(57)【要約】  三次元パーツ２２をプリントする積層造形システム１０に使用される液化アセンブリ２０であって、上流側の圧力生成ステージ５２及び下流側の流量調節ステージ５２を備える液化アセンブリ２０。上流側の圧力生成ステージ５２は、駆動機構４６と、駆動機構４６から受け取った消耗材料４８を溶融して加圧状態の溶融材料を生成するように構成されている液化装置５０とを備える。下流側の流量調節ステージ５２は歯車アセンブリ５２を備え、歯車アセンブリ５２は、ケーシングアセンブリ６４、６６、６８と、内部キャビティ７８、８０内に配置されるとともに、互いに対して係合して、制御された押出のために歯車アセンブリ５２を通る加圧された溶融材料４８の流量を調節する１対の歯車７４、７６とを備える。【選択図】図２
2017528340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元パーツをプリントする積層造形システムに使用される液化アセンブリであって、  消耗材料を供給するように構成されている第１の駆動機構と、
前記第１の駆動機構から供給される前記消耗材料を受け取って、受け取った前記消耗材料を溶融して加圧状態の溶融材料を生成するように構成されている液化装置と、
歯車アセンブリと、を備え、
前記歯車アセンブリは、
前記液化装置から加圧された前記溶融材料を作動可能に受け入れるように構成されている入口開口、前記入口開口から加圧された前記溶融材料を受け入れるように構成されている内部キャビティ、及び、出口開口を有するケーシングアセンブリと、
前記内部キャビティ内に配置されるとともにモータ動力下で回転するように構成されている第１の歯車と、
前記第１の歯車と係合し、前記第１の歯車の回転とともに反対方向に回転するように構成されている第２の歯車と、を備え、
前記第１の歯車及び前記第２の歯車の回転により、前記入口開口から前記出口開口への加圧された前記溶融材料の流量が調節される、液化アセンブリ。
【請求項２】
前記液化装置は、
円筒形状又はリボン形状のチューブ型液化装置と、
前記チューブ型液化装置を加熱するように構成されている１つ又は複数の加熱アセンブリと、を備える、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項３】
前記消耗材料は、フィラメントを含む、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項４】
前記液化アセンブリは、前記出口開口において前記ケーシングアセンブリに作動可能に接続されているノズルを更に備え、
前記ノズルは、前記調節された流量の前記溶融材料を押し出すように構成されている、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項５】
前記ケーシングアセンブリは、
第１のケーシングと、
前記第１のケーシングに固定される第２のケーシングと、を備え、
前記第２のケーシングが前記入口開口、前記内部キャビティ及び前記出口開口を有する、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項６】
前記液化アセンブリは、前記ケーシングアセンブリに固定されている１つ又は複数の加熱素子を更に備え、該１つ又は複数の加熱素子は、前記ケーシングアセンブリを加熱するように構成されている、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項７】
前記液化アセンブリは、
第２の消耗材料を供給するように構成されている第２の駆動機構と、
前記第２の駆動機構から供給される前記第２の消耗材料を受け取って、受け取った前記第２の消耗材料を溶融して加圧状態の第２の溶融材料を生成するように構成されている第２の液化装置と、を更に備え、
前記ケーシングアセンブリの前記入口開口は、前記第２の液化装置から前記第２の加圧された溶融材料を作動可能に受け入れるようにも構成されている、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項８】
前記液化アセンブリは、前記ケーシングアセンブリの前記入口開口に作動可能に接続されているマニホルドを更に備え、
前記入口開口は、前記第１の液化装置及び前記第２の液化装置から前記マニホルドを通して加圧された前記溶融材料を作動可能に受け入れるように構成されている、請求項７に記載の液化アセンブリ。
【請求項９】
前記第１の歯車を回転させる前記モータ動力を生成するように構成されている第２の駆動機構を更に備える、請求項１に記載の液化アセンブリ。
【請求項１０】
前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構を前記積層造形システムの制御装置アセンブリに作動可能に接続するように構成されている１つ又は複数の通信線を更に備える、請求項９に記載の液化アセンブリ。
【請求項１１】
三次元パーツをプリントする積層造形システムであって、
上流側の圧力生成ステージと、
下流側の流量調節ステージと、
制御装置アセンブリと、を備え、
前記上流の圧力生成ステージは、
第１の駆動機構と、
液化装置と、
前記液化装置を加熱するように構成されている１つ又は複数のヒーターアセンブリと、を備え、
下流側の流量調節ステージは、
前記液化装置に作動可能に接続されている入口開口、出口開口、及び前記入口開口と該出口開口とを相互接続する内部キャビティを有するケーシングアセンブリと、
前記ケーシングアセンブリの前記内部キャビティ内に配置される１対の係合歯車と、
前記ケーシングアセンブリを加熱するように構成されている１つ又は複数の加熱素子と、
前記１対の係合歯車のうちの少なくとも一方の歯車に作動可能に接続されている第２の駆動機構と、を備え、
前記制御装置アセンブリは、前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構に作動可能に接続されており、消耗材料を前記液化装置に供給して加圧された溶融材料を生成するよう前記第１の駆動機構に命令し、また、加圧された前記溶融材料の流量を調節するように前記１対の係合歯車を回転させるよう前記第２の駆動機構に命令するように構成されている、積層造形システム。
【請求項１２】
前記１対の係合歯車は、
前記第２の駆動機構に作動可能に接続されているシャフトを備える駆動歯車と、
前記駆動歯車に係合される遊び歯車と、を含み
前記遊び歯車は、前記駆動歯車の回転によって反対方向に回転されるようになっている、請求項１１に記載の積層造形システム。
【請求項１３】
前記液化装置は、円筒形状又はリボン形状のチューブ型液化装置を含む、請求項１１に記載の積層造形システム。
【請求項１４】
前記積層造形システムは、前記出口開口において前記ケーシングアセンブリに作動可能に接続されているノズルを更に備え、
前記ノズルは、調節された流量の前記溶融材料を押し出すように構成されている、請求項１１に記載の積層造形システム。
【請求項１５】
前記ケーシングアセンブリは、
第１のケーシングと、
前記第１のケーシングに固定される第２のケーシングと、を備え、
前記第２のケーシングは、前記入口開口、前記内部キャビティ及び前記出口開口を有する、請求項１１に記載の積層造形システム。
【請求項１６】
積層造形システムを用いて三次元パーツをプリントする方法であって、
前記積層造形システムによって保持されている駆動機構を用いて、前記積層造形システムによって保持されている液化装置に消耗材料を供給することと、
前記液化装置内の供給された前記消耗材料を溶融して溶融材料を生成することと、
前記積層造形システムによって保持されている歯車アセンブリに加圧状態の前記溶融材料を提供することと、
前記歯車アセンブリを通る前記加圧された溶融材料の流量を調整して、前記溶融材料を制御された方法で押し出すことと、を含む、方法。
【請求項１７】
前記歯車アセンブリは、１対の係合歯車を備え、
前記歯車アセンブリを通る加圧された前記溶融材料の流量を調節することは、前記係合された歯車を互いに反対方向に回転させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記溶融材料は、第１の溶融材料であり、
該方法は、
前記積層造形システムによって保持されている第２の駆動機構を用いて、前記積層造形システムによって保持されている第２の液化装置に第２の消耗材料を供給することと、
前記第２の液化装置内の供給された前記第２の消耗材料を溶融して第２の溶融材料を生成することと、
加圧状態の前記第２の溶融材料を前記第１の溶融材料とともに前記歯車アセンブリに提供することと、
加圧された前記第１の溶融材料とともに前記歯車アセンブリを通る加圧された前記第２の溶融材料の流量を調節して、前記第２の溶融材料を制御された方法で押し出すことと、
を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記歯車アセンブリを通る加圧された前記溶融材料の流量を調節することは、前記歯車アセンブリの駆動歯車に制御可能に有効トルクをかけて、加圧された前記溶融材料を駆動することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記歯車アセンブリを通る加圧された前記溶融材料を調節することは、前記歯車アセンブリの駆動歯車にかかっている抵抗トルクを制御可能に解除して、加圧された前記溶融材料を駆動することを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、三次元（３Ｄ）パーツ及びサポート構造をプリントするか又は別様に生産する積層造形システムに関する。特に、本開示は、積層造形技法を使用して３Ｄパーツ及びサポート構造を層ごとにプリントする押出プリントヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
積層造形システムは、１つ又は複数の積層造形技法を使用して３Ｄパーツのデジタル表現（例えば、ＡＭＦ及びＳＴＬフォーマットファイル）から３Ｄパーツをプリント又は別様に構築するために使用される。市販の積層造形技法の例は、押出し方式の技法、吐出プロセス、選択的レーザー焼結プロセス、粉末／結合剤噴射プロセス、電子ビーム溶融プロセス、及び光造形プロセスを含む。これらの技法のそれぞれについて、３Ｄパーツのデジタル表現が、最初に、複数の水平層にスライスされる。スライスされた各層について、ツールパスがその後、生成され、特定の積層造形システムが所与の層をプリントするための命令を提供する。
【０００３】
例えば、押出し方式の積層造形システムにおいて、３Ｄパーツは、流動性パーツ材を押し出すことによって、３Ｄパーツのデジタル表現から層ごとにプリントすることができる。パーツ材は、システムのプリントヘッドによって搬送される押出しチップを通して押し出され、平面層のプラテン上のロード（roads）シーケンスとして堆積される。押し出されたパーツ材は、先に堆積したパーツ材に融着し、温度の降下によって固化する。基材に対するプリントヘッドの位置は、その後、増分され、プロセスは、その後、デジタル表現に似る３Ｄパーツを形成するために繰り返される。
【０００４】
