JP7289304B2 - 予め規定された表面品質を得るための３ｄ印刷 - Google Patents

Description

関連出願
本願は、２０１７年１２月３１日出願の米国仮特許出願Ｎｏ．６２／６１２４５４の優先権の利益を主張し、その内容は、参考としてその全体をここに組み入れる。

発明の分野
本発明は、その一部の実施形態では、予め規定された表面品質が要求されるときの３Ｄ印刷又は付加製造の使用に関する。

３Ｄ印刷又は付加製造は、プロトタイピング及び小規模製造のために良好である急成長の技術であるが、製造プロセスの遅さのため、大規模に使用すること又は消費者用の製品を製造することは難しい。

付加製造での追加の問題は、付加製造法の固有の制限のために高レベルの表面品質を保証することが難しいことである。

従って、３Ｄ印刷物体に仕上げを適用するための様々な方法が知られている。仕上げは、表面を平滑にしたり又は粗くするプロセスであることができ、又はペイントもしくはバニッシュの層が適用されることができる。しかしながら、これらの全ては、印刷後に後処理として適用され、物体自体に固有のものではない。

本実施形態は、３Ｄ印刷物体、実際には３Ｄ印刷プロセスに固有の特定の品質の表面を生みだすために付加製造の制限を克服する問題に対処する。

印刷の最初又は底部の層は、外部、即ちそれが印刷される表面のネガとして示す底部表面を有する傾向がある。従って、本実施形態は、予め規定された品質を有するベース表面を与え、次いでそのベース表面の上に３Ｄ物体を印刷し、かくしてベース表面に面する物体表面が、それが印刷されるベース表面の品質を反映するようなものに関する。

実施形態は、噴射された印刷材料の毛管力を最小にするベースのための物質を選択することを伴ないうる。

本発明の一部の実施形態の態様によれば、３Ｄ印刷物体の少なくとも一つの表面の上に予め決められた表面品質を達成するように３Ｄ印刷する方法が提供される。前記方法は、前記予め決められた表面品質を有するベース表面を選択すること；及び前記予め決められた表面品質が前記印刷中に前記３Ｄ印刷物体の一つの表面に付与されるように前記ベース表面の上に前記３Ｄ印刷物体を印刷することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、噴射材料の毛管力を最小にするように前記ベース表面を選択することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、硬質不透明感光性ポリマーで前記ベース表面の上に３Ｄ物体を印刷することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、前記予め決められた表面品質を有しかつ前記ベース表面の上に印刷された前記表面が、上側又は外側に面するように、印刷後に前記物体を再配向することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、前記ベース表面の上の予め決められた位置に電子構成要素を配置し、前記電子構成要素のまわりにかつその上に前記３Ｄ物体を層状に印刷し、前記電子構成要素が前記３Ｄ物体に一体化され、前記電子構成要素を包囲する表面が、前記予め決められた表面品質を有するようにすることを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、前記配置の前に前記ベース表面の上に前記予め決められた位置をマークすることを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、マークすることは、前記予め決められた位置に、印刷されたマークを印刷することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記配置が、ロボットアームによる。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、感知システムを使用して前記マークの位置を識別し、前記マークに前記電子構成要素を配置するために前記識別に基づいて前記ロボットアームを操作することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、感知システムを使用して、前記配置の後に、前記電子構成要素の位置を識別し、前記識別された位置を前記予め決められた位置と比較し、前記識別された位置と前記予め決められた位置の間のミスマッチが予め決められたしきい値より上であるときに警告信号を発することを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記方法は、感知システムを使用して、前記配置の後に、前記電子構成要素の位置を識別し、前記識別された位置を前記予め決められた位置と比較し、前記比較に基づいて前記３Ｄ物体を記述するコンピューター物体データを調整することを含む。

本発明の一部の実施形態の態様によれば、少なくとも一つの表面の上に予め決められた表面品質を有する物体を付加製造するための装置が提供される。前記装置は、前記装置が、構築トレイ；物体の層状印刷のための印刷ノズルを含む印刷ヘッド；前記構築トレイの上に配置されたベースであって、前記予め決められた表面品質を有する物質を含むベースを含み、それによって前記物質の上に前記物体を印刷し、前記表面品質を前記物体の最初に印刷された層に付与する。

本発明の一部の実施形態によれば、前記装置は、前記ベースの上の予め決められた位置に電子構成要素を配置するように構成されたロボットアーム、及び前記電子構成要素のまわりにかつその上に前記層状の印刷を実行するように前記印刷ヘッドを制御するためのコントローラーを含み、前記電子構成要素が、前記３Ｄ物体に一体化され、前記電子構成要素を包囲する表面が、前記予め決められた表面品質を有する。

本発明の一部の実施形態によれば、前記装置は、前記層状印刷の前に前記ベースの上に配置された電子構成要素の位置を識別するように構成された感知システムを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記装置は、前記識別された位置を予め決められた位置と比較し、前記識別された位置と前記予め決められた位置の間のミスマッチが予め決められたしきい値より上であるときに警告信号を発するように構成されたコントローラーを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記装置は、前記識別された位置を予め決められた位置と比較し、前記比較に基づいて前記３Ｄ物体を記述するコンピューター物体データを調整するように構成されたコントローラーを含む。

本発明の一部の実施形態の態様によれば、複数の表面を有する３Ｄ印刷物体であって、前記表面の一つが、予め決められた表面品質を有し、前記表面の一つが、ベースのインプリントを含み、ベースが、前記３Ｄ印刷物体に付与するための前記予め決められた表面品質を有するように選択される、３Ｄ印刷物体が提供される。

本発明の一部の実施形態によれば、前記予め決められた表面品質が、テクスチャー、表面粗さ、平滑性、及びガラス質（ｇｌａｓｓｉｎｅｓｓ）からなる群の一つを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記ベースが、ガラス、ポリイミド、陽極酸化アルミニウム、及びポリカーボネートからなる群の一つを含む。

本発明の一部の実施形態によれば、前記３Ｄ物体が、硬質不透明感光性ポリマーで印刷されている。

本発明の一部の実施形態によれば、前記予め決められた表面品質を有する表面が、上側又は外側に面するように配向されている。

本発明の一部の実施形態によれば、３Ｄ印刷物体が、電子構成要素を含み、前記予め決められた表面品質を有する表面が、前記電子構成要素を包囲する。

本発明の一部の実施形態によれば、３Ｄ印刷物体が、前記電子構成要素を含む第一外側表面、及び電子構成要素を含まない第二外側表面を含み、前記第一外側表面が、少なくとも７０℃のガラス転移温度によって特徴づけられる第一ポリマー材料から少なくとも一部を作られ、前記第二外側表面が、約４０℃～約７０℃のガラス転移温度によって特徴づけられる第二ポリマー材料から少なくとも一部を作られる。

本発明の一部の実施形態によれば、３Ｄ印刷物体が、前記ベースの上に印刷され、前記ベースが、印刷トレイの上の物質であり、前記３Ｄ印刷物体の最初に印刷された層が前記ベースの上に印刷され、前記ベースから前記表面品質を獲得する。

本発明の一部の実施形態によれば、前記ベースが、前記最初に印刷された層への表面テクスチャーの転移を可能にするために最適化された表面エネルギーを持つように選択される。

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載される方法および材料又は物質と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、例示的な方法、物質および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、物質、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

本明細書では本発明のいくつかの実施形態を単に例示し添付の図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。

図１Ａは、本発明の一部の実施形態による付加製造システムの概略図である。 図１Ｂ－１Ｃは、本発明の一部の実施形態による付加製造システムの概略図である。 図１Ｄは、本発明の一部の実施形態による付加製造システムの概略図である。

図２Ａ－２Ｃは、本発明の一部の実施形態による印刷ヘッドの概略図である。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明の一部の実施形態による座標変換を実証する概略図である。

