特許 6803822 ３次元物体プリンタにおける押出機ヘッドのためのフィラメントの熱処理を容易とするように構成されたフィラメントヒータ

(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】6803822

(24)【登録日】2020年12月3日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】３次元物体プリンタにおける押出機ヘッドのためのフィラメントの熱処理を容易とするように構成されたフィラメントヒータ

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/118 20170101AFI20201214BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20201214BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20201214BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20201214BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   B29C64/118

   B29C64/209

   B29C64/295

   B33Y10/00

   B33Y30/00

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-196486(P2017-196486)

(22)【出願日】2017年10月10日

(65)【公開番号】特開2018-69731(P2018-69731A)

(43)【公開日】2018年5月10日

【審査請求日】2020年10月7日

(31)【優先権主張番号】15/334,851

(32)【優先日】2016年10月26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】ディヴィッド・エイ・マンテル

(72)【発明者】

【氏名】ピーター・ジェイ・ニストロム

(72)【発明者】

【氏名】クリストファー・ジー・リン

(72)【発明者】

【氏名】ジュン・マ

(72)【発明者】

【氏名】マーク・エイ・セルラ

(72)【発明者】

【氏名】ゲイリー・ディー・レディング

【審査官】 正 知晃

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３２５４９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２９１８８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３１４９５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２６３８２２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平３−１５８２２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層造形システムにおいて、
ハウジング及び前記ハウジング内のマニホルドを有する押出機ヘッドであって、前記マニホルドは、溶融した押出材料を貯蔵するように構成され、前記溶融した押出材料を前記マニホルドから放出できる２つ以上のノズルに流体的に接続され、前記押出機ヘッドの前記ハウジングは、当該ハウジングの表面にポートを有し、前記ポートは、前記ハウジング内で前記マニホルドと流体的に接続される、押出機ヘッドと、
経路に沿って押出材料の供給源から第１の断面形状を有する押出材料を移動させるように構成された機械的可動子と、
チャネルによって互いに流体的に接続された入口及び出口を備えるヒータであって、前記入口は、前記押出材料の前記供給源から前記機械的可動子によって移動された前記押出材料を受け取って前記チャネル内に送るように前記押出材料の前記経路と整列され、前記ヒータは、前記チャネルの前記入口と前記チャネルの前記出口との間の前記チャネル内で前記押出材料を溶融させて、前記チャネル内に前記溶融した押出材料を形成するように構成された少なくとも１つの加熱素子を有し、前記ヒータ内の前記チャネルの前記出口は、前記チャネル内に成形された前記溶融した押出材料を前記チャネルの前記出口から前記ポートを介して前記マニホルド内に送るように、前記押出機ヘッドの前記ハウジングの前記ポートに流体的に接続され、前記ヒータにおける前記チャネルが、前記入口において前記第１の断面形状を有し且つ前記入口と前記出口の間の位置において第２の断面形状を有して構成され、前記第１の断面形状が第１の高さ及び第１の幅を有し、前記第２の断面形状が第２の高さ及び第２の幅を有し、前記第２の断面形状の前記第２の高さが前記第１の断面形状の前記第１の高さよりも低く、前記第２の断面形状の前記第２の幅が前記第１の断面形状の前記第１の幅より大きい、ヒータと、
を備える、積層造形システム。

【請求項2】

前記入口における前記チャネルの前記第１の断面形状が円形であり、前記チャネルの前記第２の断面形状が多角形断面形状である、請求項１に記載の積層造形システム。

【請求項3】

前記入口における前記チャネルの前記第１の断面形状が円形であり、前記チャネルの前記第２の断面形状が非円形湾曲断面形状である、請求項１に記載の積層造形システム。

【請求項4】

前記入口における前記チャネルの前記第１の断面形状が円形であり、前記チャネルの前記第２の断面形状が１対の非円形湾曲断面形状であり、前記第２の断面形状の前記第２の高さは、前記円形の断面形状の高さより低く、前記１対の非円形湾曲断面形状間の接合部に位置する、請求項１に記載の積層造形システム。

【請求項5】

前記１対の非円形湾曲断面形状間の前記接合部は、各非円形湾曲断面形状の中央部に生じる、請求項４に記載の積層造形システム。

【請求項6】

前記チャネルの前記入口における第１の壁は、前記第２の断面形状が始まる位置までの所定の長さにおいて、フィラメントの１つの表面と平行であり、前記入口から延びる第２の壁は、前記所定の長さにおいて、前記第２の壁が前記チャンネル内で前記フィラメントの前記１つの表面に近づく又は離れるように所定の角度で傾斜している、請求項１に記載の積層造形システム。

【請求項7】

前記ヒータは一体ユニットであり、前記ヒータ内の前記チャネルは、前記チャネルの前記入口から前記チャネルの前記出口までの前記チャネルの長さの少なくとも一部に沿って曲率が変化する、請求項１に記載の積層造形システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、３次元物体プリンタにおいて使用される押出機に関し、より具体的には、３次元物体プリンタにおける押出のためにフィラメントを溶融するヒータに関する。

