JP2022527768A - 精密光路を備えた大面積三次元プリンタ - Google Patents

Abstract

三次元プリントシステム（２）は、支持プレート（６）および樹脂容器（１６）を含む。支持プレート（６）は、中央開口部（８）および上面（１４）を画定する。樹脂容器（１６）は、支持プレート（６）の上面（１４）の上に配置され、下部構造（１８）および透明シート（２０）を含む。下部構造（１８）は、垂直壁（４６）、および、垂直壁（４６）から内向きかつ下向きに伸長するテンションリング（４８）を含む。テンションリング（４８）は、透明シート（２０）の上面に下向きに衝突し、透明シート（２０）に張力を与える。

Description

関連出願の相互参照

この非仮特許出願は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下でここに参照することによって援用される、２０１９年３月２７日出願のＤａｖｉｄ Ｓａｂｏによる「Ｌａｒｇｅ Ａｒｅａ Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｐｒｉｎｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｈ」と題された米国仮特許出願第６２／８２４，７２９号に対する優先権を主張する。

本開示は、放射線硬化（光硬化）樹脂から製造対象の固体三次元（３Ｄ）物品を作製する装置および方法に関する。より詳細には、本開示は、大面積ステレオリソグラフィ－ベースプリンタのための光路を改良する。

三次元（３Ｄ）プリンタは、使用が急速に増加している。３Ｄプリンタの１つの種類には、放射線硬化（光硬化）液体樹脂の選択的硬化および固化を含むオペレーションの原則を有するステレオリソグラフィプリンタが含まれる。典型的なステレオリソグラフィシステムには、光硬化樹脂を保持する樹脂容器、支持トレイに連結される移動機構、および制御可能な光エンジンが含まれる。ステレオリソグラフィシステムは、支持トレイの表面上に光硬化樹脂の層を選択的に硬化することにより製造対象の三次元（３Ｄ）物品を形成する。それぞれの選択的に硬化された層は、樹脂内の「構築平面」に形成される。

このタイプのシステムの１つの改良型は、支持トレイの下面と柔軟な透明シートとの間に構築平面を画定する。このようなシステムにおける１つの課題は、横方向の面積が大きい物品の形成を可能にすることである。

本開示の第１の態様では、三次元プリントシステムは、支持プレートおよび樹脂容器を含む。支持プレートは、中央開口部および上面を画定する。樹脂容器は、支持プレートの上面の上に配置され、下部構造および透明シートを含む。下部構造は、垂直壁、および、垂直壁から内向きかつ下向きに伸長するテンションリングを含む。テンションリングは、透明シートの上面に下向きに衝突し、透明シートに張力を与える。

一実装形態では、テンションリングは、垂直壁から内向きに伸長する概ね水平な外側部分を含む。フレームが、テンションリングの概ね水平な外側部分の下で、垂直壁に近接して取り付けられる。フレームは、透明シートの外周部をクランプする。テンションリングは、垂直軸に対して斜めの角度を画定する傾斜した内側部分を含む。傾斜した内側部分は、テンションリングの外側部分から内側エッジまで内向きかつ下向きに伸長する。テンションリングの内側エッジは、透明シートの内側境界に衝突し、透明シートに張力を与える。

別の実装形態では、垂直壁の内向きの表面、テンションリングの上面、および透明シートが、光硬化樹脂のための収容部を提供する。

さらに別の実装形態では、垂直壁は、テンションリングの上方に延びる上部およびテンションリングの下方に延びる下部を含む。上部は、光硬化樹脂を横方向に収容するための上部内面を画定する。下部は、支持プレートの上面に対して静止する下端周囲部を有する。

本開示の第２の態様では、三次元プリントシステムは、支持プレート、樹脂容器、制御可能な圧力源、支持トレイに連結された移動機構、光エンジン、およびコントローラを含む。支持プレートは、透明プレートで閉じられた中央開口部を画定する。樹脂容器は、支持プレートの上に配置され、張力を与えられた透明シートおよび下部構造を含む。透明シートは、透明プレートの上で支持され、それらの間にギャップを画定する。下部構造は、透明シートの上に横方向の樹脂収容部を提供し、支持プレートに密封をして、透明プレートと透明シートとの間に密閉空間を提供する。制御可能な圧力源は、密閉空間に流体連結されている。支持トレイは、透明シートの上の三次元物品を支持する下面を画定している。光エンジンは、透明シートを介して上方に、透明シートの上の構築平面に放射線を照射する。コントローラは、少なくとも、移動機構、光エンジン、および制御可能な圧力源に連結されている。

