(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
刺激に露出することにより物理的に硬化可能な材料から断面に基づいて三次元物体を形成する装置であって、
該三次元物体を示すデータを供給する手段、
作業面（２６）を有する前記材料（１６）を含有する容器（１４）、
該作業面（２６）に近接して位置する底面の開口部（３１５）を有する、既に形成された物体断面の少なくとも一部の上に前記材料の層を形成するアプリケータ（３１０）、
前記アプリケータ（３１０）と前記作業面（２６）との間にメニスカス（３３１）を形成しながら、該作業面（２６）から該アプリケータ（３１０）中に前記材料を汲み上げる、該アプリケータに連結された装置、
前記アプリケータ（３１０）を、前記既に形成された物体断面の少なくとも一部を横切らせて掃引する手段、および
前記三次元物体を示すデータにしたがって前記材料の層を前記刺激に露出して、連続物体断面を形成する前記刺激の発生源（２８）を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記アプリケータに連結された装置が、前記底面の開口部（３１５）を通じて、前記作業面（２６）から前記アプリケータ（３１０）中に前記材料を汲み上げるものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記アプリケータに連結された装置が、真空ポンプ（３２１）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記アプリケータ（３１０）の外側と内側の圧力差を制御することにより、前記アプリケータ（３１０）中に汲み上げられる前記材料の量を制御する圧力調整器（３２３）をさらに備えていることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記アプリケータに連結された装置が、流体ポンプ（３４０）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項６】
前記流体ポンプ（３４０）が、前記アプリケータ（３１０）を通じて前記材料を汲み上げ、該材料を前記容器（１４）の中に戻すものであり、
前記材料が前記容器（１４）の中に戻される進入位置に、気泡の形成を防止する手段が設けられていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記作業面（２６）から前記アプリケータ（３１０）中に前記材料を吸い上げる吸上手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項８】
前記吸上手段が、毛管力により前記材料を前記アプリケータ（３１０）中に吸い上げることを可能とする多数の密接な間隔のフランジ（３６４）を備えていることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記アプリケータ（３１０）内の空洞（３２７）の容積を減少または拡大させる手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項１０】
吹き出し弁（３５０）をさらに備え、
該吹き出し弁（３５０）の開放中に前記材料が前記アプリケータ（３１０）中に汲み上げられ、該吹き出し弁（３５０）が閉じられることにより該材料が該アプリケータ（３１０）中に捕捉されることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項１１】
前記アプリケータ（３１０）が前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って掃引される直前の該アプリケータ（３１０）中の前記材料の量が、次の層を形成するのに必要な材料の最大量と少なくとも同じになるように制御されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記アプリケータ（３１０）が、該アプリケータ（３１０）が前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って掃引される間の、前記材料の進行方向の隆起を減少させるフランジ（３１２）を備えていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記アプリケータ（３１０）が、該アプリケータ（３１０）中の前記材料の目視観察を可能とする観察口（３３５）を備えていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記材料の連続層を形成する際に、前記アプリケータ（３１０）を、前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って反対方向に掃引する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
前記材料の１つの層を形成するために、前記アプリケータ（３１０）を、前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って複数回掃引する手段を備えていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記アプリケータ（３１０）が多数のアプリケータであることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記アプリケータ（３１０）の連続する掃引間において、掃引速度を変更する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
前記アプリケータ（３１０）の連続する掃引間において、アプリケータクリアランスを変更する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記アプリケータ（３１０）が前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って掃引された後、前記材料の層が前記刺激に露出される前において、掃引後の所定の遅延の時間を設ける手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
前記アプリケータ（３１０）が前記材料の１つの層の後に供給される部分をまだ供給している間に、該１つの層の先に供給した部分を前記刺激に露出することを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
前記アプリケータ（３１０）が多数のスロットを有することを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項記載の装置。
【請求項２２】
前記アプリケータ（３１０）を、前記作業面（２６）上の必要な距離のみ掃引する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項記載の装置。
【請求項２３】
刺激に露出することにより物理的に硬化可能な材料から断面に基づいて三次元物体を形成する方法であって、
前記三次元物体を示すデータを供給する工程、
作業面（２６）を有する前記材料（１６）を含有する工程、
底面の開口部（３１５）を有するアプリケータ（３１０）を該作業面（２６）に近接して配置する工程、
該アプリケータ（３１０）と該作業面（２６）との間に前記材料のメニスカス（３３１）を形成する工程、
前記作業面（２６）から前記アプリケータ（３１０）中に前記材料を汲み上げて、該アプリケータ（３１０）中に少なくとも部分的に該材料を充填する工程、
前記アプリケータ（３１０）を既に形成された物体断面の少なくとも一部を横切らせて掃引することにより、該アプリケータ（３１０）から前記材料を供給して、該既に形成された物体断面の少なくとも一部の上に前記材料の層を形成する工程、
前記三次元物体を示すデータにしたがって前記材料の層の選択された部分を前記刺激に露出して、前記既に形成された物体断面に付着する次の物体断面を形成する工程、および
前記材料の層を形成する工程および前記次の物体断面を形成する工程を繰り返して、前記三次元物体を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記底面の開口部（３１５）を通じて、前記作業面（２６）から前記アプリケータ（３１０）中に前記材料を汲み上げることを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記充填する工程が、前記アプリケータ（３１０）内の空洞（３２７）を真空引きする工程を含んでいることを特徴とする請求項２３または２４記載の方法。
【請求項２６】
前記アプリケータ（３１０）の外側と内側の圧力差を制御することにより、前記アプリケータ（３１０）中に汲み上げられる前記材料の量を制御することを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記充填する工程が、流体ポンプ（３４０）を用いて前記アプリケータ（３１０）中に前記材料（１６）を汲み上げる工程を含んでいることを特徴とする請求項２３または２４記載の方法。
【請求項２８】
前記流体ポンプ（３４０）が、前記アプリケータ（３１０）を通じて前記材料を汲み上げ、該材料を、含有した前記ある容積の材料中に戻すものであることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記材料が、吸上げにより前記アプリケータ（３１０）中に汲み上げられることを特徴とする請求項２３または２４記載の方法。
【請求項３０】
前記吸上げが、毛管力により前記材料を前記アプリケータ（３１０）中に吸い上げることを可能とする多数の密接な間隔のフランジ（３６４）を設けることにより行われることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記アプリケータ（３１０）内の空洞（３２７）の容積を減少または拡大させる工程をさらに含んでいることを特徴とする請求項２３または２４記載の方法。
【請求項３２】
前記アプリケータ（３１０）が吹き出し弁（３５０）を備え、
該吹き出し弁（３５０）の開放中に前記材料が前記アプリケータ（３１０）中に汲み上げられ、該吹き出し弁（３５０）が閉じられることにより該材料が該アプリケータ（３１０）中に捕捉されることを特徴とする請求項２３または２４記載の方法。
【請求項３３】
前記アプリケータ（３１０）が前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って掃引される直前の該アプリケータ（３１０）中の前記材料の量が、次の層を形成するのに必要な材料の最大量と少なくとも同じになるように制御されることを特徴とする請求項２３から３２のいずれか１項記載の方法。
【請求項３４】
前記アプリケータ（３１０）が、該アプリケータ（３１０）が前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って掃引される間の、前記材料の進行方向の隆起を減少させるフランジ（３１２）を備えていることを特徴とする請求項２３から３３のいずれか１項記載の方法。
【請求項３５】
前記材料の連続層を形成する際に、前記アプリケータ（３１０）が、前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って反対方向に掃引されることを特徴とする請求項２３から３４のいずれか１項記載の方法。
【請求項３６】
前記材料の１つの層を形成するために、前記アプリケータ（３１０）が、前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って複数回掃引されることを特徴とする請求項２３から３５のいずれか１項記載の方法。
【請求項３７】
前記アプリケータ（３１０）が多数のアプリケータであることを特徴とする請求項２３から３６のいずれか１項記載の方法。
【請求項３８】
前記アプリケータ（３１０）の連続する掃引間において、掃引速度が変更されることを特徴とする請求項２３から３７のいずれか１項記載の方法。
【請求項３９】
前記アプリケータ（３１０）の連続する掃引間において、アプリケータクリアランスが変更されることを特徴とする請求項２３から３８のいずれか１項記載の装置。
【請求項４０】
前記アプリケータ（３１０）が前記作業面（２６）上の少なくとも一部の距離に亘って掃引された後、前記材料の層が前記刺激に露出される前において、掃引後の所定の遅延の時間を設けることを特徴とする請求項２３から３９のいずれか１項記載の方法。
【請求項４１】
前記アプリケータ（３１０）が前記材料の１つの層の後に供給される部分をまだ供給している間に、該１つの層の先に供給した部分を前記刺激に露出することを特徴とする請求項２３から４０のいずれか１項記載の方法。
【請求項４２】
前記アプリケータ（３１０）が多数のスロットを有することを特徴とする請求項２３から４１のいずれか１項記載の方法。
【請求項４３】
前記アプリケータ（３１０）が、前記作業面（２６）上の必要な距離のみ掃引されることを特徴とする請求項２３から４２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４４】
刺激に露出することにより物理的に硬化可能な材料から断面に基づいて三次元物体を形成する方法であって、
前記三次元物体を示すデータを供給する工程と、
作業面を有する前記材料を含有する工程と、
直前に形成された断面領域と、該直前に形成された断面領域の下に形成された少なくとも１つの断面領域との間で、ブール和演算を行うことにより、前記作業面の最小領域を求める工程と、
平滑化装置またはアプリケータを少なくとも前記作業面の前記最小領域を横切らせて掃引することにより、少なくとも該作業面の該最小領域の上に前記材料の層を形成する工程と、
前記三次元物体を示すデータにしたがって前記材料の層を前記刺激に露出して、連続物体断面を形成する工程と、
前記材料の層を形成する工程と、前記連続物体断面を形成する工程を繰り返して前記三次元物体を形成する工程を含み、
前記材料の層を形成する工程において、前記平滑化装置またはアプリケータが、前記作業面上の必要な距離のみ掃引されることを特徴とする方法。
【請求項４５】
前記材料の連続層を形成する際に、前記平滑化装置またはアプリケータが反対方向に掃引されることを特徴とすることを特徴とする請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
刺激に露出することにより物理的に硬化可能な材料から断面に基づいて三次元物体を形成する方法であって、
前記三次元物体を示すデータを供給する工程と、
作業面を有する前記材料を含有する工程と、
(1)直前に形成された断面領域、(2)次に露出すべき断面領域、および(3)前記直前に形成された断面領域の下に形成された少なくとも１つの断面領域のうちの少なくとも２つの間でブール和演算を行うことにより前記作業面の最小領域を求める工程と、
アプリケータを少なくとも前記作業面の前記最小領域を横切らせて掃引することにより、少なくとも該作業面の該最小領域の上に前記材料の層を形成する工程と、
前記三次元物体を示すデータにしたがって前記材料の層を前記刺激に露出して、連続物体断面を形成する工程と、
前記材料の層を形成する工程と、前記連続物体断面を形成する工程を繰り返して前記三次元物体を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項４７】
刺激に露出することにより物理的に硬化可能な材料から断面に基づいて三次元物体を形成する装置であって、
該三次元物体を示すデータを供給する手段、
作業面を有する前記材料を含有する容器、
該作業面に近接して位置する底面の開口部を有する、既に形成された物体断面の少なくとも一部の上に前記材料の層を形成するアプリケータ、
前記作業面から前記底面の開口部を通じて前記アプリケータ中に前記材料を汲み上げる真空ポンプ、
前記アプリケータを前記既に形成された物体断面の少なくとも一部を横切らせて掃引する手段、および
前記三次元物体を示すデータにしたがって前記材料の層を前記刺激に露出して、連続物体断面からなる前記三次元物体を形成する該刺激の発生源を備えていることを特徴とする装置。
【請求項４８】
刺激に露出することにより物理的に硬化可能な材料から断面に基づいて三次元物体を形成する方法であって、
前記三次元物体を示すデータを供給する工程、
作業面を有する前記材料を含有する工程、
底面の開口部を有するアプリケータを該作業面に近接して配置する工程、
該アプリケータと前記作業面との間に前記材料のメニスカスを形成する工程、
真空ポンプを使用して前記作業面から前記底面の開口部を通じて前記アプリケータ中に前記材料を汲み上げて、該アプリケータ中に少なくとも部分的に該材料を充填する工程、
該アプリケータを既に形成された物体断面の少なくとも一部を横切らせて掃引することにより、該アプリケータから前記材料を供給して、該既に形成された物体断面の少なくとも一部の上に前記材料の層を形成する工程、
前記三次元物体を示すデータにしたがって前記材料の層の選択された部分を前記刺激に露出して、前記既に形成された物体断面に付着する次の物体断面を形成する工程、および
前記層を形成する工程および前記次の物体断面を形成する工程を繰り返して、前記三次元物体を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、高速試作モデル製造法（ＲＰ＆Ｍ）、ステレオリソグラフィー（stereolithography）あるいは立体造形法（solid imaging）として広く知られている、断面積層方式で３次元物体を形成する分野に関するものである。特に、本発明は、前に形成された物体断面に続く物体断面を形成するための造形材料の層を提供する改良された方法および装置に関するものである。
背景技術
立体造形法とは、一般に計算機支援設計（ＣＡＤ）等の３次元物体表現に基づいたコンピュータの命令にしたがって３次元物体を形成する方法である。最近開発された立体造形法は、米国特許第4,575,330号および第5,184,307号記載のステレオリソグラフィーである。両米国特許の全文をここに引用したものとする。以下に、ステレオリソグラフィーの一実施例の基本的工程を要約する。
１．ＣＡＤシステムにおいて３次元物体のデザインを作成し、そのデザインデータをＣＡＤファイルへ保存する。
２．ＣＡＤファイルからのデータを３次元物体の薄い断面層をそれぞれ表す多数の薄い「スライス」にコンパイルする。
３．そのＣＡＤファイルをステレオリソグラフィー装置（ＳＬＡ）へ転送する。
４．次の物体断面を形成するために、直前に形成された物体断面に隣接する造形材料の層を積層する。その造形材料の層は、つぎに形成される物体断面が要求される許容度に適合するよう、適切な厚さで均一に積層されるのが好ましい。
５．その造形材料の層を選択的に特定の刺激（以下単に刺激という）に露出して、形成する物体断面を代表する複数の位置でその層を固化させるか、あるいは他の何らかの物理的変成を起こさせる。
６．工程４と５を繰り返して、造形材料層形成と物体断面の形成を交互に行い、所望の３次元物体を形成する。
７．このようにして形成された物体に、例えばその物体に付着している残りの造形材料を取り除く、物体をその物体が形成された支持台から取り除く、造形材料が完全に固化するよう物体をさらに刺激に露出する、支持体を取り除く等の後処理を行う。
このステレオリソグラフィーのさらなる詳細については、以下の出版物あるいは特許を参照されたい。以下の出版物あるいは特許はここに全文を引用したものとする。
PCT Pub.#WO 92/20505
PCT Pub.#WO 92/08200
PCT Pub.#WO 89/10256
PCT Pub.#WO 89/10249
PCT Pub.#WO 89/10254
PCT Pub.#WO 89/10259
PCT Pub.#WO 89/11085
PCT Pub.#WO 89/10801
EPO Pub.#85/171069
JP Pub.#62-3596
PCT Pub.#WO 90/03255
PCT Pub.#WO 90/15674
PCT Pub.#WO 91/06378
JP Pat. App.#291647/1990
U.S. Pat. 5,059,359
U.S. Pat. 4,996,010
U.S. Pat. 4,999,143
U.S. Pat. 5,015,424
U.S. Pat. 5,058,988
U.S. Pat. 5,123,734
U.S. Pat. 5,059,021
U.S. Pat. 5,184,307
U.S. Pat. 5,104,592
U.S. Pat. 5,143,663
U.S. Pat. 5,182,056
U.S. Pat. 5,130,064
U.S. Pat. 5,174,931
U.S. Pat. 5,096,530
U.S. Pat. 5,141,680
U.S. Pat. 5,192,469
U.S. Pat. 5,321,622
U.S. Pat. 5,182,715
U.S. Pat. 5,234,636
U.S. Pat. 5,238,639
U.S. Pat. 5,256,340
U.S. Pat. 5,182,055
立体造形法に典型的に用いられる造形材料は、流体のような特性を示すが、刺激に反応して固化等の物理的変化を生ずるものである。流体のような特性によって、前に形成した物体断面上に次の造形材料の層を供給するのが容易になるだけでなく、次の物体断面の形成の準備としてその造形材料層の表面を滑らかにするのが容易になる。使用される積層技法にもよるが、熱重合可能な樹脂、光重合可能な樹脂、２液性エポキシの第１液、焼成可能な粉末、結合可能な粉末あるいはそれらの組み合わせ等のような変成可能な流体が適切である。流体材料は、不活性の充填材を含んでいてもよい。
造形材料がその刺激に対して反応可能である限り、種々の刺激を使用することができる。例えば赤外線、可視光線、紫外線などのある波長の電磁放射線を使用することができる。また、粒子ビーム、光重合開始剤、２液性エポキシの第２液、バインダーのような造形材料上に供給される反応性化学物質等も刺激として使用することができる。
３次元物体を表す設計データは、ＣＡＤデータ、ＣＡＴスキャンデータ、手動でプログラムされたデータ、物体を走査する技法から得られるデータ等の種々の情報源から得られる。もし、このデータが最初から層状であるなら、コンパイル処理は、適切な補充層データを作り出すことだけですむかもしれない。しかしながら、支持体をどのようにして物体とともに形成するか等の精度、処理等に関する要求を満足するようにデータを適切な形態に変換するために追加のコンパイルが必要になったり望ましくなったりすることもある。米国特許第5,182,055号、第5,184,307号、第5,192,469号、第5,209,878号、第5,238,639号、第5,256,340号、第5,273,691号、第5,321,622号、第5,345,391号および１９９４年４月２５日出願の米国特許出願第08/233,026号、第08/233,027号記載の方法および装置は、適切な層データの作成を示している。これらの特許および特許出願は、ここに全文を引用したものとする。また同様に、１９９２年ミシガン州デアボーンのSociety of Manufacturing Engineers社発行のPaul F. Jacobs, Ph.D.の著書「Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography, First Edition」もここに全文を引用したものとする。
本発明は主に、上記の工程４、すなわち、次の物体断面を形成するために、直前に形成された物体断面に隣接する造形材料層を積層する工程に関するものである。この積層を行うためのいくつかの試みが過去になされた。その試みの内でも液状の光重合可能な樹脂からなる造形材料を用いるものがもっとも多い。しかしながら、これらの試みには、層の精度がまちまちとなったり、厚みが不均一となったり、積層を形成するのに時間がかかり過ぎたりするという問題があり、このような問題はさらに次のような問題を派生させる。
