(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層状に固化可能材料を堆積することによって三次元の物理的物体を形成するためのラピッドプロトタイプシステム（１０）であって、該システムは、
移動可能な押出ヘッド（３２）であって、該移動可能な押出ヘッドは、所定の温度で固化する材料のフィラメントを受容するための入口端部（２２４、２６０）、および溶融状態の該材料を送達するための出口端部（２２６、２６２）を有する液化器（５９）を備える、移動可能な押出ヘッド（３２）と、
フィラメント（４０）のコイルを有するスプール（４２）であって、該スプール（４２）は、該スプール（４２）上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを記録するための回路（１２０）を有する、スプール（４２）と、
フィラメント（４０）を該スプール（４２）から引き出し、そして該フィラメント（４０）を該液化器（５９）の入口端部（２２４、２６０）に供給するために該移動可能な押出ヘッド（３２）に取り付けらたフィラメントドライブ（２０８）と、
該フィラメントドライブによって該スプール（４２）から引き出されたフィラメント（４０）の関数として、該スプール（４２）上のフィラメント（４０）量に関するデータを更新するための更新手段（９２）と、
を包含する、ラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項２】
前記押出ヘッド（３２）および前記フィラメントドライブの動作を制御するための制御手段（９４）をさらに含む、請求項１に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項３】
前記制御手段（９４）が、前記スプール（４２）上のフィラメント（４０）の量が所定の最小値に達した場合、前記フィラメントドライブ（２０８）および前記押出ヘッド（３２）の動作を抑制する手段を含む、請求項２に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項４】
前記制御手段が、前記スプール（４２）上のフィラメント（４０）のタイプが物体仕様データによって認識される材料のタイプに一致しない場合、オペレータに通知を提供するための手段を含む、請求項２に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項５】
前記制御手段が、前記フィラメントスプールが所望の物体を生成するプロセス中に置換を必要とする場合、オペレータに通知を提供するための手段（２１）を含む、請求項２に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項６】
前記回路（１２０）と前記更新手段（９２）との間の電気的接触を提供するための接点（１９２）をさらに備える、請求項１に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項７】
前記回路（１２０）に、前記スプール（４２）上のフィラメント（４０）の量が書き込まれる、請求項６に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【請求項８】
前記更新手段（９２）が、前記フィラメント（４０）が前記スプール（４２）から引き出されるにつれて前記回路（１２０）を更新する、請求項７に記載のラピッドプロトタイプシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は三次元プロトタイプモデル化の分野に関する。詳細には、本発明は、ベース上に押出ヘッドから液体状態の材料の複数の層を堆積することによって、所定の設計の三次元物体を形成するためのラピッドプロトタイプシステムである。所望の物体を形成する複数の層の生成に伴い、材料が押出後に固化されまたベース上で分配するように材料が選択され、温度が制御される。本発明において、三次元物体は、スプール上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを維持するための関連する回路を有するスプールから供給されるフィラメントを用いて形成される。
【０００２】
ラピッドプロトタイプシステムは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムから提供される設計データに基づいて三次元物体を作る工程を含む。固化材料の層を堆積することによる三次元物体のラピッドプロトタイプ用の装置および方法の例は、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，１２１，３２９号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許第５，３０３，１４１号、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，３４０，４３３号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒの米国特許第５，４０２，３５１号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒの米国特許第５，４２６，７２２号、Ｃｒｕｍｐらの米国特許第５，５０３，７８５号およびＡｂｒａｍｓらの米国特許第５，５８７，９１３号において開示されている（これらすべては、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．に譲渡されている）。フィラメント給送あるいは固体ロッド給送を有するラピッドプロトタイプシステムは、Ｃｒｕｍｐの’３２９号特許およびＣｒｕｍｐの’４３３号特許に記載される。
