(57)【要約】  付加製造システムは、製造されている物体を支持するための上面を有するプラテンと、支持構造と、プラテン又は支持構造のうちの少なくとも１つに連結され、上面に平行な第１の軸に沿ってそれらの間に相対運動を生成するためのアクチュエータと、支持構造に装着された複数のプリントヘッドと、エネルギー源とを含む。各プリントヘッドは、プラテン上に供給材料の複数の連続層を供給するためのディスペンサを含む。プリントヘッドは、第１の軸に沿った運動中に、複数のプリントヘッドが、第１の軸に沿って複数の平行なスワスに供給材料を分配するように、第１の軸に垂直な第２の軸に沿って間隔を空けて配置される。エネルギー源は、供給材料の少なくとも一部を溶融解させるように構成されている。【選択図】図５Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造されている物体を支持するための上面を有するプラテンと、
支持構造と、
前記プラテン又は前記支持構造のうちの少なくとも１つに連結され、前記上面に平行な第１の軸に沿ってそれらの間に相対運動を生成するためのアクチュエータと、
前記支持構造に装着された複数のプリントヘッドであって、各プリントヘッドが前記プラテン上に供給材料の複数の連続層を供給するためのディスペンサを含み、前記第１の軸に沿った運動中に、前記複数のプリントヘッドが、前記第１の軸に沿って複数の平行なスワスに供給材料を分配するように、前記第１の軸に垂直な第２の軸に沿って間隔を空けて配置される、複数のプリントヘッドと、
前記供給材料の少なくとも一部を溶融解させるように構成されたエネルギー源と
を備える、付加製造システム。
【請求項２】
前記プラテンがビルド幅を有し、供給材料の前記複数の平行なスワスが前記ビルド幅に広がるように、前記複数のプリントヘッドが配置される、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項３】
前記複数のプリントヘッドが、前記第２の軸に沿って重なる前記プリントヘッドの部分と千鳥状のアレイで配置されている、請求項２に記載の付加製造システム。
【請求項４】
前記千鳥状のアレイが、第１のディスペンサを有する第１のプリントヘッドを含む第１の列、及び第２のディスペンサを有する第２のプリントヘッドを含む第２の列を含む、請求項３に記載の付加製造システム。
【請求項５】
前記第１のディスペンサが第１の分配領域を含み、前記第２のディスペンサが、前記第２の軸に沿って重なることなく、前記第１の領域と第２の領域が当接するように配置された第２の分配領域を含む、請求項４に記載の付加製造システム。
【請求項６】
前記第１のディスペンサが第１の分配領域を含み、前記第２のディスペンサが、前記第１の領域と前記第２の領域が前記第２の軸に沿って重なるように配置された第２の分配領域を含む、請求項４に記載の付加製造システム。
【請求項７】
前記第１の領域及び前記第２の領域が重なるエリアに供給された供給材料を拡散するためのスプレッダを含む、請求項６に記載の付加製造システム。
【請求項８】
前記第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第１のディスペンサ及び前記第２のディスペンサの開口を、前記第２の軸に沿って重ならない領域に分配させるように構成されたコントローラを含む、請求項６に記載の付加製造システム。
【請求項９】
前記複数のプリントヘッドが並んで配置される、請求項２に記載の付加製造システム。
【請求項１０】
隣接したプリントヘッドの分配領域が、前記第２の軸に沿って間隙により分離されている、請求項９に記載の付加製造システム。
【請求項１１】
前記ディスペンサによって供給された供給材料を前記間隙内に拡散するためのスプレッダを備える、請求項１０に記載の付加製造システム。
【請求項１２】
前記複数のプリントヘッドが、第１のプリントヘッド及び前記第１のプリントヘッドに隣接した第２のプリントヘッドを含み、前記第１のプリントヘッドが第１のディスペンサを含み、前記第２のプリントヘッドが第２のディスペンサを含み、前記第１のディスペンサ及び前記第２のディスペンサの各々が、前記間隙に隣接した第１の領域で、前記間隙から離れた第２の領域よりも高速で、供給材料を分配するように構成されている、請求項１０に記載の付加製造システム。
【請求項１３】
前記複数のプリントヘッドが、第１の複数の第１のプリントヘッド及び第２の複数の第２のプリントヘッドを含み、各第１のプリントヘッドが第１のディスペンサを含み、各第２のプリントヘッドが第２のディスペンサを含み、前記第１の複数の第１のプリントヘッドが、前記第２の軸に沿って間隔を空けて配置され、前記第２の複数の第２のプリントヘッドが、前記第２の軸に沿って間隔を空けて配置され、かつ前記第１の軸に沿って前記複数の第１のプリントヘッドから離間して配置されており、前記第１の複数の第１のプリントヘッドの各第１のディスペンサが、前記第２の複数の第２のプリントヘッドの対応する第２のディスペンサの対応する第２の分配領域に重なる第１の分配領域を有している、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項１４】
各第１のディスペンサが、第１の複数の開孔を備え、各第２のディスペンサが、第２の複数の開孔を備える、請求項１３に記載の付加製造システム。
【請求項１５】
前記第１の複数の開孔が、前記第２の軸に沿って、前記第２の複数の開孔に位置合わせされている、請求項１４に記載の付加製造システム。
【請求項１６】
第１の材料が、第１の粒子サイズを有する第１の粉末を含み、第２の材料が、前記第１の粒子サイズより小さい第２の粒子サイズを有する第２の粉末を含み、及び／又は前記第１の材料と前記第２の材料が異なる材料組成物を有している、請求項１５に記載の付加製造システム。
【請求項１７】
各第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第１のディスペンサ及び前記第２のディスペンサの前記開口を制御するように構成されたコントローラを備える、請求項１５に記載の付加製造システム。
【請求項１８】
前記コントローラが、前記第１のディスペンサに、第１の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する前記第２のディスペンサに、第２の供給材料を、前記第１のディスペンサが前記第１の供給材料を分配しなかったボクセル内に分配させるように構成されている、請求項１７に記載の付加製造システム。
【請求項１９】
第１の材料が、第１の溶融温度を有する第１の粉末を含み、第２の材料が、異なる第２の溶融温度を有する第２の粉末を含む、請求項１８に記載の付加製造システム。
【請求項２０】
支持体又は前記支持体及び前記プラテンを保持するフレームに装着されたエネルギー源であって、前記第１の粉末と前記第２の粉末との両方が分配された後に、前記供給材料を溶融解させるように構成されたエネルギー源を備える、請求項１９に記載の付加製造システム。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記第１のディスペンサに、前記第１の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する前記第２のディスペンサに、前記第２の供給材料を、前記第１のディスペンサが前記第１の供給材料を分配した前記複数のボクセルのサブセット内に分配させるように構成されている、請求項２０に記載の付加製造システム。
【請求項２２】
前記複数のボクセルの前記サブセットが、製造されている前記物体のエッジにおけるボクセルである、請求項２１に記載の付加製造システム。
【請求項２３】
前記第１の複数の開孔が、前記第２の軸に沿って、前記第２の複数の開孔の間の空間に位置合わせされている、請求項１４に記載の付加製造システム。
【請求項２４】
各第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、前記第１のディスペンサ及び前記第２のディスペンサの前記開口を制御するように構成されたコントローラを備える、請求項２３に記載の付加製造システム。
【請求項２５】
コントローラが、３Ｄモデルの層のボクセルを表示するデータを、前記第１の複数の開口に対応するボクセルの第１の複数の平行なストリップを表示する第１のデータと、前記第１の複数の平行なストリップと交互に配置されかつ前記第２の複数の開口に対応するボクセルの第２の複数の平行なストリップを表示する第２のデータとに分割し、前記第１のデータに基づき前記第１の複数の開口を制御し、前記第２のデータに基づき前記第２の複数の開口を制御するように構成されている、請求項２４の付加製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付加製造に関し、より具体的には、粉末の層が分配される３Ｄ印刷プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体自由形状製造又は３Ｄ印刷としても知られる付加製造（ＡＭ）は、３次元の物体が、連続する２次元層又は断面によって（一般的に粉末、液体、懸濁液、又は融解固形物である）原材料から作り上げられる、任意の製造プロセスを指す。それに対して、従来の機械加工技法にはサブトラクティブプロセスが含まれ、木材又は金属の塊といったストック材料から切り出された物体が作り出される。
【０００３】
