(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元部品を印刷するためのアディティブマニュファクチュアリングシステムであって、
画像化エンジンから熱可塑性ベース粉末の画像化された層を受取り転写するように構成される転写媒体と、
前記転写媒体上の前記画像化された層を、少なくとも前記熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱するように構成される加熱器と、
ビルドプラットフォームを備える層溶融転写組立体であって、前記３次元部品を印刷するために、前記加熱された層を前記ビルドプラットフォーム上に層ごとの態様で溶融転写するように構成される、層溶融転写組立体と、
前記層溶融転写組立体の下流側に配置された冷却ユニットであって、前記印刷された３次元部品を、前記３次元部品の変形温度未満であるほぼ平均部品温度に保つために、前記溶融転写された層を積極的に冷却するように構成される冷却ユニットと、を備えるアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項２】
前記画像化エンジンは、電子写真エンジンを備え、アディティブマニュファクチュアリングシステムは、前記熱可塑性ベース粉末から前記画像化された層を現像するように構成される前記電子写真エンジンをさらに備える請求項１に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項３】
前記層溶融転写組立体は、前記印刷された３次元部品の直前に転写された層に前記加熱された層を溶融転写するように構成される加熱可能押圧板を備える請求項１に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項４】
前記転写媒体は複層ベルトを備える請求項１に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項５】
往復式矩形パターンで前記ビルドプラットフォームを移動させるように構成される少なくとも１つのガントリをさらに備える請求項１に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項６】
前記転写媒体は、回転可能転写媒体を備え、前記往復式矩形パターンは、前記回転可能転写媒体と同期したレートと方向での前記ビルドプラットフォームの移動を含む請求項５に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項７】
前記層溶融転写組立体は、前記転写媒体の後側に配設された加熱可能ローラをさらに備える請求項１に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項８】
前記加熱可能ローラは、溶融ローラを備え、前記層溶融転写組立体は、
前記転写媒体の後側で、前記転写媒体の移動方向に前記溶融ローラから下流に配設された離脱ローラと、
前記溶融ローラと前記離脱ローラとの間で前記転写媒体を冷却するように構成される第２の冷却ユニットとをさらに備える請求項７に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項９】
前記溶融ローラは、少なくとも前記熱可塑性ベース粉末の前記溶融温度まで加熱されるように構成される請求項８に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項１０】
３次元部品を印刷するためのアディティブマニュファクチュアリングシステムであって、
熱可塑性ベース粉末熱可塑性材料の画像化された層を現像するように構成される画像化エンジンと、
ビルドプラットフォームと、
前記画像化エンジンから前記画像化された層を受取り、前記画像化された層を前記ビルドプラットフォームに転写するように構成される回転可能ベルトと、
前記回転可能ベルトの回転方向に基づいて、前記ビルドプラットフォームに対して上流に配置された加熱器であって、前記回転可能ベルト上の前記画像化された層を少なくとも溶融温度まで加熱するように構成される、加熱器と、
前記ビルドプラットフォーム上に保持される前記３次元部品の直前に溶融転写された層上に前記加熱された層を溶融転写するように構成される加熱可能ローラと、
前記回転可能ベルトの回転方向に基づいて、前記加熱可能ローラから下流に配置された冷却ユニットとを備えるアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項１１】
前記回転可能ベルトは複層ベルトを備える請求項１０に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項１２】
往復式矩形パターンで前記ビルドプラットフォームを移動させるように構成される少なくとも１つのガントリをさらに備える請求項１０に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項１３】
前記加熱可能ローラは溶融ローラを備え、アディティブマニュファクチュアリングシステムは、前記冷却ユニットから下流に配設された離脱ローラをさらに備える請求項１０に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項１４】
前記印刷された３次元部品を、前記３次元部品の変形温度未満であるほぼ平均部品温度に保つために、前記溶融転写された層を積極的に冷却するように構成される第２の冷却ユニットをさらに備える請求項１３に記載のアディティブマニュファクチュアリングシステム。
【請求項１５】
アディティブマニュファクチュアリングシステムによって３次元部品を印刷するための方法であって、
熱可塑性ベース粉末から前記３次元部品の層を画像化すること、
前記画像化された層を転写媒体に転写すること、
前記画像化された層が前記転写媒体上に保持されている間に、前記画像化された層を加熱すること、
前記加熱された層を前記３次元部品の直前に転写された層に溶融転写すること、
前記溶融転写された層を前記転写媒体から離脱させることであって、それにより、前記溶融転写された層は、前記３次元部品に固着したままになる、離脱させること、および、
前記印刷された３次元部品を、一以上の冷却ユニットを用いて前記三次元部品の印刷を行っている間、前記３次元部品の変形温度未満であるほぼ平均部品温度に保つために、前記溶融転写された層を冷却することを含む方法。
【請求項１６】
前記加熱された層を前記３次元部品の表面に溶融転写することは、前記３次元部品がその上に印刷される可動ビルドプラットフォームによって前記転写媒体と前記加熱された層を押圧することを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記３次元部品がその上に印刷される前記可動ビルドプラットフォームによって前記転写媒体と前記加熱された層を押圧することは、前記可動ビルドプラットフォームと加熱されたローラとの間で前記加熱された層を押圧することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記加熱された層を転写した後でかつ前記溶融転写された層を離脱する前に、前記転写媒体を冷却することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
往復式矩形パターンで移動可能な前記ビルドプラットフォームを移動させることをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱可塑性ベース粉末から前記３次元部品の層を画像化することは、電子写真エンジンによって前記熱可塑性ベース粉末から前記層を現像することを含む請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景
本開示は、３次元（３Ｄ）部品および支持構造を構築するためのアディティブマニュファクチュアリングシステムに関する。特に、本発明は、電子写真などの画像化プロセスを使用して３Ｄ部品および支持構造を構築するためのアディティブマニュファクチュアリングシステムおよび方法に関する。
【０００２】
アディティブマニュファクチュアリングシステムは、１つまたはそれ以上のアディティブマニュファクチュアリング技法を使用して３Ｄ部品のデジタル表現（たとえば、ＳＴＬフォーマットファイル）から３Ｄ部品を構築するために使用される。市販のアディティブマニュファクチュアリング技法の例は、押出しベース技法、インクジェット吐出プロセス、選択的レーザ焼結プロセス、粉末／結合剤噴射プロセス、電子ビーム溶解プロセス、および光造形プロセスを含む。これらの技法のそれぞれについて、３Ｄ部品のデジタル表現が、最初に、複数の水平層にスライスされる。スライスされた各層について、ツール経路がその後、生成され、特定のアディティブマニュファクチュアリングシステムが所与の層を形成するための指示を与える。
【０００３】
たとえば、押出しベースアディティブマニュファクチュアリングシステムでは、３Ｄ部品またはモデルを、流動性部品材料を押出すことによって、３Ｄ部品のデジタル表現から層ごとの態様で印刷することができる。部品材料は、システムのプリントヘッドによって搬送される押出し先端を通して押出され、基材上のロードのシーケンスとしてｘ−ｙ平面上で堆積される。押出された部品材料は、直前に堆積した部品材料に融着し、温度の降下によって凝固する。基材に対するプリントヘッドの位置は、その後、ｚ軸（ｘ−ｙ平面に垂直）に沿って増分され、プロセスは、その後、デジタル表現に対応した３Ｄ部品を形成するために繰返される。
【０００４】
部品材料の層を堆積させることによって３Ｄ部品を作製するとき、支持層または構造は、通常、構築中の物体（部品材料自体によって支持されない）のオーバハング部分の下にまたはその物体のキャビティ内に構築される。支持構造を、部品材料がそれによって堆積される同じ堆積技法を利用して構築することができる。ホストコンピュータは、形成される３Ｄ部品のオーバハングまたは自由空間セグメントのための支持構造として働くさらなる幾何形状を生成する。支持材料は、その後、印刷プロセス中に、生成される幾何形状に従って第２のノズルから堆積される。支持材料は、作製中にモデリング材料に固着し、印刷プロセスが終了したときに完成した３Ｄ部品から除去される。
【０００５】
２次元（２Ｄ）印刷では、電子写真（すなわち、ゼログラフィ）は、印刷用紙などの平坦基材上に２Ｄ画像を生成するための一般的な技術である。電子写真システムは、光導電性材料層をコーティングされた導電性支持ドラムを含み、静電潜像が、光源によって光導電性層を帯電させ、次に、画像の通りに露光することによって形成される。静電潜像は、その後、現像ステーションに移動され、トナーが、光導電性絶縁体のトナーチャージエリアに塗布されて、可視画像を形成する。形成されたトナー画像は、その後、基材（たとえば、印刷用紙）に転写され、熱または圧力によって基材に固着される。
概要
本発明の開示の態様は、３Ｄ部品を印刷するためのアディティブマニュファクチュアリングシステムに向けられている。アディティブマニュファクチュアリングシステムは、画像化エンジンから熱可塑性ベース粉末の画像化された層を受取り転写するように構成される転写媒体と、転写媒体上の画像化された層を、少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱するように構成される加熱器とを含む。システムまた、ビルドプラットフォームを備える層溶融転写組立体であって、３次元部品を印刷するために、加熱された層をビルドプラットフォーム上に層ごとの態様で溶融転写するように構成される、層溶融転写組立体を含む。システムは、印刷された３Ｄ部品を、３Ｄ部品の変形温度未満であるほぼ平均部品温度に保つために、溶融転写された層を積極的に冷却するように構成される冷却ユニットをさらに含む。
