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特表2024-522724撹拌装置を有する3Dプリントシステム
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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】2024-06-21
(54)【発明の名称】撹拌装置を有する3Dプリントシステム
(51)【国際特許分類】
   B29C 64/124 20170101AFI20240614BHJP
   B29C 64/321 20170101ALI20240614BHJP
   B33Y 10/00 20150101ALI20240614BHJP
   B33Y 30/00 20150101ALI20240614BHJP
   B33Y 40/00 20200101ALI20240614BHJP
【FI】
B29C64/124
B29C64/321
B33Y10/00
B33Y30/00
B33Y40/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023577386
(86)(22)【出願日】2022-06-24
(85)【翻訳文提出日】2024-01-30
(86)【国際出願番号】 US2022034819
(87)【国際公開番号】W WO2022272010
(87)【国際公開日】2022-12-29
(31)【優先権主張番号】63/215,160
(32)【優先日】2021-06-25
(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】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】100139723
【弁理士】
【氏名又は名称】樋口 洋
(72)【発明者】
【氏名】エンスロー,アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】マッターン,フレデリック ティー
【テーマコード(参考)】
4F213
【Fターム(参考)】
4F213AB01
4F213AB11
4F213AB12
4F213WA25
4F213WB01
4F213WL03
4F213WL25
4F213WL32
4F213WL52
4F213WL67
4F213WL72
4F213WL74
4F213WL87
(57)【要約】
3次元(3D)プリントシステム(2)は、層ごとの態様で3次元3D物品(4)を製造するように構成される。3Dプリントシステムは、樹脂容器(6)と、タンク攪拌サブシステム(12)と、作製サブシステム(33)と、コントローラ(34)とを備える。樹脂容器(6)は、光硬化性樹脂(8)を収容するように構成され、樹脂容器の下面(10)から距離H内の下部領域を有する。撹拌サブシステムは、(a)樹脂容器の下部領域内に配置された格子(14)、および(b)格子(14)に結合された撹拌移動機構(16)を備える。作製サブシステム(33)は、光硬化性樹脂(8)の層ごとの選択的硬化によって3D物品(4)を形成するように構成される。コントローラ(36)は、攪拌移動機構(16)を動作させて、格子(14)を横方向Y軸に沿って振動させ、光硬化性樹脂(8)内の充填剤粒子を再混合するように構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
3D物品を製造するための3次元(3D)プリントシステムであって、
光硬化性樹脂を収容するように構成され、容器の底面から距離H以内の下部領域を有する、容器;
前記下部領域内に配置された格子と、該格子に結合された撹拌移動機構とを含む、タンク撹拌サブシステム;
前記光硬化性樹脂の層ごとの選択的硬化によって前記3D物品を形成するように構成される、作製サブシステム;および
前記撹拌移動機構を動作させて、Y軸に沿って前記格子を振動させ、前記光硬化性樹脂内の充填剤粒子を再混合するように構成される、コントローラ
を備える、3次元(3D)プリントシステム。
【請求項2】
前記格子は、Y軸に沿って離間された複数のスラットを含むことを特徴とする、請求項1に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項3】
