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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-01
(54)【発明の名称】三次元印刷用レベリング装置
(51)【国際特許分類】
B29C 64/112 20170101AFI20230525BHJP
B29C 64/357 20170101ALI20230525BHJP
B33Y 40/00 20200101ALI20230525BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20230525BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20230525BHJP
【ＦＩ】
B29C64/112
B29C64/357
B33Y40/00
B33Y30/00
B33Y10/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022563106
(86)(22)【出願日】2021-04-27
(85)【翻訳文提出日】2022-12-06
(86)【国際出願番号】 IL2021050487
(87)【国際公開番号】W WO2021220274
(87)【国際公開日】2021-11-04
(31)【優先権主張番号】63/015,728
(32)【優先日】2020-04-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】513131464
【氏名又は名称】ストラタシス リミテッド
【住所又は居所原語表記】１ Ｈｏｌｔｚｍａｎ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ， Ｐ．Ｏ． Ｂｏｘ ２４９６， ７６１２４０１ Ｒｅｈｏｖｏｔ， Ｉｓｒａｅｌ
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】モルデケイ、ダン
(72)【発明者】
【氏名】グラスマン、バラク
(72)【発明者】
【氏名】ライン、キリル
【テーマコード（参考）】
4F213
【Ｆターム（参考）】
4F213AQ01
4F213WA25
4F213WB01
4F213WL03
4F213WL12
4F213WL52
4F213WL74
4F213WL87
(57)【要約】
三次元印刷システムのレベリング装置が、回転可能ローラ、廃棄物回収槽、液状廃棄物をローラから槽内へ除去するためのブレード、及び複数の管状構造体を備える。各管状構造体は、槽の基部付近の入口と、ポンプ装置に接続可能な出口とを有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
三次元印刷システムのためのレベリング装置であって、回転可能なローラと、
前記ローラを回転させるためのモータと、
廃棄物回収槽と、
液体廃棄物を前記ローラから前記槽内へ除去するためのブレードと、
複数の管状構造体と、
を備え、
各管状構造体は、前記槽の基部付近における入口と、ポンプ装置に接続可能な出口とを有する、装置。
【請求項2】
前記基部は複数の分離された凹部領域で構成され、各管状構造体に関して前記入口は前記凹部領域の１つに所在する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記基部は波状形状を有する非平坦面であり、前記凹部領域は前記波状形状の谷部である、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記非平坦面は、前記波状形状を形成する複数の傾斜部を備える、請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記ローラの前記回転を示す信号を生成するための回転センサを更に備える、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記回転センサは磁気センサを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項7】
前記磁気センサはホール効果センサを備える、請求項６に記載の装置。
【請求項8】
前記三次元印刷システムに接続可能な筐体を備え、前記ローラ及び前記廃棄物回収槽の少なくとも一方は前記筐体に取り付けられる、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項9】
前記槽の前記筐体への取り付けを示す信号生成のための配置センサを更に備える、請求項８に記載の装置。
【請求項10】
前記配置センサは機械的スイッチを備える、請求項９に記載の装置。
【請求項11】
前記配置センサは光学センサを備える、請求項９に記載の装置。
【請求項12】
前記ローラ及び前記廃棄物回収槽の少なくとも一方は、迅速解放機構によって前記筐体に着脱可能に取り付けられる、請求項８～請求項１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項13】
前記迅速解放機構は、弾性クリップコネクタ及び磁気コネクタから成る群から選択される、請求項１２に記載の装置。
【請求項14】
前記管状構造体の少なくとも１つはサイフォンとして形成される、請求項１～請求項１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項15】
三次元印刷システムであって、構築材料を吐出するノズルのアレイと、
請求項１～請求項１４のいずれか一項に記載のレベリング装置と、
前記管状構造体の前記出口に接続されたポンプ装置と、
少なくとも前記ノズルのアレイを操作するように構成されたコンピュータ化されたコントローラと、
を備えるシステム。
【請求項16】
前記ポンプ装置は、それぞれが異なる管状構造体の各出口に接続された少なくとも２つの別々のポンプを備え、前記コントローラは、前記ポンプのそれぞれを個別に起動及び停止を行うように構成される、請求項１４に記載の三次元印刷システム。
【請求項17】
前記ノズルから吐出される構築材料を受けるためのトレイを備え、前記トレイの作動領域の幅は前記アレイの長さより広く、前記ローラの長さは、少なくとも前記作動領域の前記幅である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記コントローラは、前記トレイに対する前記アレイの位置に基づいて、前記ポンプのそれぞれを起動及び停止するように構成される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記レベリング装置は、前記槽が前記ローラの下に配置されたことを示す信号を生成するための配置センサを備え、前記コントローラは、前記配置センサからの前記信号を受信して、前記槽が適正位置にない場合には警報を生成するか前記ノズルを停止するかの少なくともいずれかを行うように構成される、請求項１５～請求項１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項20】
前記レベリング装置は、前記ローラの前記回転を示す信号を生成するための回転センサを備え、前記コントローラは、前記回転センサからの前記信号を受信して、回転速度がゼロ又は所定の閾値より低い場合に警報を生成するか前記ノズルを停止するかの少なくともいずれかを行うように構成される、請求項１５～請求項１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項21】
前記レベリング装置は前記三次元印刷システムに接続された筐体を備え、前記廃棄物回収槽は、迅速解放機構によって前記筐体に着脱可能に取り付けられる、請求項１５～請求項２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項22】
請求項１５～請求項２１のいずれか一項に記載のシステムの保守を実行する方法であって、前記廃棄物回収槽を筐体から取り外すことと、
前記槽が取り外されているときに少なくとも１つの保守操作を実行することと、
前記廃棄物回収槽を前記筐体に取り付けることと、
を含む方法。
【請求項23】
三次元印刷中における構築材料の層のレベリング方法であって、前記ローラと前記層との相対運動中に、前記層の最表面を請求項１～請求項１４のいずれか一項に記載の前記レベリング装置の回転ローラに係合させ、それにより前記槽内に余剰の構築材料を回収することと、
前記管状構造体の少なくとも１つを介して、前記余剰の構築材料の少なくとも一部を前記槽から除去するために前記ポンプ装置を作動させることと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は２０２０年４月２７日出願の米国仮特許出願第６３／０１５，７２８号の優先権の利益を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明はそのいくつかの実施形態において三次元印刷に関し、より具体的には、これに限るものではないが三次元印刷のためのレベリング装置に関する。
