JP3995933B2 - 高温模型製作装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、付加的なプロセス模型製作技術を用いて三次元物体を作製することに関する。より詳しくは、本発明は、付着用ヘッドおよび模型製作基部を互いに三次元的に移動させながら、付着用ヘッドから模型製作材料を模型製作基部に付着させることにより加熱されたチャンバー内で三次元物体を形成する模型製作機械に関する。
【０００２】
付加的なプロセス模型製作機械は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムから提供される設計データに基づき、通常平坦な層の模型製作媒体を重ねて三次元模型を製作する。作成すべき物理的な部分の数学的な記述は（通常）平坦な複数の層に分割され、これらの層は個々に成形され加え合わせられ最終部分を生成する。三次元模型は、審美的な判断、数学的なＣＡＤモデルの検証、ハードな道具の形成、干渉と空間の配置の研究を含む、機能のために使用される。近年における層による製造の主要な適用は、迅速なプロトタイプ製作のためであった。
【０００３】
流動性の模型製作材料の層を付着させることによって、三次元模型を製作する装置と方法の例は、バラベイラ（Ｖａｌａｖａｒａ）の米国特許第４，７４９，３４７号明細書、クルンプ（Ｃｒｕｍｐ）の米国特許第５，１２１，３２９号明細書、バッチエルダ等（Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，３０３，１４１号明細書、クルンプ（Ｃｒｕｍｐ）の米国特許第５，３４０，４３３号明細書、バッチエルダ等（Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，４０２，３５１号明細書、クルンプ等（Ｃｒｕｍｐ ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，５０３，７８５号明細書、アブラムズ等（Ａｂｒａｍｓ ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，５８７，９１３号明細書、ダンフォース等（Ｄａｎｔｈｆｏｒｔｈ，ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，７３８，８１７号明細書、バッチエルダ等（Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，７６４，５２１号明細書およびコーム等（Ｃｏｍｂ ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，９３９，００８号明細書に開示されている。これらの明細書は全てストラタシス社（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．）、つまり本発明の譲受人に帰属する。押出ヘッドは加熱された流動性の模型製作材料をノズルから基部の上に押し出す。この基部は模型製作プラットホームに着脱可能に取り付けられている模型製作基材を備える。押し出しされた材料は、押出しヘッドと基部がｘ−ｙ−ｚガントリーシステムにより互いに三次元的に相対運動するに従い、ＣＡＤモデルから規定される領域内で層毎に付着される。この材料を付着後固化させて三次元模型を製作する。模型製作材料として熱可塑性物質が使用され得ること、この物質が付着後に冷却により固化し得ることが開示されている。
【０００４】
先に述べた特許の中に記載されている技術はＳｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）模型製作機械で商業化されている。液化器と分配ノズルを備える押出ヘッドは模型製作材料を固体形態で受け取る。フィラメントは液化器の中で流動性の温度に加熱され、次いでノズルを通して分配される。熱可塑性物質、特に熱可塑性ＡＢＳは、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）模型製作機械内で付着模型製作するのに特に適していることが分かっている。制御器は水平なｘ，ｙ面内での押出ヘッドの動きを制御し、垂直なｚ方向の製作プラットホームの動きを制御し、そして模型製作物質をヘッドへ送ることを制御する。これらの処理変数を制御することにより、模型製作材料をＣＡＤモデルにより規定される領域内で層毎に「ビーズ」または「通路」内に所望の流速で付着させ、ＣＡＤモデルに似ている三次元物体を作り出す。模型製作材料は熱で固化し、仕上がった模型は基材から取り外される。
【０００５】
