【誤訳訂正書】
【提出日】平成20年7月8日(2008.7.8)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】特許請求の範囲
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張を示す材料の固体要素を受容し、該材料を加熱し、そして該材料のフローを、分配先端部を通して、予め決定されたツールパスに沿って、吐出速度で堆積させる、液化機を有する押出し装置であって、材料推進機構を使用して、該材料の固体要素を、該液化機に、該吐出速度を制御するような投入速度で供給し、予め決定された目標吐出速度は、該ツールパスに沿って堆積される材料の所望の押出しプロフィールを達成するよう選択される押出し装置において、該目標吐出速度に吐出速度を一致させるための方法であって、
該方法は、以下の工程：
該ツールパスのセグメントに対応する時間ステップに対して、該吐出速度のメルトフロー成分（ＱMFS）を予測する工程であって、該メルトフロー成分（ＱMFS）は、該液化機において加熱される該材料の熱膨張に起因するフローの速度である、工程；および
該予測されたメルトフロー成分（ＱMFS）を補償するように、該時間ステップについての該投入速度（ＱiS）を指令する工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記予測する工程および前記指令する工程を、後の時間ステップに対して繰り返す工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記メルトフロー成分（ＱMFS）が、前記液化機のメルトフロー時間定数（τMF）および前記材料の熱膨張の百分率（％MF）の関数として予測される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
経時的な前記メルトフロー成分（ＱMFS）が、指数関数モデルを使用して予測される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記指数関数モデルが、前記液化機のメルトフロー時間定数（τMF）および前記材料の熱膨張の百分率（％MF）の関数である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
経時的なメルトフロー成分（ＱMFS）の前記指数関数モデルが、０からのＱiSのステップ変化について、以下の方程式：
【数１】
2005503283.tif 000001
によって与えられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記時間ステップにおける、前記吐出速度の前記メルトフロー成分（ＱMFS）を予測する工程が、先行する工程からのメルトフロー成分（ＱMFSt-1）を、該先行する時間ステップからの該メルトフロー成分の予測された変化（ΔＱMFS）に加算する工程を包含し、ここで、該時間ステップについての前記投入速度（ＱiS）が、方程式ＱiS＝（１＋％MF）（ＱTarget−ＱMFS）に従って指令され、ここで、ＱTargetとは、前記予め決定された目標吐出速度である、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記メルトフロー成分の前記予測された変化（ΔＱMFS）が、以下の差分方程式：
【数２】
2005503283.tif 000002
によって与えられ、ここで、ＱiSt-1とは、前記先行する工程からの前記投入速度であり、そしてΔｔとは、時間ステップの持続時間である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
押出装置であって、以下：
液化機であって、該液化機は、熱膨張を示す材料の固体要素を受容し、該材料を加熱し、そして該材料のフローを、該液化機の分配先端部を通して、予め決定されたツールパスに沿って、吐出速度で堆積させる、液化機；
材料推進機構であって、該材料推進機構は、該吐出速度を制御する投入速度（ＱiS）で、該液化機に該材料の固体要素を供給する、材料推進機構；
該材料推進機構に制御信号を提供するための制御器であって、該制御信号は、該投入速度（ＱiS）が、該吐出速度の予測されたメルトフロー成分（ＱMFS）を補償するように、該材料推進機構の作動を指令する、制御器、
を備える、押出装置。
【請求項１０】
前記制御器が、前記メルトフロー成分（ＱMFS）を、前記液化機のメルトフロー時間定数（τMF）および前記材料の熱膨張の百分率（％MF）の関数として予測するためのアルゴリズムを含む、請求項９に記載の押出装置。
【請求項１１】
前記アルゴリズムが、先行する時間ステップから次の時間ステップへの、前記メルトフロー成分の予測された変化を、以下の差分方程式：
【数３】
2005503283.tif 000003