図４は、本発明の実施形態による、ベース表面を有する印刷トレイ及びベース表面の上に印刷された物体を示す簡略図である。

図５は、図４の実施形態に従って製造されたガラス状（ｇｌａｓｓｙ）表面を有する３Ｄ印刷物体に埋め込まれた電子構成要素の一例である。

図６は、ポリカーボネートが本実施形態によるベース表面として使用される接触角度の効果を示すグラフ及び簡略図である。

図７は、ガラス状表面を有する物体に一体化された電子構成要素を有する３Ｄ物体の画像である。

図８Ａ－８Ｂは、図７の物体の印刷における段階を示す簡略概略図である。

図９は、本発明の実施形態による印刷又は構築トレイの上に配置されたポリカーボネート物質のライニング（ｌｉｎｉｎｇ）を示す。

図１０Ａ－１０Ｂは、一緒に印刷される本実施形態による同じ表面テクスチャーを要求する単一の及び複数の物体の上からの図である。

図１１は、本発明の実施形態による希望の表面品質を有する物体を印刷する方法を示す簡略フローチャートである。

本発明は、その一部の実施形態では、予め規定された表面品質が要求されるときの３Ｄ印刷又は付加製造の使用に関する。

本実施形態は、３Ｄ印刷物体の少なくとも一つの表面の上に希望の表面品質を達成するように３Ｄ印刷するための方法及び装置を提供することができる。この方法は、希望の表面品質を有するベース表面を選択すること；及び希望の表面品質が印刷中に３Ｄ印刷物体の下に面する表面に付与されるようにベース表面の上に３Ｄ印刷物体を印刷することを含む。表面品質は、一般にガラス質、平滑性、及びテクスチャーであることができる。従って、物体は、印刷される構成要素がガラス状表面に一体化されて製造されることができる。

層ごとに印刷するとき、印刷された物体の第一層とベース表面の間の接触が十分である限り、印刷される物体の下方に面する表面の上に形成されたパターンのいずれかの垂直方向の特性（例えば溝、レリーフ）は、印刷される物質又は表面の上のパターンの垂直方向の特性のネガ（ｎｅｇａｔｉｖｅ）となる。従って、もし例えばガラス質のような表面品質が望まれるなら、物体は、ガラス状表面の上に逆さまで構築されることができ、この方法では印刷後に逆さにしたときの物体の上側／上方の表面の表面品質は、ガラス状表面のネガになり、即ちガラスグレード又はガラス状表面品質を持つだろう。ガラス質は、３Ｄ物体の底部表面の希望の品質又はテクスチャーを与えるためにいずれかの他のテクスチャーと置き換えられることができる。３Ｄ物体の底部表面に希望の品質又はテクスチャーを与えるために使用されることができる物質の例は、限定されず、ポリイミド、陽極酸化アルミニウム、ガラス、及びポリカーボネートを挙げることができる。

例示的な適用は、滑らかなガラス品質表面に一体化された電子構成要素を与えるために電子構成要素のまわりにかつその上に印刷することを含む。印刷するためのベースとして使用するために好ましい物質は、例えば噴射／吐出された材料がトレイの上に配置された電子構成要素の下に分散又は浸透しないように、噴射された液滴の毛管力を減少するように最適な表面エネルギーを有する物質であるだろう。同じ考えのため、液滴／物質の表面界面で液滴の接触角度の考慮に基づいてベース表面を選択することが望ましい。一部の実施形態では、ベース表面の物質は、それが１０００ダイン／ｃｍ未満又は５００ダイン／ｃｍ未満又は１００ダイン／ｃｍ未満又は５０ダイン／ｃｍ未満、例えば約１０ダイン／ｃｍ～約５０ダイン／ｃｍの一般的な表面エネルギーを示すように選択される。

ベース表面の物質は、造形用材料配合物の液滴とベース表面の間の接触角度が室温で液滴がベース表面に接触してから１秒後に測定したときに３０度以上又は４０度以上又は５０度以上又は６０度以上又は７０度以上であるように選択されることができる。

実施形態は、噴射された印刷材料がベース表面の上で電子構成要素のまわりに良好に形成し、物体の下側に面する表面全体がベース表面の表面特性を取得するように、噴射された印刷材料の毛管力を前述のように最小にする物質を選択することを含むことができる。従って、一つの実施形態では、ポリカーボネートが、噴射された材料の毛管力を減少するのに効果的であるベース表面として使用されることができる。ポリカーボネートは、ベース表面の好適な表面エネルギーを与える一例であるが、他の例も可能であり、異なる物質が、使用される噴射印刷材料に応じて多かれ少なかれ好適でありうる。

３Ｄ物体は、その底部層の少なくとも一部に特定のテクスチャー又は特性を与えるために予め規定されたベース表面で印刷され、次いで印刷中にベースに面した３Ｄ印刷表面が物体の主表面になり、物体がその主要な（一般的には上方の）表面の上に望ましい表面品質を持つように印刷後に使用のために回転又は逆転されることができる。指定した表面品質条件を持つのは、上方の表面であることが多い。そのため、本実施形態による物品は、逆さに印刷され、続いて使用のために逆転されることが一般的である。

本実施形態の方法およびシステムは、物体の形状に対応する構成パターンで複数の層を形成することによって、三次元物体をコンピュータ物体データに基づいて１層ずつ形成する。コンピュータ物体データは、標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）またはステレオリソグラフィ輪郭（ＳＬＣ）フォーマット、仮想現実モデリング言語（ＶＲＭＬ）、付加製造ファイル（ＡＭＦ）フォーマット、図面交換フォーマット（ＤＸＦ）、ポリゴン・ファイル・フォーマット（ＰＬＹ）、またはコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）に適したいずれかの他のフォーマットを含め、それらに限らず、任意の公知のフォーマットにすることができる。

本明細書において使用される用語「物体」は、物品全体又はその一部を示す。

各層は、二次元表面を走査してそれをパターン化する付加製造装置によって形成される。走査中に、装置は、二次元の層または表面上の複数の目標位置を訪れ、各目標位置または１群の目標位置について、目標位置または目標位置群が構築材料配合物によって占有されるべきか否か、かつどのタイプの構築材料配合物をそこに送達すべきかを決定する。決定は、表面のコンピュータ画像に従って行われる。

本発明の好ましい実施形態では、ＡＭは、三次元印刷を、より好ましくは三次元インクジェット印刷を含む。これらの実施形態では、構築材料配合物は、１組のノズルを有する吐出ヘッドから吐出され、構築材料配合物を支持体構造上に層状に堆積する。ＡＭ装置はこうして、占有すべき目標位置に構築材料配合物を吐出し、かつ他の目標位置を空所のままにする。装置は通常、複数の吐出ヘッドを含み、各吐出ヘッドは、異なる構築材料配合物を吐出するように構成されることができる。従って、異なる目標位置を異なる構築材料配合物が占有することができる。構築材料配合物の種類は主に、造形用材料配合物および支持体材料配合物の２つのカテゴリに分類されることができる。支持体材料配合物は、製作プロセス中に物体もしくは物体の一部分を支持するため、かつ／または他の目的で、例えば中空物体もしくは多孔質物体を提供するために、支持マトリックスまたは支持構造として働く。支持体構造は、例えば支持強度を高めるために、さらに造形用材料配合物要素を含んでよい。

造形用材料配合物は一般的に、付加製造用に配合された組成物であり、それ自体で、すなわち他の物質と混合されたりまたは組み合わされたりする必要なく、三次元物体を形成することができる。

最終的な三次元物体は、造形用材料配合物、または造形用材料配合物と支持体材料配合物の組合せもしくはそれらの変性物（例えば硬化後）から作られる。これらの作業は全て、立体自由造形の当業者にはよく知られている。

本発明の一部の例示的実施形態では、物体は、２つ以上の異なる造形用材料配合物を吐出することによって製造され、各材料配合物は、ＡＭの異なる吐出ヘッドから吐出される。材料配合物は、任意選択的にかつ好ましくは、印刷ヘッドの同一パス中に層状に堆積される。層内の材料配合物および材料配合物の組合せは、物体の所望の特性に従って選択される。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に示されるか、および／または図面および／または実施例において例示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に必ずしも限定されないことを理解しなければならない。本発明は、他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。

