JP7210641B2 - マルチノズル押出機及び付加製造中にマルチノズル押出機を動作させる方法 - Google Patents

Description

本開示は、三次元物体印刷機に使用されるマルチノズル押出機、より具体的には、このようなマルチノズル押出機のバルブを対象とする。

付加製造としても知られている三次元（three-dimensional、３Ｄ）印刷は、事実上あらゆる形状のデジタルモデルから三次元の固体物体を作製するプロセスである。多くの三次元印刷技術は、付加製造デバイスが、前に堆積された層の上に部品の連続層を形成する付加プロセスを使用する。これらの技術のいくつかは、ＡＢＳプラスチックなどの固体押出材料を熱可塑性材料へと軟化又は溶融させ、次いで所定のパターンで熱可塑性材料を放出する押出機を使用する。印刷機は、典型的に、様々な形状及び構造を有する三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ように、押出機を動作させる。三次元印刷物体の各層が形成された後、熱可塑性材料は、冷却し、硬化して、層を三次元印刷物体の下層に接着する。この付加製造方法は、ほとんどが切断又はドリル加工などの減法プロセスによる加工物からの材料の除去に依存する従来の物体形成技術と区別可能である。

多くの既存の三次元印刷機は、単一のノズルを通して材料を押出する単一の押出機を使用する。印刷ヘッドは、所定の経路内で移動して、三次元印刷物体用のモデルデータに基づいて、三次元印刷物体の支持部材又は以前に堆積した層の選択された場所に熱可塑性構築材料を放出する。しかしながら、熱可塑性構築材料を放出するために単一のノズルのみを有する印刷ヘッドを使用することは、三次元印刷物体を形成するためにかなりの時間を要することが多い。加えて、より大きいノズル径を有する印刷ヘッドは、三次元印刷物体をより迅速に形成することができるが、より高度で巧妙な物体に関してより微細な形状に構築材料を放出する能力に欠け、一方でより狭い直径を有するノズルは、より微細な巧妙な構造を形成することができるが、三次元物体を構築するためにより多くの時間を必要とする。

単一のノズル押出機の制限に対処するために、マルチノズル押出機が開発された。これらのマルチノズル押出機では、ノズルは、共通のフェースプレート内に形成され、ノズルを通って押出される熱可塑性材料は、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出するように、それらがマニホールドに流体接続されているので、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むことができる。ノズルへの熱可塑性材料の流れを調整するこの能力により、材料を押出するノズルの数を変更すること、及びどのノズルが熱可塑性材料を押出するかを選択することによって、ノズルから押出される熱可塑性材料のスワスの形状を変えることが可能になる。複数のマニホールドを有する押出機では、１つのマニホールドに接続されたノズルは、別のマニホールドに接続されたノズルとは異なる熱可塑性材料を押出することができる。異なるマニホールドから異なる熱可塑性材料を放出するこの能力により、スワスの熱可塑性材料の組成を変えることが可能になる。また、これらの変形例は、熱可塑性材料を押出するノズルの数を変更すること、及びどのノズルが熱可塑性材料を押出するかを選択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は、異なる熱可塑性材料が、異なるノズルから押出され、異なる押出機本体の移動を調整する必要なく物体を形成するために使用され得ることを可能にする。これらの異なる熱可塑性材料は、異なる色、物理的特性、及び構成を有する物体を製造するための付加製造システムの能力を向上させることができる。また、材料を押出するノズルの数を変更することにより、生成されるスワスのサイズが変更されて、物体縁部などの精密な特徴部形成が必要とされるエリア内に狭いスワスを提供し、かつその内部領域などの物体のエリアを迅速に形成するように広いスワスを提供することができる。

以前から知られている押出機フェースプレートが図７に示されている。フェースプレート２６０は、フェースプレートを下側から見たときに、３×３配列６０４で配置された９つのノズルを有する。隣接するノズル間の中心距離は、１．２ｍｍである。この配列は、物体が形成されるプラットフォームのＸ軸に対して７２°及びＹ軸に対して１８°の角度で傾斜している。これらのＸ軸及びＹ軸は、フェースプレートの平面内で互いに直角であり、中央ノズルにおいて互いに交差する。Ｘ軸に沿った、又はＸ軸に平行な移動は、０°及び１８０°方向に二方向性であると説明することができ、一方で、Ｙ軸に沿った又はＹ軸に平行な移動は、９０°及び２７０°方向に二方向性であると説明することができる。これらの進行方向に沿った移動は、０．４ｍｍの有効ノズルピッチを生成する。この既知のシステムの一実施形態において、ノズル直径は、０．４ｍｍであり、押出機フェースプレートは、Ｘ軸に対して７２°の角度で配向されている。この配向が使用されるのは、全てのノズルが開放されて、押出機が０°、９０°、１８０°、及び２７０°の進行方向のうちの１つに沿って移動するときに、ノズルから放出される熱可塑性材料が押出材料の平行ビードの固体スワスを形成するからであり、ノズルは、プロセス方向としても知られている押出機の移動方向に垂直であるクロスプロセス方向において互いに接触するリボンを形成するために、フェースプレートによって拘束されている。この固体スワスは、物体の内部領域を迅速に満たす際に特に有用である。

