(57)【要約】  【解決手段】  計画、仕様、または仮想モデルに基づいて、前駆体材料から３次元の物理的オブジェクトを体積製造するための方法と装置。囲まれた３次元ワイヤグリッドを含む構築領域であって、その中においてワイヤは、制御可能かつアドレス指定可能に１つ以上の個々のワイヤに電力を印可するように構成された１つ以上の電源に接続され、ワイヤがジュール加熱によって生成された熱を前記構築領域内に配置された周りの前駆体材料に放散し、３次元熱分布及び、その結果の前記構築領域内の温度分布の制御を可能にする、構築領域が提供される。前記構築領域内のワイヤの１つ以上の所定のサブセットを作動および非作動にすることにより前駆体を溶融および／または凝固させて、前記構築領域内で３次元オブジェクトを形成することができる。  【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元オブジェクトの体積製造のための装置であって、
構築領域であって、前駆体材料で満たされた密閉空間を備え、前記前駆体材料を通って延びる所定の配列のワイヤの三次元配列を有す、構築領域と、
前記ワイヤの各々に動作可能に接続され、前記接続されたワイヤの各々に個別に制御可能に電力を適用するように構成されている電源と、
前記電源とプロセッサに動作可能に接続されているコントローラであって、このコントローラは、前記電源に接続された前記ワイヤの１以上のワイヤへの前記電源からの電力の適用を制御するように構成された、コントローラと、
前記電源に動作可能に接続されたプロセッサであって、このプロセッサは、製造される所望のオブジェクトに関する情報を受け取り、前記所望のオブジェクトの製造に関する指示を前記コントローラに提供するように構成された、プロセッサと、
前記プロセッサから前記コントローラへの指示に基づいて、前記電源からの電力が、前記構築領域内の所定の体積内に位置する所定の複数のワイヤに適用され、
前記構築領域内の前記所定の体積内の前駆体材料は、前記構築領域の前記所定の体積内の前駆体材料を通って延びるワイヤからの電力の適用の結果として固体の体積要素を形成するものである。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記前駆体材料は、ポリマー粉末、金属粉末、ナノ粒子粉末、またはセラミック粉末を含むものである。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記前駆体材料は、形状記憶材料、磁性材料、および半導体材料を含むものである。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、前記前駆体材料は、ポリマー／金属、ポリマー／セラミック、または金属／セラミック複合材料系を含むものである。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、前記プロセッサは、前記構築領域内の少なくとも１つの所定の体積の少なくとも１つのプロセスパラメータに関する情報を受け取るように構成されたものであり、前記所定の体積内の前記ワイヤへの電力の作動及び非作動に関する前記プロセッサから前記コントローラへの指示は、前記少なくとも１つのプロセスパラメータに関する情報を含むものである。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、前記プロセッサは、製造するオブジェクト全体の体積構成のデータを受信し、該体積構成を複数の構成サブ体積に離散化するように構成され、
前記プロセッサは、製造するオブジェクトの各構成サブ体積のそれぞれに対応する構築領域のサブ体積を決定し、前記製造するオブジェクトの構成サブ体積および前記構築領域のサブ体積に関する指示を前記コントローラに提供し、前記製造されるオブジェクトの前記構成サブ体積及び前記構築領域のサブ体積に関する指示を提供するように構成され、
前記プロセッサから前記コントローラへの前記構成サブ体積および前記構築領域のサブ体積に関する指示に基づいて、前記電源からの電力が前記構築領域内の各サブ体積に適用されるものである。
【請求項７】
三次元オブジェクトの体積製造方法であって、
前駆体材料が配置された閉鎖空間と所定の配置で前記前駆体材料を通って延びるワイヤの三次元配列とを有する構築領域を提供する工程であって、前記ワイヤの各々は動作可能に電源に接続されたものであり、前記電源は前記接続された各ワイヤへの電力を制御可能に適用するように構成された、構築領域を提供する工程と、
適切なソフトウェアでプログラムされたプロセッサが、製造される予定のオブジェクトの体積構成に関する情報および前記構築領域に関する情報を受信する工程と、
前記プロセッサに動作可能に接続されたコントローラが、製造予定のオブジェクトおよび前記構築領域の所定の体積内の所定の複数のワイヤへの電力の適用に関する前記プロセッサからの指示を受信する工程と、
所定の順序で前記所定の複数のワイヤに電力を適用する工程と、
を有し、
前記所定の体積内の前記前駆体材料は、前記ワイヤへの電力の適用の結果として固体材料に変換されるものである、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、さらに
前記プロセッサが、前記構築領域内の少なくとも１つの所定の体積の少なくとも１つのプロセスパラメータに関する情報を受信する工程であって、前記所定の体積内のワイヤへの電力の適用に関する前記プロセッサから前記コントローラへの指示は前記少なくとも１つのプロセスパラメータを含む、受信する工程を有するものである。
【請求項９】
請求項７に記載の方法において、前記プロセッサによって実行される、
前記製造予定のオブジェクトの体積構成を複数の構成サブ体積に離散化する工程と、
前記構成サブ体積のそれぞれに対応する前記構築領域のサブ体積を決定する工程と、
前記製造されるオブジェクトの前記構成サブ体積と前記構築領域のサブ体積に関する情報を前記コントローラに提供する工程と、
を有し、
前記プロセッサから前記コントローラへの前記構成サブ体積および前記構築領域のサブ体積に関する指示に基づいて、前記電源からの電力が前記構築領域内の各サブ体積に適用されるものである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）  
本出願は、２０１７年１月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／４５１，１０３号に米国特許法第３５条１１９項に基づく優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、「３Ｄ印刷」としても知られる付加製造の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
