(57)【要約】本発明は、モデリング材料の熱溶解積層法（ＦＤＭ）によって生成される３次元オブジェクトであって、モデリング材料は、随意的に、無機のまたは有機のフィラーによって充填された、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニルスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）（ＡＢＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレンアクリレート、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリオキシメチレン、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコールおよびブテンジオールビニールアルコールのコポリマー、ならびに、それらの混合物から選択され、オブジェクトは、孔隙率テスト手順「孔隙率テスト」にしたがって決定されるときに、５体積％未満の孔隙率を有している、オブジェクトに関する。オブジェクトは、リーク・タイトになっており、改善された機械的特性を示す。本発明はまた、高い異方性を有するパーツを生成するＰＥＥＫのＦＤＭプリンティングに関する。
2020508909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モデリング材料の熱溶解積層法（ＦＤＭ）によって生成される３次元オブジェクトであって、前記モデリング材料は、随意的に、無機のまたは有機のフィラーによって充填された、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニルスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）（ＡＢＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレンアクリレート、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリオキシメチレン、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコールおよびブテンジオールビニールアルコールのコポリマー、ならびに、それらの混合物から選択され、前記オブジェクトは、第６頁第２３行〜第１１頁第１７行に定義されているような孔隙率テスト手順「孔隙率テスト」にしたがって決定されるときに、５体積％未満の孔隙率を有している、オブジェクト。
【請求項２】
前記孔隙率は、１体積％未満であり、または、さらには０．１体積％未満である、請求項１に記載のオブジェクト。
【請求項３】
前記オブジェクトは、第１１頁第１９行〜第１２頁第１０行に定義されているような前記リーク・テスト手順によって決定されるときに、１０×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓを下回るリーク・タイトネス、好ましくは、４．３×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓを下回るリーク・タイトネス、より好ましくは、０〜３×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓの間のリーク・タイトネスを有している、請求項１または２に記載のオブジェクト。
【請求項４】
Ｚ方向に測定されるテスト・ピースの最大引張強度は、ｘ方向またはｙ方向に測定される前記テスト・ピースの最大引張強度の少なくとも７０％になっており、前記最大引張強度は、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａにしたがって測定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項５】
前記オブジェクトは、ＦＤＭを使用して熱可塑性組成物から調製され、前記熱可塑性ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリアミド、およびポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、たとえば、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、およびポリエーテルエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）など、ならびに、それらの組み合わせから選ばれる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項６】
前記熱可塑性ポリマー組成物は、少なくとも８０重量％のＰＡＥＫ、好ましくは、少なくとも９０重量％のＰＡＥＫを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項７】
前記熱可塑性ポリマー組成物は、少なくとも８０重量％のＰＥＥＫ、好ましくは、少なくとも９０重量％のＰＥＥＫ、より好ましくは、ＰＥＥＫを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項８】
アディティブ・マニュファクチャリングによって前記ポリマー組成物から作製される、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる寸法を有する前記オブジェクトのテスト試料は、少なくとも７０ＭＰａ、好ましくは、８０ＭＰａ、より好ましくは、９０ＭＰａの、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる最大引張応力を有している、請求項６または７に記載のオブジェクト。
【請求項９】
前記ＦＤＭは、Ｘ方向およびＹ方向を有するＸ−Ｙ平面の中に層を提供するステップと、前記層の上にさらなる層をＺ方向に連続的に追加するステップとによって実施され、前記連続的に追加するステップは、モデリング材料を所定の位置の上へ堆積させるステップによって行われ、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに対して垂直になっており、前記堆積させるステップは、
ａ．  前記モデリング材料を前記所定の位置の上へ給送するために、前記モデリング材料に圧力を働かせるステップと、
ｂ．  前記モデリング材料に働かされる前記圧力を示すパラメーターを決定するステップと、
ｃ．  前記パラメーターに応じて、前記給送を制御するステップと
を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項１０】
前記層のそれぞれを提供するステップは、
ａ．  前記Ｘ−Ｙ平面の中に前記オブジェクトの輪郭線をプリントし、一次エリアをマークするステップと、
ｂ．  前記Ｘ−Ｙ平面の中の前記オブジェクトの前記輪郭線の内側の前記一次エリアの第１のパーツを充填し、前記一次エリアの中の第２のパーツを開けたままにするステップと、
ｃ．  前記堆積させるステップによって、前記第２のパーツを充填するステップと
によって実施される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項１１】
前記第１のパーツを充填するステップは、フロー制御された方式で前記モデリング材料を前記所定の位置の上へ給送することによって実施される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のオブジェクト。
【請求項１２】
少なくとも８０重量％のポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）を含む熱可塑性組成物から熱溶解積層法（ＦＤＭ）によって生成されたオブジェクトであって、アディティブ・マニュファクチャリングによって前記ポリマー組成物から作製される、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる寸法を有する前記オブジェクトのテスト試料は、少なくとも７０ＭＰａ、好ましくは、８０ＭＰａ、より好ましくは、９０ＭＰａの、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる最大引張応力を有している、オブジェクト。
【請求項１３】
ＦＤＭは、Ｘ方向およびＹ方向を有するＸ−Ｙ平面の中に層を提供するステップと、前記層の上にさらなる層をＺ方向に連続的に追加するステップとによって実施され、前記連続的に追加するステップは、モデリング材料を所定の位置の上へ堆積させるステップによって行われ、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに対して垂直になっており、前記堆積させるステップは、
ａ．  前記モデリング材料を前記所定の位置の上へ給送するために、前記モデリング材料に圧力を働かせるステップと、
ｂ．  前記モデリング材料に働かされる前記圧力を示すパラメーターを決定するステップと、
ｃ．  前記パラメーターに応じて、前記給送を制御するステップと
を含み、
前記層のそれぞれを提供するステップは、
ｄ．  前記Ｘ−Ｙ平面の中に前記オブジェクトの輪郭線をプリントし、一次エリアをマークするステップと、
ｅ．  前記Ｘ−Ｙ平面の中の前記オブジェクトの前記輪郭線の内側の前記一次エリアの第１のパーツを充填し、前記一次エリアの中の第２のパーツを開けたままにするステップと、
ｆ．  前記堆積させるステップによって、前記第２のパーツを充填するステップと
