JP6630853B2 - ３ｄ印刷における微細構造の形成 - Google Patents

Description

付加製造プロセスは、デジタルモデルからパターン化された材料の層単位での堆積および結合をもたらすことにより、３次元（３Ｄ）オブジェクトを製造することができる。３Ｄ印刷においては、例えば、材料の連続する層のデジタル的にパターン化された各部分は、溶融、焼結、押し出し、および照射などを含むプロセスを介して、融合、結合、または固化により、一緒に接合することができる。こうしたシステムによって製造されるオブジェクトの品質、強度、および機能性は、使用される付加製造技術の種類に応じて変化しうる。

以下では例について、添付図面を参照して説明する。添付図面において：

図１は、３Ｄオブジェクトを印刷する場合に３Ｄ微細構造を形成するに適した例示的な３次元（３Ｄ）印刷システムの斜視図を示しており；

図２は、３Ｄオブジェクトが印刷中である例示的な３次元（３Ｄ）印刷システムの上部からの平面図を示しており；

図３は、３Ｄオブジェクト上に微細構造を生成するために３Ｄ印刷において使用するのに適切な幾つかの例示的なミクロパターンを示しており；

図４は、図３のラインミクロパターン１５２ａのようなミクロパターンに対する融合エネルギーの適用から得られうる微細構造の例を示しており；

図５、６および７は、３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷する例示的な方法を示すフロー図である。

全図面を通して、同一の参照番号は、必ずしも同一という訳ではないが、類似の要素を指している。

３次元（３Ｄ）印刷の幾つかの例において、３Ｄオブジェクトは３Ｄ印刷システム（すなわち３Ｄプリンタ）において、パウダー状のナイロンまたはポリアミドの層のような、構築材料の層を堆積し、処理することによって製造可能である。構築材料（すなわちパウダー）の層の各々は、システムの作業空間内部において、印刷プラットフォーム上で堆積および処理することができる。追加のパウダー層が堆積され処理されるにつれて、作業空間の高さを増大させるため、印刷プラットフォームは垂直方向下方へと移動させることができる。処理には、パウダーを一緒に融合させるべき区域における、パウダー層上への融合剤の選択的な適用を含むことができる。例えば融合剤は、３Ｄのデジタルモデルに従って、印刷されている３Ｄオブジェクトの断面領域をカバーするように適用することができる。融合剤はパウダーの外側表面を覆い、パウダー層の内部へと浸透することができる。処理にはまた、可視光放射線および／または赤外（ＩＲ）放射線のような融合エネルギーに対するパウダーの曝露を含むことができる。パウダー上に堆積された融合剤は放射線を吸収し、それを熱エネルギーへと変換することができる。熱エネルギーは、パウダーのうち融合剤が適用された区域を融合（すなわち溶融および凝集）させることができる。このプロセスは作業空間内へと堆積されるパウダー層の各々について、断面領域のそれぞれが一緒に融合されて３Ｄオブジェクトを形成するまで繰り返すことができる。

幾つかの例では、このような付加３Ｄ印刷プロセスによって、着色されたオブジェクトを生成することができる。色の輝度および鮮やかさといった、３Ｄオブジェクト上で生成される色の品質は、部分的には、オブジェクトの白色度に依存しうる。オブジェクトをより白く作成することができれば、オブジェクトに適用される色は観測者に対してより明るくより鮮やかに表れる。従って幾つかの例では、着色されたオブジェクトを製造することは、仕上がったオブジェクトが光をより効果的に散乱することを可能にする増白剤を、印刷時に添加することを含みうる。これは例えば、ＴｉＯ_２のような光散乱材料をパウダーに混合することによって、または光散乱材料を融合剤やインクと混合してパウダー上に噴射することによって実行可能である。光散乱材料はより白いオブジェクトを製造するのに役立ちうるが、それらは場合によっては、オブジェクト（例えばプラスチック材料）の材料全体に分散されたような場合に、オブジェクトの機械的特性に対して負の影響を有しうる。加えて、光散乱剤を融合剤やインク中に分配すると、水分の負荷が増大する結果となり、それがオブジェクトの融合を妨げうる。

幾つかの例では、より白い３Ｄオブジェクトを製造することは、オブジェクトを完全に融合することに代えて、オブジェクトを焼結することを包含しうる。本願で使用するところでは、焼結とは、パウダー状構築材料の粒子のような粒状物を、熱および／または圧力の適用を通じて、粒子の完全な溶融を行うことなしに一緒に結合するプロセスを指している。対照的に、本願で使用するところでは、融合とは、こうしたパウダー状の粒子が完全に溶融され次いで固化されるプロセスを指している。幾つかの例では、焼結は、パウダー上により少ない量の融合剤または希釈された融合剤を堆積し、その後より低い融合エネルギーを適用することによって達成できる。焼結領域は、オブジェクトの融合コアを取り囲む薄いシェルであることができ、または焼結領域は、オブジェクト内部に向けてより深く浸透し、オブジェクト内の多数の層にわたって延びることができる。

