(57)【要約】固体自由形状製造によって物体を作成する方法は、好ましくは異なる体積の液滴（３０４，３０５）を射出して物体の層（３０２）を形成する段階を含む。液滴（３０４，３０５）は、構造材料内に射出されるバインダ液滴でもよく、物体を形成するために使用される構造材料を含んでいてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体自由形状製造によって物体を作成する方法であって、
異なる体積の液滴（３０４，３０５）を射出して前記物体の層（３０２）を形成すること
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記液滴（３０４，３０５）がバインダを含み、前記液滴を構造材料層（３０２）内に射出すること
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記液滴（３０４，３０５）が、前記物体を着色するインクをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記液滴（３０４，３０５）が、構造材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記液滴（３０４，３０５）が、前記物体を着色するインクをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
電子データから所望の物体を作成する固体自由形状製造システムであって、
粉末の原料材料層を保持する製造チャンバ（１０２）と、
前記製造チャンバ内に粉末の連続した複数の層を分布させ、各粉末層にバインダを選択的に射出する可動ステージ（１０３）とを含み、
前記可動ステージ（１０３）が、少なくとも２つの異なる体積のバインダの液滴（３０４，３０５）を前記粉末内に射出するように構成される印刷ヘッドを含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
第１の体積の液滴（３０５）が、前記第１の体積よりも大きい第２の体積の液滴（３０４）の間に配置されることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の体積の前記液滴（３０５）が、前記物体の表面層（３０６）に沿ってのみ射出されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
第２の体積よりも小さい第１の体積の液滴（３０５）が、前記所望の物体の層の間の段丘（４０８）に射出されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
電子データから所望の物体を作成する固体自由形状製造システムであって、
前記物体の層を選択的に形成するために構造材料の液滴（３０４，３０５）を射出する印刷ヘッド（３１２，３１４）を含み、
前記液滴（３０４，３０５）が、少なくとも２つの異なる体積のものであることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
固体自由形状製造は、最終製品、プロトタイプ部品および作業ツールを含む立体物体を製造する方法である。固体自由形状製造は、電子データで表された物体を、原料物質から層ごとに自動的に作成する加法的なプロセスである。固体自由形状製造のいくつかの主要な形態は、インクジェット印刷技術を使用して実行される。
【０００２】
印刷技術を使用する固体自由形状製造システムの１つのタイプでは、いくかの印刷された平面層を組み合わせて平面または非平面の立体物体を形成する。部品は、粉末またはスラリブリックの平らな層の上にバインダを「印刷」または射出することによって製造される。バインダを射出すると、粉末は、形成している物体の断面に固化される。この印刷は１層づつ実行されて、各層が所望の最終製品の別の断面を表す。隣り合って印刷された層が所定のパターンで互いに接着されて所望の製品が構成される。
【０００３】
このシステムは、製造チャンバ内の粉末から所望の物体の各層を選択的に形成する他に、物体の各層に色または色パターンを印刷することができる。結合と着色の機能が統合されるように、バインダが着色されることがよくある。
【０００４】
例えば、いくつかの異なる色のインクを印刷ヘッドのノズルから選択的に射出し、例えば粉末層などの構造材料上で混合してすべての色を実現するインクジェット印刷技術を利用することができる。それぞれ個々の層上で、従来の二次元マルチパス印刷技術とハーフトーン処理アルゴリズムを使用して、印刷欠陥を隠しかつ広範囲の所望の色相を実現することができる。
【０００５】
バインダを粉末に加えるために印刷技術を使用するこれまでの固体自由形状製造システムでは、一般に、バインダフラックスをできるだけ高くするためにバインダの液滴は比較的大きい。バインダフラックスは、所定の期間にどれだけ多くのバインダが使用されるかの尺度である。バインダフラックスが高いほど、固体自由形状製造システムの製造速度が早くなる。
