特許 6771431 三次元造形物を生成するための方法およびシステム

(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】6771431

(24)【登録日】2020年10月1日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】三次元造形物を生成するための方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/106 20170101AFI20201012BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20201012BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20201012BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20201012BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20201012BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20201012BHJP

【ＦＩ】

   B29C64/106

   B33Y10/00

   B33Y30/00

   B33Y50/02

   B29C64/393

   B29C64/209

【請求項の数】20

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-125110(P2017-125110)

(22)【出願日】2017年6月27日

(65)【公開番号】特開2018-8515(P2018-8515A)

(43)【公開日】2018年1月18日

【審査請求日】2020年6月10日

(31)【優先権主張番号】15/210,620

(32)【優先日】2016年7月14日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】596170170

【氏名又は名称】ゼロックス コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＸＥＲＯＸ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】デイヴィット・エイ・マンテル

【審査官】 正 知晃

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５２５２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０１４５４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／００９９３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１３−５０６５７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００−９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

押出成形機アセンブリを操作して三次元造形物を形成する方法であって、
少なくとも１つのアクチュエータを用いて、それを通して少なくとも１つの開口部を通じて材料を押し出すことができる押出面積を規定する前記少なくとも１つの開口部を有する押出成形機を位置決めするステップであって、前記押出成形機は、造形プラテン上に支持されている物体の一部によって前記押出面積の第１の部分を被覆し、前記押出面積の第２の部分を開放したままにするように位置決めされる、位置決めするステップと、
前記少なくとも１つのアクチュエータを用いて前記物体に沿って前記押出成形機を移動させながら、前記押出面積の前記第２の部分を通じて前記物体に隣接する造形材料の第１の連続リボンを押し出すステップとを含む、方法。

【請求項2】

前記第１のリボンを形成するステップは、前記押出面積の前記第２の部分の面積に基づく流速で前記押出面積の前記第２の部分を通じて前記造形材料を押し出すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記方法は、前記押出面積の前記第２の部分を通じて前記第１の連続的な造形材料のリボンを押し出す前に、前記少なくとも１つのアクチュエータを用いて前記押出成形機を移動させながら、前記少なくとも１つの開口部を通じて造形材料の第２の連続リボンを押し出すステップをさらに含み、
前記押出成形機の位置決めする前記ステップは、前記第２の連続リボンで前記押出面積の前記第１の部分を被覆するように前記押出成形機を位置決めするステップを含み、
前記造形材料の第１のリボンは、前記造形材料の第２のリボンに隣接して押し出される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第１のリボンおよび前記第２のリボンは、前記造形物の第１の層の連続部分を形成する、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第１のリボンおよび前記第２のリボンのうちの一方が、前記第１の層の最外縁を形成する、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記方法は、前記少なくとも１つの開口部を通じて、前記第２のリボンの前記第１のリボンとは反対の側に隣接して、造形材料の第３の連続リボンを押し出すステップであって、前記第３のリボンは、前記少なくとも１つの開口部の前記押出面積を被覆することなく押し出されるステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。

【請求項7】

前記方法は、前記第１の連続リボンおよび前記第２の連続リボンを押し出すステップの前に、前記少なくとも１つの開口部を通じて、造形材料の第４の連続リボンを押し出すステップであって、前記第４の連続リボンは、前記少なくとも１つの開口部の前記押出面積を被覆することなくかつ前記第３の連続リボンと同じ方向に整列されて形成されるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記第３のリボンを押し出すステップは、前記第３の連続リボンの外縁と前記第４の連続リボンの外縁とが整列しないように、前記第３の連続リボンを前記第４の連続リボンの上かつ前記第４の連続リボンからオフセットして形成するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記少なくとも１つの開口部が、スロット形状の押出面積を規定する、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記少なくとも１つの開口部が、複数の開口部を含み、各開口部が面積を有し、前記複数の開口部の前記押出面積が、前記複数の開口部の面積の和である、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記物体に沿って前記押出成形機本体を移動させるステップが、前記造形材料を押し出しながら前記押出成形機本体を回転させ平行移動させるステップであって、前記造形材料の押し出しが、前記回転の曲率半径および前記少なくとも１つの開口部に対する前記押出成形機本体の平行移動の角度に基づく速度で行われるステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

三次元物体印刷システムのための押出成形機アセンブリであって、
材料の連続リボンを押し出すように構成された開口部を有する押出成形機であって、前記開口部は、それを通じて前記開口部から材料を押し出すことができる押出面積を規定する、押出成形機と、
前記押出成形機に動作可能に接続されている少なくとも１つのアクチュエータであって、前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記押出成形機を水平面内で移動させるように構成されている、少なくとも１つのアクチュエータと、
前記押出成形機、前記少なくとも１つのアクチュエータ、およびメモリに動作可能に接続されているコントローラとを備え、前記コントローラは、造形プラテン上に支持された物体の一部によって前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積の第１の部分を被覆し、前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積の第２の部分を開放したままにするように前記押出成形機を位置決めするように、前記少なくとも１つのアクチュエータを操作し、
前記物体に沿って前記押出成形機を移動させるように前記少なくとも１つのアクチュエータを操作し、前記物体に隣接する造形材料の第１の連続リボンを押し出すように前記押出成形機を移動させるように前記少なくとも１つのアクチュエータを操作しながら、前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積の前記第２の部分を通じて造形材料を押し出すように前記押出成形機を操作するための、メモリに格納されたプログラム命令を実行するように構成されている、押出成形機アセンブリ。

