(57)【要約】物品の表面特性を改良し支持構造のための製造時間を短くするために積層製造手法を改良する方法。本発明の一態様は、改良されたクラック抵抗を有する、層間凹形が縮小またはなくなった表面を形成する。一方法は、代替表面改良材料を、主材料表面の将来の位置の近くの各層上に堆積し、主材料の堆積が続き、その辺は、先に堆積され固化した代替材料に合う。本方法では、層間領域ではなく主材料層の中心が凹である。本発明の他の態様は、主材料の堆積を支持する除去可能構造を提供する。支持構造は、空洞天井を形成する材料を堆積するために、主材料空洞の上に支持体を提供する一方、その支持構造を形成するのに必要な時間および材料を最小化する。最小化された支持構造は、空洞フロアおよび空洞壁によって支持された筋交いによって支持される柱として形成される構造を含む。いくつかの支持体は、フロアではなく側壁によって支持され、他は、側壁ではなくフロアによって支持される。【選択図】図５
2004508222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの表面と、
間に層間領域を画定する、ともに結合された複数の層であって、前記層間領域が前記表面に交差する複数の層と、
前記層間領域が前記表面に交差する複数の凸領域と、
を備える積層製造を使用して形成される物品。
【請求項２】
前記層は、前記諸層内に横に配置された層内領域を有し、前記層内領域が前記表面に交差する物品であって、前記層内領域が前記表面に交差する複数の凹領域をさらに備える、請求項１に記載の積層製造を使用して形成される物品。
【請求項３】
前記層間領域および層内領域はともに、前記表面の少なくとも半分を画定する、請求項２に記載の積層製造を使用して形成される物品。
【請求項４】
層間領域が間に画定されるように複数の部品層を形成して、その結果、前記層間領域が前記表面に交差するステップと、
前記層間領域が前記表面に交差する凸領域を作成するステップと、
を含む少なくとも１つの表面を有する物品を作成する方法。
【請求項５】
前記部品層は、層内領域を有し、前記層内領域が前記表面に交差する凹領域を作成するステップをさらに含む、請求項４に記載の物品を作成する方法。
【請求項６】
前記形成ステップは、前記部品層を形成する第１流動可能材料を堆積するために積層製造法を使用し、
前記形成ステップにおいて前記第１流動可能材料を堆積する前に、前記作成ステップが、鋳型層を形成する第２流動可能材料を堆積するために前記積層製造法を使用して、その結果、前記第２材料が、前記第１流動可能材料を含む鋳型層として機能する、請求項４に記載の物品を作成する方法。
【請求項７】
前記第１流動可能材料を硬化させるステップをさらに含む、請求項６に記載の物品を作成する方法。
【請求項８】
前記第２材料を取り除くステップをさらに含む、請求項７に記載の物品を作成する方法。
【請求項９】
少なくとも１つの表面を有する物品が、
ａ）前記物品表面に対応する少なくとも１つの境界まで、第２材料から形成される第２材料層を形成するステップと、
ｂ）前記境界および前記第２材料層に近接する前記第１材料から形成される第１材料層を形成するステップであって、前記第１材料が、流動可能状態で形成され、その結果、前記第１材料層が、前記第２材料層の前記境界に沿ってインプレッションを形成するステップと、
ｃ）複数の前記第２材料層の積層に近接する前記第１材料層の積層を形成するのに充分な複数回分、ステップａ）およびｂ）を繰り返すステップと、
ｄ）前記物品表面から第２材料層の前記積層を取り除くステップと、
を含む第１材料からなる物品を作成する方法。
【請求項１０】
前記第１材料形成ステップは、前記第２材料形成ステップとは異なる材料を使用する、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１１】
前記第２材料形成ステップは、外部凸形辺を有する第２材料層を形成し、前記第１材料形成ステップが、前記第２材料層凸形辺に近接する外部凹形辺インプレッションを有する第１材料層を形成する、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１２】
前記第１および第２材料形成ステップは、少なくとも１つの内部表面および少なくとも１つの外部表面を形成する、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１３】
前記第１および第２層は、溶融堆積手法、多段階ジェット固化手法、およびレーザ技術を用いたネット形手法からなる方法の群から選択された積層製造法を使用して形成される、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１４】
前記第１層形成ステップは、直径および長さを有する少なくとも１つの実質的に連続するビード内に前記第１材料を堆積するステップを含む、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１５】
前記第１および第２層形成ステップは、複数の実質的に円形の重なる材料形成を形成するステップを含む、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１６】
前記第１および第２層形成ステップは、先に堆積された材料を溶融するステップを含む、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１７】
前記第１材料形成ステップは流動可能状態の前記第１材料を堆積するステップを含み、前記第２材料形成ステップが、流動可能状態の前記第２材料を堆積するステップを含む、請求項９に記載の物品を作成する方法。
【請求項１８】
積層した層が上部横表面、底部横表面、前記上部と底部層横表面間に配置された中心平面、および少なくとも１つの層側面を有し、前記物品が、前記層側面から形成された少なくとも１つの側表面を有し、前記側面が、前記中心平面近くに凹形を有する、
ともに結合された第１材料からなる複数の積層した層から形成された物品。
【請求項１９】
前記層が厚みを有し、前記凹形が前記層厚みの少なくとも４分の１（１／４）の曲率半径を有する、請求項１８に記載の複数の積層した層から形成される物品。
【請求項２０】
前記層が厚みを有し、前記凹形が前記層厚みの少なくとも３分の１（１／３）の曲率半径を有する、請求項１８に記載の複数の積層した層から形成される物品。
【請求項２１】
前記積層上部および底部表面がともに、前記側表面において凸形を形成する、請求項２０に記載の複数の積層した層から形成される物品。
【請求項２２】
第１材料の部分を作成する方法であって、前記部分が、第１体積を有する空洞、および前記空洞上に配置された第１構造を有し、前記方法が、
前記第１構造を支持するために前記空洞内に第２体積を有する第２材料の第２構造を形成することによって、第１構造の形成中に第１構造を支持するステップと、
第２構造の上に第１構造を形成するステップとを含み、
第２構造形成ステップが、前記空洞体積より著しく小さい第２体積の前記第２構造を形成する方法。
【請求項２３】
第２構造形成ステップは、空洞体積の約２０パーセント（２０％）より小さい体積を有する第２構造体積を形成する、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項２４】
第２構造形成ステップは、空洞体積の約４０パーセント（４０％）より小さい体積を有する第２構造体積を形成する、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項２５】
第２構造形成ステップは、空洞体積の約５０パーセント（５０％）より小さい体積を有する第２構造体積を形成する、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項２６】
第２材料形成ステップが、前記第１材料とは異なる前記第２材料を使用する、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項２７】
第１構造形成ステップが、第１材料の層を形成するステップを含み、第２構造形成ステップが、第２材料の層を形成するステップを含む、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項２８】
