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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5792720
(24)【登録日】2015年8月14日
(45)【発行日】2015年10月14日
(54)【発明の名称】イメージングアセンブリ
(51)【国際特許分類】
B29C 67/00 20060101AFI20150928BHJP
【ＦＩ】
B29C67/00
【請求項の数】14
【全頁数】24
(21)【出願番号】特願2012-519621(P2012-519621)
(86)(22)【出願日】2010年7月2日
(65)【公表番号】特表2012-532048(P2012-532048A)
(43)【公表日】2012年12月13日
(86)【国際出願番号】US2010040921
(87)【国際公開番号】WO2011005690
(87)【国際公開日】20110113
【審査請求日】2012年3月6日
(31)【優先権主張番号】12/626,415
(32)【優先日】2009年11月25日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/270,800
(32)【優先日】2009年7月6日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】597013711
【氏名又は名称】スリーディー システムズ インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史
(74)【代理人】
【識別番号】100090468
【弁理士】
【氏名又は名称】佐久間 剛
(72)【発明者】
【氏名】ヒッカーソン，ケヴィン
(72)【発明者】
【氏名】ライト，ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】アーサン，オマール
【審査官】
平井 裕彰
(56)【参考文献】
【文献】
特表２００７−５２９３４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−００６４０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−０７７７９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−０９３８８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０６−０３９９２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−２９９８７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表平０９−５１１６９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００８−５１０６３３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２９Ｃ６７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体イメージングシステム用のイメージングシステムであって、
光源と少なくとも１つのレンズとを備えた、第１光学サブシステム、
少なくとも１つのアクロマティックダブレットレンズを備えた、第２光学サブシステム、および、
前記第２光学サブシステムの対物面内に位置付けられたアパーチャ、
を含み、
前記第１光学サブシステムが、前記光源からの光を前記少なくとも１つのアクロマティックダブレットレンズの入射瞳上に集束させるように構成され、かつ前記アパーチャの像が、易焼結性粉末レイヤー上に投影されることを特徴とするイメージングシステム。
光源と少なくとも１つのレンズとを備えた、第１光学サブシステム、
少なくとも１つのアクロマティックダブレットレンズを備えた、第２光学サブシステム、および、
前記第２光学サブシステムの対物面内に位置付けられたアパーチャ、
を含み、
前記第１光学サブシステムが、前記光源からの光を前記少なくとも１つのアクロマティックダブレットレンズの入射瞳上に集束させるように構成され、かつ前記アパーチャの像が、易焼結性粉末レイヤー上に投影されることを特徴とするイメージングシステム。
【請求項2】
前記第１光学サブシステムおよび前記第２光学サブシステムが主光軸と位置合わせされ、さらに前記光源が、該主光軸を中心としかつ該主光軸に垂直に位置合わせされた、フィラメントを含むことを特徴とする請求項１記載のイメージングシステム。
【請求項3】
前記光源がタングステンハロゲンランプであることを特徴とする請求項１記載のイメージングシステム。
【請求項4】
ミラーを備えた反射体をさらに含み、該ミラーが、前記光源からの光を該光源に戻すように前記第２光学サブシステムの方向に向けて反射するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のイメージングシステム。
【請求項5】
前記ミラーが、誘電体、広帯域誘電体、および金、からなる群から選択された材料でコーティングされたものであることを特徴とする請求項４記載のイメージングシステム。
【請求項6】
前記第２光学サブシステムが、前記イメージングシステムの外面に設けられかつ前記易焼結性粉末レイヤーの近傍に設置される、外側レンズをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のイメージングシステム。
【請求項7】
前記外側レンズを既定の閾値温度以上に加熱する加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項６記載のイメージングシステム。
【請求項8】
前記既定の閾値温度が、前記易焼結性粉末レイヤーの約周囲温度であることを特徴とする請求項７記載のイメージングシステム。
【請求項9】
前記既定の閾値温度が、前記易焼結性粉末レイヤーの約溶融温度であることを特徴とする請求項７記載のイメージングシステム。
【請求項10】
前記加熱手段が、焼結動作の前に前記外側レンズを前記光源に曝すものであることを特徴とする請求項７記載のイメージングシステム。
【請求項11】
前記加熱手段が、前記光源から前記外側レンズへと熱を伝えるように構成されているものであることを特徴とする請求項７記載のイメージングシステム。
【請求項12】
前記加熱手段が、前記光源により加熱された空気を前記外側レンズへと伝えるよう構成されているものであることを特徴とする請求項１１記載のイメージングシステム。
【請求項13】
前記加熱手段が、前記加熱された空気を、チャネルを介して前記外側レンズへと導くためのファンを含むことを特徴とする請求項１２記載のイメージングシステム。
【請求項14】
前記空気が、前記ダブレットレンズによりさらに加熱されたものであり、そのため該空気は前記ダブレットレンズを冷却したものであることを特徴とする請求項１３記載のイメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【0001】
本出願は、その全体が参照により本書に組み込まれる、２００９年７月６日に出願された米国仮特許出願第６０／２７０，８００号の利益を主張するものである。
【技術分野】
【0002】
本書において説明する開示は、コンピュータデータファイルから３次元物体を生成するよう構成された、コンピュータプリンタの分野に関する。特に、限定するものではないが、ここに記載する開示は、光学集束系、加熱源、および簡単なモーションシステムを使用して、３次元物体を生成するイメージングシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
３次元（３Ｄ）プリンタや高速試作成形（ＲＰ）システムを含む、固体イメージングシステムは、主に、３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ツールから物体や試作部品を製造する際に使用されている。ほとんどのＲＰシステムでは、液体、粉末、またはシート材を結合させて物理的物体を形成する、追加式のレイヤー・バイ・レイヤー法が部品の造形に使用されている。層を作る際に参照されるデータは、ＣＡＤシステムのファイルから、モデルの薄い水平断面を使用して生成される。典型的には、熱を加えることで密着した塊にすることができる易焼結性粉末の薄いレイヤーを使用して、層は作製される。材料を結合させるために熱を使用している従来技術の３Ｄプリントシステムは、一般に、高出力レーザと、多数のアクチュエータを有する高精度のモーションシステムとを採用して部品を生成するため、３Ｄプリンタは概して、大多数の家庭／趣味的ユーザ、または小規模な機械設計グループにとって費用効率が悪いものとなってしまっている。
