(57)【要約】固体自由形状製作のための材料供給装置。非流動状態にある構築材料が供給装置により単位量すなわち量子化された量ずつ計量分配装置に送出され、次いで、計量分配される前に、材料は流動状態に変えられる。供給装置は、望ましければ、着色３次元物体の構築に用いることができる。一実施形態において、構築材料を収めた個々のカートリッジが、廃棄材料取出装置と一体化された供給装置のマガジンに装填される。構築材料がカートリッジから押し出されるにつれて、廃棄材料がカートリッジ内に堆積する。構築材料が全て押し出されてしまうと、廃棄材料は使用済カートリッジ内に気密封入され、次いで使用済カートリッジが装置から排出される。気密封止されたカートリッジは、反応性廃棄材料との接触から作業者を守り、オフィス環境における装置の安全を図る。
2005504653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体自由形状製作装置のための構築材料供給装置において、前記構築材料が非流動状態及び流動状態を有し、前記装置が前記構築材料を計量分配するための計量分配装置を有し、前記供給装置が、
前記非流動状態にある、単位量の前記構築材料を複数単位保持する手段、
前記非流動状態にある前記単位量の前記構築材料を前記計量分配装置上の少なくとも１つのホッパーに給送する手段、
前記構築材料の前記ホッパーへの給送後に、前記構築材料を前記非流動状態から前記流動状態に変化させる手段、
前記ホッパー内の前記流動状態にある前記構築材料を前記計量分配装置の受け器に移動させる手段、及び
前記受け器内の前記構築材料を積層式に前記計量分配装置により計量分配する手段、
を備えることを特徴とする構築材料供給装置。
【請求項２】
前記単位量の前記構築材料の前記ホッパーへの前記給送を制御するために、前記受け器内に保持されている前記構築材料の減耗状態を検出する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の構築材料供給装置。
【請求項３】
前記ホッパー内の前記構築材料を前記受け器に移動させるための前記手段が前記計量分配装置内の通路を含み、前記通路が前記受け器と前記ホッパーの間に通じていることを特徴とする請求項１に記載の構築材料供給装置。
【請求項４】
前記計量分配装置が前記受け器と通じている吐出オリフィスを少なくとも１つ有し、前記吐出オリフィスが毛管引力を有し、前記通路が前記吐出オリフィスの前記毛管引力より強い実効毛管引力を有する毛管バルブを備え、前記計量分配装置の前記受け器が減圧下に維持されていることを特徴とする請求項３に記載の構築材料供給装置。
【請求項５】
前記計量分配装置が複数の吐出オリフィスを有するインクジェットプリントヘッドを少なくとも１基備えていることを特徴とする請求項１に記載の構築材料供給装置。
【請求項６】
前記計量分配装置が少なくとも２つのホッパーを備え、少なくとも１つのホッパーは３次元物体を形成するために計量分配されるべき前記構築材料を受け取るように適合されており、別の少なくとも１つのホッパーは前記３次元物体の支持体を形成するために計量分配されるべき支持材料を受け取るように適合されていることを特徴とする請求項５に記載の構築材料供給装置。
【請求項７】
少なくとも２基の計量分配装置をさらに備え、少なくとも１基の計量分配装置は３次元物体を形成する前記構築材料を計量分配するための計量分配装置であり、別の少なくとも１基の計量分配装置は前記３次元物体のための支持体を形成するための支持材料の計量分配専用であることを特徴とする請求項１に記載の構築材料供給装置。
【請求項８】
前記計量分配装置が複数のホッパーを備え、前記複数のホッパーのそれぞれは、一意的な視覚特性を有する相異なる構築材料のそれぞれに関係付けられ、前記一意的な視覚特性を示す前記それぞれの構築材料の給送を受けることを特徴とする請求項１に記載の構築材料供給装置。
【請求項９】
前記それぞれのホッパーに関係付けられる前記一意的な視覚特性が色であり、前記それぞれのホッパーに給送される前記相異なる構築材料のそれぞれに着色剤が添加されていることを特徴とする請求項８に記載の構築材料供給装置。
【請求項１０】
前記着色剤が、青紫（シアン）、紫紅（マゼンタ）、黄（イエロー）及び黒からなる色群を呈することを特徴とする請求項９に記載の構築材料供給装置。
【請求項１１】
前記計量分配装置が、３次元物体の任意の層の任意の座標に任意の着色剤を含む前記構築材料を選択的に計量分配できる、複数の吐出オリフィスを有することを特徴とする請求項１０に記載の構築材料供給装置。
【請求項１２】
前記構築材料の前記単位量を前記ホッパーに給送するための前記手段が前記材料を落し込み装荷態様で給送する機械的割送り装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の構築材料供給装置。
【請求項１３】
流動状態にある構築材料を計量分配することにより３次元物体を積層式に形成するための固体自由形状製作装置において、
前記３次元物体が形成されている間、前記３次元物体を支持するための構築作業台を有する構築環境、
前記３次元物体のそれぞれの層を形成するために前記流動状態にある前記構築材料を計量分配するための、前記構築作業台の近くにあり、前記構築材料を受け取るためのホッパーを少なくとも１つ有する、少なくとも１基の計量分配装置、
非流動状態にある単位量の前記構築材料をランダムな順序で複数単位保持するための少なくとも１基の待機ステーション、
前記構築材料を計量分配する際に前記計量分配装置と前記構築作業台を相対的に移動させるための移動手段、
前記待機ステーションから前記ホッパーに前記単位量の前記構築材料を給送する手段、
前記構築材料を前記非流動状態から前記流動状態に変えるための、前記ホッパーに通じている加熱手段、及び
前記３次元物体を記述する物体データを受け取るための、前記３次元物体を形成する際に前記装置を制御するために前記データを処理するように適合されている、コンピュータコントローラ、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記計量分配装置が、少なくとも１つの、前記流動状態にある、ある量の前記構築材料を保持するための受け器をさらに備え、
前記コンピュータコントローラにより検出される前記受け器内の前記構築材料の保持量の減耗状態に応答して前記構築材料の前記単位量が前記ホッパーに給送されることを特徴とする請求項１３に記載の製作装置。
【請求項１５】
前記計量分配装置が、
前記受け器に通じ、毛管引力を有する少なくとも１つの吐出オリフィス、及び
前記受け器及び前記ホッパーに通じ、前記吐出オリフィスの前記毛管引力より強い実効毛管引力を有する毛管バルブを備え、前記流動状態に変化した前記ホッパー内の前記構築材料が流過して前記受け器に進むことを可能にする通路
をさらに備え、前記計量分配装置の前記受け器内の前記構築材料の前記量が減圧下に維持されていることを特徴とする請求項１４に記載の製作装置。
【請求項１６】
少なくとも１つのホッパーが前記３次元物体を形成するために計量分配されるべき前記構築材料を受け取るように適合され、別の少なくとも１つのホッパーが前記３次元物体のための支持体を形成するために計量分配されるべき支持材料を受け取るように適合されていることを特徴とする請求項１５に記載の製作装置。
【請求項１７】
少なくとも２基の計量分配装置をさらに備え、少なくとも１基の計量分配装置は前記３次元物体を形成している前記構築材料を計量分配するための計量分配装置であり、別の少なくとも１基の計量分配装置は前記３次元物体のための支持体を形成するための支持材料を計量分配するための計量分配装置であることを特徴とする請求項１３に記載の製作装置。
【請求項１８】
前記計量分配装置が複数のホッパーをさらに備え、前記複数のホッパーのそれぞれが一意的な視覚特性を有する相異なる構築材料のそれぞれに関係付けられ、前記一意的な視覚特性を示す前記それぞれの構築材料の給送を受けることを特徴とする請求項１３に記載の製作装置。
【請求項１９】
前記それぞれのホッパーに給送される前記それぞれの構築材料の前記一意的な視覚特性が色であり、前記それぞれのホッパーに給送される前記相異なる構築材料のそれぞれに着色剤が添加されていることを特徴とする請求項１８に記載の製作装置。
【請求項２０】
前記着色剤が、青紫（シアン）、紫紅（マゼンタ）、黄（イエロー）及び黒からなる色群の内のいずれか１つまたはいずれかの組合せを呈することを特徴とする請求項１９に記載の製作装置。