パーツ材の層を堆積させることによって３Ｄパーツを作製するとき、サポート層又は構造は、通常、構築中の３Ｄパーツの（パーツ材自体によって支持されない）オーバハング部分の下に又は３Ｄパーツのキャビティ内に構築される。サポート構造は、パーツ材を堆積するのと同じ堆積技法を利用して構築することができる。ホストコンピューターは、形成される３Ｄパーツのオーバハング又は自由空間セグメント用の側壁用のサポート構造として働く更なる幾何形状を生成する。次いで、サポート材は、プリントプロセスの間に生成される形状に応じて堆積される。サポート材は、作製中にパーツ材に付着し、プリントプロセスが終了したときに完成した３Ｄパーツから除去可能である。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一態様は、３Ｄパーツをプリントする積層造形システムに使用される液化アセンブリに関する。該液化アセンブリは、消耗材料を供給するように構成されている駆動機構と、前記駆動機構から供給される前記消耗材料を受け取って溶融し、加圧状態の溶融材料を生成するように構成されている液化装置と、歯車アセンブリとを備える。該歯車アセンブリは、前記液化装置から前記加圧された溶融材料を作動可能に受け入れるように構成されている入口開口、該入口開口から前記加圧された溶融材料を受け入れるように構成されている内部キャビティ、及び出口開口を有するケーシングアセンブリを備える。また、該歯車アセンブリは、前記内部キャビティ内に配置されるとともに、モータ動力下で回転するように構成されている第１の歯車と、該第１の歯車と係合し、該第１の歯車の回転とともに反対方向に回転するように構成されている第２の歯車であって、該第１の歯車及び該第２の歯車の回転により、前記入口開口から前記出口開口への前記加圧された溶融材料の流量が調節される、第２の歯車とを備える。
【０００６】
本開示の別の態様は、３Ｄパーツをプリントする積層造形システムに関する。該積層造形システムは、上流側の圧力生成ステージと下流側の流量調節ステージとを備える。前記上流側の圧力生成ステージは、第１の駆動機構と、液化装置と、該液化装置を加熱するように構成されている１つ又は複数のヒーターアセンブリとを備える。前記下流側の流量調節ステージは、前記上流側液化装置に作動可能に接続されている入口開口、出口開口、及び該入口開口と該出口開口とを相互接続する内部キャビティを有するケーシングアセンブリを備える。また、下流側の流量調節ステージは、前記ケーシングアセンブリの前記内部キャビティ内に配置される１対の係合歯車と、前記ケーシングアセンブリを加熱するように構成されている１つ又は複数の加熱素子と、前記１対の係合歯車のうちの少なくとも一方の歯車に作動可能に接続されている第２の駆動機構とを備える。また、該積層造形システムは、前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構に作動可能に接続されている制御装置アセンブリであって、消耗材料を前記液化装置に供給して加圧された溶融材料を生成するよう前記第１の駆動機構に命令し、また、前記加圧された溶融材料の流量を調節するように前記１対の係合歯車を回転させるよう前記第２の駆動機構に命令するように構成されている制御装置アセンブリを備える。
【０００７】
本開示の別の態様は、積層造形システムを用いて３Ｄパーツをプリントする方法に関する。該方法は、前記積層造形システムによって保持されている駆動機構を用いて、前記積層造形システムによって保持されている液化装置に消耗材料を供給することと、前記液化装置内の供給された前記消耗材料を溶融して溶融材料を生成することとを含む。また、該方法は、前記積層造形システムによって保持されている歯車アセンブリに加圧状態の前記溶融材料を提供することと、前記歯車アセンブリを通る前記加圧された溶融材料の流量を調節して、前記溶融材料を制御された方法で押し出すこととを含む。
【０００８】
定義：特段の記載が無い限り、本明細書で使用される以下の用語は、以下で規定される意味を有する。
【０００９】
長手方向長さを有する液化装置に印加される圧力等に関する用語「軸方向の」及び「軸方向に」は、長手方向長さに対して垂直の方向を指す。これらの用語は同心軸を必要とせず、矩形液化装置、弧状液化装置、楕円形液化装置等のような非円筒形液化装置にも適用される。
【００１０】
互いに作動可能に接続されているものに関する用語「作動可能に接続されている」は、直接的な接続（物理的に互いに接触している）及び間接的な接続（それらの間に配置されているスペーサ等の１つ又は複数の追加の構成要素によって互いに接続されている）を指す。
【００１１】
制御装置アセンブリがデバイス（例えば駆動機構、ヒーターアセンブリ等）に命令することに関する用語「命令する」、「命令すること」等は、デバイスが中継された信号に合わせて動作するように、制御装置アセンブリからそのデバイスに制御信号を直接的に及び／又は間接的に中継することを指す。信号は、デバイス上のマイクロプロセッサへの通信信号、デバイスを動作させるように印加される電力等、任意の形式で中継することができる。
【００１２】
用語「好ましい」、「好ましくは」、「例」及び「例示的な」は、一定の状況下で一定の利益を与えることができる本発明の実施形態を指す。しかし、他の実施形態もまた、同じか又は他の状況下で好ましい又は例示的である場合がある。さらに、１つ又は複数の好ましい又は例示的な実施形態の列挙は、他の実施形態が有用でないことを示唆せず、また、本開示の範囲から他の実施形態を排除することを意図されない。
【００１３】
「の上」、「の下」、「上部」、「下部」、及び同様なもの等の方向に関する位置特定は、３Ｄパーツの層プリント方向を参照して行われる。以下に示す実施形態において、層プリント方向は、垂直なｚ軸に沿って上方向である。これらの実施形態において、用語「の上」、「の下」、「上部」、「下部」、及び同様なものは、垂直なｚ軸に基づく。しかし、３Ｄパーツの層が、水平なｘ軸又はｙ軸等の異なる軸に沿ってプリントされる実施形態において、用語「の上」、「の下」、「上部」、「下部」、及び同様なものは、所与の軸を基準にする。
【００１４】
「材料を提供する」等の用語「提供する」は、特許請求項において述べられるとき、提供されるアイテムの任意の特定の供給又は受取りを必要とすることを意図されない。むしろ、用語「提供する」は、明確にしかつ読み易くするために、特許請求項（複数の場合もある）の後続の要素において言及されることになるアイテムを挙げるために使用されるだけである。
【００１５】
別途指定されない限り、本明細書で言及される温度は、大気圧（すなわち、一気圧）に基づく。
【００１６】
用語「約」及び「実質的に」は、当業者に知られている予想される変動（例えば、測定における制限及び変動性）のために、測定可能な値及び範囲に関して本明細書で使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の１つ又は複数の押出装置を使用して３Ｄパーツ及びサポート構造をプリントするように構成されている積層造形システムの正面図である。
【図２】本開示の押出装置を備えるプリントヘッドの背面斜視図であり、ここで、押出装置は上流側液化装置及び下流側歯車アセンブリを含む。
【図３】押出装置の正面斜視図である。
【図４】押出装置の分解正面斜視図である。
【図５】下流側歯車アセンブリのケーシングの分解背面斜視図である。
【図６Ａ】下流側歯車アセンブリの駆動歯車の側面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す駆動歯車の正面端面図である。
【図７Ａ】下流側歯車アセンブリの遊び歯車の側面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す遊び歯車の正面端面図である。
【図８】下流側歯車アセンブリの上面断面図であり、駆動歯車と遊び歯車との係合を示している。
【図９】押出装置の概略正面図であり、駆動歯車と遊び歯車との係合を更に示している。
【図１０】プリントヘッドとともに使用される積層造形システムの制御装置アセンブリの概略図である。
【図１１】複数の上流側液化装置を含む、本開示の代替的な押出装置の概略正面図である。
【図１２Ａ】係合されている駆動歯車及び遊び歯車の正面斜視図であり、２つの液化装置から駆動歯車及び遊び歯車の周りへの流れプロファイルを示している。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示す係合されている駆動歯車及び遊び歯車の概略正面図、並びに流れプロファイルである。
【図１３Ａ】係合されている駆動歯車及び遊び歯車の正面斜視図であり、２つの液化装置から遊び歯車及び駆動歯車の周りへの代替的な流れプロファイルを示しており、ここで、これらの２つの液化装置は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示す液化装置に対して直角に向いている。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示す係合されている駆動歯車及び遊び歯車の概略上面図、並びに流れプロファイルである。
【図１４】ビード幅にリップルを伴う溶融材料を堆積しているノズルの斜視図である。
【図１５】時変信号を用いて押出装置を駆動しながら溶融材料を堆積しているノズルの斜視図である。
【図１６】コマンド信号、コマンド信号の速度成分、及びコマンド信号の時変成分のグラフである。
【図１７】制御装置アセンブリ３８の展開ブロック図である。
【図１８】堆積される溶融材料におけるリップルを減少させるように時変信号を生成する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示は、積層造形技法を使用して３Ｄパーツ及びサポート構造を層ごとにプリントする積層造形システムに用いられる押出プリントヘッドに関する。後述するように、この押出装置は、圧力生成ステージとして機能する１つ又は複数の上流側液化装置と、流量調節ステージとして機能する下流側歯車アセンブリとを含む。ここでは、１つ又は複数の上流側液化装置に消耗材料が供給されるとともに溶融され、得られた溶融材料（複数の場合もある）は次に下流側歯車アセンブリに提供される。下流側歯車アセンブリにおいて、溶融材料（複数の場合もある）は、押出ノズルに制御可能に圧送されるか、計量されるか又は別様に押出ノズルに提供され、押出ノズルにおいて、３Ｄパーツ又はサポート構造の一連のロードを生成するように押し出される。
【００１９】
また、本開示は、上流側液化装置（複数の場合もある）の供給特性及び溶融特性に応じて２つのモードのうちの１つで下流側歯車アセンブリを作動させるように構成されている、積層造形システムの制御装置アセンブリに関する。第１の実施形態において、下流側歯車アセンブリは、好ましくは、上流側液化装置（複数の場合もある）からより低い正圧で溶融材料（複数の場合もある）を受け入れる下流側歯車ポンプとして機能する。この「歯車ポンプ」実施形態では、制御装置アセンブリは、押出しのために溶融材料を能動的に圧送するか又は加圧するよう下流側歯車アセンブリに命令することができる。
【００２０】
第２の実施形態において、下流側歯車アセンブリは、好ましくは、上流側液化装置（複数の場合もある）からより高い正圧で溶融材料（複数の場合もある）を受け入れる下流側歯車ブレーキとして機能する。この「歯車ブレーキ」実施形態では、制御装置アセンブリは、押出しのために、加圧された溶融材料の流量を制御可能に制限するか又は計量するよう下流側歯車アセンブリに命令することができる。
【００２１】
いずれの実施形態でも、上流側液化装置（複数の場合もある）は、下流側歯車アセンブリへの溶融材料（複数の場合もある）の加圧流を生成することが好ましく、下流側歯車アセンブリは、３Ｄパーツ及びサポート構造をプリントするための溶融材料（複数の場合もある）の流量を調節することが好ましい。特に、下流側歯車アセンブリは、潜在的に、従来の液化装置に対してより速くより一貫した過渡応答をもたらすことができる。なぜなら、下流側歯車アセンブリは、移動メニスカスを有せず、ノズルから流れる前に加圧する必要がある溶融材料の体積がより小さく、また材料計量を更に複雑化させる溶融相変化及びそれに関連する材料膨張がない。したがって、下流側歯車アセンブリは、その歯車とノズルとの間の加圧材料の体積が小さく、また一貫している。
【００２２】
