(57)【要約】  熱伝導要素（４０）から熱エネルギーを受領するように構成された外側液化機部（６６）と、少なくとも部分的に外側液化機部（６６）により規定された通路（７２）とを備えたリボン液化機（３８）であって、通路（７２）はリボンフィラメント（４４）を受容するように設定された寸法を有し、リボン液化機（３８）は、通路（７２）に受容されたリボンフィラメント（４４）を、溶融流れを生じさせるために、受領した熱エネルギーにより少なくとも押出可能な状態まで溶融するように構成されている。通路（７２）の寸法は、さらに、リボン液化機（３８）に接続された押出チップ（５２）内で、溶融流れを軸方向に非対称な流れからほぼ軸方向に対称な流れに合わせるように設定されている。
2013506579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動機構と熱伝導要素とを有する押し出し式デジタル製造システムにおいて用いられるリボン液化機であって、
前記熱伝導要素から熱エネルギーを受領するように構成された外側液化機部と、
少なくとも部分的に前記外側液化機部により規定された通路であって、該通路が、リボンフィラメントを受容するように設定された寸法を有し、前記リボン液化機が、該通路に受容された該リボンフィラメントを、溶融流れを生じさせるために、受領した熱エネルギーによって少なくとも押出可能な状態まで溶融するように構成され、スロットの寸法が、前記リボン液化機に接続された押出チップ内で溶融流れを軸方向に非対称な流れからほぼ軸方向に対称な流れに合わせるように設定されている通路と、
を含むリボン液化機。
【請求項２】
前記通路の寸法が円弧状の断面を規定する、請求項１に記載のリボン液化機。
【請求項３】
前記通路の寸法が、幅対厚さのアスペクト比が約２：１以上である幅と厚さとを有する断面を規定する、請求項１に記載のリボン液化機。
【請求項４】
前記幅対前記厚さのアスペクト比が約２．５：１から約２０：１の範囲内である、請求項３に記載のリボン液化機。
【請求項５】
前記外側液化機部が、前記通路に受容された前記リボンフィラメントと係合するためのアクセスを前記駆動機構に提供するように構成されたポートを備える、請求項１に記載のリボン液化機。
【請求項６】
前記外側液化機部内に設けられている、部分的に前記通路を規定するコア部をさらに備え、該コア部は前記駆動機構が前記リボンフィラメントと係合する際に該リボンフィラメントに裏打ち支持を提供するように構成されている、請求項１に記載のリボン液化機。
【請求項７】
前記外側液化機部と前記コア部との間に設けられたシム要素をさらに備え、該シム要素が前記通路をさらに規定する間隙を規定する、請求項６に記載のリボン液化機。
【請求項８】
駆動機構と熱伝導要素とを有する押し出し式デジタル製造システムにおいて用いられるリボン液化機であって、
外表面と内表面とを有する外管であって、該外管の該外表面が前記熱伝導要素と係合するように構成されている外管と、
前記外管内に配設され、外表面を有するコア部と、
前記外管と前記コア部との間に配設されたシム要素であって、該シム要素は該シム要素の長手方向の長さに沿って延びる間隙を有し、該間隙は前記外管の内表面と前記コア部の外表面との間の通路を規定し、該通路はリボンフィラメントを受容するように設定された寸法を有しており、前記コア部の外表面は、前記駆動機構が前記リボンフィラメントと係合する際に該リボンフィラメントに裏打ち支持を提供するように構成されているシム要素と、
を備えるリボン液化機。
【請求項９】
前記通路の寸法が円弧状の断面を規定する、請求項８に記載のリボン液化機。
【請求項１０】
前記円弧状の断面が、径方向の同心点からある角度で延びる円弧幅を有し、該角度が約３０度から約１８０度の範囲内である、請求項９に記載のリボン液化機。
【請求項１１】
前記角度が約４５度から約１３０度の範囲内である、請求項１０に記載のリボン液化機。
【請求項１２】
前記外管が、前記通路内に受容された前記リボンフィラメントと係合するためのアクセスを前記駆動機構に提供するように構成されたポートを備えている、請求項８に記載のリボン液化機。
【請求項１３】
前記ポートが前記通路と実質上繋がっている、請求項１２に記載のリボン液化機。
【請求項１４】
前記コア部がコア管を備えている、請求項８に記載のリボン液化機。
【請求項１５】
押し出し式デジタル製造システムにおいて三次元モデルを構築する方法であって、
リボン液化機の通路を介してリボンフィラメントを駆動させる工程であって、該リボン液化機が、少なくとも部分的に前記通路を規定する外側液化機部を備える工程と、
前記通路内の前記リボンフィラメントを、溶融流れを生じさせるために、少なくとも押出可能な状態まで溶融する工程であって、該通路の寸法が該溶融流れを軸方向に非対称な流れに合わせる工程と、
前記リボン液化機の押出チップから前記溶融流れを押し出す工程であって、該溶融流れが該押出チップ内でほぼ軸方向に対称な流れを有する工程と、
を含む方法。
【請求項１６】
前記通路の寸法が円弧状の断面を規定する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記通路の寸法が、幅対厚さのアスペクト比が約２：１以上である幅および厚さを有する断面を規定する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記幅対厚さのアスペクト比が２．５：１から約２０：１の範囲内である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記外側液化機部がポートを備え、前記方法がさらに、該ポートにおいて、駆動機構を前記通路内に受容された前記リボンフィラメントと係合させる工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記通路内で前記リボンフィラメントを溶融させる工程が、熱エネルギーを該リボンフィラメントに拡散させる工程を含み、該熱エネルギーの少なくとも約６５％が一次元においてのみ拡散される、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、三次元（３Ｄ）モデルを構築するためのダイレクトデジタル製造システムに関する。具体的には、本発明は、押し出し式デジタル製造システムに用いるための押出ヘッド液化機に関する。
【０００２】
押し出し式デジタル製造システム（例えば、ミネソタ州、エデンプレーリー（Ｅｄｅｎ  Ｐｒａｉｒｉｅ）のストラタシス，インコーポレイテッド（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．）により開発された溶融堆積モデリングシステム）は、流動性のある消耗型のモデリング材料を押出すことによって、積層式に、３Ｄモデルのデジタル表示から３Ｄモデルを構築するために使用される。モデリング材料は、押出ヘッドにより支持された押出チップを通して押し出され、ｘ−ｙ平面内の基板上に一連の道（ｒｏａｄｓ）として堆積される。押し出されたモデリング材料は、先に堆積されたモデリング材料と融合し、温度が下降すると凝固する。次に、基板に対する押出ヘッドの位置が、ｚ軸（ｘ−ｙ平面に対して垂直である）に沿って増分され、その後この工程が繰り返されて、デジタル表示に近似した３Ｄモデルが形成される。
【０００３】
基板に対する押出ヘッドの運動は、３Ｄモデルを表わす構築データに従って、コンピュータ制御下で行なわれる。構築データは、最初に３Ｄモデルのデジタル表示を水平方向にスライスされた複数の層へとスライスすることによって得られる。その後、スライスされた層のそれぞれについて、ホストコンピュータが、３Ｄモデルを形成するためにモデリング材料の道を堆積させるための構築経路を生成する。
【０００４】
モデリング材料の層を堆積させることにより３Ｄモデルを製造するにあたっては、モデリング材料自体によっては支持されない構築中のオブジェクトの張出し部の下または空洞内に、通常、支持層または支持構造が構築される。モデリング材料を堆積させる技術と同じ堆積技術を用いて、支持構造物が構築されてもよい。ホストコンピュータは、形成されつつある３Ｄモデルの張出し部分または空き領域部分のための支持構造物の機能を果たす、付加的な形状を生成する。すると、構築プロセス中に、消耗型の支持材料が、その生成された形状に従って第２のノズルから堆積させられる。支持材料は、製造中はモデリング材料に付着し、構築プロセスが完了した時には完成した３Ｄモデルから取り外すことができる。
［概要］