【０００６】
本発明の開示の別の態様は、３Ｄ部品を印刷するためのアディティブマニュファクチュアリングシステムに向けられており、アディティブマニュファクチュアリングシステムは、電子写真エンジンから熱可塑性ベース粉末の現像された層を受取るように構成される回転可能ベルトと、回転可能ベルト上の現像された層を熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱するように構成される加熱器とを含む。システムはまた、溶融転写要素およびビルドプラットフォームを含み、ビルドプラットフォームは、ビルドプラットフォーム上に３Ｄ部品を印刷するために、加熱された層を溶融転写要素によって層ごとの態様で溶融転写するように構成される。システムは、印刷された３Ｄ部品を、３Ｄ部品の変形温度未満であるほぼ平均部品温度に保つために、溶融転写された層を積極的に冷却するように構成される冷却ユニットをさらに備える。
【０００７】
本発明の開示の別の態様は、アディティブマニュファクチュアリングシステムによって３Ｄ部品を印刷するための方法に向けられている。この方法は、熱可塑性ベース粉末から３Ｄ部品の層を画像化すること、画像化された層を転写媒体に転写すること、画像化された層が転写媒体上に保持されている間に、画像化された層を過熱することを含む。方法はまた、加熱された層を３Ｄ部品の表面に溶融転写すること、溶融転写された層を転写媒体から離脱させることであって、それにより、溶融転写された層は、３Ｄ部品に固着したままになるよう離脱させること、および、印刷された３Ｄ部品を、３Ｄ部品の変形温度未満であるほぼ平均部品温度に保つために、溶融転写された層を冷却することを含む。
【０００８】
いくつかの実施形態では、アディティブマニュファクチュアリングシステムは、３Ｄ部品の受動的熱拡散速度より速い速度で層を印刷するかまたはその他の方法で生成するように構成される。
【０００９】
定義
別途指定されない限り、本明細書で使用される以下の用語は、以下で規定される意味を有する。
【００１０】
用語「溶融転写（ｔｒａｎｓｆｕｓｉｏｎ）」、「溶融転写する（ｔｒａｎｓｆｕｓｅ）」、「溶融転写すること（ｔｒａｎｓｆｕｓｉｎｇ）」、および同様なものは、熱および圧力による層の固着を指し、層のポリマー分子が少なくとも部分的に相互拡散する。
【００１１】
用語「溶融転写圧力（ｔｒａｎｓｆｕｓｉｏｎ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）」は、３Ｄ部品の層を共に溶融転写するときなど、溶融転写ステップ中に印加される圧力を指す。
３Ｄ部品の用語「変形温度（ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」は、３Ｄ部品が十分に軟化する温度を指し、後続の溶融転写ステップ中など、その後印加される溶融転写圧力が３Ｄ部品の構造的完全性に打勝ち、それにより、３Ｄ部品を変形させる。
【００１２】
別途指定されない限り、本明細書で参照される温度は、大気圧（すなわち、一気圧）に基づく。
「の上（ａｂｏｖｅ）」、「の下（ｂｅｌｏｗ）」、「の上部（ｔｏｐ）」、「の底部（ｂｏｔｔｏｍ）」などの指向性配向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）は、３Ｄ部品の印刷軸に沿う方向を参照して行われる。印刷軸が垂直なｚ軸である実施形態では、層印刷方向は、垂直なｚ軸に沿って上方向である。これらの実施形態では、用語「の上」、「の下」、「の上部」、「の底部」などは、垂直なｚ軸に基づく。しかし、３Ｄ部品の層が異なる軸に沿って印刷される実施形態では、用語「の上」、「の下」、「の上部」、「の底部」などは、所与の軸を基準にする。
【００１３】
「材料を提供する（ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  ａ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」などの用語「提供する（ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ）」は、提供されるアイテムの任意の特定の供給または受取りを必要とすることを意図されない。むしろ、用語「提供する」は、明確にしかつ読み易くするために、特許請求項（複数可）の後続の要素において参照されることになるアイテムを挙げるために使用されるだけである。
【００１４】
用語「ほぼ（ａｂｏｕｔ）」および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、当業者に知られている予想される変動のために、測定可能な値および範囲に関して本明細書で使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】押圧板を有する層溶融転写組立体を有する本開示の電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの概略図である。
【図２】エアナイフ配置構成を示す、加熱された層を受取るビルドプラットフォームの平面図である。
【図３】積極的に冷却して印刷される３Ｄ部品用のプロットラインおよび積極的に冷却せずに印刷される３Ｄ部品用のプロットラインを示す、３Ｄ部品用の印刷される層の数対平均部品温度のグラフである。
【図４Ａ】本開示の層転写技法を示す、層溶融転写組立体の拡大図である。
【図４Ｂ】本開示の層転写技法を示す、層溶融転写組立体の拡大図である。
【図４Ｃ】本開示の層転写技法を示す、層溶融転写組立体の拡大図である。
【図４Ｄ】本開示の層転写技法を示す、層溶融転写組立体の拡大図である。
【図５Ａ】ニップローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図５Ｂ】ニップローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図５Ｃ】ニップローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図５Ｄ】ニップローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図５Ｅ】ニップローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図６Ａ】別個の溶融転写ローラおよび離脱ローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図６Ｂ】別個の溶融転写ローラおよび離脱ローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図６Ｃ】別個の溶融転写ローラおよび離脱ローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図６Ｄ】別個の溶融転写ローラおよび離脱ローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図６Ｅ】別個の溶融転写ローラおよび離脱ローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図６Ｆ】別個の溶融転写ローラおよび離脱ローラを有し層転写技法を示す、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図７】閉囲可能チャンバを有する電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムの別の代替の層溶融転写組立体の拡大図である。
【図８】回転可能転写ベルトの断面図である。
【図９Ａ】受取り領域およびエンコーダマーキングを有する回転可能転写ベルトの第１の実施形態の平面図である。
【図９Ｂ】トラクタ−フィード様式の係合用の穴を有する、回転可能転写ベルトの第２の実施形態の平面図である。
【図９Ｃ】タイミングベルト様式の係合用のリアリブを有する、回転可能転写ベルトの第３の実施形態の底面図である。
【図１０】溶融転写ステップと転写定着ステップを組合せたものおよび積極的な冷却ステップを有する、本開示の層転写技法のための第１の具現化される方法のフロー図である。
【図１１】別個の溶融転写ステップおよび転写定着ステップならびにオプションの積極的な冷却ステップを有する、層転写技法のための第２の具現化される方法のフロー図である。
【図１２】部品表面加熱ステップ、別個の溶融転写ステップおよび転写定着ステップ、ならびに積極的な冷却ステップを有する、層転写技法のための第３の具現化される方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示は、３Ｄ部品および支持構造を層ごとの態様で印刷するための層転写技法に向けられており、各層は、熱制御様式で、部品材料または支持材料から印刷される。層転写技法は、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステムなどの画像化システムによって実施される。たとえば、各層は、電子写真を使用して現像され、転写媒体（たとえば、回転可能ベルトまたはドラム）によって電子写真(ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ)（ＥＰ）エンジンから搬送される。層は、その後、層ごとの態様で３Ｄ部品（または支持構造）を印刷するために、ビルドプラットフォームに転写され、連続する層が、共に溶融転写されて、３Ｄ部品（または支持構造）を生成する。
【００１７】
現像されるトナー粒子が、印刷用紙を通して電位をかけることによって印刷用紙に静電転写されうる２Ｄ印刷と比較して、３Ｄ環境内の複数の印刷された層が、所与の数の層（たとえば、約１５層）が印刷された後の部品材料および支持材料の静電転写を効果的に防止する。代わりに、本開示では、転写媒体によって保持される層は、少なくとも層材料の溶融温度まで加熱される。加熱された層は、その後、直前に印刷された層に（または、ビルドプラットフォームに）押圧されて、層を共に溶融転写する（溶融転写ステップ）。これは、３Ｄ部品および支持構造の多数の層が、普通なら静電転写によって達成可能であるものを超えて、垂直に構築されることを可能にする。
【００１８】
以下で論じるように、溶融温度は、層材料を溶融状態まで十分に溶解させ、それにより、層材料のポリマー分子が、後続の溶融転写ステップ中に少なくとも部分的に相互拡散して、界面層または界面エンタングルメント（ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）を促進する温度である。溶融温度は、層溶融転写を促進するのに十分高いが、溶融転写された層が転写媒体からきれいに離脱するかまたはその他の方法で層離脱するには熱過ぎる。これは、転写媒体から離脱すると、転写媒体に固着したまま残っている溶融転写された層の部分つまり汚れをおそらくはもたらし、印刷された３Ｄ部品のフィーチャディテール、寸法精度、および空隙率に悪い影響を及ぼす。
【００１９】
したがって、いくつかの実施形態では、層転写技法はまた、転写媒体から溶融転写された層を離脱させる前に、転写媒体および／または溶融転写された層が冷却される「転写定着ステップ（ｔｒａｎｓｆｉｘｉｎｇ  ｓｔｅｐ）」を含むことができる。特定の理論に縛られることを望むものではないが、この転写定着ステップが、転写媒体と溶融転写された層との間のインタフェースをクールダウンし、したがって、転写媒体の表面に対する溶融転写された層の固着力に比べて、隣接層における相互拡散したポリマーの固着力を増加させ、それにより、溶融転写された層が、固定された空間位置で３Ｄ部品に固着して維持されると考えられる。これは、溶融転写された層が転写媒体からきれいに離脱し、３Ｄ部品に固着したままになることを可能にする。
