(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元部品を印刷するための付加製造システムであって、
部品材料から前記三次元部品の層を現像するように構成される１つ又は複数の電子写真エンジンと、
前記１つ又は複数の電子写真エンジンから前記現像された層を受け取るように構成される転写ベルトと、
前記転写ベルト上の前記現像された層を焼結温度に加熱して、前記現像された層を焼結し、焼結された連続薄膜を提供するように構成される予備焼結加熱器と、
ビルドプラットフォームと、
前記予備焼結加熱器の下流の位置で、前記転写ベルトと係合し、前記焼結された連続薄膜を押圧して、前記ビルドプラットフォーム上の前記三次元部品の中間ビルド面に層ごとに接触させるように構成される押圧要素と、を備え、
前記予備焼結加熱器は、前記押圧要素から前記転写ベルトに沿って上流に離れて位置し、それによって、前記焼結される連続薄膜は、前記押圧要素に達する前に、前記焼結温度よりも５０℃〜１２０℃低い転写温度まで冷却される、付加製造システム。
【請求項２】
前記押圧要素はニップローラを備える、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項３】
前記押圧要素は、前記部品材料のガラス転移温度を１５℃以内だけ下回る温度まで前記ニップローラを加熱するように構成される加熱要素を更に備える、請求項２に記載の付加製造システム。
【請求項４】
前記押圧要素は、３０ポンド／平方インチ未満の印加圧力で前記焼結される薄膜を押圧するように構成される、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項５】
前記印加圧力は、１０ポンド／平方インチ未満である、請求項４に記載の付加製造システム。
【請求項６】
前記予備焼結加熱器は、非接触加熱器を備える、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項７】
前記予備焼結加熱器は、押圧ローラと、バッキングローラと、該バッキングローラを加熱するように構成される加熱要素と、を備え、
前記押圧ローラ及び前記バッキングローラは、前記現像された薄膜及び前記転写アセンブリを係合する、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項８】
前記１つ又は複数の電子写真エンジンは、前記部品材料の供給を保持する現像ステーションを含み、前記部品材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーを含み、前記転写温度は１００℃〜１３０℃の範囲をとる、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項９】
三次元部品を印刷するための付加製造システムであって、
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーを含む部品材料から前記三次元部品の層を現像するように構成される１つ又は複数の電子写真エンジンと、
前記１つ又は複数の電子写真エンジンから、前記現像された層を受け取るように構成される転写ベルトと、
前記転写ベルト上の前記現像された層を焼結温度に加熱して、前記現像された層を焼結し、焼結された連続薄膜を提供するように構成される予備焼結加熱器と、
前記予備焼結加熱器の下流の位置で前記転写ベルトと係合されるニップローラであって、前記焼結された連続薄膜が、該ニップローラに達する前に、１００℃〜１３０℃の範囲の温度まで冷却されるようにし、該ニップローラは、前記焼結された連続薄膜を押圧して、３０ポンド／平方インチ未満の印加圧力で前記三次元部品の以前に形成された層と接触させるように構成される、ニップローラと、を備える、付加製造システム。
【請求項１０】
前記部品材料のガラス転移温度を１５℃以内だけ下回る温度まで前記ニップローラを加熱するように構成される加熱要素を更に備える、請求項９に記載の付加製造システム。
【請求項１１】
前記予備焼結加熱器は、前記現像された層を、１８０℃〜２２０℃の範囲の温度まで加熱することによって、該現像された層を焼結するように構成される、請求項９に記載の付加製造システム。
【請求項１２】
前記予備焼結加熱器は、前記現像された層に圧力を印加することなく、前記現像された層を焼結するように構成される、請求項１１に記載の付加製造システム。
【請求項１３】
前記ニップローラの前記印加圧力は、１０ポンド／平方インチ未満である、請求項９に記載の付加製造システム。
【請求項１４】
前記ニップローラの前記印加圧力は、５ポンド／平方インチ未満である、請求項１３に記載の付加製造システム。
【請求項１５】
付加製造システムを用いて三次元部品を印刷する方法であって、
前記付加製造システムの１つ又は複数の電子写真エンジンを用いて部品材料の現像された層を生成することと、
前記現像された層を前記１つ又は複数の電子写真エンジンから前記付加製造システムの転写アセンブリに転写することと、
前記転写アセンブリにおいて、前記現像された層を焼結温度に加熱することで、前記現像された層を焼結して、焼結された連続薄膜を生成することと、
前記焼結された連続薄膜を、焼結温度よりも５０℃〜１２０℃低い転写温度まで能動的に冷却することと、
前記冷却された焼結された連続薄膜を押圧して、３０ポンド／平方インチ未満の印加圧力で前記三次元部品の中間ビルド面と接触させることと、を含む、方法。
【請求項１６】
前記部品材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーを含み、前記現像された層を焼結することは、前記現像された層を１８０℃〜２２０℃の範囲の温度に加熱することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記転写温度は、１００℃〜１３０℃の範囲をとる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記印加圧力は、１０ポンド／平方インチ未満である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記印加圧力は、５ポンド／平方インチ未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記転写アセンブリは、２インチ／秒〜８インチ／秒の範囲の線速度を有する転写ベルトを備える、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、三次元（３Ｄ）部品及び支持構造を印刷するための付加製造システム及びプロセスに関する。特に、本開示は、電子写真等の画像化プロセスを使用して３Ｄ部品及び支持構造を構築するための付加製造システム及びプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造システムは、１つ又は複数の付加製造技法（例えば、３Ｄプリンター）を使用して３Ｄ部品のデジタル表現（例えば、ＡＭＦ及びＳＴＬフォーマットファイル）から３Ｄ部品を構築するために使用される。市販の付加製造技法の例は、押出し方式の技法、インク吐出プロセス、選択的レーザ焼結プロセス、粉末／結合剤噴射プロセス、電子ビーム溶融プロセス、及び光造形プロセスを含む。これらの技法のそれぞれについて、３Ｄ部品のデジタル表現が、最初に、複数の水平層にスライスされる。スライスされた各層について、ツール経路がその後、生成され、特定の付加製造システムが所与の層を形成するための命令を提供する。
【０００３】