第１に、造形材料の層が、固化後に得られる物体断面の寸法精度が高いものとなるように、均一かつ適切な厚さを有することが重要である。実際、連続した造形材料層の精度は、刺激に露出した際に生じ得る物体の形のずれおよび連続する層のそれぞれの誤差から生じる可能性のある累積誤差の点で見て、最終的に得られる物体の精度に直接影響する。
第２に、連続する層の累積的積層時間は、全体の物体形成時間のうちの相当な部分を占めるので、造形材料層の形成に要する時間を最小限にするのが望ましい。実際、光重合樹脂は、粘度および表面張力により流速が遅い。もし、重力のみに任せるなら、光重合体造形材料層の表面の欠陥は、軽減もしくはその造形材料層の表面の他の部分と均一にさせるのに非常に長い期間がかかってしまう。これが物体造形時間を長くし、機械の処理能力を下げ、立体造形の費用効果を減じる結果になる。
第３に、造形材料の層の誤差および不均一さの程度と同様、それを形成するのに要する時間も、前に形成された断面の形状によって変化する可能性がある。それゆえ、もし積層の誤差が一定ならば使用できる修正パラメータが使用できないので、造形材料の層の積層の自動化は、困難である。
いくつかの過去の試みが、以下の米国特許および特許出願に記載されており、これらの開示は、ここに全文を引用したものとする。
１）１９８９年９月２８日にHull等により出願された米国特許出願第07/414,200号およびその継続出願である１９９４年４月２０日に出願された第08/230,443号は、造形材料層の表面を膜で、この膜は後に剥がされるが、被うことに関するものである。その膜をはがす前あるいは後に、造形材料層の表面を刺激に露出して、次の物体断面を形成する。
２）１９９０年３月９日にJacobs等により出願された米国特許出願第07/495,791号およびその継続出願である１９９４年２月１８日に出願された第08/198,655号は、造形材料層の表面あるいは前に形成された物体断面に直接振動エネルギーを加えることによって、表面の欠陥が消えるのにあるいは容認できる度合いまでならされるのに要する時間を短縮することに関するものである。。
３）Almquist等に発行された米国特許第5,174,931号およびその継続出願である１９９３年１１月２日に出願された第08/146,562号は、とりわけ、ドクターブレードのような部材を使用して、前に形成された物体断面上の造形材料層を滑らかにしたり、展げたりすることに関するものである。
４）Cohen等に発行された米国特許第5,096,530号は、フレームおよび表面張力により支持される造形材料の層を形成することに関するものである。
５）Heller等に発行された米国特許第5,071,337号およびその一部継続出願である１９９４年９月１日に出願された第08/299,879号は、とりわけ、均一な造形材料層を形成するため、アプリケータバーのような供給装置を使用することに関するものである。
上記のドクターブレードを使用した方法は、典型的には、造形材料層の表面をバー等でなでて平滑にするものである。これは積層時間を短縮するとはいえ、前述の米国特許第5,174,931号に記載されている、前端での膨出、溜まった造形材料、すくい取り等に関する問題は依然として残る。
前記以外にも他の積層方法が提案されている。粉末の山を均一の層に展げる、帯電されたあるいは帯電されていない逆転ローラが、PCT特許出願第PCT/US87/02635号、Deckardによる公開番号WO88/022677、Beaman等に発行された米国特許第4,938,816号に記載されている。しかしながら、粉末が前記のローラの前方に押し出されるのに対して、液体はローラに付着するため、そのローラは液体造形材料に使用するのには一般に適していない。液体造形材料がローラに付着すると造形材料がローラで運ばれて、ローラの裏側の造形材料層に再び重ねられることになり、造形層が均一でなくなってしまうことになる。さらに、液体の山は、また、前に供給された未固化の液体に混ざったりあるいはその上に展がったりし易い。いずれにせよ、DeckardおよびBeamanの引例は、そのようなローラをどのようにして液体造形材料に使用するかについては言及していない。
立体造形法における、ディスペンサスリットコーターあるいはフローコーターのいくつかの基本的な使用方法が、Morihara等により出願された特願昭59-237054号（１９８６年６月２日公開の特開昭61-114817号(A)）に開示されている。そのスリットコーターは、流体造形材料の容器がその下を往復動しているときには静止したままである。このスリットコーターは、物体断面の固化後の所望の厚さに等しい厚さを有する造形材料を供給する。しかしながら、Moriharaのスリットコーターは、高解像度の物体を製造するのには、少なくとも以下の理由により、適していない。
第１に、所望の物体断面の厚さと同じ厚さを有する造形材料層を形成するのでは、造形材料が固化する際に一般に生じる収縮を考慮していないことになる。これでは物体の垂直方向の寸法が不正確になり、特に断面の支持されている部分から支持されていない部分に移行する部分において物体断面が平坦でなくなり、作業面の位置決めが制御されなくなる。
第２に、Moriharaのスリットコーターでは、容器が一定の速度で移動する時とその移動路の両端付近で加速したり減速したりする時とでの、供給される材料の体積差を考慮していない。これは、結果的に造形材料の層の厚さの不均一をもたらす。
第３に、Moriharaのスリットコーターでは、容器がスリットコーターが接近できない位置にあるときには材料を供給できない。これは、形成される層全体の精度を低下させるか、容器の利用範囲を狭めるかのどちらかとなる。
第４に、Moriharaのスリットコーターでは、ステレオリソグラフィーの実施例によっては、造形材料の層が所望の厚さになる前に、造形材料の層を容器により規定される液体の全表面上に積層しなければならないことがあるということを認識していない。これは、造形材料が固化した材料によりしっかりと支持されていない領域に供給される時、造形材料は、容器中の液面のレベルに単純にとどまっていないで、容器中の液体のレベルを上げ、今供給したばかりの部分における造形材料層の厚さを薄くする。そのような支持されていない全領域に材料を供給した後のみ、造形材料の表面のレベルが所望のレベルに達する。しかしながら、0.004インチ以下のオーダーの非常に薄い造形材料層を積層するような状況では、この問題は無視できる。
第５に、Moriharaの容器内の造形材料は、容器の前後動の繰り返しによりずれる傾向にある。そのようなずれは、結果として、不均一な積層厚さや層形成時間の延長をまねくことになる。実際、もし容器が適度の早さで前後に動くとしても、容器内の材料は、容器からはね出すことがある。以上から、Moriharaは、造形材料層を迅速かつ正確に積層する装置あるいは手段を開示していないように思われる。
上述の特定のアプローチに関する問題以外に、造形材料を既知の量だけ供給すること、あるいは、連続して積層する場合、小さい誤差の集積が大きな累積的な誤差になるのを防ぐことに関する問題がある。したがって、ＲＰ＆Ｍの分野において、本背景技術で述べた問題および他の問題を克服する手段および装置が必要である。上記の他にも、単独の目的あるいは組み合わせた目的が、当業者には以下で得られる教示よりさらに明らかになるであろう。
発明の開示
本発明は、断面積層方式で造形される物体の連続した断面を形成するための連続した造形材料の層を形成するための改良された装置および方法に関する。
第１の実施例では、逆転ローラを最初の造形材料層を横切って掃引し、所望の厚さおよび均一さを有する造形材料の層を形成する。本実施例の変形がいく例か開示されている。
第２の実施例では、インクジェットプリントヘッドの複数のインクジェットから造形材料を供給して造形材料層を形成する。本実施例の変形がいく例か開示されている。
第３の実施例では、アプリケータに複数の回転車輪を設け、その車輪上に造形材料を供給し、そのアプリケータから造形材料を射出して造形材料層を形成する。本実施例の変形がいく例か開示されている。
第４の実施例では、アプリケータによって、形成される物体の上から造形材料層を供給する。本実施例の変形がいく例か開示されている。
第５の実施例では、アプリケータによって、物体の上から複数の造形材料流を供給し、その造形材料流を物体あるいは他の表面と接触する時点で合流させ、造形材料層を形成する。本実施例の変形がいく例か開示されている。
前述の各実施例では、アプリケータあるいは造形材料を分配する他の装置に、造形材料を供給する方法の変形例が開示されている。また、累積誤差を除去ないし補正するため、造形中に物体の全体の寸法をモニターする方法および装置が開示されている。また、トラップされる材料の量を計算にいれた時、どの程度まで造形材料層を形成するべきかを決定する方法および装置が開示されている。上記の実施例の各々は、積層における精度あるいは形成時間あるいはその両方の改良を達成するのに他の実施例とは独立して使用されてもよいし、上記実施例の組み合わせ、あるいは、上記実施例の異なった要素の組み合わせも好ましい積層を得るために使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は造形材料層を形成するステレオリソグラフィー装置の断面図、
図２ａ〜２ｄは逆転ローラを使用して造形材料の層を形成するための装置および方法を示した図、
図２ｅは逆転ローラと造形材料の層との間の相互作用を示した図、
図３ａ〜３ｂはせき止板を有する逆転ローラを用いて造形材料の層を形成するための装置および方法を示す図、
図４ａは逆転ローラ、せき止板およびスクリューを用いて造形材料の層を形成するための装置および方法を示す図、
図４ｂは図４ａのスクリューの平面図、
図４ｃは逆転ローラ、せき止板およびトラフを用いて造形材料の層を形成するための装置および方法を示す図、
図４ｄは図４ｃのトラフの平面図、
図５ａ〜５ｂは逆転ローラ、せき止板およびディスペンサを用いて造形材料の層を形成するための装置および方法を示す図、
図５ｃは図５ａ〜５ｂのディスペンサの側面図、
図５ｄは図５ａ〜５ｂのディスペンサのオリフィスネットワークを示す図、図６ａ〜６ｂは逆転ローラ、ディスペンサ、せき止板およびスクリューを用いて造形材料の層を形成するための装置および方法を示す図、
図７ａは造形材料を供給するインクジェットプリントヘッドを示す図、
図７ｂ〜７ｄは別のインクジェットアレイの形態を示す図、
図７ｅは供給後形成された造形材料の層および作業面を示す図、
図７ｆは造形材料を供給するインクジェットプリントヘッドを示す図、
図７ｇは前に形成された物体断面の頂面を示す図、
図８ａは造形材料を供給するローラを有するアプリケータを示す図、
図８ｂはローラを示す図、
図８ｃは複数の車輪を有する別のローラを示す図、
図８ｄは多孔性の材料からなる車輪を示す図、
図８ｅは複数の穴を有する車輪を示す図、
図８ｆは造形材料を供給する回転車輪のアレイを有するアプリケータの断面図、
図８ｇは複数の突端を有する車輪を示す図、
図８ｈは造形材料を車輪から射出する接点方向を示す図、
図８ｉはケーシング内の複数の車輪を示す図、
図８ｊは造形材料を供給する回転車輪およびインペラーのアレイを有するアプリケータを示す図、
図８ｋは造形材料を供給するピストンスプレー装置を有するアプリケータを示す図、
図８ｌ〜８ｍは造形材料を供給する回転車輪アレイを有する回転アプリケータを示す図、
図８ｎは材料を供給するアプリケータを示す図、
図９ａはアプリケータを用いて造形材料の層を形成する装置および方法を示す図、
図９ｂは材料を供給するアプリケータを示す図、
図９ｃはアプリケータの斜視図、
図９ｄはアプリケータの端面図、
図９ｅはアプリケータの側面図、
図９ｆはアプリケータの底面図、
図９ｇはアプリケータギャップを示す図、
図９ｈはアプリケータクリアランスを示す図、
図９ｉは材料を吸収するアプリケータを示す図、
図９ｊは材料を供給するアプリケータを示す図、
図９ｋはアプリケータの端面図、
図９ｌはアプリケータの斜視図、
図９ｍはアプリケータの端面図、
図９ｎはアプリケータの端面図、
図９ｏは材料を吸収するローラを有するアプリケータを示す図、
図９ｐは、材料を供給する真空装置を有するアプリケータを示す図、
図９ｑ’〜９ｑ””’はアプリケータの端面図、
図１０ａは造形材料の供給準備中のスプレイノズルのアレイを有するアプリケータを示す図、
図１０ｂ、１０ｃは、別のスプレイノズルアレイ形状を示す図、
図１０ｄは、材料供給中の、図１０ａのアプリケータを示す図、
図１０ｅは、意図した表面に到達する前に合流するアプリケータからの材料の流れを示す図、
図１０ｆは、スプレイノズルアレイを有するアプリケータの偏心動作を示す図、図１０ｇは、意図した表面に到達する前の材料の流れを示す図、
図１０ｈは、意図した表面に到達後の材料の線を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、物体１２が形成されるステレオリソグラフィー装置（ＳＬＡ）１０を示しており、読者をここで使用される用語に馴染ませるために示されている。ＳＬＡ１０は、物体１２を形成するのに使用される量の造形材料１６を収容する大きい容器１４を備えている。物体１２は、垂直方向に移動可能であり、かつコンピュータ制御の昇降台（図示せず）に連結された支持アーム１７に連結された支持台１８上で造形される。物体１２は、破線で示されている連続した断面から形成されている。直前に形成された物体の断面２０は、頂面２２を有し、該頂面上に次の造形材料層２４が形成される。
次の物体断面の形成のため、造形材料層２４は、いろいろな方法で形成される。支持台１８は、材料１６の表面、すなわち、作業面２６を一定の高さに維持しつつ、下降されてもよい。作業面２６とは、典型的には、容器１４中の造形材料１６の表面のことである。作業面２６は、所望の高さにあり、したがって材料層を刺激に露出する際に、刺激の発生源２８から所定の距離に位置するのが望ましい。以下の記載全般にわたって、実際の作業面および所望の作業面は、ともに参照番号２６で示されているが、実際の作業面と所望の作業面がずれる場合は、その旨をを説明する。
あるいは、支持台１８および頂面２２は、固定した高さで不動とし、容器１４中の材料１６の量を増加させて作業面２６を上昇させてもよい。これは、作業面２６の下から容器１４に材料を補充することによって行ってもよいし、作業面２６の上方から容器１４に材料を供給することによって行ってもよい。両者の組み合わせもまた可能である。
あるいは、図１の造形材料層２４は、「深浸け」支持台１８により形成してもよい。すなわち、支持台１８および頂面２２を、次の物体断面の所望の厚さより深く作業面２６の下方に沈め、材料１６がより容易に頂面２２上を流れるようにしてもよい。その後支持台１８を上昇させて、層２４の厚さが所望の厚さに近づくようにする。あるいは作業面２６を一旦過度に上昇させ、その後下降させてもよい。深浸け法を使用するのは、支持台１８の下降あるいは作業面の上昇を１層の厚さに等しい分だけにした場合には、粘度および表面張力の作用のために、材料１６が頂面２２上を流れないか、あるいは、流れたとしても、少なくとも許容し得る時間内には流れないからである。実際、材料１６は、一般には、表面２２の周縁に境界を形成する（図５ａの境界６８を参照）。後に説明するように、最後に形成された断面２０より下の物体断面の形状は、境界６８が形成される場所に影響を与える。この境界は、そのまま残るかあるいは直前に形成された断面の中心に向かって内側にゆっくり移動する。深浸け法は、前述の米国特許第4,575,330号および第5,174,931号で詳細に述べられている。造形材料層２４を形成する他の手法によって作業面２６を頂面に対して上昇させてもよい。
造形材料層２４の厚さは、次の物体断面の層の所望の厚さにほぼ近くてもよいし、所望の厚さと異なっていてもよい。層２４の厚さが次の物体断面の厚さと異なっていてもよい理由の１つは、前の物体断面の形成に関連して発生したかもしれない誤差あるいは予想される誤差を補償するためである。
例えば、光重合可能な樹脂のような液体は、一般に、硬化時に収縮するので、造形材料層２４は、収縮により失われる厚さを補償するため所望の物体断面より厚く形成してもよい。また、実際の作業面２６が刺激の発生源２８から適度な距離だけ離れた望ましい作業面であることを確実にするため、および連続した複数の層で累積した厚み誤差を修正するため、一層毎にあるいは数層毎に積層の修正をするとともに液面の調整をしてもよい。液面の調整のタイミング、量および方向によって、造形材料層の厚さは、次の物体断面の所望の厚さよりいくらか厚くなったり薄くなったりする。最後に、直前に形成された物体断面２０を形成するのに使用された造形材料層に発生し得る誤差あるいは直前に形成された物体断面２０の収縮またはカールによって生じ得るゆがみによって、形成中の造形材料層の厚みが所望の厚みと異なってしまうこともある。
層２４の厚さが、少なくとも最初の段階で、次の物体断面の所望の厚さと異なっていてもよい他の理由は、造形材料の層２４をいくつかのステップに分けて形成してよいからである。すなわち、最初にある厚さに形成し、その後所望の厚さに調節するという形で形成してもよいからである。例えば、深付けを行った時、造形材料の層は、支持台１８が元に戻された後に表面２２上に残っている余分な材料１６の分だけ所望の厚さより厚くても差し支えない。その所望の厚さより厚い造形材料層は、その後ドクターブレード等の後述の装置により所望の厚さに調節される。造形材料の層を形成するのにドクターブレード等の平滑化装置が使用される場合、ドクターブレードが材料１６を過剰に掻き落としてしまい、層２４の厚さが結果的に所望の厚さより薄くなってしまうこともある。あるいは、ドクターブレードによる材料の掻き落としが不十分なために、所望の厚さより厚くなってしまうこともある。これは、実際の作業面が望ましい作業面と一致しない結果となる。
場合によっては、作業面２６を頂面２２に対して上昇あるいは下降させることにより最初の造形材料の層２４を所望の厚さに調節してもよい。いずれにしても、第１層の積層誤差を決定し、次の造形材料層の厚さを調整することによってその誤差を補償するのが一般的に有利である。
所望の厚さの造形材料層２４を形成した後、刺激の発生源２８からの刺激に露出する。これによって造形材料の層２４に固化等の物理的変成を起こさせ、それにより次の物体断面を形成する。このようにして、造形材料の層２４および物体断面２０を交互に形成して物体１２を完成させる。
逆転ローラ
造形材料の層２４を形成する種々の段階における本発明の第１の実施例を示す図２ａ〜２ｄを参照して以下説明する。図１と共通な要素には、同じ参照番号を付してある。本実施例では、造形材料の層２４が、上記のように頂面２０に対して作業面２６を上昇させることにより最初に形成される。その後、逆転ローラを造形材料層２４を横切って掃引し、それにより層をほぼ均一な所望の厚さにする。本実施例では、光重合可能な樹脂等の液状造形材料が使用される。光重合可能な樹脂としてはチバガイギー社により製造され、カリフォルニア州バレンシアの３Ｄシステムズ社により販売されているＳＬ５１７０がある。望ましい刺激の発生源２８は、例えば、HeCdレーザ発生される３２５ｎｍの放射線である。
後に詳述するように、ローラ３０は作業面２６を移動し、（ａ）材料の作業面の近くにおける回転（接線方向）速度、すなわちローラ３０の半径を乗算した単位時間当たりのラジアンとして測定されたローラの角速度と（ｂ）移動速度、すなわち、回転しているローラ３０の中心が移動する速度、の正味の合計が回転速度あるいは移動速度のいずれか一方より大きくなるように移動方向と反対に回転する。すなわち、ローラをフリーにして作業面上を転動させたときに、ローラが回転する方向と逆の方向に逆転ローラは回転する。
図２ａは、直前の物体断面２０が、その造形材料層を発生源２８からの刺激に露出することによって形成された状態の造形プロセスの段階を示している。この段階では、その物体断面２０の頂面２２は、作業面２６とほぼ同一な平面上にあってもよいし、固化の際の材料１６の収縮によりわずかに下がっていてもよい。図示のように、物体断面２０は、その物体１２の設計あるいはその物体を１２を形成するのに使用された特定のステレオリソグラフィーによる設計に基づいて、その物体１２が中実でない位置に対応する中空部２９を含む。先に形成された物体断面にも他の中空部２９が示されている。
この段階では、ローラ３０は、容器１４の周縁の近くあるいは少なくとも刺激に露出される作業面２６の領域を越えた所に位置するのが好ましい。このようにして、ローラ３０および関連するハードウェアは、刺激が物体１２の方に向かうのを妨げないように物体１２からずれた位置に置かれる。刺激への露出工程中のローラの停止位置は、多くの要因に依存する。これらの要因には、１）刺激に露出中ローラが回転を停止するか否か、２）ローラ３０の容器１４内の掃引方向が逆転され、それに伴って、回転速度が反転されるか否か、３）造形材料層２４の露出される領域の大きさ、４）露出直後の最後に形成された物体断面２０大きさ、５）前に形成した複数の層、例えば物体断面の最後に形成された１／２５から１／４インチに対応する層、とともに露出される領域の大きさ、が含まれる。逆転ローラ３０は、積層に要する時間を最小限にするため、層ごとに最小限の距離を掃引するのが望ましい。いずれにしても、次の物体断面の形成のために造形材料の層２４が形成される。
図２ｂは、作業面２６を頂面２２に対して上昇させることにより最初に形成された造形材料の層２４ａを示している。これは、物体１２を容器１４内で下降させることにより、あるいは物体１２を静止させて作業面２６を上昇することにより達成される。ドクターブレード等の平滑化装置で作業面２６が平滑化されていることもある。前述のように、層２４ａの最初の厚さは、次の物体断面の所望の厚さと異なっていることもある。実際、層２４ａの最初の厚さは、次の物体断面の所望の厚さより大幅に厚いことが多い。しかしながら、層２４ａの最初の厚さは、均一でなく、ある領域では所望の厚さより薄く、他の領域では所望の厚さより厚い。
造形材料層２４ａの形成直後では、隆起４０、窪み４２および穴４４のような作業面２６の欠陥があり、これらの欠陥を減少させるかあるいは取り除かれないならば、次の物体断面に誤差を生じさせる。これらの欠陥が充分大きかったり、多数の層の欠陥の積み重ねであったりすると、物体断面間の剥離を生じたり、あるいは直前に形成された物体断面２０と所望の作業面２６を掃引する積層装置との間の衝突を引き起こすことがある。表面変形の大きさおよび原因は、いかに造形材料の層２４ａが最初に形成されるかに多く依存する。深浸け法を使用すると、隆起４０が生じたり、表面２２の厚さが全体的に過大になることが多い。作業面２６上を横切る掃引ホッパからの材料の供給によって層２４ａを最初に形成すると、供給量のいかなる変動も隆起４０や窪み４２を生じさせることになる。層２４ａを最初に形成するのに、ドクターブレード等の平滑化装置を使用すると、前端での隆起や、あるいはブレードに掻かれた材料がブレードの下を通過することによって隆起４０が形成されたり、浅い領域からの材料のすくい出されて窪み４２や穴４４が形成される。
いずれにしても、層２４ａが最初に形成された後、次の物体断面の形成のための均一で所望の厚さの造形材料層２４を形成するのに逆転ローラ３０が使用される。あるいは、最初に最初の層２４ａを形成せずに逆転ローラ３０を前に形成された物体断面上を掃引してもよい。図２ｃは、前に形成された物体断面２０を左から右に部分的に横切った後の逆転ローラ３０を示す。図２ｄは、完全に横切った後の逆転ローラ３０を示す。造形材料２４ｂの部分的に形成された所望の層が図２ｃのローラの左側に示されており、一方造形材料２４ｂの完成された所望の層が図２ｄに、前に形成された物体断面２０全体の上に示されている。
逆転ローラ３０は、円筒形で、軸方向の長さが容器１４の横方向の大きさ（一般にはローラ３０の掃引方向に垂直な方向の寸法）の大部分を覆っているのが好ましい。これにより、容器１４の大部分、より重要には次の物体断面の横方向の寸法以下である容器１４の全体が、逆転ローラ３０の１回の通過により掃引される。軸方向の長さが短い複数の逆転ローラを使用してもよい。この複数のローラによる構成は、より小さい物体の形成に有利である。なぜなら、その複数のローラのうちの１本だけが、次の物体断面の寸法以下である作業面２６の一部に対して作用すればよいからである。
