JPH05345359A - 三次元対象物組み立てシステム及び組み立て方法 - Google Patents

三次元対象物組み立てシステム及び組み立て方法

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JPH05345359A
JPH05345359A JP3295118A JP29511891A JPH05345359A JP H05345359 A JPH05345359 A JP H05345359A JP 3295118 A JP3295118 A JP 3295118A JP 29511891 A JP29511891 A JP 29511891A JP H05345359 A JPH05345359 A JP H05345359A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンピュータ制御による組み立てを容易に実
行できる三次元対象物組み立てシステムを提供する。 【構成】 閉ループ押出しシステム１０は、ホットメル
ト接着剤等の材料を押し出すためのノズル１２と、仕様
に従ってノズルを制御自在に位置決めする装置１４、１
８、４６及び材料の最新の押し出された部分の特徴を少
なくとも一つ示すフィードバック信号を生成するセンサ
６０とを含む。ノズル位置決め装置は、ノズルをｘ−ｙ
平面内において水平方向に移動させるためのコントロー
ラ４６に格納されたノズル動作リストに反応し、さらに
ｘ軸に沿って垂直方向に移動される対象物支持ステージ
を含み、ノズルをｚ軸上で移動させるように作動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にコンピュータ
制御押し出しシステム、詳しくはＣＡＤ定義構造を組み
立てるために閉ループノズル位置決めシステムを有する
データ処理システムの制御下においてノズルを介して材
料を押し出すシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】計算機援用設計（ＣＡＤ）ソリッドモデ
リングシステムの利用が増加するにつれ、ＣＡＤ出力デ
ータを構造的コンポーネントに変換する必要性が生じて
きた。三次元で自動的に対象物を形成することは、入力
ＣＡＤエラー、部品の機能性、審美的評価、減色ワック
スを用いた型の成形及び小型製品のランをテストする上
で有益である。これらのアプリケーションの中には、例
えば、審美性を評価する場合の寸法エラーの範囲の長短
に対して多少感知しないものがあるが、他のアプリケー
ション、例えば、部品の機能性をテストする場合など、
適度にエラーに対し感知する。更に、その他のアプリケ
ーション、例えば、型を製造する場合、寸法エラーに対
し非常に敏感である。
【０００３】現在利用できる自動三次元部分「印刷」技
法は、総じて、長い範囲の寸法許容差を示すには不十分
である。現在公表されている技術における最善の寸法許
容差は、５００ミル以上のおよそ１ミルで、これは、バ
インダー・ドロップレット・ジェット・オン・アルミナ
・パウダー技法を用いて達成される。ただし、このシス
テムは、単純なカルテシアン（デカルト）グリッド構造
を用いた場合ににみ示されるものであった。
【０００４】現在利用できる多くのプロトタイプ印刷ツ
ールにより５ミルから１０ミルの範囲に落とした機能を
有する構造体を作ることができるが、寸法正確度と安定
性の長期にわたる変化はおよそ５％である。三次元プロ
トタイプツールの寸法正確度の典型的なテストは「Ｔ・
パーティー」である。数インチ長い垂直および水平バー
をもつｔ字形構造体が組み立てられる。次に、組み立て
直後、硬化後、数日後、そして最後に数ケ月後、その構
造の寸法がチェックされる。一般的には、バーの長さが
測定ごとに数％の割合で変化するだけでなく、最上部の
バーの曲がり比率も時間が経つにつれ同様に変化する。
【０００５】市販されているあるシステムは、ＣＡＤデ
ータによって表されたコンピュータ生成のソリッドモデ
ルを薄い断面にスライスするためにソフトウェアを用い
ている。次に、この断面は、液状のフォトポリマーが入
っている槽または容器の上部表面を紫外レーザ光線のス
ポットを走査することによって、物理的に形成される。
走査されたレーザ光線のスポットはフォトポリマーを部
分的に硬化させ、それを液状から固体に変化させる。所
定の層を形成した後、その生成された層の厚さによっ
て、支持ステージが容器内で下降する。構造体が完成さ
れるまで、次の層に対して走査プロセスが繰り返され
る。一般的には、組み立て後、部分的に硬化した材料の
中に閉じ込められるフォトポリマーのすべてを完全に硬
化させるために、次のステップが要求される。かかる構
造体の寸法の変化は、この次のフォトポリマー硬化ステ
ップの実行中に起きる。
【０００６】米国特許第４、５６５、３３０号、同第
４、７５２、４９８号及び同第４、８０１、４７７号の
三つの米国特許がフォトポリマーシステムの形態を教示
している。
【０００７】市販されている別のタイプのシステムで
は、粉末の薄い層を各層について望ましい形に焼結させ
るためにレーザを用いている。
【０００８】一般的に、フォトポリマー化および焼結シ
ステムは、比較的高価であり、入力されたＣＡＤデータ
から平均的複雑さのある完成部品を生成するために多く
の時間を要する。また、別の市販されているシステムで
は、ナイロンワイヤ、又は蝋などの溶融された材料を押
し出すために加熱されたノズルを用いている。このノズ
ルは、先にスライスされたＣＡＤデータに従って、コン
ピュータシステムの制御の下で移動される。
【０００９】以下の米国特許は、コンピュータまたはＣ
ＡＤ定義三次元構造組立ての分野において興味深いもの
である。米国特許第４、９１５、７５７号では、レーザ
・アブレーションによる部品の機械加工について記載さ
れている。米国特許第４、６６５、４９２号では、水滴
又は粒子をスプレイすることによる部品組立てを教示し
ている。米国特許第４、８５７、６９４号では、形状融
解部品の冷却に関して記載されている。米国特許第４、
８９０、２３５号では、輪郭を形成するための表面上の
変形について記載されている。最後に、米国特許第４、
８４４、１４４号では、ステレオリソグラフィによって
作成されたパターンを利用したインベストメント鋳造方
法が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】かかる従来技術では教
示されず、本発明の目的となることは、ＣＡＤデータか
ら三次元構造を生成するためのＣＡＤ「印刷」システム
を提供することであり、このシステムは、従来技術のシ
ステムと比べて、比較的廉価である一方、高い次元上の
精度が得られる。
【００１１】更に、本発明の他の目的は、閉ループのコ
ンピュータ制御されたＣＡＤ生成対象物組み立てシステ
ムを提供するための付着フィードバック機能を付与する
ことである。
【００１２】また、もう一つの目的は、コンピュータ制
御による組み立てを容易にするために、ＣＡＤ定義対象
物に対して支持構造とエイリアシング防止機能を生成す
る方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記とその他の問題なら
びに本発明の諸目的はそれぞれ、三次元対象物の仕様に
従ってその対象物を組み立てるためのシステム及びかか
るシステムを作動させる方法によって克服ならびに達成
される。このシステムは、材料を押し出すためのノズ
ル、仕様に従ってそのノズルを制御可能に位置決めする
装置、更に、材料の最も新しく押し出された部分の少な
くとも一つの特徴を示すフィードバック信号を生成する
装置、とを含む。
【００１４】一実施例において、フィードバック生成装
置は、可視光線又は赤外線放射の画像化システムを含ん
でいる。別の実施例において、フィードバック生成装置
は、近接検出装置、例えば、容量性センサ、触覚セン
サ、又は空気圧センサ等を含んでいる。
【００１５】位置決め装置は、ノズルをｘ−ｙ平面内に
おいて水平方向に移動するためのコントローラに格納さ
れたノズル動作リストに反応し、更に、ｚ軸に沿って垂
直方向に移動される対象物支持ステージを含む。この位
置決め装置はまた、ノズルをｚ軸上で移動するように作
動可能である。
【００１６】材料は、限定はされないが、接着剤、蝋、
熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、エポキシ樹脂、
シリコン接着剤及びこれらの合成物を含む一つ以上の材
料から構成される。更に、材料は、望ましい電気的また
は構造的特性をその材料に与えるために付加される異質
の材料を含んだ合成物であってもよい。現在好ましいと
されている材料の一つは、先に押し出された材料に対し
強い接着力を示すホットメルト接着剤であり、これを用
いると、押し出された材料の水平配置の支えのない列及
びスパンの形成が容易になる。このホットメルト接着剤