例えば、押出し方式の付加製造システムにおいて、３Ｄ部品又はモデルは、流動性部品材料（part material：パーツ材）を押し出すことによって、３Ｄ部品のデジタル表現から層ごとに印刷することができる。部品材料は、システムのプリントヘッドによって搬送される押出しチップを通して押し出され、基材上のロードシーケンスとしてｘ−ｙ面に堆積される。押し出された部品材料は、先に堆積した部品材料に融着し、温度の降下によって凝固する。基材に対するプリントヘッドの位置は、その後、ｚ軸（ｘ−ｙ面に垂直）に沿って増分され、プロセスは、その後、デジタル表現に似る３Ｄ部品を形成するために繰返される。
【０００４】
部品材料の層を堆積させることによって３Ｄ部品を作製するとき、支持層又は構造は、通常、構築中の物体の（部品材料自体によって支持されない）オーバハング部分の下に又はその物体のキャビティ内に構築される。支持構造は、部品材料を堆積するのと同じ堆積技法を利用して構築することができる。ホストコンピュータは、形成される３Ｄ部品のオーバハング又は自由空間セグメント用の、また場合によっては、形成される３Ｄ部品の側壁用の支持構造として働く更なる幾何形状を生成する。支持材料は、作製中に部品材料に付着し、印刷プロセスが終了したときに完成した３Ｄ部品から除去可能である。
【０００５】
二次元（２Ｄ）印刷において、電子写真（すなわち、ゼログラフィ）は、印刷用紙等の平坦基材及び透明基材上に２Ｄ画像を生成するための技術である。電子写真システムは、通例光伝導性材料層がコーティングされた伝導性支持ドラムを含み、静電潜像が、静電帯電と、それに続く、光源による光伝導性層の画像の通りの露光とによって形成される。静電潜像は、その後、現像ステーションに移動され、トナーが、帯電エリアに、又は代替的に、光伝導性絶縁体の放電エリアに塗布されて、可視画像を形成する。形成されたトナー画像は、その後、基材（例えば、印刷用紙）に転写され、熱及び／又は圧力によって基材に貼り付けられる。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の一態様は、３Ｄ部品を印刷するための付加製造システムを対象とする。本システムは、部品材料から３Ｄ部品の層を現像するように構成される１つ又は複数の電子写真エンジンと、１つ又は複数の電子写真エンジンから現像された層を受け取るように構成される転写アセンブリとを備える。本システムはまた、転写アセンブリにおいて現像された層を焼結して、焼結された連続薄膜を提供するように構成される予備焼結加熱器と、ビルドプラットフォームと、転写アセンブリと係合し、焼結された連続薄膜を押圧して、ビルドプラットフォーム上の３Ｄ部品の中間ビルド面に層ごとに接触させるように構成される押圧要素（例えば、ニップローラ）とを備える。予備焼結加熱器は、押圧要素から転写アセンブリに沿って上流に位置し、それによって、焼結される連続薄膜が、押圧要素に達する前に転写温度まで冷却されることが好ましい。
【０００７】
本開示の別の態様は、３Ｄ部品を印刷するための付加製造システムを対象とする。ここで、本システムは、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーを含む部品材料から三次元部品の層を現像するように構成される１つ又は複数の電子写真エンジンと、１つ又は複数の電子写真エンジンから、現像された層を受け取るように構成される転写ベルトとを備える。本システムはまた、転写ベルト上に現像された層を焼結して、焼結された連続薄膜を提供するように構成される予備焼結加熱器と、予備焼結加熱器の下流の位置で転写ベルトと係合されるニップローラであって、焼結された連続薄膜が、このニップローラに達する前に、約１００℃〜約１３０℃の範囲の温度まで冷却されるようにする、ニップローラとを備える。
【０００８】
ニップローラは、焼結された連続薄膜を押圧して、低い印加圧力（例えば、３０ポンド／平方インチ未満）で３Ｄ部品の以前に形成された層と接触させるように構成される。幾つかの実施形態では、印加圧力は、１０ポンド／平方インチ未満であり、又は更には、５ポンド／平方インチ未満である。
【０００９】
本開示の別の態様は、３Ｄ部品を印刷する方法を対象とする。本方法は、付加製造システムの１つ又は複数の電子写真エンジンを用いて部品材料の現像された層を生成することと、現像された層を１つ又は複数の電子写真エンジンから付加製造システムの転写アセンブリに転写することとを含む。本方法はまた、転写アセンブリにおいて、現像された層を焼結して、焼結された連続薄膜を生成することと、焼結された連続薄膜を転写温度まで冷却することと、冷却された焼結された連続薄膜を押圧して、低い印加圧力（例えば、３０ポンド／平方インチ未満）で３Ｄ部品の上面と接触させることとを含む。幾つかの実施形態では、印加圧力は、１０ポンド／平方インチ未満であり、又は更には、５ポンド／平方インチ未満である。
【００１０】
［定義］
別途指定されない限り、本明細書で使用される以下の用語は、以下で規定される意味を有する。
【００１１】
用語「好ましい（preferred）」及び「好ましくは（preferably）」は、一定の状況下で一定の利益を与えることができる本発明の実施形態を指す。しかし、他の実施形態もまた、同じか又は他の状況下で好ましい場合がある。さらに、１つ又は複数の好ましい実施形態の列挙は、他の実施形態が有用でないことを示唆せず、また、本開示の発明の範囲から他の実施形態を排除することを意図されない。
【００１２】
「の上（above）」、「の下（below）」、「上部（top）」、「下部（bottom）」、及び同様なもの等の指向性配向は、３Ｄ部品の印刷軸に沿う方向を参照して行われる。印刷軸が垂直なｚ軸である実施形態において、層印刷方向は、垂直なｚ軸に沿って上方向である。これらの実施形態において、用語「の上」、「の下」、「上部」、「下部」、及び同様なものは、垂直なｚ軸に基づく。しかし、３Ｄ部品の層が異なる軸に沿って印刷される実施形態において、用語「の上」、「の下」、「上部」、「下部」、及び同様なものは、所与の軸を基準にする。
【００１３】
用語「ポリマー」は、１つ又は複数のモノマー種を有するポリマー材料を指し、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー等を含む。
【００１４】
「材料を提供する（providing a material）」及び同様なもの等の用語「提供する（providing）」は、特許請求項において述べられるとき、提供されるアイテムの任意の特定の供給又は受け取りを必要とすることを意図されない。むしろ、用語「提供する」は、明確にしかつ読み易くするために、特許請求項（複数の場合もあり）の後続の要素において言及されることになるアイテムを挙げるために使用されるだけである。
【００１５】
別途指定されない限り、本明細書で言及される温度は、大気圧（すなわち、一気圧）に基づく。
【００１６】
用語「ほぼ（about）」及び「実質的に（substantially）」は、当業者に知られている予想される変動（例えば、測定における制限及び変動性）のために、測定可能な値及び範囲に関して本明細書で使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】予備焼結ステップの使用により３Ｄ部品及び支持構造を印刷するための例示的な電子写真方式の付加製造システムの正面図である。
【図２】部品材料及び支持材料の層を現像するためのシステムの一対の電子写真エンジンの略正面図である。
【図３】中間ドラム又は中間ベルトを含む代替の電子写真エンジンの略正面図である。
【図４】予備焼結ステップ及び押圧ステップを実行するためのシステムの層溶融転写アセンブリの概略的な正面図である。
【図５】例示的なアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）材料のための焼結時間対焼結温度の図式的プロットである。
【図６】印加圧力の下での３Ｄ部品の歪み効果を示す、３Ｄ部品の上面に対して押圧された層溶融転写アセンブリのニップローラの概略図である。
