(57)【要約】      （修正有）【課題】３次元物体を製造するプリンタに関し、プリンタによって印刷された部分における層間接着性を向上させる装置及び方法の提供。【解決手段】３次元物体印刷システム１００は、３次元物体が造形されるプラットフォーム１０４と、プラットフォーム１０４上に物体の層を形成するように材料を放出する材料アプリケータ１１２を含み、材料アプリケータ１１２が、双方の方向がプラットフォーム１０４に平行である第１の方向及び第２の方向に移動するとき、材料アプリケータ１１２の前の物体の層１４４を加熱するように構成されたヒータ１２０を含む３次元物体印刷システム。【選択図】図１Ａ
2017206011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦面を画定するプラットフォームと、
材料アプリケータ及び前記プラットフォームが少なくとも第１の方向及び第２の方向において互いに対して移動するように構成された材料アプリケータであって、前記第１の方向及び前記第２の方向のそれぞれが前記平坦面に平行であり、前記プラットフォーム上に物体の層を形成するために材料を放出するようにさらに構成されている材料アプリケータと、
前記材料アプリケータに接続され、前記材料アプリケータが第１及び第２の方向に移動するときに、前記材料アプリケータが前記層の一部上に材料を放出する前に前記層の一部を加熱するように構成されたヒータであって、前記プラットフォーム上に前記物体を形成する前記材料の遷移温度よりも高い温度まで前記層を加熱するようにさらに構成されたヒータと
を備える、３次元物体印刷システム。
【請求項２】
前記材料アプリケータに動作可能に接続されたアクチュエータであって、前記平坦面に対して直交する軸まわりの前記材料アプリケータの回転方向を維持しながら、前記第１の方向及び前記第２の方向に前記材料アプリケータを移動させるように構成されたアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の印刷システム。
【請求項３】
前記アクチュエータに動作可能に接続されたコントローラであって、共通線に沿っていない前記第１の方向及び前記第２の方向に前記材料アプリケータを移動させるように前記アクチュエータを選択的に動作させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項２に記載の印刷システム。
【請求項４】
前記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であって、前記平坦面に対して直交する軸まわりの前記材料アプリケータの回転方向を維持しながら、前記第１の方向及び前記第２の方向に前記プラットフォームを移動させるように構成されたアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の印刷システム。
【請求項５】
前記アクチュエータに動作可能に接続されたコントローラであって、共通線に沿っていない前記第１の方向及び前記第２の方向に前記プラットフォームを移動させるように前記アクチュエータを選択的に動作させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項４に記載の印刷システム。
【請求項６】
３次元印刷システムによって物体を印刷する方法において、
材料アプリケータの反対側に配置されたプラットフォーム上に物体の層を形成するように前記材料アプリケータから材料を放出することと、
第１及び第２の方向のそれぞれが前記プラットフォームの平坦面に平行な少なくとも前記第１の方向及び前記第２の方向に前記材料アプリケータを移動させることと、
前記材料アプリケータが前記第１の方向に移動している場合、前記プラットフォーム上に前記物体を形成する前記材料の遷移温度よりも高い温度まで前記材料アプリケータの前の前記層の第１の部分を加熱することと、
前記材料アプリケータが前記第２の方向に移動している場合、前記プラットフォーム上に前記物体を形成する前記材料の前記遷移温度よりも高い前記温度まで前記材料アプリケータの前の前記層の第２の部分を加熱することと
を備える、方法。
【請求項７】
前記平坦面に対して直交する軸まわりの前記材料アプリケータの回転方向を維持することをさらに備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記材料アプリケータから前記材料を放出することが、ノズルを介して前記材料を押し出すことを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
共通線に沿っていない前記第１の方向及び前記第２の方向に前記材料アプリケータを選択的に移動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】