本開示の液化アセンブリは、任意の適した押出し方式の積層造形システムとともに使用することができる。例えば、図１は、２つの消耗品集成体１２とともに使用されるシステム１０を示しており、ここで、各消耗品集成体１２は、システム１０によるプリントのために供給される消耗品フィラメントを保持する、容易に装填可能、取外し可能かつ交換可能なコンテナ装置である。通常、消耗品集成体１２のうちの一方がパーツ材フィラメントを収容し、他方の消耗品集成体１２がサポート材フィラメントを収容する。しかしながら、両方の消耗品集成体１２の構造が同一であってもよく、幾つかの場合、両方の消耗品集成体１２がパーツ材フィラメントを収容してもよい。
【００２３】
図示の実施形態では、各消耗品集成体１２は、コンテナ部１４と、ガイドチューブ１６と、プリントヘッド１８とを備え、ここで、各プリントヘッド１８は、本開示の押出装置２０を備えることが好ましい。コンテナ部１４は、スプール、コイル、又は、Mannella他の米国特許出願公開第２０１３／０１６１４３２号及び同第２０１３／０１６１４４２号、並びにBatchelder他の米国特許出願公開第２０１４／０１５８８０２号に述べられているような消耗品フィラメントの他の供給機構を保持することができる。
【００２４】
ガイドチューブ１６は、コンテナ部１４とプリントヘッド１８とを相互接続し、ここで、プリントヘッド１８の（及び／又はシステム１０の）駆動機構は、消耗品フィラメントの連続セグメントをコンテナ部１４からガイドチューブ１６を通してプリントヘッド１８の押出装置２０に引き出す。この実施形態では、ガイドチューブ１６及びプリントヘッド１８は、消耗品集成体１２のサブコンポーネントであり、システム１０に出し入れして各消耗品集成体１２とともに交換することができる。代替的には、後述するように、ガイドチューブ１６及び／又はプリントヘッド１８（又はその部品）は、消耗品集成体１２のサブコンポーネントではなくシステム１０のコンポーネントとすることができる。
【００２５】
システム１０は、層方式の積層造形技法を使用して、消耗品集成体１２のパーツ材フィラメント及びサポート材フィラメントそれぞれから３Ｄパーツ又は３Ｄモデル及び対応するサポート構造（例えば３Ｄパーツ２２及びサポート構造２４）をプリントする積層造形システムである。システム１０に適した積層造形システムは、Stratasys, Inc.（ミネソタ州エデンプレイリー）によって商品名「ＦＤＭ」として開発された溶融体積モデリングシステム等の押出し方式システムを含む。
【００２６】
図示のように、システム１０は、システムハウジング２６と、チャンバ２８と、プラテン３０と、プラテンガントリ３２と、ヘッドキャリッジ３４と、ヘッドガントリ３６とを備える。システムハウジング２６は、システム１０の構造コンポーネントであり、支持フレーム、ハウジング壁等のような複数の構造サブコンポーネントを含んでもよい。幾つかの実施形態において、システムハウジング２６は、消耗品集成体１２のコンテナ部１４を受けるように構成されているコンテナベイを備えることができる。代替的な実施形態において、システム１０の全体的なフットプリントを低減するためにコンテナベイを省略してもよい。これらの実施形態では、コンテナ部１４は、ガイドチューブ１６及びプリントヘッド１８の十分な移動範囲を提供しながらシステムハウジング２６に隣接することができる。
【００２７】
チャンバ２８は、３Ｄパーツ２２及びサポート構造２４をプリントするためのプラテン３０を収容している閉鎖環境である。パーツ材及びサポート材が押出し及び堆積後に固化する速度を下げるために（例えば歪み及びカールを減らすために）、チャンバ２８を（例えば循環する加熱空気によって）加熱してもよい。代替的な実施形態において、チャンバ２８は、省略してもよく、及び／又は様々なタイプの造形環境と置き換えてもよい。例えば、３Ｄパーツ２２及びサポート構造２４は、大気条件に開放している造形環境中、又は代替構造（例えばフレキシブルなカーテン）によって閉鎖されていてもよい造形環境中で造形され得る。
【００２８】
プラテン３０は、３Ｄパーツ２２及びサポート構造２４が層ごとにプリントされるプラットフォームであり、プラテンガントリ３２によって支持されている。幾つかの実施形態において、プラテン３０は、造形基材に係合して造形基材を支持することができる。造形基材は、Dunn他の米国特許第７，１２７，３０９号に開示されているような、プラスチック、段ボール又は他の適した材料から作製されたトレイ基材とすることができ、また、フレキシブルなポリマー膜若しくはポリマーライナ、塗装用テープ、ポリイミドテープ（例えばE.I. du Pont de Nemours and Company（デラウェア州ウィルミントン）製の商品名ＫＡＰＴＯＮ）、又はプラテン３０若しくは造形基材上に堆積した材料を付着させるための他の使い捨て製品を含むことができる。プラテンガントリ３２は、プラテン３０を垂直なｚ軸に沿って（又は実質的に沿って）移動させるように構成されているガントリアセンブリである。
【００２９】
ヘッドキャリッジ３４は、プリントヘッド１８等の１つ又は複数の取外し可能なプリントヘッドを受けるように構成されているユニットであり、ヘッドガントリ３６によって支持されている。ヘッドキャリッジ３４に適した装置、及びプリントヘッド１８をヘッドキャリッジ３４に保持する技法の例として、Swanson他の米国特許第８，４０３，６５８号及び同第８，６４７，１０２号に開示されているものが挙げられる。幾つかの好ましい実施形態において、各プリントヘッド１８は、ｘ−ｙ造形平面におけるヘッドキャリッジ３４に対するプリントヘッド１８の移動を阻止又は制限するが、プリントヘッド１８がｘ−ｙ造形平面から制御可能に移動する（例えばサーボ式、トグル式、又は別様に直線若しくは枢動方式で切り替えられる）ことを可能にするようにして、ヘッドキャリッジ３４に係合してプリントヘッド１８をしっかりと保持するように構成されている。
【００３０】
ヘッドガントリ３６は、ヘッドキャリッジ３４（及び保持されているプリントヘッド１８）をチャンバ２８上方の水平なｘ−ｙ平面において（又は実質的に水平なｘ−ｙ平面において）移動させるように構成されているベルト駆動式のガントリアセンブリである。ヘッドガントリ３６に適したガントリアセンブリの例として、Comb他の米国特許出願公開第２０１３／００７８０７３号に開示されているものが挙げられ、ここで、ヘッドガントリ３６は、チャンバ２８の天井を画定する変形可能な支持バッフル（図示せず）とすることもできる。代替的な実施形態において、ヘッドガントリ３６は、ロボットアクチュエーター等のような、ヘッドキャリッジ３４（及び保持されているプリントヘッド１８）を移動させるのに適した任意の機構を利用することができる。
【００３１】
更なる代替的な実施形態において、プラテン３０は、チャンバ２８内で水平なｘ−ｙ平面において移動するように構成されてもよく、ヘッドキャリッジ３４（及びプリントヘッド１８）は、ｚ軸に沿って移動するように構成されてもよい。他の類似の装置を、プラテン３０及びプリントヘッド１８の一方又は両方が互いに対して可動であるように使用することもできる。プラテン３０及びヘッドキャリッジ３４（及びプリントヘッド１８）は、異なる軸に沿って配向されていてもよい。例えば、プラテン３０は垂直に配向されていてもよく、かつプリントヘッド１８は、ｘ軸又はｙ軸に沿って３Ｄパーツ２２及びサポート構造２４をプリントすることができる。別の例では、プラテン３０及び／又はヘッドキャリッジ３４（及びプリントヘッド１８）は、極座標系等の非デカルト座標系において互いに対して移動することができる。
【００３２】
上述の実施形態では、ガイドチューブ１６及びプリントヘッド１８は、消耗品集成体１２のサブコンポーネントである。しかしながら、代替的な実施形態において、ガイドチューブ１６及び／又はプリントヘッド１８は、消耗品集成体１２のサブコンポーネントではなくシステム１０のコンポーネントとしてもよい。これらの実施形態では、プリントヘッド１８に適した装置並びにプリントヘッド１８、ヘッドキャリッジ３４、及びヘッドガントリ３６間の接続の追加の例として、Crump他の米国特許第５，５０３，７８５号、Swanson他の米国特許第６，００４，１２４号、LaBossiere他の米国特許第７，３８４，２５５号及び同第７，６０４，４７０号、Batchelder他の米国特許第７，８９６，２０９号及び同第７，８９７，０７４号、並びにComb他の米国特許第８，１５３，１８２号に開示されているものが挙げられる。例えば、押出装置２０は、必要に応じて既存の積層造形システムに追加導入することができる。
【００３３】
更なる代替的な実施形態（例えば以下で図１０に示す）において、プリントヘッド１８及び押出装置２０の幾つかの部品を、システム１０のサブコンポーネントとしてもよい。この場合、プリントヘッド１８及び押出装置２０の他の部品を、システム１０のサブコンポーネントである上記部品に係合可能（かつその部品から取外し可能）である、交換可能な消耗品集成体１２のサブコンポーネントとしてもよい。
【００３４】
また、システム１０は、システム１０のコンポーネントを作動させるように構成されている１つ又は複数のコンピュータベースのシステムである制御装置アセンブリ３８を備える。制御装置アセンブリ３８は、通信線（複数の場合もある）４０を通じて、プリントヘッド１８（押出装置２０を含む）、チャンバ２８（例えばチャンバ２８用の加熱ユニットを備える）、ヘッドキャリッジ３４、プラテンガントリ３２及びヘッドガントリ３６用のモータ、及び様々なセンサ、較正デバイス、ディスプレイデバイス、及び／又はユーザ入力デバイス等のシステム１０の種々のコンポーネントと通信することができる。幾つかの実施形態において、制御装置アセンブリ３８は、プラテン３０、プラテンガントリ３２、ヘッドガントリ３６、及びシステム１０の任意の他の適したコンポーネントのうちの１つ又は複数と通信することもできる。
【００３５】
さらに、制御装置アセンブリ３８は、通信線４２を介して、ネットワーク接続（例えばローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）接続、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）接続等）を通じて他のコンピュータ及びサーバ等の外部デバイスと通信することもできる。通信線４０及び４２はそれぞれ単一の信号線として示されているが、これらはそれぞれ、１つ又は複数の電気、光及び／又は無線信号線並びに中間制御回路を含むことができ、ここで、通信線（複数の場合もある）４０の一部は、取外し可能なプリントヘッド１８のサブコンポーネントとすることもできる。
【００３６】
幾つかの実施形態において、制御装置アセンブリ３８の１つ又は複数のコンピュータベースのシステムはシステム１０に内蔵され、二次元プリンタと同じ又は類似の方法で、ユーザがネットワーク通信線４２を通じて外部コンピュータ等からシステム１０を作動させることを可能にする。代替的には、制御装置アセンブリ３８は、通信線４２を介したネットワークを通じた通信だけでなく、制御装置アセンブリ３８の内部コンピュータベースシステム（複数の場合もある）と通信することができる１つ又は複数の外部コンピュータベースシステム（例えばデスクトップ、ラップトップ、サーバベース、クラウドベース、タブレット、移動媒体デバイス等）を含むこともできる。
【００３７】
この代替的な実施形態では、後述する制御装置アセンブリ３８の処理機能は、内部コンピュータベースシステムと外部コンピュータベースシステムとの間で分割することができる。更に別の代替的な実施形態において、制御装置アセンブリ３８のコンピュータベースのシステム（複数の場合もある）は全て、システム１０の外部に配置してもよく（例えば１つ又は複数の外部コンピュータ）、通信線（複数の場合もある）４０を通じてシステム１０と通信してもよい。
【００３８】
プリント作業中、制御装置アセンブリ３８は、プラテン３０をチャンバ２８内の所定の高さまで移動させるようプラテンガントリ３２に指示することができる。次に、制御装置アセンブリ３８は、ヘッドキャリッジ３４（及び保持されているプリントヘッド１８）をチャンバ２８上方の水平なｘ−ｙ平面において周囲に移動させるようヘッドガントリ３６に指示することができる。制御装置アセンブリ３８は、消耗品フィラメントの連続セグメントをそれぞれコンテナ部１４からガイドチューブ１６を通して選択的に引き出すようプリントヘッド１８に命令することもできる。