【請求項13】

前記コントローラは、前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積の前記第２の部分の面積に基づく流速で前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積の前記第２の部分を通じて前記造形材料を押し出すように前記押出成形機を操作するためのプログラム命令を実行するようにさらに構成されている、請求項１２に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項14】

前記コントローラは、前記造形材料の第１の連続リボンを押し出すように前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作する前に、造形材料の第２の連続リボンを押し出すように前記押出成形機を移動させるように前記少なくとも１つのアクチュエータを操作しながら、前記開口部を通じて前記造形材料を押し出すように前記押出成形機を操作するためのプログラム命令を実行するようにさらに構成されており、
前記押出成形機を位置決めするように前記少なくとも１つのアクチュエータを操作するステップは、前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積の前記第１の部分を前記第２のリボンで被覆するように前記押出成形機を位置決めするステップを含み、
前記造形材料の第１の連続リボンを押し出すように前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作する前記ステップは、前記第２のリボンに隣接して前記第１のリボンを押し出すように、前記第２の連続リボンに沿って前記押出成形機を動かすように、前記少なくとも１つのアクチュエータを操作するステップを含む、請求項１２に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項15】

前記コントローラは、前記第１の連続リボンおよび前記第２の連続リボンを造形物の連続した第１の層として押し出すように、前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作するためのプログラム命令を実行するようにさらに構成されている、請求項１４に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項16】

前記コントローラは、前記第１の連続リボンおよび前記第２の連続リボンのうちの一方を前記第１の層の最外縁において押し出すように、前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作するためのプログラム命令を実行するようにさらに構成されている、請求項１５に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項17】

前記コントローラは、前記押出成形機の前記開口部を通じて、前記第２の連続リボンの前記第１の連続リボンとは反対の側に隣接して、造形材料の第３の連続リボンを押し出すように前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作するためにプログラム命令を実行するようにさらに構成され、前記第３の連続リボンは、前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積を被覆することなく押し出される、請求項１５に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項18】

前記コントローラは、前記第１の連続リボンおよび前記第２の連続リボンを押し出すように前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作する前に、前記押出成形機の前記開口部を通じて、造形材料の第４の連続リボンを押し出すように前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作するためにプログラム命令を実行するようにさらに構成され、
前記第４の連続リボンは、前記押出成形機の前記開口部内の前記押出面積を被覆することなくかつ前記第３の連続リボンと同じ方向に整列されて形成され、
前記押出成形機および前記少なくとも１つのアクチュエータを操作して前記第３の連続リボンを押し出すステップは、前記第３の連続リボンの外縁と前記第４の連続リボンの外縁とが整列しないように、前記第３の連続リボンを前記第４の連続リボンの上かつ前記第４の連続リボンからオフセットして形成するステップをさらに含む、請求項１７に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項19】

前記押出成形機の前記開口部は、前記押出面積を規定するスロット形状の開口部である、請求項１２に記載の押出成形機アセンブリ。

【請求項20】

前記押出成形機は、複数の他の開口部を含み、前記複数の他の開口部の各開口部が面積を有し、前記押出成形機の前記押出面積が、前記複数の他の開口部の面積と前記押出成形機の前記開口部の面積との和である、請求項１２に記載の押出成形機アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示されるシステムおよび方法は、三次元物体を生成するプリンタ、より詳細には、そのようなプリンタ用の押出成形機アセンブリに関する。

【背景技術】

【0002】

デジタル積層造形としても知られているデジタル三次元造形は、デジタルモデルから実質的にあらゆる形状の三次元固体物体を作成する工程である。三次元物体の印刷は、１つまたは複数の押出成形機またはエジェクタアセンブリが、たとえば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（「ＡＢＳ」）またはポリ乳酸（「ＰＬＡ」）のような熱可塑性材料の連続層を、基板上で異なる形状で形成する加色工程である。いくつかの従来の三次元物体プリンタでは、押出成形機はドキュメントプリンタのプリントヘッドに類似している。そのような押出成形機は、材料の滴を吐出するエジェクタのアレイではなく、材料の連続流を放出して層を形成する押出成形機のアレイを含む。

【0003】

他の公知の三次元物体プリンタでは、押出成形機アセンブリは、造形材料を押し出して印刷物体を生成するための層を形成するように構成された単一のノズルを含む。ノズルは、一般に、造形材料の連続フィラメントを放出する小さな円形の穴として構成される。フィラメントは、層ごとに定置されて隣接するストリップになり、三次元部品を形成する。

