(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の断面層を順次堆積することにより、３次元モデルを作成するためのプリンタであって、
材料ベッドと、
材料ベッド上のグリーン材の層を堆積するための層堆積機構と、
堆積層のグリーン材の選択可能な領域を熱処理するために、熱エネルギを発生するよう配置されている熱源と、
熱処理の際、選択可能な領域と接して、堆積層と熱源との間に配置される保護カバーと、
熱処理の後で、保護カバーを選択可能な領域から分離するためのセパレータと、
熱処理の後で、しかし保護カバーが選択可能な領域から分離される前に、堆積層の冷却を制御する温度規制エレメントとを備える、プリンタ。
【請求項２】
前記温度規制エレメントは、前記セパレータに組み込まれている、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項３】
前記温度規制エレメントは、ヒートシンクを含む、請求項１または請求項２に記載のプリンタ。
【請求項４】
前記温度規制エレメントは、保護シートにわたって冷却に適する温度勾配を与えるように操作可能な、独立して制御可能な加熱要素を備える、請求項１または請求項２に記載のプリンタ。
【請求項５】
前記材料ベッドに対して前記熱源を移動させる移動機構をさらに備える、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項６】
前記熱源の堆積層上の経路上を前記熱源とともに移動し、前記グリーン材を予め加熱する前ヒータをさらに備える、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項７】
前記保護シートを前記堆積層に接するよう供給するために配置されている保護シート供給機構をさらに備える、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項８】
前記保護シートは前記材料ベッドに対して実質的に静止して保持される、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項９】
前記材料ベッド上を移動するように設けられた接触部をさらに備え、
前記接触部は前記材料ベッドの進行経路に沿ってこの順に設けられた前記層堆積機構と、前記前ヒータと、前記熱源と、前記セパレータとにより形成され、
前記接触部は、前記保護シートを受取り、前記前ヒータと前記堆積層との間に供給するシート受取部を含む、請求項６に記載のプリンタ。
【請求項１０】
前記材料ベッド上の進行経路に沿って、前記熱源の後に配置される冷却エレメントを含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１１】
前記熱源は、前記堆積層上で前記材料ベッドに対して移動可能な感熱ヘッドを備え、
前記感熱ヘッドは、前記堆積層における前記グリーン材の選択可能な領域を熱処理するために、伝導によって熱エネルギを伝えるよう配置されている選択的に活性可能な加熱エレメントのアレイを含む、請求項１に記載のプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は３次元プリンタであって、たとえばラピッドプロトタイピング装置として使用するのに適切であり、３次元モデルが複数の層の連続する堆積によって作成される３次元プリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
加法的製造技術を用いて物理的３次元モデルを作成、たとえばモデルを層単位で作成するために、現在多くの異なる技術が用いられている。典型的には、３次元モデルの仮想設計、たとえばコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアなどによって表わされるモデルは、複数の薄い（準２次元）断面層であって、互いに連続的に作成される層に変換される。
【０００３】
断面層が形成されるいくつかの方法が知られている。たとえば、副領域上にレーザビームを照らすことによって、グリーン材の積層領域の選択された副領域を焼結させることが知られている。このような構成はＷＯ  ２００４／０５６５１２に開示されている。別の例は、溶融しない領域をマスキングすることによって、選択された副領域すべてを同時に溶融または硬化するために配置されている２次元熱源または光源の使用を含む。このような構成は、ＵＳ  ２００２／０１４９１３７に開示されている。
【０００４】
他の技術は、断面層の正しい形を既にとっているグリーン材を押出加工または積層することを含む（たとえば、仮想設計データから構成されたｘ−ｙ−ｚ表を参照することによる）。積層材料は自然に固まるまたは（たとえば強力な光源によって）硬化して、所望の断面層を形成する。
【０００５】
さらに別の実施例では、各所望の断面層はシート材から切り出され、モデルは切り出された層を互いに接着することによって作成される。
【０００６】
ＵＳ  ２００５／２０８１６８は、所望の断面が加熱ドラムの表面に形成され、その後そのドラムから移されて既に堆積した層と融合させる技術を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明の概要
最も上位概念として、本発明の第１の局面は、３次元モデルを形成する複数の断面層を作成するために、感熱ヘッドをグリーン材の連続層を選択的に熱処理する手段として使用することを提案する。
【０００８】
