JP6977080B2 - ３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出印刷ヘッドを動作させるシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、３次元物体プリンタにおいて使用される印刷ヘッドおよび押出機に関し、より具体的には、２つ以上のノズルから押出材料を押し出す押出印刷ヘッドに関する。

積層製造として知られる３次元印刷はまた、実質的に任意形状のディジタルモデルから３次元立体物体を製造するプロセスである。多くの３次元印刷技術は、積層製造装置が以前に堆積した層の上部に部品の連続層を形成する積層プロセスを使用する。これらの技術のいくつかは、押出印刷ヘッドが所定のパターンで加熱されて軟化したＡＢＳプラスチックなどの溶融造形材料を放出する押出印刷を使用する。プリンタは、通常、様々な形状および構造の３次元印刷物体を形成する造形材料の連続層を形成するように押出印刷ヘッドを動作させる。３次元印刷物体の各層の印刷中において、押出印刷ヘッドは、３次元印刷物体の他の層を形成するために印刷ヘッドからの押出後に冷却して硬化する造形材料を放出する。３次元印刷は、時には積層製造と称され、切削または孔あけなどの減法プロセスによるワークピースからの材料の除去を大部分はあてにする従来の物体形成技術と区別される。

多くの既存の３次元プリンタは、単一のノズルを介して材料を押し出す単一の印刷ヘッドを使用する。印刷ヘッドは、３次元印刷物体のモデルデータに基づいて３次元印刷物体の支持部材または以前に堆積した層の選択された位置上に造形材料を放出するように所定の経路において移動する。しかしながら、造形材料を放出するために単一のノズルを有する印刷ヘッドを使用すると、大抵の場合、３次元印刷物体を形成するためにかなりの時間を必要とする。さらに、より大きなノズル径を有する印刷ヘッドは、より迅速に３次元印刷物体を形成することができるが、より高度に詳細な物体についての細かい形状に造形材料を放出する能力を失う一方で、より小径のノズルは、細かい詳細な構造を形成することができるが、３次元物体を造形するために多くの時間を必要とする。

プリンタのスループットを向上させかつ高解像度の印刷を提供するために当該技術分野において知られている１つの解決策は、より高いスループットまたはより高精度な動作のために複数の径を有する取り外し可能なノズルを有する単一の印刷ヘッドを含むが、そのような解決策は、ノズルを切り替えるためのユニットを必要とし、造形材料を放出するために依然として単一のノズルを提供する。当該技術分野において知られている他の解決策は、単一のプリンタに複数の独立した印刷ヘッドを組み込む。しかしながら、複数の独立した印刷ヘッドは、プリンタの複雑さを増加させ、各印刷ヘッドは、動作中に別個の造形材料供給部を必要とする。さらにまた、既存の押出印刷ヘッドは、造形材料の押出を開始および停止するためにヒータおよび駆動モータの活性化および非活性化を必要とし、動作中に造形材料を押し出す精度を低下させるかまたは印刷ヘッドが造形材料の異なる配置を形成する速度を低下させる。したがって、３次元物体の形成プロセス中において押出印刷ヘッドを動作させるための押出印刷ヘッドおよび方法の改善が有益であろう。

１つの実施形態において、マルチノズル押出印刷ヘッドを含む３次元物体プリンタを動作させる方法が開発されている。本方法は、３次元印刷物体の１つの層についての画像データを参照して受像面の所定領域の外形に対応する経路に沿った複数のノズルを含む印刷ヘッドと受像面との間の相対移動を発生させるようにアクチュエータをコントローラによって動作させることと、外形に対応する受像面上に押出材料のパターンを押し出すために印刷ヘッドにおける複数のノズルにおける少なくとも１つのノズルをコントローラによって活性化させることと、３次元印刷物体のうちの１つの層についての画像データを参照して外形に対応する押出材料のパターン内のスワスに対応する他の経路における印刷ヘッドと受像面との間の相対移動を発生させるようにアクチュエータをコントローラによって動作させることと、スワスに対応する受像面上に押出材料の他のパターンを同時に押し出すように印刷ヘッドにおける複数のノズルをコントローラによって活性化させることとを含む。

他の実施形態において、マルチノズル押出印刷ヘッドを含む３次元物体プリンタが開発されている。３次元物体プリンタは、支持部材と、３次元物体の少なくとも１つの層を形成するために押出材料を押し出すように構成された複数のノズルを含む印刷ヘッドと、印刷ヘッドと支持部材との間の相対移動を発生させるように構成された少なくとも１つのアクチュエータと、３次元印刷物体についての複数の層に対応する画像データを記憶するように構成されたメモリと、印刷ヘッド、少なくとも１つのアクチュエータおよびメモリ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、３次元印刷物体の１つの層についての画像データを参照して受像面の所定領域の外形に対応する経路に沿った複数のノズルを含む印刷ヘッドと支持部材上に形成された受像面との間の相対移動を発生させるように少なくとも１つのアクチュエータを動作させ、外形に対応する受像面上に押出材料のパターンを押し出すために印刷ヘッドにおける複数のノズルにおける少なくとも１つのノズルを活性化させ、３次元印刷物体の１つの層についての画像データを参照して外形に対応する押出材料のパターン内のスワスに対応する他の経路における印刷ヘッドと受像面との間の相対移動を発生させるように少なくとも１つのアクチュエータを動作させ、スワスに対応する受像面上に押出材料の他のパターンを同時に押し出すように印刷ヘッドにおける複数のノズルを活性化させるように構成されている。

複数のノズルを有する押出印刷ヘッドおよび押出機の上述した態様および他の特徴は、添付図面と関連した以下の詳細な説明において説明される。

図１は、マルチノズル押出印刷ヘッドを含む３次元物体プリンタの図である。 図２Ａは、第１の向きにおけるマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図２Ｂは、第２の向きにおける図２Ａのマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図３は、表面上の領域の周囲に押出材料の外形を形成するマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図４は、表面上の押出材料の外形によって囲まれた領域に押出材料を塗布する図３のマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図５は、２つの同心外形間の第１の距離を有する押出材料の２つの同心外形を形成するマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図６は、２つの同心外形間の第２の距離を有する押出材料の２つの同心外形を形成する図５のマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図７は、他のノズルによって形成された外側湾曲に対応するために１つのノズルによって形成された内側湾曲の構造の直線長さを増加させるために揺動運動によって押出材料の湾曲構造を形成するマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図８は、印刷ヘッドにおける他のノズルによって形成された外側湾曲として同様の密度の押出材料によって内側湾曲を形成するために内側湾曲を形成するノズルの間欠動作を有する押出材料の湾曲した構造を形成するマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図９Ａは、表面上の領域を埋めるように同時に動作するノズルのアレイの第１の部分を有するマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図９Ｂは、２つの線形スワスからのコーナーと押出材料の湾曲スワスとを形成するマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図１０は、表面上の領域を埋めるように同時に動作するノズルのアレイの第２の部分を有する図９Ａのマルチノズル押出印刷ヘッドの図である。 図１１Ａは、３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出機またはマルチノズル印刷ヘッド用の押出材料供給部およびディスペンサの概略図である。 図１１Ｂは、３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出機またはマルチノズル印刷ヘッド用の押出材料供給部およびディスペンサの他の実施形態の概略図である。 図１１Ｃは、３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出機またはマルチノズル印刷ヘッド用の押出材料供給部およびディスペンサの他の実施形態の概略図である。 図１１Ｄは、３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出機またはマルチノズル印刷ヘッド用の押出材料供給部およびディスペンサの他の実施形態の概略図である。 図１２Ａは、３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出機またはマルチノズル印刷ヘッドの異なるノズルに複数の押出材料を供給する押出材料供給部およびディスペンサの概略図である。 図１２Ｂは、３次元物体プリンタにおけるマルチノズル押出機またはマルチノズル印刷ヘッドの異なるノズルに複数の押出材料を供給する複数の押出材料供給部およびディスペンサの他の実施形態の概略図である。 図１３Ａは、溶融押出材料を格納しかつ３次元物体印刷動作中に溶融押出材料の押出を制御する弁によって１つ以上の出口に溶融押出材料を供給するためのチャンバを含むマルチノズル押出印刷ヘッドの概略図である。 図１３Ｂは、単一の押出印刷ヘッドにおける異なるノズル用の開閉弁を示す図１３Ａの押出印刷ヘッドにおけるノズルの他の概略図である。 図１４は、溶融押出材料を格納するためのチャンバ、複数のノズルに溶融押出材料を供給する流体出口、および、ブロックを制御するかまたは個々のノズルを介した押出材料の流れを可能とする弁のアレイを含む他の押出印刷ヘッドの概略図である。 図１５は、マルチノズル押出印刷ヘッドの動作のためのプロセスのブロック図である。

本願明細書に開示された装置についての環境の一般的な理解ならびに装置の詳細のために、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。

本願明細書において使用される場合、用語「押出材料」は、押出印刷ヘッドにおける１つ以上のノズルが物体を形成するかまたは３次元物体プリンタの動作中に物体についての構造的支持を提供する材料の層を形成するために放出する材料を指す。押出材料は、厳密に限定されるものではないが、３次元印刷物体の永続的部分を形成する「造形材料」と、印刷プロセス中に造形材料の部分を支持するための一時的構造を形成しかつその後に必要に応じて印刷プロセスの完了後に除去される「支持材料」との双方を含む。造形材料の例は、これらに限定されるものではないが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）プラスチック、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、脂肪族もしくは半芳香族ポリアミド（ナイロン）、懸濁炭素繊維もしくは他の凝集材料を含むプラスチック、導電性ポリマ、他の熱可塑性樹脂、および、液体もしくは半液体の形態で押出印刷ヘッドのノズルを介して放出しかつその後に耐久性のある３次元印刷物体を形成するために固化するのに適している任意の他の形態を含む。支持材料の例は、これらに限定されるものではないが、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）および他の押出可能な材料を含む。いくつかの押出プリンタにおいて、押出材料は、「フィラメント」と称される材料の連続的な細長いストランドとして供給される。より一般的に、プリンタは、固体フィラメント、固体ペレットまたは固体粒状粉末などの固相の押出材料を受ける。押出材料フィラメントは、スプールまたは他の供給部から巻き取りかつ印刷ヘッド内のヒータに供給されるのに十分な可撓性を有する。ヒータは、押出材料フィラメントを溶融し、印刷ヘッドにおけるノズルは、３次元物体印刷動作中に押出材料を押し出す。本願明細書において使用される場合、押出材料に適用される用語「溶融」は、３次元物体プリンタの動作中に印刷ヘッドにおける１つ以上のノズルを介した押出を可能とするために押出材料を軟化する押出材料についての温度の任意の上昇を指す。当業者は、特定の非晶質押出材料が真にプリンタの動作中に純粋な液体状態に移行しないことを認識するであろうものの、溶融押出材料はまた、ノズルを介した押出を可能とするために液化されるように言及される。

本願明細書において使用される場合、用語「押出印刷ヘッド」または「印刷ヘッド」は、互換的に使用され、３次元印刷動作中に押出材料のスワスを形成するために単一の流体チャンバ内に押出材料を溶融しかつオンデマンド方法で複数のノズルに溶融した押出材料を供給するプリンタの要素を指す。以下により詳細に記載されるように、印刷ヘッドにおける弁アセンブリは、印刷動作中に異なる時点に押出材料を押し出すために複数のノズルの同時動作を可能とする。マルチノズル印刷ヘッドは、３次元物体印刷プロセス中に同時にまたは異なる時点に押出材料を押し出す２つ以上のノズルを組み込む。本願明細書において使用される場合、用語「ノズル」は、印刷ヘッドと受像面との間の相対移動の経路に対応する押出材料の押出パターンを形成するために３次元印刷動作中に液体または半液体の押出材料を押し出す押出印刷ヘッドにおけるオリフィスを指す。動作中において、ノズルは、印刷ヘッドのプロセス経路に沿って溶融材料の略連続した直線状構造を押し出す。押出印刷ヘッドは、ノズルが押出材料を押し出す速度を制御し、以下により詳細に記載されるように、印刷ヘッドは、必要に応じて、ノズルから押出材料の放出を活性化または非活性化するための弁を含む。ノズルにおけるオリフィスの径は、押出材料の押出ラインの幅に影響を与える。異なる印刷ヘッドの実施形態は、狭いオリフィスが押出材料のより狭い構成を生成する一方で、押出材料のより広い構成を生成するより広いオリフィスを有するオリフィスサイズの範囲を有するノズルを含む。以下により詳細に記載されるように、いくつかのマルチノズル押出印刷ヘッドの実施形態は、ノズルの線形１次元または２次元構造を含むプレートまたは他の平面部材を含む。複数のノズルのアレイを含む押出印刷ヘッドが以下により詳細に記載される。

