JPH0740445A - コンピュータ・データから３次元物体のコンピュータ制御の製造を行う方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンピュータ・データから３次元物体を作製
する方法と装置を提供する。 【構成】 ３次元物体の断面に対応する所定位置へ物体
材料を印刷ヘッドにより印刷し硬化させる。次いで支持
材を物体材料の層上にスプレーしカプセル化する。この
層の上面を必要に応じて平面化し、物体材料と支持材を
平面状に露出させる。さらにこの層の上に次の物体材料
の層が印刷され、型に囲まれた３次元物体が完成するま
でこれを繰返す。完成後、支持材は溶媒により溶解され
て３次元物体を残す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】範囲を限定することなく、本発明
は迅速なプロトタイピングに関係し、特に多数の媒体と
選択的な材料除去のコンピュータ制御による分配を用い
てコンピュータ・データから３次元物体を製造する装
置、方法、処理に関係する。

【０００２】

【従来の技術】複雑な設計は、迅速なプロトタイピング
製造の必要性を増加させ、直ちにフィードバックする必
要が生じ、モデル工場又は機械工場が最小のセットアッ
プと実行時間で小量の複雑な部品を製造することが要求
される。多くの製造方法はしかしながら遅く、複雑で高
価である。

【０００３】手動の機械加工や成形方法は簡単な設計に
はしばしば安価で有効であるが、複雑な部品や組立体に
要する繰り返しにはコストが非常に高いものとなる。コ
ンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機は複雑な製造を自動化
するため広く用いられているが、多くのものの中の１個
の製作のためにだけに操作、保守、プログラムするのに
はコストがかかる。

【０００４】迅速なプロトタイピングの分野で最も広く
知られている装置はステレオリソグラフィー（Ｓｔｅｒ
ｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）である。この装置は、コ
ンピュータ制御の鏡の組を用いて桶に入れた液体光ポリ
マの選択２次元域上をレーザー光線で走査し、これによ
り固体ポリマの層を形成することによりコンピュータ・
データから複雑な部品を製造する。台に取付けてある固
化層は桶中に降下して、新たな層が前の層の上面に生成
されて３次元部品を形成する。

【０００５】部品が完成すると、過剰な樹脂が溶媒によ
り除去され、所要の対象物から台取付具と共に全ての張
出し支持部が切取られる。内にとらえた液体を固体化す
るためさらに露光が必要である。

【０００６】ステレオリソグラフィー及び同様の方法に
対する主要な欠点は物体を台に結合するため、又張出し
部、大スパン部又は分離域を取付けるため、支持構造を
設計しなければならない点である。ＣＡＤモデルへのこ
れらの構造体の追加や以後の洗浄時の部品からの手動除
去は労力がかかり、又しばしば特殊な技巧を必要とす
る。

【０００７】他の欠点は、レーザー又は樹脂の使用に要
する余分な場所的かつ環境安全性尺度である。この過程
と清浄化で用いる化学剤は操作員と作業場所を保護する
ため特別な取扱い、換気、及び貯蔵を必要とする。樹脂
の除去と清浄化には大容量の廃棄物が発生する。光ポリ
マは高価でリサイクル不能である。この全ては一般的な
作業場所又はオフィスでの設備での作業を大きさと環境
的な理由から不可能なものとしている。さらに、レーザ
ー及び光学系の微妙な性質のため、設置と較正は非常に
困難である。装置の複雑さとレーザーのコストのため、
保守は高価である。

【０００８】他のリソグラフィー製造方法は選択的レー
ザー焼結法である。この方法は加熱レーザーを用いて、
ワックス、プラスチック又は金属のような粉末材料の選
択域を溶融（焼結）する。実際には、粉末の入った桶を
レーザーにより走査し、これにより個々の粒子を溶か
し、隣接する粒子に接合する。光ポリマ・リソグラフィ
ーと同じく溶融粉末の層は順次処理される。焼結法の利
点は、非加熱粉末が形成されている部品の支持部として
の役割を果たす点である。このことは、非加熱粉末は対
象物から振り払われる又は払われることを意味する。

【０００９】しかしながら、選択レーザー焼結法は又複
雑で高価な光学系である。最終部品の分解能は光線直
径、標準的には０．０１″−０．０２″（０．０２５４
−０．０５０８ｃｍ）に制限される。さらに、余分な段
階として、粉末を重ねて回転ブラシにより水準合せをし
なければならず、これは又他の電子機械部品を必要とす
る。不幸にも、回転ブラシによる微細粉末の水準合せは
しばしば不均質な詰め込み密度を生じる。加えて、粉末
のコストは液体光ポリマ装置より小さい（材料及び労
力）が、３０ミクロン層を準備することは困難である。
この粉末から組立てた物体は中間的な分解能で、一様で
ない表面を有し、又しばしば不均質な構造を有する。

【００１０】マサチューセッツ工科大学で３次元印刷に
よる製造の研究が行なわれた。この研究では、桶又は皿
上に幅広のフィーダを用いてセラミック粉末を積む。粉
末の選択域上にシリカの結合剤を印刷して固体の断面を
形成する。この過程を繰返して最終的な物体を表わす断
面の積重ねを形成する。

【００１１】この方法は選択レーザー焼結法と同じ粉末
積重ね問題を示すと共に、内部空洞から未固着粉末を除
去する別の困難も示す。さらに、この装置により作成さ
れた物体はリサイクル不能である。ＭＩＴの研究はセラ
ミックの型の製作へ向けられている。金属又は他の材料
が型へ注入又は流し込まれ、この型は後に鋳造部品から
取こわされる。不幸にも、最終部品を定める型の内部空
洞は容易に検査できず、このことは正確な部品を得るた
めに高価な試行と誤りの過程を必要とする。

【００１２】従来の技術に見出される別の問題点は、所
要物体の製造時にさまざまな表面色を与えること又は１
材料媒体以上のものを使用することが不可能な点、張出
し部、大スパン部又は分離域の媒体支持部を自動的に除
去することが不可能な点、３次元コンピュータ設計及び
画像を物理的に再生する自動化装置を提供することが不
可能な点である。現在利用可能な装置は高価であり、使
用している媒体はリサイクル不能であり、コンベヤ台で
はなく容器を必要とする大量の粉末と樹脂の使用のた
め、製造後の自動化部品処理を行うことができない。従
って、これらの問題の内のどれか、又は全てを克服する
改良が現在必要とされている。

【００１３】さらなる背景として、マスターズに１９８
７年５月１２日に出された米国特許第４，６６５，４９
２号は３次元物体を製造するコンピュータ自動化処理と
装置を記述している。開示の方法は起点となる種の使用
を必要とし、これへ部品形成材の粒子が向けられ、粒子
が接着して物体を形成する。このようなものであるた
め、開示の方法により形成される物体の形状の複雑度は
限定されたものであり、起点となる種から単一的な方法
で形成しうる物体のみがこの方法により作製できるもの
と考えられる。

【００１４】又さらなる背景として、１９９０年１０月
２日発行の米国特許第４，９６１，１５４号及び１９８
９年６月６日公開のヨーロッパ特許局公開第０ ３２２
２５７号は光ポリマの選択露光により３次元部品を作
製する方法を開示している。これらの引例の各々は、光
ポリマの層を与えて選択的に露光し、続いて露光層の現
像を行う方法と装置を開示する。これらの引例はさら
に、非ポリマ化光ポリマを除去し、非ポリマ化光ポリマ
を除去した層の部分を異なる支持材で充填し、その後同
様の方法で次の物体層を形成することにより、各層中の
非ポリマ化光ポリマを異なる支持材で置換えてもよいこ
とを開示している。これらの引例で開示されている方法
は光ポリマ処理に限定され、従って狭い組の材料のみか
ら部品を作製するのに有用である。加えて、この方法に
より部品を作製する機械は、各層の処理時に非ポリマ化
材料を除去し廃棄しなければならないことを考慮し、機
械の各部から各部へ処理中の材料の運搬を必要とするこ
とから、必然的に非常に複雑となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】関連技術に付随する上
記の問題を考え、本発明の目的は１材料媒体以上の及び
／又は１表面色以上の物体を製造するコンピュータ支援
製造装置と方法を提供することである。

【００１６】本発明の他の目的は、製造後の自動化部品
処理を含む、３次元コンピュータ設計及び画像を物理的
に再現する自動化装置及び方法を提供することである。

【００１７】本発明のさらに他の目的は、製造物体から
張出し部、大スパン部、分離域等の媒体支持部を自動的
に除去する装置と方法を提供することである。

【００１８】本発明の別な目的は、リサイクル可能な媒
体を用いて物体を製造する装置と方法を提供することで
ある。

【００１９】本発明の別な目的は、単一パスで部品層に
必要な処理段階の各々を実行する一体化ヘッドを用い
て、部品を製造するのに要する処理装置を簡単化した装
置と方法を提供することである。

【００２０】本発明の別な目的は、固体物体を指示する
データベースから充填シェルとしての物体を形成するこ
とにより３次元物体を製作する前記方法をさらに改良
し、これを実行する装置の信頼性を改善することであ
る。

【００２１】本発明の別な目的は、次の物体層を支持す
るのに必要な製作中の物体の各面の位置でのみ材料を分
配し処理する方法を提供することにより、３次元物体を
製作する方法をさらに改良することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】これらの及び他の目的は
本発明の装置、方法、処理で達成される。望ましい実施
例において、所要３次元物体のコンピュータ制御製造の
方法と処理は、所定の位置で台上へ液体不溶性材料の層
を分配する段階を含む。この液体媒体は一旦台に接触す
ると硬化する。この場合水溶性の台が望ましいが、本発
明の要旨を犯すことなく台は永久的なものも可能であ
る。

【００２３】次いで水溶性媒体がスプレーされて、硬化
した不溶性媒体をカプセル化する。この水溶性媒体も又
接触時に硬化する。このカプセル剤の最上面は平面で、
従って水溶性カプセル剤の部分を除去し、下の不溶性材
を新規パターン積層用に露出させる。前記平面化により
生じた残部を除去し、液体不溶性媒体の次の層を平面化
した表面上にさらに分配する。これらの２次元スプレー
・パターンを連続的に印刷する又は「積重ね」て水溶性
型により取囲まれた３次元物体を形成する。液体不溶性
媒体層と水溶性カプセル層の分配とこれに続く平面化及
び平面化残部の除去のこのサイクルは印刷サイクルとし
て知られ、３次元物体が完成するまで続行する。完成の
時点で、物体は水に浸され、水溶性型を溶解し、３次元
物体を残す。

【００２４】他の望ましい実施例によると、コンピュー
タ・データから３次元物体を製造する装置は、所要の３
次元物体に関する特定のデータを発生し記憶するために
用いられる少くとも１個の物体走査及び画像取込装置を
含む。このデータはマイクロプロセッサ制御装置へ送ら
れ、このマイクロプロセッサは受信データを物理的に描
写すべき３次元物体の連続断面へ処理する。

【００２５】マイクロプロセッサ制御装置からの入力を
基に、少くとも１個の分配装置がターゲット面上の所定
域で少くとも１個の最低温溶融材をスプレーし、少くと
も１個のノズルが水溶性材料をスプレーして最低温溶融
材の層をカプセル化する。スプレー材料の正確な位置決
めはＣＡＤシステムから受取ったパターンのみならず、
マイクロプロセッサ制御装置から受取った命令によりタ
ーゲット面上で少くとも１個の分配装置、少くとも１個
のノズルを移動させる１組の線形位置決め装置により決
定される。