ここで、「グリーン材」は、後で熱処理によって選択的に固化することができる層に流動可能または押出加工することができる材料を意味する。たとえば、グリーン材は粉末などのような流動可能媒体、またはたとえば未焼結セラミック、ペーストなどのような押出可能な媒体であり得る。熱処理による固化は、たとえば融解、焼結、硬化または固化などによって、熱処理された領域の形状を固定するよう構成されている。ここで「硬化」は化学硬化、熱硬化、および揮発性硬化のいずれか１つ以上を指す。「熱処理」の用語は、融解、焼結、硬化または固化のいずれか１つ以上を指す。
【０００９】
本明細書において、「感熱ヘッド」は熱エネルギを放出するよう配置されている複数の選択的に活性可能な加熱エレメントを有する装置を意味するよう総括的に用いられる。感熱ヘッドは、たとえば領域上を掃引することにより、ある領域と接触するよう配置されている放熱領域、たとえばエッジまたは表面を有し得る。ある領域の選択可能な副領域は、放熱領域がその領域上に掃引される際に、加熱エレメントを適切に活性化および不活性化することによって加熱される。熱プリンタの分野において感熱ヘッドのいくつかの例が既知であり、印刷画像はサーモクロミック紙を選択的に加熱することによって形成できる。本発明は３次元プリンタで使用するためにこの技術を用い得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の局面に従い、複数の断面層を順次堆積することによって３次元モデルを作成するためのプリンタが提供される。プリンタは、材料ベッドと、流動可能なグリーン材を材料ベッドの上に積層するための層堆積機構と、堆積層上で材料ベッドに対して移動可能な感熱ヘッドとを備える。感熱ヘッドは堆積層におけるグリーン材の選択可能な領域を熱処理するために、伝導によって熱エネルギを伝えるよう配置されている選択的に活性可能な加熱エレメントのアレイを含む。
【００１１】
プリンタはある方法に従って動作することができ、この方法は以下のステップを備える：（ｉ）材料ベッド上に流動可能な材料の薄い層を配列し；（ｉｉ）感熱ヘッドを介して（かつ所望の領域外の層の部分に影響することなく）選択的に熱を与えることにより、層の所望領域を加熱して、モデルの断面層を形成し；（ｉｉｉ）次に続く層を前の層の上に配列し；（ｉｖ）その次に続く層の所望の領域を加熱処理して、次の断面層を形成し；（ｖ）３次元モデルが作成されるまで（ｉｉｉ）および（ｉｖ）のステップを繰返し、（ｖｉ）材料ベッドから未処理グリーン材を除去して、所望の３次元形状を残す。熱処理ステップ（ｉｖ）は、次に続く層の所望領域を前の層の熱処理された領域に固定（たとえば融合）することを含み得る。
【００１２】
ここで、「流動可能」は粉末材、液体、および押出可能な材料、たとえばペーストなどを含み得る。粉末材料が好ましい。
【００１３】
感熱ヘッドは材料ベッドに対して移動させられて、堆積層と熱的に連通する。選択的に活性可能な加熱エレメントのアレイは、使用されている堆積層上を掃引する加熱エレメント、たとえば熱抵抗の配列（たとえばパターン）を含み、掃引領域は熱処理が行なわれ得る活性領域である。配置は、１つ以上（１つ以上の直列）の加熱エレメント、または隣接する加熱エレメントが印刷方向において互いにずれている加熱エレメントのパターンを含むことができる。活性領域の堆積層の各点は、座標（ｎ，ｔ）によって固有に指定することができ、ｎは加熱エレメントの識別子であり、ｔは掃引動作の時間である。グリーン材の選択可能な領域はこのような座標を用いて表わすことができる。たとえば仮想設計データから抽出された断面データから変換され、これはＣＡＤモデルから変換されたＳＴＬ、ＩＧＥＳ、ＳＴＥＰファイル等によって表わすことができる。連続する断面領域を特定し、個々の加熱エレメントに適切な指示を与えるための方法およびソフトウェアは、従来の３次元印刷および直接熱印刷においてそれぞれ既知である等価の方法に対応するので、ここでは詳細には説明されない。
【００１４】
各層は、材料ベッドの平面上に配置され得る。感熱ヘッドおよび材料ベッドは、各堆積層の面に対して垂直である方向に互いに移動可能である。一実施例において、材料ベッドは感熱ヘッドが通過するたびに所定の距離下げることができる。これにより、装置はより多くの枚数の層に対応することができる。感熱ヘッドは、平坦な媒体上に印刷するために用いられる従来の「コーナーエッジ」、「ツルーエッジ」または「ニアエッジ」型であり得る。
【００１５】
プリンタは材料ベッドに対して固定した経路上で感熱ヘッドを移動させるための移動機構（たとえば、ステッパモータのようなＤＣモータ、サーボモータなど）を含み得る。選択的に活性可能な加熱エレメントのアレイは、材料ベッドの面上で一直線に延在、すなわち固定経路の方向に対してある角度（たとえば直交）をなす直線に延在し、加熱エレメントは感熱ヘッドが固定経路上を移動するとある領域を掃引する。加熱エレメントは固定経路に対して直交する線上に配置され得る。固定経路は、たとえば堆積層の面に対して平行である材料ベッドの長手方向に沿って線形であり得る。加熱エレメントの列は、材料ベッドの全幅にわたって延在し得る。材料ベッドは平面では楕円形であり得る。たとえば、直立する側壁であって、高さが変わり得る、楕円形を有し得る。各堆積層は楕円形の板状エレメントであり得る。
【００１６】
上記のように、プリンタは複数の断面層を順次堆積するよう配置されている。各連続する断面層は前の層の上に堆積され得る。グリーン材を変換（たとえば固化）することに加えて、熱処理はある層の熱処理された領域を下地層の接触する熱処理された材料に結合するよう働く。このような態様で、印刷動作により、未処理のグリーン材が除去されたときに、３次元モデルの構造的整合性を確実にする。
【００１７】
堆積層は、感熱ヘッドと別個の機構によって配列できる。しかし、一実施例において、層を堆積するための装置は、材料ベッド上の感熱ヘッドとともに移動可能であり、積層および熱処理のステップは、材料ベッド上を１回通過することにより行なうことができる。この実施例では、装置は材料ベッド上の経路上の感熱ヘッドの前に取付けることができる。