【背景技術】
【0003】
付加製造（ＡＭ）は、任意形状をした構造物を付加的な形成ステップを介してコンピュータデータから直接的に製造可能とする技術である。任意のＡＭシステムの基本操作は、三次元コンピュータモデルを薄い断面部分にスライスし、その結果を二次元位置データに変換し、そのデータを３次元構造を層状に作製する制御装置に供給することから成る。
【0004】
付加製造は、３Ｄインクジェット印刷などの三次元（３Ｄ）印刷を含む製造方法への多くの異なるアプローチを伴う。３Ｄインクジェット印刷は、構築材料を層ごとにインクジェット印刷で堆積することにより遂行される。したがって、一組のノズルを有する吐出ヘッドから構築材料が吐出されて、支持構造体上に層状に堆積される。その層が次にレベリング装置により平坦化されて、硬化又は固化される。
【0005】
様々な３次元印刷技術が存在し、例えば、すべて同一譲受人の米国特許６，２５９，９６２号、６，５６９，３７３号、６，６５８，３１４号、６，８５０，３３４号、７，１８３，３３５号、７，２０９，７９７号、７，２２５，０４５号、７，３００，６１９号、７，４７９，５１０号、７，５００，８４６号、７，９６２，２３７号、８，７８４，７２３号、及び９，０３１，６８０号に開示されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【0006】
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、三次元印刷システム用のレベリング装置が提供される。レベリング装置が、回転可能ローラ、ローラを回転させるためのモータ、廃棄物回収槽、ローラからの液体廃棄物を槽内へ除去するためのブレード、及び複数の管状構造体を備える。各管状構造体は、槽の基部付近の入口と、ポンプ装置に接続可能な出口とを有する。
【0007】
本発明のいくつかの実施形態によれば、基部は複数の分離された凹部領域で構成され、各管状構造体に対して入口がその凹部領域の１つにある。
【0008】
本発明のいくつかの実施形態によれば、基部は波状形状を有する非平坦面であり、凹部領域はその波状形状の谷部である。
【0009】
本発明のいくつかの実施形態によれば、非平坦面は、波状形状を形成する複数の傾斜部を備える。
【0010】
本発明のいくつかの実施形態によれば、レベリング装置は、ローラの回転を示す信号を生成するための回転センサを備える。
【0011】
本発明のいくつかの実施形態によれば、回転センサは磁気センサを備える。本発明のいくつかの実施形態によれば、磁気センサはホール効果センサを備える。
【0012】
本発明のいくつかの実施形態によれば、レベリング装置は三次元印刷システムに接続可能な筐体を備え、ローラ及び廃棄物回収槽の少なくとも１つは筐体に取り付けられる。
【0013】
本発明のいくつかの実施形態によれば、レベリング装置は筐体への槽の取り付けを示す信号を生成するための配置センサを備える。本発明のいくつかの実施形態によれば、配置センサは機械的スイッチである。本発明のいくつかの実施形態によれば、配置センサは光学センサである。
【0014】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ローラ及び廃棄物回収槽の少なくとも１つは、迅速解放機構によって筐体に着脱可能に取り付けられる。
【0015】
本発明のいくつかの実施形態によれば、迅速解放機構は、弾性クリップコネクタ及び磁気コネクタから成る群から選択される。
【0016】
本発明のいくつかの実施形態によれば、管状構造体の少なくとも１つはサイフォンとして形成される。
【0017】
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、三次元印刷用の印刷システムが提供される。この印刷システムは、構築材料を吐出するノズルのアレイと、前述し、また任意選択によりかつ好ましくは以下で詳述するレベリング装置と、管状構造体の出口に接続されたポンプ装置と、少なくともノズルアレイを作動させるように構成されたコンピュータ化されたコントローラとを備える。
【0018】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ポンプ装置は少なくとも２つの分離したポンプを備え、それぞれが別々の管状構造体の各出口に接続される。ここでコントローラは、ポンプのそれぞれを個別に起動及び停止を行うように構成される。
【0019】
本発明のいくつかの実施形態によれば、印刷システムは、ノズルから吐出される構築材料を受けるためのトレイを備える。そのトレイの作動領域の幅はアレイの長さより広く、ローラの長さは、少なくとも作動領域の幅である。
【0020】
本発明のいくつかの実施形態によれば、コントローラは、トレイに対するアレイの位置に基づいて、ポンプのそれぞれを起動及び停止するように構成される。
【0021】
本発明のいくつかの実施形態によれば、レベリング装置は、槽がローラの下に配置されたことを示す信号を生成するための配置センサを備え、コントローラは、配置センサからの信号を受信して、槽が適正位置にない場合には警報を生成するかノズルを停止するかの少なくともいずれかを行うように構成される。
【0022】
本発明のいくつかの実施形態によれば、レベリング装置は、ローラの回転を示す信号を生成するための回転センサを備え、また、コントローラは、回転センサからの信号を受信して、回転速度がゼロ又は所定の閾値より低い場合に警報を生成するかノズルを停止するかの少なくともいずれかを行うように構成される。
【0023】
本発明のいくつかの実施形態によれば、レベリング装置は三次元印刷システムに接続された筐体を備え、廃棄物回収槽は、迅速解放機構によって筐体に着脱可能に取り付けられる。
【0024】
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、印刷システムの保守を実行する方法が提供される。この方法は、筐体から廃棄物回収槽を取り外すことと、槽が取り外されているときに少なくとも１つの保守操作を実行することと、廃棄物回収槽を筐体に取り付けることと、を含む。
【0025】
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、三次元印刷中における構築材料層のレベリング方法が提供される。この方法は、ローラと層との相対運動中に、前述し、また任意選択によりかつ好ましくは以下で詳述するレベリング装置の回転ローラを層の最表面に係合させ、それにより余剰構築材料を槽内に回収することと、その余剰構築材料の少なくとも一部を、管状構造体の少なくとも１つを介して槽から除去するために、ポンプ装置を作動させることと、を含む。
【0026】
別段の定義がない限り、本明細書で使用するすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者により一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似又は同等の方法及び材料が本発明の実施形態の実行又は試行に使用可能であるが、例示的な方法及び／又は材料を以下に記述する。矛盾する場合には、定義を含む本発明の明細書が優先される。さらに、材料、方法及び実施例は例示に過ぎず、必ずしも制限的であることを意図するものではない。
【0027】
本発明の実施形態の方法及び／又は装置の実施は、選択されたタスクを手動、自動又はそれらの組み合わせで実行又は完了させることを含み得る。さらに、本発明の方法及び／又は装置の実施形態の実際の計装機器及び設備によれば、いくつかの選択されたタスクは、ハードウェアによって、あるいはオペレーティングシステムを用いたソフトウェア又はファームウェア及び／又はそれらの組合せによって実施可能である。
【0028】
例えば、本発明の実施形態による、選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップ又は回路として実装可能である。ソフトウェアに関しては、本発明の実施形態による選択されたタスクは、任意の適切なオペレーティングシステムを用いるコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実装可能である。本発明の例示的実施形態では、本明細書に記載の方法及び／又は装置の例示的実施形態による１以上のタスクは、複数の命令を実行するコンピューティングプラットフォームなどのデータプロセッサにより実行される。任意選択により、データプロセッサには、命令及び／又はデータを格納する揮発性メモリ、及び／又は命令及び／又はデータを格納する不揮発性記憶装置、例えば磁気ハードディスク及び／又はリムーバブル媒体、が含まれる。任意選択により、ネットワーク接続も提供される。ディスプレイ及び／又はキーボードやマウスなどのユーザ入力装置もまた任意選択で提供される。
