JP6909624B2 - 仕上げ面を３次元物体に適用する方法およびシステム - Google Patents

Description

本明細書に開示される装置は、３次元物体を作成するプリンタに関し、より具体的には、そのような物体の表面仕上げに関する。

デジタル３次元物体製造（デジタル積層造形としても知られている）とは、デジタルモデルから３次元の固体物体を作成する処理のことである。３次元物体印刷とは、基材上に材料の連続層が異なる形状で形成される付加処理のことである。接着材料を吐出したり、指向エネルギー堆積法を行ったり、材料を押出したり、材料を吐出したり、粉末層を定着させたり、シートを積層したり、あるいは液体感光樹脂材料を硬化放射光に当てたりすることにより、これらの層を形成することができる。その上に層が形成される基材が、プラットフォームに支持され、このプラットフォームにはアクチュエータが動作可能に接続し、このアクチュエータの動作によってプラットフォームが３次元的に移動可能となる。あるいは、材料堆積装置が、１つ以上のアクチュエータに動作可能に接続し、この堆積装置の動作を制御して物体を形成する層を作成する。３次元印刷は、切断や穴あけなどの切削処理により加工品から材料を取り除くことにその大部分を依存する従来の物体形成技術とは大きく異なる。

通常、印刷される物体の形成中、物体の層は少なくとも部分的に固化され、次いで、その層から材料を取り除く装置により平坦化される。この平坦化は、通常、装置が水平方向に層全体に渡って移動して所定の水平面上を画定しながら、画定される水平面上に延在する取り除くことにより行われる。数枚の層ごとに平坦化が実施され、将来のレベルのレベル支持構造を確認する。この平坦化が行われない場合、不均一な表面を作成する小さなデコボコが連続し、物体の表面に著しく大きな波の形状が発生する。

しかし、表面を平坦化することにより、物体の至る所に同様の仕上げ面が作られてしまう。この仕上げ面は、本来、比較的鏡面に近い。いくつかの物体は、ギラツキを防ぐため、あるいは、物体上に掴み面を作るために非反射面で形成されなければならない。したがって、著しい波の面を作ることなく、印刷される物体上の表面仕上げを変更することができる３次元プリンタが必要となる。

３次元印刷物体の表面仕上げを変更することができる３次元プリンタが開示される。このプリンタは、テーブルと、材料の供給部に流体接続してテーブルに向けて材料を吐出可能にする複数の吐出器をそれぞれ有する少なくとも２つの吐出ヘッドと、平坦化装置と、固化装置と、少なくとも２つの吐出ヘッド、平坦化装置、および固化装置が取り付けられる少なくとも１つの部材と、この少なくとも１つの部材に動作可能に接続するアクチュエータと、吐出ヘッドから吐出される材料で形成される物体の層に対応する描画データの供給源と、少なくとも２つの印字ヘッド、平坦化装置、固化装置、描画データの供給源、およびアクチュエータに動作可能に接続する制御装置であって、アクチュエータを操作して少なくとも１つの部材を移動させ、少なくとも２つの印字ヘッド、平坦化装置、および固化装置をテーブルに対して配置し、少なくとも２つの印字ヘッドの各印字ヘッド内の複数の吐出器を操作してテーブルに支持される物体の層の一部を形成し、露出面が形成される手前の所定枚数の層の中に、次に形成される層があることをこの制御装置が検知すると、平坦化装置の動作を中断させ、描画データを参照して、少なくとも２つの吐出ヘッド内の複数の吐出器を操作して平坦化を行うことなしに所定枚数の層を形成するよう構成される制御装置と、を含む。

３次元物体上の表面を変更することができる３次元のプリンタを操作する方法が開示される。この方法には、制御装置を用いて、アクチュエータを操作して少なくとも１つの部材を移動させ、少なくとも２つの印字ヘッド、平坦化装置、および固化装置をテーブルに対して配置するステップと、制御装置を用いて、少なくとも２つの印字ヘッドの各印字ヘッド内の複数の吐出器を操作してテーブルに支持される物体の層の一部を形成するステップと、露出面が形成される手前の所定枚数の層の中に、次に形成される層があることをこの制御装置が検知すると、平坦化装置の動作を中断させるステップと、制御装置を用いて、少なくとも２つの吐出ヘッド内の複数の吐出器を操作して所定枚数の層に対応する描画データを用いて、平坦化されない所定枚数の層を形成するステップと、が含まれる。