【0004】
特許文献１では、高出力レーザまたは高精度モーションシステムを要さない３Ｄプリンタシステムについて説明されており、その全体が参照により本書に組み込まれる。この３Ｄプリンタシステムは、インコヒーレントなエネルギー源を使用し、そのエネルギーが小さい熱集中領域を提供するよう集束されて、レイヤー・バイ・レイヤーの３Ｄプリントを生成する。
【0005】
焼結を使用する３Ｄプリントでは、昇温を要するため、コスト効率の高い光学素子の実装に関して問題が生じる。標準的な光学的および電気的、部品および材料は、動作温度範囲内での使用のために設計されている。さらに、焼結面近傍においてガラス面の温度が焼結材料の溶融温度近くにまで下降すると、ガラス面に材料の膜が張り光の透過が制限されることが既に分かっている。そのため、光の透過を遮る可能性のある汚染物質に関し、焼結面近傍に位置する光学素子を頻繁に点検し、必要なときには清掃およびメンテナンスを行わなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】米国特許第７，２６１，５４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
少なくとも上述したような理由で、光の透過を減少させるような材料を蓄積させることなく、かつ高価な冷却系や高価な光学素子を備えることなく、焼結に必要な高温環境の中で焼結用集束光を生成することが可能な、３Ｄプリンタシステム内で使用される光学イメージングアセンブリが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の中で説明されるイメージングアセンブリの１以上の実施形態は、焼結に適した光ビームを生成するように構成される。イメージングアセンブリは、ランプハウジングとランプとを含み、このランプは、フィラメントと、前記ランプハウジングにマウントされるランプベースとを備える。ランプは、少なくとも１つの例示的な実施形態において、ランプベースがランプフィラメントの横に位置する状態で配向される。他にも適切なランプはあるが、色温度３２００Ｋのタングステンハロゲンランプが使用可能なランプとして機能する。ランプベースは、例えば黒色陽極酸化アルミニウムなどの高熱伝導性材料を含む、ヒートシンクと連結される。ランプベースは動作温度で維持される。ヒートシンクを強制空気流に曝すことによってこの動作温度を維持してもよい。ある例示的な実施形態において、この動作温度は３５０℃未満である。
【0009】
イメージングアセンブリは、反射体およびアパーチャをさらに含む。ランプに生成された光はアパーチャを通過する。反射体は、フィラメントからの光をフィラメントに向けて戻し、そして対物面上へと反射する。反射体は、フィラメントの像を投影するミラーでもよい。イメージングアセンブリの１以上の実施形態において、ミラーは、金メッキされたものであり、あるいは誘電性の帯域通過または広帯域通過コーティングを含むものである。１以上の実施形態において、イメージングアセンブリが含むランプフィラメントの長手軸は、イメージングアセンブリの焦点面に平行である。アパーチャは、集束された前記光ビームを調節するための、機械的シャッター系を含んでもよい。例えば、少なくとも１つの光透過性アパーチャと、ランプから放出された前記光を遮る少なくとも１つの不透明部分とを備えたアパーチャディスクが、機械的シャッター系として機能し得る。少なくとも１つの光透過性アパーチャのサイズを変化させて、集束光ビームの直径を約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から０．１２０インチ（３．０４８ｍｍ）まで調節することができる。【0010】
少なくとも１つの集光レンズが、フィラメントから放出された光をアパーチャに通すように構成される。この集光レンズは、ランプに隣接した集光レンズのガラス転移温度の約０．６倍を下回る温度で概して維持され、すなわちランプに隣接した集光レンズの機械的および光学的特性は保持される。この少なくとも１つの集光レンズは、ランプに隣接した集光レンズと第２集光レンズとを含む。少なくとも１つの集光レンズは、黒色陽極酸化アルミニウムなどの高熱伝導性材料内にマウントされる。
【0011】
夫々が３つの表面を備えているアクロマティックダブレットレンズの組が、３つの波長を含む範囲に亘って光を集束する。本開示において明記されるイメージングアセンブリの１以上の実施形態において、３つの波長のうち少なくとも１つは約７５０ｎｍを超え、好適には６００ｎｍと１２００ｎｍの間の範囲内の近赤外波長である。３つの波長のうち少なくとも１つは、電磁スペクトルの近赤外領域内の波長を含んでもよい。アクロマティックダブレットレンズは、黒色陽極酸化アルミニウムなどの高熱伝導性材料内にマウントされる。アクロマティックダブレットレンズは、レンズを劣化させ得る温度サイクリングを最小限に抑えるため、アクロマティックダブレットレンズの接合部位の熱耐性に基づいたダブレットレンズの最大温度未満である、動作温度で維持される。例えば、一実施の形態において、イメージングアセンブリ内で利用可能な、ダブレットレンズの温度は約８５℃である。
【0012】
集束光ビームは、イメージングアセンブリの外面に設置された外側レンズを通ってイメージングアセンブリから出て行く。外側レンズは定められた閾値温度以上で維持されるが、これは焼結材料が、またはガス放出された任意の材料成分が、レンズ上に凝結するのを抑制または防ぐためである。この定められた閾値温度は、３Ｄプリンタ内の易焼結性粉末レイヤー周りの周囲温度を超える温度である。既定の閾値温度は、易焼結性材料の溶融点に基づいたものでもよい。例示的な実施形態において、焼結材料はナイロン１２であり、かつ既定の閾値温度は約１４０℃である。焼結動作を開始する前に、外側レンズを定められた閾値温度まで加熱してもよく、このとき焼結動作前のランプからの集束光に外側レンズを曝すことによって加熱してもよい。
【0013】
本開示で説明するイメージングアセンブリの１以上の実施形態は、第１光学サブシステムと第２光学サブシステムとを含む。第１光学サブシステムは、第１対物面内にランプフィラメントを含む。反射体はフィラメントの像を対物面へと戻して像を作る。１以上の実施形態において、反射体は金メッキミラーまたは広帯域誘電体ミラーである。光はランプフィラメントを通って伝播し続け、さらにこの光が第１光学サブシステムの第１像面で収束するよう、少なくとも１つの集光レンズで集束される。少なくとも１つの集光レンズで集束された光は、アパーチャを通過して第２光学サブシステムに入る。第２光学サブシステムを通過する光を最大にするため、第２光学サブシステムの入射瞳と第１像面とを位置合わせしてもよい。【0014】
第２光学サブシステムの対物面は、第１光学サブシステムのアパーチャである。第２光学サブシステムにおいて、光はアクロマティックダブレットレンズの組によって色収差を補正されて集束される。光は外側レンズを通過し、第２光学サブシステムの第２像面で収束する。易焼結性粉末レイヤーは、第２像面と位置合わせされるか、あるいは第２像面から少し離して位置付けられる。【0015】
イメージングアセンブリの１以上の実施形態は、ランプと少なくとも１つの集光レンズとに関連するソース区域、アクロマティックダブレットレンズの組に関連するダブレット区域、ソース区域とダブレット区域との間に設置された熱バリア、外側レンズに関連する外側区域、および低熱伝導性材料から作製された外側マウントを利用する。強制空気流４１６は、ダブレット区域、熱バリア、および／またはソース区域を通って導かれ、このとき強制空気流４１６は、イメージングアセンブリの少なくとも１つの構成要素を冷却するように導かれる。随意的には強制空気流４１６は、外側区域を加熱するために、ソース区域を通過した後に外側区域へと導かれる。強制空気流４１６はファンで生成してもよい。イメージングアセンブリは、強制空気流４１６が伝播する際にその中を通るような、少なくとも１つのチャネルを含んでもよい。
【0016】
イメージングアセンブリは、ランプと少なくとも１つの集光レンズとを含むソース区域、アクロマティックダブレットレンズの組を含むダブレット区域、ソース区域とダブレット区域との間に設置された熱バリア、および外側レンズと低熱伝導性材料から作製された外側マウントとを備えている外側区域を含んでもよい。強制空気流は、イメージングアセンブリの少なくとも１つの要素の温度を維持するために、ダブレット区域、ソース区域、および外側区域のうち少なくとも１つへと導かれる。熱バリアはアパーチャを含み、このとき少なくとも１つの集光レンズは、ランプから生成された光を集束してアパーチャに通すように構成される。光の集束ビームは外側レンズを通ってイメージングアセンブリから出て行く。
【0017】
