JP6730316B2 - フォトニック溶融 - Google Patents

Description

「３Ｄ印刷」として知られている３次元印刷は、マシン（機械）が機械可読命令を３次元の物理的物体へ変えるプロセスを含む。機械可読命令は、物理的物体の寸法および構成を記述する電子モデル又はデジタルモデルを含むことが多い。物理的物体の材料および対応する特性は、３次元印刷プロセスに使用される特定のプロセスに基づいて変化する可能性がある。

材料のフォトニック溶融を使用する例示的な３次元印刷プロセスを示す図である。 合金を形成するために材料のフォトニック溶融を使用する例示的な３次元印刷プロセスを示す図である。 例示的な３次元プリンタの略図である。 ３次元印刷の例示的な方法の流れ図である。

詳細な説明
本開示の例示的な具現化形態は、粉末状、スラリー状、又は液状の可融（可溶）材料のフォトニック溶融を用いる３次元または「３Ｄ」印刷用のシステム、装置および方法を含む。係る具現化形態において、可融材料の層は、互いの上に構築される。各層の構造は、非溶融吸収性材料、非溶融反射性材料、或いは化学的または物理的に可融材料が溶融しないようにする材料のような、抑制材料を用いてパターンを印刷または付着することにより、画定される。

可融材料および抑制材料の各組み合わせ層は、フォトニックエネルギーに曝露され得る。本明細書で使用される限り、用語「フォトニックエネルギー」及び「フォトニック溶融」は、約０．２μｍ（ミクロン）から１．５μｍ（ミクロン）の間のスペクトル領域を有する非コヒーレント光の放射を含むエネルギー又はプロセスを意味する。様々な具現化形態において、フォトニックエネルギーは、制御されたバースト又は閃光（フラッシュ）で最上層の全て又は一部に同時に印加され得る。フォトニックエネルギーに応じて、抑制材料によって隠されていない又は抑制（阻害）されていない可融材料の最上層の領域が、純化（精製）され、溶融（融合）され、融解され、気化（蒸発）され、又はアブレートされ得る。幾つかの例において、フォトニックエネルギーに応じた可融材料の溶融（融合）は、内層および中間層で生じる。係る具現化形態において、抑制材料により隠された／抑制された可融材料の領域は、溶融しない状態のままとすることができる。３次元印刷プロセス及び装置の具体的な詳細が、様々な例および添付図面に関連して本明細書においてより詳細に説明される。

図１は、本開示の様々な具現化形態による、フォトニック溶融を用いて３次元物体を生成するための例示的なプロセス１０を示す。図示されたように、プロセス１０は、参照符号１１において、基体１０５を提供することから開始することができる。幾つかの具現化形態において、基体１０５は、プロセスの他の部分に使用される可融材料に類似した材料からなる及び／又は当該材料を含むことができる。例えば、基体１０５は、別個のプロセスで形成された金属、プラスチック、木材、ガラス、セラミック又は他の材料基体を含むことができる。

基体１０５は、対応する３次元印刷装置が３次元印刷の他のプロセスを処理しながら操作することができる使い捨て及び／又は再利用可能なプラットフォームを含むことができる。例えば、基体１０５は、本明細書で説明されるプロセスの必要性に従って、多次元において３次元プリンタにより移動され得る。例えば、基体１０５は、様々な３次元印刷プロセスの結果を容易にする、改善する、又は最適化するために３次元プリンタの他の要素に対して移動され得る。

参照符号１２において、例示的なプロセス１０は、可融材料塗布器１３０を用いて可融材料層１１０を塗着（敷設）することを含むことができる。幾つかの例において、可融材料塗布器１３０は、１３１のような方向に基体１０５に対して移動するプリントヘッドタイプの塗布器を含むことができる。幾つかの具現化形態において、可融材料塗布器１３０は、特定の寸法を有する基体１０５の上に単一のパスで、層１１０が塗着され得るように、基体幅の構成を含むことができる。例えば、可融材料塗布器１３０は、矢印１３１により示された方向に移動する際、基体１０５上に可融材料層１１０を放出するノズル又は開口の「ページ幅アレイ」を含むことができる。

