ、z軸に沿ってプラテン105に対してプラットフォーム150を移動させることによって、プラットフォーム150と供給材料の層との間の距離を変わらない状態に維持することができる。
図2は、プラテン(図示されず)上のx−y平面に置かれたプリントヘッドモジュール110の実施形態の上面図を示す。モジュールがプラテン上を(+y方向に沿って)左から右へ移動するように構成されるので、モジュールの右端部が前方エッジであり、左端部が後方エッジである。モジュール110は、複数の印刷構成要素を含む。例えば、印刷構成要素は、前方エッジから後方エッジ、第1のディスペンサ204、第1のスプレッダ240(例えば、ローラ又はブレード)、第2のディスペンサ205、第2のスプレッダ241(例えば、ローラ又はブレード)、第1の計測システム252、材料を溶融解させずに供給材料の温度を上昇させるための熱源234(例えば、加熱ランプ)、供給材料を溶融解させるためのエネルギー源260(例えば、レーザシステム)、及び第2の計測システム250の順で含んでいる。プリントヘッドモジュールが付加製造プロセスを双方向に、即ち左から右方向又は右から左方向の両方で実行できるようにするために、印刷構成要素を加えることができ、又は既存の印刷構成要素を再配置することができる。
図3は、付加製造プロセスを実行するプリントヘッドモジュール110の概略図である。プリントヘッドモジュール110は、プラテン105上を(例えば、y軸に沿って)移動し、付加製造プロセスを実行することができる。プリントヘッドモジュールの種々の印刷構成要素が、付加製造プロセスの方向に沿って(例えば、+y方向に沿って)配置される。加えて、幾つかの実施態様では、印刷構成要素は、モジュール110のフレームに対して、例えば、x軸に沿って、移動することができる(例えば、アクチュエータ又はモータによって)。以下では、プリントヘッドモジュール110下の堆積した供給材料の所与のストリップで付加製造プロセスを実行する順番で、印刷構成要素が記載されることになる。
プリントヘッドモジュールは、第1の供給材料314を堆積させる第1のディスペンサ204(プリントヘッドモジュール110の前方エッジにある)を含む。第1のスプレッダ240(例えば、ローラ又はブレード)は、プリントヘッドモジュール204に追従し、プラテン105全域で均等に堆積した供給材料を分散させ/平滑化する。
オプションの第2のディスペンサ205は、第2の供給材料312を堆積させるために、第1のスプレッダ240に追従することができる。供給材料312及び314は、異なるサイズとすることができ、及び/又は異なる溶融温度及び材料組成物を有することができる。例えば、第2の供給材料312は、第1の供給材料314より小さいくすることができ、したがって、供給材料314の粒子間の介在空間を充填しうる。別の実施態様では、供給材料312及び314は、同一のサイズ及び焼結温度を有することができるが、ユニットエリア毎に堆積する供給材料の量を増加させるように堆積させることができる。これについては、後ほどより詳しく検討されることになる。第2の供給材料ディスペンサ205は、堆積した供給材料312及び314を分散させる/平滑化する、オプションの第2のスプレッダ241(例えば、ローラ又はブレード)によって追従される。
供給材料は、粉末とすることができる。例えば、供給材料は、鋼、アルミニウム、コバルト、クロム、及びチタンなどの金属、合金混合物、セラミック、複合体、又は生砂などから成る粒子の粉末とすることができる。
オプションの計測システム252は、スプレッダ241に追従することができ、プロファイルメータ、熱イメージャ又は光学カメラのうちの一又は複数を備えることができる。オプションの計測システム252は、例えば、堆積した供給材料の表面粗さを測定することができる。溶/融解前に堆積した供給材料の粗さを知ることで、供給材料は、製造プロセスを制御することによって付加製造プロセスの質を高めることに役立つ可能性がある。
次に、熱源234が、堆積した供給材料の温度を上昇させる。図3に記載の実施形態において、熱源234は、加熱ランプアレイである。加熱ランプアレイ234は、その焼結温度又は溶融温度未満の温度まで、堆積した供給材料312(及び存在する場合は314)を加熱することができる。
熱源234の後に、エネルギー源260が、例えば、温度をその焼結温度又は溶融温度を上回るまで上昇させる(次いで、その部分の冷却を許容する)ことによって、層の選択された部分を溶融解することになる。例えば、エネルギー源260は、ビーム375を放射することができる。ビーム375は、例えば、レーザによって生成されるレーザビーム、イオン源によって生成されるイオンビーム、又は電子ガンによって生成される電子ビームとすることができる。ビーム375は、堆積した供給材料の一方又は両方の温度を、それらそれぞれの溶融点を上回るまで上昇させることができる。エネルギー源260はまた、供給材料を溶融解させることができる複数のビーム575を生成することができる。
更に、エネルギー源260は、堆積した供給材料の所望の領域を選択的に溶融解させるために、選択的に作動させることができる。例えば、エネルギー源260は、層のある部分に衝突するビーム375を放射することができ、これにより、その部分に堆積した供給材料の一方又は両方が溶融解する。エネルギー源260の選択的な作動に併せて、プリントヘッドモジュールフレームに対してエネルギー源260を移動させることによって、又は供給材料の上でビーム375を移動させることによって、又はその両方によって、エネルギー源260による供給材料のある部分の選択的加熱を実現することができる。