本書において説明するシステムおよび方法の、上述および他の態様、特徴、および利点については、以下の図面とともに提供される、以下のその具体的な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】イメージングアセンブリの例示的な実施形態を示す上面図
【図2】焼結用イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な、例示的な３次元プリンタの等角図
【図5】焼結用イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な、例示的な３次元プリンタの側面図
【図6A】イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な３Ｄプリンタの動作を説明する概略図
【図6B】イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な３Ｄプリンタの動作を説明する概略図
【図7A】イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な粉末塗布器の動作を説明する概略図
【図7B】イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な粉末塗布器の動作を説明する概略図
【図7C】イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な粉末塗布器の動作を説明する概略図
【図8A】イメージングアセンブリの例示的な実施形態における、２つの光学系の光線追跡を示す図
【図8B】イメージングアセンブリの例示的な実施形態における、２つの光学系の光線追跡を示す図
【図9A】第２光学サブシステムの対物面９００の平面図
【図9B】イメージングアセンブリの実施形態における最適化を説明する、点広がり関数のグラフ
【図9C】イメージングアセンブリの実施形態における最適化を説明する、点広がり関数のグラフ
【図9D】イメージングアセンブリの実施形態における最適化を説明する、点広がり関数のグラフ
【図9E】イメージングアセンブリの実施形態における最適化を説明する、点広がり関数のグラフ
【図10】イメージングアセンブリの実施形態とともに使用可能な、アパーチャディスクの例示的な実施形態を示す上面図
【発明を実施するための形態】
【0019】
ここで、イメージングアセンブリについて説明する。以下の例示的な説明の中では、本発明の実施形態をより完全に理解できるよう、多くの具体的詳細を明記する。しかしながら通常の当業者には、本開示に亘って説明するシステムおよび方法は、本書に記述された具体的詳細の全態様を組み込まなくとも実施し得ることは明らかであろう。他には、通常の当業者が周知のまたは容易に確認し得る特定の特徴、量、または寸法は、新規の部分の論点を不明瞭にしないよう、詳細には説明しなかった。本書には本発明の１以上の態様を実施するために使用されるシステムおよび方法の例を明記するが、請求項および任意のその同等物の全範囲が、本発明を画成するものであることを読者は留意されたい。
【0020】
図１は、イメージングアセンブリ３００の１以上の実施形態の上面図を示したものである。図３は、図１の直線Ａ−Ａから得た、イメージングアセンブリ３００の断面図を示したものである。イメージングアセンブリ３００は、ターゲットの焼結媒体に焦点を合わせた光ビームを送出する。イメージングアセンブリは、焼結媒体がイメージングアセンブリ３００のガラス面と接触することにより生じる可能性のある問題を回避するため、ターゲットから十分離して位置付けられる。本書において説明する一実施例において、イメージングアセンブリはターゲットの焼結媒体から約０．１８インチ（約４．５７２ｍｍ）離して位置付けられる。
【0021】
イメージングアセンブリ３００はランプハウジング３５０を含み、ランプハウジング３５０内にランプ３０４が設置される。ランプ３０４は、典型的にはタングステンハロゲンランプである。タングステンハロゲンランプは広帯域熱源を提供するため、特定波長の光を特に吸収するよう調整されていない、安価な印刷媒体の使用が可能である。ハロゲンランプはマサチューセッツ州ダンバースのSylvania社から入手可能であるが、タングステン電球およびアーク灯を含む、任意の多くの他の熱源を使用することができる。一例では、色温度３２００ＫのＥＭＬ‐２４Ｖ１８５Ｗのタングステンハロゲンランプが使用される。
【0022】
ランプ３０４は、ランプベース３０８およびランプフィラメント３０６を含む。ランプ３０４は、典型的にはランプベース３０８がランプフィラメント３０６の横に位置するように配向され、こうしてランプベース３０８の加熱は自由対流熱伝達により低減される。信頼性試験により、３Ｄプリンタのような加熱環境では、タングステンハロゲンランプなどのランプ３０４は損傷される可能性があることが示されている。特に、ランプの「締め付ける」部分および隣接するセラミック製ベースは、適用仕様書に明記されている動作限界を超える温度に達する。イメージングアセンブリ３００の実施形態で使用するタングステンハロゲンランプはＡＮＳＩ指定のＥＭＬであり、そのランプベースは３５０℃を超え得ない。
【0023】
ランプベース３０８はランプ用ヒートシンク３１０に連結され、このランプ用ヒートシンク３１０が、ランプベース３０８からの対流熱伝達用の経路を提供する。ランプ用ヒートシンク３１０は、熱消散用のヒートシンク塊として使用するのに適した、アルミニウム、銅、合金、または任意の他の材料から作製された、大型のヒートシンク塊を含んでもよい。イメージングアセンブリ３００の実施形態において、ランプ用ヒートシンク３１０は、ランプ用ヒートシンク３１０の露出表面積を増加させるようなアレイ状の、筋（rows）、孔、突起、または他の構造を含み、こうして熱消散速度を増加させる。イメージングアセンブリ３００の実施形態において、ランプ用ヒートシンク３１０は、イメージングアセンブリ３００の構造要素としても機能する。例えば、ランプ用ヒートシンク３１０は、ランプハウジング３５０に組み入れられる一連の特徴を有するものでもよい。さらに、ランプ用ヒートシンク３１０の少なくとも一部へと、あるいはその少なくとも一部の中を通して、強制空気を導き、熱消散速度をさらに増加させてもよい。
【0024】
ランプハウジング３５０は、黒色陽極酸化アルミニウムなどの、高熱伝導性材料から典型的には作製され、関係のない光をイメージングアセンブリ３００外部の熱として分散させて、イメージングアセンブリ３００内の温度を許容レベルで維持する。ランプハウジング３５０は、ランプハウジング３５０の露出表面積を増加させるようなアレイ状の、筋、孔、突起、または他の構造を含んでもよく、こうして熱消散速度を増加させてもよい。さらに、ランプハウジング３５０の少なくとも一部へと、あるいはその少なくとも一部の中を通して、強制空気を導き、熱消散速度をさらに増加させてもよい。
【0025】
ランプハウジング３５０は反射体３０２を含み、この反射体３０２はランプ３０４で生成された光を反射する。反射体３０２は凸反射面を備え、この面が、ミラー、金属、ホイル、反射塗料、または任意の他の反射材料などの、反射材料で作製または被覆されている。例えば、反射体３０２は、金コーティングまたは広帯域誘電体コーティングを含んでもよい。反射体３０２は、ランプハウジング３５０の表面と一体化したものでもよい。反射体３０２およびランプ３０４の位置決めは、イメージングアセンブリ３００で生成される集束光ビームのエネルギーを最大にするようにしたものが最適である。反射体３０２は、ランプフィラメント３０６を概して中心とした曲率を有する。反射体３０２は、有効フィルファクタを増加させ出力伝送を追加するために、ランプフィラメント３０６の像を戻し、それ自体を通過させて像を作るよう構成される。一実施の形態において、ランプフィラメント３０６は約５０％の空き空間を含み、反射体３０２はこの空間を通して光を反射する。
【0026】
イメージングアセンブリ３００は、少なくとも１つの集光レンズをさらに利用する。図３に示したイメージングアセンブリ３００の実施形態には、ランプに隣接した集光レンズ３１４と集光レンズ３１６とが含まれている。集光レンズ３１４、３１６は、ランプ３０４により生成された光を集束させてアパーチャ３１８に通過させる。信頼性試験により、ランプに隣接した集光レンズ３１４、３１６が安定した低温で維持されない場合には、熱衝撃により集光レンズ３１４、３１６に亀裂が生じ得ることが分かっている。高温に耐え得る集光レンズ３１４、３１６を選択してもよい。一実施の形態では、集光レンズ３１４はガラスＳ−ＬＡＨ６４で作製され、また集光レンズ３１６はガラスＮ−ＢＫ７で作製される。少なくとも１つの集光レンズを反射防止コーティングで被覆してもよく、反射防止コーティングとしては、例えば、有効範囲６５０〜１０５０ｎｍのThor Labs製「Ｂ」広帯域反射防止などが挙げられる。
