JP6171107B2 - 付加型製造デバイス - Google Patents

Description

本装置及び方法は付加型製造の分野に関し、詳しくは、デジタルモデルから３次元固体オブジェクトを作るプロセスに関する。

本願は、２０１４年２月１９日出願の米国仮特許出願第６１／９４１，４９４号の優先権及び利益を主張する。その開示は全体がここに参照として組み入れられる。

付加型製造デバイスは通常、非固体材料から固体オブジェクトを構成する目的で材料を堆積及び硬化するべく単一の材料供給又は書き込みヘッドを使用する。書き込みヘッドは典型的に、層を次々に書き込み、オブジェクトに対しオブジェクト詳細を漸進的に付加して３次元（３Ｄ）オブジェクト表現を構築する。このような付加型製造製品の一例は、米国ミネソタ州エディナ市のＳｔｒａｔａｓｙｓ社から商業的に入手可能なＭｏｊｏシステムである。

付加型製造デバイスは、３Ｄオブジェクトの一層を付加するべく平面内で動くことができるのが典型的な単一の材料供給又は書き込み要素を特徴とする。付加された層が存在する平面の直交するのが典型的な付加的な動き機構又は駆動機構により、デバイスは、既存の層の最上に層を付加して３Ｄオブジェクトを構築することができる。３Ｄオブジェクトを構築するのに必要な時間は、３Ｄオブジェクトに層を付加する速度、並びに、例えば、ＵＶ放射線を使用した樹脂硬化時間、材料自体に依存する層への固体材料付加速度、硬化剤の強度、及び３Ｄオブジェクト詳細の所望分解能のような他のパラメータを含む様々なパラメータに依存する。

本開示の目的は、書き込みヘッドの速度制限及び異なる他の技術にもかかわらず、高速な３Ｄオブジェクト製造をサポートする装置及び方法を与えることにある。

用語集

付加型製造：付加型製造とは、デジタルモデルから実質的に任意の形状の３次元固体オブジェクトを作るプロセスである。

書き込み：所定体積の固体状態材料を、材料供給又は堆積、材料押し出し、スパッタリング、ドリッピング（これらはすべて材料供給の特殊なケースである）、粒状材料結合、電子ビーム直接製造及び樹脂硬化のような技術により生成する任意のアクション。

硬化又は固化放射線：本開示で使用されるように、硬化又は固化放射線は、硬化樹脂用レーザー源及びレンズ、熱源、ＵＶ源、マイクロ波源、電子ビーム源、及び堆積／供給材料を固化する他の源を含む。

３Ｄオブジェクト（オブジェクト、３次元オブジェクト、固体オブジェクトともいう）：本開示に使用されるように、付加型製造デバイスを使用して構成される一体の材料を意味する。

書き込みヘッド又は材料供給ヘッド（ヘッドともいう）：例えば一のノズル又は複数のノズルのような書き込み要素を包含し、書き込みヘッドの書き込み機能をサポートする装置における部品。書き込みヘッド又は材料供給ヘッドは、３Ｄオブジェクトへと付加される書き込み単位長さ当たりの材料の量が一定である固定書き込み速度を有し得る。書き込みヘッドは、３Ｄオブジェクトへと付加される書き込み単位長さ当たりの材料の量が可変である可変書き込み速度を有し得る。

セグメント：一つの書き込み又は材料供給ヘッドによる書き込みのために割り当てられた３Ｄオブジェクトの層の連続部分。

セグメント群（群ともいう）：少なくとも一つのセグメントの群。当該群内のすべてのセグメントは、同じ３Ｄオブジェクトに属し、同じ書き込みヘッド又は材料供給ヘッドにより書き込まれる。

類似：２つの値は、一方の値と他方の値とが１００％を超えて異なるわけではない場合に類似する。

硬化（硬化可能、固化ともいう）：加熱、冷却、化学反応及び放射線暴露のような非固体材料が固体になる任意のプロセス。

軌道：軌道、レール、ねじ、経路、バー、手すり及び棒のような任意の進行案内オブジェクト。

層：材料堆積平面に平行な平面において書き込みヘッドの一回の通過により書き込まれた３Ｄオブジェクトの厚さ部分。層は、層の平面において書き込まれた一セットのセグメントから構成される。

国際公開第２０１３／１６３５８５（Ａ１）号 米国特許第４，０６６，０２０号明細書 米国特許第６，６７６，８７８（Ｂ２）号明細書 米国特許第８，１２４，１９２（Ｂ２）号明細書

本開示の目的は、書き込み又は材料供給ヘッドの速度制限及び異なる他の技術にもかかわらず、高速な３Ｄオブジェクト製造をサポートする装置及び方法を与えることにある。

開示されるのは、多重の独立駆動書き込みヘッドを含む付加型製造装置である。典型的に、書き込みヘッドは、３Ｄオブジェクトの同じ又は異なる層を書き込むべく同時かつ独立に利用される。その結果、層を書き込む時間が、類似のスループットでの単一の書き込みヘッドによりかかる時間よりも短くなる。装置の構成は、多重の書き込みヘッドの空間的取り扱いをサポートする。本開示はまた、多重の書き込みヘッドの典型的には同時の動作を計画かつ制御するべく、かかる装置に実装される方法を与える。方法はまた、多重の書き込みヘッドのいくつかのみが、所与の時間に３Ｄオブジェクトに書き込む状況を与える。