【００１８】
層を堆積するための装置は、実質的に均一な厚さを有する流動可能な（たとえば成形可能な）材料の層を配置するための既知手段を含み得る。たとえば、材料が流動可能な粉末であるのなら、装置はグリーン材をベッド上に実質的に均一に広げるための広がりエレメント（たとえば傾斜ブレード）を含み得る。
【００１９】
圧縮エレメント（たとえば、ローラ、スタンピング部材、またはテーパリングウェッジエレメント）を設けてグリーン材を圧縮することができる。グリーン材を圧縮することは有効な変換を促進し得る。たとえば、断面層のバルク熱伝導性を向上させ、作成中のモデルを支持するためのより優れた機械的安定性を与え得る。圧縮エレメントは、層を堆積する装置に組込むか、または単独の装置として、たとえば層が堆積された後で、しかし感熱ヘッドが通過する前に圧縮を行なう。好ましくは、圧縮エレメントは、材料ベッド上を通るよう配置されているテーパリングウェッジエレメントを含む。ウェッジエレメントは傾斜面を有することができ、これはウェッジエレメントの進行方向において材料ベッドと圧縮エレメントとの間のクリアランスを徐々に減少させるよう配置されている。
【００２０】
ここに記載されている熱処理は、グリーン材を固定した固化状態に変換（たとえば遷移）するよう配置されている。すなわち、熱処理は、堆積層の選択された領域の形状を固定する。
【００２１】
プリンタは、感熱ヘッドが堆積層上の経路上を移動する前に、グリーン材を予め加熱する前ヒータを含んでもよい。前ヒータは、圧縮エレメントと組合せることができる。グリーン材を予め加熱することにより、グリーン材を固定状態に変換する温度に近づけることができる。したがって、変換を施すために感熱ヘッドが必要とする加熱量を減らすことができ、これは全体の処理の速度を向上させる。さらに、前ヒータからの熱は、前の層の熱処理された材料に伝えることができるので、全体としての材料ベッドの温度を維持することができ、処理された材料が受ける熱張力を減少または最小にするので、作成中のモデル
の反りを減少させる。同様の理由で、プリンタは後処理ヒータを含むことができ、これは熱処理後の材料ベッドの温度を制御するよう働き得る。材料ベッドの温度を制御する概念は、以下で説明される本発明のさらなる局面を表わし得る。
【００２２】
一実施例において、前ヒータは変換温度よりわずかに、たとえば５−１０℃低い温度に堆積層を下げるよう配置されている。後処理ヒータは、熱処理された材料を実質的に同じ温度にするよう配置され得る。前ヒータおよび／または後処理ヒータは、伝導により材料を加熱することができる。たとえば、露出した材料と接触するためのカバープレートを含むことができる。
【００２３】
熱処理の際、堆積層と、感熱ヘッド上の加熱エレメントとの間に相対的移動がある。熱処理された材料が熱エレメントに接着すれば、作成処理を損ない最終的には感熱ヘッドの過熱および損傷を引き起こすような接着を防ぐために、プリンタは感熱ヘッド下に保護カバー（たとえば、シート、被膜など）を含み得る。熱処理の際、保護カバー（以降、「保護シート」と呼ぶ）は、加熱エレメントと堆積層との間に配置される。
【００２４】
保護シートは感熱ヘッドとともに、または熱処理の際、堆積層と感熱ヘッドとの両方に対して移動し得る。好ましい実施例において、保護シートは感熱ヘッドおよび堆積層の相対的移動と切り離して、感熱ヘッドが材料ベッドに対して移動する位置において、保護シートは実質的に堆積層に対して静止している態様をとることができる。一実施例において、保護シートは材料が圧縮されるのと同時に堆積層と接する。たとえば、保護シートは上記のウェッジエレメントの下に供給され得る。したがって、前ヒータは保護シートを介して堆積層と接する。積層された材料との粘着を避けるために、保護シートは好ましくは非接着特性を有する材料、たとえばＰＴＦＥ（ガラスファイバ強化ＰＴＦＥ）、純粋なシリコーン、シリコーン含浸紙、ポリイミドなどから好ましくは作成される。保護シートは感熱ヘッドおよび前ヒータの両方から熱を伝えるので、伝導による熱伝達を促進するために薄膜材を用いることができる。好ましくは、保護シートは優れた熱伝導性を有する材料からなる。
【００２５】
熱処理により３次元モデルを作成するためのプリンタにおいて保護カバーを使用することは、本発明の別の局面となり得る。この局面に従い、複数の断面層を順次堆積することにより、３次元モデルを作成するためのプリンタが提供される。プリンタは、材料ベッドと、材料ベッド上にグリーン材の層を堆積するための層堆積機構と、堆積層のグリーン材の選択可能領域を熱処理するための熱エネルギを発生するよう配置されている熱源と、熱処理の際選択可能な領域と接する、堆積層および熱源の間に配置される保護カバーと、熱処理の後、保護カバーを選択可能な領域から分離するためのセパレータと、堆積層と熱連通し、熱処理の後で、しかし保護カバーが選択可能な領域から分離される前に、堆積層の冷却を制御する温度規制エレメントとを備える。温度規制エレメントは、堆積層の冷却の制御を可能にし、熱処理された層のゆがみをできるだけ減らす点で分離処理を最適化する。温度規制エレメントは、セパレータ自体に組込むことができる。たとえば、ヒートシンクを組込む、またはその温度を独立して制御可能にして、保護シートにわたって冷却に適する温度勾配を与える。
【００２６】
本発明のこの局面の熱源は、感熱ヘッドに限定される必要はない。たとえば、移動可能な１つの熱源（たとえばレーザ）、または熱源のアレイもしくは複数の熱源を用いることができる。
【００２７】
保護シートはグリーン材および熱処理（変換）された材料と容易に分離可能（すなわち、接合に対して耐性を有する）熱伝導材からなり得る。
【００２８】