【0004】

このような押出成形機アセンブリでは、印刷物体は迅速かつ正確に形成されるべきである。ノズルのサイズは、部品の最小分解能と物体を形成することができる速度の両方を決定する。より大きなノズルを有する押出成形機は、物体をより迅速に形成することができるが、隣接するストリップの形成は、層の幅がノズル幅の整数倍に等しくなければならないので、分解能が低下する。他方、より小さい直径のノズルを有する押出成形機は、より小さい細部を形成するために使用することができるが、各パスで押し出される体積が小さいため、生成により多くの時間が必要であり、場合によっては数時間または数日程度かかる。したがって、従来の三次元物体プリンタでは、ノズルのサイズは、造形速度と造形分解能との間にトレードオフをもたらす。

【0005】

この問題に対する１つの解決策は、より大きな物体に対する大きなノズル、および、細部を形成するための小さなノズルを有する押出成形機アセンブリを使用することである。しかしながら、そのような押出アセンブリは、接続部、弁、および制御回路が各ノズルに必要とされるので高価である。もう１つの解決策は、小さなノズル押出成形機アセンブリを使用して大部分が中空の部品を作ることであった。中空部品を生成することは、物体を生成するのに必要な時間を短縮するが、物体の構造強度は著しく低下し、中空物体の有用性が制限される。

【0006】

したがって、物体の細部がより増え、構造強度が増大し、生成時間が短縮されるように、押出成形機アセンブリを含むプリンタを有する、三次元物体を形成するためのシステムおよび方法の改善が有益であろう。

【0007】

三次元造形物を形成するために押出成形機アセンブリを操作する方法は、造形物の分解能を高め、構造強度を増大させて造形物を迅速に形成する。この方法は、少なくとも１つのアクチュエータを用いて、それを通して少なくとも１つの開口部を通じて材料を押し出すことができる押出面積を規定する少なくとも１つの開口部を有する押出成形機を位置決めするステップを含む。押出成形機は、造形プラテン上に支持されている物体の一部によって押出面積の第１の部分を被覆し、押出面積の第２の部分を開放したままにするように位置決めされる。本方法は、少なくとも１つのアクチュエータを用いて物体に沿って押出成形機を移動させながら、押出面積の第２の部分を通じて物体に隣接する造形材料の第１の連続リボンを押し出すステップをさらに含む。

【0008】

別の実施形態では、三次元物体印刷システム用の押出成形機アセンブリは、押出成形機と、少なくとも１つのアクチュエータと、コントローラとを備える。押出成形機は、材料の連続リボンを押し出すように構成された少なくとも１つの開口部を含み、少なくとも１つの開口部は、それを通って、少なくとも１つの開口部を通じて材料を押し出すことができる押出面積を規定する。少なくとも１つのアクチュエータは、押出成形機に動作可能に接続され、押出成形機を水平面内で移動させるように構成される。コントローラは、押出成形機、少なくとも１つのアクチュエータ、およびメモリに動作可能に接続される。コントローラは、メモリに格納されたプログラム命令を実行して、押出成形機を、造形プラテン上に支持された物体の一部によって押出面積の第１の部分を被覆し、押出面積の第２の部分を開放したままにするように位置決めするように、少なくとも１つのアクチュエータを操作し、物体に沿って押出成形機を移動させるように少なくとも１つのアクチュエータを操作し、物体に隣接する造形材料の第１の連続リボンを押し出すように押出成形機を移動させるように少なくとも１つのアクチュエータを操作しながら、押出面積の第２の部分を通じて造形材料を押し出すように押出成形機を操作するように構成されている。

【0009】

押出成形機を有するプリンタおよび押出成形機を有するプリンタを操作する方法の上記の態様および他の特徴は、添付の図面とともに取り上げられる、以下の記載において説明される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、押出成形機アセンブリを有する三次元物体プリンタの概略図である。

【図2】図２は、造形物の生成中に自己バルビングプロセスを使用して造形材料のリボンを形成する方法を示す図である。

【図3】図３は、図２の自己バルビングプロセスを使用して造形材料のリボンを形成する、図１の３Ｄ物体プリンタのための押出成形機本体の側部部分断面図を示す。

【図4】図４は、図２の自己バルビングプロセスを使用して造形材料のリボンを形成する、図１の３Ｄ物体プリンタのための押出成形機本体の別の側部部分断面図を示す。

【図5】図５は、造形物の生成中に自己バルビングプロセスを使用して造形材料のリボンを形成する方法を示す図である。

【図6】図６は、図４の自己バルビングプロセスを使用して造形材料のリボンを形成する、図１の３Ｄ物体プリンタのための押出成形機本体の側部部分断面図である。

【図7】図７は、図４の自己バルビングプロセスを使用して造形材料のリボンを形成する、図１の３Ｄ物体プリンタのための押出成形機本体の別の側部部分断面図である。

【図8】図８は、図１の３Ｄ物体プリンタを操作して造形物を生成する方法を示す図である。

【図9】図９は、図８の方法に従って図１の３Ｄ物体プリンタによって生成される第１の層の上面図である。

【図10】図１０は、図８の方法に従って図１の３Ｄ物体プリンタによって生成される、図９の第１の層および第２の層の上面図である。

【図11】図１１は、図１の３Ｄ物体プリンタを操作して造形物を生成する方法を示す図である。

【図12】図１２は、湾曲した特徴部を形成するように同時に並進および回転する図１の押出成形機本体の上部部分概略図である。

【図13】図１３は、図１の押出スロットを使用して湾曲した特徴部を生成するための半径と押出幅との比に対する押出係数のグラフ図である。

【図14】図１４は、押出スロットを有する押出成形機アセンブリを有し、ｘ、ｙ、ｚ、および回転方向の各々において押出成形機本体を移動させるように構成された別個のアクチュエータを含む三次元物体プリンタの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本明細書に開示するシステムおよび方法に関する環境ならびにシステムおよび方法に関する詳細の全般的な理解のために、図面を参照する。図面において、同様の参照符号は全体を通じて同様の要素を指定するために使用されている。

