(57)【要約】  ３次元物体を造形するようになっている３次元プリンタ（１００、２００）が開示されている。例示的な実施形態では、このプリンタは、ナイロン粉末のようなポリマーである焼結性粉末のバルクレイヤ（１１４）を受けるようになっている第１の表面（１０２、３１０）と、焼結性粉末レイヤから画像を焼結するために熱エネルギーを集束させるようになっている非干渉性の熱源のような放射エネルギー源（１０４、３３０）と、その焼結画像（１１２Ａ）を第１の表面から組立中の物体に転写すなわちプリントすると同時にその組立中の物体に焼結画像を融合させる転写機構とを含む。この転写機構（２０２、２２４、２２６）が、組立中の物体に対して焼結画像を付着させると同時に融合させるようになっていることが好ましい。画像を形成して組立中の物体にその画像を転写するこのプロセスが、組み立てられている物体が完成されるまで、各々の横断面に関して繰り返される。
2007529349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の横断面から組み立てられた物体を形成するようになっている３次元プリンタ（３ＤＰ）であって、
焼結性粉末レイヤを受けるようになっている第１の表面と、
前記第１の表面上の前記焼結性粉末レイヤの少なくとも一部分を焼結画像の形に溶融させるようになっている放射エネルギー源であって、前記焼結画像は前記横断面の１つに対応する放射エネルギー源と、
前記第１の表面から組立中の前記物体に前記焼結画像を転写するようになっている転写機構と、
を備える３ＤＰ。
【請求項２】
前記第１の表面は、ドラムを備えるレイヤ処理表面である請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項３】
前記第１の表面は、平らな表面を備えるレイヤ処理表面である請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４】
前記放射エネルギー源は熱源を備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項５】
前記熱源はハロゲンランプを備える請求項４に記載の３ＤＰ。
【請求項６】
前記熱源はさらに反射器も備える請求項４に記載の３ＤＰ。
【請求項７】
前記熱源は楕円反射器を備える請求項４に記載の３ＤＰ。
【請求項８】
前記熱源は、さらに、前記第１の表面の上に前記熱源からのエネルギーを集中させるようになっている１つまたは複数のアパーチャを備える請求項４に記載の３ＤＰ。
【請求項９】
前記焼結性粉末はポリマーを含む請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１０】
前記ポリマーはナイロンを含む請求項９に記載の３ＤＰ。
【請求項１１】
前記焼結性粉末レイヤは１２７μｍから２５４μｍの厚さである請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１２】
前記３ＤＰは、さらに、前記組立中の物体を支持するようになっているプラットホームアセンブリを含む請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１３】
前記組立中の物体に対して相対的に前記第１の表面を転がすと同時に平行移動させることによって、前記焼結画像が前記第１の表面から前記組立中の物体に転写される請求項１２に記載の３ＤＰ。
【請求項１４】
前記第１の表面と前記組立中の物体との間の間隙が前記焼結性粉末レイヤの厚さより小さいかまたは前記焼結性粉末の厚さに等しい請求項１３に記載の３ＤＰ。
【請求項１５】
前記プラットホームアセンブリは、さらに、焼結画像レイヤが前記組立中の物体の上に付着された後に前記第１の表面に対して相対的に前記組立表面を下降させるようになっている請求項１２に記載の３ＤＰ。
【請求項１６】
前記３ＤＰは、さらに、前記ドラムに対して前記焼結性粉末レイヤを付着させるようになっている粉末アプリケータを備える請求項２に記載の３ＤＰ。
【請求項１７】
前記粉末アプリケータは、前記ドラムに隣接したレイヤ調整ブレードを備え、前記ドラムの表面と前記レイヤ調整ブレードとの間の内角の間の角度が０度から４５度である請求項１６に記載の３ＤＰ。
【請求項１８】
前記粉末アプリケータは、
焼結性粉末を保持するようになっているリザーバと、
前記レイヤ調整ブレードと前記ドラムとの間の前記リザーバから焼結性粉末を計量供給するようになっているコンベヤと、
を備える請求項１７に記載の３ＤＰ。
【請求項１９】
前記粉末アプリケータは、前記焼結性粉末が前記ドラムに自由落下することを引き起こし、および、前記ドラムに付着させられる前記焼結性粉末の密度が実質的に標準化される請求項１６に記載の３ＤＰ。
【請求項２０】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体を第１の予め決められた温度に保つようになっている第１の加熱要素をさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項２１】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体の加工表面を前記物体の組立中に第２の決められた温度と圧力とに保つようになっている第２の加熱要素をさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項２２】
前記第２の決められた温度は、前記焼結性粉末の溶融温度に実質的に等しいが、この溶融温度よりも低い請求項２１に記載の３ＤＰ。
【請求項２３】
前記第２の加熱要素は、
前記焼結画像が前記組立中の物体に転写される前に前記加工表面に接触し、および、
前記焼結画像が前記組立中の物体に転写される時に引っ込む
ようになっている平らな表面を備える
請求項２２に記載の３ＤＰ。
【請求項２４】
前記加工表面は、前記焼結画像の以前に転写された先行の焼結画像である請求項２３に記載の３ＤＰ。
【請求項２５】
前記転写機構は、前記組立中の物体に前記焼結画像を融合させるようになっている定着加熱器を備え、および、前記定着加熱器は、前記焼結画像と前記組立中の物体との付近に存在する請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項２６】
前記定着加熱器は前記第１の表面に平行でありかつ前記第１の表面と共に移動する請求項２５に記載の３ＤＰ。
【請求項２７】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体に融合させられる焼結レイヤの厚さを調整するようになっているレイヤ厚さ調整プロセッサをさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項２８】
前記レイヤ厚さ調整プロセッサは、アプリケータによって計量供給される焼結性粉末の量を調整するようになっている請求項２７に記載の３ＤＰ。
【請求項２９】
前記レイヤ厚さ調整プロセッサは、前記第１の表面に対するブレードの位置を調整するようになっている請求項２７に記載の３ＤＰ。
【請求項３０】
前記レイヤ厚さ調整プロセッサは、前記組立中の物体に前記焼結画像を転写するために使用される時間と圧力とを調整するようになっている請求項２７に記載の３ＤＰ。
【請求項３１】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体の高さを測定するための機構をさらに備え、および、前記レイヤ厚さ調整プロセッサは、前記測定された高さに基づいて前記組立中の物体を圧縮するようになっている請求項２７に記載の３ＤＰ。
【請求項３２】
前記３ＤＰは、前記焼結画像が前記組立中の物体に転写された後に前記第１の表面をクリーニングする手段をさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項３３】
前記第１の表面をクリーニングする前記手段は、スクレーパ、ブラシ、真空、ブロア、および、コロナワイヤから成るグループから選択される請求項３２に記載の３ＤＰ。
【請求項３４】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体の加工表面をクリーニングする手段をさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項３５】
前記加工表面をクリーニングする前記手段は、回転ブラシ、真空、ブロア、および、静電引力を使用して前記加工表面から粉末を取り除くコロナワイヤから成るグループから選択される請求項３４に記載の３ＤＰ。
【請求項３６】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体に融合させられた前記焼結画像の冷却を加速するようになっている物体冷却手段をさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項３７】