【図７】印加圧力の下での３Ｄ部品の歪み効果を示す、３Ｄ部品の上面に対して押圧された層溶融転写アセンブリのニップローラの概略図である。
【図８】歪みなしの最大圧力を温度の関数として示す、例示的なＡＢＳ材料についての印加圧力対温度の図式的プロットである。
【図９】歪みのない最大滞留時間を温度の関数として示す、例示的なＡＢＳ材料についてのニップローラの下での滞留時間対温度の図式的プロットである。
【図１０】層間結合を達成するのに必要な時間を温度の関数として示す、例示的なＡＢＳ材料についての時間対温度の図式的プロットである。
【図１１】例示的なＡＢＳ材料を有するシステムのための例示的な温度プロセスウィンドウの図式的プロットである。
【図１２】予備焼結ステップ及び押圧ステップを実行するためのシステムの代替的な層溶融転写アセンブリの概略的な正面図であり、ここで、予備焼結ステップはコンタクトローラを用いて実行される。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示は、予備焼結ステップを含む、電子写真方式の付加製造技法を用いて、層ごとに３Ｄ部品及び支持構造を印刷するシステム及び方法を対象とする。電子写真印刷動作中、１つ又は複数の電子写真（ＥＰ）エンジンは、電子写真プロセスを使用して粉末状の熱可塑性材料（例えば、部品材料及び支持材料）の各層を現像するか又はその他の方法で画像化することができる。現像された層は、その後、ＥＰエンジンから転写媒体（例えば、回転可能なベルト又はドラム）によって層溶融転写アセンブリに搬送され、この層溶融転写アセンブリにおいて、現像された層は、（例えば熱及び／又は圧力を使用して）溶融転写されて、１つ又は複数の３Ｄ部品及び支持構造を層ごとに印刷する。
【００１９】
Hanson他の米国特許出願公開第２０１３／００７７９９６号及び同第２０１３／００７７９９７号、並びにComb他の米国特許出願公開第２０１３／０１８６５４９号及び同第２０１３／０１８６５５８号に論考されているように、粉末状の熱可塑性材料の層溶融転写は、時間、温度及び圧力の関数である。（例えば、より高速な印刷速度のために）持続時間が減少するとき、十分なポリマーレプテーション（層内及び層間レプテーション）を達成するには、温度及び／又は圧力を増大させる必要がある。一方、これらの要素の平衡を保つことは制御が困難である可能性がある。なぜなら、層転写プロセスは、現像される層内の粉末粒子間を密に相互接触させること、現像される層と３Ｄ部品の上面との間を密に界面接触させること、現像される層内のポリマーレプテーションのレート、及び現像される層と３Ｄ部品との間のポリマーレプテーションのレートの組合せであるためである。
【００２０】
幾つかの技術は、印加圧力を、良好なポリマーレプテーションを達成する際の主要な要素として用いることに焦点を当てる。ここで、現像される層及び３Ｄ部品は共に加熱及び押圧される。現像される層を高温で非常に短い持続時間にわたって加熱し、その後、加熱された層を短い持続時間にわたって押圧することによって、加圧ステップ中に十分なポリマーレプテーションを達成することが意図された。印加圧力は、粉末粒子を、最密充填された質量に変形することが意図され、加熱は、その最密充填された質量の界面においてレプテーションに基づく相互拡散を得るのに十分であることが意図される。
【００２１】
一方で、この高温において、印加圧力は、材料の流れの変位に起因して、押圧される層及び３Ｄ部品を望ましくない形で変形するか、又は他の形で歪ませる可能性がある。これは、適切な平均部品温度を維持するための溶融転写プロセス中に必要な加熱／冷却変動等の他の潜在的な問題に追加される。
【００２２】
このため、この問題に対する１つの従来の解決策は、印刷速度を低速化し、これによって、温度及び／又は圧力が適切なレベルまで減少することを可能にすることである。一方、上記のHanson及びCombによる特許出願公開においても論考されているように、溶融転写温度／圧力及び時間の間の関係は、指数関数であり、それによって、適切な温度／圧力の平衡を達成するには、印刷速度が指数関数的に低速化する必要がある。したがって、この従来の解決策の下で、印刷速度は、かなりの量低速化される必要があり、これによって、電子写真の主要な利点のうちの１つ、すなわち高速な印刷速度のための潜在能力がなくなる可能性がある。
【００２３】
印刷速度を犠牲にすることなくこの問題を克服するために、本明細書において論考されるシステム及び方法は、粉末状の熱可塑性材料を、高温及び低い（又はゼロの）印加圧力で焼結し、焼結された連続薄膜にする予備焼結ステップを組み込む。用語「焼結される」は、印加圧力及び温度の量が、薄膜を以前に形成された層と密に接触させるのに、小量で十分である結合を指す。このステップにおいて、表面張力が焼結における主な駆動力であると考えられている。ここで、粉末の表面積は、利用可能な自由エネルギーを減少させるために低減される。
【００２４】
次に、この焼結された連続薄膜は、押圧ステップに到達する前に、より低い転写温度まで冷却されることを可能にされる。次に、このより低い転写温度において、中程度に低い圧力で押圧ステップを実行し、焼結された薄膜を、３Ｄ部品（及び任意の関連付けられた支持構造）の上面に密に接触させるように重ね合わせることができる。本明細書において用いられるとき、用語「密な接触」は、実質的にエアポケットがなく、９０％を超える薄膜面積について、以前に形成された層からの分離が１０オングストローム未満である接触を指す。好ましくは、密な接触から形成される結合は、焼きなましされていない薄膜の歪みによって、薄膜が以前に形成された層から引き離されることを防ぎ、その後、薄膜の粘性により、後続の３０分にわたって層が焼きなましされ、相互拡散することを可能にするのに十分である。
【００２５】
また、３Ｄ部品は、部品材料のガラス転移温度に近いがそれを下回る温度等の上昇した温度に保持されることが好ましい。したがって、印刷動作の持続時間にわたって、焼結された薄膜のポリマー及び３Ｄ部品が相互拡散して良好なポリマーレプテーションを達成する（層間及び層内）。焼結された薄膜及び３Ｄ部品は、中程度に低い温度に維持されるため、部品の変形がほとんど又は全く生じず、高速な印刷速度を維持することができる。
【００２６】
図１〜図４は、部品材料から３Ｄ部品を印刷し、支持材料から関連する支持構造を印刷するための例示的な電子写真方式の付加製造システムであり、以下で説明されるような予備焼結ステップを組み込むシステム１０を示す。図１に示すように、システム１０は、一対のＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓ、ベルト転写アセンブリ１４、付勢機構１６及び１８、並びに、層溶融転写アセンブリ２０を含む。システム１０用の適したコンポーネント及び機能動作の例は、Hanson他の米国特許出願公開第２０１３／００７７９９６号及び同第２０１３／００７７９９７号並びにComb他の米国特許出願公開第２０１３／０１８６５４９号及び同第２０１３／０１８６５５８号に開示されているものを含む。
【００２７】
ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓは、部品材料及び支持材料の層をそれぞれ画像化するか又はその他の方法で現像するための画像化エンジンである。以下で論じるように、画像化された層は、その後、付勢機構１６及び１８によってベルト転写アセンブリ１４（又は他の転写媒体）に転写され、また、層溶融転写アセンブリ２０まで搬送されて、３Ｄ部品及び関連する支持構造を層ごとに印刷することができる。
【００２８】
図示する実施形態において、ベルト転写アセンブリ１４は、転写ベルト２２、ベルト駆動機構２４、ベルト制動機構２６、ループ制限センサ２８、アイドラローラ３０、及びベルトクリーナ３２を含み、それらは、ベルト２２が矢印３４の回転方向に回転している間、ベルト２２に対する張力を維持するように構成される。特に、ベルト駆動機構２４はベルト２２に係合しベルト２２を駆動し、ベルト制動機構２６は、ブレーキとして機能して、ループ制限センサ２８によってモニタリングされる読取値に基づいて、張力応力からベルト２２を保護するためのサービスループ設計を提供することができる。
