JP2020049946A - ３ｄ物体プリンティング用の硬化システム - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄ物体の構築物を形成するべく硬化性材料又は樹脂が堆積されている限られたエリアに対し、有効な硬化エネルギーの均質な分布を与えること。【解決手段】３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムが、押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６に可動に取り付けられてその少なくとも一つに横付けされた一以上の硬化放射線源を有する。押出ヘッド及び押出ノズルは、少なくとも一つの硬化放射線源とともに、単体ユニットとして一体作動する。堆積された硬化性材料の硬化は、硬化性材料の堆積と同時に又は即座に追従して適用される。【選択図】図６

Description

本装置及び方法は付加製造の分野に関し、詳しくは、付加製造デバイスにより堆積された硬化性材料層を硬化させることに関する。

３次元物体製造プロセスは、硬化性樹脂材料層を画像態様で堆積させ、当該層の堆積セグメントを硬化又はハードニングすることを含む。層が、互いの頂部に堆積（付加）されるので、このプロセスは、コンピュータ生成３Ｄモデルが物理的物体に変換される付加製造プロセスと称する。このプロセスは、異なる又は同一の形状の複数の材料層を生成することを含む。これらの層は、蓄積された層の量が所望の３次元の物理的物体をもたらすまで、先行する層のそれぞれの頂部（又は底部）に重ねられ又は堆積される。

３次元の物理的物体の層を生成する材料は、液体、ペースト、粉末、ゲル又は他の形態であってよい。かかる材料の固体形態への変換は典型的に、適切な化学線又は熱によって行われる。３Ｄ物体の製造には、インクジェットプリンティング、レーザ焼結、材料押し出し等のような異なる製造技術が使用される。

３Ｄ物体の製造のアプリケーションは広範囲にわたる。これは、試作品製造、異なる製品の小ロット製造、装飾物、彫刻、建築モデル、及び他の物理的物体を含む。

近年、相対的に大きなサイズの物理的物体及びモデルの製造が広く行われるようになっている。大きなサイズの彫像、動物フィギュア及び装飾物が、付加製造プロセスによって製造され、様々なカーニバル、遊園地及びスーパーマーケットにおいて使用される。製造技術が許容する場合、これらの物理的物体のいくつかは、１：１スケールで単一品として製造される。いくつかは、大きなスケールの部品で製造された後、設置サイトで物理的物体に組み立てられる。

３次元物体を構築するのに必要な時間は、例えば、ＵＶ放射線を使用した樹脂材料の硬化時間のような様々なパラメータに依存し、固体又は液体材料を層に付加する速度は、材料自体、層厚さ、硬化剤の強度、及び３次元物体の詳細の所望の解像度等に依存する。大抵の３Ｄ物体製造技術、特にインクジェットプリンティングにおいて、材料はラスタ堆積モードで堆積され、硬化はフラッド照明モードで行われる。材料押し出しは、ベクトルモードでの３Ｄ物体製造をサポートするが、押し出された材料の硬化は、局所的又は領域的硬化モードで行われ得る。

一般的な硬化放射線源の一つは紫外（ＵＶ）光源、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）である。紫外ＬＥＤ照明は、線形アレイ又は２次元マトリクスのような様々な構成で使用され、ＵＶ光フラッディング照明器として用いられる。既存の紫外ＬＥＤベースの硬化線源は、３Ｄ物体製造のために使用された押し出し硬化材料を硬化させる十分なエネルギーを与えることがない。さらに、現在用いられている硬化技術は、長い硬化時間を必要とする硬化サイトにおける低エネルギーレベルに主に起因して、迅速なスループットを許容することがない。

また、３Ｄ物体付加製造において堆積された硬化性材料又は樹脂を硬化する均一かつ十分な硬化エネルギーを与えることは、一般に、そして特に、材料堆積ユニットが、製造される３Ｄ物体の幾何学形状に合わせるように運動方向を変えるときに、技術的に困難であることがわかっている。これは、ベクトルプリンティングモードにおいて特に当てはまり、詳しくは、本願と同じ譲受人に譲受された２０１４年２月１９日出願の特許仮出願第６１／９４１，４９４号に記載されるような、シェル又は中空構造物の形態の３Ｄ大型物体のベクトルプリンティングにおいて特に当てはまることがわかっている。

特表２０１６−５２６４９５号公報

３Ｄ物体の構築物を形成するべく硬化性材料又は樹脂が堆積されている限られたエリアに対し、有効な硬化エネルギーの均質な分布を与えることは極めて困難である。さらなる困難が、有効な硬化が硬化セクターの動きをサポートしなければならない場合に現れる。なおもさらに困難なのは、硬化エネルギーに方向性を与えることである。硬化エリアの動きは、ベクトル材料堆積ノズルと同時に３Ｄ空間内のいずれかの任意方向に実行する必要があるからである。

少なくとも２つの線形ＵＶ硬化放射線源を、当該ＵＶ硬化放射線源が一緒になって均質かつ有効な硬化エネルギー分布の限られたエリアを形成するように配列することがわかっている。このとき、押出ノズルは、当該ノズルが硬化性材料を当該限られたエリアの中心に押し出すように位置決めすることができる。ひとたびノズルの位置決めが完了すると、限られたエリアのサイズ、及び押出ノズルと当該限られたエリアとの空間的関係は、プリンティングセッション及び押出ノズル運動方向全体で変わることがない。これにより、有効な局所化プリンティングエリアと、その方向性との双方が一緒に得られる。