前記第２構造形成ステップが局所幅および局所高さを有する前記第２構造を形成し、少なくとも１つの側面が局所幅の変化に対する局所高さの変化によって定義される局所傾斜を有する方法であって、前記局所傾斜が約十（１０）より小さい、請求項２７に記載の部分を作成する方法。
【請求項２９】
前記第２構造形成ステップが局所幅および局所高さを有する前記第２構造を形成し、少なくとも１つの側面が局所幅の変化に対する局所高さの変化によって定義される局所傾斜を有する方法であって、前記局所傾斜が約二（２）より小さい、請求項２７に記載の部分を作成する方法。
【請求項３０】
前記第２構造形成ステップは、少なくとも二十度（２０゜）の垂直からの偏差を有する少なくとも１つの側面を有する前記第２構造を形成する、請求項２７に記載の部分を作成する方法。
【請求項３１】
前記第２構造形成ステップは、少なくとも四十度（４０゜）の垂直からの偏差を有する少なくとも１つの側面を有する前記第２構造を形成する、請求項２７に記載の部分を作成する方法。
【請求項３２】
第２構造形成ステップが、幅、長さ、および高さを有するビードから形成された層の第２構造を形成し、第２構造の少なくとも一部が、ビード幅の約半分（１／２）とビード幅の１０分の１（１／１０）の間でインデントされる複数のインデント層を有する傾斜側面を有する、請求項２７に記載の部分を作成する方法。
【請求項３３】
前記空洞がフロアを有し、前記第２構造形成ステップが、上部および中間部を有する柱を形成するステップを含み、上部が中間部より広く形成される、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項３４】
前記空洞がフロア、および少なくとも１つの側壁を有し、前記側壁が前記天井に結合するところで上隅を形成し、前記第２構造形成ステップが、前記側壁から前記天井を支持するために前記隅において隅支持片を形成するステップを含む、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項３５】
前記隅支持片が、前記隅近くの前記天井および前記隅近くの前記壁に結合される、請求項２２に記載の部分を作成する方法。
【請求項３６】
積層製造によって充填されるべき層領域の層側表面を改良するための方法ステップを実行する、マシンによって実行可能な命令のプログラムを有用に実施する、機械読取り可能なプログラム記憶装置であって、
第１材料で充填されるべき少なくとも１つの層領域を表す第１曲線データを得るステップと、
第２材料で充填されるべき第２層領域を表す第２曲線データを生成して、その結果、前記第２層領域側表面が、前記第１曲線の少なくとも一部の上で前記第１層領域側表面に接するステップと、
を含むプログラム記憶装置。
【請求項３７】
前記獲得および生成ステップは、前記層側表面改良が望まれる複数の積層のそれぞれに対して少なくとも１回は実行される、請求項３６に記載のプログラム記憶装置。
【請求項３８】
積層製造によって充填されるべき材料層領域の下に支持体を提供する方法ステップを実行する、機械によって実行可能な命令のプログラムを有用に実施する、機械読取り可能なプログラム記憶装置であって、前記層領域が、第１材料で充填されるべき第１材料領域を含み、前記方法ステップが、
積層製造によって充填されるべき前記層領域を表す複数の第１層データセットを有する第１データセットを得るステップと、
積層製造によって充填されるべき支持層領域を表す複数の第２層データセットを有する第２データセットを生成するステップとを含み、
前記第１層データセットが、支持されない構造の下の隙間体積を画定する前記支持されない構造を画定し、前記第２層データセットが、支持構造体積を有し前記支持されない構造を支持する支持構造を画定し、前記支持構造体積が、前記隙間体積より実質的に小さいプログラム記憶装置。
【請求項３９】
前記生成ステップは、
（ａ）上部層および直下部層を有する一対の層を選択するステップと、
（ｂ）前記対の上部領域の面積をある量だけ減少させるステップと、
（ｃ）前記下部層によって支持されない前記上部層の任意の一部を決定するステップと、
（ｄ）前記対の下部層のための新しい支持領域を作成するステップと、
（ｅ）前記下部層に前記新しい支持領域を追加するステップと、
（ｆ）次の繰り返しの際に、前記対の下部層を前記対の上部層にするように設定することによって、複数の前記層対に対してステップ（ａ）から（ｅ）を繰り返すステップとを含む、請求項３８に記載のプログラム記憶装置。
【請求項４０】
積層製造によって充填されるべき層領域の下に支持体を提供する方法ステップを実行する、機械によって実行可能な命令のプログラムを有用に実施する、機械読取り可能なプログラム記憶装置であって、前記層領域が、第１材料で充填されるべき第１材料領域および第２材料で充填されるべき第２材料領域を含み、前記方法ステップが、
前記第１上部層領域を表す第１上部層データセット、および前記第１材料で充填されるべき下部層領域を表す第１下部層データセットを有する一対の層領域データセットを得るステップと、
前記第１上部層領域のサブセットであり、前記第２の領域より小さい領域を有する第２上部層領域を表す第２上部層データセットを生成するステップと、
第１材料で充填されるべき少なくとも１つの層領域を表す第１曲線データを得るステップと、
第１材料で充填されるべき少なくとも１つの層領域を表す第１曲線データを得るステップと、
第２材料で充填されるべき前記第１層領域の下の第２層領域を表す第２曲線データを生成して、その結果前記第２層領域が前記第１層より小さくなるステップとを含むプログラム記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本出願は、本出願と同日に出願されたＴＯＯＬ　ＰＡＴＨ　ＰＬＡＮＩＮＧ　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＦＯＲ　ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ　ＢＹ　ＬＡＹＥＲＥＤ　ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥという名称の同時係属中の米国特許出願に関連する。
【０００２】
連邦政府資金援助
本発明は、「　　　　　　　　」という名称の　　契約番号Ｎ０００１４−９４−Ｃ−０１１５のもとで政府の支援を得て行われた。政府は、本発明に特定の権利を有する。
【０００３】
発明の分野
本発明は一般に、コンポーネントを機械製造することに関する。特に本発明は、積層製造および立体自由形式製作を含む迅速プロトタイピング製造に関する。
【０００４】
発明の背景
たとえば、従来型手法では、最初に作成すべき製品の図面を、手作業で、またはコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアパッケージを使用して自動的に描く。加工作業時に所望の形を形成するように材料体から材料を取り除くことによって製品を形成する。加工作業は、コンピュータ支援加工（ＣＡＭ）方法で自動化することができる。設計および製造工程は、所望の部品を得るために複数回繰り返すことができる。機械的に材料を取り除いて３次元物品を作成することが一般的に行われているが、これにはかなりの加工技術と作業時間が必要となる。
【０００５】
形成すべき製品が必要とするパタンで材料を積み上げて３次元物品を作る１つの方法がある。米国特許第４６６５４９２号においてＭａｓｔｅｒｓは、ＣＡＤシステムの供給データに従って３次元製品の対応物に粒子流が射出され投射される方法について考察している。その粒子は、制御された環境で互いにぶつかり付着し合って、所望の物品を形成する。
【０００６】
形成すべき物品の近接する断面層に対応する連続薄板を形成することによって３次元物品を生成する方法および装置もまた存在する。このタイプのいくつかのステレオリソグラフィー技術では、バット一杯の光硬化性液体ポリマーを使用され、このポリマーでは光存在下で液体から固体に変化する。レーザビームで、液体の表面に紫外線（ＵＶ）を投射する。レーザビームは、単一平面の液体表面全体を所定のＸＹパタンで移動する。ＸＹパタンは、ＣＡＤシステムによってコンピュータ生成することができる。そのような方法では、単一水平面内で連続層を形成することができ、連続層は一体に固化して所望の物品を形成する。例えば、Ｈｕｌｌに与えられた米国特許第４５７５３３０号を参照されたい。Ａｒｃｅｌｌａ等は米国特許第４８１８５６２号で、可融性粉末上にレーザビームを投射し、その粉末をビームで融解し、固化して所望の形の物品を形成することによって製品を形成する方法を考察している。