次に、下記の添付図面を参照して、３次元物体上の表面仕上げを変更することができる装置および方法の前述の様態およびその他の特徴を説明する。

図１は、３次元物体上の仕上げを変更することができるよう構成される印刷システムのブロック図である。 図２は、図１の印刷システムを操作して３次元物体上の仕上げを変更する方法を示すフローチャートである。 図３は、様々な表面仕上げを有する３次元物体の上面図である。 図４は、様々な表面仕上げを有する別の３次元物体の上面図である。 図５は、示される通り組み合わせて所定の表面仕上げを作成可能な２つの別々のスクリーンを示す図である。 図６は、図５の２つのスクリーンを生成し組み合わせて、印字ヘッド内の吐出器を操作して印刷される物体の特定の領域内に所定の仕上げ作成するために用いられるデータを作成するシステムのブロック図である。 図７は、印刷される物体の凹部領域内に形成される所定の仕上げ面を示す図である。

本明細書に開示される装置および方法に関する環境、および装置および方法の詳細に対する一般的な理解を得てもらうために図面を参照する。これらの図面では、同様の参照符号により、同様の要素が示される。

図１には、少なくとも２つの異なる材料を吐出して、形成される物体の層内に領域を形成する３次元プリンタすなわち積層造形システム１０が示されている。このプリンタ１０は、その上にシステムが物体または部品４４を形成するテーブル１４を含む。このプリンタは、一対の吐出ヘッド２２および２４、固化装置２８、および平坦化装置３２も含み、これらの要素は全て部材１８に取り付けられる。部材１８は、１つ以上のアクチュエータ３６に動作可能に接続する。制御装置４０は、１つ以上のアクチュエータ３６に動作可能に接続して、部材１８、およびこの部材に取り付けられる構成部品をテーブル１４の面と平行な平面内の処理方向ＣＰに移動させる。この制御装置４０はまた、１つ以上のアクチュエータ３６を操作して部材１８を垂直方向Ｙに移動させ、部品４４が作られるときの構成部品と部品４４の上面との間の距離を変更する。各吐出ヘッド２２および２４は、テーブル１４の表面に向けて材料の滴を吐出して３次元物体の層の中に部品４４などの領域を形成するよう構成される複数の吐出器を有する。これらの層内の支持領域は、当技術分野では既知の部品特徴の形成が可能なその他の材料を用いても形成可能である。システム１０は、１つの吐出ヘッドを通して第１の材料を吐出し、別の吐出ヘッドを通して別の材料を吐出するよう構成されて示されているが、いくつかがある材料を吐出し、他のいくつかは別の材料を吐出する複数のセットの吐出器で吐出ヘッドを構成してもよい。図１のシステム１０は、単一の部材１８を有して示されているが、平坦化装置３２、固化装置２８、および吐出ヘッド２２および２４を制御装置４０により制御される複数のアクチュエータに動作可能に接続する異なる部材に取り付けてもよい。

プリンタ１０の制御装置４０は、少なくとも２つの吐出ヘッド２２および２４、固化装置２８、および平坦化装置３２に動作可能に接続する。この制御装置４０は、部品４４などの３次元物体をテーブル１４上に形成される層内に描写される物体の画像データを参照して吐出ヘッド２２および２４を操作するよう構成される。この描画データ４８は、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムなどの遠隔データ源、あるいは、そのようなデータが格納されるメモリから受け取ることができる。３次元物体の各層を形成するために、制御装置４０はプリンタ１０を操作して、テーブル１４の上、あるいは、その前に形成された層の上に材料の滴を吐出させながら、吐出ヘッド２２および２４を処理方向ＣＰに１回以上スウィープさせる。各層が形成された後、これらの吐出ヘッドは、テーブル１４から垂直方向Ｙに離れ、次の層を印刷するのに好適な位置に移動する。この制御装置４０は、１つ以上のアクチュエータ３６を操作して平坦化装置３２を所定の平面に配置し、次いで、アクチュエータ３６と平坦化装置３２を操作して所定の平面の上部に延在する材料を取り除くことができる。制御装置４０はまた、１つ以上のアクチュエータ３６を操作して固化装置２８を印刷済層の上方に移動させ、印刷済層を少なくとも部分的に固化させる。部品４４の頂上層が平坦化され、少なくとも部分的に固化された後、部品４４上で次の層を形成することができる。

