JP6955496B2 - 接着剤分注装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラピッドプロトタイピングが可能な積層物体造形（LOM）システムに関する。本発明は、好適な構成では、接着剤分注装置に関し、特に、ラピッドプロトタイプング（RP）用の積層物体造形（LOM）システムにおいて、接着剤を塗布する際に使用される接着剤分注装置に関する。

ラピッドプロトタイピングとは、コンピュータ制御された付加製造として定義されている。これは、材料の除去に基づく従来の機械加工法とは異なり、材料の付加によって物体が造形されるからである。用語「ラピッド」とは、相対的な用語ではあるが、当該技術分野において特定の意味を有する。これは、完成した三次元物品を造形するのに、モデルに適用された方式、寸法及び複雑さに応じて、数時間から数日を要するからである。ラピッドプロトタイピング（RP）の一般的な分野で採用されている既知の方式には、積層物体造形法（LOM）がある。この場合、接着剤が塗布された紙、樹脂、又は金属ラミネートが連続的に積層され、互いに接着され、その後にナイフ又はレーザーカッターで所要形状に切断される。

紙ベースの原材料が使用される既存のLOMシステムにおいては、紙はロール紙として供給される。ロール紙の下側には、既に接着剤が設けられていてもよい。この場合、接着剤は、熱及び／又は圧力で活性化させ、前の層上に結合させることができる。代替的なアプローチにおいて、接着剤は、ロールから引き出される際に材料の下側に塗布することができる。

しかしながら、ロール材料の使用に関しては多くの欠点がある。例えば、機械は、特別に製造されたロール材料でしか作動せず、従ってロール紙を入手するのは高コストであり、及び／又は、ロール材料を交換することが困難であることが多い。更に、ロール原材料の日々の使用に関連する欠点もある。例えば、ロール材料は、その上に予め塗布された接着剤により、供給機構に張り付いたり詰まったりすることがある。これにより、不要材料の除去は、造形部分と同じ接着力で接着されているが故に極めて困難になる場合がある。従って、不要材料の除去（「ウィーディング」）時に、該当部分が損傷を受ける恐れがある。なぜなら、造形物体を解放して得るために、しばしばチゼル又は他の鋭利な器具が使用されるからである。

従来のLOMシステムでの使用に適した紙の種類には更なる制限がある。紙は、ランダムにフェルト状にされた繊維層で構成されているため、紙構造は異なる程度の気孔率を有し得る。紙は高多孔質材料であり、70％程度の空気（孔）を含む。シート又は層の気孔率は、紙の吸湿性を示す指標、即ち特定のシート又は紙層がインク、水分、或いはこの場合であれば接着剤を受け入れる能力を示す指標である。LOM用の特定の種類の紙を選択する場合、紙の気孔率を考慮することは重要である。

紙の特性は、使用できる接着剤の種類に明らかに密接に関連し、使用できる接着剤の種類を制限する。紙への接着剤の塗布に関しては、更なる問題及び懸念事項がある。既知のプリンタ、例えば分注システムにおいては、コンピュータ制御された電気機械的装置（圧電型分注ヘッド等）が使用される。この場合、ヘッドは、デリケートであることが多く、非作動状態が長期に亘るとこれら装置に詰まりが生じ、場合によっては頻繁にメンテナンスをすると共に交換する必要がある。従って、このような構成においては、メンテナンス及び修理に関してコストがかかる。

紙層間に接着剤を塗布する他の方法には、以下の事項が含まれる。
１.基材又は層の作業領域全体をコーティングする。この場合、上述したように、完成部分の後処理時に、不要材料を除去するのに大きな困難が伴う。
２.層又はシート上における特定の位置に配置されたときに、これら位置にて接着を防止する物質を使用する。この方法においては、層又はシート全体を最初にコーティングし、次いで「抗接着」物質を使用することにより、接着剤の一部が「非接着化」されるため、接着剤が実質的に浪費されるという欠点がある。
３.従来のプリンタがインクを印刷するように、静電システムを使用して、接着剤トナーを電子写真方式によりシート表面上に付着させる。この方法においては、技術的に複雑であると共に、特別に製造された接着剤トナーを必要とするという欠点がある。

更に、既存のLOMシステムにおいては、溶剤系の接着剤が使用されており、水溶性ではないため、廃棄に関連して例えば環境上の問題をもたらすことに留意すべきである。しかしながら、このような溶剤系の接着剤はLOMシステムにおいて現在まで使用されている。これは、水分散系の接着剤が高い水分含量を有するため、更なる問題、例えば、紙の反り及び歪みをもたらし、LOMシステムでの使用を困難にしているからである。

以下においては、本出願人による以前の出願に係る国際公開第2009/068672号パンフレットを参照する。国際公開第2009/068672号パンフレットにおいては、３Ｄ物体を造形するための接着剤を制御して塗布する接着剤分注装置が開示されている。この場合、システム及び方法により、水分散系の接着剤を、積層工程のための結合剤として使用することがサポートされる。分注された接着剤の量及び／又は位置を制御することにより、LOMシステムにおいて、セルロース系の紙材料における反り又は歪みを最小にしつつ、水分散系の接着剤の使用が可能となる。本発明に係る輪（ホイール）は、国際公開第2009/068672号パンフレットに記載の構成と共に組み合わせることが可能であり、国際公開第2009/068672号パンフレットの内容が参照により本明細書に組み込まれるものとする。更に、本発明の輪は、他の適切な構成及びSDL又はLOMシステムと共に使用することもできる。

