JP7236441B2 - ３ｄプリンタのための流体供給システム - Google Patents

Description

本発明は、加圧流体フローを生成するための少なくとも１つの流体加圧生成デバイス、及び流体フローを加熱するための少なくとも１つの流体加熱デバイスを有する、少なくとも１つの３Ｄプリンタのための流体供給システムに関する。

特に医療用途のための（例えば、インプラントのための）プラスチックの３Ｄ印刷に関連して、現在実現可能な構成要素の品質が、多数の学術調査の注目の的である。構成要素の品質に関して決定的な役割を担う最重要課題のうちの２つは、構成要素の耐性、及び構成要素の滅菌性又は粒子の沈殿である。

例えば、ＤＥ１０ ２０１５ １１１ ５０４Ａ１では、少なくとも１つの印刷ヘッドユニットを有する３Ｄ印刷デバイス、特に、ＦＦＦ印刷デバイスがすでに知られており、印刷ヘッドユニットは、少なくとも１つの動作状態において、高性能プラスチック材料、特に高性能熱可塑性材料によって少なくとも部分的に形成された印刷材料を溶解することを目的とする。

さらに、ＥＰ２ ２６１ ００９Ａ１は、三次元物体を生成するための装置及び方法を開示し、装置は供給保存容器を通じるエアフローを生成するために、供給保存容器に結合された真空ポンプを備える。

さらに、ＥＰ３ ０２３ ２２８Ａ１は、付加製造デバイスの造形プラットフォームのエリアにわたって気体フローを供給する気体フローシステムを有する付加製造デバイスを示す。

またさらに、ＥＰ３ １７３ ２３３Ａ１は、三次元製造デバイスを開示し、それはこの目的のために設けられた処理スペース加熱ユニットによって加熱される処理スペースを有する。

さらに、ＵＳ６，０３３，３０１Ａは、クリーンルームにおける空気回路の空気をフィルタ処理するために設けられた複合ファン－フィルタユニットを開示する。

またさらに、ＵＳ６，７２２，８７２Ｂ１は、加熱された造形チャンバの内側に三次元物体を構築する目的の三次元成形デバイスを示す。

さらに、ＵＳ６，８１７，９４１Ｂ１は、例えば半導体チップの生成に用いられる処理チャンバ内に均一のエアフローを生成するためのディフューザを示す。

さらに、ＵＳ２０１５／１１０９１１Ａ１は、環境モニタリング及び制御ユニットを示し、それは例えば、それらそれぞれの環境へのインターフェースとして付加製造技術のために用いられる。

またさらに、ＷＯ２０１６／０６３１９８Ａ１は、「熱溶解積層法」によって三次元物体を製造するための方法及び装置を示し、製造装置は、それに露出される製造対象の物体の表面を加熱することができる輻射加熱要素を備える。

さらに、３Ｄプリンタ及びいわゆるバイオプリンタのためのクリーンルーム技術は、ＷＯ２０１７／０４０６７５Ａ１により知られている。

ＷＯ２０１７／１０８４７７Ａ１により、「熱溶解積層法」プリンタによる三次元物体を生成するための方法も分かっている。

従来技術で提案された解決策に基づいて、これらの付加製造デバイスは、医療用途に対して依然として、構成要素の高い歪み及び不適切な滅菌性並びに細菌及び粒子の不十分な欠失についての問題を有する。現在のところ、構成要素の最小限の汚染が課題とされているが、未だに実現されていない。

したがって、特に、３Ｄプリンタによって生成される構成要素の歪み及び滅菌性を向上するとともに流体供給システムのエネルギー効率を向上することに関して、有益な形態で上述のタイプの３Ｄプリンタのため流体供給システムをさらに開発することが本発明のタスクである。