装置及び方法は、以下の図を参照して良好に理解される。
最新式付加型製造装置の一例の簡単な例示である。 ２つの部分的に結合された書き込みヘッドを実証する装置の一例である。 ２つの非結合書き込みヘッドの一例を実証する装置の一例である。 ２つの書き込みヘッドが部分的に結合された書き込みヘッドであり、２つの書き込みヘッドが非結合の書き込みヘッドである４つの書き込みヘッドを含む装置の一例である。 材料層が存在する平面に直交するＺ軸方向に可動な書き込みヘッドを例示する装置の一例である。 材料層が存在する平面に直交するＺ軸方向に可動な書き込みヘッドを有する装置の一例である。 材料層が存在する平面に直交するＺ軸方向に可動な書き込みヘッドを有する装置の一例である。 材料層が存在する平面に直交するＺ軸方向に可動な書き込みヘッドを利用する装置のための書き込み計画の一例である。 ２つのセグメント群に分割された層輪郭の一例である。 図６のセグメントの第１書き込み位置にある本開示に係る装置の一例である。 図６のセグメントの第２書き込み位置にある本開示に係る装置の一例である。 図６のセグメントの第３書き込み位置にある本開示に係る装置の一例である。 ３つのセグメントに分割された層輪郭の一例である。 図７のセグメントの第１書き込み位置にある本開示の装置の一例である。 ５つのセグメントに分割された層輪郭の一例である。 図８のセグメントの第１書き込み位置にある本開示に係る装置の一例である。 異なるセグメントの出会い箇所の側面図の一例である。 異なるセグメントの出会い箇所の側面図の他例である。 異なるセグメントの出会い箇所の側面図の他例である。

本開示は、付加型製造プロセスの一例として材料供給又は書き込みヘッドを使用する。なお、これは、例として作られただけであり、この特定の手法に本開示の範囲を限定するわけではない。本開示は、樹脂硬化、３Ｄオブジェクトのボトムアップ構築及びトップダウン構築技術、３Ｄオブジェクトの上に配置された書き込みヘッド又は３Ｄオブジェクトの下に配置された書き込みヘッド、材料供給又は堆積、材料押し出し、スパッタリング、ドリッピング（これらは材料供給の特殊なケースである）、粒状材料結合、電子ビーム直接製造、堆積／供給材料の固化、材料固化、ノズル又はオリフィスによる供給、スパッタリングされた材料、及び樹脂硬化のような技術により所定体積の固体状態材料を生成する任意の他のアクションのような他の技術を使用する場合に類似する。

ここで図１を参照すると、業界で現在知られている付加型製造デバイス１００の典型的なレイアウトの上面図が表される。基準座標系は、参照番号１９０によって示される。

書き込みヘッド１２４が、キャリッジ１１６を含む駆動機構に取り付けられる。キャリッジ１１６には書き込みヘッド１２４が接続される。キャリッジ１１６は、軌道１１４に沿って摺動するべく構成される。駆動機構はまた、キャリッジ１０４に取り付けられてねじ１１８を駆動するモータ１２０も含む。ねじ１１８は、キャリッジ１１６に接続されたナット１２２を動かすべく構成される。モータ１２０がアクティブになると、ねじ１１８を回転させてキャリッジ１１６と、キャリッジ１１６に関連付けられた組み付け体とを軌道１１４沿いに動かす。コンピュータ１８０は、モータ１２０を制御することにより、書き込みヘッド１２４を軌道１１４に沿ってＹ軸方向に、異なる速度及び精度で動かす指令を発することができる。

書き込みヘッド１２４の駆動機構はまた、Ｘ軸方向に可動なキャリッジ１０４を有する軌道１０２も含む。ナット１０８がキャリッジ１０４に接続され、ねじ１１０により駆動され得る。ねじ１１０は、コンピュータ１８０により制御されてヘッド１２４をＸ軸方向に動かすべく構成されたモータ１１２に接続される。

装置の他例において、番号１０８及び１１０は非拘束型線形アクチュエータを示す。ここで、１０８はモータであり、ねじ１１０が、固定要素１１２又は任意の他の線形アクチュエータに締結される。他の周知の線形動アクチュエータを用いて、書き込み又は材料供給ヘッド１２４を動かすことができる。

動きコントローラ及びモータドライバを介するのが典型的なコンピュータ１８０の接続部は、業界周知の技術であるため、図面を簡潔にするべく図示しない。コンピュータ１８０はまた、少なくとも一つの進行軌跡と、例えばヘッド１２４のような少なくとも一つの材料供給又は書き込みヘッドの少なくとも一つの材料供給機能とを計画（又は生成）及び制御するべく構成される。

プレート１３０は、構成中の３Ｄオブジェクト１３２を支持する。プレート１３０は、製造対象の３Ｄオブジェクトに対する一つの支持平面を与え得る。ただし、製造対象の３Ｄオブジェクトの異なる部分を支持するべく、多重の起伏付き支持平面を与えてもよい。プレート１３０は、当該プレートの平面に直交するＺ軸方向に動くことにより、異なる層が、書き込み要素からＺ方向の適切な距離に配置されて書き込まれるようにできる。第１層１２６は、プレート１３０に接触する最下層である。この例において、層１２８は、３Ｄオブジェクト書き込みプロセスにおける６番目（第６）層であり、現在のところ３Ｄオブジェクトの最上層であり、現在のところ書き込み中である。図１において、書き込みヘッド１２４は、層１２８及び他の層を、装置１００にとって典型的な書き込みレートで書き込む。装置１００によって層１２８を完成する時間がＴ（６）として示される。単一の書き込みヘッドを使用して層ｉを完成する時間がＴ（ｉ）として示される。

本開示に係る装置の一例が図２に示される。図２は、層を書き込んで少なくとも一つの３Ｄオブジェクトを構成又は構築するべく構成された２つの材料供給又は書き込みヘッドと、各材料供給又は書き込みヘッドを、３Ｄオブジェクトの支持体１３０に対して動かすべく構成された駆動機構とを含む装置２００を示す。装置２００は、書き込み層１２８の一フェーズにあるところを示す（他の層に対する記載も同様である）。書き込みヘッド２２４を担持する組み付け体が、第２書き込みヘッドを装置に与えるべく付加される。ナット２０８が、ナット１０８と同じねじ１１０に組み付けられるので、双方の書き込みヘッド１２４及び２２４が、ねじ１１０によってＸ軸に沿って動くことができる一方、書き込みヘッド１２４及び２２４間のＸ軸方向距離は固定される。書き込みヘッド１２４及び２２４はそれぞれ、互いに独立にＹ軸に沿って動くこともできる。駆動機構はまた、材料供給／書き込み機能の少なくとも一部に対し、２つの材料供給／書き込みヘッド１２４及び２２４を同時に動かすべく構成される。