本開示の一態様は、駆動機構と熱伝導要素とを備えた押し出し式デジタル製造システムに用いるためのリボン液化機を対象としている。リボン液化機は、熱伝導要素から熱エネルギーを受領するように構成された外側液化機部と、外側液化機部により少なくとも部分的に規定された通路とを備える。通路は、リボンフィラメントを受容するように設定された寸法を有し、リボン液化機は、通路に受容されたリボンフィラメントを、溶融流れを生じさせるために、受領した熱エネルギーによって少なくとも押出可能な状態まで溶融させるように構成されている。また、通路の寸法は、さらに、リボン液化機に接続された押出チップ内で、溶融流れを軸方向に非対称な流れからほぼ軸方向に対称な流れに合わせるように設定されている。
【０００５】
本開示の他の態様は、駆動機構と熱伝導要素とを備えた押し出し式デジタル製造システムに用いるリボン液化機において、リボン液化機が外表面と内表面とを有する外管を備え、外管の外表面が熱伝導要素と係合するように構成されている、リボン液化機を対象としている。リボン液化機は、また、外管の内部に配設され、外表面を有するコア部と、外管とコア部との間に配設されたシム要素とを備える。シム要素は、そのシム要素の長手側の長さに沿って延びる間隙を有し、間隙は、外管の内表面とコア部の外表面との間に通路を規定している。通路は、リボンフィラメントを受容するように設定された寸法を有し、コア部の外表面は、駆動機構がリボンフィラメントと係合する際、リボンフィラメントに裏打ち支持を提供するように構成されている。
【０００６】
本開示の他の態様は、押し出し式デジタル製造システムにおいて三次元モデルを構築する方法を対象としている。本方法は、リボン液化機の通路を介してリボンフィラメントを駆動する工程を含み、リボン液化機はさらに、少なくとも部分的にその通路を規定する外側液化機部を備えている。本方法はまた、通路内のリボンフィラメントを、溶融流れを生じさせるために、少なくとも押出可能な状態まで溶融させる工程であって、通路の寸法がその溶融流れを軸方向に非対称な流れに合わせる工程を含み、また、リボン液化機の押出チップから溶融流れを押し出す工程であって、その溶融流れが押出チップ内でほぼ軸方向に対称な流れを有する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】受容されたモデリング材料および支持材料のリボンフィラメントを溶融するためのリボン液化機を備えた、押し出し式デジタル製造システムの正面図である。
【図２】駆動機構と係合したリボン液化機と、熱ブロックとを備える、押出ヘッドのサブアセンブリの上面斜視図である。
【図３】ポートを有する外管を備えたリボン液化機の斜視図である。
【図４Ａ】図３における断面４Ａ−４Ａの断面図である。
【図４Ｂ】図３における断面４Ｂ−４Ｂの断面図である。
【図４Ｃ】図３における断面４Ｃ−４Ｃの断面図である。
【図５】リボン液化機の分解斜視図である。
【図６】リボンフィラメントの受容、溶融、押し出しのための回転可能なプーリを有する駆動機構とともに使用状態にある、リボン液化機の側面図である。
【図７】リボンフィラメントを受容、溶融、押し出しのためのねじ式回転軸機構を有する別の駆動機構とともに使用状態にある、リボン液化機の側面図である。
【図８Ａ】弛緩した、非湾曲状態にあるリボンフィラメントの断面図である。
【図８Ｂ】湾曲状態にあるリボンフィラメントの断面図である。
【図９】上部が開いた配置を備えた、第一の別のリボン液化機の斜視図である。
【図１０】リボンフィラメントを受容するための非円弧状の通路を備えた第二の別のリボン液化機を説明する、断面４Ｃ−４Ｃの別の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示は、押し出し式デジタル製造システムで用いるためのリボン液化機を対象とし、リボン液化機は、モデリング材料および／または支持材料のリボンフィラメントを受容するように構成されている。本文中で使用されているように、「リボンフィラメント」の語は、矩形および／またはフィルム状の断面などの非円筒形状を有する材料の糸を言うものである。これは、円形の断面形状を有する「円筒状フィラメント」との比較においてである。リボン液化機と組み合わせてリボンフィラメントを利用することにより、モデリング材料および／または支持材料を短い応答時間で溶融し、押し出すことができる。これは、堆積の正確性を向上させるとともに構築にかかる時間を減少させ、それにより、リボン液化機を用いて３Ｄモデルおよび対応する支持構造物を構築するための処理効率を向上させるのに役立つ。
【０００９】
図１は構築チャンバ１２と、プラテン１４と、ガントリ１６と、押出ヘッド１８と、供給源２０および２２とを備えた押し出し式デジタル製造システムであるシステム１０の正面図である。押出ヘッド１８は、システム１０を用いた構築作業中にリボンフィラメント（図１中には示されていない）の連続する部分を溶融させる、１つ以上のリボン液化機（図１中には示されていない）を備えていてもよい。システム１０に適した押し出し式デジタル製造システムは、ミネソタ州エデンプレーリーのストラタシス，インコーポレイテッドにより開発された溶融堆積モデリングシステムを含む。
【００１０】
構築チャンバ１２は、３Ｄモデル（３Ｄモデル２４と称する）および対応する支持構造物（支持構造物２６と称する）を構築するための、プラテン１４と、ガントリ１６と、押出ヘッド１８とを収納する閉鎖環境である。プラテン１４は、その上で３Ｄモデル２４および支持構造物２６が構築される台であり、コンピュータ操作式コントローラ（コントローラ２８と称する）から供給される信号に基づいて、垂直なｚ軸に沿って移動する。ガントリ１６は、コントローラ２８から供給される信号に基づいて、構築チャンバ１２の内部で水平なｘ−ｙ平面内で押出ヘッド１８を移動させるように構成されているガイドレールシステムである。水平なｘ−ｙ平面は、ｘ軸およびｙ軸（図１中には示されていない）によって規定される平面であり、ここでｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は互いに直交している。別の実施形態において、プラテン１４は、構築チャンバ１２内部で水平なｘ−ｙ平面内を移動するように構成されていてもよく、押出ヘッド１８は、ｚ軸に沿って移動するように構成されていてもよい。プラテン１４と押出ヘッド１８のうちの一方または両方が互いに相対的に移動可能となるように、その他の類似の配置を用いてもよい。
【００１１】
コントローラ３０から供給される信号に基づいて、積層式にプラテン１４上で３Ｄモデル２４および支持構造物２６を構築するため、押出ヘッド１８がガントリ１６によって支持されている。押出ヘッド１８は、サブアセンブリ３０および３２を備えており、各サブアセンブリは本開示のリボン液化機を備えることが望ましい。したがって、サブアセンブリ３０は、第一のリボン液化機（図１中には示されていない）を用いてモデリング材料のリボンフィラメントの連続部分を受容し、溶融させるように構成され、サブアセンブリ３２は、第二のリボン液化機（図１中には示されていない）を用いて支持材料のリボンフィラメントの連続部分を受容し、溶融させるように構成されている。
【００１２】
モデリング材料のリボンフィラメントは、供給源２０から経路３４を介してサブアセンブリ３０に供給されてもよい。同様に、支持材料のリボンフィラメントは、供給源２２から経路３６を介してサブアセンブリ３２に供給されてもよい。システム１０はまた、リボンフィラメントを供給源２０および２２からサブアセンブリ３０および３２に送るのを補助するように構成された、追加の駆動機構（図示されていない）を備えていてもよい。供給源２０および２２は、モデリングリボンフィラメントまたは支持リボンフィラメント用の源（例えば、スプール収納ケース）であり、構築チャンバ１２から離れた場所に保持されることが望ましい。供給源２０および２２に適したアセンブリは、Ｓｗａｎｓｏｎ他の米国特許第６，９２３，６３４号；Ｃｏｍｂ他の米国特許第７，１２２，２４６号；Ｔａａｔｊｅｓ他の米国特許出願公開第２０１０／００９６４８５号および２０１０／００９６４８９号に開示されている。
【００１３】
構築作業の間、ガントリ１６は、構築チャンバ１２内において水平なｘ−ｙ平面内で押出ヘッド１８をあちこちに移動させ、リボンフィラメントがサブアセンブリ３０および３２に供給される。サブアセンブリ３０は、受容したモデリング材料のリボンフィラメントの連続する部分を熱で溶融し、それにより溶融材料が押し出されて３Ｄモデル２４を構築できるようにする。同様に、サブアセンブリ３２は、支持材料のリボンフィラメントの連続する部分を熱で溶融し、それにより溶融材料が押し出されて支持構造物２６を構築できるようにする。リボンフィラメントの上流の非溶融部分は、それぞれ、各サブアセンブリ３０および３２から溶融材料を押し出すための粘性ポンプ作用を有するピストンとして機能する。
【００１４】
