(57)【要約】  立体自由形状造形(ＳＦＦ)のための連続波(ＣＷ)紫外(ＵＶ)硬化システムが提供され、硬化システムはＵＶ硬化性材料の１つ以上の層にＵＶ露光を与えるように構成される。１回以上のＵＶ露光により、立体自由形状造形装置によって計量分配された層内の硬化性材料の硬化を開始することができる。単ＵＶ露光または多重ＵＶ露光を与えるための一手法は、同時に実質的な量の赤外(ＩＲ)光を全く発生せずにＵＶ光を発生する、１つ以上のＵＶＬＥＤの使用である。これにより、硬化プロセスのエネルギー効率を高めることが可能になり、またＳＦＦシステムをかなり簡素化することも可能になる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形環境内で３次元物体を層毎態様で形成する方法において、前記方法が、
前記物体の少なくとも１つの層に対応するコンピュータデータを生成する工程、
前記物体の前記少なくとも１つの層を形成するために、前記コンピュータデータにしたがい、前記造形環境内で硬化性材料を計量分配する工程、
前記造形環境内で前記計量分配された材料を造形台上に支持する工程、及び
前記計量分配された材料を硬化させるために光源からの紫外(ＵＶ)光の露光を前記少なくとも１つの層の前記計量分配された材料にかける工程、
を含み、
前記光源が赤外(ＩＲ)光を実質的に含まない光を発生する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記光源が１つ以上のＵＶ発光ダイオード(ＬＥＤ)を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ以上のＵＶＬＥＤがアレイに配列された複数のＵＶＬＥＤを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４】
前記露光が少なくとも１秒の時間長を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光源からの照射量が約１０ｍＷ/ｃｍ２から約１００ｍＷ/ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光源が２００ｎｍと４１０ｎｍの間の中心波長を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記計量分配された材料が前記光源の帯域と少なくともある程度重なる吸収帯域幅を有するように、選ばれた量の光重合開始剤を前記計量分配される材料に与える工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
最上層及び前記最上層の下の少なくとも１つの付加層を含む多重層を形成する工程を含み、前記最上層及び前記少なくとも１つの付加層を硬化させるに十分な量で前記最上層の下の前記少なくとも１つの付加層に前記光源からの光が到達するように、前記計量分配される材料の吸収帯域幅が選ばれることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
１つの層を形成する工程と前記１つの層に隣接する層を形成する工程の間は前記光源を消灯させる工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
順次層をなして堆積されたＵＶ硬化性材料を硬化させるための連続波(ＣＷ)紫外(ＵＶ)硬化システムにおいて、
ＣＷ／ＵＶ光を発する１つ以上のＵＶＬＥＤ、及び
前記堆積された層に露光を与えるため、前記１つ以上のＬＥＤに電力を供給するように及び前記１つ以上のＬＥＤの動作を制御するように構成された電源、
を備えることを特徴とするＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１１】
前記１つ以上のＵＶＬＥＤがアレイに配列された複数のＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１０に記載のＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１２】
前記１つ以上のＬＥＤが、少なくとも１つのＬＥＤを有する２つ以上のモジュールに接続された２つ以上のＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１０に記載のＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１３】
前記１つ以上のＵＶＬＥＤによって放射されるＣＷ／ＵＶ光を間接的に測定する少なくとも１つのパワー検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１４】
前記電源が、単一の堆積層に単露光を与えるため、前記１つ以上のＬＥＤに電力を供給するように及び前記１つ以上のＬＥＤの動作を制御するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載のＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１５】
前記ＵＶＬＥＤがＣＷ／ＵＶ光ビームを発生し、隣接光ビームが前記最上層において重なることを特徴とする請求項１４に記載のＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１６】
前記ＵＶＬＥＤがある発光帯域幅をもつＵＶ発光スペクトルを有し、前記ＵＶ硬化性材料がある吸収帯域幅を有し、最上層及び前記最上層の下の少なくとも１つの付加層を含む多重層をなして堆積され、前記発光帯域幅と前記吸収帯域幅が、前記ＵＶ硬化性材料を硬化させるに十分な量の前記ＵＶＬＥＤからの光が前記最上層及び前記少なくとも１つの付加層を通過するように、少なくともある程度重なることを特徴とする請求項１０に記載のＣＷ／ＵＶ硬化システム。
【請求項１７】
造形環境内で硬化性材料から３次元物体を形成するための選択的積層成形(ＳＤＭ)装置において、前記装置が前記３次元物体の層に対応するコンピュータデータを受け取り、前記装置が、
前記造形環境内で前記３次元物体を支持するように構成された造形台、
前記造形台に対向して配置され、前記３次元物体の前記層を形成するために前記コンピュータデータにしたがい前記造形環境内で前記硬化性材料を計量分配するように構成された計量分配デバイス、及び
前記造形台に対向して配置され、前記計量分配された材料の硬化を開始させるＵＶ光で前記層を照射するように構成された連続波(ＣＷ)紫外(ＵＶ)光源、
を備え、
前記ＣＷ／ＵＶ光源が赤外(ＩＲ)光を実質的に発生しない、
ことを特徴とするＳＤＭ装置。
【請求項１８】
前記光源が２００ｎｍと４１０ｎｍの間の中心波長を有することを特徴とする請求項１７に記載のＳＤＭ装置。
【請求項１９】
前記光源が１つ以上のＵＶ発光ダイオード(ＬＥＤ)を有することを特徴とする請求項１８に記載のＳＤＭ装置。
【請求項２０】
前記１つ以上のＵＶＬＥＤがアレイに配列された複数のＵＶＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１９に記載のＳＤＭ装置。
【請求項２１】
前記層が１層あたり少なくとも１秒の時間長の間照射されることを特徴とする請求項１７に記載のＳＤＭ装置。
【請求項２２】
前記ＵＶ光源からの照射量が約１０ｍＷ/ｃｍ２から約１００ｍＷ/ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項１７に記載のＳＤＭ装置。
【請求項２３】
前記ＣＷ／ＵＶ光源が少なくとも１つの層に単ＵＶ露光をかけることを特徴とする請求項１７に記載のＳＤＭ装置。
【請求項２４】
前記ＣＷ／ＵＶ光源が少なくとも１つのＬＥＤを有する２つ以上のモジュールに接続された２つ以上のＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１７に記載のＳＤＭ装置。
【請求項２５】
前記ＣＷ／ＵＶ光源によって放射されるＵＶ光を間接的に測定する少なくとも１つのパワー検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載のＳＤＭ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には立体自由形状造形に関し、特に、造形材料層を硬化させて３次元構造体または３次元物体を形成するために連続紫外(ＵＶ)光を用いる、選択的積層成形のための方法、システム及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少量生産のために立体の、３次元モデル、プロトタイプ及びパーツの高速作成のためにいくつかの技術が用いられる。これらの技術は一般に立体自由形状造形(ＳＦＦ)法と呼ばれ、ステレオリソグラフィ法、選択的積層成形(ＳＤＭ)法、３次元プリント法、薄膜積層造形法、相選択領域積層造形法、多段ジェット立体造形法、弾道粒子造形法、熱溶融樹脂積層造形法、粒子積層造形法、レーザ焼結法、等がある。ＳＦＦ法では一般に、複雑なパーツが、一般には本質的に減算態様である従来の作成法とは対照的に、加算態様で造形材料から作成される。
【０００３】
ほとんどのＳＦＦ法においては、造形材料の連続する層を固化または硬化させることによって、一層毎態様で３次元物体が形成される。例えば、ステレオリソグラフィでは、一般に紫外光帯の、高密集束エネルギービームを液体感光性ポリマー造形材料の層にかけて走査することで、造形材料を選択的に硬化させて物体を形成する。ＳＤＭでは、造形材料は一般に離散液滴で噴射または滴下されるか、あるいはノズルを通して押し出され、造形台または先に固化した材料層と接触すると固化して、層毎態様で３次元物体を造形する。ＳＦＦ業界でＳＤＭに対して用いられる別の名称は、立体造影法、立体造形法、熱溶融樹脂積層造形法、相選択領域積層造形法、多段ジェット立体造形法、３次元プリント法、熱ステレオリソグラフィ、弾道粒子造形法、等である。
