JP6692279B2

JP6692279B2 - ３ｄプリンタ

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Publication number: JP6692279B2
Application number: JP2016226366A
Authority: JP
Inventors: ピーター・ジェイ・ニストロム; バリー・ピー・マンデル; ディヴィッド・エイ・マンテル
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Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: US10442174B2; JP2017105176A; US20170157843A1

Description

付加製造プロセス（例えば３Ｄ印刷、３Ｄ印刷された構造体の形成）は、例えば３Ｄプリンタを用いて、三次元物体を創出するために材料の連続層を堆積させることを含む。これらのプロセスは、物体を形成するためにフォトポリマーを堆積させるようにインクジェットプリントヘッドを用いて行われ得る。インクジェットプリントヘッドは、通常、ノズルプレート中のノズルを通して液体インクを吐出する。しかしながら、現在の大部分のプリントヘッドに関して、ノズルを通して吐出される材料の粘度は、１０〜２０センチポイズ（ｃＰ）以下でなければならない。付加製造方法、例えば熱溶解積層法（ＦＤＭ）および選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）は極めて粘稠な材料を使用できるが、これらの技術では、種々のマルチマテリアル複合体を印刷する能力、および複数の噴出された材料を用いて行うことができるように堆積された材料をインターミックスする能力が制限されている。従って、高粘度材料を用いてマルチマテリアルまたはマルチカラー複合体を創出できる付加製造プロセスが必要とされている。

以下には、本教示の１つ以上の実施形態の一部の態様を基本的に理解するために、簡略化した要約を提示する。この要約は、広範囲の概要ではなく、本教示の鍵もしくは重要な要素を同定することを意図するものでなく、本開示の範囲を表そうとするものでもない。むしろ、その主要な目的は、後に提示される詳細な説明の導入部として簡略化形態で１つ以上の概念を単に示すことである。

実施形態において、３Ｄプリンタは、プリントヘッド入口と、材料が吐出される複数のオリフィスと、吐出されるべき材料を保持するための少なくとも１つの材料チャンバと、材料チャンバをオリフィスに接続する複数のチャンネルと、オリフィスに入り、オリフィスからの材料の吐出を制御するように構成された複数の作動ピンを有するピン作動プリントヘッドとを含むことができる。プリントヘッドは、高温にて１０，０００センチポイズ（ｃＰ）以上の粘度を有する材料を吐出するように構成されてもよい。３Ｄプリンタはプリントヘッド入口と流体連通した材料送達システム出口と、フィラメントドライバと、フィラメントヒータを有する材料送達システムとをさらに含むことができる。

別の実施形態において、３Ｄ印刷された構造体を形成する方法は、固体フィラメントをフィラメントドライバに配置する工程を含むことができる。フィラメントドライバを用いて、固体フィラメントはヒータに移動され、固体フィラメントを液体材料に転化する。この方法は液体材料をプリントヘッド内の材料チャンバにプリントヘッド入口を通して導入する工程と、材料チャンバからある体積の液体材料をチャンネルを通してピンチャンバに注入する工程と、ならびにピンチャンバを通してピンを作動させ、ピンチャンバからオリフィスを通してある体積の液体材料の吐出を制御する工程とをさらに含むことができる。

本明細書の一部に組み込まれ、これらを構成する添付の図面は、本教示の実施形態を示し、説明と共に、本開示の原理を説明することに役立つ。

図１は、実施形態に従うピン作動プリントヘッドを示す。図２は、実施形態に従うピン作動プリントヘッドを示す。図３は、実施形態に従うピン作動プリントヘッドを示す。図４は、実施形態に従うアクチュエータモジュールを備えたピン作動プリントヘッドを示す。図５Ａは、実施形態に従うアクチュエータモジュールを示す。図５Ｂは、実施形態に従うアクチュエータモジュールを示す。図６は、実施形態に従うピン作動プリントヘッドアレイを示す。図７は、実施形態に従うアクチュエータモジュールを備えたピン作動プリントヘッドを示す。図８は、実施形態に従う材料吐出のモデルを示す。図９は、実施形態に従うピン作動プリントヘッドに材料を供給する材料供給デバイスを示す。図１０は、実施形態に従って印刷するための種々の方法を示す。図１１は、実施形態に従って印刷するための種々の方法を示す。図１２は、実施形態に従って印刷するための種々の方法を示す。

図の一部の詳細は簡略化されており、厳密な構造上の正確性、詳細およびスケールを維持するよりもむしろ本教示の理解を促すために描かれていることに留意すべきである。これらの図面／図は、例示であり、制限でないことが意図される。

ここで本開示の種々の実施形態を詳細に参照し、これらの例を添付の図面および図に示す。実施形態は、本明細書に開示される組成物、プロセスおよび装置をより完全に理解するために、以下で説明される。与えられるいずれかの例は、例示であり、制限でないことが意図される。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細がなくとも実施可能であることは当業者にとって明らかである。その他の場合に、周知の方法、手順、構成成分、回路およびネットワークは、実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように、詳細には記載されていない。