逆転ローラ３０を、逆転ローラ３０の軸と垂直でない方向に掃引してもよい。ここで、逆転ローラ３０の軸は、掃引方向から９０°より小さく０°より大きい方向に向けられていて、４５°と６０°の間の方向に向けられているのが好ましい。材料の層を形成する際、米国特許出願第08/146,562号で開示されているようなドクターブレードを単独あるいは逆転ローラと組み合わせて使用するときには、ドクターブレードの軸を同じような方向に向けてよい。
一般的には、容器１４内の作業面２６の全体をなめらかにする必要はない。なぜなら、作業面２６の刺激に露出されない部分には通常誤差が発生しないからである。これは、作業面２６内の高さが急速に一定になるのを許容する大きな流路が存在するからである。さらに、物体の精度に係わる作業面２６の部分のみを平滑化するのが好ましい。なぜなら、作業面全体をなめらかにすることは、積層にかかる時間を増大させ、物体造形の全体の時間を増大させるからである。作業面２６のどこまでを逆転ローラ３０により平滑化するかは一般的に、３つの基準によって決まる。
第１に、逆転ローラ３０の掃引によって均一の造形材料層２４を形成した後、逆転ローラ３０およびそれに関連するハードウェアは、その層２４から次の物体断面を形成する際に刺激に露出されるべき作業面２６の領域の外に最終的に位置されるべきである。第２に、直前に形成された物体断面２０の形成の際に露出された領域上に均一な層２４を形成するのに充分な程度の広さで、作業面２６を平滑化するべきである。よってこれら２つの基準によると、逆転ローラ３０は、直前の物体断面を形成する際露出された領域と次の物体断面を形成する際露出されるであろう領域の外まで掃引されるべきである。多くの場合、もしこれらの基準が満たされれば、物体形成はうまくいく。しかしながら、もし２重に安全な積層が所望されるのであれば、第３の基準が考慮されるべきである。それは、後述するように、直前に形成された物体断面２０より前に形成された１つまたは複数のの物体断面の形成の際に露出された領域を考慮することである。
液体光重合体を収容した容器１４を使用する際、深いそして大きな流路により連結された領域の全ての部分は、容易に同一液面に達するということが分かった。これは図２ｄに示されており、Ａ１およびＡ２の表面領域は深部領域Ｒ１およびＲ２上に位置しており、領域ＲｌおよびＲ２は互いにほぼ接触していてＲ１とＲ２の間の流路はほぼさえぎられていない。ここで、もし造形材料が表面領域Ａ１に加えられると、容器１４内の材料１６は、通常領域ＲｌとＲ２の間を流れ、表面領域Ａ２はただちに表面領域Ａ１と同じ液面に達する。
しかしながら、材料が中空部２９および上向きの領域３１、３３のような浅い領域上の表面領域に加えられると、この表面領域が深部上の表面領域と同じ液面に達するのには法外な時間が必要であることが分かった。それゆえ浅い領域における過剰の材料は、重力および表面張力のみに頼ると、所望の高さに減じるあるいは上昇するのに許容しがたい時間がかかる。同様に、材料が不足している浅い領域は、所望の高さに上昇させるのに許容しがたい時間を必要とする。
浅い領域が問題を起こす可能性のある深さは、造形材料の粘度および表面張力および既に物理的に変質された造形材料の表面エネルギーによって異なる。所望の作業面２６からの深さが４０ミル（１ｍｍ）未満から約２４０ミル（６ｍｍ）である浅い領域は、上記の問題を起こす可能性があり、やっかいであると考えられる。もし極端に粘性の大きい、例えば10,000センチポアズを越える粘度の、造形材料が使用されるならば、やっかいであると考えられる深さは、さらに深くなる。
いずれにしても、第３の基準は、逆転ローラ３０がこれら浅い領域の全てを越えて掃引するのを確実にすることである。これらの浅い領域は、前に形成された物体断面の内で所定の深さ以下のもの全ての最大の断面寸法を記憶しておき、逆転ローラ３０を基準１および２を満たす区域ばかりでなく、所定の深さ以下のすべての断面の境界を越えた位置まで確実に掃引することにより対処できる。
例えば、やっかいな深さの領を、作業面２６からの深さが１２０ミル（３ｍｍ）より小さい領域と規定し、物体１２を４ミル（０．ｌｍｍ）の層で造形しているとすると、基準１および２だけでなく前に形成された３０枚の断面の縦方向（掃引の方向）の最大寸法も考慮に入れなくてはならない。もし３つ全ての基準が満たされていれば、逆転ローラ３０を、積層の過程で問題を発生させる可能性のある全ての領域を掃引する必要がある。前述の分析は、逆転ローラ３０および本明細書で以下に述べる他の実施例に対してだけでなく、本願の親出願で述べられているドクターブレードの実施例に対しても適用可能である。
逆転ローラ３０は、掃引する際、最初の造形材料の層２４ａの表面に剪断力を与える。このようにして、逆転ローラ３０は、移動することによって層２４ａの上から余分な厚さを取り除き、それにより隆起４０および他の表面の欠陥を取り除くのが好ましい。この剪断力はまた、材料１６を窪み４２および穴４４に「押し込み」、それによりそれらを取り除くのが好ましい。後述するように、薄い材料１６が逆転ローラ３０に付着して、ローラの上に境界層を形成するのが望ましく、剪断力はこのローラ境界層と作業面２６の間に発生すると考えられる。
剪断力のため、逆転ローラ３０を容器１４を横切って掃引する際、下方の材料１６がローラ３０と一緒に容器１４内を流れることはない。これはある量の表面部分の材料１６がドクターブレードに付着して、その材料１６がさらにその下の材料を伴って流れるという状態になる、表皮深さを示す現行のドクターブレードとは対照的である。ある量の材料１６がローラ３０に付着するが、この付着した材料がその下側の材料を流すのが剪断力によって防止される。それゆえ、逆転ローラ３０は容器１４を横切って掃引する際ほとんどあるいは全く表皮深さを示さない。そのことは、有利である。なぜなら、表皮深さは、液面下の物体の形状が積層工程に影響を与える深さを決定するからである。
表皮深さが大きいと、積層が物体の形状に依存するようになり、積層の自動化が困難になることがある。例えば、表皮深さが大きいと、逆転ローラ３０あるいは他の積層装置から、まだ十分に固化しておらずこわれやすい、前に形成された物体断面に力が伝達され、その前に形成された物体断面を損なうおそれがある。場合によっては、表皮深さが大きいと、平滑化部材と物体１２との間の材料が引っ張られて真空が形成される。この真空によって物体１２と平滑化部材が互いに引き寄せられてぶつかることがある。反対に、表皮深さが小さいと、積層工程が、物体１２の形状にほとんど依存しないから積層の自動化が容易になる。
もしローラ３０が「反対でない」方向に回転するとすると、単に造形材料の層２４ａを「押しつける」だけであり、ローラ３０に当たった余分な材料をその下あるいは後ろに押しやるだけになる。結果として、作業面２６の欠陥は、基本的にそのローラによっては修正されず、不均一な造形材料の層となってしまう。
逆転ローラ３０は一般的に、逆転ローラ３０の両端に結合されたアーム（図示せず）を有するフレームをかいしてＳＬＡ１０に取り付けられる。フレームは最終的な造形材料の層２４が所望の厚さとなり、作業面２６が次の物体断面の形成のための望ましい面となるように、作業面２６に対して逆転ローラ３０を正確に位置決めできるのが望ましい。作業面２６に対するフレームおよび逆転ローラ３０の位置決めは、手動によってもよいし、コンピュータ制御でもよい。逆転ローラ３０を位置決めするフレームは、複数の点（例えば３あるいは４点）で支持された台（図示せず）上に取り付けてもよい。この台は、逆転ローラが掃引される面を手動あるいは自動で検知し、それに基づき、手動であるいは自動的に高さを調整するようにしてもよい。逆転ローラ３０の回転速度３２および移動速度３４は変更可能で、コンピュータを介して制御される。
フレームは、逆転ローラ３０が作業面に接触することなしに容器１４を横断できるるようになっているのが望ましい。これによって、逆転ローラ３０が作業面２６を掃引した後、図２ａに示すように、作業面２６を乱すことなしに元の位置に移動することができる。あるいは、逆転ローラ３０の回転方向を反転できるようにして、第１の造形材料層２４を掃引した後、逆転口ーラ３０の回転方向を反転させて、次の層２４を反対方向に掃引するようにしてもよい。
さらに、２つの近接したローラを互いに反対方向に回転させて、掃引方向に応じて一方のローラのみを掃引面に垂直に位置させて層２４ａに接触させるようにしてもよい。あるいは、両方のローラを常に掃引面に垂直に位置させるようにしてもよくこの場合は、先行するローラを順方向に回転させ、後ろのローラを逆方向に回転させるのが好ましい。ここで、掃引方向を層ごとに変えて、逆転しているローラが最初の層２４ａを平滑にして最終的な層２４ｂを形成するようにしてもよい。ローラの順序は反対にしてもよく、逆転ローラが最初に掃引して均一な層を形成した場合に、その層が次の順方向に回転するローラによって大きく乱されることはない。逆転ローラ３０は、チェーンとスプロケット（図示せず）等の適当な手段により回転される。
また物体断面の形成のための造形材料層２４の形成に際して、同じ層２４を２回以上ローラ３０で掃引するようにしてもよい。例えば、１回目の掃引は「大まかな」掃引で、層２４を所望の厚さに近づけるだけとし、高速で行い、２回目の「きめの細かい」掃引によって層２４を所望の厚さとするようにしてもよい。
逆転ローラ３０が図２ｄに示すように作業面２６を掃引した後、造形材料の層２４は、刺激の発生源２８からの刺激に露出される。この段階では、逆転ローラ３０は、刺激が作業面２６に作用するのを妨げないように位置づけられるのが好ましい。上述のように、次の造形材料の層２４を形成するため、ローラ３０は、逆方向の回転で反対方向に次に形成された層を掃引し、あるいは図２ａに示すような位置に移動し、図２ｃに示すように同方向に掃引してもよい。
図２ｃは、物体１２が深浸けされ、所望の作業面より１層分の厚さだけ下の位置に戻された後、最初に形成された造形材料の層２４ａを平滑化しているのを示している。図示のように、ローラ３０は、直前に形成された物体断面２０上方（例えば、作業面２６の上方）１層分より高い位置にある材料を全て、最初に形成された層２４ａから掻き落とすのが望ましいため、ローラ３０が容器１４を掃引する際、ローラ３０の前方に造形材料１６の溜り４６できる。それゆえ、回転速度３２は、この溜り４６の一部がローラ３０の後ろに搬送され再堆積され、実行されたばかりの掻き落とし作用が無駄になることのないように充分に遅く保たれるのが好ましい。材料がローラ３０を超えて搬送され、その後ろに再堆積されても積層は均一であるのが経験的に知られている。しかしながら、そのように形成された造形材料層２４は一般に厚過ぎ、その厚さはローラ３０の掃引前に物体断面２０上に存在する不均一な層の平均厚さと同じである。したがって、もし掃引前の平均厚さが所望の層の厚さと同じであるなら、ローラ３０の後ろに運ばれる材料は、所望の厚さの層をもたらすかもしれない。
高い粘度の造形材料は、一般的に粘度の低い材料よりもローラ３０に付着しやすい傾向にある。したがって、造形材料１６の粘度が増加するにつれ、ローラ３０の回転速度３２は、材料がローラを越えて後ろに運ばれるのを避けるため、低下されるのが好ましい。この基本的逆転ローラの実施例は所望の厚さの層２４を形成することができるものであるが、ローラの前に堆積する材料の量が、材料がローラを越えて後ろに運ばれるのを避けるうえで十分小さくなるように留意すべきである。堆積４６を十分浮揚性の状態（ローラ３０により生じた上方への引っ張り力は、ほどよく下方への重力とバランスする）に維持し、堆積４６を容器１４に沈めてローラ３０の下へ流すことになる圧力水頭の形成を確実に避けることにも留意すべきである。堆積４６の余分な材料のほとんどは、所望の作業面２６から上方に引き上げ、ローラ３０の前面において「葉巻型ロール」４７をなすように回転させるのが好ましい。材料のこの葉巻型ロールは、ローラ３０を越えては移動されることもないし、作業面２６に落ちることもない。
あるいは、図２ｅおよび図３ａ−３ｂに示すように、材料がローラを越えて後ろに運ばれるのを避けるためと、ローラ３０に付着している材料１６が境界層５５を形成するのを抑制するために、せき止板５４をローラ３０の表面付近に配してもよい。逆転ローラを図３ａ−３ｂのせき止板５４とともに使用するのは、逆転ローラのみを使用するより好ましい。
図２ｅは、ローラ３０が、堆積４６が形成されている造形材料層２４ａの表面に作用する状態を示している。せき止板５４は、ローラ３０の表面から距離Ｔ離れた所に位置している。図２ｅにはせき止板５４が断面ほぼ長方形であるように示されているが、せき止板５４は、通過できる堆積４６の量を制限するのに役立つ限り、他の形状でもよい。距離Ｔは、約１／２ミルから４ミル（０．００１から０．００２インチ）の範囲が好ましく、約１ミルから２ミルの範囲がより好ましい。せき止板５４を通過する材料は、ローラ境界層５５を形成する。
堆積４６がせき止板５４と接触する際生じる境界効果により、せき止板５４を通過する材料の厚さ（Ｗ）が、距離Ｔより小さくなることもあり、それにより厚さがＷのローラ境界層５５が形成される。ここで、Ｗは、ゼロより大きく、Ｔ以下である。ＴとＷの関係は、ローラ３０およびせき止板５４の表面を形成する材料、ローラ３０およびせき止板５４の物理的形状および表面エネルギー、造形材料の粘度および表面張力、およびローラ３０の回転速度３２を含む多くの要因に依存する。境界層５５の正確な厚さＷが、積層工程に直接影響を与えるとは考えられない。しかしながら、厚さＷは、所望の層の厚さより小さいのが好ましく、所望の層の厚さよりかなり小さいのがより好ましい。
いずれにしても、境界層の正確な厚さＷは、実験的に決定できる。そのような決定は種々の方法によってすることができるが、例えば、乾式プローブをある距離からローラ３０の裏側に向けて境界層の材料に接触するまで少しずつ動かすことによって決定される。接触すると、プローブに材料が沁み込むのが直ちに認められる。プローブの移動量とローラ３０からの距離が関係付けられれば、境界層５５の厚さＷを決定することができる。厚さＷは一般的に１／２Ｔ以上Ｔ以下の範囲であると見なされている。また、境界層５５の一部は、境界層５５の材料がローラ３０の底付近の造形材料と接触する際、ローラに残ると見なされる。それゆえ実際、厚さＷの一部がローラ３０とともに移動し、一部が直前に形成された物体断面２０の表面２２上の材料上に堆積され、所望の層２４ｂの一部を形成する。
積層工程中の、ローラ３０の底３６と最後に形成された物体断面２０の表面２２との間の距離は、ローラクリアランス（ＲＣ）として定義される。さらに、ローラ３０の底３６と所望の作業面２６との間の距離は、ローラギャップ（ＲＧ）として定義される。ローラ３０に残っている材料と層２４ｂの一部になる材料との間にスプリットが生じる面は、「剪断面」と定義され、材料の性質および他のシステムのパラメータによりローラ３０の底あるいはその下に位置する。
この剪断面の位置は、１回以上の積層操作を実行することにより実験的に発見される。ここで、ローラクリアランス（ＲＣ）を、所望の造形材料層の厚さに等しいローラクリアランスから始めて変化させながら、実際に生じる造形材料の層の厚さを測定する。実際に生じる造形材料層の厚さが所望の造形材料の層の厚さに等しくなれば、剪断面が正確にローラ３０の底３６に位置していることになる。それゆえ、その時の回転速度３２、移動速度３４、せき止板距離Ｔ、層の厚さ、造形温度および実験に使用された樹脂に対しては、適当なローラクリアランス（ＲＣ）は所望の造形材料層の厚さに等しく、ローラギャップ（ＲＧ）はゼロに等しい。
あるいは、もし結果的に生じた層の厚さが所望の厚さより薄ければ、実効的な剪断面は、ローラ３０の底３６より下に位置する。この場合、ローラクリアランス（ＲＣ）を大きくしながら、得られる層の厚さが所望の造形材料の層の厚さに等しくなるまで積層と測定を繰り返す。この際、ローラクリアランスＲＣを実際に得られる層の厚さと所望の層の厚さとの間の差に等しい量だけ変えるようにするとよい。前述のように、所望の層の厚さに等しい積層の厚さが得られたとき、ローラクリアランスＲＣおよびローラギャップＲＧが効果的に物体を造形するのに適切な値になったと結論づけることができる。
最初の積層試験から、実際に測定された層の厚さが所望の層の厚さより厚いと決定されれば、所望の層の厚さに等しい層の厚さが得られるまで、１つ以上のパラメータを変化させながら積層および測定を繰り返す。
造形材料の層が厚くなり過ぎる理由として、（１）回転速度３２が移動速度３４より大きく、同時にローラ３０に非常に接近して剪断面が位置する、（２）ローラ３０とせき止板５４の間の距離Ｔが非常に大きく、それにより非常に厚い境界層５５が形成されることが挙げられる。それゆえ、実際の積層の厚さを所望の厚さに減じるためのその後の積層試験において、上記２つの変数を修正するのがよい。
ローラクリアランスＲＣおよびローラギャップＲＧは、一般的に別々に調整しない方がよい。なぜなら、ローラクリアランスＲＣは、ローラギャップＲＧに１層分の厚さを加えた量にほぼ等しくあるべきだと考えられるからである。しかしながら、スーパーエレベーションを掃引の間使用するならば（本願出願の親出願で説明しているようにドクターブレードを使用する場合に典型的であるが）、ローラクリアランスＲＣおよびローラギャップＲＧは、別々に調整してもよい。これらのパラメータは、他の理由によっても別々に調整したほうがよいときもある。
所望の厚さと比較した実際に形成される積層の厚さが主要な関心事である。積層のパラメータは容易にこれらの厚さの間が一致するよう調整できるので、ＴとＷの関係およびＷと剪断面の位置の関係を正確にとらえることが第２の関心事である。しかしながら、これらの関係に関連する傾向が分かっていれば、適正な積層パラメータの実験的決定を迅速に行うのに役立つ。
ローラ３０上の材料をせき止板５４によって部分的あるいは完全にとってしまわずに、ローラ３０上に境界層５５を形成し、その境界層５５が剪断面において剪断力を提供するようにするのが好ましい。これは、境界層５５の湿った表面の方が層２４に対する作用が、ローラ３０の部分的に湿っていて部分的に乾燥している表面よりやわらかくかつ永続的だからである。
一般的な条件下では、ローラ３０の底３６は、作業面２６（すなわち最終的な造形材料層２４ｂ）のゼロ以上Ｔ以下のある厚さすなわちローラギャップＲＧの分だけ上方の面内で移動されると考えられる。さらにローラギャップＲＧは、ゼロよりＴに近く、ローラ３０から剪断面を隔てている距離に等しいと予想されている。いずれにしても、ローラ３０が容器１４を掃引する際、剪断面上に位置しているいかなる材料１６も除去され、後には所望の作業面２６とドイツ平面上にある作業面を有する平坦な造形材料の層２４ｂが残る。
上記のように、ローラ３０は、（ａ）ローラ３０が作業面２６に接触する点３６、あるいはその近傍における回転速度（接線方向速度）、すなわちローラ３０の半径を乗算したローラの角速度と（ｂ）移動速度の正味の合計が回転速度３２あるいは移動速度３４のいずれか一方より大きくなるように回転し移動する。回転速度に対する移動速度の比は、１／６から６の範囲内が好ましいが、１から４の範囲内がより好ましい。例えば、チバガイギー社製光重合体樹脂ＳＬ５１３１が使用された場合、回転速度３２は、２インチ／秒であり、接線方向速度は、２インチ／秒であるのが好ましい。
粘度が減少すると、回転速度３２が、移動速度３４に対して増加することが実験的に知られている。したがって、ＳＬ５１３１より粘度がかなり低い光重合体樹脂ＳＬ５１７０あるいはＳＬ５１８０（カリフォルニア州バレンシアの３Ｄシステムズ社により販売）を使用する際、移動速度３４は、１〜４インチ／秒の範囲内にあり、回転速度は、２〜１６インチ／秒の範囲内にあるのが好ましい。与えられた条件における移動速度および回転速度の最適値は実験的に決定される。さらに、移動速度および回転速度の適度な範囲内では、回転速度３２が増加すると、偏差が次第に減少する傾向にあることも実験的に知られている。
ローラ３０の直径は、１／４〜３インチの間が好ましく、１／２〜２インチの間がより好ましく、約１インチが最適である。好適なローラ３０は、±０．０００２〜０．０００４インチ／直線インチの直径許容誤差を示し、０．０００５インチの最大直径変動を示す。ローラ３０のきつい寸法許容誤差は、造形材料層２４および次に形成される物体断面の精度、さらには全体の物体自体の精度を維持するのに役立つ。
ローラ３０の表面に刻み目を付けたり、表面を機械加工したり、表面を包んだりして、材料１６を保持しやすいようにし、ローラ境界層５５の土台を形成するようにしてもよい。ローラ３０の表面をテフロン等の表面剥離材で形成してもよい。しかしながら、本構成では、上記のように最初の造形材料の層２４ａの表面に接触する際、ローラの表面が湿っているのを確実にするために境界層５５がローラ上に形成されるのがいっそう好ましい。
図３ａ−３ｃで、せき止板５４を有する逆転ローラの実施例がさらに述べられている。図３ａには、材料がローラを越えて後ろに運ばれるのを防止するせき止板５４が示されている。せき止板５４は、堆積４６に耐えるアルミニウムのような剛くて軽い材料からなってもよい。あるいは、せき止板５４は、ステンレススチール等の他の金属材料、ゴムあるいはブラシのような柔軟性のある材料、あるいは強化ステレオリソグラフィー材料等からなってもよい。せき止板５４の形状は、長方形のバー、歯を有する櫛、複数の縦または横の部材、本出願の親出願に記載の種々のドクターブレード、あるいはそれらの組み合わせ等でもよい。せき止板５４の表面に、堆積４６とローラ表面との間の相互作用を制御するためにテフロン等を塗装してもよい。また、せき止板５４は、ローラ３０とは逆に回転するとともに、所望の厚さのローラ境界層を形成する間隔を置いてローラ３０に取り付けた第２のローラ（図示せず）からなっていてもよい。
図２ｅに関連して前述したように、せき止板５４は、せき止板５４を越えてローラ３０と接触し続ける材料の量を制御する。ローラ３０と接触し続ける材料は、ローラ境界層５５として役立つのが好ましいが、最適な実施例では、余分な材料１６は、ローラ３０が通った後の作業面２６を乱さないよう、せき止板５４を通過すべきでない。上記のように、ローラの上を越えて運ばれる材料は、一般的に均一に堆積するが、厚さが余分になる。それゆえ、厚い造形材料層２４が許容できる実施例では、材料がローラを越えて後ろに運ばれる作用を物体１２を造形する際効果的に使用される。
逆転ローラ３０およびせき止板５４を有する実施例は、１９９３年１１月８日に出願された「Thermal Stereolighography」と題された米国特許出願第08/148,544号（ここに全文を引用したものとする）で述べられている物体造形技法に使用してもよい。
図３ａは、ローラ３０の真上に位置しているせき止板５４示している。この構造では、堆積４６は、図示のように、ローラ３０が作業面２６を掃引するに従い、しだいに増える。この堆積４６が大きくなりすぎると、ローラ３０の前面から容器１４内に落ち、造形材料の層２４ｂの均一性に悪影響を与えることになる。したがって、この事態が発生するのを避けるため、堆積４６のモニターに配慮するのが好ましい。これは、与えられた回転速度３２および最大掃引面積考慮して、層２４ａの最初の厚さがローラ３０の能力に対して大き過ぎないようにするだけでよい。
掃引の終わりに、ローラ３０およびせき止板５４を、堆積４６が容器１４全体に拡散し、それによって作業面２６が上昇して層２４の均一性および厚さを乱すのを防止するため一時的に所定の位置に保持するようにしてもよい。作業面２６を刺激に露出した後、堆積４６を解放し、その材料を後の物体造形工程において使用するようにしてもよい。刺激への露出の前でも後でもよいが、好ましくは後で、回転および掃引の方向を反転し、次の造形材料の層２４を形成する。
物体１２から離れた領域における容器１４内の液面の高さを調節するために、刺激への露出前に、堆積４６を容器１４中の材料中に入れる必要があることもある。このため、堆積４６中の材料を、回転速度３２をゼロにするか緩めることにより、あるいはギャップＴを増加させることにより解放してもよい。さらに、ローラ３０を、堆積４６内の材料の量が容器１４内の液面の高さに影響しないように、容器１４の側部の溝（図示せず）内に停止させるようにしてもよい。
