(57)【要約】      （修正有）【課題】物体からの支持材料の除去を容易とする３次元物体を製造する方法を提供する。【解決手段】マイクロ波放射器５１６に対向する位置まで物体を移動させることと、固体から液体へと支持材料を相変化させるようにマイクロ波放射器を動作させることとを含む。コントローラ５８０は、マイクロ波放射器の動作が終了するときを判定するために所定期間の期限又は物体の温度のいずれかを監視する。支持材料は、物体の誘電損率よりも大きい誘電損率を有することから、マイクロ波放射器は物体を損傷しない。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元物体を製造するシステムであって、
プラテンと、
前記プラテンを移動させるように構成された搬送部と、
１つのエジェクタヘッドが前記プラテン上に物体を形成するために前記プラテンに向けて第１の誘電損率を有する第１の材料の液滴を吐出するように構成され且つ少なくとも１つの他のエジェクタヘッドが前記物体についての支持部を形成するために前記プラテンに向けて第２の誘電損率を有する第２の材料の液滴を吐出するように構成された少なくとも２つのエジェクタヘッドと、
前記搬送部がマイクロ波放射器に対向する位置まで前記プラテンを移動させるのに応じてマイクロ波エネルギによって前記物体及び前記支持部に照射するように構成されたマイクロ波放射器であって、前記マイクロ波エネルギが、前記支持部が前記物体から離れて流れるように前記支持部が固体から液体へと相変化する温度まで前記支持部を加熱するマイクロ波放射器と
を備え、
前記第２の誘電損率が第１の誘電損率よりも大きい、システム。
【請求項２】
前記少なくとも２つのエジェクタヘッド及び前記マイクロ波放射器に動作可能に接続された少なくとも１つのコントローラを
さらに備え、
前記少なくとも１つのコントローラが、
前記プラテン上において前記物体を形成するために前記プラテンに向けて前記第１の誘電損率を有する前記第１の材料の液滴を吐出するように前記少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの前記１つのエジェクタヘッドを動作させ、
前記第２の材料によって前記支持部の第１の部分を形成するために前記第２の誘電損率を有する前記第２の材料の液滴を吐出し且つ第３の材料によって前記支持部の第２の部分を形成するために前記プラテンに向けて第３の誘電損率を有する前記第３の材料の液滴を吐出するように前記少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの前記他のエジェクタヘッドを動作させ、
前記第２の材料によって形成された前記支持部の前記第１の部分が固体から液体へと相変化し始める前に前記第３の材料を含む前記支持部の前記第２の部分が固体から液体へと相変化し始めるのを可能とするように、マイクロ波エネルギによって前記物体及び前記支持部に照射するように前記マイクロ波放射器を動作させるように構成されており、前記第３の誘電損率が前記第２の誘電損率よりも大きい、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのコントローラが、前記プラテン上において前記物体の外部領域に前記第２の材料によって前記支持部の前記第１の部分を形成し且つ前記プラテン上において前記物体の内部領域に前記第３の材料によって前記支持部の前記第２の部分を形成するために前記少なくとも２つのエジェクタヘッドを動作させるようにさらに構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記マイクロ波放射器が位置決めされるハウジングであって、第１の開口及び第２の開口を有するハウジングと、
前記搬送部に動作可能に接続された少なくとも１つのコントローラと
をさらに備え、
前記少なくとも１つのコントローラが、前記マイクロ波放射器に対向する位置まで前記物体及び前記支持部とともに前記プラテンを移動させるように前記搬送部を動作させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記プラテンが、
溶融した支持部が前記プラテンから出るのを可能とするように前記プラテンを通る少なくとも１つの開口
をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