【００２６】最低温溶融材の層が水溶性材料により一旦
カプセル化されると、マイクロプロセッサ制御の切断装
置がカプセル化材料を平面化して下の最低温溶融材を露
出させ、その間マイクロプロセッサ制御の真空定着具が
不要な平面化材料を除去する。全ての印刷サイクルが完
了すると、完成した物体と型は水を用いた支持部除去装
置へ浸され、これにより水溶性材料を溶解し３次元物体
を残す。

【００２７】本発明の装置と過程の主要な利点は、液体
不溶材の選択域及び層内の選択地点さえも液体不溶材の
残りの層とは異なって着色可能であり、これにより同一
の製造物体内で全範囲の色と微妙な色の明暗から突然の
変化までの全てを可能とする。この特徴によりいくつか
名前を上げると、科学、医療、地理学的研究のような広
範囲の使用に対して品質の良い詳細な可視化モデルを製
造することを可能とする。さらに、１種以上の不溶性材
料を使用することにより、変化する色合も同様に達成可
能である。又ワックス、熱プラスチック等のような不溶
性材料の賢明な選択及び型に対する水溶性媒体の使用に
より、型媒体と物体自体がリサイクル可能である。

【００２８】本発明の他の実施例によると、ターゲット
面上のヘッドの単一パスで、従来の層が平面化され、部
品層と支持材の両方が分配される単一の一体化ヘッドが
設けられる。このような構造は部品又は物体のより速く
より簡単な製作を可能とし、又前記部品及び物体を製作
するより低いコストの装置を提供する。

【００２９】本発明のさらに他の実施例によると、本装
置は中実物体のコンピュータ・データベース表現をユー
ザー指定のシェル厚の中空物体の表現へ変換する機能を
含む。この結果、部品を形成するのに要する部品材料の
容積はシェルのみの容積に減少され、各層の多くが物体
材料ではなく支持材から形成されることを可能とし、前
記支持材はより精密でない方法で分配される。正確なイ
ンク・ジェット印刷ヘッドはこの方法により受ける摩耗
が少くなり、装置の信頼性を改善する。

【００３０】本発明のさらに他の実施例によると、本装
置は処理すべき次の及び以後の層から、部品材料をその
上に分配するかどうか、しない場合には前記位置への支
持材の分配を中止する決定を行う機能を含む。さらに、
この機能は次の部品層を分配すべき位置のターゲット面
のみを平面化する機能を提供し、発生する残部の量と必
要以上の処理の範囲を減少させる。

【００３１】本発明のこれらの及び他の特徴と利点は、
添附した図面と共に行われる望ましい実施例の以下の詳
細な説明から当業者には明かとなる。

【００３２】

【実施例】本発明は工具加工なしでＣＡＤモデルの正確
な複製を製造し、又環境的に安全であるため通常の作業
環境下で操作可能である。

【００３３】本明細書でＣＡＤ画像を参照する個所で
は、他の物体走査及び画像取込装置からの画像も本発明
を用いて縮尺合せして製造可能であることを理解すべき
である。本発明の範囲を限定することなく、共通に使用
される前記装置の例は、コンピュータ支援設計（ＣＡ
Ｄ）、コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）、コンピュータ
支援エンジニアリング（ＣＡＥ）、コンピュータ・トモ
グラフィー（ＣＴ）、磁気共鳴投影（ＭＲＩ）、陽子放
射トモグラフィー（ＰＥＴ）、ＩＲイメージャ、電子顕
微鏡等を含む。このように、生物又は植物のモデルを含
む数え切れない種類の物体やさらに天体も本発明により
色で再現される物体となりうる。

【００３４】図１ａは本発明の望ましい実施例による自
動３次元物体製造部の斜視図である。１個以上のマイク
ロプロセッサ制御の分配又は印刷装置１０は、台１５の
ような全体が平面状のターゲット面へ向けて小滴又は細
い流れのどちらかで液体状態の最低温溶融材を送入する
印刷ヘッド２０を含む。台１５は最初のそして以後の印
刷及びスプレー動作の基礎としての役割を果たす。独立
したコンピュータのアドレス可能な分配装置１０は、溶
けたワックス、プラスチック又は他の材料をスプレーす
るようにしたカラー・プロッタ又はインクジェットのペ
ージ・プリンタに用いるようなインクジェットが望まし
い。印刷ヘッド２０内の印刷装置１０はマイクロプロセ
ッサにより記憶されリレー操作される２次元データ・マ
ップに従ってオンオフされる。

【００３５】文脈中の「マイクロコンピュータ」は、マ
イクロコンピュータはメモリを必要とし「マイクロプロ
セッサ」は必要としないという意味で使用される。本明
細書で使用されるように、これらの用語は又同意語でも
あり、等価な物を参照する。「処理回路」という句はＡ
ＳＩＣ（応用特定集積回路）、ＰＡＬ（プログラマブル
・アレイ論理）、ＰＬＡ（プログラマブル論理アレ
イ）、デコーダ、メモリ、非ソフトウェアベースのプロ
セッサ、又は他の回路、又は任意アーキテクチャのマイ
クロプロセッサ及びマイクロコンピュータを含むディジ
タル・コンピュータ又はこれらの組合せと理解できる。
発明の範囲を考慮すると包含の単語は又不完全な意味に
解釈される。

【００３６】射出型ツール（図示せず）は水溶性材から
台を製造するために用いられる。型ツールは圧力又は真
空口と共に型加工を加速する冷却／加熱機構を有する。
加えて、型ツール空洞部は所要物体の形状に応じて可変
断面厚である。セラミック又は特殊プラスチックのよう
な他の不溶性材料又は金属から作られた台は、洗浄フェ
ーズで溶媒に露される区域を減少させるため水溶性材の
台より望ましくない。

【００３７】図１ａに戻ると、１つ以上の材料２５が熱
又は他の処理により液体状態へ変換され、印刷ヘッド２
０により射出されて台１５上に当り、ここで材料２５は
迅速に接着し、可変断面の２次元パターン層を作成す
る。互いの上面に連続的に形成された前記数層は積層部
として知られている。マイクロプロセッサ命令により重
ねられた材料２５，３５の層の積層を含む物体５５は図
１ａで可視的な層として固化されているが、これは厳密
には説明用で単純化のためのものであることを理解すべ
きである。実際には、前記層は厚さ .００５インチ
（０．０１２７ｃｍ）であり、肉眼では現実には検出不
能である。

【００３８】１個以上の加熱ノズル又はガン３０（図２
ａ−図２ｃの実施例でより良く見える）が望ましくは水
溶性材料３５のランダムなコーティングを吹つけ、これ
により前に印刷したランダムでない不溶性パターンをカ
プセル化する。図２ａ−図２ｃに関連してより詳細に説
明する材料収容配送装置４０は本発明に従って積重ねら
れる各材料２５，３５の容器を与える。水溶性材３５の
分配用に加熱ノズル又はガン３０を用いることにより、
印刷ヘッド２０の寿命は、これが水溶性材料には利用さ
れないため延びる。加えて、特定のｘ，ｙ点へスプレー
粒子を向けるために詳細な命令を必要としないランダム
・スプレー装置３０の使用により、コンピュータ・デー
タ容量と処理の相当な減少が実現される。

【００３９】水溶性材料３５は室温では固体で、一般的
な描画型装置と適合する溶融粘度を示し、積層硬化後は
良好な加工特性を有することが望ましい。材料３５は加
工中所要の不溶性３次元物体を支持しカプセル化する。
図１ｂからわかるように、材料３５の水分散特性は、任
意材料２５から構成された非常にきれいな３次元物体５
５が水の容器へ浸した後に残ることを保証する。

【００４０】水溶性材料は、粉末（粗い薄片面を残しや
すい）又はＵＶ硬化樹脂（切断工具又はサンダーにより
手動で除去しなければならない）のような前述の他の装
置に用いられる支持材料より望ましい。粉末支持方法は
又物体のゆがみに対して適切な保持力を与えられない。
水溶性又は少くとも低温融点材の使用は、他の材料積層
装置と異なり本発明の使用者が片持ちばり、又は天井又
は壁部からの張出し物体、さらに又一例として限定的で
なく、びん中の船のように複雑で込み入った物のような
複雑な特徴を作製することを可能とする。加えて、水溶
性材料は非常に安価であり、印刷ヘッド２０により印刷
する必要は必ずしもなく、ノズル３０で迅速かつ安価に
スプレー可能である。

【００４１】型として水溶性材料を使用することは全体
的に望ましいことであるが、材料３５は熱に露すことに
より除去される低融点材やアルコールに浸した時に溶け
るアルコール溶融材も可能であることを理解すべきであ
る。一般に、物体に影響を与えることなく型を除去する
ためには型と物体の相異なる性質を利用する。このよう
に、最終の層を印刷して、支持部を溶解又は分解し、図
１ｂに例が見られるような３次元物体を残す。これらの
材料は水溶性材料ほど望ましいものではないが、他の材
料積層装置と関連して上述した支持材に望ましいもの
で、これらの使用は本発明の範囲内に該当する。

【００４２】直交座標系のｘ，ｙ，ｚ軸（図１ａにはこ
のように名付けされている）に沿って配置した位置決め
装置４５はコンピュータ命令により印刷ヘッド２０及び
／又はターゲット面５０を移動させる。ターゲット面５
０は最初の積層には台１５であり、又以後の積層には前
の積層部である。特に、位置決め装置４５はターゲット
面５０を水平に（Ｙ）又は垂直に（Ｚ）移動させること
により、又印刷ヘッド２０をターゲット面５０を横断し
て水平に（Ｘ）移動させることにより任意の３次元物体
を完全に定義できることが望ましい。位置決め装置４５
はターゲット面５０、スプレー器３０、印刷ヘッド２０
を移動させるため円形モータ４８を使用している。リニ
ア・モータのような他のモータを円形モータ４８の代り
に使用可能であることに注意すべきである。

【００４３】位置決め装置４５は体積測定用の位置決め
装置、又は線形位置決め装置と協動する平面位置決め装
置、又は３個の線形位置決め装置等であり、このような
詳細は本発明の範囲を決して限定するものではないこと
を理解すべきである。

【００４４】図２ａ−図２ｃは本発明による図１ａの迅
速プロトタイピング装置の他の望ましい実施例の前面
図、上面図、左側面図である。図１ａの実施例に関連し
て上述したものに対応する図２ａ−図２ｃに示す要素の
説明は本明細書中に含まれている。図１ａと図２ａ−２
ｃを比較することにより理解できるように、本発明によ
る装置の要素の特定の位置は問題ではなく、例外として
印刷ヘッド２０とスプレー器３０はターゲット面５０に
対して直角に材料を分配するよう配置されることが望ま
しい。

【００４５】図２ａ−図２ｃに示すプロトタイピング装
置は支持卓５６上に載置してある。印刷ヘッド２０、ス
プレー器３０等が懸架するリンテル支持部を強化するた
め片持ちばり支持部５８は支持部６２を強化する。