上で述べたように、マルチノズル押出機のノズルは、バルブ機構を使用して独立して動作させる。このような既知のマルチノズル押出機が図９に示されている。図に示されているように、バルブピンが、押出機の各ノズルについて１つずつ、押出機に入り、二方向に移動して各ノズルを選択的に遮断及び開放するように構成されている。バルブアセンブリのアクチュエータは、コントローラによって動作させて、バルブピンを移動させる。選択的にノズルを開放及び閉鎖するこの能力は、押出機が、物体の鋭角隅部を形成することを可能にする。このような動作が図８Ａ～図８Ｆに示されている。形成される物体の隅部は、図中に破線で示されている。押出機が、９０°の進行方向において隅部を形成するべき位置に接近するとき、５つのノズルが開放される（図８Ａ）。先頭のノズルは、物体（図８Ｂ）に形成される外周に到着したときに閉鎖される。同様に、３つのノズルだけが開放されたままになるように、同じ外周において次の先頭のノズルが閉鎖され、この進行方向における押出機の移動が停止される（図８Ｃ）。この時点で、押出機は、１８０°の進行方向に移動し、以前は外周の外側にあったノズルの２つが外周に接近して、物体の内側に進入したときに、ノズルが開放される（図８Ｄ及び図８Ｅ）。押出機が１８０°の進行方向で移動し続けて、外周スワスを形成し続けるとき、これらの５つのノズルは開放されたままである（図８Ｆ）。

マルチノズル押出機は、単一のノズル押出機よりも迅速かつ正確に物体を形成するのに有用であるが、その動作に関していくつかの問題が生じる。例えば、上で論じた押出機が０°、９０°、１８０°、及び２７０°以外の進行方向で移動するとき、有効ピッチが変化する。３つのノズルが、プロセス方向に整列し、同じく３つの整列したノズルによって形成された他の２本のラインから分離された単一のラインを形成するので、論じている押出機の７２°、１６２°、２５２°、及び３４２°の進行方向に対応し、有効ピッチが１．２ｍｍである、押出機の配向角度のうちの１つでの押出機の移動時に、最も効率の悪いピッチが生じる。したがって、クロスプロセス方向の線の間には、材料の接触が生じない。この問題は、押出機が０°、９０°、１８０°、及び２７０°の進行方向以外の進行方向で移動するときに、押出機の走行速度を減速することによって対処される。

このタイプのマルチノズル押出機による別の問題は、ノズルを閉鎖するための機構から生じる。ノズルが閉鎖されたとき、テーパピンがノズルの上面内に下方へ駆動されて、熱可塑性材料がノズルを出るのを防止する。ノズルを閉鎖するためのピンの移動は、材料をピンの前方に移動させ、ノズルが押出を停止したときに放出される熱可塑性材料の「スラグ」を生じさせる。このスラグは、ピンの作動時に、余分の不要な熱可塑性材料の堆積をもたらす。したがって、物体の特徴に対する厳しい許容度を必要とする部品は、最小のピン作動で印刷する必要がある。

これらの以前から知られている押出機のピン移動によって生じる別の問題は、ピンの通路から押出機の中への熱可塑性材料の漏出である。これらの通路は、密封することが困難であり、押出機のマニホールド内の熱可塑性材料の圧力が、材料を封止部に対して付勢し、いくらかの漏出が生じ得る。この漏出した材料は、ピンへの抗力を増加させ、ピンの作動時間を遅れさせ得る。いくつかの状況では、単一のピンであっても、作動の遅れは、押出機及びバルブアセンブリインターフェースを再構築することを必要にし得る。鋭角隅部を形成する能力及び幅の広いスワスを維持しながら、既知のマルチノズル押出機におけるこれらの問題を軽減する押出機が有益である。

新しいマルチノズル押出機は、鋭角隅部を形成する能力及び幅の広いスワスを維持しながら、既知のマルチノズル押出機による問題を軽減する、バルブ構成を含む。本押出機は、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、ハウジングを有し、当該ハウジングに固定された平面部材内に円筒ボア及び複数のノズルを有する押出機であって、スプールバルブが、円筒ボア内に位置決めされている、押出機と、プラットフォームに平行であるＸ－Ｙ平面内で押出機をプラットフォームに対して移動させるように、かつＸ－Ｙ平面に垂直な軸を中心に押出機を回転させるように、プラットフォーム又は押出機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と、スプールバルブに動作可能に接続されたスプールアクチュエータであって、円筒ボアの縦軸に沿って二方向にスプールバルブを移動させるように構成された、スプールアクチュエータと、押出機、少なくとも１つのアクチュエータ、及びスプール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、少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、Ｘ－Ｙ平面内で押出機を移動させ、Ｘ－Ｙ平面に垂直な軸を中心に押出機を回転させるように、かつスプールアクチュエータを動作させて、押出機がＸ－Ｙ平面内を移動している間に、ハウジングの円筒ボア内でスプールバルブを移動させて、平面部材内のノズルを開放及び閉鎖するように構成されている。

新しい押出機を動作させる方法は、鋭角隅部を形成する能力及び幅の広いスワスを維持しながら、既知のマルチノズル押出機の問題を軽減する。本方法は、コントローラによって少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、Ｘ－Ｙ平面内で押出機を移動させ、かつＸ－Ｙ平面に垂直な軸を中心に押出機を回転させることと、コントローラによってスプールアクチュエータを動作させて、押出機がＸ－Ｙ平面内を移動している間に、押出機のハウジングの円筒ボア内でスプールバルブを移動させて、押出機のハウジングに取り付けられた平面部材内のノズルを開放及び閉鎖することと、を含む。

鋭角隅部を形成する能力及び広いスワスを維持しながら、既知のマルチノズル押出機の問題を軽減する押出機の上記の態様及び他の特徴を、添付図面と共に、以下の記述において説明する。

鋭角隅部を形成する能力及び広いスワスを維持しながら、既知のマルチノズル押出機の問題を軽減する押出機を有する付加製造システムを示す。

図１に示されている押出機の側断面図である。 熱可塑性材料の浪費を防止するのを補助するために封止部を伴って構成される、図２Ａに示されている押出機の代替的な実施形態である。

