JP5687703B2 - 押し出し式デジタル製造システムにて使用する局所的表面パターンを有する消耗材料 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔背景〕
本開示は、３次元（３Ｄ）モデルを構築するための直接デジタル製造システムに関する。特に、本発明は、押し出し式デジタル製造システムにて使用するモデリングおよび支持材料などの消耗材料に関する。

押し出し式デジタル製造システム（例えば、ミネソタ州イーデンプレイリー（Ｅｄｅｎ Ｐｒａｉｒｉｅ）のストラタシス社（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．）が開発した溶融堆積モデリングシステム）は、流動性消耗モデリング材料を押し出すことにより、３Ｄモデルのデジタル表示から３Ｄモデルを層状に構築するために使用される。モデリング材料は、押し出しヘッドによって担持された押し出し先端を介して押し出され、基材上のｘ−ｙ面に一連の道筋として堆積される。押し出されたモデリング材料は、先に堆積したモデリング材料に融合し、温度が下がると固化する。次に、基材に対する押し出しヘッドの位置は（ｘ−ｙ面に垂直の）ｚ軸に沿って増加し、その後プロセスが繰り返され、デジタル表示に似せた３Ｄモデルが形成される。

基材に対する押し出しヘッドの移動は、３Ｄモデルを表す構築データに従ってコンピュータ制御のもとで行われる。構築データは、最初に３Ｄモデルのデジタル表示を複数の水平にスライスされた層に分けることにより獲得される。次に、スライス層ごとに、ホストコンピュータは、３Ｄモデルを形成するためにモデリング材料の道筋を堆積するための構築パスを生成する。

モデリング材料の各層を堆積することにより３Ｄモデルを作製する際、支持層または支持構造体は典型的には、建設中の対象物の張出し部分の下または空洞内に構築され、モデリング材料自体によって支持されない。支持構造体は、モデリング材料を堆積する技術と同一の堆積技術を利用して構築されてもよい。ホストコンピュータは、形成中の３Ｄモデルの張出しまたは自由空間部分の支持構造体として作用するさらなる幾何学的形状を生成する。次に、構築プロセス中に、消耗支持材料は生成された幾何学的形状に従い、第２ノズルから堆積される。支持材料は、作製中はモデリング材料に付着し、構築プロセスの完了時に完成した３Ｄモデルから取り外すことができる。

〔概要〕
本開示の１つの態様は、押し出し式デジタル製造システムにて使用する消耗材料に関する。消耗材料は、長さと、前記長さの少なくとも一部に沿った表面パターンとを含む。前記表面パターンは、押し出し式デジタル製造システムの駆動メカニズムと係合するように構成される。この局所的（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ）表面パターン（立体的表面パターン）は、前記消耗材料の外面の少なくとも一部において、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２より大きいフラクタル次元数を提供する。

本開示の別の態様は、押し出し式デジタル製造システムにて使用する消耗材料に関する。前記消耗材料は、非晶性を有する少なくとも１つの材料を含む組成物と、幾何学的形状を含む。前記消耗材料の前記幾何学的形状は、長さと、前記長さに沿って延びる外面と、前記長さの少なくとも一部に沿って外面に形成された複数のトラックとを含む。前記複数のトラックは、外面に、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２よりも大きいフラクタル次元数を提供する。

本開示の別の態様は、押し出し式デジタル製造システムにて使用する消耗材料の形成方法に関する。本方法は、長さと、前記長さに沿って延びる外面とを含む押し出し消耗材料前駆物質を提供する工程を含む。押し出された生成物は、非晶質材料から形成される。本方法は、長さの少なくとも一部に沿った外面に局所的表面パターンを形成する工程をさらに含む。前記局所的表面パターンの少なくとも一部は、押し出し式デジタル製造の駆動メカニズムと係合するように構成される。また、局所的表面パターンは、外面に、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２よりも大きいフラクタル次元数を提供する。

局所的表面パターンを有する消耗材料から３Ｄモデルおよび支持構造体を構築するための押し出し式デジタル製造システムの前面図である。 矩形トラックを含む局所的表面パターンを有する円筒形フィラメントの一部の斜視図である。 円筒形フィラメントの一部の側面図である。 図３中の４−４部分の断面図である。 駆動輪と遊動輪を有するフィラメント駆動メカニズムを含む押し出しヘッド・サブアセンブリとともに使用される円筒形フィラメントの概略図である。 ポート付き液化装置と駆動輪を有するフィラメント駆動メカニズムとを含む第１代替押し出しヘッド・サブアセンブリとともに使用される円筒形フィラメントの概略図である。 ポート付き液化装置とねじ付き回転軸を有するフィラメント駆動メカニズムとを含む第２代替押し出しヘッド・サブアセンブリとともに使用される円筒形フィラメントの概略図である。 ２つの組の矩形トラックを含む局所的表面パターンを有する第１代替円筒形フィラメントの一部の側面図である。 互い違いに配置された２つの組の矩形トラックを含む局所的表面パターンを有する第２代替円筒形フィラメントの一部の側面図である。 放物線状トラックを含む局所的表面パターンを有する第３代替円筒形フィラメントの斜視図である。 ウォーム（ｗｏｒｍ）型トラックを含む局所的表面パターンを有する第４代替円筒形フィラメントの斜視図である。 波形トラックを含む局所的表面パターンを有する第５代替円筒形フィラメントの斜視図である。 矩形トラックを含む局所的表面パターンを有するリボンフィラメントの斜視図である。 模様付きトラックを含む局所的表面パターンを有する第１代替リボンフィラメントの斜視図である。 ファイル刻印型（ｉｍｐｒｅｓｓｅｄ ｆｉｌｅ−ｔｙｐｅ）トラックを含む局所的表面パターンを有する第２代替リボンフィラメントの斜視図である。 ヘリンボーン型トラックを含む局所的表面パターンを有する第３代替リボンフィラメントの斜視図である。 スプロケットトラックを含む局所的表面パターンを有する第４代替リボンフィラメントの斜視図である。 端部に面した矩形トラックを含む局所的表面パターンを有する第５代替リボンフィラメントの斜視図である。 端部に面したスプロケットトラックを含む局所的表面パターンを有する第６代替リボンフィラメントの斜視図である。 局所的表面パターンを有するリボンフィラメントの形成方法のフローチャートである。 局所的表面パターンを有するリボンフィラメントを形成するために使用される押し出しシートの斜視図である。 局所的表面パターンを有する押し出しシートを形成するためのシート押し出しシステムの概略図である。 押し出しシートからリボンフィラメントを形成するためのフィラメント生産システムの概略図である。

（詳細な説明）
本開示は、押し出し式デジタル製造システムにて使用するモデリング材料および支持材料のフィラメントなどの消耗材料に関する。消耗材料は、フィラメント駆動メカニズムが消耗材料の連続した各部分を係合させて液化装置内におよび／または液化装置を通過するように駆動することを可能にする局所的表面パターンを有する。以下に説明するように、局所的表面パターンを有する消耗材料は、高いプロセス信頼性および成形品品質で３Ｄモデルおよび支持構造体を構築するのに好適である。

図１は、構築チャンバ１２と、圧盤１４と、ガントリー１６と、押し出しヘッド１８と、供給源２０および２２とを含む押し出し式デジタル製造システムであるシステム１０の前面図である。以下に説明するように、押し出しヘッド１８は、構築作業中、モデリング材料フィラメントおよび支持材料フィラメント（図１中に図示せず）の連続した各部分を受容して融解するように構成される。モデリング材料フィラメントおよび／または支持材料フィラメントは、局所的表面パターンを有する。システム１０の好適な押し出し式デジタル製造システムとしては、ミネソタ州イーデンプレイリーのストラタシス社が開発した溶融堆積モデリングシステムが挙げられる。

構築チャンバ１２は、３Ｄモデル（３Ｄモデル２４と称される）および対応する支持構造体（支持構造体２６と称される）を構築するために、圧盤１４と、ガントリー１６と、押し出しヘッド１８とを収容する周囲を囲まれた環境である。圧盤１４は、その上で３Ｄモデル２４および支持構造体２６が構築されるプラットフォームであり、コンピュータによる制御部（制御部２８と称される）から提供される信号に基づいて垂直のｚ軸に沿って移動する。ガントリー１６は、制御部２８から提供される信号に基づいて構築チャンバ１２内の水平のｘ−ｙ面で押し出しヘッド１８を移動させるように構成されたガイドレールシステムである。水平のｘ−ｙ面は、ｘ−軸およびｙ−軸（図１中では図示せず）によって画定される面であり、ｘ−軸、ｙ−軸、およびｚ軸は相互に直交する。代替の実施形態において、圧盤１４は、構築チャンバ１２内の水平のｘ−ｙ面で移動するように構成されてもよく、且つ押し出しヘッド１８は、ｚ軸に沿って移動するように構成されてもよい。また、その他の類似した配置を使用して圧盤１４と押し出しヘッド１８の一方または両方が相互に対して移動可能であるようにしてもよい。

押し出しヘッド１８は、ガントリー１６によって支持され、制御部２８から提供される信号に基づいて圧盤１４上に３Ｄモデル２４および支持構造体２６を層状に構築する。押し出しヘッド１８は、対のフィラメント駆動メカニズムと液化装置（図１中に図示せず）を含む。第１駆動メカニズムは、モデリング材料フィラメントの連続した各部分を第１液化装置内に駆動してモデリング材料を融解して押し出すように構成される。同様に、第２駆動メカニズムは、支持材料フィラメントの連続した各部分を第２液化装置内に駆動して支持材料を融解して押し出すように構成される。