一実施例において、保護シートは使い捨て可能であってもよい。たとえば、保護シートは装置の一端において、ロールから供給することができる。シートは、感熱ヘッドが通過するごとに、少量移動（たとえば、１〜２ｍｍ）動くことにより、材料ベッドに対して移動して新しくする、または感熱ヘッドが通過するごとに全く新しいシートに替えられてもよい。
【００２９】
熱処理された材料がシートから除去されるのを促進するために、モデル化ソフトウェアは、従来の弱い領域について複数の断面層の各々を評価するよう配置することができ、それにより弱い領域を特定して、分離の際にこれら領域を支持するために、その断面層にアンカーエレメントを加えることができる。各アンカーエレメントは、アンカーポイントにおいて弱い領域に接続される熱処理された材料の別個の領域であり得る。ここでは、別個の領域は、アンカーエレメントがアンカーポイントにおける弱い領域にのみ接合されていることを意味する。すなわち、３次元モデルの他の部分には接続されていないことを意味する。弱い領域は、小さな物体の第１の層として特定することができる。たとえば、接続される下地層がないものとして特定することができる。好ましくは、弱い領域のアンカーエレメントは、材料ベッド上の感熱ヘッドの進行方向において弱い領域の前に位置づけられる。すなわち、アンカーエレメントは弱い領域の前に、保護シートから分離され得る。各弱い領域は、２つ以上のアンカーエレメントが接続され得る。たとえば、感熱ヘッドの進行方向において、弱い領域の前および後ろに位置づけられる。アンカーエレメントは、感熱ヘッドの進行方向に対して角度づけられているエッジを有するよう形づくられてもよい。このような態様で、断面層からの保護シートの分離が起こる線は、グリーン材と熱処理された材料との間の遷移線に沿って（すなわち平行に）配置されるのを防ぐ。この特徴により、分離が容易となる。アンカーエレメントは、３次元モデルが完成し、余剰のグリーン材が除去された後、切り離す（たとえば取り外すまたは切り取る）ことができる。アンカーポイントは、分離を容易にするために、モデルとの接触領域が小さいよう配置され得る。
【００３０】
プリンタは、材料ベッド上で移動するためのコンタクト部を含み得る。コンタクト部は、材料ベッド上の進行経路に沿って順次配置される、層堆積装置、圧縮エレメント、前ヒータ、感熱ヘッド、セパレータ、および後処理ヒータのうちの１つ以上またはすべてを含み得る。コンタクト部は保護シートを、たとえば前ヒータ、圧縮エレメント、および感熱ヘッドの下で、セパレータおよび（あれば）後処理ヒータへ向かって進む部分を有するループとして含み得る。しかし、上記のように、保護シートは別個のコンポーネントであり得る。この場合、コンタクト部は保護シートに相対して移動するよう配置される。コンタクト部はたとえばローラなどのシート受取部であって、シートを受取り、前ヒータと堆積層との間に供給するシート受取部を含み得る。シート受取部は、層堆積装置の一部として組込むことができる。
【００３１】
上記のように、コンタクト部はさらにセパレータ（ここでは、シート分離部ともいう）を含むことができる。一実施例において、保護シートは堆積層と接するようになると、均衡位置からはずれて張力を受けるようになる。シート分離部は、コンタクト部を離れると、すぐに均衡位置に戻るのを促すよう配置され得る。たとえば、シート分離部は、コンタクト部内にシャープな後縁と、シートをシャープなエッジにおいて堆積層から持ち上げるよう配置されている案内エレメント（たとえば、ローラなど）とを含み得る。他の分離技術を用いることもできる。たとえば、保護シートと熱処理された層との間にシャープなエッジをあてる、またはさらなる引っ張りを与えて保護シートを伸ばす、またはシートに超音波信号を与えることができる。上記のように、分離の後、保護シートは積層材と後処理ヒータとの間で案内される。
【００３２】
接触部は、材料ベッド上の進行経路に沿って、感熱ヘッドの後に配置される冷却エレメ
ント（たとえばヒートシンクなど）を含むことができる。冷却エレメントは、処理の後、熱処理された領域上を移動する。冷却エレメントの目的は、熱処理された領域を冷却し、セパレータによって保護シートから分離することができる十分な構造的整合性で固化するようにする。不所望な反りを防ぐために、冷却速度は速すぎてもいけない。冷却エレメントは温度規制体によって所望の速度で冷却するのに適する温度勾配を保護シートに与えるよう配置されている、独立的に制御可能な温度を有する。したがって、冷却エレメントは前ヒータおよび／または後処理ヒータの温度よりも所定の度数だけ低い温度で維持され得る。たとえば、冷却エレメントはグリーン材の融点より幾分、たとえば１０〜２０℃低い範囲の温度を有し得る。冷却エレメントはセパレータと統合されてもよい。
【００３３】
コンタクト部は本発明の独立した局面となり得る。たとえば、材料ベッド上に移動可能に取付けるのに適する印刷アセンブリであって、３次元モデルを作成するためのプリンタをもたらす。
【００３４】
プリンタは２つ以上の感熱ヘッドを有し得る。たとえば、コンタクト部は堆積層上の進行方向に沿って直列に配置される複数の感熱ヘッド、またはより広い領域を掃引するために、直線で互いに隣接する複数の感熱ヘッドを含み得る。
【００３５】
一実施例において、コンタクト部は可逆的であり得る。すなわち、材料ベッドの両方向において材料の積層および印刷を行なうことができる。このような配置は、全体の印刷動作がより速くなるから、および２方向の印刷は材料ベッドにわたって一致した温度プロファイルの維持を促進するから、望ましい。
【００３６】