本開示は以下の［１］から［１５］を含む。
［１］少なくとも１つの３Ｄプリンタ（１２）、特にＦＦＦ ３Ｄプリンタ（１２）のための流体供給システム（１０）であって、
加圧流体フロー（１６）を生成するための少なくとも１つの流体加圧生成デバイス（１４）と、
上記流体フロー（１６）を加熱するための少なくとも１つの流体加熱デバイス（１８）と
を備え、
上記３Ｄプリンタ（１２）は、上記３Ｄプリンタ（１２）の周囲に対して少なくとも１つの造形チャンバハウジング（２２）によって区切られ且つ流体気密の形態で封止された少なくとも１つの造形チャンバ（２０）を有し、
上記流体加圧生成デバイス（１４）、上記流体加熱デバイス（１８）及び上記造形チャンバハウジング（２２）は、流体接続されており、それによって上記流体フロー（１６）は、上記造形チャンバ（２０）を通じて流動可能であり、
上記流体加圧生成デバイス（１４）、上記流体加熱デバイス（１８）及び上記造形チャンバハウジング（２２）によって、上記流体フロー（１６）に対して閉鎖された流体回路（２４）が形成され、流体フローは、上記造形チャンバ（２０）に進入する前に上記流体加熱デバイス（１８）によって加熱される、上記流体供給システム（１０）。
［２］動作状態における上記流体供給システム（１０）は、上記流体フロー（１６）が実質的に層流フローの形態で上記造形チャンバ（２０）を通じて流動可能となるように設計されていることを特徴とする上記［１］に記載の流体供給システム（１０）。
［３］上記３Ｄプリンタ（１２）が、多軸及び／又は多次元の、特に三次元の形態で上記造形チャンバ（２０）内を移動可能である少なくとも１つの印刷ヘッド（２６）と、上記流体フロー（１６）の上記層流フローによって囲まれた少なくとも１つの造形プラットフォーム（２８）とを備えることを特徴とする上記［２］に記載の流体供給システム（１０）。
［４］上記流体供給システム（１０）は、上記造形チャンバハウジング（２２）の上流に配置され、少なくとも１つのフローアライメントユニット（３２）が配置された、少なくとも１つの造形チャンバ入口エリア（３０）を備えることを特徴とする上記［２］又は［３］に記載の流体供給システム（１０）。
［５］上記フローアライメントユニット（３２）が、少なくとも部分的に上記流体フロー（１６）の層流アライメントに対して、フロー誘導構造体（３４）、特にフロー誘導体（３６）を備えることを特徴とする上記［４］に記載の流体供給システム（１０）。
［６］上記流体供給システム（１０）は、上記流体加圧生成デバイス（１４）、上記流体加熱デバイス（１８）及び上記造形チャンバハウジング（２２）に流体接続している少なくとも１つの流体滅菌及び／又は流体フィルタリングデバイス（３８）を備えることを特徴とする上記［１］～［５］のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
［７］上記流体フロー（１６）が、特に、約２０℃～約４００℃、好適には約３０℃～約３５０℃、特に好適には約５０℃～約３００℃の範囲の温度を有することを特徴とする上記［１］に記載の流体供給システム（１０）。
［８］上記流体フロー（１６）が、上記造形チャンバ（２０）内で、特に、約０．０５ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、好適には約０．１ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、特に好適には約０．２ｍ／ｓ～約３ｍ／ｓの範囲の速度、特に平均速度を有することを特徴とする上記［１］に記載の流体供給システム（１０）。
［９］上記流体滅菌及び／若しくは流体フィルタリングデバイス（３８）、上記流体加圧生成デバイス（１４）、上記流体加熱デバイス（１８）並びに／又は上記造形チャンバハウジング（２２）が、約３００℃の最大温度に至るまでの耐熱性を有することを特徴とする上記［５］に記載の流体供給システム（１０）。
［１０］上記流体加圧生成デバイス（１４）が、ターボコンプレッサ（４０）、特にラジアルコンプレッサ（４０）、又はベンチレータなどのフローマシンであることを特徴とする上記［１］に記載の流体供給システム（１０）。
［１１］少なくとも１つの減圧デバイス（４２）が、上記フローマシン（４０）の下流に配置されることを特徴とする上記［１０］に記載の流体供給システム（１０）。
［１２］上記減圧デバイス（４２）、上記流体滅菌及び／若しくはフィルタリングデバイス（３８）、上記流体加熱デバイス（１８）並びに／又は上記フローアライメントユニット（３２）が、少なくとも５０Ｐａの上記流体フローの少なくとも減圧を生成可能であることを特徴とする上記［１１］に記載の流体供給システム（１０）。
［１３］上記流体供給システム（１０）が、上記３Ｄプリンタ（１２）の動作をモニタリングするために設けられ、上記フローアライメントユニット（３２）と上記造形チャンバハウジング（２２）の少なくとも１つの進入開口部との間の上記造形チャンバ入口エリア（３０）に配置された、粒子測定デバイス（４４）を備えることを特徴とする上記［４］～［１２］のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
［１４］上記流体フロー（１６）が、気体、特に空気である流体を含むことを特徴とする上記［１］～［１３］のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
［１５］上記流体供給システム（１０）は、上記３Ｄプリンタ（１２）が充填中に動作しない状態で、上記流体供給システム（１０）が空気以外の少なくとも１つのプロセスガスで充填可能であることによって、少なくとも１つの気体接続を有することを特徴とする上記［１］～［１４］のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
本発明によると、このタスクは、特許請求項１の特徴を有する３Ｄプリンタのため流体供給システムによって解決される。これによると、少なくとも１つの３Ｄプリンタ、特にＦＦＦ ３Ｄプリンタのための流体供給システムには、加圧流体フローを生成するための少なくとも１つの流体加圧生成デバイス、及び流体フローを加熱するための少なくとも１つの流体加熱デバイスが設けられるという前提で、３Ｄプリンタは、３Ｄプリンタの周囲に対して少なくとも１つの造形チャンバハウジングによって区切られ、流体気密の形態で封止された少なくとも１つの造形チャンバを有し、流体加圧生成デバイス、流体加熱デバイス及び造形チャンバハウジングは、流体接続しており、それによって流体フローは造形チャンバを通じて流動可能であり、流体加圧生成デバイス、流体加熱デバイス及び造形チャンバハウジングは、造形チャンバに進入する前に流体加熱デバイスによって加熱される流体フローに対して閉鎖された流体回路を画定する。

造形空間を加減するために、有利にフィルタ処理された大気中の空気のバルブ作用又は流入を与えることも可能である。原理上、エアギャップ又は外気の空気流入でさえも存在又は許容可能であるということが前提とされ得る。完全な流体気密性は必要ではない。さらに、追加的に供給される冷気は、昇圧後であっても造形空間を冷却するために、加熱された回路に混合され得る。

本発明は、閉鎖された流体回路の構造に起因して、すでに３Ｄプリンタの造形チャンバを通じて流動し、その進入前に加熱された流体は、造形チャンバから３Ｄプリンタの環境への排出後に未使用のままでは放出されないという基本的な考えに基づく。代わりに、造形チャンバを出ていく部分的に加熱された流体は、閉鎖された流体回路に起因して造形チャンバに戻され得る。このタイプの流体回路は、造形チャンバを出ていく流体が、その大気温度と比べてかなり高い温度を依然として有することから、特に有利である。その結果として、流体を再加熱するために供給されるエネルギーの量は、大幅に低減され得る。一方では、流体を加熱するのに必要とされるエネルギーは大幅に低減され得る。他方では、流体加熱デバイスは、大気温度を所望の造形チャンバ温度まで加熱しなくてもよいので、従来のものと比べて、より一層省スペース及び小型となるように寸法が決められ得る。造形チャンバの加熱は、半結晶性の熱可塑性プラスチックの低歪み処理に特に最適である。上流の加熱された流体フローによる造形チャンバの少なくとも部分的な加熱は、造形チャンバ内で特に均質な温度分布を実現可能とする。この均質な温度分布は、熱可塑性プラスチックの処理中の歪み低減に対して追加的なプラスの効果を有する。したがって全体的に、流体供給システムは、より一層効果的でありコスト効率が高くなるように設計され得る。またさらに、すでにフィルタ処理されたエアフローが連続的に循環され、このエアフローが再度フィルタ処理されるので、大気中の空気から粒子をフィルタ処理する必要がない。その結果として、エアフローから全体でわずかな粒子のみフィルタ処理すればよく、それによってフィルタがより長い寿命を実現することもできる。

