JP6400862B2 - ３ｄ印刷装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄオブジェクトを製造するための３Ｄ印刷装置及び３Ｄ印刷方法に関する。

当該技術分野において、熱溶解積層法（ＦＤＭ）が知られている。ＥＰ０８３３２３７は、例えば、所定の温度で固化する材料供給源を有する可動ディスペンサーヘッドと、ベース部材とを備え、これらを所定のパターンでＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って互いに対して移動させ、制御された速度でディスペンサーヘッドから放出された材料をベース部材上に積み重ねることによって３Ｄオブジェクトを作成する装置を開示する。この装置は、好ましくは、材料が堆積させられ又は分配されている間に、ディスペンサーヘッド及びベース部材の移動を制御するための駆動信号を生成するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）及びコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ソフトウェアを利用するプロセスにおいてコンピュータ駆動される。形状が形成されるまで固化材料の反復層を重ねて堆積させることによって、３Ｄオブジェクトを製造することができる。固化の際に適切な結合力で前の層に接着する、自硬性ワックス、熱可塑性樹脂、溶融金属、２液型エポキシ、発泡プラスチック、及びガラスなどの任意の材料を利用することができる。各層の底部は前層によって定められ、各層の厚さは、ディスペンサーヘッドの先端が前層上に位置する高さによって定められ、密接に制御される。ベース部材は、ベース平面のＸ軸及びＹ軸に沿って横方向に移動され、ディスペンサーヘッドは、Ｚ軸に沿ってベース平面に垂直に移動される。

ＷＯ２００７０５０９７２は、構造体を構築するために材料を押し出すノズルを開示しており、このノズルは、材料を押し出すための複数の出口を有する。材料が１つ以上の出口をよりスムーズに流れるようにするために、振動発生装置がノズルに取り付けられ、材料の流れに対して垂直な、流れに対して平行な、別の角度の、又は流れに対して２つ以上の角度の振動を発生させる。

付加製造（ＡＭ）又は３Ｄ印刷は、材料加工において益々成長している分野である。付加製造は、ラピッドプロトタイピング、カスタマイズ、後期ステージ構成、又は小規模連続生産に使用され得る。

現在のＦＤＭプリンタによって製造されるフィラメントの解像度は、現在、少なくとも約０．３ｍｍである押し出されるフィラメントの直径によって制限される。約０．１ｍｍ未満の特徴寸法、例えば、（例えば、改善されたグリップのために粗さを増すために）比較的小さい特徴寸法を有する３Ｄオブジェクトの表面上のパターンを作成するためには、例えばアクリレートのようなフォトポリマーなどの感光性材料に限定されるステレオリソグラフィーなどの異なる製造技術が要求される。さらに、支持構造体（ＸＹ平面）の平面沿いに０．１ｍｍオーダー、この平面に対して垂直に（Ｚ軸沿いに）０．０２ｍｍオーダーであり得る最小解像度を達成するには、前に又は先に印刷された層に対してディスペンサーヘッドを正確に位置合わせできるよう、印刷工程の速度を低くする必要がある。比較的高い速度では、特に、ディスペンサーヘッドの非直線運動の場合、支持構造体に対するディスペンサーヘッドのポジショニング精度が低い。したがって、精度を高めるためには低い速度が要求されるが、これは、３Ｄ印刷物の製造時間を増加させる。

したがって、本発明の一態様は、製造時間に対する影響を最小限に抑えながら、比較的小さい特徴サイズを提供することができる３Ｄプリンタ及び３Ｄオブジェクトの製造方法を提供することである。

したがって、第１の態様において、本発明は３Ｄ印刷装置、特に、熱溶解積層法３Ｄ印刷装置を提供する。３Ｄ印刷装置は、支持構造体と、３Ｄオブジェクトの形成のために支持構造体上に材料を堆積させるためのプリンタノズルであって、プリンタノズル及び支持構造体は、並進方向に、ある並進速度で相対的に並進するように構成される、プリンタノズルと、並進方向とは異なる方向における、プリンタノズルに対する支持構造体の少なくとも第１の部分の振動運動を提供するよう構成された振動アクチュエータとを含む。

「振動」との用語は、相対する方向への周期的な運動、例えば、前後又は上下の動きを指す。

３Ｄ印刷装置は、支持構造体上に材料を堆積させ又は分配し、（同時に）支持構造体をプリンタノズルに対して相対的に並進させることによって、基礎的印刷パターンを提供するように構成される。この相対的並進は、支持構造体のみの並進であって、プリンタノズルは移動せず、一か所に固定されていてもよく、又は、プリンタノズルのみの並進であって、支持構造体は移動せず、一か所に固定されていてもよく、又は支持構造体とプリンタノズルの両方の動きの組み合わせでもよい。３Ｄ印刷装置の支持構造体の少なくとも第１の部分の振動運動が、相対的並進に加えられ又は重ねられる。振動運動は、並進方向に対して異なる方向を有する。このようにして、周期的パターン（振動運動による）が基礎的パターン（並進による）に加えられる。したがって、振動運動は、プリンタノズルに対する支持構造体の（一次）相対的並進運動に続く、支持構造体の少なくとも一部の二次（追加）周期的運動を提供する。振動運動は振動周波数、振動振幅、及び振動方向を有する（及びこれらによって特徴付けられる）ので、プリンタノズルから材料を堆積させることによって支持構造体の第１の部分（すなわち、並進移動に加えて振動運動を経験する部分）に形成されるパターンの寸法及び形態又は形状は、少なくとも、並進速度、振動周波数、及び振動振幅、並びに分配速度及び分配される材料などの通常の印刷パラメータの組み合わせによって決定される。振動運動は、（相対的）並進運動によって作成される基礎パターンに加えて、比較的小さなサイズの特徴を作成することを可能にする。このようにすることで、比較的小さい寸法の特徴を作成するために、改善された精度又は位置合わせを提供するよう、並進速度を減少させる必要がなくなる。