【０００４】
弾道粒子造形法は、例えば、マスターズ(Masters)の特許文献１に開示されている。熱溶融樹脂積層造形法は、例えば、クランプ(Crump)の特許文献２に開示されている。３次元プリント法は、例えば、サッチス(Sachs)等の特許文献３に開示されている。融点が低い熱可塑性樹脂材料は、エクストルーダーまたはプリントヘッドのようなジェット射出システムを通して送り出される、ＳＤＭにおける立体造形材料として用いられることが多い。熱可塑性樹脂材料を押し出すＳＤＭプロセスの一タイプは、例えば、バッチェルダー(Batchelder)等の特許文献４に説明されている。インクジェットプリントヘッドを利用するＳＤＭプロセスの一タイプは、例えば、メンヘネット(Menhennett)等の特許文献５に説明されている。
【０００５】
近年、ＳＤＭにおける硬化性材料の利用が注目されるようになっている。ＳＤＭにおける光硬化性造形材料の使用の最初の示唆の１つが、ＳＤＭ装置におけるＵＶ硬化性造形材料の選択的計量分配が提案されている、ヘリンスキ(Helinski)の特許文献６に見られる。ＳＤＭ装置での使用に対して初めに提案されたＵＶ硬化性材料配合のいくつかが、３つの反応性材料組成が提供される、特許文献７の付録Ａに見られる。様々な選択的積層成形システムにおける硬化性材料の使用のさらに最近の教示は、ゴーサイト(Gothait)の特許文献８，ティッタリントン(Titterrington)等の特許文献９，レイデン(Leyden)等の特許文献１０及び１１，また特許文献１２，特許文献１３，１４及び１５に与えられている。
【０００６】
これらの硬化性材料は一般に、紫外(ＵＶ)光に露光されると架橋及び固化し始める、光重合開始剤及び感光性ポリマーを含有する。そのような硬化性材料は、硬化に先立つ計量分配後の材料の固化を可能にする、非硬化性成分を含有することが多い。この特性は、選択的に計量分配された材料が紫外光に露光されるまでその形状を維持するであろうように、必要である。
【０００７】
硬化性材料を選択的に計量分配するＳＤＭ装置については、計量分配された材料の硬化がＵＶ光への一括露光によって開始されることが望ましい。しかし、これらの材料において硬化を有効に開始する一括ＵＶ露光システムの開発には問題があることがわかった。薄層内の光重合開始剤がＵＶ光へ露光によって励起されると、光重合開始剤は感光性ポリマーと反応して重合(硬化)プロセスを開始させることが目的のフリーラジカルを放出する。これらの薄層の大気への露出面積が広いため、フリーラジカルは感光性ポリマーと反応して硬化を開始させる代わりに大気中の酸素と反応しがちである。この硬化妨害現象は、重合プロセスの開始を望ましくないほど弱めるかまたは妨げることができる、「酸素阻害」として知られる。ステレオリソグラフィでは、高密集束ＵＶ光ビームが小領域にわたる大量のフリーラジカルの同時放出をトリガするから、酸素阻害は実効的に存在しない。この領域は非常に小さいから、フリーラジカルに大気中の酸素と反応する機会は無い。しかし、硬化プロセスを開始させるには広い全面一括露光が望ましいＳＤＭ用途において酸素阻害は重大な問題である。この現象はＳＤＭ造形環境を不活性ガス内に浸すことによって克服できるが、そのようなシステムを備えれば、ＳＤＭ装置の複雑性及び費用を高めることになる。
【０００８】
ＵＶ光の全面露光を与える、感光性ポリマーの硬化に用いられるＵＶランプのほとんどは一般に、ハロゲン化水銀ランプ、ハロゲン化金属ランプまたは水銀−キセノンランプである。これらのランプは、重合をトリガするに必要なレベルのＵＶ光をつくるために高レベルの熱を発生する、連続動作ランプである。望ましくないことに、これらのランプで発生される高レベルの熱はＳＤＭに重大な問題を課す。例えば、これらのランプで発生される熱はＳＤＭ計量分配デバイスまたは材料送配システム内の材料の硬化を熱的に開始させることができ、よって装置を動作不能にし得る。あるいは、熱は計量分配された材料のＵＶ光への露光に先立つ固化を妨げることもできる。そのような定常発光ランプがＳＤＭに用いられれば、そのようなランプが発生する高レベルの熱により、システムを動作可能にしておくためには専用の能動冷却システムのシステムへの導入が必要になり得る。発光を実質的に維持するためにこれらのランプによって消費される電力量だけでなく、これらのランプは、ランプの定常的な動作に必要な、長い安定所要時間も有する。したがって、これらのランプには一般に、ランプを連続動作させたままでＳＤＭ装置における露光時間を制御するため、何らかのタイプの機械的シャッターが必要である。さらに、定常ＵＶ発光ランプによる実験では、一般にはほぼ１５００Ｗ(ワット)の、かなりの大きさの電力を消費するだけでなく、多くの硬化性配合物が酸素阻害によって硬化しないことも示される。
【０００９】
近年、硬化のために高ピークパワー紫外光パルスを発生する、フラッシュ硬化システムが利用できるようになっている。これらの市販システムは酸素阻害の問題を克服することができるが、一般にＳＤＭでの使用には向いていない。例えば、これらのパルスシステムの電荷蓄積に用いるための市販の電源は、ほぼ４０ｋＷないしさらに大きいことが多い、大入力電力を必要とする。初めはパワーレーザシステムに対して設計された、これらの電源は動作のために約１０００Ｗより大きい入力電力を必要とし、一般に２４０ＶＡＣないしさらに高い線間電圧を必要とする。すなわち、そのようなフラッシュ硬化システムは大きすぎてＳＤＭ装置に有用ではない電力レベルで動作する。ＳＤＭ用途には低電力消費フラッシュ硬化システムが必要であるが、入手できない。
【００１０】
最近、安価で低電力の、ＳＤＭ用フラッシュ硬化システムが、本発明の譲受人に譲渡された出願特許の、特許文献１６に提案されている。このフラッシュ硬化システムは、層毎ＳＤＭ造形プロセスに有害な影響を与えずに、選択的に計量分配された硬化性材料の重合を開始させることができる。このフラッシュ硬化システムは、多くの利点を有してはいるが、電磁スペクトルの赤外(ＩＲ)領域においてかなりの量のエネルギーを発生し、比較的大量の電力もまだ消費する、ランプに未だに依存している。また、このシステムは、多数の光パルスを生成するため、一層複雑にならなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５２１６６１６号明細書
【特許文献２】米国特許第５３４０４３３号明細書
【特許文献３】米国特許第５２０４０５５号明細書
【特許文献４】米国特許第５８６６０５８号明細書
【特許文献５】米国特許第５５５５１７６号明細書
【特許文献６】米国特許第５１３６５１５号明細書
【特許文献７】国際公開第９７/１１８３７号パンフレット
【特許文献８】米国特許第６２５９９６２号明細書
【特許文献９】米国特許第５３８０７６９号明細書
【特許文献１０】米国特許第６１３３３５５号明細書
【特許文献１１】米国特許第５８５５８３６号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００２/００１６３８６Ａ１号明細書
【特許文献１３】国際公開第０１/２６０２３号パンフレット
【特許文献１４】国際公開第００/１１０９２号パンフレット
【特許文献１５】国際公開第０１/６８３７５号パンフレット
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００３/０２０９８３６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は造形環境内で層毎態様で３次元物体を形成する方法である。本方法は、物体の少なくとも１つの層に対応するコンピュータデータを生成する工程、物体の少なくとも１つの層を形成するためにコンピュータデータにしたがって造形環境内で硬化性材料を計量分配する工程、計量分配された材料を造形環境内において造形台上に支持する工程、及び計量分配された材料を硬化させるために光源からの紫外(ＵＶ)光の露光に少なくとも１つの層の計量分配された材料をかける工程を含む。光源は赤外(ＩＲ)光を実質的に含まない光を発生する。
【００１３】
本発明の第２の態様は順次層をなして堆積されるＵＶ硬化性材料を硬化させるための連続波(ＣＷ)／紫外(ＵＶ)硬化システムである。本ＣＷ／ＵＶ硬化システムは、ＣＷ／ＵＶ光を発する１つ以上のＵＶＬＥＤを備え、１つ以上のＬＥＤに電力を供給するように、及び堆積された層に露光を与えるために１つ以上のＬＥＤの動作を制御するように、構成された電源を備える。
【００１４】
本発明の第３の態様は、造形環境内で硬化性材料から３次元物体を形成するための選択的積層成形(ＳＤＭ)装置である。ＳＤＭ装置は３次元物体の層に対応するデータを受け取る。ＳＤＭ装置は、造形環境内に３次元物体を支持するように構成された造形台及び、造形台に対向して配置され、３次元物体の層を形成するためのコンピュータデータにしたがって造形環境内において硬化性材料を計量分配するように構成された、計量分配デバイスを備える。ＳＤＭ装置はさらに、造形台に対向して配置され、計量分配された材料の硬化を開始させるＵＶ光で層を照射するように構成された、連続波(ＣＷ)／紫外(ＵＶ)光源を備える。本ＣＷ／ＵＶ光源は赤外(ＩＲ)光を実質的に発生しない。
【００１５】
本発明のさらなる態様、特徴及び利点は、以下の詳細に説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。上記の全般的説明及び以下の詳細の説明がいずれも本発明の実施形態例を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、詳細な説明とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の連続波(ＣＷ)／紫外(ＵＶ)硬化システムを組み込んでいるＳＤＭ装置の簡略な側面図である。
【図２】図２は、「犬の骨」タイプの物体及び造形台自由度を示す、造形台１４の拡大斜視図である。