付加製造には、様々な付加プロセスを用いることができる。様々なプロセスは、完成物を作製するために層を堆積させる方法、及び各プロセスでの使用に互換性がある材料で異なる。例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）や直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）、熱溶解積層法（ＦＤＭ）といったいくつかの方法では、層を作り出すために材料を融解又は軟化させるが、一方で、例えば光造形法（ＳＬＡ）といった別の技法を用いて、液体材料を硬化させる技法もある。
【０００４】
焼結とは、例えば粉末などの小さな粒を融合させて物体を製作するプロセスである。焼結は通常、粉末の加熱を含む。焼結プロセス中に、粉末状材料が十分な温度まで加熱されたとき、粉末粒子中の原子が粒子間の境界を超えて拡散し、粒子同士を融合させ、固体ストリップを形成する。溶融解とは対照的に、焼結に用いられる粉末は、液相に達する必要がない。焼結温度が物体の溶融点に達する必要がないので、焼結は、タングステン及びモリブデンなどの溶融点が高い材料に使用されることが多い。付加製造には、焼結と溶融解の両方を用いることができる。
【０００５】
従来の粉末ベースの付加製造システムは、粉末状の材料の層をステージに堆積させることができる。粉末状材料を焼結又は溶融解させるためのエネルギー源、典型的にはビームが、粉末状材料の層の選択された点に向けられ、層全域の選択された場所での作動でラスタースキャンされる際に、レーザビーム又は電子ビームが使用される。第１の層の選択された場所全てが焼結又は溶融解されると、ステージが低くなり、完成した層の上に粉末状材料の新たな層が堆積し、所望の物体が作製されるまで、１層ごとにそのプロセスが繰り返される。
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様では、付加製造システムは、製造されている物体を支持するための上面を有するプラテンと、支持構造と、プラテン又は支持構造のうちの少なくとも１つに連結され、上面に平行な第１の軸に沿ってそれらの間に相対運動を生成するためのアクチュエータと、支持構造に装着された複数のプリントヘッドと、エネルギー源とを含む。各プリントヘッドは、プラテン上に供給材料の複数の連続層を供給するためのディスペンサを含む。プリントヘッドは、第１の軸に沿った運動中に、複数のプリントヘッドが、第１の軸に沿って複数の平行なスワスに供給材料を分配するように、第１の軸に垂直な第２の軸に沿って間隔を空けて配置される。エネルギー源は、供給材料の少なくとも一部を溶融解させるように構成されている。
【０００７】
特徴は、下記の一又は複数を含みうる。プラテンはビルド幅（ｂｕｉｌｄ  ｗｉｄｔｈ）を有し、供給材料の複数の平行なスワスがビルド幅に広がるように、複数のプリントヘッドが配置されうる。複数のプリントヘッドが、第２の軸に沿って重なるプリントヘッドの部分と千鳥状のアレイで配置されうる。千鳥状のアレイは、第１のディスペンサを有する第１のプリントヘッドを含む第１の列、及び第２のディスペンサを有する第２のプリントヘッドを含む第２の列を含みうる。
【０００８】
第１のディスペンサが第１の分配領域を含み、第２のディスペンサが、第２の軸に沿って重なることなく、第１の領域と第２の領域が当接するように配置された第２の分配領域を含みうる。第１のディスペンサが第１の分配領域を含み、第２のディスペンサが、第１の領域と第２の領域が第２の軸に沿って重なるように配置された第２の分配領域を含みうる。
【０００９】
スプレッダ、ブレード及び／又はローラは、第１の領域及び第２の領域が重なるエリアに供給された供給材料を拡散しうる。スプレッダは含みうる。
【００１０】
第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第１のディスペンサ及び第２のディスペンサの開口を第２の軸に沿って重ならない領域に分配するように構成されうる。
【００１１】
複数のプリントヘッドは、並んで配置されうる。隣接するプリントヘッドの分配領域は、第２の軸に沿って間隙により分離されうる。スプレッダ、例えばブレード及び／又はローラは、ディスペンサによって供給された供給材料を間隙内に拡散しうる。
【００１２】
複数のプリントヘッドは、第１のプリントヘッド、及び第１のプリントヘッドに隣接した第２のプリントヘッドを含みうる。第１のプリントヘッドは、第１のディスペンサを含み、第２のプリントヘッドは、第２のディスペンサを含み、第１のディスペンサ及び第２のディスペンサの各々が、間隙に隣接した第１の領域で、間隙から離れた第２の領域よりも高速で、供給材料を分配するように構成されうる。第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第１のディスペンサ及び第２のディスペンサの開口を、第１の領域において第２の領域より高速で分配するように構成されうる。
【００１３】
エネルギー源は、複数のエネルギー源を含み、各プリントヘッドそれぞれは、複数のエネルギー源からのそれぞれのエネルギー源を含みうる。各エネルギー源それぞれは、それぞれのプリントヘッドによって分配されたスワスの供給材料を溶融解させるように構成されうる。エネルギー源は、プリントヘッドから分離して支持体に装着されてもよい。
【００１４】
熱源は、供給材料の粒子が溶融解する温度未満の温度まで供給材料を加熱するように構成されうる。熱源は、複数の熱源を含み、各プリントヘッドそれぞれは、複数の熱源からのそれぞれの熱源を含みうる。各熱源それぞれは、それぞれのプリントヘッドによって分配されたスワスの供給材料を加熱するように構成されうる。熱源は、プリントヘッドから分離して支持体に装着されてもよい。
【００１５】
スプレッダは、プラテン上に分配された供給材料を平滑化するように構成されうる。スプレッダは、ブレード及び／又はローラを含みうる。スプレッダは、複数のスプレッダを含み、各プリントヘッドそれぞれが、それぞれのプリントヘッドによって分配されたスワスの供給材料を平滑化するように構成された複数のスプレッダからのそれぞれのスプレッダを含みうる。スプレッダは、プリントヘッドから分離して支持体に装着されてもよい。
【００１６】
複数のプリントヘッドは、第１の複数の第１のプリントヘッド及び第２の複数の第２のプリントヘッドを含み、各第１のプリントヘッドが第１のディスペンサを含み、各第２のプリントヘッドが第２のディスペンサを含みうる。第１の複数の第１のプリントヘッドは、第２の軸に沿って間隔を空けて配置され、第２の複数の第２のプリントヘッドは、第２の軸に沿って間隔を空けて配置され、かつ第１の軸に沿って複数の第１のプリントヘッドから離間して配置され、第１の複数の第１のプリントヘッドの各第１のディスペンサは、第２の複数の第２のプリントヘッドの対応する第２のディスペンサの対応する第２の分配領域に重なる第１の分配領域を有しうる。各第１のディスペンサは、第１の複数の開孔を有し、各第２のディスペンサは、第２の複数の開孔を有しうる。
【００１７】
第１の複数の開孔は、第２の軸に沿って第２の複数の開孔に位置合わせされうる。第１のディスペンサは、第１の供給材料を保持するためのリザーバを含み、第２のディスペンサは、第２の供給材料を保持するためのリザーバを含みうる。第１の材料は、第１の粒子サイズを有する第１の粉末であり、第２の材料は、第１の粒子サイズより小さい第２の粒子サイズを有する第２の粉末でありうる。第１の材料及び第２の材料は、同一の材料組成物を有していてもよく、又は第１の材料及び第２の材料は、異なる材料組成物を有していてもよい。
【００１８】
各第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第１のディスペンサ及び第２のディスペンサの開口を制御するように構成されうる。コントローラは、第１のディスペンサに、第１の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する第２のディスペンサに、第２の供給材料を、第１のディスペンサが第１の供給材料を分配しなかったボクセル内に分配させるように構成されうる。第１の材料は、第１の溶融温度を有する第１の粉末であり、第２の材料は、異なる第２の溶融温度を有する第２の粉末でありうる。エネルギー源は、支持体又は支持体及びプラテンを保持するフレームに装着され、第１の粉末と第２の粉末との両方が分配された後に、供給材料を溶融解させるように構成されうる。
【００１９】
コントローラが、第１のディスペンサに、第１の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する第２のディスペンサに、第２の供給材料を、第１のディスペンサが第１の供給材料を分配した複数のボクセルのサブセット内に分配させるように構成されうる。第１の材料は、第１の粒子サイズを有する第１の粉末であり、第２の材料は、第１の粒子サイズより小さい第２の粒子サイズを有する第２の粉末でありうる。複数のボクセルのサブセットは、製造されている物体のエッジにおけるボクセルでありうる。
【００２０】
