JP7329859B2 - 多材料三次元印刷装置および２つ以上の材料の構造を作製する方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は２０１８年１０月２２日に出願された米国特許出願第１６／１６７，０８８号の優先権を主張するものであり、この米国出願は２０１８年６月７日に出願された「多材三次元プリンタ」と題する米国特許仮出願第６２／６８２，０６７号の優先権の利益を主張するものであり、それらの出願の内容は、その全体が参照により組み込まれる。

[発明の属する技術分野]
本発明は、２つ以上の材料の構造を作るための三次元印刷システムおよび関連する方法に関する。

三次元印刷の導入は、より迅速でより経済的な製造アプローチの可能性に高度の関心をもたらした。しかし、今日まで、その可能性はほとんど満たされていない。三次元プリンタの大部分は、デモンストレーション部品または非機能的プロトタイプを製造するために使用される。大部分では、デモ部品または非機能的試作品の大部分が最終部品の材料要求よりも、主にプリンタとの互換性のために選択されるプラスチック材料で作られている。高価値部品にはいくつかの注目すべき例外がある。例えば、ジョイントの交換具は、エネルギービーム溶融三次元プリンタおよびジェットバインダ三次元プリンタで作られた複雑な砂型鋳造コアで製造することができる。

これらの三次元プリンタの両者は粉末床技術を使用するが、粉末を所望の形状に固定するための異なるアプローチを有する。両者の用途は、その用途用に選ばれた技術材料を使用できるという利益をもたらす。これは、溶融堆積モデリングマシンのための溶融および固化特性、またはバット（vat）重合マシンでの使用のための重合特性のいずれかのために選択されたプラスチックとは対照的である。噴射バインダ三次元プリンタは、さらに、粉体の全層を迅速に堆積させ、所望のパターンをプリントヘッドのような高速インクジェットで固定することができるという利益をもたらす。噴射バインダ型三次元プリンタの最も重要な制限要因は、各層内の単一材料に対する制約である。

したがって、単一材料の制約に対処するために、粉末床および噴射バインダ技術を活用することができる三次元プリンタを提供する必要がある。

多材料三次元印刷装置を提供する。提供される装置は、２つ以上の印刷ステーションを含む。印刷ステーションの各々は、基板、搬送装置、分散装置、圧縮装置、印刷装置、固定装置、および流動材料除去装置を含む。装置はまた、搬送装置を介して２つ以上の印刷ステーションと連通する組立装置を含む。装置はまた、組立装置と連通する１つ以上の移送装置を含む。この装置はまた、２つ以上の印刷ステーション、組立装置、および１つ以上の移送装置の動作を制御するように構成された計算および制御装置を含む。

本開示のいくつかの実施形態では、移送装置が、印刷層を、基板から、ビルド基板のうちの少なくとも１つの上に、またはビルド基板に予め固定された印刷層の積層体の印刷層上に移送するように構成される。さらに、移送装置は、基板から印刷層を除去するように構成された取付け装置を含むピックアップアセンブリを含むことができる。いくつかの実施形態では、取付け装置が、印刷層を基板に保持する力に打ち勝つように構成された真空装置または接着装置を含む。移送装置は、印刷層を基板から組立装置に移動させるように構成された移行装置を含むことができる。

いくつかの実施形態では、流動化材料除去装置が、真空装置、破壊装置、およびエアナイフを含む。さらに、流動化材料除去装置は、基板上に堆積して圧縮された流動化材料のすべてを除去するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、固定装置が、ＩＲ放射線、ＵＶ放射線、および電子ビームの群から選択される少なくとも１つの放射エネルギー源を提供するように構成される。印刷装置は、基板の幅にまたがる噴射ノズルを備えたインクジェット式のプリントヘッドを含むことができる。代替の実施形態では、印刷装置が、基板の幅にまたがるのに必要な噴射ノズルがより少ない、インクジェット式のプリントヘッドを含む。

いくつかの実施形態では、圧縮装置は、振動を提供するように構成された沈降装置と、コンプライアント圧力カフ（compliant pressure cuff）またはローラのうちの少なくとも１つとを含む。圧縮装置は、流動化材料を流動化材料の理論密度の少なくとも４０％の高密度に圧縮するように構成することができる。

本開示のさらなる特徴および利点は、以下の説明に記載され、一部はこの説明から明らかであり、または本明細書に開示される原理の実施によって学習され得る。本開示の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される器具および組み合わせの装置によって実現および獲得され得る。本開示のこれらおよび他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から完全に明らかになるか、または本明細書に記載される原理の実施によって学習され得る。

上述の開示ならびにその利点および特徴を得ることができる方法を説明するために、添付の図面に示される特定の例を参照することによって、上述の原理のより具体的な説明が行われる。これらの図面は本開示の例示的な態様のみを描写し、したがって、その範囲を限定するものと見なされるべきではない。これらの原理は、以下の図面を使用することによって、さらなる特異性および詳細を伴って記載および説明される。