この配列により、書き込みヘッド１２４及び２２４は、層１２８（又は任意の他の層）の別個のセグメントの少なくとも一部を同時に書き込む（この例においては材料を供給する）ことができる。セグメント群及びその書き込みヘッド１２４及び２２４への割り当てを適切に設計することにより、各書き込みヘッドを、層１２８（又は任意の他の層）のセグメント長さ全体の類似部分の長さを書き込むべく割り当て又は配分することができる。したがって、類似のスループットの２つの書き込みヘッドを使用して層１２８を完成する時間を、一つの書き込みヘッドを使用して層１２８を完成するのに必要な時間の半分Ｔ（６）／２まで低減することができる。層セグメントを２つの書き込みヘッド間で共有する適切な設計は、書き込み予定の３Ｄオブジェクトのサイズに対する当該書き込みヘッド間のＸ軸方向に沿った距離に依存する。例えばナット２０８を参照して示されるような機構により、Ｘ軸方向に沿った書き込みヘッド間の距離が調整される。図２Ａにおいてナット２０８は、軌道１０２方向でもあるＸ軸方向から観察されるように示される。ナット２０８は、上半分２０８Ａ及び下半分２０８Ｂに分割される。双方の部分は、図２Ａにおいて、ねじ１１０を閉じるように接続される。ねじ１１０が静止したままの場合、ナット２０８は動かず、ナット２０８に接続されたキャリッジ２０４も動かない。図２Ｂにおいて、ナット２０８の２つの部分が、部分２０８Ａを上にかつ部分２０８Ｂを下に動かすことにより分離される。ここでキャリッジ２０４がねじ１１０から解放されるので、製造対象の３Ｄオブジェクトの寸法に応じて書き込みヘッド１２４及び２２４間のＸ方向（軌道１０２方向）距離を調整するべく、キャリッジ２０４を軌道１０２に沿って動かすことができる。典型的には、当該距離は、３ＤオブジェクトのＸ軸方向寸法の約半分へと調整される。その後、ナットの部分２０８Ａ及び２０８Ｂは、図２Ａに示されるように閉じられ、書き込みヘッド１２４及び２２４間の距離が設定される。

いくつかの例において、書き込みヘッド１２４の組み付け体に関連付けられた要素（例えばキャリッジ１１６、ナット１２２及び書き込みヘッド１２４）が、書き込みヘッド２２４の組み付け体に関連付けられた要素（例えばキャリッジ２１６、ナット２２２及び書き込みヘッド２２４）と衝突することのないように、ナット１０８及び２０８間の最小距離を設定する制限デバイスを構成することが望まれる。これは、例えば、ねじ１１０が挿入される制限管（図示しない）によって行い得る。当該管は、ナット１０８及び２０８間のねじ上に配置することができ、書き込みヘッド１２４及び２２４間の距離の調整中にナット１０８及び２０８が互いに近くなりすぎることを防止する長さとし得る。かかる最小距離制限デバイス／管を使用して、書き込みヘッド１２４及び２２４は、生じ得る衝突から保護することができる。

書き込みヘッド１２４及び２２４のＸ軸方向結合により、当該書き込みヘッドの移動速度に一定の制限が課され、いくつかの場合、当該書き込みヘッドそれぞれは、自身のセグメントに対して同じ速度で動くことができない。かかる場合の一例は、書き込みヘッド１２４がＹ軸方向のセグメントの一区画を書き込んでいるのと同時に、書き込みヘッド２２４はＸ軸方向のセグメントの一区画に面している場合である。書き込みヘッド１２４及び２２４がＸ軸方向に結合されるので、書き込みヘッド２２４は、書き込みヘッド１２４がその対応するＹ軸方向のセグメント区画を完成するまで、そのＸ軸方向セグメントの区画に沿って動くことができない。この制限を克服するべく、書き込みヘッド２２４による材料供給を、書き込みヘッド１２４がＸ軸方向に動く準備ができるまで保留にすることができる。これは、２つの書き込みヘッド１２４及び２２４の少なくとも一方に対して可変書き込み速度を使用することにより実装することができる（例えば、書き込み単位長さ当たりに３Ｄオブジェクトに付加される材料の量を可変にすることができる）。代替的に、書き込み軌跡及びセグメントの計画は、所与の時間で書き込まれるべき区画同士が互いに直交する状況を最小限にするようにして行うこともできる。これは、一方の材料供給ヘッドが、他方の書き込みヘッドがその直交方向材料押し出しを完了するまで、一つの方向の材料押し出しを停止しなければならない状況を回避するのに役立つ。

さらなる例において、２つの書き込みヘッド間の、Ｘ軸方向の結合を解除又は低減することができる。

装置の一例において、書き込み又は材料供給ヘッドの少なくとも一方の書き込み速度（例えば、材料押し出し法における材料押し出しレート、又は樹脂硬化法における硬化放射線強度）を調整するべく、可変書き込み速度の書き込みヘッドを使用することができる。

書き込みの計画は、所与の時間で書き込まれるべき区画同士が互いに直交する状況を最小限にすることが目的とされ、２つの書き込みヘッドからの高い平均書き込み速度を達成することにより層ｉの書き込み時間をできるだけ低減してＴ（ｉ）未満にするべく使用することもできる。

なお、３Ｄオブジェクト層、例えば層６の書き込みを共有してＴ（６）／２にするべく、２つを超える書き込みヘッドを軌道１０２に組み付けることもできる。書き込み時間は、Ｔ（６）／ｎまで低減することができる。ここで、ｎは、搭載された書き込みヘッドの数である。セグメント群を、異なるセグメント群の書き込み完了時間が類似するように計画することにより、層の書き込み時間を最小にすることができる。

図２に示される単一の軌道及び単一のねじの同じ構造を使用して書き込みヘッド１２４及び２２４を非結合にすることは、非拘束型線形アクチュエータを使用することにより行うことができる。例えば、モータ１１２を取り外してねじ１１０を、回転しないように固定することができる。ナット１０８及び２０８は、非拘束型線形アクチュエータに置換することができる。それぞれの非拘束型線形アクチュエータは、他方から独立したコンピュータ１８０によって制御される。したがって、コンピュータ１０８は、Ｘ軸方向に沿った書き込みヘッド１２４及び２２４間の距離を、書き込みプロセス中又は任意の他の時間中に制御して変更することができる。なお、Ｘ軸方向に沿った書き込みヘッド１２４及び２２４の独立した動きを得るべく、ねじ１１０をラック及びピニオンのシステムに置換することのような他のソリューションも使用することができる。モータが、キャリッジ１０４及び２０４に取り付けられてヘッド１２４及び２２４を、Ｘ軸方向に沿ったガイド上を独立的に駆動かつ移動させる。他例において、一つの部品が軌道及びラックの双方を構成することにより、軌道とは別個のねじ１１０又はラックのような付加部品が存在しないように、ラックを軌道１０２の一体部品とすることができる。