【０００７】
最近、３次元製品を生成するために、任意の立体形状を製作する様々な技術が開発された。Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，　Ｉｎｃ．（ミネソタ州エデンプレーリ）によって使用されるそのような技術の１つは、溶融物堆積モデリング（ＦＤＭ）と呼ばれる。例えば、本明細書に参照として援用するＣｒｕｍｐに与えられた米国特許第５１２１３２９号を参照されたい。ＦＤＭは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアプログラムからの命令にしたがってポリマー／ワックス合成物から立体物品を層毎に作り上げる。１つのＦＤＭ技術では、ポリマー／ワックス合成物の柔軟なフィラメントを加熱溶融して、ノズルから押し出し、ディスペンシングヘッドに近接して位置するワークピースまたはプラットフォーム上にそれを堆積する。ＣＡＤソフトウェアは、水平Ｘ−Ｙ平面内でディスペンシングヘッドの動きを制御し、垂直Ｚ方向内で形成プラットフォームの動きを制御する。処理変数を制御することによって、押し出されたビードまたは「ロード」は、ＣＡＤモデルによって定義された領域内に層毎に堆積して、所望の３次元物品を作成できる。積層製造技術の他の実施例は、多段階ジェット固化技術および／またはレーザ技術を用いたネット成形が含まれる。押し出されたビードは、セラミック懸濁液またはスラリ、溶融プラスティック、粉末／バインダ混合物、硬化または固化の容易なポリマー材料、溶融金属、あるいは時間通過でかつ／または外部刺激にさらして硬化する他の適切な材料でよい。ビードは、硬化性ポリマー片、または放射線で重合を開始するプリポリマー片でもよい。
【０００８】
従来型の積層製造技術では、押し出された材料から一連の長いビードが形成される流動可能状態で、層の形成、または堆積を行う。ビードは、丸、横長、または円形の横断面を有してよく、その場合、ビードの外側面が外側にふくらんでいてよい。従来型材料層は通常、周囲が丸く、凸形の層内領域、および鋭く機械的に弱い凹形の層間領域を有する層表面を形成する。特に、積層結合層が製造後の部品側表面を形成する場合、凹形領域は、クラック伝播および破壊に対する特性のよくない鋭い亀裂となる可能性がある。
【０００９】
従来型積層製造では、外部であれ内部であれ、製品の設計図で空洞がしばしば見られる。空洞は、たとえば、天井または張り出しなどの上部構造を有する。上部構造は、一端または一辺が自由な片持ち構造、あるいは両端または両辺上の支持体間で中間だけが支持されない構造でよい。この構造は支持されていないが、その意味するところは、流動可能なままの主材料を堆積または形成する際、硬化中に主材料を支持するための構造が先に確立することのないままに、材料が空洞を落下してしまうということである。下の空洞は、上記主材料の支持されていない部分の下方投影によって画定することができる体積を有する。
【００１０】
従来型積層製造では、２次材料の支持構造を層毎に形成して、上記層内に形成または堆積されるべき材に対する支持構造を設ける。２次材料で複数の層を形成するが、その堆積のためには、下の層からの支持体もまた必要とする。従来の方法を使用すると、非支持構造が、層毎に頂上から底に、または、空洞の底に達するまで、または前記製品を形成するために使用されているワークピースプラットフォームに達するまで２次材料によって支持される。２次材料は、機械的、化学的または熱的手段によって後に取り除かれ、主材料の製品を残す。取外し可能構造を形成するために大量の２次材料を必要とし、同様に２次材料層を形成するために大きな形成時間を必要とする可能性がある。
【００１１】
望ましいのは、優れたクラック抵抗表面を提供する積層製造を使用して部品を作成するのに適した方法である。支持構造を形成するための時間がより少なくてすむ方法もまた有利であろう。
【００１２】
発明の概要
本発明は、積層製造技術を使用して物品を作るための改良された方法、およびこれらの方法を使用して可能になる物品を含む。一つの方法群は、第１材料の主部品層を形成する前に第２材料の鋳型層を形成することによって可能になる改良された表面特性を有する物品を形成する。他の方法群は、形成する時間および材料がより少なくて済む物品を形成する。この方法群は、従来型支持構造より少ない体積を有する最小化２次材料支持構造を形成するための方法を含む。
【００１３】
より詳細には、本発明は、改良すべき物品表面の周囲に沿って第２材料の鋳型層を形成するための方法を含む。第２材料層は、周囲を凸形に丸くすることができ、後に形成される第１材料を受け取るための丸い鋳型層を形成する。したがって第１材料層は、第１材料層の周囲に沿って第２材料層のインプレッションを形成することができる。第１層側面に沿って形成されたインプレッションは、複数層が共に積層する場合に、丸い凹形の中間層内領域、および凸形の層間領域を有することができる。層間凸形は、伝統的に作られた部品の凹形層間領域に比較して、優れた機械強度および優れたクラック抵抗を有する。
【００１４】
一方法では、３次元物品の表現を含むデータファイルが、入力として受け付けられる。そのデータファイルは、３次元ＣＡＤファイル、例えばステレオリソグラフィ（ＳＴＬ）ファイルでよい。３次元データは、水平面のスライスまたは層に分割することができ、それらは、２次元の閉じた曲線、または関連する層厚みを有するポリラインセグメントによって表すことができる。曲線は、主材料で充填されるべき領域の外部および／または内部を定義することができる。曲線は後に、その領域を材料で充填するために生成されたラスタツールパスで充填することができる。ユーザは、表面改良を受け取るための３次元物品の表面を識別し、直接または間接的に、改良されるべき表面に対応する曲線または曲線部分を識別することができる。
【００１５】
次いで１組の２次曲線を生成することができ、その２次曲線は、主材料領域に接する２次材料領域に対応する。このように形成された２次曲線は、少なくとも２つのビード幅の２次材料を有する層領域に対応することが好ましい。いくつかの実施形態は、隙間のない２次材料層を形成する一方、他の実施形態は、材料使用量および形成時間を減らすために隙間を有する２次材料層を形成する。次いで２次材料曲線は、２次材料のためのツールパスを生成するために使用することができる。２次および主材料ツールパスは、統合され処理が完了する前に、一貫していることおよび干渉がないことに関してチェックすることができる。
【００１６】
製造フェーズでは、２次および主材料を層毎に堆積することによって、底から頂上に部品を築き上げることができる。現在の層において２次材料が必要な場合、２次材料ノズルが、先に計算されたパスに沿って所望のビード幅の２次材料のビードを堆積することができる。次いで主材料ノズルは、所望のビード幅で先に計算されたツールパスに沿って主材料のビードを堆積することができる。先に形成された２次鋳型層に沿って形成された流動可能な主材料は、鋳型層凸形辺形状のインプレッションを形成することができ、それによって凹形層内形状および凸形層間形状を達成し、積層された層がその形状で互いに結合する。２次材料は、機械的、化学的、または熱的特性の差異を利用して後に取り除くことができる。好ましい一実施形態において、主および２次材料は同じではないが、他の実施形態では同じ材料である。本発明によって提供される改良された表面は、鋭い層間凸形がないことにより、改良された機械的特性を有することができる。
【００１７】
本発明は、空洞体積より著しく小さい体積を使用して２次構造を形成する取外し可能支持構造を形成するための方法もまた含む。支持構造は、垂直からの著しい偏差を有する少なくとも１つの傾斜側表面を有することができる。１つの構造群では、支持体は、側壁から空洞天井を支持するアングル材または筋交いを形成する。アングル材は、深さと共に減少する幅を有することができ、支持材が幅を有しなくなるまでインデントまたはオフセットされる。他の構造群では、支持体が、広い最上層およびより狭い中間および底層を有する支柱または内壁を形成する。広い頂上層は上記の主材料層を支持し、下部の層は幅が減少する。より低い層は、各層毎に小さい量だけ内側にインデントまたはオフセットにすることができる。インデントの量は、上の層のビード幅のおよそ２分の１より小さいことが好ましい。