はさらに、短期及び長期ともに良好な寸法安定性を示
す。
【００１７】更に、本発明の方法では、対象物のコンピ
ュータ生成による定義に従って三次元対象物を組み立て
る方法も記載されている。この方法には、対象物の非支
持機能を検出するためにその対象物の格納済み定義をテ
ストするステップ及び非支持機能を検出することに応答
して非支持機能に対する支持構造を定義するステップが
含まれている。さらに、この方法は、対象物、及び支持
構造を組み立てるために組み立てツールにとって必要な
動作を表現できる組み立てツール動作リストを生成する
ステップ、更に、その生成された動作リストに従って組
み立てツールを移動するステップも含む。また、エイリ
アシング防止機能が生成されることもある。
【００１８】動作リスト生成ステップは、対象物のベク
トルベース表示をビットがマップされた表示に変換する
初期ステップを含んでいる。
【００１９】本発明の前記ならびに他の特徴は、添付の
図面と照らし合わせて読むことにより、後述の発明の詳
細な説明においてより明らかとなる。
【００２０】
【実施例】図１（Ａ）には、本発明に従って構成され且
つ作動される閉ループモデル生成システム１０が示され
ている。システム１０は、ｘ−ｙ軸ガントリー式トラン
スレータ１４に結合されるノズル１２を含む。このトラ
ンスレータ１４を使用して、ノズル１２は水平方向に配
置されたｘ−ｙ平面内で制御可能に移動される。ノズル
１２は、ｚ軸トランスレータ１８に結合されるテーブル
１６上に配置される。作動中、ノズル１２は、材料の層
を押し出すためにｘ−ｙ平面上で制御可能に移動され
る。ここで利用されている通り、押し出し加工は、開口
部を介して出される制御された材料の流れ、即ち、押し
出し物を包囲するためのものである。材料の層を押し出
した後、ｚ軸トランスレータは、押し出し材料の厚さに
等しい増加分だけテーブル１６を下降させるために起動
される。次に、ノズル１２は、次の層をそのすぐ下側の
層の上に付着させるために、再度ｘ−ｙ平面上で移動さ
れる。
【００２１】適切なｘ−ｙ軸トランスレータ１４が、ニ
ューヨーク州ニューハイドパークにあるテクノ・カンパ
ニー社（Ｔｅｃｈｎｏ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって、モ
デル番号：ＨＬ３２ＳＢＭ２５７５Ｃ号として製造され
ている。かかるデバイスは、０．０１０１６mm（０．０
００４インチ）の位置決め分解能を有する。
【００２２】本発明の実施例の場合、ノズル１２は、双
方向エアシリンダ２２に結合されるニードルバルブ２０
を含んでいる。エアシリンダ２２には、コンジット（導
管）２４を介して、ニードルバルブ２０を起動させるの
に適切な圧力で圧縮空気の供給源が設けられており、こ
れによって、ノズル１２を介した材料の流れのオン／オ
フ（出止）を制御することができる。図１（Ｂ）はノズ
ル１２の断面図であり、ノズルが一般的にはステンレス
鋼から成り、出口オリフィス１２ｂを制御自在にブロッ
クしたり、又はブロックを解除したりするために配置さ
れたニードルバルブ２０を有する外部ケーシング１２ａ
を含んでいることを更に詳しく示している。オリフィス
１２ｂの口径は約０．２５４mm（０．０１インチ）であ
るが、この寸法はノズル速度、押し出し材料の性質等に
よって変わることがある。「押し出し膨張」として知ら
れている現象が原因で、押し出し材料、特にポリマーベ
ースの材料の最終直径はオリフィス１２ｂの開口サイズ
よりもかなり大きいものである。
【００２３】この他の適切なバルブの種類としては、ス
ライダーバルブや回転ボールバルブがあり、この二つは
ともに当該分野で周知である。
【００２４】図１（Ａ）を参照すると、ヒータ電源２８
に接続されたノズルヒータ２６はさらにノズル１２に結
合される。熱電対３０などの熱感知手段は、温度を約２
３２．２°Ｃ（４５０°Ｆ）に維持するためにノズル１
２と接触される。この温度は、押し出し材料の関数であ
り、２３２．２°Ｃ（４５０°Ｆ）以上になったり、そ
れ以下になったりすることもある。以下に詳述されるよ
うに、この特定の温度は、ノズル１２から押し出される
場合に現在好ましいとされる材料であるホットメルト接
着剤で使用されるのに適切であることが判明されてい
る。この適切であると判明されている接着剤は、「サー
モグリップ一般用ホットメルト接着剤（Thermogrip All
Purpose Hot Melt Adhesive）」として公知のブラック
・アンド・デッカー・コーポレーション社（Ｂｌａｃｋ
ａｎｄ Ｄｅｃｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に
よって販売されている製品である。
【００２５】コンジット３２はノズル１２に接続され、
ノズル１２に付与される溶融材料の流れに対し設けられ
ている。この材料は、コンジット３６を介して、圧縮空
気源に結合される加熱貯留槽３４内に貯留される。この
圧縮空気源は、一般的に１５ｐｓｉｇから３０ｐｓｉｇ
の圧力で作動する。コンジット３２は対応するヒータ３
８を有し、一方、貯留槽３４も対応するヒータ４０を有
し、これらヒータはともにヒータ電源４２に接続され
る。上述したように、熱電対４４等の熱感知手段は、槽
を予め設定された温度の範囲内に維持するためのもので
ある。この温度範囲は、選択された材料の関数である。
【００２６】ｚ軸トランスレータ１８はｘ−ｙ軸トラン
スレータ１４に結合され、コントローラ４６はニードル
バルブエアシリンダ２２に結合される。コントローラ４
６は、ＩＢＭ ＰＳ／２システム（ＩＢＭ及びＰＳ／２
はともにＩＢＭコーポレイションの登録商標である）等
のパーソナルコンピュータ・データ処理システムに搭載
されているが、適切なタイプのデータ処理システムであ
れば、コントローラ４６に使用してもよい。トランスレ
ータ１４と１８への接続は、並列通信ポートまたは直列
通信ポート等の適切な手段によって行われる。かかるト
ランスレータの制御装置及び方法は、当該技術上公知で
あるので、ここでは、詳述しない。コントローラ４６
は、ＣＡＤシステムから三次元形状データを受信するた
めの入力を有し、その使用法については、以下に詳述さ
れる。更に、コントローラ４６は、ノズル１２によって
押し出される際の構造体を示すデータを格納するための
対応するメモリ４８を有する。
【００２７】図２（Ａ）には、押し出された複数のフィ
ラメント、またはビード５０が位置決めされたテーブル
１６が詳細に示されている。上述したように、初めに最
下ビード層が沈積され、テーブル１６がｚ軸に沿ってビ
ード一個分の厚さだけ下降され、次のビード層が、第一
のビード層に接着するように付着（沈着）される。ビー
ド押し出しプロセスは、望ましい部品が構成されるま
で、ｚ方向に一層ずつ継続して行なわれる。個々のビー
ド５０は、オリフィス開口部が０．２５４mm（０．０１
インチ）、ノズル速度が約５．０８mm（０．２インチ）
／秒、及び流出量が約０．１ｃｍ3 ／分であるノズル１
２によって押し出される際に、約０．６３５mm（０．０
２５インチ）の実質上均一の厚さを有することが判明さ
れている。ノズルの開口部に比べて、ビードの直径が大
きくなるのは、前述の「押し出し膨張」現象によるもの
である。
【００２８】ホットメルト接着材料を使用することによ
って、ビード同士の付着が容易になり、図２（Ｂ）の
「Ａ」で示された領域の断面図によって表されているよ
うに、支持されていない隣接状態で配置されたビードを
水平に位置決めすることが可能になる。更に、このホッ
トメルト材料を使用することによって、図１１のビード
５０ｃ等の支えのない材料の水平スパンを配置するのが
容易になることが判明されている。図１１では、ビード
５０ｃの各端部は、先に押し出されて硬化した材料に接
着されて取付けられる。一例として、ビードの厚さが約
０．６３５mm（０．０２５インチ）であるホットメルト
接着材料が、速度約５．０８mm（０．２インチ）／秒、
流出量約０．１ｃｍ3 ／分のノズル１２を用いて、水平
距離を約２５．４mm（１インチ）にわたって支えのない
状態でかけわたされる。更に、弓形のスパンも、テーブ
ル１６をｚ軸に沿って移動し、同時にノズル１２をｘ−
ｙ平面上で移動することによって、同様の方法で沈積さ
れる。本発明の実施例に示される３度以上ノズルを移動
させる場合、押し出し材料の弓形のスパンを供給するた
めに、テーブル１６を移動させる必要はない。
【００２９】該当部分に対応する三次元におけるノズル
の運動を付加することにより、二次元沈積だけでは得ら
れない望ましい特徴を備えた形状体を生成することが可
能である。例えば、円柱構造体の周囲への螺旋状の沈積
は、水平沈積だけを行なう場合に生ずる階段状の粗さの
無い滑らかなネジ山を形成する。
【００３０】図３には、ノズル５２の別の実施例が図示
されている。ノズル５２は、本体部分５４ａから成り、
一般的には、ステンレス鋼から製造され、出口オリフィ
