(57)【要約】      （修正有）【課題】製造中に物品を検査するための三次元印刷装置及び方法を提供する。【解決手段】材料堆積デバイス１６は、材料の層を堆積して三次元物品を形成する。構築デバイス６０は、材料堆積デバイス１６によって堆積された材料を受容する。検査デバイス７２は、構築デバイス６０に近接配置され、物品が形成されるときに物品の各層の画像を撮像する。コントローラは、各層の画像をデジタルテンプレートと比較して、物品が適切に構成されているか否かを判定する。物品は、破壊検査を必要とすることなく物品の製造中に検査される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元印刷検査装置（１０）であって、
三次元物品（６２）を形成するために材料の層を堆積するための印刷ヘッド（１６）と、
前記印刷ヘッド（１６）によって堆積された前記材料を受容するための構築デバイス（６０）と、
前記構築デバイス（６０）に近接配置された検査デバイス（７２）であって、前記物品（６２）が形成されるときに前記物品（６２）の各層（６４）の画像を撮像する検査デバイス（７２）と、
各層（６４）の前記画像をデジタルテンプレートと比較して前記物品（６２）が適切に構成されているか否かを判定するコントローラ（７０）とを備える装置（１０）。
【請求項２】
前記検査デバイス（７２）は、光学画像を撮像するデバイスである、
請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記検査デバイス（７２）は、熱画像を撮像するデバイスである、
請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記構築デバイス（６０）に近接して２つ以上の検査デバイス（７２）が設けられる、
請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項５】
層（６４）になった物品（６２）を検査する方法であって、
検査デバイス（７２）を前記物品（６２）の層（６４）に近接配置することと、
各層（６４）の完成直後に前記物品（６２）の各層（６４）のデジタル画像を撮像することと、
前記デジタル画像を制御装置（７０）に送信することと、
前記物品（６２）の前記デジタル画像をデジタルテンプレートと比較して前記物品（６２）が適切に構成されているか否かを判定することとを備え、
前記物品（６２）が、破壊検査を必要とすることなく前記物品（６２）の製造中に検査される方法。
【請求項６】
更に、前記デジタル画像を編集して三次元モデルを形成することを含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
更に、前記層（６４）が印刷ヘッド（１６）によって堆積されているときに前記物品（６２）の前記層（６４）の近くから前記検査デバイス（７２）を後退させることを含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項８】
更に、前記検査デバイス（７２）が各層（６４）の前記デジタル画像を撮像することが出来るように、各層（６４）が堆積された後に前記物品（６２）の前記層（６４）の近くから印刷ヘッド（１６）を後退させることを含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項９】
更に、前記デジタル画像が前記デジタルテンプレートと一致しない場合に前記物品（６２）の製造を停止することを含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記デジタル画像が前記デジタルテンプレートと一致しない場合に前記物品（６２）の製造を調整することを含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記デジタル画像は光学画像である、
請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記物品（６２）の層（６４）に近接して２つ以上の検査デバイス（７２）が設けられる、
請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記デジタル画像は熱画像である、
