(57)【要約】オブジェクトを生成させるための３次元モデリング・システムは、３次元モデリング・プリントヘッドを含み、プリントヘッドは、位置決め手段に取り付けられており、位置決め手段は、プリントヘッドおよびプリントされているオブジェクトのうちの少なくとも１つを互いに空間的に移動させる。プリントヘッドは、チューブ状給送部材と、チューブ状給送部材の一方の端部に配置されているノズルとを含み、ノズルは、モデリング材料をディスペンスするためのノズル出口部と、生成されるオブジェクトの上のモデリング材料の以前に堆積されたトラックにインタフェース接続するためのノズル先端部とを有している。チューブ状給送部材は、モデリング材料をノズル出口部へ給送するための給送チャネルを含む。システムは、モデリング材料給送手段をさらに含み、モデリング材料給送手段は、ノズルの反対側のチューブ状給送部材の端部に配置されており、モデリング材料給送手段は、給送チャネルの中のモデリング材料に、ノズルに向けて圧力を働かせるように配置されている。システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示す第１のパラメーターを決定するための圧力決定手段をさらに含む。システムは、制御システムをさらに含み、制御システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示す決定された第１のパラメーターに基づいて、モデリング材料給送手段を制御するように配置されている。システムを使用する３次元モデリングの方法。
2020508910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元オブジェクトを生成させるための３次元モデリング・システム（４００、５００）であって、
〇  ３次元モデリング・プリントヘッド（１２１）を含み、
〇  前記プリントヘッド（１２１）は、位置決め手段（５０３）に取り付けられており（１０６、１０７、５０２）、前記位置決め手段（５０３）は、前記プリントヘッド（１２１）およびプリントされている前記オブジェクトのうちの少なくとも１つを互いに空間的に移動させるためのものであり、
〇  前記プリントヘッド（１２１）は、
・  チューブ状給送部材（１０１）と、
・  前記チューブ状給送部材（１０１）の一方の端部に配置されているノズル（１０２）であって、前記ノズル（１０２）は、ノズル出口部（１０２ａ）およびノズル先端部（１０２ｂ）を有しており、前記ノズル先端部（１０２ｂ）は、生成される前記オブジェクトの上のモデリング材料（１０８）の以前に堆積されたトラック（１０９）にインタフェース接続するためのものである、ノズル（１０２）と
を含み、
・  前記チューブ状給送部材（１０１）は、モデリング材料（１０８）を前記ノズル出口部（１０２ａ）へ給送するための給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）を含み、
〇  前記システム（４００、５００）は、モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）をさらに含み、前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）は、前記ノズル（１０２）の反対側の前記チューブ状給送部材（１０１）の端部に配置されており、前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）は、前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に、前記ノズル（１０２）に向けて圧力を働かせるように配置されており、
〇  前記システム（４００、５００）は、前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す第１のパラメーター（ＰＭ）を決定するための圧力決定手段（４０１、５０１、６０１〜６０４）をさらに含み、
〇  前記システム（４００、５００）は、制御システム（４１２）をさらに含み、前記制御システム（４１２）は、前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す決定された前記第１のパラメーター（ＰＭ）に基づいて、前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）を制御するように配置されており、
〇  前記制御システムは、前記位置決め手段（１０６）および前記プリントヘッド（１２１）を制御するように配置されており、
・  ２つの第１のトラック（７０１、７０２）を堆積させるようになっており、ここで、前記２つの第１のトラック（７０１、７０２）は、間隔を離して配置されており、また、
・  前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を使用して、前記モデリング材料に働かされる前記圧力を制御しながら、前記２つの第１のトラック（７０１、７０２）の間に中間トラック（７０３、１１０ｄ、１１０ｅ）を堆積させるようになっている、３次元モデリング・システム（４００、５００）。
【請求項２】
前記制御システム（４１２）は、前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を、所定の最小圧力値と所定の最大圧力値との間に維持するために、前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）を制御するように配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記制御システム（４１２）は、前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を一定の値に維持するように配置されている、請求項１に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項４】
前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）は、制御可能なドライブ（１０４）と、前記ドライブ（１０４）によって発生する駆動力を前記モデリング材料（１０８）に伝達するためのトランスミッション手段（１０５ａ、１０５ｂ、１０３）とを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項５】
前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を決定するための前記圧力決定手段（４０１、５０１、６０１〜６０４）は、前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に働かされる圧力を示す第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段（４０１、６０１〜６０４）を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム（４００）。
【請求項６】
前記制御可能なドライブ（１０４）は、ロータリー・ドライブを含み、前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に働かされる前記圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段（４０１、６０１〜６０４）は、前記ロータリー・ドライブ（１０４）および／またはトランスミッション・システム（１０５ａ、１０５ｂ）によって働かされるトルクを決定するためのトルク決定手段（４０１）を含む、請求項４または５に記載のシステム（４００）。
【請求項７】
前記制御可能なドライブ（１０４）は、電気モーター（１０４）を含み、前記トルク決定手段（４０１）は、モーター電流測定手段を含む、請求項６に記載のシステム（４００）。
【請求項８】
前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）は、モデリング材料ロッドを前記チューブ状給送部材（１０１）の中へ給送するためのプランジャー（１０３）を含み、前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に働かされる前記圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための前記圧力決定手段（４０１、６０１〜６０３）は、圧力センサーを含み、前記圧力センサーは、前記プランジャー（１０３）によって前記モデリング材料（１０８）に働かされる前記圧力を測定するために、前記プランジャー（１０３）に配置されている、請求項５に記載のシステム（４００）。
【請求項９】
前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に働かされる前記圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための前記圧力決定手段（４０１、６０１〜６０３）は、前記チューブ状給送部材（１０１）の前記給送チャネル（１２０ａ）に接続されている圧力センサー（６０１）を含む、請求項５に記載のシステム（４００）。
【請求項１０】
前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に働かされる前記圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための前記圧力決定手段（４０１、６０１〜６０３）は、前記ノズル（１０２）における給送チャネル（１２０ｂ）に接続されている圧力センサー（６０２）を含む、請求項９に記載のシステム（４００）。
【請求項１１】
前記圧力決定手段（６０１〜６０３）は、ノズル変形センサー（６０３）を含む、請求項１０に記載のシステム（４００）。
【請求項１２】