本明細書および特許請求の範囲全体を通して、以下の用語は、文脈上別段の明確な指示がない限り、本明細書において明示的に関連する意味をもつ。本明細書で使用される場合、「一部の実施形態において」および「実施形態において」という句は、それらが同じであってもよいが、同じ実施形態を指す必要はない。さらに、本明細書で使用される場合、「別の実施形態において」および「一部の他の実施形態において」という句は、それらが異なっていてもよいが、異なる実施形態を指す必要はない。以下に記載されるように、種々の実施形態は、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、容易に組み合わせられ得る。

本明細書で使用される場合、用語「または」は包括的な機能語であり、文脈上別段の明確な指示がない限り、用語「および／または」と等価である。用語「〜に基づく」は、排他的ではなく、文脈上別段の明確な指示がない限り記載されていない追加の因子に基づくことも可能である。本明細書において、「Ａ、ＢおよびＣの少なくとも１つ」の記載は、Ａ、ＢまたはＣを含有する実施形態、Ａ、ＢまたはＣの複数の例、あるいはＡ／Ｂ、Ａ／Ｃ、Ｂ／Ｃ、Ａ／Ｂ／Ｂ／Ｂ／Ｂ／Ｃ、Ａ／Ｂ／Ｃなどの組み合わせを含む。加えて、本明細書全体を通して、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」の意味は複数形を含む。「ｉｎ」の意味は「ｉｎ」および「ｏｎ」を含む。

用語第１、第２などが種々の要素を記載するために本明細書に使用され得るが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことも理解される。これらの用語は、一方の要素を別の要素と区別するためだけに使用される。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の物体または工程は、第２の物体または工程と名付けられることができ、同様に第２の物体または工程は、第１の物体または工程と名付けられることができる。第１の物体または工程および第２の物体または工程は、それぞれ両方とも物体または工程であるが、それらは同じ物体または工程と考えられるべきではない。用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用される場合、記述される特徴、整数、工程、操作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、操作、要素、構成要素および／またはこれらの群の存在または付加を排除しないことがさらに理解される。さらに、本明細書で使用される場合、用語「場合」は、文脈に依存して、「場合（ｗｈｅｎ）」または「際（ｕｐｏｎ）」または「決定に応答して（ｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）」または「検出に応答して（ｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｄｅｔｅｃｔｉｎｇ）」を意味すると解釈され得る。

以降で規定されるすべての物理的特性は、特に断らない限り、２０℃〜２５℃にて測定される。用語「室温」は、特に断らない限り、２５℃を指す。

本明細書において値のいずれかの数値範囲を指す場合、こうした範囲は、記述された範囲の最小から最大までのそれぞれすべての数および／または分数を含むことが理解される。例えば、０．５〜６％の範囲は、０．６％、０．７％、および０．９％のすべての中間値、５．９５％、５．９７％、および５．９９％を含んで、これらまでのすべてを明確に含む。同じことが、文脈上別段の明確な指示がない限り、本明細書に記載される他の数値特性および／または要素範囲それぞれに適用される。

ここで、一部の実施形態に従う加工処理手順、方法、技術、およびワークフローに注目する。本明細書に開示される加工処理手順、方法、技術、およびワークフローにおいて一部の操作は組み合わせてもよく、および／または一部の操作の順序を変更してもよい。

１つの実施形態において、ピン作動プリントヘッドは、付加製造用途のための高粘度材料を吐出すように構成される。材料は、高粘度材料、例えばエンジニアリングポリマーまたはフォトポリマーを含んでいてもよい。１つの実施形態において、吐出されるべきまたは印刷されるべき材料は、接着剤フィラメントを含んでいてもよい。別の実施形態において、材料は、室温で固体のフラックスペースト中に懸濁したはんだ粒子を有するはんだペーストを含んでいてもよく、繊維として取り扱われてもよい。溶融され、流動され得る他の固体材料は、１つ以上のバインダまたは繊維と共に、金属粒子のような粒子充填されたキャリア材料を含むことができる。吐出されるべき材料は、２３０℃の温度にて、１０，０００ｃＰ以上、１００，０００ｃＰ以上、または５００，０００ｃＰ以上の粘度を有するＡＢＳエンジニアリングポリマーを含んでいてもよい。他の実施形態において、ピン作動プリントヘッドは、高温で他の高粘度材料を吐出し得る。フィラメント組成物および特性は、通常、プリントヘッド内の通路、チャンネル、およびオリフィスを妨害し得る詰まりおよびアグロメレーションを回避するように制御されるべきである。

図１は、実施形態に従うピン作動プリントヘッドを示す。図１に示されるように、ピン作動プリントヘッドは、オリフィスまたはノズル１１０、材料チャンバ１２０、チャンネル１３０、オリフィス１１０にて終止し得るピンチャンバ１４０、および作動ピン１５０を含んでいてもよい。

オリフィス１１０は、プリントヘッド１００の本体に規定されてもよく、プリントヘッド１００は、１つ以上のオリフィス１１０を含んでいてもよい。ピンチャンバ１４０は、オリフィス１１０にて終止してまたは止まってもよい。他の実施形態において、プリントヘッド１００は、１つ以上のオリフィス１１０を規定するオリフィスプレートまたはノズルプレートを含んでいてもよい。一部の実施形態において、オリフィス１１０は、互いに１ｍｍ離れて空間があけられてもよい。オリフィス１１０は、５０〜８００ミクロン（μｍ）の直径を有していてもよい。別の実施形態において、オリフィス１１０は、１２５〜５００ミクロンまたは１５０〜３００ミクロンの直径を有していてもよい。