押し出されたモデリング材料および支持材料は、次に、層状付加技術を用いて３Ｄモデル２４および支持構造物２６を構築するため、プラテン１４上に堆積させられる。３Ｄモデル２４の層の張出し領域のために、ｚ軸に沿って垂直支持体を提供するように支持構造物２６を堆積させるのが望ましい。これにより、３Ｄモデル２４を種々の形状で構築することができる。構築作業が完了した後、得られる３Ｄモデル２４／支持構造物２６を構築チャンバ１２から取り出すことができ、支持構造物２６を３Ｄモデル２４から取り外すことができる。
【００１５】
図２は、押出ヘッド１８のサブアセンブリ３０の上面斜視図であり、サブアセンブリ３０の以下の説明は、サブアセンブリ３２（図１に示されている）にも同様に適用される。図２に示されているように、サブアセンブリ３０はリボン液化機３８、熱ブロック４０、および駆動機構４２を備えており、該駆動機構４２が、リボン液化機３８を介してリボンフィラメント４４の連続部分を供給する。図示された実施形態において、リボン液化機３８は、上端部４８と下端部５０との間に延びる一連の環状の管を備える。上端部４８および下端部５０は、縦軸４６に沿ったリボン液化機３８の反対側の端部であり、上端部４８はリボンフィラメント４４を湾曲した状態で受容するように構成されている。サブアセンブリ３０がシステム１０に取り付けられると（図１に示されている）、縦軸４６が垂直なｚ軸に対応する。図２に示すように、リボン液化機３８の環状の管は、縦軸４６に沿って駆動機構４２および熱ブロック４０を貫いて延びている。
【００１６】
リボン液化機３８はまた押出チップ５２を備えており、押出チップ５２は下端部５０に位置し、リボンフィラメント４４の溶融材料を所望の道幅で押し出すように構成された小径のチップである。一実施形態において、押出チップ５２は、下端部５０において環状の管の１つ以上に取り外し可能に固定することができるため、複数の押出チップ５２を取り替えて使用することができる。押出チップ５２の適切なチップ内径の例は、約１２５マイクロメータ（約０．００５インチ）から約５１０マイクロメータ（約０．０２０インチ）の範囲内である。
【００１７】
熱ブロック４０は、リボン液化機３８の少なくとも一部の周囲に延びる熱伝導要素であり、リボン液化機３８と受容したリボンフィラメント４４に熱を伝えるように構成されている。熱ブロック４０に適した熱伝導要素の例は、Ｓｗａｎｓｏｎ他の米国特許第６，００４，１２４号；Ｃｏｍｂ他の米国特許第６，５４７，９９５号；ＬａＢｏｓｓｉｅｒｅ他の米国特許出願公開第２００７／０２２８５９０号およびＢａｔｃｈｅｌｄｅｒ他の米国特許出願公開第２００９／０２７３１２２号に開示されたものを含む。別の実施形態においては、熱ブロック４０が、縦軸４６に沿って温度勾配を生成する種々の異なる熱伝導要素と置き換えられてもよい。
【００１８】
駆動機構４２は、支持板５４、基部ブロック５６、およびプーリ５８を備え、プーリ５８は、支持板５４と基部ブロック５６との間に回転可能に固定されている。支持板５４と基部ブロック５６は、駆動機構４２の支持要素であり、支持板５４と基部ブロック５６のうちの１つまたは両方が、押出ヘッド１８（図１に示されている）に固定されていてもよい。プーリ５８は、内向きにねじの付いた面（図２に示されない）を用いて、リボン液化機３８を介してリボンフィラメント４４の連続部分を駆動する、回転可能な要素である。駆動機構４２に適したフィラメント駆動機構の例は、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ他の米国特許出願公開第２００９／０２７４５４０号および２００９／０２７３１２２号に開示されたものを含む。
【００１９】
システム１０（図１に示されている）における構築作業の間、リボンフィラメント４４は、リボン液化機３８と合致する湾曲状態まで湾曲させられることが望ましい。湾曲させられたリボンフィラメント４４は、次に、先端部４８においてリボン液化機３８内に投入することができ（矢印６０により示されている）、プーリ５８の内向きにねじの付いた面と係合する。次に、コントローラ２８（図１に示されている）から供給される信号に基づいてプーリ５８が回転する（矢印６２により示されている）。プーリ５８の回転は、それに応じてプーリ５８の内向きにねじの付いた面を回転させ、これにより、リボン液化機３８を介してリボンフィラメント４４の連続部分を駆動する。
【００２０】
リボンフィラメント４４がリボン液化機３８を通過する際、熱ブロック４０により生成された温度勾配が、リボン液化機３８内で、リボンフィラメント４４の材料を少なくとも押出可能な状態まで溶融する。駆動機構４２により駆動されるリボンフィラメント４４の上流の非溶融部分は、非溶融部分とリボン液化機３８の壁部との間の溶融材料に作用する粘性ポンプを有するピストンとして機能し、それによって押出チップ５２から溶融材料を押し出す。そして、押し出された材料は、積層式に３Ｄモデル２４を形成するための道として堆積させられる。
【００２１】
さらに図２に示すように、リボン液化機３８の上端部４８は、駆動機構４２に対して、縦軸４６に沿った上流に位置している。そのため、リボンフィラメント４４は、駆動機構４２と係合する前に、入口領域（入口領域６４と称される）でリボン液化機３８に入ることができ、駆動機構４２と係合中および係合後にリボン液化機３８によって継続して支持され得る。これにより、押出ヘッド１８による構築作業が中断されるリスクが軽減され、また、リボンフィラメント４４が座屈しないよう支持されているため、より大きい駆動力を得ることができる。
【００２２】
リボン液化機３８およびリボンフィラメント４４の断面形状は、円筒状のフィラメントおよび液化機に比べて短い反応時間で、リボンフィラメント４４を溶融し押出ヘッド１８から押し出すことを可能にする。「押し出し式デジタル製造システムで用いられる非円筒状フィラメント」という名称の米国仮特許出願第６１／２４７，０６７号および米国特許出願第１２／６１２，３３３号で論じられているように、リボン液化機３８およびリボンフィラメント４４の断面形状は、円形の断面を有する円筒状フィラメントに付き物であるコアを効果的に取り除くと考えられている。これにより、より短い反応時間で、リボンフィラメント４４を溶融して押出ヘッド１８から押し出すことが可能になり、３Ｄモデル２４および／または支持構造物２６を構築するためのシステム１０における処理効率をそれに応じて上げることができる。
【００２３】
例えば、より短い反応時間によって、モデリング材料および支持材料の堆積した道の開始および停止位置の精度を向上させることができる。３Ｄモデル（例えば３Ｄモデル２４）の１つの層を形成する構築作業中に、押出ヘッド（例えば押出ヘッド１８）は、水平なｘ−ｙ平面内で移動させられ、溶融モデリング材料を堆積させる。所与の堆積パターンが完了した後、押出ヘッドはモデリング材料の堆積を停止する。これは、フィラメントが押出ヘッドの液化機内に供給されるのを停止し、それによりフィラメントの粘性ポンプ作用を停止させることによって実現される。
【００２４】
しかし、押出ヘッドがフィラメントの液化機内への供給を停止する時と、モデリング材料が押出ヘッドから押し出されるのが実際に停止する時との間の反応時間は、瞬間的ではない。むしろ、例えば液化機の温度特性、フィラメントの組成、および以下で論じるようにフィラメントと液化機の断面形状などの要因に基づく遅延がある。同様に、ゼロ−フロー状態から定常状態フローへの移行に伴う反応時間遅延がある。長い反応時間を要する液化機およびフィラメントは、これらの遅延を増加させ、それによって堆積精度を低下させる可能性がある。しかし、反応時間を低減させれば、特に細かい特徴を有する３Ｄモデルを構築する場合、出来上がった３Ｄモデルの美的・構造的品質を向上させることができる。
【００２５】
例えば、システム１０に関するより短い反応時間は、堆積開始点および停止点に近い適切な位置でガントリ１６の加速をコントロールすることができる。これにより、各層の継ぎ目を隠す能力を向上させ、部品の品質を向上させることができる。さらに、反応時間は、ガントリ１６がｘ−ｙ平面内で角を回って移動する際に、一定の接線速度からどの程度逸脱し得るかを決定する。したがって、より短い反応時間は、押出ヘッド１８がより優れたコーナリング加速および減速を達成することを可能にする。これによって、レースカーのコーナリング能力が全体のレース時間を低減するために重要であるのと同様に、３Ｄモデルおよび支持構造物を構築するのに要する製造時間を低減することができる。
【００２６】
図３は、外管６６、コア管６８、およびシム要素７０を含むリボン液化機３８の拡大斜視図である。図示されているように、外管６６、コア管６８、およびシム要素７０が上端部４８と下端部５０との間において縦軸４６に沿って延びる通路７２を規定するように、シム要素７０は、外管６６とコア管６８との間に周方向に配設されている。以下で論じるように、通路７２は、リボンフィラメント４４を受容するリボン液化機３８の一部分である（図２に示されている）。
【００２７】
