JP2018001750A - 3次元物体印刷のための積層の非接触制御 - Google Patents
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Abstract
【課題】3次元物体プリンタにおける平坦化システムの提供。【解決手段】3次元物体プリンタ100が、プラテン104と、プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように構成された複数のイジェクタを有するイジェクタヘッド108と、プラテン上に吐出される材料の液滴の高さを測定するように構成されたセンサ132と、センサ及びイジェクタヘッドに動作可能に接続されたコントローラ124とを備え、コントローラが、プラテン上に第1の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させ、第1の材料層の高さプロファイルを測定するようにセンサを動作させ、測定された高さプロファイルを参照して第1の材料層上に第2の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させるように構成されている平担化システム。【選択図】図1
Description
本願明細書に開示される装置及び方法は、3次元物体印刷に関し、より具体的には、3次元物体プリンタにおける平坦化システムに関する。
ディジタル積層造形とも称されるディジタル3次元物体製造は、ディジタルモデルから実質的に任意の形状の3次元立体物体を作製するプロセスである。3次元物体印刷は、1つ以上のイジェクタヘッドが部品を造形するための材料を堆積させる積層プロセスである。材料は、典型的には、部品をまとめて形成する層を形成するように制御された方法において離散量で堆積される。材料の最初の層は、基材上に堆積され、後続の層は、前層の上部に堆積される。基材は、イジェクトヘッドに対して相対的に移動させることができるプラットフォーム上に支持され、そのため、各層が印刷されることができ、いずれかの基材は、プラットフォームに動作可能に接続されたアクチュエータの動作を介して移動され、又は、イジェクタヘッドは、イジェクタヘッドに動作可能に接続されたアクチュエータの動作を介して移動される。3次元物体印刷は、切削又は穿孔などの減法プロセスによってワークピースから材料を除去することに主に依存する従来の物体形成技術とは区別される。
多くの3次元物体印刷システムにおいて、部分的に印刷された部分は、各材料層が堆積された後に平坦化プロセスを受ける。平坦化プロセスは、各層が制御された厚さであり且つ後続の層が形成されることになる平坦面を有することを保証する。各連続層間においてこの平坦化プロセスを実行することにより、より高品質の部品がより狭い公差内で製造される。
いくつかの3次元物体印刷システムにおいて、平坦化ローラーは、材料の各連続層が堆積された後に部品の上面を平坦にする。図6は、コンベア14及び平坦化ローラー18を有する従来技術の3次元物体印刷システム10を示している。コンベア14は、部分的に形成された部品26などの印刷部品が造形される略平坦面22を有する。コンベア14は、コンベア14の表面22に平行な搬送方向Xにおいて部品26を搬送するように構成されている。ローラー18は、コンベア14の表面22に対して垂直な垂直方向Yにおいてコンベア14の表面22の上方に配置されている。ローラー18は、コンベア14の表面22に平行であり且つ搬送方向Xに対して直交する横方向Zに延在する長手軸の周りに円筒形である。
材料の各連続層が堆積された後、コンベア14は、搬送方向Xにおいて部品26を搬送する。ローラー18は、コンベア14の表面22から適切な距離に調整される。コンベア14は、コンベア14の表面22上に位置する部品26の底面に対向する部品26の上面30を平坦にするようにコンベア14とローラー18との間に部品26を供給する。
印刷システム10は、横方向Zにおいて最大20インチ幅まで部品26などの部品を処理するように設計されているが、ローラー18は、部品26の上面30から材料の約3ミクロンのみを除去するように意図されている。この制約は、ローラー18についての高価な製造公差を課す。例えば、ローラー18は、長さ20インチ且つ直径2インチとすることができる。この比較的大きなローラーは、円筒度についての厳しい公差によって製造されなければならない。特に、ローラーは、真直度及び真円度についての厳しい公差によって製造されなければならない。本願明細書において使用される「真直度」は、その長さにわたるローラーの直径の変動を指す。本願明細書において使用される「真円度」は、直径が測定される円周上の角度に依存する直径の変動を指す。完全な真円度を有するローラーは、全ての角度から測定した場合に正確に同じ直径を有する。逆に、不完全な真円度を有するローラーは、それが測定される角度に依存する直径の変動を有する。この異なる角度における直径の分散は、「逃げ」と称される。
図7は、不完全な真円度又は逃げを有するローラー18を有する印刷システム10の側面図を示している。円形輪郭34は、ローラー18としての理想的な真円度を示している。わかるように、ローラー18の部分は、円形輪郭34を超えて延在している。ローラー18の特定の逃げは、製造される各ローラーによって変化する。したがって、ローラー18は、ローラーの逃げが除去されない限り、部品26の上面30を真に平坦化することができないが、有意な製造コストが逃げを除去するために発生されなければならない。