【０００３】
固体ロッド給送を使用するラピッドプロトタイプシステムにおいては、モデル化材料のロッドまたは「ウェハ」は典型的には、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された同時係属出願第０８／５５６，５８３号で記載されるように、ロッドをシステムに分配するカセット内に格納される。フィラメント給送を使用するラピッドプロトタイプシステムにおいては、フィラメントスプールに巻きつけられる所定長のフィラメントがシステムにフィラメントを供給する。
【０００４】
フィラメント給送または固体ロッド給送のいずれかを使用する際に、ラピッドプロトタイプシステムの制御システムがカセット内またはスプール上に残るモデル化材料の量を把握することが望ましい。また、制御システムが、カセットまたはスプール上にあるモデル化材料のタイプおよび材料を分配するための適切な押出パラメータを知ることが望ましい。
【０００５】
データを制御システムに提供する電子的に読み出しおよび書き込み可能なメモリ装置を有するロッド分配カセットが、同時係属出願第０８／５５６，５８３に記載される。メモリ装置がカセットに取り付けられるので、カセットが手動で挿入される場合、コネクタを介して制御システムに電気コンタクトがなされる。メモリ装置は電子タグとして機能し、電子タグは、カセット内にある材料のタイプ、材料を分配するための適切な押出パラメータ、カセット内の現在のロッド数、およびカセットのシリアル番号を制御システムに通知する。
【０００６】
（発明の要約）
本発明は、フィラメントスプールおよびフィラメント供給化ラピッドプロトタイプシステムであり、これはフィラメントスプール上のフィラメントに関するデータをモニタリングするための回路を提供する。詳しくは、本発明は、スプール上のフィラメントのタイプおよび量に関するデータを提供し、フィラメントのタイプが物体仕様データによって認識された材料のタイプと一致しない場合、またはスプール上のフィラメントの量が所望の物体を生成するのに不十分な場合、オペレータに通知する。さらに本発明のスプールは、フィラメントが完全にスプールから除去される前にシステムの動作を抑制するので、オペレータはフィラメントドライブおよび押出ヘッドからフィラメントを掴みそして除去をし得、それにより使用されるスプールおよびフィラメントの除去、ならびに次の新しいフィラメントスプールの置換を容易にする。
【０００７】
（好適な実施形態の詳細な説明）
好適な実施形態において、ラピッドプロトタイプシステム１０は、図１に示されるようにキャビネット１２内に含まれる。キャビネット１２は、キャビネットの正面、および左右の面に位置するドアおよびカバーを有している。キャビネット１２の正面に、包絡面（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）ドア１４、包絡面ドア１４の右にモデル化廃棄物用トレードア１６、モデル化廃棄物用トレードア１６の右にタッチスクリーン表示パネル２１、包絡面ドア１４の左に支持廃棄用トレードア１８、包絡面ドア１４の下にプラットフォームカバー２０がある。モデル化ドライボックスドア２２および電子部品仕切カバー２４が、キャビネット１２の右手側に位置する。支持ドライボックスドア２６がキャビネット１２の左手側のコンプレッサ仕切カバー２８上に位置する。
【０００８】
キャビネット１２の上方右手側にはモデル化押出装置３０を収容する。モデル化押出装置３０は、モデル化ｘ―ｙ強制器（ｆｏｒｃｅｒ）３３の下に取り付けられ、モデル化回転軸接合部３６に関して回転するモデル化アーム３４の端部に接続されるモデル化押出ヘッド３２を含む。モデル化押出装置３０は、回転軸接合部３６の下のモデル化ドライボックス４５（図２）内に位置するモデル化フィラメントスプール４２からモデル化ドライボックスドア２２を通じてアクセス可能なモデル化材料のフィラメント４０を受容する。ドライボックス４５は、低湿度状態を維持してフィラメント４０の状態を最適化する。モデル化押出装置３０を用いて基板６０上の層状のモデル化材料を分配する。ドライボックス４５内のモデル化スピンドル４３上に載設されるモデル化フィラメントスプール４２を図２でより明確に示す。
【０００９】
キャビネット１２の左手側には支持押出装置４４を収容する。支持押出装置４４は、支持ｘ―ｙ強制器５２の下に取り付けられ、支持回転軸接合部５０に関して回転する支持アーム４８の端部に接続された支持押出ヘッド４６からなる。支持押出装置４４は、支持回転軸接合部５０の直下の支持フィラメントドライボックス５７（図３）内に位置する支持フィラメントスプール５６からドライボックスドア２６を介してアクセス可能な支持材料のフィラメント５４を受容する。ドライボックス５７は、低湿度状態を維持してフィラメント５４の状態を最適化する。支持押出装置４４を用いて層状の支持材料を分配する。ドライボックス５７中の支持スピンドル５８上に載設された支持フィラメントスプール５６を、図３により明確に示す。
【００１０】