【００２０】
さらに、画像化システムが、３Ｄ部品の可変熱抵抗を通して熱が拡散する速度よりずっと速い速度で層を印刷することが可能であるため、３Ｄ部品内の熱蓄積が観測された。したがって、所与の３Ｄ部品の高さが成長するにつれて、受動的熱拡散による熱消散が、加熱された層を冷却するのに不十分になる。層速度が速ければ速いほど、３Ｄ部品のバルクにおける熱蓄積が速くなる。連続する層が連続して印刷されるため、この熱蓄積は、３Ｄ部品の変形温度を超え、３Ｄ部品のバルクが、その構造的完全性を減少させるのに十分に軟化する場合がある。こうした軟質部品は、後続の溶融転写ステップ中のその後印加される溶融転写圧力下で変形する場合がある。
【００２１】
いくつかの実施形態では、熱蓄積は、印刷プロセスをスローダウンさせることによって減少されうる。認識されるように、これは、３Ｄ部品を印刷するために必要とされる時間を実質的に減少させうる。代わりに、速い印刷速度を維持しながら、この問題を克服するために、層転写技法は、３Ｄ部品がさらなる熱を蓄積することを防止する「積極的冷却ステップ（ａｃｔｉｖｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｓｔｅｐ）」を含み、それにより、３Ｄ部品の変形温度未満である低い「平均部品温度（ａｖｅｒａｇｅ  ｐａｒｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」に３Ｄ部品を維持することができる。
【００２２】
特に、３Ｄ部品の各層が溶融転写された後、溶融転写された層から３Ｄ部品に付加される熱は、次の層の溶融転写の前に実質的に除去される。これは、３Ｄ部品を平均部品温度に保ち、平均部品温度は、３Ｄ部品が過度に軟化することを防止するのに十分に低く（すなわち、その変形温度未満で）ありながら、界面層固着を促進し、硬化の影響を低減するために望ましくはバランスをとられる。
【００２３】
図１に示すように、システム１０は、電子写真を使用して３Ｄ部品および支持構造を印刷するための例示的なアディティブマニュファクチュアリングシステムである。システム１０は、ＥＰエンジン１２、転写ベルト１４、ローラ１６、ビルドプラットフォーム１８、ならびに、３Ｄ部品（たとえば、３Ｄ部品２２）および任意の関連する支持構造（図示せず）を印刷するための押圧板２０を含む。システム１０用の適したコンポーネントおよび機能動作の例は、米国特許出願第１３／２４２，６６９号および第１３／２４２，８４１号に記載されるものを含む。
【００２４】
代替の実施形態では、システム１０は、層を画像化するための異なる画像化エンジンを含むことができる。以下で論じるように、層転写技法は、特定の画像化エンジンではなく、ベルト１４（または他の転写媒体）からビルドプラットフォーム１８への層の転写およびベルト１４に的を絞る。しかし、層転写技法は、電子写真ベースアディティブマニュファクチュアリングシステム（たとえば、システム１０）と共に使用するのに特に適し、以下で論じるように、３Ｄ環境内の複数の印刷された層が、所与の数の層が印刷された後の部品材料および支持材料の静電転写を効果的に防止する。
【００２５】
システム１０はまた、コントローラ２４を含み、コントローラ２４は、１つまたはそれ以上の制御回路、マイクロプロセッサベースエンジン制御システム、および／またはデジタル制御式ラスター画像化プロセッサシステムであり、また、ホストコンピュータ２６から受信する印刷命令に基づいて同期式様式でシステム１０のコンポーネントを動作させるように構成される。ホストコンピュータ２６は、プリント命令（および他の動作情報）を提供するためにコントローラ２４と通信するように構成される１つまたはそれ以上のコンピュータベースシステムである。たとえば、ホストコンピュータ２６は、３Ｄ部品２２（および任意の支持構造）のスライスされた層に関連する情報をコントローラ２４に転送し、それにより、システム１０が、層ごとの態様で３Ｄ部品２２を印刷することを可能にすることができる。
【００２６】
米国特許出願第１３／２４２，６６９号および第１３／２４２，８４１号で論じるように、ＥＰエンジン１２は、電子写真を使用して熱可塑性ベース粉末の連続する層２８を現像するように構成される。本明細書で使用されるように、用語「電子写真（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）」はイオノグラフィを含む。熱可塑性ベース粉末は、１つまたはそれ以上の熱可塑性材料（たとえば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）コポリマー）を含み、また、ＥＰエンジン１２による現像およびベルト１４への摩擦電気誘引のための１つまたはそれ以上のさらなるコンポーネントを同様に含むことができる。
【００２７】
熱可塑性ベース粉末の現像された層２８は、その後、ＥＰエンジン１２からベルト１４に層２８が転写される第１の転写領域まで回転する。ベルト１４は、押圧板２０の助けを借りて現像された層２８をＥＰエンジン１２からビルドプラットフォーム１８にまで移送するかまたはその他の方法で運搬するための例示的な転写媒体である。示された実施形態では、ベルト１４は、前面つまり転写表面１４ａおよび後面つまり接触表面１４ｂを含み、前表面１４ａがＥＰエンジン１２に面する。以下で論じるように、いくつかの実施形態では、ベルト１４は、前表面１４ａを画定し、後表面１４ｂを画定するベース部分を覆って配設される低表面エネルギー膜を有する複数層ベルトとすることができる。
【００２８】
システム１０7はまた、熱可塑性ベース粉末の層２８をＥＰエンジン１２からベルト１４へ静電誘引する電位を、ベルト１４を通して誘起するように構成されるバイアス印加機構２９を同様に含むことができる。層２８は、それぞれ、プロセスのこの地点で、単に厚さが単一層増分であるため、静電誘引が、層２８をＥＰエンジン１２からベルト１４に転写するのに適する。しかし、先に述べたように、３Ｄ部品２２の複数の印刷された層２８は、所与の数の層２８が印刷された後のベルト１４からビルドプラットフォーム１８への層２８の静電転写を効果的に防止する。
【００２９】
ローラ１６は、ベルト１４が矢印３０の回転方向に回転する間に、ベルト１４上の張力を維持するように構成される一連のドライブおよび／またはアイドルのローラまたはプーリである。これは、ベルト１４が、ビルドプラットフォーム１８および押圧板２０に係合するとき、実質的に平坦な配向を維持することを可能にする。システム１０は、米国特許出願第１３／２４２，８４１号に開示されるようなサービスループ（図示せず）を同様に含むことができる。
【００３０】
システム１０は、ベルト１４の回転方向に基づいて、ビルドプラットフォーム１８および押圧板２０から上流に配置された加熱器３２を同様に含む。加熱器３２は、押圧板２０に達する前に、少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで層２８を加熱するように構成される１つまたはそれ以上の加熱デバイスである。加熱器３２用の適したデバイスの例は、非接触放射加熱器（たとえば、赤外線加熱器またはマイクロ波加熱器）、対流加熱デバイス（たとえば、加熱式空気ブロア）、接触加熱デバイス（たとえば加熱式ローラおよび／またはプラテン）、その組合せ、などを含み、非接触放射加熱器が好ましい。各層２８は、望ましくは、十分な滞留時間の間、加熱器３２のそばを（またはそれを貫通して）通過して、意図される溶融温度まで層２８を加熱する。
【００３１】
先に定義したように、溶融温度は、熱可塑性ベース粉末を溶融状態まで十分に溶解する温度である。そのため、溶融温度は、使用される特定の層材料に応じて変動するであろう。たとえば、ＡＢＳコポリマー材料の場合、溶融温度は、特定のコポリマー組成に応じて約１８０℃〜約２２０℃の範囲であるとすることができる。熱可塑性ベース粉末を加熱することは、必ずしも熱可塑性ベース粉末の全ての成分が溶解することを必要とするわけではない。むしろ、熱可塑性ベース粉末全体が、後続の溶融転写のために溶融状態に達する必要がある。これは、通常、熱可塑性ベース粉末の１つまたはそれ以上の熱可塑性材料が溶融状態まで十分に溶解されることを指す。
【００３２】
ビルドプラットフォーム１８、押圧板２０、および加熱器３２を、総称的に層溶融転写組立体３３と呼ぶことができる。層溶融転写組立体３３は、加熱された層２８を、ベルト１４から３Ｄ部品２２の直前に溶融転写された層に（または、ビルドプラットフォーム上に）層ごとの態様で溶融転写するように構成される。
【００３３】
ビルドプラットフォーム１８は、３Ｄ部品２２を層ごとの態様で印刷するための、加熱された層２８を受取るように構成されるシステム１０のプラットフォーム組立体またはプラテンである。ビルドプラットフォーム１８は、ｚ軸ガントリ３４によって支持され、ｚ軸ガントリ３４は、それぞれの押圧ステップ後に、ビルドプラットフォーム１８を、垂直なＺ軸に沿ってベルト１４に対して増分的に下げ、板２０を押圧するように構成されるリニアガイド機構である。ｚ軸ガントリ３４によるビルドプラットフォーム１８の移動は、コントローラ２４からのコマンドに基づいてｚ軸モータ３６によって操作され、ｚ軸モータ３６は、電気モータ、油圧システム、空気システム、などとすることができる。
【００３４】
示された実施形態では、ビルドプラットフォーム１８は、加熱要素３８（たとえば、電気加熱器）によって加熱可能である。加熱要素３８は、ビルドプラットフォーム１８を、３Ｄ部品２２の所望の平均部品温度など、室温（２５℃）より高い上昇した温度まで加熱し維持するように構成される。これは、ビルドプラットフォーム１８が、３Ｄ部品２２をこの平均部品温度に維持するのを補助することを可能にする。
【００３５】
先に述べたように、３Ｄ部品２２のための平均部品温度は、望ましくは、３Ｄ部品２２が過度に軟化することを防止するのに十分に低く（すなわち、その変形温度未満で）ありながら、界面層固着を促進し、硬化の影響を低減するために十分に高い。３Ｄ部品２２の適した平均部品温度は、熱可塑性ベース粉末の熱可塑性材料（複数可）の平均凝固温度より高い温度から熱可塑性材料（複数可）のほぼガラス遷移温度までの範囲である。より望ましいことには、平均部品温度は、熱可塑性ベース粉末の熱可塑性材料（複数可）のほぼクリープ緩和温度にあるいはそのクリープ緩和温度より高い約１０℃以内にまたはクリープ緩和温度より低い約１０℃以内に維持される。材料のクリープ緩和温度を決定するための適した技法の例は、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ他の米国特許第５，８６６，０５８号に開示されている。
【００３６】
たとえば、ＡＢＳコポリマーベース粉末の層２８を印刷するとき、３Ｄ部品２２のための平均部品温度は、約１００℃とすることができる。この平均部品温度は、３Ｄ部品が、後続の溶融転写ステップ中にビルドプラットフォーム１８と押圧板２０との間で押圧されるときに、その構造的完全性を維持することを可能にする。さらに、３Ｄ部品２２の一番上の層が、この温度に維持され、約２００℃の溶融温度で加熱された層２８を受取るとき、層を共に溶融転写するための溶融転写インタフェース温度は、約１５０℃で始まる。この温度は、層２８のポリマー分子が、少なくとも部分的に相互拡散して、界面エンタングルメントを促進するのに適する。
【００３７】