【００３９】
次に、各消耗品フィラメントの連続セグメントは、後述するようにそれぞれのプリントヘッド１８の押出装置２０において溶融され、溶融材料を生成する。押出装置２０を出ると、得られる押出物は、プラテン３０上に３Ｄパーツ２２又はサポート構造２４を層ごとにプリントするための一連のロードとして堆積することができる。プリント作業が完了した後、得られた３Ｄパーツ２２及びサポート構造２４は、チャンバ２８から除去することができ、サポート構造２４は、３Ｄパーツ２２から除去することができる。次に、３Ｄパーツ２２は、所望に応じて１つ又は複数の追加の後処理ステップに供することができる。
【００４０】
図２は、ハウジング４４と駆動機構４６と本開示の押出装置２０と（これらはフィラメント４８とともに使用されているのが示されている）を備える一例のプリントヘッド１８の背面斜視図である。ハウジング４４及び駆動機構４６に適したコンポーネントの例として、LaBossiere他の米国特許第７，６０４，４７０号、Batchelder他の米国特許第７，８９６，２０９号、同第７，８９７，０７４号及び同第８，２３６，２２７号、Swanson他の米国特許第８，６４７，１０２号、Koop他の米国特許出願公開第２０１４／０１５９２７３号、並びにLeavittの米国特許出願公開第２０１４／０１５９２８４号に記載のものが挙げられる。しかしながら、押出装置２０は、システム１０との使用に適した任意のプリントヘッドに組み込むことができる。
【００４１】
図示のように、押出装置２０は、上流側液化装置５０及び下流側歯車アセンブリ５２を備え、ここで、本明細書で使用されるとき、用語「上流側」及び「下流側」は、矢印５４で示すフィラメント供給方向に関するものである。液化装置５０は、消耗材料（例えばフィラメント４８）を受け取って溶融し、それによって、歯車アセンブリ５２にもたらされる溶融材料の加圧流を生成するように構成されている一例の液化装置である。図示の例では、液化装置５０は、１つ又は複数の熱伝導材料（例えばステンレス鋼）製の剛性中空管であり、入口端部５６ａと出口端部５６ｂとは長手軸５８に沿って互いにオフセットされている。
【００４２】
液化装置５０に適した円筒形状の例として、Crump他の米国特許第５，５０３，７８５号、Swanson他の米国特許第６，００４，１２４号、LaBossiere他の米国特許第７，６０４，４７０号、Leavittの米国特許第７，６２５，２００号、及びBatchelder他の米国特許第８，４３９，６６５号に開示されているものが挙げられる。図示のように、液化装置５０は薄肉であり、例示的な壁厚は、約０．０１インチ〜約０．０３インチの範囲である。液化装置５０の例示的な内径は、約０．０５インチ〜約０．１０インチの範囲である。液化装置５０の入口端部５６ａと出口端部５６ｂとの間の例示的な長さは、少なくとも約１．５インチ〜数インチの範囲を含む。
【００４３】
代替的な実施形態において、液化装置５０は、リボンフィラメントとともに使用されるリボン液化装置構成を有することができる。用語「リボンフィラメント」は、本明細書で使用されるとき、その長手方向長さに沿って実質的に矩形、弧状及び／又は楕円形の断面を有するフィラメント（例えばフィラメント４８）を指し、このフィラメントは、必要に応じて、Batchelder他の米国特許第８，２３６，２２７号に開示されているような、駆動機構４６と係合するための１つ又は複数の表面トラックを有することができる。それに対応して、用語「リボン液化装置」は、本明細書で使用されるとき、その長手方向長さに沿って実質的に矩形、弧状及び／又は楕円形の内部チャネル断面を有する中空液化装置（例えば液化装置５０）を指す。フィラメント４８及び液化装置５０に適したリボンフィラメント及びリボン液化装置構成の例として、Batchelder他の米国特許第８，２２１，６６９号、同第８，２３６，２２７号及び同第８，４３９，６６５号に開示されているものが挙げられる。
【００４４】
他の適した液化装置として、米国特許出願公開第２０１５／００９６７１７号及び同第２０１５／００９７０５３号に開示されているものが挙げられる。
【００４５】
液化装置５０の入口端部５６ａは、システム１０に設置された場合、液化装置５０がハウジング４４の下方に垂下するように、ハウジング４４に作動可能に接続される。歯車アセンブリ５２は、システム１０に設置された場合、歯車アセンブリ５２がハウジング４４及び液化装置５０の下方に垂下するように、液化装置５０の出口端部５６ｂに接続されることが好ましい。代替的な実施形態において、液化装置５０及び／又は歯車アセンブリ５２の１つ又は複数の部分がハウジング４４内に保持されてもよいし、１つ又は複数の追加コンポーネントが液化装置５０の出口端部５６ｂを歯車アセンブリ５２に作動可能に接続してもよい。さらに、歯車アセンブリ５２は、液化装置５０の出口端部５６ｂへの接続に加えて、ハウジング４４に作動可能に接続してもよい。
【００４６】
駆動機構４６は、制御装置アセンブリ３８からのコマンドに基づき、モータ６０（例えばステップモータ）のモータ動力下でフィラメント４８の連続セグメントをガイドチューブ１６から液化装置５０の入口端部５６ａに供給するように構成されているフィラメント駆動機構である。駆動機構４６に適した装置の例として、LaBossiere他の米国特許第７，３８４，２５５号及びBatchelder他の米国特許第７，８９６，２０９号に開示されているものが挙げられる。
【００４７】
駆動機構４６及びモータ６０は、図２に示すように（例えばハウジング４４内で）液化装置５０のすぐ上流に配置されることが好ましい一方で、代替的な実施形態において、コンテナ１４と液化装置５０との間（これらを含む）でのフィラメント４８の経路に沿ったシステム１０内の固定位置等の任意の適した位置（複数の場合もある）に、１つ又は複数の駆動機構を配置してもよい。幾つかの実施形態において、コンテナ１４（ここで、スプールが、供給される巻回フィラメント４８を保持している）内のスプールに係合するように、スプール駆動機構（図示せず）を使用することができる。この場合、スプール駆動機構は、（フィラメント４８に直接係合するのではなく）スプールを回転させ、フィラメント４８をガイドチューブ１６に通して液化装置５０に供給することができる。これにより、プリントヘッド１８の重量が軽減する。さらに、フィラメント駆動制御部は、単に圧力を供給すればよく、また、溶融押出しを高加速度でのガントリの移動及び始動／停止と協調させるタスクを実行していないので、低忠実度で動作することができる。
【００４８】
さらに、複数の駆動機構をともに使用することができる。例えば、第１の駆動機構を使用して、フィラメント４８をコンテナ１４からプリントヘッド１８に供給することができる。次に、プリントヘッド１８によって保持されている第２の駆動機構（例えば駆動機構４６）が、第１の駆動機構から供給されるフィラメント４８を受け取って、この受け取ったフィラメント４８を液化装置５０内に供給することができる。図示のように、駆動機構（複数の場合もある）４６及びモータ（複数の場合もある）６０はハウジング４４に固定され、３Ｄパーツ２２をプリントする間、ヘッドガントリ３６によって保持される。代替的には、駆動機構（複数の場合もある）４６及びモータ（複数の場合もある）６０は、ハウジング４４から離れた位置においてシステム１０に固定して、３Ｄパーツ２２をプリントする間、ヘッドガントリ３６によって支持される質量を低減させることもできる。
【００４９】
図２に更に示すように、押出装置２０は、液化装置５０の長さの少なくとも一部に熱を伝達するように構成されている１つ又は複数の加熱素子である上流側ヒーターアセンブリ６２も備える。伝達された熱は、液化装置５０内の受け取ったフィラメント４８を溶融し、それにより、歯車アセンブリ５２に送られるフィラメント４８の溶融材料を生成する。ヒーターアセンブリ６２に適したアセンブリの例として、Crump他の米国特許第５，５０３，７８５号、Swanson他の米国特許第６，００４，１２４号、LaBossiere他の米国特許第７，６０４，４７０号、Leavittの米国特許第７，６２５，２００号、Batchelder他の米国特許第８，４３９，６６５号、並びにSwanson他の米国特許出願公開第２０１２／００１８９２４号及び同第２０１２／００７０５２３号に開示されているものが挙げられる。
【００５０】
液化装置５０とともに示したが、押出装置２０は、加圧された溶融材料を生成するとともに加圧された溶融材料を歯車アセンブリ５２に提供するために、限定はしないが、ペレット及び／又は粉末供給スクリューポンプ、フィラメント供給スクリューポンプ、スラグ供給ポンプ等のような種々の異なる上流側液化装置を代替的に備えてもよい。更なる一実施形態において、液化装置５０又はその代替形態は、固定位置等のプリントヘッド１８の更に上流に位置してもよい。この実施形態では、溶融材料は、加熱導管を通して歯車アセンブリ５２に供給してもよい。これは、プリントヘッド１８から液化装置５０を除去し、消耗品費用及びプリントヘッド重量を低減させることができることに有益である。
【００５１】
さらに、単一の液化装置５０に関して示したが、後述するように代替的な実施形態において、押出装置２０は、複数の消耗材料を歯車アセンブリ５２に同時に供給するように複数の上流側液化装置を備えてもよい。これは、歯車アセンブリ５２への溶融材料の流量を増大させること、例えば流量を２倍、３倍、又は更には４倍（以上）にすることに有益である。さらに、同様に後述するように、複数の上流側液化装置の使用によって、歯車アセンブリ５２から固有の断面及び／又は材料特性を有する押出物をもたらすこともできる。図示のように、駆動機構（複数の場合もある）４６及びモータ（複数の場合もある）６０は、ハウジング４４に固定され、３Ｄパーツ２２をプリントする間、ヘッドガントリ３６によって支持される。代替的には、駆動機構（複数の場合もある）４６及びモータ（複数の場合もある）６０は、ハウジング４４から離れた位置においてシステム１０に固定して、３Ｄパーツ２２をプリントする間、ヘッドガントリ３６によって支持される質量を低減させることができる。
【００５２】
図２及び図３に示すように、歯車アセンブリ５２は、基部ケーシング６４と、歯車ケーシング６６と、フェースケーシング６８とを備える下流側歯車式アセンブリであり、ここで、歯車ケーシング６６は、基部ケーシング６４とフェースケーシング６８との間にボルト７０を用いて固定されている（ケーシングアセンブリ７１と総称される）。歯車アセンブリ５２はブロックのような形状で示されているが、代替的な実施形態において、歯車アセンブリ５２は、重量及び体積寸法の低減及び／又は美的性質等のために任意の適した形態とすることができる。
【００５３】
図示の例では、歯車アセンブリ５２は、基部ケーシング６４、歯車ケーシング６６及びフェースケーシング６８のそれぞれを貫通する加熱素子７２も備える。加熱素子７２は、基部ケーシング６４、歯車ケーシング６６及びフェースケーシング６８を加熱して高温に維持するように構成されている１対の電気加熱素子である。これにより、プリントヘッド１８がプリントを行っている間に、受け取った溶融フィラメント材料が歯車アセンブリ５２内で冷却及び／又は固化するのを防止する。
【００５４】
更に図示されるように、歯車アセンブリ５２は、フェースケーシング６８の開口７８及び８０内にそれぞれ延びる駆動歯車７４及び遊び歯車７６も備える。後述するように、駆動歯車７４及び遊び歯車７６は、歯車アセンブリ５２の流量調節機能（例えばポンプ機能又は計量機能）を提供するとともに、歯車ケーシング６６を通って基部ケーシング６４内に延びる。特に、駆動歯車７４は、モータ８４（例えばステップモータ）と作動可能に接続するようにフェースケーシング６８の開口７８を超えて延びるシャフト８２を備える。