図１に示されている押出機の下面図である。

直角隅部を形成している図１の押出機を示す。 直角隅部を形成している図１の押出機を示す。 直角隅部を形成している図１の押出機を示す。 直角隅部を形成している図１の押出機を示す。

図１のシステムを動作させるための方法のフロー図である。

図１に示されている押出機の代替的な実施形態である。 図１に示されている押出機の代替的な実施形態である。 図１に示されている押出機の代替的な実施形態である。 図１に示されている押出機の代替的な実施形態である。

図７の先行技術のシステムに示されている押出機のフェースプレートを示す。

Ａ、Ｂ、及びＣは、図７の先行技術の押出機のフェースプレートによる直角隅部の形成を示す。 Ｄ、Ｅ、及びＦは、図７の先行技術の押出機のフェースプレートによる直角隅部の形成を示す。

ノズル内を移動するようにピンを作動させるバルブアセンブリを使用してノズルが選択的に開放及び閉鎖される押出機を有する、先行技術の付加製造システムのブロック図である。

本明細書に開示されるデバイスの環境、並びにデバイスの詳細の一般的な理解のために、図面を参照する。図面では、同様の参照番号は同様の要素を表す。

本明細書において使用される際、「押出材料」という用語は、付加製造システムにおいて押出機によって放出されるべき熱可塑性材料を形成するために、軟化又は溶融される固体材料を指す。押出材料としては、厳しく限定されるものではないが、印刷プロセス中に、三次元印刷物体の永久部分を形成する「構築材料」及び印刷プロセス中に構築材料の部分を支持する一時的な構造体を形成し、次いで印刷プロセスの完了後に任意選択的に除去される「支持材料」の両方が挙げられる。構築材料の例としては、限定されるものではないが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（acrylonitrile butadiene styrene、ＡＢＳ）プラスチック、ポリ乳酸（polylactic acid、ＰＬＡ）、脂肪族又は半芳香族ポリアミド（ナイロン）、懸濁した炭素繊維又は他の凝集材料を含むプラスチック、導電性ポリマー、及び押出機を通した放出に好適な熱可塑性材料を製造するために熱的に処理することができる任意の他の形態の材料が挙げられる。支持材料の例としては、限定されるものではないが、高衝撃ポリスチレン（high-impact polystyrene、ＨＩＰＳ）、ポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol、ＰＶＡ）、及び熱処理後に押出することが可能な他の材料が挙げられる。いくつかの押出用印刷機では、押出材料は、「フィラメント」として一般に知られる連続的な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又は他の供給部から引っ張り、押出機に流体接続されるヒータにフィラメントを送給する１つ以上のローラによって固体形態で提供される。例解された実施例は、フィラメントとしてヒータに供給される固体押出材料を使用するが、粒子状又は球状ボール固体押出材料などの、他の固体押出材料供給部を使用することもできる。ヒータは、固体押出材料フィラメントを軟化又は溶融させて、押出機内に流れる熱可塑性材料を形成する。以下により詳細に論じられる新しいバルブをノズルの間に位置決めし、動作させたとき、熱可塑性材料の一部分が、ノズルの１つ以上を通して押出機の入口から流れ、バルブによって開放されたノズルからの熱可塑性材料の流れとして放出される。本明細書において使用される際、固体押出材料に適用される「溶融」という用語は、固体押出材料の相を軟化又は変化させて、三次元物体印刷機の動作中に押出機内の１つ以上のノズルを通して、得られる熱可塑性材料の押出を可能にするために、固体押出材料の温度の任意の上昇を指す。本明細書において使用される際、「熱可塑性材料」という用語は、溶融された固体押出材料を意味する。当業者であれば分かるように、特定の非晶質押出材料は、ヒータの動作中に純粋な液体状態に遷移しない。

本明細書において使用される際、「押出機」という用語は、熱可塑性材料を受容し、それを１つ以上のノズルを通して選択的に押出する印刷機の構成要素を指す。以下でより十分に論じられる押出機は、バルブがコントローラによって電子的に動作するとき、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、スプールバルブ及び新しいノズル構成を含む。本明細書において使用される際、「ノズル」という用語は、熱可塑性材料の供給源に流体接続され、それを通って、熱可塑性材料が材料受容表面に向かって放出される、押出機のフェースプレート内のオリフィスを指す。動作中、ノズルは、押出機のプロセス経路に沿って熱可塑性材料の実質的に連続的な直線スワスを押出することができる。コントローラは、スプールバルブを動作させて、押出される熱可塑性材料のサイズ、及びある程度の形状を制御する。本明細書において使用される際、「スプールバルブ」という用語は、チャンバ内を移動して、押出機内のノズルの全てに送給することができる入口を完全に又は部分的に遮断する部材を意味する。

本明細書において使用される際、「スワス」という用語は、押出機が三次元物体印刷動作中に材料受容表面上に形成する熱可塑性材料の任意のパターンを指す。一般的なスワスとしては、熱可塑性材料及び湾曲したスワスの直線的な直線配置が挙げられる。いくつかの構成では、押出機は、連続的な様式で熱可塑性材料を押出して、プロセス及びクロスプロセス方向の両方において押出材料の連続的な質量を有するスワスを形成し、一方で他の構成では、押出機は、断続的な様式で動作して、直線又は曲線経路に沿って配置される熱可塑性材料のより小さい群を形成する。三次元物体印刷機は、熱可塑性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。加えて、三次元物体印刷機内のコントローラは、押出機を動作させて熱可塑性材の各スワスを形成する前に、熱可塑性材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。後述されるように、コントローラは、スプールバルブの動作、及び押出機の回転を調節して、三次元印刷動作中に、１つ以上のノズルを通して熱可塑性材料の複数のスワスを形成する。