第１の複数の開孔は、第２の軸に沿って第２の複数の開孔の間の空間に位置合わせされうる。各第１のディスペンサが、第１の複数の独立して制御可能な開口を含み、各第２のディスペンサが、第２の複数の独立して制御可能な開口を含み、コントローラは、第１のディスペンサ及び第２のディスペンサの開口を制御するように構成されうる。コントローラは、３Ｄモデルの層のボクセルを表示するデータを、第１の複数の開口に対応するボクセルの第１の複数の平行なストリップを表示する第１のデータと、第１の複数の平行なストリップと交互に配置されかつ第２の複数の開口に対応するボクセルの第２の複数の平行なストリップを表示する第２のデータとに分割し、第１のデータに基づき第１の複数の開口を制御し、第２のデータに基づき第２の複数の開口を制御するように構成されうる。第１のディスペンサは第１のリザーバを含み、第２のディスペンサは第２のリザーバを含み、第１のリザーバ及び第２のリザーバは、同一の供給材料を保持しうる。
【００２１】
上記の利点は、以下のものを含みうるが、これらに限定されない。付加製造プロセスは、拡大縮小可能でありうる。例えば、製造プロセスのビルドベッドサイズを増加させることができ、又は処理時間を短縮することができる。これらの目標は、製造プロセスを実行する付加製造システムの構成要素の数を拡大縮小することによって実現することができる。例えば、一又は複数の構成要素、例えばディスペンサは、製造システムに加えることができる又は製造システムから除去することができるプリントヘッドモジュールと呼ばれるユニットを形成することができる。プリントヘッドモジュールの数を変えることによって、ディスペンサのカスタム製造を必要とせずに、製造プロセスを拡大縮小することができる。供給材料の層は、一方向への単一のスキャンで分配することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】例示的付加製造システムの概略側面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ａに示す付加製造システムの上面図である。
【図１Ｃ】例示的付加製造システムの概略側面図を示す。
【図２】プリントヘッドモジュールの上面図を示す。
【図３】図２に記載のプリントヘッドモジュールの側面図を示す。
【図４Ａ】供給材料ディスペンサの斜視図を示す。
【図４Ｂ】横方向に位置合わせされている供給材料ディスペンサを示す。
【図４Ｂ】横方向にずらされている供給材料ディスペンサを示す。
【図５Ａ】プリントヘッドプラットフォームにおけるプリントヘッドモジュール及び印刷構成要素の１つの配置を示す。
【図５Ｂ】プリントヘッドプラットフォームにおけるプリントヘッドモジュール及び印刷構成要素の別の配置を示す。
【図５Ｃ】プリントヘッドプラットフォームにおけるプリントヘッドモジュール及び印刷構成要素の更に別の配置を示す。
【図５Ｄ】プリントヘッドプラットフォームにおけるプリントヘッドモジュール及び印刷構成要素の更に別の配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
付加製造プロセスは、プリントヘッドプラットフォームに含まれる種々の印刷構成要素によって実行される。プリントヘッドプラットフォームが支持体上を移動する際に、一又は複数の供給材料が、種々の印刷構成要素によって堆積及び処理される。印刷構成要素は、単一のユニットとしてプリントヘッドプラットフォームに加えることができる又はプリントヘッドプラットフォームから除去することができるプリントヘッドモジュールに含むことができる。印刷構成要素はまた、プリントヘッドプラットフォームに直接加えることもできる。プリントヘッドプラットフォームのプリントヘッドモジュール及び印刷構成要素を種々の構成で配置することによって、より大きなビルドベッドサイズを処理し、同一及び／又は異なる材料を分配し、処理時間を短縮し及び／又は製造プロセスの質を高めるために、付加製造プロセスを拡大縮小することができる。
【００２４】
図１Ａは、例示的付加製造システム１００の概略図を示す。システム１００は、ハウジング１０２を含み、かつハウジング１０２に囲まれている。ハウジング１０２は、例えば、約１Ｔｏｒｒ以下の圧力などで、真空環境がハウジング内部のチャンバ１０１に維持できるようにすることができる。代替的には、チャンバ１０１の内部は、例えば、粒子を除去するためにフィルタリングされたガスなどの実質的に純粋な不活性混合ガスとすることができ、又はチャンバを大気に通気することができる、若しくはチャンバを大気を上回る正圧で保持することができる。ガスは、ガス源（図示されず）からガス入口１０３を通ってチャンバ１０１に侵入することができる。チャンバからのガスは、真空ベント１０４を通して除去することができる。
【００２５】
システム１００は、供給材料の層を受ける又は支持するプラテン１０５を含む。プラテン１０５は、例えば、抵抗ヒータ又は下方ランプアレイなどのヒータ１０９を含むことができ又はヒータ１０９上方に載置することができ、ヒータ１０９により、プラテン１０５を加熱することができ、よってプラテン１０５上に堆積させた供給材料を加熱することができる。
【００２６】
付加製造プロセスを実行するプリントヘッドアセンブリは、プラテン１０５上に位置付けられる。プリントヘッドアセンブリは、プラットフォーム１５０などの支持体を含み、一又は複数のプリントヘッドモジュール１１０（図１Ｂを参照）を運ぶように構成される。各プリントヘッドモジュールは、プラットフォーム１５０に取り外し可能に装着される。この文脈における「取り外し可能に装着された」とは、プリントヘッド１１０がプラットフォーム１５０に対して固定位置に機械的に保持されるが、プリントヘッド又はプラットフォームに損傷を与えることなく、標準手持ち構築ツール、例えばレンチ又は電動ドライバなどを使用することによって、プリントヘッド１１０を取り外すことができるように、プリントヘッド１１０を設置できることを意味する。例えば、プリントヘッド１１０のフレームは、機械的締め具、例えばナット及びボルトによって、プラットフォーム１５０に固定することができる。オペレータがプリントヘッド１１０を取り外したいときには、ボルトが緩められ、プリントヘッドが取り出される。他の実施態様では、プリントヘッドモジュールは、磁気若しくはロックなどの他の機構及びキー機構を介して、プラットフォーム１５０に固定することができ、又はプラットフォーム１５０から取り外すことができる。モジュールの固定及び取り外しは、ロボット工学によって実行することができる。
【００２７】
プリントヘッドプラットフォーム１５０は、ガントリ１３０によって支持することができる。アクチュエータシステム１５２により、プリントヘッドプラットフォーム１５０は、プラテン１０５全域を（例えば、ｙ軸に沿って）移動可能となる。プラットフォーム１５０及びプラテン１０５は、互いから分離され、どちらも他方を支持しない。例えば、プラットフォーム１５０は、プラテン１０５に装着されない。
【００２８】
コントローラ１９０は、付加製造プロセスの種々の態様を制御する。例えば、コントローラ１９０は、アクチュエータシステム１５２を制御し、よってプリントヘッドプラットフォーム１５０の運動を制御する。コントローラ１９０はまた、プリントヘッドプラットフォーム１５０に含まれるプリントヘッドモジュール１１０（図１Ｂを参照）の相対運動及び動作を制御することもできる。コントローラはまた、プリントヘッドプラットフォーム１５０に含まれる種々の「グローバル（ｇｌｏｂａｌ）」印刷構成要素の動作も制御することができる。
【００２９】
図１Ｂは、図１Ａに示す例示的付加製造システムの上面図である。プリントヘッドプラットフォーム１５０は、ガントリ１３０の２つの平行なレール１３０ａ及び１３０ｂに装着される。例えばアクチュエータにより、ガントリ１３０のレール１３０ａ及び１３０ｂ上をスライドすることにより、プリントヘッドプラットフォーム１５０は、プラテン１０５上を（ｙ軸に沿って）横断することができる。
【００３０】
図１Ｂに示すように、プリントヘッドプラットフォーム１５０は、プラットフォーム１５０に取り外し可能に装着され、かつプラットフォーム１５０の部品である一又は複数のプリントヘッドモジュール１１０を含む。プリントヘッドモジュール１１０は、種々の３Ｄ印刷構成要素、例えば、供給材料ディスペンサ、スプレッダ、熱源、エネルギー源、計測機器及び冷却剤ディスペンサなどを含むことができる。プリントヘッドモジュールは、単一ユニットとしてプラットフォーム１５０に装着することができかつプラットフォーム１５０から装着解除することができるように構成される。これにより、付加製造システム１００の構築及び修理が容易に可能となる。更に、印刷構成要素は、モジュール１１０のフレームに取り外し可能に装着することができる。これにより、例えば、修理が必要な又は製造プロセスに必要ない印刷構成要素を交換又は取り外すことができるようになる。
【００３１】
種々のプリントヘッドモジュール１１０は、交換可能に構築することができる。例えば、各供給材料ディスペンサは、物理的構築において実質的に同一とすることができる。より一般的には、プリントヘッドモジュール１１０の各々は、物理的構築において実質的に同一とすることができる。この文脈で「実質的に同一」とは、物理的構築、例えば、任意のフレーム及びフレームのプラットフォームへの連結機構の寸法、ディスペンサなどの構成要素のフレーム内への位置付け、孔を分配する供給材料の場所などが、プリントヘッドモジュールが交換可能である十分な許容範囲内で同一であることを示す。これにより、構成要素のカスタム製造を必要とせずに、製造プロセスを拡大縮小することが可能になる。「実質的に同一」とは、プリントヘッドモジュールを交換する能力に影響しない幾つかの違い、例えば、プリントヘッドモジュールのエレクトロニクスに印刷される又は埋め込まれるシリアル番号、ファームウェアバージョンなどをなおも許容すると留意されたい。
【００３２】