オリフィス１１０の直径および深さは、例えば液滴または押出材料として、吐出されるべきまたは印刷されるべき材料２００に従って規定されてもよい。例えば、オリフィス１１０は、液滴を吐出または約２００μｍの直径を有する押出材料２００を吐出するように構成されてもよい。１つの実施形態において、オリフィス１１０は、液滴または１００μｍ〜３００μｍの直径を有する押出材料２００の吐出のために構成されてもよい。別の実施形態において、オリフィス１１０は、液滴の吐出または５０μｍ以上の直径を有する押出材料２００の吐出のために構成されてもよい。

材料チャンバ１２０は、プリントヘッド本体内に規定されてもよく、プリントヘッド１００は、１つ以上のチャンバ１２０を含んでいてもよい。例えば、プリントヘッド１００は、異なるタイプの材料２００を保持するために１つ以上のチャンバ１２０を含んでいてもよく、プリントヘッド１００は、オリフィス１１０を通して材料２００を吐出／印刷した後に、材料２００の異なるタイプを混合するように構成されてもよい。例えば、物体を印刷する場合、プリントヘッド１００は、合間に第２のタイプの材料２００の吐出を伴って第１のタイプの材料２００を吐出してもよく、ここで前記第２のタイプの材料は第１のタイプの材料とは異なる。一部の実施形態において、種々の材料２００から創出された物体は、使用された２以上の材料２００の間または平均にある機械的特性または光学的特性を有していてもよい。１つの実施形態において、複数のチャンバの各材料チャンバ１２０は、吐出されるべき単一材料２００を保持するように構成される。別の実施形態において、複数のチャンバ１２０は、吐出されるべき複数の異なる材料２００を保持するように構成される。

プリントヘッド１００は、異なる色の材料２００を保持し、オリフィス１１０から吐出される材料２００の色を混合して、最終的な３Ｄ印刷製品の色を調節するように構成されてもよい。同様に、プリントヘッド１００は、異なる材料特性を有する材料２００を保持するように構成されてもよく、オリフィス１１０からそれらが吐出されるときに材料２００を合わせて、３Ｄ印刷製品の最終特性を調節する。

材料２００は、材料２００の吐出を促進するために材料チャンバ１２０内において圧力下で保持されてもよい。例えば、材料チャンバ１２０は、圧力下で吐出されるべき材料２００を保持し、オリフィス１１０への材料２００のフローを促進するように構成されてもよい。一部の実施形態において、１００ｐｓｉの圧力により、１００，０００ｃＰ材料２００がチャンネル１３０を通って、オリフィス１１０に至り、１０００Ｈｚオーダーの発射頻度を支持することが可能となるべきである。他の実施形態において、材料チャンバ１２０中の材料２００に適用される圧力は、材料２００の粘度、所望の発射頻度、所望の押出速度、および／またはプリントヘッド１００の構成要素（オリフィス１１０および／またはチャンネル１３０を含む）の寸法に従って調節されてもよい。１つの実施形態において、プリントヘッド１００は、５０ｐｓｉ〜１５０ｐｓｉの圧力にて材料２００を保持するように構成される。別の実施形態において、プリントヘッド１００は、少なくとも２５ｐｓｉの圧力にて材料２００を保持するように構成される。別の実施形態において、圧力は、印刷の間に２０００ｐｓｉを超えて維持されてもよい。

材料２００は、材料２００の吐出を促進するために高温に保持されてもよい。例えば、材料チャンバ１２０は、１００℃以上で材料２００を保持し、オリフィス１１０への材料２００のフローを促進するように構成されてもよい。別の実施形態において、プリントヘッド１００は、２００℃以上または３００℃以上に材料を加熱するように構成されてもよい。

チャンネル１３０は、プリントヘッド１００の本体内に規定されてもよく、プリントヘッド１００は、１つ以上のチャンネル１３０を含んでいてもよい。１つの実施形態において、チャンネル１３０は、吐出されるべき材料２００をオリフィス１１０に向けるように構成される。チャンネル１３０の寸法は、吐出されるべき材料２００の特徴に従って調節されてもよい。

図１は実施形態に従うプリントヘッド１００の構成を示すが、プリントヘッド１００の他の構成も可能である。例えば、図２および３は、プリントヘッド１００の他の可能な構成を示す。図２に示されるように、プリントヘッド１００は、単一材料チャンバ１２０を有するように構成されてもよく、別個のチャンネル１３０を通して複数のオリフィス１１０に材料２００を提供する。あるいは、図３に示されるように、プリントヘッド１００は、単一材料チャンバ１２０を有するように構成されてもよく、単一のチャンネル１３０を通して複数のオリフィス１１０に材料２００を提供する。図２に示される実施形態は、チャンネル１３０中の材料２００のフロー抵抗を低減でき、またはチャンネル１３０における材料２００についての圧力損失を最小限にし得、非常に高い粘度材料２００についてより大きな流量を可能にし得る。

一部の実施形態において、各オリフィス１１０は、オリフィス１１０内の材料を吐出するために関連する作動ピン１５０を有し、各作動ピン１５０は、作動ピン１５０の移動を導くように構成されたピンチャンバ１４０内を移動し得る。