図３ｂには、堆積４６がローラ３０の前面でなく、主にローラ３０の上に形成されるように斜めに配されたせき止板５４が示されている。これによって、堆積４６が容器１４内に落ちる危険が減少する。せき止板５４がローラ３０に対してどのような位置にあったとしても、せき止板５４をローラ３０を保持する同じフレームに取り付けて差し支えない。せき止板５４は、掃引が始まると、その位置が変化するようにフレームに結合してもよい。例えば、せき止板５４を、図３ａのようにローラ３０の真上に位置させておき、堆積４６が形成し始めるにつれ、図３ｂのように斜めの位置に戻してもよい。ローラ３０が２方向に作業面２６を掃引する際に、その方向に応じて位置が変えられるようにせき止板５４をフレームに結合してもよい。この例では、容器１４を掃引した後、堆積４６をローラ３０から取り除くのに効果的な手段を使用することができるようになる。しかしながら、所望のローラ境界層５５の厚さＷを維持するため、せき止板５４とローラ３０との間に一定のギャップが維持されるよう注意すべきである。
図４ａ−４ｄには、逆転ローラ３０、せき止板５４および材料搬送装置（スクリュー）６０を有する他の実施例が示されている。図４ａにおいて、ローラ３０が作業面２６上を掃引するにつれ、堆積４６が形成される。しかしながら、せき止板５４が斜めになっているため、堆積４６はローラ３０の頂部を越えて流れ、図４ｂに示すようにねじ山６２を有するスクリューのような材料搬送装置６０に達する。スクリュー６０は、ローラ３０およびせき止板５４を保持するフレームに結合され、回転するのが好ましい。堆積４６の材料がスクリュー６０に到達すると、材料は、ねじ山６２間を流れ、スクリューの回転によりスクリューの一端方向に運ばれる。この材料の搬送はまた、さらにローラ３０の前面で形成される堆積４６の大きさも小くする。同時に、ローラ３０の前の堆積４６の全てあるいは一部が、その重みで層２４に落ちるのを防止する。この構造を異なる掃引方向に対して使用できるように第２の搬送装置（図示せず）をせき止板５４の下方に設けてもよい。これらの材料搬送装置は、空運転と材料の搬送とを交互に行うことになる。
スクリュー６０は十分長くて、材料をその一端まで搬送することによって、作業面２６の刺激に露出すべき部分の均一性を損なわないような位置において、例えば、容器１４の縁において、材料を容器１４に戻せるようになっているのが望ましい。搬送された材料を、容器１４とは別のタンク（図示せず）に入れてもよい。またそのタンクは、材料が容器１４内に戻される際に作業面２６が乱されないように、作業面２６の下方の容器１４の底に結合してもよい。
図４ｃは、堆積４６の材料が運び去られる別の実施例を示している。ここで、堆積４６は、ローラ３０を越えて流れてトラフ６４に流入する。このトラフ６４はせき止板５４に組み込んでもよい。トラフ４６に流入した材料は、図４ｄに示すように運び去られる。トラフ６４は、重力により容易に材料を搬送できるよう、端に向かって下方に傾斜している。いずれにしても、トラフ６４は、材料が作業面２６の均一性を妨げない位置で容器１４内に戻されるよう、あるいは別のリザーバに入れられるよう十分長いのが好ましい。ここでも、この材料の搬送によって、ローラ３０の前面に堆積する材料の量が減り、そのような堆積４６が層２４に落ちるのが防がれる。ポンプ、吸引装置のような他の材料搬送装置６０を使用して、堆積４６を減らしてもよい。
図５ａ−５ｂは、逆転ローラ３０、せき止板５４およびディスペンサ６６を使用した他の実施例を示している。図示のように、造形材料層２４ａは、別のタンクから材料を取り出し容器１４に加えることによって作業面２６を上昇させるディスペンサ６６を用いて最初に形成される。あるいは、ディスペンサ６６によって、材料を容器１４から取り出し、それを物体１２上に供給するとともに物体１２を１層分下げることによって作業面２６をほぼ一定の高さに保つようにしてもよい。図５ａは、１層分だけ下げた時、形成される最初の造形材料の層２４ａを示している。そこでは、材料１６が表面２２上を十分早い速度で流れるのを防ぐ境界６８が、粘度および表面エネルギー効果により表面２２の全周縁に形成されている。境界６８は、図５ａで表面２２の右側に示されており、左側の境界は、下記のように、すでに除去されている。
図５ａの実施例は造形材料１６を収容して、ローラ３０及びせき止板５４を伴って作業面２６を掃引するディスペンサ６６を示すものである。ディスペンサ６６は、直前に形成された物体断面２０上に造形材料１６を供給し、供給された材料は、ローラ３０により均一な造形材料層２４ｂとされる。ディスペンサ６６により供給される材料は、容器１４自身から取り出されるのが好ましい。容器１４中の材料１６の液面は、それによりいくらか低くなるが、図５ａー５ｂに示されるように、供給により回復する。材料を容器１４から取り出す時、材料をいったんポンプのシリンダ（図示せず）等に収容し、その後ディスペンサに搬送してもよい。ポンプのシリンダの吸引、吐出とディスペンサ６６の供給、排出との間の正確なタイミングに依存して、容器１４の材料の正味の液面は、上昇あるいは下降する。
上記のように、ローラ３０は、境界層から層２４ｂに持ち込まれる材料の厚さに見合う距離を考慮して、最終的に形成される造形材料層２４の所望の厚さに等しい分だけ表面２２の上方にある作業面２６上を移動させてもよい。前述のように、この距離は、ゼロとＴとの間にあると考えられる。ローラ３０の作業面２６からの距離は、固化および前記の他の作用による収縮をも考慮して調整してもよい。せき止板５４は、前記の実施例と同様の作用をする。ディスペンサ６６は、ローラ３０およびせき止板５４を保持するフレームに結合してもよいし、別のフレーム（図示せず）に結合してもよい。ディスペンサ６６が表面２２上に材料を供給すると、供給された材料１６が、図５ａに示すように既に存在している造形材料層２４および作業面２６と混ざる際、境界６８は、崩壊する。層２４を均一にし、所望の厚さにするため、ディスペンサ６６が逆転ローラ３０に続く。
図５ｂは、初期層２４ａの掃引が進行した状態でのディスペンサ６６、ローラ３０およびせき止板５４を示している。ここで、表面２２の右端上の境界６８は、供給された材料１６により破壊されている。またこの時点で、ローラ３０は層２４ａの一部を平滑化しており、層２４ｂ（すなわち層２４）が部分的に形成されている。堆積４６もまた、せき止板５４の傾斜によりローラ３０の頂上を越えて搬送されている。堆積４６がローラ３０に先行しないので、堆積４６がその重みで層２４中に沈下したり拡散したりすることがない。ローラ３０の前面に堆積４６があると、表面２２により支持されている層２４の部分にあるときよりもより容易に大きなトラップに成長する傾向がある。なぜなら、トラップ内には、容器１４の他の領域に通じる大きな流路があり、流れに対しての抵抗が小さいため、より迅速に材料１６の再分配がなされるからである。
ローラ３０、せき止板５４およびディスペンサ６６を保持するフレーム等の手段はこれらの構成要素の並び順を逆転できるように調整可能としてもよい。これによって容器１４の左方向あるいは右方向のどちら方向にでも供給および掃引動作ができるようになる。
図５ａ−５ｂの実施例の変形例においては、物体１２を全く浸すことなしに、造形材料の層２４が物体１２上に供給される。ここでは、直前の物体断面２０の形成後、物体１２は静止状態におかれ、ディスペンサ６６が、造形材料１６の層を物体１２上および直前に形成された物体断面２０の上面２２を取り囲んでいる造形材料１６の表面に供給するだけである。次に、ローラ３０が造形材料の層を所望の厚さに平滑化するとともに、表面の欠陥を軽減するかあるいは取り除く。本実施例では、次の層を付加するごとに作業面２６を上昇させてもよいし、作業面２６を固定して、容器１４の全体あるいは容器１４の底を１層分下降させてもよい。さらに、ディスペンサ６６が１層分以上の造形材料１６を供給し、余分な量は、供給された正確な量あるいは液面検出システムに基づいて、好ましくは両者に基づいて制御される除去装置により取り除くようにしてもよい。
図５ｃ−５ｄには、ディスペンサ６６の望ましい例がより詳細に示されている。ディスペンサ６６は、材料の供給を容易にするため傾斜した壁を有してもよい。ディスペンサ６６はまた、樹脂を表面２２に好ましい均一さで供給するメッシュ状あるいは穴の開いた底６９を有してもよい。図５ｄは、図５ｃの５ｄ−５ｄ線方向に見た穴の開いた底６９を示している。供給用の穴としては、１個以上のスロットあるいは他の穴のパターンも使用できる。チバガイギー社製樹脂ＳＬ５１４９あるいはＳＬ５１５４からなる造形材料に対しては、穴の直径は、詰まるのを防ぐため、約０．０２０インチから０．１００インチより大きい範囲にあるのが好ましい。しかしながら、好ましい直径は、粘度、表面張力および他の材料の特性により異なる。
図６ａ−６ｂは、図４ａ−４ｂに示された搬送装置６０とともに図５ａ−５ｂの実施例を示している。ここで、堆積した材料４６は、刺激に露出される作業面２６の部分に干渉しない容器１４内の場所に運ばれるか、あるいは別のタンクに運ばれる。前述のように、この材料の搬送によって、ローラ３０の前方にある堆積４６がさらに減少し、堆積した材料がローラ３０の前面の作業面２６に落ちる機会が減少する。
他の実施例では、ディスペンサ６６は、材料を直接せき止板の前方のローラ３０上に供給する、あるいは、もしより厚い積層が所望であればせき止板を使用しなくてもよい。せき止板を使用する場合、せき止板５４とローラ３０との間の距離Ｔは、１層分あるいは他の所望の厚さの材料がローラの通った後に積層されるような厚さの境界層５５が形成されるくらいが好ましい。この変形では、ディスペンサ６６がローラ３０に近接している場合には、ディスペンサ６６の後ろのアームは、せき止板として使用可能である。
刺激への露出は、掃引の完了後になされるのが好ましい。もし層２４の形成に多重掃引が使用されるのなら、刺激への露出は、最後の掃引の最中に開始してもよい。掃引の完了と刺激への露出との間に時間的遅れを設けて、その間にわずかな表面の欠陥が直るようにしてもよい。あるいは、層２４を形成するのに多重掃引が使用される場合、刺激への露出は、最初の掃引が完了する前に開始してもよい。
所望の厚さの積層および均一性を達成するのに積層パラメータのより柔軟性が必要な場合、物体１２の造形中、上述の他種のパラメータは、手動で調整される、あるいは、好ましくはコンピュータ制御される。これらの調整は、層の厚さが物体造形中変化する場合、物体造形中温度変化が発生する場合、あるいは、オペレータによる手動の介入が不要なように造形材料が交換される場合、有効である。例えば、回転速度、移動速度、ローラクリアランス、ローラギャップ、および掃引距離は、各掃引ごとに変えてもよい。同様に、ディスペンサ６６を使用する実施例では、材料１６の供給速度を変えてもよい。
次の物体断面形成のための最初の層２４ａの厚さを調節したり、造形材料の層２４を作成するのを助けたりするために、前述の実施例で、種々のタイプのドクターブレードをローラ３０とともに使用してもよい。タンク（図示せず）を、ローラ３０の動きの始点および終点となる容器１４の各側に配してもよい。これらのタンクの位置で、ローラ３０上にまだ残っている造形材料１６を取り除いてもよく、ローラ３０やせき止板５４に形成された堆積４６を降ろしてもよい。ここで述べられた全ての実施例と同様、別の液面維持技術によって、作業面２６が確実に望ましい平面上に存在するようにしてもよい。
前述のように、第１のローラと回転方向が逆で、使用される掃引方向を容易に変更できる第２のローラを付加してもよい。各ローラの垂直方向の位置は、各掃引の間、１つのローラだけが造形材料に接触するよう調整可能であってもよいし、不可能であってもよい。多重せき止板を使用するのが有効であることもある。
以上別々に説明した実施例の教示を相互に組み合わせることによりさらに別な実施例が得られる。また、ここでの逆転ローラと以下で述べる他の積層技法とを組み合わせることによってもさらに別な実施例が得られる。
インクジェット積層
本発明の他の実施例では、図７ａ−７ｇに示すようにインクジェットプリントヘッドリコータ１００が使用される。インクジェットに関する以下の特許は、全文をここに引用したものとする。
0003839479.tif 000002
インクジェットに関するさらなる背景情報は、アカデミアプレス社発行のADVANCES IN ELECTRONICS AND ELECTRON PHYSICS Vol.65, 1985のJ. HeinzlとC. H. Hertzによる「インクジェットプリンティング」と題された刊行物に見られる。この刊行物もまた、ここに全文を引用したものとする。本明細書においては、「インクジェット」という用語は、選択的印刷工程におけるインクの供給という従来からの使用法、あるいは米国特許第4,575,330号で述べられている、ステレオリソグラフィーにおける造形材料の固化を引き起こす反応化学品を供給するために「インクジェット」の使用に対して、物体形成の工程における造形材料の供給のことを意味する。
本実施例において、インクジェットアレイは、積層される表面の上から造形材料の小滴を供給する。表面に接触すると、個々の小滴はつぶれ、隣接した小滴と溶け合い造形材料の層を形成する。後述するように、これによると０．５ミル以下の薄さの層を形成することができ、高解像度の物体を作り出すことができることが分かっている。
図７ａに示すように、インクジェットプリントヘッドコータ１００は、インクジェット１０６のアレイが形成された底面１０４を有するインクジェットプリントキャリッジ１０２を備えている。コータ１００は、コータ１００が容器１４を横切って移動し、上から造形材料層を供給することを許容するフレーム（図示せず）によりＳＬＡに取り付けられている。コータ１００の動きおよびそこから供給される造形材料の層の量は、コンピュータで制御するのが好ましい。インクジェットは均一で所望の厚さの積層を供給するので、他の積層要素は要求されない。例えば、ドクターブレードは、インクジェット積層工程を補うのには使用する必要がないが、ある実施例においては、累積した誤差を取り除くため、一定数の層毎に使用すると有利である。この場合には、ドクターブレードを、例えば、２０層ごと、あるいは２００層ごとに使用する。いずれにしても、ドクターブレードを使用しないで済めば、ドクターブレードの使用によって生ずる前述のような問題が解決する。１つ以上のインクヘッドおよび移動システムをゆうする、ここで述べるインクジェット積層システムは、ドクターブレード積層システムの替わりに現在のステレオリソグラフィー装置に組み込むことができる。
材料をインクジェット１０６に供給するフレキシブルな供給ライン１０８は、キャリッジ１０２に連結されている。キャリッジ１０２は、ライン１０８から受けとった造形材料１６を各インクジェット１０６に供給するための内部通路（図示せず）を有している。あるいは、供給ライン１０８は、それ自身多重のラインに枝分かれしていて、各々がインクジェット１０６に連結されいてもよい。
図７ａに示すように、供給ライン１０８は、容器１４から延び、容器１４から材料１６を直接コータ１００に供給するためのポンプ１１０を有する。あるいは、材料は、別のタンク等の１つ以上の他の供給源から供給され、それにより物体１２の部分を異なった材料から選択的に形成できるようにしてもよい。これによって、導電性を有する部分や、ヒンジ等の柔軟性の必要な部分や、他の部分と異なった色、強度あるいは他の化学的、物理的特性を有する部分を含む物体１２を形成することができる。また、試作用の鋳型を形成するために後で取り除かれるワックスのような「非造形材料」を物体１２の内部に積層することもできる。
キャリッジ１０２は、容器１４の大部分にわたって延びるのに十分な長さを有している。この構成では、１つのキャリッジ１０２が容器１４を１回横切るだけで造形材料層２４を形成することができる。複数のキャリッジ１０２が互いに隣接して容器１４の異なった部分を横切るようにしてもよい。例えば、４つのキャリッジ１０２を使用して、各々が容器１４の１／４づつ担当するようにする。また１つのキャリッジ１０２が、十分な造形材料の層２４が形成されるまで容器１４の異なった部分を横切って移動するようにしてもよい。いずれにしても、層２４の形成後、キャリッジ１０２は、刺激の発生源２８との干渉を防ぐため、容器１４の周縁に位置するのが好ましい。あるいは、上記の逆転ローラの実施例と同様、キャリッジ１０２および容器の造形領域内にある位置決め装置を、供給された層２４から次の物体断面を形成する際、単に刺激に露出される領域外に位置させてもよい。
図７ｂ−７ｄに、底面１０４のインクジェット１０６のアレイの別の構成が示されている。インクジェット１０６のアレイは、供給される材料の容量流量を大きくするために何個のインクジェットを備えていてもよい。容量流量が大きい方が、大きな物体の形成に好ましい。容量流量が大きいと、連続した造形材料層の形成に必要とされる時間が短くなり、それにより全体の物体造形時間が短くなる。
いずれにしても、上述のように、各インクジェット１０６は、積層される表面に接触するとつぶれて、互いに融合する材料の小滴を供給する。したがって、インクジェット１０６は、小滴が表面に接触したときに互いに融合するように近接して供給されるように、互いに近接して配されるのが好ましい。インクジェット１０６間の実効的間隔も、キャリッジ１０２が容器１４を横切る位置により変化する。例えば、図７ｄに示すインクジェット１０６の構成は、図７ｂの構成に類似しているが、キャリッジ１０２が移動方向に対して斜めに位置しているため、インクジェット１０６間の間隔が実効的には小さくなっている。
インクジェット１０６間の最適な間隔は、供給される小滴の大きさ、使用される造形材料のタイプ、形成される物体の所望の解像度等の要因により異なる。第１に、インクジェット１０６間の間隔は、一般に小滴が大きければ大きくてよい。これは、積層される表面に接触してつぶれたとき、大きな小滴は大きな領域を覆い、間隔が離れていても他の大きな小滴と融合するからである。
第２に、造形材料の材料粘度が増加するにつれ、供給される際材料が通過するインクジェット１０６のオリフィス１１２を大きくせざるを得ない。これは主に、高粘度の材料は、オリフィス１１２が小さいとインクジェット１０６に詰まる傾向があるためである。したがって、材料の粘性が大きくなると、オリフィス１１２も大きくなり、小滴も大きくなり、インクジェット１０６間の間隔も大きくてよいことになる。しかしながら、粘性の大きい材料の小滴は、つぶれて融合するのに時間がかかるという事実とのかねあいを取る必要がある。したがって、オリフィス１１２間はやはり十分近い方が好ましい。
いずれにしても、材料１６の粘度は、インクジェット１０６の作用上の要求に縛られる。高解像度インクジェットディスペンサにおいては、一般に動作温度下で材料１６の粘度が５０センチポアズより小さいことが必要であり、３０センチポアズより小さいのが好ましい。中解像度インクジェットディスペンサでは、一般に材料１６の粘度が５００センチポアズより小さいことが要求される。材料１６は、粘度を下げるため加熱してもよいが、材料１６が光重合体あるいは熱重合体からなる時は注意が必要である。許容される加熱の程度は、含まれる単量体の安定性により制限され、実用的な単量体では、摂氏１００度より低い温度に制限されるからである。さらに、もし材料１６が高温で供給され固化されると、熱収縮により固化の際さらにゆがむ。しかしながら、この制限は、材料を固化の前に冷却することである程度緩和される。
第３に、高解像度を要求する物体は、一般的により薄い造形材料の層より形成され、薄い層を形成するためより小さい小滴が使用される。したがって、インクジェット１０６は、少なくとも、表面に接触してつぶれた小滴が均一な造形材料層２４を迅速に形成できるように十分接近していることが好ましい。高解像度の物体を形成できるだけでなく、より接近したインクジェット１０６から供給されたより小さい小滴はまた、物体造形時間を減少させることができる。すなわち、接近した小滴は、表面に接触し、融合した後、ならすのに短い時間ですむ。これは、作業面２６をより迅速に形成するのを可能とし、それにより刺激への露出前に要する時間を短縮させる。低い粘度および表面張力を有する材料も、表面に接触した後より迅速にならされ、それゆえ造形時間を短縮するのに役立つ。
インクジェット積層は、どの小滴の大きさが使用されるかにかかわらず、物体造形時間を短縮する。それは、供給された小滴の「雨」の下方向への力は比較的小さく、固化の際直前に形成された物体断面２０を乱さないからである。例えば、直前に形成された物体断面２０が放射線照射光重合体からなっている場合、光重合体が十分硬化し層２０が固体あるいは疑似固体の強度を示すまでに、ある程度の時間の経過が要求される。もし十分な硬化時間が経過する前に層２０上に造形材料層２４が形成されると、深浸けの際発生する層２０上の材料１６の流れの力によって、実質的にまだ流状である物体断面２０がながされてしまう。しかしながら、インクジェット小滴の雨の力は比較的小さいので、層２０は、最小限の硬化に必要な時間が経過していなくても、一般的には洗い流されない。したがって、物体１２の層を、短時間に連続して形成することができる。
いくつかの商業的に入手可能なインクジェットプリントヘッド１００は、本実施例の使用に適している。直径２ミルのオリフィス１１２を有するインクジェットプリントヘッドは、ニュー・ハンプシャー州ハノーバーのスペクトラ社製のモデルＨＤＳ９６である。このインクジェットは、積層される表面に接触するとつぶれる小滴を、０．５から１ミルの厚さを有し４から６ミルの直径を有するディスクに供給することができる。これらの寸法のディスクを形成するためには、インクジェットヘッドの底面１０４は、直前に形成された物体断面２０の頂面２２上１から２ｍｍにあるのが好ましい。
好適実施例は、スペクトラ社製ＨＤＳ９６プリントヘッドを２個有するキャリッジ１０２を備え、各プリントヘッドは、底面１０４に９６個のジェットあるいはオリフィス１１２を有する。供給は制御され、キャリッジ１０２は毎秒５６インチで移動し、各インクジェット１０６のアレイは、１インチ当たり３００個にのぼる小滴を毎秒１６、０００個の割合でを排出する。これによると、０．０００５インチ厚の層が、約５秒間で１２”×１２”の面積に形成される。
６から１０ミルの直径を有する小滴を噴射可能なインクジェットプリントヘッドは、コネクティカット州ウェストブルックにあるリー社製のモデルＩＮＺＸ０５００５０ＣＣであり、これは毎秒最大１、２００個の小滴を発射する。小滴が大きくなると解像度が下がるが、より大きな小滴を供給するキャリッジ１０２は、より廉価であり、厚い層の形成に有利な大きな容量流量で材料を供給することができ、粘度の高い材料も受け入れるため広範囲の粘度の材料を供給することができる。カリフォルニア州ウッドランドヒルズにあるデータプロダクツ社もこのインクジェット積層技法で使用可能なインクジェットヘッドを製造している。
層２４の厚さと小滴の大きさとの関係を示す例を問題になるパラメータを説明するために以下に論ずる。第１に、直径約２．２ミルの小滴を供給するスペクトラ社製ＨＤＳ９６プリントヘッドでは、体積=（4/3）πｒ3の関係式に基づいて１００ピコリットル（１００ｘ１０-12リットル）の小滴が形成される。１００ピコリットルの小滴が１インチ当たり３００×３００の割合で供給されれば、層２４の厚さは約０．５５ミルとなる。第２に、約１０ミルの小滴を供給するリー社のＩＮＺＸ０５００５０ＣＣプリントヘッドでは、小滴の体積は１、８００ピコリットルである。１インチ当たり１００×１００の小滴で、層２４は、約１．１ミルになる。
上記の思想および利点を反映するインクジェット積層の実施例を以下に説明する。図７ａにおいて、直前に形成された物体断面２０の頂面２２は、典型的には作業面、すなわち容器１４の材料１６の残りの表面、と同じ高さである。造形材料層２４は、コータ１００が容器１４を移動する際材料１６の排出１２０を供給する各インクジェット１０６により形成される。