本明細書において使用される際、「プロセス方向」という用語は、押出機と押出機内の１つ以上のノズルから押出された熱可塑性材料を受容する材料受容表面との間の直線的な運動経路の方向を指す。曲線経路の場合、直線的な運動経路は、曲線の接線を指す。材料受容表面は、付加製造プロセス中に三次元印刷物体又は部分的に形成された三次元物体の表面を保持する支持部材のいずれかである。本明細書に記載される例解的な実施形態では、１つ以上のアクチュエータは、支持部材の周りで押出機を移動させるが、代替的なシステム実施形態は、支持部材を移動させて、プロセス方向の相対運動を生成し、その間押出機は静止したままである。いくつかのシステムは、異なる運動軸に対する両方のシステムの組み合わせを使用する。

本明細書において使用される際、「クロスプロセス方向」という用語は、プロセス方向に垂直であり、押出機フェースプレート及び材料受容表面に平行な軸を指す。プロセス方向及びクロスプロセス方向は、熱可塑性材料を受容する押出機及び表面の移動の相対経路を指す。いくつかの構成では、押出機は、プロセス方向、クロスプロセス方向、又はその両方で延在することができるノズルのアレイを含む。押出機内の隣接するノズルは、クロスプロセス方向において所定の距離だけ分離される。いくつかの構成では、システムは、ラインがスワスを形成する際、押出機内のノズルから押出された熱可塑性材料のラインを分離する、対応するクロスプロセス方向距離を調節するために、押出機を回転させて、押出機内の異なるノズルを分離するクロスプロセス方向距離を調節する。

付加製造システムの動作中、押出機は、三次元物体印刷プロセス中に熱可塑性材料を受容する表面に対して、直線経路及び曲線経路の両方に沿ってプロセス方向に移動する。加えて、システム内のアクチュエータは、Ｚ軸を中心に、押出機を任意選択的に回転させて、押出機が熱可塑性材料の各ライン間に所定の距離で熱可塑性材料の２つ以上のラインを形成するように、押出機内のノズルを分離する有効なクロスプロセス距離を調節する。本明細書において使用される際、「Ｚ方向」という用語は、プロセス方向及びクロスプロセス方向が互いに直角である、本明細書ではＸ－Ｙ平面と呼ばれることがある平面に垂直である移動方向を指す。押出機は、印刷物体の層内の二次元領域の外壁を形成するために外周の外側、及び熱可塑性材料内に二次元領域の全て又は一部分を充填するために外周の内側の両方に沿って移動する。

図１は、以下により詳細に説明されるように、フェースプレート内のノズルを通した熱可塑性材料の押出を制御するためにスプールバルブを含む押出機１０８を有する、付加製造システム１００を描写する。印刷機１００は、物体を形成するために平面運動を使用する印刷機として描写されるが、本明細書で記載されるように、他の印刷機アーキテクチャが、押出機及び押出機の回転を調整するように構成されたコントローラと共に使用されてもよい。これらのアーキテクチャは、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（selective compliance assembly robot arm、ＳＣＡＲＡ）、多軸印刷機、非デカルト印刷機などが挙げられる。これらの代替的な実施形態における運動は、上記で定義したようなプロセス及びクロスプロセス方向を依然として有し、かつこれらの実施形態の押出機におけるノズル間隔は、クロスプロセス方向に関するノズル間隔を依然として画定する。各ノズル２１８は、フェースプレート２６０で終端するため、ノズルから押出された熱可塑性材料は、拡散のためにフェースプレートによって操作することができる。

図１の実施形態において、押出機１０８内のスプールバルブは、コントローラが押出機１０８のフェースプレート２０２内の複数のノズルへの熱可塑性材料の流れを調整することができるように、アクチュエータ２０６に動作可能に接続されるコントローラ１２８によって動作する。具体的には、コントローラ１２８は、アクチュエータ２０６を動作させ、スプールバルブを移動させて、ノズルから選択的に熱可塑性材料を押出して、三次元印刷物体の各層内に熱可塑性材料のスワスを形成する。スプールバルブ及びその制御の詳細は、図２及び図３を参照して以下で更に詳細に説明される。アクチュエータ２０６は、スプールアクチュエータと呼ばれ、その用語は、原動力をスプールに提供して、ハウジングのボア内でスプールを、少なくとも並進させるように、並びにいくつかの実施形態では並進及び回転させるように構成された構成要素を意味する。

図１のシステム１００はまた、押出機１０８の入口２１６に接続されるヒータ２０８に共有する押出材料分配システム２１２も含む。供給部１１０からの固体押出材料は、システム１００の動作中に所定の範囲内で押出機内の熱可塑性材料の圧力を維持する速度で、ヒータ２０８に送給される。分配システム２１２は、押出機１０８内の熱可塑性材料の圧力を調整するのに好適な一実施形態である。加えて、コントローラ１２８は、分配システム２１２が供給部１１０からヒータ２０８に押出材料を搬送する速度を制御するために、分配システム２１２のアクチュエータに動作可能に接続される。ヒータ２０８は、駆動ローラ２２４を介してヒータ２０８に送給される固体押出材料２２０を軟化又は溶融させる。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ているため、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整することができる。ローラ２２４の反対側の別のローラは、フリーホイーリングであるため、ローラ２２４が駆動される回転速度に従う。図１が、フィラメント２２０をヒータ２０８に移動させるための機械的ムーバとして、電気機械アクチュエータ及びドライバローラ２２４を使用する送給システムを描写する一方で、分配システム２１２の代替的な実施形態は、回転オーガ又はねじの形態の機械的ムーバを動作させるために、１つ以上のアクチュエータを使用する。オーガ又はねじは、供給部１１０からの固相押出材料を、固体押出材料粉末又はペレットの形態でヒータ２０８に移動させる。