一実装形態では、コントローラは、三次元物品の製造中に、制御可能な圧力源を動作して透明シートと透明プレートとの間のギャップを調節するように構成される。ギャップを調節する工程は、透明シートを透明プレート上に押し付ける工程を含むことができる。コントローラは、透明シートが透明プレートに押し付けられている間に光エンジンを動作するように構成される。

別の実装形態では、コントローラは、制御可能な圧力源を動作して透明シートを負圧にしながら、光エンジンを動作して構築平面で樹脂を選択的に硬化するように構成される。コントローラは、光エンジンを動作させた後に、制御可能な圧力源を動作して透明シートを正圧にするように構成される。

本発明の第３の態様では、三次元物品の製造方法は、透明プレートの上で透明シートにそれらの間に密閉されたギャップを設けて張力を与える工程、移動機構を動作して、三次元物品の下面を透明シートの上の構築平面に位置するように支持トレイを配置する工程、圧力源を動作して、密閉されたギャップに負のゲージ圧を印加する工程、および、光エンジンを動作して、負のゲージ圧を印加するのと同時に、構築平面においてかつ下面上に光硬化樹脂を選択的に硬化する工程を含む。

一実装形態では、圧力印加によって、構築平面を下面に位置合わせするようにギャップが調節される。圧力印加によって、透明シートを透明プレートに押し付けることができる。

別の実装形態では、圧力源を動作して、透明シートに正のゲージ圧を印加する。正のゲージ圧を印加することによって、透明シートを透明プレートから持ち上げることができる。移動機構を動作して、正のゲージ圧の印加と同時に、下面を新しい構築平面の位置に上昇させることができる。

三次元プリントシステムの一実施形態を示す概略図 樹脂容器の一実施形態の上方からの等角断面図 支持プレートの一実施形態の上方からの等角断面図 支持プレートに組み付けられた樹脂容器の一実施形態の詳細な等角断面図 図１～４に示されたシステムを用いて三次元物品を作製する方法の一実施形態を示すフローチャート 図５の工程７６に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 三次元物品の形成を開始する前の、図５の工程７８に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 図５の工程８０に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 図５の工程８４に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 図５の工程８６に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 三次元物品が部分的に形成されている、図５の工程７８に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 図５の工程８０の繰返しに対応する三次元プリントシステムの部分の概略図 図５の工程８４に対応する三次元プリントシステムの部分の概略図

図１は、三次元物品４を製造するための三次元プリントシステム２の一実施形態の概略図である。システム２の説明において、軸Ｘ、Ｙ、およびＺが使用される。軸ＸおよびＹは概して水平であり、軸Ｚは、概して垂直であり、重力参照（gravitational reference）に対して概して位置合わせされる。本明細書に開示されるように、「概して」なる用語は、製造または配置の許容範囲内である寸法、角度、または他のパラメータを有することを称する。

支持プレート６は、透明プレート１０によって閉じられた中央開口部８を画定している。 透明プレート１０は、ガラスまたは石英などの任意の硬質かつ光学的に透明な材料から形成することができる。あるいは、透明プレートは、アクリルなどの有機またはポリマー材料から形成することができる。アクリルは、ある程度の柔軟性を有することができる。Ｏリング１２は、透明プレート１０の周縁部と支持プレート６の上面１４との間に配置されている。

樹脂容器１６は、支持プレート６により支持されている。樹脂容器１６は、下部構造１８、透明シート２０、およびフレーム２２を含む。フレーム２２は、透明シート２０の外周部２４を支持してクランプする。下部構造１８は、透明シート２０に張力与えると共に、透明シート２０と協働して光硬化樹脂２６を収容するように構成されている。

一実施形態では、透明シート２０は、抑制剤として酸素の透過を許容しつつ、光硬化樹脂に対する耐薬品性を有する柔軟なポリマーシートである。透明シートは、紫外線（ＵＶ）、紫色光、または青色光に対して概して透明である。ポリマーシートは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの１つまたは複数のポリマー、または当該技術で知られている他の材料を含むことができる。ポリマーシートは、ＴＥＦＬＯＮ ＡＦ １６００（登録商標）またはＴＥＦＬＯＮ ＡＦ ２４００（登録商標）などの非晶質熱可塑性フルオロポリマーフィルムを含むことができる。他の材料も可能である。