３Ｄプリンタシステム及び３Ｄプリントの発展に伴い、これらシステムは、より複雑な物体をより大量に造形するために使用されている。市場においては、造形物体の潜在的な複雑さ、造形時間の低減及びシステム全体のサイズ及び複雑さを低減する必要性から、改良された接着剤分注装置が求められている。

本発明の第１態様によれば、３次元（３Ｄ）物体のラピッドプロトタイピング用の積層物体造形（LOM）システムに使用される、３Ｄ物体の層を規定する対象基材Ｓに接着剤を塗布するための接着剤分注装置が提供される。本発明に係る接着剤分注装置は、周方向に離間して配置され、かつ接着剤を収容するための複数の凹部を有する接着剤塗布輪を備え、接着剤分注装置が、対象基材上の選択位置に接着剤を付着させるために、対象基材に対して移動可能であり、接着剤分注装置が、対象基材に対して平行移動するよう回転取り付け部を介して取り付けられ、回転取り付け部が、対象基材上の選択位置に接着剤を付着させるために、輪を対象基材に対する平行移動方向に整列させるよう構成される。

１つの構成において、輪を有する接着剤分注装置の重心は、回転点と直接的に一致するよう取り付けられる。１つの構成において、接着剤分注装置は、回転点を通る回転軸線周りで回転するよう取り付けられる。１つの構成において、接着剤分注装置は、回転点に対して、360度に亘って回転するよう取り付けられる。

１つの構成において、輪は、回転軸線に対してオフセットされて取り付けられる。１つの構成において、輪は、基材に対する平行移動方向に整列するよう取り付けられる。１つの構成において、輪は、基材上を移動する際に接線方向力で回転し、これにより移動方向に整列するよう取り付けられる。

１つの構成において、接着剤分注装置は、３Ｄ物体の形状に従って平行移動することにより、３Ｄ物体の形状に接着剤を付着させる。

本発明に係る接着剤分注装置の構成により、有利には、装置及び輪がその平行移動に整列する。これにより、有利には、輪が前方方向に連続的に平行移動して接着剤が付着される。輪は、前側エッジ及び後側エッジを有しており、移動方向に整列するよう配置されていれば、接着剤装置及び輪は、実質的に前方経路に連続的に平行移動して特定の層に接着剤を付着させることができる。この点は、各線に接着剤を塗布するために、輪を持ち上げて開始位置に移動させる必要のある従来技術とは異なる。

１つの構成において、輪は、基材に対して平行移動されるときに、接着剤を直線経路、円形経路、又は他の不規則的経路で付着させるよう構成される。

自己整列的な接着剤分注装置により、様々な接着剤パターンを配置することができる。接着剤分注装置は、その構成により、物体層の周囲形状の経路を平行移動し、その形状の内側を接着剤で満たすよう例えば蛇行パターン状に平行移動することができる。

輪は、制御された量の接着剤を対象基材上における個別位置に付着させるために、１個以上の凹部に充填された接着剤を対象基材上に搬送するよう回転可能であり、１つの構成においては、輪と対象基材との間の摩擦力で回転するよう構成される。

１つの構成において、輪は、その回転を補助するために、摩擦輪又はスプロケットを更に有する。この場合、摩擦輪は、接着剤輪に結合させることができる。

１つの構成において、装置は接着剤ワイプを備え、輪がワイプに対して回転するときに１個以上の凹部に接着剤が充填されるよう、輪と共に接着剤充填チャンバが規定される。１つの構成において、装置は、接着剤フィラー及び輪の凹部への接着剤の流れを制御するための流れ制御手段を更に備える。１つの構成において、装置は、接着剤充填チャンバの構成及び流れ制御手段により、接着剤の漏れを回避するよう構成される。１つの構成において、流れ制御手段は、輪の回転が停止すると、接着剤の流れも停止するよう構成される。１つの構成において、流れ制御手段は、ソレノイドバルブ等のバルブを含む。

１つの構成において、装置は、輪が基材に対して平行移動するときに、基材Ｓ上で加える下方力を制御すると共に異ならせる下方力制御手段を更に備える。制御手段は、下方力を異ならせることにより、接着剤ドット当たりに付着される接着剤の量を制御する。

１つの構成において、ディスペンサは、所定量の接着剤を、紙基材上の特定位置で選択的に分注する。

１つの構成において、下方力制御手段は、ソレノイド又はボイスコイルを含む。

本発明の他の態様によれば、本発明に係る接着剤分注装置を備える、ラピッドプロトタイピング用の積層物体造形（LOM）又はSDLシステムが提供される。

本発明の他の態様によれば、ラピッドプロトタイピング用の積層物体造形（LOM）システムが提供される。このシステムは、複数の紙基材層上に接着剤を塗布することにより３次元物体を造形し、
ａ）接着剤用のリザーバと、
ｂ）リザーバから基材上に接着剤を分注するために、リザーバと流体連通する接着剤ディスペンサと、
ｃ）ディスペンサを基材の特定位置に導くようディスペンサ上で動作可能であることにより、後続する紙基材上に接着剤を分注する制御手段と、
を備え、ディスペンサが、対象基材に対して平行移動するよう取り付けられ、ディスペンサが、３Ｄ物体の層に対して平行移動される際に接着剤を分注するよう、回転可能に取り付けられた自己整列的な輪を有する。

