JP7053430B2 - 押出機の角度配向を基準にして付加製造中にマルチノズル押出機の速度を調整するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、３次元物体プリンタに使用されるマルチノズル押出機を対象とし、より具体的には、その押出機による異なる特徴の形成を対象とする。

３次元印刷は、付加製造としても知られており、事実上どの形状のデジタルモデルからも３次元立体物体を作製する工程である。多くの３次元印刷技術は、付加製造デバイスが、既に堆積された層の上に部品の連続層を形成する付加工程を使用する。これらの技術のいくつかは、ＡＢＳプラスチック等の押出材料を軟化または溶融して熱可塑性材料にし、次いで熱可塑性材料を所定のパターンで放出する押出機を使用する。プリンタは、典型的には、押出機を動作させて、様々な形状及び構造を有する３次元印刷物体を形成する熱可塑性材料の連続層を形成する。３次元印刷物体の各層が形成された後、熱可塑性材料は冷却されて硬化し、その層を３次元印刷物体の下層に結合する。この付加製造方法は、切削または穿孔等の減法工程によってワークピースから材料を除去することに主に依存する従来の物体形成技術と区別できる。

既存の３次元プリンタの多くは、単一のノズルを通して材料を押し出す単一の押出機を使用している。プリントヘッドは、所定の経路で移動して、３次元印刷物体のモデルデータに基づいて支持部材の選択された位置または３次元印刷物体の既に堆積された層の上に構築材料を放出する。しかしながら、構築材料の放出に単一のノズルしか含まないプリントヘッドを使用することによって、多くの場合、３次元印刷物体の形成にかなりの時間が必要とされる。さらに、ノズルの直径がより大きいプリントヘッドは、より迅速に３次元印刷物体を形成し得るが、より詳細な物体のより微細な形状に構築材料を放出する能力を失い、一方、より小さい直径のノズルは、より微細な詳細構造を形成し得るが、３次元物体の構築により多くの時間を必要とする。

単一ノズル押出機の限界に対処するために、マルチノズル押出機が開発されている。これらのマルチノズル押出機では、ノズルは共通の面板に形成され、ノズルを通って押し出される材料は１つ以上のマニホールドからもたらされ得る。単一のマニホールドを有する押出機では、ノズルの全てが同じ材料を押し出すが、マニホールドから各ノズルへの流体経路は、ノズルを選択的に開放及び閉鎖するように動作するバルブを含み得る。この能力により、ノズルからの熱可塑性材料押出機のスワスの形状を、材料を押し出すノズルの数及びどのノズルが材料を押し出すかを変更することによって変化させることが可能になる。異なるマニホールドを有する押出機では、各ノズルは、異なる材料を押し出し、マニホールドのうちの１つからその対応するノズルへの流体経路は、ノズルを選択的に開放及び閉鎖するように動作可能なバルブを含む。この能力により、ノズルからの熱可塑性材料押出機のスワスの形状を変化させるだけでなく、スワスの材料の組成も変化させることが可能になる。この場合も、これらの変化は、材料を押し出すノズルの数及びどのノズルが材料を押し出すかを変更することによって達成される。これらのマルチノズル押出機によって、異なる材料を異なるノズルから押し出し、異なる押出機本体の移動を調整することなく物体を形成するために使用することが可能になる。これらの異なる材料によって、異なる色、物理的特性、及び構成を有する物体を生成するための付加製造システムの能力を高めることができる。さらに、材料を押し出すノズルの数を変更することによって、生成されるスワスのサイズを変えて、物体の縁等の正確な特徴形成が必要な範囲に狭いスワスを提供し、その内部領域等の物体の範囲を迅速に形成するようにより幅広いスワスを提供することができる。

共通の面板にノズルを有するこれらのマルチノズル押出機では、プラットフォームのＸＹ軸に対する面板の配向だけでなく、構築プラットフォームを基準にした面板の移動が、スワスの形成にとって重要になる。本明細書で使用する「スワス」は、少なくとも１つのノズルが開放したままであり、かつ材料が任意の開放ノズルから押し出される間に、マルチノズル押出機の任意の開放ノズルからの材料の押出物を集約して指す。すなわち、多数のノズルが開放しているが、放出された押出物の全てが互いに接触していなくても、個別の押出物がスワスを構成する。連続スワスは、多数のノズルからの押出物の全てが、スワスを交差して交差工程方向に連続して接触しているものである。押出機のいくつかの配向では、押し出された材料の連続スワスが形成されないように、ノズルのいくつかが互いに整合する。図７に示すように、９つのノズルを有する既知の面板が示される。面板が図示するように配向され、０°～１８０°（Ｘ）軸または９０°～２７０°（Ｙ）軸に沿って移動すると、９つのノズル全ては、連続スワスの形成に寄与し、スワスはその最大幅を有する。本明細書で使用される用語「０°～１８０°軸」は、押出機の面板が配向された状態での０°方向または１８０°方向のいずれかの移動を意味するため、ノズルの全てが開放している場合、押出機が生成し得る最大幅の連続スワスが形成され、用語「９０°～２７０°軸」は、押出機の面板が配向された状態での９０°または２７０°のいずれかの方向の移動を意味するため、ノズルの全てが開放している場合、押出機が生成し得る最大幅の連続スワスが形成される。面板が、０°～１８０°軸及び９０°～２７０°軸上で図示するように配向されたままであるが、一番右の図に示すようにこれらの軸のうちの１つから１８°回転した方向のうちの１つに移動するとき、９つのノズルは、互いに整合した３つのノズルの３行になり、スワスは、スワスを形成する押し出されたライン間に間隙を有する３つのノズル幅だけになる。したがって、図７の面板が０°、９０°、１８０°、及び２７０°の経路に沿って移動するときに最大幅のスワスが生成され、１８°、１０８°、１９８°、及び２８８°の経路に沿って、スワスが最も狭くなり、押し出された材料のビーズが互いに最も分離している。この分離は、面板の配向及び押出機とプラットフォームとの間の相対的な移動の方向が、面板のノズルを直交する列及び行を有するアレイに配置するために生じる。この配置によって、列内のノズルによって形成されたライン間の距離が減少するため、ラインは互いに整合し、行内のノズル間の間隔によってラインを分離する。特徴の差異が通常重要ではない物体の中心では、面板の移動は、物体形成速度を最大化できるように、最大幅の連続スワスを生成する方向のうちの１つにあることが好ましい。しかしながら、特徴の形状がより多様で時には複雑な物体の外側の縁では、特徴の形成を可能にするために、より少ない数のノズル、恐らく単一のノズルのみを開放してもよい。残念ながら、この種類の押出機の動作は、物体形成に利用可能な多数のノズルを生かせず、本質的に遅い。したがって、共通の面板内に多数のノズルを有することにおける速度の利点の多くが失われ、多くの部品では、物体の内部の形成に費やされた時間よりも多くの時間が物体の輪郭に費やされ得る。物体の外部の形成時に利用可能なノズルの数を活用することができる共通の面板に多数のノズルを有する３次元物体プリンタが有益であろう。