本発明の一部の実施形態による、物体１１２のＡＭに適したシステム１１０の代表的かつ非限定的実施例を、図１Ａに示す。システム１１０は、複数の吐出ヘッドを含む吐出ユニット１６を有する付加製造装置１１４を備える。各ヘッドは、下述する図２Ａ～図２Ｃに示すように、液状構築材料配合物１２４が吐出される１つ以上のノズル１２２のアレイを含むことが好ましい。

装置１１４は、三次元印刷装置であることが好ましいが、必須ではない。その場合、吐出ヘッドは、印刷ヘッドであり、構築材料配合物は、インクジェット技術によって吐出される。用途によっては、付加製造装置は、三次元印刷技術を採用する必要がない場合があるので、これは必ずしも該当しない。本発明の様々な例示的実施形態に従って構想される付加製造装置の代表的実施例は、熱溶解積層造形装置および熱溶解材料配合物堆積装置を含むが、それらに限定されない。

各吐出ヘッドは、任意選択的にかつ好ましくは構築材料配合物リザーバを介して供給され、リザーバは、任意選択的に、温度制御ユニット（例えば温度センサおよび／または加熱装置）および材料レベルセンサを含んでもよい。構築材料配合物を吐出するために、例えば圧電式インクジェット印刷技術の場合のように、吐出ヘッドノズルを介して材料配合物の液滴が選択的に堆積されるように、電圧信号が吐出ヘッドに印加される。各ヘッドの吐出率は、ノズルの個数、ノズルの種類、および印加電圧の信号レート（周波数）に依存する。そのような吐出ヘッドは、立体自由造形の当業者には知られている。

吐出ノズルまたはノズルアレイの総数は、吐出ノズルの半数が支持体材料配合物を吐出するように設計され、かつ吐出ノズルの半数が造形用材料配合物を吐出するように設計され、すなわち造形用材料配合物を噴出するノズルの個数が支持体材料配合物を噴出するノズルの個数と同数になるように、選択されることが好ましいが、必須ではない。図１Ａの代表的実施例には４つの吐出ヘッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄが示される。ヘッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄの各々がノズルアレイを有する。この実施例では、ヘッド１６ａおよび１６ｂは造形用材料配合物用に設計することができ、ヘッド１６ｃおよび１６ｄは支持体材料配合物用に設計することができる。こうして、ヘッド１６ａは第１造形用材料配合物を吐出することができ、ヘッド１６ｂは第２造形用材料配合物を吐出することができ、ヘッド１６ｃおよび１６ｄは両方とも支持体材料配合物を吐出することができる。代替的実施形態では、例えばヘッド１６ｃおよび１６ｄは、支持体材料配合物を吐出するための２つのノズルアレイを有する単一のヘッドに組み合わされてよい。さらなる代替実施形態では、いずれの一つ以上の印刷ヘッドも一つより多い材料配合物を吐出するための一つより多いノズルアレイ、例えば二つの異なる造形用材料配合物又は一つの造形用材料配合物又は一つの支持体材料配合物を吐出するための二つのノズルアレイであって、各配合物が異なるアレイ又は個数のノズルを介するものを持つことができる。

それにも関わらず、それは本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、造形用材料配合物吐出ヘッド（造形用ヘッド）の個数および支持体材料配合物吐出ヘッド（支持体用ヘッド）の個数は異なってもよいことを理解されたい。一般的に、造形用ヘッドの個数、支持体用ヘッドの個数、およびそれぞれのヘッドまたはヘッドアレイの各々におけるノズルの個数は、支持体材料配合物の最大吐出率と造形用材料配合物の最大吐出率との間に所定の比率αがもたらされるように選択される。所定の比率αの値は、形成される各層における造形用材料配合物の高さが支持体材料配合物の高さに等しいことを確実にするように選択されることが好ましい。αの典型値は約０．６～約１．５である。

本明細書中で使用される用語「約」は、±１０％を示す。

例えばα＝１の場合、全ての造形用ヘッドおよび支持体用ヘッドが作動しているときに、支持体材料配合物の総吐出率は造形用材料配合物の総吐出率と略同一である。

好適な実施形態では、ノズルｐ個のアレイｍ個を各々有する造形用ヘッドＭ個、およびノズルｑ個のアレイｓ個を各々有する支持体用ヘッドＳ個が存在するので、Ｍ×ｍ×ｐ＝Ｓ×ｓ×ｑとなる。Ｍ×ｍ個の造形用アレイおよびＳ×ｓ個の支持体用アレイの各々は、別個の物理ユニットとして製造することができ、それをアレイ群に組み立てたり、そこから分解したりすることができる。この実施形態では、そのようなアレイの各々は、任意選択的にかつ好ましくは、それ自体の温度制御ユニットおよび材料配合物レベルセンサを含み、かつその動作のために個々に制御された電圧を受け取る。

装置１１４は、凝固装置３２４をさらに含むことができ、それは、堆積された材料配合物を硬化させる光、熱などを放出するように構成された任意の装置を含むことができる。例えば凝固装置３２４は、１つ以上の放射源を含むことができ、それは、使用される造形用材料配合物に応じて、例えば紫外線もしくは可視光もしくは赤外線ランプ、または他の電磁放射源、または電子ビーム源とすることができる。本発明の一部の実施形態では、凝固装置３２４は、造形用材料配合物を硬化または凝固させるように働く。

吐出ヘッドおよび放射源は、作業面として働くトレイ３６０上を往復運動するように動作することが好ましいフレームまたはブロック１２８に取り付けられることが好ましい。本発明の一部の実施形態では、放射源は、吐出ヘッドによって吐出されたばかりの材料配合物を少なくとも部分的に硬化または凝固するために、放射源が吐出ヘッドの後に追従するようにブロックに取り付けられる。トレイ３６０は水平に配置される。一般的な取決めに従って、Ｘ‐Ｙ‐Ｚデカルト座標系はＸ‐Ｙ面がトレイ３６０と平行になるように選択される。トレイ３６０は、垂直方向に（Ｚ方向に沿って）、通常は下方に移動するように構成されることが好ましい。本発明の様々な例示的実施形態では、装置１１４は、１つ以上のレベリング装置１３２、例えばローラ３２６をさらに備える。レベリング装置３２６は、新たに形成された層の厚さを、その上に次の層が形成される前に矯正し、平準化し、かつ／または確立するように働く。レベリング装置３２６は、レベリング中に発生した余分な材料配合物を回収するために、廃棄物回収装置１３６を含むことが好ましい。廃棄物回収装置１３６は、廃棄物タンクまたは廃棄物カートリッジに材料配合物を送達する何らかの機構を含んでよい。廃棄物回収については後でさらに詳述する。

使用中に、ユニット１６の吐出ヘッドは、本書ではＸ方向と呼ぶ走査方向に移動し、それらがトレイ３６０上を通過する過程で所定の構成に構築材料配合物を選択的に吐出する。構築材料は通常、１種類以上の支持体材料配合物および１種類以上の造形用材料配合物を含む。ユニット１６の吐出ヘッドの通過に続いて、放射源１２６による造形用材料配合物の硬化が行われる。堆積されたばかりの層のためのヘッドの出発点に戻るヘッドの逆方向の通過中に、所定の構成に従って構築材料配合物の追加吐出が実行されてよい。吐出ヘッドの順方向または逆方向の通過中に、こうして形成された層は、レベリング装置の順方向および／または逆方向の移動中に好ましくは吐出ヘッドの経路に従うレベリング装置３２６によって矯正される。吐出ヘッドがＸ方向に沿ってそれらの出発点に戻ると、吐出ヘッドは、本書ではＹ方向と呼ぶ割出し方向に沿って別の位置に移動し、Ｘ方向に沿った往復運動によって同じ層を構築し続けてよい。代替的に、吐出ヘッドは、順方向および逆方向の移動の間に、または２回以上の順方向‐逆方向移動の後に、Ｙ方向に移動してよい。単一の層を完成させるために吐出ヘッドによって実行される一連の走査は、本書で単一走査サイクルと呼ばれる。

層が完成すると、次に印刷される層の所望の厚さに応じて、トレイ３６０は、Ｚ方向に所定のＺレベルまで下降する。この手順は、三次元物体１１２が層毎に形成されるように繰り返される。

