JP6695501B2 - 押出ベースの付加製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に、３Ｄ印刷と称される場合もある、付加製造の分野に関する。より具体的には、本発明は、３Ｄ印刷装置を使用して物体を製造するための、押出ベースの付加製造方法に関する。本発明はまた、コンピュータプログラムと、そのコンピュータプログラムを記憶しているコンピュータ可読データキャリアとに関し、このコンピュータプログラムは、そのプログラムが３Ｄ印刷装置によって実行されると、その３Ｄ印刷装置に本方法のステップを実施させる、命令を含む。

３Ｄ印刷と称される場合もある、付加製造とは、３次元の物体を合成するために使用されるプロセスを指す。３Ｄ印刷は、急速に人気が高まりつつあるが、これは、所望の物品を形成するために、組み立て又は成形技術を必要とすることなくラピッドプロトタイピングを実行する、その能力のためである。

物体は、３Ｄ印刷装置を使用して形成されてもよく、この３Ｄ印刷装置は、通常はコンピュータモデルによって制御されている、いくつもの印刷ステップにおいて、３次元で物体を構築する。例えば、物体のスライスされた３Ｄモデルが提供されてもよく、各スライスは、個別の印刷ステップにおいて、３Ｄ印刷装置によって再現される。３Ｄ印刷装置は、ディスペンサから、押出可能材料の連続層を堆積させてもよく、それらの層は、堆積後に、例えば硬化プロセスを誘発させるためのレーザを使用して、硬化されるか、さもなければ固化されてもよい。

３Ｄ印刷装置の例が、米国特許出願公開第２０１０／０３２７４７９（Ａ１）号に開示されている。この３Ｄ印刷装置は、押出ヘッドによって支持されている押出先端部を通じて、流動性の消耗モデリング材料のフィラメントを押し出して、そのモデリング材料を基材上に堆積させることによって、３Ｄ物体のデジタル表現から３Ｄ物体を一層ずつ構築するために使用されることが可能な、押出ベースの付加製造システムである。この押出ベースの付加製造方法はまた、熱溶解積層法、溶融層モデリング（fused layer modeling）、又は溶融フィラメント製造（fused filament fabrication）とも称される。

上述の押出ベースの付加製造方法を実行するための、消費者向け３Ｄプリンタの大半は、プラスチックフィラメントが送り込まれる移動ヘッドを備える。しかしながら、この種のプリンタは、その堆積方法の結果として、しばしば不完全性を呈する物体を製造するという、欠点がもたらされる恐れがある。例えば、これらの不完全性は、直前に固定されたフィラメント層上への、個々のフィラメントの連続堆積の結果として、「階段」構造体とも称される、隆起部及び／又は段差構造体を含み得る。隆起部は、堆積された材料が、その縁部で、最小限の表面張力により流動することが可能であり、その結果として、丸みを帯びた縁部がもたらされるために生じ得る。

隆起部及び／又は階段構造体は、その印刷された物体の、構造的一体性を阻害し（亀裂及び層間剥離に関する多くの開始要因を作り出し）、全体的な寸法公差を阻害する恐れがあるだけではなく、それらはまた、審美的に好ましくない場合もある。このことを回避するために、例えば、溶剤蒸気、塗装、及び／又はコーティングによって、表面を平滑化するための方法が示唆されてきた。しかしながら、これらの方法の重大な欠点は、１つ以上の追加的な処理ステップを必要とする点である。

それゆえ、製造された物体が、より安定し、より容易に一体化され、及び／又は、より審美的に好ましくなり得るように、３Ｄ印刷される物体の隆起部及び／又は階段構造体を排除若しくは低減することが可能な、代替的ソリューションが関心の対象となっている。

本発明の目的は、上記の問題を軽減して、押出ベースの付加製造（３Ｄ印刷）によって物体を作り出すための方法を提供することであり、そのように製造された物体は、従来技術による押出ベースの付加製造（３Ｄ印刷）によって製造された物体と比較して、改善された安定性、一体性、及び／又は視覚的特性を有する。