に従って計算する工程を包含し、ここで、ＱiSt-1とは、該先行する時間ステップにおける投入速度であり、ＱMFSt-1とは、該先行する時間ステップにおける固体材料の吐出速度のメルトフロー成分であり、そしてΔｔとは、時間ステップの持続時間である、請求項１０に記載の押出装置。
【請求項１２】
経時的なメルトフローが、指数関数モデルを使用して予測される、請求項１０に記載の押出装置。
【請求項１３】
前記経時的なメルトフローの指数関数モデルが、０からのＱiSのステップ変化に対して、以下の方程式：
【数４】
2005503283.tif 000004
によって与えられる、請求項１２に記載の押出装置。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】押出装置におけるメルトフローの補償
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、押出しに基づく層状操作技術を使用する、三次元物体の製造に関する。より具体的には、本発明は、押出しヘッドに備えられる液化機（ｌｉｑｕｉｆｉｅｒ）に、固体モデル化材料を供給すること、およびこの材料を、流動可能な状態で、予め決定されたパターンで、三次元で、基部に対して押し出すことに関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元モデルは、美的な判断、数学モデルを証明すること、硬質ツーリングを形成すること、界面および空間の割当てを研究すること、ならびに機能性を試験することが挙げられる機能において、使用される。押出しに基づく層状製造機は、固化可能なモデル化材料を、押出しヘッドから、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムから提供された設計データに基づく予め決定されたパターンで押し出すことによって、三次元モデルを構築する。三次元物体を作製するための、押出しに基づく装置および方法の例は、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，１２１，３２９号、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，３４０，４３３号、Ｄａｎｆｏｒｔｈらの米国特許第５，７３８，８１７号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許第５，７６４，５２１号、およびＤａｈｌｉｎらの米国特許第６，０２２，２０７号（これらの全ては、本発明の譲受人であるＳｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．に譲渡されている）に記載されている。
【０００３】
液体または固体のいずれかのモデル化材料の供給材料は、押出しヘッドに供給される。モデル化材料の供給材料が固体形態である場合、この押出しヘッドは、この供給材料を、堆積のための流動可能な温度にする。１つの技術は、フィラメントストランドの形態で、モデル化材料を押出しヘッドに提供する。
【０００４】
従来技術のＳｔｒａｔａｓｙｓ  ＦＤＭ（登録商標）モデル化機械（これは、フィラメントフィードを使用する）において、モデル化材料は、例えば、米国特許第５，１２１，３２９号に開示されるように、供給リール上の可撓性フィラメント束として  この機械に装填される。固化の際に、先行する層に十分な結合で接着し、そして可撓性フィラメントとして供給され得る固化可能な材料は、モデリング材料として使用される。モータ駆動式の供給ローラは、フィラメントのストランドを、押出しヘッドに備えられる液化機に推進する。この液化機の内側で、このフィラメントは、流動可能な温度に加熱される。流動可能なモデル化材料は、液化機の遠位の端部のノズルから押出され、そしてこの液化機から基部上へと堆積される。フィラメントを液化機に押し込むモータ駆動式の供給ローラは、「液化機ポンプ」を作製し、ここで、フィラメント自体が、ピストンとして働く。供給ローラがフィラメントを液化機内に推進するにつれて、入ってくるフィラメントストランドの力が、流動可能な材料をノズルから押し出す。このノズルから押し出される材料の流速は、フィラメントがヘッドへと推進される速度の関数である。この流速は、液化機内にフィラメントを推進する速度を制御することによって、指令される。制御器は、水平なｘ，ｙ平面内での押出しヘッドの移動を制御し、垂直なｚ方向での基部の移動を制御し、そして供給ローラがフィラメントを推進する速度を制御する。これらのプロセス変数を同期して制御することによって、モデリング材料は、「ビーズ」の形態で、ＣＡＤモデルから規定されたツールパスに沿って１層ずつ堆積される。押し出される材料は、先に堆積された材料と融合し、そして固化して、ＣＡＤモデルを模倣する三次元物体を形成する。
【０００５】