可逆的コンタクト部は、前ヒータおよび後処理ヒータの役割を入れ替えることにより、コンタクト部の対向する側に１対の層堆積機構を有することにより、各々が必要に応じて動作をスイッチインおよびアウトされる（たとえば、広がりブレードを上下する）ことにより、ならびに圧縮エレメント、セパレータおよび冷却エレメントの機能を１つの二重機能コンポーネントとして、一方が感熱ヘッドの片側に設けられることにより、提供し得る。二重機能コンポーネントは、材料ベッドを延在し、その長さに沿った軸を中心として回転可能である細長い部材を有して、圧縮面または分離／冷却面を、所望の機能に従い堆積層と接触させる。細長い部材はＬ字型の断面を有し、Ｌ字の各脚は圧縮面および分離／冷却面の一方をもたらす。
【００３７】
代替的にまたは付加的に、材料ベッドはコンタクト部の移動方向に対して回転するよう配置され得る。この配置により、２方向印刷（または４方向印刷、さらにはオムニ方向印刷）を可能にしながら、コンタクト部が１方向の構成を維持できるようにする。
【００３８】
本発明の別の局面は、上記のプリンタを用いて３次元モデルを作成する方法を含む。コンタクト部であって、たとえば層堆積機構および感熱ヘッドを統合部として、必要に応じて前ヒータ、圧縮エレメント、セパレータおよび後処理ヒータを１つ以上含むコンタクト部は、本発明のさらに独立した局面となり得る。
【００３９】
本発明のさらに独立した局面は、積層材と接するカバーを用いることにより、積層材の温度を制御するための装置および方法に関する。積層材の温度を、伝導により規制するための、独立して制御可能な温度となる。本発明の局面に従い、複数の断面層を順次堆積することにより、３次元モデルを作成するためのプリンタが提供される。プリンタは、材料ベッドと、材料ベッド上にグリーン材の層を堆積するための層堆積機構と、堆積層におけるグリーン材の選択可能な領域を熱処理するための熱エネルギを発生するよう配置されている熱源と、堆積層と接し、積層材の温度を規制するために独立して制御可能な温度を有するカバーとを含む。カバーは、上記の前ヒータおよび後処理ヒータを含み得る。カバー
は、保護シートを介して積層材と接し得る。たとえば、一実施例において、カバーは２つの独立した加熱可能プレートを含むことができ、プレートは感熱ヘッドの各側に、積層材の上を実質的に被覆するよう配置されている。本発明のこの局面は、材料ベッドの温度勾配をできるだけ小さくすることを可能にし、これはもたらされるモデルのゆがみを減少させる。この配置は、プリンタが存在する全体の環境について温度制御を設けるよりも実用的であり得る。
【００４０】
本発明の詳細な実施例は、添付の図面を参照して以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例である、３次元プリンタの概略斜視図である。
【図２】本発明の別の実施例で使用するのに適する、保護シート分離機構の断面図である。
【図３】本発明の別の実施例で使用する、保護シート供給機構であって、傾斜ブレードがグリーン材を広げる、断面図である。
【図４】本発明の別の実施例で使用する、反復スタンパを有する層堆積装置の断面図である。
【図５】グリーン材が変換される領域を示す、断面層の概略図である。
【図６】本発明の別の実施例である、３次元プリンタの概略斜視図である。
【図７】本発明のさらに別の実施例である、可逆的印刷機構を有する３次元プリンタの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
詳細な説明；さらなるオプションおよび好ましい例
以下で説明する実施例において、従来の感熱プリントヘッドが使用される。このようなプリントヘッドは、感熱印刷用紙を使用するプリンタにおいて既知である。これらのプリンタはレシートを印刷するのに典型的に用いられ、古いファックスマシンで用いられる初期のプリンタ型であると知られている。たとえば、感熱プリントヘッドは、京セラのコーナーエッジモデルＫＣＥ−１０７−１２ＰＡＴ２またはロームのニアエッジモデルＳＨ２００４−ＤＣ７０Ａであり得る。これら感熱プリントヘッドの動作原理は同じである。一連の近接電気抵抗が個々にオンオフ切換でき、印刷が起こる面に最も近い感熱ヘッドのエッジに位置づけられる。電気抵抗に電流を与えることにより、抵抗が熱せられる。通常の用紙印刷の構成では、個々の加熱エレメントからの熱が感熱紙に伝えられ、加熱された特定領域が黒くなる。プリントヘッドに対して感熱紙を移動させ、個々の電気抵抗を選択的に活性化することにより、用紙に所望なパターンを印刷することができる。
【００４３】
上記のように、個々の加熱エレメントの選択的活性化は、ＣＡＤモデルデータの従来の操作を用いて定められる。既知の層単位のラピッドプロトタイピングマシンは、同じデータ処理技術を用いて、３次元モデルデータから断面を構成する。構成された断面は、上記のように感熱プリントヘッドによって印刷可能である２次元画像を表わす。一実施例において、ＣＡＤモデルデータはＳＴＬフォーマットに変換され、これはいくつかの断面に切断され、各断面はプリンタの堆積層厚さに等しく設定された厚さを有する。データ処理技術は当業者にとって周知であるので、ここでは詳細には説明されない。
【００４４】
図１は本発明の一実施例である完全なプリンタ１００を示す。プリンタ１００は線形移動機構（図示されていない）を介して、材料ベッド１０２に対して移動可能であるいくつかのコンポーネント（以下で説明）からなるコンタクト部１０４を含む。材料ベッド１０２は、複数の堆積層として、図１に示される。実際には、積層材を含むために、直立した側壁を有するトレイまたは槽であり得る。線形移動機構は従来のもの、たとえばラックおよびピニオン装置、または線形アクチュエータなどであり得る。
【００４５】
一実施例において、材料ベッドには弾性壁が形成されて、材料ベッドの端で起こり得るグリーン材の蓄積を防ぐ。弾性壁はシリコーンのようなクローズドセル弾性材からなり得る。傾斜ブレードが、材料ベッドの縁の上を進むと、壁は屈曲して過度の積層および／または圧縮を防ぐ。
【００４６】
