JPH082598B2 - 三次元物体を創作する装置及び方法 - Google Patents

三次元物体を創作する装置及び方法

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JPH082598B2
JPH082598B2 JP2290631A JP29063190A JPH082598B2 JP H082598 B2 JPH082598 B2 JP H082598B2 JP 2290631 A JP2290631 A JP 2290631A JP 29063190 A JP29063190 A JP 29063190A JP H082598 B2 JPH082598 B2 JP H082598B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は所定のデザインの三次元物体を作るための装
置及び方法に関し、且つ特に基板上へ流体状態の材料の
多数の層を堆積することによって模型又は物品を作るこ
とに関する。材料は選択され且つその温度はそれが基板
上へ押出され又は小出しされるとほぼ瞬間的に凝固する
ように制御され、多層の付着は所望の物品を作る。
従来の技術 所定の寸法及び形状の三次元物品の作るための方法及
び技術は知られている。在来の技術によれば、所望の物
品が最初にコンピュータを利用した設計（CAD）手順を
手動で又は自動的に利用して引出され、物品は最終的に
所望の形状を機械操作で作るようにブロック加工物から
材料を除去することによって作られる。また、機械加工
操作はコンピュータを利用した機械加工（CAM）方法の
利用によって自動的であることができる。このコストが
かかり且つ時間を消費する方法は部品、模型、又は原型
の最終的製作を完了するために多数回繰返される。設計
者の製作はしばしば原型又は模型又は原型を作る機械加
工者の解釈又は熟練に依存する。三次元物体を創作する
ために材料を機械的に除去するこの一般的な実施はかな
りの機械加工の熟練と機械加工時間とを含む。物体を作
るために利用し得る化学的機械加工技術は深さの制限が
あり、複雑な形状を作ることができない。射出成形又は
他の成形技術による熱成形は長期運転に経済的によく適
合された高価な型及び手順を必要とし、そこでは再生産
性が要求される。装身具での応用に関しては、殆どの顧
客用装身具は現在手作業で作られている。
当業界の現状は成形される物品によって規定されるよ
うなパターンで材料を付着することによって三次元物体
を作るための方法に取り組んでいる。ウイリアム・イー
・マスターズへ発行された米国特許第4,665,492号はそ
のような方法を開示しており、この方法はCAD系から自
動的に与えられたデータに応じて粒子の流れが供給ヘッ
ドから押出され且つ三次元物品の座標へ方向付けられ
る。この方法は物品の原点に種を必要とし、そこから物
品は最初に方向付けられる。粒子は所望の物品を形成す
るように制御された環境で互いに衝突し且つ付着する。
マスターズの手順は所望の三次元物品を得るために２つ
の射出ヘッドの使用を必要とし、物品が周りに構成され
る原点における種を必要とし、且つそのため模型又は原
型のような物品を形成するために比較的簡単な手段とし
て所定のパターンで材料の層を逐次形成する役に立たな
い。マスターズの系は材料を所定の座標へ付着させるこ
とによって中央の種から物品を形成する。そのような方
法は累積誤差を生じることなく0.0254mm（0.001イン
チ）の厳密な公差を保持することが本来的に困難であ
る。
また、形成される物品の隣接する横断面の層に対応す
る連続的な隣接の積層物の形成によって三次元物品を作
るための方法及び装置が従来技術に存在する。しかしな
がら、立体平面印刷業界でのその種の既知の技術は、光
の存在下で液体から固定へ変化する感光性硬化可能な重
合体からなる液体の槽を使用を必要とする。紫外線光
（UV）のビームがCAD系によってコンピュータで発生さ
れ得る所定のXYパターンで単一平面での液体表面を横切
って移動されるレーザービームによって液体の表面へ方