本発明の第１の態様によれば、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを含む、１つ以上の層の周縁部を、平滑化する方法が提供される。この方法は、３Ｄ印刷装置を使用して物体を製造するための、押出ベースの付加製造方法であり、３Ｄ印刷装置は、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるように構成されているノズルを備え、ノズルは、少なくとも１つの外部表面を含む。この方法は、物体の少なくとも１つの層を形成するために、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるステップを含む。この方法は、ノズルの少なくとも１つの外部表面を、少なくとも１つの層の周縁部に当接させるステップと、少なくとも１つの層の周縁部に沿って、及び、少なくとも１つの層内に所定の距離で、ノズルを案内するステップとを更に含む。

それゆえ、本発明は、１つ以上の印刷材料のフィラメントを含む、少なくとも１つの層を印刷し、次いで、その少なくとも１つの層を平滑化するように構成されている、３Ｄ印刷装置用のプリンタヘッドを提供するという着想に基づく。換言すれば、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させた後、ノズル自体が、層を平滑化するために使用されるが、これは、層が印刷された後に、ノズルの外部表面が層の周縁部に沿って案内され得るためである。

本発明は、プリンタヘッドのノズルが、押出機及び平滑化要素の双方として機能し得る点で有利である。換言すれば、物体はプリンタヘッドによって印刷されてもよく、それにより、発生するあらゆる隆起部及び／又は階段構造体は、溶剤蒸気、塗装、及び／又はコーティングを含めた、印刷後のいずれの追加的処理ステップを使用することなく、平滑化されてもよい。本発明は、それにより、プリンタヘッドによるコスト節減及び／又は時間節約された動作を提供する。

本発明は、３Ｄ印刷装置によって製造された物体が、より安定し、より容易に一体化され、及び／又は、より審美的に好ましくなり得るように、その３Ｄ印刷された物体の隆起部及び／又は階段構造体が、印刷後に、プリンタヘッドによって簡便に排除又は低減され得る点で、更に有利である。

本発明による方法で使用される３Ｄ印刷装置のプリンタヘッドは、製造されることになる物体の少なくとも１つの層を形成するために、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるように構成されている、ノズルを備える。それゆえ、層は、層を形成するための１つの印刷材料のフィラメント（すなわち、ストリング）、又は、層を形成するように隣接配置された複数の印刷材料のフィラメントを含み得る。「印刷材料」とは、本明細書では、押し出されることが可能な材料、例えば、押し出されるプラスチック材料を意味する。ノズルは、少なくとも１つの層の周縁部に当接されるように構成されている、少なくとも１つの外部表面を含む。「外部表面」とは、本明細書では、ノズルの外側表面又は側面部分を意味する。ノズルは、層の周縁部に沿って案内されるように、更に構成されている。「周縁部」とは、本明細書では、層の外側（側方）縁部を意味する。ノズルは、少なくとも１つの層内に所定の距離で案内されるように、更に構成されている。換言すれば、ノズルは、平滑化されることになる、印刷された材料の層内に、誘導及び／又は押圧されるように構成されている。

少なくとも１つの層の周縁部の少なくとも一部分は、その少なくとも１つの層の平面において突出している半球形状を有してもよく、所定の距離は、その半球形状の半径に対応してもよい。それゆえ、この方法では、ノズルは、半球形状を有する層の半径が平滑化されるように、少なくとも１つの層の周縁部に沿って案内されてもよい。このことは、ノズルが、層の材料内の適切な距離内に、層の縁部に沿って案内されることにより、層の縁部が簡便に平坦化され得る点で有利である。

本発明による方法で使用される３Ｄ印刷装置のノズルは、第１の軸に沿って伸長していてもよく、本方法を実行している間に、ノズルは、その第１の軸に沿って所定の距離で案内されてもよい。換言すれば、この方法は、ノズルを、（一般に、鉛直方向である）その伸長と同じ方向で案内するステップを含む。このことは、層の周縁部が、例えば鉛直方向で、簡便に平滑化され得る点で有利である。

本発明による方法で使用される３Ｄ印刷装置のノズルは、第１の軸に沿って伸長していてもよく、少なくとも１つの外部表面は、その第１の軸に平行な、少なくとも１つの平面を含んでもよい。それゆえ、本方法を実行している間に層の周縁部に当接される、ノズルの外部表面は、１つ以上の平面を含んでもよい。このことは、ノズルが、その平らな側面部分のうちの１つ以上によって、層の縁部を効率的かつ簡便に平滑化する点で有利である。