【００１８】
最小化された支持構造を生成する一方法は、各層に対する２次元曲線を入力として受け付ける。２次元曲線は、形成すべき部品のための主材料層の内部および外部の周辺を表す。非支持または張り出し構造は、主構造の層を最上部から最底部に、最上層から２番目で始めて処理することによって識別することができる。諸層は、上部層および下部層を有する対として処理することができる。上部層は、最小化された支持構造の側表面の傾斜に究極的には対応するインデントまたはオフセット量だけ、１つまたは複数の寸法を減らすことができる。いくつかの実施形態では、特定の寸法が、広がりを減らされないように自動的または手作業で選択される。縮小投影された上部層と下部層の相違は、形成する前に支持体が必要な、支持されない上部層に対応する。新しい２次支持材料曲線は、欠けている支持体を提供するために現在の下部レベルに生成することができ、これら新しく追加された２次支持材料曲線は、現在の下部層のための主材料曲線に追加される。新しく追加された曲線は、形成中に下からの支持体もまた必要とし、主材料曲線のセットに追加されるが、２次材料曲線として識別される。
【００１９】
現在の層を次の下部層であると設定し、対の前の下部層を上部層にし、処理を繰り返すことができる。次に新しい計算は、支持されない主材料または２次支持材料のいずれかを表す任意の曲線を考慮に入れる。処理は、作成すべき部品のすべての層に対して繰り返すことができる。
【００２０】
本方法の一出力は、２次支持材料で埋められるべき１組の２次材料曲線とすることができる。２次材料曲線は、従来型ラスタ化技術を使用して曲線内の領域を埋めるラスタによってさらに処理することができる。曲線および生成されたツールパスは、２次材料内および２次と主材料間の両方で、一貫していることおよび干渉がないことに関してチェックすることができる。ラスタは、主および２次材料の形成または堆積を制御するツールパスとして使用することができる。
【００２１】
製造の際に、主および２次材料ツールパスは、各層のために積層製造機にフィードすることができる。上から下に計算された可能性の高い最小化された支持体傾斜側面は、下から上に形成される。支持構造の傾斜側面は、それぞれのより高いレベルでわずかな張り出しで形成することができ、その張り出しは、ビード幅の２分の１（１／２）を超過しないことが好ましい。したがって２次材料支持構造は、最上部層で大きな寸法を有するように形成することができる。いくつかの物品では、次の上部層は、現在固化された２次材料層上に堆積された主材料層からなる。
【００２２】
発明の詳細な説明
図１は、積層製造技術を使用して作成される物品４０の単一層の上面図を示す。物品４０は、ツールパス４４に沿って置かれた単一ビード４２から形成され、長方形の領域を実質的に埋めるジグザグパタンを有する。ビード４２は、Ｄ／Ｗで示される直径または幅、およびＬで示される長さを有する。ビード４２は、ビードの近接セクションが互いに接するビード間領域４６でともに流れるのがわかる。ビード４２および物品４０は、任意の適する製造技術、例えば溶融堆積技術、多段階ジェット固化技術、レーザ技術を用いたネット成形技術、を使用して形成することができる。ビード４２は、セラミック懸濁液またはスラリ、溶融プラスティック、粉末−バインダ混合物、直に硬化または固化するポリマー材料、溶融金属、または時間および／または外部刺激に対する露出で硬化する他の適した材料でよい。ビード４２は、一片の硬化性ポリマー、ＵＶ放射で開始される重合を有するプリポリマーを表すこともまたできる。
【００２３】
次に図２を参照すると、同様に積層製造を使用して形成された他の物品４１が示されている。物品４１は、図１の物品４０と同様であるが、内部第２ビード４７を囲む第１ビード４５から形成される外形ビード４３を有する。図１および２の両方とも、従来型積層製造技術を示す。
【００２４】
図３は、層間平面５６に沿って互いに接する３つの垂直層５１から形成される従来技術物品５０を示す。物品５０は、傾斜表面５２および実質的に垂直な表面５４を含む。ビード高は、層５１に対して「Ｈ」で示される。層間領域５６の傾斜面５２に沿って多数の層間鋸歯を見ることができる。凸表面６０に示される層内領域の近くに層５１間の凹領域５８および凸円形領域を有する鋸歯が形成される。垂直表面５４もまた、層間領域５６に沿って配置された多数の鋭い凹領域６２を有することがわかる。特に傾斜面５２は、階段面に沿って鋭い鋸歯を有する。凹形５８および６２は、低い機械的強度を有し、応力を高める鋭い切り欠きを有することがわかる。
【００２５】
次に図４を参照すると、図３の従来技術の凹形６２が、より詳細に示されている。凹形６２は、２つのビードまたは層５１間の層間領域５６に沿って置かれていることがわかる。層５１は、最も外側の凸円形領域６０に伸び、その２つの層間に形成された鋭い鋭角６４に沿って一緒になる。極限の場合には、鋭角６４は、極限として零度（０°）に接近する。凹領域６２は、クラック伝搬を引き起こし構造を弱める可能性の高い領域として振る舞う。
【００２６】
次に図５を参照すると、本発明による積層製造の方法を示す物品９０が示されている。物品９０は、３つの垂直に積層された層９７、９８、および１００から形成されると示されている。物品９０は、傾斜外部表面９１および実質的に垂直な外部表面９３を含む。物品９０は、図５において２次または支持材料９２および９４に接する第１または主材料から形成される。構造９２および９４の構造的材料は、改良された表面特性を有するように物品９０の外部を形成するための足場または鋳型として機能することができる。後に議論するように、支持構造９２および９４は、主材料の堆積前に置かれる、または堆積されることが好ましい。例えば２次材料層９５を最初に堆積し、２次材料層９６が続き、それによって内側に向く凸領域を形成する。次いで第１主材料層９７を、支持層９５と９６間に堆積し、それによって支持層９５および９６の形を取るように流すことができる。これを、主材料の堆積が表面改良材料の堆積に続くように、層毎に繰り返すことができる。
【００２７】
次に図６を参照すると、支持構造９２および９４の除去後の物品９０が示されている。支持構造９２および９４は、主材料とは異なる取り除き易い材料から形成されることが好ましい。好ましい一方法において、構造的材料は、主材料と混合せず分離することが容易である。一実施形態において、代替材料は、物理的に分離可能であり、材料から引き裂くことおよび／または非粘着材料の使用を含むことができる。他の実施形態において代替材料は、主材料より低い融点を有し、熱することによって分離することができる。化学的分離方法を使用するさらに他の実施形態において、代替材料は、主材料を溶解または破壊しない溶剤内で溶解する。傾斜側面９１および垂直側面９３は両方とも、図３に示す物品５０の鋭い凹形がないことがわかる。特に、層間領域１０８が凸形１１０を形成する一方、層内領域は滑らかな凹領域１０４を形成する。
【００２８】
次に図７を参照すると、凹領域１０４がより詳細に示されている。凹領域１０４は、物品９０の層内領域内に置かれていることがわかる。ここに示す実施形態において、浅い角度１１２は、凹円形領域１０４によって形成されることがわかる。極限の場合において、半円または凹形に沿った接線は、極限として１８０度の角度に接近することがわかる。図４および図７の物品と比較すると、図７の物品９０には、図４の物品５０の形成において層間領域５６に存在する鋭い鋸歯および裂け目がないことがわかる。
【００２９】
次に図８Ａを参照すると、設計された物品１２０が示されている。設計された物品１２０は、ＣＡＤ図面または他の設計ツール内でモデル化された物品でよい物品１２０は、曲がった表面領域１２４および真っ直ぐな表面領域１２２を含む。物品１２０は、図８Ａにおいて線によって表された多数のスライス１２６に分割された。図８Ａにおいて、スライス１２６は、それぞれの層の中心線によって仕切られる。図８Ａは、同じ厚みを有するすべてのスライスを示すが、希望すれば、スライスは異なる厚みを有することができるものである。本発明のいくつかの実施形態は、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）と０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）の間の層厚みを有する。本発明の一実施形態において、層厚みは、約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）と約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）の間である。