【００２９】
システム１０のコンポーネントは、フレーム３６等の１つ又は複数のフレーム構造体によって保持することができる。さらに、システム１０のコンポーネントは、動作中に周囲光がシステム１０のコンポーネントに透過することを防ぐ閉囲可能なハウジング（図示せず）内に保持されることが好ましい。
【００３０】
システム１０は、コントローラアセンブリ３８も備え、これは、システム１０のコンポーネントを動作させるように構成される１つ又は複数のコンピューターベースのシステムであり、システム１０の内部又は外部とすることができる。コントローラアセンブリ３８は、ユーザーインターフェース、メモリコントローラ、プロセッサ、ストレージ媒体、入出力コントローラ、通信アダプター、並びに従来のコンピューター、サーバー、メディアデバイス及び／又はプリンターコントローラ内に含まれる多岐にわたる追加のコンポーネント等の任意の適切なコンピューターベースのハードウェアを含むことができる。例えば、コントローラアセンブリ３８は、１つ又は複数のマイクロプロセッサ式エンジン制御システム及び／又はデジタル制御型ラスター画像化プロセッサシステム等のコントローラアセンブリ３８及びシステム１０を動作させるように構成された１つ又は複数のコンピューター処理ユニットを含むことができる。
【００３１】
コントローラアセンブリ３８は、通信線４０ａを介して、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓ、ベルト転写アセンブリ１４、バイアス機構１６及び１８、層溶融転写アセンブリ２０、並びに様々なセンサ、較正デバイス、表示デバイス及び／又はユーザー入力デバイス等のシステム１０の種々のコンポーネントと通信することができる。さらに、コントローラアセンブリ３８は、通信線４０ｂを介して、ネットワーク接続（例えば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）接続）を通じて他のコンピューター及びサーバー等の外部デバイスと通信することもできる。通信線４０ａ及び４０ｂはそれぞれ単一の信号線として示されているが、これらはそれぞれ、１つ又は複数の電気、光及び／又は無線信号線を含むことができる。
【００３２】
図２は、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓを示し、ＥＰエンジン１２ｓ（すなわち、ベルト２２の回転方向を基準に上流のＥＰエンジン）は支持材料の層を現像し、ＥＰエンジン１２ｐ（すなわち、ベルト２２の回転方向を基準に下流のＥＰエンジン）は部品材料の層を現像する。代替の実施形態において、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓの配置構成は、ＥＰエンジン１２ｐがベルト２２の回転方向を基準にＥＰエンジン１２ｓから上流になるように反転することができる。更なる代替の実施形態において、システム１０は、更なる材料の層を印刷するための３つ以上のＥＰエンジンを含むことができる。
【００３３】
図示する実施形態において、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓは、伝導性ドラム本体４４及び光伝導性表面４６を有する光伝導体ドラム４２等の同じコンポーネントを含むことができる。伝導性ドラム本体４４は、電気的に接地され、シャフト４８の周りに回転するように構成される導電性ドラム（例えば、銅、アルミニウム、スズ等から作製される）である。シャフト４８は、相応して、ドライブモータ５０に接続され、ドライブモータ５０は、シャフト４８（及び光伝導体ドラム４２）を矢印５２の方向に一定速度で回転させるように構成される。
【００３４】
光伝導性表面４６は、伝導性ドラム本体４４の円周表面の周りに延在する薄膜であり、また、好ましくは、例えばアモルファスシリコン、セレン、酸化亜鉛、有機材料等の１つ又は複数の光伝導性材料から得られる。以下で論じるように、表面４６は、３Ｄ部品又は支持構造のスライス層の帯電潜像（又はネガ画像）を受け取り、本開示の部品又は支持材料の帯電粒子を、帯電するか又は放電した画像エリアに吸着し、それにより、３Ｄ部品又は支持構造の層を生成するように構成される。
【００３５】
更に示すように、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓはまた、帯電インデューサ５４、イメージャ５６、現像ステーション５８、清掃ステーション６０、及び放電デバイス６２を含み、これらのそれぞれは、通信線４０ａを介して、コントローラアセンブリ３８と通信状態にあることができる。したがって、帯電インデューサ５４、イメージャ５６、現像ステーション５８、清掃ステーション６０、及び放電デバイス６２は、ドライブモータ５０及びシャフト４８が光伝導体ドラム４２を矢印５２の方向に回転させる間に、表面４６用の画像形成アセンブリを画定する。
【００３６】
図示する例において、ＥＰエンジン１２ｓの表面４６用の画像形成アセンブリが使用されて、支持材料（支持材料６６ｓと呼ばれる）の層６４ｓを形成し、支持材料６６ｓの供給は、キャリア粒子と共に（ＥＰエンジン１２ｓの）現像ステーション５８によって保持することができる。同様に、ＥＰエンジン１２ｐの表面４６用の画像形成アセンブリが使用されて、部品材料（部品材料６６ｐと呼ばれる）の層６４ｐを形成し、部品材料６６ｐの供給は、キャリア粒子と共に（ＥＰエンジン１２ｐの）現像ステーション５８によって保持することができる。
【００３７】
帯電インデューサ５４は、表面４６が帯電インデューサ５４を通過して矢印５２の方向に回転するとき、表面４６上に均一な静電帯電を生成するように構成される。帯電インデューサ５４用の適したデバイスは、コロトロン、スコロトロン、帯電ローラ、及び他の静電帯電デバイスを含む。
【００３８】
イメージャ５６は、表面４６がイメージャ５６を通過して矢印５２の方向に回転するとき、表面４６上の均一な静電帯電に向かって電磁放射を選択的に放出するように構成されるデジタル制御式のピクセルごとの光露光装置である。表面４６に対する電磁放射の選択的な露光は、離散的なピクセルごとの場所の静電帯電を除去させ（すなわち、グラウンドに放電させ）、それにより、表面４６上に潜像帯電パターンを形成する。
【００３９】
イメージャ５６用の適したデバイスは、走査型レーザ（例えば、ガスレーザ又は固体レーザ）光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ露光デバイス、及び２Ｄ電子写真システムにおいて従来使用されている他の露光デバイスを含む。代替の実施形態において、帯電インデューサ５４及びイメージャ５６用の適したデバイスは、潜像帯電パターンを形成するため、帯電したイオン又は電子を表面４６に選択的に直接堆積させるように構成されるイオン堆積システムを含む。したがって、本明細書で使用するとき、用語「電子写真」はイオノグラフィを含む。
【００４０】
各現像ステーション５８は、キャリア粒子と共に、好ましくは粉末形態の部品材料６６ｐ又は支持材料６６ｓの供給を保持する静電及び磁気現像ステーション又はカートリッジである。現像ステーション５８は、２Ｄ電子写真システムにおいて使用される、単成分又は２成分現像システム及びトナーカートリッジと同様に機能することができる。例えば、各現像ステーション５８は、部品材料６６ｐ又は支持材料６６ｓ及びキャリア粒子を保持するための格納部を含むことができる。撹拌されると、キャリア粒子は、部品材料６６ｐ又は支持材料６６ｓの粉末を吸着する摩擦帯電を生成し、吸着した粉末を所望の符号及び大きさに帯電させる。