モデリング材料フィラメントは、供給源２０から経路３０を介して押し出しヘッド１８に提供されてもよい。同様に、支持材料フィラメントは、供給源２２から経路３２を介して押し出しヘッド１８に提供されてもよい。システム１０は、フィラメントを供給源２０および２２から押し出しヘッド１８に供給するのを補助するように構成されたさらなる駆動メカニズム（図示せず）をさらに含んでもよい。供給源２０および２２は、フィラメントの供給源（例えば、スプール容器）であり、望ましくは構築チャンバ１２から離れた箇所で保持される。供給源２０および２２の好適なアセンブリとしては、Ｓｗａｎｓｏｎらの米国特許第６，９２３，６３４号、Ｃｏｍｂらの米国特許第７，１２２，２４６号、並びにＴａａｔｊｅｓらの米国特許出願公開第２０１０／００９６４８５号および第２０１０／００９６４８９号に開示されたようなものが挙げられる。

構築作業中、ガントリー１６は、構築チャンバ１２内の水平のｘ−ｙ面で押し出しヘッド１８をあちこち移動させ、フィラメントは押し出しヘッド１８のフィラメント駆動メカニズムに供給される。以下に説明するように、第１駆動メカニズムは、望ましくは、モデリング材料フィラメントとその局所的表面パターンにて係合し、望ましくはモデリング材料フィラメントと第１駆動メカニズムとの間に摺動摩擦を創出することなく、モデリング材料フィラメントに軸方向圧力を加える。軸方向圧力は、モデリング材料フィラメントの連続した各部分を第１液化装置内に駆動し、その連続した各部分を熱融解する。モデリング材料フィラメントの上流の未融解部分は、融解したモデリング材料を第１液化装置から押し出して３Ｄモデル２４を構築するために、粘性ポンプ作用のピストンとして機能してもよい。

同様に、第２駆動メカニズムは、支持材料フィラメントとその局所的表面パターンにて係合し、同様に望ましくは支持材料フィラメントと第２駆動メカニズムとの間に摺動摩擦を創出することなく、支持材料フィラメントに軸方向圧力を加える。軸方向圧力は、支持材料フィラメントの連続した各部分を第２液化装置内に駆動し、その連続した各部分を熱融解する。支持材料フィラメントの上流の未融解部分は、融解した支持材料を第１液化装置から押し出して支持構造体２６を構築するために、粘性ポンプ作用のピストンとして機能してもよい。

押し出されたモデリングおよび支持材料は、圧盤１４上に堆積され、層ベースの追加の技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用して３Ｄモデル２４および支持構造体２６を構築する。支持構造体２６は、望ましくは、層状の３Ｄモデル２４の張出し領域のためのｚ軸に沿った垂直の支持体を提供するために堆積される。構築作業が完了した後、得られた３Ｄモデル２４／支持構造体２６は、構築チャンバ１２から取り出してもよく、支持構造体２６は３Ｄモデル２４から取り外されてもよい。

図２および３は、システム１０でモデリング材料フィラメントおよび／または支持材料フィラメントとして使用するための本開示の好適な消耗材料の一例であるフィラメント３４を示す。図２で示されているように、フィラメント３４は、長さ３６を有する円筒形フィラメントである。代替の実施形態において、以下に説明するように、モデリング材料フィラメントおよび／または支持材料フィラメントは、実質的に非円形の断面プロファイルを有する非円筒形フィラメント（例えば、矩形の断面プロファイルを有するリボンフィラメント）であってもよい。

長さ３６は、供給源２０または２２（図１中に図示）に残存するフィラメント３４の量に応じて変化し得る連続的な長さである。フィラメント３４は、望ましくは、長さ３６に沿って可撓性を有する。これにより、フィラメント３４は、塑性的に変形または破砕することなく、供給源２０および２２に保持され（例えば、スプールに巻きつけられ）、システム１０を介して（例えば、通路３０および３２を介して）供給され得る。例えば、一実施形態において、フィラメント３４は、望ましくは、ｔ／ｒを超える弾性歪みに耐えることができる。式中、「ｔ」は、リボンフィラメント３４の湾曲面の断面厚さであり、「ｒ」は、曲げ半径（例えば、供給源２０または２２での曲げ半径、および／または、経路３０または３２中での曲げ半径）である。

さらに図示されているように、フィラメント３４は、長さ３６に沿って延びる外面３８と、長さ３６の少なくとも一部に沿って外面３８に形成される局所的表面パターンである表面パターン４０をさらに含む。表面パターン４０は、望ましくは、長さ３６全体に沿って延び、それによって実質的にフィラメント３４の長さ３６全体をシステム１０内で消耗することができる。図示の実施形態において、表面パターン４０は、外面３８に形成された略矩形の刻み目であるトラック４２を含む。各トラック４２は、上向き面４４ａと下向き面４４ｂを含む。以下に説明するように、代替の実施形態において、表面パターン４０は、システム１０のフィラメント駆動メカニズムと係合するための様々な異なるトラック構造（例えば、図８〜１９中に図示）を含んでもよい。

トラック４２は、押し出しヘッド１８の第１または第２駆動メカニズム（図１中に図示）と係合し、それによって任意のフィラメント駆動メカニズムは軸方向面４４ａに対して下向きの軸方向圧力を生成するように構成される。フィラメント（例えばフィラメント３４）に加えられる軸方向圧力とは、実質的にフィラメントの長手方向軸（軸線４６と称される）に沿って向けられる圧力を意味する。従って、軸方向圧力は、フィラメント駆動メカニズムとフィラメント３４との間に摺動摩擦を創出することなく、矢印４７で示されているように、フィラメント３４の連続した各部分を下方向に駆動する。

リボンフィラメント３４は、３Ｄモデル２４および支持構造体２６（図１中に図示）をそれぞれ構築するために様々な押し出し可能なモデリングおよび支持材料から製造されてもよい。リボンフィラメント３４の好適なモデリング材料には、高分子材料および金属材料が含まれる。いくつかの実施形態において、好適なモデリング材料には、熱可塑性材料、非晶質金属材料、およびこれらの組み合わせなど、非晶性を有する材料が含まれる。リボンフィラメント３４の好適な熱可塑性材料の例としては、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）コポリマー、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミド、非晶質ポリアミド、これらの修飾された変形（例えば、ＡＢＳ−Ｍ３０コポリマー）、ポリスチレン、およびこれらの混合物が挙げられる。好適な非晶質金属材料の例としては、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒの米国特許出願公開第２００９／０２６３５８２号に開示されているようなものが挙げられる。

フィラメント３４の好適な支持材料には、非晶性を有する材料（例えば、熱可塑性材料）が含まれ、この非晶性を有する材料は、望ましくは、３Ｄモデル２４および支持構造体２６が構築された後、対応するモデリング材料から取り外し可能である。フィラメント３４の好適な支持材料の例としては、ミネソタ州イーデンプレイリーに所在するストラタシス社から「ＷＡＴＥＲＷＯＲＫＳ」および「ＳＯＬＵＢＬＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ」の商標名にて市販されている水溶性の支持材料、ミネソタ州イーデンプレイリーに所在するストラタシス社から「ＢＡＳＳ」の商標名にて市販されている破断支持材料、並びにＣｒｕｍｐらの米国特許第５，５０３，７８５号、Ｌｏｍｂａｒｄｉらの米国特許第６，０７０，１０７号と第６，２２８，９２３号、Ｐｒｉｅｄｅｍａｎらの米国特許第６，７９０，４０３号、およびＨｏｐｋｉｎｓらの米国特許出願公開第２０１０／００９６０７２号に開示されているようなものが挙げられる。

リボンフィラメント３４の組成物としては、さらに、可塑剤、レオロジー変性剤、不活性充填剤、着色剤、安定剤、およびこれらの組み合わせなどのさらなる添加剤が挙げられる。支持材料にて使用する好適なさらなる可塑剤の例としては、フタル酸ジアルキル、フタル酸シクロアルキル、フタル酸ベンジルおよびフタル酸アリール、フタル酸アルコキシ、リン酸アルキル／アリール、ポリグリコールエステル、アジピン酸エステル、クエン酸エステル、グリセリンのエステル、およびこれらの組み合わせが挙げられる。好適な不活性充填剤の例としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ガラス球体、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、ウォラストナイト、雲母、アルミナ、シリカ、カオリン、炭化ケイ素（シリコンカーバイド）、複合材料（例えば、球状およびフィラメント状の複合材料）、およびこれらの組み合わせが挙げられる。組成物がさらなる添加剤を含む実施形態において、組成物中のさらなる添加剤の好適な混合濃度の例は、組成物の総重量を基準にして、約１重量％〜約１０重量％であり、特に好適な濃度は約１重量％〜約５重量％である。

また、リボンフィラメント３４は、望ましくは、システム１０内で消耗可能な材料としてのリボンフィラメント３４の使用を可能にする物理的性質を示す。一実施形態において、リボンフィラメント３４の組成物は、その長さに沿って実質的に均質である。加えて、リボンフィラメント３４の組成物は、望ましくは、構築チャンバ１２での使用に好適なガラス転移温度を示す。リボンフィラメント３４の組成物の好適な大気圧でのガラス転移温度の例としては、約８０℃以上の温度が挙げられる。いくつかの実施形態において、好適なガラス転移温度としては、例えば約１００℃以上という温度範囲が挙げられる。さらなる実施形態において、好適なガラス転移温度としては、例えば約１２０℃以上という温度範囲が挙げられる。

また、リボンフィラメント３４は、望ましくは、その軸方向圧縮によりリボンフィラメント３４が液化装置内で動かなくなってしまわないように、低圧縮性を示す。リボンフィラメント３４の高分子組成物の好適なヤング率値の例としては、約０．２ギガパスカル（ＧＰａ）（約３０，０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））以上が挙げられる。ヤング率値は、ＡＳＴＭ Ｄ６３８−０８に準じて測定される。いくつかの実施形態において、好適なヤング率は、約１．０ＧＰａ（約１４５，０００ｐｓｉ）〜約５．０ＧＰａ（約７２５，０００ｐｓｉ）である。さらなる実施形態において、好適なヤング率値は、約１．５ＧＰａ（約２００，０００ｐｓｉ）〜約３．０ＧＰａ（約４４０，０００ｐｓｉ）である。

