JP7232153B2 - 付加製造システムにおいて使用される押出機ヘッド用の最適化されたノズル配置 - Google Patents

Description

本開示は、ベクトルグラフィックスを実装した三次元物体印刷機において使用されるマルチノズル押出機、より具体的には、このような押出機におけるノズルの配置に関する。

付加製造としても知られる三次元印刷は、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、以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、押出機を操作する。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。

二次元画像を印刷するほとんどの印刷機は、印刷機の解像度と一致するビットマップ画像を使用する。次いで、印刷ヘッドは、ラスタと呼ばれる経路で媒体を横切って走査される。このため、この印刷方法は、ラスタ印刷と呼ばれることがある。印刷機は、印刷ヘッドをインク又は他のマーキング材料受容表面をラスタ毎に連続して走査することによって画像を形成する。時には、この走査は前後運動によって実行され、これは双方向印刷と称される。他の場合には、受容表面又は印刷ヘッドは、単一方向のみに移動し、このタイプの印刷は、一方向印刷と呼ばれる。ベクトルグラフィックス印刷機は、異なる方式で動作する。ベクトルグラフィックス印刷機によって形成された二次元画像は、一連の点、線、及び曲線に基づいた形状の描写を使用する。これらの描写は、線及び曲線によって画定される経路に沿って、押出ヘッドなどのツールを移動させるためのコマンドとして使用される。この移動は、２つ超の直交方向において発生する。本明細書に記載されたマルチノズル押出機を使用する印刷機は、ベクトルグラフィックス印刷機である。

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構築材料を放出する。しかしながら、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、より大きな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、より高度に巧妙な物体に対する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てきた。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閉するように操作されるバルブを含むことができる。この能力により、ノズル押出材料の数及びどれが材料が押出するかを変更することによって、ノズルからの熱可塑性材料押出機のスワスの形状を変え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、ノズルを選択的に開閉するように操作され得るバルブを含む、マニホールドのうちの１つから対応するノズルへの流体経路で異なる材料を押出することができる。この能力により、スワス内の材料の組成を変化させること、並びに、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ことが可能になる。また、これらの変形例は、材料を押出するノズルの数及びどのノズルが材料を押出する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は、異なる材料が、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ることを可能にする。これらの異なる材料は、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。