新規の押出機は、面板が移動する角度を基準にして押出機の移動の速度を調整し、多数のノズルが、押し出されたライン間の間隙を充填して外部特徴を形成することを可能にする。この装置は、製造中に物体を支持するように構成されたプラットフォームと、複数のノズルを有する押出機と、押出機及びプラットフォームのうちの少なくとも１つに動作可能に接続された少なくとも１つのアクチュエータであって、押出機及びプラットフォームのうちの１つを押出機及びプラットフォームのうちのもう１つに対して移動させるように構成される、少なくとも１つのアクチュエータと、押出機及び少なくとも１つのアクチュエータに動作可能に接続されたコントローラと、を含む。コントローラは、（１）物体画像データ及び押出機経路データを基準にして押出機のノズルのうちの少なくとも２つを通して熱可塑性材料のスワスを押し出すように押出機を動作させて、押出機とプラットフォームとの間の相対的な移動の経路に沿って熱可塑性材料のスワスを形成し、（２）押出機及びプラットフォームのうちの少なくとも１つを相対的な移動の経路に沿って所定の速度で移動させるように少なくとも１つのアクチュエータを動作させるように構成され、コントローラは、押出機の面板の配向及び押出機とプラットフォームとの間の相対的な移動の経路の角度を基準にして所定の速度を選択して、熱可塑性材料のスワスを交差工程方向に連続させる。

押出機から押し出された熱可塑性材料で物体を形成するシステムの前述の態様及び他の特徴について、添付の図面に関連して以下の記述で説明する。

押出機の運動の角度を基準にして押出機が移動してスワスを形成する速度を調節する付加製造システムを示す。 複数のチャネルを含むヒータを１つだけ有する、図１に示すシステムの代替実施形態のブロック図である。 押出機によって生成されたスワス間の間隙を制御するための、図１及び２に示す押出機の３４２°～１６２°軸に沿った異なる速度での動作を示す。 押出機によって生成されたスワス間の間隙を除去するための、図１及び２に示す押出機の３４２°～１６２°軸に沿った１／３の通常速度での押出機の動作を示す。 押出機の移動の角度を基準にして押出機の移動の速度を調整するプリンタを動作させるための工程のフロー図である。 先行技術の３次元物体プリンタの図である。 ０°、９０°、及び１８°で配向しているときの９つのノズルの面板によって形成され得るスワスを示す。

本明細書において開示されたデバイスの環境ならびにデバイスの詳細の一般的な理解のために、図面が参照される。図面において、同様の参照数字は同様の要素を示す。

本明細書で使用する用語「押出材料」は、付加製造システムにおいて押出機によって放出された熱可塑性材料を形成するように軟化または溶融される材料を指す。押出材料には、３次元印刷物体の永久部分を形成する「構築材料」と、印刷工程中に構築材料の部分を支持する一時的な構造を形成してから任意選択で印刷工程の完了後に除去される「支持材料」との両方が含まれるが、これらに厳しく限定されない。構築材料の例として、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）プラスチック、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、脂肪族または半芳香族ポリアミド（ナイロン）、懸濁炭素繊維または他の骨材を含むプラスチック、導電性ポリマー、及び熱的に処理されて押出機を通って放出されるのに適切な熱可塑性材料を生成し得る任意の他の形態の材料が挙げられるが、これらに限定されない。支持材料の例として、高衝撃ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、及び熱処理後に押し出し可能な他の材料が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの押出プリンタでは、押出材料は、一般に「フィラメント」として知られている連続した細長い長さの材料として供給される。このフィラメントは、押出材料フィラメントをスプールまたは他の供給部から引っ張り、そのフィラメントを押出機内のマニホールドに流体接続されたヒータ内に付与する１つ以上のローラによって固体形態で提供される。例示された例は、ヒータにフィラメントとして供給される押出材料を使用するが、粒状または球状の押出材料等の他の押出材料供給部を使用してもよい。ヒータは、押出材料フィラメントを軟化または溶融させて、マニホールドに流入する熱可塑性材料を形成する。ノズルとマニホールドとの間に位置付けられたバルブが開放すると、熱可塑性材料の一部分がマニホールドからノズルを通って流れ、熱可塑性材料の流れとして放出される。本明細書で使用する、押出材料に適用される用語「溶解」は、押出材料の相を軟化または変化させて３次元物体プリンタの動作中に押出機の１つ以上のノズルを通して熱可塑性材料の押し出しを可能にする、押出材料の温度の任意の上昇を指す。溶融した押出材料も、本明細書において「熱可塑性材料」として示される。当業者が認識するように、ある特定の非晶質押出材料は、プリンタの動作中に純粋な液体状態に移行しない。