本開示の消耗材料（例えば、リボンフィラメント３４）の好適な局所的表面パターンは、共通して、フィラメントの外面（例えば、外面３８）の少なくとも一部において、局所的な表面法線が長手方向軸（例えば、軸線４６）に対して垂直の面から外れている。これにより、外部のフィラメント駆動メカニズムは外面を係合させ、外面上の圧縮応力を使用して軸方向抵抗力を生成することができる。以上のような局所的表面パターンがない場合、フィラメント駆動メカニズムは、剪断応力だけで（例えば、ゴムローラー駆動で）フィラメントを押し進めるか、または（例えば、刻みを付けたフィラメント駆動で）フィラメントの塑性変形を生じさせることによりこのようなパターンを生成するかのいずれかにならざるを得ない。

モデリングのフィラメントまたは支持材料のフィラメントは、局所的な表面パターンがない場合、並進対称である。フィラメントは、必ずしも軸方向に対称ではない（例えば、図１３に示すリボンフィラメント６３６）。しかし、ある軸方向位置におけるパターンがないフィラメントの表面形状は、そのフィラメントの長さの下方に任意の間隔距離を置いた表面形状とほぼと同一である。従って、表面はほぼ、長さを通して押し出された二次元の閉じた曲線（例えば円または矩形）である。従って、パターンがないフィラメントは、その長さに沿って（最終的な開始と停止以外の）特徴を有さないため、二次元の物体と考えることができる。

フラクタル次元数、またはフラクタルは、物体の幾何学的複雑性を特定するために好適な方法である。線や表面の蛇行が長さスケールにともなって変化する場合にフラクタルは有用である。フラクタル値を有するパラメータの古典的な例は、スコットランドの海岸線の長さである。海岸線の長さは、より小さい凹凸を考慮するほど増加する。遠く離れた高さから見ると、海岸線は多少円のように見え、その次元数は１（即ち、直線）より多少大きい。しかし、砂の各粒子の湿潤を考慮するようになると、海岸線は平面を埋め尽くしているように見え、海岸線のフラクタル次元数は２に近づく。

従って、パターンがないフィラメントのフラクタル次元数は、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２である。これに対し、パターン付きフィラメントの外面は模様付きであるため、３空間をほぼ埋め尽くすことが可能であり、同一の長さスケールでのフラクタル次元数はほぼ３であり得る高密度の発泡体である。従って、１つ以上の局所的表面パターンを有する本開示のフィラメントを特徴づける好適な方法は、フィラメントのフラクタル次元数が０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２を超えていることである。

図３で示されているように、フィラメント３４は、フィラメント３４の非トラック直径（例えば、線５０における直径）である表面直径４８を有する。表面直径４８は、望ましくは、フィラメント３４が過度の摩擦を生じることなくシステム１０の液化装置と嵌合可能なように構成される。表面直径４８の好適な平均直径の例は、約１．１４３ミリメートル（約０．０４５インチ）〜約２．５４ミリメートル（約０．１００インチ）であり、特に好適な平均直径は約１．４０ミリメートル（約０．０５５インチ）〜約２．１６ミリメートル（約０．０８５インチ）であり、さらにより特に好適な平均直径は約１．６５ミリメートル（約０．０６５インチ）〜約１．９１ミリメートル（約０．０７５インチ）である。

図３にさらに示されているように、各トラック４２は、軸線４６に沿ったトラック高さ（トラック高さ５２と称される）を有する。トラック高さ５２は、望ましくは、フィラメント駆動メカニズムの歯が任意のトラック４２と係合可能なように構成される。一実施形態において、連続する各トラック４２のトラック高さ５２は、軸線４６に沿って実質的に同一の寸法を有する。これにより、フィラメント３４の長さ３６に沿ってトラック４２の実質的な繰り返しパターンが提供され、規則的に離間した歯を有するフィラメント駆動メカニズムとともに使用されてもよい。代替の実施形態において、軸線４６に沿った繰り返しパターンにおいてトラック高さ５２は変化してもよく、不規則に離間した歯を有するフィラメント駆動メカニズムとの使用に好適であってもよい。

加えて、長さ３６に沿って隣接するトラック４２間のフィラメント３４の部分は、望ましくは座屈、破砕、または破損を生じることなくフィラメント駆動メカニズムによって加えられる軸方向圧力に耐えるために十分な厚さである高さ（高さ５４と称される）を有する。また、長さ３６に沿ったトラック４２の数は、望ましくは、フィラメント駆動メカニズムがトラック４２と連続的に係合することを可能にする。言い換えれば、フィラメント駆動メカニズムは、前のトラック４２の離脱前または前のトラック４２の離脱と同時にトラック４２と係合することが望ましい。これにより、軸方向圧力を表面４４ａに実質的に連続して加えることが可能となり、フィラメント３４に対する駆動制御を増加させる。

図４は、フィラメント３４の非トラック面積に対するトラック４２の面積を示す、図３中の４−４部分の拡大断面図である。トラック４２の寸法は、幾つかの競合要因間でバランスをとることが望ましい。一方の目的では、寸法は、表面４４ａに軸方向圧力を加えるために駆動メカニズムに好適な接触面積を提供するのに十分に高いことが望ましい。従って、トラック４２は、好適な軸方向接触箇所を提供するために外面３８から十分に深いことが望ましい。他方の目的では、寸法はまた、フィラメント３４がシステム１０で使用される間にその構造的完全性を保持するのに十分に低いことが望ましい。このため、トラック４２はまた、フィラメント３４が供給源２０および／または２２から押し出しヘッド１８へ供給される間に破砕または破損しないように十分に浅いことが望ましい。

上述のように、表面パターン４０は、システム１０のフィラメント駆動メカニズムと係合するために、（例えば、図８〜１７中に示されているような）様々に異なるトラックの幾何学的形状を含んでもよい。加えて、本願に開示した消耗材料は、様々な異なる幾何学的形状を有してもよい（例えば、円筒形および非円筒形フィラメント）。その結果、表面パターン４０の各トラック（例えば、トラック４２）の深さは、トラックの幾何学的形状および消耗材料の幾何学的形状に応じて変化してもよい。各トラックの寸法を決定するために好適な技術は、任意の消耗材料の非トラック面積に対するトラックの接触面積の比率を決定することを伴う。

例えば、各トラック４２の好適な寸法は、フィラメント３４の非トラック面積（即ち、表面直径４８に基づく面積）に対する表面４４ａの面積の比率として決定してもよい。表面４４ａの好適な面積の例としては、フィラメント３４の非トラック面積の少なくとも約５％が挙げられ、特に好適な面積は非トラック面積の約５％〜３０％、さらにより特に好適な面積は非トラック面積の約１０％〜２０％である。この決定は、表面パターン４０が任意の断面プロファイルにおいて異なるトラック幾何学的形状と複数のトラックを含む実施形態にも適用してもよい。

図５〜７は、システム１０（図１中に図示）の代替フィラメント駆動メカニズムとともに使用するフィラメント３４の概略図である。図５に示すように、フィラメント３４は、駆動輪５８と遊動輪６０を含むフィラメント駆動メカニズムである駆動メカニズム５６とともに使用される。駆動メカニズム５６は、望ましくは、制御部２８と信号通信し、それによって制御部２８（図１中に図示）は駆動メカニズム５６がフィラメント３４を液化装置６２に供給する速度を指令することができる。駆動輪５８は、フィラメント３４のトラック４２と係合するように構成された複数の歯６４を含む。

歯６４は、望ましくは、過度の摩擦を生じることなくトラック４２と係合可能な寸法を有する。好適な歯の厚さの例は、トラック高さ５２の約５０％からトラック高さ５２の約９５％の範囲にあり、特に好適な厚さはトラック高さ５２の約６０％からトラック高さ５２の約８５％の範囲にある。いくつかの実施形態において、歯６４は、フィラメント３４が歯６４に固着するリスクを低減するために、１つ以上の低表面エネルギーコーティング材料でコーティングされてもよい。好適なコーティング材料としては、フッ素化ポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエテンポリマー、フッ素化エチレンプロピレンポリマー、およびペルフルオロアルコキシポリマー）、ダイヤモンド様炭素材料、およびこれらの組み合わせが挙げられる。遊動輪６０は、駆動輪５８との係合中にフィラメント３４に対して背面の支持体を提供する。

図５はまた、液化装置６２と、熱ブロック６６と、押し出し先端６６を示す。これらは、駆動メカニズム５６とともに、押し出しヘッド１８（図１中に図示）のサブアセンブリを形成する。液化装置６２は、軸線４６に沿った液化装置６２の対向する端部である上端７０と下端７２を含む液化装置管である。図示のように、液化装置６２は、熱ブロック６６を貫通し、フィラメント３４の受容した部分を融解するための熱エネルギーを受容する。

熱ブロック６６は、液化装置６２の少なくとも一部の周囲を延び、熱を液化装置６２および受容したフィラメント３４に伝導するように構成された熱伝達要素である。熱ブロック６６の好適な熱伝達要素の例としては、Ｓｗａｎｓｏｎらの米国特許第６，００４，１２４号、Ｃｏｍｂの米国特許第６，５４７，９９５号、ＬａＢｏｓｓｉｅｒｅらの米国特許公開公報第２００７／０２２８５９０号、およびＢａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許出願公開第２００９／０２７３１２２号に開示されているようなものが挙げられる。代替の実施形態において、熱ブロック６６は、熱を生成および／または液化装置６２に移動させ、それによって軸線４６に沿って液化装置６２内に熱勾配を形成する様々な異なる熱伝達要素によって置き換えられてもよい。

押し出し先端６８は、液化装置６２の下端７２に位置し、フィラメント３４の融解した材料を所望の道幅で押し出すように構成された直径が小さい先端である。押し出し先端７２の好適な内部先端直径の例は、約１２５マイクロメートル（約０．００５インチ）から約５１０マイクロメートル（約０．０２０インチ）である。