【００３０】
図８Ｂは、設計物品１２０を形成するために製造される物品を示す。第１表面支持材料１３０が堆積され、第１主材料層１３２が続き、第２表面支持層１３６が続き、第２主層１３８が続き、第３表面支持材料層１４０が続き、第３主材料層１４２が続き、第４表面支持材料層１４４が続く。構造的材料と主材料の間のインタフェース領域１４５を見ることができる。図８Ｃは、支持構造の完了後に支持構造１４６に接する主構造または部品１４８を示す。図８Ｄは、支持構造１４６を除去しそれによって側表面１５０を露出した後の主構造１４８を示す。
【００３１】
次に図９Ａを参照すると、上面図の単一設計層１６０が示されている。設計層１６０は、内部空洞１６６を含む主材料層または領域を含む。矢印１７０は、外部表面上の主材料領域１７８から外方向を示し、一方、矢印１７２は、空洞１６６内の内部表面から外方向を示す。したがって用語「外」は、主材料から離れて非材料領域または表面近くの空間に向かう方向を指す。
【００３２】
次に図９Ｂを参照すると、設計層１６０にしたがって作成される物品層が示されている。図９Ｂは、周辺領域および内部領域内の２次材料の堆積後の物品を示す。２次材料は、外縁１６４および内縁１６８内に堆積されたことがわかる。領域１７８は、どんな主材料によっても充填されていないことを示す。図９Ｃは、領域１７８内の主材料の堆積後に形成中の物品層を示す。領域１７８内の主材料は、領域１６４および１６８の２次材料に接し、それによってその２つの２次材料領域間で形成されることがわかる。このように、内部表面は、外部表面とともに改良された表面特性を有することができる。図９Ｄは、２次支持材料を除去し、空洞１６６を囲む主材料領域１７８を残した後の物品を示す。
【００３３】
図１０Ａおよび１０Ｂは、図９Ｃの主材料層１７８と同様の主材料層１８０を示す。ここに示す実施形態は、より少ない材料を使用する２次材料層を含む。２次材料は、図９Ｃの層１６８および１６４と同様に、内部層１８２および外部層１８５として堆積された。大きな隙間の寄与を有する支持構造を示す外部２次材料層１８５を図１０Ｂにより詳細に示す。外部支持層１８５は物品の外部に沿って配置された外形ビード１８６およびジグザグまたは矩形波パタンに形成された第２ビード１８８を含み、それによっていくつかの隙間１９０を残すことがわかる。したがって外部層１８４は、２次支持層を形成するためにより少ない材料を使用し、より少ない時間で済ませながら、主材料層１８０を形成するための支持体を提供する。
【００３４】
次に図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、図９Ｃの主材料層１７８と同様の主材料層１８０は、形成するためにより少ない２次材料を使用する外部構造的支持体または表面改良層１９２によって囲まれていることがわかる。支持層１９２は、いくつかの隙間１９６を有するジグザグまたは矩形波パタンに構成された単一ビード１９４から形成される。支持領域１９２は、図１０Ｂの領域１８５より大きい隙間の寄与すら有することがわかる。外部支持層１９２は、主材料部分に関して、より質の悪い外部仕上げが必要または許されている場合に適切である。
【００３５】
図１２Ａは、片持ちまたは支持されない天井構造２０２および側壁、または支持された構造２０４を有し、それによって片持ち部分２０２の張り出しの下の側空洞２０６を定義する従来技術部品２００の非常に図示的な側面図を示す。片持ち部分２０２は、片持ち部分を垂直下方に投影することによって空洞体積を定義することができる。図１２Ｂは、片持ち部分２０２を支持するために適する２次材料支持体２０８を示す。図１２Ｃは、片持ち領域２０２を支持する支持領域２０８を示す。現在の方法は、側壁２０４の近くであるが接触しない支持領域２０８を形成し、支持構造２０８の除去を容易にするスペース２０１を残すことを教示する。図１２Ａから１２Ｃは、製造中に部品のための支持体を生成する従来技術の方法を示す。特に片持ち領域２０２は、まだ固化していないビードの堆積によって形成されるとき、空洞領域２０６上のビードの固化中に支持体を必要とすることがわかる。
【００３６】
次に図１３Ａを参照すると、支持された領域２１４、支持された領域２１６、およびその間に掛けられた支持されない領域２１２を有する他の部品２１０が示されている。支持されない領域２１２は、その下の空洞２１８を定義する。支持されない領域２１２は、多数の積層製造技術を使用して形成されるとき、内部空洞領域２１８上のビードの固化中に支持体を必要とする。図１３Ｂは、物品２１０を製造する際に使用するのに適する２次支持構造２２０を示す。図１３Ｃは、製造後に、２次支持材料２２０によって支持される物品２１０を示す。支持材料２２０は、ビードの固化中に、支持されない領域２１２を支持することがわかる。支持領域２２０は、主材料の固化後に取り除くことができる。現在の方法は、支持された領域２１４および２１６の近くではあるが接触しない支持領域２２０を形成し、支持構造２２０の除去を容易にするスペース２１１を残すことを教示する。図１２Ａから１２Ｃおよび１３Ａから１３Ｃは、積層製造技術にしたがって部品のための２次材料支持体を提供する従来技術の方法を示す。
【００３７】
次に図１４Ａを参照すると、図１２Ａの構造２００が再び示されている。図１４Ｂは、片持ち領域２０２を支持するために適した最小化された支持構造２０９を示す。図１４Ｃは、空洞２０６内に配置された最小化された支持構造２０９を示す。図１４Ｃの検査からわかるように、著しい隙間体積２１１が空洞２０６内に残っている。隙間体積２１１は、支持構造２０９の形成のために使用される材料がより少なくなること、および支持構造２０９を形成するために必要な時間がより少なくなることをもたらす。支持構造２０９は、空洞２０６の底まで伸びないが、主構造部分２０４に接し、内壁領域２０７に沿って、基底層２０５で終る。したがって図１４Ｃは、自分が中に配置された空洞体積の半分未満を埋める支持構造を示す。支持構造２０９は、傾斜側面２１５を有することがわかる。
【００３８】
再び図１４Ｂを参照すると、支持構造２０９は、「Ｌ」で示される各層に対する長さ、および上部層の直下に配置された各層に対するインデントまたはオフセットを有することがわかる。インデントは２１３に示されている。一実施形態において、インデントは、ビード直径の約１０分の１（１／１０）とビード直径の約半分（１／２）で変動する。好ましい一実施形態では、ビード固化中にビードの支持されない領域を最小化するために、インデントはビード直径の半分（１／２）を超過しない。他の実施形態では、別の図示を必要としないが、基底層２０５は、空洞のフロアまで下方に繰り返されて、いくつかのビードの広さとすることができる。
【００３９】
次に図１５Ａを参照すると、図１３Ａの物品２１０が再び示されている。図１５Ｂは、２つの傾斜または曲側面２１９を有する最小化された支持構造２２１を示す。図１５Ｃは、空洞２１８内に配置され、それによって張り出し領域２１２を支持する支持構造２２１を示す。支持構造２２１は、最上部２２９よりはるかに小さい基底部分２１７を有することがわかる。基底２１７は、ワークピースプラットフォームまたは空洞フロアによって支持することができる。傾斜面２１９は、空洞２１８内の隙間領域２２３および２２５を提供することがわかる。したがって最小化された支持構造２２１は、支持構造のために著しく少ない材料および堆積時間で済ませながら支持体を提供する。
【００４０】
定性的には、図１４Ａ〜Ｃおよび１５Ａ〜Ｃの構造は、上から下に層を計画し、下から上に層を形成する方法を使用して生成される。最小化されるべき各層は、各レベルで、ビード幅以下でインデントすることができ、そうでなければビードが落下するであろう。インデントは、ビード幅の半分（１／２）以下であることが好ましい。インデントは、支持材料がもう必要無くなるまで、または最小許容可能支持層寸法に達するまで、各レベルで続けることができる。いくつかの実施形態は、最小許容可能支持層寸法を、底までずっと形成し続ける。
【００４１】