共通のフェースプレート内にノズルを有するこれらのマルチノズル押出機では、構築されたプラットフォーム並びにプラットフォームのＸＹ軸に関するフェースプレートの配向を参照するフェースプレートの移動は、スワスの形成にとって重要である。本明細書で使用される際、「スワス」とは、押出材料のパターンを生成するマルチノズル押出機における１つ以上の開放ノズルからの１つ以上の押出材料のラインの押出を指す。複数のノズルが開放されるが、押出材料のラインの全てが互いに接触していない場合であっても、空間的に分離された押出物は、共にスワスを構成する。連続的なスワスは、複数のノズルからの押出材料のラインの全てが、クロスプロセス方向において、スワスにわたって連続的に接触しているものである。押出機の経路のいくつかの配向において、ノズルのいくつかは、押出された材料の連続的なスワスが形成されることを防止するように互いに整列する。図５に示されるように、９つのノズルを有する従来公知のフェースプレートが図示される。フェースプレートが図に示されるように配向され、０°－１８０°（Ｘ）軸、又は９０°－２７０°（Ｙ）軸に沿って移動すると、９つのノズルは全て連続的なスワスを形成するのに寄与し、スワスはその最大幅を有する。本明細書で使用される際、「０°－１８０°軸」という用語は、フェースプレートの中心を基準として０°方向又は１８０°方向のいずれかにおける移動を意味し、押出機のフェースプレートは、全てのノズルが開いている場合に、押出機が生成できる最も広い連続的なスワスが形成されるように配向され、「９０°－２７０°軸」という用語は、フェースプレートの中心を基準として９０°方向又は２７０°方向のいずれかにおける移動を意味し、押出機のフェースプレートは、全てのノズルが開いている場合に、押出機が生成できる最も広い連続的なスワスが形成されるように配向される。フェースプレートが示されるように０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸上に配向されたままであるが、これらの軸のうちの１つから１８°回転された経路に沿って移動すると、９つのノズルは、３行の３つのノズルとなり、互いに整列され、そのため３つのノズルの各行に対して、ノズルのうちの１つに対する材料が、他の２つのノズルによって押出された押出材料の上部に直接押出され、スワスは、ただスワスを形成する押出材料のライン間の隙間を有する３つのラインであり、どのラインもクロスプロセス方向においてスワス内の別のラインに接触することはない。押出機の速度は、ラインが連続的なスワスに合流することを可能にするために、この角度で著しく減速されなければならない。このため、最も広い連続的なスワスは、図５のフェースプレートが、０°、９０°、１８０°、及び２７０°の経路に沿って移動するときフルスピードで生成され、１８°、１０８°、１９８°、及び２８８°の経路に沿って、スワスは最も狭く、押出された材料のビードは、互いから最も分離される。分離は、フェースプレートの配向及び押出機とプラットフォームとの間の相対移動の方向により、フェースプレート内のノズルが、直交する列及び行を有するアレイに配置されるために発生する。この配置により、列内のノズルによって形成されるライン間の距離が低減され、そのためラインは、互いに整列し、行内のノズル間の間隔によってラインを分離する。特徴部の区別が通常重要ではない物体の中心では、フェースプレートの移動は、最も広い連続的なスワスを生成する方向のうちの１つ内にあることが好ましく、そのため物体形成速度を最大化することができる。しかしながら、特徴部形状がより多様であり、時には複雑である物体の外側縁部では、より少ないノズル、及びおそらく単一のノズルのみが、特徴部の形成を可能にするために開放されてもよい。残念ながら、このタイプの押出機の動作は、物体形成のために利用可能な多数のノズル上で活用されず、本質的に遅い。このため、共通のフェースプレート内に複数のノズルを有する速度の利点の一部が失われ、多くの部品に対して、物体の内部の形成に費やされるよりも、より多くの時間が物体の輪郭上に費やされ得る。押出機の様々な角度配向における複数のノズル整列から生じる問題を回避することができる、三次元物体印刷機の共通のフェースプレート内に複数のノズルを有する押出機ヘッドが、有益である。

新規の押出機ヘッドは、フェースプレートの平面内の一対の直交軸から角度配向で複数のノズルを整列させることを回避する、フェースプレート内の複数のノズルの配置を有する。押出機ヘッドは、ある体積の熱可塑性材料を保持するように構成された少なくとも１つのマニホールドを有するハウジングと、ハウジングに取り付けられたフェースプレートと、を含み、フェースプレートは、少なくとも１つのマニホールドに流体接続されたフェースプレート内に形成された複数のノズルを有し、フェースプレート内のノズルは、ノズルがフェースプレートの平面内の第１の軸上に突出するとき、互いから均等に離間し、第１の軸に直交するフェースプレートの平面内の第２の軸上に突出するとき、互いから均等に離間し、フェースプレートの平面内の第１の軸と第２の軸との交点からの任意の角経路に沿った押出機ヘッドの移動により、複数のノズル内の少なくとも１つのノズルが、他のいかなるノズルとも整列しないことを可能にする。

別の押出機ヘッドは、フェースプレートの平面内の一対の直交軸から角度配向でノズルと整列することを回避する、押出機ヘッドのフェースプレート内の複数のノズルの配置を有する。この押出機ヘッドは、ある体積の押出材料を保持するように構成された少なくとも１つのマニホールドを有するハウジングと、ハウジングに取り付けられたフェースプレートと、を含み、フェースプレートは、少なくとも１つのマニホールドに流体接続されたフェースプレート内に形成された複数のノズルを有し、フェースプレート内のノズルは、ノズルがフェースプレートの平面内の第１の軸上に突出するとき、互いから均等に離間し、第１の軸に直交するフェースプレートの平面内の第２の軸上に突出するとき、互いから均等に離間し、複数のノズル内のノズルの数は奇数であり、フェースプレートの平面内の第１の軸と第２の軸との交点からの任意の角経路に沿った押出機ヘッドの移動により、複数のノズル内の少なくとも１つのノズルが、他のいかなるノズルとも整列しないことを可能にする。