図３は、２つの書き込みヘッド１２４及び２２４が結合されておらず、かつ、各書き込みヘッドが他方から独立して任意方向に可動な（当該書き込みヘッドと装置の他の部分との衝突が回避される限りにおいて）装置の一例である。

書き込みヘッド２２４の組み付け体は、別個の駆動機構を有するにもかかわらず、書き込みヘッド１２４と同じ軌道１０２に取り付けることができる。この例において、キャリッジ２０４は、ブリッジ２０４を介してナット３０８に接続される。ナット３０８は、モータ３１２により駆動されるねじ３１０に結合される。

この配列により書き込みヘッド１２４及び２２４は、相互間距離が、装置の特定の設計と２つの書き込みヘッドの特定の相対位置とに依存して最小距離を上回る限り、ｘｙ平面において独立して動くことができる。この配列によればまた、２つの書き込みヘッドは、互いに直交するセグメントの区画を、各書き込みヘッドが十分な書き込み速度で書き込むことができる。これにより層ｉの書き込み計画に大きな柔軟性が得られるので、図２の例と比べ、Ｔ（ｉ）／２に近い短い書き込み時間が達成される。

図３の例において、書き込み又は材料供給ヘッド２２４は、キャリッジ２１６の左側に組み付けられるので、図２の例よりも密接な書き込みヘッド間距離がサポートされ、層の書き込み計画において良好な書き込み時間最適化もサポートされる。ヘッド２２４はまた、キャリッジ２１６の右側に組み付けることもできる。かかる考慮は、付加型書き込みヘッドが装置に加えられる場合に変更され得る。

図４は、４つの書き込みヘッドを有する装置の一例である。図４は、図３の例のように非結合にされた２つの書き込みヘッド（１２４及び２２４）（この例において書き込みヘッド２２４はキャリッジ２１６の右側に組み付けられる）と、図２の例に示されるのと同様にねじ４１０を介して結合された２つの書き込みヘッド（４２０及び４２１）とを表す。本例において、書き込みヘッド１２４及び２２４はそれぞれ互いの書き込みヘッドから独立して可動であり、書き込みヘッド２２４及び２２５は、書き込みヘッド１２４及び２２４から独立して可動である。書き込みヘッド２２４及び２２５は、Ｙ軸方向において互いに独立して可動な一方、Ｘ軸方向においてはねじ４１０を介して結合される。

なお、図４の例は、装置の実装の柔軟性を強調するべく与えられ、任意数の書き込みヘッドを結合又は非結合で実装可能である。例えば、一つのねじ４１０を使用して書き込み又は材料供給ヘッド４２４及び４２５を付加する代わりに、これらの書き込みヘッドの組み付けは、書き込みヘッド１２４及び２２４に類似する二重ねじ組み付け体を使用して行うことができる。その結果、４つの書き込みヘッドのそれぞれが他の３つの書き込みヘッドから独立して可能となる実装が与えられる。本開示は、これらの特定の実装のいずれにも、この例における書き込みヘッドの数にも限られない。

図５、５Ａ及び５Ｂの例において、少なくとも一つの書き込みヘッドは、Ｚ軸方向に動く能力を有する。この例は、図３の装置を参照して記載される。ただし、これは図３の装置に限られず、本明細書に示される例のいずれにも十分に適用可能である。図５Ａ及び５Ｂを参照して詳述されるように、書き込みヘッド１２４はＺ軸方向に可動である。図５Ａにおいて、キャリッジ１１６、及び駆動ねじ１１８の断面とともに、軌道１１４の断面が示される。書き込みヘッド１２４が、スライダ５１０を介してキャリッジ１１６に接続され、モータ５２０は、コンピュータ１８０により制御されるとともに、スライダ５１０をＺ軸方向（座標系１９０ａ参照）に動かし、ひいては書き込みヘッド１２４をＺ軸方向に動かすべく構成される。

この配列により、図５の装置は、一を超える層を一度に書き込むべく使用することができる。図５の例において、４つの層が、すでに書き込まれて示される。第１層は参照番号１２６によって示される。この例において、層１２７の約半分（破線で示される左側）が、書き込みヘッド２２４によって書き込み完了している。書き込みヘッド２２４が層１２７を書き込んでいる間、一つの層のＺ軸方向距離に位置決めされた書き込みヘッド１２４が、書き込みヘッド２２４により書き込まれた層の上方において、すでに書き込まれた層１２７の頂部に層１２８を書き込んでいる。図５Ｂは、図５Ａの書き込みヘッド１２４の位置に対し、Ｚ軸に沿った他の位置にある書き込みヘッド１２４の一例を示す。

なお、書き込みヘッド間の層の（Ｚ軸方向の）分離は、一つの層に限られない。書き込みヘッド間の任意のＺ方向分離距離を使用することができる。

図５Ｃに示される例において、ピーク５３０及び５４０を有する二重ピークの３Ｄオブジェクトが示される。２つの非接続層セグメント５６０及び５７０に分離される前の最後の層が層５５０である。層５５０の書き込みに引き続き、書き込みヘッド１２４は、例えば層５６０により開始する左ピーク５３０の層を書き込むことに割り当てることができる。ピーク５３０の書き込みは、長い長さの少ない層のピーク５４０と比べ、短い長さの多くの層を特徴とする。同時に、書き込みヘッド２２４は、少数の長い輪郭から構成されるピーク５４０を書く（この例においては材料を供給する）ように割り当てることができる。書き込みヘッド１２４がその各層を、Ｚ方向の移動能力ゆえに書き込みヘッド２２４よりも短時間に完成させるので、書き込みヘッド１２４が、Ｚ方向沿いの高いところに存在する層まで可動な一方、書き込みヘッド２２４は依然として、Ｚ方向に沿いの低い高さにある層の書き込みに従事する。書き込みプロセス中、時間が経過すると、書き込みヘッド１２４及び書き込みヘッド２２４間のＺ軸方向の離間距離が、多重の層の厚さとなる。書き込みヘッド２２４が長い輪郭に割り当てられた書き込みを完了するのを、書き込みヘッド１２４が待つ必要がないことから、全体的な書き込み時間が短縮化される。