【００４１】
各現像ステーション５８はまた、帯電した部品材料６６ｐ又は支持材料６６ｓを、コンベヤ、ファーブラシ、パドルホイール、ローラ、及び／又は磁気ブラシ等の表面４６に転写するための１つ又は複数のデバイスを含むことができる。例えば、（帯電潜像を含む）表面４６が矢印５２の方向にイメージャ５６から現像ステーション５８まで回転するとき、帯電した部品材料６６ｐ又は支持材料６６ｓは、（利用される電子写真モードに応じて）帯電エリア現像又は放電エリア現像を利用して、表面４６上の潜像の適切に帯電した領域に吸着する。
【００４２】
これは、光伝導体ドラム１２が矢印５２の方向に回転し続けるにつれて、連続した層６４ｐ又は６４ｓを生成し、連続した層６４ｐ又は６４ｓは、３Ｄ部品又は支持構造のデジタル表現の連続したスライス層に対応する。現像された後、連続した層６４ｐ又は６４ｓは、次に、その後、矢印５２の方向に表面４６と共に転写領域まで回転して、転写領域において、層６４ｐ又は６４ｓは、光伝導体ドラム４２からベルト２２に連続的に転写される。光伝導体ドラム４２とベルト２２との間の直接的係合として図示されているが、幾つかの好ましい実施形態において、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓはまた、図３において以下で更に論じるように、中間転写ドラム及び／又は中間転写ベルトを含むことができる。
【００４３】
所与の層６４ｐ又は６４ｓが光伝導体ドラム４２からベルト２２（又は中間転写ドラム若しくは中間転写ベルト）に転写された後、ドライブモータ５０及びシャフト４８は、矢印５２の方向に光伝導体ドラム４２を回転させ続け、それにより、層６４ｐ又は６４ｓを先に保持した表面４６の領域は清掃ステーション６０を通過する。清掃ステーション６０は、部品材料６６ｐ又は支持材料６６ｓの残留する未転写のいずれの部分をも除去するように構成されるステーションである。清掃ステーション６０用の適したデバイスは、ブレードクリーナ、ブラシクリーナ、静電クリーナ、真空ベースクリーナ、及びその組合せを含む。
【００４４】
清掃ステーション６０を通過した後、表面４６は、矢印５２の方向に回転し続け、それにより、次のサイクルを開始する前に、表面４６の清掃済みの領域が放電デバイス６２を通過して、表面４６上のどんな残留静電帯電をも除去する。放電デバイス６２用の適したデバイスは、光学システム、高電圧交流コロトロン及び／又はスコロトロン、高電圧交流が印加された伝導性コアを有する１つ又は複数の回転誘電体ローラ、及びその組合せを含む。
【００４５】
転写ベルト２２は、現像された連続した層６４ｐ及び６４ｓを光伝導体ドラム４２（又は中間転写ドラム若しくは中間転写ベルト）から層溶融転写アセンブリ１６に転写するための転写媒体である。ベルト２２用の適した転写ベルトの例は、Comb他の米国特許出願公開第２０１３／０１８６５４９号及び同第２０１３／０１８６５５８号に開示されているものを含む。ベルト２２は、前表面２２ａ及び後表面２２ｂを含み、前表面２２ａは光伝導体ドラム４２の表面４６に面し、後表面２２ｂは付勢機構１６及び１８と接触状態にある。
【００４６】
付勢機構１６及び１８は、ベルト２２を通して電位を誘起して、層６４ｐ及び６４ｓをＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓからベルト２２に静電吸着するように構成される。層６４ｐ及び６４ｓはそれぞれ、プロセスのこの地点で、厚さが単一層の増分だけであるため、静電吸着は、層６４ｐ及び６４ｓをＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓからベルト２２に転写するのに適する。
【００４７】
コントローラアセンブリ３８は、好ましくは、ベルト２２及び／又は任意の中間転写ドラム又は中間転写ベルトのライン速度と同期する同じ回転速度でＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓの光伝導体ドラム４２を回転させる。これは、システム１０が、別個の現像液画像から互いに連携して層６４ｐ及び６６ｓを現像し転写することを可能にする。特に、図示するように、各部品層６４ｐは、各支持層６４ｓと適切に位置合わせされた状態でベルト２２に転写されて、好ましくは、組み合わされた又は複合された部品材料及び支持材料層６４を生成することができる。
【００４８】
これは、層６４ｐ及び６４ｓが共に溶融転写されることを可能にし、部品材料及び支持材料が、同様であるか又は実質的に同じである熱特性及び溶融レオロジーを有することを要求する。認識されるように、層溶融転写アセンブリ２０に転写された一部の層は、支持材料６６ｓを含むだけである場合があるか、又は、部品材料６６ｐを含むだけである場合がある。
【００４９】
代替の実施形態において、部品層６４ｐ及び支持層６４ｓは、任意選択で、交互の層６４ｐ及び６４ｓ等によって、別個にベルト２２に沿って現像され転写される場合がある。これらの連続した交互の層６４ｐ及び６４ｓは、その後、層溶融転写アセンブリ２０に転写することができ、別個に溶融転写されて、３Ｄ部品及び支持構造を印刷することができる。
【００５０】
幾つかの実施形態において、ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓの一方又は両方はまた、光伝導体ドラム４２とベルト２２との間に１つ又は複数の中間転写ドラム及び／又は中間転写ベルトを含むことができる。例えば、図３に示すように、ＥＰエンジン１２ｐはまた、モータ５０ａの回転力の下で、矢印５２ａで示す矢印５２と反対の回転方向に回転する中間ドラム４２ａを含むことができる。中間ドラム４２ａは、光伝導体ドラム４２に係合して、現像された層６４ｐを光伝導体ドラム４２から受け取り、その後、受け取った現像済みの層６４ｐを搬送し、層６４ｐをベルト２２に転写する。
【００５１】
ＥＰエンジン１２ｓは、光伝導体ドラム４２からベルト２２まで現像済みの層６４ｓを搬送するための同じ配置構成の中間ドラム４２ａを含むことができる。ＥＰエンジン１２ｐ及び１２ｓのためのこうした中間転写ドラム又は中間転写ベルトの使用は、所望される場合、光伝導体ドラム４２をベルト２２から断熱するのに有益である可能性がある。
【００５２】
図４は、層溶融転写アセンブリ２０の例示的な実施例を示す。図示されるように、層溶融転写アセンブリ２０は、予備焼結加熱器６８と、ビルドプラットフォーム７０と、ニップローラ７２とを備える。代替の実施形態では、層溶融転写アセンブリ２０は、任意選択で、１つ又は複数のポストヒューズ加熱器及びエアジェット（又は他の冷却装置）、及び／又はComb他の米国特許出願公開第２０１３／０１８６５４９及び同第２０１３／０１８６５５８号に記載されているような他の装置（例えば、押圧プレート、複数のローラ等）を含む。
【００５３】
予備焼結加熱器６８（上記で図１にも示される）は、ニップローラ７２に達する前に層６４の粉末状の材料を焼結するように構成される１つ又は複数の加熱デバイス（例えば、赤外線加熱器、加熱されたエアジェット及び／又は接触ローラ）である。各層６４は、層６４を加熱するのに十分な滞留時間にわたって予備焼結加熱器６８のそば（又は中）を通り、それによって粉末状の材料を焼結された連続薄膜６４ｆに焼結させることが望ましい。以下でも論じるように、予備焼結加熱器６８は、十分な距離だけニップローラ７２から上流に位置し、焼結される薄膜６４ｆを、ニップローラ７２に到達する前に所望の転写温度の前に部分的に冷却することを可能にすることが好ましい。
【００５４】