熱可塑性材料が冷えるに従い、そして特にこの材料が流動性材料から固体へ遷移するに従い、熱可塑性材料の密度変化によって引き起こされる応力（つまり、収縮）がこの材料中に生じる。これらの応力は模型に幾何学的な歪みを引き起こし得る。従って、幾何学的な歪みを最小にするために冷却で生じる応力を解放することが、熱凝固を用いる模型形成システムにおける目的である。金属、熱硬化性重合体や複合材料のような熱可塑性材料以外の付着材料は、押出し処理に付随する密度、剪断歪み、温度および圧力の変化によって生じる幾何学的な歪みを最小にする類似のチャレンジを共有する。米国特許第５，８６６，０５８号明細書に開示されているように、熱可塑性または熱凝固する模型製作材料の凝固温度より高い温度に加熱されているチャンバー内で模型を形成することは、次第に冷却することに従い、この材料から応力を解放する。模型を形成している間に模型から応力を焼き鈍すため、仕上がった模型には応力がなく歪みは殆どない。さらに、米国特許第５，８６６，０５８号明細書に開示されているように、チャンバーの温度は模型製作材料のガラス遷移温度（Ｔ_g）以下に維持すべきであり、その結果、模型は垂れ下がるほど弱くならない。製作チャンバーの好ましい温度は、材料の凝固温度とそのクリープ緩和温度の間の範囲内にある（クリープ緩和温度は応力緩和率がその低温限界より係数１０だけ低い点として定義される）。熱可塑性ＡＢＳの場合には、温度の範囲（ｗｉｎｄｏｗ）は約７０℃と９０℃との間にある。
【０００６】
既存のＳｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）機械は７０℃と９０℃の間に加熱されたチャンバー（製作エンベロープもしくはオーブンとも称される）の中で模型を製作する。模型を製作する基部は、押出しヘッドおよびｘ−ｙ−ｚガントリーと同じように、加熱されたチャンバー中に配置される。押出しヘッドおよびｘ−ｙ−ｚガントリーをこの加熱された環境の中に置くと多くの欠点が生じる。ｘ−ｙ−ｚガントリーは、モータ、軸受、ガイド棒、ベルトおよびケーブルのような動き制御部品から構成される。これらの動き制御部品を加熱されたチャンバーの中に置くとこれらの部品の寿命が短くなる。加えて、このチャンバーの温度の上限は動き制御部品が動作する温度に制限される。従って、チャンバーの温度に関するそのような制限は、機械内で模型製作するのに有用な材料を比較的低温で応力解放する材料に限定することになる。
【０００７】
同様に、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）機械の加熱されたチャンバーの中に押出しヘッドを配置することは、（材料のフィラメントまたはウェハのいずれかのように）ヘッドへ固体の形で提供するので模型製作材料の供給ストックを冷却するため冷却機構を設けることを要求する。配線ハーネスを冷却する機構も提供される。電源トラブルまたは停電の場合には、通常冷却されている材料供給ストックおよび配線ハーネスが炉の温度に曝される。結局、実際には、動き制御部品あるいは押出しヘッドの調整、保守、修理、交換が要求される場合、作業員がチャンバーの中で作業する必要がある。このように、これらの作業を安全に行う前に、チャンバーを冷ましておく必要がある。
【０００８】
（発明の要旨）
本発明は、対象物を製作する断熱されたチャンバーの外に配置された動き制御部品を有する三次元模型製作装置である。三次元物体は、付着用ヘッドと基部を制御器からの制御信号によって決定されるパターンで三次元的に相互に移動させながら、模型製作材料を付着用ヘッドから基部上に付着させることによって形成される。好ましい実施形態では、ｘ−ｙガントリーが付着用ヘッドをｘ，ｙ面内で移動させ、そしてｚリフトが基部を垂直なｚ方向に移動させる。この実施形態では変形可能な断熱材が製作チャンバーの一部を形成し、このチャンバーを通して付着用ヘッドが移動する。付着用ヘッドは、製作チャンバーの内側に模型製作材料を分配する出口および製作チャンバーの外に模型製作材料を受け取る入口を有する。ｚリフトは製作チャンバーの壁に封止されたスリットを通して基部に結合している。
【０００９】
動き制御部品を製作チャンバーから断熱することの多くの利点が存在する。製作チャンバーの温度は動き制御部品の動作温度では制限されないので、本発明の機械により応力を比較的高い温度で解放する材料で模型を形成できる。さらに、動き制御部品の寿命は製作チャンバーの温度によりマイナスの影響を受けることはない。動き制御部品を製作チャンバーから断熱すると、利用者がこれらの部品に近づき触る必要がある場合に使用し易くなる。動き制御部品の寿命が増加し、本発明の装置の利用し易さが増せば、処理能力および信頼性が増大することになる。
【００１０】
（詳細な説明）
本発明の装置は溶融付着処理を利用して加熱されたチャンバー内で三次元物体を製作する装置であり、ここでは、動き制御部品は加熱されたチャンバーから断熱されているので、その結果、加熱されたチャンバーの温度は動き制御部品の温度限界で制限されることはない。この装置は、高いガラス遷移温度を有し、従って高品位の模型を生じるために高温のチャンバー内で付着させなくてはならない材料から、対象物を製作することを可能にする。これらの材料には、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、アモルファスポリアミド等のような高温熱可塑性物質が挙げられる。
【００１１】
本発明に従う三次元模型製作装置の好ましい実施形態を図１に示す。この装置１０には、オーブン１２、押出しヘッド１４、プラットホーム１６、押出しヘッド１４を水平なｘ，ｙ面内で移動させるｘ−ｙガントリー１８、プラットホーム１６を垂直なｚ軸に沿って移動させるｚリフト２０、およびフレーム２２を備える。このオーブン１２はフレーム２２の内側に取り付けられている脚部２３の上に立設している。このフレーム２２はオーブン１２の外周（取り外した部分と共に図１に示してある）に沿っていて、オーブン１２、ｘ−ｙガントリー１８とｚリフト２０を一定の配置にして支えている。