【0027】
集光レンズ３１４、３１６は、集光レンズ用ヒートシンク３５４などのヒートシンク塊にマウントされる。集光レンズ用ヒートシンク３５４は、熱消散用のヒートシンク塊として使用するのに適した、アルミニウム、銅、合金、または任意の他の材料から作製された、大型のヒートシンク塊を含んでもよい。集光レンズ用ヒートシンク３５４は、集光レンズ用ヒートシンク３５４の露出表面積を増加させるようなアレイ状の、筋、孔、突起、または他の構造を含み、こうして熱消散速度を増加させる。さらに、集光レンズ用ヒートシンク３５４の少なくとも一部へと、あるいはその少なくとも一部の中を通して、強制空気を導き、熱消散速度をさらに増加させてもよい。
【0028】
集光レンズ３１４、３１６は、ランプ３０４により生成された光を集束させてアパーチャ３１８に通過させる。アパーチャ３１８は、フィラメント３０６がアパーチャ３１８の略全体を横切って広がるように設置される。１以上の実施形態において、アパーチャ３１８は、イメージングアセンブリ３００が生成する集束光ビームのサイズを調節するよう変更可能なものであり、これにより、ビームサイズを変えることで描画の速さや解像度を変化させ得る、低コストの方法が実現される。イメージングアセンブリ３００の実施形態は、アパーチャ３１８を閉鎖することによって集束光ビームを効果的に遮断する、シャッター装置を含む。
【0029】
イメージングアセンブリ３００に含まれるアパーチャディスク３２０は、アパーチャを機械的に変化させる手段と機械的シャッター系とを提供する。アパーチャディスク３２０は、ビームのサイズおよび形状を変更するための異なるサイズの複数のアパーチャと、ビームを遮る複数の不透明部分とを有している。ステッピングモータなどのモータがアパーチャディスク３２０を駆動することによって、アパーチャ開口部または不透明部分のいずれかをランプ３０４からの光の光路内に位置させ得るようにしてもよい。アパーチャ開口部が選択されると、光は残りのレンズを通過し、集束スポットがイメージングアセンブリ外部の易焼結性粉末レイヤー上に生成される。不透明部分が選択されると、光は焼結装置から出ることができず、代わりに焼結装置３００の蓄熱容量に吸収される。図３に示したアパーチャシステムはアパーチャ３１８およびアパーチャディスク３２０を含んでいるが、焼結に適した速さで操作可能な、アパーチャとシャッター装置とを備えている任意のシステムを、イメージングアセンブリ３００とともに使用してもよい。
【0030】
イメージングアセンブリ３００のいくつかの実施形態においては、アパーチャディスク３２０が「シャッタリング」と呼ばれる工程の中で開口状態（光がアパーチャを通って透過する状態）と閉鎖状態（光がアパーチャディスクの不透明部分で遮られる状態）とを迅速に入れ替えることができるように、モータは構成される。このシャッタリングのやり方は、３Ｄプリントの多くの手法において有用である。費用効率の高い機械的シャッタリングの実施は、タングステンハロゲンランプのような光源を使用している低コストの結像器において望ましく、というのもこのような光源は、機械的シャッターなしでシャッタリングを実行し得るほどに素早くオンとオフとを切り替えることができないためである。図３に示した実施形態ではアパーチャディスクについて説明しているが、実質的に同じ役割を果たす他の機械的シャッター系を使用し得ることは通常の当業者には明らかであろう。
【0031】
１以上の実施形態において、アパーチャ３１８の範囲は、範囲全体が焼結のために十分な出力を送出し得るように与えられる。変化するアパーチャ３１８を用いてスポットサイズを変えることで、描画の速さと解像度とを変化させる特有の低コストの方法を実現すると同時に、イメージングアセンブリ３００のサイズとコストを最小限に抑える。小さいアパーチャや大きいアパーチャを選択することによって、イメージングアセンブリ３００により生成される集束スポットサイズを約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から０．１２０インチ（３．０４８ｍｍ）まで調節することができる。典型的には円形のアパーチャを使用して円形の集束スポットが生成されるが、さらなる形状のアパーチャ開口部を使用して、特別な用途のために集束スポットの形状を変更してもよい。アパーチャディスク３２０は、ランプ３０４からの光をさらに集中させてより小さいスポットを生成する、例えばウィンストン・コーン（Winston cone）のような、回転放物面または複合回転放物面を備えたアパーチャ開口部を含んでもよい。
【0032】
アパーチャディスク３２０の一実施の形態が図１０に詳細に示されている。アパーチャディスク３２０は少なくとも１つの光透過性アパーチャ１００１〜１００３を含む。光透過性アパーチャ１００１〜１００３は、透明ガラスまたはプラスチックのような光透過性の任意の材料を含んでもよい。光透過性アパーチャ１００１〜１００３は、アパーチャディスク３２０を含む材料において、間隙または孔をさらに備えているものでもよい。光透過性アパーチャ１００１〜１００３は、焼結面上に生成される像の形に影響を与えるように形作られたものでもよい。例えば、光透過性アパーチャ１００１〜１００３を、円形、正方形、または任意の他の形状としてもよい。円形のアパーチャが選択されると、イメージングアセンブリ３００は焼結面上に放射対称の像を生成する。正方形のアパーチャが選択されると、イメージングアセンブリ３００は焼結面上に像を生成するが、この像を焼結面に亘って一定の速度で移動させると、焼結経路内の焼結粉末は、焼結経路内の各点での露出時間が一様になるためより均等に曝されることになる。様々なサイズの光透過性アパーチャ１００１〜１００３により、焼結面上に生成される像サイズを含め、イメージングアセンブリ３００により生成される光ビームの特性を変化させる手段が提供される。
【0033】
アパーチャディスク３２０は、単一スリットアパーチャ１０１１〜１０１３をさらに含んでもよい。単一スリットアパーチャ１０１１〜１０１３は、夫々アパーチャディスク３２０の中心に対する向きが異なり、夫々が焼結面上に異なる角度のスリット像を生成する。単一スリットアパーチャ１０１１〜１０１３は、イメージングアセンブリ３００により生成される光ビームの特性を変化させるさらなる手段を提供するものである。単一スリットアパーチャ１０１１〜１０１３は、実質的に真っ直ぐな方向に延在している、パネル、棒状部材、または任意の他の薄い構造体など、薄い形のものを焼結する際に速度を高速化させるのに有用であろう。単一スリットアパーチャ１０１１〜１０１３は、真っ直ぐなものでもよいし曲線的なものでもよい。例えば、イメージングアセンブリ３００を使用して、ブレークアウェイ材料を形成することもできる。３Ｄ物体のレイヤー・バイ・レイヤープリントにおいては、上方にレイヤーを追加するときの下方の層のサポートとしてブレークアウェイ材料が有用である。このブレークアウェイ材料は、プリント後、完成した３Ｄ物体から容易に取り除かれる。３Ｄプリント中にサポートとして使用されるブレークアウェイ材料は、一連の平行薄型パネル、メッシュ構造体、または任意の他の部分的に充填されたパターンを含むものでもよい。アパーチャディスク３２０は、複数スリットアパーチャ１０２１をさらに含んでもよい。複数スリットアパーチャ１０２１は、実質的に真っ直ぐな方向に延在している、複数の平行な、パネル、棒状部材、または任意の他の薄い構造体など、複数の平行な薄い形のものを焼結する際に速度を高速化させるのに有用であろう。例えば、イメージングアセンブリ３００を使用して、ブレークアウェイ材料を形成することもできる。複数スリットアパーチャ１０２１の個々の形体は、真っ直ぐなものでもよいし曲線的なものでもよい。
【0034】
イメージングアセンブリ３００が使用するアパーチャを変更するために、モータを使用してアパーチャディスク３２０を回転させてもよい。アパーチャディスク３２０は不透明部分１０３１〜１０３７をさらに含む。不透明部分１０３１〜１０３７は、アパーチャディスク３２０上に設けられた光透過性アパーチャ間に延在している。アパーチャディスク３２０を回転させ、ランプ３０４により生成された光を不透明部分１０３１〜１０３７の１つで遮って光がアパーチャディスク３２０を通過しないようにすることで、シャッタリングを実行することができる。１以上の実施の形態において、アパーチャディスク３２０は不透明材料から成る。あるいは、アパーチャディスク３２０を膜、塗料、粉末、釉薬、または他の面で被覆することにより、少なくとも１つの不透明部分１０３１〜１０３７は提供される。
【0035】