ス５４ｂを有する。ノズル５２の内部には、図１（Ｂ）
のニードルバルブ２０と同様に、オリフィス５４ｂを介
して押し出される材料の流れを制御する機能のある小型
油圧ポンプ５６が納められている。油圧ポンプ５６を使
用することの利点の一つは、材料が押し出される際の圧
力を増加させることができることである。圧力増加によ
り流出量が増大するので、ノズル５２の移動速度が一層
増大する。ポンプ５６は、電気的又は空気圧のどちらに
よっても作動されてもよい。又は、ノズル１２にその流
れを出したり、止めたりするための適切なバルブが設け
られている場合、ポンプはこのノズル１２の外側に配置
されるものであってもよい。
【００３１】押し出し材料は、完成される構造体への適
用に従って、要求される機械的、熱的、外見上、及び／
又は他の指定された特性に基づいて選択される。多くの
副構造体から構成される複合構造体の場合、個々の副構
造体は、それ自身の機能に適した材料から製造される。
複合構造体を構成するために、マルチノズルシステムを
使用することが可能である。
【００３２】あるクラスの適用可能な材料は、加熱され
ると溶融して流れ出し、冷却前と冷却中に接着する。こ
れらの材料は、ホットメルト接着剤類及びそれぞれの調
合物によってきまる機械的、熱的、更に、外見上（色、
不透明度、半透明度）の特性を有する合成ポリマー、蝋
（ワックス）、樹脂及び酸化防止剤の同種混合物を含む
が、これに限定されるものではない。モデル作成用の蝋
や封蝋を含めて、蝋は、インベストメント鋳造型や展示
用模型の製造に用いることができる。また、蝋は、誘電
性の特性、特に複合構造体にも適用することができる。
合金は、誘電性のある機能的な金属部品及び／又は構造
体を生成するのに用いられる。ガラス質は、個々の光学
的特性（透過率、反射率、屈折力）、又は電気的特性に
従って選択される。また、加熱されると流れ出し、冷却
中に接合する他の熱可塑性または熱硬化性ポリマーも用
いることが可能である。
【００３３】熱硬化性材料に関して、硬化プロセスを開
始することを目的として、押し出し中の材料を加熱する
ために、ノズルの外部に熱源を設けることは、本発明の
目的の一つである。一例として、対応する焦点合わせ反
射鏡をもつレーザまたは輻射ランプは、ノズルに結合さ
れ、押し出された熱硬化性材料に局部的加熱源を提供す
るためにノズルとともに移動される。
【００３４】第二のクラスの適用可能な押し出し材料
は、熱、光、もしくは他の輻射熱にさらされたり、化学
反応を被ったり、又は、その両方の作用を受けて、硬化
する接着剤である。必要な条件は、選択された材料がそ
れ自身の押し出された形状が変わる前に硬化しなければ
ならないことである。適切な材料としては、化学反応や
加熱によって硬化するエポキシ樹脂や、水との反応によ
って硬化するシリコン接着剤があるが、これらに限定さ
れるものではない。
【００３５】第三のクラスの材料は、前記材料の一つ
と、他の異質の材料との不均質な混合物である。例とし
て下記のものがあげられるが、これらに限定されるもの
ではない。薄いプラスチック、金属、ガラス質、または
他の繊維質は、機械的剛性をより増大させる要素として
の働きがある前記異質材料から成るビードの一部分とし
て押し出される。電気導電性の繊維又は粒子は、導電性
ビードを形成するために非導電性材料と共に押し出され
る。一例として、かかる方法において電気配線は非導電
性のプラスチック製外被に埋め込まれる。岩塵埃は、岩
石状構造体または彫刻物を形成するために、市販されて
いるグラニタン（花コウ岩の粉末とエポキシの混合物）
の場合と同様に、エポキシと混合される。
【００３６】認識されているように、前記列挙された押
し出し材料のあるものについては、図１（Ａ）に示され
た種々のヒータがすべて排除される。更に、押し出しの
最中または押し出し後に加熱されるこれらの材料を使用
した場合は、空気または他のガスの局部的供給源が材料
の冷却を速めることが判明されている。例えば、複数の
開口部を有するダクト４７は空気源に結合され、押し出
しが行なわれている平面に対し冷却空気の流れを実質上
均一に供給するように配置される。
【００３７】更に本発明に従って、再度図１（Ａ）を参
照すると、システム１０には、ノズル１２の先端付近で
作動し、コントローラ４６にフィードバック信号を付与
するフィードバックセンサ６０から成る付着フィードバ
ックシステムが搭載されている。このフィードバック信
号は、押し出されたビード５０の特徴を示すものであ
る。詳細には、フィードバックセンサ６０は、最新の押
し出された材料部分の位置または他の特徴を検知する。
一例として、センサ６０は、位置決め参照システムに対
応する押し出されたビード５０の位置を検出するが、こ
のビードの位置は、必要に応じて、押し出し中にノズル
１２の位置を調整するため、コントローラ４６によって
監視される。この技術は、好都合なことに、押し出し構
造の外形に対して更に微細な制御を可能にし、その結
果、三次元形状データによって定義された構造体に更に
近づいた構造体が作成される。フィードバック信号は、
使用される特定の種類のセンサ６０によっては、押し出
しビードの温度又はその導電性の特徴等の他の情報をも
提供する。
【００３８】センサ６０によって付与されるフィードバ
ックは、結果的に、押し出し材料が計画されたものとは
異なる大きさになるように、多くの異なるメカニズムが
作動するという点で重要である。例えば、押し出された
ビードが凸状または凹状の輪郭線上に加えられた場合、
ビードは十分に柔軟性がある熱い間に、その長さを最小
限度にするように曲がる傾向がある。更に、ノズルから
下層にある材料までの距離に基づいて、押し出されたビ
ードは、この距離の関数として、その付着された断面を
変化させる。更に、ノズルに近い既に付着された材料か
らの背圧によって、ノズルから出される流量が減少され
る。更に、押し出し材料の温度または組成の変化が、材
料がノズルから流れ出る流出量を変化させ、その結果、
材料が最終寸法に凝固する速度をも変化させる。
【００３９】従来技術のシステムにおける欠点の一つ
は、結果的に、該当部品の組み立てと寸法にそれ程最適
な制御が与えられないので、該当部品の最終寸法に影響
を与えるこれらの要因や他の要因が適切に調整されない
ことである。
【００４０】但し、本発明のこの形態は、付着フィード
バックを提供することによって、このような種々のメカ
ニズムによる影響を最小限にする。例えば、ソフトウェ
アエラーが発生して、ノズルを付着された材料またはテ
ーブル１６内に押し込んだ場合、フィードバック信号は
このエラー状態を表示する。また、ノズルが、下層材料
によって支持されていない領域を介して、スパンまたは
弓形の材料を押し出すように作動される場合、フィード
バックセンサは、押し出されたビードが予め設定された
許容差を越えて下垂していること、従って、エラー状態
が存在することを表示する。
【００４１】フィードバックセンサ６０は、システムの
フレームに固定されるか、またはノズル１２とともに移
動されたりする多くの異なる装置によって具体化され
る。一般的には、フィードバックセンサ６０は、画像化
（イメージング）装置または近接感知装置に内蔵されて
いる。いずれの場合にも、センサは、押し出されたばか
りの材料に関する情報を提供するように機能する。特
に、適切なセンサには、可視的画像化装置、赤外線放射
画像化装置、容量性検出装置、触覚検出装置、気圧検出
装置等が含まれるが、これらに限定されるものではな
い。付着フィードバック信号を提供するための種々の手
段は、以下に詳しく記述される。
【００４２】押し出し材料が押し出し後に流れ出す場
合、ノズル位置の認識によって、必ずしも押し出された
ビード５０の最終位置を表示するとは限らない。ビード
５０の実際の付着位置を決定する第一の技法は、光学シ
ステムを用いてビードを画像表示することである。光学
付着フィードバック信号は、分割ダイオード対、象限
儀、位置感知ダイオード、ＣＣＤ配列、またはビディコ
ンを用いて生成してもよい。
【００４３】図４（Ａ）と図４（Ｂ）は各々、カセグレ
ン式光学システム７０の上面図及び側面図である。この
実施例では、ノズル７２には、ノズルを通過する材料７
４が含まれ、光学要素を支持するための形状が備わって
いる。特に、凸状要素７６は、カセグレン式構成を形成
するための凹状要素７８に対して位置決めされる。動作
中、押し出された材料の領域から反射する光が、最初に
凹状要素７８によって凸状要素７６の表面に反射され
る。次に、この光は、要素７８の内部で孔７８ａを介し
て上方に反射される。画像をＣＣＤ検出器配列等の検出
器８２に方向付ける９０°プリズム８０は、孔７８ａの
上方に配置される。検出器８２の出力は、専用画像プロ
セッサまたはコントローラ４６自身による次の処理のた
めにフレームグラバーまたは同様の画像格納手段に供給
される。仮にディスプレイ８４に提供されたならば、最