可変の厚さからなる可融材料１１０の層を達成するために、可融材料塗布器１３０は、基体１０５の上で複数のパスを行い、特定の厚さまで層を構築することに貢献することができる。他の例において、可融材料塗布器１３０が可融材料層１１０を塗着する速度は、特定の厚さを達成するために調整され得る。従って、本発明の具現化形態は、可融材料の一粒子と同じ薄さである可融材料の層を付着することができる。

ひとたび可融材料１１０の層が塗着されれば、抑制材料塗布器１４０が、参照符号１３において抑制材料１２０のパターン形成された層を塗着することができる。一例において、抑制材料１２０のパターン形成された層のパターンは、３次元物体のその特定の層において溶融されるべき所望の層の陰画を含むことができる。そういうものだから、抑制材料１２０のパターン形成された層は、可融材料層１１０の多数の露出される領域１２５、及び抑制材料１２０により覆われた又は抑制材料１２０と接触する領域の下の可融材料１１０の対応する阻止される領域を確立することができる。抑制材料１２０のパターン形成された層は、所望の３次元物体の対応するモデルに基づくことができる。

抑制材料塗布器１４０は、可融材料層１１０上に抑制材料１２０のパターンを付着することができる任意のタイプの印刷装置を含むことができる。例えば、抑制材料塗布器１４０は、可融材料１１０の層上に抑制材料１２０の液体または半液体（例えば、ゲル）の層を選択的に付着することができるインクジェット（例えば、サーマルインクジェット、圧電インクジェット等）又は噴霧器を含むことができる。

抑制材料塗布器１４０は、方向１４１に沿って、基体１０５及び／又は可融材料層１１０に対して移動することができる。様々な例において、方向１４１は、抑制材料１２０を付着するための２次元または３次元の自由度を含むことができる。幾つかの具現化形態において、抑制材料塗布器１４０は、可融材料層１１０の１次元にわたって移動する一方で、別の次元にわたって走査するページ幅アレイのプリントヘッド又は走査プリントヘッドを含むことができる。任意の係る具現化形態において、抑制材料塗布器１４０と可融材料層１１０との間の距離は、抑制材料１２０の付着の品質に適応する及び／又は当該品質を最適化するために変更され得る。例えば、可融材料層１１０及び抑制材料１２０の層が構築される際、本開示の例示的な具現化形態は、クリアランスを提供するために、抑制材料塗布器１４０を基体１０５から更に遠ざかるように移動することを含むことができる。

参照符号１４において、可融材料層１１０の抑制材料層１２０が、フォトニック放出器１５０により放出されたフォトニックエネルギー１５１に曝露され得る。幾つかの具現化形態において、フォトニックエネルギーは、非コヒーレント光源により供給される。例えば、非コヒーレント光源は、キセノン（Ｘｅ）源を含むことができる。係るＸｅ源は、１μｍ（ミクロン）未満（例えば、４７５ｎｍ、８２７ｎｍ、８８５ｎｍ、９１９ｎｍ、及び９８０ｎｍ）の可視および近赤外線において放射ピークを有する１５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内で非コヒーレントのフォトニックエネルギー（例えば、電磁放射線）を放出することができる。

フォトニックエネルギーは、抑制材料１２０及び可融材料１１０の最上層の表面の一部または全てにわたって短いパルスで同時に送出され得る。幾つかの具現化形態において、フォトニックエネルギーのパルスは、１ミリ秒未満である。係る短いパルスは、下にある層を加熱することにより又は空気への顕著な放射によりエネルギーが消散することなく、可融材料の単一の最上層のみが、融点まで確実に加熱されるために使用され得る。従って、フォトニックエネルギー１５１の短いパルスを使用する具現化形態は、比較的低いパワー密度を用いながら粒子を融解することを可能にする。

領域１２５の下での可融材料層１１０の最上層の部分が、抑制材料層１２０のパターンを介して露出され、可融材料１１０が溶融する温度まで加熱することによりフォトニックエネルギー１５１に反応することができる。幾つかの具現化形態において、抑制層１２０のパターンの下にある可融材料層１１０の領域は、フォトニックエネルギー１５１から保護され、それ故に溶融しない。