【背景技術】

【0002】

積層造形としても知られている３次元印刷は、実質的に任意形状のディジタルモデルから３次元立体物体を製造するプロセスである。多くの３次元印刷技術は、積層造形装置が前に堆積された層の上部に部品の連続層を形成する積層プロセスを使用する。これらの技術の一部は、ＡＢＳ樹脂などの押出材料を熱可塑性材料へと軟化又は溶融した後に所定パターンで熱可塑性材料を放出する押出機ヘッドを使用する。プリンタは、典型的には、様々な形状及び構造を有する３次元印刷物体を形成する熱可塑性材料の連続層を形成するように押出機ヘッドを動作させる。３次元印刷物体の各層が形成された後、熱可塑性材料は冷却され、３次元印刷物体の下地層に層を接着するように硬化する。この積層造形方法は、切断又は穿孔などの減法プロセスによるワークピースからの材料の除去にほとんど依拠する従来の物体形成技術とは区別される。

【0003】

これらの積層造形装置は、高度に機能的な３次元（３Ｄ）部品を製造することができるが、典型的には製造時間が非常に長くなる可能性がある。製造プロセスを高速化する１つの改善点は、マルチチャネル押出機の開発であった。この種の押出機において、押出材料のフィラメントは、熱可塑性材料の押出のためにノズルのアレイに流体的に接続されたマニホルドに流入する熱可塑性材料を形成するようにフィラメントを溶融又は軟化するヒータに供給される。マニホルドからノズルのうちの１つへの熱可塑性流体の流れを制御するために、各ノズルとマニホルドとの間に弁が介在される。この構成は、弁が選択的に活性化されるのを可能とし、そのため、熱可塑性材料は、単一のノズル、ノズルの群、又はマニホルドに流体的に接続された全てのノズルから押し出されることができる。弁が動作するときに必要に応じて熱可塑性材料を供給するために、マニホルド内で高圧を必要とし、標準押出機用のヒータから利用可能であるよりもはるかに速い熱可塑性材料の製造を必要とする。押出機ヘッド用に製造された熱可塑性材料の体積は、より大きな直径のフィラメントを処理することによって増加させることができるが、より厚いフィラメントを熱処理するのに必要とされる時間もまた増加する。熱処理時間の長さを延長することなく押出機ヘッド用の熱可塑性材料の製造を増加させることができるフィラメントヒータが有益である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

新たな積層造形システムは、フィラメントを熱処理するのに必要とされる時間を延長することなく押出材料フィラメントが熱処理されるのを可能とするように構成されたヒータを組み込む。積層造形システムは、熱可塑性材料を貯蔵するように構成されたマニホルド及びマニホルドからの熱可塑性材料が放出されることができる少なくとも１つのノズルを有する押出機ヘッドと、経路に沿って押出材料の供給源から第１の断面形状を有する押出材料を移動させるように構成された機械的可動子と、押出材料を受けるように押出材料の経路に沿って位置決めされたチャネル及び熱可塑性材料を形成するようにチャネル内の押出材料を溶融するように構成された少なくとも１つの加熱素子を有するヒータとを含み、ヒータにおけるチャネルが、熱可塑性材料がマニホルドに入るのを可能とするように押出機ヘッドにおけるマニホルドに流体的に接続され、ヒータにおけるチャネルが、第１の位置において第１の断面形状を有し且つ第２の位置において第２の断面形状を有して構成され、ヒータにおけるチャネルがフィラメントの表面積を増加させるのを可能とするように第２の断面形状が第１の断面形状とは異なる。

【0005】

ヒータは、フィラメントを熱処理するのに必要とされる時間を延長することなく押出材料フィラメントが熱処理されるのを可能とするように構成されている。ヒータは、チャネルを有する本体であって、ヒータ本体におけるチャネルが、第１の位置において第１の断面形状を有し且つ第２の位置において第２の断面形状を有して構成され、ヒータにおけるチャネルが第１の位置から第２の位置へとチャネルを通過する押出材料の表面積を増加させるのを可能とするように第２の断面形状が第１の断面形状とは異なる本体と、チャネル内で熱を発生させて熱可塑性材料を形成するために押出材料を溶融するように本体内に位置決めされた少なくとも１つの加熱素子とを含む。

【0006】

フィラメントを押出機ヘッドのために熱可塑性材料へと熱処理するヒータの前述の態様及び他の特徴は、添付図面と関連して以下の詳細な説明において説明される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、押出機ヘッドのマニホルドへの熱可塑性材料の供給のためにフィラメントの熱処理を改善するヒータを含む積層造形システムを示している。