液化機ポンプによって送達される、押出された材料は、正確なモデルを作製するために理想的に制御されるべき断面積のビーズを有する。通常、一定なビーズ幅が望ましい。ビーズ幅は、ポンプから出る材料の流速および押出しヘッドの速度に関連する。ビーズの幅はまた、押出しノズルの先端部と、先に押し出された層（または基部）との間のクリアランスによって、影響を受ける。ヘッドの速度が変化し、一方で流速が一定なままである場合、ビーズの幅もまた同様に、変動する。
【０００６】
先行技術の迅速な原型作製システムの１つの型は、押出しヘッドの運動を、一定の速度で、ポリラインを含むツールパスに沿って駆動する。ポリラインとは、各頂点におけるＸ−Ｙ座標対の列挙によって規定される直線の線分の、連続的な湾曲である。ヘッド速度は、ツールパスからのずれを最初にしながら、ポリラインに沿って迅速に押出しヘッドを移動させる一般的な目標を達成するように、予め選択される。その結果、ヘッド速度は、そのずれが、ポリラインに沿った最大の偏差についての最大の許容可能な追従誤差を超えないように十分にゆっくりでなければならない。ツールパスに沿った一定のヘッド速度を使用すると、ビーズの幅はかなり一定のままであるが、ツールパスの始点および終点において（例えば、「継ぎ目」の位置（すなわち、閉ループのツールパスの始点かつ終点）で）誤差が生じる。
【０００７】
先行技術の別の型の原型作製システムは、押出しヘッド速度を変化させて、モデル化機のスループットを増加させる。押出しヘッドは、ツールパスにおける直線部に沿って加速し、そして偏向角または頂点が存在する位置で減速する。米国特許第６，０５４，０７７号は、Ｘ−Ｙ軌道プロファイリング（これは、液化機ポンプの指数関数的階段応答に従う）を使用して、押出しヘッド速度を変化させるための、１つのこのような技術を記載する。押出しヘッドの速度プロフィールは、「サメの歯」のように見え、一方でポンププロフィールは、階段関数に従う。
【０００８】
先行技術の可変速度システムは、より大きいビーズ幅誤差を導入し、そしてまた、継ぎ目誤差を有することが観察された。ビーズ幅および継ぎ目の品質における誤差を減少させ、これによって所望の押出しプロフィールを達成し、一方で、可変速度システムのより高いスループットを可能にすることが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の簡単な要旨）
本発明は、液化機におけるモデル化材料の熱膨張を考慮することによって、先行技術において観察されるビーズ幅誤差および継ぎ目誤差を減少させる、液化機ポンプ制御の方法および装置である。モデル化材料の融解は、その材料の膨張を伴う。本発明は、融解膨張が、過渡的状態の間に、液化機からの予想されない押出し流速を生じることを認識する。本発明は、モデル化材料の熱膨張によって生じる押出し流速のメルトフロー成分を予測し、そして指令された流速において予測されたメルトフローを補償する。
【００１０】
（詳細な説明）
本発明の方法および装置は、熱膨張を示す材料を液化機ポンプから押出す、押出しシステムに関して使用され得る。具体的に適用可能なものは、押出しヘッドを利用して、流動可能に加熱された材料の「道」を堆積させ、そしてこの材料が、温度の低下の際に収縮および固化して固体モデルを形成する、種々の型のモデル化システムまたは原型作製システムである。好ましい材料の堆積および蓄積のプロセスは、米国特許第５，１２１，３２９号に開示される型のものである。
【００１１】
図１は、押出しヘッド２０を有する例示的な三次元モデル化機１０を示し、この押出しヘッドは、制御器２５の制御下で、モデル化材料を堆積させる。押出しヘッド２０は、液化機２６を備え、この液化機は、モデル化材料の供給材料を受容し、そしてこの材料を、押出しのために望ましい温度に加熱する。融解したモデル化材料は、液化機２６の先端部３０から、ビーズ２１の形態で、平坦な基部３２（部分的に示す）上に堆積される。示される好ましい実施形態において、モデル化材料の供給材料は、可撓性フィラメント１４である。代表的に、このフィラメントは、例えば０．０７０インチのオーダーの小さい直径を有する。フィラメント１４のコイルを備えるスプール１２が、スピンドル１６に設置される。フィラメント１４のストランドは、ガイド管１８を通して供給され、このガイド管は、フィラメント１４のストランドを、押出しヘッド２０へと経路決めする。材料推進機構２３は、モータ２４によって駆動される一対の供給ローラ２２からなり、フィラメント１４を液化機２６へと制御された速度で推進する。液化機２６、フィラメント１４、および材料推進機構２３は、一緒になって、液化機ポンプを形成する。
【００１２】