【図３】図３は、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムを組み込んでいるＳＤＭ装置の実施形態例の簡略な側面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、ＵＶＬＥＤの直線配置例を示す、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムの実施形態例の簡略な拡大平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ＵＶＬＥＤの直線配置例を示す、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムの実施形態例の簡略な拡大側面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、オフセットされた２本のＵＶＬＥＤ列を有するＣＷ／ＵＶ硬化システムの実施形態例を示す、図４Ａと同様の平面図である。
【図５】図５は本発明の一実施形態にしたがうＳＤＭ装置のいくつかのコンポーネントの回路図であり、ＳＤＭ装置は４つのモジュールを備え、それぞれのモジュールは２つのＵＶＬＥＤのセット及び２つのＵＶＬＥＤのセットに付帯するフォトダイオードを有する。
【図６Ａ】図６Ａは、物体最上層におけるＵＶビーム重なりの例及びＣＷ／ＵＶ硬化システムの最上層からの高さ(Ｈ)を示す、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムの一部を造形中の物体とともに示す拡大側面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは図６Ａに示されるＣＷ／ＵＶ硬化システムに用いられるＵＶＬＥＤの例の指向性図である。
【図７】図７は、本発明のいくつかの実施形態におけるＵＶＬＥＤと造形材料の間の高さの増大にともなって照度すなわち光パワー密度がどのように減少するかを示す、硬化高(ｍｍ)の関数としての照度(ｍＷ/ｃｍ２)のグラフである。
【図８】図８は、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムに用いられるＵＶＬＥＤ例のスペクトルを示す、時間規格化強度(カウント)対波長(ｎｍ)のグラフである。
【図９】図９は、硬化性造形材料(ＵＶホットメルトまたは「ＵＶＨＭ」)の吸収スペクトル例をキセノンランプ発光スペクトルとともに示す、波長(ｎｍ)の関数としての、吸収(左縦軸及び破線)及びキセノン発光(Ｊ/パルス)(右縦軸及び実線)のグラフである。
【図１０】図１０は本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムの試験に用いられたサンプルの構成を示す造形台の略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムに対する、サンプル番号の関数としての破断点伸び(％)のグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、従来技術のキセノンランプベース硬化システムに対する、サンプル番号の関数としての破断点伸び(％)のグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムに対する、サンプル番号の関数としての引張強さ(ｐｓｉ(１ｐｓｉ＝６.８９×１０３Ｐａ))のグラフである。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、従来技術のキセノンランプベース硬化システムに対する、サンプル番号の関数としての引張強さ(ｐｓｉ)のグラフである。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムに対する、サンプル番号の関数としての引張弾性率(ｋｓｉ(１ｋｓｉ＝６.８９×１０６Ｐａ))のグラフである。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、従来技術のキセノンランプベース硬化システムに対する、サンプル番号の関数としての引張弾性率(ｋｓｉ)のグラフである。
【図１２】図１２は本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムを備える図３のＳＤＭ装置の一例の簡略な側面図である。
【図１３】図１３は図３のＳＤＭ装置の実施形態例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は全般的には立体自由形状造形(ＳＦＦ)に関し、特に、造形材料層を硬化させて３次元物体を形成するために連続紫外(ＵＶ)光を用いる、選択的積層成形のための方法、システム及び装置に関する。連続ＵＶ光は連続波ＵＶ硬化システムによって与えられる。本発明の連続波(ＣＷ)ＵＶ硬化システムは造形材料を硬化させるために硬化システムを用いる全てのＳＦＦ法に適用できるが、以下では限定でなく例として、ＵＶ硬化性相変化材料を計量分配するインクジェットプリントヘッドを利用するＳＤＭ装置に関して本発明を説明する。
【００１８】
用語及び定義
用語「連続波」は「ＣＷ」と略記され、連続光を発する光源をパルス光を発する光源と弁別するために光学で用いられる。
【００１９】
用語「造形材料」または「材料」は、本明細書に用いられるように、３次元物体を造形するために計量分配デバイスによって計量分配される全ての樹脂及びその他の材料を表す。造形材料には、ＳＦＦ法で造形されている物体を構成する１つまたは複数の材料だけでなく、造形されている物体を支持するために計量分配され、最終的には後プロセス作業等で物体から分離され得るいずれかの支持材料及び／または支持構造体も含まれる。しかし、本発明のいくつかの実施形態においてある材料が計量分配されると説明されたとしても、限定のためではない一例を与えるために以下で説明される非硬化性相変化支持材料の場合におけるように、計量分配された材料が必ずしも硬化される必要はないことは当然である。
【００２０】
本明細書で用いられるように、造形材料の「流動可能状態」は、材料を計量分配するときにインクジェットプリントヘッドによって誘起されるような、計量分配デバイスによって誘起され、材料を移動または流動させる、剪断応力に材料が抗することができない状態である。しかし、造形材料の流動可能状態は揺変性的な特性も示すことができる。本明細書に用いられるように用語「固化」及び「固化性」は、材料が流動可能状態から流動不能状態に遷移する、材料の相変化特性を指して用いられる。
【００２１】
また本明細書に用いられるように、造形材料の「流動不能状態」は、材料自体の重さの下で材料自体の形状を保持するに十分に材料が自立性である状態である。固態、ゲル態またはペースト態で存在する造形材料は、本明細書における目的のための造形材料の流動不能状態の例である。
【００２２】
さらに、用語「硬化した」または「硬化性」はいかなる重合反応も指す。本発明のいくつかの実施形態において、重合反応は化学線または熱への制御された暴露によってトリガされる。本発明の別の実施形態において、重合反応は、ＵＶ波長帯の化学線への露光によって開始される、モノマー及びオリゴマーの架橋を含む。
【００２３】
さらに、用語「硬化状態」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、材料は、硬化前には流動可能状態と流動不能状態の間を容易に遷移できるが、硬化してしまうと材料は流動可能状態に戻ることはできず、装置で計量分配することができないことは当然である。
【００２４】
温度要件
本発明のいくつかの実施形態において光硬化性材料を計量分配するＳＤＭ装置の造形環境においてはほぼ４０℃のような低い温度を維持することが望ましいことがわかった。これは様々な関連する理由があり、その中で最も重要な理由は、材料が計量分配される前の流動可能状態にあるときの硬化プロセスの熱開始が防止されることである。硬化プロセスの熱開始は、計量分配装置を詰まらせて装置を機能不全にするから、回避されるべきである。さらにまた、ＳＤＭ装置内をより低い温度に維持することは、重合硬化プロセスでは造形されている３次元物体からかなりの量の発熱が生じ得るから、重要である。この熱は、前の層の固化後に材料内に既に存在する熱に加えて、引き続いて計量分配される層が計量分配された後で固化することができ、流動可能な状態にとどまって物体から流れ落ちることはないであろうように、最小限に抑えるかまたは取り除かなければならない。以下でわかるように、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムはＩＲ光の発生を回避することで熱の悪影響を軽減する。
【００２５】
硬化性相変化材料例
米国オレゴン州ウイルソンビル(Wilsonville)のゼロックス社(Xerox Corporation)から入手できるＺ８５０プリントヘッドのような、計量分配デバイスによって計量分配するための、多くの光硬化性相変化配合物が開発されている。造形材料配合物の４つの例の組成を、重量％で、下の表１に与える。
【表１】
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【００２６】
表１に挙げられた４つの配合物に用いられる以下の成分は米国ペンシルバニア州エクストン(Exton)のSartomer Company, Inc.から、以下の名称：ＣＮ９８０，ＣＮ９８１，ＣＮ９７５，ＣＮ２９０１，ＳＲ２０３，ＳＲ２０５，ＳＲ３４０，ＳＲ３１３，ＳＲ４５４，ＣＤ４０６，ＳＲ６０４及びＳＲ４９６Ｄの下に入手できる。成分ＡＤＳ０３８及びＡＤＳ０４３は、カナダ国ケベック(Quebec)のAmerican Dye Source, Inc.から入手できる。名称がＥ３２００のエポキシアクリレートは米国ジョージア州アトランタ(Atlanta)のUCB Chemical, Inc.から入手できる。リストに挙げられている、名称がＩ-１８４の光重合開始剤は米国ニューヨーク州ニューヨーク(New York)のCiba Specialty Chemicals, Inc.から入手できる。表１の例２の配合(６官能基ウレタンアクリレート)は、最も耐久性があると判定されたから、いくつかの状況において望ましい。