本願明細書において使用される場合、用語「圧力チャンバ」は、液化押出材料の供給部を保持しかつ３次元物体印刷動作中に印刷ヘッドにおける１つ以上のノズルに液化押出材料を供給する印刷ヘッドのハウジング内に形成されたキャビティを指す。圧力チャンバは、さらに、１つ以上のノズルが受像面上に押出材料を押し出す速度を制御するために液体押出材料において所定レベルの圧力を維持するように構成されている。いくつかの実施形態において、圧力チャンバの入口に接続された造形材料用の外部供給システムは、印刷ヘッドの動作中に圧力チャンバ内の所定の圧力レベルを維持するために圧力下で液化造形材料を供給する。以下により詳細に記載されるように、いくつかの押出印刷ヘッドは、弁を使用して個別ベースで活性化および非活性化される複数のノズルを含むことから、圧力チャンバは、活性化されたノズル数が印刷動作中に変化するときであっても印刷ヘッドにおける任意の活性化されたノズルが略一定速度で押出材料を押し出すように液化押出材料を供給する。

本願明細書において使用される場合、用語「マルチノズル押出機」は、固体押出材料の供給をそれぞれ受ける２つ以上のノズルを介して押出材料を放出するプリンタにおける装置を指す。１つ以上のノズルに接続されているヒータは、押出材料が各ノズルを出るときに押出材料を溶融する。ローラまたはオーガなどの機械的コントローラは、印刷動作中に押出材料を供給するためにノズル内に固体押出材料を押圧する。印刷ヘッドとは異なり、マルチノズル押出機は、単一の流体チャンバから押出材料を複数のノズルに供給せず、個々のノズルの動作を活性化および非活性化するための弁アセンブリを含んでいない。

本願明細書において使用される場合、用語「押出材料の配置」は、押出印刷ヘッドが３次元物体印刷動作中に受像面上に形成する押出材料の任意のパターンを指す。押出材料の一般的な配置は、押出材料の直線線形配置および押出材料の湾曲配置を含む。いくつかの構成において、印刷ヘッドは、押出材料の連続的な塊を有する配置を形成するように連続的に押出材料を押し出す一方で、他の構成において、印刷ヘッドは、線形または湾曲経路に沿って配置された押出材料のより小さなグループを形成するように間欠的に動作する。３次元物体プリンタは、押出材料の異なる配置の組み合わせを使用して様々な構造を形成する。さらに、３次元物体プリンタにおけるディジタルコントローラは、押出材料の各配置を形成するために押出印刷ヘッドの動作前に押出材料の異なる配置に対応する画像データおよび印刷ヘッド経路データを特定する。以下に記載されるように、コントローラは、必要に応じて、３次元印刷動作中に複数のノズルを使用して押出材料の複数の配置を形成するようにマルチノズル押出印刷ヘッドの動作を調整する。

本願明細書において使用される場合、用語「スワス」は、印刷ヘッドが領域周囲の外形を形成する押出材料の境界内の受像面の領域上に押し出す押出材料の直線または湾曲線形配置を指す。以下により詳細に記載されるように、印刷ヘッドは、３次元物体印刷動作中に押出材料の１つ以上の層を形成するために押出材料のスワスを形成するように２つ以上の押出ノズルを使用する。

本願明細書において使用される場合、用語「プロセス方向」は、印刷ヘッドと印刷ヘッドにおける１つ以上のノズルからの押出材料を受ける受像面との間の相対移動の方向を指す。受像面は、造形製造プロセス中に３次元印刷物体または部分的に形成された３次元物体の表面を保持する支持部材である。本願明細書に記載された例示的な実施形態において、１つ以上のアクチュエータは、印刷領域において印刷ヘッドを移動させるが、代替のプリンタの実施形態は、印刷ヘッドが静止したままでプロセス方向における相対移動を生み出すように支持部材を移動させる。

本願明細書において使用される場合、用語「クロスプロセス方向」は、プロセス方向に対して垂直な軸を指す。プロセス方向およびクロスプロセス方向は、押出印刷ヘッドおよび押出材料を受ける表面の移動の相対経路を指す。いくつかの構成において、印刷ヘッドは、印刷ヘッドにおける隣接ノズル間のクロスプロセス方向における所定間隔でクロスプロセス方向に沿って延びるノズルのアレイを含む。以下により詳細に記載されるように、いくつかの構成において、プリンタは、印刷ヘッドにおけるノズルから押し出される押出材料の配置を分離する対応するクロスプロセス方向間隔を調整するために印刷ヘッドにおける異なるノズルを分離する有効なクロスプロセス方向間隔を調整するように押出印刷ヘッドを回転させる。

以下に記載されるように、押出印刷ヘッドは、３次元物体印刷プロセス中に押出材料を受ける表面に対して直線および湾曲経路の双方に沿ってプロセス方向に移動する。さらに、プリンタにおけるアクチュエータは、必要に応じて、印刷ヘッドが押出材料の各配置間に所定間隔で押出材料の２つ以上の配置を形成するのを可能とするために印刷ヘッドにおけるノズルを分離する有効なクロスプロセス間隔を調整するようにＺ軸まわりに印刷ヘッドを回転させる。押出印刷ヘッドは、印刷物体の層内における２次元領域の外壁を形成するように外周に沿っておよび押出材料によって２次元領域の全てまたは一部を埋めるように周囲内に沿って移動する。

図１は、３次元印刷物体１４０を形成するために押出印刷ヘッドを動作させるように構成された３次元物体プリンタ１００を示している。プリンタ１００は、支持部材１０２と、マルチノズル押出印刷ヘッド１０８と、印刷ヘッド支持アーム１１２と、コントローラ１２８と、メモリ１３２と、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０と、任意のＺθアクチュエータ１５４と、Ｚアクチュエータ１５８とを含む。プリンタ１００において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、図１に示されている物体１４０などの３次元印刷物体における１つの層を形成する押出材料のパターンを押し出すように、ＸおよびＹ軸に沿って２次元平面（「Ｘ−Ｙ平面」）における異なる位置に印刷ヘッド１０８を移動させる。例えば、図１において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、Ｙ軸に沿って移動するようにガイドレール１１３に沿って支持アーム１１２および印刷ヘッド１０８を平行移動するとともに、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、Ｘ軸に沿って印刷ヘッドを移動させるように支持アーム１１２の長さに沿って印刷ヘッド１０８を平行移動する。押し出されたパターンは、押出材料パターンの外形内の領域を埋める押出材料の層および押し出されたスワスにおける１つ以上の領域の外形の双方を含む。Ｚアクチュエータ１５８は、物体が印刷プロセス中に形成されるときに印刷ヘッド１０８におけるノズルが物体１４０上に押出材料を押し出すのに適切な高さのままであるのを確実にするためにＺ軸に沿った印刷ヘッド１０８と支持部材１０２との間の距離を制御する。いくつかの印刷ヘッドの実施形態は、印刷プロセス中に回転を必要としないものの、Ｚθアクチュエータ１５４は、印刷ヘッド１０８におけるノズル間の分離を制御するためにＺ軸まわりに回転する印刷ヘッド１０８のいくつかの実施形態についての（図１においてＺθとして参照される）Ｚ軸まわりの印刷ヘッド１０８の回転角度を制御する。以下により詳細に記載されるように、プロセス方向に対する印刷ヘッドの回転角度は、印刷動作時に印刷ヘッド１０８における複数のノズルによって押し出される押出材料の異なるセットを分離する間隔に影響を与える。プリンタ１００において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０、Ｚθアクチュエータ１５４およびＺアクチュエータ１５８は、電気モータ、ステッピングモータまたは任意の他の適切な電気機械装置などの電気機械式アクチュエータとして具現化される。図１の例示的な実施形態において、３次元物体プリンタ１００は、押出材料の複数層から形成される３次元印刷物体１４０の形成中に示されている。

支持部材１０２は、印刷プロセス中に３次元印刷物体１４０を支持するガラス板、ポリマ板または発泡体表面などの平面部材である。図１の実施形態において、Ｚアクチュエータ１５８はまた、印刷ヘッド１０８が物体１４０の上面から所定距離を維持するのを確実にするために押出材料の各層の塗布後に印刷ヘッド１０８から離れてＺ方向に支持部材１０２を移動させる。印刷ヘッド１０８は、複数のノズルを含み、各ノズルは、支持部材１０２の表面または物体１４０のような部分的に形成された物体の表面上に押出材料を押し出す。図１の例において、押出材料供給部１１０は、ＡＢＳプラスチックまたは印刷ヘッド１０８に押出材料を供給するためにスプールから包装を解く他の適切な押出材料フィラメントのスプールを含む。図１の例示的な実施形態において、単一の押出材料供給部１１０は、印刷ヘッド１０８におけるノズルのそれぞれに押出材料を供給する。以下により詳細に記載されている他の実施形態において、２つ以上の押出材料供給部は、必要に応じて、マルチノズル印刷ヘッドにおける選択されたノズルに異なる種類または色の押出材料を供給する。

支持アーム１１２は、支持部材と、印刷動作中に印刷ヘッド１０８を移動させる１つ以上のアクチュエータとを含む。プリンタ１００において、１つ以上のアクチュエータ１５０は、印刷動作中にＸおよびＹ軸に沿って支持アーム１１２および印刷ヘッド１０８を移動させる。例えば、アクチュエータ１５０の１つは、Ｙ軸に沿って支持アーム１１２および印刷ヘッド１０８を移動させる一方で、他のアクチュエータは、Ｘ軸に沿って移動するように支持アーム１１２の長さに沿って印刷ヘッド１０８を移動させる。プリンタ１００において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、必要に応じて、直線または湾曲経路のいずれかに沿って同時にＸおよびＹ軸の双方に沿って印刷ヘッド１０８を移動させる。コントローラ１２８は、印刷ヘッド１０８におけるノズルが支持部材１０２上または以前に形成された物体１４０の層上に押出材料を押し出すのを可能とする直線または湾曲経路の双方における印刷ヘッド１０８の移動を制御する。コントローラ１２８は、必要に応じて、Ｘ軸またはＹ軸に沿ったラスタライズ動作において印刷ヘッド１０８を移動させるが、以下に記載されるように、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０はまた、Ｘ−Ｙ平面内の任意の直線または湾曲経路に沿って印刷ヘッド１０８を移動させる。

コントローラ１２８は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはプリンタ１００を動作させるように構成された任意の他のディジタル論理回路などのディジタル論理装置である。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、支持部材１０２、支持アーム１１２の移動および供給スピンドル１４６から取り込みスピンドル１４８へのロール１４４の移動を制御する１つ以上のアクチュエータに動作可能に接続されている。コントローラ１２８はまた、印刷ヘッド１０８における複数のノズルの動作を制御するために印刷ヘッド１０８に動作可能に接続されている。