本開示の一実施形態による、連続基板を有する印刷ステーションおよびアセンブリ装置の概略図である。 本開示の一実施形態による、多材料三次元プリンタの概略図である。 本開示の一実施形態による、代替キャリアデバイスを有する印刷ステーションおよびアセンブリ装置の概略図である。 本開示の一実施形態による、各印刷ステーションによって２つ以上の材料からなる構造を作るプロセスを説明するフローチャートである。 本開示の一実施形態による、三次元プリンタ全体によって２つ以上の材料からなる構造を作るプロセスを説明するフローチャートである。 本開示の一実施形態による、システムレベルのコンピューティングおよび制御デバイスの概略図である。 本開示の一実施形態による、個々の印刷ステーションコントローラの概略図である。 本開示の一実施形態による、流動化した材料の除去装置の概略図である。 本開示の一実施形態による、移送装置の代替実施形態の概略図である。 本開示の一実施形態による、取付装置の代替実施形態の図である。 本開示の一実施形態による、取付装置の代替実施形態の図である。 本開示の一実施形態による、取付装置の代替実施形態の図である。

本発明は添付の図面を参照して説明され、同様の参照番号は同様または同等の要素を示すために図面全体にわたって使用される。図面は、一定の縮尺で描かれておらず、単に本発明を例示するために提供されているに過ぎない。本発明のいくつかの態様を、例示のための例示的な用途を参照して以下に説明する。本発明の完全な理解を提供するために、多数の詳細特定事項、関係、および方法が記載されていることを理解されたい。しかし、当業者は、本発明が１つ以上の特定の詳細なしに、または他の方法を用いて実施され得ることを容易に認識する。他の例では、本発明を曖昧にすることを避けるために、周知の構造または動作は詳細には示されていない。本発明は、いくつかの行為が異なる順序で、および／または他の行為または出来事と同時に起こり得るので、行為または出来事の図示された順序によって限定されない。さらに、本発明による方法を実施するために、すべての例示された動作または出来事が必要とされるわけではない。

前述の観点から、本明細書に開示される実施形態は、２つ以上の材料からなる構造を作るための三次元印刷システムおよび関連する方法を対象とする。開示された三次元印刷システムは単一材料の制約に対処するために、粉末床およびジェットバインダ技術を活用する。本開示は、各層が１つ以上の材料を含む層状の構造を構築することを教示する。開示された方法はまた、コンピュータ支援設計およびドラフティング（ＣＡＤ）ソフトウェアの使用を通じて、各層の個々の材料の各々をパターン化し、これらの個々の材料スライスを所望の三次元構造に組み合わせることを教示する。各層の各材料が印刷されるとき、それは、３次元で、および２つ以上の材料で所望の構造を作製するために、先に印刷された層上に順に積み重ねられる。

溶解堆積モデル(FDM:Fused Deposition Modeling)及び押出に基づく三次元プリンタは、複数の材料又は非常に類似した材料の複数の色を堆積することが可能であるが、三次元印刷のためのこれらの技術はいずれも極端に遅く、非常に限られた材料セットを提示する。本開示は、従来の個別アセンブリおよびサブトラクティブ成形プロセスに対して十分なコスト競争力を持つ材料堆積速度に適応する粉末床およびジェットバインダ技術を教示する。さらに、ジェットバインダ技術は、極めて広範囲の有機および無機材料の適用を可能にするという材料における柔軟性を与える。

さらに、従来のジェットバインダ三次元プリンタは、先の層の上に直接単一材料の全層を堆積し、圧縮し、堆積した粉末層にバインダを付与することによってパターンを形作ることによって三次元構造を構築する。ジェットバインダによって所定の位置に固定されていない所与の層内の粉末は、平坦で凹凸の無い表面を続けており、次の粉末の層を受け取るために所定の位置に残される。本開示は基板上の各層のために各材料を作製することを教示している。基板は、搬送装置の一部と関連付けられ得るか、または搬送装置に固定され得る。搬送装置は、所望の三次元対象物を作り出すために個々に印刷された層が組み立てられるアセンブリ装置とは別個にすることができる。本開示はまた、材料の各々のための材料堆積およびパターニングシステム（まとめて印刷ステーション）を教示する。

印刷ステーションの各々は、基板上に均一かつ高密度の層で流動化材料を分配することができる分配装置を含むことができる。各印刷ステーションはさらに、流動化材料の理論密度の少なくとも４０％の見掛け密度を有するように、堆積された流動化材料を圧縮することができる圧縮装置を含むことができる。各印刷ステーションはまた、液体結合材料を正確なパターンで分配することができる印刷装置を含むことができ、パターンおよび分配は、完全に自動化された様式で予め設定されたＣＡＤ設計によって駆動される。各印刷ステーションはまた、液体結合材料を硬化させて、液体結合材料にさらされた流動化材料の部分を強固に固定するように構成された固定装置を含むことができる。各印刷ステーションはまた、分散装置によって分散した流動化材料の部分を取り除くように構成された材料除去装置を含むことができる。その部分は、印刷装置によって分散された液体結合材料にさらされなかったものである。基板は、硬化した液体結合材料の印刷層によって定位置に固定された流動化材料の部分をアセンブリ装置に移すように構成されることができる。アセンブリ装置はまた、印刷層をビルド基板上に、またはビルド基板に予め固定された積み重ね印刷層の印刷層上に正確に移すことができる移送装置を含むことができる。ビルド基板または積み重ねた層の上の任意の単一の完全な層は、１つ以上の印刷ステーションからの印刷層を含むことができ、１つの印刷層の空の部分が、別の印刷ステーションからの他の印刷層の異なる材料で正確に充填されるように整列される。