２つを超える書き込みヘッドにより、多数の層間差異設定を、様々な書き込みヘッド間で使用することができる。

本装置の多重の書き込みヘッドは、３Ｄオブジェクトの書き込み時間を低減するべく動作可能である。３Ｄオブジェクトの書き込み時間を最小限にするべく、異なるセグメントの様々な時間での書き込みをスケジューリングする様々な方法を、本装置とともに機能するように実装することができる。考慮点は、層形状、層長さ、機械的制約、及び本開示により構成される任意の特定装置の性能特徴を含み得る。かかる方法の例を以下に述べる。

図６を参照する。これは、本開示に係る装置の一例であり、２つの書き込みヘッドを有する本装置により書き込みシーケンスを設計する一例を与える。かかる書き込み又は材料堆積の計画の説明は、本説明で書き込まれるすべてのセグメントが同じ層に属する一つの層を参照する。装置の線図は、図６において、図面の明確さを維持するべく省略され、図１〜５Ｃのものに類似する輪郭のみが示される（図５の輪郭１２６）。他の図において、図１〜５Ｃの装置サンプルの部分的な要素が、説明の明確のため必要とされる可能な変更とともに、明確さを目的として付加され得る。

図６において、層６００が２つのセグメント群に分割され、一方の群がセグメント６０２を含み、他方の群がセグメント６０４を含む。Ｙ軸に平行な分割線６０６によりなされる分割が、セグメント６０２の長さがセグメント６０４の長さに類似するようになる箇所に存在する。一つが参照番号６０８によって示される矢印が、特定のセグメント上の書き込みヘッドの動き方向を指し示す。この例において、書き込み計画は、少なくとも２つの書き込みヘッドの材料供給開始点が、類似する方向（この例においてはＸ軸方向）に沿って分離され、中間材料供給点が、他の方向（この例においてはＹ方向）に分離されるように行われる。

図６Ａは、書き込み層６００の開始点の一例を示す。書き込みヘッド１２４はセグメント６０２の開始点に位置決めされ、書き込みヘッド２２４はセグメント６０４の開始点に位置決めされる。双方の書き込みヘッドは、矢印により示される方向への対応セグメントの書き込みを開始することができる。

典型的に、双方の書き込みヘッドは、同じ時刻に始動するが、これは装置を制限しない。いくつかの場合、機械的制約又は他の考慮点が、書き込み時間に影響し得る。一方の書き込みヘッドは、所定の時刻ｔ_１にその開始位置に入り、適切な時刻ｔ_２に書き込みを開始する。他方の書き込みヘッドは、時刻ｔ_３にその開始位置に入り、時刻ｔ_４に書き込みを開始する。ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４間で任意の関係を計画することができる。例えば、ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４、ｔ_１＝ｔ_２＜ｔ_３＜ｔ_４、ｔ_１＜ｔ_２＝ｔ_３＜ｔ_４、ｔ_１＝ｔ_２＜ｔ_３＝ｔ_４、ｔ_１＝ｔ_２＞ｔ_３＝ｔ_４、又はｔ_１＜ｔ_２＞ｔ_３＝ｔ_４となる。

図６Ａの例において、書き込みヘッド１２４は、ｔ_１においてセグメント６０２の開始点に位置決めされ、ｔ_２においてセグメント６０２の書き込みを、セグメント６０２の矢印の方向に開始する。書き込みヘッド２２４は、ｔ_３においてセグメント６０４の開始点に位置決めされ、ｔ_４においてセグメント６０４の書き込みを、セグメント６０４の矢印の方向に開始する。この例において、時刻は、ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４となるように選択されている。したがって、書き込みヘッド１２４及び２２４は、同じ速度で書き込みかつセグメントが類似の長さであるとの仮定のもと、セグメント６０２及び６０４の書き込みを同時に開始し、図６Ｂに示されるように、類似の時刻において、セグメントの半分が完成する点に到達する。図６Ｃに示されるように、各書き込みヘッドは、その対応セグメントを、他方の書き込みヘッドと類似の時刻に完成させる。図６Ｃにおいて、書き込みヘッド１２４は、書き込みヘッド２２４の開始点において書き込みを完成させ、書き込みヘッド２２４は、書き込みヘッド１２４の開始点において書き込みを終了している。この例において、書き込みヘッド１２４及び２２４の軌跡は、２つの書き込みヘッド間の衝突を防止するべく計画される。Ｘ方向の分離が小さい場合（図６Ａ）に当該書き込みヘッド間のＹ軸方向沿いの分離から開始し、その後、書き込みヘッドがＸ方向に沿って離れるように動くにつれて、図６Ｂに示されるようにＹ方向に自由に動くことができる。Ｙ方向に沿った分離は、２つの書き込みヘッドがＸ方向に沿って再び近くなるとき、図６Ｃにおいて再び計画される。

この例において、記載の書き込みヘッド１２４及び２２４による層６００の書き込み時間は、一つの書き込みヘッドによる層６００の書き込みにかかる時間の約半分となる。

なお、付加型書き込みヘッドを使用することにより、図４に記載された４つの書き込みヘッドに対する一つのかかる例は、層６００の書き込み時間をさらに低減し得る。

またもなお、セグメント６０２及び６０４の開始点は、線６０６に沿って示される図６の例と同じＸ座標にある必要はない。開始点及びセグメントの計画は、可能な制約及び特定の装置実装を満たすべく異なり得る。かかる例が図７に示される。