２つの線形線源が与える放射線強度の線形分布を、例えば、均質なエネルギー分布での一つの一般に円形の領域（セクター）のような限られたエリアへと変換することにより、堆積された樹脂材料を有効に（十分に）硬化するべく当該セクター全体に均一に分布したほぼ最大の均一レベルの放射線エネルギー又はフルエンスが得られる。

本装置及び方法を理解し、どのように実行できるのかがわかるようにするべく、添付図面を参照して以下に、非制限的な例としてのみ、複数の例を記載する。

一例に係る３次元構造物の付加プリンティングによる製造に適したシステムの模式的な簡略図である。 他例に係る硬化放射線源の平面視の簡略図である。 さらなる他例に係る一以上の硬化放射線源の、押出ヘッド及びノズルに対する位置決めの側方立面視の簡略図である。 さらなる他例に係る一以上の硬化放射線源の、押出ヘッド及びノズルに対する位置決めの側方立面平面視の簡略図、及び一表面にわたる放射線エネルギーの分布のグラフである。 さらなる他例に係る一表面に衝突する放射線フルエンスのマッピング図である。 図６Ａ及び６Ｂは、一緒になって図６と称するが、さらなる他例に係る付加プリンティングプロセスの硬化放射線源の側面部分断面視及び平面視の簡略図である。 さらなる他例に係る付加プリンティングプロセスの硬化放射線源の平面視の簡略図である。 さらなる他例に係る付加プリンティングプロセスの硬化放射線源の平面視の簡略図である。 一例に係る付加プリンティングプロセスの硬化放射線源平面視の簡略図である。 図１０Ａ及び１０Ｂは、一緒になって図１０と称するが、さらなる他例に係る３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムの動作及び動きの平面視の簡略図である。 図１１Ａ及び１１Ｂは、一緒になって図１１と称するが、さらなる他例に係る一以上の硬化放射線源の、押出ヘッド及びノズルに対する段状位置決めの側方立面視の簡略図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、一緒になって図１２と称するが、さらなる他例に係る一以上の硬化放射線源の、押出ヘッド及びノズルに対する段状位置決めの側方立面視の簡略図である。

図１を参照する。これは、３次元構造物の付加プリンティングによる製造に適したベクトルプリンティングシステムの模式的な簡略図である。ベクトルプリンティングシステム１００が、例えば擬塑性高粘度材料のような硬化性材料１０４を格納するべく適合された格納又は材料供給タンク１０２と、硬化性材料１０４を撹拌かつずり流動化させるべく構成され、材料１０４の粘度を低下させて当該材料を流動させるポンプ１０８とを含む。ポンプ１０８が、撹拌に加え、大気圧よりも高い圧力を発生させるので、硬化性材料１０４は、送達配管又はシステム１１２を通って押出ヘッド押出ノズル１１６へと流れる。ポンプが発生する大気圧よりも高い圧力は、押出ヘッド１１４押出ノズル１１６へと伝えられ、例えば、０．１バール〜３０．０バールであり、典型的には１．０バール〜２０．０バールであり、時には２．０バール〜１０．０バールとなり得る。

ベクトルプリンティングシステム１００は、３Ｄ空間において、すなわち３方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ）に、押出ノズル１１６を動かすべく構成されたＸ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システム１２４を含む。代替的に、プリンティング台１２０が、３次元座標系内を動くようにしてもよい。他例において、３Ｄ空間における、すなわち３方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ）での動きは、押出ノズル１１６及びプリンティング台１２０双方の２方向又は３方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ）の組み合わされた動きからもたらされる。システム１００はまた、運動システム１２４の動作を制御するべく構成されたコンピュータ１２８と、硬化性材料の舵とり動作、及び大気圧より高い値又は大きさを実行するポンプ１０８とを含む。

コンピュータ１２８はさらに、プリンティングされる３次元物体１３２に関するデータを受信し、その受信データからＸ−Ｙ−Ｚ方向のベクトル運動指令と、硬化性材料１０４が画像態様で押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６を通して押し出される距離とを生成する。Ｘ−Ｙ−Ｚ方向のベクトル運動は、プリンティングされる物体に応じて、ベクトルモード又はラスタモードで行うことができる。コンピュータ１２８はまた、プリンティングモードの選択を最適化するとともに、被プリンティング物体の特性、及びその硬化要件に基づいて放射線パワー出力を選択するべく構成することができる。

ベクトルプリンティングシステム１００はさら、一以上の硬化放射線源１３６を含む硬化システム１５０を含む。硬化放射線源１３６は、米国ＯＲ９７１２４ヒルズボローのＰｈｏｓｅｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から市販されているＦｉｒｅＦｌｙ（登録商標）又はＰｈｏｓｅｏｎＦＥ３００のような紫外ＬＥＤとすることができる。硬化放射線源１３６は、ＵＶ放射線に対し、９００Ｗの合計ＵＶパワー及び３８０〜４２０ｎｍの波長範囲を与えることができる。代替的に、例えば、米国ＦＬ３３４４５、デルレイビーチのＣｕｒｅＵＶ社から市販されている水銀蒸気ランプモデルＳｈｏｔ５００のようなＵＶランプを用いてもよい。硬化放射線源１３６は、硬化材料の堆積と同時の連続的な態様で動作し、放射線は、硬化性材料１０４を硬化及びハードニングするように選択される。コンピュータ１２８はまた、硬化放射線源１３６の動作を制御してプリンティングモードに同期させるべく構成することができる。