押圧板２０は、それぞれの溶融転写ステップ中に、ベルト１４および所与の加熱された層２８を、３Ｄ部品２２およびビルドプラットフォーム１８に接して下に押圧するように構成される例示的な加熱可能要素または加熱可能層溶融転写要素である。押圧板２０は、それぞれの溶融転写ステップ中に垂直のｚ軸に沿って押圧板２０を移動させるように構成されるサーボ機構（図示せず）によって作動されることができる。
【００３８】
それぞれの溶融転写ステップ中に印加される特定の圧力は、望ましくは、直前に溶融転写された層２８に（または、ビルドプラットフォーム１８に）加熱された層２８を固着させるのに十分に高く、ポリマー分子が少なくとも部分的に相互拡散することを可能にする。しかし、溶融転写圧力は、望ましくは、押圧板２０が３Ｄ部品２２を過度に圧迫することを防止するように同様にバランスをとられ、それにより、３Ｄ部品２２がその寸法完全性を維持することを可能にする。
【００３９】
示された実施形態では、押圧板２０は、加熱要素４０（たとえば、電気加熱器）によって加熱可能である。加熱要素４０は、押圧板２０を、室温（２５℃）より高い上昇した温度まで加熱し維持するように構成される。しかし、ビルドプラットフォーム１８の上昇した温度と比較して加熱要素４０は、３Ｄ部品２２の所望の平均部品温度より低い温度に押圧板２０を加熱し維持することができる。たとえば、３Ｄ部品２２のために意図される平均部品温度が１００℃である状況では、加熱要素４０は、約７０℃に押圧板２０を加熱し維持することができる。
【００４０】
押圧板２０のための低い温度は、後表面１４ｂの側からベルト１４を冷却するであろう（すなわち、転写定着ステップ）。先に論じたように、溶融転写された層２８は、熱過ぎるままである場合、ベルト１４からきれいに離脱するのではなく、ベルト１４の前表面１４ａに固着したままになる場合がある。したがって、押圧板２０との接触によってベルト１４を冷却することは、ベルト１４の前表面１４ａと溶融転写された層２８との間のインタフェースが、溶融転写された層２８をベルト１４からきれいに離脱させることを可能にする。
【００４１】
一方、ベルト１４と押圧板２０との間の接触表面積が大きいため、押圧板２０が低過ぎる温度（たとえば、２５℃）に維持される場合、溶融転写ステップ中の押圧板２０とベルト１４との間の接触継続時間は、溶融転写された層２８を過度にクールダウンさせ、それにより、溶融転写インタフェース温度を下げ、界面層固着を減少させうる。したがって、いくつかの実施形態では、加熱要素４０は、望ましくは、単一の組合せ式ステップで溶融転写と転写定着の両方を容易にするためにこれらの競合する熱効果のバランスをとる温度に押圧板２０を維持する。
【００４２】
システム１０はまた、１つまたはそれ以上のエアナイフ４２または他の冷却ユニットを含むことができ、エアナイフ４２は、局在化された冷却空気を３Ｄ部品２２の上部層に吹付けるように構成される例示的な冷却ユニットである。図２に最もよく示されるように、エアナイフ４２は、ビルドプラットフォーム１８の側部辺に隣接して配置されて、冷却空気を、ベルト１４の移動方向に対して横方向に向ける。これは、エアナイフ４２が、３Ｄ部品２２の全長に沿って延在することを可能にし、溶融された層を含む３Ｄ部品２２の上部層の上に良好な空気流を提供する。代替の実施形態では、システム１０はまた、ビルドプラットフォーム１８の対向する側部辺に配置された第２のエアナイフ４２（図示せず）を含むことができる。エアナイフ４２または他の冷却ユニットを有する実施形態では、溶融転写ステップにおいて相互拡散を促進するために、押圧板２０を溶融温度まで加熱することができる。その後。押圧板２０が解除されると、別個の転写定着ステップが、ベルト１４から層を離脱させる前に溶融転写された層を冷却することによって実施することができる。
【００４３】
先に述べたように、システム１０が高速で層２８を印刷するとき、印刷される層２８は、連続する層２８が印刷される前に所望の平均部品温度までクールダウンするのに十分な時間を持たない。したがって、３Ｄ部品２２の高さが成長するにつれて、受動的熱拡散による熱消散は、加熱された層を冷却するのに不十分になる。
【００４４】
これは、積極的に冷却せずに印刷される３Ｄ部品２２のため（ライン４４で示す）の、また、積極的に冷却して印刷される３Ｄ部品２２のため（ライン４６で示す）の、印刷される層の数対平均部品温度のグラフ図である図３に示される。ライン４４で示すように、積極的な冷却がない場合、その溶融温度で各層によって付加される熱は、３Ｄ部品に蓄積し、平均部品温度を、閾値ライン４８で示す３Ｄ部品の変形温度に達するまで増加させる。閾値ライン４８において、３Ｄ部品のバルクの温度は、十分に高くなるため、部品材料は実質的に軟化する。３Ｄ部品がこの点に達すると、後続の溶融転写ステップ中に押圧板２０によって印加される溶融転写圧力は、３Ｄ部品の構造的完全性に打勝ち、それにより、３Ｄ部品を変形させる。
【００４５】
しかし、エアナイフ４２は、溶融転写ステップ後に各層を積極的に冷却して、さらなる熱が蓄積するのを防止する。ライン４６で示すように、積極的な冷却は、各層２８によって提供される熱を実質的に除去し、それにより、層２８のそれぞれの印刷後に、実質的にゼロの熱蓄積を提供する。したがって、３Ｄ部品２２を、全体の印刷動作中に、その変形温度未満である平均部品温度に実質的に維持することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、平均部品温度が、３Ｄ部品２２のバルクが少量の軟化を示すように十分に高くなることが有利でありうる。３Ｄ部品２２のバルクが、その総合的な構造的完全性を依然として示す少量の軟化を示すとき、押圧板２０による後続の溶融転写ステップは、３Ｄ部品２２のバルクを適度に圧迫し、それにより、部品密度を増加させることになることがわかった。増加した部品密度は、相応して、結果の３Ｄ部品２２の脆性および空隙率を減少させ、そのｚ軸強度を増加させる。これらの特性は、種々のアプリケーションにとって有利である。
【００４７】
エアナイフ４２に関して示されるが、システム１０は、代替的に、さらなる熱が蓄積することを防止するために、溶融転写ステップ後に各層を積極的に冷却するように構成される、冷凍ユニット、液体冷却ユニットなどの種々の異なる冷却ユニットを含むことができる。さらに、１つまたはそれ以上のエアナイフ４２（または、他の冷却ユニット）が、ビルドプラットフォーム１８および押圧板２０の周りの他の場所に配置されて、冷却空気を３Ｄ部品２２の上部層に向けることができる。任意選択で、システム１０はまた、後続の各溶融転写ステップの前に３Ｄ部品２２の上部層（複数可）または表面を溶融温度まで加熱するために、さらなる加熱器（たとえば、図６Ａ〜６Ｆに示す加熱器２７０および２７２）を含むことができる。
【００４８】
図４Ａ〜４Ｄは、本開示の層転写技法を使用するシステム１０によって層２８を印刷するための例示的なプロセスを示す。印刷動作の開始時に、ビルドプラットフォーム１８および押圧板２０を、それらの所望の温度まで加熱することができる。たとえば、ビルドプラットフォーム１８を、３Ｄ部品２２のための所望の平均部品温度まで加熱することができ、押圧板２０を、３Ｄ部品２２のための所望の平均部品温度より低い温度まで加熱することができる。
【００４９】
印刷動作は、最初に、ＥＰエンジン１２（図１に示す）によって層２８を現像すること、および、現像された層を、ベルト１４によって加熱器３２まで移送することを含む。図４Ａに示すように、現像された層２８が加熱器３２のそばを（またはそれを貫通して）通過するにつれて、加熱器３２は、層２８およびベルト１４の関連領域を、少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱する。
【００５０】
図４Ｂに示すように、矢印３０の方向へのベルト１４の継続した回転は、ｘ軸に沿って適切に位置合わせされた状態で、加熱された層２８をビルドプラットフォーム１８上に整列させる。押圧板２０は、その後、矢印５０で示すように下に作動されて、加熱された層２８を３Ｄ部品２２の直前に印刷された層上に押圧する。図４Ｃに示すように、層２８が少なくとも部品材料の溶融温度まで加熱されるため、押圧される層２８は、３Ｄ部品２２の上部表面に溶融転写する。
【００５１】
溶融転写ステップ中に押圧するための適した継続時間の例は、約０．１秒〜約１．０秒の範囲であり、特に適した継続時間は約０．１秒〜約０．５秒の範囲である。いくつかの実施形態では、押圧用継続時間は、それぞれの層２８について固定値である。代替の実施形態では、押圧用継続時間は、３Ｄ部品２２の寸法および幾何形状に応じて変動する場合がある。たとえば、押圧用継続時間は、以下で論じるように、より小さい断面積および／または微細フィーチャディテールを有する層２８について減少する場合がある。
【００５２】
所望の平均部品温度より低くかつ溶融温度より実質的に低い押圧板２０の温度は、ベルト１４の加熱された領域から熱を引出し始める。これは、先に論じたように、後側１４ｂからベルト１４を冷却することによって溶融転写された層２８を離脱させるのを補助する。
【００５３】
溶融転写／転写定着ステップが終了した後、押圧板２０は、その後、矢印５２で示すように上に引込められて、ベルト１４および溶融転写された層２８に印加される圧力を解除することができる。図４Ｄに示す実施形態では、これは、溶融転写された層２８をベルト１４から離脱させ、溶融転写された層２８が、３Ｄ部品２２に溶融転写されたままになることを可能にする。さらに、ｚ軸ガントリ３４は、矢印５４で示すように、単一層増分などだけビルドプラットフォーム１８を下に下げることができる。
【００５４】
代替の実施形態では、層２８の溶融転写を補助するために、押圧板２０を溶融温度まで加熱することができる。この実施形態では、層溶融転写組立体３３は、望ましくは、押圧板２０を上に引込めることが、溶融転写された層２８をベルト１４から即座に離脱させないように構成される。むしろ、溶融転写ステップ中に図４Ｄに示す位置に比べて高い位置にビルドプラットフォーム１８を位置決めすることによって、ベルト１４は、押圧板２０が引込められると、比較的一定の位置に維持することができる。別個の転写定着ステップを、その後、利用することができる。
【００５５】
この転写定着ステップでは、溶融転写された層２８をベルト１４から離脱させる前に、エアナイフ４２を、溶融転写された層２８を冷却するために起動することができる。層材料を溶融温度未満にクールダウンするのに十分な継続時間であって、固定した空間位置でかつ３Ｄ部品２２に固着して溶融転写された層２８を維持する、継続時間後に、ビルドプラットフォーム１８は、溶融転写された層２８をベルト１４から離脱させるために下げられる。
【００５６】
ベルト１４からの層離脱後に溶融転写された層２８上に冷却空気を吹付けるために、エアナイフ４２を、同様に起動することができる。これは、溶融転写された層２８を、所望の平均部品温度まで積極的にクールダウンする。この積極的な冷却ステップについての適した継続時間の例は、次の層２８の転写およびアライメントに相当するとすることができる約１．０秒〜約２．０秒の範囲である。
【００５７】
認識されうるように、ベルト１４からビルドプラットフォーム１８への層２８の転写は、押圧ステップ中に休止を必要とする。そうでなければ、溶融転写ステップ中の矢印３０の回転方向へのベルト１４の移動は、押圧される層２８の位置ずれを引起す場合があり、おそらくは、低い部品品質をもたらす。各溶融転写ステップ中のこれらの休止を、米国特許出願第１３／２４２，８４１号に開示されるようなサービスループの使用によって対処することができる。図４Ｂ〜４Ｄにさらに示すように、現在の層２８が溶融転写されているときに、次の層２８ａを、加熱器３２に位置決めすることができる。これは、現在の層２８が３Ｄ部品２２に溶融転写される間の必要とされる休止中に、加熱器３２が次の層２８ａを十分に加熱することを可能にする。層２８が溶融転写され、冷却された後、その後、同じプロセスを、層２８ａおよび３Ｄ部品２２用の後続の各層について繰返すことができる。