前記層の前記第１及び第２の部分を加熱するようにヒータの一部を選択的に動作させることをさらに備える、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本文書に開示されたシステム及び方法は、３次元物体を製造するプリンタに関し、より具体的には、そのようなプリンタによって印刷された部分における層間接着性を向上させる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディジタル積層造形としても知られるディジタル３次元製造は、ディジタルデータモデルから実質的に任意の形状の３次元立体物体を形成するプロセスである。３次元印刷は、切削又は穿孔などの減法プロセスによってワークピースから材料を除去することに主に依存する従来の物体形成技術とは区別される。例えば、溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）印刷は、異なる形状の基材上に材料の連続層を形成するように１つ以上の材料アプリケータがポリマーフィラメントを押し出す積層プロセスである。いくつかの実施形態において、ポリマーフィラメントは、金属粒子若しくは繊維などのフィラーを含むか、又は、ポリマーフィラメントは、ポリマーによってコーティングされた金属ワイヤを含む。
【０００３】
ポリマーフィラメントは、典型的には、層についての材料を供給するために、コイルから巻き戻されて材料アプリケータに供給される。以下にさらに詳細に記載されるように、材料アプリケータにおいて、フィラメントは、材料の柔軟性を増大させる温度まで加熱され、制御された速度でプラットフォーム上にノズルを介して材料が選択的に押し出されるのを可能とする。基材は、典型的には、プラットフォーム上に支持され、１つ以上の材料アプリケータは、物体を形成する層を生成するためにプラットフォームに対する１つ以上の材料アプリケータの制御された移動のために１つ以上のアクチュエータに動作可能に接続されている。材料アプリケータは、典型的には、基材上に材料を堆積させる前にｘ−、ｙ−及びｚ−方向座標においてノズルを配置するように数値制御機構を介してプラットフォームに対して上下及び左右に移動される。代替実施形態において、プラットフォームは、材料アプリケータに対して移動される。
【０００４】
ＦＦＦ印刷システム１０によって３次元物体を製造するための１つのプロセスが図６Ａ〜図６Ｄに示されている。図６Ａに示されるように、印刷動作中において、高さＨだけｚ−次元において部材１８の垂直上方の少なくとも１つの材料アプリケータ１４において間隔をあけるように少なくとも１つの材料アプリケータ１４が部材１８に対して配置される。少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、部材１８に対してｘ−次元に駆動されることから、少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、部材１８上において（図６Ｂに示される）長さＬを有する材料２６の層２２を堆積させる。
【０００５】
材料２６は、少なくとも１つの材料アプリケータ１４の溶融装置４２によって加熱されたフィラメント３８として少なくとも１つの材料アプリケータ１４に供給される。上述したように、溶融装置４２は、フィラメント材料２６のポリマーの柔軟性を増大させる温度までフィラメント３８を加熱する。典型的には、フィラメント材料２６のポリマーは、「遷移温度」と以下において称される特定の温度よりも高い温度で柔軟な材料である熱可塑性であり、遷移温度未満で固体として作用する。さらにまた、いくつかの熱可塑性樹脂は、遷移温度未満でさえも材料が「固化」するか又は結晶構造を形成するのを防止するアモルファス結晶構造を有する。
【０００６】
溶融装置４２が遷移温度よりも高くフィラメント材料２６の熱可塑性ポリマーを加熱すると、材料２６の分子間力が弱まり、材料２６は、より柔軟且つ低粘度となる。この高温において、材料２６は、選択的に押出可能であり、以下において「押出可能」であるとして又は「押出可能状態」でと称される。溶融装置４２は、材料２６が完全に液体になって動かされる温度までフィラメント３８を加熱しない。代わりに、溶融装置４２は、材料２６が柔らかくて可鍛性であるが完全に液体ではない遷移温度よりも高い温度までフィラメント３８を加熱する。溶融装置４２によって加熱された後、押出可能材料２６は、少なくとも１つの材料アプリケータ１４のノズル４６によって部材１８上に堆積される。ノズル４６によって堆積された後、材料２６は、層２２がより柔軟でなく且つより高粘度となって固体として作用するように遷移温度未満の温度まで部材１８上で冷却される。
【０００７】