焼結された（すなわち溶融されていない）粒子は改善された光散乱効果を有することから、オブジェクトを焼結することは、オブジェクト全体にわたって均一で白色の外観を生成するのに役立ちうる。しかしながら、焼結がより白いオブジェクトを生成するのに役立つといっても、融合エネルギーおよび／または融合剤の適用における変動のような、焼結プロセスにおける変動は、場合によっては、３Ｄオブジェクトの品質を低下させる、一貫性のない結果を導く可能性がある。例えば、幾つかの場合には、焼結に際して融合エネルギー量が不注意で増大すると、粒子が完全に溶融（すなわち融合）する可能性があり、光散乱効果の劣化に起因して、得られるオブジェクトの色が暗くなってしまう。逆に、融合エネルギー量が低減した場合には、粒子の接合が不十分となる可能性があり、オブジェクトの予定された取り扱いまたは使用に耐えるためには、オブジェクトの機械的構造が弱くなりすぎる可能性がある。

従って、本願で記載する幾つかの例では、３Ｄオブジェクトを印刷することは、粒子の溶融のために色域を犠牲にしたり機械的強度に大きな影響を与えたりすることなく、均一で改善された表面色をもたらすために、オブジェクトの表面にわたって意図的（計画的）な３Ｄ微細構造を形成することを含みうる。パウダー状の構築材料（例えば、パウダー状ポリマー）の上に融合剤を意図的なミクロ（微視的）パターンで堆積させ、続いて融合イベントをもたらすと、一貫性があり強く融合した意図的な微細構造が生成可能である一方で、微細構造のギャップ（間隙）内部に、焼結粒子の意図的な領域が同時に生成される。融合した微細構造のギャップ内部の焼結粒子の区域は、散乱されて観測者に戻る光を増大させ、これによってオブジェクトはより白く、より明るく表れるようになる。融合された微細構造は、焼結したパウダーや着色剤を微細構造のギャップ内に捕捉し保持するのに役立ち、このことは、焼結された粒子の白色の背景に対して、オブジェクトの色がより明るくより鮮やかに表れるようにする。

幾つかの例では、こうした３Ｄ微細構造はまた、３Ｄオブジェクトの印刷に際してオブジェクト内部に形成し分布させることができ、それによって微細構造は、オブジェクトの複数の内部層上に存在するようになる。オブジェクト内部に形成された微細構造は、オブジェクトの色特性を向上させることに加えて、オブジェクトに対して堅牢な機械的強度および性能を提供する。例えば、オブジェクトの幾つかの内部層にわたって微細構造を形成すると、オブジェクトの内部および外側表面に対して著しい色の改善をもたらすことができ、またオブジェクトに高度の機械的強度を生じさせることができる。完全に融合／溶融したオブジェクトコアの形成に関連して、オブジェクトの幾つかの外側層に微細構造を形成すると、完全に融合したオブジェクトの機械的強度並びに改善された色特性を有するオブジェクトを得ることができる。

本願で使用するところでは、用語「ミクロパターン」は、より大きなマクロ（巨視的）パターン内で生成された小さなパターンを指すことを意図している。用語「マクロパターン」は、印刷中の３Ｄオブジェクトの断面スライスを規定または境界付ける、より大きなパターンを指すことを意図している。ミクロパターンは、マクロパターンの境界内でパウダー状の構築材料上に液体融合剤を付着させることによって生成可能である。マクロパターン、すなわち印刷中の３Ｄオブジェクトの断面スライスは、印刷される３Ｄオブジェクトを表す３Ｄオブジェクトモデルデータから導出される。

具体的な例では、３次元（３Ｄ）オブジェクトの印刷方法は、３Ｄオブジェクトのモデルを表すオブジェクトデータを受け取り、オブジェクトデータを修正してパターン化オブジェクトデータを生成することを含んでいる。パターン化オブジェクトデータは、ミクロパターンを含む３Ｄオブジェクトモデルを表している。パターン化オブジェクトデータを使用して、印刷中の３Ｄオブジェクトの断面を含むマクロパターン内で、構築材料の層上に液体融合剤を付着させるように３Ｄプリンタを制御するための、印刷データが生成される。液体融合剤を付着させると、液体融合剤を有する剤区域と、液体融合剤を有しないギャップ区域とからなるミクロパターンが形成される。この方法は、剤区域を同時に融合させるように赤外放射線を適用する一方で、ギャップ区域を焼結させることによって、３Ｄ微細構造を形成することを含んでいる。

別の例では、非一時的な機械読み取り可能媒体が命令を記憶しており、この命令は３次元（３Ｄ）プリンタのプロセッサによって実行されると、３Ｄプリンタに、パウダー層を印刷プラットフォーム上に堆積させ、そしてこのパウダー層上に、融合可能区域の間にあって融合剤が堆積されていない焼結可能区域によって分離された、融合剤が堆積された融合可能区域を含むミクロパターンを形成するようにさせる。３Ｄプリンタはパウダー層を赤外放射線に曝露して、融合可能区域を融合させると同時に、焼結可能区域を焼結して微細構造とする。

