JP6817458B2 - 三次元プリントシステムにおける相変化インクのための熱効率のよい搬送システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

この非仮特許出願は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下でここに参照することによって援用される、２０１７年３月１７日出願のＫｅａｔｏｎ Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｄａｎｉｅｌ Ｓｎｙｄｅｒ等による「ＴＨＥＲＭＡＬＬＹ ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＰＨＡＳＥ ＣＨＡＮＧＥ ＩＮＫＳ ＩＮ Ａ ＴＨＲＥＥ ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＰＲＩＮＴＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ」と題された米国仮特許出願第６２／４７２，９５２号に対する優先権を主張する。

本開示は、インクジェットプリントヘッドからの材料の選択的堆積から製造対象の固体三次元（３Ｄ）物体を製作する装置および方法に関する。より詳細には、本開示は、加熱された相変化インクをインクジェットプリントヘッドへ供給するための熱効率のよい装置に関する。

三次元（３Ｄ）プリントシステムは、例えばプロトタイプおよび製造の目的で使用が急増している。３Ｄプリンタの１つのタイプは、材料を選択的に堆積するためにインクジェットプリントヘッドを利用し、製造対象の三次元（３Ｄ）物体を形成する。いくつかの実施形態において、３Ｄプリンタは、相変化インクを利用する。しかしながら、相変化インクを利用すると、いくつかの課題が生じる。

１つの課題は、インク供給源からのインクジェットプリントヘッドへの相変化インクの搬送である。いくつかの実施形態について、インクは、固体されたインク供給ステーションと移動するプリントヘッドとの間で液相を保たなければならない。インクを搬送する導管は、プリントヘッドが移動すると前後に収縮しなければならないが、同時に、インクを液体状態に維持する手段を組み込む必要がある。これは、熱効率および曲げ応力への抵抗性を含む、導管についての設計課題を提示する。

本開示のある態様において、三次元（３Ｄ）プリントシステムは、プリントヘッドおよびインク供給サブシステムを備える。プリントヘッドは、相変化インクの液滴を排出し、製造対象の三次元物体を画定するためのものである。インク供給サブシステムは、相変化インクをプリントヘッドへ提供するためのものであり、加熱インク搬送部品を含む。インク搬送部品はさらに、インク管、螺旋状レジスタ、リターン・コンダクタ、および外管を含む。インク管は、相変化インクを接触および搬送するための内表面および外側管表面を有する。レジスタは、インク管の外側管表面の周りに螺旋状に巻きつけられる。いくつかの実施形態においてレジスタは、細長い長方形の断面の形状因子を有し、他の実施形態においてレジスタは、他の形状因子を画定する。細長い長方形の断面の主軸は、インク管の外側管表面に実質的に適合し、レジスタからインク導管への熱伝達を最大にする。リターン・コンダクタは、レジスタの周りに螺旋状に巻きつけられ、レジスタの抵抗よりも低い抵抗を有する。外管は、レジスタおよびリターン・コンダクタを囲みかつ保護し、加熱インク搬送部品に断熱を提供する。

１つの実装形態において、三次元（３Ｄ）プリントシステムは、コントローラ、エレベータ機構、移動機構、およびセンサを備える。エレベータは、プリント表面の高さを制御する。移動機構は、プリントヘッドとプリント表面との間の相対運動を与える。センサは、インク管中の相変化インクの温度に基づいて情報または信号を生成する。コントローラは、情報記憶装置に接続されたプロセッサを含む。情報記憶装置は、不揮発性のまたは非一時的な記憶装置を含んでおり、その非一時的なまたは不揮発性の記憶装置は、プロセッサにより実行される際に、センサからの情報または信号を受け取り、製造対象の三次元物体の形成中に、エレベータ機構、プリントヘッド、移動機構、および三次元プリントシステムの他の部分を制御する命令を記憶している。コントローラは、１つの場所にあるものであってもよいし、三次元プリントシステム内の複数の場所に分散させられたものであってもよい。

別の実装形態において、インク管の外側管表面は、外側導管直径を有し、レジスタは、外側導管直径よりも大きい内径を画定する。

さらに別の実装形態において、レジスタは、第１のピッチで螺旋状に巻きつけられ、リターン・コンダクタは、第１のピッチよりも大きい第２のピッチで螺旋状に巻きつけられる。

