JP6935024B2 - ３ｄ印刷工程のための適合された制御命令の生成 - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄ印刷のための材料押出（ＭＥ）工程を使用して、３Ｄオブジェクトの製造工程のための適合された制御命令を生成するための方法に関する。本発明はさらに、３Ｄ印刷ＭＥ工程を使用する３Ｄオブジェクトの製造工程に関する。本発明はさらに、３Ｄ印刷ＭＥ工程を使用して３Ｄオブジェクトの製造工程のための適合された制御命令を生成するためのシステムに関する。本発明はさらに、３Ｄ印刷ＭＥ工程を使用して３Ｄオブジェクトを製造するためのシステムに関する。

３Ｄモデリング、より具体的には材料押出（ＭＥ）による３Ｄプリンティングでは、所望の３次元形状のオブジェクトを作成できるように、制御された方法でモデリング材料を積層することによってオブジェクトが形成される。３Ｄモデリングには、３Ｄモデリングプリンタがよく使用される。プリンタには、モデリング材料を吐出する三次元的に移動可能なプリントヘッドがあり、プリントヘッドはモデリング材料の以前に堆積されたものの上を移動する。

製造される対象物は、ベースの上に載置することができる。プリントヘッドは、モデル化または印刷される対象物に対して相対的に３Ｄ空間内で移動可能である。いくつかの実施形態では、対象物は、プリントヘッドに対して１次元またはそれ以上の次元で相対的に移動可能である。対象物が形作られるベースとプリントヘッドとを相対的に移動させるための様々なオプションが利用可能である。

プリントヘッドの動きは、プリントヘッドが取り付けられている制御可能な位置決めシステムを制御する制御システムによって制御される。ソフトウェアを使用してトラックのパターンを生成することができ、そのパターンはプリントヘッドを移動させ、トラックを堆積させるために使用される。

オブジェクトは、可動プリントヘッドに対して相対的な基準位置にあるベース上に作成される。造形材料は、以前に形成されたトラックと融合させることができる。三次元モデリング材料は、例えば、フィラメント、顆粒、ロッド、液体、樹脂、または懸濁液の形でプリントヘッドに供給することができる。

原材料とも呼ばれるモデリング材料は、ノズルを介してプリントヘッドから分配され、トラックの層を形成するトラックの形でベース上に堆積される。または作成されるオブジェクトの前の層が堆積されている場合には、層が固化する前に、前の層の上に堆積される。あるいは、モデリング材料は、熱的または化学的に、以前に堆積されたトラックと融合させることができる。

トラックに沿ったプリントヘッドに対するベースおよびオブジェクトの相対運動、およびプリントヘッドからのモデリング材料の同時堆積により、融合堆積されて形作られたオブジェクトは、堆積された各トラックとともに発達し、徐々にその所望の形状に到達する。

ＭＥ工程を使用して３Ｄプリンティングを使用して溶融ポリマーからオブジェクトを製造する場合、材料の密度は温度の低下に伴って増加する。そのため、オブジェクトは収縮する。これは、収縮率の高い半結晶性ポリマーの場合、より重要になる。

ＭＥ工程が温度低下に対して速い場合、収縮は主に均一であり、オブジェクトを特定の割合だけ大きくすることで補正できる。物体が瞬時に成形される当技術分野の射出成形製造工程は、この種の挙動に近似している。

超低速でＭＥ工程を使用してオブジェクトを製造する場合、ノズルからのＭＥ原料は、堆積直後に冷却されるため収縮する。これは、各モデリング材料のトラックまたはロードが、オブジェクトの寸法で実際に必要とされるよりもわずかに大きく印刷されることを意味する。冷却後、最終製品の形状は３Ｄモデルの形状に近似する。

しかし、ＭＥ技術を現実的な速度で使用した場合、層の印刷時間は、クールダウン工程の熱時定数と比較して不利である。製造される対象物の外側は、内側よりも早く冷却される。これにより、印刷対象物の内部に熱が閉じ込められる。これにより、対象物の収縮は、対象物の内部の収縮よりも、対象物の外側の収縮の方が早く進行する。

これにより、内部の機械的応力や印刷物の変形が発生し、これにより、不正確なオブジェクト形状となる可能性がある。堆積した材料が冷えると、熱は物体の上面と側面から放出される。そのため、印刷された部分から側面に熱が流れ、等温線が発生する。これは、物体の中心が側面よりも暖かいままであることを意味する。これにより、通常は平坦である上面が湾曲する。印刷中の失敗は、製造されるオブジェクトと、オブジェクトを印刷するプリントヘッドとの間の隙間が、収縮し、その後の湾曲のために、大きすぎたり小さすぎたりする場合に、発生する可能性がある。

樹脂などの化学的な原材料を塗布し、その後硬化させて物体を製造する場合、電子３Ｄモデルと比較して、発熱と硬化中の原材料の膨張・収縮の両者が、物体の変形を引き起こす可能性がある。

より一般的には、ＭＥ工程中に、温度、密度などのＭＥ原料の特定のＭＥ工程パラメーターが、製造される対象内で局所的または全体的に変化する可能性がある。これらの工程パラメーターは、時間的に工程中に変化する場合もある。この変化は、製造される３Ｄオブジェクトの機械的特性に影響を与える可能性がある。このような機械的特性の例は、オブジェクトの寸法である。ただし、ＭＥ工程中に、３Ｄオブジェクトの寸法のみが変化する可能性があるわけではない。ヤング率、密度などの他の機械的特性も、ＭＥ工程中に変化する工程パラメーターの結果として、ＭＥ工程中に変化する可能性がある。

ＭＥ工程パラメーターの一例として温度を、３Ｄオブジェクトの特性の一例としてオブジェクトの寸法を、取り上げると、説明したように３Ｄオブジェクトの変形が発生する可能性がある。３Ｄオブジェクトの変形は、収縮と反りの少なくとも１つとして現れる場合がある。このような変形は、ＭＥ工程内でさらなる結果につながる可能性がある。たとえば、ＭＥ工程中の温度変化の結果としての収縮により、ノズルと以前に堆積された原料との間の隙間が予期せず変化する可能性がある。これにより、３Ｄモデルに基づいて予想された結果と比較して、実際に製造された３Ｄオブジェクトとその機械的特性にさらに偏差が生じる可能性がある。

そのような変形および偏差は補正することができる。溶融堆積モデリング（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）の分野で知られている補正方法では、温度変化による収縮は、電子３Ｄモデルによって指定され意図された形状の外面に補正を適用することによって補正される。したがって、電子３Ｄモデルを拡大することにより、収縮を補正できるが、印刷中のノズルと３Ｄオブジェクト間の前述の隙間の変化は補正されない。３Ｄオブジェクトの全体的な拡大に、全体的な寸法の変形を補正することができる。ただし、３Ｄオブジェクトの一部は、製造後に３Ｄオブジェクトを冷却すると、変形して、意図した形状を失う可能性がある。

また、電子３Ｄモデルの局所的な補正を適用することができる。例えば、意図された平坦な水平表面には、製造中に、冷却後に実際に製造された３Ｄオブジェクトに局所的な凹みが現れる可能性があり、冷却後に凹みが予想された場所に１つ以上の追加のＭＥ原材料の層を堆積させることによって補正されてもよい。しかし、このアプローチの結果は、追加の補正層の堆積の結果として、ディザリングの問題のために、外側の物体表面が粗くなる可能性がある。

３Ｄ印刷ＭＥ工程を用いた３Ｄオブジェクトの作製工程は、後処理工程をさらに含むことができる。そのような後処理工程は、３Ｄオブジェクトのアニーリングに関するものであってもよい。３Ｄオブジェクトをアニーリングすることにより、オブジェクト内の残留応力を低減することができる。当技術分野では、アニーリングは、３Ｄオブジェクトとは独立したアニーリングオーブン内でアニーリング時間および温度プロファイルを制御するための制御命令を生成することによって実行される。この後処理の最適化は、例えばアニーリングにおける、後処理が結果として生じる残留応力が未知であるオープンループ工程であるため、当技術分野では、手動操作を構成することができる。

本発明の目的は、ＦＤＭの分野で知られている補正方法に関連する上記の問題および不利な点を克服することである。本発明の目的は、請求項１に記載の３Ｄ印刷用の材料押出（ＭＥ）工程を使用して、３Ｄオブジェクトの製造工程に適合された制御命令を生成するための方法によって達成される。

この方法は、製造される３Ｄオブジェクトの電子３Ｄモデルを取得することを含む。この方法は、さらに、前記電子３Ｄモデルおよび前記製造工程の工程パラメーターに基づいて制御命令を生成し、前記メッシュモデルは、前記工程パラメーターの少なくとも１つによって影響を受ける少なくとも１つの特性を有する要素を含む、前記電子３Ｄモデルを表すメッシュモデルを決定することを含み、前記制御命令、前記メッシュモデルおよび前記工程パラメーターを使用して、前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行すること、を含む。前記シミュレーションは、前記メッシュモデルの各要素について、前記少なくとも１つの特性の基準に対する偏差を確立することを含み、前記偏差は、前記工程パラメーターの少なくとも１つによって誘発され、前記偏差を補正するために、前記メッシュモデルの前記各要素の前記少なくとも１つの特性に対する適合を確立することを含む。前記適合は、前記制御命令に適用されて、少なくとも１つの適合された制御命令を得ることを特徴とする方法。

適合された制御命令は、前記製造工程の終了時に少なくとも１回室温まで冷却した後、および前記３Ｄオブジェクトの使用に関する仕様に従って印刷された前記３Ｄオブジェクトの使用中において、前記電子３Ｄモデルに忠実な前記３Ｄオブジェクトの製造が可能になる。本発明に従った製作工程のシミュレーションは、基準と比較したときに、印刷されるべき３Ｄオブジェクトの特性およびその偏差を予測することを可能にする。メッシュモデルの各要素の少なくとも１つの特性は、３Ｄオブジェクトの少なくとも１つの物理的特性と関連付けることができる。そのような物理的特性の例は、オブジェクトの変形および機械的応力である。

前記メッシュモデルの各要素の少なくとも１つの特性は、前記加工工程の工程パラメーター、例えば、前記加工工程を実行するために所定の値に設定される温度などによって影響を受けることがある。前記工程パラメーターは、前記シミュレーションに使用され、前記工程パラメーターが前記電子３Ｄモデルのメッシュモデルに与える影響を確立することができる。シミュレーションで使用され得る他のパラメーターは、処理時間、プリントヘッド速度、ノズル温度、ノズル径、印刷トラック幅、層厚、押出速度、ビルドチャンバ温度、重力、ビルドプレート傾斜、ビルドチャンバ空気流、成膜材料硬化速度、硬化熱生産率等を含む群から選択されるパラメーターのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。

シミュレーションでは、単一の特性だけでなく、数学的に関連付けられた特性の組み合わせを使用して、基準からの偏差を決定することができる。例えば、シミュレーションが工程パラメーターとして温度を使用して実行される場合、印刷される３Ｄオブジェクトの温度挙動は、３Ｄオブジェクトのクールダウンを含むメッシュモデルでシミュレーションされる。クールダウンは、収縮を引き起こす可能性があり、すなわち、オブジェクトの寸法は、電子３Ｄモデルによって決定された基準から逸脱する可能性がある。しかし、収縮は、３Ｄオブジェクト内に残留応力を発生させ、これはオブジェクト寸法の偏差から導出される。最適化のためにシミュレーションすることができる工程パラメーターによって影響を受けるメッシュモデル要素の他の特性は、例えば、クリープ、弾性、粘弾性、等方性、引張強さ、降伏強さ、熱容量、水平外表面の粗さ、結晶化度、印刷時間、後処理時間、コスト、およびそれらの組み合わせを含む群から選択される特性のうちの少なくとも１つを含むことができ、これらに限定されるものではない。