図１は、本開示の一実施形態による、連続基板を有する印刷ステーションおよびアセンブリ装置を概略的に示す。印刷ステーションは、キャリア装置１２を含むことができる。いくつかの実施形態では、キャリア装置１２が、材料を第１の位置から第２の位置に搬送又は移動させるように構成されたコンベアを含むことができる。コンベアは、ベルトと、ベルトをある方向に前進させるために同じ方向に回転するように構成された２つの回転要素１５とを含むことができる。キャリア装置１２は、遠位端および近位端を有し得る。キャリア装置１２は、基板１０を遠位端から近位端に搬送することができる。基板１０は、移送装置７６が印刷された層（図１には示されていない）をビルド基板８０に搬送することができる位置まで、２つの回転要素１５によって位置決めされ得る。

キャリア装置１２の遠位端には、分配装置２０を設けることができる。分配装置２０は単に、流動化された材料を分配するように構成されたディスペンサとすることができる。分配装置２０は、材料貯蔵部２１と分配コントローラ２２とを含むことができる。分配コントローラ２２は、基板１０上に堆積された流動化材料の量を正確に計量するように構成することができる。分配コントローラ２２は、堆積した流動化材料の均一性を正確に制御するように構成することもできる。

キャリア装置１２の遠位端付近には、圧縮装置３０を設けることができる。いくつかの実施形態では、圧縮装置３０が、円筒管として設計された硬化金属材料で構成されたローラを含むことができる。他の実施形態では、圧縮装置３０がコンプライアント圧力カフ、または堆積した流動化材料および基板１０の平面に直交する制御圧力を印加するように構成された別の装置を含むことができる。圧縮装置３０はまた、振動を提供するように構成された沈降装置（settling device）を含むことができる。圧縮装置３０の振動は、流動化材料の分布および圧縮を改善することができる。いくつかの実施形態では、圧縮装置３０が流動化材料を、流動化材料の理論密度の少なくとも４０％の高密度に圧縮するように構成することができる。

キャリア装置１２の遠位端の近くに、印刷装置４０を設けることができる。印刷装置４０は、液体結合材料を堆積させて、流動化材料に正確なパターンを固定するように構成することができる。正確なパターンは、流動化材料を連結された堅牢な塊に結合することによって、流動化材料に固定されることができる。いくつかの実施形態では、印刷装置４０がコンピュータ（図示せず）の直接制御下にあるインクジェットタイプの印刷ヘッドとすることができる。コンピュータは一組のパターニング命令、例えば、予め設定されたＣＡＤ設計を使用して命令されることができる。

印刷装置４０は、基板１０の幅にまたがる噴射ノズルを備えたインクジェット式の印刷ヘッドを含むことができる。インクジェット式印刷ヘッドは、所望の印刷解像度を達成するのに十分な密度で位置決めすることもできる。インクジェット式ヘッドは所定の位置に固定することができ、各噴射ノズルの機能は回転要素１５上の基体１０の動きと協調させることができ、流動化材料に所望のパターンを作り出すことができる。

代替の実施形態では、印刷装置４０が基板１０の幅にわたって必要とされるよりも少ない噴射ノズルを含み、しかも所望の解像度を達成するインクジェットヘッドを含むことができる。インクジェットタイプのヘッドはコンピュータ制御の下で、基板１０の幅にわたって移動可能であり、インクジェットタイプの印刷ヘッドと回転要素１５の両方の移動を協調させて、流動化材料中に所望の固定された印刷パターンを達成することができる。

キャリア装置１２の中央付近には、固定装置５０を設けることができる。固定装置５０は、液体結合材料を固化させることによって、液体結合材料にさらされた流動化材料を強固な固体パターンで固定するように構成することができる。固定装置５０は、液体結合材料と相互作用して液体結合材料を固体にすることができる放射エネルギー源とすることができる。いくつかの実施形態では、放射エネルギーがＩＲ放射線、ＵＶ放射線、電子ビーム、または他の公知の放射線タイプであり得る。このリストは例示的な実施形態のために提示されており、網羅的であることを意図していないので、固定装置５０は、開示された放射線タイプに限定される必要はないことを理解されたい。あるいは、固定装置５０が反応剤を分散させるための装置を含むことができる。反応剤は、液体結合材料および流動化材料と反応して、流動化材料を強固な塊に変換するように構成することができる。

固定装置５０の下流には、流動化材料除去装置６０を設けることができる。流動化材料除去装置６０は、基板１０上に堆積して圧縮された流動化材料の全てを除去するように構成することができる。流動化材料除去装置６０は基板上に堆積して圧縮されているが、液体結合材料によって所定位置に固定されていない流動化材料を除去することができる。ここで図８を参照すると、流動材料除去装置６０がより詳細に図示されている。

流動化材料除去装置６０は、エンクロージャ６３を含むことができる。エンクロージャは、遠位端および近位端を有することができる。印刷層８８は、エンクロージャ６３の遠位端から基材１０に沿って近位端まで移されることができる。エンクロージャ６３は、圧縮された粉末８４をほぐすために、ブラシまたはプローブなどの破壊装置６１を含むことができる。残留粉末８６は、エアナイフ装置６２によってさらに移動させることができる。破壊装置６１は、定位置に固定されていない圧縮粉末を破壊するのに十分な破壊強度を有するように設計することができる。破壊装置６１は、結合剤で処理され、図１の固定装置５０によって固定された圧縮粉末を除去しないように構成されている。固定されていない圧縮粉末８４がエンクロージャ６３内で十分に動かされ、エアロゾル化されると、いくらかの固定粉末８８が基材１０に付着したままになることができる。エアロゾル化された圧縮粉末８４は、真空ポート６４によって基板から除去することができる。流動化材料除去装置６０の他の例示的な実施形態は、本明細書に列挙されるよりも多い又は少ない装置を含むことができることを理解されたい。