コントローラ１２８はまた、メモリ１３２に動作可能に接続されている。プリンタ１００の実施形態において、メモリ１３２は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）装置などの揮発性データ記憶装置、および、固体状態データ記憶装置、磁気ディスク、光ディスクなどの不揮発性データ記憶装置、または、任意の他の適切なデータ記憶装置を含む。メモリ１３２は、プログラミングされた命令データ１３４および３次元（３Ｄ）物体画像データ１３６を記憶する。コントローラ１２８は、３次元印刷物体１４０を形成しかつ物体１４０の１つ以上の表面に２次元画像を印刷するためにプリンタ１００における要素を動作させるために記憶されたプログラム命令１３４を実行する。３Ｄ物体画像データ１３６は、例えば、プリンタ１００が３次元物体印刷プロセス中に形成する押出材料の各層に対応する複数の２次元画像データパターンを含む。印刷ヘッド経路制御データ１３８は、コントローラ１２８がＸ／Ｙアクチュエータ１５０を使用して印刷ヘッド１０８の移動の経路を制御するためにかつＺθアクチュエータ１５４を使用して印刷ヘッド１０８の向きを制御するために処理する幾何学的形状データまたはアクチュエータ制御コマンドのセットを含む。コントローラ１２８は、印刷ヘッド１０８を移動させるようにアクチュエータを動作させ、３次元印刷物体１４０の各層における押出材料の配置を形成するように印刷ヘッド１０８における異なるノズルを活性化および非活性化する。

図２Ａおよび図２Ｂは、マルチノズル押出印刷ヘッド２０８の１つの実施形態を示している。印刷ヘッド２０８は、動作中に押出材料をそれぞれ押し出す３つの押出ノズル２１２、２１６および２２０を含む。単一の流体チャンバおよび弁アセンブリ（図示しない）は、印刷ヘッド２０８の動作中にノズル２１２、２１６および２２０を介した押出材料の流れを制御する。印刷ヘッド２０８において、ノズル２１２、２１６および２２０は、それぞれ、均一表面を有する印刷ヘッド面を形成する平面部材２４５を通る開口を形成する。以下により詳細に記載されるように、いくつかの実施形態において、印刷ヘッド２０８は、印刷ヘッド２０８が選択的にノズル２１２−２２０からの押出材料の押出を制御するのを可能とする弁を含む。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、３次元物体印刷プロセス中にノズル２１２−２２０のうちの１つ以上を動作させるように印刷ヘッド２０８に動作可能に接続されている。

印刷ヘッド２０８において、ノズル２１２−２２０は、クロスプロセス方向軸ＣＰに沿って隣接ノズル間に所定の分離間隔を有して直線的に配置されている。図２Ａは、印刷ヘッド２０８における隣接ノズル間に最大クロスプロセス方向の分離を有してプロセス方向Ｐに沿って印刷ヘッド２０８が移動する構成における印刷ヘッド２０８を示している。図２Ａにおいて、寸法線２３２は、ノズル２１２と２１６との間のクロスプロセス方向の分離を示している。図２Ａの構成において、印刷ヘッド２０８における隣接ノズルは、クロスプロセス方向におけるノズル間の分離に対応する配置間に間隙を有する押出材料の押し出された配置を形成する。

図２Ｂは、図２Ａの向きからノズル間のクロスプロセス方向感覚を変化させる他の向きにおける印刷ヘッド２０８を示している。図２Ｂにおいて、印刷ヘッド２０８は、クロスプロセス方向ＣＰに沿ってノズル２１２−２２０の相対位置を調整するために回転Ｚθによって示されるようにＺ軸まわりに回転される。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、ノズル間のクロスプロセス方向間隔を調整するためにＺθ軸まわりに印刷ヘッド１０８を回転させるようにアクチュエータ１５４を動作させる。プロセス方向Ｐは、関連する印刷ヘッド、および、支持部材１０２または３次元印刷物体１４０の上面などの受像面の移動の相対方向を指すことから、クロスプロセス方向におけるノズル間の相対的な分離は、印刷ヘッドの移動の向きおよび相対方向の双方によって影響を受ける。再度図２Ｂを参照すると、印刷ヘッド２０８は、プロセス方向軸ＣＰに対して回転される。図２Ｂにおいて、より狭いクロスプロセス方向間隔２５２は、図２Ａの向きと比較してノズル２１２および２１６を分離する。

図２Ａおよび図２Ｂは、印刷ヘッド２０８の２つの向きを示している。より一般的には、プロセス方向における移動時の印刷ヘッド２０８における任意の２つのノズル間の距離は、以下の式を使用して表される：Ｄ_ＣＰ＝Ｍ（ｃｏｓ（φ））。ここで、Ｍは、印刷ヘッドにおけるノズルの大きさおよび配置の物理的パラメータである２つのノズル間の最大クロスプロセス方向の分離であり、φは、印刷ヘッドが同様に他の角度に回転することができるものの、プロセス方向軸（φ＝０）およびプロセス方向軸（φ＝１／２π）に対するＺ軸まわりの回転角度を指す。

上述したように、プリンタ１００におけるマルチノズル印刷ヘッド１０８は、単一の押出材料供給部１１０から押出材料を受ける。３次元物体プリンタ１００における印刷ヘッド１０８の内側にまたは印刷ヘッド１０８の外側に配置される押出材料ディスペンサは、プリンタ１００の動作中に押出材料供給部１１０から印刷ヘッド１０８におけるノズルに押出材料を供給する。

図１１Ａは、押出材料供給部におけるスプール１１０２から押出材料１１０８のフィラメントを受ける押出材料ディスペンサ１１２０の１つの実施形態を示している。ディスペンサ１１２０は、図１１Ａに示されているマルチノズル押出機における異なるノズルを提供する複数のチャネルのいずれかに押出材料を供給するか、または、以下に示される図１１Ｄの実施形態においてより詳細に示されている印刷ヘッドにおける単一の流体チャンバに押出材料を供給する。図１１Ａにおいて、ディスペンサ１１２０は、押出材料フィラメントおよびディスク１１２１を受けるガイドローラ１１４０または押出材料フィラメントを受ける入口開口１１２２および押出材料を分配する出口開口１１２４を有する他の回転部材を含む。ディスペンサ１１２０はまた、入口１１２２と出口１１２４との間のガイドローラ１１４２と、固定位置カッター１１３２とを含む。ガイドローラ１１４０および１１４２は、異なる時間でのディスペンサ１１２０を介して押出材料供給部１１０２からマルチノズル押出機における異なるチャネルへのフィラメント１１０８の移動を制御するアクチュエータに動作可能に接続されている。

ディスペンサ１１２０は、マルチノズル押出機に配置されているチャネルおよびノズル１１３６などのマルチノズルの押出機における個々のノズルへのフィラメントの供給部に押出材料を供給する。出口開口１１２４は、１つのチャネルにフィラメントの一部を供給するように一度に１つのチャネルと並んでいる。ディスペンサにおけるアクチュエータは、２つ以上のチャネルを使用して単一の押出材料供給部からマルチノズル押出機における２つ以上のノズルにフィラメントの異なるセグメントを供給するために異なる時間に異なるチャネルと並べて出口１１２４を移動させる。例えば、チャネル１１２８は、押出材料フィラメントの一部を受け、ノズル１１３６にフィラメントを供給し、ディスペンサは、異なるノズルに押出材料を供給するために他のチャネルと並べて出口１１２４を移動させる。図１１Ａから図１２Ｂにおける図を簡素化するために、それらがローラ１１４６に到達したときに停止するガイドチャネル１１２８が示されているが、ガイドチャネル１１２８は、ローラ１１４６および１１４７を超えて延在し、いくつかのディスペンサの実施形態における溶融装置１１３６に係合することに留意されたい。

図１１Ａにおいて、ローラ１１４４および１１４６は、ノズル１１３６へのチャネル１１２８を介したフィラメントの移動を制御する。図１１Ａにおいて、ノズルのそれぞれは、受像面上への溶融した押出材料の押出のために各ノズルの出口付近のフィラメントにおける押出材料を溶融するヒータを含むものの、他の実施形態においては、単一のヒータがマルチノズル押出機におけるノズルのそれぞれについての押出材料を溶融する。

動作中において、押出材料供給部は、ディスペンサ１１２０に押出材料フィラメント１１０８の所定の長さを供給する。例えば、１つの構成において、ディスク１１２１は、入口１１２２から出口１１２４まで延在するフィラメントの長さを受ける。ディスペンサにおけるアクチュエータは、図１１Ａの実施形態における固定位置を占めるカッター１１３２と接触してフィラメントを移動させるようにディスク１１２１を回転させる。カッター１１３２は、押出材料供給部におけるフィラメント１１０８の残りの部分からディスク１１２１の内側であるフィラメントの部分に分離する。いくつかの構成において、ディスク１１２１の回転は、フィラメントを切断するためにカッター１１３２における固定刃に対してフィラメントを駆動する。そして、アクチュエータは、マルチノズル押出機における１つのノズルに対応するチャネルの１つと出口１１２４においてフィラメントを並べるようにディスク１１２１を回転させる。例えば、図１１Ａにおいて、ディスク１１２１は、チャネル１１２８の開口と切断したフィラメントの部分を並べるように出口１１２４を回転させる。ディスク１１２１におけるローラ１１４２は、ローラ１１４４および１１４６がノズル１１３６へのフィラメントの移動を制御するためにフィラメントと係合するチャネル１１２８内にフィラメントの切断部分を移動させるように回転する。ディスペンサ１１２０において、アクチュエータは、他のチャネルおよびマルチノズル押出機におけるノズルについての追加のフィラメントを受けるためにローラ１１４０においてフィラメントの自由端と並ぶようにディスク１１２１における入口１１２２を戻す。他の実施形態において、ディスペンサは、必要に応じて、２つ以上の押出材料供給部から異なる種類の造形材料を受ける。アクチュエータは、ディスペンサ１１２０の動作中の異なる時間に複数の供給部からの押出材料のセグメントを受けるように供給する異なる押出材料供給部の出口と並べてディスク１１２１における入口１１２２を移動させる。動作中において、コントローラ１２８は、マルチノズル押出機におけるノズルのそれぞれについての１つ以上の押出材料供給部からの押出材料の供給を維持するようにディスペンサ１１２０を動作させる。

図１１Ｂは、ディスペンサ１１２０の他の構成を示している。図１１Ｂにおいて、ディスペンサ１１２０は、出口１１２４に近接したディスク１１２１に搭載されているカッター１１３３を含む。アクチュエータ１１３４は、ディスペンサ１１２０が出口１１２４を介して図１１Ｂにおけるチャネル１１２８および１１２９などのチャネルの１つに所定の長さのフィラメントを移動させた後にフィラメントを切断するためにカッター１１３３を移動させる。ローラ１１４６および１１４７などのチャネルのそれぞれにおけるローラは、ディスペンサ１１２０からフィラメントを受け、マルチノズル押出機における対応するノズルへのフィラメントの移動を制御する。図１１Ｂの構成において、カッター１１３３がフィラメント１１０８の残りの部分から各ノズルに供給されるフィラメントの部分を分離した後、フィラメントは、ディスク１１２１内の導管に残る。

図１１Ｃは、ディスペンサ１１６４の他の実施形態を示している。ディスペンサ１１６４は、マルチノズル押出機におけるノズルにフィラメントを供給するマルチノズル押出機におけるチャネルと出口１１２４を並べるように入口１１２２および出口１１２４を有する導管１１６２を回動させる回動部材１１２２を含む。動作中において、回動部材１１２２は、チャネルの１つの開口と並べるように導管１１６２の出口を移動させ、ディスペンサ１１６４は、マルチノズル押出機におけるノズルの１つに押出材料を供給するために供給部１１０２からチャネルへとフィラメント１１０８を移動させる。アクチュエータ１１３４は、供給部における残りのフィラメントからマルチノズル押出機のチャネルに供給されたフィラメントを分離するためにカッター１１３３を動作させ、ディスペンサは、マルチノズル押出機におけるノズルについてのチャネルに押出材料を供給する動作を継続する。図１１Ｃにおいて、ローラ１１４０および１１４２は、ディスペンサ１１６４を介した押出材料フィラメント１１０８の移動を制御する。ローラ１１４６および１１４７などのマルチノズル押出機におけるローラは、それぞれ、チャネル１１２８およびノズル１１３６などの対応するノズルへのチャネルを介したフィラメントの移動を制御する。