付加製造のほとんどは、製造されるオブジェクトの部分を製造するためにしばしば「層ごとの」アプローチと呼ばれる方法に依存している。実際には、これらのプロセスは実際には層ごとのものではなく、各層は一連の線形経路または曲線経路から構成され、また経路自体は一連の点から構成されているものである。したがって、これらの方法は、前の部分が完了するまでオブジェクトの各連続部分を生成することができない、本質的に階層的にシリアルなアプローチに依存している。したがって、これらの手法を利用することは、一度に１点ずつ、３次元オブジェクトを順次構築することになる。
【０００４】
既存の付加製造は、通常、以下のものを含むいくつかの構成要素を必要とする。
（１）製造される所定の幾何学的形状の仮想表現、
（２）付随する「ツール経路」、すなわち「スライサ」を用いて局所的なオブジェクトの断面に応じてその幾何学形状をそれぞれの二次元層に離散化するためのいくつかのアルゴリズム的手段、
（３）計算されたツール経路に従って空間的に分解され制御された方法で、何らかの材料変形を利用する、質量および／またはエネルギーを局所的に積層させる装置。
【０００５】
これらの３つのコンポーネントを統合することにより、現在の手法で使用されている一般化された幾何学形状を、点ごと、経路ごと、および層ごとに階層的に構築することを可能にする。
【０００６】
図１Ａ〜１Ｃは、従来技術による３つの例示的な付加製造技術プロセスの態様を示す。現在使用されている主要な技術には、図１Ａにその特徴が示されている熱溶解積層モデリング（ＦＤＭ）などの積層技術に基づくもの、図１Ｂにその特徴が示されている選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）などの焼結技術に基づくもの、また、図１Ｃにその特徴が示されている立体リソグラフィーなどの光活性化技術に基づくものを含む。これらの手法はすべて、仮想モデルから物理オブジェクトを実現するための点ごとのパラダイムの使用に依存しており、連続する経路および／または層は先行するものが完成した後にのみ生成されるため、本質的にシリアルである。
【０００７】
例えば、米国特許第５，１２１，３２９号に記載され、図１Ａに示されているＦＤＭは、通常、ポリマーフィラメントの使用に依存するのもであるが、ポリマーフィラメントは加熱されたオリフィスからガラス転移温度以上に軟化させて押し出されて、カルテシアンメカトロニクスモーションシステムを使用したプラットフォームに積層し、経路／層の幾何学形状を具現化します。材料層が積層されると、材料は冷却され、完全に硬化し、プラットフォーム（最初の層の場合）または前の層（後続の層の場合）に付着する。ただし、ポリマー材料の制限により、ほとんどのＦＤＭ製造コンポーネントの機械的性能は、機械的に要求の厳しい環境での用途には十分ではない。また、このプロセスの平面空間解像度は通常２００ｕｍ程度であるため、このプロセスは微細な特徴の作成には適していない。金属ワイヤフィラメントを使用して金属物体を生成する努力がなされてきているが、金属の溶融に必要な温度はポリマーよりもかなり高く、有害な酸化を回避するために必要な空気制御のため、ほとんどの商用および消費者向け用途での使用が減少している。
【０００８】
米国特許第４，８６３，５３８号に記載され、図１Ｂに示されているＳＬＳプロセスは、層毎の３次元オブジェクト作成のための断面を作成するために、レーザーを使用して、ポリマーまたは金属粉末前駆体を局所的に溶融または焼結することに基づいている。このプロセスでは金属部品を作成できるので、はるかに広範囲の業界および用途で採用されている。レーザー源を使用することで実現される微細な空間分解能を有するだけでなく、より広範な材料システムを処理できるため、ＦＤＭやステレオリソグラフィ（以下に説明）よりもはるかに優れた機械的性能を備えたコンポーネントを製造する能力も有する。ただし、溶融または焼結プロセスが比較的急速に起こるため、作成されたコンポーネントは、かなりの程度の気孔率、微細構造欠陥、残留応力、亀裂、反りなど、多くのタイプのミクロ、メソ、マクロスケールの欠陥を示す傾向がある。これらの欠陥により、完全に密度の高い／従来の方法で製造された対応品に比べて性能が著しく低下したコンポーネントが製造される。オブジェクトを機能的に使用する前に、後処理ステップも頻繁に必要になる。電子ビーム溶解（ＥＢＭ）として知られる関連技術は、レーザーの代わりに真空中での電子ビームエネルギー源を使用することを除いて、ＳＬＳとほぼ同じ方法で機能する。Ａｌｄｅｒｓｏｎ  Ｎｅｉｒａ  Ａｒｃｅ  Ｐｈ．Ｄ．による２０１２年ノースカロライナ州立大学の「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ  Ａｌｌｏｙｓ」を参照。
【０００９】
米国特許第４，９２９，４０２号に記載され、図１Ｃに示されているステレオリソグラフィーは、レーザーを使用して、光硬化性液体樹脂を光重合および硬化させ、３次元オブジェクトを構築するが、これもまた、層ごとのアプローチを取る。光造形法の主な利点は、液体のレーザースポットサイズと熱粘度によって主に制限されるため、解像度がＦＤＭよりもはるかに高い。この方法の欠点は、使用可能な材料システムが非常に限られており、ほとんどの構造用途に十分な機械的性能を発揮しないことであるが、光活性化されたプレセラミックベースのポリマーを使用する最近の研究により、一般的なフォトポリマーを使用して製造されたものよりも優れた特性を有するセラミック部品を製造できるようになっている。Ｚ．Ｃ．Ｅｃｋｅｌ、Ｃ．Ｚｈｏｕ、Ｊ．Ｈ．Ｍａｒｔｉｎ、Ａ．Ｊ．Ｊａｃｏｂｓｅｎ、Ｗ．Ｂ．Ｃａｒｔｅｒ及びＴ．Ａ．Ｓｃｈａｅｄｌｅｒらによる２０１６年のＳｃｉｅｎｃｅ（３５１（６２６８）：５８-６２）に記載の「Ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｄｅｒｉｖｅｄ  ｃｅｒａｍｉｃｓ」を参照。
【００１０】
また、上記の一般的な手法は、オブジェクトの点ごとの構築である超シリアル化されたアプローチに準拠しているが、真の層毎方式でオブジェクトを生成する試みがなされていることにも注意してもらいたい。米国特許第９，３６０，７５７号に記載されているいわゆる「連続液相印刷」（ＣＬＩＰ）プロセスでは、連続的な垂直並進構築プラットフォーム上での２次元画像の時変投影を使用して、後続のオブジェクト作成のために断面層を光重合する。真の断面毎の構築でオブジェクトを作成する別の手法である、米国特許８，７２８，５８９に記載のいわゆる「レーザーデカール転写」プロセスでは、レーザービームの形状を保持できる高粘度の「ナノインク」を利用し、通常ミクロンからミリメートルのスケールのオブジェクトを構築するために基板上に材料の一部を推進させるものである。
【００１１】
