JP6804322B2 - 三次元円筒形物体を造形するための方法およびデバイス - Google Patents

Description

本明細書に開示するデバイスは、三次元物体を生成するプリンタに関し、より詳細には、円筒形断面を有する物体を生成することに関する。

デジタル積層造形としても知られているデジタル三次元物体造形は、デジタルモデルから三次元固体物体を作成する工程である。三次元物体印刷は、種々の形状で基板上に連続した材料層が形成される積層工程である。それらの層は、バインダ材を吐出すること、指向性エネルギー付与、材料を押出成形すること、材料を吐出すること、粉末床を溶融結合すること、シートを積層すること、または、液体感光性樹脂材料を硬化放射に暴露することによって形成することができる。層が形成される基板が、プラットフォームに動作可能に接続されているアクチュエータの動作によって三次元的に動かすことができるプラットフォーム上に支持されるか、または、材料堆積デバイスが、物体を形成する層を生成するように堆積デバイスの動きを制御するために１つまたは複数のアクチュエータに動作可能に接続される。三次元物体印刷は、切断または穿孔のような除去造形によって作業片から材料を除去することにほぼ依拠する従来の物体形成技法から区別される。

三次元物体の生成の１つの欠点は、円筒断面形状を有する物体を生成する能力である。物体の三次元印刷以前、これらのタイプの部品は、旋盤上で素片を回転させ、素片にカッターを当てて円筒形状素片を形成することによって作成されていた。同様に、これらのタイプの物体はまた、押出機および射出成形機を使用して形成することもできた。三次元印刷においては、三次元円筒形状物体は、一端から物体を形成し、一層ずつ物体を造形することによって生成される。除去造形技法、または、物体の周囲から延伸するように吐出されることが可能な材料によって形成される不規則な構造のための適切な支持を与えることによって、不規則な形状の物体を形成することは困難であり得る。加えて、硬化、研磨、または平滑化のような二次動作は、二次動作を実施する機械の中に設置することができるように、造形ステーションから物体を取り出すことを必要とする。したがって、不規則な特徴部を有する円筒形状物体を形成し、印刷ステーションから物体を取り出す必要なしに物体に対して二次動作を実施することができる三次元物体プリンタが有用である。

三次元円筒形状物体を生成することができる三次元物体プリンタは、円筒部材が支持され、支持体内で回転することを可能にするように構成されている、少なくとも２つの支持体と、各プリントヘッドが、材料の供給部に流体接続されている複数の吐出装置を有し、少なくとも２つのプリントヘッド内で各プリントヘッドに供給される材料は、少なくとも２つのプリントヘッドのうちの他方のプリントヘッドに供給される材料とは異なり、少なくとも２つのプリントヘッドは、少なくとも２つの支持体によって支持されている円筒部材の周りに位置付けられている、少なくとも２つのプリントヘッドと、少なくとも２つの支持体によって支持されている円筒部材の周りに位置付けられている、少なくとも１つの物体処理デバイスと、支持体内で円筒部材を回転させるように、少なくとも２つの支持体によって支持されている円筒部材に動作可能に接続されるように構成されているアクチュエータと、少なくとも２つのプリントヘッド、少なくとも１つの物体処理デバイス、およびアクチュエータに動作可能に接続されているコントローラとを含む。コントローラは、アクチュエータを、円筒部材を少なくとも２つの支持体内で回転させるように動作させ、少なくとも２つのプリントヘッドの各々の中の複数の吐出装置を、少なくとも２つのプリントヘッドに供給される異なる材料を用いて、回転している円筒部材上に層の部分を形成するように動作させ、少なくとも１つの物体処理デバイスを、円筒部材が少なくとも２つの支持体内で回転している間に、回転している円筒部材上に形成されている層を改質するように動作させるように構成されている。

三次元円筒形状物体を生成する三次元プリンタを動作させるための方法は、コントローラを用いて、円筒部材に動作可能に接続されているアクチュエータを、少なくとも２つの支持体内で円筒部材を回転させるように動作させることと、コントローラを用いて、異なる材料を供給される少なくとも２つのプリントヘッドの各々の中の複数の吐出装置を、少なくとも２つのプリントヘッドに供給される異なる材料を用いて、回転している円筒部材上に層の部分を形成するように動作させることと、コントローラを用いて、少なくとも１つの物体処理構成要素を、円筒部材が少なくとも２つの支持体内で回転している間に、回転している円筒部材上に形成されている層を改質するように動作させることとを含む。