請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、添加剤製造技術を使用して印刷された三次元物品の検査のための装置及び方法を対象とする。特に、本発明は、物品の破壊試験を必要としない添加剤製造技術を使用して形成された三次元物品を検査するための装置及び方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック部品の製造において、射出成形又は押出によって大きなバッチサイズ及び連続部品を製造することは一般的である。プラスチック射出成形の利点は、特に、複雑な部品形状の精度の高い製造のため、射出成形プロセスの機能性が、プラスチック部品のコスト効果の高い経済的な製造の要求事項を最も有利に満足することにある。
【０００３】
しかしながら、プラスチック部品の個別のユニット及び小さなバッチサイズの必要性は、短いタイムフレーム内で且つ射出成形部品の性質と同様の性質で供給されるという要求事項の有無に拘らず、大きくなり続けている。かかる部品の製造のための製造プロセスは存在しており、「プロトタイピング」という言葉で広く知られている。かかる部品の製造は、一般的に、三次元データからの形状の生成に基づいている。これらの形状は、様々な組み合わせの粉末部品において且つ「溶融撚り線」プロセスを使用して、印刷プロセス等の生成システムによって、例えばレーザによる入熱による可溶性の粉末層等の対応する材料を使用して多様な形態に作製される。
【０００４】
かかる三次元データから部品を作製するための様々な三次元印刷デバイスが現在利用可能である。三次元（３Ｄ）印刷とは、デジタル三次元物品モデル及び材料ディスペンサに基づき三次元物品を作り出すプロセスのことを指す。三次元印刷では、ディスペンサは、少なくとも２次元で移動し、決められた印刷パターンに従って材料を分配する。三次元物品を構築するために、印刷されている物品を保持するプラットフォームは、ディスペンサが多くの材料層を塗布することが出来るように調整されうる。言い換えれば、三次元物品は、多くの材料層を、一回に一層ずつ印刷することによって印刷される。ディスペンサが三次元で動く場合、プラットフォームの移動は必要ない。速さ、精度、色の選択肢及びコスト等の三次元印刷の特徴は、異なる分配機構及び材料に応じて変化する。
【０００５】
三次元印刷プロセス中には多くの異なるパラメータが適切に制御されなければならないため、製造される部品の検査は、品質管理プロセスの重要な部分である。特に、部品の内部部品及び特徴が重要であるか否かを決定する。制御された型穴を有する従来の成形プロセスとは異なり、三次元印刷プロセスによって製造される各部品は、制御パラメータを変更すると変化する可能性がある。これらの変化は、完成部品を見ても直ぐには分からないことが多いため、この部品が適切な基準の範囲内にあることを確認するために、この部品に対して検査を行わなければならない。
【０００６】
三次元印刷加工を使用して作られた部品の検査は手作業で行われる。内部構造及び部品の検査は、現在は破壊プロセスによって行われている。かかる現在利用可能な１つのプロセスでは、写真を取りながら製造部品を極薄い薄片にスライスする。写真をスライス厚みと組み合わせて、一組のデータポイント又はポイントクラウドを形成する。断面を最終的に組み合わせて、部品の三次元模型を形成する。次に、このモデルを所望の部品に関する仕様又はデジタルテンプレートと比較し、部品が適切に製造されているか否かを判定する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
限定ではないが三次元印刷プロセス又は選択的レーザ焼結を含む添加剤製造によって製造された部品を破壊する必要なく検査することが出来る検査デバイス及び方法を提供することが有益となる。特に、部品の製造中に材料層の積層を監視し、その結果物を所望のデジタルテンプレート又は仕様と比較する品質管理プロセス又は検査プロセスを有することが有益となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題の解決法は、材料堆積デバイス、構築デバイス、検査デバイス、及びコントローラを含む本明細書に開示された三次元印刷装置によって提供される。材料積層デバイスは、材料の層を堆積して三次元の物品を形成する。構築デバイスは、材料堆積デバイスによって堆積される材料を受容する。検査デバイスは、構築デバイスに近接配置され、物品が形成されるときに物品の各層の画像を撮像する。コントローラは、各層の画像をデジタルテンプレートと比較して物品が適切に構成されているか否かを判定する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、これから、添付の図面を参照して、一例として記述される。