ノズルの少なくとも１つの外部表面は、そのノズルの球面扇形の、少なくとも１つの表面領域を含んでもよい。このことは、それによりノズルが、そのノズルの伸長に対して傾斜してもいる層の縁部を、効率的かつ簡便に平滑化するように構成されている点で有利である。換言すれば、このノズルは、内方及び／又は外方に傾斜している壁を平滑化する際の、より大きい自由度を提供するように構成されている。

本発明による方法で使用される３Ｄ印刷装置のノズルは、第１の軸に沿って伸長していてもよく、円筒形状を有してもよい。このことは、それによりノズルが、周縁部が丸みを帯びている層の縁部を、効率的かつ簡便に平滑化するように構成されている点で有利である。

本発明による方法は、少なくとも、少なくとも１つの層の周縁部に沿って、及び、少なくとも１つの層内に所定の距離でノズルを案内するステップの間に、ノズルを冷却するステップを更に含んでもよい。この目的のために、本方法で使用される３Ｄ印刷装置のプリンタヘッドは、ノズルと熱的に接触して、そのノズルを冷却するように構成されている、冷却ユニットを含んでもよい。用語「冷却ユニット」とは、本明細書では、ノズルを冷却するように更に構成されている、実質的に任意の冷却ユニット、デバイスなどを意味する。このことは、ノズルの冷却が、層の周縁部に沿ってノズルを案内している間の、ノズルと印刷された材料との付着を低減し得る点で有利である。それにより、層の周縁部の平滑化は、より効率的に実行され得る。

本発明による方法で使用される３Ｄ印刷装置のノズルは、ノズルと少なくとも１つの層の周縁部との付着を低減するように配置されている、コーティングを含んでもよい。このことは、ノズルが、更により効率的に、層の周縁部に沿って案内され得る点で有利である。コーティングは、ポリテトラフルオロエチレン、テフロンなどを含んでもよい。

本発明による方法で使用される３Ｄ印刷装置のノズルは、傾動可能であってもよい。換言すれば、ノズルは、傾動、傾斜などが行われるように構成されてもよい。このことは、傾動可能なノズルが、傾斜している１つ以上の層の縁部、例えば、湾曲状の物体の層の縁部を、効率的に平滑化し得る点で有利である。

本発明の第２の態様では、命令を含むコンピュータプログラムであって、この命令は、プログラムが３Ｄ印刷装置によって実行されると、３Ｄ印刷装置に本発明の第１の態様による方法のステップを実施させる、コンピュータプログラムが提供される。

本発明の第３の態様では、本発明の第２の態様によるコンピュータプログラムを記憶している、コンピュータ可読データキャリアが提供される。

以下の詳細な開示、図面、及び添付の請求項を検討することにより、本発明の更なる目的、特徴、及び利点が明らかとなるであろう。当業者は、以下で説明される実施形態以外の実施形態を作り出すために、本発明の種々の特徴が組み合わせられることができる点を理解するであろう。

次に、本発明のこの態様及び他の態様が、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、より詳細に説明される。
従来技術によるプリンタヘッド、及びそのようなプリンタヘッドによる印刷材料の堆積の概略図である。 本発明の例示的実施形態によるプリンタヘッド、及びそのプリンタヘッドによって堆積された印刷材料の平滑化の概略図である。 本発明の方法で使用するために好適なプリンタヘッドの概略図である。 本発明の例示的実施形態によるプリンタヘッド、及びそのプリンタヘッドによる物体の層の平滑化の概略図である。 本発明の例示的実施形態による方法の概略フローチャート図である。

図１は、従来技術による典型的なプリンタヘッド１００、及びそのようなプリンタヘッドによる印刷材料１１０の堆積の概略図である。プリンタヘッド１００のノズル１２０は、テーパ状の形状である。印刷材料、例えば溶融プラスチックは、ノズル１２０の底部部分から押し出され、１つ以上の層１１０を構成するフィラメントとして供給される。