本願と同じ譲受人に譲受された２０１４年２月１９日出願の特許仮出願第６１／９４１，４９４号に記載されるような、シェル又は中空構造物の形態の３Ｄ大型物体の付加ベクトルプリンティング及び製造において、コンピュータ１２８は、３次元物体１３２のデータを受信し、その受信したデータから、押出（ヘッド）押出ノズル１１６を通って画像態様で押し出される硬化性材料１０４が、物体１３２のスライスに類似するように、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向のベクトル運動指令と、１３８−１、１３８−２のような一方が他方の上に又は下に堆積される条片の長さとを生成する。同様に、引き続いての条片又は硬化性材料１０４の一部分が押し出される。

３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の、矢印（Ｋ）により示される方向（図１）から見た硬化放射線源１３６の平面視の簡略図である図２は、中心長手軸２０６に沿って配列されたＬＥＤ２０４のアレイ２０２を含む。硬化放射線源１３６が押出ヘッド１１４に取り付けられると、軸２０６が台１２０（図１）の表面１１８に平行となる。各ＬＥＤ２０４は、１ワットの放射線フラックスを与えることができる。それゆえ、合計フラックスは、当該アレイ中のＬＥＤ２０４の数に依存する。ＬＥＤ２０４のアレイ２０２は、図２に描かれるような線形アレイでよいが、例えばリング（図６及び７）又は正方形（図８）のような幾何学形状を含む任意の適切な幾何学形状を有してよい。アレイ２０２毎のＬＥＤユニットの数は、１０〜４０個のＬＥＤの間で変わってよい。より一般には、アレイはＬＥＤを、２０〜３０ワットの放射線合計フラックスをもたらすように、１５〜３５個の間で含み、最も一般にはアレイはＬＥＤを２０〜３０個との間で含む。

図３を参照する。これは、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の一以上の硬化放射線源１３６の、押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６に対する位置決めの側方立面視の簡略図である。図３に示されるように、一以上の硬化放射線源１３６が、少なくとも一つの側から押出ヘッド１１４に横付けされるように押出ヘッド１１４に可動に取り付けられる。一例において、ＬＥＤ２０４の線形アレイ２０２を含む２つの硬化放射線源１３６を、平面３０６に対する一定距離で軸Ｗに対する角度（α）の変化をサポートする態様で、押出ヘッド１１４に可動に取り付けることができる。２つのアレイ２０２の対応中心軸２０６（図２）は、互いに、及びプリンティング台１２０の表面１１８に平行であり、ＵＶ放射線ビーム３０２が、硬化予定の押し出された材料３０６の表面に放射される。

図３において、硬化放射線源１３６は、対向側から押出ヘッド１１４に横付けされ、その間に押出ヘッド１１４を挟み込む。当業者にわかることだが、硬化放射線源１３６は、互いに対し及び押出ノズル１１６に対し様々な位置で押出ヘッド１１４に取り付けることができる。例えば、各放射線源１３６の中心長手軸２０６が他方の中心長手軸２０６に直交するように（例えば図８に描かれるように）、及びプリンティング台１２０の表面１１８に平行に、又は任意の２以上の硬化放射線源１３６の中心長手軸２０６の間の任意の他の所望相対角度で、取り付けることができる。代替的に及び随意的に、単一のリング状硬化放射線源６３６（図６）を、同心円状に押出ノズル１１６を取り囲むように押出ヘッド１１４に取り付けることができる。

一以上の硬化放射線源１３６を押出ヘッド１１４に取り付けることにより、硬化放射線源１３６は押出ヘッド１１４と同時に並進し、例えば丸い形状となり得る均質照射エリアとノズル１１６との、進行方向にかかわらず一定の関係を維持することができる。

硬化放射線源１３６は、硬化性材料１０４堆積プロセスの間に及びその間中ずっと、３Ｄ空間における押出ヘッド１１４押出ノズル１１６の、高さの変化、及び前後の動き、並びに突然の急な向き変更を含む並進の正確な行程に追従することができる。源１３６からの硬化放射線は、硬化放射線がすでに衝突したエリアに硬化性材料１０４が堆積されるように連続的な態様で適用される。それゆえ、３Ｄ物体１００のプリンティングのためのシステムの硬化システム１５０はまた、以下に詳細に説明されるように、堆積された硬化性材料の、硬化性材料の堆積と同時の、又はほぼ即座に追従しての、ほぼ瞬時の硬化をサポートする。

３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の一以上の硬化放射線源１３６を押出ヘッド１１４に取り付けることは、押出ヘッド１１４により堆積されているときに（すなわち硬化性材料１０４の堆積と同時に）、ＵＶ硬化エネルギーの均一かつ一定のパラメータを、堆積された硬化性材料に適用することをサポートする。かかるパラメータは、とりわけ、堆積されたプリンティング硬化性材料に衝突する照射ＵＶのスポットサイズ及びフルエンス（熱に変換される）を含み得る。これは以下に詳細に説明される。３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の硬化放射線源１３６は、特定の位置決めパラメータに応じて押出ヘッド１１４に取り付けることができるので、アレイ２０２の中心長手軸２０６（図３において軸２０６は紙面平面に対して直交）は、任意の所与時刻に、プリンティングされた層３０６（すなわち硬化予定の層）の表面に平行に延びて当該平面上方の高さ（ｈ）に維持される。硬化放射線源１３６はまた、押出ヘッド１１４の中心軸（Ｗ）と硬化放射線源１３６の中心軸（Ｑ）との間の角度（α）にある押出ヘッド１１４に取り付けられることにより、硬化放射線源１３６からのＵＶ放射線ビーム３０２の中心の、プリンティングされた層３０６（すなわち硬化予定の層）の表面との衝突点３０８が、任意の所与時刻において押出ヘッド押出ノズルの中心軸（Ｗ）から距離（ｄ）に存在する。