【0012】

図１は、三次元物体プリンタ１００を示す。三次元物体プリンタ１００は、アクチュエータアセンブリ１０４と、押出成形機アセンブリ１０８と、造形プラテン１１２と、コントローラ１１６とを含む。アクチュエータアセンブリ１０４は、少なくとも１つのアクチュエータ１２０と、支持フレーム（図示せず）に取り付けられた１対のレール１２４とを含む。レール１２４は、アクチュエータ１２０が、ｘ軸１２８、ｙ軸１３２、およびｚ軸１３６に沿って押出成形機アセンブリ１０８を並進させ、図示された実施形態ではｚ軸１３６に平行な回転軸１４０を中心として押出成形機アセンブリ１０８を回転させることを可能にするように、アクチュエータ１２０および押出成形機アセンブリ１０８を支持するように構成されている。

【0013】

図１の実施形態では、アクチュエータアセンブリ１０４は、押出成形機アセンブリ１０８をそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸１２８、１３２、１３６に並進させ、回転軸１４０を中心として押出成形機アセンブリ１０８を回転させるように構成された単一のアクチュエータ１２０を含む。別の実施形態では、アクチュエータアセンブリ１０４は、押出成形機アセンブリ１０８をそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸１２８、１３２、１３６に並進させる第１のアクチュエータと、回転軸１４０を中心として押出成形機アセンブリ１０８を回転させるように構成された第２のアクチュエータとを含む。さらなる実施形態では、アクチュエータ１２０は、押出成形機アセンブリ１０８を回転させることなく、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のうちの１つまたは複数の軸１２８、１３２、１３６で押出成形機アセンブリ１０８をそれぞれ平行移動させるように構成されてもよい。

【0014】

図１４に示すさらに別の実施形態では、アクチュエータアセンブリ１０４Ａは、押出成形機本体１６４をｘ方向１２８に移動させるように構成された第１のアクチュエータ１２０Ｘと、押出成形機本体１６４をｙ方向１３２に移動させるように構成された第２のアクチュエータ１２０Ｙと、押出成形機本体１６４をｚ方向１３６に移動させるように構成された第３のアクチュエータ１２０Ｚと、回転軸１４０を中心として押出成形機本体１６４を回転させるように構成された第４のアクチュエータ１２０Ｒとを含む。別の実施形態では、アクチュエータアセンブリ１０４Ａは、第１のアクチュエータ１２０Ｘ、第２のアクチュエータ１２０Ｙ、および第３のアクチュエータ１２０Ｚのうちの１つまたは複数を含むが、第４のアクチュエータ１２０Ｒを含まない。

【0015】

図１を再び参照すると、押出成形機アセンブリ１０８は、押出成形機本体１６０と、一定量の造形材料を貯蔵するように構成されたリザーバ１６４とを含む。押出成形機本体１６０の底部には、少なくとも１つの押出開口部１６８（図１の図面では縮尺通りに示されていない）が画成されている。少なくとも１つの押出開口部１６８は、リザーバ１６４に動作可能に接続され、リザーバ１６４から受け取った造形材料を押し出して造形プラテン１１２上に造形物１８０を形成するように構成される。

【0016】

図１に示す実施形態では、少なくとも１つの押出開口部１６８は、単一のスロット形状の開口部である。一実施形態では、スロット形状押出開口部１６８の長さは、約０．７５ｍｍと約６．４ｍｍとの間であり、スロット形状押出開口部１６８の幅は、約０．２ｍｍと約０．５ｍｍとの間である。別の特定の実施形態では、スロット形状押出開口部１６８の長さは約１．２ｍｍであり、スロット形状押出開口部１６８の幅は約０．３ｍｍである。他の実施形態では、少なくとも１つの押出開口部１６８は、列またはアレイに配列された複数のスロットまたは複数のより小さいノズルを含む。さらに他の実施形態では、少なくとも１つの押出開口部は、別の適切な開口部または複数の開口部によって形成される。単一の押出開口部を有する実施形態では、開口部の寸法は、それを通じて造形材料を押し出すことができる単一の押出開口部の押出面積を規定する。複数の押出開口部を有する実施形態では、各開口部の寸法が面積を規定し、複数の押出開口部の面積の合計が、それを通じて材料を押し出すことができる押出面積を規定する。