図１の実施形態では、ヒータは、コントローラ１２８に動作可能に接続された、電気抵抗加熱要素などの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を選択的に電流に接続して、ヒータ２０８内のチャネル（１つ又は複数）内の固体押出材料２２０のフィラメントを軟化又は溶融させるように構成されている。図１は、固体フィラメント２２０として固相の押出材料を受容しているヒータ２０８を示す一方で、代替的な実施形態では、ヒータは、粉末又はペレット化された押出材料として固相の押出材料を受容することができる。冷却フィン２３６は、ヒータから上流のチャネル内の熱を減衰させる。冷却フィン２３６又はその付近のチャネル内で固体のままである固体押出材料の一部分は、熱可塑性材料が押出機１０８への接続部ではなく任意の開口部からヒータから出ることを防止する封止部をチャネル内に形成し、これは、押出機に入るときに押出材料が熱可塑性状態に維持される温度を維持する。押出機１０８はまた、押出機内の熱可塑性材料のための高温を維持して、材料がフェースプレート内のノズルを通って移動するときに凝固し始めないように材料を熱可塑性状態に維持する、ノズルの周囲の所定の温度を維持するために、追加の加熱要素も含むことができる。いくつかの実施形態では、断熱材が押出機１０８の外側の一部分を被覆して、押出機内の温度を維持する。

押出機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、ノズルを通る押出速度を制御するために、スリップクラッチ２４４は、供給部１１０からヒータにフィラメントを送給するアクチュエータ２４０の駆動軸に動作可能に接続される。本明細書において使用される際、「スリップクラッチ」という用語は、物体を所定の設定点まで移動させるために、物体に摩擦力を加えるデバイスを指す。摩擦力のための所定の設定点についての範囲を超えるとき、デバイスはスリップし、そのためもはや物体に摩擦力を適用することはない。スリップクラッチは、どのくらい頻繁に、どのくらい速く、又はどのくらい長くアクチュエータ２４０が駆動されるかを問わず、フィラメントが破損する危険性が低いままであるように、ローラ２２４によってフィラメント２２０に及ぼされる力が、フィラメントの強度に対応する制約の範囲内に留まることを可能にする。この一定の力は、アクチュエータ２４０をフィラメント駆動ローラ２２４の最速の予測される回転速度よりも速い速度で駆動するか、又はエンコーダホイール２４８をローラ２２４上に置き、センサ２５２で回転速度を感知することによって維持することができる。センサ２５２によって生成された信号は、ローラ２２４の角度回転を示し、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に提供される信号を調節して、アクチュエータの速度を制御するように更に構成されている。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とき、コントローラ１２８はアクチュエータ２４０を動作させ、その結果、その平均速度はローラ２２４の回転よりもわずかに速い。この動作は、駆動ローラ２２４上のトルクが常にスリップクラッチトルクの関数であることを確実とする。

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速い速度を特定するコントローラに接続された、メモリ内に記憶された設定点を有する。本明細書において使用される際、「設定点」という用語は、コントローラが構成要素を動作させて、設定点に対応するパラメータを設定点の周りの所定の範囲内に維持するために使用する、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、設定点の周りの所定の範囲内の出力信号によって特定された速度で出力軸を回転させる。アクチュエータの命令された速度に加えて、開放又は閉鎖されるノズルの数、及びクラッチのトルク設定点もまた、フィラメント駆動システム２１２の動作に影響を及ぼす。ローラ２２４の得られた回転速度は、センサ２５２によって生成され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（proportional-integral-derivative、ＰＩＤ）コントローラは、メモリ内に記憶された差動設定点を参照してこの信号からの誤差を識別し、コントローラによって出力された信号を調節して、アクチュエータ２４０を動作させる。代替的に、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更することができ、又はコントローラ１２８は、トルクレベルを変更し、かつコントローラがアクチュエータを動作させる信号を調節することの両方ができる。

スリップクラッチ２４４は、固定又は調節可能なトルク摩擦ディスククラッチ、磁気粒子クラッチ、磁気ヒステリシスクラッチ、フェロフルードクラッチ、空気圧クラッチ、又は永久磁気クラッチであり得る。磁気的に動作するクラッチタイプは、クラッチに電圧を印加することによって調節されたそれらのトルク設定点を有することができる。この特徴により、クラッチ上のトルク設定点が印刷条件を参照して変更されることを可能にする。「印刷条件」という用語は、物体の適切な形成のために必要とされる熱可塑性材料の量に影響を及ぼす、現在進行中の製造動作のパラメータを指す。これらの印刷条件としては、押出機に送給される押出材料のタイプ、押出機から放出される熱可塑性材料の温度、押出機がＸ－Ｙ平面内で移動する速度、物体上に形成される特徴部の位置、押出機がプラットフォームに対して移動される角度などが挙げられる。