図６Ｂに示されるように、材料２６の層２２が部材１８上に堆積された後、少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、層２２よりも上方の高さＨにおいて少なくとも１つの材料アプリケータ１４を再配置するように部材１８に対してｚ−次元に駆動される。ｚ−次元において少なくとも１つの材料アプリケータ１４を再配置すると、ｘ−次元における後続経路中において少なくとも１つの材料アプリケータ１４が層２２に接触するのを防止するように、部材１８の上の層２２の厚さＴを収容する。ｚ−次元において再配置した後、少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、層２２の上部に物体３４の他の層３０を堆積させるようにｘ−次元に再度駆動される。少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、前の経路と同じ方向又は反対の方向に部材１８を通過させるようにｘ−次元に駆動されることができる。少なくとも１つの材料アプリケータ１４が同じ方向に駆動される場合、少なくとも１つの材料アプリケータ１４はまた、さらなる層３０を堆積させる前にｘ−次元において再配置される。
【０００８】
図６Ｃ及び図６Ｄに示されるように、少なくとも１つの材料アプリケータ１４はまた、ｘ−次元に関して上述したのと同様にしてｙ−次元に駆動される。したがって、少なくとも１つの材料アプリケータ１４はまた、部材１８上の物体３４の幅Ｗを画定するように材料２６を堆積させる。少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、（図６Ｃに示される）ｙ−次元において幅Ｗを有する各層によって層状に部材１８上に材料２６を堆積させることによって、又は（図６Ｄに示される）ｙ−次元において幅Ｗを構成するようにｘ−次元において部材１８上に複数の層を堆積させることによって物体３４の幅Ｗを画定することができる。いくつかの印刷システムにおいて、少なくとも１つの材料アプリケータ１４は、ｘ−次元及びｙ−次元の双方の成分を有する方向に駆動されることができる。３次元物体印刷プロセスは積層プロセスであることから、材料２６は、物体３４に反復的に積層され、物体３４の厚さＴは、プロセスを通して増大する。このプロセスは、物体３４を形成するために必要な回数だけ繰り返されることができる。
【０００９】
ＦＦＦ印刷システムによる３次元物体の製造において生じる１つの問題は、物体を通して一貫性のない材料強度の可能性である。より具体的には、物体は、ｚ−次元に沿った高さにおいて一貫性のない材料強度を有することがある。この一貫性のなさは、物体を形成する材料の層間における弱い結合に起因して生じることがあり、物体を通して低く且つ一貫性のない層間強度をもたらす。層間のより強い接着性を有する層を造形する印刷システムが有益であろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
３次元物体印刷システムは、プラットフォームと、材料アプリケータと、ヒータとを含む。プラットフォームは平坦面を画定し、材料アプリケータ及びプラットフォームは、少なくとも第１の方向及び第２の方向において互いに対して移動するように構成されている。第１の方向及び第２の方向は、平坦面に平行である。材料アプリケータは、プラットフォーム上に物体の層を形成するために材料を放出するように構成されている。ヒータは、材料アプリケータに結合され、材料アプリケータが第１及び第２の方向に移動するとき、材料アプリケータが層の一部上に材料を放出する前に層の一部を加熱するように構成されている。ヒータは、プラットフォーム上に物体を形成する材料の遷移温度よりも高い温度まで層を加熱するように構成されている。
【００１１】
３次元印刷システムにおいて物体を印刷する方法は、材料アプリケータの反対側に配置されたプラットフォーム上に物体の層を形成するように材料アプリケータから材料を放出することを含む。本方法は、さらに、少なくとも第１の方向及び第２の方向において材料アプリケータを移動させることを含む。第１の方向及び第２の方向は、プラットフォームの平坦面に平行である。本方法はまた、材料アプリケータが第１の方向に移動しているとき、プラットフォーム上に物体を形成する材料の遷移温度よりも高い温度まで材料アプリケータの前の層の第１の部分を加熱することを含む。本方法はまた、材料アプリケータが第２の方向に移動しているとき、プラットフォーム上に物体を形成する材料の遷移温度よりも高い温度まで材料アプリケータの前の層の第２の部分を加熱することを含む。
【００１２】
３次元物体プリンタ及び物体の一貫性のない層間強度を是正するためにプリンタによって物体を形成する方法の上述した態様及び他の特徴は、添付図面に関連して以下の説明において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、材料アプリケータ及びヒータを含む印刷システムの側面図を示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの印刷システムの一部の平面図を示している。