【００１０】
【図１】本発明に係る検査デバイスを含む例示的な三次元印刷装置の斜視図である。
【００１１】
【図２】２つの検査デバイスが近接配置された例示的な印刷ヘッド及び構築デバイスの概略図である。
【００１２】
【図３】検査デバイスが近接配置された例示的な可動印刷ヘッド及び構築デバイスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の原理に係る例示的な実施形態の記述は、明細書全体の一部と見なすことが出来る添付の図面に関連して読まれることを意図している。本明細書に開示された本発明の実施形態の記述では、方向又は向きへの言及は全て、専ら記述の便宜を目的としており、本発明の範囲を制限する意図は全くない。「下の」、「上の」、「水平の」、「垂直の」、「上方の」、「下方の」、「上へ」、「下へ」、「頂の」、「底の」及びそれらの派生語（例えば、「水平に」、「下方へ」、「上方へ」等）等の相対的な用語は、そのときに記述又は検討中の図面において示される向きを指すものと解釈されるべきである。これらの相対的な用語は、専ら記述の便宜のためであり、本装置が特定の向きで構成又は操作されることを、そのようなものとして明示しない限りは、必要としない。「取り付けられた」、「貼着された」、「接続された」、「連結された」、「相互接続された」及びその類似の用語は、別段に明示的に記述しない限り、構造体同士が、介在構造体を介して直接的又は間接的に互いに固定又は取り付けられた関係、及び可動的又は固定的な取付け又は関係の両方を指す。更に、本発明の特徴及び利益は、好適な実施形態を参照することによって例示される。従って、本発明は、明確に、単独で又は特徴のその他の組み合わせにおいて存在する特徴の幾つかの考え得る非制限的な組み合わせを例示するこのような好適な実施形態に制限されるべきではなく、本発明の範囲は、本明細書に添付の請求項によって規定される。
【００１４】
図１を参照すると、例示的な三次元印刷装置１０が示されている。三次元印刷装置１０が示されているが、限定ではないが三次元印刷又は選択的レーザ焼結等の添加剤製造技術を使用して製造される部品又は物品を検査するためのシステム及び方法を対象とする本発明の範囲から逸脱することなくその他の添加剤製造技術装置を使用することが出来る。図示の例示的な実施形態では、三次元印刷装置１０は、材料受容領域即ちホッパー１２と、可塑化装置１４と、限定ではないが印刷ヘッド又は吐出ポンプ等の材料堆積デバイス１６とを含む。一般に、三次元印刷装置１０は、限定ではないが、ペレット又はその他の粉末形状の充填ポリマーを限定ではないが含むポリマー等の多様な材料を使用して、三次元物品を作製することが出来るように構成される。これらの材料はリグラインドも含むことが出来る。吐出ポンプ１６によって吐出可能であれば、その他の材料が幾つ使用されてもよい。
【００１５】
１つの三次元印刷装置１０しか示されていないが、生産率を上昇する又はサポート材料等の追加的な材料の種類又はその他の色を提供するために、その他の同様の三次元印刷装置１０が追加されて並列的に使用されてもよい。
【００１６】
三次元印刷装置１０は、モータ及びドライブトレイントランスミッション１８と、チャック２０と、オーガ２２と、ホッパー１２と、非加熱又は冷温ゾーン２４と、断熱材２６と、加熱ゾーン即ちカートリッジ２８と、ノズル３０を含む吐出ポンプ１６とを含む。図示の実施形態では、非加熱部２４、断熱材２６、及び過熱ゾーン即ちカートリッジ２８は、可塑化装置１４を形成する。三次元印刷装置１０のより詳細な記述は、２０１４年１０月３日に出願された同時係属の米国特許出願第６２／０５９，３８０号明細書に提供されており、当該出願はその全体が参照によって本明細書に援用される。
【００１７】
材料は、三次元印刷装置１０を通って吐出ポンプ１６へ移動する。吐出ポンプ１６は、ノズル３０に取り付け又は一体化されている。吐出ポンプ１６は、ノズル（１つ又は複数）３０へ供給するために使用される一定の又は制御された流量のポンプである。一実施形態では、吐出ポンプ１６は、小さなギアポンプである。しかしながら、ギアポンプは材料の圧力及びフローを維持するのに効果的であるが、ギアポンプは、開始及び停止機能中において、性能特性に一貫性が無いのが悩みである。
【００１８】