三次元円筒形状物体を生成することができる装置および方法の上記の態様および他の特徴は、添付の図面とともに取り上げられる、以下の記載において説明される。

図１Ａは、円筒形状物体を形成するように構成されている印刷システムの長手方向側面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す円筒形状物体を形成するように構成されている印刷システムの端面図である。 図１Ｃは、その周囲に物体が形成される円筒部材が部材の長手方向軸に沿って平行移動されるときに、円筒形状物体を造形および処理するために使用される構成要素のオフセット構成を示す、印刷システムの別の長手方向側面図である。 図２は、プリンタを、円筒形状物体を形成するように動作させるための方法を示す図である。 図３Ａは、円筒部材の周囲に形成される円筒物体の端面図である。 図３Ｂは、円筒部材の周囲に形成される円筒物体の長手方向側面図である。

本明細書に開示するデバイスおよび方法に関する環境ならびに装置および方法に関する詳細の全般的な理解のために、図面を参照する。図面において、同様の参照符号は同様の要素を指定する。

三次元物体印刷システム１０の長手方向側面図を図１Ａに示す。印刷システム１０は、アクチュエータ１８に動作可能に接続されている円筒部材２２を支持する一対の支持体１４を含む。支持体１４は、円筒部材２２の端部を受け入れる貫通孔２６を有する。支持体１４は、ベアリングを用いてフィットすることができる貫通孔を有するものとして示されているが、支持体は、円筒部材２２を受け入れるためにＵ字形状鞍部を有して開いていてもよい。図１Ａのシステム１０は、円筒部材２２のための２つの支持体を有するが、特に、円筒部材２２を平行移動および回転させる実施形態においては、より多くの支持体が設けられてもよい。アクチュエータ１８は、円筒部材２２を回転させるように構成されており、いくつかの実施形態において、円筒部材２２の長手方向軸の方向において円筒部材２２を双方向に引いて押す線形アクチュエータを含む。図示されているシステム１０はまた、アクチュエータ１８が円筒部材を回転し、いくつかの実施形態においては平行移動させるときに、プリントヘッドが、円筒部材２２へと材料の液滴を吐出することを可能にするために、円筒部材２２を中心として周方向に位置付けられている３つのプリントヘッド３０ａ、３０ｂ、および３０ｃをも含む。一実施形態は、造形材料とサポート材の両方を物体形成のために吐出することができる限り、より少ないまたはより多いプリントヘッドを有してもよい。

システム１０の端面図が図１Ｂに示されている。この図において、円筒部材２２は、第１の材料の層４０と、２つの材料から形成される層４４とを有する。層４０は、プリントヘッド３０ａから吐出されているサポート材であり、層４４中の２つの材料は、プリントヘッド３０ｂおよび３０ｃから吐出されている。材料は、異なる特性、異なる色、またはその両方を有することができる。プリントヘッドに加えて、システム１０は、レベラ４８と、硬化デバイス５２と、カッター５６と、研磨機６０とを含む。レベラ４８、硬化デバイス５２、カッター５６、および研磨機６０は一般的に、本明細書においては物体処理デバイスと呼ばれる。本明細書において使用されるものとしては、「物体処理デバイス」は、プリントヘッドから吐出される材料のうちの１つの特性を改質するように構成されている任意のデバイスを参照する。レベラ４８は、部材２２上の外層から材料を所定の高さにおいて除去するように構成されているデバイスである。硬化デバイスは、部材２２へと吐出される材料を部分的にまたは完全に凝固させる放射を放出するように構成されている。放射は、紫外線、熱、赤外線、または、プリントヘッド３０ａ、３０ｂ、および３０ｃによって吐出される１つまたは複数の材料を凝固させるのに適切である何らかの他の周波数範囲であってもよい。材料は、層から材料を除去する任意の処理を実施する前に硬化または凝固しなければならない。そのような硬化または凝固は、必要に応じて放射を複数回当てるために、シャフトを回転させることによって達成することができる。図１Ｂに示す実施形態において、プリントヘッド３０ａは、ワックスのようなサポート材を吐出し、一方で、プリントヘッド３０ｂおよび３０ｃは、物体を形成するための造形材料を吐出する。カッター５６は、レベラ４８によって可能であるよりも大きい深さにおいて外層から材料を除去するのに有用な尖鋭化した点を有する刃または他の硬化製品である。研磨機６０は、その周囲にエンドレスベルト６８を伴う少なくとも一対のローラ６４を含む。エンドレスベルトは、部材２２上の外層に表面仕上げを施すための砂粒または他の研磨剤を含ませられる。