ランプ３０４からの光がアパーチャ３１８を通過すると、光はアクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６でさらに集束される。アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６は、複数の光波長を効果的に集束させる。アクロマティックダブレットレンズの夫々は３つの独立した表面を有し、これらはレンズの構造に基づいて３つの設計波長の光を集束するよう最適化されている。２つのアクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６を使用すると、３つの設計波長を含む範囲に亘って光を効果的に集束させる。アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６は、少なくとも約７５０ｎｍと画成される、可視光スペクトルの近傍あるいはこれよりも大きい、少なくとも１つの波長を含む光を集束するように構成してもよい。この少なくとも１つの波長は、電磁波スペクトルの近赤外領域内で選択してもよい。１つの例示的な現行の実施形態において、選択されたアクロマティックダブレットレンズは、約７０６．５ｎｍ、８５５ｎｍ、および１０１５ｎｍの光を集束する。この広帯域性能が、タングステンハロゲンランプなどの広帯域光源を使用している低コストの結像器に適している。アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６はレンズコーティングを含んでいてもよい。レンズコーティングの厚さおよび組成は、イメージングアセンブリ３００の性能を光源に基づいて最適化するように選択してもよい。
【0036】
アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６の夫々は、２つの異なる材料を含み、この２つの異なる材料を接合してダブレットレンズが形成される。この２つの異なる材料を、接着剤で接合してもよい。高温と急速な温度変化とによって、アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６の接合部位３２８〜３３０には応力が加えられる。例えば、接合部位３２８〜３３０の接着剤は溶解し得、あるいは温度サイクリングの分解効果によってその光学的特性は変化し得る。一実施例において、アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６の熱耐性は８５℃である。例えば、他の適切な代替品も利用可能であるが、イメージングアセンブリ３００が使用するアクロマティックダブレットレンズを、ガラスＳＦＬ６およびＢＡＦＮ１０から製造された、Thor Labs製「Ｂ」広帯域反射防止コーティングを有する、Thor Labsから入手可能なものとしてもよい。
【0037】
アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６は、典型的には、ダブレット用ヒートシンク３６０などのヒートシンク塊にマウントされる。ダブレット用ヒートシンク３６０は、熱消散用のヒートシンク塊として使用するのに適した、アルミニウム、銅、合金、または任意の他の材料から作製された、大型のヒートシンク塊を含んでもよい。イメージングアセンブリ３００の実施形態において、ダブレット用ヒートシンク３６０は、ダブレット用ヒートシンク３６０の露出表面積を増加させるようなアレイ状の、筋、孔、突起、または他の構造を含み、こうして熱消散速度を増加させる。さらに、ダブレット用ヒートシンク３６０の少なくとも一部へと、あるいはその少なくとも一部の中を通して、強制空気を導き、熱消散速度をさらに増加させてもよい。ダブレット用ヒートシンク３６０は、イメージングアセンブリ３００の外側の構造上の構成要素と継ぎ目なく一体化されたものでもよい。イメージングアセンブリ３００の実施形態において、ダブレット用ヒートシンク３６０はイメージングアセンブリ３００の構造要素として機能する。
【0038】
イメージングアセンブリ３００は外側レンズ３３２をさらに含む。集束光ビームは、外側レンズ３３２を通ってイメージングアセンブリ３００から出て行く。信頼性試験により、最外部のガラス面の温度が下がり過ぎた場合には、焼結工程中に材料が最外部のガラス面上に凝結することが分かっている。凝結によって最外部のガラス面が曇ると、イメージングが信頼できないものとなり、また出力伝送が不十分になる。
【0039】
イメージングアセンブリ３００は、下部レンズに確実に凝結物を集めないよう、外側レンズ３３２の温度を既定の閾値温度以上で維持するように構成され、すなわち「自己洗浄」を実行させる。イメージングアセンブリ３００の１以上の実施形態において、この既定の閾値温度は、３Ｄプリンタ内の易焼結性粉末レイヤー周りの周囲温度を超える温度である。既定の閾値温度を、大気圧での易焼結性物質の露点温度に基づいたものとしてもよい。易焼結性ナイロン粉末に対する既定の閾値温度は、一般に約１４０℃である。既定の閾値温度は、イメージングアセンブリ３００とともに使用し得る３Ｄプリンタの動作中などに、手動で調節してもよいし、あるいはマイクロプロセッサを用いて自動で調節してもよい。
【0040】
１以上の実施形態では、焼結工程を開始する前に、ランプ３０４が生成した光のバルク吸収により外側レンズ３３２を加熱して、外側レンズ３３２の温度を上昇させる。１以上の実施形態において、アパーチャディスク３２０は最大の光の透過を可能にするアパーチャを含み、そして外側レンズ３３２の温度を閾値温度を超えるまで上昇させるために、焼結前の短時間このアパーチャが選択される。その後外側レンズ３３２は、焼結工程の間、閾値温度を超えた温度に加熱されたままとなる。外側レンズ３３２は、極低熱伝導性の材料から作製された外側マウント３６２の内部にマウントされる。外側マウント３６２は、ポリエーテルイミド熱可塑性樹脂から作製される。そのため、外側レンズの表面が閾値を超えたまま維持されて凝結は回避され、適切な動作のために外側レンズ３３２を定期的に清掃する必要性が減少または排除される。
【0041】
表１は、例示的な実施形態における、イメージングアセンブリ３００の要素の位置を示した一覧である。寸法は、基準点であるアパーチャからの距離をインチ（ミリ）で示したものである。寸法は、各構成要素がイメージングアセンブリ３００の光軸と交差する位置を参照する。【表1】
【0042】
イメージングアセンブリ３００は、図８Ａ〜８Ｂに示すような２つの光学系を含む。図８Ａは、イメージングアセンブリ３００の第１光学サブシステム８００の実施形態を示したものである。ランプフィラメント３０６は第１光学サブシステム８００の対物面内にある。対物面８０５内の第１物体点８０４で光線８５０、８５２が生成される。光線８５０、８５２は、第１光学サブシステム８００を通過し得る光の円錐光路を表し、ここでの光は第１物体点８０４で第１像面８０６から離れる方向に生成されたものである。【0043】
光線８５０、８５２は反射体３０２に反射されて戻り、第１光学サブシステム８００の対物面を通過する。フィラメント３０６を通過した後、光線８５０、８５２は集光レンズ３１４、３１６を通って伝播する。集光レンズ３１４、３１６は、光線８５０、８５２が第１像点８０８で収束するように、これらの光線を集束させる。光線８５０、８５２はアパーチャ８０５を通過して伝播し続ける。アパーチャ８０５は、第１像面８０６上で集束される光線の円錐角を決定する。アパーチャ８０５は、イメージングアセンブリ３００のアパーチャ３１８でもよいし、あるいは随意的には、アパーチャディスク３２０上に設けられたアパーチャでもよい。【0044】
図８Ｂは、イメージングアセンブリ３００の第２光学サブシステム８１０の実施形態を示したものである。アパーチャ８０５は、第２光学サブシステム８１０の対物面として機能する。光線８６０、８６２は、第１光学サブシステム８００の第１像面８０６からの、第２物体点８１２を通過した光の光線を示したものである。光線８６０、８６２は、第２光学サブシステム８１０を通過し得る光の円錐光路を表し、ここでの光は第２物体点８１２を通過したものである。【0045】
光線８６０、８６２は、第２光学サブシステム８１０の入射瞳８０７を通って第２光学サブシステム８１０に入る。入射瞳８０７と第１像面８０６は位置合わせされ、第２光学サブシステム８１０を通過する光を最大にする。第１光学サブシステム８００は、ランプフィラメント像を入射瞳８０７上に集束させることで、第２光学サブシステム８１０内に入る光を最大にするように設計される。これにより、この系を通る光の伝達が最大となり、かつランプフィラメントの像が焼結粉末上で作られないことが確実になる。光線８６０、８６２はアクロマティックダブレットレンズ３２４、３２６および外側レンズ３３２を通って伝播し続け、これらのレンズによって光線８６０、８６２は色収差が補正されて集束される。光線８６０、８６２は、第２像面８１８内の第２像点８１６で収束する。第２像面８１８は、１層の易焼結性粉末を含む粉末面８１４と一致あるいは近接している。図では第２像面８１８が粉末面８１４の中心に位置合わせされているように示されているが、本発明の精神から逸脱することなく、効果的に焼結を行うために第２像面８１８を粉末面８１４に適度に近接した任意の距離に位置付け得ることは、通常の当業者には明らかであろう。