位置決めパラメータである角度（α）、高さ（ｈ）及び距離（ｄ）は、ロックねじ３１０を緩め及び締めることにより所望のとおりに調整及び固定することができる。

いくつかの場合において、角度（α）は５〜３５度であり、より一般には１０〜３０度であり、最も一般には１５〜２５度である。高さ（ｈ）はいくつかの場合に、５〜３５ｍｍであり、より一般には１０〜３０ｍｍであり、最も一般には１５〜２５ｍｍである。距離（ｄ）はいくつかの場合において、５〜３５ｍｍであり、より一般には１０〜３０ｍｍであり、最も一般には１５〜２５ｍｍである。

この構成は、硬化性材料堆積部材、すなわち押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６を、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の硬化放射線源１３６と協調して一つの単体ユニットとして一体作動するようにサポートする。それゆえ、３Ｄ空間において（すなわち３方向Ｘ、Ｙ及びＺに）押出ノズル１１６を動かすように構成されたＸ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システム１２４は、同じ属性を、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の硬化放射線源１３６に反映させるので、方向ベクトル運動システム１２４によって硬化放射線源１３６もまた３Ｄ空間において同時に動かされる。したがって、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システム１２４は、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の硬化放射線源にも同時に、押出ヘッド１１４及び押出ヘッド１１６のベクトル方向運動に追従するベクトル方向運動を与える。

ここで図４を参照する。これは、一以上の硬化放射線源１３６の、押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６に対する位置決めの側方立面平面視の簡略図、及びプリンティング台１２０の表面１１８にわたる放射線エネルギーの分布のグラフである。図４に示されるように、硬化放射線源１３６のような少なくとも２つのＵＶ放射線源が押出ヘッド１１４に取り付けられ、位置決めパラメータである角度（α）、高さ（ｈ）及び距離（ｄ）の変化は、プリンティング台１２０の表面１１８に衝突する硬化放射線エネルギーの分布パターンに影響を与え、ひいては、硬化予定の堆積された硬化性材料４０２の位置における硬化放射線パラメータにも影響を与える。

図４に描かれる非制限的な例において、各硬化放射線源１３６は、５０Ｗの合計放射線フルエンスを目的として２５個のＬＥＤを含み、特定の物体が最大の放射線パワー及び均一性でプリンティングされる最適動作点に位置決めされる。角度（α）は２０度、高さ（ｈ）は２０ｍｍ、距離（ｄ）は２０ｍｍである。

一般に、ＵＶ放射線ビームのそのような発散は、表面１１８の相対的に広いエリアにわたる衝突放射線エネルギーの分布をもたらし得る。本願発明者は、硬化放射線源１３６を、上述した位置決めパラメータに従って位置決めすることにより、表面１１８に衝突する有効な放射線の分布（すなわち堆積された硬化性材料４０２を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベル）が、堆積された硬化性材料４０２を含むセクター（ｓ）に対して狭められることを見出した。これは、ＵＶ硬化エネルギーの適用効率に対して多大に貢献し得る。

図４のグラフに示されるように、表面１１８に衝突する照射エネルギーの分布は、表面１１８の照射エリア全体のうち、堆積された硬化性材料４０２の位置を含む限られたセクター（ｓ）（すなわちスポットサイズ）のみが、セクター（ｓ）全体に均一に分布する堆積された硬化性材料４０２を有効に（完全に）硬化するべく、ほぼ最大の均一レベルの照射エネルギー又はフルエンスを与える。セクター（ｓ）のエリアは、いくつかの場合、５〜３５ｍｍであり、より一般には１０〜３０ｍｍであり、最も一般には１５〜２５ｍｍである。照射エネルギー又はフルエンスのレベルは、セクター（ｓ）の境界外側では大きく落ち込み、必要とされる場所にのみエネルギーが適用されるエネルギー適用の高効率性が実証される。

実験的に示され、かつ、表面に衝突する硬化放射線フルエンスのマッピング図である図５に描かれるように、図２に描かれるような線形硬化放射線源１３６を用いて図４の非制限的な例に開示される位置決めパラメータに従って位置決めすると、プリンティング台１２０の表面１１８に衝突する硬化放射線の分布の均一性を、ＬＥＤアレイ２０２の中心長手軸２０６に直交する短軸（Ｇ）のみならず、ＬＥＤアレイ２０２間の中心に配置されて中心軸２０６に平行な長軸（Ｍ）に沿っても、維持することができる。

図５に示されるように、仮想線の境界輪郭によって画定されて参照番号５０２が付されたセクター（ｓ）は、（最も暗い影で象徴される）最高レベルの硬化放射線エネルギーにより均一に衝突された、堆積された硬化性材料の有効硬化セクターである。上述のように、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０の硬化放射線源１３６と協調して一体作動する硬化性材料堆積部材、すなわち押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６により、セクター（ｓ）が、押出ノズル１１６に追従する方向ベクトル運動を有することと、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１５０によって同時に硬化される硬化性材料１０４が、連続的に堆積される内側セクター（ｓ）となることとが確保される。