本明細書で使用する用語「押出機」は、単一の流体チャンバ内で押出材料を溶融し、その溶融した押出材料を１つ以上のノズルに接続されたマニホールドに提供するプリンタの構成要素を指す。いくつかの押出機は、熱可塑性材料がノズルを通って選択的に流れることを可能にするように電子的に動作され得るバルブアセンブリを含む。バルブアセンブリによって、１つ以上のノズルをマニホールドに接続して、独立して熱可塑性材料を押し出すことが可能になる。本明細書で使用する用語「ノズル」は、押出機のマニホールドに流体接続され、そこを通って熱可塑性材料が材料受け面に向けて放出される押出機のオリフィスを指す。動作中、ノズルは、押出機の工程経路に沿って、熱可塑性材料の実質的に連続した線形スワスを押し出すことができる。コントローラは、バルブアセンブリに接続されたどのノズルが熱可塑性材料を押し出すかを制御するように、バルブアセンブリ内のバルブを動作させる。ノズルの直径は、押し出された熱可塑性材料のラインの幅に影響を及ぼす。異なる押出機の実施形態は、より狭いオリフィスによって生成されたラインの幅よりも大きい幅を有するラインを生成する、より幅広いオリフィスを有するオリフィスのサイズの範囲を有するノズルを含む。

本明細書で使用する用語「マニホールド」は、３次元物体の印刷動作中に押出機の１つ以上のノズルに送出するための熱可塑性材料の供給を保持する押出機のハウジング内に形成された空洞を指す。本明細書で使用する用語「スワス」は、３次元物体の印刷動作中に押出機が材料受け面上に形成する押出材料の任意のパターンを指す。一般的なスワスは、押出材料の直線的な線形配置及び湾曲したスワスを含む。いくつかの構成では、押出機は、熱可塑性材料を連続的に押し出して、工程及び交差工程の両方向で押出材料の連続した塊を有するスワスを形成するが、他の構成では、押出機は、断続的に動作して、線形または湾曲した経路に沿って配置される熱可塑性材料のより小さい集まりを形成する。３次元物体プリンタは、押出材料の異なるスワスの組み合わせを使用して様々な構造を形成する。さらに、３次元物体プリンタ内のコントローラは、押出機を動作させて押出材料の各スワスを形成する前に、押出材料の異なるスワスに対応する物体画像データ及び押出機経路データを使用する。後述するように、コントローラは、バルブアセンブリの動作及び押出機が移動する速度を任意選択で調整して、３次元印刷動作中に１つ以上のノズルを通る熱可塑性材料の多数のスワスを形成する。

本明細書で使用する用語「工程方向」は、押出機と、押出機の１つ以上のノズルから押し出された熱可塑性材料を受ける材料受け面との間の相対的な移動の方向を指す。材料受け面は、付加製造工程中に３次元印刷物体を保持する支持部材または部分的に形成された３次元物体の表面のいずれかである。本明細書で説明する例示的実施形態では、１つ以上のアクチュエータは、押出機を支持部材の周囲で移動させるが、代替システムの実施形態は、押出機が静止している間に支持部材を移動させて、工程方向に相対的な運動を生成する。システムによっては、異なる運動軸について両システムの組み合わせを使用することもある。

本明細書で使用する用語「交差工程方向」は、工程方向に垂直であり、かつ押出機の面板及び材料受け面に平行である軸を指す。工程方向及び交差工程方向は、押出機と熱可塑性材料を受ける表面との移動の相対的な経路を指す。いくつかの構成では、押出機は、工程方向、交差工程方向、またはその両方に延在し得るノズルのアレイを含む。押出機内の隣接ノズルは、交差工程方向に所定の距離だけ分離している。いくつかの構成では、システムは、押出機の異なるノズルを分離する交差工程方向距離を調整するように押出機を回転させて、ラインがスワスを形成するときに、押出機のノズルから押し出される熱可塑性材料のラインを分離する対応する交差工程距離を調整する。

付加製造システムの動作中、押出機は、３次元物体印刷工程中に熱可塑性材料を受ける表面に対して直進経路及び湾曲経路の両方に沿って工程方向に移動する。さらに、システム内のアクチュエータは、任意選択で、Ｚ軸を中心に押出機を回転させて、押出機のノズルを分離する有効交差工程距離を調整し、押出機が、熱可塑性材料の各ラインの間に所定の距離を有する熱可塑性材料の２つ以上のラインを形成することを可能にする。押出機は、外周に沿って移動して、２次元領域の全部または一部を熱可塑性材料で充填するように、印刷された物体の層内及び周囲内の２次元領域の外壁を形成する。

図６は、押出機１０８を動作させて３次元印刷物体１４０を形成するように構成される先行技術の３次元物体付加製造システムまたはプリンタ１００を示す。プリンタ１００は、支持部材１０２と、マルチノズル押出機１０８と、押出機支持アーム１１２と、コントローラ１２８と、メモリ１３２と、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０と、任意選択のＺθアクチュエータ１５４と、Ｚアクチュエータ１５８とを含む。プリンタ１００では、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０が、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２次元平面（「ＸＹ平面」）の異なる位置に押出機１０８を移動させて、図６に示す物体１４０等の３次元印刷物体に１つの層を形成する熱可塑性材料のスワスを押し出す。例えば、図６では、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、支持アーム１１２及び押出機１０８をガイドレール１１３に沿って平行移動させてアーム及び押出機をＹ軸に沿って移動させ、一方、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、押出機１０８を支持アーム１１２の長さに沿って平行移動させて押出機をＸ軸に沿って移動させる。押し出されたパターンは、層内の１つ以上の領域の輪郭と、熱可塑性材料パターンの輪郭内の領域を充填する熱可塑性材料のスワスとの両方を含む。Ｚアクチュエータ１５８は、Ｚ軸に沿った押出機１０８と支持部材１０２との間の距離を制御して、印刷工程中に物体が形成されるときに押出機１０８のノズルが熱可塑性材料を物体１４０上に押し出すのに適切な高さで維持することを確実にする。Ｚθアクチュエータ１５４は、Ｚ軸を中心に回転する押出機１０８のいくつかの実施形態について、Ｚ軸を中心とする押出機１０８の回転の角度を制御する。この移動は、押出機１０８のノズル間の分離を制御するが、押出機によっては、製造工程中に回転を必要としないものもある。システム１００では、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０、Ｚθアクチュエータ１５４、及びＺアクチュエータ１５８は、電気モータ、ステッピングモータ、または任意の他の適切な電気機械デバイス等の電気機械アクチュエータとして具現化される。図６のプリンタでは、３次元物体プリンタ１００は、熱可塑性材料の複数の層から形成される３次元印刷物体１４０の形成中に示される。