図１に戻って参照すると、移送装置７６は、アセンブリ装置内の流動材料除去装置６０から下流で実施することができる。移送装置７６は、印刷層（図２に参照番号９０で示す）を基板１０から移動させるように構成することができる。印刷層９０は、基板１０からビルド基板８０へ、または先に配置された層９１の積み重ねの上部へ移動させることができる。移送装置７６はまた、ピックアップアセンブリを含むことができる。ピックアップアセンブリは、基板１０から印刷層９０を除去するように構成された取付装置７１を含むことができる。取付け装置７１は、印刷層９０を基板１０に保持する力に打ち勝つための真空装置または接着装置を含むことができる。移送装置７６はまた、印刷層９０を基板１０から組立装置８１に移動させるように構成された移行装置７５を含むことができる。

ここで図９を参照すると、移送装置１２０の代替実施形態が示されている。移送装置１２０は、取付け装置７１と連通することができるエンドエフェクタ７８を含むことができる。移送装置１２０は、基板１０上の印刷層９０に対して取付け装置７１を正確に位置決めするように構成することができる。エンドエフェクタ７８は、取付け装置７１をして、基板１０から印刷層９０を除去させるようにすることができる。基板１０は位置合わせ基準点１１０を含み、位置合わせセンサ１０５との協調を可能にすることができる。また、エンドエフェクタ７８は、内側アーム１２６に作用するジョイント１２２と、外側アーム１２８に作用する２つのジョイント１２４との間で協調しながら、アタッチメント装置７１に対して正確な垂直及び回転移行を提供することができる。

図９はまた、印刷ステーションの別の配置を示す。いくつかの実施形態では、印刷ステーションが単一の列に配向することができる。移送装置１２０は、取付け装置７１が基板上の印刷層のいずれか１つにアクセスできるようにする任意の位置に配置されることができる。ビルドプラットフォーム８０は、移送装置１２０の範囲内のどこにでも配置することができる。図１に関して上述したように、ビルドプラットフォーム８０は、エレベータ装置を含むことができる。代替の実施形態ではビルドプラットフォーム８０は固定され得、取付け装置７１はエンドエフェクタ７８を使用して上昇または下降され得る。

印刷層９０Ａ、９０Ｂ、および９０Ｃはそれぞれ、３つの印刷ステーション１の製品を表し、それぞれが異なる材料を有する印刷層を生成する。多材料製品を構築するためには、少なくとも２つの印刷ステーションが必要である。しかし、多材料印刷システムに組み込むことができる印刷ステーションの最大数はないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、組立装置８１がビルドプレート８０、位置合わせ基準点１１０、およびエレベータ装置１００（図１および図３参照）を含むことができる。ビルドプレート８０はまた、構築が完了した後に容易に解放することを可能にしながら、ビルド製品の位置を維持するように構成された接着修正装置（図示せず）を含むことができる。接着修正装置は、第１の印刷層とビルドプレート８０との間の界面を、熱的、電気的、磁気的、または機械的に刺激することによって、接着を修正することができる。

図１に戻って参照すると、エレベータ装置１００は、前もって位置決めされた層９１の積層体の最上部のレベルを維持するように構成されている。好ましい実施例では、エレベータ装置１００がリードねじを含むことができる。代替実施形態では、エレベータ装置１００がリニアモータ装置を含むことができる。図９に戻って参照すると、ビルドプレート８０上および前もって位置決めされた層９１の上部に印刷された層の正確な位置合わせを容易にするために、位置合わせ基準点１１０を設けることができる。位置合わせ基準点１１０は、位置合わせセンサ１０５及びコンピュータ制御システムと協調して使用して、印刷された層９０を前もって位置決めされた層９１の積み重ね体の頂部と正確に位置合わせすることができる。位置合わせ基準点は、ビルドプレート８０の表面に組み込むことができる。別の実施形態では、位置合わせ基準点１１０がビルドプレート８０の表面から突出することができる。ビルドプレート８０のさらに別の実施形態では、位置合わせ基準点１１０が現在の印刷された層の高さに比例する距離だけビルドプレート８０の表面から突出することができる。

また、取付装置７１は印刷された層９０が予め位置決めされたときに、位置合わせ基準点１１０と位置合わせされる位置合わせセンサ１０５を含むことができる。いくつかの実施形態では、位置合わせセンサ１０５及び位置合わせ基準点１１０が協調して、アライメントセンサ１０５がアライメント基準点１１０に対する位置を０．０１ｍｍ以内に検出することを可能にするように、設計されることができる。アライメントセンサ１０５は、光学センサ、レーザセンサ、磁気センサ、超音波センサ、または機械センサとすることができる。複数の位置合わせセンサおよび関連する位置合わせ基準点１１０は、アタッチメント装置７１、ビルドプレート８０、および基板１０の間の正確な位置合わせのための位置合わせシステムを構成することができる。