下部構造１８は、支持プレート６の上面１４によって支持されている。Ｏリング２８は、下部構造１８を上面１４に封止して、ガラスプレート１０、透明シート２０、および下部構造１８によって境界が定められた密閉空間３０を画定する。図示された実施形態では、制御可能なガス圧力源３２が、密閉空間３０に流体的に連結されている。

制御可能なガス圧力源３２の圧力は、負のゲージ圧と正のゲージ圧との間で制御可能に調節することができる。ゲージ圧は、絶対圧と周囲の大気圧との間の圧力差として画定される。負のゲージ圧は、真空または周囲の大気圧よりも低い正圧とすることができる。

支持トレイ３４は、三次元物品４を支持する下面３６を画定する。移動機構３８は、支持トレイ３４を垂直に配置するように構成されている。光エンジン４０は、三次元物品４上に光硬化樹脂２６を選択的に硬化させるための放射線を透過または照射するために、透明プレート１０の下に配置される。構造支持装置４２は、支持プレート６、移動機構３８、および光エンジン４０の間の支持および位置合わせを提供する。

コントローラ４４は、制御可能な圧力源３２、移動機構３８、および光エンジン４０を含むシステム２の様々なコンポーネントに制御可能に連結されている。コントローラ４４は、情報記憶装置に接続されたプロセッサを含む。情報記憶装置は、ソフトウェア命令を記憶する不揮発性または非一時的な部分を含む。プロセッサによって実行されると、ソフトウェア命令は、システム２の制御可能な部分を作動する。コントローラ４４は、単一の統合されたコントローラでもよい、または、システム２の図示された部分と同じ場所および／またはそこから離れた場所に配置されうる複数のデバイスを含んでもよい。

図２は、樹脂容器１６の一実施形態の上方からの等角切断図である。下部構造１８は、垂直壁４６およびテンションリング４８を含む。テンションリング４８は、垂直壁４６から内向きかつ下向きに内側エッジ５０まで延びている。内側エッジ５０は、透明シート２０の内側境界５２に沿って、透明シート２０に衝突する。内側境界５２に沿った内側ええジ５０の下方への衝突は、透明シート２０に張力を与える。

フレーム２２は、外周部２４に沿って、透明シート２０を支持している。内側境界５２は、外周部２４から横方向内側にオフセットされている。

垂直壁４６は、上部内側表面５４を含む。テンションリング４８は、垂直壁４６から横方向内向きに伸長し、上面５８を画定する概ね水平な外側部分５６を含む。テンションリング４８は、外側部分５６から内向きかつ下向きに伸長し、上面６２を画定する傾斜した内側部分６０を含む。傾斜した内側部分は、概して、垂直軸Ｚに対して斜めの角度を画定する。同時に、表面５４、５８、６２、および透明シート２０は、光硬化樹脂２６についての格納を提供する。

図３は、支持プレート６の一実施形態の上方からの等角断面図である。図２および図３の向きは、概して同じである。支持プレート６の中央開口部８は、内向きの壁６４によって画定される。樹脂容器１６の下部構造１８は、支持プレート６の上面１４にネジまたはボルトで留めることができる。

図４は、支持プレート６に組み付けられた樹脂容器１６の一実施形態の詳細な等角断面図である。垂直壁４６は、テンションリング４８の外側部分５６の上に延びる上側部分６６を有する。上側部分６６は、光硬化樹脂２６の横方向の格納を提供する内側表面５４を画定する。

垂直壁４６は、外側部分５６から下向きに伸長する下側部分６８を含む。下側部分６８は、Ｏリング２８に係合して密封する下端周縁部７０を画定する。この密封は、Ｏリング１２と透明プレート１０との間の密封とともに、密閉空間３０を画定する。支持プレート６の上面１４との下端部７０の係合は、透明プレート１０と透明シート２０との間の制御された垂直ギャップ７２を画定する。

図示の実施形態では、透明シート２０の外周部２４をクランプするフレーム２２が、テンションリング４８の水平方向の外側部分５６と垂直壁４６の下側部分６８との間に画定されるコーナーに取り付けられている。フレーム２２は、透明シート２０を挟む上側および下側フレーム部分を含む。

