JP5713475B2 - ３次元印刷装置 - Google Patents

Description

本発明は印刷装置に関する。特に本発明は３次元印刷装置に関する。

コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）の進歩と共に、オリジナルの設計思想を物理的なモデルに急速に変換するための３次元（３Ｄ）印刷技術が発達している。３次元印刷技術は、実のところ、一連のラピッドプロトタイピング（ＲＰ）技術の一般的名称であり、その基本原理は積層造形である。ここでは、３次元物体を形成するために、ＲＰ機を使用してＸ−Ｙ平面にある加工対象物の断面形状をスキャニングにより形成し、層の厚さ分だけＺ軸に沿って断続的にシフトさせる。３次元印刷技術は、任意の幾何学的形状に制限されるものではなく、加工対象物がより複雑になればなるほど、ＲＰ技術の優秀さが、よりいっそう示される。３次元印刷技術は、人的資源及び処理時間を大きく節約することができる。また、最短時間の要求の下、３次元コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアによって設計されたデジタル３次元モデル情報が、物理的な部品として正確に表現される。これは、触れることができるだけでなく、物理的な部品の幾何学的曲線を実際にユーザが感じることもできるし、物理的な部品の組立能力を試験することもできる。あるいは、機能試験さえも実行可能である。

上述のＲＰ技術に従って３次元部品を製造する現在の３次元印刷装置においては、熱溶解性構成材料があまりにも急激に冷却されて硬化することを防ぐために、熱溶解性構成材料の硬化温度より高い温度にベースを維持するべく、３次元部品の製造処理の間、熱溶解性構成材料を支持するために使用されるベースが絶えず加熱される必要がある。しかしながら、上記の方法は、印刷の処理中に熱溶解性構成材料の溶解状態を維持しなくてはならないので、３次元印刷装置のベースを継続的に加熱しなくてはならない。このことは、より高いコスト及び不安定な機械のメンテナンスにつながる。

本発明は、製造コスト及び不要なエネルギー浪費を低減するために、そのベースが異なる領域ごとに個別に加熱されることが可能な３次元印刷装置に向けられるものである。

本発明は、処理ユニット、ベース、及び印刷ヘッドを含んだ３次元（３Ｄ）印刷装置を提供する。処理ユニットはデジタル３次元モデル情報を読み取り、処理するように構成される。ベースは処理ユニットに結合され、処理ユニットによって制御される。ベースは複数の加熱領域を含む。処理ユニットは、デジタル３次元モデル情報に従って、加熱領域の少なくとも１つを選択的に加熱するように構成される。印刷ヘッドは、ベースの上方に配置される。印刷ヘッドは処理ユニットに結合され、加熱された加熱領域上に熱溶解性材料を一層ずつ吐出して、デジタル３次元モデル情報に関連した３次元物体を形成するように、処理ユニットによって制御される。

本発明の実施例においては、３次元印刷装置が、デジタル３次元モデル情報に従って少なくとも１つの加熱領域を選択的に加熱するべくベースを制御することが可能であり、また、加熱された加熱領域上に熱溶解性材料を吐出して、デジタル３次元モデル情報に関連した３次元物体を形成するべく印刷ヘッドを制御することが可能であるように、３次元印刷装置のベースが複数の加熱領域を含む。このように、３次元印刷装置はベース全体を加熱する必要が無く、デジタル３次元モデル情報に従って、少なくとも１つの加熱領域を選択的に加熱する。従って、本発明の３次元印刷装置の運転費用及びメンテナンス費用が低減され、不要なエネルギー浪費も低減される。

本発明の上述した及びその他の特徴並びに利点を理解できるものとするため、いくつかの実施例とこれに伴う図面を以下に詳細に記載する。

添付の図面は、発明の更なる理解を与えるために含まれるものであり、本明細書に組み込まれ、その一部分を構成する。図面は、記載事項と共に発明の実施例を例示するものであり、発明の原理を説明するためのものである。