【0029】
本発明のいくつかの実施形態は、添付図面を参照して例示としてのみ本明細書に記載する。ここで、図面を詳細に具体的に参照すると、示される詳細事項は一例であって、本発明の実施形態の例示的議論を目的とするものであることが強調される。これに関し、図面と共に行われる説明により、本発明の実施形態がどのように実行され得るかが当業者には明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1A】本発明のいくつかの実施形態による付加製造システムの概略図である。
【図1B】本発明のいくつかの実施形態による付加製造システムの概略図である。
【図1C】本発明のいくつかの実施形態による付加製造システムの概略図である。
【図1D】本発明のいくつかの実施形態による付加製造システムの概略図である。
【図2A】本発明のいくつかの実施形態による印刷ヘッドの概略図である。
【図2B】本発明のいくつかの実施形態による印刷ヘッドの概略図である。
【図2C】本発明のいくつかの実施形態による印刷ヘッドの概略図である。
【図3A】本発明のいくつかの実施形態による座標変換を示す概略図である。
【図3B】本発明のいくつかの実施形態による座標変換を示す概略図である。
【図4A】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4B】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4C】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4D】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4E】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4F】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4G】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図4H】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の概略図である。
【図5A】本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置の筐体、槽及びローラの概略分解図である。
【図5B】本発明のいくつかの実施形態による、三次元印刷システムへのレベリング装置の組込を容易にすることができる桁材の正面の概略斜視図である。
【図5C】本発明のいくつかの実施形態による、三次元印刷システムへのレベリング装置の組込を容易にすることができる桁材の背面の概略斜視図である。
【図6A】廃棄物回収槽及び管状構造体をより詳細に示す概略図である。
【図6B】廃棄物回収槽及び管状構造体をより詳細に示す概略図である。
【図6C】廃棄物回収槽及び管状構造体をより詳細に示す概略図である。
【図6D】廃棄物回収槽及び管状構造体をより詳細に示す概略図である。
【図6E】廃棄物回収槽及び管状構造体をより詳細に示す概略図である。
【図6F】廃棄物回収槽及び管状構造体をより詳細に示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
本発明はそのいくつかの実施形態において、三次元印刷に関し、より具体的には、これに限るものではないが三次元印刷のためのレベリング装置に関する。
【0032】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に提示され、及び／又は図面及び／又は実施例に示される、構成要素の構造と配置及び／又は方法の詳細に、その適用が必ずしも限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実行又は実施することが可能である。
【0033】
本実施形態の方法及びシステムは、コンピュータ物体データに基づいて、その物体の形状に対応する構成パターンで複数の層を形成することにより、三次元物体を層ごとに製造する。コンピュータ物体データは、これに限るものではないが、標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）若しくはステレオリソグラフィ輪郭（ＳＬＣ）フォーマット、ＯＢＪファイルフォーマット（ＯＢＪ）、３Ｄ製造フォーマット（３ＭＦ）、仮想現実モデリング言語（ＶＲＭＬ）、付加製造ファイル（ＡＭＦ）フォーマット、図面交換フォーマット（ＤＸＦ）、ポリゴンファイルフォーマット（ＰＬＹ）、又はコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）に適する他の任意のフォーマットを含む、任意の既知のフォーマットであってよい。
【0034】
本明細書で使用の「物体」という用語は、物体の全体又はその一部を指す。
【0035】
各層は、２次元表面を走査してそれをパターン化する付加製造装置によって形成される。走査中に装置は２次元の層すなわち表面上の複数の標的位置に行き、各標的位置又は一群の標的位置に対して、その各標的位置又は一群の標的位置を構築材料で覆うべきか否か、またそこにどの種類の構築材料を送達するべきか、を決定する。決定は、表面のコンピュータ画像に従って行われる。
【0036】
本発明の好ましい実施形態では、ＡＭは３次元印刷、より好ましくは３次元インクジェット印刷で構成される。これらの実施形態では、構築材料が１以上のノズルアレイを有する印刷ヘッドから吐出されて、支持構造体上に構築材料を層状に堆積する。ＡＭ装置はこうして構築材料物をそれで覆うべき標的位置に吐出し、他の標的位置を空のままにする。この装置は通常複数のノズルアレイを含み、そのそれぞれが異なる構築材料を吐出するように構成可能である。これは通常、互いに分離されて相互に流体連通しないようにされた複数の流体チャネルを有する印刷ヘッドを設けることで達成される。各チャネルには、分離された入口を介して異なる構築材料が流れ、それが別々のノズルのアレイに配送される。
【0037】
したがって、異なる標的位置を異なる構築材料で占有することが可能である。構築材料の種類は、造形材料と支持材料の大きく２つに分類される。支持材料は、製造プロセス中に物体又は物体の部分を支持するため、及び／又は、例えば中空又は多孔性の物体を提供するためなどの他の目的で、支持母体又は構造体として機能する。支持構造体には、例えば支持強度を上げるために造形材料物要素を追加的に含むこともあり得る。
【0038】
造形材料は一般に、付加製造に使用するために配合された合成物であり、それ自体で、すなわち他のいかなる物質との混合も組合せも必要とせずに、３次元物体を形成可能である。
【0039】
最終的な３次元物体は、造形材料あるいは複数の造形材料の組み合わせあるいは造形材料と支持材料、又はそれらの変形物（例えば硬化後のもの）で作られる。これらのすべての操作は、固体自由成形分野の当業者には周知である。
【0040】
本発明のいくつかの例示的実施形態によれば、物体は２以上の異なる造形材料の吐出により製造され、各材料はＡＭ装置の（同一又は異なる印刷ヘッドの）異なるノズルアレイから吐出される。いくつかの実施形態では、異なる造形材料を吐出する２以上のそのようなノズルアレイが、いずれもＡＭ装置の同一印刷ヘッドに配置される。いくつかの実施形態では、異なる造形材料物を吐出するノズルアレイは別々の印刷ヘッドに配置される。例えば第１の造形材料を吐出する第１のノズルアレイが第１印刷ヘッドに配置され、第２の造形材料を吐出する第２のノズルアレイが第２印刷ヘッドに配置される。
【0041】
いくつかの実施形態では、造形材料を吐出するノズルアレイと、支持材料を吐出するノズルアレイの両方が、同じ印刷ヘッドに配置される。いくつかの実施形態では、造形材料を吐出するノズルアレイと、支持材料を吐出するノズルアレイが、別々の印刷ヘッドに配置される。
【0042】
本発明のいくつかの実施形態による、物体１１２のＡＭに適したシステム１１０の代表的かつ非限定的な例を図１Ａに示す。システム１１０は、複数の印刷ヘッドを備えた吐出ユニット１６を有する付加製造装置１１４を備える。各ヘッドは好ましくは、以下で説明する図２Ａ～図２Ｃに示すようなオリフィス板１２１に通常取り付けられた１以上のノズルアレイ１２２を備え、それを介して液体の構築材料１２４が吐出される。
【0043】
好ましくは、ただし必須ではないが、装置１１４は３次元印刷装置であり、その場合印刷ヘッドは印刷ヘッドであり、構築材料はインクジェット技術を介して吐出される。これは必ずしもそうである必要はない。なぜなら、いくつかの用途では、付加製造装置が３次元印刷技術を使う必要がないこともあるからである。本発明の様々な例示的実施形態によって企図される付加製造装置の代表的な例には、熱溶解積層造形装置及び熱溶解材料積層装置が含まれるが、これに限定されるものではない。