インデントは、局所幅の変化に対する局所高さの変化として定義することができる局所傾斜を形成する。一実施形態では、局所傾斜は、約十（１０）より小さい。他の実施形態では、局所傾斜は、約二（２）より小さい。一実施形態は、少なくとも４０度（４０゜）の垂直からの偏差を有する側面を有する。結果としての支持構造は、本発明の様々な実施形態において、主材料空洞の約２０パーセント（２０％）、４０パーセント（４０％）、および５０パーセント（５０％）未満を占める。
【００４２】
図１４Ａ〜Ｃおよび１５Ａ〜Ｃの構造を作成するために使用される方法は、３Ｄ　ＣＡＤ物品を、厚みを有する２次元曲線にスライスするスライスプログラムによって生成された曲線に対して動作することが好ましい。２次元曲線は、ポリラインまたは一連の順序点として近似することができる。曲線は、作成すべき部品の各層に対して、充填されるべき外周ならびに埋めないで残すべき内部隙間の周囲を定義する。各曲線に対して、その曲線の直ぐ上の曲線は、その曲線上に下方に投影し、その相違は、堆積されたビードが落下することを可能にする任意の支持されない領域を決定すると取ることができる。上部曲線は最初に、支持構造傾斜側面および前述の２次材料使用量の削減を考慮に入れたインデント量だけ変形すべきである。支持領域を形成する新しい曲線を作成することによって任意の支持されない領域を処理することができ、その新しい曲線は現在のレベルの曲線に追加され、その新しい曲線は、下のレベルからの支持体を必要とする。この工程は、最下層に達するまで続けることができる。結果は、各層に対して２次支持材料で充填されるべき領域を画定する１組の追加曲線である。
【００４３】
２次材料曲線および主材料曲線は、曲線内の領域を材料で埋めるツールパスとして使用されるラスタを生成するラスタ化プログラムによって、入力として使用することができる。下から上に支持構造を生成する際に、ツールパスの後は、各層に対して、押し出しノズルなどの積層製造ツールヘッドが続くことができる。一実施形態では、２つのノズル、すなわち代替材料用ノズルおよび主材料用ノズル、が使用される。
【００４４】
次に図１６を参照すると、高レベルの方法またはアルゴリズム３００が示されている。方法３００およびその後の方法は、任意の適するプログラム言語を使用するコンピュータ上に実施することができる。適する言語は、制限なしで、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）、ＢＡＳＩＣ、およびＰａｓｃａｌを含む。方法３００は、製造すべき物品の表現を含むＣＡＤファイルに対して動作することができ、充填されるべき曲線を記述するデータファイル、およびその曲線を埋めるために従うべきツールパスを出力することができる。本発明は、データを入力かつ出力するコンピュータプログラムを明示的に含み、出力データは、究極的には積層製造ツールを動かすために使用される。コンピュータプログラムは、人間が読取り可能なソースコードおよび／またはコンパイルされて直に実行できるマシンコードとして存在してよい。コンピュータプログラムは、磁気および光ディスクを含む、マシン可読媒体上にあってよい。
【００４５】
方法３００は、ＣＡＤ図面入力ステップ３０２で開始することができ、この入力は、３Ｄ　ＣＡＤ図面ファイル、例えば３Ｄ　Ａｕｔｏ−ＣＡＤ（登録商標）図面ファイル、の入力を含むことができる。３Ｄ　ＣＡＤファイルは、穴を有する立体ポリゴン、押し出された２次元立体などの基本形を含むことができる。３Ｄファイルは、ステレオリソグラフィ（ＳＴＬ）ファイル内などに見られる１組の三角形に変換された３Ｄモデルもまた含むことができる。いくつかの実施形態では、選択された表面が改良されるべき、または支持構造に接するように使用されるべきであることを示すために、人間またはマシンユーザによってマークまたはタグを付けてある。３Ｄ物品の曲がった表面は、三角形の直線セグメントから形成された表面によって表現または近似することができる。
【００４６】
ステップ３０４に進むと、３Ｄ　ＣＡＤモデルは、Ｘ−Ｙまたは水平平面に沿って多数の等しい厚みのスライスにスライスすることができる。スライス技術の一実施例は、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ミネソタ州エデンプレーリ）から市販のＱｕｉｃｋＳｌｉｃｅプログラムである。固化を必要とする流動可能半固体ビードの配置を決定する際に重力が重要であるので、Ｘ−Ｙ平面は通常、水平である。スライスは通常、積層技術において形成される層に対応し、高さが１ビードの厚みでよい。例示的実施例では、垂直に配置された内部の円柱型空洞または環形を有する垂直に配置された円柱型の立体において、スライスは、中により小さい円を有する大きな円としてモデル化することができ、立体材料部分は、２つの円の間の領域に対応する。２つの円は、深さまたは高さとともにスライスを表すことができよう。一実施形態において、円柱および内部空洞は、ＳＴＬフォーマットを使用してモデル化され、円は実際には、円を近似するポリラインまたは一連の点によって表現される。
【００４７】
一方法において、スライス厚みは等しくなく、ステップ３０６がステップ３０４の場所で実行される。ステップ３０４は、適応性のあるスライスを使用し、それにより、作成される部品の形状および所望の表面特性にしたがってスライス厚みを変えることができる。垂直空洞を有する垂直に配置された円柱の実施例において、垂直断面は高さとともに変動しないとき、スライスは大きな厚みを有することができよう。Ｔａｔａ等は、米国特許第５５９６５０４号において適応性のあるスライス技術を議論する。
【００４８】
スライスが完了すると、ステップ３０８を実行して、付加的技術ツールヘッドで領域を動き回ること、例えば溶融堆積機を使用することにより、スライスの立体部分を埋めることによって物品のその層を形成するスライス中のツールパスを形成することができる。垂直円柱の実施例では、内部と外部の円またはスライスのポリライン間にビードを置くためのジグザグパタンを作成することができる。当業者によく知られている標準ツールパス生成技術を使用することができる。参照として本明細書に援用する積層製造による構成部品用のツールパス計画プロセス（ＴＯＯＬ　ＰＡＴＨ　ＰＬＡＮＩＮＧ　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＦＯＲ　ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ　ＢＹ　ＬＡＹＥＲＥＤ　ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ）　［１１００．１１０３１０１］という名称の同時係属中の米国特許出願第　　　　　　号内で議論された、改良されたツールパス生成方法もまた、本発明と共に使用することができる。ステップ３０８は、表面特性を改良すること、または主材料層の積層のための支持体を提供することのために作成された追加層の生成前および／または後に実行することができる。
【００４９】
ステップ３１０では、主材料の表面を改良するための層を作成することができる。内部空洞を有する垂直円柱の実施形態において、内部および／または外部表面は、内部および／または外部の環状のシェルを作成することによって改良することができる。シェルの層は、層内に最初に置くことができ、主材料の堆積が続く。
【００５０】
ステップ３１２において、本発明の最小化された支持構造は、層毎に作成することができる。垂直円柱の実施例において、内部空洞が円柱全体に伸びないで、天井を有する見えない空洞であった場合、天井の堆積は、天井の第１ビードを堆積する前に支持構造の作成を必要とするであろう。ステップ３１２は、全空洞を埋める必要のない支持構造の作成を考慮に入れて、支持体形成時間および支持材料使用量を最小化する。
【００５１】
ステップ３１４において、ステップ３１２において作成された最小化された支持構造のためのツールパスを生成することができる。ステップ３１０において作成された表面改良層のためのツールパスは、ステップ３１６で生成することができる。このとき、ステップ３０８もまた実行することができる。ステップ３１８において、主部品、表面改良層、および支持層のためのツールパスを統合し、一貫していること、および干渉がないことに関してチェックすることができる。ステップ３１８の実行後に、層およびツールパスが完全に生成されることが好ましい。
【００５２】