本開示の具現化形態は、可融材料１１０の溶融を抑制（阻止）するための様々なメカニズムを使用する抑制材料１２０を含むことができる。例示的な一具現化形態において、抑制材料１２０は、フォトニック放出器１５０のスペクトル領域内の電磁放射線を反射または吸収する材料を含むことができる。

一例において、抑制材料１２０は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）のような反射添加物を含む白色インクを含むことができる。例示的な白色インクは、１μｍ（ミクロン）を上回る波長に関して伝達しながら、ＵＶ、可視および近赤外線領域の電磁放射線を反射することができる。他の具現化形態において、抑制材料１２０は、フォトニック放出器１５０の電磁放射線を選択的に反射する干渉フィルタを提供する多層構造を含むことができる。例えば、反射材料は、抑制材料塗布器により付着された異なる材料の層を含むことができ、当該異なる材料の層を組み合わせて、フォトニック放出器１５０のスペクトル領域に対応する阻止帯域を有する干渉誘電体ミラーが形成される。係る具現化形態において、反射材料の表面に入射するフォトニックエネルギー１５１は、下にある可融材料１１０から離れるように反射され、かくして下にある可融材料１１０をシールド（保護）する。

別の例において、抑制材料１２０は、フォトニックエネルギー１５１を迅速に吸収するが、溶融しない、或いは断熱材または絶縁体である材料を含むことができる。例えば、抑制材料層１２０は、光パルスの間に、フォトン放出器１５０からの電磁放射線（例えば、Ｘｅ放射線）を吸収し、融解し及び／又は気化し、かくして下にある可融材料層１１０を溶融から保護する材料の層を含むことができる。印加されたフォトニックエネルギーに応答して気化する例示的な吸収材料は、以下に限定されないが、ポリマー、ラテックス等を含む。

更に別の例において、抑制材料１２０は、下にある可融材料に影響を及ぼし、フォトニックエネルギー１５１に応答して溶融することを防止する化学的または物理的特性を含むことができる。

参照符号１５で示されるように、パターン形成された抑制材料層１２０のギャップ１２５を通じて露出されたままにされた可融材料１１０の領域１１５は、フォトニックエネルギー１５１により溶融されて、可融材料層１１０において固体要素を形成することができる。３次元物体の次の層を形成するために、可融材料塗布器１３０が、ここで可融材料層１１０−２として示された別の可融材料層を塗着することができる。図示されたように、可融材料層１１０−２は、可融材料の第１の層１１０−１及び抑制材料１２０のパターン形成された層の上に塗着され得る。図示されたように、可融材料の後続の層１１０−２が、以前に１２５として示されていたギャップを埋めると同時に、実質的に平坦な上面を維持することができる。

可融材料１１０−１及び抑制材料１２０の以前に付着された層に可融材料の後続の層１１０−２が付着された状態で、抑制材料塗布器１４０が、３次元物体の対応するモデルに従って抑制材料１２０の別のパターン形成された層を付着することができる。抑制材料１２０の以前にパターン形成された層と同様に、抑制材料１２０のパターン形成された最上層は、可融材料層１１０−２の露出された層を確立するためにギャップ１２５を残すことができる。この時点で、参照符号１４、１５及び１６で示されたプロセスは、可融材料１１５からなる３次元物体を逐次的に構築するために繰り返され得る。

フォトニックエネルギー１５１の波長、強度、及び／又は持続時間は、抑制材料層１２０及び／又は可融材料層１１０の材料特性に基づいて変化することができる。例えば、フォトニック放出器１５０により放出されたフォトニックエネルギー１５１は、短いパルスで送出され得る高強度のフォトニックエネルギーを含むことができる。幾つかの具現化形態において、パルスは、一連の短いパルスとして送出され得る。係る具現化形態において、フォトニックエネルギー１５１の持続時間および強度は、可融材料１１０からの不要な不純物の除去、可融材料１１０のより速い溶融、熱ブリードの制限、及び可融材料１１０の層間での溶融（融合）を促進することに役立つことができる。