他の一実施形態では、吐出ポンプ１６は、シリンジ型ポンプでもよい。シリンジ型ポンプは、背圧からは独立して一定の流量を維持する。連続フローを有するために、第１のシリンジが押し出す間に第２のシリンジが充填する二重シリンジシステムを使用することが出来る。或いは、１回の通過に必要な量を計量するために１つのシリンジを使用し、第２のシリンジを押出シリンジとして使用してもよい。
【００１９】
他の一実施形態では、吐出ポンプ１６は、精密スクリューポンプでもよい。この可塑化装置は、精密スクリューポンプへ供給することができ、これは、正圧及び流量を作り出すために使用することが出来る。
【００２０】
図示の一実施形態では、構築デバイス即ちビルドプレート６０は、材料堆積デバイス１６に近接配置され、材料堆積デバイス１６は、図示の実施形態では、吐出ポンプ又は印刷ヘッドであり、製造対象の部品又は物品に応じてＸ−Ｙ−Ｚ方向に動かされる。その他の三次元印刷装置では、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に所望の移動を行うために、印刷ヘッド１６を移動して、又は印刷ヘッド１６及びビルドプレート６０の組み合わせを移動してもよい。或いは、三次元印刷装置は、限定ではないが、２０１４年１０月３日に提出された米国特許出願第６２／０５９，３９６号明細書に記述された構築デバイス又はビルドロッド等の他の構築デバイスを有してもよく、当該出願は、その全体が参照によって本明細書に援用される。ビルドプレート、ビルドロッド及び／又は印刷ヘッド１６の移動は、コントローラ７０によって制御される。
【００２１】
図２及び図３に最も良く示すように、１つ以上の検査デバイス７２が、構築デバイス６０及び印刷ヘッド１６のノズル３０に近接配置されている。検査デバイス７２は、限定ではないが、印刷層６４が堆積されるときに印刷層６４の特性を検出することが出来る光学デバイス（例えば、カメラ）、サーマルイメージングデバイス又はその他の装置でもよい。様々な例示的実施形態において、印刷層が堆積されるときに印刷層に光を当てるために、照明源７４が設けられてもよい。検査デバイス７２は、印刷層が堆積されるときに印刷層の画像を撮像するために配置される。印刷層及び製造予定の物品又は部品６２のサイズ及び複雑さに応じて、１つ以上の検査デバイス７２が使用されてもよい。印刷ヘッド１６及びノズル３０に対する検査デバイス７２の配置は、印刷ヘッド１６及び製造予定の物品又は部品６２の構成によって変化してもよい。更に、構築デバイス６０に対する検査デバイス７２の配置は、構築デバイス６０及び製造予定の物品又は部品６２の構成によって変化してもよい。
【００２２】
各印刷層の厚みは三次元印刷加工によって制御されるので、検査デバイス７２によって撮られる画像は、コントローラ７０によって編集され、三次元印刷装置から製造される実際の部品又は物品６２を表す一組のデータポイント又はポイントクラウドに形成することが出来る。検査デバイス７２は、ワイヤレスで、又は限定ではないがワイヤ又は回路パス等の固定接続部を介してコントローラ７０と通信してもよい。
【００２３】
検査デバイス７２は、三次元印刷装置において製造された各物品又は部品６２の一つ一つの堆積層毎にデータ又はポイントクラウドを撮像する。データ又はポイントクラウドは、コントローラ７０によって編集及び分析されて、製造部品又は物品６２の層が、部品又は物品６２を廃棄する必要がある何らかの欠陥を有するか否かを判定する。コントローラ７０は、検査デバイス７２によって集められたデジタル画像を部品又は物品６２の仕様又は所望のデジタルテンプレートと比較して、適切な品質管理が維持されていることを確実にする。破壊試験は必要ない。
【００２４】
検査デバイス７２から得られる情報は、三次元印刷加工を制御し、三次元印刷装置における材料のフロー、層間レジストレーション、異なる材料間のレジストレーション、及び当該加工のその他のパラメータを調整することによる部品又は物品６２の品質を向上するために、コントローラ７０によって使用することが出来る。加えて、検査デバイス７２から得られる情報は、印刷加工中に、部品又は物品６２上の、限定ではないが反り等のエラー又は欠陥が発生しているか否かを特定するために、コントローラ７０によって使用することが出来、印刷加工を停止させることが出来、印刷時間と材料の両方を節約する。
【００２５】
また、検査デバイス７２は、サーマルイメージングデバイスを含んでもよい。サーマルイメージングにより、製造即ち構築されている部品又は物品６２内で特定されるホットスポット及びコールドスポットの検出が可能になる。