【００５５】
駆動歯車７４は、種々の機構を用いてモータ８４に作動可能に接続することができる。例えば、シャフト８２は、モータ８４の軸に直接挿入し、それにより、モータ８４が駆動歯車７４を直接回転させることを可能にすることができる。代替的には、例えばモータ８４を歯車アセンブリ５２から遠隔の位置に配置するために、１つ又は複数の追加のシャフト及び／又は歯車が駆動歯車７４とモータ８４とを相互接続してもよい。例えば、モータ８４は、ハウジング４４内に配置し、１つ又は複数の追加のシャフト（例えば軸５８に対して平行）及び歯車、又はモータ８４の回転動力を駆動歯車７４に伝達する他の係合機構を用いて、駆動歯車７４に接続することもできる。これにより、単純な直接駆動機構を用いて駆動モータ８４をノズルから或る距離に配置することが可能になるとともに、加熱環境におけるその使用が容易になり、モータ８４が低温側又は非加熱ゾーン（例えばチャンバ２８外）にあるのに対し、ノズルを加熱ゾーン内（例えばチャンバ２８内）に配置することが可能になる。
【００５６】
溶融材料は正圧下で歯車アセンブリ５２に提供されるので、モータ８４を必要に応じて低トルクモータとし、流量調節機能を実行することができる。これにより、モータ８４を小型化及び軽量化することが可能になり、それによってプリントヘッド１８が小型化及び軽量化される。したがってこれにより、ヘッドガントリ３６がプリントヘッド１８をより効果的に移動させることを可能にすることができる。この低トルクモータ８４実施形態では、制御装置アセンブリ３８は、歯車アセンブリ５２内で溶融材料に適した圧力を維持するようモータ６０及び８４に部分的に又は完全に同期して命令する。
【００５７】
更なる代替的な実施形態において、モータ６０及び８４は、駆動機構４６及び駆動歯車７４の両方を作動させる単一のモータとして設けてもよい。この実施形態では、制御装置アセンブリ３８は、駆動機構４６及び駆動歯車７４を同期して作動させるよう単一のモータに命令することができる。
【００５８】
遊び歯車７６は、駆動歯車７４に係合されるが、係合されていなければ歯車アセンブリ５２内で自由に回転可能な第２の歯車である。したがって、駆動歯車７４の回転は、遊び歯車７６を歯車ケーシング６６内で反対方向に回転させる。これは、溶融材料を制御された方法で押し出すポンプ機能をもたらす。代替的には、遊び歯車７６は、制御装置アセンブリ３８による命令を受ける別個のモータ（図示せず）によって、好ましくはモータ８２と同期した動作で回転される第２の駆動歯車７６と置き換えてもよい。この場合、第２の駆動歯車７６は、フェースケーシング６８から延出するとともに第２の駆動歯車７６を上記別個のモータに相互接続するシャフトを備えることもできる。
【００５９】
図４に示すように、基部ケーシング６４、歯車ケーシング６６及びフェースケーシング６８は、加熱素子７２を受ける側部開口８６ａ、８６ｂ及び８６ｃをそれぞれ有する。加熱素子７２は、側部開口８６ａ、８６ｂ及び８６ｃに固定して（例えば摩擦嵌め及び／又は止めねじによって）受けられ、加熱素子７２がケーシング６４、６６及び６８に対して外れるか又は別様に移動することを防止することが好ましい。
【００６０】
また、基部ケーシング６４、歯車ケーシング６６及びフェースケーシング６８は、ボルト７０（図４には示さず）を受ける側部開口８８ａ、８８ｂ及び８８ｃをそれぞれ有する。基部ケーシング６４の側部開口８８ａは、ボルト７０に螺合するようにねじ加工されていることが好ましい。これにより、ボルト７０がケーシング６４、６６及び６８をともにしっかりと保持することが可能になる。代替的には、歯車アセンブリ５２は、基部ケーシング６４にある側部開口８８ａの外側でボルト７０と螺合する雄ねじ付きナット（図示せず）を備えることもできる。更なる代替形態において、ボルト７０は、側部開口８８ａ、８８ｂ及び８８ｃを反対方向に貫通してもよく、そのため、フェースケーシング６８をボルト７０と螺合するようにねじ加工してもよい。
【００６１】
図４に更に示すように、液化装置５０の出口端部５６ｂは、歯車ケーシング６６の頂部開口又は入口開口９０に接続される。さらに、歯車アセンブリ５２は、歯車ケーシング６６の底部開口又は出口開口９４に接続されているノズル９２を備える（図９の下方で最もよく示されている）。ノズル９２は、所望のロード幅において溶融材料を押し出すように構成されている小径ノズルである。ノズル９２の例示的な先端内径として、約１２５マイクロメートル（約０．００５インチ）〜約７６０マイクロメートル（約０．０３０インチ）の範囲の直径が挙げられる。幾つかの実施形態において、ノズル９２は、Swanson他の米国特許出願公開第２０１４／００４８９６９号（その内容は引用することにより本明細書の一部をなす）に開示されているような、異なるロード幅を有するロードを生成するように１つ又は複数の凹溝を有してもよい。
【００６２】
ノズル９２は、任意の適した長さ対直径比の軸方向チャネルを有してもよい。例えば、幾つかの実施形態において、ノズル９２は、高い流れ抵抗を発生させるように約２：１〜約５：１の比等の長さ対直径比の軸方向チャネルを有してもよい。他の実施形態において、ノズル９２は、より低い流れ抵抗を発生させるように約２：１〜約１：１未満の比等の長さ対直径比の軸方向チャネルを有してもよい。したがって、ノズル９２の軸方向チャネルに適した長さ対直径比は、約１：２〜約５：１の範囲とすることができ、ここで、流れ抵抗が低い幾つかの実施形態において、約１：２〜約１：１の範囲の比が好ましいものとされ得る。
【００６３】
入口開口９０及び出口開口９４は、長手軸５８に沿って互いに位置合わせされ、歯車ケーシング６６の内部キャビティ９６において互いに流体連通していることが好ましい。内部キャビティ９６は、駆動歯車７４と遊び歯車７６とが係合して、フィラメント４８の溶融材料を液化装置５０及び入口開口９０から出口開口９４及びノズル９２に駆動する領域である。これは以下で説明する。
【００６４】
駆動歯車７４は、シャフト８２に加えてハブ９８及び歯車１００も含み、ここで、歯車１００は、歯１０２を有し、長手方向においてシャフト８２とハブ９８との間に存在する。同様に、遊び歯車７６は歯車１０４を含み、歯車１０４は、歯１０６を有し、長手方向においてハブ１０８とハブ１１０との間に存在する。駆動歯車７４及び遊び歯車７６はそれぞれ、歯車アセンブリ５２内での高温に耐えることが可能なステンレス鋼等の１つ又は複数の金属材料及び／又はポリマー材料から鋳造又は機械加工することができる。
【００６５】
また、フェースケーシング６８はハブ開口１１２を有し、ハブ開口１１２は、図示の例では、フェースケーシング６８全体を貫通している。代替的には、遊び歯車７６用のハブ開口１１２は、挿入された遊び歯車７６が閉鎖された歯車アセンブリ５２の外部から見えないように、フェースケーシング６８の一部しか貫通していなくてもよい。また、図５に示すように、基部ケーシング６４はハブ開口１１４を有し、ハブ開口１１４は、図示の実施形態では、基部ケーシング６４全体を貫通していない。これにより、基部ケーシング６４を通して溶融材料が漏出する可能性を低減することができる。しかしながら、幾つかの代替的な実施形態において、ハブ開口１１４は、（例えば製造容易性のために）基部ケーシング６４全体を貫通していてもよい。
【００６６】
基部ケーシング６４、歯車ケーシング６６及びフェースケーシング６８は、ステンレス鋼、青銅合金等のような１つ又は複数の熱伝導金属材料製としてもよい。側部開口８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８８ａ、８８ｂ及び８８ｃ、入口開口９０、出口開口９４、内部キャビティ９６、ハブ開口１１２及び１１４、並びに任意の他の所望の開口又は特徴部は、所望に応じて、鋳造ステップ中に設けてもよく、及び／又はケーシング６４、６６及び６８に機械加工してもよい。
【００６７】
組立て中、駆動歯車７４の歯車シャフト８２はフェースケーシング６８の第１のハブ開口１１２に挿通することができ、遊び歯車７６のハブ１１０はフェースケーシング６８の他方のハブ開口１１２に挿入することができる。歯車ケーシング６６は、駆動歯車７４及び遊び歯車７６が内部キャビティ９６内に延在するようにフェースケーシング６８に対して配置することができる。特に、歯車１００及び１０４は、内部キャビティ内で、好ましくは内部キャビティ９６の壁との密なクリアランスを有して配置される。次に、基部ケーシング６８を、ハブ９８及び１０８がハブ開口１１４内に延在するように、歯車ケーシング６６の反対側の側部に対して配置することができる。
【００６８】
次に、ケーシング６４、６６及び６８を、側部開口８６ａ、８６ｂ、８６ｃに挿通されるボルト７０によってともに固定することができる。ハブ開口１１２及び１１４は、駆動歯車７４及び遊び歯車７６が、過度の摩擦抵抗を生じないだけでなく、溶融材料が漏出する可能性を最小限に抑えるか又は排除するために密なクリアランスを有して、ケーシング６４、６６及び６８に対して回転することを可能にするように、内部キャビティ９６の両側で互いに位置合わせされることが好ましい。液化装置５０の出口端部５６ｂは、歯車ケーシング６６の入口開口９０に固定することもでき、ノズル９２は、歯車ケーシング６６の出口開口９４に固定することができる。また、加熱素子７２は、側部開口８８ａ、８８ｂ及び８８ｃに挿入して側部開口８８ａ、８８ｂ及び８８ｃ内でしっかりと保持することができる。
【００６９】
図６Ａ及び図６Ｂは駆動歯車７４を更に示し、図７Ａ及び図７Ｂは遊び歯車７６を更に示しており、駆動歯車７４及び遊び歯車７６のそれぞれは、歯車アセンブリ５２内での使用に適した任意の寸法を有することができる。図示の実施形態では、駆動歯車７４及び遊び歯車７６は同じ又は実質的に同じ断面寸法を有しており、その相違点は、駆動歯車７４のシャフト８２が、モータ８４との接続のために遊び歯車７６のハブ１１０よりも長いことだけである。
【００７０】
図６Ａ及び図６Ｂは、駆動歯車７４に適した寸法の非限定的な例を示している。図示のように、シャフト８２の長さ８２Ｌは約０．３インチ〜約０．８インチの範囲とすることができ、ハブ９８の長さ９８Ｌは約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、歯車１００の長さ１００Ｌは約０．１インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、駆動歯車７４の全長７４Ｌは、上記長さ８２Ｌ、９８Ｌ及び１００Ｌの合計、例えば約０．６インチ〜約１．０インチである。
【００７１】
同様に、シャフト８２及びハブ９８それぞれの外径８２Ｄ及び９８Ｄは、それぞれ約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、歯１００の外周における外径１００Ｄは、約０．１５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができる。図示の実施形態では、外径８２Ｄ及び９８Ｄは同じ又は実質的に同じであり、ここで、外径とは最大外径を指し、面取り縁部又はベベル縁部を除外している。代替的な実施形態において、外径８２Ｄ及び９８Ｄは互いに異なってもよい。
【００７２】
これに対応して、図７Ａ及び図７Ｂは、遊び歯車７６に適した寸法の非限定的な例を示している。図示のように、歯車１０４の長さ１０４Ｌは約０．１インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、ハブ１０８及び１１０それぞれの長さ１０８Ｌ及び１１０Ｌは、約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、遊び歯車６４の全長７６Ｌは、上記長さ１０４Ｌ、１０８Ｌ及び１１０Ｌの合計、例えば約０．３インチ〜約０．５インチである。
【００７３】