図５は、物品４を形成するためのシステム２の動作方法７４の一実施形態を表すフローチャートである。図５の工程は、図６Ａ～Ｈによってさらに示される。図６Ａ～Ｈは、方法７４の特定の工程中の、支持プレート６および樹脂容器１６のアセンブリの概略断面図である。方法７４の工程は、移動機構３８（構築トレイ３４を垂直に移動させるため）、光エンジン４０（構築平面３７を画定し、光硬化樹脂２６の層を硬化させるため）、および制御可能な圧力源３２（密閉空間３０内の圧力を調節するため）に作用するコントローラ４４によって実行される。

７６によれば、支持トレイ３４の下面３６は、構築平面３７に配置される。これは、図６Ａに示されている。７８によれば、負のゲージ圧または真空が密閉空間３０に印加され、これによって透明シート２０が透明プレート１０に対して引き付けられる。これは、図６Ｂに示されている。その後、樹脂２６が、支持トレイ３４と透明シート２０との間の空間を充填することに留意されたい。８０によれば、光エンジン４０が構築平面３７を選択的に照射して、支持トレイ３４の下面３６上に樹脂の層８１を硬化させる。これは、図６Ｃに示されている。

８２によれば、三次元物品４の製作が完了したかどうかの判定が行われる。完了していない場合、方法７４は工程８４に移行する。

８４によれば、密閉空間３０に正圧が印加される。これは、図６Ｄに示されている。図示されるように、透明シート２０は、透明プレート１０から離昇し始める。正圧が印加されている間に、物品４の下面５が構築平面３７まで上昇される。これは、図６Ｅに示されている－物品４は複数の層によって部分的に形成されている。工程７８～８６は、物品４が完全に形成されるまで繰り返される。次いで、工程８２によれば、プロセスは完了し、工程８８に移行する。

注釈として、図６Ｆは、三次元物品４が部分的に形成された後の工程７８の繰り返しを示している。図６Ｇは、三次元物品４が部分的に形成された後の工程８０の繰り返しを示している。図６Ｈは、三次元物品４が部分的に形成された後の工程８４の繰り返しを示している。図６Ｅはまた、三次元物品４が部分的に形成された後の工程８６の繰り返しを示している。

コントローラ４４は、制御可能な圧力源３２を作動して、工程７８および８４を実行する。コントローラ４４は、移動機構３８を作動して、工程７６および８６を実行する。コントローラ４４は、光エンジン４０を作動して、工程８０を実行する。

いくつかの実施形態では、透明シート２０は、酸素に対して透過性を有する。酸素は、光硬化樹脂２６を重合する際の抑制剤である。シート２０を介して拡散する酸素によって、構築平面３７が、透明シート２０の上にありかつ透明シート２０からわずかに離間していることが確保される。透明シート２０と構築平面３７との間には、未重合樹脂２６の薄いゾーンがある。いくつかの実装形態では、密閉空間３０に導入されたガスは、密閉空間３０内の酸素の制御された分圧を提供することができる。これにより、未重合ゾーンの厚さを制御することができる。

抑制剤を使用しないいくつかの実施形態では、構築平面３７は、透明シート２０の上面にある。樹脂の層８１が下面３６上で硬化した後、硬化した樹脂は、透明シート２０に付着する傾向がある。その後、工程８４、８６、および次いで７８の実行により、透明シート２０を樹脂の層８１から剥離することができる。

上記で説明した具体的な実施形態およびそのアプリケーションは、専ら説明目的のためのものであり、特許請求の範囲により包含される変更形態およびバリエーションを、除外するものではない。

２ 三次元プリントシステム
６ 支持プレート
８ 中央開口部
１０ 透明プレート
１４ 上面
１６ 樹脂容器
１８ 下部構造
２０ 透明シート
４６ 垂直壁
４８ テンションリング

Claims (20)