外管６６、コア管６８、およびシム要素７０はそれぞれ様々な材料から製造してもよく、それらの材料は、熱ブロック４０からの熱エネルギーおよび構築チャンバ１２（図１に示されている）の上昇した温度に耐えることができることが望ましい。外管６６、コア管６８、およびシム要素７０のそれぞれを製造するのに適した材料は、例えばステンレススチールなどの熱伝導性の金属材料を含む。
【００２８】
外管６６は、外表面７４を含むリボン液化機３８の外側液化部であり、上端部４８と下端部５０との間に縦軸４６に沿って延びている。図示された実施形態において、外管６６は円筒状の断面を有する。別の実施形態において、外管６６は、様々な断面形状を有する管と置き換えてもよい。したがって、本文中で用いられているように、「管」という用語は、円筒形状、楕円形状、多角形形状（例えば長方形および正方形の形状）、軸方向に先細の形状など、種々の中空の形状を含む。外表面７４は、リボン液化機３８に沿って温度勾配を生成するための熱ブロックに接する、外管６６の部分である。温度勾配は、縦軸４６に沿ってリボンフィラメント４４内に温度プロファイルを作り出し、その温度プロファイルにより、リボンフィラメント４４がリボン液化機３８を通して駆動される際に、リボンフィラメント４４の連続部分が溶融される。
【００２９】
さらに図３で示されるように、外管６６はまたポート７６および加熱長７８を備える。ポート７６は、入口領域６４と加熱長７８との間において外管６６を貫く横方向の開口部である。以下で論じるように、ポート７６は、リボンフィラメント４４が通路７２内に投入された後、プーリ５８（図２に示されている）がリボンフィラメント４４と係合するのを可能にする。これにより、プーリ５８の内向きにねじの付いた面が、加熱長７８に向かってリボンフィラメント４４を駆動することができる。
【００３０】
ポート７６の大きさは、リボンフィラメント４４の寸法と用いられる駆動機構（例えば駆動機構４２）に応じて変えてもよい。例えば、縦軸４６に沿ったポート７６の長さ（ポート長８０と称される）は、プーリ５８の内向きにねじの付いた面の大きさに応じて変えてもよい。ポート長８０に適した長さの例は、約１．２５ミリメートル（約０．０５インチ）から約２５．０ミリメートル（約１．０インチ）の範囲内であり、特に適した長さ６４は、約５．１ミリメートル（約０．２インチ）から約１２．７ミリメートル（約０．５インチ）の範囲内である。
【００３１】
加熱長７８は、熱ブロック４０（図２に示されている）によって生成された温度勾配がリボンフィラメント４４を溶融するために存在する、外管６６に沿った領域である。加熱長７８は、ポート７６より下の外管６６の長手方向の長さに沿って延び、それによってリボンフィラメント４４がプーリ５８との係合中に溶融するのを防ぐことが望ましい。したがって、加熱長７８は、ポート７６と下端部５０／押出チップ５２との間で、外管６６の長手方向の長さに沿って延びていることが望ましい。一実施形態において、押出ヘッド１８（図１に示されている）は、温度勾配がポート７６においてリボンフィラメント４４に影響を与えるリスクをさらに低減させるため、冷却用空気を上端部４８および／またはポート７６に向けるように構成されたエアフローマニホールド（図示されていない）を備えていてもよい。
【００３２】
ポート７６と下端部５０との間に存在すべき加熱長７８に適した寸法（長さ８２と称される）は、熱ブロック４０の熱伝導特性、外管６６の厚さおよび材料、およびリボンフィラメント４４の厚さ、材料、駆動率に応じて変わり得る。長さ８２の適切な長さの例は、約１３ミリメートル（約０．５インチ）から約１３０ミリメートル（約５．０インチ）の範囲内であり、特に適した長さ８８は、約２５ミリメートル（約１．０インチ）から約５１ミリメートル（約２．０インチ）の範囲内である。
【００３３】
コア管６８は、リボン液化機３８のコア部であり、上端部４８と下端部５０との間において外管６６内に配設されている。図示されているように、コア管６８は外表面８４を備え、外表面８４はポート７６において露出されている。
中空の管として図示されているが、コア管６８の代わりに、例えば中空でない中実のコア部など様々な別のコア部を用いてもよい。こうした実施形態は、駆動機構４０と係合した際のリボンフィラメント４４に対する横方向の支持を強化するのに有利であろう。しかしながら、コア部に中空の管（例えばコア管６８）を用いれば、リボン液化機３８の重量を減少させるのに有利であり、管内に電気要素および／または熱要素を保持することも可能になるであろう。例えば、熱ブロック４０が縦軸４６に沿った温度勾配を生成するのを補助するために、１つ以上の追加的な熱伝導要素（図示されていない）をコア管６８内に固定してもよい。こうした実施形態において、コア管６８は、駆動機構４２と係合した際のリボンフィラメント４４を支持するのに十分な壁厚（例えば、少なくとも約０．２５ミリメートル（約０．０１インチ））を有することが望ましい。さらに、外管６６について前述したように、コア管６８もまた、様々な断面形状を有する管に置き換えられてもよい。
【００３４】
シム要素７０は、外管６６とコア管６８との間に固定されたＣ字形の要素であり、やはり上端部４８と下端部５０との間に延びている。以下で論じるように、シム要素７０は上端部４８と下端部５０との間に延びる間隙を備えており、ポート７６とほぼ一列に並んでいる。外管６６とコア管６８との間におけるシム要素７０の間隙は通路７２を規定しており、通路７２は円弧状断面を有し、ポート７６とほぼ一列に並んでいる。この配置により、駆動機構４２は、リボンフィラメント４４が通路７２を通って延びる間に、リボンフィラメント４４と係合することができ、ポート７６における外表面８４の部分は、駆動機構４２と係合した際のリボンフィラメント４４に対する横方向の裏打ち支持体として機能することができる。
【００３５】
サブアセンブリ３０（図１および２に示されている）の製造中、リボン液化機３８は、ポート７６が熱ブロック４０より上に延出するように熱ブロック４０内に固定されてもよい。前述のように、これによって加熱長７８がポート７６より下の位置に限定されることが望ましい。リボン液化機３８は、様々な方法で熱ブロック４０内に固定され得る。一実施形態においては、熱ブロック４０内での直接的なアクセスを可能にするよう、熱ブロック４０が分離して（または開放されて）いてもよい。そうすると、リボン液化機３８を熱ブロック４０内に挿入することができ、リボン液化機３８の外管６６と熱ブロック４０との間に優れた熱伝導性接触を提供するために、熱ブロック４０を再組立てする（または閉じる）ことができる。押出チップ５２はまた、下端部５０において外管６６に固定されていてもよい。リボン液化機３８はまた、プーリ５８の内向きにねじの付いた面がポート７６においてリボン液化機３８と係合するように、駆動機構４２に固定されていてもよい。
【００３６】
作業中において、通路７２の寸法は、リボンフィラメント４４の溶融材料の溶融流れを、この例では円弧状パターンの流れである軸方向に非対称な流れに合わせるように構成されている。しかし、押出チップ５２に到達すると、この溶融流れは、押出用のほぼ軸方向に対称な流れに変わる。この点は、溶融流れが円筒状の液化機と押出チップ内において軸方向に対称なままである、円筒状の液化機とは対照的である。
【００３７】
図４Ａ−４Ｃは、図３の断面４Ａ−４Ａ、４Ｂ−４Ｂ、および４Ｃ−４Ｃのそれぞれで切った断面図である。図４Ａに示されている断面図は、入口領域６４を表している。図示されているように、外管６６はさらに内表面８６を備え、内表面８６は外管６６の内径（内径８６ｄと称される）を規定している。内径８６ｄに適した平均的な直径の例は、約３．８ミリメートル（約０．１５インチ）から約１０．２ミリメートル（約０．４０インチ）の範囲内であり、特に適した直径は約５．１ミリメートル（約０．２０インチ）から約７．６ミリメートル（約０．３０インチ）の範囲内である。
【００３８】
それに対して、外表面７４は外管６６の外径（外径７４ｄと称される）を規定している。外径７４ｄは、外管６６の壁厚と内径８６ｄによって変化することが可能であり、外管６６が、駆動機構４２の支持板５４、プーリ５８、および基部ブロック５６を貫いて挿入でき（図２に示されている）、また支持板５４と基部ブロック５６のうちの１つまたは両方により保持できるようにすることが望ましい。したがって、液化機の管６６に適した平均的な壁厚（すなわち、外径７４ｄと内径８６ｄとの差）の例は、約１．３ミリメートル（約０．０５インチ）から約７．６ミリメートル（約０．３０インチ）の範囲内であり、特に適した厚さは約２．５ミリメートル（約０．１０インチ）から約５．１ミリメートル（約０．２０インチ）の範囲内である。
【００３９】