【図2A】図２Ａは、線２Ａ−２Ａに沿った、図１の押出機ヘッドのマニホルドへの熱可塑性材料の供給のためにフィラメントの熱処理を改善する図１のヒータの断面図である。

【図2B】図２Ｂは、線２Ｂ−２Ｂに沿った、図２Ａに示されたヒータの視点の断面図である。

【図2C】図２Ｃは、線２Ｃ−２Ｃに沿った、図２Ａに示されたヒータの視点の断面図である。

【図3A】図３Ａは、図２Ａにおける線２Ｃ−２Ｃの位置における、図１に示されたヒータの端面図である。

【図3B】図３Ｂは、ヒータの幅を削減する図３Ａと同じ位置におけるヒータの代替実施形態の端面図である。

【図3C】図３Ｃは、ヒータの幅を削減する図３Ａと同じ位置におけるヒータの代替実施形態の端面図である。

【図4】図４は、図１のシステムにおいて使用可能な押出機ヘッドのマニホルドへの熱可塑性材料の供給のためにフィラメントの熱処理を改善するヒータの代替実施形態の長手方向断面の側面図である。

【図5】図５は、図１のシステムにおいて使用可能な押出機ヘッドのマニホルドへの熱可塑性材料の供給のためにフィラメントの熱処理を改善するヒータの他の代替実施形態の長手方向断面の側面図である。

【図6】図６は、チャネルに沿った異なる位置におけるヒータを通るチャネルの断面図を有する積層造形又は鋳造プロセスによって形成されることができるヒータの側断面図である。

【図7】図７は、図１の固体押出材料供給システムを有していないマルチノズル押出印刷ヘッドを有する従来技術の３次元物体プリンタの図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本願明細書に開示された装置の環境及び装置の詳細の一般的な理解のために、図面が参照される。図面において、同様の参照符号は、同様の要素を示す。

【0009】

本願明細書において使用される場合、用語「押出材料」は、積層造形システムにおける押出機ヘッドによって放出されることになる熱可塑性材料を形成するように軟化又は溶融される材料を指す。押出材料は、厳密に限定されるものではないが、３次元印刷物体の永久部を形成する「造形材料」と、印刷プロセス中に造形材料の部分を支持するために一時的構造を形成した後に印刷プロセスの完了後に必要に応じて除去される「支持材料」との双方を含む。造形材料の例は、限定されるものではないが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）プラスチック、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、脂肪族又は半芳香族ポリアミド（ナイロン）、懸濁炭素繊維又は他の骨材材料を含むプラスチック、導電性ポリマー、及び押出機ヘッドを介した放出に適した熱可塑性材料を生成するために熱処理されることができる任意の他の形態の材料を含む。支持材料の例は、限定されるものではないが、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、及び熱処理された後に押出可能な他の材料を含む。いくつかの押出プリンタにおいて、押出材料は、一般に「フィラメント」として知られている材料の連続した細長ストランドとして供給される。このフィラメントは、スプール又は他の供給源から押出材料フィラメントを引っ張って押出機ヘッド内のマニホルドに流体的に接続されたヒータにフィラメントを供給する１つ以上のローラによって固体形態で供給される。ヒータは、マニホルド内に流入する熱可塑性材料を形成するように押出材料フィラメントを軟化又は溶融する。ノズルとマニホルドとの間に位置する弁が開放したとき、熱可塑性材料の一部は、ノズルを介してマニホルドから流出して熱可塑性材料の流れとして放出される。本願明細書において使用される場合、押出材料に適用される用語「溶融」は、３次元物体プリンタの動作中に印刷ヘッドにおける１つ以上のノズルを介した熱可塑性材料の押出を可能とするように押出材料を軟化させるか又は押出材料を相変化させる押出材料についての温度の任意の上昇を指す。溶融した押出材料はまた、この文書において「熱可塑性材料」として示される。当業者が認識するように、特定のアモルファス押出材料は、プリンタの動作中に純液体状態に遷移しない。

【0010】

本願明細書において使用される場合、用語「マニホルド」は、３次元物体印刷動作中に印刷ヘッドにおける１つ以上のノズルに送達するための熱可塑性材料の供給源を保持する押出機ヘッドのハウジング内に形成された空洞を指す。本願明細書において使用される場合、用語「押出機ヘッド」は、１つ以上のノズルを介してマニホルドから受けた、溶融した押出材料を押し出すプリンタの要素を指す。いくつかの押出機ヘッドは、熱可塑性材料がノズルを選択的に流れるのを可能とするように電子的に動作させることができる弁アセンブリを含む。弁アセンブリは、熱可塑性材料を押し出すようにマニホルドに対する１つ以上のノズルの独立した接続を可能とする。本願明細書において使用される場合、用語「ノズル」は、押出機ヘッドにおけるマニホルドに流体的に接続され且つ熱可塑性材料が受像面に向けて放出される押出機ヘッドにおけるオリフィスを指す。動作中において、ノズルは、押出機ヘッドのプロセス経路に沿って熱可塑性材料の略連続した直線配置を押し出す。コントローラは、弁アセンブリに接続されたノズルが熱可塑性材料を押し出すのを制御するように弁アセンブリにおける弁を動作させる。ノズルの直径は、押し出された熱可塑性材料のライン幅に影響を与える。異なる押出機ヘッドの実施形態は、より狭いオリフィスによって生成されるリボン幅よりも大きい幅を有する熱可塑性材料のリボンを生成するより広いオリフィスを有するオリフィスサイズの範囲を有するノズルを含む。