モデル化押出装置３０によって層状に押出されたモデル化材料は物体６４を生成する。物体が生成されるにつれて、任意の余分に覆いかぶさった部分を支持するために支持材料を用いる。物体を生成する際に、モデル化材料によって最的な幾何学的形状に直接支持されない余分に覆いかぶさった断片または部分は、支持構造を必要とする。支持フィラメント５４は必要とされる支持を提供するための材料を堆積する押出ヘッド４６を支持するために供給される。モデル化材料のような支持材料は、多層状に堆積される。
【００１１】
物体を生成する際には、同時に１つの押出装置だけが動作状態かつ成形状態にある。図１において、システム１０は、モデル化押出装置３０が動作形成状態であり、支持押出装置４４がホーム静止位置にある三次元物体６４の生成を示す。モデル化押出装置３０が動作状態にある場合、モデル化フィラメント４０はアーム３４から押出ヘッド３２まで移動し、押出ヘッド３２において液体状体まで加熱される。溶融状態のモデル化材料の層は、ヘッド３２によって、ヘッド３２の下部表面を介して突出する液化器５９を通じて基板６０上に堆積される。基板６０は真空圧盤６２上で支持され真空の力によってその位置で保持される。支持押出装置４４が動作形成状態にある場合、支持ヘッド４６は同様にアーム４８を介して支持フィラメント５４を受容し、液体状体まで加熱する。溶融状態の支持材料の層は、ヘッド４６によってヘッド３２の下部表面を介して突出する液化器５９を通じて基板６０上に堆積される。
【００１２】
モデル化材料および支持材料のフィラメントは、それぞれ固体材料である。固体材料はその固化温度で比較的急速に加熱され得、押出ヘッドから分配された後温度のわずかな減少により極めて急速に固化される。モデル化材料に対してホットが選択される場合、それ自体に比較的高い粘着性を有する組成物が堆積される。組成物が堆積されるモデル化材料に対して比較的低い粘着性を有する組成物が支持材料にたいして選択され、それにより支持材料はモデル化材料およびそれ自身に対して弱く壊れやすい結合を形成する。物体が完成した場合、支持材料はオペレータによって破壊され、モデル化材料から形成された物体を無傷にする。
【００１３】
モデル化材料は好適には熱可塑性材料である。モデル化材料フィラメントに使用され得る他の材料は、蜜蝋、鋳型ワックス、機械および産業用ワックス、パラフィン、様々な熱可塑性樹脂、金属および金属合金を含む。適した金属は、銀、金、白金、ニッケル、これらの合金、アルミニウム、銅、金、鉛、マグネシウム、鋼、チタン、シロメ、マンガンおよび青銅を含む。またガラス、特定的にはコーニングガラスも十分である。２つの部分のエポキシを含む化学硬化材料もまた適している。特に適切と思われるモデル化材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）組成物である。支持材料に特に適切と思われる材料は、フィラー（約８０％まで）としてポリスチレン共重合体を添加されたアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）組成物であり、ＡＢＳ組成物の低表面エネルギーを形成し、材料の小さな粘着力および小さな接着力を提供する。両方の材料のフィラメントは、好ましくは極めて小さな直径、すなわち０．０７０インチのオーダーである。しかしフィラメントは直径０．００１インチと同じくらい小さい。
【００１４】
図４は、システム１０の中央内部領域にあり、包絡面ドア１４を介してアクセス可能な生成包絡面７０である。図４において、ドア１４、プラットフォームカバー２０およびキャビネット１２の隣接する面の板は取り除いてある。包絡面７０は、ここで三次元物体を形成する。包絡面７０は、生成プラットフォーム７４を含む。生成プラットフォーム７４は、プラットフォーム引き器７８上に載設する１組の脚７６によって支持される真空圧盤６２を含む。生成プラットフォーム７４は、包絡面７０内のｚ方向である垂直方向に運動する。生成プラットフォーム７４の運動は、ｚモータ１１４（図５で模式的に示す）によって駆動するｚ駆動チェーン８０によって制御される。生成プラットフォーム７４は、単一の層を形成中、静止した状態にある。各追加の層が基板６０上に堆積されるにつれて、生成プラットフォーム７４は、次の層を形成するためのスペースを与えるようにわずかに低下する。プラットフォーム引き器７８は、オペレータが真空圧盤６２へのアクセスの準備が可能になるように前方に引く。
【００１５】
図５に模式的に示される電気システム９０がシステム１０を制御する。第１の入出力（ＩＯ）カード９４および第２の入出力（ＩＯ）カード９６と共にＣＰＵ９２が、電気システム９０の全体の動作を制御する。ＣＰＵ９２は、タッチスクリーンディスプレイ２１から通信を介してオペレータからの命令を受信する。同様に、ＣＰＵ９２はタッチスクリーンディスプレイ２１と通信し、オペレータへのメッセージを表示し、オペレータから入力を要求する。次にＣＰＵ９２はＩＯカード９４および９６と通信する。電源９８は動力を電気システム９０に供給する。
【００１６】
包絡面ヒータ１００および包絡面送風機１０２は、包絡面７０内の温度を約８０℃に維持する。包絡面熱遮断（ＴＨＣＯ）スイッチ１０８は、機械の主制御器動作コイルを介して電流を運ぶ。温度が約１２０℃に達すると、ＴＨＣＯスイッチが開き、システムへの主制御器を介する電流を遮断する。ヘッド送風機１０４および１０６は、大気温度の空気を供給してフィラメント４０および５４の通路を冷却する。それにより空気がモデル化押出ヘッド３２および支持押出ヘッド４６それぞれに伝わる。
【００１７】