【0046】
第１光学サブシステム８００および第２光学サブシステム８１０は、第２像面８１８上にランプフィラメント３０６の共役像が形成されることのないように構成される。さらに、イメージングアセンブリ３００の光学系８００および８１０によれば、第２像面８１８の中心部分の収束および焦点が最適化される。
【0047】
当業者には明らかであろうが、アパーチャ面上の点からの光の広がりは、粉末焼結像面上で集束されるとき、点広がり関数によって特徴付けることができる。点広がり関数の分散は、ビームの中心から外側へ放射状に変化し得る。１以上の実施形態において、イメージングアセンブリは、半径ｒ1＞０での点広がり関数の分散を最小にするよう随意的に構成される。最も小さいアパーチャの半径を約ｒ1に設定すると、この最小のアパーチャを使用して生成された焼結レイヤー上の焼結像において、焼結粉末と未焼結粉末との間のエッジが鋭くなり、これにより、微細部を有する焼結像の生成に関して結像器の能力が向上する。説明したようにイメージングアセンブリを最適化すると、粉末上に投影されるアパーチャのエッジが鋭利となりかつアパーチャサイズが小さいことにより、この最小のアパーチャは、細かい解像度の焼結やエッジ加工に、あるいは精密さまたは鋭利さが望ましい任意の時に、適したものとなる。半径がｒ1よりも大きいアパーチャでは、ｒ1よりも大きい半径を有する像の部分に対し、像のボケが増加する。より大きいサイズのアパーチャは、ぼんやりとしたオーバーラップ（soft overlap）を必要とする加工や、少なくともこのぼんやりとしたオーバーラップ特性による一括充填が必要な作業、そして大きなアパーチャサイズによる焼結速さの高速化を必要とする作業に適している。
【0048】
図９Ａは、第２光学サブシステムの対物面９００を平面図で示したものである。中心点９０２は、対物面９００に垂直なイメージングアセンブリの光軸に合致する。第１周囲点９０４は、対物面９００内の、中心点９０２から距離ｒ1離れた位置にある。第２周囲点９０６は、対物面９００内の、中心点９０２から距離ｒ2離れた位置にある。第３周囲点９０８は、対物面９００内の、中心点９０２から距離ｒ3離れた位置にある。図９Ｂ〜９Ｅは、ｒ1での点広がり関数の分散を最小にするよう構成されたイメージングアセンブリにおいて、対物面９００に入射したイメージングアセンブリからの光の、夫々、点９０２、９０４、９０６、および９０８における点広がり関数を示したグラフである。点９０４、９０６、および９０８の点広がり関数は、夫々、ｒA、ｒB、およびｒCを中心としている。各点広がり関数のグラフは、像面の点での光の空間分布、あるいはより一般的には半径を示す。点広がり関数の分散は、対物面９００内の、中心点９０２から距離ｒ1離れた位置の点において最小化される。図９Ｄ〜Ｅに示すように、分散は、対物面９００内の、ｒ1より大きいまたはｒ1より小さい半径距離にある点では増加する。１以上の実施形態において、第１周囲点９０４は、最小アパーチャによって生成される半径ｒ1の光点の周辺エッジに合致する。半径が最も小さいアパーチャが選択されると、粉末の焼結に使用される光点の半径は約ｒ1となり、そして粉末上に投影される光点は半径ｒ1の位置で、最小の点広がり関数とそれによる最も鋭利なエッジとを有し、このため結像器の、粉末を微細に焼結する能力が向上する。アパーチャの半径がｒ1を超えて増加すると、エッジでの像のボケが増加する。分散の最小化について円形のアパーチャを参照して説明したが、サイズの異なる他のアパーチャ形状にも同じ効果が適用されることは当業者には明らかであろう。【0049】
イメージングアセンブリ３００内の光学部品の最適動作のために望ましい温度範囲を維持するため、強制空気流をイメージングアセンブリ３００に導いて通過させる。強制空気流は、例えばファンや加圧空気を用いるなど、費用効率の高いやり方で生成することができる。図４は、材料の選択と強制空気冷却とにより達成され得る、イメージングアセンブリ３００内の温度区分を示したものである。イメージングアセンブリ３００は、強制空気流を生成するためのファン４１０を含む。強制空気流は、空気導管としての機能を果たす少なくとも１つのチャネル３５８を介して、イメージングアセンブリ３００を通って伝播し得る。
【0050】
ダブレット区域４０６には、アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６が含まれる。ダブレット区域４０６は一般に、アクロマティックダブレットレンズ３２４〜３２６の最適動作のための最大動作温度未満で維持される。例示的な現行のイメージングアセンブリの実施形態において、ダブレット区域４０６の最大動作温度は約８５℃である。ファン４１０は、熱を除去してダブレットの温度を８５℃以下に調整するために、ダブレット用ヒートシンク３６０の表面またはチャネル３５８を通過する、空気流を生成する。１つの動作可能な実施形態において、ダブレット用ヒートシンク３６０は、伝導率１８０Ｗ／ｍＫおよびおおよその放射率０．８２の、黒色陽極酸化アルミニウムから作製される。
【0051】
ソース区域４０２とダブレット区域４０６の間には熱バリア４０４が設置される。１以上の実施形態において、熱バリア４０４は、アパーチャディスク３２０などの機械的シャッター機構を収容する。１以上の実施形態において、熱バリア４０４は、伝導率０．２２Ｗ／ｍＫのＵｌｔｅｍ１０００ポリエーテルイミドなどの、低熱伝導性材料から作製された断熱構造を含む。強制空気は、集光レンズ３１６と熱バリア４０４との間のアパーチャ３１８近傍空間を含む、熱バリア４０４内のチャネルを通って、ダブレット区域４０６からソース区域４０２へと通過し得る。それ以外では、強制空気がイメージングアセンブリ３００から外に漏れないよう熱バリア４０４はシールされる。
【0052】
ソース区域４０２には、ランプ３０４および集光レンズ３１４、３１６が含まれる。強制空気をソース区域３１４、３１６に通過させることで、ランプベースの温度は最大動作温度未満で維持される。例示的な現行のイメージングアセンブリの実施形態において、ソース区域４０２の最大動作温度は３５０℃である。ランプガラス部４１４の温度は、一般に、最小動作温度の２５０℃を超えた温度で維持される。イメージングアセンブリ３００の１つの動作可能な実施形態において、ランプに隣接する集光レンズ３１４はＳ−ＬＡＨ６４レンズであり、また集光レンズ３１６はＮ−ＢＫ７レンズである。最大動作温度＝０．６×ガラス転移温度（Ｔｇ）の計算に基づき、ランプに隣接する集光レンズ３１４の温度は最大動作温度である４１０℃未満で維持され、また集光レンズ３１６の温度は最大動作温度である３６０℃未満で典型的には維持される。１つの動作可能な実施形態において、ランプハウジング３５０は、伝導率１８０Ｗ／ｍＫおよびおおよその放射率０．８２の、黒色陽極酸化アルミニウムから作製される。１以上の実施形態において、強制空気は、イメージングアセンブリ３００から出る際、ランプベース３０８およびランプ用ヒートシンク３１０の表面上に導かれる。イメージングアセンブリ３００から出る強制空気を、そのシステムの別の構成要素のための熱源として使用してもよい。典型的には、ソース区域４０２内の全ての機械的部品は、その蓄熱容量が、動作中にソース区域の光学素子全てをその許容温度範囲内で維持させることができるほど十分に大きいものとなるよう、黒色陽極酸化アルミニウムのような高熱伝導性材料から作製される。
【0053】
外側区域４０８には、外側レンズ３３２および外側マウント３６２が含まれる。外側レンズ３３２は最初に、ランプ３０４に生成された透過光の内部および表面吸収により加熱される。外側マウントは、伝導率０．２２Ｗ／ｍＫのＵｌｔｅｍ１０００ポリエーテルイミドなどの低熱伝導性材料から作製される。典型的には、外側レンズ３３２は１４０〜２００℃の動作温度範囲で維持される。１以上の実施形態において、外側区域４０８は、ランプ３０４に生成された透過光の表面吸収に替えて、あるいはこれに追加して、任意の他の加熱方法で随意的に加熱される。１以上の実施形態において、ソース区域４０２の要素を冷却するために使用された強制空気を、ソース区域４０２を通過した後に、外側区域４０８の要素へと導いてもよい。
【0054】
図４に示した実施形態では、ランプ３０４に生成された熱を利用し、かつイメージングアセンブリ３００内に強制空気を導くことにより、ダブレット区域４０６、ソース区域４０２、および外側区域４０８は適切な温度で維持される。イメージングアセンブリ３００内部の温度は受動的に管理される。しかしながら、通常の当業者には、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、追加の加熱または冷却系を採用して、イメージングアセンブリ３００の光学的および電気的要素を、ダブレット区域４０６、ソース区域４０２、および外側区域４０８内において的確な動作温度で維持し得ることは明らかであろう。典型的には、このシステムは、高額な温度制御装置や高温の光学部品を必要とすることなく高信頼性が得られるように構成される。