【００５８】
図５Ａ〜５Ｅは、システム１０の層溶融転写組立体３３（図１、２、および４Ａ〜４Ｄに示す）に対する代替物であり、また、それぞれのコンポーネントの参照番号がシステム１０から「１００」だけ増加される層溶融転写組立体１３３を示す。図５Ａに示すように、層溶融転写組立体１３３は、押圧板２０の代わりにニップローラ１２０を含み、ニップローラ１２０は、別の例示的な加熱可能要素または加熱可能層転写要素であり、また、ベルト１１４の移動に関して固定軸の周りに回転するように構成される。特に、ニップローラ１２０は、矢印１５６の方向に後表面１１４ｂに接して回転することができ、一方、ベルト１１４は矢印１３０の方向に回転する。いくつかの実施形態では、ニップローラ１２０は、ベルト１１４用のドライブローラとして機能することができる。
【００５９】
さらに示すように、エアジェット１４２（または、他の適した冷却ユニット）が、エアナイフ４２の代わりに使用され、また、ベルト１１４とニップローラ１２０との間のインタフェースから下流に配置される。エアジェットは、以下で論じるように、各溶融転写ステップ後に層を積極的に冷却するために３Ｄ部品２２の上部層に向かって冷却空気を吹付けるように構成される。
【００６０】
この実施形態では、ビルドプラットフォーム１１８は、ガントリ１３４によって支持され、ガントリ１３４は、主要な運動がｘ軸に沿う前後動である往復式矩形パターンを生成するために、ｚ軸およびｘ軸に沿ってビルドプラットフォーム１１８を移動さるように構成されるガイド機構である。ガントリ１３４は、コントローラ１２４からのコマンドに基づいてモータ１３６によって動作することができ、モータ１３６は、電気モータ、油圧システム、空気システム、または同様なものとすることができる。したがって、各溶融転写ステップ中に印加される圧力は、ビルドプラットフォーム１１８によって実施される。
【００６１】
３Ｄ部品１２２を印刷する前に、ビルドプラットフォーム１８および押圧板２０について先に論じたように、ビルドプラットフォーム１１８およびニップローラ１２０を、それらの所望の温度まで加熱することができる。押圧板２０と比較して、加熱要素１４０は、ニップローラ１２０をより高い温度まで（たとえば、平均部品温度まで）加熱することができる。その理由は、熱が、ベルト１１４を通ってニップローラ１２０から局所的に流れるのに比較的短い時間が存在するからである。
【００６２】
印刷動作中に、加熱器３２は、現像された層１２８およびベルト１１４の関連領域を少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱する。ベルト１１４は、その後、図示するｘ軸に沿う所定の位置合わせ場所まで加熱された層１３２を移動させることができる。ガントリ１３４は、その後、ベルト１１４に係合するためにビルドプラットフォーム１１８を上に作動させ、ビルドプラットフォーム１１８は、矢印１５８で示すように、加熱された層１２４に接して３Ｄ部品１２２の上部層を押圧する。代替的に、ニップローラ１２０は、下に作動されて、３Ｄ部品１２２の上部層または表面に接する。
【００６３】
図５Ｂに示すように、これは、ニップローラ１２０の場所で３Ｄ部品１２２の上部層とベルト１１４との間で、加熱された層１２８を押圧する。ビルドプラットフォーム１１８がベルト１１４に係合したままである間に、ガントリ１３４は、その後、矢印１３０の方向へのベルト１１４の回転速度と同期する速度（すなわち、同じ方向でかつ同じ速度）で矢印１６０の方向にｘ軸に沿ってビルドプラットフォーム１１８（および３Ｄ部品１２２）を移動させることができる。これは、３Ｄ部品１２２の上部層とニップローラ１２０との間でベルト１１４および加熱された層１２８を押圧する。
【００６４】
図５Ｃに示すように、これは、ベルト１１４の後表面１１４ｂが、ニップローラ１２０を挟んで回転して、３Ｄ部品１２２の上部層に接してベルト１１４および加熱された層１２８を挟むようにさせる。層１２８が部品材料の溶融温度まで加熱され、３Ｄ部品１２２が平均部品温度に維持されるため、押圧された層１２８は、３Ｄ部品２２および層２８について先に論じた方法と同様な方法で３Ｄ部品１２２の上部層に溶融転写する。
【００６５】
さらに示すように、溶融転写された層１２８がニップローラ１２０のニップを通過するとき、ベルト１１４は、ニップローラ１２０に巻付いて、ビルドプラットフォーム１１８から離れ係脱する。これは、溶融転写された層１２８をベルト１１４から離脱させるのを補助し、溶融転写された層１２８が３Ｄ部品１２２の固着したままになることを可能にする。さらに、ビルドプラットフォーム１１８がニップローラ１２０を通り過ぎてｘ軸に沿って移動するときに、エアジェット１４２は、３Ｄ部品１２２の上部層に向けて冷却空気を吹付けて、溶融転写された層１２８を転写定着させる。溶融転写された層１２８は、溶融転写ステップの間に３Ｄ部品１２２に対して冷却空気を吹付け続けることによって平均部品温度までクールダウンされ、したがって、転写定着ステップと積極的な冷却ステップをオーバッラップさせることができる。
【００６６】
ビルドプラットフォーム１１８がニップローラ１２０を通り過ぎて３Ｄ部品１２２を移動させるとき、ガントリ１３４は、矢印１６２で示すように、ビルドプラットフォーム１１８（および３Ｄ部品１２２）を下に作動させることができる。図５Ｄに示すように、ガントリ１３４は、その後、ｘ軸に沿って開始位置に戻るよう、矢印１６４の方向にｘ軸に沿ってビルドプラットフォーム１１８（および３Ｄ部品１２２）を移動させることができる。図５Ｅに示すように、ビルドプラットフォーム１１８は、望ましくは、加熱された次の層１２８が３Ｄ部品１２２の上に位置決めされるときに、開始位置に達する。同じプロセスを、その後、繰返すことができ、ガントリ１３４は、矢印１６６で示すように、ビルドプラットフォーム１１８を上に作動させて、３Ｄ部品１２２の上部層とローラ１２０との間でベルト１１４および加熱された次の層１２８を押圧する。しかし、このステップでは、３Ｄ部品１２２の上部層の高さは、直前の押圧ステップと比較して、単一層増分などだけ下にオフセットする。
【００６７】
認識されうるように、ビルドプラットフォーム１１８（および３Ｄ部品１２２）を往復式矩形パターンで移動させることは、ベルト１１４が連続して回転している間に溶融転写ステップが実施されることを可能にする。特に、ベルト１１４の後表面１１４ｂに接して回転するニップローラ１２０の使用と共に、ベルト１１４の回転速度と同期する速度でビルドプラットフォーム１１８を移動させることは、溶融転写ステップおよび転写定着ステップが迅速に（たとえば、約０．１秒〜約０．５秒以内で）実施されることを可能にする。これは、積極的な冷却ステップが、加熱される次の層２８の転写およびアライメントに対応することができる約１．０秒〜約２．０秒の範囲であることを可能にする。往復式矩形パターンは、鋭い軸方向角を有する矩形パターン（矢印１６０、１６２、１６４、および１６６によって規定される）として述べられるが、ビルドプラットフォーム１１８が溶融転写ステップ中にｘ軸に沿って直線状に移動する限り、ガントリ１３４は、丸みを帯びたまたは卵形を規定する角を有する往復式矩形パターンでビルドプラットフォーム１１８（および３Ｄ部品１２２）を移動させることができる。
【００６８】
図６Ａ〜６Ｆは、層溶融転写組立体１３３（図５Ａ〜５Ｅに示す）に対する代替物であり、また、それぞれのコンポーネントの参照番号がシステム１０（図１、２、および４Ａ〜４Ｄに示す）から「２００」だけ増加される層溶融転写組立体２３３を示す。層溶融転写組立体２３３は、層溶融転写組立体１３３と同様な方法で機能することができ、ビルドプラットフォーム２１８は往復式矩形パターンで移動することができる。
【００６９】
しかし、図６Ａに示すように、層溶融転写組立体２３３は、単一ニップローラ１２０の代わりに、溶融ローラ２２０および離脱ローラ２６８を含み、溶融ローラ２２０および離脱ローラ２６８はそれぞれ、ベルト２１４の移動と共に、軸の周りに回転するように構成される。別個のローラ（すなわち、溶融ローラ２２０および離脱ローラ２６８）の使用は、各ローラの機能を分離し、両方のローラがそれらの特定の目的について最適化されることを可能にする。たとえば、溶融ローラ２２０が熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱され、離脱ローラ２６８がかなり低い温度に維持されて、溶融転写された層２２８をベルト２１４から層離脱するのを補助することができる。
【００７０】
さらに示すように、システム２１０はまた、加熱器２７０および２７２ならびにエアジェット２７４を含む。溶融ローラ２２０と離脱ローラ２６８の分離は、別個の溶融転写ステップおよび離脱ステップを生成し、転写定着ステップが、エアジェット２７４による冷却によって両者の間で実施されることを可能にする。離脱ステップを引延ばすことによって、溶融ローラ２２０を、溶融転写と離脱の両方を容易にする兼ね合い温度ではなく、溶融転写ステップに最も適する溶融温度まで加熱することができる。これは、溶融転写された層２８間の界面層固着を増加させる。
【００７１】
３Ｄ部品２２２を印刷する前に、ビルドプラットフォーム２１８および溶融ローラ２２０を、それらの所望の温度まで加熱することができる。たとえば、ビルドプラットフォーム２１８を平均部品温度まで加熱することができ、溶融ローラ２２０を熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱することができる。印刷動作中に、ベルト２１４は、現像された層２２８を、加熱器２３２を通り過ぎて搬送し、加熱器２３２は、現像された層２２８およびベルト２１４の関連領域を少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱する
さらに、プラテンガントリ２３４は、加熱器２７０の下で、それに沿って、またはそれを貫通して矢印２７６の方向にｘ軸に沿ってビルドプラットフォーム２１８を移動させる。加熱器２７０は、加熱器３２および２３２と同じ方法で機能し、３Ｄ部品２２２の上部表面を、層材料の溶融温度などの上昇した温度まで加熱することができる。
【００７２】
図６Ｂに示すように、ベルト２１４の回転の継続およびビルドプラットフォーム２１８の移動は、ｘ軸に沿って適切に位置合わせされた状態で、加熱された層２２８を３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面上に整列させる。さらに、加熱された層２２８および３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面はそれぞれ、加熱器２７２を通過し、加熱器２７２は、加熱された層２２８および３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面を共に層材料の溶融温度に加熱および／または維持するように構成されることができる。これは、加熱された層２２８が、溶融ローラ２２０に達する前にクールダウンすることを防止し、３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面の温度を、次の溶融転写が実施される前に溶融温度にまたはその近くにもたらす。代替の実施形態では、加熱器２３２、２７０、および２７２の１つまたは複数は、複数方向に（たとえば、層２２８と３Ｄ部品２２２の上部表面の両方に向けて）熱を向けるように構成される単一加熱器として設けることができる。
【００７３】