【図２】図２は、温度測定装置を含む図１Ａの印刷システムの平面図を示している。
【図３】図３は、図１Ａの印刷システムによって使用するためのヒータの他の代替実施形態の平面図を示している。
【図４】図４は、図１Ａの印刷システムによって使用するためのヒータの他の代替実施形態の平面図を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、図１Ａの印刷システムによって使用するためのヒータの他の代替実施形態の平面図を示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図１Ａの印刷システムによって使用するための図５Ａのヒータの側面図を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、物体を形成するためのプロセスの第１の部分を実行する前の従来技術の３次元物体プリンタの平面図を示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、物体を形成するためのプロセスの第１の部分が完了した後の図６Ａの従来技術の３次元物体プリンタの平面図を示している。
【図６Ｃ】図６Ｃは、物体を形成するためのプロセスの第２の部分が完了した後の図６Ａの従来技術の３次元物体プリンタの側面図を示している。
【図６Ｄ】図６Ｄは、物体を形成するためのプロセスの第３の部分が完了した後の図６Ａの従来技術の３次元物体プリンタの側面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願明細書に開示されたシステム及び方法についての環境並びにシステム及び方法についての詳細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、同様の要素を指定するために全体を通して使用されている。
【００１５】
３次元物体印刷システム１００が図１Ａ及び図１Ｂに示されている。印刷システム１００は、上述し且つ図６Ａ〜図６Ｄに示された印刷システム１０の動作と同様に動作する。従来技術の印刷システム１０と同様に、印刷システム１００は、平坦面１０８を有する基材又は部材１０４と、平坦面１０８及びその後に形成された層上に材料１１６を堆積させるように構成された少なくとも１つの材料アプリケータ１１２とを含む。しかしながら、印刷システム１００は、印刷システム１００がまた、材料アプリケータ１１２に接続され且つ平坦面１０８及びその後に形成された層上に以前に堆積された材料１１６を加熱するように構成されたヒータ１２０を含む点で、従来技術の印刷システム１０とは異なる。
【００１６】
図１Ａに示されるように、印刷システム１００は、さらに、コントローラ１１８及びアクチュエータ１２２を含み、材料アプリケータ１１２は、少なくとも１つの溶融装置１２８及び少なくとも１つのノズル１３２を含む。アクチュエータ１２２は、材料アプリケータ１１２及びヒータ１２０に動作可能に接続されている。コントローラ１１８は、部材１０４に対して材料アプリケータ１１２を選択的に移動させ、溶融装置１２８内の材料１１６を選択的に加熱し、ノズル１３２から材料１１６を選択的に放出し、ヒータ１２０を選択的に加熱するように、アクチュエータ１２２を動作させるためにアクチュエータ１２２に動作可能に接続されている。アクチュエータ１２２は、同じコントローラ又は異なるコントローラに動作可能に接続された複数のアクチュエータとして具現化されることができることに留意されたい。例えば、アクチュエータ１２２は、部材１０４に対して材料アプリケータ１１２を選択的に移動させるように構成された１つのアクチュエータ、溶融装置１２８内の材料１１６を選択的に加熱するように構成された１つのアクチュエータ、ノズル１３２から材料１１６を選択的に放出するように構成された１つのアクチュエータ、及びヒータ１２０を選択的に加熱するように構成された他のアクチュエータを含むことができる。
【００１７】
図１Ａに示されるように、印刷システム１０と同様に、印刷システム１００はまた、ＦＦＦ印刷システムである。溶融装置１２８は、材料１１６のフィラメント１３０を受け取り、アクチュエータ１２２は、材料１１６をその押出可能状態にするために材料１１６の遷移温度よりも高い温度までフィラメント１３０を選択的に加熱する。押出可能材料１１６は、部材１０４に対向するオリフィス１３４を有するノズル１３２に送達される。アクチュエータ１２２は、物体１３６を造形するために、部材１０４の平坦面１０８又は以前に形成された層上にオリフィス１３４を介して材料１１６を選択的に放出する。この物体の造形を可能とするために、アクチュエータ１２２はまた、物体１３６又は部材１０４に接触することなく物体１３６及び部材１０４の上方をノズル１３２及び材料アプリケータ１１２が通過するのを可能とする部材１０４の上方の位置に材料アプリケータ１１２を配置する。