前記モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を決定するための前記圧力決定手段（４０１、５０１、６０１〜６０４）は、堆積されている前記中間トラック（７０３、１１０ｄ、１１０ｅ）の中の前記モデリング材料に働かされる圧力を示す第３のパラメーターを決定するための圧力決定手段（５０１、６０４）を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム（５００）。
【請求項１３】
堆積されている前記中間トラック（７０３、１１０ｄ、１１０ｅ）の中の前記モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第３のパラメーターを決定するための前記圧力決定手段（５０１、６０４）は、圧力センサー（６０４）を含み、前記圧力センサー（６０４）は、前記ノズル先端部（１０２ｂ）において堆積されている前記モデリング材料（１１０）の中の圧力を測定するために、前記ノズル先端部（１０２ｂ）における流体チャネルを有している、請求項１２に記載のシステム（５００）。
【請求項１４】
堆積されている前記中間トラック（７０３、１１０ｄ、１１０ｅ）の中の前記モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第３のパラメーターを決定するための前記圧力決定手段（５０１、６０４）は、前記プリントヘッド（１２１）と前記位置決め手段（５０４、１０６）との間に配置されている力センサー（５０１）を含む、請求項１２に記載のシステム（５００）。
【請求項１５】
前記力センサー（５０１）は、前記プリントヘッドおよび前記位置決め手段（１０６）の相互接続部（１０７）に配置されている、請求項１４に記載のシステム（５００）。
【請求項１６】
堆積されている前記中間トラック（７０３、１１０ｄ、１１０ｅ）の中の前記モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第３のパラメーターを決定するための前記圧力決定手段（５０１、６０４）は、ベース（５０４）の上に配置されている力センサーを含み、前記ベース（５０４）は、生成される前記オブジェクトを受け入れるように配置されている、請求項１２に記載のシステム（５００）。
【請求項１７】
モデリング材料フロー決定手段をさらに含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項１８】
前記フロー決定手段は、前記モデリング材料給送手段（１０３、１０４、１０５ａ、１０５ｂ）の変位を決定するための変位センサーを含み、前記制御システムは、単位時間当たりの変位を決定することによってフローを決定するように配置されている、請求項１７に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項１９】
前記フロー決定手段は、前記モデリング材料のフローを決定するためのフロー・センサーを含む、請求項１７に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項２０】
前記フロー決定手段は、前記ドライブ（１０４、１０５ａ、１０５ｂ）の回転速度を決定するためのセンサーを含む、請求項１７および請求項６に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項２１】
前記制御システム（４１２）は、代替的に、決定された前記モデリング材料フローを使用して、前記モデリング材料（１０８）のフローを制御するようにさらに配置されている、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項２２】
前記制御システム（４１２）は、前記モデリング材料の前記フローを制御しながら、２つの前記第１のトラック（７０１、７０２）を堆積させるために、前記位置決め手段（１０６）および前記プリントヘッドを制御するようにさらに配置されている、請求項２１に記載のシステム（４００、５００）。
【請求項２３】
３次元オブジェクトを生成させるための３次元モデリングの方法であって、
・  前記請求項１〜２２のいずれか一項に記載の３次元モデリングのためのシステム（４００、５００）を使用して、前記３次元オブジェクトの３次元モデリングを実施するステップを含み、３次元モデリングを実施する前記ステップは、
・  前記モデリング材料給送手段（１０４、１０５ａ、１０５ｂ、１０３）を使用して前記モデリング材料（１０８）を給送するステップと、
・  前記モデリング材料に働かされる圧力を示す第１のパラメーター（ＰＭ）を決定するステップと、
・  前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）に応じて、前記モデリング材料給送手段（１０４、１０５ａ、１０５ｂ、１０３）を制御（４１２）するステップと、
・  ３次元モデリング材料の２つの第１のトラック（７０１、７０２）を堆積させるステップであって、２つの前記第１のトラック（７０１、７０２）は、間隔を離して配置されている、ステップと、
・  前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を使用して、前記モデリング材料に働かされる前記圧力を制御しながら、２つの前記第１のトラック（７０１、７０２）の間に中間トラック（７０３、１１０ｄ、１１０ｅ）を堆積させるステップと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）に応じて、前記モデリング材料給送手段（１０４、１０５ａ、１０５ｂ、１０３）を制御（４１２）する前記ステップは、
・  前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を基準値（ＰＲ）と比較（４０３）するステップを含み、
・  制御する前記ステップは、前記第１のパラメーター（ＰＭ）と前記基準値（ＰＲ）との間の差に基づいている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記モデリング材料（１０８）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）に応じて、前記モデリング材料給送手段（１０４、１０５ａ、１０５ｂ、１０３）を制御（４１２）するステップは、
・  前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を、以前に決定された最小圧力値と以前に決定された最大圧力値との間に維持するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）に応じて、前記モデリング材料給送手段（１０４、１０５ａ、１０５ｂ、１０３）を制御（４１２）する前記ステップは、
・  前記モデリング材料（１０８、１１０）に働かされる前記圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を、以前に決定された一定の値に維持するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を決定する前記ステップは、前記チューブ状給送部材（１０１）および／またはノズル（１０２）の前記給送チャネル（１２０ａ、１２０ｂ）の中の前記モデリング材料（１０８）に働かされる圧力を示す第２のパラメーターを決定するステップを含む、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーター（ＰＭ）を決定する前記ステップは、堆積されている前記トラック（１１０、７０３）の中の前記モデリング材料に働かされる圧力を示す第３のパラメーターを決定するステップを含む、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
・  モデリング材料フローを決定するステップと、
・  代替的に、前記モデリング材料フローを使用して、前記モデリング材料（１０８）のフローを制御するステップと
をさらに含む、請求項２３〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
・  前記モデリング材料の前記フローを制御しながら、２つの前記第１のトラック（７０１、７０２）を堆積させるステップ
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元オブジェクトを生成させるための３次元モデリング・システム、および、３次元オブジェクトを３次元モデリングする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元モデリングでは、オブジェクトが、制御された様式でモデリング材料を積層することによって形成され、所望の３次元形状のオブジェクトが生成され得るようになっている。また、オブジェクトを形成するこの方式は、アディティブ・マニュファクチャリングと称され得る。３次元モデリングに関して非常に多くの場合、３次元モデリング・プリンターが使用され得る。プリンターは、３次元に移動可能なプリントヘッドを有しており、プリントヘッドがモデリング材料の以前に堆積されたトラックの上方を移動している間に、プリントヘッドは、モデリング材料をディスペンスする。
【０００３】
プリントされるオブジェクトは、ベースの上に設置され得る。プリントヘッドは、モデリングもしくはプリントされているオブジェクトに対して、３次元空間の中で移動可能であり、または、その逆も同様である。いくつかのケースでは、オブジェクトは、プリントヘッドに対して、１次元または複数次元で移動可能である。オブジェクトがその上にモデリングされているオブジェクトをプリントヘッドに対して移動させることに関して、さまざまな組み合わせが可能であり、また、その逆も同様である。
【０００４】
プリントヘッドの運動は、制御システムによって制御され、制御システムは、３次元的に制御可能な位置決めシステムを制御し、プリントヘッドが、位置決めシステムに取り付けられている。ソフトウェアによって、トラックのパターンが設計され得、そのパターンが、プリントヘッドを移動させるために、および、トラックを堆積させるために使用される。