向付けられる。そのような方法では、連続する層は、液
体層中で凝固して所望の物品を形成するために一緒に付
着する連属的な層によって単一の水平な平面でだけ形成
されることができる。そのような方法及び装置はチャー
ルス・ダブリュー・ハルへ発行された米国特許第4,575,
330号に開示されている。
フジムへ発行された米国特許第4,752,498号及び同第
4,801,477号は液体媒体内で感光性重合体を照射するこ
とによって三次元物品を得るための最近の方法を開示し
ている。多層にされた物品はこれらの特許の教示によれ
ば感光性重合体凝固照射を浸漬放射案内を用いて未硬化
の感光性重合体内の所望の領域中へ直接に方向付けるこ
とによって作られることができる。しかしながら、ここ
でも、該方法は危険な硬化可能な感光性重合体の使用及
び取扱を必要とし、且つ非常に微細で平滑な表面を有す
る物品の形成において極く薄い材料層を形成することを
許さない。
フランク・ジー・アーセラほかへ発行された米国特許
第4,818,562号は、ビームによって溶融され且つそれ自
体の上で凝固して所望の形状の物品を作る可融性粉末へ
レーザービームを向けることによって物品を作る方法形
式を開示している。この方法は非常に費用がかかり、粉
末を流動化するために粉末を通して向けられるガスの必
要な使用によって更に複雑にされる。ガス中の不純物は
結局除去されねばならず、ガスは複雑なガス取扱装置を
用いて再循環され又は通気されねばならない。
蝋が加熱された溶融状態で小出しされる蝋小出しガン
を用いて蝋からの装身具のような模型又はサンプル物品
を手操作で作るための装置が存在する。そのような蝋成
形ガンはニューヨーク州ニューヨーク、５番街663のマ
ット・カンパニーによって製作されている。また、マサ
チューセッツ、ノースボロのパーカー・マニュファクチ
ャリング・カンパニーによって製作されているようなグ
ルー・ガンが物品を接着するために液体溶融状態で接着
剤を加熱し且つ小出しするために入手可能である。パー
カーのグルー・ガンは、ガン内で加熱され且つ溶融され
たグルーとして小出しされるグルー棒を利用する。しか
しながら、蝋成形ガン及び既知のグルー・ガンのいずれ
も、所定のパターンで連続する材料層を適用することに
よって所定の三次元形状を生じるように小出しガン及び
／又は基体が互いに機械的に移動され得る機械的手段と
関連して採用されていないし利用されていない。
このため、設計者が事務所作業場所で三次元物品を設
計し且つ創作し得る比較的簡単で有効な方法及び装置の
要望が存在し続けている。ここに開示された方法及び装
置は卓上コンピュータ及びブリンターを用いて同じ容易
さ及び簡単さをもち、模型化工程全体が操作者のCAD作
業場所で行われる要望に合致する。
発明が解決しようとする課題 本発明は、三次元物品が非常に時間及びコストの有効
な態様で事務所作業場所で創作されることができる方法
及び装置を提供することを主な目的とする。本発明が製
品の単一の原型又は模型を作るために特に有効であり、
それによりそれらが設計者によって迅速に作られ且つ研
究されることができることが予期される。このため、複
雑な形状を有する製品は設計誤差の即時の観察及び繰返
し模型化によって効果的に且つ能率よく開発されること
ができる。
課題を解決するための手段及び作用 これらの基本的目的は、作られる物品の形状によって
描かれる所定のパターンで材料を制御された速度で小出
しヘッドから基体又は基部材上へ小出しし、材料が物品
を形成するために凝固し且つ互いに付着する多数の層で
小出しされることによって実現される。方法は、先の層
の材料、特に少なくとも小出しヘッドの下にある材料
が、追加の材料がその頂部上に適用されてその後の層を
形成する前に凝固されるように制御される。
有利には、非常に平滑な表面品質の多数の積層物の先
の層へ付着する非常に薄い層で流動状態で適用される。
小出しヘッドは材料の層を0.00254mm（0.0001インチ）
位薄く又は厚さ3.175mm（0.125インチ）位大きく連続的
に形成するように「Ｚ」軸線に沿って制御可能に上昇さ