【００２７】
硬化性相変化造形材料と同じ計量分配デバイスから計量分配されるような、非硬化性相変化支持材料も開発された。支持材料配合物は、重量で７０％の、米国ニュージャージー州アービングトン(Irvington)のRuger Chemical Co., Inc.から入手できるオクタデカノール及び、重量で３０％の、米国イリノイ州シカゴ(Chicago)のArakawa Chemical (USA) Inc.から入手できる、名称がＫＥ１００の固体粘着付与剤を含む。造形材料及び支持材料に関するさらなる詳細は、本発明の譲受人に譲渡されている、米国特許出願第０９/９７１２４７号の明細書に見られる。
【００２８】
あるいは、支持材料は、ブイ(Bui)等の米国特許第６１３２６６５号明細書に開示されているように、熱可塑性相変化材料とすることができる。あるいは、望ましければ、支持材料は水溶性とすることができ、材料の表面張力を低めてジェット射出される材料の液滴形状及び凝集を改善するためのフルオロ界面活性剤を含むことができる。さらに、望ましければ、支持材料は、物体から拭き取ることができるゼラチンのような、ゲル材料とすることができる。さらに、支持材料は機械的に弱い特性を示すことができ、よって３次元物体から容易に崩し落とすことができる。
【００２９】
ＣＷ／ＵＶ硬化システムを備えるＳＤＭ装置
図１は、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システム３６(すなわちＣＷ／ＵＶ光源)の実施形態例を示す、ＳＤＭ装置１０の略図である。造形環境１２内において支持構造体４６上に３次元物体４４を造形しているＳＤＭ装置１０が示されている。物体４４及び支持構造体４６は、図１では一般にエアシリンダーまたは液圧シリンダーを含むが、別の実施形態では造形台を上下させるいずれかの作動デバイスを含めることができる、いずれかの従来の作動デバイス１６によって垂直方向に精密に位置決めすることができる、造形台１４上に層毎態様で造形される。図２は「犬の骨」タイプの物体４４及びＸ-Ｙ-Ｚ直交座標系で示されるような造形台自由度を示す、造形台１４の拡大斜視図である。
【００３０】
造形台１４の直上で造形台１４に平行に、計量分配デバイス２４を運ぶ材料計量分配トロリー２０が載るレールシステム１８がある。本発明のいくつかの実施形態において、計量分配デバイス２４は、造形材料及び支持材料を計量分配し、複数の計量分配オリフィスを有する圧電型の、インクジェットプリントヘッドである。しかし、望ましければ、音響型または静電型のような別のタイプのインクジェットプリントヘッドを用いることができよう。あるいは、望ましければ、インクジェットプリントヘッドの代わりに熱スプレーノズルを用いることができよう。計量分配デバイス２４の一例は、上述した圧電型Ｚ８５０プリントヘッドである。Ｚ８５０プリントヘッドから計量分配される材料は、約８０℃の計量分配温度において、約１３〜約１４センチポアズ(約１.３〜１.４×１０−２Ｐａ秒)の粘度を有することが望ましい。このシステムの計量分配方法は本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９/９７１３３７号の明細書にさらに詳細に説明されている。本発明の別の実施形態は別の計量分配デバイスを有する。
【００３１】
計量分配デバイス２４を運ぶ図１のトロリー２０に、リモート貯槽４９から硬化性相変化造形材料２２が供給される。リモート貯槽には、硬化性相変化造形材料を流動可能状態にして維持するためのヒーター２５が備えられる。同様に、計量分配デバイス２４を運ぶトロリー２０に、リモート貯槽５０から流動可能状態にある非硬化性相変化支持材料４８も供給される。材料を計量分配するため、初めに材料を加熱して流動可能状態にし、計量分配デバイスまでの経路に沿って材料を流動可能状態に維持するための加熱デバイスが備えられる。一実施形態例において、加熱デバイスには、両貯槽４９及び５０上のヒーター２５並びに、貯槽を計量分配デバイス２４に連結している臍の緒管５２上の、別のヒーター(図示せず)が含まれる。
【００３２】
計量分配デバイス２４上に放出オリフィス２７Ｍ及び２７Ｓが配置され、それぞれ造形材料３０及び支持材料３１を計量分配する。放出オリフィス２７Ｍ及び２７Ｓはそれぞれの材料を造形環境内のいかなる所望の目標位置にも計量分配するように適合される。
【００３３】
計量分配デバイス２４は、電気モーターのような通常の駆動装置２６によって水平路に沿って(すなわちＸ軸に沿って)レールシステム１８上を往復駆動される。本発明のいくつかの実施形態において、計量分配デバイス２４を運ぶトロリーは、放出オリフィス２７Ｍ及び／または２７Ｓから材料の完全な一層を計量分配するために複数の経路をとる。
【００３４】
層２８が順次に堆積されて物体４４を形成する。図１において、トロリーが左から右への経路の走行を開始したばかりのときの、計量分配された造形材料３０の層２８の一部が示される。最下層２８(図示せず)が造形台１４に接して載る。滴下途上の計量分配された造形材料液滴３０及び支持材料液滴３４が示され、放出オリフィスと造形材料の層２８の間隔は図示を容易にするため相当に誇張されている。層２８は、３次元物体の形成及び支持のため、必要に応じて、全てを造形材料とするか、全てを支持材料とするか、または造形材料と支持材料の組合せとすることができる。
【００３５】
造形材料及び支持材料は、層２８に接触すると相変化の結果として固化する、流動可能状態の離散液滴として計量分配される。あるいは、材料は、望ましければ、ＳＤＭ装置において連続流として計量分配することができる。物体４４のそれぞれの層２８はビットマップ上の複数のピクセルに分割され、この場合、目標位置は硬化性相変化材料２２を堆積するための物体のピクセル位置に割り当てられる。同様に、物体の外にあるピクセル座標は、必要に応じて物体４４のための支持体を形成するための非硬化性相変化支持材料４８の堆積のための目標とすることができる。一般に、与えられた層に対するビットマップの目標ピクセル位置の全てに離散液滴が堆積されると、その層を形成するための材料の計量分配は完了し、層２８の初期厚が確立される。本発明のいくつかの実施形態において、初期層厚は最終層厚より大きい。
【００３６】
次いで、層を平滑化し、層を規格化して最終層厚を確立するために、プレナライザ３２が層にかけて引きまわされる(以下で論じられる図３を見よ)。プレナライザ３２は造形プロセス中に生じる、液滴体積変動、熱歪、等の累積効果を排除するため、必要に応じて、層を規格化するために用いられる。材料の硬化に先立って、計量分配された層を平らにならし、最後に形成される層のための所望の厚さを整定するための、計量分配された造形材料の層の一部の、溶融、移転及び除去がプレナライザの機能である。これにより、３次元物体及び支持構造体を形成する層の全てに対して一様な表面トポグラフィ及び層厚が保証される。しかし、これはシステムから除去されなければならない廃材をつくり出す。プレナライザ３２は、望ましければ、(図３に示されるように)材料計量分配トロリー２０に搭載することができ、あるいは(図１に示されるように)別個にレールシステム１８に搭載することができる。あるいは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９/７５４８７０号の明細書に開示されているように、毛管作用を利用して過剰な材料を除去することによって層を規格化することができ、または本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９/７７９３５５号の明細書に開示されているような、凹部領域に選択的に材料を追加計量分配して一様な層を形成するために用いることができるフィードバックデータを供給する能動表面スキャンシステムを利用することができる。
【００３７】
平坦化中に生じる過剰材料を収集するために、(図１には示されていない。図３を見よ)廃材収集システムが用いられる。廃材収集システムは、材料を、望ましければ、廃材槽または廃材カートリッジに送る、臍の緒管を有することができる。硬化性相変化材料のための廃材システムは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９/９７０９５６号の明細書に開示されている。
【００３８】
一実施形態例において、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システム３６はレールシステム１８に搭載される。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は、物体４４または支持構造体４６の上に計量分配されたばかりの層を照射できるようにレールシステム１８に沿って往復駆動される。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は、必要に応じてそれぞれの層への帯域が比較的狭いＵＶ光の全面(一括)露光を与えるために用いられる、少なくとも１つの、いくつかの実施形態では複数の、ＵＶ発光ダイオード(ＬＥＤ)３８を有する。
【００３９】
ＵＶ露光は連続態様(すなわち非断続態様)で実行され、連続露光が行われるときにプレナライザは造形エリアから引き戻される。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は往復運動が可能な態様でレールシステム１８に搭載されて示されるが、望ましければ、計量分配トロリーに直接搭載することもできる。計量分配オリフィス内またはプレナライザ表面上の材料の硬化はいずれも造形プロセスを無能にし、装置を損傷させるから、そのような硬化を防止するように、ＣＷ／ＵＶ硬化システムによるＵＶ光への露光から計量分配デバイス及びプレナライザを遮蔽することが重要である。ＣＷ／ＵＶ硬化システム及びシステムを構成する１つ以上のＵＶＬＥＤ３８は以下でさらに詳細に説明される。