既知の印刷システムでは、最新の印刷層の形成、平坦化、および硬化が、部品４４が完成するまで続く。しかし、図１のシステムでは、この制御装置４０が、部品４４の露出面までの最後の数枚の層が形成されるとき、実行中の動作を変更して、その部品の露出面の仕上げを変更する。具体的には、プリンタ１０内の制御装置４０は、最新の印刷層の平坦化を停止し、物体の画像データを修正して、制御装置４０が１つ以上の所定の仕上げ面を部品４４の露出面に適用できるよう吐出ヘッド２２および２４を操作する。

図２に示される処理２００を用い、システム１０を操作して物体の露出面の仕上げを変更することができる。処理がいくつかのタスクまたは機能を実行するという表現は、制御装置すなわち汎用プロセッサが、この制御装置すなわちプロセッサに動作可能に接続する非一時的なコンピュータ可読記媒体に格納されるプログラム命令を実行して、データを操り、システム内の１つ以上の構成部品を操作してタスクまたは機能を実行することを指す。構成部品およびプログラム命令用いて、処理２００を実行する制御装置すなわちプロセッサを提供するよう、上記のプリンタ１０の制御装置４０を構成可能である。あるいは、複数のプロセッサならびに関連回路および構成要素でこの制御装置を実装し、これらの構成要素が、それぞれ本明細書に記載される１つ以上のタスクまたは機能を実行するよう構成することも可能である。

この処理２００は、次に形成される層が、形成される物体の露出面の手前の所定枚数の層の中にあることを検知することにより開始される（ブロック２０４）。次の層が所定枚数の層の中にない場合、その層は、前の層と同様に形成、平坦化（必要に応じて）、固化される（ブロック２０８）。処理２００の最も簡単なバージョンでは、露出面の手前の所定枚数の層の中に次の層があることが検知されると、この処理はで、吐出ヘッドの操作を続けて、次の層用の１種類以上の材料を吐出し（ブロック２１６）、その層を少なくとも部分的に固化する（ブロック２２０）。層の少なくとも部分的な固化（ブロック２２０）を、露出層を含む所定枚数の層の中の各層で繰り返し（ブロック２２４）、平坦化を行わない。露出層を固化する動作を行って所定枚数の層を完全に固化し、チェックを行って形成される物体の他の領域が残っているかどうかを判定する（ブロック２２８）。残っている場合、別の表面領域が近づくまで（ブロック２１２〜ブロック２２０）、それらの層を形成する（ブロック２０８）。そうでない場合は、処理を停止する。平坦化動作の実行を中断し、吐出器および固化装置の操作を続けて、最後の数枚の層を形成することにより（ブロック２１６およびブロック２２０）、滴が部分的に半球形状を維持し、滴の線が半球状に形成される。これらの微細な表面の質感によって、層が平坦化された後の滑らかな面よりも光に反射が散乱する。光の反射が散乱すればするほど表面の光沢は無くなる。

この処理２００は、ブロック２１２の処理を追加することにより改良可能であり、これにより、ばらつきの多い、所定の特性を有する表面仕上げを行うことができる。この処理では、ブロック２１２に達するまで上記の動作が行われる。ブロック２１２の処理により、形成される物体の少なくとも一部の所定枚数の層の中で描画データが修正されるが、これに関しては後程より完全に説明する。修正データを用い吐出ヘッドを操作して、次の層のための１種類以上の材料を吐出し（ブロック２１６）、この層を少なくとも部分的に固化する（ブロック２２０）。描画データを修正し（ブロック２１２）、その修正データを用いて１種類以上の材料の吐出し（ブロック２１６）、少なくとも部分的なに層を固化する動作は（ブロック２２０）、平坦化が行われないまま露出層を含む所定枚数の層内の層ごとに繰り返される（ブロック２２４）。露出層を固化する動作を行って、修正描画データにより形成される所定枚数の層を完全に固化し、チェックを行って、形成される物体のその他の領域が残っているかどうかを判定する（ブロック２２８）。残っている場合、その他の表面領域に近づくまで（ブロック２１２〜ブロック２２０）それらの層を形成する（ブロック２０８）。そうでない場合は、処理を停止する。