【００４６】製造の垂直軸に沿って指定の間隔でターゲ
ット面５０の上面を平面化するよう配置されている１個
以上の切断装置６０（図２ａで最も良く見られる）は水
溶性カプセル剤３５の一部を除去し、新たなパターン積
層用に下の不溶性材料２５を露出させる。切断装置６０
は又印刷ヘッド２０上の多重印刷素子１０間の流速差に
より生じる表面と高さ変動を補償する。切断装置６０の
平面化動作が材料２５，３５の冷却と縮少化により生じ
る応力を解放する役割を果たすため、物体の歪みも又減
少される。

【００４７】真空ヘッド及びポンプ装置６５（図２ｃで
最も良く見られる）は切断装置６０の平面化動作の間に
発生した残留物を除去する。残留物は廃棄又はさらなる
リサイクル用にフィルタ付キャニスタで再生可能であ
る。真空固定具７０（図２ａで最も良く見られる）は組
立て台１５を位置決め装置４５へ保持し、台１５への損
傷又は変形の危険性なしに台１５の簡単、迅速な取外し
や取替えを可能とする。真空固定具７０は、本発明によ
る装置が任意の自動化物体搬入搬出コンベヤ又はラック
７５（図１ａに図示）を設けることを可能とする。

【００４８】図２ａで破線で外形を示す作業容積部７８
は、印刷している間物体を配置する最大物体外包形を示
す。いくつかの材料組合せは室温以上（金属のように）
又は室温より下（水のように）の環境温度での印刷を必
要とするため、環境制御室は作業容積部７８内に配置さ
れる。

【００４９】図１ａの材料収容分配装置４０の一部であ
る大容量容器８０（図２ｃで最も良く見られる）は、溶
融とろ過を行う対応する小さな加熱室８４へ送り装置８
２により運搬され計量される処理材料２５，３５の乾燥
した固体容積材を貯蔵する。送り装置８２はオージェ又
はネジ送り装置でもよいが、他の送り装置も可能で、モ
ータ８３により駆動される。次に溶融液体媒体は、液体
媒体送り線路８８から印刷ヘッド２０又はスプレー・ガ
ン３０への分配の前に各々がポンプ等である圧力装置８
６により加圧される。液体媒体送り線路８８は破断され
ているのが示されている、これは簡略化のためで、線路
８８の各々は圧力装置８６から印刷ヘッド２０又はスプ
レー器３０のどちらかへ線路に応じて連続している。室
８４と印刷ヘッド２０又はスプレー・ガン３０との間の
距離が相対的に長い場合は特に、場合に応じて印刷ヘッ
ド２０又はスプレー・ガン３０へ到達する前に媒体がそ
の液体相にとどまることを保証するため、媒体送り線路
８８を加熱することが望ましい。

【００５０】このように、形状作成に加えて、本発明に
よる装置は高分解能カラー機能により物体を製造するこ
とを他になく可能とする。この他にない特徴の受益者は
医療、地理学、建築、工学分野と共に芸術、天文学及び
他の多くの訓練を含む。材料２５は異なる材料色又は色
の組合せと共に異なる材料組成のものでもよい。所要レ
ベルの視覚的現実感を達成するため、シアン、マゼン
タ、黄、黒、白の色群が望ましい、なぜなら全色帯域中
の任意の中間色が材料の重ね合せ又はディザリングによ
り得られるからである。

【００５１】図３は本発明の望ましい実施例によるマイ
クロプロセッサ及び支持部除去装置の斜視図である。マ
イクロプロセッサ制御装置９０と支持部除去装置が作業
部に図示されている。図示していないが、前記制御及び
支持部除去装置は異なって配置でき、図１ａ又は図２ａ
−図２ｃに図示した装置と物理的に組合せて完全自動化
の迅速プロトタイピング装置を提供できる。

【００５２】ＣＡＤシステムを用いて、所要の３次元物
理物体をシミュレートする寸法、色又は他の所要特性を
含む固有のデータを発生し記憶する。このデータはマイ
クロプロセッサ制御装置９０へ送られ、記憶され、処理
される。マイクロプロセッサ制御装置９０はマイクロプ
ロセッサ命令と共に画像処理及びデータ変換コードを含
み、入力データを物理的に描画されている３次元物体の
連続断面へ処理する。

【００５３】所要の３次元物体のコンピュータ制御の製
造用の装置、方法、処理は、液体材料２５，３５の層を
所定位置でターゲット面上へ分配する段階を含む。これ
らの所定位置はＣＡＤシステム中のコンピュータ画像フ
ァイルから受取った処理済スライスデータを基にマイク
ロコンピュータ制御装置９０により設定される。マイク
ロプロセッサ制御装置９０は又装置、方法、処理操作の
順序とタイミングと共に材料運搬、帰還センサ及び装置
処理用の電子機械要素を制御する。

【００５４】マイクロプロセッサ制御装置９０はこれら
の機能を別個の装置により実行するのではなく、ＣＡＤ
システム又は他の所要の物体走査及び画像取り込み装置
を取込み可能であることを理解すべきである。

【００５５】支持部除去装置９５は、大量の溶媒及び溶
媒が作用する物体５５を完全に収める十分な寸法の洗浄
バット９６から構成される。循環ポンプ又はかくはん器
９８が一体化されて分解過程を加速し残留物を運び去
る。除去すべき型材料３５が水溶性の時には溶媒は水で
ある、等々。

【００５６】支持部除去装置９５は代りに物体５５を配
置する温度室９６を含むことも可能である。分解過程を
加速するため空気循環器を前記室９６内に一体化しても
よい。この後者の装置は、型材料３５が物体材料２５よ
り低温で溶融する時用いるのが最良である。これは、型
の融点より高い温度でかつ物体の融点より低い温度に露
す時、型の選択的除去を可能とする。水とワックス、ワ
ックスとプラスチック、プラスチックと金属等のように
広範囲の材料２５，３５の組合せが可能である。又は代
りに、物体材料２５は、ターゲット面上の選択位置に分
配され、分配位置へ向けられたフラッドＵＶ光又はファ
イバ・オプティックスによるもののように分配時に直ち
に硬化された光ポリマでもよい。物体材料２５が硬化光
ポリマの場合、硬化光ポリマのものとは異なる溶解度を
有するワックスを支持材３５として用いることもでき
る。多くの場合、型と物体材料２５，３５は繰返し使用
のためにリサイクル可能であり、廃棄物を削減できる。

【００５７】図４は本発明の望ましい実施例による３次
元物体を製造する処理を図示する処理流れ図である。物
体の台が一旦真空固定具上に配置される（ブロック１０
０）と、印刷ヘッド・ジェットを検査して全て機能して
いるかどうか調べる。これは、出力が光学検査部所で見
ることができるように印刷ヘッド２０を位置決めするこ
とにより行われる（ブロック１１０）。次いで印刷ヘッ
ド・ジェットは短い線分のパターンを印刷し（ブロック
１２０）、これを走査してジェットの各々が正しく機能
しているかどうか確認する（ブロック１３０）。全ての
ジェットが正しくは動作していないことが決定された場
合、印刷ヘッド２０は吹出ふきとり部へ移動され（ブロ
ック１５０）、ここで装置は吹出されてジェットの流れ
を通じさせる（ブロック１６０）。印刷ヘッド２０は次
いで光学検査部へ戻り（ブロック１１０）、ここでジェ
ットは再び検査される（ブロック１２０と１３０）。図
４の処理には図示していないが、印刷ヘッド２０は必要
に応じて何回でも検査されることは明かである。

【００５８】全てのジェットが正しく動作している場合
（ブロック１４０）、インク供給部を検査する（ブロッ
ク１７０）。供給部が不適当であるとわかった場合、溶
融キャニスタは大容量キャニスタから充填される（ブロ
ック１８０）。インク供給部が十分な場合、物体のスラ
イス・データをロードすることにより処理は続行する
（ブロック１９０）。

【００５９】物体のスライス・データは色情報を含む３
次元コンピュータ「物体」画像から発生され、応用ソフ
トウェアにより２次元パターンの垂直順序列に変換され
る。第２画像は第１画像のまわりの負の容積の形状でソ
フトウェア的に発生可能ではあるが、「型」画像は２次
元スライスの組に変換され、物体と型のスライス・デー
タが連続的に組合され、第２画像は必要ではなくなる、
又は望ましくなくなる。スプレー器３０の全体的な動作
は物体の画像に対してのみ正確な印刷を可能とする。

【００６０】一旦第１のスライス・データがロードされ
ると（ブロック１９０）、台１５が位置決めされ、切断
装置６０がその上面を平面化し（ブロック２１０）、台
は１層厚分だけ降下する（ブロック２２０）。次いで印
刷ヘッド２０は受信したスライス・データに応じてスラ
イス・パターンを走査し積層させる（ブロック２３
０）。第１層のスライス・データは台１５上の印刷ヘッ
ド位置と共にその位置の適当な射出機能を決定する。印
刷ヘッド２０は層が完成するまで台１５に平行な面内を
移動する。第１スライスのパターンの印刷が完了する
と、スプレー器３０は溶性支持材料３５の一様な層をタ
ーゲット面５０の上面にスプレーする（ブロック２４
０）。

【００６１】処理流れ図では平面化段階の前に次のスラ
イス・データのロードが図示されているが、これは平面
化段階の後でも発生可能であり、又は望ましくは平面化
段階と同時が良い。事実、マイクロプロセッサ制御装置
９０は最も迅速な時には印刷サイクル時の任意の時間に
次のスライス・データをロードしてもよい。

【００６２】これが印刷すべき最後の層でない場合（ブ
ロック２５０）、インク供給部を再び検査し（ブロック
１７０）、必要に応じてインクを追加する（ブロック１
８０）。台１５を位置決めし、切断装置６０がターゲッ
ト面５０の上面を平面化している間（ブロック２１０）
に次のスライス・データをロードする（ブロック１９
０）。次いで台１５を１層厚分だけ降下させ（ブロック
２２０）、次の層を印刷する（ブロック２３０、２４
０）。これが印刷すべき最後の層である場合（ブロック
２５０）、部品は真空取付具から除去され（ブロック２
６０）、水が望ましい溶媒へ浸されて、溶性支持材を分
解する（ブロック２７０）。この処理は完成した３次元
物体を作成する（ブロック２８０）。

【００６３】本発明による望ましい処理の例では、１４
０°Ｆの液体ワックス（材料２５）が連続層でジェット
印刷されて物体パターンを形成する。同時に、氷の連続
層（材料３５）が物体パターンのまわりにジェット印刷
されて凍結型を形成する。材料２５，３５の組合せ固体
部分は次いで加熱されて型部品のみを溶融し、高分解能
なリサイクル可能な鋳造パターンを残す。他の多くの材
料２５，３５の組合せが可能であり、当業者の想像によ
ってのみ限定される。

【００６４】図５は本発明の望ましい実施例による印刷
ヘッド検査吹出部所を図示する。印刷ヘッド２０は媒体
送り管３１０を介して溶融した媒体を受取り、短い平行
線３４０の形式でコンベヤ・ベルト３３０上に前記媒体
の滴３２０を落とす。コンベヤ・ベルト３３０の表面は
紙で作られることが望ましい。光学センサ３５０は印刷
ヘッド２０の全ての印刷素子のジェット１０（図面から
は見れない）の同時動作により印刷される平行線を走査
する。マイクロプロセッサは、異物を放出するための吹
出ふきとりを完了するため印刷ヘッド２０をコンベヤ・
ベルト３３０から離すことにより、少くとも１個の不正
動作印刷素子を示す光学センサ３５０の出力に応答す
る。空気が吹出バルブ監視空気管３６０を介して印刷ヘ
ッド２０へ強制送入される。これは印刷ヘッド２０の不
正動作印刷素子１０から異物を有効に排出する。次いで
印刷ヘッドはふきとられ、コンベヤ・ベルト３３０上に
再配置される。印刷ヘッド２０は再び光学センサ３５０
により走査される短い並行線３４０の形式でコンベヤ・
ベルト３３０上へ新たな媒体滴３２０を重ねる。印刷ヘ
ッド２０上の全ての印刷素子１０が正しく機能するまで
この処理を繰り返す。光学センサを用いた検査装置を望
ましいものとして説明してきたが、他の各種検査装置が
当業者には考えうる。