最後に、最近の研究では、２０１６年の第２７回国際Ｓｏｌｉｄ  Ｆｒｅｅｆｏｒｍ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎシンポジウム誌のＳｈｕｓｔｅｆｆらによる「Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ３Ｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」に詳細が記載されるように、ホログラフィックリソグラフィを使用してオブジェクト全体を同時に作成する能力が実証されている。ただし、最大オブジェクトサイズは１ｃｍ未満に制限されており、ステレオリソグラフィーでの使用について説明したものと同じ材料の制限を有する。
【００１２】
結果として生じるマルチスケールのマスの成層とそのような階層的プロセスによって導入されたそれに伴う複雑な熱履歴は、スケーリングと構築時間に関して重大な問題を抱えているだけでなく、結果として生じるオブジェクトに、構造異方性、微細構造欠陥、メゾスコピック欠陥、巨視的な幾何学的偏差などの弱点を導入する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この概要は、詳細な説明でさらに説明する概念の選択を簡略化した形で説明することを目的とする。この概要は、クレームされた主題の主要なまたは本質的な特徴を特定することを意図しておらず、クレームされた主題の範囲を決定する際の補助として使用されることも意図していない。代わりに、ここで説明され、クレームされている主題の簡単な概要として単に提示されている。
【００１４】
本発明は、計画、仕様、または仮想モデルに基づいて、前駆体材料から三次元の物理的オブジェクト（「意図されたオブジェクト」とよく言及される）を製造する方法および装置を提供する。本発明によれば、意図されるオブジェクトの表面または体積の内部または外部の１つまたは複数の位置を同時にアドレスでき、前記意図されたオブジェクトの３次元体積領域は同時に生成可能であり、これは複数位置で状態や形状の変化を起こすために意図されたオブジェクトの体積の内部または外部及び／またはその表面で超並列化され及び／またはスタッガードされた形式でエネルギー分布を制御することにより行われ、その結果、直接、幾何学的形状の意図された物理的具現化を可能にする。
【００１５】
本発明による三次元物理的オブジェクトを製造するための装置は、囲まれた３次元ワイヤグリッドを有する構築領域を含むものであり、前記ワイヤグリッドは平行のワイヤが直交する複数の層に配置され、前記ワイヤは制御可能かつアドレス指定可能に１つ以上の個々のワイヤに電力を印可するように構成された１つ以上の電源に接続され、前記ワイヤから周囲の前記構築領域へジュール効果による抵抗性熱放散をもたらす。
【００１６】
したがって、どのワイヤまたすべてのワイヤがアドレス指定及び制御可能であることにより、前記構築領域内の３次元温度分布を制御できる。前記構築領域内の前記ワイヤの１つまたは複数の所定のサブセットを作動および非作動にすることにより、前記構築領域内で所望の形状の３次元オブジェクトを形成するように前駆体／原料を溶融および／または凝固させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、従来の付加製造技術に対する３つの例示的なアプローチの態様を示すブロック図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｃは、本発明による３次元オブジェクト具現化のための方法の概念的側面を示す概略図である。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、本発明による三次元オブジェクト具現化のための装置および方法の態様を示すブロック図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、本発明による３次元オブジェクト具現化のための装置で使用されるワイヤグリッドおよび構築領域の態様を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明による三次元オブジェクト具現化のための体積領域内の選択されたワイヤの作動により生じる体積内の三次元温度場をシミュレートしたものを示すブロック図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｃは、本発明による三次元物体具現化のための装置における選択されたワイヤの起動のための例示的な空間スキームを示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明による３次元オブジェクト具現化のための方法における例示的なプロセスフローを示す概略図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、本発明による３次元オブジェクト具現化の態様を示すブロック図である。
【図９】図９Ａ〜９Ｃは、本発明による３次元オブジェクト具現化のための方法で使用される「ボックス化（ｂｏｘｅｌｉｚａｔｉｏｎ）」手順の態様を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明による三次元オブジェクト具現化のための装置においてワイヤグリッドへのエネルギー送達を制御するシステムの態様を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、本発明による三次元オブジェクト具現化のための装置においてワイヤグリッドへのエネルギーの送達を制御するシステムの態様をさらに示すブロック図である。
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｃは、本発明による３次元オブジェクト具現化の例示的な実施の態様を示す写真画像である。
【図１３】図１３は、本発明による３次元オブジェクト具現化の追加の態様を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上記で要約された本発明の態様および特徴は、様々な形態で実施することができる。以下の説明は、例示として、態様と特徴を実施できる組み合わせと構成で示すものである。説明される態様、特徴、および／または実施形態は単なる例であり、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様、特徴、および／または実施形態を利用するか、構造的および機能的な修正を行うことができることが理解される。
【００１９】
本発明は、付加的な方法で仮想表現に基づいて三次元オブジェクトを作成する方法および装置を提供する。しかしながら、三次元オブジェクトを形成するために材料を点ごとまたは層ごとに積層することに依存する従来のアプローチとは異なり、本発明の方法は、大きな構成要素の完全に同時または部分的に並列のスタッガード生成および合成によって三次元オブジェクトを直接作成するものである。