本発明の実施例に従った３次元（３Ｄ）印刷装置の動作環境の概略図である。

本発明の実施例に従った３次元印刷装置の部分的なブロック図である。

本発明の実施例に従った３次元印刷装置の構成要件の一部分の３次元図である。

本発明の実施例に従った３次元印刷装置のベースの概略図である。

本発明の実施例に従った３次元印刷装置の構成要件の部分概略図である。

本発明の他の実施例に従った３次元印刷装置の構成要件の部分概略図である。

ここからは、発明の実施例が示された添付の図面を参照しながら本発明をより完全に記載する。ここで使用する"上"、"下"、"前"、"後"、"左"、及び"右"等の用語は、図面の中における方向を記述する目的のためだけであって、発明を限定することを意図したものではない。さらに、以下の実施例においては、同一の又は同様な参照番号は、同一の又は同様な構成要件を示す。

図１は、本発明の実施例に従った３次元（３Ｄ）印刷装置の動作環境の概略図である。図２は、本発明の実施例に従った３次元印刷装置の部分的なブロック図である。図３は、本発明の実施例に従った３次元印刷装置の構成要件の一部分の３次元図である。図１から図３を参照すると、本実施例においては、３次元印刷装置１００は、デジタル３次元モデル情報に従って３次元物体１０を印刷するように構成される。また、３次元印刷装置１００は、処理ユニット１１０、ベース１２０、及び印刷ヘッド１３０を含む。本実施例においては、デジタル３次元モデル情報はデジタル３次元画像ファイルであってよい。これは例えば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェア又はアニメーションモデリングソフトウェア等を使用することによってコンピュータホスト２００により作製されてよい。処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報を読み取り、処理するように構成される。

ベース１２０は、印刷ヘッド１３０によって吐出される熱溶解性材料を支持するために使用される支持面１２２を有する。本実施例において３次元印刷装置１００は、印刷ヘッド１３０に結合され、熱溶解性材料を印刷ヘッド１３０へと供給するための少なくとも１つの材料供給ライン１４０をさらに含む。印刷ヘッド１３０はベース１２０の上方に配置される。処理ユニット１１０は、印刷ヘッド１３０に結合され、３次元物体１０を形成するために熱溶解性材料をベース１２０の支持面１２２上に一層ずつ吐出するように、印刷ヘッド１３０を制御する。本実施例においては、材料供給ライン１４０は熱溶解性材料から成る固体状態のラインであってよく、固体状態のラインは、熱溶解性材料を溶解させるために、印刷ヘッドの加熱ユニットによって加熱されてよい。また、溶解された熱溶解性材料は、印刷ヘッド１３０から押し出され、熱溶解性材料の複数の層を形成するために、最下部から最上部へと一層ずつ支持面１２２上に積層される。熱溶解性材料の層が積層されて３次元物体１０を形成する。本実施例においては、熱溶解性材料は、例えばポリ乳酸（ＰＬＡ）又はアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）等のような熱溶解性のポリマ材料である。印刷ヘッド１３０によって支持面１２２上に一層ずつ印刷された熱溶解性材料は、一般的に、３次元物体１０を構成するために使用される構成材と、３次元物体１０を支持するために使用される支持材とを含むことに気付かれたい。すなわち、支持面１２２上に印刷された熱溶解性材料は、３次元物体１０を構成するために使用されるだけではなく、３次元物体１０を支持するために使用される支持部又は基部を構成するためにも使用される。支持面１２２上に形成された熱溶解性材料が硬化された後、３次元物体１０を支持するために使用される支持材を除去して、３次元物体１０を得ることができる。