支持部材１０２は、製造工程中に３次元印刷物体１４０を支持するガラス板、ポリマー板、または発泡体表面等の平面部材である。図２の実施形態では、Ｚアクチュエータ１５８はまた、熱可塑性材料の各層を塗布した後に支持部材１０２を押出機１０８から離れてＺ方向に移動させて、押出機１０８が物体１４０の上面から所定の距離を維持することを確実にする。押出機１０８は、複数のノズルを含み、各ノズルは、熱可塑性材料を支持部材１０２の表面上または物体１４０等の部分的に形成された物体の表面上に押し出す。図６の例では、押出材料は、押出材料供給部１１０からのフィラメントとして提供され、押出材料供給部１１０は、ＡＢＳプラスチックまたはスプールから巻き戻されて押出機１０８に押出材料を供給する別の適切な押出材料フィラメントのスプールである。

支持アーム１１２は、支持部材と、印刷動作中に押出機１０８を移動させる１つ以上のアクチュエータとを含む。システム１００では、１つ以上のアクチュエータ１５０が、印刷動作中に支持アーム１１２及び押出機１０８をＸ軸及びＹ軸に沿って移動させる。例えば、アクチュエータ１５０のうちの１つが、支持アーム１１２及び押出機１０８をＹ軸に沿って移動させ、一方、別のアクチュエータが、Ｘ軸に沿って移動させるように支持アーム１１２の長さに沿って押出機１０８を移動させる。システム１００では、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、任意選択で、直進経路または湾曲経路のいずれかに沿って、同時にＸ軸及びＹ軸の両方に沿って、押出機１０８を移動させる。コントローラ１２８は、押出機１０８のノズルが熱可塑性材料を支持部材１０２上に、または予め形成された物体１４０の層上に押し出すことを可能にする、線形経路及び湾曲経路の両方における押出機１０８の動きを制御する。コントローラ１２８は、Ｘ軸またはＹ軸に沿ってラスタライズされた運動で押出機１０８を任意選択で移動させるが、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、ＸＹ平面内の任意の線形経路または湾曲経路に沿って押出機１０８を移動させることもできる。

コントローラ１２８は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはプリンタ１００を動作させるように構成される任意の他のデジタルロジック等のデジタルロジックデバイスである。プリンタ１００では、コントローラ１２８は、支持部材１０２及び支持アーム１１２の移動を制御する１つ以上のアクチュエータに動作可能に接続される。コントローラ１２８は、メモリ１３２にも動作可能に接続される。プリンタ１００の実施形態では、メモリ１３２には、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）デバイス等の揮発性データストレージデバイス、及び固体データストレージデバイス、磁気ディスク、光ディスク等の不揮発性データストレージデバイス、または任意の他の適切なデータストレージデバイスが含まれる。メモリ１３２は、プログラムされた指示データ１３４及び３次元（３Ｄ）物体画像データ１３６を格納する。コントローラ１２８は、格納されたプログラム命令１３４を実行して、プリンタ１００内の構成要素を動作させて３次元印刷物体１４０を形成し、物体１４０の１つ以上の表面上に２次元画像を印刷する。３Ｄ物体画像データ１３６は、例えば、プリンタ１００が３次元物体印刷工程中に形成する熱可塑性材料の各層に対応する複数の２次元画像データパターンを含む。押出機経路制御データ１３８は、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０を使用して押出機１０８の移動の経路を制御し、Ｚθアクチュエータ１５４を使用して押出機１０８の配向を制御するようにコントローラ１２８が処理する一連の幾何学的データまたはアクチュエータ制御コマンドを含む。コントローラ１２８は、押出機が熱可塑性材料を押し出して物体を形成する間に、上述のように押出機１０８を支持部材１０２の上に移動させるようにアクチュエータを動作させる。