歯１０６の外周における外径１０４Ｄは約０．１５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、ハブ１０８及び１１０それぞれの外径１０８Ｄ及び１１０Ｄは、約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができる。図示の実施形態では、外径１０８Ｄ及び１１０Ｄは同じ又は実質的に同じであり、ここで、外径とは最大外径を指し、面取り縁部又はベベル縁部を除外している。
【００７４】
更なる実施形態において、歯車１００及び１０４の寸法は同じ又は実質的に同じである。換言すれば、これらの実施形態では、長さ１００Ｌ及び１０４Ｌは同じ又は実質的に同じであり、外径１００Ｄ及び１０４Ｄは同じ又は実質的に同じである。しかしながら、代替的な実施形態において、外径１００Ｄ及び１０４Ｄは互いに異なってもよい。更なる実施形態において、ハブ９８及び１０８の寸法は同じ又は実質的に同じであり、そのため、長さ９８Ｌ及び１０８Ｌは同じ又は実質的に同じであり、外径９８Ｄ及び１０８Ｄは同じ又は実質的に同じである。
【００７５】
さらに、図８は、歯車ケーシング６６の内部キャビティ９６内で互いに係合している駆動歯車７４の歯車１００及び遊び歯車７６の歯車１０４を示している。図示のように、歯車ケーシング６６は、少なくとも内部キャビティ９６において、歯車１００及び１０４の長さ１００Ｌ及び１０４Ｌと実質的に同じか又はそれらよりも僅かに大きい厚さ６６Ｔを有し、歯車１００及び１０４と基部ケーシング６４及びフェースケーシング６８との間の良好な側方シール特性をもたらすことが好ましい。したがって、歯車ケーシング６６の厚さ６６Ｔに適した寸法の例は、約０．１インチ〜約０．２インチの範囲、より好ましくは長さ１００Ｌ及び１０４Ｌの約１００％超〜約１０５％の範囲とすることができる。
【００７６】
基部ケーシング６４は、歯車アセンブリ５２の所望の寸法に応じて任意の適した厚さ６４Ｔを有することができ、ここで、厚さ５４Ｔは、ハブ開口１１４の長さ１１４Ｌよりも大きいことが好ましい。ハブ開口１１４は、ハブ９８及び１０８が、過度の抵抗を生じずに回転し、また同時に内部キャビティ９６の良好なシール特性及び歯車１００及び１０４の互いに近接した位置決めをもたらすことを可能にするように、ハブ９８及び１０８に適合するような大きさ６４Ｔである。ハブ開口１１４に適した長さ１１４Ｌの例は、約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、より好ましくは長さ９８Ｌ及び１０８Ｌの１００％よりも大きい値を含む。ハブ開口１１４に適した内径１１４Ｄの例は、約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができ、より好ましくは直径９８Ｄ及び１０８Ｄの約１００％超〜約１０５％の範囲とすることができる。
【００７７】
それに対応して、フェースケーシング６８は、歯車アセンブリ５２の所望の寸法に応じて任意の適した厚さ６８Ｔを有することができる。フェースケーシング６８に適した厚さ６８Ｔの例は、約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲とすることができる。ハブ開口１１２は、シャフト８２及びハブ１１０が過度の抵抗を生じずに回転し、また同時に内部キャビティ９６の良好なシール特性をもたらすことを可能にするように、シャフト８２及びハブ１１０に適合するような大きさであることが好ましい。ハブ開口１１２に適した内径１１２Ｄの例は、約０．０５インチ〜約０．２インチの範囲、より好ましくは直径８２Ｄ及び１１０Ｄの約１００％超〜約１０５％の範囲とすることができる。
【００７８】
図９は、歯車ケーシング６６の内部キャビティ９６内での歯車１００及び１０４の係合を更に示している。プリント作業中、制御装置アセンブリ３８（図１に示す）は、フィラメント４８の連続セグメントを液化装置５０の入口端部５６ａ（図２〜図４に示す）に供給するよう（モータ６０を介して）駆動機構４６（図２に示す）に命令する。フィラメント４８が矢印５４の方向に液化装置５０を通過する際、ヒーターアセンブリ６２が、この受け取った連続セグメントを熱で溶融し、ここで、フィラメント材料の溶融分が、フィラメント４８の未溶融分の周囲でメニスカスを形成する。
【００７９】
フィラメント４８の下方への移動は、溶融材料を加圧して、溶融材料を液化装置５０から歯車アセンブリ５２に圧送する粘性ポンプとして機能する。特に、加圧された溶融材料は、矢印１１６で示すように、液化装置５０の出口端部５６ｂから歯車ケーシング６６の入口開口９０に流れ込む。これにより、内部キャビティ９６の上側領域１１８及び入口開口９０に、加圧された溶融材料が充填される。歯車１００の歯１０２と歯車１０４の歯１０６とが係合していることで、これらの歯車が回転しない限り又は回転するまで、この受け取った溶融材料が歯車１００と歯車１０４との間から出口開口９４に直接下方に流れることが阻止される。
【００８０】
制御装置アセンブリ３８は、矢印１２０の方向に駆動歯車７４を回転させるようモータ８４に指示することができ、それにより、歯車１００の歯１０２が同じ方向に回転する。それに応じて、歯１０２と歯１０６とが係合して、矢印１２２の方向において歯車１０４（及び遊び歯車７６）を反対方向に回転させる。この場合、溶融材料は、矢印１２６及び１２８で示すように、歯車１００及び１０４の周りで歯１０２及び１０６と内部キャビティ９６の壁との間の間隙空間（間隙空間１２３と称される）において、内部キャビティ９６の下側領域１２４に移送される。このようにして溶融材料を歯車１００及び１０４の周りで連続駆動することにより、矢印１３０で示すように、下側領域１２４における溶融材料が出口開口９４及びノズル９２を通して下方に押され、溶融材料が制御された方法で押し出される。
【００８１】
理解することができるように、３Ｄパーツ２２又はサポート構造２４をプリントする場合、ノズル９２からの押出流量が一定の定常状態の流量に維持されることは稀である。そうではなく、押出流量は、ロード開始時の加速度、ロード停止時の減速度、コーナリング時の減速度及び加速度、ロード幅変動等のような種々の異なるツールパス条件に適合するように繰り返し変化するのが通常である。
【００８２】
これらの流量変化は、従来では、制御装置アセンブリ３８からの駆動コマンドに基づき、駆動機構４６による液化装置５０へのフィラメント４８の供給量を調整することによって制御される。これにより、溶融材料にかかる粘性ポンプ作用によって生成される圧力が対応して調整される。しかしながら、制御装置アセンブリ３８が、液化装置５０へのフィラメント４８の供給量を変化させるよう駆動機構４６に命令する場合、信号コマンドとノズル５６からの押出量が実際に変化する時点との間には応答遅延時間がある。これは、駆動機構４６のモータ及び液化装置５０内の粘性ポンプ作用に応答限界があることに起因する。
【００８３】
しかしながら、歯車アセンブリ５２は、溶融材料の流量を調節するのに、フィラメント４８による粘性ポンプ作用に直接依拠しない。その代わりに、歯車アセンブリ５２は、溶融材料の流量を高度に制御された方法で調節するために、ノズル９２に近接配置される歯車式機構を設けている。特に、歯車１００及び１０４は、歯車１００及び１０４の回転に基づき、歯１０２及び１０６と内部キャビティ９６の壁との間の間隙空間１２３において、正確な体積の溶融材料を駆動することができる。また、加圧された小容積の間隙空間１２３は、各間隙空間１２３内の溶融材料の体積が比較的小さく、その結果熱膨張の程度が比較的低いことから、漏出を低減するとともにノズル９２からの溶融物流量の制御を向上させることができる。これらの特徴により、溶融材料の体積流量の高度な動的制御をもたらすことができる。
【００８４】
図１０は、押出装置２０及び駆動機構４６とともに使用される制御装置アセンブリ３８の一例のアーキテクチャを示している。制御装置アセンブリ３８は、ユーザインターフェース１３２、メモリ制御装置１３４、プロセッサ１３６、記憶媒体１３８、入出力（Ｉ／Ｏ）制御装置１４０及び通信アダプタ１４２等の任意の適したコンピュータベースのハードウェアを備えることができる。制御装置アセンブリ３８は、従来のコンピュータ、サーバ、媒体デバイス及び／又はプリンタ制御装置内に含まれる種々の追加のコンポーネントを備えることもできる。
【００８５】
ユーザインターフェース１３２は、制御装置アセンブリ３８を操作するように構成されているユーザ操作インターフェース（例えば、キーボード、タッチパッド、タッチスクリーンディスプレイ、ディスプレイモニタ、及び眼、声、動作又は手で操作される他の制御装置）である。メモリ制御装置１３４は、制御装置アセンブリ３８のコンポーネントと記憶媒体１３８の１つ又は複数の揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）モジュールとをインターフェースする回路アセンブリである。プロセッサ１３６は、必要に応じてメモリ制御装置１３４とともに制御装置アセンブリ３８を作動させるように構成されている１つ又は複数のコンピュータ処理ユニットである。例えば、プロセッサ１３６は、１つ又は複数のマイクロプロセッサベースのエンジン制御システムを含むことができる。
【００８６】
記憶媒体１３８は、揮発性ＲＡＭモジュール、読出し専用メモリモジュール、光学媒体、磁気媒体（例えばハードディスクドライブ）、ソリッドステート媒体（例えばＦＬＡＳＨメモリ及びソリッドステートドライブ）、アナログ媒体等のような、制御装置アセンブリ３８のための１つ又は複数の内部及び／又は外部データ記憶デバイス、ストレージハードウェア又はコンピュータ記憶媒体である。記憶媒体１３８は、処理プログラム１４４の実行可能コピ−、ツールパスジェネレータ及び他の制御ソフトウェアを保持することができ、また、デジタルモデル１４６等の、デジタルモデルをプリントするためのシステム１０及び／又はツールパスを使用してプリントされる１つ又は複数のデジタルモデルを保持することができる。制御装置アセンブリ３８は、通信線４２を通じてデジタルモデル１４６を受信することができ、ここで、デジタルモデル１４６は、３Ｄプリントするために制御装置アセンブリ３８によって構成されるか又は構成可能な任意のファイル形式を有することができる。
【００８７】
制御装置アセンブリ３８は、プリントヘッド等を動的に制御するためにフィードバックを使用することもできる。Ｉ／Ｏ制御装置１４０は、メモリ制御装置１３４、プロセッサ１３６及び記憶媒体１３８と、通信アダプタ１４２を含む制御装置アセンブリ３８の様々な入出力コンポーネントとをインターフェースする回路アセンブリである。通信アダプタ１４２は、通信線４０及び４２を通じて通信するように構成されている１つ又は複数の有線又は無線送信機／受信機アダプタである。
【００８８】
簡単に上述したように、制御装置アセンブリ３８は、ノズル９２から溶融材料を制御可能に押し出すために、歯車アセンブリ５２を種々の方法で使用することができる。例えば、制御装置アセンブリ３８は、使用される所望のツールパス流量に基づき、モータ６０及び８４のための同期コマンドを生成することができる。同様に、制御装置アセンブリ３８は、液化装置５０及び歯車アセンブリ５２に沿った所望の特定の熱プロファイルに応じて、加熱アセンブリ６２及び加熱素子７２へのコマンドを生成することができる。制御装置アセンブリ３８は、これらのコマンドを記憶媒体１３８上に１つ又は複数のデータファイル（例えばデータファイル１４８、１５０、１５２及び１５４）として記憶することができ、また、これらのデータファイル１４８、１５０、１５２及び／又は１５４を用いて、システム１０を使用して各スライス層をプリントするためのツールパス命令を生成することができる。
【００８９】
さらに、データファイル１４８及び１５０は、歯車アセンブリ５２がどのように動作することを意図されるかに依拠することができる。上述したように、歯車アセンブリ５２は、「歯車ポンプ」として及び／又は「歯車ブレーキ」として動作することができ、制御装置アセンブリ３８は、所望であれば、必要に応じて歯車アセンブリ５２を動作状態間で往復して切り替えることができる。
