JP7036818B6 - キャビティが満たされる三次元プリント物体及び製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、概して、三次元プリント技術に関する。より具体的には、ただし排他的ではなく、本明細書に開示される方法及び機器は、物体内の機能的キャビティの三次元プリントのためのシステム及び方法、並びにそれによって製造される物体に関する。

三次元（「３Ｄ」）プリント技術、より具体的には付加製造（additive manufacturing）は、従来の製造技術を使用して製造するには極めて困難で且つ時間がかかる物体を製造する能力を提供する。３Ｄ物体は、例えば、３Ｄプリントシステムによる製造のために物体（又はそのスライス）を規定するために一般的に使用される光造形（ＳＴＬ（stereo lithography））、付加製造ファイル（ＡＭＦ（additive manufacturing file））、３ＭＦフォーマットファイル、又は他の任意の３Ｄプリントファイルフォーマットで対象とされるような材料の連続断面を重ね合わせて接続することによって形成される。

様々な３Ｄプリント方法及び材料が、莫大な数の物体を製造するために使用される。光造形、溶融堆積モデリング、選択的レーザ溶融、選択的レーザ焼結、直接金属レーザ焼結、積層物体製造（laminated object manufacturing）、指向性エネルギー堆積、直接インク筆記（direct ink writing）、及び溶融フィラメント製造（fused filament fabrication）は、一般的に使用される３Ｄプリント技術のほんの一部であり、これらは、所望の物体の形状及びこの形状を形成するのに使用される材料に応じて利点と不利点とを提示する。

典型的には、殆どの製造プロセスでは、製造された構造内部の材料特性は固定されている。機械加工された金属物体、例えばアルミニウム部品は、必然的に物体全体に亘って均一な材料で形成されるだろう。複数の材料特性が所望される場合に、物体は、典型的には、複数の製造技術を用いて複数のステップで製造しなければならない。しかしながら、３Ｄプリントは、所与の位置に堆積又は積層される材料の量を変えることによって異なる領域において物体の材料特性を変える能力を提供し、それによって材料特性は、物体内のその位置に応じて変わり得る。さらに、３Ｄプリント技術は、プロセスパラメータに応じて柔らかい又は圧縮可能な領域から硬い又は剛性領域まで変化する、同じ物体内の複数の材料特性を有する物体を設計及び製造する能力を提供する。いくつかの３Ｄプリント技術は、プリントされた物体内の複数の材料を利用する能力も有し、それによって多材料の完成品を提供する。
ここで、特許出願である国際公開第２０１１／１３５０７９（“Self-retracting actuator”）について参照を行う。
国際公開第２０１１／１３５０７９

本開示は、内部に及び物体自体に規定されたキャビティ又はボイドを有する物体を付加製造又はプリントするための方法及びシステムに関する。これらのキャビティは、完全に閉じられても部分的に閉じられてもよい。いくつかの実施形態では、複数のプリントされたキャビティが部分的に開放され、一連の開孔部又は接続チャネルを介して他のプリントされたキャビティと相互接続されて、それらの間の気体又は液体の流れを可能にする。

様々な実施形態において、本明細書に開示される方法は、複数の相互接続されたキャビティをプリントされる物体に提供し、これらキャビティは、キャビティ同士の間の向き及び接続に応じて、物体の他の領域における変形に抵抗するか又は衝撃を低減するために内部に減衰構造を形成する。さらに、キャビティの数及びそれらキャビティを接続する開孔部又はチャネルの断面積は、製造される物体内に減衰、作動、及び圧力感知機能を提供するように位置付けしてもよい。

他の実施形態では、本明細書に開示される方法は、プリントされる物体の外部に配置されることに応答してアクチュエータとして機能する物体を製造するために使用することができる。アクチュエータを作動させるのに必要とされる圧力の量は、キャビティの数及び位置付け、キャビティ内の流体の種類、キャビティ内の流体の粘度、キャビティ内の流体の圧力、並びにキャビティ同士の間の通路の数及び断面積等の様々なシステムパラメータを設計することによって変更することができる。

他の実施形態では、キャビティ及び／又はキャビティ同士の間の通路は、キャビティのサブセットの変形によって気体又は流体が他の接続された変形していないキャビティ内に押し込まれるように可撓性材料で形成してもよい。別の実施形態では、物体又は構造の高さ、幅、又は一般的な形状を制御するか、又は変形した物体又は構造を再形成するために、流体を加圧下で複数のキャビティに供給することができる。さらに別の実施形態では、個々のキャビティ同士の間又はキャビティから構成されるシステム全体への流体の流れは、隣接するキャビティ同士の間の通路に又は接続されたキャビティのシステム全体への流体供給ラインに配置されたバルブ等の流体制限装置によって制御又は変更することができる。

概して、いくつかの実施形態は、物体内に又は物体の内部に複数のキャビティをプリントすることと、プリントされたキャビティの少なくとも一部が互いに流体連通するようにキャビティ同士の間に複数の通路を設けることとを含む３Ｄプリント物体を製造するシステム及び方法を含む。次に、気体又は液体等の流体がプリントされたキャビティの一部を満たすために供給され、それによってキャビティに対する衝撃を減衰することができる構造を提供する、又は流体を加圧して第１のキャビティ部分から隣接するキャビティ部分に流すことができる「自己回復」さえも提供することができる。