れる。各層の厚さは小出しヘッドと既に形成された層と
の間の間隙を調整することによって制御される。
各連続的な層を機械的に作るために、材料が小出しさ
れている時に「Ｘ」及び「Ｙ」軸線に沿って所定のパタ
ーンで基部材及び小出しヘッドを互いに相対的に選択的
に移動させるための駆動モータが設けられる。「Ｚ」軸
線に沿う相対的な垂直方向移動は各層の形成中に及び各
層の完成時に行われて所望の層の形状及び厚さを得るこ
とができる。そのような機械的移動は好ましくはコンピ
ュータ／制御装置CAD/CAM系から基部材及び小出しヘッ
ドの駆動モータへ入力された駆動信号によって行われ
る。該系では、形成される物品の設計な最初にコンピュ
ータで創作され、商業的に入手可能なソフトウェアが三
次元形状を、コンピュータを利用した機械（CAM）制御
装置を通して前記駆動モータへ駆動信号として伝達され
る多層データへ変換するために利用される。各層はCAD
系のプログラムによって制御されるようにそれ自体の厳
格な形状を有することができ、層は異なる厚さを有する
ことができる。
物品形成材料は好ましくはリールのような供給源から
固体材料の可撓性ストランドの形で小出しヘッドへ供給
される。また、固体材料のロッドが小出しヘッド上の材
料供給媒体として使用されることができる。いずれの場
合にも、材料は小出しヘッド上の加熱器でその凝固温度
より上に加熱され且つ流体として適用される。好ましく
は、小出しヘッドは流動性材料が小出しされるノズルの
排出出口へ連結された流れ通路を含む。ノズルは各層の
厚さを厳密に制御するために各層が形成される時に各層
の表面上に作用する「ドクターブレード」として有利に
作用することができる。
蝋、熱可塑性樹脂、及び金属を含む種々の材料がここ
で説明される三次元物品を形成するために使用されるこ
とができる。材料は好ましくは予め選択された温度で溶
融し且つ先の層へ付着する際に収縮歪みなく迅速に凝縮
する材料である。小出しヘッド上の温度センサに応動す
る温度制御装置は排出点における材料凝固温度より約１
℃上のレベルへ供給材料の温度を厳密に制御するために
使用される。これは一貫した流れを保証し、且つ多数の
層が排出され、凝固し且つ付着する時に物品形成方法に
その結果生じた効率をもって材料が排出後の冷却の際に
ほぼ瞬間的に凝固することを保証する。温度制御装置に
応動するノズルチップ上の補助加熱器は材料が排出され
る時に材料の温度の厳密な制御を提供し、材料がその凝
固温度より僅かに上で流動状態にあることを保証する。
本発明のこれらの及び多の目的及び利益は同様な参照
符号が幾つかの図で同様な要素を示すために使用されて
いる添付図面と関連して以下の説明を読む時に容易に明
らかになろう。
実施例 次に図面を参照すると、第１図は三次元部品を作るた
めの本発明の装置の１つの実施例を例示し、装置は参照
符号１で全体的に指示されている。装置は排出ノズル４
を底端に有する移動可能な小出しヘッド２を含み、小出
しヘッド２は取付腕８によってペデスタル６から支持さ
れている。小出しヘッド２は板10を含む基部材に近接し
て配置され、作られる物品は後述するようにして前記板
上に形成される。小出しヘッド２及び基板10は互いに相
対的に機械的運動可能に支持される。図示した好適な実
施例では、これは、基板の「Ｘ」及び「Ｙ」軸線に沿っ
て横方向へ基板10を並進運動させるための及び「Ｚ」軸
線に沿って小出しヘッド２を垂直方向運動させるための
機械的装置を設けることによって行われる。従って、第
１図及び第２図に示したように、基部材10は滑動ロッド
14を有するＸ−Ｙ軸線方向テーブル12上に支持され、該
滑動ロッドはその駆動ブロック16内で駆動ねじ18とねじ
山係合状態にある。駆動モータ20は回転動力を駆動ねじ
18へ提供する。また、滑動ロッド14は細長い駆動ねじ22
を支持し、該駆動ねじ22は第２のモータ24によって駆動
され且つ基部材10の下側へ固定された噛合うねじ山（図
示せず）へ結合され、それと駆動係合状態にある。従っ
て、物品受取基部材10はモータ24及び20の選択された作