【0011】

本願明細書において使用される場合、用語「押出材料の配置」は、押出機ヘッドが３次元物体印刷動作中に受像面上に形成する熱可塑性材料の任意のパターンを指す。熱可塑性材料の一般的な配置は、熱可塑性材料の直線配置及び熱可塑性材料の湾曲配置を含む。いくつかの構成において、押出機ヘッドは、熱可塑性材料の連続的な塊を有する配置を形成するように連続的に熱可塑性材料を押し出す一方で、他の構成において、押出機ヘッドは、直線又は曲線経路に沿って配置された熱可塑性材料の小さな群を形成するように間欠的に動作する。３次元物体プリンタは、熱可塑性材料の異なる配置の組み合わせを使用して様々な構造を形成する。さらに、３次元物体プリンタにおけるコントローラは、押出機ヘッドを動作させて押出材料の各配置を形成するように熱可塑性材料の異なる配置に対応する物体画像データ及び押出機ヘッド経路データを使用する。以下に記載されるように、コントローラは、必要に応じて、３次元印刷動作中に１つ以上のノズルを介して熱可塑性材料の複数の配置を形成するように弁アセンブリの動作を調整する。

【0012】

本願明細書において使用される場合、用語「プロセス方向」は、押出機ヘッドとヘッドにおける１つ以上のノズルから押し出された熱可塑性材料を受ける受像面との間の相対運動の方向を指す。受像面は、積層造形プロセス中に３次元印刷物体又は部分的に形成された３次元物体の表面を保持する支持部材のいずれかである。本願明細書に記載された例示的な実施形態において、１つ以上のアクチュエータは、支持部材まわりに押出機ヘッドを移動させるが、他のシステムの実施形態は、押出機ヘッドが静止したままプロセス方向における相対運動を生み出すように支持部材を移動させる。

【0013】

本願明細書において使用される場合、用語「クロスプロセス方向」は、プロセス方向の平面内のプロセス方向に対して垂直であり、また、製造される３次元物体の表面に対しても垂直な軸を指す。プロセス方向及びクロスプロセス方向は、押出機ヘッド及び熱可塑性材料を受ける面の移動の相対経路を指す。いくつかの構成において、押出機ヘッドは、クロスプロセス方向に沿って延在するノズルのアレイを含む。押出機ヘッド内の隣接ノズルは、クロスプロセス方向に所定距離だけ離れている。いくつかの構成において、システムは、押出機ヘッドにおけるノズルから押し出される熱可塑性材料の配置間の対応するクロスプロセス方向距離を調整するために、押出機ヘッドにおける隣接ノズル間の有効クロスプロセス方向距離を調整するように押出機ヘッドを回転させる。

【0014】

積層造形システムの動作中において、押出機ヘッドは、３次元物体印刷処理中に熱可塑性材料を受ける面に対して直線及び曲線経路の双方に沿ってプロセス方向に移動する。さらに、システムにおけるアクチュエータは、必要に応じて、押出機ヘッドが熱可塑性材料の各配置間において所定距離を有する熱可塑性材料の２つ以上の配置を形成するのを可能とするために、押出機ヘッドにおけるノズルを分離する有効クロスプロセス距離を調整するようにＺ軸まわりに押出機ヘッドを回転させる。押出機ヘッドは、印刷物体の層に領域の外壁を形成するように外周に沿って且つ熱可塑性材料を有する領域の全て又は一部を満たすように周囲内を移動する。配置を形成する押出機ヘッドは、３次元物体についての画像データの処理が押出機ヘッドを動作させるためのデータを生成するのに十分であれば、任意の平面的又は回転的自由度で移動することができる。