ピンチャンバ１４０は、プリントヘッド１００の本体内に規定されてもよく、プリントヘッド１００は、１つ以上のピンチャンバ１４０を含んでいてもよい。１つの実施形態において、ピンチャンバ１４０は、作動ピン１５０をオリフィス１１０に導くように構成される。他の実施形態において、ピンチャンバ１４０は、チャンネル１３０の少なくとも一部を通して、オリフィス１１０に作動ピン１５０を導く。図１に示されるように、ピンチャンバ１４０は、作動ピン１５０の移動を制限し、ピンチャンバ１４０での点においてシール１４５を提供するように、作動ピンの段階構成に適合する段階的構成を有していてもよい。別の実施形態において、シール１４５は、ピンチャンバ１４０と作動ピン１５０との間の直径方向公差によって提供されてよい。例えば、図２および３に示されるように、ピンチャンバ１４０と作動ピン１５０との間の空間は、高粘度材料２００がピンチャンバ１４０に進入するのを防止しながら、作動ピン１５０の容易な移動を可能にするように選択されてもよい。

作動ピン１５０は、ピンチャンバ１４０およびオリフィス１１０内で移動してもよい。例えば、作動ピン１５０は、電磁石、圧電デバイスまたは他のドライバ機構を介して移動してもよい。作動ピン１５０は、プリントヘッド１００から、チャンネル１３０および／またはオリフィス１１０内の材料２００を押し出すように構成されてもよい。

１つの実施形態において、プリントヘッド１００の発射サイクルは、作動ピン１５０の移動によって規定される。例えば、図１に示されるように、発射サイクルは、作動ピン１５０が閉鎖位置「Ａ」にある状態から始動してもよい。作動ピン１５０は、オリフィス１１０内に位置付けられてもよく、オリフィス１１０への材料２００の顕著なフローを防止してもよい。次いで作動ピンは、開放位置「Ｂ」に移動してもよく、作動ピン１５０をオリフィス１１０内から引き戻し、チャンネル１３０からオリフィス１１０へのまたはオリフィス１１０を通る材料２００のフローを可能にする。一部の実施形態において、作動ピン１５０は、オリフィス１１０へのある量または体積の材料フローを制御するために部分的にのみ引き戻されてもよい。最後に、作動ピン１５０は閉鎖位置「Ｃ」に戻り、材料２００をオリフィス１１０から吐出する発射サイクルを終了してもよい。図１に示されるように、閉鎖位置に移動して、作動ピン１５０は、オリフィス１１０内にある材料２００をプリントヘッド１００から受容面に押してもよい。作動ピン１５０は、材料２００と基材との間の接触を確実にするために、または例えば以下に記載される図８の描写に示されるように、オリフィス１１０内に予め材料２００を吐出するために、オリフィス１１０の外側表面を通過してもよい。

一部の実施形態において、作動ピン１５０はワイヤとして具現化されてもよい。例えば、作動ピン１５０は、２００〜３００マイクロメートル（μｍ）の直径を有する金属性ワイヤ、例えばステンレススチールまたはタングステンワイヤであってもよい。１つの実施形態において、作動ピン１５０は１００μｍ〜５００μｍの直径を有していてもよい。

作動ピン１５０は、ピンチャンバ１４０およびオリフィス１１０を通って移動し、材料２００を吐出するように構成されてもよい。材料２００を吐出するために作動ピン１５０が移動する距離は、プリントヘッド１００の構成および／または材料２００の特徴に依存し得る。例えば、作動ピンは、発射サイクルの間に１．５ｍｍ以下の距離を移動するように構成されてもよい。１つの実施形態において、作動ピンは、発射サイクルの間に、１．０ｍｍ以下の距離を移動してもよい。別の実施形態において、作動ピン１５０は０．５ｍｍ以下の距離を移動してもよい。さらに別の実施形態において、作動ピン１５０は、０．４ｍｍ〜０．５ｍｍを移動してもよい。

作動ピン１５０は、毎秒１メートル（Ｍ／ｓ）以上の速度で移動してもよい。１つの実施形態において、作動ピンは、発射サイクルの間に約２Ｍ／ｓ以上の速度で移動してもよい。別の１つの実施形態において、作動ピンは、発射サイクルの間に５Ｍ／ｓ以上の速度で移動してもよい。一部の実施形態において、作動ピンは、ピンの端部から粘稠な材料の分離を促進するために、２０Ｍ／ｓｅｃ^２以上の速度で減速してもよい。例えば、一部の実施形態において、作動ピン１５０の減速は、ハードストップまたは作動ピン１５０の動作を突如停止する他の要素の使用を通して促進されることができる。

作動ピン１５０は、約１０００Ｈｚの発射頻度を達成するように構成されてもよい。１つの実施形態において、作動ピン１５０の発射頻度は、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚである。別の実施形態において、作動ピン１５０の発射頻度は、１００Ｈｚ〜２０００Ｈｚである。

１つの実施形態において、作動ピン１５０は、材料２００の作動ピン１５０への接着を弱めるために低接着材料またはコーティング、例えばペルフルオロデシルトリクロロシラン（すなわち、「ＦＤＴＳ」）またはポリテトラフルオロエチレン（すなわち、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））を含む。