望ましいのは、書き込みヘッド１２４及び２２４が、層６００を書き込む時点で互いから類似の（又は少なくとも十分な）Ｘ軸方向距離を維持するように書き込みシーケンスを計画することである。この要件をサポートするべく、層６００は、２つのセグメント群に分割することができる。各群は特定の書き込みヘッドに割り当てられる。書き込みヘッド１２４は、動きをＶ字部分７０２ａから開始してＶ字部分７０４ａで終了するセグメント７０２の群に割り当てられる。書き込みヘッド２２４は、セグメント７０４（Ｖ字部分４０４ａから開始してＶ字部分７０６ａで終了）、及びセグメント７０６（Ｖ字部分４０６ａから開始してＶ字部分７０２ａで終了）の２つのセグメントを含む群に割り当てられる。

書き込みヘッド１２４及び２２４の最初の書き込み位置が図７Ａに例示される。開始時において、書き込みヘッド１２４はＶ字部分７０２ａの箇所に位置決めされ、書き込みヘッド２２４はＶ字部分７０６ａの箇所に位置決めされる。このように書き込みヘッド１２４及び２２４は、Ｘ軸方向に沿った３Ｄオブジェクト寸法の約半分に分離される。層６００の書き込みが開始すると、書き込みヘッド１２４はセグメント７０２の矢印方向に書き込み、書き込みヘッド２２４はセグメント７０６の矢印方向に書き込む。書き込みヘッド２２４がセグメント７０６の端（Ｖ字部分７０２ａ箇所付近）に到達すると、書き込みヘッド１２４は、セグメント７０２上の箇所７０２ｂに到達する。書き込みヘッド２２４は、書き込み速度よりも高速でセグメント７０４の開始点、すなわちＶ字部分７０４ａの点まで動き得る。この時間、書き込みヘッド１２４が、点７０２ｂを超えるまでセグメント７０２を書き込み続け、又は書き込みヘッド２２４が点７０２ａから点７０４ａへの動きを完了するのを待つ。全体的な書き込み速度を考慮すれば、書き込みヘッド１２４がこの時間、書き込み続ける方が好ましい。機械的構造のようないくつかの他の制約によれば、待つ方が提案され得る。この時間内に、書き込みヘッド１２４は点７０２ｂから点７０４ａまでセグメント７０２を書き込み、書き込みヘッド２２４は点７０４ａから点７０６ａまでセグメント７０４を書き込む。

なお、層６００の書き込みプロセス中、書き込みヘッド１２４及び２２４は、Ｘ軸方向に沿って十分に分離されている。

層の最小書き込み時間の最適化において、セグメントはまた、書き込みヘッド１２４によるセグメント７０２の書き込み時間が、書き込みヘッド２２４がセグメント７０６を書き込み、セグメント７０４の開始点まで移動し、及びセグメント７０４を書き込むのに必要な時間と等しく又は近似的に等しくなるように設計される。

なお、上記方法は、２つを超える書き込みヘッドによって使用可能であり、（本装置の特定の実装の制約を考慮に入れて）時間のみに対して最適化し、又は書き込みヘッドを（図７を参照して記載される）層書き込み時間内に一般にできる限り分離しておく一般的アプローチを含む時間に対して最適化し得る。

図８は、３つの書き込みヘッドを有する装置において本方法の実装を利用する書き込みシーケンス計画の一例である。この例において、層のセグメント群及び材料供給シーケンスの決定は、３つの材料供給又は書き込みヘッドを、各材料供給ヘッドによる少なくとも一つのセグメントの材料供給中にそれぞれが一つの方向に沿って隣接材料供給ヘッドから類似の距離に維持するようになされる。

図８において、層６００は２つのセグメント群に分離され、各群は、図８Ａにおいて１２４、２２４及び８２４として示される３つの書き込みヘッドの一つに割り当てられる。セグメント８０２を含む群は、書き込みヘッド１２４により書き込まれるように割り当てられる。セグメント８０４及び８１０を含む群は、書き込みヘッド８２４に書き込まれるように割り当てられる。セグメント８０６及び８０８を含む群は、書き込みヘッド２２４により書き込まれるように割り当てられる。図７及び７Ａを参照して説明したように、書き込みシーケンスの最適化は、時間の最小化と、書き込みプロセス中に３つの書き込みヘッドを互いから一定距離に維持することとの双方を目的としてなされる。３つのセグメント群それぞれの全体長さは類似する。例えば、セグメント８０４及び８１０の長さの合計は、セグメント８０６及び８０８の長さの合計に類似する。書き込みを開始するべく、３つの書き込みヘッドそれぞれが、対応セグメント群のセグメント開始点に位置決めされる。

書き込みヘッド２２４は、セグメント８０８の開始点、すなわち一般に層６００の最も右側部分にである点８０８ａに位置決めされる。

一例において、３つの書き込みヘッド間の衝突を防止して書き込み時間を低減することの計画では、書き込みヘッド８２４が、セグメント８１０の開始点、すなわち、層６００の最も右側部分の左において一般に層６００のＸ軸方向寸法の約１／３となるＸ軸沿いの距離の点８１０ａに位置決めされる。

書き込みヘッド１２４は、セグメント８０２の開始点、すなわち、層６００の最も右側部分の左において一般に層６００のＸ軸方向寸法の約２／３となるＸ軸方向沿いの距離の点８０２ａに位置決めされる。

このように、それぞれ２つの書き込みヘッド間の空間は類似する。

３つの書き込みヘッドはここで、材料の書き込み又は堆積を開始することができる。各一つは、書き込みヘッド２２４が点８１０ａに到達し、書き込みヘッド８２４が点８０２ａに到達し、及び書き込みヘッド１２４が点８０２ｂに近づくまで、関連セグメントにある。この段階で、書き込みヘッド２２４は、対応群の第２セグメント８０６を書き込むべく、点８１０ａから点８０６ａまで速いペースで動く。書き込みヘッド１２４は、対応群の第２セグメント８０４を書き込むべく、点８０２ａから点８０４ａまで速いペースで動く。この時点まで、セグメントの長さが適切に最適化されていれば、書き込みヘッド１２４が点８０２ｂに到達し、３つの書き込みヘッドはすでに書き込み又は材料堆積を続けている。書き込みヘッド２２４はセグメント８０６を書き込み続け、書き込みヘッド８２４はセグメント８０４を書き込み続け、及び書き込みヘッド１２４はセグメント８０２を完成する。