第１の実施例は、インクジェットプリントヘッド１００に供給される材料１６を容器１４から得る構造になっている。ここで、図７ａに示されるように、コータ１００はすでに容器１４の一部を表面２２の右側まで横切ってしまっている。しかしながら、材料１６の高さは、表面２２とほぼ同じ高さに保たれている。なぜなら、材料１６が供給ライン１０８により容器１４からくみあげられても、コータ１００は基本的にこの材料１６を元に戻し、それにより容器１４中の材料１６の量を一定に保つからである。
コータ１００が表面２２を横切ると、排出１２０は、所望の厚さの造形材料の層２４を形成する。しかしながら、ステレオリソグラフィーにおいての実用的関心事である０．５から１０ミルの厚さの層２４の場合には、材料１６の表面張力および粘度によって、実際には材料は層２４の端で止まり、表面２２の端部上を越えて流れて、容器１４に戻ることはない。ゆえに、容器１４内の材料１６の量は、層２４の量に等しい量だけわずかに減少する。コータ１００が容器１４を表面２２の左側へ横切ると、取られた材料が排出１２０によって元に戻るので材料１６の量はほぼ一定に保たれる。
コータ１００が容器１４を横切った後では、表面上に供給された材料１６の表面１２６は、容器１４の他の部分より（ａ）造形材料の層２４の所望の厚さと（ｂ）表面２２が横切られた際、容器１４内の補充の欠如のため作業面２６が低下された高さの合計分だけ高い。したがって、一定の作業面２６を形成するため、支持台１８は、図７ｅに示されている状態になるように、この高さ分降下される。この時点で、プリントヘッド１００が容器１４の周縁に位置しており、層２４が刺激の発生源２８からの刺激に露出されるのが好ましい。
所望の厚さの層を形成するための十分な量の材料が供給されるように、インクジェットコータ１００を表面２２上複数回通過させて材料を供給してもよい。さらに、プリントヘッド１００の行程によって小滴供給点を変えて、前の小滴と小滴の間に小滴を供給することによって、より均一な積層が得られるようにしてもよい。また、供給時間を短縮するため、供給システムのプリントヘッドの数を増やして、より速い供給を可能にしてもよい。
もし以前に固化された物体断面２０により囲まれた領域外に材料を供給する必要が無く、トラップを形成する必要もないと仮定すると、供給時間が短縮される他の実施例が可能である。前の実施例で述べたように、適当な条件下では、表面２２から離れた領域上に材料を供給してもほとんど意味がない。したがって、前の実施例での変更態様として、インクジェット１００から材料を表面２２およびトラップがあればその領域上に供給してもよい。この方法で供給後、以前に形成された物体断面２０を、１層の厚さだけ下げてもよい。この降下によって、以前に形成された断面２０を所望の作業面２６に対して適切に位置づけ、また表面２２上の層２４の上面を容器１４の材料１６の他の部分と同じ高さにすることができる。それゆえ、以前に形成された断面２０上の層２４の境界領域における材料がこれらの領域に隣接した材料１６と融合する短い遅滞の後、３次元物体の次の断面形成のため刺激への露出がなされる。インクジェットヘッド１００によりより少ない材料が供給されるので、本実施例における積層の時間は短縮される。
他の実施例が図７ｆに示されており、これはインクジェットヘッド１００から材料を供給する前に、支持台１８が最初に造形材料層２４の所要の厚さに等しい距離降下させられることを除くと前の実施例と同様である。これによって、境界６８が表面の周りに形成されることになる。粘度及び表面張力の作用で表面２２を取り巻く材料が表面２２上に流れ込めないからである。コータ１００は、物体１２の表面が存在する場所、すなわち表面２２（トラップがあればトラップを含む）上にのみ容器１４内を移動する。造形材料の層２４は所望の厚さに供給され、この完了時点で、以前の実施例に関連して述べられたような、材料１６が境界６８を越えて流入するための待ち時間なしに、均一な作業面２６が形成される。いずれの場合でも、供給後短い待ち時間をとってもよく、その方が望ましい場合もある。
臨界部分の積層
別の実施例では、選択された区域、すなわち直前に形成された物体断面２０の表面２２およびトラップ上、のみに材料を供給することによって大幅に時間を節約すると同時に、必要な全区域に確実に材料が供給される。
逆転ローラ技法に関して上記したように、大きな流路により連通している深い領域のみが、容易に均一の高さになる。それゆえ、浅い領域および容器１４内の大容量との連絡が小さい領域が適切に積層されるのを確実にするため、インクジェットヘッド１００でこれらの領域に材料を供給するのが好ましい。逆転ローラの実施例に関して上記したように、やっかいであると考えられる領域の深さは、造形材料の粘度および表面エネルギー、さらに変質された造形材料の表面エネルギーに依存する。また上記のように、その深さは約４０ミル（１ｍｍ）より小さい値から約２４０ミル（６ｍｍ）である。それゆえ適切な供給を確実にするため、インクジェットヘッド１００が４０ミルより小さい値から２４０ミルの深さを有する全ての浅い領域上に材料を供給するのが好ましい。比較的低い粘度、例えば１から１００センチポアズ、を有する材料に対しては、やっかいであると考えられる浅い領域とは４０ミル以下の深さを有する領域であると判断される。中くらいの粘度、例えば１００から１、０００センチポアズ、を有する材料に対しては、浅い領域とは約４０から１２０ミルの深さを有する領域であると判断される。比較的高い粘度、例えば１、０００から１０、０００センチポアズ、を有する材料に対しては、浅い領域とは１２０から２４０ミル程度の深さを有する領域であると判断される。
これらの条件の下で、物体１２の断面のデータを基にして層あるいは断面比較をして、各層のどの領域が浅い領域であると見なされるべきかを正確に判断する。
層比較技法は、１９９４年４月２５日出願の同時係属の米国特許出願第08/233,027号および１９９４年６月１６日出願の米国特許出願第08/259,333号にそれぞれ開示されている。これらの出願は、ここに全文を引用したものとする。
どの領域が浅くてやっかいであるかを決定するため、まず領域が浅いと見なされる深さを決定あるいは特定する。そして浅い領域の深さを物体１２を形成する際使用される層の厚さで分割する。得られた商を切り上げた値は、層比較過程で使用される層の数Ｎを表す。次に直前に固化された断面２０に含まれる領域と前に形成された（Ｎ−１）枚の断面の全てに含まれる領域とのブール和が求められる。この計算の結果は、形成しようとしている層の、インクジェットヘッド１００により積層されるのが望ましい浅い領域を表す。各層における浅い領域の決定は、物体１２の形成を始める前に行ってもよいし、あるいは物体形成中必要に応じて行ってもよい。所望のデータを得る際、加算（＋）、減算（−）、積算（×）等の演算を含む種々のブール演算を使用することができる。
容器１４中の材料の大容量から孤立した、あるいはそこからの接続の乏しい領域における材料を決定してもよい。このような領域はトラップおよびトラップに「近い」領域を含む。インクジェットプリントヘッド１００により積層されるべき領域を定義する際、トラップおよびトラップに近い領域が浅い領域に含まれることを確実にするための種々の方法がある。最も簡単な方法は、物体の以前の断面、接続された物体および支持体に含まれる全ての領域のブール和を演算するである。このブール和の結果は造形材料層２４形成の際積層される領域を規定する。
この計算を使用する実施例の簡単なものでは、物体１２がトラップおよび／またはトラップに近い領域を含むか否かを示すためＳＬＡのオペレータによりセットされるスイッチが設けられる。このスイッチのセッティングに基づいて、各層に対してどのトラップ領域が積層されるかの決定は、Ｎ枚の以前に形成された物体断面か全ての以前に形成された物体断面のどちらかから引き出される。物体の形状によっては、スイッチのセットを「トラップなし」にセットすることはスイッチが逆にセットした場合に積層される量以下の材料を積層する結果となる。
トラップにより引き起こされる問題を避ける他の例として、各物体断面の最大寸法が方形の最小供給領域を決定するのに使用される。与えられた層を形成するための正味の供給領域を決定するため、直前のＮ枚の断面の各々から最小の方形の供給領域のブール和が作られる。このブール和は、正味の供給領域を表す。完全に自動化された技法もまた、各層の形成時、積層される最小領域を引き出すため実施されてもよい。
与えられた材料に対しての、浅い領域と判定すべき深さは、実験により決定してもよい。積層のテストを比較的大きな断面積および臨界円を有する断面に対して行ってもよい。断面の断面積および臨界円は、典型的にＳＬＡにより造形される物体の断面寸法に対応するよう選択されるべきである。例えば、もし最初小さい物体、例えば半径が１／２インチより小さい臨界円の断面を有する物体を造形しようとした場合、半径が１／２インチの臨界円のテスト表面が使用される。あるいは、半径が４インチの断面臨界円を有する物体を造形しようとした場合、同じサイズのテスト表面が使用されるべきである。そしてその表面を異なる深さで液体に浸し、その深さ毎に材料が断面上に溢れるのに要する時間を決定する。適度に短い時間、例えば２秒より短い時間から５秒、で積層が形成される最小深さが浅い領域の深さとなる。
１つ以上の逆侵食工程、すなわち拡張工程によって、インクジェットによる供給が必要であると決定された領域をある程度広げ、インクジェットプリントヘッド１００による積層が適切に行われるようにしてもよい。これは特に、層を形成時のインクジェット供給領域と断面形成時の刺激に露出する領域との間の完全な整合を避けることが望ましい場合、そうである。侵食ルーチンおよび逆侵食ルーチンは、米国特許出願第08/233,027号、第08/233,026号、第08/259,333号等の前に引用した特許出願に述べられている。また、Hull等により１９９４年８月３１日に出願された米国特許出願第08/299,475号にも開示されている。本出願は、ここに全文を引用したものとする。要するに、逆侵食工程は、補正量が負で領域の縮小ではなくて、断面積の拡大になることを除けば、ライン幅、硬化幅あるいはビーム幅補正技法と同じである。
上記の侵食技法およびブール演算は、領域を規定する境界ベクトルに対して実行してもよく、あるいは領域を規定するビットマップ（ピクセルマップ）を構成するソフトウェアあるいはハードウェアに対して実行してもよい。いずれにしても、インクジェット制御は、積層される領域のビットマップ表示に基づくのが好ましい。
図７ｇに、物体１２の造形時間を短縮することのできる、インクジェット積層を含む別の実施例が示されている。ここで、最初に形成された層２４の一部を刺激に露出しながら、同時に層２４の残りの部分を形成する。物体１２は、以下に述べるように、適切な時期に周囲の液体中に沈められる。また、インクジェットコータ１００は、直前に形成された物体断面２０の頂面２２が完全に刺激に露出される前に、その表面２２上に層２４を供給し始めてもよい。すなわち、インクジェットコータ１００は、表面２２全体が刺激に露出されるまで待機せずに、刺激への露出中に表面２２の一部上に積層しても差し支えない。
図７ｇは、上から見た、セクションＡおよびＢに分割された表面２２を示している。刺激の発生源２８を制御するソフトウェアは、セクションｂに移る前に、表面２２のセクションＡの全ての部分を刺激に露出するよう発生源２８に指示するのが好ましい。セクションＡが刺激に露出された後、コータ１００は、セクションＢが刺激に露出されている間に、次の層２４をセクションＡ上に直ちに形成してもよい。同様に、セクションＢが刺激に露出された後、コータ１００は、セクションＢ上に次の層２４を形成し、一方刺激の発生源２８は、積層されたばかりのセクションＡの層２４の部分を刺激に露出してもよい。この工程を交互に行って、物体１２の造形時間を短縮してもよい。
セクションＡを刺激に露出しているときに、セクションＡの液面、すなわち作業面２６、を乱さないよう、表面２２のセクションＢ上に供給される材料１６が容器１４とは別のタンク（図示せず）から供給されるようにしてもよい。セクションＢが刺激に露出された後、支持台１８を１層分あるいは所望の厚さ分降下させるとともに、支持台１８の降下によって押し上げられる分の材料１６を別のタンクに移して、容器１４中の材料１６の量を修正してもよい。
インクジェット積層を含む別の実施例においては、物体１２が最初に形成される時には材料１６で満たされていない容器１４中で物体１２が形成される。ここで、造形材料層２４が容器１４全体に供給され、選択的に刺激に露出される。そして支持台１８の位置を変えずに、次の層２４が容器１４全体に形成され、選択的に刺激に露出される。このように、作業面２６は、物体１２が造形されるにつれ上昇する。作業面２６と刺激の発生源２８とを適切な距離に保つため、発生源２８を各層２４が形成される度に上昇させてもよい。
ジェットの噴射ミスあるいは各ジェットにより供給される量の差による積層誤差を最小限にするため、各ジェットを、材料を異なった量で供給するよう制御してもよい。本明細書の他の部分に記載されているように、前に形成された断面上に正確な量の材料を供給することによって層および断面を形成する際に生じる表面高における非均一性に対処するための実施例を前述の実施例とともに使用してもよい。
以上別々に説明したインクジェットの実施例の教示を互いに組み合わせることによってさらに他の実施例を考えることができる。またインクジェット積層と前述および後述の他の積層技法とを組み合わせることによってもさらに別な実施例が得られる。
遠心噴射（sling）積層
図８ａ−８ｎに示されている本発明の他の実施例はアプリケータ２１０を備えている。該アプリケータは、作業面２６を掃引し、アプリケータから造形材料を遠心力によって噴射する回転部材を有する。造形材料は少なくとも最後に形成された物体断面２０上に、一般には少なくとも作業面２６の一部の上に遠心力によって噴射される。好適実施例が図８ａに示されている。図８ａは造形材料の霧２１１を少なくとも直前に形成された物体断面２０の頂面２２上に遠心力によって噴射することにより造形材料層２４を形成するアプリケータ２１０の側面図である
アプリケータ２１０は、好ましくはアプリケータ２１０が移動する方向２１７に対し軸が垂直に位置している供給ローラ２１３を収容する外囲容器２１２を備えている。供給ローラ２１３の軸を掃引方向に対して斜めに位置させてもよい。ローラ２１３は、図８ｂに示されているように、車軸２１６に取り付けられた１本の断面円形のバーを備えていてもよいし、、あるいは図８ｃに示されるように、車軸２１６に互いに近接して取り付けられた一連のホイール２１５を備えていてもよい。ローラ２１３は、少なくとも形成すべき物体１２の幅全体に亘って延びるのが望ましく、作業面２６の幅ほぼ全体に亘って延びるのがより望ましい。容器１４が側室を備えている場合には、アプリケータ２１０およびローラ２１３は、容器１４の幅を越えて延びていてもよい。ローラ２１３はモータ（図示せず）により回転あるいは他の態様駆動されてもよい。
ローラ２１３の長さ方向に沿って間隔をおいて配された一列のノズル２１９、あるいは外囲容器２１２に収容されたスリットによって、ローラ２１３表面に、あるいはローラ２１３の表面の近くに造形材料１６を供給してもよい。好ましくは、各ホイール２１５あるいはローラ２１３のセクションがほぼ等しい量の材料を表面２２上あるいは作業面２６上に噴射するよう、ほぼ等しい量の材料が各ノズル２１３を通って供給される。あるいは、以下で述べるように、材料を、ローラ２１３の軸の近くに、例えば車軸２１６を介して、供給し、その材料が外側に向かってローラ表面に移動して噴射されるようにしてもよい。
材料がローラ２１３の表面に、あるいはローラ２１３の表面の近くに供給される場合、特にローラ２１３がノズル２１９によって供給された材料がローラが１回転する間には離れるような十分高速で回転すれば、少なくとも適度に選択的な材料の噴射が行われる。遠心力による噴射を所定の方向へ向ける他の技法は、カム、あるいは他の非円筒型回転ローラあるいはホイール、あるいは偏心回転する筒状ローラあるいはホイールを使用して、ローラあるいはホイールに対する材料を所定のタイミングで間欠的に供給することである。回転中のローラ２１３あるいはホイール２１５の同じ位置に材料が供給されるようなタイミングで材料を供給し、その材料がローラ２１３あるいはホイール２１５が完全に一回転する前に遠心力によって噴射されるようにするのが望ましい。ホイールあるいはローラアセンブリのベアリングにかかる力の不均衡を最小限にするため、ローラあるいはホイールアセンブリはその重心が回転軸に一致するよう設計されてもよい。これは、ローラ２１３あるいはホイール２１５の一部を適切に重みづけることにより、あるいはローラ２１３あるいはホイール２１５の長さ方向に沿った各部分の「材料発射」領域が円周方向に異なるようにすることにより達成されてもよい。
ローラ２１３の表面の近くに供給される材料は、ローラ２１３が材料を受け取り易くするため、ローラ２１３の接線方向速度に相当する速度成分で導入されるのが好ましい。いずれにせよ、ローラ２１３から噴射される材料は、外囲容器２１２の開口部２２４に向かい、その開口部を通過し、アプリケータ２１０が容器１４を横切って掃引すると、作業面２６の表面２２に造形材料の層２４を形成する。外囲容器２１２は、外囲容器２１２によりさえぎられた材料１６が表面２２あるいは作業面２６に落ちるのを防いだり、霧２１１をさえぎったりするフランジ２２５を備えていてもよい。
例えばノズルにより、材料がローラ表面に供給される場合、ローラ２１３から噴射される材料は、ローラ表面に対し接線方向に射出される。材料が車軸２１６等を介してローラの中心あるいは中心の近くに供給される場合、材料はローラ表面に近づくにつれ半径方向速度成分を有する。しかしながら、そのような材料は一般にローラに対しほぼ接線方向に射出される。なぜなら、半径方向速度成分は接線方向速度成分に比較して相対的に小さいからである。もしローラの中心あるいは中心の近くに供給される材料の半径方向速度成分および接線方向速度成分が制御されるならば、材料をローラ表面から接線方向と半径方向との間の所望の角度で射出できる。
いずれにしても、図８ａに示すように、ローラ２１３は、開口部２２４およびフランジ２２５の大きさおよび位置が霧２１１の大きさおよび方向を決定するよう、完全に外囲容器２１２内に位置するのが好ましい。この目的のため、開口部２２４およびフランジ２２５の大きさおよび向きをスプレー２１１の所望の構成の霧２１１が得られるように調整してよい。フランジ２２５は、直接開口部２２４を通って射出されなかった材料が、外囲容器２１２からの滴となって、後で間接的にあるいは残りとして開口部２２４を通過しないように構成するのが好ましい。
図８ｎに示すように、外囲容器２１２は、材料が制御されずに放出される可能性をより低減するため、さらに材料トラップ２２６および材料除去部材２２８を有するのが望ましい。フランジ２２５および追加のトラップ２６や材料除去部材２２８は、滴のために材料の噴射が不均一となり、その結果、層２４に不均一な領域が形成されるのを防止する。そのため、フランジ２２５は、射出された材料がフランジの外表面に当たり、その後表面２２あるいは作業面２６上に落ちる可能性を最小限にするように構成するのが好ましい。これは、例えば図８ａに示すように、フランジ２２５の向きを材料の噴射の方向と平行にするかあるいは材料の射出の経路に対しある角度をなすようにし、射出された材料がフランジ２２５の内部に当たるようにすることによって達成することができる。さらにフランジ２２５の外表面に当たる残留材料は、補助フランジや材料除去装置、例えば吸引装置あるいは排水装置、適切に使用して拾い上げられるあるいは除去される。
外囲容器２１２の構成を、図８ａに示されたものから、外部材料の除去や捕捉がよりよくできるように変更してもよい。上記のように、外囲容器２１２は、対称的に設計されてもよく、あるいはフランジ２２５から延びる下方に傾斜した面を有してもよい。このような外囲容器２１２の構成の例が、図８ｎに示されており、この例には追加のトラップ２２６および除去孔２２８が設けられている。
上記のように、材料をローラ表面あるいはローラ表面の近くに供給する替わりに、材料を車軸２１６等を介してローラ２１３あるいはローラ２１３の中心に供給してもよい。材料は、半径方向外方に向かいローラ表面に運ばれ、そこで噴射される。この目的のため、車軸２１６は造形材料が充填された、パーフォレーションを有する中空のチューブをからなっていてもよい。材料は、車軸２１６からパーフォレーションおよび通路（図８ｅ参照）を通り、ローラ２１３を通りローラ２１３の表面に移動する。
ローラ２１３に、１本ないし数本のワイヤ（図示せず）を巻いたり、あるいはその表面に刻み目やパターンを付けることによって、霧２１１が噴射されるローラ２１３上の規制するのが容易になるようにしてもよい。ローラ２１３は、図８ｇにおける点２２１のような突点を備えていてもよい。突点２２があると、材料１６がそこに引き寄せられ、そこから噴射されるため霧２１１が均一になりやすい。ローラ２１３あるいはホイール２１５は、図８ｄに示されるように、多孔性材料２２２からなっていてもよく、あるいは多孔性材料２２２に覆われていてもよい。この構成では、ローラ２１３あるいはホイール２１５の軸の近くに供給される材料は、次の射出のため多孔性材料を通ってローラ表面に移動する。あるいは、多孔性材料によって、ローラ２１３あるいはホイール２１５がローラ表面あるいはローラ表面の近くにノズル等により供給された材料を吸収するようにしてもよい。あるいは、図８ｅに示すように、ローラ２１３あるいはホイール２１５は、中心部からローラ表面に延び、材料が流れるチャネルを形成している複数の放射状に開口した穴２２３を備えていてもよい。
回転ディスペンサから造形材料を遠心力によって噴射する遠心噴射積層の別の実施例は、図８ｆ−８ｊに示されている。図８ｆは直前に形成された物体断面２０の頂面２２上に造形材料の霧２１１を噴射することにより造形材料の層２４を形成しているアプリケータ２１０の側断面図を示す。アプリケータ２１０もまた、表面２２を横切って移動するフレーム（図示せず）によりＳＬＡに接続されている外囲容器２１２を備えていてよい。アプリケータ２１０は、コンピュータ制御されるのが好ましい。
外囲容器２１２は、一列に並べられた複数のスプレーノズル２１９を収容しており、該スプレーノズルは造形材料１６を対応する列状の回転ホイールアセンブリ２４０上に供給する。容器１４あるいは他の供給源から延びている供給ライン（図示せず）は、材料１６をアプリケータ２１０に供給するのに使用され、アプリケータ２１０は、材料１６を各ノズル２１９に供給する。
外囲容器２１２は、一列に並んだ１０から４０のノズル２１９および回転ホイールアセンブリ２４０を収容するのに十分な大きさを有しているのが好ましい。この数のノズル２１９およびホイールアセンブリ２４０は、約１０インチの長さを有する外囲容器２１２内に収容されるのが好ましい。より長いあるいはより短い外囲容器２１２およびより多いあるいはより少ないノズル２１９およびホイールアセンブリ２４０がより大きいあるいはより小さい表面２２を積層するのに使用され、あるいは表面２２の別の部分上の多重パスがより短いアプリケータ２１０によりあるいは複数のアプリケータ２１０により行われてもよい。さらに、もしより短いアプリケータ２１０あるいは複数のより短いアプリケータが使用する場合には、特定のホイールアセンブリ２４０により積層される領域をランダムにしたり、積層順を変更したりして、各ホイールアセンブリ２４０が常に同じ場所に積層するとした場合に各ホイールアセンブリ２４０により供給される量あるいは材料におけるわずかな差異から生じ得る厚さ異常を軽減するようにしてもよい。
各回転ホイールアセンブリ２４０は、モータ２４６により駆動される車軸２４により回転されるホイール２４２を含んでもよい。ホイール２４２および車軸２４４は、アルミニウムのような軽い材料からなるのが好ましい。ホイール２４２は、定常状態でホイールアセンブリ２４０を運転できなかった場合に生じる、供給される材料の量的変動を減少するためほぼ一定のスピードで駆動されるのが好ましい。しかしながら、所望の場合、ホイール２４２が回転する速度およびアプリケータ２１０が容器１４を横切って移動する速度は、所望の厚さの層２４を形成するため変更するのが好ましい。この変更は各掃引ごとに実行されるのが最適である。