図２は、本発明の方法で使用されることが可能な、３Ｄ印刷装置（図示せず）のプリンタヘッド２００の概略図である。プリンタヘッド２００は、３Ｄ印刷装置によって製造されることになる物体の少なくとも１つの層２５０を形成するために、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるように構成されているノズル２１０を備える。図２では第１の軸Ａに沿って伸長している、ノズル２１０は、少なくとも１つの外部表面２２０を含む。この場合、外部表面２２０は、第１の軸Ａに平行な平面Ｂの形態を有する。プリンタヘッド２００が、図１に示されたような堆積と同様に、印刷材料を層２５０へと堆積させた後、ノズル２１０は、層２５０の周縁部２８０に当接されるように構成されている。このプロセスの間、ノズル２１０は、いかなる印刷材料も分配しないように構成されている点が理解されるであろう。印刷材料に当接することになる、プリンタヘッド２００の移動は、軸Ａに対して垂直な矢印Ｅによって示される。それゆえ、矢印Ｅによって例示されるようなプリンタヘッド２００の移動は、層２５０の平面に平行である。ノズル２１０は、層２５０の周縁部２８０に沿って、及び、層２５０内に所定の距離ｄで案内されるように、更に構成されている。それゆえ、各層２５０が印刷された後、ノズル２１０は、もう一度その印刷経路の上を通過し、ノズル２１０は、（矢印Ｅによって示される）内方に、及び（矢印Ｆによって示される）下方に移動される。図２では、層２５０の周縁部２８０は、その層２５０の平面において突出している半球形状を有し、所定の距離ｄは、この半球形状の半径に対応している。換言すれば、所定の距離ｄは、層２５０の周縁部２８０の、丸みを帯びた輪郭の振幅に対応してもよい。ノズル２１０は、矢印Ｆによって示されるような（すなわち、第１の軸Ａに平行な）方向に所定の距離ｃで案内されるように、更に構成されてもよい。この場合、距離ｃは層２５０の厚さに対応しているが、ｃは、実質的に任意の距離、例えば、複数の層２５０の厚さに対応してもよい点に留意されたい。それゆえ、プリンタヘッド２００は、最初に少なくとも１つの層２５０を印刷して、その後に続けて、矢印Ｅ及び矢印Ｆによって示されるような方向の一方若しくは双方での、ノズル２１０の少なくとも１つの移動によって、少なくとも１つの層２５０を平滑化するように構成されてもよい。換言すれば、ノズル２１０は、押出機及び平滑化要素の双方として使用されてもよい。ノズル２１０は、堆積された層２５０を平滑化するために使用されてもよく、ノズル２１０の外部表面２２０は、層２５０が印刷された後に、層２５０の周縁部２８０に沿って案内されてもよい。

プリンタヘッド２００は、ノズル２１０に回転自在に結合され、ノズル２１０及び第１の軸Ａを中心として回転するように構成されている、円筒の形状のホイールを更に含んでもよい点が理解されるであろう。換言すれば、第１の軸Ａに沿って伸長しているノズル２１０の少なくとも一部分は、ノズル２１０の周りで回転するように構成されている円筒形状のホイールによって包囲されてもよい。プリンタヘッド１００のホイールは、プリンタヘッド２００の動作の間に、少なくとも１つの層の少なくとも１つの周縁部２８０に当接されるように構成されてもよく、それにより、少なくとも１つの層２５０の少なくとも１つの周縁部２８０に沿って案内される場合に、回転してもよい。ホイールは、堆積された層２５０を平滑化するそのホイールの能力に関して、その特性が有益な、１つ以上の材料を含むか、又はそのような材料から成るものであってもよい点が理解されるであろう。例えば、ホイールの材料は、そのホイールと層２５０との間の比較的低い摩擦係数、比較的低い表面エネルギー（すなわち、非粘着性表面）、及び／又は比較的高い耐熱性をもたらしてもよい。ホイールの材料の例は、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene；ＰＴＦＥ）、グラファイトなどであってもよい。

図３は、本発明の例示的実施形態による、プリンタヘッド３００の概略図である。この場合、プリンタヘッド３００のノズル３１０は、第１の軸Ａに沿って伸長しており、ノズル３１０の外部表面の一部分は、第１の軸Ａに平行な平面Ｂの形態を有する。更には、ノズル３１０の外部表面は、ノズル３１０の球面扇形の少なくとも１つの表面領域３３０を含み、この球面扇形は、角度α及び半径ｒを有する。