【００１８】
代替実施形態において、印刷システム１００は、他の種類の積層印刷システムとすることができる。例えば、ノズル１３２は、印刷ヘッドなどの他の材料放出素子に置き換えることができ、溶融装置１２８は、ソースから材料１１６を受け取り、その押出可能状態まで材料を加熱し、押出可能材料を印刷ヘッドに送達するように構成された他の溶融要素に置き換えることができる。印刷ヘッドは、ノズル１３２のように、部材１０４の平坦面１０８上に押出可能材料１１６を堆積させるように構成されたエジェクタを含むことができる。
【００１９】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、印刷システム１０におけるように、印刷システム１００の材料アプリケータ１１２は、ｘ−次元、ｙ−次元及びｚ−次元に移動可能である。同様に、（図１Ａに示される）ｚ−次元は、部材１０４の平坦面１０８に対して垂直であり、（図１Ａ及び図１Ｂに示される）ｘ−次元は、部材１０４の平坦面１０８に平行であり、（図１Ｂに示される）ｙ−次元は、部材１０４の平坦面１０８に平行である。
【００２０】
コントローラ１１８は、ｘ−、ｙ−及びｚ−次元に材料アプリケータ１１２を選択的に移動させるように且つ材料アプリケータ１１２のノズル１３２から材料１１６を選択的に放出するように、（図１Ａに示される）アクチュエータ１２２を動作させるように構成されている。材料アプリケータ１１２は、ｘ−及びｙ−次元において少なくとも第１の方向及び第２の方向に移動可能であり、第１の方向及び第２の方向のそれぞれは、平坦面１０８に平行である。第１の方向及び第２の方向は、共通線に沿って反対方向とすることができる。例えば、図１Ｂに示されるように、材料アプリケータ１１２は、ｘ−次元における共通線に沿って右方向及び左方向又は前後に移動可能である。しかしながら、第１の方向及び第２の方向はまた、共通線に沿って反対でない方向とすることもできる。例えば、図１Ｂに示されるように、材料アプリケータ１１２は、ｘ−次元における方向において左方向及び右方向に、並びに、ｙ−次元における方向において上方向及び下方向に移動可能である。これらの方向は、共通線に沿って反対ではない。さらにまた、いくつかの実施形態において、材料アプリケータ１１２はまた、ｘ−次元及びｙ−次元の双方の成分を有する方向にも移動可能である。例えば、図１Ｂに示されるように、材料アプリケータ１１２は、上方向又は下方向の成分を有し且つ左方向又は右方向の成分を有する斜めに移動可能である。
【００２１】
アクチュエータ１２２は、材料アプリケータ１１２の向きを変えることなく第１及び第２の方向に材料アプリケータ１１２を移動させる。換言すれば、材料アプリケータ１１２は、ｚ−次元に延在する材料アプリケータ１１２の（図１Ｂに示される）長手方向軸１４０まわりに回転しない。しかしながら、代替実施形態において、材料アプリケータ１１２は、長手方向軸１４０まわりに回転可能であってもよい。
【００２２】
ヒータ１２０は、ヒータ１２０が、材料アプリケータ１１２、溶融装置１２８、ノズル１３２へと供給されるフィラメント１３０、又はノズル１３２から押し出される押出可能材料１１６と干渉しないように、材料アプリケータ１１２に接続されている。ヒータ１２０は、さらに、部材１０４の平坦面１０８に向かって熱を導くように配置されている。したがって、物体１３６が部材１０４上に存在しているとき、ヒータ１２０は、物体１３６の最上層１４４に向かって熱を導く。材料アプリケータ１１２のように、ヒータ１２０はまた、材料１１６の遷移温度よりも高い温度まで材料１１６を加熱するように構成されている。それゆえに、ヒータ１２０は、物体１３６の最上層１４４上の材料１１６の分子間結合を弱める。
【００２３】
コントローラ１１８は、その遷移温度よりも高く材料１１６を加熱するためにヒータ１２０を選択的に加熱するようにアクチュエータ１２２を動作させる。より具体的には、ヒータ１２０は、柔軟性を増加させ、材料１１６の粘度を低下させるが、完全に液体になる温度まで材料１１６を加熱しない。材料１１６は、完全に液体になって動く温度まで加熱されないことから、物体１３６は、ヒータ１２０からの熱によって大幅に歪み又は変形されない。
【００２４】