さらに別の実装形態において、リターン・コンダクタは、確固とした円形断面を有する。管状の円柱インシュレータは、リターン・コンダクタを被覆し、レジスタと外管の内面との間に空隙を画定し、空隙は、レジスタと周囲雰囲気との間に追加の半径方向熱抵抗を提供する。

例示的なプリントシステムの概略ブロック図 例示的なプリントシステム２の一部の等角投影図 熱的に加熱された導管の概略図 熱的に加熱された導管の一部の概略切断側面図 熱的に加熱された導管の一部の概略断面／切断末端図 熱的に加熱された導管の第１の代替的な実施形態の概略図 熱的に加熱された導管の第２の代替的な実施形態の概略図

図１は、例示的な三次元プリントシステム２の概略ブロック図である。図２は、部品の例示的な物理的配置を示す、例示的な三次元プリントシステム２の一部の等角投影図である。プリントシステム２を説明するに際し、互いに直交する軸Ｘ、ＹおよびＺが使用される。軸ＸおよびＹは、「横方向」または「水平方向」軸と称され、Ｚは「垂直方向」軸として記載される。しかしながら、Ｚは、重力の基準と必ずしも完全に位置合わせされないことが理解されるべきである。また、Ｘは「走査」軸を指し、Ｙは「横」軸を指す。方向＋Ｚは全体的に「上に向かう」方向であり、方向−Ｚは全体的に「下に向かう」方向である。

プリントシステム２は、構築平面４を支持し、位置合わせし、垂直方向に位置づけるためのエレベータ機構を備える。構築平面４は通常、アルミニウムのような剛体材料から形成され、その上に製造対象の三次元（３Ｄ）物体が形成される上面を含む。正確な位置決め公差および寸法公差が達成できるように、剛性が重要である。エレベータ機構６は、垂直軸Ｚに沿って構築平面４を制御可能に位置づけるよう構成される。

プリントシステム２は、移動機構１０によって支持され横方向に移動されるプリントヘッドアセンブリ８を備える。移動機構１０は、プリントアセンブリ８が構築平面４上にインクの液滴を選択的に堆積して製造対象の三次元（３Ｄ）物体の層を形成する際に、走査軸Ｘに沿ってプリントヘッドアセンブリ８を移動するように構成される。代替的な実施形態において、構築平面は、構築平面を横方向に移動する移動機構に取り付けられ、プリントヘッドアセンブリは、構築平面に関してプリントヘッドアセンブリを垂直に位置づけるためのエレベータ機構に取り付けられる。本発明のさらなる実施形態は、Ｘ、ＹおよびＺ軸における構築平面に関してプリントヘッドアセンブリを移動させるための代替的な機構を含む。

プリントヘッドアセンブリ８のプリントヘッドは、インク経路１４を介してインク供給源１２からインクを受け取る。例示的な実施形態において、インク経路１４は、加熱された管を含み、これは、インク供給源１２からプリントヘッドへ相変化インクを搬送する。コントローラ１６は、製造対象の三次元（３Ｄ）物体をプリントするためのプリントシステム２を動作するよう構成される。コントローラ１６はまた、インク経路１４内の相変化インクの温度を制御するよう構成される。

インク経路１４は、熱的に加熱された導管１４であり、これは、インク供給源１２からプリントヘッドまで相変化インクを液体状態に維持することができる。熱的に加熱された導管１４は、以下を相乗的に行う特徴を有する：（１）熱的に加熱された導管１４が耐えることのできる湾曲の数を最大にする、および（２）加熱および相変化インクを液体状態に維持する熱効率を最大にする。

図２に示されるように、プリントシステム２は、プリントヘッドアセンブリ８を含むさまざまの部品を支持するシャーシ１８を含む。プリントヘッドアセンブリ８は、走査軸Ｘに沿って走査を行い、横軸Ｙに沿って配置されるノズルのアレイを含む。プリントシステム２は、プリントヘッドアセンブリ８のようなさまざまの部品を冷却するために多くのファン２０を含む。熱的に加熱された導管１４におけるこれらのファン２０の効果によって、熱的に加熱された導管１４の高い熱効率および断熱の要求が増加する。