【００４０】
図１を続けて参照すれば、形成されるべき物体の３次元座標データを含む立体造形ＣＡＤデータファイルを外部コンピュータ３４が生成するかまたは(例えばコンピュータ読出可能媒体を介して)実装する。一般にコンピュータ３４は物体のデータを表面形状データに、最も普通にはＳＴＬファイルフォーマットに変換する。本発明のいくつかの実施形態において、コンピュータは物体のための支持領域に対応するデータも確立する。ユーザが物体の造形を望む場合、ＳＴＬファイルがプリントクライアントソフトウエアによって処理され、プリントジョブとしてＳＤＭ装置１０のコンピュータコントローラ４０に送られる、プリントコマンドが外部コンピュータで実行される。コンピュータコントローラ４０に送られる処理済データは、磁気ディスク、磁気テープ、超小型電子メモリ、ネットワーク接続、等のような、所望の、従来のいずれかのデータ転送可能媒体によって送ることができる。コンピュータコントローラはデータを処理し、物体を形成するために装置をはたらかせる信号を実行する。データ送信ルート及びＳＤＭ装置の様々なコンポーネントの制御は参照数字４２が付された破線として表される。
【００４１】
３次元物体４４が形成されてしまうと、以降の処理によって支持構造体４６から支持材料４８が除去される。一般に、３次元物体から支持材料の実質的に全てを除去するには、支持材料を流動可能状態に戻すための熱の印加が必要である。これは様々な仕方で達成することができる。例えば、水または油のような液体材料を入れて加熱したバット内にパーツをおくことができる。支持材料に直接に加熱した液体材料の噴流を浴びせることによるような、物理的動揺を用いることもできる。これは適切な装置を用いる蒸気クリーニングによって達成することができる。あるいは、支持材料を溶解するに適する液体溶剤内に材料を沈めることによって支持材料を除去することもできる。支持材料除去に関する特定の詳細は、いずれも本発明の譲受人に譲渡されている、米国特許出願第０９/９７０７２７号及び米国特許出願第１０/０８４７２６号の明細書に開示されている。
【００４２】
ＳＤＭ装置の別の実施形態例
図３は、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システム３６の一実施形態を組み込んでいる、ＳＤＭ装置１０の別の実施形態例を示す。全体として参照数字５４で簡略に示される材料給廃システムを備える、ＳＤＭ装置１０が示される。図１に示されるＳＤＭ装置１０とは対照的に、図３のＳＤＭ装置では、計量分配トロリー２０の代わりに、造形台１４が通常の駆動装置２６によって往復駆動される。計量分配トロリーは物体の層の厚さを制御するため、作動デバイス１６によって垂直方向に精密に移動させられる。図３の実施形態において、作動デバイス１６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有する。リニアアクチュエータ１６の末端は造形環境１２の対向する辺上にあり、造形台の往復方向に垂直な方向にある。しかし、図３では図示を容易にするため、リニアアクチュエータが造形台１４の往復方向に合わせられているような見かけを与える２次元的に平らな態様で示されている。リニアアクチュエータを往復方向に合わせることはできるが、いくつかの実施形態では装置内の空間の最適使用のため、直交方向に配置されるであろう。
【００４３】
形成途上であり、一体成形された支持体４６を有する３次元物体４４が造形環境１２内にある。物体４４及び支持体４６はいずれも、造形台からの取外しが可能であるが、それでも造形台の往復中の加速及び減速の影響に耐えるに十分に固定された態様で造形台１４上に載っている。支持材料は造形プロセスの最後に取り外されるように設計されるから、造形材料を計量分配する前に支持材料の少なくとも１つの完全な層２８(図１を見よ)を造形台１４上に計量分配することが望ましい。
【００４４】
参照数字２２で識別される硬化性相変化造形材料がＳＤＭ装置１０によって計量分配されて３次元物体４４を形成し、参照数字４８で識別される非硬化性相変化支持材料が計量分配されて支持体４６を形成する。全体として参照数字５６Ａ及び５６Ｂで識別されるコンテナがそれぞれ、これらの２つの材料２２及び４８をそれぞれの量で保持する。臍の緒管５８Ａ及び５８Ｂがそれぞれ、材料を計量分配デバイス２４に送配する。材料２２及び４８は加熱されて流動可能状態にされ、材料２２及び４８が計量分配デバイス２４に送配されている間流動可能状態に材料を維持するためにヒーター(図示せず)が臍の緒管５８Ａ及び５８Ｂ上に備えられる。図示されるＳＤＭ装置において、いずれの材料も形成されているいかなる層のいかなる目標位置にも層毎態様で選択的に計量分配され得るように、複数の計量分配オリフィス２７Ｍ及び２７Ｓからいずれの材料も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。計量分配デバイス２４が材料２２または４８をさらに必要とするときは、押出バー６０Ａ及び６０Ｂがそれぞれコンテナ５６Ａ及び５６Ｂに嵌合して、コンテナ５６Ａ及び５６Ｂから材料を押し出し、臍の緒管５８Ａ及び５８Ｂを通して、計量分配デバイス２４に送る。
【００４５】
図３に示される計量分配トロリー２０は、計量分配されている層から過剰な材料を除去してその層を規格化する、加熱されたプレナライザ３２を備える。加熱されたプレナライザは流動不能状態にある材料に接触し、プレナライザは加熱されているから、材料のいくらかを局所的に流動可能状態に転移させる。表面張力により、この過剰な流動可能材料はプレナライザの表面に付着し、プレナライザが回転するにつれて材料はプレナライザ３２と接触しているスカイブ６２まで引き上げられる。スカイブ６２はプレナライザ３２の表面から材料を分離させて、トロリー２０上に配置された、全体として参照数字６４で識別される、廃材槽内に流動可能材料を導く。槽内の廃材が流動可能状態のままでいるに十分な点に廃材槽の温度を維持するように、廃材槽６４上のヒーター６６及びサーミスタ６８が動作する。
【００４６】
廃材槽は、廃材を廃材受け７２Ａ及び７２Ｂに送るための、加熱された臍の緒管７０に接続される。廃材は重力によって廃材受け７２Ａ及び７２Ｂまで流下することができる。それぞれの廃材受けに対して継ぎ手をもつ１本の臍の緒管７０しか示されていないが、本発明の別の実施形態では、廃材槽６４とそれぞれの廃材受け７２Ａ及び７２Ｂの間にそれぞれの廃材臍の緒管７０が備えられる。それぞれの廃材受け７２Ａ及び７２Ｂに、廃材受けへの廃材の送配を調節するためのソレノイドバルブ７４Ａ及び７４Ｂが付帯している。バルブ７４Ａ及び７４Ｂは閉じられたままであり、それぞれの押出バー６０Ａ及び６０Ｂが追加の材料を押し出すために始動されるときにだけ開かれる。(押出バーとコンテナの間に配置された)廃材受け７２Ａ及び７２Ｂ内の廃材７６を露光させて廃材受け内の廃材を硬化させるため、ランプまたは電球８０として簡略に表される瞬間硬化システム７９が備えられる。図３の実施形態の廃材はコンテナ５６Ａ及び５６Ｂに混入されず、コンテナ５６Ａ及び５６Ｂが交換されるときに単に廃棄されだけであることは当然である。給廃システムの詳細な議論は、本発明の譲受人に譲渡されている、米国特許出願第０９/９７０９５６号の明細書に開示されている。
【００４７】
ＣＷ／ＵＶ硬化システム
図４Ａ及び４Ｂは本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システム３６の一実施形態例の簡略な平面図及び側面図である。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は計量分配された造形材料を硬化させるためにそれぞれの計量分配層２８に対して１つ以上の連続(すなわち非断続)露光を生成する。ＵＶＬＥＤ３８は露光間で消灯されるが、それぞれの層は単一露光において連続照射されるから、露光間の消灯は光源の「パルス動作」を意味しない。パルス光源は一般に比較的高い周波数(例えば、１２０Ｈｚ)で動作するが、ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６を用いる連続露光の長さは少なくとも１秒ないしさらに長いオーダーである。
【００４８】
図４Ｃは、オフセットされた２本のＵＶＬＥＤ列を有するＣＷ／ＵＶ硬化システムの一実施形態例を示す、図４Ａと同様の平面図である。図示される実施形態には２本の８ＵＶＬＥＤ列が示されるが、両端のＵＶＬＥＤが同じ列にあるか否かにかかわらず(図４Ｃでは両端のＵＶＬＥＤが同じ列にない)、両端のＵＶＬＥＤの中心間距離として以下で説明される長さＬに沿って、いかなる数の、ＵＶＬＥＤまたはその他のいかなる構成の光源も含め得ることは当然である。
【００４９】
ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は少なくとも１個のＵＶＬＥＤ３８を有し、図示される実施形態においてＣＷ／ＵＶ硬化システムは２つ以上のＵＶＬＥＤアレイを有する。図４Ａ及び４Ｂの実施形態例においては、８個のＵＶＬＥＤ３８が直線アレイ１００に配列されている。アレイ１００は両端のＵＶＬＥＤの中心間で測って１８７ｍｍの長さＬを有する。８個のＵＶＬＥＤはこの長さ内で等間隔に配置され、よって隣り合うＵＶＬＥＤの間隔は(中心間で測って)２７ｍｍである。それぞれのＵＶＬＥＤは寸法が２７０ｍｍ×５０ｍｍで、ＬＥＤに電力を送るための配線３９が施された、回路基板１１０に半田付けされる。
【００５０】