【０００６】
しかしながら、バインダの大きい液滴を使用すると、小さい特徴形状と滑らかな面を作成するのが困難または不可能になる。製造する物体は、バインダの液滴にそれぞれ対応するボクセルすなわち三次元ブロックからなると考えることができる。考えられる最も小さいボクセルは、粉末サイズとバインダの液滴サイズのいずれかにより制限される。現在の固体自由形状製造ツールは大きい液滴を使用しているため、ボクセルサイズの限定要因は、通常、バインダの液滴体積である。
【０００７】
したがって、これまでの固体自由形状製造システムは、精巧な細部を有する物体を作成するために、物体全体に小さいバインダ液滴を使用している。小さい液滴を使用すると、物体に対する細部の付加と滑らかな表面仕上げが容易になるが、インク／バインダフラックスの低下によって装置の処理速度が遅くなり、製造時間が長くなる。
【発明の開示】
【０００８】
多くの可能な実施形態のうちの１つにおいて、固体自由形状製造により物体を作成する方法は、異なる体積の液滴を射出して物体の層を形成することを含むことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
添付図面は、本発明の様々な実施形態を示し、明細書の一部である。示した実施形態は本発明の単なる例であり、本発明の範囲を限定しない。
【００１０】
図面全体にわたって同一の参照番号は類似してはいるが必ずしも同一とは限らない要素を指す。
【００１１】
本明細書において、固体自由形状製造システムで物体を作成するための技術、好ましくは印刷技術を含む方法およびシステムを説明する。説明するこの方法およびシステムは、可変体積のバインダおよび／またはインク滴を使用することによってより望ましい表面仕上げの物体を作成することができるという認識を含む。また、説明する方法およびシステムは、可変体積の液滴を使用して、製品の層間の段丘構造を減少させるかまたは最小にすることによって作成される製品により精巧な特徴形状を作成することを含む。
【００１２】
本明細書全体にわたって使用され、また添付の特許請求の範囲に使用されているように、用語「可変サイズの液滴」、「可変体積の液滴」、および類似の用語は、複数の異なる体積の液滴の使用を指し、その体積は、固体自由形状製造によって物体を構成するためのバインダ、インク、あるいは好ましくはバインダとインクの組み合わせを含む。用語「小滴」と「大滴」の使用は、液滴でのバインダおよび／またはインクの相対的な体積を区別するために使用され、特定の定量的な値を指すことはない。物体を作成するために構造材料の層を結合しかつ／または着色するために使用される液滴体積サイズは同一物体内で変化する。
【００１３】
さらに、この明細書および添付の特許請求の範囲で使用されているような、用語「インク」は、製造している物体に印をつけかつ／または着色するために印刷ヘッドから射出される任意の物質を意味するように広義に使用される。従って、用語「インク」は、インク、印刷流体、トナー、着色剤などを含むがこれらに限定されない。
【００１４】
図１は、印刷技術を使用する１つの固体自由形状製造システムを示す。図１の固体自由形状製造システム（１００）において、所望の製品の個別の層をそれぞれ形成するために粉末材料が使用される。そのため、最初に、計量された量の粉末が供給チャンバから提供される。次に、可動ステージ（１０３）に組み込まれることが好ましいローラが、製造チャンバ（１０２）の上に粉末を分散させ所望の厚さに圧縮する。
【００１５】
可動ステージ（１０３）は、また、製造チャンバ（１０２）内の粉末に接着剤またはバインダを２次元パターンで選択的に付着させる印刷ヘッドを含むことが好ましい。この２次元パターンは、所望の製品の断面である。接着剤またはバインダは、所望の製品のこの特定の断面に所望の色または色パターンを提供するインク、トナーまたは他の材料で着色されてもよい。
【００１６】
粉末は、接着剤が付着された領域内で結合され、それにより所望の製品の層が形成される。このプロセスが繰り返され、製造チャンバ（１０２）内で前の層の上に粉末の新しい層が付着される。次に、所望の製品の次の断面が、接着剤またはバインダによって新しい粉末層に印刷される。接着剤は、所望の製品の隣り合った層または連続した層を結合する働きをする。
【００１７】
このプロセスは、製造チャンバ（１０２）の粉体層内で物体全体が形成されるまで続く。接着剤で結合されない余分な粉末はブラシによって除去され、基本物体または「未処理」物体が残る。ユーザが製造プロセスを制御できるようにユーザインタフェースまたはコントロールパネル（１０４）が提供される。
【００１８】
そのような印刷プロセスには、製造が早く、構造材料のコストが安いという長所がある。これは、最も高速な固体自由形状製造方法の１つと考えられ、様々な色の製品を作成することができる。