１つの構成において、ディスペンサは、所定量の接着剤を、紙基材上の特定位置で選択的に分注する力制御手段を有する。１つの構成において、ディスペンサは、制御手段を有し、その制御手段は、ディスペンサを基材の特定位置に導くようディスペンサ上で動作可能であることにより、後続の紙基材上に接着剤を分注する。１つの構成において、システムは、基材に対する接着剤分注装置及び輪の平行移動の方向及び速度を制御するよう動作可能なディスペンサ駆動手段及び制御手段を備える。１つの構成において、ワイプ及び基材に対する輪の角移動は、基材に対するディスペンサの平行移動により制御され、輪は、その輪と基材との間の摩擦力で回転するよう構成される。

１つの構成において、接着剤は、PVA接着剤等の水分散系の接着剤を含む。１つの構成において、接着剤は、毛管作用により、充填済み凹部から対象基材に付着される。

１つの構成において、接着剤ディスペンサは、システムのx-yフレーム上にて、ヘッドに動作可能に取り付けられると共に、対象基材に対して移動可能に構成される。この場合、ヘッドは、多機能ヘッドとして構成可能であり、多機能ヘッドは、物体層に対して物体層を形成するよう動作可能な様々な構成要素を搬送するよう構成される。

本発明の他の態様によれば、本発明に係る装置を使用して３Ｄ物体を造形するために接着剤を塗布する方法が提供される。この方法は、
・３Ｄ物体における複数層の個別層に接着剤を塗布するステップと、
・個別層に、デジタル印刷ファイルで規定された接着剤パターンに従って接着剤を塗布するステップと、
を含み、接着剤パターンを、最初に、物体における個別層の周囲形状に従う経路に塗布し、次いで、物体における個別層の形状を満たすよう塗布する。

１つの構成において、経路は、連続的な経路を含む。１つの構成において、接着剤は、接着剤ドットの線として付着する。１つの構成において、線は、連続的な線とする。１つの構成において、個々のドットの量は、輪が物体における層の接触点に加える下方力を異ならせることにより可変である。

これらの特徴のみならず他の特徴は、以下において図面を参照することでより正確に理解されるであろう。

本発明の構成に係る接着剤分注装置を示す斜視図である。 図１の装置と、装置におけるピボット軸を示す側面斜視図である。 図１及び図２の装置と、装置におけるワイプ及び凹部を有する接着剤分注輪を示す正面図である。 図４の装置を示す側面斜視図である。 図４の装置における構成要素を示す斜視図である。 本発明に係る接着剤分注装置を備える例示的なSDL又はLOMシステムを示すブロック図である。 図7Aは、従来技術の接着剤パターンを示す説明図であり、図7Bは、本発明の構成に係るシステム及び方法により提供される接着剤パターンを示す説明図である。

以下、添付図面に基づいて本発明を説明する。

各図、特に最初に図６を参照すると、３Ｄ物体を製造するための積層物体造形（LOM）システム又は選択的積層薄膜（SDL）システム1000における特定の構成要素について記載されている。このシステムは、造形モジュール500を備える。造形モジュール500は、接着剤分注装置100、造形プレート510、切断手段520、接着手段530、基材又は給紙手段540を有する。本発明は、特に、接着剤分注装置100に関する。

特に図１〜図５は、SDL（LOM）システム1000全体の構成要素である接着剤分注装置100を示す。接着剤分注装置100は、接着剤輪150とも称される接着剤塗布輪150を備える。接着剤分注装置100は、接着剤リザーバ110に接続されるよう構成されている。接着剤分注装置100は、リザーバ110に結合すると共に、接着剤塗布輪150を搬送する接着剤フィラー120，130を備える。

接着剤塗布輪150は、周方向に離間して配置され、かつ接着剤を収容するための複数の凹部を有する。この場合、接着剤分注装置100及び輪150は、対象基材Ｓに対して移動可能であることにより、基材上の選択された位置に接着剤を付着させる。輪が対象基材Ｓに接触回転する際に輪の凹部152が移動し、接着剤が塗布される。この場合に接着剤は、毛管作用により塗布される。

本明細書において、用語「接着剤輪」、「接着剤分注輪」及び「塗布輪」は、当該技術分野における専門用語として、輪構成を記載するために使用されている。

接着剤分注装置100は、可動部140又は可動本体部140を備える。可動構成要素には、フィラー120、支持部125、ワイプ130及び輪150が含まれる。フィラー120は、入口122にて、接着剤リザーバ110の接着剤供給部に接続される。この場合、接続部は、ピボット接続部155を含む。接着剤フィラー120及びワイプ130は、接着剤Ａを入口122から輪150の接着剤出口135に搬送する。接着剤フィラー120は、例えば１個以上のチャネルを介して、接着剤をワイプ130の接着剤出口135に搬送することができる。ワイプ130は、接着剤塗布輪150と共に、接着剤を輪の凹部152に充填するための接着剤充填チャンバ136を画定している。ワイプ130は、接着剤フィラー120から下方に向けて垂下するか又は延在すると共に、前側及び後側の長手方向側壁142，143に接続された横方向側壁140，141を有し、その横方向側壁は、開口を画定すると共に、塗布輪150に結合かつ接続されるよう構成されている。

接着剤分注装置100は、装置における作動パラメータ、例えば、移動、位置、平行移動、接着剤の流れ及び輪150が基材上に加える下方力を制御するためのコントローラ115更に備えることができる。