印刷又は堆積材料のパターン（又は形状）は周期的になる。周期は振動運動の周波数に依存し、振幅は振動運動の振幅及び並進方向と振動運動の方向との間の角度に依存する。振動運動の方向がプリンタノズルと支持構造体との相対的並進と同じ平面内にある場合、印刷又は堆積材料のパターンの振幅は、振動運動の振幅と、並進方向と振動運動の方向との間の角度の正弦の絶対値との積に等しい。プリンタノズルと支持構造体との相対的並進がＸＹ平面内にあり、振動運動の方向がＸＹ平面に垂直、すなわちＺ軸沿いの方向（Ｚ方向）である場合、印刷又は堆積材料のパターンは、Ｚ方向の振幅を有し、最大で振動運動の振幅である。この場合、印刷又は堆積材料のパターンは、Ｚ方向の振幅よりも小さい値を有する、ＸＹ平面における追加の振幅を有することも可能である。

「３Ｄ印刷物」又は「３Ｄオブジェクト」という用語は、高さ、幅、及び長さを有する物体など、３Ｄ印刷（付加製造プロセス）によって得られる三次元物体を指す。原則として、３Ｄ（又は３ＤＰ）オブジェクトは、３Ｄ印刷可能な任意のオブジェクトであり得る。３Ｄ物体は、使用機能を有するアイテム又は純粋に装飾的なアイテムであり得る。３Ｄ物体は、車、家、建物などのアイテムの縮尺モデルであってもよい。さらに、３Ｄ物体は、レンズ、ミラー、リフレクター、窓、コリメーター、導波管、色変換要素（すなわち、ルミネッセント材料を含む）、冷却要素、ロック要素、導電要素、ケーシング、機械的支持要素、センシング要素など、他のデバイス又は装置で使用するための部品又は要素であってもよい。３Ｄ印刷物は、３Ｄ印刷材料を含む。

付加製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）は、３Ｄモデル又は他の電子データソースから、主に付加プロセスによって三次元物体を作成する一連のプロセスである。したがって、「３Ｄ印刷」という用語は、「付加製造」又は「付加製造方法」と実質的に同等である。付加プロセスは、（焼結、溶融、又は接着による）材料の粒子又は（複数の層の連続的な堆積又は生成、例えば重合による）材料の層の結合等を含み得る。幅広く使用されている付加製造技術は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）として知られるプロセスである。熱溶解積層法（ＦＤＭ）は、モデリング、プロトタイプ作成、及び生産用途に一般的に使用される付加製造技術である。ＦＤＭは、材料を層状に配置することによって「付加的な」原理に基づき機能する。プラスチックフィラメント又は金属ワイヤーがコイルから引き出され、部分の製造のために材料を供給する。場合によっては、（例えば、熱可塑性プラスチックの場合）フィラメントは溶融され、横たえられる前に押し出される。ＦＤＭはラピッドプロトタイピング技術である。ＦＤＭの別の呼称は、「溶融フィラメント製造」（ｆｕｓｅｄ ｆｉｌａｍｅｎｔ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ：ＦＦＦ）である。本明細書では、ＦＤＭやＦＦＦに相当すると考えられる「フィラメント３Ｄ印刷」（ＦＤＰ）という用語が適用される。一般に、ＦＤＭプリンタは熱可塑性フィラメントを使用し、層ごとに（又は実際にはフィラメントごとに）、フィラメントがその融点まで加熱されて押し出され、三次元物体を作成する。ＦＤＭプリンタは、複雑な物体を印刷するために使用され得る。したがって、一実施形態では、方法は、ＦＤＭ ３Ｄ印刷による３Ｄ印刷物の生成を含む。

３Ｄ印刷物は、特に、３Ｄ印刷可能材料（すなわち、３Ｄ印刷に使用され得る材料）からなる（少なくとも部分的に）。

３Ｄ印刷可能材料として特に適格であり得る材料は、金属、ガラス、熱可塑性ポリマー、シリコーンなどからなる群から選択され得る。特に、３Ｄ印刷可能材料は、ＡＢＳ（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｓｔｙｒｅｎｅ）、ナイロン（又はポリアミド）、アセテート（又はセルロース）、ＰＬＡ（ｐｏｌｙ ｌａｃｔｉｃ ａｃｉｄ）、テレフタレート（ＰＥＴポリエチレンテレフタレートなど）、アクリル（ポリメチルアクリレート、Ｐｅｒｓｐｅｘ、ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン（又はポリプロペン）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＰＥ（膨張−耐衝撃−ポリエチレン（又はポリエテン）、低密度（ＬＤＰＥ）高密度（ＨＤＰＥ））、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）ポリクロロエテンなどを含む。オプションとして、３Ｄ印刷可能材料は、尿素ホルムアルデヒド、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、メラミンホルムアルデヒド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ゴムなどからなる群から選択される３Ｄ印刷可能材料を含む。オプションとして、３Ｄ印刷可能材料は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、イミド（例えば、ポリエーテルイミド）などからなる群から選択される３Ｄ印刷可能材料を含む。

一般に、これらの印刷可能（ポリマー）材料は、ガラス転移温度Ｔ_ｇ及び／又は溶融温度Ｔ_ｍを有する。３Ｄ印刷可能材料は、（例えば、ＦＤＭと仮定して）ノズルから出る前に、少なくともガラス転移温度、一般的に少なくとも溶融温度の温度まで３Ｄプリンタによって加熱される。したがって、一実施形態では、３Ｄ印刷可能材料は、ガラス転移温度Ｔ_ｇ及び／又は融点Ｔ_ｍを有するような熱可塑性ポリマーを含む。（本明細書で）使用可能な材料の具体例は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、リグニン、ゴムなどからなる群から選択することができる。