例えば、エネルギー源260は、コントローラ190(図1Aを参照)により制御されるモータ又はアクチュエータによって、プリントヘッドモジュールの動き(例えば、y軸)に垂直な方向(例えば、x軸)に沿って移動することができる。別の例では、エネルギー源260は、プリントヘッドモジュールフレームに対して移動しなくてもよい。しかしながら、エネルギー源260は、プリントヘッドモジュールの運動方向に垂直な方向に沿ってビーム375を偏向することができる機構、例えば、ガルボ(galvo)又は圧電マイクロミラーデバイスに装着されるミラーなどを含みうる。マイクロミラーデバイスは、プリントヘッドモジュールの運動方向に垂直な方向に沿って配置されるミラーの線形アレイを含みうる。上記すべての場合において、供給材料に対するビーム375の衝突位置が変化する。
異なる溶融温度又は焼結温度を有する2つの供給材料が使用される場合、エネルギー源260は、プリントヘッドモジュール110下の層の全部分を、第1の供給材料の溶融温度又は焼結温度と、第2の供給材料の溶融温度又は焼結温度との間の温度まで上昇させることができる。したがって、ただ1つの供給材料だけが溶融解することになる。これにより、エネルギー源260による選択的溶融解の必要性が除外される。
オプションの第2の計測システム250は、エネルギー源260に追従する。第2の計測システム250は、例えば、溶融解した供給材料の特性(温度、表面粗さなど)を測定することができる。これは、処理パラメータを調節し、付加製造プロセスの質を向上させるために、コントローラによって使用することができる。
図4Aは、図2及び図3に記載の供給材料ディスペンサ204に使用することができる例のディスペンサの概略図である。ディスペンサ204は、付加製造プロセス中にプリントヘッドモジュールが移動する(y軸に沿って)方向に実質的に垂直であるプラテンの幅にわたって延びる(x軸に沿って)導管405(例えば、中空シリンダ)を含む。導管405は、供給材料314を貯蔵するホッパー420に連結される。導管405は、空洞410及びオーガ440を取り囲む。オーガ440は、材料ディスペンサ204に回転可能に装着され、モータは、例えば、駆動シャフトによって、オーガ440を回転させることができる。
オーガ440は、回転する際に、ホッパー420から供給材料314を引き出す。導管405は、供給材料314をプラテン上に分配することができる、その長さに沿って(x軸に沿って)配置された複数の開口445a−bを有することができる。導管405は、距離449aだけ間隔を空けて配置することができる2つ以上の開口を有することができる。開口445a−bを通した供給材料314の流量は、コントローラ190により制御することができるアクチュエータ450によって調整することができる。供給材料の流量はまた、オーガの回転速度を変化させることによって、又はオーガをより多くの供給材料の流れを可能にできる別のオーガに交換することによって、制御することができる。例えば、オーガの回転速度を増加させることで、供給材料が分配される速度を増加させることができ、逆もまた同じである。他の例では、導管は、導管の長さに沿って(x軸に沿って)、連続スロットを有することができる。
幾つかの実施態様では、ディスペンサ204は、ホッパーの対向する端部に位置することができる2つのホッパーを有することができる。
ディスペンサ204は、モジュール110のエッジを越えて、供給材料を分配するように構成することができる。例えば、供給材料が、x方向のディスペンサの範囲を超えて存在するプラテンの一部に分配されるように、ディスペンサは、ノズルを通して流体キャリアの供給材料を射出する射出器を含み、ノズルは、プラテン表面に対してある角度で位置付けることができるだろう。この特徴は、ディスペンサ204直下にないプラテンの領域で供給材料を堆積させるために役立つ可能性がある。これにより、例えば、プリントヘッドプラットフォームの2つの隣接するプリントヘッドモジュールの間に間隙が存在する場合、供給材料は、間隙下に存在するプラテンの一部に確実に堆積することになる。また、これにより、供給材料を、プリントヘッドモジュール直下にないプラテンの一部に、例えば、プラテンのエッジに近接した領域に、確実に堆積させることができる。
代替的には又は加えて、ディスペンサ204は、プリントヘッドモジュールの中心でよりプリントヘッドモジュール110のエッジで(x−方向に沿って)、より多くの供給材料を供給するように構成することができる。例えば、導管405の2つの端部における(x方向に沿った)孔は、導管405の中心の孔より大きいとすることができる。スプレッダ340、例えばブレード又はローラは、次いで、余分な供給材料を、プリントヘッドアレイの2つの隣接したプリントヘッドモジュールの間の間隙内に拡散するために使用することができる。
図4B及び図4Cは、プリントヘッドアレイに供給材料ディスペンサを配置する2つの方法を示す。図4Bに示すように、ディスペンサの開口が横方向に位置合わせされる(x軸に沿って)、又は図4Cに示すように横方向にずらされる(x軸に沿って)ように、ディスペンサ204及び205を配置することができる。ディスペンサ204の開口445a−iは、距離449aだけ間隔を空けて配置される。ディスペンサ205の開口446a−iはまた、距離449aだけ間隔を空けて配置される。1つの実施態様では(図3に示されるように)、2つのディスペンサは、プラットフォーム150(例えば、図3のディスペンサ204及び205)に取り外し可能に取り付けられているプリントヘッドモジュール110に属することができる。別の態様では、2つのディスペンサは、プラットフォームに取り外し可能に取り付けられている異なるプリントヘッドモジュール(図5C及び図5Dを参照)に属することができる。更に別の実施態様では、一方又は両方のディスペンサが、プリントヘッドプラットフォーム150のグローバル印刷構成要素として含まれてもよい。