接着剤分注装置100は、対象基材に対して平行移動するよう取り付けられる。接着剤分注装置100は、回転取り付け部155を備え、本体部140（フィラー、支持部、ワイプ）と、対象基材に接触する装置の構成要素である接着剤塗布輪150とは、装置が基材に対して平行移動する際に回転するよう構成されている。これにより、接着剤塗布輪は、対象基材Ｓに対する平行移動方向に整列し、３Ｄ物体の形状に従って、選択された位置に接着剤が塗布される。

回転取り付け部155により、本体部140及び輪150を備える接着剤分注装置100は、360度に亘って回転可能である。

図示の例示的な構成において、フィラー120，130、支持部125及び輪150を備える接着剤分注装置は、回転可能に配置されている。

図２は、本発明に係る回転可能な又は旋回可能な取り付け部（回転軸）の例示的な構成を示す。図３は、本発明に係る回転軸の例示的な構成を正面図で示す。

接着剤分注装置100は、基材Ｓ上を移動する際に回転又は旋回し、輪150が移動方向に整列するよう構成されている。接着剤分注装置における回転構成は、回転取り付け部により可能とされている。接着剤分注装置100は、対象基材上又は層上を移動する際に生じる接線方向力で回転可能であり、これにより移動方向に整列する。

接着剤分注装置100における可動本体部140は、ピボット軸線P-P周りで回転するよう取り付けられている。図３に示すように、接着剤分注装置100は、その回転質量の重心が回転点と直接的に一致するよう取り付けられている。図２に示すように、回転構成要素の質量は、ピボット軸線P-Pと一致するよう配置されている。輪150と基材との接触点は、ピボット軸線P-Pからオフセットされている（図２のd参照）。接着剤輪は、特に、回転取り付け部に対してオフセットされて配置されることにより、ピボット軸線に対して回転又は旋回することができる（図２の軸線及び回転取り付け部参照）。

接着剤輪150は、接着剤分注装置の全体と同様に、回転取り付け部155を介して取り付けられることにより、360度に亘って回転又は旋回することができる。回転可能に取り付けられる構成要素には、支持部125、フィラー120、ワイプ130及び輪が含まれる。

回転取り付け部155により、接着剤の分注動作において、接着剤の連続的な付着が可能になる。この場合、接着剤は、任意の方向に付着させることができる。この点は、従来技術のシステム、即ち表面に対する接着剤ディスペンサの直線的な平行移動により、直線的な行又は列に接着剤を付着させることができる従来技術のシステムとは対照的である。輪150は、平行移動時に前方に移動するよう確実に整列する。

本発明に係る接着剤分注装置100の構成は、接着剤パターンを塗布するための新規のアプローチを可能とするものである。これに対して、従来技術において、接着剤は、一方向の線又は後方及び前方の線に付着されることが多いため、接着剤輪を持ち上げて各線に接着剤が付着されるよう配置する必要がある（図7A参照）。

本発明に係るシステムにより、（直線的な動作に限定されない）１回以上の連続的な動作で基材又は層に接着剤を付着させることが可能である（図7B参照）。例えば立法体の造形物体の場合、接着剤は、接着剤分注装置を平行移動させて物体層における正方形周囲周りに付着させ、その後に接着剤分注装置を平行移動させて正方形を充填するよう付着させることができる。この場合、接着剤は、周囲に付着され、その後に周囲内側を満たすよう蛇行パターンで付着される。装置100の輪は、平行移動方向に整列する。即ち、装置100の輪は、正方形の各直角コーナーにて回転し、正方形の各辺に接着剤を塗布するよう整列する。

システム100で実現可能な新規の接着剤パターンにより、接着剤を層に付着させる際の制御及び効率を高めることが可能である。従来技術とは異なり、本発明においては、接着剤を層に付着させるための付着動作は、連続的かつ単一の動作とすることができる。従来技術とは異なり、本発明においては、輪を持ち上げ、位置決めし、準備する必要がない。

図１及び図６に示すように、様々な構成要素の制御及び接着剤分注装置150の作動は、デジタル印刷ファイルを受け取るよう構成されたコントローラ115と、接着剤分注装置を平行移動させるための搬送手段180と、輪が基材上に加える下方力を制御するための加力手段170と、輪150が停止したときに接着剤の流れを制御するための流れ制御部160とによるものである。

上述した例は、規則的な形状を有する物体に関連するものである。ただし、言うまでもなく、接着剤分注装置及びその接着剤輪150は、不規則的な形状層においても、１回以上の連続的な一連の動作で接着剤を塗布することもできる（例えば、最初に周囲形状が接着剤で塗布され、次いで周囲内側を満たすよう蛇行パターンで付着される）。

上述したように、装置100は、基材上における輪の接触点で加えられる下方力を制御することにより、特定点に付着させる接着剤の量を制御する。加えられる下方力は、接着剤パターンに沿って、点毎に異ならせることができる。

本発明に係る接着剤分注装置における自己整列的な回転取り付け部は、層の形状に従う３Ｄ物体の層を規定する基材上にて、（不規則的な経路を含む）連続的な経路で接着剤の塗布を可能にする。接着剤は、例えば、物体のエッジ形状に従って分注することができる。この場合の経路は、実質的に円形の経路、又はらせん状の経路、又は実質的に円形の物体に対応する一連の同心円の経路を含む。経路は、不規則的であってもよい（図7B参照）。