少なくとも１つの特性の偏差から、偏差を補正するためにシミュレーションされた特性に対する適合を導き出すことができる。例えば、物体の寸法や収縮などの特性のために確立された適合に基づいて、制御命令は、シミュレーションによって予測された偏差を少なくとも部分的に補正することを可能にする適合された制御命令を、少なくとも１つ得るように適合させることができる。このようにして、製造工程を最適化することができる。例えば、少なくとも１つの適合された制御命令は、３Ｄオブジェクトがクールダウンされた後にその公称寸法まで収縮することを可能にするために、３Ｄオブジェクトを投影された寸法よりも最初に大きく製造する命令を含むことができる。

このように、印刷工程中の材料の局所的および時間依存的な収縮を修正することができる。これは、不良部品のリスクを低減し、印刷形状の精度を向上させることを目的としている。他にも最適化することができるのは、印刷された部品内部の残留応力、または一時的な支持構造の存在と形状である。

一実施形態では、前記制御命令の生成は、前記電子３Ｄモデルに基づいて、前記ＭＥ工程のための少なくとも１つの原材料の堆積シーケンスを生成すること、製造される３Ｄオブジェクトの層を表す少なくとも１つの電子スライスを決定すること、前記少なくとも１つの電子スライスの各々に対して前記少なくとも１つの電子ツールパスを決定すること、を含む、少なくとも１つの電子ツールパスを生成することを含む。前記少なくとも１つの電子スライスの決定、および、前記少なくとも１つの電子ツールパスの決定は、前記堆積シーケンスに従って実行される。

本実施形態内のステップは、一般的にスライシングと呼ばれ、いわゆるスライサーソフトウェアを使用して実行することができる。スライシングは、３Ｄプリンタを制御するために生成されるＭＥ工程を指す。スライシングは、生成された電子ツールパスが、生成された電子スライスに対応する層内にあるトラックまたはロード内の原材料の堆積を可能にする。

堆積シーケンスは、スライサーソフトウェアが３Ｄオブジェクトの電子３Ｄモデルから電子スライスとツールパスをどのように生成するかを決定する。通常、堆積シーケンスはボトムアップで、電子スライスは３Ｄオブジェクトの投影された下側から生成される。それ以降の電子スライスは、以前に生成された電子スライスの上に生成される。

各電子スライス内では、電子３Ｄモデル内の３Ｄオブジェクトの部分構造に応じて、１つ以上の島が発生してもよい。各島は、対応する部分構造の電子スライス内の断面を表している。

電子スライス内の島から、電子ツールパスを生成することができる。スライサーソフトウェアは、例えば、電子スライスに、数学的および空間的にモーフィングし、ツールパスを空間的に適合させることによって、影響を与える。

一実施形態では、前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行することは、ＭＥ工程のシミュレーションと、前記少なくとも１つの堆積シーケンスに対応するメッシュモデルの要素の少なくとも１つの活性化シーケンスを決定すること、を含み、前記ＭＥシミュレーションの結果を得るために、前記活性化シーケンスに従って前記ＭＥ工程の前記シミュレーションを実行することを含む。

メッシュモデルのシミュレーション中、メッシュ要素は活性化シーケンスに従って活性化することができる。活性化シーケンスは、活性したメッシュ要素がシミュレーションに関与していることを含むが、活性化の前では、メッシュ要素はシミュレーションに関与しない。メッシュモデルは、ＭＥ工程中の電子３Ｄモデルの解析とシミュレーションのための有限要素法を可能にする。少なくとも１つの電子ツールパスの堆積シーケンスに対応するメッシュモデルの要素の活性化シーケンスは、ＭＥ工程中に３Ｄオブジェクトが製造される順序に対応する時間ベースでシミュレーションの実行を可能にする。

一実施形態では、前記活性化シーケンスを決定することは、前記メッシュモデルの要素上に、前記少なくとも１つの電子ツールパスを、空間的にマッピングすることと、前記メッシュモデルの要素上に、前記少なくとも１つの電子スライスを、空間的にマッピングすること、のうちの１つを含む。

電子ツールパスの生成に堆積シーケンスが使用されるので、活性化シーケンスは、電子スライスの生成または電子ツールパスの生成に従ってもよい。

一実施形態では、少なくとも１つの堆積シーケンスを生成することは、複数の相互に異なる堆積シーケンスを生成することを含み、ここで、ＭＥ工程の前記シミュレーションを実行することは、前記偏差が第１の所定の閾値を下回るまで繰り返し、前記繰り返しに対して、複数の相互に異なる堆積シーケンスのうちの１つを使用し、前記少なくとも１つの電子ツールパスを生成、及び、前記繰り返しに対して、ＭＥ工程の前記シミュレーションが、前記１つのそれぞれの堆積シーケンスに対応する活性化シーケンスを使用する、ＭＥ工程の前記シミュレーション、を含む。

前記偏差が前記第１の所定の閾値を下回ることを確立すると、前記１つのそれぞれの堆積シーケンスを選択して、好ましい堆積シーケンスを取得する。

このようにして、堆積シーケンスのグループから最適な堆積シーケンスを確立することができ、少なくとも１つの特性の偏差は、特定のクリテリウムに準拠する。したがって、たとえば、オブジェクトの寸法への最適な適合、または残留機械的応力の最小値を決定できる。

一実施形態では、前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行することは、前記少なくとも１つの工程パラメーターと、前記少なくとも１つの特性との間の関係を示す、少なくとも１つの係数を使用すること、を含む。このような係数の例としては、熱膨張係数、ヤング率、熱伝導率、粘度指数、熱伝達係数、比熱容量、ポアソン比、対流係数、溶融温度、反応速度定数などがある。

一実施形態では、前記少なくとも１つの係数は、時間依存性、異方性、および温度依存性のうちの少なくとも１つである。

シミュレーションと補正は、印刷工程中に一定の値を仮定して材料特性、つまり係数を近似することで実行できる。実際には、ヤング率、熱膨張係数、粘度、熱伝導率、比熱容量などの特性は、温度の関数である。特に半結晶性材料を印刷する場合、温度依存性は非線形になる可能性がある。ポリマーは、粘弾性、より具体的にはクリープや応力緩和など、強い時間依存性の挙動を示すことも知られている。材料が結晶化する温度は、冷却率（つまり、冷却速度）にも依存する。

ポリマーが押し出されると、ノズルにせん断が発生し、流れに沿って分子が整列する場合がある。したがって、熱膨張係数、ヤング率、および熱伝導率などの材料特性は、印刷方向に沿って、印刷方向に垂直な場合とは異なる値を有することがある。これらの依存関係の１つ以上がモデルで考慮されている場合、より正確な補正が可能になる。

一実施形態では、前記偏差に基づいて、前記メッシュモデルの各要素に対する前記少なくとも１つの特性に対する適応を決定することは、前記偏差を符号反転すること、前記少なくとも１つの係数の符号反転すること、前記少なくとも１つの係数を逆転すること、のうち１つを実行することにより適合を決定する。

たとえば、空間偏差において、変形が見つかった場合は、変形を逆にすることで補正をすることができる。

変形ベクトル場は、例えば、シミュレーション中にメッシュモデルで決定することができる。変形ベクトル場を（符号）反転することにより、補正ベクトル場をメッシュモデルで決定することができ、これは、例えば、ＭＥ工程中の収縮に対する空間補正を伴うことができる。

上で説明した変形ベクトル場の場合、補正ベクトル場を取得する別の方法は、熱膨張係数を符号反転し、シミュレーションで各要素の変形を印刷中に直接導出することである。たとえば、熱膨張係数の符号反転値がシミュレーションで使用されている場合、オブジェクトは冷却するにつれて発達しているように見え、その結果、直接補正ベクトル場が生成される。

少なくとも１つの特性は、係数を使用したＭＥ工程パラメーターに、線形に連結されていなくてもよい。あるいは、メッシュモデル要素特性の偏差に対する補正は、係数の逆数値を使用することを伴う係数の反転によって決定されてもよい。これにより、前記偏差を効果的に補正することができる。

適合を決定するための別の方法は、前記適合を決定するために、前記活性化シーケンスを使用して前記ＭＥ工程の前記シミュレーションを逆順に実行するためのシミュレーション結果を記憶し、前記記憶されたシミュレーション結果を使用して、前記逆順のシミュレーションの結果として生じる前記偏差を前記適合に割り当てることを含む。

例えば、３Ｄ印刷中の熱膨張とクールダウン中の収縮を逆の順序でシミュレーションすることができる。機械的なメッシュモデルは、最初は（印刷、アニーリング、および最終的なクールダウンの後）意図された形状を有し、シミュレーションが時間的に逆行しているときに、温度が上昇するにつれて膨張する。そのため、印刷中の高温下における寸法の膨張を利用して、３Ｄオブジェクトを作成するための制御命令を適合させると、冷却後にオブジェクトは意図した形状に収縮する。

一実施形態では、前記３Ｄモデルの基準は、電子３Ｄモデルの３Ｄ寸法を含み、偏差は、電子３Ｄモデルの３Ｄ寸法に対するメッシュモデルの３Ｄ寸法の空間的変形を含み、及び、メッシュモデルの各要素に対する、前記適合は、空間的補正を含む。前記適合を前記制御命令の生成に適用することは、前記空間的補正を前記少なくとも１つの電子ツールパスに適用して前記少なくとも１つの空間的補正された電子ツールパスを得ることと、前記少なくとも１つの空間的補正された電子ツールパスを構成する前記少なくとも１つの適合された制御命令を確立することを含む。

電子ツールパスに空間的補正を適用した後、空間的補正された電子ツールパスにより、３Ｄオブジェクトの形状が、例えば、冷却後の収縮、印刷物の応力緩和、ＭＥ工程完了後の膨張の結果としての変形を考慮に入れることにより、電子３Ｄモデルの形状と正確に一致するように３Ｄオブジェクトを製造できる。この実施形態は、熱が場所および時間でより正確にモデル化されるという点で、シミュレーションが印刷工程をより正確に予測するという利点を有する。

一実実施形態では、前記空間的補正を前記少なくとも１つの電子ツールパスに適用することは、前記少なくとも１つの電子ツールパスのそれぞれに前記ＭＥシミュレーション結果を用いた座標変換を適用することを含む。

電子ツールパスが生成されると、空間的補正に従う座標変換を電子ツールパスに適用して、適合された電子ツールパスを取得することができる。このようにして３Ｄ印刷のための実際のＭＥ工程に従うことができる。これにより、空間的に湾曲したトラックに原料を堆積させることができる。電子ツールパスは、３次元に適合できるため、局所的な変形のためにまだ平坦ではない場合でも、印刷されるオブジェクトの上面をより正確に追跡する。

電子ツールパスを補正することは、単にオブジェクトの外面を補正して、オブジェクトを３次元的に湾曲させることとは対照的に、垂直方向の局所的な収縮を考慮し、すべての印刷トラックが正確な厚さで印刷されるようにする。これにより、局所的な熱の蓄積に関係なく一定の圧力が保証され、一般に工程の信頼性が向上する。

また、印刷経路を湾曲させることができるので、ディザリングの問題で水平外周面の粗さが増大することがない。

別の実施形態では、前記空間的補正を前記少なくとも１つの電子ツールパスに適用することは、前記ＭＥシミュレーション結果を使用する座標変換を少なくとも１つの電子スライスのそれぞれに適用して、少なくとも１つの空間的補正された電子スライスを取得することを含む。そして、前記少なくとも１つの空間的補正された電子スライスのそれぞれを使用して、少なくとも１つの電子ツールパスを決定することを実行する。

本発明における、この実施形態の方法によれば、第１の空間補正スライスが決定され、そこから、少なくとも１つの電子ツールパスを決定するステップを使用して、空間補正ツールパスを生成することができる。