ガントリ２３４は、矢印２３０の方向へのベルト２１４の回転速度と同期する速度（すなわち、同じ方向でかつ同じ速度）で矢印２７６の方向にｘ軸に沿ってビルドプラットフォーム２１８（および３Ｄ部品２２２）を移動させ続けることができる。これは、ベルト２１４の後表面２１４ｂが、溶融ローラ２２０を挟んで回転して、３Ｄ部品２２２の上部表面に接してベルト２１４および加熱された層２２８を挟むようにさせる。これは、ビルドプラットフォーム２１８およびベルト２１４を係合させ、溶融ローラ２２０の場所で、３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面とベルト２１４との間で加熱された層２２８を押圧する。
【００７４】
層２２８および３Ｄ部品２２２の加熱された上部層がそれぞれ、層材料の溶融温度まで加熱されるため、押圧され加熱された層２２８は、高いレベルの界面層固着を持った状態で、３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面に溶融転写する。溶融ローラ２２０と離脱ローラ２６８間でのエアジェット２７４による冷却ステップがある状態で、溶融ローラ２２０と離脱ローラ２６８を分離することによって、層溶融転写組立体２３３は、層が、最適な溶融転写インタフェース温度まで加熱され、離脱する前に層を定着させる温度まで冷却されることを可能にする。たとえば、層を共に溶融転写するための溶融転写インタフェース温度は、ほぼ層材料の溶融温度（たとえば、約２００℃）にあるとすることができる。
これは、３Ｄ部品２２２の寸法精度を同様に維持しながら界面エンタングルメントを促進するために、溶融転写された層のポリマー分子が相互拡散する程度を実質的に増加させる。
【００７５】
図６Ｃに示すように、溶融ローラ２２０を通過した後でかつビルドプラットフォーム２１８がベルト２１４に係合したままである間に、ビルドプラットフォーム２１８および３Ｄ部品２２２はエアジェット２７４を通過する。エアジェット２７４は、後表面２１４ｂの側からベルト２１４を冷却するために、エアジェット１４２および２４２と同じ方法で機能することができる。代替の実施形態では、エアジェット２７４は、冷凍ユニット、液体冷却ユニット、および同様なものなどの種々の異なる冷却ユニットとすることができる。
【００７６】
先に論じたように、溶融転写された層２２８が熱過ぎるままである場合、その層の複数の部分は、ベルト２１４からきれいに離脱するのではなく、ベルト２１４の前表面２１４ａに固着したままである場合がある。したがって、エアジェット２７４によってベルト２１４を冷却することは、ベルト２１４の前表面２１４ａと溶融転写された層２２８との間のインタフェースが、溶融転写された層２２８が３Ｄ部品２２２に固着したままになりかつベルト２１４からきれいに離脱するように冷却することを可能にする。これはまた、３Ｄ部品２２２をその変形温度未満の平均部品温度に維持するために３Ｄ部品２２２を積極的に冷却するのを部分的に補助する。
【００７７】
図６Ｄにさらに示すように、溶融転写された層２２８が離脱ローラ２６８のニップを通過するにつれて、ベルト２１４は、離脱ローラ２６８を挟んで回転して、ビルドプラットフォーム２１８から分離し係脱する。これは、「補助式層剥離（ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）」ステップにおいて溶融転写された層２２８をベルト２１４から層離脱するのを補助し、溶融転写された層２２８が３Ｄ部品２２２に固着したままになることを可能にする。さらに、ビルドプラットフォーム２１８が離脱ローラ２６８を通り過ぎてｘ軸に沿って移動するにつれて、エアジェット２４２が、３Ｄ部品２２２の上部層に向かって冷却空気を吹付ける。これは、先に論じたように、溶融転写された層２２８を、平均部品温度まで積極的にクールダウンする。
【００７８】
ビルドプラットフォーム２１８が離脱ローラ２６８を通過するとき、ガントリ２３４は、矢印２７８で示すように、ビルドプラットフォーム２１８を下に作動させることができる。たとえば、ビルドプラットフォーム２１８を、単一層増分だけ増分的に下にオフセットすることができる。図６Ｅに示すように、ガントリ２３４は、その後、ｘ軸に沿って開始位置に戻るよう、矢印２８０の方向にｘ軸に沿ってビルドプラットフォーム２１８（および３Ｄ部品２２２）を移動させることができる。
【００７９】
図６Ｆに示すように、ビルドプラットフォーム２１８は、望ましくは、次の層２２８との適切な位置合わせのために開始位置に達する。その後、同じプロセスを、３Ｄ部品２２２の残りの各層２２８について繰返すことができる。層溶融転写組立体２３３は、界面層固着を増加させるため溶融温度で層を共に溶融転写し、一方、同様に、ベルト２１４から離脱する前に層２２８を所定場所に転写定着させるため、ベルト２１４の前表面２１４ａと溶融転写された層２２８との間のインタフェースを十分にクールダウンするという利益を提供し、また、ベルト２１４からの層離脱を補助することによってきれいな離脱をさらに促進する。
【００８０】
さらに、印刷される各層２２８について、エアジェット２４２と２７４の組合せ（または他の冷却ユニット）は、次の層２２８を印刷する前に、加熱要素２３２、２７０、２７２から、また、加熱された溶融ローラ２２０から付加される熱を実質的に除去する。この積極的な冷却は、各層２２８によって提供される熱を実質的に除去し、それにより、各層２２８の印刷後に、実質的にゼロの熱蓄積を提供する。したがって、３Ｄ部品２２２を、全体の印刷動作中に、その変形温度未満である平均部品温度に実質的に維持することができる。さらに、次の層２２８の最適な溶融転写のため、印刷される３Ｄ部品２２２の上部層表面温度を、層溶融転写組立体２３３の加熱器２７０および／または２７２を使用して層離脱後に溶融温度にもどすことができる。
【００８１】
層溶融転写組立体３３、１３３、および２３３を有するシステム１０は、高レートでかつ良好な部品解分解能で熱可塑性ベース粉末から３Ｄ部品（および任意の支持構造）を印刷するのに適する。いくつかの実施形態では、システム１０は、正確な位置合わせによって少なくとも約４０層／分（たとえば約５０層／分）のレートで、約５マイクロメートル〜約１２５マイクロメートルの範囲の層厚で、そして最大で少なくとも約５１センチメートル（約１１インチ）のｙ軸に沿う層寸法で３Ｄ部品の層を印刷することができる。たとえば、システム１０は、１時間について垂直なｚ軸に沿う高さで約３インチのレートで３Ｄ部品を印刷することができる。
【００８２】
３Ｄ部品の分解能は、印刷レートに基づいて同様に変動する場合がある。たとえば、各３Ｄ部品を、システム１０がより遅いレートで動作する「高品質」分解能であるが、より小さな層厚によるプリントで印刷することができる。代替的に、３Ｄ部品を、システム１０がより速いレートで動作する「ドラフト品質」分解能であるが、より大きな層厚によるプリントで印刷することができる。さらに、３Ｄ部品を、より低い密度の部品材料が現像される「グレイスケール」分解能で印刷することができる。多数の分解能および分解能の間の速度を、同様に組込むことができる。これらのシナリオのそれぞれにおいて、コントローラは、異なる印刷レートを反映するため、溶融転写ステップ中に、印加圧力、温度、および／または接触継続時間を調整することができる。
【００８３】
システム１０は、単一熱可塑性粉末から３Ｄ部品（たとえば、３Ｄ部品２２、１２２、および２２２）を印刷するように構成されるものとして示される。しかし、本開示のアディティブマニュファクチュアリングシステムを、熱可塑性粉末（たとえば、複数の成分および／またはカラー）から得られる複数の部品材料および／または支持材料から３Ｄ部品および／または支持構造を印刷するように同様に構成することができる。適した複数材料システムの例は、米国特許出願第１３／２４２，６６９号および第１３／２４２，８４１号に開示されるものを含む。
【００８４】
いくつかの実施形態では、コントローラ２４は、溶融転写ステップ中に印加圧力、層の温度、および接触継続時間を監視して、転写ベルトの前表面からビルドプラットフォームに層を転写するときの有効性を最大にするかまたはそうでなければ増加させることができる。開ループの実施形態では、印加圧力、層の温度、および接触継続時間の１つまたは複数は、所与の部品材料および総合的な印刷レートについて固定パラメータとすることができる。
【００８５】
代替的に、閉ループの実施形態では、コントローラ２４は、１つまたはそれ以上のプロセス制御ループを使用して、監視される信号に応答してこれらのパラメータの１つまたは複数を調整することができる。たとえば、コントローラは、層の監視される圧力の変化および／または監視される温度の変化に応答して押圧板２０またはビルドプラットフォーム１１８および２２８によって印加される圧力を調整することができる。さらに、コントローラ２４は、溶融転写ステップ中の接触継続時間を調整して、層の温度変化および／または監視される印加圧力の変動を補償することができる。
【００８６】
図７に示すように、いくつかの実施形態では、システム１０は、層溶融転写組立体３３の周りに延在しうるチャンバ２８４を同様に含むことができ、３Ｄ部品２２を印刷するための閉囲可能環境を画定することができる。層溶融転写組立体３３と共に使用するときに示されるが、チャンバ２８４は、層溶融転写組立体１３３および２３３と共に使用するのに同様に適する。チャンバ２８４は、温度制御式チャンバであり、積極的な冷却ステップに対して大幅な制御を提供する。たとえば、チャンバ２８４を、３Ｄ部品２２の平均部品温度に維持することができる。
【００８７】
これらの実施形態では、チャンバ２８４は、ｚ軸ガントリ３４およびベルト１４を部分的に閉囲し、ｚ軸ガントリ３４およびベルト１４がチャンバ２８４の壁を貫通して延在することができる。代替の実施形態では、加熱器３４を、チャンバ２８４の外側でかつその上流に配置することができる。さらなる代替の実施形態では、チャンバ２８４は、押圧板２０の下に配置され、ビルドプラットフォーム１８がチャンバ２８４に入るよう下げられることを可能にすることができる。これらの実施形態は、３Ｄ部品２２を、その変形温度未満である平均部品温度に維持するのをさらに補助する。
【００８８】
図７にされに示すように、層溶融転写組立体３３、１３３、または２３３は、圧力センサ（たとえば、圧力センサ２８６）および／または容量性センサ（たとえば、容量性センサ２８８）を同様に含むことができ、センサのそれぞれは、１つまたはそれ以上の通信ライン（図示せず）を通じてコントローラ２４と通信するように構成される。圧力センサ２８６は、ビルドプラットフォーム１８と押圧板２０との間に（または、ビルドプラットフォーム１１８／２１８とローラ１２０／２２０との間に）印加される溶融転写圧力を測定するように構成される１つまたはそれ以上のセンサ組立体であり、コントローラ２４が、印加される溶融転写圧力を監視し、１つまたはそれ以上のプロセス制御ループを使用してビルドプラットフォーム１８および／または押圧板２０の高さを調整することを可能にする。圧力センサ２８６用の適したセンサ組立体の例は、ビルドプラットフォーム１８および／または押圧板２０上に保持される１つまたはそれ以上の歪ゲージを含む。
【００８９】
容量性センサ２８８は、ビルドプラットフォーム１８と押圧板２０との間の（または、ビルドプラットフォーム１１８／２１８とローラ１２０／２２０との間の）電気抵抗を測定するように構成される１つまたはそれ以上の容量性センサ組立体である。たとえば、溶融転写ステップ中に、容量性センサ２８８は、プラテン１８から押圧板２０への電流を誘起し（または、その逆も同様）、３Ｄ部品２２の印刷される層２８およびベルト１４を通る、結果として得られる電流の強度を測定することができる。ベルト１４の厚さが一定であるため、結果として得られる電流は、３Ｄ部品２２が、連続する層２８の印刷によって成長するにつれて減少することになる。