外囲容器２１２が個々の開口部２２４を含み、該開口部を通って各ホイール２１５から材料が供給されてもよい。材料は典型的には図８ｈに示すように、半径方向よりは接線方向にホイール２４２から噴射されるので、ホイール２４２は、外囲容器２１２を越えて突き出でないのが好ましい。図８ｈは、反時計方向に回転しているホイール２４２のうちの１つおよび材料がホイールから本質的に接戦方向に噴射されているのを示している。
図８ｉは、車軸２４４の断面図であり、反時計方向２６０に回転し材料１６を全方向に供給している複数のホイール２４２のうちの３つを示している。開口部２２４方向に供給されている材料のみが実際にアプリケータ２１０から作業面２６あるいは表面２２に噴射される。それ以外の方向に供給された材料は、一部がフランジ２２５により形成されているトラフ２６２に入る。トラフ２６２中の材料は、ポンプあるいは他の装置（図示せず）によりホイール２４２に再供給されるよう循環されてもよい。図示のように、フランジ２２５は、接戦方向にそれぞれのホイールを指しており、材料が開口部２２４を通して直接外囲容器２１２から出ることができる。。
図８ｉからわかるように、外囲容器２１２の上部は、この方向に噴射された材料が外囲容器２１２に当たり、滴になって下に落ちることが滅多にないように湾曲した部分２６４を有する。外囲容器２１２に当たった際、この材料は、噴射力によって湾曲した部分２６４を伝わりトラフ２６２に落ちる。外囲容器２１２の内面は材料がトラフ２６２に容易に流れ込むように剥離剤で被われてもよい。あるいは、外囲容器２１２は供給された材料が外囲容器２１２に付着するよう多孔性材料で被われていてもよい。ここで、材料がトラフ２６２に流れる際材料を適性位置に保持するのに毛管作用が利用される。
また図８ｉからわかるように、外囲容器２１２は、あるホイール２４２から供給された材料が隣接したホイール２４２に当たるのを妨げるシールド２６６を有するのが好ましい。シールド２６６はまた、材料が誤ってに隣接したホイールの開口部２２４から供給されるのを防ぐ。シールド２６６は、各ホイールから射出される材料を別々に保つためトラフ２６２に接続してもよい。この材料の分離は、各ホイールのそれぞれの開口部２２４を通じてほぼ等しい量の材料を供給するのに役に立つ。この材料を別々に保つことは、安定した供給が所望のレベルで維持されるのを確実にするため、下記のフィードバック機構と組み合わされてもよい。いずれにせよ、もし既知の量の材料が各ホイールに供給され、トラップされた材料と供給された材料との量の差が確定されれば、各ホイールアセンブリ２４０により供給された材料の量の一次近似値が得られる。
図８ｉはまた、材料がホイール２４２から接線方向に噴射されるので開口部２２４はホイール２４２から中心をずらして位置するのが好ましいことを示している。さらに、ホイール２４２間の間隔、開口部の大きさおよび位置、およびアプリケータ２１０の底２７６から作業面２６までの距離は、均一で所望の厚さの層を供給できるよう調整されるのが好ましい。この目的のため、以下のような種々の変形が所望の層２４の形成において役に立つ。１）噴射ポイント全てが作業面２６から同じ距離にあるわけでも、同じ角度に向いているわけでもないので、非対称的供給パターンの使用が有効である。２）アプリケータ２１０の各セルは、互いに反対方向に回転する２つのホイール２４２からなり、それにより開口部２２４がホイール２４２と中心がそろっていてもよい。３）連続したホイール２４２の回転方向は交互でもよい。４）ホイール２４２を他のアプリケータのホイールと交錯する位置に有する第２のあるいはそれ以上のアプリケータ２１０を設けてもよい。５）個々のホイールは、異なった高さに位置してもよい、例えば同方向に回転する隣接したホイールは、より対称的に材料を供給できるように開口部を適切に調整して互いに違う高さに設置されてもよい。
あるいは、上述した理由からそれほど好ましくはないが、外囲容器２１２は、全てのホイール２１８がそれを通じて材料を供給する長さの大部分に亘り延在する連続スリットを備えていてもよい。上述した実施例に関して、材料１６がホイール２４２の内部または外部に供給されるようにノズル２１９を配置してもよい。しかしながら、材料が所定の方向により選択的に供給されるように、全回転に関して材料がホイール２１５に付着しないホイール２１５の外部で供給が行われることが最も好ましい。
外囲容器２１２により捕らえられた材料は一般的に下方に流動する。フランジ２２５を開口部２２４の上に配置して、下方に流動する材料１６を開口部２２４の周りと、堆積２７０が形成される外囲容器２１２の底面に向けてもよい。この堆積した造形材料を、後に再利用するために、ライン（図示せず）を通して、容器１４または造形材料１６の他の供給源に戻してもよい。したがって、この実施例により造形材料１６を効率的に使用することができ、したがって、ＳＬＡを円転する費用が減少する。
アプリケータ２１０は、造形材料スプレー２１１を放出しながら、表面２２を横切ってＸ方向２１７に移動する。ホイール２４２により供給された個々のスプレー２１１は、表面２２の上を掃引する凝集体スプレーを形成し、それによって、造形材料層２４が形成される。このようにして層２４を形成することにより、カーテンコータに関連する空気ポケットおよび気泡の問題を克服する。
定常条件を維持するために、一度物体の造形が開始されたら、ホイール２４２が絶えず回転し、材料16を絶えず吹き付けることが好ましい。材料１６の供給源が容器１４である場合でさえ、一定の吹き付けによって、容器１４内の材料１６の容積が不利に変わらない、例えば、刺激の発生源２８に関して作業面２６が置き違えられない。なぜならば、材料１６が外囲容器２１２中に引き込まれるときに、造形材料層２４の形態で材料もまた容器１４中に吹き付けて戻されるからである。したがって、容器１４内の材料１６の容積において目に見えるほどの正味の変化はない。所定の定常環境において、外囲容器２１２内に残留する材料の量は、他の環境に関する量とは異なっていてもよい。このことにより、以前に論じたように、独立した液体レベリング装置を使用することにより収容される容器内の材料が変動する。
アプリケータ２１０は、単位面積当たりに吹き付けられる材料１６の量が変化し、それによって、層２４の均一性が変わるような各々の連続掃引に亘って、移動の初めと終わりで加速および減速してもよい。しかしながら、この加速／減速は、容器１４の周囲近くかつ造形される物体から離れて行われることが好ましい。あるいは、定常条件が損なわれるためにそれほど好ましくはないが、ホイール２４２が回転する速度もまた、この期間中に遅くなって、アプリケータ２１０から供給される材料１６の量を減少させて、アプリケータのより遅い速度を埋め合わせてもよい。
他の速度も可能であるが、ホイール２４２が約１，０００ｒｐｍから約１０，０００ｒｐｍの速度で回転すること、およびホイール２４２が、１／２インチと２インチとの間、より好ましくは１／２インチと１インチとの間、そして最も好ましくは約３／４インチの直径を有することが好ましい。図８ｇに示したように、ホイール２４２は、材料が回転ホイールを去る発射地点として機能する円周上に間隔の置かれた複数の地点からなるのこぎり状の縁を備えていてもよい。これによって、材料１６は、発射地点に到達したときに、より大きい力に遭遇し、液滴がより均一に放出され、それによって、より均一な層２４が形成される。
この積層実施例において、小さな欠陥を改善する傾向にある光重合性樹脂、例えば、ＳＬ５１４９、ＳＬ５１５４およびＬＭＢ５４６３（すべてがチバガイギー社により製造された）を使用することが最も好ましい。これらの樹脂の液滴は、接触した際に互いに迅速に溶け合う傾向にあり、それによって、それらの間の境界の痕跡がなくなる。このように、各々のホイール２４２からのスプレー２１１が表面２２と接触するときに、供給された造形材料は迅速にどのようなでこぼこも平滑にするように適合し、それによって、均一な造形材料層２４を形成する。
連続物体断面の造形中に堆積した誤差、不均一に施された層による誤差およびこの用途の他の実施例に関して論じられた収縮による誤差を補正する技術をこの実施例に関して用いてもよい。例えば、アプリケータ２１０が、ｎ番目の層ごとに追加の造形材料層２４を供給して、全体の高さの不足を補正してもよい。また、外囲容器２１２の底面２７６をドクターブレードとして用いて、厚さのでこぼこを補正してもよい。周期的な層、例えば、１０番目から２００番目の層ごとの上塗り工程、例えば、深く浸漬することに関して、このように外囲容器２１２をドクターブレードとして用いて、以前に形成された物体断面の上に積み重なって堆積した誤差を補正してもよい。あるいは、上塗り工程に、遠心噴射装置から過剰な量の材料を供給する工程を含めても差し支えない。この過剰な材料は、ドクターブレードを用いて切断して整えてもよい。また、アプリケータ２１０の掃引速度を増大または減少させて、以前に形成された層の厚さの誤差を補ってもよい。
図８ｆに示した形状に代わるものが図８ｊに示されている。図８ａの実施例に関するように、開口部２２４のサイズおよび位置が、スプレー２１１の寸法並びにスプレー２１１が表面２２に接触する方向を直接的に制御する。このようにして、精密に制御されたスプレー２１１を表面２２に方向付けてもよい。また、開口部２２４が詰まったり、開口部２２４から過剰の材料が供給されないように、外囲容器２１２内にガイド２８０を取り付けて、外囲容器２１２により遮られた材料を開口部２２４から離すように方向付けてもよい。
この実施例には、ここに記載するように、材料１６をホイール２４２に供給する再利用形態を含める。ガイド２８０が、遮られた材料を外囲容器２１２の底面近くの堆積２７０に方向付けてもよい。供給ライン２８２および弁２８４が、過剰な材料を除去するかまたは材料を必要なだけ加えることにより、堆積２７０内の材料１６を所望のレベルに保持してもよい。蠕動ポンプ（図示せず）のようなポンプおよびレベル検出装置を備えて、堆積２７０のレベルを制御してもよい。図示したように羽根車２８６をホイール２４２に取り付けて、そのブレード２８７が、スプレーノズル２１９により以前に供給された材料１６をホイール２４２に戻してもよいように堆積２７０中に羽根車２８７を浸す。ホイール２４２に到達したときに、この材料１６は、ホイール２４２の周囲または材料１６が排出される地点２２１に再度移送される。別な例として、羽根車２８６は、ホイール２４２の中央に材料を引き上げるのに用いられるシリンダ内に取り付けられたスクリューからなっていてもよい。図８ｅのホイール２１５に関するように、図８ｊのホイール２４２は、ホイール２４２の軸領域から周囲領域に放射状に延在する孔からなっていてもよい。この場合、堆積２７０から引き上げられた材料は、放射状ラインを通過し、次いで、ホイール２４２から排出される。
噴霧を開始したら、外囲容器２１２により遮られた材料並びに流入ライン２８２からの材料を堆積２７０に供給してもよい。堆積２７０が上昇すると、スプレー２１１もまた増加するように、より多くの材料１６が、羽根車２８６によりホイール２４２に移送される。このようなスプレー２１１の増加は、例えば、ノズル２１９および／またはライン２８２を通じて、アプリケータに流入する材料の速度が、開口部２２４を通して材料が供給される速度と等しくなる定常状態に到達するまで続けられる。
このような定常状態において、羽根車２８６および／またはノズル２１９により材料１６がホイール２４２に供給される速度は、既知であり、一定であり、したがって、開口部２２４を通して供給される速度が知られている。そして、アプリケータ２１０が表面２２上を横切る速度が知られているので、形成された造形材料層２４の厚さも計算できる。このような関係のために、所望の造形材料層２４の厚さは、アプリケータ２１０の移動および材料１６がそこに供給される速度を調節することにより、すなわち、アプリケータ２１０から吹き付けられる容積がそこに供給される材料１６の容積と等しくすることにより、所望の厚さとしてもよい。
あるいは、羽根車２８６により材料１６がホイール２４２に供給された後、ガイド２８０により、遮られた材料１６を容器１４中に戻してもよい。この状況において、材料１６がホイール２４２に供給される速度が知られており、一定であり、開口部２２４を通して供給されるこの材料１６の分画が知られており、一定であり、アプリケータ２１０の移動速度が知られており、一定である場合には、ここでも造形材料層２４の厚さが分かる。
羽根車２８６を備えた上記実施例において、定常状態に到達した後においては、材料１６が容器から除去される速度は、容器１４に戻される速度と等しいので、容器１４からの材料１６を連続的にアプリケータ２１０にポンプにより注入してもよい。例えば、ノズル２１９およびライン２３２を通して、アプリケータ２１０中に導入される材料の量を正確に制御するオプションとして、材料１６が供給されるときに、可変速度モータ（図示せず）を備えたポンプを最終流動絞り弁（図示せず）の前に圧力センサ（図示せず）とともに用いてもよい。この目的のために、サーボ制御装置（図示せず）を用いてモータを制御して、圧力を一定にすることができる。これにより、材料の流速が一定となる。
回転駆動遠心噴射リコータに代わるものが、図８ｋに示されており、回転ホイール２４２またはローラ２１３の代わりに、一連のピストン駆動ディスペンサ２９０を備えている。材料１６は、供給ライン２９２によりピストン２９０に供給してもよい。材料１６の供給源は、容器１４、遮られた材料１６の堆積２７０またはいくつかの他の貯蔵器であってもよい。好ましくは、ピストン２９０は、小さくて、高周波数で作動して、波状または他の不均一な造形材料層２４となるかもしれない、識別できる周期的な材料１６の供給がなされないようにする。ピストンディスペンサ２９０から排出される材料は、材料を作業面２６上に供給するノズルを通して送られる。
遠心噴射積層を伴う別の実施例が図８ｌ−８ｍに示されている。ここでは、アプリケータ２１０は、スプレー２１１を表面２２に供給して、造形材料層２４を形成している間に移動方向に静止したままである。この実施例において、アプリケータ２１０はホイール２４２を使用することにより作動するが、図８ａ−８ｅのローラ２１３または図８ｋのピストンを用いてもよい。外囲容器２１２には、ピボット地点２９８で回転可能にフレーム２９６に取り付けられた取付台２９４を備えていてもよい。フレーム２９６は、ＳＬＡに連結されていてもよい。
図８ｍに示されているように、アプリケータ２１０は、ピボット地点２９８の周りに時計方向に回転して、造形材料層２４を形成してもよい。次の造形材料層２４を形成するために、アプリケータ２１０は、効率的な操作のために反時計方向に回転してもよい。好ましくは、造形材料層２４が形成された後、アプリケータ２１０をフレーム２９６により容器１４の周囲位置まで移動させて、層２４の刺激への露出を妨げないようにする。あるいは、ディスペンサを容器１４の縁に位置させて、側面に回転させて、層２４を供給してもよい。層２４の供給は、１回の回転で行っても、または前後の多数の回転により行ってもよい。
層２４を均一にするために、アプリケータ２１０がスプレー２１１を垂直に下方に供給する位置に向かって回転するときに、流動が減少するまたは掃引速度が増加するように、かつアプリケータ２１０が垂直の供給位置を越えて回転するときにスプレーが増加して速度が減少するように、アプリケータ２１０の回転中ずっとスプレー２１１の体積流量を調節してもよい。
図８ｌ−８ｍの実施例に代わるものに、容器１４の各々の象限の上にアプリケータ２１０を取り付けるような、容器１４の上の様々な位置に複数の回転アプリケータ２１０を取り付けることがある。この別の例において、各々のアプリケータ２１０により必要とされる回転量が減少し、それによって、スプレー２１１の調節が容易になる。
別々に示した遠心噴射積層の実施例の教示を組み合わせることにより、または遠心噴射積層を上記並びに下記に示した他の積層技術に関する教示と組み合わせることにより、さらなる実施例を導びいてもよい。
アプリケータバーの積層
ここで、図９ａ−９ｎを参照する。アプリケータ３１０が造形材料層２４を塗布すると同時に平滑にしている本発明の別の実施例が示されている。この技術の第１の好ましい実施例において、造形材料を刺激に連続的に露出することにより直前に形成された物体断面２０が形成された後に、物体１２が、造形材料１６の所望の作業面２６より下に、１つの層の厚さ、または他の所望の厚さだけ浸漬されている。露出工程中には、アプリケータ３１０には少なくとも部分的に造形材料１６が充填され、露出工程後には、アプリケータ３１０は、開口部３１５から材料を供給しながら所望の作業面２６で、またはそれよりやや上に掃引されて、造形材料層２４を形成する。材料１６を供給した後、必要であれば、直前に形成された物体断面２０の上側表面２２の垂直位置を、所望の作業面２６よりも実質的に１つの層または他の所望の厚さだけ下にあるように調節してもよい。
アプリケータ３１０は、作業面２６でまたはそれよりやや上で水平に掃引されるように、フレームおよび駆動装置（図示せず）によりＳＬＡに結合されていてもよい。アプリケータ３１０は好ましくは、造形材料層２４を正確に形成するためにコンピュータ制御されている。アプリケータ３１０は、必要な距離のみ掃引されて（アプリケータ３１０を容器１４全体に亘り掃引させるものに対立するものとして）、適切な造形材料層２４を確実に形成し、発生源２８からの刺激に露出するための自由通路を確保することが好ましい。この強化された掃引基準の必要条件は、逆転ローラおよびインクジェットディスペンサの実施例に関して上述したように論じられている。
造形材料層２４が完全に形成された後に、層が曝されて、物体１２の続いての断面を形成する。この続いての物体断面が形成された後に、連続的に造形材料層２４を形成し、連続物体断面を形成する工程が繰り返される。しかしながら、この段階の繰り返しにおいて、アプリケータ３１０を材料を供給するときに反対方向に掃引して、連続層２４を形成してもよい。物体の形成が完了するまで、掃引方向を交互にしながら、断面および層の形成段階が繰り返される。
この第１の好ましい実施例において、アプリケータ３１０内の樹脂の容積は、真空ポンプ３２１、圧力調整器３２３、および真空供給ライン３２５により維持される。ライン３２５によりアプリケータ３１０の空洞３２７の上側部分中を真空にすることにより、空洞の内側とアプリケータ３１０の外側の領域の間に圧力差が生じる。アプリケータ３１０は、頂上近くの１つ以上の開口部を除いて、さらに底面の開口部３１５を除いて、密封されている。アプリケータ３１０の頂上近くの開口部が真空供給ライン３２５に接続され、一方、底面の開口部は、造形材料１６を収容して、供給するアプリケータ３１０のスリットを形成する。
アプリケータ３１０は所望の作業面２６またはその近くに位置しており、造形材料１６は自発的に、または設計によりアプリケータ３１０の底面と接触するので、図９ａに示すように、作業面２６とアプリケータ３１０の底面との間の間隙を埋めるメニスカス３３１が形成される。アプリケータ３１０の頂上が真空となり圧力差が生じ、メニスカス３３１はアプリケータ３１０の底面を密封するので、アプリケータ３１０の外側と内側との圧力差がゼロとなるまで、造形材料がアプリケータ３１０中に引き上げられる。好ましくは、圧力調整器３２３により、圧力差が制御されて、アプリケータ３１０中に引き上げられる材料１６の量が制御される。
この制御された量の材料１６は、次の層２４を形成するのに必要な材料１６の最大量と少なくとも同じになるように規定される。層２４が容器１４の全区域に亘り形成されるとすると、この最大量の材料１６の容積は、形成すべき層２４の厚さに、造形材料１６を保持する容器１４の断面積をかけたものと等しい。しかしながら、アプリケータ３１０に含まれる制御された量の材料１６は、層２４を形成するのに予測される最大量よりも著しく多いことが好ましい。このような過剰な量により、アプリケータ３１０を掃引中に確実に乾燥しないようにし、それによって、メニスカス３３１が損なわれないことを保証する。メニスカス３３１が損なわれると、真空圧力が少なくとも瞬間的に損失することになり、次いで、次の層２４を形成する準備をするときに、アプリケータ３１０により供給される材料を迅速に補充することができなくなるので、このことは重要である。掃引中に真空を能動的に維持するのをやめることもできるが、好ましい実施例においては、掃引中でさえも真空を維持し続ける。
好ましくは、図９ｃに示すようなアプリケータ３１０の長さ３２２は、容器１４の内側の幅よりやや小さいか、または物体１２の最大範囲を少なくともわずかに超えて延在する。図９ａは、物体１２が、支持台１８に連結されている昇降機１７によって、作業面２６より１つの層の厚さだけ浸漬された直後の物体１２の左側にあるアプリケータ３１０を示している。図９ａから分かるように、材料１６は空洞３２７内の有意な高さまで引き込まれている。図９ｂは、アプリケータ３１０が、直前に形成された物体断面２０を横切るほぼ全距離に亘り掃引された後のアプリケータを示している。図９ｂから分かるように、空洞内の樹脂柱の高さは、掃引中に供給された材料１６の容積により減少している。アプリケータ３１０および容器１４内の材料の容積の合計は実質的に一定量であるので（硬化した材料の収縮および開口部の変動による容積変化を無視して）、アプリケータ３１０内の材料の量が変化すると、容器１４内の材料の量およびそれに関連する表面レベルも変化する。
したがって、アプリケータ３１０内の樹脂の量は、露出中にも比較的一定のままであることが好ましい。さらに、独立した液体レベルにおいて容器１４に関連する装置を使用することが好ましい。前述したように、また図９ａおよび９ｂを比較することにより確認されるように、好ましくは、掃引を開始する前に、適切な容積の材料をアプリケータ３１０内に含ませる。そうしなければ、乾燥する点が生じたり、積層が不適切な厚さとなるかもしれない。アプリケータ３１０はフランジ３１２を備え、このフランジは、図９ａ−９ｂに示したような、前端が膨らんでしまう問題を減少させるのに役立つ角度のついた部分を備えている。
図９ｃは好ましいアプリケータ３１０の斜視図を示している。図９ａ、９ｂおよび９ｃの組合せから分かるように、アプリケータ３１０は内部が中空の細長いバーからなっていてもよい。図９ｃは、１つ以上の真空供給ライン３２５が接続されていてもよい位置を示すアプリケータ３１０の頂上に沿ったいくつかの孔３２６も示している。好ましくは、ライン３２５と孔３２６との間をきつく適合させて、真空圧力を過度に失わないように注意する。図９ｃはまた、アプリケータ３１０内に孔を形成し、その上に真空を維持する窓を取り付けることにより形成される観察口３３５を示している。この観察口３３５からは、アプリケータ３１０内の造形材料１６の高さを目視により決定してもよい。
アプリケータの頂上に孔が示されていないことを除いて、図９ｄ−９ｆは、図９ａ−９ｃの好ましいアプリケータ３１０の端面図、側面図および底面図を示している。これらの図面の各々は、カリフォルニア州、バレンシアの３Ｄシステムズ社より販売されているＳＬＡ−２５０立体造形装置に備え付けられているような、ここに記載した種類のアプリケータの寸法を示している。孔３３７は、アプリケータ３１０を３Ｄシステムズ社のＳＬＡ２５０立体造形装置に搭載されているドクターブレードに取り付けるための取付孔を示している。図９ｄ−９ｆのアプリケータに使用するのに現在好ましい真空ポンプは、カリフォルニア州、オンタリオのアポロポンプより販売されている型番号３０２０のポンプである。図９ｄのアプリケータに関しては、真空調整器が、材料１６をアプリケータ３１０中に約１/２インチ上に引き込むのに十分な安定した真空圧力を供給することが好ましい。また図９ｄに関しては、アプリケータ中に典型的に引き込まれる材料１６の容積は約２０から２５ｍＬであるが、ＳＬＡ２５０により製造される単一の０．１５ｍｍの層における材料の容積は約９から１２ｍＬである。好ましい圧力調整器では、少量であるが連続的にアプリケータ３１０中に空気を排出し、それによって、材料を所望の量だけアプリケータ３１０中に引き込むのに十分な平衡真空圧力を供給するように調節することのできる吹き出し弁を使用している。