終的に表示された画像はビード画像８４ａと、中心に配
置された不明瞭な中心部８４ｂを示すであろう。不明瞭
な中心領域８４ｂのサイズは、要素７６の直径に相当す
る。エッジ検出等の従来の画像処理技法を用いて、ビー
ド画像８４ａの位置を検出することによって、コントロ
ーラ４６は、ビードが三次元形状データによって指定さ
れたような正しい配置に位置決めされているか否かを決
定するためのものである。
【００４４】図５は、視覚的画像フィードバックセンサ
６０の別の実施例を示している。図５の実施例では、光
学システム８６を利用した非並列画像と対象物平面が用
いられている。無限焦点レンズ８８は、ノズルの先端を
見るために位置決めされており、レンズ８８の対称的な
平面が、テーブル１６の面に関して角度θ1 で配置され
ていることが望ましい。検出器８２の画像化表面は、シ
ンメトリーＡの平面に対して角度θ2 で配置されてお
り、この場合、θ1 とθ2 は等しいので、ビード画像を
焦点上で見ることができる。ディスプレイ８４によって
表示される場合、最終的な画像は、ビード画像８４ａを
示す。この画像データは、ビード画像８４ａの位置が望
ましい位置に一致するか否かを決定するために画像処理
を行なうコントローラ４６に入力される。
【００４５】図６（Ａ）には、視覚的画像付着フィード
バックセンサ６０の詳しい実施例が示されている。共焦
線カメラシステム９０には、複数の共焦線カメラ９２
ａ，９２ｂ，９２ｃが搭載されており、各々のカメラ
は、テーブル１６の上方の予め設定された高さに位置決
めされている。共焦線カメラは、複数のスリットアパー
チャと１個のライン検出器と組み合わされて、照射線源
を利用した公知のタイプの光学装置である。図６（Ｂ）
は、ノズルに隣接した領域の深度分解画像を与えるた
め、これらの３個の共焦線カメラ出力の重ね合わせを図
示している。個々のカメラが付着されたビードを画像化
し、図６（Ｂ）に示されたように重ね合わせられると、
３個の線形ビード画像は、ノズル１２の先端に対応し
て、ｘ軸とｙ軸の原点で交差する。カメラ９２ａ，９２
ｂ，９２ｃは一般的には、仮にビードが誤って位置決め
された場合にビード画像が予想した位置に表示されるこ
とがないように、ノズル１２と共に移動するように装填
される。この状態は、後で訂正処理を実行するコントロ
ーラ４６によって検出される。
【００４６】深度分解共焦カメラの技法は、画像検出器
が下層の先に付着されたビードからの信号に応答する可
能性がある場合に、特に有用である。この状態も、焦点
技法の光断面と減少された深さを用いて、改善される。
光断面アプローチの一例として、付着されたビードの厚
さに一致する厚さと画像対象物の表示フィールドに一致
する幅を有する一面の光を生成するために、複数のレー
ザダイオードが用いられる。この一面の光は、ノズル１
２を支持するｘ−ｙ軸ガントリー構造１４の一端または
両端であることが望ましい。このような方法で、付着さ
れているビードの材料だけが照射され、その結果画像化
される。
【００４７】付着フィードバック信号を提供するための
他の適切な方法については、以下に記述される。
【００４８】一つの方法としては、例えば、冷却された
テルル化水銀カドミウム画像配列を用いた赤外線放射画
像化の使用である。この技法の利点は、最新の、従っ
て、最も高温で付着された材料が、赤外線放射によって
画像化され、その結果、先に押し出された材料が自動的
に除外されることである。更に、この技法の利点は、ビ
ード温度を直接表示することや、不十分な熱消散が付着
ビードを変形されているか否かを示すことである。
【００４９】その他種々の非光学的且つ近接型のフィー
ドバック技法も、押し出されたビード５０の位置を検出
するのに用いることができる。第一の非光学的技法は、
図１０（Ａ）に示されており、これは空気の誘電率とは
異なる付着された材料の誘電率に依存する。この実施例
の場合、容量性プローブ１００の配列は、ノズルの開口
部に隣接して位置決めされる。これらのプローブは、キ
ャパシタンスの変化によって、押し出された材料の近接
状態と位置を検出するので、検出可能な変化はキャパシ
タンスを通過する電気信号において発生する。この技法
の利点は、距離に従って容量性の変化が急速に減少する
と、下層の先に付着されたビード層から材料が自動的に
除外されることである。
【００５０】図１０（Ｂ）に示された第二の非光学的技
法は、高精密機械による計測技法の変種であって、サフ
ァイアの球を或る表面に向けて押し出し、その球がその
表面に接触すると、その球の位置を正確に記録すること
を含むものである。この触覚技法は、押し出された材料
が冷却または硬化されて固められればすぐに触れること
ができるとされている本発明によって有利に用いられて
いる。ワイヤ１０２、または、圧電センサ等の偏向検出
器１０４に装着された他の対象物は、最新の付着された
ビードの表面位置を決定するためにノズル１２に接着さ
れる。ノズル１２が既に正確に定義された座標系内にあ
る場合、偏向が生じた時は、接触面の位置は、ノズル１
２の位置及びワイヤ１０２または、押し出された材料と
接触している他の対象物の寸法から導き出すことが可能
である。
【００５１】図１０（Ｃ）に示された別の非光学的な技
法は、ビード５０の位置の気圧検出に依存する。この実
施例の場合、気圧センサ１０６の配列は、必要とされる
次元フィードバック情報を提供するために、ノズルの先
端の近傍に配置される。圧縮空気等のガスは、ノズルの
先端の近傍に配置されたオリフィス１０８から排出され
る。付着された材料がガス排出オリフィス１０８の一つ
に近密隣接状態にある場合、オリフィス１０８の内部へ
の背圧が発達する。背圧の存在によって、材料の存在が
示され、一方、背圧の大きさによって、影響を受けたオ
リフィス１０８から付着された材料までの距離が示され
る。この特別なタイプのフィードバックセンサ６０は、
先に付着され、下層のビードを自動的に除外するという
上述の容量性プローブ１００による利点を有する。更
に、この技法を使用することから結果的に得られる利点
として、ガス噴射が付着された材料を冷却する働きがあ
る。
【００５２】付着されたビード５０を同時にモニタする
ための数々の付着フィードバックセンサを提供すること
も、この発明の範囲に含まれる。一例として視覚的感知
技法の一つを、ＩＲ放射検出及び／又は気圧検出と組み
合わして使用することもできる、この組合せは、余剰ビ
ードの位置検出のみならず、押し出されたビードの温度
検出及び／又は冷却を同時に行なう。
【００５３】単独で、又は既に記述されたセンサと組み
合わされて使用される別のフィードバックセンサは、ノ
ズル１２を介して押し出されている材料の圧力を測定す
るために圧力計を備えている。圧力が増加すると、ノズ
ルの先端が既に押し出された材料と接触しており、その
結果、流れの圧縮によって、背圧を生成することになる
という「重ね書き」状態を示すことがある。
【００５４】図７のプロセスフローチャートには、シス
テム１０の作動が示されている。第１のステップ（Ａ）
では、ＡｕｔｏＣａｄ、コンピュータグラフィクス援用
三次元会話式アプリケーション（ＣＡＴＩＡ）、Ｐｒｏ
／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ（パラメトリック・テクノロジー・
コーポレーション社｛Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ｝の製品）等の
多くの既存のソフトウェアパッケージの一個を用いたモ
デル作成が含まれる。このモデル作成のステップでは、
望ましい三次元構造のデータモデルを作成する。モデル
データは、例えば、初期作図交換仕様（ＩＧＥＳ）の書
式、 .ＳＴＬフォーマット又はＣＡＴＩＡ表現等の個々
のソフトウェアパッケージ毎の標準出力形式で格納され
る（Ｂ）。必要に応じて、データは後続の処理ルーチン
によって使用されるフォーマットを得るために、トラン
スレータを通過する（Ｃ）。一例として、ＣＡＴＩＡを
.ＳＴＬフォーマットに変換するためのトランスレータ
は、（ＰＲＰＱ Ｐ８１０４０ソリッドからプロトタイ
プまで）ＩＢＭ社から入手できる。一般的に、かかるト
ランスレータは、容易に入手できるソフトウェアモジュ
ールとして知られている。
【００５５】この点について従来、三次元データの格納
と処理は、ビットがマップされたフォーマットよりもむ
しろベクトルで実行されてきた。ベクトルアプローチを
利用する主な理由は、システムメモリを効率的に使用で
きる点にある。例えば、一つの側面が２５．４cm（１０
インチ）である構造を超えた１０ミルの分解能は、最小
限でも、ビットがマップされたデータの１ギガビット
（１０9 ）を表している。更に、特別な要素が表面の特
徴であるか否か、また、この要素が付加された支持構
造、要素の色や組成であるか否か等の追加情報が、結果
的には、かなりのデータ格納域を必要とすることにな
る。ベクトル処理は、ビットがマップされたアプローチ