【００９０】
そのため、容量性センサ２８８は、３Ｄ部品２２の高さおよびビルドプラットフォーム１８に転写される層２８の数を監視するのに適する。これは、コントローラ２４が、単一層増分の計算された高さに頼るのではなく、後続の押圧ステップ中の印加圧力を正確に予測することを可能にする。この正確な予測は、ビルドプラットフォーム１８が、圧力センサ２８６からのフィードバック信号にだけ頼るのではなく、意図される高さまで迅速に持上げられることを可能にする。
【００９１】
ビルドプラットフォーム１８、１１８、および２２８、押圧板２０、ならびにローラ１２０および２２０はそれぞれ、ビルドプラットフォームおよび押圧板／ローラの温度をそれぞれ測定するように構成される１つまたはそれ以上の温度センサ（図示せず）を同様に含み、コントローラ２４が、それらの温度を先に論じた温度に保つことを可能にすることができる。さらなる代替の実施形態では、システム１０は、３Ｄ部品層の温度を測定するように構成される温度センサ（図示せず）を含むことができる。たとえば、システム１０は、音響を使用して、ベルト１４によって保持される層２８の温度および／または３Ｄ部品２２の直前に溶融転写された層２８の温度を測定するための超音波変換器を含むことができる。
【００９２】
いくつかの実施形態では、コントローラ２４および／またはホストコンピュータ２６は、異なるモードでシステム１０を動作させるために動作モード選択を受信することができる。たとえば、ユーザは、先に論じた、高品質印刷、ドラフト品質印刷、およびグレイスケールなどの動作モードを選択することができる。代替的に、システム１０は、デフォルトモードまたはシステム生成モード（たとえば、デフォルトの高品質印刷）として動作モード選択を受信することができる。受信されるこれらの動作モード選択を、代替的に（または付加的に）、先に論じたように、３Ｄ部品が小さな断面積および／または微細フィーチャディテールを有する場合など、３Ｄ部品の幾何形状に基づいて設定することができる。
【００９３】
これらの動作モード選択を受信すると、コントローラ２４および／またはホストコンピュータ２６は、受信された動作モード選択に基づいて溶融転写ステップを実施するための溶融転写パラメータを設定することができる。たとえば、各溶融転写ステップについての溶融転写圧力、温度（複数可）、および／または継続時間を、受信された動作モード選択に基づいて設定または調整することができる。これは、システム１０を動作させるときに溶融転写ステップに対する大幅な制御を提供して、印刷精度および／または印刷レートを改善する。
【００９４】
システム１０は、その後、熱可塑性ベース粉末から３Ｄ部品の層を画像化し（たとえば、ＥＰエンジン１２によって層を現像し）、画像化された層を転写媒体に転写し、画像化された層が転写媒体上に保持されている間に画像化された層を加熱し、設定された溶融転写パラメータに基づいて３次元部品の表面の溶融転写することができる。
【００９５】
いくつかの実施形態では、設定された溶融転写パラメータは、各溶融転写ステップについての溶融転写圧力、温度（複数可）、および／または継続時間が、異なる溶融転写ステップの間で変動することを可能にする。たとえば、３Ｄ部品の第１の部分が単純なブロック幾何形状を含み、３Ｄ部品の第２の部分が微細フィーチャ幾何形状を含む場合、コントローラ２４および／またはホストコンピュータ２６は、単純なブロック幾何形状を形成するために使用される層が、微細フィーチャ幾何形状を形成するために使用される層（たとえば、低い溶融転写圧力）と異なるように（たとえば、高い溶融転写圧力）溶融転写されるように溶融転写パラメータを設定することができる。
【００９６】
図８および９Ａ〜９Ｃは、ベルト１４（図１、２、および４Ａ〜４Ｄに示す）についての適した実施形態を示し、また、ベルト１１４（図５Ａ〜５Ｅに示す）およびベルト２１４（図６Ａ〜６Ｆに示す）について同様に適する。図８に示す実施形態では、ベルト１４は、層または膜２９０（前表面１４ａを規定する）およびベース部分２９２（後表面１４ｂを規定する）を含む複数層ベルトである。
【００９７】
膜２９０およびベース部分２９２は、望ましくは、材料であって、ＥＰエンジン１２からビルドプラットフォーム１８に部品（または支持）材料の層２８を転写するのに適し、部品および支持材料の溶融温度で熱的に安定であり、加熱ステップおよび積極的な冷却ステップの間に繰返し加熱され冷却される間の高い回転速度での継続した動作について頑健である、材料から得られる。
【００９８】
膜２９０は、１つまたはそれ以上の低表面エネルギー材料から得られ、それにより、受取られる層２８が前表面１４ａからビルドプラットフォーム１８に効果的に離脱することを可能にする。膜２９０についての適した材料の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン、およびペルフルオロアルコキシポリマーなどの１つまたはそれ以上のフッ化ポリマーを含む。適した市販のフッ化ポリマーは、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（デラウェア州ウィルミントン所在）からの販売名「ＴＥＦＬＯＮ」の下で入手可能なＰＴＦＥを含む。
【００９９】
ベース部分２９２は、摩擦電気帯電による前表面１４ａに対する熱可塑性ベース粉末についての良好な静電誘引を促進する１つまたはそれ以上の材料から得られる。ベース部分２９２についての適した材料の例は、摩擦電気帯電を促進するために１つまたはそれ以上の導電性材料をドープすることができる、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（デラウェア州ウィルミントン所在）からの販売名「ＫＡＰＴＯＮ」の下で商業的に入手可能なであるような１つまたはそれ以上のポリイミド材料を含む。いくつかの実施形態では、ベルト１４は、１つまたはそれ以上のタイ層などの、膜２９０とベース部分２９２との間の１つまたはそれ以上のさらなる層を同様に含むことができる。
【０１００】
図９Ａ〜９Ｃは、システム１０の種々のドライブローラに係合するためのベルト１４についての代替の実施形態を示す。図９Ａに示すように、ベルト１４の前表面１４ａは、受取り領域２９４および受取り領域２９４の対向する側部辺上のエッジ領域２９６を含むことができる。受取り領域２９４は、ＥＰエンジン１２とビルドプラットフォーム１８との間での転写のために層２８がその上で保持される前表面１４ａの領域である。エッジ領域２９６は、１つまたはそれ以上のドライブ機構がドライブベルト１４にそこで係合することができる領域である。
【０１０１】
たとえば、１つまたはそれ以上のローラ（たとえば、ローラ１６、ニップローラ１２０、溶融ローラ２２０、離脱ローラ２６８、および／またはサービスループローラ）は、エッジ領域２９６で前表面１４ａおよび／または後表面１４ｂに係合して、現像された層２８にローラが干渉しないことを保証することができる。いくつかの実施形態では、対向するローラの対（図示せず）は、エッジ領域２９６で前表面１４ａおよび後表面１４ｂに同時に係合して、ベルト１４を挟み、矢印３０の方向にベルト１４を駆動することができる。
【０１０２】
ｘ軸に沿う位置合わせを、エンコーダマーキング２９８の使用によって維持することができる。エンコーダマーキング２９８は、プリセットされた増分でｘ軸に沿って前表面１４ａおよび／または後表面１４ｂ上に予めマークされることができる、または、現像された層２８によって印刷されて、現像された層２８のｘ軸に沿う相対的な場所を識別することができる。システム１０はまた、ベルト１４が矢印３０の方向に回転するにつれて、エンコーダマーキング２９８を位置特定する１つまたはそれ以上の光学読取り器（たとえば、光学読取り器２９９）を含むことができる。
【０１０３】
代替的に、図９Ｂに示すように、ベルト１４は、ベルト１４の側部エッジに隣接して膜２９０およびベース部分２９２を貫通して延在する穴３００または他の開口のアレイを含むことができる。穴３００は、ベルト１４をトラクタ−フィード様式で駆動するために、１つまたはそれ以上のローラ（たとえば、ローラ１６、ニップローラ１２０、溶融ローラ２２０、離脱ローラ２６８、および／またはサービスループローラ）の往復式ギア歯（図示せず）に係合するように構成される。この実施形態では、ｘ軸に沿う位置合わせを、所望される場合、エンコーダマーキング２９８の使用によって同様に維持することができる。代替的には、穴３００は、同じ方法でエンコーダマーキングとしてそれ自身機能することができる。システム１０はまた、ベルト１４が矢印３０の方向に回転するにつれて、エンコーダマーキング２９８および／または穴３００を位置特定する１つまたはそれ以上の光学読取り器（たとえば、光学読取り器２９９）を含むことができる。
【０１０４】
図９Ｃは、後表面１４ｂに沿って側方向に延在するリアリブ３０２をベルト１４が含むさらに別の代替の実施形態を示す。リブ３０２は、ベルト１４をタイミング−ベルト(timing-belt)様式で駆動するために、１つまたはそれ以上のローラ（たとえば、ローラ１６、ニップローラ１２０、溶融ローラ２２０、離脱ローラ２６８、および／またはサービスループローラ）の往復式ギア歯（図示せず）に係合するように構成される。この実施形態では、ｘ軸に沿う位置合わせを、所望される場合、エンコーダマーキング２９８に対応するエンコーダマーキングの使用によって同様に維持することができる。代替的には、リブ３００は、同じ方法でエンコーダマーキングとしてそれ自身機能することができる。システム１０はまた、ベルト１４が矢印３０の方向に回転するにつれて、エンコーダマーキングおよび／またはリブを位置特定する１つまたはそれ以上の光学読取り器（たとえば、光学読取り器２９９）を含むことができる。
【０１０５】
図９Ａ〜９Ｃは、ベルト１４がシステム１０の１つまたはそれ以上のドライブ機構に係合することを可能にする、ベルト１４用の例示的な係合機構を示す。しかし、ベルト１４は、代替的には、特定のデザインが必要とする場合があるため、異なる係合機構を含むことができる。
【０１０６】
図１０〜１２は、システム１０によって実施されることができる本開示の層転写技法のための具現化される方法のフロー図である。図１０は、層溶融転写組立体３３（図１、２、および４Ａ〜４Ｄに示す）および／または層溶融転写組立体１３３（図５Ａ〜５Ｅに示す）を有するシステム１０によって実施されることができる方法３１０を示す。図示するように、方法３１０は、ステップ３１２〜３２４を含み、最初に、ＥＰエンジン１２などによって層を現像するかまたはその他の方法で画像化することを含む。画像化された層を、その後、ＥＰエンジン１２の第１の場所から層溶融転写組立体（たとえば、層溶融転写組立体３３および１３３）の第２の場所に到る転写媒体（たとえば、ベルト１４および１１４）上に転写することができる（ステップ３１４）。
【０１０７】
層溶融転写組立体の第２の場所に達する前に、層は、（例えば、加熱器３２および１３２において）少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱される。層溶融転写組立体に達すると、加熱された層は、その後、組合せ式ステップで溶融転写され、転写定着される（ステップ３１８）。
【０１０８】
たとえば、層溶融転写組立体３３の場合、押圧板２０がビルドプラットフォーム１８に係合して、加熱された層２８を３Ｄ部品２２の上部層に溶融転写する。押圧板２０を溶融温度より低い温度まで加熱することができるため、押圧板２０とベルト１４の後表面１４ｂとの間の接触は、ベルト１４と溶融転写される層２８との間のインタフェースをクールダウンし、ベルト１４の表面１４ａに対する溶融転写される層２８の固着力に比べて、溶融転写される層２８および３Ｄ部品２２内の相互拡散されたポリマーの固着力を増加させ、それにより、３Ｄ部品に固着された溶融転写される層２８を固定空間位置に維持する。