【請求項２１】
前記計量分配装置が、前記３次元物体の任意の層の任意の座標に前記相異なる構築材料の全てを選択的に計量分配できるように、前記それぞれのホッパーと通じている複数のオリフィスを備えることを特徴とする請求項２０に記載の製作装置。
【請求項２２】
固体自由形状製作装置のための材料供給及び廃棄装置において、
単位量の材料を保持するコンテナを少なくとも１つ待機ステーションに給送する手段、
前記コンテナから前記単位量の前記材料を取り出す手段、
前記取り出された材料を少なくとも１基の計量分配装置に送出する手段、
３次元物体を複数の層により形成するために、前記材料を前記計量分配装置により積層式に計量分配する手段、
廃棄材料を生じさせる、前記３次元物体の前記複数の層のそれぞれを規格化する手段、
前記コンテナに付帯する廃棄材料受け器内に前記廃棄材料を堆積させる手段、及び
前記コンテナ内の前記材料の実質的に全てが取り出されたときに前記コンテナを排出する手段、
を備えることを特徴とする廃棄装置。
【請求項２３】
前記廃棄材料が前記廃棄材料受け器に送出された後に前記廃棄材料を硬化させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載の廃棄装置。
【請求項２４】
前記廃棄材料を硬化させるための前記手段は化学線にさらすことにより前記廃棄材料を硬化させることを特徴とする請求項２３に記載の廃棄装置。
【請求項２５】
前記コンテナを排出する前に前記廃棄受け器を閉じる手段をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の廃棄装置。
【請求項２６】
固体自由形状製作装置のための材料供給及び廃棄装置において、
単位量の材料を保持するコンテナを少なくとも１つ待機ステーションに給送する手段、
前記コンテナから前記単位量の前記材料を取り出す手段、
前記取り出された材料を少なくとも１基の計量分配装置に送出する手段、
３次元物体を複数の層により形成するために、前記材料を前記計量分配装置により積層式に計量分配する手段、
廃棄材料を生じさせる、前記３次元物体の前記複数の層のそれぞれを規格化する手段、
前記コンテナに付帯する廃棄材料受け器内に前記廃棄材料を堆積させる手段、
単位量の支持材料を保持するコンテナを少なくとも１つ、支持材料待機ステーションに給送する手段、
前記コンテナから前記単位量の前記支持材料を取り出す手段、
前記取り出された支持材料を前記計量分配装置に給送する手段、及び
前記３次元物体のための支持体を形成するために積層式に前記支持材料を前記計量分配装置により計量分配する手段、
を備え、（前記）廃棄材料を堆積させる（前記）手段が単位量の（前記）支持材料を保持している（前記）コンテナに付帯する廃棄材料受け器内に前記廃棄材料も送出することを特徴とする廃棄装置。
【請求項２７】
前記コンテナ内の前記材料の実質的に全てが取り出されたときに前記コンテナを排出する手段をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の廃棄装置。
【請求項２８】
前記コンテナに付帯する前記廃棄材料受け器に前記廃棄材料が送出された後に前記廃棄材料を硬化させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載の廃棄装置。
【請求項２９】
前記廃棄材料を硬化させるための前記手段は化学線にさらすことにより前記廃棄材料を硬化させることを特徴とする請求項２８に記載の廃棄装置。
【請求項３０】
前記コンテナを排出する前に前記廃棄受け器を閉じる手段をさらに備えることを特徴とする請求項２９に記載の廃棄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には固体自由形状製作のための材料供給装置に関し、特に、３次元物体を構築するために固体自由形状製作装置に材料の単位分量を選択的に直接供給できる量子化供給装置に関する。本供給装置は量子化されているから、着色３次元物体を構築するため、または１つより多くの材料を計量分配するために、本装置を用いることができる。さらに、本供給装置は、特別な取扱手順をとらずに反応性材料を取り扱うことができる、気密封止された廃棄材料取出装置と一体化できる。
【背景技術】
【０００２】
近年、模型、原型及び限定生産のための部品の高速製作のための新技術がいくつか開発されてきた。これらの新技術は一般に固体自由形状製作と言い表すことができ、本明細書では“ＳＦＦ”と称される。いくつかのＳＦＦ技法には、ステレオリソグラフィ法、選択堆積模型形成法、積層物体製作法、選択位相領域堆積法、多重位相噴射固化法、弾道粒子製作法、溶融堆積模型形成法、粒子堆積法、レーザ焼結法等がある。ＳＦＦにおいては、複雑な部品が、一般には本質上減法的である従来の製作法とは逆に、加法的に模型形成材料からつくられる。例えば、従来の製作法では、材料が機械加工作業で取り除かれるか、ダイまたは金型でほぼ全体形状に成形されてからトリミングされる。これに対して加法的製作法は、複雑な部品を構築するため、構築材料を複数回に分けて、一般には一層ずつ、目標の場所に増加的に加える。
【０００３】
ＳＦＦ技術は一般に、部品のコンピュータグラフィック表示と、部品を連続層で作成するための構築材料供給法とを利用する。ＳＦＦ技術は従来の通常の作製法に優る多くの利点を有する。例えば、ＳＦＦ技術は原型部品を開発するための時間を劇的に短縮し、限られた数の部品を高速製作プロセスで迅速につくることができる。ＳＦＦ技術では、従来の通常の製作法にともなう、特に注型作業のための金型を製作する場合の、複雑なツーリング及び機械加工の必要がなくなる。さらに、ＳＦＦ技術は、特注物体をコンピュータグラフィックデータを処理することにより迅速につくることができるから、有利である。
【０００４】
多種多様な構築材料が様々なＳＦＦ法に用いられる。これらの材料は一般に、粉体、液体、気体、ペースト、泡またはゲルの形態で与えられる。最近、より強い機械的特性を達成するため、ＳＦＦプロセスにおいて極めて粘度の高いペースト材料の利用することについて関心が高まっている。さらに、最近は、ＳＦＦプロセスで作られる３次元物体上の色のような、視覚的特徴の再現への関心が高まっている。これにより、構築材料のための特別な添加剤、および３次元物体を構築しているときにそのような視覚的特徴の生成を可能にするための新しい軽量分配装置を開発する必要が生じている。
【０００５】
出現したＳＦＦのカテゴリーの１つは、本明細書では“ＳＤＭ”と称される、選択堆積模型形成法である。ＳＤＭでは、構築材料を流動状態にある間に層状に物理的に堆積し、固化させて物体を形成する。あるタイプのＳＤＭ技術では、抵抗加熱されたノズルを通して模型形成材料が連続フィラメントとして押し出される。別のタイプのＳＤＭ技術では、部品を構築するために模型形成材料が個別の液滴で噴射されるかまたは滴下される。ある特別なＳＤＭ装置では、インクジェットプリンタに用いられているような噴射装置を通して送出される、低融点の熱可塑性材料が固体模型形成材料として用いられる。インクジェットプリンタヘッドを利用するタイプのＳＤＭプロセスは、例えばメンヘネット（Menhennett）他の特許文献１に説明されている。
【０００６】
インクジェットプリントヘッドは２次元印刷での使用するように設計されているので、ＳＦＦ法による３次元物体の構築にインクジェットプリントヘッドを使用するためには特別な改造を施さなければならない。これは一般に、上記の２つのプロセスの間に実質的な差があり、相異なる問題には相異なる解決策が必要となるためである。例えば、２次元印刷では印刷解像度が重視されて、比較的少量の液相溶液が噴射されて乾燥または固化される。２次元印刷では少量の材料しか噴射されないから、液相溶液用材料貯蔵槽をインクジェットプリントヘッドに直接に内蔵でき、しかも、再充填または交換が必要となるまでに非常に多くのページを印刷できる能力を提供する。対照的に、ＳＤＭでは、通常は熱可塑性材料またはワックス材料のような固体材料を、噴射するために流動可能な状態になるまで加熱し、次いで固化させる必要がある。さらにＳＤＭでは計量分配分解能が２次元印刷の場合ほど厳密ではない。これは一般に、目標の画素位置のそれぞれに対して、ＳＤＭ法で噴射されるべき材料の量が２次元印刷法で噴射されるべき量よりかなり多いためである。例えば、２次元印刷では１ないし２個の液滴しか必要でないのに対し、ＳＤＭでは特定の画素位置に６個の液滴を堆積することが必要となることもある。照準精度は同じであり得るが、計量分配された６個の液滴が隣接画素位置に向かって垂れ落ちるかまたは流れ得るため、ＳＤＭ法で達成される実解像度は一般に２次元印刷より若干低い。