接着剤輪150は、輪と層又は対象基材Ｓとの間の摩擦力により回転する。

１つの構成において、接着剤輪150は、摩擦輪155を更に有することができる。摩擦輪155は、接着剤輪150が対象基材Ｓ上を移動する際に接着剤輪150の回転を補助する。図４に示す構成において、摩擦輪155は、接着剤輪150とは別個に設けられ、輪150に結合するよう配置される。摩擦輪155は、接着剤輪150と一体的に設けることもできる。摩擦輪155は、スプロケットとして構成可能ではあるが、接着剤輪が対象基材Ｓ上を移動する際に接着剤輪の回転を補助する他の適切な構成とすることも勿論可能である。摩擦輪155は、特に、輪と対象基材又は層Ｓ上に接着剤がある場合、使用中の輪の回転を補助する。

360度に亘って旋回させ回転させると共に、移動方向に対して整列を可能にする輪の構成により、所要の形状に従って、接着剤を付着させることが可能となる。この場合に輪は、例えば、円形の経路に従って接着剤を塗布するのに使用可能であり、また不規則的に形成された３Ｄ物体における各層のエッジ形状に従って接着剤を塗布するのに使用可能である。

従って、有利には、接着剤の配置は、もはや直線に限定されることはない。これにより、より複雑なパターンで接着剤を配置することが可能となり、従って不要材料をより複雑に切断することが可能となり、３Ｄプリンタを使用してより複雑な物体を造形することが可能となる。この点を比較により説明すると、図7Aは、接着剤が一連の平行な直線及び／又は単方向の直線に従って、分注が行われる従来技術のシステムで円形物が印刷された層を示し、7Bは、本発明に係るシステムで印刷された層の接着剤パターンを示す。この場合、新規のシステムにおける接着剤パターンであれば、接着剤の消費が抑えられると共に、接着剤を形状層又は物体層に分注するのに要する時間が短縮されるのは明らかであろう。

接着剤塗布輪150は、接着剤Ａを出口126にて受け取るための複数の凹部152を有する接触面151を含む。接着剤は、ワイプ135にて凹部152内に充填され、凹部が対象基材Ｓに接触するよう輪が回転したときに、凹部内を介してワイプから対象基材Ｓに搬送される。

塗布輪150の接触面151は、フィラー120のワイプ135に接触するのみならず、対象基材Ｓ、例えば紙のシート又は層にも接触する塗布輪150の一部である。接触面151及び／又は凹部152に関しては、低摩擦材料、例えばデルリン（登録商標）で構成可能であり、及び／又は、低摩擦仕上げを施すことが可能である。

接着剤分注装置150は、接着剤フィラー120及び輪150の凹部152への接着剤の流れを制御するための流れ制御手段160を備える。この制御手段は、輪150が回転を停止すると、接着剤の流れも停止するよう構成されている。本発明に係る例示的な構成において、制御手段はバルブ、例えばソレノイドバルブ161を含む。この例示的な構成において、バルブはソレノイドバルブとして構成されるが、他の適切なバルブが設けられる構成としてもよい。

装置100は、輪150が基材Ｓ上に加える下方力を制御かつ変化させる力制御手段170を更に備える。力制御手段は、適用される力を変化させることにより、接着剤ドット当たりに付着される接着剤の量の制御を可能にする。このことは、異なる量の接着剤を、対象基材の異なる部分に塗布可能とするから有利である。この場合、例えば、物体における不要領域にはより少量の接着剤が塗布され、又は物体の特定端部にはより多量の接着剤が塗布される。

接着剤は、毛管作用により、基材又は層又はシートＳに付着される。毛管作用は、基材Ｓにおける固有の気孔率又は吸水性に基づいて生じる。基材Ｓには、特に、紙基材が使用される。

言うまでもなく、凹部の形状は、接着剤を異ならせて塗布するために、必要に応じて異ならせることができる。

本発明に係るシステム及び接着剤輪は、その特徴を組み合わせることにより、接着剤ラインの形状及び位置の制御のみならず、接着剤ラインの濃度の制御を可能にする。システムは更に、下方力を異ならせることにより、ドット当たりにおける接着剤の重量の制御を可能にする。

ワイプ130及び塗布輪150は、対応かつ協働するよう構成されることにより、ワイプ130によって画定される側壁と、輪150によって画定されるベースとを有するチャンバ136が画定される。ワイプ130の寸法及び形状は、ワイプ130が輪に結合されるときに輪150に対応するものとする。ワイプ130の接触側又は開口出口135は、輪150の形状に実質的に対応する円弧形状を有することができる。接着剤フィラー120及びワイプ130は、ワイプ130と輪150との接触を維持するために、付勢手段、例えばばね手段を有するか又は付勢手段に接触している。

ワイプ130は、凹部152を通過させて凹部152を接着剤Ａで充填するよう構成されている。例示的な構成において、ワイプ130又は密封チャンバ136は、充填を目的として、排出手段及び供給手段を含む。この場合、排出手段は、接着剤によって空気を凹部から移動させることにより、凹部152からの空気の置換を容易にし、供給手段は、ワイプ又は密封チャンバからの空気を除去又は移動させる。排出手段は、ワイプ130の横方向側壁142，143及び凹部152の相対寸法と、これら構成要素の駆動された相互作用の様式に従って配置されている。従って、塗布輪150の回転に伴い凹部がワイプに入るため、塗布輪150における複数の凹部152は接着剤Ａで充填される。充填は、塗布輪がワイプに対して移動するときにガス、即ちこの場合は空気を接着剤に交換することである。凹部の排出は、空気の接着剤への交換を容易にする塗布輪の移動によって行われる。排出は、凹部がワイプ130の前側エッジ又は後側エッジ144，145と接触する場所で生じる。