図１１Ｄは、ディスペンサ１１７２の他の実施形態を示している。図１１Ｄにおいて、ディスペンサ１１７２は、入口１１２２、出口１１２４およびガイドローラ１１４２を有する移動部材１１６６を含む。ディスペンサ１１７２におけるアクチュエータは、ガイドローラ１１４０を通過する押出材料供給部１１０２からのフィラメント１１０８と入口１１２２を並べるように直線経路に沿って部材１１６６を移動させる。アクチュエータはまた、ノズル１１３６にフィラメントを供給するチャネル１１２８などの複数のチャネルのそれぞれにおける開口と出口１１２４を並べるように直線経路に沿って部材１１６６を移動させる。ディスペンサ１１７２は、固定位置に配置されたカッター１１３２を含む。部材１１６６は、フィラメント１１０８の一部を受け、アクチュエータは、押出材料供給部１１０２におけるフィラメントの残りの部分からの部材１１６６におけるフィラメントの部分を分離するためにカッター１１３２と接触して部材１１６６およびフィラメントを移動させる。

図１２Ａは、単一のマルチノズルの押出機における異なるノズルに２つの異なる種類の押出材料を供給する２つのディスペンサを示している。図１２Ａは、ディスペンサ１１２０および１１２４を含む。ディスペンサ１１２０は、第１の押出材料供給部１２０２からの第１の押出材料１２０８を受け、ディスペンサ１２２４は、第２の押出材料供給部１２０４からの第２の押出材料１２１２を受ける。代替構成は、図１１Ａ−図１１Ｄにおける実施形態のいずれかからの２つ以上のディスペンサを含むものの、ディスペンサ１２２０および１１２０のそれぞれは、図１１Ｂのディスペンサ１１２０に対して構成が類似している。動作中において、第１のディスペンサ１２２０は、図１２Ｂの例におけるチャネル１２２８およびノズル１２３６などのマルチノズル押出機におけるチャネルおよび対応するノズルの第１の部分に第１の押出材料を供給する。マルチノズル押出機におけるヒータは、押出材料がノズルに接近しかつ活性化したノズルのうちの１つ以上が受像面上に溶融した押出材料を押し出すのにともない押出材料を溶融する。第２のディスペンサ１２２４は、チャネル１２３２およびノズル１２３８などのマルチノズル押出機におけるチャネルおよびノズルの第２の部分に第２の押出材料供給部１２１２からの第２の押出材料１２１２を供給する。

図１２Ｂは、マルチノズル押出機におけるノズルに２つの種類の押出材料を供給する複数のディスペンサの他の実施形態を示している。図１２Ｂにおいて、２つのディスペンサ１２６６および１２６８は、それぞれ、押出材料供給部１２０２および１２０６からの２つの種類の押出材料を受けるために所定の経路に沿って直線的に移動する単一の部材から形成されている。動作中において、ディスペンサ１２６６は、押出材料供給部１２０２からの押出材料１２０８の一部を受け、ディスペンサ１２６８は、押出材料供給部１２０６からの押出材料１２１２の一部を受ける。アクチュエータは、カッター１２３１によって押出材料１２０８のフィラメントを切断しかつカッター１２３３によって押出材料１２１２のフィラメントを切断するために２つの直線方向にディスペンサ１２６６および１２６８を移動させる。そして、ディスペンサ１２６６および１２６８は、押出マルチノズル押出機におけるノズルの異なる部分に関連付けられたチャネルと押出材料のフィラメントを並べるように移動させる。例えば、図１２Ｂにおいて、ディスペンサ１２６６は、押出材料１２０８のフィラメントを分配するためにチャネル１２２８およびノズル１２３６と並べてフィラメントを移動させる。アクチュエータは、押出材料１２１２のフィラメントを分配するためにチャネル１２３２およびノズル１２３８と並べてディスペンサ１２６８を並べるように直線経路に沿ってディスペンサ１２６６および１２６８を移動させる。図１２Ｂの実施形態は、そうでない場合は図１１Ｄのディスペンサ１１７２と類似している２つのディスペンサ１２６６および１２６８を含む。代替実施形態において、単一のディスペンサは、２つ以上のスプールから押出材料を受け、マルチノズル押出機における異なるノズルについて選択されたチャネルに異なる押出材料を分配する。さらに、単一の回転ディスペンサは、必要に応じて、適切な位置で単に停止することによって複数の材料スプールから材料を受け、複数のチャネルおよび溶融装置に材料を分配する。

図１２Ａおよび図１２Ｂの実施形態は、３次元物体プリンタが単一のマルチノズル押出機における異なるノズルに複数の種類の押出材料を供給するのを可能とする。例えば、いくつかの３次元印刷物体は、複数の色の押出材料を使用して形成され、図１２Ａおよび図１２Ｂのディスペンサ構成は、マルチカラー物体を形成するためにノズルの第１の部分が第１の色を有する押出材料を押し出すのを可能としかつノズルの第２の部分が第２の色を有する押出材料を押し出すのを可能とする。他の実施形態において、３次元物体プリンタは、３次元印刷物体における異なる構造を形成するために２つの異なる種類の押出材料を使用し、ディスペンサは、単一の押出マルチノズル押出機が複数の種類の押出材料を使用して物体を形成するのを可能とするために選択されたノズルに異なる種類の押出材料を供給する。

１つの構成において、各ディスペンサは、略等量の押出材料を使用する印刷動作のためにマルチノズル押出機において利用可能なノズルのうちの半分に１つの種類の押出材料を供給する。しかしながら、他の構成において、ディスペンサは、ノズルのより大きな部分に１つの種類の押出材料を供給するとともに、１つのノズルまたはより少数のノズルは、第２の種類の押出材料を受ける。例えば、１つの構成において、ディスペンサは、マルチノズル押出機におけるほとんどのノズルに物体の内部容積の大部分を形成する押出材料を供給するとともに、より少数のノズルは、物体の外観の一部を形成する他の種類の押出材料を受ける。さらに、ノズルが対応するチャネルにおける１つの種類の押出材料の供給を尽くした後、ディスペンサは、必要に応じて、１つのノズルが３次元物体印刷動作中の異なる時間に異なる種類の押出材料を押し出すのを可能とするためにチャネルに異なる種類の押出材料を供給する。

図１１Ａ−図１１Ｄおよび図１２Ａ−図１２Ｂは、フィラメントの移動を制御するために様々なローラのセットを使用する押出材料ディスペンサを示しているが、これらの図は、ローラのいくつかの構成の単なる例にすぎない。代替実施形態は、チャネルを介したノズルへのフィラメントの移動を制御するガイドローラの１つ以上のセットを含む。具体的には、ディスペンサは、最小長さを有する押出材料のフィラメントを切断し、フィラメントがディスペンサまたはマルチノズル押出機におけるチャネル内にとどまらないのを確実にするためにローラを配置する。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、１つ以上のマルチノズル押出機におけるノズルに２つの異なる押出材料を供給するディスペンサを示しているが、他の実施形態は、マルチノズル押出機に３種類以上の押出材料を供給するために追加のディスペンサおよび押出材料供給部を含む。３次元物体プリンタは、受像面上に押出材料のパターンを形成するために図１に示される印刷ヘッド１０８と同様にマルチノズル押出機を組み込む。さらに、本願明細書に記載されたディスペンサはまた、押出印刷ヘッドにおける複数のノズルに液化押出材料を供給するヒータおよび圧力チャンバアセンブリに押出材料を供給することができる。図１１Ｄに示されるように、ディスペンサ１１７２は、代替的に、押出印刷ヘッドにおける１つ以上のノズル１１９２についての圧力チャンバ１１９０に押出材料を供給するためにローラ１１８４および溶融装置アセンブリ１１８６に押出材料を供給する。ディスペンサ１１７２は、３次元物体プリンタ内の２つ以上の印刷ヘッドに押出材料を供給する。印刷ヘッドのそれぞれは、ディスペンサ１１７２の出口１１２４または本願明細書に記載された他のディスペンサのいずれかの対応する出口から押出材料を受けるローラ１１８４およびヒータ１１８６を有する入口を含む。動作中において、ディスペンサは、２つの印刷ヘッドを含むプリンタの構成における第１の印刷ヘッドおよび第２の印刷ヘッドなど、異なる印刷ヘッドの入口に押出材料フィラメント１１０８の部分を供給する。図１１Ｄに示される構成はまた、図１１Ａ−図１１Ｄおよび図１２Ａ−図１２Ｂにおいて本願明細書に開示された他のディスペンサの実施形態のいずれかとともに使用するのに適している。

図１３Ａおよび図１３Ｂは、１つ以上のノズルを介した液化押出材料の押出を制御するために圧力チャンバおよび少なくとも１つの弁を含む押出印刷ヘッド１３００の実施形態を示している。印刷ヘッド１３００は、プリンタ１００および押出印刷ヘッドを使用する他の３次元物体プリンタにおける使用に適している印刷ヘッド１０８の１つの実施形態である。印刷ヘッド１３００は、駆動ローラ１３４２を介して溶融装置アセンブリ１３１２に供給される押出材料フィラメント１３０８を溶融する溶融装置アセンブリ１３１２と、圧力チャンバ１３２０、少なくとも１つのノズル１３２６、少なくとも１つの弁部材１３３０、弁シール１３４４および少なくとも１つのアクチュエータ１３３６を含むハウジング１３０４とを含む。

図１３Ａの実施形態において、溶融装置アセンブリ１３１２は、ステンレス鋼から形成され、流体チャネル１３１８において押出材料１３０８のフィラメントを溶融する電気抵抗加熱素子などの１つ以上の加熱素子１３１６を含む。溶融装置アセンブリ１３１２は、固体フィラメント１３０８などの固相の押出材料、または、代替実施形態において固相の粉末化もしくはペレット化された押出材料を受ける。溶融装置アセンブリ１３１２は、押出材料を溶融するヒータ１３１６に押出材料を供給して溶融した押出材料を圧力チャンバ１３２０に供給するためにチャネルを介した固相押出材料の移動を制御する。駆動ローラ１３４２によって入口に近接した流体チャネル１３１８において固体のままである押出材料の一部は、圧力チャンバ１３２０への接続以外の開口から液化押出材料が溶融装置アセンブリを出るのを防止する流体チャネル１３１８におけるシールを形成する。図１３Ａの例において、駆動ローラ１３４２は、圧力チャンバ１３２０内の押出材料の供給を維持するために溶融装置アセンブリ１３１２内に押出材料１３０８の部分を移動させる。流体チャネル１３１８は、ハウジング１３０４内に形成される圧力チャンバ１３２０に流体的に結合されている。圧力チャンバ１３２０は、溶融した押出材料を受け、ハウジング１３０４内の追加の加熱素子１３１６は、ハウジング１３０４内に液化状態で押出材料を保持するために圧力チャンバ１３２０内の上昇した温度を維持する。いくつかの実施形態において、断熱材は、圧力チャンバ１３２０内の高温を維持するためにハウジング１３０４の外部を被覆する。

図１３Ａは、溶融装置アセンブリ１３１２内へのフィラメント１３０８の移動を制御するために電気機械式アクチュエータおよび駆動ローラ１３４２を使用する供給システムを示しているが、代替実施形態は、押出材料が溶融して圧力チャンバ内に流れる溶融装置アセンブリ内への固相の押出材料の移動を制御するために回転オーガまたはスクリューを動作させるように１つ以上のアクチュエータを使用する。例えば、回転オーガまたはスクリューは、押出材料の粉末またはペレットなどの固相の押出材料を溶融装置チャネル１３１８内に移動させる。より一般的には、溶融装置アセンブリ１３１２は、押出材料の移動を制御する機械的駆動部材と、印刷ヘッドにおいて押出材料を移動させて押出材料の供給を維持するための駆動部材を動作させる電気モータなどの１つ以上のアクチュエータとを含む。