０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避するマルチノズル配置を有する押出機ヘッドの前述の態様及び他の特徴は、添付の図面と関連して以下の記載において説明される。

押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避するマルチノズル配置を有する、付加製造システムを図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ９つのノズル押出機ヘッドについて、押出機ヘッドが、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸からの角度配向における複数のノズルの整列を回避することを可能にする制約に適合する代替的なノズル配置を図示する。 ０°、９０°、及び１８°に配向されたとき、９つのノズルフェースプレートによって形成され得るスワスを図示する。

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。

本明細書で使用される際、「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から放出される材料を指す。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射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。構築材料はまた、加熱を必要としないが、ＵＶ光又は熱などの空気又はエネルギへの曝露によって後に硬化される他の材料も含む。これらのタイプの材料としては、食品材料が挙げられる。例えば、チョコレート及びチーズを押出して、うさぎ、卵などの様々な形状の物体を形成することができる。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源から引張り、押出機内のマニホールドに流体接続されるヒータにフィラメントを供給する１つ以上のローラによって固体形態で提供される。示された実施例は、フィラメントとしてヒータに供給される押出材料を使用するが、粒子状又は球状ボール押出材料などの、他の押出材料供給を使用することもできる。ヒータは、押出材料フィラメントを軟化又は溶融させて、マニホールド内に流れ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されると、熱可塑性材料の一部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。本明細書において使用される際、押出材料に適用される「溶融」という用語は、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操作中に押出機内の１つ以上のノズルを通して熱可塑性材料の押出を可能にする押出材料の温度の任意の上昇を指す。溶融押出材料はまた、本明細書において「熱可塑性材料」としても示される。当業者であれば分かるように、特定の非晶質押出材料は、印刷機の操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、単一のチャンバ内の押出材料を加圧し、そのため押出材料が、１つ以上の放出用ノズルに接続されたマニホールドに移動する、印刷機の構成要素を指す。本明細書に記載されるマルチノズル押出機は、押出材料がノズルを選択的かつ独立して流れることを可能にするように電子的に操作され得るバルブアセンブリを含む。バルブアセンブリは、１つ以上のノズルが、押出材料を押出するために、マニホールドに独立して接続されることを可能にする。本明細書において使用される際、「ノズル」という用語は、押出機内のマニホールドに流体接続され、押出材料が材料受容表面に向かって放出される、押出機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押出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、バルブアセンブリ内のバルブを操作して、バルブアセンブリに接続されたどのノズルが、押出材料を押出するかを制御する。ノズルの直径は、放出された押出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、より広いオリフィスを有するオリフィスサイズの範囲を有するノズルを含み、より狭いオリフィスによって生成されるラインの幅よりも大きい幅を有するラインを生成する。

本明細書において使用される際、「マニホールド」という用語は、三次元物体印刷動作中に押出機内の１つ以上のノズルに送達するための押出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。本明細書において使用される際、「スワス」という用語は、三次元物体印刷操作中に、マルチノズル押出機の複数のノズルから材料受容表面上に同時に放出される、複数の押出材料リボンの任意のパターンを指す。単一のノズル押出機は、単一の押出のビードのみを生成することができるため、スワスを形成することができない。一般的なスワスとしては、押出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、連続的な方法で材料を押出して、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、断続的な方法で、又はある程度の移動角度で動作して、プロセス又はクロスプロセス方向のいずれかで不連続であり、直線又は曲線経路に沿って配置される押出材料のより小さい群を形成する。三次元物体印刷機は、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。加えて、三次元物体印刷機内のコントローラは、マルチノズル押出機を操作し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。

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放出された押出材料を受容する材料受容表面との間の相対移動の方向を指す。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示的な実施形態では、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。加えて、１つ以上のアクチュエータは、押出機に動作可能に接続され、三次元物体が形成されるプラットフォーム、又は両方が、押出機及びプラットフォームを互いに向かって、かつ互いから離れるように移動させる。このタイプの移動は、Ｚ軸に沿った押出機、プラットフォーム、又はその両方の垂直移動若しくは移動と呼ばれることがある。