によって実施される、請求項１２に記載のオブジェクト。
【請求項１４】
前記熱可塑性組成物は、少なくとも９０重量％ＰＥＥＫを含む、請求項１２または１３に記載のオブジェクト。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のオブジェクトを作製するための方法であって、
ａ．  前記モデリング材料を前記所定の位置の上へ給送するために、前記モデリング材料に圧力を働かせるステップと、
ｂ．  前記モデリング材料に働かされる前記圧力を示すパラメーターを決定するステップと、
ｃ．  前記パラメーターに応じて、前記給送を制御するステップと
を含み、
前記層のそれぞれを提供するステップは、
ｄ．  前記Ｘ−Ｙ平面の中に前記オブジェクトの輪郭線をプリントし、一次エリアをマークするステップと、
ｅ．  前記Ｘ−Ｙ平面の中の前記オブジェクトの前記輪郭線の内側の前記一次エリアの第１のパーツを充填し、前記一次エリアの中の第２のパーツを開けたままにするステップと、
ｆ．  前記堆積させるステップによって、前記第２のパーツを充填するステップと
によって実施される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば、熱可塑性ポリマー組成物などのモデリング材料のアディティブ・マニュファクチャリングによって作製された３次元オブジェクトに関する。
【背景技術】
【０００２】
アディティブ・マニュファクチャリングでは、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。アディティブ・マニュファクチャリングに関して非常に多くの場合、アディティブ・マニュファクチャリング・プリンターが使用される。プリンターは、２次元または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。アディティブ・マニュファクチャリングの好適な例は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）である。
【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】
プリントヘッドおよび随意的なベースの運動は、制御システムによって制御され、制御システムは、制御可能な位置決めシステムを制御し、プリントヘッド（および、随意的に、ベース）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。アディティブ・マニュファクチャリング材料は、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層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。また、プリントヘッドは、プリントされているオブジェクトの上方をこすり付け、非常に粗いオブジェクトの上部表面および過度の力を引き起こし、それは、最終的に、オブジェクトがビルド・プレートから逃げ出すことを引き起こす。
【００１１】
また、キャリブレーションの喪失は、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、熱膨張によって引き起こされ得る。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層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、アディティブ・マニュファクチャリング（熱溶解積層法など）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を形成させる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。
【００１４】
一般的に、モデリング材料（たとえば、熱可塑性ポリマー組成物など）の熱溶解積層法（ＦＤＭ）によって調製されるオブジェクトの機械的特性は、射出成形によって作製される同じ寸法を有するオブジェクトよりも好ましくない。熱可塑性ポリマー組成物の射出成形では、すべてのポリマー鎖が、ポリマーの流体状態に起因して強力な相互作用を有しており、強力なオブジェクトを形成するために絡まって固化するのに十分な時間を有する。オブジェクトの機械的特性は、オブジェクトを調製するために使用されるポリマー組成物によって主に決定される。ＦＤＭでは、流体状態の新しい層が、すでに固化されている既存の層の上に提供される。新しい層のポリマー鎖は、既存の層の固化された材料と絡まる限定的な可能性を有しており、また、既存の層と結合することは限定される。したがって、新しい層と既存の層との間の接着は、同じ層のポリマー鎖同士の間の接着よりも弱い。これは、Ｘ方向およびＹ方向よりもＺ方向に低い機械的特性を有するオブジェクトを結果として生じさせる。
【００１５】
米国特許出願公開第２０１４／０１４１１６６号明細書は、２つのポリアミドのブレンドを使用するＦＤＭプロセスを説明している。ブレンドは、少なくとも１つの半結晶性ポリアミドおよび１つの非晶性ポリアミドを含む。ブレンドは、寸法的に安定したパーツを発生させるために、プリントされている。パーツは、プリントされた後に、水によって調整される。調整することは、パーツの孔隙率を低減させる。その理由は、ポリアミドが、調整ステップを通して水を吸収し、膨らむからである。孔隙率の低減は、２つのポリアミドの非常に具体的なブレンドに原因がある。米国特許出願公開第２０１４／０１４１１６６号明細書は、たとえば、ポリエーテルイミド、ＡＢＳ、バージンＰＡ１２ポリアミド、および炭素充填ＰＡ１２など、この効果を示さない異なる比較材料を述べている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
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】
【００１７】
１つの態様によれば、本発明は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）によって生成される３次元オブジェクトであって、材料は、随意的に、無機のまたは有機のフィラーによって充填された、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニルスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）（ＡＢＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレンアクリレート、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリオキシメチレン、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコールおよびブテンジオールビニールアルコールのコポリマー、ならびに、それらの混合物から選択され、オブジェクトは、孔隙率テスト手順「孔隙率テスト」にしたがって決定されるときに、５体積％未満の孔隙率を有している、オブジェクトを提供する。
【００１８】
したがって、本発明によるアディティブ・マニュファクチャリングは、押出不足が回避されるように実施され、オブジェクトが、より少ない体積のキャビティー、および、低い孔隙率を有するようになっている。
【００１９】
好ましくは、孔隙率は、１体積％未満であり、または、０．５体積％未満、０．２体積％未満、もしくは、さらには０．０１体積％未満である。
【００２０】
孔隙率は、オブジェクトの内側のキャビティーの存在に関する尺度である。キャビティーの存在（または、好ましくは、不在）に関する別の指標は、リーク・テストである。リーク・テストでは、空気の漏出が、オブジェクトのサンプルを通して測定される。
【００２１】
オブジェクトがキャビティーを有していないときには、オブジェクトは、リーク・タイトであるということとなる。好ましくは、本発明によるオブジェクトは、リーク・テスト手順（下記の定義を参照）によって決定されるときに、１０×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓを下回る空気リーク・タイトネス、好ましくは、４．３×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓを下回る空気リーク・タイトネス、より好ましくは、０〜３×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓの間の空気リーク・タイトネスを有している。
【００２２】
図１３は、本発明によるサンプルの典型的な構造体を示している（概略的）。
【００２３】
図１４は、先行技術にしたがって３Ｄプリントされたオブジェクトの典型的な構造体を示している（概略的）。
【００２４】
好ましくは、本発明による３次元オブジェクトは、高い等方性強度を有しており、それは、機械的特性（歪みおよび最大強度）がすべての方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）において同様であるということを意味している。通常、ＦＤＭでは、Ｚ方向への機械的特性は、Ｘ方向およびＹ方向への機械的特性と比較して、より低くなっている。本明細書では、Ｘ方向およびＹ方向は、ＦＤＭ装置のビルド・プレートに対して平行になっており、Ｚ方向は、ＦＤＭ装置のビルド・プレートに対して垂直になっている。
【００２５】