取付け装置７１は、図１０を参照してさらに詳細に説明されている。取付け装置７１は、取付装置ベース７９、接着装置７３、および接着修正器７４を含むことができる。取付装置ベース７９は、エンドエフェクタ７８に接続されることができる。接着装置７３は、真空装置（図示せず）及び接着面装置を含むことができる。いくつかの例示的な実施形態では、接着表面装置がジェルパッド、マイクロヘアデバイス、または静電気デバイスを含むことができる。本明細書では、他の接着剤表面デバイスを実施することができることを理解されたい。接着力の強さは、接着修正器７４で接着装置７３に刺激を加えることによって修正することができる。例えば、接着修正器７４は、接着装置７３に熱的、電気的、磁気的または機械的刺激を加えるように構成することができる。

移送ステーション７０はまた、基材１０の一部分と、接着力低減装置６８とを含むことができる。印刷層９０は、基材１０の移動によって移送ステーション７０内に循環させることができる。印刷層９０は、基板１０の表面と接触する固定粉末の接着特性によって、基板１０の表面に接着することができる。基板１０または個別プラットフォーム１１の表面は、固定粉末８８に所定の接着力を与えるように設計することができる。接着力低減器６８は、固定粉末８８と基材１０の表面との間の界面に刺激を与えて、接着力を低減し、印刷層（図示せず）の取付け装置７１への移送を容易にすることができる。接着力低減層６８によって提供される刺激は、熱的、電気的、磁気的、または機械的であり得る。いくつかの実施形態では、基板１０から取付け装置７１への印刷層９０の移送を、接着装置７３への直接接触によって容易にすることができる。いくつかの実施形態では、基板１０から取付け装置７１への印刷層９０の移送を、接着力修正器７４の活性化、または接着力低減器６８の活性化、またはその両方の組合せによって容易にすることができる。

図１１は、取付け装置７１の別の実施形態を示す。図１１の取付け装置７１は、形状修正器７２をさらに含むことができる。形状修正器７２は、基板１０から接着装置７３への印刷層８８の移送をより容易にするために、剥離作用を提供することができる。形状修正器７２は、予め形成された湾曲構造を含むことができる。湾曲構造は、曲面に垂直に加えられる機械的圧力によって平坦化され得る弾性材料で構成することができる。取付け装置７１の代替実施形態では、形状修正器７２を、空気力、油圧力、または機械力を加えることによって平坦な表面または湾曲した表面を形成するように修正することができる調整可能構造とすることができる。

図１２は、取付け装置７１の別の実施形態を示す。図１２の取付け装置７１は、丸みを帯びた表面を有する取付装置ベース７９をさらに含むことができる。取付装置ベース７９は上述のように、接着装置７３および接着修正器７４を含むことができる。取付け装置７１はまた、エンドエフェクタ７８の周りで旋回するように構成され得、その結果、取付け装置７１は、印刷層９０を回転させ、剥がすように構成され得る。剥離作用は、基材１０から接着装置７３への、および接着装置７３から以前に配置された層への印刷層９０の移送のより大きな制御を提供することができる。

再び図１を参照すると、印刷ステーションは、連続ウェブを配置することができる。連続ウェブは材料のループであってもよく、印刷層９０が移送装置７６に解放された後に印刷ステーション１の始点に戻る。連続ウェブは、丈夫なポリマーフィルムのロール又は金属箔のロールのような細長い構造であってもよい。連続ウェブは印刷ステーション１を１回通過することができ、次いで、廃棄または回収されるように印刷ステーションから取り出すことができる。

図２は、本開示の一実施形態による、多材料三次元プリンタの概略図を示す。三次元プリンタは、複数のワークステーションを含むことができる。各ワークステーションは、移送ステーション７０および印刷ステーション１を含むことができる。印刷ステーション１は、図１の基材１０、回転要素１５、分配装置２０、圧縮装置３０、印刷装置４０、固定装置５０、および流動化流体材料除去装置６０を含むことができ、移送ステーション７０は、移送装置７６およびその構成要素のすべてを含むことができる。多材料三次元プリンタは、最終印刷部に含まれる各異なる材料のための単一の印刷ステーション１を含むことができる。各印刷ステーションは、最終印刷部の各完全層に１つの材料を寄与させることができる。さらに、最終印刷部の各完全な層は、１つの材料から印刷ステーションと同じ数の材料までを含むことができる。各材料はビルド基板８０上に、または前もって位置決めされた層９１の積層体の頂部に移送され、ビルド基板８０に関連する位置合わせ基準点と正確に位置合わせされることができる。アライメント（位置合わせ）は、印刷物の上面が同一平面上にあり、上面内に後続の材料が存在しない場合には、完全で正確であると見なされる。

図２は各印刷ステーション１のための単一の移送装置７６を例示しているが、いくつかの実施形態では移送装置７６が各印刷ステーション１の移送位置７０にアクセスするように構成することができる。この実施形態では、移送装置７６が、印刷された層９０を各印刷ステーションから移送して、基板８０を構築するか、または以前に配置された層９１の積層体の上部に移送するように構成することができる。移送装置７６は、印刷層９０を、ビルド基板８０に関連する位置合わせ基準と正確に位置合わせされた、以前に位置決めされた層９１の積層体の上部に移送するように構成することができる。別の実施形態では、移送装置７６を各印刷ステーション１に設けることができる。各移送装置７６は、関連する移送位置７０から、ビルド基板８０へ、または先に位置決めされた層９１の積層体の上部へ、印刷層８０を正確に移送するように構成されることができる。