さらに図４Ａに示されているように、コア管６８の外表面８４はコア管６８の外径（外径８４ｄと称される）を規定する。外管６６の内径８６ｄとコア管６８の外径８４ｄとの差は、それに応じた通路７２の厚さ（通路厚さ８８と称される）を規定する。通路厚さ８８に適した寸法の例は、約０．２５ミリメートル（約０．０１インチ）から約２．５ミリメートル（約０．１０インチ）の範囲内であり、特に適した厚さは約０．５１ミリメートル（約０．０２インチ）から約２．０ミリメートル（約０．０８インチ）の範囲内であり、さらに特に適した厚さは約０．７６ミリメートル（約０．０３インチ）から約１．８ミリメートル（約０．０７インチ）の範囲内である。通路７２は、部分的にシム要素７０における間隙により規定されるため、シム要素７０も通路厚さ８８に対応した厚さを有している。
【００４０】
図示された実施形態において、通路７２はシム要素７０における間隙に亘って延びる円弧状の幅も有しており、その幅は湾曲状態のリボンフィラメント４４の寸法に対応することが望ましい。円弧状幅は、図４Ａに示されているように、通路７２の径方向の同心点からの角度（角度αと称される）により測定することができる。角度αに適した角度の例は、約３０度から約１８０度の範囲内であり、特に適した角度は、約４５度から約１３０度の範囲内であり、さらに特に適した角度は約６０度から約９０度の範囲内である。
【００４１】
あるいは、通路７２の幅は円弧状の形状でなく長方形の形状に基づいて測定してもよい。通路７２の幅に適した寸法の例は、約１．０ミリメートル（約０．０４インチ）から約１２．７ミリメートル（約０．５０インチ）の範囲内であり、特に適した幅は約３．０ミリメートル（約０．１２インチ）から約１０．１ミリメートル（約０．４０インチ）の範囲内であり、さらに特に適した幅は約３．８ミリメートル（約０．１５インチ）から約６．４ミリメートル（約０．２５インチ）の範囲内である。
【００４２】
前述のように、リボン液化機３８とリボンフィラメント４４のアスペクト比は、円形の断面を有するフィラメント原料に付随するコアを効果的に取り除くために選択されてもよい。これにより、リボン液化機３８は、同じ体積流量を有する円筒状の液化機と比べて、より短い反応時間を実現することができる。特に、米国仮特許出願第６１／２４７，０６７号、および「押し出し式デジタル製造システムに用いられる非円筒状のフィラメント」と題する米国特許出願第１２／６１２，３３３号において開示されているように、高いアスペクト比は反応速度を低減させるのに特に適している。したがって、通路７２の幅と通路厚さ８８とのアスペクト比の適切な例は、約２：１以上のアスペクト比を含む。
【００４３】
場合によっては、高過ぎるアスペクト比によって、外表面８４とリボンフィラメント４４とに不適切に高い負荷がかかることもあり、またリボンフィラメント４４と通路７２との間の摩擦抵抗が増大することもある。したがって、通路７２の幅と通路厚さ８８とのアスペクト比の特に適切な例は、約２．５：１から約２０：１の範囲内であり、より特に適切なアスペクト比は約３：１から約１０：１の範囲内であり、さらにより特に適切なアスペクト比は約３：１から約８：１の範囲内である。
【００４４】
所与の液化機内で熱エネルギーが拡散する次元を比較することにより、円筒状の液化機とはさらに区別することができる。熱エネルギーは、円筒状の液化機内に受容された円筒状のフィラメントに、二次元に拡散されるものであり、熱エネルギーの約５０％が第一次元に沿って（例えばｘ軸に沿って）拡散され、熱エネルギーの約５０％が第二次元に沿って（例えばｙ軸に沿って）拡散される。しかし、それに対して、液化機３８内では、熱エネルギーのほとんどが、１つの次元のみに沿ってリボンフィラメント４４に拡散される。実際、この一次元拡散は、リボンフィラメント４４とリボン液化機３８とのアスペクト比に従って増大する。したがって、前述の適切なアスペクト比に対して、熱エネルギーの少なくとも約６０％が一次元だけに拡散し、熱エネルギーの少なくとも約６５％が一次元だけに拡散することがより望ましく、熱エネルギーの少なくとも約７０％が一次元だけに拡散することがさらにより望ましい。
【００４５】
一実施形態においては、コア管６８の外表面８４および／または外管６６の内表面８６は、リボンフィラメント４４の滑り摩擦を低減させるために、滑らかにされ、かつ／または磨かれていてもよい。別の実施形態においては、入口領域６４における外表面８４および内表面８６の１つ以上の部分が、リボンフィラメント４４との摩擦をさらに低減させるために、低表面エネルギーコーティングを含んでいてもよい。適切なコーティング材料は、フッ素化ポリマー（例えば、四フッ化エテン、フッ化エチレンプロピレン、およびパーフルオロアルコキシポリマー）、ダイアモンド状炭素材料、およびそれらの組み合わせを含む。
【００４６】
図４Ｂに示された断面図は、図示された実施形態においてほぼ通路７２と並んだ円弧状幅を有する、ポート７６を表している。別の実施形態においては、通路７２の円弧状幅がポート７６の幅より大きくてもよい。ポート７６の円弧状幅の角度（角度βと称される）は、プーリ５８の内向きにねじの付いた面との係合および通路７２の円弧状幅に応じて変化し得る。したがって、角度βに適した角度の例は、約３０度から約１８０度の範囲内であり、特に適した角度は約４５度から約１３０度の範囲内であり、さらに特に適した角度は約６０度から約９０度の範囲内である。
【００４７】
図４Ｃに示された断面図は加熱長７８を表しており、図示された実施形態においては、加熱長７８における通路７２が入口領域６４（図４Ａに示されている）およびポート７６（図４Ｂに示されている）におけるのと同じ大きさを有している。したがって、この実施形態においては、通路７２が、上端部４８と下端部５０の間において、縦軸４６に沿ってほぼ同じ大きさを有している。別の実施形態においては、厚さ（通路厚さ８９と称される）および／または通路７２の円弧状幅が縦軸４６に沿って変化してもよい。例えば、通路厚さ８９と通路７２の幅のうちの１つまたは両方が、加熱長７８に沿って下端部５０に向かって下降する間、徐々に減少してもよい。
【００４８】
通路厚さ８９に適した平均の厚さの例は、通路厚さ８８（図４Ａに示されている）に関する前述の厚さを含み、通路厚さ８９は通路厚さ８８と同じであってもよく、縦軸４６に沿って下端部５０に向かって徐々に減少してもよい。同様に、円弧状幅（角度θと称される）に適した角度は、角度α（図４Ａに示されている）に関する前述の角度を含み、角度θは、角度αと同じであってもよく、縦軸４６に沿って下端部５０に向かって徐々に減少してもよい。
【００４９】
図５は、リボン液化機３８の分解斜視図であり、リボン液化機３８を製造する方法を表している。リボン液化機３８は、最初にコア管６８の外表面８４の周囲にシム要素７０を挿入することにより製造してもよい（例えば、矢印９０により示されるように、シム要素７０内にコア管６８を摺動させる）。シム要素７０は、例えば摩擦嵌合、粘着化合物、および／または溶接作業など、様々な方法で外表面８４に固定してもよい。
【００５０】
シム要素７０は、前述のように、部分的に通路７２を規定する間隙（間隙９２と称される）を備える。さらに、シム要素７０のうちリボン液化機３８の下端部５０における部分は、押出チップ５２内にちょうど嵌るように先細になっており、押出チップ５２内では、間隙９２もそれに対応して円弧状幅が減少してもよい。コア管６８もまた、シム要素７０および押出チップ５２内にちょうど嵌るように先細になった、リボン液化機３８の下端部５０における円錐端部９４を有している。円錐端部９４はまた、コア管６８の中空の孔領域内に溶融材料が逆流するのを防ぐため、密閉された先端であることが望ましい。
【００５１】
組み立てられたコア管６８／シム要素７０は、その後、外管６６（矢印９６で示されている）内に挿入することができ、間隙９２が望ましくはポート７６と並ぶ。外管６６は、摩擦嵌合、粘着化合物、および／または溶接作業など様々な方法で、コア管６８／シム要素７０の周囲に固定することができる。これにより、コア管６８の外表面８４、外管６６の内表面８６、および間隙９２におけるシム要素７０により規定された、上端部４８から下端部５０の押出チップ５２まで延びる通路７２が提供される。
【００５２】
外管６６、コア管６８、シム要素７０は、そのほかにも様々な方法で組み立てることができる。例えば、シム要素７０は、コア管６８が外管６６内に挿入される前に外管６６内に挿入されてもよい。さらに、コア管６８が最初に外管６６内に挿入され、次にシム要素７０が外管６６とコア管６８との間に挿入されてもよい。さらに、押出チップ５２は、下端部５０において外管６６に取り外し可能に固定されてもよい（例えば、外管６６にねじ止めされる）。さらに別の実施形態においては、外管６６、コア管６８、シム要素７０のうちの１つ以上が、後で組み立てられる別々な要素としてではなく、一緒に一体成形（例えば押出成形または鋳造）されてもよい。そして、出来上がったリボン液化機３８が、前述のように押出ヘッド１８のサブアセンブリ３０に組み込まれてもよい。
【００５３】