本発明に係るシステムは、接着剤の漏れを防止する。この漏れ防止は、第１に、輪150の回転が停止したときに接着剤の流れを停止させる制御手段で実現され、第２に、ワイプ130の形状、接着剤充填チャンバ136及び輪150で実現される。

輪が回転を停止したときに、単一の凹部がワイプのエッジに架橋するよう位置する場合、凹部152の小さな寸法及び体積及びバルブの作動により、漏れは極めて限定される。

輪の回転が停止したときに、凹部がワイプのエッジに架橋するよう位置しない場合、ワイプ及び輪により、実質的に密封された接着剤充填チャンバ136が形成される。更に、バルブにより、接着剤の充填が停止される。

各凹部152の間隔は、接着剤パターンとして塗布すべき接着剤ドットの所要濃度を考慮して選択される。この間隔は、必要に応じて選択及び変更することができる。

従来技術の構成とは異なり、装置及び輪は、有利には、モータ、ベルト、プーリ等を必要としない。これは、輪が、輪と層又は対象基材との間の摩擦力で回転するからである。例示的な構成において、接着剤分注装置は、平行移動可能なヘッドに取り付けられ、輪は、基材表面に接触したときに摩擦力で回転する。このように、本発明に係る構成は、従来技術に比べて簡略化されているのみならず、設置及びメンテナンスがより容易である。

接着剤輪は、有利には、従来技術のシステムとは異なり、層又は対象基材上を移動する際に接線方向力で回転し、これにより移動方向に整列するため、接着剤パターンがもはや直線に限定されることはない。これにより、より複雑なパターンで接着剤を配置することが可能となり、従って不要材料をより複雑に切断することが可能となり、３Ｄプリンタを使用してより複雑な物体を造形することが可能となる。

上述したように、接着剤分注装置及び輪150は、搬送手段180により表面に対して輪を移動させるために、システム1000全体内に取り付けることができる。搬送手段180により、接着剤分注装置及び輪150は、対象基材の特定位置に対して移動すると共に回転する。この場合、輪は、基材に対して摩擦力で回転する。

例示的な構成において、接着剤分注装置100は、例えばＸ‐Ｙフレーム1010を介して、基材Ｓに対して平行移動させるために取り付けることができる。これにより、基材に対してヘッドを移動させることが可能となる。

本発明に係る接着剤分注装置100は、水分散系のPVA接着剤と共に使用するのに適している。

このような接着剤の性質により、接着剤の塗布と乾燥又は硬化との間の時間は長くなるため、後続する基材層又はシートを配置するのに十分な時間を得ることができる。本発明に係る接着剤分注装置により、基材に塗布される接着剤の量は極めて正確に制御される。この点は、塗布輪における凹部の形状及び寸法と、塗布輪上における凹部の間隔とにより、部分的に実現される。接着剤分注装置100は、特に、接着剤ナノドット、即ち10〜50ナノリットルのオーダ、好適には20〜30ナノリットルのオーダを有する接着剤ドットを分注するよう構成することができる。これにより、本発明に係る装置においては、水分散系の接着剤を制御して使用可能であり、このような制御により、基材が飽和する問題が回避される。

特に図６に示すように、ラピッドプロトタイピング用の積層物体造形（LOM）システム1000内に、接着剤分注装置100が組み込まれている。

例示的な構成において、接着剤分注装置は、Ｘ‐Ｙフレーム1010上における接着剤分注装置ヘッド1005に直接的に取り付けるか又は多機能ヘッド1006の一部として取り付けることができる。この場合、Ｘ‐Ｙフレーム1010により、ヘッド1005，1006は、造形物体Ｏ上の基材Ｓにて任意に位置決め可能であるのみならず移動可能である。Ｚ方向への移動は、ソレノイド又はボイスコールで制御される。

システム内には、紙が供給される。システム1000は、接着手段530、例えば、造形物体上を通過して後続する層の確実な接着を保証するローラを更に備える。システム1000は、圧力を加えて接着剤を硬化させるためのホットプレート1007を更に備えることができる。ホットプレート1007は、移動可能に取り付けられていても固定的に取り付けられていてもよい。Ｘ‐Ｙフレーム1010の特徴の多く、並びに給紙及び配置については従来既知であり、当業者にとって自明のことであるから、本明細書において詳細については省くものとする。

本発明は、ラピッドプロトタイピング用のLOMシステム1000の使用方法にも関する。本発明に係る方法については、以下の通りである。

造形すべき物体又は部分の３次元（３Ｄ）コンピュータ支援設計（CAD）、例えば、ステレオリソグラフィ（STL）ファイルを使用する（この場合、例えば、ステレオリソグラフィ（STL）ファイルがCADパッケージ内で生成かつ保存される。）このSTLファイルは、システム1000の動作を制御するソフトウェアパッケージに供給される。