【０００７】
別の差異は、ＳＤＭではかなり多量の材料が噴射されるため、物体の形成速度が重要となることである。ＳＤＭでは構築の高速化を優先させてきたため、初期のＳＤＭ法は、３次元物体形成の構築速度を最大化するために、インクジェットプリントヘッドの全ての吐出オリフィスを単一の構築材料の計量分配にあてていた。しかし、これでは物体の形成時にプリントヘッドから多数の色を選択的に計量分配できる能力が失われる。
【０００８】
上述した差は重大であり、解決されるべき多くの問題を生じる。例えば、ＳＤＭ法で堆積される材料は、体積及び重量のいずれにおいても相当な量であるため、貯蔵槽をインクジェットプリントヘッドに直接搭載して材料の全量を保持することは一般に実行不能であると考えられる。したがって、ほとんどのＳＤＭ装置では、プリントヘッドから離れた場所に、可撓性の導管コードを有する材料給送装置を介してインクジェットプリントヘッドと通じている、大きな貯蔵槽を備えるのが一般的である。しかし、構築材料が計量分配装置に向けて流れることができるように、材料の少なくともいくらかを流動可能にするかまたは流動可能にしておくためには、大貯蔵槽及び導管コードを加熱しなければならない。あいにくなことに、インクジェットプリントヘッドを用いるＳＤＭ法では、遠隔大貯蔵槽内の固化している材料を初めに加熱して流動状態にするに必要な時間長のため、インクジェットプリントヘッドによる２次元印刷より始動時間が長い。さらに、構築プロセス中に大量の材料を貯蔵槽及び送出装置内で流動状態に維持するには、相当な量のエネルギーが必要である。これは、構築環境内でかなりの量の熱を発生するので望ましくない。
【０００９】
ＳＤＭ法では構築高速化を優先させていたため、これまでの方策ではインクジェットプリントヘッドの色計量分配能力が顧みられず、代わりに単一の大貯蔵槽から供給される単一の構築材料の計量分配に、プリントヘッドの計量分配オリフィスの全てがあてられていた。そのような従来技術の送出装置によれば、物体に多数の色をつけるために多数の材料を計量分配するためには多数の遠隔貯蔵槽及び送出装置が必要であろう。これはそのような装置の複雑さ及びコストを増大させ、一般には実用的でない。したがって、離れた場所で加熱される材料の貯蔵槽を利用する従来技術のＳＦＦ供給装置の限界を克服する必要がある。インクジェットプリントヘッドの色計量分配能力を利用できる、ＳＦＦで用いられるプリントヘッドのための供給装置の開発も必要である。
【００１０】
２次元印刷のため、プリントヘッドに相変化インクを送出するための方策が以前に提案されている。例えば、クロウフォード（Crawford）等の特許文献２では、供給インク棒またはインクブロックを装填ビン内に縦積スタックにし、スタックの終端でインク棒を溶融プレートに押し付け、次いで液態の溶融インクをプリントヘッドに滴下する。ルイス（Lewis）の特許文献３及びデ・ヤング（De Young）の特許文献４では同様に、インクを溶融して溶融インクをプリントヘッドに送出するために、長い固体インクブロックをヒータープレートに押し付ける。また、特許文献５では、円柱形固体インク補給ペレットが、インクジェットプリントヘッドでの使用のための溶融の前に、細長いアレイに沿って前進する。クック（Cook）等の特許文献６では、相変化材料を保持するカートリッジを加熱して、溶融材料をプリントヘッド用供給装置に流れ込ませる。マートナー（Martner）の特許文献７では、可撓性ホットメルトインクウエブをヒーターまでスプール上を前進させ、材料をヒーターで溶融してからインクジェットプリントヘッドに送出する。ミヤザワ（Miyazawa）等の特許文献８には、インクジェット供給装置の多くの実施形態が開示されている。一実施形態では、細長い固体インクアレイを前進させ、切欠きで切り離してから溶融させる。別の実施形態では、固体インク球の縦アレイを単縦列で保持し、選択的にプリントヘッド内に落下させる。しかし、上記の従来の方策は２次元印刷用の供給装置に向けられ、３次元物体の形成に必要なかなり大量の構築材料をどのように扱い、送出するかのような、ＳＤＭ法で直面する問題を扱っていない。例えば、従来の縦積またはアレイ供給装置は、ＳＤＭに用いられた場合、必要な量の材料を保持するために極めて長くならなければならないか、あるいは構築プロセス中に定常的な手動再補給が必要になるであろう。これらの選択肢はいずれもＳＤＭには望ましくない。
【００１１】
ＳＤＭ法に特有の別の問題は、形成される層が、一様な層を確立するため、構築プロセス中に整形されるかまたは平滑化されなければならないことである。層の規格化は通常、層に計量分配された材料の一部を除去する平坦化装置により達成される。そのような平坦化装置の１つがレイデン（Leyden）等の特許文献９に開示されている。しかし、平坦化装置は処理を要する廃棄材料を構築中に生じる。非反応性材料を用いて作業する際には、通常、このことは問題ではない。しかし、反応性材料が用いられる場合には問題になり得る。例えば、ほとんどの感光性ポリマーは反応性であり、人間の皮膚への過剰な接触により過敏反応の原因となることがある。したがって、感光性ポリマー材を利用するＳＦＦプロセスのほとんど全てで、感光性ポリマー材との過剰な肉体的接触を最小限に抑えるかまたは排除するために、何らかの補助的な取扱手順が必要である。例えば、ステレオリソグラフィでは、作業者は一般に、液体樹脂を取り扱う際及び構築作業台から完成部品を取り出す際に手袋を着用する。しかし、通常は非反応性材料を取り扱うＳＤＭ作業者は、補助的な取扱手段があると不便であると考え、可能であれば、なくしたほうが好ましいと思うであろう。したがって、特別な取扱手順を実施する必要なしに反応性材料を取り扱うことができる、ＳＤＭ用の材料供給及び廃棄装置を提供する必要がある。
【００１２】
従来技術の上記及びその他の問題は、本発明にしたがって、ＳＦＦ装置の計量分配装置に、装置が３次元物体を形成するときに、必要に応じて単位分量ずつ構築材料を供給することにより克服される。
【特許文献１】
米国特許第５５５５１７６号明細書
【特許文献２】
米国特許第５８６１９０３号明細書
【特許文献３】
米国特許第４５９３２９２号明細書
【特許文献４】
米国特許第４６０９９２４号明細書
【特許文献５】
米国特許第４６３６８０３号明細書
【特許文献６】
米国特許第４６３１５５７号明細書
【特許文献７】
米国特許第４６８２１８５号明細書
【特許文献８】
米国特許第５３４１１６４号明細書
【特許文献９】
米国特許第６２７０３３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、３次元物体の形成時に構築材料を必要に応じて単位分量ずつＳＦＦ装置の計量分配装置に供給することにより、ＳＦＦプロセスの広い適用範囲にわたり恩恵を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様は、上述した従来技術の欠点を克服する、ＳＦＦ装置用の新規な構築材料供給装置を提供することである。
【００１５】
本発明の別の態様は、３次元物体の形成時にインクジェットプリントヘッドの多色計量分配能力を利用する、ＳＦＦ装置用の新規な構築材料供給装置を提供することである。
【００１６】
本発明の特徴の１つは、３次元物体を形成するために供給装置が構築材料を必要に応じて単位量ずつ計量分配装置に給送することである。
【００１７】
本発明の別の特徴は、供給装置により給送される構築材料が計量分配装置の直近で加熱されて流動状態にされ、減圧下に維持されている計量分配室に毛管バルブを通して送られることである。
【００１８】
本発明の利点は、ＳＤＭ装置において、遠隔貯蔵槽内で大量の構築材料を高温に維持して流動状態に維持する必要がもはやないことである。
【００１９】
本発明の別の利点は、材料に対して特別の取扱手順を実施する必要なしに、ＳＤＭ装置で材料を使用できることである。
【００２０】
本発明の更に別の利点は、ＳＤＭ装置で発生する放射熱量が実質的に低減されることである。
【００２１】
本発明の供給装置の更に別の利点は、色のような視覚的属性を有する３次元物体をＳＦＦ法で構築するために、インクジェットプリントヘッドを利用できることである。
【００２２】