押出ヘッド１１４に取り付けられて上述した最適な位置決めパラメータに従う、上に説明された硬化放射線源１３６の位置決めにより、最適かつ有効な硬化パラメータ、すなわち、セクター（ｓ）におけるスポットサイズ及び放射線フラックスを、押出ノズル１１６による硬化性材料１０４の堆積と同時に又は当該堆積にほぼ即時に追従して達成することができる。これにより、第１層の頂部に第２層を堆積する前に第１層を硬化させることに依存する押出ヘッド１１４の並進速度の増加を可能にしてプリンティングスループット時間を低減することができる。

実験により、図３の非制限的な例に記載された構成及び位置決めパラメータのもとで、堆積された硬化性材料１０４の完全な（有効な）硬化が、例えば、擬塑性樹脂について、５００ｍｍ／秒のプリンティング速度で達成できることが示されている。さらなる実験により、完全な又は少なくとも十分な硬化が、４００ｍｍ／秒〜１０００ｍｍ／秒、より一般には５００ｍｍ／秒〜８００ｍｍ／秒の速度で達成できることが示されている。これらの速度は、最も知られている付加プリンティング樹脂に対して十分である。

加えて、被製造物体に適用される硬化放射線エネルギーのレベルが、とりわけ被製造物体の特性に依存することがわかっている。それゆえ、コンピュータ１２８は、被製造３Ｄ物体の特性及びそれによって必要となる硬化パラメータに基づいて、必要な硬化放射線パワー出力を最適化するべく構成することができる。

ここで、一緒になって図６と称する図６Ａ及び６Ｂを参照する。これらは、付加プリンティングプロセスと目的とした３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム６５０の他例の側面部分断面視、及び（矢印（Ｐ）により示される方向からの）平面視の簡略図である。図６において、硬化放射線源６３６は、リング状の幾何学形状を有し、押出ヘッド１１４に取り付けられ、押出ヘッド１１４押出ノズル１１６まわりに同心円状に位置決めされ得る。リング状硬化放射線源６３６の断面６０２は、図３の例と同様、押出ヘッド１１４押出ノズル１１６の中心軸（Ｗ）に対して角度（α）で傾けられる。

この構成において、硬化放射線源６３６のＬＥＤ２０４のそれぞれから放射された発散するＵＶ放射線ビーム６０５の内側境界６０４が、放射線ビーム６０６の、均等に分布する均一円錐を形成する。これにより、プリンティング台１２０の表面１１８上に、均等な硬化エネルギー分布のセクター（ｓ）がもたらされる。それゆえ、リング状硬化放射線源６３６の対称的な幾何学形状により、図５に描かれるのと同様に、セクター（ｓ）全体にわたる放射線硬化エネルギーの均一分布がもたらされる。

ここで、２つの例に係るさらに２つの３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムである図７及び８を参照する。図７は、リング状硬化放射線エネルギー源６３６の構成と同様の、２つの半円状硬化放射線源７３６を含む硬化システム７５０を描く。硬化放射線源７３６は、図３の例において描かれたのと同様に押出ヘッド１１４に取り付け、押出ヘッド押出ノズルまわりに同心円状に位置決めすることができる。

リング状硬化放射線エネルギー源６３６を押出ヘッド１１４に取り付けることは、モジュラー構成において行うことができる。これにより、硬化放射線エネルギー源６３６を所望に応じて硬化放射線源１３６に置換することができる。この構成の利点は、硬化放射線源１３６を容易に置換して図３に描かれるのと同じモジュラー取り付け方法からの利益を得ることができるにもかかわらず、リング状硬化放射線源６３６の対称的な幾何学形状を依然として保持することで、セクター（ｓ）全体にわたる放射線硬化エネルギー分布の均一性をもたらす点にある。

図８は、硬化システム８５０の他例を示す。この構成において、４つの源１３６が、図３に描かれるのと同様に押出ヘッド１１４の４つの側に取り付けられる。各アレイ２０２の中心長手軸２０６は、隣接するアレイ２０２の中心長手軸２０６に直交する。この構成は、図６及び７の例によりもたらされるのと同様のセクター（ｓ）をもたらすことにより、堆積された硬化性材料４０２に対する硬化放射線エネルギーの対称的な適用を与えるべく、図２に描かれる構成を簡単に構築及び補完する。

ここで、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムのさらなる他例である図９を参照する。この構成において、６つの源１３６が、図３に描かれるのと同様に押出ヘッド１１４の６つの側に、６角形を形成するように取り付けられる。この構成は、図８の例によりもたらされるのと同様のセクター（ｓ）をもたらすことにより、堆積された硬化性材料４０２に対する硬化放射線エネルギーの対称的な適用を与えるべく、図２に描かれる構成を簡単に構築及び補完する。

図１０Ａ及び１０Ｂは、一緒になって図１０と称するが、コンピュータ１２８が、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１０５０、及び図６のシステム６５０と同様の硬化放射線源６３６の動作を制御し、システム１０５０をプリンティングモード（すなわち硬化性材料１０４堆積中のノズル１１６の動き）に同期させるべく構成された一例を描く。図１０において、押出ヘッド１１４、押出ノズル１１６、及び堆積された材料は、明確さを目的として除外されている。