したがって、本発明によるＦＤＭプロセスは、好ましくは、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる寸法を有するテスト試料が前記ＦＤＭプロセスによって前記モデリング材料から作製されるときに、Ｚ方向へのテスト・ピースの最大引張強度が、Ｘ方向またはＹ方向へのテスト・ピースの最大引張強度の少なくとも７０％になっており、最大引張強度は、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａにしたがって測定されるように実施される。
【００２６】
好ましくは、Ｚ方向への最大強度は、テスト・ピースのＸ方向またはＹ方向と比較して、少なくとも８０％、より好ましくは、８５％または９０％になっている。
【００２７】
熱可塑性ポリマー組成物は、ＦＤＭのために使用され得る任意の熱可塑性ポリマーを含有することが可能である。モデリング材料の好適な例は、随意的に、無機のまたは有機のフィラーによって充填された、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニルスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）（ＡＢＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレンアクリレート、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリオキシメチレン、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコールおよびブテンジオールビニールアルコールのコポリマー、ならびに、それに関する混合物の群から選択される。熱可塑性ポリマーの好適な例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリアミドおよびポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、たとえば、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、およびポリエーテルエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）など、ならびに、それらの組み合わせである。最も好ましくは、ポリマーは、ＰＥＥＫである。ポリマー組成物は、当技術分野における慣習として、添加剤およびフィラーをさらに含むことが可能である。
【００２８】
好適な実施形態では、熱可塑性ポリマー組成物は、少なくとも８０重量％のＰＡＥＫ、好ましくは、少なくとも９０重量％のＰＡＥＫを含む。とりわけ好適な実施形態では、熱可塑性ポリマー組成物は、少なくとも８０重量％のＰＥＥＫ、好ましくは、少なくとも９０重量％のＰＥＥＫ、より好ましくは、ＰＥＥＫを含む。
【００２９】
好ましくは、熱可塑性ポリマー組成物は、少なくとも８０重量％のＰＡＥＫ（好ましくは、ＰＥＥＫ）を含み、また、前記アディティブ・マニュファクチャリングによって前記ポリマー組成物から作製される、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる寸法を有するテスト・ピースは、少なくとも５０ＭＰａ、好ましくは、少なくとも６０ＭＰａ、７０ＭＰａ、または８０ＭＰａの、（上記に定義されているような）Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のいずれかへのＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる最大引張応力を有している。
【００３０】
ＰＥＥＫのプリンティングは、高いプリンティング温度（それは、分解温度に非常に近い）、および、ＰＥＥＫの高い熱膨張／収縮に起因して、極端に困難である。高い機械的特性を有するオブジェクトを与える、ＰＥＥＫからパーツをプリントするＦＤＭは、文献で未だ報告されていない。
【００３１】
また、本発明は、少なくとも８０重量％のポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）を含む熱可塑性組成物からＦＤＭによって生成されたオブジェクトであって、前記アディティブ・マニュファクチャリングによって前記ポリマー組成物から作製される、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる寸法を有するオブジェクトのテスト試料は、少なくとも７０ＭＰａ、好ましくは、８０ＭＰａ、より好ましくは、９０ＭＰａの、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる最大引張応力を有している、オブジェクトに関する。
【００３２】
オブジェクトは、好ましくは、所定のプロセスにおいて取得され、所定のプロセスでは、ＦＤＭは、Ｘ方向およびＹ方向を有するＸ−Ｙ平面の中に層を提供するステップと、前記層の上にさらなる層をＺ方向に連続的に追加するステップとによって実施され、連続的に追加するステップは、モデリング材料を所定の位置の上へ堆積させるステップによって行われ、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに対して垂直になっており、堆積させるステップは、
ａ．  モデリング材料を所定の位置の上へ給送するために、モデリング材料に圧力を働かせるステップと、
ｂ．  モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターを決定するステップと、
ｃ．  前記パラメーターに応じて、給送を制御するステップと
を含み、
層のそれぞれを提供するステップは、
ｄ．  Ｘ−Ｙ平面の中にオブジェクトの輪郭線をプリントし、一次エリアをマークするステップと、
ｅ．  Ｘ−Ｙ平面の中のオブジェクトの輪郭線の内側の一次エリアの第１のパーツを充填し、一次エリアの中の第２のパーツを開けたままにするステップと、
ｆ．  堆積させるステップによって、第２のパーツを充填するステップと
によって実施される。
【００３３】
検査手順
孔隙率テスト手順
光学的なセットアップ
光学的なセットアップは、
・  １９２０×１２００画素を有する１１．３ｍｍ×７．１ｍｍセンサーを備えたＢａｓｌｅｒ  ａｃＡ１９２０−５０  ｇｍデジタル・モノクロ・カメラ
・  Ｅｄｍｕｎｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  １Ｘ、４０ｍｍ  ＷＤ  ＣｏｍｐａｃｔＴＬ（商標）テレセントリック・レンズ１ｘ倍率およびスルー・ザ・レンズ・イルミネーター・ポート
・  軸上照射を提供するように構成されている３２５０Ｋ色温度を有する１５０Ｗランプを備えたＤｏｌａｎ−Ｊｅｎｎｅｒ  ＭＩ−１５０  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ
・  サンプル・ホルダーを備えたＴｈｏｒｌａｂｓ  ＧＮ２／Ｍ  ２軸手動ゴニオ・ステージ
から構成される。
【００３４】
サンプル調製
サンプルは、１００％充填材によってプリントされた少なくとも１５ｍｍ×１０ｍｍのエリアを含有するものとする。サンプルは、パックの中に埋め込まれ、研磨の間の表面の平坦性を維持する。
【００３５】
以下の埋め込み用材料が使用される。
７パーツＳｔｒｅｕｅｒｓ  Ｓｐｅｃｉｆｉｘ−２０を、１パーツＳｔｒｅｕｅｒｓ硬化剤およびサンプルとともに、真空下で含浸させる。
【００３６】
断面の平面は、プリンティング方向に対して垂直になっている。
【００３７】
パックの両側が研削され、平面を平行にし、充填されたエリアだけを示す断面を作製する。
【００３８】
Ｓｔｒｕｅｒｓ研磨機およびＳｔｒｕｅｒｓ消耗品を用いた研削および研磨手順は、以下の通りである。
・  ８０グリッド：１５０ｒｐｍおよび２０Ｎ力において１５０秒
・  ８００グリッド：１５０ｒｐｍおよび２０Ｎ力において１２０秒
・  １２００グリッド：１５０ｒｐｍおよび２０Ｎ力において１２０秒
・  ２０００グリッド：１５０ｒｐｍおよび２０Ｎ力において１２０秒
・  ４０００グリッド：１５０ｒｐｍおよび２０Ｎ力において１２０秒
・  ３μｍダイヤモンド・ペースト：１５０ｒｐｍおよび２５Ｎにおいて１８０秒
・  ５分超音波クリーニング
・  １μｍダイヤモンド・ペースト：１５０ｒｐｍおよび３０Ｎにおいて１８０秒
・  １０分超音波クリーニング
・  クリーンな表面を取得するための研磨ステップの残余物の慎重な除去
【００３９】
研削している間に、サンプル加熱が表面テクスチャーを損傷させることを防止するために、研削ディスクおよびサンプル・エリアは、冷温流水によって水浸しにされる。
【００４０】
表面が滑らかになるまで、および、任意の研磨スクラッチが顕微鏡下においてほとんど見ることができなくなるまで、サンプルは研削される。
【００４１】
残りのスクラッチを除去するために、その後に研磨ペーストを使用する。
【００４２】
この研磨手順は、当業者にとって標準的な動作である。
【００４３】
イメージング
カメラ・イメージを観察しながら、手動回転式ステージの両方の回転を調整し、研磨された表面が光学システムの光軸に対して正確に垂直になるようにし、また、照射光がカメラの中へ正確に反射されるようにし、最高のブライトネスおよびコントラストを取得する。
【００４４】
カメラのシャッター時間を調節し、
・  画素の１％未満が、露光不足にされ、すなわち、ダイナミック・レンジの１％未満の強度を有するようにする、および、
・  画素の１％未満が、露光過度にされ、すなわち、ダイナミック・レンジの９９％超の強度を有するようにする。
【００４５】