別の例では、３Ｄオブジェクトの印刷方法は、構築パウダーの層を印刷プラットフォーム上に適用し、印刷すべき３Ｄオブジェクトの断面を規定しているマクロパターン内にあるパウダー上に、液体剤のミクロパターンを付着させることを含んでいる。この方法は、パウダーに対して融合エネルギーを適用することにより、ミクロパターンから微細構造を形成することを含んでいる。微細構造は、融合区域と、融合区域の間にある焼結区域とを含んでいる。

図１は、本願で記載する例に従って３Ｄオブジェクトを印刷する場合に、３Ｄ微細構造を形成するのに適した例示的な３次元（３Ｄ）印刷システム１００の斜視図を示している。この例示的な印刷システム１００は可動の印刷プラットフォーム１０２、または構築プラットフォーム１０２を含んでおり、これは３Ｄオブジェクト（図１には示していない）を印刷可能な作業空間１０４の床面として役立つことができる。作業空間１０４は、印刷プラットフォーム１０２の周りに、固定壁１０５（前壁１０５ａ、側壁１０５ｂ、後壁１０５ｃ、側壁１０５ｄとして示されている）を含むことができる。固定壁１０５およびプラットフォーム１０２は、３Ｄオブジェクトの印刷中に作業空間１０４内へと層ごとに堆積された、ある容積のパウダー状構築材料を収容可能である。この説明の目的上、そしてまた３Ｄ印刷システム１００の異なる要素および機能を例示するのを助けるために、作業空間１０４の前壁１０５ａは透明であるものとして示されている。印刷の間に、作業空間１０４内にある構築容積は、融合剤で処理され融合エネルギー（例えば放射線）が適用されたパウダーによって形成される、３Ｄオブジェクトの全部または一部を含むことができる。構築容積はまた、作業空間１０４内で３Ｄオブジェクトを取り囲みまた支持する、処理されていないパウダーを含むことができる。

印刷プラットフォーム１０２は、それぞれ上向きの矢印１０６と下向きの矢印１０８によって示された、上方および下方の向きにおいて、作業空間１０４内部を移動可能である。３Ｄオブジェクトの印刷が開始されると、パウダー状構築材料の第１の層がプラットフォーム１０２上に堆積され処理されるに際して、印刷プラットフォーム１０２は作業空間１０４の一番上に向けて、上方位置に配置することができる。パウダーの第１の層が処理された後に、プラットフォーム１０２は、パウダー状構築材料の付加的な層がプラットフォーム１０２上に堆積され処理されるにつれて、下方の向きに移動可能である。

例示的な３Ｄ印刷システム１００は、ある供給量のパウダー状構築材料１１０、すなわちパウダーを含んでいる。本願で代替的に「パウダー」と呼ばれる構築材料は、３Ｄオブジェクトの製造に適した種々の材料から作成されたパウダー状の材料を含むことができる。こうしたパウダー状材料には、例えば、ポリマー、ガラス、セラミック（例えば、アルミナＡｌ_２Ｏ_３）、ヒドロキシアパタイト、金属、およびその他が含まれうる。印刷システム１００は供給部１１０から作業空間１０４へと、散布機１１２を使用してパウダーを供給可能であり、印刷プラットフォーム１０２上へと、および／または先に堆積された他のパウダー層上へと、パウダーを層状に制御可能に散布する。散布機１１２は例えば、ローラー、ブレード、または別の種類の材料散布装置を含むことができる。

この例示的な３Ｄ印刷システム１００はまた、液体剤分配器１１４を含んでいる。他の種類の液体剤分配器も使用可能であるが、本願で図示し説明する例示的な分配器１１４は、サーマルインクジェットプリントヘッドまたは圧電（ピエゾ）プリントヘッドのようなプリントヘッド１１４または複数のプリントヘッドを含んでいる。例示的なプリントヘッド１１４は、印刷プラットフォーム１０２上に散布されたパウダー層の上に融合剤その他の液体を選択的に分配するのに適した、液体噴射ノズルのアレイを有するドロップオンデマンド式のプリントヘッドを含んでいる。幾つかの例では、プリントヘッド１１４は、作業空間１０４の奥行き１１６にわたって広がることを可能にする長さ寸法を有している。かくしてプリントヘッド１１４は、融合剤、着色剤その他の液体の液滴を作業空間１０４内のパウダー層の上に適用するに際して、作業空間１０４の幅１１８にわたってページ幅アレイ構成で走査を行うことが可能である。

図１は、プリントヘッド１１４の例示的な走査移動を示している（方向矢印１２０によって示されている）。走査中のプリントヘッドは破線のプリントヘッド表示１２２によって例示されており、作業空間１０４にあるパウダー層（図示せず）の上に液滴１２４を吐出しながら、作業空間１０４を横切って走査しているのが示されている。図１の例には示されていないが、印刷の間には、プリントヘッド１１４が作業空間上を走査し融合剤または他の液体の液滴１２４を吐出するにつれて、３Ｄオブジェクトの一部が作業空間１０４内に存在するようになる。

プリントヘッド１１４から吐出するのに適した融合剤の例には、放射線吸収剤を含む水系分散液が含まれる。放射線吸収剤は、赤外（ＩＲ）放射線吸収剤、近赤外放射線吸収剤、または可視光線吸収剤であることができる。幾つかの例では、融合剤はインク型の処方であることができ、カーボンブラックを放射線吸収剤として含む。幾つかの例では、融合剤は、ＩＲスペクトルのエネルギーは吸収するが可視光スペクトルのエネルギーは反射する、インクまたは他の液体であることができる。染料系および顔料系の着色されたインクは、可視光線吸収剤を含むインクの例である。