ソフトウェアは、システム1000に従って動作し、造形部分における一連の断面を任意の高さでそれぞれ単純な２次元（２Ｄ）プロファイルとして生成する。

使用者は、システム又はコントローラを操作してシステム1000に制御信号を出力し、造形物体Ｏの造形を３Ｄで開始する。

次いで、システム1000は、造形物体の紙層（基材層）を敷設すると共に、各層を所要プロファイルに切断する。個々の層は、互いに積層することにより、最終的な物体が造形される。

本発明に係るシステムは、基材に塗布される接着剤ドットの密度及び量を変化させる。接着剤のこの選択的な塗布は、接着剤分注システムを特定の対象領域に正確に導くことのできるコントローラ115を使用すること、及び所望の分注位置にて、接着剤の漏れ又は接着剤に関する他の不用意な分注を回避する接着剤分注システム100を使用することにより容易になる。

システムは、接着剤分注装置150、カッターヘッド520が取り付けられる多機能ヘッド1006を備えることができる。多機能ヘッド1006は、印刷ヘッド550を更に備えることができる。代替的な構成において、接着剤分注装置及び／又はカッター及び／又は印刷ヘッドは、それぞれ異なるヘッドに支持させるか又は取り付けてもよい。

コントローラ115で制御されるＸ‐Ｙ位置決め手段1010は、必要に応じて、能動的な構成要素（カッター、プリンタ、接着剤分注装置等）を平行移動させると共に位置決めする。

上記においては本発明に係る方法に関して、接着剤分注装置150の配置及び動作に焦点を当てているが、補足情報を記載すれば、方法全体においては、以下のステップ、即ち基材を造形位置510又は造形物体に供給するステップと、層を造形物体に接着するステップと、層のプロファイルを切断するステップと、接着剤を層に塗布するステップとが含まれる。この方法は、接着剤を塗布する前に層を印刷するステップとを更に含むことができる。

本発明に係る方法は、３Ｄモデル全体が積層によって造形されるまで継続する。このように、接着剤分注装置100が組み込まれた本発明に係るシステム1000は、例えばラピッドプロトタイピング用のLOMシステムとして、ナノドット接着剤を塗布するのに適していることが理解されるだろう。

例示的な構成における凹部152は、実質的に半球形状を有するため、所与の表面に対して実質的に最大量の接着剤を供給するという利点を有する。この半球形状は、凹部がワイプ130の下方を通過するときに、空気及び接着剤の交換を容易にするという更なる利点を有する。

例示的な構成において、15 mmの直径を有する輪150が使用される。言うまでもなく、輪の直径は、必要に応じて異ならせることができる。ただし、輪の直径は、好適には20 mm未満とし、最も好適には15〜20 mmの範囲内とする。

上述した実施形態において、接着剤分注装置における輪150は、輪上に一列の凹部を有するが、二列以上の凹部を有する構成とすることも勿論可能である。同様に、上述した実施形態において、接着剤ディスペンサは、１個の輪を備えるが、代替的な構成においては、互いに対して独立して移動可能な２個以上の輪を設けることも勿論可能である。このような構成は、接着剤塗布工程の速度を高めることを目的とする。更に、上述した実施形態において、凹部は等間隔に配置されているが、代替的な構成においては、間隔を異ならせて実質的に等しくならないよう配置されても勿論可能である。このような構成により、接触した輪の部分に応じて、異なるドットパターンの付着が可能になる。

言うまでもなく、本明細書に記載されていることは、積層造形物体システムの例示的な構成に関することである。このようなシステムを用いれば、３次元モデルの造形時に連続する紙層を結合させるために、水分散系の接着剤を使用することが可能である。

本発明は、紙が接着剤で飽和することを回避して層又はシートの反りを最小限に抑制可能としつつ、紙に接着剤を塗布するシステム及び方法を提供する。この場合、紙の反りは、基材上への接着剤の付着量が必要に応じて制御可能であることにより最小化される。基材上に付着される接着剤の量を正確に制御することにより、水分散系の接着剤、例えば、ポリ酢酸ビニル（PVA）を使用することが可能になる。同様に、本発明に係るシステムは、異なる種類及び規格の紙の使用を容易にする。従って、本発明に係るシステムにおいては、容易に入手可能な従来の原材料、例えば標準的なオフィス用紙が使用され、またユーザーフレンドリーであるのみならず、操作及び供給が容易であるという利点を有する。言うまでもなく、水分散系の接着剤が使用され、かつ従来の紙と共に使用可能なLOM工程が提供されれば、既存のRP法に比べてリサイクル及び廃棄物に関する問題が低減される。LOM工程で使用される紙には、廃棄紙が使用可能であり、LOM工程で使用された廃棄紙は、従来のリサイクルと同様に容易にリサイクル可能である。水分散系の接着剤の廃棄は、既存のRP工程で使用される溶剤又は樹脂に比べて容易である。

本発明に係るシステムを使用すれば、基材上への接着剤の配置を極めて正確に制御することができる。塗布される接着剤の密度は、ドットのサイズ又は量と同様に制御することができる。これら機能は、接着剤の浪費を回避するのに寄与する。

以上、図面を参照して好適な実施形態を記載したが、特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の趣旨内で、修正を適用することができる。１つの図面に関して説明した参照符号および構成要素は、他の図面においても本発明の内容から逸脱することなく交換可能である。

本明細書において用語「備える」及び「含む」は、記載された特徴、参照符号、ステップ又は構成要素の存在を明記するものではあるが、１つ以上の他の特徴、参照符号、ステップ、構成要素、又はその群の存在或いは付加を排除するものではない。