回路基板１１０は熱を放散させる薄い銅板１１２に取り付けられる。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６の寸法は、米国南カロライナ州ロックヒル(Rock Hill)の3D Systems, Inc.からのＰｒｏｊｅｃｔ(商標)３-Ｄモデラーの造形台上のいかなる寸法のサンプル／モデルも完全にスキャンするに十分である。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は、配線３９を介してＵＶＬＥＤに電力を供給し、それぞれの層２８のための露光を与えるためにＵＶＬＥＤの動作を制御するように適合された、電源３７を備えるか、そうではなくともそのような電源３７に動作可能な態様で接続される。一実施形態例において、電源３７は、電源の動作を制御するコンピュータコントローラ４０に電気的に接続され、よって電源によるＣＷ／ＵＶ硬化システム３６の動作の制御が可能になる。
【００５１】
次に本発明の一実施形態例の図５の回路図に移れば、本発明の一実施形態にしたがうＳＤＭ装置のいくつかのコンポーネントの回路図が示されている。適切ないずれの回路も本発明の装置及び方法とともに用いることができ、本発明が図５に表されるアーキテクチャ、コンポーネント及び／または値に決して限定されないことは当然である。図５の回路図の右側に示されるように、ＳＤＭ装置は４基のモジュールを備え、それぞれのモジュールは２個のＵＶＬＥＤのセット及び２個のＵＶＬＥＤのセットに付帯するフォトダイオードを有する。ＵＶＬＥＤドライバ基板はＵＶＬＥＤ用駆動回路を有する。６５０ｍＡに設定された定電流源として動作する４-ＤＣ/ＤＣコンバータの２つのチャネル(レギュレータ)出力が、造形材料を硬化させるための８個の大電流ＵＶＬＥＤに対する電流源ドライバとしてはたらく。これら２つの動作チャネルへの入力は、単チャネル信号を形成するために結合させることができる。駆動制御方法には直接オン／オフ制御がある。チャネル１は直列接続された４個のＬＥＤの列を駆動し、チャネル２は直列接続された４個のＬＥＤの列を駆動する。
【００５２】
計量分配デバイスから造形材料が計量分配されると、図５にしたがう実施形態の材料は両電流源ドライバを同時に‘イネーブル’にすることによって層毎に１回ないしさらに多く硬化される。‘ロー’信号が両ドライバをオンにする。バックプレーン基板上のプログラマブルロジック素子(ＰＬＤ)が８個のＬＥＤの全てを点灯させるための‘イネーブル’信号を発生する。ＬＥＤは、ＰＬＤからの制御プログラムがＵＶＬＥＤドライバ基板のコネクタを介してバッファのピン１に論理‘０’を設定したときに、論理的に‘イネーブル’にされる。２つのチャネルのそれぞれは、これらの大電流ＬＥＤを駆動するための定電流源として動作する。
【００５３】
図５の回路図はそれぞれが２個のＬＥＤを有する４基のモジュールも示す。モジュールは、１個または２個のＬＥＤが故障するかまたは適切に機能しない場合にＬＥＤのアレイ全体を交換する必要がないように、１個またはさらに多くのＬＥＤの交換が必要な場合にＬＥＤの容易で費用効果の高い交換を可能にする。さらに、モジュールは１個以上のＬＥＤによって放射されるＵＶ光を間接的に測定するパワー検出器も有する。パワー検出器は、造形材料、造形台及びその他の表面を含む造形環境内の表面からＵＶ光が反射された後にパワー検出器によって受け取られるＵＶ光を検出することによって、ＵＶ光を間接的に測定する。図示される実施形態のパワー検出器はフォトダイオードを有する。しかし、本発明の別の実施形態は、半導体検出器、熱検出器、量子検出器、等を含むがこれらには限定されない、別のパワー検出器を有する。図５の特定の実施形態を再び参照すれば、ＵＶＬＥＤの光出力を検知するためにフォトダイオードが用いられる。モジュール毎に２個のＵＶＬＥＤのセットがあるから、ＵＶＬＥＤ対によって一次放射されるＵＶ光を検出するために１個のフォトダイオードセンサが用いられる。フォトダイオードは、フォトダイオードのセンサによって吸収される光エネルギーに比例する電流を発生するであろう。フォトダイオードは受光量を表す電気信号を出力する。４個のフォトダイオードのそれぞれの光電流は増幅器に送られる。増幅器の非限定的例は演算増幅器である。演算増幅器はセンサからの電流を増幅してアナログ電圧信号にするであろう。これらのアナログ信号は、ＵＶＬＥＤの制御及び／または監視を可能にするためにアナログ信号をデジタル化するであろう、Ｚキャリッジ基板のアナログ-デジタルコンバータ(ＡＤＣ)に送られる。本発明のいくつかの実施形態において、パワー検出器データは、露光時間、造形台速度、及び／またはＳＤＭ装置のその他の動作パラメータを決定するために、用いることができる。
【００５４】
図６Ａは、アレイ１００の第１及び第２のＵＶＬＥＤ３８のそれぞれにともなう光ビームＢ１及びＢ２を示す、ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６の側面図である。ＵＶＬＥＤ３８のそれぞれはＬＥＤ表面に垂直な中心軸Ａを有する。ｎ個のＵＶＬＥＤ３８を有するアレイ１００はｎ本の中心軸Ａｎに沿うｎ本のビームＢｎ(例えば、Ｂ１,Ｂ２,…,Ｂｎ)を生成し、ｎ本のビームは層２８を照射する集合または「総合」ビームＢＴを構成する。
【００５５】
図６Ｂは、代表的なＵＶＬＥＤ３８についての、極角θの関数としての光パワーとして測定された放射パターンの極図式である。図６Ｂの極図式における角度は中心軸Ａに対して測定される。
【００５６】
造形材料表面上にパワー分布の十分な重なりを得るため、硬化目標表面(物体４４の層２８)からのアレイ１００の高さＨを調節することができ、一実施形態例においては、以下で論じられるように、ＵＶＬＥＤ３８のそれぞれの発散プロファイルに基づく計算によって２１ｍｍに設定した。図６Ａを参照すれば、高さＨは目標重なり値に応じて調節することができる。高さＨが小さくなると、表面上の全パワー密度は高くなるが、ＵＶＬＥＤ３８が離散しているから、パワー分布の重なりが一様ではない。高さＨが大きくなると、全パワー密度は低くなるが、ＵＶＬＥＤからの放射の硬化目標表面(層)２８における重なりが大きくなる。図示される実施形態に対し、高さＨは約２１ｍｍから約１８ミリである。アレイ１００によって与えられるパワー密度は、ＵＶＬＥＤ３８の発光が非コヒーレントであるから、概ね高さＨに逆二乗比例する。さらに、硬化結果の一様性及び品質は、この重なり及びパワー密度によって変化する。したがって、硬化一様性に直接に影響するから、高さＨを適切に調節することが重要である。
【００５７】
ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は、図４Ａ及び４Ｂに示される直線アレイ配列以外の、他の形状を有することができる。他の形状には、例えば、ジグザグ配列、湾曲配列、多重直線アレイ、収斂ビームしたがってより集中したパワー密度を提供するためのＵＶＬＥＤまたはアレイ区画、光ビームを一様化するための異なる平面へのＵＶＬＥＤ３８の配列、等がある。
【００５８】
アレイ１００のＵＶＬＥＤ３８の数は、それぞれのＵＶＬＥＤのパワー、高さＨ、及び硬化性材料及び／または材料内の光重合開始剤特性にしたがって決定される。例えば、それぞれのＵＶＬＥＤ３８のパワーが現在利用できるパワーより高ければ、及び／または光重合開始剤が与えられた吸収帯においてより多くの光子を吸収すれば、ＵＶＬＥＤの数ｎを減じることができ、続いて、アレイ１００と硬化性造形材料表面の間の高さＨを大きくして光重なりを適切にすることができる。層２８による光子の吸収は光重合開始剤の濃度に依存し、よって特定のＳＦＦ用途に対して調整することができる。
【００５９】
一実施形態例において、それぞれのＵＶＬＥＤ３８は、３６５ｎｍ±５ｎｍのピーク波長、約１５ｎｍの帯域幅及び(パワー計：Ophr Head 20C-SH Controller 1Z01500を用いて測定して)中心軸Ａに沿って約２００ｍＷの光出力パワーを、順電流６００ｍＡにおいて有し、ＵＶＬＥＤは発散プロファイルの態様で、すなわち、中心すなわち０°においてパワーが最大であり、中心からの角度が大きくなるにつれてパワーが減少する態様で、光を放射する。図６Ｂに示されるように、約８０°ないしさらに大きい角度において、パワーは小さく、最終的にゼロになる。
【００６０】
図７は、本発明のいくつかの実施形態においてＵＶＬＥＤと造形材料の間の高さが大きくなるにつれて照度すなわち光パワー密度がどのように低下するかを示す、硬化高(ｍｍ)の関数としての照度(ｍＷ/ｃｍ２)のグラフである。例えば図２及び６ＡにＨとして示される、硬化高は、所望の、造形台上のＬＥＤの重なりの一様性及び照度から決定される。Ｈが大きくなるにつれて造形台上の照度は低下する。図４Ａに示されるＵＶＬＥＤ間隔をもつような、本発明のいくつかの実施形態に対して望ましい照度(すなわち光パワー密度)は、８-ＵＶＬＥＤアレイで２０〜約３０ｍＷ/ｃｍ２であり、これは約１８ｍｍ〜約２５ｍｍの高さＨに相当する。本発明のまた別の実施形態では、ＬＥＤパワー、ＬＥＤ間隔、ＬＥＤ数、造形材料特性、造形台速度、等を含むがこれらには限定されない、多くのパラメータに基づいて、別の所望の照度が定められる。
【００６１】
図８は、本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムの一実施形態例に用いたＵＶＬＥＤ３８の例のスペクトルを示す、測定された、時間規格化強度(カウント)対波長(ｎｍ)のグラフである。この実施形態例において、図８のスペクトルは、ＵＶＬＥＤ３８が、ピーク波長が３６５ｎｍ±５ｎｍで帯域幅が約１５ｎｍＦＷＨＭ(半値全幅)の、単色性であることを示す。本発明の別の実施形態において、ＵＶＬＥＤは１５ｎｍより大きいかまたは小さい帯域幅を定める。次に、図８の実施形態のような、本発明のいくつかの実施形態に用いるための硬化材料に移れば、硬化のための光重合開始剤(Ciba, Igracure 184)の吸収スペクトルは、４ないし５％の濃度において、〜２４０ｎｍのピーク吸収及び約２３０ｎｍと３７５ｎｍの間の広い帯域を有し、これは硬化性材料に一般的である。この吸収帯域はＬＥＤ発光スペクトルの大半を包含し、吸光度は中庸の光子密度で感光性材料を硬化させるに十分である。
【００６２】