押出機１０８の側断面図が図２Ａに示されている。押出機１０８は、押出機が熱可塑性材料を受容することができるように、入口２１６をヒータ２０８の出口に接続するために形成されるハウジング２６４を含む。フェースプレート２０２は、径方向に入口の反対側にある出口においてハウジング２６４に固定される平面部材である。アレイで配置された複数のノズル２１８は、ドリル加工などによって、フェースプレート２０２内に形成される。出口は、スプールの縮小部分がノズルアレイの反対側にあるときにノズルの全てが熱可塑性材料を受容することができるように、フェースプレート内のノズルアレイの長さに対応する直径を有する。ハウジング２６４は、スプール２７６が二方向に移動するボア２７２の各端部において閉鎖される。部材２９６は、ハウジング２６４の端部壁２８８の開口部２８４を通って延在して、スプール２７６の一方の端部に係合する。ばね２８０は、ハウジングの端部壁２９２とスプールの他方の端部との間でハウジングのボア内に間置される。スプール２７６の２つの端部分は、ボア径２７２に密に近似する直径を有する。スプール２７６の中間部分は、縮径部を有するので、縮径セクションの任意の部分が入口２６８の反対側にあるときに、熱可塑性材料が、スプールのこの部分の周囲を、入口２１６からフェースプレート２０２内のノズル２１８の出口に流れる。ヒータ２９８は、ボア内の熱可塑性材料を、熱可塑性材料を流動可能に維持する所定の温度範囲内に維持するために、ハウジング２６４の外側に装着される。

更に詳細に、押出機ハウジング２６４は、精密ボア２７２を有する。ボアの摺動スプール２７６は、精密外径を有する。熱可塑性材料は、入口から入り、スプールの縮径セクションの周りを流れて、ノズル２１８に入る。ノズルは、スプールの大径部分の１つをノズルの上に位置決めすることによって閉鎖することができる。一実施形態において、押出機ハウジングは、リーマ加工及びホーニング加工したボアを有するステンレス鋼円筒である。スプールの大径部分とハウジングの円筒内壁との間の半径方向隙間は、１０ミクロンである。このサイズの間隙は、ハウジング２６４からの熱可塑性材料の漏出を防止するのを補助する。代替的に、スプール２７６は、Ｏリング２６０などの封止部が図２Ｂに示されているように位置決めされる溝２５６を伴って構成することができる。これらのシールは、スプールが移動するときにスプール２７６によって担持され、熱可塑性材料の浪費を防止するのを補助する。封止部は、パーフルオロエラストマーなどの弾性材料で作製される。図２Ａ及び図２Ｂに示されている実施形態において、部材２９６は、アクチュエータ２０６によって回転させてスプール２７６をボア２７２の縦軸に沿って押す、ファインピッチねじである。ばね２８０は、スプールの対向端部に付勢して、ねじの回転が反転されたときにスプールがねじに着座した状態を維持する。部材を使用してボア内でスプールを摺動させることによって、ノズルをアレイの一方の端部から他方の端部へ連続的に開放することができる。この移動は、単一のノズルのみが開放されるときに、それが最左端又は最右端のいずれかのノズルでなければならないことが必要である。

押出機１０８の下面図が図３に示されている。ノズル２１８は、押出機のプロセス方向の移動がアレイの縦軸に垂直であるときにクロスプロセス方向において０．４ｍｍの有効間隔を有する、２つの平行列２１６、２２０を有するアレイで配置される。図２Ａ、図２Ｂ、及び図３に示されている押出機の構成は、Ｚ軸を中心とする押出機の両方向回転を提供する。したがって、押出機をそのＺ軸を中心に回転させることによって、押出機は、ノズルアレイの縦軸が移動のプロセス方向に垂直であるように常に配向することができる。その結果、スプールの縮径部分が２つのノズルの反対側にある場合、一方の列のノズルから放出される熱可塑性材料は、他方の列内の隣接するノズルからのクロスプロセス方向において０．４ｍｍである。この目的を達成するために、スプールの縮径セクションがノズルの全ての反対側にある場合、ノズルアレイの一方の列内のノズルをノズルアレイの他方の列内のノズルからオフセットすることによって、溶融した押出材料の連続的なスワスをノズルによって形成することができる。

図４Ａ～図４Ｄは、直角隅部を形成するための押出機１０８の動作を例解する。図４Ａにおいて、押出機は、ノズルの先頭の列が外周に到達するまで、５つの最右端のノズルを開放した状態で、９０°の進行方向で移動している。スプールは、ノズルの全てを閉鎖するように移動し、押出機は、図４Ｂに示されている位置に、そのＺ軸を中心に９０°時計回り方向で回転する。ノズルアレイの端部と隅部とを再整列させるためのわずかなＸ及びＹ移動の必要性を防止するために、Ｚ軸がアレイの端部においてノズルと整列する。次いで、押出機は、図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、１８０°の進行方向で移動し、一方でスプールを摺動させて、アレイの端部において４つのノズルを開放する。

システム１００を動作させるための方法５００が図５に示されている。プロセスは、コントローラに動作可能に接続されたメモリに記憶されたプログラム命令を実行するコントローラ１２８などのコントローラによって実施され、コントローラが命令を実行すると、データを処理し、コントローラに動作可能に接続された構成要素を動作させて、プロセスのフロー図に記載されているタスクを形成する。プロセス５００は、コントローラが、３Ｄスライサから水平スライス及びＮＣプログラミング命令を受信することから始まる（ブロック５０４）。コントローラは、アクチュエータの１つを動作させて、固体押出材料をヒータに送給し、ヒータを作動させて、固体押出材料を溶融させて、押出機の入口に送給される熱可塑性材料を形成する（ブロック５０８）。コントローラは、ＮＣプログラミング命令を実行して、押出機を移動及び回転させるアクチュエータを動作させ、また、スプールに動作可能に接続されたアクチュエータを動作させて、ノズルを選択的に開放及び閉鎖する（ブロック５１２）。送給システム及び押出機の動作（ブロック５０８～５１２）は、物体の製造が完了する（ブロック５１６）まで続ける。