「印刷可能材料」という用語は、複数の異なる３Ｄ印刷可能材料を指す場合もある。「印刷可能材料」という用語は、特に、印刷可能な材料を指す。例えば、ＦＤＭの場合、印刷可能材料は、流動性の加熱されたポリマーを含み得る。印刷可能材料は、室温で固体であるが、加熱すると印刷可能（すなわち、特に流動性）になってもよい。この加熱は、流動性又は印刷可能材料を提供することを特に意図している。インクジェット印刷の場合、印刷可能材料は液体中の粒子を含み得る（堆積後に蒸発し得る（蒸発させられ得る））。

本明細書で特に「印刷材料」という用語は、堆積した又は印刷された印刷可能材料を指す。したがって、本明細書における「印刷可能材料」という用語は、特に、（まだ）分配されていない、堆積していない、又は印刷されていない材料を指す。印刷は、とりわけ、硬化を含み得る。例えば、印刷材料は、堆積後に硬化され（例えば、光又は他の熱源を用いて加熱されることにより）、その後硬化された印刷材料上にさらに印刷が行われ得る。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、支持構造体は、支持構造体平面に沿って延在し、並進方向は支持構造体平面に平行であり、振動運動は、支持構造体平面に対して平行及び／又は垂直な方向にある。このようにして、振動運動は、３方向において、印刷材料の基礎パターンに周期的特徴を作成及び追加する。基礎パターンは、プリンタノズルと支持構造体との相対的並進によって作成されるパターンである。振動運動の方向、よって振幅は、ＸＹ平面、すなわち支持構造体が延びる平面に平行であってもよく、又はＺ方向、すなわち支持構造体に垂直な方向であってもよい。また、振動運動の方向は経時的に変化してもよく、例えば、第１の期間中は振動運動がＸＹ平面内の第１の方向沿いであり、第２の期間中は振動運動がＸＹ平面内の第２の方向沿いであり、第３の期間中は振動運動がＺ方向沿いでもよく、又は他の任意の組み合わせであってもよい。このようにして、比較的小さなサイズの特徴が異なる方向に生成され得る。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、振動運動は振動周波数を有し、印刷材料は幅を有し、幅に振動周波数を掛け、並進速度で割った結果は０．５より大きい。幅は、ＸＹ平面沿い、例えば並進方向の平面及び／又は支持構造体の平面沿いの印刷材料の最短距離として定義される。印刷（又は堆積）材料の（周期的）パターンは、並進速度を振動運動の周波数で割った結果に等しい周期を有すると計算され得る（印刷材料が振動運動を経験しない場合、周期的パターンは存在せず、よって周期は存在しない）。一般的には、パターン周期はゼロよりも大きいが、パターン周期の実用的な下限は、印刷材料の幅（振動運動なしでの幅）の２００％であり得る。さもなければ、例えば、振動運動中の前後移動からの材料の部分が同じ位置に堆積し、例えば、望ましくない厚さの変動をもたらす可能性があり、このようにして、振動運動中の印刷材料の重なりが回避され、また、干渉パターンなどの望ましくないパターン変動が避けられる。これの組み合わせの結果、幅に振動周波数を掛け、並進速度で除算した結果は０．５より大きくなるはずである。例えば、１００ｍｍ／ｓｅｃの印刷速度及び０．３ｍｍの印刷材料の幅は、１６７Ｈｚの振動運動の最大周波数をもたらし、これは０．６ｍｍのパターン周期を達成し、最小値である印刷材料の幅の２００％である（すなわち、幅の２倍）。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、振動運動は振動周波数を有し、印刷材料は高さを有し、高さに振動周波数を掛け、並進速度で割った結果は０．５より小さい。この場合、振動方向は、支持構造体平面に対してある角度を有し、例えば支持構造体平面に対して垂直である。高さ（又は厚さ若しくは広がり）は、Ｚ方向、例えば支持平面に垂直な方向における印刷材料の最短距離として定義される。上記と同様に、印刷（又は堆積）材料の（周期的）パターンは、並進速度を振動運動の周波数で割った結果に等しい周期を有すると計算され得る（印刷材料が振動運動を経験しない場合、周期的パターンは存在せず、よって周期は存在しない）。一般的に、パターン周期はゼロより大きいが、パターン周期の実用的な上限は、印刷材料の高さの２００％であり得る（振動運動がない高さ）。さもなければ、例えば、印刷材料の一部が浮遊し、前層又は支持構造体上に堆積しない可能性があるからである。これらの組み合わせの結果、高さに振動周波数を掛け、並進速度で除算した結果は０．５より小さくなるはずである。また、Ｚ方向に沿った振動運動は、とりわけ、印刷層の高さに対する振動運動の振幅に依存する振幅を有するＸＹ平面内の周期的パターンをもたらし得る。