本明細書において使用される際、「横断方向」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、１つ以上のノズルから放出された押出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、マルチノズル押出機内の複数のノズルから放出された押出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整するために、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押出材料を受容する表面に対して、直線経路及び湾曲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、所望により、マルチノズル押出機をＺ軸の周りで回転させて、押出機が押出材料の各ライン間に所定の距離で押出材料の２つ以上のラインを形成することを可能にするために、マルチノズル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整する。マルチノズル押出機は、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側周辺部、及び押出材料を有する二次元領域の全て又は一部を充填するために周辺部内部の両方に沿って移動する。

図１は、図２Ａ～図２Ｃ、図３Ａ～図３Ｃ、及び図４Ａ～図４Ｃに示されるフェースプレートのうちの１つ内のノズルを通して複数の熱可塑性材料を押出する、押出機ヘッド１０８を有する付加製造システム１００を示し、以下により詳細に記載される。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示されているが、他の印刷機アーキテクチャをこれらの図に示される押出機ヘッドと共に使用することができる。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。図を簡略化するために１つのマニホールド２１６のみが図１内の押出機ヘッド１０８のハウジング内に示されているが、押出機ヘッド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、押出機ヘッド１０８内の各マニホールド２１６は、異なる押出材料供給部１１０によって１対１の対応で供給される異なるヒータ２０８に動作可能に接続される。押出機ヘッド１０８では、各ノズル２１８は、押出機ヘッド１０８内の１つのマニホールドのみに流体接続されており、各ノズルは、同じ熱可塑性材料を押出するが、各ノズルは、１対１の対応で複数のマニホールド内の１つのマニホールドに接続され得、そのため各ノズルは、他のマニホールドに接続されたノズルから押出された材料とは異なる熱可塑性材料を押出する。各ノズルからの押出は、バルブアセンブリ２０４内のバルブを操作するコントローラ１２８によって選択的かつ独立して起動及び停止される。各ノズル２１８はまた、ノズルを物体内の材料のスワスのより可撓性の形成のために構成するように、フェースプレート２６０内の開口部と整列される。図１において、押出機ヘッド１０８は、観察者の視点に最も近いノズルを通る断面図で示される。

図１の実施形態では、バルブアセンブリ２０４は、押出機ヘッド１０８内の１つ以上のマニホールドと、押出機ヘッド１０８内の１つ以上のマニホールドに接続された各ノズル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ているため、コントローラは、押出機ヘッド１０８内の複数のノズルから熱可塑性材料を押出するためのバルブを開閉することができる。具体的には、コントローラ１２８は、押出機ヘッド１０８内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起動及び停止させて、ノズルから熱可塑性材料を押出し、システムによって形成された三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はまた、押出機ヘッド１０８内のマニホールドに接続された各ヒータ２０８のための押出材料分配システム２１２も含む。各別個の供給部１１０からの押出材料は、システム１００の動作中に所定の範囲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速度で、対応するヒータ２０８に供給される。分配システム２１２は、押出機ヘッド１０８の各マニホールド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から供給されたヒータに押出材料を搬送する速度を制御するために、各分配システム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に供給される押出材料２２０を軟化又は溶融する。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を使用する供給システムを示す一方で、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操作するために、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、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、各ヒータは、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内のチャネル又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又は溶融するように構成されている。ヒータ２０８は、固体フィラメント２２０として固体相内に押出材料を受容して示されている一方で、代替的な実施形態では、ヒータは、押出材料を粉末又はペレット化押出材料として固体相で受容する。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する。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押出材料の一部は、熱可塑性材料がマニホールド２１６への接続部よりも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、マニホールド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。押出機ヘッド１０８はまた、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ように、追加の加熱要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱絶縁体は、押出機ヘッド１０８の外部の部分を覆って、押出機の内部のマニホールド内の温度を維持する。