図4Bでは、ディスペンサ204の開口445a−i及びディスペンサ205の開口446a−iが、横方向に位置合わせされている。ディスペンサ204及び205の開口が同じ距離449aだけ間隔を空けて配置され、445aの446aとの位置合わせにより、開口445a−i及び446a−iは、確実に位置合わせされる。図4Bに記載の実施態様では、ディスペンサ204は、開口445a−iを通して供給材料314を供給するように構成され、ディスペンサ205は、開口446a−iを通して供給材料315を供給するように構成される。供給材料314及び315は、それぞれのディスペンサに関連したホッパーに貯蔵される。例えば、供給材料314は、ホッパー420(図4Aを参照)に貯蔵される。
供給材料314及び315は、異なる粒子サイズを有することができる。例えば、供給材料314は、供給材料315よりも大きいとすることができ、逆もまた同じである。代替的には又は加えて、供給材料314及び315は、異なる材料組成物を有することができる。
図4Bに示すように、ディスペンサ204及び205の配置により、同一の材料組成物を有しているが、異なる粒子サイズを有する供給材料314及び315の堆積を可能にしうる。例えば、供給材料314を最初に堆積させることができ、続いて供給材料314と比べて小さな粒子サイズを有する供給材料315を堆積させることができる。供給材料315は、供給材料314の粒子間の介在間隙を充填することができる。そのような実施態様により、付加製造プロセスによって製造されている物体の表面をより滑らかにすることができる。
幾つかの実施態様では、供給材料315は、供給材料314が分配されるすべてのボクセルに分配される。他の実施態様では、開口が個々に制御可能である場合、コントローラは、ディスペンサ204に、第1の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する第2のディスペンサ205に、第2の供給材料を、第1のディスペンサが第1の供給材料を分配した複数のボクセルのサブセット内に分配させるように構成することができる。例えば、より小さな粒子は、製造されている物体の表面に対応する領域だけに分配することができる。
他の実施態様では、図4Bのディスペンサ204及び205は、異なる材料組成物の供給材料314及び315を分配することができる。開口445a−i及び446a−iからの供給材料の流れは、例えば、コントローラ190(図4Aを参照)により制御されるアクチュエータ450によって、調節することができる。これにより、プラテン105の異なる領域での供給材料314及び315の供給が可能になりうる。例えば、2つの供給材料は、ビルドエリアのすべてが何らかの材料によって覆われるように、補完的なパターンで分配することができる。例えば、コントローラは、ディスペンサ204に、第1の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応するディスペンサ205に、第2の供給材料を、第1のディスペンサが第1の供給材料を分配しなかったボクセル内に分配させるように構成することができる。
供給材料314及び315は、異なる焼結温度を有することができ、例えば、供給材料314の焼結温度は、供給材料315の焼結温度よりも高い。したがって、供給材料315の焼結温度を上回るが供給材料314の焼結温度を下回る温度まで供給材料の層を加熱することによって、焼結しない供給材料314により支持することができる供給材料315を焼結することになるだろう。これにより、エネルギー源を、x軸に沿って供給材料のストリップのすべての温度を同時に上昇させるように構成させることが可能になる。要するに、エネルギー源によるエネルギーの選択的適用は必要とされない。
図4Cでは、前述のように、ディスペンサ204の開口445a−i及びディスペンサ205の開口446a−iが、互いに対して横方向にずらされている。例えば、開口446a−iを、距離449bだけ、x軸に沿って、開口445a−iに対してずらすことができる。幾つかの実施態様では、開口446a−iは、開口445a−iの間の中間点に位置合わせされる。距離449bは、例えば、距離449aの半分とすることができる。
ディスペンサ204及び205が同一の供給材料(例えば、314又は315)を堆積させるように構成される場合、図4Cに記載の実施態様は、x軸に沿ってディスペンサのユニット長さ毎に堆積させる供給材料の量を2倍にすることができる。これにより、付加製造プロセスの解像度及び均一性を向上させることができる。
図5Aから図5Dは、印刷構成要素をプリントヘッドモジュール110に配置するための種々の構成、及びプリントヘッドモジュール110及びグローバル印刷構成要素をプラットフォームに配置するための種々の構成を説明している。これらの構成は、付加製造プロセスの質を向上させ、より大きなビルドベッドサイズを可能にし、付加製造プロセスの時間を短縮することができる。
図5Aは、プラットフォーム551のプリントヘッドモジュール110a−dの千鳥状の配置を有する付加製造システムを説明する。千鳥状の配置では、x軸に沿って互いに隣接するモジュール(例えば、モジュール110a及び110b)は、y軸に沿ってずらされる。プラットフォーム551がy軸に沿ってスライドする際に、プリントヘッドモジュール110a−dは、プラテン105にわたって平行なストライプを形成する領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。
幾つかの実施態様では、隣接するプリントヘッドモジュール(例えば、モジュール110a及び110b)は、x軸に沿って互いに重ねることができる。その結果、モジュール110a及び110bが付加製造プロセスを実行する堆積した供給材料は、重ねることができる。プリントヘッドモジュール110a−dの各々は、供給材料をプラテンに分配するためのディスペンサを含むことができる。隣接したプリントヘッドモジュールのディスペンサが供給材料を堆積させることができるプラテン105の領域は、重ねることができる。