コンタクト部１０４は感熱ヘッド１（上記の従来の感熱プリントヘッド）を含み、感熱ヘッド１はそのエッジ２に沿って配置される選択的に活性可能な加熱エレメントのアレイ（たとえば複数）を有する。感熱ヘッド１は材料ベッド１０２上に配置され、エッジ２はベッド上に配置され、感熱ヘッド１が線形移動機構によって矢印１５の方向に動かされると、ベッド上のある領域を掃引する。
【００４７】
本実施例において、コンタクト部１０４のコンポーネントは、１方向に動作するよう配置されているが、本発明は可逆的コンタクト部を用いて実施することもできる。たとえば、感熱ヘッドの両側に、以下に記載するコンポーネントの組を二重に有する。可逆的配置の一例は、図７において説明される。
【００４８】
コンタクト部１０４は層堆積装置の一部として働く傾斜ブレード４を含み、ブレード４はグリーン材６のかたまり（本実施例では、細かい粒子（たとえば、平均粒径が５０〜１５０μｍ）のポリアミド粉末であるが、超高分子量のポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）もしくは高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）またはたとえばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）のような他の適する材料である）を、矢印１５の方向に押されるにつれ層７に押し広げる。本実施例において、グリーン材６のかたまりは、コンタクト部１０４の前部において、既に堆積された層５上に盛られている。
【００４９】
コンタクト部１０４は、傾斜ブレード４の後ろに位置づけられる回転可能なドラム１４を含む。回転ドラム１４は２つの機能を行ない得る。第１に、積層されたグリーン材の熱伝導性および機械的安定性を促進するために、層７を圧粉（たとえば圧縮）することによって層堆積装置の一部として働く。第２に、保護シート供給機構として働き、保護シート３は感熱ヘッド１の活性エッジ２の下で堆積層７と接する。こうして、感熱ヘッド１は熱処理の際、積み上げられる材料と直接接触することが免れる。他のものも圧縮機能を果たし得る。たとえば、傾斜板を配置して、グリーン材の堆積層に下向きの圧力を加えることができる。この場合、保護シートを層に与える前に、圧縮を行なうことができる。たとえば、コンタクト部と物理的に分けられている機構によって行なうことができる。しかし、傾斜板は、グリーン材（たとえば粉末）が広げられた後、圧縮および保護シート供給機能の両方を行ない得る。板の傾斜角度は、適切な圧縮を達成するために適切に選択できる。傾斜は好ましくは緩い。すなわち、ブレードの初めから終わりまでの高さの変化は、ブレードの長さに対して小さい。この配置の一例は、図６に示される。
【００５０】
図３および図４は、別の種類の堆積層保護シート供給機構の例を示す。図３において、コンタクト部は広がりエレメント３５を含み、広がりエレメント３５は実質的に圧縮されていないグリーン材６の層を均一に広げる。広がりエレメント３５の後には圧縮プレート３４があり、圧縮プレート３４はグリーン材６を圧縮するための傾斜している下面を有する。本実施例において、圧縮プレート３４は保護シート３の供給機構としても働く。ここでは圧縮プレート３４の前端部は丸められて、保護シート３がプレート３４を円滑に摺動するよう促進する。圧縮により、層の厚さがａからｂに減少する。圧縮比はａ：ｂとして規定できる。一実施例において、圧縮比は約２：１であり得るが、５：１ほどにもなり得る。圧縮された層厚さｂは０．１ｍｍであり得る。圧縮プレート３４および広がりエレメント３５は、後で図６を参照して記載されるよう、前ヒータとしても働き得る。
【００５１】
図４は、広げる、圧縮、および保護シート供給が３つの別個の位置で行なわれるステップの配置を示す。この例では、グリーン材は広がりエレメント３６によって均一に広げられ、次にスタンプ機構３８によって圧縮される。本実施例において、スタンプ機構３８はコンタクト部の一部をなし、コンタクト部とともに移動する。スタンプ機構３８は平坦なプレート４０を含み、平坦なプレート４０は矢印４２によって示される方向に、材料ベッドに対して近づくおよび離れることを繰返すよう配置されている。この反復運動の頻度は、コンタクト部が材料ベッド上を移動する速度を基準として選択され、ブレードによって圧縮されていない材料すべては少なくとも１回スタンプ機構３８によって押さえつけられる。別の実施例において、スタンピング機構は保護シート３が供給された後に設けられてもよい。さらに別の実施例において、層の堆積および圧縮工程は、感熱ヘッド１が材料ベッド上を移動する前に行なわれてもよい。この場合、材料ベッドの全表面を同時に圧縮するための大きなプレートを用いることができる。ここでも、広がりエレメント３６および平坦プレート４０は前ヒータとして用いることができる。
【００５２】
本実施例において、保護シートは、厚さが約０．０８ｍｍである、ガラスファイバ強化ＰＴＦＥの熱伝導シートである。この材料は適切な熱的特性および帯電防止特性を有し、熱処理を行ないながらも熱処理された材料が接着するのを防ぐまたは容易な除去を可能にする。
【００５３】