図１に示されているように、例示的な３Ｄ印刷システム１００はまた、放射線源１２６のような融合エネルギー源を含んでいる。放射線源１２６は、例えばＩＲ、近ＩＲ、ＵＶ、または可視光を放射する硬化ランプとして、または発光ダイオード（ＬＥＤ）として、あるいは特定の波長を有するレーザーとしてなど、種々の方法で実施可能である。放射線源１２６は部分的には、印刷プロセスで使用されている融合剤および／またはパウダーの種類に依存しうる。放射線源１２６は、キャリッジ（図示せず）に取り付け可能であり、また固定式であっても、作業空間１０４を横断して走査されてもよい。放射線源１２６は放射線Ｒを作業空間１０４にあるパウダー層に適用して、パウダーの加熱および溶融を促進することができる。幾つかの例では、融合剤１２４はプリントヘッド１１４によってパウダー層へと選択的に適用可能であり、放射線Ｒの吸収を増大させて、吸収した放射線を熱エネルギーへと変換するのを助ける。融合剤がパウダーに適用されている区域では、吸収された放射線はパウダーを十分に加熱して、パウダーの融合を生じさせることができる。以下でより詳しく説明するように、パウダーに融合剤が適用されていない区域では、融合区域からの熱の拡散によって、パウダーの焼結が生じうる。

例示的な３Ｄ印刷システム１００は付加的に、例示的なコントローラ１２８を含んでいる。コントローラ１２８は、作業空間１０４内へのパウダーの散布、パウダーの各部に対する融合剤１２４の選択的な適用、および放射線Ｒに対するパウダーの曝露といった、３Ｄオブジェクトの印刷を促進するための、上記で全般的な説明を行った印刷システム１００の種々の動作を制御することができる。加えて、以下でより詳細に説明するように、コントローラ１２８は３Ｄ印刷システム１００を制御して、３Ｄオブジェクトの表面上および３Ｄオブジェクトの内部に微細構造を形成し、オブジェクトの色および機能的性質に対する改善された制御をもたらすことができる。

図１に示すように、例示的なコントローラ１２８は、プロセッサ（ＣＰＵ）１３０およびメモリ１３２を含むことができる。コントローラ１２８は付加的に、３Ｄ印刷システム１００の種々の構成部品と通信し制御を行うための他のエレクトロニクス（図示せず）を含んでよい。そうした他のエレクトロニクスには例えば、ディスクリートな電子部品および／またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）が含まれうる。メモリ１３２は、揮発性メモリ部品（すなわちＲＡＭ）および不揮発性メモリ部品（例えばＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フラッシュメモリ、その他）の両方を含むことができる。メモリ１３２の部品は、非一時的な機械読み取り可能な（例えばコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な）媒体を含んでおり、これは機械読み取り可能なコード化されたプログラム命令、データ構造、プログラム命令モジュール、ＪＤＦ（ジョブディフィニションフォーマット）、および３Ｄ印刷システム１００のプロセッサ１３０によって実行可能な他のデータおよび／または命令の記憶を提供することのできる媒体である。

メモリ１３２に記憶される実行可能な命令の例には、構築モジュール１３４およびミクロパターン堆積モジュール１３６に関連する命令が含まれ、これに対して記憶されるデータの例には、オブジェクトデータ１３８およびパターン化オブジェクトデータ１４０が含まれうる。一般に、モジュール１３４および１３６には、３Ｄ印刷システム１００に作業空間１０４内での３Ｄオブジェクトの印刷に関連する動作を行わせる、プロセッサ１３０によって実行可能なプログラム命令が含まれており、これにはオブジェクトの表面層にわたり、またオブジェクトの内部層上に、改善された色特性および機械的特性をもたらすのを助ける種々のパターン化された３Ｄ微細構造を含む、３Ｄオブジェクトを印刷することが含まれる。こうした動作には例えば、図５、図６および図７のそれぞれに関して以下に説明する、方法５００、方法６００および方法７００の動作が含まれうる。

幾つかの例では、コントローラ１２８はオブジェクトデータ１３８を、コンピュータのようなホストシステムから受け取り可能である。オブジェクトデータ１３８は例えば、３Ｄ印刷システム１００上で製造すべき３Ｄオブジェクトモデルを規定しているオブジェクトファイルを表すことができる。オブジェクトデータ１３８は、３Ｄオブジェクトの強度特性および色特性に関する情報を含むことができるが、これらは以下に説明するように、微細構造をオブジェクト中へと、いつどのようにして取り入れるかを決定するために使用することができる。構築モジュール１３４からの命令を実行するプロセッサ１３０は、オブジェクトデータ１３８からの３Ｄオブジェクトモデルの断面スライスの各々について、印刷データを生成することができる。印刷データは例えば、３Ｄオブジェクトモデルの断面スライスの各々、各々の断面スライス内で構築パウダーを覆うために使用する液体剤、およびパウダーの各層を融合させるために融合エネルギーをどのようにして適用するかを規定することができる。プロセッサ１３０はこの印刷データを使用して印刷システム１００の各部品を制御し、パウダー層のそれぞれを処理する。かくしてオブジェクトデータは、散布機１１２による供給部１１０から印刷プラットフォーム１０２上への構築パウダーの分配、パウダーの各層上へのプリントヘッド１１４による融合剤の適用、パウダーの各層に対する放射線源１２６による放射線の適用、およびその他を制御するための、コマンドおよび／またはコマンドパラメータを生成するために使用可能である。