液化機２６は、フィラメント１４のストランドを、供給ローラ２２によって液化機２６内へと「ポンピング」することによって、加圧される。フィラメント１４のストランドが、ピストンとして働く。この加圧は、融解したモデル化材料を先端部３０から押し進める。ポンプから流れる液体材料の体積流量（ＱoL）は、供給ローラ２２の回転の速度を調節することによって、制御される。示されるように、フィードローラ２２の一方は、駆動ローラであり、制御器２５の制御下で、モータ２４によって駆動される。他方のローラ２２は、あそびローラである。制御器２５は、ローラ２２を駆動するモータ２４に制御信号を提供することによって、ポンプ流速ＱoLを制御する。
【００１３】
押出しヘッド２０は、ｘ−ｙ並進機３４によって、水平なｘ，ｙ平面内で、ツールパスに沿って駆動され、このｘ−ｙ並進機は、ＣＡＤモデルから送達される設計データに従って、制御器２５からの駆動信号を受信する。押出しヘッド２０がｘ−ｙ平面内で並進するにつれて、融解したモデル化材料は、尖端部３０から１層ずつ、基部３２上に制御可能に分配される。各層が分配された後に、基部３２は、ｚ軸並進機３６によって、予め設定された増分で、水直なｚ軸に沿って低下される。このｚ軸並進機もまた、制御器２５から駆動信号を受信する。分配された材料は融合し、そして固化して、ＣＡＤモデルに類似の三次元物体を形成する。支持構造体を構築するために使用されるモデル化材料は、物体を構築するために使用されるモデル化材料の分配と調和して、類似の様式で分配されて、構築中の物体の部分を支持し得る。
【００１４】
当業者によって理解されるように、モデル化の機械およびプロセスの、多くのバリエーションが可能である。例えば、押出しヘッド２０と基部３２との間の、三次元での任意の相対的運動が、物体を構築するために使用され得る。モデル化材料の供給材料、液化機、および材料推進機構は、種々の形態をとり得る。
【００１５】
モデル化材料として使用され得る材料としては、熱可塑性物質、金属、セラミック、および蝋が挙げられる。モデル化は、水であり得ることもまた、公知である。水を除いて、大部分のモデル化材料は、融解すると膨張する。先行技術のフロー制御方法は、この挙動を考慮せず、その結果、継ぎ目において、または始点と終点との間で、一定のビーズ幅を維持することができない。
【００１６】
先行技術において、液化機の制御は、圧力モデルに基づいた。このモデルは、圧力の変化に起因するモデル化材料の体積変化および分配先端部にわたる圧力低下を考慮するが、温度の変化に起因する体積変化を考慮しない。圧力モデルを適用すると、液化機のフロー制御は、米国特許第６，０５４，０７７号に記載されるもののように、複数の段階に分割される。これらの段階としては、ポンピング前段階（ここで、液化機ポンプは、オンであるよう命令されているが、時間遅延に起因して、材料をまだ押出さない）、および吸い戻し段階（ここで、液化機ポンプは、オフであるよう命令されているが、材料を押し出し続ける）が挙げられる。本発明は、フロー制御のための先行技術の技術を補うものとして、最も効果的に実行される。
【００１７】
図２ａは、閉じたツールパス（すなわち、同一の開始位置および停止位置を有するツールパス）に沿った、所望の押出しプロフィール４０を示す。押出しプロフィール４０は、良好な継ぎ目４６によって一緒に接合された、開始ツールパス位置４２および停止ツールパス位置４４を備える。押出しプロフィール４０において、ビーズ幅は一定のままであり、開始ツールパス部分４２と停止ツールパス部分４４との間に、平滑な移行を生じる。図２ｂおよび２ｃは、押出しプロフィールにおける誤差を示し、この誤差は、先行技術の圧力モデルが押出し速度を制御するよう実行される、閉じたツールパスに沿って観察される。図２ｂは、小量の継ぎ目を示し、一方で図２ｃは、多量の継ぎ目を示す。図２ｂに示される押出しプロフィール５０は、少量の（すなわち、細い）継ぎ目５６によって一緒に接合された、最初のツールパス部分５２および最後のツールパス位置５４を備える。少量の継ぎ目５６は、ツールパスの始点および終点における、他の位置で生じるより小さいビーズ幅によって引き起こされる。図２ｃに示される押出しプロフィール６０は、多量の（すなわち、太い）継ぎ目６６によって一緒に接合された、開始ツールパス部分６２および停止ツールパス部分６４を備える。多量の継ぎ目６６は、ツールパスの開始点および／または停止点において、多すぎる材料が押し出されることによって引き起こされる。
【００１８】
本発明は、モデル化材料の融解膨張が、所望の押出しプロフィールにおける誤差（例えば、図２ｂおよび２ｃに示される継ぎ目誤差）の有意な原因であることを認識する。本発明を利用して、押出される流速のメルトフロー成分が予測され、そして固体材料の投入速度を調節することによって補償され、ビーズ幅および継ぎ目における有意に減少した誤差を生じる。
【００１９】