前記第１の表面は、前記焼結性粉末の融点に実質的に等しくかつこの融点よりも低い温度に前記第１の表面の温度を加熱するようになっている温度調整器と加熱手段とを備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項３８】
前記１つまたは複数のアパーチャの中の少なくとも１つのアパーチャのサイズは調整可能である請求項８に記載の３ＤＰ。
【請求項３９】
前記熱源は複数のアパーチャの中の１つのアパーチャを選択するようになっており、および、前記アパーチャの各々は、異なるスポットサイズによって前記第１の表面の上に前記放射エネルギー源からのエネルギーを集中させるようになっている請求項４に記載の３ＤＰ。
【請求項４０】
前記転写機構は、さらに、前記組立中の物体に前記焼結画像を融合するようになっている請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４１】
前記転写機構は、前記第１の表面から前記焼結画像を転写すると同時に前記焼結画像を前記組立中の物体に融合させるようになっている請求項４０に記載の３ＤＰ。
【請求項４２】
さらに、後続の焼結画像のための支持を提供するために未焼結粉末を前記第１の表面から前記組立中の物体の上に付着させるようになっている請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４３】
前記第１の表面は、陽極酸化アルミニウムの連続表面を備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４４】
前記３ＤＰは、物体の特徴のサイズに基づいて複数のスポットサイズの各々によって前記第１の表面上に前記焼結画像を融合させるようになっており、および、前記複数のスポットサイズは、前記焼結画像の第１の部分を融合させるための第１のスポットサイズと、前記焼結画像の第２の部分を融合させるための第２のスポットサイズとを備え、および、前記第１のスポットサイズは前記第２のスポットサイズとは異なる請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４５】
前記３ＤＰは、複数のスポットサイズの中の１つのスポットサイズによって前記物体の複数の焼結画像の各々を融合させるようになっている請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４６】
複数の横断面から組み立てられた物体を形成するようになっている３次元プリンタ（３ＤＰ）であって、
焼結性粉末から成るレイヤを受けるようになっているドラムと、
粉末アプリケータであって、
前記ドラムに焼結性粉末を計量供給し、
前記ドラムに計量供給される焼結性粉末の密度を標準化する
ようになっている粉末アプリケータと、
前記エネルギーを集束させ、かつ、前記ドラム上の前記焼結性粉末レイヤの少なくとも一部分を焼結画像の形に溶融させるようになっている非干渉性エネルギー源であって、前記焼結画像は前記横断面の１つに対応する非干渉性エネルギー源と、
転写機構であって、
前記焼結画像を前記第１の表面から前記組立中の物体に転写すると同時に、
前記組立中の物体に前記焼結画像を融合させる
転写機構と、
第１の予め決められた温度に前記組立中の物体を保つようになっている第１の加熱要素と、
前記物体の組立中に第２の決められた温度に前記組立中の物体の表面を保つようになっている第２の加熱要素と、
を備える３ＤＰ。
【請求項４７】
複数の横断面から組み立てられた物体を形成する方法であって、
焼結性粉末を備えるレイヤを第１の表面上に形成する段階と、
前記焼結性粉末レイヤの少なくとも一部分を前記第１の表面上に融合させるようになっている放射エネルギー源を使用して焼結画像を形成する段階と、
前記焼結画像を前記第１の表面から前記組立中の物体に転写する段階と、
を含む方法。
【請求項４８】
前記方法は、さらに、
前記焼結画像を前記第１の表面から前記組立中の物体に転写するのと同時に前記組立中の物体に前記焼結画像を接着させる段階
を含む請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記焼結性粉末はポリマーを含む請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記ポリマーは、ナイロン１１とナイロン１２とから成るグループから選択される請求項４９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の横断面情報から３次元物体を造形するシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、安価な熱源と単純なモーションシステムとを使用して３次元物体を造形するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在では、３次元（３Ｄ）プリンタおよびラピッドプロトタイピング（ＲＰ）システムが、主として３Ｄコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）ツールから物体とプロトタイプ部品とを迅速に作るために、使用されている。大半のＲＰシステムは、物理的な物体を造形するために液体、粉末、または、シート材料を接合することによって部品を造形することに対して、加法レイヤバイレイヤ（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ）アプローチを使用する。レイヤを形成するために参照されるデータが、モデルの薄い水平横断面を使用してＣＡＤシステムから生成される。材料を互いに接合させるために熱を必要とする従来技術の３Ｄプリントシステムは、一般的に、部品を造形するために、高出力レーザと、複数のアクチュエータを含む高精度モーションシステムとを使用し、このことが、一般的に家庭／趣味愛好家ユーザまたは小規模の機械設計集団にとっては高価すぎる３Ｄプリンタを結果的にもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、高出力レーザまたは他の高価なエネルギー源を伴わず、かつ、より安価なモーションシステムを有する、レイヤバイレイヤに基づいて部品を造形することが可能な３ＤプリンタとＲＰシステムとが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、１つの表面上に形成された後に、事前に形成され付着させられているレイヤのスタックに対して後で付着させられる物体の横断面レイヤから３次元物体を造形するようになっている３次元プリンタ（３ＤＰ）を特徴とする。この好ましい実施態様では、その３ＤＰは、焼結性粉末のバルクレイヤを受けるようになっている第１の表面と、焼結された画像を形成するために焼結性粉末のレイヤの選択された一部分を融かすようになっている放射エネルギー源と、その焼結画像を第１の表面から組立中の物体に転写すなわちプリントすると同時にこの組立中の物体に焼結画像を融合させるようになっている転写機構とを含む。焼結性粉末のレイヤが、例えば、ハロゲンランプのような非干渉性の熱源によって供給されるエネルギーを使って、ローラまたはドラムの上で溶融させられることが可能である、ナイロンのようなポリマーであることが好ましい。この転写機構は、組立中の物体に対して焼結画像を押し付けて融合させるように、この組立中の物体の端から端までドラムを転がすと同時に平行移動させるようになっている、１つまたは複数のアクチュエータとその関連の制御装置とを含む。この転写機構は、さらに、レイヤが物体に付着させられる直前に焼結画像とこの物体とを加熱するための定着加熱器（ｔｒａｎｓｆｉｘｉｎｇ  ｈｅａｔｅｒ）を含んでもよい。画像を生成して、この画像を組立中の物体に転写させるというこのプロセスは、典型的には、組み立てられている物体が完成させられるまで、各々の横断面に関して繰り返される。
【０００５】
特定の実施態様では、３ＤＰは、焼結のために予め決められた量の焼結性粉末をドラムに付着させるようになっている粉末アプリケータを含む。この好ましい実施態様では、このアプリケータは、焼結性粉末をリザーバから取り出して、その粉末が短時間の間に自由落下することを可能にし、これによって、リザーバ内で圧縮されていた可能性がある微粒子を分離させて、ドラムに対してレイヤの形態で付着させられる微粒子の密度を標準化する。この粉末アプリケータはさらにブレードを含んでもよく、このブレードは、ドラムに対して選択された距離と角度に配置される時に、そのドラムが回転させられるにつれてそのドラム上に均一な厚さと密度で焼結性粉末のレイヤを生じさせる。
【０００６】