ミクロパターン堆積モジュール１３６は、３Ｄ印刷システム１００のプロセッサ１３０がオブジェクトデータ１３８を修正することができるようにするための、さらなる実行可能な命令を含んでいる。この命令はプロセッサが、例えばオブジェクトデータ内で規定されている色特性および強度特性に基づいて、オブジェクトデータ１３８をミクロパターンで修正すべきか、そしてどのように修正すべきかを決定できるようにする。例えば、大きな強度を有するように規定されているオブジェクトは、適度な色特性をもたらすが、オブジェクトのコアは全体的に完全に融合することが確実であるように、ミクロパターンで外側表面上を修正されてよいが、内部層は修正されない。より高度の色特性を有するように規定されたオブジェクトは、オブジェクトの外側および内側の両方の層がミクロパターンで修正されるように修正されてよい。同様に、オブジェクトデータ１３８内で規定された色特性および強度特性は、オブジェクトデータ１３８を修正するために使用されるミクロパターンの種類に関する決定を行わせることができる。例えば以下に記載するように、ミクロパターンの密度およびミクロパターン特徴（造作）の太さは、３Ｄオブジェクトの色および強度をより良く制御するために使用可能である。より高い強度のオブジェクトを要求しているオブジェクトデータ１３８は、近接して一緒に集められたより太い特徴を有する密なミクロパターンを含むような修正を生じさせてよく、より大きな強度特性がもたらされる。同様に、より大きな色特性を有するオブジェクトを求めるオブジェクトデータ１３８は、離間した細い特徴を有する密度の小さなミクロパターンを含むような修正を生じさせてよい。かくして、モジュール１３６からの命令は、オブジェクトデータ１３８からの３Ｄオブジェクトモデルを修正する制御を行うように実行可能であり、パターン化オブジェクトデータ１４０が生成される。パターン化オブジェクトデータ１４０はさらに、上記のように３Ｄオブジェクトモデルの断面スライスを規定するより大きなマクロパターン内に印刷される、ミクロパターンを含むように、３Ｄオブジェクトモデルを規定することができる。プロセッサ１３０はパターン化オブジェクトデータ１４０から生成された印刷データを使用して印刷システム１００を制御して、ミクロパターンを印刷することができ、また３Ｄオブジェクトの表面層上および内部層上に、微細構造を形成することができる。

図２は、３Ｄオブジェクトの印刷中における、例示的な３次元（３Ｄ）印刷システム１００の上部平面図を示している。図２に示されているように、システム１００の作業空間１０４内部において、構築パウダーの層１４２が印刷プラットフォーム１０２上に堆積されている。このパウダー層１４２は、３Ｄオブジェクトの外側表面層または３Ｄオブジェクトの内部層を形成するための層でありうる。パウダー層１４２上に形成されたマクロパターン１４４は、印刷中の３Ｄオブジェクトの断面スライスを規定する。図２の例では、マクロパターン１４４は、中央に円形孔１４６を有するスプロケットホイールの形状を表している。マクロパターン１４４内部にあり、マクロパターン１４４を境界付けているのは、パウダー層１４２上に付着された液体剤によって形成された、２つの例示的なミクロパターン（第１のミクロパターン１４８および第２のミクロパターン１５０として例示されている）である。幾つかの例では、マクロパターン１４４内部には単一のミクロパターンを形成可能であり、これに対して他の例では、複数のミクロパターンをマクロパターン１４４内部に形成することができる。融合されると、異なるミクロパターンは結果的に、３Ｄオブジェクト内部で種々の色特性および種々の機械的特性をもたらす微細構造を提供しうる。従って、オブジェクトの層の全体を通じて、マクロパターン１４４（すなわち断面スライス）内部に異なるミクロパターンを用いると、多様な色および機械的特性を有する３Ｄオブジェクトを生成することが可能になる。図２を参照すると、例えば、マクロパターン１４４内部に形成された第１のミクロパターン１４８は、強い色特性および中程度の強度を有する微細構造をもたらしうるのに対し、第２のミクロパターン１５０は、中程度の色特性および高い強度を有する微細構造をもたらしうる。

図３は、３Ｄ印刷システム１００について使用して３Ｄオブジェクト上に微細構造を生成するのに適した、幾つかの例示的なミクロパターン１５２（ミクロパターン１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃおよび１５２ｄとして例示されている）を示している。図３に示されたミクロパターン１５２は、例示を行うことを意図したものであり、３Ｄ印刷システム１００内で使用するのに適した他のミクロパターンに対して何らかの限定を行うことを意図したものではない。適切なミクロパターンには、線、点、正方形、三角形、および他の幾何学図形に基づいた異なる格子状パターンを含む、種々の幾何学的パターンが含まれうる。こうした格子状パターンでは、線や点のような幾何学的特徴は、パターン全体を通して規則的に間隔を置くことになる。幾つかの例では、ミクロパターンはオブジェクトの層の間で飛び越し配置（インタレース）されることができ、図４に示すようにオブジェクトの層の間で交互になった微細構造が生成される。