またさらに、この動作状態における流体供給システムは、流体フローが本質的に層流フローの形態で造形チャンバを通じて流動可能なように設計されることが提供され得る。造形チャンバを通じる層流フロー（特にクリーンルーム条件を形成するための層流エアフローによる）は、特に（クロスフローがない）その方向性フロー特性に起因して、造形チャンバが、流体に含有され又はフローによって搬送される粒子又は細菌では可能な限りわずかしか汚染されない効果を有する。本発明は、（例えば、インプラントの製造のために）医療技術の分野でも用いられるので、製造対象の構成要素の可能な限りの最低汚染は、その滅菌性に対して特にプラスの効果を有する。この文脈において、流体フローは、本質的に垂直な層流フローの形態で造形チャンバを通じて流動可能であるとも考えられる。

３Ｄプリンタは、多軸及び／又は多次元の、特に三次元の形態で造形チャンバ内を移動可能な少なくとも１つの印刷ヘッドと、流体フローの層流フローによって囲まれた少なくとも１つの造形プラットフォームとを備えるとも考えられる。三次元状に移動可能である印刷ヘッド、並びに印刷ヘッド及び造形プラットフォーム周辺の流体フローの層流フローによって、製造対象の製品は層流エアフローにおいて印刷され得ることが可能となり、これは滅菌性及び無菌性と、さらに粒子が存在しないことに対して有利である。これらの構成要素周辺の層流フローは、特に、空気中に存在する粒子又は細菌に起因するそれらの汚染又は堆積を低下させる。これら２つの組立体は製造対象の構成要素に直接接触するので、それらの滅菌された無粒子で清潔な表面が必須である。

流体供給システムは、造形チャンバハウジングの上流に配置され、少なくとも１つのフローアライメントユニットが配置される少なくとも１つの造形チャンバ入口エリアを備えるとも考えられる。フローアライメントユニットは、有利なことに造形チャンバに進入する前に流体フローを和らげるように作用する。フローアライメントユニット上流の流体フローは流体加圧生成デバイスによって、さらに流体加熱デバイスも配管及び屈曲管によって回転するので、造形チャンバに進入する前に流体フローを配列することが不可欠である。ディフューザの形態で造形チャンバ入口エリアを設計することは、特に有利である。ディフューザの１つの可能な幾何学的設計は、フロー関連断面積が造形チャンバに向かって直線状に上流に拡大する薄壁中空円錐であり得る。

さらに、フローアライメントユニットは、少なくとも部分的に流体フローの層流アライメントに対して、フロー誘導構造体、特にフロー誘導体を備えることができる。そのようなフロー誘導構造体は、デバイス全体に統合され、ターゲットとされ特に効果的な流体フローの層流アライメントを可能とする構成要素であるため、有利にも造形チャンバ入口エリア内に配置可能である。フロー誘導構造体は、造形チャンバ入口エリアにおいて所望の層流フローが実現され得るようにして、流体フローを方向付けることを可能とする。フロー誘導体は、例えばディフューザを含み得る。ここでは例えば、ディフューザは薄壁中空円錐として設計され、その側面は中空円錐が造形チャンバに向かう方向で広くなるような形状であると考えられる。

さらに、フローアライメントユニットは、エアカーテンが構成要素周辺で生じるので、構成要素がフローに直接露出されないように設計され得る。これによって、構成要素の歪みを低減することが可能となる。これは特に、直接のエアフローが構成要素に当たらないので、構成要素を一様に冷却可能とすることによって可能となる。

さらに、流体供給システムは、流体加圧生成デバイス、流体加熱デバイス及び造形チャンバハウジングに流体接続している少なくとも１つの流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスを備え得る。流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスにより、造形チャンバに供給される流体は、特に効果的な形態でフィルタ処理及び／又は洗浄され得る。流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスは、（造形チャンバを通じるフローの方向に関連して）上流に位置する。このデバイスを適切に設計することによって、造形チャンバに進入する前の流体は、造形チャンバがクリーンルームに対するＥＮ ＩＳＯ１４６４４の規則及び規格に準拠するようにして、洗浄、滅菌及びフィルタ処理され得る。閉鎖された流体回路は、この文脈において特に有利である。これは、流体供給システム内の流体の連続的循環が、すでに洗浄又はフィルタ処理された流体は第１の循環により流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスに戻されることを伴うからである。その結果として、流体のフィルタリング及び／又は滅菌は流体の各循環により実行可能であり、それは生成対象の構成要素の滅菌性及び粒子汚染に対して決定的な効果を有する。

流体フローは、特に、約２０℃～約４００℃、好適には約３０℃～約３５０℃、特に好適には約５０℃～約３００℃の範囲の温度を有することも考えられる。上記の温度範囲、特に約５０℃～約３００℃の温度範囲は、可能な限り歪みが少ない熱可塑性プラスチックの、３Ｄプリンタを用いる生成に対して特に有利である。例えば、熱可塑性プラスチックは、高性能熱可塑性プラスチックの群から選択可能である。高性能熱可塑性プラスチックは、ポリエーテル－ケトン（ＰＡＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＥＥＫ、ＰＥＥＫＫ、ＰＥＫＥＫＫなど）、ポリアミド（ＰＡ６９、ＰＡ６１２、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ４６、ＰＡ１２１２、ＰＡ６／１２、ＰＡ１０１０、ＰＰＡなど）、ポリフェニレン－スルフィドＰＰＳ、ポリアミド－イミド、ポリスルホン（ＰＡＳ、ＰＳＦ、ＰＥＳ、ＰＰＳＵ、ＰＳＵ、ＰＥＳＵなど）及び／又はポリカーボネートＰＣと、さらに熱可塑性プラスチックのポリイミド（ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳＩ）とであり得る。熱可塑性プラスチックは、繊維及び／又は粒子で補強されるとも考えられる。