【００２０】
図２Ａ〜２Ｃは、３次元オブジェクトを作成するための従来技術の方法と本発明の方法との間の相違の態様を示している。図２Ａは、形成される物体、この場合、当技術分野で周知の「スタンフォード・バニー」の任意の幾何学的モデルの仮想表現を示す。図２Ｂは、従来の付加製造技術を使用してバニーを形成するために行われるであろう複数の点毎の経路および層に離散化された同じバニーを示す。図２Ｃは、本発明に従ってバニーを一組の体積領域に離散化する例示的な方法を示しており、体積要素の形状、寸法、および向きは、オブジェクトの幾何学形状、使用される方法の制約、及びオブジェクトの最終的な機能基づいて決定される。
【００２１】
以下により詳細に説明するように、従来技術のように本質的に連続したプロセスで、点ごとにオブジェクトを構築する代わりに、本発明の方法は、様々な形状及びサイズの１つ以上の体積領域が一度に作成され、複数の独立した体積領域を同時に具現化できる。そうすることにより、本発明は、従来の技術と比較して、構築速度、構築時間スケーリング動作（オブジェクトサイズに関して）、および効率の著しい改善を提供する。
【００２２】
本発明の方法は、オブジェクトを作成するために処理される前駆体材料の包囲された「構築領域」の体積全体にわたるエネルギー（熱、電気、電磁気、光ベース、化学、電気化学、音響など）の分布を制御する能力に依存する。ここで、前駆体材料は、作成される方法の特定の実行に応じて、粉末、液体、固体、気体、プラズマなどを含む任意の適切な形態を取り得る。例えば、前駆体材料は、ポリマー粉末、金属粉末（純粋な金属または合金）、ナノ粒子粉末（モノリシック、コア／シェル、機能化されたものなど）、またはセラミック粉末の形態であり得る。他の場合、前駆体材料は、形状記憶材料、磁性材料、または半導体材料を含むことができ、さらに他の場合、前駆体材料は、ポリマー／金属、ポリマー／セラミック、または金属／セラミック材料システム等の合成前駆体システムの形態を取り得る。
【００２３】
本発明によれば、構築領域内のエネルギーの体積分布を空間的および時間的に制御することにより、前駆体材料を所定の空間分解方法で処理／変更して、前駆体材料から所望の三次元オブジェクトを作成することができる。構築領域内のエネルギーの制御により、相転移、焼結、光活性化、熱硬化、表面圧力誘起結合、電着などのような他の適切な手段を介して、前駆体材料からそのような離散的な体積領域を生成することも可能にする。
【００２４】
本発明のプロセスは、処理可能な構築領域内のエネルギーの体積分布を制御することにより、生成するオブジェクトの１つ以上の三次元体積領域の同時作成を可能にする新規装置を使用して達成できる。
【００２５】
構築領域内の熱エネルギー（すなわち、熱）の体積分布の制御は、いくつかの物理現象のいずれかを活用することで具現化できる。本明細書に記載される例示的な実施形態では、構築領域内のエネルギーの体積分布は、電気素子からの電流および抵抗熱放散から生じる制御された局所発熱の使用を通じて制御される。他の実施形態では、構築領域内のエネルギーの体積分布は、音響手段、電磁的手段（例えば、ポインティング定理によるジュール熱を活性化する電場および／または磁場の存在下での電流密度の誘導）、または電気化学的、光熱的、または直接的な光活性化（例えば、光ファイバー送達）手段を介して制御される。
【００２６】
図３Ａ／３Ｂおよび図４Ａ／４Ｂは、本発明に従って作成されるオブジェクトの１つ以上の体積要素を生成するために使用できる装置の態様を示す。本明細書に示される実施形態では、図示されるワイヤは線状であり、同じ層に位置するワイヤは平行（Ｚ座標を共有する中立軸）であり、隣接する層のワイヤと相互に直交する（Ｚ軸に対して）。しかし、当業者は、他の実施形態では他のワイヤ配置が可能であり、そのような他のすべての実施形態および配置は本開示の範囲内であるとみなされることを理解するであろう。
【００２７】
図３Ａ及び図３Ｂのブロック図に示されるように、装置は、互いに対してある距離で離間された複数のワイヤを含む。単一層内のワイヤ、つまり、縦軸が同じＸＹ平面内にあるワイヤは平行であるため、同じ方向に沿って進む。簡単に言うと、ベース層（例えば、図４Ａに示されるＺ０）は、図３Ａで定義されるように、縦軸がＸ軸に平行なｉ本のワイヤからなると言うことができる。図示された実施形態では、後続の各層は、その縦軸が先行層のワイヤに対して直交する（Ｚ軸の周りに９０度回転する）ワイヤを含む。たとえば、ベース層（Ｚ１）に続く層は、Ｙ方向に向けられた平行なワイヤで構成される。この直交性のパターンは、後続のすべての層でも適用される。しかしながら、ワイヤの他の構成が可能であることは当業者であれば容易に認識されるものである。例えば、代替の実施形態では、層内のワイヤは互いに平行であるが、隣接するｚ層のワイヤに対して９０度未満（例えば４５度）回転し、そのようなワイヤの配置は構造的な観点から有利である可能性がある。
【００２８】
図４Ａの概略図は、ｘおよびｙワイヤ配列のこの交互配置をさらに示し、それらがｘおよびｙ軸の両方に直交する第３の方向に沿って、例えば図３Ｂに示す「ｚ」軸に沿って「積み重ねられる」様子を示すものであり、ｘ方向およびｙ方向のワイヤの一連の層ｚ０、ｚ１、ｚ２、...ｚｋ１、ｚｋを含む３次元ワイヤグリッド構造が形成される。この３次元構造は、図４Ｂに示された構築領域の基礎を形成し、固体構造によって境界付けられた前駆体材料内に配置されたワイヤグリッド構造を含む。
【００２９】
構築体積には、前駆体材料、つまり、粉体の形でオブジェクトの生産に使用される「未加工の」材料が充填される。この前駆体材料は、構築領域内の利用可能な容積を占めるものであるが、特に、上記のワイヤグリッド間の隙間である。
【００３０】
装置はまた、ワイヤを三次元空間（相対距離および方向）に相互に配置する手段、ならびに張力のレベルを制御する手段を含む。例えば、ワイヤの各層（または個々のワイヤ）は、例えば、ワイヤのピッチ（中心から中心）および／またはワイヤの張力を細かく制御するために、手動制御または電気駆動のアクチュエータ／ポジショナに結合される。
【００３１】
加えて、以下により詳細に説明するように、装置は、所定量の電力およびエネルギーを各ワイヤに独立して制御可能に送達するように構成された電源および電子制御システムまたは他の適切な装置を含むこともできる。
【００３２】
上記のように、ワイヤが配置され、３次元温度分布が制御される外部構造に囲まれた操作体積領域が、構築領域を定義する。構築領域の範囲は、ワイヤ間で設定された距離、層内のワイヤの総数、および層の総数によって決まる。構築領域内のワイヤ間のスペースは、３次元オブジェクトを作成するために使用される前駆体材料によって占められる。
【００３３】