本開示の目的のために本明細書で使用される場合に、「３Ｄプリント」又は「付加製造」という用語は、一般的に同義であると理解すべきであり、三次元物体を製造するために使用される任意の方法、プロセス、又はシステムを含み、ここで材料の連続層は、その物体を形成するためにデジタルモデルデータを利用してコンピュータ制御下で堆積される。こうして、３Ｄプリント及び付加製造という用語は、任意の種類の押出し堆積、溶融堆積モデリング、溶融フィラメント製造又は他の押出しプロセス、光造形、感光性樹脂のデジタル光処理、積層物体製造、指向性エネルギー堆積、電子ビーム製造、粉末床プリント、インクジェットヘッド３Ｄプリント、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ焼結、選択的熱焼結、電子ビーム溶融、又は選択的レーザ溶融等の様々な三次元物体製造方法を含むが、これらに限定されるものではない。さらに、これらの付加製造法を使用して、殆ど全ての金属合金、金属箔、金属粉末、セラミック粉末、プラスチックフィルム、粉末ポリマー、感光性樹脂、様々なセラミック材料、金属マトリックス複合材料、セラミックマトリックス複合材料、金属粘土、熱可塑性樹脂、共晶材料、ゴム、さらには食用材料を含むが、これらに限定されない広範囲の材料から物体を製造することができる。さらに、「３Ｄ」プリントという用語は、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）モデリング、３Ｄスキャナ、又は従来のデジタルカメラ及び付随する写真測量さえ含むが、これらに限定されない任意の既知の物体モデリング技術によって製造される物体を包含し得る。

本開示で使用される「キャビティ」又は「ボイド」という用語は、３Ｄプリント構造によって全体的に又は部分的に囲まれた様々な空の空間のうちの任意の１つ又は複数を指すと理解すべきである。キャビティは、球、ハニカム、又はプリントされる物体に必要な適切な構造特性を提供する他の任意の三次元形状をさらに含むが、これらに限定されない、殆ど全ての３Ｄプリント形状によって囲まれた空の空間を指す。

本開示の目的のために、「物体」という用語は、任意の３Ｄプリント部品、構成要素、構造体又は製作物を指すと理解すべきである。

また、本開示の目的のために、「流体」という用語は、３Ｄ物体内のキャビティ及び通路を満たす又は部分的に満たすために使用することができる任意の既知の気体又は液体を包含するものと理解すべきである。

「コントローラ」という用語は、本明細書では一般に、１つ又は複数の光源の動作に関連する様々な機器を説明するために使用される。コントローラは、本明細書で議論される様々な機能を実行するために（例えば、専用ハードウェア等を用いて）多数の方法で実装することができる。「プロセッサ」は、本明細書で議論される様々な機能を実行するためにソフトウェア（例えば、マイクロコード）を使用してプログラムされ得る１つ又は複数のマイクロプロセッサを使用するコントローラの一例である。コントローラは、プロセッサを用いて又は用いずに実装することができ、また、いくつかの機能を実行するための専用ハードウェアと他の機能を実行するためのプロセッサ（例えば、１つ又は複数のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連回路）との組合せとして実装することができる。本開示の様々な実施形態において使用され得るコントローラの構成要素の例は、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むが、これらに限定されるものではない。

プロセッサ又はコントローラは、１つ又は複数の記憶媒体（本明細書では「メモリ」と総称される、例えば、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及びＥＥＰＲＯＭ、フロッピーディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ等の、揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリ）と関連付けられ得る。記憶媒体はまた、有線又は無線接続を介して例えばクラウドデータストレージ等、遠隔に配置してもよい。いくつかの実施態様では、記憶媒体は、１つ又は複数のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行されたときに、本明細書で議論される機能の少なくともいくつかを実行する１つ又は複数のプログラムで符号化され得る。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定することができ、又は可搬型であってもよく、本明細書で議論される本開示の様々な態様を実施するために、その記憶媒体に記憶された１つ又は複数のプログラムをプロセッサ又はコントローラにロードすることができる。「プログラム」又は「コンピュータプログラム」という用語は、本明細書では一般的な意味で使用されて、１つ又は複数のプロセッサ又はコントローラをプログラムするのに使用され得る任意のタイプのコンピュータコード（例えばソフトウェア又はマイクロコード）を指す。

前述した概念と以下でさらに詳細に議論される追加の概念との全ての組合せは（そのような概念が互いに矛盾しない限り）、本明細書に開示される主題の一部である。特に、本開示の最後に現れる特許請求の範囲に記載された主題の全ての組合せは、本明細書に開示される主題の一部であると考えられる。また、参照により組み込まれる任意の開示にも現れる可能性がある本明細書で明示的に使用される用語は、本明細書で開示される特定の概念と最も矛盾しない意味に一致するはずであることも理解されたい。

図面において、同様の参照文字は、一般的に、異なる図を通して同じ部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではない。その代わりに、一般的に、本開示の原理を説明する際に強調がなされる。