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供給する各アクチュエータ２４０の駆動シャフト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のことを指す。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加えることはない。スリップクラッチは、ローラ２２４によってフィラメント２２０に及ぼされる力が、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、フィラメントの強度に対する制約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操作して、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、バルブアセンブリ２０４内で開閉されるバルブの数、及びクラッチ用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マニホールド内に必要とされる熱可塑性材料の量に影響を及ぼす、現在進行中の製造操作のパラメータを指す。これらの印刷条件としては、押出機に供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。

図１に示されるシステムでは、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、押出機ヘッド１０８がプラットフォーム１０２の上部を移動する速度を調整するように構成される。コントローラ１２８は、押出機ヘッド１０８が移動する経路の角度及びその経路に沿って移動するときの押出機フェースプレートの配向を参照して、押出機ヘッド１０８の速度を調整するように構成される。図２Ａ～図２Ｃ、図３Ａ～図３Ｃ、及び図４Ａ～図４Ｂに示されるノズル配置を有する押出機ヘッド１０８が、０°－１８０°軸又は９０°－２７０°軸に沿ったいずれかの方向において押出中に移動され、押出機フェースプレートが、図に示されるように配向されると、コントローラ１２８は、熱可塑性材料の押出のために開放されたノズルの数を参照して、押出機を公称速度で移動させる。押出機の面は、開放ノズルの全てが、任意の運動経路に沿って連続的なスワスに寄与するように理論上は配向され得るが、実際的な考慮事項は、かかる配向を防止することができる。物体画像データ及び押出機経路データが、連続したスワスを形成するために、押出機ヘッドの能力に干渉するプラットフォームに対して、押出機ヘッドフェースプレート及びその運動経路の配向を必要とするとき、コントローラは、この干渉に対処するために、押出機ヘッドがプラットフォームに対してその運動経路に沿って移動される速度を低減させることができる。

ノズルを整列させる経路に沿って移動することができる複数のノズルのノズル配置から生じる問題を低減するために、ノズルは、図５に関連して上述したように、スワス内に別個のラインを形成し、制約が、可能な配置の数を大幅に低減するために使用される。第１の制約は、０°－１８０°軸及び９０°－２７０°軸方向に最適なノズル間隔が必要であることである。この制約は、部品内の弱いスポットの可能性を低減するために、０°－１８０°軸と９０°－２７０°軸方向との間の経路方向を交互にすることによってスワスが形成される物体の内部の最適なスワス形成を確実にする。この制約とは、各ノズル場所が、中心ノズル位置を通過する０°－１８０°軸上に、又は９０°－２７０°軸上に突出する場合、ノズルは次いで互いから均等に離間していることを意味する。本明細書において使用される際、「突出される」は、ノズル位置を、軸及びノズルに垂直なラインに沿って突出している軸に移動させることを意味する。この制約はまた、中心ノズルの直径が残りのノズルの直径未満の実施形態も包含する。この実施形態では、直交軸のうちの１つ上に突出するときの、中心ノズルに隣接するノズル間の間隔は、中心ノズルの両側の軸上に突出する他のノズル間の間隔未満である。

第２の制約は、ノズルがいくらかの最小距離だけ分離されなければならないことである。最小距離は、例えば、バルブアセンブリの往復部材が押出機ヘッドの上面に入り、かつフェースプレートの構造的一体性を維持するために十分な面積を有することを可能にするために必要である。すなわち、いくつかのノズルは、フェースプレートの屈曲を防止するために、ノズル間に十分なフェースプレート金属を提供しない場所で位置付けられ得る。第３の制約は、物体の周辺部がどのように形成されるかに起因する。典型的には、全てのノズルは等しくサイズ決めされ、周辺部は、中心ノズルから押出された材料、及び中心ノズルによって形成される物体の周辺部の内側のノズルで形成される。中心ノズルによって形成された物体の周辺部の外側のノズルは、開放されない。このため、第３の制約は、ノズルが等しくサイズ決めされたとき、ノズル配置が奇数のノズルを有し、中央ノズルがフェースプレートの中央に位置付けられていることである。「フェースプレートの中央」という用語は、水平及び垂直の直交軸上のノズル突起の中央にあるノズルを意味する。これら３つの制約は、０°－１８０°軸又は９０°－２７０°軸方向から特定の角度配向で、スワス内に分離されたラインのみを形成しないノズル配置のために必要である。これらの制約及び以下で論じられる他の制約のうちのいくつかを適用することにより、図２Ａ～図２Ｃに示される９つのノズルフェースプレートについてのノズル配置と、図３Ａ～図３Ｃに示される１１のノズルフェースプレートについてのノズル配置と、図４Ａ～図４Ｃに示される１３のノズルフェースプレートについてのノズル配置と、を生み出す。