またＣＰＵ９２はコンプレッサ１１０を制御する。コンプレッサ１１０は、圧縮空気を交互にｘ−ｙ強制器３３および５２に供給し、圧盤６２に真空を提供する。ＣＰＵ９２は、層状化の駆動信号を提供し、選択的にｚモータ１１４を作動させる。ｚモータ１１４は、ｚ軸に沿ってプラットフォーム７４を駆動させる。
【００１８】
ＣＰＵ９２のコントロールの下にあるＩＯカード９４は、モデル化押出ヘッド３２およびそこへのフィラメント供給に関連する信号を送受信する。ＩＯカード９４は、ｘ−ｙ強制器３３の運動および位置を制御する駆動信号を送信する。ＩＯカード９４は、さらにモデル化押出ヘッド３２を行き来する信号を送受信し、モデル化押出ヘッド３２は、熱電対２２２（ＴＣ）、ヒータ２２０（ＨＴＲ）、モータ２４６（ＭＴＲ）、および安全スイッチ２１０（ＳＳ）を含む（図８〜１０に示す）。モデル化押出ヘッド３２の温度が高くなりすぎると、安全スイッチ２１０がシステムをシャットダウンする。
【００１９】
ＩＯカード９４はモデル化ドライボックスプロセッサ基板１１６を用いた通信を介してモデル化材料のフィラメントスプール４２に関するデータをモニタする。モデル化ドライボックスプロセッサ基板１１６は、モデル化フィラメントドライボックス４５の内部に搭載される。モデル化ドライボックスプロセッサ基板１１６は、モデル化フィラメントセンサ１１８（図８に示されるフィラメントガイド２３６への入口に位置する）およびモデル化ＥＥＰＲＯＭ基板１２０からモデル化フィラメントに関するデータを受信する。モデル化ＥＥＰＲＯＭ基板１２０は、モデル化材料のフィラメントスプール４２に取り付けられた電気的に読み出しおよび書き込み可能なデバイス（図７に示されるＥＥＰＲＯＭ１８８）を保有する回路基板である。ＥＥＰＲＯＭ基板１２０は、様々な機能を有する電気的タグとして機能する。ＥＥＰＲＯＭ基板１２０は、スプール上およびスプール上のフィラメントの線の末端（ｌｉｎｅａｌ  ｆｅｅｔ）のフィラメントのタイプに関して制御システム９０に情報を伝える。フィラメント４０がスプール４２から巻ほどかれるにつれて、ＣＰＵはどの程度材料が押出されるために命令されたかを把握し、ＥＥＰＲＯＭ１８８上にこの量を全量から減じ、新しい値をＥＥＰＲＯＭ１８８に書き込む。好ましくは、ＥＥＰＲＯＭ基板１２０上のデータは、暗号化され、それによりＣＰＵ９２によってのみ更新され得る。フィラメントセンサ１１８は、フィラメント給送管の入口にフィラメントが存在するかしないかを探知し示す。フィラメントがスプール上にある場合は、オペレータがフィラメントを掴み、押出ヘッド３２から引き抜き得る。従って使用したフィラメントおよびスプールのアンロードおよび新しいスプール再ロードはより容易になる。
【００２０】
ＣＰＵ９２はモデル化フィラメントデータをＩＯカード９４から受信する。作業の最初にＣＰＵ９２は、スプール４２または５６がその作業を完了するのに十分なフィラメントを含むかどうかを計算する。次いでタッチスクリーンディスプレイ２１を介してオペレータに通知し、フィラメントが作業を完了するのに十分であるか、またはフィラメントスプールがプロセス中に交換および再ロードを必要とするかのいずれかを知らせる。また作業の初めにＣＰＵはスプール上のモデル化フィラメント材料が物体のデータに指定された同じ材料であることを確認する。これらの材料が同じでない場合、タッチスクリーンディスプレイ２１を介してオペレータに通知され、オペレータにスプールをスイッチする機会を提供する。
【００２１】
さらにＩＯカード９４は、包絡面熱電対１２２から受信される信号を介して包絡面７０内の温度をモニタし、モデル化ヘッド近接センサ１２４、高−ｚ近接センサ１２６、低−ｚ近接センサ１２８およびｘｙｚ非接触先端位置センサ１３０へおよびそこから信号を送信する。これらすべては以下で記述する。
【００２２】
ＩＯカード９６は支持押出ヘッド５２およびそこへのフィラメント供給のためにＩＯカード９４と同様の機能を果たす。ＩＯカード９６は、ｘ−ｙ強制器５２の運動および位置を制御する駆動信号を送信する。さらにＩＯカード９６は、支持押出ヘッド４６へおよびそこから信号を送受信する。支持押出ヘッド４６は、熱電対（ＴＣ）、ヒータ（ＨＴＲ）、モータ（ＭＴＲ）および安全スイッチ（ＳＳ）を含む。安全スイッチＳＳは、モデル化押出ヘッド４６内の温度が高くなりすぎた場合システムをシャットダウンする。
【００２３】
ＩＯカード９６は、支持ドライボックスプロセッサ基板１３２との通信を介して支持材料のフィラメントスプール５６に関するデータをモニタする。ＩＯカード９６は、支持フィラメントセンサ１３４および支持ＥＥＰＲＯＭ基板１３６から支持フィラメントに関するデータを受信する。支持ＥＥＰＲＯＭ基板１３６は、支持材料フィラメントスプール５６に取り付けられる。ＥＥＰＲＯＭ基板１３６は、電子タグとしてＥＥＰＲＯＭ基板１２０と同様の様態で機能する。ＣＰＵ９２は、支持プロセッサ基板１３２から支持フィラメントデータを受信し、それを用いてモデル化フィラメントに関して上述したように同様の様態でオペレータ情報を提供する。
【００２４】
さらにＩＯカード９６は、第１圧力バルブ１３８および第２圧力バルブ１４０を制御する。第１圧力バルブ１３８および第２圧力バルブ１４０は、コンプレッサ１１０からの空気の流れを方向付けするように交互に開閉される。バルブ１３８が閉じ、バルブ１４０が開いている場合、コンプレッサ１１０からの空気はモデル化ｘ−ｙ強制器３３に向けられる。バルブ１３８が開き、バルブ１４０が閉じている場合、コンプレッサ１１０からの空気は支持ヘッドｘ−ｙ強制器５２に向けられる。さらにＩＯカード９６は、以下に記述される支持ヘッド近接センサ１４２と通信する。