特定の実施態様では、３ＤＰのドラムは、このドラム上のバルク粉末レイヤから焼結画像をプリントするために放射エネルギー源によって必要とされるエネルギーを低減させるために、焼結性粉末の融点または融点付近にそのドラムの温度を加熱するようになっている、温度調整器とドラム加熱要素とを含む。この３ＤＰは、さらに、組立中の物体に焼成画像を融合させるために必要とされるエネルギーを低減させるために、第１の加熱要素、または、第２の加熱要素、または、この両方を含んでもよい。例えば、物体が上で組み立てられているプラットホームアセンブリの中に組み入れられている第１の加熱要素は、周囲温度よりも高い第１の予め決められた温度にその物体を維持するようになっている。第２の加熱要素が、組立中の物体の上部表面に対して次の焼結画像が付着させられるまで、この上部表面に接触しかつこの上部表面の温度を第２の決められた温度に維持するようになっているホットパッド（ｈｏｔ  ｐａｄ）であることが好ましい。この第２の決められた温度は焼結性粉末の溶融温度よりも低い。
【０００７】
特定の実施態様では、３ＤＰは、さらに、組立中の物体に融合させられる焼結画像の厚さを調整するようになっているレイヤ厚さ調整プロセッサも含む。このレイヤ厚さ調整プロセッサは、例えば、アプリケータによって計量供給される焼結性粉末の量を変化させることによって、ドラムに対するアプリケータブレードの相対的位置を調整することによって、組立中の物体に対して焼結画像を転写するためにドラムによって使用される時間と圧力とを調整することによって、組立中の物体に対して焼結画像が融合された後にその焼結画像を圧縮することによって、および、組立中の物体から材料除去機構によって過剰な材料を取り除くことによって、組立中の物体に対する転写の前または後に焼結画像の厚さを変化させてもよい。
【０００８】
本発明が添付図面の図において例示的にかつ非限定的に図解されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の好ましい実施形態の３次元プリンタ（３ＤＰ）の動作を示す略図が、図１Ａから図１Ｃに示されている。この３ＤＰ  １００は、３次元（３Ｄ）部品または物体の横断面レイヤに対応する複数のレイヤを使用して、この３次元（３Ｄ）部品または物体のディジタルモデルからこの３次元（３Ｄ）部品または物体を造形するようになっている。この好ましい実施形態では、横断面レイヤは、加熱によって合着塊（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｍａｓｓ）の形に形成されるようにその粉末の微粒子が焼結されることが可能な粉末から形成されている。焼結画像と呼ばれている焼結粉末のレイヤは個別に形成され、および、物体を造形するようにスタックの上に逐次的にアセンブリまたはプリントされる。個別のレイヤを形成するように粉末の微粒子を互いに融合させるために、および、３Ｄ物体の形に個々のレイヤを互いに融合させるために、熱が使用される。
【００１０】
図１Ａに示すように、３ＤＰ  １００が、レイヤ処理表面１０２と、放射エネルギー源１０４と、加工表面（ｗｏｒｋ  ｓｕｒｆａｃｅ）１０６とを含むことが好ましい。例えば処理ドラム１０２の連続表面または平らな表面のようなレイヤ処理表面は、その縦軸線を中心として回転（１２０）し、マイクロプロセッサ（図示していない）の制御を受けて平行移動動作の形で加工表面全体を通過し、および、加工表面上に焼結粉末レイヤを転写または他の形で付着させるようになっている。この加工表面は、第１の焼結画像が上に付着させられる組立表面（ｂｕｉｌｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）であるか、または、組立中の物体上の先行の焼結画像である。組立中の物体とは別のレイヤ処理表面上で焼結画像が形成される時には、その焼結画像は、例えばその焼結画像がその物体に付着させられる前に、溶融と密度変化とを原因とする何らかの変形を呈することが可能にされ、これによってその物体内に生じる可能性がある内部応力を減少させる。後述するように、ドラム１０２の連続表面または他の加熱されたレイヤ処理表面の上で焼結画像を形成することは、この好ましい実施形態では、典型的には、先行のレイヤに焼結画像を同時に融合させるために必要とされるエネルギーを必要としない。
【００１１】
この好ましい実施形態では、処理ドラム１０２は、使用される焼結性粉末の溶融温度の付近の予め決められた値にそのドラムの外側表面の温度を上昇させるようになっている加熱要素（図示されていない）を含む。この好ましい実施形態では、焼結性粉末は結晶質ナイロン粉末であり、および、ドラムの外側表面の温度が上昇させられる温度は、焼結性粉末を焼結画像の形に溶融させた後にその焼結画像を造形中の物体に溶接または他の形で付着させるために投入されなければならないエネルギーを減少させるように、粉末が完全に溶融することを防止するのに十分なだけ低いが焼結性粉末の周囲温度よりも十分に高いことが好ましい。焼結性粉末の均一なレイヤ１１０がドラム１０２にバルクの形で付着させられる。ドラム１０２の熱によって粘着性にされている焼結性粉末は、レイヤ１１０の微粒子が互いに融合することなしにドラムに付着する。ドラム１０２に対して焼結性粉末を着脱自在にまたは除去可能な形で付着させるために、静電引力が、加熱されたドラムと組み合わせて使用されるか、または、加熱されていないドラムと共に単独で使用されることが可能である。
【００１２】
造形されている物体の横断面レイヤに相当する焼結性粉末１１０のレイヤの一部分が、放射エネルギー源１０４によって焼結させられる。ドラム１０２すなわちこのドラムの連続表面上に焦点１０５を有する集束熱源であることが好ましいこのエネルギー源１０４は、その粉末を溶融させるのに十分な温度にその粉末を加熱する。この粉末は、この粉末を部分的に液化させることによって、または、エネルギー源１０４が除去された直後に冷えてローラの温度で固体に戻る粉末を完全に液化させることによって溶融されてよい。焼結画像１１２Ａが、焼結性粉末のレイヤ１１０の全体にわたって焼結粉末の線または領域をトレースするように、ドラム１０２の連続表面に対して相対的に熱源１０４を移動させることによって形成される。この好ましい実施形態では、物体の横断面レイヤは、マイクロプロセッサの制御を受けてドラム１０２を回転させる（１２０）ことと熱源１０４を平行移動させる（１２２）こととによって、あらゆる複雑な形状を呈することができる。この例示的な例では、未焼結の粉末がドラム１０２に付着し続ける。
【００１３】
その次に、図１Ｂに示すように、ダイヤモンド１１２Ａの形で示されている焼結画像が、加工表面全体にわたってドラムを平行移動（１２６）させながら同時にドラム１０２を回転（１２４）させることによって、加工表面１０６に転写させられる。ドラム１０２が、点線で示されているその初期位置から加工表面１０６全体にわたって前進するのにつれて、その焼結画像１１２Ａがドラムから分離して加工表面に転写する。特定の実施形態では、焼結画像とこの焼結画像を受け取る物体の一部分とが、組立中の物体に対して焼結画像を定着させるために熱源に曝される。定着ランプ（より詳細に後述する）のような定着加熱器が、レイヤ間の融合または溶接を強化するために、かつ、焼結画像がドラム１０２に対してよりも加工表面に対して高い粘着性を有することを確実なものにするために、焼結画像と加工表面との粘着性を増大させる。平行移動させられるドラム表面１０２と加工表面１０６との間の距離が、焼結画像１１２Ａの厚さに概ね等しいかまたはこの厚さよりも小さい。上述したように、本明細書で使用する場合の術語「加工表面１０６」は、現時点の焼結画像が上に付着している表面を意味し、この表面は、３ＤＰ  １００のプラットホームであるか、または、３Ｄ物体のアセンブリの最中に下に位置した先行の焼結画像レイヤであってよい。
【００１４】
この好ましい実施形態では、焼結画像は、組立中の物体に対して同時に転写させられると同時に融合させられる。しかし、特定の実施形態では、焼結画像は、最初にその物体上に付着させられ、その次に、例えば、ドラムに追従する定着器ランプによって、バルク加熱プロセスによって、ホットパッド（より詳細に後述する）によって、または、これらの組合せによって融合させられるだろう。
【００１５】
図１Ｃに示すように、ドラム１０２が加工表面の長さを横断し終わって、このドラムが点線で示されている最終位置に達すると、焼結画像全体が加工表面１０６上に付着させられている。焼結画像が形成された後に残されている未焼結の粉末が、焼結画像を物体に転写させる前または転写させた後に取り除かれてもよく、または、転写後に加工表面１０６から取り除かれてもよく、または、後続の焼結画像、特に、物体１２２Ｂ上に付着させられている次の焼結レイヤの張り出し部分のための支持を提供するために、転写後に加工表面に保持されてもよい。焼結画像を形成して付着させるというこのプロセスが、モデルから造形されている物体の横断面の各々に関して繰り返される。
【００１６】
本発明の第２の好ましい実施形態による３ＤＰ  ２００が、図２と図３とに示されている。第１の実施形態と一致して、第２の実施形態は、ドラムアセンブリ２０２と、焼結アセンブリと、プラットホームアセンブリと、マイクロプロセッサ２５０とを含む。３ＤＰ  ２００のこの実施形態は、さらに、焼結性粉末アプリケータ２１０と、焼結性粉末リザーバ２１２と、物体加熱要素２０８と、次の焼結画像のための準備としてローラおよび加工表面とをクリーニングする手段とを含む。ドラムアセンブリ２０２は、ドラムフレーム２１８と、１つまたは複数の減速歯車２２２を介してその処理ドラムに作動的に連結されているステップモータ２２０であることが好ましい第１のアクチュエータに応答して回転するようになっている処理ドラム３１０とを含む。