【００１２】
プラットホーム１６は、押出しヘッド１４の下部である、オーブン１２の加熱された製作チャンバー２４の中に備えられる。この装置１０は押出しヘッド１４からの模型製作材料をプラットホーム１６の上に付着させることにより製作チャンバー２４内に三次元物体を製作する。その間、押出しヘッド１４はｘ，ｙ面内を移動し、そしてプラットホーム１６はｚ軸に沿って移動する。物体を、それが製作されるように支えるために、プラットホーム１６には模型製作材料を付着させる上面がなくてはならない。物体を形成するプラットホーム１６の上端に模型製作基材を装備するとよい。模型製作基材を使用すると、模型が完成した後に模型をこの装置から外すのが容易になる。本発明で使用するために選択される模型製作基材は高温環境で使用するのに適しているべきである。例えば、コウム等（Ｃｏｍｂ ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，９３９，００８号明細書に開示されているように、プラットホーム１６はその上に取り外し可能に取り付けた柔軟なシート基材を有する真空プラテンであるとよい。この柔軟なシート基材は、真空ポンプが動作すると、プラットホームに付着し、真空ポンプを止めると、プラットホームから離れる。本発明を高温環境に適合させるためには、真空ポンプに吹き込む空気を冷却するため熱交換器（例えば、インラインの熱交換器コイル）が必要であり得る。柔軟なシート基材として使用するため選択する材料は、模型製作材料に接合する材料であるべきである。高温の熱可塑性物質からなる模型を製作するには、高温の熱可塑性物質の柔軟なシートが好ましい基材である。Ｕｌｔｅｍ^TMから作られた模型は、約２００℃に加熱されたチャンバー中で、真空プラテンに取り付けられたＵｌｔｅｍ^TMの薄いシート上に首尾良く製作されている。
【００１３】
オーブン１２の製作チャンバー２４は断熱されたオーブンドア２５を通してアクセスできる。図２に示すように、製作チャンバー２４は加熱ダクト２６で取り囲まれている床、右側面および左側面を有する。加熱ダクト２６はシート金属で形成され、チャンバー２４の右上側部と左上側部のところで製作チャンバー２４に向けて開いている。右手側のオーブン１２の下部に配置される一対の送風機２８（一方を示す）は、加熱ダクト２６を通して時計方向に回る空気流路を発生する。従って、チャンバー２４の右上側部の開口は空気吸引口３０であり、そしてチャンバー２４の左上側部の開口は空気排出口３２である。同じ２層の六個の７５０ワットのフィンストリップヒータ３４が加熱ダクト２６の空気吸引側に取り付けられている。空気排出口３２を経由して製作チャンバー２４に戻る空気の直線的なフローパターンを作るためにベンチュリ管３６が加熱ダクト２６の中に置かれている。製作チャンバー２４は、空気がヒータ３４を通して引き込まれ、ダクト２６を通して循環し、そしてこのチャンバーに戻るので、対流により加熱される。一束の断熱材３７はオーブン１２の右側部および左側部、底部ならびに裏側を取り囲み、保温している（図解のために、図１では断熱材３７が取り除かれている）。製作チャンバー２４は少なくとも２００℃の温度に達するように設計されている。好ましくは、熱電対および熱フューズを空気吸引口３０の上に置き、その結果、チャンバー２４の温度を監視し得、チャンバー２４が過熱状態になると、ヒータ３４が遮断され得る。
【００１４】
プラットホーム１６は、図１および２に示すように、ｚリフト２０により製作チャンバー２４の内側に保持されている。オーブン１２に対して外側に配置されるこのｚリフト２０は、２個の同一のＩ型部分３８の２つ、１つのｚモータ４０、および１つのタイミングベルト４２で形成されている。これらのＩ型部分３８はオーブン１２の右側と左側でフレーム２２に平行に保持されている。プラットホーム１６は一対の水平な硬い水平ビーム４４によりｚリフト２０の各Ｉ型部分３８に結合し、これらのビームはプラットホーム１６を水平面で保持する。各ビーム４４は垂直スリット４６を通してオーブン１２の中に延びていて、このビームによりｚリフト２０がプラットホーム１６を製作チャンバー２４内で垂直に移動させる。オーブン１２の各側部には、加熱ダクト２６の前側に向かう一方のスリット４６と加熱ダクト２６の後側に向かう別のスリット４６がある。スリット４６はチャンバー２４からｚリフト２０へ熱の移動を最小にするようにシリコーンの柔軟なストリップで封止されている。ビーム４４はステンレス鋼のような低熱伝導性の金属で製作され、チャンバー２４からｚリフト２０へ熱の移動をさらに低減するために、これらのビームに多数の穴が穿孔されている。
【００１５】
各Ｉ型部分３８は一対のビーム４４の接続する垂直板４８、この垂直板４８に設けた案内ナット５０、およびこの案内ナット５０が載って上下する垂直案内ネジ５２で構成されている。案内ネジ５２はその上端で水平な上板５４の下側に接続し、下端近くの水平な下板５６を通して延びており、そしてその下端で滑車５８に結合している。案内ネジ５２は滑車５８の回転と共に回転する。各Ｉ型部分３８のこれらの滑車５８はタイミングベルト４２により互いに結合している。