３次元物体を製造する方法であって、
プラテンを移動させるように搬送部を動作させることと、
前記プラテン上に物体を形成するために前記プラテンに向けて少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの一方によって第１の誘電損率を有する第１の材料の液滴を吐出し且つ前記プラテン上に前記物体についての支持部を形成するために前記プラテンに向けて前記少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの他方によって第２の誘電損率を有する第２の材料の液滴を吐出するように少なくとも１つのコントローラによって前記少なくとも２つのエジェクタヘッドを動作させ、前記第２の誘電損率が前記第１の誘電損率よりも大きいことと、
前記搬送部がマイクロ波放射器に対向する位置まで前記プラテンを移動させるのに応じてマイクロ波エネルギによって前記物体及び前記支持部に照射するように前記少なくとも１つのコントローラによって前記マイクロ波放射器を動作させることと
を備え、
前記マイクロ波エネルギが、前記支持部が前記物体から離れて流れるように前記支持部が固体から液体へと相変化する温度まで前記支持部を加熱する、方法。
【請求項７】
前記少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの前記他方のエジェクタの動作が、
前記第２の材料によって前記プラテン上に前記物体についての前記支持部の第１の部分を形成するために前記第２の誘電損率を有する前記第２の材料の液滴を吐出し且つ第３の材料によって前記支持部の第２の部分を形成するために前記プラテンに向けて第３の誘電損率を有する前記第３の材料の液滴を吐出するように前記少なくとも１つのコントローラによって前記少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの前記他方を動作させること
をさらに備え、
そのため、マイクロ波エネルギによって前記物体及び前記支持部を放射するための前記マイクロ波放射器の動作が、前記支持部の前記第１の部分が固体から液体へと相変化し始める前に前記支持部の前記第２の部分が固体から液体へと相変化し始めるのを可能とし、前記第３の誘電損率が前記第２の誘電損率よりも大きい、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのコントローラによる前記少なくとも２つのエジェクタヘッドの動作が、
前記プラテン上において前記物体の外部領域に前記第２の材料によって前記支持部の前記第１の部分を形成し且つ前記プラテン上において前記物体の内部領域に前記第３の材料によって前記支持部の前記第２の部分を形成するために前記少なくとも２つのエジェクタヘッドのうちの前記他方を動作させること
をさらに備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マイクロ波放射器に対向して前記プラテンを位置決めするようにハウジングにおける第１の開口を介して前記プラテンを動作させるように前記少なくとも１つのコントローラによって前記搬送部を動作させること
をさらに備える、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
第１の誘電損率を有する第１の材料によって形成された物体と、
第２の誘電損率を有する第２の材料によって形成された前記物体についての支持部の一部と、
第３の誘電損率を有する第３の材料によって形成された前記物体についての前記支持部の他の一部と
を備え、
前記第３の誘電損率が前記第２の誘電損率よりも大きく且つ前記第２の誘電損率が前記第１の誘電損率よりも大きい、