圧力チャンバ１３２０内の流体圧力を所定のレベルに維持するために、コントローラ１２８は、圧力チャンバ１３２０内の溶融した押出材料の供給を維持するために供給速度を調整する。いくつかの構成において、コントローラは、押出材料の押出を可能とするように開放される弁アセンブリ１３２６における弁の数または圧力チャンバ１３２０内で検知された流体圧力レベルに基づいて供給速度を調整する。他の実施形態において、直流モータは、駆動ローラ１３４２の回転を制御し、コントローラ１２８は、材料押出中に予め定義されたレベルにモータおよびローラについてのトルクレベルを維持するために直流モータに供給される電流レベルを調整する。略一定レベルのトルクにおける直流モータの動作は、圧力チャンバ内の圧力の制御されたレベルを提供するとともに、システムにおける開放したノズル数の変化の自動補償を提供する。

印刷ヘッド１３００において、圧力チャンバ１３２０は、１つ以上の出口ノズル１３２６に流体的に結合されている。図１３Ａおよび図１３Ｂの例示的な実施形態において、ノズル１３２６は、圧力チャンバ１３２０に直接結合されているものの、代替実施形態は、必要に応じて、圧力チャンバとノズル出口との間により長い流体経路を含む。押出材料の押出を制御するために、コントローラ１２８は、ノズル１３２６を開閉するように弁アクチュエータ１３３６および弁部材１３３０を動作させる。印刷ヘッド１３００において、弁シール１３４４は、任意の液化押出材料がノズル１３２６以外の任意の開口を介して圧力チャンバ１３２０から出るのを防止しつつ、弁部材１３３０が圧力チャンバ１３２０の外壁を通過しかつ圧力チャンバ１３２０内で移動させるのを可能とする。

印刷ヘッド１３００の動作中において、圧力チャンバ１３２０からの液化押出材料は、出口が圧力チャンバ１３２０に流体的に結合されかつ弁部材１３３０のいずれかによって遮断されていないときにノズル出口１３２６のいずれかを介して押し出す。弁部材１３３０のそれぞれは、例えば、圧力チャンバ１３２０と印刷ヘッド１３００における対応するノズル１３２６との間の流体開口の形状および大きさに適合する丸いまたは面取りされた端部を有する細長いアルミニウムまたは鋼鉄ピンである。各弁部材１３３０は、印刷ヘッド１３００における単一のノズル１３２６と並んでいる。アクチュエータ１３３６は、印刷ヘッド１３００からの押出材料の押出を制御するためにノズル１３２６を介して流体経路を開閉するように弁部材１３３０を移動させる。印刷ヘッド１３００において、電気機械式アクチュエータ１３３６は、電流に応じて電磁力を介して弁部材１３３０を移動させる電磁式アクチュエータである一方で、他の実施形態において、電気機械式アクチュエータは、電流に応じて部材を移動させるために機械力を発生する圧電式アクチュエータである。印刷ヘッド１３００において、電気機械式アクチュエータ１３３０は、圧力チャンバ１３２０の外側に配置され、圧力チャンバ１３２０および溶融装置アセンブリ１３１２から熱的に分離される。アクチュエータ１３３６は、圧力チャンバ１３２０および溶融装置アセンブリ１３１２よりも低温で動作してアクチュエータの信頼性および動作寿命を向上させる一方で、細長い弁部材１３３０は、弁シール１３４４を介して印刷ヘッド１３００の高温領域に延在している。アクチュエータ１３３６は、圧力チャンバ１３２０内の少なくとも２つの位置間で弁部材１３３０を移動させる。第１の位置において、弁部材１３３０は、押出材料の流れを遮断してノズルを効果的に「非活性化」するために対応するノズル１３２６を介した押出材料の流れを遮断する。

図１３Ｂは、印刷ヘッド１３００におけるノズルおよび弁部材の選択を示している。図１３Ｂにおいて、弁部材１３３０Ａは、弁部材１３３０Ａが圧力チャンバ１３２０とノズル１３２６Ａとの間の流体開口に係合する第１の位置に配置されている。弁部材１３３０Ｂおよび１３３０Ｃは、圧力チャンバ１３２０内の第２の位置にそれぞれ配置され、これらの弁部材は、ノズル１３２６Ｂおよび１３２６Ｃの流体開口からそれぞれ除去される。圧力チャンバ１３２０内で加圧されて溶融した押出材料は、印刷動作中に出口ならびに対応するノズル１３２６Ｂおよび１３２６Ｃを流れる一方で、弁部材１３３０Ａおよび１３３０Ｂは、図１３Ｂの第２の位置に残る。印刷動作中において、アクチュエータ１３３６は、印刷ヘッド１３３０における選択されたノズルを介した押出材料の押出を無効または有効とするために、それぞれの第１および第２の位置の間で弁部材１３３０Ａ−１３３０Ｃを含む弁部材１３３０を移動させる。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、印刷動作中に押出材料の押出を制御するためにアクチュエータ１３３６を動作させる。コントローラ１２８は、印刷ヘッド１３３０が３次元印刷物体の各層を形成するためにプロセス方向に移動するのにともない、印刷ヘッド１３３０におけるノズルの全てまたは選択された部分を使用して押出材料の配置を形成するようにアクチュエータ１３３６を制御する。

ノズルアレイ１３２６は、平面部材１３４０を介して形成されたノズル開口を含む。図１３Ａおよび図１３Ｂの実施形態において、平面部材１３４０は、必要に応じてポリテトラフルオロエチレンなどの低表面エネルギ材料によって被覆された外面を有する金属板である。他の実施形態において、平面部材１３４０は、ハウジング１３０４の一部から形成され、代替実施形態は、セラミックまたは適切な機械的かつ熱的特性を有する他の材料から部材を形成する。平面部材１３４０は、活性化されたノズル１３２６が印刷動作中に押出材料を押し出す滑らかな表面を提供する。他の実施形態において、平面部材は、ノズル間に形成された溝または他の特徴を含むか、または、ノズルのそれぞれは、別個の隆起した平面部材を介して形成される。平面部材１３４０はまた、印刷ヘッドハウジング１３０４におけるヒータ１３１６からの熱の一部を受ける。

いくつかの動作モードにおいて、印刷ヘッド１３００は、受像面に近接して配置されており、液化押出材料は、印刷動作中に平面部材１３４０と受像面との間に薄層を形成する。例えば、図１３Ｂは、例示の目的のために図１の３次元印刷物体１４０の上面として示されている受像面上に活性化されたノズル１３２６Ｂおよび１３２６Ｃから押し出す押出材料１３４８の配置を示している。図１３Ｂにおいて、押し出された押出材料１３４８は、物体１４０の表面と平面部材１３４０の表面との間の間隙を埋める。加熱された平面部材１３４０は、押し出された押出材料１３４８を滑らかにし、押出材料１３４８が短期間液化されたままとするのを可能とするとともに、２つ以上のノズルを同時に動作させながら、印刷ヘッド１３００および平面部材１３４０は、押出材料のスワスを形成するためにプロセス方向に沿って移動する。平面部材１３４０はまた、印刷ヘッド１３００の面においてノズル間の過剰な押出材料の望ましくない蓄積を防止する。互いに近接して配置された押出材料の配置は、ノズル１３２６Ｂおよび１３２６Ｃから押し出された押出材料のマージされた配置を含む押出材料１３４８の配置など、略連続的な配置を形成するためにマージすることができる。

いくつかの印刷ヘッドの構成において、押出印刷ヘッドにおける２つ以上のノズルは、印刷ヘッドが湾曲経路に沿って移動するかまたはプロセス方向経路の直線セグメント間のコーナーを形成するときなど、プロセス方向において部分的にまたは完全に互いに重複することができる。ノズルは、そうでなければ単一のノズルが不均一な厚さを有する３次元印刷物体の層を生成するであろう押出材料を押し出す他の領域よりも厚い層を形成するであろう押出材料の重複した配置を押し出す。しかしながら、印刷ヘッド１３００において、平面部材１３４０は、複数のノズルが押出材料の重複する配置を押し出す領域であっても均一な厚さを有する押出材料の配置を生成するために押出材料の重複した配置を広げて滑らかにする。

図１４は、少なくとも１つのノズルを介して押し出される液化押出材料を格納する圧力チャンバを含む押出印刷ヘッド１４００の他の実施形態を示している。印刷ヘッド１４００は、プリンタ１００および押出印刷ヘッドを使用する他の３次元物体プリンタにおける使用に適している印刷ヘッド１０８の他の実施形態である。マルチノズル押出印刷ヘッド１４００は、圧力チャンバ１４２０から個々のノズル１４２６への押出材料の流れを制御する単一の圧力チャンバ１４２０および弁アセンブリ１４３０にそれぞれ流体的に結合されている複数のノズル１４２６を含む。図１４において、弁アセンブリ１４３０は、線１４５０に沿ってとられた断面図においてより詳細に示されており、圧力チャンバ１４２０およびノズル１４２６は、線１４５４に沿ってとられた他の断面図においてより詳細に示されている。

印刷ヘッド１４００は、押出材料の単一の供給部から押出材料を受けるように構成された圧力チャンバ１４２０と、弁アセンブリ１４３０とを含む。印刷ヘッド１４００は、押出印刷ヘッド１４００における複数のノズル１４２６と圧力チャンバを結合する個々の流体導管を介した押出材料の流れを有効または無効とする複数の弁を含む圧力チャンバ１４２０を形成するハウジング１４０４を含む。

押出印刷ヘッド１４００において、ハウジング１４０４は、押出材料１４０８が圧力チャンバ１４２０に入るのを可能とする開口１４１０を含む。ハウジング１４０４は、必要に応じて、印刷ヘッド１４００が非活性化時に圧力チャンバ１４２０の過熱を防止しかつ印刷ヘッド１４００の冷却を制御する一体化されたまたは外部に取り付けられたヒートシンク（図示しない）を含む。図１４の例示的な実施形態において、押出材料１４０８は、押出材料供給部１４０２からの固体ＡＢＳプラスチックまたは他の適切な押出材料のフィラメント１４０８である。

ハウジング１４０４は、チャンバ１４２０内に溶融した押出材料の液体容器を形成するために圧力チャンバ１４２０を加熱して固体の押出材料１４０８を溶融する電気抵抗ヒータなどの１つ以上のヒータ１４１２を含む。ローラ１４４２などの１つ以上のローラは、押出印刷ヘッド１４０４における圧力チャンバ１４２０内の押出材料１４０８のフィラメントについての供給速度を制御するアクチュエータを含む。コントローラ１２８は、押出材料の押出を可能とするために開放される弁アセンブリ１４３０における弁の数、圧力チャンバ１４２０内で検知された流体圧力レベル、または、印刷ヘッド１４０４が受像面上に押し出す押出材料の予想量に基づいて、圧力チャンバ１４２０内の溶融した押出材料の供給を維持するために供給速度を調整する。印刷ヘッド１４０４と受像面との間の３次元容積は、コントローラ１２８が必要に応じて動作中に活性化されたノズルの数に基づいて特定する押出材料の所定のパターンによって被覆された側面積と、印刷ヘッド１４０４の面と受像面との間のＺ軸距離とに依存する。他の実施形態において、コントローラ１２８は、プロセス方向における印刷ヘッドと受像面との間の相対移動の速度に基づいてフィラメントの供給速度を調整する。他の実施形態において、直流電気モータは、フィラメント駆動ローラを駆動し、直流モータへの電流は、材料押出中に予め定義されたレベルにモータおよびローラについてのトルクレベルを維持するように制御される。略一定レベルのトルクにおける直流モータの動作は、圧力チャンバ内の圧力の制御されたレベルを提供するとともに、システムにおける開放したノズル数の変化の自動補償を提供する。