図１Ｂに示すように、プリントヘッドモジュール１１０は、プラテン１０５の幅全体に広がるよう千鳥状に（ｉｎ  ａ  ｓｔａｇｇｅｒｅｄ  ｆａｓｈｉｏｎ）配置される。これにより、プラテン１０５上をプラットフォーム１５０が１回通過するだけで（ｗｉｔｈ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｐａｓｓ）対象物の層が製造可能となる。プリントヘッドモジュール１１０は、プラテン１０５にわたって平行なストライプを形成する領域で付加製造プロセスを実行する。ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、ディスペンサによって所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができると理解すべきである。
【００３３】
プラットフォーム１５０はまた、グローバル印刷構成要素１２０及び１２２を支持することもできる。これらのグローバル印刷構成要素は、プリントヘッド１１０のフレームというよりはむしろ、プラットフォーム１５０に直接装着される。印刷構成要素１２０は、堆積した供給材料を分配し滑らかにすることができるグローバルディスペンサとすることができる。印刷構成要素１２０及び／又は１２２は、付加製造プロセスと関連する種々のパラメータを測定することができるグローバル計測システムとすることができる。グローバル計測システムは、センサ、熱イメージャ又は光学カメラのうちの一又は複数を備えることができる。更に、印刷構成要素１２０若しくは１２２又はそれらの両方は、堆積した供給材料を加熱するためのエネルギー源とすることができる。例えば、モジュール１１０の供給材料ディスペンサは、供給材料を堆積させることができ、１２０及び１２２のエネルギー源は、堆積した供給材料を溶融解させることができる。
【００３４】
１つの実施態様において、プラットフォーム１５０がプラテン１０５全域を左から右へ（＋ｙ方向に沿って）移動する際に、第１のグローバル計測システム１２０は、システムの前方エッジを形成し、順次、プリントヘッドモジュール１１０、最後に第２のグローバル計測システム１２２を続けて形成する。システム１５０の前方エッジにおけるグローバル計測システム１２０は、したがって、例えば、層が堆積することになるプラテン又は下層のような、表面の温度及び／又は垂直位置などの種々のパラメータを測定することができる。このデータは、プリントヘッドモジュール１１０の動作を制御するためにコントローラ１９０に供給することができる。例えば、供給材料ディスペンサが制御可能である場合、表面の高さの測定は、分配する材料の量を決定し、層の厚さの均一性を改善するために、コントローラによって使用することができる。同様に、層の温度に関するデータは、溶融解する部分が均一の温度まで上昇するように、熱源及び／又はエネルギー源に供給される電力を制御するために使用することができる。システム１５０の後方エッジにおけるグローバル計測システム１２２は、付加製造プロセスと関連した種々のパラメータ、例えば、溶／融解した供給材料の温度及び／又は表面粗さなど、を測定することができる。また、このデータは、例えばフィードバックループ内で、プリントヘッドモジュール１１０の動作を制御し、改良された均一性を提供するためにコントローラ１９０に供給することができる。
【００３５】
幾つかの実施態様では、計測システムの各セグメントが、一又は複数のプリントヘッドモジュールによって溶融解した供給材料の測定実行に関与するように、グローバル計測システム１２２は、ｘ方向に沿って幾つかのセグメントに分割することができる。
【００３６】
幾つかの実施態様では、付加製造プロセスは、一方向的なもの、即ち、付加製造プロセスは、システム１５０が左から右へ又は右から左へ移動しているときだけ生じる、とすることができる。別の例では、付加製造プロセスは、双方向的なもの、即ち、付加製造プロセスは、システム１５０が左から右へ及び右から左への両方で移動しているときに生じる、とすることができる。一又は複数のモジュール１１０及びグローバル印刷構成要素を有する付加製造システムの種々の実施態様が、後ほど詳しく説明されることになる。
【００３７】
図１Ｃは、製造システムの別の実施態様を示す。このシステムは、基本的には、図１Ａ及び図１Ｂのシステムと同一であるが、図１Ｃで、プリントヘッドプラットフォーム１５０は、プラテン１０５上方でプリントヘッドプラットフォーム１５０を移動させることができるロボット１３２のロボットアーム１３１に取り付けられる。ロボットアーム１３１は、自由にかつ制御可能に回転することができ、例えば、ロボットアーム１３１を、ｚ軸周囲で９０度、例えば１５０度まで、回転させることができる。これにより、付加製造プロセスがｘ軸に沿って実行可能となりうる。ロボットアーム１３１は、供給材料の層が処理されている間、ｚ軸に沿って移動させることができる。これにより、供給材料の不均一な形状が生じる可能性があり、例えば、供給材料は、傾斜した形状を有する可能性がある。各プリントヘッドモジュール１１０は、プラットフォーム１５０に取り外し可能に装着されている。ロボットアーム１３１の運動は、コントローラ１９０によって制御される。
【００３８】
幾つかの実施態様では、プリントヘッドプラットフォーム１５０は、カンチレバー配置で（ｉｎ  ａ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）装着することができる。カンチレバー配置では、プリントヘッドプラットフォーム１５０は、プリントヘッドプラットフォームの１つの端部だけを支持する支持体によって、プラテン１０５上で保持される。例えば、図１Ａ及び図１Ｂとは異なり、ガントリ１３０が２つのレール（１３０ａ及び１３０ｂ）によってプリントヘッドプラットフォームを支持する場合、カンチレバー配置では、ｙ軸に平行なプリントヘッドプラットフォーム１５０の１つのエッジのみが、支持体によって支持される。支持体は、プラットフォーム１５０がプラテン１０５上を移動可能とすることができる。プラットフォームが移動する際に、プラットフォーム１５０に取り外し可能に取り付けられているプリントヘッドモジュール１１０は、付加製造プロセスを実行することができる。ｙ軸に平行であり、支持体に全く支持されていないプラットフォーム１５０のエッジは、第２のプリントヘッドプラットフォームに取り付けることができる。そのような配置は、付加製造プロセスをｘ軸に沿って延長することができ、より大きなビルドベッドサイズを可能にする。
【００３９】
幾つかの実施態様では、プラットフォームは存在せず、その代わりにプリントヘッドモジュールが互いに直接装着される。この場合、アレイの１つのエッジのプリントヘッドモジュール（カンチレバー配置の場合）又はアレイの対向するエッジのプリントヘッドモジュール（ガントリ配置の場合）は、例えば垂直な支持プレートなどの支持体に装着される。
【００４０】
幾つかの実施態様では、例えば図１Ａから図１Ｃに記載された実施態様では、プリントヘッドプラットフォーム１５０及びプラテン１０５は、ｚ軸に沿って互いに対して移動することができる。これは、一又は複数のアクチュエータ又はロボットアームを使用して、プリントヘッドプラットフォーム１５０か、若しくはプラテン１０５かのどちらか、又はそれらの両方をｚ軸に沿って移動させることにより、実現することができる。
【００４１】
供給材料の層をプラテン１０５での処理のために堆積させる際に、堆積した層とプリントヘッドプラットフォーム１５０との間の距離は、堆積した層の厚さだけ低減される。付加製造プロセス中に、処理のために堆積させた層とプラットフォーム１５０との間の距離を一定に保つことが望ましいだろう。そうすることで、例えば、製造プロセスの質を向上させることができる。堆積した層の厚さだけ、ｚ軸に沿ってプラテン１０５に対してプラットフォーム１５０を移動させることによって、プラットフォーム１５０と供給材料の層との間の距離を変わらない状態に維持することができる。
【００４２】
図２は、プラテン（図示されず）上のｘ−ｙ平面に置かれたプリントヘッドモジュール１１０の実施形態の上面図を示す。モジュールがプラテン上を（＋ｙ方向に沿って）左から右へ移動するように構成されるので、モジュールの右端部が前方エッジであり、左端部が後方エッジである。モジュール１１０は、複数の印刷構成要素を含む。例えば、印刷構成要素は、前方エッジから後方エッジ、第１のディスペンサ２０４、第１のスプレッダ２４０（例えば、ローラ又はブレード）、第２のディスペンサ２０５、第２のスプレッダ２４１（例えば、ローラ又はブレード）、第１の計測システム２５２、材料を溶融解させずに供給材料の温度を上昇させるための熱源２３４（例えば、加熱ランプ）、供給材料を溶融解させるためのエネルギー源２６０（例えば、レーザシステム）、及び第２の計測システム２５０の順で含んでいる。プリントヘッドモジュールが付加製造プロセスを双方向に、即ち左から右方向又は右から左方向の両方で実行できるようにするために、印刷構成要素を加えることができ、又は既存の印刷構成要素を再配置することができる。
【００４３】
図３は、付加製造プロセスを実行するプリントヘッドモジュール１１０の概略図である。プリントヘッドモジュール１１０は、プラテン１０５上を（例えば、ｙ軸に沿って）移動し、付加製造プロセスを実行することができる。プリントヘッドモジュールの種々の印刷構成要素が、付加製造プロセスの方向に沿って（例えば、＋ｙ方向に沿って）配置される。加えて、幾つかの実施態様では、印刷構成要素は、モジュール１１０のフレームに対して、例えば、ｘ軸に沿って、移動することができる（例えば、アクチュエータ又はモータによって）。以下では、プリントヘッドモジュール１１０下の堆積した供給材料の所与のストリップで付加製造プロセスを実行する順番で、印刷構成要素が記載されることになる。