【0044】
各印刷ヘッドは、任意選択によりかつ好ましくは、１以上の構築材料タンクを介して供給され、そこには温度制御ユニット（例えば温度センサ及び／又は加熱装置）と、材料レベルセンサが任意選択で含まれ得る。構築材料を吐出するために、例えば圧電式インクジェット印刷技術におけると同様に、印刷ヘッドに電圧信号が印加され、印刷ヘッドノズルを介して材料の液滴を選択的に堆積する。別の例としてはサーマルインクジェット印刷ヘッドがある。このタイプのヘッドでは、構築材料と熱接触するヒータ素子があり、電圧信号によってヒータ素子を作動させることにより、構築材料を加熱してそこにガス気泡を形成する。ガス気泡が構築材料に圧力を発生させ、構築材料の液滴をノズルを介して噴出させる。圧電式及びサーマル式印刷ヘッドは、固体自由成形分野の当業者には知られている。任意のタイプのインクジェット印刷ヘッドに関して、ヘッドの吐出速度は、ノズルの数、ノズルの種類、及び印加電圧信号レート（周波数）に依存する。
【0045】
好ましくは、ただし必須ではないが、吐出ノズル又はノズルアレイの総数は、吐出ノズルの半分が支持材料の吐出用であり、吐出ノズルの半分が造形材料の吐出用となるように選択される。すなわち、造形材料を噴射するノズルの数が、支持材料を噴射するノズルの数と同じである。代表的な例である図１Ａでは、４つの印刷ヘッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが示されている。各ヘッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄはノズルアレイを有する。この例では、ヘッド１６ａ、１６ｂは造形材料用であり、ヘッド１６ｃ、１６ｄは支持材料用であってよい。このように、ヘッド１６ａは１つの造形材料を吐出し、ヘッド１６ｂは別の造形材料を吐出し、またヘッド１６ｃ、１６ｄの２つは支持材料を吐出することが可能である。代替実施形態では、例えばヘッド１６ｃ、１６ｄを組み合わせて、支持材料を堆積するための２つのノズルアレイを有する単一ヘッドとすることも可能である。さらなる代替実施形態において、任意の１以上の印刷ヘッドが、２以上の材料を堆積させるために２以上のノズルアレイを有してもよい。例えば２つの異なる造形材料、又は１つの造形材料と１つの支持材料のための２つのノズルアレイであり、各配合物が異なるアレイ又は異なる数のノズルを介して堆積される。
【0046】
ただしこれは本発明の範囲を限定することを意図するものではないこと、及び造形材料の印刷ヘッド（造形ヘッド）の数と支持材料の印刷ヘッド（支持ヘッド）の数が異なり得ることを理解されたい。一般的に、造形材料を吐出するノズルアレイの数、支持材料を吐出するノズルアレイの数、及びそれぞれのアレイにおけるノズルの数は、支持材料の最大吐出速度と造形材料の最大吐出速度との間に所定の比ａを与えるように選択される。所定の比ａの値は好ましくは、形成された各層において造形材料の高さと支持材料の高さが等しくなる様に選択される。ａの典型的な値は、約０．６から約１．５である。
【0047】
本明細書を通じて使用されるように、「約」という用語は±１０％を指す。
【0048】
例えば、ａ＝１では、すべてノズルアレイが動作する場合、支持材料の全体の吐出速度は造形材料の全体の吐出速度とほぼ等しい。
【0049】
好適な実施形態では、それぞれがｐ個のノズルのアレイをｍ個有する造形ヘッドＭ個と、それぞれがｑ個のノズルのアレイをｓ個を有する支持ヘッドＳ個を備え、Ｍ×ｍ×ｐ＝Ｓ×ｓ×ｑであってよい。Ｍ×ｍ個の造形アレイとＳ×ｓ個の支持アレイのそれぞれは、個別の物理的ユニットとして製造可能であり、複数のアレイの群から組み立て及び分解が可能である。この実施形態において、そのようなアレイのそれぞれは、任意選択によりかつ好ましくは、各自の温度制御ユニットと材料レベルセンサを備え、その動作のために個別に制御された電圧を受け取る。
【0050】
装置１１４はさらに、凝固装置３２４を備える。これは、堆積された材料を固化させ得る光、熱等を放出するように構成された任意の装置を含むことができる。例えば、凝固装置３２４は１以上の放射線源を含むことができる。これは、使用される造形材料に応じて、例えば紫外線、可視光、若しくは赤外線のランプ、あるいは他の電磁放射線源、あるいは電子線源であってよい。本発明のいくつかの実施形態では凝固装置３２４は造形材料を硬化又は凝固させる機能をはたす。
【0051】
凝固装置３２４に加えて、装置１１４は任意選択によりかつ好ましくは、溶媒を蒸発させるための追加の放射線源３２８を備える。放射線源３２８は、任意選択によりかつ好ましくは、赤外線を発生させる。本発明のいくつかの実施形態では、凝固装置３２４が紫外線を発生させる放射線源を備え、放射線源３２８が赤外線を発生させる。
【0052】
本発明のいくつかの実施形態では、装置１１４は、１以上のファンなどの冷却装置１３４を備える。
【0053】
印刷ヘッド及び放射線源は好ましくはフレーム又はブロック１２８に取り付けられる。好ましくは、ブロック１２８は、作業面として機能するトレイ３６０の上方に取り付けられる。ここで、ブロック１２８とトレイ３６０の少なくとも一方は、トレイ３６０とブロック１２８が相対的な往復運動を確立するように往復移動動作をする。本発明のいくつかの実施形態では、放射線源はブロックに取り付けられ、吐出ヘッドの軌跡を追従して印刷ヘッドによって吐出されたばかりの材料を少なくとも部分的に硬化又は凝固させるようになっている。トレイ３６０は水平に配置される。一般的な慣習に従って、Ｘ－Ｙ平面がトレイ３６０に平行になるようにＸ－Ｙ－Ｚデカルト座標系が選択される。トレイ３６０は好ましくは、垂直方向に（Ｚ方向に沿って）、通常は下向きに移動するように構成される。本発明の様々な実施形態においては、装置１１４はレベリング装置３２をさらに備える。これは以下で詳細を述べるように、ローラ４２０と、任意選択によりかつ好ましくはブレード４３４を備え得る。レベリング装置３２は、新たに形成された層を、次の層がその上に形成される前に矯正、平坦化し、及び／又は厚さを定めるように機能する。レベリング装置３２は、レベリング中に発生する余分な材料を回収するための廃棄物回収槽４３２を含むことが好ましい。廃棄物回収槽４３２は、後で更なる詳細を述べるように、廃棄物タンク又は廃棄物カートリッジに材料を送達する機構を含んでもよい。
【0054】
使用時に、ユニット１６の印刷ヘッドは、本明細書ではＸ方向と称する走査方向に移動し、それらがトレイ３６０上を通過する過程で構築材料を所定の構成で選択的に吐出する。構築材料は通常、１種類以上の支持材料及び１種類以上の造形材料を含む。ユニット１６の印刷ヘッドの通過に続いて、放射線源１２６による造形材料の硬化が行われる。ヘッドが堆積し終えた層の出発点に戻る逆方向への移動中に、所定の構成に従って構築材料を追加吐出することもあり得る。こうして形成された層は、印刷ヘッドの順方向又は逆方向への移動中に、レベリング装置３２よって矯正することが可能である。これは順方向及び／又は逆方向への移動時の印刷ヘッドの経路に沿うことが望ましい。印刷ヘッドがＸ方向に沿ってそれらの出発点に戻ると、印刷ヘッドは、本明細書でＹ方向と呼ぶ割出し方向に沿う別の位置に移動し、Ｘ方向に沿った往復運動によって同じ層の構築を続けることが可能である。これに代わって、印刷ヘッドは、順方向及び逆方向の移動の間に、又は２回以上の順方向－逆方向移動の後に、Ｙ方向に移動してもよい。単一の層を完成させるために印刷ヘッドによって実行される一連の走査を、本明細書では単一走査サイクルと称する。
【0055】
その層が完了すると、次に印刷される層の所望の厚さに応じて、トレイ３６０は、Ｚ方向に所定のＺレベルまで下降される。この手順が繰り返されて、３次元物体１１２が層毎に形成される。
【0056】
別の実施形態では、トレイ３６０は、ユニット１６の印刷ヘッドの順方向及び逆方向の通過の間に、層内でＺ方向に変位されてもよい。そのようなＺ変位は、レベリング装置と表面を一方向で接触させ、かつ反対方向で接触させないようにするために実行される。
【0057】
システム１１０は、任意選択によりかつ好ましくは、構築材料容器又はカートリッジを含みかつ複数の構築材料を製造装置１１４に供給する、構築材料供給システム３３０を含む。
【0058】
コンピュータ化されたコントローラ２０は、製造装置１１４を制御し、任意選択によりかつ好ましくは供給システム３３０も制御する。コントローラ２０は通常、制御操作を実行するように構成された電子回路を含む。コントローラ２０は好ましくはデータプロセッサ２４と通信し、これが、例えば標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）フォーマット等の形式でコンピュータ可読媒体上に表されたＣＡＤ構成などの、コンピュータ物体データに基づいて、製作命令に係わるデジタルデータを送信する。通常、コントローラ２０は、各印刷ヘッド又は各ノズルアレイに印加される電圧、及びそれぞれの印刷ヘッド又はそれぞれのノズルアレイにおける構築材料の温度を制御する。