【００２５】
ラピッドプロトタイプシステ１０を用いて物体を生成するために、オペレータはまずタッチスクリーンディスプレイ２１上に位置するパワーオンスイッチ（図示せず）を押してシステムを立ち上げる。次いでシステム１０は、メンテナンスモードに入り、その状態でシステムはルーチンを実行し、モデル化押出ヘッド３２、支持押出ヘッド４６および生成プラットフォーム７４の位置を較正する。較正は２つの局面で実行される。第１の局面は、システムが押出ヘッドおよびプラットフォームのための運動境界を初期化する。モデル化ヘッド近接センサ１２４はモデル化ヘッド３２の境界を初期化し、支持ヘッド近接センサ１４２は支持ヘッド４４の境界を初期化する。高−ｚ近接センサ１２６および低−ｚ近接センサ１２８は共にプラットフォーム７４の境界を初期化する。第２の段階は、ｘｙｚ非接触先端位置センサ１３０が液化器５９および６５の先端の位置を初期化する。ｘｙｚ非接触先端位置センサ１３０は、プラットフォーム７４内に埋め込まれる磁気センサである。磁気センサは、３つの変位自由度を有する液化器先端の位置を検出する。先端位置センサ１３０は、参照として援用される継続中の特許出願第０８／５５６，５８３号に記載されるタイプである。
【００２６】
較正が完了した後、システムはメンテナンスモードから出て待機状態に入る。待機状態では三次元物体６４の設計が、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．のＱＵＩＣＫＳＬＩＣＥ（登録商標）のようなＣＡＤソフトウェアを利用したＬＡＮネットワーク接続（図５に模式的に示す）を介してＣＰＵ９２に入力される。Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．のＱＵＩＣＫＳＬＩＣＥ登録商標のようなＣＡＤソフトウェアは、物体の設計を複数の層に分割し、各別個の層の特定の形状に対応する多層データを提供する。層状データが受信された後、包絡面７０が加熱される間、システム１０はウォームアップ局面に入る。温度が８０℃に達するとすぐにシステムは三次元物体を生成する形成状態に入る。
【００２７】
モデル化押出装置３０を図６により詳細に示す。モデル化押出装置３０は、水平面内のｘおよびｙ方向に移動可能である。モデル化ｘ−ｙ強制器３３は、ステータ要素のグリッド（図示せず）を含む平面ステータ１５０の下に位置し、平面ステータ１５０に対して平行である。ｘ−ｙ強制器３３および平面ステータ１５０は共に電磁リニアステッピングモータ１５２を形成する。線形ステッピングモータは、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州Ｓａｎｔａ  ＣｌａｒｉｔａのＮｏｒｔｈｅｒｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ  Ｉｎｃ．で市販されている。ｘ−ｙ強制器３３は、互いに対して９０°で載設される２組の単軸強制器およびステータ（図示せず）に対して強制器３３を保持する永久磁石からなる。コンプレッサ１１０によって供給される圧縮空気サプライ１５４は、モデル化装置３０が動作状態の場合、ｘ−ｙ強制器３３に提供される。圧縮空気サプライ１５４は、ｘ−ｙ強制器３３を通じて上方に流れ、図６Ｂに示されるようにその上部表面を通って排出される。排出空気は、ｘ−ｙ強制器３３および平面ステータ１５０との間の空気ベアリング１５６を形成する。空気ベアリング１５６によって、平面ステータ１５０の下の水平面内で強制器がほぼ摩擦のない運動を可能にする。ｘ−ｙ強制器３３への駆動信号３３は、電気サプライ１５８を介して受信される。電気サプライ１５８は、動作を達成するためにｘ−ｙ強制器３３（図示せず）内に位置するステッピングモータドライバに動力を供給する。通常、このタイプの線形ステッピングモータは、機械的共振を生成する突然の耳障りな動作を示す。この共振は、典型的にはラピッドプロトタイプシステムのような高精度システムにおけるモータのような使用を不可能にする。以下に記述するように、ヘッドへの供給管（ｕｍｂｉｌｉｃａｌ）は、従来技術のラピッドプロトタイプシステムの速度をはるかに凌ぐ高速で高精度堆積を可能にするのに十分な減衰効果を提供する驚くべき結果を生成する。
【００２８】
モデル化押出アーム３４は、可撓性チェーン搬送器である。可撓性チェーン搬送器は、水平面に対して可撓性であり、他の方向に対して実質的に強固である。アーム３４は、その中に空気サプライ１５４および強制器電気サプライ１５８を運ぶ。アーム３４はまた、その中にモデル化押出ヘッド電気サプライ１６０および可撓性空気管１６２を保有する。可撓性空気管１６２は、図８に示されるように外気供給およびモデル化フィラメント４０を含む。空気サプライ１５４、強制器電気サプライ１５８、押出ヘッド電気サプライ１６０およびフィラメント４０を含む空気管１６２を共に有するアーム３４は、押出ヘッド３２への供給管１６３を形成する。供給管１６３は、ステータ３０に関して押出ヘッド３２の機械的共振を減衰する驚くべき結果を生成する。機械的共振は、強制器３３によるヘッド３２の加速および減速によって生成される。好適な実施形態において、ヘッド３２およびｘ−ｙ強制器３３を併用した重量は、約８ｌｂｓに等しいかまたはそれ以下である。
【００２９】