前記複数のスラットはそれぞれ、前記Y軸に対して斜角を画定する少なくとも1つの平面を有し、前記角度は30~80度の範囲内の大きさを有することを特徴とする、請求項2に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項4】
前記スラットは、それらの間に画定されたスラット間隔を有し、前記Y軸に沿った格子の振動は、前記スラット間隔よりも大きい振幅を有することを特徴とする、請求項2に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項5】
前記振幅は、前記スラット間隔の少なくとも125%であることを特徴とする、請求項4に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項6】
前記スラットは、15ミリメートルより大きい垂直高さにわたって延在することを特徴とする、請求項2に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項7】
前記スラットはそれぞれ、上部平面および下部平面を含む2つの概ね平面の間に屈曲部を有することを特徴とする、請求項2に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項8】
前記上部平面は、前記Y軸に対して上側角度を画定し、前記下部表面は、前記Y軸に対して下側角度を画定し、該下側角度は前記上側角度よりも大きいことを特徴とする、請求項7に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項9】
前記格子は、前記Y軸に沿って延在する一対の細長いバー、および、前記一対の細長いバー間に固定して取り付けられる複数のスラットを含むことを特徴とする、請求項1に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項10】
前記格子は、Y軸に沿って延在する一対の細長いバー、および、前記一対の細長いバーの間に回転可能に取り付けられる複数のスラットを含むことを特徴とする、請求項1に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項11】
前記振動は、少なくとも毎分100サイクルの周波数を有することを特徴とする、請求項1に記載の3次元(3D)プリントシステム。
【請求項12】
3Dプリントシステムを動作させる方法であって、
光硬化性樹脂を収容するように構成され、容器の底面から距離H以内の下部領域を有する、容器;
前記下部領域内に配置された格子と、該格子に結合された撹拌移動機構とを含む、タンク撹拌サブシステム;
前記光硬化性樹脂の層ごとの硬化によって前記3D物品を形成するように構成される、作製サブシステム
を提供する工程、および、
前記撹拌移動機構を動作させて、Y軸に沿って前記格子を振動させ、前記光硬化性樹脂内の充填剤粒子を再混合する工程
を含む、方法。
【請求項13】
前記格子は、Y軸に沿って離間された複数のスラットを含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
前記複数のスラットはそれぞれ、前記Y軸に対して斜角を画定する少なくとも1つの平面を有し、前記角度は30~80度の範囲内の大きさを有することを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項15】
前記Y軸に沿った前記格子の振動は、前記スラットの間隔よりも大きい振幅を有することを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項16】
前記スラットは、15ミリメートルより大きい垂直高さにわたって延在することを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項17】
前記スラットはそれぞれ、上部平面および下部平面を含む2つの概ね平面の間に屈曲部を有することを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項18】
上側部分は前記Y軸に対して上側角度を画定し、下側部分は前記Y軸に対して下側角度を画定し、該下側角度は前記上側角度よりも大きいことを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項19】