図１０は、仮想線１００２により描かれる所定のベクトル経路に沿ってノズル１１６（図示せず）のベクトル方向ベクトル運動に追従するシステム１０５０のベクトル運動を例示する。この構成において、コンピュータ１２８は、硬化材料が堆積された内側セクター（ｓ）にとって十分となるべくベクトル経路１００２の両側に対称的に分布された８つのＬＥＤ２０４−１を決定している。図１０において、外見上、動作中のＬＥＤ２０４−１は黒で示され、非動作中のＬＥＤ２０４−２は白で示される。図１０Ａは、参照番号１０２０が付された矢印により示される方向に、所定のベクトル経路１００２の第１レッグ１００２−１に沿って動くシステム５００を示す。

図１０Ｂに示されるように、第１レッグ１００２−１の端において、ベクトル経路１００２は、鋭角に向き変更してレッグ１００２−２になる。押出ノズル１１６（図示せず）の方向が、ベクトル経路１００２に沿って参照番号１０３０が付された矢印により示される方向に変わると、コンピュータ１２８は、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１０５０のリング状硬化放射線源１０３６を回転させることなく、不要なＬＥＤ２０４−１をオフにし、かつ、必要なＬＥＤ２０４−２をオンにすることによってＬＥＤの順序を再配列する。それゆえ、セクター（ｓ）において、プリンティング台１２０の表面１１８に衝突する硬化放射線エネルギー分布の均一性を、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１０５０の硬化放射線源１０３６の回転ではなく、コンピュータ１２８が決定する個々のＬＥＤの制御によって維持することができる。

ここで、一緒になって図１１と称する図１１Ａ及び１１Ｂを参照する。これらは、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムの他例の側方視及び平面視の簡略図である。図１１Ｂは、図１１Ａにおいて参照文字（Ｇ）が付された矢印により示される方向から見た硬化システム１１５０を例示する。３Ｄ物体のプリンティングのためのシステム１１００は、３Ｄ物体のプリンティングのための段状硬化システム１１５０を含み、これは、２つ以上の硬化放射線源１３６を含む。硬化放射線源１３６は、上述されて図３及び４に描かれたのと同様、少なくとも一つの側から押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６に横付けされるように押出ヘッド１１４に可動に取り付けることができる。図１１の例において、押出ヘッド１１４ノズル１１６のいずれかの側方の各段は、段階的に配列された２つの硬化放射線源１３６−１及び１３６−２からなるようにできる。

図１１に描かれる段状構成により、上述したのと同じスポットサイズ又はセクター（ｓ）（例えば図４）のサイズ、及び動きの質を維持しながら放射線のフラックスを増加させ、そのような増加したフラックスを必要とする硬化性材料を硬化させることが可能となる。

図１２Ａ及び１２Ｂは、一緒になって図１２と称するが、３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムのさらなる他例に係る側方視及び平面視の簡略図である。図１２において、図１２Ｂは、図１２Ａにおいて参照文字（Ｍ）が付された矢印により示される方向から見た硬化システム１２５０を例示する。３Ｄ物体のプリンティングのためのシステム１２００は、２つ以上の硬化放射線源１２０２及び１２０４を含む３Ｄ物体のプリンティングのための段状硬化システム１２５０を含む。硬化放射線源１２０２及び１２０４は、上述されて図６に描かれたのと同様、６３６ともなり得るが、リング状幾何形状を有し、押出ヘッド１１４に取り付けられ、押出ヘッド１１４及び押出ノズル１１６のまわりに同心円状に位置決めされる。図１２の例において、押出ヘッド１１４及びノズル１１６まわりに同心円状に配列された各段は、段階的に配列された２つの硬化放射線源１２０２及び１２０４からなるようにできる。

図１２に描かれる段状構成により、上述したのと同じスポットサイズ又はセクター（ｓ）（例えば図４）のサイズ、及び動きの質と維持しながら放射線のフラックスを増加させ、そのような増加したフラックスを必要とする硬化性材料を硬化させることが可能となる。

３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム１２５０は、上述されて図１０に描かれたシステム１０５０と同様に、押出ヘッド１１４及びノズル１１６の同時の方向ベクトル運動に追従するベクトル運動の方向性をサポートするべくコンピュータ１２８によって制御することができる。

当業者にわかることだが、本開示は、特に示され上述されたものに限られない。むしろ、本方法及び装置の範囲は、上述の様々な特徴のコンビネーション及びサブコンビネーションの双方と、前述の説明を読む当業者に想起される先行技術ではない修正例及び変形例とを含む。

Claims (47)

1. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
   押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
   少なくとも一つの側から前記押出ヘッドに横付けされるように前記押出ヘッドに可動に取り付けられた少なくとも一つの硬化放射線源と
   を含み、
   前記押出ヘッド及び押出ノズルと前記少なくとも一つの硬化放射線源とが単体ユニットとして一体作動するシステム。
2. 前記押出ヘッドは、３Ｄ空間においてＸ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システムにより動かされ、同じ属性を、前記３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システム硬化放射線源に反映させることにより、前記硬化放射線源もまた３Ｄ空間において同時に前記Ｘ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システムにより動かされる請求項１に記載のシステム。
3. 前記３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムの硬化放射線源は、押出ヘッド及び押出ノズルのベクトル方向運動に追従するベクトル方向運動で動く請求項２に記載のシステム。
4. 硬化放射線がすでに衝突しているエリアに硬化性材料が堆積されるように硬化放射線を連続的な態様で適用することができる請求項１に記載のシステム。
5. 前記３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムはまた、堆積された硬化性材料の、前記硬化性材料の堆積と同時の又は即座に追従しての硬化をサポートする請求項１に記載のシステム。
6. 前記並進の正確な行程は、高さの変化、及び前後の動き、並びに突然の急な向き変更を含む請求項１に記載のシステム。
7. 前記少なくとも一つの硬化放射線源が、特定の位置決めパラメータに従って前記押出ヘッドに取り付けられ、
   前記ＬＥＤアレイの少なくとも前記中心長手軸が、プリンティング台の表面に平行に延び、任意の所与時刻に、プリンティングされた層（すなわち硬化予定の層）の表面の上方の高さ（ｈ）に維持される請求項１に記載のシステム。
8. 前記少なくとも一つの硬化放射線源が、前記押出ヘッドの中心軸（Ｗ）と前記硬化放射線源の中心軸（Ｑ）との間の角度（α）にある前記押出ヘッドに取り付けられることにより、前記硬化放射線源からのＵＶ放射線ビームの中心の、プリンティングされた層（すなわち硬化予定の層）の表面との衝突点が、任意の所与時刻において前記押出ヘッド押出ノズルの中心軸（Ｗ）から距離（ｄ）に存在する請求項１に記載のシステム。
9. 高さ（ｈ）は５〜３５ｍｍである請求項７に記載のシステム。
10. 高さ（ｈ）は１０〜３０ｍｍである請求項７に記載のシステム。
11. 高さ（ｈ）は１５〜２５ｍｍである請求項７に記載のシステム。
12. 高さ（ｈ）は２０ｍｍである請求項７に記載のシステム。
13. 角度（α）は５〜３５度である請求項８に記載のシステム。
14. 角度（α）は１０〜３０度である請求項８に記載のシステム。
15. 角度（α）は１５〜２５度である請求項８に記載のシステム。
16. 角度（α）は２０である請求項８に記載のシステム。
17. 距離（ｄ）は５〜３５ｍｍである請求項８に記載のシステム。
18. 距離（ｄ）は１０〜３０ｍｍである請求項８に記載のシステム。
19. 距離（ｄ）は１５〜２５ｍｍである請求項８に記載のシステム。
20. 距離（ｄ）は２０ｍｍである請求項８に記載のシステム。
21. 前記放射線エネルギー源は線形のＬＥＤのアレイを含む請求項１に記載のシステム。
22. 前記アレイ毎のＬＥＤユニットの数は１０〜４０である請求項２１に記載のシステム。
23. 前記アレイ毎のＬＥＤユニットの数は１５〜３５である請求項２１に記載のシステム。
24. 前記アレイ毎のＬＥＤユニットの数は２０〜３０である請求項２１に記載のシステム。
25. 前記アレイ毎のＬＥＤユニットの数は２５である請求項２１に記載のシステム。
26. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    それぞれが線形ＬＥＤアレイを含む少なくとも２つの硬化放射線源と
    を含み、
    前記少なくとも２つの硬化放射線源は、少なくとも２つの対向側から前記押出ヘッドに可動に横付けされ、前記ＬＥＤアレイの対応中心軸が互いに平行となることにより、硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
27. 特定の位置決めパラメータに従って少なくとも２つの硬化放射線源が前記押出ヘッドに取り付けられ、
    前記少なくとも２つの硬化放射線源が、前記押出ヘッドの中心軸（Ｗ）と前記硬化放射線源の中心軸（Ｑ）との間の角度（α）にある前記押出ヘッドに取り付けられることにより、前記硬化放射線源からのＵＶ放射線ビームの中心の、プリンティングされた層（すなわち硬化予定の層）の表面との衝突点が、任意の所与時刻において前記押出ヘッド押出ノズルの中心軸（Ｗ）から距離（ｄ）に存在し、
    前記ＬＥＤアレイの中心長手軸が、プリンティング台の表面に平行に延び、任意の所与時刻に、プリンティングされた層（すなわち硬化予定の層）の表面の上方の高さ（ｈ）に維持される請求項２６に記載のシステム。
28. 前記位置決めパラメータに従った前記硬化放射線源の位置決めにより、表面に衝突する有効な放射線の分布（すなわち堆積された硬化性材料を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベル）が、前記堆積された硬化性材料を含むセクター（ｓ）に対して狭められる請求項２６に記載のシステム。
29. 前記位置決めパラメータに従う前記硬化放射線源の位置決めにより、前記堆積された硬化性材料を含むセクター（ｓ）の表面に衝突する放射線分布の均一性が、前記ＬＥＤアレイ中心軸に直交する短軸（Ｇ）に沿って、及び前記ＬＥＤアレイ中心軸に平行かつこれらの間の中心に配置された長軸（Ｍ）に沿って維持される請求項２８に記載のシステム。
30. 前記位置決めパラメータに従った前記硬化放射線源の位置決めにより、セクター（ｓ）における有効な（すなわち堆積された硬化性材料を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベルの）硬化パラメータが、押出ノズルによる硬化性材料の堆積と同時に又は当該堆積にほぼ即時に追従して達成される請求項２８に記載のシステム。
31. 前記硬化パラメータは、少なくともスポットサイズ及び放射線フラックスを含む請求項３０に記載のシステム。
32. 前記有効な（すなわち堆積された硬化性材料を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベルの）硬化パラメータがセクター（ｓ）において達成されることにより、前記硬化性材料を堆積する前記押出ヘッドの並進速度の増加が可能になってプリンティングスループット時間が低減される請求項２８に記載のシステム。