各ワイヤは、各ワイヤの状態（オンまたはオフ）およびそれを通る電流量が個別に制御および対応できるように構成された電流源に接続されている。ワイヤに電流が流れると、ワイヤ全体のジュール効果により局所的な発熱が生じ、その熱が周囲の前駆体材料に伝達される。その熱放散から生じる３次元の時間変化温度場は、非平衡の古典的な熱方程式の解を通して得ることができ、
【数１】
2020505256.tif 000002
ここで、Ｔ、ｔ、κ、およびＱｖは、それぞれ温度、時間、熱拡散率、および体積発熱率である。
【００３４】
電流が複数のワイヤに同時にまたはある程度の時間遅延を経て流れる場合、各アクティブなワイヤによって生成される時間変化する３次元温度場は、相互作用して構築体積内でさらに大きな規模の温度場を生成する。その結果の全体の温度場は、各ワイヤの寄与を単純に合計することで計算でき、
【数２】
2020505256.tif 000003
ここで、ＰｌはＬ番目のワイヤである。Ｌ番目のワイヤは、上記に説明した図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、および４Ｂに示されるように、ワイヤグリッド設定のＺ軸に沿ったｋと、それぞれｘおよびｙ方向に沿ったｉおよびｊを使用してインデックス付けすることもできる。したがって、熱の時空間分布が複数の独立したワイヤ（電源）の重ね合わせによって変更される可能性があるので、温度の局所制御と増大を可能にする。
【００３５】
図５は、本発明のこの態様を示し、作動され、結果として熱を放散する本発明による構築領域内の複数のワイヤの有限要素シミュレーションを示し、構築領域内の温度が領域内の各ワイヤに電力が供給されるにしたがって空間的に変化可能であることを実証する。以下により詳細に説明するように、本発明はこの現象を利用して、構築領域内の前駆体から体積要素を生成するものである。
【００３６】
したがって、本発明によれば、温度がいくつかの材料依存の閾値を満たすまたは超える体積領域では、その材料の形態または状態を何らかの方法で変更することができる。たとえば、前駆体の材料がポリマー（粉末）、金属（粉末）、またはセラミック（粉末）である場合、前駆体の融解温度または焼結温度に達したまたは超えた構築領域内の場所で、その領域を占める材料が部分的または完全に溶融するが、溶融／焼結温度に達しない場所の材料は、未固結の前駆体（粉末）の形のままである。他の場合、例えば、前駆体材料が液体熱硬化性プレポリマーである場合、本発明による温度場操作は、硬化温度要件を満たした材料領域の局所制御された硬化をもたらす。
【００３７】
図６Ａ〜図６Ｃのブロック図は、本発明に従って、構築領域内の１つ以上のワイヤが作動された場合の例示的な構築領域内の前駆体に対する効果の熱有限要素シミュレーションの結果を示す。図６Ａは、ワイヤ６０１ａおよび６０１ｂが使用のために作動される例示的な構築領域のシミュレートされた領域を示す。図６Ｂは、図６Ａで作動されたワイヤの温度等値面結果を示す。一方、図６Ｃは、ワイヤが作動された後の完全な構築領域を示し、特定のワイヤの作動による局所融解及び融解した前駆体の再凝固によって生成される離散した３次元体積要素の幾何学的境界を表す前駆体材料の融解温度等値面を示す。
【００３８】
構築領域内のワイヤは、サイズ、形状、および／または向きなど、生成されるオブジェクトに関する情報でプログラムされたプロセッサにも動作可能に接続される。プロセッサはまた、電源に動作可能に結合され、構築領域内のワイヤの１つまたは複数の所定のサブセットを作動／非作動にして、生成されるオブジェクトの１つまたは複数の体積領域を形成する。
【００３９】
したがって、本発明によれば、上記のように、構築領域内のワイヤの所定のサブセットが作動されると、作動されたワイヤは、その作動ワイヤが占める構築領域の所定の体積領域で前駆体を溶融する熱を提供する。これらのワイヤが非作動にされると、このように加えられた熱は構築領域に供給されなくなり、前駆体材料は冷却されて再凝固し、その結果、温度がしきい値に達していないか、しきい値を超えなかった周囲の前駆体材料とは形状および構造が異なる材料の個別の体積が形成される。ワイヤの１つ以上の所定のセットの作動および制御により温度場の三次元形状を制御することにより、所定の体積形状を有する変更された材料の別々の三次元領域を生成することができる。完全なオブジェクトを構成する複数の体積を作成し、それぞれのインターフェイスでリンクすることにより、仮想３次元オブジェクト全体の物理的な具現化が達成される。あるいは、構築領域内の複数の所定のワイヤセットを作動／非作動にすることにより、同じ構築体積内に複数の異なるオブジェクトを同時に形成できる。これは、図６Ｂおよび６Ｃは示され、複数の独立した体積要素（図６Ｂの６０２ａ／６０２ｂおよび図６Ｃの６０３ａ／６０３ｂ／６０３ｃ／６０３ｃおよび６０４ａ／６０４ｂ）が、ワイヤの異なるセットの作動／非作動によって同時に形成されることが示される。
【００４０】
本発明による構築領域のワイヤグリッドは、従来技術に対して多くの追加の利点を提供する。選択的作動／非作動に基づいてオブジェクト全体の幾何学形状を生成することに加えて、構築領域内のワイヤはオブジェクト内に埋め込まれたままになり、オブジェクトの幾何学形状の境界外の余分なワイヤは後処理ステップで除去される。
【００４１】
オブジェクト内に埋め込まれたこのワイヤの存在は、その構造を強化する効果を生じ、オブジェクトと埋め込みワイヤは本質的に複合構造として機能し、オブジェクト内の重量比に対する機械的強度を大幅に向上させる。構築領域内のワイヤの所定のサブセットの張力も制御でき、構築後の応力状態は、鉄筋が事前に応力がかかった構造コンクリート断面で使用される方法と同様に、疲労用途などの用途に対して有利です。オブジェクト内に残されたワイヤは、オブジェクトを形成する複合材料内で所定の熱的、電気的、光学、または電磁的応答を提供するように調整することもできる。さらに、本発明によるプロセスの柔軟性により、最終的オブジェクトの幾何学形状および意図する用途に基づいてワイヤの向きを調整することができ、異方性オブジェクトが所望される機能を有するオブジェクトにとって非常に有用となり得る。
【００４２】
他の態様では、本発明はまた、上記のような装置において三次元ワイヤグリッドの選択的作動を使用する三次元オブジェクトの具現化のためのプロセスを提供する。
【００４３】
全体のプロセスは、図７に示されるプロセスフロー図によって示される。
【００４４】
図７に図示されるように、プロセスはステップ７０１で始まり、生成されるオブジェクトの仮想表現がＣＡＤなどを使用して作成される。このステップでは、使用時のオブジェクトの性能に影響を与える可能性のある性能制約なども特定される。この情報はすべて、上記の構築領域装置に動作可能に結合されたプロセッサに入力される。
【００４５】