【0017】

図２は、三次元物体プリンタ１００を操作して造形材料を押し出し、造形物１８０を形成するために使用される自己バルビングプロセス３００を示す。プロセスが何らかのタスクまたは機能を実施しているという記述は、コントローラまたは汎用プロセッサが、データを操作し、システム内の１つまたは複数のコンポーネントを、タスクまたは機能を実施するように動作させるためにコントローラまたはプロセッサに動作可能に接続されている非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に記憶されているプログラム命令を実行することを指す。上記で言及されている三次元物体プリンタ１００のコントローラ１１６は、プロセス３００を実施するコントローラまたはプロセッサを提供するためのコンポーネントおよびプログラム命令を用いて構成することができる。代替的に、コントローラは、２つ以上のプロセッサならびに関連回路およびコンポーネントを用いて実装されてもよく、それらの各々は、本明細書において説明する１つまたは複数のタスクまたは機能を形成するように構成されている。

【0018】

図２〜図４を参照すると、プロセス３００は、コントローラ１１６が、押出スロット１６８の第１の部分１７２が、造形プラテン１１２上に支持された物体１８４によって被覆され、一方で、押出スロット１６８の第２の部分１７６は開いたままであるように、押出成形機本体１６０を位置決めするようにアクチュエータ１２０を、操作することによって開始する（ブロック３０４）。図示された実施形態では、第１の部分１７２を被覆する物体１８４は、造形物１８０の一部を形成する、予め押し出された造形材料のリボンである。他の実施形態では、第１の部分を被覆する物体は、その周りにまたはそれに対して、たとえばテンプレートまたはガイドのような造形物が形成される金属、木材、またはプラスチック物体であってもよい。

【0019】

押出成形機本体１６０が位置決めされると、コントローラ１１６は押出成形機アセンブリ１０８を、少なくとも１つの押出開口部１６８の第２の部分１７６を通じて造形材料を押し出すように操作する（ブロック３０８）。押出成形機アセンブリ１０８が押し出すように操作されると、コントローラ１１６は、物体１８４に隣接する造形材料の連続リボン１８８（図４）を形成するように、押出成形機アセンブリ１０８を図３および図４の図では物体１８４に沿ってページ中へと移動させるように、アクチュエータ１２０を操作する（ブロック３１２）。

【0020】

いくつかの実施形態では、コントローラ１１６は、開いた第２の部分１７６の面積に基づいて押出成形機アセンブリ１０８によって押し出される造形材料の流速を調節するように構成される。たとえば、コントローラ１１６は、押出成形機アセンブリ１０８を動作させて、被覆されていない押出開口部を通じて押し出すために使用される最大流速から、被覆された第１の部分１７２と少なくとも１つの押出開口部１６８の総面積との比に比例する速度を減少した速度で造形材料を押し出すように構成することができる。たとえば、被覆された第１の部分１７２が少なくとも１つの押出開口部１６８の総面積の３分の１である場合、押し出される材料の流速は最大流速の３分の１〜３分の２減少する。

【0021】

図４から分かるように、造形材料のストリップ１８８は、押出スロット１６８の幅よりも小さい幅を有する。したがって、押出成形品１８０の所与の層、たとえば層１９２の全体寸法は、少なくとも１つの押出開口部１６８の幅の整数積に限定されず、代わりに任意の所望の幅で形成することができる。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラ１１６は、押出プロセス中に、ストリップ１８８の幅をその長さに沿って変えるために、ストリップが形成される方向において横に、たとえば図３および図４の図では、水平に押出成形機アセンブリ１０８を移動させるように、アクチュエータ１２０を操作するように構成されている。

【0022】

いくつかの実施形態では、押出スロット１６８の幅よりも狭い幅を有する複数のリボンを形成するために、プロセス３００が繰り返される。他の実施形態では、プロセス３００が完了すると、コントローラ１１６は、リボン１８８に隣接する１つまたは複数の追加リボンを形成するように構成されており、追加のリボンの各々は、押出スロット１６８の幅に基本的に等しい幅を有する。造形材料のリボンは、造形材料の連続層１９２を形成するように互いに隣接して形成される。いくつかの実施形態では、コントローラ１１６は、造形材料の複数の連続層を形成して造形物１８０を形成するように構成される。

【0023】

上述した三次元物体プリンタ１００の構成は、幅の広いリボンを形成することが可能であるにもかかわらず、造形物の湾曲した表面および微細な特徴部を形成する。その結果、プリンタ１００は、造形物１８０のより小さい特徴部の分解能を犠牲にすることなく、高速で物体を形成することができる。さらに、押出スロット１６８の第１の部分１７２を被覆する物体が予め押し出されたリボンである実施形態では、隣接するリボンが互いに重なり合って、隣接するリボン間の隙間を減少またはなくし、それによって造形物１８０の全体的な強度を改善する。

【0024】

図５は、三次元物体プリンタ１００を操作して造形材料を押し出し、造形物１８０を形成するために使用される別の自己バルビングプロセス３５０を示す。プロセスが何らかのタスクまたは機能を実施しているという記述は、コントローラまたは汎用プロセッサが、データを操作し、システム内の１つまたは複数のコンポーネントを、タスクまたは機能を実施するように動作させるためにコントローラまたはプロセッサに動作可能に接続されている非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に記憶されているプログラム命令を実行することを指す。上記で言及されている三次元物体プリンタ１００のコントローラ１１６は、プロセス３５０を実施するコントローラまたはプロセッサを提供するためのコンポーネントおよびプログラム命令を用いて構成することができる。代替的に、コントローラは、２つ以上のプロセッサならびに関連回路およびコンポーネントを用いて実装されてもよく、それらの各々は、本明細書において説明する１つまたは複数のタスクまたは機能を形成するように構成されている。