様々な実施形態による、本明細書で説明される技術を実施するために使用されるプロセスのブロック図である。 様々な実施形態によるキャビティ及び通路から構成されるシステムを示す図である。 様々な実施形態による３Ｄプリント物体である。 様々な実施形態による３Ｄプリント物体である。

アセンブリの部品又は構成要素として必要とされる三次元物体の製造において、複雑な幾何学的形状を有する物体は困難且つ高価である。大抵の場合に、様々な内部ボイド又はキャビティを有する構成要素は、複数部分のプロセスで製造しなければならず、キャビティの一部が各部品で製造され、次にそれらの部品を組み合わせて必要なキャビティを製造する。さらに、複雑な幾何学的構成要素に関する多くの製造技術は、全体を通してモノリシック材料を必要とし、このモノリシック材料は、アイテムが物体全体又は構成要素を通して同じ材料特性を有するように制限する。従って、効率的且つ費用対効果が高い方法で内部にキャビティを有する複雑な構成要素を製造する必要がある。より一般的には、出願人らは、位置に依存する材料特性を有する複雑な幾何学的形状の構成要素を製造することが有益であると認識し理解している。

ここで図１～４を参照すると、いくつかの実施形態において、位置に依存する材料特性を有する物体１を製造するためのプロセス１０は、システム１００を規定する物体１の３Ｄモデルを提供することを含み、物体１は、物体１内に配置される複数のキャビティ１１０を含む。本明細書に開示される様々な実施形態を実施するために、多種多様な３Ｄプリントシステムを使用してもよいことを理解されたい。本開示の範囲から逸脱することなく、材料堆積のためにコントローラ、プロセッサ、及び付随するシステムを利用する３Ｄプリントシステムを使用して、本明細書で詳細に説明される実施形態を実施することができる。

キャビティ１１０は、多種多様なキャビティ形状、例えば球体、立方体、回転楕円体、ピラミッド、又は３Ｄプリントプロセスで製造することができる任意の三次元形状を提供する構造によって境界を定められ得る。一実施形態では、例えば図２に示されるように、キャビティ１１０は概して球形の形状であり、それらキャビティは物体１１０内に「気泡」を形成する。図１に描かれたキャビティ１１０は球形の形状であるが、これは限定を意味するものではなく、むしろ様々な実施形態で使用することができるそのような形状の一例である。さらに、いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１１０は、通路、開孔部、チューブ、導管、又はパイプ１２０によって隣接するキャビティ１１０に接続され、それによって接続されたキャビティ１１０は、通路１２０を介して互いに流体連通する。

さらに、キャビティ１１０及びそれらキャビティ１１０を取り囲む３Ｄプリント構造１１２の形状は、合同ではない場合があることに留意されたい。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、完全に又は部分的に球状のキャビティ１１０を囲む長方形の３Ｄ構造又はセルを製造することができる。この実施形態はキャビティ１１０の設計を可能にし、それによって境界構造が、製造プロセスに使用される材料及びプリントされる構造の寸法に基づいて特定の構造的完全性又は変形に対する抵抗性を有する。当業者であれば、非常に多様な形状を有することもできるキャビティ１１０を囲むために、非常に多くの多様な構造形状をプリントすることができることを理解するだろう。例えば、様々なサイズの長方形又は正方形の構造は、その内部に様々な形状を有するキャビティのマトリックスを組み込んでもよく、あるいはまた三角形又はメッシュ状のキャビティ構造を設けてもよい。六角柱マトリックスキャビティ構造も、いくつかの実施形態において使用され得る。

様々な実施形態では、キャビティ１１０を連結する通路１２０は、様々な断面：正方形、円形、長方形、三角形、又は任意の多角形を有することができる。さらに、キャビティ１１０は、複数の通路１２０によって隣接するキャビティ１１０と相互接続してもよく、又は複数の他の隣接するキャビティ１１０に接続してもよく、それによって隣接するキャビティ１１０同士の間に複数の流体連通経路が存在し得る。接続通路１２０の断面積を制御することによって、隣接するキャビティ１１０同士の間の液体又は気体等の流体２の流れは、所望の領域にプリントされたキャビティのマトリックスを単に設けることによって、制御され、物体１の特定の領域内に所望の材料特性を作り出すことができる。さらに、キャビティ１１０のある部分は、より大きい断面積を有する通路によって接続され得る一方、キャビティの他の部分は、より小さい断面積を有する通路によって接続され得る。このようにして、様々な実施形態によって作り出された構造体１は、ある領域から別の領域へ流れる流体の量をどれだけ制限するかに応じて、異なる領域における圧力又は衝撃に対して異なる反応を示す。いくつかの実施形態では、複数の異なるサイズの通路１２０システム、又は異なる粘度の液体を有するキャビティの部分でさえも、複数の異なる変形ゾーンを有する物体を製造するために提供することができる。さらに他の実施形態では、キャビティ１１０内に供給される流体は温度依存性であり得るので、様々な実施形態によるシステムによって作り出された物体１は異なる温度で異なるように反応する。