別の代替実施形態では、印刷ステーション１に対する移送装置７６の比率を、印刷の必要性および戦略に基づいて任意の数に変えることができる。移送装置７６の数にかかわらず、各移送装置７６は、関連する移送位置７０から印刷層９０を正確に移送して、基板８０を構築するか、または以前に配置された層９１の積層体上に被せることができる。

多材料三次元プリンタはまた、単一の組立装置８１を含むことができる。この実施形態では、対象構築物のすべての層が一つずつ積み重ねられ、各層は、１つからいくつかの異なる材料を用いている。各層の構成要素は次の層にしっかりと結合される。最終構造は、少なくとも２つの異なる材料のモノリシック構造を含む固体塊であり得る。２つ以上の別個の材料構造の各々は、少なくとも１つの他の別個の材料構造と連続することができる。別個の材料構造は、１つの印刷層のみからの材料、または２つ以上の印刷層からの材料から構成することができる。組立装置８１は、ビルド基板８０を含むことができる。いくつかの実施形態では、ビルド基板８０がビルドプロセス全体を通して、以前に配置された層９１の積層体を保持するように設計された表面を備えることができる。積層体を保持する表面はまた、構築プロセスの完了時にビルド基板８０からの対象物の除去を容易にするように構成することができる。組立装置８１は各印刷層の正確な配置を容易にするために、位置基準を含むこともできる。いくつかの実施形態では、ビルド基板８０を構築プロセス中に固定位置に配置することができる。代替の実施形態では、ビルド基板８０がエレベータ装置１００を含んで、多材料三次元プリンタの他の構成要素に対して所望の高さで、先に配置された層９１の積層体の上面を現れるようにすることができる。

多材料三次元プリンタはまた、計算及び制御装置を含むことができる。コンピューティングおよび制御装置は例えば、事前設定されたＣＡＤ設計からの印刷命令を解釈して、主要な構成要素のすべての動作を指示し、調整することができる。所望の構造に必要な原材料を供給すると、計算および制御装置は、２つ以上の材料で構成される所望の三次元部品を自律的に製造することができる。コンピューティングおよび制御デバイスは、図６を参照して以下でより詳細に説明される。

図３は、本開示の一実施形態による、代替印刷ステーションおよび連続基板を有する組立装置を概略的に示す。キャリア装置１４は、別個のプラットフォーム１１を含むことができる。個別のプラットフォーム１１を、移送装置１７を介してビルド基板８０に向かって前進させることができる。個別のプラットフォーム１１は、印刷ステーション１を通って移送装置７６まで往復することができる。本実施形態は、連続ウェブを配置することができる。連続ウェブは材料のループであってもよく、印刷層９０が移送装置７６に解放された後に印刷ステーション１の始点に戻る。連続ウェブは、丈夫なポリマーフィルムのロール又は金属箔のロールのような細長い構造であってもよい。連続ウェブは印刷ステーション１を１回通過することができ、次いで、廃棄または回収されるように印刷ステーションから取り出すことができる。

図４は、本開示の実施形態による、（図２の）各印刷ステーション１によって２つ以上の材料の構造を作製するプロセス４００を説明するフローチャートを示す。プロセス４００の以下の説明は図２の三次元プリンタの構成要素を参照して詳細に説明される。プロセス４００はステップ４０１で開始し、ここで、多材料物体デザインは印刷厚さ層に分割される。次に、ステップ４０２において、層は単一の材料パターンに分離される。各単一材料パターンは、三次元プリンタの印刷ステーション１に送られることができる。各印刷ステーション１は、各単一材料パターンに対してステップ４０３～４１７を実行することができる。

印刷ステーション１は、ステップ４０３で、第１の層の材料に対する印刷命令を受け取ることができる。印刷ステーション１は、多材料物体デザインの各層についてステップ４０３～４１７を実行することができる。ステップ４０４では、第１の層のための単一材料パターンの材料を基板上に分散させることができる。ステップ４０５では、分散された材料を圧縮装置に移動させるために、基板を割り出すことができる。材料はステップ４０６で圧縮される。ステップ４０７では、分散された材料を印刷装置に移動させるために、基板にインデックスを付けることができる。ステップ４０８では、バインダ（結合材）を圧縮材料上に所定のパターンで分散させることができる。ステップ４０９において、基板は、パターン化された材料を固定装置に移動させるためにインデックスを付けられ得る。結合材のパターンは、ステップ４１０において、固定放射線で固定させることができる。ステップ４１１において、基板は、固定パターンを流動化材料除去装置に移動させるためにインデックスされ得る。ステップ４１２において、バインダによって定位置に固定されていない圧縮された材料を除去することができる。ステップ４１３では、基板を割出して、パターン化され固定された材料を移送ステーションに移動させることができる。

ステップ４１４では、印刷層がコンピュータ制御システムによって指示されると、ビルド基板８０に、または以前に配置された層９１の積層体の最上部に移送される。ステップ４１５で判定が行われる。具体的には、プロセス４００が最後の層が印刷されたかどうかを判定する。ステップ４１５で最後の層が印刷されたと判定された場合、プロセス４００はステップ４１６に進み、印刷が終了する。対照的に、ステップ４１５で最後の層が印刷されなかった場合、プロセス４００は４１７に進み、次の層の印刷命令が送られる。ステップ４１７の後、プロセス４００は、ステップ４０４～４１７を循環して戻る。