ミクロパターンは、液体融合剤を構築パウダーの層上へと制御可能に堆積することによって形成可能である。図３に示されたミクロパターン１５２および図２に示されたミクロパターン１４８および１５０について、液体融合剤は、ライン（線）１５４または大きなドット（点）１５６（すなわち液体剤の多数のピクセル）のような、色の濃い幾何学的特徴として表されている。かくしてミクロパターン１５２は、堆積された液体融合剤を有する剤区域１５４（剤区域１５４ａ、１５４ｂ、１５４ｃ、１５４ｄ）、および液体融合剤のないギャップ区域１５６（ギャップ区域１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ、１５６ｄとして示されている）を含んでいる。ミクロパターンに対して融合エネルギーを適用すると、融合した剤区域と、焼結したギャップ区域を含む微細構造が形成されうる。図４は、図３のミクロパターン１５２ａのようなラインミクロパターンに対して融合エネルギーを適用することの結果として得られる、微細構造１５８の例示的な断面図を示している。微細構造１５８は、層ｎ、層ｎ＋１、および層ｎ＋２として例示した幾つかの層上に形成されている。この例において、層ｎ＋２はオブジェクトの表面層を表すことができ、層ｎおよび層ｎ＋１は、この表面層の下側にある層を表すことができる。上記したように、微細構造１５８は、オブジェクトの各層の間で飛び越し配置された構造を含んでいる。微細構造１５８の融合区域１６０は、剤区域が十分な熱を発生して固体状に融合した表面を生成する個所に形成され、これに対して焼結区域１６２はギャップ区域において、剤区域からギャップ区域へと間接的に拡散される熱によって形成される。微細構造の融合区域１６０は、焼結されたパウダーおよび着色剤１６４をギャップ区域１６２内に捕捉し保持するのに役立つ。

一般に、意図的なミクロパターンを形成することは、３Ｄオブジェクトの表面上および／または内側層上に、融合領域および焼結領域を含む微細構造を生成することに対して、制御を行うことを可能にする。３Ｄオブジェクトの表面層およびその他の層上での融合領域および焼結領域の寸法や分布を制御すると、オブジェクトの色や強度を制御するための、より大きなプロセスウィンドウが可能になる。例えば、一緒に近接して詰め込まれた太い線や点のような、太い特徴を有する密なミクロパターンを生成すると、融合領域がより大きな面積で得られることになる結果、より大きな強度特性と、より小さな色特性とがもたらされうる。逆に、より離間された細い特徴を有する、より密でないミクロパターンは、融合領域がより少ない面積で得られることになる結果、より良好な色特性と、より小さな強度とがもたらされうる。図３を参照すると、例示的なミクロパターン１５２ａはラインパターンを含んでおり、そこでは融合剤が、液体融合剤を有しないギャップによって隔てられたラインとして堆積されている。ラインの太さ、つまりラインに適用された融合剤の密度、およびラインの間のギャップの寸法は、加熱工程において、固化した融合区域およびギャップにある焼結区域を生成するだけの十分な熱が生成されるかにも影響しうる。幾つかの例では、ラインは１／１２００”（０．０２１１６６７ｍｍ）から３／１２００”（０．０６３５ｍｍ）の間の太さを有することができ、また５／１２００”（０．１０５８３３ｍｍ）から１２／１２００”（０．２５４ｍｍ）の間の太さを有する、焼結パウダーが形成されるギャップによって隔てられている。同様に、図３のミクロパターン１５２ｂのようなドットミクロパターンにおいては、大きなドットは５／１２００”（０．１０５８３３ｍｍ）から８／１２００”（０．１６９３３３ｍｍ）の間の寸法を有することができ、そして８／１２００”（０．１６９３３３ｍｍ）から１６／１２００”（０．３３８６６７ｍｍ）の範囲内にあるギャップの間に等方的に離間されていることができる。ミクロパターンの特徴の寸法（すなわちラインやドットについての寸法）およびそれらの特徴の間にあるギャップについて、幾つかの例示的な寸法を提示してきたが、他の寸法や大きさも可能であり、本願において考慮されている。

図５、図６、および図７は、３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷するための例示的な方法５００、方法６００、および方法７００を示すフロー図である。方法５００、方法６００、および方法７００は、図１から図４に関して上記で説明した例と関連しており、方法５００、方法６００、および方法７００に示された動作の詳細は、それらの例に関連する説明において見出すことができる。方法５００、方法６００、および方法７００の動作は、図１に示したメモリ１３２のような、非一時的な機械読み取り可能（例えばコンピュータ／プロセッサ読み取り可能）な媒体に記憶される、プログラム命令として実施してよい。幾つかの例では、方法５００、方法６００、および方法７００の動作を実施することは、メモリ１３２に記憶されたプログラム命令を読み出して実行する、図１のプロセッサ１３０のようなプロセッサによって達成可能である。幾つかの例では、方法５００、方法６００、および方法７００の動作を実施することは、ＡＳＩＣおよび／または他のハードウェア部品を単独で、またはプロセッサ１３０によって実行可能なプログラム命令との組み合わせで使用して達成可能である。