【００１６】
右手のＩ型部分３８の滑車５８は、好ましくはサーボモータであるｚモータ４０によって駆動される。このｚモータ４０は滑車５８を時計方向または反時計方向のいずれかに選択的に駆動し得る。タイミングベルト４２は２つの滑車５８の動きを同期させる。滑車５８のこれらの同期回転はそれらの案内ネジ５２を同期回転させる。これらの案内ネジ５２が回転するにつれて、案内ナット５０が上か下のいずれかに移動し、滑車の回転方向に依存して、各垂直板４８を上に移動させるかまたは下に移動させるかのいずれかを引き起こす。
【００１７】
二対の直線案内軸受６０は案内ナット５０の反対側で垂直板４８の各々に結合している。各対の案内軸受６０は、案内ネジ５２と平行に案内軸受６０の各々を通して延びる一つの付属案内レール６２を有する。各案内レール６２の上端は上板５４の下側に接続し、そして各案内レール６２の底部は下板５６の上端に接続する。案内軸受６０は案内レール６２に沿って移動し、上下に移動するに従い、垂直板４８に対する横方向の支持を与える。各Ｉ型部分３８の上板５４および下板５６に接続するブラケット６３の対はＩ型部分３８をフレーム２２に取り付ける。
【００１８】
押出しヘッド１４は、オーブン１２の上端に取り付けられているｘ−ｙガントリー１８により、プラットホーム１６の上でｘ，ｙ面内を移動する。図２に示すように、押出しヘッド１４は、模型製作材料を受け取るための入口６３および模型製作材料を流動性状態でプラットホーム１６の上に付着させるための出口ノズル６６を有する。ノズル出口６６は、代表的には、大抵模型製作材料を所定の温度で付着させるように加熱される。押出しヘッドノズル６６は製作チャンバー２４の内側に配置されている。好ましい実施形態では、押出しヘッド入口６３は製作チャンバー２４の外に配置されている。従って、押出しヘッド１４はオーブン１２の上端を貫通して延びている。この好ましい実施形態の押出しヘッド１４はｘｙ面内で移動する筈であるから、オーブン１２の上端は以下に詳しく説明する変形可能な断熱材で形成されている。
【００１９】
ｘ−ｙガントリー１８を図１〜３に示す。ｘ−ｙガントリー１８は、基部板６４、橋部６５、一対のｘレール６８、一対のｙレール７０、キャリッジ７２、ｘモータ７４、ｙモータ７６、ｘ駆動ベルト７８、ｙ駆動ベルト８０および種々の滑車を備える。開放中心を有する基部板６４はｚリフト２０の上板５４の上端に着座し、フレーム２２に固定されている。橋部６５は開放中心を有し、そして基部板６４を横断してｙ方向に延びている。ｘレール６８は橋部６５の前端と後端の下で基部板６４の上端に取り付けられており、そして基部板６４に沿ってｘ方向に延びている。橋部６５は二対の軸受８２によりレール６８に結合している。一方の対の軸受８２は橋部６５の前端の下側に取り付けられ、そして他方の対の軸受８２は橋部６５の後端の下側に取り付けられている。軸受８２により橋部６５をｘレール６８に沿って移動させることができる。
【００２０】
ｙレール７０は橋部６５の開放中心部の反対側で橋部６５の下側に配設されている。これらのｙレール７０は互いに平行にｙ方向に延びている。キャリッジ７２は対置されている二対の軸受８４によりｙレール７０に結合している。ｙレール７０上に着座するキャリッジ７２は橋部６５の開放中心部に配置されている。押出しヘッド１４がキャリッジ７２に取り付けられているので、ｙレール７０に沿ったキャリッジ７２の動きは押出しヘッド１４をｙ方向に移動させる。押出しヘッド１４は、押出しヘッド入口６３が橋部６５の上にあり、そして押出しヘッドノズル６６が橋部６５の下にあるように、キャリッジ７２の中に取り付けられている。
【００２１】
ｘモータ７４は、ｘベルト７８および種々の滑車を介して、橋部６５をｘレール６８に沿って往復移動させて、押出しヘッド１４をｘ方向に移動させる。ｙモータ７６は、ｙベルト８０および種々の滑車を介して、キャリッジ７２をｙレール７０に沿って移動させて、押出しヘッド１４をｙ方向に移動させる。このシステムはＨ型ブリッジガントリーとして知られている。
【００２２】
ｘ軸駆動システムの模式図を図４に示す。示されるように、ｘベルト７８は駆動滑車８６の回転によりｘモータ７４で駆動される。このｘベルト７８は固定具８８のところに止めてあり、順次、滑車９０、滑車９２、滑車９４、滑車９６、滑車８６、滑車９８、滑車１００および滑車１０２の周りに巻き付き、次いで再び固定具１０４のところに固定してある。滑車９０、滑車９６および滑車１０２は橋部６５の上に取り付けられているが、滑車９２、滑車９４、滑車９８および滑車１００は基部板６４の上に取り付けられている。
【００２３】
ｙ軸駆動システムを図５に模式的に示す。ｙベルト８０は駆動滑車１０６の回転によりｙモータ７６で駆動される。このｙベルト８０は固定具１０８のところに固定してあり、順次、滑車１１０、滑車１１２、滑車１１４、滑車１１６、滑車１１８、滑車１０６、滑車１２０、滑車１２２および滑車１２４の周りに巻き付き、次いで再び固定具１２６のところに固定してある。滑車１１０、滑車１１４、滑車１２０および滑車１２４は橋部６５に取り付けられ、滑車１１６および滑車１１８は基部板６４に取り付けられ、そして滑車１２２および滑車１１２はキャリッジ７２に取り付けられている。滑車１１０、滑車１１４および滑車１２４はｘ軸駆動システムのそれぞれ滑車９０、滑車１０２および９６と同じ回転軸を共有している。