【0015】

図７は、３次元印刷物体１４０を形成するために押出機ヘッド１０８を動作させるように構成された従来技術の３次元物体積層造形システム又はプリンタ１００を示している。プリンタ１００は、物体を形成するために平面運動を使用するプリンタとして示されているが、この文書に記載された押出機ヘッド及び押出材料の機械的可動子を有する他のプリンタアーキテクチャが使用可能である。これらのアーキテクチャは、デルタ・ボット、選択的コンプライアンス・アセンブリ・ロボットアーム（ＳＣＡＲＡ）、多軸プリンタ、非デカルトプリンタなどを含む。プリンタ１００は、支持部材１０２と、マルチノズル押出機ヘッド１０８と、押出機ヘッド支持アーム１１２と、コントローラ１２８と、メモリ１３２と、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０と、任意のＺθアクチュエータ１５４と、Ｚアクチュエータ１５８とを含む。プリンタ１００において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、図７に示されている物体１４０などの３次元印刷物体における１つの層を形成する熱可塑性材料の配置を押し出すようにＸ及びＹ軸に沿って２次元平面（「Ｘ−Ｙ平面」）内の異なる位置に押出機ヘッド１０８を移動させる。例えば、図７において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、Ｙ軸に沿って移動させるようにガイドレール１１３に沿って支持アーム１１２及び押出機ヘッド１０８を並進させるとともに、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、Ｘ軸に沿って印刷ヘッドを移動させるように支持アーム１１２の長さに沿って押出機ヘッド１０８を並進させる。押し出されたパターンは、層内の１つ以上の領域及び熱可塑性材料パターンの輪郭内の領域を埋める熱可塑性材料の領域の双方の輪郭を含む。Ｚアクチュエータ１５８は、物体が印刷プロセス中に形成されるのにともない、押出機ヘッド１０８におけるノズルが物体１４０の上に熱可塑性材料を押し出すのに適切な高さのままであるのを確実にするために、Ｚ軸に沿って押出機ヘッド１０８と支持部材１０２との間の距離を制御する。Ｚθアクチュエータ１５４は、Ｚ軸まわりに回転する押出機ヘッド１０８のいくつかの実施形態についてのＺ軸まわりの押出機ヘッド１０８の回転角度（図７におけるＺθとして参照）を制御する。この移動は、押出機ヘッド１０８におけるノズル間の分離を制御するが、いくつかの押出機ヘッドは、製造プロセス中に回転を必要としない。システム１００において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０、Ｚθアクチュエータ１５４及びＺアクチュエータ１５８は、電動モータ、ステッピングモータ、又は任意の他の適切な電気機械装置などの電気機械アクチュエータとして具現化される。図７の例示的な実施形態において、３次元物体プリンタ１００は、熱可塑性材料の複数の層から形成される３次元印刷物体１４０の形成中に示されている。

【0016】

支持部材１０２は、製造プロセス中に３次元印刷物体１４０を支持するガラス板、ポリマー板、又は発泡体面などの平面部材である。図７の実施形態において、Ｚアクチュエータ１５８はまた、押出機ヘッド１０８が物体１４０の上面から所定距離を維持するのを確実にするために、熱可塑性材料の各層の塗布後に押出機ヘッド１０８から離れてＺ方向に支持部材１０２を移動させる。押出機ヘッド１０８は、複数のノズルを含み、各ノズルは、支持部材１０２の表面又は物体１４０のような部分的に形成された物体の表面上に熱可塑性材料を押し出す。図７の例において、押出材料は、ＡＢＳプラスチックのスプールである押出材料供給源１１０からのフィラメント又は押出機ヘッド１０８に押出材料を供給するためにスプールから剥がす他の適切な押出材料フィラメントとして供給される。

【0017】

支持アーム１１２は、支持部材と、印刷動作中に押出機ヘッド１０８を移動させる１つ以上のアクチュエータとを含む。システム１００において、１つ以上のアクチュエータ１５０は、印刷動作中にＸ及びＹ軸に沿って支持アーム１１２及び押出機ヘッド１０８を移動させる。例えば、アクチュエータ１５０のうちの１つは、Ｙ軸に沿って支持アーム１１２及び押出機ヘッド１０８を移動させる一方で、他のアクチュエータは、Ｘ軸に沿って移動させるように支持アーム１１２の長さに沿って押出機ヘッド１０８を移動させる。システム１００において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、必要に応じて、直線又は曲線経路のいずれかに沿って同時にＸ及びＹ軸の双方に沿って押出機ヘッド１０８を移動させる。コントローラ１２８は、押出機ヘッド１０８におけるノズルが支持部材１０２上に又は物体１４０の前に形成された層上に熱可塑性材料を押し出すのを可能とする直線及び曲線経路の双方における押出機ヘッド１０８の移動を制御する。コントローラ１２８は、必要に応じて、Ｘ軸又はＹ軸に沿ったラスタライズ動作において押出機ヘッド１０８を移動させるが、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０はまた、Ｘ−Ｙ平面内の任意の直線又は曲線経路に沿って押出機ヘッド１０８を移動させることができる。

【0018】

コントローラ１２８は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はプリンタ１００を動作させるように構成された他のディジタルロジックなどのディジタルロジックデバイスである。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、支持部材１０２及び支持アーム１１２の移動を制御する１つ以上のアクチュエータに動作可能に接続されている。コントローラ１２８はまた、メモリ１３２に動作可能に接続されている。プリンタ１００の実施形態において、メモリ１３２はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）デバイスなどの揮発性データ記憶装置と、固体データ記憶装置、磁気ディスク、光ディスク又は任意の他の適切なデータ記憶装置などの不揮発性データ記憶装置とを含む。メモリ１３２は、プログラミングされた命令データ１３４及び３次元（３Ｄ）物体画像データ１３６を記憶する。コントローラ１２８は、３次元印刷物体１４０を形成し且つ物体１４０の１つ以上の表面上に２次元画像を印刷するためにプリンタ１００における要素を動作させるように記憶されたプログラム命令１３４を実行する。３Ｄ物体画像データ１３６は、例えば、プリンタ１００が３次元物体印刷プロセス中に形成する熱可塑性材料の各層に対応する複数の２次元画像データパターンを含む。押出機ヘッド経路制御データ１３８は、コントローラ１２８がＸ／Ｙアクチュエータ１５０を使用して押出機ヘッド１０８の移動の経路を制御し且つＺθアクチュエータ１５４を使用して押出機ヘッド１０８の向きを制御するように処理する幾何学的データのセット又はアクチュエータ制御コマンドを含む。コントローラ１２８は、押出機ヘッド１０８を移動させるようにアクチュエータを動作させる。