上述した好ましいアプリケータ３１０に関する実験において、様々な厚さの層２４を形成した。これらの実験から、少なくとも２ミルから１０ミルまでの範囲の全ての層厚を形成してもよいが、最も好ましい厚さは現在、４ミルから６ミルまでの全てである。また、均一な特性を有する造形材料を使用する場合には、好ましい実施例のアプリケータ３１０を用いて、０．５から１ミルほどの薄い層２４を形成できることが予測される。さらに、好ましい実施例のアプリケータ３１０は、十分な材料が空洞３２７内で利用できる限りは、層の厚さにはまったく上限がない。
図９ｇは、作業面２６よりわずかに上に離れたアプリケータ３１０の側面図を示している。掃引中の所望の作業面２６とアプリケータ３１０の底面との間のこの間隔は、ドクターブレードの使用に関する「ブレード間隙」に類似しており、ここでは「アプリケータ間隙（ＡＧ）」と称する。上述した好ましい実施例において、立体像形樹脂ＳＬ５１７０が最も好ましいが、３Ｄシステムズ社が提示した他の立体像形樹脂を同様に使用しても差し支えないと考えられる。３から１０ミルまで変動させたアプリケータ間隙に関して、連続層形成実験を行った。アプリケータ間隙ＡＧの下限はゼロであるが、このことは、前端が膨らむ問題およびアプリケータ３１０と形成される物体１２との間の衝突に関する可能性が増大することにより、一般的に最適とはならないことが分かった。
アプリケータ間隙ＡＧの上限は、確かなメニスカス３３１がアプリケータ３１０と作業面２６との間に維持される、作業面２６の上の最大高さである。この最大アプリケータＡＧ高さは典型的に、３０から３５ミルまでより幾分小さいが、使用する造形材料１６に依存している。アプリケータＡＧの最適値は、アプリケータ３１０と物体１２とが実質的に衝突せず、前端の隆起が問題とはならない最小間隙である。この最適値は、粘度のような、使用される材料１６の特性、並びにアプリケータ３１０の形状に依存する。アプリケータ間隙の現在最も好ましい値は、５および８ミルとの間の全てである。
図９ｈは、掃引中の直前に形成された物体断面２０の上側表面２２とアプリケータ３１０の底面との間の間隔を示している。この間隔は、「アプリケータクリアランス」ＡＣとして知られており、ドクターブレードの使用に関連する「ブレードクリアランス」に類似している。典型的なアプリケータクリアランスＡＣは、約１層の厚さから約３層の厚さまでの範囲に亘る。アプリケータクリアランスＡＣの現在最も好ましい範囲は約１．１１．７層の厚さの間にあり、最も好ましい値は現在約１．４層の厚さである。
アプリケータ間隙およびクリアランスの上述した範囲から確かめられるように、直前に形成された物体層の上側表面は、材料の層を曝して物体の次の断面を形成する所望の位置の上または下の位置にあってもよい。このように、使用するクリアランスおよび間隙の正確な値に依存して、アプリケータ３１０により掃引した後に物体をわずかに上昇または下降させて、次の物体断面を形成できるように積層工程を完了させる必要があるかもしれない。
図９ｄ−９ｆに示した形状のアプリケータ３１０の掃引速度に関する実験は、ＳＬ５１７０樹脂を用いた場合、最も好ましい速度は、１秒当たり約１から４インチまでの全てを含む範囲にあることを示している。しかしながら、これらの実験はさらに、ＳＬＡまたは他の装置が、ＳＬＡ内の振動が過剰とはならずに、高速でアプリケータ３１０を移動させるように設計されている場合には、より速い掃引速度が許容されることを示している。所定のアプリケータ３１０に関して、造形材料１６の粘度が増加するにつれ、掃引速度を減少させて、材料１６を供給する十分な時間をもたらすことが好ましいことが分かった。過剰な材料１６が、既に形成された物体断面の上からすくい取られてしまう場合には、掃引速度が速すぎると考えられる。
前述の実施例において、以下の利点が実験中に観察された：（１）造形材料層２４において精度が著しく向上した、（２）掃引後の遅延がかなり減少したまたは完全になくなった、（３）前浸漬の遅延がかなり減少したまたはなくなった、そして（４）物体１２の形状にかかわらず一般化された積層パラメータが使用可能であった。
さらに、前述の積層実施例では、積層工程中に物体１２に作用する力が低下し、有利なことに、物体１２の歪みが全体的に減少することが予測される。また、物体１２に作用する力がこのように減少することによって、直前に形成された物体断面２０のような既に形成された断面には、無欠の状態を維持する構造弾性率が小さくてすむことになる。形成されたばかりの部分の構造弾性率がこのように減少したことにより、構造パラメータを求める際の工程の自由範囲が広くなり、また、許容基準を簡単にすることにより、適切な物体造形材料、例えば、エポキシ樹脂を発見する際に必要な開発努力が容易になる。さらに、この好ましい実施例により形成される造形材料層２４は、例えば、収縮による、または単に積層誤差により、層間の厚さのわずかな誤差を自己補正することができる。このことにより、周期的に蓄積される誤差の検査および／または補正の必要が減少またはなくなる。いずれの場合においても、所望であれば、例えば、Ｎ番目の層ごとに、深い浸漬および掃引のような周期的工程をまだ使用してもよい。
要約すると、この好ましいアプリケータ３１０の実施例は、同時に２つの機能を果たす：（１）この実施例は、材料１６を施して最初に造形材料層２４ａを形成し、（２）同時に層２４ａを平滑にして、所望の作業面２６と実質的に同じ平面にある作業面を有する最終造形材料層２４を形成する。この好ましいアプリケータの実施例はまた：（１）材料のより精密な層を形成し、（２）著しく積層時間を減少し、（３）一般化された、すなわち、容易に自動化可能な積層パラメータを使用することができる。アプリケータ３１０が直前に形成された物体断面２０の上に層２４の後に供給される部分をまだ供給している間に、層２４の最初に供給した部分を刺激に曝して次の物体断面を形成することにより、造形時間をさらに減少させてもよいことが予測される。
図９ｉおよび９ｊは、アプリケータ３１０の第２の好ましい実施例を示している。この実施例においては、造形材料１６はアプリケータ３１０の空洞３２７に、真空ポンプ３２１、調整器３２３および真空管３２５によっては充填されない。その代わりに、材料１６は、ポンプ３４０、排出管３４２および充填管３４４により空洞３２７内に維持される。この実施例においては、材料１６は、排出管３４２を通した吸引によりアプリケータ３１０からポンプ３４０に引き込まれ、管３４４を通してポンプ３４０から容器１４内に戻される。図の矢印は管内の材料の流動方向を示している。充填管が造形材料１６を容器１４内に戻すときに、この充填管３４４により気泡が形成されないように、充填管３４４の造形材料１６中への進入位置をフェンス、壁または気泡キャッチャ（図示せず）により囲んでもよい。
図９ｄ−９ｆのアプリケータおよびＳＬ５１７０立体像形樹脂とともに使用する場合に、現時点で好ましいポンプ３４０は、コールパーマーより販売されている型番５００００-０７２のダイヤフラムポンプまたはピストンポンプである。このポンプは、１時間当たり０．３ガロンの最大流量までの制御可能な流量を有している。所定の用途において、必要な流量は、所定の時間内に形成すべき層の数から求められる材料の量より大きくてもよい。しかしながら、流量はこの量よりも著しく大きくて、メニスカス３３１が無欠な状態を維持することが好ましい。さらにメニスカス３３１を維持するために、アプリケータ３１０を掃引しているか否かにかかわらず、アプリケータ３１０を通して材料１６を一定に吸引し、材料１６を容器１４中に再び貯蔵するように、ポンプ３４０を連続運転させることが好ましい。
ＳＬＡにおいて使用する材料を変更するときに、洗浄時間および問題を最小にするぜん動性ポンプが長期間においてより好ましいかもしれない。あるいは、ＳＬＡは、使用する各々の造形材料の別々のポンプおよび管を備えていてもよい。別々のアプリケータ３１０を各々の造形材料に用いてもよい。
この実施例において、造形材料層２４を形成するのに十分な量の材料１６を、直前に形成された物体断面２０の露出工程中にアプリケータ３１０にポンプで吸引してもよい。あるいは、材料１６を、造形材料層２４を形成するときにアプリケータ３１０にポンプで吸引してもよい。
図９ｋは、例えば、コマンドを受けたときに開いたり閉じたりするように制御されたソレノイドおよびコンピュータにより、好ましくは電気的に作動される吹き出し弁を備えた別の実施例のアプリケータ３１０を示している。掃引前に、吹き出し弁１５０を開放すると同時に、矢印３５２の下方アプリケータ３１０を造形材料１６中に部分的に低下させることにより、アプリケータ３１０に材料１６を充填してもよい。所望のレベルまで材料１６をアプリケータ３１０に充填した後、吹き出し弁１５０を閉じて、アプリケータの低い方の表面が所望のアプリケータ間隙ＡＧだけ所望の作業面２６の上に位置するように、矢印３５２の上方に材料１６から垂直に上昇させてもよい。
アプリケータ３１０はメニスカス３３１により容器１４内の全体の造形材料１６との接触を維持し、弁３５０が閉じられたことにより、アプリケータ３１０が完全に密封されるので、材料１６はアプリケータ３１０内に捕捉されたままでいる。アプリケータ３１０を装填した後、矢印３５４により示されたように、既に形成された物体断面２０の上でアプリケータ３１０を水平に掃引して、次の造形材料層２４を形成してもよい。
図９ｉおよび９ｊに示したものとは別の実施例において、材料の吸引方向を逆転してもよい。スロットを有するアプリケータ３１０の底面が、アプリケータおよび作業面を接続しているメニスカス内に位置する限りは、材料の供給速度が掃引速度と適合して、直前に形成された物体断面２０の上、および他の浅い領域の上に所望の厚さの層を形成する限り、許容される層が形成されると考えられる。アプリケータ３１０は、掃引されていないときには材料を浅い領域から離して回収したり供給したりし続けてもよい。
図９ｌはアプリケータ３１０の別の実施例を示している。この実施例においては、アプリケータ３１０は、上側部材３１１、フランジ３１２および端面キャップ３１３（アプリケータ３１０の奥の端部にある端面キャップは図示されていない）を含む、互いに相対的に移動するいくつかの部材からなっていてもよい。前述の実施例のように、これらの部材は密封されたアプリケータ３１０を形成する。この実施例において、アプリケータ３１０には、（１）アプリケータ３１０が材料１６と接触する前またはその間に空洞３２７の容積を減少させ、（２）アプリケータ３１０の底面が造形材料１６と接触している間に空洞３２７の容積を拡大することにより、材料１６が充填される。空洞３２７の収縮および拡大は、フランジ３１２が上側部材３１１および端面キャップ３１３に沿って摺動するようにフランジ３１２を近づけたり遠ざけたりして移動させることにより行ってもよい。フランジ３１２の拡大および収縮は好ましくは、ソレノイド、ボールねじを有する電子モータ、空気圧等を用いたコンピュータ制御下で行う。拡大中に、アプリケータ３１０は部材間の緊密なフィットにより密閉されているので、空洞３２７内の増大する真空を釣り合わせる唯一の方法は、材料１６をアプリケータ３１０中に引き込むことである。十分な材料１６が一旦アプリケータ３１０中に引き込まれたら、拡大を停止させて、掃引および関連材料の付着を開始してもよい。
図９ｍは、収縮したり拡大してもよい別のアプリケータ３１０の端面図を示している。ここでは、空洞３２７の収縮および拡大は、アプリケータ３１０が材料１６と接触する前またはその間に上側部材３１４を下方に移動させ、アプリケータ３１０が材料１６と接触した後に上方に移動させ、それによって、真空を形成して空洞３２７を充填することにより行ってもよい。アプリケータ３１０が容器１４を横切って掃引されるときに、上側部材３１１を再度下方に移動させ、それによって、材料に力を加えて供給を促進させてもよい。
別の実施例において、他の芯材料のスポンジ（図示せず）を図９ａ、９ｉ、９ｌおよび９ｍのアプリケータ３１０内に挿入してもよい。ここで図９ｋを参照する。このスポンジを用いて、弁３５０が開いている間にアプリケータ３１０中に材料を吸い上げて、それによって、空洞３２７を充填するために、造形材料１６中にアプリケータ３１０を下降させる必要をなくしてもよい。同様に、上述したように、空洞３２７を拡大することにより、材料をスポンジ中に引き込んでいる図９ｌ−９ｍの実施例において、このスポンジを用いてもよい。密封されたアプリケータ３１０により掃引している間に、スポンジを備えたアプリケータ３１０から供給してもよい。あるいは、弁３５０が開いている状態、端面キャップ３１３が取り除かれている状態または空洞３２７が収縮している状態で、掃引を行ってもよい。スポンジの吸い上げまたは毛管能力により、密封したアプリケータにより掃引する必要がなくなる。吸い上げ速度および供給能力が最適化されるように、異なる造形材料に関して、異なる吸い上げ材料が有用かもしれない。スポンジを使用する場合には、スポンジの底面がフランジ３１２の底面のやや上にあるようにスポンジをアプリケータ３１０内に配置することが好ましい。
吸い上げ力を使用することに基づく別のアプリケータ３１０の実施例が図９ｎに示されている。この別の実施例において、吸い上げ部材は、フランジ３１２および上側部材３１１内に位置し、毛管力が材料をアプリケータ３１０中に引き込めるように適切な大きさの、多数の密接な間隔の内部フランジ３６４を備えている。内部フランジ３６４の間の距離３６２は材料の粘度に関して変動するが、材料１６がＳＬ５１７０のような光重合性樹脂からなる場合には、０．０５から０．１５０インチの間隙３６２が好ましい。吸収を促進させるために、内部フランジ３６４の表面を多孔性材料で被覆して、フランジ３６４の毛管作用を向上させてもよい。容器１４内の造形材料１６中に浸漬により内部フランジ３６４を充填できるように、内部フランジ３６４を垂直に移動させてもよい。あるいは、ポンプを用いた吸引により、内部フランジ３６４の間に材料１６を供給してもよい。
フランジ３１２の間に位置するローラ３７０を備えた別のアプリケータ３１０の実施例が図９ｏに示されている。ここでは、ローラ３７０は、軸３７２により端面でアプリケータ３１０に連結された円柱からなっていてもよい。ローラ３７０は好ましくは、アプリケータ３１０の移動速度に適合する接線速度で回転するように駆動され、それによって、作業面２６に対してローラ３７０の底面の水平移動をさせなくてもよい。あるいは、ローラ３７０は、アプリケータ３１０が作業面２６に沿って移動するときに自由に回転するように空転してもよい。ローラ３７０は、好ましくはアルミニウムから作成されるが、スポンジ状材料からなっていても、またはスポンジ状層または表面を有していてもよい。さらに別の実施例として、ローラ３７０は、材料１６を受容する表面積が大きいギザギザのまたは他の機械加工された表面を有していてもよい。
ローラ３７０の底面は、フランジ３１２の底面にまたはその上に位置していてもよく、好ましくは、フランジ３１２の底面より上の約０．００２から０．２００インチまでの範囲に位置する。操作中に、空洞３２７中の材料は、アプリケータ３１０の内部壁に接触している必要はないが、単にローラ３７０にくっついて、ローラとともに回転してもよい。あるいは、材料１６を所望の高さまで空洞３２７中に均一に充填してもよい。アプリケータ３１０に材料１６を充填する以前の実施例に用いられた方法を、図９ｏの実施例に用いてもよい。あるいは、ローラ３７０を、回転する材料１６の塊がその上に蓄積するように、材料１６と接触している間に回転させてもよい。
真空／供給ライン３８０および始動装置３８２を備えた別のアプリケータの実施例が図９ｐに示されている。上述した他の種類のアプリケータ３１０にこの実施例を使用してもよい。ライン３８０は、容器１４内から延び、始動装置３８２に連結され、上側部材３１１を通ってアプリケータ３１０に進入している。あるいは、ライン３８０はフランジ３１２を通ってアプリケータ３１０に進入してもよい。さらなる別の実施例として、ライン３８０は、材料１６を含有する別のリザーバ（図示せず）から延びていてもよい。
図９ｐの実施例は真空圧力を操作している。この真空は、弁３８４、リザーバ３８６および真空ポンプ３８８を備えている始動装置３８２により最初に形成される。真空とするために、弁３８４および３８７を開いて、弁３８５を閉じた状態で、真空ポンプ３８８を作動させてもよい。真空装置に空気を供給する弁３８３は開いていても閉じていてもよいが、好ましくは閉じている。これにより、容器１４からの材料１６をライン３８０を通して、弁３８４を通して、リザーバ３８６中に引き込むように機能する。材料のレベルが一般的に弁３８４の上となるように材料１６がリザーバ３８６のある程度を充填するまで、この始動工程を行ってもよい。この時点で、弁３８７を閉じ、弁３８５を開き、弁３８８を閉じて弁３８３は開くか、弁３８８を開いたままで弁３８３をさらに大きく開く。このことによって、材料がアプリケータ３１０を占め、確実にメニスカスが形成される。弁３８８および弁３８３は、アプリケータ３１０内に所望の量の材料を引き込んで維持するように調節されている。始動後に、アプリケータ３１０に表面２２を横切るように掃引させ、材料１６を供給する。材料１６がアプリケータ３１０から排出されるときに、弁３８３および３８８が所望のレベルでアプリケータ内に材料を維持する。
あるいは、掃引中には、弁３８４を閉じて、弁３８５および３８７を開いている。別の実施例において、材料１６がアプリケータ３１０から排出されるときに、真空であることと、サイフォンの原理のために、より多くの材料１６が容器１４からライン３８０を通ってアプリケータ３１０中に引き込まれる。このようにして、造形材料層２４を形成する必要がある限り、アプリケータ３１０に材料１６が供給される。造形材料層２４が形成されるときに、後端のフランジ３１２は好ましくは表面２２の上の所望の高さに位置し、確実に層２４が所望の厚さとなるようにする。
上述した実施例においては、容器１４を横切って連続的に掃引する最中にアプリケータ３１０を交互の方向に掃引することが好ましいが、積層中にアプリケータ３１０を常に同一方向に掃引してもよい。次の造形材料層２４を形成する工程において、直前に形成された物体断面２０上でアプリケータを複数回通過させてもよい。掃引方向が常に同一、または各々の造形材料層２４を形成する際に同一数の掃引を用いる実施例においては、アプリケータ３１０の形状は厳密に左右対称でなくてもよい。さらに、アプリケータ３１０は、以下の実施例に記載するものとは異なる形状を有していてもよい。例えば、アプリケータ３１０またはその一部、例えば、フランジ３１２または作業面２６の近くのフランジ３１２の一部は、ゴムまたはブラシのような柔軟材料から作成されていてもよい。
図９ｑ’−９ｑ””は、他の可能性のあるアプリケータ形状のいくつかの実施例を示している。図９’の部材１９０は、フランジが作業面の近くで内側に湾曲しているアプリケータを示している。図９”の部材１９２は、垂直なフランジを有するアプリケータを示している。図９”’の部材１９４は、非対称のアプリケータを示している。部材１９４のフランジが剛性である場合には、図示したアプリケータは、積層中に単一の掃引方向が用いられる場合、同一数の掃引が行われる場合、または多数のアプリケータバーが同時に用いられる用途に使用するのに最も適している。フランジの底面が柔軟である場合には、フランジが反対方向に掃引されるときに反対位置をとることが予測されるので、いずれの方向に掃引する場合にも有用である。図９””の部材１９６および図９””’の部材１９８は、大容積の材料がアプリケータ中に引き込まれるように、大きな層を用いてもよいように、高粘度の材料を容易に用いられるように、またはより速い掃引速度を用いてもよいように、２つの大きいアプリケータを示している。多数のアプリケータを用いてもよい。
上述したように、アプリケータ３１０は、造形材料層２４が単一の掃引で形成されるように、容器１４の大部分に亘り延在する長さ３２２を有することが好ましい。あるいは、短い長さ３２２を有する多数のアプリケータ３１０を用いて、容器１４の異なる部分の上を通過させてもよい。さらなる別の実施例として、アプリケータ３１０は、長さが短く、連続掃引で作業面２６の異なる部分の上で掃引させてもよい。
アプリケータ３１０に容器１４を容易に横切らせるために、アプリケータ３１０およびＳＬＡにアプリケータ３１０を連結するフレーム（図示せず）が好ましくは、アルミニウムのような軽量材料からなることが好ましい。軽量となることにより、移動中の加速および減速に必要な力の量が減少する。
高精度の物体を形成するために、作業面２６は、刺激の発生源２８に対して所望のレベルに位置すべきである。この所望のレベルは典型的に理想平面であると考えられている。さらに、この所望のレベルは典型的に、米国特許出願第０８/１４６，５６２号および米国特許第４，５７５，３３０号に論じられているような独立した液体レベル制御手段により維持される所定のレベルである。最も好ましい独立液体レベル制御装置は、レベル検出手段および液体レベルを効果的に上昇下降させる容器巻き上げ手段を備えている。
アプリケータ３１０が容器１４から材料１６を引き込んで、層２４を形成したときに、材料を容器１４中に戻す場合、材料１６の理想平面が形成され、次の物体断面を形成するのに曝されることが望ましいのであれば、好ましくは、各々の層を露出する最中にアプリケータ３１０が実質的に一定の容積の材料１６を確実に含有させるように注意する。アプリケータ３１０が、わずかな容積の材料１６を保持し、露出工程中に内部に含まれる材料１６の容積を増加させるように充填される場合には、容器の部分、すなわち、深い液体の領域の表面レベルが減少するのを無視することができるかもしれない。しかしながら、アプリケータ３１０が大容積の材料１６を保持する場合には、作業面２６が過剰に変動し、物体断面の形成の精度が悪化し、層間が剥離したりしないように、好ましくは、露出中にアプリケータ３１０内に保持される材料１６の容積を変更しないようにする。
作業面２６のレベルにおける許容変動量は、（１）所望の物体１２の全体の精度、（２）層２４の露出方法、（３）表面レベルにおける変動の方向、（４）層を形成するのに用いられる露出レベルおよび（５）形成される物体１２の形状を含む多数の要因に依存する。使用する液体を水平にする方法に依存して、アプリケータ３１０内に保持される材料１６の量が個々の物体断面の形成中に一定に保持されたとしても、この量の層間の変動を考慮する必要があるかもしれない。
この問題に対処するのに、いくつかの技術が利用できる。第１に、露出中におけるアプリケータ３１０内にある材料１６の容積の変動量が、問題とならないほど十分に小さいと言える。この場合には、アプリケータ３１０内に保持される材料１６の量を変動させる、例えば、供給した後で曝している最中に補充してもよい。第２に、アプリケータ３１０内の材料１６のレベルが曝される最中に変動する可能性を単に抑制してもよい。この場合には、供給した後で露出前、または露出後で供給する前のいずれかにアプリケータ３１０内に材料１６を補充すべきである。補充に必要とされる時間に依存して、この技術は、積層工程に含まれる全体の時間が増大してしまうために、許容されないかもしれない。第３に、それに対応するが反対にずれた量の容器１４内の材料１６により、アプリケータ３１０内の材料１６の変動とバランスをとろうとしてもよい。第４に、容器１４内で対応する容積を変化させて、任意の時間に容器１４内の材料１６の容積と釣り合わせて（相殺させて）もよい。第３および第４の手法の相殺の試みにおいては変化される量が両者間で相互に対応するように連動させてもよいし、あるいは単に見積もりにより変化させようとする両者の量が一致するようにしてもよい。
５番目の手法として、別々のチャンバ内の材料１６のレベルが容器１４内の材料１６のレベルにほとんどまたは全く影響を与えない別のチャンバからアプリケータ３１０に材料１６を引き込ませることにより、容器１４内の材料１６のレベルを乱さないようにしてもよい。供給と露出との間に、別々のチャンバ間でアプリケータ３１０により移動した材料１６を埋め合わせるために、接続ラインにより容器１４と別々のチャンバとの間で材料１６を急速に移動させてもよい。別々のチャンバを材料１６の浅い表面領域のみにより容器１４に接続して、アプリケータ３１０を容器１４から別々のチャンバに掃引してもよい。この手法において、容器１４の両側に側面チャンバを有することが好ましい。別々のチャンバと容器１４とは浅い表面領域により接続されているので、アプリケータ３１０を別々のチャンバから容器１４に、そしてその逆に掃引してもよい。また、この表面領域は浅いので、浅い領域を通して材料１６を移動させるのに必要な流動時間が長いために、容器１４および別々のチャンバ内のレベルがほとんど独立して変化するかもしれない。