ステップ７０２において、以下により詳細に説明するように、オブジェクトの仮想表現は、適切なソフトウェアでプログラムされたプロセッサにより複数の大きな構成体積サブ領域に反復的に体積的に離散化される。このステップでは、生成されるオブジェクトの各離散化された構成サブ体積の構築のプロセスパラメータ（作動させる構築領域内のワイヤ、指定したワイヤに供給する電流、電流のオン／オフ時間など）も、例えば、生成されるオブジェクトの特性および離散化された仮想オブジェクトの構成体積サブ領域に基づいてプロセッサによって決定される。次いで、ステップ７０３で、こうして決定されたプロセスパラメータは、ワイヤに動作可能に接続されたコントローラに入力され、ステップ７０４で、それらのプロセスパラメータに基づいて、ワイヤはコントローラによって上述の方法で作動および非作動にして、構築領域内で１つ以上の固体体積要素を生成する。
【００４６】
単一の体積、つまりそのオブジェクトの幾何学形状と一致する単一の体積領域の生成によって、目的のコンポーネントを作成できると理想的である。これが達成できる場合もあるが（立方体など）、ほとんどの場合、これは不可能である。
【００４７】
図８Ａおよび８Ｂのブロック図は、通常、単一の体積の生成によって所望のオブジェクトを生成することができない理由を示している。例えば、図８Ａに示すように、構築領域内のワイヤ８０２ａ／８０２ｂを作動および非作動にすることにより、リング８０１などのオブジェクトを形成することが望ましい場合がある。しかし、図８Ｂに示すように、作動および非作動にされるワイヤの形状により、ワイヤの作動および非作動により、リングの内側および／または外側に１つまたは複数の意図しない体積領域８０３が形成される。
【００４８】
そのような望ましくない過剰体積領域の生成を回避または最小化するために、本発明によれば、多くの場合、所望のオブジェクト形状を複数の構成サブ体積に細分することができる。本発明によれば、ワイヤの所定のサブセットを作動および非作動にして、そのようなサブ体積を生成することができる。いくつかの実施形態では、所望のオブジェクトを構成する複数のサブ体積内のワイヤを同時に制御可能に作動／停止して、複数の体積要素からすべての所望のオブジェクトの一部を一度に形成することができ、また他の実施形態では、サブ体積の一または複数のワイヤを、所定の順序で作動および非作動にして、所望のオブジェクトを形成することができる。他の場合、構築領域内の１つ以上の構成サブ体積によって定義される複数のオブジェクトは、それぞれの構成サブ体積に対応するワイヤを作動および非作動にすることにより、順次または同時に生成できる。
【００４９】
多くの可能なアプローチの１つは、以降「ボクセル」と呼ばれる、直方体だけのサブ体積に全幾何学形状を離散化することである。他のサブ体積形状も使用可能であるが平行六面体ボクセルの使用は、その形状的簡易さ、柔軟性、実装の相対的な容易さにおいて利点を有する。平行六面体ボクセルの使用は、ワイヤのセットが方向付けられる方式、つまり、Ｚ方向の隣接する層に関して互いに直線、平行、および相互に直交する方式とも互換性がある。
【００５０】
ボックセル（ｂｏｘｅｌ）への望ましい入力の細分化（「ボックス化」（ｂｏｘｅｌｉｚａｔｉｏｎ））は、適切なアルゴリズムを使用して達成できる。ボックス化アルゴリズムの選択は、製造されるオブジェクトの意図された機能や製造デバイスの特性、または特定の製造時間に基づいてボックセルの数を調整したいなどのその他の外部要因等、の要因に依存する。
【００５１】
図９Ａ〜９Ｃのブロック図は、本発明の方法で使用できる例示的なボックス化（ｂｏｘｅｌｉｚａｔｉｏｎ）方法を示している。
【００５２】
ほとんどの場合、このボックス化は、生成されるオブジェクトの仮想表現にボックス化を適用するプロセッサによって実現される。ボックス化の結果は、上記の方法で構築領域でワイヤの作動および非作動を制御するプロセッサに入力される。
【００５３】
図９Ａは、本発明による体積製造プロセスを使用して生産される固体三次元オブジェクトの初期形状を示す。図９Ｂに示されるように、この初期形状は、複数の立方体体積要素（従来「ボクセル（ｖｏｘｅｌ）」として知られる）に細分化される。ボクセルが識別されると、ボックセル（ｂｏｘｅｌ）が初期化でき、初期化されたボックセルは、「シード」として機能する単一の任意に選択されたボクセルで構成される。初期ボクセルの近隣がクエリされ、単一の隣接ボクセル（または複数の隣接するボクセルの組み合わせ）が直方体の幾何学形状を維持しながら前記ボクセルに追加され、それらのボクセルを前記ボックセルに組み込んで、初期ボックセルを複数のボクセルを含むより大きなものに「成長」できる。このプロセスは、成長ボックセルに含める資格のある近接するボクセルがなくなるまで繰り返され、その時点で、ボクセルに組み込まれたボクセルはさらなる検討から除外される。次に、残りのボクセルが次のボックセルのシードとして選択され、ボクセルがなくなるまでプロセス全体が繰り返される。
【００５４】
このボックス化の方法は例示にすぎず、体積製造する仮想物体の細分化が可能な他の方法では、同じインプットからより多くの（またはより少ない）ボックセルを生成する異なるアルゴリズムが使用される。異なる機能性能仕様（耐摩耗性、断熱性、電気伝導性など）を実現するために、必要に応じて他のボックス化方法が使用される。さらに、ボックス化法の他の拡張または適応も可能である。たとえば、機械的強度を向上させるために、重なるボックセルには些細な拡張が許容される。
【００５５】
ボックセルがアクティブ化される順序も、たとえば、目的のオブジェクトを具現化するための合計時間をさらに短縮するために、適切に順序付けする必要がある。これを具現化するために、シーケンスアルゴリズムも使用できる。多くの場合、シーケンス手法の選択は幾何学形状に依存する。たとえば、ボックセルのサイズを最大化する（ボクセルの総数を最小化する）アプローチを利用できる。他の場合では、オブジェクトの幾何学形状に応じて、並行して印刷できるボクセルの総数を最大化すると有利な場合がある（オブジェクトの幾何学形状内の相対的な位置に応じて）。
【００５６】
プロセッサは、離散化とシーケンスの決定に加えて、目的のオブジェクトを生成するために必要な適切な処理パラメーターも決定する。次に、これらのパラメータがコントローラに提供され、コントローラは、適切な電圧／電流レベルで適切な一連のワイヤを適切な時間の長さで起動して、目的のオブジェクトを作成する。これはさまざまな方法で具現化できるが、その方法により計算の速度に影響を与える。したがって、本発明によれば、離散化プロセスを介して決定された各ボックセル内の各ワイヤの適切な電流レベルおよび「オン」時間を決定する迅速な手段として、数学的モデル反転技術に基づく戦略が開発された。
【００５７】
反転プロセスの目的は、各デリバリー要素がオン期間で動作するために必要な現在のレベルを識別することである。  Ｈ．Ｓ．Ｃａｒｓｌａｗ及びＪ．Ｃ．Ｊａｅｇｅｒによる「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ｉｎ  Ｓｏｌｉｄｓ」、Ｏｘｆｏｒｄ  ｓｃｉｅｎｃｅ  ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ  Ｐｒｅｓｓ、ｐｐ．３４５−３４７（１９８６）に記載されたソリューションによると、無限体中の加熱されたワイヤ表面からの距離ｒにおける温度は