動によって第１図に指示されたＸ及びＹ軸線に沿ってそ
れぞれ移動され得ることは理解されよう。
小出しヘッド２を上下垂直方向へ移動させるための別
個の機械的駆動装置が設けられる。そのために、ヘッド
２はブラケット28によって支持腕８の一端の微小滑動軸
受26に垂直方向移動可能に取付けられる。直角なブラケ
ット28の１つの穴あけされた端は駆動ねじ30とねじ山係
合されている。第３の駆動モータ32が駆動回転動力をね
じ30へ供給し且つ図示したようにブラケット34によって
支持腕８上に取付けられる。このため、可逆モータ32の
選択された作動は滑動軸受26上で小出しヘッド２を上下
垂直方向に移動させるためにねじ30を回転する。このた
めに、モータ30は好ましくは高分解能ステップモータで
ある。しかしながら、ステップモータ、リニアモータ、
サーボモータ、同期モータ、直流モータ、及び流体モー
タを含む種々の形式がモータが駆動モータ20、24、及び
32のために使用されることができたことは注目されるべ
きである。
好ましくは、完全自動化動作のために、モータ20、2
4、及び32はコンピュータ36から発生された駆動信号に
よってコンピュータ制御され、それによってコンピュー
タを利用した設計（CAD）が設計者の作業場所で創作さ
れることができる。基板10が支持される支持テーブル12
はそれが卓上に配置され得る大きさのものである。この
ため、第１図に示したようなコンピュータのキーボード
の操作によって、三次元物品は後述するようにして１人
の操作者によって単一の事務所作業場所で設計され且つ
創作されることができる。第２図に概略的に示したよう
に、三次元物品の意匠40は商業的に入手可能なCADソフ
トウェアを利用してコンピュータ36へ入力される。物品
意匠は各別個の層の特別の形状に対応する多数の層デー
タを提供するように協業的に入手可能なソフトウェアプ
ログラムによって多数の層に区分される。そのようなソ
フトウェアプログラムはコンピュータを利用する機械加
工（CAM）目的のために商業的に使用しており、且つNC
Polaris、Smartcam、及びMasterrcamを含む。AUTOLISP
はAUTOCAD図形を特定のパターン及び寸法の多数の層又
は区分に層状化するために首尾よく使用されている。層
状化データ信号は第２図に概略的に示した層状化ソフト
ウェア42から機械制御装置44へ送られる。制御装置44は
Ｘ、Ｙ、及びＺ方向駆動モータ24、20、及び32へ連結さ
れ、これらのモータを層状化駆動信号の伝達によって選
択的に作動させる。
異なる種類の種々の材料がここで説明される装置で三
次元物品を作るために使用されることができる。材料は
それが適用される流動状態から、室温で又は冷却媒体の
使用による所定の温度で熱的に凝固し得る材料であるこ
とが好ましい。第１図及び第３図は加工材料が固体ロッ
ド46の形で供給され、その溶融点まで小出しヘッド２中
で加熱され且つノズル４から流動可能な流体として小出
しされる１つの実施例を例示する。
密蝋、鋳造用蝋、機械加工可能な及び工業用蝋、パラ
フィン、各種の熱可塑性樹脂、金属、及び金属合金を含
む種々の材料がロッドのために使用されることができ
る。適当な金属は銀、金、白金、鉛、マグネシウム、
鋼、チタン、ピュータ、マンガン青銅を含む。ガラス、
特にコーニングのガラスも十分であろう。透明度の変化
する材料は模型建物で窓を形成するためのような若干の
目的で有用であろう。二部分エポキシを含む化学的硬化
材料も適当であろう。ここに開示された装置で三次元物
体を作るために特に適することが判明している材料は、
オハイオ州クリーブランドのフリーマン・マニュファク
チャリング・アンド・サプライによって製造されたフリ
ーマン「機械加工可能な蝋」、コロラド州ポウルダーの
フレンドリー・プラスチックによって製造された「フレ
ンドリー・プラスチック」熱可塑性樹脂、コネチカット
州フェアフィールドのメタル・スペシャルテーズによっ
て製造されたビスマス153合金、及びニューハンプシャ
ー州ハンプトンのアド−テクによって販売されたサーモ