【０００５】
オブジェクトは、移動可能なプリントヘッドに対して基準場所において、ベース構造体の上で生成される。モデリング材料は、以前に形成されたトラックと融合され得る。３次元モデリング材料は、たとえば、フィラメント、粒状物、ロッド、液体、または懸濁液の形態で、プリントヘッドの中に給送され得る。プリントヘッドは、プリントヘッドからノズルを通してモデリング材料をディスペンスし、トラックの形態でベースの上にそれを堆積させ、トラックの層を形成し、または、生成されるオブジェクトの以前の層が堆積されているときには、以前に堆積されたトラックの上のオブジェクトの上にそれを堆積させ、そこで、それを固化させる。モデリング材料は、熱的にもしくは化学的にまたはその他の方法で、以前に堆積されたトラックと融合され得る。化学的なモデリング材料が、プリントヘッドからディスペンスされ得、以前に堆積されたトラックの上に堆積され得、堆積の直後に固化するように硬化され得る。
【０００６】
トラックの中でのプリントヘッドに対するベースおよびオブジェクトの相対運動、ならびに、プリントヘッドからのモデリング材料の同時の堆積は、熱溶解積層されたオブジェクトがそれぞれの堆積されたトラックとともに成長することを可能にし、その所望の形状を徐々に獲得する。
【０００７】
現在の材料押出プリンター（粒状物押出機、ラム押出機、およびシリンジ押出機を含む）では、材料が、フィード・フォワードのフロー制御された方式で堆積される。モデリング材料のフローは、堆積されるトラックの厚さおよびプリント速度に応じて、一定に維持される。マシン・キャリブレーションの一部として、材料フローがキャリブレートされる。
【０００８】
そのうえ、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステムは、生成されているオブジェクトの以前に堆積されたトラックの上方をプリントヘッドに移動させ、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステムは、生成されるオブジェクトの正確な寸法を維持するために、および、特に、堆積されているトラックの制御された厚さを維持するために、キャリブレートされなければならない。
【０００９】
キャリブレーションが正しいときには、固体オブジェクトが、フロー制御を使用して正確にプリントされ得る。プリントヘッド・ノズルと以前に堆積された層との間のギャップが、たとえば、キャリブレーションの欠如に起因して増加するときには、モデリング材料のフローは、ギャップを充填するには小さくなり過ぎる可能性があり、それによって、プリントされたトラック同士の間にスペースを発生させ、プリントされたオブジェクトの中にキャビティーを結果として生じさせる。これは、押出不足（ｕｎｄｅｒ−ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）と呼ばれる。
【００１０】
他方では、プリントヘッド・ノズルと以前に堆積されたトラックとの間のギャップが、キャリブレーションの欠如に起因して減少するときには、モデリング材料のフローは、堆積されているトラックに対して高くなり過ぎる可能性があり、したがって、あまりに多くの材料が押し出される。これは、押出過剰（ｏｖｅｒ−ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）と呼ばれる。また、トラックが２つの以前に堆積されたトラックの間に存在し、それらの間のスペースが狭くなっているときに、押出過剰が起こる可能性がある。これは、オブジェクトとプリントヘッドとの間に過度の力を結果として生じさせる可能性があり、また、モデリング材料のオーバーフローに起因して、オブジェクトの粗い表面を結果として生じさせる可能性がある。モデリング材料のオーバーフローは、プリントヘッドのノズル先端部の上の破片または残留物につながる可能性があり、それは、ノズル先端部から脱落し、プリントされているオブジェクトと融合し、オブジェクトの潜在的な損失を引き起こす可能性がある。
【００１１】
また、キャリブレーションの喪失は、熱膨張によって、およびプリンティングの間に、および、その後の、熱融合された材料のプリンティングの後の収縮の間に、引き起こされ得る。熱膨張および熱収縮が不十分に補償されるときには、ノズルと以前に堆積されたトラックとの間のギャップは、一定の寸法を有しない可能性がある。同様に、プリントヘッドまたはノズルによる堆積方向に対して垂直の方向への寸法も、熱影響に起因して変化する可能性がある。
【００１２】
押出不足または押出過剰の別の原因は、モデリング材料の原材料寸法の変動にある可能性がある。たとえば、モデリング材料のフィラメントが使用されるときには、その直径は、変化する可能性があり、プリンティングのときに堆積されるモデリング材料の量の変動を引き起こし、堆積されているモデリング材料の一定フロー制御を使用するときに、押出不足または押出過剰への原因を与える。
【００１３】
Ｘ−Ｙ−Ｚシステムのキャリブレーション、および、モデリング材料の給送手段のキャリブレーションを実施するときに、最も高い優先事項は、押出過剰を防止することである。その理由は、これがプロセスを信頼できないものにするからである。したがって、３次元モデリング押出プリンターは、通常、オープン・スペースまたはキャビティーの形成を引き起こすある程度の押出不足を有している。副作用として、パーツは、リーク・タイトまたは耐圧性にならず、パーツの強度は、準最適になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明の目的は、上記に説明されている問題および不利益を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本目的は、３次元オブジェクトを生成させるための３次元モデリング・システムであって、３次元モデリング・システムは、３次元モデリング・プリントヘッドを含み、プリントヘッドは、位置決め手段に取り付けられており、位置決め手段は、プリントヘッドおよびプリントされているオブジェクトのうちの少なくとも１つを互いに空間的に移動させる、３次元モデリング・システムにおいて実現される。
【００１６】
プリントヘッドは、チューブ状給送部材と、チューブ状給送部材の一方の端部に配置されているノズルとを含み、ノズルは、モデリング材料をディスペンスするための出口部と、生成されるオブジェクトの上のモデリング材料の以前に堆積されたトラックに面するためのノズル先端部を有している。
【００１７】
チューブ状給送部材は、モデリング材料をノズル出口部へ給送するための給送チャネルを含む。
【００１８】
システムは、ノズルの反対側のチューブ状給送部材の端部に配置されているモデリング材料給送手段をさらに含み、モデリング材料給送手段は、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力をノズルに向けて働かせるように配置されている。
【００１９】
システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示す第１のパラメーターを決定するための圧力決定手段をさらに含む。
【００２０】
システムは、制御システムをさらに含み、制御システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示す決定された前記第１のパラメーターに基づいて、モデリング材料給送手段を制御するように配置されている。
【００２１】
制御システムは、位置決め手段およびプリントヘッドを制御するように配置されており、２つの第１のトラックを堆積させるようになっており、ここで、前記２つの第１のトラックは、間隔を離して配置されており、また、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを使用して、モデリング材料に働かされる圧力を制御しながら、前記２つの第１のトラックの間に中間トラックを堆積させるようになっている。
【００２２】
圧力を制御することによって、たとえば、圧力が特定のレベルを下回って降下するときに押出不足が起こるということが、圧力決定手段を使用する制御システムによってセンシングされ得る。チューブ状給送部材の中のモデリング材料に働かされる圧力を増加させることによって、この押出不足は補償され得る。たとえば、現在のトラックを堆積させている間に以前に堆積された隣接するトラック同士の間のスペースが広がっているときに、これが起こる可能性がある。
【００２３】
他方では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターが、特定のレベルを上回って増加するときに、押出過剰が起こるということがセンシングされ得る。チューブ状給送部材の中のモデリング材料に働かされる圧力を減少させることによって、この押出過剰が補償され得る。たとえば、以前に堆積された隣接するトラック同士の間のスペースが狭まっているときに、これが起こる可能性がある。モデリング材料の圧力を制御することによって、プリントされたオブジェクトの中の残りのスペースは、残りのスペースの体積から独立して、良好に充填される。これは、堆積されている中間トラックを、以前に堆積された隣接するトラックと融合することを結果として生じさせ、キャビティーの完全な充填、および、隣接するトラック同士の間の改善された結合を引き起こす。したがって、パーツは、最適なリーク・タイトネスおよび強度を有することとなる。
【００２４】
ノズルと以前に堆積された層との間のギャップによって決定されるトラック厚さは、通常、非常に小さい。これは、このギャップにわたる圧力降下が、モデリング材料の粘度に起因して大きくなるということを暗示している。ノズル先端部の中におけるまたはノズル先端部における圧力のレベルからの圧力降下が大気圧力に到達するために、ミリメートルの大きさのオーダーの距離だけを必要とする。ノズルへの距離が大きくなるにつれて、ギャップにわたる圧力降下が増加する。圧力降下がノズルの中の超過圧力に等しいときには、フローが停止し、トラックは幅広くならない。プリントヘッドがオブジェクトの上方を移動するとき、これは、安定したトラック幅になるようにバランスする。