図１は、以下により詳細に説明する図３及び図４に示すように、複数の熱可塑性材料を面板の開口部を通して押し出す押出機１０８を有する付加製造システム１００’を示す。プリンタ１００’は、平面運動を使用して物体を形成するプリンタとして示されるが、本明細書で説明するように、他のプリンタアーキテクチャを、押出機と、押出機の回転配向を基準にして押出機の速度を調節するように構成されたコントローラとともに使用してもよい。これらのアーキテクチャには、デルタボット、選択的コンプライアンスアセンブリロボットアーム（ＳＣＡＲＡ）、多軸プリンタ、非デカルト式プリンタ等が含まれる。これらの代替実施形態の運動は、依然として上で定義されたような工程方向及び交差工程の方向を有し、これらの実施形態の押出機のノズル間隔は、依然として交差工程方向に対してノズル間隔を画定する。図を簡略化するために、図１には１つのマニホールド２１６しか示されていないが、押出機１０８は複数のマニホールド２１６を有することができる。一実施形態では、押出機１０８の各マニホールド２１６は、異なる押出材料供給部１１０によって１対１の対応で付与される異なるヒータ２０８に動作可能に接続される。代替として、各マニホールド２１６は、図２の実施形態１００”に示すように、複数の押出材料供給部１１０によって付与される複数のチャネル２３２’を収容する単一のヒータ２０８’に連結され得る。図２の各チャネル２３２’は、熱可塑性材料を押出機１０８のマニホールド２１６に供給し、各マニホールドが他のマニホールドが受けている材料とは異なる材料を受けることを可能にする。押出機１０８では、各ノズル２１８は、押出機１０８内のマニホールドのうちの１つのみに流体接続されるため、各ノズルは、他のマニホールドに接続されたノズルから押し出された材料とは異なる熱可塑性材料を押し出すことができる。各ノズルからの押し出しは、バルブアセンブリ２０４内のバルブを動作させるコントローラ１２８によって、選択的かつ独立して作動及び停止される。各ノズル２１８はまた、物体内の材料のスワスをより柔軟に形成するためにノズルを構成するように面板２６０内の開口部と整合する。

図１及び図２の実施形態では、バルブアセンブリ２０４が、押出機１０８のマニホールドと押出機１０８のマニホールドに接続されたノズルの各々との間にバルブを位置付ける。バルブアセンブリ２０４は、コントローラ１２８に動作可能に接続されるため、コントローラは、押出機１０８の複数のノズルから熱可塑性材料を押し出すためにバルブを開放及び閉鎖することができる。具体的には、コントローラ１２８は、押出機１０８のバルブに接続されたアセンブリ２０４内の異なるアクチュエータを作動及び停止させて、ノズルから熱可塑性材料を押し出し、図６の物体１４０等の３次元印刷物体の各層に異なる熱可塑性材料のスワスを形成する。

図１のシステム１００’は、押出機１０８のマニホールドに接続される各ヒータ２０８のための押出材料分配システム２１２も含む。各別々の供給部１１０からの押出材料は、システム１００’の動作中に所定の領域内でヒータに接続されたマニホールド内の熱可塑性材料の圧力を維持するレートで、対応するヒータ２０８に付与される。分配システム２１２は、押出機１０８の各マニホールド内の熱可塑性材料の圧力を調節するのに適切な一実施形態である。図２の実施形態１００”では、複数の押出材料分配システム２１２が、１対１の対応で、複数の押出材料供給部１１０とヒータ２０８’のチャネル２３２’との間に動作可能に接続される。さらに、両実施形態では、コントローラ１２８が、アクチュエータ各分配システム２１２に動作可能に接続され、分配システム２１２が供給部１１０から供給部により付与されるヒータに押出材料を送出するレートを制御する。図２の分配システム２１２は、図１の分配システム２１２として構成され得る。ヒータ２０８及び２０８’は、駆動ローラ２２４（図１）を介してヒータ２０８に付与された押出材料２２０を軟化または溶融させる。アクチュエータ２４０は、ローラ２２４を駆動し、コントローラ１２８に動作可能に接続されるため、コントローラは、アクチュエータがローラ２２４を駆動する速度を調節することができる。ローラ２２４に対向する別のローラは、フリーホイールであるため、ローラ２２４が駆動される回転のレートに追従する。図１は、フィラメント２２０をヒータ２０８または２０８’内に移動させるために電気機械アクチュエータ及び駆動ローラ２２４を機械的可動子として使用する付与システムを示すが、分配システム２１２の代替実施形態は、１つ以上のアクチュエータを使用して、回転オージェまたはスクリューの形態の機械的可動子を動作させる。オージェまたはスクリューは、固相押出材料を、押出材料粉末またはペレットの形態で供給部１１０からヒータ２０８または２０８’に移動させる。

図１及び図２の実施形態では、各ヒータは、コントローラ１２８に動作可能に接続される電気抵抗加熱要素等の１つ以上の加熱要素２２８を含むステンレス鋼から形成された本体を有する。コントローラ１２８は、加熱要素２２８を電流に選択的に接続して、ヒータ２０８または２０８’内の１つまたは複数のチャネル内の押出材料２２０のフィラメントを軟化または溶融するように構成される。図１及び図２は、固体フィラメント２２０として固相の押出材料を受けるヒータ２０８及びヒータ２０８’を示すが、代替実施形態では、ヒータは、粉末状またはペレット状の押出材料として固相の押出材料を受ける。冷却フィン２３６は、ヒータの上流のチャネルの熱を弱める。冷却フィン２３６またはその近くのチャネルに固体のまま残っている押出材料の一部分は、熱可塑性材料がマニホールド２１６への接続ではなく任意の開口部よりヒータから出ることを防止するシールをチャネル内に形成し、シールは、押出材料がマニホールドに入るときに熱可塑性状態に保つ温度を維持する。押出機１０８は、押出機内の各マニホールド内の熱可塑性材料のために高温を維持するための追加の加熱要素も含んでもよい。いくつかの実施形態では、断熱材は、押出機内のマニホールド内の温度を維持するように、押出機１０８の外部の部分を覆う。この場合も、図２のノズルの周りの領域は、材料を熱可塑性状態に保つ温度に維持されるため、面板の開口部に進むときに凝固し始めない。