一実施形態では、制御命令の生成は、活性化および不活性化可能なオプションの電子ツールパスの少なくとも１つのグループを生成することを含む。ここで、ＭＥ工程の前記シミュレーションを実行することは、オプションの電子ツールパスの前記少なくとも１つのグループの各グループに対して、前記オプションの電子ツールパスの前記それぞれのグループを不活性化して、不活性化されたそれぞれのグループを取得し、ＭＥ工程のシミュレーションを実行し、ＭＥ工程の前記シミュレーションの前記偏差が第２の所定の閾値よりも高いかどうかを確立することを含む。前記偏差が前記第２の所定の閾値よりも高いことを確立すると、前記不活性化されたそれぞれのグループを活性化する。

任意の電子ツールパスのグループは、支持構造のような印刷されるべき３Ｄオブジェクトの１つの特別な特徴に関連していてもよい。そのような支持構造は、３Ｄオブジェクトが製造される原材料とは異なる原材料を用いて堆積されてもよい。支持構造体のための供給原材料は、好ましくは、例えば、可溶性材料、より具体的には水溶性材料を使用することによって、または離間した支持体を印刷して離間させることによって、取り外し可能である。支持構造は、ＭＥ工程中に３Ｄオブジェクトの特徴が崩れることを防止する。製造工程が終了すると、支持構造は取り外すことができる。

支持構造を必要とする特徴の例としては、一端が３Ｄオブジェクトの本体に取り付けられ、反対側の端が空間内に自由に延びる水平な梁が考えられる。

電子３Ｄモデルにおける３Ｄオブジェクトがそのような特徴である間、前記３Ｄモデルに基づく制御命令の生成は、前記支持構造のためのオプションの電子ツールパスのグループを生成するように配置することができる。支持構造に関連するオプションの電子ツールパスのグループを不活性化することで、不活性化されたツールパスを使用してシミュレーションを実行することができる。シミュレーションが成功し、ＭＥ工程のシミュレーションの偏差が第２の閾値以下であるシミュレーション結果が確立された場合、支持構造体に関連するオプションの電子ツールパスは不活性化されたままとなる。この場合、支持構造は明らかに不要であり、それらを使用することなく仕様内の３Ｄオブジェクトを実現することができる。

しかしながら、ＭＥ工程のシミュレーション中に確立された偏差が第２の閾値を超える場合、支持構造体の使用なしに仕様内の３Ｄオブジェクトは実装できず、支持構造体に関連するオプションの電子ツールパスは、再活性化される。これにより、製造工程中に支持構造体の使用を可能にする。

したがって、この利点は、必要な支持材料が少ないことである（つまり、支持材料の消費量が少なく、オブジェクトを印刷する時間が短く、後処理コストが少なくなる）。

一実施形態では、ＭＥ工程の前記シミュレーションは、有限要素法を使用する熱機械シミュレーションを含む。

これにより、機械的および熱的特性の影響を受ける３Ｄオブジェクトの機械的特性の有限要素法（ＦＥＭ）を使用したシミュレーションが可能になる。

一実施形態では、前記製造工程は、ＭＥ工程に続く後処理工程をさらに含み、前記電子３Ｄモデルおよび前記製造工程の工程パラメーターに基づく前記制御命令の生成は、
・前記後処理工程のための後処理制御命令を生成すること、
・ここで、前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行することは、さらに以下を含む、
・ＭＥシミュレーション結果と前記後処理制御命令を使用して、前記後処理工程のシミュレーションを実行する。

これにより、製造工程は、原料堆積のＭＥ工程だけではなく、それ以上のものを含むことができる。特に、後処理が製造工程の結果に影響を与える場合、後処理もシミュレートすることができる。

一実施形態では、前記後処理制御命令は、アニーリング工程命令を含む。アニーリングは、３Ｄオブジェクトを時間的に温度プロファイルにあてることを含み、この温度プロファイルは、後処理制御命令、すなわちアニーリング工程制御命令によって設定されてもよい。さらに、前記アニーリング工程のタイミングは、前記アニーリング工程制御命令によって設定されてもよい。

アニーリング工程制御命令を使用したメッシュモデルのシミュレーションを使用すると、たとえば残留応力による偏差を減らすことができる。印刷された３Ｄオブジェクト内の全体的な残留応力は可能な限り低いことが好ましい。

一実施形態では、前記後処理工程のシミュレーションを実行することは、複数の相互に異なる後処理命令のセットを確立すること、前記偏差が第３の所定の閾値を下回るまで繰り返すことを含み、繰り返しに対して、前記複数の相互に異なる後処理命令のセットの１つのセットを使用して、後処理工程の前記シミュレーションを実行する。前記偏差が前記第３の所定の閾値を下回ることを確立すると、前記１つの後処理命令のそれぞれのセットを選択して、好ましい後処理命令のセットを取得し、前記好ましい後処理命令のセットを含む前記少なくとも１つの適合された制御命令を確立する。

これにより、異なるセットの制御命令を使用して最適化された好ましい後処理制御命令のセットを得ることができる。どのセットが要求特性の偏差が最適化し、最適な結果を与えるか、すなわち第３の所定の閾値以下であるかを決定することができる。

一実施形態では、前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行することは、前記少なくとも１つの特性の前記偏差が第４の所定の閾値以下になるまで、前記シミュレーションからの前記適合された制御命令を使用して、少なくとも１回の反復サイクルで前記製造工程の前記シミュレーションを実行する。そして、前記反復サイクルからの前記適合を前記制御命令に適用する。

これにより、反復を用いて最適な結果を得ることができる。初期制御命令は、シミュレーション結果を使用し、シミュレーション結果を制御命令に適用することにより、適合された制御命令をもたらす。このようにして、適合された制御命令は、少なくとも１つの特性の偏差が第４の所定の閾値以下である場合に達成される。

適合された制御命令を使用してシミュレーションサイクルを再度実行し、シミュレーション結果を以前に適合された制御命令に適用して、新しい適合された制御命令を取得することにより、最適化された制御命令を取得できる。これは、ＭＥ工程制御命令と後処理制御命令の両方に適用できる。

別の態様によれば、本発明の目的はまた、３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を使用する３Ｄオブジェクトの製造工程によって達成される。前記製造工程は、上記の方法を使用して得られた少なくとも１つの適合された制御命令を使用することを含む。

これによって、製造される３Ｄオブジェクトの電子３Ｄモデルの適合が必要となる工程パラメーターが引き起こす偏差を考慮に入れることで、製造工程の補正が可能になる。

別の側面によれば、本発明の目的は、３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を用いた３Ｄ物体の製作工程のために適合された制御命令を生成するためのシステムによって達成される。このシステムは、メモリおよびプログラム命令を備えたプロセッサを含み、このプロセッサは、上記した方法に従って任意の１つのステップを実行するように構成されている。

これにより、本発明に従った方法は、前記適合が製造工程のシミュレーションに基づいて行われる適合された制御命令を生成するために専用のコンピュータシステムで実行されることができる。

さらに別の態様によれば、本発明の目的は、３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を使用して３Ｄオブジェクトを製造するためのシステムによって達成される。システムは、３Ｄオブジェクトを作成するために原材料を堆積するための少なくとも１つのプリントヘッドと、前記プリントヘッドに接続された位置決めシステムを含む。前記位置決めシステムは、前記３Ｄオブジェクトに対して前記プリントヘッドを位置決めするように構成されている。

３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を使用して３Ｄオブジェクトを製造するためのシステムは、さらに、制御命令を取得し、前記制御命令を使用して前記位置決めシステムを制御するように構成された制御装置から構成されている。

前記システムはさらに、前記３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を用いた３Ｄオブジェクトの製造工程のために適合された制御命令を生成するためのシステムを含み、ここで、前記制御装置は、前記適合された制御命令を生成するための前記システムから適合された制御命令を取得するように構成されている。

図１Ａは、本願発明に従って製造される例示的な３Ｄオブジェクトの３Ｄモデルを、２次元（２Ｄ）表現で示している。 図１Ｂは、当技術分野で知られている３Ｄ印刷工程に従って製造された３Ｄオブジェクトの断面と、図１Ａに示される３Ｄモデルの２Ｄ表現との模式比較を示している。 図２は、ＭＥシステムを使用して製造されている３Ｄオブジェクトの模式断面図を示している。 図３Ａは、本発明による、適合された制御命令を生成するための方法について、第１の例示的な非限定的な実施形態のブロック図を示している。 図３Ｂは、本発明による、空間的補正されたツールパスを生成するための方法について、第２の例示的な非限定的な実施形態のブロック図を示している。 図３Ｃは、本発明による、空間的に補正されたスライスを生成するための方法について、第３の例示的な非限定的な実施形態のブロック図を示している。 図３Ｄは、本発明による、適合されたアニーリング命令を生成するための方法について、第４の例示的な非限定的な実施形態のブロック図を示している。 図３Ｅは、本発明による、適合された制御命令を生成するための方法について、第５の例示的な非限定的な実施形態のブロック図を示している。 図４Ａは、製造されるオブジェクトのメッシュモデルの例を示している。 図４Ｂは、図４Ａのオブジェクトにおいて、シミュレートされた変形メッシュモデルを示している。 図４Ｃは、図４Ｂのオブジェクトの空間的に補正されたメッシュモデルを示している。 図５Ａは、図４Ｂのメッシュモデルの詳細を示している。 図５Ｂは、図４Ｃのメッシュモデルの詳細を示している。 図５Ｃは、空間的に補正されたツールパスの模式図を含む、図４Ｃのメッシュモデルの詳細を示している。 図６Ａは、本発明の実施形態による支持構造を用いて製造される例示的な３Ｄオブジェクトの模式断面図を示している。 図６Ｂは、支持構造を使用せずに製造されたときの図６Ａの例示的な３Ｄオブジェクトの模式断面図を示している。 図７は、３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を使用して３Ｄオブジェクトを製造するためのシステムの模式等角図を示している。 図８は、３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を使用して３Ｄオブジェクトを製造するためのシステムのブロック図を示している。

図１Ａは、製造される例示的な３Ｄオブジェクト１００の３Ｄモデルの２次元（２Ｄ）表現を示している。３Ｄオブジェクト１００は、ベース１０３上に配置された２つの直立した柱１０１ａ、１０１ｂ、および柱の上部を横切るクロスビーム１０２を有する。オブジェクト１００は、材料押出（ＭＥ：Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｔｒｕｓｉｏｎ）を使用する３Ｄ印刷システムを使用して、当該技術に従って製造することができる。

当該技術によるＭＥ工程は、オブジェクト１００の形状に従う。ＭＥシステムを使用して製造される場合、プリントヘッドは、いわゆるスライサーソフトウェアツールを使用して生成される電子ツールパスに従って、原料を堆積するように制御される。ここで、３Ｄオブジェクト１００の３Ｄモデルは、スライスに変換される。３Ｄオブジェクトのボトムアップ層を明確にし、そのスライスは、ＭＥシステムが製造する３Ｄオブジェクト１００を完成させるための電子ツールパスを生成するために使用される。たとえば、溶融堆積モデリング（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）技術を使用して３Ｄオブジェクト１００を製造する場合、ＭＥ原料は、ＭＥシステムのプリントヘッドによって溶融状態で高温で層状に堆積され、以前に堆積された層と融合する。

ＭＥ工程中、３Ｄオブジェクトの収縮は、堆積の進行中および堆積工程の完了時に発生する。堆積中および堆積後、３Ｄオブジェクトの以前に堆積された部分は冷却され、これらの部分内の温度が低下する一方で、結果として収縮が発生する。３Ｄオブジェクトは、３Ｄオブジェクトの製造にかかる時間と、ＭＥ原料の材料特性（ヤング率、熱容量、低温環境にさらされる表面積、原料の溶融温度Ｔｍなど）に応じて変形する。その結果、図１Ｂに示すように変形オブジェクト１０４が形成される。