さらに、流体フローは、造形チャンバ内で、特に、約０．０５ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、好適には約０．１ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、特に好適には約０．２ｍ／ｓ～約３ｍ／ｓの範囲の速度、特に平均速度を有すると考えられる。流体フローの上述の平均速度の範囲、特に、約０．２ｍ／ｓ～約３ｍ／ｓの速度の範囲は、３Ｄプリンタの造形チャンバの信頼性の高い、特に、一定及び均質な加熱を保証することができる。中でもこのタイプの加熱は、熱可塑性プラスチックを処理する場合に、構成要素の歪みを大幅に低減するのに役立つ。これに伴い、造形チャンバを通じる流体フローは、上述の規格を満たすことが必要とされる。

さらに、流体滅菌及び／若しくはフィルタリングデバイス、流体加圧生成デバイス、流体加熱デバイス並びに／又は造形チャンバハウジングは、約３００℃の最大温度に至るまでの耐熱性を有することが可能である。本質的にすべての関連技術の熱可塑性プラスチックは、流体の約３００℃の最大温度に至るまで３Ｄプリンタによって処理され得る。したがって、約３００℃の最大温度は、熱可塑性プラスチックの歪みのない処理に対して特に効果的かつ有利であり、必要でもある。

さらに、流体加圧生成デバイスは、ターボコンプレッサ、特に、ラジアルコンプレッサ、又はファン若しくは遠心ファンなどのフローマシンであることが前提とされ得る。基本的に、フローマシンは、例えば、ファン又はコンプレッサである。このタイプのコンプレッサは、特に低拍動又は低衝撃であるため一定に加圧された流体フローを生成し、それにより造形チャンバ内の圧力及び温度の変動も最小化され得る。その結果として、造形チャンバ内のより一層均質な温度分布が実現され得る。特に、ラジアルコンプレッサはまた、約３００℃に至るまでの耐熱性を有するラジアルファンとしても設計され得る。

少なくとも１つの減圧デバイスが、ターボコンプレッサの下流に配置されることも考えられる。減圧デバイスは、それがターボコンプレッサに対して特定の背圧を生成することから、特に有利に用いられることが可能であり、それによって３００℃に至るまでの耐熱性を有する遠心ベンチレータ又はブロワの使用が物理的理由から必須となる。減圧デバイスは、例えば、多孔プレート又は多孔隔壁として設計可能である。

減圧デバイス、流体滅菌及び／若しくはフィルタリングデバイス、流体加熱デバイス並びに／又はフローアライメントユニットは、少なくとも５０Ｐａの流体フローの少なくとも減圧を生じさせることができる。上述の構成要素によって引き起こされるこの減圧は、ターボコンプレッサ、特に耐熱性ラジアルコンプレッサの操作性若しくは制御可能性、及び／又は調整可能性に対して特に有効な効果を有する。さらに、３Ｄプリンタに適した寸法のラジアルコンプレッサは、そのような圧力損失の存在下で特に効率的かつ有利に操作可能である。

さらに、流体供給システムは、３Ｄプリンタの動作をモニタリングするために設けられ、フローアライメントユニットと造形チャンバハウジングの少なくとも１つの進入開口部との間の造形チャンバ入口エリアに配置された粒子測定デバイスを備えることが可能である。そのような粒子測定デバイスは、滅菌性及び粒子汚染の観点で構成要素の高い規格を実現するために特に重要及び有利であり、それは医療技術において特に必要とされる。この粒子測定デバイスを用いることによって、３Ｄプリンタの流体供給システム全体のモニタリングはまた、流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスのメンテナンス又は交換が、例えば、３Ｄプリンタの中央電子制御及び／又は調節ユニットによる粒子測定に基づいて提示され得るので、最適化もされ得る。さらに、粒子測定に基づいて、３Ｄ印刷処理は、流体フロー内の粒子に対する特定の制限値を超える場合に停止されてもよい。粒子測定に基づいて、流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスは、バイパスバルブ及びバイパスラインによって迂回可能であることも考えられる。そうすることで、バイパスバルブは、流体フロー内の粒子に対して調整可能な制限値を超えるまでバイパスラインを開放可能である。特に、非常に高価な流体滅菌及び／又はフィルタリングデバイスを用いた場合には、バイパスラインは、それらの寿命の顕著な増加、及びメンテナンス間隔の延長を結果としてもたらし得る。

さらに、流体フローは、気体、特に空気である流体を含むことが前提とされ得る。気体、特に空気の使用は、空気のほぼ無限の利用可能性、及び結果として非常に簡易な取扱い性のために特に有利である。

流体供給システムは、３Ｄプリンタが充填中に動作しない状態で、流体供給システムが空気以外の少なくとも１つのプロセスガスで充填可能であることによって、少なくとも１つの気体接続を有することも考えられる。この文脈において、プロセスガスは、不活性ガスであると考えられる。具体的には、不活性ガスの使用は、３Ｄプリンタが酸化しやすい熱可塑性プラスチックを処理する場合に酸化を防止し、これによって構成要素の品質をさらに向上させることができる。

ここで、本発明のさらなる詳細事項及び効果を、図面に示す例示的な実施形態によってさらに詳細に説明する。

図１は、３Ｄプリンタのための本発明による流体供給システムの例示的な実施形態の概略表示である。 図２は、図１による流体供給システムの造形チャンバ入口エリア、及びそこに配置されたフロー誘導体の部分断面図である。 図３は、３Ｄプリンタ及び図１による流体供給システムのための収納フレームの概略斜視表示である。 図４は、図１による３Ｄプリンタの造形チャンバの概略前面図である。