【0059】
製造データがコントローラ２０に読み込まれると、コントローラは、ユーザの介入なしで動作可能である。いくつかの実施形態では、コントローラ２０は、例えばデータプロセッサ２４を用いて、あるいはコントローラ２０と通信するユーザインタフェース１１６を用いて、オペレータからの追加の入力を受信する。ユーザインタフェース１１６は、例えば、これに限らないがキーボード、タッチスクリーンなどの当分野で公知の任意の種類であってよい。例えばコントローラ２０は、追加の入力として、１以上の構築材料の種類及び／又は、例えば、これに限らないが、色、特性歪み及び／又は転移温度、粘度、電気特性、磁気特性などの属性を受信することができる。他の属性及び属性群もまた考慮される。
【0060】
本発明のいくつかの実施形態による物体のＡＭに適したシステム１０の別の代表的かつ非限定的実施例を図１Ｂ～図１Ｄに示す。図１Ｂ～図１Ｄは、システム１０の平面図（図１Ｂ）、側面図（図１Ｃ）、及び等角図（図１Ｄ）を示す。
【0061】
本実施形態において、システム１０はトレイ１２と、それぞれが１以上の分離されたノズルを有するノズルアレイを１以上有する、複数のインクジェット印刷ヘッド１６とを備える。三次元印刷に使用される材料は、構築材料供給システム４２によってヘッド１６に供給される。トレイ１２は円板形状であってもよいし、あるいは環状であってもよい。垂直軸を中心に回転可能であれば、非円形の形状も考えられる。
【0062】
トレイ１２とヘッド１６は、任意選択によりかつ好ましくは、トレイ１２とヘッド１６の間で相対的回転運動ができるように取り付けられる。これは、（ｉ）トレイ１２が垂直軸１４を中心にヘッド１６に対して回転する構成、（ｉｉ）ヘッド１６が垂直軸１４を中心にトレイ１２に対して回転する構成、又は（ｉｉｉ）トレイ１２及びヘッド１６の両方が垂直軸１４を中心に回転し、ただし異なる回転速度で回転（例えば逆方向に回転）する構成、によって達成可能である。以下においては、システム１０のいくつかの実施形態を、トレイが垂直軸１４を中心にヘッド１６に対して回転するように構成された回転トレイである構成（ｉ）に特に重点を置いて記載するが、本出願はシステム１０に関して構成（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）をも企図していることを理解されたい。本書に記載のシステム１０の実施形態はいずれも、構成（ｉｉ）及び構成（ｉｉｉ）のいずれにも適用できるように調整することができ、本明細書に記載の詳細が与えられれば、当業者にはそのような調整の仕方がわかるであろう。
【0063】
以下の説明では、トレイ１２に平行で軸１４から外向きの方向を半径方向ｒと呼び、トレイ１２に平行で半径方向ｒに直交する方向をここでは方位角方向φと呼び、トレイ１２に垂直な方向をここでは垂直方向ｚと称する。
【0064】
システム１０の半径方向ｒはシステム１１０の割出し方向ｙを規定し、方位角方向φがシステム１１０の走査方向ｘを規定する。したがって、半径方向は本明細書においては互換的に割出し方向と称し、方位角方向は本明細書においては互換的に走査方向と称す。
【0065】
本明細書で使用する用語「半径方向位置」とは、軸１４から特定の距離にあるトレイ１２上又はトレイ１２の上方の位置を指す。この用語が印刷ヘッドに関連して使用される場合、この用語は、軸１４から特定の距離にあるヘッドの位置を指す。この用語がトレイ１２上の点に関連して使用される場合、この用語は、半径が軸１４から特定の距離にあり、その中心が軸１４にある円を成す点の軌跡に属する任意の点に対応する。
【0066】
本明細書で使用する用語「方位角位置」は、所定の基準点に対して特定の方位角にあるトレイ１２上又はトレイ１２の上方の位置を指す。従って、半径方向位置は、基準点に対して特定の方位角を成す直線となる点の軌跡に属する任意の点を指す。
【0067】
本明細書で使用する用語「垂直位置」は、特定の点で垂直軸１４と交差する平面上の位置を指す。
【0068】
トレイ１２は、三次元印刷のための造形プラットフォームとして機能する。１以上の物体が印刷される作業領域は、通常はトレイ１２の総面積より小さい。ただし必ずしもそうである必要はない。本発明のいくつかの実施形態では、作業領域は環状である。作業領域は符号２６で示される。本発明のいくつかの実施形態では、トレイ１２は、物体の形成中、同一方向に連続的に回転し、本発明のいくつかの実施形態では、トレイは、物体の形成中に少なくとも１回（例えば振動するように）回転方向を逆転する。トレイ１２は、任意選択によりかつ好ましくは取外し可能である。トレイ１２の取外しは、システム１０の保守のために、あるいは所望であれば、新しい物体を印刷する前にトレイを交換するために行うことができる。本発明のいくつかの実施形態では、システム１０には１以上の異なる交換トレイ（例えば交換トレイのキット）が提供され、２以上のトレイが異なる種類（例えば異なる重量）の物体、異なる動作モード（例えば異なる回転速度）等のために選定される。トレイ１２の交換は、所望により手動又は自動とすることができる。自動交換が使用される場合、システム１０は、ヘッド１６の下の位置からトレイ１２を取り外して、それを交換トレイ（図示せず）と置き替えるように構成されたトレイ交換装置３６を含む。図１Ｂの代表図においてトレイ交換装置３６は、トレイ１２を引っ張るように構成された可動アーム４０を有する駆動装置３８として示されているが、他の種類のトレイ交換装置も考えられる。
【0069】
【0070】
図２Ａ～図２Ｂは、１つ（図２Ａ）及び２つ（図２Ｂ）のノズルアレイ２２を有する印刷ヘッド１６を示す。アレイ内のノズルは好ましくは、直線に沿って線状に配列される。特定の印刷ヘッドが２以上の線形ノズルアレイを有する実施形態において、ノズルアレイは、任意選択によりかつ好ましくは、互いに平行であってよい。印刷ヘッドが２以上のノズルアレイを有する場合（例えば図２Ｂ）、そのヘッドのすべてのアレイには同一構築材料が供給されてもよいし、あるいは同一ヘッドの少なくとも２つのアレイに異なる構築材料が供給されてもよい。
【0071】
システム１１０と同様のシステムが使用される場合、全ての印刷ヘッド１６は、任意選択によりかつ好ましくは、割出し方向に沿って配向され、それらの走査方向に沿う位置は互いにずれて配置される。
【0072】
システム１０に類似のシステムが使用される場合、全ての印刷ヘッド１６は、任意選択によりかつ好ましくは、半径方向に（半径方向に平行に）配向され、それらの方位角位置が互いにずれて配置される。従って、これらの実施形態では、異なる印刷ヘッドのノズルアレイは互いに平行ではなく、むしろ互いにある角度を成す。その角度はそれぞれのヘッド間の方位角のずれにほぼ等しい。例えば、１つのヘッドが半径方向に配向されて方位角位置φ１に配置され、別のヘッドが半径方向に配向されて方位角位置φ２に配置されることが可能である。この例では、２つのヘッド間の方位角のずれはφ１－φ２であり、２つのヘッドの線形ノズルアレイ間の角度もまたφ１－φ２である。
【0073】
いくつかの実施形態では、２以上の印刷ヘッドを組み合わせて１つの印刷ヘッドブロックにすることが可能である。その場合、そのブロックの印刷ヘッドは通常互いに平行である。いくつかのインクジェット印刷ヘッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃを含むブロックを図２Ｃに示す。
【0074】
いくつかの実施形態では、システム１０はヘッド１６の下に位置する安定化構造３０を含み、トレイ１２がトレイ安定化構造３０とヘッド１６との間にくる。安定化構造３０は、インクジェット印刷ヘッド１６が作動する際に発生し得るトレイ１２の振動を防止又は低減するように機能することができる。0
【0075】
トレイ１２及び／又は印刷ヘッド１６は、任意選択によりかつ好ましくは、垂直方向ｚに沿って垂直軸１４に平行に移動するように構成されて、トレイ１２と印刷ヘッド１６との間の垂直距離を変更可能とする。トレイ１２を垂直方向に沿って移動させることによって垂直距離を変更する構成では、安定化構造３０も好ましくはトレイ１２と共に垂直方向に移動する。トレイ１２の垂直位置を固定したままで、ヘッド１６によって垂直方向に沿う垂直距離を変更する構成では、安定化構造３０もまた固定垂直位置に保持される。
【0076】
垂直移動は、垂直駆動装置２８によって行うことができる。ある層が完了すると、次に印刷する層の所望の厚さに応じて所定の垂直間隔だけ、トレイ１２とヘッド１６との間の垂直距離を増大させることができる（例えばトレイ１２をヘッド１６に対して下降させる）。この手順を繰り返して、三次元物体を層毎に形成する。
【0077】