プリントヘッド１００は、印刷されている物体の表面から離れて間隔をあけてもよく、プリントヘッド１００から吐出された材料２００は、オリフィス１１０から吐出される場合にプリント表面に向かって移動する間は浮遊することになる。別の実施形態において、プリントヘッド１００は、印刷されている物体の表面に近づき、作動ピン１５０は、オリフィス１１０から印刷されている物体の表面に吐出される材料を運ぶ。別の実施形態において、材料２００は、ピンが引き抜かれている間にオリフィスから流れてもよく、こうして材料２００は、オリフィス１１０と基材（簡略化のために個々に描写されない）との間のギャップまたは空間に及ぶ。

図４は、実施形態に従うアクチュエータモジュールを備えたピン作動プリントヘッドを示す。プリントヘッド１００は、材料２００を吐出する複数のオリフィス１１０、吐出されるべき材料２００を保持する材料チャンバ１２０（図１）、複数の作動ピン１５０、および複数のアクチュエータモジュール３００を含んでいてもよい。複数のチャンバ１２０は、プリントヘッド１００に組み込まれることができ、各材料チャンバ１２０は、複数のオリフィス１１０に異なる材料を送達することが理解されるべきである。

アクチュエータモジュール３００は、プリントヘッド１００内での作動ピン１５０の移動を駆動するために使用されてもよい。一部の実施形態において、アクチュエータモジュール３００は、作動ピン１５０の一方の端部に接続され、プリントヘッド１００内で作動ピン１５０を移動させるように構成される電磁アクチュエータとして具現化されてもよい。

他の実施形態において、アクチュエータモジュール３００は、ソレノイド、アクチュエータアームを引く電磁石、スタックされたアレイのピエゾアクチュエータ、または作動ピン１５０の移動を駆動する他の機構として具現化されてもよい。スタックされたピエゾアクチュエータは、高い信頼性を提供し、屈曲部が使用されて、スタックされたピエゾアクチュエータからの運動を増幅できる。例えば、アクチュエータモジュール３００は、図５Ａに示されるようにスタックされたピエゾアクチュエータ３１０および運動増幅のための屈曲部３２０を含んでいてもよい。図５Ｂに示されるように、アクチュエータモジュール３００は、電磁石３７０および作動ピン１５０を駆動する旋回アーム３８０を含んでいてもよい。旋回アーム３８０は、電磁石３７０に近い旋回ポイント３８５で位置付けでき、結果として小さいギャップおよび強い電磁吸引力をもたらし、旋回アーム３８０の長さは、作動ピン１５０が取り付けられた端部にて運動を増幅する。

一部の実施形態によれば、一群のプリントヘッド１００の構成および／またはアクチュエータモジュール３００の構成は、プリントヘッド１００を利用する３Ｄ印刷システムの全体密度または分解能を改善するように変更されてもよい。例えば図６および７は、アクチュエータモジュールを有するピン作動プリントヘッドの異なる構成を示す。

図６に示されるように、２つのプリントヘッド１００はそれぞれ対面して位置付けされ、ずらして配置されて、対面するオリフィス１１０間にハーフピッチ間隔を有するように全体としての印刷アレイ５００を創出してもよい。一部の実施形態において、印刷アレイ５００は、全体の分解能を改善するためにパス間にインデックスを付けることができる。

他の実施形態において、作動ピン１５０は、プリントヘッド１００の吐出オリフィスの分解能または密度を改善するためにファン様構成にて配設されてもよい。例えば、図７に示されるように、複数の作動ピン１５０は、各アクチュエータモジュール３００からある角度で、オリフィス１１０を有するプリントヘッド１００の収束領域へ延びる。一部の実施形態において、プリントヘッド１００は、作動ピン１５０を導き、座屈または屈曲を防止するためにガイドを含んでいてもよい。ガイドは、モールドされ、機械加工され、またはそうでなければプリントヘッド１００上に形成されてもよい。

一部の実施形態によれば、プリントヘッド１００によって吐出される材料２００の体積は、作動ピン１５０の移動に従って制御されてもよい。例えば、オリフィス１１０および／またはチャンネル１３０からの作動ピン１５０の引き戻しによって創出されるボイドに流れる材料の体積は、作動ピン１５０が引き戻された位置に留まる時間に依存し得る。

図８は、材料吐出のモデルを示す。図８に示されるように、作動ピン８００のオリフィス領域８１０からの引き戻しは、初期にボイド８２０を創出する。吐出されるべき材料８３０は、次いでボイド８２０に流れ、それによって作動ピン８００の移動によってオリフィス領域８１０から吐出される。作動ピン８００は、ボイド８２０が部分的にのみ満たされる場合であっても材料８３０を吐出し得る。

一部の実施形態において、作動ピン８００の引き戻しとその回復移動との間の期間は、材料８３０によって満たされるボイド８２０のパーセンテージを決定する。他の実施形態において、材料８３０の温度、粘度およびその他の特徴はまた、作動ピン８００の移動の間に満たされるボイド８２０のパーセンテージを決定する。従って、一部の実施形態において、作動ピン８００の移動は、吐出される材料８３０のサイズまたは体積を調節するように制御され得る。他の実施形態において、個々の作動ピン８００のタイミングは、吐出される材料８３０の量を規格化する方法として調節されてもよい。すなわち、作動ピン８００のタイミングは、群のすべての作動ピン８００が材料８３０の一貫したまたは等しい体積を吐出するように調節されてもよい。