図１Ｂに示すように、アクチュエータ７２および７６は、プリントヘッド３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、レベラ４８、硬化デバイス５２、カッター５６、エンドレスベルト６８、および研磨機６０の少なくとも１つのローラ６４に動作可能に接続されている。コントローラ８０が、アクチュエータ７２および７６に動作可能に接続されている。コントローラ８０は、アクチュエータ７２および７６を、プリントヘッド、レベラ、硬化デバイス、カッター、および研磨機を円筒部材２２の中心に関して半径方向に動かすように選択的に動作させるように構成されている。この動作は、物体処理デバイスおよびプリントヘッドが、部材２２の周囲に構築されている物体の外面に対して、処理デバイスまたはプリントヘッドがその意図される機能を効果的に実施することができるような位置に移動されることを可能にする。加えて、コントローラ８０は、アクチュエータ７６を、ローラ６４を中心としてエンドレスベルトを回転させるように研磨機６０の少なくとも１つのローラ６４を駆動するように動作させる。

図１Ｃに示すように、システム１０の構成要素は、円筒部材２２の長手方向軸に沿って互いからずれることができる。図面に示すように、プリントヘッド３０ａ、カッター５６、および研磨機６０は、部材２２の長手方向軸に平行な方向に沿ってずれており、部材２２の異なる側に位置付けられている。アクチュエータ１８は、プリントヘッドによって吐出される材料が、部材２２の周囲に構築されている物体を処理するための物体処理デバイスと反対の位置へと動かされ得るように、コントローラ８０によって、部材２２の回転速度を調整し、部材２２を平行移動させるように動作させられる。

上述したように構成されている印刷システム１０を動作させるためのプロセス２００を図２に示す。プロセスが何らかのタスクまたは機能を実施しているという記述は、コントローラまたは汎用プロセッサが、データを操作し、システム内の１つまたは複数の構成要素を、タスクまたは機能を実施するように動作させるためにコントローラまたはプロセッサに動作可能に接続されている非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に記憶されているプログラム命令を実行することを指す。上記で言及されている印刷システム１０のコントローラ８０は、プロセス２００を実施するコントローラまたはプロセッサを提供するための構成要素およびプログラム命令を用いて構成することができる。代替的に、コントローラは、２つ以上のプロセッサならびに関連回路および構成要素を用いて実装されてもよく、それらの各々は、下記に説明する１つまたは複数のタスクまたは機能を形成するように構成されている。