図１Ｂは、冷却後にＭＥ工程が終了したときの変形オブジェクト１０４を示しており、オブジェクトの意図された形状は、図１Ｂの破線１００’によって示されている。最初に、両方の柱１０１ａ’、柱１０１ｂ’は、図１Ａで意図された形状１０１ａ、１０１ｂに対して縮小されて示されている。ベース１０３では、両方の柱１０１ａ’、１０１ｂ’は、個々の「エレファントフット」１０５ａ、１０５ｂを得る。

柱１０１ａ’、１０１ｂ’がクロスビーム１０２’によって結合されると、それらは、クロスビーム１０２’を形成する層の収縮のために一緒に引っ張られる。これ以降、オブジェクトは、柱１０１ａ’、１０１ｂ’の個々の熱中心線１０６ａ、１０６ｂの周りではなく、共通の熱中心線の周りで収縮する。中心線１０６ａ、１０６ｂは、互いに向かって傾斜して示されている。

クロスビーム１０２’の最初に堆積された層は、比較的速く冷却する。これらの初期層は、新しいクロスビーム層が堆積されるときにすでに収縮している可能性がある。新しいクロスビーム層は、堆積後に収縮し、凸状の変形形状１０８によって示されるクロスビーム１０２’の屈曲を引き起こす。スライサーソフトウェアによって計画された元の水平方向のパスに従うと、プリントヘッドのノズルと３Ｄオブジェクトの間の隙間が小さくなりすぎたり、大きくなりすぎたりして、原材料の押出不足や過剰な押出を引き起こす。最終的に印刷ジョブの失敗につながる可能性がある。

クロスビーム１０２’がＭＥ工程中に厚くなると、クロスビーム１０２’の後続の層を変形させる能力が低下する。したがって、クロスビーム１０２’の幅は、意図された形状１００に基づいて予想されるよりもわずかに小さい。さらに、柱１０１ａ’、１０１ｂ’の不均一な収縮の結果として、くぼみ１０７ａ、１０７ｂなどの変形が発生する可能性がある。

説明したように、例えば、３Ｄプリンターにおいて、ＭＥシステムを使用して３Ｄオブジェクトを製造する場合、ＭＥ原料は、ＭＥシステムのプリントヘッドによってトラックに堆積され、トラックは層状に配置される。トラックを以前に堆積した層と融合することにより、３Ｄオブジェクトを得ることができる。

ＭＥ原料の各トラックには、ＭＥシステムのプリントヘッドが移動し、原料を堆積させるための、電子ツールパスが必要となる。ＭＥシステムの場合、制御命令は、いわゆるスライサーまたはスライサーソフトウェアを使用して生成することができる。スライサーは、電子スライス、すなわち、ＭＥシステムが対応する層にＭＥ原料を堆積することを可能にする所定の厚さを有する３Ｄモデルの層を表すデータオブジェクトの形で制御命令を生成する。スライスはボトムアップで生成することができ、ＭＥ原料の最初の層をベースに堆積させ、連続する層を互いの上に堆積させることができる。当技術分野のほとんどのＭＥシステムは、単一のアクションで層を堆積することができない。そのため、各電子スライスは、空間内の軌道に対応する電子ツールパスを生成するために使用される。空間内において、電子３Ｄモデルで記述された３Ｄオブジェクトを実際に製造するには、ＭＥシステムのプリントヘッドを移動させてＭＥ原料を適切な場所に配置する必要がある。

電子ツールパスは、空間開始点Ｘ_０＝（ｘ０、ｙ０、ｚ０）と、空間終点Ｘ_１＝（ｘ１、ｙ１、ｚ１）とし、開始点と終了点の間の軌道を表すデータ項目として定義できる。軌道に沿って、ＭＥ原料の量Ｅが堆積される。電子ツールパス軌道に沿った堆積速度は、軌道に沿って移動した経路長の関数であってもよい。軌道では、ＭＥプリントヘッドが開始点から終了点まで軌道に沿って移動するときの堆積速度をｄＥ／ｄｓで示すことができる。しかしながら、堆積速度はまた、軌道に沿って移動する間の空間座標の関数であってもよい。さらに、堆積速度は、ｄＥ／ｄｔによって示される軌道に沿って移動する間の時間の関数であってもよい。さらに、堆積速度は、時間、経路長、および空間座標の前述の関数の組み合わせであってもよい。ＭＥ原料の堆積を実施している間、堆積速度ｄＥ／ｄｓまたはｄＥ／ｄｔは０より大きい。

本定義に従った電子ツールパスは、ＭＥシステムと関連して使用される制御装置またはプロセッサによって処理されるデータオブジェクトとして実装することができる。本アプリケーションにおける電子ツールパスは、プリントヘッドが、製造される３Ｄオブジェクト上にＭＥ原材料を堆積させる軌道に沿ったものに限定される。そのため、ｄＥ／ｄｓまたはｄＥ／ｄｔがゼロではない空間的な軌道に沿ったものとなる。電子ツールパス外のプリントヘッドの移動軌道はこのアプリケーションでは考慮されていないが、移動時間はシミュレーション結果に影響を与える可能性があるため、シミュレーションに含まれている。

このアプリケーションでは、簡単にするために、電子ツールパスが単一の軌道を持っていると想定している。しかしながら、記載された本発明の教示から逸脱することなく、それぞれが電子ツールパスの定義に、開始点および終了点を有する複数の軌道を含むことも考えられる。さらに、電子ツールパスは、重なり合う開始点と終了点を有するループ形状の軌道によって定義してもよい。

軌道は、例えば、多項式、連続する座標のセット、連結された線分のセットなどによって数学的に記述することができる。さらに、軌道は、時間の空間関数として数学的に記述されてもよい。当業者は、適切な数学的軌道記述を選択することができるであろう。

簡単にするために、プリントヘッドの位置、電子ツールパス、軌道の直交座標系を想定している。任意の３次元座標系を適用できることは、当業者であれば容易に認識できるだろう。さらに、簡単にするために、プリントヘッドは、重力に実質的に平行な下向きの方向にＭＥ原材料を堆積させるために直立した位置にあると仮定している。しかし、プリントヘッドの他の位置や自由度も考えられる。

当技術分野では、ほとんどの電子ツールパスは、典型的には各電子スライスの平面内で湾曲していることが理解されるだろう。また、急旋回を行うときに堆積速度が一定ではなく、これらの場合に堆積速度を調整することができ、またはその逆も考えられる。プリントヘッドは、移動する際、構造体の部品間に細線を引くことを防止するために、例えば、３ｍｍ後退させられることが多い（すなわち、ｄＥ／ｄｔ≠０でありながら、ｄＳ／ｄｔ≠０となる）。

図２は、トラック内の３Ｄオブジェクト上に原材料を堆積するためのノズル２０５を有するプリントヘッド２０１を備えたＭＥシステムを使用して印刷される３Ｄオブジェクト２０３の模式断面図である。図２は、プリントヘッド２０１の細長い中心線が位置２０４から位置２０４’に移動することに沿った電子ツールパスに関連する軌道２００の例を示している。

軌道２００に沿ってプリントヘッド２０１を湾曲した矢印２０２の方向に移動させ、回転させ、位置決めするための位置決めシステムが存在すると想定される。プリントヘッド２０１のノズル２０５は、最終的に印刷される３Ｄオブジェクト２０３を完成させるために、軌道２００に沿ってＭＥ原材料が堆積する。電子ツールパスは、位置決めシステムおよびプリントヘッドを制御して、原材料の堆積を実施するために必要とされる。電子ツールパスは、特に、開始点Ｘ_０から終点Ｘ_１までノズルによって移動される軌道２００を数学的に記述する。図２に見られるように、この軌跡は湾曲しており、原材料のトラックが隣接して堆積されることを可能にする。当技術分野の状態では、軌道は、一般的に、３Ｄオブジェクトを作成するために堆積される原材料の層に対応する非湾曲平面内にある。

図３Ａ−３Ｅは、本発明による方法の例示的な実施形態３００ａ−３００ｅのブロック図を示す。

図３Ａには、方法の一般化された例３００ａが示される。ステップ３０１において、製造される３Ｄオブジェクトを記述する電子３Ｄモデル３０９を取得することができる。これは、外部から電子３Ｄモデルを受信するプロセッサまたはコンピュータによって取得することができる。プロセッサまたはコンピュータは、電子３Ｄモデルが設計および／または格納されている別のコンピュータまたはプロセッサと、を介して、接続している。また、電子３Ｄモデルは、電子３Ｄモデルが格納されているメモリから、または、電子３Ｄモデル３０９が生成されるタスクまたは工程からの、通信リンクを介して取得することができる。

工程ステップ３０２ａ（Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｓｈ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）は、電子３Ｄモデル３０９を使用してＭＥシステムで３Ｄオブジェクトを製造するための制御命令の生成３０４ａ（Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）を生成することを含む。制御命令の生成３０４ａは、電子スライス、電子ツールパス、および、他の命令を含み、制御装置または制御ユニットが、原材料の堆積から、製造された３Ｄオブジェクトのアニーリングを含む後処理までの３Ｄオブジェクトの製造を実行するために、ＭＥシステムを制御することを可能する。

制御命令の生成３０４ａは、工程パラメーター３０３（Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）を使用して電子３Ｄモデル３０９に基づいて生成される。工程パラメーター３０３は、ＭＥ工程および後処理を実施するためのすべての工程段階に含まれる。工程パラメーター３０３は、例えば、処理時間、プリントヘッド速度、ノズル温度、ノズル直径、印刷トラック幅、層厚、押出速度、ビルドチャンバー温度、ビルドプレート傾斜、ビルドチャンバー空気流、堆積材料硬化速度、硬化熱生産率などを含んでもよい。

制御命令の生成３０２ａと並行して、ステップ３０５ａで、メッシュモデル３１０を、電子３Ｄモデル３０９から決定してもよい。

メッシュモデル３１０は、当技術分野で知られている適切な有限要素法（ＦＥＭ）モデルを使用して構造化することができる。メッシュモデルは、ＭＥ工程パラメーター３０３およびこれらのＭＥ工程パラメーターによって数学的に影響を受ける特性に基づく数学的関係を使用して相互作用する相互に連結されたメッシュ要素を有する。

一実施形態では、従来の熱機械ＦＥＭモデルを使用してメッシュモデル３０５ａを決定することにより、製造される１つ以上の３Ｄオブジェクトに関連するメッシュモデルの要素は、シミュレーションの開始時に全て連結される。

処理時間を最適化する方法の一つとして、陽解法ＦＥＭシミュレーション、陰解法数値シミュレーション、ボクセルベースシミュレーション、メッシュレスシミュレーションなど、さまざまなシミュレーション方法を選択することが挙げられる。

処理時間を最適化する別の方法は、印刷場所の近くに非常に細かいメッシュを使用することだが、空間および／または時間でシミュレートされた機械的特性の勾配が小さいシミュレーションの部分には粗いメッシュを使用する。これは、メルトプールから遠く離れた要素のグループを組み合わせて、自由度の少ない大きな構造にするか、これらの構造の部分を別のメッシュに置き換えることで実施できる。

ステップ３０６ａにおいて、メッシュモデル３１０は、制御命令の生成３０４ａをシミュレートするために使用される。このシミュレーションにより、制御命令３０４ａによってメッシュモデル３１０に導入された工程パラメーター３０３がメッシュ要素の特性に及ぼす影響を決定することができる。このようにして、基準からの１つまたは複数の特性の偏差を決定することができ、これは、制御命令の生成３０４ａを使用して、適合なしで実際に３Ｄオブジェクトを製造する場合である。偏差がある場合、１つまたは複数の特性の補正を決定できる。