【0055】
図２および５に示したのは、イメージングアセンブリ３００とともに使用される例示的な３Ｄプリンタ２００である。３Ｄプリンタ２００は、ドラムアセンブリ２０２、イメージングアセンブリ３００、プラットフォームアセンブリ、およびマイクロプロセッサ２５０を含む。３Ｄプリンタ２００は、易焼結性粉末塗布器２１０、易焼結性粉末貯蔵器２１２、物体加熱要素２０８、および、次の焼結像に備えてローラおよびワーク面を清掃する手段をさらに含む。ドラムアセンブリ２０２はドラムフレーム２１８と処理ドラム５１０とを含み、この処理ドラム５１０は、１以上の減速ギア２２２を介してドラムに動作的に連結された、典型的にはステッピングモータ２２０である第１アクチュエータに応答して回転するよう適合されている。
【0056】
ドラムアセンブリ２０２はステッピングモータ２２６などの第２アクチュエータをさらに含み、リードスクリュー２２４を用いるなどして、ワーク面の長さを横方向に横切っているドラム５１０を駆動させる。ドラム５１０は典型的には滑らかな陽極酸化アルミニウム製ドラムであり、その上に易焼結性粉末が塗布される。陽極酸化アルミニウム製ドラムは熱安定性および熱耐久性を提供するが、他の熱伝導性材料および非熱伝導性材料を使用してもよい。ドラム５１０の外周は、典型的には、作製される物体の長さ以上である。ただし、他の実施形態において、粉末を塗布するステップ、粉末像を作るステップ、および焼結像を堆積させるステップが、連続工程の一部として実質的に一度に実行される場合には、ドラムの外周はその作業面の長さより小さくてもよい。焼結像または未焼結粉末が過度にドラム５１０に付着しないようにするため、または像を作る間のドラム内への熱損失を最小にするため、あるいは粉末の付着を助ける電場の採用を可能とするために、ドラム５１０の外側表面を、例えばＴＥＦＬＯＮ(登録商標）のようなこびりつかない表面で被覆してもよい。
【0057】
ドラムアセンブリは、温度調整装置と、管状ハロゲンランプやカートリッジヒータなどのドラム加熱要素とをさらに含み、これらをドラム５１０の内部にマウントし、かつ易焼結性粉末の融点未満の融点に略近い温度までドラム５１０を加熱するように適合させてもよい。
【0058】
易焼結性粉末は典型的には結晶質のナイロン粉末であり、この粉末の溶融点未満である摂氏約２℃と１５℃の間の温度まで、ドラムの外側表面の温度を上昇させる。結像ランプ系からの入力エネルギーを最小にしながら粉末を比較的高速に焼結するのを助けるため、ローラの温度には一般的により高い温度が採用されるが、３Ｄプリンタシステムは、ローラの温度変化や粉末の温度変化の影響をより受け易い可能性があり、これが原因でローラ上に意図していない粉末焼結を生じさせてしまうことがある。その一方で、焼結像の品質向上のためにドラムをより低温で維持することもできるが、焼結工程および物体の製造全体にかかる時間が長くなるであろう。いくつかの実施形態において、ドラムアセンブリは、焼結像を物体のこれまでの焼結像上に堆積させる直前に、焼結像の外側を加熱する、定着用ヒータ（transfixing heater）をさらに含む。同様に、いくつかの実施形態では、形成される物体の、これまでに堆積された焼結像の最上面を加熱要素が加熱してもよい。定着用ヒータは、ドラム５１０を収容しているアセンブリの、ドラムとプラットフォームアセンブリまたはワーク面とに近接した位置にマウントしてもよい。接着面に適用する熱の量を制御するために、定着用ヒータは典型的には、各表面の露出部分を制限する調節可能なマスクをさらに含む。
【0059】
プラットフォームアセンブリは水平な造形面を含み、この上に最初の焼結レイヤーが堆積され、さらに完成物体が組み立てられる。造形面２４０は、プリントされた焼結像から物体が作製される際の造形面内の位置に、加熱パッド２４１Ａを組み込んでもよい。造形面２４０の高さは、２つの交差アーム２４２と、両端部に左巻きのねじ山および右巻きのねじ山を備えたリードスクリュー２４４と、典型的にはステッピングモータ２４６であるアクチュエータとを含むシザーリフト２０６を用いて、ドラム５１０に対して調節する。リードスクリュー２４４を回転させると、その回転方向に応じて交差アーム２４２が互いに近づく方向または離れる方向へと移動し、それにより夫々造形面２４０を上げたり下げたりすることができる。いくつかの実施形態では、造形面２４０は水平面の状態でシザーリフト２０６に対して回転するように適合され、こうすることで、各焼結像を堆積させる前に造形面２４０をランダムな角度に回転させて、もし補正されなければ組み立てられた物体に鉛直方向の不均一性または非線形性をもたらし得るような、反復誤差またはアーチファクトの蓄積を防ぐことができる。ドラム５１０上に生成された焼結像の向きに、造形面２４０と同じ角度回転を反映させるべきであることは当業者には明らかであろう。
【0060】
堆積される各焼結像に対し、ドラム５１０に対する造形面２４０の高さを調節する際には、作製中の物体の上部が、その物体に加えられる焼結像の厚さと略同じ距離だけドラム５１０より低くなるように調節される。この実施形態においては、各像が物体に加えられた後にプラットフォームが下げられるが、別の実施形態では、物体が組み立てられるときに物体の厚さを補償するよう、ドラムの高さを上方に調節するものもあり得る。いくつかの実施形態では、造形面２４０は、物体と焼結像プリント後に残存する未焼結粉末との両方を含む、側壁を有する物体造形タンクの底部であり、この場合は、続いて焼結される像のうち真下に物体がない部分の土台としてのサポートが提供される。
【0061】
ドラムアセンブリ、焼結アセンブリ、およびプラットフォームアセンブリに採用されるステッピングモータの作動は、マイクロプロセッサ２５０が典型的には共同で制御する。このマイクロプロセッサ２５０は、ドラム５１０の回転と焼結アセンブリの移動を同時に行って、物体を構成する複数の断面夫々を堆積するように適合されている。
【0062】
いくつかの実施形態において、３Ｄプリンタ２００は、焼結像を物体に加えるときに作製中の物体の厚さを動的に制御するレイヤー厚制御プロセッサをさらに含み、このプロセッサは、マイクロプロセッサ２５０または別のプロセッサにおいて具現化し得る。レイヤー厚制御プロセッサは、物体が造形されているときに典型的には物体全体または１以上の焼結像の厚さを検知し、そしてフィードバックを利用して、ドラム５１０に塗布される易焼結性粉末の厚さを変更したり、あるいは焼結像を物体に密着させる際に使用する圧力を変化させたりする。例えば、ワーク面を横切るドラムの移動が焼結像と物体との間の密着を強める圧力を誘導するように、ドラム５１０とワーク面との間の干渉間隙を変化させ、こうして圧力の制御を行ってもよい。他の実施形態において、レイヤー厚制御プロセッサは、所望のレイヤー密度を得かつ接合を確実にするために、ドラムと物体との間に加えられる圧力の時間および温度を制御する。具体的には、レイヤー厚制御プロセッサは、ドラム５１０をワーク面に横切らせて移動させる際の速さと温度を各像レイヤーごとに変化させることで、像の厚さを正常化しかつ最適な接合品質を提供するように適合される。
【0063】
図６Ａ〜６Ｂは、焼結アセンブリの実施形態と使用可能な３次元プリンタ（３Ｄプリンタ）の動作を示す概略図である。ドラムアセンブリ６００は、物体の断面層に対応する複数のレイヤーを使用して物体のデジタル模型から３次元部品すなわち物体を作製するよう適合された３Ｄプリンタの構成要素である。焼結像は、１層の易焼結性粉末から個々に生成され、さらに物体を造形するために、積層体上に連続して組み立てられる、すなわちプリントされる。粉末粒子を溶解融合させて個々のレイヤーを形成したり、個々のレイヤーを溶解融合させて３Ｄの物体にしたりするために熱が使用される。焼結像は典型的には、３Ｄ物体の断面のわずかな部分を表すように形成される。
【0064】
図６Ａに示したように、ドラムアセンブリ６００は一般に、レイヤー処理面６０２、放射エネルギー源６０４、およびワーク面６０６を含む。例えば処理ドラムの連続表面または平面などのレイヤー処理面６０２は、その長手軸の周りに回転６２０し、さらにマイクロプロセッサの制御による並進運動でワーク面上を通過して、焼結された粉末レイヤーをワーク面上に転移または堆積させるように適合されている。ワーク面６０６は、最初の焼結像を堆積させる造形面か、あるいは組み立てられている物体上の前回の焼結像のいずれかである。焼結像が組立中の物体から離れたレイヤー処理面上で生成されることで、焼結像が物体に付着される前に例えば溶融や密度の変化による任意の歪みがこの焼結像に発現することが許容され、このため物体内に生じ得る内部応力が減少する。以下で説明するように、レイヤー処理面６０２または他の加熱されたレイヤー処理面の連続表面上で焼結像が生成されると、好適な実施形態においては、前回のレイヤーに対し、像を同時に溶解させるのに必要なエネルギーは典型的には必要としない。