共振周波数は、小さな振動の場合約５５Ｈｚであり、大きな振動の場合約４５Ｈｚである。この実施形態において最終的な値（約４時間の減衰時定数に等しい）の９８％に達するまでの減衰時間は、約１５０ｍｓに等しいかまたはそれ以下である。振動および機械的共振の減衰は、Ａ＝Ａ0ｓｉｎ（ωｔ＋φ）ｅ‐t/Tのように表され得、ここでＡ＝振幅、Ａ0＝初期不減衰振幅、ｗ＝２πｆ、ｆ＝システムの共振周波数、φ＝位相定数、ｔ＝時間、およびＴ＝減衰時定数である。Ｔ＝１／ωの場合、臨界減衰が生じる。記述された好適な実施形態において、システムには、臨界減衰に基づく約１０の要因（ｆａｃｔｏｒ）がある。従って所望であれば、さらなる減衰が加えられる。減衰時定数は、押出ヘッド３２およびｘ−ｙ強制器３３を組合せた重量に影響される。重量が軽くなればなるほど、減衰時定数は短くなる。
【００３０】
機械的共振の減衰は、供給管１６３の移動中に生成される摩擦力によって主に達成される。あるいは、押出ヘッド３２内に保有される振動分散器（またはショックアブソーバ）のような他の形式の減衰手段が使用されてもよい。またさらなる減衰が、（鋼ではなくて銅を使用するような）ステータ１５０のバッキングの抵抗を減少することによって生成され、それによりステータ１５０内の渦電流の損失を増加させ得る。
【００３１】
図５はモデル化装置３０を示すが、支持ヘッド装置４４が同様の構造を有し、モデル化装置３０を参照して記述される同じタイプの供給管を有していることが理解されるべきである。詳細には、支持ｘ−ｙ強制器５２は、平面化ステータ１５０を共有するのでｘ−ｙ強制器５２およびステータ１５０は、第２のリニアモータを形成する。支持装置４４は、モデル化装置３０からキャビネット１２の対向側から開始する。参照を容易にするために１つのヘッドのみを詳細に示す。
【００３２】
真空圧盤６２および基板６０を図６内の分解様式で示す。真空圧盤６２は、図６Ａに詳細に示されるように溝１６４のグリッドからなる上部表面１６７を有する。好適な実施形態において、溝１６４は、０．０６インチの深さ、０．０６インチの幅、ならびに中央においては１インチ離れている。開口部１６６は、真空圧盤６２の中央から広がっている。開口部１６６は真空ポンプ１１２に接続する真空ホース１６８を受容する。システム１０がエネルギーをパワーアップする場合、真空は真空ホース１６８および真空ポンプ１１２によって真空圧盤６２に適用される。圧盤６２に供給された真空は溝１６４を介して空気を引き、それにより圧盤に沿って真空が分布する。この真空は、基板６０を圧盤６２の上部表面１６７に対して保持される。好適な実施形態において、基板６０は、可撓性シートである。重合体材料は適した可撓性シート基板を形成する。約０．０６インチの厚さを有するアクリルシートは、基板として首尾よく使用されてきた。所望の物体が形成される場合、オペレータは基板６０をシートの一端をリフトすることおよび適用される真空のシールを破ることによって圧盤６２から除去し得る。
【００３３】
基板６０と物体との間の弱く壊れやすい結合がある場合、可撓性基板６０は、物体から基板をはがすために物体から離れて曲げられる。この弱く壊れやすい結合は、基板６０上の支持材料の第２の層（または複数の層）によって後に続くモデル化材料の第１の層（または複数の層）を堆積することによって生成され得る。モデル化材料および基板は、モデル化材料が完全に基板に接着するように選択される。物体を生成する際に、モデル化材料は基板６０上に１つ以上の層状に堆積される。次いで支持材料が、モデル化材料上に１つ以上の層状に堆積される。次いで物体が、複数のモデル化材料および／または支持材料の層を用いて支持材料上に生成される。物体が完成した場合、真空は基板６０のコーナーをリフトすることで破られ、基板６０はオペレータによって圧盤６２から除去される。基板６０を曲げることによって次にオペレータは、物体から基板６０をはがす。モデル化材料の第１の層は基板に付着したままの状態となるが、モデル化材料の第１の層と支持材料の第２の層との間の弱い結合は、物体を損傷することなく基板６０の除去を可能にするように壊れる容易な別個の接合部である。
【００３４】
他の可撓性シート材料を基板６０として使用してもよい。例えば、コーティングしない紙またはコーティングした紙、金属箔および他の重合体材料が適している。高温の支持材料およびモデル化材料の場合、重合体材料（例えば、Ｋａｐｔｏｎ）または金属箔が特に望ましい。
【００３５】
真空は、基板６０を圧盤６２に対して押えるように適切な保持力を達成するための好適な方法であるが、適切な保持力を提供するための他の手段もまた使用され得る。例えば、基板６０が静電チャックまたは基板６０の下部表面あるいは圧盤６２の上部表面（または両方）に塗布される弱い接着によって圧盤６２に対して保持される。
【００３６】
図７は、図２および図３で示されるフィラメントスプールおよびスピンドルの詳細な分解図を示す。フィラメントスプールおよびスピンドルの機械的構成は、モデル化フィラメントおよび支持フィラメントの両方と同一である。参照を容易にするために、図７はモデル化フィラメントスプール４２およびモデル化スピンドル４３を詳細に示す。スピンドル４３は、ドライボックス４５から水平方向に延び、半円形を有する。１組の６つの押し込み可能なコネクタピン１７６を有する半円コネクタ１７４が、ドライボックス４５に隣接するスピンドル４３の上部に載設される。バネ押しラッチ１７８が外側エッジ１７９においてスピンドル４３の上部に埋め込まれる。
【００３７】