補正によって、制御命令のための適合もまた、シミュレーション中に決定されてもよい。その適合が制御命令に適用されると、ＭＥシステムは、発生するであろう偏差が補正された３Ｄオブジェクトを製造するようになる。適合３０８ａ（Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）は、ステップ３０７ａ（Ａｐｐｌｙ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）で制御命令の生成３０４ａに適用することができ、それによって適合された制御命令３１１ａ（Ａｄａｐｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）が得られる。適合された制御命令３１１ａは、ＭＥシステムで使用されて、３Ｄオブジェクトを製造することができる。これは、ＭＥ工程の終了時に元の電子３Ｄモデル３０９に非常に類似しており、ステップ３０６ａにおいて、シミュレーションで予測された偏差を示さない３Ｄオブジェクトを製造するために使用することができる。当業者は、本発明による方法を使用することにより、使用されたＭＥ処理によって引き起こされる予測偏差を考慮に入れることで、元の電子３Ｄモデルを修正する必要がないことを理解するであろう。制御命令の生成３０４ａの適合３０８ａは、以下のさらなる例でさらに説明されるように、制御命令の空間効果、時間効果、工程パラメーターのうちの少なくとも１つに適用することができる。

図３Ｂは、本発明による方法の第２の例示的な非限定的な実施形態３００ｂのブロック図を示す。

実施形態３００ｂでは、３Ｄオブジェクトの３Ｄモデルの取得３０１ステップは、図３Ａの実施形態３００ａと同じであってもよい。制御命令の生成３０２ｂ（Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）は、３Ｄオブジェクトを製造するためにＭＥシステムの制御に使用することができる電子ツールパス３０４ｂ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｏｏｌｐａｔｈｓ）を生成するように構成されていてもよい。電子ツールパス３０４ｂは、当技術分野で知られているいわゆるスライサーソフトウェアを使用して生成することができる。スライサーソフトウェアは、通常、ボトムアップ方式で電子３Ｄモデル３０９からスライスを決定する。ただし、スライサーソフトウェアに設定されたポリシーによって決定されるように、任意の他の方法が適用されてもよい。スライスは、３Ｄオブジェクトの分岐に対応する１つまたは複数の島で構成されていてもよい。スライスと分岐は、その後、ＭＥシステムを制御するために、使用することができる電子ツールパス３０４ｂを決定するために使用される（例えば、３Ｄプリンタ）。電子ツールパス３０４ｂは、例えば、Ｇコードを使用して生成されてもよい。当業者は、任意の適切な数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プログラミング言語を使用できることを理解するであろう。ステップ３０２ｂにおいて、スライサーソフトウェアによって生成された電子ツールパス３０４ｂは、スライサーソフトウェアのパラメーター３０３によって設定された原材料の層の堆積順序に従って、ツールパスの軌跡、位置、堆積速度、タイミング等、および時間に依存した順序を提供する。

電子３Ｄモデル３０９から、メッシュモデル３１０がステップ３０５ｂ（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｍｅｓｈ ｍｏｄｅｌ）で作成される。ステップ３０５ｂの例示的な実装形態では、メッシュモデルの要素は、ＭＥ工程中に原料が堆積される順序のような、時間依存の順序で作成される。

ステップ３０５ｂのさらに別の実施形態では、メッシュモデル３１０全体が一度に構築されるが、まだ印刷されていない要素には非常に低い剛性が想定される。ステップ３０５ｂのさらに別の実施形態では、メッシュモデル３１０全体が一度に構築されるが、まだ印刷されていないメッシュ要素の応力または変形は補正される。

ステップ３０５ｂのさらに別の実施形態では、図４Ａに関連してさらに説明される。最大の精度を得るために、メッシュモデル３１０の要素は、プリントヘッドによって示された電子ツールパスの軌道に沿って作成され、スイッチがオンにされた（黒の）メッシュ要素が作成される。

さらに別の代替案として、メッシュモデルは、制御命令を生成するステップからのスライスを使用して決定することができます。

電子ツールパス３０４ｂは、ステップ３０６ｂ（Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）のシミュレーションで使用することができる。電子ツールパス３０４ｂは、とりわけプリントヘッドの軌道を提供するので、電子ツールパス３０４ｂは、メッシュモデル３１０上にマッピングすることができる。好ましくは、電子ツールパス３０４ｂの位置、順序、タイミングおよび軌跡は、スライサーソフトウェアの設定によって決定される堆積シーケンスに対応するメッシュモデル３１０のメッシュ要素の活性化シーケンスを確立するために使用することができる。あるいは、活性化シーケンスに従ったメッシュ要素の活性化は、剛性マトリックスに新しい要素を追加し、既に定義されたメッシュモデル３１０内の要素の特性（例えば、ヤング率）を順次変更することの、少なくとも１つを意味としてもよい。

メッシュモデル３１０が活性化シーケンスに従ってステップ３０６ｂでシミュレートされるとき、メッシュ要素の特性は、ＭＥ工程を使用して印刷されている間、３Ｄオブジェクトの実世界の振る舞いに対応する時間依存の挙動を示してもよい。

しかしながら、活性化シーケンスは、代替的に、メッシュモデル３１０の構造化と同時に電子３Ｄモデル３０９からボトムアップで生成することができる。大まかな近似は、例えば、一定の原材料流量を仮定することによって行うことができる。これにより、合計時間がスライサーによって予測された時間に近似することを保証できる。

具体的には、活性化シーケンスを用いてメッシュモデルの熱機械シミュレーションを行う場合、メッシュ要素の特性としてのメッシュモデルの寸法や形状は、実世界と同様に、堆積温度や環境温度、材料特性などによって変化する可能性があるが、このようなメッシュモデルの寸法や形状の変化は、メッシュ要素の特性としてのメッシュモデルの寸法や形状の変化に影響を与えることはない。

ステップ３０６ｂのシミュレーション中に、シミュレーション後の物体の寸法および形状を、基準としての電子３Ｄモデル３０９の元の寸法および形状と比較することができる。空間変形として現れる元の形状およびその寸法からの偏差は、熱機械シミュレーションにおいて、空間変形ベクトル場、すなわち、メッシュモデル３１０の各要素の空間変形ベクトルの場として決定することができる。空間変形ベクトル場に基づいて、空間補正ベクトル場、すなわちメッシュモデルの各要素のための空間補正ベクトル場を決定することができる。空間補正ベクトル場は、元の電子３Ｄモデルの形状および寸法に対応する製造された３Ｄオブジェクトの寸法および形状を得るために使用される。空間的補正３０８ｂ（Ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）は、空間補正ベクトル場を使用して、それらの電子ツールパス軌道に座標変換することによって、適合の適用３０７ｂ（Ａｐｐｌｙ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）ステップにおいて、電子ツールパス３０４ｂの適合として使用することができる。

空間的に補正された電子ツールパス３１１ｂ（Ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｏｏｌｐａｔｈｓ）は、図２に示すように、空間的に湾曲した方法での原材料の堆積を可能にし、それにより、溶融した原材料の堆積後の収縮を補正する。当業者は、クールダウンの前に、印刷された３Ｄオブジェクトが歪んで見えることを理解するであろう。ただし、クールダウン後、印刷された３Ｄオブジェクトは、図４Ａ−４Ｃに示す例に関連して、さらに詳細に説明されるように、形状と寸法が元の電子３Ｄモデルに非常に類似している。

図３Ｂに示される本発明による方法の実施形態では、シミュレーションステップ３０６ｂは、２つのステップで実施されてもよい。第１のステップでは、メッシュモデル３１０は、発熱、温度、硬化速度、密度または時間による密度変化、化学反応などの形状変形に関連する１つまたは複数のＭＥ工程パラメーターを使用してシミュレーションすることができる。ここで、シミュレーションは、メッシュ要素の時間依存性シーケンスを使用して実施することができる。したがって、例えば温度が使用される場合、メッシュモデル３１０は、メッシュ要素の時間依存シーケンスを追跡することができる間は、製造される３Ｄオブジェクトの発する温度プロファイルの予測を示す。

第２のステップでは、第１のシミュレーションの結果を使用して、製造される３Ｄオブジェクトの変形を機械的シミュレーションすることができる。メッシュモデル３１０の要素は、熱容量、熱膨張、熱伝導率、密度、弾性、剪断、物体寸法、物体形状、および残留応力などの熱的および機械的特性を有してもよい。これらの特性は、熱伝導率、熱伝達係数、熱膨張係数、ヤング率、せん断弾性率、ポアソン比などの係数を使用して、ＭＥ工程パラメーターに関連していてもよい。

最も単純な形態の空間補正ベクトル場３０８ｂは、空間変形ベクトル場を逆にすることによって決定することができる。あるいは、機械的シミュレーションにおいて、変形を得るための物理的特性に関連する任意の係数または係数の組み合わせは、空間的補正を得るために符号反転（ｓｉｇｎ ｒｅｖｅｒｓｅ）させるか、または逆転（ｉｎｖｅｒｔ）させてもよい。さらに、空間補正ベクトル場は、時間の関数として決定されてもよい。

空間補正ベクトル場を取得する第２の方法は、メッシュ要素のシミュレートされた特性を工程パラメーター３０３の少なくとも１つに連結する係数を反転することを含んでいる。例えば、シミュレーションにおける、メッシュモデルの各要素の熱膨張係数の値が符号反転されていてもよい。例えば、熱膨張係数の符号反転値がシミュレーションで使用される場合、オブジェクトは冷却するにつれて発達するように見える。これにより、図４Ｃに模式的に示すように、空間変形ベクトル場が直接発生する。

空間補正ベクトル場を取得する第３の方法は、２段階のシミュレーションを実施することを含んでいる。第１のシミュレーションステップでは、印刷工程の熱シミュレーションを実施できる。メッシュモデルの各要素の温度は、３Ｄオブジェクトが室温まで完全に冷却されるまで、各時点でプロセッサのメモリに保存することができる。次に、第２のシミュレーションステップでは、３Ｄオブジェクトの機械的剛性モデルを目的の形状で作成することができる。機械モデルの各要素は、時間の関数として対応する保存温度を受け取るが、その後、時間領域内で逆行する。機械モデルは、最初に（つまり、印刷、アニーリング、最終的なクールダウンの後）は意図した形状となり、時間的に逆行して、温度が上昇するにつれて発達する。時間的に逆行するＭＥ工程をシミュレートすると、それに続けて、剛性モデルから要素が削除される。ただし、削除直前の各要素の空間変形ベクトルは記憶されている。すべての要素の組み合わされた空間変形ベクトルは一緒になって、空間的に補正された電子ツールパス３１１ｂを取得するための空間補正ベクトル場として使用される空間変形ベクトル場を構成する。

空間的に補正された電子ツールパス３１１ｂが生成されたとき、電子ツールパス３１１ｂを、ＭＥシステム制御装置によって処理することができる制御命令に変換することが要求されてもよい。このような制御命令は、例えば、ＭＥシステムおよびＣＮＣマシンで広く使用されているＧコードを使用して生成することができる。当業者は、任意の適切な数値制御（ＮＣ）プログラミング言語を使用できることを理解するであろう。

図３Ｃは、本発明による方法の第３の例示的な非限定的な実施形態３００ｃのブロック図を示す。

ステップ３０１で上記したように、電子３Ｄモデル３０９を得ることができる。ステップ３０５ｃにおいて、制御命令の生成３０２ｃ（Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）ステップで、スライサーからの制御命令として電子スライス３０４ｃ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｌｉｃｅｓ）を使用する。これにより、ステップ３０５ｃにおいて、電子３Ｄモデルからメッシュモデル３１０および時間依存性メッシュ要素のシーケンスを生成することができる。