【００２５】
フロー制御されたプリンティングとの主な相違は、堆積されている中間トラックの幅が、すべてのギャップを上手く充填しながら、一定の線の幅とバランスするが、一方、フロー・ベースのプリンティングは、システマティックな押出不足または押出過剰を結果としてすぐに生じさせるということである。
【００２６】
モデリング材料に働かされる圧力を制御することによって、ノズルと以前に堆積されたトラックとの間のギャップ・サイズの変動が補償される。
【００２７】
本発明によるシステムの実施形態では、制御システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを所定の最小圧力値と所定の最大圧力値との間に維持するために、モデリング材料給送手段を制御するように配置されている。これは、位置決め手段のアライメントまたはキャリブレーションの非完璧性にかかわらず、モデリング材料に働かされる圧力が、押出過剰または押出不足が起こらないことを保証する範囲内になることを可能にする。
【００２８】
本発明によるシステムの実施形態では、制御システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを一定の値に維持するように配置されている。これは、以前に堆積されたトラック同士の間にまたは以前に堆積されたトラックに隣接して堆積される中間トラックをさらに改善し、破片および残留物の形成を防止しながら、オープン・スペースまたはキャビティーを残すことなく、十分に充填されるようにする。そのうえ、一定の圧力は、プリントヘッドおよびモデリング材料給送手段の摩耗を低減させる。
【００２９】
本発明によるシステムの実施形態では、モデリング材料給送手段は、制御可能なドライブと、トランスミッション手段とを含み、トランスミッション手段は、ドライブによって発生する力をモデリング材料に伝達するために、ドライブに接続されている。制御可能なドライブは、制御システムが制御可能な力を発生させることを可能にし、制御可能な力は、チューブ状の給送手段（すなわち、給送チャネル）の中のモデリング材料に働かされる圧力、および、ノズル先端部におけるモデリング材料に働かされる圧力を結果として生じさせる。
【００３０】
本発明によるシステムの実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段を含む。これは、たとえば、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターが、制御可能なドライブおよびトランスミッション手段によってモデリング材料に働かされる力によって決定されることを可能にする。このように決定される第２のパラメーターは、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す尺度を構成する。
【００３１】
モデリング材料に応じて、適当なドライブおよび力トランスミッション手段が選ばれ得る。制御可能なドライブは、制御システムによって制御可能である。ノズル先端部における力、ならびに、ドライブおよびトランスミッション・システムの中のトルクは、モデリング材料に働かされる圧力を示していると考えられ得る。
【００３２】
本発明によるシステムの実施形態では、制御可能なドライブは、ロータリー・ドライブを含み、また、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、ロータリー・ドライブおよび／またはトランスミッションによって働かされるトルクを決定するためのトルク決定手段を含む。これは、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターが、ロータリー・ドライブおよびトランスミッションのうちの少なくとも１つによって働かされるトルクから導出されることを可能にする。
【００３３】
本発明によるシステムの実施形態では、制御可能なドライブは、電気モーターを含み、トルク決定手段は、モーター電流測定手段を含む。これは、任意のさらなるトルク・センサーなしのトルク決定を可能にする。
【００３４】
本発明によるシステムの実施形態では、モデリング材料給送手段は、モデリング材料をモデリング材料フィーダーの中へ給送するためのプランジャーを含む。プランジャーは、ロッドの形態のモデリング材料がチューブ状給送部材の中へ給送されることを可能にする。
【００３５】
給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターは、プランジャーによってモデリング材料に働かされる圧力によって決定され、また、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、力センサーを含み、力センサーは、プランジャーによってモデリング材料に働かされる圧力を測定するためのプランジャーに配置されている。
【００３６】
働かされる力から、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターが導出され得る。これは、ドライブ・システムからのモーター電流またはトルクを測定することに対する代替的な方式であり、チューブ状給送部材の給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターを容易に決定する。
【００３７】
本発明によるシステムの実施形態では、給送チャネルのモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、圧力センサーを含み、圧力センサーは、チューブ状給送部材の給送チャネルに接続されている。したがって、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターは、圧力センサーによって直接的に決定され得る。
【００３８】
本発明によるシステムの実施形態では、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、圧力センサーを含み、圧力センサーは、ノズルにおける給送チャネルに接続されている。したがって、給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第２のパラメーターは、代替的に、ノズルの中の圧力センサーによって直接的に決定され得る。
【００３９】
本発明によるシステムの実施形態では、ノズルに配置されている圧力センサーは、ノズル変形センサーを含む。これは、センサーがノズルの給送チャネルの中のモデリング材料のフローとの直接的な接触を必要としないという利点を有している。
【００４０】
本発明によるシステムの実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、堆積されている中間トラックの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す第３のパラメーターを決定するための圧力決定手段を含む。これは、堆積されている中間トラックの中のモデリング材料の直接的な測定および制御を可能にし、したがって、モデリング材料の滑らかな堆積を確保し、横方向に以前に堆積されたトラックとの最適な融合を可能にする。
【００４１】
本発明によるシステムの実施形態では、堆積されている中間トラックの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第３のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、圧力センサーを含み、圧力センサーは、ノズル先端部において堆積されているモデリング材料の中の圧力を測定するために、ノズル先端部における流体チャネルを有している。ノズル先端部における流体チャネルは、ノズル出口部の近くのノズルの外側に堆積されている中間トラックの中の圧力を測定することを可能にする。これは、堆積されているモデリング材料の中のノズル先端部における圧力の直接的な測定を可能にし、高速で正確な圧力測定を確保する。
【００４２】
本発明によるシステムの実施形態では、堆積されている中間トラックの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第３のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、力センサーを含み、力センサーは、プリントヘッドと位置決め手段との間に配置されている。プリントヘッド（すなわち、ノズル先端部）によって、堆積されている中間トラックのモデリング材料に働かされる力は、プリントヘッドから、ガントリーおよび位置決めシステム、ベースを介して、生成されるオブジェクトへの機械的な経路の中の異なる場所において、反作用力を測定することによって測定され得、機械的な経路は、プリントヘッドによって堆積されている中間トラックに働かされる力を伝える。決定された力から、先端部においてモデリング材料に働かされる圧力が導出され得る。
【００４３】
本発明によるシステムの実施形態では、力センサーは、プリントヘッドおよび位置決め手段の相互接続部に配置されている。このケースでは、力が、プリントヘッドと位置決め手段（より具体的には、プリントヘッドが装着されるガントリー）との間で測定され得る。
【００４４】
本発明によるシステムの実施形態では、堆積されている中間トラックの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す前記第３のパラメーターを決定するための圧力決定手段は、力センサーを含み、力センサーは、位置決め手段のベースの上に配置されており、ベースは、生成されるオブジェクトを受け入れるように配置されている。生成されるオブジェクトは、基準場所に位置付けされている。それは、ベースの上に装着され得る。ビルド・プレートにかかる力が測定され得、または、代替的に、ビルド・プレートと位置決め手段との間の力が測定され得、圧力を示すパラメーターがそれから導出され得る。