【００４４】
プリントヘッドモジュールは、第１の供給材料３１４を堆積させる第１のディスペンサ２０４（プリントヘッドモジュール１１０の前方エッジにある）を含む。第１のスプレッダ２４０（例えば、ローラ又はブレード）は、プリントヘッドモジュール２０４に追従し、プラテン１０５全域で均等に堆積した供給材料を分散させ／平滑化する。
【００４５】
オプションの第２のディスペンサ２０５は、第２の供給材料３１２を堆積させるために、第１のスプレッダ２４０に追従することができる。供給材料３１２及び３１４は、異なるサイズとすることができ、及び／又は異なる溶融温度及び材料組成物を有することができる。例えば、第２の供給材料３１２は、第１の供給材料３１４より小さいくすることができ、したがって、供給材料３１４の粒子間の介在空間を充填しうる。別の実施態様では、供給材料３１２及び３１４は、同一のサイズ及び焼結温度を有することができるが、ユニットエリア毎に堆積する供給材料の量を増加させるように堆積させることができる。これについては、後ほどより詳しく検討されることになる。第２の供給材料ディスペンサ２０５は、堆積した供給材料３１２及び３１４を分散させる／平滑化する、オプションの第２のスプレッダ２４１（例えば、ローラ又はブレード）によって追従される。
【００４６】
供給材料は、粉末とすることができる。例えば、供給材料は、鋼、アルミニウム、コバルト、クロム、及びチタンなどの金属、合金混合物、セラミック、複合体、又は生砂などから成る粒子の粉末とすることができる。
【００４７】
オプションの計測システム２５２は、スプレッダ２４１に追従することができ、プロファイルメータ、熱イメージャ又は光学カメラのうちの一又は複数を備えることができる。オプションの計測システム２５２は、例えば、堆積した供給材料の表面粗さを測定することができる。溶／融解前に堆積した供給材料の粗さを知ることで、供給材料は、製造プロセスを制御することによって付加製造プロセスの質を高めることに役立つ可能性がある。
【００４８】
次に、熱源２３４が、堆積した供給材料の温度を上昇させる。図３に記載の実施形態において、熱源２３４は、加熱ランプアレイである。加熱ランプアレイ２３４は、その焼結温度又は溶融温度未満の温度まで、堆積した供給材料３１２（及び存在する場合は３１４）を加熱することができる。
【００４９】
熱源２３４の後に、エネルギー源２６０が、例えば、温度をその焼結温度又は溶融温度を上回るまで上昇させる（次いで、その部分の冷却を許容する）ことによって、層の選択された部分を溶融解することになる。例えば、エネルギー源２６０は、ビーム３７５を放射することができる。ビーム３７５は、例えば、レーザによって生成されるレーザビーム、イオン源によって生成されるイオンビーム、又は電子ガンによって生成される電子ビームとすることができる。ビーム３７５は、堆積した供給材料の一方又は両方の温度を、それらそれぞれの溶融点を上回るまで上昇させることができる。エネルギー源２６０はまた、供給材料を溶融解させることができる複数のビーム５７５を生成することができる。
【００５０】
更に、エネルギー源２６０は、堆積した供給材料の所望の領域を選択的に溶融解させるために、選択的に作動させることができる。例えば、エネルギー源２６０は、層のある部分に衝突するビーム３７５を放射することができ、これにより、その部分に堆積した供給材料の一方又は両方が溶融解する。エネルギー源２６０の選択的な作動に併せて、プリントヘッドモジュールフレームに対してエネルギー源２６０を移動させることによって、又は供給材料の上でビーム３７５を移動させることによって、又はその両方によって、エネルギー源２６０による供給材料のある部分の選択的加熱を実現することができる。
【００５１】
例えば、エネルギー源２６０は、コントローラ１９０（図１Ａを参照）により制御されるモータ又はアクチュエータによって、プリントヘッドモジュールの動き（例えば、ｙ軸）に垂直な方向（例えば、ｘ軸）に沿って移動することができる。別の例では、エネルギー源２６０は、プリントヘッドモジュールフレームに対して移動しなくてもよい。しかしながら、エネルギー源２６０は、プリントヘッドモジュールの運動方向に垂直な方向に沿ってビーム３７５を偏向することができる機構、例えば、ガルボ（ｇａｌｖｏ）又は圧電マイクロミラーデバイスに装着されるミラーなどを含みうる。マイクロミラーデバイスは、プリントヘッドモジュールの運動方向に垂直な方向に沿って配置されるミラーの線形アレイを含みうる。上記すべての場合において、供給材料に対するビーム３７５の衝突位置が変化する。
【００５２】
異なる溶融温度又は焼結温度を有する２つの供給材料が使用される場合、エネルギー源２６０は、プリントヘッドモジュール１１０下の層の全部分を、第１の供給材料の溶融温度又は焼結温度と、第２の供給材料の溶融温度又は焼結温度との間の温度まで上昇させることができる。したがって、ただ１つの供給材料だけが溶融解することになる。これにより、エネルギー源２６０による選択的溶融解の必要性が除外される。
【００５３】
オプションの第２の計測システム２５０は、エネルギー源２６０に追従する。第２の計測システム２５０は、例えば、溶融解した供給材料の特性（温度、表面粗さなど）を測定することができる。これは、処理パラメータを調節し、付加製造プロセスの質を向上させるために、コントローラによって使用することができる。
【００５４】
図４Ａは、図２及び図３に記載の供給材料ディスペンサ２０４に使用することができる例のディスペンサの概略図である。ディスペンサ２０４は、付加製造プロセス中にプリントヘッドモジュールが移動する（ｙ軸に沿って）方向に実質的に垂直であるプラテンの幅にわたって延びる（ｘ軸に沿って）導管４０５（例えば、中空シリンダ）を含む。導管４０５は、供給材料３１４を貯蔵するホッパー４２０に連結される。導管４０５は、空洞４１０及びオーガ４４０を取り囲む。オーガ４４０は、材料ディスペンサ２０４に回転可能に装着され、モータは、例えば、駆動シャフトによって、オーガ４４０を回転させることができる。
【００５５】
オーガ４４０は、回転する際に、ホッパー４２０から供給材料３１４を引き出す。導管４０５は、供給材料３１４をプラテン上に分配することができる、その長さに沿って（ｘ軸に沿って）配置された複数の開口４４５ａ−ｂを有することができる。導管４０５は、距離４４９ａだけ間隔を空けて配置することができる２つ以上の開口を有することができる。開口４４５ａ−ｂを通した供給材料３１４の流量は、コントローラ１９０により制御することができるアクチュエータ４５０によって調整することができる。供給材料の流量はまた、オーガの回転速度を変化させることによって、又はオーガをより多くの供給材料の流れを可能にできる別のオーガに交換することによって、制御することができる。例えば、オーガの回転速度を増加させることで、供給材料が分配される速度を増加させることができ、逆もまた同じである。他の例では、導管は、導管の長さに沿って（ｘ軸に沿って）、連続スロットを有することができる。
【００５６】
幾つかの実施態様では、ディスペンサ２０４は、ホッパーの対向する端部に位置することができる２つのホッパーを有することができる。
【００５７】
ディスペンサ２０４は、モジュール１１０のエッジを越えて、供給材料を分配するように構成することができる。例えば、供給材料が、ｘ方向のディスペンサの範囲を超えて存在するプラテンの一部に分配されるように、ディスペンサは、ノズルを通して流体キャリアの供給材料を射出する射出器を含み、ノズルは、プラテン表面に対してある角度で位置付けることができるだろう。この特徴は、ディスペンサ２０４直下にないプラテンの領域で供給材料を堆積させるために役立つ可能性がある。これにより、例えば、プリントヘッドプラットフォームの２つの隣接するプリントヘッドモジュールの間に間隙が存在する場合、供給材料は、間隙下に存在するプラテンの一部に確実に堆積することになる。また、これにより、供給材料を、プリントヘッドモジュール直下にないプラテンの一部に、例えば、プラテンのエッジに近接した領域に、確実に堆積させることができる。
【００５８】
代替的には又は加えて、ディスペンサ２０４は、プリントヘッドモジュールの中心でよりプリントヘッドモジュール１１０のエッジで（ｘ−方向に沿って）、より多くの供給材料を供給するように構成することができる。例えば、導管４０５の２つの端部における（ｘ方向に沿った）孔は、導管４０５の中心の孔より大きいとすることができる。スプレッダ３４０、例えばブレード又はローラは、次いで、余分な供給材料を、プリントヘッドアレイの２つの隣接したプリントヘッドモジュールの間の間隙内に拡散するために使用することができる。
【００５９】