少なくとも１つの実施形態において、コントローラ１１８は、材料アプリケータ１１２の移動速度に基づいてヒータ１２０の電力を調整するようにアクチュエータ１２２を動作させる。したがって、材料アプリケータ１１２がよりゆっくり移動する場合、ヒータ１２０の電力は、最上層１４４の過熱を防止するために、よりゆっくりと物体１３６の最上層１４４を加熱するように調整される。対照的に、材料アプリケータ１１２がより迅速に移動する場合、ヒータ１２０の電力は、材料１１６の遷移温度よりも高い温度まで最上層１４４を十分に加熱するために、より迅速に物体１３６の最上層１４４を加熱するように調整される。
【００２５】
同様に、コントローラ１１８は、材料アプリケータ１１２の移動の持続時間に基づいてヒータ１２０の電力を調整するようにアクチュエータ１２２を動作させるように構成されることができる。したがって、材料アプリケータ１１２が小さな移動を行い、物体１３６の小領域上に残っている場合、ヒータ１２０の電力は、最上層１４４の小領域の過熱を防止するために、よりゆっくりと物体１３６の最上層１４４を加熱するように調整される。対照的に、材料アプリケータ１１２が大きな移動を行い、物体１３６の大領域上を移動する場合、ヒータ１２０の電力は、材料１１６の遷移温度よりも高い温度まで最上層１４４の大領域を十分に加熱するために、より迅速に物体１３６の最上層１４４を加熱するように調整される。
【００２６】
さらに、コントローラ１１８は、ヒータ１２０が材料１１６の領域を最後に加熱してからの経過時間に基づいてヒータ１２０の電力を調整するようにアクチュエータ１２２を動作させるように構成されることができる。ヒータ１２０が物体１３６の領域を最近加熱した場合、その領域内の材料１１６は、依然として遷移温度よりも高いことがあり、追加の加熱から恩恵を受けないことがある又は過熱になることがある。したがって、コントローラ１１８は、どの程度最近物体１３６の領域が加熱されたかを判定し、より最近加熱された領域に少ない熱を導くようにヒータ１２０の電力を調整するように、印刷される物体１３６のモデルからデータを取得するように構成されることができる。材料アプリケータ１１２が最近加熱された領域に移動した場合、ヒータ１２０の電力は、最上層１４４の最近加熱された領域の過熱を防止するために、よりゆっくりと物体１３６の最上層１４４を加熱するように調整される。対照的に、材料アプリケータ１１２が最近加熱されていない領域に移動した場合、ヒータ１２０の電力は、材料１１６の遷移温度よりも高い温度まで最上層１４４の少ない最近加熱された領域を十分に加熱するために、より迅速に物体１３６の最上層１４４を加熱するように調整される。
【００２７】
追加的に又は代替的に、印刷システム１００は、例えば、図２に示されるように、コントローラ１１８に動作可能に接続された赤外線熱電対１５０などの温度測定装置を含むことができる。そのような実施形態において、コントローラ１１８は、赤外線熱電対１５０から受信した物体１３６の測定された温度に基づいてヒータ１２０の電力を調整するようにアクチュエータ１２２を動作させるように構成されている。赤外線熱電対１５０は、同じコントローラ又は異なるコントローラに動作可能に接続された複数の赤外線熱電対として具現化されることができることに留意されたい。赤外線熱電対１５０は、ヒータ１２０及び材料アプリケータ１１２の位置の前の位置において物体１３６の温度を測定するために常にヒータ１２０の前となるように配置されている。赤外線熱電対１５０は、物体１３６の領域の表面における温度を測定し、温度測定情報をコントローラ１１８に送信する。コントローラ１１８は、赤外線熱電対１５０から受信した温度測定情報に基づいてヒータ１２０の電力を調整するように構成されている。
【００２８】
例えば、コントローラ１１８が遷移温度以上である物体１３６の領域の表面における温度を示す赤外線熱電対１５０から温度測定情報を受信した場合、その領域内の材料１１６は、追加の加熱からの恩恵を受けないことがあるか又は過熱になることがある。したがって、ヒータ１２０の電力は、その物体１３６の領域に向かって熱を導かないように調整される。コントローラ１１８が遷移温度未満である物体１３６の領域の表面における温度を示す赤外線熱電対１５０から温度測定情報を受信した場合、ヒータ１２０の電力は、材料１１６の遷移温度までその物体１３６の領域の表面の温度を上昇させるようにその物体１３６の領域に向かって十分な熱を導くように調整される。様々な実施形態において、コントローラ１１８は、ヒータ１２０の電力を調整するために経過時間及び物体モデルデータから独立して又はそれと併用して赤外線熱電対１５０からの温度測定情報を使用することができる。
【００２９】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２が第１の方向及び第２の方向の双方に移動するときに常に材料アプリケータ１１２の前となるように材料アプリケータ１１２に接続されている。例えば、材料アプリケータ１１２が部材１０４に対して図１Ａにおける矢印Ａによって示される移動方向に移動するとき、ヒータ１２０は、常に移動方向において材料アプリケータ１１２のノズル１３２の前方に配置される。