【００４５】
決定された圧力は、プリントされているオブジェクトの重量によって補償され得る。この重量は、たとえば、プリントヘッドがアクティブでないかまたは引っ込められているときに、力センサーによって決定され得る。これは、トラックの堆積が実施されるプリンティング・プロセスの間の時間間隔において実施され得る。
【００４６】
本発明によるシステムの実施形態では、システムは、モデリング材料フロー決定手段をさらに含む。これは、トラックを堆積させる際に使用されるモデリング材料の量の決定を可能にする。モデリング材料フローおよびプリンティング速度から、堆積されているトラックの厚さが決定され得る。
【００４７】
本発明によるシステムの実施形態では、フロー決定手段は、モデリング材料給送手段の変位を決定するための変位センサーを含み、制御システムは、単位時間当たりの変位を決定することによってフローを決定するように配置されている。モデリング材料給送手段は、モデリング材料をチューブ状給送部材の中へ押し込む。単位時間当たりの給送手段の変位を測定することによって、モデリング材料フローが、時間当たりの変位、および、チューブ状の給送部材の断面積から決定され得る。
【００４８】
本発明によるシステムの実施形態では、フロー決定手段は、モデリング材料のフローを決定するためのフロー・センサーを含む。
【００４９】
本発明によるシステムの実施形態では、フロー決定手段は、ロータリー・ドライブの回転速度を決定するためのセンサーを含む。ロータリー・ドライブは、モデリング材料給送手段を駆動する。チューブ状給送部材の中のモデリング材料の変位は、それによって、ロータリー・ドライブの回転速度にリンク付けされる。したがって、ロータリー・ドライブの回転速度から、チューブ状の給送部材の中のモデリング材料フローが導出され得る。これは、電気モーターがロータリー・ドライブとして利用されているときに、回転速度が、モーターの駆動と関連付けられる電気パラメーターから容易に決定され得るという利点を有している。したがって、別個の変位センサーは必要とされない。
【００５０】
本発明によるシステムの実施形態では、制御システムは、代替的に、決定されたモデリング材料フローを使用して、モデリング材料のフローを制御するようにさらに配置されている。
【００５１】
本発明によるシステムの実施形態では、制御システムは、モデリング材料の前記フローを制御しながら、２つの前記第１のトラックを堆積させるために、位置決め手段およびプリントヘッドを制御するようにさらに配置されている。このスキームにおいて、２つの第１のトラックは、以前に堆積されたトラックから独立して堆積され得る。そのようなトラックは、スペースおよびキャビティーを防止するための高い充填グレードを必要とせず、したがって、フロー制御が使用され得る。しかし、２つの第１のトラックの間に堆積される中間トラックは、キャビティーを残さない高い充填グレードを必要とする。したがって、この中間トラックは、圧力制御を使用して堆積され得る。
【００５２】
チューブ状給送部材は、加熱エレメントによって加熱可能であり得、加熱エレメントは、ノズルに隣接して、チューブ状給送部材の少なくとも下側部分の周りに配置されている。これは、加熱可能なモデリング材料が熱溶解積層法システムによって加工されることを可能にする。モデリング材料は、それがチューブ状給送部材の中へ押し込まれている間に加熱される。モデリング材料が到達するときには、ノズルは、モデリング材料溶融温度まで加熱される。加熱エレメントは、必要とされる溶融温度に到達するように寸法決めおよび制御され得る。
【００５３】
ノズルは、ノズルの周りにまたはノズルの中に配置されている加熱エレメントによって加熱可能である。これは、チューブ状給送部材の加熱エレメントがより低い温度に調節されることを可能にし、モデリング材料が熱的に劣化することを防止する。その理由は、いくらかの材料が、高い温度、すなわち、溶融温度に、限られた時間だけ維持され得るからである。ノズルの近くの給送チャネルの最後の部分のみにおいて、モデリング材料は、その溶融温度まで加熱され、したがって、モデリング材料が良好な条件に維持されながら、十分なプリンティングが提供され、すなわち、劣化が防止される。
【００５４】
本目的は、３次元モデリングの方法であって、方法は、上記に説明されているような３次元モデリングのためのシステムを使用して３次元モデリングを実施するステップを含み、方法は、モデリング材料給送手段を使用してモデリング材料を給送するステップと、モデリング材料に働かされる圧力を示す第１のパラメーターを決定するステップと、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターに応じて、モデリング材料給送手段を制御するステップと、３次元モデリング材料の２つの第１のトラックを堆積させるステップであって、２つの前記第１のトラックは、間隔を離して配置されている、ステップと、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを使用して、モデリング材料に働かされる圧力を制御しながら、２つの前記第１のトラックの間に中間トラックを堆積させるステップとをさらに含む、方法においてさらに実現される。
【００５５】
本発明による方法の実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターに応じて、モデリング材料給送手段を制御するステップは、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを基準値と比較するステップを含み、制御するステップは、前記第１のパラメーターと基準値との間の差に基づいている。
【００５６】
本発明による方法の実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターに応じて、モデリング材料給送手段を制御するステップは、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを、以前に決定された最小圧力値と以前に決定された最大圧力値との間に維持するステップを含む。
【００５７】
本発明による方法の実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターに応じて、モデリング材料給送手段を制御するステップは、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを、以前に決定された一定の値に維持するステップを含む。
【００５８】
本発明による方法の実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを決定するステップは、チューブ状給送部材および／またはノズルの給送チャネルの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す第２のパラメーターを決定するステップを含む。
【００５９】
本発明による方法の実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示す前記第１のパラメーターを決定するステップは、堆積されている中間トラックの中のモデリング材料に働かされる圧力を示す第３のパラメーターを決定するステップを含む。
【００６０】
本発明による方法の実施形態では、方法は、モデリング材料フローを決定するステップと、代替的に、モデリング材料フローを使用して、モデリング材料のフローを制御するステップとをさらに含む。
【００６１】
本発明による方法の実施形態では、方法は、モデリング材料の前記フローを制御しながら、２つの前記第１のトラックを堆積させるステップをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１ａ】従来技術による３次元モデリングのためのシステムのダイアグラムである。
【図１ｂ】従来技術による３次元モデリングのためのシステムを制御するための制御システムのブロック図である。
【図２ａ】従来技術による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図２ｂ】従来技術による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図２ｃ】従来技術による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図３ａ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図３ｂ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図４ａ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムのダイアグラムを示す図である。
【図４ｂ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムを制御するための制御システムのブロック図を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムのダイアグラムを示す図である。
【図６ａ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図６ｂ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図６ｃ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図６ｄ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図７ａ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図７ｂ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図７ｃ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図８ａ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図８ｂ】本発明の実施形態による３次元モデリングのためのシステムの態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