【0025】

図５〜図７を参照すると、プロセス３５０は、コントローラ１１６が、造形材料の第１のリボン２００を形成するように押出成形機アセンブリを移動させるようにアクチュエータ１２０を操作しながら、造形材料を押し出すように押出成形機アセンブリ１８０を操作することによって開始する（ブロック３５４）。図示の実施形態では、第１のリボン２００は、第１のリボン２００の直下で層２１６の第１のリボン２００と同じ方向に延在する２つの隣接するリボン２０８、２１２の間の継ぎ目２０４の上にセンタリングされる。第１のリボン２００および隣接するリボンは、第１のリボン２００の直下の層２１６の隣接するリボン２０８、２１２と共通の接合部を形成しない。オフセットの結果として、造形物１８０の全体的な強度が改善される。しかしながら、他の実施形態では、第１のリボン２００は、継ぎ目２０４から中心をずらして配置してもよいし、または、継ぎ目２０４と位置合わせされてもよい。さらなる実施形態では、第１のリボン２００の直下の層のリボンは、第１のリボンに対して横方向に、たとえば第１のリボンに対して垂直に（層２５６および２６０によって示されるように）、または第１のリボンに対して４５°の角度を成して方向付けられる。

【0026】

第１のリボン２００が形成されると、コントローラ１１６は、図６に示すように、押出開口部１６８の第１の部分２２０が第１のリボン２００によって被覆され、一方で、押し出し開口部１６８の第２の部分２２４は開いたままである位置に押出成形アセンブリ１０８を移動させるように、アクチュエータ１２０を操作する（ブロック３５８）。図６に示す実施形態では、造形物１８０の外縁が形成されている。したがって、コントローラ１１６は、押出スロット１６８の外縁を、前に押し出された層の外縁、たとえば下層２１６のリボン２０８の外縁と整列させるように、アクチュエータ１２０を操作する。

【0027】

次に、コントローラ１１６は、造形材料を押し出すように押出成形機アセンブリ１０８を操作し、同時に、図７（ブロック３６２）に示されるように、第１のリボン２００に隣接させ、かつ下層２１６のリボン２０８の上に造形材料の第２リボン２３２を形成するように、押出成形機アセンブリ１０８を移動させるように、アクチュエータ１２０を操作する。図７の図では、第２のリボン２３２が造形物１８０の外縁を形成している。他の実施形態では、第２のリボンは、外縁ではない造形物の一部を形成してもよく、たとえば、リボン２３６、２４０、２４４、２４８のうちの１つであってもよい。隣接するリボンと重なり合った中間リボンを形成することにより、隣接するリボン間に存在する間隙が減少し、それにより造形物１８０の全体的な強度が改善される。

【0028】

いくつかの実施形態では、第１および第２リボン２００、２３２の形成の間に、造形材料の追加のリボン、たとえば、リボン２３６、２４０、２４４、２４８などのうちの１つまたは複数が形成されてもよいことを読者は理解するはずである。他の実施形態では、リボン２３６、２４０、２４４、２４８などのうちの１つまたは複数が、第１のリボンおよび第２のリボンの形成の前または後に形成されてもよい。

【0029】

図２〜図４に関して上述した実施形態のように、図５〜図７の実施形態はまた、微細な特徴部を有するリボンを形成することも可能であり、また同時に、造形物の迅速な形成も可能にする。その上、造形物の外縁は、その対応する縁部が隣接する層に対して互い違いになっているリボンによって形成されているので、隣接する層の間に共通の接合部は存在しない（図４と図７とを比較されたい）。その結果、造形物１８０の外縁に形成されたリボンの内側に共通の破断線が生じず、造形物１８０の全体的な構造強度がさらに向上する。

【0030】

いくつかの実施形態では、コントローラは、互いに対して異なる方向にある隣接する層のリボンを形成するようにアクチュエータ１２０を操作するように構成される。図８は、造形物１８０を形成するように三次元物体プリンタ１００を操作するために使用される１つのプロセス４００を示す。プロセスが何らかのタスクまたは機能を実施しているという記述は、コントローラまたは汎用プロセッサが、データを操作し、システム内の１つまたは複数のコンポーネントを、タスクまたは機能を実施するように動作させるためにコントローラまたはプロセッサに動作可能に接続されている非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に記憶されているプログラム命令を実行することを指す。上記で言及されている三次元物体プリンタ１００のコントローラ１１６は、プロセス４００を実施するコントローラまたはプロセッサを提供するためのコンポーネントおよびプログラム命令を用いて構成することができる。代替的に、コントローラは、２つ以上のプロセッサならびに関連回路およびコンポーネントを用いて実装されてもよく、それらの各々は、本明細書において説明する１つまたは複数のタスクまたは機能を形成するように構成されている。