図１は、３Ｄプリンタ１２のための本発明による流体供給システム１０の例示的な実施形態の概略表示を示す。

例として、デルタキネマティックシステム又はデカルトシステムも備える３Ｄプリンタ１２が、３Ｄプリンタ１２として用いられ得る。原理上、３Ｄプリンタ１２はまた、多次元プリンタ及び／又は多軸印刷システムを有するプリンタでもあり得る。

３Ｄプリンタ１２は、ＦＦＦ ３Ｄプリンタとして設計される（ＦＦＦ：溶解フィラメント製造）。

流体供給システム１０は、加圧流体フロー１６を生成するための流体加圧生成デバイス１４を含む。

流体フロー１６は、気体である流体を含む。

気体は、空気、又は不活性ガスなどのプロセスガスのいずれかであり得る。

さらに、流体供給システム１０は、流体フロー１６を加熱するための流体加熱デバイス１８を備える。

３Ｄプリンタ１２はまた、造形チャンバハウジング２２によって流体気密の形態で３Ｄプリンタ１２の環境から制限及び封止された造形チャンバ２０も有する。

その上、流体加圧生成デバイス１４、流体加熱デバイス１８及び造形チャンバハウジング２２は、流体連通している。

したがって、流体フロー１６は、造形チャンバ２０を通じて流動可能である。

造形チャンバ２０の内側では、流体フロー１６は、約０．２ｍ／ｓ～約３ｍ／ｓの範囲の平均速度を有する。

流体フロー１６はまた、造形チャンバ２０の内側に約０．０５ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓの範囲の平均速度も有する。

さらに、流体フロー１６は、造形チャンバ２０の内側に約０．１ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓの範囲の平均速度を有することが考えられる。

その上、流体加圧生成デバイス１４、流体加熱デバイス１８及び造形チャンバハウジング２２は、流体フロー１６に対して閉鎖された流体回路２４を形成する。

特に、流体フロー１６は、約５０℃～約３００℃の範囲の温度を有する。

ただし、流体フロー１６は、約２０℃～約４００℃の範囲の温度を有することが可能であるとも考えられる。

流体フロー１６は、約３０℃～約３５０℃の範囲の温度を有することが可能であるとも考えられる。

流体フロー１６は、特に造形チャンバ２０内側でこれらの温度範囲を有する。

流体フロー１６はまた、造形チャンバ２０に進入する前に流体加熱デバイス１８によっても加熱される。

３Ｄプリンタ１２はまた、造形チャンバ２０内を多軸状に移動可能な印刷ヘッド２６、及び造形プラットフォーム２８を特徴とする。

印刷ヘッド２６及び造形プラットフォーム２８は、３Ｄプリンタ１２の動作の準備ができている場合に、流体フロー１６の層流フローによって囲まれる。

流体供給システム１０はまた、造形チャンバ入口エリア３０も有する。

造形チャンバ入口エリア３０は、造形チャンバハウジング２２の上流に位置する。

フローアライメントユニット３２は、造形チャンバ入口エリア３０の内側に位置する。

フローアライメントユニット３２は、フロー誘導構造体３４を含む。

フロー誘導構造体は、フロー誘導体３６として設計される。

図１による流体供給システム１０はまた、流体滅菌フィルタリングデバイス３８も備える。

流体滅菌フィルタリングデバイス３８は、流体加圧生成デバイス１４、流体加熱デバイス１８及び造形チャンバハウジング２２と流体接続している。

さらに、流体加圧生成デバイス１４は、ラジアルコンプレッサ４０である。

減圧デバイス４２は、（デバイスを通じる流体フローの方向に関連して）ラジアルコンプレッサ４０の下流に位置する。

流体供給システム１０はまた、３Ｄプリンタ１２の動作をモニタリングするための粒子測定デバイス４４も有する。

粒子測定デバイス４４は、フローアライメントユニット３２と造形チャンバハウジング２２の進入開口部との間の造形チャンバ入口エリア３０に位置する。

さらに、流体供給システム１０は、気体接続４６を有する。

図１に示す流体供給システム１０はまた、閉鎖された流体回路２４を形成するパイプシステム４８も含む。

パイプシステム４８は、それを通じてラジアルコンプレッサ４０、流体加熱デバイス１８、流体滅菌フィルタリングデバイス３８、造形チャンバ入口エリア３０及び造形チャンバ２０が相互に流体連通するいくつかの直管区画及び９０°の屈曲管からなる。

ラジアルコンプレッサ４０は造形チャンバ排出口において造形チャンバハウジング２２にフランジ接続され、一方、造形チャンバ入口エリア３０は造形チャンバ注入口において造形チャンバハウジング２２にフランジ接続される。

ラジアルコンプレッサ４０と造形チャンバ入口エリア３０の間では、流体加熱デバイス１８及び流体滅菌フィルタリングデバイス３８は、パイプシステム４８に配置される。

流体加熱デバイス１８は、ラジアルコンプレッサ４０の下流に位置する。

流体滅菌フィルタリングデバイス３８は、パイプシステム４８において流体加熱デバイス１８の下流に位置する。

流体加熱デバイス１８は、例えば、加熱コイルの形態であり得る電気加熱要素を有するフローヒータとして設計される。

流体滅菌フィルタリングデバイス３８は、例えば、ＥＰＡ、ＨＥＰＡ又はＵＬＰＡのフィルタリングユニットを有し得る。

流体滅菌フィルタリングデバイス３８はまた、フィルタクラスＥ１０、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｈ１３、Ｈ１４、Ｕ１５、Ｕ１６又はＵ１７に従う分離効率も有し得る。