イメージは、フル解像度およびイメージ圧縮なしのシングル・チャネル・グレー・イメージで記憶されなければならない。
【００４６】
プリントされた材料の固体ピースは、パーツのスキンまたは縁部がイメージの中に見ることができない状態で、視界の内側に見ることができるべきである。
【００４７】
少なくとも１０個のおよび２５個以下のトラックがイメージ・センサーの幅にイメージ化されることを確保する。
【００４８】
少なくとも１４個のおよび４０個以下の層がイメージ・センサーの高さにイメージ化されることを確保する。
【００４９】
プリントされたトラックの構造体が、この数のプリントされたトラックまたは層が視界にあることを可能にするには、大き過ぎるかまたは小さ過ぎる場合には、同様の光学的な特性を有するが異なる倍率のレンズを使用し、それにしたがってサンプルのサイズを拡大縮小する。
【００５０】
イメージ後処理
以下の後手順は、キャビティーは暗い色をしており、それらの間のプリント材料は明るいものと仮定する。イメージは、１６ビットの符号付き整数としてインポートおよび処理される。
【００５１】
１．  イメージの長短辺の１／１０である、画素の中に測定される変数Ｒを決定する。
２．  イメージのコピーを生成させ、幅および高さ２＊Ｒ（または、最も近い奇数の整数値（これが、アルゴリズムの実装形態によって必要とされる場合））を有する正方形形状の構造エレメントを備えたオリジナル・イメージのコピーにメディアン・フィルターを適用する。
３．  ステップ２からのイメージからフィルタリングされたイメージを減算し、同じステップにおいて、１５  ２０の値をそれぞれの画素に追加する。
４．  結果として生じるイメージが、上記に述べられている１％基準にしたがって切り抜かれていないかどうかをチェックする。切り抜きが起こっているケースでは、照射およびシャッター時間を調節し、手順を繰り返す。
５．  結果として生じるイメージをバイナリー・イメージに変換し、プラスの値を有するそれぞれの画素を１に変換し、すべての他の画素を０に変換する。
６．  ３１．５画素の半径を有するディスク形状の構造エレメントによってリージョン・エロージョンを実施する。
７．  ５．５３．０画素の半径を有するディスク形状の構造エレメントによってリージョン・ダイレーションを実施する。
８．  ３１．５画素の半径を有するディスク形状の構造エレメントによってリージョン・エロージョンを実施する。
９．  結果として生じるイメージをトリミングし、それぞれの縁部から幅Ｒのバンドをトリミングして除き、オリジナル・イメージの高さと同程度の大きさの正方形部分を残す。
１０．  ０の画素値を有する黒色画素の数を決定する。
１１．  画素の合計数を決定する。
１２．  黒色画素の数および画素の合計数の割合として孔隙率を計算する（パーセントで表現される）。
【００５２】
孔隙率を計算するためのソース・コードは、Ｐｙｔｈｏｎソース・コードであり、以下のように定義される。
Version of Python used: 3.6.4
(v3.6.4:d48eceb, Dec 19 2017, 06:54:40) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)]
Version of NumPy used: 1.14.0
Version of openCV used: 3.4.0
import numpy as np
import cv2
import os
import sys
def VisionAlgorithm(image, blurRadius=10,
threshold=20, erodeRadius=1.5, dilateRadius=3.0):
# 1) blur radiusを決定する
height, width, depth = image.shape
R = round( height / blurRadius )
# 2) median blurを行う
blurred = cv2.medianBlur(image, R*2+1)
# 3) signed intに変換して減算時のオーバーフローを防ぐ
img16 = np.int16( image[:,:,1] )
blurred16 = np.int16( blurred[:,:,1] )
# 4) imageの減算およびthresholdの加算
difference = img16 - blurred16 + threshold
# 5) binaryに変換する
binary = difference < 0
binary = np.uint8(binary)
# 6) Erode
X,Y =
[np.arange(-2*(erodeRadius+1),2*(erodeRadius+1)+1)]*2
disk1 = np.uint8(X[:,None]**2 + Y**2 <=
erodeRadius*erodeRadius)
erosion =
cv2.erode(binary,disk1,iterations = 1)
# 7) Dilate 
X,Y =
[np.arange(-2*(dilateRadius+1),2*(dilateRadius+1)+1)]*2
disk2 = np.uint8(X[:,None]**2 + Y**2 <=
dilateRadius*dilateRadius)
dilation =
cv2.dilate(erosion,disk2,iterations = 1)
# 8) 再度Erode
erosion2 =
cv2.erode(dilation,disk1,iterations = 1)
# 9) imageのセンター・スクエア部分のみを使う
leftMargin = int((width - height)/2)
cropped = erosion2[0:height,
leftMargin:leftMargin+height]
# 10) black pixelをカウントする
blackPixels = (cropped == 0)
black = np.sum(blackPixels == 0)
H, V = blackPixels.shape
porosity = 100*black/(H*V)
# 11) ブレンドしたimageを作成してresultを表示する
center = image[0:height,
leftMargin:leftMargin+height]
islands=np.zeros( (H,V,3), np.uint8)
islands[:,:,2]=255*(cropped > 0)
blend =
cv2.addWeighted(center,0.7,islands,0.2,0)
header='porosity'
result='{porosity}%'.format(porosity=porosity)
# header、resultおよびimageをメイン・プログラムに返す
return (header, result, blend)
# メイン・プログラム
# 処理するファイルのlistを決定する
results=[]
# resultファイルを保存するdirectoryを用意する
resultsDir=os.path.join(os.getcwd(),
'results')
if not os.path.isdir(resultsDir):
os.mkdir(resultsDir)    
for de in
os.scandir(os.path.join(os.getcwd(),'samples')):
if de.name.lower().endswith('png'):
# file nameを得る
sample, extension = os.path.splitext(de.name)
path = de.path
# image fileを開く
image = cv2.imread(path,
cv2.IMREAD_UNCHANGED)
# vision algorithmでimageを処理させる
header, result, blend =
VisionAlgorithm(image)
header='sample\t'+header
result=sample+'\t'+result
# imageおよびvoidのブレンドをresult imageとして保存する
sampleFile='%s.png' % sample
resultfile=os.path.join(resultsDir,
sampleFile)
cv2.imwrite(resultfile,blend)
# 必要に応じてresults listにheaderを追記する
if len(results)==0:
print(header)
results.append(header)
# result listにresultsを追記する
print(result)
results.append(result)
results.append('')
results.append('Version of Python used: %s'
% sys.version)
results.append('Version of NumPy used: %s'
% np.version.version)
results.append('Version of openCV used: %s'
% cv2.__version__)
# resultsをfileに書き込む
resultfile=os.path.join(resultsDir,
'results.txt')
open(resultfile, 'w').writelines(['%s\n' %
s for s in results])
【００５３】
リーク・テスト