【数３】
2020505256.tif 000004
によって推定可能であり、
ここで、Ａ０は単位体積あたりの単位時間あたりの一定速度での熱生成量である。
【００５８】
残りのシンボルの定義は数式３にあり、次のように書き直すことができ、
【数４】
2020505256.tif 000005
ここで
【数５】
2020505256.tif 000006
である。
【００５９】
数式３から明らかなように、領域内の各点および時点では、その点の温度は供給される電力に比例する。熱的問題は線形であるため、任意の数のワイヤから生成される温度場は、数式３のような多くの方程式の重ね合わせである。
【００６０】
ｗｐ＝｛ｘｐ、ｙｐ、ｚｐ｝Ｔ、ｐ＝１...Ｍ、および線Ｌｌ、ｌ＝１...Ｎで表される線状エネルギー送達要素（ワイヤ等）の一組によって与えられる該当ドメインのノード離散化を仮定すると、ノードｐとラインｌの間の距離行列を次のように定義することができる。
【数６】
2020505256.tif 000007
ここで、ε（ｗｐ、Ｌｌ）は、ベクトルｗｐで表される点とラインＬｌの間の距離である。
【００６１】
ワイヤｌの発熱量がＡ０ｌであり、数式４および６と重ね合わせの原理を使用することにより、ドメイン内の各点ｉの温度は次の数式
【数７】
2020505256.tif 000008
を使用して計算でき、
ここで
【数８】
2020505256.tif 000009
は個々のノードｐ，ｐ＝１...Ｍの温度を集めるベクトルであり、
【数９】
2020505256.tif 000010
は個々のワイヤｌ，ｌ＝１...Ｎの熱生成レベルを集めるベクトルである。
【００６２】
数式７は、与えられた距離と熱生成レベルにおける対象ドメイン内の任意の場所での温度を計算する問題の前方解を表す。
【００６３】
対象の幾何学形状を考えると、特定の融点に達するしきい値温度を定義することができる。その意味で、数式７はａが未知のベクトルである逆問題と考えることができる。問題は過剰決定されているため（一般にＮ＞Ｍ）、逆問題は次の式で表される最小二乗アプローチを使用して解決でき、
【数１０】
2020505256.tif 000011
ここで、ｔｄはドメイン内の各点の温度の望ましいレベルを含むベクトルで、ｆ−１（Ｄ）はｆ（Ｄ）のムーア擬似逆関数である。この逆関数は、たとえば特異値分解（ＳＶＤ）を使用して計算できる。
【００６４】
一般に、望ましい温度レベルは実際の物理的な問題の回答と一致する必要があり、同時に数式９の解は熱生成のための非物理的な値を含む可能性があるため、問題を正しい解に対して偏らせる必要がある。これは、非負行列因子分解、重みを使用した温度値のバイアス、数式９で表される反転に基づく反復ソルバーの使用など、いくつかの戦略によって実現できる。
【００６５】
｛Ａ０１、Ａ０２、...、Ａ０Ｍ｝Ｔ）が特定されると（また、その結果として）、ワイヤを駆動して適切なレベルの熱を発生させる電流要件を計算できる。この計算は、一定または時間変化する電流プロファイルに基づいて実行できる。
【００６６】
本発明はまた、電流誘導ジュール加熱の結果として所望の体積オブジェクトを生成するために、適切な期間にわたってグリッド内の１つ以上のワイヤに適切なレベルの電流を提供するように構成される制御システムを含む。
【００６７】
図１０の略図は、本発明による、構築領域内のワイヤの作動および非作動を制御するために使用できる制御システムの例示的な実施形態の態様を示している。図１０に示されるように、このような制御システムは、マイクロコントローラ１００１とのユーザインターフェースを提供するデバイス１００２に結合されたマイクロコントローラ１００１（例えば、コンピュータ）、ネットワークインターフェース、または携帯電話またはタブレットなどのモバイルデバイス、１つ以上のＰＷＭドライバ１００３ａ、１００３ｂ、...１００３ｎを含むオプションのパルス幅変調（ＰＷＭ）ドライバアレイ１００３、及びパワートランジスタのアレイ１００４ａ、１００４ｂ...１００４ｎを含むことができる。
【００６８】
制御システムのマイクロコントローラ１００１は、ＰＷＭ信号１０１０ａ、１０１０ｂ、...１０１０ｎを直接、または各パワートランジスタ１００４ａなどの対応するゲートに供給される適切なドライバ電子機器を介して生成する。次に各パワートランジスタは、対応するエネルギー送達要素１００５ａ、１００５ｂ、...１００５ｎに結合されるが、いくつかの実施形態では、システムは、少数のパワートランジスタのみが多数のエネルギー送達要素を制御できるように多重化されてもよい。高または低サイドがＰＷＭで制御されているかどうかに応じて、相互電力側がエネルギー要素のもう一方の端に接続される。
【００６９】
本発明によれば、マイクロコントローラは、各トランジスタのＰＷＭデューティサイクルを個別に制御することができ、したがって、各送達要素によって提供される電力のレベルを個別に制御することができる。さらに、投入電力のタイミングを制御することにより、マイクロコントローラーはＰＷＭトレインがアクティブな期間を制御できるため、個々のワイヤが「オン」または「オフ」状態にある期間を制御できる。
【００７０】
マイクロコントローラーは、システムをスケールアップする能力を提供するために、デイジーチェーンまたはネットワーク化された方法で他のマイクロコントローラーと組み合わせて使用できる。これは、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、ＣＡＭなどを含むがこれらに限定されないさまざまな通信インターフェースを介して実現できる。マイクロコントローラーには、汎用コンピューターと通信するための中央または分散インターフェースも必要である。このコンピューターを使用して、連続ストリームのコマンドまたは所定のセットのコマンドを提供し、このコマンドは電力レベル、及び個々の電力送達要素ごとにシークエンスされたタイミングを定義するものである。
【００７１】
いくつかの実施形態では、エネルギー送達要素は、図１１に示されるような電流および電圧センサ１１１５および１１２０などの１つまたは複数の検知要素を備えることができ、３次元温度分布の「ループ内」制御においてリアルタイムで活用できる。これは、ワイヤの抵抗率と温度の関係を知ることで実現できる。
【００７２】
そのようなデバイスには、電流および電圧センサーがあるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、コントローラは、フィードバック制御ループの基礎を提供できるマイクロコントローラに接続されたセンサーを含むことができが、これは、例えば比例積分偏差（ＰＩＤ）ループを介して電流を駆動するため、または構築領域内の前駆体材料の融解を検知して適切なアクションを実行するために使用できる。