上記及びその他の態様、特徴及び利点は、必要に応じて単位量の構築材料を非流動状態で計量分配装置に給送する独特の構築材料供給装置を採用する本発明の方法及び装置にしたがって達成される。材料が計量分配装置に給送された後は、材料を非流動状態から流動状態に変化させ、次いで、３次元物体を積層式に形成するために選択的に計量分配することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の方法及び装置の上記及びその他の態様、特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な開示を、特に添付図面とともに考察すれば明らかになるであろう。
【００２４】
理解を容易にするため、可能であれば、それぞれの図面に共通な同じ要素を指定するために同じ参照数字を使用した。
【００２５】
本発明はＳＦＦプロセスの広い適用範囲にわたり恩恵を供する。以降の説明は数多くのそのような用途の代表としてなされるが、それで全てではない。理解されるであろうように、本明細書に教示される基本的な装置及び方法は、多くの用途に容易に適合させることができる。本明細書及び本明細書に添付される特許請求事項は、開示される特定の実施例への言及の要請により課される文言上の限界があるように見えるとしても、開示される本発明の範囲及び精神に調和する広さと一致させることを意図している。
【００２６】
本発明はＳＦＦ法及びＳＦＦ法でつくられる物体の全てに適用できるが、ここでは流動状態で計量分配される構築材料を利用する固体堆積模型作成に関して本発明を説明する。しかし、本発明は広範な構築材料を利用するどのようなＳＦＦ法によっても実施可能であることを理解されたい。例えば、構築材料は、加熱されて流動状態になるが、固化すると、高粘度液体、半固体、ゲル、ペーストまたは固体を形成し得る、光硬化性の材料または焼結可能な材料とすることができる。さらに、構築材料は、望まれるならば、光硬化性液体樹脂と、金属、セラミックまたは鉱物などの材料の粉末との混合物のような、複合成分混合物であってもよい。
【００２７】
本明細書に用いられる、構築材料の“流動状態”という用語は、材料の移動または流動を生じさせる、材料の計量分配時にインクジェットプリントヘッドにより誘起されるような、計量分配装置により誘起される剪断応力に材料が抗することができない状態である。構築材料の流動状態は液態であることが好ましいが、構築材料の流動状態がチキソトロープ特性を示していてもよい。本明細書で用いられる“固化する”及び“固化可能”という用語は、材料が流動状態から非流動状態に遷移する、材料の相変化特性を指す。本明細書で用いられる、構築材料の“非流動状態”とは、材料が材料自体の重量の下で十分に自立して材料自体の形状を保持する状態である。固態、ゲル態、ペースト態またはチキソトロープ態で存在する構築材料は、本明細書での議論の目的のための、非流動状態の構築材料の例である。さらに、“硬化する”または“硬化性”という用語は、あらゆる重合反応を指す。重合反応は、輻射線または熱にさらされることにより開始することが好ましい。最も好ましい重合反応には、紫外または赤外波長帯にある化学線にさらされることで開始する、モノマーまたはオリゴマーの架橋反応がある。さらに、“硬化状態”という用語は重合反応が実質的に完了している材料または材料の一部を指す。一般に、硬化する前は、材料は流動状態と非流動状態の間で容易に遷移できるが、硬化してしまえば、材料を遷移させて流動状態に戻し、装置により計量分配することができないことは当然である。さらに、“支持材料”という用語は３次元物体が形成されている間の３次元物体のための支持構造体の形成を目的として計量分配されるあらゆる材料を指し、“構築材料”という用語は３次元物体の形成を目的として計量分配されるあらゆる材料を指す。構築材料及び支持材料は同じ配合を有する同じ材料とすることができるが、本明細書の目的に対しては、使用目的によってのみ区別されるべきである。３次元物体を形成するために硬化性相変化材料計量分配するため及び３次元物体のための支持体を形成するために非硬化性相変化材料を計量分配するための好ましい方法は、名称を「硬化性相変化材料を用いる選択堆積模型作成（Selective Deposition Modeling with Curable Phase Change Materials）」とする、代理人整理番号ＵＳＡ.２８２の下で本件と同時に出願された米国特許出願の明細書に開示されている。上記明細書の全内容を本明細書に参照として含んだものとする。好ましい硬化性相変化材料及び非硬化性相変化支持材料は、名称を「紫外光硬化性ホットメルト組成（Ultra-Violet Light Curable Hot Melt Composition）」とする、事件整理番号ＵＳＡ.２６９の下で本件と同時に出願された米国特許出願の明細書に開示されている。上記明細書の全内容を本明細書に参照として含んだものとする。
【００２８】
特に図１を参照すれば、本発明の構築材料供給装置を組込むようにできる従来技術のＳＤＭ装置が全体として参照数字１１で示されている。全体として参照数字１３で示される構築環境において３次元物体２０を構築中のＳＤＭ装置１１が示されている。物体は、通常のいずれかの作動手段１７により垂直方向に精密に位置決めできる構築作業台１５上に１層ずつの態様で構築される。物体は流動状態にある構築材料を計量分配することにより積層式に構築される。一般に、構築材料は通常は非流動状態にあり、材料の流動化温度以上に維持されると流動状態に変化する。構築環境１３は、構築材料が計量分配されると３次元部品が固化するであろうように、構築材料の流動化温度より低い温度に維持される。構築作業台１５の直上で構築作業台１５に平行に軌道装置１９が設けられ、計量分配装置１４を載せたトロリー２１がその上に乗る。
【００２９】
３次元物体を構築するためには、通常、大量の材料がＳＤＭ装置により計量分配される必要があるから、計量分配装置を載せたトロリーには構築材料２３が一般に遠隔貯蔵槽２５から供給される。材料を計量分配するためには、貯蔵槽２５内の材料を加熱して流動状態にするため及び構築材料の温度を材料の流動化温度より高い温度に維持するために、加熱手段を備える必要がある。また、構築材料の流動状態は液態であることが好ましい。材料の流動状態への変化は、貯蔵槽２５上へのヒーター４９の設置及び貯蔵槽２５を計量分配装置２１に接続している導管コード５１上へのヒーター（図示せず）の設置により、初めに達成されて維持される。計量分配装置２１には、構築材料を計量分配するための吐出オリフィス２７が少なくとも１つ配置される。往復手段が、電動機のような通常の駆動手段２９により水平経路に沿って軌道装置上１９を往復駆動される計量分配装置２１のために備えられる。一般に、計量分配装置２１を載せたトロリーは、吐出オリフィス２７から完全な一層分の材料を計量分配するのに何往復もする。図１では、トロリーが左から右への経路をとり始めたばかりの、計量分配された材料層３１の一部が示される。落下中の計量分配された液滴３３が示されているが、吐出オリフィス２７と構築材料層３１との間隔は図示を容易にするために、はなはだしく誇張されている。図１にはまた、必要に応じて、引き続いて層を整形するために用いられる平坦化装置３９も示されている。そのような整形は一般に、構築プロセス中に生じる液滴体積変動や熱歪等の累積効果を除去するために必要である。整形後、参照数字４１で示されるような、平滑で一様な層が達成される。平坦化装置３９で除去された余分な材料４３は廃棄材料導管コード４７を通して廃棄材料ビン４５に送られる。廃棄材料４３は、一般に、材料の性質及び装置の動作特性に応じて廃棄または再生利用され得る。
【００３０】
遠隔コンピュータ３５がＣＡＤデータファイルを取り込み、一般にＳＴＬファイルと称される物体の３次元座標データを生成する。使用者が物体を構築しようとするときには、プリントジョブとしてＳＤＭ装置１１に送られるＳＴＬファイルをプリントクライアントソフトウエアによって処理する遠隔コンピュータにおいてプリントコマンドが実行される。プリントジョブは処理されて、磁気ディスク、磁気テープ、超小型電子メモリ等によるなど、いずれか所望の通常のデータ転送媒体によりＳＤＭ装置に送られる。データ転送経路及びＳＤＭ装置の制御は参照数字３７が付された破線として表されている。データは、構築されるべき３次元物体の各層毎に規定されるパターンが形成されるように処理される。コンピュータコントローラ（図示せず）は、３次元物体を形成するために装置を動作させるための適切な制御コマンドを生成するために、規定されたパターンデータを利用する。
【００３１】