さらに、発光帯域が材料の吸収帯域内にあるから、このＬＥＤの全ての光子が重合効率に寄与し得る。さらに、硬化性材料の吸収は、光子のいくらかが硬化層を通過して、最上層の下の(例えば、全構造体の硬化またはさらなる硬化に役立つ、いくつかの実施形態において最上層から最下層２８までの)少なくとも１つの付加層を含む、下層まで届くように、光重合開始剤の賢明な使用によって選ぶことができる。ＵＶＬＥＤスペクトルに対する吸収帯を調節して硬化プロセスを最適化するために、様々な濃度の光重合開始剤を用いることができる。
【００６３】
図８はＵＶＬＥＤ３８がＵＶ発光しているときに赤外光を全く発生していない、すなわち約７５０ｎｍ(近ＩＲ)ないしさらに長い波長の光が実質的にまたは全く無いことを示すことに注意されたい。すなわち、そのようなＩＲ光が発生されているとしても、統計的に無意味な量でしかない。
【００６４】
図９は、硬化性樹脂(ＵＶホットメルトすなわち「ＵＶＨＭ」)の吸収スペクトル例をキセノンランプ出力スペクトルとともに示す、波長(ｎｍ)の関数としての吸収(左縦軸及び破線)及びキセノン発光(Ｊ/パルス)(右縦軸及び実線)のグラフである。
【００６５】
キセノンランプは可視光及び赤外(ＩＲ)光を含む、すなわち〜２５０ｎｍから１０００ｎｍをこえる波長までの、かなり広いスペクトルで発光する。しかし、可視波長からＩＲ波長は，光重合開始剤がこの波長範囲の光を吸収しないから、硬化に使用できない。さらに、図９に見られるように、そのような使用できない波長におけるキセノンランプからのパワー密度は有用なＵＶ発光量よりかなり高い。大量の可視光及びＩＲ光は硬化プロセス中の造形材料表面の温度を上昇させ、これは硬化または重合に悪影響を与える。
【００６６】
本発明のいくつかのＳＤＭ装置における硬化に対し、光パワー密度は、造形材料を硬化させるため、また所望の機械的構造を形成するためにも、光重合開始剤の吸収帯内で十分な数の光子を供給するべきである。ＵＶＬＥＤの比較的狭いＵＶ発光スペクトルのため、吸収帯が選ばれた大きさだけＵＶＬＥＤ発光帯域に重なるように光重合開始剤を調製することができる。米国イリノイ州ホイーリング(Wheeling)のOpto Technology, Inc.から入手できるＵＶＬＥＤの光パワーは、公称硬化距離で測定して約６０ｍＷであり、ＬＥＤ前面では１６５ｍＷである。これらの測定値は、直径が１インチ(２５.４ｍｍ)の標準検出器を用いてとることができ、そのような検出器は米国コロラド州ボールダー(Boulder)のScientech, Inc.から入手できる。あるいは、日本国の日亜化学工業(株)から入手できるそれぞれのＵＶＬＥＤの総光パワーの測定値は約２５０ｍＷである。
【００６７】
図９から、キセノンランプの全発光内でＵＶ範囲の光は小量でしかないことがわかる。キセノンフラッシュランプは、波長が約２００ｎｍから約１１００ｎｍの間の、非常に広い発光帯域幅を有し、発光波長のほとんど全てが約２５０ｎｍから約８００ｎｍの間にある。しかし、硬化を開始させる光重合開始剤からのフリーラジカルの発生に利用される発光は一般に約２００ｎｍから約４００ｎｍの間の紫外光範囲にある。キセノンフラッシュランプでつくられる紫外光範囲(２００ｎｍ〜４００ｎｍ)は、約２００ｎｍから約３００ｎｍの間の、短波長のＵＶ-Ｃ帯及びＵＶ-Ｂ帯にある、約５％に過ぎない。残る９５％は、約４００ｎｍから約１０００ｎｍの、長波長帯にある。したがって、キセノンランプでは、発生される光子のほとんどは光重合開始剤に吸収されず、ＩＲ波長の光子が造形材料を加熱してその表面温度を上昇させることになってしまう。
【００６８】
ＳＤＭプリンティングにおける熱源は３つのカテゴリーに分けることができる。第１の熱源は硬化に用いられる特定の光源の電力消費による。この熱は光源温度とともに、また光源周囲の大気温度とともに、増大する。第２の熱源は造形材料に、ただし造形材料内の光重合開始剤にではなく、吸収されるＩＲ光による。第３の熱源は造形材料の硬化中の発熱重合反応による。これらの熱は、酸素が関与することによって、硬化または重合に直接に影響する。熱は造形材料の粘度を変化させ、これは造形材料−酸素結合を容易にする。高温は造形材料の粘度を下げ、続いて、より多くの酸素との造形材料のより高速の結合を生じさせる。したがって、重合が効率よく進むように、硬化プロセス中の造形環境に含まれる酸素を除去するかまたは低減することが必要である。
【００６９】
ＣＷ／ＵＶＬＥＤ及びパルス動作キセノンランプによって造形材料表面に生じる温度分布を比較するための測定を行った。２０秒間にわたり２６℃の室温に比較してＵＶＬＥＤ及びキセノンランプで造形材料表面に生じた温度はそれぞれ２８℃及び５４℃であった。キセノンランプをパルス動作させたにもかかわらず、造形材料表面の温度はそれでもかなり上昇した。
【００７０】
ＵＶＬＥＤについての電力消費は約３.３Ｗ(8-ＵＶＬＥＤでは８×３.３＝２６.４Ｗ)であるが、代表的なキセノンランプでは一般に５００Ｗから１０００Ｗの範囲にあることにも注意されたい。この結果、光源の電力消費によって高まる熱を下げるための努力及び複雑さはそれほど必要とされない。完成物体４４を造形するには長時間かかることがあり、よってＣＷ／ＵＶベースシステム１０では時間の経過にともなう電力消費が従来のキセノンランプベースシステム１０よりかなり少なくなることにも注意すべきである。
【００７１】
酸素阻害及びビルド材料粘度
粘度が高くなるほど強い酸素阻害がおこる点において粘度は酸素阻害と密に関係するが、相は変化するべきではない。酸素阻害に対する理想的な方法は、酸素のない窒素または二酸化炭素のような、不活性ガス環境において硬化を実施することである。しかし、これはＳＤＭ装置の複雑性を高める。酸素阻害に対する別の方法は、上述したパルス動作キセノンランプ手法でなされるような、高強度短時間硬化光を与えることである。パルス動作手法において、パルス幅は、硬化中のフリーラジカルの酸素分子との結合を防止するため、酸素の拡散時間より短くすべきである。
【００７２】
「硬化時間」は、酸素阻害に関し、硬化のための肝要なパラメータの１つである。分子の拡散時間は、造形材料の粘度に依存して、約数ミリ秒であり−一般に粘度が高くなるほど重合速度及び拡散が遅くなる。フリーラジカル機構は、開始、伝搬及び終結の３段階に分けることができる。開始は伝搬に必要なフリーラジカルの生成である。ラジカルは光重合開始剤のようなラジカル開始剤から生成することができる。生成物は不安定であり、容易に２つのラジカルに分裂する。フリーラジカルはπ結合からの一方の電子を用いて炭素原子とのより安定な結合を形成する。他方の電子は第２の炭素原子に戻り、分子全体を別のラジカルに変える。伝搬は、このラジカル化分子の別のモノマーとの高速反応であり、引き続くこの反応の反復が繰り返し連鎖を形成する。終結は以降の伝搬を妨げる態様でラジカルが反応するときにおこる。
【００７３】
したがって、硬化に理想的な光源は以下の特性を有するべきである。第１に、高効率硬化のためには、光源は単色性であるか、あるいは光重合開始剤の吸収帯域内にあるべきである。第２に、光源は十分なパワーを有する、すなわち光重合開始剤と相互作用し、続いて所望の機械的特性を有する造形物体を造形／成形するに十分な光子を提供するべきである。第３に、熱、特に造形材料表面の温度を情報させる熱の発生は最小限に抑えられるべきである。ＵＶＬＥＤはこれらの特性を満たす。
【００７４】
キセノンランプ硬化に対するＣＷ／ＵＶＬＥＤ硬化の比較
ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６を、キセノンランプアセンブリの代わりにシステムに実装することで、３-Ｄモデラーで試験した。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６及び従来のキセノンランプで硬化させたサンプルの機械的特性を比較する実験を行った、
ＵＶＬＥＤアレイ１００を３-Ｄモデラーに組み込んだ後、通常のＳＤＭ法及びプロセスにしたがってサンプル(すなわち試験物体４４)を造形した。サンプルの形状及び寸法は、図２の物体４４に示されるような、「犬の骨」と呼ばれる、ＡＳＴＭ(アメリカ材料試験協会)規定に基づいて作成されたＣＡＤウインドウ内にあった。
【００７５】
２０ないし２６のサンプル４４のセットを、図１０に示されるように、造形台１４上でＹ軸にかけ、Ｘ軸に沿って、等間隔で形成した。いかなる機械的プリンタエラーも最小限に抑えるため、Ｘ-Ｚ方向にも層毎にスタックした。サンプル４４の造形を完了するには約６時間かかった。
【００７６】
オーブン内でのサンプル４４の後処理後、サンプルを室温環境に一日放置してから、機械的パラメータ：引張強さ、破断点伸び及び引張弾性率を測定した。これらの測定は、米国ミネソタ州エデンプレイリー(Eden Prairie)のNTS systems corporationからのＭＴＳ試験機(システムタイプ：Qtest-ADC)を用いて行った。
【００７７】
本発明のいくつかの実施形態の、図１または３の計量分配デバイス２４のような、計量分配デバイスは、造形環境１２にわたるＸ方向の１パス中に、支持材料３１の２列-１１２本のラスタ線及び造形材料３０の２列-１１２本のラスタ線をプリントできる、４列-１１２本の(図１または３には示されていない)ラスタ線を有するプリントヘッドである。したがって、Ｘ方向の計量分配デバイス２４の１パスはそれぞれのタイプの材料について２２４本の平行線を形成する。Ｘ方向の１パス後、計量分配デバイス２４は、Ｘ方向の戻りパス時にさらに２２４本のラスタ線が形成されるように、位置をＹ方向にほぼ０.０７８ｍｍ移される。このプロセスは総数で１２パスにわたって継続され、この結果ほぼ１８８ｍｍ幅の完全に充填された材料層を得た。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６はレールシステム１８によりＸ軸に沿って移動する。アレイ１００の高さＨは作動デバイス１６により上述した態様で調節される。それぞれの層２８に対する単露光時間は少なくとも１秒であった(正確な露光時間は、硬化されるべき造形材料の断面積及び造形台の速度を含むがこれらには限定されない、多くのパラメータに依存する)。ＵＶＬＥＤ３８は露光間は消灯させた。しかし、本発明の別の実施形態では露光間もＵＶＬＥＤ３８を点灯させたままにすることができる。そのような別の実施形態は、プレナライザ及び／または計量分配デバイスがＵＶＬＥＤからの光で露光されないことを保証するため、シャッターまたは同様のデバイスをさらに備えることができる。本発明のまた別の実施形態は、２つ以上の造形材料層を単露光または多重露光によって硬化させることができる。