方法５００、方法６００、および方法７００は、１つよりも多い実施形態を含んでよく、そして方法５００、方法６００、および方法７００の異なる実施形態は、図５、図６、および図７のそれぞれのフロー図において表された全部の動作を含むものでなくともよい。従って、方法５００、方法６００、および方法７００の動作は、それぞれのフロー図において特定の順序で表されているが、それらが表示された順序は、動作が実際に実施されてよい順序について、あるいは動作の全てが実施されてよいか否かについて、限定的であることを意図したものではない。例えば、方法５００の１つの実施形態は、冒頭の幾つかの動作を行うことを通じて、後続の１つまたはより多くの動作を行うことなしに達成されてよいが、その一方で方法５００の別の実施形態は、動作の全てを実行することを通じて達成されてよい。

さて図５のフロー図を参照すると、３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷するための例示的な方法５００は、ブロック５０２で示すように、３Ｄオブジェクトのモデルを表すオブジェクトデータを受け取ることから始まる。ブロック５０４で示すように、この方法は、オブジェクトデータを修正して、パターン化オブジェクトデータを生成することを含んでいる。オブジェクトデータの修正は、オブジェクトデータに意図的なミクロパターンを一体化させることを含むことができる。ブロック５０６に示されているように、パターン化オブジェクトデータからは、印刷される３Ｄオブジェクトの断面を含むマクロパターン内で、構築材料の層上に液体融合剤の意図的なミクロパターンを堆積するように、３Ｄプリンタを制御するための印刷データが生成される。この意図的なミクロパターンは、液体融合剤を有する剤区域と、液体融合剤のないギャップ区域とを含んでいる。ブロック５０８で示されているように、幾つかの例では、意図的なミクロパターンを堆積することは、赤外（ＩＲ）放射線吸収性融合剤を堆積することを含んでいる。意図的なミクロパターンを堆積することはまた、ブロック５１０において示すように、マクロパターン内の異なる区域において、構築材料の層上に、幾つかの異なるミクロパターンを堆積することを含むことができる。融合エネルギーを適用することは、ブロック５１２で示すように、ＩＲ放射線を適用して融合剤が構築材料を意図的なミクロパターンに従って加熱するようにする一方で、液体着色剤は加熱しないことを含んでいる。

ブロック５１４に示されるように、方法５００は、剤区域を同時に融合させながらギャップ区域を焼結させるために、融合エネルギーを適用することによって、意図的なミクロパターンに対応する意図的な微細構造を形成することを含んでいる。別の異なる例では、３Ｄオブジェクトの層上に意図的な微細構造を形成することは、３Ｄオブジェクトの表面層上、３Ｄオブジェクトの内部層上、および／またはこれらの組み合わせに微細構造を形成することを含むことができる。この方法はさらに、ブロック５１６で示されているように、マクロパターン内で、構築材料の層上に液体着色剤を堆積させることを含んでいる。ブロック５１８に示すように、微細構造を形成する場合に、液体着色剤はギャップ区域内に捕捉可能である。

次に図６を参照すると、３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷するための別の例示的な方法６００は、ブロック６０２で開始され、パウダー層が印刷プラットフォーム上へと堆積される。ブロック６０４で示されているように、この方法は、融合剤が堆積される融合可能区域を含む意図的なミクロパターンをパウダー層の上に形成することを含み、融合可能区域は、融合可能区域の間にあって融合剤が堆積されない焼結可能区域によって相互に分離されている。次いでパウダー層は、赤外放射線に曝露することができ、ブロック６０６に示されているように、融合可能区域を融合させると同時に焼結可能区域を焼結させて、意図的なミクロパターンに対応する意図的な微細構造とする。この方法はまた、ブロック６０８および６１０にそれぞれ示されているように、着色剤を堆積させながら融合剤を堆積させ、着色剤を焼結可能区域内に捕捉することをも含んでいる。

図７を参照すると、３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷するための別の例示的な方法７００は、ブロック７０２で開始され、構築パウダーの層が印刷プラットフォーム上に適用される。ブロック７０４に示されているように、この方法は、印刷される３Ｄオブジェクトの断面を規定するマクロパターン内で、パウダー上に液体融合剤の意図的なミクロパターンを堆積することを含んでいる。液体融合剤を堆積することは、ブロック７０６および７０８のそれぞれに示されているように、液体融合剤が堆積される液体融合剤区域を形成し、液体融合剤区域の間に、液体融合剤を欠いているギャップ区域を形成することを含んでいる。液体融合剤を堆積させることはまた、ブロック７１０に示されているように、赤外（ＩＲ）放射線吸収剤を堆積させることをも含んでいる。