ここで、流体供給システム１０が機能するとは、以下のように説明することができる。

３Ｄプリンタ１２が始動する前に、流体供給システム１０はまず、印刷処理及び印刷材料に適した気体が造形チャンバ２０に含まれているかを確認するべきである。

この確認は、例えば、パイプシステム４８の内側に又は造形チャンバ２０に位置決めされ、適切な気体を決定可能なガスセンサによってなされ得る。

異なる気体の決定には、いくつかのガスセンサの使用も必要とされ得る。

（前回用いられた気体が脱気された後の）流体供給システム１０のプロセスガスとしての空気による充填は、例えば、パイプシステム４８の内側に位置する供給及び排出バルブを介してなされ得る。

ラジアルコンプレッサ４０は、空気による充填処理を補助又は加速させるのに用いられ得る。

３Ｄプリンタ１２は、充填中には動作しない。

流体供給システム１０の充填後に、流体供給システム１０は、供給及び排出バルブを閉鎖することによって周囲の雰囲気から密封される（図１では不図示）。

３Ｄプリンタ１２が動作する前であっても、流体供給システム１０内側の空気はラジアルコンプレッサ４０によって循環され得るので、空気の事前洗浄を実現する。

事前洗浄処理中に、流体加熱デバイス１８は、すでに造形チャンバ２０を追加的に予熱する動作をしていてもよい。

造形チャンバ２０が造形チャンバ温度を生成対象の材料及び構成要素に適合させると直ちに、３Ｄプリンタ１２は動作を開始する。

３Ｄプリンタ１２の動作中に、造形チャンバ２０を出る空気は、ラジアルコンプレッサ４０によって引き込まれ、圧縮されてから、流体加熱デバイス１８に供給される。

そこでは、空気は、調整可能又は制御可能な温度値まで加熱され、流体加熱デバイス１８から流出した後に、流体滅菌フィルタリングデバイス３８に供給され、そこで洗浄及びフィルタ処理され、引き続き、造形チャンバ入口エリア３０内へ下流に流動する。

具体的には、流体滅菌フィルタリングデバイス３８、ラジアルコンプレッサ４０の形態の流体加圧生成デバイス１４、流体加熱デバイス１８及び造形チャンバハウジング２２は、約３００℃の最大温度に至るまでの耐熱性を有する。ただし、通常の適用では、１５０～２００℃のより低い最大温度を必要とし得ることもある。

ハウジングがディフューザとして設計され、フロー誘導体３６が配置された造形チャンバ入口エリア３０を通じる流動中は、流体フロー１６の層流アライメントが構築されることになる。

したがって、フロー誘導体３６は、流体フロー１６の層流アライメントに対して少なくとも部分的に作用する。

ただし、ディフューザも、流体フロー１６の層流アライメントに対して作用する。

したがって、流体供給システム１０は、動作の準備ができた状態では、流体フロー１６が層流フローの形態で造形チャンバ２０を通じて流動可能なように設計される。

造形チャンバ入口エリア３０内では、粒子測定デバイス４４はまた、空気が造形チャンバ２０に進入する前に粒子数を測定し、それを測定変数として電子制御ユニットに利用可能とし得る。

制御ユニット（図１では不図示）は、ラジアルコンプレッサ４０の駆動システム（例えば、電気モータ）及び流体加熱デバイス１８を制御するのに用いられる。

制御ユニットは、流体供給システム１０に統合され、又は造形チャンバハウジング２２に配置され得る。

さらに、制御ユニットは、流体供給システム１０及び造形チャンバハウジング２２に位置するすべてのセンサに電気的に接続される。

したがって、流体供給システム１０及び３Ｄプリンタ１２は、１以上の圧力温度センサを有し得る。

造形チャンバ入口エリア３０と造形チャンバハウジング２２の間には、（例えば、多孔プレートの形態で）減圧デバイス４２が配置可能であり、それはラジアルコンプレッサ４０の動作のために必要な背圧を少なくとも部分的に生成する。

背圧は、ラジアルコンプレッサ４０が無抑制に「ランニングアップ」するのを防止するのに、すなわち、ラジアルコンプレッサ４０の無抑制の速度増加を回避するのに必要である。

減圧デバイス４２に加えて、他の要素は、誘導手段（例えば、フロー誘導体３６）及び流体滅菌フィルタリングデバイス３８などの減圧機能に関与し得る。

流体又はエアフロー１６は、減圧デバイス４２を通じて流動してから、造形チャンバ２０に流入する。

したがって、減圧デバイス４２、流体滅菌フィルタリングデバイス３８、流体加熱デバイス１８及びフローアライメントユニット３２は、流体フローの少なくとも５０Ｐａの減圧を生成可能である。

そして、すでに加熱された流体又はエアフロー１６は層流フローの形態で造形チャンバ２０を通じて流動し、それによりそれは、造形チャンバ２０の所望の加熱、及び３Ｄプリンタ１２を用いて可能な限り歪みが少ない構成要素の生成に寄与する。

さらに、造形チャンバ２０内側の流体フロー１６によって生成される圧力は、環境又は雰囲気からの追加的な粒子の負荷及び細菌汚染を回避するために、造形チャンバ２０の周囲の圧力よりも常時高くするべきである。

空気は、造形チャンバ２０を通じて流動した後にそれから流出し、ラジアルコンプレッサ４０によって再度引き込まれ、それにより上記の処理が繰り返される。

この処理は、印刷処理が完了するまで、又は例えば、誤作動（例えば、過剰に高い粒子濃度）が生じるまで繰り返される。

前記の処理はまた、空気以外の他の任意のプロセスガスでも実行可能であり、それにより流体としての空気は単に例に過ぎないと考えられる。

上記の処理が空気以外のプロセスガス（例えば、不活性ガス）で実行されることになった場合には、空気は、３Ｄプリンタの流体供給システム１０及び造形チャンバ２０から脱気されなくてはならない。