【０１０９】
溶融転写され転写定着された層を、その後、押圧板２０および／またはビルドプラットフォーム１８を引込めることによって、または、ベルト１１４をニップローラ１２０に巻付けることによりビルドプラットフォーム１１８からベルト１１４を分離することによってなどで、転写媒体から離脱することができる（ステップ３２０）。先に論じた転写定着ステップは、溶融転写された層が転写媒体からきれいに離脱し、３Ｄ部品に固着したままになることを可能にする。
【０１１０】
３Ｄ部品を、その後、（たとえば、エアナイフ４２およびエアジェット１４２によって）積極的に冷却することができる（ステップ３２２）。先に論じたように、画像化システム（たとえば、システム１０）は、３Ｄ部品の可変熱抵抗を通して熱が拡散する速度よりずっと速い速度で層を印刷することが可能であるため、対処されない場合、３Ｄ部品の変形温度を超えうる熱が、３Ｄ部品内に蓄積され、３Ｄ部品のバルクを、その構造的完全性を減少させるのに十分に軟化させうる。こうした軟質部品は、後続の溶融転写ステップ中にその後印加される溶融転写圧力下で変形する場合がある。
【０１１１】
高速な印刷レートを維持しながら、この問題を克服するために、３Ｄ部品が、各溶融転写ステップ３１８の間に積極的に冷却されて、３Ｄ部品を、３Ｄ部品の変形温度より低い平均部品温度に維持することができる。ステップ３１２〜３２４を、（矢印３２４で示すように）印刷動作が終了するまで３Ｄ部品の各層について繰返すことができる。各層を少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱し、それに続いて、溶融転写し／転写定着し、そして積極的に冷却することは、システム１０が、良好な部品品質および強度（たとえば、ｚ強度）を有する３Ｄ部品を印刷することを可能にする。
【０１１２】
図１１は、方法３２６を示し、方法３２６は、方法３１０（図１０に示す）と同様であり、層溶融転写組立体２３３を有する（また、押圧板２０が引込められた後に溶融転写された層２８とベルト１４が接触したままになる実施形態では層溶融転写組立体３３を有する）システム１０（図６Ａ〜６Ｆに示す）によって実施することができる。方法３２６は、ステップ３２８〜３４２を含み、ステップ３２８、３３０、３３２、３３８、３４０、および３４２を、方法３１０のそれぞれのステップと同じ方法で実施することができる。
【０１１３】
しかし、方法３１０の溶融転写と転写定着を組合せステップ３１８の代わりに、方法３２６は、別個である溶融転写ステップ３３４および転写定着ステップ３３５を含む。たとえば、層溶融転写組立体２３３は、（冷却または転写定着ステップ３３６用の）エアジェット２７４によって分離される（溶融転写ステップ３３４用の）加熱式溶融ローラ２２０および（離脱ステップ３３８用の）離脱ローラ２６８を含む。これは、層が、加熱ステップ３３２においてまた溶融転写ステップ３３４中に、最適溶融転写インタフェース温度まで加熱され、その後、離脱ステップ３３８にて離脱する前に、（転写定着ステップ３３６にて）層を定着させる温度まで冷却されることを可能にする。これは、３Ｄ部品の寸法精度を同様に維持しながら界面エンタングルメントを促進するために、溶融転写された層のポリマー分子が相互拡散する程度を実質的に増加させる。
【０１１４】
さらに、溶融転写された層の転写媒体からの離脱を、離脱ステップ３３８中に補助することができる。たとえば、離脱ローラ２６８は、ベルト２１４とビルドプラットフォーム２１８との間の分離角度を増加させることによって、溶融転写された層２２８をベルト２１４から離脱するのを補助し、そのことは、溶融転写された層２２８がベルト２１４から層離脱する容易さを増加させる。
【０１１５】
図１１にさらに示すように、積極的な冷却ステップ３４０は、方法３２６のオプションのステップ（破線３４４で示す）とすることができる。たとえば、システム１０は、代わりに、低い印刷速度で動作して、熱が３Ｄ部品から拡散することを可能にする。しかし、先に論じたように、積極的な冷却ステップ３４０は、高速度で印刷しながら、３Ｄ部品の構造的完全性を維持するのに望ましい。
【０１１６】
図１２は、方法３４６を示し、方法３４６は、方法３１０（図１０に示す）および方法３２６（図１１に示す）と同様であり、層溶融転写組立体２３３を有するシステム１０（図６Ａ〜６Ｆに示す）によって実施することができる。方法３４６を、加熱器２７０および２７２に対応する１つまたはそれ以上の加熱器を含む実施形態において、層溶融転写組立体３３によって同様に実施することができる。方法３４６は、ステップ３４８〜３６４を含み、ステップ３４８、３５０、３５２、３５８、３６０、３６２、および３６４を、方法３２５６のそれぞれのステップと同じ方法で実施することができる。
【０１１７】
しかし、方法３４６はまた、３Ｄ部品の上部表面または層（複数可）が、溶融転写ステップ３５６の前に予め加熱されるステップ３５４を含む。たとえば、層溶融転写組立体２３３によって、加熱器２７０および２７２は、３Ｄ部品２２２の上部表面または層（複数可）を少なくとも熱可塑性ベース粉末の溶融温度まで加熱することができる。層２２８および３Ｄ部品２２２の加熱される上部表面／層はそれぞれ、層材料の溶融温度まで加熱されるため、押圧され加熱された層２２８は、（溶融転写ステップ３５８中に）高いレベルの界面層固着を持った状態で３Ｄ部品２２２の加熱された上部表面／層に溶融転写する。
【０１１８】
さらに、両方のローラ間でエアジェット２７４による冷却または転写定着ステップ３５８がある状態で、溶融ローラ２２０および離脱ローラ２６８を分離することによって、層溶融転写組立体２３３は、層が、最適溶融転写インタフェース温度まで加熱され、離脱前に層を定着させる温度まで冷却されることを可能にする。これは、３Ｄ部品の寸法精度を同様に維持しながら界面エンタングルメントを促進するために、溶融転写された層のポリマー分子が相互拡散する程度を実質的に増加させる。
【０１１９】
実施例
本開示の範囲内の多数の修正および変形が当業者に明らかになるため、本開示は、単に例証であることを意図される以下の実施例において詳細に述べられる。
【０１２０】
実施例１
実施例１の印刷動作の場合、３Ｄ部品は、それぞれが加熱された可動押圧板および垂直作動式ビルドプラットフォームを有する図１、２、および４Ａ〜４Ｄに示すシステムに対応するアディティブマニュファクチュアリングシステムによって印刷された。３Ｄ部品は、ＡＢＳ部品材料から印刷され、各層は、電子写真エンジンによって現像され、サービスループデザインの周りにループ形成された回転可能転写ベルトに転写された。現像された層は、転写ベルトによって赤外線加熱器まで搬送されて、層をＡＢＳ部品材料の溶融温度まで加熱された。
【０１２１】
加熱された層は、その後、ビルドプラットフォームに転写され、ビルドプラットフォームを覆って整列された。押圧板は、下に作動されて、３Ｄ部品の直前に溶融転写された層に対して（または、最初の層の場合、ビルドプラットフォームに対して）加熱された層を溶融転写した。押圧板は、その後、引込められ、これが、転写ベルトから層をきれいに層離脱させ、層が３Ｄ部品に溶融転写したままになることを可能にした。
【０１２２】
エアナイフからの冷却空気は、同様に、３Ｄ部品の上部層に向けられた。これは、溶融転写した層からさらなる熱を除去して、３Ｄ部品の構造的完全性を維持する平均部品温度を提供し、３Ｄ部品は、熱蓄積によって崩落しなかったかまたは溶解しなかった。このプロセスは、３Ｄ部品の各層について繰返された。エアナイフおよび押圧板は、全体の印刷動作中に３Ｄ部品の変形温度未満の平均部品温度を首尾よく維持した。結果として得られる３Ｄ部品は、良好な部品分解能、密な充填(dense fill)、および良好な寸法完全性を示した。
【０１２３】
実施例２
実施例２の印刷動作の場合、３Ｄ部品は、それぞれが加熱されたニップローラおよび可動ビルドプラットフォームを有する図５Ａ〜５Ｅに示すシステムに対応するアディティブマニュファクチュアリングシステムによって印刷された。３Ｄ部品は、ＡＢＳ部品材料から印刷され、各層は、電子写真エンジンによって現像され、サービスループデザインの周りにループ形成された回転可能転写ベルトに転写された。これらの実施例では、サービスループは、引張応力から転写ベルトを保護するために使用された。現像された層は、転写ベルトによって赤外線加熱器まで搬送されて、層をＡＢＳ部品材料の溶融温度まで加熱された。
【０１２４】
加熱された層は、その後、ビルドプラットフォームに転写され、ビルドプラットフォームを覆って整列された。ビルドプラットフォームは、上に作動されて、３Ｄ部品の直前に溶融転写された層に対して（または、最初の層の場合、ビルドプラットフォームに対して）加熱された層を溶融転写した。特に、ビルドプラットフォームを上に作動させることは、ビルドプラットフォームとニップローラとの間で（または、３Ｄ部品の直前に溶融転写した層に対して）加熱された層と転写ベルトを押圧した。ビルドプラットフォームは、その後、転写ベルトと同期したレートで移動し、その後、下流場所で解除された。これは、転写ベルトから層をきれいに層離脱させ、層が３Ｄ部品に溶融転写したままになることを可能にした。
【０１２５】
エアジェットからの冷却空気は、同様に、３Ｄ部品の上部層に向けられた。これは、溶融転写した層からさらなる熱を除去して、３Ｄ部品の構造的完全性を維持する平均部品温度を提供し、３Ｄ部品は、熱蓄積によって崩落しなかったかまたは溶解しなかった。ビルドプラットフォームは、その後、その開始位置に戻り、プロセスが、３Ｄ部品の各層について繰返された。これらの実施例では、エアジェットは、全体の印刷動作中に３Ｄ部品の変形温度未満の平均部品温度を首尾よく維持した。結果として得られる３Ｄ部品は、良好な部品分解能、密な充填、および良好な寸法完全性を同様に示した。
【０１２６】
比較例ＡおよびＢ
比較例ＡおよびＢの印刷動作の場合、３Ｄ部品は、実施例１および２についてそれぞれ使用された同じアディティブマニュファクチュアリングシステムによって印刷された。しかし、比較例ＡおよびＢの場合、エアナイフまたはエアジェット冷却は省略された。その他の点では、プロセスは、実施例１および２について先に論じたのと同じ方法で実施された。
【０１２７】
比較例ＡおよびＢの印刷動作の場合、印刷された各３Ｄ部品の完成前に、印刷された層は、圧迫され平坦化し始めた。先に論じたように、これは、印刷された各層の間で十分に拡散できなかった熱が印刷された層内に蓄積するためであると思われる。蓄積された熱は、３Ｄ部品のバルクを軟化させ、後続の溶融転写ステップ中に３Ｄ部品のバルクを圧迫した。これは、変形した３Ｄ部品をもたらした。
【０１２８】
したがって、積極的な冷却を含む本開示の層転写技法は、電子写真を使用して高レートで３Ｄ部品を印刷するのに有益である。積極的な冷却は、首尾よく実装されて、次の層の溶融転写の前に、溶融された各層から付加熱を除去した。これは、実施例１および２のシステムによって印刷される３Ｄ部品が、その変形温度未満であるが、良好な界面層固着および低減された硬化を促進するのに十分高い平均部品温度に維持されることを可能にした。
【０１２９】
開示は好ましい実施形態を参照して述べられたが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更を行うことができることを当業者は認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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