ここに記載した他の実施例に関するように、スロットを有する、密封されたアプリケータを使用することには、多数の掃引を使用すること、連続掃引間の掃引速度を変更すること、掃引間のアプリケータクリアランスを変更すること、掃引後の遅延、多数の短いアプリケータ、平行線を形成するまたは端部から端部まで延在する多数のスロットを有するアプリケータ等が含まれる。さらに、スロットを有する密封されたアプリケータの実施例に関するここに示した教示を互いに組み合わせることにより、または上記および下記に記載した他の積層技術に関する教示と組み合わせることにより、実施例を引き出してもよい。
独立した流れ
本発明の別の実施例が、図１０ａ−１０ｈに示されており、作業面２６または直前に形成された物体断面２０の上側表面２２と接触した後に合体する材料１６の独立した流れを供給する開口部を有するアプリケータバー４１０を備えている。図１０ａは、直前に形成された物体断面２０の頂面２２の上の１層の厚さまたは他の所望の厚さだけ、直前に形成された物体断面より既に離れている作業面２６を示している。図示したように、境界６８が頂面２２の周囲に存在している。他の実施例に対してもそうであるように、そして上述したように、境界６８は、多数の既に形成された物体断面の上の領域の周りに全体的または部分的に形成されてもよい。あるいは、アプリケータ間隙が十分に大きい限りは、直前に形成された断面２０が供給後により低くてもよい。
図１０ｄは、既に形成された物体断面２０の上に掃引されるときのアプリケータ４１０を示している。アプリケータ４１０の幅は、好ましくは、積層すべき物体断面２２の幅よりも広く、好ましくは、物体断面２２の全ての部分の上を１回の通過で完全に掃引できるように方向付けられている。より詳しくは、好ましい実施例において、アプリケータ４１０の幅は、造形材料１６を保持する容器１４の幅よりもやや小さい。図示したように、アプリケータ４１０は一般的に、頂面２２の上でＸ方向に掃引されて、造形材料層２４を供給する。
アプリケータ４１０は、フレーム（図示せず）および好ましくはコンピュータ制御された駆動機構（図示せず）によりＳＬＡに連結されていてもよい。図示したように、アプリケータ４１０は、開口部４１６のアレイを備えた底面４１４を有するマニホールド４１２からなっていてもよい。開口部のアレイの別の実施例が図１０ｂおよび１０ｃにより詳しく示されている。あるいは、アプリケータ４１０は、底面４１４の開口部に対立するものとして、またはそれに加えて、マニホールド４１２の後端４１８に位置する供給開口部４１６を備えていてもよい。同様に、マニホールド４１２は、前端４２０または前端４２０および後端４１８の両方に位置する供給開口部４１６を備えていてもよい。
各々の開口部４１６は、表面２２並びに作業面２６の他の部分に造形材料１６を供給する。１つ以上の供給ライン４２２が、容器１４または他の供給源（図示せず）から延び、各々の開口部４１６に分配するためにマニホールド４１２に材料１６を供給する。各々の開口部４１６の間は所望の間隔である。そのような間隔の例が、長さ４３０ａ、４３０ｂおよび４３０ｃ（集合的に間隔４３０）として図１０ｂに示されている。間隔４３０の好ましい範囲が以下に論じられている。
図１０ｄは、後方低部の四分の一が除去され、底面４１４から表面２２に材料１６を供給することを明確に示したアプリケータ４１０を示している。図示したように、アプリケータ４１０は、各々の開口部４１６から材料１６の流れ４４０を供給することにより層２４を形成する。上述したように、開口部４１６の間隔は好ましくは、流れ４４０がマニホールド４１２の底面４１４と表面２２との間で互いに接触しないように十分に大きい。材料のメニスカスがアプリケータ４１０の底面４１４と表面２２との間の間隙を埋める場合には、独立した流れ４４０は、材料の１つのシートを形成することになる。この実施例において、この結果は好ましくないけれども、以前に引用した米国特許出願第０８/２９９，８７９号に記載されているように、そのような材料のシートにより所望の層を形成してもよい。
いずれの場合においても、間隔４３０は好ましくは、流れが、供給された材料の線４４２となる地点で表面２２と接触するときに、線４４２が素早く合体して平らになり、図示したように造形材料層２４を形成するように、十分に密接である。最も好ましい実施例において、線４４２は、表面２２に接触するときに流れ４４０を自然に広げて平らにするので、形成される際に直ちに互いに接触する。この初期の合体の結果、均一な厚さの層２４を形成するのに必要な時間を著しく増大させる独立流れ４４２の合体を阻害する表面張力と対立するものとして、供給された材料を均一な厚さの層に平らにするのに直ちに役立つ表面張力が生じる。
この好ましい流れ４４０の分離および線４４２の即座の合体が図１０ｇおよび１０ｈに示されている。図１０ｇは、直前に形成された物体断面２０の表面２２に接触する直前の流れ４４０を示している。矢印４５０は、流れ４４０が表面２２に向かって下降していることを示している。図１０ｈは、線４４２となり、表面２２と接触して線４４２が平らになることにより即座に合体した直後の流れ４４０を示している。最初の合体ではまだ過剰な厚さの領域４５２および不足した厚さの領域４５４が残ってしまうが、材料１６の下方と水平の流動を示す矢印４５８により示されるように、重力および表面張力の両方が最初の層４５６を均一な層２４に平らにする傾向がある。
材料が過剰な厚さの領域４５２から流動する時間は、過剰な厚さの領域４５２と不足した厚さの領域４５４との間の間隔、造形材料１６の粘度および層の厚さに依存する。この平滑にする時間を最小にするために、領域４５２と４５４との間の間隔を好ましくは最小にし、したがって、連続流れ４４０の間の間隔を、流れ４４０の独立性を維持しながら、好ましくは最小にする。同様に、造形材料１６の粘度はできるだけ小さくあるべきである。
線４４２を望ましく合体させるために、好ましくは、以下の２つの条件のうちの１つまたは両方を満たす：１）層の厚さは、物体断面２０を形成する固化された造形材料の表面２２を濡らす造形材料１６の能力に表面張力がほとんどまたは全く影響を及ぼさないように比較的大きくなければならない、２）造形材料１６の表面エネルギーは、固化された材料の表面エネルギー以下であるべきである。２番目の条件が満たされない場合、材料の薄い層は、滑らかに層２４を形成することに対立して、物体断面２０の表面２２上に玉のようにくっつく傾向にある。この結果、形成される層の厚さの範囲に下限が生じる。
線４４２の合体または続いての平滑化が十分に即座に行われない場合には、線４４２内で材料を広げるのを補助するために、アプリケータ４１０の背後に従うように、平滑化装置（図示せず）を配置してもよい。この平滑化装置は、堅いまたは柔軟なドクターブレード、過剰な厚さの領域４５２に対応するように配置された歯を備えたコーム、一般的に領域４５２からの材料を不足領域４５４に分配する補助をするブラシまたは他の掃引装置からなっていてもよい。あるいは、平滑化装置は、材料１６の流動を向上させる振動エネルギーを誘発する部材からなっていてもよい。
完全に均一な層２４を形成するために、各々の開口部４１６は好ましくは実質的に同一の流速で材料１６を供給する。あるいは、アプリケータ４１０は、一方の背後で他方が掃引され、２番目のマニホールドが、１番目のマニホールドにより配置された流れ４４０および線４４２に挟まれる材料１６の流れ４４０および線４４２を付着させる２つ以上のマニホールド４１２からなっていてもよい。１つ以上のアプリケータ４１０を同様に使用してもよい。この二重のアプリケータの手法により、各々のアプリケータ４１０内の流れ４４０の間隔を広くでき、それによって、流れ４４０が上側表面２２と接触する前に不注意に合体しにくくなる。
以前に提案された「カーテン」アプリケータに関連する問題に対する文献は、この実施例のアプリケータ４１０を説明する役割を果たす。以前のカーテンアプリケータは典型的に、材料のカーテンが送出されるアプリケータの長さに沿って延在するスリットを備えている。しかしながら、これらのカーテンコータは典型的に、安定状態にカーテンを維持する最小流速より速く材料を供給しなければならない。この最小流速は、供給される材料の特性、特に材料の粘度と組み合わせた特定のカーテンコータのレイリーリミットにより規定される。
次いで、所定のカーテンコータの最小流速は、コータが、所望の厚さの層を形成するために、形成された物体の上で掃引される速度を規定する。すなわち、カーテンコータは、過剰な厚さの層を形成してしまう多すぎる容積の材料を供給するのを避けるほど十分に速い速度で損引しなければならない。
以前のカーテンコータでは典型的に掃引速度が大きいことが必要であるために、それ関していくつかの問題が生じている。第１に、カーテンを囲む対応する気流は典型的に均一性を乱し、それによって、不均一な層が形成されてしまう。第２に、掃引速度が速いことにより、カーテンと既に形成された物体断面との間に空気のポケットが捕捉されるようになる位置が生じてしまう。カーテンが既に形成された物体断面に下ろされるときに、これらの空気ポケットが、形成された層を不均一にし、その内部に気泡を生じさせる。第３に、コータが高速で移動するということは、各々の掃引の端部で加速と減速が大きく、流速が調節されていない場合には、不均一な層が形成されてしまう。
したがって、以前のカーテンコータは典型的に、立体造形に使用できる薄い層を形成することはできない。また、上述した問題は、カーテンコータを静止した状態に維持し、物体を含有して造形材料を囲む容器をあちらこちらに移動させることにより解決することはできない。なぜならば、容器をそのようにあちらこちらに移動させることにより、造形する物体を囲む材料が乱されて、物体に損傷を与えるかもしれないからである。また、容器は、いずれの場合においても、各々の掃引の端部で加速と減速を経験し、これによって、形成される層が不均一となってしまう。
本発明のアプリケータ４１０は、長いスリットの代わりに、材料が供給される全体の区域を減少させるように機能し、単位時間当たりにアプリケータにより供給される材料の全体の容積を減少させる、複数の小さな開口部４１６を用いることにより、これらの問題を克服している。しかしながら、粘性材料を安定に供給するのに必要な大きい流速は、正味の容積流量が小さいために、それほど多くの材料を供給しない各々の開口部４１６を通して維持され、それによって、立体像形の目的のために、十分に薄く層２４を形成することができる。
この技術に使用するのに最も好ましい材料は、チバガイギー社により製造されているＬＭＢ５４６３（ＨｅＣｄレーザ等による出力として−刺激の約３２５ｎｍの放射線に使用する）である。この材料は、約５００センチポアズの比較的小さい粘度を有し、薄い層、例えば、２から４ミルの厚さの層を形成しながら、既に固化された物体断面を濡らす能力が良好である。比較的小さい粘度、例えば、約２００センチポアズを有するＳＬ５１７０（３２５ｎｍの放射線に使用する）およびＳＬ５１８０（アルゴンイオンレーザ等による出力として約３５１ｎｍの放射線に使用する）を含む他のチバガイギー社製の材料が、この積層技術にとって、適当な候補と考えられるが、形成すべき層が約４から６ミルよりも薄いときに既に固化された断面を濡らす能力が減少するために、ＬＭＢ５４６３ほどは好ましくない。ＳＬ５１４９、５１４８、５０８１および５１３１のような他のチバガイギー社製の樹脂が、より大きい粘度、例えば、約２，０００から２，５００センチポアズを有するが、好ましい湿潤特性を示し、この技術に適当な候補であると考えられる。
いずれの場合においても、この実施例に使用される造形材料は、その線４４２が即座に合体して平滑になるように、１０，０００センチポアズ未満、より好ましくは約２，５００センチポアズ未満、そして最も好ましくは、約５００センチポアズ未満の粘度を有する。上述したように、使用する材料１６は好ましくは、固体状態における表面エネルギー以下の液体状態における表面エネルギーを有する。このことにより、表面２２上に配置された材料１６の流動性が促進され、それによって、線４４２の合体が急速になる。
上述したように、この合体過程は、予測できない流動特性を有するカーテンまたは部分的カーテンを生じるかもしれないので、流れ４４０は好ましくは表面２２に接触する前には合体しない。このことにより、隣接する流れ４４０のいくつかにおいて供給される材料が、望ましい間隔よりも互いに接近した線４４２を形成し、一方、接合された塊からさらに離れた他の隣接した線４４２を形成する。隣接した線４４２の間隔がこのように増大することにより、孤立した線４４２が合体し、均一な層２４が形成される時間が増大する。この実施例が図１０ｅに示されている。ここでは、流れ４４０ａおよび４４０ｂが早く合体しすぎて、表面２２に到達する前に互いに近接して引っ張られてしまっている。このことにより、隣接する流れ４４０と線４４２との間の領域４５９が所望なよりも広くなってしまう。正常な流れ４４０から生じた線が、早すぎて合体した流れ４４０ａ，ｂより生じた線４４２ａ，ｂと合体する時間の増加が、領域４５９の幅が増加したことに関連している。
開口部４１６の位置、直径および／または形状を変更して、流れ４４０がこのように早すぎて合体するのを避けてもよい。アプリケータ４１０がＸ方向に主に移動する場合には、開口部４１６は図１０ｂに示したような形状であってよく、Ｙ方向の間隔４３０は、流れ４４０が接触しないように十分に大きいが、線４４２が合体するほど、すなわち、間隔４３０ａおよび４３０ｃ、あるいは、間隔４３０ａおよび間隔４３０ｂと４３０ｃとの組合せが十分に小さい。あるいは、図１０ｃのように、より少ない開口部４１６を用いてもよい。図１０ｃのアプリケータに関して、間隔４３０ｄは大きすぎて、線４４２が合体できないかもしれない。この場合には、第２の交互に配置されたアプリケータ４１０を用いるか、または単一のアプリケータ４１０を、流れが交互に挟まれるように、２回目の掃引をＹ方向にすこしずらして２回掃引してもよい。あるいは、Ｙ方向の移動をＸ方向の移動と同時におこなって、流れ４４０および線４４２を効果的に互いに近接させてもよい。さらに別の案として、アプリケータ４１０を、掃引する方向に対して垂直以外の角度で方向付けてもよい。アプリケータ４１０をそのように角度つけるほど、開口部４１６の間の効果的間隔４３０が小さくなる。
気流または流れ４４０を作業面２６から上昇させるメニスカスのような様々な不安定性により、流れ４４０が表面２２に向かって移動するときに扇形に広がったり合体するかもしれないので、好ましくは、アプリケータ４１０を表面２２に十分に近付けて、このように扇形に広がることまたは他の不安定性の可能性および程度を制限して、流れ４４０の合体を避ける、または少なくとも減少させる。表面２２の上のマニホールドの底部４１４の好ましい高さは、アプリケータ４１０の形状並びに使用する材料１６に依存する。しかしながら、早すぎる合体の問題を最小にするために、好ましい間隔は約２００ミル未満であり、より好ましくは、約１００ミル未満である。しかしながら、上述したように、メニスカスがアプリケータの底面４１４を作業面２６に接続しないことが好ましく、したがって、使用する材料に応じて、２０から６０ミルまでの間の最小間隔が好ましい。
扇形に広がる量を減少させるために、開口部４１６は、材料１６をアプリケータ４１０から下方に高速で排出する高圧ノズルからなっていてもよい。適切なノズルは、材料を所定の角度で噴霧するように設計された無気塗料噴霧に使用されるものである。さらなる別の例としては、開口部４１６は、２つの軸のうち長い方がアプリケータ４１０の移動方向に対して平行である長方形断面を有するノズルからなっていてもよい。
アプリケータ４１０からの材料１６の流動を、造形材料層２４が所望の厚さとなるように制御する。この目的を達成するために、幅Ｗを有するＸ方向に移動するアプリケータ４１０に以下の関係を使用してもよい：Ｘ方向の移動速度（ｃｍ／秒）およびアプリケータの幅Ｗ（ｃｍ）の両方で割った開口部４１６を通過する材料の累積流速（ｃｍ3／秒）が所望の造形材料層の厚さ（ｃｍ）と等しい。この等式では、１）アプリケータの幅は表面２２の幅よりも広い、２）材料は容器１４から取り出されアプリケータ４１０により容器内に再度戻される、そして３）アプリケータは表面２２上を所定の速度で移動することとしている。正味の材料が各々の層２４の形成に関して加えられる場合には、１）十分な追加の材料を表面２２から離して供給し、アプリケータ４１０により掃引されない作業面２６の領域を埋め合わせ、２）アプリケータ４１０の加速および減速中に供給された過剰な材料を埋め合わせなければならない。
材料を供給する制御の負荷を低減するために、各々の物体断面に関して表面２２により占められる領域以外で加速および減速を行うことが好ましい。材料１６の均一な層を形成するために、各々の開口部４１６がほぼ同量の材料を供給することが好ましい。実施例として、各々が０．１６ｃｃ／秒を供給する４０のノズルを有するアプリケータ４１０は、１秒で６．２５ｃｃの造形材料を供給することができ、１秒で２５０ｍｍの側面で、０．ｌｍｍの厚さを有する造形材料層を形成することができる。
アプリケータ４１０を含む別の実施例が図１０ｆに示されている。この図は、アプリケータ４１０の上面図であり、直前に形成された物体断面２０の頂面２２を積層している間の動きを示している。図示したように、アプリケータ４１０は、表面２２を横切って移動しながら、シヌソイドまたは他の偏心的なパターン４６０で移動している。開口部４１６は好ましくは、上述したように噴霧ノズルからなり、アプリケータ４１０の偏心的動き４６０により、噴霧もまた偏心的となる。アプリケータ４１０の偏心的動き４６０を補助するために、釣合重り４６２をマニホールド４１２に加える。あるいは、第１のアプリケータ４１０の動きとは反対のＹ方向に移動する第２のアプリケータ４１０を加えてもよい。
アプリケータ４１０による材料の不均一な供給、硬化の際の材料の収縮または供給される材料の不適切な量のような理由により層間で蓄積する誤差を、周期的に補正技術を実施することにより、検出して補正し、または許容レベルに保持してもよい。これらの補正は、周期的に深く浸す方法または周期的過剰積層として知られている供給およびドクターブレード等を使用することにより、例えば、アプリケータ４１０を所望の位置に下降させ、その底面４１４をドクターブレードのように使用し、または部分的に形成された物体１２をアプリケータ４１０に対して適切に位置するように過剰に上昇させて再度ドクターブレードとしてアプリケータ４１０を使用することにより、過剰なものを除去する形態をとってもよい。アプリケータ４１０およびより詳しくはマニホールド４１２をドクターブレードとして使用して、マニホールド４１２をゆっくりと移動させて、前端が膨らむ問題や捕捉される問題を回避する。あるいは、別のドクターブレードをアプリケータ４１０とともに用いてもよい。
互いに独立した流れの実施例に関してここに示した教示、または上述した他の積層技術に関する教示を組み合わせることにより、さらなる実施例を導いてもよい。
上述した他の実施例に関して、独立した液体レベル検出装置および調整装置を用いて、作業面２６を刺激の発生源２８に対して所望の位置に維持することが常に好ましい。過剰または不足の材料を供給することが、物体１２から離れて生じるかまたは物体１２並びに正確に補正されることに依存した他の区域の上で生じる場合に、過剰の材料を供給するかまたは不足の材料を供給することにより、アプリケータ４１０を用いて補正してもよい。
多数の特定の技術および実施例を上述したが、本発明の開示を研究した後には、多くのさらなる実施例および組合せが当業者には明白となる。したがって、本発明は上述した開示により制限されず、請求の範囲のみにより制限される。
【図１】
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【図２ａ】
0003839479.tif 000004
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図３ａ】
0003839479.tif 000009
【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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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７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
0003839479.tif 000027
【図８ａ】
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【図８ｂ】
0003839479.tif 000029
【図８ｃ】
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【図８ｄ】
0003839479.tif 000031
【図８ｅ】
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【図８ｆ】
0003839479.tif 000033
【図８ｇ】
0003839479.tif 000034
【図８ｈ】
0003839479.tif 000035
【図８ｉ】
0003839479.tif 000036
【図８ｊ】
0003839479.tif 000037
【図８ｋ】
0003839479.tif 000038
【図８ｌ】
0003839479.tif 000039
【図８ｍ】
0003839479.tif 000040
【図８ｎ】
0003839479.tif 000041
【図９ａ】
0003839479.tif 000042
【図９ｂ】
0003839479.tif 000043
【図９ｃ】
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【図９ｇ】
0003839479.tif 000045
【図９ｈ】
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【図９ｄ】
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【図９ｅ】
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【図９ｆ】
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【図９ｉ】
0003839479.tif 000050
【図９ｊ】
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【図９ｋ】
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【図９ｑ】
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【図９ｌ】
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【図９ｍ】
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【図９ｎ】
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【図９ｏ】
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【図９ｐ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１０ｆ】
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【図１０ｇ】
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【図１０ｈ】
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