上述の記載に従うと、印刷ヘッド１３０が熱溶解性材料を一層ずつベース１２０上に吐出する処理の間、３次元印刷装置１００は、例えばデジタル３次元モデル情報の最下部層の大きさに従って、ベース１２０を個別に加熱することができる。すなわち、ベース１２０は複数の加熱領域を含み、３次元印刷装置１００は、デジタル３次元モデル情報に従って、加熱領域の少なくとも１つを選択的に加熱することができる。これにより、加熱される加熱領域の温度を熱溶解性材料の硬化温度より高く維持し、熱溶解性材料が急激に冷却されて硬化することを防ぐことができる。さらに、３次元印刷装置１００の印刷作業が終了した後で、ベース１２０上の３次元物体１０に対して硬化及び乾燥処理を実行することができる。このようにして、３次元物体１０の製造が予備的に完了される。

図４は、本発明の実施例に従った３次元印刷装置のベースの概略図である。図２から図４を詳細に参照すると、本実施例において処理ユニット１１０は、印刷ヘッド１３０及びベース１２０に結合され、これらを制御する。ここで、ベース１２０は図４に示されるように、複数の加熱領域１２２を含む。処理ユニット１１０がデジタル３次元モデル情報２０を読み取った後、デジタル３次元モデル情報２０に従って、処理ユニット１１０は加熱領域１２２の少なくとも１つを選択的に加熱する。詳細には、デジタル３次元モデル情報２０は、ベース１２０の加熱されるべき加熱領域１２２に関連する最下部層分布データを含んでよい。さらに、デジタル３次元モデル情報２０は、３次元物体１０の断面に関する複数の断面データを含む。最下部層分布データは、ベース１２０に直接接触する３次元物体１０の最下部の断面に関する分布データであり、ベース１２０上で加熱されるべき加熱領域１２２ａを得るため、ベース１２０の平面座標に対応付けられている。処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報２０をベース１２０の平面座標３０に対応付けてよく、例えば、デジタル３次元モデル情報２０の最下部層分布データを、ベース１２０の平面座標に変換して、デジタル３次元モデル情報２０に関連し、ベース１２０上で形成されようとしている３次元物体１０の位置及び分布領域を得る。次に平面座標３０は、少なくとも１つの加熱領域１２２（例えば、図４中の加熱領域１２２ａ）に対応する。処理ユニット１１０はベース１２０を制御して、平面座標に従って平面座標３０に対応する加熱領域（例えば、図４中の加熱領域１２２ａ）を加熱する。

さらに、本実施例において３次元印刷装置１００は、ベース１２０の温度を検知するためにベース１２０の中央領域に配置された温度検知素子１７０をさらに含む。例えば、温度検知素子１７０はサーミスタである。さらに、温度検知素子１７０は負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタであってよく、温度が上がるに連れて、その抵抗値が減少する。処理ユニット１１０は温度検知素子１７０に結合され、温度検知素子１７０の抵抗値に従って、ベース１２０の温度を推測し、加熱される加熱領域１２２ａの温度が特定の範囲内になるように制御する。本実施例においては、加熱される加熱領域１２２ａの温度は、約１２０度から１５０度までに維持される。

上記の記載に従うと、処理ユニット１１０は印刷ヘッド１３０を制御して、加熱された加熱領域１２２ａ上に熱溶解性材料を一層ずつ吐出し、デジタル３次元モデル情報２０に関連した３次元物体１０を形成する。３次元物体１０が形成された後、処理ユニット１１０は、ベース１２０を制御して加熱領域１２２ａの加熱を停止する。このように、３次元印刷装置１００はベース１２０全体を加熱する必要が無く、デジタル３次元モデル情報２０に従って、少なくとも１つの加熱領域１２２を選択的に加熱するようにベース１２０を制御する。つまり、加熱領域１２２ａの温度を、その上に形成される熱溶解性材料の硬化温度より高く維持するために、デジタル３次元モデル情報２０の最下部層分布データに対応する選択された加熱領域１２２ａのみを加熱する。このように、本実施例の３次元印刷装置１００の運転費用及びメンテナンス費用が低減され、また、不要なエネルギー浪費も低減される。