と比べて、必要とされる格納域を大幅に減少させるが、
その結果、構造上の定義にかなりの曖昧さを残すことに
なる。例えば、ある変換プログラムでは時間の数パーセ
ントだけ一貫した表現を生成できないことが知られてい
る。
【００５６】ＣＡＤデータのビットがマップされた表現
は、ベクトル表現よりも多くのシステムメモリを必要と
するが、ベクトルアプローチにまさる数々の利点を備え
ている。
【００５７】第一の利点は、重なっている対象物の自動
交差である。ステレオリソグラフィとは異なり、本発明
の押し出し技法を使用している間は、一般的に、同一の
場所に何度も「書き込む」ことは望ましくない。これは
特に、内部構造支持部材とは反対側の可視面に対して当
てはまる。仮にそのような事態が起きたら、既に付着さ
れたビードを損なうことになるだろう。例えば、その構
造の特定の層が二個の重なり合った充填された円から構
成されている場合、重なり合った領域は再度充填されて
はならず、更に、周辺部は隣接する対象物の中心を通過
しないことを認識する必要がある。
【００５８】ビットがマップされた表現のもう一つの利
点は、均一なレベルの精度を自動的に維持することであ
る。多くの従来のＣＡＤソフトウェアパッケージからの
出力に共通する問題は、比較的小さな浮動小数点機能が
意図せずに生成されることである。ビットがマップされ
た表現に用いられる均一グリッドが存在すると、前記機
能を放棄することができる。
【００５９】ビットがマップされた表現の別の利点は、
領域の識別に関する。押し出し付着には、領域を感知す
る多くの特徴がある。一例として、二個の支持物の間の
自由空間のスパンは、或る最大限の長さをもつだけであ
る。同様に、垂直の形状から延出する支持されていない
棚部は、或る最大限の距離だけ自由空間内に延びている
にすぎない。もう一つの例は、熱を蓄積するために、限
られた領域内で付着される材料の傾向に関する。これら
の考察は、ビットをマップするアプローチにとって問題
点とされているが、ベクトルアプローチによって認識及
び考察することは非常に困難である。
【００６０】更に、メモリの入手される程度に応じて、
押し出されたビードの幅よりも精巧な座標グリッドを使
用する上で利点がある。これによって、内挿が可能にな
り、副ビードのサイズの対象物を排除するのが容易にな
り、更に、押し出されたビードの幅によって表されたも
のより精巧な機械的分解が可能である。
【００６１】図７のプロセスのフローチャートに戻っ
て、ステップ（Ｄ）では、支持されていない形状の存在
について、モデルデータが検査される。支持されていな
い形状は、下に支持する構造が無いために、失敗した
り、または崩壊する可能性があるモデルの構造的形状と
考えられている。ステップ（Ｅ）では、必要とされる一
個、または複数の支持構造を構築する。ステップ（Ｄ）
と（Ｅ）については、図８（Ａ）から８（Ｄ）に対応さ
せて、更に詳しく以下に説明される。
【００６２】次のステップ（Ｆ）では、ループリストを
作成するために、組合せモデル／支持構造をスライスす
る。このステップの場合、一連の等しく空間を置いた水
平面と対象物との交差が、予め決定された法則に従っ
て、各平面上の一連の周辺ループとして格納される。予
め決定された法則、例えば、左手の法則等、はループの
どの側面が充填され、どの側面が空いているのかを決定
する。
【００６３】図１２には、外部ループと内部ループによ
って限定された対象平面が示されている。対象平面の内
部は、一般的に、押し出し処理中に材料で充填されたラ
スタである。次に、１個又は複数の周辺ビードが、滑ら
かに仕上げられたエッジを供給するために押し出され
る。個々のループのエッジは、フレミングの左手の法則
に従って、そのループのエッジの材料側面が左側に、即
ち、外部ループの場合は時計方向とは反対側に、内部ル
ープの場合は時計方向にあるように記述される。右手の
法則は、ループの材料側面の位置の感度を逆にすること
を規定している。
【００６４】このループリストの規則は、対象物スライ
スルーチンからノズル動作リスト生成器に転送されたデ
ータに適用される。組み立て処理中の実際のノズル動作
は、有効なループリスト規則が表す感度と方向に一致し
たり、しなかったりする。
【００６５】ループリストは、ビードの厚さ分だけ離れ
て配置されている対象物平面に対し用いられる。図１に
図示された実施例の場合、ビード平面は、およそ２．５
４cm（１インチ）の２５、０００分の１の間隔、即ち、
押し出されたビード５０の最終直径に対応する寸法だけ
離れている。
【００６６】次のステップ（Ｇ）では、既に生成された
ループリストを改善するため、垂直エイリアス除去技法
を実行する。この垂直エイリアス除去技法は、結果的に
図９（Ａ）に示されるような好ましくない階段効果にな
る垂直な傾斜をもつ面に用いられる。図９（Ｂ）では、
ビード５０に用いられたものとは異なるｚの高さで、ビ
ード５０ａのループを付加することによって、この好ま
しくない階段効果を減少させる一つの方法を図示してい
る。これらの小型のビード５０ａは、その部分の階段エ
ッジを滑らかにするために用いられる。より小径のビー
ド５０ａを使用することによって、個々の関連する層を
組み立てている間に、各ノズルに変化をきたす可能性が
ある。また、大きいビード５０を用いてすべての層の押
し出しを完了した後に小型のビード５０ａをモデルに付
加してもよい。
【００６７】図９（Ｃ）では、好ましくない階段効果を
除去するための別の方法を図示している。この方法は特
に、現在好ましいとされる押し出し材料としてのホット
メルト接着剤に適用可能である。押し出された材料の接
着特性に従って、下側の層を上側の層に橋渡しをするた
めに、複数のビード５０ｂが構造に付加される。ｚ軸変
換ステージ１８の制御によって、必要な構造上の層を組
み立てた後に橋渡し用ビード５０ｂが付加される。
【００６８】先に押し出された層に再度戻るこの機能
は、ステレオリソグラフィ等の従来技術の付着技法では
一般的に得ることのできない本発明における特に価値の
ある機能である。この技法によって、任意の複合的形状
及び表面仕上げのある構造の組み立てが可能である。例
えば、ネジ山を、既に完成された周囲が円柱形状の構造
に容易に付加することができる。
【００６９】垂直エイリアス除去のステップは任意であ
り、三次元ＣＡＤデータの総チェックとして生成された
部分等の特定の部分には必要でない。
【００７０】次のステップ（Ｈ）では、構造の一層ごと
の分析を実行する。構造の或る特定の層の場合、構成領
域を材料で充填するオーダは、いくつかの優先化された
規則を順に考慮して決定される。
【００７１】最も高い優先権を有する規則は、付着され
た材料が隣接する、または下側の材料によって支持され
る必要があるということである。一般的に対象物は、こ
の規則が破られた場合には構成できない。低い優先権の
規則の場合、外部表面は、その最大限の滑らかさを保証
するために、直接接触するいずれかの表面と平行状態で
部分的に付着されたビードによって形成される必要があ
る。更に低い優先権の規則としては、ノズルからの材料
の流れの開始又は停止の回数を少なくすることである。
この規則は、ノズルからの流れの開始及び停止によって
生成される構造上のアーチファクトを排除するためのも
のである。最も低い優先権の規則の場合、外部ビード表
面の正確な位置決めを確保するため、ノズルの座標を、
ビードの外部表面と関連ループの計算位置とが一致する
ように選択する必要がある。
【００７２】一層ごとに分析を実行することによって、
構造の各層または各スライスごとのノズル動作データリ
スト（Ｉ）が生成される。構造がテーブル１６上に形成
されるので、このノズル動作リストは、メモリ４８内に
格納され、コントローラ４６によって使用される。ノズ
ル動作リストは、コントローラ４６によって使用される
ので、ｚ軸トランスレータ１８の動作の間でｘ−ｙ軸ト
ランスレータ１４に対する出力を制御することができ
る。
【００７３】ノズル動作リストに基づく三次元構造の組
み立て（Ｊ）は、プロセスの最終ステップである。この
最終ステップは一般的に、付着されたビードの位置がノ
ズル動作リストで指定された位置に対応することを確認
するため、コントローラ４６がフィードバックセンサ６
０によって生成される付着フィードバック信号をモニタ
することを含む。
【００７４】上述のステップＤとＥの操作の詳細につい
ては、以下に記述される。
【００７５】構造上に特定の方向付けがある場合、最高
高度をもつ点、線、または面が存在する。すぐ前の層の
構造体を支持する構造体をもたず、更に、後続の層との
橋渡しのための支持物から離れ過ぎているこの最上層内
の領域は、先行する各層に一個または複数の構造が付加
されることを必要とする。これらの付加された構造体
は、元の対象物の他の部分で終わるまで、又は、最下層
に達するまで、他のすべての層を通って下方に伝播され
る。