図４Ｂ及び図４Ｃは、プリントヘッドアレイに供給材料ディスペンサを配置する２つの方法を示す。図４Ｂに示すように、ディスペンサの開口が横方向に位置合わせされる（ｘ軸に沿って）、又は図４Ｃに示すように横方向にずらされる（ｘ軸に沿って）ように、ディスペンサ２０４及び２０５を配置することができる。ディスペンサ２０４の開口４４５ａ−ｉは、距離４４９ａだけ間隔を空けて配置される。ディスペンサ２０５の開口４４６ａ−ｉはまた、距離４４９ａだけ間隔を空けて配置される。１つの実施態様では（図３に示されるように）、２つのディスペンサは、プラットフォーム１５０（例えば、図３のディスペンサ２０４及び２０５）に取り外し可能に取り付けられているプリントヘッドモジュール１１０に属することができる。別の態様では、２つのディスペンサは、プラットフォームに取り外し可能に取り付けられている異なるプリントヘッドモジュール（図５Ｃ及び図５Ｄを参照）に属することができる。更に別の実施態様では、一方又は両方のディスペンサが、プリントヘッドプラットフォーム１５０のグローバル印刷構成要素として含まれてもよい。
【００６０】
図４Ｂでは、ディスペンサ２０４の開口４４５ａ−ｉ及びディスペンサ２０５の開口４４６ａ−ｉが、横方向に位置合わせされている。ディスペンサ２０４及び２０５の開口が同じ距離４４９ａだけ間隔を空けて配置され、４４５ａの４４６ａとの位置合わせにより、開口４４５ａ−ｉ及び４４６ａ−ｉは、確実に位置合わせされる。図４Ｂに記載の実施態様では、ディスペンサ２０４は、開口４４５ａ−ｉを通して供給材料３１４を供給するように構成され、ディスペンサ２０５は、開口４４６ａ−ｉを通して供給材料３１５を供給するように構成される。供給材料３１４及び３１５は、それぞれのディスペンサに関連したホッパーに貯蔵される。例えば、供給材料３１４は、ホッパー４２０（図４Ａを参照）に貯蔵される。
【００６１】
供給材料３１４及び３１５は、異なる粒子サイズを有することができる。例えば、供給材料３１４は、供給材料３１５よりも大きいとすることができ、逆もまた同じである。代替的には又は加えて、供給材料３１４及び３１５は、異なる材料組成物を有することができる。
【００６２】
図４Ｂに示すように、ディスペンサ２０４及び２０５の配置により、同一の材料組成物を有しているが、異なる粒子サイズを有する供給材料３１４及び３１５の堆積を可能にしうる。例えば、供給材料３１４を最初に堆積させることができ、続いて供給材料３１４と比べて小さな粒子サイズを有する供給材料３１５を堆積させることができる。供給材料３１５は、供給材料３１４の粒子間の介在間隙を充填することができる。そのような実施態様により、付加製造プロセスによって製造されている物体の表面をより滑らかにすることができる。
【００６３】
幾つかの実施態様では、供給材料３１５は、供給材料３１４が分配されるすべてのボクセルに分配される。他の実施態様では、開口が個々に制御可能である場合、コントローラは、ディスペンサ２０４に、第１の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応する第２のディスペンサ２０５に、第２の供給材料を、第１のディスペンサが第１の供給材料を分配した複数のボクセルのサブセット内に分配させるように構成することができる。例えば、より小さな粒子は、製造されている物体の表面に対応する領域だけに分配することができる。
【００６４】
他の実施態様では、図４Ｂのディスペンサ２０４及び２０５は、異なる材料組成物の供給材料３１４及び３１５を分配することができる。開口４４５ａ−ｉ及び４４６ａ−ｉからの供給材料の流れは、例えば、コントローラ１９０（図４Ａを参照）により制御されるアクチュエータ４５０によって、調節することができる。これにより、プラテン１０５の異なる領域での供給材料３１４及び３１５の供給が可能になりうる。例えば、２つの供給材料は、ビルドエリアのすべてが何らかの材料によって覆われるように、補完的なパターンで分配することができる。例えば、コントローラは、ディスペンサ２０４に、第１の供給材料を複数のボクセル内に分配させ、対応するディスペンサ２０５に、第２の供給材料を、第１のディスペンサが第１の供給材料を分配しなかったボクセル内に分配させるように構成することができる。
【００６５】
供給材料３１４及び３１５は、異なる焼結温度を有することができ、例えば、供給材料３１４の焼結温度は、供給材料３１５の焼結温度よりも高い。したがって、供給材料３１５の焼結温度を上回るが供給材料３１４の焼結温度を下回る温度まで供給材料の層を加熱することによって、焼結しない供給材料３１４により支持することができる供給材料３１５を焼結することになるだろう。これにより、エネルギー源を、ｘ軸に沿って供給材料のストリップのすべての温度を同時に上昇させるように構成させることが可能になる。要するに、エネルギー源によるエネルギーの選択的適用は必要とされない。
【００６６】
図４Ｃでは、前述のように、ディスペンサ２０４の開口４４５ａ−ｉ及びディスペンサ２０５の開口４４６ａ−ｉが、互いに対して横方向にずらされている。例えば、開口４４６ａ−ｉを、距離４４９ｂだけ、ｘ軸に沿って、開口４４５ａ−ｉに対してずらすことができる。幾つかの実施態様では、開口４４６ａ−ｉは、開口４４５ａ−ｉの間の中間点に位置合わせされる。距離４４９ｂは、例えば、距離４４９ａの半分とすることができる。
【００６７】
ディスペンサ２０４及び２０５が同一の供給材料（例えば、３１４又は３１５）を堆積させるように構成される場合、図４Ｃに記載の実施態様は、ｘ軸に沿ってディスペンサのユニット長さ毎に堆積させる供給材料の量を２倍にすることができる。これにより、付加製造プロセスの解像度及び均一性を向上させることができる。
【００６８】
図５Ａから図５Ｄは、印刷構成要素をプリントヘッドモジュール１１０に配置するための種々の構成、及びプリントヘッドモジュール１１０及びグローバル印刷構成要素をプラットフォームに配置するための種々の構成を説明している。これらの構成は、付加製造プロセスの質を向上させ、より大きなビルドベッドサイズを可能にし、付加製造プロセスの時間を短縮することができる。
【００６９】
図５Ａは、プラットフォーム５５１のプリントヘッドモジュール１１０ａ−ｄの千鳥状の配置を有する付加製造システムを説明する。千鳥状の配置では、ｘ軸に沿って互いに隣接するモジュール（例えば、モジュール１１０ａ及び１１０ｂ）は、ｙ軸に沿ってずらされる。プラットフォーム５５１がｙ軸に沿ってスライドする際に、プリントヘッドモジュール１１０ａ−ｄは、プラテン１０５にわたって平行なストライプを形成する領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。
【００７０】
幾つかの実施態様では、隣接するプリントヘッドモジュール（例えば、モジュール１１０ａ及び１１０ｂ）は、ｘ軸に沿って互いに重ねることができる。その結果、モジュール１１０ａ及び１１０ｂが付加製造プロセスを実行する堆積した供給材料は、重ねることができる。プリントヘッドモジュール１１０ａ−ｄの各々は、供給材料をプラテンに分配するためのディスペンサを含むことができる。隣接したプリントヘッドモジュールのディスペンサが供給材料を堆積させることができるプラテン１０５の領域は、重ねることができる。
【００７１】
ディスペンサ領域がｘ軸に沿って重なる場合、供給材料が重なる領域で厚くなりすぎることを回避するために、幾つかの技法が利用できる。まず第１に、プリントヘッドモジュールの後に位置付けられ、重なる領域にわたって伸びるスプレッダは、供給材料をより均一に広げるために使用することができる。第２に、ディスペンサが独立して制御可能な開口を含むと想定すると、コントローラは、ディスペンサの１つだけが材料を重なる領域のボクセル内に分配するように構成することができる。第３に、ディスペンサは、重なる領域で低い流量を有するように構成することができる。例えば、エッジにおけるディスペンサの開口（ｘ軸に沿った）は、より小さくすることができるため、その開口を通って流れる供給材料はほとんどない。これらの技法は、組み合わせて使用することができる。
【００７２】
図５Ａに記載のシステムの別の実施態様では、隣接するモジュール１１０ａ−ｄは、ｘ軸に沿って互いに重なることはない。その結果、プラテン１０５には、モジュール直下でない領域が存在する。そのような領域で付加製造プロセスを実行するために、その領域に隣接したモジュールによって、供給材料をそれらの領域に供給する必要がある。
【００７３】
また、供給材料が薄くなりすぎたりディスペンサの間の間隙からなくなったりするのを避けるために、幾つかの技法が利用できる。まず第１に、プリントヘッドモジュールの後に位置付けられ、重なる領域にわたって伸びるスプレッダは、供給材料を広げ、間隙に侵入させるために使用することができる。第２に、図４Ａで説明されたように、プリントヘッドモジュールのディスペンサ２０４は、例えば射出器を使用することによって、モジュールのエッジを越えて供給材料を堆積させるように構成することができる。第３に、ディスペンサ２０４は、プリントヘッドモジュールのエッジから離れたところよりもエッジでの方がより多くの供給材料を堆積させられるように構成することができる。例えば、エッジにおけるディスペンサの開口（ｘ軸に沿った）は、より大きくすることができるため、間隙に隣接したエリアでは、その開口を通って流れる供給材料はほとんどない。第４に、ディスペンサが独立して制御可能な開口を含むと想定すると、コントローラは、ディスペンサが加速した速度で材料を分配するように構成することができる。これらの技法は、組み合わせて使用することができる。結果的に、上記の構成を有するディスペンサ２０４を含むモジュール１１０ａ−ｄは、プリントヘッドモジュール直下でない領域に供給材料を分配することができる。コントローラ１９０は、種々の開口４４５ａ−ｉによって堆積させる供給材料の量を決定することができる。
【００７４】