【００６５】図６ａ−図６ｂは本発明の望ましい実施例
による光学センサ３５０の出力を反映する波形図を図示
する。これらの図で、矩形波は機能しているジェット数
を正確に示す。１つあるべき所の矩形波の欠損は不正動
作ジェットを示す。図６ａは全てのジェットが機能して
いる時の光学センサ３５０からの出力を詳細に示し、一
方図６ｂは２つのジェットが不正動作しているものと一
致している波形を図示する。

【００６６】図７ａ−図７ｃは図４の本発明の望ましい
実施例によるワックスのような低融点材料から構成され
るべき３次元物体の製造のため処理段階２３０，２４
０，２１０の各々で生成する構造の図を図示する。図７
ａはＣＡＤ画像に従ってマイクロプロセッサ制御装置に
より定まるように水溶性台１５上の指示位置にワックス
層４００を形成するためワックスの滴４２０を積重ねる
印刷ヘッド２０を示す。前記層４００は組成に係らず、
正の材料として知られ、全ての層が完成した時、所要の
３次元物体を形成する。

【００６７】図７ｂでスプレー器３０は水溶性型材料４
４０の滴４３０をスプレーして水溶性台４１０上に載置
した積層ワックス層４００をカプセル化する。材料４４
０はその組成に係らず負の材料として知られ、全層が完
成すると型を形成する。図４の処理の他にない特徴は図
７ｂに見られ、すなわちスプレーされた負の材料４４０
はランダムで、スプレー粒子はコンピュータにより特定
のｘ，ｙ点へ向けられていない。

【００６８】以後の層の表面を用意するため、ミル・カ
ッタ又は他の切断装置６０が前の層厚の内の一部を除去
して正の材料４００を露出させる。この段階は又各層の
厚さを定め、異なるインクジェットの分配速度を補償す
る。全ての層を処理した後、負の材料４４０を図示して
いない溶媒により選択的に除去し、この場合ワックスで
ある正の材料４００を残す。

【００６９】ある種の材料はインクジェット型機構に用
いるのには粘性度が高すぎる。しかしながらこれらの材
料は、耐久性、外観又は水溶性度のような望ましい特性
を示す。例示としてのみで限定する意図のものではない
が、このような粘性材料の望ましい使用は、ペーストと
エポキシのような電導媒体から製造される回路組立体を
含む。

【００７０】高温融点又は高粘性材料を用いるために
は、絵画に用いるような原子化ノズルと加圧ガンをイン
クジェット型印刷ヘッドの代りとして使用可能である。
このようなノズル又はガンは加圧注入器、すなわちピス
トン型動作を使用し、各種のノズル径が利用可能であ
る。

【００７１】図８ａ−図８ｃは図４の本発明の望ましい
実施例に従って、高温融点又は高粘性材料から作られる
３次元物体の製造のため処理段階２３０，２４０，２１
０の各々で生成する構造の図を図示する。このような高
温融点又は高粘性材料は金属、セラミック、プラスチッ
ク、ペースト、エポキシ等と共に、１例としてで限定的
ではないが、すず、鉛合金のような前記材料の組合せ又
は合金も可能であることを理解すべきである。

【００７２】図８ａはＣＡＤ画像に従ってマイクロプロ
セッサ制御装置により定まるような台１５上の指示位置
にワックス層５００を形成するためワックスの滴５２０
を積層しているインクジェット印刷ヘッドを図示する。
前記層５００は組成に係らず、負の材料で、全ての層が
完成すると型又は支持部を形成する。

【００７３】図８ｂでスプレー器ノズル又はガン３０は
支持材料５００とその中のパターン空洞部の上へ高温融
点又は高粘性材５４０の小滴５３０をスプレーする。材
料５４０は組成に係らず正の材料で、完成すると、所要
の３次元物体を形成する。図４の処理の他にない特徴は
図８ｂに見られ、すなわちスプレーした正の材料５４０
はランダムで、スプレー粒子はコンピュータにより特定
のｘ，ｙ点へ向けられていない。

【００７４】以後の層の面を用意するため、ミル・カッ
タ又は他の装置が前の層厚の一部を除去して正の材料を
露出させる。図８ｃは正の材料５４０を平面化して積層
ワックス層５００を露出させるカッタ６０を図示する。
各層は、異なるノズルの分配度を補償する所定の厚さに
研磨される。全層を処理した後、最終容積物は低温融点
の型付の高融点又は高粘性物体から構成される。負の材
料５００は図示していない溶媒又は熱により選択的に除
去され、高融点又は高粘性の正の材料５４０を残す。

【００７５】この方式は、インクジェット・プリンタ機
構のみを用いては可能とはならないナイロン、ＰＶＣ、
いくつか名前を挙げられる金属合金のような多くの材料
から物体を作ることを可能とするという点で他にないも
のである。さらに、積層部の上面を研磨することは、他
の装置では部品に歪みを生じさせる応力を解放する役割
を果たす。又、十分広帯域をカバーしつつ多量の材料を
ランダムにスプレーするため、必要なインクジェット印
刷ヘッドの数が減少する。

【００７６】ここで図９ａと図９ｂを参照して、本発明
の別の実施例に従う一体化印刷ヘッド６００の構造と動
作を詳細に説明する。一体化印刷ヘッド６００は、ター
ゲット面上の単一パスで物体材料２５と支持材料３５の
分配と、各層の表面の平面化を含む、物体５５の層を完
全に作成するのに必要な装置を含む。この単一パス処理
は製造過程を著しく速度向上させ、本発明に従って３次
元物体を作製する装置の複雑度とコストも減少させる。

【００７７】一体化印刷ヘッド６００は、隔置した関係
で部品の各々が取付けられる取付け板６０４を含む。印
刷ヘッド２０は板６０４に取付けられ、接続された電線
６０２に与えられる信号に応答する隣接の貯蔵所６２０
から物体材料２５を分配する。図９ｂに図示するよう
に、ノズル６０３はインクジェット印刷ヘッドの公知の
方法の対角線的に千鳥配置にされる。印刷ヘッド２０の
後方（ｙ方向）かつそこから一方の側面へ離れて（ｘ方
向）配置されているのは、隣接するため６３０から支持
材３５を分配する分配器３０である。例えば、分配器３
０はｘとｙの各方向印刷ヘッド２０の０．１インチ
（０．２５４ｃｍ）のオーダーで（側方）後方にある。
一体化印刷ヘッド６００が＋ｙ方向（図９ａ及び図９ｂ
の軸基準に示すように）へ走行することを考えると、分
配器３０は３次元物体の形成で印刷ヘッド２０より後に
遅れる。動作時に、印刷ヘッド２０が分配器３０より進
んで物体材料２５を分配しているのと同時に、分配器３
０は支持材料３５を遅れ位置で分配していてもよい。こ
の結果、個々の印刷ヘッド２０と分配器３０の多重パス
を必要とすることなく型付物体の層が迅速に形成され
る。加えて、単一層を処理するために多くの処理部所間
で物体を運搬することを必要とする上記の米国特許第
４，９６１，１５４号やヨーロッパ特許局公開第０ ３
２２ ２５７号に記載の既知の装置に対して特に、装置
の複雑度が大きく減少している。

【００７８】オプションとして、加熱ガス（図示せず）
を与える加熱要素又はダクトを取付け板６０４へ取付
け、印刷ヘッド２０が物体材料２５を分配する所、特に
従来層の物体材料２５上に物体材料２５を分配すべき位
置のターゲット面の部分を局所的に加熱してもよい。こ
のような局部加熱は、熱伝導、対流又は輻射のいずれに
よるものであれ、物体材料の上部を十分な温度まで上昇
させて軟化状態とし、従来層の物体材料２５への現在層
に分配された物体材料２５の接着を改善することが望ま
しい。さらに、この局部加熱は従来層の物体材料２５の
熱収縮を可能とし、新たな分配器の物体材料２５と整合
させる。

【００７９】一体化印刷ヘッド６００は、一体化印刷ヘ
ッド６００がｙ方向へ走行する時印刷ヘッド２０の前方
でターゲット面を平面化するためのナイフ６０８をさら
に含む。一体化印刷ヘッド６００により可能な単一パス
処理では、分配器３０の後方で支持材３５の分配後では
なく、物体材料２５と支持材３５の分配の直前にターゲ
ット面を平面化することが望ましい。印刷ヘッド２０の
前の平面化により、ナイフ６０８が分配器３０の直後に
配置されている場合より物体材料２５と支持材料３５が
平面化の前に固化するより長い時間を有することができ
る。より完全に硬化した材料の平面化はより平面のター
ゲット面を発生し、物体材料２５の連続する層間の支持
材３５のよごれを除く。

【００８０】ナイフ６０８を取囲むものはターゲット面
上のナイフ６０８の平面化動作からの残留物を除去する
ための真空拾い上げフード６１０であり、ナイフ６０８
は取付け板６０６を介して真空フード６１０内に取付け
られる。真空拾い上げフード６１０はダクト６１２を介
して処理域から離れた再生場所へ残留物を排気する。真
空拾い上げフード６１０の代りに、ターゲット面から残
留物を除くためブラシ又は空気ジェットを設けてもよ
い。針毛又は他の適当な構造により形成されるブラシ・
シールド６１４は図９ａに示すようにオプション的に設
けられて、真空フード６１０により拾い上げられなかっ
た残留物が、印刷ヘッドが物体材料２５を分配する選択
位置に影響を与えることを防止し、選択した分配位置で
の処理機構を他の汚染から保護する。

【００８１】図９ａに図示するように、ナイフ６０８は
単一の切断縁ではなく段付切断縁である。その上面を削
っている時材料を割る可能性は、層の全体厚に対する削
っている厚さ間の比率に従って増加するものと考えられ
る。従って、単一深さの単一切断刃は全く表面を割りや
すく、特に本方法で期待されるように表面地形の変動
（山対谷）が３０％のオーダーである場合はそうである
ものと考えられる。本発明のこの実施例によると、各々
が０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）のオーダー
の深さを有するナイフ６０８の段付き切断刃は連続して
多数の浅い研削段階を与える。最も深い刃の最底面には
平らな領域が設けられてターゲット面をさらに平滑化す
る。この結果、層厚に対して各増分切断面により除去さ
れる材料の厚さが減少するため、ナイフ６０８はターゲ
ット面を割る可能性を大きく減少させる。

【００８２】図１０を参照すると、別の構成によるナイ
フ６０８′が図示されている。ナイフ６０８′は多重段
ではなく、（断面で見た時に）後縁の平面付の単一斜め
刃を含む。この構造の結果として、ｙ方向の刃６０８′
の増分移動はターゲット面の増分量の除去を生じ、又タ
ーゲット面の割れを避けうる。