【００７６】計算は最上層から開始され、対象全体につ
いて続けられ、処理が進むにつれて、必要な支持構造の
ベクトル記述を作成し、ベクトル記述を元の部分記述に
付加する。その部分のこのファーストパスが完了した
後、複合構造体をスライスし、ノズル動作を生成する後
続のステップが開始される。
【００７７】ビットがマップされた表現へ変換し、最下
層から開始した後、周辺部からの１個または二個のビー
ドの厚さとなるすべてのソリッド充填領域は、ラスタが
充填され、その後、容易に周辺部に適用される。先ず、
ラスタ充填領域が先の層によって支持された領域上で充
填され、次に、これらの領域を拡大させ、支持されてい
ない領域を橋渡しすることによって充填されるという条
件の下で、後続の層は同様の方法で繰り返しノズル動作
リストに変換されていく。このアプローチの利点は、プ
ロセッサが橋渡ししなければならない最大限のビットが
マップされた量が、二個のビードの厚さをもつ層と等価
であることである。その結果、ビットがマップされたデ
ータの比較的小さな部分だけが所定時にプロセッサ内に
保持されるというシステムメモリの必要条件が減少され
る。
【００７８】ベクトル記述をビットをマップする記述に
変換する処理に関して、ベクトルデータはいかなる適切
な技法によっても変換される。周知の技術としては、ブ
レセンハムアルゴリズムがあげられる。ビットがマップ
されたデータの各量子またはピクセルには、１個から任
意の多数のビットが含まれる。１個のビットは、押し出
された材料の存在又は不存在を示すノズルのオン／オフ
状態に対応する。しかし、好ましくは、ノズルの大き
さ、ノズル開口部の形状、材料の色、複合構造のための
材料の選択、材料冷却時間を制御するためのタイミング
ビット等のパラメータを指定するためにより多数のビッ
トを使用することである。
【００７９】図８（Ａ）には、三次元構造９０の一部分
の断面図が示されている。構造９０は、この段階におい
てモデル作成のステップＡから得られたベクトル表現デ
ータファイルによって表示されることを理解すべきであ
る。本発明のこの形態によると、ボトムアップ（上昇
形）構築技法から派生する支持されていない諸機能は、
「支持の領域」アルゴリズムによって検出される。
【００８０】このアルゴリズムの場合、次の垂直に位置
決めされたスライスのための支持領域を決定するため
に、支持の領域は対象物のスライス毎に生成される。い
ずれのスライスの場合でも、両方とも切り離され、既存
の支持領域内に位置決めされていない領域は、「支持さ
れていない」と判定される。図８（Ｂ）では、対象物９
０の第１のスライスによって、図示のような第１支持領
域（ＦＲＳ）が生じられる。図８（Ｃ）では、更に数個
のスライスが分析された後の支持の領域アルゴリズムの
操作が図示されている。この分析段階では、構造が、図
示のような二つの中間支持領域（ＩＲＳ）によって画定
される。従って、この分析段階までは、スライス内に存
在する構造の部分は、すべて下側の構造体によって支持
されるものと決定されてきた。分析が図８（Ｄ）に示さ
れる段階に進むと、支持されていない形状９２が検出さ
れる。領域９２は、現ＩＲＳで定められた領域内に存在
しないということが検出される。その結果、支持構造９
４は、領域９２がすべての介在するスライスを通って第
１のスライスから上側へ支持されるような方法で生成さ
れる。支持構造９４の生成には、先に分析されたスライ
スを介して下方向に支持構造を伝播するプロセスが含ま
れる。元の構造のどの部分も支持されていない領域の下
にない場合は、支持構造９４は、下方向に第１の層へと
伝播されて、テーブル１６上で終結する。次に、複合モ
デル／支持構造がループリストを生成するためにスライ
スされるステップ（Ｆ）では、リストには、支持構造９
４をさらに形成するために必要とされるループが組み入
れられている。さらに、支持構造リストは、特に支持構
造を識別し、次にそれを除去する処理へと導くために、
個別ファイルに格納及び保持される。
【００８１】前記支持分析には、支持されていない領域
を決定するために、周知のタイプの片持ち梁と重心の計
算が含まれる。これらの考察が重要である点は、押し出
しのために選択された材料の特性、例えば、隣接するビ
ード間の接着等、に従い、下に支持物を置くことなし
に、ある程度の水平方向形状の拡張が許容されるという
ことである。例として、図２（Ｂ）と図９（Ｃ）を参照
されたい。
【００８２】この構造分析はさらに好ましくは、適切な
らば、選択された押し出し材料の特性に基づいた熱容量
の考察を含むことが望ましい。熱容量の考察が重要であ
る場合の一例を以下に示す。組み立てのための構造体が
閉鎖された先端のある中空シリンダの形状を呈している
場合、押し出された材料が、下に支持物を置くことな
く、閉鎖された端を橋渡しするように、シリンダの直径
は充分に小さいものでよい。シリンダ壁は、連続したリ
ングになるように形成される。先に定義された規則を適
用すると、端を封鎖するために必要なディスク状の形状
が、シリンダ壁の最上層の周囲部から中心部までの螺旋
形状に作られる。押し出された材料が冷却されるのに必
要な時間の補償がない場合、螺旋形の内側の小さいリン
グが内側方向に位置決めされたリングのための側方支持
物としての働きをもつことを要求される前に充分に冷却
する機会をもっていないので、ディスクの中心は垂下す
る。
【００８３】指定された局部的ホット−スポットを収容
するために、いくつか適切な補償技法がある。最も単純
且つ最もメモリ集約型の技法は、各三次元ビットがマッ
プされたデータポイントの記述にｎ個のクロックビット
を付加する。付着処理中は、すべてのクロックビットは
ゼロになるまで定期的に減少させられる。コントローラ
４６は、クロックビットの状態をモニタし、隣接する材
料のためのクロックビットがゼロに減少されるまで、既
存の材料に隣接する新しい材料を押し出す処理を遅延さ
せる。ディスク状の形状の付着中の効果は、ノズル１２
の速度が機能の中心に対し測定された半径に比例して変
化することである。
【００８４】より複合的ではあるが、それほどメモリ集
約型ではない技法は、最後のｎ個目のノズルの動作をソ
フトウェアリングバッファに保持する。新しい材料が押
し出される前に満たさなければならない要件は、新しい
材料が最後のｎ個目のノズルの動作内で押し出された材
料に隣接して押し出されてはならないことである。
【００８５】これら両方の技法において、ｎの値は、押
し出された材料の温度と熱容量、および、局部的冷却ダ
クト４７の供給と容量等の関数である。
【００８６】更に、本発明によると、付着フィードバッ
ク信号から得られるデータは、先に付着された層のビッ
トがマップされた表示を生成するために用いられる。従
って、上側の層を付着するのに必要なノズル動作座標
が、付着された下側の層のビットがマップされた座標と
対応している。この技法は、寸法許容差エラーの両方の
リアルタイム補償を実施し、三次元ビットがマップされ
た構造表示を格納するのに必要なメモリの容量を減少さ
せる。
【００８７】特定の実施例に関連して記述されてきた
が、多くの修正がなされる可能性があることを当業者は
理解すべきである。例えば、三次元構造のビットがマッ
プされた表示の使用は現在は好ましいとされているが、
本発明の提案はベクトルベースの構造表示に適用され
る。さらに、ＣＡＤ定義の機能と後続のノズル動作リス
トの生成は、コントローラ４６等の単一データプロセッ
サを用いて、または複数のデータプロセッサによって達
成されることを認識すべきである。この後者の場合、ノ
ズル動作リストだけが負荷を減少させる必要があり、メ
モリ４８に格納される。同様に、視覚的付着フィードバ
ックの場合、コントローラ４６が必要なイメージ分析を
実行するか、又はコントローラ４６の内部またはコント
ローラ４６から離れて設置された専用画像プロセッサに
よってかかる機能を実行するものであってもよい。
【００８８】更に、多数の支持生成ステップを用いるこ
ともできる。例えば、２パス技法は、記述されている通
り、初めに、必要とされる支持を識別するために構造を
スライスし、次に、複合モデル／支持構造の層を画定す
るためのスライス処理に対して使用される。支持生成
も、単一組合せ層定義および支援分析技法を用いて達成
することができる。仮に支持が必要であるとみなされる
と、その支持が付加され、次に、先に画定された層を介
して下方向に伝播される。
【００８９】更に、支持構造を付加し、エイリアス防止
機能等を実行するための対象物定義の閉ループ操作と処
理に関する本発明の形態は、押し出しベースの組み立て
システム以外にも適用できる。即ち、ステレオリソグラ
フィ及び組み立てシステムを焼結することに関連する他
の組み立てツールも、ここに教示された技法を適用する
ことによって利益を得るであろう。
【００９０】従って、本発明をその多くの実施例に関し
て特に図示し、記述してきたが、当業者には、形式や詳
細における変更が、本発明の範囲と精神から逸脱するこ