システム１０（図１中に図示）での構築作業中、フィラメント３４は、駆動輪５８の歯６４と係合し、上端７０で液化装置６２内に装填される。次に、制御部２８は、フィラメント３４の連続した各部分を液化装置６２内に駆動するように駆動メカニズム５６に指令する。駆動輪５８の回転により、歯６４はフィラメント３４の連続する表面４４ａに軸方向圧力を加える。これにより、望ましくはフィラメント３４と駆動輪５８との間に摺動摩擦を創出することなく、液化装置６２内にフィラメント３４を駆動する。

フィラメント３４が液化装置６２を通過すると、熱ブロック６６によって生成された熱勾配が液化装置６２内のフィラメント３４の材料を融解する。駆動メカニズム５６によって駆動されるフィラメント３４の上流の未融解部分は、未融解部分と液化装置６２の壁部との間の融解した材料に作用する粘性ポンプのピストンとして機能し、それによって押し出し先端６８から融解した材料が押し出される。次に、押し出された材料は、３Ｄモデル２４を層状に形成するための道筋として堆積されてもよい。

上述のように、表面パターン４０を有するフィラメント３４を使用することにより、システム１０を用いて３Ｄモデル２４を構築するためのプロセス信頼性および成形品品質が向上する。これらの特徴は、トラック４２により駆動メカニズム５６が高精度の駆動制御でフィラメント３４を駆動することができるため、獲得することができる。これにより、押し出し先端６８から堆積されるモデリング材料の体積流量に対して厳密な制御が提供される。このことは、高精細の特徴を有する３Ｄモデル２４を構築するためには、望ましい。

フィラメント３４に加えられる駆動圧力は実質的にその長手方向軸（即ち、軸線４６）に沿って向けられるため、高精度の駆動制御を達成することができる。これは、従来のフィラメントを摩擦で係合させるフィラメント駆動メカニズムとは対照的である。摩擦による係合は、典型的には、フィラメントの外面に側圧を加え、フィラメントと駆動輪との間の摩擦に依存してフィラメントの連続した各部分を駆動する。しかし、側圧が十分に高くない場合、フィラメントはフィラメント駆動メカニズムの摩擦によるグリップ（握り）から滑り、それによって摩擦摺動が創出され、駆動制御を低減する可能性がある。

しかし、フィラメントに加えられる側圧を増加させると、やはり駆動制御が低減し得る。例えば、側圧が増加すると、駆動輪がフィラメントの外面を削り取る原因となり得る（例えば、切欠きのある駆動輪の場合）。その結果、フィラメントのモデリングまたは支持材料が変位し、それによってフィラメントの任意の断面プロファイルにおいて、液化装置に駆動される材料の予想体積が乱れる（中断される）可能性がある。さらに、比較的脆性の材料の場合、側圧の増加により場合によっては係合箇所でフィラメントを破壊または破断する可能性もある。このような事象により、破断したフィラメントを液化装置に戻して再供給するため、構築作業が遅延する結果となり得る。

加えて、摩擦による係合によって、液化装置内の背圧が変動しやすい場合がある。液化装置の熱勾配の変化により、駆動されたフィラメントに加えられる背圧が変化する原因となり得る。事実、摩擦による係合の場合、液化装置内の背圧は、特定の駆動トルクで、駆動されるフィラメントの量を±５％変化させ得る。その結果、さらに成形品品質が低下し得る。

しかし、表面パターン４０は、フィラメント３４に加えられる駆動圧力を実質的に軸線４６に沿う方向に向けることでこのような考えられる問題点を軽減する。軸方向圧力をフィラメント３４に加えることにより、高い側圧を必要とすることなく、およびフィラメント３４と駆動輪５８との間でフィラメントが滑るリスクを伴うことなく、駆動メカニズム５６はフィラメント３４を係合させることができる。その結果、駆動メカニズム５６によってフィラメント３４に加えられる側圧は、摩擦係合設計に求められる側圧より実質的に小さくてもよい。これにより、フィラメント３４が使用中に破砕または破損するリスクが低減され、それによって、比較的脆性の材料など、モデリングおよび支持材料のために使用してもよい材料の数が増加する。

その上、駆動輪５８の歯６４と表面パターン４０のトラック４２との間の係合により、フィラメント３４の駆動速度を精密に測定することができる。例えば、制御部２８（またはシステム１０の任意のその他の好適な構成要素）は、駆動輪５８に加えるトルクを監視してもよい。駆動圧力はフィラメント３４に軸方向に加えられるため、フィラメントの滑りは低減または排除される。このため、駆動輪５８を回転させるために求められるトルクに依存して、フィラメント３４の駆動速度を精密に測定してもよい。

図５中にさらに示されているように、いくつかの実施形態において、フィラメント３４は、フィラメント３４ａにより図示されているように（隠線で図示）、曲面の配向で駆動メカニズム５６に供給されてもよい。これは、図５に示すように、表面パターン４０が外面３８の単一の横方向部分全体にのみ延びる実施形態において特に好適である。曲面の配向は、フィラメント３４の軸方向回転を低減し、表面パターン４０を駆動輪６４と実質的に整列した位置に保持する。

構築作業の完了後、液化装置６２内に残存するフィラメント３４の任意の残量は、逆回転する駆動輪５８によって除去してもよい。これにより、歯６４はトラック４２の表面４４ｂに軸方向圧力を加え、それによってフィラメント３４を上方向および液化装置６２の外へ駆動する。従って、トラック４２を使用して、フィラメント３４を液化装置６２内へおよび液化装置６２を通過するように駆動し、さらに構築作業の完了後フィラメント３４を液化装置６２から取り除いてもよい。

図６は、駆動メカニズム７４およびポート付き液化装置７６とともに使用するフィラメント３４を示す。駆動メカニズム７４およびポート付き液化装置７６は、駆動メカニズム５６および液化装置６２（図５中に図示）の代替物であり、同様に機能する。図６で示されているように、駆動メカニズム７４は駆動輪７８を含む。駆動輪７８は、複数の歯８０を含み、駆動輪５８（図５中に図示）と同様に機能する。液化装置６２と比較して、ポート付き液化装置７６は、上端８２と、下端８４と、上端８２と熱ブロック６６との間に配置されたポート８６を含む。本実施形態において、フィラメント３４は、ポート８６で駆動輪７８と係合する前にポート付き液化装置７６内に保持されてもよい。

ポート付き液化装置７６は、フィラメント３４と駆動輪７８との間の係合のための支持面として機能し、それによって遊動輪６０（図５中に図示）に相当する遊動輪の必要性を排除する。ポート付き液化装置７６の好適なポート付き液化装置設計の例としては、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許出願公開第２００９／０２７４５４０号および第２００９／０２７３１２２号に開示されているようなものが挙げられる。

システム１０（図１中に図示）での構築作業中、フィラメント３４は、上端８２でポート付き液化装置７６内に挿入され、ポート８６で駆動輪７８の歯８０と係合する。次に、制御部２８（図１中に図示）は、フィラメント３４の連続した各部分がポート付き液化装置７６を通過するように駆動するように駆動メカニズム７４に指令する。駆動輪７８の回転により、歯８０がフィラメント３４の連続する表面４４ａに軸方向圧力を加え、それによって望ましくはフィラメント３４と駆動輪７８との間で摺動摩擦を創出することなく、ポート付き液化装置７６を下方向に通過するようにフィラメント３４を駆動する。フィラメント３４がポート付き液化装置７６を通過すると、熱ブロック６６によって生成された熱勾配によりポート付き液化装置７６内のフィラメント３４の材料が融解する。駆動メカニズム７４によって駆動されるフィラメント３４の上流の未融解部分は、未融解部分とポート付き液化装置７６の壁部との間の融解した材料に作用する粘性ポンプのピストンとして機能し、それによって押し出し先端６８から融解した材料を押し出す。押し出された材料は、次に、３Ｄモデル２４を層状に形成するための道筋として堆積してもよい。

図７は、ポート付き液化装置７６および駆動メカニズム８８とともに使用するフィラメント３４を示す。駆動メカニズム８８は、回転軸９０とねじ付き面９２を含む。ねじ付き面９２は、フィラメント３４のトラック４２と係合するように構成された外側にねじが付いた面である。回転軸９０の回転により、ねじ付き面９２は、駆動メカニズム７４（図６中に図示）について上述した方法と同様にして、ポート付き液化装置７６を通過するように、フィラメント３４の連続した各部分を下方向に駆動することができる。駆動メカニズム８８（例えば、外側および内側にねじが付いたメカニズム）の好適なフィラメント駆動メカニズムと、ポート付き液化装置７６の好適なポート付き液化装置設計の例としては、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許出願公開第２００９／０２７４５４０号および第２００９／０２７３１２２号に開示されているようなものが挙げられる。

システム１０（図１中に図示）での構築作業中、フィラメント３４は上端８２でポート付き液化装置７６内に挿入され、ポート８６でねじ付き面９２と係合する。次に、制御部２８（図１中に図示）は、ポート付き液化装置７６を通過するように、フィラメント３４の連続した各部分を下方向に駆動するよう駆動メカニズム８８に指令する。回転軸９０の回転により、ねじ付き面９２は、フィラメント３４の連続する表面４４ａに軸方向圧力を加え、それによってポート付き液化装置７６を通過するようにフィラメント３４を駆動する。フィラメント３４がポート付き液化装置７６を通過すると、熱ブロック６６によって生成された熱勾配がポート付き液化装置７６内のフィラメント３４の材料を融解する。駆動メカニズム８８によって駆動されるフィラメント３４の上流の未融解部分は、未融解部分とポート付き液化装置７６の壁部との間の融解した材料に作用する粘性ポンプのピストンとして機能し、それによって押し出し先端６８から融解した材料を押し出す。押し出された材料は、次に、３Ｄモデル２４を層状に形成する道筋として堆積されてもよい。