図３は、熱的に加熱された導管１４の概略図である。導管１４は、インク供給源１２からインクを受け取るための入口２２およびインクをプリントヘッドアセンブリ８へ供給するための出口２４を含む。入口２２と出口２４との間で導管１４の長さに沿って配置されるのは、導管１４内のインクを加熱するためのレジスタ２６である。リターン・コンダクタ２８も、入口２２と出口２４との間で導管１４の長さに沿って配置される。制御電子回路の一部である電源装置（図示せず）は、入力リード間の電圧Ｖをレジスタ２６およいリターン・コンダクタ２８に与える。レジスタ２６およびリターン・コンダクタ２８は、接続点３０で接触する。説明のための実施形態に従って、接続点３０は、入口２２に近接するまたは最も近く、入力リードＶは、出口２４に近接するまたは最も近い。しかしながら、逆もまた真である−入力リードＶが入口２２に最も近く接続点３０が出口２４に最も近くてもよい。

導管１４はまた、導管１４中の相変化インクの温度をモニタする温度センサ３１を含む。温度センサ３１は、導管１４に沿って任意の位置に配置されてもよい。１つの実施形態において、センサ３１は、入口２２と出口２４との間の中間位置に配置される。別の実施形態において、センサ３１は、出口２４に近接して配置される。さらなる実施形態において、センサ３１は、サーミスタである。コントローラ１６は、センサ３１からの信号または情報を利用し、導管１４内の温度をモニタし、それに応じてレジスタ２６に与えられる制御信号または電流を調整する。

図４は、熱的に加熱された導管１４の一部の概略切断側面図である。導管１４は、インク管３２、螺旋状レジスタ２６、リターン・コンダクタ２８、および外管３４を含む。１つの実施形態において、レジスタ２６と外管３４との間に空隙３６が画定される。レジスタ２６は、レジスタピッチＰ_Ｒで、インク管３２の外側管表面３８の周りに螺旋状に巻きつけられる。リターン・コンダクタ２８は、コンダクタピッチＰ_Ｃで、レジスタ２６の周りに螺旋状に巻きつけられる。好ましい実施形態において、レジスタ２６に対するリターン・コンダクタ２８の電圧降下を最小にするために、Ｐ_Ｃ＞Ｐ_Ｒである。

図５は、熱的に加熱された導管１４の一部の概略断面／切断末端図である。導管１４は、相変化インク３８を搬送するインク管３２を含む。インク管３２は、内径Ｄ_１および外径Ｄ_２を有する。レジスタ２６は、インク管３２と熱的に接触する。レジスタ２６は、インク管３２の周りに巻かれ、インク管３２とレジスタ２６との間の放射状空間４０を初めに画定する。放射状空間４０は、インク管３２の熱膨張と関係する応力を低減する。放射状空間４０は、インク管３２の周りにレジスタ２６を巻きつける間にレジスタ２６およびインク管３２を分離するために細いプラスチックの線またはワイヤを用いることにより画定できる。レジスタの巻き付けによって、内径Ｄ_３および外径Ｄ_４が画定される。放射状空間４０は、Ｄ_３とＤ_２との間の距離として確定され、これはレジスタ２６およびインク管３２の相対温度が変化すると変化しうる。

図５の実施形態において、断面においてレジスタ２６は、細長い長方形の断面積を有する。細長い長方形の断面積は、インク管３２と位置合わせされインク管３２に沿った主軸を有する。これによって、レジスタ２６とインク管３２との間の熱伝達が最大となる。

リターン・コンダクタ２８は、確固とした円形断面を有する。管状の円柱インシュレータ４２は、リターン・コンダクタ２８を囲む。管状の円柱インシュレータは、外径Ｄ_５を画定し、これは、レジスタ２６と外管３４との間のスペーサとして作用しうる。１つの実施形態において、外径Ｄ_５は、空隙３６の肉厚を画定しうる。外径Ｄ_５は、空隙３６を介した熱伝達を最小にするために微調整されてもよい。したがって、リターン・コンダクタ２８は、その管状の円柱インシュレータ４２によって、戻り電気経路および断熱最適化という二重の機能を提供しうる（なぜならば、直径Ｄ_５は、Ｄ_４と外管３４の内面との間の放射状空隙距離に等しいからである）。

図６は、熱的に加熱された導管１４の第１の代替的な実施形態を示す。図６の実施形態と図３の実施形態との間の違いが以下に詳述される。導管１４は、温度センサ４４および４６を含む。温度センサ４４は、熱的に加熱された導管１４の入口２２と出口２４との間の中間点に配置される。温度センサ４６は、熱的に加熱された導管１４の出口２４に近接して配置される。１つの実施形態において、コントローラ１６は、２つの温度センサ４４および４６からの信号を受け取る。次いで、コントローラは、温度を調節し、２つのセンサからの最低温度が許容できる閾値より上に維持されることを確保する。