別の実施形態では、トレイ３６０は、層内で、ユニット１６の吐出ヘッドの順方向および逆方向の通過の間に、Ｚ方向に変位されてよい。そのようなＺ変位は、レベリング装置を１方向に表面と接触させ、かつ他の方向の接触を防止するために実行される。

システム１１０は、任意選択的にかつ好ましくは、構築材料配合物容器またはカートリッジを含みかつ複数の構築材料配合物を製造装置１１４に供給する構築材料配合物供給システム３３０を備える。

制御ユニット３４０は、製造装置１１４および任意選択的にかつ好ましくは供給システム３３０をも制御する。制御ユニット３４０は通常、制御動作を実行するように構成された電子回路を含む。制御ユニット３４０は、コンピュータ物体データ、例えば標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）フォーマットなどの形式でコンピュータ可読媒体に表されたＣＡＤ構成に基づいて、製作命令に関するデジタルデータを送信するデータプロセッサ１５４と通信することが好ましい。通常、制御ユニット３４０は、各吐出ヘッドまたはノズルアレイに印加される電圧、およびそれぞれの印刷ヘッドの構築材料配合物の温度を制御する。

製造データが制御ユニット３４０にロードされると、制御ユニットは、ユーザの介入なしに動作することができる。一部の実施形態では、制御ユニット３４０は、例えばデータプロセッサ１５４を用いて、あるいはユニット３４０と通信するユーザインタフェース１１６を用いて、オペレータから追加の入力を受信する。ユーザインタフェース１１６は、例えばキーボード、タッチスクリーンなど、しかしそれらに限らず、当業界で公知の任意の種類とすることができる。例えば制御ユニット３４０は、追加の入力として、１つ以上の構築材料配合物の種類および／または属性、例えば色、特性歪み、および／または転移温度、粘度、電気特性、磁気特性などを受信することができるが、それらに限定されない。他の属性および属性群も考えられる。

本発明の一部の実施形態に係る物体のＡＭに適したシステム１０の別の代表的かつ非限定的実施例を図１Ｂ～図１Ｄに示す。図１Ｂ～図１Ｄは、システム１０の上面図（図１Ｂ）、側面図（図１Ｃ）、および等角図（図１Ｄ）を示す。

本実施形態では、システム１０は、トレイ１２と、各々が複数の分離したノズルを有する複数のインクジェット印刷ヘッド１６とを備える。トレイ１２は、円板の形状を有することができ、あるいは環状とすることができる。垂直軸線を中心に回転することができることを前提として、非円形の形状も考えられる。

トレイ１２およびヘッド１６は、任意選択的にかつ好ましくは、トレイ１２とヘッド１６との間の相対的回転運動ができるように取り付けられる。これは、（ｉ）トレイ１２がヘッド１６に対して垂直軸線１４を中心に回転するようにトレイを構成することによって、（ｉｉ）ヘッド１６がトレイ１２に対して垂直軸線１４を中心に回転するようにヘッドを構成することによって、または（ｉｉｉ）トレイ１２およびヘッド１６の両方が垂直軸線１４を中心に、しかし異なる回転速度で回転（例えば逆方向に回転）するように構成することによって、達成することができる。以下の実施形態は、トレイが、ヘッド１６に対して垂直軸線１４を中心に回転するように構成された回転トレイである構成（ｉ）を特に重点的に記載するが、本願は構成（ｉｉ）および（ｉｉｉ）をも企図していることを理解されたい。本書に記載する実施形態はいずれも、構成（ｉｉ）および（ｉｉｉ）のいずれかに適用できるように調整することができ、本書に記載する詳細を前提として、そのような調整をどのように行うかが当業者には分かるであろう。

以下の説明では、トレイ１２と平行で軸線１４から外向きの方向を半径方向ｒと呼び、トレイ１２と平行で半径方向ｒに垂直な方向をここでは方位角方向ｊと呼び、トレイ１２に直角な方向をここでは垂直方向ｚと呼ぶ。

本書で使用する用語「半径方向位置」とは、軸線１４から特定の距離にあるトレイ１２上またはトレイ１２より上の位置を指す。この用語が印刷ヘッドに関連して使用される場合、この用語は、軸線１４から特定の距離にあるヘッドの位置を指す。この用語がトレイ１２上の点に関連して使用される場合、この用語は、半径が軸線１４から特定の距離にあってその中心が軸線１４にある円を描く点の軌跡に属する任意の点に対応する。

本書で使用する用語「方位角位置」は、所定の基準点に対して特定の方位角にあるトレイ１２上またはトレイ１２より上の位置を指す。したがって、半径方向位置は、基準点に対して特定の方位角を形成する直線を描く点の軌跡に属する任意の点を指す。

本書で使用する用語「垂直位置」は、特定の点で垂直軸線１４と交差する面全体の位置を指す。

トレイ１２は、三次元印刷のための支持体構造として働く。１つ以上の物体が印刷される作業領域は通常、トレイ１２の総面積より小さいが、必ずしもそうである必要はない。本発明の一部の実施形態では、作業領域は、環状である。作業領域は、符号２６で示される。本発明の一部の実施形態では、トレイ１２は、物体の形成中ずっと、同一方向に連続的に回転し、本発明の一部の実施形態では、トレイは、物体の形成中に少なくとも１回（例えば振動するように）回転方向を逆転する。トレイ１２は、任意選択的にかつ好ましくは取外し可能である。トレイ１２の取外しは、システム１０の保守のために、あるいは希望する場合には、新しい物体を印刷する前にトレイを交換するために、行うことができる。本発明の一部の実施形態では、システム１０には１つ以上の異なる交換トレイ（例えば交換トレイのキット）が提供され、２つ以上のトレイが異なる種類の物体（例えば異なる重量）、異なる動作モード（例えば異なる回転速度）等のために設計される。トレイ１２の交換は希望通り手動または自動にすることができる。自動交換が採用された場合、システム１０は、トレイ１２をヘッド１６の下にあるその位置から取り外して、それを交換トレイ（図示せず）と交換するように構成されたトレイ交換装置３６を含む。図１Ｂの代表図では、トレイ交換装置３６は、トレイ１２を引っ張るように構成された可動アーム４０を持つドライブ３８として示されるが、他の種類のトレイ交換装置も考えられる。

印刷ヘッド１６の例示的実施形態を図２Ａ～図２Ｃに示す。これらの実施形態は、システム１１０およびシステム１０を含め、それらに限らず、上述したＡＭシステムのいずれかに採用することができる。

図２Ａ～図２Ｂは、１つ（図２Ａ）および２つ（図２Ｂ）のノズルアレイ２２を持つ印刷ヘッド１６を示す。アレイにおけるノズルは直線に沿って線状に並ぶことが好ましい。特定の印刷ヘッドが２つ以上のリニア・ノズル・アレイを有する実施形態では、ノズルアレイは、任意選択的にかつ好ましくは、相互に平行にすることができる。

システム１１０と同様のシステムが使用される場合、全ての印刷ヘッド１６は、任意選択的にかつ好ましくは、走査方向に沿ったそれらの位置が互いにずらされ、割出し方向に沿って向き付けられる。

システム１０と同様のシステムが使用される場合、全ての印刷ヘッド１６は、任意選択的にかつ好ましくは、それらの方位角位置が互いにずらされ、放射状に（放射方向と平行に）向き付けられる。したがって、これらの実施形態では、異なる印刷ヘッドのノズルアレイは互いに平行ではなく、むしろ互いに角度を成しており、その角度はそれぞれのヘッド間の方位角のずれに略等しい。例えば１つのヘッドは放射状に向き付け、かつ方位角位置ｊ_１に配置することができ、別のヘッドは放射状に向き付け、かつ方位角位置ｊ_２に配置することができる。この実施例では、２つのヘッド間の方位角のずれはｊ_１－ｊ_２であり、２つのヘッドのリニア・ノズル・アレイ間の角度もまたｊ_１－ｊ_２である。