【００８３】本発明の又別の実施例によると、ナイフ６
０８′を取付ける取付け板６０６′は電線６１８上の信
号に応答するソレノイド６０６の制御下で可動である。
この構造はナイフ６０８′（又は代りに多くの浅い段付
のナイフ６０８）の選択制御を可能とし、従って平面化
は選択位置でのみ実行される。例えば、支持材３５を次
に分配するターゲット面上の位置では、物体の支持材３
５の形状の非重要性のため（これはいずれにせよ除去さ
れる）、平面化は必要ない。これと対照的に、物体材料
２５を分配すべきターゲット面の位置は平面化して物体
材料２５が従来層のものと接着することを保証し、物体
の形成に適正な寸法制御を与えられなければならない。
可動ナイフ６０８′はソレノイド６１６により制御さ
れ、従ってこれは物体材料２５を分配すべき位置のター
ゲット面でのみ接触し、この結果研削及び発生する平面
化残留物の量は大きく減少し、又刃６０８′の摩耗も同
様である。

【００８４】図１１ａを参照すると、平面化に別の技術
を用いた別の構成による一体化印刷ヘッド６００′が図
示されている。この例によると、ローラー６４０は一体
化印刷ヘッド６００′の印刷ヘッド２０と分配器３０の
後につき、支持材３５の分配後分配層の表面を平滑化す
る。多くの場合支持材３５を平滑化するには冷間ロール
処理で十分であると考えられる。又は、ローラー６４０
を加熱して支持材３５の適正な平滑化を保証してもよい
が、この場合ローラー６４０上にテフロン（ＴＥＦＬＯ
Ｎ）のような非付着コーティングを与えることが望まし
い。加えて、従来層への物体材料２５の次の層の粘着を
促進するため、ローラー６４０にぎざぎざ又は粗い表面
を与えて分配層上に粗い外観を残すのがよい。

【００８５】ここで図１１ｂを参照すると、さらに他の
構成による一体化印刷ヘッド６００″が正面図に図示さ
れている。一体化印刷ヘッド６００″はターゲット面の
上の高さで分配器３０の後につく熱バー６４２を含む。
熱バー６４２は例えば抵抗素子型の例の電線６４４によ
り付勢されて加熱され、支持材３５と物体材２５を再流
動させ、次の層の滑かなターゲット面を作成する。

【００８６】使用している材料の特性に応じて図１０ａ
と図１０ｂに示すように後にではなく、ローラー６４０
又は熱バー６４２のどちらかを印刷ヘッド２０の前に設
置してもよい。

【００８７】さらに代案として、次の層用の平面状ター
ゲット面を形成するために別の平面化及び機械加工を必
要とすることなく、実質的に平面状の上面を得られるよ
う、物体材料２５と支持材３５を分配することも考えら
れる。これは例えば、支持材３５の分配量を注意深く制
御するよう印刷ヘッド２０と同様のインクジェット印刷
ヘッドにより達成される。この場合、上述の一体化印刷
ヘッド６００、６００′、６００″はナイフ６０８、ロ
ーラー６４０、熱バー６４２又はターゲット面の平面化
用の他の装置を含まない。代りに、実時間で分配される
支持材３５の容量を測定することにより、本装置は印刷
ヘッド２０により分配される物体材料２５の厚さと整合
するよう分配器３０により分配される支持材３５の容積
を制御可能であり、印刷ヘッド２０も制御して分配する
物体材料２５の容積も同様に実時間で調節してもよい。
この測定と制御は層の全面に渡って物体材料２５と支持
材３５の両者の同一平面性をさらに保証する。本方法で
有効と考えられる実時間測定技術の例は、干渉計のよう
な光学測定、追従ブラシのような機械的測定、及び他の
既知のフィルム厚測定技術を含む。

【００８８】図１２を参照すると、多層プリント回路板
を作製する本発明の応用例が断面で図示されている。こ
の例では、物体材料２５はアルミニウムのような電導材
料を含み、支持材３５はポリカーボネートプラスチッ
ク、ポリマ樹脂、又は他の公知の電気的絶縁材のような
誘電材料を含む。本発明のこの実施例によると、支持材
３５は物体の形成の完了時に除去されず（これはプリン
ト回路板である）、代りに形成した物体の一体部分とし
て残る。オプションとして、その製造時に、その場所に
残る支持材３５の代りに、回路板の選択した位置は上述
した方法で物体の形成後に除去される可溶性支持材３５
を受入れ、このようにして複雑な形状のプリント回路板
の製造も可能とする。

【００８９】図１２に図示するように、一体化印刷ヘッ
ド６５０は電導性物体材料２５を分配する印刷ヘッド２
０と絶縁性支持材３５を分配する印刷ヘッド６７０を含
む。上述した印刷ヘッド６００の分配器３０と対比し
て、印刷ヘッド６７０は相対的に高精度で支持材３５を
分配することが望ましい。プリント回路板の製作は、ナ
イフ６６０（これは本発明のこの実施例では印刷ヘッド
２０の後につける）による各層の上面の平面化を含め
て、上述したものと同様に進行する。

【００９０】動作時に、プリント電導線を各層に配置す
べき位置に電導性物体材料２５を分配する印刷ヘッド２
０によりプリント回路板が製造される。同一の単一パス
で、印刷ヘッド６７０は層の残部を充填するのに必要な
だけ絶縁性支持材３５を分配する。電導線を有するもの
の間のプリント回路板の層はこの例では、２５Ｖを介し
た垂直部を配置すべき位置に電導性物体材２５を受入れ
て、異なる層の電導線路を接続し、２５Ｖによる電導部
を含む層の残りは支持材３５を受入れる。

【００９１】この結果、本発明は従来のプリント回路板
製造に必要であったように、板を貫通する穴を形成して
穴をハンダで埋める後処理段階を必要とすることなく層
毎の方法でプリント回路板の形成を可能とする。さら
に、本発明は従来の回路板で利用可能なものより著しく
複雑な形状の回路板の製作を可能とする。例えば、本発
明は異なる厚さと電導層の数の場所を有する一体回路板
の形成を可能とする。加えて、本発明は壁付の回路板の
形成を可能とし、無線周波数干渉（ＲＦＩ）用の電導性
シールドを含む壁を含むものも考えられる。本発明によ
り与えられる柔軟性の増大は、板に設置すべき回路に応
じてプリント回路板（及び壁部）の異なる位置での異な
る厚さのＲＦＩシールドの形成を可能とする。

【００９２】図１３を参照すると、本発明のさらに他の
実施例に従って構成された装置が記載されている。以上
の説明から明かなように、本発明は相当大寸法、例えば
側面が１フィート（３０ｃｍ）のオーダーの物体を組上
げることが可能である。このように形成された物体の重
量は、支持材と組合せて、５０ポンド（２２．７ｋｇ）
のオーダーのように、相当大きいものとなる。それ故、
型付物体を洗浄部へ運搬する労力を削減するため、製造
方法とその場で物体５５から支持材３５を除去する装置
を提供することが有用であると考えられる。

【００９３】図１３は、洗浄タンクを組込んだ本発明に
よる物体を作製する装置の例を図示する。キャビネット
６７５は、上述したように、支持材３５に埋め込まれた
物体材料２５の物体を形成するための上面近くの一体化
印刷ヘッド６００（又は必要に応じた他の印刷ヘッド）
と、上載台１５を有する。本発明のこの実施例では、台
１５は、キャビネット６７５の内部へ台１５を下降させ
得るように従来のモータ（図示せず）により制御される
伸縮アクチュエータ６８０の上部に取付けられる。ベロ
ーズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）６８２はアクチュエータ６８０
を取囲んで、後述するように溶媒がキャビネット６７５
へ入ることを防止する。キャビネット６７５は、溶媒流
体がポンプ６８４により連通する入口ホース６８５を受
入れ、出口ホース６８６、６８７をフィルタ６８８へ与
えて、ポンプ６８４によりキャビネット６７５へ再導入
するためのタンク６９０での貯蔵の前に分解した支持材
３５をキャビネット６７５から受取った流体からさえぎ
る。

【００９４】動作では、物体の完成時に、アクチュエー
タ６８０が台１５をキャビネット６７５の内部へ降下さ
せる。次いでポンプ６８４が付勢され、物体材料２５に
対して支持材３５を選択的に分解するために用いられる
水又は他の適当な溶媒のような溶媒流を入口ホース６８
５を介してキャビネット６７５の内部へポンプで送り、
出力ホース６８６、６８７、フィルタ６８９及びタンク
６９０を介して再循環させる。この溶媒は支持材３５を
分解して物体材料２５から形成された物体５５を作成
し、この後アクチュエータ６８０は台１５をキャビネッ
ト６７５の上面へ上昇させ、操作員が支持材３５の余分
な重量なしで物体５５をここから取出すことを可能とす
る。

【００９５】加えて、上述したナイフ６０８による層の
平面化の間に発生した残留物は、周囲の物体材料２５と
共に平面化された支持材３５を分解するため、キャビネ
ット６７５の内部へターゲット面の縁から離れた一体化
印刷ヘッド６００により単に掃引される。

【００９６】上述した本発明は従ってＣＡＤデータベー
スから直接複雑な形状の３次元物体を迅速に作製するの
に非常に有効である。しかしながら、図１４ａ、図１４
ｂ、図１５ａ、図１５ｂ及び図１６ａから図１６ｅに関
して今から後述する本発明の別な実施例に従って物体を
作製することにより、このような物体を作製する効率が
さらに強化され、印刷ヘッド機構の寿命が相当に長期化
されることが発見された。

【００９７】図１４ａと図１４ｂをまず参照すると、支
持材３５を分解する前の製造段階で、支持材３５により
取囲まれている物体材料２５から形成された物体が断面
（ｙ−ｚ面）で図示され、この説明の目的上このｙ−ｚ
断面がｘ次元に十分大きい範囲で保持されているものと
する。図１４ａの図から物体の大部分は物体材料２５の
固体ブロックから形成されていることは明かである。そ
れ故この物体の製造時に、印刷ヘッド２０は物体の内部
部分を含む物体の大部分の体積部に対して高精度に物体
材料２５を分配し、従って図１４ａの物体の製造は非常
に遅い。さらに、インクジェットの信頼性はその使用時
間の関数であることは公知である。従って、製造スルー
プットの観点のみならず装置の信頼性の観点からも、イ
ンクジェットが使用中である時間を最小とすることが望
ましい。

【００９８】図１４ｂは図１４ａに示したものと同じｙ
−ｚ面の断面で、同じ物体が代りに充填支持材３５′を
取囲む厚さｔの物体材料２５′のシェルから形成されて
いることを図示する。図１４ｂの物体の側壁（すなわち
ｘ次元の限界）も又厚さｔの壁を与える。物体材料２５
が支持材３５を分解するために用いる溶媒に不溶性で、
かつ充填支持材３５′に対して不浸透性の両方である限
り、シェル２５′の外側からの支持材３５の分解は充填
支持材３５′をシェル２５′内にそのまま残しておく。
このようなシェル部分を形成するのに有用な材料の例
は、支持材３５にはポリエチレン・グリコールのような
水溶性ワックスとシェル物体材料２５′にはみつろう又
はカーナバロウのような水不溶性ワックスを含む。