１つの実施形態において、材料８３０を吐出するために作動ピン８００が移動する速度は、材料８３０のための吐出速度を決定してもよい。高速の吐出は、３Ｄ印刷操作の間に液滴プレイスメントを最小限にするのに役立ち得る一方で、より遅い吐出速度は、吐出操作の間に材料８３０がより球形の液滴に合体できる。

図１に関して、チャンネル１３０に延びてもよいオリフィス１１０が材料２００で再充填される程度は、作動ピン１５０の引き戻し（開放位置）と作動ピン１５０の発射（閉鎖位置）との間の時間によって決定できる。開放位置の作動ピン１５０の期間が長いと、チャンネルを完全に満たすことができ、吐出される材料の量を最大化できる。より短期間では、部分的にのみ再充填可能であり、吐出される材料の量は、再充填のパーセンテージに依存する。従って、このタイミングの差異は、吐出される材料２００についての変動する液滴サイズを創出するために使用できる。一部の実施形態において、この変動は、グレイスケールを創出し、ならびに各オリフィスについての液滴サイズを「規格化」するために使用できる。

１つの実施形態において、プリントヘッド１００は、印刷されている物体の表面から１ｍｍ〜１０ｍｍ離れる。別の実施形態において、プリントヘッド１００から吐出される材料２００の液滴は、堆積される前に０．５ｍｍ〜１０ｍｍを移動する。

噴出され、吐出され、または印刷されるべき材料２００の材料チャンバ１２０、チャンネル１３０、ピンチャンバ１４０および／またはオリフィス１１０への送達をここで説明する。材料２００は、例えば付加製造のために使用されてもよい１つ以上のエンジニアリングポリマーを含んでいてもよい。吐出されている材料２００に依存して、材料２００は、室温で固体であってもよい。作動ピン１５０に送達される前に、固体材料は溶融または液化されてもよく、こうして作動ピン１５０が、ピンチャンバ１４０からオリフィス１１０を通して液体形態の材料２００を吐出し得る。しかしながら、印刷前の多量の材料２００の溶融または他の液化は、吐出の前の、例えばプリントヘッド内または他の貯蔵器内での貯蔵中の材料の物理的分解または劣化を導き得る。故に、本教示の実施形態は、印刷の直前に、材料２００を液化する材料送達システムを含むことができる。実施形態はさらに、印刷ジョブのために過剰ではない体積の材料を液化する材料送達システムを含むことができる。

図９は、ある体積の液化材料２００をプリントヘッド１００に送達するプリントヘッド１００および材料送達システム９００の図示である。プリントヘッド１００は、図１を参照して上記で記載される通りのプリントヘッドであってもよい。図９は単一作動ピン１５０を示すが、材料送達システム９００はまた、例えば図１の複数の作動ピン１５０に材料２００を供給する材料供給チャンネルを用いて、図１に示されるような複数の作動ピン１５０に材料２００を同時に供給してもよいことが理解される。固体材料は、必要に応じてインラインで溶融され、溶融または液化材料２００を作動ピン１５０に送達する。材料送達システム９００は、電気機械的材料送達システムであってもよい。

図９はさらに、例えば供給リール９０４から供給される固体形態の材料のフィラメント９０２を示す。フィラメント９０２は、例えば正方形、長方形、丸形または楕円断面を有していてもよく、フィラメント９０２およびプリントヘッド１００の使用に依存して、いずれかの十分な幅、例えば１．０ミリメートル（ｍｍ）〜３．０ｍｍ、１．７５ｍｍ、３．０ｍｍを超える、または別の十分な直径を有していてもよい。フィラメント９０２は、ロッド、バー、ストリップまたは別の十分な形態として供給されてもよい。

フィラメント９０２は、フィラメントドライバ９０６を用いて供給されてもよい。実施形態において、フィラメントドライバ９０６は、２つ以上のフィードホイールまたはギア９０６の間にフィラメント９０２を位置付けることを含んでいてもよい。図９は、第１のフィードホイールおよび第２のホイールを示す。フィードホイール９０６は、変形可能な表面または摩擦コーティングを有するモータ駆動されたギアアセンブリまたはホイールアセンブリであってもよく、これがフィラメント９０２が供給リール９０４からプリントヘッド１００に供給されるときに滑りを低減または防止する。フィラメント９０２は、供給リール９０４から供給されるときに、１つ以上のフィラメントプレヒータまたは９０８によって加熱されてもよい。続いて、１つ以上のフィラメントヒータ（例えば加熱されたフィラメント押出機）９１０は、固体フィラメント９０２を成形し易いフィラメント９１２に軟化させ、次いで加熱を継続して成形し易いフィラメント９１２を液体材料２００に転化し、こうして材料２００は液化フィラメント９０２になる。材料２００は、プリントヘッド入口９１４と流体連通する材料送達システム出口９１３を通してフィラメント送達システム９００から出てもよい。材料２００は、プリントヘッド１００、例えばプリントヘッド１００の材料チャンバ１２０に、プリントヘッド入口９１４を通して、材料送達システム出口９１３から導入されてもよい。材料送達システム出口９１３およびプリントヘッド入口９１４を加熱してもよい。材料２００がプリントヘッド１００に入ったら、印刷操作は、上記で記載されるように行われてもよい。