本発明のメルトフロー補償は、液化機のフロー履歴を考慮して、メルトフローを考慮した流速を指令する。図３は、最小流速で作動する液化機２６の断面の、グラフ表現である。図４は、最大流速で作動する液化機２６の断面の、グラフ表現である。フィラメント１４は、投入（または指令された）流速ＱiSで液化機２６に供給され、融解速度ＱMで液化機２６内で液体７６に加熱され、そして吐出流速ＱoLで液化機２６の先端部３０から押し出される。示されるように、より高い流速において、液化機２６のより多くの部分が、融解したモデル化材料（液体７６）と比較して、フィラメント１４の形態の固体モデル化材料と接触する。このことは、液化機の制限された融解能力に起因する。投入流速ＱiSがより高い速度からより低い速度になる場合、液化機２６内の液体７６の量は増加し、そして吐出流速ＱoLは、メルトフロー成分ＱMFLを含む。このメルトフロー成分は、本発明によって、指令された投入流速ＱiSの下方への調整によって考慮される。
【００２０】
メルトフローを考慮するために、所定の作動システムのメルトフロー特徴が、方程式によってモデル化され得る。円筒形液化機中の材料の固体棒の融解速度は、およそ指数関数であることが観察されている。固体材料投入速度の階段的増加について、融解の速度は、固体材料の投入速度に等しい漸近値まで、指数関数的に増加する。液化機ポンプがオンにされると、液化機からの材料のメルトフロー速度は、およそ指数関数的に増加する。逆に、液化機ポンプがオフにされると、メルトフロー速度は、指数関数的に０まで低下する。従って、メルトフローは、液化機のメルトフロー時間定数に依存する指数関数方程式によって、予測され得る。
【００２１】
図５ａおよび５ｂは、先行技術による液化機ポンプがオフにされた場合の、材料のフローをグラフで表す。図５ａは、押出しプロフィール８０を示し、一方で図５ｂは、フローの量のグラフ表現である。押出しプロフィール８０の押出しにおいて、液化機ポンプを備える押出しヘッドは、一定速度で右に移動する。第一のツールパス地点８２において、指令された流速８７は一定速度であり、そして液化機ポンプは、定常状態に達するために十分に長時間オンにされている。第二の地点８４において、流速８７は、オフになるよう命令され（適切な「吸い戻し」圧力低下が実施される）、一方で押出しヘッドは移動し続ける。ポンプがオフになるよう命令される場合であってさえも、フローは続く。このさらなるフロー（これは、液化機中の融解した材料の考慮されない膨張によって生じる）が、押出しプロフィール８０の過剰部分８６を生じる。この過剰部分８６は、測定され得、そして指数関数的形状を有する。押出しヘッドが地点８４において移動を停止するべきである場合、膨張に起因する過剰のフローは、大きいボールまたは多量の継ぎ目を、この地点において作製する。
【００２２】
図５ｂにおいて、指令された流速８７は、目標フローを表す階段関数である。この目標フローにおいて、ポンプがオンにされる時点からポンプがオフにされる時点まで、このフローが一定のままであることが望ましい。しかし、材料の膨張の考慮に起因して、このポンプは、指令された流速８７と等しくない、実際の流速８８を有する。即座に０に低下するよりむしろ、実際の流速８８は、ポンプがオフにされたときに、地点８４の後に０への指数関数的低下を経験する。
【００２３】
図６ａおよび６ｂは、先行技術による液化機ポンプがオンにされた場合の、材料のフローをグラフで表す。図６ａは、押出しプロフィール９０を示し、一方で図６ｂは、フローの量のグラフ表現である。押出しプロフィール９０において、押出しヘッドは、一定速度で右に移動している。液化機ポンプは、定常状態にほぼ達するまでオンのままであり、次いで、オフになるよう命令される。第一のツールパス地点９２において、このポンプは、流速９７（これは、一定である）でオンであるように命令されるが、指令されるフローの全てが即座に押し出されるわけではない。時間定数の３倍の後、第二のツールパス地点９４において、流速９７は、オフになるよう命令される。押出しプロフィール９０の部分９５（地点９２と９４との間）に沿って、押出されたビーズは、実際の流速９８が指令された流速９７に近付くにつれて、広くなる。地点９４において、実際の流速９８は、指令された流速９７に追い付く。図５ａおよび５ｂの例においてと同様に、液化機内の材料の熱膨張に起因して、ポンプがオフにされた後に、フローは続く。ポンプがオンであるように命令される場合に失われるフローの体積は、ポンプがオフになるよう命令された後に押出される材料の過剰の体積に等しい（入る質量は出る質量に等しい）。
【００２４】
図６ｂにおいて、指令された流速９７は、目標の流速を表す階段関数である。上記のように、ポンプが地点９２においてオンにされると、実際の流速９８は、最初、指令された流速９７と等しくなく、むしろ、指令された流速９７へと指数関数的に増加する。定常状態（すなわち、指令された流速９７）に達するために必要とされる時間は、液化機の壁からの熱が固体材料の中心に伝導するためにかかる時間に等しい。この挙動についてのメルトフロー時間定数（ＴMF）０．０７０の公称直径を有するフィラメントについて、１秒〜３秒の間であり、そして定常状態に達するまでの時間は、時間定数の約３〜４倍に等しい。