図５は、本開示の一実施形態による、三次元プリンタによって２つ以上の材料の構造を作製するためのプロセス５００を説明するフローチャートを示す。プロセス５００の以下の説明は図２の三次元プリンタの構成要素を参照して詳細に説明され、プロセス５００はステップ５０１で開始し、ここで、多材料物体デザインは印刷厚さ層に分割される。次に、ステップ５０２において、第１の層が選択される。層内の異なる材料は、ステップ５０３で識別される。ステップ５０４～５０６は、層内で識別された各材料に対して実行することができる。

ステップ５０４で、各材料を印刷ステーション１に割り当てることができる。プロセス５００はステップ５０５に進み、ここで材料対象物が各印刷ステーション１によって作製される。ステップ５０６において、印刷された材料をビルドプレートに移送することができる。ステップ５０７で、三次元プリンタが最後の部分を印刷したかどうかについて判定が行われる。ステップ５０７で最後の部品が印刷されたと判定された場合、プロセス５００はステップ５０８に進み、印刷が終了し、部品がビルドプレートから除去される。最後の部分が印刷されていないと判定された場合、プロセス５００はステップ５０９に進み、層上の最後の印刷が完了したかどうかが判定される。層上の最後の印刷が完了したと判定された場合、プロセス５００はステップ５１０に進み、ビルドプレートが次のプレートの厚さまでインクリメント（増量）される。プロセスはステップ５０９および５１０からステップ５１１に進み、次の層が選択される。この時点で、プロセス５００はステップ５０３から継続する。このプロセスは、最後の部分がプリントされるまで継続される（ステップ５０７でＹＥＳ）。

図６は、本開示の一実施形態による、システムレベルのコンピューティング（計算）および制御装置６００の概略図を示す。計算および制御装置６００は、サーバ、パーソナルコンピュータ、ポータブルコンピュータ、シンクライアント（thin client）、または任意の適切な装置とすることができる。開示および／またはその構成要素は、電気ケーブル、光ファイバケーブルなどの任意の通信媒体を介して、またはワイヤレス方式で、任意の適切な通信プロトコルを使用して一緒に接続される、単一の場所にある単一のデバイス、または単一の、もしくは複数の場所にある複数のデバイスとすることができる。入力装置６０２は例えば予め設定されたＣＡＤ設計ファイル６０１から印刷命令を受け取り、印刷ステーションの主要構成要素の全ての動作を指示し、調整することができる。入力装置６０２、出力装置６０３、およびメモリ６０５に接続された中央処理装置６０４は、２つ以上の材料で構成される所望の三次元部品の三次元印刷を開始するように構成される。各材料は、使用される材料の量に基づいて、特定の印刷ステーション６０７（１）、６０７（２）～６０７（ｎ）に割り当てることができる。中央処理装置６０４は、インタフェースバス６０６を介して各印刷ステーションとインタフェースすることができる。

図７は、本開示の一実施形態による、個々の印刷ステーションコントローラの概略図を示す。上述のように、中央処理ユニット６０４は印刷ステーション制御ユニット６０７（１）に、特定の材料の印刷製品を印刷するように指示することができる。印刷ステーション制御ユニット６０７（１）は上述したように、印刷ステーション１の全ての構成要素に対応するデバイスコントローラ７００に印刷命令を伝達することができる。

本発明の特定の実施形態を示し、説明したが、当業者には本発明から逸脱することなく、そのより広い態様で変更および修正を行うことができることが明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内にあるそのようなすべての変更および修正を包含することである。前述の説明および添付の図面に記載された事項は、限定としてではなく、例示としてのみ提供される。本発明の実際の範囲は先行技術に基づく適切な観点から見たときに、以下の特許請求の範囲において定義されることが意図される。

本明細書で使用される用語は特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は文脈がそうではないことを明確に示さない限り、複数形も含むことが意図されている。さらに、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｈａｓ（有する）」、「ｗｉｔｈ（有する）」、またはそれらの変形が詳細な説明および／または特許請求の範囲のいずれかで使用される程度まで、そのような用語は、用語「備える」と同様に包括的であることが意図されている。

別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書で定義されるような用語は関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明示的にそのように定義されない限り、理想化された、または過度に形式的な意味で解釈されるべきではない。

Claims (17)