図８および９はそれぞれフィラメント１３４および２３４を示す。フィラメント１３４および２３４は、フィラメント３４（図２〜７中に図示）の代替物であり、参照ラベルはそれぞれ１００および２００ずつ増加されている。図８で示されているように、フィラメント１３４の表面パターン１４０は、トラック１４２ａおよび１４２ｂを含む。トラック１４２ａはフィラメント３４のトラック４２に対応する。しかし、トラック１４２ｂは、長さ１３６の少なくとも一部に沿ったさらなる一連のトラックであり、トラック１４２ｂにより、駆動輪５８および７８に相当する第２駆動輪（図示せず）を使用してフィラメント１３４を係合および駆動することができる。トラック１４２ａおよび１４２ｂのそれぞれについてのトラックの好適な寸法および数としては、トラック１４２について上述したようなものが挙げられ、それによって第１駆動輪はトラック１４２ａと連続的に係合し、第２駆動輪はトラック１４２ｂと連続的に係合することができる。

図９で示されているように、フィラメント２３４の表面パターン２４０は、トラック２４２ａおよび２４２ｂを含む。トラック２４２ａは、フィラメント３４のトラック４２に対応するが、トラック４２と比較して各トラックは軸線４６に沿ってさらに距離を置いて離れている。トラック２４２ｂは、長さ２３６の少なくとも一部に沿ったさらなる一連のトラックであり、このトラック２４２ｂにより、駆動輪５８および７８に相当する第２駆動輪（図示せず）を使用してフィラメント２３４を係合および駆動することができる。本実施形態において、トラック２４２ａおよび２４２ｂは互い違いに配置され、それによってフィラメント２３４とフィラメント駆動メカニズムとの間の連続的な係合は第１駆動輪と第２駆動輪との間で交互に入れ替わる。言い換えれば、第１駆動輪は、望ましくは第２駆動輪が前のトラック２４２ｂから離脱する前または同時にトラック２４２ａと係合し、逆もまた同様である。これにより、表面２４４ａに軸方向圧力を実質的に連続的に加えることが可能となり、フィラメント３４に対する駆動制御を増加させる。

図１０〜１２は、フィラメント３３４、４３４、および５３４の斜視図である。フィラメント３３４、４３４、および５３４は、フィラメント３４（図２〜７中に図示）の代替円筒形フィラメントであり、その参照ラベルはそれぞれ３００、４００、および５００ずつ増加されている。フィラメント１３４の対向するトラック（図８中に図示）およびフィラメント２３４の互い違いに配置された対向するトラック（図９中に図示）も、フィラメント３３４、４３４、および５３４の好適な代替実施形態である。

図１０で示されているように、フィラメント３３４の表面パターン３４０は、上向き面３４４ａと下向き面３４４ｂを有する放物線状のトラックであるトラック３４２を含む。上述のように、各トラック３４２の好適な寸法は、フィラメント３３４の非トラック面積（即ち、表面直径３４８に基づいた面積）に対する表面３４４ａの面積の割合として決定してもよい。しかし、トラック４２の矩形の幾何学的形状と比較して、トラック３４２は放物線状の幾何学的形状であるため、表面３４４ａは各トラック３４２内の中間地点で表面３４４ｂに合流する。このため、各表面３４４ａの面積は、表面が軸線３４６と平行となる長さ３３６に沿った地点までのトラック３４２の上向き面の面積として決定してもよい。この地点は、典型的には、表面３４４ａと３４４ｂとの間の中間地点で生じる。

図１１で示されているように、フィラメント４３４の表面パターン４４０は、上向き面４４４ａと下向き面４４４ｂを有するウォーム（Ｗｏｒｍ）型トラックであるトラック４４２を含む。本実施形態は、駆動メカニズム８８（図７中に図示）や、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許出願公開第２００９／０２７４５４０号および第２００９／０２７３１２２号にて開示されているようなフィラメント駆動メカニズム（例えば、らせん状の駆動メカニズム）など、ねじ式のフィラメント駆動メカニズムとともに使用するために特に好適である。

図１２で示されているように、フィラメント５３４の表面パターン５４０は、上向き面５４４ａと下向き面５４４ｂを有する波形トラックであるトラック５４２を含む。本実施形態では、フィラメント駆動メカニズムは、フィラメント５３２の任意の横方向箇所でトラック５４２と係合可能であり、それによって表面パターン５４０とフィラメント駆動メカニズムを同軸上に整列させる必要性を低減する。

局所的表面パターンは、様々な技術を使用して、フィラメント３４、１３４、２３５、３３４、４３４、および５３４の外面に形成されてもよい。一実施形態において、局所的表面パターンは、任意のフィラメントを一対のローラー間を通過させることによって形成されてもよい。ローラーの少なくとも１つは、局所的表面パターンを形成するように構成された歯を含有する。例えば、フィラメント３４が押出成形機から所望の直径で引き出されるときに、一対のローラーを介してフィラメント３４を供給することにより、外面３８に表面パターン４０を形成するようにしてもよい。ローラーの１つは、外面３８にトラック４２が形成されるように構成された歯を有する。一実施形態において、表面パターン４０は、フィラメント３４が完全に固化する前に外面３４に形成されてもよい。代替的に、表面パターン４０は、フィラメント３４が完全に固化した後に外面３４に形成されてもよい。しかし、いずれの場合も、局所的表面パターンは、望ましくは、システム１０で使用される前に（例えば、フィラメント駆動メカニズムと係合する前に）フィラメントの外面に形成される。

図１３〜１９は、フィラメント３４（図２〜７中に図示）の代替物としてシステム１０（図１中に図示）とともに使用され得る好適な非円筒形フィラメントの例であるリボンフィラメントの斜視図である。参照ラベルはそれぞれ、６００〜１２００ずつ増加されている。フィラメント１３４（図８中に図示）の対向するトラックと、フィラメント２３４（図９中に図示）の互い違いに配置された対向するトラックと、フィラメント３３４、４３４および５３４（図１０〜１２中に図示）のトラック幾何学的形状もまた、図１３〜１９に開示されているフィラメントの好適な代替実施形態である。

図１３〜１９に示された実施形態の好適な非円筒形フィラメントの例としては、米国特許仮出願第６１／２４７，０６７号や、「押し出し式デジタル製造システムにて使用する非円筒形フィラメント（Ｎｏｎ−Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」と題された米国特許出願第１２／６１２，３３３号に開示されているようなものが挙げられる。さらに、非円筒形フィラメントとともに使用するための好適な液化装置の例としては、米国特許仮出願第６１／２４７，０６８号や、「押し出し式デジタル製造システムにて使用するリボン液化装置（Ｒｉｂｂｏｎ Ｌｉｑｕｅｆｉｅｒ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」と題された米国特許出願第１２／６１２，３２９号に開示されているようなものが挙げられる。

図１３にて示されているように、リボンフィラメント６３４の表面パターン６４０は、上向き面６４４ａと下向き面６４４ｂを有する矩形トラックであるトラック６４２を含む。各トラック６４２の好適な寸法は、フィラメント３４について上述した方法と同様にして決定してもよい。このため、好適な寸法は、リボンフィラメント６３４の非トラック面積に対する表面６４４ａの面積の比率として決定してもよい。リボンフィラメント６３４の非トラック面積は、長さ６３６に沿った非トラック箇所におけるリボンフィラメント６３４の幅および厚さ（幅６４８ｗおよび厚さ６４８ｔと称される）により決定してもよい。

幅６４８ｗの好適な寸法の例は、約１．０ミリメートル（約０．０４インチ）〜約１０．２ミリメートル（約０．４０インチ）であり、特に好適な幅は約２．５ミリメートル（約０．１０インチ）〜約７．６ミリメートル（約０．３０インチ）であり、さらにより特に好適な幅は約３．０ミリメートル（約０．１２インチ）〜約５．１ミリメートル（約０．２０インチ）である。

厚さ３４８ｔの好適な寸法の例は、約０．０８ミリメートル（約０．００３インチ）〜約１．５ミリメートル（約０．０６インチ）であり、特に好適な厚さは約０．３８ミリメートル（約０．０１５インチ）〜約１．３ミリメートル（約０．０５インチ）であり、さらにより特に好適な厚さは約０．５１ミリメートル（約０．０２インチ）〜約１．０ミリメートル（約０．０４インチ）である。

幅６４８ｗの厚さ３４８ｔに対する好適なアスペクト比の例としては、約２：１を超えるアスペクト比が挙げられ、特に好適なアスペクト比は約２．５：１〜約２０：１、さらにより特に好適なアスペクト比は約３：１〜約１０：１である。

米国特許仮出願第６１／２４７，０６７号や、「押し出し式デジタル製造システムにて使用する非円筒形フィラメント（Ｎｏｎ−Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」と題された米国特許出願第１２／６１２，３３３号で記載されているように、局所的表面パターン（例えば、表面パターン６４０）の形成は、リボンフィラメント（例えば、リボンフィラメント６３４）をシート押し出しプロセスで製造する際に行うと特に好適である。本実施形態において、局所的表面パターンは、シートを複数のリボンフィラメントに切断する前に、押し出しシートの主面および／または端部に形成されてもよい。

図１４で示されているように、リボンフィラメント７３４の表面パターン７４０は、トラック７４２を含む。各トラック７４２は、一対の複数の外側に向くくぼみの列の間に画定される。各トラック７４２の好適な寸法は、フィラメント３４について上述した方法と同様にして決定してもよい。しかし、本実施形態において、各トラック７４２の上向き面の面積は、任意の列における外側に向くくぼみの上向き面の合計として決定してもよい。その上、リボンフィラメント７３４の非トラック面積は、リボンフィラメント７３４の幅および厚さ（幅７４８ｗおよび厚さ７４８ｔと称される）により決定してもよい。厚さ７４８ｔは、図１４にて示されているように、外側に向くくぼみで測定される。従って、構築作業中、フィラメント駆動メカニズムは、外側に向くくぼみの連続する列の上向き面に軸方向圧力を加え、それによってリボンフィラメント７３４を下方向に駆動してもよい。