図１に戻って、コンタクト部１０４は保護シート３を熱処理された層８から、特に熱作用により変換された材料９から引き離すためのシート分離部を有する。本実施例において、シート分離部は、保護シート３が材料ベッド１０２から離れる経路を辿るよう配置されているローラ２０、およびコンタクト部１０４の後縁コンポーネント１３上にシャープなバックエッジを有し、これにより方向を迅速に変えることができる。バックエッジおよびローラは、感熱ヘッド１とともに、矢印１５の方向に移動するのに対して、保護シート３の移動は、以下で説明するように制限されている。したがって、保護シート３とバックエッジとの相対的移動により、保護シート３が熱処理層８から引き離され、それにより変換材９から分離される。ナイフ状エレメント（図示されていない）も、コンタクト部１０４の進行方向に導入することができ、変換（たとえば硬化）材９を保護シート３から分離する。これは、シャープなバックエッジ１３に付加的に、または単独の分離装置として行なうことができる。ナイフ状エレメントは、シートが硬化材から迅速に取り除かれる分離点にできるだけ近く位置づけられるシャープなエッジを有し得る。エッジがコンタクト部とともに動くと、分離を支援する。ナイフ状エレメントは他の実施例、たとえば図２を参照して以下で記載されるもののように、または感熱ヘッドのバックエッジが分離点である配置に設けることができる。
【００５４】
図１において、保護シート３は材料ベッド１０２上に取付けられ、ローラ１４、１６および２０ならびに後縁コンポーネント１３のシャープなバックエッジによって、堆積層７と接する均衡位置から屈曲させられる。保護シートの一方端部は、材料ベッド１０２に対して静止しているスタンド１９に固定される。反対端部は１つ以上の弾力のある部材（たとえばばね）１７を介して、材料ベッド１０２に対して固定されているスタンド１８に接続される。ローラ１４、１６および２０ならびに後縁コンポーネント１３によって均衡位置から逸れることにより、保護シート３は弾性部材１７によって規制されて引っ張られる。別の実施例において、弾性部材を省略することができるよう、保護シート自体が十分な弾性を発揮し得る。たとえば、図６参照。保護シート３は、コンタクト部上のループとしても取付けることができる。
【００５５】
動作において、感熱ヘッド１は、材料ベッド１０２に対して矢印１５の方向に動かされる。感熱ヘッド１、３つのローラ１４、１６および２０、傾斜ブレード４、およびバックエッジはすべて一体的に動き、コンタクト部をなす。
【００５６】
堆積層上の移動の際、加熱エレメントは所望の間隔でオンオフされて、保護シート３を通して熱を伝導し、グリーン材の層を熱処理する。上記のように、熱処理はグリーン材を成形可能な状態から固定した状態に変換するすべての方法を指す。たとえば、熱処理はグリーン材をモデルの所望の断面９に融解することを含み得る。加熱は加熱処理された層の融解材を下の層の既に融解された材料と結合するのに十分であり、連続する断面領域が互いに装着される。
【００５７】
処理のスピードを上げ、構成されたモデルの熱的張力を減少させるために、コンタクト部１０４は前ヒータ１０を含むことができ、感熱ヘッド１の前に、熱が保護シート３を通して伝達される。本実施例において、前ヒータ１０は感熱ヘッド１のすぐ前に配置される。前ヒータ１０は堆積層７を保護シート３の全幅にわたって加熱するよう配置されているので、所望の断面領域を融解するのに必要な感熱ヘッド１からのエネルギ量が少なくなる。こうして、前ヒータ１０は堆積層をグリーン材の融点より低い、たとえば融点より５℃または１０℃低い温度に加熱する。
【００５８】
変換された材料９からの保護シート３の分離を促進するために、ヒートシンク１１が感熱ヘッド１のすぐ後で、コンタクト部上に設けられる。ヒートシンク１１は熱処理された材料を冷却して、保護シート３から分離するのに適する固化状態にする。ヒートシンク１１は温度制御（すなわち加熱可能）エレメントであって、所望の（すなわち制御可能）な速度で冷却を促す、保護シート３にわたる温度勾配を維持するよう、温度が制御されている。
【００５９】
コンタクト部１０４および材料ベッド１０２の相対的高さは調節可能であり、上記の処理について次に続く層が前に処理された層の上に堆積されて、所望の３次元モデルが構成されるまで層単位に繰返される。一実施例において、コンタクト部１０４に対して材料ベッド１０２を下げる（たとえば、層の厚さ）によって達成できる。
【００６０】
図２は、保護シート３を熱処理された材料８から分離するための別の機構を示す。図１において共通のコンポーネントには同じ参照符号がつけられており、説明は繰返されない。
【００６１】
図２に示される配置において、保護シート３は第１の分離位置において熱処理された材料９と接するようループバックされて、熱処理された材料９を支持する。ループバック部分は、分離が行なわれる際に熱処理された材料を押さえつける働きをする。したがって、この配置において、シート分離処理は２つの段階を含み、それぞれ第１および第２の分離位置で行なわれる。第１の分離位置は、第１のセパレータブロック２４のシャープなバックエッジ２２にあり、これは上記のコンタクト部１０４の一体的部分であり得る。ここで、「シャープなエッジ」は、分離に適切な鋭さおよび保護シートへの損傷を防ぎかつシートの引っ張りに対する抵抗を減少させる折り合いをもたらす、０．５ｍｍの半径を有するはす縁を意味し得る。
【００６２】
保護シート３は第１のセパレータブロック２４の下を通り、セパレータローラ２６の作用のもとでバックエッジ２２から急激に引き上げられ、コンタクト部１０４とともに動くが、自由に回転して保護シート３がコンタクト部１０４に対して動くことができるようにする。したがって、保護シート３は第１の分離位置において、熱処理された材料から分離される（すなわち、結合が外される）。
【００６３】
保護シート３の分離により、熱処理された材料９が層から引き離されないようにするために、コンタクト部１０４は第２のセパレータブロック２８を含み、セパレータブロック
２８の前縁３０は第１の分離位置と近接する。保護シート３は前縁３０を介して、第２のセパレータブロック２８の下でセパレータローラ２６を通過する。こうして、保護シート３の後ろの部分は分離されつつ、保護シート３の前の部分は熱処理された材料９を押さえるために使用できる。この配置の１つの利点は、熱処理された材料は接着に対して耐性を有するとわかっている材料によって押さえつけられることである。
【００６４】