前記スラットは、前記Y軸に垂直な軸Xに沿って主軸を個別に画定することを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項20】
前記振動は、少なくとも毎分100サイクルの周波数を有することを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【0001】
この非仮特許出願は、35 U.S.C.119(e)の下で参照により本明細書に組み込まれる、「3D Printing System with Agitation Device」と題されたAndrew Enslowらによる2021年6月25日出願の米国仮特許出願第63/215,160号に対する優先権を主張する。
【技術分野】
【0002】
本開示は、液体光硬化性造形材料の層ごとの固化による3次元(3D)物品のデジタル作製のための装置および方法に関する。より詳細には、本開示は、光硬化性造形材料中の粒子状または繊維状の充填剤の沈降を低減するための装置を有する3Dプリントシステムに関する。
【背景技術】
【0003】
3Dプリントシステムは、製品のプロトタイピングおよび製造に広く使用されている。1つのタイプの3Dプリントシステムは、ステレオリソグラフィと呼ばれるプロセスを利用する。典型的なステレオリソグラフィシステムは、樹脂容器と、撮像システムと、樹脂容器によって保持された液体光硬化性樹脂内の造形プレートとを利用する。3次元(3D)物品は、造形プレート上に光硬化性樹脂の層を選択的に画像化し固化させることによって、層ごとに製造される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
充填剤を有する光硬化性樹脂は、特定の課題を提示し得る。充填剤は、長期間にわたって沈降することがあり、これによって、樹脂中に存在する充填剤の量が変動したり欠陥が生じたりし得る。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様では、3次元(3D)プリントシステムは、3次元3D物品を層ごとに製造するように構成される。製造モードでは、3Dプリントシステムは、個々の層の選択的重合によって複数の層の垂直スタックを形成する。3Dプリントシステムは、樹脂容器と、タンク撹拌サブシステムと、作製サブシステムと、コントローラとを含む。樹脂容器は、光硬化性樹脂を収容するように構成され、樹脂容器の底面から距離H以内の下部領域を有する。撹拌サブシステムは、(a)樹脂容器の下部領域内に配置された格子と、(b)格子に結合された撹拌移動機構とを含む。作製サブシステムは、光硬化性樹脂の層ごとの選択的硬化によって3D物品を形成するように構成される。コントローラは、光硬化性樹脂内の充填剤粒子を再混合するために、横方向Y軸に沿って格子を振動させるように撹拌移動機構を動作させるように構成される。コントローラが作製サブシステムを動作させるとき、作製サブシステムのどの部分も樹脂容器の下部領域に入らない。この撹拌サブシステムは、下部サブ領域の幾何学形状に概して合致する格子を含むことによって、混合されていないポケットを最小限にしながら、充填剤微粒子を非常に効率的に再混合する。
【0006】
一実装形態では、格子は、横方向Y軸に沿って離間または配列され、Y軸に対して斜角を画定する平面を有する、複数のスラットを含む。斜角は、30~80度の範囲内とすることができる。再混合効率を最大にするために、斜角は45度より大きい。
【0007】
別の実装形態では、格子は、横方向Y軸に沿って離間または配列され、個々に複合屈曲幾何学形状を有する、複数のスラットを含む。複合屈曲形状は、上部平面および下部平面を含む2つの平面間の屈曲部を含む。上部平面は、Y軸に対して上側角度を画定する。下部平面は、Y軸に対して下側角度を画定する。混合効率を向上させるために、下側角度は上側角度よりも大きい。複合形状は、スラットの曲げ強度を向上させる。
【0008】
さらに別の実装形態では、格子は、横方向Y軸に沿って離間または配列された複数のスラットを含み、Y軸に沿ったスラット間隔がSに等しい。格子の振動は、Y軸に沿ってAに等しい振幅を有する。Aは、Sの少なくとも125%でもよく、Sの150%にほぼ等しくてもよい。
【0009】
さらなる実装形態では、振動は、少なくとも毎分100サイクルまたは毎分100~200サイクルの範囲の周波数を有する。光硬化性樹脂のレオロジー特性に応じて、他の周波数範囲が可能である。
【0010】