一実施形態では、振動運動によって引き起こされる印刷材料のパターン周期は、印刷材料の幅の１０００倍よりも小さい。その結果、幅に振動周波数を掛け、並進速度で除算した結果は０．００１より大きくなる。この実用的上限である、印刷材料の幅の１０００倍を超える周期は、並進運動のみによって十分な精度で実現され、１０Ｈｚオーダーよりも大きい周波数の別個の振動運動を必要としない、比較的大きな特徴に対応する（下記も参照されたい）。例えば、１０００ｍｍ／ｓｅｃの印刷速度及び０．３ｍｍの印刷材料の幅は、３０Ｈｚの振動運動の最大周波数をもたらし、これは３０ｃｍのパターン周期を達成し、最小値である印刷材料の幅の１０００倍である。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、振動運動は１０Ｈｚより大きい振動周波数を有する。振動運動の周波数の値がより低い場合には、支持構造体に対するプリンタノズルの相対移動によっても周期的パターンが生成され、約１０Ｈｚを超える周波数では、追加の振動運動によって印刷周期パターンの精度を大幅に改善することができる。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、振動アクチュエータは、支持構造体の第１の部分の第１の振動運動、及び支持構造体の第２の部分の第２の振動運動を提供するように構成され、第２の振動運動は、振動周波数及び／又は振動振幅に関して第１の振動運動とは異なる。これは、支持構造体上の位置に依存する（振動運動によって作成される）特徴サイズを有する３Ｄオブジェクトを作成することを可能にする。例えば、印刷可能３Ｄオブジェクトの第１の部分に対応する支持構造体の第１の部分では、振動運動は０．１ｍｍオーダーの特徴サイズを提供し、印刷可能３Ｄオブジェクトの第２の部分に対応する支持構造体の第２の部分では、振動運動は０．０５ｍｍオーダーの特徴サイズを提供する。オプションで、支持構造体の別の部分（第１及び第２の部分以外の部分）は全く振動しない。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、支持構造体の少なくとも第３の部分は、支持構造体の第３の部分の振動運動に影響を及ぼすようクランプされる。このようにして、３Ｄ印刷可能オブジェクトの第３の部分に対応する支持構造体の第３の部分は、例えば、振動しないか、又は無視できる程度の振幅を経験し、３Ｄ印刷可能オブジェクトの第３の部分では、プリンタノズルに対する支持構造体の相対的並進のみによって作成される基礎パターンを有する形状が作成される。クランプは、支持構造体の第３の部分における振動運動の低減又は制限を提供する。実際には、支持構造体平面に垂直な方向における振動、例えば振動振幅が、このクランプによって最も影響を受ける（すなわち、Ｚ方向の振動）。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、振動アクチュエータは、振動パターンに従って支持構造体上で変化する周波数及び振幅を有する振動パターンを支持構造体に提供するように構成される。このようにして、振動周波数及び振動振幅は、支持構造体上の位置に依存し、したがって、３Ｄオブジェクトは、振動パターンに対応する支持構造体上の印刷可能３Ｄオブジェクトの位置に依存する周期的特徴を有するパターンを有する。例えば、振動アクチュエータは、支持構造体の異なる部分にそれぞれ作用し、支持構造体の異なる部分に所定の振動運動を提供する、複数の振動源を含むことができる。特に、支持構造体に垂直な方向における振動、例えば振動振幅が、この実施形態によって最も影響を受ける（すなわち、Ｚ方向の振動）。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、振動アクチュエータは超音波アクチュエータである。超音波アクチュエータは、有利には、支持構造体の共振周波数を決定する質量、サイズ等の支持構造体の特性に依存する振動パターンを提供し得る。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、３Ｄプリンタは、支持構造体の振動運動、及び支持構造体に対するプリンタノズルの相対的並進を制御するように構成されたプロセッサをさらに備える。このようにして、並進運動及び振動運動を互いに合わせることができる。有利には、プロセッサは、並進速度及び方向に関して異なる期間、休止期間（例えば、印刷層の終わりにおける）、振動周波数並びに振動振幅及び方向に関する命令を含む。

本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態では、支持構造体は振動板を備え、振動アクチュエータは振動板に振動運動を提供するように構成される。一般的に、これは、振動アクチュエータが、より小さい（より少ない質量の）構造に振動運動を提供すればよいという結果をもたらし、エネルギー効率が高まり、より速くより正確な振動運動を提供し得る。

第２の態様では、本発明は、３Ｄオブジェクトを製造する方法、特に３Ｄオブジェクトを製造するための熱溶解積層法の方法を提供し、方法は、並進方向に並進速度で支持構造体及びプリンタノズルを互いに並進させながら、支持構造体上にプリンタノズルから材料を堆積させるステップと、並進方向とは異なる方向において、プリンタノズルに対して支持構造体の少なくとも第１の部分を振動させるステップとを含む。

本発明の第１の態様の利点及び変形例は、本発明の第２の態様にも同様に当てはまり、その逆も同様である。

本発明に係る方法の一実施形態では、振動運動の周波数及び／又は振幅及び／又は方向は、時間に応じて変化する。これは、３Ｄオブジェクトの特定の形状又はパターンを作成する際に追加の自由度を提供する。

本発明に係る方法の一実施形態では、連続する堆積材料層の間の振動運動は同相である。連続層の間の振動運動が同相であるとは、連続堆積層（互いに重ねられた）の振幅及び周波数が同様であり、第１の層の周期的パターンの最小／最大が、第１の層の上に堆積し又は印刷された第２の後続層の周期的パターンの最小／最大と一致することを意味する。。このようにして、これらの連続する堆積材料層の間の固定又は接着が最大化される。連続する堆積材料層の間に位相差、例えば周波数の差を作り出すことによって、これらの連続堆積材料層の間の接着又は固定を調整することができる。

本発明に係る方法の一実施形態では、方法はさらに、第１の材料層の上に第２の（後続の）材料層を堆積させる前に時間遅延を含む。これは、例えば、連続層間の最適な位置合わせを提供する。

第３の態様では、本発明は、３Ｄ印刷装置の少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、３Ｄオブジェクト、又は３Ｄ製造で使用されるコンピュータ可読３Ｄモデルを前記印刷装置に生成させるコンピュータ可読記憶媒体命令であって、支持構造体上にプリンタノズルから材料を堆積させるための命令と、並進方向に並進速度を持つ、プリンタノズルに対する支持構造体の並進運動を生成するための命令と、並進方向とは異なる方向における、プリンタノズルに対する支持構造体の一部の振動運動を生成するための命令とを含む、コンピュータ可読記憶媒体命令を提供する。