【００１９】
可動ステージ（１０３）の印刷ヘッドは、バインダおよび／または着色剤を構造粉末の層内に射出するインクジェット技術を含むことが好ましい。印刷ヘッドは、インクジェット技術を使用して、製造している物体を作成し着色するためにインクおよび／またはバインダの液滴を選択的なパターンで射出する。
【００２０】
しかしながら、製造している物体のそれぞれ個々の層に単一体積サイズのバインダおよび／またはインク滴を使用する代わりに、液滴の体積を必要に応じて変化させて、製造している物体のより滑らかな表面仕上げを実現しまたはより精巧な特徴形状を作成することができる。従って、後で示すように、液滴体積の変化が、特に製造している物体の表面または輪郭あるいは段丘面に有効なことがある。
【００２１】
本明細書で使用されるとき、用語「段丘」または「段丘構造」は、高さの変化または段を意味するために広義に使用されている。したがって、「段丘」は、製造している物体内の垂直面または傾斜面、湾曲面、輪郭、縁、高さ変化などを含むがこれらに限定されない。
【００２２】
可変体積の液滴の概念は、滑らかな輪郭および表面を容易にしかつ段丘サイズを最小にするので有利である。輪郭や段丘などを形成する際により小さい液滴を使用することができ、より小さい液滴サイズに対応する、より小さな構造材料の増分からそのような特徴形状を形成することができる。それにより、複雑な立体物体の段丘状の段は、大きい液滴サイズに対応する大きい増分（ボクセル）で形成されるように制限されなくなる。
【００２３】
前述のように、固体自由形状製造では、使用されるバインダ材料および／またはインクの高いフラックスを容易にするために大きい液滴サイズが使用される。バインダフラックスが高いと、物体を製造できる速度が向上する。本明細書に開示した方法およびシステムは、大きい液滴サイズの使用による迅速な製造の利点を維持し、同時に小さい液滴サイズを使用することによってより滑らかな表面仕上げとより正確な表面特徴形状を作成する能力が追加される。
【００２４】
図２の（ａ）は、印刷技術を使用する固体自由形状製造によって作成される一般的な物体（２００）の断面を示す。図２の（ａ）に示した断面は、任意の物体の断面でよく、円筒、平面、球、または任意の他の形でよい。この示した断面は、単に説明用のものであることを理解されよう。本明細書に示した方法およびシステムを使用して任意のタイプまたは形状の物体を作成することができる。
【００２５】
一般的な物体（２００）は、例えば粉末層（２０２）などの構造材料の層から作成される。一般的な物体（２００）の一部を構成する粉末層（２０２）の一部分は、バインダまたは接着剤、好ましくは着色されたバインダまたは接着剤によって融合される。図２の（ａ）に示したように、バインダは、複数または１組の大体積液滴（２０４）として射出される。１組の大体積の液滴（２０４）は、粉末層（２０２）の表面（２０６）に射出される。
【００２６】
図２の（ｂ）に示したように、大体積の液滴（２０４）が粉末層（２０２）の表面（２０６、図２ａ）にぶつかると、大体積の液滴（２０４）に対応する一連のクレータ（２０８）が形成される。各クレータ（２０８）は、一般に、関連した比較的高い壁（２１０）を有する。この大きなクレータ（２０８）と高い壁（２１０）によって、表面仕上げが粗くなりこれは多くの製造用途に望ましくない。しかしながら、大体積の液滴（２０４）は、表面（２０６、図２の（ａ））の全体にわたってわずかな数のバインダ液滴を射出するだけでよいので製造を迅速にする。
【００２７】
したがって、迅速な製造を維持しまた表面粗さを少なくするために、可変体積サイズの液滴が構造材料に付着されることが好ましい。図３の（ａ）は、印刷技術を使用する固体自由形状製造によって製造されるもう１つの一般的な物体（３００）の断面を示す。図３の（ａ）に示した断面は、任意の物体のものでもよく、円筒、平面、球または他の形でもよい。この示した断面は、単に説明用のものである。本明細書に示した方法およびシステムは、任意のタイプまたは形状の断面を有する物体に利用することができる。
【００２８】
物体（３００）は、また、構造材料から製造される。この実施形態によれば、構造材料は粉末層（３０２）である。粉末層（３０２）の表面（３０６）の隣りには、少なくとも２つの異なる体積のバインダおよび／またはインクの液滴が示されている。示した可変体積の液滴は、第２組の小さい液滴（３０５）が間に入れられた第１組の大きい液滴（３０４）を含む。
【００２９】
大きい液滴（３０４）と小さい液滴（３０５）の間隔は等しくなくてもよいが、等しくてもよい。いくつかの実施形態において、大体積の液滴（３０４）は、約２０〜約５０ｐｌ（ピコリットル）の範囲である。しかしながら、この範囲は、他の実施形態では約１０〜約２００ｐｌに時として増える場合がある。さらに、いくつかの実施形態において、小体積の液滴（３０５）は、約５〜約２０ｐｌの範囲でよい。また、小体積の液滴（３０５）のサイズの範囲は、約１〜約５０ｐｌの範囲でもよい。