【００１７】
図４にも示されているこの実施形態のドラムアセンブリは、さらに、好ましくは親ねじ２２４によって加工表面の長さの端から端まで横方向（ドラム３１０の縦軸線に対して垂直な方向）にドラム３１０を駆動するために、第２のアクチュエータ、好ましくはステップモータ２２６を含む。ドラム３１０が、焼結性粉末が上に塗布される滑らかな陽極処理アルミニウムドラムであることが好ましい。他の熱伝導性でかつ非導電性の材料が使用されてもよいが、陽極処理アルミニウムドラムが熱安定性と耐久性とを実現する。この好ましい実施形態では、ドラム３１０の円周長さが、造形されている物体の長さ（ドラム軸線に対して垂直な方向）に等しいかまたはこれよりも長い。しかし、他の実施形態では、粉末を塗布する段階と、粉末を画像化する段階と、焼結画像を付着させる段階とが、連続プロセスの一部分として実質的に同時に行われる場合には、ドラムは加工表面の長さよりも短い円周長さを有してもよい。焼結画像または未焼結画像がドラム３１０に過度に付着することを防止するために、または、画像化の最中にドラムの中への熱損失を最小限にするために、または、粉末の付着を補助するように電界が使用されることを可能にするために、ドラム３１０の外側表面が、例えばＴＥＦＬＯＮ（登録商標）のような非粘着性の表面で被覆されてもよい。
【００１８】
このドラムアセンブリは、さらに、温度調整器（図示していない）と、焼結性粉末の融点に概ね近いがこの融点よりも低い温度にドラム３１０を加熱するようになっているドラム加熱要素（ドラム３１０の内側に取り付けられている（図８を参照されたい）、例えば管状ハロゲンランプまたはカートリッジ加熱器８０２であることが好ましい）とを含んでもよい。この好ましい実施形態では、焼結性粉末は結晶質ナイロン粉末であり、ドラムの外側表面が上昇させられる温度がその粉末の融点よりも約２℃から約１５℃低い温度である。ローラ上の粉末の偶発的な焼結を結果的に生じさせる可能性があるローラ温度の変動と粉末温度の変動との影響をこの３ＤＰシステムが受けやすいだろうが、一般的に、より高いローラ温度が、画像化ランプシステムからの最小限の入力エネルギーで粉末の比較的迅速な焼結を容易にするために使用される。これとは対照的に、焼結プロセスと物体造形全体とにより長い時間を要する可能性があるが、焼結画像の品質を改善するためにより低い温度にドラムが維持されてもよい。特定の実施形態では、ドラムアセンブリは、さらに、物体の先行の焼結画像の上に焼結画像が付着させられる直前に焼結画像の外側を加熱するための定着加熱器８０４（図８Ａを参照されたい）を含む。同様に、特定の実施形態では、この加熱要素は、さらに、造形中の物体の事前に付着させられた焼結画像の上部表面も加熱してよい。例えばハロゲンランプ、タングステン線加熱器、または、ニクロム線加熱器のような定着加熱器８０４が、ドラムとプラットホームアセンブリまたは加工表面との付近において、ドラム３１０を収容するアセンブリ上に取り付けられてもよい。付着させられるべき表面に加えられる熱の量を調整するために、定着加熱器が、各表面に関する露出面積を制限するための調整可能なマスクをさらに含むことが好ましい。
【００１９】
図５にも示されている、この第２の好ましい実施形態における焼結アセンブリは、小さい熱集中区域を実現するために反射器２３０またはレンズを経由してドラム３１０上またはドラム３１０の付近にそのエネルギーが集束させられる非干渉性のエネルギー源３３０を支持するハウジング２３２とフレーム３３８とを含む。この熱源３３０が、その縦軸線が焦点対称軸（ｆｏｃａｌ  ａｘｉｓ  ｏｆ  ｓｙｍｍｅｔｒｙ）に一致する軸方向フィラメントを有するハロゲンランプであることが好ましい。タングステン電球とアークランプとを含む他の任意の熱源が使用可能であるが、このハロゲンランプは、Ｓｙｌｖａｎｉａ（Ｄａｎｖｅｒｓ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）から入手可能である。図３の横断面図に示されているように、反射器２３０は、熱源３３０からのエネルギーの集中を最適化するために実質的に楕円形の横断面を有する。適切な反射器２３０が、Ｍｅｌｌｅｓ  Ｇｒｉｏｔ（Ｃａｒｌｓｂａｄ、ＣＡ）から部品番号０２  ＲＥＭ  ００１として入手可能である。特定の実施形態では、焼結アセンブリは、さらに、第２の好ましい実施形態では約２５４μｍ（約１０ｍｉｌ）から約５，０８０μｍ（約２００ｍｉｌ）の間で変化させられることが可能な焦点のスポットサイズをさらに調整するための調整可能なアパーチャまたは複数の選択可能なアパーチャを有するマスク５０２を含む。マスク５０２の設計は、さらに、より小さいスポットを生じさせ、これによって電力消費を最小限にしかつ（この実施形態では）レーザエネルギー源を不要にするために、熱源３３０からのエネルギーをさらに集中させる、例えばウィンストンコーンのような放射線状の回転面を含んでもよい。特定の実施形態では、焼結アセンブリは、さらに、エネルギービームを効果的に遮断するために熱源３３０とドラム３１０との間に挿入されたシャッタ５０４も含む。アパーチャサイズが選択され動的に変更されることが可能な実施形態では、熱源が粉末の端から端まで移動する速度が、焦点に入射する出力の変化を補正するために焼結画像または物体の造形中に変化させられることが可能である。熱源３３０が、例えばステップモータ２３６のようなアクチュエータと親ねじ２３４とによって、ドラム３１０の軸線に対して平行に移動するようになっていることが好ましい。
【００２０】
特定の別の実施形態では、焼結アセンブリは、焼結性粉末の吸収バンドに適合させられたレーザまたはレーザダイオードを熱源として使用する。この焼結アセンブリは、さらに、ドラム３１０上にレーザ熱を向けるようになっている固定位置にある操作可能な鏡または回転鏡を含んでよく、これによってドラム３１０上で焼結アセンブリを動かすことを不要にし、かつ、高精度アクチュエータの数を減少させる。
【００２１】
この第２の好ましい実施形態のプラットホームアセンブリは、第１の焼結レイヤが上に付着させられる水平な組立表面（ｂｕｉｌｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）と、組み立てられた完成した物体とを含む。この好ましい実施形態では、組立表面２４０は、プリントされた焼結画像から物体がその上で造形される組立表面の中に加熱パッド２４１Ａ（後述する）を組み入れる。この組立表面２４０の高さは、２つの交差腕（ｃｒｏｓｓ  ａｒｍ）２４２と、どちらかの末端に左ねじと右ねじとを有する親ねじ２４４と、好ましくはステップモータ２４６であるアクチュエータとを含む、シザーリフト（ｓｃｉｓｓｏｒ  ｌｉｆｔ）２０６によって、ドラム３１０に対して相対的に調整される。親ねじ２４４の回転が、回転方向に応じて２つの交差腕２４２が互いに向かってまたは互いから遠ざかって回転することを引き起こし、これによって組立表面２４０がそれぞれに上昇または下降することを可能にする。特定の実施形態では、この組立表面２４０は、シザーリフト２０６に対して相対的に水平平面内で回転するようになっており、これによって、補正されない場合には造形される物体における垂直方向の非均一性または非直線性を結果的に生じさせることがある反復的な誤差またはアーチファクトの累積を防止するために、各々の焼結画像の付着の前に、組立表面２４０がランダムな角度に回転させられることを可能にする。当業者は、ドラム３１０上に形成された焼結画像の方向配置が組立表面２４０と同一の角回転を反映すべきであるということを理解するだろう。
【００２２】
付着させられた各々の焼結画像に関して、造形されている物体の頂部が、この物体に付与された焼結画像の厚さに実質的に等しい距離だけドラム３１０よりも低いように、ドラム３１０に対する相対的な組立表面２４０の高さが調整される。この実施形態では、各々の画像が物体に付与された後にプラットホームが下降させられるが、別の実施形態では、ドラムの高さは、物体が組み立てられるにつれてこの物体の厚さを補償するために上向きに調整されることが可能である。特定の実施形態では、組立表面２４０は、物体と、焼結画像のプリントの後に残っている未焼結粉末との両方を収容する、側壁（図示していない）を有する物体組立容器（ｏｂｊｅｃｔ  ｂｕｉｌｄ  ｖａｔ）の底面であり、これによって、直ぐ下に物体を有しない後続の焼結画像の一部分のための基本的な支持を提供する。
【００２３】
ドラムアセンブリで使用されるステップモータの作動と、焼結アセンブリの作動と、プラットホームアセンブリの作動とが、物体を造形する複数の横断面の各々を付着させるために、ドラム３１０を回転させると同時に焼結アセンブリを平行移動させるようになっているマイクロプロセッサ２５０によって協働的に制御されることが好ましい。
【００２４】