本発明の第１の態様の利点及び変形例は、本発明の第３の態様にも同様に当てはまり、その逆も同様である。

以下、参照符号が対応する部品を示す添付の概略図を参照しながら、単なる例として本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る３Ｄ印刷装置の一実施形態を概略的に示す。 図２Ａ、図２Ｂは、本発明に係る３Ｄ印刷装置を用いて作成された周期的パターンを概略的に示す。 図３は、本発明に係る３Ｄ印刷装置を用いて作成された周期的パターンを概略的に示す。 図４は、本発明に係る３Ｄ印刷装置を用いて作成された周期的パターンを概略的に示す。 図５Ａ乃至図５Ｃは、本発明に係る３Ｄ印刷装置を用いて作成された周期的パターンを概略的に示す。

図は必ずしも縮尺通りではない。

図１は、例えば、本明細書で説明される高度製造（ＡＭ）方法に使用され得る本発明に係る３Ｄ印刷装置又は３Ｄプリンタの実施形態を概略的に示す。３Ｄ印刷装置５００は、支持構造体５５０上に３Ｄ印刷可能材料を印刷又は堆積させるためのプリンタノズル５０２を有するプリンタヘッド５０１を含む。一例として、ＦＤＭプリンタの実施形態が概略的に示されている。

参照番号５３０は、３Ｄオブジェクト印刷、特にＦＤＭ ３Ｄ印刷のために構成された機能ユニットを示す。また、この参照番号は、３Ｄ印刷ステージユニットを示し得る。ここでは、３Ｄ印刷材料を供給するためのプリンタヘッド５０１、例えばＦＤＭ ３Ｄプリンタヘッドのみが概略的に示されている。本発明の３Ｄプリンタは、複数のプリンタヘッドを含んでもよいが、他の実施形態も可能である。参照番号３２０は、印刷可能な３Ｄ印刷可能材料のフィラメントを示す（上述のような）。明瞭化のために、３Ｄプリンタの全ての特徴が示されているわけではなく、本発明に特に関連するものだけが示されている。３Ｄプリンタ５００は、支持構造体５５０上に複数のフィラメント３２０を堆積させることによって３Ｄオブジェクト１０を生成するように構成され、各フィラメント３２０は、融点Ｔ_ｍを有するような３Ｄ印刷可能材料を含む。この例では、３Ｄプリンタ５００は、プリンタノズル５０２の上流でフィラメント材料を加熱するように構成される。これは、例えば、押出及び／又は加熱機能のうちの１つ以上を含む装置によって行うことができる。かかる装置は、参照符号５７３で示され、プリンタノズル５０２の上流に（すなわち、時間的にはフィラメント材料がプリンタノズル５０２から出る前に）配置される。参照符号５７２は、特にワイヤーの形態の材料を有するスプールを示す。３Ｄプリンタ５００は、これをフィラメント又は繊維３２０に変換する。フィラメントごとに、かつフィラメント上にフィラメントを配置することによって、３Ｄオブジェクト１０が形成され得る。しかし、本明細書で使用される３Ｄ印刷技術は、ＦＤＭに限定されない（上記も参照されたい）。参照番号５８０は、印刷可能材料（又はその前駆体）の貯蔵部を示す。例えば、材料を有するスプールが貯蔵部として使用され得る。

３Ｄプリンタ５００は、さらに、ここでは例としてヒーター部１１５０である変換部１１００をさらに備える。ヒーター部１１５０は、プリンタヘッド５０１と機能的に結合され得る。ヒーター部１１５０は、特に、（支持構造体５５０への）流れ上の印刷可能材料に熱を与えるように構成されている。オプションで、ヒーター部はレーザーを含むことができる。

矢印５０及び５５は、それぞれ、支持構造体５５０の平面に平行な（支持構造体５５０及び／又はプリンタノズル５０２の主並進方向でもある）、及び支持構造体５５０に垂直な支持構造体５５０の振動運動を表す。振動運動５０、５５は、例えば振動モータ（例えば、リニア共振アクチュエータ振動モータ、偏心振動モータ（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｓｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ））、又は音響励起用の電子信号発生器を備えたスピーカ（例えば、超）音波アクチュエータのような振動アクチュエータによって提供される。コントローラ（図示せず）は、プリンタノズル（プリンタヘッド）及び支持構造体の（相対的な）動き、並進、及び振動を制御するように構成され得る。例えば、コントローラは、所定の時間、特定の位置、特定の層などについて振動運動を停止し得る。このようにして、振幅及び／又は周波数等が印刷された３Ｄオブジェクトにわたって異なる位置依存性周期的パターンが印刷される。

振動運動５０の方向、すなわち、支持構造体５５０の平面に平行な振動運動は、一般に、印刷方向、すなわち、プリンタノズルの支持構造体に対する相対的移動又は並進方向と同じ方向ではない。したがって、（直線的な）周期的運動である振動は、（直線的な）並進運動に対してゼロとは異なる角度を有する。このようにして、振動運動の周波数及び振幅、並びに振動運動の方向と印刷又は並進方向との間の角度に依存する（周期的な）特徴を有するパターンを作成することができる。

一実施形態では、支持構造体５５０は、特定の振動周波数及び特定の振動振幅で振動する。時間の関数として、したがって、材料が支持構造体５５０上に堆積させられている間、振動周波数及び／又は振幅は変化してもよいし、一定であってもよい。オプションで、振動運動は、印刷プロセスのある期間中に存在しなくてもよい。