図8A及び図8Bは、平坦化プロセスにおけるローラー18の逃げの効果を示している。ローラー18が部品26の上面30にわたって移動するのにともない、ローラー18の長手軸は、コンベア14から一定距離を維持する。しかしながら、ローラー18の直径は変化することから、図8Bからわかるように、ローラー18が部品26にわたって移動するのにともない、部品26の上面30においてリップルが生み出される。したがって、ローラー18の逃げは、平坦化プロセスに悪影響を与える。
印刷システム10などの現在の印刷システムにおいて、ローラー18は、非常に高価になる逃げの影響を最小限に抑えるために1ミクロンのオーダーの非常に厳しい公差を基礎とする。必要な精度で製造された場合であっても、ローラー18は、部品26を汚染又は損傷するリスクがある。さらに、ローラー18の各経路により、材料は、部品26から離れて除去され、無駄になる。必要なものは、3次元物体印刷において基材を平坦化するための低コストの方法である。
3次元物体プリンタは、プラテンと、プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように構成された複数のイジェクタを有するイジェクタヘッドと、プラテン上に吐出される材料の液滴の高さを測定するように構成されたセンサと、センサ及びイジェクタヘッドに動作可能に接続されたコントローラとを含む。コントローラは、プラテン上に第1の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させ、第1の材料層の高さプロファイルを測定するようにセンサを動作させ、測定された高さプロファイルを参照して第1の材料層上に第2の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させるように構成されている。
3次元物体プリンタを動作させる方法は、プラテン上に第1の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させることと、第1の材料層の高さプロファイルを測定するようにセンサを動作させることと、測定された高さプロファイルを参照して第1の材料層上に第2の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させることとを含む。
本方法及び装置の上述した態様及び他の特徴は、添付図面と関連して以下の説明において説明される。
本願明細書に開示されたプリンタ及び方法についての環境並びにプリンタ及び方法についての詳細の一般的な理解のために、図面が参照される。図面において、同様の参照符号は、同様の要素を指している。
図1は、3次元物体のプリンタ100を示している。プリンタ100は、プラテン104と、イジェクタヘッド108とを含む。プラテン104は、部品116などの3次元物体がプリンタ100によって形成される略平坦な上面112を有する。イジェクタヘッド108は、プラテン104の表面112上に3次元物体を形成するように造形材料の液滴を吐出するように構成された複数のイジェクタ120を有する。多くの実施形態において、複数のイジェクタ120は、クロスプロセス方向Zにおいて1つ以上の行に配置されている。しかしながら、他の実施形態において、複数のイジェクタ120は、代わりに単一のイジェクタ120のみを備えてもよい。いくつかの実施形態において、複数のイジェクタは、造形材料の液滴を吐出するように構成された第1の複数のイジェクタと、ワックスなどの支持材料の液滴を吐出するように構成された第2の複数のイジェクタとを含む。
プリンタ100は、イジェクタヘッド108に動作可能に接続されたコントローラ124を含む。コントローラ124は、画像データに対応する表面112上に3次元物体を形成するために画像データを参照してイジェクタヘッド108を動作させるように構成されている。3次元物体の各層を形成するために、コントローラ124は、イジェクタ120からプラテン104上に材料の液滴を吐出するとともに、プロセス方向Xにイジェクタヘッド108を1回以上掃引するようにプリンタ100を動作させる。複数経路の場合、イジェクタヘッド108は、各掃引間においてクロスプロセス方向Zにシフトする。各層が形成された後、イジェクタヘッド108は、次層の印刷を開始するために垂直方向Yにおいてプラテン104から離れるように移動する。プリンタ100は、上述したX、Y及びZ方向へのイジェクタヘッド108の移動を容易とするように構成された当該技術分野において公知のレール128又は他のアクチュエータを含むことができる。代替実施形態において、プリンタ100は、イジェクタヘッド108及びプラテン104の同じ相対的な移動を達成するために、X、Y及びZ方向にプラテン104を移動させるように構成されたアクチュエータ(図示しない)を含む。
プリンタ100は、さらに、コントローラ124に動作可能に接続され且つプリンタ100によって形成された材料層の高さを検知するように構成されたセンサ132を含む。以下により詳細に記載されるように、コントローラ124は、部分的に形成された部品116の層の上面の高さプロファイルを測定するためにセンサ132を動作させるように構成されている。この高さプロファイルに基づいて、層の高さプロファイルにおける変動や誤差が後続の層の厚さプロファイルを調整することによって補償されることができる。1つの実施形態において、センサ132は、一度に1列又は行ずつ部品116の全体を走査するようにプロセス方向Xにおいてプラテン104に対して移動させるように構成された光学表面形状測定装置である。しかしながら、センサ132が部品116を走査するように移動する必要はない他の構成が可能である。さらに、示されるように、センサ132は、イジェクタヘッド108に取り付けられている。しかしながら、センサ132は、イジェクタヘッド108とは独立した移動のために構成されることができ、そのような構成においては、イジェクタヘッド108には取り付けられない。