製造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この文献に開示されたシステム及び方法は、３次元印刷物体の処理に関し、より具体的には、３次元印刷物体からの支持材料の除去に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディジタル積層造形としても知られているディジタル３次元物体の製造は、ディジタルモデルからの実質的に任意の形状の３次元固体物体の製造方法である。３次元物体印刷は、材料の連続層が異なる形状で基板上に形成される積層処理である。層は、バインダー材料の吐出、指向性エネルギ付与、材料の押出、材料の吐出、粉末層の融合、シートのラミネート又は硬化放射線に対する液状フォトポリマ材料の露光によって形成されることができる。層が形成される基板は、プラットフォームに動作可能に接続されたアクチュエータの動作によって３次元的に移動されることができるか又は物体を形成する層を製造するために堆積装置の制御された移動のために材料堆積装置が１つ以上のアクチュエータに対して動作可能に接続されたプラットフォーム上に支持される。３次元物体印刷は、切断又は穿孔などのサブトラクティブ処理によるワークピースからの材料の除去にほとんど依存する従来の物体形成技術とは区別される。
【０００３】
関与するプロセスの多くは時間がかかり、手動で大抵の場合に行われることから、高速に３次元印刷される部品の製造が重要な課題である。多くの３次元物体プリンタにおいて、支持材料は、いかなる表面又は以前に形成された物体の一部が存在しない場合、層における造形材料の領域が形成されるのを可能とするように層に含まれる。特に、これらの支持領域は、物体の領域上の又は物体の一部に隣接したワックスなどの支持材料によって形成される。物体が形成された後、支持材料は、物体から除去される。支持材料は、典型的には、水中に物体を浸漬するか、物体上に水を噴射するか、水以外の化学物質の物体を浸漬するか、又は、対流式オーブン内で物体を加熱することによって除去される。しかしながら、これらの方法のそれぞれは、印刷物体のサイズが大きくなるのにともない悪化するという制限を有する。
【０００４】
３次元物体プリンタは、プリンタの大量生産を増加させるために大きくなることから、複数の部品は、支持材料によって分離されて３次元的に積層されることができる。しかしながら、これらの複数の物体製造運転において、かなりの量の支持材料は、物体が完全に形成された後に除去されなければならない。必要とされるものは、全ての製造速度を増加させるために印刷部品からかなりの量の支持材料を効率的に除去する方法である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つ以上の３次元印刷物体からの支持材料の除去を容易とする方法は、プラテンを移動させるように搬送部を動作させることと、支持材料を有する物体を形成するためにプラテンに向けて第１の材料の液滴及び第２の材料の液滴を吐出するようにエジェクタヘッドを動作させることと、搬送部がマイクロ波放射器に対向する位置までプラテンを移動させるのに応じてマイクロ波エネルギによって支持材料を有する物体を照射するようにマイクロ波放射器を動作させることとを備え、マイクロ波エネルギが、支持材料が物体から離れて流れるように支持材料が固体から液体へと相変化する温度まで支持材料を加熱する。
【０００６】
支持材料の除去を容易とする支持材料を有する３次元印刷物体を印刷するシステムは、プラテンと、プラテンを移動させるように構成された搬送部と、支持材料を有する物体を形成するためにプラテンに向けて第１の材料の液滴を吐出するように構成され且つ第２の材料の液滴を吐出するように構成されたエジェクタヘッドと、搬送部がマイクロ波放射器に対向する位置までプラテンを移動させるのに応じてマイクロ波エネルギによって支持材料を有する物体に照射するように構成されたマイクロ波放射器とを備え、マイクロ波エネルギが、支持材料が物体から離れて流れるように支持材料が固体から液体へと相変化する温度まで支持材料を加熱する。
【０００７】
方法及びプリンタの上述した態様及び他の特徴は、添付図面と関連して以下の詳細な説明において説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、マイクロ波エネルギによって印刷物体から支持材料を除去するプロセスを示している。
【図２Ａ】図２Ａは、支持材料がマイクロ波エネルギによって印刷物体から除去されるのを可能とするシステムを示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示されるプラテンの代替実施形態を示している。
【図３】図３は、先行技術の３次元物体プリンタを示している。
【図４】図４は、支持材料によって分離された複数の同一部分を有する先行技術の印刷されたブロックの斜視図を示している。