他の実施形態では、支持構造体５５０の第１の部分のみが振動する。例えば、振動アクチュエータは、支持構造体５５０の第１の部分のみを作動させる又は励起し、したがって、第１の部分のみに振動運動を提供する。他の例では、支持構造体５５０の第３の部分は、例えば、固定器具を使用することによって、又は局所的に荷重をかけることによって、振動しないように又は振動を軽減するように（すなわち、より小さい振幅）クランプされ、Ｚ方向、すなわち、支持構造体５５０によって定められる平面に垂直な方向の振動運動５５及び／又は支持構造体５５０の平面（ＸＹ平面）に平行な振動運動が主に局所的に抑制される。別の例では、振動アクチュエータは、支持構造体上の位置に応じて振動周波数及び／又は振動振幅が変化する振動パターンを支持構造体に提供するように構成される。これは、例えば、支持構造体５５０の音響共振をもたらす（超）音波アクチュエータによって実施することができる。このようにして、支持構造体の第１の部分が振動し、支持構造体の別の部分が、振動しない又はさほど振動しない、例えばより小さい振幅で振動するよう、振動が局所化され得る。あるいは、複数の振動ソースが、異なる位置で支持構造体に作用して、比較的複雑な振動パターンを生成することができる。

一実施形態では、支持構造体は、振動板が上に設けられたベース板を備え、印刷可能材料は振動板（図示なし）上に堆積させられる。ベース板は相対的並進を提供し、振動板は振動運動５０、５５を提供する。このようにして、印刷物をプリンタノズルからある距離に保つために必要なエネルギーと、振動運動に必要なエネルギーとを分離することができ、また、各自の特定の機能に最適化された別個のアクチュエータを使用することができる。振動板は、有利には、ベース板よりも薄く（質量がより少ない）、よって、振動に必要なエネルギーが低減され、より正確な振動運動がもたらされ得る。

振動運動は、層を堆積させているときに変えることができるが、連続する堆積層の間で変化させることもでき、すなわち、例えば、異なる振幅及び／又は周波数を設定することによって、第１の層を印刷している間の振動運動を第１の層上の次の層の印刷から変えることができる。連続層間の固定は、印刷材料自体の特性、例えば寸法及び材料特性、振動運動の周波数および振幅、並進速度及び他の温度等のプロセスパラメータに応じた特定の振動運動を適用及び選択することによって調整することができる。例えば、第１の層は第１の振動周波数及び第１の振動振幅で堆積させられ、後続の層は第２の振動周波数及び第２の振動振幅で堆積させられる。支持構造体に垂直な振動運動（すなわち、Ｚ方向）は、特に、連続して印刷される層の間の改善された接着又は固定をもたらす可能性がある。いくつかの箇所において、プリンタヘッドが先に堆積させられた層のより近くに位置するため、（先に）印刷された層に印刷可能（堆積）材料を押し付けるからである。

プリンタノズルと支持構造体との間の相対的並進運動によって提供される印刷材料の基礎パターンに、振動運動の周期及び振幅が重ねられる結果、印刷材料のパターン形状は、あるパターン周期及びパターン振幅（並進方向に垂直なパターン拡張として定義される）を有する。基礎パターンは、支持構造体の平面に平行に（並進方向に垂直に）測定して印刷材料の最短距離によって定められるパターン幅、及び支持構造体の平面に対して垂直に（Ｚ方向）測定して印刷材料の最短距離によって定められるパターン高さを有する。

異なる実施形態における振動運動は、振動周期１／ｆ及び振動振幅Ａ（単位：メートル）によって特徴づけられ、ここで、ｆは振動運動の周波数である。図２Ａは、並進又は印刷速度ｖを有するＸ方向の並進運動５２、及びそれに重畳されたＹ方向又はＺ方向の振動運動５０によって作成された堆積又は印刷材料の本発明に係る３Ｄ印刷装置を用いて作成された周期的パターン１１０の概略図を示す。並進速度ｖで支持構造体５５０をプリンタノズル５０２に対して移動（並進）させることによって、プリンタノズルが連続線を印刷する。支持構造体の振動運動５０は、印刷可能材料の位置、すなわち、印刷可能材料が分配又は付与される場所において周期的な運動を引き起こし、結果として、振動周波数及び振幅によって付加的に（相対的並進運動５２に次いで）決定される形状又は形態を有するパターンが得られる。周期的パターン１１０は、並進又は印刷速度ｖを振動運動５０の周波数ｆで割ることによって得られる周期ＰＰを有する（ＰＰ＝ｖ／ｆ）。周期的パターン１１０は、さらに、パターン振幅ＰＡを有し、この例では、振動運動の方向（Ｙ方向又はＺ方向）が並進方向に対して垂直であるため、振動運動５０の振幅Ａに等しい。図２Ｂは、図２Ａに示される周期的パターン１１０よりも印刷材料が広い幅を有することを除いて、図２Ａに示されるものと同様の周期的パターン１２０を示す。

図３は、本発明に係る３Ｄ印刷装置を用いて作成された周期的パターン１３０の概略的な例を示す。この実施形態では、並進速度ｖを有する並進運動６２の方向、及び振動運動６０の方向は、両方ともＸＹ平面内にあり、互いに対して角度α（ゼロとは異なる）を有する。周期的パターン１３０は、並進速度ｖを振動運動６０の周波数ｆと角度αの正弦の絶対値との積で割ることによって得られる周期ＰＰ２を有する（ＰＰ２＝ｖ／（ｆ＊ａｂｓ（ｓｉｎ（α））））。周期パターン１３０は、さらに、パターン振幅ＰＡ２を有し、この例では、振動運動６０の振幅Ａ２と角度αの正弦の絶対値との積に等しい（ＰＡ２＝ａｂｓ（ｓｉｎ（α））＊Ａ２）。