前述のように、通路７２の寸法は、リボンフィラメント４４の溶融材料の溶融流れを、軸方向に非対称な流れの一種である円弧状の流れに合わせるように構成されている。しかし、図５に示されているように、押出チップ５２と円錐端部９４の寸法は、溶融流れを、円弧状の流れから押出チップ５２から押し出すための軸方向に対称な流れに変化させる寸法を規定している。この点が、円筒状の液化機内においても押出チップ内においても溶融流れが軸方向に対称な流れのままである円筒状の液化機とは、対照的である。
【００５４】
図６は、３Ｄモデル２４（または、図１に示されている支持構造物２６）を構築するために、リボンフィラメント４４の材料を溶融して押し出すための、駆動機構４２（図２に示されている）のプーリ５８とともに使用するリボン液化機３８の断面図である。熱ブロック４０、および駆動機構４２の支持板５４と基部ブロック５６は、説明を簡単にするため図６では省略されている。図に示されているように、プーリ５８は内表面９８を備え、内表面９８はプーリ５８の内向きにねじが付いた面であって、ポート７６においてリボンフィラメント４４と係合する。内表面９８に適した内向きにねじが付いた面の例は、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ他の米国特許出願公開第２００９／０２７４５４０号および第２００９／２２７３１２２号に開示されている。
【００５５】
３Ｄモデル２４を形成するための構築作業中、リボンフィラメント４４は先端部４８で液化機３８の通路７２内に投入される。前述のように、リボンフィラメントは、通路７２の円弧状断面とほぼ合致するような湾曲断面を有するように湾曲させられていることが望ましい。一実施形態において、リボンフィラメント４４は、供給源２０（図１に示されている）内にある間および経路３４（図１に示されている）を通って供給される間は、弛緩した非湾曲状態にあってもよい。リボン液化機３８の上端部４８に到達した際に、リボンフィラメント４２が所望の湾曲断面に湾曲させられ（例えば、手作業で湾曲させられ）、通路７２内に供給されてもよい。リボンフィラメント４４の連続部分が通路７２内に引き込まれるに従って、通路７２の円弧状断面が、リボンフィラメント４４の連続部分を自動的に湾曲して通路７２の寸法に適合するようにさせてもよい。
【００５６】
プーリ５８の回転によって、内表面９８は、リボンフィラメント４４の連続部分を、加熱長７８に向かって通路７２を通り縦軸４６に沿って下方に駆動させることができる。加熱長７８において通路７２を通過する間に、熱ブロック４０（図２に示されている）により生成された温度勾配が、リボンフィラメント４４の材料を押出可能な状態まで溶融する。加熱長７８より上流に位置するリボンフィラメント４４の未溶融の連続部分は、プーリ５８と内表面９８とによって駆動され、未溶融部分と通路７２との間において溶融材料に作用する粘性ポンプを有するピストンとして機能し、それによりリボンフィラメント４４の溶融材料を押出チップ５２を介して押し出す。前述のように、通路７２の断面寸法、特に前述の適切なアスペクト比の範囲内における寸法によれば、リボンフィラメント４４の材料をより短い反応時間で押し出すことができる。そして、押し出された材料は、積層式に３Ｄモデル２４を構築するための道として堆積される。
【００５７】
また前述のように、入口領域６４は、プーリ５８に対して縦軸４６に沿って上流側に位置する。したがって、リボンフィラメント４４は内表面９８と係合する前に通路７２に入り、内表面９８と係合する間および係合した後は、コア管６８（図３−５に示されている）の外表面８４によって継続的に支持される。これにより、別体の駆動機構および液化機を有する押出ヘッドに起こりうる潜在的な問題（例えば、位置合わせや座屈）が、効果的に取り除かれ、それによって、押出ヘッド１８（図１に示されている）を用いた構築作業を中断させるリスクを低減させる。
【００５８】
図７は、３Ｄモデル２４を構築するためにリボンフィラメント４４の材料を溶融し押し出す別のフィラメント駆動機構の、回転可能なシャフト１００とともに使用中の、液化機チューブ３２の側面図である。熱ブロック４０（図２に示されている）は、説明を簡略化するため図７では省略されている。この実施形態において、回転可能なシャフト１００は、ポート７６においてリボンフィラメント４４と係合する外向きにねじの付いた面である、ねじ面１０２を備える。回転可能なシャフト１００の回転により、ねじ面１０２がリボンフィラメント４４の連続部分を、加熱長７８に向かって通路７２を通って縦軸４６に沿って下方に駆動させることができる。すると、リボンフィラメント４４の材料が、加熱長７８において通路７２内で溶融し、それによって溶融材料が押出チップ５２から押し出されて、積層式に３Ｄモデルを構築することができる。
【００５９】
本実施形態において、入口領域６４も、ねじ面１０２に対しては縦軸に沿った上流位置にある。したがって、リボンフィラメント４４は、ねじ面１０２と係合する前に通路７２に入り、ねじ面１０２と係合する間および係合した後は、コア管６８（図３−５に示されている）の外表面８４によって継続的に支持される。これにより、別体の駆動機構および液化機を有する押出ヘッドに起こりうる潜在的な問題（例えば、位置合わせや座屈）が、効果的に取り除かれる。したがって、リボン液化機３８は、様々な異なる駆動機構を用いて使用するのに適しており、駆動機構は、リボンフィラメント４４がコア管６８により支持された後（例えばポート７６において）、リボンフィラメント４４と係合してもよい。
【００６０】
図８Ａおよび８Ｂは、縦軸４６（図２に示されている）に対して垂直な平面で切り取ったリボンフィラメント４４の断面図であり、図８Ａは弛緩した非湾曲状態にあるリボンフィラメント４４を表し、図８Ｂは湾曲状態にあるリボンフィラメント４４を表している。図８Ａに示されているように、リボンフィラメント４４は、通路７２の通路厚さ８８と円弧状幅（図４Ａに示されている）にほぼ対応する、幅１０４と厚さ１０６とを有する。リボンフィラメント４４はまた、供給源２０（図１に示されている）内に残っているリボンフィラメント４４の量に応じて変化し得る、連続した長さを有する。
【００６１】
幅１０４は、通路７２の寸法およびリボンフィラメント４４がどの程度湾曲させられるかに応じて変化し得る。幅１０４に適した寸法の例は、約１．０ミリメートル（約０．０４インチ）から約１０．２ミリメートル（約０．４０インチ）の範囲内であり、特に適した幅は約２．５ミリメートル（約０．１０インチ）から約７．６ミリメートル（約０．３０インチ）の範囲内であり、さらに特に適した幅は約３．０ミリメートル（約０．１２インチ）から約５．１ミリメートル（約０．２０インチ）の範囲内である。
【００６２】
厚さ１０６に適した寸法は、リボンフィラメント４４が湾曲状態にある間に、通路７２内に挿入できるようにすることが望ましい。例えば、厚さ１０６は、リボンフィラメント４４が湾曲状態まで軸方向に湾曲して（矢印１０８で表されているように）、リボンフィラメント４４を供給源２０内に巻くために長さに沿って曲がるようにでき、経路３４（図１に示されている）を通ってリボンフィラメント４４を供給するのに十分なくらい小さいことが望ましい。例えば、一実施形態においては、“ｔ”が湾曲面におけるリボンフィラメント４４の断面厚さ（例えば厚さ１０６）であり、“ｒ”が曲げ半径（例えば、供給源２０もしくは２２内の曲げ半径、および／または経路３４もしくは３６を通る曲げ半径）である場合に、リボンフィラメント４４がｔ／rより大きい弾性歪みに耐えられることが望ましい。
【００６３】
厚さ１０６は、リボンフィラメント４４に適した構造的完全性を提供し、それによって、リボンフィラメント４４が供給源２０または２２内に保持されている間、およびシステム１０を通って（例えば、経路３０または３２を通って）供給される間に、破断または破損するリスクを低減させるのに十分なくらい大きいことが望ましい。厚さ１０６に適した寸法の例は、約０．０８ミリメートル（約０．００３インチ）から約１．５ミリメートル（約０．０６インチ）の範囲内であり、特に適した厚さは約０．３８ミリメートル（約０．０１５インチ）から約１．３ミリメートル（約０．０５インチ）の範囲内であり、さらに特に適した厚さは約０．５１ミリメートル（約０．０２インチ）から約１．０ミリメートル（約０．０４インチ）の範囲内である。
【００６４】
リボンフィラメント４４はまた、図８Ｂに示されているように、リボンフィラメント４２が通路７２と合致するように湾曲させられる際の上端部４８における通路７２のアスペクト比にほぼ対応する、幅１０４対厚さ１０６のアスペクト比を有することが望ましい。幅１０４対厚さ１０６の適切なアスペクト比の例は、約２：１以上のアスペクト比を含み、特に適したアスペクト比は約２．５：１から約２０：１の範囲内であり、さらに特に適したアスペクト比は約３：１から約１０：１の範囲内であり、さらに特に適したアスペクト比は約３：１から約８：１の範囲内である。