図２を参照すると、プロセスは、円筒部材を２つ以上の支持体へと取り付け、円筒部材をアクチュエータに動作可能に接続することによって開始する（ブロック２０４）。材料を円筒部材へと吐出するプリントヘッドに、および、円筒部材の周囲に位置付けられている物体処理デバイスに動作可能に接続されているアクチュエータは、１つもしくは複数の最初の動作が円筒部材によって実施されるのに必要とされない構成要素を後退させ、または、１つもしくは複数の最初の動作を実施するために必要とされる構成要素を位置付けるように動作させられる（ブロック２０８）。円筒部材に動作可能に接続されているアクチュエータは、円筒部材を回転させるように作動され、それに従って、１つまたは複数の最初の動作を実施する構成要素が動作させられる（ブロック２１２）。一般的に、最初の動作は、複数の異なる材料を回転部材へと吐出し、回転部材上に層を形成するための、回転円筒部材の周囲に位置付けられている複数のプリントヘッド内の吐出装置の動作を含む。それらの材料の吐出の前に、構造体の研磨または部材への切断のような、他の動作が実施され得る。回転シャフト、および、回転部材の周囲に位置付けられている構成要素は、必要に応じて、部材上での物体層の作製を継続するために、または、部材上に形成されている層を処理するために動かされ得る（ブロック２１６）。たとえば、層が形成されるときに、線形アクチュエータは、部材の特定の領域および部材上に形成されている層を、部材に沿って互いから長手方向にずれている構成要素の反対に位置付けるために、回転部材をその長手方向軸の方向に動かすように動作させられてもよい。代替的にまたは付加的に、アクチュエータは、構成要素を、回転部材の層に対する動作を実施するために回転部材に対して適切に位置付けるために、構成要素を半径方向において回転部材から外方にまたは回転部材に向かって動かすように動作させられてもよい。これらの動作は、部材の周囲の層の半径方向の成長に対応するためにプリントヘッドを後退させること、部材上の材料を硬化させるように硬化デバイスを位置付けること、および、レベラ、研磨機、またはカッターを、部材上の材料と接触するように位置付けることを含む。動作が完了すると（ブロック２２０）、部材の回転が終了し（ブロック２２４）、形成された物体を有する部材が支持体から取り外される（ブロック２２８）。そうでなければ、プロセスは、回転部材の周囲での物体の造形を継続する（ブロック２１６）。

円筒部材の周囲に形成される物体の一例が、図３Ａの端面視点において、また、図３Ｂの長手方向側面視点から示されている。図３Ａにおいて、物体３００は、第１の材料の内部層４０と、２つの材料から作成されている外部層４４とを有する。内部層４０は、サポート材から作成されており、これは、部材２２および物体３００がシステム１０から取り外されるときに、溶融または化学作用によって除去することができる。サポート層４０をなくすことによって、物体３００を部材２２から解放することが可能になる。上述したプロセスは、タブ３０４、歯３０８、および鍵３１２のような物体特徴部が、物体内に形成されることを可能にする。これらの特徴部は、追加の、または、層４４の同心材料とは異なる材料を用いて形成することができる。図３Ｂに示すように、部材２２を平行移動させることが可能であることによって、材料が領域３２０内で切り離されることが可能になる。また、物体３００の特定の部分を研磨機６０に対向する位置に平行移動させることによって、図３Ｂの領域３１６が、物体３００の残りの外面とは異なる表面仕上げを得ることが可能になる。したがって、部材２２の円筒形状が後に取り外される物体の基礎を形成するために使用されるため、システム１０およびプロセス２００は、円筒物体が迅速に形成されることを可能にする。本明細書において使用されるものとしては、「円筒形状物体」という用語は、物体が、概してその長手方向中心線を中心とした円筒形である不規則な表面を有することができるように、物体の壁から延伸するかまたは壁の中に割り込む特徴部を有することができる円筒部材の周囲に形成される三次元構造を指す。

Claims (6)