図５は本発明の実施例に従った３次元印刷装置の構成要件の部分概略図である。図３及び図５を参照すると、本実施例においては、ベース１２０は複数の加熱モジュール１２４をさらに含んでよい。加熱モジュール１２４は、それぞれ処理ユニット１１０に結合され、加熱領域１２２に対応して配置される。加熱モジュール１２４のそれぞれは、加熱抵抗１２４ｂを含んでよい。処理ユニット１１０は、加熱モジュール１２４の少なくとも１つを制御して、デジタル３次元モデル情報２０に従って加熱されるべく選択された加熱領域１２２ａを加熱する。詳細には、３次元印刷装置１００は電源ユニット１５０及びグランド線１６０をさらに備えてよい。電源ユニット１５０は処理ユニット１１０に結合され、電源電圧を供給するために処理ユニット１１０によって制御される。グランド線１６０はグランド電圧を供給するために使用される。それぞれの加熱モジュール１２４は、電源ユニット１５０とグランド線１６０との間に結合される。

上述の記載に従うと、処理ユニット１１０は電源ユニット１５０を制御して、デジタル３次元モデル情報２０に従い、少なくとも１つの加熱モジュール１２４に電源電圧を供給する。すなわち、処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報２０の最下部層分布データに従って、複数の加熱領域１２２のうち、加熱されるべき加熱領域１２２ａ（例えば、図５に示される中央の加熱領域１２２ａ）を決定する。そして、電源ユニット１５０を制御して、加熱されるべき加熱領域１２２ａを加熱するために、対応する加熱モジュール１２４へ電源電圧を供給する。実施例の図面は確かに単なる例であり、加熱されるべき加熱領域１２２ａの数は、発明により制限されるものではない。また、発明の他の実施例において、最下部層分布データがベース１２０における複数の加熱領域１２２ａに同時に対応する場合には、最下部層分布データに従って複数の加熱領域１２２ａを同時に加熱するように、処理ユニット１１０が制御を実行することができる。

このように、処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報２０に関連する３次元物体１０を形成するために、加熱された加熱領域１２２ａ上に熱溶解性材料を一層ずつ吐出するように、印刷ヘッド１３０を制御する。３次元物体１０が形成された後に処理ユニット１１０は電源ユニット１５０を制御して、加熱モジュール１２４へ電源電圧を供給することを停止させ、３次元物体１０に冷却又は硬化処理を実施して３次元物体１０の製造を完了させる。

構成要件の参照番号及び上述の実施例の内容の一部分はまた、以下の実施例においても使用されることに気付かれたい。ここでは、同一の参照番号は、同一の又は同様な構成要件を示す。また、同じ技術的内容の記載は省略する。省略した部分の記載に関しては、上述の実施例が参照される。また、その詳細な記載は、以下の実施例では繰り返さない。

図６は、本発明の他の実施例に従った３次元印刷装置の構成要件の部分概略図である。図３及び図６を参照すると、本実施例の３次元印刷装置は図５の３次元印刷装置と類似している。本実施例のベース１２０も複数の加熱モジュール１２４を含んでよく、加熱モジュール１２４はそれぞれ処理ユニット１１０に結合され、加熱領域１２２に対応して配置される。３次元印刷装置１００は、電源ユニット１５０及びグランド線１６０も含んでよい。電源ユニット１５０は処理ユニット１１０に結合され、電源電圧を供給するために処理ユニット１１０によって制御される。グランド線１６０はグランド電圧を供給するために使用される。本実施例の３次元印刷装置と図５の３次元印刷装置との間の主な差異は、複数の加熱モジュール１２４のそれぞれがスイッチ１２４ａ及び加熱抵抗１２４ｂを有すること、及び、加熱抵抗１２４ｂのそれぞれが、グランド線１６０に結合されるとともに、対応するスイッチ１２４ａを介して電源ユニット１５０に結合されることである。本実施例においてスイッチ１２４ａは、例えばＮ型トランジスタである。当業者であれば、Ｎ型トランジスタの他にも、Ｐ型トランジスタ、マルチプレクサ、伝送ゲート、リレー等によってスイッチを実現できることは確かに理解できるであろう。これらは発明によって制限されない。