【００２４】
好ましくは、ｘモータ７４およびｙモータ７６はサーボモータである。好ましい実施形態では両方のモータが定置されていて、可動部品の重量を低減し、従って、かなり高価なベルト輸送配置となる。ｘベルト７８の張力は固定具８８と１０４のところの調整で調整され得る。ｙベルト８０の張力は固定具１０８と１２６のところの調整で調整され得る。
【００２５】
ｘ−ｙガントリー１８の動き制御部品は製作チャンバー２４の外に配置され、図１〜３に示すように、二組の断熱アコーディオン折り畳みバッフルを備える変形可能な断熱材により製作チャンバー２４から断熱されている。開放中心を有するｘバッフルトレー１３０は基部板６４の内周に取り付けてあり、この内周を整列させて一組のｘバッフル１３２を支持する。これらのｘバッフル１３２は橋部６５の右側と左側の両方で基部板６４から橋部６５へ延びている。ｙバッフルトレー１３４は、これも開放中心を有するが、橋部６５の下側の下に着座し、そしてその下側に取り付けられていて、一組のｙバッフル１３６を支持する。この一組のｙバッフル１３６は押出しヘッドの前側と後側の両方で基部板６４から押出しヘッド１４へ延びている。これらのｘバッフル１３２はｙバッフルトレー１３４に取り付けることにより橋部６５に固定されている。図３では、バッフル１３２の組および１３６の組は、トレー１３０および１３４を示すように、一部除去されている。
【００２６】
トレー１３０によって支持されているこれらのｘバッフル１３２およびトレー１３４によって支持されているこれらのｙバッフル１３６は、製作チャンバー２４の変形可能な断熱天井を形成する。これらのｘバッフル１３２は橋部６５がｘレール６８に沿って往復移動すると圧縮および膨張する。これらのｙバッフル１３６はキャリッジ７２がｙレール７０に沿って移動すると圧縮および膨張する。
【００２７】
好ましい実施形態では、二組のバッフル１３２と１３６はテフロン（登録商標）で被覆されたガラス繊維のような高温布地材料で形成されている。これらのバッフルは膨張および収縮が可能なように、そしてｘ−ｙガントリー１８を製作チャンバー２４の熱から断熱するように八角形の断面にして縫い付けられている。他のバッフル配置は当該分野で公知であり、そして被覆された布地の代わりに使用され得る。例えば、これらのバッフルはステンレス鋼のシートから溶接されているか、またはこれらのバッフルはプレート上でプレートをスライドさせて形成され得る。製作チャンバー２４から逸脱する熱を放散させて、ｘ−ｙガントリー１８を周囲温度に保持するため、必要に応じて、ファンをｘガントリー１８の上に取り付け得る。
【００２８】
装置１０は制御器１４０の制御の下に模型製作材料を押出しヘッド１４からプラットホーム１６の上に層毎に付着させることによって三次元物体を製作する。この材料は流動状態で付着され、先に付着させた材料に融合される。制御器１４０は形成すべき物体を決めるＣＡＤデータ１４２を受け取り、そして図１に模式的に示すように、公知の方法でこのデータに基づき駆動信号を発生する。これらの駆動信号はｘモータ７４、ｙモータ７６およびｚモータ４０へ送られ、押出しヘッド１４およびプラットホーム１６の動きを制御する。図１にも例示されるように、押出しヘッド１４およびプラットホーム１６の動き制御に連動して、制御器１４０は駆動信号を発生して押出しポンプ１４４を制御する。この押出しポンプ１４４は、これに応じて模型製作材料を材料供給部１４６から押出しヘッド１４の入口６３へ供給し、そしてノズル６６から材料を押出す速度を制御する。ＣＡＤデータによって決定されるパターンで押出しヘッド１４をプラットホーム１６の上で移動させながら押出し速度を制御することにより、ＣＡＤモデルに似た三次元物体を作り出す。
【００２９】
一つの物体を製作する際には、プラットホーム１６は、最初に押出しヘッド１４のノズル６６のすぐ近くで上昇位置に置かれる。次いで、各層の形成に従って、プラットホーム１６を一段ずつ下げながら、模型製作材料の水平層を順次付着させることによって材料の付着が行われ得る。あるいは、これらの層を垂直面内に、または水平に対してある角度を成す面内に形成し得る。
【００３０】
本発明の装置によって行われる付着形成処理に対して、およびこの装置の説明した実施形態に対して、多くの改変がなされ得ることを当業者は理解する。押出しヘッド１４がｘ−ｙ面内を移動し、一方プラットホーム１６はｚ軸に沿って移動する、好ましい実施形態のガントリー配置に対する代替としては、ｚ軸に沿ってプラットホーム１６に向かいそして離れる動きのために装着された押出しヘッド１４を用いる、ｘ−ｙ面内の動きのためのプラットホーム１６が支持され得る。そのような場合では、変形可能な断熱材が製作チャンバーの一部を形成し、この製作チャンバーを通してガントリーがプラットホームを移動させる。ｘ−ｙ面内の動きは直交方向の動きに制限される必要はなく、半径方向、接線方向、鋭角方向やｘ−ｙ面内の他の方向の動きを含み得ることもまた、理解される。同様に、ｘ−ｙガントリー１８およびｚリフト２０の代わりに、ｘ−ｙ−ｚガントリーは制御器から生じた駆動信号により制御可能な、当該分野で周知であるいずれかの機械的な駆動システムの形態をとり得る。ｘバッフル１３２およびｙバッフル１３６の代わりに、製作環境と適合可能な何らかの変形可能な断熱材を使用してもよい。