【図５】図５は、図４に示される先行技術のブロックの側面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本願明細書に開示された方法及び本方法の詳細についての環境の一般的な理解のために、図面が参照される。図面において、同様の参照符号は、同様の要素を指している。
【００１０】
図３は、層内の支持及び物体領域を形成するために材料を吐出する先行技術の３次元物体プリンタ１００を示している。プリンタ１００は、プラテン１０４及びエジェクタヘッド１０８を備える。エジェクタヘッド１０８は、部品１１６などの３次元物体と部品特徴形成を可能とする支持領域とを形成するようにプラテン１０４の表面１１２に向かって材料の液滴を吐出するように構成された複数のエジェクタを有する。特に、エジェクタヘッド１０８は、物体を形成するように造形材料の液滴を吐出するように構成された第１の複数のエジェクタと、形成される物体を支持するための足場を形成するようにワックスなどの支持材料の液滴を吐出するように構成された第２の複数のエジェクタとを有する。この文書において使用されるように、「支持」は、熱溶融又はＵＶ放射への露光などの硬化プロセスによって造形材料が流体又は粉末から固体へと変換される前に重力又は造形材料の層流によって生じる変形なしで、物体の一部の層が形成されるのを可能とするように造形材料の層が隣接して又は上に造形される支持材料の１つ以上の層を意味する。「支持材料」は、物体が印刷された後に物体から除去される物体の印刷に使用される材料を意味する。エジェクタヘッド１０８は、プロセス方向Ｐ、クロスプロセス方向ＣＰ及び垂直方向Ｖにプラテン１０４に対して移動するように構成されている。いくつかの実施形態において、プリンタ１００は、エジェクタヘッド１０８及びプラテン１０４の一方又は双方を互いに移動させるように構成されたアクチュエータを含む。
【００１１】
プリンタ１００は、少なくともエジェクタヘッド１０８に動作可能に接続されたコントローラ１２０を含む。コントローラ１２０は、プラテン表面１１２上に３次元物体を形成する層にレンダリングされた物体画像データに対してエジェクタヘッド１０８を動作させるように構成されている。３次元物体の各層を形成するために、コントローラ１２４は、プラテン１０４上に材料の液滴を吐出しながらプロセス方向Ｐにエジェクタヘッド１０８を１回以上掃引するようにプリンタ１００を動作させる。複数経路の場合には、エジェクタヘッド１０８は、各掃引間においてクロスプロセス方向ＣＰにシフトする。各層が形成された後、エジェクタヘッド１０８は、次層の印刷を開始するために垂直方向Ｖにプラテン１０４から離れるように移動する。
【００１２】
いくつかの実施形態において、プリンタ１００は、２つ以上の部品を備える製造運転を可能とするために十分な大きさである。特に、複数の部品は、材料のブロックを形成するために支持材料によってカプセル化された各部品を有して単一の印刷ジョブにおいて印刷されることができる。いくつかの実施形態において、コントローラ１２０は、複数の部品が単一ブロックとして印刷されるのを可能とするように部品のそれぞれの間に配置された支持材料によって３次元空間に配置された複数の部品に対応する画像データを受信する。画像データに対し、コントローラ１２０は、単一の製造運転において複数の部品を形成するようにエジェクタヘッド１０８を動作させる。図４は、プラテン１０４上に形成された複数の同一部品２０４を有する先行技術のブロック２００の斜視図を示している。部品２０４は、本質的に、３次元マトリクス状に配置され且つブロック２００にわたって均一に分離されることができる。部品２０４は、支持材料２０８によって分離される。他の実施形態において、複数の部品は、異なる種類の部品とすることができ、ブロック２００内の空間を効率的に使用するように互いに配置されることができる。図５は、先行技術のブロック２００の側面図を示している。
【００１３】