図１ａでは、３次元モデリングのためのシステム１００が、簡単化された形態で示されている。システム１００は、３次元モデリング・プリントヘッド１２１を含み、プリントヘッド１２１は、接続部１０７を介してガントリー１０６に取り付けられており、ガントリー１０６は、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステム（図１ａには示されていない）の中に含まれており、それは、モデリング材料のトラック１１０を堆積させている間に、プリントヘッド１２１およびプリントされるオブジェクトが互いに対して相対的に移動することを可能にする。トラック１１０は、層になって堆積され得る。プリントヘッド１２１は、チューブ状給送部材１０１を含み、チューブ状給送部材１０１は、押出機チューブとして作用し、チューブ状給送部材１０１は、チューブ状給送部材１０１の一方の端部から、チューブ状給送部材１０１の反対側端部に接続されているノズル１０２へ、モデリング材料１０８を給送するように配置されている。チューブ状給送部材１０１は、たとえば、ステンレス鋼などのような金属から作製され得る。
【００６４】
チューブ状給送部材１０１およびノズル１０２は、それぞれ、セクション１２０ａ、１２０ｂを有する給送チャネルを含む。給送チャネル・セクション１２０ａは、モデリング材料１０８が導入されることおよびノズルに向けて押されることを可能にし、一方、給送チャネル・セクション１２０ｂは、ノズル１０２の中に位置決めされており、給送チャネル・セクション１２０ｂは、ノズル先端部１０２ｂにおけるノズル出口部１０２ａにつながっている。プリンティングの間に、ノズル先端部１０２ｂは、堆積されているトラック１１０のモデリング材料と接触している。
【００６５】
３次元モデリング材料１０８は、熱可塑性ポリマー、たとえば、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などを含むことが可能である。これらの材料は、チューブ状給送部材１０１の中で溶融され得、生成されるオブジェクトを形成するために、ノズル１０２からトラック１０９、１１０の中にディスペンスされ得る。
【００６６】
また、チューブ状給送部材１０１およびノズル１０２は、１つまたは複数の加熱エレメントを設けられ得、１つまたは複数の加熱エレメントは、チューブ状給送部材１０１の周りに配置され、モデリング材料原材料を加熱および溶融することが可能であり、プリントヘッド１２１が溶融状態のモデリング材料を堆積および融合することを可能にするようになっている。
【００６７】
３次元モデリングのための他の材料は、ペースト、懸濁液、または樹脂を含むことが可能であり、それは、トラック１０９、１１０の中に堆積され得、たとえば、紫外光、空気、熱、または他の硬化剤への露出によって硬化され得る。
【００６８】
モデリング材料１０８は、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステムによって実行される連続的な堆積動作で、第１のトラックの中でベースの上に、および、以前に堆積されたトラック１０９の上に堆積される。ベースは、ベースプレートであるか、グランドであるか、または、トラックの堆積を開始させるのに適切な、ならびに、プリントされるオブジェクトを構築および担持するのに適切な任意の他の構造体であることが可能である。ベースは、固定され得るか、または、移動可能であり得る。いくつかのケースでは、ベースは、水平方向のＸ−Ｙ方向に移動可能であり、一方、プリントヘッド１２１は、垂直方向のＺ方向に移動可能である。他のケースでは、ベースが、プリントヘッド１２１に対して、Ｘ−Ｙ−Ｚの水平方向および垂直方向に移動可能である。繰り返しになるが他のケースでは、プリントヘッドが、ベースに対して、Ｘ−Ｙ−Ｚの水平方向および垂直方向に移動可能である。この説明では、後者のケースが、例として提供される。
【００６９】
プリントヘッド１２１が、以前に堆積されたトラック１０９の上方を移動している間に、ドライブ・システム１１３は、ロータリー・ドライブ１０４、トランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂを含み、トランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂは、ロータリー・ドライブ１０４の回転運動をプランジャー１０３の長手方向の運動へ伝達するためのものであり、プランジャー１０３は、チューブ状給送部材１０１の給送チャネル・セクション１２０ａの中のモデリング材料をノズル１０２に向けて押す。ドライブ１０４の回転移動は、トランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂ、および、プランジャー１０３へのスピンドル・トランスミッションを介して、プランジャー１０３の並進へ変換され得る。
【００７０】
回転から並進へのトランスミッションによってモデリング材料１０８に働かされる圧力は、モーター軸棒の角度変位およびプランジャー１０３（トランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂへの回転のスピンドルに取り付けられている）の長手方向変位の伝達比を使用して、決定されたトルクから導出され得る。ロータリー・ドライブ１０４は、ステッパー・モーターであることが可能であり、ステッパー・モーターは、離散的な数のステップを選ばれた方向に進行させるように、デジタルで制御され得る。また、ロータリー・ドライブ１０４は、電気モーター、ＤＣもしくはＡＣ、またはサーボモーターであることが可能であり、それは、モーターに供給される電圧および／または電流によって制御可能である。後者のケースでは、モーター軸棒に接続されているエンコーダーが、モーターの位置情報を提供することが可能である。
【００７１】
熱溶解積層法システムの中で使用される非ロータリー・ドライブおよびトランスミッション・ギヤを利用するプリントヘッドの中のモデリング材料に働かされる圧力の制御は、ロータリー・タイプ・ドライブおよびトランスミッションと同様であるということを、当業者は理解する。
【００７２】
プランジャー１０３は、変位センサー１１１を設けられ得、変位センサー１１１は、チューブ状給送部材１０１に対するプランジャー１０３の変位Ｘを測定するように配置され得る。図１ａに示されているような従来技術が、例として示されており、たとえば、チューブ状給送部材１０１の中のモデリング材料ロッドをノズル１０２へ給送する。当技術分野では、モデリング材料をノズル１０２へ給送する代替的な例も利用可能であり、それは、たとえば、フィラメント・パンチ・ローラーを使用して、モデリング材料フィラメントをチューブ状給送部材１０１の中へ給送するものなどであり、フィラメント・パンチ・ローラーは、電気モーターによって駆動され得る。以前に堆積されたトラック１０９の上のトラック１１０の堆積は、モデリング材料フィラメントがチューブ状給送部材１０１の中へ給送されている間に、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステムを使用して、同様の方式で実施される。
【００７３】
図１ａによるシステム１００は、制御システムによって制御され得、制御システムは、必要とされるトラック厚さおよびプリンティング速度に比例するレートで、３次元モデリング材料をディスペンスするように配置されている。これを実現するために、モデリング材料１０８の所定のフローが、実現される。制御システムは、ロータリー・ドライブ１０４を制御し、変位センサー１１１は、プランジャー１０３の変位Ｘを測定する。単位時間当たりのプランジャー１０３の変位は、モデリング材料１０８のフローを提供し、それによって、トラック１１０の中にディスペンスされるモデリング材料１０８の必要とされる量を制御システムが調整することを可能にする。
【００７４】
図１ｂでは、フロー制御システム１１２の例のブロック図が示されており、そこでは、必要とされるフローに関する設定値Ｓが、減算ユニット１１５に提供され、減算ユニット１１５は、計算された単位時間当たりの変位Ｘを設定値Ｓから減算するように配置されており、それによって、エラー信号を与え、エラー信号は、制御システムの調整器モジュール１１４に供給され得る。
【００７５】
フロー調整器モジュール１１４は、適当な伝達関数Ｈ１を提供され得、伝達関数Ｈ１は、比例制御関数、比例積分制御関数、または、比例積分微分制御関数を有している。フロー制御システム１１２は、ロータリー・ドライブ１０４およびトランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂ、ならびに、ドライブ・システム１１３の中のギヤ・ホイール１０５ｂからプランジャー１０３へのスピンドル・トランスミッションのトランスミッション（図１ｂの中のブロックとして象徴的に示されている）を制御し得る。
【００７６】
説明されているように、プランジャー１０３の変位は、変位センサー１１１から取得され得るが、しかし、当業者は、プランジャー１０３の変位を確立するための代替例を見出すことが可能である。
【００７７】
図２ａでは、従来技術による、モデリング材料の堆積による３次元モデリングが図示されている。モデリング材料の新しいトラック１１０ａが、以前に堆積されたトラック１０９の上に堆積されている。理想的な状況では、堆積されるトラックは、連続的に堆積されている。水平方向にも、垂直方向にも、以前に堆積されたトラックとトラックとの間にギャップは存在していない。これは、必要とされるトラック厚さおよびプリントヘッド１２１の堆積速度に対して、モデリング材料のフローが正確に制御されるときに実現され得る。堆積しているモデリング材料の程度およびタイトネスは、システムまたはプリンターのキャリブレーションに高度に依存する。