【００３１】
さらなる代替としては、ｘ−ｙガントリー１８が製作チャンバー２４の外にありこのチャンバーから断熱されているが、ｚリフト２０がチャンバー２４内にある配置の利点を有する本発明を実行し得ることを理解すべきである。開示する実施形態のように、ガントリー１８によりｘ−ｙ面内で動く押出しヘッドから模型製作材料を層にして付着させる場合には、ｘ−ｙ面内の動きはｚ軸に沿った基部の動きを遥かに上回っている。このように、ｚリフトはｘ−ｙガントリーの速度も精度も有していない。このような場合には、ｘ−ｙガントリーはｚリフトより顕著にコストがかかり、ｚリフトの動き制御部品の交換をより実行可能にする。
【００３２】
ヘッドを制御して流動性の材料を制御信号によって決定される幾何学形状に付着させ得るならば、本発明の付着処理を実行する際に流動性の模型製作材料を付着させるために少なくとも一つの出口を有する何らかの移動可能なヘッドを使用し得ることが当業者に理解される。そのような装置には、例えば、通常のピストンもしくはプランジャ式の付着用機構または米国特許第５，３１２，２２４号明細書に開示されているような高度に制御可能なスクリュー式の供給機が含まれ得る。
【００３３】
同様に、材料供給部１４６には種々の形態の材料供給ストックを使用し得る。模型製作材料は、例えば、供給リールに巻き取られている連続的に曲がり易いフィラメントのような、または米国特許第５，１２１，３２９号明細書に記載されているような長さを制限した固形のロッドのような、固体の形にして供給され得る。この代わりに、模型製作材料は、米国特許第５，７６４，５２１号明細書に記載されるようにウェハの形態で供給され得るか、または材料を米国特許第４，７４９，３４７号明細書に記載されるように貯蔵容器から液体の形態にして汲み出し得る。供給ストック材料を付着用ヘッドへ供給する形態に関わらず、材料供給ポンプは制御可能である筈であるから、材料の付着（供給）速度を正確に制御して三次元物体を形成し得る。このポンプは供給ストックの型や付着用ヘッドに適合させる必要がある。
【００３４】
多種で異なった供給ストック材料を付着させ得るように付着プロセスを整え得る。凝固可能な材料の層を付着させることによって、三次元物体を形成する際に、支持層もしくは構造が、物体の張り出し部分の下に、または模型製作材料自体によって直接支持されない製作中の物体の空洞内に一般に必要とされる。模型製作材料の付着に合わせて支持材料を付着させて、これらの支持構造もしくは層を形成し得ることは当該分野において周知である。本発明を実施する際、模型製作材料を付着させるのと同じ付着技術と装置を使用して支持構造を製作し得る。模型製作装置内の別の押出しヘッドから、または模型製作材料を付着させる同じ押出しヘッドによってのいずれかで、支持材料を付着させ得る。より詳細には、装置１０は、（１）それぞれ一つのキャリッジによって保持される二つの付着用ヘッドを設けること、ここでヘッドの一方は模型製作材料を供給し、そしてもう一方は支持材料を供給する；（２）模型製作材料および支持材料の両方を供給し、両方の材料を付着させるための単一ノズルを備えた単一付着用ヘッド（例えば、米国特許第５，１２１，３２９号明細書の図６に示すようなもの）を提供すること；または（３）両方の材料を供給し、各材料が独立したノズルを通して付着させる単一付着用ヘッド（例えば、米国特許第５，５０３，７８５号明細書の図６に示すようなもの）を設けることによって、二つの材料の付着に適応し得る。同様に、異なる２つの模型製作材料を付着させて多相の物品あるいは多色の物品を同様に形成するように装置を設計し得る。
【００３５】
水分を早い速度で吸収する材料（多くの高温熱可塑性物質のように）を用いて模型製作する場合、材料供給部１４６を水分に対して防御すべきである。水分が模型製作材料によって吸収される場合、模型の品質が損なわれ得る。例えば、Ｕｌｔｅｍ^TMを用いて模型製作する際に、０．０５パーセントより高い水分含量は模型の品質を損なうことが見出されている。材料供給部１４６を積極的に乾燥させることによって乾かして適切な乾燥環境を達成し得る。または、製作環境から酸素を減らし、代わりに他の気体または混合気体を充填し得、積極的な乾燥に対する要求を排除する。
【００３６】
示される実施形態では、ノズル６６の領域にホットスポットが発生することを防止するために、図２に示すように、空気偏向ダクト１５０を押出しヘッド１４に取り付ける。押出しヘッド１４を僅かに移動させることを必要とする部分を形成する場合には、押出しヘッド１４から放射する熱が停滞し、そしてノズル６６のところにホットスポットを作り出す傾向がある。ホットスポットが広がる場合、ホットスポットを取り囲んでいる押出された材料の温度が上昇する。押出された材料がそのガラス遷移温度に近づけば、その材料は変形し、そして局所的な品質の劣化が生じる。７０℃と９０℃の間に加熱された製作チャンバーを有する先行技術のシステムでは、周囲の空気をそのチャンバー内に吹き込み、ノズルの領域においてホットスポットの発生を防止している。高温の製作環境では、周囲温度の空気は、押出された材料を余りにも急激に冷却し、巻き応力を発生させ、そして製作された物体に幾何学的な歪みを生じる。