ここで、本発明によれば、図１に示される従来技術の固体堆積模型形成装置１１とともに、全体として参照数字１０で図２に示される新しい構築材料供給装置１０を用いることもできる。新構築材料供給装置１０では、従来技術の装置の、貯蔵槽２５と導管コード５１と貯蔵槽に取り付けられたヒーター素子４９とが不要となっている点で有利である。本発明の装置による構築材料を計量分配する新しい方法は、複数の単位量構築材料を非流動状態で保持するための待機ステーションを少なくとも１つ提供する工程を含む。次いで、複数の単位量の構築材料がランダムな順序で待機ステーションに装填される。次いで、一単位量の構築材料が計量分配装置上の少なくとも１つのホッパーに給送される。次いで、この一単位量の構築材料は非流動状態から流動状態に変化させられる。流動状態にある構築材料は、次に計量分配装置の受け器に移され、最後に、流動状態で積層式に計量分配され、３次元物体の複数の層を形成する。必要であれば、ある層に計量分配された後に構築材料を非流動状態に戻すための環境を提供するための付加工程を実施することができる。
【００３２】
一実施形態において、単位量の非流動状態の構築材料は計量分配装置上に配置されたホッパーに落し込み装荷式に給送される。ホッパーは構築材料の流動状態への変化を誘起するヒーターを備えている。ホッパーは通路を介して受け器に通じ、流動状態の材料は流動状態にある材料を保持する受け器の容積内に通路を通して送出される。次いで、計量分配装置の吐出オリフィスを通して材料が計量分配される。一実施形態において、通路は、流動状態の構築材料を受け器に引き込ませる吐出オリフィスの毛管引力より強い実効毛管引力を有する毛管バルブを備える。受け器は、構築材料の吐出オリフィスからの漏出を防止するため、及びホッパーから受け器への新しい構築材料の引込みを補助するためにも、減圧下に維持される。別の実施形態において、少なくとも１つのホッパー及び少なくとも１つの受け器がそれぞれの計量分配装置に設けられている。
【００３３】
計量分配装置はインクジェットプリントヘッドであることが好ましいが、望ましければ、その他の計量分配装置を用いることができる。一実施形態において、３次元物体を形成するために計量分配されるべき構築材料を受け取るためのホッパーが少なくとも１つ計量分配装置に設けられ、物体のための支持構造体を形成するための支持材料を受け取るためのホッパーが少なくとも１つ計量分配装置に備えられる。別の実施形態において、１基のインクジェットプリントヘッドが３次元物体を形成するために構築材料を計量分配し、別の１基のインクジェットプリントヘッドが物体のための支持体を形成するために支持材料を計量分配する。
【００３４】
また別の実施形態において、それぞれのホッパーは一意的な視覚特性を伴い、付属する視覚特性を示す単位量の構築材料が適切なホッパーに給送される。青緑（シアン）、紫紅（マゼンタ）、黄（イエロー）及び黒の色のための、染料または顔料のような着色剤が、構築材料の単位量に与えられることが好ましい。ＳＦＦ装置による着色３次元物体の形成を可能にするために、様々に着色された構築材料が特定のホッパーに選択的に給送される。これは、計量分配装置が任意の着色剤を含む構築材料を３次元物体の任意の層の任意の座標に選択的に計量分配できるように、与えられたホッパーに付帯する受け器のそれぞれと連通する複数の吐出オリフィスを備えることにより達成される。
【００３５】
あるいは、相異なる構築材料配合に関する相異なる機械的特性がホッパーに随伴することができ、よって、任意のＳＦＦ法による非等質３次元物体の形成が、単位量構築材料供給装置により可能になるであろう。
【００３６】
好ましい実施形態において、供給装置は廃棄材料取出装置と統合され、構築材料の複数の単位量がコンテナに与えられる。コンテナは廃棄材料受け器を備え、層の整形時に生じる廃棄材料が廃棄材料受け器内に堆積する。供給装置は、一方が物体を形成するための構築材料であり、他方が構築プロセス中に物体を支持するための支持材料である、２つの個別材料を取り扱うことが好ましい。コンテナ内の材料の実質的に全てが計量分配されてしまうと、廃棄材料を収容している廃棄材料受け器が気密封止され、コンテナが排出される。コンテナは廃棄材料のためのいかなる特別な取扱手順も必要とせずに取り扱うことができる点で有利である。これにより、例えば、廃棄材料を取り出し、望ましければ、コンテナを再生することができる施設への引渡しにより、廃棄物処理が安全化される。あるいは、廃棄材料が化学線に反応する材料であれば、望ましければ、廃棄材料受け器内でそのような輻射線にさらすことにより廃棄材料を硬化させることができる。
【００３７】
ここで図２を改めて参照すれば、構築材料供給装置１０は一般に、計量分配装置１４及び、全体として参照数字３４で示される構築材料給送手段を備える。本実施形態において、構築材料給送手段は、より一般的には、必要に応じて単位量の非流動構築材料を計量分配装置１４に給送できる、機械的割送り装置として言い表すことができる。単位量の構築材料は参照数字１８で示され、本実施形態においては、平均球径がほぼ１インチ（約２５.４ｍｍ）の球形である。しかし、単位量の構築材料の形状は、立方体、円錐体、円柱体等とすることができる。単位量の構築材料を、例えば製薬業界で錠剤及び丸剤に対して共通に用いられている形状のような、任意の共通で画一的な形状に形成することもできる。単位量の構築材料は、ペレットの形状をとることもでき、あるいは顆粒にすることさえできる。あるいは、望ましければ、一様ではないかまたはランダムな形状とすることもできる。
【００３８】
単位量の構築材料は、計量分配装置に給送されるまでは、全体として参照数字１２で示される材料待機ステーションに保持される。待機ステーションは、参照数字３６で示される少なくとも１つの保持ビンの装備により確立される。それぞれの保持ビンには、例えば、同じ着色剤、同じ材料配合等を含んでいるような、全てが共通の特徴を有する構築材料だけが複数の単位量入ることが好ましい。重要なことは、ほとんどのＳＤＭ法では２次元印刷法で計量分配される材料の量に比較して絶対的に大量の材料をプリントヘッドから計量分配しなければならないから、単位量構築材料が多量に待機ステーションに入ることである。したがって、待機ステーション３６はかなり大きく、図２に示されるように、単位量構築材料１８は待機ステーション内にランダムに配置される。本構成においては、待機ステーション内への単位量構築材料１８のランダム配置により、縦積態様の材料のスタックに比較して、装置内でかなりの大きさの空間が不要になる。
【００３９】
計量分配装置１４上に配されたホッパー１６に単位量構築材料を給送する計量分配アクチュエータが参照数字３８Ａ〜３８Ｄで示されている。材料待機ステーション１２のそれぞれにホッパー１６が１つずつ対応し、計量分配装置１４のそれぞれに少なくとも１つのホッパー１６が対応していることが好ましい。ホッパー内の構築材料が減耗すると、ホッパー１６に構築材料の単位量１８を１つ給送するために、コンピュータ制御装置（図示せず）が適切な計量分配アクチュエータ（３８Ａ〜３８Ｄ）を起動する。ホッパー１６の材料減耗状態を検出するセンサ（図示せず）がホッパーに備えられることが好ましい。減耗状態を受けて、コンピュータ制御装置は、減耗状態にあるホッパーに対応する計量分配アクチュエータに信号を送る。この信号により計量分配アクチュエータが始動して、ホッパーに１単位量の構築材料を入れる。例えば、図２には、ホッパー１６に送られる途中で空中にある単位量構築材料が参照数字１８Ａで示される。これは、構築材料の計量分配装置１４への給送の、落し込み装荷態様を示している。
【００４０】
本発明は、未使用の単位量構築材料１８が非流動状態で必要に応じて計量分配装置１４に給送される点に独自性がある。構築材料をＳＦＦ装置の計量分配装置に給送するための上記の単位量化すなわち量子化手法により、従来技術のＳＦＦ装置に優る重要な利点が生まれる。利点の１つは、従来技術の加熱を要する貯蔵槽及び導管コード給送装置が完全に不要になることである。さらに重要なことには、本装置は、任意の種類数の構築材料の同時計量分配に容易に適合させることができる。例えば、染料または顔料のような着色剤を単位量構築材料１８にあらかじめ混合しておき、次いで、着色３次元物体を構築するために、染料または顔料のような着色剤があらかじめ混合された単位量構築材料１８を計量分配装置１４上のそれぞれのホッパーに給送することができる。
【００４１】