様々な実施形態において、流体２は、使用される３Ｄプリント技術によって使用される液体基材であり得る。例えば、光造形（ＳＬＡ）を使用して構造１００を製造する場合に、流体２は製造プロセス中に固化されなかった液体樹脂であり得る。そのような実施形態では、液体２は、単純に液体浴内で固体構造を形成することによって構造内に自動的に配置され得る。他の実施形態では、構造が完成する前の構造の形成中のある時点で、液体を構造の内部キャビティに追加することができる。

いくつかの実施形態では、接続されたキャビティ１１０及び通路１２０は、物体１の精密な製造及び／又は処理によって液密になるように製造することができることに留意されたい。しかしながら、必ずしも液密構造を製造する必要はない。例えば、一実施形態では、接続されたキャビティ１１０及び通路１２０は、空気等の気体で単に満たしてもよく、この気体は、以下でより詳細に議論するように、変形又は加圧下でシステム１００から押し出され得る。

いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１１０が複数の通路１２０を介して互いに流体連通している場合に、流体２（液体又は気体）がキャビティ１１０及び通路１２０の容積を部分的に満たして、キャビティを含む物体１の特定の領域に減衰機構をもたらすことができる。一態様では、キャビティ同士の間の通路１２０の断面積は、隣接するキャビティ１１０同士の間の流体２の流れを調整するようにサイズ決めすることができ、それによってそれらの領域に外圧又は変形を受けた場合に、物体１に減衰機能を提供する。さらに別の実施形態では、複数のキャビティ１１０構造を通路１２０と連結することによって、この減衰機能は、キャビティを部分的に満たす流体２が圧縮され、流体２が高圧下の複数のキャビティ１１０及び通路１２０から低圧下のそれらキャビティ１１０及び通路１２０に流れる際に、圧力下でゆっくり変形することによって密閉された構成要素を保護する、鋭敏な構成要素（図示せず）用のハウジングを提供するようにカスタマイズすることができる。こうして、相互接続されたキャビティ１１０及び通路１２０から構成されるシステム１００の変形は、システム１００を通る流体２の流れによって減衰又は緩和され、それによって流体２が物体１の高圧領域から低圧領域へと押し込まれるときにエネルギーを吸収する。

従って、図２及び図３に確認されるように、いくつかの実施形態では、物体１内の１つ又は複数の所定領域は、所定量の流体２を含む相互接続されたキャビティ１１０及び通路１２０から構成されるシステム１００を組み込むように指定され得る。更なる態様では、内部に含まれる流体２は、所望の減衰機能を提供するために、所定の圧力下に置かれ得る。こうして、この相互接続システム１００は、物体の所与の領域において特定の減衰又は衝撃保護機能を提供するように設計してもよく、あるいはまたシステム１００が外圧を受けたときにアクチュエータとして機能するように設計してもよい。さらに、可変する材料特性を有する物体を製造するために、複数のシステム１００を物体１内に製造してもよい。

さらに、いくつかの実施形態では、図４に示されるように、キャビティ１１０の第１のアレイ１３０に第１の液体、つまり流体２を供給する一方、キャビティの第２のアレイ１４０に第２の液体２を供給することができる。キャビティ１１０のこれら２つのアレイ１３０、１４０に供給される第１及び第２の液体は、同じであるか、又は物体１に対して必要な量の減衰を提供するために必要に応じて異なる粘度を有してもよい。いくつかの実施形態では、様々なアレイ１３０、１４０は、特定の方向に構造的減衰を提供するために、物体１内で特定の向きに配置され得る。例えば、アレイ１３０は、物体１内の特定の軸線又は方向に沿って減衰を与えてその特定の方向への変形又は衝撃に抵抗するように構成することができる。容易に理解されるように、この特徴は、キャビティ１１０アレイのサイズ及び形状、そのキャビティ内に供給される液体２、この液体の圧力、及び物体１内のアレイの向きに基づいて、複数の方向にカスタマイズ可能な減衰機能を有する物体を製造する能力を提供し得る。

従って、様々な実施形態において、物体１を製造するために使用される３Ｄプリントプロセスは、キャビティ１１０及び通路１２０を取り囲む比較的柔軟で変形可能な材料を利用することができる。この特徴は、物体１がアクチュエータ又はダンパとして利用される用途にとって望ましい可能性がある。さらに、より硬い材料は、より柔らかい材料同士の間の変形又は減衰に対する制限として作用するように、より柔らかい材料の間で又はその周囲に利用してもよい。熱可塑性プラスチック及びポリアミド等の材料は、この実施形態に従って構造をプリントするために使用され得るが、これらの材料は、限定的な実施形態としてではなく、むしろ例示的な実施形態としてみなすべきである。