【００２５】
液体材料の吐出流速ＱoLは、液化機に供給される材料の速度（ＱiS）と固体フィラメントが融解する速度（ＱM）との両方の影響を受ける。融解に起因する材料の吐出流速（すなわち、メルトフロー）は、以下の方程式によって予測され得る：
ＱMFL  ＝  ％MF  ×  ＱM      （１）
ここで、％MFとは、融解の間のモデル化材料の膨張の百分率であり、そしてＱMFLとは、融解に起因する液体材料の吐出流速である。本発明は、液体材料の吐出流速ＱoLを、材料が液化機に供給される速度と、メルトフロー成分との合計としてモデル化する：
ＱoL  ＝  ＱiS  ＋  ＱMFL  ＝  ＱiS  ＋  ％MF  ×  ＱM      （２）。
【００２６】
任意の所定の時点で、液体材料の吐出速度ＱoLは、以下の方程式に従って、固体材料の吐出速度ＱoSの関数として書かれ得：
ＱoL  ＝  ＱoS（１＋％MF）      （３）
従って、固体材料の吐出速度ＱoSは、以下のように書かれ得る：
【００２７】
【数５】
2005503283.tif 000005
方程式（４）は、以下のように換算され得る：
【００２８】
【数６】
2005503283.tif 000006
定常状態の条件において、ＱM＝ＱiSであり、そして方程式（５）は、以下のように換算される：
ＱoS  ＝  ＱiS      （６）
非定常状態の条件において、方程式（５）はまた、融解に起因する固体材料の速度が以下の方程式によって予測され得ることを認識することによって、単純化され得る：
【００２９】
【数７】
2005503283.tif 000007
その結果、固体材料の吐出速度ＱoSは、以下によって与えられる：
【００３０】
【数８】
2005503283.tif 000008
本発明は、指令された投入速度を設定する際に、材料の膨張により引き起こされるメルトフローを補償し、その結果、吐出流速は、目標の流速におよそ一致する。先の例において、階段状の投入が仮定され、そして液化機ポンプは、時間定数の少なくとも３倍にわたってオンであり、その結果、ほぼ定常状態の条件が達成された。しかし、時間の関数としての任意のメルトフローが、本発明を使用して補償され得る。
【００３１】
メルトフローは、所定の作動システムに適切であり得る多くの様式で、時間の関数として表され得る。例示的な実施形態のフィラメントポンプ液化機についての適切な式は、指数関数式である：
【００３２】
【数９】
2005503283.tif 000009
ここで、ＴMFは、融解に起因する流速の指数関数的増加を規定する時間定数であり、そしてＱMFSは、融解膨張に起因する固体材料の膨張の速度（すなわち、押出し後に再固化した材料の膨張に起因する流速）である。方程式（９）を微分すると、差分方程式ΔＱMFSが、以下のように表される：
【００３３】
【数１０】
2005503283.tif 000010
次いで、方程式（１０）は、１つのステップから次のステップへのメルトフローの時間的な変化を計算するために、使用される。この計算は、任意の所定のフロー履歴に対して妥当であり、そして投入フローの形態にかかわらず妥当である。
【００３４】
図７ａおよび７ｂは、液化機ポンプによって生じる材料のフローをグラフで表し、ここで、メルトフローが、本発明に従って考慮されている。図７ａは、本発明に従う液化機ポンプによって押出された押出しプロフィール１００を示し、一方で図７ｂは、この液化機ポンプによって生成するフローの量のグラフ表現である。
【００３５】
押出しプロフィール１００の押し出しにおいて、押出しヘッドは、一定速度で右に移動する。第一の地点１０２において、このポンプはオンにされ、指令された流速１０４は、目標流速より高い速度に設定される。次いで、指令された流速１０４は、目標速度まで指数関数的に減衰する。第二の地点１０６において、指令された流速１０４は、まず、方向を逆にし、次いで、０の目標速度まで指数関数的に減衰する。この様式で、押出しプロフィール１００は、一定のビーズ幅を有し、そして実際の流速１０８は、目標流速に等しい。重要なことには、ポンプがオンにされた場合の過剰のフローの量は、ポンプがオフにされた場合の流れの不足に等しい。
【００３６】
（方法）