【００３０】
したがって、ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２が最上層１４４の上の他の層１４８に塗布する前に物体１３６の最上層１４４を加熱するように構成されている。最上層１４４は、ノズル１３２を介して押し出される前にヒータ１２０によって遷移温度よりも高く加熱され且つ次層１４８が溶融装置１２８によって遷移温度よりも高く加熱されることから、双方とも分子間結合を弱めた材料１１６から構成される。材料１１６の弱められた分子間結合は、最上層１４４及び次層１４８の材料１１６が接触によって混在するのを可能とする。具体的には、最上層１４４と次層１４８との間の界面における材料１１６のポリマーのポリマー鎖は、再配置して互いに相互作用する。材料１１６がその遷移温度未満に冷却されると、最上層１４４及びさらなる層１４８からなる混在した材料１１６は、物体１３６の層間強度を向上させる。
【００３１】
上述したように、第１の方向及び第２の方向に材料アプリケータ１１２を移動させる場合、アクチュエータ１２２は、長手方向軸１４０に対して材料アプリケータ１１２の回転位置を維持する。したがって、ノズル１３２の前方においてその位置を維持するために、ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２まわりに回転されるか又は材料アプリケータ１１２を囲むように配置される。図１Ａ及び図１Ｂに示される実施形態において、ヒータ１２０は、（図１Ａに示される）リフレクタ１５６内の熱線１５２を含む。リフレクタ１５６は、部材１０４の平坦面１０８に向かって熱線１５２によって生成された熱を導くように構成されている。
【００３２】
ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２を取り囲み、熱線１５２及びリフレクタ１５６は、平坦面１０８に平行に配置されている。それゆえに、材料アプリケータ１１２が平坦面１０８に平行な第１の方向に移動する場合、熱線１５２及びリフレクタ１５６は、ノズル１３２の前方に配置される。さらに、材料アプリケータ１１２が平坦面１０８に平行な第２の方向に移動する場合、熱線１５２及びリフレクタ１５６は、依然としてノズル１３２の前方に配置される。ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２を取り囲んでいることから、材料アプリケータ１１２が平坦面１０８に平行に移動する方向がいずれであっても、ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２を導くように配置される。この実施形態において、熱線１５２及びリフレクタ１５６はまた、ノズル１３２の背後に配置されている。
【００３３】
図１Ｂに示されるように、平坦面１０８に平行な面内の平面図から、材料アプリケータ１１２は、周囲１６０を画定している。示された実施形態において、周囲１６０は円形である。しかしながら、代替実施形態において、周囲１６０は、他の形状を有してもよい。図１Ａ及び図１Ｂに示される実施形態において、ヒータ１２０は、略円筒形状であり、材料アプリケータ１１２の長手方向軸１４０と同軸である中心軸１６２を画定する。それゆえに、ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２まわりに同心円状に配置される。図１Ｂに示されるように、平面図から、ヒータ１２０は、材料アプリケータ１１２を完全に囲んでいる。他の実施形態において、ヒータ１２０は、他の形状を有することができ、材料アプリケータ１１２を完全に囲むように配置されることができるが、長手方向軸１４０と同軸に位置しない中心軸１６２を有することができる。
【００３４】
図３は、印刷システム１００によって使用するためのヒータ１２０’の代替実施形態の平面図を示している。ヒータ１２０’は、図１Ａ及び図１Ｂに示され且つ上述したヒータ１２０に対して構造及び機能において略類似している。しかしながら、ヒータ１２０’は、熱線及びリフレクタを含んでいない。代わりに、ヒータ１２０’は、材料アプリケータ１１２まわりに配置された別個の加熱素子１６４を含む。この実施形態において、アクチュエータ１２２は、材料アプリケータ１１２の移動方向に基づいて別個の加熱素子１６４を選択的に加熱するように構成されている。図３に示されるように、材料アプリケータ１１２がｘ−次元において矢印Ａによって示される方向に移動する場合、アクチュエータ１２２は、方向Ａに沿って配置された加熱素子１６４のみを選択的に動作させる。それゆえに、アクチュエータ１２２によって加熱される加熱素子１６４は、ノズル１３２の前後において材料１１６の最上層１４４を加熱する。この実施形態において、ヒータ１２０’は、移動方向においてノズル１３２の前後に配置されないヒータ１２０の部分から熱を放射するようにエネルギを消費しない。