再び図２を参照すると、いくつかの実施形態では、１つ又は複数のバルブ２００をキャビティ２００及び通路１２０から構成されるシステム１００に組み込んで、システムを通る流体２の流入及び／又は流出を制御することができ、これにより内部の圧力及びシステム１００全体の減衰機能が制御される。いくつかの実施形態によれば、バルブ２００は、システム１００の部品同士の間又は隣接するキャビティ１１０同士の間の流体２の流れを制限するために、物体１の部品としてプリントされ得る。さらに、バルブ２００は、流体２がキャビティ同士の間を流れるのを制限又は許容するように、通路１２０に配置され得る。一実施形態では、単一のバルブ２００が、システム１００に出入りする流体２を制御する能力を提供するために、システム１００と流体２で連通するように設けられ、それによってその減衰特性又は作動特性を制御する。この実施形態では、バルブ２００は、システム１００に入る流体２の流れ及び／又は圧力を制御するために、加圧流体２の供給源と少なくとも１つのキャビティ１１０との両方と流体連通することができる。いくつかの実施形態では、バルブ２００は、物体１の一体部品として３Ｄプリントされ得る。他の実施形態では、物体１とは別に設けられたバルブ２００は、本開示の範囲から逸脱することなく、通路１２０同士の間、或いはキャビティ１１０と流体２で連通する流体２の供給又は排出ライン内のいずれかで、物体１のキャビティ１１０と流体２で連通するように設置され得る。

いくつかの実施形態では、複数のバルブ２００をキャビティのセクション同士の間又はグループ同士の間に配置して、それらの間の流体２の流れを制御することができる。そのような実施形態は、バルブ２００を単に制御し適切にサイズ決めすることによって、単一の物体１内に異なる「減衰ゾーン」を有する能力を提供することができる。あるいはまた、いくつかの実施形態では、異なる減衰ゾーンは、システム１００同士の間又はキャビティ１００のゾーン同士の間により小さい又はより大きい断面積を有する通路１２０を設けることによって、単一の物体１内に設けることもでき、それによりシステム１００又はキャビティ１１０のセットが圧力を受けたときに、１つの領域から別の領域への流体２の流れを制限又は増大させる。

いくつかの実施形態では、プリントされる物体１の高さ、幅、又は他の寸法は、可撓性材料を利用してキャビティ１１０を取り囲む構造をプリントし、複数の空のキャビティ１１０を物体の拡張される領域内に組み込むことによって、可変になるように設計され得る。この実施形態を利用して、本明細書に開示される原理に従って製造された物体１は、アクチュエータとして動作することができる。１つの例示的な実施形態では、キャビティ１１０は、後で拡張し得る凸面を有する、概して長方形のキャビティとして成形することができる。例えば、ハウジング又は同様の物体１は、複数の長方形のキャビティ１１０及び相互接続通路１２０をそれらハウジング又は物体の上端に組み込むことができる。ハウジング又は物体１が定位置に配置されると、加圧流体２の供給源をキャビティ１１０のシステム１００に供給することによって上端を拡張し、それによって長方形のキャビティ１１０を拡張し、物体１の寸法を拡張することができる。同様に、逆にして、物体１は、流体２を複数のキャビティ１１０から取り出すことによって、いくつかの寸法態様において縮小することができ、それによって物体１の一部を潰すことができる。所望の１つ又は複数の方向に拡張、収縮、又は崩壊するように向き合せされたシステム１００又はキャビティ１１０のゾーンを物体１内に組み込むことによって、多種多様な物体１の可変形状が達成され得ることを認識されたい。

さらに別の実施形態では、キャビティ１１０を取り囲む個々の構造を第１の材料でプリントし、キャビティ１１０自体を（液体又はより柔軟な材料であり得る）第２の材料で満たす又は部分的に満たすことができるマルチ材料３Ｄプリンタを利用して物体１を製造することができる。さらに、アレイ１３０、１４０は、異なる硬度を有する材料からプリントしてもよい。異なる材料、アレイ、及び流体２の組合せは、単一のプリントされた物体体１内の複数の変形ゾーンをカスタマイズする能力を提供する。この実施形態は、マルチ特性物体を製造するためのさらに費用対効果の高い方法を提供し得る。

いくつかの実施形態では、キャビティ１１０は、物体１内で指示機能を果たす様々な液体で満たしてもよい。１つの非限定的な例では、着色液体を用いて第１のシステム内の複数のキャビティ１１０を満たしてもよく、一方で第２のシステム１００の隣接するキャビティ１１０は満たされないままである。キャビティ１１０の第１のシステム１００が圧力又は同様の力を受けると、液体の一部が第２のシステム１００のキャビティ内に押し込まれ、それによって物体１が所与の領域、すなわち第１のシステム１００において力を受けたことを視覚的に示すことができる。このようにして、様々な実施形態は、本明細書に開示されるプロセス及び概念を用いて設計された物体にかかる応力を容易に視覚的に示すことができる。これらの着色液体で満たされたキャビティは、製品内の物体１にかかる過度の応力を示すために使用することもでき、それによって物体１を交換又は修理する必要があるかどうかを迅速に決定することができる。一実施形態では、液体を第１のキャビティ１１０から第２のキャビティ１１０に押し込むのに必要な圧力の量が所定の閾値を超える場合に、第２のキャビティ１１０内の液体の存在は、物体１における過度の応力の視覚的指標を提供する。また更なる実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなく、センサを使用して、第２のキャビティ内の液体の圧力及び／又は存在を検出することができる。