さらに、メッシュモデル３１０は、上記のようにステップ３０６ｃでシミュレートすることができる。シミュレーションから、空間的補正（空間補正ベクトル領域）３０８ｃ（Ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）を決定することができる。次に、電子スライス３０４ｃは、適合の適用（Ａｐｐｌｙ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）３０７ｃステップで、適合させることができ、電子スライス３０４ｃは、空間補正ベクトル場に基づく座標変換を使用して空間的に補正される。空間的に補正された電子スライス３１１ｃは、例えば、３ＤプリンタなどのＭＥシステムを制御するために適合された制御命令として使用することができる。

ＭＥシステムが空間的に補正された電子スライス３１１ｃ（Ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｌｉｃｅｓ）を扱うために備えられていない場合、適合３０７ｃを適用するステップは、空間的に補正された電子スライス３１１ｃを使用して、適合された制御命令として空間的に補正された電子ツールパスを生成する、追加のステップを含んでいてもよい。空間的に補正された電子ツールパスは、その後、電子ツールパスジェネレータによって生成することができる。空間的に補正された電子ツールパスは、さらに、３Ｄオブジェクトを製造するために、当該技術に従って、ＭＥシステムにより、処理することができる。

図３Ｄは、本発明による方法の第４の例示的な非限定的な実施形態３００ｄのブロック図を示す。より具体的には、後処理にはアニーリングが含まれる。

ＭＥ工程中、収縮により、製造される３Ｄオブジェクトに内部応力が発生する可能性がある。材料の塑性変形と粘弾性挙動により、温度と時間の影響下で応力が部分的に解放される可能性がある。最終的な３Ｄオブジェクトの残留応力は、３Ｄオブジェクトの機械的負荷能力を低下させ、応力が時間の経過とともに徐々に緩和するため、３Ｄオブジェクトの変形を引き起こす可能性がある。シミュレーションの目的は、最小の残留応力を持つ３Ｄオブジェクトの製造を可能にするＭＥおよびアニーリング工程の制御命令を提供することである。

これは、以下によって実施できる。
・ＭＥ工程をシミュレートした後、さらにアニーリング工程をシミュレートし、シミュレーション中にアニーリング手順を最適化し、アニーリング温度、アニーリング時間、および残留応力の間でより良い最適値を取得すること、
・ツールパスが印刷されるさまざまな順序をシミュレートし、最適な順序を選択すること、
・ＭＥ工程によって誘発された熱をより良い方法で分散するために、層の印刷コースを変更すること、
・印刷速度または堆積速度を局所的に変更すること。

図３Ｄにおいて、制御命令を生成するステップ３０２ｄは、アニーリング空間内のアニーリング温度、および、工程パラメーター３０３に従ってタイマー、を設定するための制御命令を生成することを含んでもよい。時間的に予め定義された温度プロファイルに従ってアニーリングが行なうことが可能となる。

メッシュモデル３０５ｄを決定するステップは、図３Ａ−３Ｃのいずれか１つに関連して記載されているように実施することができる。メッシュモデル３１０は、ＭＥ工程に関連する制御命令の空間特性の熱機械シミュレーション３０６ａ、３０６ｂ、または３０６ｃの後に取得することができる。

アニーリング温度設定およびタイマー設定を使用するステップ３０６ｄのシミュレーションは、印刷後のアニーリング手順を組み込んだ、印刷後のクールダウン軌道のシミュレーションを含んでいてもよい。シミュレーション中、温度、３Ｄオブジェクト内の残留応力と残留応力の量、時間と温度の関数としての残留応力の緩和、および印刷された形状の空間変形ベクトル場を予測できる。

残留応力および空間変形のためのシミュレーション値に基づいて、アニーリング温度およびタイマー設定の適合３０８ｄを得ることができる。

アニーリング命令３０４ｄ（Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）への適合３０８ｄの適用、すなわち、アニーリング温度およびタイマー設定は、ステップ３０７ｄで実施することができる。アニーリングオーブンの温度設定、または制御命令におけるアニーリングタイマーの設定は、ステップ３０７ｄ（Ａｐｐｌｙ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）から生じる適合３０８ｄに従って変更されてもよい。このようにして、適合されたアニーリング命令３１１ｄ（Ａｄａｐｔｅｄ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）を得ることができる。

図３Ｅは、本発明による方法の第５の例示的な非限定的な実施形態３００ｅのブロック図を示す。

第５の例示的な実施形態によれば、図３Ａ−図３Ｄの例示的な実施形態に従った、３Ｄ印刷のための材料押出工程を用いた３Ｄオブジェクトの製造工程のために適合された制御命令を生成するための方法は、反復することができる。

図３Ｅに示すように、適合された制御命令３１１ａ（Ａｄａｐｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）は、テスト３１４（Ｔｅｓｔ）を使用してシミュレーション３０６ａに条件付きでフィードバック３１２することができる。テスト基準は、例えば、ステップ３０６ａでシミュレートされた特性が所定の閾値を超えていることに関連する偏差３１３であってもよい。テスト基準が満たされると、適合された制御命令は反復され、シミュレーションステップ３０６ａにフィードバック３１２され、適合された制御命令の改良を実施することができる。適合された制御命令の反復は、図３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄに関連して説明したように、本発明による方法の例示的な実施形態３００ｂ、３００ｃ、および３００ｄに適用することができる。

本発明による方法の例示的な実施形態３００ａ、３００ｂ、３００ｄのいずれかにおいて、シミュレーションは、ＭＥ工程のシミュレーション後の偏差が特定の閾値を下回るまで繰り返すことができる。最適化された特性の精度が不十分な場合は、補正の精度を向上させるために後続の反復を実施し、制御命令の後続の適合を実施できる。

一般に、電子ツールパスでの適合は、比較的小さくすることができるため、適合がＭＥ工程に関連する物理的特性の計算を大きくに変えることはない。したがって、後続の反復では、ＭＥ工程パラメーターの計算を繰り返す必要はなく、機械的特性の計算のみを繰り返すことが必要となる。

機械的特性のシミュレーションでは、１つまたは複数の機械的特性が相互に依存している場合がある。これらの依存関係の１つ以上をメッシュモデルで考慮する場合、適合はより正確になる。

メッシュ要素の空間特性が評価されるシミュレーションに関しては、空間的に補正された制御命令、すなわち電子ツールパスに適用する代わりに、それぞれの空間的補正をメッシュモデル上で直接行うことができます。この場合、適合された制御命令、すなわち空間的補正された電子ツールパスの反復処理は省略されてもよい。

使用されるいずれの方法においても、シミュレーションおよび補正は、ＭＥ工程中に一定の値を仮定して材料特性を近似することによって実施することができる。ヤング率、熱膨張係数、熱伝導率、比熱容量などの特性は、温度の関数であり得る。特に半結晶性材料を印刷する場合、温度依存性は非線形になる可能性がある。ポリマーはまた、粘弾性、より具体的にはクリープまたは応力緩和のような強い時間依存性の挙動を有することが知られている。また、材料が結晶化する温度は、冷却速度（すなわち、クールダウンの速度）に依存し得る。

ポリマーのような特定の原材料を堆積する際には、ノズル内でせん断が発生して分子が流れに沿って整列することがある。そのため、シミュレーションでは、熱膨張係数、ヤング率、熱伝導率などの材料特性は、電子ツールパスの軌道に沿った方向と、電子ツールパスの軌道に沿った方向では、電子ツールパスの軌道の横方向とでは異なる値を持つようにシミュレーションされることがある。

図４Ａ−４Ｃでは、工程の様々な段階で製造される３Ｄオブジェクトの２Ｄ表現の例が示されている。この２Ｄ表現は、簡略のために選択されている。

図４Ａは、３Ｄオブジェクトのメッシュモデル４００を示している。メッシュモデル４００は、ベース４０３上に配置された柱４０１ａ、４０１ｂ、および柱１０１ａ、１０１ｂ、ベース１０３およびクロスビーム１０２に対応する柱間のクロスビーム４０２を有する。

説明を簡略にするために、この例では２Ｄモデルを使用している。３つ以上の自由度を持つＭＥ工程をシミュレーションの対象にすることができる。メッシュモデル４００は、メッシュ要素の時間依存の活性化を象徴的に示すシミュレーションされたプリントヘッド４０４で示されている。ここで、メッシュモデル４００の要素は、完成したメッシュ要素４０６（黒）およびまだ完成していないメッシュ要素４０９に細分化されている（白）。

図４Ｂは、機械的変形に関連付けられたＭＥ工程パラメーターのシミュレーションによって予測された変形を、元のメッシュモデル４００に合わせた結果のメッシュモデル４００’を示す。有限要素法の解析で一般的であるように、変形は誇張される可能性がある。図４Ｂに示す３Ｄオブジェクトは、凹状の変形を有するクロスビーム４０２’、象の足の形状の変形を有する柱４０５ａ、４０５ｂの基部、およびくぼみ４０７ａ、４０７ｂを含む。柱４０１ａ’と４０１ｂ’は互いに傾いて示されている。

図４Ｃは、図４Ｂに示す変形メッシュモデル４００’に基づいて決定される空間補正ベクトル場を、図４Ａに示す元のメッシュモデル４００に適用して得られる空間的補正メッシュモデル４００’を示している。このようにして、印刷工程によってもたらされる空間的な変形を補正するために元の電子３Ｄモデルを修正することなく、電子３Ｄモデルに従った形状を有する印刷後の３Ｄオブジェクトを得ることが可能である。図４Ｃから明らかなように、空間的補正は、３Ｄオブジェクトを作製するために使用される元の電子ツールパスに適用することができる。空間的補正されたメッシュモデル４００’’は、それぞれが外向きに傾斜している柱４０１ａ’’、４０１ｂ’’と、膨張部４０７ａ’’、４０７ｂ’’と、柱の基部に設けられた収縮部４０５ａ’’、４０５ｂ’’と、上向きに湾曲したクロスビーム４０２’’と、から構成されている。図３Ｂおよび図３Ｃに関連して説明したように、シミュレーションから得られた空間的補正された電子ツールパスを用いてＭＥシステムで実際に製造した後、３Ｄオブジェクトの電子３Ｄモデルと密接に一致する形状を有する３Ｄオブジェクトが得られる。

図５Ａ−５Ｃは、２Ｄメッシュモデルのシミュレーションの例５００および５００’を示し、空間変形ベクトル場の空間変形ベクトル５０２、空間補正ベクトル場の空間補正ベクトル５０５、および空間的補正された電子ツールパス５０７を示している。

図５Ａは、変形メッシュモデル５００を示し、細い破線は、非変形メッシュモデル内の非変形要素の境界５０４を示している。空間変形ベクトル５０２は、変形メッシュモデル５００の変形要素５０８の変形ノード５０３で終わる要素のノード５０１に由来する。空間変形ベクトルは、一緒になって、離散化された空間変形ベクトル場を形成する。要素内の空間変形は、選択した要素のタイプと順序（例えば、線形、二次など）に応じた方法で、空間変形ベクトル場から補間できる。

図５Ｂは、空間的に補正されたメッシュモデル５００’を示しており、この場合、図５Ａの空間変形ベクトル５０２の方向を逆にすることによって得られる空間補正ベクトル５０５が示されている。変形されていないメッシュモデルからのノード５０１に由来する各矢印は、空間的に補正されたメッシュモデル５００’のノード５０９に到達する。空間補正ベクトル５０５は一緒に離散化された空間補正ベクトル場を形成する。この空間補正ベクトル場は、連続した数学的場の近似でもあってもよい。要素内の空間的補正は、選択した要素のタイプと順序（例えば、線形、二次など）に応じた方法で、空間補正ベクトル場から補間できる。