図５Ａで説明したプリントヘッドプラットフォーム５５１が左から右に（＋ｙ軸に沿って）スライドする際、第１のグローバル印刷構成要素１２０は、プラットフォームの前方エッジにあり、プラットフォームの後方エッジに、モジュール１１０ａ−ｄ、及びグローバル印刷構成要素１２２が続く。第１のグローバル構成要素１２０は、例えば、付加製造プロセスが行われる表面の温度、若しくは粗さ、又はそれらの両方を検出することができる計測システムを含むことができる。上記のように、プリントヘッドモジュール１１０ａ−ｄの各々は、供給材料を堆積させるために、供給材料ディスペンサ（例えば、図４Ａで説明した供給材料ディスペンサ２０４）を含む。プリントヘッドモジュールはまた、スプレッダ（例えば、ローラ又はブレード２４０／２４１）と、堆積させた供給材料を加熱するための熱源（例えば、加熱ランプ２３４）を含むことができる。熱源は、供給材料の溶融温度未満の温度まで供給材料を加熱するように構成される。
【００７５】
グローバル印刷構成要素１２２は、堆積させた供給材料を広げるためのグローバルスプレッダを含むことができる。グローバルスプレッダは、モジュール１１０ａ−ｄのうちの１つの直下でなく、したがってプリントヘッドモジュールに含まれるスプレッダによってアクセスすることができない領域上に供給材料を拡散するために特に役立つ。
【００７６】
グローバルスプレッダに加え、構成要素１２２はまた、堆積させた供給材料を溶融解させる、例えば焼結する、エネルギー源を含む。第２のエネルギー源は、例えば、堆積させた供給材料の所望の部分を焼結することができるビーム３７５（例えば、レーザ、イオン、又は電子ビーム）を放射することができるエネルギー源２６０に類似するものとすることができる（更に詳しくは、エネルギー源２６０の作用、図１Ｂを参照）。
【００７７】
グローバル印刷構成要素１２２はまた、溶融解した材料上に冷却剤流体を分配するための冷却剤ディスペンサを含むことができる。加えて、構成要素１２２はまた、焼結した供給材料の温度及び表面粗さを測定するための計測機器を含むことができる。
【００７８】
モジュール並びにグローバル印刷構成要素１２０及び１２２に含まれる種々の印刷構成要素は、コントローラ１９０によって制御することができる。例えば、コントローラ１９０は、ディスペンサ２０４の開口４４５ａ−ｉ（図４Ａから図４Ｃを参照）からの供給材料の流れを調整するアクチュエータ４５０を制御することができる。コントローラ１９０はまた、加熱ランプ２３４によって供給材料に供給されるエネルギーを制御することができる。加えて、コントローラ１９０は、堆積させた供給材料の所望の部分を焼結するためにエネルギー源２６０を制御することができる。これは、例えば、焼結することを必要とする供給材料の一部においてビーム３７５を方向付けることによって、実現することができる。コントローラ１９０は、プラットフォーム５５１に含まれる種々の計測システムからの入力を受信し、その入力に基づき、プラットフォーム５５１の種々の印刷構成要素を制御することができる。コントローラの機能についてより詳しくは、図１Ｂに見ることができる。
【００７９】
図５Ｂは、プリントヘッドモジュール１１０ａ−ｄが並列構成で配置される付加製造システムの別の実施態様を示す。並列構成において、プリントヘッドモジュール１１０ａ−ｄは、ｘ軸に沿って配置され（即ち、プリントヘッドモジュールは、互いに対してｙ軸に沿ってずれることはない）、プラテン１０５の幅に広がることができる。隣接するモジュール、例えばモジュール１１０ａ及び１１０ｂは、間隙によって分離される。
【００８０】
プラットフォーム５５２がｙ軸に沿ってスライドする際に、各プリントヘッドモジュールは、プラテンにわたってストライプ形状の領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。隣接するモジュールの間の間隙下に位置するプラテン１０５の領域は、隣接するモジュールのディスペンサから供給材料を受け取る。供給材料を分配する機構は、図５Ａに記載の機構と類似する。
【００８１】
ディスペンサ間の間隙を補償するための、図５Ａを参照して説明される種々の技法は、図５Ｂの実施態様に使用することができる。例えば、モジュール１１０ａ−ｄのディスペンサ（例えば、ディスペンサ２０４）は、モジュールのエッジを越えて供給材料を堆積させるように構成することができる。これは、例えば、射出器を使用することによって、行うことができる。代替的には、ディスペンサ２０４は、プリントヘッドモジュールのエッジから離れたところよりもエッジでの方がより多くの供給材料を堆積させることができる。エッジで堆積させた余分な供給材料は、グローバル印刷構成要素１２２に含まれるグローバルスプレッダによって拡散することができる。グローバル印刷構成要素１２０及び１２２は、図５Ａに記載のプロセスと類似の製造プロセスを実行する。また、図５Ａの実施態様について記載したように、コントローラ１９０は、プラットフォーム５５２の種々の計測システムからの入力を受信し、製造プロセスを調整するために、プラットフォーム５５２の印刷構成要素を制御することができる。
【００８２】
正確な機械加工で、間隙を小さくし、モジュールを厳密な許容誤差で位置付けることができ、例えば、間隙を、ディスペンサの開孔間の距離未満とすることができる。この場合、間隙を補償するための技法の幾つかを必要としないことがある。
【００８３】
図５Ｃは、プリントヘッドモジュールの複数の千鳥状の配置１１１ａ−ｃ（例えば、図５Ａに記載の千鳥状の配置）がｙ軸に沿って配置される場合の付加製造システムの別の実施態様を説明する。各配置内で、プリントヘッドモジュールは、ｘ軸に沿って間隔を空けて配置される。図５Ａに記載されるように、各千鳥状の配置において、隣接するモジュール（例えば、モジュール１１０ａ及び１１０ｂ）は、間隙によって分離することができるか、又はｘ軸に沿って互いに重ねることができるかのどちらかである。各モジュールは、プラットフォーム５５３がｙ軸に沿ってスライドする際に、プラテン全域のストライプ形状の領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。
【００８４】
千鳥状の配置１１１ａ−ｃのプリントヘッドモジュールは、プラテン５５３がｙ軸に沿ってスライドする際に、同一の長方形ストリップの供給材料上で製造プロセスを実行することができる。例えば、千鳥状の配置１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃのモジュール１１０ａ、１１０ｅ及び１１０ｆはそれぞれ、ｙ軸に沿って伸びる同一のストリップの供給材料上で付加製造を実行することができる。モジュール１１０ａ、１１０ｅ及び１１０ｆは各々、同一の又は異なる供給材料をプラテン上に堆積させることができるディスペンサを含むことができる。例えば、モジュール１１０ａは、ディスペンサ２０４を含むことができ、モジュール１１０ｅは、ディスペンサ２０５（図４Ｂ及び図４Ｃを参照）を含むことができる。図４Ｂ及び図４Ｃで説明したように、ディスペンサ２０４及び２０５は、同一の材料組成物だが異なる粒子サイズを有することができ、又は異なる材料組成物を有することができる、供給材用３１４及び３１５をそれぞれ分配することができる。代替的には、ディスペンサ２０４及び２０５は、同一の供給材料（例えば、供給材料３１４）を分配することができる。
【００８５】
更には、ディスペンサ２０４及び２０５は、図４Ｂに記載したように、横方向に位置合わせすることができるか、又は図４Ｃに記載したように、横方向にずらすことができるかのどちらかである。ディスペンサ２０４及び２０５が横方向に位置合わせされる場合、ディスペンサ２０４の開口４４５ａ−ｉ及びディスペンサ２０５の開口４４６ａ−ｉは、プラテン１０５の同一領域に供給材料を分配することができる。例えば、プラットフォーム５５３がｙ軸に沿ってスライドする際に、開口４４５ａ及び４４６ａは、ｙ軸に沿って延びるプラテン１０５上の同一ストリップに沿ってそれぞれの供給材料を堆積させることができる。同様に、各対の開孔（４４５ｂ／４４６ｂ、４４５ｃ／４４６ｃなど）は、プラテン１０５上の所与のストリップ上にそれぞれの供給材料を堆積させることができる。
【００８６】
図４Ｂを参照して説明したように、供給材料３１４及び３１５が同一の材料組成物だが異なる粒子サイズを有する場合、製造プロセスの最終製品は、より滑らかな表面を有することができる。
【００８７】
供給材料３１４及び３１５が異なる焼結温度を有する異なる材料組成物を有している場合、より高い焼結温度を有する供給材料が、製造されている物体を形成するために溶融解するより低い焼結温度を有する供給材料を支持することができる。
【００８８】
ディスペンサ２０４及び２０５が横方向にずらされる場合、図４Ｃで説明したように、ディスペンサ２０４及び２０５は、ユニットの長さ毎に同一の供給材料（例えば、供給材料３１４及び３１５）の２倍の量を分配することができる。これにより、付加製造プロセスの解像度を向上させることができる。
【００８９】
プラットフォーム５５３はまた、グローバル印刷構成要素１２０−１２３を含むこともできる。グローバル印刷構成要素１２０は、プラットフォーム５５３の前方エッジにあり（プラットフォームが＋ｙ方向に沿って左から右に移動していると想定する）、グローバル印刷構成要素１２２は、プラットフォームの後方エッジにある。グローバル印刷構成要素１２１及び１２３は、プリントヘッドモジュールの千鳥状の配置の間に位置する。印刷構成要素１２０は、付加製造プロセスが行われる表面の温度、若しくは粗さ、又はそれらの両方を検出することができる計測システムを含むことができる。印刷構成要素１２１、１２２及び１２３は、先行するディスペンサによって堆積させた供給材料を拡散するために、スプレッダ、例えばローラ又はブレードなどを含むことができる。印刷構成要素１２１及び１２３は、一又は複数の供給材料の焼結温度未満の温度まで堆積させた供給材料の温度を上昇させることができるエネルギー源、例えば加熱ランプ２３４を含むことができる。後続の印刷構成要素１２２は、図１Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂで説明した供給材料の所望の部分を焼結することができるエネルギー源２６０を含む。