単位量構築材料１８がホッパー１６に給送されてしまうと、構築材料供給装置の次の工程は、構築材料の非流動状態を流動状態に変えることである。材料温度を高めて非流動状態から流動状態に変えるために、計量分配装置及びホッパーへのヒーター素子（図示せず）を装備するなどして、加熱手段を計量分配装置に備えることが好ましい。状態変化が図２に参照数字１８Ｂ，１８Ｃ及び１８Ｄで示され、次第に非流動状態から流動状態へと変化している構築材料が示されている。図３には、構築材料の単位量１８の、参照数字３２で示されるような、流動状態への遷移を生じさせる熱を構築材料の単位量１８に伝達するために用いることもできる閉込壁２６をホッパー１６が備えていることが示されている。この流動状態になって、構築材料は、計量分配装置の吐出オリフィス２７により選択的に計量分配されるように受け器に給送されることができる。図３には１つのホッパー１６及び受け器２２しか示されていないが、所望に応じて、任意の数または組合せをそれぞれの計量分配装置に用いることができる。
【００４２】
ここで図３を参照すれば、計量分配装置１４の簡略な断面図が示されている。計量分配装置１４には、通路すなわち毛管バルブ２４を介してホッパー１６に通じている受け器２２が設けられている。受け器には、参照数字３０で指定されている、流動状態にある、ある量の構築材料が入っている。通路は、吐出オリフィス２７の毛管引力より強い実効毛管引力を有する毛管バルブであることが好ましい。一般に、ほとんどのインクジェットプリントヘッドの毛管引力は約３〜９インチ水柱（約７.４７×１０２〜２.２４×１０３Ｐａ）の範囲にある。したがって、毛管バルブ２４のためには、約９インチ水柱（約２.２４×１０３Ｐａ）より強い実効毛管引力を有する多孔質材料を選択することが望ましい。約２５〜６０インチ水柱（約６.２２×１０３〜１.４９×１０４Ｐａ）の範囲の実効毛管引力を有する金属メッシュフィルタを用いると、満足できる結果が得られる。受け器２２は減圧下にあるので、流動可能構築材料３２は毛管バルブすなわち通路２４を通って受け器２２に引き込まれる。受け器２２内にある量の材料が真空配管接続２８を介して減圧下におかれることが図３に示されている。あるいは、望ましければ、全体封止されたメンブラン等を受け器に設け、メンブランの内側に偏力印加バネを備えることにより減圧状態を確立することもできる。一般に、減圧は、インクジェットプリントヘッドが用いられていないときの、貯蔵槽２５内の流動可能構築材料の吐出オリフィス２７を通る漏出を防止するために必要である。図３に示される毛管バルブは、インクジェットカートリッジへの水性インク溶液の再充填に関連して毛管バルブが用いられている、フォン（Fong）等の米国特許第５２８０３００号に開示されているような毛管バルブと概念的に同様である。
【００４３】
センサ（図示せず）によって、受け器２２内の流動可能構築材料３０の上面レベル４０を監視することが好ましい。材料が吐出オリフィス２７から計量分配されるにつれて、受け器内の流動可能構築材料３０の量が減少し始め、センサにより検出される減耗状態になる。次いで、センサがコンピュータコントローラに信号を提供し、続いてコンピュータコントローラが適切な計量分配アクチュエータ（３８Ａ〜３８Ｄ）に信号を送り、補給のために非流動状態の単位量構築材料１８をホッパー１６内に給送させる。次いで、この未使用材料が、例えば熱の印加により、流動状態に変化し、受け器２２に引き込まれて、計量分配待ち流動可能構築材料３０を補充する。したがって、（１つまたはそれより多くの）センサ、（１つまたはそれより多くの）計量分配アクチュエータ及びコンピュータ制御装置は、所要に応じて、ホッパーに単位量構築材料を給送するために有効に機能する。
【００４４】
流動不能な単位量構築材料が選択的に、直接に、計量分配装置に給送されることが本発明の独特な特徴であることが理解されるべきである。流動不能構築材料の単位量を計量分配装置に給送することにより、多くの利点が達成される。例えば、もはや、導管コードを介して計量分配装置に給送される流動可能材料の大形加熱遠隔容器を備える必要はない。これにより、従来、材料を流動状態に維持するために与えられていたかなりの量の熱が不要になる。しかし、本発明には他にも独特の利点がある。様々なホッパーに単位量材料が選択的に給送されるから、相異なる材料を選択的に計量分配するか、または望ましければ、単一の構築材料であるが相異なる、顔料または染料のような添加剤を含む、構築材料を選択的に計量分配するように、装置を容易に適合させることができる。
【００４５】
例えば、一実施形態において、１つのホッパーを３次元物体２０を構築するために排他的に計量分配される構築材料の送出専用とすることができ、他のホッパーは３次元物体のための支持構造体を形成するために排他的に計量分配されるべき支持材料の送出専用とすることができる。あるいは、１つより多くの計量分配装置１４，すなわちインクジェットプリントヘッドを備え、必要に応じて、１つを３次元物体２０を形成するための構築材料の排他的計量分配専用とすることができ、他の１つを３次元物体のための支持構造体を形成するための支持材料の排他的計量分配専用とすることができる。
【００４６】
別の実施形態において、計量分配装置１４は、それぞれのホッパーに一意的な視覚特性を伴う、複数のホッパー１６を有することができる。ホッパーに随伴する一意的な視覚特性は、色、濃淡、テクスチャー、蛍光または半透明性を示すことができる。例えば、色がホッパーに随伴する一意的な視覚特性であれば、着色剤があらかじめ含められた構築材料の錠剤またはペレットが、その色を備えるホッパーに排他的に給送されることになろう。したがって、インクジェットプリントヘッドによる着色３次元物体の構築を可能にするために、特定の着色剤を含む単位量構築材料の選択的なホッパーへの給送ができると考えられる。一実施形態において、青紫（シアン）、紫紅（マゼンタ）、黄（イエロー）及び黒のそれぞれの色を示す着色剤を単位量構築材料に与えて、青紫（シアン）、紫紅（マゼンタ）、黄（イエロー）及び黒のそれぞれの色が随伴するホッパーに選択的に給送することができる。次いで、ホッパーは、３次元物体の任意の層の任意の座標への、相異なる色をもつ構築材料の選択的な計量分配を可能にする受け器と通じることができる。計量分配装置が３次元物体の任意の座標に任意の着色剤を含む構築材料を選択的に計量分配できるように、それぞれのホッパーに付帯するそれぞれの受け器と通じる、複数の吐出オリフィスが備えられることが好ましい。すなわち、本発明の独特な計量分配装置を利用することにより、ＳＤＭで３次元着色構築が達成できると考えられる。
【００４７】
あるいは、相異なる構築材料配合の相異なる機械的特性をそれぞれのホッパーに随伴させることができよう。例えば、相異なる機械的特性を有する構築材料を３次元物体の任意の層の任意の座標に選択的に計量分配することができよう。このことは、例えば、一部がセラミックで、一部が金属の物体のような、等質ではない複合３次元物体の作成に望ましいであろう。
【００４８】
図１に示される計量分配装置は水平面内を往復運動するが、構築作業台は静止したままである。しかし、構築材料を計量分配しているときに、計量分配装置と構築作業台を相対的に移動させるために、別の移動手段を用いることもできる。例えば、望ましければ、図７に示されるように、計量分配装置を静止させておき、構築作業台に往復運動させることができよう。さらに、望ましければ、計量分配装置及び構築作業台のいずれにも往復運動させることができる。さらに、２基またはそれより多くの計量分配装置が用いられる場合に、望ましければ、それぞれの計量分配装置を水平面内で相異なる方向に往復運動するように構成することができる。あるいは、移動手段は往復運動に依存する必要はない。例えば、望ましければ、静止している計量分配装置に隣接する軸の周りを構築作業台が、または静止している構築作業台に隣接する軸の周りを計量分配装置が、連続回転することができよう。
【００４９】