リーク・タイトネスをテストするために、テスト試料Ａ、Ｂ、およびＣが定義され、それぞれが、２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍの直方体形状を有する（図９を参照）。
・  テスト試料タイプ「Ａ」は、プリンターのＸＹ平面の中でプリントされる。
・  テスト試料タイプ「Ｂ」は、プリンターのＸＹ平面に対して垂直にプリントされる。
・  テスト試料タイプ「Ｃ」は、より大きいプリントされたオブジェクトから試料を切り出すことによって回収される。
【００５４】
テストは、図１０によるテスト・セットアップによって実施される。テスト・サンプルは、テスト・セットアップの中に水平方向に設置されている。テスト・サンプルの上方には水がある。テスト・サンプルの下には、６ｂａｒの空気超過圧力を有する圧縮空気がある。サンプルを通過して空気または水が漏れ出すことは、１４ｍｍの内径および１９ｍｍの外径を有するＯリングによって防止される。セットアップの構築は、Ｏリング・シールが完璧でない場合には、空気が環境へ流れ、サンプルを通るリークの誤った検出につながらないようになっている。
【００５５】
サンプルが６ｂａｒのテスト超過圧力に露出されている間に、水の中の気泡の発生が観察される。１０分の期間にわたって、φ１ｍｍよりも大きい気泡が観察されない場合には、サンプルはリーク・タイトであると考えられる。リーク・タイトネスは、好ましくは、１０×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓを下回るか、より好ましくは、４．３×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓを下回り、最も好ましくは、０から３×１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓの間にある。ｍｂａｒ＊ｌ／ｓ数のリーク・タイトネス値が、（外見的に球形の）気泡の合計体積を推定し、これに超過圧力（６ｂａｒ）を掛け、これをテスト期間（１０分）で割ることによって計算され得る。気泡の直径は、適切なキャリブレートされたデジタル・カメラによって測定され得る。
【００５６】
それぞれのサンプルのうち、３つのランダム・サンプルが、下記に説明されているようなテスト方法にしたがってテストされる。したがって、合計で９回の実験が実施される。すべて９つのサンプルがテストを合格する場合には、サンプルはリーク・タイトであると考えられる。
【００５７】
機械的な検査のためのテスト試料
プリントされたパーツの機械的特性の決定のために、テスト試料「Ｄ」、「Ｅ」、および「Ｆ」が定義される。それぞれのテスト試料は、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａによる寸法を有している（図１１ａも参照）。
【００５８】
座標系が定義され、それは、プリンティングの方向に対して配向されている（図１１ｂを参照）。
【００５９】
テスト試料タイプ「Ｄ」は、プリント・ベッドの上に平坦にプリントされ、プリント・トラックが引張バーの方向になっており、Ｘ方向への引張強度が測定され得るようになっている（図１１ｃ）。
【００６０】
テスト試料タイプ「Ｅ」は、プリント・ベッドの上に平坦にプリントされ、プリント・トラックが引張バーの方向になっており、Ｙ方向への引張強度が測定され得るようになっている（図１１ｄ）。
【００６１】
テスト試料「Ｄ」および「Ｅ」に関して、プリントされたトラックは、互いに重ねてプリントされている（図１１ｅの左側を参照）。「レンガ積み構造体」は許容されない（図１１ｅ（右側））。
【００６２】
テスト試料タイプ「Ｆ」は、プリント・ベッドに対して直立してプリントされ、Ｘ方向への引張強度が測定され得るようになっている（図１１ｆ）。
【００６３】
試料は、固体充填材によってプリントされている。最適な機械的特性を取得することが望まれる場合には、熱処理が適用される。試料は、わずかに過大な寸法でプリントされ、正しい寸法および優れた表面粗さを取得するためにフライス加工される。
【００６４】
それぞれの試料のうちの、３つのサンプルがプリントされる。機械的特性の平均値がとられる。
【００６５】
本発明によるプロセスは、異なるモデリング材料によって実施され得る。使用される最も一般的なモデリング材料は、熱可塑性ポリマーである。また、他のモデリング材料、たとえば、反応性液体、樹脂など、充填される材料、たとえば、コンクリート、石膏、熱硬化性材料、エラストマー、液晶ポリマー、２Ｋポリマー、ポリマー・クレイ、または結合セラミックなどを使用することも可能である。
【００６６】
本発明によるオブジェクトは、熱溶解積層法（ＦＤＭ）によって取得され得、熱溶解積層法（ＦＤＭ）において、モデリング材料（たとえば、熱可塑性ポリマー組成物など）を所定の位置の上へ堆積させるステップが、モデリング材料に働かされる圧力にしたがって制御される。より具体的には、モデリング材料を所定の位置の上へ堆積させるステップは、
−  モデリング材料を所定の位置の上へ給送するために、モデリング材料に圧力を働かせるステップと、
−  モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターを決定するステップと、
−  前記パラメーターに応じて、給送を制御するステップと
を含む。
【００６７】
いくつかの実施形態では、層のそれぞれを提供するステップは、
−  Ｘ−Ｙ平面の中にオブジェクトの輪郭線をプリントし、一次エリアをマークするステップと、
−  Ｘ−Ｙ平面の中のオブジェクトの輪郭線の内側の一次エリアの第１のパーツを充填し、一次エリアの中の第２のパーツを開けたままにするステップと、
−  堆積させるステップによって、第２のパーツを充填するステップと
によって実施される。
【００６８】
いくつかの実施形態では、第１のパーツを充填するステップは、フロー制御された方式でモデリング材料（たとえば、熱可塑性ポリマー組成物など）を所定の位置の上へ給送することによって実施される。
【００６９】
本発明による３次元オブジェクトを生成させるためのアディティブ・マニュファクチャリング・システムの例は、アディティブ・マニュファクチャリング・プリントヘッドを含み、プリントヘッドは、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つを互いに対して空間的に移動させる位置決め手段に取り付けられている。
【００７０】
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。モデリング材料は、熱可塑性ポリマー組成物であることが可能である。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
システムは、モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターを決定するための圧力決定手段をさらに含む。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
他方では、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。
【００７７】
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。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。
【００７８】
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。
【００７９】
ある実施形態では、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。
【００８０】
ある実施形態では、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。
【００８１】
ある実施形態では、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。
【００８２】
ある実施形態では、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。
【００８３】
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。
【００８４】
ある実施形態では、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。
【００８５】
ある実施形態では、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。
【００８６】
ある実施形態では、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。
【００８７】
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。
【００８８】
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パラメーターを容易に決定する。
【００８９】
ある実施形態では、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。
【００９０】
ある実施形態では、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。
【００９１】
ある実施形態では、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。