1. 三次元物品を製造するための三次元プリントシステムであって、
   中央開口部および上面を備える支持プレート；および
   前記支持プレートの上面の上に配置される樹脂容器であって、
   垂直壁、および、該垂直壁から内向きかつ下向きに伸長するテンションリングを有する下部構造；および
   外周部に沿って支持される透明シート
   を含む、樹脂容器
   を備え、
   前記テンションリングが、前記透明シートの上面に下向きに衝突し、前記透明シートに張力を与えることを特徴とする
   三次元プリントシステム。
2. 前記支持プレートの前記中央開口部を閉じる透明プレートをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の三次元プリントシステム。
3. 前記三次元物品を支持するための下面を有する支持トレイ；
   前記支持トレイに連結された移動機構；
   前記透明シートを介して上方に、前記透明シートの上の構築平面に放射線を照射するための光エンジン；および
   前記移動機構および前記光エンジンを制御するためのコントローラ
   をさらに含む、請求項２に記載の三次元プリントシステム。
4. 前記テンションリングが、前記垂直壁から内向きに伸長する概ね水平な外側部分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の三次元プリントシステム。
5. 前記テンションリングの概ね水平な外側部分の下で、前記垂直壁に近接して取り付けられるフレームをさらに含み、該フレームが前記透明シートの外周部をクランプすることを特徴とする、請求項４に記載の三次元プリントシステム。
6. 前記テンションリングが、垂直軸に対して斜めの角度を画定し、かつ、前記概ね水平な外側部分から内側エッジまで伸長する、傾斜した内側部分を含み、前記内側エッジが、前記透明シートの内側境界に衝突して前記透明シートに張力を与えることを特徴とする、請求項５に記載の三次元プリントシステム。
7. 前記垂直壁の内向きの表面、前記テンションリングの上面、および前記透明シートが、光硬化樹脂のための収容部を提供することを特徴とする、請求項１に記載の三次元プリントシステム。
8. 前記垂直壁が、前記テンションリングの上方に伸びる上部および前記テンションリングの下方に伸びる下部を含み、前記上部が、光硬化樹脂を横方向に収容するための上部内面を画定し、前記下部が、前記支持プレートの上面に対して静止する下端周囲部を有することを特徴とする、請求項１に記載の三次元プリントシステム。
9. 三次元物品を製造するための三次元プリントシステムであって、
   透明プレートで閉じられた中央開口部を備える支持プレート；
   前記支持プレートの上に配置される樹脂容器であって、
   前記透明プレートの上で支持されてそれらの間にギャップを画定する、張力を与えられた透明シート；および
   前記透明シートの上に横方向の樹脂収容部を提供し、前記支持プレートを密封して前記透明プレートと前記透明シートとの間に密閉空間を提供する、下部構造；
   を含む、樹脂容器；
   前記密閉空間に流体連結されている制御可能な圧力源；
   前記透明シートの上の前記三次元物品を支持するための下面を有する支持トレイ；
   前記支持トレイに連結された移動機構；
   前記透明シートを介して上方に、前記透明シートの上の構築平面に放射線を照射するための光エンジン；および
   前記移動機構、前記光エンジン、および前記制御可能な圧力源に少なくとも連結されたコントローラ
   を備えることを特徴とする、
   三次元プリントシステム。
10. 前記コントローラが、前記三次元物品の作製中に、前記制御可能な圧力源を動作して、前記透明シートと前記透明プレートとの間のギャップを調節するように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の三次元プリントシステム。
11. 前記ギャップの調節が、前記透明シートを前記透明プレート上に押し付けることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の三次元プリントシステム。
12. 前記コントローラが、前記透明シートが前記透明プレートに押し付けられている間に前記光エンジンを動作するように構成されることを特徴とする、請求項１１に記載の三次元プリントシステム。
13. 前記コントローラが、前記制御可能な圧力源を動作して前記透明シートを負圧にしながら、前記光エンジンを動作して前記構築平面で樹脂を選択的に硬化するように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の三次元プリントシステム。
14. 前記コントローラが、前記光エンジンを動作させた後に、前記制御可能な圧力源を動作して前記透明シートを正圧にするように構成されることを特徴とする、請求項１３に記載の三次元プリントシステム。
15. 三次元物品の製造方法であって、
    透明プレートの上で透明シートにそれらの間に密閉されたギャップを設けて張力を与える工程；
    移動機構を動作して、前記三次元物品の下面を前記透明シートの上の構築平面に位置するように支持トレイを配置する工程；
    圧力源を動作して、前記密閉されたギャップに負のゲージ圧を印加する工程；および
    光エンジンを動作して、前記負のゲージ圧を印加するのと同時に、前記構築平面においてかつ前記下面上に光硬化樹脂を選択的に硬化する工程
    を含むことを特徴とする、方法。
16. 前記圧力印加によって、前記構築平面を前記下面に位置合わせするように前記ギャップが調節されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記圧力印加によって、前記透明シートが前記透明プレートに押し付けられることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記圧力源を動作して、前記透明シートに正のゲージ圧を印加する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
19. 前記正のゲージ圧を印加することによって、前記透明シートが前記透明プレートから持ち上げられることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 前記移動機構を動作して、前記正のゲージ圧の印加と同時に、前記下面を新しい構築平面の位置に上昇させる工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
    

Images