そして、流体供給システム１０は、気体接続４６を用いて空気以外のプロセスガスで充填可能である。

図２は、図１による流体供給システム１０の造形チャンバ入口エリア３０、及びそこに配置されたフロー誘導体３６の部分断面図を示す。

造形チャンバ入口エリア３０は、ディフューザ５０、及びディフューザ５０に取り付けられフロー誘導体３６の形態で実現されるフローアライメントユニット３２からなる。

ディフューザ５０は、それが造形チャンバに向かって漏斗の形状で広がるように（例えば、リニアに）シェル表面が形成された中空円錐として設計される。

２以上のフロー最適化固定支柱（図２では不図示）は、フロー誘導体３６をディフューザ５０の内壁に固定するように設けられ得る。

図２によるフロー誘導体３６は、ハーフドーム５２、及びハーフドームの最大断面エリアと同一平面であり造形チャンバに向かってテーパ状の回転体５４を有する滴形状の設計を有する。

回転体５４は、フロー誘導体３６の長軸又は回転軸に沿ってハーフドーム５２からテーパ状になり、先端で終了する。

フロー誘導体３６は、上記の本体で構成され又は一体化され得る。

フロー誘導体３６及びディフューザ５０は、同軸となるように配列される。

フロー誘導体３６の先端は、造形チャンバ２０に面する。

図３は、図１による３Ｄプリンタ１２及び流体供給システム１０のための収納フレーム５６の概略斜視図を示す。

収納フレーム５６は、３つの鉛直プロファイル支持体５８からなり、それは正三角形の角に従って相互に配列され、追加的交差ブレースによって格子状の形態で筋交いにされる。ただし原理上、基面は三角形である必要はない。正方形、矩形、又は他の形状若しくは平面図も考えられる。

断面も正三角形の形状を有する外部格子状フレーム６０を有する造形チャンバハウジング２２は、収納フレーム５６に取り付けられる。

フレーム６０は、搭載されると、上側パネル及び下側パネルを有し、下側パネルは、上側パネルが下側パネルと特定の高さで離間するように、重力方向で上側パネルの下に位置決めされる。

上側及び下側パネルはまた、双方とも正三角形として形成されるので、外部フレーム６０に加えて造形チャンバ２０を制限する。

上側パネルはまた、造形チャンバ入口エリア３０にも結合され、一方、下側パネルは、造形プラットフォームを支持し、ラジアルコンプレッサ４０のハウジングに結合される。

上側及び下側パネルの３つの角エリアは各々、垂直に配列された線形ガイド６２（すなわち、合計で３つの線形ガイド６２）によって接続され、その長さは上側と下側のパネルの間の高さに対応する。

各線形ガイド６２の外面形状はまた、それに対して垂直にスライド可能な搬器６４も誘導する。

３つの搬器６４の各々は２つのボール－ソケット接合部を有し、その各々に対してロッド形状のアームがその第１の端部にヒンジ留めされる。

各アームの第２の端部は印刷ヘッド２６に関節状に結合され、それはこの目的のためにアームの各対に対して２つのボール接合部も有する。

したがって図３によると、印刷ヘッド２６は合計で３対のボール接合部を有し、その各々は１つの搬器６４に向けられ、それに対して２対のアームが、３つの搬器６４を起点として各ケースにおいて連結される。

印刷ヘッド２６が組み立てられた場合には、アームの各対の双方のアームは、相互に平行となるように配列される。

したがって、造形チャンバ２０内の印刷ヘッド２６の三次元移動は、アーム対による３つの搬器６４へのそのキネマティック連結と、さらに３つの搬器６４のそれぞれの垂直線形移動とから得られる。

各搬器６４の垂直線形移動は、上側パネルの上方に位置するように支持体によって前記パネルに取り付けられた電気ステッピングモータ６６によって実現される。電気ステッピングモータ６６の代わりに、サーボモータ又は他の駆動ユニットが、原理上使用可能である。

ステッピングモータ６６を起点として、ベルト（例えば、歯付きベルト）は、円錐設計である線形ガイド６２の全長に沿って延在する。

磁気結合要素（例えば、他の内部誘導された搬器）が、ベルトに取り付けられ、線形ガイド６２の外面形状に配置され外部に誘導された搬器６４に磁気結合することによってベルトの線形移動を送信する。代替的に、搬器はまた、例えば、ケーブルプルシステム又はスクリュードライブによって直接駆動可能である。このように、内部搬器及び磁気結合はなくてもよい。

図４は、図１及び図３による３Ｄプリンタ１２の造形チャンバ２０のさらにより詳細な概略前面図を示す。

１０ 流体供給システム
１２ ＦＦＦ ３Ｄプリンタ
１４ 流体加圧生成デバイス
１６ 流体フロー
１８ 流体加熱デバイス、フローヒータ
２０ 造形チャンバ
２２ 造形チャンバハウジング
２４ 流体回路
２６ 印刷ヘッド
２８ 造形プラットフォーム
３０ 造形チャンバ入口エリア
３２ フローアライメントユニット
３４ フロー誘導構造体
３６ フロー誘導体
３８ 流体滅菌及びフィルタリングデバイス
４０ ラジアルコンプレッサ
４２ 減圧デバイス
４４ 粒子測定デバイス
４６ 気体接続
４８ パイプシステム
５０ ディフューザ
５２ ハーフドーム
５４ 回転体
５６ 収納フレーム
５８ プロファイル支持体
６０ フレーム
６２ 線形ガイド
６４ 搬器
６６ ステッピングモータ

Claims (15)