【００９９】充填支持材３５′はスプレーノズル又は分
配ノズルによるもののように、物体材料２５より相当低
い精度で分配されるため、図１４ｂの物体を形成するた
めのインクジェット印刷ヘッドの使用の頻度は図１４ａ
の物体を形成するために要するものより非常に減少して
いる。結果として、図１４ｂの物体は図１４ａのものよ
り非常に少い時間で形成され、物体材料２５を分配する
ために用いたインクジェット印刷ヘッド２０の摩耗も少
い。

【０１００】それ故、従来のコンピュータ支援設計プロ
グラムの巧妙な使用により、形成される物体の設計者は
データベースの設計の元の記述では中実の物体のシェル
設計を実装できる。しかしながら、本発明による装置の
コンピュータ制御装置は、望ましくはユーザー指定の厚
さｔで図１４ａに示すような中実部分のデータベースか
ら図１４ｂに示すようなシェル部分を自動的に発生す
る。中実体からシェルへのこの変換は製造過程を開始す
る前にオフラインで実行され、従って製造装置が受取る
データベースはシェル・データベースであるものと、代
りに物体の層毎の製造時に、中実体からシェルへの変換
を製造装置自体で層毎に実行してもよい。図１５ａと図
１５ｂに関連して説明する望ましい方法を含む前記変換
用の後述する方法はどちらの環境下の使用にも適してい
る。

【０１０１】前記変換を実行する望ましい方法による
と、容積中の各ボクセル（容積要素）はその取囲むボク
セルに対して個別に解析されて、問題のボクセルが物体
の一部ではないボクセルのユーザー指定の厚さｔ内にあ
るかどうか決定する。図１６ａを参照すると、問題のボ
クセルＶＯＸＥＬは各寸法が長さ２ｔである立方体Ｖの
中心にあるのが図示されている。このようになっている
ため、問題のボクセルＶＯＸＥＬは立方体Ｖの各側面か
ら距離ｔだけ離れている。中実の物体を中空のシェル物
体へ変換する関連で、本方法は問題のボクセルＶＯＸＥ
Ｌと立方体Ｖ中でこれを取囲む各ボクセルが物体材料２
５を形成するものであるかどうかを決定し、そうである
場合、問題のボクセルＶＯＸＥＬは少くとも厚さｔだけ
形成されるべき物体の縁から離れており、従って物体材
料２５ではなく充填支持材３５′から形成される。この
ように形成される物体の容積を通して問題のボクセルを
増分させていくことは、厚さｔより薄くはない壁部を有
する物体を形成するため、物体材料２５から前は形成さ
れるはずのボクセルの内どれを充填支持材３５′から形
成するか、を識別する。

【０１０２】問題のボクセルＶＯＸＥＬを取囲む立方体
Ｖ内の各ボクセルを検査する「強引な」方法による大容
積の解析は、有効ではあるが非常にやっかいである。実
際、ｎボクセルの容積に対しては前記の方法はｎ⁴ 問い
合せのオーダーを必要とし、非常に長い計算時間を必要
とする。図１５ａと図１５ｂの流れ図に図示する方法
は、後述する方法で立方体Ｖの表面のみを解析すること
により中実体からシェル物体へのデータ変換を著しく少
時間で実行するものである。この方法は現代の個人用コ
ンピュータ・ワークステーション又は同様の計算力の他
のデータ処理装置での演算に適しており、さらに通常の
当業者は以下の説明を基にこの方法を実行するため前記
のコンピュータを容易にプログラム可能であることが考
えられる。

【０１０３】この方法は、物体の層毎の形成時に実時間
変換で用いるのに適した、ｘ−ｙ面での物体容積のスラ
イスに対して以下に説明する。又は、上述したように、
物体製造の前に変換がオフラインで実行される場合、こ
の処理はｚ次元の一連の層に対して増分的に実行され
る。さらに、図１５ａ、図１５ｂの変換処理が操作する
データベースは、各々物体材料２５を受入れないか又は
物体材料２５を受入れるかを指示する「中空」又は「中
実」状態を各々が記憶する、３次元アレイのボクセルに
対応するメモリ位置から構成される。本発明のこの実施
例によると、充填支持材３５′を受入れるボクセルであ
ることを示す第３の「マーク付」状態を用いる。

【０１０４】本発明の実施例による変換処理は処理７０
０から開始し、ここでユーザー指定のシェル厚ｔと物体
容積のｘ−ｙスライス中のボクセルに対して最大のｘと
ｙが設定される。判断７０１で、問題のボクセル（「Ｖ
ＯＸＥＬ」）の現在のｙ値を問合せ、最大ｙ寸法ｙｍａ
ｘからシェル厚ｔ内に位置しているかどうか決定し、そ
うである場合、このｙ次元のボクセルは必ず中空である
か又は中空ボクセルから厚さｔのシェル内にあるかのど
ちらかであるため、変換処理は終了する。そうでない場
合、ＶＯＸＥＬのｘ寸法を間合せて、最大ｘ寸法ｘｍａ
ｘのシェル厚ｔ内にあるかどうかを見る判断７０３を実
行する。ＶＯＸＥＬがｘｍａｘの距離ｔ内にある場合、
ｙ値を２だけ増分することにより新たなＶＯＸＥＬを選
択し、制御を判断７０１へ戻す。ＶＯＸＥＬのｘ及びｙ
値を２だけ増分させることは、もち論問合せるＶＯＸＥ
Ｌ数を半分に減少させることにより変換処理を大きく速
度向上させる、加えて、単一のボクセル幅の中空域とい
う望ましくない状況が２だけ増分させることにより失わ
れるため、このような増分方法により殆んど分解能は失
われない。

【０１０５】最大値ｘｍａｘのシェル厚内にＶＯＸＥＬ
が入っていない場合、中実物体データベースを問合せて
ＶＯＸＥＬが中実であるかどうか決定する判断７０５を
実行する。中実でない場合、ｘ次元に２だけ増分するこ
とにより新たなＶＯＸＥＬを選択し、判断７０３へ制御
を戻す。ＶＯＸＥＬが中実である場合、これは中空のＶ
ＯＸＥＬへ変換する候補（すなわち充填支持材３５′を
受入れる場所）となり、処理は判断７０７へ続行する。

【０１０６】上述した本発明のこの実施例によると、立
方体Ｖの表面を問合せてＶＯＸＥＬをマークするかどう
か決定する。しかしながら、判断７０７は従前の結果を
基に、立方体Ｖの表面の解析を減少させるルーチンを開
始する。判断７０７で、ＶＯＸＥＬと同じｙ寸法の前の
ボクセルを問合せて、充填支持材により充填されるよう
「マーク付」となっているかどうかを見る。そうである
場合、ＶＯＸＥＬから−ｘ方向へ少くともｔ距離のボク
セルは既に問合せてあり、充填支持材３５′により充填
され、−ｘ方向に繰返して問合せる必要性を除去する。
次いで処理７０８でｘ走査ポインタをセットして、ＶＯ
ＸＥＬから＋ｘ方向の立方体Ｖの表面のみを問合せて、
ＶＯＸＥＬをマークできるかどうか（すなわち立方体Ｖ
の表面の一部がｔより大きいか又は等しいｘを有してい
る）を決定する。図１６ｂで図示した影付面は、ｘ＝ｏ
の平面に沿った立方体Ｖの外面の代りのｘ＝ｔ面に沿っ
た立方体Ｖの内部面の代換えを含む、判断７０７の結果
が正の場合に解析すべき部分を図示する。

【０１０７】図１５ａに戻ると、ＶＯＸＥＬと同じｘ寸
法ではあるが前のｙ走査線のボクセルを問合せて、中空
となるようマークされたかどうかを決定する判定７０９
が実行される。そうである場合、前の解析がｙ次元の前
のボクセルが安全にマークされたことを見出しているた
め、ＶＯＸＥＬよりｙ次元が小さい立方体Ｖの表面の部
分は解析する必要がなく、ｙ走査ポインタをセットして
ＶＯＸＥＬからｙ方向の前方のみを走査する（処理７１
０）。図１６ｃは影付により、判断７０９の結果が正の
場合（すなわちｙがＶＯＸＥＬより大きいか又は等し
い）に解析すべき表面の部分を図示する。ｙ＝ｏ面の代
りに立方体Ｖの内部面（ｙ＝ｔの面に沿った）も又考慮
する。

【０１０８】次いで、ｚ次元でＶＯＸＥＬ直下のボクセ
ルを問合せて中空となるようマークされたかどうか決定
する判断７１１を実行する。そうである場合、ｘ及びｙ
次元と同様に、処理７１２でｚ走査ポインタをセット
し、ｚ次元で前方向のみを走査し、ＶＯＸＥＬのものよ
り大きいか又は等しいｚ値を有する立方体Ｖの表面の部
分を解析する。図１６ｄの影付面はこの場合に解析すべ
き立方体Ｖの表面の部分を図示する。

【０１０９】判断７０７、７０９、７１１から、何の正
値の結果もない組合せから全てが正の結果の組合せを含
む任意の正の結果の組合せが返されることに注意すべき
である。ｘ、ｙ、ｚ次元の全ての３次元でＶＯＸＥＬに
直接隣接する３つのボクセル全てが中空とマークされた
場合、図１６ｅに示す立方体Ｖの表面の部分のみ、すな
わちＶＯＸＥＬよりそのｘ、ｙ、ｚ次元の３次元全てが
大きい位置のみを解析する必要がある。ｘ＝ｔ、ｙ＝
ｔ、ｚ＝ｔ面に沿った立方体Ｖの内部表面も又解析に含
まれる。結果として、本方法のこの部分は、ＶＯＸＥＬ
を「マーク」できるかどうか決定するのに必要な解析の
量を非常に減少できる。

【０１１０】図１５ｂを参照すると、走査すべき立方体
Ｖの表面の範囲を一旦決定して、解析が開始できる。処
理７１４はｚ値を立方体Ｖの上面に対応する２ｔにセッ
トする。次いで判断７１５は上面の最初のｘ、ｙ位置
（判断７０７、７０９の結果に依存）のボクセルに問合
せて中実かどうか決定する。そうでない場合、上面のこ
のボクセルは物体域の外側であることを意味し、ＶＯＸ
ＥＬは必ず形成される物体の外縁の厚さｔ以内であり、
処理はＶＯＸＥＬで終了し、処理７０６でｘ値を増分し
た後新たなＶＯＸＥＬを問合せる。上面のこのボクセル
が中実の場合、ｘ及びｙ値がｚ＝２ｔ面上で増分される
（この場合、ｘ軸が速い軸である）処理７１６が実行さ
れる。判断７１７は、面が完了したかどうかを決定し、
そうでない場合は制御を判断７１５へ戻して次のボクセ
ルを解析する。

【０１１１】上面（ｚ＝２ｔ）のボクセルが中空でない
場合、処理７１８でｚをその低い限界値（上述した判断
７１１の結果に応じて、ｏ又はｔのどちらか）にセット
することにより底面を解析する。判断７１９は判断７０
７、７０９の結果により解析した範囲までこの底面に沿
って各ボクセルの状態を解析し、判断７２１により底面
解析が完了した時を決定する。このように解析した底面
のボクセルのどれかが中空の場合、これは中空とできな
いため処理はＶＯＸＥＬで終了し、問題のボクセルの増
分は処理７０６で実行される。