1. 多材料三次元印刷装置であって、
   ２つ以上の印刷ステーションを備え、
   前記２つ以上の印刷ステーションの各々は、基板、１つ以上のキャリア装置、分配装置、圧縮装置、印刷装置、固定装置、流動化材料除去装置、組立装置、および１つ以上の移送装置の動作を制御するように構成された計算および制御装置を含み、
   前記流動化材料除去装置は、前記固定装置に固定されずに、基板上に堆積して圧縮された流動化材料を除去するように構成され、
   １つ以上の前記移送装置は、１つ以上の前記キャリア装置を介して２つ以上の印刷ステーションと連通し、
   前記組立装置は、１つ以上の前記移送装置を介して２つ以上の印刷ステーションと連通し、
   前記計算および制御装置は、２つ以上の印刷ステーション、組立装置、および１つ以上の移送装置の動作を制御するように構成され、
   前記基板は、１以上のキャリア装置上に配置され、
   前記キャリア装置は、前記基板を第１の位置から第２の位置へ移送し、
   少なくとも１以上の移送装置は、取付装置を含むピックアップアセンブリを備え、
   前記取付装置は、印刷層を前記基板上の前記第２の位置から持ち上げて、前記印刷層を前記組立装置へ移動させる、多材料三次元印刷装置。
2. 前記移送装置は、前記基板から、ビルド基板上または前記ビルド基板に予め固定された印刷層積層体の印刷層上のうちの少なくとも一方に、前記印刷層を移送するように構成される、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
3. 前記取付装置は、前記印刷層を前記基板に保持する力に打ち勝つように構成された真空装置または接着装置のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
4. 前記移送装置は、前記印刷層を前記基板から前記組立装置に移動させるように構成された移行装置を備える、請求項２に記載の多材料三次元印刷装置。
5. 前記流動化材料除去装置は、真空装置、破壊装置、またはエアナイフのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
6. 前記固定装置は、ＩＲ放射線、ＵＶ放射線、および電子ビームの群から選択される少なくとも１つの放射エネルギー源を提供するように構成される、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
7. 前記印刷装置は、前記基板の幅にまたがる噴射ノズルを備えたインクジェット式プリントヘッドを備える、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
8. 前記印刷装置は、前記基板の幅に収まるように配置される噴射ノズルを有するインクジェット式のプリントヘッドを備える、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
9. 前記圧縮装置は、振動を提供するように構成された沈降装置と、コンプライアント圧力カフまたはローラのうちの少なくとも１つとを備える、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
10. 前記圧縮装置は、流動化材料を前記流動化材料の理論密度の少なくとも４０％の高密度に圧縮するように構成される、請求項９に記載の多材料三次元印刷装置。
11. 前記組立装置は、ビルド基板と位置基準とを備え、前記ビルド基板上への各印刷層の正確な配置を容易にする、請求項１に記載の多材料三次元印刷装置。
12. 多材料三次元印刷装置であって、
    ２つ以上の印刷ステーションを備え、
    前記２つ以上の印刷ステーションの各々は、連続基板、１つ以上のキャリア装置、分配装置、圧縮装置、印刷装置、固定装置、流動化材料除去装置、組立装置、および１つ以上の移送装置の動作を制御するように構成された計算および制御装置を含み、
    前記流動化材料除去装置は、前記固定装置に固定されずに、基板上に堆積して圧縮された流動化材料を除去するように構成され、
    １つ以上の前記移送装置は、１つ以上の前記キャリア装置を介して２つ以上の印刷ステーションと連通し、
    前記組立装置は、１つ以上の前記移送装置を介して２つ以上の印刷ステーションと連通し、
    前記計算および制御装置は、２つ以上の印刷ステーション、組立装置、および１つ以上の移送装置の動作を制御するように構成され、
    前記連続基板は、１以上のキャリア装置上に配置され、
    前記キャリア装置は、前記連続基板を第１の位置から第２の位置へ移送し、
    少なくとも１以上の移送装置は、可動取付装置を含むピックアップアセンブリを備え、
    前記可動取付装置は、印刷層を前記連続基板上の前記第２の位置から取り出すように形成される、多材料三次元印刷装置。
13. 前記移送装置は、前記連続基板から、ビルド基板上または前記ビルド基板に予め固定された印刷層積層体の印刷層上のうちの少なくとも一方に、前記印刷層を移送するように構成される、請求項１２に記載の多材料三次元印刷装置。
14. 前記印刷層を前記連続基板に保持する力に打ち勝つように構成された真空装置または接着装置のうちの少なくとも１つを含む取付装置をさらに備える、請求項１２に記載の多材料三次元印刷装置。
15. 前記移送装置は、前記連続基板から前記組立装置に前記印刷層を移動させるように構成された移行装置を備える、請求項１４に記載の多材料三次元印刷装置。
16. 前記流動化材料除去装置が、真空装置、破壊装置、およびエアナイフを含む、請求項１２に記載の多材料三次元印刷装置。
17. 多材料三次元印刷装置を用いて２つ以上の材料の構造を作製する方法であって、
    多材料対象物体のデザインを少なくとも２つの印刷厚さ層に分割するステップと、
    前記少なくとも２つの印刷厚さ層の各々を少なくとも１つの単一材料パターンに分離するステップと、
    前記少なくとも１つの単一材料パターンを形成する材料を多材料三次元印刷装置内の印刷ステーションに送るステップと、
    基板上の少なくとも１つの単一材料パターンを形成する材料を分散するステップと、
    分散された材料を圧縮装置に移動させるために基板を割り出し、前記圧縮装置で材料を圧縮するステップと、
    圧縮された材料を印刷装置に移動させるために基板を割り出し、前記印刷装置でバインダを圧縮された材料上に所定の単一材料パターンで分散するステップと、
    パターン化された材料を固定装置に移動させるために基板を割り出し、前記固定装置で前記バインダのパターンを固定放射線で固定させるステップと、
    固定されたパターンを流動化材料除去装置に移動させるために基板を割り出し、前記流動化材料除去装置でバインダによって定位置に固定されていない圧縮材料を除去するステップと、
    パターン化されて固定された材料を移送ステーションに移動させるために基板を割り出し、前記移送ステーションで印刷層をビルド基板または既に位置決めされている層の積層体の上面に移送するステップと、を備える多材料三次元印刷装置を用いて２つ以上の材料の構造を作製する方法。

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