さらなる実装形態では、格子は、式:Y(t)=Acos(ωt+δ)に従って、横方向Y軸に沿って振動される。この式において、tは秒単位の時間であり、Y(t)は横方向Y軸に沿った格子の位置である。Aは振動の振幅である。用語「cos」は、括弧内の引数を有する余弦関数である。項ωは、2πνに等しい角周波数である。項νは、発振周波数であり、モータ回転周波数に対応するか、またはそれに等しくてもよい。項δは、Y軸に沿った振動の範囲内の格子の初期回転位置によって決定される定数である。Aの値は、格子スラット間の間隔Sよりも大きくすることができる。1つの例示的な実施形態では、Aは、スラット間隔Sの少なくとも125%、またはSの約1.5倍である。特定の例示的な実施形態では、Sは約40ミリメートルであり、Aは約60ミリメートルである。例示的な実施形態では、νは、少なくとも約100回転/分(RPM)または150~200RPMの範囲内である。
【0011】
別の実装形態では、格子は、Y軸に沿って延在する一対の細長いバーを含む。複数のスラットは、一対の細長いバーの間に固定して取り付けられる。固定取り付けは、溶接またはねじを使用して達成することができる。あるいは、一体の細長いバーおよびスラットを有する格子は、3Dプリントを用いて形成することができる。
【0012】
さらに別の実装形態では、格子は、Y軸に沿って延在する一対の細長いバーを含む。複数のスラットは、一対の細長いバーの間に回転可能に取り付けられる。複数のスラットは、スラットの端部から細長いバーの中へX軸に沿って延在するピンを個々に含むことができる。複数のスラットは、ピンを中心に個々に回転し、したがって、X軸に平行な軸を中心に回転する。複数のスラットはまた、スラットの角度配向を最適化するように回転を制限するタブまたは他の特徴を含むことができる。Y軸に対して斜めの軸の周りを回転するスラットなどの他のバリエーションが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】3D物品を製造または作製するための3次元(3D)プリントシステムの概略図
図2】3Dプリントシステムの一部の等角図
図3A】分離した状態のタンク撹拌サブシステムの等角図
図3B】分離した状態のタンク撹拌サブシステムの側面図
図4】3Dプリントシステムの一部分の等角図
図5A】格子の一部を形成するスラットの第1の実施形態の端面図
図5B】格子の一部を形成するスラットの第2の実施形態の端面図
【発明を実施するための形態】
【0014】
図1は、3D物品4を製造するための3次元(3D)プリントシステム2の概略図である。システム2を説明する際に、相互に直交する軸X、Y、およびZが利用され、別称としてX軸、Y軸、およびZ軸と呼ばれる。軸XおよびYは、概して水平な横軸である。Z軸は、重力基準と概ね位置合わせされた垂直軸である。「概して」なる用語は、方向または大きさが必ずしも正確なものではなく、設計によるものであることを意味する。したがって、「概して水平」なる用語は、設計公差および製造公差内での水平(重力ベクトルに垂直)を意味する。「概ね位置合わせされた」なる用語は、設計公差および製造公差の範囲内で位置合わせされることを意味する。
【0015】
3Dプリントシステム2は、光硬化性樹脂8を収容するための樹脂容器6を含む。図示の実施形態では、光硬化性樹脂8は、とりわけ、モノマー、触媒、および充填剤を含む。触媒は、典型的には450nm(ナノメートル)未満の波長を有する青色放射線、紫色放射線、または紫外線放射などの放射線の適用によって、樹脂8が固化および硬化されることを可能にする。充填剤は、典型的には樹脂の嵩密度より大きい密度を有する不溶性繊維または微粒子を含む。充填剤の目的は、3D物品4の機械的、熱的、および/または視覚的特性を強化することであり得る。時間が経つと、充填剤が下方向に沈降しやすくなり、光硬化性樹脂の充填剤含有量が樹脂容器6の底面10に向かって-Z方向に増加する。最終的に粒子同士が凝集し、再混合が不可能になる。
【0016】
システム2は、撹拌移動機構16に結合された格子14をさらに含むタンク撹拌サブシステム12を含む。図示の実施形態では、格子14は、略矩形の側方領域を覆い、底面10の高さH内にある容器6の下部領域に限定されている。略矩形の格子14は、容器6内で光硬化性樹脂8を効率的に撹拌するようなサイズおよび構成である。撹拌移動機構16は、動作時には、振幅Aおよび周波数νを有する振動(往復)運動で格子14を移動させるように構成されている。例示的な実施形態では、振動運動は正弦波である。