図１５にて示されているように、リボンフィラメント８３４の表面パターン８４０は、トラック８４２ａおよび８４２ｂを含む。トラック８４２ａおよび８４２ｂのそれぞれは、上向き面８４４ａを有するファイル刻印型トラックであり、長さ８３６に沿って互い違いに配置される。各トラック８４２の好適な寸法も、フィラメント３４について上述したように決定してもよい。このため、好適な寸法は、リボンフィラメント８３４の非トラック面積に対する表面８４４ａの面積の比率として決定してもよい。リボンフィラメント８３４の非トラック面積は、リボンフィラメント８３４の幅および厚さ（幅８４８ｗおよび厚さ８４８ｔと称される）によって決定してもよい。

加えて、表面パターン８４０は互い違いの配置であるため、リボンフィラメント８３４とフィラメント駆動メカニズムとの間の連続的な係合が第１駆動輪と第２駆動輪との間で交互に入れ替わり得る。言い換えれば、第１駆動輪は、望ましくは、第２駆動輪が前のトラック８４２ｂから離脱する前または離脱すると同時にトラック８４２ａと係合し、逆もまた同様である。これにより、表面８４４ａに軸方向圧力を実質的に連続的に加えることが可能となり、フィラメント８３４に対する駆動制御を増加させる。

図１６にて示されているように、リボンフィラメント９３４の表面パターン９４０は、Ｖ字形パターンで延びる上向き面９４４ａと下向き面９４４ｂを有するヘリンボーン型トラックであるトラック９４２を含む。本実施形態は、往復するＶ字形の歯を有する駆動輪（図示せず）とともに使用するのに適している。各トラック９４２の好適な寸法も、フィラメント３４について上述した方法と同様にして決定してもよい。しかし、本実施形態において、表面９４４ａは、リボンフィラメント９３４の横方向軸に沿って延びるとともに、軸９４６に沿って延びるため、リボンフィラメント９３４の断面プロファイルは複数の隣接するトラック９４２と交差する。このため、各表面９４４ａの面積は、Ｖ字形パターン全体を含む。リボンフィラメント９３４の非トラック面積は、リボンフィラメント９３４の幅および厚さ（幅１３１８８ｗおよび厚さ９４８ｔと称される）に基づく。厚さ９４８ｔは、長さ９３６に沿った非トラック箇所におけるリボンフィラメントの厚さである。

図１７にて示されているように、リボンフィラメント１０３４の表面パターン１０４０は、上向き面１０４４ａと下向き面１０４４ｂを有するスプロケットトラックであるトラック１０４２を含む。上向き面１０４４ａと下向き面１０４４ｂは、長さ１０３６に沿って互い違いに配置された箇所でリボンフィラメント１０３４を貫通する。本実施形態において、各トラック１０４２の好適な寸法も、フィラメント３４について上述した方法と同様にして決定してもよい。本実施形態は、交互の歯を有する駆動輪とともに使用するのに適しており、そのためリボンフィラメント１０３４のいずれかの主面が駆動輪に面し、駆動輪とリボンフィラメント１０３４との間の係合を単純化する。

図１８にて示されているように、リボンフィラメント１１３４の表面パターン１１４０は、上向き面１１４４ａと下向き面１１４４ｂを有する端部を向いた矩形トラックであるトラック１１４２を含む。本実施形態は、リボンフィラメント６３４〜１０３４（図１３〜１７中に図示）について上記で図示されているリボンフィラメントの主面ではなく、むしろリボンフィラメント１１３４の端部と係合するように構成されたフィラメント駆動メカニズムとともに使用するのに適している。各トラック１１４２ａおよび１１４２ｂの好適な寸法も、フィラメント３４について上述した方法と同様にして決定してもよい。従って、構築作業中、フィラメント駆動メカニズムは、リボンフィラメント１１３４の各端部で表面１１４４ａに軸方向圧力を加え、それによってリボンフィラメント１１３４を下方向へ駆動するようにしてもよい。

図１９で示されているように、リボンフィラメント１２３４の表面パターン１２４０は、上向き面１２４４ａと下向き面１２４４ｂを有する端部に面したスプロケットトラックであるトラック１２４２を含む。本実施形態も、リボンフィラメントの主面よりむしろリボンフィラメント１２３４の端部と係合するように構成されたフィラメント駆動メカニズムとともに使用するのに好適である。

各トラック１２４２の好適な寸法も、フィラメント３４について上述した方法と同様にして決定してもよい。しかし、本実施形態において、各トラック１２４２ａおよび各トラック１２４２ｂの上向き面の面積は、リボンフィラメント１２３４の各端部における一対の表面１２４４ａの合計として決定してもよい。従って、トラック１２４２ａの面積は、リボンフィラメント１２３４の１つの端部における一対の表面１２４４ａの合計として決定してもよく、トラック１２４２ｂの面積はリボンフィラメント１２３４の対向する端部における一対の表面１２４４ａの合計として決定してもよい。従って、構築作業中、フィラメント駆動メカニズムは、リボンフィラメント１２３４の各端部における表面１２４４ａに軸方向圧力を加え、それによってリボンフィラメント１２３４を下方向に駆動してもよい。

局所的表面パターンは、様々な技術を使用して、リボンフィラメント６３４、７３４、８３４、９３４、１０３４、１１３４、および１２３４の外面に形成されてもよい。一実施形態において、米国特許仮出願第６１／２４７，０６７号や、「押し出し式デジタル製造システムにて使用する非円筒形フィラメント（Ｎｏｎ−Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」と題された米国特許出願第１２／６１２，３３３号に開示されているようなシート押し出しプロセスを用いて、リボンフィラメントを形成してもよい。本実施形態において、局所的表面パターンは、複数のリボンフィラメントに分離される前に押し出しシートに形成されてもよい。

図２０〜２３は、押し出し式デジタル製造システム（例えば、図１中に示されたシステム１０）で使用する前にリボンフィラメント６３４、７３４、８３４、９３４、１０３４、１１３４、および１２３４などの非円筒形フィラメントを製造するための好適な実施形態を示す。図２０は、非円筒形フィラメントの好適な製造方法の一例である方法１３００のフローチャートである。図示のように、方法１３００は、工程１３０２〜１３１２を含み、最初に供給物質をシート押し出しシステムに供給する工程を伴う（工程１３０２）。供給物質は、ペレット、ロッド、粉末、微粒子、ブロック、インゴットなどの様々な異なる媒体で生産システムに供給されてもよい。供給物質の好適な組成物としては、フィラメント３４（図２中に図示）のモデリングおよび支持材料について上述したようなものが挙げられる。

供給物質は、シート押し出しシステムに供給されると、融解されて押し出され、供給物質の押し出しシートを生成してもよい（工程１３０４）。以下に説明するように、押し出しシートを引き続き使用して複数の個々のリボンフィラメントに分離してもよい。固体状態での押し出しシートの厚さは、望ましくはリボンフィラメントのそれぞれの厚さに合致する。押し出しシートは、押し出された後、望ましくは冷却され、押し出しシートを少なくとも部分的に固化し（工程１３０６）、１つ以上の局所的表面パターンを押し出しシートの一方または両方の主面に形成してもよい（工程１３０８）。代替の実施形態において、１つ以上の局所的表面パターンは、工程１３０６で押し出しシートが冷却される前または冷却と同時に押し出しシートに形成されてもよい。

プロセスのこの時点で、シートは、後で分離するために保管され（例えば、巻取りスプールに巻き取られ）ても、または連続プロセスなどで直接シート切断機に供給されてもよい。シート切断機で、シートを複数のリボンフィラメントに長手方向に切断してもよい。リボンフィラメントの少なくとも１つの断面プロファイルは、望ましくは、上述のように非円筒形液化装置と嵌合するように構成される（工程１３１０）。より望ましくは、押し出しシートから切断されたリボンフィラメントのそれぞれは、非円筒形液化装置と嵌合するように構成される。さらに、各リボンフィラメントは、望ましくは、押し出しシートに形成されたパターンに基づく１つ以上の局所的な表面パターンを含有する。

リボンフィラメントは切断後、供給アセンブリに装填してもよい（工程１３１２）。一実施形態において、複数のリボンフィラメントの装填プロセスは、実質的に平行して実施してもよい。押し出しシートから切断された後、リボンフィラメントは複数の巻取りスプールに実質的に連続して供給される。その後、この供給アセンブリは、３Ｄモデルおよび支持構造体を構築するために１つ以上の押し出し式デジタル製造システム（例えば、システム１０）で使用してもよい。

図２１は、方法１３００の工程１３０２、１３０４、１３０６、および１３０８（図２０中に図示）により製造され得る押し出しシートの一例であるシート１３１４の斜視図である。図２１にて示されているように、シート１３１４は、複数のリボンフィラメント１３１６に切断されてもよい。各リボンフィラメント１３１６は、リボンフィラメント６３４、７３４、８３４、９３４、１０３４、１１３４、および１２３４の１つ以上に対応してもよい。単一のシート１３１４から製造され得るリボンフィラメント１３１６の数は、シート１３１４の幅（シート幅１３１８と称される）に応じて変化し得る。単一のシート１３１４から押し出され得るリボンフィラメント１３１６の好適な数の例は、約５〜約１００であり、特に好適な数は約１０〜約５０である。

シート１３１４のシート幅１３１８は、望ましくは、廃棄される材料の量を最小限に抑える。このため、切断されたリボンフィラメント１３１６は、望ましくは、シート幅１３１８全体にわたって延びる。しかし、代替の実施形態において、シート１３１４のシート幅１３１８に沿った１つ以上の部分は、処分または再利用されてもよい。例えば、シート１３１４の幅の横方向端部は、所望の場合、処分または再利用されてもよい。シート幅１３１８の好適な寸法の例は、約０．３メートル（約１．０フィート）〜約１．２メートル（約４．０フィート）であり、特に好適な幅は約０．４６メートル（約１．５フィート）〜約０．９１メートル（約３．０フィート）である。