描画データの修正は複数のやり方で実行可能である。一実施形態では、描画データを修正して、吐出される滴を所定の方向に並べる。例えば、図３に示される通り、描画データを修正して層内に隔離された滴を作り、この層の当たる等方性の光が、この滴により散乱する。このタイプの描画データの修正には、描画データの中間諧調化も含まれる。本明細書で使用される「中間諧調化」という用語は、描画データにマスクを適用して吐出ヘッドを操作するために使用されれば材料の滴を生成する描画データの一部を取り除くことを指す。データにより生成される滴の数が、少ない数から増えれば、反射光の散乱が多くなり、光の拡散も多くなる。この光の拡散により、滴が互いに集束し始めるポイントが増加する。この現象が起きると、正反射が増え、仕上げ面の光沢が増す。まばらな構成から光沢のある構成までの諧調構造により、露出面を形成する層の質感または粗さが向上し、表面に対する正反射は少なくなる。

別の実施形態では、図４に示される通り、描画データを修正して所定の方向に向けられる半球を形成することができる。この構造により、露出表面の仕上げで指向性光沢を作成することができる。いくつかの実施形態では、吐出ヘッド２２または２４の一方あるいはシステム１０に含まれる別の吐出ヘッドにより吐出される透明材料に対応するよう、描画データを修正することもできる。この透明材料により、仕上げ面が物体内に形成される前の層の色と繋がらないようにすることができる。

図５には、本明細書で記載される処理およびシステムを用いて作成可能な所定の表面仕上げ５００が示されている。スクリーン１（参照符号５１０）およびスクリーン２（参照符号５２０）は、互いに直角である印刷特徴を作成するデータを有する別々のスクリーンである。円５０１は画像スクリーン５００、５１０、および５２０に渡る視覚の支援として提供されている。所望の表面仕上げは、ラスター化画像５００の真ん中の領域５０２の表面仕上げである。スクリーン１（５１０）により、右斜め向きの異方性構造の領域が提供され、スクリーン５２０により、左斜め向きの異方性構造の球領域が提供される。領域と球領域が組み合わさって所定の表面仕上げ５００が作成される。本明細書で使用される「異方性」とは、光が構造に当たる角度によって、あるいは構造が見える角度によって、異なる方向に光を反射する構造を意味する。

図６には、所定の表面仕上げ５００を作成する実施形態が示されている。描画画像６００は、印字ヘッドドライバ６１０内のスクリーン１のバッファ６５０に入力データとして受け取られる。仕上げ面領域が作成されようとするときにのみ、所定の仕上げに対応する画像データが、制御装置４０により、メモリ６７０に格納される画像データからスクリーン２のバッファ６６０に供給される。スクリーン２のバッファ６６０に仕上げ面データが格納されていない場合、描画データは修正されずにドライバ６１０を通過し、印字ヘッド６３０内の吐出器を操作するために用いられる。表面近くの所定枚数の層内の部分的に固化された層の平坦化を制御装置４０が停止すると、この制御装置はまた、仕上げ画像バッファ６２０に仕上げ面データを入力し、この仕上げ画像バッファがスクリーン２のバッファ６６０の好適な場所にそのデータを格納する。スクリーン２のバッファ６６０内の仕上げ画像データを用いて描画画像データの一部を上書きし、この画像データがスクリーン１のバッファ６５０から出力されて、印字ヘッド６３０を駆動するために用いる描画画像データを修正する。このように、所定の仕上げパターンの重畳が描写される画像データに埋め込まれ、これにより、所定の表面仕上げを提供する表面から所定枚数の層内の領域を印字ヘッドが印刷できるようにする。この重畳データは、残った描画データの異方性構造の方向タイプとは異なる１方向タイプの異方性構造でよい。本明細書で使用される「方向タイプ」とは、異方性構造が形成される角度のことを指す。図７に示される通り、処理２００および図６のシステムを用いて、凹部領域５０４および表面領域５０８内の仕上げを作成することができる。これらの異なる領域内の仕上げは異なり得る。