【００７８】
後処理中に、得られた構造をほぼ７０℃のオーブン内で加熱して支持材料を溶融させることによって、支持材料３１が除去される。図示される実施形態の支持材料３１は、室温では固体の、非反応性材料である。そのような支持材料３１はワックス化合物を含有し、弱い熱または溶剤で容易に除去され、機械の造形台及び造形物体材料に対する良好な密着特性を有する。計量分配(噴出)温度において、支持材料３１は、粘性が低く、平坦化が可能な、液体である。さらに、支持材料３１は造形物体材料３０と同じ温度及びプロセスパラメータで噴出されるように、造形物体材料３０と同様の融解点及び凝固点を有する。用いた硬化性材料は、米国南カロライナ州ロックヒルの3D Systems, Inc.から入手できるＰｒｏｊｅｃｔ ３-Ｄモデラーに現在用いられている、無彩色ＳＲ２００とした。
【００７９】
図１１Ａは本発明のＣＷ／ＵＶ硬化システムについて破断点伸び(％)をサンプル番号の関数として示すグラフであり、図１１Ｂは従来技術のキセノンランプベース硬化を用いた５つのサンプルについて破断点伸び(％)をサンプル番号の関数として示すグラフである。ＵＶＬＥＤ３８で硬化させた５つのサンプル(それぞれのサンプルは４つのデータ点の平均である)の平均「破断点伸び」は１２.５％であるが、キセノンランプでは８.６％である。伸びが大きくなることは、適切な引張強さ及び引張弾性率と合わせて、造形物体の可撓性が高くなることを意味し、これは一般にさらに望ましい。ＵＶＬＥＤ３８で硬化させたサンプルの引張強さ及び引張弾性率(図１１Ｃ，１１Ｅ)及びキセノンランプで硬化させたサンプルの引張強さ及び引張弾性率(図１１Ｄ，１１Ｆ)は実験誤差の範囲内で同様であることがわかった。
【００８０】
本発明のいくつかの実施形態の３次元物体４４は新しい層２８のそれぞれをＣＷ／ＵＶ硬化システム３６による単露光にかけることで形成される。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は物体の形成中に連続して点灯したままでいることはないから、かなりの量のエネルギー節約が、また熱発生のかなりの低減も、達成される。
【００８１】
ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６を用いて造形材料を硬化させる場合、選ばれた光重合開始剤Ｉ-１８４は短波長帯に露光されたときにしかフリーラジカルを放出しないから、一般に約２００ｎｍから約４００ｎｍの間の、短波長帯の光子でしか硬化は開始されない。短波長帯光重合開始剤を用いるとシステムの効率は下がるが、そのような光重合開始剤は、熱的により安定である傾向があるため、一般に望ましい。しかし、ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は、米国ニューヨーク州ニューヨークのCiba Specialty Chemicals, Inc.から入手できるＩ-３６９光重合開始剤のような、長い方の、約３００ｎｍから約４００ｎｍの間の波長帯ＵＶ-Ａで励起され得る光重合開始剤を含有する別の配合物の硬化に用いるに良く適している。さらに、上記及びその他の光重合開始剤は組み合わせて、望ましければ、例えば約２００ｎｍから約４００ｎｍの間の、全ＵＶ帯の波長に対して硬化が開始される、材料を配合することができる。
【００８２】
次に図１２を参照すれば、ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６が、図３とともに先に論じたＳＤＭ装置１０の往復運動造形台１４と動作可能な態様で連携する計量分配トロリー２０上に搭載された計量分配デバイス２４及びプレナライザ３２とともに、簡略に断面で示される。Ｚ８５０プリントヘッド計量分配デバイス２４は、１１２バンクに分けられた４４８計量分配ジェットのアレイを有し、それぞれのバンクは４つのジェットを有する。それぞれのバンクについて、２つのジェットは造形材料を計量分配するように設定され、他の２つのジェットは支持材料を計量分配するように設定される。１８７.９６ｍｍである、本装置の計量分配領域の幅をカバーするには、総数で２６８８本のラスタ線が必要である。プリントヘッドは１層を形成するために総数で２６８８本のラスタ線をカバーしなければならないから、４つのジェットのそれぞれのバンクは２４ラスタ線(２６８８/１１２)にわたって計量分配するように割り当てられる。４つのジェットのそれぞれのカラムがそれぞれに割り当てられた２４本のラスタ線をカバーするため、プリントヘッドは造形台１４の往復の、参照数字１１２(右)及び１１４(左)で示される、終端位置において１ラスタ線距離だけ図１２の断面図の平面に垂直な方向にシフトされる。したがって、１層を形成するためにプリントヘッドによって造形材料または支持材料の全２６８８本のラスタ線が計量分配され得るには、プリントヘッドの下で造形台１４の１２往復のパスが必要である。
【００８３】
図示される実施形態において、造形台の往復運動の内の、図１２における左から右のような、一方向でしか平坦化が行われないことは当然である。したがって、平坦化は、それぞれの層が６回平坦化されるように、往復パス１つおきに行われる。次いでＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は、図１２では左側になる、物体４４の平坦化が既に終わっている側にあるであろう。完全な層が計量分配されるには造形台１４が１２回往復しなければならないから、ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は造形台が左側に戻ったときにだけ単露光を与える。露光は、造形台が往復運動の左端１１４に向けて右から左に移動している間に、あるいは造形台が往復運動の左端１１４に到達して左から右に移動し始めた後に、行うことができる。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６は造形台の１２往復パスに関して層毎の単露光を所望のいずれの間隔でも行うように選択的に構成することができる。
【００８４】
本発明のいくつかの実施形態においては、図３及び１２とともに論じた装置のような、ＳＤＭ装置で材料の１層を計量分配するにはほぼ２４秒かかる。ＣＷ／ＵＶ硬化システム３６が１層の形成時に単露光を行うならば、露光は、一般的に上述したような、硬化されている造形材料の表面積、造形台の速度、硬化されている層数、等を含む、多くの要因に依存して、約１.７秒と約１.４秒の間のどこかに(一般には少なくとも１秒ないしさらに長く)なり得る。
【００８５】
ＳＤＭ装置例
次に図１３を参照すれば、図３に簡略に示されたＳＤＭ装置が参照数字１０で示される。造形環境にアクセスするため、装置の前面にスライドドア８２が設けられる。ドア８２は装置内で回転して環境内に脱け落ちることはできない。装置は、ドア８２が開いている間は動作しないかまたは電源が入らないであろうように構成される。さらに、装置が動作している間は、ドアは開かないであろう。材料供給ドア８４が設けられ、よって、硬化性相変化材料及び非硬化性相変化材料をそれぞれの供給マガジン(図示せず)に入れて、一方のドア８４を通して硬化性相変化材料を装置に挿入し、他方のドア８４を通して非硬化性相変化材料を装置に挿入することができる。排出された廃材を装置から取り出すことができるように、廃材引出８６が装置１０の底部に設けられる。先に論じた外部コンピュータと通信していて、外部コンピュータからのプリントコマンドデータの受領をトラッキングする、ユーザインターフェース８８が設けられる。
【００８６】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００８７】
１０    ＳＤＭ装置
１２    造形環境
１４    造形台
１６    作動デバイス
２０    計量分配トロリー
２４    計量分配デバイス
３２    プレナライザ
３６    ＣＷ／ＵＶ硬化システム
３７    電源
３８    ＵＶ発光ダイオード(ＬＥＤ)
４４    ３次元物体
４６    支持構造体
【図１】
2011518694.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
2011518694.tif 000007
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
2011518694.tif 000010
【図６Ａ】
2011518694.tif 000011
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011518694.tif 000016
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
2011518694.tif 000018
【図１１Ｃ】
2011518694.tif 000019
【図１１Ｄ】
2011518694.tif 000020
【図１１Ｅ】
2011518694.tif 000021
【図１１Ｆ】
2011518694.tif 000022
【図１２】
2011518694.tif 000023
【図１３】
2011518694.tif 000024
【国際調査報告】
2011518694.tif 000025
2011518694.tif 000026
2011518694.tif 000027