上述したように、層６００を書き込むのにかかる最小時間のためのこの最適化において、当該最適化は、書き込みヘッド２２４がセグメント８０８を書き込んでセグメント８０６の開始点まで動き、その後セグメント８０６を書き込む時間が、書き込みヘッド８２４がセグメント８１０を書き込んでセグメント８０４の開始点まで動き、その後セグメント８０４を書き込む時間に類似するように行われる。当該時間はまた、書き込みヘッド１２４がセグメント８０２を書き込むのにかかる時間にも類似する。また、この例が実証する書き込みシーケンスは、当該書き込みプロセス中に、書き込みヘッド同士を互いから一定距離に維持する。

なお、上記例のすべてにおいて、一つを超える３Ｄオブジェクトを一定時間に書き込むべく多重の書き込みヘッド装置を使用することができる。これは、異なる３Ｄオブジェクトのセグメントを、当該時間の少なくとも一部の間、異なる書き込みヘッドに割り当てることによる。

なお、上記例のいずれかにおいて、一つの書き込みヘッドによる材料堆積を中断する一方で他の材料堆積又は書き込みヘッドが材料の堆積又は書き込みをし続けることも、書き込みヘッド間の衝突を回避することを可能とし得る。

またもなお、上記例のいずれにおいても、一つの材料堆積又は書き込みヘッドを３Ｄオブジェクト領域から退避させる一方、他の材料堆積書き込みヘッドに書き込みを続けさせることができる。これは、書き込みヘッド間の衝突を回避するべく使用され得る。

しかしながら、材料堆積の例の説明は、例示によってなされるだけであり、本開示の範囲をこの手法に限定するわけではない。本開示は、以下のような他の技術において類似する。すなわち、樹脂硬化と、３Ｄオブジェクトのボトムアップ構築及びトップダウン構築技術と、３Ｄオブジェクトの上方に配置される書き込みヘッド又は３Ｄオブジェクトの下方若しくは側方に配置される書き込みヘッドと、材料供給又は堆積、材料押し出し、スパッタリング、ドリッピング（これらはすべて材料供給の特殊なケースである）、粒状材料の結合、電子ビーム直接製造及び樹脂硬化のような技術により所定体積の固体状態材料を生成する任意の他のアクションとのような技術である。

図９は、異なるセグメントが出会う領域における６層の３Ｄオブジェクトの一部の側面図の一例である。この領域においてプレート１３０と接触する層は、１２のセグメントを含む。これはセグメント９０１ａ及び９０１ｂを含む。２つのセグメント９０１ａ及び９０１ｂが出会う箇所は９０１ｃとして示される。２つのセグメント９０２ａ及び９０２ｂが出会う箇所は９０２ｃとして示され、以下、２つのセグメント９０６ａ及び９０６ｂが出会う箇所が９０６ｃとして示されるまで同様である。ここで座標系１９０は、Ｘ方向及びＺ方向を示す。

層のセグメント群を計画する間にわたり、隣接セグメントの出会い箇所は、互いに対して当該層に沿ってシフトされる。その結果、セグメントが出会う箇所が連続曲線上に存在して３Ｄオブジェクトの輪郭に構造上の弱点が導入されることが回避される。これによれば、出会い箇所９０２ｃが出会い箇所９０１ｃに対してシフトされ、出会い箇所９０３ｃが出会い箇所９０２ｃに対してシフトされ、及び出会い箇所９０４ｃが出会い箇所９０３ｃにシフトされ、以下同様とされる。隣接する層の出会い箇所は、当該層に沿った固定又は可変距離だけ分離可能である。層のセグメントの隣接端は、例えば図９に示されるように、当該層に沿って配置されるように計画され得る。

出会い箇所における２つの隣接セグメント間のギャップは、出会い箇所９０１ｃから９０４ｃまでの例に示されるようにゼロよりも大きい。異なるセグメントは実際には、９０５ｃ及び９０６ｃに示されるように互いに接触し又は強固に接触する。異なるセグメント間のギャップは、出会い点９０３ｃに対する９０４ｃに示されるように可変であり得る。

この構造を特徴付けるのは、各層の出会い点付近におけるセグメント断面特徴が、当該出会い点からさらに離れたセグメント部分の断面特徴に類似し、実際のところ、当該セグメント全体のセグメント断面特徴に類似することである。セグメントの断面特徴は、当該セグメントの一端から他端まで類似する。

図９Ａの例において、異なる層セグメントの出会い領域における界面の計画は、セグメント９１１ａ（当該図には存在せず）の断面特徴が当該セグメントに沿って変化するように行われる。左部分では所定の高さを有し、区画９１１ｃに近づくとセグメントの高さが低くなる。この界面計画において、低くされた高さは、セグメント９１１ａと同様に右部分に類似の所定高さを有するセグメント９１１ｂによって完成される。区画９１１ｄにおいて、セグメントの高さは低くなり、部分９１１ｃ及び９１１ｄが一緒になって、区画９１１ｂの右部分及び区画９１１ａの左側に類似の断面を有する結合区画をもたらすように、９１１ｄが９１１ｃの上に書き込まれる。このように、結合された２つのセグメントにより、出会い領域（９１１ｃ及び９１１ｄが一緒に存在する領域）から離れた各セグメントの所定高さに類似する高さが得られる。９１１ａ及び９１１ｃの結合断面は、界面範囲から外のセグメントの断面に類似する。セグメントの低い高さは、セグメントの単位長さ当たり可変量の材料を供給し、ひいては可変厚さのセグメントを書き込むような可変書き込み速度を有する書き込みヘッドにより与えることができる。

セグメント９１２ａ及び９１２ｂに対して示されるように、セグメント同士が重なる出会い領域は、一つの層における層輪郭に沿って他の層に対する他の箇所へとシフトさせることができる。

セグメント９１５ａ及び９１５ｂに対して示されるように、当該セグメントが重なる出会い領域において、セグメントの鉛直方向の順番が逆転され得る。上述の層において、右セグメントは左セグメントの頂部に載置される。９１５ａ及び９１５ｂのセグメント例において、左セグメントは右セグメントの頂部に載置される。