【００６５】
リボンフィラメント４４は、３Ｄモデル２４および支持構造物２６（図１に示されている）をそれぞれ構築するための、種々の押出可能なモデリング材料および支持材料から製造することができる。リボンフィラメント４４に適したモデリング材料は、高分子材料および金属材料を含む。実施形態によっては、適したモデリング材料は、例えば、熱可塑性材料、非晶質金属材料、およびそれらの組合せなど、非晶性を有する材料を含む。リボンフィラメント３４に適した熱可塑性材料の例は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）コポリマー、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミド、非晶質ポリアミド、これらの改質された変化形（例えばＡＢＳ−Ｍ３０コポリマー）、ポリスチレン、およびこれらの混合物を含む。適した非晶質金属材料の例は、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒの米国特許出願公開公報第２００９／０２６３５８２号に開示されたものを含む。
【００６６】
リボンフィラメント４４に適した支持材料は、非晶性を有する材料であって（例えば、熱可塑性材料）、望ましくは３Ｄモデル２４および支持構造物２６が構築された後、対応するモデリング材料から取り外し可能である材料を含む。
【００６７】
リボンフィラメント４４に適した支持材料の例は、ミネソタ州エデンプレーリーのストラタシス，インコーポレイテッドから「ＷＡＴＥＲＷＯＲＫＳ」および「ＳＯＬＵＢＬＥ  ＳＵＰＰＯＲＴＳ」という商品名で市販されている水溶性の支持材料と、ミネソタ州エデンプレーリーのストラタシス，インコーポレイテッドから「ＢＡＳＳ」という商品名で市販されている分離支持材料と、Ｃｒｕｍｐ他の米国特許第５，５０３，７８５号；Ｌｏｍｂａｒｄｉ他の米国特許第６，０７０，１０７号および第６，２２８，９２３号；Ｐｒｉｅｄｅｍａｎ他の米国特許第６，７９０，４０３号；およびＨｏｐｋｉｎｓ他の米国特許出願公開公報第２０１０／００９６０７２号に開示された支持材料とを含む。
【００６８】
リボンフィラメント４４の組成物はまた、例えば可塑剤、レオロジー改質剤、不活性充填剤、着色料、安定剤およびそれらの組合せなどの、追加の添加物を含んでいてもよい。支持材料における使用に適した追加の可塑剤の例は、フタル酸ジアルキル類、フタル酸シクロアルキル類、フタル酸ベンジル類およびフタル酸アリール類、フタル酸アルコキシ類、リン酸アルキル／アリール類、ポリグリコールエステル類、アジピン酸エステル類、クエン酸エステル類、グリセリンのエステル類、およびそれらの組合せを含む。適した不活性充填剤の例は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ガラス球、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、珪灰石、雲母、アルミナ、シリカ、カオリン、炭化ケイ素、複合材料（例えば球状およびフィラメント状の複合材料）、およびそれらの組合せを含む。組成物が追加の添加物を含む実施形態においては、組成物における追加の添加物の適した総濃度の例は、組成物の全重量に基づき、約１重量％から約１０重量％の範囲内であり、特に適した濃度は約１重量％から約５重量％の範囲内である。
【００６９】
リボンフィラメント４４はまた、システム１０において消耗材料としてリボンフィラメント４４を使用することが可能となる物理的性質を示すことが望ましい。一実施形態において、リボンフィラメント４４の組成物は、その長さに沿ってほぼ均質である。さらに、リボンフィラメント４４の組成物は、構築チャンバ１２内での使用に適したガラス転移点を示すことが望ましい。リボンフィラメント４４の組成物に関する大気圧での適したガラス転移点の例は、約８０℃以上の温度を含む。ある実施形態においては、適したガラス転移点が約１００℃以上の温度を含む。別の実施形態においては、適したガラス転移点が約１２０℃以上の温度を含む。
【００７０】
リボンフィラメント４４はまた、その軸方向の圧縮によってリボンフィラメント４４が液化機内で捉えられないよう、低い圧縮率を示すことが望ましい。リボンフィラメント４４の高分子組成に適したヤング率値の例は、約０．２ギガパスカル（ＧＰａ）（約３０，０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））以上のモジュラス値を含み、この場合ヤング率値はＡＳＴＭ  Ｄ６３８−０８に従って測定される。ある実施形態においては、ヤング率が、約１．０ＧＰａ（約１４５，０００ｐｓｉ）から、約５．０ＧＰａ（約７２５，０００ｐｓｉ）の範囲内である。別の実施形態においては、ヤング率値は、約１．５ＧＰａ（約２００，０００ｐｓｉ）から、約３．０ＧＰａ（約４４０，０００ｐｓｉ）の範囲内である。
【００７１】
リボンフィラメント４４に適したリボンフィラメント、およびリボンフィラメント４４の適した製造方法の更なる例は、米国仮特許出願第６１／２４７，０６７号；および「押し出し式デジタル製造システムで用いられる非円筒状フィラメント」と題する米国特許出願第１２／６１２，３３３号に開示されたものと；米国仮特許出願第６１／２４７，０７８号；および「押し出し式デジタル製造システムで用いられる立体的な表面の模様を有する消耗材料」と題する米国特許出願第１２／６１２，３４２号に開示された、立体的な表面の模様を有するリボンフィラメントとを含む。
【００７２】
図９および１０は、リボン液化機２８（図２−７に示されている）とは別の、適したリボン液化機の例を示しており、前述の実施形態は、以下の例にも同様に適用することができる。図９に示されているように、リボン液化機１３８はリボン液化機３８の第一の代替例であり、対応する参照符号が「１００」だけ増している。この実施形態では、入口領域６４およびポート７６に対応する入口領域およびポートが省略されている。代わりに、上端部１４８において、コア管１６８が外管１６６およびシム要素１７０より延出している。この実施形態では、通路１７２の上部において、駆動機構（例えば駆動機構４２）がコア管１６８の外表面１８４においてリボンフィラメント４４と係合してもよい。これにより、リボン液化機３８について前述したのと同様に、外表面１８４がリボンフィラメント４４の横方向の裏打ち支持体として機能する間に、駆動機構が、リボンフィラメント４４の連続部分を通路１７２内へと駆動することができる。
【００７３】
図示された実施形態において、通路１７２の入口と下端部１５０との間にあるべき加熱長１７８に適した寸法（長さ１８２と称される）は、熱ブロック４０（図２に示されている）の熱伝導特性、外管１６６の厚さと材料、およびリボンフィラメント４４の厚さ、材料、および駆動速度に応じて変化してもよい。長さ１８２に適した長さの例は、長さ８２（図３に示されている）について前述した長さを含む。
【００７４】
別の実施形態においては、シム要素１７０もまた、コア管１６８とともに上方に延出していてもよい。さらに別の実施形態においては、外管１６６、コア管１６８、およびシム要素１７０のうちの１つ以上が、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ他の米国特許出願公開第２００９／０２７３１２２号で説明されているように、歪みゲージを備えていてもよい。これは、システム１０における作業中に外管１６６、コア管１６８、および／またはシム要素１７０に掛かる負荷を監視するのに都合がよい。
【００７５】
図１０は、リボン液化機３８（図２−７に示されている）およびリボン液化機１３８（図９に示されている）の更なる代替例であるリボン液化機２３８の断面図である。本断面図は、図３において切り取られた断面４Ａ−４Ａに対応し、対応する参照符号は「２００」だけ増している。図示されているように、リボン液化機２３８は、通路２７２を規定する外管２６６、コア部２６８、およびシム要素２７０を備え、通路２７２は円弧状の断面でなく長方形の断面を有している。
【００７６】
外管２６６、コア部２６８、シム要素２７０、および通路２７２に適した寸法は、リボン液化機３８のそれぞれの要素について前述した寸法を含む。例えば、外表面２７４に適した平均幅（幅２７４ｗと称される）、外表面２８４に適した平均幅（幅２８４ｗと称される）、および内表面２８６に適した平均幅（幅２８６ｗと称される）は、外径７４ｄ、外径８４ｄ、および内径８６ｄ（図４Ａに示されている）のそれぞれについて前述されたものを含む。外管２６６、コア部２６８、およびシム要素２７０の寸法は、ｘ軸とｙ軸とに沿ってほぼ同じであってもよく（つまり、図１０に示されているように正方形の断面）、リボン液化機２３８の特定の構成に応じて異なっていてもよい（例えば長方形）。それに対応して、通路２７２に適した幅（幅２７２ｗと称される）は、通路７２の円弧状幅について前述されたものも含み、通路２７２に適した厚さ（厚さ２７２ｔと称される）は、厚さ８８（図４Ａに示されている）について前述されたものも含む。