【００３０】
しかしながら、小体積の液滴（３０４）と大体積の液滴（３０５）は、特定の体積には限定されず、単に小体積の液滴（３０５）は大体積の液滴（３０４）よりも小さいだけである。他の様々な液滴のサイズが、大きい液滴と小さい液滴（３０４と３０５）の間に入れられてもよく、実施形態は２つの体積の液滴サイズだけに限定されないことを理解されよう。
【００３１】
インクジェット印刷技術は、選択的にサイズが決められた液滴を射出することができる印刷ヘッドを提供する。射出される液滴の体積を制御できる任意の技術を使用することができる。例えば、インクジェット印刷ヘッドは、一般に、サーマル素子または圧電素子を使用してチャンバからインク滴を射出する。放出される液滴のサイズは、液滴が射出されるチャンバのサイズの制御と、液滴を射出するために使用される熱または圧力の制御を含むいくつかの方法で制御することができる。
【００３２】
大体積の液滴（３０４）は、別の組のインクジェットノズル（３１２）または他の射出装置から射出されてもよい。第１組のインクジェットノズル（３１２）は、単色（透明、白、別の色など）のバインダおよび／またはインクを射出してもよい。カラー製造が必要な場合は、様々な色（一般のシアン、マジェンタ、黄、黒、透明、白、またはその組み合せ）のインクおよび／またはバインダを射出する別の組のインクジェットノズルがあってもよい。いくつかの実施形態において、大きい液滴（３０４）を形成するインクジェットノズルは、小さい液滴（３０５）を形成するノズルと別の印刷ヘッド内に形成されてもよい。様々な実施形態において、ノズル（３１２および／または３１４）を備えた印刷ヘッドは、構造材料の上を移動してバインダおよび／またはインクを特定のパターンで選択的に射出することが好ましい。
【００３３】
同様に、小体積の液滴（３０５）はそれぞれ、同じまたは別の印刷ヘッドのノズル（３１４）から射出されてもよい。大きい液滴ノズル（３１４）と小さい液滴ノズル（３１２）が異なる印刷ヘッドに設けられている場合、小さい液滴（３０５）を大きい液滴（３０４）の着弾位置の間の表面（３０６）に配置できるように印刷ヘッドを移動させなければならない。大きい液滴用のノズル（３１４）と小さい液滴用のノズル（３１２）は、図３の（ａ）に示したように単一の印刷ヘッド内に散在されることが好ましい。
【００３４】
代替として、大体積の液滴（３０４）と小体積の液滴（３０５）とは、異なるサイズの液滴を選択的に形成することができるノズルを備えた単一の印刷ヘッドから射出されてもよい。例えば、ピエゾドロップオンデマンド（ＰＩＪ）印刷ヘッドが市販されており、１つのオリフィスから様々なサイズの液滴を射出することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態において、小さい液滴用の各インクジェットノズル（３１４）が、透明なバインダまたは接着剤だけを射出し、その結果、製造される物体（３００）の色は大きい液滴（３０４）だけの作用を受ける。しかしながら、本発明の他の実施形態は、大きい液滴（３０４）と小さい液滴（３０５）の両方にインクを含む。
【００３６】
図３の（ｂ）に示したように、小体積の液滴（３０５、図３の（ａ））は、大体積の液滴（３０４、図３の（ａ））の間に入れられ、粉末層（３０２）の表面（３０６、図３の（ａ））にぶつかり、大体積の液滴（３０４、図３の（ａ））によって作成された対応するクレータ（３０８）は、大体積の液滴（２０４、図２の（ａ））だけを使用して形成された高い壁（２１０、図２の（ｂ））よりもさらに低い壁（３１０）を有する。小さい液滴（３０５）を大きい液滴（３０４）の射出と同時またはその後で射出することが好ましく、その結果、小さい液滴（３０５）は、大きい液滴クレータ（３０８）間に形成された壁（３１０）にぶつかり壁を低くする。
【００３７】
その結果、大体積の液滴（３０４）の間に小体積の液滴（３０５）を入れることによって、通常ならばできる図２の（ｂ）に示した高い壁（２１０）が減少する。図３の（ａ）〜図３の（ｂ）の実施形態によれば、小体積の液滴（３０５）は、大体積の液滴（３０４）間にある表面（３０６）領域に正確に向けられる。小体積の液滴が加えられたときに低い壁（３１０）は高い壁（２１０、図２の（ｂ））よりもほとんど目立たないので、はるかに滑らかな表面仕上げが作成される。
【００３８】
いくつかの実施形態において、バインダおよび／またはインクの様々なサイズの液滴の散在は、物体（３００）の外側の輪郭または表面および／または各層（３０２）の縁にのみ行われる。物体（３００）の大部分は内部になるほど見えなくなるので、個々の内部層（３０２）を滑らかにする必要はない。したがって、より小さい体積の液滴（３０５）を使用して物体（３００）の外郭および／または縁だけを形成することが好ましい。
【００３９】