Claims (10)

1. プリンタであって、
   テーブルと、
   材料の供給部に流体接続して前記テーブルに向けて材料を吐出できるようにする複数の吐出器をそれぞれ有する少なくとも２つの吐出ヘッドと、
   平坦化装置と、
   固化装置と、
   前記少なくとも２つの吐出ヘッド、前記平坦化装置、および前記固化装置が取り付けられる少なくとも１つの部材と、
   前記少なくとも１つの部材に動作可能に接続するアクチュエータと、
   前記吐出ヘッドから吐出される前記材料で形成される物体の層に対応する描画データの供給源と、
   前記少なくとも２つの印字ヘッド、前記平坦化装置、前記固化装置、前記描画データの供給源、および前記アクチュエータに動作可能に接続する制御装置であって、前記アクチュエータを操作して前記少なくとも１つの部材を移動させて前記少なくとも２つの印字ヘッド、前記平坦化装置、および前記固化装置を前記テーブルに対して配置し、前記少なくとも２つの印字ヘッドの各印字ヘッド内の前記複数の吐出器を操作して前記テーブルに支持される物体の層の一部を形成し、露出面が形成される前に、所定枚数の層の中に、次に形成される層があることを前記制御装置が検知したことに応じて、前記平坦化装置の動作を中断させ、前記描画データを参照して、前記少なくとも２つの吐出ヘッド内の前記複数の吐出器を操作して平坦化されない前記所定枚数の層を形成するよう構成される制御装置と、
   を含むプリンタ。
2. 前記制御装置が、
   前記所定枚数の層が形成された後、前記固化装置を操作して、前記所定枚数の層を硬化させる
   ようさらに構成される、請求項１に記載のプリンタ。
3. 前記制御装置が、
   前記描画データの供給源から受け取られる、前記所定枚数の層の中の前記層に関する前記描画データを修正し、
   前記修正描画データを用いて、平坦化されない前記所定枚数の層を形成する
   ようさらに構成される、請求項１に記載のプリンタ。
4. 前記制御装置が、
   前記次に形成される層の前記描画データを中間諧調化することにより、前記描画データを修正する
   ようさらに構成される、請求項１に記載のプリンタ。
5. 前記制御装置が、
   前記描画データを修正して、前記次に形成される層内に材料の半球を作成するようさらに構成される、請求項３に記載のプリンタ。
6. プリンタを操作する方法であって、
   制御装置を用いて、アクチュエータを操作して、少なくとも１つの部材を移動させ、少なくとも２つの印字ヘッド、平坦化装置、および固化装置をテーブルに対して配置するステップと、
   前記制御装置を用いて、前記少なくとも２つの印字ヘッドの各印字ヘッド内の複数の吐出器を操作して前記テーブルに支持される物体の層の一部を形成するステップと、
   露出面が形成される前に、所定枚数の層の中に、次に形成される層があることを前記制御装置が検知したことに応じて、前記平坦化装置の動作を中断させるステップと、
   前記制御装置を用いて、前記少なくとも２つの吐出ヘッド内の前記複数の吐出器を操作して、前記所定枚数の層に対応する描画データを用いて、平坦化されない前記所定枚数の層を形成するステップと、
   を含む方法。
7. 前記所定枚数の層が形成された後、前記固化装置を操作して、前記所定枚数の層を硬化させるステップ
   をさらに含む請求項６に記載の方法。
8. 前記所定枚数の層内の前記層に関する前記描画データを修正し、
   前記修正描画データを用いて、平坦化されない前記所定枚数の層を形成するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
9. 前記描画データを修正するステップには、
   前記描画データを中間諧調化すること
   がさらに含まれる、請求項６に記載の方法。
10. 前記描画データを修正するステップには、
    前記描画データを修正して、前記次に形成される層内に材料の半球を作成すること
    がさらに含まれる、請求項９に記載の方法。

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