上述の記載に従うと、処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報２０に従ってスイッチ１２４ａの少なくとも１つをオンにする。これにより、電源ユニット１５０が、オンにされたスイッチ１２４ａに対応する加熱抵抗１２４ｂへと電源電圧を供給することができる。すなわち、例えば処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報２０の最下部層分布情報に従って、加熱されるべき加熱領域１２２ａとして少なくとも１つの加熱領域１２２を選択する。そして、加熱されるべき加熱領域１２２ａを加熱するべく、電源ユニット１５０が対応する加熱抵抗１２４ｂへと電源電圧を供給できるように、対応する加熱モジュール１２４のスイッチ１２４ａを処理ユニット１１０がオンにする。実施例の図面は確かに単なる例であり、加熱されるべき加熱領域１２２ａの数は、発明により制限されるものではない。また、発明の他の実施例において、最下部層分布データがベース１２０における複数の加熱領域１２２ａに同時に対応する場合には、最下部層分布データに従って複数の加熱領域１２２ａを同時に加熱するように、処理ユニット１１０が制御を実行することができる。

このように、処理ユニット１１０は、デジタル３次元モデル情報２０に関連する３次元物体１０を形成するために、加熱された加熱領域１２２ａ上に熱溶解性材料を一層ずつ吐出するように、印刷ヘッド１３０を制御する。３次元物体１０が形成された後に処理ユニット１１０はスイッチ１２４ａをオフにするよう制御して、加熱領域１２２ａの加熱を停止させ、３次元物体１０に冷却又は硬化処理を実施して３次元物体１０の製造を完了させる。

３次元印刷装置は、例えばコンピュータホストを用いて構築されたデジタル３次元モデル情報に従って少なくとも１つの加熱領域を選択的に加熱することが可能であり、また、加熱された加熱領域上に熱溶解性材料を吐出して、デジタル３次元モデル情報に関連した３次元物体を形成するべく印刷ヘッドを制御することが可能であるように、３次元印刷装置のベースが複数の加熱領域を含む。このように、３次元印刷装置はベース全体を加熱する必要が無く、加熱される加熱領域の温度をその上に吐出される熱溶解性材料の硬化温度より高く維持するために、３次元物体が形成されることになっているベース上の位置に対応する加熱領域を選択的に加熱する。従って、本発明の３次元印刷装置の運転費用及びメンテナンス費用が低減され、また、不要なエネルギー浪費も低減される。

本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明の構成に対して様々な修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。上記の点を考慮すると、以下の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に含まれる場合には、本発明は、本発明の修正及び変更をも含むことを意図するものである。

１０ ３次元物体、 ２０ デジタル３次元モデル情報、 ３０ 平面座標、 １００ ３次元印刷装置、 １１０ 処理ユニット、 １２０ ベース、 １２２ 支持面（加熱領域）、 １２２ａ 加熱領域、 １２４ 加熱モジュール、 １２４ａ スイッチ、 １２４ｂ 加熱抵抗、 １３０ 印刷ヘッド、 １４０ 材料供給ライン、 １５０ 電源ユニット、 １６０ グランド線、 １７０ 温度検知素子、 ２００ コンピュータホスト

Claims (10)