実施形態において、フィラメント９０２は、約１００℃以上、または約２００℃以上または約３００℃以上の温度で液化する材料であってもよい。実施形態において、フィラメント９０２は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ナイロンポリアミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチルイミド、例えばＵＬＴＥＭ（商標）、または別の十分な材料のような材料であってもよい。使用される材料は、１つ以上の強化材料、例えば炭素繊維のような埋め込まれた構成要素を含んでいてもよい。

図９の実施形態において、材料チャンバ１２０は、常に圧力下であってもよい。フィードホイール９０６の間のニップ９１６においてフィラメント９０２に配置されたこうした継続トルクまたは圧力は、フィードホイール９０６の滑りをもたらし得る。これは、例えばオリフィス１１０が固体のプリント材料でブロックされる場合またはオリフィス１１０がプリント表面に近過ぎる場合に、フィラメントが自由に供給せずに供給抵抗が大き過ぎる場合に生じることがある。

実施形態において、図９に示されるように、材料送達システム９００はさらに、コントローラ９１８を含むことができる。コントローラ９１８は、フィラメントドライバトルク、例えばフィードホイール９０６の少なくとも１つの回転トルクをモニターするように構成される。コントローラ９１８はさらに、フィードホイール９０６の少なくとも１つの回転速度をモニターおよび制御するように構成される。図１０に示されるように印刷１０００の方法において、コントローラ９１８は、１００２に示されるように、フィラメントドライバトルクおよびフィードホイールトルクをモニターする。ホイールの所与の回転速度を維持するために必要とされる回転トルクが増大するにつれて、コントローラは、供給抵抗が増大していると想定する。閾値に到達するまたは増大する供給抵抗に応答して（すなわち、回転速度にて測定されるフィードホイールの増大するトルク）、コントローラ９１８は、１００４に示されるようにフィラメント９０２に対してフィードホイール９０６が滑るのを防止するために、フィードホイール９０６のトルクおよび回転速度を低減する。次いで、回転トルクは、１００６に示されるように、例えばフィードホイール９０６を駆動するように試み、トルクをモニターすることにより、コントローラ９１８によって継続してまたは周期的にモニターされる。閾値未満であるフィードホイール９０６を駆動するのに必要とされる回転トルクに応答して、コントローラは、１００８に示されるように、フィラメント９０２をプリントヘッド１００に供給することを継続するためにフィードホイール９０６の回転速度および／または回転トルクを増大させ得る。次いでフィラメント９０２の供給およびフィラメントドライバトルクおよびフィードホイール速度のモニターを継続してもよい。

図１１に示されるような印刷１１００に関する別の実施形態において、コントローラ９１８は、１１０２に示されるように、例えば３Ｄ印刷システムからのプリントデータを受信および分析する。プリントデータは、所定の瞬間または所定の時間にわたって印刷されている材料の体積を含んでいてもよく、またはそれに変換できるデータを含んでいてもよい。次いでコントローラ９１８は、１１０４に示されるように、フィードホイール９０６の回転速度を制御することによって、フィラメント９０２の送達を印刷されている材料の体積に適合させる。換言すれば、プリントヘッド１００に供給される固体フィラメント９０２の量は、オリフィス１１０を通ってピンチャンバ１４０から吐出される液体材料２００の量に対応する。印刷が一時停止されているまたは印刷されている材料の体積が変更された場合に、プリントデータは、ピンチャンバ１４０からオリフィス１１０を通って吐出されている材料２００の体積が停止されまたは変更されていることを示し、コントローラ９１８は、フィードホイール９０６の回転を停止することによって、または１１０６に示されるようにフィードホイール９０６の回転速度を変更することによりプリントヘッド１００に供給される材料２００の体積を変更することによって、固体フィラメントの供給を停止してもよい。

図１２に示されるような印刷１２００についての別の実施形態において、コントローラ９１８は、１２０２に示されるように、フィラメントドライバを通して供給されるときに、固体フィラメント９０２の速度をモニターしてもよい。フィラメントの速度は、視覚システムを用いて測定されてもよく、または固体フィラメントとの物理的接触を維持し、フィラメント９０２がフィラメントドライバを通して供給されている速度を測定するために回転するメカニカルカウンタの使用を通して測定されてもよい。コントローラはさらに、１２０４に示されるようにフィードホイール９０６の回転速度をモニターし、１２０６に示されるように、フィラメント９０２の速度とフィードホイール９０６の回転速度を比較する。供給されているフィラメント９０２の速度または長さよりも大きいフィードホイール９０６の回転速度に応答して、コントローラ９１８は、フィードホイール９０６がフィラメント９０２上で滑っていると想定し、１２０８に示されるように、供給されているフィラメント９０２の長さがフィードホイール９０６の回転速度に一致するまで、フィードホイール９０６の回転速度を低減する。フィードホイール９０６の回転がフィラメントの速度と一致したら、フィードホイールの回転速度を１２１０に示されるように傾斜させてもよく、フィードホイール９０６の回転速度とフィラメント９０２の速度とを比較するサイクルを継続してもよい。