特定の実施形態では、３ＤＰは、さらに、ドラム３１０に粉末を塗布するための焼結性粉末アプリケータと、ドラム３１０から回収された未焼結粉末と加工表面から回収された未焼結粉末とを収集するために使用される１つまたは複数の焼結性粉末リザーバ２１２とを含む。図２と図３と図６とを参照すると、この実施形態の粉末アプリケータ６００は、例えば粉末コンベヤベルト３１４とプーリ３１２とを使用してドラム３１０に焼結性粉末がそれから計量供給されて塗布される焼結性粉末貯蔵箱２１０を含む。焼結性粉末レイヤの形成を示す図７Ａから図７Ｃにおいて粉末アプリケータ略図によって示されているように、焼結性粉末７１０は、プーリ３１２が回転させられベルト３１４が前進させられるのにつれて貯蔵箱２１０から抜き出される。貯蔵箱２１０内のまたは貯蔵箱２１０に取り付けられている撹拌機（図示していない）が、粉末の転写を促進するために使用されてもよい。ベルト３１４によって計量供給される焼結性粉末の体積が、調整可能なゲート７０２とその下の間隙とによって正確に調整されることが好ましい。コンベヤベルトからアプリケータブレードの上の空洞に粉末が落下するにつれて、その粉末の密度が、粉末貯蔵箱内でその粉末がどのように圧縮されていたかに係わりなしに、ドラムに対してその粉末が供給される時に均一かつ反復可能な密度を確実なものにするように標準化される。この計量供給される粉末７１２は、ドラム３１０と、ドラム３１０に塗布される粉末の厚さと均一性とを調整するために使用されるレイヤ調整ブレード７０６とに対して蓄積させられる。ブレード７０６とドラム３１０との間に形成された空洞７０８が、適正に粉末を抜き出すための比較的幅広の上部間隙と、ドラムが回転させられるにつれてドラム３１０の幅の端から端まで均一に粉末を拡散させ（および、好ましくは、適正な密度に粉末を圧縮する）ためのより狭幅の下部間隙とを有する、くさび形であることが好ましい。形成された焼結レイヤの厚さは、必要とされる物体の垂直分解能に応じて１２７μｍ（５ｍｉｌ）から５０８μｍ（２０ｍｉｌ）の厚さであることが好ましい。上述したように、結果的に得られた焼結性粉末レイヤ７１４は、ドラム内部の加熱ランプ８０２によって生じさせられた固有の粘着性によってドラム３１０に付着する。
【００２５】
この好ましい実施形態では、焼結性粉末は例えば３Ｄプリントの要件と製造方法とに応じて様々であるが、この焼結性粉末は、６０ミクロンの平均粒度を有するナイロン＃１２のような結晶質プラスチック粉末である。特定の実施形態では、この焼結性粉末は２つ以上の粒度の分布を含み、すなわち、第１の組の比較的大きい粒子と、比較的小さい粒子とを含み、この場合に、より小さい粒子の直径が、より大きい粒子の間に存在する粒子間の空隙を実質的に満たすように選択され、これによって焼結粉末の密度を増大させかつ物体の収縮を低減させる。本明細書ではモード分布と呼ぶ粒度の分布は、複数の公称粒度を含んでよく、この公称粒度の各々は最大限の粉末密度を提供するように連続的により小さい。
【００２６】
ナイロン＃１２の代わりに、ナイロン＃１１、アクリラートブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリスチレン、および、同様の粒度を有する他の粉末のような様々な他の焼結性材料が使用されてもよい。焼結性粉末は、さらに、熱源によって放出される放射の波長帯域内でのその粉末の有効吸収率（放出性（ｅｍｍｉｓｉｖｉｔｙ）に対して実質的に対称である）を増大させる放射吸収剤または染料を含んでもよい。例えば、熱源が可視光である場合には、黒または灰色の着色剤が、粉末のエネルギー吸収を増大させるために使用されてよく、これによって、その粉末が焼結させられかつ物体が組み立てられる速度を増大させる。この放射吸収剤は、さらに、ランプを含むより低電力の非干渉性エネルギー源と、レーザおよびレーザダイオードを含む干渉性のエネルギー源とが、焼結放射源として使用されることを可能にするだろう。レーザまたはレーザダイオードを使用する他の実施形態では、染料が主としてレーザの狭い発光帯において吸収性があるだろう。
【００２７】
特定の実施形態では、３ＤＰ  ２００は、例えば金属を含む焼結性粉末から１つまたは複数の焼結画像を形成するようになっている。１つの例示的な製品が、Ｈｉ−Ｔｅｍｐ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（Ｇａｒｄｅｎａ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって商品名ＭＥＴＡＬ  ＭＡＴＲＩＸ  ＰＬＡＳＴＩＣとして販売されている。
【００２８】
図３に示されている第２の好ましい実施形態では、３ＤＰ  ２００は、さらに、プラットホームアセンブリに回転自在に取り付けられている第１の加熱パッド２４１Ａと第２の加熱パッド２４１Ｂとを含むことが好ましい、１つまたは複数の物体加熱要素を含む。第１の加熱パッド２４１Ａは、造形中の物体の底面に接触する。第２の加熱パッド２４１Ｂ（より詳細に後述する）は、一般的に、物体（図示していない）の上面の付近にまたはこの上面に接触して配置されている。第１の加熱パッド２４１Ａと第２の加熱パッド２４１Ｂは、協働して、または、個別に、その次の焼結画像と物体との間の接着を強化するために物体の温度を上昇させ、および、その部品における温度勾配を減少させ、したがって物体における寸法上の不正確さを生じさせる可能性がある内部応力を抑制する。
【００２９】
３ＤＰ  ２００が焼結画像を形成してそれを造形中の物体に付着させる機械的な動作が、斜視図の形で描かれている横断面図である図８Ａから図８Ｄに示されている。図８Ａを参照すると、単一の焼結レイヤのために十分なだけの焼結性粉末が、貯蔵箱２１０の付近のそのホームポジションに位置しているドラム３１０に一括して計量供給される。ドラム３１０は回転させられ、および、新たに塗布された焼結性粉末が、ドラムが回転させられるにつれてレイヤの形に形成される。カートリッジ加熱器８０２と定着加熱器８０４とが図８Ａから図８Ｄの幾つかの図に明瞭に見てとれる。
【００３０】
図８Ｂを参照すると、この実施形態のドラム３１０は、ランプアセンブリの焦点に一致する位置に前進し、および、粉末レイヤの一部分が、関連したモデルの横断面を反映する１つまたは複数の固体部分を形成するように焼結される。その焦点は、モデルの横断面データのディジタルフォーマットに応じて、例えば、ラスタパターンにしたがって、または、モデルのベクトルデータにしたがって、ドラム表面上を移動させられるだろう。この好ましい実施形態では、ラスタシーケンスおよびパターンが、画像化レイヤ内の内部応力を最小限にするために使用される。
【００３１】
図８Ｃを参照すると、焼結画像を伴うドラム３１０は、この図では右に駆動されてプラットホームの頂部上を移動しながら、回転させられる。ドラム３１０と加工表面との間の間隙は焼結画像の厚さ以下であり（焼結画像の厚さに実質的に等しいことが好ましい）、および、この焼結画像が加工表面上に付着させられるように回転させられるドラムが、造形中の物体の滑りまたは移動を防止するために加工表面に対して相対的に静止している。ドラム３１０と加工表面との間の間隙が焼結画像の厚さよりも小さい時には、その焼結画像に加えられる圧力が、その焼結画像と物体との間の融合を改善し、および、物体の密度を増大させるだろう。
【００３２】
特定の実施形態では、３ＤＰ  ２００は、さらに、レイヤ厚さ調整プロセッサを含み、このレイヤ厚さ調整プロセッサは、造形中の物体に焼結画像が付与される時にその物体の厚さを動的に調整するマイクロプロセッサ２５０または別個のプロセッサの形で具体化されるだろう。このレイヤ厚さ調整プロセッサが、その物体全体の厚さを検出するか、または、その物体が造形されている時に１つまたは複数の焼結画像の厚さを検出し、および、フィードバックを使用して、ドラム３１０に対して塗布される焼結性粉末の厚さを変化させるか、または、その物体に対して焼結画像を溶接するために使用される圧力を変更することが好ましい。この圧力は、例えば、加工表面の端から端までのドラムの平行移動が焼結画像と物体との間の溶接を強化する圧力を生じさせるようにドラム３１０と加工表面との間の干渉間隙を変化させることによって、調整されることが可能である。他の実施形態では、レイヤ厚さ調整プロセッサは、所望のレイヤ密度を実現するために、かつ、接着を確実なものにするために、ドラムと物体との間に加えられる圧力の時間と温度とを調整する。特に、このレイヤ厚さ調整プロセッサは、画像の厚さを標準化するために、かつ、最適の接着品質を実現するために、画像レイヤの相互間で加工表面の端から端までドラム３１０が平行移動させられる際の速度と温度とを変化させるようになっている。定着加熱器８０４が、ドラム３１０が加工表面の長さを横断する時に動作可能にされることが好ましい。
【００３３】
図８Ｄに示されているプラットホームの右へのドラムの伸長位置では、例えばスクレーパ３５４またはブラシがドラム３１０に接触させられており、一方、そのドラムが、残留する粉末または屑をすべて除去するためにそのスクレーパに対して押し付けられている。スクレーパ３５４とドラム３１０との間の角度が０度から４５度の間であることが好ましく、および、ドラムが回転させられる速度が１０インチ／分から１００インチ／分であることが好ましい。特定の実施形態では、３ＤＰ  ２００は、さらに、スクレーパ３５４によって除去される粉末または屑を収集するための粉末リザーバ（図示していない）を含む。代替案では、ドラム３１０に対して相対的に高い電位差を有する電界ワイヤおよびコロナワイヤが、ドラムから過剰な粉末を取り除くために使用されてもよい。