【００９２】
ある実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターを決定するための圧力決定手段は、堆積されている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。
【００９３】
ある実施形態では、堆積されている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。
【００９４】
ある実施形態では、堆積されている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。
【００９５】
ある実施形態では、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。
【００９６】
ある実施形態では、堆積されている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。
【００９７】
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。
【００９８】
ある実施形態では、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。
【００９９】
ある実施形態では、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。
【０１００】
ある実施形態では、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配置されており、モデリング材料に働かされる圧力を制御するように配置されている。
【０１０１】
代替的な実施形態では、フロー決定手段は、モデリング材料給送手段のフローを決定するためのフロー・センサーを含む。
【０１０２】
ある実施形態では、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。
【０１０３】
ある実施形態では、制御システムは、フロー制御を使用して２つの第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配置されており、２つの第１のトラックは、間隔を離して配置されており、制御システムは、モデリング材料に働かされる圧力を制御しながら、２つの第１のトラックの間に中間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配置されている。このスキームにおいて、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第２の中間トラックは、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、この第３のトラックは、圧力制御を使用して堆積され得る。
【０１０４】
ある実施形態では、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、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。モデリング材料がノズルに到達するときには、モデリング材料は、その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。
【０１０５】
ある実施形態では、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。
【０１０６】
本発明による３次元オブジェクトを生成させるためのアディティブ・マニュファクチャリング方法の例は、上記に説明されているようなアディティブ・マニュファクチャリングのためのシステムを使用して、アディティブ・マニュファクチャリングを実施するステップを含む。
【０１０７】
方法は、モデリング材料の第１のトラックを堆積させるステップをさらに含み、堆積させるステップは、
・  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
を含む。
【０１０８】
ある実施形態では、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パラメーターを基準値と比較するステップを含み、モデリング材料給送手段を制御するステップは、働かされる圧力と基準値との間の差に基づいている。
【０１０９】
ある実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力に応じて、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。
【０１１０】
ある実施形態では、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。
【０１１１】
ある実施形態では、モデリング材料の第１のトラックを堆積させるステップは、以前に堆積されたモデリング材料の第２のトラックと、以前に堆積されたモデリング材料の第３のトラックとの間のスペースに、第１のトラックを堆積させるステップを含み、第３のトラックは、第２のトラックから間隔を離して配置されている。
【０１１２】
ある実施形態では、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パラメーターを決定するステップを含む。
【０１１３】
代替的な実施形態では、モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターを決定するステップは、堆積されている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パラメーターを決定するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１ａ】従来技術によるアディティブ・マニュファクチャリングのためのシステムのダイアグラムである。
【図１ｂ】従来技術によるアディティブ・マニュファクチャ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】従来技術によるアディティブ・マニュファクチャリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図２ｂ】従来技術によるアディティブ・マニュファクチャリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図２ｃ】従来技術によるアディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャ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アディティブ・マニュファクチャリングのためのシステムの態様を示す図である。
【図９】リーク・テストのためのテスト試料Ａ、Ｂ、およびＣを示す図である。
【図１０】リーク・テストのためのテスト・セットアップを示す図である。
【図１１ａ】ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２試料５Ａを示す図である。
【図１１ｂ】プリンティングの方向に関する座標系を示す図である。
【図１１ｃ】テスト試料Ｄの配向を示す図である。
【図１１ｄ】テスト試料Ｅの配向を示す図である。
【図１１ｅ】Ｚ方向への層の順序付けを示す図である。
【図１１ｆ】テスト試料Ｆの配向を示す図である。
【図１２】孔隙率テスト・データを示す図である。
【図１３】本発明のプロセスにしたがって調製されたサンプルの概略イメージを示す図である。
【図１４】先行技術のＦＤＭプロセスにおいて作り出されたサンプルのイメージを示す図である。
【図１５】（イメージ処理手順のステップ５における）本発明によるサンプルの典型的なイメージを示す図である。
【図１６】（イメージ処理手順のステップ５における）先行技術によるサンプルのイメージの詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１５】
図１ａでは、アディティブ・マニュファクチャ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、ビュー・ステップ位置モデリング（ｖｉｅｗ  ｓｔｅｐ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ）・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、モデリング材料の層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。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。
【０１１６】
チューブ状給送部材１０１およびノズル１０２は、それぞれ、給送チャネル１２０ａ、１２０ｂを含む。ノズル１０２の給送チャネル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、堆積されているモデリング材料１１０と接触している。
【０１１７】
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、プリントヘッド・ノズル１０２から後続のトラック１０９、１１０の中にディスペンスされ得る。
【０１１８】
また、チューブ状給送部材１０１およびノズルは、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。