ディスペンサ領域がx軸に沿って重なる場合、供給材料が重なる領域で厚くなりすぎることを回避するために、幾つかの技法が利用できる。まず第1に、プリントヘッドモジュールの後に位置付けられ、重なる領域にわたって伸びるスプレッダは、供給材料をより均一に広げるために使用することができる。第2に、ディスペンサが独立して制御可能な開口を含むと想定すると、コントローラは、ディスペンサの1つだけが材料を重なる領域のボクセル内に分配するように構成することができる。第3に、ディスペンサは、重なる領域で低い流量を有するように構成することができる。例えば、エッジにおけるディスペンサの開口(x軸に沿った)は、より小さくすることができるため、その開口を通って流れる供給材料はほとんどない。これらの技法は、組み合わせて使用することができる。
図5Aに記載のシステムの別の実施態様では、隣接するモジュール110a−dは、x軸に沿って互いに重なることはない。その結果、プラテン105には、モジュール直下でない領域が存在する。そのような領域で付加製造プロセスを実行するために、その領域に隣接したモジュールによって、供給材料をそれらの領域に供給する必要がある。
また、供給材料が薄くなりすぎたりディスペンサの間の間隙からなくなったりするのを避けるために、幾つかの技法が利用できる。まず第1に、プリントヘッドモジュールの後に位置付けられ、重なる領域にわたって伸びるスプレッダは、供給材料を広げ、間隙に侵入させるために使用することができる。第2に、図4Aで説明されたように、プリントヘッドモジュールのディスペンサ204は、例えば射出器を使用することによって、モジュールのエッジを越えて供給材料を堆積させるように構成することができる。第3に、ディスペンサ204は、プリントヘッドモジュールのエッジから離れたところよりもエッジでの方がより多くの供給材料を堆積させられるように構成することができる。例えば、エッジにおけるディスペンサの開口(x軸に沿った)は、より大きくすることができるため、間隙に隣接したエリアでは、その開口を通って流れる供給材料はほとんどない。第4に、ディスペンサが独立して制御可能な開口を含むと想定すると、コントローラは、ディスペンサが加速した速度で材料を分配するように構成することができる。これらの技法は、組み合わせて使用することができる。結果的に、上記の構成を有するディスペンサ204を含むモジュール110a−dは、プリントヘッドモジュール直下でない領域に供給材料を分配することができる。コントローラ190は、種々の開口445a−iによって堆積させる供給材料の量を決定することができる。
図5Aで説明したプリントヘッドプラットフォーム551が左から右に(+y軸に沿って)スライドする際、第1のグローバル印刷構成要素120は、プラットフォームの前方エッジにあり、プラットフォームの後方エッジに、モジュール110a−d、及びグローバル印刷構成要素122が続く。第1のグローバル構成要素120は、例えば、付加製造プロセスが行われる表面の温度、若しくは粗さ、又はそれらの両方を検出することができる計測システムを含むことができる。上記のように、プリントヘッドモジュール110a−dの各々は、供給材料を堆積させるために、供給材料ディスペンサ(例えば、図4Aで説明した供給材料ディスペンサ204)を含む。プリントヘッドモジュールはまた、スプレッダ(例えば、ローラ又はブレード240/241)と、堆積させた供給材料を加熱するための熱源(例えば、加熱ランプ234)を含むことができる。熱源は、供給材料の溶融温度未満の温度まで供給材料を加熱するように構成される。
グローバル印刷構成要素122は、堆積させた供給材料を広げるためのグローバルスプレッダを含むことができる。グローバルスプレッダは、モジュール110a−dのうちの1つの直下でなく、したがってプリントヘッドモジュールに含まれるスプレッダによってアクセスすることができない領域上に供給材料を拡散するために特に役立つ。
グローバルスプレッダに加え、構成要素122はまた、堆積させた供給材料を溶融解させる、例えば焼結する、エネルギー源を含む。第2のエネルギー源は、例えば、堆積させた供給材料の所望の部分を焼結することができるビーム375(例えば、レーザ、イオン、又は電子ビーム)を放射することができるエネルギー源260に類似するものとすることができる(更に詳しくは、エネルギー源260の作用、図1Bを参照)。
グローバル印刷構成要素122はまた、溶融解した材料上に冷却剤流体を分配するための冷却剤ディスペンサを含むことができる。加えて、構成要素122はまた、焼結した供給材料の温度及び表面粗さを測定するための計測機器を含むことができる。
モジュール並びにグローバル印刷構成要素120及び122に含まれる種々の印刷構成要素は、コントローラ190によって制御することができる。例えば、コントローラ190は、ディスペンサ204の開口445a−i(図4Aから図4Cを参照)からの供給材料の流れを調整するアクチュエータ450を制御することができる。コントローラ190はまた、加熱ランプ234によって供給材料に供給されるエネルギーを制御することができる。加えて、コントローラ190は、堆積させた供給材料の所望の部分を焼結するためにエネルギー源260を制御することができる。これは、例えば、焼結することを必要とする供給材料の一部においてビーム375を方向付けることによって、実現することができる。コントローラ190は、プラットフォーム551に含まれる種々の計測システムからの入力を受信し、その入力に基づき、プラットフォーム551の種々の印刷構成要素を制御することができる。コントローラの機能についてより詳しくは、図1Bに見ることができる。