押出印刷ヘッド１４００は、ノズルアレイ１４２６における複数のノズルに押出材料の単一の供給部を連結している。ハウジング１４０４における複数の流体出口は、ノズル１４２６と流体連通して圧力チャンバ１４２０を配置する。例えば、流体出口１４２４は、ノズル１４２８と流体連通して圧力チャンバ１４２０を配置する。溶融した押出材料は、重力によってまたはノズル１４２６を介して溶融した押出材料を排出するために圧力チャンバ１４２０に印加される正圧力によってチャンバ１４２０と流体連通したままのノズルを介して押し出す。しかしながら、動作中において、印刷ヘッド１４００は、押出材料の特定の配置を形成するように選択された時間に１つ以上のノズルを介して押出材料を押し出すのみである。印刷ヘッド１４００において、弁アセンブリ１４３０は、圧力チャンバ１４２０からノズル１４２６のいずれかへの押出材料の流れをそれぞれ制御する複数の弁を含む。弁アセンブリ１４３０は、圧力チャンバ１４２０とノズル１４２６との間の流体出口に対して横方向に配置された複数の弁を含む。各弁は、電気機械式アクチュエータ（図示しない）と、ピン１４３２および１４３４を含む図１４に示された金属ピンなどの可動部材とを含む。金属ピンは、ステンレス鋼、アルミニウムまたは液化押出材料と接触しかつ印刷ヘッドの動作温度範囲における使用に適している任意の他の金属もしくは合金から形成されている。電気機械式アクチュエータは、部材が流体出口を介した押出材料の流れを遮断する第１の位置と部材が流体出口を介して押出材料が流れるのを可能とする第２の位置との間の直線経路において可動部材を移動させる。１つの実施形態において、電気機械式アクチュエータは、電流に応じて電磁力を介して金属ピンを移動させる電磁式アクチュエータである一方で、他の実施形態において、電気機械式アクチュエータは、電流に応じて部材を移動させるために機械力を発生する圧電式アクチュエータである。

図１４の実施形態において、ノズル１４２６は、平面部材１４２９を介して形成されている。平面部材１４２９は、印刷ヘッド１３００に関連して上述した平面部材１３４０の構造および機能と類似している。印刷ヘッド１４００の動作中において、活性化されたノズル１４２６は、受像面上に押出材料を押し出し、平面部材１４２９は、印刷ヘッド１４００における付近のノズルから押し出された押出材料の配置間の間隙を埋めかつ押出材料の各層についての均一な厚さを維持するように押し出された押出材料に係合する。

図１４に図示されている構成において、弁アセンブリ１４３０における１つの電気機械式アクチュエータは、流体出口１４２５を介した流体の流れを遮断する第１の位置に可動部材１１３４を移動させる。第１の位置において、弁部材１４３４の一部は、流体出口１４２５を介した押出材料の流れを遮断するように流体出口１４２５に移動する。他の弁において、電気機械式アクチュエータは、押出材料がノズル１４２８を介して圧力チャンバ１４２０から流れるのを可能とするように流体出口１４２４を開放する第２の位置に部材１４３２を移動させる。第２の位置において、部材１４３２は、流体の押出材料が出口１４２４を介して流れるのを可能とするように流体出口１４２４から引き出される。

印刷ヘッド１３００または１４００を使用するプリンタ１００の実施形態において、コントローラ１２８は、弁アセンブリ１４３０の各弁における電気機械式アクチュエータに動作可能に接続されている。動作中において、コントローラ１２８は、３次元印刷物体１４０の各層における３次元物体画像データ１３６に対応する押出材料の配置を形成するために印刷ヘッド１４００における異なるノズルからの押出材料の押出を有効または無効とするように弁を動作させる。より具体的には、コントローラ１２８は、選択された弁の第１のセットを閉鎖するために第１の位置に１つ以上の弁部材を移動させるように電気機械式アクチュエータを動作させるとともに、電気機械式アクチュエータは、残りの弁のうちの１つ以上を開放するために第２の位置に他の弁部材を移動させる。コントローラ１２８は、印刷動作中の様々な時点で印刷ヘッドにおけるノズルの一部または全てを活性化または非活性化するように弁を開閉する。

印刷ヘッド１３００および１４００は、１次元の直線配置における単一行のノズルおよび対応する弁を有して示されている一方で、代替の印刷ヘッドの構成は、クロスプロセス方向における印刷ヘッドの幅を実質的にカバーする複数行のノズルおよび２次元アレイのノズルについての弁を含む。ノズルの２次元アレイの例は、図９Ａ、図９Ｂおよび図１０に示されている。いくつかの構成において、マルチノズル押出印刷ヘッドにおけるノズルのいずれかは、所定層の外形を印刷するために使用されることができ、コントローラ１２８は、ノズルにおける摩耗のバランスをとりかつ印刷ヘッド全体にわたる材料流れの均一な分布を確実にするようにノズルの一部または全てにわたる外形の一部を形成する動作を分配する。所定時間よりも長く高温のままであるポリマ押出材料は、材料特性の劣化を体験することができる。上述した印刷ヘッドの実施形態は、押出材料の劣化を低減または排除するように押出印刷ヘッド全体にわたってバランスがとれた材料流れを確実にする。

図１５は、マルチノズル押出印刷ヘッドを使用して３次元印刷物体の一部を形成するための図１のプリンタ１００などの３次元プリンタの動作についてのプロセス１５００を示している。プロセス１５００は、本願明細書に記載されたマルチノズル印刷ヘッドの構成によって使用するために排他的に限定されるものではないが、プロセス１５００は、本願明細書に記載されたマルチノズル押出印刷ヘッドの実施形態のいずれかを使用するプリンタによる使用に適している。３次元物体プリンタは、３次元印刷物体の１層の少なくとも一部を形成するためにプロセス１５００を実行し、多くの構成において、プリンタは、多層３次元印刷物体を形成するためにプロセス１５００を複数回実行する。以下の説明において、機能または動作を実行するプロセス１５００への言及は、３次元物体プリンタにおける１つ以上の要素を使用して機能または動作を実行するために記憶されたプログラム命令を実行するためのコントローラの動作を指す。プロセス１５００は、例示の目的のために図１のプリンタ１００に関連して記載される。

プロセス１５００は、プリンタが３次元印刷物体の１層についての領域の外周に沿ったプロセス方向における押出印刷ヘッドと受像面との間の相対移動を生み出すときに開始する（ブロック１５０４）。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、支持部材１０２の表面上および３次元印刷物体１４０の上層の領域の周囲において直線および湾曲経路の双方に沿って印刷ヘッド１０８を移動させるようにＸ／Ｙアクチュエータ１５０を動作させる。他のプリンタ構成において、アクチュエータの異なるセットは、相対移動を生み出すように支持部材を移動させるかまたは相対移動を生み出すように印刷ヘッドおよび支持部材の双方を移動させる。上述したように、プリンタ１００において、コントローラ１２８は、メモリ１３２における３Ｄ物体データ１３８から３Ｄ印刷物体の１層に対応する画像データを取得する。１つの実施形態において、コントローラ１２８は、押出材料の配置を形成するために押出印刷ヘッドと受像面との間の相対移動についての一連の経路を含む印刷ヘッド経路制御データ１３８を生成するように画像データを処理する。より具体的には、コントローラ１２８は、３次元印刷物体１４０の層のうちの１つについての領域の周囲を画定する経路において印刷ヘッドを移動させるようにＸ／Ｙアクチュエータ１５０を動作させる。例えば、図３に示されるように、３つの押出ノズル３１２、３１６および３２０を有する印刷ヘッド１０８は、領域の外周に沿って押出材料の配置を形成するために単一のノズル３１２のみを動作させながら周囲経路３３２に沿って移動する。いくつかの印刷ヘッドの構成において、単一のノズル３１２の径は、印刷ヘッドにおける残りのノズルの径よりも小さい。それゆえに、より小さい径のノズル３１２のオリフィスから放出された押出材料のパターンは、より少ないスペースを占有し、より大きなノズルオリフィス径を有する残りのノズルより細かい詳細を再現することができる。外形を形成した後、プリンタは、外形内の領域を埋めるためにより大きい径を有するノズルを含む印刷ヘッドにおけるノズルの一部または全てを動作させる。印刷ヘッドについての移動経路の異なる部分は、線形（直線）セグメントおよび湾曲セグメントの双方を含むことができる。代替実施形態において、パーソナルコンピュータまたは他の適切なコンピューティングシステムなどの外部コンピューティング装置は、印刷ヘッド経路制御データ１３８を生成し、ＵＳＢなどの周辺入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースまたはデータネットワークインターフェースを介してコントローラ１２８に対して印刷ヘッド経路制御データ１３８を提供する。

プロセス１５００中において、コントローラ１２８は、プリンタが外形の経路に沿った印刷ヘッドと受像面との間の相対移動を発生させるのにともない、領域周囲の外形において押出材料の配置を形成するために印刷ヘッドにおける複数のノズルにおける少なくとも１つのノズルを動作させる（ブロック１５０８）。他の実施形態において、コントローラ１２８は、高い空間分解能を有する外形を形成するために押出材料のより狭い配置を有する外形を形成するためにより狭い出口径を有する１つのノズルまたはノズル群を動作させる。例えば、図３において、ノズル３１２がノズル３１６および３２０よりも狭い径を有する場合、コントローラ１２８は、外形３３２を形成するようにノズル３１２を動作させる。他の実施形態において、コントローラ１２８は、３次元物体プリンタの実効スループット速度を向上させるために、領域の周囲におよび領域内に押出材料の複数の配置を形成するように印刷ヘッドにおける複数のノズルを動作させる。さらに、コントローラ１２８は、外形の外側にある位置に配置されている印刷ヘッドにおけるノズルを非活性化するとともに、残りのノズルのうちの１つ以上は、押出材料の外形を形成する。図１の実施形態において、コントローラ１２８は、印刷ヘッド経路制御データ１３８およびマルチノズル印刷ヘッド１０８におけるノズルの所定の幾何学的形状に基づいて領域の内側または外側にあるノズルを特定する。コントローラ１２８は、非活性化ノズルが押出材料を放出するのを防止するために、印刷ヘッドにおける弁を閉鎖するかまたは個々のノズルへの押出材料の供給を停止する。

図２Ａおよび図２Ｂにおいて上述したように、いくつかの印刷ヘッドの実施形態において、印刷ヘッド１０８におけるノズルの物理レイアウトは、クロスプロセス方向における任意の２つのノズル間の最大分離を形成し、コントローラ１２８は、必要に応じて、３Ｄ画像データにおける所定間隔に対応するノズル間の距離を調整するためにＺθアクチュエータ１５４を動作させる。隣接ノズル間の可変のクロスプロセス方向分離を有するマルチノズル印刷ヘッドを含むプリンタ１００の実施形態において、コントローラ１２８は、３次元物体の１層についての３Ｄ物体画像データ１３６を参照して印刷ヘッドにおける第１のノズルによって形成された押出材料の第１の配置と印刷ヘッドにおける第２のノズルによって形成された押出材料の第２の配置との間のクロスプロセス方向間隔を特定する。

いくつかのプリンタの構成において、コントローラ１２８は、３次元印刷物体１４０の表面またはＺ軸に沿ったノズルと受像面との間の狭い間隙を有する他の適切な受像面上に印刷ヘッド１０８を位置決めする。例えば、１つの実施形態において、間隙は、約０．１ｍｍであるものの、代替プリンタの構成は、より狭いまたはより広い間隙を有して動作することができる。上述した印刷ヘッド１３００および１４００などの平面部材に１つ以上のノズルを組み込む印刷ヘッドにおいて、押し出された押出材料は、受像面と印刷ヘッドとの間の間隙を埋める。印刷ヘッドにおける平面部材は、押出材料に係合して広げる一方で、押出材料は、印刷ヘッドにおけるノズルからの押出材料の異なる配置が押出材料の単一の配置にマージするのを可能とするように液体または半液体状態のままである。さらに、平面部材は、２つ以上のノズルが受像面上に押出材料の重複した配置を形成する場合であっても、押出材料層の均一な厚さを維持するために押出材料の広がりを維持する。