【００７８】
図２ｂでは、押出不足と呼ばれる、フロー制御される３次元モデリングの一般的な欠陥が示されている。押出不足では、キャビティーまたはギャップ２０１が、モデリング材料の堆積の間に生じる。以前に堆積されたトラックの上にプリンティングする間に不完全にディスペンスされているトラック１１０ｂが示されている。そのようなギャップ２０１は、３次元モデリング・システムが適正にキャリブレートされていないときに生じる可能性がある。キャリブレーションを実施するときに、目標は、通常、押出過剰を防止することである。その理由は、これが、プロセスを信頼できないものにするからである。しかし、完璧なキャリブレーションは、ランダムなエラーに起因して可能ではなく、したがって、３次元モデリング・システムまたはプリンターは、通常は、ある程度の押出不足を有している。副作用として、パーツは、リーク・タイトまたは耐圧性にならず、パーツの強度は、準最適になる。
【００７９】
図２ｃでは、押出過剰が表されている。押出過剰では、過剰押出されているトラック１１０ｃの中へのモデリング材料のフローが高くなり過ぎている。結果として、モデリング材料のクレスト２０２が生じる可能性があり、それは、ノズル先端部１０２ｂがモデリング材料を蓄積させ、過剰なモデリング材料を、側方へ、堆積またはプリンティング方向に対して横断方向に押すことによって、引き起こされる。
【００８０】
図３ａでは、モデリング材料のトラック１１０ｄは、以前に堆積されたトラック１０９同士の間に、これらのトラック同士の間の残りのスペースの体積から独立して、理想的にぴったり嵌まって堆積されている。同様に、図３ａでは、以前に堆積されたトラック１０９同士の間のスペースは、それらトラック自身よりも狭くなっている。
【００８１】
図３ｂの例では、ぴったり嵌まって堆積されているトラック１１０ｅは、以前に堆積されたトラックよりも幅広くなっている。これは、キャビティーの完全な充填、ならびに、隣接するプリント・トラックおよび下側のプリント・トラックへの改善された結合を結果として生じさせる。したがって、このようにプリントされたパーツは、最適なリーク・タイトネスおよび強度を有し、それは、下記に説明されているような堆積モデリング・システムの中で実現され得る。
【００８２】
図４ａでは、熱溶解積層法の３次元モデリング・システム４００が、図１ａと同様に示されている。トルク・センサー４０１が、トルクを測定するために提供され得、トルクは、ロータリー・ドライブ１０４およびトランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂによって、プランジャー１０３に働かされ、それによって、モデリング材料１０８に働かされる。測定されたトルクから、チューブ状給送部材１０１の中のモデリング材料１０８に働かされる圧力が導出され得る。
【００８３】
代替的に、圧力センサーが、プランジャー１０３に取り付けられ得る。圧力センサーは、プランジャー１０３によってモデリング材料１０８に働かされる圧力を測定するために配置されている。プランジャー圧力センサーは、プランジャー１０３の先端部に取り付けられ、モデリング材料１０８に働かされる圧力を直接的に測定することが可能である。また、プランジャー圧力センサーは、プランジャー１０３とロータリー・ドライブ１０４および／またはトランスミッション・システム１０５ａ、１０５ｂとの係合のポイントに取り付けられた力センサーであることが可能である。そのうえ、圧力センサーは、プランジャー・ステムに取り付けられた歪みゲージであることが可能である。圧力または力がプランジャー１０３に印加されるときには、この圧力または力が、モデリング材料１０８に伝達される。印加される圧力または力に起因して、プランジャー・ステムが変形する可能性があり、その変形は、歪みゲージによって測定され得る。プランジャー１０３によって、チューブ状給送部材１０１のより高い端部にあるモデリング材料１０８に働かされる圧力は、最終的に、ノズル１０２の中のモデリング材料１０８の圧力を結果として生じさせる。
【００８４】
図４ｂでは、システム４００によって圧力制御された３次元モデリングを実施するための制御システム４１２の例のブロック図が示されている。例として、トルク・センサー４０１は、モデリング材料給送手段を駆動するモーターの測定トルクを提供することが可能であり、それは、モデリング材料１０８に働かされる圧力を示す測定パラメーターＰＭとして使用され得、測定トルクは、チューブ状給送部材１０１の給送チャネル１２０ａ、１２０ｂの中の圧力の代表的パラメーターである。代替的に、モーター電流が、モデリング材料１０８に働かされる圧力を示すパラメーターＰＭとして使用され得、モーター電流は、給送チャネル１２０ａ、１２０ｂの中の圧力の代表的パラメーターである。モーター電流は、モーターによってトランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂへそしてプランジャー１０３へ送達されるトルクに比例している。そのうえ、プランジャー圧力は、モデリング材料１０８に働かされる圧力を示す第１のパラメーターＰＭとして使用され得る。
【００８５】
制御システム４１２は、減算器４０３によって、測定される第１のパラメーターＰＭを基準パラメーター値ＰＲと比較するように配置され得る。測定される第１のパラメーターＰＭは、減算器４０３の中で基準パラメーター値ＰＲから減算され、エラー信号または差を作り出し、それは、伝達関数Ｈ２を有する圧力調整モジュール４０２に供給される。伝達関数Ｈ２は、比例（Ｐ）、比例積分（ＰＩ）、または、比例積分微分（ＰＩＤ）であることが可能である。圧力調整モジュール４０２が、ドライブ・システム１１３を制御する。
【００８６】
ロータリー・ドライブ１０４を制御することによって、トルクが、トランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂを介してプランジャー１０３に働かされ、給送チャネル１２０ａ、１２０ｂの中のモデリング原材料に働かされる圧力を表すそのトルクは、トルク・センサー４０１を使用して測定され得る。したがって、チューブ状給送部材１０１の中のモデリング材料１０８に対する圧力制御が実現され得る。
【００８７】
基準値または設定ポイントＰＲは、プリントヘッド・トラベル速度、ギャップ・サイズ、温度、モデリング材料特性に応じて、変化することが可能である。
【００８８】
図５では、ノズル先端部における圧力制御のための３次元モデリング・システム５００が、図４ａのシステムに対応するように示されており、モデリング材料１０８に働かされる圧力を示す第１のパラメーターＰＭを確立するための代替的な方式を有している。図４ａのシステムでは、パラメーターは、プリントヘッド１２１の中の、すなわち、チューブ状給送部材１０１の中のモデリング材料１０８に働かされる圧力を示している。図５のシステムでは、モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターは、ノズル１０２の先端部１０２ｂにおいてトラック１１０の中に堆積されているモデリング材料に働かされる圧力によって決定される。プリントヘッド１２１の中のモデリング材料１０８に圧力を働かせることによって押し出している間に、ノズル先端部１０２ｂにおける圧力が、堆積されている層１１０の中で引き起こされ、それは、以前に堆積されたトラック１０９から離れるようにノズル先端部１０２ｂを押す力を結果として生じさせ、その力は、モデリング材料に働かされる圧力の代表的パラメーターである。この力は、プリントヘッド１２１からガントリー１０６およびＸ−Ｙ−Ｚ位置決めシステム５０３を介して伝播され、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステム５０３は、ベース５０４に接続されており、モデリングされるオブジェクトが、ベース５０４の上に設置されている。
【００８９】
代替的に、Ｘ−Ｙ−Ｚシステムおよびガントリー１０６は、グランドに接続され得る。したがって、プリントされるオブジェクトは、グランドの上にあることが可能であり、グランドは、プリントされるオブジェクトのためのベースとしての役割を果たす。次いで、モデリング材料に働かされる力は、オブジェクトとグランドとの間で測定可能である。
【００９０】
したがって、力は、また、ガントリー１０６とプリントヘッド１２１との間で伝播されており、たとえば、相互接続部１０７において測定され得る。図４ａのガントリー１０６へのプリントヘッド１２１の相互接続部１０７は、少なくとも１つの弾性接続部材５０２によって形成され得る。変位センサー５０１が、プリントヘッド１２１から生成されるオブジェクトへＸ−Ｙ−Ｚシステムおよびベースを介した伝播経路を通して伝えられる力の尺度として、弾性接続部材５０２の変形を測定することが可能であり、それによって、堆積されたトラック１１０の中の給送に働かされる圧力を測定することが可能である。代替的に、力の測定は、また、図４ａによるシステムにおいて実現され得、そこでは、プリントヘッド１２１とガントリー１０６との間の相互接続部１０７は、ロード・セルまたは歪みゲージを設けられており、ロード・セルまたは歪みゲージは、プリントヘッド１２１および堆積されているトラック１１０によって働かされる圧力を測定する。
【００９１】
そのうえ、堆積されている層１１０の中のモデリング材料に働かされる力は、たとえば、重量計または圧力パッドを使用することによって、オブジェクトとベース５０４との間で測定され得る。そのように測定される力は、堆積されている層の中のモデリング材料に働かされる圧力を示す。
【００９２】