さらに、いくつかの実施形態では、異なる視覚特性を有する他の種類の液体を本明細書に教示される実施形態と共に利用してもよい。例えば、フォトクロミック液体、感温インク、又は温度に応じて色が変化する他の液体を複数のキャビティ１１０に入れて、物体内の１つ又は複数の温度範囲の瞬時の視覚的指標を提供することができる。これらの実施形態を利用して、物体１は、物体の所与の部分又は領域の温度の視覚的指標に容易にアクセスできるように、内部に配置された感温流体を有するキャビティ１１０の複数のシステム１００を用いて組み立てることができる。さらに、本開示の範囲から逸脱することなく、圧力に応じて変化する任意の流体特性を１つ又は複数のキャビティ１１０内で測定及び／又は監視して、所定の領域における物体１の圧力及び／又は変形の指標を提供することができる。

さらに別の実施形態では、複数のキャビティ１１０を接着剤又は他の粘着剤で満して、接着剤で満たされたキャビティに変形又は圧力が生じると接着剤が放出されるようにすることができる。これらの実施形態では、物体が部品又はアセンブリ内の所定の位置に配置された後に接着プロセスステップが行われ、次に物体が所定の領域において衝突又は応力を受けるように物体を設計することができる。一実施形態では、接着剤で満たされたキャビティは、変形圧力によって破壊されるか又は恒久的に開いた状態にすることができ、それによって、接着剤を物体１の周囲の容積に放出させる。

さらに別の実施形態では、キャビティ１１０又はそのシステム１００は、圧力箔又は同様の圧力検出機器を含む又は作動させ、次にコントローラと通信して物体１内の特定の圧力又は圧力の領域を示すことができるように設計され得る。流体２が複数のキャビティ１１０の幾何学形状を修復するために加圧下で供給される実施形態では、この圧力箔の実施形態は、キャビティ１１０が圧縮され拡張するときの物体内の圧力を監視する際に繰り返し使用できる。さらに、キャビティ１１０の近く又はキャビティ１１０内に圧力箔を利用することは、物体１内で圧力の方向及び／又は領域を測定することを可能にし、これは圧力又は変形がアセンブリ内で見えない又は容易に検出できない場合に特に有用である。

追加的又は代替的に、本開示で教示される構造及び方法は、物体１内で３Ｄプリントされ得る、或いは個々のキャビティ１１０又はシステム１００のキャビティ１１０上又は内部に設けられ得る様々なＭＥＭＳ装置と共に利用することができる。そのような実施形態は、単一の製造プロセスで多種多様な物理的変数を測定するためのセンサを設計しプリントする能力を提供することができる。例えば、圧力センサ、ジャイロスコープ、加速度計、圧電装置、さらにはディスプレイ等のＭＥＭＳセンサは、物体１に影響を与えるあらゆるイベント又は物理的測定値の正のフィードバックを提供するために、物体に配置されたキャビティ１１０内又はその周囲に一体的にプリントされ得る。ＭＥＭＳセンサは、キャビティが、外部に設けられた機器によって測定され得る圧力又は変形を受けたときに信号を提供することができる。

様々な実施形態において、本明細書に説明したものによる構造は、物体を製造するためにプリンタによって使用されるデジタルファイル（例えば、ＳＴＬ、ＡＭＦ、３ＭＦファイル）に記述された物体の一部として規定され得る。例えば、デジタルファイル自体が、製造すべきキャビティ、チャネル等の正確な境界を規定し得る。他の実施形態では、デジタルファイルは、代わりに、そのファイル内に規定されている物体の１つ又は複数の部分に特定の材料タイプ（例えば、「減衰材料」）の指標を割り当てることができる。プリンタ又はプリンタに命令する他の構成要素（例えば、製造するためにスライスをプリンタに送信するコンピュータ）は、本明細書に説明されるように、この材料割り当てを解釈して、物体の関連部分がチャネル接続されたキャビティのマトリックス又は他のグループとして製造されることを示す。材料の種類は、キャビティを規定する際に使用される特定のパラメータ（例えば、キャビティ形状／直径／寸法、チャネル形状／直径／長さ／寸法、キャビティ間の間隔、キャビティの層数、キャビティの配置等）に関連付けられ得る。そのように、異なる材料タイプは、パラメータの所望の組合せ毎に規定され得る。他の実施形態では、材料は「調整可能」であり得る。いくつかのそのような実施形態では、デジタルファイルは、デジタルファイルに割り当てられた物体の部分が製造前（例えば、スライスする及びプリンタに送信する前）にキャビティ、チャネル等と「置き換えられる」ときに、材料に適用されるパラメータ値を含み得る。他のそのような実施形態では、３Ｄプリンタを制御するコンピュータ装置は、他の場所から（例えば、別のファイルから、又はユーザに値を入力するよう促すことによって）パラメータを取得することができる。材料の種類は、３Ｄプリンタの動作を駆動するためのＣＡＤソフトウェア又は他のソフトウェアに組み込まれて理解され得る。物体の製造のためにスライスを準備する（又はそうでなければ物体を製造するためにデジタルファイル内のデータをプリンタが使用できる形式に変換する）と、プリンタ、コンピュータ、又は他の構成要素は、材料タイプに関連する構造又は容積を、（上述したような任意の関連するパラメータに従って）キャビティ及びチャネルの配置に置き換え、それらキャビティ及びチャネルは、一般に、置き換えられた構造又は容積の空間を占有する。その後、修正されたモデルは、スライスされるか、又はそうでなければ３Ｄプリンタを介して製造のために準備される。