【００３４】
ドラム３１０はそのホームポジションに戻され、加工表面は過剰な未焼結粉末を除去するためにクリーニングされ、組立プラットホームは、新たに付与された焼結画像の厚さを補償するためにシザーリフト２０６によって下降させられ、加熱パッドは造形中の物体に対して再び使用され、および、上述のプロセスがその物体が完成させられるまで繰り返される。この第２の好ましい実施形態では、加工表面をクリーニングするかまたは他の形で準備するための手段が、加工表面をドラム３１０が横断する時にそのドラムを追跡するようにドラムアセンブリの中に組み入れられている、引き込み式の回転ブラシ３５２を含む。この好ましい実施形態では、固定していない粉末すべてを加工表面からクリーニングするために、または、新たに付着させられた焼結画像の高さと同じ高さに未焼結粉末を均すために、ブラシ３５２は、図８Ａから図８Ｄの図解例では左に、そのホームポジションに戻る前に、ドラム３１０の下方に伸長させられ、および、円筒形のブラシ頭部が物体と接触して時計回りに回転する。引き込み式の回転ブラシ３５２は、図示されているように、新たに付着させられた焼結画像が十分に冷却され終わる前にその新たに付着させられた焼結画像をかき乱すことを避けるために、ドラムが左から右に通過して焼結画像を付着させる時には、引っ込んだ形状となる。
【００３５】
特定の他の実施形態では、加工表面をクリーニングするための材料除去機構は、真空、静電引力を使用して加工表面から粉末を引き寄せるための導体、非引き込み式のブラシ、高速の空気を供給するためのブロア、または、これらの組合せを含む。ドラム３１０に連結されている非引き込み式のブラシは、例えば、画像が転写された直後に加工表面を掃除するために加工表面に対する干渉を維持するようになっているブラシ頭部を有するだろう。さらに別の実施形態では、３Ｄプリンタは、新たに付着させられた焼結画像が冷却される速度を加速し、これによって、画像が付着させられる直前にまたは画像が付着させられた直後に、すなわち、ドラム３１０が加工表面を左または右に横断する時に、ブラシ３５２によって物体がクリーニングされることを可能にするように、例えば物体の上に空気を方向付けるための物体冷却手段をさらに含む。
【００３６】
上述したように、３ＤＰ  ２００は、特定の実施形態において、ドラムアセンブリに回転自在に取り付けられている第２の加熱ヘッド２４１Ｂとこれに対応する支持フレーム２０８とを含む。この第２の加熱ヘッド２４１Ｂは、「ホットパッド」とも呼ばれるが、次の焼結画像が付与されるまで物体の上面の温度を上昇させ、および、また、維持するようになっている。図８Ｄと図８Ａとに示されているように、パッド２４１Ｂとフレーム２０８は、画像が物体上に付着させられる時にドラム３１０のための隙間を提供するために回転して上昇し、および、その次に、ドラム３１０がそのホームポジションに戻る時に、それが物体に接触しておりかつ加工表面の未焼結粉末がクリーニングされる箇所へと回転して戻る。この第２の加熱パッド２４１Ｂは、物体と接触している時に、その物体の融点の数度以内に物体の上面を上昇させる。このことが、物体に対して次の焼結画像を溶接するために、および、次の焼結画像と物体との間の接着を強化するために、および、温度勾配によって生じさせられる内部応力からの寸法歪みを被りやすい物体の上面の寸法均一性を維持するために加えられなければならないエネルギーの量を減少させる。
【００３７】
特定の実施形態では、第２の加熱パッド２４１Ｂは、さらに、３次元プリントプロセス中に各レイヤの付着を伴う先行して形成された物体の最上部に決められた熱と圧力とを加えるために、圧力検出機構（図示していない）とレイヤ厚さ調整プロセッサ（上述した）と共に協働する。新たに付着させられた焼結画像の厚さは、決められた力で第２の加熱パッド２４１Ｂに対して物体の一番上のレイヤを押し付けるように、物体が上で造形されている組立表面２４０を上昇させることによって減少させられることが可能である。物体は、一般的に、次のレイヤの造形中に第２の加熱パッド２４１Ｂに対して押し付けられて保持され、このことは、湾曲力（ｃｕｒｌ  ｆｏｒｃｅ）が緩むために十分な時間であり、および、または、調整されたレイヤ厚さ。当業者は理解するように、圧力検出機構は、さらに、物体の間隙に対してドラムを動的に調整するために使用されてもよく、すなわち、この圧力検出機構は、物体の実際の高さと、したがって、次の焼結レイヤの付与の前に最適の間隙を得るために組立プラットホームが下降されなければならない距離とを測定するために使用される。
【００３８】
特定の実施形態では、３ＤＰ  ２００は、個別の焼結レイヤを形成するために処理ドラム３１０以外のレイヤ処理表面を含む。このレイヤ処理表面は、例えば、プラットホームアセンブリ上の加工表面上に押し付けられるかまたは他の形で圧迫される前に焼結レイヤがその表面上に形成される平らな表面であってよい。
【００３９】
特定の実施形態では、ドラム３１０と焼結性粉末貯蔵箱２１０とが、取り外し可能で交換可能なユニットとして設けられ、ユーザがそのユニットを容易に取り外して交換または修理することを可能にする。この焼結性粉末貯蔵箱２１０が、トナーカートリッジに類似した密封されているかまたは改ざん防止包装されている容器であることが好ましい。
【００４０】
３ＤＰの第３の好ましい実施形態では、物体が、その物体が中で造形される組立容器（ｂｕｉｌｄ  ｖａｔ）の中で焼結させられる焼結画像から形成される。この３ＤＰは、さらに、第２の容器（ｖａｔ）、すなわち、物体を造形するためにアセンブリ容器（ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｖａｔ）に対して粉末を供給する粉末容器（ｐｏｗｄｅｒ  ｖａｔ）を含むだろう。両方の容器も、例えば、粉末を溶融させるために必要とされるエネルギーの量を減少させるために、粉末の融点の直ぐ下の温度に加熱される。
【００４１】
組立容器内の加工表面の高さは、その組立容器に対する粉末の供給を容易にするために粉末容器内の粉末の高さと概ね同一の高さに保たれる。この好ましい実施形態では、互いに比例して、組立容器は下降させられ、および、粉末容器は上昇させられる。これらの容器各々の高さは、マイクロプロセッサに作動的に接続されている別個のシザーリフトによって調整されることが好ましい。粉末のレイヤを粉末容器から組立容器に移動させて、粉末レイヤを均一な厚さと密度で供給するために、粉末ローラが使用される。組立容器内で付着させられる粉末レイヤは、約１２７μｍ（約５ｍｉｌ）から約５０８μｍ（約２００ｍｉｌ）の厚さである。この第３の好ましい実施形態では、その粉末ローラは、既存のアクチュエータを利用するために同一の焼結アセンブリに取り付けられているが、別個の制御機構に取り付けられてもよい。
【００４２】
焼結アセンブリが、組立容器内の一番上の粉末レイヤを焼結させるために、集束された熱を供給するようになっている安価な非干渉性のエネルギー源を含むことが好ましい。この熱源が、楕円反射器、および、または、ウィンストンコーンを含むことが好ましい。第２の実施形態と同様に、焼結アセンブリは、さらに、ビームのスポットサイズを調整するための穴を有するマスクと、そのビームを遮断するためのシャッタとを使用するだろう。この例におけるスポットサイズの一例が約３０ミルから約７０ミルである。第２の実施形態とは対照的に、この焦点は、組立容器内の一番上の焼結性粉末レイヤと、モデルの関連した横断面レイヤにしたがって組立容器の幅および長さの全体にわたって焼結アセンブリを移動させることによって生じさせられる焼結画像とに一致している。
【００４３】
部分的に焼結された支持構造を使用する物体の形成を示す断面図が、図９Ａから図９Ｅに示されている。本明細書で使用される「部分的に焼結された支持構造」とは、焼結粉末の先行レイヤに対して突き出すかまたは張り出す物体の一部分のための構造的支持を組立中に提供するように、物体が組み立てられると同時に焼結粉末で形成される積層構造を意味する。この部分的に焼結された支持構造は、組立中の物体の先行レイヤに画像化レイヤが転写された後に非画像化焼結性粉末が加工表面から除去される本発明と他のラピッドプロトタイピング用途とにおいて使用されてよい。支持構造は、一般的に、（１）組立中の物体と同一のエネルギー密度で焼結させられる実質的に硬質の部分と、（２）その硬質部分と物体との間の取り外し可能な境界を実現するための、その物体よりも少ないエネルギーで焼結させられた境界部分とを含む、２つの部分を備える。
【００４４】