図９Ｂは、セグメント断面特徴（図示せず）が、当該セグメントに沿って類似のままとなる一例を示す。ただし、２つのセグメントの出会い領域において、一つのセグメントの失われた高さが、重なる層の高さによって補完される。これにより、挟み込み出会い区画を有する種類の層が形成される。一例において、セグメント９２１ｂが最初に書き込まれ、その後セグメント９２２ｂが、その一部分である９２２ｃがセグメント９２１ｂの層レベルに存在し他の部分がセグメント９２１ｂの頂部に存在するように書き込まれる。その後、セグメント９２１ａが、その一部分がセグメント９２１ｂと同じ高さとなるように書き込まれ、その端部分である９２１ｃが９２２ｃの頂部に書き込まれる。このプロセスは、図９Ｂに示されるような挟み込み出会い箇所の構造をもたらすべく、セグメントの残りについて続けられる。また、この例では、一つの層からのセグメントの、隣接層からのセグメントとの出会い領域において、各セグメント箇所は、他のセグメントの層に変化する。

なお、本開示に記載される書き込み技術は、例としてのみ与えられ、方法及び装置の範囲を制限しない。書き込み技術は、任意の付加型製造法からなり得る。これは、樹脂硬化用のレーザー源及びレンズ、熱源、ＵＶ源、マイクロ波源、材料堆積と組み合わせられた電子ビーム源、及び堆積／供給材料を固化するべく構成された他の源、材料固化、材料の供給又はスパッタリング用のノズル又はオリフィスに限られない。書き込み要素は、書き込み単位長さ当たり３Ｄオブジェクトに付加される材料の量が一定となる固定書き込み速度とし得る。書き込み要素は、書き込み単位長さ当たり３Ｄオブジェクトに付加される材料の量が可変となる可変書き込み速度とし得る。

Claims (13)

1. 付加型製造の装置であって、
   材料を堆積させて３Ｄオブジェクトの少なくとも一つの、別個のセグメントを含む材料層を形成するべく構成された少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドと、
   構成される３Ｄオブジェクトの少なくとも一つの材料層を支持するべく構成された支持体に対し、前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドを動かすべく構成された駆動機構と
   を含み、
   前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドの第１材料供給ヘッド及び第２材料供給ヘッドがそれぞれ、一定の高さを有する材料層の長さに沿って延びる第１セグメント及び第２セグメントを形成するべく構成され、
   前記第１材料供給ヘッド及び前記第２材料供給ヘッドは、前記第１セグメントと前記第２セグメントとが互いに重なる出会い領域において、前記第１セグメント及び前記第２セグメントそれぞれを形成するための材料供給を、各セグメントの高さが前記長さに沿って連続的に変化するように調整するべく構成される装置。
2. 前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドは、材料を堆積して同じ３Ｄオブジェクトの同じ層を形成する請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドは、材料を堆積して同じ３Ｄオブジェクトの少なくとも２つの異なる層を形成する請求項１に記載の装置。
4. 同じ３Ｄオブジェクトを支持するべく構成された支持体は、同じ３Ｄオブジェクトを支持する単一レベルの支持平面及び多重レベルの支持平面からなる支持平面群の少なくとも一つである請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドの駆動機構は、軌道を含んで前記２つの独立駆動材料供給ヘッドを同時に動かすべく構成される請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも２つの独立駆動材料供給書き込みヘッドを動かすべく構成された駆動機構は、前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドのそれぞれを独立して駆動するねじ及びナット、ラック及びピニオン、並びにモータ式ピニオンからなる機構群の一つである請求項１に記載の装置。
7. 前記独立駆動材料供給ヘッドの２つは、互いから一定距離にある軌道に沿って配置され、
   前記２つの独立駆動材料供給ヘッド間の前記軌道に沿った距離は調整可能である請求項１に記載の装置。
8. 前記２つの独立駆動材料供給ヘッド間の最小距離を設定かつ維持するべく構成された機構をさらに含む請求項１に記載の装置。
9. 少なくとも一つの材料固化放射線源をさらに含み、
   前記材料固化放射線源は、紫外放射線源、赤外放射線源及び熱源からなる材料固化源群の一つである請求項１に記載の装置。
10. 前記材料供給は、前記材料供給の速度及び量を可変にすることによって調整される請求項１に記載の装置。
11. 前記出会い領域において、前記第１セグメントの高さと前記第２セグメントの高さとが補完し合うことによって前記一定の高さが維持される請求項１に記載の装置。
12. 付加型製造の装置であって、
    材料を堆積させて同じ３Ｄオブジェクトの少なくとも一つの層を形成するべく構成された少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドと、
    構成される３Ｄオブジェクトの少なくとも一つの層を支持するべく構成された支持体に対し、前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドを動かすべく構成された駆動機構と、
    前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドのそれぞれの、少なくとも一つの供給ヘッド進行軌跡、及び材料供給機能を、生成及び制御するべく構成されたコンピュータと
    を含み、
    前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドは、同じ層の別個のセグメントの少なくとも一部に材料を供給するべく構成され、
    前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドは、前記別個のセグメントを形成するための材料供給の速度及び量を可変にすることによって、前記別個のセグメントの出会い領域を形成するべく構成される装置。
13. 付加型製造の装置であって、
    材料を堆積させて同じ３Ｄオブジェクトの少なくとも一つの層を形成するべく構成された少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドと、
    構成される３Ｄオブジェクトの少なくとも一つの材料層を支持するべく構成された支持体に対し、前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドを動かすべく構成された駆動機構と、
    前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドのそれぞれの、少なくとも一つの供給ヘッド進行軌跡、及び材料供給機能を、生成及び制御するべく構成されたコンピュータと
    を含み、
    前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドは、同じ層の別個のセグメントの少なくとも一部に材料を供給するべく構成され、
    前記同じ層の別個のセグメントの少なくとも２つが、その２つのセグメントの出会い領域を有し、
    前記少なくとも２つの独立駆動材料供給ヘッドが、前記別個のセグメントを形成するための材料供給の速度及び量を可変にすることによって、前記出会い領域において、前記少なくとも２つの一方のセグメントの高さと他方のセグメントの高さとが補完し合って前記同じ層の高さが維持される装置。

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