33. 前記有効な（すなわち堆積された硬化性材料を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベルの）硬化パラメータがセクター（ｓ）において達成されることにより、前記押出ヘッドの並進速度の５００ｍｍ／秒までの増加が可能となる請求項２８に記載のシステム。
34. 前記有効な（すなわち堆積された硬化性材料を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベルの）硬化パラメータがセクター（ｓ）において達成されることにより、前記押出ヘッドの並進速度の４００ｍｍ／秒〜１０００ｍｍ／秒までの増加がサポートされる請求項２８に記載のシステム。
35. 前記有効な（すなわち堆積された硬化性材料を完全に硬化させるべく動作可能な放射線エネルギーの最大の均一レベルの）硬化パラメータがセクター（ｓ）において達成されることにより、前記押出ヘッドの並進速度の５００ｍｍ／秒〜８００ｍｍ／秒までの増加が可能となる請求項２８に記載のシステム。
36. 前記硬化放射線源は、前記硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において前記押出ヘッドと同時に並進することにより、押出ヘッド押出ノズルが並進する正確な行程に追従する請求項２６に記載のシステム。
37. 前記放射線源の並進が前記押出ヘッド及びノズルの並進と同時になることにより、前記硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において前記押出ヘッド押出ノズルが並進する正確な行程に追従するセクター（ｓ）の同時並進と、その堆積にほぼ即座に追従しての、又はその堆積と同時の、前記堆積された硬化性材料の連続的な硬化とがもたらされる請求項２８に記載のシステム。
38. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    リング状幾何形状を有する少なくとも一つの硬化放射線源と
    を含み、
    前記少なくとも一つの硬化放射線源は前記押出ヘッドに可動に取り付けられて前記押出ヘッド押出ノズルのまわりに同心円状に位置決めされ、
    前記硬化放射線源は、硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
39. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    前記押出ヘッドに取り付けられて前記押出ヘッド押出ノズルのまわりに同心円状に位置決めされた少なくとも２つの半円状硬化放射線源と
    を含み、
    前記硬化放射線源は、硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
40. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    それぞれが線形ＬＥＤアレイを含む少なくとも２つの硬化放射線源と
    を含み、
    前記少なくとも２つの硬化放射線源は、少なくとも２つの側から前記押出ヘッドに横付けされるように前記押出ヘッドに可動に取り付けられることにより、各ＬＥＤアレイの中心軸が、隣接する前記ＬＥＤアレイの中心軸に直交し、
    前記硬化放射線源は、硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において、前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
41. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    それぞれが線形ＬＥＤアレイを含む少なくとも６つの硬化放射線源と
    を有し、
    前記少なくとも６つの硬化放射線源は、少なくとも６つの側から前記押出ヘッドに横付けされるように前記押出ヘッドに可動に取り付けられ、
    前記硬化放射線源は、３Ｄ空間において、前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
42. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    リング状幾何形状を有して段階的に配列された少なくとも２つの段状硬化放射線源と
    を含み、
    前記少なくとも２つの段状硬化放射線源は、前記押出ヘッドに取り付けられ、前記押出ヘッド及び押出ノズルのまわりに同心円状に位置決めされ、
    前記硬化放射線源は、硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において、前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
43. ３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムであって、
    押出ノズルを有する少なくとも一つの押出ヘッドと、
    線形ＬＥＤアレイを含む少なくとも２つの段状硬化放射線源と
    を含み、
    前記少なくとも２つの段状硬化放射線源は、少なくとも２つの対向側から横付けされた前記押出ヘッドに可動に取り付けられ、
    前記ＬＥＤアレイの対応中心軸は互いに平行であり、
    前記硬化放射線源は、硬化性材料堆積プロセス中に３Ｄ空間において前記押出ヘッドと同時に並進し、前記押出ヘッドの並進の正確な行程に追従するシステム。
44. 前記押出ヘッドは、３Ｄ空間においてＸ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システムにより動かされ、同じ属性を、前記３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムの硬化放射線源に反映させることにより、前記硬化放射線源もまた３Ｄ空間において同時に前記Ｘ−Ｙ−Ｚ方向ベクトル運動システムにより動かされる請求項２６及び３８〜４３のいずれか一項に記載のシステム。
45. 前記３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムの硬化放射線源は、前記押出ヘッド及び前記押出ノズルのベクトル方向運動に追従するベクトル方向運動で動く請求項２６及び３８〜４３のいずれか一項に記載のシステム。
46. 硬化放射線がすでに衝突しているエリアに硬化性材料が堆積されるように硬化放射線を連続的な態様で適用することができる請求項２６及び３８〜４３のいずれか一項に記載のシステム。
47. 前記３Ｄ物体のプリンティングのための硬化システムはまた、堆積された硬化性材料の、前記硬化性材料の堆積と同時の又は当該堆積に即座に追従する硬化をサポートする請求項２６及び３８〜４３のいずれかに記載のシステム。
    

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