図５Ｃは、空間的に補正された電子ツールパス５０７を有する図５Ｂの空間的に補正されたメッシュモデル５００’を示している。破線５０６は、元の電子３Ｄモデルを使用して決定された元の電子ツールパス５０６を示す。太い実線５０７は、元の電子ツールパスの座標上で空間補正ベクトル場に基づいて座標変換を実施することによって得られる空間的補正された電子ツールパスを示している。

適合した電子ツールパスを記述するためには、異なる数学的表現が必要とされる場合がある。例えば、直線は、複数のセクションに細分化されるか、ツールパスの軌道の曲率を記述するために多項式のような別の数学的関数に置き換えられなければならない可能性がある。空間的に補正された電子スライスを得るために、元の電子スライスの座標に対して同様の座標変換を実施できることが、さらに理解できるだろう。後者は、適合された制御命令に変換することができる空間的に補正された電子ツールパスに変換することができる。

図５Ｃに示された空間的に補正された電子ツールパス５０７の結果として、印刷された３Ｄオブジェクトの寸法の精度およびＭＥ工程の信頼性が改善される。当業者であれば、印刷後の３Ｄオブジェクトの残留応力、一時的な支持構造の形状、または３Ｄオブジェクトの印刷に要する時間など、ＭＥ工程の追加的な、または他の特性を最適化することも目的であり得ることを理解できるだろう。

図６Ａおよび６Ｂは、印刷される例示的な３Ｄオブジェクトの模式断面図である。

上記の本発明による方法の実施形態３００ａ−３００ｅのいずれか１つによるシミュレーションに基づいて、印刷中に、最終的な３Ｄオブジェクトの変形を決定し、補正することができる。ただし、状況によっては、シミュレーションでは適切な解決策が提供されない。例として、図６Ａのバルコニー６０１を備えたハウス６００を挙げることができる。例えば、本発明に従った方法の各実施形態３００ｂ、３００ｃの制御命令の生成３０２ｂ、３０２ｃステップでは、バルコニー６０１の寸法に基づいて、印刷後のバルコニー６０１の望まれない変形を避けるために、支持構造６０２の適用が必要であることが確立されてもよい。

支持構造は、元の３Ｄモデル３０９の一部ではなく、制御命令の生成３０２ｂ、３０２ｃ、すなわちスライサーによって生成されることが当技術分野では一般的である。本発明に従った方法の各実施形態３００ｂ、３００ｃにおける、例示的な、制御命令の生成３０２ｂ、３０２ｃステップの場合、支持構造６０２に係る任意の電子ツールパスが提供されてもよい。これらの任意の電子ツールパスは、活性化または非活性化される能力を有していてもよい。本発明に従う方法の各実施形態３００ｂ、３００ｃのステップ３０６ｂ、３００ｃにおける第１のシミュレーションインスタンスにおいて、支持構造は、オプションの電子ツールパスを非活性化することによって一時的に除去される。ステップ３０６ｂまたはステップ３０６ｃでのシミュレーションがそれぞれ、シミュレートされたバルコニーの形状６０３の結果が、バルコニーの意図された形状６０１からの偏差ｄが所定の閾値を超えている場合、すなわち、シミュレートされた結果が、意図された形状６０１を超えた偏差または形状の変形を示している場合、オプションの電子ツールパスは再起動され、それによって支持構造６０２を復活させることができる。しかしながら、シミュレーション後に偏差ｄが所定の閾値よりも低い場合には、支持構造６０２のためのオプションの電子ツールパスは無効化されたままであってもよい、それにより支持構造６０２もなくてもよい。

支持構造を表すメッシュ内の要素に異なる特性を割り当てることができることを評価してもよい。支持構造が、例えば、異なる材料から印刷される場合、シミュレーションは、その材料の特性の異なる挙動をもたらす可能性がある。

あるいは、図３Ｅに示すように、本発明に従った方法の実施形態３００Ｅに従って、シミュレーションの反復が適切な解に収束しない場合、あるいは、例えば、空間的に補正された電子ツールパスが既に印刷された形状と交差する場合には、最適化されるべき特性の十分な最適化を可能にするために、一時的な支持構造６０２が明確に必要とされる。シミュレーションの不整合を検出し、最適化目標が達成されるまでの反復工程を改善するために、一時的な支持構造に係るオプションの電子ツールパスをそれぞれ活性化および非活性化することによって、支持構造の追加および削除を反復的に行うアルゴリズムの適合を提案することができる。このようにして、支持構造はモデル内で別個のオブジェクトとして保持することができる。次いで、シミュレーションは、支持構造の個々のセクションをオンまたはオフに切り替えて、支持構造の変形差を決定することができる。したがって、必要とされる支持材料が少なくて済む（すなわち、支持材料の消費量が少なくて済む、３Ｄオブジェクトを印刷する時間が短くて済む、後処理コストが少なくて済む）という利点がある。

図７は、ＭＥ工程を使用して原材料を堆積する３Ｄオブジェクト７０７を製造するためのＭＥシステム７００の模式等角図を示す。

システム７００は、プリントヘッド７０２を空間的に移動させるための３Ｄ位置決めシステム７０１を有する。プリントヘッドは、ベースプレート７０５上に配置された３Ｄオブジェクト７０７上に原材料を堆積させるための原材料供給部７０３とノズル７０４とを有する。システム７００はさらに、位置決めシステム７０１、プリントヘッド７０２、および原材料供給部７０３を制御するように配置され得る制御ユニット７０６を構成する。制御ユニット７０６は、制御システムが３Ｄモデルに従って３Ｄオブジェクト７０７の製造を可能にする制御命令を受信するように構成されていてもよい。制御ユニット７０６は、プロセッサとメモリと、制御ユニットが適切なインターフェースを介してシステム７００を制御することを可能にする実行可能な命令とを有していてもよい。

前記制御命令は、前記方法のうちのいずれか１つの方法に従って適合された制御命令の生成を含んでいてもよい。

ＭＥ工程を使用する一般的な３Ｄプリンティングシステムは、典型的にはＸ、Ｙ、およびＺ座標の３自由度でプリントヘッドを移動させるように構成されていてもよい。ＭＥシステムの中には、図２に示すプリンタのように、異なる自由度数を持つものもある。追加の自由度のために、この構成では、３Ｄオブジェクトの曲率に追従する層で３Ｄオブジェクトをスライスすることができる。これは、印刷された３Ｄオブジェクトの強度に対して有益である。一時的に支持構造が必要となることを防ぐことができ、また、プリントヘッドの接近が困難な構造物の印刷を可能にする。

ＭＥシステムは、４自由度、５自由度、またはさらに多くの自由度を有する構成にできる。本特許に記載された方法は、３自由度を有する３ＤプリンタなどのＭＥシステムに限定されるものではなく、他の数の自由度を有するＭＥシステムにも適用可能である。

図８は、３Ｄオブジェクトを作製するための原材料を堆積するためのＭＥ工程を使用する３Ｄ印刷システム８００のブロック図である。パーソナルコンピュータなどの処理ユニット８０２は、電子３Ｄモデル８０１を取得するように構成することができる。処理ユニット８０２は、上記したように、３Ｄ印刷のための材料押出工程を使用して３Ｄオブジェクトの製作工程のための適合された制御命令を生成するための方法の任意の１つの実施形態のステップを実行するように、さらに構成することができる。

処理ユニット８０２によって生成された適合された制御命令８０３が、原材料を堆積させるためのＭＥ工程を用いて、３Ｄオブジェクト７０７を製造するためのＭＥシステム７００の制御ユニット７０６に与えられる。処理ユニット８０２と制御ユニット７０６は、単一の複合処理ユニットとして統合されてもよい。

本発明の範囲は、前記で論じた例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、いくつかの補正および修正が可能であることは、当技術に熟練した者には明らかであろう。特に、本発明の様々な側面の特定の特徴の組み合わせが可能である。本発明のある側面は、本発明の別の側面に関連して記載された特徴を追加することにより、さらに有利な改良がされてもよい。本発明は、図および説明において詳細に図示および説明されてきたが、そのような図示および説明は、例示的または例示的なものにすぎないとみなされるべきであり、限定的なものではない。

本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態の変形は、図、説明、および添付の特許請求の範囲の研究から、特許請求の範囲の発明を実施する当業者によって理解および実施することができる。請求項において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、他のステップまたは要素を含み得、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、単一の実体または複数の実体に関連し得る。特定の措置が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの措置の組み合わせを有利に使用できないことを示すものではない。請求項中のいかなる参照番号も、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１００、１００’ ３Ｄオブジェクト１００の３Ｄモデルの２次元（２Ｄ）表現
１０１ａ、１０１ｂ 柱
１０１ａ’、１０１ｂ’ 変形した柱
１０２ クロスビーム
１０２’ 変形したクロスビーム
１０３ ベース
１０４ 変形オブジェクト
１０５ａ、１０５ｂ エレファントフット
１０６ａ、１０６ｂ 柱の、熱中心線
１０７ａ、１０７ｂ くぼみ
１０８ 凸状の変形形状
２００ 軌道
２０１ プリントヘッド
２０２ 湾曲した矢印
２０３ 印刷される３Ｄオブジェクト
２０４、２０４’ プリントヘッド位置
２０５ ノズル
Ｘ_０ 開始点
Ｘ_１ 終点
３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄ、３００ｅ 本発明による方法の例示的な実施形態
３０１ ３次元モデルの取得
３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ 制御命令の生成
３０３ 工程パラメーター
３０４ａ 制御命令
３０４ｂ 電子ツールパス
３０４ｃ 電子スライス
３０４ｄ アニーリング命令
３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ ３Ｄモデルからのメッシュモデルの生成
３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄ メッシュモデルを使用した制御命令のシミュレーション
３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄ 適合の適用
３０８ａ 適合
３０８ｂ、３０８ｃ 空間補正ベクトル場
３０８ｄ アニーリング工程への適合
３０９ 電子３Ｄモデル
３１０ メッシュモデル
３１１ａ 適合された制御命令
３１１ｂ 空間的に補正されたツールパス
３１１ｃ 空間的に補正されたツールパス、または、スライス
３１１ｄ 適合されたアニーリング命令
３１２ 次の反復ための決定
３１３ 偏差
３１４ テスト
４００ ３Ｄオブジェクトのメッシュモデル
４００’ 変形した３Ｄオブジェクトのメッシュモデル
４００’’ 補正した３Ｄオブジェクトのメッシュモデル
４０１ａ、４０１ｂ 柱
４０１ａ’、４０１ｂ’ 内側に傾斜した柱
４０１ａ’’、４０１ｂ’’ 外側に傾斜した柱
４０２ クロスビーム
４０２’ 凹状に変形したクロスビーム
４０２’’ 湾曲したクロスビーム
４０３ ベース
４０４ プリントヘッド
４０５ａ、４０５ｂ エレファントフット
４０５ａ’’、４０５ｂ’’ 収縮部
４０６ 完成したメッシュ要素
４０７ａ、４０７ｂ くぼみ
４０７ａ’’、４０７ｂ’’ 膨張部
４０８ 凸状の変形
４０９ 完成していないメッシュ要素
５００ 変形したメッシュモデル
５００’ 空間的に補正されたメッシュモデル
５０１ ノード
５０２ 空間変形ベクトル
５０３ 変形ノード
５０４ 非変形要素の境界
５０５ 空間補正ベクトル
５０６ オリジナルの電子ツールパス
５０７ 空間的に補正された電子ツールパス
５０８ シミュレーションで得られた変形要素の形状
５０９ 補正されたメッシュモデルのノード
６００ ３Ｄモデル
６０１ バルコニー
６０２ 支持構造
６０３ シミュレーションされたバルコニーの形状
ｄ 偏差
７００ ３Ｄオブジェクト製造のためのＭＥシステム
７０１ 位置決めシステム
７０２ プリントヘッド
７０３ 原材料供給部
７０４ ノズル
７０５ ベースプレート
７０６ 制御ユニット
７０７ 印刷中の３Ｄオブジェクト
８００ ３Ｄ印刷ＭＥ工程を用いた３Ｄオブジェクトを製造するためのシステム
８０１ 電子３Ｄモデル
８０２ 適合された制御命令を生成するためのシステム
８０３ 適合された制御命令