フィラメントスプール４２は、フィラメントが巻かれ得るセンターバレル１８０、バレル１８０の両端から広がる一対のスプールフランジ１８１、スピンドル４３を受容するためのバレル１８０内に嵌合するスリーブ１８２、スリーブ１８２内に載設されバレル１８０に対して垂直であるモデル化ＥＥＰＲＯＭ基板１２０からなる。バレル１８０はスリーブ１８２に関して回転し、それによりフィラメント４０がスプール４２から巻きほどかれ得る。スリーブ１８２は、その一端にフランジ１８４、対向端にフランジ１８６およびスピンドル４３を支えるための内部半円形空洞を有している。好適な実施形態において、フランジ１８４は除去可能であり、フランジ１８６は固定されている。フランジ１８４の除去によってバレル１８０からスリーブ１８２の引き出しを可能にする。上述のように、ＥＥＰＲＯＭ基板１２０はＥＥＰＲＯＭ１８８を保有する。好適な実施形態において、ＥＥＰＲＯＭ基板１２０は、一対のネジ１９０によって固定フランジ１８６に隣接して載設される。それによりＥＥＰＲＯＭ１８８は保護のためのスリーブ１８２と内向きに面する。その外側に面してＥＥＰＲＯＭ基板１２０は図７Ａに示すように１組６個の丸形電気的接点１９２を保有する。コネクタ１９２は、スプール４２がスピンドル４３上に載設された場合にコネクタピン１７６用の受容表面を提供するように構築される。
【００３８】
ラッチ１７８がスリーブ１８２からスピンドル４３の挿入または除去を可能にするように手動で押し込まれなければならない。スリーブ１８２がスピンドル４３上に載設される場合、ラッチ１７９は上向きの位置で静止し、コンタクト１９２がコネクタピン１７６を完全に押し込むようにスプール４２をその位置でロックする。フィラメントスプール４２が手動でスプールホルダ４３内に挿入される場合、ＥＥＰＲＯＭ基板１２０およびドライボックスプロセッサ基板１１６との間の電気的接触がコネクタ１９０を介してなされる。
【００３９】
図８に押出装置の詳細を示す。図８はモデル化押出装置３０を示すが、支持押出装置４４は同じ部分を含み、１８０°回転した位置においてモデル化押出装置３０と同様の様態で動作することを理解されるべきである。押出ヘッド３２は、一対の載設板２００によってｘ−ｙ強制器３８の下に載設される。二対のボルト２０２がヘッド３２を板２００に取り付ける。２つのボルト２０４は、板２００をｘ−ｙ強制器３８に接続し、ヘッド３２を保持する。
【００４０】
押出ヘッド３２は、液化器５９、フィラメントドライブ２０８および安全スイッチ２１０を保持するエンクロージャ２０６から形成される。液化器５９は、熱伝導性の薄壁管２１２、加熱ブロック２１４、押出先端２１６、先端保持具２１８、ヒータ２２０および熱電対２２２を含む。図９は、液化器５９の分解図を示す。図９に示されるように、薄壁管２１２は、入口端部２２４、出口端部２２６を有し、９０°曲げられている。好適な実施形態において、先端２１６は管２１２の出口端部内にハンダ付けされる。あるいは、先端２１６は管２１２に鑞付けまたは溶接されてもよい。０．０７０インチのフィラメントを使用する場合、管２１２は好適には約０．０７４インチの内径を有する。管２１２の壁の厚さは好適には０．００５〜０．０１５インチの間である。管２１２からフィラメント４０まで最大熱伝導が達成されるように可能な限り管２１２を薄くすることが望ましい。黄銅、銅、タングステン、チタン、モリブデン、ベリリウム銅または他の鋼のような他の金属を使用してもよい。また、ポリアミド（ｐｏｌｙｍｉｄｅ）（Ｋａｐｔｏｎ）、高融点を有するプラスチックのような他の熱伝導性材料を薄壁管を形成するために使用してもよい。
【００４１】
管２１２は加熱ブロックの正面部分２２８と背面部分２３０との間の加熱ブロック２１４のチャネル２２９に嵌合する。加熱ブロック２１４は、アルミニウムまたはベリリウム銅のような熱伝導性材料から形成される。１組４個のボルト２３２は、加熱ブロック２１４の外側部分２２８および背面部分２３０を通って延び、管２１２を保持する。加熱ブロック２１４が載設された場合、入口端部２２４に隣接する管２１２の第１の部分は、加熱ブロック２１４の外部にあり、管２１２の第２の中間部分は加熱ブロック２１４内にクランプされ、先端２１６を含む管２１２の第３の部分はブロック２１４の下部を通じて延びる。管２１２の第１の部分は液化器５９用のキャップゾーンを形成し、管２１２の第２の部分は加熱ゾーンを形成し、第３の部分はノズルゾーンを形成する。ノズルゾーンは、押出先端２１６内に含まれ、そこに銀ハンダ付けされている。押出先端２１６は、先端保持具２１８、中央開口部を有する四角い板によって加熱ブロック２１４に対して支持される。先端保持具２１８は、押出先端２１６の周りに締り嵌めされ、一対のネジ２３４によって加熱ブロック２１４の下に載設される。
【００４２】
管２１２のキャップゾーン長は、０．１５インチ〜２インチの範囲内である。キャップゾーンは、約７０℃の包絡面温度から約２８０℃の液化器温度までの温度勾配を経なければならない。キャップゾーンをより短くすることにより溶融フィラメントが押出される速度（すなわち流速）をシステムによるより大きな制御を可能にするが、キャップゾーンを通じてフィラメントの冷却温度を維持するのをより困難にする。加熱ゾーン長は、０．０４インチから７インチまでのいずれかである。加熱ゾーンが長くなればなるほど、最大押出し流速は速くなるが、流速が加速および減速され得るのが遅くなる。０．０２〜０．０４インチ長のキャップゾーンおよび約２．５インチ長の加熱ゾーンを有する液化器は、本システムの好適な実施形態において首尾よく使用されている。
【００４３】