図５は、印刷ヘッド１０８が第１のクロスプロセス方向分離５０４を有して形成する押出材料３３２および５３２の２つの配置を示している。コントローラ１２８は、分離を生成するようにクロスプロセス方向軸ＣＰに対する印刷ヘッド１０８の角度を調整する。図６は、印刷ヘッド１０８におけるノズル３１２および３１６によってそれぞれ形成された押出材料３３２および６３２の２つのセットを有する押出材料の他の配置を示している。図６の構成において、コントローラ１２８は、クロスプロセス方向軸ＣＰに対して角度φだけＺ軸まわりに印刷ヘッド１０８を回転させるためにＺθアクチュエータ１５４を動作させる。印刷ヘッド１０８の回転は、クロスプロセス方向におけるノズル３１２および３１６の間の分離を低減し、印刷ヘッド１０８は、押出材料の２つの配置間に実質的に間隙を有さずに互いに隣接して形成された押出材料の２つのパターンを有する押出材料３３２および６３２の並列配置を形成する。

図９Ａは、ノズルの２次元アレイを含む印刷ヘッド９０４の他の構成を示している。印刷ヘッド９０４において、ノズルは、印刷ヘッド９０４がクロスプロセス方向において隣接ノズル間にほとんどまたは全く空間がない並列配置で押出材料を押し出すのを可能とするために千鳥状に配置されている。図９Ａの構成において、コントローラ１２８は、外形の異なる部分を形成するためにまたは押し出された材料の外形内にスワスを形成するために同時に印刷ヘッド９０４におけるノズルの選択されたセットを動作させる。例えば、図９Ａにおいて、コントローラ１２８は、図９Ａに示される矩形領域などの受像面の所定領域の周囲の外形内の受像面上に押出材料の異なる配置を形成するために、グループ９０８、９１２および９１６におけるノズルを選択的に活性化する。さらに、コントローラ１２８は、それらのノズルが外形の外側にある位置に位置決めされる場合に、印刷ヘッド９０４におけるノズルを非活性化する。例えば、コントローラ１２８は、図９Ａにおける外形の一部を形成するためにノズル９０８のグループを活性化する一方で、コントローラ１２８はまた、領域９０２の周囲の外側にあるノズル９２２のグループを非活性化する。図９Ａに示されるように、コントローラ１２８は、印刷ヘッドが３Ｄ物体画像データ１３６および印刷ヘッド経路制御データ１３８に基づいて所定形状を有する外形を形成するためにプロセス方向に沿った異なる位置に移動するのにともない、印刷ヘッドにおける異なるノズルを選択的に活性化および非活性化する。

図９Ａに示されるように、コントローラ１２８は、領域９０２の外形周囲のプロセス方向経路Ｐにおいて印刷ヘッド９０４を移動させるために印刷ヘッド９０４と受像面との間の相対移動を発生させるようにプリンタ１００におけるアクチュエータを動作させる。コントローラ１２８は、領域９０２を囲む外形内に押出材料の異なる配置を形成するために印刷ヘッド９０４における押出ノズルの異なるサブセットを動作させる。図９Ａの例示的な実施形態において、コントローラ１２８は、領域９０２の周囲に外形の３つの異なる側面を形成するために、第１のグループのノズル９０８、第２のグループのノズル９１２および第３のグループのノズル９１６を動作させる。図９Ａの例において、印刷ヘッド９０４における千鳥状ノズルは、押出材料の配置間の間隙なしで互いに実質的に隣接する押出材料の配置を形成する。印刷ヘッド９０４におけるノズルの２次元アレイは、図９Ａに示される外形の異なる側面を形成するときなど、印刷ヘッドが第１の直線方向に移動したときおよび第１の方向に直交する第２の方向に移動したときに、印刷ヘッド９０４が連続スワスを形成するのを可能とするように千鳥状構成で配置される。他の動作モードにおいて、コントローラ１２８は、押出材料の印刷された配置間の所定のクロスプロセス方向分離に対応するノズルの異なるセットを選択することによって押出材料の並列配置間のクロスプロセス方向分離を調整する。

図９Ａの印刷ヘッド９０４は、図３−図８に示された印刷ヘッドと同様にＺθ軸まわりに回転されるように構成されていない。代わりに、印刷ヘッドにおけるノズルの配置は、印刷ヘッドが印刷ヘッドの回転を必要とせずに押出材料の線形スワスと押出材料の湾曲スワスとの間のコーナーを形成するのを可能とする。図９Ｂは、２つのノズル９３６Ａおよび９３６Ｂを含む簡略化された印刷ヘッドの実施形態９３２を示している。１つの構成において、コントローラ１２８は、２つの線形スワス９４４および９４５を形成するために印刷ヘッド９３２と受像面との間の相対移動を発生させるようにＸ／Ｙアクチュエータ１５０を動作させる。ノズル９３６Ａおよび９３６Ｂは、双方とも、スワスを形成するように押出材料を押し出す。スワス間のコーナー位置９４２において、相対印刷ヘッド移動のプロセス方向がコーナーを回転させることから、２つのノズル９３６Ａおよび９３６Ｂは互いに簡単に重複する。他の構成において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、湾曲スワス９５０に沿った相対印刷ヘッド動作を発生させる。印刷ヘッド９３２が曲線に進入するのにともない、ノズル９３６Ａおよび９３６Ｂは、それぞれ、曲線の外側および内側を形成するが、ノズルは、位置９４８において簡単に重複し、曲線の端部において、ノズル９３６Ａは内側を形成し、ノズル９３６Ｂは曲線の外側を形成する。

上述したスワスの双方の部分は、２つの異なるノズルから押し出された押出材料の配置間の重複領域を含むものの、プリンタ１００は、印刷動作中に均一な押出材料の幅および厚さを有するスワスの双方を形成する。液体押出材料は、スワスの部分が押出材料の重複配置を含む場合であっても、均一な幅および厚さを有する配置を形成するためにノズルから押し出された後に広がる。さらに、印刷ヘッド１３００および１４００に関連して上述したように、ノズルを保持する印刷ヘッドにおける平面部材はまた、各スワスにおける押出材料の均一な層を形成するために押出材料と係合する。いくつかの構成において、径ｄを有しかつ２ｄの距離の隣接ノズル間の最小分離で配置されたノズルを有するノズルを含む印刷ヘッドは、プロセス１５００における使用に適している。例えば、図９Ｂにおいて、印刷ヘッド９５４は、隣接ノズル間の少なくとも２ｄの距離を有する極性構成において５つのノズル９５６Ａ−９５６Ｅを含む。印刷ヘッド９５４は、適切なマルチノズル押出印刷ヘッドの例示的な実施形態であるものの、代替構成は、これに限定されるものではないが、隣接ノズル間の少なくとも２ｄの分離を有するノズルの複数行のグリッドまたは矩形アレイを含む。

再度図１５を参照すると、プロセス１５００中において、プリンタ１００は、湾曲形状を有する領域の周囲の外形内に押出材料のいくつかの配置を形成することができる。いくつかの印刷ヘッドの実施形態において、印刷ヘッドにおけるノズルは、略同じ速度で押出材料を押し出す。コントローラ１２８は、必要に応じて、印刷ヘッド経路制御データ１３８を参照して印刷ヘッドについての移動の経路の湾曲部を特定し、必要に応じて、曲線の内側および外側の双方において押出材料の均一な分布を維持するように印刷ヘッドの動作を制御する（ブロック１５１２）。図７に関連してより詳細に記載された１つの構成において、コントローラ１２８は、印刷ヘッドを振動させるようにＺθアクチュエータ１５４を動作させる。図８に関連してより詳細に記載された他の構成において、コントローラ１２８は、より短い長さを有する曲線の内側においてノズルのいくつかを動作させ、断続的に内側曲線におけるノズルを活性化および非活性化する。

押出印刷ヘッド１０８における各ノズルは、略同じ容積率（例えば、０．０１ｃｍ^３／秒）で押出材料を押し出すことから、コントローラ１２８は、湾曲経路についての印刷ヘッド１０８の動作を調整する。曲線の所定の角度をなすために、外側ノズルによってカバーされる直線距離は、大抵の場合、内側ノズルによってカバーされる直線距離よりも実質的に長いにもかかわらず、コントローラ１２８は、全角度にわたって移動するために印刷ヘッドに必要とされる単一の時間長についての複数のノズルを名目上動作させる。しかしながら、内側曲線における押出材料のより短い直線配置が外側曲線におけるより長い直線配置と略同僚の押出材料を含むことから、押出材料のより短い直線配置を形成するノズルは、潜在的に不均一な表面を生成する、より長い直線配置を形成するノズルと同じ速度で押出材料を押し出す。対照的に、上述した直線配置において、コントローラ１２８は、押出材料の並列直線配置が押出材料の内側配置において形成される押出材料のより多い容積による同じ問題に遭遇しないように、外形の外側部分を形成するノズルよりも短期間だけ外形の内側セグメントを形成するノズルを動作させる。

図７に示されている実施形態において、コントローラ１２８は、均一な密度および表面を有する押出材料の配置を形成するためにＺ軸まわりに印刷ヘッド１０８を振動させるようにＺθアクチュエータ１５４を動作させる。Ｚθアクチュエータ１５４は、印刷ヘッド１０８における移動の振動パターンを生成する一方で、Ｘ／Ｙアクチュエータは、湾曲経路に沿ってプロセス方向に印刷ヘッド１０８を移動させる。印刷ヘッド１０８の振動は、押出材料の外側湾曲配置の直線長さに対して同様の長さを有するように押出材料の内側湾曲配置の直線長さを増加する。図７は、押出材料７０４および７０８の２つの湾曲配置を形成するために振動による印刷ヘッド１０８の動作を図示している。図７において、印刷ヘッド１０８は、湾曲経路に沿って押出材料７０４の配置を形成し、コントローラ１２８は、メモリ１３２における印刷ヘッド経路制御データ１３８を参照して配置７０４についての湾曲経路の直線長さを特定する。コントローラ１２８はまた、押出材料７０８の内側配置についての曲線の直線長さを特定し、外側配置７０８の直線長さと同様または等しくなるように内側配置７０８の全長を増加する印刷ヘッド１０８についての振動の大きさおよび周波数の双方を特定する。例えば、１つの構成において、コントローラ１２８は、押出材料７０８の内側配置についての湾曲経路上に正弦波を導入する。コントローラ１２８は、押出材料７０４の外側配置の長さと同様の直線長さをもたらすこの振動によって内側曲線を生成する正弦波振動または他のパターンの振動についての大きさおよび周波数の双方を特定する。

動作中において、コントローラ１２８は、図７に示される押出材料７０４および７０８の配置を形成するために、印刷ヘッド１０８において特定された形状、大きさおよび周波数の振動を生成するようにＺθアクチュエータ１５４を動作させる。図７の例示的な例において、ノズル３１２は、Ｚθアクチュエータ１５４についての回転軸にまたはその付近に位置し、印刷ヘッド１０８の振動は、押出材料７０４の外側湾曲配置にほとんどまたは全く効果をもたらさない。押出材料７０８の内側湾曲配置は、外側配置７０４と同様であるように造形材料７０８の内側配置の全直線長さを増加する振動パターンを含む。押出材料７０８の内側配置は、外側配置７０４と同様の密度を有し、印刷ヘッド１０８の振動は、プリンタ１００が３次元印刷物体の各層において均一な密度および厚さを有する押出材料についての複数の同心湾曲配置を形成するのを可能とする。