Claims (19)

1. ３Ｄオブジェクトの製造工程に含まれる材料押出（ＭＥ）のために適合された制御命令を生成する方法であって、適合された制御命令は、空間的に補正された電子ツールパス、空間的に補正された電子スライス、および、他命令のうちの少なくとも１つを含み、
   制御装置または制御ユニットが、原材料の堆積から製造された３Ｄオブジェクトのアニーリングを含む後処理まで、の３Ｄオブジェクトの製造を実行するためにＭＥシステムを制御することを可能にし、
   前記方法は、以下を含むことを特徴とする方法。
   ・ 製造される３Ｄオブジェクトの電子３Ｄモデルを取得すること、
   ・ 前記電子３Ｄモデルおよび前記製造工程の工程パラメーターに基づいて制御命令を生成し、前記工程パラメーターは、ＭＥ工程に関連するＭＥ工程パラメーターおよび３Ｄオブジェクトの後処理に関連する工程パラメーターを含むこと、
   ・ 前記電子３Ｄモデルを表すメッシュモデルを決定することであって、前記メッシュモデルは、前記ＭＥ工程パラメーターに基づく数学的関係を使用して相互作用する連結されたメッシュ要素を含み、各メッシュ要素は、前記３Ｄオブジェクトの少なくとも１つの物理的特性に関連し、前記少なくとも一つの特性は、前記ＭＥ工程パラメーターの少なくとも一つによって数学的影響を受けることを有すること、
   ・ 前記制御命令、前記メッシュモデル、および前記工程パラメーターを使用して、前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行すること、前記実行は、以下を含む、
   ・ 前記メッシュモデルの各要素について、基準に対する前記少なくとも１つの特性の偏差を確立すること、ここで、前記偏差は、前記工程パラメーターの少なくとも１つによって誘発され、
   ・ 前記偏差を補正するために、前記メッシュモデルの前記各要素の前記少なくとも１つの特性に対する適合を決定すること、
   ・ 前記制御命令に前記適合を適用して、前記製造工程の終了時に少なくとも１回室温まで冷却した後、および前記３Ｄオブジェクトの使用に関する仕様に従って印刷された前記３Ｄオブジェクトの使用中に、前記電子３Ｄモデルに対して忠実な前記３Ｄオブジェクトの製造を可能とする、少なくとも１つの適合された制御命令を取得すること。
2. 前記制御命令の生成は、少なくとも１つの電子ツールパスを生成することを含み、以下を含む請求項１に記載の方法。
   ・ 前記電子３Ｄモデルに基づいて、前記ＭＥ工程のための、少なくとも１つの原材料の堆積シーケンスを生成すること、
   ・ 製造される３Ｄオブジェクトの層を表す少なくとも１つの電子スライスを決定すること、
   ・ 前記少なくとも１つの電子スライスの各々に対して前記少なくとも１つの電子ツールパスを決定すること、及び、
   ・ 前記少なくとも１つの電子スライスの決定、および、前記少なくとも１つの電子ツールパスの決定が、前記堆積シーケンスに従って実行されること。
3. 前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行することは、前記ＭＥ工程のシミュレーションを含み、以下を含む請求項２に記載の方法。
   ・ 前記少なくとも１つの堆積シーケンスに対応するメッシュモデルの要素の少なくとも１つの活性化シーケンスを決定すること、
   ・ ＭＥシミュレーションの結果を得るために、前記活性化シーケンスに従って前記ＭＥ工程の前記シミュレーションを実行すること。
4. 前記活性化シーケンスを決定することは、以下の１つを含む請求項３に記載の方法。
   ・ 前記少なくとも１つの電子ツールパスを前記メッシュモデルの要素上に空間的にマッピングすること、
   ・ 前記少なくとも１つの電子スライスを前記メッシュモデルの要素上に空間的にマッピングすること。
5. 前記少なくとも１つの堆積シーケンスを生成することは、複数の相互に異なる堆積シーケンスを生成することを含み、前記ＭＥ工程の前記シミュレーションを実行することは、以下を含む請求項３または請求項４に記載の方法。
   ・ 前記偏差が第１の所定の閾値を下回るまで繰り返すこと、
   ｉ．各繰り返しに対して、複数の相互に異なる堆積シーケンスのうちの１つを使用して、前記少なくとも１つの電子ツールパスを生成する、及び、
   ｉｉ．各繰り返しに対して、ＭＥ工程の前記シミュレーションが、前記１つの堆積シーケンスに対応する活性化シーケンスを使用する、
   ・前記偏差が前記第１の所定の閾値を下回ることを確立すると、前記複数の相互に異なる堆積シーケンスから１つ選択して、好ましい堆積シーケンスを取得すること。
6. 前記製造工程のシミュレーションを時間的に実行することは、以下を含む請求項３に記載の方法。
   ・ 前記少なくとも１つの工程パラメーターと、前記少なくとも１つの特性との間の関係を示す、少なくとも１つの係数を使用すること。
7. 請求項６に記載の方法。
   ・ 前記少なくとも１つの係数は、時間依存性、異方性、および温度依存性のうちの少なくとも１つであること。
8. 前記偏差に基づいて、前記メッシュモデルの前記各要素に対する前記少なくとも１つの特性に対する適合を決定することは、以下を含む請求項６または請求項７に記載の方法。
   ・ 前記メッシュモデルの前記各要素に対して、以下の１つを実行することにより、前記適合を決定すること。
   ・ 前記偏差を符号反転する、
   ・ 前記少なくとも１つの係数の符号反転することと、前記少なくとも１つの係数を逆転する、及び、
   ・ 前記適合を決定するために、前記活性化シーケンスを使用して前記ＭＥ工程の前記シミュレーションを逆順に実行するためのシミュレーション結果を記憶し、前記記憶されたシミュレーション結果を使用して、前記逆順のシミュレーションの結果として生じる前記偏差を前記適合に割り当てる。
9. 前記基準は、電子３Ｄモデルの３Ｄ寸法を含み、前記偏差は、電子３Ｄモデルの３Ｄ寸法に対するメッシュモデルの３Ｄ寸法の空間的変形を含み、及び、メッシュモデルの各要素に対する前記適合は、空間的補正を含み、前記制御命令の生成のために、前記適合を適用することは、以下を含む請求項８に記載の方法。
   ・ 前記空間的補正を前記少なくとも１つの電子ツールパスに適用して、前記少なくとも１つの空間的補正された電子ツールパスを得ること、
   ・ 前記少なくとも１つの空間的補正された電子ツールパスを含んだ、前記少なくとも１つの適合された制御命令を確立すること。
10. 前記空間的補正を前記少なくとも１つの電子ツールパスに適用することは、以下を含む請求項９に記載の方法。
    ・ 前記少なくとも１つの電子ツールパスのそれぞれに前記ＭＥシミュレーション結果を用いた座標変換を適用すること。
11. 前記空間的補正を前記少なくとも１つの電子ツールパスに適用することは、以下を含む請求項９に記載の方法。
    ・ 前記ＭＥシミュレーションの結果を使用して、座標変換を少なくとも１つの電子スライスのそれぞれに適用して、少なくとも１つの空間的補正された電子スライスを取得すること、
    ・ 前記少なくとも１つの空間的補正された電子スライスのそれぞれを使用して、少なくとも１つの電子ツールパスを決定すること（３０４）を実行すること。
12. 前記制御命令の生成は、以下を含む請求項３から請求項１１のいずれかに記載の方法。
    ・ 活性化および不活性化可能なオプションの電子ツールパスの少なくとも１つのグループを生成すること、及び、
    ＭＥ工程の前記シミュレーションを実行することは、以下を含む、
    ・ オプションの電子ツールパスの前記少なくとも１つのグループに対して、
    ・ 不活性化されたそれぞれのグループを取得するために、前記オプションの電子ツールパスの前記それぞれのグループを不活性化すること、
    ・ ＭＥ工程のシミュレーションを実行すること、
    ・ ＭＥ工程の前記シミュレーションの前記偏差が第２の所定の閾値よりも高いかどうかを確立すること、
    ・ 前記偏差が前記第２の所定の閾値よりも高いことを確立すると、前記不活性化されたそれぞれのグループを活性化すること。
13. 前記ＭＥ工程のシミュレーションが、有限要素法を使用する熱機械シミュレーションを含む、請求項３から請求項１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記製造工程は、ＭＥ工程に続く後処理工程をさらに含み、前記電子３Ｄモデルおよび前記製造工程の工程パラメーターに基づく前記制御命令の生成は、以下を含む請求項３から請求項１３のいずれかに記載の方法。
    ・ 前記後処理工程のための後処理制御命令を生成すること、及び、
    ・ 時間的に前記製造工程のシミュレーションを実行することが、さらに、以下を含む、
    ・ ＭＥシミュレーション結果と前記後処理制御命令を使用して、前記後処理工程のシミュレーションを実行すること。
15. 前記後処理制御命令がアニーリング工程制御命令を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記後処理工程のシミュレーションを実行することは、以下を含む請求項１４または請求項１５に記載の方法。
    ・ 複数の相互に異なる後処理命令のセットを確立すること、
    ・ 前記偏差が第３の所定の閾値を下回るまで繰り返すこと、
    ｉ．各繰り返しに対して、前記複数の相互に異なる後処理命令のセットの１つのセットを使用して、後処理工程の前記シミュレーションを実行する、
    ・ 前記偏差が前記第３の所定の閾値を下回ることを確立すると、好ましい後処理命令のセットを取得するために、前記１つの後処理命令のそれぞれのセットを選択すること、
    ・ 前記好ましい後処理命令のセットを含む前記少なくとも１つの適合された制御命令を確立すること。
17. 時間的に前記製造工程のシミュレーションを実行することは、以下を含む請求項１から請求項１６のいずれかに記載の方法。
    ・ 前記少なくとも１つの特性の前記偏差が第４の所定の閾値以下になるまで、以下を実行する、
    ｉ．前記シミュレーションからの前記適合された制御命令を使用して、少なくとも１回の反復サイクルにおける前記製造工程の前記シミュレーション、
    ｉｉ．前記反復サイクルから前記適合を前記制御命令に適用すること。
18. ３次元（３Ｄ）オブジェクトの製造工程に含まれる材料押出（ＭＥ）工程ために適合させた制御命令を生成するためのシステムであって、以下を含むシステム。
    ・ メモリおよびプログラム命令を備えたプロセッサ、
    前記プロセッサは、
    ・ 請求項１から請求項１７のいずれかに記載の方法のステップを実行するために配置される。
19. ３Ｄ印刷材料押出（ＭＥ）工程を使用して３次元（３Ｄ）オブジェクトを製造するためのシステムであって、前記システムは、以下を含むシステム。
    ・ ３Ｄオブジェクトを作成するために、原材料を堆積させるための少なくとも１つのプリントヘッド、
    ・ 前記プリントヘッドに接続され、前記プリントヘッドを前記３Ｄオブジェクトに対して相対的に位置決めするように配置された、位置決めシステム、
    ・ 制御命令を取得し、前記制御命令を使用して前記位置決めシステムを制御するように構成された制御装置、
    ・ 前記システムは、請求項１８に記載の３Ｄオブジェクトの製造工程に含まれる材料押出（ＭＥ）工程のために適合された制御命令を生成するためのシステム、をさらに含むこと、
    ・ 前記制御装置が、前記適合された制御命令を生成するための前記システムから適合された制御命令を取得するように構成されること。

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