円柱状のヒータ２２０および熱電対２２２が加熱ブロック２１４の背面部分２３０内へ水平方向に延びる。ヒータ２２０は、管２１２の加熱ゾーンと熱交換関係にある位置にされ、管をフィラメントの溶融温度以上の温度まで加熱する。フィラメント４０にＡＢＳ組成物を用いた場合、管は約２７０℃まで加熱される。熱電対２２２は、管２１２に隣接して位置し、管内の温度をモニタする。安全スイッチ２１０は、温度が所定のレベルを超える場合システム１０をシャットダウンする。
【００４４】
ガイド管２３６は、フィラメント４０を回転軸３６から押出ヘッド３２までガイドし、動作を支援するためのテフロンのような適した低摩擦材料から形成される。上述のように、ガイド管３６内のフィラメント４０は、アーム３４の内部に含まれる可撓性管６０内に位置される。フィラメント４０は、入口アパーチャ２３８を通じて押出ヘッド３２に入る。押出ヘッド３２の内部においてフィラメント４０は、制限されたガイド通路２４２を有するテーパー状のガイド２４０を通じて供給される。フィラメントドライブ２０８は、ステッピングモータ２４６、プーリ２４８および一対の供給ローラ２５０および２５２からなる。ローラ２５０は、ステッピングモータ２４６によって駆動するドライブシャフト２５４を有する。ローラ２５２はゴムコーティングされたアイドラーである。フィラメント４０は、ローラ２５０および２５２との間のニップ内にテーパー状のガイド２４０のガイド通路２４２から供給される。ローラ２５０の回転がフィラメント４０を液化器５９の方へ進める。薄壁管２１２の入口端部２２４は、フィラメント４０がローラ２５０および２５２を通過するにつれてフィラメント４０を受容するように位置される。液化器５９外側の溶融フィラメントの流速は、フィラメントドライブ２０８がフィラメント４０を液化器５９内に進める速度で制御される。
【００４５】
送風機２５６は、大気温度の空気を可撓性管６０内に流し、ガイド管２３６およびフィラメント４０を冷却する。ストランド４０の冷却は、液化器５９内へ通じる通路内でぐにゃっとしたり曲がったりすることのない十分な低温でフィラメントを維持するために重要である。送風機２５６からの空気は、管６０を通じて伝わり、空気導管２５８を介して押出ヘッド３２に入る。空気導管２５８は、空気用の経路を提供する。経路は押出ヘッド３２内のフィラメント４０から前方にあり、フィラメント４０から平行の位置にある。
【００４６】
図１０Ａおよび１０Ｂは、液化器の別の実施形態を示す。図１０Ａは、液化器２５９の組立図である。一方図１０Ｂは、液化器２５９の分解図である。この実施形態において、上述のこのタイプの２つの薄壁管２６０Ａおよび２６０Ｂは、１つのノズル２６２内に流動する。このタイプの液化器は、図８に示される分配ヘッド内において置換され得、交互に２つの異なる堆積材料を分配する押出ヘッドに提供する。２つの堆積材料は、モデル化材料および支持材料であり得、あるいはそれらは２つの異なる色のモデル化材料または他の多様な特性を有していてもよい。ノズル２６２は、管２６０Ａおよび２６０Ｂの出口端部２６４に鑞付けまたは溶接される。ノズル２６２は、垂直方向に位置し、一方管２６０Ａおよび２６０Ｂは水平方向に対して角度付けされ得る。別個の供給機構（図示せず）は、管２６０Ａおよび２６０Ｂに提供され、それによりフィラメント材料は任意の所与の時間で１つの管のみ内に供給される。
【００４７】
薄壁２６０Ａおよび２６０Ｂは、加熱ブロック２６６によって適所に保持される。加熱ブロック２６６は、外側板２６８、内側板２７０、背面板２７２からなる。背面板２７２は、押出ヘッド内に載設され、管２６０間に延びるヒータ２７４を保持する。管２６０Ａおよび２６０Ｂを保持する２つのチャネル２７６は、内側のブロック２７０を通じて一定のルートで通過する。１組５個のボルト（図示せず）は、外側板２６８、内側板２７０および背面板２７２を通って延び、液化器２５９を脱着可能に共に保持する。液化器を交換および清掃の場合に加熱ブロックから除去可能であることは有利である。
【００４８】
本発明は好適な実施形態を参照して記載されてきたが、当業者は本発明の意図および範囲を逸脱することなく形式および詳細を変更され得ることを認識し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、生成状態のシステムを示す本発明の好適な実施形態の外側正面立面図である。
【図２】  図２は、本発明の好適な実施形態の右側の外側正面立面図である。
【図３】  図３は、本発明の好適な実施形態の左側の外側正面立面図である。
【図４】  図４は、生成状態のシステムを示すプロトタイプ包絡面の正面立面図である。
【図５】  図５は、本発明の好適な実施形態のコントロールシステムの電気ブロック図である。
【図６】  図６は、生成位置におけるモデル化押出ヘッドを示すプロトタイプ包絡面の部分分解斜視図である。
【図６Ａ】  図６Ａは、真空圧盤溝を示す図５の一部の詳細図である。
【図６Ｂ】  図６Ｂは、リニアモータの空気ベアリングを示す図５の一部の詳細図である。
【図７】  図７は、図２および３に示されるフィラメントスピンドルおよびフィラメントスプールの分解図である。
【図７Ａ】  図７Ａは、ＥＥＰＲＯＭ基板の外表面の透視図である。
【図８】  図８は、組立式に示される部分のモデル化押出ヘッドの正面図である。
【図９】  図９は、液化器の分解図である。
【図１０Ａ】  図１０Ａは、液化器の別の実施形態を示す。
【図１０Ｂ】  図１０Ｂは、液化器の別の実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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