ビルドプラットフォーム７０は、３Ｄ部品７４ｐ及び支持構造７４ｓと呼ばれる３Ｄ部品及び任意の関連する支持構造を層ごとに印刷するための、焼結された薄膜６４ｆを受け取るように構成されるシステム１０のプラットフォームアセンブリ又はプラテンである。論考を容易にするために、本明細書において、３Ｄ部品７４ｐ及び支持構造７４ｓはまとめて、中間ビルド面７６を有する３Ｄ部品７４と呼ばれる。幾つかの実施形態では、ビルドプラットフォーム７０は、焼結された層６４ｆを受け取るための取外し可能な薄膜基板（図示せず）を含むことができる。ここで、取外し可能な薄膜基板は、任意の適切な技法（例えば、真空引き、再剥離性接着剤、機械的締結具、磁力等）を使用してビルドプラットフォーム７０に抑え留めることができる。
【００５５】
ビルドプラットフォーム７０は、ガントリ７８によって支持され、ガントリ７８は、好ましくは主要な運動がｙ軸（破線８０で示す）に沿って前後する運動である往復式長方形パターンを生成するために、ｚ軸及びｙ軸に沿ってビルドプラットフォーム７０を移動させるように構成されるガントリ機構である。往復式長方形パターンは軸方向の鋭い角（矢印８０によって定義される）を有する長方形パターンとして説明されるが、ガントリ７８は、ビルドプラットフォーム７０が押圧ステップ中、ｙ軸に沿って移動する限り、丸い角又は楕円形状の角を有する往復式長方形パターンでビルドプラットフォーム７０を移動させてもよい。ガントリ７８は、コントローラアセンブリ３８からのコマンドに基づいてモータ８２によって動作することができ、モータ８２は、電気モータ、油圧システム、空気システム等とすることができる。
【００５６】
図示する実施形態において、ビルドプラットフォーム７０は、加熱要素８４（例えば、電気加熱器）によって加熱可能である。加熱要素８４は、ビルドプラットフォーム７０を、室温（２５℃）より高い上昇した温度、より好ましくは、概ね部品材料のガラス転移温度、又は約１５℃以内、約１０℃以内又は更には約５℃以内だけガラス転移温度を下回るような、ガラス転移温度に近いがガラス転移温度を下回る温度に加熱しその温度に維持するように構成される。
【００５７】
ニップローラ７２は、例示的な加熱可能押圧要素であり、ベルト２２の移動によって固定軸の周りを回転するように構成される。特に、ニップローラ７２は、矢印８６の方向に後表面２２ｂに接して回転することができ、一方、ベルト２２は矢印３４の方向に回転する。図示する実施形態において、ニップローラ７２は加熱要素８８（例えば、電気加熱器）によって加熱可能である。加熱要素８８は、ニップローラ７２を、ビルドプラットフォーム７０と実質的に同じ温度（例えば、概ね部品材料のガラス転移温度、又は約１５℃以内、約１０℃以内又は更には約５℃以内だけガラス転移温度を下回るような、ガラス転移温度に近いがガラス転移温度を下回る温度）等、室温（２５℃）より高い上昇した温度に加熱しその温度に維持するように構成される。
【００５８】
印刷動作中、ベルト２２は、粉末状の熱可塑性部品及び／又は支持材料の現像される層６４を、予備焼結加熱器６８を通過して搬送する。予備焼結加熱器６８は、これに応じて、粉末状の材料を、高温及び低い（又はゼロの）印加圧力で焼結する。
【００５９】
層６４の粉末状の材料を焼結するための特定の温度は、粉末状の材料の熱可塑性の特性に依拠して変動する場合がある。上述したように、表面張力が焼結における主な駆動力であると考えられている。ここで、粉末粒子の表面積は、利用可能な自由エネルギーを減少させるために低減される。これは、式１に説明されるように、球状の隣接する粒子の合体率に関する粘性焼結のフレンケルモデルによって説明することができる。
【００６０】
【数１】
0006374978.tif 000002
【００６１】
式１は、ｘ／Ｒ＜０．３の制限を受ける。ここで、ｘはネック半径であり、Ｒは粒子の半径であり、Γは表面張力であり、ηは粘性であり、ｔは焼結時間である。式１は、ガラス材料及びセラミック材料への適用に成功しているが、ポリマー材料の場合、式２がより正確なモデルを与える。
【００６２】
【数２】
0006374978.tif 000003
【００６３】
ここで、Ｆ（Ｔ）は、温度のみの関数である。パラメーターｐ＝１の場合、これは、式１のフレンケルモデルに変換される。式２はまた、融液が非ニュートンであり、べき乗則構成方程式に従うと仮定する。これは式３に示す式を与える。
【００６４】
【数３】
0006374978.tif 000004
【００６５】
ここで、ｎ及びｍはべき乗則モデル定数である。
【００６６】
このため、式２におけるパラメーターｐは、レオロジー的意味を得る。ｎ＝１の場合、上記の式は、式１の補正された形態に変換される。一方、合体プロセス中の流動場は通常、同種でも等温でもない。したがって、合体段階は、粘弾性効果を考慮に入れた流動場の運動学に依拠する。
【００６７】
合体段階は、通常、ｘ／Ｒが０．５の値に達すると終了とみなされる。後続の緻密化段階について、式４を適用することができる。
【００６８】
【数４】
0006374978.tif 000005
【００６９】
ここで、ｒ０は概ね球状の空洞の初期半径又は初期合体後の孔の大きさ（例えば、約３マイクロメートル）であり、ｒは時点ｔにおける半径である。したがって、緻密化段階は、式５において表されるような時定数τｄｅｎｓｅを有する。
【００７０】
【数５】
0006374978.tif 000006
【００７１】
ニュートンネッキング時間の仮定、及びネッキングから緻密化への遷移が、ネッキング直径が粒子直径の０．３倍であるときに生じるという仮定に基づいて、緻密化時間は、ネッキング時間の約２倍となる。したがって、ネッキング及び緻密化を組み合わせて、式６において表されるような焼結時間τを得ることができる。
【００７２】
【数６】
0006374978.tif 000007
【００７３】
例えば、これらの値を用いて、圧力を印加されていない１２マイクロメートルのアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）粒子の場合の温度の関数としての焼結時間が図５に示されている。例えば、ＡＢＳ粒子が約２００℃に加熱される場合、予備焼結ステップは、圧力が加えられていないとき、層６４を焼結して、焼結された連続薄膜６４ｆにするのに少なくとも約３秒を必要とする。ベルト２２が約８インチ／秒の線速度で移動している場合、これは、圧力が加えられていないとき（例えば、赤外線加熱等の非接触加熱の場合）、予備焼結加熱器６８が、約２４インチの長さを有することを必要とする。したがって、これらのパラメーター及び粉末状のＡＢＳコポリマー部品材料により、例えば、圧力が加えられていないとき、予備焼結加熱器６８は約１８０℃から約２２０℃まで層６４を加熱することができる。
【００７４】
次に、ベルト２２の連続回転により、焼結された薄膜６４ｆがニップローラ７２に搬送される。予備焼結加熱器６８とニップローラ７２との間を進んでいる間、焼結された薄膜６４ｆは、好ましくは受動冷却によって、ニップローラ７２に達する前に、より低い転写温度まで冷却されることが好ましいが、任意選択で能動冷却（例えば、冷却空気）を用いてもよい。これによって、焼結された薄膜６４ｆが、変形することなく、後続の押圧ステップ中にニップローラ７２のニップ圧力に耐えることが可能になる。
【００７５】
したがって、予備焼結加熱器６８は、焼結された層６４ｆが所望の転写温度まで冷却されるのに十分な時間を与えるように、ベルト２２の移動方向に十分な距離だけニップローラ７２から上流に位置することが好ましい。特定の転写温度は、用いられる部品材料にも依拠する。例えば、粉末状のＡＢＳ部品材料の場合、好ましい転写温度は約１００℃〜約１３０℃の範囲をとり、より好ましくは約１０５℃〜約１２５℃の範囲をとり、更により好ましくは、約１１０℃〜約１２０℃の範囲をとる。
【００７６】
ベルト２２の回転と共に、ガントリ７８は、好ましくはｘ−ｙ面における適切な重ね合わせを用いて、３Ｄ部品７４の上面を、ベルト２２上の到来する焼結された薄膜６４ｆと位置合わせするようにビルドプラットフォーム７０を移動させることができる。ガントリ７８は、矢印３４の方向においてベルト２２の回転率と同期した率（すなわち、同じ方向及び速度）で、ｙ軸に沿ってビルドプラットフォーム７０を移動させ続けることができる。これによって、ベルト２２の後表面２２ｂがニップローラ７２の周りを回転し、ベルト２２及び焼結された薄膜６４ｆが３Ｄ部品７４のビルド面７６に対して挟まれる。