インクジェット印刷ヘッド１６の動作、及び任意選択によりかつ好ましくはシステム１０の１以上の他の構成要素の動作、例えばトレイ１２の移動は、コンピュータ化されたコントローラ２０によって制御される。コントローラは、電子回路と、回路によって読出し可能な不揮発性記憶媒体とを有することができ、記憶媒体は、回路によって読み出されたときに、以下でさらに詳述するような制御動作を回路に実行させるプログラム命令を格納する。
【0078】
コントローラ２０はまた、コンピュータ物体データに基づいて、製作命令に関するデジタルデータを送信するホストコンピュータ２４と通信することもできる。
デジタルデータは例えば、標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）若しくはステレオリソグラフィ輪郭（ＳＬＣ）フォーマット、仮想現実モデリング言語（ＶＲＭＬ）、付加製造ファイル（ＡＭＦ）フォーマット、図面交換フォーマット（ＤＸＦ）、ポリゴンファイルフォーマット（ＰＬＹ）、又はコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）に適した任意の他のフォーマットである。物体データフォーマットは通常デカルト座標系に従って構成される。このような場合、コンピュータ２４は好ましくは、コンピュータ物体データにおける各スライスの座標をデカルト座標系から極座標系に変換するための手順を実行する。コンピュータ２４は、任意選択によりかつ好ましくは、変換された座標系で製作命令を送信する。代替として、コンピュータ２４は、コンピュータ物体データによって提供された元の座標系で製作命令を送信することができる。その場合、座標変換はコントローラ２０の回路によって実行される。コントローラ２０は、前に詳述したユーザインタフェース１１６と通信することもできる。
デジタルデータは例えば、標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）若しくはステレオリソグラフィ輪郭（ＳＬＣ）フォーマット、仮想現実モデリング言語（ＶＲＭＬ）、付加製造ファイル（ＡＭＦ）フォーマット、図面交換フォーマット（ＤＸＦ）、ポリゴンファイルフォーマット（ＰＬＹ）、又はコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）に適した任意の他のフォーマットである。物体データフォーマットは通常デカルト座標系に従って構成される。このような場合、コンピュータ２４は好ましくは、コンピュータ物体データにおける各スライスの座標をデカルト座標系から極座標系に変換するための手順を実行する。コンピュータ２４は、任意選択によりかつ好ましくは、変換された座標系で製作命令を送信する。代替として、コンピュータ２４は、コンピュータ物体データによって提供された元の座標系で製作命令を送信することができる。その場合、座標変換はコントローラ２０の回路によって実行される。コントローラ２０は、前に詳述したユーザインタフェース１１６と通信することもできる。
【0079】
座標変換により、回転トレイ上での三次元印刷が可能となる。固定トレイを有する非回転システムでは、印刷ヘッドは通常固定トレイ上を直線に沿って往復運動する。そのようなシステムでは、ヘッドの吐出速度が均一であるとすれば、印刷解像度はトレイ上のどの点でも同じである。システム１０においては、非回転システムとは違って、ヘッドポイントの全てのノズルが同じ時間の間にトレイ１２上の同じ距離をカバーするわけではない。座標変換は、任意選択によりかつ好ましくは、異なる半径方向位置において余剰材料が等量となるように実行される。本発明のいくつかの実施形態による座標変換の代表例を図３Ａ～図３Ｂに示す。これは物体の３つのスライス（各スライスが物体の異なる層の製作命令に対応する）を表し、図３Ａは、デカルト座標系でのスライスを示し、図３Ｂは、それぞれのスライスに座標変換手順を適用した後の同じスライスを示す。
【0080】
通常、コントローラ２０は、製作命令に基づき、かつ以下で説明する格納されたプログラムの指示に基づいて、システム１０のそれぞれの構成要素に印加される電圧を制御する。
【0081】
一般的に、コントローラ２０は、トレイ１２の回転中に印刷ヘッド１６を制御して構築材料の液滴を層状に吐出させ、トレイ１２上に三次元物体を印刷させる。
【0082】
システム１０は、任意選択によりかつ好ましくは、１以上の放射線源１８を備える。これは、使用される造形材料に応じて、例えば紫外線、可視光若しくは赤外線のランプ、あるいは他の電磁放射線源、あるいは電子線源であってよい。放射線源は、これに限らないが発光ダイオード（ＬＥＤ）、デジタル光処理（ＤＬＰ）システム、抵抗加熱ランプ等を含む任意の種類の放射線放出装置を含むことができる。放射線源１８は造形材料を硬化又は凝固する役割りをはたす。本発明の様々な例示的実施形態では、放射線源１８の動作は、コントローラ２０によって制御され、それは、放射線源１８の起動及び停止を行い、かつ任意選択により放射線源１８によって発生する放射線量の制御も可能とする。
【0083】
本発明のいくつかの実施形態において、システム１０はレベリング装置３２を更に備える。これは以下で詳述するように、任意選択によりかつ好ましくはブレードを有するローラと、任意選択により廃棄物回収装置（図示せず、図１Ａ参照）もまた備え得る。レベリング装置３２は、新たに形成した層を、その上に次の層を形成する前に矯正する役目をする。
【0084】
いくつかの任意選択の実施形態では、レベリング装置３２は円錐ローラの形状を有し、その対称軸３４がトレイ１２の表面に対して傾斜し、かつその表面がトレイ表面と平行になるように配置される。この実施形態をシステム１０の側面図で示す（図１Ｃ）。円錐ローラは、円錐又は円錐台の形状を有することができる。
【0085】
レベリング装置３２の動作は、任意選択によりかつ好ましくはレベリング装置３２を起動及び停止することのできるコントローラ２０によって制御される。いくつかの任意選択の実施形態において、コントローラ２０は位置レベリング装置３２が垂直方向（軸１４に平行）、及び／又は半径方向（トレイ１２に平行で軸１４に向かうか軸１４から離れる方向）に沿うように制御する。
【0086】
本発明のいくつかの実施形態では、印刷ヘッド１６は、半径方向ｒに沿ってトレイに対して往復運動するように構成される。これらの実施形態は、ヘッド１６のノズルアレイ２２の長さがトレイ１２上の作業領域２６の半径方向の幅より短いときに有用である。半径方向へのヘッド１６の運動は、任意選択によりかつ好ましくはコントローラ２０によって制御される。
【0087】
いくつかの実施形態は、（同一又は異なる印刷ヘッドに属する）異なるノズルアレイから異なる材料を吐出することにより物体を作製することを想定する。これらの実施形態は、とりわけ、所定数の材料から材料を選択し、かつ選択された材料及びそれらの特性の所望の組合せを定める機能を提供する。本実施形態によれば、各材料を層状に堆積する空間位置は、異なる材料で異なる三次元空間位置を占有させるか、２以上の異なる材料を実質的に同一の三次元位置又は隣接する三次元位置に配置し、堆積後にその層内での材料を空間的に混合させて、それによってそれぞれの単一又は複数の位置に複合材料を形成させるか、のいずれかによって規定される。
【0088】
造形材料の堆積後の任意の組み合わせ又は混合が考えられる。例えば、特定の材料が吐出された後、それはその元の特性を維持することができる。しかし、それが別の造形材料又は他の吐出材料と同時に、同じ位置あるいは近傍位置で吐出される場合、吐出された材料とは異なる単一又は複数の特性を有する複合材料が形成され得る。
【0089】
本発明のいくつかの実施形態では、システムは、複数層の少なくとも一つに対してデジタル材料を吐出する。
【0090】
本明細書及び当分野で使用される「デジタル材料」という用語は、異なる材料のピクセル又はボクセルがある領域において相互に交錯するような、ピクセルレベル又はボクセルレベルでの２以上の材料の組み合わせを言う。そのようなデジタル材料は、材料の種類及び／又は２以上の材料の比率及び相対的な空間分布の選択によって影響される新しい特性を示すことができる。
【0091】
本明細書で使用するように、層の「ボクセル」は、層内の物理的な３次元の要素体積のことを指し、層を記述するビットマップの単一ピクセルに対応する。ボクセルの寸法は、構築材料が個々のピクセルに対応する位置に吐出され、平坦化され、凝固された後に、構築材料により形成される領域の寸法にほぼ等しい。
【0092】
こうして本実施形態は、広範囲な材料の組合せを堆積可能とし、かつ物体の各部分の特徴づけに要求される特性に応じて、異なる部分が複数の異なる材料の組合せから構成され得る物体の作製を可能にする。
【0093】
本実施形態に適するＡＭシステムの原理及び動作の更なる詳細は、米国公開特許出願第２０１００１９１３６０号明細書に示されており、参照によりその内容を本明細書に援用する。
【0094】
次に図４Ａ～図４Ｈを参照する。これは本発明のいくつかの実施形態によるレベリング装置３２をより詳細に示す概略図である。レベリング装置３２は、三次元印刷中に形成される層の平坦化に有用であり、したがって、任意の三次元印刷システム、好ましくは、これに限らないがシステム１０又はシステム１１０に組み込むことができる。