一部の実施形態では、２つ以上の印刷ヘッドを組み立てて、１ブロックの印刷ヘッドにすることができる。その場合、そのブロックの印刷ヘッドは一般的に、互いに平行である。幾つかのインクジェット印刷ヘッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃを含むブロックが図２Ｃに示される。

一部の実施形態では、システム１０は、トレイ１２が支持体構造３０とヘッド１６との間にくるように、ヘッド１６の下に位置する支持体構造３０を含む。支持体構造３０は、インクジェット印刷ヘッド１６が作動している間発生することのあるトレイ１２の振動を防止または低減するように働く。印刷ヘッド１６が軸線１４を中心に回転する構成では、支持体構造３０が常にヘッド１６の真下にくるように（トレイ１２と共にヘッド１６とトレイ１２の間で）支持体構造３０も回転することが好ましい。

トレイ１２および／または印刷ヘッド１６は、任意選択的にかつ好ましくは、トレイ１２と印刷ヘッド１６との間の垂直距離が変動するように垂直方向ｚに沿って垂直軸線１４と平行に移動するように構成される。トレイ１２を垂直方向に沿って移動させることによって垂直距離が変動する構成では、支持体構造３０もトレイ１２と共に垂直方向に移動することが好ましい。トレイ１２の垂直位置は固定されたままで、垂直距離がヘッド１６によって垂直方向に沿って変動する構成では、支持体構造３０もまた固定垂直位置に維持される。

垂直移動は、垂直ドライブ２８によって確立することができる。ある層が完成すると、次に印刷される層の所望の厚さに応じて所定の垂直間隔だけ、トレイ１２とヘッド１６との間の垂直距離を増大させることができる（例えばヘッド１６に対してトレイ１２を下降させる）。この手順は、三次元物体１１２が層毎に形成されるように繰り返される。

インクジェット印刷ヘッド１６の向き、および任意選択的にかつ好ましくは、システム１０の１つ以上の他の構成部品の向き、例えばトレイ１２の移動の向きも、コントローラ２０によって制御される。コントローラは、電子回路および回路によって読出し可能な不揮発性記憶媒体を有することができ、記憶媒体は、回路によって読み出されたときに、以下でさらに詳述するように制御動作を回路に実行させるプログラム命令を格納する。

コントローラ２０はまた、例えば標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）またはステレオリソグラフィ輪郭（ＳＬＣ）フォーマット、仮想現実モデリング言語（ＶＲＭＬ）、付加製造ファイル（ＡＭＦ）フォーマット、図面交換フォーマット（ＤＸＦ）、ポリゴン・ファイル・フォーマット（ＰＬＹ）、またはコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）に適したいずれかの他のフォーマットの形のコンピュータ物体データに基づいて、製作命令に関するデジタルデータを送信するホストコンピュータ２４と通信することもできる。物体データフォーマットは一般的に、デカルト座標系に従って構成される。このような場合、コンピュータ２４は、コンピュータ物体データにおける各スライスの座標をデカルト座標系から極座標系に変換するための手順を実行することが好ましい。コンピュータ２４は、任意選択的にかつ好ましくは、変換された座標系で製作命令を送信する。代替的に、コンピュータ２４は、コンピュータ物体データによって提供された元の座標系で、製作命令を送信することができ、その場合、座標の変換はコントローラ２０の回路によって実行される。

座標の変換は、回転トレイ上の三次元印刷を可能にする。従来の三次元印刷では、印刷ヘッドは、静止トレイ上を直線に沿って往復運動する。そのような従来のシステムでは、ヘッドの吐出率が均一であることを前提として、印刷解像度はトレイ上のどの点でも同じである。従来の三次元印刷とは異なり、ヘッド点の全てのノズルが同時にトレイ１２全体で同一距離をカバーするわけではない。座標の変換は、任意選択的にかつ好ましくは、異なる半径方向位置における過剰な材料配合物の均等な量が確保されるように実行される。本発明の一部の実施形態に係る座標変換の代表的実施例が、物体の３つのスライスを示す図３Ａ～図３Ｂに提示される（各スライスは物体の異なる層の製作命令に対応する）。図３Ａは、スライスをデカルト座標系で示し、図３Ｂは、座標変換手順がそれぞれのスライスに適用された後の同じスライスを示す。

通常、コントローラ２０は、製作命令に基づき、かつ下述する格納されたプログラム命令に基づいて、システム１０のそれぞれの構成部品に印加される電圧を制御する。

一般的に、コントローラ２０は、トレイ１２の回転中に、トレイ１２上で三次元物体を印刷するために構築材料配合物の液滴を層状に吐出するように、印刷ヘッド１６を制御する。

システム１０は、任意選択的にかつ好ましくは、１つ以上の放射源１８を備え、それは、使用する造形用材料配合物に応じて、例えば紫外線もしくは可視光もしくは赤外線ランプ、または他の電磁放射源、または電子ビーム源とすることができる。放射源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、デジタル・ライト・プロセシング（ＤＬＰ）システム、抵抗ランプ等をはじめ、それらに限らず、任意の種類の放射線放出素子を含むことができる。放射源１８は、造形用材料配合物を硬化または凝固させるように働く。本発明の様々な例示的実施形態では、放射源１８の動作はコントローラ２０によって制御され、それは、放射源１８を作動させたり停止させたりすることができ、かつ任意選択的に放射源１８によって発生する放射線の量も制御することができる。

本発明の一部の実施形態では、システム１０は、ローラまたはブレードとして製造することのできる１つ以上のレベリング装置３２をさらに備える。レベリング装置３２は、新たに形成された層を、次の層がその上に形成される前に矯正するのに役立つ。一部の実施形態では、レベリング装置３２は、円錐ローラの形状を有し、その対称軸線３４がトレイ１２の表面に対して傾斜し、かつその表面がトレイの表面と平行になるように配置される。この実施形態をシステム１０の側面図に示す（図１Ｃ）。

円錐ローラは、円錐または円錐台の形状を有することができる。

円錐ローラの開き角は、その軸線３４に沿った任意の位置における円錐の半径と、その位置と軸線１４との間の距離との比率が一定になるように選択されることが好ましい。ローラが回転する間、ローラの表面上の点ｐはどれも、点ｐの鉛直下方に位置する点のトレイの線速度に比例する（例えば同一の）線速度を有するので、この実施形態は、ローラ３２が層を効率的に平準化することを可能にする。一部の実施形態では、ローラは高さｈ、軸線１４から最も近い距離位置における半径Ｒ_１、および軸線１４から最も遠い距離位置における半径Ｒ_２を有する円錐台の形状を有する。ここでパラメータｈ、Ｒ_１、およびＲ_２は、Ｒ_１／Ｒ_２＝（Ｒ－ｈ）／ｈの関係を満たし、ここでＲは軸線１４からのローラの最遠距離である（例えばＲはトレイ１２の半径とすることができる）。

レベリング装置３２の動作は、任意選択的にかつ好ましくは、コントローラ２０によって制御される。コントローラは、レベリング装置３２を作動させたり停止させたりすることができ、かつ任意選択的に、垂直方向（軸線１４と平行）に沿ったその位置、および／または放射方向（トレイ１２と平行に、軸線１４に近づくかまたはそれから離れる方向）に沿ったその位置をも制御することができる。

本発明の一部の実施形態では、印刷ヘッド１６は、径方向ｒに沿ってトレイに対して往復運動するように構成される。これらの実施形態は、ヘッド１６のノズルアレイ２２の長さがトレイ１２上の作業領域２６の径方向に沿った幅より短いときに、有用である。径方向に沿ったヘッド１６の運動は、任意選択的にかつ好ましくはコントローラ２０によって制御される。

一部の実施形態は、異なる吐出ヘッドから異なる材料配合物を吐出することによって物体を製作することを企図している。これらの実施形態は、とりわけ、所与の数の材料配合物から材料配合物を選択し、かつ選択された材料配合物およびそれらの性質の所望の組合せを画定する能力を提供する。本実施形態によれば、異なる材料配合物による異なる三次元空間位置の占有を達成するか、あるいは２つ以上の異なる材料配合物による略同一の三次元位置または隣接する三次元位置の占有を達成するように、層における各材料配合物の堆積の空間位置が画定され、層内の材料配合物の堆積後の空間的組合せが可能になり、それによってそれぞれの位置（単数または複数）で複合材料配合物を形成することが可能になる。