図７は、熱的に加熱された導管１４の第２の代替的な実施形態を示し、ここでは、第１の導管ゾーン４８および第２の導管ゾーン５０を含む２つの導管ゾーンが含まれる。第１の導管ゾーン４８は、入口２２から熱的に加熱された導管１４の中間位置５２まで伸長する。第２の導管ゾーン５０は、熱的に加熱された導管１４の中間位置５２から出口２４まで伸長する。相変化インクは、入口２２中へ流れ、第１の導管ゾーン４８を通り、第２の導管ゾーン５０を通り、出口２４から出てもよい。

熱的に加熱された導管１４内でより均一なまたは所望の温度分布を提供するために、第１の導管ゾーン４８および第２の導管ゾーン５０の温度を独立して制御してもよい。本発明のさらなる実施形態は、複数の導管ゾーンを含む。本発明のさらなる実施形態は、３つ以上の導管ゾーンを含む。複数の導管ゾーンは、閉ループのコントロールシステムを用いて独立して制御されうる。第１の導管ゾーン４８は、独立して制御されるレジスタ２６を有する。第１の導管ゾーンはまた、温度センサ５４を含む。第２の導管ゾーン５０もまた、独立して制御されるレジスタ２６および温度センサ５６を含む。したがって、コントローラは、温度センサ５４および５６からの入力を利用し、それぞれゾーン４８および５０に供給される電力レベルを最適化する。

図６および７において言及されるレジスタ２６およびリターン・コンダクタ２８は、図４および５に関して説明されるものと同じでよい。熱的に加熱された導管１４の他の態様もまた同様でありうる。

上記で説明した具体的な実施形態およびそのアプリケーションは、専ら説明目的のためのものであり、特許請求の範囲により包含される変更形態およびバリエーションを、除外するものではない。

２ 三次元プリントシステム
４ 構築平面
６ エレベータ機構
８ プリントヘッドアセンブリ
１０ 移動機構
１２ インク供給源
１４ インク経路
１６ コントローラ

Claims (10)

1. 三次元プリントシステムであって、
   相変化インクの液滴を排出し、製造対象の三次元物体を画定するための、プリントヘッド；
   前記相変化インクを、加熱インク搬送部品を含む前記プリントヘッドへ提供するためのインク供給サブシステム、
   を備え、
   前記加熱インク搬送部品はさらに、
   前記相変化インクを接触および搬送するための内表面および外側管表面を有するインク管；
   前記インク管の前記外側管表面の周りに螺旋状に巻きつけられ、それにより、断面の主軸が前記外側管表面に実質的に適合する、レジスタ；
   前記レジスタの周りに巻きつけられ、前記レジスタよりも低い抵抗抵抗を有する、リターン・コンダクタ；および
   前記レジスタおよび前記リターン・コンダクタを囲みかつ保護し、前記加熱インク搬送部品に断熱を提供する、外管、
   を備える、三次元（３Ｄ）プリントシステム。
2. 前記インク管の前記外側管表面が、外側導管直径を有し、前記レジスタが、該外側導管直径よりも大きい内径を有することを特徴とする、請求項１に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
3. 前記レジスタが第１のピッチで螺旋状に巻きつけられ、前記リターン・コンダクタが前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで螺旋状に巻きつけられることを特徴とする、請求項１に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
4. 前記リターン・コンダクタが、確固とした円形断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
5. 前記リターン・コンダクタを被覆する管状の円柱インシュレータをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
6. 前記管状の円柱インシュレータが、前記レジスタと前記外管の内面との間に空隙を画定し、該空隙が、前記レジスタと周囲雰囲気との間に追加の層半径方向熱抵抗を提供することを特徴とする、請求項５に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
7. 前記レジスタが、細長い長方形の断面の形状因子を画定することを特徴とする、請求項１に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
8. 前記インク管が、温度が独立して制御される複数の導管ゾーンを画定することを特徴とする、請求項１に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
9. 前記複数の導管ゾーンが、閉ループ制御システムを用いて独立して制御されることを特徴とする、請求項８に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。
10. 少なくとも１つの導管ゾーンの前記レジスタが、前記インク管の入口から伸長し、少なくとも１つの他の導管ゾーンの前記レジスタが、前記インク管の出口から伸長することを特徴とする、請求項８に記載の三次元（３Ｄ）プリントシステム。

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