図5Bは、プリントヘッドモジュール110a−dが並列構成で配置される付加製造システムの別の実施態様を示す。並列構成において、プリントヘッドモジュール110a−dは、x軸に沿って配置され(即ち、プリントヘッドモジュールは、互いに対してy軸に沿ってずれることはない)、プラテン105の幅に広がることができる。隣接するモジュール、例えばモジュール110a及び110bは、間隙によって分離される。
プラットフォーム552がy軸に沿ってスライドする際に、各プリントヘッドモジュールは、プラテンにわたってストライプ形状の領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。隣接するモジュールの間の間隙下に位置するプラテン105の領域は、隣接するモジュールのディスペンサから供給材料を受け取る。供給材料を分配する機構は、図5Aに記載の機構と類似する。
ディスペンサ間の間隙を補償するための、図5Aを参照して説明される種々の技法は、図5Bの実施態様に使用することができる。例えば、モジュール110a−dのディスペンサ(例えば、ディスペンサ204)は、モジュールのエッジを越えて供給材料を堆積させるように構成することができる。これは、例えば、射出器を使用することによって、行うことができる。代替的には、ディスペンサ204は、プリントヘッドモジュールのエッジから離れたところよりもエッジでの方がより多くの供給材料を堆積させることができる。エッジで堆積させた余分な供給材料は、グローバル印刷構成要素122に含まれるグローバルスプレッダによって拡散することができる。グローバル印刷構成要素120及び122は、図5Aに記載のプロセスと類似の製造プロセスを実行する。また、図5Aの実施態様について記載したように、コントローラ190は、プラットフォーム552の種々の計測システムからの入力を受信し、製造プロセスを調整するために、プラットフォーム552の印刷構成要素を制御することができる。
正確な機械加工で、間隙を小さくし、モジュールを厳密な許容誤差で位置付けることができ、例えば、間隙を、ディスペンサの開孔間の距離未満とすることができる。この場合、間隙を補償するための技法の幾つかを必要としないことがある。
図5Cは、プリントヘッドモジュールの複数の千鳥状の配置111a−c(例えば、図5Aに記載の千鳥状の配置)がy軸に沿って配置される場合の付加製造システムの別の実施態様を説明する。各配置内で、プリントヘッドモジュールは、x軸に沿って間隔を空けて配置される。図5Aに記載されるように、各千鳥状の配置において、隣接するモジュール(例えば、モジュール110a及び110b)は、間隙によって分離することができるか、又はx軸に沿って互いに重ねることができるかのどちらかである。各モジュールは、プラットフォーム553がy軸に沿ってスライドする際に、プラテン全域のストライプ形状の領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。
千鳥状の配置111a−cのプリントヘッドモジュールは、プラテン553がy軸に沿ってスライドする際に、同一の長方形ストリップの供給材料上で製造プロセスを実行することができる。例えば、千鳥状の配置111a、111b及び111cのモジュール110a、110e及び110fはそれぞれ、y軸に沿って伸びる同一のストリップの供給材料上で付加製造を実行することができる。モジュール110a、110e及び110fは各々、同一の又は異なる供給材料をプラテン上に堆積させることができるディスペンサを含むことができる。例えば、モジュール110aは、ディスペンサ204を含むことができ、モジュール110eは、ディスペンサ205(図4B及び図4Cを参照)を含むことができる。図4B及び図4Cで説明したように、ディスペンサ204及び205は、同一の材料組成物だが異なる粒子サイズを有することができ、又は異なる材料組成物を有することができる、供給材用314及び315をそれぞれ分配することができる。代替的には、ディスペンサ204及び205は、同一の供給材料(例えば、供給材料314)を分配することができる。
更には、ディスペンサ204及び205は、図4Bに記載したように、横方向に位置合わせすることができるか、又は図4Cに記載したように、横方向にずらすことができるかのどちらかである。ディスペンサ204及び205が横方向に位置合わせされる場合、ディスペンサ204の開口445a−i及びディスペンサ205の開口446a−iは、プラテン105の同一領域に供給材料を分配することができる。例えば、プラットフォーム553がy軸に沿ってスライドする際に、開口445a及び446aは、y軸に沿って延びるプラテン105上の同一ストリップに沿ってそれぞれの供給材料を堆積させることができる。同様に、各対の開孔(445b/446b、445c/446cなど)は、プラテン105上の所与のストリップ上にそれぞれの供給材料を堆積させることができる。
図4Bを参照して説明したように、供給材料314及び315が同一の材料組成物だが異なる粒子サイズを有する場合、製造プロセスの最終製品は、より滑らかな表面を有することができる。
供給材料314及び315が異なる焼結温度を有する異なる材料組成物を有している場合、より高い焼結温度を有する供給材料が、製造されている物体を形成するために溶融解するより低い焼結温度を有する供給材料を支持することができる。
ディスペンサ204及び205が横方向にずらされる場合、図4Cで説明したように、ディスペンサ204及び205は、ユニットの長さ毎に同一の供給材料(例えば、供給材料314及び315)の2倍の量を分配することができる。これにより、付加製造プロセスの解像度を向上させることができる。