3次元物体プリンタを動作させる方法200が図2に示されている。本方法の説明において、本方法が何らかのタスク又は機能を実行しているという記載は、タスク又は機能を実行するためにデータを操作するか又はプリンタにおける1つ以上の要素を動作させるようにコントローラ又はプロセッサに動作可能に接続された持続性コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶されたプログラミング命令を実行するコントローラ又は汎用プロセッサを指す。上述したコントローラ124は、そのようなコントローラ又はプロセッサとすることができる。あるいは、コントローラは、複数のプロセッサ並びに関連する回路及び要素によって実装されることができ、そのそれぞれは、本願明細書において記載された1つ以上のタスク又は機能を形成するように構成される。
方法200が実行されると、それは、プラテン上に第1の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するようにイジェクタヘッドの複数のイジェクタを動作させることによって開始する(ブロック204)。具体的には、図3Aに示されるように、コントローラ124は、プラテン104の表面112上に第1の材料層304を形成するためにイジェクタ120からプラテン104に向かって材料の液滴を吐出するとともに、プロセス方向Xに1回以上掃引するようにイジェクタヘッド108のイジェクタ120を動作させるように構成されている。示されるように、第1の層304は、プラテン104上に直接形成されるが、同様にプラテン104上に以前に形成された材料層上に形成された材料層であってもよい。
次に、方法200は、第1の材料層の高さプロファイルを測定するようにセンサを動作させることによって継続する(ブロック208)。具体的には、図3Bに示されるように、コントローラ124は、第1の材料層304の形成後に部分的に形成された部品116の高さプロファイルを測定するようにセンサ132を動作させるように構成されている。1つの実施形態において、センサ132は、全体的に第1の層304を走査するために1回以上プロセス方向Xにおいて掃引する。しかしながら、いくつかの実施形態において、センサ132は、移動することなく第1の層304の全体を走査するように構成されている。本願明細書において使用される場合、用語「高さプロファイル」は、空間における複数の相対位置に関連付けられ且つ部分的に形成された部品の表面の輪郭を表す複数の高さ値又は距離値を指す。1つの特定の実施形態において、「高さプロファイル」は、プロセス方向Xにおける位置及びクロスプロセス方向Zにおける位置の関数として部分的に形成された部品の高さを表し、例えば、高さ=f(x、z)である。
次に、方法200は、測定された高さプロファイルを参照して第1の材料層上に第2の材料層を形成するようにプラテンに向かって材料の液滴を吐出するように複数のイジェクタを動作させることによって継続する(ブロック212)。特に、図3Cに示されるように、コントローラ124は、第1の材料層304上に第2の材料層308を形成するようにイジェクタ120からプラテン104に向かって材料の液滴を吐出するとともに、プロセス方向Xに1回以上回掃引するようにイジェクタヘッド108のイジェクタ120を動作させるように構成されている。コントローラ124は、第1の材料層304の形成後に測定された高さプロファイルにおける変動を補償する厚さプロファイルを有するように、第2の材料層308を形成するようにイジェクタ120を動作させるように構成されている。本願明細書において使用される場合、用語「厚さプロファイル」は、空間における複数の相対位置に関連付けられた複数の厚さ値又は長さ値を指す。1つの特定の実施形態において、「厚さプロファイル」は、プロセス方向Xにおける位置及びクロスプロセス方向Zにおける位置の関数として材料層の厚さを表し、例えば、厚さ=f(x、z)である。
図5に関して以下により詳細に記載されるように、1つの実施形態において、第2の材料層308についての調整された厚さプロファイルは、第1の材料層304の形成後に部品の測定された高さプロファイルに少なくとも基づいて判定される。調整された厚さプロファイルは、第2の材料層308が第1の材料層304の形成後に高さにおいて測定された変動を補償する厚さにおける変動を有するように、第2の材料層308を形成するように吐出される材料の液滴の相対液滴体積や液滴質量を調整するために使用される。
方法200の1つの実施形態において、ブロック208及び212の処理は、略同時に実行される。具体的には、図3Dに示されるように、コントローラ124は、高さプロファイルを測定するようにセンサ132を動作させながら、実時間で調整された厚さプロファイルを判定し、調整された厚さプロファイルにしたがって第2の材料層308を形成するようにイジェクタ120を動作させるように構成されている。図3Dに示されるように、センサ132は、センサ132が第1の材料層304の対応する部分の高さを走査した後に第2の材料層308の各部が形成されるように、プロセス方向Xにおいてイジェクタ120の前方に物理的に配置されている。さらなる実施形態において、センサ132は、プロセス方向Xにおいてイジェクタ120の逆側に配置された1対のセンサ(図示しない)を備える。このように、プリンタ100は、プロセス方向Xにおいて双方向に動作させることができ、それにより、印刷速度の効率化を可能とする。