一実施形態では、幅に振動周波数を掛け、並進速度で除算した結果は０．５より大きい。印刷（又は堆積）材料のパターンは、並進速度を振動運動の周波数で割った結果に等しい周期を有すると計算され得る（印刷材料が振動運動を経験しない場合、周期的パターンは存在せず、よって周期は存在しない）。一般的には、パターン周期はゼロよりも大きいが、パターン周期の実用的な下限は、印刷材料の幅（振動運動なしでの幅）の２００％であり得る。さもなければ、例えば、振動運動中の前後移動からの材料の部分が同じ位置に堆積し、例えば、望ましくない厚さ／高さの変動をもたらす可能性があり、これにより、振動運動中の印刷材料の重なりが回避され、また、干渉パターンなどの望ましくないパターン変動が避けられる。これの組み合わせの結果、幅に振動周波数を掛け、並進速度で除算した結果は０．５より大きくなるはずである。例えば、１００ｍｍ／ｓｅｃの印刷速度及び０．３ｍｍの印刷材料の幅は、１６７Ｈｚの振動運動の最大周波数をもたらし、これは０．６ｍｍのパターン周期を達成し、最小値である印刷材料の幅の２００％である（すなわち、幅の２倍）。

一実施形態では、振動運動によって引き起こされる印刷材料のパターン周期は、印刷材料の幅の１０００倍よりも小さい。その結果、幅に振動周波数を掛け、並進速度で除算した結果は０．００１より大きくなる。この実用的上限である、印刷材料の幅の１０００倍を超える幅は、並進運動のみによって十分な精度で実現され、１０Ｈｚオーダーよりも大きい周波数の別個の振動運動を必要としない、比較的大きな特徴に対応する（下記も参照されたい）。例えば、１０００ｍｍ／ｓｅｃの印刷速度及び０．３ｍｍの印刷材料の幅は、３０Ｈｚの振動運動の最大周波数をもたらし、これは３０ｃｍのパターン周期を達成し、最小値である印刷材料の幅の１０００倍である。

支持構造体によって定められる平面に垂直な方向、すなわち並進運動が提供されるＸＹ平面に垂直なＺ方向の振動運動の場合、支持構造体の平面に垂直な印刷材料の広がり（又は高さ）が、少なくとも、振動運動の周波数ｆ及び振幅Ａ、並びに並進速度ｖによって決定される周期的構造を有するパターンが提供される。図４は、Ｚ方向に周期的パターンを有する連続層をもたらす、かかる振動運動の概略的な３Ｄ図を示す。実際には、振動運動の振幅は、ノズルが下層に直接接触するのを避けるために、印刷材料の高さの２００％を超えてはならない。印刷可能材料が堆積させられる場所に層が存在しない場合、この制限は、印刷材料の高さの２００％よりも低い可能性がある。さらに、好ましくは、後続する印刷層は、プリンタノズルを先に印刷された層に押し付けるのを避けるために、同相の周期的パターンを示す（すなわち、同様の周期的パターンを有する）べきである。典型的には、印刷層の厚さ又は高さは、０．０２ｍｍ〜２ｍｍである。振動運動は、高さを０．０１ｍｍ〜４ｍｍの間で変化させる可能性がある。

支持構造体の（付加的な）振動運動は、隣接する材料層の間の接着特性を改善するために使用されてもよい。隣接する層の堆積中の振動運動が同相である場合、５つの連続層５１１、５１２、５１３、５１４、５１５について図５Ａに概略的に示されるように、印刷材料の形状は合致したものになり、したがって密着した印刷を実現する。図５Ｂ及び図５Ｃに概略的に示されるように、振動運動の位相及び／又は振幅を変化させることにより、隣接する材料パターンの間の重なりの量及びギャップの大きさを調整することができる。図５Ｂは、連続又は隣接する層５２１、５２２が振動運動の異なる振幅で印刷され又は堆積したことを概略的に示し、例えば、層５２１は隣接又は連続する層５２２よりも小さい振幅を有する。このようにして、隣接して堆積し、又は分配される材料間の接着性を調整することができる。オプションで、相互に位相がずれた周期的パターンを有する連続印刷層を有することによって提供され得る、隣接するライン間のギャップ又はボイドによって、３Ｄオブジェクトの光学特性も調整され、特に、透明又は半透明材料が印刷プロセス中に使用される場合に当てはまる。隣接して印刷された材料間の表面、付着力、又は機械的接続の変動が引き起こされ、かつ／又はボイドが形成され、これらは、散乱又はスパークリング効果さえ与え得る。このようにして、（局所的な）光学的効果を達成することができる。図５Ｃは、連続又は隣接する印刷層５３１、５３２が異なる位相を有する、すなわち、隣接する層５３１、５３２の頂点（最大）及び谷（最小）が一致しないことを概略的に示す。

一般的に、振動周波数は１０Ｈｚ以上である。振動運動の周波数の値がより低い場合には、支持構造体に対するプリンタノズルの相対移動によっても周期的パターンが生成され、１０Ｈｚを超える周波数では、追加の振動運動によって印刷周期パターンの精度を大幅に改善することができる。

オプションで、前の層と同相で新しい層を開始するために、次の（後続の）層の印刷に切り替えるときに遅延時間が含まれる。この遅延時間は、螺旋状又はジグザグ状のパターンなど、３Ｄオブジェクト内に、支持構造体平面に垂直な方向に特定のパターンを形成するために使用することもできる。Ｃｈｌａｄｎｉパターンによる共振などの特定の共振は、振動運動の局在化をもたらし、結果として、周期的パターンの解像度を向上させ得る。