【００７７】
図示された実施形態において、コア部２６８は、中空の孔部を有さず充填されている。これは、駆動機構（例えば、図２に示されている駆動機構４２）から外表面２８４に加えられる横方向の応力に、コア部２６８が座屈や変形することなく耐えられるのを確実にするのに役立つ。別の実施形態においては、コア部２６８が適した壁厚を有する中空のコア管であってもよい。
【００７８】
リボン液化機２３８は、図８Ａに示されているように、弛緩して非湾曲状態にあるリボンフィラメント４４を受容するように構成された、本開示の適したリボン液化機の一例である。リボン液化機２３８とリボンフィラメント４４の寸法はまた、円形の断面を有する円筒状フィラメントに付き物であるコアを効果的に取り除く。これにより、リボン液化機２３８は、同じ体積流量を有する円筒状液化機に比べて、反応時間を短くすることも可能になる。
【００７９】
さらに、通路２７２の寸法は、リボンフィラメント４４の溶融材料の溶融流れを、軸方向に非対称な流れでもある長方形状の流れに合わせるように構成されている。しかし、押出チップ２５２（図示されていない）に到達すると、この溶融流れは、図５におけるリボン液化機３８について前述したのと同様に、押出のためほぼ軸方向に対称な流れに変化する。これもまた、円筒状液化機内および押出チップ内において溶融流れが軸方向に対称な流れのままである、円筒状液化機とは対照的である。
【００８０】
本開示の更なる実施形態において、前述の円筒状および非円筒状のフィラメントは中空であってもよい。中心部が無くなることによりプラスチックの断面積が減少するため、中空のフィラメントの水力直径は、物理的直径より小さくてもよい。したがって、本開示の中空のフィラメントに適した水力直径は、前述のものも含む。さらに、液化機は、押出物が外側からも内側からも加熱されるように、中空のフィラメントに対する嵌合コアを備えていてもよい。
【００８１】
中空のフィラメントの更なる利点の１つとなり得るのは、中空のフィラメントが混合機からの迅速押出により製造される場合、供給アセンブリに保持される（例えば巻かれて）前に、望ましくは中空のフィラメントが迅速に冷却されることである。迅速冷却工程は、フィラメントの長さに沿って変化し得る、別の中実フィラメントにおける直径の変化を誘発する。それに比べて、中空のフィラメントが迅速冷却される場合、中空のフィラメントの内表面は直径が変化し得るため、外表面はより均一な状態になる。
【００８２】
円筒状の外殻の形を取った中空のフィラメントの更なる利点となり得るのは、フィラメント駆動機構との適合性である。中実フィラメントは、ほぼ圧縮不能であるため、フィラメントの直径がやや小さいか、または大きい場合、駆動ローラまたは駆動歯が実現する静止摩擦が小さ過ぎたり大き過ぎたりすることがある。しかし、中空のフィラメントは、適合性を提供することができ、フィラメントの直径における少々の差異は、中空のフィラメントの圧縮量における差異によって埋め合わせることができる。
【００８３】
中空のフィラメントの更に別の利点となり得るのは、液化機の入口における熱伝導が低減することである。中実フィラメントが静止している場合、壁部が比較的冷たい、液化機の加熱された部分より上方の領域まで、熱がフィラメントの中心部へとゆっくり伝わり得る。もしそこでフィラメントが溶融すると、より冷たい壁部に対して凝固する傾向があり、フィラメントの動きを再開させる軸方向の大きな力を生じさせる可能性がある。しかし、中空のフィラメントの上方への熱伝導速度は、中心部が無いことにより、中実フィラメントの上方への熱伝導速度より遅い。
【００８４】
本開示は、好適な実施形態に関して説明されたが、当業者であれば、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い得ることは理解するであろう。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月13日(2012.7.13)
【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】
押し出し式デジタル製造システムにおいて用いられるリボン液化機であって、
熱伝導要素から熱エネルギーを受領するように構成された外側液化機部と、
少なくとも部分的に前記外側液化機部により規定された通路であって、該通路が、リボンフィラメントを受容するように設定された寸法を有し、前記リボン液化機が、該通路に受容された該リボンフィラメントを、溶融流れを生じさせるために、受領した熱エネルギーによって少なくとも押出可能な状態まで溶融するように構成され、該通路の寸法が、該通路内で前記溶融流れを軸方向に非対称な流れに合わせるように設定されている通路と、
前記外側液化機部から延びる押出チップであって、該押出チップの寸法が、該押出チップからの押し出しのために、前記溶融流れを前記通路内における前記軸方向に非対称な流れからほぼ軸方向に対称な流れに合わせるように設定されている押出チップと、
を含むリボン液化機。
【請求項２】
前記外側液化機部は、前記熱エネルギーの少なくとも６０％が前記リボンフィラメントの一断面寸法において前記リボンフィラメントに拡散するように、前記通路において受容された前記リボンフィラメントに前記熱エネルギーを伝達する、請求項１に記載のリボン液化機。
【請求項３】
前記通路の寸法が、幅対厚さのアスペクト比が２：１以上である幅と厚さとを有する断面を規定する、請求項１又は２に記載のリボン液化機。
【請求項４】
前記幅対前記厚さのアスペクト比が２．５：１から２０：１の範囲内である、請求項３に記載のリボン液化機。
【請求項５】
前記外側液化機部が、前記通路に受容された前記リボンフィラメントと係合するためのアクセスを駆動機構に提供するように構成されたポートを備える、請求項１〜４の何れか１項に記載のリボン液化機。
【請求項６】
前記通路の寸法が円弧状の断面を規定する、請求項１〜５の何れか１項に記載のリボン液化機。
【請求項７】
前記円弧状の断面が、径方向の同心点からある角度で延びる円弧幅を有し、該角度が３０度から１８０度の範囲内である、請求項６に記載のリボン液化機。
【請求項８】
押し出し式デジタル製造システムにおいて三次元モデルを構築する方法であって、
リボン液化機の通路を介してリボンフィラメントを駆動させる工程であって、該リボン液化機が、少なくとも部分的に前記通路を規定する外側液化機部を備える工程と、
前記通路内の前記リボンフィラメントを、溶融流れを生じさせるために、少なくとも押出可能な状態まで溶融する工程であって、該通路の寸法が該溶融流れを軸方向に非対称な流れに合わせる工程と、
前記リボン液化機の押出チップから前記溶融流れを押し出す工程であって、該溶融流れが該押出チップ内でほぼ軸方向に対称な流れを有する工程と、
を含む方法。
【請求項９】
前記通路の寸法が長方形状の断面を規定する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記長方形状の断面は、幅対厚さのアスペクト比が２：１以上である幅および厚さを有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記幅対厚さの前記アスペクト比が２．５：１から２０：１の範囲内である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記通路内の前記リボンフィラメントを溶融する工程は、前記熱エネルギーの少なくとも６０％が前記リボンフィラメントの一断面寸法において前記リボンフィラメントに拡散するように、前記通路において受容された前記リボンフィラメントに前記熱エネルギーを伝達する工程を含む、請求項８〜１１の何れか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱エネルギーの少なくとも７０％が前記リボンフィラメントの前記一断面寸法においてのみ拡散される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記通路の寸法は、円弧状の断面を規定する、請求項８〜１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記円弧状の断面が、径方向の同心点からある角度で延びる円弧幅を有し、該角度が３０度から１８０度の範囲内である、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2013506579.tif 000016
2013506579.tif 000017