【００７７】
したがって、これによって、ニップローラ７２のロケーションにおいて３Ｄ部品７４のビルド面７６との間で焼結された薄膜６４ｆが押圧され、これにより、焼結された薄膜６４ｆはビルド面７６と密に接触するように押圧される。（予備焼結ステップと併せて用いるための）この押圧ステップのための適切な圧力の例は、約３０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）未満、より好ましくは２０ｐｓｉ未満、更により好ましくは１５ｐｓｉ未満の圧力を含む。幾つかの好ましい実施形態では、この押圧ステップのための圧力は、１０ｐｓｉ未満であり、更により好ましくは、５ｐｓｉ未満である。
【００７８】
焼結された層６４ｆがニップローラ７２のニップを通過するとき、ベルト２２はニップローラ７２に巻き付き、ビルドプラットフォーム７０から離れ係脱する。これは、焼結された層６４ｆをベルト２２から剥離するのに役立ち、焼結された層６４ｆが３Ｄ部品７４に付着したままにすることを可能にする。
【００７９】
次に、ガントリ７８は、ビルドプラットフォーム７０を下方に作動させることができ、ビルドプラットフォーム７０を、往復式長方形パターン８０を辿リながらｙ軸に沿って開始位置に戻すことができる。ビルドプラットフォーム７０は、次の焼結された層７４との適切な位置合わせのための開始位置に達することが望ましい。幾つかの実施形態では、ガントリ７８はまた、次の焼結される層６４ｆとの適切な重ね合わせのために、ビルドプラットフォーム７０及び３Ｄ部品７４を上方に作動させることができる。次に、各残りの焼結された層６４ｆについて同じプロセスを繰り返すことができる。
【００８０】
上述したように、ニップローラ７２は、好ましくは、低い印加圧力（例えば２ｐｓｉ）で、焼結された薄膜６４ｆをビルド面７６に密に接触させるように押圧することが好ましい。これにより、３Ｄ部品７４の内部形状を、それらの所定の位置から変位させるリスクを低減し、これは、円柱の周りの粘性流としてモデル化することができる。円柱の周りの粘性流の一般解は、図６に示すように、円柱と平面との間の標準的なヘルツ接触に基づくことができる。この場合、接触ニップローラ７２の半幅を式７によって表すことができる。
【００８１】
【数７】
0006374978.tif 000008
【００８２】
ここで、ＥＡＢＳ及びＥｒｏｌｌは、３Ｄ部品７６及びニップローラ７２の弾性係数であり、νｐａｒｔ及びνｒｏｌｌは、３Ｄ部品７６及びニップローラ７２のポアソン比であり、Ｌは接触長であり、Ｆは加えられる力である。
【００８３】
さらに、最大接触圧力は式８によって表すことができる。
【００８４】
【数８】
0006374978.tif 000009
【００８５】
したがって、式９〜式１１に説明されるように、（接触している部品材料をｙ軸に沿って押そうと試みる）横方向のせん断は、接触から約ｂ下でピークを有する。
【００８６】
【数９】
0006374978.tif 000010
【００８７】
【数１０】
0006374978.tif 000011
【００８８】
【数１１】
0006374978.tif 000012
【００８９】
例えば、ｙ軸印刷方向におけるニップローラ７２の総長が０．４インチであり、加えられる平均圧力が１５ｐｓｉである場合、横方向のせん断応力は、ニップの約０．１６インチ下で、約７ｐｓｉの圧力でピークを有する。
【００９０】
ここで、形成される３Ｄ部品７４は、好ましくはニップローラ７２がロールしていく際に妥当に硬いように見えるため、ヘルツ解析が適用可能である。そうでない場合、３Ｄ部品７４は破壊的に歪む（すなわち、変形される）。上記の解析では、任意の粘性の歪みが、３Ｄ部品７４のビルド面７６の約ニップ半幅下で最大限に生じ、駆動圧力が、平均ニップ圧力の約半分であることが示される。
【００９１】
この場合、ニップローラ７２は、３Ｄ部品７４の中に食い込むと考えられる。これによって、部品材料源がニップの前後に流れることになる。ヘルツ解析に基づいて、この問題は、ニップ長だけ離間され、平均ニップ圧力の半分に等しい一定の圧力によって駆動される２つの固定されたプレート間の平面粘性流として近似することができる。これは図７に示され、ここで、仮想底面は３Ｄ部品７４の上面から２ｂだけ下にあり、上面は３Ｄ部品７４のビルド面７６である。
【００９２】
距離２ｂだけ分離された２つのプレート間の定圧駆動流のための粘性プロフィールを式１２によって表すことができる。
【００９３】
【数１２】
0006374978.tif 000013
【００９４】
この場合、ｚ＝−ｂにおいて生じる最大空間運動が優勢である。さらに、時点ｙ＝ｂまでに駆動圧力がゼロに減衰すると仮定され、それによって、式１３が適用される。
【００９５】
【数１３】
0006374978.tif 000014
【００９６】
さらに、ｖｂｅｌｔのベルト２２の速度を仮定すると、ニップローラ７２が、歪み流が開始するとき（ポイントがニップの立ち上がりエッジ未満であるとき）から歪み流が停止するとき（そのポイントがニップの中心未満であるとき）まで移動する時間にわたる粘性の積分を式１４によって表すことができる。
【００９７】
【数１４】
0006374978.tif 000015
【００９８】
歪み距離が、３Ｄ部品７６におけるボクセルのサイズ以下でなくてはならない（すなわち、ｄｖｏｘｅｌ＞ｙｄｉｓｔ）と仮定すると、ニップの大きさ、ベルトの速度、部品材料の粘性η及びボクセルの大きさの関数としての最大許容可能平均ニップ圧力Ｐａｖｅを式１５によって表すことができる。
【００９９】
【数１５】
0006374978.tif 000016
【０１００】
例えば、ＡＢＳ部品材料、６００ドット／インチ（ｄｐｉ）のボクセル、８インチ／秒のベルト２２の線速度、及び０．４インチのニップ長を有するニップローラ７２の場合、３Ｄ部品７６を、１ボクセルを超えて歪ませないためのニップ内の概算最大圧力が、温度の関数として図８に説明される。
【０１０１】
これは、１３８℃が、８インチ／秒の線速度で３０ｐｓｉニップのニップ印加圧力を許容することが予期され得る最も高い部品温度であることを示唆する。ベルト速度がより低速である場合、最大圧力はより低くてもよく、及び／又は最大部品温度はより低くてもよい。
【０１０２】
別の例では、１５ｐｓｉが好都合な最小平均ニップ圧力に設定される場合、式１６に記載されるように、上記で論考した関係は、３Ｄ部品７６が大幅に歪まないような、この部品の一部分にわたるニップの最大許容可能滞留時間として再び表すことができる。
【０１０３】
【数１６】
0006374978.tif 000017
【０１０４】
例えば、０．２インチのニップ半長、６００ｄｐｉのボクセル分解能及び１５ｐｓｉの平均圧力について、最大許容可能滞留時間τｄｉｓｔ（歪むまでの時間）が図９に示されている。比較において、２つのＡＢＳ面が相互拡散するためのレプテーション時間を式１７によって表すことができる。
【０１０５】
【数１７】
0006374978.tif 000018
【０１０６】
ここで、Ｇｎはプラトー係数（例えば、ＡＢＳの場合、４０００００パスカル秒）である。
【０１０７】
２つの層が十分に相互拡散されるために必要な時間は、約３レプテーション時間であると考えられ、これが図１０において説明される。図示されるように、層が単一の層溶融転写ステップ中にこのレベルのレプテーションを達成することが予期される場合、約１４０℃以上の部品温度が必要とされる。一方、比較において、３Ｄ部品７４が約１００℃以上に保持される場合、層は２分未満で十分に相互拡散されることになる。