加えて、固化された状態でのシート１３１４は、望ましくは、リボンフィラメントの非トラック厚さの所望の厚さ（例えば、図１３に示されたリボンフィラメント６３４の厚さ６４８ｔ）と実質的に同一のシート厚さ（シート厚さ１３２０と称される）を有する。シート厚さ１３２０の好適な寸法の例は、約０．０８ミリメートル（約０．００３インチ）〜約１．５ミリメートル（約０．０６インチ）であり、特に好適な厚さは約０．３８ミリメートル（約０．０１５インチ）〜約１．３ミリメートル（約０．０５インチ）であり、さらにより特に好適な厚さは約０．５１ミリメートル（約０．０２インチ）〜約１．０ミリメートル（約０．０４インチ）である。

押し出しの後および／または少なくとも部分的な固化の後、１つ以上の局所的な表面パターンをシート１３１４に形成してもよい。これは、幅１３１８と平行に延びる複数のトラックを有する表面パターン１３２２によって図２１に示されている。次にシート１３１４は、方法１３００の工程１３１０によりリボンフィラメント１３１６に切断される。これは、各リボンフィラメント１３１６間に配置された切断線１３２２により図８に示されている。押し出しシート１３１４から切断された後、各リボンフィラメント１３１６は、次に、方法１３００の工程１３１２により供給アセンブリ（例えば、スプール）に装填されてもよい。本プロセスにより、リボンフィラメント１３１６の所望の厚さを得るためにさらなるサイズ調整工程を必要とすることなく、複数のリボンフィラメント１３１６を単一の押し出しシート１３１４から作製することができる。これにより、高い生産率を達成することができる。

図２２は、方法１３００（図２０に図示）により押し出しシート（例えば、図２１に示されたシート１３１４）を製造するための好適なシステムの一例であるシート押し出しシステム１４００の概略図である。図示のように、システム１４００は、押し出しアセンブリ１４０２と、刻印ドラム１４０４と、冷却ドラム１４０６と、プーリ１４０８および１４１０と、巻取りスプール１４１２を含む。押し出しアセンブリ１４０２は、シート１３１４を生産するために、所望のモデリングおよび／または支持材料の供給物質（媒体１４１４として図示）を受容して押し出すように構成される。押し出しアセンブリ１４０２は、ホッパー１４１６と、熱スリーブ１４１８と、駆動ねじ１４２０と、押し出し出口１４２２を含む。縦の配向で図示されているが、押し出しアセンブリ１４０２（およびシステム１４００）は、代替的に異なる配置（例えば、水平の配向）で配置されてもよい。作業中、駆動ねじ１４２０は、ホッパー１４１６から、熱スリーブ１４１８によって画定される押し出し軸（押し出し軸１４２４と称される）に媒体１４１４の連続した各部分を供給する。熱スリーブ１４１８は、媒体１４１４が押し出し軸１４２２内に供給されると、熱エネルギーを媒体１４１４に移動させる。それによって、媒体１４１４を押出し出口１４２２から融解して押し出し、シート１３１４を生産する。

また、いくつかの実施形態において、押し出しシートに異なった材料のさらなるシートを積層し、多層シートを形成してもよい。好適な多層シートおよびかかるシートから形成される多層リボンフィラメントの例としては、米国特許仮出願第６１／２４７，０６７号や、「押し出し式デジタル製造システムにて使用する非円筒形フィラメント（Ｎｏｎ−Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」と題された米国特許出願第１２／６１２，３３３号に開示されているようなものが挙げられる。

シート１３１４は次にドラム１４０４および１４０６と係合し、シート１３１４の厚さ（即ち、シート厚さ１３２０）を画定し、且つ表面パターン１３２０を形成する。刻印ドラム１４０４は、シート１３１４が刻印ドラム１４０４と係合したときにシート１３１４に表面パターン１３２０のトラックを形成するように構成された模様付きの面を有する第１円筒形ドラムである。冷却ドラム１４０６は、望ましくはシート１３１４を冷却するために、シート１３１４がニップ１４２６でドラム１４０４および１４０６と係合したときに低温に維持される第２円筒形ドラムである。冷却ドラム１４０６の低い温度は、シート１３１４のライン速度、シート１３１４の組成物および寸法などの要因に応じて変化し得る。冷却ドラム１４０６の好適な温度の例は、約４０℃〜約６０℃である。これにより、シート１３１４は、少なくとも部分的に固化して固体状態になりつつ、ニップ１２６を通過した後のシート厚さ１３２０が維持される。代替の実施形態において、刻印ドラム１４０４はまた、冷却ドラム１４０６と同一の方法で第２の冷却ドラムとして機能してもよい。さらに、さらなる代替の実施形態において、冷却ドラム１４０６は、第２の刻印ドラムとして機能し、シート１３１４の対向する主面に局所的表面パターンを刻印してもよい。

刻印ドラム１４０４は、望ましくは、ニップ１２６においてシート１３１４のシート厚さ１３２０を設定する距離だけ冷却ドラム１０６からオフセットされる。その結果、シート１３１４の連続した各部分の厚さは、シート１３１４から切断される各リボンフィラメント１３１６の所望の厚さと合致し得る。これにより、各リボンフィラメント１３１６は上述のように、その後対応する非円筒形液化装置と嵌合し、応答時間の短縮を達成することができる。一実施形態において、システム１４００は、シート１３１４のシート厚さをリアルタイムで検出および測定し、且つ所望のシート厚さを得るために１つ以上の処理パラメータを調節する（例えば、ライン速度、ニップ寸法などを調節する）ように構成されたセンサアセンブリ（図示せず）をさらに含んでもよい。

さらなる実施形態において、システム１４００は、シート１３１４の一方または両方の主面にコーティングを適用するために、１つ以上のコーティング装置（図示せず）を含んでもよい。例えば、システム１４００は、シート１３１４の一方または両方の主面に材料の薄いコーティングを堆積するように構成されたコロナ放電装置（図示せず）を含んでもよい。これにより、低表面エネルギー材料などの様々なコーティング材料をシート１３１４上に堆積することができる。低表面エネルギー材料は、リボンフィラメント１３１６が押し出し式デジタル製造システム（例えば、システム１０）の非円筒形液化装置内に駆動される際の摩擦抵抗を低減するのに有利であり得る。

次にシート１３１４はプーリ１４０８および１４１０に巻きつけられ、巻取りスプール１４１２に巻き取られる。ドラム１４０４および１４０６と、プーリ１４０８および１４１０と、巻取りスプール１４１２の１つ以上は、シート１３１４を形成するのに好適なライン速度を適用するためにモータで駆動されてもよい。シート１３１４を形成するのに好適なライン速度の例は、約１メートル／分〜約２０メートル／分であり、特に好適なライン速度は約５メートル／分〜約１５メートル／分である。代替の実施形態において、使用するプーリの数を増やし、それによってシート１３１４を巻取りスプール１４１２に向けるようにしてもよい。好適な長さのシート１３１４が巻取りスプール１４１２に巻き取られた後、シート１３１４は分離されてもよい。また、巻取りスプール１４１２は保管されてもよいし、または以下に説明するように、シート１３１４を個々のリボンフィラメント１３１６に切断する次の処理のために準備されてもよい。代替の実施形態において、シート１３１４は、シート１３１４を個々のリボンフィラメント１３１６に切断するために切断装置に直接供給されてもよい。本実施形態において、巻取りスプール１４１２は省略されてもよく、シート１３１４の連続した各部分の押し出しおよび形成と連続したプロセスで、シート１３１４をリボンフィラメント１３１６に切断してもよい。

図２３は、シート１３１４からリボンフィラメント１３１６を形成するのに好適なシステムであるフィラメント生産システム１４２８の概略図である。システム１４２８は、切断ローラー１４３０と、支持ローラー１４３２と、アイドラプーリ１４３４と、巻取りスプール１４３６ａ〜１４３６ｄを含む。図示のように、シート１３１４は、巻取りスプール（例えば、巻取りスプール１４１２）から、または連続プロセスでシステム１４００から直接送られる形で、切断ローラー１４３０と支持ローラー１４３２のニップ交差点に供給されてもよい。

切断ローラー１４３０は、シート１３１４の連続した各部分を個々のリボンフィラメント（リボンフィラメント１３１６ａ〜１３１６ｄと称される）に切断するように構成された複数の平行する薄いブレードを有する円筒形表面を含む第１ローラーである。従って、切断ローラー１４３０の平行するブレードは、望ましくは、リボンフィラメント１３１６の幅（例えば、図１３に示されたリボンフィラメント６３４の幅６４８ｗ）に相当する隙間によって分離される。また、切断ローラー１４３０は望ましくは、切断工程中切断ローラー１４３０と支持ローラー１４３２との間でシート１３１４を引っ張るためにモータ駆動される。支持ローラー１４３２は、シート１３１４が切断ローラー１４３０と支持ローラー１４３２との間を通過して切断ローラー１４３０のブレード付き表面と係合するために好適な距離だけ切断ローラー１４３０から離間する第２ローラーである。

シート１３１４から切断されると、各リボンフィラメント１３１６（例えば、リボンフィラメント１３１６ａ〜１３１６ｄ）は、望ましくは、巻取りスプール１４３６ａ〜１４３６ｄの個々のスプールに供給される。巻取りスプール１４３６ａ〜１４３６ｄは、スプール２０および／または供給スプール２２（図１中に図示）を供給するのに好適な供給アセンブリの例である。リボンフィラメント１３１６ａ〜１３１６ｄは、アイドラプーリ１４３４によりそれぞれの巻取りスプール１４３６ａ〜１４３６ｄに向けられてもよい。図示のように、アイドラプーリ１４３４は、リボンフィラメント１３１６ａ〜１３１６ｄが異なる半径方向の箇所で支持ローラー１４３２から排出されるように配置される。これにより、リボンフィラメント１３１６ａ〜１３１６ｄが巻取りスプール１４３６ａ〜１４３６ｄに装填される間にからまるリスクが低減される。