図６Ａは、押出機１０８の代替的な実施形態１０８’の側断面図である。この実施形態は、ばね２８０を伴わずに構成されている。押出機ハウジングのボア内でスプールの前進及び後退の両方を行わせるために、部材２９６の一方の端部は、スプール２７６に固定的に取り付けられ、他方の端部は、ファインピッチの、二方向に回転する回転調節ねじであるアクチュエータ２０６に動作可能に接続される。したがって、コントローラ１２８（図１）によってアクチュエータ２０６を動作させて、一方向に回転させたとき、スプール２７６が縦軸を中心に回転するときに端部壁２９２に向かって進むように、部材２９６が並進及び回転する。アクチュエータ２０６は、反対方向に回転させたとき、部材２９６及びスプール２７６を端部壁２８８に向かって後退させる。図６Ｂに示されている代替的な実施形態１０８’’は、部材２９６がスプール２７６を通過し、部材２９６の遠位端６０８が保持リング６１２によって捕獲されるように、スプール２７６がその縦軸に沿って貫通ボア６０４を伴って構成されていることを除いて、図６Ａに示されているものに類似している。この実施形態は、アクチュエータの動作がボア２７２内でスプール２７６を前進及び後退させるように、ファインピッチ調節ねじ２０６が、押出機ハウジングの外側に延在する部材２９６の端部に動作可能に接続されるので、実施形態１０８’と全く同じ方法で動作する。図６Ｃ代替的な実施形態１０８’’’において、部材２９６は、スプール２７６に固定的に取り付けられて、ラックとしても知られている歯車の歯６１６直線配列を伴って構成されている。アクチュエータ２０６（図１）は、コントローラ１２８によるアクチュエータの動作がピニオン歯車を回転させて、スプール２７６をボア２７２内で前進及び後退させるように、二方向回転ピニオン歯車６１８、及び部材２９６上のラック６１６と噛み合うピニオン歯車の歯車の歯である。

図６Ｄに示されている代替的な実施形態１０８’’’’は、スプール２７６を前進及び後退させるために、リンクバー配置６２０を伴って構成されている。延長部６２４は、端部壁２８８から延在し、枢動ピン６２８は、延長部６２４から図の平面の外へ延在している。リンク部材６３２は、リンク部材が枢動ピンを中心に回転することができるように、枢動ピン６２８を受容する孔６３６を有する。部材２９６はまた、部材から延在する枢動ピン６４０も備え、この枢動ピン６４０は、枢動ピン６２８に平行である。リンク部材６３２は、その中に２つの細長い開口部又はスロット６４４ａ及び６４４ｂを有する。一方のスロット６４４ａは、枢動ピン６４０を受容し、他方のスロット６４４ｂは、駆動リンク６５２から延在する枢動ピン６４８を受容する。枢動ピン６４８は、枢動ピン６２８及び６４０に平行である。駆動リンク６５２は、枢動ピン６５６に固定的に取り付けられ、枢動ピン６５６は、駆動リンク６５２を枢動ピン６５６を中心に二方向に回転させるために、回転アクチュエータ２０６（図１）に動作可能に接続される。コントローラ１２８がアクチュエータ２０６を動作させて、駆動リンク６５２を枢動ピン６５６を中心に時計回り方向に回転させたとき、枢動ピン６４８は、スロット６４４ｂ内を摺動して、リンク部材６３２の上端部を時計回り方向に押し、一方で、枢動ピン６４０は、スロット６４４ａ内を摺動して、リンク部材６３２の下端部を反時計回り方向に押す。リンク部材６３２の枢動ピン６２８を中心としたこの反時計回りは、スプール２７６を端部壁２８８に向かって並進させる。ボア２７２のスプール２７６を端部壁２９２に向かって前進させるために、アクチュエータを動作させて、リンク部材６３２が枢動ピン６２８を中心に時計回り方向に回転するように、駆動リンクを反時計回り方向に回転させる。

上記に開示された及び他の特徴及び機能の変形、又はそれらの代替が、望ましくは、多くの他の異なるシステム、アプリケーション、又は方法に組み合わされ得ることが理解されるであろう。以下の特許請求の範囲によって包含されることも意図される、様々な現在予見又は予期されていない代替、修正、変形、又は改善が、その後、当業者によって行われ得る。

Claims (18)