他の制約が使用されて、３つの必要な制約を満たす配置間で選択することができる。これらのより剛性の低い基準のうちの１つは、押出機が移動してスワスを形成する角度にかかわらず、ノズル配置の最外ノズルと中心ノズルとの間の距離である。この基準により、同じ数のノズルが中心ノズルの右及び左に提供され、各方向の最外ノズルが中心ノズルから略同じ距離であるため、押出機の角度配向にかかわらず、物体の周辺部が、略同じ幅のスワスで形成されることを可能にする。最外ノズルは、押出機の移動の経路に垂直な方向で、中心ノズルから最も遠いノズルである。候補ノズルレイアウトは、押出機の移動の全ての角度に対して、中心ノズルから最外ノズルまでの距離を測定し、最外ノズルに対する最大距離と最小距離との差を測定することによって、この基準に対する適合性について評価することができる。１１以上のノズルを有するものなどで、前述の他の基準を依然として満たすいくつかの設計については、差は、２未満のノズル径、又は更には１．５未満のノズル径とすることができ、この基準を満たすことができる。１１未満のノズルを有し、前述の他の基準を依然として満たす候補ノズルレイアウトについて、差は、２．５未満のノズル径であり得、依然としてこの基準を満たすことができる。それらのうちスワス幅において変動の大きすぎる候補レイアウトは、排除される。すなわち、１１以上のノズルを有し、２超のノズル径のスワス幅変動を有するノズルレイアウトが、排除される。同様に、１１未満のノズルを有し、２．５超のノズル径のスワス幅変動を有するノズルレイアウトが、排除される。加えて、スワス幅の差は、プロセスの速度を変更することによって緩和することができ、外側ノズルに対して小さい距離を有する角度でのより遅い速度が、押出機の移動角度とは無関係に、より均等なスワス幅を確保するために、材料のより多くの広がりを可能にする。このため、速度の変化を可能にするのに十分小さい差を有するノズル構成が重要であり得る。

配置選択の別の基準は、配置内のノズルを整列させる角度の数及び影響を低減することである。第１のアプローチのラインは、角度にかかわらず、プロセス方向における隣接するノズル間の任意の間隙の許容可能なサイズを制限することである。本明細書において使用される際、隣接するノズルは、参照ノズルによって形成されたラインにより近い材料のラインを生成するノズルを意味する。例えば、図２Ａにおいて、押出機ヘッドが９０軸に沿って移動するとき、Ｎ４と指定されたノズルに隣接するノズルは、Ｎ３及びＮ５であるが、押出機ヘッドがＮ２、Ｎ５、及びＮ８によって生成されるラインと整列する経路に沿って移動するとき、Ｎ４に隣接するノズルは、Ｎ７及びＮ８である。このため、Ｎ４、Ｎ７、及びＮ８によって生成されるラインは、所定の距離以下だけ分離されるように制限される。配置評価の別の基準は、隣接するノズルによって生成されるライン間の間隙の数を所定の数に制限することである。この基準を評価するために、ノズル配置は、フェースプレート中心の法線の周りを回転し、各角度配向におけるノズルの間隔が評価される。この評価から、公称速度の減少が特定され、周辺部が特定の角度配向で形成されているときに別様に存在する間隙を覆うように、隣接するノズルがそれらのラインを十分に広げることを可能にする。例えば、Ｎ２、Ｎ５、及びＮ８を整列させる角度配向の評価は、Ｎ４及びＮ６によって形成された材料ラインがノズルＮ２、Ｎ５、及びＮ８によって形成される共通の材料ラインを満たすように十分に広がることを可能にする速度低下を特定する。次いで、平均速度は、全ての角度に対して計算することができ、特定の最小値を上回る平均速度を有する配置のみが、この基準を通過させることができる。