【０１１２】底面の完了時に（中空ボクセルは見出され
なかったと仮定すると）、制御は処理７２２へ渡り、処
理７２２は判断７０７、７０９、７１１で見出したその
最低限界へ解析すべき表面ボクセルのｘ、ｙ、ｚ寸法を
セットし、現在のｚ値で立方体Ｖの側面の解析を開始す
る。判断７２３は、表面ボクセルのｚ値が２ｔを越えた
所（立方体Ｖの上面）に達しているかどうかを決定し、
その場合には後述する処理７３６へ制御を渡す。そうで
ない場合、次に判断７２５は、解析すべき表面ボクセル
のｙ値が２ｔを越えているかどうかを決定し、その場合
ｚ値を処理７２４で増分するよう走査線は完了している
ことを示し、制御は判断７２３へ渡される。表面ボクセ
ルのｙ値が２ｔを越えないことを判断７２５が示してい
る場合、表面ボクセルｙ寸法を検査してｘ−ｚ面の表面
のどちらかに乗っているか（すなわちｙ＝２ｔ又はｙ＝
低限界）を決定する判断７２７を実行する。その場合、
判断７０９を実行してｘ−ｚ面に沿った表面ボクセルを
解析し、判断７３１により決定されるように現在のｚ値
に対してｘ−ｚ面が完了するまで処理７３０でｘ値を増
分させる。もち論、表面ボクセルのどれかが中空である
ことがわかった場合、ＶＯＸＥＬは中空とはマーク不能
であり、次のＶＯＸＥＬが選択される（処理７０６）。
ｘ−ｚ面のｘ寸法線の完了時に、解析すべき表面ボクセ
ルのｙ値を処理７３２で１だけ増分し、前と同じくｙ値
を判断７２５、７２７で検査する。

【０１１３】解析すべき表面ボクセルのｙ値が問合せる
べきｘ−ｚ面の一方にないことを決定する判断７２７に
より、ｘ限界（ｘ寸法低走査限界とｘ＝２ｔ）のみが処
理７３４で検査される。両ボクセルが中実の場合、ｙ値
が再び増分され（処理７２３）、検査され（判断７２
５、７２７）、ｙが２ｔ限界を越すまで次のｙ寸法線限
界が再び検査され、越えた場合ｚ値を増分し（処理７２
４）、方法は繰返される。

【０１１４】このように、表面ボクセルのｚ値が立方体
Ｖの上面の２ｔの最終限界に到達するまで、立方体Ｖの
側面（又は場合に応じて内面）の各ボクセルをｚ次元の
スライス毎に解析する。この解析でどのボクセルも中空
であると見出せなかった場合、中実又は中空となるよう
マークされていないボクセルがＶＯＸＥＬから距離ｔ内
に存在しないため、ＶＯＸＥＬは製造時に中空となるよ
うマークされる。次いで処理７３６が実行され、これに
より製造時にＶＯＸＥＬとその周囲のボクセルは中空と
なるようマークされ、ここに充填支持材３５′を受入れ
る。

【０１１５】図１５ａと図１５ｂのこの方法の結果とし
て、形成されるべき物体内の容積のデータベースは中実
物体からシェル物体へ自動的に変換され、充填支持材３
５′を物体の内部部分に用いてよい。このように、この
方法は物体材料２５を分配するために用いるインクジェ
ット印刷ヘッドの寿命を改善し、又物体を生産する速度
を大きく改良する。

【０１１６】本発明による物体を形成する速度のさらな
る改善と共に部品を形成するために用いる材料の量の削
減は又支持材３５の分配を制限することによっても得ら
れる。特に、物体材料２５をその上に分配しない物体の
位置は支持材３５の存在を必要としない。図１７ａから
図１７ｄを参照すると、物体材料２５を支持するのに必
要である位置のみに支持材３５の分配を限定する処理を
以下に説明する。

【０１１７】図１７ａは物体材料２５と支持材３５を含
む物体のｙ−ｚ面に沿った断面を図示する。図１７ａか
ら明かなように、物体材料２５の張出し部分２５ＯＨは
＋ｙ方向に外方へ張出し、物体の残りの部分より（ｚ次
元に）小さな寸法を有する。本発明の別な実施例による
と、物体材料２５がその上に存在するかどうかの考慮な
しで物体を形成した場合には存在するが、この場合は張
出し部２５ＯＨの上の領域３５５は支持材３５を含まな
い。

【０１１８】図１７ａの物体のｘ−ｙ面に沿って取った
図１７ｂから図１７ｄの断面図は本発明のこの実施例を
図示する。形成すべき物体の解析のこの方法は従来の個
人用コンピュータ・ワークステーション又は同様の計算
パワーのデータ処理装置で実行される。さらに、従来の
コンピュータ支援設計ソフトウェアと組合せてこの説明
を参照して、通常の当業者は容易に本発明のこの実施例
を実行できるものと考えられる。

【０１１９】図１７ｂは張出し部２５ＯＨの高度（ｚ方
向）の下の相対的に下層で形成されている物体の平面図
を図示する、この層は張出部２５ＯＨを含む層の前に上
述した方法で形成される。本発明のこの実施例による
と、製造処理を制御するコンピュータ・ワークステーシ
ョンは、製造している現在の層（図１７ｂで物体材料２
５により示される）とまだ製造していない全ての層の物
体材料２５部分の影投影部を解析する。結果として、た
とえ物体のこの層が張出し部２５ＯＨを含んでいなくと
も影部分２５Ｓが張出部２５ＯＨに対応して現れる。結
果として、この層に対して図１７ｂに図示するように支
持材が与えられ、張出し部２５ＯＨを支持するのに必要
な支持材の量を含む。

【０１２０】上述したように、製造方法は＋ｚ方向へ進
み層毎に続行する。図１７ｃは張出し部２５ＯＨの高さ
で形成されている物体の層を平面内で図示する、このよ
うに物体材料２５は取囲む支持材３５と共に図１７ｃに
図示するように分配される。加えて、この例では物体の
より高い層は図１７ｃに示す境界の外側の物体材料２５
を含まないため、この解析で影部分は投影されない。

【０１２１】図１７ｄは張出し部２５ＯＨの高さより上
の層を図示し、再びその層とそれより上の全ての層の影
部分の図を投影する。図１７ｄに示すように、張出し部
２５ＯＨはこのレベルより完全に下であるため、張出し
部２５ＯＨの影部分又は実際の突出部は存在しない。加
えて、図１７ｄの領域３５５の上には物体材料２５は必
要なく、従って分配器３０は領域３５５に支持材３５が
分配されないよう制御される。このように形成された物
体を分解する際に対処するのに必要な溶媒と他の処理と
同じく、支持材３５のこの容積が節約される。

【０１２２】本発明による装置、方法、処理の簡単さは
多くの利点を提供する。印刷ヘッドは小さく、安価で、
ベクトルとラスタを含むいくつかの走査方法に構成可能
である。射出穴は小さく、非常に高分解能を可能とす
る。さらに、高粘性材料の分配と共に下容積分配には広
い穴又は射出アレイが利用可能である。加えて、本発明
による装置、方法、処理は、鋳物所や機械工場から小さ
な卓上装置までの範囲の各種の作業環境と応用例に適合
可能である。媒体はどの面にでも印刷可能であるため、
自動コンベヤ及び材料処理装置を包含可能である。これ
は多くのデータ源からの早く連続的なスループットを可
能とする。これは、本発明の教示に従って組立てた１個
以上の装置により迅速にプロトタイプされる、少くとも
１台のコンピュータ上の多くのコンピュータ発生画像を
含む。

【０１２３】この技術により作製されうる多くの物体の
内のいくつかは、プロトタイプ、鋳造パターン、型、彫
刻、構造部品を含む。このリストは全く完全なものでは
なく、本発明の多くの他の使用法が当業者には考えつく
ことは当業者にはすみやかに明らかとなる。

【０１２４】本発明の各種実施例はハードウェア、ソフ
トウェア又はマイクロコード化したファームウェアを使
用し、又は実施されていることを理解すべきである。処
理図は又マイクロコード化及びソフトウェアを基にした
実施例の流れ図を表わす。さらに、本発明の特定の実施
例を図示し説明してきたが、各種の変更や別の実施例は
当業者に考えつくものである。従って、本発明は添附の
特許請求の範囲に関してのみ限定される意図のものであ
る。

【０１２５】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１）３次元物体を作製する装置において、ターゲット
面を支持する台と、前記ターゲット面上に層を形成し、
前記台に対して可動である一体化印刷ヘッドであって、
前記ターゲット面の選択位置に第１材料を制御可能に分
配する第１のジェットと、前記第１ジェットと同時に前
記ターゲット面の他の位置へ第２材料を分配するため、
前記台に対して前記一体化印刷ヘッドの移動方向に前記
第１ジェットに対して遅れて隔置した関係で前記印刷ヘ
ッドに取付けた分配器と、を含む前記一体化印刷ヘッド
と、を含む３次元物体を作製する装置。

【０１２６】（２）第１項記載の装置において、前記一
体化印刷ヘッドは、前記層の上面で実質的に平面状のタ
ーゲット面を形成するため、前記第１ジェットと前記分
配器により形成された層を平面化するための装置と、を
さらに含む装置。

【０１２７】（３）第２項記載の装置において、前記平
面化装置は前記第１ジェットと前記分配器に対して隔置
した関係で前記一体化印刷ヘッドに取付けたナイフを含
む装置。

【０１２８】（４）第３項記載の装置において、前記一
体化印刷ヘッドはさらに前記ナイフにより発生された残
留物を除去する装置を含む装置。

【０１２９】（５）第３項記載の装置において、前記層
に対して前記ナイフを制御可能に上下させる装置をさら
に含む装置。

【０１３０】（６）第２項記載の装置において、前記ナ
イフは、前記台に対する前記一体化印刷ヘッドの移動方
向に前記第１ジェットに対して先行する位置に取付けら
れている装置。

【０１３１】（７）第６項記載の装置において、前記ナ
イフは変化する深さの複数個の切断刃を含み、前記切断
刃の最も浅い部分は走行方向に前記複数個の切断刃の残
部を先導する装置。

【０１３２】（８）第６項記載の装置において、前記ナ
イフは、その最浅部分が走行方向にその最深部分を先導
するように傾いた切断刃を含む装置。

【０１３３】（９）第２項記載の装置において、前記平
面化装置は、前記第１ジェットと前記分配器に対して隔
置した位置に取付けたローラーと、を含む装置。

【０１３４】（１０）第９項記載の装置において、前記
ローラーは加熱されている装置。

【０１３５】（１１）第２項記載の装置において、前記
平面化装置は前記第１ジェットと前記分配器に対して隔
置した関係に取付けたヒーターを含む装置。

【０１３６】（１２）第２項記載の装置において、前記
分配器は第２ジェットを含む装置。

【０１３７】（１３）３次元物体を作製する方法におい
て、ターゲット面上で一体化印刷ヘッドを移動させる段
階であって、前記一体化印刷ヘッドは前記ターゲット面
に液体第１材料を制御可能に分配する第１ジェットと、
前記第１ジェットに対して隔置した関係で前記印刷ヘッ
ドに取付けた液体第２材料を分配する分配器とを含む、
前記移動段階と、前記移動段階の間に、物体の断面に対
応する前記ターゲット面の選択位置へ前記第１ジェット
を介して前記第１材料を制御可能に分配する段階であっ
て、前記第１材料は分配された後に固化する前記分配段
階と、前記分配段階の間に、前記第１ジェットが前記第
１材料を分配している位置の後の前記ターゲット面の他
の位置へ前記分配器を介して前記第２材料を分配する段
階であって、前記第２材料は分配された後に固化し、前
記ターゲット面上に層を完成して、その上面に他のター
ゲット面を形成する前記分配段階と、前記移動段階と、
前記制御可能に分配する段階と、前記分配段階とを繰返
し、前記第１及び第２材料を含む本体を形成する段階
と、を含む３次元物体を作製する方法。