多くの実施形態において、方法200は、部品が完全に形成されるまで、部品の各層について繰り返される。特に、コントローラ124は、プラテン104上に複数の層を形成するようにイジェクタヘッド108のイジェクタ120を動作させるように構成されている。各連続層を形成した後、コントローラ124は、以前に形成された材料層の高さプロファイルを測定するようにセンサ132を動作させるように構成されている。各連続層を形成する際に、コントローラ124は、以前に形成された層の高さプロファイルにおける意図しない変動を補償するために、以前に測定された高さプロファイルを参照してイジェクタ120を動作させるように構成されている。
調整された厚さプロファイルがどのように判定されるかをさらに理解するために、例示的な測定された高さプロファイルが図4に示されている。特に、図4は、例示的な測定された高さプロファイル404を含むプロット400を示している。測定された高さプロファイル404は、実線によって示されており、第1の材料層304の形成後に部品の測定された高さに対応する。プロット400はまた、目標高さプロファイル408を含む。目標高さプロファイル408は、破線によって示されており、第1の材料層304の形成後に部品の理想的な又は意図された高さに対応する。簡略化のために、プロット400のみがプロセス方向Xにおける位置(x)に関するプロファイル404及び408を示すことに留意されたい。しかしながら、実際には、高さプロファイルは、プロセス方向Xにおける位置及びクロスプロセス方向Zにおける位置の双方に関して定義された値を含むであろう。さらに、示されるように、垂直方向Yにおけるゼロ高さ値は、本質的に、プラテンの表面112に対応する。しかしながら、この対応は、プロット400の目的のために単なる任意である。
図5は、プリンタ100の1つの実施形態についての制御システム図を示している。制御システムは、本質的に、システムが後続の層の厚さプロファイルを調整することによって閉ループ方式で補償する誤差を判定するためにセンサ132を使用する閉ループフィードバックシステムである。示された実施形態において、コントローラ124は、位置制御要素504と、イジェクタ制御要素508と、センサ制御要素512とを含む。図5に関して示された記載された特定の構成は、単なる例示であることに留意されたい。当業者は、多くの代替例及び同等構成が同様の機能を達成するために使用されることができることを理解するであろう。
位置制御要素504は、イジェクタ120とプラテン104との相対運動を提供し且つ必要に応じてセンサ132とプラテン104との相対運動を提供する責を担うレール128又は他のアクチュエータを動作させるための制御信号を提供するように構成されている。さらに、1つの実施形態において、位置制御要素504は、イジェクタ制御要素508及びセンサ制御要素512に関連位置情報を提供する。特に、位置制御要素504は、プロセス方向X及びクロスプロセス方向Zにおけるイジェクタ120の位置を示す位置情報(XE、ZE)をイジェクタ制御要素508に提供する。位置制御要素504はまた、プロセス方向X及びクロスプロセス方向Zにおけるセンサ132の位置を示す位置情報(XS、ZS)をセンサ制御要素512に提供する。
センサ制御要素512は、部分的に形成された部品116の部分の高さを測定するようにセンサ132を動作させるように構成されている。センサ制御要素512は、特定の位置において部分的に形成された部品116の高さに対応するセンサ132からの信号を受信するように構成されている。センサ制御要素512はまた、位置制御要素504からセンサ132の位置に関する位置情報(XS、ZS)を受信するように構成されている。センサ132からの信号及び位置情報(XS、ZS)に基づいて、センサ制御要素512は、図5においてMHLayer(x、z)として示される、材料層の形成後に部分的に形成された部品についての測定された高さプロファイルを生成するように構成されている。
コントローラ124は、図5においてTHLayer+1(x、z)として示される、形成されるべき次層についての目標高さプロファイルと測定された高さプロファイルMHLayer(x、z)を比較するように構成されている。比較に基づいて、コントローラ124は、図5においてATLayer+1(x、z)として示される、形成されるべき次層についての調整された厚さプロファイルを判定するように構成されている。1つの実施形態において、コントローラ124は、調整された厚さプロファイルATLayer+1(x、z)を算出するために、目標高さプロファイルTHLayer+1(x、z)から測定された高さプロファイルMHLayer(x、z)を減算するように構成されたコンパレータ516を含む。