【0095】
図４Ａ及び図４Ｂは、レベリング装置３２の正面上部（図４Ａ）及び背面下部（図４Ｂ）の斜視図である。図４Ｃ～図４Ｆは、レベリング装置３２の正面図（図４Ｃ）、背面図（図４Ｄ）、上面図（図４Ｅ）、底面図（図４Ｆ）である。図４Ｇは、図４Ｃ及び図４Ｄの切断線Ａ－Ａに沿った断面図である。図４Ｈは、図４Ｃ及び図４Ｄの切断線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。
【0096】
本発明の好適な実施形態において、レベリング装置３２は、回転可能なローラ４２０と、回転ローラ４２０のためのモータ４２２とを備える。図４Ａの概略図においモータ４２２は、ローラ４２０の軸４２６をモータ４２２の軸４２８に接続する伝達ベルト４２４によってローラ４２０を回転させるように構成された電気モータである。好ましくは、ローラ４２０とモータ４２２は、レベリング装置の筐体４３０に取り付けられる。
【0097】
レベリング装置３２は、廃棄物回収槽４３２、ローラ４２０から廃棄物を除去して槽４３２に入れるブレード４３４、及び複数の管状構造体４５０も備える。槽４３２は好ましくは細長い。槽４３２の長さは、少なくともローラ４２０の長さであることが望ましい。管状構造体４５０は、例えばポンプ装置４５２によって構築材料を槽４３２から廃棄物タンク又は廃棄物カートリッジ（図示せず）へ送達する機構として作用する。したがって、各管状構造体４５０は槽４３２の基部４３６の近くに入口４５４と、ポンプ装置４５２に接続可能な出口４５６とを有し、ポンプ装置は任意選択によりかつ好ましくは、印刷システムのコントローラ（例えばコントローラ２０）によって制御される。ポンプ装置４５２は、構造体４５０の出口４５６に接続される、例えばマニホールドの形態をした複数の入り口ポートを有する単一のポンプとして実現可能である。これに代わり、ポンプ装置４５２は複数の個別のポンプとして実現され、２以上のポンプが別々の管状構造体４５０に接続されてもよい。本発明のいくつかの実施形態によるポンプ装置４５２の動作を以下で記述する。
【0098】
図４Ａ～図４Ｈに示す概略図において、槽４３２はねじ４０２によって筐体４３０に取り付けられている（図４Ｇ参照）。ただし、これは必ずしもそうである必要はなく、通常、槽４３２は保守のためにレベリング装置２３２から定期的に取り外されるので、保守を容易にするという観点から、本発明のいくつかの実施形態によれば、これに限るものではないが弾性クリップコネクタ又は磁気コネクタなどの迅速解放機構によって槽４３２を筐体４３０に接続する構成もまた想定される。好ましくは管状構造体４５０はその入口４５４が、槽４３２に固定されずに槽４３２内に位置するように配置される。これらの実施形態の利点は、管状構造体４５０の出口４５６をポンプ装置４５２から切り離す必要がないために、槽４３２を筐体４３０から容易かつ迅速に取り外せることである。
【0099】
【0100】
図５Ａは本発明のいくつかの実施形態による筐体４３０、槽４３２及びローラ４２０の分解図であり、レベリング装置３２の組み立て手法を示す。好ましくは、レベリング装置３２は、槽４３０が筐体４３０の背面側に取り付くように組み立てられる。筐体４３０は、ローラ４２０のベアリング４８２を収容するための一対のベアリングホルダ４８０と、モータ４２２の軸４２８を受ける開口４９０と、管状構造体４５０（図５Ａ参照）をそこに固定するためのスロット４９２とで構成される。ベアリングホルダ４８０は好ましくは片側（本実施例では底面側）が開放され、その場合にはベアリング４８２はホルダ４８０の開放側を通して導入される。ベアリング４８２は、任意選択によりかつ好ましくは弾性を有するクリップ４８４によってベアリングホルダ４８０内に固定可能である。これらの実施形態の利点は、軸４２６の傾きを容易に調整可能なことである。したがって、印刷システムに据え付けられると、それは水平配向を取る。好ましくは、軸４２６の傾き調整はハウジング４３０を印刷システムに据え付ける前に行われる。
【0101】
ベルトホイール４８８は好ましくは、モータ４２２の回転軸４２８との機械的連係を提供するためにローラ４２０の軸４２６に取り付けられる。図５に示す概略図では、クリップはねじ４８６で筐体４３０に接続される。ただし常にそうである必要はない。それはいくつかの実施形態では、保守のためのローラ４２０の取り外し及びその交換又は設置を容易かつ迅速にするために、クリップ４８４は迅速解放型であるからである。
【0102】
図５Ｂ及び図５Ｃは、桁材５００の正面側（図５Ｂ）及び背面側（図５Ｃ）の斜視図を示す概略図である。これは、三次元印刷システムのトレイの上にレベリング装置３２を取り付けるために本発明のいくつかの実施形態に従って使用することができる。
【0103】
廃棄物回収槽４３２及び管状構造体４５０が図６Ａ～図６によく示されている。槽４３２は、基部４３６、側壁４３８と、任意選択によりかつ好ましくはカバー４４０も備える。カバー４４０の利点は、装置３２４の放射線源からの照射を阻止するように構成可能なことであり、それにより槽４３２内に回収された構築材料の凝固が防止される。図６Ａ～図６Ｃはそれぞれ、側面図（図６Ａ）、斜視図（図６Ｂ）、及び図６Ｂのカバー４４０なしの槽４３２の切断線Ａ－Ａに沿った断面図（図６Ｃ）を示す。また図６Ｄ～図６Ｆはそれぞれカバー４４０付きの槽４３２の、斜視図（図６Ｄ）、図６Ｄの切断線Ａ－Ａに沿った断面図（図６Ｅ）、及び分解図（図６Ｆ）を示す。槽４３２がカバー４４０を含む実施形態では、カバー４４０には好ましくは管状構造体４５０を受ける開口４６２が設けられる。
【0104】
図６Ａ－図６Ｆは、槽４３２の長さ方向に３つの管状構造体４５０がある好適な構成を示しているが、本発明のいくつかの実施形態では、管状構造体４５０が４以上又は２以下の構成も想定されることを理解されたい。１以上の管状構造体４５０は、任意選択によりかつ好ましくはサイフォンの形状を有する。これらの実施形態の利点は、そのような形状により管状構造体４５０の上部分における残留液体の槽４３２への逆流が防止されることである。
【0105】
図６Ｆに示す分解図を参照すると、ブレード４３４は好ましくは、直線状でその全長にわたって延びるブレード端４６４を有する細長の形状である。ブレード４３４の長さは少なくともローラ４２０の長さであり、任意選択によりかつ好ましくはローラ４２０の長さより長い（例えば、約１～５ｍｍだけ長い）。ブレード４３４の幅は、約０．０２ｍｍから約０．２ｍｍであってよく、例えば約０．０５ｍｍである。ブレードとローラ４２０の表面の法線との間の角度は、好ましくは約５０°から約８０°であり、例えば約６５°である。好ましくは槽４３２の正面側壁４３８にはピン４６６があり、ブレードにはピン４６６を受けるように構成された複数の孔４６８がある。そのような構成の利点は、槽４３２が筐体４３０に取り付けられると、ブレード４３４の位置合わせが確実に行われることである。いくつかの実施形態において、ブレード４３４は細長いブレードホルダ４７０によって正面側壁４３８へ固定される。ブレードホルダ４７０は、溶接（例えば超音波溶接）、接着などの任意の取り付け技術によって壁４３８に取り付けることができる。
【0106】
本発明の様々な実施形態において、槽４３２の基部４３６は複数の分離された凹部領域４４２を備える。これらの実施形態においては、１以上の管状構造体４５０（例えば、各管状構造体）に対し、入口４５４は図６Ｅに示すように凹部領域４４２の１つに位置する。凹部領域４４２は、液体の構築材料を重力によってそれらの領域４４２に流れ込ませる液体回収器の機能を果たす。凹部領域４４２は任意の形状で構成され得る。例えば、基部４３６は波状形状を有する非平坦面であり、その場合凹部領域４４２はその波状形状の谷部である。波状形状は湾曲している必要はない。例えば図６Ｅに示す実施形態では、基部４３６の非平坦面は波状形状を形成する複数の傾斜部４４４を備える。凹部領域４４２に関してその他の形状も考えられる。例えば、凹部領域４４２が、垂直の壁、傾斜壁、段差壁、又は湾曲壁を有する井戸形状であってもよい。
【0107】
基部４３６上の複数の異なる位置に管状構造体４５０を使用することは、廃棄物の排出の仕方に柔軟性を持たせることができるので有利である。ポンプ装置４５２がすべての管状構造体の出口に繋がる単一のポンプを有する場合、その単一のポンプの吸引動作がすべての管状構造体に同時に負圧を発生させ、それによって廃棄物を基部４３６の全領域から排出する。ポンプ装置４５２が別々の管状構造体４５０に接続された２以上の別々のポンプを有する場合、別々のポンプは集合的に、あるいはより好ましくは個別に作動可能である。ポンプを集合的に作動させる場合、状況は単一ポンプを使用する場合と同様であり、異なる管状構造体に異なる圧力レベルを適用可能であることを除けば、すべての管状構造体に同時に負圧を発生させられる。
【0108】