造形用材料配合物の任意の堆積後の組合せまたは混合が企図される。例えば特定の材料配合物が吐出された後、それはその元の性質を維持することができる。しかし、別の造形用材料配合物または他の吐出材料配合物と同時に、同じ位置あるいは近傍位置で吐出された場合、吐出された材料配合物とは異なる性質を有する複合材料配合物が形成される。

こうして本実施形態は、広範囲の材料配合物の組合せの堆積を可能にし、かつ物体の各部分を特徴付けるために望ましい特性に応じて、物体の異なる部分を複数の異なる材料配合物の組合せから構成することのできる物体の製作を可能にする。

本実施形態に適したＡＭシステムの原理および動作のさらなる詳細は米国公開出願第２０１００１９１３６０号に見られ、その内容を参照によって本書に援用する。

図４を参照すると、それは、本発明の実施形態の簡略化した概略図である。３Ｄ物体は、構築トレイ又は印刷トレイ３６０又は１２の上に印刷される。トレイは、物体にとって望ましい表面特性を有するように選択されるベース表面２０２をライニングされる。ベース表面２０２は、例えば両面接着剤のような接着剤を使用してトレイに取り付けられることができる。物体２０４の第一層は、次いでベース表面の上に印刷される。層２０４の底部は、次いでベース物質の表面特性を呈し、一般的には、印刷プロセスが完了し、物体が逆転された後に物体の上側表面を形成するだろう。追加の物体層２０６、２０８などは、次いで第一物体層の上に印刷される。いったん印刷されたら、物体は、印刷された第一層が物体の外側に面する表面又は上側に面する表面を与えるように回転又は逆転されることができる。

図５を参照すると、それは、印刷されたベース表面のインプリント（ｉｍｐｒｉｎｔ）であることによって得られた予め決められた表面品質（この場合においてガラス状品質）を有する表面を持つ３Ｄ印刷物体２２２に埋め込まれた電子構成要素２２０の一例を示す拡大写真画像である。さらに、本発明の一部の実施形態は、物体２２２を印刷しながら電子構成要素２２０（及びその電気端子２２４ａ及び２２４ｂ）の可視表面の下に浸透しかつその上に分散する造形用材料配合物２２３の量を有意に減少する。

より一般的には、表面品質は、テクスチャー、表面粗さ、平滑性（ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ）、又は図５のようなガラス状平滑性のいずれかであることができる。

用語「ガラス状」は、ガラステクスチャーの外観及び感触を有する平滑な表面を示す。

ベース表面のために好適な物質は、ガラス、ポリイミド、陽極酸化アルミニウム、及びポリカーボネートを含む。図５に示された実験では、ベース表面の物質は、ポリカーボネートであった。

図６を参照すると、それは、ポリカーボネートがベース表面として使用されるときの実験結果を示す。挿入図で示されているように、ノズル２４０は、造形用材料配合物の液滴をポリカーボネート表面２４２の方に噴射する。液滴は、ポリカーボネート２４２の上に着地し、形状２４４を呈する。表面張力は、ポリカーボネートの上の液滴の広がりに影響し、低い表面張力は、液滴が、表面の品質を呈して表面の上に広がり、落ち着くことを可能にする。グラフ２４６は、液滴がポリカーボネートの上に着地した後の経時的な接触角度を示す。グラフは、室温で実施された試験に関するが、接触角度は、印刷チャンバーの内側の温度を変動することによって操作されることができることに注意すべきである。接触角度は、ベース表面と印刷材料の相互作用に依存する。

３Ｄ印刷のための一般的な材料は、感光性ポリマーを含む。本発明の実施形態に使用するための例示的な感光性ポリマーは、ＲＧＤ５３１（商品名）（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ Ｌｔｄ．，イスラエル）のような硬質不透明感光性ポリマーである。

一部の実施形態では、物体は、７０℃以上のＴｇによって特徴づけられる第一タイプの材料に属する材料、及び約４０℃～約７０℃のＴｇによって特徴づけられる第二タイプの材料に属する材料の両方を堆積することによって製作される。この実施形態は、一つ以上の電子構成要素が埋め込まれる物体を製作するために特に有利である。第一タイプの材料に属する材料は、任意選択的にかつ好ましくは、物体の外部層に、好ましくは一つ以上の電子構成要素が配置されうる物体の外部領域又は表面に堆積されることが好ましい。これは、この表面の熱安定性を改良し、しばしば高温を要求するプロセスである表面（任意選択的）の上の導電性材料又はラインの堆積を容易にする。しかし、相対的に高いＴｇを有する材料を使用して製作された物体は、カーリングのような幾何学的な歪を受ける傾向を持つので、第一タイプの材料と組み合わせて第二タイプの材料を使用し、かかる歪の可能性を減少する。典型的には、第二タイプの材料に属する材料は、物品の内部領域、及び電子構成要素を含まない外部領域に堆積される。

本発明の一部の実施形態では、第一タイプの材料に属する材料は、例えば特定の表面張力、金属接着促進剤又は他の官能基、及び特定の熱伝導性を有する、導電体製作プロセスとの適合性を改良しうる他の物理化学特性を持つ。

本明細書全体を通して「Ｔｇ」は、Ｅ′′曲線の極大値の位置として規定されたガラス転移温度を示し、Ｅ′′は、温度の関数として材料の損失弾性率である。

広く言うと、温度がＴｇ温度を含む温度の範囲内で上昇するにつれて、材料（特にポリマー材料）の状態がガラス状態からゴム状態に徐々に変化する。

本明細書において「Ｔｇ範囲」は、Ｅ′′値が上で規定されたＴｇ温度でのその値の少なくとも半分である（例えば、その値までであることができる）温度範囲である。

使用において、物体は、例えば規定される表面品質が付与される表面を上側又は外側に面するように配向されることができる。即ち、一般的に、規定された表面品質は、それが使用されることになるときの物体の主要な表面に対するものである。

図７を参照すると、それは、本実施形態に従って作られた例示的な製品２５０を示す。３Ｄ構造は、一体化された電子構成要素の間の導電性インクラインの印刷又は配置のようなさらなる後処理を可能にするために、ガラス状平滑性を有する表面２５４を持つ印刷物体（例えばプラスチック板）に一体化される、機能的な電気端子２２４（例えば造形用材料配合物によってカバーされない）を有する電子構成要素２５２を含む。電子構成要素は、最初に手で又は専用自動化システム（例えばロボット（単数又は複数））によって、印刷トレイ３６０又は１２に取り付けられるベース表面の上に配置され、次いで一つ以上の印刷材料が、電子構成要素のまわりにかつその上に層状に選択的に噴射される。印刷後、物体は、印刷トレイから除去され、電子構成要素を含むガラス状側は、使用のために必要により配向、例えば逆転される。

図８Ａ及び８Ｂを参照すると、それらは、例えばシステム１１０又は１０を使用する、ベース表面の上の、図７に示されるような製品の製造を示す簡略概略図である。印刷トレイ３６０又は１２は、ベース表面２６２を有し、保持し、又はそれによってカバーされる。ベース表面は、印刷時に物体の下側に面する表面に付与することを望む表面特性（例えばガラス状）を有する。本発明の一部の実施形態では、ベース表面２６２の物質は、ポリカーボネートを含み、本発明の一部の実施形態では、物質は、ポリカーボネートである。一部の実施形態では、印刷トレイ３６０又は１２は、ポリカーボネート板であることができる。ベース表面は、フィルム、例えばポリカーボネートフィルムを含むことができ、又はフィルム、例えばポリカーボネートフィルムによってカバー又は被覆されることができる。電子構成要素２６６は、ベース表面２６２、又はベース表面２６２の上のフィルム（図示せず）の上に（例えば手で又はロボットアーム２６４によって）配置される。フィルムは、一般的に０．１ｍｍ未満の厚さを有する。電子構成要素２６６は、任意選択的に、不意の動きを避けるためにグルー又はワックスのような限定されない接着剤によってベース表面又はフィルムに固定されることができる。