【0065】
一般にレイヤー処理面６０２は加熱要素を含み、この加熱要素は、採用された易焼結性粉末の溶融温度近傍の既定値までドラム外側表面の温度を上昇させるよう適合される。好適な実施形態において、易焼結性粉末は結晶質のナイロン粉末であり、ドラムの外側表面を上昇させる温度は、この粉末が完全に溶融しない程度に低いものの易焼結性粉末の周囲温度を十分に超えるほどの温度である。このため、粉末を溶解して焼結像とするために、続いて作製中の物体にこの焼結像を密着または付着させるために、注入しなければならないエネルギーは低減される。易焼結性粉末レイヤー６１０は易焼結性粉末の均一なレイヤーであり、レイヤー処理面６０２に一塊で塗布される。易焼結性粉末は、レイヤー処理面６０２の熱により粘着性を有し、易焼結性粉末レイヤー６１０の粒子を融合させることなくドラムに付着する。静電気引力を、加熱されたドラムと組み合わせて、あるいは加熱されていないドラムとともに単独で、易焼結性粉末をレイヤー処理面６０２に開放可能にまたは除去可能に付着させるために使用してもよい。
【0066】
易焼結性粉末レイヤー６１０のうち、形成中の物体の断面レイヤーを呈する部分は、本明細書において開示したイメージングアセンブリなどのエネルギー源６０４によって焼結される。エネルギー源６０４は、典型的にはレイヤー処理面６０２上に焦点６０５を有する、イメージングアセンブリ３００のような集束された熱源であるが、このエネルギー源６０４が、粉末を溶解させるのに十分な温度にまで粉末を加熱する。この粉末は、粉末を部分的に液化することにより、あるいは粉末を完全に液化することにより溶解され、その後エネルギー源６０４が取り外されると、冷えてローラの温度で固体に戻る。焼結像６１２は、エネルギー源６０４をレイヤー処理面６０２の連続表面に対して動かし、易焼結性粉末レイヤー６１０を横切って焼結粉末の線状部分または領域を辿ることにより形成される。好適な実施形態においては、マイクロプロセッサの制御によりレイヤー処理面６０２を回転６２０させかつ熱源６０４を移動６２２させることにより、物体の断面レイヤーは任意の複雑な構造を得ることができる。この実例においては、未焼結粉末はレイヤー処理面６０２に付着し続ける。
【0067】
図６Ｂに示すように、レイヤー処理面６０２を回転６２４させると同時にワーク面６０６を横切って移動６２６させることにより、焼結像６１２はその後ワーク面６０６に転移される。レイヤー処理面６０２が点線で示した最初の位置からワーク面６０６を横切って進むと、焼結像６１２がレイヤー処理面６０２から引き離されてワーク面６０６に転移される。焼結像６１２と、この焼結像６１２を受ける物体の部分は、組立中の物体に焼結像６１２を密着させるよう熱源に曝してもよい。レイヤー処理面６０２とワーク面６０６との間の距離は、おおよそ焼結像６１２の厚さ以下である。
【0068】
好適な実施形態においては、組立中の物体への焼結像６１２の転移および融合は一度に行われる。しかしながらいくつかの実施形態においては、焼結像６１２を最初に物体上に堆積させ、そして例えば、ドラムに続く定着ランプ、一括加熱工程、ホットパッド（詳細は後述）、またはこれらを組み合わせたものを用いて、引き続き融合させてもよい。
【0069】
イメージングアセンブリは、易焼結性粉末のレイヤー内で像を焼結するために使用し得る。図７Ａ〜７Ｃは、易焼結性粉末レイヤーを形成する例示的な方法を示した概略図である。図７Ａ〜７Ｃにはドラムを示しているが、円筒状ドラム以外の表面を使用してもよい。この表面は、例えば、その上に焼結レイヤーが形成される平面でもよい。３Ｄプリンタでは、平面上に形成された焼結レイヤーをプラットフォームアセンブリ上のワーク面上へと押圧したり、あるいはスタンプするように押し付けたりしてもよい。
【0070】
滑車５１２が回転してベルト５１４が前進すると、易焼結性粉末７１０が粉末容器２１０から引き出される。易焼結性粉末７１０のドラム５１０上への転移を強化するため、攪拌機を採用し、容器２１０内にあるいは容器２１０に取り付けて設けてもよい。ベルト５１４により分注される易焼結性粉末７１０の量は、調節可能なゲート７０２と、この調節可能なゲート７０２下の間隙７０４とによって制御される。易焼結性粉末７１０がベルト５１４からレイヤー制御ブレード７０６上の空間部分に落下すると、粉末の密度は正常化され、易焼結性粉末７１０が粉末容器２１０内でどれほど圧縮されていたとしても、易焼結性粉末７１０がドラム５１０に適用されるときには確実に均一かつ繰返し可能な密度となる。分注された粉末７１２はドラム５１０上に堆積し、そしてレイヤー制御ブレード７０６を使用して、ドラム５１０に塗布されるレイヤー状粉末７１４の厚さと均一性を調整する。レイヤー制御ブレード７０６とドラム５１０との間に生成されるレイヤー間隙７０８は楔状の形を成し、その間隙上方は、適切に粉末を引き込むために比較的広く、また間隙下方は、ドラム５１０が回転するときにドラム５１０の幅に亘って粉末を均一に広げるよう―そして粉末を適切な密度に圧縮するよう―狭くなっている。生成されるレイヤー状粉末７１４の厚さは、要求される物体の鉛直方向の解像度に応じて、一般に５ミル（０．１２７ｍｍ）から２０ミル（０．５０８ｍｍ）厚の間である。ドラム５１０の表面を加熱するためにドラム５１０内部で加熱ランプを使用し、レイヤー状粉末７１４のドラム５１０表面への付着を助けてもよい。
【0071】
典型的には、この易焼結性粉末は平均粒子サイズ６０μｍのナイロン＃１２のような結晶質のプラスチック粉末であるが、例えば３Ｄプリントの要件や製造方法に応じて変更される場合がある。いくつかの実施形態において、易焼結性粉末は２以上の粒子サイズが分布しているもの、すなわち第１組の相対的に大きい粒子と第２組の相対的に小さい粒子とが分布しているものを含む。この場合、小さい粒子の直径は、大きい方の粒子間に存在する粒子間空隙を実質的に満たすように選択され、こうすることで焼結粉末の密度を増加させ、さらに物体の収縮を低減する。本書においてモデル分布と称するこの複数の粒子サイズの分布では、複数の極僅かな粒子サイズを含んでもよく、その夫々をさらに連続して小さいものとすると粉末密度は最大になる。
【0072】
ナイロン＃１２の代わりに種々の他の易焼結性材料を採用してもよく、例えば、ナイロン＃１１、アクリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリスチレン、および類似の粒子サイズを有する他の粉末が挙げられる。易焼結性粉末は、その粉末の放射率に実質的に対称なその粉末の有効吸収率を、熱源が放出する放射線の波長帯域で増加させるような、放射線吸収剤または染料をさらに含んでもよい。例えば、熱源が可視光の黒または灰色であるとき、色素剤を採用して粉末のエネルギー吸収を増加させてもよく、こうすることで、粉末の焼結可能速度や物体の組立可能速度を高速化することができる。放射線吸収剤を用いれば、ランプなどの低出力インコヒーレントエネルギー源の他、レーザやレーザダイオードを含むコヒーレントエネルギー源を焼結の放射線源として使用することも可能となり得る。レーザやレーザダイオードを使用した他の実施形態では、レーザの狭い放出帯において、主として染料は吸収力があるであろう。
【0073】
いくつかの実施形態において、３Ｄプリンタ２００は、例えば金属を含む易焼結性粉末から１以上の焼結像を生成するように適合される。１つの例示的な製品が、カリフォルニア州ガーデナのHi-Temp Structures社からMETAL MATRIX PLASTICという商標名で流通している。
【0074】
本書において開示される発明について、具体的な実施形態とその用途を用いて説明してきたが、請求項に明記される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者は多くのその変形形態および変更形態を作製し得るであろう。
【符号の説明】
【0075】
３００ イメージングアセンブリ３０２ 反射体
３０４ ランプ
３０６ ランプフィラメント
３１０、３５４、３６０ ヒートシンク
３１４、３１６ 集光レンズ
３１８ アパーチャ
３２０ アパーチャディスク
３２４、３２６ アクロマティックダブレットレンズ
３３２ 外側レンズ
３５８ チャネル
４０２ ソース区域
４０４ 熱バリア
４０６ ダブレット区域
４１０ ファン
６０２ レイヤー処理面
６０６ ワーク面
６１０ 易焼結性粉末レイヤー
６１２ 焼結像
８００ 第１光学サブシステム
８０６ 第１像面
８０７ 入射瞳
８１０ 第２光学サブシステム
８１２ 第２物体点
８１４ 粉末面