図４を参照すれば、構築材料供給装置１０の好ましい実施形態が示される。本実施形態において、待機ステーション１２は複数のコンテナ４２を保持するためのマガジンを形成する。コンテナは、初めは非流動状態にある構築材料の単位量を保持する。コンテナ４２は、未使用の材料が入っていて、初めに作業者によりマガジンに手動装填されるカートリッジである。ただし、望ましければ、装填プロセスは自動化することができよう。本実施形態において、カートリッジは縦積態様で積み重ねられる。それぞれのカートリッジにかなり大量の構築材料を収めることにより、マガジン長を最小化して許容できる大きさにし、カートリッジの縦積みを実行可能にすることができる。カートリッジへのかなり大量の構築材料の収容は、それぞれのカートリッジ内の材料が、プリントヘッドへの供給のために、プリントヘッドに全てが一度に送出される代わりに、必要に応じて、徐々に押し出されるから、可能である。ホッパーは、カートリッジを受け取り、次いでカートリッジを回転させて、押出バー４６がカートリッジに力を加えてカートリッジから構築材料を取り出す位置につける、機械的割送り装置４４を備える。材料はカートリッジの末端にある（図５に参照数字７０で示される）オリフィス及びフィルタ４８を通して取り出される。押出バー４６は供給モーター５２によりシャフト５４に沿って軸方向に押される。押出バー４６が力を加えて構築材料を押し出すと、材料はフィルタ４８を通って計量分配装置１４に送出される。
【００５０】
押出バーで加えられる、材料を押し出すための大きさの力が、かなりの大きさの剪断応力をカートリッジ内の材料にかけることは当然である。この力はかなり大きいから、カートリッジから押し出されるために材料が流動状態にある必要はない。構築材料及び計量分配装置の仕様に依存して、フィルタを省略することができる。しかし、計量分配装置としてインクジェットプリントヘッドが用いられる場合は、構築材料をプリントヘッドに送出する前に、材料を５μｍフィルタに通すことがおそらく望ましいであろう。あるいは、材料をカートリッジに装填する前に材料をフィルタに通している場合は、ＳＤＭ装置からフィルタを省略することができる。本実施形態において、カートリッジ内の単位量構築材料は、構築材料が非流動状態にあるまま、待機ステーション１２に給送される。参照数字５０で指定されるヒーター素子が、待機ステーション１２，割送り装置４４，フィルタ４８及び計量分配装置１４に配置される。ヒーター素子５０は、構築材料を流動状態に変化させ、構築材料が給送装置を通ってプリントヘッドに移動する間、構築材料を流動状態に維持するための、熱を提供する。構築材料は、割送り装置４４に給送される前にカートリッジ内で非流動状態から流動状態に変化することが好ましいが、これは必須ではない。
【００５１】
図４の実施形態では廃棄材料取出手段の構築材料供給装置１０との統合が独特である。平坦化中に生じる（図７に参照数字５８，９２及び４３で示される）廃棄材料は、廃棄材料導管コード５６を通して戻され、コンテナ４２に備えられた廃棄材料受け器６０に送られる。廃棄材料取出手段は、未硬化光重合ポリマー材のような反応性廃棄材料を扱うことができ、それぞれのカートリッジを排出する前にそれぞれのカートリッジ内に廃棄材料を気密封入できる点で独特である。封止され、排出されたコンテナ６６は、オフィス環境で人間が直接取り扱うことができ、よって廃棄材料のための特別な取扱手順が不要になる。
【００５２】
図７を詳しく参照すれば、好ましい固体自由形状製作装置が全体として参照数字８６で示されている。図示される装置８６は、簡略に描かれた図４の材料供給及び廃棄装置１０を備えている。図１に示される従来技術の装置とは対照的に、計量分配トロリーの代わりに、構築作業台１５が通常の駆動手段２９により往復駆動される。物体２０のそれぞれの層の厚さを制御するため、計量分配トロリー２１は作動手段１７により垂直方向に精密に移動させられる。作動手段１７はサーボモーターで駆動される精密親ねじリニアアクチュエータを備えることが好ましい。好ましい実施形態において、リニアアクチュエータ１７の両端は、構築環境１３の両端で、構築作業台の往復運動方向に交差する方向にある。しかし、図７では図示を容易にするため、リニアアクチュエータが構築作業台１５の往復方向に合せられているような見かけを与える２次元面内の態様で、リニアアクチュエータ１７が示されている。リニアアクチュエータ１７を往復運動方向に合せることはできるが、装置内空間の最適化使用のためには交差方向に配置することが好ましい。
【００５３】
全体として参照数字１３で示される構築環境内に、一体形成支持体５３とともに形成されている３次元物体が参照数字２０で示されている。物体２０及び支持体５３はいずれも、構築作業台１５から取り外し可能でありながら、構築作業台１５の往復中の加速及び減速効果に耐えられるように十分に固定された態様で、構築作業台上に載っている。これを達成するためには、構築プロセスの最後に取り外せるように支持材料が設計されているから、構築材料を計量分配する前に少なくとも一層の支持材料の完全層を構築作業台に計量分配することが望ましい。本実施形態においては、参照数字２３Ａで指定される材料が、３次元物体２０を形成するために装置１０により計量分配され、参照数字２３Ｂで指定される材料が支持体５３を形成するために計量分配される。全体として４２Ａ及び４２Ｂで指定されるコンテナがそれぞれ、上記２つの材料２３Ａ及び２３Ｂの単位量を保持する。導管コード５１Ａ及び５１Ｂがそれぞれ、好ましい実施形態では複数の計量分配オリフィスを有するインクジェットプリントヘッドである、計量分配装置２７に材料を送出する。
【００５４】
材料２３Ａ及び２３Ｂは加熱されて液態になる相変化材料であり、材料が計量分配装置２７に送出されている間、材料を流動状態に維持するために、ヒーター（図示せず）が導管コード５１Ａ及び５１Ｂに設けられることが、好ましい。本実施形態では、形成されている任意の層の任意の場所にそれぞれの材料を積層式に選択的に計量分配できるように複数の計量分配オリフィスからそれぞれの材料を計量分配するように、インクジェットプリントヘッドが構成される。計量分配装置２７に材料２３Ａまたは２３Ｂの補充が必要になると、押出バー４６Ａ及び４６Ｂをそれぞれはたらかせて、コンテナ４２Ａ及び４２Ｂから導管コード５１Ａ及び５１Ｂを通して計量分配装置１４の吐出オリフィス２７に材料を押し出す。
【００５５】
図７に示される実施形態における計量分配トロリー２１は、計量分配された層を規格化するために層から過剰な材料を除去する被加熱平坦化装置３９を備える。被加熱平坦化装置は非流動状態にある材料に接触するが、平坦化装置は加熱されているので、局所的に材料の内のいくらかを流動状態に変える。表面張力により、過剰な流動可能材料が平坦化装置の表面に付着し、平坦化装置の回転につれて、材料が平坦化装置３９に接触しているスカイバー９０まで運び上げられる。スカイバー９０は材料を平坦化装置３９の表面から分離し、トロリー２１上に配置された、全体として参照数字９４で指定される廃棄材料貯蔵槽内に流動可能材料を導く。廃棄材料貯蔵槽９４にあるヒーター９６及びサーミスタ９８が、貯蔵槽内の廃棄材料が流動状態のままでいるに十分なレベルに、廃棄材料貯蔵槽の温度を維持するように動作する。
【００５６】
廃棄材料貯蔵槽は、廃棄材料受け器６０Ａ及び６０Ｂに廃棄材料を送出するための被加熱廃棄材料導管コード５６に接続される。廃棄材料は重力により廃棄材料受け器６０Ａ及び６０Ｂまで流れ下ることができる。それぞれの廃棄材料受け器に分岐接続されている１本の導管コード５６しか示されていないが、廃棄物貯蔵槽９４と廃棄材料受け器６０Ａ及び６０Ｂのそれぞれとの間に個別の廃棄材料導管コード５６を備えることが好ましい。
【００５７】
廃棄材料受け器６０Ａ及び６０Ｂのそれぞれに対して、廃棄材料受け器への廃棄材料の送出を調節するためのソレノイドバルブ１００Ａ及び１００Ｂが付帯している。バルブ１００Ａ及び１００Ｂは閉じられたままであり、押出バー４６Ａ及び４６Ｂが補充材料を取り出すためにはたらかされるときにだけ開かれることが好ましい。例えば、押出バー４６Ａだけがはたらかされる場合には、バルブ１００Ａだけが開かれて廃棄材料４３を廃棄材料受け器６０Ａに送出することが可能になる。バルブの上記フィードバック制御によって、廃棄材料の廃棄材料受け器への送出レートをコンテナから計量分配装置への材料供給レートに釣り合わせることで、それぞれの廃棄材料受け器への過剰な廃棄材料の送出が防止される。したがって、廃棄材料受け器への廃棄材料の送出は、供給装置の構築材料及び支持材料の供給レートと釣り合っている。
【００５８】
図７の実施形態では、廃棄材料の廃棄材料貯蔵槽９４からの溢出を防止するための補助検出装置が廃棄装置に設けられている。本装置は、廃棄材料貯蔵槽９４に設けられ、貯蔵槽内の廃棄材料の過剰レベルを検出する光センサ１０２を含む。廃棄材料貯蔵槽９４内の廃棄材料のレベルが設定レベルをこえると、センサ１０２により検出される。続いて、センサ１０２はコンピュータコントローラに装置停止信号を送る。これにより、供給及び廃棄装置の不調時に装置内部のコンポーネントが廃棄材料で浸されてしまうことが防止される。また、不調を正すために装置を修理することができ、よって装置の過剰な損傷を防止することができる。