【０１３８】（１４）第１３項記載の方法において、前
記制御可能に分配する段階と分配段階により形成される
前記層を平面化して、実質的に平面状のターゲット面を
形成する段階と、をさらに含む方法。

【０１３９】（１５）第１４項記載の方法において、前
記平面化段階は、前記第１ジェットと前記分配器に対し
て隔置した関係で前記移動段階の間に実行される方法。

【０１４０】（１６）第１５項記載の方法において、前
記平面化段階は、前記第１ジェットが前記第１材料を分
配している位置の前の前記ターゲット面の位置で実行さ
れる方法。

【０１４１】（１７）第１５項記載の方法において、前
記平面化段階は、前記分配器が前記第２材料を分配する
位置の後の前記ターゲット面の位置で実行される方法。

【０１４２】（１８）第１３項記載の方法において、前
記繰返し段階の後で、前記第１材料に対して前記第２材
料を選択的に除去して、前記第１材料から形成される物
体を作製する段階と、をさらに含む方法。

【０１４３】（１９）コンピュータ・データベースから
物体を作製する方法において、前記物体は容積内の複数
個の支持ボクセルにより取囲まれる複数個の中実ボクセ
ルとして前記データベース中に表現され、前記方法は、
複数個の中実ボクセルとしての前記物体の前記データベ
ース表現を複数個の充填支持ボクセルを取囲む中実ボク
セルのシェルとしての前記物体のデータベース表現へ変
換する段階と、以下の段階を含む方法により前記変換し
たデータベース表現から前記物体を層毎に構成する段階
と、を含み、前記構成方法は、ターゲット面の選択位置
に液体形状の第１材料を分配する段階であって、前記選
択位置は物体の断面のシェル位置に対応し、第１材料は
分配後に固化する前記分配段階と、前記第１材料を分配
するシェル位置以外の前記ターゲット面の位置に第２材
料を印加して他のターゲット面を形成する段階と、前記
分配及び印加段階を繰返し、前記第２材料を取囲む前記
第１材料のシェルを含み、前記第２材料により取囲まれ
ている物体を形成する段階と、前記第１材料に対して前
記シェルを取囲む前記第２材料の部分を選択的に除去
し、前記第２材料の部分を取囲む前記第１材料のシェル
から形成される物体を残す段階と、を含むコンピュータ
・データベースから物体を作製する方法。

【０１４４】（２０）第１９項記載の方法において、前
記変換段階は、複数個の中実ボクセルとしての物体のデ
ータベース表現の容積の第１ボクセルを検査して、これ
が中実又は支持ボクセルであるかどうか決定する段階
と、前記第１ボクセルが中実ボクセルであることを指示
する前記検査段階に応答して、前記第１ボクセルを取囲
む選択した距離内の複数個のボクセルを検査し、前記複
数個のボクセルが各々中実であるか又は支持ボクセルで
あるかどうか決定する段階と、前記第１ボクセルが中実
ボクセルであることを指示する前記複数個のボクセルを
検査する段階に応答して、前記第１ボクセルが充填支持
ボクセルであることをデータベース中に指示する段階
と、前記データベース表現で複数個のボクセルに対して
前記検査及び指示段階を繰返す段階と、を含み、前記印
加段階は前記変換されたデータベースで充填支持ボクセ
ルとして指示されたボクセルに対応する位置に前記第２
材料を印加する方法。

【０１４５】（２１）第２０項記載の方法において、複
数個のボクセルを検査する前記段階は、選択した距離に
より前記第１ボクセルを取囲む容積を定める段階と、前
記定めた容積の表面のボクセルを検査し、これが中実か
又は支持ボクセルであるかを決定する段階と、を含む方
法。

【０１４６】（２２）第２１項記載の方法において、複
数個のボクセルを検査する方法は、前記第１ボクセルに
対して第１方向の隣接するボクセルを検査して、これが
充填支持ボクセルであるかどうか決定する段階と、これ
が充填支持ボクセルであることを指示する隣接するボク
セルを検査する前記段階に応答して、前記第１方向の前
記隣接するボクセルから前記第１ボクセルと反対側のボ
クセルに対してのみ表面のボクセルを検査する前記段階
を実行する段階と、をさらに含む方法。

【０１４７】（２３）第１９項記載の方法において、前
記データベース表現を検査して、容積中の第１層の中実
ボクセルと第１層の上の容積の層中の中実ボクセルの影
部分の投影を得る段階と、前記第１層に対する前記印加
段階を制御して、前記第１層に対して中実ボクセルの影
部分投影の外側のターゲット面の位置には前記第２材料
を印加しない段階と、を含む方法。

【０１４８】（２４）３次元物体のコンピュータ制御製
造の方法と処理は、物体の断面に対応する所定位置に台
上へ液体の不溶性材料のような第１材料の層を分配し、
次いでこれが硬化する段階を含む。水溶性であることが
望ましい第２媒体をこの層上にスプレーして硬化した不
溶性媒体をカプセル化する。このカプセル化材の上面を
必要に応じて例えばミル・カッタ、ナイフ、ローラー又
は熱バーにより平面化し、カプセル化材の一部を除去し
て新たなパターン積層用に下の不溶性材料を露出させ
る。第１及び第２材料の分配と平面化は一体化印刷ヘッ
ドにより単一パスで実行してもよい。生成した平面化残
留物を除去した後、液体の不溶性媒体の他の層を平面化
した表面に分配する。型に取囲まれた所要の３次元物体
が完成するまでこの段階が繰返される。この時点で、物
体は加熱されるか又は溶媒に浸され、型を溶解して３次
元物体をそのまま残す、又は第２材料はその場所にとど
まって、プリント回路板のような複合構造を形成する。
中実の物体を表わすＣＡＤデータベースを充填したシェ
ルを表わすものへ変換し、所要の物体材料の量を減少さ
せる方法も開示されている。

【０１４９】本願は、放棄された１９９１年１月３１日
提出の出願一連番号６４８，０８１号の続きである、１
９９２年６月２４日提出の出願一連番号９０５，０６９
号の部分的に続きである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による望ましい実施例の図であって、ａ
は自動化３次元物体製造部の斜視図、ｂは本発明により
製造された例示３次元物体の斜視図。

【図２】本発明による図１ａの迅速プロトタイピング装
置の他の望ましい実施例であり、ａは正面図、ｂは上面
図、ｃは左側面図。

【図３】本発明の望ましい実施例によるマイクロプロセ
ッサと水洗バットの斜視図。

【図４】本発明の望ましい実施例による３次元物体を製
造する処理を図示する処理流れ図。

【図５】本発明の望ましい実施例による印刷ヘッド検査
及び清浄化部所の斜視図。

【図６】本発明の望ましい実施例による検出器出力を反
映した波形図で、ａは正常動作、ｂは不正動作の波形
図。

【図７】図４の本発明の望ましい実施例に従って低融点
材料から作られる３次元物体の製造のため選択した処理
段階の間の生成構造の図。ａは物体材料の分配図、ｂは
支持材料の分配図、ｃは平面化を表わす図。

【図８】図４の本発明の望ましい実施例による高融点又
は高粘性材料から作られる３次元物体の製造のため選択
した処理段階の間の生成構造の図。ａは支持材料の分配
図、ｂは物体材料の分配図、ｃは平面化を表わす図。

【図９】本発明の別な実施例による一体化分配及び平面
化ヘッド。ａは正面図、ｂは平面図。

【図１０】本発明の別な実施例による平面化刃の正面
図。

【図１１】本発明の別な実施例による別な平面化部品の
正面図。ａはローラーを含む図、ｂは熱バーを含む図。

【図１２】本発明の別な実施例による多層プリント回路
板を作製するための一体化分配及び平面化ヘッドの正面
図。

【図１３】本発明の別な実施例による部品を作製するた
めの装置の斜視断面図で、洗浄タンクが物体作製ワーク
ステーションに一体化されていることを示す図。

【図１４】本発明の別な実施例により作製される３次元
物体の例の断面図。ａは中実物体図。ｂはシェル物体
図。

【図１５】図１４ａ及び図１４ｂの３次元物体を作製す
る別な方法の動作を図示する流れ図。

【図１６】図１５ａと図１５ｂの方法で解析しているボ
クセルを取囲む容積部を図示し、ａはボクセルと立方体
Ｖの関係を、ｂからｅは判断に応じて解析すべき部分を
示す図。

【図１７】本発明の別な実施例により形成される物体の
断面図で、ａからｄは各形成段階を示す図。

【符号の説明】

１０ 印刷装置 １５ 台 ２０ 印刷ヘッド ２５ 物体材料 ３０ ノズル又はガン ３５ 支持材料 ４５ 位置決め装置 ５０ ターゲット面 ５５ ３次元物体 ６０ 切断装置 ６５ 真空ポンプ ７０ 真空取付具 ９０ マイクロコンピュータ制御装置 ９５ 支持部除去装置

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年６月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１４】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１５】

【手続補正１０】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１６】

【手続補正１１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｂ 19/4097 Ｇ０６Ｆ 17/50 (72)発明者 マイクル イー．エンブリー アメリカ合衆国テキサス州ザ コロニィ, イエーガー 5304

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元物体を作製する装置において、 ターゲット面を支持する台と、 前記ターゲット面上に層を形成し、前記台に対して可動
   である一体化印刷ヘッドであって、 前記ターゲット面の選択位置に第１材料を制御可能に分
   配する第１のジェットと、 前記第１ジェットと同時に前記ターゲット面の他の位置
   へ第２材料を分配するため、前記台に対して前記一体化
   ヘッドの移動方向に前記第１ジェットに対して遅れて隔
   置した関係で前記ヘッドに取付けた分配器と、を含む前
   記一体化印刷ヘッドと、を含む３次元物体を作製する装
   置。
2. 【請求項２】 ３次元物体を作製する方法において、 ターゲット面上で一体化印刷ヘッドを移動させる段階で
   あって、前記一体化ヘッドは前記ターゲット面に液体第
   １材料を制御可能に分配する第１ジェットと、前記第１
   ジェットに対して隔置した関係で前記印刷ヘッドに取付
   けた液体第２材料を分配する分配器とを含む、前記移動
   段階と、 前記移動段階の間に、物体の断面に対応する前記ターゲ
   ット面の選択位置へ前記第１ジェットを介して前記第１
   材料を制御可能に分配する段階であって、前記第１材料
   は分配された後に固化する前記分配段階と、 前記分配段階の間に、前記第１ジェットが前記第１材料
   を分配している位置の後の前記ターゲット面の他の位置
   へ前記分配器を介して前記第２材料を分配する段階であ
   って、前記第２材料は分配された後に固化し、前記ター
   ゲット面上に層を完成して、その上面に他のターゲット
   面を形成する前記分配段階と、 前記移動段階と、前記制御可能に分配する段階と、前記
   分配段階とを繰返し、前記第１及び第２材料を含む本体
   を形成する段階と、を含む３次元物体を作製する方法。