【００３７】
図６〜８に示す空気偏向機１５０は製作チャンバー２４内の空気のフローを使用してノズル領域を冷却する。示されるように、空気偏向機１５０は空気排出口３２に対向する先端部１５２を有する。この先端部１５２の上には、排出口３２から流れ込む空気を二つのフローに分割する一対の羽根１５４がある。これらの空気のフローは先端部１５２の両脇に位置する２つのダクト１５６の中に流れ込む。空気ダクト１５６は下向きに、次いで内向きに互いに向かい合うように曲がっているので、両方のダクトからの空気のフローはノズル６６へ向かう。空気ダクト１５６の各々は、空気のフローを各ダクト１５６内でさらに三つの通路に分割する前方羽根１５９および後方羽根１６０を有する。これらの通路は空気のフローのノズル領域へのかなり一様な分布を保証する。しかし、空気ダクト１５６を複数の通路に細分する必要はない。むしろ、本発明の利点を用いて、空気のフローをノズル領域に偏向させるいずれかの手段を使用し得る。
【００３８】
押出し機から付着によって模型を製作する際に、模型製作材料はノズルに蓄積し得、最終的にはノズルを詰まらせ得る。高温の熱可塑性樹脂は粘着性になりやすいので、特に蓄積し易い。従って、本発明の好ましい実施形態は、ノズル６６を詰まらせる模型製作材料を除去するためのノズル清掃アセンブリ１７０を備える。図９に示すノズル清掃アセンブリ１７０は、その右手側の製作チャンバー２４の上端近くに取り付けられている。ノズル清掃アセンブリの下には、はがれた模型製作材料を捕集するゴミシュート１７２がある。このゴミシュート１７２は加熱ダクト２６と垂直スリット４６との間で狭まって進み、オーブン１２の底部を経由して出てゆく。ノズル清掃アセンブリ１７０は、制御器４０からの制御信号に応じてモータ１７８（図１に示してある）によって駆動される逆回転シャフト１７６に並べて取り付けられている２つのクリーナー１７４を備える。このモータ１７８はオーブン１２の外に取り付けられている。
【００３９】
示されるように、クリーナー１７４の各々は一つのブラシ１８０および、離して配置されかつシャフト１８４に中心がある２つの十文字の柔軟なパドル１８２とで形成されている。鋼がブラシ１８０に好ましい材料であり、そしてシリコーンがパドル１８２に好ましい材料である。使用の際には、ノズル６６をクリーナー１７４の間で往復駆動させ、その間、ノズルに対して下向きの力を付与するようにこれらのクリーナー１７４を駆動して、ノズル清掃アセンブリ１７０により押出しヘッドノズル６６をクリーニングする。回転数は５５０ ｒｐｍが効果的である。パドル１８２は材料をノズル６６から払い落とし、そしてブラシ１８０は材料をノズル６６から擦り落とす。そうすると余計な材料はゴミシュート１７２の中に落下する。好ましくは、ゴミ受けをゴミシュート１７２の出口の下に配置する。クリーナー１７４はクリーニングまたは交換のためにシャフト１７６から取り外せる。当業者は、クリーナーが材料に対して回転するときにノズル６６から材料を取り除く限り、多種多様なノズルクリーナー１７４が可能であることを理解する。
【００４０】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく形状および詳細において変更がなされ得ることを理解する。例えば、本発明は、本明細書中に記載した好ましい実施形態の、押出しに基づく付着模型製作システムにおいて使用することに限定されない。加熱チャンバー内で三次元物体を形成する他の付加的プロセス製作技術（例えば、凝固材料の液滴のジェット噴射、消耗ロッドアーク溶接、またはプラズマ溶射によって、三次元物体を形成するシステム）は、本発明からの利益を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明による三次元模型製作装置の模式斜視図である。
【図２】 図２は、図１に示す三次元模型製作装置の線分２−２から見た正面断面図である。
【図３】 図３は、ｘ−ｙガントリー、変形可能な断熱材（外した部分）および押出しヘッドの平面図である。
【図４】 図４は、ｘ軸駆動システムの模式図である。
【図５】 図５は、ｙ軸駆動システムの模式図である。
【図６】 図６は、本発明の装置に使用する空気偏向部の底面図である。
【図７】 図７は、図６に示す空気偏向部の側面図である。
【図８】 図８は、図６に示す空気偏向部の後部立面図である。
【図９】 図９は、本発明の装置で使用するノズル清掃アセンブリの斜視図である。

Claims (22)

1. 三次元模型製作装置であって、
   三次元物体を製作する加熱された製作チャンバー、該製作チャンバー中に配置される基部、該製作チャンバーの内側に模型製作材料付着用出口を有する、模型製作材料を該基部の上に付着させる付着用ヘッド、および該付着用ヘッドと該基部との間で三次元の相対運動を発生させるために該付着用ヘッドおよび該基部に結合するｘ−ｙ−ｚガントリーを備え、
   該ｘ−ｙ−ｚガントリーが該製作チャンバーの外に配置され、そして変形可能な断熱材により該チャンバーから分離されていることを特徴とする、装置。