プラットフォーム553はまた、グローバル印刷構成要素120−123を含むこともできる。グローバル印刷構成要素120は、プラットフォーム553の前方エッジにあり(プラットフォームが+y方向に沿って左から右に移動していると想定する)、グローバル印刷構成要素122は、プラットフォームの後方エッジにある。グローバル印刷構成要素121及び123は、プリントヘッドモジュールの千鳥状の配置の間に位置する。印刷構成要素120は、付加製造プロセスが行われる表面の温度、若しくは粗さ、又はそれらの両方を検出することができる計測システムを含むことができる。印刷構成要素121、122及び123は、先行するディスペンサによって堆積させた供給材料を拡散するために、スプレッダ、例えばローラ又はブレードなどを含むことができる。印刷構成要素121及び123は、一又は複数の供給材料の焼結温度未満の温度まで堆積させた供給材料の温度を上昇させることができるエネルギー源、例えば加熱ランプ234を含むことができる。後続の印刷構成要素122は、図1B、図5A及び図5Bで説明した供給材料の所望の部分を焼結することができるエネルギー源260を含む。
また、図1B及び図5Aの実施態様について記載したように、コントローラ190は、プラットフォーム553の種々の計測システムからの入力を受信し、製造プロセスを調整するために、プラットフォーム553の印刷構成要素を制御することができる。
図5Dは、プリントヘッドモジュールの複数の並列配置111d−f(例えば、図5Bに記載された)がy軸に沿って配置される場合の付加製造システムの別の実施態様を説明する。図5Bで説明したように、各並列配置において、隣接するモジュール(例えば、モジュール110a及び110b)は、間隙によって分離される。各モジュールは、プラットフォーム554がy軸に沿ってスライドする際に、プラテン上のストライプ形状の領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。
並列配置111d−111fのプリントヘッドモジュールは、プラテン554がy軸に沿ってスライドする際に、同一のストライプ形状領域上で製造プロセスを実行することができる。例えば、並列配置111a、111b及び111cのモジュール110a、110e及び110fはそれぞれ、y軸に沿って伸びる同一のストリップの供給材料上で付加製造を実行することができる。図5Cで説明されたように、モジュール110a、110e及び110fは各々、同一の又は異なる供給材料をプラテン上に堆積させることができるディスペンサを含むことができる。例えば、モジュール110aは、ディスペンサ204を含むことができ、モジュール110eは、ディスペンサ205(図4B及び図4Cを参照)を含むことができる。ディスペンサ204及び205は、位置合わせること又は横方向にずらすことができ、同一の又は異なる供給材料を堆積させることができる(一又は複数の供給材料堆積の種々の構成に関しては、図5Cを参照)。グローバル印刷構成要素120、121、122及び123は、図5Cに記載の構成要素と類似の機能を実行する。印刷構成要素121、122及び123に含まれるグローバルディスペンサは、プリントヘッドモジュール直下に位置しないプラテンの領域に供給材料を拡散する。
また、図5Aの実施態様について記載したように、コントローラ190は、プラットフォーム554の種々の計測システムからの入力を受信し、製造プロセスを調整するために、プラットフォーム554の印刷構成要素を制御することができる。
金属及びセラミックの付加製造の処理条件は、プラスチック用の処理条件とは著しく異なる。例えば、金属とセラミックは概して、著しくより高い処理温度を必要とする。よって、プラスチック用の3D印刷の技法は、金属又はセラミックの処理には適用できない可能性があり、装置も均等ではない可能性がある。しかしながら、本明細書に記載の幾つかの技法は、ポリマー粉末、例えば、ナイロン、ABS、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)及びポリスチレンなどに適用可能であろう。
コントローラ190及び本明細書に記載のシステムの他の計算デバイス部分は、デジタル電子回路で、又はコンピュータソフトウェア、ファームウェア、若しくはハードウェアに実装することができる。例えばコントローラは、例えば持続性マシン可読ストレージ媒体といった、コンピュータプログラム製品内に記憶されたコンピュータプログラムを実行するプロセッサを含むことができる。こうしたコンピュータプログラム(プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション又はコードとしても知られている)は、コンパイル又は翻訳された言語を含むプログラミング言語の任意の形で書くことができ、また独立型プログラムとして、又はモジュール、構成要素、サブルーチン、若しくは計算環境で使用するのに適している他のユニットとして配置することを含め、任意の形で配置することができる。
コントローラ190及び記載のシステムの他の計算デバイス部分は、各層に供給材料を堆積させるべきパターンを指定する、例えばコンピュータ支援設計(CAD)互換性のファイルといったデータオブジェクトを記憶するための持続性コンピュータ可読媒体を含むことができる。例えば、このデータオブジェクトは、STL形式のファイル、3Dマニュファクチャリングフォーマット(3MF)ファイル、又は付加製造ファイルフォーマット(AMF)ファイルとすることができよう。例えば、コントローラは、遠隔コンピュータからデータオブジェクトを受信することができよう。コントローラ190内のプロセッサは、例えばファームウェア又はソフトウェアによって制御される際に、装置100の構成要素を制御して層毎に指定されたパターンを溶融解するのに必要な信号のセットを生成するため、コンピュータから受信したデータオブジェクトを解釈することができる。