1. 少なくとも１つの３Ｄプリンタ（１２）、特に溶解フィラメント製造３Ｄプリンタ（１２）のための流体供給システム（１０）であって、
   流体フロー（１６）を加圧するための少なくとも１つの流体加圧生成デバイス（１４）と、
   前記流体フロー（１６）を加熱するための少なくとも１つの流体加熱デバイス（１８）と
   を備え、
   前記３Ｄプリンタ（１２）は、前記３Ｄプリンタ（１２）の周囲に対して少なくとも１つの造形チャンバハウジング（２２）によって区切られ且つ流体気密の形態で封止された少なくとも１つの造形チャンバ（２０）を有し、
   前記流体加圧生成デバイス（１４）、前記流体加熱デバイス（１８）及び前記造形チャンバハウジング（２２）は、流体接続されており、それによって前記流体フロー（１６）は、前記造形チャンバ（２０）を通じて流動可能であり、
   前記流体加圧生成デバイス（１４）、前記流体加熱デバイス（１８）及び前記造形チャンバハウジング（２２）は、前記造形チャンバ（２０）に進入する前に前記流体加熱デバイス（１８）によって加熱された流体フローに対して閉鎖された流体回路（２４）を画定する、前記流体供給システム（１０）。
2. 動作状態における前記流体供給システム（１０）は、前記流体フロー（１６）が実質的に層流フローの形態で前記造形チャンバ（２０）を通じて流動可能となるように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の流体供給システム（１０）。
3. 前記３Ｄプリンタ（１２）が、多軸及び／又は多次元の、特に三次元の形態で前記造形チャンバ（２０）内を移動可能である少なくとも１つの印刷ヘッド（２６）と、前記流体フロー（１６）の前記層流フローによって囲まれた少なくとも１つの造形プラットフォーム（２８）とを備えることを特徴とする請求項２に記載の流体供給システム（１０）。
4. 前記流体供給システム（１０）は、前記造形チャンバハウジング（２２）の上流に配置され、少なくとも１つのフローアライメントユニット（３２）が配置された、少なくとも１つの造形チャンバ入口エリア（３０）を備え、前記造形チャンバ入口エリア（３０）はディフューザの形態であることを特徴とする請求項２又は３に記載の流体供給システム（１０）。
5. 前記フローアライメントユニット（３２）が、少なくとも部分的に前記流体フロー（１６）の層流アライメントに対して、フロー誘導構造体（３４）、特にフロー誘導体（３６）を備えることを特徴とする請求項４に記載の流体供給システム（１０）。
6. 前記流体供給システム（１０）は、前記流体加圧生成デバイス（１４）、前記流体加熱デバイス（１８）及び前記造形チャンバハウジング（２２）に流体接続している少なくとも１つの流体滅菌及び／又は流体フィルタリングデバイス（３８）を備え、前記流体滅菌及び／又は流体フィルタリングデバイス（３８）、前記流体加圧生成デバイス（１４）、前記流体加熱デバイス（１８）、および前記造形チャンバハウジング（２２）が前記閉鎖された流体回路（２４）を画定することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
7. 前記流体フロー（１６）が、特に、約２０℃～約４００℃、好適には約３０℃～約３５０℃、特に好適には約５０℃～約３００℃の範囲の温度を有することを特徴とする請求項１に記載の流体供給システム（１０）。
8. 前記流体フロー（１６）が、前記造形チャンバ（２０）内で、特に、約０．０５ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、好適には約０．１ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、特に好適には約０．２ｍ／ｓ～約３ｍ／ｓの範囲の速度、特に平均速度を有することを特徴とする請求項１に記載の流体供給システム（１０）。
9. 前記流体滅菌及び／若しくは流体フィルタリングデバイス（３８）、前記流体加圧生成デバイス（１４）、前記流体加熱デバイス（１８）並びに／又は前記造形チャンバハウジング（２２）が、約３００℃の最大温度に至るまでの耐熱性を有することを特徴とする請求項６に記載の流体供給システム（１０）。
10. 前記流体加圧生成デバイス（１４）が、ターボコンプレッサ（４０）、特にラジアルコンプレッサ（４０）、又はベンチレータを含むフローマシンであることを特徴とする請求項１に記載の流体供給システム（１０）。
11. 少なくとも１つの減圧デバイス（４２）が、前記フローマシン（４０）の下流に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の流体供給システム（１０）。
12. 前記流体供給システム（１０）は、前記造形チャンバハウジング（２２）の上流に配置され、少なくとも１つのフローアライメントユニット（３２）が配置された、少なくとも１つの造形チャンバ入口エリア（３０）を備え、
    前記流体供給システム（１０）は、前記流体加圧生成デバイス（１４）、前記流体加熱デバイス（１８）及び前記造形チャンバハウジング（２２）に流体接続している少なくとも１つの流体滅菌及び／又は流体フィルタリングデバイス（３８）を備え、
    前記減圧デバイス（４２）、前記流体滅菌及び／若しくはフィルタリングデバイス（３８）、前記流体加熱デバイス（１８）並びに／又は前記フローアライメントユニット（３２）が、少なくとも５０Ｐａの前記流体フローの少なくとも減圧を生成可能であることを特徴とする請求項１１に記載の流体供給システム（１０）。
13. 前記流体供給システム（１０）は、前記造形チャンバハウジング（２２）の上流に配置され、少なくとも１つのフローアライメントユニット（３２）が配置された、少なくとも１つの造形チャンバ入口エリア（３０）を備え、
    前記流体供給システム（１０）が、前記３Ｄプリンタ（１２）の動作をモニタリングするために設けられ、前記フローアライメントユニット（３２）と前記造形チャンバハウジング（２２）の少なくとも１つの進入開口部との間の前記造形チャンバ入口エリア（３０）に配置された、粒子測定デバイス（４４）を備えることを特徴とする請求項４～１２のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
14. 前記流体フロー（１６）が、気体、特に空気である流体を含むことを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。
15. 前記流体供給システム（１０）は、前記３Ｄプリンタ（１２）が充填中に動作しない状態で、前記流体供給システム（１０）が空気以外の少なくとも１つのプロセスガスで充填可能であることによって、少なくとも１つの気体接続を有することを特徴とする請求項１～１４のいずれかに記載の流体供給システム（１０）。

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