2. 前記変形可能な断熱材が前記製作チャンバーの一部を形成し、該製作チャンバーを通して前記ｘ−ｙ−ｚガントリーが前記付着用ヘッドを移動させる、請求項１に記載の装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、
   前記ｘ−ｙ−ｚガントリーが、前記付着用ヘッドに結合しｘ，ｙ面内で該付着用ヘッドの移動をもたらすｘ−ｙガントリー；および前記基部に結合しｚ軸に沿って該基部の移動をもたらすｚリフトを備える、装置。
4. 前記ｚリフトが前記製作チャンバーの壁の封止されたスリットを経由して前記基部に結合している、請求項３に記載の装置。
5. 前記変形可能な断熱材が前記製作チャンバーの一部を形成し、該製作チャンバーを経由して前記ｘ−ｙ−ｚガントリーが前記基部に結合している、請求項１に記載の装置。
6. 前記付着用ヘッドが前記製作チャンバーの外に前記模型製作材料を受け取る入口を有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記ｘ−ｙ−ｚガントリーおよび前記製作チャンバーを取り付けるフレームをさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記製作チャンバーが少なくとも２００℃の温度に加熱されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記ｘ−ｙ−ｚガントリーが前記付着用ヘッドおよび前記基部に非直交の３つの自由度の移動をもたらす、請求項１に記載の装置。
10. 三次元模型製作装置であって、
    加熱された製作チャンバー；
    該製作チャンバー中に配置される移動可能な基部；
    模型製作材料を制御可能に付着させるための出口を有する移動可能な付着用ヘッドであって、該出口が製作チャンバー中に配置されている、付着用ヘッド；および
    ｘ−ｙ−ｚガントリーであって、該ｘ−ｙ−ｚガントリーは、所定の形状の三次元物体を形成するために模型製作材料の付着に同期して該付着用ヘッドおよび該基部を互いに三次元移動させるために該付着用ヘッドおよび該基部に結合し、そして該製作チャンバーの外にあって該チャンバーから断熱されている、ｘ−ｙ−ｚガントリー、
    を備える、三次元模型製作装置。
11. 前記製作チャンバーが変形可能な断熱材から形成される天井を有し、該天井を通して前記ｘ−ｙ−ｚガントリーが前記付着用ヘッドを移動させる、請求項１０に記載の模型製作装置。
12. 前記ｘ−ｙ−ｚガントリーが、
    前記付着用ヘッドのｘ，ｙ面内での移動をもたらすために該付着用ヘッドに結合するｘ−ｙガントリー；および前記基部のｚ軸に沿った移動をもたらすために該基部に結合するｚリフトを備える、請求項１１に記載の模型製作装置。
13. 前記付着用ヘッドが、前記製作チャンバーの外側に配置される模型製作材料を受け取る入口を有する、請求項１２に記載の模型製作装置。
14. 前記製作チャンバーの外にあって、前記ｘ−ｙ−ｚガントリーおよび前記製作チャンバーを取り付けるフレームをさらに備える、請求項１０の模型製作装置。
15. 請求項１０に記載の模型製作装置であって、
    前記製作チャンバーは該製作チャンバー内の空気のフローパターンによって加熱され、
    前記付着用ヘッドに取り付けられ、該フローパターン内の空気を付着用ヘッド出口に向けて偏向させるための手段をさらに備える、模型製作装置。
16. 前記付着用ヘッド出口から模型製作材料の蓄積物を除去する手段をさらに備える、請求項１０に記載の模型製作装置。
17. 前記製作チャンバーが少なくとも２００℃の温度に加熱される、請求項１０の模型製作装置。
18. 三次元模型製作装置であって、三次元物体を製作する加熱された製作チャンバー、該製作チャンバー中に配置される基部、該製作チャンバーの中に材料付着用出口を有し、模型製作材料を該基部の上に付着させるための付着用ヘッド、および該付着用ヘッドをｘ，ｙ面内で並進移動させるために該付着用ヘッドに結合するｘ−ｙガントリーを備え、
    該ｘ−ｙガントリーが該製作チャンバーの外に配置され、かつ該チャンバーから断熱さ
    れていることを特徴とする、
    装置。
19. 前記付着用ヘッドが前記製作チャンバーの外側に材料を受け入れる入口を有する、請求項１８に記載の装置。
20. 請求項１８に記載の模型製作装置であって、ここで、前記製作チャンバーは該製作チャンバー内の空気のフローパターンによって加熱され、
    前記付着用ヘッドに取り付けられており、該フローパターン内の空気を付着用ヘッド出口に向けて偏向させるための手段をさらに備える、請求項１８に記載の模型製作装置。
21. 前記模型製作材料の蓄積物を付着用ヘッド出口から除去するための手段をさらに備える、請求項１８に記載の模型製作装置。
22. 前記製作チャンバーの外部に配置され、かつ該製作チャンバーから断熱されているｚリフトをさらに備え、該ｚリフトが該製作チャンバーの壁の封止されたスリットを経由して前記基部に結合している、請求項１８に記載の装置。

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