第２のセパレータブロック２８はバックエッジ３２を含み、そこから保護シート３はローラ２０の作用により、熱処理された材料から引き離される。
【００６５】
図５は、ソフトウェアによって特定される、断面層４４の概略平面図である。層４４は、材料ベッド１０２の熱処理可能な領域に対応する。便宜上、感熱ヘッド１の移動方向を示す矢印１５が示される。ソフトウェアは、３次元モデリングデータ（たとえばＣＡＤデータ）を処理するよう配置されて、モデル用の断面形状４６ａ、４６ｂおよび４６ｃを特定する。この例では、断面形状４６ｃの１つが新しいフィーチャの始まりである。これは相対的に小さく、その層の下には融合するべき変換材はない。ソフトウェアはこのようなフィーチャを特定するよう配置され得る。たとえば、サイズのしきい値および／または下の層の変換材に関連して特定できる。保護シートが小さい形状４６ｃから分離されることを促進するために、ソフトウェアはアンカーエレメント４８が小さい形状４６ｃとともに形成されるよう配置されている。これらの形状は変換領域の大きさを増大させ、それによりきれいな分離を助ける。アンカーエレメント４８は、モデルが完成すると外すことができる。
【００６６】
図６は本発明に従うプリンタ１０６の好ましい実施例を示す。上記の実施例で共通する特徴には同じ参照符号がつけられ、説明は繰返されない。本実施例において、保護シート３は１対のクランプ５０の間に固定される。１対の加熱プレート５２および５８は、移動可能なコンタクト部１０４のそれぞれの端部に設けられる。加熱プレート５２および５８は保護シート３を介して材料ベッド１０２と接し、その温度は規制されて、構成中のモデルの反りを防ぐために、材料ベッドを実質的に均一な温度に維持する。明瞭にするために、加熱プレートおよび保護シートの全長さは、図面において短くされている。実際には、加熱プレートは材料ベッドの長さと同じぐらい長く、保護シートはコンタクト部が材料ベッドの一方側から他方側に移動する全移動に対応する長さを有する。材料ベッド１０２の壁およびベースは、ヒータまたは絶縁プレートを組込んで、ベッドでの温度勾配を減少させる助けをする。
【００６７】
本実施例において、３つのローラ６０、６２および６４は保護シート３を材料ベッド１０２から持ち上げて、（本例では直立している）広がりブレード４上を通過させて材料６を分布させ、材料ベッド１０２に戻して圧縮エレメント５４によって再度堆積層と接せられる。本実施例において、圧縮エレメント５４は、図３に示される配置と同様に傾斜面を有する。圧縮エレメント５４はさらにヒータを組込み、上記の前ヒータ１０と同じ機能を果たす。
【００６８】
感熱ヘッド１のすぐ後（好ましくは、保護シートの周りの環境への露出を最小にするために十分に近く）、コンタクト部は冷却エレメント５６を含む。冷却エレメント５６は温度制御部材であって、熱処理された材料の融点よりも低く保たれて、保護シート３の分離に適するレベルへの固化を容易にする。本実施例において、冷却エレメント５６は、シャープな後縁５７と保護シート３を材料ベッド１０２から引き離すためのローラ６６とを有することにより、セパレータを含むことになる。図２に示される配置のように、保護シート３は分離のすぐ後、再度堆積層と接するように引き戻される。この場合、保護シートは後処理ヒータ５８の下を通り、再度分離されない。これにより、全体としての堆積層およびそれゆえ材料ベッド１０２の温度制御を容易にする。
【００６９】
図７は本発明の別の実施例であるプリンタ１０８の断面図である。本実施例において、コンタクト部は可逆的である。すなわち、矢印１５および２５によって示される反対方向に印刷することができる。図７において、コンタクト部は矢印１５の方向に印刷するよう構成されている、すなわち紙面にわたって右から左側に印刷が行なわれる。図６の共通の特徴は同じ参照符号がつけられ、印刷方向に応じて二重の機能を有する特徴は、該当する参照番号がつけられている。
【００７０】
したがって、可動コンタクト部の各端部に設けられる１対の加熱プレート５２／５８は、印刷方向に応じて前または後処理の加熱を行なう。本実施例では、対をなす広がりブレード４が感熱ヘッド１の両側に設けられ、各ブレードはローラ６２／６６と連動して設けられ、保護シートを材料ベッド１０２から引き離すよう働く。各広がりブレードは材料ベッドに対して移動可能であり、流動可能なグリーン材を広げるための動作配置となんの機能も行なわない非動作配置との間で動く。各ローラ６２／６６も可動でありうる。すなわち、動作配置の場合に保護シート３をブレード４の周りに送る第１の位置と、保護シート３をセパレータから引き離す第２の位置との間で動く。図７に示される各ローラ６２／６６と同じように機能する２つ以上のローラを用いることもできる。
【００７１】
圧縮エレメント、前ヒータ、セパレータおよび冷却エレメントの機能は、１対の切換え可能二重機能部材７０によって与えられ、この部材は感熱ヘッド１の両側に１つずつ配置される。各二重機能部材７０は回転軸７１を中心として連結されて、それぞれ熱処理の前または後で、圧縮部７４または冷却部７２を保護シート３を介して堆積層７６と接触させる。
【００７２】
圧縮部７４は、図３に示される配置と類似した斜面を有し、上記の前ヒータ１０と同じ機能を果たすためのヒータを組込んでいる。冷却部７２は熱処理された材料の融点よりも相対的に低く保たれる温度制御部材を含み、保護シート３の分離に適するレベルへの固化を促し、さらにシャープな後縁７５を有することによってセパレータを含むことになる。
【図１】
0005951054.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005951054.tif 000007
【図７】
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