図９Ａに示す例示的な構造と物体とを参照すると、組み立てられている支持構造９００が、物体の第１のレイヤの以前に付着させられた１つまたは複数のレイヤ９０１−９０２を含んでよい複数の焼結粉末レイヤ９０１−９０５を備える。組立中の物体の第１の焼結画像レイヤ９５１の付近に、実質的に硬質の部分９２０と境界部分９３０とを有する第３の焼結画像レイヤ９０３が形成されている。物体の第１の焼結画像レイヤ９５１に隣接した実質的に硬質の部分９２１と境界部分９３１とを有する第４の焼結画像レイヤ９０４が形成されている。第５の焼結画像レイヤ９０５が、実質的に硬質の部分９２２と、境界部分９３２と、物体の第１の焼結画像レイヤ９５１とを含む。基部レイヤ９０１−９０２と実質的に硬質の部分９２０−９２２とが、第１の焼結画像レイヤ９５１を含む組立中の物体と同一である単位時間当たり単位面積当たりのエネルギーによって融合させられる。
【００４５】
境界部分９３０−９３２は、物体のレイヤよりも少ない単位時間当たり単位面積当たりのエネルギーによって融合させられる。この好ましい実施形態では、境界部分９３０−９３２は、物体および硬質部分の領域よりも短い時間期間にわたって境界の領域内の焼結性粉末を放射エネルギー源に曝すことによって焼結させられる。この放射エネルギー源は、例えば物体に関連した領域よりも４０％から１００％高速である速度でドラムを横断するようにされ、および、境界の領域を抜き出しすなわち焼結させるようにされ、これによってその部分および支持構造よりも境界部分を脆弱にする。一般的に、境界部分に関連している焼結性粉末の微粒子は、物体または硬質部分の微粒子よりも低い度合いに融合させられ、これによって境界を構造的に比較的脆弱にする密度差を生じさせる。
【００４６】
図９Ｂの横断面図を参照すると、物体の追加レイヤと支持構造９００とが画像化されると同時に転写される。完成された支持構造９００は、基部レイヤ９０１−９０２と、硬質部分９２０−９２４と、境界部分９３０−９３５とを含む。図示されているように、硬質部分９２０−９２４と境界部分９３０−９３５は、この例では球形である、組立中の物体の輪郭に一致するようになっている。特に、支持構造９００のレイヤは、転写されているレイヤが先行の物体レイヤを越えて突き出すかまたはこの先行の物体レイヤに対して片持ち梁状に突き出す場合にさえ、物体のレイヤが、わずかな歪みしか伴わずに、または、全く歪みを伴わずに、効果的に転写されることを可能にし、このことが物体レイヤ９５１−９５６の各々に当てはまる。この後に、組立中の物体にその物体の他のレイヤ９５７−９５８がプリントされて転写され（図９Ｃを参照されたい）、完成された物体９５０が、境界部分９３１−９３６によって画定されている境界において支持構造９００から分離させられ（図９Ｄを参照されたい）、および、完成した物体９５０を出現させるために境界部分が除去される（図９Ｅを参照されたい）。
【００４７】
図１０Ａから図１０Ｃを参照すると、図９Ａ−９Ｅの物体９５０は、組立速度を増加させるために、および、寸法誤差を生じさせる内部応力を減少させるために、および、部品の脆性を低減させ、すなわち、部品の耐久性を向上させるために、最適化された境界と塗りつぶしパターン（ｆｉｌｌ  ｐａｔｔｅｒｎ）とを有するレイヤから形成されるだろう。特に、焼結画像１０００の境界１０６内の領域は、未焼結粉末の区域１００４によって隔てられている、堅固に融合させられた焼結粉末の複数の互いに平行な区域１００２から形成されている。後続の焼結画像１０１０は、境界１０１６と、堅固に融合させられた焼結粉末の平行区域１０１２と、先行レイヤに対して９０度だけ回転した方向を有する未焼結粉末の区域１０１４とを含む、開いた塗りつぶしパターンとを有するだろう。この好ましい実施形態では、塗りつぶしパターンを形成する堅固に融合させられた焼結粉末の平行区域１００２が、焼結されられている画像の特定の区域が許容する可能最大スポットサイズを生じさせるように、熱源のためのアパーチャを選択することによって、形成されることが好ましい。このことが、画像を形成するために要する時間、従って、物体を形成するために要する時間を著しく低減させるだろう。堅固に融合させられた焼結粉末の平行区域１００２、１０１２の幅および間隔と、境界１００４、１０１４の幅とが、特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）のサイズおよび形状によって決定されるだろう。例えば、より小さい特徴が、境界と塗りつぶし（ｆｉｌｌ）とに関するより小さいスポットサイズを必要とするだろうし、一方、より大きい特徴の境界と塗りつぶしは、より大きいスポットサイズだけによって形成されるだろう。同様に、より小さいスポットサイズは、小さい物体を形成するために使用されるだろうし、一方、大きいスポットサイズは大きい物体を形成するために使用されるだろう。境界と塗りつぶしパターンは、さらに、速度と強度と冷却とに関して最適化され、または、組立中の物体１０２０から、または、組立が完了した後に、未焼結粉末が取り除かれることを可能にするバイアス（ｖｉａｓ）１０２２を生じさせるために最適化されてよい。
【００４８】
組立中の物体の高さを正確に付着させ補正するために使用されるレイヤ厚さ基準（ＬＴＲ）壁１１１０が、図１１Ａと図１１Ｂとに示されている。この壁１１１０は、物体９５０と同時にレイヤ毎に形成され、および、完全に融合させられた焼結粉末から作られている。一貫した形状を有する壁１１１０の上面１１１２、１１２２の高さは、一般的に、レイヤ厚さにおける小さな誤差が累積することが許容される場合に非平面になることがある物体の高さよりも均一である。したがって、壁１１１０の上面１１１２は、高いスポットを削り取るか他の形で取り除くために物体９５０の端から端まで通過させられる材料除去機構（好ましくは、ドクターブレードとも呼ばれるスクレーパ刃１１２０）のためのガイドとして使用されるだろう。その次に、後続の焼結画像１１０４と壁レイヤ１１２２とが付着させられ、および、スクレーパ刃１１２０が、あらゆる非均一性を補正するために再び上面１１０６全体にわたって通過させられる。このプロセスが、組立中の物体の各レイヤに関して繰り返されるだろう。スクレーパ刃１１２０は移動方向に対して平行な壁１１１０のわずかに１つまたは２つの側面を必要とするが、組立中の物体を完全に取り囲む壁は、さらに、後続の焼結画像のための基礎となる支持を提供するために未焼結粉末を保持する働きをする。
【００４９】
上述の説明は多くの明細事項を含むが、これらの明細事項が、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきでなく、むしろ、本発明の現時点での好ましい実施形態の幾つかの例示を単に示すものとして解釈されるべきである。
【００５０】
したがって、本発明は、例示として非限定的に開示されており、および、本発明の範囲を決定するためには次の特許請求項が参照されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の好ましい実施形態の３次元プリンタの動作を示す略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の好ましい実施形態の３次元プリンタの動作を示す略図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の第１の好ましい実施形態の３次元プリンタの動作を示す略図である。
【図２】図２は、本発明の第２の好ましい実施形態による３次元プリンタの等角図である。
【図３】図３は、本発明の第２の好ましい実施形態による３次元プリンタの断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２の好ましい実施形態によるドラムアセンブリの等角図である。
【図５】図５は、本発明の第２の好ましい実施形態による焼結アセンブリの断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の好ましい実施形態による粉末アプリケータの等角図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第２の好ましい実施形態による粉末アプリケータの動作を示す略図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第２の好ましい実施形態による粉末アプリケータの動作を示す略図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第２の好ましい実施形態による粉末アプリケータの動作を示す略図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第２の好ましい実施形態による、焼結画像を形成して造形中の物体にその焼結画像を付与する３次元プリンタを示す断面等角図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第２の好ましい実施形態による、焼結画像を形成して造形中の物体にその焼結画像を付与する３次元プリンタを示す断面等角図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の第２の好ましい実施形態による、焼結画像を形成して造形中の