図４及び図５に示されるように、ブロック２００は、部品２０４を解放するために除去されなければならないかなりの量の支持材料２０８を含む。従来の対流式オーブンによって行われた支持材料除去プロセスを促進するために、図１のプロセス４００は、支持材料２０８を加熱して相変化するようにマイクロ波エネルギを使用する。プロセス４００の説明において、本方法がいくつかのタスク又は機能を行っているという言及は、そのタスク又は機能を実行するためにデータを操作するか又はプリンタにおける１つ以上の構成要素を動作させるようにコントローラ又はプロセッサに動作可能に接続された非一時的コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶されたプログラミングされた命令を実行するコントローラ又は汎用プロセッサを指す。上述したプリンタ１００のコントローラ１２０は、プロセス４００を実行するコントローラ又はプロセッサを提供するために構成要素及びプログラミングされた命令によって構成されることができる。あるいは、コントローラは、２つ以上のプロセッサによって実装されることができ、そのそれぞれが本願明細書に開示された１つ以上のタスク又は機能を形成するように構成される回路及び構成要素を関連付けられることができる。
【００１４】
方法４００は、プリンタから部品を除去することによって開始する（ブロック４０４）。部品は、プラテン１０４から支持材料２０８を含む部品２０４を持ち上げることによって又は支持材料２０８を含む部品２０４を支持するプラテン１０４をプリンタから移動させることによって除去されることができる。部品が追加の硬化を必要とする場合、それらは、硬化放射線に露光されるか又は材料の固化のために冷却されるのが可能とされる。部品が硬化すると、バルク支持材料がマイクロ波エネルギを使用して除去される（ブロック４０８）。バルク支持材料を除去するための従来公知の方法において、部品２０４は、支持材料２０８が固相から液相へと変化する所定温度に加熱された対流式オーブン内に配置される。例えば、対流式オーブンは、溶融温度に到達するのに支持材料にとって十分な時間量だけオーブンキャビティ内に残った部品が設けられたワックス支持材料を溶融するために６５℃の温度まで加熱されることができる。ワックス支持材料を含む部品２０４は、典型的には、ワックス支持材料が溶融して部品２０４から分離するのを可能とするように、約６０から１２０分間、６５℃の温度で対流式オーブンの加熱されたキャビティ内に残っている。部品２０４の温度は、典型的には、監視され、部品２０４は、部品の造形材料が変形し始める温度未満である所定の閾値温度に到達した部品の温度に応じてオーブンから除去される。支持材料の一部が残る可能性があるため、部品２０４は、さらに、支持材料のより少ない残りの量を除去するように処理される（ブロック４１２）。１つの実施形態において、このさらなる処理は、例えば６０℃などの所定温度に保持されたすすぎ溶液内に部品２０４を浸漬して溶液内で超音波振動を受けることを含む。この実施形態における超音波振動は、約５分間印加される。振動が終了すると、部品が支持材料槽から除去されて洗浄槽内に配置される前に、部品は、２分間などの他の所定期間だけ溶液内に残る（ブロック４１６）。洗浄槽は、典型的には、暖かい石鹸水を含み、超音波振動は、２０分間などの他の所定時間だけ石鹸水内で部品に再度印加される。そして、部品は、洗浄槽から除去されて乾燥される（ブロック４２０）。乾燥は、周囲空気内で又は４０℃などの比較的穏やかな温度まで加熱された対流式オーブン内で生じることができる。
【００１５】
３次元物体製造システム５００が図２Ａに示される。システム５００は、１つ以上のエジェクタヘッド５０４と、コントローラ５８０と、非接触温度センサ５３６と、マイクロ波放射器５１６と、ハウジング５１２とを含む。コントローラ５８０は、支持材料によって物体を形成するためにエジェクタヘッド５０４を動作させるための且つ支持材料を除去するためにマイクロ波加熱ステーション５２０を動作させるためのプログラミングされた命令及び構成要素によって構成されたコントローラ１２０とすることができる。エジェクタヘッドのそれぞれは、コントローラ５８０がプラテン１０４上に形成された部品の層内に物体及び支持領域を形成するために複数の材料を吐出するように動作させる複数のエジェクタを含む。図２Ａのシステムのいくつかの実施形態において、少なくとも１つのエジェクタヘッド５０４は、物体領域についての造形材料を吐出するように構成されており、少なくとも２つのエジェクタヘッド５０４は、異なる誘電損率を有する支持造形材料を吐出するように構成されている。すなわち、１つのエジェクタヘッド５０４は、他のエジェクタヘッド５０４によって吐出される支持材料における誘電損率よりも大きい第１の誘電損率を有する支持材料を吐出する。