図９の材料送達システム９００は、液体材料２００が、成形し易いフィラメント９１２および液体材料２００に変換される時間から、ピンチャンバ１４０内に位置付けられ、オリフィス１１０を通ってプリントヘッド１００から吐出されるまで空気に曝さないように閉鎖システムであってもよい。溶融材料２００が空気に曝されないので、それらからもたらされる溶融材料２００の酸化および生じる物理的分解または劣化が低減または削除される。

実施形態において、材料チャンバ１２０内の圧力が、材料送達システム９００によって、例えばフィラメントドライバ９０６によって適用される圧力を通して供給される。材料チャンバ１２０内の圧力が、ピンチャンバ１４０にチャンネル１３０を通って入る液化材料２００をもたらす。

Claims

３Ｄプリンタであって、ピン作動プリントヘッドを備え、
前記ピン作動プリントヘッドは、
吐出されるべき複数の異なるタイプの材料を保持するための複数の材料チャンバと、
前記材料チャンバと流体連通する複数のプリントヘッド入口と、
複数のオリフィスであって、それぞれから前記材料が吐出される複数のオリフィスと、
前記材料チャンバを前記オリフィスに接続する複数のチャンネルと、
前記オリフィスに入り、前記オリフィスから前記材料の吐出を制御するように構成された複数の作動ピンと、を含み、
前記プリントヘッドは、２３０℃にて１０，０００センチポイズ（ｃＰ）以上の粘度を有する材料を吐出し、前記オリフィスを通じて前記材料を吐出した後に、前記複数の異なるタイプの前記材料を混合するように構成され、
前記３Ｄプリンタがさらに、材料送達システムを備え、
前記材料送達システムは、
前記プリントヘッド入口と流体連通する複数の材料送達システム出口と、
複数のフィラメントドライバと、
複数のフィラメントヒータと、を含むことを特徴とする３Ｄプリンタ。
前記フィラメントドライバ内に位置付けられた複数の固体フィラメントと、
前記材料チャンバ内の材料と
をさらに含み、前記材料が液化フィラメントを含む、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
前記フィラメントドライバの各々が、第１のフィードホイールと、第２のフィードホイールと、前記第１のフィードホイールと前記第２のフィードホイールとの間のニップとを備え、
前記固体フィラメントの少なくとも１つが前記ニップ内に配置される、請求項２に記載の３Ｄプリンタ。
前記材料送達システムがさらに、前記第１のフィードホイールおよび前記第２のフィードホイールのうちの少なくとも一方の回転速度および回転トルクのうちの少なくとも一方を制御するように構成されたコントローラを備える、請求項３に記載の３Ｄプリンタ。
前記材料送達システムが、ある特定の前記材料チャンバ内の圧力を、前記第１のフィードホイールおよび前記第２のフィードホイールのうちの少なくとも一方の回転トルクを通じて維持するように構成されている、請求項４に記載の３Ｄプリンタ。
各作動ピンが、第１の開放位置および第２の閉鎖位置を含み、
前記第１の開放位置にある場合に各作動ピンが、前記材料が前記オリフィスに入ることを可能にするように構成され、
前記第２の閉鎖位置にある場合に各作動ピンが、材料が前記オリフィスに入るのをブロックするように構成される、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
前記作動ピンのそれぞれが前記第１の開放位置にある期間が、吐出される前記材料の体積を決定するように、前記作動ピンのそれぞれが構成されている、請求項６に記載の３Ｄプリンタ。
前記閉鎖位置では、前記作動ピンの各々が、前記オリフィスの外側表面を規定する平面を超えて突出する、請求項６に記載の３Ｄプリンタ。
前記複数のピンが金属製のワイヤから成る、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
吐出される前記材料が前記ピンから容易に分離できるように、前記複数のピンに低接着コーティングが塗布されている、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
前記プリントヘッドが、吐出された前記材料を受容する表面から間隔をあけて配置されていることで、吐出された前記材料が前記オリフィスから前記受容する表面へ移動する際に浮遊するようになっている、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
前記プリントヘッドが、吐出された前記材料を受容する表面に近接して配置されていることで、吐出された前記材料を前記ピンが前記受容する表面に運ぶようになっている、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
３Ｄプリンタであって、ピン作動プリントヘッドを備え、
前記ピン作動プリントヘッドは、
吐出されるべき材料を保持するための複数の材料チャンバと、
前記材料チャンバと流体連通する複数のプリントヘッド入口と、
複数のオリフィスであって、それぞれから前記材料が吐出される複数のオリフィスと、
前記材料チャンバを前記オリフィスに接続する複数のチャンネルと、を含み、
異なる前記材料チャンバは、異なる前記チャンネルを通じて、異なる前記オリフィスに接続されており、
前記ピン作動プリントヘッドはさらに、
前記オリフィスに入り、前記オリフィスから前記材料の吐出を制御するように構成された複数の作動ピンを含み、
前記プリントヘッドは、２３０℃にて１０，０００センチポイズ（ｃＰ）以上の粘度を有する材料を吐出するように構成され、
前記３Ｄプリンタがさらに、材料送達システムを備え、
前記材料送達システムは、
前記プリントヘッド入口と流体連通する複数の材料送達システム出口と、
複数のフィラメントドライバと、
複数のフィラメントヒータと、を含む
ことを特徴とする３Ｄプリンタ。