図４は、本発明の例示的実施形態による、プリンタヘッド４００、及び物体４２０の層４１０の平滑化の概略図である。３Ｄ印刷装置（図示せず）のプリンタヘッド４００は、複数の層を形成するために、隣接配置された複数の印刷材料のフィラメントを堆積させており、それらの層が、この３Ｄ印刷装置によって製造される物体４２０を構成する。プリンタヘッド４００のノズル４５０は、第１の軸Ａに沿って伸長しており、実質的に円筒の形状を有する。物体４２０の１つ以上の層４１０を作り出した後、プリンタヘッド４００のノズル４５０は、物体４２０の少なくとも１つの層４１０の周縁部に当接されている。その後、ノズル４５０は、層４１０の周縁部の少なくとも一部分に沿って、周方向Ｇで案内される。換言すれば、印刷された各層４１０は、ノズル４５０の平滑な鉛直表面を、印刷された物体４２０の外側の鉛直壁に対して押圧することによって、平滑化される。このプロセスの間、ノズル４５０は、いかなる印刷材料も分配しない。更には、ノズル４５０は、少なくとも１つの層４１０内に所定の距離で進入するように構成されてもよい。ノズル４５０は、少なくともノズル４５０を周方向Ｇで案内している間に、冷却されてもよい点が理解されるであろう。

図５は、本発明の例示的実施形態による方法５００の概略フローチャートである。方法５００は、既に説明されている実施形態のうちのいずれか１つによるプリンタヘッドを備える、３Ｄ印刷装置を準備するステップ５１０を含む。方法５００は、製造されることになる物体の少なくとも１つの層を形成するために、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるステップ５２０を更に含む。方法５００は、ノズルの少なくとも１つの外部表面を、少なくとも１つの層の周縁部に当接させるステップ５３０を更に含む。更には、方法５００は、少なくとも１つの層の周縁部の少なくとも一部分に沿って、及び、その少なくとも１つの層内に所定の距離ｄで、ノズルを案内するステップ５４０を更に含む。

当業者は、本発明が、上述の好ましい実施形態に決して限定されるものではないことを、理解するものである。むしろ、多くの修正形態及び変形形態が、添付の請求項の範囲内で可能である。例えば、図は、本発明の実施形態によるプリンタヘッドの、単なる概略図に過ぎないことが理解されるであろう。それゆえ、プリンタヘッド２００、３００、４００、及び／又はノズル２１０、３１０、４５０のいずれの要素／構成要素も、図示及び／又は説明されたものとは異なる寸法、形状、及び／又はサイズを有してもよい。

Claims (5)

1. ３Ｄ印刷装置を使用して物体を製造するための、押出ベースの付加製造方法であって、前記３Ｄ印刷装置が、隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるように構成されているノズルを備え、前記方法は、
   前記物体の少なくとも１つの層を形成するために、前記隣接配置された１つ以上の印刷材料のフィラメントを堆積させるステップと、
   前記ノズルの少なくとも１つの外部表面を、前記少なくとも１つの層の周縁部に当接させるステップと、
   前記少なくとも１つの層の前記周縁部の少なくとも一部分に沿って、及び、前記少なくとも１つの層内に所定の距離で、前記ノズルを案内するステップと、を含む、方法。
2. 前記ノズルが、第１の軸に沿って伸長しており、前記方法は、
   前記ノズルを、前記第１の軸に沿って所定の距離で案内するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも、前記少なくとも１つの層の前記周縁部に沿って、及び、前記少なくとも１つの層内に所定の距離で前記ノズルを案内する前記ステップの間に、前記ノズルを冷却するステップを更に含む、
   請求項１及び２のいずれか一項に記載の方法。
4. 命令を含むコンピュータプログラムであって、前記命令は、前記プログラムが３Ｄ印刷装置によって実行されると、前記３Ｄ印刷装置に、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法における全てのステップを実施させる、コンピュータプログラム。
5. 請求項４に記載のコンピュータプログラムを記憶している、コンピュータ可読データキャリア。

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