図８は、ノズル３１２によって形成された外側配置８０４およびノズル３１６によって形成された内側配置８１２を含む押出材料の２つの湾曲配置の形成中における押出印刷ヘッド１０８についての他のプロセスを示している。図８に示されるプロセスにおいて、コントローラ１２８は、押出材料８０４の外側配置の第１の直線長さおよび押出材料８１２の内側配置の第２の直線長さを特定する。そして、コントローラ１２８は、第１の直線長さに対する第２の直線長さの比を特定し、特定された比に対応する所定の周波数およびデューティサイクルで断続的にノズル３１６を動作させる。例えば、押出材料８０４の配置が３０ｍｍの長さを有し、押出材料８１２の配置が２７ｍｍの長さを有する場合、コントローラ１２８は、ノズル３１６についての動作のデューティサイクル（９０％）についての比（９／１０）を特定する。コントローラ１２８は、一連の所定の時間間隔（例えば、０．１秒間隔）にわたってノズル３１６を動作させ、間隔の９０％部分（例えば、０．０９秒）の間にノズル３１６が押出材料を押し出すように活性化されるとともに、ノズル３１６は、他の間隔の部分（例えば、０．０１秒）の間に非活性化されて押出材料を押し出さない。ノズル３１６は、液体形態で押出材料を押し出すことから、液体押出材料は、ノズル３１６が非活性化されかつ押出材料８１２の内側湾曲配置が押出材料８０４の外側配置と略同じ密度および高さを有するときに形成された間隙を埋める。

プロセス１５００は、コントローラ１２８が押出材料の配置の外形によって形成された領域内の直線または湾曲スワス経路に沿って押出印刷ヘッドを移動させるときに継続し（ブロック１５１６）、押出材料の所定パターンによって領域の少なくとも一部を埋める押出材料のスワスを形成するために同時に印刷ヘッドにおける２つ以上のノズルを動作させる（ブロック１５２０）。スワスの形成中において、コントローラ１２８は、外形内に押出材料のスワスを形成するために同時に印刷ヘッドにおける２つ以上のノズルを活性化する。さらに、コントローラ１２８はまた、押出材料の既に形成された領域と重複する位置に移動させることができるかまたは印刷された押出材料の周囲の外側の位置に移動させることができるノズルの一部を選択的に非活性化する。例えば、図４は、ノズル３１２、３１６および３２０からの押出ライン３３６、３３８および３４０をそれぞれ含む押出材料３３２の配置によって形成された領域に押出材料のパターンを形成するために押出材料の複数のスワスを塗布する印刷ヘッド１０８を示している。

図１０は、埋め動作中において押出材料のスワスを形成する印刷ヘッド９０４を示している。図１０において、Ｘ／Ｙアクチュエータ１５０は、押出材料によって形成された外形内の領域を埋めるように直線経路に沿って印刷ヘッド９０４を移動させる。図１０は、スワス１０１２およびスワス１０１６を含む押出材料の２つのスワスの形成を示している。図１０は、スワスを形成するために活性化された構成における印刷ヘッド９０４における押出ノズル１００８の全てを示しているが、いくつかの構成において、コントローラ１２８は、ノズルがスワス領域の外側または領域を囲む周囲に移動したことを特定するコントローラ１２８に応じてノズルの一部を非活性化する。図１の実施形態において、コントローラ１２８は、印刷ヘッド経路制御データ１３８およびマルチノズル印刷ヘッド１０８におけるノズルの所定の幾何学的形状に基づいて領域の内側または外側にあるノズルを特定する。コントローラ１２８は、非活性化ノズルが押出材料を放出するのを防止するために、印刷ヘッドにおける弁を閉鎖するかまたは個々のノズルへの押出材料の供給を停止する。いくつかの構成において、押出印刷ヘッドは、固体層を形成するために押出材料によって全領域を埋める一方で、他の実施形態において、印刷ヘッドは、領域を部分的に埋めるグリッド、ハニカムまたは他の適切なパターンを形成する。プリンタ１００において、コントローラ１２８は、ノズルが千鳥状構成で配置される場合であっても、印刷ヘッドがプロセス方向Ｐに沿って所定の位置において開始および停止する押出材料の配置を形成するのを可能とするために独立して個々のノズルの活性化および非活性化を制御する。同様に、コントローラ１２８は、以前に印刷されたスワスに形成された押出材料の配置に基づいて所定のスワスを開始または終了するために各ノズルについての動作のタイミングを選択する。

プリンタ１００は、３次元印刷物体の層における１つ以上の領域を形成するためにプロセス１５００を実行する。多層物体の場合、プリンタ１００は、押出材料の複数の層から３次元印刷物体を形成するために各層について１回以上プロセス１５００を実行する。

Claims (15)

1. ３次元物体プリンタにおいて、
   支持部材と、
   印刷ヘッドであって、
   内部において、チャンバが溶融押出材料を格納するように構成され、複数の通路のそれぞれが第１端部において前記チャンバと流体接続されるハウジングであって、溶融押出材料が、前記ハウジング内の前記チャンバから前記通路に流入し、前記通路の第２端部において外部に流出するハウジングと、
   複数の通路を有する弁アセンブリであって、前記弁アセンブリ内の前記複数の通路のそれぞれが、第１端部において、前記ハウジング内の前記複数の通路のうちの１つの通路の前記第２端部に一対一で対応して流体接続されて、前記ハウジング内の前記通路の前記第２端部から流出した溶融押出材料が、前記弁アセンブリ内の対応する通路の前記第１端部に流入し、前記弁アセンブリ内の各通路が弁部材を含み、前記弁部材が、前記通路内で双方向に移動して、前記弁部材が設けられた通路を、選択的に、且つ前記弁アセンブリ内の他の通路から独立して開閉するように構成される、弁アセンブリと、
   複数のノズルを有する平面部材であって、前記複数のノズルのうちの各ノズルが、前記平面部材のうちの前記弁アセンブリに当接する１つの平坦面から前記平面部材の反対側の平坦面と面一である端部まで延在する通路を有し、前記複数のノズルは、前記弁アセンブリ内の前記複数の通路の前記第２端部と一対一で対応して流体接続され、前記弁アセンブリの前記通路内の前記弁部材が移動して選択的且つ個別に開閉することで、溶融押出材料が前記平面部材の前記複数のノズルに流入する、平面部材と、
   を有する印刷ヘッドと、
   前記印刷ヘッドと前記支持部材との相対移動を引き起こすように構成された少なくとも１つのアクチュエータと、を含む、３次元物体プリンタ。
2. 前記印刷ヘッドの前記ハウジングが、さらに、
   前記チャンバ内の押出物を溶融して溶融押出材料を形成するように構成されたヒータを含む、請求項１に記載の３次元物体プリンタ。
3. 前記弁部材の双方向移動は、前記弁アセンブリの前記通路内の溶融押出材料の流れを横断する移動である、請求項２に記載の３次元物体プリンタ。
4. 前記平面部材が、さらに、低表面エネルギ材料の被覆を含む、請求項３に記載の３次元物体プリンタ。
5. 印刷対象である３次元物体の複数の層に対応する画像データを記憶するように構成されたメモリと、
   前記印刷ヘッドの前記弁アセンブリ、前記少なくとも１つのアクチュエータ、及び前記メモリに動作接続されたコントローラと、をさらに含み、
   前記コントローラが、
   前記メモリ内の前記画像データを利用して前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動を第１経路に沿って発生させ、
   前記印刷ヘッドの前記弁アセンブリ内の少なくとも１つの弁部材を動作させ、前記アセンブリ内の、前記少なくとも１つの弁部材が配置された少なくとも１つの通路内で前記少なくとも１つの弁部材を移動して前記通路を開き、前記第１経路に沿った前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動が生じて第１スワスを形成する際に、前記弁アセンブリ内の前記少なくとも１つの通路から前記平面部材の中の対応するノズル内に溶融押出材料を流し込み、
   前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、前記印刷ヘッドと前記支持部材との相対移動を、前記第１経路とは異なる第２経路に沿って発生させ、
   前記弁アセンブリ内の、前記少なくとも１つの弁部材とは異なる別の弁部材を動作させ、前記別の弁部材が配置された通路内で前記別の弁部材を移動して、前記別の弁部材が配置された前記通路を開き、前記第２経路に沿った前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動が生じて第２スワスを形成する際に、前記別の通路から流れ出た溶融押出材料を、前記平面部材内の、前記別の通路に対応するノズルに流し込むように構成される、請求項４に記載の３次元物体プリンタ。
6. 前記コントローラが、さらに、
   前記複数のノズルのうち、第１スワスによって形成された周囲の中に存在しない少なくとも１つのノズルを特定し、
   前記弁アセンブリ内の、特定された前記少なくとも１つのノズルに対応する弁部材を動作させ、特定された前記少なくとも１つのノズルに流体接続された通路を閉じて、特定された前記少なくとも１つのノズルからの溶融押出材料の流れを止めるように構成される、請求項５に記載の３次元物体プリンタ。
7. 前記コントローラが、さらに、
   前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させて、前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動を、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に存在する追加の経路に沿って発生させ、
   前記追加の経路に沿った前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動が生じる際に、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に溶融押出材料を押し出す１つ以上のノズルを特定し、
   前記弁アセンブリ内のいくつかの弁部材を動作させ、特定された前記１つ以上のノズルに流体接続された通路内の弁部材を移動して、特定された前記１つ以上のノズルに流体接続された前記通路を開き、前記追加の経路に沿った相対移動が生じる際に、特定された前記１つ以上のノズルに溶融押出材料を流し込み、特定された前記１つ以上のノズルから押し出された溶融押出材料で、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に複数のスワスを形成するように構成される、請求項６に記載の３次元物体プリンタ。
8. 前記第１経路は直線経路である、請求項７に記載の３次元物体プリンタ。
9. 前記第１経路は湾曲経路である、請求項７に記載の３次元物体プリンタ。
10. 前記支持部材に垂直に前記印刷ヘッドと前記支持部材との間に延びる軸を中心として前記印刷ヘッドを回転するように構成された第２のアクチュエータをさらに備え、
    前記コントローラが、さらに、
    前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動に対応する、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中の湾曲経路を特定し、
    前記少なくとも１つのアクチュエータを動作させ、前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動を、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中の特定された前記湾曲経路に沿って発生させ、
    弁部材を動作させ、溶融押出材料が前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に存在するノズルに流体接続された通路から流れ出て、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に存在する前記ノズルによって押し出されるように、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に存在する前記ノズルに流体接続された前記通路に配置された弁部材を移動し、
    前記第２のアクチュエータを動作させ、溶融押出材料が、前記第１スワスによって形成された前記周囲の中に存在する前記ノズルから押し出されて、振動パターンを伴うスワスを形成する際に、特定された前記湾曲経路に沿った相対移動中、前記軸を中心に前記印刷ヘッドを振動させるように構成される、請求項９に記載の３次元物体プリンタ。
11. 前記コントローラが、さらに、
    前記振動パターンの周波数及び大きさを特定し、
    特定された前記周波数及び大きさを用いて前記第２のアクチュエータを動作させるように構成される、請求項１０に記載の３次元物体プリンタ。
12. 前記コントローラが、さらに、
    前記第１スワスの長さを利用して前記振動パターンの周波数および大きさを特定するように構成される、請求項１１に記載の３次元物体プリンタ。
13. 前記コントローラが、さらに、
    正弦波形の振動パターンについて、前記第１スワスの長さを利用して前記振動パターンの周波数および大きさを特定するように構成される、請求項１２に記載の３次元物体プリンタ。
14. 前記平面部材の第１の複数のノズルは、前記平面部材の反対側の表面と面一のノズル端部において第１の直径を有し、前記平面部材内の第２の複数のノズルは、前記平面部材の反対側の表面と面一のノズル端部において第２の直径を有する、請求項１３に記載の３次元物体プリンタ。
15. 前記印刷ヘッドと前記支持部材との間の前記軸に沿って前記印刷ヘッドを移動するように構成された第３のアクチュエータをさらに含み、
    前記コントローラが、さらに、
    少なくとも１つの追加のアクチュエータを動作させ、前記印刷ヘッドと前記支持部材の相対移動が生じて、前記平面部材の中の複数の異なるノズルからの溶融押出材料を共にマージする際に、前記平面部材が前記平面部材内のノズルから押し出された溶融押出材料と係合するように、前記印刷ヘッドの前記平面部材を前記支持部材から所定の距離に配置するように構成される、請求項１４に記載の３次元物体プリンタ。

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