異なるノズル配置を評価するために使用される別の基準は、可能な角度配向のいずれかでラインアップするノズルの数を制限することである。この基準は、ノズルの任意のグループ化に使用することができる。例えば、図２Ａの配置を４５°経路に沿って移動させることにより、Ｎ３及びＮ１、並びにＮ９とＮ７が整列する。この基準を配置に適用することにより、図２Ｂに示される、Ｎ６及びＮ７がシフトし、そのため、Ｎ７及びＮ９が４５°経路上でもはや互いに整列しない配置がもたらされる。代わりに、Ｎ１及びＮ３のみが整列する。同様に、Ｎ２、Ｎ５、及びＮ８は、図２Ａ及び図２Ｂの配置において１つの角度配向で整列させることができるが、図２Ｃにおいて示されるようにＮ２のシフトにより、この３つのノズル整列は、２つ、すなわち、Ｎ５及びＮ８に低減される場合がある。このアプローチへの目的にかなったショートカットは、中心ノズルと整列するノズル群を評価する。このアプローチは、計算集約的ではなく、多くの問題のある配置を捕捉する。

Ｍａｔｌａｂ、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｃ、及びＲなどの様々なプログラミング言語を使用して、ノズル配置の順列を生成し、前述の制約及び基準を参照して配置を評価するためのプロセスを実施することができる。このプロセスは、０°－１８０°軸又は互いから均等に離間した９０°－２７０°軸方向に隣接するノズルを有する奇数のＸノズルで開始する。次いで、このプロセスは、９０°－２７０°軸における同じ間隔を有するＸ－１ノズルの全ての順列を生成し、中央ノズルは移動していないままである。Ｘの値が大きい場合、順列はブロックに分割されて、メモリ及びアレイサイズ制限を保存し、また、Ｍａｔｌａｂのアレイ処理能力などのプログラミング言語の利点も保存する。可能性の数は、ノズル間の所定の距離の制約を参照して、迅速に低減される。候補配置の数は、円形度を選択することによって更に低減され、全ての角度でノズル間の最大間隙を制限し、任意の角度で中心ノズルと整列されたノズルの数を制限する。加えて、対称は、既に考慮された候補の左／右、上／下、又は回転対称を有するノズル配置の任意の順列が既に考慮された候補と同等であると判定され、更なる評価を必要としないため、重複する候補を排除するための有用な基準である。更なる低減のために使用することができる他の基準は、いくつの角度配向が、所定の閾値を上回る材料のライン間の間隙を生成するか、形成された周辺部の幅の均一性を保持するための任意の方向における最外ノズルと中心ノズルとの間の距離、及び角度と共に変化する他の基準などである。

Claims (9)