【００５９】
図７に示される好ましい実施形態において、構築材料２３Ａは化学線にさらされることで硬化する相変化材料である。硬化性相変化材料２３Ａが計量分配されて層にされた後に、材料２３Ａは流動状態から非流動状態に変わる。平坦化装置３９が層上を通過することで層が規格化された後、層は光源８８により化学線にさらされる。化学線はスペクトルの紫外帯または赤外帯にあることが好ましい。しかし、層が光源８８にさらされる前に平坦化が行われることが重要である。これは、好ましい平坦化装置は、材料２３Ａが初めに硬化してしまうとおこり得ない、層の材料が非流動状態から流動状態に変化できる場合にしか、層を規格化できないからである。
【００６０】
硬化性構築材料２３Ａとともに、非硬化性相変化材料が支持材料２３Ｂに用いられる。支持材料は硬化し得ないから、例えば、溶剤に溶かすことにより、物体及び構築作業台から除去することができる。あるいは、望ましければ、支持材料は、熱を加えて材料を流動状態に戻すことによって、除去することができる。
【００６１】
本実施形態において、廃棄材料は平坦化中に蓄積されるのでいずれの材料も含む。廃棄材料受け器内に反応性材料がないように材料２３Ａを硬化させるために廃棄材料受け器内の廃棄材料を光にさらすため、第２の光源７０が備えられることが好ましい。
【００６２】
供給及び廃棄装置に用いるためのコンテナ４２の好ましい実施形態が図５及び６に示される。コンテナ４２のそれぞれはシリンジ部６２及びプランジャー部６４からなる。シリンジ部は、材料を計量分配するための小開口７０を一端に有する円筒を形成する。コンテナをホッパーに装填するためのキーとしてはたらくフランジ７２が小開口とは反対側の端に設けられる。プランジャー部６４はシリンジ部６２の円筒内の材料を押すピストン端７４を備える。プランジャー部６４は、図４に示されるように、コンテナが割送り装置４４により装填されて所定の位置に保持されている時にプランジャー部をシリンジ部に押し込む押出バー４６がはたらきかける封止端７６も有する。プランジャー部６４がシリンジ部６２に押し込まれるにつれてシリンジ部内の材料が小開口７０を通して押し出される。
【００６３】
構築材料が装荷されるコンテナは全て、構築材料を計量分配するマガジンだけに受け入れられる、同じフランジ形状を有することが好ましい。支持材料が装荷されるコンテナは全て、支持材料を計量分配するマガジンだけに受け入れられる別のフランジ形状を有する。
【００６４】
小開口７０内にある最後の材料を押し出す突端８２がピストン端７４に設けられる。本コンテナでは、給送された廃棄材料を受け入れるためにプランジャー部６４に設けられた廃棄材料受け器６０が独特である。図６に示されるように、プランジャー部６４のそれぞれに、対称な２つの廃棄材料受け器６４が背中合わせで存在することが好ましい。対称な廃棄材料受け器は、共通の底８０及び２つの概ね平行な側壁７８によって画定される。側壁の長さは側壁間隔より短く、よって、図４に示されるように、マガジン１６は、側壁７８が水平位置になっているコンテナだけが挿入され得る大きさのキー溝８４を有することができる。割送り装置４４がコンテナを回転させて側壁が垂直になる適切な位置につけてからコンテナに押出しバー４６がはたらきかけるように、側壁はマガジン内で水平位置になっていなければならない。コンテナはプランジャー部の共通底８０に関して対称であるから、コンテナがマガジンに正しく挿入されないことはおこり得ない。
【００６５】
図４を改めて参照すれば、プランジャーをシリンジ部に押し込み、よってコンテナから構築材料を取り出すために、押出しバーがプランジャー部６４にはたらきかける。これがおこると、廃棄材料４３がプランジャー部６４の廃棄材料受け器６０内に堆積する。実質的に全ての材料が計量分配装置１４に送出されてしまうと、廃棄材料は安全処分のためにコンテナ内に封入されることが好ましい。これは、図５に示される封止端７６が円筒シリンジ部６２に嵌合して実質的な気密嵌合が得られたときに達成される。実質的に全ての材料が計量分配装置に送出され、プランジャーが封止されてしまうと、次いで割送り装置ドラムが回転して、封止されたカートリッジを排出し、参照数字６６で示されるように、廃棄材料引出すなわちビン６８に入れる。封止されたカートリッジ６６が排出されると、次いで、割送り装置が待機ステーションから新しいコンテナを装填することにより排出されたカートリッジと交換する。
【００６６】
図４に示される実施形態は既存の供給装置に優る多くの利点を有する。例えば、いずれの材料もカートリッジに送られ、気密封止されてから、排出されるので、特別の取扱手順を必要とせずに反応性材料をオフィス環境においてＳＦＦ装置で用いることができる。さらに、構築材料がＵＶ硬化性材料であれば、廃棄材料が廃棄材料受け器６０に送出された後に廃棄材料を化学線にさらすことにより廃棄材料を硬化させるために、参照数字７０で示される硬化用ＵＶフラッシュランプを用いることができる。これにより、排出されたカートリッジの取扱いを誤り、思いがけなくも、廃棄材料との直接接触がおこり得る点までカートリッジが損傷した場合において、レベルの高められた防護が与えられる。
【００６７】
図７に示されるＳＦＦ装置には、図示を容易にするため１基だけが図４に参照数字１０で示されている、供給装置が２基備えられることが好ましい。一方の供給装置は構築材料２３Ａを給送し、他方の供給装置は支持材料２３Ｂを給送する。図６に示される好ましいコンテナとともに論じたように、支持材料カートリッジは、構築材料マガジンには挿入できないような形状につくられる。同様に、構築材料カートリッジは、支持材料マガジンには挿入できないような形状につくられる。カートリッジ及びマガジンにそのような専用のキーをつけることにより、間違って装置内で材料が混合される可能性が排除される。好ましい実施形態において、廃棄材料は、支持材料カートリッジ及び構築材料カートリッジの廃棄材料受け器に送出された、構築材料部分及び支持材料部分のいずれをも含む。廃棄材料は、計量分配装置で使用するためにカートリッジから材料が押し出されているときにだけ、カートリッジの廃棄材料受け器に送出されることが好ましい。
【００６８】
別の実施形態において、材料を送出するためのコンテナは、カートリッジの代わりに、柔軟なチューブまたは袋からなることができる。さらに、材料を押し出すために押出しバーを用いる代わりに、一対のローラーを用いてチューブまたは袋の一端で材料を絞り出すことができよう。蠕動ポンプの動作態様と同様の態様で、材料を押し出すためにローラーが前進していくとともに、廃棄材料をチューブまたは袋の逆端でチューブまたは袋に送り込んで戻すこともできよう。チューブまたは袋の材料を化学線に透明とすることができ、この場合は袋またはチューブの薄壁を透過する化学線にさらすことで廃棄材料を袋またはチューブ内で硬化させることができよう。次いで、廃棄材料を排出する前に、袋を結紮するかまたは封止することができよう。
【００６９】
説明した好ましい実施形態には、添付される特許請求事項の精神及び範囲を逸脱することなく改変及び変更がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】従来技術の固体堆積模型製作装置の簡略な側面図である
【図２】図１の固体堆積模型製作装置とともに用いるための本発明の供給装置の一実施形態の簡略な側面図である
【図３】インクジェットプリントヘッドに取り付けられて示される本発明の供給装置の一部の簡略な側面図である
【図４】本発明の供給装置の別の実施形態の簡略な斜視図である
【図５】図４に示される実施形態に用いるための、単位量構築材料を保持するためのコンテナの簡略な斜視図である
【図６】図５に示されるコンテナに付帯する廃棄材料受け器の断面図である
【図７】本発明の好ましい実施形態の略図である
【符号の説明】
【００７１】
１０    構築材料供給装置
１２    待機ステーション
１４    計量分配装置
１５    構築作業台
１６    マガジン
１８    単位量構築材料
２０    ３次元物体
４２    コンテナ
４３    廃棄材料
４４    割送り装置
８６    固体自由形状製作装置
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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