1. 装置であって、
   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、
   円筒ボアを有するハウジング及び前記ハウジングに固定された平面部材内の複数のノズルを有する押出機であって、スプールバルブが、前記円筒ボア内に位置決めされている、押出機と、
   前記プラットフォームに平行であるＸ－Ｙ平面内で前記プラットフォームに対して前記押出機を移動させるように、及び前記Ｘ－Ｙ平面に垂直な軸を中心に前記押出機を回転させるように、前記プラットフォーム又は前記押出機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と、
   前記スプールバルブに動作可能に接続されたスプールアクチュエータであって、前記円筒ボアの縦軸に沿って二方向に前記スプールバルブを移動させるように構成された、スプールアクチュエータと、
   前記押出機、前記少なくとも１つのアクチュエータ、及び前記スプール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、
   前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、前記Ｘ－Ｙ平面内で前記押出機を移動させ、前記Ｘ－Ｙ平面に垂直な前記軸を中心に前記押出機を回転させるように、かつ
   前記スプールアクチュエータを動作させて、前記押出機が前記Ｘ－Ｙ平面を移動している間に、前記ハウジングの前記円筒ボア内で前記スプールバルブを移動させて、前記平面部材内のノズルを開放及び閉鎖するように構成されている、コントローラと、を備え、
   前記スプールバルブが、前記ハウジングの前記円筒ボア内に位置決めされた円筒部材であって、前記円筒ボアの直径に近似する第１の直径を有する２つの端部分と、前記第１の直径よりも小さい第２の直径を有する中央部分と、を有する、円筒部材を更に備える、装置。
2. 前記スプールバルブが、
   前記ハウジングの端部壁と前記円筒部材の一方の端部分との間に位置決めされた付勢部材を更に備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記付勢部材が、ばねである、請求項２に記載の装置。
4. 前記ノズルが、前記平面部材内に少なくとも２つの列で配置されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記列の一方内の前記ノズルが、前記列の他方内の前記ノズルと散在されるように、前記列の一方内の前記ノズルが、前記列の他方内の前記ノズルからクロスプロセス方向にオフセットされている、請求項４に記載の装置。
6. 前記コントローラが、
   前記少なくとも２列のノズルの縦軸が前記押出機の移動方向に垂直であるように、前記Ｘ－Ｙ平面に垂直な前記軸を中心に前記押出機を回転させるように更に構成されている、請求項４に記載の装置。
7. 前記付勢部材に接触している前記一方の端部分の反対側の前記円筒部材の前記一方の端部分から延在している部材を更に備え、
   前記スプールアクチュエータが、前記部材に動作可能に接続されて、前記円筒部材を移動させる、請求項２に記載の装置。
8. 前記部材が、ねじであり、前記スプールアクチュエータが、前記ねじを回転させて、前記円筒部材を移動させるように構成されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記ねじの遠位端が、前記円筒部材に固定的に取り付けられ、前記スプールアクチュエータの動作が、前記円筒部材の並進及び回転の両方を行わせる、請求項８に記載の装置。
10. 前記円筒部材が、前記円筒部材の前記縦軸と整列された、そこを通るボアと、前記円筒部材の前記ボアを通過する前記部材の一部分とを有し、
    前記装置が、
    前記部材を前記円筒部材に固定するように構成された保持リングを更に備える、請求項７に記載の装置。
11. 前記部材が、前記ハウジングの外側に、前記部材の一部分に沿って歯車の歯のラックを含み、前記装置が、
    ピニオン歯車であって、前記ピニオン歯車の周囲の周りに配置された歯車の歯を有するピニオン歯車を更に備え、前記ピニオン歯車の前記歯車の歯が、前記部材の前記歯車の歯のラックと噛合し、前記スプールアクチュエータが、前記ピニオン歯車に動作可能に接続され、
    前記コントローラが、前記スプールアクチュエータを動作させて、前記ピニオン歯車を回転させて前記部材を並進させるように、かつ前記ハウジングの前記円筒ボア内で前記円筒部材を移動させるように更に構成されている、請求項７に記載の装置。
12. 前記ハウジングから延在している延長部材と、
    前記延長部材から垂直に延在している枢動ピンと、
    第１の端部及び第２の端部を有する回転部材であって、前記回転部材が、前記枢動ピンを受容し、前記枢動ピンを中心に二方向に回転するように構成され、前記回転部材の前記第１の端部が、前記部材に動作可能に接続され、前記回転部材の前記第２の端部が、前記スプールアクチュエータに動作可能に接続される、回転部材と、を更に備え、
    前記コントローラが、前記スプールアクチュエータを動作させて、前記回転部材を前記枢動ピンを中心に第１の方向に回転させて、前記円筒部材を前記円筒部材の前記縦軸に沿って前記第１の方向の反対方向に移動させるように、かつ前記回転部材を第２の方向に回転させて、前記円筒部材を前記円筒部材の前記縦軸に沿って前記第２の方向の反対方向に移動させるように、更に構成されている、請求項７に記載の装置。
13. 前記円筒部材の外周を取り囲む少なくとも１つの封止部を更に備える、請求項１に記載の装置。
14. 前記円筒部材の前記２つの端部分の前記第１の直径が、前記ハウジングの前記円筒ボアの直径よりも１０ミクロン小さい、請求項１に記載の装置。
15. 押出機を動作させるための方法であって、
    コントローラによって少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、Ｘ－Ｙ平面内で押出機を移動させ、かつ前記Ｘ－Ｙ平面に垂直な軸を中心に前記押出機を回転させることと、
    前記コントローラによってスプールアクチュエータを動作させて、前記押出機が前記Ｘ－Ｙ平面内を移動している間に、前記押出機のハウジングの円筒ボア内でスプールバルブを移動させて、前記押出機の前記ハウジングに取り付けられた平面部材内のノズルを開放及び閉鎖することと、を含み、
    前記スプールアクチュエータの前記動作が、
    前記ハウジングの前記円筒ボア内に位置決めされた円筒部材を移動させて、前記押出機への入口の反対側の前記円筒ボアの直径に近似する第１の直径を有する前記円筒部材の２つの端部分のうちの１つの少なくとも一部分、又は前記第１の直径よりも小さい第２の直径を有する前記円筒部材の中央区間の少なくとも一部分のいずれかを選択的に位置決めすることを更に含む、方法。
16. 前記円筒部材を前記ハウジングの端部壁に対して付勢することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記コントローラによって前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、前記平面部材内の前記少なくとも２列のノズルの縦軸が前記押出機の移動方向に垂直であるように、前記Ｘ－Ｙ平面に垂直な前記軸を中心に前記押出機を回転させることを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記スプールアクチュエータの動作が、
    前記コントローラによって前記スプールアクチュエータを動作させて、前記円筒部材の前記２つの端部分のうちの１つから延在している部材を移動させて、前記円筒部材を前記円筒ボア内で移動させることを更に含む、請求項１７に記載の方法。

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