本発明の実施形態では、電子構成要素は、３Ｄ印刷システムの印刷チャンバー内のベース表面又はフィルムの上に配置される。

あるいは、電子構成要素は、印刷チャンバーの外側のベース表面又はフィルムの上に配置され、次いで印刷チャンバーの中にベース表面又はフィルムと共に移動させてもよい。この方法は、印刷システムが除去可能なトレイを含むときに容易に行なうことができる。その場合において、ベース表面又はフィルムは、印刷チャンバーの外側のトレイの上に配置されることができ、電子構成要素は、トレイがチャンバーの外側にまだある間にベース表面又はフィルムの上に配置されることができる。その後、トレイは、ベース表面又はフィルム及び電子構成要素とともに、印刷チャンバー内に戻すように導入されることができる。

第一層（図示せず；図４の２０４を参照）は、次いで電子構成要素２６６のまわりで、ベース２６２又はフィルムの上に選択的に噴射する材料によって印刷される。インクジェット印刷ヘッドのＺ開始位置は、最も高い電子構成要素より高くなるように校正される。選択的に噴射された材料のさらなる層は、３Ｄ物体が印刷されるまで電子構成要素２６６のまわりに、続いてその上に堆積される。好ましくは、ローラー３２６又は３２は、電子構成要素２６６に損傷を起こさないように、少なくとも最も大きい電子構成要素の上に（Ｚ方向に）堆積された第一層の高さまで、最初に、例えば最初の二、三の層の堆積中、不活性化される。

一部の実施形態では、３Ｄ印刷システム（例えばシステム１０又は１１０）によって使用されるコンピューター物体データはまた、電子構成要素２６６の位置に関するデータ（好ましくは３Ｄデータ）を含む。コンピューター物体データは、例えばデータファイルのアセンブリを含むことができ、そこでは一つ以上のデータファイルは、印刷される物体を記述し、一つ以上のデータファイルは、ベース表面又はフィルムの上に配置され、その後印刷物体と一体化される電子構成要素の位置を記述する。データファイルは、上述の既知のフォーマットのいずれかであることができる。

任意選択的に、３Ｄ印刷システムによる材料堆積は、最初に、電子構成要素２６６を含有しない領域にのみターゲットとされる。特に、電子構成要素２６６が埋め込まれる３Ｄ物体の部分において堆積される層は、電子構成要素２６６の位置に間隙を伴なって形成される。例えば各堆積層（硬化後）の厚さが約０．０３ｍｍであり、個々の電子構成要素の高さが約０．２１ｍｍであることを考えてみて下さい。この場合において、７つの層が、個々の電子構成要素の位置に間隙を伴なって堆積される。各間隙の横方向寸法は、一般的に約０．０５ｍｍ～約０．２ｍｍの余裕を持って、それぞれの層の鉛直方向位置の電子構成要素の水平方向の断面の横方向寸法と同じである。

いったん材料の蓄積された層の高さが最も高い電子構成要素の高さを越えると、ローラー３２６又は３２は、例えば各層から過剰材料を除去することによって各追加層を平滑にするために始動されることができる。電子構成要素の電気コネクターは、印刷されたばかりの３Ｄ物体の下側に面する表面の上で明らかである。印刷された物体は、逆転され、後処理、例えば電気構成要素の間の導電線の印刷が開始されることができる。

電子構成要素２６６の配置は、各電子構成要素２６６が三次元印刷システムの平面座標系（Ｘ－Ｙ又はｒ－φ）に従って規定される予め決められた水平方向位置で配置されることを確実にする見当合わせ（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）手順によって任意選択的に行なわれる。一般的に、見当合わせの手順は、マークによってベース表面又はフィルムの上に予め決められた水平方向位置をマークすることを含み、そこではその位置は、三次元印刷システムの座標系に相当する。電子構成要素２６６の水平方向位置をマークするために好適なマーク２６８の代表例は、図８Ｂに示され、それは、ベース表面２６２（又はフィルム、かかるフィルムが使用される実施形態において）の平面図である。マーク２６８は、例えばマークの位置に構成要素２６６を配置するために、ロボットアーム２６４によって使用される。マークは、任意選択的に、各電子構成要素に特定のマークを示すようにラベル付けされることができる。マークは、一時的なものであってもよく、それは、限定されないが、トレイの上の色又は形状マーカー、ベース表面の上に配置又は画定されるレール、ピン又は穴を含むことができる。

マーク２６８は、本発明の一部の実施形態では、ベース表面又はフィルムの上の印刷システムによって印刷されることができる。マークが印刷マークであるとき、見当合わせの手順は、任意選択的にかつ好ましくは構築物製造段階を含み、そこでは印刷システムは、電子構成要素が配置される位置にマークを印刷する。印刷されるマークの位置は、（例えばトレイによって係合される面の上に３Ｄデータを投影することによって）電子構成要素の位置に関するコンピューター物体データから抽出されることができる。

本発明の一部の実施形態では、印刷システム（例えばシステム１０又は１１０）は、マーク２６８を識別するために構成された、光学感知システム（例えば画像プロセッサー又は光学スキャナーなどを追加されたカメラ）のような限定されない感知システム２７０を含む。印刷システムのコントローラー（例えばコントローラー１５２又はコントローラー２０）は、感知システム２７０からマークの位置の座標を受けとり、ロボットアーム２６４を各位置に移動させ、そこでそれぞれの構成要素を配置させるように制御することができる。

感知システム２７０からの座標はまた、３Ｄ物体の層が上でさらに詳述したように電子構成要素のまわりに、次にその上に配置されることを確実にするためにコントローラーによって使用されることができる。マークが３Ｄ印刷システムによって印刷される場合には、印刷プロセスの目的のために感知システム２７０から座標を受ける必要がない。なぜならこれらの座標は、マークを印刷するための３Ｄ印刷システムによって使用され、一般的に３Ｄ印刷システムのメモリーに既に記憶されているからである。

感知システムが、電子構成要素が配置された後に活性化され、構成要素及びそれらのそれぞれの位置を３Ｄ印刷システムの座標系で表わして識別するために使用される実施形態も考えられる。かかる識別の利点は、それが電子構成要素の位置のエラー（例えば構成要素の配置中又は配置後の構成要素の動きによって起こる）を検出することを可能にすることである。

従って、本発明の一部の実施形態では、コンピューター又はコントローラーは、感知システムから構成要素の座標を受けとり、それらをコンピューター物体データ中の位置と比較する。感知システムから受けた座標とコンピューター物体データにおける位置の間のミスマッチが検出されると、コントローラーは、例えばユーザーインターフェース１１６を使用して、警告信号（例えばエラーメッセージ）を発し、操作者がエラーを訂正する行動をとるか、もしミスマッチが許容可能な範囲内であるなら製作を継続するか、又はプロセスを停止することが可能である。

本発明の一部の実施形態では、製作される物体のコンピューター物体データは、任意選択的にかつ好ましくは、感知システムから受けた座標に基づいてコンピューター（例えばコンピューター２４又は１５４）によって調整される。一般的には、コンピューター物体データは、感知システムから受けた座標とコンピューター物体データにおける位置の間のミスマッチが検出されるときに調整される。かかる場合において、コンピューター物体データは、ミスマッチを少なくとも部分的に補償する量又は程度でデータをシフト及び／又は回転するように調整される。コンピューター物体データ調整は、限定されないが、電子構成要素の位置の間隙を維持する層の数の調整、及び各層における間隙の位置及び／又は横方向の寸法及び／又は配向の調整を含むことができる。ミスマッチが一つより多い電子構成要素に対して検出されるとき、コンピューター物体データは、全ての検出されたミスマッチの組み合わせを記述する目的関数を最小にするように調整されることが好ましい。

図９を参照すると、それは、本実施形態による３Ｄプリンターの印刷トレイ又は構築トレイ３６０又は１２を示す。構築トレイ３６０又は１２の上に、ガラス状テクスチャーを有するポリカーボネート物質の層、板、及び／又はフィルムが、物体が印刷されることができるベース２７２を与えるために取り付けられる。