【００３５】
図４は、印刷システム１００によって使用するためのヒータ１２０’’の他の代替実施形態の平面図を示している。ヒータ１２０’’は、図１Ａ及び図１Ｂに示され且つ上述したヒータ１２０に対して構造及び機能において略類似している。しかしながら、ヒータ１２０’’は、熱線及びリフレクタを含んでいない。代わりに、ヒータ１２０’’は、材料アプリケータ１１２まわりに回転可能な単一の加熱素子１６８を含む。ヒータ１２０’’はまた、材料アプリケータの移動方向に基づいて単一の加熱素子１６８を選択的に回転させるように構成されたモータ１７２を含む。この実施形態において、アクチュエータ１２２は、モータ１７２が単一の加熱素子１６８を選択的に回転させるのを可能とするようにモータ１７２に動作可能に接続されている。図４に示されるように、材料アプリケータ１１２がｘ−次元及びｙ−次元において矢印Ｂによって示される方向に移動する場合、モータ１７２は、（破線によって示される）初期位置から方向Ｂと並ぶ位置まで単一の加熱素子１６８を回転させる。それゆえに、単一の加熱素子１６８は、ノズル１３２の前方において材料１１６の最上層１４４を加熱するように選択的に配置される。この実施形態において、ヒータ１２０’’は、移動方向Ｂにおいて単一の加熱素子１６８からの熱を放射するようにエネルギを消費するのみである。
【００３６】
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、印刷システム１００によって使用するためのヒータ１２０’’’の他の代替実施形態の平面図及び側面図を示している。ヒータ１２０’’’は、図１Ａ及び図１Ｂに示され且つ上述したヒータ１２０に対して構造及び機能において略類似している。しかしながら、ヒータ１２０’’’は、熱線及びリフレクタを含んでいない。代わりに、ヒータ１２０’’’は、（それぞれ図５Ａに示される）加熱素子１７４と、ファン又はブロワ１７６などの加圧空気源と、ダクト１８０と、熱分配器１８４とを含む。この実施形態において、図５Ａに示されるように、アクチュエータ１２２は、加熱素子１７４及びファン又はブロワ１７６に動作可能に接続されており、加熱素子１７４を加熱してファン又はブロワ１７６を作動させるように構成されている。ダクト１８０は、加熱素子１７４及び熱分配器１８４に接続されており、ファン又はブロワ１７６は、ダクト１８０内に及びダクト１８０を介して熱分配器１８４へと加熱素子１７４によって生成された熱風を吹き付けるように作動される。そして、熱風は、材料１１６の最上層１４４を加熱するように材料アプリケータ１１２まわりに熱分配器１８４から放出される。示される実施形態において、熱分配器１８４は、略円筒形状であり、材料アプリケータ１１２を囲んでいる。図１Ａ及び図１Ｂに示されるヒータ１２０の実施形態と同様に、ヒータ１２０’’’は、材料アプリケータ１１２まわりの円内のあらゆる方向に熱を放射することから、材料アプリケータ１１２が平坦面１０８に平行な任意の方向に移動される場合、ヒータ１２０’’’は、ノズル１３２の前後において材料１１６の最上層１４４を加熱する。ヒータ１２０’’’のさらなる利点は、加熱素子１７４によって生成される熱風がまた、物体１３６の最上層１４４から水分を運び去ることができ、最上層１４４に対する（図５Ｂに示される）さらなる層１４８の接着性にさらに役立つことができるということである。
【００３７】
ヒータ１２０、１２０’、 １２０’’及び１２０’’’は、 印刷システム１００によって使用されることができるヒータの例としてのみ与えられる。さらに代替実施形態は、他の種類のヒータと、本願明細書においては具体的に記載されない他の方法で部材１０４の平坦面１０８に向かって熱を放射するためのヒータの配置とを含むことができる。例えば、代替実施形態において、印刷システム１００は、熱放射金属フィラメントを使用する他のヒータ、セラミック加熱素子及び／又は材料１１６を加熱するための空気加熱流を含むことができる。さらに、印刷システム１００は、他の要素を使用する他のヒータ及び／又は材料１１６を加熱する手順を含むことができる。
【００３８】
全ての実施形態において、ヒータは、材料アプリケータ１１２が第１の方向に移動し且つ第２の方向に移動する場合、最上層１４４の上の材料アプリケータ１１２のノズル１３２から押し出されるさらなる層１４８の材料１１６が最上層１４４の加熱された材料１１６と混在するのを可能とするように、材料の遷移温度よりも高い温度まで材料アプリケータ１１２の前の最上層１４４を加熱するように構成されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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