マニホールド２１６内の熱可塑性材料の流体圧力を所定の範囲内に維持し、押出材料への損傷を回避し、ノズルを通じた押出レートを制御するために、スリップクラッチ２４４が、フィラメントを供給部１１０からヒータに付与する各アクチュエータ２４０の駆動軸に動作可能に接続される。本明細書で使用する用語「スリップクラッチ」は、物体に摩擦力を印加して、物体を所定の設定点まで移動させるデバイスを指す。摩擦力の所定の設定点近くの範囲を超えると、デバイスはスリップするため、摩擦力を物体に印加しなくなる。スリップクラッチによって、ローラ２２４がフィラメント２２０に及ぼす力が、アクチュエータ２４０がいかに頻繁に、いかに速く、またはいかに長く駆動しても、フィラメントの強度の制約内にとどまることが可能になる。この一定の力は、フィラメント駆動ローラ２２４の最速の予想回転速度よりも高速でアクチュエータ２４０を駆動することによって、またはエンコーダホイール２４８をローラ２２４に置いて、センサ２５２で回転のレートを感知することによってのいずれかで維持することができる。センサ２５２が発生した信号は、ローラ２２４の角度回転を表示し、コントローラ１２８は、この信号を受信して、ローラ２２４の速度を特定する。コントローラ１２８は、アクチュエータ２４０に提供された信号を調整して、アクチュエータの速度を制御するようにさらに構成される。コントローラがアクチュエータ２４０の速度を制御するように構成されている場合、コントローラ１２８がアクチュエータ２４０を動作させるため、その平均速度がローラ２２４の回転よりもわずかに速くなる。この動作によって、駆動ローラ２２４上のトルクが常にスリップクラッチのトルクの関数であることが確実になる。

コントローラ１２８は、ローラ２２４の回転速度にわたってアクチュエータ出力軸のわずかに早い速度を特定するコントローラに接続されたメモリに格納された設定点を有する。本明細書で使用する用語「設定点」は、設定点に対応するパラメータを設定点付近の所定の範囲内に保つように構成要素を動作させるためにコントローラが使用するパラメータ値を意味する。例えば、コントローラ１２８は、アクチュエータ２４０を動作させる信号を変更して、設定点付近の所定の範囲の出力信号によって特定される速度で出力軸を回転させる。アクチュエータの指令速度に加えて、バルブアセンブリ２０４内で開放または閉鎖されるバルブの数及びクラッチのトルク設定点も、フィラメント駆動システム２１２の動作に影響を与える。得られたローラ２２４の回転速度は、センサ２５２が発生した信号によって特定される。コントローラ１２８内の比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラは、メモリに格納された差分設定点を基準としてこの信号からエラーを特定し、コントローラによって出力された信号を調整してアクチュエータ２４０を動作させる。代替として、コントローラ１２８は、スリップクラッチのトルクレベルを変えてもよく、またはコントローラ１２８は、トルクレベルを変えて、コントローラがアクチュエータを動作させる信号を調整してもよい。

スリップクラッチ２４４は、固定または調整可能なトルク摩擦ディスククラッチ、磁性粒子クラッチ、磁気ヒステリシスクラッチ、強磁性流体クラッチ、空気圧クラッチ、または永久磁石クラッチであり得る。磁気的に動作するクラッチの種類は、クラッチに電圧を印加することによって調整されるトルク設定点を有し得る。この特徴により、印刷条件を基準にしてクラッチのトルク設定点を変更することが可能になる。用語の「印刷条件」は、物体の適切な形成のためにマニホールド内で必要とされる熱可塑性材料の量に影響を与える、現在進行中の製造動作のパラメータを指す。これらの印刷条件には、押出機に付与されている押出材料の種類、押出機から放出されている熱可塑性材料の温度、押出機がＸＹ平面内で移動している速度、物体に形成されている特徴の位置、押出機がプラットフォームに対して移動している角度等が含まれる。

図１及び図２に示す実施形態では、コントローラ１２８は、１つ以上の信号をＸ／Ｙアクチュエータ１５０に送信して、押出機１０８がプラットフォーム１０２の上方で移動する速度を調節するように構成される。コントローラ１２８は、押出機１０８が移動する経路の角度及び押出機の面板がその経路に沿って移動するときの配向を基準にして、押出機１０８の速度を調節するように構成される。押出機１０８が０°～１８０°軸または９０°～２７０°軸のいずれかの方向に押し出し中に移動し、押出機の面板が図７に示すように配向されると、コントローラ１２８は、熱可塑性材料の押し出しのために開放されたノズルの数を基準にして、押出機を公称速度で移動させる。開放されたノズルの全てが任意の運動経路に沿った連続スワスに寄与するように、押出機の面を理論的に配向することができるが、実施上の考慮により、このような配向は阻止され得る。物体画像データ及び押出機経路データが、押出機の面板の配向と、隣接するスワスを形成する押出機の能力を干渉するプラットフォームに対するその移動経路とを必要とする場合、コントローラは、この干渉に対処するためにプラットフォームに対する運動経路に沿って押出機が移動する速度を低下させることができる。

上述のように、図７に示す面板のノズルによって発生したスワスを形成するラインの間に生成された間隙は、押出機の面板が図示するように配向され、かつ押出機運動の角度が１８°、１０８°、１９８°、及び２８８°の経路のうちの１つに沿っているときに最大となる。図３は、面板のノズルが図７のノズル配置の鏡像である押出機ヘッドの動作を示す。この種類の押出機ヘッドが７２°、１６２°、２５２°及び３４２°の経路のうちの１つに沿って移動すると、ノズルアレイの行及び列は互いに直交し、９つのノズルの全てが開放されるときに、ノズルは３つの別々のラインを有するスワスを生成する。図３は、このような押出機の１６２°～３４２°の経路に沿ったいずれかの方向の速度調節の効果を示す。ベース３０４は、図７に示すように配向及び移動される９つのノズルの面板を有する押出機を使用して０°～１８０°で印刷されている。斜めのスワスは、３つのノズルのグループが同時に整合する１６２°～３４２°の経路に沿ってベース３０４上に印刷される。斜めのスワスは、３０８、３１２、３１６、３２０、３２４、及び３２８の順序で印刷され、スワス３０８、３１６、及び３２４は、押出機が１６２°の経路に沿って移動するときに印刷され、スワス３１２、３２０、３２８は、押出機が３４２°の経路に沿って移動するときに印刷される。すなわち、押出機１０８は、図７の２つの中間面板によって示されるように配向され、材料を押し出すことなく９０°で平行移動する停止位置に到達するまで１６２°の経路に沿って移動し、次いで、次の対のスワスを形成する位置に達するように材料を押し出すことなく９０°で平行移動する別の停止位置に達するまで３４２°の経路に沿って戻る。スワス３０８及び３１２は、９つの開放ノズルで形成され、スワス３１６及び３２０は、６つの開放ノズルで形成され、スワス３２４及び３２８は、３つの開放ノズルで形成された。各斜めのスワスは、スワスの左側部分では公称速度の１／３で、スワスの中央部分では公称速度の２／３で、スワスの右側部分では公称速度で、押出機が移動するように印刷される。この例での公称速度は４０００ｍｍ／分である。