【０１０８】
したがって、粉末状の材料の層６４が、３Ｄ部品７４上に重ね合わせされる前に十分焼結される場合、主要なプロセスのトレードオフは、３Ｄ部品７４を、ニップローラ７２が部品を歪ませないように十分冷却させ、かつカールが制御され、重ね合わされた焼結された薄膜６４ｆのポリマーが良好なレプテーションを達成するのに十分熱くさせるようにすることである。
【０１０９】
図１１は、システム１０のための例示的な温度プロセスウィンドウを示す。図示されるように、右上の角の領域９０は、現像される粉末状態から粉末状の材料を焼結して、焼結された連続薄膜（例えば、焼結された薄膜６４ｆ）にするための時間及び温度ウィンドウを示す。図１１から理解することができるように、より低い温度（例えば、約１５０℃未満）で、圧力が加えられないとき、粉末状の材料は、持続時間が不当に増大しない限り（すなわち、印刷速度がゼロに接近しない限り）焼結しない。
【０１１０】
一方、比較において、領域９０に隣接する事前に焼結された領域９２は、使用可能な温度ウィンドウを管理可能な範囲まで下方にシフトする。領域９２は、僅かな圧力で又は圧力なしで互いに密に接触するように配置された、焼結された層６４ｆが、十分な層間レプテーションを達成するように相互拡散することができる処理ウィンドウを表す。例えば、焼結された層６４ｆ及び３Ｄ部品７４が各々、圧力を印加されることなく約１２０℃の温度を有する場合、層間結合は、結合線９４によって示されるように、約５秒未満で行うことができる。
【０１１１】
最終的に、領域９６は、ニップローラ７２が大幅な部品の歪みなしで、３０ｐｓｉで３Ｄ部品７４を押圧することができる処理ウィンドウを表す。線９８は８インチ／秒（ｉｐｓ）の印刷速度を示し、結合線９４と重ね合わされるとき、ニップローラ７２を用いて押圧ステップを実行するための好ましい処理ウィンドウ１００を左下の角に示す。図１１に見ることができるように、現像される層６４を予備焼結することによって、効果的には、印加圧力を実際に必要とすることなく、印加圧力を適度な量だけ増大させるのと同じ方式で、使用可能な温度ウィンドウが下方にシフトされる。
【０１１２】
したがって、好ましくは表面張力によって、焼結された連続薄膜６４ｆを形成するのに十分な持続時間にわたって層６４を高温で焼結することができる。次に、この焼結された薄膜６４ｆは、ニップローラ７２において押圧ステップに達する前に、より低い転写温度まで冷却することが可能にされる。次に、ニップローラ７２は、焼結された薄膜６４ｆを押圧するか、又は他の形で、３Ｄ部品７４のビルド面７６と密に接触するように配置する。これは、好ましくは、ガラス転移温度に近いがガラス転移温度未満の温度等の、適切な温度に保持される。さらに、ニップローラ７２は、上記で論考したように、低い圧力で押圧してもよい。
【０１１３】
したがって、印刷動作の持続時間にわたって、後続の焼結された薄膜６４ｆが重ね合わされるとき、所与の焼結された薄膜６４ｆ及び３Ｄ部品７４のポリマーが相互拡散し続け、印刷動作が完了する時点までに良好なポリマーレプテーション（層内及び層間）を達成する。さらに、焼結された薄膜６４ｆ及び３Ｄ部品７４が適度に低い温度に維持されるので、部品の変形がほとんど又は全く生じず、約２インチ／秒〜約８インチ／秒又は更に高速の範囲の、ｙ軸印刷方向における印刷速度等の高速印刷速度を維持することができる。
【０１１４】
さらに、より低い温度及び圧力で押圧ステップを実行することによって、平均部品温度に３Ｄ部品７４を維持するための予備加熱器、後加熱器及び冷却ユニット等の追加のシステムハードウェアを低減するか、又は幾つかの実施形態では、完全にシステム１０から削除することができる。これによって、３Ｄ部品７４の加熱／冷却変動が低減し、高速熱サイクルがベルト２２上の焼結された薄膜６４ｆに制限される。一方、上述したように、Comb他の米国特許出願公開第２０１３／０１８６５４９号及び同第２０１３／０１８６５５８号に記載されているように、幾つかの代替の実施形態では、層溶融転写アセンブリ２０は、任意選択で、１つ又は複数の後溶融加熱器及びエアジェット（又は他の冷却ユニット）、及び／又は他の装置（例えば、押圧プレート、複数のローラ等）を含むこともできる。
【０１１５】
さらに、焼結された薄膜６４ｆは、所望の転写温度に冷却される連続薄膜であるため、焼結された薄膜６４ｆが３Ｄ部品７４のビルド面７６と密に接触するように押圧されるとき、焼結された薄膜６４ｆの連続特性は、基礎をなす支持体の必要性を低減するか又は更にはなくすことができる。換言すれば、焼結された薄膜６４ｆは、３Ｄ部品７４の基礎をなす間隙を効果的にブリッジすることができ、これによって、多くの用途における支持材料要件を低減することができる。
【０１１６】
上記で論考した実施形態では、予備焼結加熱器６８は、好ましくは、非接触加熱器（例えば、赤外線加熱器）を組み込み、これは、現像された層６４に対し圧力を一切加えない。代替的に、図１２に示すように、予備焼結加熱器６８は、押圧ローラ６８ａ、バッキングローラ６８ｂ及び加熱要素６８ｃのローラ構成を組み込むことができる。
【０１１７】
この実施形態では、加熱要素６８ｃは、バッキングローラ６８ｂを上昇した温度まで加熱し、ベルト２２及び現像された層６４を加熱することができる。さらに、押圧ローラ６８ａは、低い量の圧力を現像された層６４に加えることができ、それによって、上昇した温度と、低い量の印加圧力との組合せにより、現像される層６４の粉末状材料が焼結され、焼結された連続薄膜６４ｆにされる。
【０１１８】
加熱されたローラ（すなわち、バッキングローラ６８ｂ）をベルト２２の裏側２２ｂに位置決めすることによって、押圧ローラ６８ａと対照的に、ベルト表面エネルギーが優勢な粘着性の表面となることが確実になる。さらに、押圧ローラ６８ａ及びバッキングローラ６８ｂのニップにおけるベルト２２の表面曲率も、ベルト２２において焼結された薄膜６４ｆを保持する傾向にある。
【０１１９】
したがって、このローラの実施形態は、焼結された薄膜７４が、上記で図４に示す実施形態よりも低い温度で予備焼結加熱器６８を出ることを可能にする。これに応じて、このローラ実施形態が、ニップローラ７２のより近くに配置されることが可能になる。なぜなら、焼結される薄膜６４ｆは、所望の転写温度まで冷却されるほど長い必要がないためである。さらに、赤外線加熱は、このローラ実施形態に必要とされないため、粉末状の材料は、任意選択で、赤外線吸収剤（例えば、カーボンブラック）を含まないことができ、これによって、様々な着色顔料及び染料が組成に組み込まれることが可能になる。
【０１２０】
システム１０は、多岐にわたる異なる粉末状の熱可塑性部品材料及び支持材料と共に用いるのに適している。適切な材料の例は、Martinの米国特許出願第１３／９４４，４７２号、同第１３／９４４，４７８号及び同第１３／９４４，４８３号、Jaker他の米国特許出願第１３／９５１，６２９号、及びRodgersの米国特許第１４／０７７，７０３号に論考されているものを含む。幾つかの実施形態では、システム１０は、ポリカプロラクタム（ＰＡ６）、ポリヘキサメチレンアジパミド（ＰＡ６，６）、ポリヘキサメチレンノナミド（ＰＡ６，９）、ポリヘキサメチレンセバカミド（ＰＡ６，１０）、ポリエナントラクタム（ＰＡ７）、ポリウンデカンラクタム（ＰＡ１１）、ポリラウロラクタム（ＰＡ１２）及びそれらの混合物等のポリアミドナイロン型材料と共に用いるのに特に適している。
【０１２１】
本開示は好ましい実施形態を参照して述べられたが、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細において変更を行うことができることを当業者は認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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