次に図１７を参照すると、製造される部品の表面を改良するための方法３５０が示されている。ステップ３５２では、手作業または自動のいずれかで表面改良のための層を選択することができる。一実施形態において、改良すべき表面は、ＣＡＤプログラムと対話する人間ユーザによって選択することができる。一実施例において、人間ユーザは、ＣＡＤプログラム上で表面を選択し、表面の属性を設定して、表面改良を希望することを示す。スライス生成プログラムが、ＣＡＤファイル内の３Ｄ物品に対して動作するとき、次いでスライスプログラムは、この属性を伝え、そのスライスを改良すべきであることを示すタグで、全てのスライスまたはスライス領域にマークまたはタグをつける。一実施形態において、人間ユーザは、スライス生成の後にのみ、データベース内のスライスに対して作業し、改良すべき全てのスライスに手作業でタグを付ける。スライス生成プログラムの出力が、一連のポリラインであるとき、ユーザは、改良する各スライス内の１つまたは複数のポリラインセグメントを選択し、通常は、垂直にスライス全体を通じて一貫性を保守する。この方法は、３Ｄ　ＣＡＤプログラムの修正を必要とせず、標準スライス生成プログラムの出力に対して動作することができる。意図した使用法は人間ユーザのみがわかっているので、どの表面が改良を必要とするかを指定するためのインテリジェンスが通常は必要である。一実施例において、意図した使用法が耐荷重丸ピンを留めることであれば、内部の穴は表面改良を必要とする可能性があるが、意図した使用法が、冷却液を通すことであれば、表面改良を必要としない可能性がある。
【００５３】
ステップ３５４において、動作対象となっている現在の層は、初期化されて、表面改良を必要とする最上部層となる。ステップ３５６において、現在の層表面曲線は、新しい作業曲線のセットにコピーされる。ステップ３５８において、作業曲線の新しいセットは、通常、主材料から外の空中に向かって最小許容可能代替材料シェル幅だけオフセットされる。一方法において、最小許容可能な代替材料シェル幅は、少なくとも２つの代替材料ビード幅である。オフセット曲線の新しいセットは、その曲線セットに追加される。
【００５４】
干渉は、ステップ３６０においてチェックされる。干渉は、２つの曲線が交差することを意味する。一実施例において、代替材料曲線が主材料曲線と重なり、ツールパスが重なる曲線を使用して生成された場合に、代替材料、次いで主材料が同じ位置に堆積されることになる。他の実施例において、２つ代替材料曲線が重なる可能性があり、２つのツールパスが同じ位置に生成されることになり、その位置に堆積されるべき材料の超過を引き起こす。干渉が検出される場合、曲線を切り取るためにステップ３６２が実行される。主材料および代替材料曲線が交差する実施例では、部品整合性が表面改良シェル位置に優先するので、主材料曲線が使用されて代替材料曲線を切り取る。
【００５５】
ステップ３６６において、代替材料は、新しい曲線に割り当てられ、これは、主材料の表面近くに形成されている代替材料のシェルに通常対応する。ステップ３６８において、新しい曲線のセットが支持体セットに追加される。すべての層が処理された場合、これはステップ３６４で検出され、方法３５０が実質的に完了である。すべての層が処理されていない場合、ステップ３７０が実行されて、ステップ３７０において現在の層が下の次の層に進んで、ステップ３５６が再び実行される。
【００５６】
方法３５０は、表面改良材料層を形成する一方法のみを示す。本発明は、主材料表面から指定された距離だけ外に代替材料層を形成することを含む。代替材料は、改良すべき各主材料層表面に鋳型を提供する。指定された距離は、先に参照したオフセット距離であり、最終代替材料シェル厚みに関連する可能性が高い。最初に選択されたオフセット距離が、主材料と干渉しない場合、代替材料は変更ないまま残され、そうでない場合は、主材料と干渉しないように切り取られる。結果としての代替材料曲線が、他の代替材料曲線と干渉しない場合、それらの曲線は、変更ないまま残され、そうでない場合は干渉しないように切り取られる。
【００５７】
次に図１８を参照すると、図１４Ａ〜Ｃおよび１５Ａ〜Ｃなどに述べた最小化された支持構造のための曲線を生成するのに適する方法４００が示されている。ステップ４０２において、最上部層の上には支持するものが何もないので、現在の層が初期化されて最上部層の直下の層になる。したがって現在の層は、一対の下部層であり、直ぐ上の層は、その対の上部層である。ステップ４０４において、上部曲線は、コピーされ中にオフセットまたはインデントされ、したがって新しいより小さい領域曲線を作成し、それがより低い現在の層上に投影される。したがって、現在の層より小さいまたは大きい曲線が、現在の層上に投影される。いくつかの実施形態において、上部曲線は、いくつかの周辺曲線に沿って中にオフセットされるが、他はそうではない。一実施形態において、ユーザは、特定の層辺が固定されていると指定することができ、その結果その曲線のコピーが作成されるときに、オフセットはいくつかの端から内側にのみ取られるが、他はそうではない。一実施例において、図１４Ｃの最上部の２層は、固定することができ、その結果上部層は、右から中にインデントされず、右の主材料部分に接しない支柱を形成するための支持材料を必要とする可能性がある。
【００５８】
オフセットが、無くなるまでまたは制限より下のサイズまで減らされた可能性があるので、オフセット化の後に、オフセットが、すなわち変形した領域の上部曲線が存在するかどうかを判断するチェックがステップ４０６においてなされる。一例示的実施例において、２．５４ｍｍ（１／１０インチ）の直径の円が２．５４ｍｍ（１／１０インチ）中にオフセットすると消滅する。ステップ４０８は、投影されたオフセット曲線から現在の層曲線を減算することによって投影内の相違を見つける。例えば、立体円柱型領域において、上部層は、下部層と同じサイズの円形層であろう。アルゴリズムは、上部層のコピーを作成し、この上部層曲線を内側にオフセットまたはインデント量だけオフセットする。円柱型立体の場合、上部オフセット円は、そこから減算されたフルサイズの下部円を有し、現在の層の上に支持されない材料がないので、負の領域を残す。片持ち領域などの張り出しの場合、張り出し曲線は、変形されると、そこから支持体部材を削り、変形した張り出し領域を相違領域として残す。
【００５９】
ステップ４１０は、相違が存在するかどうか、すなわちオフセット上部曲線のいずれかの部分が下部層によって支持されていないかどうかを判断する。したがって投影、相違計算、および相違のチェックは、上部層が、オフセットによって減らされると、下の層によって完全に支持されるかどうかを判断する。上部曲線の支持されない部分は、それ自体の堆積前にそれらのビードの直ぐ下に支持体が形成されない限り、落下するビードに対応する。
【００６０】
相違が存在する場合、ステップ４１２が実行され支持体セット曲線のセットに属する曲線のセットに、オフセット曲線が追加される。新しく追加された曲線は、支持層曲線とタグを付けられるかまたは識別されるが、たとえ支持層の目的が主材料層の目的と異なっても、支持層もまた堆積中に支持体を必要とするので、多数の点で、主材料層として後に扱われる。
【００６１】
ステップ４１６は、すべての層が処理されたかどうかを判断する。真であれば、処理のこの部分は、アルゴリズム４００に関して完了である。他にも処理が必要な層がある場合、ステップ４１４が実行されて、層を増分し、次の下部層を現在の層にする。再び、実行はステップ４０４に進む
１つまたは複数の曲線が消えたとステップ４０６が判断する場合、ステップ４１８が実行される。ステップ４１８は、それぞれの欠けているか、または消滅した曲線全体を通じて繰り返しを開始する。ステップ４２０において、欠落した曲線が他の層に接するかどうかを判断するチェックが行われる。これが真であれば、小さい支持層部分、例えばビード幅の３分の１、が下の層によって充分に支持されているので、図１４Ｃ内に支持体基底層２０５と共に示された支持材料層を完全になくすことが可能である。ステップ４２４において、投影された上部曲線はなくなる。曲線が接しない場合、ステップ４２２が実行されて、元の上部曲線またはいくつかの最低寸法の上部曲線が現在の層上に投影される。このように、最低寸法支持柱は、図１５Ｃに示すように、より高い層に支持体を提供するためにさらにオフセットすることなく下方に続くことができる。
【００６２】