図３に示すように、上述のように配向された押出機を１６２°～３４２°の経路に沿って公称速度で移動させることによって、開放ノズルから放出された押出熱可塑性材料のラインが間隙を充填し、かつ交差工程方向に連続スワスを作製するのに十分広がらなくなる。間隙のサイズは、開放ノズルの数及び押出機の速度に依存する。各スワスで速度が低下するにつれて、スワスの中央部分及び左側部分に見られるように、押し出される材料の量及び熱可塑性材料のスプレッドの程度が増大する。図示するように、押出機を１６２°の経路に沿って移動させることによって形成されたスワスは、押出機を３４２°の経路に沿って移動させることによって形成されたスワスとは、材料のスプレッドの量が異なる。この相違は、一部は印刷の順序に起因し、一部は押出機の不整合に起因し得る。この効果は、ある量の押出機不整合を、押出機が移動するときに押出機の速度を変更することによって補うことができることを示唆する。不整合を補うために、不整合パラメータがプリンタ較正中に決定され、そのパラメータがコントローラ１２８に動作可能に接続されたメモリに格納される。物体印刷中、コントローラ１２８は、不整合パラメータを基準にして押出機の速度を調整する。図３は、スワスの幅が押出機の移動の角度と必ずしも無関係ではないことも明らかにしている。図示する角度について、スワスの幅は、理想的には、回転の角度でのノズルの列の間の間隔の３倍＋単一のノズルの幅の３倍である。回転の角度における間隔幅は０．８６５ｍｍである。したがって、図３のスワスを形成するために使用される回転角度での９つのノズル構成では、スワスの幅は、１．２６５×３であり、これは約３．８ｍｍである。

図４では、スワス４０８、４１２、４１６、４２０、４２４、及び４２８の別の集まりが、１６２～３４２°の経路に沿って同じ数のノズルで印刷されており、押出機は、図３に関して上で説明したように配置されたノズルアレイを有する。スワス４０８及び４１２は、公称速度の２／３で印刷され、スワス４１６及び４２０は公称速度の１／２で印刷され、スワス４２４及び４２８は公称速度での１／３で印刷される。様々な経路上の開放ノズルの数は、図３に関して上述した数のままである。したがって、各スワスの全ての部分は、公称速度よりも低い速度で形成されている。得られたスプレッドは、図３の公称速度で生成されたスプレッドよりも大きく、スワス内のライン間に最大の間隙を生成する角度でさえ、押出機の速度の調節によって、ノズルの非最適なレイアウトを補うことができることと、間隙幅にかかわらず、押出機の速度が、多数の通過で領域を印刷することを必要とせずに、交差工程方向で連続スワスを維持するレベルに低下することとを示唆する。図４はまた、印刷方向と整合した開放ノズルの数を増加させることによってライン間の間隙を減少させ得ることを示す。経験的実験を使用して、特定の面板構成についてノズルを整合させる押出機の運動角度の全ての最適速度を確立する。他の押出機の運動角度は、押出機が工程方向に移動する際のノズル間の間隔の投影に依存するこれらの角度よりも、速度の低下を必要とする。

図３及び図４に示す結果は、公称押出機移動速度にかかわらず、より遅い移動速度によって面板のノズルを通るより大きな流れが可能になることを示す。公称押出機速度でのノズルを通る流れは、好適な押出機の面板配向及び０°、９０°、１８０°、及び２７０°の移動角度について確立されたノズル内の圧力を維持することによって可能になる。この圧力は、交差工程方向で同じ連続スワス幅を得るために、これらの移動の角度でより速い押出機の移動速度についてより高く、これらの移動角度でより遅い押出機の移動速度についてより低い必要がある。この効果を達成するために、これらの角度で適切な所定の圧力を維持するように十分なフィラメントがヒータに付与される。図３及び図４のスワスを形成するために使用される押出機のために、多数のノズルが整合される角度、例えば７２°の角度で経路に沿って押出機を配向及び移動させるとき、必要な量のフィラメントを付与し、その量のフィラメントを押し出すための実験的に決定された速度で移動させることによって、必要なより高い圧力が維持される。したがって、押出機内の熱可塑性材料圧力と押出機から押出される熱可塑性材料の量との間のバランスが維持される。押出機のヒータに付与されるフィラメントの量に一致するように押出機の速度が調整される場合、押し出された材料の量も、圧力／押出量の平衡を保つように調整される。

図５は、押出機の移動の角度を基準にして押出機の移動速度を調整するプリンタの動作のための工程５００のブロック図を示す。以下の説明では、機能またはアクションを実行する工程５００の言及は、プリンタ内の他の構成要素と関連して機能またはアクションを実行するための格納されたプログラム命令を実行する、コントローラ１２８等のコントローラの動作を指す。工程５００は、例証目的で、図１のプリンタ１００’及び図２のプリンタ１００”と関連して説明される。