【００９０】
歯車ポンプ実施形態では、歯車アセンブリ５２は、液化装置５０からより低い正圧で加圧された溶融材料を受け取り、歯車アセンブリ５２からの漏出を防止することができる。この場合、モータ８４は、シャフト８２を矢印１２０の方向に回転させるようにトルクを印加し、溶融材料をノズル９２へと駆動する。液化装置５０の粘性ポンプ作用によって、歯車アセンブリ５２の材料不足を防止するのに十分な正圧で、溶融材料を歯車アセンブリ５２に提供することができる。上述したように、制御装置アセンブリ３８は、歯車アセンブリ５２内での溶融材料の十分な圧力を維持するように、部分的に又は完全に同期して作動するようモータ６０及び８４に命令することができる。対照的に、歯車アセンブリ５２自体が、ノズル９２からの溶融材料の押出しを制御された方法で調節することが好ましい。
【００９１】
代替的には、歯車ブレーキ実施形態では、歯車アセンブリ５２は、フィラメント４８の溶融材料をより高い正圧で受け入れることができ、ここで、モータ８４は、シャフト８２が溶融材料の加圧流によって回転するのを阻止するように、シャフト８２に抵抗トルクを作動可能に印加する。この場合、押出しが望まれる場合は、制御装置アセンブリ３８が、シャフト８２にかかっている抵抗トルクを制御可能に解放するようモータ８４に命令し、これにより、歯車１００及び１０４が回転して、溶融材料の設定された体積をノズル９２に移送させる。
【００９２】
これらの実施形態のそれぞれにおいて、ノズル９２への溶融材料の流量は、歯車１００及び１０４の回転によって決まり、それにより、押出流量に対する精密レベルの動的流量制御が規定される。さらに、制御装置アセンブリ３８は、ツールパスの加速フェーズ及び減速フェーズにおける特定の動作を実行するよう（例えばモータ８４を介して）歯車アセンブリ５２に命令することができる。例えば、制御装置アセンブリ３８は、漏出問題又は溶融流量問題を低減させるか又は排除するために、ツールパスの終端において駆動歯車７４の回転を反転させ、サックバック動作を実行するようモータ８４に命令することができる。幾つかの実施形態において、歯車アセンブリ５２又はノズル９２を冷却することなく漏出問題又は溶融流量問題を低減させるか又は排除することができる。幾つかの場合、液化アセンブリ２０は、使用間でパージ又はならし運転を必要とせずに稼動させることができる（すなわち、液化アセンブリ２０は、標準的な液化装置と比較してその押出し履歴への依存性が低いものとすることができる）。
【００９３】
また、下流側歯車アセンブリ５２は、複数の上流側液化装置とともに使用してもよい。例えば、図１１に示すように、歯車アセンブリ５２は、１対の液化装置５０から加圧された溶融材料を受け取ることができ、ここで、各液化装置５０は、専用の駆動機構４６及びモータ６０から（又は単一の組合せモータ６０から）個々のフィラメント４８を受け取ることができる。この実施形態では、制御装置アセンブリ３８は、モータ６０をともに動作させて、矢印１５６で示すように１対のフィラメント４８を並列の液化装置５０に供給することができる。これは、消耗材料の供給量を効果的に二倍にするために実行することができる。
【００９４】
各フィラメント４８は、そのそれぞれの液化装置５０内で（例えば、図示されていない加熱アセンブリ６２を介して）溶融され、次に、矢印１６０で示すように粘性ポンプ作用によってマニホルド１５８内に駆動される。制御装置アセンブリ３８は、別個のモータ６０を部分的に又は完全に同期して動作させることができ、加圧流を同じとするか又は独立して選択することを可能にする。例えば、制御装置アセンブリ３８は、所望に応じて、各液化装置５０からの溶融材料の加圧流を互いに同じか又は実質的に同じであるように（すなわち、約１：１の体積流量比）、互いに比例するが異なるように（例えば約２：１の体積流量比）及び／又は互いに動的に変動するように送ることができる。
【００９５】
マニホルド１５８は、図示のように、各液化装置５０からの加圧された溶融材料を入口開口９０に方向付けるように構成されている中間アセンブリである。したがって、マニホルドは、液化装置５０の出口端部５６ｂと係合する２つ（以上）の入口ポート１６２と、歯車ケーシング６６の入口開口９０と係合する出口ポート１６４と、入口ポート１６２及び出口ポート１６４を相互接続する複数の合流導管１６６とを有する。
【００９６】
入口ポート１６２及び導管１６６の数は、使用される液化装置５０の所望の数に応じて変わり得る。マニホルド１５８の入口ポート１６２及び導管１６６の適した数の例は、２〜１０の範囲、幾つかの実施形態では２〜６の範囲、他の実施形態では２〜４の範囲である。幾つかの好ましい実施形態において、ヒーターアセンブリ１６７等を用いてマニホルド１５８も加熱され、液化装置５０から歯車アセンブリ５２に流れる間、溶融材料を熱したまま維持するのを援助する。
【００９７】
所望であれば、マニホルド１５８は、アクティブミキサー又はスタティックミキサー等の１つ又は複数の混合ユニットを備え、この受け取った溶融材料を歯車アセンブリ５２に送達する前に混合することもできる。一方、複数の上流側液化装置５０から溶融材料を受け取る場合、歯車アセンブリ５２は、ノズル９２から固有の断面を有する押出物を生成することができる。特に、予め混合されていない、入口開口９０に入る溶融材料流は、歯車１００及び１０４の周りを通過した後も非混合断面を保持することがわかっている。
【００９８】
例えば、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、１対の溶融材料１６８及び１７０の非混合入口流が入口開口９０及び内部キャビティ９６の上側領域１１８に入るとき、歯車１００によって駆動される材料の大部分は材料１７０であり、歯車１０４によって駆動される材料の大部分は材料１６８である。駆動された材料１６８及び１７０が内部キャビティ９６の下側領域１２４において再収束するとき、これらの材料は、それらの界面１７２において少量が混合されるが、別個の体積を実質的に保持する。この場合、これらの別個の体積はノズル９２での押出しを経ても引き続き維持され、堆積されたロードも実質的に別個の断面を有するようになっている。
【００９９】
この現象は、溶融材料が歯車アセンブリ５２において受ける剪断及び乱流の程度が低いことにより生じると考えられる。これにより、材料が実質的に別個であるので固有の特性を有する押出物をもたらすことができる。例えば、押出物の堆積されたロードの片側は、第１の色を有することができ、堆積されたロードの他方の側は第２の色を有することができる。これにより、それらの二色プロファイルによって容易に認識可能なロードを生成することができる。さらに、歯車アセンブリ５２内の材料の量が比較的少ないので、本開示は、押し出される材料の供給源を変更することによって少しの遷移時間で押し出される材料の色の変更を可能にする。換言すれば、押し出される材料の色は、消耗材料の供給源を変更することによって素早く変更することができる。
【０１００】
また、この現象は、堆積されたロードの物理的、化学的及び熱的性質を調整するように更に利用することができる。例えば、実質的に別個の断面を保持する非晶質材料及び半結晶質材料の対を用いて、堆積されるロードを生成することができる。他の実施形態は、異なる強度及び溶解度を有する異なる可溶性サポート材の対を組み込むことができる。更なる実施形態は、導電材料と電気絶縁材料とを対にすることができる。また、種々の他の材料の組合せを使用することができる。
【０１０１】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、材料対の一変形を歯車１００及び１０４とともに示している。また、非混合入口流が図１２Ａ及び図１２Ｂに示すものに対して直角に向けられ、流れ１６８及び１７０がそれぞれ各歯車１００及び歯車１０４の周りを通過するようになっている場合、駆動された材料１６８及び１７０が内部キャビティ９６の下側領域１２４において再収束するとき、これらの材料もまた、それらの界面１７４において少量が混合されるが、それらの別個の体積を実質的に維持することがわかっている。この場合、界面１７４は、界面１７２（上記図１２Ａ及び図１２Ｂに示す）に対して直角である。
【０１０２】
理解することができるように、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ及び図１３Ｂの結果は、４材料構成に適用することもできる。この場合、得られる押出物は、それらの界面において少量が混合されるが、それらの元の材料の四分割断面を有する。このように、歯車アセンブリ５２は、種々の個別のニーズに適合することができる、材料固有の特性を有する押出物を生産することが可能である。
【０１０３】
ポンプ及びブレーキは、場合によってそれらの出力の体積又は流量の変動又はパルスを受ける。したがって、ポンプ又はブレーキの材料出力量は、ポンプ又はブレーキが一定の速度で動作している場合であっても時間とともに増減する。積層造形システム内では、ポンプ又はブレーキの出力のそのような変動は、堆積される材料に「リップル（ripple）」とも称されるビード幅変動をもたらす。例えば、図１４の斜視図において、歯車アセンブリ５２のノズル９２は、前もって堆積された層１４０２からなる基材上に溶融材料の層１４００を堆積する。層１４０２は、第２の前もって堆積された層１４０４上に更に堆積されている。図１４に誇張した形で示すように、堆積された層のそれぞれは、ノズル９２からの材料出力の変動又はパルスに起因して波打つようなビード幅を有する。例えば、層１４００は、広幅１４０６から狭幅１４０８になるとともにまた広幅１４１０に戻るように変動するビード幅を有する。広幅１４０６及び１４１０は、ノズル９２によって押し出された材料の体積又は流量がより高い値である場合に形成され、狭幅１４０８は、ノズル９２によって押し出された材料の体積又は流量がより低い値である場合に形成される。図１４に示すように、異なる層のビード幅の変動は通常互いに整合せず、粗い表面１４１２をもたらす。
【０１０４】
幾つかの実施形態によれば、ビード幅の変動を減少させる方法及びシステムが提供される。特に、この方法及びシステムは、歯車アセンブリ５２のモータ８４を制御するのに用いられるコマンド信号を修正し、そうしなければ押出装置２０の機械的特徴に起因して発生する、ノズル９２によって出力される材料の体積変動を補償するようになっている。特に、時変信号がコマンド信号に加えられるか又は組み込まれ、ノズル９２が、図１５の斜視図に示されている層１５００、１５０２及び１５０４等の、ビード幅リップルが減少した層を押し出すようになっている。図１５に示すように、層のそれぞれは、層１５００の実質的に一定のビード幅１５０６等の実質的に一定のビード幅を有する。これらの実施形態では、異なる層が同じビード幅を有する必要はないが、単一の堆積層の一部に沿ってビード幅は実質的に均一であり、時変信号がコマンド信号に組み込まれていない場合ほど大きく変動しないことに留意されたい。
【０１０５】
多くの実施形態において、時変信号をコマンド信号に組み込むか又は加えることは、時変信号をコマンド信号の速度成分に組み込むか又は加えることを含む。図１６は、モータコマンド信号１６０４（実線）の速度成分１６００（破線）及び時変成分１６０２（点線）を示すグラフを提示している。速度成分１６００は、ノズル９２と、堆積された層を受け取っている表面領域（基材、前もって堆積された層又はトレイ等）との間の相対速度及び加速度に基づき、押出装置２０がノズル９２を通して材料を堆積する速度を変化させる。この相対速度及び加速度は、ノズル９２等の材料を堆積するコンポーネントの動きから及び／又は堆積された材料を受ける表面領域（基材／既存層／トレイ）の動きから生じるものとすることができる。
【０１０６】