物体にその焼結画像を付与する３次元プリンタを示す断面等角図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の第２の好ましい実施形態による、焼結画像を形成して造形中の物体にその焼結画像を付与する３次元プリンタを示す断面等角図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施形態による、部分焼結支持構造を使用する物体の形成を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施形態による、部分焼結支持構造を使用する物体の形成を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の実施形態による、部分焼結支持構造を使用する物体の形成を示す断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の実施形態による、部分焼結支持構造を使用する物体の形成を示す断面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の実施形態による、部分焼結支持構造を使用する物体の形成を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施形態による、交互の開いたハッチパターンを示す個別の焼結画像の平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施形態による、交互の開いたハッチパターンを示す個別の焼結画像の平面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明の実施形態による交互の開いたハッチパターンを有する複数の焼結画像から組み立てられている物体の平面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施形態によるレイヤ厚さ基準壁内の組立中の物体の斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施形態によるレイヤ厚さ基準壁内の組立中の物体の斜視図である。
【図１Ａ】
2007529349.tif 000003
【図１Ｂ】
2007529349.tif 000004
【図１Ｃ】
2007529349.tif 000005
【図２】
2007529349.tif 000006
【図３】
2007529349.tif 000007
【図４】
2007529349.tif 000008
【図５】
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【図６】
2007529349.tif 000010
【図７Ａ】
2007529349.tif 000011
【図７Ｂ】
2007529349.tif 000012
【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
2007529349.tif 000014
【図８Ｂ】
2007529349.tif 000015
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
2007529349.tif 000017
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
2007529349.tif 000020
【図９Ｄ】
2007529349.tif 000021
【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2007529349.tif 000024
【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年11月16日(2006.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の横断面から組み立てられた物体を形成するようになっている３次元プリンタ（３ＤＰ）であって、
焼結性粉末レイヤを受けるようになっている第１の表面と、
前記第１の表面上の前記焼結性粉末レイヤの少なくとも一部分を焼結画像の形に溶融させるようになっている放射エネルギー源であって、前記焼結画像は前記横断面の１つに対応する放射エネルギー源と、
前記第１の表面から組立中の前記物体に前記焼結画像を転写するようになっている転写機構と、
を備える３ＤＰ。
【請求項２】
前記第１の表面は、平らな表面を備えるレイヤ処理表面である請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項３】
前記放射エネルギー源はハロゲンランプを備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項４】
前記放射エネルギー源が熱源を備えていて、前記熱源は少なくとも一つの反射器、楕円反射器、又は前記第１の表面の上に前記熱源からのエネルギーを集中させるようになっている１つまたは複数のアパーチャを備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項５】
前記焼結性粉末はポリマーを含む請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項６】
前記３ＤＰは、さらに、前記組立中の物体を支持するようになっているプラットホームアセンブリを含んでいて、前記プラットホームアセンブリは、さらに、焼結画像レイヤが前記組立中の物体の上に付着された後に前記第１の表面に対して相対的に前記組立表面を下降させるようになっている請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項７】
前記組立中の物体に対して相対的に前記第１の表面を転がすと同時に平行移動させることによって、前記焼結画像が前記第１の表面から前記組立中の物体に転写される請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項８】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体を第１の予め決められた温度に保つようになっている第１の加熱要素をさらに備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項９】
前記３ＤＰは、前記組立中の物体の加工表面を前記物体の組立中に第２の決められた温度と圧力とに保つようになっている第２の加熱要素をさらに備えていて、前記第２の決められた温度は、前記焼結性粉末の溶融温度にほぼ等しいが、この溶融温度よりも低い請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１０】
前記第２の加熱要素は、
前記焼結画像が前記組立中の物体に転写される前に前記加工表面に接触し、および、
前記焼結画像が前記組立中の物体に転写される時に引っ込む
ようになっている平らな表面を備える
請求項９に記載の３ＤＰ。
【請求項１１】
前記加工表面は、前記焼結画像の以前に転写された先行の焼結画像である請求項１０に記載の３ＤＰ。
【請求項１２】
前記転写機構は、さらに、前記組立中の物体に前記焼結画像を融合するようになっている請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１３】
前記転写機構は、前記第１の表面から前記焼結画像を転写すると同時に前記焼結画像を前記組立中の物体に融合させるようになっている請求項１２に記載の３ＤＰ。
【請求項１４】
前記第１の表面は、陽極酸化アルミニウムの連続表面を備える請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１５】
前記３ＤＰは、物体の特徴のサイズに基づいて複数のスポットサイズの各々によって前記第１の表面上に前記焼結画像を融合させるようになっており、および、前記複数のスポットサイズは、前記焼結画像の第１の部分を融合させるための第１のスポットサイズと、前記焼結画像の第２の部分を融合させるための第２のスポットサイズとを備え、および、前記第１のスポットサイズは前記第２のスポットサイズとは異なる請求項１に記載の３ＤＰ。
【請求項１６】
複数の横断面から組み立てられた物体を形成する方法であって、
焼結性粉末を備えるレイヤを第１の表面上に形成する段階と、
前記焼結性粉末レイヤの少なくとも一部分を前記第１の表面上に融合させるようになっている放射エネルギー源を使用して焼結画像を形成する段階と、
前記焼結画像を前記第１の表面から前記組立中の物体に転写する段階と、
を含む方法。
【請求項１７】
前記焼結性粉末はポリマーを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ポリマーは、ナイロン１１とナイロン１２とから成るグループから選択される請求項１７に記載の方法。
【国際調査報告】
2007529349.tif 000028