メルトフロー速度を補償する際の第一の工程は、各時間段階における目標吐出流速を決定することである。この目標速度は、液体材料または再固化した材料のいずれかの、所望の吐出流速であり、所望の押出しプロフィールを（およそ）達成するように選択される。本明細書中の議論を簡便にするために、目標速度を、再固化した材料の所望の吐出流量と考える。次いで、この目標流量は、作動システムの熱プロフィールを表す定数（メルトフロー時間定数ＴMF、および融解膨張の百分率％MF）と一緒になって、各時間ステップにおける指令された投入流速を計算するために使用される。指令された投入流速を計算するために、１つの時間ステップから別の時間ステップへの吐出流速のメルトフロー成分が予測される。メルトフロー速度は、各時間ステップについて、融解膨張に起因する固体材料膨張の速度の変化ΔＱMFSを計算することによって、予測され得る。液化機が、少なくともメルトフロー時間定数の４倍にわたって押出されない後に、最初にアクティブにされる場合、初期メルトフロー速度ΔＱMFSは、０とみなされる。メルトフロー速度の変化ΔＱMFSは、メルトフロー速度の以前の値に加算されて、新たなメルトフロー速度の値を計算する。次いで、この新たなメルトフロー速度は、システム制御器において目標流速から減算されて、所望の押出しプロフィールを生じる。この計算は、液化機が非アクティブになるまで、各時間ステップについて繰り返される。
【００３７】
（実行）
本発明の実行は、所定の作動システムについて、メルトフローに起因する膨張の百分率％MF、およびメルトフロー時間定数ＴMFを同定すること；いくつかの変数（ΔＱMFS、一時的変数ＱMFS,t（時刻ｔにおける固体材料押出しのメルトフロー成分を表す）、および指令された吐出変数ＱiS）について方程式を定義すること；２つの投入変数（時間ステップΔｔ、および目標流速ＱTarget（これは、時間の関数である））を提供すること；およびΔＱMFS,t-1についての初期値を提供することによって、実施され得る。
【００３８】
本明細書中の例示的な実施形態に記載されるような液化機ポンプを使用する作動システムにおいて、本発明を実行するためのアルゴリズムは、以下の通りである：
ｔ＝０において、ＱMFS,t＝ＱMFS,t-1＝ΔＱMFS＝０
時刻ｔにおいて、固体材料の押出しの速度のメルトフロー成分は、以下によって与えられる：
ΔＱMFS,t  ＝  ΔＱMFS,t-1  ＋  ΔＱMFS      （１１）
次いで、ｔ−１からｔまでの時間ステップにおける目標流速を近似するように指令されるべき固体材料の投入流速が、ＱiSについて上に記載された方程式（８）を使用して、計算され得る：
ＱiS  ＝  （１＋％MF）×（ＱTarget−ＱMFS,t）      （１２）
システム制御器は、計算された投入流速で液化機に材料を提供するように材料推進機構を指令して、その時間ステップについての目標流速を達成する。その時間ステップから次の時間ステップへのメルトフロー速度の変化は、上記方程式（１０）の適用によって与えられる：
【００３９】
【数１１】
2005503283.tif 000011
次いで、メルトフロー速度の計算された変化を、方程式（１１）において使用し、そしてこのアルゴリズムが、各時間ステップについて繰り返される。
【００４０】
膨張の百分率％MFおよびメルトフロー時間定数ＴMFSは、所定の作動システムについて独特であることが理解されるべきである。これらの特性は、計算され得るか、または特定の作動システムの作動温度において、所定のモデル化材料について実験的に測定され得る。図１に示される例示的な実施形態において、このシステムについてのメルトフロー時間定数は、長い円柱における半径方向の熱伝導のモデルから、推定され得る。この場合、フィラメントは、熱い液化機に押し込まれることによって、外壁温度の増加に突然供された、長い円柱である。この古典的な熱移動の状況についての図解は、多くの異なる熱移動の教科書（例えば、「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｈａｒｔｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｈｅａｔｉｎｇ」Ｈｅｉｓｌｅｒ，Ｍ．Ｐ．，Ｔｒａｎｓ．ＡＳＭＥ，６９，（１９４７））に提示されている。一定の壁の温度の境界条件を表す図の線は、ｅｘｐ［−（５．３１×α×ｔ／（ｒ０２）］に比例するように表され得、ここで、αは、モデル化材料の熱拡散率であり、そしてｒ0は、フィラメント半径である。この状況におけるメルトフロー時間定数は、以下の方程式によって与えられる：
τMF  ＝  （ｒ02）／（５．３１×α）
ここで、α＝材料の熱拡散率＝ｋ／（ρ×ｃｐ）であり、ここでｋは、熱伝導率であり、ρは、密度であり、そしてｃｐは、比熱である。
【００４１】
Ｓｔｒａｔａｓｙｓ（登録商標）三次元モデル化機において使用されるＡＢＳフィラメントの場合：
ｒ0＝０．０３５インチ
ｃp＝０．４５ＢＴＵ／（ｌｂｍ−Ｆ）（平均値、２５℃〜２５０℃）
ρ＝０．０３７６ｌｂｍ／ｉｎ3
ｋ＝２．２８Ｅ−６ＢＴＵ／（秒・ｉｎ・Ｆ）
である。従って、α＝２．２８Ｅ−６／（０．０３７６×０．４５）＝１３５Ｅ−６（ｉｎ2／秒）であり、そしてτMF＝（０．０３５）2／（５．３１×１３５Ｅ−６）＝１．７秒である。ポリスチレン材料（これは、ＡＢＳを代表とする）についての比容量は、３０℃における０．９６ｃｍ3／ｇから、２５０℃における１．０６ｃｍ3／ｇまで変化する（「ＰＶＴ  Ｄａｔａ  ｆｏｒ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ」；ＺｏｌｌｅｒおよびＷａｌｓｈ，Ｔｅｃｈｎｏｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，１９９５，１３３頁）。これは、１０％の増加である；従って、この材料について、％MF＝０．１０である。