巻取りスプール１４３６ａ〜１４３６ｄのそれぞれも、シート１３１４から切断されたリボンフィラメント１３１６ａ〜１３１６ｄをそれぞれ巻き取るためにモータ駆動されてもよい。システム１４２８は、４つのリボンフィラメント１３１６と４つの巻取りスプール１４３６を有するように図示されているが、切断ローラー１４３０は、シート１３１４およびリボンフィラメント１３１６のそれぞれの幅に基づいて、シート１３１４を任意の好適な数のリボンフィラメント１３１６に切断してもよい。次に、切断されたリボンフィラメント１３１６は、個々の巻取りスプール１４３６に実質的に平行して装填されてもよい。

システム１４２８は、一対の切断ローラー１４３０／支持ローラー１４３２を１つだけ有するように図示されているが、代替の実施形態においては、システム１４２８は、一対の切断ローラー／支持ローラーを複数含んでもよい。例えば、システム１４２８は、シート１３１４を複数の部分に切断し得る第１の一対の切断ローラー１４３０および支持ローラー１４３２を含んでもよい。切断された各部分は、複数のリボンフィラメント１３１６を含む幅を有する。各切断された部分は次に、任意の切断された部分を個々のリボンフィラメント１３１６に切断し得るさらなる一対の切断ローラー１４３０および支持ローラー１４３２を通過してもよい。個々のリボンフィラメント１３１６は次に、上述のように個々の巻取りスプール１４３６に装填されてもよい。従って、シート１３１４は、単一の切断工程中または複数の連続する切断工程で、リボンフィラメント１３１６に切断されてもよい。

シート押し出しシステム１４００およびフィラメント生産システム１４２８はそれぞれ、望ましくは、乾燥環境を得るためにハウジング（図示せず）内に収容される。例えば、システム１４００および１４２８はそれぞれ、低水分量を維持するために乾燥空気循環装置および／または乾燥剤パッケージを含み得る。さらに、巻取りスプール１４１２および１４３６はそれぞれ、受容したシート１３１４／リボンフィラメント１３１６を保管中およびその後の使用中に乾燥した状態に保つため、乾燥剤パッケージをさらに含んでもよい。システム１４００および１４２８内、並びに、巻取りスプール１４１２および１４３６内の乾燥環境を維持するための好適な技術としては、Ｓｗａｎｓｏｎらの米国特許第６，９２３，６３４号、Ｃｏｍｂらの米国特許第７，１２２，２４６号、並びにＴａａｔｊｅｓらの米国特許出願公開第２０１０／００９６４８５号および第２０１０／００９６４８９号に開示されたようなものが挙げられる。

本開示の消耗材料の上述の実施形態（例えば、円筒形および非円筒形フィラメント）は、フィラメント駆動メカニズムが軸方向圧力を加えることを可能にするために使用してもよい様々な局所的表面パターンを示している。上述のように、軸方向圧力は、フィラメント駆動メカニズムと消耗材料との間で摺動摩擦を生じさせることなく消耗材料の連続した各部分を下方向に駆動する。その結果、局所的表面パターンを有する消耗材料は、３Ｄモデルおよび支持構造体を高いプロセス信頼性および成形品品質で構築するために好適である。

より簡単にフィラメント（例えば、フィラメント３６およびリボンフィラメント６３６）に外力が掛かり、液化装置（例えば、液化装置６２）内におよび／または液化装置を通過するように、フィラメントを軸方向に推進するため、別の並進対称フィラメントのパターンを形成し得る様々な異なる方法が存在する。パターンは空間において、周期的、準周期的、またはランダムであってもよく、外面の小部分または大部分に影響を及ぼしてもよい。さらに、局所表面法線は、長手方向軸（例えば、軸線４６）に対して垂直な平面から数度〜９０度の範囲で変化し得る。

本開示のさらなる実施形態において、上述の円筒形および非円筒形フィラメントは中空であってもよい。プラスチックの断面積は、芯がなくなることにより減少するため、中空フィラメントの水力直径は物理的直径未満であってもよい。従って、本開示の中空フィラメントの好適な水力直径の例としては、上述したようなものが挙げられる。さらに、液化装置はまた、押し出し品が内側と外側から加熱されるように、中空フィラメントに嵌合する芯を含んでもよい。

中空フィラメントの１つの考えられるさらなる利点は、中空フィラメントを合成物から迅速な押し出しにより製造する際、望ましくは供給アセンブリに保持する（例えば、スプールに巻きつける）前に迅速に冷却されることにある。迅速な冷却プロセスにより、他の固体フィラメントでは直径の変化が生じることがあり、その長さに沿って変化し得る。これに対し、中空フィラメントが迅速に冷却される場合、中空フィラメントの内面の直径が変化し、外面はより均一にされ得る。

円筒形シェルの形態での中空フィラメントの別の考えられるさらなる利点は、フィラメント駆動メカニズムへの適応性である。固体フィラメントは、ほぼ非圧縮性であり得るため、フィラメント直径がわずかに小さいまたは大きい場合、駆動ローラーまたは駆動歯が受ける牽引力が少なすぎるまたは多すぎる場合がある。しかし、中空フィラメントは適応性を提供するため、フィラメント直径の小さな変化は、中空フィラメントの圧縮量の変化により相殺される。

中空フィラメントのさらに別の考えられるさらなる利点は、液化装置の入口における熱伝導の減少である。固体フィラメントが静止している時、熱はゆっくりとフィラメントの中心を上に伝導し、液化装置の加熱部分より上の、壁が比較的冷たい区域に達する。この区域でフィラメントが融解すると、より冷たい壁に対して固化する傾向があり、場合により大きな軸方向力が生じてフィラメントの動きが再始動する可能性がある。しかし、中空フィラメントを上昇する熱伝導速度は、芯を欠いているため、中空でないフィラメントを上昇する伝達速度より遅い。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当該技術分野の当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細を変更し得ることを理解するであろう。

Claims (15)

1. 押し出し式デジタル製造システムにて使用する消耗材料であって、前記消耗材料は、長さと、前記押し出し式デジタル製造システムの駆動メカニズムと係合するように構成された、前記長さの少なくとも一部に沿って延びる複数のトラックとを含み、前記複数のトラックは、前記消耗材料の外面の少なくとも一部において、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２より大きいフラクタル次元数を提供することを特徴とする、消耗材料。
2. 前記消耗材料は、非円筒形の幾何学的形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の消耗材料。
3. 前記非円筒形の幾何学的形状は、幅と厚さを有する断面プロファイルを含み、前記幅の前記厚さに対するアスペクト比は、２：１よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の消耗材料。
4. 前記複数のトラックは、矩形トラック、放物線状トラック、ウォーム型トラック、波形トラック、模様付きトラック、ファイル刻印型トラック、ヘリンボーン型トラック、スプロケットトラック、端部に面したトラック、互い違いに配置されたトラック、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の消耗材料。
5. 前記消耗材料は組成的に、熱可塑性材料、非晶質金属合金、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項１から４の何れか１項に記載の消耗材料。
6. 前記消耗材料は、前記押し出し式デジタル製造システムにおける湾曲した経路での湾曲面の前記消耗材料の断面厚さを「ｔ」とし、前記湾曲した経路において前記消耗材料が受ける曲げ半径を「ｒ」とすると、ｔ／ｒの弾性歪みに耐えることができるように構成された可撓性を発揮することを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載の消耗材料。
7. 前記複数のトラックは、前記消耗材料の非トラック箇所における平均断面積の少なくとも５％である平均断面積を有することを特徴とする、請求項１から６の何れか１項に記載の消耗材料。
8. 前記複数のトラックの前記平均断面積は、前記消耗材料の前記非トラック箇所における前記平均断面積の５％〜３０％であることを特徴とする、請求項７に記載の消耗材料。
9. 押し出し式デジタル製造システムにおける３次元モデルを構築するための方法であって、
   前記押し出し式デジタル製造システムに消耗材料を供給する工程であって、該消耗材料は、長さ、外面、および、前記長さの少なくとも一部に沿って延びる複数のトラックを有し、該複数のトラックは、前記外面の少なくとも一部において、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの間の長さスケールで２よりも大きいフラクタル次元数を提供する、工程と、
   前記消耗材料の前記複数のトラックを駆動メカニズムの歯と係合させる工程と、
   前記駆動メカニズムにより、前記消耗材料の連続した部分を液化装置に供給する工程であって、前記駆動メカニズムの連続した歯は、前記消耗材料の前記連続した部分を供給する間、前記複数のトラックの連続したトラックと連続的に係合する、工程と、
   前記液化装置において、前記消耗材料を融解する工程と、
   前記液化装置から前記融解した消耗材料を押し出す工程と、
   前記３次元モデルの少なくとも一部を形成するために、前記押し出された消耗材料を層状に堆積する工程と、
   を含む方法。
10. 前記消耗材料は、非円筒形の幾何学的形状を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記複数のトラックは、矩形トラック、放物線状トラック、ウォーム型トラック、波形トラック、模様付きトラック、ファイル刻印型トラック、ヘリンボーン型トラック、スプロケットトラック、端部に面したトラック、互い違いに配置されたトラック、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記消耗材料は組成的に、熱可塑性材料、非晶質金属合金、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項９から１１の何れか１項に記載の方法。
13. 前記押し出し式デジタル製造システムに前記消耗材料を供給する工程は、前記消耗材料を前記押し出し式デジタル製造システムにおける湾曲した経路に供給するものであり、
    前記消耗材料は、前記湾曲した経路での湾曲面の前記消耗材料の断面厚さを「ｔ」とし、前記湾曲した経路において前記消耗材料が受ける曲げ半径を「ｒ」とすると、ｔ／ｒの弾性歪みに耐えることができるように構成された可撓性を発揮することを特徴とする、請求項９から１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記消耗材料は、幅と厚さを有する断面プロファイルを含む非円筒形の幾何学的形状を有し、前記幅の前記厚さに対するアスペクト比は、２：１よりも大きいことを特徴とする、請求項９から１３の何れか１項に記載の方法。
15. 前記複数のトラックは、ヘリンボーン型トラックを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。