【００２６】
検査デバイス７２から得られる情報は、プロセスに対して適切な修正を行うためにコントローラ７０によって使用することが出来る。例えば、得られた情報は、印刷層６４及び部品又は物品６２の反りを防止するために使用することが出来る。印刷中に部品又は物品６２が反る場合、現在の印刷層６４は、下層と同一にはならない、即ち、一致しない。検査デバイス７２は各層６４を記録するので、コントローラ７０は、情報を分析し、反りが発生しているか否かを判定する。反りが検出されれば、コントローラ７０は、印刷プロセスを停止させることが出来、欠陥のある部品６２又は層６４を除去することが出来る。また、コントローラ７０は、プロセスを修正して将来の層６４及び部品６２が適切に印刷されていることを確実にするために、印刷プロセスを調整することが出来る。
【００２７】
検査デバイス７２からの取得情報は、印刷プロセスにおける様々なエラー又は欠陥を検出するためにコントローラ７０によって使用することが出来るが、反りに関する欠陥に限定されない。例えば、部品又は物品６２は、ビルドプレートからゆとりを持って引き出される場合、コントローラ７０は、検査デバイス７２によって収集されたデータを分析し、部品又は物品６２が所定の位置になかった即ち間違った位置にあったと判断する。検査又は何らかのエラー又は欠陥を受けて、コントローラ７０は、三次元印刷加工を停止させることが出来、欠陥のある即ち不良な部品又は物品６２を取り除くことが出来る。部品又は物品６２を除去すると、コントローラ７０は、必要な適切な補正を行うことが出来、印刷加工は、他の部品を損傷することなく続行することが出来る。
【００２８】
図３に示す例示的な実施形態では、カメラ７２は、三次元印刷ヘッドの上方に配置される。各印刷層６４が完成した後、印刷ヘッドは、カメラが印刷領域全体を撮像するために十分に長く、矢印７６で示すように後退する。印刷領域は、積層した印刷層６４を全て含む。コントローラ７０は、既存の材料から新しい層を分離するために使用される。これは、次に、三次元印刷機からの層厚情報と組み合わされて、部品又は物品６２の三次元ポイントクラウドを形成する。印刷が終了すると、ポイントクラウドは、完全な三次元モデルに組み立てられ、デジタルチェック印刷又は仕様と比較されることが出来る。
【００２９】
二つ以上のカメラを使用して、印刷層６４のより良好な三次元画像を構築するためのステレオ画像を構築することができる。各層６４は、垂直プロファイル（側面）を有するので、デュアルカメラシステム又はマルチプルカメラシステムが、そのプロファイルを適切に検出できる。
【００３０】
構築デバイスに近接配置された検査デバイスの使用により、破壊試験又は分析を必要とせずに、各堆積層及び各製造部品又は物品の検査が可能になる。加えて、検査デバイスは印刷装置と一体化しているため、部品又は物品が製造されているときにエラー又は欠陥の検出を判定することが出来る。これにより、欠陥のある部品又は物品の製造は直ちに放棄することが出来、それにより、製造部品又は物品の全体的な品質を高めつつ、スクラップ材料の量を大幅に減少する。
【００３１】
本発明は、好適な実施形態を参照して記述されているが、当業者には、添付の請求項に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされてもよく、その部材に対して均等物が代用されてもよいことが分かる。特に、当業者には、本発明が、その精神又は本質的な特性から逸脱することなく、その他の具体的な形態、構造、配置、寸法比、サイズで、且つその他の部材、材料、及び部品を備えて実施されてもよいことは明らかである。当業者には、本発明が、本発明の原理から逸脱することなく特定の環境及び動作に関する要求事項に個別に適応させた、本発明の実施において用いられる構造、配置、寸法比、サイズ、材料、及び部品等の多くの修正を行って使用されてもよいことが理解される。従って、ここで開示されている実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、限定的なものではないとみなされるべきであり、本発明の範囲は、添付の請求項によって規定され、前述の記述又は実施形態に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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