様々な具現化形態において、可融材料１１０の層間の材料と厚さは、結果としての３次元物体において合金または半合金を形成するために変更され得る。図２は、本開示の様々な具現化形態による、合金形成の例を示す。断面図において参照符号２０で示されたように、可融材料の複数の層１１０−１及び１１０−２が、溶融された材料領域１１５を生じるように構築された。可融材料の後続の層１１１が、溶融された材料領域１１５の上に配置され、抑制材料１２０の別のパターン形成された層が、露出された領域１２５を確立するように可融材料層１１１の上に配置されている。係る具現化形態において、可融材料１１０及び可融材料１１１は、異なることができる。例えば、可融材料は、１つの金属を含むことができるが、可融材料層１１１は異なる金属を含むことができる。可融材料層１１１がフォトニックエネルギー１５１に曝露される場合、或る部分が、下にある可融材料１１０の以前に溶融された層と共に溶融（融合）されて及び／又は当該層と結合されて局所的な合金を形成することができる。

参照符号２１において、材料の積重体（スタック）が、本明細書で説明された様々な具現化形態に従ってフォトニック溶融プロセスに曝され得る。フォトニックエネルギー１５１に応答して、可融材料層１１１の露出された領域が溶融されて、溶融された可融材料領域１１７及び溶融された可融材料領域１１６を生じることができる。溶融された可融材料領域１１６は、可融材料１１０及び１１１の混合物を含むことができる。このように、様々な溶融された可融材料領域は、結果としての３次元物体の層内の異なる可融材料の使用に基づいた特定の合金特性を有するように確立され得る。

図３は、３次元プリンタ３００の略図を示す。図示されたように、３次元プリンタ３００は、３次元プリンタ３００の動作を行い、且つ３次元プリンタ３００の他の構成要素を制御するためにメモリ３３０に格納された機械可読実行可能コードを実行するためのプロセッサ３１０を含むことができる。様々な例において、プロセッサ３１０は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等とすることができる。例示的な具現化形態に従って、プロセッサ３１０は、回路のようなハードウェア構成要素である。メモリ３３０は、実行可能コードが格納され得るダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、電気的消去可能ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、メモリスタ、フラッシュメモリ、フロッピィ（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、或いは他の光学または磁気媒体等のような、揮発性または不揮発性メモリを含むことができる。

プロセッサ３１０は、３次元印刷コード３３１を実行することができる。３次元印刷コード３３１は、制御信号を生成するための命令を含むことができ、当該制御信号により、抑制材料塗布器１４０、フォトニックエネルギー放出器１５０、及び／又は可融材料塗布器１３０が本開示の様々な具現化形態に従って３次元印刷プロセスの対応する動作を実現する。例えば、３次元印刷コード３３１に含まれた命令により、プロセッサ３１０が、図１に示された例示的なプロセス１００及び／又は図４に関連して説明された方法を行うように３次元プリンタ３００の構成要素を制御することができる。

幾つかの例示的な具現化形態において、３次元プリンタは、通信インターフェース３２０を含むことができる。通信インターフェース３２０は、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ又はサーバコンピュータのような外部コンピューティングデバイスに対して応答信号においてコマンドを送受するために、プロセッサ３１０により使用され得る。様々な具現化形態において、通信インターフェース３２０は、ネットワーク通信インターフェース、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インターフェース、並列通信インターフェース、シリアル通信インターフェース、或いは他の電子デバイス又はコンピューティングデバイスと通信するのに適した任意の他の通信インターフェースを含むことができる。例えば、３次元プリンタ３００は、通信インターフェース３２０を介して、印刷命令および／または電子ファイルを受け取ることができる。命令または電子ファイルは、本開示の具現化形態に従って、３次元プリンタ３００の他の構成要素を用いて３次元物体を生成するためにプロセッサ３１０が使用することができる命令またはモデルを含むコンピュータ可読コードを含むことができる。