したがって方法４００は、それぞれの層を取ること、オフセットによって内側に減らされたときに上の層が現在の層に支持されていないかどうかを判断すること、および、そうである場合に、支持材料層レベルと現在の層を加えること、によって動作する。現在の層が他の層に接するとき、上の層は、究極的にはなくなるまで減らされる。現在の層が他の層に接しないとき、上の層は、留められ、その結果、最小寸法より小さく減らされることはなく、空洞フロアまたはワークピースプラットフォームまでの垂直距離の残りに対する最小断面柱を提供する。
【００６３】
次に図１９を参照すると、支持材料層ツールパスを作成する方法４５０が示されている。方法４５０は、最小化された支持層ツールパスを作成するために適した方法の唯一の実施例である。方法４５０は、支持体および主材料層または既に計算されたスライスで開始することができる。主材料層および支持層の曲線または輪郭は、計算済みであるが、中のラスタツールパスはそうではない。
【００６４】
ステップ４５２において、支持材料に対する干渉距離が判断される。例えば、干渉距離は、代替材料のビード幅に設定することができる。ステップ４５４において、現在の層が初期化されて最上層になる。判断ステップ４５６は、現在の層が、表面改良を必要とするかどうかをチェックし、もし必要なければ、ステップ４７８において、すべての層が処理されたかどうかに関してチェックが行われる。すべての層が処理された場合、本方法は、本質的に終了し、本方法は４７９に進む。すべての層が処理されていない場合、４８０で、次の層が現在の層に設定され、ステップ４５６が再び実行される。
【００６５】
現在の層に対して表面改良が必要であれば、ステップ４５８において、支持体セットから先に生成された曲線が取り出される。取り出された曲線が、ステップ４６０でチェックされて、主材料に接しない場合、その曲線は、ステップ４７０において充填セットにコピーされて、以下に議論する処理をさらに伴う。取り出された曲線が主材料に接する場合、ステップ４６２において、支持材料曲線は、支持材料ビード幅だけ支持材料に向かって内側にオフセットされる。新しい曲線は、代替材料のための外形ツールパスとして使用することができる。ステップ４６４において、代替材料は、ステップ４６６で設定されたツールパス内に格納される曲線に割り当てられる。その曲線は、ステップ４６８において、充填セットにもコピーされ、実行は、ステップ４７２に進む。この層のためのすべての支持体曲線が処理されたとステップ４７２でチェックされた場合、ステップ４７４においてラスタが作成され、ステップ４７６においてツールパスセット内に格納される。次いで実行は、ステップ４７８において前述のとおり進む。
【００６６】
次に図２０を参照すると、最小化された支持層のためのツールパスを生成する方法５００が示されている。ステップ５０２で始まり、現在の層が初期化されて最上層になる。現在の層が、最小化された支持体を受け取るとステップ５０４でチェックされた場合、ステップ５０６において、支持体セットからその曲線が選択される。ステップ５０８において、支持材料で層を埋める曲線境界内でラスタが作成される。ステップ５１０において、支持材料がラスタに割り当てられ、ステップ５１２において、そのラスタがツールパスセット内に格納される。すべての層が処理されたとステップ５１４においてチェックされた場合、方法５００は、本質的に終了であり、実行は５１５に進む。すべての層が処理されていない場合、ステップ５１６において、現在の層が下の次の層に増分され、実行が再びステップ５０４に進む。
【００６７】
本文書によってカバーされた本発明の多数の利点を、前述の明細書に述べた。しかし、本開示は、多数の点において例示的に過ぎないことが理解されよう。本発明の範囲を超えることなく、詳細を、特に形、サイズ、部品の配置の問題を変更することができる。本発明の範囲はもちろん、添付の請求の範囲が表現される言語において定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ツールパスに沿って堆積されたビードによって形成された従来技術物品の単一層を介した上断面図である。
【図２】
周辺外形ツールパスを含む、ツールパスに沿って堆積されたビードによって形成された従来技術物品の単一層を介した上断面図である。
【図３】
鋸歯状外部表面および層間凹表面を有する積層製造技術によって形成された従来技術物品の側面図である。
【図４】
図３の層間表面の詳細図である。
【図５】
取外し可能２次表面改良材料に接触された主材料を有する積層製造中に形成された物品の側面図である。
【図６】
２次表面改良材料の除去後の図５の物品を示す図である。
【図７】
層内円形凹表面および層間凸表面を含む、図６の物品を詳細に示す図である。
【図８】
図８Ａは、積層製造のために設計が諸層にスライスされた、表面曲線を有する設計物品の概略化した側断面図である。
図８Ｂは、いくつかの主および２次材料層が堆積された、製造工程における図８Ａの物品の概略化した側断面図である。
図８Ｃは、すべての主および２次材料層が堆積された後の、図８Ｂの物品の概略化した側断面図である。
図８Ｄは２次材料の除去後の、図８Ｃの物品の概略化した側断面図である。
【図９】
図９Ａは、設計が内部円形空洞表面および外部周辺表面を有する、積層製造によって製造される設計物品層の概略化した上面図である。
図９Ｂは、主材料層のための鋳型として２次表面改良材料層が堆積された後の、図９Ａの設計の製造を示す図である。
図９Ｃは、２次表面改良材料に接する主材料層の堆積後の、図９Ｂの物品の製造を示す図である。
図９Ｄは、２次材料の除去後の、図９Ｃの物品の製造を示す図である。
【図１０】
図１０Ａは、２次材料層が著しい隙間を中に有する２次材料層の概略化した上面図である。
図１０Ｂは、２次材料層が著しい隙間を中に有する２次材料層の概略化した上面図である。
【図１１】
図１１Ａは、２次材料層が著しい隙間を中に有し、外形ビードを有しない、２次材料層の概略化した上面図である。
図１１Ｂは、２次材料層が著しい隙間を中に有し、外形ビードを有しない、２次材料層の概略化した上面図である。
【図１２】
図１２Ａは、堆積中に張り出しが支持体を必要とする、外部張り出しの下に定義された空洞を有する物品の非常に図示的な側断面図である。
図１２Ｂは、図１２Ｂの張り出しを支持するために使用される従来型２次材料支持体の非常に図示的な側断面図である。
図１２Ｃは、図１２Ａおよび１２Ｂの主および２次材料層の堆積によって形成された複合コンポーネントの非常に図示的な側断面図である。
【図１３】
図１３Ａは、堆積中に支持体を必要とする支持されない層を有する内部空洞を有するコンポーネントの非常に図示的な側断面図である。
図１３Ｂは、図１３Ａの支持されない層を支持する従来型２次支持体の非常に図示的な側断面図である。
図１３Ｃは、図１３Ａおよび１３Ｂの主および２次材料層の堆積によって形成された複合コンポーネントの非常に図示的な側断面図である。
【図１４】
図１４Ａは、張り出しによって定義された外部空洞を有するコンポーネントの非常に図示的な側断面図である。
図１４Ｂは、より少ない材料および堆積時間で済む本発明にしたがって形成された２次支持構造の非常に図示的な側断面図である。
図１４Ｃは、層毎に堆積された図１４Ａおよび１４Ｂの物品の非常に図示的な側断面図である。
【図１５】
図１５Ａは、製造中に支持体を必要とする内部空洞を有する物品の非常に図示的な側断面図である。
図１５Ｂは、より少ない材料および堆積時間で済む２つの傾斜側面を有する２次支持構造の非常に図示的な側断面図である。
図１５Ｃは、層毎に、図１５Ｂの２次支持材料上に堆積された図１５Ａの物品である。
【図１６】
ＣＡＤ図面からツールパスを生成するために使用される方法の高レベルな流れ図である。
【図１７】
本発明による表面改良を必要とするすべての層のための曲線を生成する手順を述べる流れ図である。
【図１８】
最小化された２次支持構造を生成するための手順を述べる流れ図である。
【図１９】
改良された表面特性のためのツールパスを生成する手順を述べる流れ図である。
【図２０】
最小化された支持体のためのツールパス生成のための手順を述べる流れ図である。
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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