となく行われることは容易に理解されるものである。
【００９１】
【発明の効果】本発明のシステムは上記のように構成さ
れているので、ＣＡＤデータから三次元構造体を生成す
る際に高次元上の精度を得ることができ、コンピュータ
制御による組み立てを容易に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明に従って構成且つ作動される閉
ループモデル生成システムのブロック図であり、（Ｂ）
はニードルバルブが設置されているノズルの断面図であ
る。
【図２】（Ａ）はノズルから押し出される垂直方向に配
置された複数の層を示した部分的完成による構造体の拡
大側面図であり、（Ｂ）は垂直及び水平方向に配置され
た複数の層を示した部分的完成による構造の拡大断面図
である。
【図３】ノズル内を通る材料の流れを制御する内部油圧
ポンプを有するノズルの他の実施例の断面図である。
【図４】（Ａ）はカセグレン式光学配列を用いた視覚的
フィードバックシステムの一実施例の上面図であり、
（Ｂ）はその側面図である。
【図５】光学システムを用いた非平行画像と対象平面を
利用した視覚的フィードバックシステムの別の実施例を
示す側面図である。
【図６】（Ａ）はノズルに近い領域を画像化するために
三個の共焦線カメラを用いた視覚的フィードバックシス
テムのもう一つの実施例であり、（Ｂ）は（Ａ）の三個
の共焦線カメラによって生成された画像を示す図であ
る。
【図７】本発明の閉ループ押し出しノズルシステムを有
する構造体を組み立てるために実行されるステップを示
す方法のフローチャートである。
【図８】（Ａ）乃至（Ｄ）はＣＡＤモデルデータの非支
持機能をテストし、必要な支持構造を構築するための図
７のステップＤとＥの操作を示す図である。
【図９】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ構造内でエイリア
スが起きたエッジ部分、エッジをエイリアシングから保
護するための第１の方法、そして、第２の方法の断面図
である。
【図１０】（Ａ）ではキャパシタンス近接検出器を、
（Ｂ）では触覚近接センサを、更に、（Ｃ）では空気圧
近接センサを含む三個の非光学フィードバックセンサを
示す図である。
【図１１】先に押し出された材料の各端部に固定された
支持されていない押し出し材料のスパンを提供する本発
明の機能を示す立面図である。
【図１２】対象の層をスライスするルーチンからノズル
動作リスト生成器に渡される情報の特徴である「左手」
の法則を示す図である。
【符号の説明】
１０ 閉ループモデル生成システム １２ ノズル １２ａ 外部ケーシング １２ｂ 出力オリフィス １４ ｚ軸トランスレータ １８ ｘ−ｙトランスレータ ４６ コントローラ ４８ メモリ ６０ フィードバックセンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンティントン ウッドマン カーティス アメリカ合衆国12512、ニューヨーク州チ ェルシー、ボックス 218 (72)発明者 ダグラス セイモア グッドマン アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン ハイツ、ダーンレイ プレイ ス 2616 (72)発明者 フランクリン グレイサー アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン ハイツ、マーク ロード 2222 (72)発明者 ロバート ラッセル ジャクソン アメリカ合衆国12545、ニューヨーク州ミ ルブルック、オーク サミット ロード、 ボックス 235、アールアール３ (72)発明者 ジョージ マーティン コッペルマン アメリカ合衆国10024、ニューヨーク州ニ ューヨーク、ウェスト エイティースィッ クスス ストリート 10 (72)発明者 ジョン ダコスタ マッケイ アメリカ合衆国10576、ニューヨーク州パ ウンド リッジ、コナント ヴァレイ ロ ード、ボックス 208、アールアール３

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象物の仕様に従って三次元対象物を組
    み立てるためのシステムであって、 材料を押し出すための手段と、 仕様に従って押し出し手段を制御自在に位置決めするた
    めの手段と、 位置決め手段に結合された出力を有し、最新の押し出さ
    れた材料部分の特徴を少なくとも一つ示すフィードバッ
    ク信号を生成するための手段と、 を含む三次元対象物組み立てシステム。
  2. 【請求項２】 生成システムが画像化手段を含むととも
    に、フィードバック信号が材料の少なくとも最新の押し
    だされた部分の位置を示す請求項１記載の三次元対象物
    組み立てシステム。
  3. 【請求項３】 画像化手段が、材料の少なくとも最新の
    押し出された部分の画像をリレーするために配置された
    カセグレン式光学システムから成る請求項２記載の三次
    元対象物組み立てシステム。
  4. 【請求項４】 画像化手段が、材料の少なくとも最新の
    押し出された部分の画像をリレーするために配置された
    光学システムから成る請求項２記載の三次元対象物組み
    立てシステム。
  5. 【請求項５】 画像化手段が、材料の少なくとも最新の
    押し出された部分の画像をリレーするために配置された
    共焦線カメラシステムから成る請求項２記載の三次元対
    象物組み立てシステム。
  6. 【請求項６】 画像化手段が、材料の少なくとも最新の
    押し出された部分の画像を画像化するために配置された
    赤外線放射画像化手段から成る請求項２記載の三次元対
    象物組み立てシステム。
  7. 【請求項７】 生成手段が赤外線放射画像化手段を含む
    とともに、フィードバック信号が材料の最新の押し出さ
    れた部分の位置と温度を示す請求項１記載の三次元対象
    物組み立てシステム。
  8. 【請求項８】 生成手段が押し出された材料の近接状態
    に応答するセンサ手段を含むとともに、フィードバック
    信号が材料の少なくとも最新の押し出された部分の位置
    を示す請求項１記載の三次元対象物組み立てシステム。
  9. 【請求項９】 センサ手段が材料の最新の押し出された
    部分の誘電率を感知するように配置された可変的キャパ
    シタンス手段から成る請求項８記載の三次元対象物組み
    立てシステム。
  10. 【請求項１０】 センサ手段が材料の最新の押し出され
    た部分に接触するように配置された触覚センサ手段から
    成る請求項８記載の三次元対象物組み立てシステム。
  11. 【請求項１１】 センサ手段が材料の最新の押し出され
    た部分の近接状態によって排出ガスの圧力の変化を感知
    するように配置された気圧センサ手段から成る請求項８
    記載の三次元対象物組み立てシステム。
  12. 【請求項１２】 位置決め手段が、押し出し手段をｘ−
    ｙ平面内で水平方向に移動するための手段を含み、更
    に、支持手段をｚ軸に沿って垂直方向に移動するための
    手段に結合された対象物支持手段を有する請求項１記載
    の三次元対象物組み立てシステム。
  13. 【請求項１３】 材料が、接着剤、蝋、熱可塑性ポリマ
    ー、熱硬化性ポリマー、樹脂、金属合金、ガラス質、エ
    ポキシ樹脂、シリコン接着剤、及びこれらの材料の混合
    物から成るグループから選択され、好ましい電気的また
    は構造的特性を材料に与えるために付加された異質な材
    料を含む混合物を有する請求項１記載の三次元対象物組
    み立てシステム。
  14. 【請求項１４】 押し出し手段がノズル手段を介して材
    料の流れを制御するためのバルブ手段を含むノズル手段
    から成る請求項１記載の三次元対象物組み立てシステ
    ム。
  15. 【請求項１５】 バルブ手段がノズル手段を介して材料
    の流れを制御するための信号に応答する請求項１４記載
    の三次元対象物組み立てシステム。
  16. 【請求項１６】 押し出し手段が押し出し手段を介して
    材料の流れを提供するためのポンプ手段を含む請求項１
    ４記載の三次元対象物組み立てシステム。
  17. 【請求項１７】 対象物のコンピュータ生成による仕様
    に従って三次元対象物を組み立てるための方法であっ
    て、 仕様に従って材料を押し出すための押し出し手段を制御
    自在に位置決めする工程と、 材料の少なくとも最新の押し出された部分の位置を示す
    フィードバック信号を生成する工程と、 フィードバック信号に応じて、仕様によって指定された
    位置との偏差を補償するために、押し出し手段を修正
    し、必要ならば、更に押し出し手段を位置決めする工程