当業者によって理解されるように、特定の計算は、多くの代替例であるが同等形態で表現されることができる。例えば、形成されるべき次層についての目標高さプロファイルはまた、形成されるべき次層についての公称厚さプロファイルと以前に形成された層についての目標プロファイルの和として表現されることができる。さらに、以前に形成された層についての高さ誤差プロファイルは、以前に形成された層についての目標プロファイルと以前に形成された層についての測定された高さプロファイルを比較することによって判定されることができる。そして、形成されるべき次層についての調整された厚さプロファイルは、以前に形成された層についての高さ誤差プロファイルによって形成されるべき次層についての公称厚さプロファイルを変更することによって判定されることができる。
イジェクタ制御要素508は、コンパレータ516から調整された厚さプロファイルATLayer+1(x、z)を受信するように構成されている。さらに、イジェクタ制御要素508は、位置制御要素504からイジェクタ120の位置に関する位置情報(XE、ZE)を受信するように構成されている。調整された厚さプロファイルATLayer+1(x、z)及び位置情報(XE、ZE)に基づいて、イジェクタ制御要素508は、イジェクタ120に適切な発射信号を提供するように構成されている。特に、イジェクタ制御要素508は、調整された厚さプロファイルATLayer+1(x、z)に応じた厚さを達成するために、イジェクタ120の現在位置において吐出されるべきである必要な液滴質量又は液滴体積を算出するように構成されている。算出された液滴質量又は液滴体積に基づいて、イジェクタ制御要素508は、算出された液滴質量又は液滴体積を達成する発射信号をイジェクタ120に提供するように構成されている。このように、イジェクタ制御要素508は、以前に形成された層の高さにおける変動を補償する厚さプロファイルを有する後続の層を形成するようにイジェクタ120を動作させる。
Claims (9)
- 3次元物体プリンタにおいて、
プラテンと、
前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように構成された複数のイジェクタを有するイジェクタヘッドと、
前記プラテン上に吐出される材料の液滴の高さを測定するように構成されたセンサと、
前記センサ及び前記イジェクタヘッドに動作可能に接続されたコントローラとを備え、前記コントローラが、
前記プラテン上に第1の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させ、
前記第1の材料層の高さプロファイルを測定するように前記センサを動作させ、
前記測定された高さプロファイルを参照して前記第1の材料層上に第2の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させるように構成されている、3次元物体プリンタ。 - 前記コントローラが、
目標高さプロファイルをさらに参照して前記第2の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させるように構成されている、請求項1に記載のプリンタ。 - 前記コントローラが、前記高さプロファイルを測定するように前記センサを動作させると同時に、前記第2の材料層を形成するように前記複数のイジェクタを動作させるように構成されている、請求項1に記載のプリンタ。
- 前記コントローラが、
前記測定された高さプロファイルを目標高さプロファイルと比較し、
前記測定された高さプロファイルと前記目標高さプロファイルとの比較を参照して前記第2の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させるように構成されている、請求項1に記載のプリンタ。 - 前記コントローラが、
前記測定された高さプロファイルと目標高さプロファイルとの差異を算出し、
前記測定された高さプロファイルと前記目標高さプロファイルとの前記算出された差異を参照して前記第2の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させるように構成されている、請求項1に記載のプリンタ。 - 3次元物体プリンタを動作させる方法において、
プラテン上に第1の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するようにイジェクタヘッドの複数のイジェクタを動作させることと、
前記第1の材料層の高さプロファイルを測定するようにセンサを動作させることと、
前記測定された高さプロファイルを参照して前記第1の材料層上に第2の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させることとを備える、方法。 - 前記第2の層を形成するように前記複数のイジェクタを動作させることが、
目標高さプロファイルをさらに参照して前記第2の材料層を形成するように前記プラテンに向かって材料の液滴を吐出するように前記複数のイジェクタを動作させることを備える、請求項6に記載の方法。 - 前記高さプロファイルを測定するようにセンサを動作させること及び前記第2の材料層を形成するように前記複数のイジェクタを動作させることが同時に実行される、請求項6に記載の方法。
- さらに、
前記測定された高さプロファイルを目標高さプロファイルと比較することを備え、
前記第2の材料層を形成するように前記複数のイジェクタを動作させることが、前記測定された高さプロファイルと前記目標高さプロファイルとの比較を参照して実行される、請求項6に記載の方法。
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