1. デジタル３次元モデル情報を読み取り、処理する処理ユニットと、
   前記処理ユニットに結合され、前記処理ユニットにより制御されるベースと、
   前記ベースの上方に配置され、前記処理ユニットに結合される印刷ヘッドと、
   を備え、
   前記ベースは複数の加熱領域を有し、
   前記処理ユニットは、前記デジタル３次元モデル情報に従って前記複数の加熱領域の少なくとも１つを選択的に加熱し、
   前記印刷ヘッドは、前記デジタル３次元モデル情報に関連する３次元物体を形成するために、加熱された前記少なくとも１つの加熱領域上に熱溶解性材料を一層ずつ吐出するよう前記処理ユニットによって制御され、
   前記ベースは、前記処理ユニットに結合され、前記複数の加熱領域に対応して配置される複数の加熱モジュールをさらに有すること
   を特徴とする３次元印刷装置。
2. 前記デジタル３次元モデル情報は最下部層分布データを有し、
   前記最下部層分布データは、加熱されるべき前記少なくとも１つの加熱領域に関連する請求項１に記載の３次元印刷装置。
3. 前記最下部層分布データは前記ベースの平面座標に対応し、
   前記処理ユニットは、前記平面座標に従って、加熱されるべき前記少なくとも１つの加熱領域を加熱するように前記ベースを制御する請求項２に記載の３次元印刷装置。
4. 前記３次元物体を形成するために、加熱された前記少なくとも１つの加熱領域上に前記熱溶解性材料を一層ずつ吐出するよう前記処理ユニットが前記印刷ヘッドを制御した後、前記処理ユニットは、加熱された前記少なくとも１つの加熱領域の加熱を停止するよう前記ベースを制御する請求項１から３の何れか１項に記載の３次元印刷装置。
5. 前記処理ユニットは、前記デジタル３次元モデル情報に従って、選択された前記少なくとも１つの加熱領域を加熱するように前記複数の加熱モジュールを制御する請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元印刷装置。
6. 前記処理ユニットに結合され、電源電圧を供給するよう前記処理ユニットに制御される電源ユニットと、
   グランド電圧を供給するグランド線と、
   をさらに備え、
   前記複数の加熱モジュールのそれぞれは、前記電源ユニットと前記グランド線との間に結合され、
   前記処理ユニットは、前記デジタル３次元モデル情報に従って、選択された前記少なくとも１つの加熱領域に対応する前記複数の加熱モジュールの少なくとも１つに前記電源電圧を供給するよう前記電源ユニットを制御する請求項５に記載の３次元印刷装置。
7. 前記３次元物体を形成するために、加熱された前記少なくとも１つの加熱領域上に前記熱溶解性材料を一層ずつ吐出するよう前記処理ユニットが前記印刷ヘッドを制御した後、前記処理ユニットは、前記複数の加熱モジュールに前記電源電圧を供給することを停止するよう前記電源ユニットを制御する請求項６に記載の３次元印刷装置。
8. 前記処理ユニットに結合され、電源電圧を供給するよう前記処理ユニットに制御される電源ユニットと、
   グランド電圧を供給するグランド線と、
   をさらに備え、
   前記複数の加熱モジュールのそれぞれは、スイッチ及び加熱抵抗を有し、
   前記加熱抵抗のそれぞれは、前記グランド線に結合されるとともに対応する前記スイッチを介して前記電源ユニットに結合され、
   前記処理ユニットは、前記デジタル３次元モデル情報に従って、選択された前記少なくとも１つの加熱領域を加熱するために対応する前記加熱抵抗に前記電源電圧を供給するよう前記スイッチの少なくとも１つをオンにする請求項５に記載の３次元印刷装置。
9. 前記３次元物体を形成するために、加熱された前記加熱領域上に前記熱溶解性材料を一層ずつ吐出するよう前記処理ユニットが前記印刷ヘッドを制御した後、前記処理ユニットが前記スイッチをオフにする請求項８に記載の３次元印刷装置。
10. 前記ベース上に配置され、前記処理ユニットに結合され、前記ベースの温度を検知する温度検知素子をさらに備え、
    前記処理ユニットは、前記温度検知素子によって前記ベースの前記温度を取得し、これに応じて、加熱された前記少なくとも１つの加熱領域の前記温度が特定の範囲内になるよう制御する請求項１から９のいずれか１項に記載の３次元印刷装置。

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