ポンプを個別に作動させる場合、コントローラは所定の手順に従ってポンプのあるものを作動させ、そのほかのポンプを停止する。例えば、印刷システムのトレイ（例えば、システム１０のトレイ１２又はシステム１１０のトレイ３６０）の作業領域上に形成される層の幅が、構築材料を吐出するノズルアレイの長さより広い場合、その層を完成させるためには２以上の吐出パスが必要である。ここでノズルアレイを各パスごとに割出し方向に変位させる。他方で、ローラ４２０を十分に長くして、その長さが少なくともトレイの作業領域（例えば図１Ｂの作業領域２６を参照）の幅となるようにすることができる。その結果、吐出のパスとパスの間でローラを割出し方向（図１Ｂのｒ方向）に移動させる必要がなくなる。この場合、各パスにおいて、ローラ４２０には構築材料に接触しない部分がある。その結果基部４３６には廃棄物を受け取らない部分が存在する。
【0109】
本発明のいくつかの実施形態によれば、それらの廃棄物を受け取らない基部４３６の部分に入口を持つ管状構造体の出口に接続されたポンプは作動されない。これはポンプ装置４５２の複数のポンプの動作を、トレイに対するノズルアレイの位置に同期させることによって確保できる。こうして、本発明のいくつかの実施形態によれば、印刷システムのコントローラ（例えばコントローラ２０）は、ノズルアレイがカバーする割出し方向の領域内にある、割出し方向位置に入口を有する管状構造体に接続された１又は複数のポンプを作動させる。この動作方式の利点は、エネルギを節約でき、保守間隔を長くできることである。
【0110】
再び図４Ａ～図４Ｈを参照すると、本発明のいくつかの実施形態において、レベリング装置３２はローラ４２０の回転を示す信号を生成する回転センサ４４６を備える（図４Ａ及び図４Ｄ参照）。センサ４４６は、任意選択によりかつ好ましくはブラケット４４８又は他の任意の種類の支持構造によって筐体４３０に取り付けられる。センサ４４６によって生成された信号は、三次元印刷システムのコントローラ（例えば、システム１０又はシステム１１０のコントローラ２０）に送信される。センサ４４６からの信号に応答して、コントローラは印刷システムの１以上の構成要素の動作を起動、停止、又は違う形で変更させる。通常、ローラ４２０の回転速度がゼロ、あるいはゼロでなくても所定の閾値より低い場合には、コントローラは例えばユーザインタフェース１１６を利用して警告信号を発し、また任意選択によりかつ好ましくは（例えば、アレイ内の全ノズルを停止し、印刷ブロックとトレイの間の相対運動を終了させることによって）印刷ジョブを終了させる。所定の閾値は、例えばモータ４２２の回転速度に基づいて選択することができる（例えばモータの回転速度、あるいはモータの回転速度の９０％など）。
【0111】
本実施形態では、これに限らないが、ホール効果センサ、巨大磁気抵抗効果センサなどの磁界センサで構成される回転センサを想定する。これらの実施形態では、任意選択によりかつ好ましくは永久磁石４２７がローラ４２０の軸４２６に取り付けられ、回転センサ４４６はその磁石４２７から発生する磁場の変化に応答する。
【0112】
あるいは、回転センサは、これに限らないが例えば光学式エンコーダなどの光学センサ、又はこれに限らないが例えば導電式エンコーダなどの電気機械式センサであってもよい。
【0113】
本発明のいくつかの実施形態において、レベリング装置３２は、筐体４３０への槽４３２の取り付けを示す信号を生成するための配置センサ４６０（図４Ａ及び図４Ｃ参照）を備える。センサ４６０によって生成された信号は、三次元印刷システムのコントローラ（例えば、システム１０又はシステム１１０のコントローラ２０）に送信される。センサ４６０からの信号に応答して、コントローラは印刷システムの１以上の構成要素の動作を起動、停止、又は違う形で変更させる。通常、センサ４６０からの信号が槽４３２が配置されていない（例えば、そこにないか、筐体４３０上に適切に取り付けられていない）ことを示す場合、コントローラは例えばユーザインタフェース１１６を利用して警告信号を発し、また任意選択によりかつ好ましくは（例えば、アレイ内の全ノズルを停止し、印刷ブロックとトレイの間の相対運動を終了させることによって）印刷ジョブを終了させる。
【0114】
配置センサ４６０は、好ましくは筐体４３０の槽４３２の近傍、例えば配置センサ４６０を収納するように構成された壁の窪み４９４（図５Ａ参照）に取り付けられ、これに限らないが電気機械式スイッチや光学センサを含む任意のタイプであってよい。
【0115】
本明細書で使用されるように、「約」という用語は±１０％を指す。
【0116】
「例示的」という用語は、本明細書では、「例、実例、例示に供する」という意味で使用される。「例示的」として記述される任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好適又は有利であると解釈されるべきではなく、及び／又は他の実施形態の特徴を組み込むことを排除するものではない。
【0117】
「任意選択により」という用語は、本明細書においては、「ある実施形態では提供され、他の実施形態では提供されない」ことを意味するように使用される。本発明の任意の特定の実施形態は、そのような特徴が相反しない限り、複数の「任意選択の」特徴を含み得る。
【0118】
用語「備える」、「備えた」、「含む」、「含んだ」、「有する」、及びそれらの活用形は、「含むがそれに限らない」ことを意味する。
【0119】
「から成る」という用語は、「を含み、かつ限定される」ということを意味する。
【0120】
「本質的に～から成る」という用語は、組成、方法又は構造が追加的な成分、ステップ及び／又は部品を含み得るが、その追加的な成分、ステップ及び／又は部品が特許請求の組成、方法又は構造の基本的かつ新規な特性を実質的に変更しない場合に限ることを意味する。
【0121】
本明細書で使用の、単数形の「１つの（ａ、ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は文脈が明確にそうでないことを規定しない限り、複数の言及も含む。例えば、「１つの化合物」又は「少なくとも１つの化合物」という用語は、複数の化合物をそれらの混合物も含めて包含し得る。
【0122】
本出願を通じて、本発明の様々な実施形態が範囲形式で提示され得る。範囲形式の記述は、単に便宜的かつ簡潔化のためのものであって、本発明の範囲の一定不動の限定として解釈されるべきではないことを理解されたい。従って、範囲の記述は、その範囲内の個別の数値と共にすべての可能な部分範囲を具体的に開示しているものと見なされるべきである。例えば、１～６というような範囲の記述は、１～３、１～４、１～５、２～４、２～６、３～６などの具体的に開示された部分範囲、並びにその範囲内の個別の数値、例えば１、２、３、４、５、６を有すると見なされるべきである。このことは、範囲の広さに拘わらず適用される。
【0123】
本明細書で数値範囲が示されるときはいつでも、示された範囲内の任意の引用された数値（分数又は整数）を含むことが意味される。第１の指定数と第２の指定数「の間の範囲の／範囲にある」という句、及び、第１の指定数「から」第２の指定数「まで」の「範囲の／範囲にある」という句は、本明細書では互換的に使用されて、第１の指定数と第２の指定数、並びにその間のすべての分数及び整数を含むことを意味する。
【0124】
本発明の特定の特徴は、明確にするために別々の実施形態の文脈に記述されていても、組み合わせて１つの実施形態で提供され得ることが理解される。逆に、簡潔にするために単一の実施形態の文脈中に記述される本発明の様々な特徴は、別々又は任意の適切な部分的組合せで提供されることも、又は本発明の任意の他の説明される実施形態に適切であるように提供されることも可能である。様々な実施形態の文脈において記述される特定の特徴は、それらの要素なしではその実施形態が機能不能とならない限りは、それらの実施形態の必須の特徴と見なされるべきではない。
【0125】
本発明を、その特定の実施形態に関連して説明してきたが、当業者には多くの代替、修正、変形が明らかなことは明白である。したがって、添付の特許請求の範囲の精神及び広い範囲内にあるそのような代替、修正及び変形のすべてを包含することが意図されている。
【0126】
本明細書で言及したすべての刊行物、特許及び特許出願は、各個別の刊行物、特許及び特許出願が具体的かつ個別的に参照により本明細書に組み込まれるように表示された場合と同じ程度に、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、本出願内のいかなる参照の引用又は特定も、そのような参照が本発明に対する先行技術として利用可能であることを認めるものと解釈されるべきではない。セクション見出しに使用される限りでは、それらは必ずしも制限的であると解釈されるべきではない。さらに、本出願の任意の優先権文書は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【国際調査報告】