【0019】

図１は、弁の動作及び押出機ヘッド１０８における複数のノズルから放出される材料を制御するのを可能とするようにコントローラ１２８に動作可能に接続された押出機ヘッド１０８における弁アセンブリ２０４を含む積層造形システム１００’を示している。具体的には、コントローラ１２８は、熱可塑性材料を放出して３次元印刷物体１４０の各層に熱可塑性材料の配置を形成するように、押出機ヘッド１０８におけるノズルに接続された弁アセンブリ２０４における異なる弁を活性化及び非活性化する。システム１００’はまた、システム１００’の動作中にマニホルド２１６内の熱可塑性材料の圧力を所定範囲内に維持する速度で供給源１１０からヒータ２０８にフィラメントを供給する押出材料分配システム２１２を含む。分配システム２１２は、マニホルド内の熱可塑性材料の圧力の調整に適している１つの実施形態である。さらに、コントローラ１２８は、分配システム２１２がヒータ２０８に固体フィラメントを送達する速度を制御するように分配システム２１２におけるアクチュエータに動作可能に接続されている。ヒータ２０８は、駆動ローラ２２４を介してヒータ２０８に供給される押出材料フィラメント２２０を溶融する。アクチュエータ２４０は、ローラ２２４を駆動し、コントローラ１２８に動作可能に接続されており、そのため、コントローラは、アクチュエータがローラ２２４を駆動する速度を調整することができる。ローラ２２４に対向する他のローラは、フリーホイールであり、そのため、ローラ２２４が駆動される回転速度にしたがう。図１は、ヒータ２０８にフィラメント２２０を移動させるための機械的可動子として電気機械アクチュエータ及び駆動ローラ２２４を使用する供給システムを示しているが、代替実施形態は、回転オーガ又はスクリュの形態で機械的可動子を動作させるために１つ以上のアクチュエータを使用する。オーガ又はスクリュは、押出材料粉末又はペレットの形態で固相押出材料をヒータ２０８へと移動させる。

【0020】

図１の実施形態において、ヒータ２０８は、ステンレス鋼から形成され且つ電気抵抗加熱素子などの１つ以上の加熱素子２２８がチャネル２３２のまわりに位置決めされた本体を有する。加熱素子２２８は、コントローラ１２８に動作可能に接続されており、そのため、コントローラ１２８は、ヒータ２０８内のチャネル２３２における押出材料２２０のフィラメントを溶融するように選択的に電流に加熱素子２２８を接続することができる。図１は、固体フィラメント２２０として固相で押出材料を受けるヒータ２０８を示しているが、代替実施形態においては、粉末状又はペレット状押出材料として固相で押出材料を受ける。冷却フィン２３６は、ヒータ２０８から上流のチャネル２３２内の熱を減衰する。冷却フィン２３６において又は冷却フィン２３６の付近においてチャネル２３２内で固体のままである押出材料の一部は、熱可塑性材料がマニホルド２１６に対する接続部以外の任意の他の開口からのヒータから出るのを防止するチャネル２３２内のシールを形成する。押出機ヘッド１０８はまた、マニホルド２１６内の熱可塑性材料について高温を維持するために追加の加熱素子を含むことができる。いくつかの実施形態において、マニホルド２１６内の温度を維持するために断熱材が押出機ヘッド１０８の外側部分を被覆している。

【0021】

マニホルド２１６内の熱可塑性材料の流体圧力を所定範囲内に維持し、押出材料への損傷を回避し、ノズルを通る押出速度を制御するために、スリップクラッチ２４４がアクチュエータ２４０の駆動軸に動作可能に接続されている。この文書において使用される場合、用語「スリップクラッチ」は、所定の設定ポイントまで物体を移動させるように物体に摩擦力を印加する装置を指す。摩擦力についての所定の設定ポイントについての範囲を超えた場合、装置はスリップし、そのため、もはや物体に摩擦力を印加しない。スリップクラッチは、フィラメント２２０に及ぼされる力がいくら多くの弁が開放されても又はいくら高速にアクチュエータ２４０がローラ２２４を駆動しても一定のままであるのを可能とする。この一定の力は、フィラメント駆動ローラ２２４の最速予想回転速度よりも高速でアクチュエータ２４０を駆動することによって又はローラ２２４上にエンコーダホイール２４８を配置してセンサ２５２によって回転速度を検知することによって維持されることができる。