【0031】

図８〜１０を参照すると、プロセス４００は、コントローラ１１６が、スロットの幅を第１の層４４０の進行方向（図９）と整列させるように押出成形機本体１６０を回転させるように、アクチュエータ１２０を操作することによって開始する（ブロック４０４）。図９に示す実施形態では、たとえば、第１の方向はｙ方向である。いくつかの実施形態では、コントローラ１１６は、造形物のデジタルモデルに基づいて、所望の進行方向を決定する。次に、コントローラ１１６は、造形材料のリボン４４２、４４４、４４６、４４８、４５０を押し出して第１の層４４０を形成するためにスロット１６８から材料を押し出しながら、押出成形機本体１６０を進行方向に並進させるように、アクチュエータ１２０を操作する（ブロック４０８）。

【0032】

１つの特定の実施形態では、アクチュエータ１２０は、押出プロセスの間、約５０００ｍｍ／分〜８０００ｍｍ／分の速度で押出成形機本体１６０を移動させる。別の特定の実施形態では、アクチュエータは、押出プロセスの間、約６０００ｍｍ／分の速度で押出成形機本体１６０を移動させる。１つまたは複数のリボン４４２、４４４、４４６、４４８、４５０は、図２〜図７を参照して上述した自己バルビングプロセス３００、３５０を使用して形成することができる。特に、下層４４０が図７の層２５６に対応し、上層４７２が図７の層２５２に対応するように層を形成することができる。

【0033】

三次元物体プリンタのいくつかの実施形態では、コントローラ１１６は、リボン４４２〜４５０間の接着を改善し、したがって層の構造強度を改善するために、最初に中央リボン４４２を形成し、次に隣接するリボン４４４、４４６を形成し、最後に外側リボン４４８、４５０を形成することによって、ストリップ４４２〜４５０を生成するように、アクチュエータ１２０および押出成形機アセンブリ１０８を操作するように構成される。１つの特定の実施形態では、外側リボン４４８、４５０は、自己バルビングプロセス３００、３５０のうちの１つを使用して、第１の層４４０の所望の全幅および外側輪郭を提供するように、他のリボン４４２、４４４、４４６の幅よりも小さい幅を有するように形成される。別の実施形態では、リボン４４２、４４４、４４６、４４８、４５０のいずれか１つまたは複数は、上述した自己バルビングプロセス３００、３５０を使用して形成される。他の実施形態では、層４４２〜４５０は、層の形成速度を高めるために左から右にまたは右から左に形成される。いくつかの実施形態では、ストリップ４４２〜４５０は、互いに異なる幅を有する。たとえば、外側ストリップ４４８、４５０は、内側ストリップ４４２、４４４、４４６の幅の半分の幅を有することができる。

【0034】

第１の層４４０が完成すると、コントローラ１１６は、第２の方向と整列するように押出成形機本体１６０を回転させるように、アクチュエータ１２０を操作する（ブロック４１２）。図示された実施形態では、第２の方向は、第１の方向に直交するｘ方向に整列される。しかしながら、第１の方向と第２の方向との間の角度が、造形物の特性に応じて他の所望の角度であってもよいことを読者は理解すべきである。次に、コントローラ１１６は、第２の層を形成する造形材料のリボン４６２、４６４、４６６、４６８、４７０を押し出すためにスロット１６８から材料を押し出しながら、押出成形機本体１６０を並進させるように、アクチュエータ１２０を操作する（ブロック４１６）。押し出されたリボン４６２、４６４、４６６、４６８、４７０のうちの１つまたは複数は、微細な特徴部を形成し、かつ／または隣接するリボン間の接着性を高めるために、上述した自己バルビングプロセス３００、３５０を使用して形成されてもよい。

【0035】

すべての実施形態において、押出成形機本体を回転させること（ブロック４０４、４１２）は必須ではないことを読者は理解すべきである。たとえば、本プロセスのいくつかの実施形態では、押出成形機本体１６０を移動させて造形材料を押し出す（ブロック４０８）前に、幅を整列させるために押出成形機本体１６０を回転させない。代わりに、リボン４４２、４４４、４４６、４４８、４５０は、ブロック４０８において押出スロット１６８の幅よりも小さい幅で形成されてもよい。付加的または代替的に、他の実施形態では、押出成形機本体１６０を移動させ、造形材料を押し出して第２の層を形成する（ブロック４１６）前に、スロットの幅を整列させるために押出成形機本体１６０を回転させない。結果として、上記の実施形態のいくつかにおいて、第１の層４４０のリボン４４２、４４４、４４６、４４８、４５０の幅は、第２の層４７２のリボン４６２、４６４、４６６、４６８、４７０とは異なっていてもよい。

【0036】

追加の層がまだ印刷されていない場合、コントローラ１１６は、第３の方向に整列して第３の方向において別の層を形成するように押出成形機本体１６０を回転させるようにアクチュエータ１２０を操作することができ、または、コントローラ１１６は、第１の方向および第２の方向において追加の層を生成するために、ブロック４００の処理を繰り返すように、アクチュエータ１２０を操作することができる。図９および図１０は、それぞれ異なる層４４０、４６０のリボン４４２−４５０、４６２−４７０の整列を明瞭に示すために、互いに分離されたものとしてリボン４４２−４５０、４６２−４７０を示しているが、リボン４４２−４５０、４６２−４７０は、典型的には、造形材料の連続層を形成するように、互いに隣接してまたは互いに重なり合って形成されることを読者は理解するはずである。