図６ａ〜図６ｄに示されているように、図４ａに関連して説明されているようなプリントヘッド１２１の中のモデリング材料１０８に働かされる圧力を測定することの代替として、すなわち、ロータリー・ドライブ１０４およびトランスミッション・システム１０５ａ、１０５ｂのトルク、または、プランジャー１０３における力が測定され得、そのトルクおよび力は、第２のパラメーターとして、チューブ状給送部材１０１の中のモデリング材料１０８に働かされる圧力を表している。そのうえ、チューブ状給送部材１０１の中の（すなわち、給送チャネル・セクション１２０ａの中の）モデリング材料１０８に働かされる圧力が、図６ａに示されているように、直接的に測定され得る。堆積されるトラック１１０の中へモデリング材料をプリントするのに適切な圧力を取得するために、圧力センサー６０１によって測定される圧力は、ロータリー・ドライブ１０４を制御するために使用され得る。
【００９３】
圧力センサー６０２の代替的な設置が、図６ｂに示されており、そこでは、圧力センサー６０２は、ノズル１０２の中に設置されており、ノズル１０２の中の給送チャネル・セクション１２０ｂの圧力がセンシングされる。給送チャネル１２０ｂの中の圧力を測定するための代替例は、たとえば、給送チャネル・セクション１２０ｂの周りに配設されている歪みゲージ６０３を使用して、ノズル１０２またはノズル先端部１０２ｂの変形を測定することである。
【００９４】
給送チャネル１２０ａ、１２０ｂの中の圧力を測定することの代替例は、図６ｄに示されているような圧力センサー６０４を有することが可能であり、圧力センサー６０４は、ノズル１０２の中に配置されており、圧力センサー６０４は、ノズル先端部１０２ｂに流体接続されている。ノズル先端部１０２ｂにおいて測定される圧力は、モデリング材料トラック１１０に働かされる圧力を表している。このように、図５に関連してトラック１１０の中のモデリング材料に働かされる圧力を確立するための代替的な第３のパラメーターが提供される。
【００９５】
プリントヘッド１２１の中の圧力を測定するための、上記に説明されているような３次元モデリング・システムの中で使用するのに適切な圧力センサーは、膜センサーを含み、膜センサーは、変形可能な膜を有している。水銀などのような液体が、圧力が測定されるモデリング材料チャネル（すなわち、給送チャネル１２０ａ、１２０ｂ）の中の圧力、または、ノズル先端部１０２ｂにおける圧力を、膜に伝達することが可能である。センサー自身は、薄膜金属センサー、コンダクター／歪みゲージ関係のセンサー、圧電センサー、磁気抵抗センサー、レーザー干渉計センサー、および、機械的な変位に基づくセンサーを含むタイプのものであることが可能である。
【００９６】
図６ａ〜図６ｄに示されているように、トラック１１０は、堆積されるモデリング材料の連続的なトラックを形成する圧力制御を使用して、以前に堆積されたトラック１０９の隣に堆積されることが可能である。トラック１１０のモデリング材料は、ノズル出口部１０２ａを介してそれに働かされる圧力によって、以前に堆積されたトラックへ流れ、以前に堆積された材料と融合する。図７ａ〜図７ｃでは、圧力制御を使用したモデリング材料１０８のトラックの堆積のための代替的な戦略が示されている。
【００９７】
第１のトラック７０１が、図７ａに示されているように、フローまたは圧力制御を使用して堆積される。図７ｂでは、第２のトラック７０２が、第１のトラック７０１から間隔を離して堆積されていることが示されており、第１のトラック７０１と第２のトラック７０２との間のスペースにおいて、第３のまたは中間トラック７０３がプリントされ得る。図７ｃでは、第３のトラック７０３が、圧力制御を使用してトラック７０１とトラック７０２との間にプリントされていることが示されている。モデリング材料は、第１のトラック７０１と第２のトラック７０２との間のオープン・スペースを充填し、これらの以前に堆積されたトラック７０１、７０２と融合し、トラック７０１〜７０３が、ギャップまたはキャビティーなしに連続的な層を形成するようになっている。
【００９８】
図８ａ、図８ｂでは、プリンティング戦略の改良例が示されており、そこでは、第１のスタックのトラック８０１が、フロー制御を使用して堆積される。より粗い堆積プロファイルを有する隣接するトラック８０２ａ、８０２ｂが、圧力制御を使用して充填材として堆積され得る。
【００９９】
フロー制御１１２および圧力制御４１２のための制御システムは、プログラム・インストラクションを含むメモリー（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなど）を有する、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、マイクロコントローラー、またはプロセッサーの中に収容され得、プログラム・インストラクションは、動作時に、説明されているようなフローおよび圧力の制御をプロセッサーに実施させる。
【０１００】
プログラム・インストラクションは、説明されているようなこれらの指示する力およびトルクから、モデリング材料１０８に働かされる圧力を計算するためのモジュールを含むことが可能である。そのうえ、摩擦に起因する損失、ならびに、ロータリー・ドライブ１０４、トランスミッション・ギヤ１０５ａ、１０５ｂ、モデリング材料チューブ状給送部材１０１、およびノズル１０２の中の他の原因に起因する損失が、説明されているように制御ループ４１２を補償または補正するために、計算および使用され得る。
【０１０１】
本発明の範囲は、先述のものの中で議論されている例に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって定義されているような本発明の範囲から逸脱することなく、そのいくつかの補正および修正が可能であるということが当業者に明らかになる。とりわけ、さまざまな本発明の態様の特定の特徴の組み合わせが行われ得る。本発明の態様は、さらに有利には、本発明の別の態様に関して説明された特徴を追加することによって強化され得る。本発明は、図および説明において詳細に図示および説明されてきたが、そのような図示および説明は、単に例示目的のものまたは例示的なものと考えられるべきであり、限定的なものと考えられるべきではない。
【０１０２】
本発明は、開示されている実施形態に限定されない。開示されている実施形態に対する変形例は、特許請求されている発明を実施する際に、図、説明、および添付の特許請求の範囲を検討することから、当業者によって理解および実現され得る。特許請求の範囲において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、他のステップまたはエレメントを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外しない。相互に異なる従属請求項の中に特定の対策が記載されているという単なる事実は、これらの対策の組み合わせが利益をもたらすように使用されることができないということを示してはいない。特許請求の範囲の中の任意の参照番号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【０１０３】
１００  ３次元モデリング・システム
１０１  チューブ状給送部材
１０２  ノズル
１０２ａ  ノズル出口部
１０２ｂ  ノズル先端部
１０３  プランジャー
１０４  ロータリー・ドライブ
１０５ａ、１０５ｂ  トランスミッション・ギヤ
１０６  ガントリー
１０７  相互接続部
１０８  モデリング材料
１０９  以前に堆積されたトラック
１１０  堆積されているＦＤＭトラック
１１０ａ  モデリング材料の新しいトラック
１１０ｂ  不完全にディスペンスされたモデリング材料のトラック
１１０ｃ  過剰押出されたモデリング材料のトラック
１１０ｄ  ぴったり嵌まって堆積されているモデリング材料のトラック
１１０ｅ  以前に堆積されたトラックよりも幅広いモデリング材料のトラック
１１１  変位センサー
１１２  フロー制御システム
１１３  ドライブ・システム
１１４  フロー調整器モジュール
１１５  減算ユニット
１２０ａ、１２０ｂ  給送チャネル
１２１  ３次元モデリング・プリントヘッド
４００  プリントヘッドの中の圧力制御のための３次元モデリング・システム
４０１  トルク・センサー
４０２  圧力調整モジュール
４０３  減算器
４１２  圧力制御のための制御システム
５００  ノズル先端部における圧力制御のための３次元モデリング・システム
５０１  変位センサー
５０２  弾性接続部材
５０３  ＸＹＺ位置決めシステム
６０１〜６０４  圧力センサー
７０１  第１のトラック
７０２  第２のトラック
７０３  圧力制御を使用する第３のまたは中間トラック
８０１  第１のスタックのトラック
８０２ａ〜８０２ｂ  隣接するトラック
「Ｓ」  フロー設定ポイント
「Ｘ」  単位時間当たりの変位
ＰＲ  圧力設定ポイントまたは基準値
ＰＭ  圧力を示す測定パラメーター
「Ｈ１」  フロー制御伝達関数
「Ｈ２」  圧力制御伝達関数
【図１ａ】
2020508910.tif 000003
【図１ｂ】
2020508910.tif 000004
【図２ａ】
2020508910.tif 000005
【図２ｂ】
2020508910.tif 000006
【図２ｃ】
2020508910.tif 000007
【図３ａ】
2020508910.tif 000008
【図３ｂ】
2020508910.tif 000009
【図４ａ】
2020508910.tif 000010
【図４ｂ】
2020508910.tif 000011
【図５】
2020508910.tif 000012
【図６ａ】
2020508910.tif 000013
【図６ｂ】
2020508910.tif 000014
【図６ｃ】
2020508910.tif 000015
【図６ｄ】
2020508910.tif 000016
【図７ａ】
2020508910.tif 000017
【図７ｂ】
2020508910.tif 000018
【図７ｃ】
2020508910.tif 000019
【図８ａ】
2020508910.tif 000020
【図８ｂ】
2020508910.tif 000021
【国際調査報告】
2020508910.tif 000022
2020508910.tif 000023