【0017】
システム2は、3D物品4が形成される上面20を有する造形プレート18を含む。造形プレート支持構造22は、造形プレート18を支持する。垂直移動機構24は、造形プレート支持構造22を垂直に位置決めし、そうすることで造形プレート18を垂直に位置決めするように動作可能である。一実施形態では、垂直移動機構24は、親ねじに結合された固定モータを含む。造形プレート支持構造22は、親ねじを受けるねじ付き軸受を含む。モータが親ねじを回転させると、造形プレート支持構造22が上下に平行移動される。
【0018】
システム2は、造形プレート18の上面20または3D物品4に樹脂の薄層を形成するように構成された材料コーティングサブシステム26を含む。一実施形態では、材料コーティングサブシステム26は、横方向Y軸に沿って平行移動するゴムワイパーを含む。材料コーティングサブシステム26は、Yに沿ってワイパーの移動および位置決めを提供する親ねじ(垂直移動機構と同様に動作可能)またはモータ駆動ベルトなどの横方向移動機構を含むことができる。
【0019】
システム2は、造形平面30において光硬化性樹脂8の層を選択的に硬化させるための撮像サブシステム28を含む。図示の実施形態では、撮像システム28は、造形平面30に沿って走査する放射ビーム32を生成する。撮像システム28は、放射ビーム32を生成するレーザと、XおよびYに沿って造形平面30を横切って放射ビームを走査するための一対のガルバノミラーとを含む。造形プレート18、造形プレート支持構造22、垂直移動機構24、材料コーティングサブシステム26、および撮像サブシステム28は、集合的に作製サブシステム33と呼ばれる。
【0020】
コントローラ34は、不揮発性または非一時的情報記憶装置38に結合されたプロセッサ36を含む。プロセッサ36は、コンピューティング技術の技術分野で知られているように、別称として処理ユニット(PU)または中央処理ユニット(CPU)と呼ばれることがある。非一時的情報記憶装置38は、フラッシュメモリおよび磁気ディスクドライブなどの他の大容量記憶装置のうちの1つまたは複数を含むことができ、これらはいずれもコンピューティング技術の技術分野において知られている。
【0021】
記憶装置38は、ソフトウェア命令を記憶する。コントローラ34は、プロセッサ36がソフトウェア命令を実行する際に、タンク撹拌サブシステム12および作製システム33を動作させるように構成される(ただし、おそらく両方を同時には動作させない)。ある実施形態では、コントローラは、作製サブシステム33が休止している(3D物品4を作製するために動作されていない;おそらく垂直移動機構24を除く)とき、タンク撹拌サブシステム12を動作させる(格子14を振動させる)。コントローラは、タンク撹拌サブシステム12が休止している(おそらく垂直移動機構24を除く)とき、作製サブシステム33を動作させる。さらなる実施形態では、タンク撹拌サブシステム12は、垂直移動機構24を含むことができる。
【0022】
ある実施形態では、コントローラ34は、以下の動作でタンク撹拌サブシステム12を動作させる:(a)コントローラ34は、振幅Aおよび周期性Tまたは周波数νでY軸に沿って格子14を振動させる撹拌移動機構16を動作させる;(b)コントローラ34は、垂直移動機構24を動作させ、(a)と同時に造形プレート18を光硬化性樹脂8内で昇降させる。材料コーティングサブシステム26および撮像サブシステム28は、タンク撹拌サブシステム12を動作させている間、休止状態にある。
【0023】
ある実施形態では、コントローラ34は、以下の動作で作製サブシステム33を動作させる:(a)コントローラ34は、垂直移動機構を動作させ、(造形プレート18または3D物品4の以前に撮像された部分の)上面20を造形平面30に近接して位置決めし、(b)コントローラ34は、コーティングサブシステム26を動作させ、上面20上に光硬化性樹脂の新しい層を形成し、(c)コントローラは、撮像サブシステム28を動作させ、光硬化性樹脂の新しい層を選択的に硬化および固化させ、(a)~(c)を繰り返して3D物品4の製造を完了する。製造中、プレート支持構造22は、樹脂容器6の下部領域に入らない。
【0024】
図2は、3次元(3D)プリントシステム2の一部の等角図である。いくつかの特徴は省略されている。樹脂容器6の横断面は、略矩形状である。図示の実施形態では、垂直移動機構24は、垂直親ねじに結合されたモータを含む。親ねじは、造形プレート支持構造22の一部にねじ込まれる。モータの回転は、モータの回転方向に応じて造形プレート支持構造22を上昇または下降させる。