本明細書では様々な実施形態について説明及び図示してきたが、当業者は、機能を実行する及び／又は結果を得るための様々な他の方法、システム、及び／又は構造、及び／又は本明細書に記載される利点の１つ又は複数が可能であることを理解し、さらに、そのような変形及び／又は修正のそれぞれが、本明細書に記載されるシステム、方法、及び原理の範囲内にあることを理解するだろう。当業者は、本明細書に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示的であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成は、技術が使用される特定の１つ又は複数の用途に応じて変わることを理解するだろう。当業者は、本明細書に記載される特定の実施形態に対する多くの均等物を認識し、又は日常的に過ぎない実験を使用してそれら均等物を確かめることができるだろう。従って、前述した実施形態は例としてのみ提示されており、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で、実施形態は具体的に説明及び特許請求されている以外の方法で実施できることを理解されたい。本開示の実施形態は、本明細書に記載される各個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法に関する。さらに、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法が互いに矛盾しない場合に、そのような２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の任意の組合せも、本開示の範囲内に含まれる。

本明細書で規定及び使用される全ての規定は、辞書の規定、参照により組み込まれる文献中の規定、及び／又は規定された用語の通常の意味を支配すると理解すべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞「１つの（ａ, ａｎ）」は、他に明確に示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解すべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される「及び／又は」という句は、そのように結合された要素、すなわちある場合には結合的に存在し、他の場合には分離的に存在する要素の「いずれか又は両方」を意味すると理解すべきである。「及び／又は」で列挙された複数の要素は、同じように解釈すべきであり、すなわちそのように結合された要素の「１つ又は複数」であると解釈すべきである。具体的に特定された要素に関連するかどうかにかかわらず、「及び／又は」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素がオプションで存在してもよい。こうして、非限定的な例として、「備える、有する、含む（comprising）」等のオープンエンド言語と共に使用されるときの「Ａ及び／又はＢ」への言及は、一実施形態ではＡのみ（オプションでＢ以外の要素を含む）；別の実施形態ではＢのみ（オプションでＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態ではＡとＢとの両方（オプションで他の要素を含む）等を指すことができる。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される場合に、「又は」は、上で規定された「及び／又は」と同じ意味を有すると理解すべきである。例えば、リスト内の項目を分離するときに、「又は」又は「及び／又は」は、包括的、すなわち、複数の要素又は要素のリストうちの少なくとも１つの要素を含むが複数の要素も含むものとして解釈されるものとし、また、オプションで、リストに含まれていない追加の項目も含むものとして解釈されるものとする。「～の１つのみ」又は「～の正に１つ」、又は請求項で使用されている「～からなる」等の他に明確に示されている用語のみが、複数の要素又は要素のリストのうちの厳密に１つの包含を指す。一般に、本明細書で使用される「又は」という用語は、「どちらか」、「～の１つ」、「～の１つのみ」、「～の正に１つ」等の排他性の用語が先行する場合にのみ排他的な選択肢（すなわち「一方又は他方であるが、両方ではない」）を示すものとして解釈されるものとする。「～から本質的になる」は、特許請求の範囲で使用されるとき、特許法の分野で使用されるときのその通常の意味を有するものとする。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される場合に、１つ又は複数の要素のリストに関して「少なくとも１つ」という句は、要素のリスト内の複数の要素のうちの任意の１つ又は複数の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味すると理解すべきであるが、必ずしも要素のリスト内に具体的に列挙されている全ての要素の少なくとも１つを含むものではなく、要素のリスト内の要素の組合せを除外するものではない。この規定はまた、具体的に特定されたこれらの要素に関連するかどうかにかかわらず、「少なくとも１つ」という句が指す要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、オプションで存在し得ることを可能にする。こうして、非限定的な例として、「Ａ及びＢの少なくとも一方」（又は同等に、「Ａ又はＢの少なくとも一方」、又は同等に「Ａ及び／又はＢの少なくとも一方」）は、一実施形態では、少なくとも１つのＡ（オプションで複数を含む）、Ｂを含まない（オプションでＢ以外の要素を含む）；別の実施形態では、少なくとも１つのＢ（オプションで複数を含む）、Ａを含まない（オプションでＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態では、少なくとも１つのＡ（オプションで複数を含む）、及び少なくとも１つのＢ（オプションで複数を含む）（及びオプションで他の要素を含む）等を指すことができる。

他に明確に示されていない限り、本明細書で請求されている複数のステップ又は動作を含む方法において、方法のステップ又は動作の順序は、必ずしも方法のステップ又は動作が列挙されているその順序に限定されないことも理解すべきである。