【００４２】
理論的に得られる、メルトフロー時間定数および膨張の百分率についての値は、実際の系の値の推定であり、工学的仮説に基づいてなされる。これらの定数は、実際の系の応答をより正確に特徴付ける値を得るために、物理的作動システムによって与えられる押出しプロフィールにおける実際の誤差の物理的観察によって修正され得る。Ｓｔｒａｔａｓｙｓ（登録商標）  ＦＤＭ（登録商標）三次元モデル化機において、実験的に、ＡＢＳ熱可塑性物質についてのメルトフロー時間定数は、２．０秒であると測定され、そしてメルトフロー膨張は、８％であると測定された。実験的に誘導された定数を用いるこの機械において、押出しプロフィールにおける最悪の場合の誤差は、８０〜９０％減少した。
【００４３】
（用語解説）
以下の表は、本願を通じて使用される変数のいくつかを定義する：
【００４４】
【表１】
2005503283.tif 000012
本発明は、好ましい実施形態を参照して記載されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式および細部において変化がなされ得ることを認識する。例えば、本明細書は、三次元モデル化適用に焦点を当てるが、本発明のメルトフロー補償は、予め決定された押出しプロフィールを達成することを求める他の型の押出しシステムに適用可能であることが理解されるべきである。本発明が適用され得る他の分野としては、接着剤を分配する適用（例えば、車、おむつ、箱および衣類の組み立て）ならびにはんだペーストの押出し（例えば、回路基板の作製において使用される）が挙げられる。さらに、本明細書中に記載される例示的な作動システムにおいて、メルトフロー速度は、液化機のメルトフロー時間定数に依存する指数関数に近似される応答を有する。従って、本発明の好ましい実施形態において、指令されたポンプ流速は、メルトフローの推定された指数関数的プロフィールに従って決定される。指数関数は、単純さの利点を有するが、ほとんどの適用に対して十分な正確さを提供する。しかし、所定の作動システムについての流速プロフィールは、他の型の時間応答関数（例えば、多項式関数または高次方程式）に当てはめられ得、これらは、より複雑であるが、より大きな正確さを提供し得る。本発明のメルトフロー補償は、メルトフローのより複雑なモデルが使用される場合に特に、ルックアップテーブルを使用して実行され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、三次元モデル化機における、液化機ポンプ押出し装置の概略斜視図である。
【図２ａ】図２ａは、良好な継ぎ目によって一緒に接合された押出しプロフィールを示す。
【図２ｂ】図２ｂは、少量の継ぎ目によって一緒に接合された、押出しプロフィールを示す。
【図２ｃ】図２ｃは、多量の継ぎ目によって一緒に接合された、押出しプロフィールを示す。
【図３】図３は、最小流速で作動している液化機のグラフ表現である。
【図４】図４は、最大流速で作動している液化機のグラフ表現である。
【図５】図５ａは、定常状態で作動し、次いでオフにされた、先行技術の液化機ポンプによって押出された押出しプロフィールの図である。図５ｂは、図５ａの液化機ポンプによって生成されるフローの量のグラフ表現である。
【図６】図６ａは、オンにされ、次いでオフにされた場合の先行技術の液化機ポンプによって押出された、押出しプロフィールの図である。図６ｂは、図６ａの液化機ポンプによって生成されるフローの量のグラフ表現である。
【図７】図７ａは、オンにされ、次いでオフにされた場合の本発明に従う液化機ポンプによって押出された、押出しプロフィールの図である。図７ｂは、図７ａの液化機ポンプによって生成されるフローの量のグラフ表現である。
【誤訳訂正３】
【訂正対象書類名】図面
【訂正対象項目名】図５
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【図５】
2005503283.tif 000013
【誤訳訂正４】
【訂正対象書類名】図面
【訂正対象項目名】図６
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【図６】
2005503283.tif 000014
【誤訳訂正５】
【訂正対象書類名】図面
【訂正対象項目名】図７
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【図７】
2005503283.tif 000015