【0037】

図１１は、造形物１８０を形成するように三次元物体プリンタ１００を操作するために使用される別のプロセス５００を示す。プロセスが何らかのタスクまたは機能を実施しているという記述は、コントローラまたは汎用プロセッサが、データを操作し、システム内の１つまたは複数のコンポーネントを、タスクまたは機能を実施するように動作させるためにコントローラまたはプロセッサに動作可能に接続されている非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に記憶されているプログラム命令を実行することを指す。上記で言及されている三次元物体プリンタ１００のコントローラ１１６は、プロセス５００を実施するコントローラまたはプロセッサを提供するためのコンポーネントおよびプログラム命令を用いて構成することができる。代替的に、コントローラは、２つ以上のプロセッサ、関連回路、およびコンポーネントを用いて実装されてもよく、それらの各々は、本明細書において説明する１つまたは複数のタスクまたは機能を形成するように構成されている。

【0038】

プロセス５００は、コントローラ１１６が、造形材料を押し出すように押出成形機本体１６０を操作し、押出成形機本体１６０を移動させるようにアクチュエータ１２０を操作して、第１の方向に向けられたリボンの第１の層を形成することによって開始する（ブロック５０４）。第１の層は、図８〜図１０に関して上述した第１の層４４０と同様の方法で形成することができる。次に、コントローラ１１６は、造形材料を押し出すように押出成形機本体１６０を操作し、押出成形機本体１６０を移動させるようにアクチュエータ１２０を操作して、第１の方向に向けられたリボンの第２の層を形成する（ブロック５０８）。第２の層は、第１の層からオフセットして形成され、それによって、第１の層および第２の層のリボンは共通の接合部を有しない。いくつかの実施形態では、３つ以上の連続したリボンを同じ方向に印刷することができ、リボンは異なる方向にあるか、または同じ方向にあってオフセットされ、隣接するリボンと共通の接合部を有しない。

【0039】

プロセス５００は、コントローラ１１６が、造形材料を押し出すように押出成形機本体１６０を操作し、押出成形機本体１６０を移動させるようにアクチュエータ１２０を操作して、第２の方向に向けられたリボンの第３の層を形成することによって進行する（ブロック５１２）。第３の層は、図８〜１０に関して上述した第２の層４７２と同様の方法で形成することができ、たとえば、リボンが第１および第２の層に対して垂直に方向付けられている。次に、コントローラ１１６は、造形材料を押し出すように押出成形機本体１６０を操作し、押出成形機本体１６０を移動させるようにアクチュエータ１２０を操作して、第２の方向に向けられたリボンの第４の層を形成する（ブロック５１６）。第４の層は、第３の層からオフセットして形成され、それによって、第１の層および第２の層のリボンは共通の接合部を有しない。

【0040】

図６および図７に示されている層２６０、２５６、２５２および２１６は、プロセス５００に従って形成される第１の層、第２の層、第３の層および第４の層にそれぞれ対応することができる。図６および図７に示すように、第３の層２５２および第４の層２１６は互いにオフセットされており、第１の層２６０および第２の層２５６は同様に互いにオフセットされているが、層２６０、２５６のリボンが図の中で水平に形成されているため、オフセットは図６および図７では見えない。

【0041】

湾曲した細部を形成するために、コントローラ１１６は、押出成形機本体１６０を同時に回転および並進させるようにアクチュエータ１２０を操作するように構成され、または、別々の並進アクチュエータおよび回転アクチュエータを有する実施形態では、並進アクチュエータと回転アクチュエータの両方をそのように操作するように構成されている（図１１）。押出成形機本体１６０およびスロット１６８が回転し並進するにつれて、スロット１６８の外縁は曲線の外縁を規定し、同時に、スロット１６８の内縁は曲線の内縁を形成する。押出スロット１６８の外縁はスロット１６８の内縁よりも大きい距離を進行するので、内縁と外縁の進行距離が異なることを考慮して押し出しを調整する必要がある。特に、曲線の半径がスロット１６８の幅と比較して相対的に小さい場合、押し出される造形材料の量を調整しなければならない。一例として、スロットの幅に等しい半径（ｒ）を有する小さな円を押し出すことは、πｒ^２に等しい面積を押し出すことに等しく、同時に、外縁は２πｒの直線距離を進行する。したがって、押出速度は、πｒ^２／（２πｒ）すなわちｒ／２に比例することになる。他方、非常に大きな半径（Ｒ）の円の場合、押出スロット１６８の内縁と外縁とによって移動される距離の差は最小であり、押出速度は、印刷される面積（２πｒＲ）をパス長（２πＲ）で除算した値に比例し、これはｒ、すなわちこの例ではスロット幅に等しい。図１２は、半径対押出幅またはスロット幅の比に対してプロットされた押出係数の曲線を示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】