特許請求の範囲及び上記の明細書において、「備える、有する、含む（comprising）」、「含む、有する（including）」、「運ぶ（carrying）」、「有する、含む（having）」、「含む（containing）」、「含む（involving）」、「保持する（holding）」、「構成される（composed of）」等の全ての移行句は、オープンエンドであると理解すべきであり、すなわち、限定するものではないが含むことを意味する。米国特許庁の特許審査手続のセクション２１１１．０３に記載されているように、「～からなる（consisting of）」及び「～から本質的になる（consisting essentially of）」という移行句のみがそれぞれクローズド又はセミクローズド移行句であるものとする。特許協力条約（「ＰＣＴ」）の規則６．２（ｂ）に従って請求項で使用される特定の表現及び参照符号は、本発明の範囲を限定しないことを理解されたい。

Claims (14)

1. 材料の三次元プリントによって応力を示す物体を製造する製造方法であって、当該製造方法は、
   前記物体内に複数のキャビティをプリントするステップと、
   前記複数のキャビティ同士の間に流体連通のための少なくとも１つの通路をプリントするステップと、
   前記キャビティのうちの少なくとも１つのキャビティ内に配置される流体を供給するステップであって、該流体は液体である、供給ステップと、を含み、
   特定の長さにおいて特定の断面積を有する前記少なくとも１つの通路が設けられ、該少なくとも１つの通路を通る前記流体の流れを制御し、
   着色流体が、キャビティの第１のシステム内の複数のキャビティを充填するために使用される一方、キャビティの隣接する第２のシステムが未充填のままにされ、それにより、前記応力を示す物体は、該応力を示す物体が前記第１のシステムにおいて力を加えられ、前記着色流体の一部がキャビティの前記第２のシステムに押し込まれたことの視覚的指標を提供するように構成される、
   製造方法。
2. 前記複数のキャビティ同士の間の流体連通のために複数の通路を設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
3. 所定の断面積を有する前記複数の通路を設け、該複数の通路を通る前記流体の流れ及び圧力を制御するステップを含む、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記複数の通路のうちの１つと流体連通するバルブをプリントして、流体連通するキャビティ同士の間の流体の流れを制限するステップをさらに含む、請求項２に記載の製造方法。
5. 前記複数の通路と流体連通する複数のバルブをプリントして、流体連通するキャビティ同士の間の流体の流れを制限するステップをさらに含む、請求項２に記載の製造方法。
6. 前記物体内に複数の拡張可能なキャビティをプリントするステップを含み、該キャビティは所定の方向に拡張可能である、請求項１に記載の製造方法。
7. 前記キャビティを前記所定の方向に拡張させるために、前記流体を加圧下で前記拡張可能なキャビティに供給するステップを含む、請求項６に記載の製造方法。
8. 変形可能なシステムを規定するために、複数のキャビティが液密性の可撓性材料で形成される、請求項１に記載の製造方法。
9. 前記流体を供給するステップは、前記流体を所定の圧力で供給するステップを含む、請求項１に記載の製造方法。
10. 前記物体を複数の材料でプリントするステップを含む、請求項１に記載の製造方法。
11. 前記キャビティ及び通路を取り囲む前記物体の部分は第１の可撓性材料でプリントされ、それ以外の前記物体は第２の材料でプリントされる、請求項１に記載の製造方法。
12. 前記液体が押し込まれる第２のキャビティ内の前記液体の存在を検出するセンサを設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
13. 応力を示す物体であって、当該物体は、
    当該物体内の複数のキャビティと、
    該複数のキャビティ同士の間に形成される少なくとも１つの通路であって、それによって前記複数のキャビティは互いに流体連通している、複数の通路と、
    前記複数のキャビティのうちの少なくとも１つのキャビティ内に分配される流体であって、該流体は液体である、流体と、を含み、
    特定の長さにおいて特定の断面積を有する前記少なくとも１つの通路が設けられ、該少なくとも１つの通路を通る前記流体の流れを制御し、
    着色流体が、キャビティの第１のシステム内の複数のキャビティを充填するために使用される一方、キャビティの隣接する第２のシステムが未充填のままにされ、それにより、前記応力を示す物体は、該応力を示す物体が前記第１のシステムにおいて力を加えられ、前記着色流体の一部がキャビティの前記第２のシステムに押し込まれたことの視覚的指標を提供するように構成される、
    物体。
14. 物体上の応力を示す方法であって、前記物体は材料の三次元プリントによって製造され、前記物体は該物体内にプリントされた複数のキャビティを含み、前記物体は前記複数のキャビティ同士の間にプリントされた流体連通するための少なくとも１つの通路をさらに含み、特定の長さにおいて特定の断面積を有する前記少なくとも１つの通路が設けられ、該少なくとも１つの通路を通る前記流体の流れを制御し、当該方法は、
    着色流体を使用して、キャビティの第１のシステム内の複数のキャビティを充填する一方、キャビティの隣接する第２のシステムを未充填のままにするステップと、
    前記応力を示す前記物体が前記第１のシステムにおいて力を加えられたときに、前記着色流体の一部がキャビティの前記第２のシステムに押し込まれたことの視覚的指標を提供するステップと、を含む、
    方法。

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