図４は、本開示の様々な具現化形態による、３次元物体を印刷するための例示的な方法４００の流れ図である。図示されたように、方法４００は、可融材料塗布器１３０が可融材料１１０の層を設けることができるボックス４１０から始まることができる。可融材料１１０の層は、可融粉末、可融ゲル、可融スラリー、可融液体などのような様々なタイプの可融材料を含むことができる。可融材料塗布器１３０により塗着される可融材料層１１０の厚さは、可融材料の特性および／または結果としての３次元物体の特定層の物理的な特徴に基づいて変化することができる。幾つかの具現化形態において、可融材料塗布器１３０は、可融材料を吹き付ける、可融材料を広げる、可融材料を圧延する、又は可融材料を噴射するためのシステムを含むことができる。そういうものだから、可融材料塗布器１３０は、ベース面、基体、又は可融材料の以前に付着された層にわたって走査することができるヘッドユニットに様々な噴霧器、スプレッダ、ローラ、及びノズルなどを含むことができる。

ひとたび可融材料の層が設けられれば、抑制材料のパターンが可融材料の層の表面に付着され得る。本明細書で説明された幾つかの具現化形態において、可融材料のパターンは、下にある可融材料層の多数の露出される及び阻止される領域を画定するために、可融材料層の表面上に印刷される、塗られる、又は付着され得る。露出される領域は、可融材料が溶融（融合）されて、３次元物体の特定の物理的要素を生じる領域を表す。本明細書で説明されるように、抑制材料のパターンは、抑制材料塗布器１４０により付着され得る。幾つかの具現化形態において、抑制材料は、下にある可融材料から離れるように入射フォトニックエネルギーを反射するために、ＴｉＯ_２を含有する白色インクのような反射性インクを含むことができる。

下にある可融材料１１０の層上に抑制材料のパターンが配置された状態で、フォトニック放出器１５０を用いて、特定量のフォトニックエネルギー１５１を、パターンを介して露出された可融材料１１０の領域に印加することができる。フォトニックエネルギー１５１の印加により、可融材料１１０の露出された領域は、溶融（融合）して固体または半固体状態になることができる。例示的な具現化形態において、フォトン放出器１５０は、可融材料層１１０及び抑制材料層１２０の積重体の上面をその全体として同時に又はセクションで曝露する任意のタイプの高強度で短期間のバーストのフォトニックエネルギーを使用することができる。係るフォトニックエネルギーは、抑制材料層１２０の下の可融材料の露出されていない／阻止されていない領域への熱ブリードが無いように制限された状態で、可融材料の層を迅速に且つ制御可能に溶融することができる。ひとたび特定の可融材料層１１０の領域が溶融されれば、ボックス４１０、４２０及び４３０のプロセスは、３次元物体が完成するまで３次元物体の個々の層を構築するために繰り返され得る。

これらの及び他の変形、変更、追加および改良は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入ることができる。本明細書の説明および特許請求の範囲の全体にわたって使用される限り、「a（１つの）」、「an」及び「the」は、文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて複数の言及を含むことに従う。また、本明細書の説明および特許請求の範囲の全体にわたって使用される限り、「in（において）」の意味が、文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、「in（中に）」及び「on（上に）」を含むことに従う。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書および図面の全てを含む）に開示された特徴の全て、及び／又はそのように開示されたあらゆる方法またはプロセスの要素の全ては、係る特徴および／または要素の少なくとも一部が相互に排他的である組み合わせを除いて、何らかの組み合わせで組み合わされ得る。

Claims (12)