【０１１９】
他のモデリング材料が、細いトラック１０９、１１０の中に堆積され得、随意的に、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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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・システムは、ドライブ１０４、トランスミッション１０５ａ、１０５ｂを含み、トランスミッション１０５ａ、１０５ｂは、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１２０ａの中のモデリング材料をノズル１０２に向けて押す。回転から並進へのトランスミッション１０５ａ、１０５ｂ、１０３は、スピンドル・トランスミッションであることが可能であり、ナット１０５ｂは、ロータリー・ドライブ１０４によって駆動される。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（回転から並進へのトランスミッション１０５ａ、１０５ｂ、１０３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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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、アディティブ・マニュファクチャ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、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。
【０１２４】
図１ｂでは、制御システムの例が示されており、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。
【０１２５】
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。制御システムは、ドライブ１０４およびトランスミッション・ユニット１０５、１０５ａ、ならびに、ギヤ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を制御する。ドライブ１０４、トランスミッション１０５ａ、１０５ｂ、および、これらのエレメントの関連のトランスミッション・レシオは、図１ｂの中の例のブロック１１３の中に象徴的に示されている。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。
【０１２６】
図２ａでは、従来技術によるアディティブ・マニュファクチャリング１００が図示されている。モデリング材料１０８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１０８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。
【０１２７】
図２ｂでは、押出不足と呼ばれる、フロー制御されるアディティブ・マニュファクチャ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、アディティブ・マニュファクチャリング・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、アディティブ・マニュファクチャリング・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。
【０１２８】
図２ｃでは、押出過剰が表されている。押出過剰では、堆積されている層１１０ｃの中へのモデリング材料１０８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１０８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１０８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。
【０１２９】
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、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。
【０１３０】
図３ｂでは、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。
【０１３１】
図４ａでは、熱溶解積層法システム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、ドライブ１０４およびトランスミッション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。
【０１３２】
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・ステムが変形し、それは、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の圧力を結果として生じさせる。
【０１３３】
図４ｂでは、システム４００によって圧力制御されたアディティブ・マニュファクチャリングを実施するための制御システムが示されている。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されたトルクを提供することが可能であり、それは、チューブ状給送部材１０１の給送チャネル１２０ａ、１２０ｂの中のモデリング材料１０８に働かされる圧力を示す測定パラメーターＰＭとして使用され得る。代替的に、モーター電流が、給送チャネル１２０ａ、１２０ｂの中のモデリング材料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パラメーターＰＭとして使用され得る。
【０１３４】
制御システム４１２は、減算器４０３によって、測定パラメーター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、その差は、伝達関数Ｈ２を有する調整関数モジュール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。調整モジュール４０２を設けられたコントローラーが、ドライブ・システム１１３を制御する。
【０１３５】
モーター電流を制御することによって、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。
【０１３６】
基準パラメーター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。
【０１３７】
図５では、図４ａのシステムに対応するシステムが、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を確立するための代替的な方式を有するように示されている。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の中に引き起こされ、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る。
【０１３８】
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。代替的に、Ｘ−Ｙ−Ｚシステムおよびガントリーは、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。
【０１３９】
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、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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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、ドライブおよびトランスミッション・システムのトルク、または、プランジャー１０３における力を測定することの代替として、チューブ状給送部材１０１の中の（すなわち、給送チャネル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、ドライブ１０４を制御するために使用され得る。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ことの代替例は、給送チャネル１２０ｂの周りのノズルの変形を測定することである。
【０１４２】
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。したがって、図５に関連して確立されるトラック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方式として、この方式が提供される。
【０１４３】
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アディティブ・マニュファクチャリング・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。
【０１４４】