本明細書において、「実質的に〜からなる」などにおける「実質的に」という用語は、当業者に理解されるであろう。「実質的に」という用語は、「全体的に」、「完全に」、「全ての」等の実施形態も含み得る。したがって、実施形態では、実質的にという形容詞を削除することもできる。適用可能であれば、「実質的に」という用語は、９０％以上、例えば９５％以上、特に９９％以上、さらに特に９９．５％以上に関連し、また、１００％を含む。用語「含む」は、用語「含む」が「からなる」を意味する実施形態も含む。「及び／又は」という用語は、特に、「及び／又は」の前後に記載されたアイテムの１つ又は複数に関連する。例えば、「アイテム１及び／又はアイテム２」というフレーズ、及び同様なフレーズは、アイテム１及びアイテム２の１つ又は複数に関連し得る。ある実施形態において、「含む」という用語は「からなる」を指し得るが、別の実施形態では、「少なくとも規定された種類、さらに場合により１つ又は複数の他の種類を含む」を指し得る。

さらに、明細書及び特許請求の範囲における第１、第２、第３などの用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも逐次的又は時間的な順序を説明するものではない。そのように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される発明の実施形態は、本明細書に記載又は図示されているもの以外の順序で動作可能であることを理解されたい。

本明細書の装置は、とりわけ、動作中の状態で説明されている。当業者には明らかなように、本発明は、動作方法又は動作中の装置に限定されない。

上記実施形態は本発明を限定するものではなく、当業者は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多くの代替的実施形態を設計することができることに留意されたい。特許請求の範囲において、括弧間に置かれた参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「含む」という動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載された要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素に先行する冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数のかかる要素の存在を排除するものではない。本発明は、複数の別々の要素を含むハードウェアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって実施され得る。いくつかの手段を列挙する装置クレームにおいて、これらの手段のうちのいくつかは、同一のハードウェアアイテムによって具現化されてもよい。複数の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせが好適に使用することができないとは限らない。

本発明はさらに、明細書に記載された及び／又は添付図面に示された特徴の１つ又は複数を備えた装置を含む。本発明はさらに、明細書に記載された及び／又は添付図面に示された特徴の１つ又は複数を含む方法又はプロセスに関する。

本特許で議論される様々な態様は、さらなる利点を提供するために組み合わせることができる。さらに、一部の特徴が、１つ又は複数の分割出願の基礎を形成し得る。

Claims (14)

1. 支持構造体と、
   ３Ｄオブジェクトの形成のために前記支持構造体上に材料を堆積させるためのプリンタノズルであって、前記プリンタノズル及び前記支持構造体は、並進方向に、並進速度で相対的に並進する、プリンタノズルと、
   前記並進方向とは異なる方向における、前記プリンタノズルに対する前記支持構造体の少なくとも第１の部分の振動運動を提供する振動アクチュエータと、を含む、３Ｄ印刷装置。
2. 前記支持構造体は、支持構造体平面に沿って延在し、前記並進方向は、前記支持構造体平面に平行であり、前記振動運動は、前記支持構造体平面に対して平行及び／又は垂直方向な方向にある、請求項１に記載の３Ｄ印刷装置。
3. 前記振動運動は、振動周波数を有し、印刷材料は、幅を有し、前記幅に前記振動周波数を掛け、前記並進速度で割った結果は、０．５より大きい、請求項１又は２に記載の３Ｄ印刷装置。
4. 前記振動運動は、前記支持構造体平面に対して垂直方向な方向にあって振動周波数を有し、印刷材料は、高さを有し、前記高さに前記振動周波数を掛け、前記並進速度で割った結果は０．５より小さい、請求項１又は２に記載の３Ｄ印刷装置。
5. 前記振動運動は、１０Ｈｚ以上の振動周波数を有する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
6. 前記振動アクチュエータは、前記支持構造体の前記第１の部分の第１の振動運動、及び前記支持構造体の第２の部分の第２の振動運動を提供し、前記第２の振動運動は、周波数及び／又は振幅に関して前記第１の振動運動とは異なる、請求項１乃至５の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
7. 前記支持構造体の少なくとも第３の部分は、前記支持構造体の当該第３の部分の前記振動運動に影響を及ぼすようクランプされる、請求項１乃至６の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
8. 前記振動アクチュエータは、前記支持構造体上で変化する周波数及び振幅を有する振動パターンを当該支持構造体に提供する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
9. 前記支持構造体の前記振動運動、及び前記支持構造体と前記プリンタノズルとの前記相対的並進を制御するプロセッサをさらに備える、請求項１乃至８の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
10. 前記支持構造体は、振動板を備え、前記振動アクチュエータは、前記振動板に前記振動運動を提供する、請求項１乃至９の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
11. 複数の前記振動アクチュエータを含む、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の３Ｄ印刷装置。
12. ３Ｄオブジェクトを製造するための方法であって、前記方法は、
    並進方向に並進速度で支持構造体及びプリンタノズルを相対的に並進させながら、前記支持構造体上に前記プリンタノズルから材料を堆積させるステップと、
    前記並進方向とは異なる方向において、前記プリンタノズルに対して前記支持構造体の少なくとも第１の部分を振動させるステップと、を含む、方法。
13. 前記振動の周波数及び／又は振幅及び／又は方向が、時間に応じて変化する、請求項１２に記載の方法。
14. ３Ｄ印刷装置の少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、３Ｄオブジェクトを前記３Ｄ印刷装置に生成させるコンピュータ可読記憶媒体命令であって、前記コンピュータ可読記憶媒体命令は、
    支持構造体上にプリンタノズルから材料を堆積させるための命令と、
    並進方向に並進速度を持つ、前記プリンタノズルに対する前記支持構造体の並進運動を生成するための命令と、
    前記並進方向とは異なる方向における、前記プリンタノズルに対する前記支持構造体の少なくとも一部の振動運動を生成するための命令と、を含む、コンピュータ可読記憶媒体命令。

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