この方法７００は、ブロック７１２に示すように継続可能であり、融合エネルギーをパウダーに適用することによって、意図的なミクロパターンから意図的な微細構造が形成される。この微細構造は、融合区域と、融合区域の間の焼結区域とを含んでいる。微細構造を形成することは、ブロック７１４で示されているように、融合区域と焼結区域が規則的なパターンで相互に均等に離隔されている格子状構造を形成することを含みうる。ブロック７１６に示されているように、融合エネルギーを適用することは、ＩＲ放射線を適用することを含むことができる。

この方法７００は、ブロック７１８で示すように継続可能であり、液体着色剤が断面内のパウダー上へと堆積され、そしてブロック７２０で示されているように、着色剤は焼結区域内に捕捉される。ブロック７２２に示されているように、液体融合剤および液体着色剤を堆積させることは、液体剤分配器を印刷プラットフォームで走査させ、そして同じ走査移動中に、液体剤分配器から液体融合剤および液体着色剤を堆積させることを含むことができる。

Claims (15)

1. ３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷する方法であって：
   ３Ｄオブジェクトのモデルを表すオブジェクトデータを受け取り；
   オブジェクトデータを修正してパターン化オブジェクトデータを生成し；
   パターン化オブジェクトデータから、印刷される３Ｄオブジェクトの断面を含むマクロパターン内で、構築材料の層上に液体融合剤の意図的なミクロパターンを堆積させるように３Ｄプリンタを制御するための印刷データを生成し、この意図的なミクロパターンが液体融合剤を有する剤区域と液体融合剤を有しないギャップ区域とを含み；そして
   剤区域を融合させると同時にギャップ区域を焼結させるよう融合エネルギーを適用することにより、意図的なミクロパターンに対応する意図的な微細構造を形成することを含む方法。
2. オブジェクトデータを修正することは、意図的なミクロパターンをオブジェクトデータと一体化させることを含む、請求項１の方法。
3. マクロパターン内で液体着色剤を構築材料の層上に堆積させ；そして
   微細構造の形成時にギャップ区域内に液体着色剤を捕捉することをさらに含む、請求項１または２の方法。
4. 液体融合剤の意図的なミクロパターンを堆積させることは、赤外（ＩＲ）放射線吸収融合剤を堆積させることを含み；そして
   融合エネルギーを適用することが、ＩＲ放射線を適用して意図的なミクロパターンに従って構築材料を加熱する一方で、液体着色剤は加熱しない、請求項３の方法。
5. 意図的なミクロパターンを堆積させることは、マクロパターン内の異なる区域において構築材料の層上に複数の異なるミクロパターンを堆積させることを含む、請求項１〜４のいずれか１項の方法。
6. 微細構造を形成することは、３Ｄオブジェクトの表面層、３Ｄオブジェクトの内部層、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される３Ｄオブジェクトの層上に微細構造を形成することを含む、請求項１〜５のいずれか１項の方法。
7. ３次元（３Ｄ）プリンタのプロセッサによって実行された場合に、３Ｄプリンタに：
   パウダー層を印刷プラットフォーム上に堆積させ；
   パウダー層上に、融合可能区域の間の融合剤が堆積されていない焼結可能区域によって分離され融合剤が堆積される融合可能区域を含む意図的なミクロパターンを形成させ；そして
   パウダー層を赤外放射線に曝露して融合可能区域を融合させると同時に焼結可能区域を焼結して微細構造とさせる
   命令を記憶している非一時的な機械読み取り可能な記憶媒体。
8. 意図的なミクロパターンを形成させることは融合剤を堆積させることを含み、命令がさらに、３Ｄプリンタに、融合剤の堆積中に着色剤を堆積させる、請求項７の記憶媒体。
9. パウダー層を赤外放射線に曝露させることは、着色剤を焼結可能区域内に捕捉することを含む、請求項８の記憶媒体。
10. ３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷する方法であって：
    構築パウダーの層を印刷プラットフォーム上に適用し；
    印刷される３Ｄオブジェクトの断面を規定するマクロパターン内で、液体融合剤の意図的なミクロパターンをパウダー上に堆積し；そして
    パウダーに融合エネルギーを適用することにより意図的なミクロパターンから微細構造を形成し、微細構造は融合区域および融合区域の間の焼結区域を含む、方法。
11. 液体融合剤の意図的なミクロパターンを堆積することは：
    液体融合剤が堆積される液体剤区域を形成し；そして
    液体剤区域の間に、液体融合剤を欠いているギャップ区域を形成することを含む、請求項１０の方法。
12. 液体融合剤を堆積することは、赤外（ＩＲ）放射線吸収剤を堆積することを含み；そして
    融合エネルギーを適用することはＩＲ放射線を適用することを含む、請求項１０または１１の方法。
13. 断面内でパウダー上に液体着色剤を堆積し；そして
    着色剤を焼結区域内に捕捉することをさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか１項の方法。
14. 液体融合剤および液体着色剤を堆積することは、液体剤分配器を印刷プラットフォーム上で走査し、同じ走査移動中に液体融合剤および液体着色剤を液体剤分配器から堆積することを含む、請求項１３の方法。
15. 微細構造を形成することは、融合区域と焼結区域が規則的なパターンで相互に均等に離隔されている格子状構造を形成することを含む、請求項１０〜１４のいずれか１項の方法。