【0022】

センサ２５２によって生成された信号は、ローラ２２４の回転角度を示し、コントローラ１２８は、ローラ２２４の速度を特定するためにこの信号を受信する。コントローラ１２８は、さらに、アクチュエータの速度を制御するためにアクチュエータ２４０に供給される信号を調整するように構成されている。コントローラがアクチュエータ２４０の速度を制御するように構成されている場合、コントローラ１２８は、アクチュエータ２４０を動作させ、そのため、その速度は、ローラ２２４の回転よりも僅かに高速である。この動作は、駆動ローラ２２４上のトルクが常にスリップクラッチトルクの関数であるのを確実にする。１つの弁／ノズルの組み合わせが開放されている場合、フィラメント２２０は、ゆっくりと移動する。アセンブリ２０４における全てのアクチュエータ／弁の組み合わせが開放されている場合、フィラメントは、より迅速に移動を開始し、コントローラ１２８は、アクチュエータの出力軸がセンサ２５２によって示されるローラ２２４の速度よりも高速に回転しているのを確実にするために、その速度を増加させるようにアクチュエータ２４０を直ちに動作させる。遅延は、本質的に、フィラメントに印加される力と押出機ヘッダのノズル領域における熱可塑性材料の圧力との間に存在する。これらの遅延の経験的データは、スリップクラッチが押出機ヘッドのノズル領域において熱可塑性材料のより均一な圧力を提供するように動作するのを可能とするスリップクラッチについての設定ポイントが定義されるのを可能とする。

【0023】

図２Ａは、冷却フィン２３６を通過した位置から熱可塑性材料の出口位置までのヒータ２０８の縦断面図である。図２Ａから図２Ｃ及び図３Ａから図３Ｃに示される実施形態は、ファスナによって組み立てられた２部品構成として示されているが、ヒータは、一体ユニットとして形成されることができる。例えば、ヒータは、ダイレクトメタルレーザ焼結（ＤＭＬＳ）システムなどの積層造形システムを使用する一体ユニットとして、又は既知の鋳造プロセスによって形成されることができる。図２Ａは、加熱素子２２８のうちの１つの上方にあるチャネル２３２の下半分を示している。フィラメントは、図における矢印によって示されるように、チャネル２３２を通って移動する。図に示されるように、チャネル２３２は、フィラメントがヒータ２０８の加熱領域に入る場所でより狭く、入口を通過した位置においてより広い。図２Ｂに示されるように、加熱素子２２８のうちの１つは、ヒータ２０８の上半分が図に示される下半分に接合されたときに、チャネル２３２への入口において円形であるチャネル２３２の下半分の下方に位置決めされている。図２Ｃに示されるように、加熱素子２２８は、チャネル２３２の下方に残るが、チャネルは、その高さが低減されつつ、幅が増加している。このチャネル２３２の構成の変化は、加熱素子２２８によって発生される熱にさらされるフィラメントの表面積を増加させる。チャネル２３２の上半分に関しても同様である。この表面積の増加は、加熱素子２２８がフィラメントをより効率的に熱処理するのを可能とし、そのため、より多くのフィラメントの断面が熱処理されることができ、フィラメントを熱処理するために以前必要とされた時間量を削減する。ファスナ２３０は、ヒータ２０８の２つの半体を接合する。

【0024】

図３Ａは、図２Ｃに示された位置において組み立てられたヒータ２０８を示している。同様に、チャネル２３２におけるこの位置の矩形形状は、円形入口の直径よりも小さい高さ及び円形入口の直径よりも大きい幅を有する。それゆえに、図３Ａの矩形チャネル形状は、それが入口にあるためにチャネルが円形のままである場合に生じるフィラメントの熱曝露にわたって加熱するためにフィラメントの露出を増加させるようにチャネル２３２におけるフィラメントの表面積を増大させる。図３Ａの形状は、矩形で描かれているが、多角形の高さが円形入口の直径よりも小さく且つ多角形の幅が円形入口の直径よりも大きい限り、任意の多角形形状とすることができる。ヒータ２０８の寸法をさらに低減させるために、チャネル２３２は、図３Ｂに示されるようなその位置においてチャネル２３２を拡大するように、図３Ａに示された位置に示された半円形形状などの非円形湾曲形状を有して構成されている。この文書において使用される場合、用語「非円形湾曲形状」は、長さが変化し且つチャネルの長手軸に対して垂直なヒータにおけるチャネルの中心からの半径によって形成された任意形状を意味する。ヒータの高さは同じままであるが、半円形形状チャネルの一端から半円形形状チャネルの他端までの距離は、図３Ａに示される矩形チャネルの端部から端部までの距離よりも小さいことから、図３Ｂにおけるヒータ２０８は、図３Ａにおけるヒータよりも少ない空間しか消費しない。図３Ｃは、ヒータ２０８の幅をさらに低減しつつ、フィラメントの表面積をさらに増加させ且つ２つの加熱素子２２８によって供給される熱に対するフィラメントの増加した表面領域の曝露を強化するために、チャネル２３２が１対の半円形形状チャネルによって構成された他の代替実施形態を示している。２つの半円形形状チャネルは、押出材料が各半円形形状チャネル内に拡散するのを可能とするように交点２３６において接合されている。