しかしながら、そのような層を形成するときに表面（３０６）に可変体積の液滴を付着させることによって必要なだけの数の層（３０２）を滑らかにすることができる。いくつかの実施形態では、外側の１層〜５層だけが可変体積の液滴によって滑らかにされる。より半透明の材料の組による他の実施形態では、外側の１層〜２０層またはそれ以上の数の層を可変体積の液滴によって滑らかにすることができる。
【００４０】
本明細書に示した実施形態は、固体自由形状製造によって作成した物体のより滑らかな表面仕上げを容易にする他に、固体自由形状製造によって作成される物体の段丘部分を減少させ、最小にし、より正確に制御することを容易にする。従って、より精巧な表面特徴形状を作成することができる。可変サイズの液滴を使用することにより、複雑な立体面と表面特徴形状のより正確な製造が可能になり有利である。
【００４１】
図４Ａを参照すると、従来の固体自由形状製造による一般的な段丘状物体（４００）を示す。第１と第２の層（４０４と４０６）の間の段丘または段（４０２）は、１つの大体積の液滴（４１０）に対応する増分に制限される。
【００４２】
しかしながら、図４Ｂを参照すると、本明細書に示した方法とシステムによって構造材料に可変体積の液滴を付着させることによって、段丘（４０８）の輪郭をさらに滑らかにすることができる。図に示したように、層（第１と第２の層（４０４と４０６）など）の間の変わり目に沿ってバインダおよび／またはインクの小さい液滴（４１２）を射出して、大体積の液滴（４１０）だけを使用した場合に可能なものよりも滑らかでより緩やかな段丘状の段（４０８）を作成することができる。
【００４３】
必要に応じて、より小さい体積のバインダおよび／またはインク液滴（４１２）によって作成された中間段（４０８）を追加することによって、段丘はギザギザが少なくなり目立たなくなる。必要に応じて、より大きい体積の液滴だけを使用することによって、より急激な高さの変わり目を形成することもできる。
【００４４】
以上の説明は、本発明を示し説明するためにのみ提示された。説明は、網羅的なものでもなく、本発明を開示されたいかなる厳密な形態に制限するものでもない。以上の教示を鑑みて多くの修正および変形が可能である。
【００４５】
例えば、以上の説明において、説明した実施形態は、粉体ベースまたはスラリブリックの固体自由形状製造システムで実施するように示した。しかしながら、本明細書に開示した原理は、単に粉末ベースの固体自由形状製造システム以外にも適用可能である。
【００４６】
詳細には、いくつかの固体自由形状製造システムは、インクジェットヘッドを使用して、高分子やフォトプレポリマなどの構造材料を射出する。したがって、そのようなインクジェットシステムは、構造材料を形成するために使用されるバインダおよび／またはインクだけを射出するのではなく、所望の製品を作成するために使用される構造材料の１００％を射出する。しかしながら、そのようなシステムが、所望の製品ならびに着色剤の材料を付着させる場合でも、付着材料の液滴のサイズを変化させて、粉末およびバインダシステムにおいて前述の方法と全く同じ方式でより滑らかな表面を実現できる。
【００４７】
従って、本明細書に示した原理は、構造材料を結合する液滴あるいは構造材料自体の液滴を使用して物体の断面層を作成する任意の固体自由形状製造システムに組み込むことができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】印刷プロセスを使用して所望の製品を作成する固体自由形状製造システムを示す図であり、図１に示したシステムで本発明のひとつの実施形態を実現することができる。
【図２】単一体積サイズの液滴で作成される物体を示す図であり、（ａ）は単一体積の液滴が構造材料と接触する前が示されており、（ｂ）は（ａ）に示された作成される物体において単一体積の液滴が構造材料に達した後を示す。
【図３】本発明の実施形態により可変体積の液滴サイズで作成される物体を示す図であり、（ａ）は液滴と構造材料が接触する前の物体と可変体積サイズの液滴を示し、（ｂ）は（ａ）に示された作成される物体において可変体積の液滴が構造材料に達した後を示す。
【図４Ａ】本発明の実施形態による単一体積サイズの液滴によって製造される物体の２層段丘を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による可変体積サイズの液滴によって製造される物体の２層段丘を示す図である。
【図１】
2006515813.tif 000003
【図２】
2006515813.tif 000004
【図３】
2006515813.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2006515813.tif 000007
【国際調査報告】
2006515813.tif 000008
2006515813.tif 000009