図１０Ａ及び１０Ｂを参照すると、それらは、印刷トレイの上に印刷される物体のレイアウトを示す簡略図である。印刷トレイの上に一緒に適合しうる複数の物体に対して、複数の物体を同時に、即ち同じ印刷プロセスで印刷するために単一のベースが使用されることができる。図１０Ａは、単一物体２８２が印刷される印刷トレイ３６０又は１２の平面図である。図１０Ｂは、２０個の物体が同じベースの上に印刷される同じ印刷トレイを示す。

図１１を参照すると、それは、３Ｄ印刷物体の少なくとも一つの表面の上で予め決められた表面品質を達成するための３Ｄ印刷の例示的な方法２９０を示す簡略フロー図である。この方法は、希望の表面品質及び表面エネルギー／毛管品質を有するベース表面でトレイ表面又はその一部をカバー又はライニング（ｌｉｎｉｎｇ）すること２９２を含む。物質は、平滑性、粗さ、ガラス質などの表面、例えば印刷される物体の上部表面によって示されることが望ましい表面品質又はテクスチャー、及び／又は表面エネルギー、毛管力などの希望の表面品質に従って選択されることができる。

物体は、次いで、規定される物体表面が選択されたベース表面に面しているように、即ち物体の下側に面する最初の層がベースの上に形成され、かつベース表面のベース表面品質、特性、テクスチャー又はインプリントが最初に印刷された層に付与されるように、印刷される２９４。

物体は、次いで、除去されて、ベース表面から表面テクスチャーを獲得した物体表面を表わす２９６。一般的には、必須ではないが、最初に印刷された層の表面は、物体の主要面、例えば上部表面又は見える表面又は使用される表面として使用されるか又は示される。

一般的に、希望の物体表面は、物体の最初の層が印刷される物質のネガとして出現する。即ち、印刷のためのベースを形成する表面のネガとして出現する。従って、もし望ましい表面品質が例えばガラスグレードの平滑性であるなら、３Ｄ物体の印刷は、ガラス状表面テクスチャーを有するベースの上で開始されることができる。もし望まれる品質が粗さであるなら、そのとき粗い表面を有するベースが与えられ、最初に印刷された物体表面に粗さが付与される。

この方法では、印刷時の３Ｄ物体の下側に面する側の表面品質は、場合に応じてガラス状になるか又は粗いだろう。即ち、印刷される最初の層の表面は、ガラス又は粗いなどのベース表面のネガである。

本出願から成熟する特許の存続期間の期間中には、３Ｄ印刷又は付加製造及び印刷インク又は噴射材料及び潜在的なベース表面又は物質及び好適な表面テクスチャーの多くの関連する形態が開発されることが予想され、対応する用語の範囲は、すべてのそのような新しい技術を先験的に包含することが意図される。

用語「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、「含み、それらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、主張される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。

本明細書中で使用される場合、単数形態（「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」）は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照物を包含する。

明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴が、単一の実施形態に組み合わせて提供されることもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで、あるいは本発明の他の記載される実施形態において好適なように提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。

本発明はその特定の実施態様によって説明してきたが、多くの別法、変更および変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更および変形すべてを包含するものである。

本明細書で挙げた刊行物、特許および特許出願はすべて、個々の刊行物、特許および特許出願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用または確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。節の見出しが使用されている程度まで、それらは必ずしも限定であると解釈されるべきではない。

Claims (21)

1. ３Ｄ印刷物体の上部表面の上に予め決められた表面品質を達成するように３Ｄ印刷する方法であって、
   前記予め決められた表面品質を有するベース表面を選択すること；及び
   前記予め決められた表面品質が前記印刷中に前記３Ｄ印刷物体の上部表面に付与されるように、前記ベース表面の上に前記３Ｄ印刷物体の層を逆転された順序で印刷して、前記３Ｄ印刷物体を下方に面する配向で構築すること
   を含む方法。
2. 前記予め決められた表面品質が、テクスチャー、表面粗さ、表面平滑性、及び表面ガラス質からなる群の一つを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ベース表面が、ガラス、ポリイミド、陽極酸化アルミニウム、及びポリカーボネートからなる群の一つを含む、請求項１～２のいずれかに記載の方法。
4. 前記印刷することが、硬質不透明感光性ポリマーを使用して行われる、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
5. 前記印刷することが、７０℃以上のＴｇによって特徴づけられる第一タイプの材料に属する材料、及び約４０℃～約７０℃のＴｇによって特徴づけられる第二タイプの材料に属する材料の両方を堆積することを含む、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
6. 前記予め決められた表面品質を有しかつ前記ベース表面の上に印刷された前記上部表面が、上側に面するように、印刷後に前記３Ｄ印刷物体を再配向することを含む、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ベース表面の上の予め決められた位置に電子構成要素を配置し、前記電子構成要素のまわりにかつその上に前記３Ｄ印刷物体を層状に印刷し、前記電子構成要素が前記３Ｄ印刷物体に一体化され、前記上部表面が、電子構成要素を包囲することを含む、請求項１～６のいずれかに記載の方法。
8. 前記配置の前に前記ベース表面の上に前記予め決められた位置をマークすることを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記予め決められた位置をマークすることは、前記予め決められた位置に、印刷されたマークを印刷することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記配置が、ロボットアームによる、請求項７又は８に記載の方法。
11. 前記配置が、ロボットアームによる、請求項９に記載の方法。
12. 感知システムを使用して前記マークの位置を識別し、前記マークに前記電子構成要素を配置するために前記識別に基づいて前記ロボットアームを操作することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 感知システムを使用して、前記配置の後に、前記電子構成要素の位置を識別し、前記識別された位置を前記予め決められた位置と比較し、前記識別された位置と前記予め決められた位置の間のミスマッチが予め決められたしきい値より上であるときに警告信号を発することを含む、請求項７～１２のいずれかに記載の方法。
14. 感知システムを使用して、前記配置の後に、前記電子構成要素の位置を識別し、前記識別された位置を前記予め決められた位置と比較し、前記比較に基づいて前記３Ｄ物体を記述するコンピューター物体データを調整することを含む、請求項７～１３のいずれかに記載の方法。
15. 物体の上部表面の上に予め決められた表面品質を有する物体を付加製造するための装置であって、前記装置が、
    構築トレイ；
    物体の層状印刷のための印刷ノズルを含む印刷ヘッド；
    前記構築トレイの上に配置されたベースであって、前記予め決められた表面品質を有する物質を含むベース；及び
    前記予め決められた表面品質が前記印刷中に前記３Ｄ印刷物体の上部表面に付与されるように、前記ベース表面の上に前記３Ｄ印刷物体の層を逆転された順序で印刷して、前記３Ｄ印刷物体を下方に面する配向で構築するように構築されたコントローラー
    を含む、装置。
16. 前記予め決められた表面品質が、テクスチャー、平滑性、粗さ、及びガラス質からなる群の一つである、請求項１５に記載の装置。
17. 前記物質が、ガラス、ポリイミド、陽極酸化アルミニウム、及びポリカーボネートからなる群の一つである、請求項１５又は１６に記載の装置。
18. 前記装置が、前記ベースの上の予め決められた位置に電子構成要素を配置するように構成されたロボットアーム、及び前記電子構成要素のまわりにかつその上に前記層状の印刷を実行するように前記印刷ヘッドを制御するためのコントローラーを含み、前記電子構成要素が、前記３Ｄ印刷物体に一体化され、前記上部表面が、前記電子構成要素を包囲する、請求項１５～１７のいずれかに記載の装置。
19. 前記層状印刷の前に前記ベースの上に配置された電子構成要素の位置を識別するように構成された感知システムを含む、請求項１５～１８のいずれかに記載の装置。
20. 前記識別された位置を予め決められた位置と比較し、前記識別された位置と前記予め決められた位置の間のミスマッチが予め決められたしきい値より上であるときに警告信号を発するように構成されたコントローラーを含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記識別された位置を予め決められた位置と比較し、前記比較に基づいて前記３Ｄ物体を記述するコンピューター物体データを調整するように構成されたコントローラーを含む、請求項１９又は２０に記載の装置。

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