    と、 を含む三次元対象物組み立て方法。
  18. 【請求項１８】 生成工程は材料の少なくとも最新の押
    し出された部分を画像化する工程を含む請求項１７記載
    の三次元対象物組み立て方法。
  19. 【請求項１９】 生成工程は押し出し手段に応答して材
    料の少なくとも最新の押し出された部分の近接状態を検
    出する工程を含む請求項１７記載の三次元対象物組み立
    て方法。
  20. 【請求項２０】 制御自在位置決め工程は、 コンピュータ生成による仕様を垂直方向に積載された複
    数の層にスライスする初期工程と、 各層についてビットマップ表現を形成する初期工程と、 各層について、ビットがマップされた表現に従って一つ
    の層を押し出すために押し出し手段に必要な動作リスト
    を生成する初期工程と、 を含むとともに、 各層ごとに、生成されたリストに従って水平面上で押し
    出し手段を移動する工程と、 各層の押し出しの完了に応じて、組み立て中の対象物
    を、すでに押し出された層の厚さに略等しい距離だけ垂
    直軸に沿って移動する工程と、 を含む請求項１７記載の三次元対象物組み立て方法。
  21. 【請求項２１】メモリ手段に格納された対象物のコンピ
    ュータ生成による定義に従って三次元対象物を組み立て
    るための方法であって、 対象物の一つの支持されていない形状体を検出するため
    に、対象物の格納された定義を評価する工程と、 支持されていない形状体を検出することに応答して支持
    されていない形状体に支持構造を定義する工程と、 対象物と支持構造を組み立てるために組み立てツールに
    よって必要とされる動作を表す組み立てツール動作リス
    トを生成する工程と、 生成された動作リストに従って組み立てツールを移動す
    る工程と、 を含む三次元対象物組み立て方法。
  22. 【請求項２２】 定義が対象物を表現する複数のベクト
    ルとして格納される請求項２１記載の三次元対象物組み
    立て方法。
  23. 【請求項２３】 評価工程及び定義工程が、格納された
    複数のベクトルを用いて実行される請求項２２記載の三
    次元対象物組み立て方法。
  24. 【請求項２４】 動作リスト生成工程が、複数の格納さ
    れたベクトルを対象物のビットマップ表示に変換する初
    期工程を含む請求項２３記載の三次元対象物組み立て方
    法。
  25. 【請求項２５】 評価工程が、対象物の表示を複数の垂
    直方向に積載された平面にスライスする工程を含む請求
    項２１記載の三次元対象物組み立て方法。
  26. 【請求項２６】 動作リスト生成工程が、対象物の周辺
    部と関連があるエイリアス機能を識別するために、対象
    物の表示を分析する初期工程を含む請求項２１記載の三
    次元対象物組み立て方法。
  27. 【請求項２７】 分析工程が、エイリアス機能の大きさ
    を減少させるために、対象物の定義に付加機能を追加す
    る工程を含む請求項２６記載の三次元対象物組み立て方
    法。
  28. 【請求項２８】 動作リスト生成工程が、移動工程時の
    熱を保持するためのポテンシャルを有する対象物の領域
    を識別するために、対象物の表示を分析する工程を含む
    請求項２１記載の三次元対象物組み立て方法。
  29. 【請求項２９】 分析工程が、識別された領域によって
    熱の保持を補償するために、動作リストを修正する工程
    を含む請求項２８記載の三次元対象物組み立て方法。
  30. 【請求項３０】 移動工程が、 対象物の最新の組み立て部分の特徴が少なくとも一つ示
    されたフィードバック信号を生成する工程と、 対象物の最新の組み立て部分の少なくとも一つの位置
    の、動作リストの関連部分に表されたような対応位置と
    の偏差を検出するためのフィードバック信号を監視する
    工程と、 を含む請求項２１記載の三次元対象物組み立て方法。
  31. 【請求項３１】 移動工程が、 対象物の最新の組み立て部分の特徴が少なくとも一つ示
    されたフィードバック信号を生成する工程と、 対象物の最新の組み立て部分の少なくとも一つの位置
    の、動作リストの関連部分に表されたような対応位置と
    の偏差を検出するためのフィードバック信号を監視する
    工程と、 検出された偏差を補償するために、動作リストの後続部
    分を修正する工程と、 を含む請求項２１記載の三次元対象物組み立て方法。
  32. 【請求項３２】 メモリ手段に格納された対象物のコン
    ピュータ生成による定義に従って、三次元対象物を組み
    立てるための装置であって、 対象物の一つの支持されていない形状体を検出するため
    に、対象物の格納済み定義を評価するための手段と、 支持されていない形状体を検出する評価手段に応答し
    て、支持されていない形状体に支持構造を定義するため
    の手段と、 対象物と支持構造を組み立てるために組み立てツールに
    よって必要とされる動作を表す組み立てツール動作リス
    トを生成するための手段と、 生成された動作リストに従って組み立てツールを移動す
    るための手段と、 を含む三次元対象物組み立て装置。
  33. 【請求項３３】 定義が対象物を表す複数のベクトルと
    して格納されるとともに、生成手段が複数のベクトル
    を、各々がビットがマップされた表現で表されている水
    平方向に配置された複数の層に、移動する手段を含む請
    求項３２記載の三次元対象物組み立て装置。
  34. 【請求項３４】 生成手段が、対象物の表面と関連があ
    るエイリアス機能を識別するために対象物の表示を分析
    するための手段を含み、更に、表面にエイリアシングが
    発生するのを防ぐために対象物の定義に表面機能を付加
    するための手段を含む請求項３２記載の三次元対象物組
    み立て装置。
  35. 【請求項３５】 対象物の最新の組み立て部分の特徴が
    少なくとも一つ示されたフィードバック信号を生成する
    ための手段と、 対象物の最新の組み立て部分の少なくとも一つの位置
    の、動作リストの関連部分に示されたような対応位置と
    の偏差を検出するために、フィードバック信号を監視す
    るための手段と、 を含む請求項３２記載の三次元対象物組み立て装置。
  36. 【請求項３６】 対象物のコンピュータ生成による仕様
    に従って三次元対象物を組み立てるための装置であっ
    て、 コンピュータ生成による仕様を複数の水平方向の層にス
    ライスするための手段と、 接着材料を押し出すための手段と、 対象物を一層ずつ連続して組み立てるために、押し出し
    手段を制御自在に位置決めするための手段と、 を有する三次元対象物組み立て装置。
  37. 【請求項３７】 位置決め手段に結合された出力をも
    ち、接着材料の最新の押し出された部分の少なくとも一
    つの特徴を示すフィードバック信号を生成するための手
    段をさらに含む請求項３６記載の三次元対象物組み立て
    装置。
  38. 【請求項３８】 位置決め手段が、スパンの両端が下層
    の材料に剛性に結合され、一方、そのスパンの中心に配
    置された部分は支持されないように押し出し手段の接着
    材料の水平方向のスパンの押し出しを可能にするように
    作動することのできる請求項３６記載の三次元対象物組
    み立て装置。
  39. 【請求項３９】 位置決め手段が、追加材料を押し出す
    ための先に押し出された層に押し出し手段を位置決めす
    るように作動することができる請求項３６記載の三次元
    対象物組み立て装置。
  40. 【請求項４０】 押し出し手段が溶融状態の材料を押し
    出すための手段を含むとともに、その材料がホットメル
    ト接着剤から成る請求項３６記載の三次元対象物組み立
    て装置。
  41. 【請求項４１】 対象物のコンピュータ生成による定義
    に従って三次元対象物を組み立てる装置であって、 エイリアスが発生された表面機能を検出するために対象
    物の定義を評価するための手段と、 エイリアス発生表面機能を検出する評価手段に応答し
    て、補償するためのエイリアシング防止表面機能を定義
    するための手段と、 対象物とエイリアシング防止表面機能を組み立てるため
    に組み立てツールによって必要とされる動作を表す組み
    立てツール動作リストを生成するための手段と、 生成された動作リストに従って組み立てツールを移動す
    るための手段と、 を含む三次元対象物組み立て装置。
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