【0025】

図６は、積層造形又は鋳造プロセスによって一体ユニットとして形成されたヒータ２０８の実施形態の側断面図を示している。これらのプロセスは、様々な曲率を有する壁を有するチャネルを形成することができる。図６におけるヒータの側面断面図の下方は、チャネルに沿った異なる位置Ａ−ＡからＧ−Ｇにおけるヒータを通るチャネル２３２の断面図である。それゆえに、一体ユニットとして形成されたヒータ２０８は、ヒータ内のフィラメントの熱処理をさらに改善するように、チャネルの一端からチャネルの他端までのチャネルの長さの少なくとも一部に沿って曲率が変化するチャネル２３２を有することができる。この文書において使用される場合、用語「一体ユニット」は、ヒータを組み立てるためにファスナを必要としない単一品構造によって形成されたヒータを指す。また、この文書において使用される場合、「曲率が変化する」は、長手方向若しくはクロス長手方向のいずれか又は同時に双方の方向においてヒータにおけるチャネルの壁又は複数の壁の傾きが変化することを意味する。

【0026】

図６に示される描写は、積層造形又は鋳造プロセスによって形成されることができる様々なチャネル断面を示している。読者は、チャネルが、一般に、押出材料フィラメントを受ける円形断面領域から始まることに留意すべきである。熱可塑性材料の製造のためのフィラメントへの熱の移動を容易とするために、チャネルの断面積は、表面積を増大させるようにその後に変化する。ほとんどの実施形態において、チャネルの断面領域は、熱可塑性材料を受けてそれをヘッドにおけるマニホルドに導く押出機ヘッドにおけるポートと適合する断面領域形状及びサイズにその後に戻る。この構成は、ヒータ２０８の出力が介在調整なしに押出機ヘッド１０８に直接結合されるのを可能とする。

【0027】

ヒータにおけるチャネル構成の他の代替実施形態が図４に示されている。同様に、チャネル２３２は、フィラメントが図における矢印によって示される方向に移動するように円形断面を有するフィラメント４０４を受ける。加熱素子２２８は、単に描写するために図に示されていないが、以前にチャネルの両側に示されるように存在している。チャネル２３２の上側壁４０８は、フィラメント４００の上面と平行であるが、チャネルはまた、上述したようにフィラメントの幅を増加させて始まるように構成されている。すなわち、チャネルは、ヒータ２０８に入ったときのフィラメントの高さよりも低い高さ及びヒータ２０８に入ったときのフィラメントの幅よりも大きい幅を有するように押出材料のフィラメントを変化させるためにその位置に構成されている。さらに、チャネル２３２の下側壁４１２は、チャネルの上面に向けてフィラメントの下面を付勢するようにフィラメントの上面に対して所定角度で傾斜している。この壁４０８に向かうフィラメント４０４の剛性中央部の付勢は、加熱された壁４０８に対して中央部を曝露し、そのため加圧下で曲がる。したがって、フィラメントの最も冷たい部分であるフィラメント４０４の中央部は、チャネル４３２の上側壁４０８に向かって移動し続け、フィラメントを熱可塑性材料へと遷移するのに必要とされる時間を削減する。

【0028】

ヒータにおけるチャネル構成の他の代替実施形態が図５に示されている。同様に、チャネル２３２は、フィラメントが図における矢印によって示される方向に移動するように円形断面を有するフィラメント４０４を受ける。加熱素子２２８は、単に描写するために図に示されていないが、以前にチャネルの両側に示されるように存在している。チャネル２３２の上側壁４０８は、フィラメント４００の上面と平行であるが、チャネルはまた、上述したようにフィラメントの幅を増加させて始まるように構成されている。すなわち、チャネルは、ヒータ２０８に入ったときのフィラメントの高さよりも低い高さ及びヒータ２０８に入ったときのフィラメントの幅よりも大きい幅を有するように押出材料のフィラメントを変化させるためにその位置に構成されている。さらに、チャネル２３２の構造は、平坦化されているフィラメント４０４の領域に対して垂直な方向において内側及び外側にシフトする。チャネルの壁におけるシフトは、フィラメントの異なる部分をチャネルの壁に向かって移動させる。異なる部分の移動は、フィラメントを熱可塑性材料へとより効率的に変換するために、チャネル内の熱可塑性材料の混合を誘導するようにフィラメントにおける供給力及び低温部の剛性を使用する。具体的には、下向き傾斜壁４０８は、フィラメント４０４のより低温の中央部が直線状に継続するとともに、チャネル２３２の側方に熱可塑性材料を押し出すのに役立つ。このチャネルの側方への熱可塑性材料の変位は、下側壁４１２が同様に下向きに傾斜し始めるまで継続する。熱可塑性材料がフィラメントのより低温の中央部から離れて落下するのにともない、中央部は、少なくとも上側壁４０８からの熱にさらされる。この曝露は、フィラメントの中央部の熱可塑性材料への変換を促進する。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】