【００９０】
また、図１Ｂ及び図５Ａの実施態様について記載したように、コントローラ１９０は、プラットフォーム５５３の種々の計測システムからの入力を受信し、製造プロセスを調整するために、プラットフォーム５５３の印刷構成要素を制御することができる。
【００９１】
図５Ｄは、プリントヘッドモジュールの複数の並列配置１１１ｄ−ｆ（例えば、図５Ｂに記載された）がｙ軸に沿って配置される場合の付加製造システムの別の実施態様を説明する。図５Ｂで説明したように、各並列配置において、隣接するモジュール（例えば、モジュール１１０ａ及び１１０ｂ）は、間隙によって分離される。各モジュールは、プラットフォーム５５４がｙ軸に沿ってスライドする際に、プラテン上のストライプ形状の領域で付加製造プロセスを実行する。上記のように、ディスペンサが制御可能な開口を有する場合、供給材料の層は、所望のパターンでプリントヘッドモジュールと関連するストライプ内に堆積させることができる。
【００９２】
並列配置１１１ｄ−１１１ｆのプリントヘッドモジュールは、プラテン５５４がｙ軸に沿ってスライドする際に、同一のストライプ形状領域上で製造プロセスを実行することができる。例えば、並列配置１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃのモジュール１１０ａ、１１０ｅ及び１１０ｆはそれぞれ、ｙ軸に沿って伸びる同一のストリップの供給材料上で付加製造を実行することができる。図５Ｃで説明されたように、モジュール１１０ａ、１１０ｅ及び１１０ｆは各々、同一の又は異なる供給材料をプラテン上に堆積させることができるディスペンサを含むことができる。例えば、モジュール１１０ａは、ディスペンサ２０４を含むことができ、モジュール１１０ｅは、ディスペンサ２０５（図４Ｂ及び図４Ｃを参照）を含むことができる。ディスペンサ２０４及び２０５は、位置合わせること又は横方向にずらすことができ、同一の又は異なる供給材料を堆積させることができる（一又は複数の供給材料堆積の種々の構成に関しては、図５Ｃを参照）。グローバル印刷構成要素１２０、１２１、１２２及び１２３は、図５Ｃに記載の構成要素と類似の機能を実行する。印刷構成要素１２１、１２２及び１２３に含まれるグローバルディスペンサは、プリントヘッドモジュール直下に位置しないプラテンの領域に供給材料を拡散する。
【００９３】
また、図５Ａの実施態様について記載したように、コントローラ１９０は、プラットフォーム５５４の種々の計測システムからの入力を受信し、製造プロセスを調整するために、プラットフォーム５５４の印刷構成要素を制御することができる。
【００９４】
金属及びセラミックの付加製造の処理条件は、プラスチック用の処理条件とは著しく異なる。例えば、金属とセラミックは概して、著しくより高い処理温度を必要とする。よって、プラスチック用の３Ｄ印刷の技法は、金属又はセラミックの処理には適用できない可能性があり、装置も均等ではない可能性がある。しかしながら、本明細書に記載の幾つかの技法は、ポリマー粉末、例えば、ナイロン、ＡＢＳ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）及びポリスチレンなどに適用可能であろう。
【００９５】
コントローラ１９０及び本明細書に記載のシステムの他の計算デバイス部分は、デジタル電子回路で、又はコンピュータソフトウェア、ファームウェア、若しくはハードウェアに実装することができる。例えばコントローラは、例えば持続性マシン可読ストレージ媒体といった、コンピュータプログラム製品内に記憶されたコンピュータプログラムを実行するプロセッサを含むことができる。こうしたコンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション又はコードとしても知られている）は、コンパイル又は翻訳された言語を含むプログラミング言語の任意の形で書くことができ、また独立型プログラムとして、又はモジュール、構成要素、サブルーチン、若しくは計算環境で使用するのに適している他のユニットとして配置することを含め、任意の形で配置することができる。
【００９６】
コントローラ１９０及び記載のシステムの他の計算デバイス部分は、各層に供給材料を堆積させるべきパターンを指定する、例えばコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）互換性のファイルといったデータオブジェクトを記憶するための持続性コンピュータ可読媒体を含むことができる。例えば、このデータオブジェクトは、ＳＴＬ形式のファイル、３Ｄマニュファクチャリングフォーマット（３ＭＦ）ファイル、又は付加製造ファイルフォーマット（ＡＭＦ）ファイルとすることができよう。例えば、コントローラは、遠隔コンピュータからデータオブジェクトを受信することができよう。コントローラ１９０内のプロセッサは、例えばファームウェア又はソフトウェアによって制御される際に、装置１００の構成要素を制御して層毎に指定されたパターンを溶融解するのに必要な信号のセットを生成するため、コンピュータから受信したデータオブジェクトを解釈することができる。
【００９７】
コントローラ１９０は、３Ｄモデルの層のボクセルを表示するデータを、第１の複数の開口に対応するボクセルの第１の複数の平行なストリップを表示する第１のデータと、第１の複数の平行なストリップと交互に配置されかつ第２の複数の開口に対応するボクセルの第２の複数の平行なストリップを表示する第２のデータとに分割し、第１のデータに基づき第１の複数の開口を制御し、第２のデータに基づき第２の複数の開口を制御するように構成することができる。
【００９８】
種々の印刷構成要素、例えば、供給材料ディスペンサ、熱源及びエネルギー源を含む標準化されたプリントヘッドモジュールを有することが望ましい。本文脈における「標準化された」とは、各プリントヘッドモジュールが、実質的に同一であることを示す（ディスペンサの間で変わるシリアル番号又はファームウェアバージョンなどのソフトウェアの例外は存在する可能性がある）。標準化されたプリントヘッドモジュールは、付加製造システの構築及び修理を簡単にし、例えば、プリントヘッドは、任意の互換性のある付加製造システムで動作可能となるであろう「プラグ及びプレイ」モジュールとして動作可能でありうる。標準化されたプリントヘッド構成により、製造される物体のサイズを収容するために、付加製造システムの拡大縮小も可能となりうる。
【００９９】
プリントヘッドモジュールは、製造プロセス中に、例えば、ｘ、ｙ及びｚデカルト軸に沿って、プラテンに対して移動することができる。プラテンは、動かないように構成することができ、即ち、プラテンは、ｘ−ｙ平面においてか又はｚ軸に沿ってかのどちらかで移動しないようにしてもよい。
【０１００】
幾つかの実施態様が記載されてきた。だが、様々な修正が行われうることを理解すべきである。例えば、
・プリントヘッド支持体１５０が移動するというよりはむしろ、プラテン１０５がプリントヘッドアセンブリとプラテンとの間に相対運動を提供するために横方向に移動する間、プリントヘッド支持体は、静止状態を維持することができる。
・ディスペンサの個々の開口は、独立して制御可能である必要はない。幾つかの適用について、例えば、エネルギー源が選択的である場合、単にディスペンサを使用してアレイ全域で分配することで十分でありうる。
・分配システム、スプレッダ、感知システム、熱源及び／又はエネルギー源などのプリントヘッドの部品として先ほど述べられた種々の構成要素は、プリントヘッドでの代わりに、プラットフォーム１５０などの支持体に装着することができ、又は支持体を保持するフレームに装着することができる。
・ｚ軸運動について、水平に移動する構成要素は、垂直に移動する構成要素で支持することができ、逆もまた同じである。
・プリントヘッドモジュールを有するよりむしろ、ディスペンサ及びエネルギー源は、支持体、例えばプラットフォーム１５０などに直接装着することができるだろう。
【０１０１】
したがって、他の実施態様が特許請求の範囲内にある。
【図１Ａ】
2018530672.tif 000003
【図１Ｂ】
2018530672.tif 000004
【図１Ｃ】
2018530672.tif 000005
【図２】
2018530672.tif 000006
【図３】
2018530672.tif 000007
【図４Ａ】
2018530672.tif 000008
【図４Ｂ】
2018530672.tif 000009
【図４Ｃ】
2018530672.tif 000010
【図５Ａ】
2018530672.tif 000011
【図５Ｂ】
2018530672.tif 000012
【図５Ｃ】
2018530672.tif 000013
【図５Ｄ】
2018530672.tif 000014
【国際調査報告】
2018530672.tif 000015
2018530672.tif 000016