1. 押出機ヘッドであって、
   ある体積の押出材料を保持するように構成された少なくとも１つのマニホールドを有するハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられたフェースプレートと、を備え、前記フェースプレートが前記少なくとも１つのマニホールドに流体接続された前記フェースプレート内に形成された複数のノズルを有し、前記ノズルが前記フェースプレートの平面内の第１の軸に沿って移動するとき、前記フェースプレート内の前記ノズルが互いの移動経路が重ならないよう互いに離間し、前記第１の軸に直交する前記フェースプレートの前記平面内の第２の軸に沿って移動するとき、前記ノズルが互いの移動経路が重ならないよう互いに離間し、
   前記フェースプレートの前記平面内の前記第１の軸と前記第２の軸との交点を通る任意の経路に沿った前記押出機ヘッドの移動により、前記複数のノズル内の少なくとも１つのノズルが、他のいかなるノズルとも整列されないことを可能にし、
   前記複数のノズル内のノズルの数が、奇数であり、
   前記ノズルの全てが、同じ直径を有し、
   前記ノズルのうちの１つが、中心ノズルとして、前記フェースプレートの前記平面内の中心に位置し、
   前記中心ノズルの移動方向の右側および左側のうち一方側に位置する前記ノズルの数が、前記中心ノズルの移動方向の右側および左側のうち他方側上に位置する前記ノズルの数と等しく、
   前記一方側に位置する前記ノズルのうち前記中心ノズルから最も離れた最外ノズルと前記中心ノズルとの間の距離と、前記他方側に位置する前記ノズルのうち前記中心ノズルから最も離れた最外ノズルと前記中心ノズルとの間の距離とが同じである、押出機ヘッド。
2. 前記押出機ヘッドが任意の経路に沿って移動する場合、前記中心ノズルと前記最外ノズルとの間の最小距離と、前記中心ノズルと前記最外ノズルとの間の最大距離との差が、２．５ノズル径を超えず、前記押出機ヘッド内の前記ノズルの数が１１未満である、請求項１に記載の押出機ヘッド。
3. 前記押出機ヘッドが任意の経路に沿って移動する場合、前記中心ノズルと最外ノズルとの間の最小距離と、前記中心ノズルと最外ノズルとの間の最大距離との差が、２ノズル径を超えず、前記押し出し機ヘッド内の前記ノズルの数が１１以上である、請求項１に記載の押出機ヘッド。
4. 前記差が１．５ノズル径を超えない、請求項３に記載の押出機ヘッド。
5. 前記第１の軸及び前記第２の軸が、前記フェースプレートの中心で交差する、請求項１に記載の押出機ヘッド。
6. 前記ノズルの数が、９つ以上であり、前記押出機ヘッドの移動のいかなる角度においても、別のノズルによって押出された押出材料の上部に押出材料を押出するように３つ以上のノズルが整列しない、請求項５に記載の押出機ヘッド。
7. 押出機ヘッドであって、
   ある体積の押出材料を保持するように構成された少なくとも１つのマニホールドを有するハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられたフェースプレートであって、前記フェースプレートが前記少なくとも１つのマニホールドに流体接続された前記フェースプレート内に形成された複数のノズルを有し、前記ノズルが前記フェースプレートの平面内の第１の軸に沿って移動するとき、前記フェースプレート内の前記ノズルが互いの移動経路が重ならないよう互いに離間し、前記ノズルが前記第１の軸に直交する前記フェースプレートの前記平面内の第２の軸に沿って移動するとき、前記ノズルが互いの移動経路が重ならないよう互いに離間し、前記複数のノズル内のノズルの数が、奇数であり、前記複数のノズルにおける１つのノズルが、中心ノズルとして、前記フェースプレートの中心に位置し、
   前記フェースプレートの前記平面内の前記第１の軸と前記第２の軸との交点を通る任意の経路に沿った前記押出機ヘッドの移動により、前記複数のノズル内の少なくとも１つのノズルが、他のいかなるノズルとも整列されないことを可能にする、フェースプレートと、を備え、
   前記中心ノズルの移動方向の右側および左側のうち一方側に位置する前記ノズルの数が、前記中心ノズルの移動方向の右側および左側のうち他方側に位置する前記ノズルの数と等しく、
   前記一方側に位置する前記ノズルのうち前記中心ノズルから最も離れた最外ノズルと前記中心ノズルとの間の距離と、前記他方側に位置する前記ノズルのうち前記中心ノズルから最も離れた最外ノズルと前記中心ノズルとの間の距離とが同じである、押出機ヘッド。
8. 前記押出機ヘッドが任意の経路に沿って移動する場合、前記中心ノズルと前記最外ノズルとの間の最小距離と、前記中心ノズルと前記最外ノズルとの間の最大距離との差が、２．５ノズル径を超えず、前記押出機ヘッド内のノズルの数が、１１未満である、請求項７に記載の押出機ヘッド。
9. 前記第１の軸及び前記第２の軸が、前記フェースプレートの前記中心で交差する、請求項８に記載の押出機ヘッド。

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