工程５００は、コントローラが、作製されている物体の層内のスワスについての物体画像データをリトリーブすることで始まる（ブロック５０４）。コントローラは、押出機とプラットフォームとの間の相対的な移動の経路と、押出機の移動中に開放するべきノズルの数とを特定する（ブロック５０８）。特定された相対的な移動の経路は、経路に沿って移動するときに押出機の面板の配向を特定することを含む。次いで、工程は、相対的な経路の角度を基準にして、押出機とプラットフォームとの間の相対的な移動の速度を特定する（ブロック５１２）。次いで、コントローラは、開放したノズルのマニホールドに接続されたヒータチャネルにフィラメントを供給する押出材料フィラメント供給部のフィラメント可動子を動作させ、特定された速度を基準にして押出機の相対的な経路に沿って押出機を移動させるようにＸ／Ｙアクチュエータを動作させ、特定されたノズルを開放するようにバルブアセンブリを動作させる（ブロック５２０）。スワスが形成されている間（ブロック５２４）、コントローラは、引き続きこれらの構成要素を適宜動作させる（ブロック５２０）。スワスが完了すると（ブロック５２４）、工程は、層が完了したかどうかを判定し（ブロック５２８）、完了していない場合は、層内の次のスワスの物体画像データをリトリーブする（ブロック５０４）。完了した場合は、工程は、物体の最後の層が形成されたかどうかを判定し（ブロック５３２）、形成されていれば、工程は停止する。形成されていない場合は、工程は、Ｚ軸に沿ってプラットフォームに対する押出機の位置を調整し、次の層の印刷が発生することができるように（ブロック５０４～５２８）、次の層の物体画像データをリトリーブする（ブロック５３６）。

Claims (8)

1. 製造中に物体を支持するように構成されたプラットフォームと、
   複数のノズルを有する押出機と、
   前記押出機及び前記プラットフォームのうちの少なくとも１つに動作可能に接続された少なくとも１つのアクチュエータであって、前記押出機及び前記プラットフォームのうちの前記少なくとも１つを前記押出機及び前記プラットフォームのうちのもう１つに対して移動させるように構成される、少なくとも１つのアクチュエータと、
   前記押出機及び前記少なくとも１つのアクチュエータに動作可能に接続されたコントローラであって、
   物体画像データ及び押出機経路データを基準にして、前記押出機の前記ノズルのうちの少なくとも２つを通して熱可塑性材料のスワスを押し出すように前記押出機を動作させて、前記押出機と前記プラットフォームとの間の相対的な移動の経路に沿って熱可塑性材料のスワスを形成し、
   前記相対的な移動の経路に沿って前記押出機及び前記プラットフォームのうちの前記少なくとも１つを所定の速度で移動させるように前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させるように構成され、前記押出機の面板の配向及び前記押出機と前記プラットフォームとの間の前記相対的な移動の経路の角度を基準にして前記所定の速度を選択して、前記熱可塑性材料の前記スワスを交差工程方向に連続させる、コントローラと、を備える装置。
2. 前記所定の速度が、前記押出機の公称速度未満である、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラが、
   前記押出機が移動するときに、少なくとも２つの異なるノズルからの前記押し出された熱可塑性材料の間に間隙を生成する前記押出機の移動の経路の前記角度に応じて、前記押出機の移動のための前記所定の速度を選択するようにさらに構成される、請求項２に記載の装置。
4. 前記コントローラが、
   前記熱可塑性材料の押し出しのための前記押出機のノズルの数を選択し、前記選択された数のノズルが少なくとも２つのノズルであり、最大で複数のノズル中の全ての前記ノズルであり、
   前記選択されたノズルの数を基準にして前記所定の速度を調整するようにさらに構成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記コントローラが、
   前記押出機の不整合パラメータを基準にして、前記相対的な移動の経路に沿って前記押出機の移動のための前記所定の速度を調整するようにさらに構成される、請求項４に記載の装置。
6. 前記コントローラが、
   前記押出機と前記プラットフォームとの間の前記相対的な移動の経路の前記角度を、前記物体の内部内または前記物体の外部上に載置される熱可塑性材料の前記スワスを基準として選択するようにさらに構成される、請求項５に記載の装置。
7. 前記コントローラが、
   前記物体の前記内部に載置される前記スワスに応じて、前記押出機と前記プラットフォームとの間の前記相対的な移動の経路について０°～１８０°軸または９０°～２７０°軸を選択するようにさらに構成される、請求項６に記載の装置。
8. 複数の押出材料供給部と、
   複数のチャネルを有するヒータであって、前記ヒータの各チャネルは、前記複数のチャネルと前記複数の押出材料供給部との間に１対１の対応で前記複数の押出材料供給部中の１つの押出材料供給部にのみ動作可能に接続され、前記ヒータの各チャネルは、前記複数のチャネルと前記押出機の複数のマニホールドとの間に１対１の対応で前記押出機の１つのマニホールドにのみ動作可能に接続されて、各チャネルによって生成された熱可塑性材料が、前記チャネルが動作可能に接続される前記マニホールドに入ることを可能にする、ヒータと、
   複数の機械式可動子であって、各機械式可動子は、前記押出材料供給部のうちの１つから前記ヒータ内の前記チャネルの対応する１つに押出材料を移動させるように構成され、各機械式可動子が、前記押出材料が前記ヒータ内の前記対応する１つのチャネルに供給されるレートの独立制御のためにも構成される、複数の機械式可動子と、
   前記コントローラであって、
   相対的な押出機の移動の前記所定の速度を基準にして、前記対応するマニホールド内の所定の圧力を維持する所定のレートで前記ヒータ内の前記対応するチャネル内に押出材料を移動させるように、前記選択されたノズルのうちの１つに対応する各機械式可動子を動作させるようにさらに構成される、コントローラと、をさらに備える、請求項２に記載の装置。

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