1. 円筒部材が支持され、支持体内で回転することを可能にするように構成されている、少なくとも２つの支持体と、
   各プリントヘッドが、材料の供給部に流体接続されている複数の吐出装置を有する少なくとも２つのプリントヘッドであって、前記少なくとも２つのプリントヘッド内で各プリントヘッドに供給される前記材料は、前記少なくとも２つのプリントヘッドのうちの他方の前記プリントヘッドに供給される前記材料とは異なり、前記少なくとも２つのプリントヘッドは、前記少なくとも２つの支持体によって支持されている前記円筒部材の周りに配置されている、少なくとも２つのプリントヘッドと、
   前記少なくとも２つの支持体によって支持されている前記円筒部材の周りに位置付けられている、少なくとも１つの物体処理デバイスと、
   前記少なくとも２つの支持体によって支持されている前記円筒部材に動作可能に接続されて、前記支持体内で前記円筒部材を回転させるように構成されているアクチュエータと、
   前記少なくとも２つのプリントヘッド、前記少なくとも１つの物体処理デバイス、および前記アクチュエータに動作可能に接続されているコントローラであって、前記コントローラは、前記アクチュエータを動作させて、前記円筒部材を前記少なくとも２つの支持体内で回転させ、前記少なくとも２つのプリントヘッドの各々の中の前記複数の吐出装置を動作させて、前記少なくとも２つのプリントヘッドに供給される異なる前記材料を用いて、前記回転している円筒部材上に層を形成させ、前記少なくとも１つの物体処理デバイスを動作させて、前記円筒部材が前記少なくとも２つの支持体内で回転している間に、回転している前記円筒部材上に形成されている前記層を改質させるように構成されている、コントローラと、
   前記コントローラに動作可能に接続された硬化デバイスと、
   を備える、プリンタであって、
   前記コントローラは、前記硬化デバイスを動作させて、回転している前記円筒部材上に吐出された少なくとも１種類の材料を硬化させるようにさらに構成されており、
   前記プリンタが、さらに、前記少なくとも２つのプリントヘッドと、前記硬化デバイスとに動作可能に接続されている少なくとも１つの他のアクチュエータを備え、
   前記コントローラは、前記少なくとも１つの他のアクチュエータに動作可能に接続されており、
   前記コントローラは、前記少なくとも１つの他のアクチュエータを動作させて、前記プリントヘッドのそれぞれと、前記硬化デバイスとを、互いに独立して、前記回転している円筒部材の中心に関して半径方向の双方向に動かすようにさらに構成されており、
   前記プリンタは、前記少なくとも２つの支持体内で前記円筒部材を長手方向軸に沿って動かすように構成されている線形アクチュエータをさらに備え、
   前記コントローラは、前記線形アクチュエータに動作可能に接続されており、前記コントローラは、前記線形アクチュエータを動作させて、前記少なくとも２つの支持体内で前記円筒部材を長手方向軸に沿って動かすようにさらに構成されており、
   前記少なくとも２つのプリントヘッドのうちの１つと、前記少なくとも１つの物体処理デバイスは、前記円筒部材の長手方向軸に沿った方向において、ずらされて配置されており、
   前記コントローラは、
   前記線形アクチュエータを動作させて、前記少なくとも２つのプリントヘッドで形成された前記円筒部材上の前記層を、前記少なくとも１つの物体処理デバイスに対向する位置まで前記長手方向軸に沿って動かし、
   前記少なくとも１つの物体処理デバイスを動作させて、それに対向する前記円筒部材上の前記層を改質させると共に、前記少なくとも２つのプリントヘッドのうちの少なくとも１つを動作させて、それに対向する前記円筒部材上に層を形成させるように、さらに構成される、
   プリンタ。
2. 前記少なくとも２つのプリントヘッドは、回転している前記円筒部材の長手方向軸に沿って互いからずれており、
   前記コントローラは、前記線形アクチュエータを動作させて、回転している前記円筒部材を前記少なくとも２つのプリントヘッドの間で選択的に動かすようにさらに構成されている、請求項１に記載のプリンタ。
3. 前記少なくとも１つの物体処理デバイスは、前記コントローラに動作可能に接続されているレベラをさらに備え、前記コントローラは、前記レベラを動作させて、回転している前記円筒部材上に吐出された少なくとも１つの材料の部分を所定の高さにおいて除去するようにさらに構成されている、請求項１に記載のプリンタ。
4. 前記少なくとも１つの物体処理デバイスは、前記コントローラに動作可能に接続されているカッターをさらに備え、前記コントローラは、前記カッターを動作させて、回転している前記円筒部材上に吐出された少なくとも１つの材料の部分を除去させるようにさらに構成されている、請求項１に記載のプリンタ。
5. 前記少なくとも１つの物体処理デバイスは、前記コントローラに動作可能に接続されている研磨機をさらに備え、前記コントローラは、前記研磨機を動作させて、回転している前記円筒部材上に形成された外層の表面を処理させるようにさらに構成されている、請求項１に記載のプリンタ。
6. 前記研磨機は、
   少なくとも２つのローラの周りに掛け渡されたエンドレスベルトと、
   前記研磨機の前記２つのローラのうちの少なくとも一方に動作可能に接続されているもう１つの別のアクチュエータと、をさらに含み、
   前記コントローラは、前記もう１つの別のアクチュエータに動作可能に接続されており、前記コントローラは、前記もう１つの別のアクチュエータを動作させて、前記２つのローラのうちの少なくとも一方を回転させて、前記少なくとも２つのローラの周りに掛け渡されたエンドレスベルトを回転させるようにさらに構成されている、請求項５に記載のプリンタ。
   

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