支持材料を吐出するこれら２つのエジェクタヘッド５０４は、大きい誘電損率を有する支持材料によって部品２０４の内部支持領域を形成し且つ第２の誘電損率を有する支持材料によって部品２０４の外部支持領域を形成するようにコントローラによって動作されることができる。システムのこの動作は、大きい誘電損率を有する支持材料が、第２の誘電損率を有する支持材料よりも支持材料を溶融するためのより多くの熱を生成することから、部品保護のために特に有利である。それゆえに、大きい誘電損率を有する支持材料は、第２の誘電損率を有する支持材料の前に溶融する。その結果、内部支持部は、外部支持部の前に溶融し、そのため、外部支持部は、マイクロ波エネルギを吸収し続け、部品を変形させる温度までの加熱から部品の造形材料を保護する。外部支持部の最後の層が溶融される場合、部品は準備ができている。
【００１６】
プラテン１０４は、エジェクタヘッド５０４の下方の位置からマイクロ波加熱ステーション５２０まで部品２０４及び支持材料２０８を有するブロック２００を移動させる搬送部５０８によって支持される。マイクロ波加熱ステーション５２０は、搬送部５０８がステーション５２０のハウジング５１２内にブロック２００を移動させた後に次の処理ステーションまでハウジングからプラテン及び部品２０４を移動させるのを可能とするように入口及び出口を有するハウジング５１２を含む。ハウジング５１２内において、マイクロ波放射器５１６は、マイクロ波エネルギによってブロック２００を照射するように位置決めされるとともに、搬送部５０８は、所定期間だけ又は部品が接近しているが到達していないことを示す部品に損傷を与える可能性がある温度に部品２０４の温度が到達するまで、ブロック２００が放射されたマイクロ波エネルギを受けるのを可能とするようになおも残る。部品温度を監視する実施形態において、非接触温度センサ５３６は、コントローラ５８０が所定の温度閾値と比較する部品温度を示す信号を生成する。１つの実施形態において、非接触温度センサは、レーザ温度計である。所定の温度閾値に到達したか又は所定期間が経過した場合、コントローラ５８０は、ハウジングから次の処理ステーションまで部品２０４を移動させるように搬送部５０８を駆動するアクチュエータ５４０を動作させる。
【００１７】
図２Ａに示されるプラテン１０４は、溶融した支持材料がプラテン１０４に残り且つハウジング５１２の床に落下するのを可能とする１つ以上の貫通孔５２４を含む。ハウジング５１２の床は、溶融した支持材料がハウジング５１２から出るのを可能とするドレイン５２８を含む。コントローラ５８０は、ハウジング５１２に残るように溶融した支持材料を促すためにポンプ５３２に動作可能に接続されることができ、又は、ハウジング５１２の床は、溶融した支持材料がドレイン５２８に流れ且つ重力の影響のもとにハウジング５１２に残るのを可能とする斜面によって形成されることができる。図２Ｂに示される他の実施形態において、プラテン１０４は、中実側面２２０及び開放上面を有するボックスである。金属スクリーン２２４は、開放上面の上に配置され、ブロック２００は、金属スクリーン上に載置される。マイクロ波に対する露光中において、溶融した支持材料は、それが固化する金属ボックス内に金属スクリーンを介して流れる。マイクロ波エネルギが公知の方法でスクリーンを介してボックスに入るのを防止するように、スクリーン開口部が寸法決めされることから、材料は固化する。
【００１８】
上述した方法及びシステムは、支持材料が造形材料の誘電損率よりも大きい誘電損率を有する場合に部品から支持材料を除去するのに有効である。「誘電損率」は、振動磁場中の材料によって熱として散逸したエネルギの測定値である。支持材料の誘電損率は、マイクロ波エネルギが支持材料を加熱し、部品の造形材料を大幅に加熱することなく支持材料における相変化を生み出すのを可能とする。それゆえに、支持材料は、部品に損傷又は悪影響を与えることなく溶融されて部品から除去される。造形材料の誘電損率よりも大きい誘電損率を有する支持材料を使用する他の利点は、支持材料及び造形材料が互いに近い溶融温度を有することができるが、２つの材料の誘電損率の差異が、造形材料が溶融温度に接近し始める前に支持材料がその温度に到達するのを可能とするということである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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