【実施例１】
【００７３】
本発明による例示的なプロトタイプ装置は、本発明の発明者によって構築され、その使用によって三次元オブジェクトの生成が成功することが実証されている。
【００７４】
図１２Ａ〜１２Ｃは、このプロトタイプ装置で実証される本発明の態様を示している。図１２Ａは、領域がポリマー粉末前駆体材料で満たされる前の構築領域におけるワイヤセットアップを示し、ワイヤセットアップは、それぞれ２０本のワイヤを有する３つのＺ層からなる。図１２Ｂでは、このセットアップにおけるワイヤの所定のサブセットが上述のように作動および非作動にされると、単一の固体文字「Ｎ」が前駆体から形成され、図１２Ｃに示すように文字「Ｃ」、「Ｍ」、「Ｓ」、および「Ｌ」がワイヤの他のサブセットの作動および非作動によって形成される。
【実施例２】
【００７５】
ここで提案した方法論の主な利点の１つは、コンポーネントを体積的に製造できる速度である。これらの利点を実証するために、発明者らは計算実験を行った。図９Ａに示されたブラケットは、従来の付加製造用に「スライス」され、本発明による体積製造用にボックス化された。オブジェクトのサイズを２〜６倍に拡大し、従来の付加製造技術および本発明による体積製造を使用して各サイズでブラケットを製造するのに必要な時間を図１３のプロットに示すように記録した。
【００７６】
図１３に反映されたデータは、すべてのボックセルが順次印刷され（最も保守的な仮定）、各ボックセルが完了するのに１０秒を必要とすると仮定して計算された。本発明による装置内の複数のワイヤは、平行に構築体積にエネルギーを送達することができるため、小さなボックセルに必要なのと同じ時間で大きなボックセルを印刷することができ、これにより、オブジェクトを製造するのに必要な時間が劇的に短縮する。
【００７７】
さらに、図１３のプロットから分かるように、本発明による体積製造技術に必要な構築時間は、製造される物体のサイズに対して直線状に増加するが、付加製造に必要な時間は物体サイズに対して幾何学的な割合で増加する。これはさらに、量産が生産時間効率の点で従来の付加製造よりも大きな利点を提供する可能性があることを示唆している。また、図１３でのボックス化された幾何形状について示された性能は完全にシリアルに処理されるボックセルを表すものであるので最適なケースでないことに留意されたい。多くの場合、ボクセルの並列化は、関連する合計構築時間をさらに短縮するためにより有利である。
利点と新機能
本発明は、以前に開発された付加製造方法および装置と比較した場合、少なくとも以下の利点および新しい特徴を示す。
【００７８】
本発明の方法および装置は、本質的に連続するゼロ、１、または２次元の点ごと、経路ごと、および／または層ごとの順次処理と比べて、その体積的アドレス可能性の使用により、従来の付加製造技術と比較して生産速度の大幅な向上を可能にする。単一オブジェクトの生成速度の向上に加えて、バッチのようなプロセスで同じ構築体積内に複数の異なるオブジェクトを同時に作成することも可能である。
【００７９】
オブジェクトの作成にサポート／アンカー材は必要としない。
【００８０】
プロセスから生じるオブジェクトは、埋め込まれた処理ワイヤから生じる複合応答から機能的な利点を得ることができる（たとえば、強度と重量の比率の改善、望ましい熱的、電気的、光学、および／または電磁的応答）。
【００８１】
部品は、意図した機能に関して有利な向きで製造できる。
【００８２】
ワイヤ部材の予張力は、所望の機能（疲労、強度など）性能に関連する用途のために、構築後後の応力の有利な状態を促進するために制御することができる。
【００８３】
装置は可動部品を必要としないため、プロセスを大幅に簡素化し、重要なアプリケーションのコンポーネント故障に関連するリスクを大幅に削減し、移動するプラットフォーム（船、飛行機、宇宙船等）での使用や高振動条件での機械加工室での使用を可能にする。
【００８４】
この方法を使用すると、組み込みの機能や調整された機能を備えたオブジェクト（センサー／アクチュエーターなど）を作成できる。
【００８５】
この方法により、前駆体とアクティブなワイヤ材料の組み合わせによって、設計スペースを大幅に改善できる。
【００８６】
この方法は、さまざまな初期温度で動作できるプロセスの利用を可能にし、プロセスのパラメーター空間をさらに向上させる。
【００８７】
この方法は、大気制御が必要なかなり大きな体積を必要とする競合するプロセスとは対照的に、構築体積を容易に隔離できるため、不活性雰囲気を必要とする材料の処理を可能にする。
【００８８】
埋め込まれたワイヤの存在は、プロセス後の熱処理においてかなりの柔軟性を可能にする。
【００８９】
最後に、埋め込まれたワイヤの存在により、リアルタイムのプロセス検知と部品の性能向上のための制御が可能になる。
【００９０】
本明細書で説明される方法および装置は、現在までに存在する他のすべての付加製造アプローチから大幅に逸脱するものである。このアプローチは、構築時間、構築時間のスケーリング（オブジェクトサイズによる）、製造場での製造後の処理、パーツの性能／特性、およびパーツの機能に関連する現在の手法の問題に高度に調整可能で柔軟な方法で改善するものである。
【００９１】
特定の実施形態、態様、および特徴を説明および図示したが、当業者は、本明細書に記載の本発明がそれらの実施形態、態様、および特徴のみに限定されず、あらゆる修正および代替実施形態も企図され、本明細書に記載され、特許請求される基礎発明の精神および範囲内であることは容易に理解するであろう。本出願は、本明細書に記載および請求される基礎発明の精神および範囲内のありとあらゆる修正を企図し、そのような修正および代替実施形態はすべて、本開示の範囲および精神内にあるとみなされる。
【図１】
2020505256.tif 000012
【図２】
2020505256.tif 000013
【図３】
2020505256.tif 000014
【図４】
2020505256.tif 000015
【図５】
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【図６】
2020505256.tif 000017
【図７】
2020505256.tif 000018
【図８】
2020505256.tif 000019
【図９】
2020505256.tif 000020
【図１０】
2020505256.tif 000021
【図１１】
2020505256.tif 000022
【図１２】
2020505256.tif 000023
【図１３】
2020505256.tif 000024
【国際調査報告】
2020505256.tif 000025
2020505256.tif 000026