時変成分１６０２は、駆動歯車７４及び遊び歯車７６等のポンプ部材又はブレーキ部材が動作する速度を変更し、押出装置によって出力される材料の体積変動を減少させる。例えば、ポンプ部材又はブレーキ部材が回転する実施形態では、時変成分は、ポンプ部材又はブレーキ部材の回転速度を変更する。時変成分１６０２は、いずれも時間とともに変化する周波数及び振幅を有する。１つの実施形態において、速度成分１６００が増大するにつれ、時変成分１６０２の振幅及び周波数の両方が増大する。例えば、速度成分１６００が比較的低いレベル１６０６にある場合、時変成分１６０２は、比較的小さい振幅１６０８、及び図１６の比較的長い波長１６１０によって示される比較的低い周波数を有する。しかしながら、速度成分１６００がより高いレベル１６１２にある場合、時変成分１６０２は、比較的大きい振幅１６１４、及び図１６の比較的短い波長１６１６によって示される比較的高い周波数を有する。
【０１０７】
図１６には、速度成分１６００、時変成分１６０２及びモータコマンド信号１６０４が連続信号として示されている。しかしながら、当業者であれば、速度成分１６００及び時変成分１６０２を離散値から構成することができ、これらを個々に合算してモータコマンド信号１６０４用の離散値が生成されることを認識するであろう。
【０１０８】
図１７は、制御装置アセンブリ３８の展開ブロック図を提示しており、速度成分１６００等の速度成分及び時変成分１６０２等の時変成分の両方を組み込むモータコマンド信号１７１６を生成するのに用いられるコンポーネントを示している。
【０１０９】
図１７のブロック図に示すように、モータコマンド信号１７１６の速度成分１７５０は、処理プログラム１４４の速度ベースのポンプ／ブレーキ制御装置１７５２によって生成される。ポンプ／ブレーキ制御装置１７５２は、記憶媒体１３８に記憶されているツールパス命令１７５８に見出される相対ノズル速度プロファイル１７５４及び相対ノズル加速度プロファイル１７５６に基づき、速度成分を生成する。相対ノズル速度プロファイル１７５４は、ノズル９２とノズルが材料を堆積している領域（基材、前もって堆積された層／トレイ）との相対速度を表す。この相対速度は、ノズル９２の動き、上記領域の動き又は両方の組合せによって生じるものとすることができる。相対ノズル加速度プロファイル１７５６は、ノズル９２とノズルが材料を堆積している領域との相対加速度を表し、ノズル９２の加速度、上記領域の加速度又は両方の組合せによって生じるものとすることができる。
【０１１０】
速度プロファイル１７５４及び加速度プロファイル１７５６は、パーツの各層のために材料が堆積されるパス又はロードを規定するスライスパーツモデル１７６２に基づき、処理プログラム１４４のツールパス生成部１７６０によって生成される。１つの実施形態によれば、相対ノズル速度はパーツの異なる部分において変化し、パーツのより高速の造形を可能にする。例えば、ノズルは、パーツの直線部分に沿ってはより高速に動作することができるが、通常、パーツの曲線部分の周囲では速度を落とさなければならない。相対ノズル速度が変化すると、ビード幅を維持するために材料の流量も変化しなければならない。ノズル９２の出力流量の増大を伴わずに相対ノズル速度が増大する場合、ビード幅は薄くなる。同様に、ノズル９２の出力流量の減少を伴わずに相対ノズル速度が減少する場合、ビード幅は厚くなる。
【０１１１】
モータコマンドが送信される時点と材料の流量が変化する時点との間には遅延があるので、ポンプ／ブレーキ制御装置１７５２は、幾つかの実施形態において相対ノズル加速度プロファイル１７５６も考慮に入れる。相対ノズル加速度プロファイルを用いれば、ポンプ／ブレーキ制御装置１７５２は、モータコマンドと材料の流量変化との間の遅延を考慮に入れるように速度成分１７５０を調整可能である。
【０１１２】
したがって、ポンプ／ブレーキ制御装置１７５２は、ノズルの相対速度及び相対加速度の変化とともに変動するモータコマンドの速度成分１７５０を生成する。上述したように、モータコマンドが速度成分１７５０しか含まない場合、材料の得られるビード幅は、ポンプ／ブレーキの機械的特徴に起因して変動する可能性がある。ビード幅のこの変動を補償するとともに減少させるために、処理プログラム１４４のリップル補償器１７０８は、ポンプコマンド１７１６を構成するために速度成分１７５０に加えるか又は組み込むことができる時変成分１７１２を生成する。特に、時変成分１６０２は、その振幅、位相、周波数及び形状が、流量の変動を部分的に又は完全に打ち消すように設定されている。そうしなければ、材料を押し出すのに使用されるポンプ又はブレーキの機械的機能によって上記流量の変動が生じる。
【０１１３】
図１８は、１つの実施形態に係る、堆積された材料のリップルを減少させるために時変成分１７１２を生成及び使用する方法のフロー図を提示している。
【０１１４】
図１８のステップ１８００において、入力動作因子は、ポンプ又はブレーキの測定された回転速度、速度成分１７５０及び／又はノズル速度プロファイル１７５４及びノズル加速度プロファイル１７５６のうちの１つ又は複数に設定される。ポンプ又はブレーキの回転速度は、モータ又はポンプ上の位置エンコーダ１７０６から求めることができる。入力動作因子がポンプ又はブレーキの測定された回転速度に設定される場合、その実施形態は、フィードバックを使用して時変成分１７１２を設定するものとみなされる。入力動作因子が速度成分１７５０又はノズル速度プロファイル１７５４及び加速度プロファイル１７５６に設定される場合、その実施形態は、動作予想値又は推定値を用いて時変成分１７１２を設定するものとみなされる。このような予想値又は推定値の使用は、時変成分１７１２を決定論的に生成することを可能にする。
【０１１５】
図１８のステップ１８０１において、ポンプ／ブレーキ部材又はモータ８４の位置又は位相１７００及び動作速度又は回転速度１７０２を受信する。これらの値は、位置エンコーダ１７０６からエンコーダインターフェース１７０４を通して受信することができ、エンコーダインターフェース１７０４はこれらの値を記憶媒体１３８に記憶させる。位置又は位相１７００及び動作速度又は回転速度１７０２は、ポンプ／ブレーキ部材及びモータ８４の現在の状態を表す。位置エンコーダ１７０６は、ポンプ部材又はモータ８４上の物理的又は光学的マークを用いて、ポンプ部材又はモータ８４の位相／位置及び回転速度／動作速度を求めることができる。ポンプ／ブレーキ部材は、駆動歯車７４及び遊び歯車７６等の歯車、又はピストン部材、ルーツ部材若しくはねじ部材等の何らかの他のタイプのポンプ／ブレーキ部材とすることができる。幾つかの実施形態では、位置エンコーダ１７０６は、モータ上でポンプへの接続部の反対側に配置され、他の実施形態では、位置エンコーダは、モータをポンプに接続するシャフト上に配置される。モータが１つ又は複数の歯車を備え、かつ位置エンコーダ１７０６がモータとポンプとの間のシャフト上に配置されていない実施形態では、位置エンコーダ１７０６及び／又はエンコーダインターフェース１７０４は、位置エンコーダ１７０６によって検出された動作とポンプに接続されているシャフトの動作１７０２との間での歯車比を考慮に入れるように、位置エンコーダ１７０６によって検出された動作をスケーリングする。
【０１１６】
ステップ１８０２において、処理プログラム１４４のリップル補償器１７０８は、記憶媒体１３８に記憶されている補償マップ１７１０から及び／又は入力動作因子に基づき、ポンプコマンドの時変成分の相対位相角を確定する。相対位相角は、特定のポンプ部材／モータ位置１７００（ポンプ／ブレーキ部材の状態）と、ビード幅のリップルを減少させるためにモータ８４に与えられるポンプコマンドの時変成分の特定の位相との間の位相差を表す。幾つかの実施形態において、相対位相角は、歯車アセンブリ５２の最良の相対位相角を特定するために歯車アセンブリ５２上で実行される試験に基づき、補償マップ１７１０に記憶される。したがって、歯車アセンブリのタイプが異なれば、補償マップ１７１０に記憶されている相対位相角が異なり得る。他の実施形態において、ポンプの異なる速度に異なる相対位相角が用いられる。そのような実施形態では、入力動作因子を用いてポンプの現在の速度又は予想速度を求め、この速度を用いて相対位相角を計算するか又は補償マップ１７１０から対応する相対位相角を索出する。
【０１１７】
ステップ１８０４において、補償マップ１７１０からの相対位相角をリップル補償器１７０８によって用いて、ポンプ部材／モータの位置／位相１７００に基づき、時変成分の実際の位相角を設定する。１つの特定の実施形態において、実際の位相角は、補償マップ１７１０からの相対位相角と、ポンプ部材／モータの現在の位相１７００との合計である。
【０１１８】
ステップ１８０６において、リップル補償器１７０８は、補償マップ１７１０から周波数−振幅関数を索出する。周波数−振幅関数は、ポンプコマンドの時変成分の周波数及び振幅を、入力動作因子によって提供されるポンプ部材／モータの回転又は動作速度１７０２の予想周波数又は実際の周波数の関数として表す。ステップ１８０８において、リップル補償器１７０８は、索出された周波数−振幅関数及び入力動作因子を用いて、ポンプコマンドの時変成分の周波数及び振幅を設定する。通常、ポンプ部材／モータの回転又は動作速度の周波数が増大するにつれて、時変成分の周波数及び振幅は増大する。したがって、通常、入力動作因子が増大すると周波数及び振幅の両方が増大する。
【０１１９】
ステップ１８１０において、リップル補償器１７０８は、補償マップ１７１０から時変成分の形状を索出する。時変成分のあり得る形状として、例えば、正弦波形、鋸歯波形及び矩形波形が挙げられる。１つの実施形態によれば、時変の形状は歯車アセンブリの特性に依拠する。他の実施形態において、時変成分１７１２の形状は、リップル補償器１７０８において固定されており、索出する必要がない。
【０１２０】
ステップ１８１４において、リップル補償器１７０８は、時変成分の位相角、周波数、形状及び振幅を用いて時変成分の現在の値を求め、この値はポンプコマンドの時変成分１７１２として記憶される。
【０１２１】
ステップ１８１６において、処理プログラム１４４における加算器１７１４は、ポンプコマンドの時変成分１７１２をポンプコマンドの速度成分１７５０に加算又は結合し、モータインターフェース１７１８に与えられるポンプコマンド１７１６に時変成分を組み込む。モータインターフェース１７１８は、ポンプコマンド１７１６をモータドライバ信号に変換し、ステップ１８１８において、このモータドライバ信号がモータ８４に与えられる。次に、リップル補償コマンドをモータ８４によって用いて歯車アセンブリ５２を駆動し、図１５に示すようにリップルが減少した状態で材料を堆積する。
【０１２２】
このように、ステップ１８００〜１８１８中、制御装置３８は、位置エンコーダのエンコーダ信号によって与えられるポンプ部材／ロータの状態を利用して、時変成分を修正する。
【０１２３】
ステップ１８００〜１８１８を繰り返して、時変信号が組み込まれたポンプコマンド信号をともに表す一連のポンプコマンド１７５０を与え、押出装置によって出力される堆積層のビード幅のリップルを減少させる。このように、ステップ１８００〜１８１８を通じて、制御装置３８は押出装置に時変信号を印加して、そうしなければ押出装置の機械的特徴に起因して発生する材料流量の時変的変化を補償する。
【０１２４】
本明細書の他の部分で溶融材料を論じたが、図１８のステップ及び図１７の装置は、例えば室温及び標準気圧では粘性又はペースト状である材料を含む他の材料とともに使用することができる。
【０１２５】
本開示は好ましい実施形態を参照して述べられたが、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細において変更を行うことができることを当業者は認識するであろう。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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