1. ３次元印刷装置であって、
   可融材料の層を付着するための可融材料塗布器と、
   ３次元モデルに対応する情報に基づいて、前記可融材料の層の露出された領域および前記可融材料の層の阻止される領域を確立するために抑制材料のパターン形成された層を付着するための抑制材料塗布器と、
   前記可融材料の層の前記露出された領域の少なくとも一部を同時に溶融するために非コヒーレントのフォトニックエネルギーを印加するためのフォトニックエネルギー放出器とを含み、
   前記フォトニックエネルギー放出器が、複数のパルスとして前記非コヒーレントのフォトニックエネルギーを印加し、前記複数のパルスの第１のパルスが、前記可融材料の層の露出された領域から不要な不純物を除去し、前記複数のパルスの後続のパルスが、前記可融材料の層の露出された領域を加熱する、３次元印刷装置。
2. 前記抑制材料塗布器がインクジェットを含む、請求項１に記載の３次元印刷装置。
3. 前記抑制材料が、反射性インク、干渉フィルタ、気化する熱吸収材料、又は断熱材を含む、請求項１又は２に記載の３次元印刷装置。
4. 前記フォトニックエネルギー放出器が、０．２μｍ（ミクロン）から１．５μｍ（ミクロン）までの間のスペクトル領域を含むフォトニックエネルギーを印加する、請求項１〜３の何れか１項に記載の３次元印刷装置。
5. ３次元物体を形成する方法であって、
   前記３次元物体のデータモデルの一連のデータ層におけるデータ層毎に
   基体または可融材料の以前に形成された層に可融材料の層を付着し、
   前記可融材料の層の阻止された領域および前記可融材料の層の露出された領域を画定するために、前記３次元物体のデータモデルの一連のデータ層における前記データ層に基づいて前記可融材料の層に抑制材料のパターン形成された層を付着し、
   前記抑制材料のパターン形成された層および前記可融材料の層の露出された領域を非コヒーレントのフォトニックエネルギーに曝露して、前記可融材料の層の前記露出された領域の少なくとも一部を同時に溶融することを含み、
   前記非コヒーレントのフォトニックエネルギーが複数のパルスを含み、前記複数のパルスの第１のパルスが、前記可融材料の層の露出された領域から不要な不純物を除去し、前記複数のパルスの後続のパルスが、前記可融材料の層の露出された領域を加熱する、方法。
6. 前記可融材料の層を付着することが、粉末材料の層を塗着することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記抑制材料のパターン形成された層が、前記データ層に対応する陰画を含む、請求項５又は６に記載の方法。
8. フォトニックエネルギーに前記可融材料のパターン形成された層を曝露することが、前記可融材料の層の溶融された領域を、前記基体または前記可融材料の以前に形成された層と融合させる、請求項５〜７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記抑制材料が、反射性インク、干渉フィルタ、気化する熱吸収材料、又は断熱材を含む、請求項５〜８の何れか１項記載の方法。
10. 前記抑制材料のパターン形成された層を付着することが、前記可融材料の層上へ前記抑制材料を印刷することを含む、請求項５〜９の何れか１項に記載の方法。
11. ３次元プリンタであって、
    プロセッサと、
    前記プロセッサに結合された可融材料塗布器と、
    前記プロセッサに結合された抑制材料塗布器と、
    前記プロセッサに結合された非コヒーレントフォトニックエネルギー放出器と、
    前記プロセッサに結合され、３次元物体のデータモデルに対応する複数のデータ層を含むデータモデル、及び命令を含む持続性コンピュータ可読媒体とを含み、前記命令は、前記プロセッサにより実行された際に、前記複数のデータ層のデータ層毎に前記プロセッサに以下のこと、即ち、
    可融金属粉末の層を設けるために前記可融材料塗布器に第１の制御信号を送信し、
    前記可融金属粉末の層の露出された領域および前記可融金属粉末の層の阻止された領域を確立するために、前記３次元物体のデータモデルに対応する前記複数のデータ層のデータ層に対応する反射性インクのパターン形成された層を付着するために前記抑制材料塗布器に第２の制御信号を送信し、
    前記反射性インクのパターン形成された層および前記露出された領域に非コヒーレントフォトニックエネルギーを印加して前記可融金属粉末の層の露出された領域を同時に溶融するために前記非コヒーレントフォトニックエネルギー放出器に第３の制御信号を送信することを行わせ、
    前記非コヒーレントフォトニックエネルギーが、複数のパルスを含み、前記複数のパルスの第１のパルスが、前記可融材料の層の露出された領域から不要な不純物を除去し、前記複数のパルスの後続のパルスが、前記可融材料の層の露出された領域を加熱する、３次元プリンタ。
12. 前記フォトニックエネルギー放出器が、キセノン源を含む、請求項１１に記載の３次元プリンタ。

Images