Claims (28)

1. ３次元（３Ｄ）物体のラピッドプロトタイピング用の積層物体造形（ＬＯＭ）システムに使用される、３Ｄ物体の層を規定する対象基材Ｓに接着剤を塗布する接着剤分注装置であって、
   前記接着剤分注装置が、周方向に離間して配置され、かつ接着剤を収容する複数の凹部を有する接着剤塗布輪を備え、
   前記接着剤分注装置が、前記対象基材上の選択位置に接着剤を付着させるために、前記対象基材に対して移動可能であり、
   前記接着剤分注装置が、前記対象基材に対して平行移動するよう回転取り付け部を介して取り付けられ、前記回転取り付け部が、前記対象基材上の前記選択位置に接着剤を付着させるために、前記輪を前記対象基材に対する前記輪の平行移動方向に整列させるよう構成されている、接着剤分注装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記輪を有する前記接着剤分注装置の重心が、回転点と直接的に列になるよう取り付けられている、装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であって、接着剤分注装置が回転点を通る回転軸線周りで回転するよう取り付けられている、装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の装置であって、前記接着剤分注装置が回転点に対して、３６０度に亘って回転するよう取り付けられている、装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の装置であって、前記輪が、回転軸線に対してオフセットされて取り付けられている、装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の装置であって、前記輪が自己整列的である、装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の装置であって、前記輪が、前記基材に対する前記輪の平行移動方向に整列するよう取り付けられている、装置。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の装置であって、前記輪が、前記基材上を移動するときに接線方向力で回転し、これにより移動方向に整列するよう取り付けられている、装置。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の装置であって、前記接着剤分注装置が前記３Ｄ物体の形状に従って平行移動することにより、前記３Ｄ物体の形状に接着剤を付着させる、装置。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の装置であって、前記輪が、前記基材に対して平行移動されるときに、接着剤を直線経路、円形経路、又は他の不規則的経路で付着させるよう構成されている、装置。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置であって、前記輪が、１個以上の凹部に充填された接着剤を対象基材上に搬送するとともに制御された量の接着剤を前記対象基材上における分離した位置に付着させるよう回転可能であり、
    前記輪が、前記輪と前記対象基材との間の摩擦力で回転するよう構成されている、装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、前記輪の回転を補助する、摩擦輪又はスプロケット輪を更に備える装置。
13. 請求項１０に記載の装置であって、摩擦輪が、前記接着剤塗布輪に結合されている、装置。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の装置であって、接着剤ワイプを備え、前記接着剤塗布輪が前記ワイプに対して回転するときに１個以上の凹部に接着剤が充填されるよう、前記接着剤ワイプが前記接着剤塗布輪と共に接着剤充填チャンバを規定する、装置。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の装置であって、接着剤フィラー及び前記接着剤塗布輪の前記凹部への接着剤の流れを制御する流れ制御手段を更に備える装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の装置であって、接着剤充填チャンバの構成及び流れ制御手段により、接着剤の漏れを回避するよう構成されている装置。
17. 請求項１５又は１６に記載の装置であって、前記流れ制御手段が、前記接着剤塗布輪の回転が停止すると、前記接着剤の流れも停止させるよう構成されている、装置。
18. 請求項１５〜１７の何れか一項に記載の装置であって、前記流れ制御手段が、例えばソレノイドバルブであるバルブを備える、装置。
19. 請求項１〜１８の何れか一項に記載の装置であって、前記接着剤塗布輪が、前記基材に対して平行移動するときに、前記接着剤塗布輪が前記基材Ｓ上で加える下方力を制御すると共に変える下方力制御手段を更に備える装置。
20. 請求項１９に記載の装置であって、制御手段が、加える前記下方力を変えることにより、接着剤ドット当たりに付着される接着剤の量を制御する、装置。
21. 請求項１９又は２０に記載の装置であって、分注器が、所定量の接着剤を紙基材上の特定位置で選択的に分注する、装置。
22. 請求項１９〜２１の何れか一項に記載の装置であって、前記下方力制御手段が、ソレノイド又はボイスコイルを含む、装置。
23. ラピッドプロトタイピング用の積層物体造形（ＬＯＭ）又は選択的積層薄膜システムであって、請求項１〜２２の何れか一項に記載の装置を備えるシステム。
24. 請求項１〜２２の何れか一項に記載の装置を使用して３次元物体を造形するために接着剤を塗布する方法であって、
    ・３次元物体における複数層の個別層に接着剤を塗布するステップと、
    ・前記個別層に関してデジタル印刷ファイルで規定された接着剤パターンに従って接着剤を塗布するステップと、
    を含み、前記接着剤パターンは、最初に、前記物体における前記個別層の周囲形状に従う経路に塗布し、次いで、前記物体における前記個別層の周囲又は境界線内の領域を満たすよう塗布する方法。
25. 請求項２４に記載の方法であって、前記経路が、連続的な経路を含む方法。
26. 請求項２４又は２５に記載の方法であって、前記接着剤を、接着剤ドットの線として付着する方法。
27. 請求項２６に記載の方法であって、前記線が連続的な線である、方法。
28. 請求項２６又は２７に記載の方法であって、個々のドットの量は前記接着剤塗布輪が前記物体における前記層の接触点に加える下方力を変えることにより可変である、方法。
    

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