コントローラ190は、3Dモデルの層のボクセルを表示するデータを、第1の複数の開口に対応するボクセルの第1の複数の平行なストリップを表示する第1のデータと、第1の複数の平行なストリップと交互に配置されかつ第2の複数の開口に対応するボクセルの第2の複数の平行なストリップを表示する第2のデータとに分割し、第1のデータに基づき第1の複数の開口を制御し、第2のデータに基づき第2の複数の開口を制御するように構成することができる。
種々の印刷構成要素、例えば、供給材料ディスペンサ、熱源及びエネルギー源を含む標準化されたプリントヘッドモジュールを有することが望ましい。本文脈における「標準化された」とは、各プリントヘッドモジュールが、実質的に同一であることを示す(ディスペンサの間で変わるシリアル番号又はファームウェアバージョンなどのソフトウェアの例外は存在する可能性がある)。標準化されたプリントヘッドモジュールは、付加製造システの構築及び修理を簡単にし、例えば、プリントヘッドは、任意の互換性のある付加製造システムで動作可能となるであろう「プラグ及びプレイ」モジュールとして動作可能でありうる。標準化されたプリントヘッド構成により、製造される物体のサイズを収容するために、付加製造システムの拡大縮小も可能となりうる。
プリントヘッドモジュールは、製造プロセス中に、例えば、x、y及びzデカルト軸に沿って、プラテンに対して移動することができる。プラテンは、動かないように構成することができ、即ち、プラテンは、x−y平面においてか又はz軸に沿ってかのどちらかで移動しないようにしてもよい。
幾つかの実施態様が記載されてきた。だが、様々な修正が行われうることを理解すべきである。例えば、
・プリントヘッド支持体150が移動するというよりはむしろ、プラテン105がプリントヘッドアセンブリとプラテンとの間に相対運動を提供するために横方向に移動する間、プリントヘッド支持体は、静止状態を維持することができる。
・ディスペンサの個々の開口は、独立して制御可能である必要はない。幾つかの適用について、例えば、エネルギー源が選択的である場合、単にディスペンサを使用してアレイ全域で分配することで十分でありうる。
・分配システム、スプレッダ、感知システム、熱源及び/又はエネルギー源などのプリントヘッドの部品として先ほど述べられた種々の構成要素は、プリントヘッドでの代わりに、プラットフォーム150などの支持体に装着することができ、又は支持体を保持するフレームに装着することができる。
・z軸運動について、水平に移動する構成要素は、垂直に移動する構成要素で支持することができ、逆もまた同じである。
・プリントヘッドモジュールを有するよりむしろ、ディスペンサ及びエネルギー源は、支持体、例えばプラットフォーム150などに直接装着することができるだろう。
・プリントヘッド支持体150が移動するというよりはむしろ、プラテン105がプリントヘッドアセンブリとプラテンとの間に相対運動を提供するために横方向に移動する間、プリントヘッド支持体は、静止状態を維持することができる。
・ディスペンサの個々の開口は、独立して制御可能である必要はない。幾つかの適用について、例えば、エネルギー源が選択的である場合、単にディスペンサを使用してアレイ全域で分配することで十分でありうる。
・分配システム、スプレッダ、感知システム、熱源及び/又はエネルギー源などのプリントヘッドの部品として先ほど述べられた種々の構成要素は、プリントヘッドでの代わりに、プラットフォーム150などの支持体に装着することができ、又は支持体を保持するフレームに装着することができる。
・z軸運動について、水平に移動する構成要素は、垂直に移動する構成要素で支持することができ、逆もまた同じである。
・プリントヘッドモジュールを有するよりむしろ、ディスペンサ及びエネルギー源は、支持体、例えばプラットフォーム150などに直接装着することができるだろう。
したがって、他の実施態様が特許請求の範囲内にある。
Claims (25)
- 製造されている物体を支持するための上面を有するプラテンと、
支持構造と、
前記プラテン又は前記支持構造のうちの少なくとも1つに連結され、前記上面に平行な第1の軸に沿ってそれらの間に相対運動を生成するためのアクチュエータと、
前記支持構造に装着された複数のプリントヘッドであって、各プリントヘッドが前記プラテン上に供給材料の複数の連続層を供給するためのディスペンサを含み、前記第1の軸に沿った運動中に、前記複数のプリントヘッドが、前記第1の軸に沿って複数の平行なスワスに供給材料を分配するように、前記第1の軸に垂直な第2の軸に沿って間隔を空けて配置される、複数のプリントヘッドと、
前記供給材料の少なくとも一部を溶融解させるように構成されたエネルギー源と
を備える、付加製造システム。 - 前記プラテンがビルド幅を有し、供給材料の前記複数の平行なスワスが前記ビルド幅に広がるように、前記複数のプリントヘッドが配置される、請求項1に記載の付加製造システム。
- 前記複数のプリントヘッドが、前記第2の軸に沿って重なる前記プリントヘッドの部分と千鳥状のアレイで配置されている、請求項2に記載の付加製造システム。
- 前記千鳥状のアレイが、第1のディスペンサを有する第1のプリントヘッドを含む第1の列、及び第2のディスペンサを有する第2のプリントヘッドを含む第2の列を含む、請求項3に記載の付加製造システム。
- 前記第1のディスペンサが第1の分配領域を含み、前記第2のディスペンサが、前記第2の軸に沿って重なることなく、前記第1の領域と第2の領域が当接するように配置された第2の分配領域を含む、請求項4に記載の付加製造システム。
- 前記第1のディスペンサが第1の分配領域を含み、前記第2のディスペンサが、前記第1の領域と前記第2の領域が前記第2の軸に沿って重なるように配置された第2の分配領域を含む、請求項4に記載の付加製造システム。