【0025】
図3Aおよび図3Bは、タンク撹拌サブシステム12の一実施形態を分離して示す等角図および側面図である。矩形格子14は、その間に複数のスラット42を支持する、Y軸に沿って延在する2つの細長いバー40を含む。スラット42は、それぞれX軸に沿った長軸を有し、Y軸に沿って配列されている。代替的な実施形態では、スラットは、X軸およびY軸に対して斜角を画定する主軸を個々に有することができる。
【0026】
第1の実施形態では、スラット42は、2つの細長いバー40に固定して取り付けられる。スラット42は、細長いバー40に溶接するか、または複数のねじで細長いバー40に取り付けることができる。あるいは、細長いバー40とスラット42との組合せは、1つの一体型ユニットとして3Dプリントすることができる。
【0027】
第2の実施形態では、スラット42は、2つの細長いバー40に回転可能に取り付けられる。スラット42の回転取付けは、X軸に沿ってスラット42の端部から細長いバー40内に延びるピンを含むことができる。取付けはまた、光硬化性樹脂8の撹拌および混合に対するスラット42の効果を最適化するために、細長いバー40に対するスラット42の回転を制限するタブまたは他の特徴を含むことができる。
【0028】
撹拌移動機構16は、リンク機構48によって4つの支持バー46に結合されたモータ44を備えている。モータが360度回転すると、矩形格子14はY軸に沿って振幅Aで往復1回振動する。周波数νでモータを回転させると、格子が周波数νでY軸に沿って正弦波状に往復振動する。
【0029】
図4は、タンク撹拌サブシステム12の一部が設置された容器6を含むシステム2の一部の等角断面図である。図示のように、支持バー46は、壁50の内側縁部に沿って矩形格子14まで垂直に延在する。
【0030】
図5Aは、X軸に沿って見られたまたは見たスラット42の第1の実施形態の端面図である。スラット42は、概して平面形状または平行六面体形状である。スラット42の主軸はXに沿っており、スラット平面は横方向Y軸に対して斜角を画定する。図示の実施形態では、角度は約60度である。しかしながら、Y軸に対する角度は、30~80度、または30~70度、または30~60度で変化し得る。混合効率を最大にするために、角度は45度より大きいか、または45度~80度の範囲である。
【0031】
図5Bは、スラット42が複合スラット42であることを除いて、図5Aと同様である。スラット42は、屈曲部56によって分離された2つの平面(52および54)を含む。屈曲部56を有することにより、スラット42が硬くなり、したがって、より薄い材料の使用が可能になる。
【0032】
2つの平面(52および54)は、Y軸に対して上側斜角を画定する上部平面52と、Y軸に対して下側斜角を画定する下部平面54とを含む。図示の実施形態では、下側斜角は上側斜角よりも大きい。この上下の斜角の関係により、格子14の混合効率が向上する。図示の実施形態では、上側斜角は約45度であり、下側斜角は約60度である。
【0033】
スラット間隔はSであり、スラット高さはhである。例示的な実施形態では、スラット高さhは約20ミリメートルである。概して、充分な撹拌を提供するために、高さhは好ましくは15ミリメートルより大きい。20ミリメートルより大きいhの値は、撹拌にとってより良好であるが、その代償として格子14が容器8のより大きい体容積を占める。
【0034】
格子14の振動はYに沿っており、充分な撹拌流体運動を確保するためにSより大きい振幅Aを有することが好ましい。好ましくは、Aは、Sの少なくとも125%であるか、またはSの約150%である。例示的な実施形態では、パラメータは以下を含む:hは概して20ミリメートルに等しく、Sは概して40ミリメートルに等しく、Aは概して60ミリメートルに等しい。
【0035】
振動数νは、少なくとも約100回転/分(RPM)または150~200RPMの範囲内である。1回転は、距離A(振幅)だけY軸に沿って格子14を前後に移動させることに等しい。
【0036】
上述の特定の実施形態およびその適用は、例示のみを目的としており、以下の特許請求の範囲によって包含される修正および変形を排除するものではない。
図1
図2
図3A
図3B
図4
図5A
図5B
【国際調査報告】