図６ａ〜図６ｄに示されているように、トラック１１０は、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、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ことが可能である。トラック１１０は、ノズル・オリフィスまたはノズル先端部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。
【０１４５】
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いる。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１０８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と融合し、トラック７０１、７０２〜７０３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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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を含むことが可能であり、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制御をプロセッサーに実施させる。
【０１４８】
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、ドライブ、トランスミッション、モデリング材料チューブ状給送部材１０１、およびノズル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。
【０１４９】
上記の実施形態は、単なる例として説明されている。以下の特許請求の範囲に定義されているような範囲から逸脱することなく、補完および修正が、これらの実施形態に対して行われ得る。
【０１５０】
実験
パーツが、本発明の方法にしたがって調製され、プロセスは、
ａ．  モデリング材料を所定の位置の上へ給送するために、モデリング材料に圧力を働かせるステップと、
ｂ．  モデリング材料に働かされる圧力を示すパラメーターを決定するステップと、
ｃ．  前記パラメーターに応じて給送を制御するステップと
を含み、層のそれぞれを提供するステップは、
ｄ．  Ｘ−Ｙ平面の中にオブジェクトの輪郭線をプリントし、一次エリアをマークするステップと、
ｅ．  Ｘ−Ｙ平面の中のオブジェクトの輪郭線の内側の一次エリアの第１のパーツを充填し、一次エリアの中の第２のパーツを開けたままにするステップと、
ｆ．  堆積させるステップによって、第２のパーツを充填するステップと
を含む。
【０１５１】
以降では、このプロセスは、ＢＯＮＤプロセスと呼ばれる。
【０１５２】
孔隙率
孔隙率テストに関して、ＰＥＥＫ材料からプリントされたテスト試料が、ＢＯＮＤプロセスにしたがってプリントされ、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ  Ｆｏｒｔｕｓ  ４５０ｍｃプリンターの上で１００％充填材を伴ってＵｌｔｅｍ  ９０８５からプリントされたテスト試料と比較された。顕微鏡サンプルが調査され、イメージが「孔隙率テスト」の手順にしたがって処理された。結果は、図１２および以下の表１に示されている。
【０１５３】
【表１】
2020508909.tif 000003
【０１５４】
リーク・テスト
リーク・テストが、上記に説明されているリーク・テスト実験にしたがって実施された。
【０１５５】
異なるパーツが、１ｍｍから２．５ｍｍに変化する異なる厚さによって、最新のＳｔｒａｔａｓｙｓ  Ｆｏｒｔｕｓ  ４５０  ｍｃマシンの上で調製されたＵｌｔｅｍから調製された。また、パーツは、ポリカーボネート（Ｓｔｒａｔａｓｙｓマシンの上で調製された）およびＡＢＳ（Ｕｌｔｉｍａｋｅｒマシンの上で調製された）から調製された。パーツは、パーツのビルド平面（ＸＹ方向）から取り出された。
【０１５６】
４つのパーツが、ＰＥＥＫからさまざまな厚さによって調製され、ＢＯＮＤプロセスにしたがって調製され、ＢＯＮＤプロセスは、上記に説明されているような圧力制御されたプリンティングを使用する。パーツは、ビルド平面（ＸＹ）から、ビルド平面に対して垂直（Ｚ方向）に調製された。
【０１５７】
結果は、表２に要約されている。
【０１５８】
【表２】
2020508909.tif 000004
【０１５９】
ＳｔｒａｔａｓｙｓパーツおよびＵｌｔｉｍａｋｅｒパーツから調製されたすべてのサンプルにおいて、泡があまりに多く見出されたので、リーク・テストにおいてフローが測定されることができなかった。ＢＯＮＤプロセスにしたがって作製されたすべてのパーツに関して、泡は観察されることができず、それは、すべてのパーツがリーク・タイトであったということを意味している。
【０１６０】
機械的特性
ＰＥＥＫの１０個のサンプルが、ＢＯＮＤプロセスにしたがって調製され、Ｚ方向（ビルド平面に対して垂直）への限界強度が、ＩＳＯ  ５２７−２：２０１２にしたがって決定された。結果は、表３に示されている。
【０１６１】
【表３】
2020508909.tif 000005
【０１６２】
３つのサンプルが、Ｓｔｒａｔａｓｙｓマシンの上でＵｌｔｅｍから調製された。先行技術による破断点における強度が決定され、表４に示されている。
【０１６３】
Ｓｔｒａｔａｓｙｓ  Ｕｌｔｅｍ
【０１６４】
【表４】
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【０１６５】
テスト・バーが、Ｕｌｔｉｍａｋｅｒ、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ機器の上でのＦＤＭプロセスによって、および、ＢＯＮＤプロセスにしたがって調製された。パーツは、異なる熱可塑性の材料から調製され、特性は、表５に示されているように決定された。
【０１６６】
【表５】
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【０１６７】
データは、Ｂｏｎｄパーツが孔隙率を示さずかつリーク・タイトであるということを示している。従来のマシンにおいて作製されたパーツは、リーク・タイトではなく、押出不足に起因する多数のキャビティーを示している。
【０１６８】
ＢＯＮＤプロセスは、先行技術マシンの上で作製されるパーツよりも厳しい熱可塑性の材料のパーツをプリントすることができる。ＰＥＥＫは、ポリマー特質に起因して、ＦＤＭプロセスにおいて使用することが非常に困難であり、ＵｌｔｉｍａｋｅｒまたはＳｔｒａｔａｓｙｓマシンの上でプリントされることができない。
【符号の説明】
【０１６９】
１００  アディティブ・マニュファクチャリング・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  ピストン
１０４  ドライブ
１０５ａ、１０５ｂ  ギヤ
１０６  ガントリー
１０７  接続バー
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  変位制御システム
１１３  ドライブ・システム補償
１１４  フロー調整器モジュール
１２０ａ、１２０ｂ  給送チャネル
１２１  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アディティブ・マニュファクチャリング・システム
４０１  給送チャネルの中の圧力を示すパラメーターのためのセンサー
４０２  圧力制御モジュール
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アディティブ・マニュファクチャリング・システム
５０１  変位センサー
５０２  弾性部材
５０３  ＸＹＺ位置決めシステム
６０１〜６０４  圧力センサー
６０５  第１のトラック
６０６  第３のトラック
６０７  第２のトラック
７０１  フロー制御を使用する第１のトラック
７０２  フロー制御を使用する第２のトラック
７０３  圧力制御を使用する第３のトラック
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
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】
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【図１ｂ】
2020508909.tif 000009
【図２ａ】
2020508909.tif 000010
【図２ｂ】
2020508909.tif 000011
【図２ｃ】
2020508909.tif 000012
【図３ａ】
2020508909.tif 000013
【図３ｂ】
2020508909.tif 000014
【図４ａ】
2020508909.tif 000015
【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
2020508909.tif 000018
【図６ｂ】
2020508909.tif 000019
【図６ｃ】
2020508909.tif 000020
【図６ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１１ｅ】
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【図１１ｆ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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