- 前記第1の領域及び前記第2の領域が重なるエリアに供給された供給材料を拡散するためのスプレッダを含む、請求項6に記載の付加製造システム。
- 前記第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第1のディスペンサ及び前記第2のディスペンサの開口を、前記第2の軸に沿って重ならない領域に分配させるように構成されたコントローラを含む、請求項6に記載の付加製造システム。
- 前記複数のプリントヘッドが並んで配置される、請求項2に記載の付加製造システム。
- 隣接したプリントヘッドの分配領域が、前記第2の軸に沿って間隙により分離されている、請求項9に記載の付加製造システム。
- 前記ディスペンサによって供給された供給材料を前記間隙内に拡散するためのスプレッダを備える、請求項10に記載の付加製造システム。
- 前記複数のプリントヘッドが、第1のプリントヘッド及び前記第1のプリントヘッドに隣接した第2のプリントヘッドを含み、前記第1のプリントヘッドが第1のディスペンサを含み、前記第2のプリントヘッドが第2のディスペンサを含み、前記第1のディスペンサ及び前記第2のディスペンサの各々が、前記間隙に隣接した第1の領域で、前記間隙から離れた第2の領域よりも高速で、供給材料を分配するように構成されている、請求項10に記載の付加製造システム。
- 前記複数のプリントヘッドが、第1の複数の第1のプリントヘッド及び第2の複数の第2のプリントヘッドを含み、各第1のプリントヘッドが第1のディスペンサを含み、各第2のプリントヘッドが第2のディスペンサを含み、前記第1の複数の第1のプリントヘッドが、前記第2の軸に沿って間隔を空けて配置され、前記第2の複数の第2のプリントヘッドが、前記第2の軸に沿って間隔を空けて配置され、かつ前記第1の軸に沿って前記複数の第1のプリントヘッドから離間して配置されており、前記第1の複数の第1のプリントヘッドの各第1のディスペンサが、前記第2の複数の第2のプリントヘッドの対応する第2のディスペンサの対応する第2の分配領域に重なる第1の分配領域を有している、請求項1に記載の付加製造システム。
- 各第1のディスペンサが、第1の複数の開孔を備え、各第2のディスペンサが、第2の複数の開孔を備える、請求項13に記載の付加製造システム。
- 前記第1の複数の開孔が、前記第2の軸に沿って、前記第2の複数の開孔に位置合わせされている、請求項14に記載の付加製造システム。
- 第1の材料が、第1の粒子サイズを有する第1の粉末を含み、第2の材料が、前記第1の粒子サイズより小さい第2の粒子サイズを有する第2の粉末を含み、及び/又は前記第1の材料と前記第2の材料が異なる材料組成物を有している、請求項15に記載の付加製造システム。
- 各第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第1のディスペンサ及び前記第2のディスペンサの前記開口を制御するように構成されたコントローラを備える、請求項15に記載の付加製造システム。
- 前記コントローラが、前記第1のディスペンサに、第1の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する前記第2のディスペンサに、第2の供給材料を、前記第1のディスペンサが前記第1の供給材料を分配しなかったボクセル内に分配させるように構成されている、請求項17に記載の付加製造システム。
- 第1の材料が、第1の溶融温度を有する第1の粉末を含み、第2の材料が、異なる第2の溶融温度を有する第2の粉末を含む、請求項18に記載の付加製造システム。
- 支持体又は前記支持体及び前記プラテンを保持するフレームに装着されたエネルギー源であって、前記第1の粉末と前記第2の粉末との両方が分配された後に、前記供給材料を溶融解させるように構成されたエネルギー源を備える、請求項19に記載の付加製造システム。
- 前記コントローラが、前記第1のディスペンサに、前記第1の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する前記第2のディスペンサに、前記第2の供給材料を、前記第1のディスペンサが前記第1の供給材料を分配した前記複数のボクセルのサブセット内に分配させるように構成されている、請求項20に記載の付加製造システム。
- 前記複数のボクセルの前記サブセットが、製造されている前記物体のエッジにおけるボクセルである、請求項21に記載の付加製造システム。
- 前記第1の複数の開孔が、前記第2の軸に沿って、前記第2の複数の開孔の間の空間に位置合わせされている、請求項14に記載の付加製造システム。
- 各第1のディスペンサが、第1の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第2のディスペンサが、第2の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第1のディスペンサ及び前記第2のディスペンサの前記開口を制御するように構成されたコントローラを備える、請求項23に記載の付加製造システム。
- コントローラが、3Dモデルの層のボクセルを表示するデータを、前記第1の複数の開口に対応するボクセルの第1の複数の平行なストリップを表示する第1のデータと、前記第1の複数の平行なストリップと交互に配置されかつ前記第2の複数の開口に対応するボクセルの第2の複数の平行なストリップを表示する第2のデータとに分割し、前記第1のデータに基づき前記第1の複数の開口を制御し、前記第2のデータに基づき前記第2の複数の開口を制御するように構成されている、請求項24の付加製造システム。
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