プラスチック・ポリマー235−10、仕様11061番を含む。
供給ロッド46は第３図に最良に示されるように案内ス
リーブ48を通して小出しヘッドの供給室50中へ挿入され
る。ロッドから材料がノズル４を通して小出しされる時
に供給ロッド46を供給室50を通して前進させるために種
々の装置が利用されることができる。そのために適して
いることが立証されている１つの装置は動力シリンダ56
の往復ピストン54へ延長部分として取付けられた駆動ロ
ッド52を備える。シリンダ56は好ましくは空気圧縮機60
及びその受取タンク62から空気ライン58を通る加圧空気
の供給によって作動され、該受取タンク中に圧縮空気源
が維持される。圧縮機／受取タンク60/62からの空気は
供給ライン58及び３方向ソレノイド弁64及び圧力調整弁
66を通して空気シリンダ56へ送出される。圧力ゲージ68
は空気圧力調整器66へ連結されており、これら全ては第
１図に示したようになっている。
駆動ロッド52は１つ以上のラチェット歯74を有するラ
チェットヘッド72へ枢動可能なリンク70によって連結さ
れ、該ラチェット歯は供給ロッド46と係合してそれを小
出しヘッド２の供給室50内で下方へ小出しノズル４の方
へ前進させる。そのために、好ましくは一定のレベルに
ある所定の空気圧力が駆動ロッド52を下方へ移動させる
ようにシリンダ56内でピストン54の頂部上に維持され
る。ロッド52が下方へ移動される時、ラチェットヘッド
72のラチェット歯74は供給ロッド46を室50内で下方へ前
進させることは理解されよう。駆動ロッド52は供給室50
内で穴あきブラケット板78を貫通し、ブラケット板78は
ピストン54の底に作用する戻しばね76のためのストッパ
として作用する。
供給ロッド46は加熱ヘッド84内で所定の温度まで加熱
され、該温度でロッドはその凝固温度を越え且つ流動可
能な液体状態へ溶融する。このために、主又は第１のカ
ートリッジ形式の電気抵抗加熱器80が小出しヘッド２の
供給室50内の加熱ヘッド84内に設けられる。適当なシー
ルリング83が加熱ヘッド84の頂部の周りに設けられる。
電力リード線82が第３図に示したように抵抗加熱器80へ
連結される。加熱器80は供給ロッド46の固定材料をその
溶融点より僅かに上の温度まで、好ましくはロッド材料
の溶融点より１℃の温度まで加熱するために厳密に制御
される。これは第１図及び第３図に示したように第１の
熱電対感知要素88へ電気リード線又はコンジット90によ
って連結された電子式温度制御装置86の使用によって行
われる。熱電対88は加熱ヘッド84内で供給ロッド46に近
接して図示されたように配置され、供給材料が加熱され
ている温度を感知し得るようにする。温度制御装置86は
第１図に示したように主調節可能制御装置を有し、それ
は熱電対88から受取った感知信号に応じて供給ロッド材
料が抵抗加熱器80によって加熱される所定の温度に設定
される。
加熱組立体の部分を構成する加熱器ブレード92が第３
図に示したように供給ロッド材料中に埋設され且つそれ
を所定の温度まで直接に加熱する作用をする。その下方
端において、供給室50は参照符号94で支持した流れ通路
と連通し、該流れ通路はノズル４の底端にある所定の寸
法のオリフィス98の形の小出し出口まで排出ノズル４を
貫通している。ばね負荷ボール逆止弁96が流れ通路内に
配置され、供給室50内で供給ロッド46上に維持された圧
力に応じて流体材料の出口流れを計量する助けをするた
めに開く。また、逆止弁94は形が一時的にせよ停止され
た時にノズル４からの漏洩を排除する。流れ通路94の上
流で加熱器80によって液体状態に変えられたロッド46か
らの供給材料は、前記流れ通路中へ下方へ流れ且つ小出
し出口98へ流れ、それから材料は基板10上へ排出され、
物品を形成する過程での材料の層を形成することができ
る。
小出し出口98の寸法はノズル４のチップでの相互交換
可能なオリフィスインサートに用いること等によって特
別の応用のために変化されることができる。また、口径
を変えるためにカメラで採用されている形式の可変寸法
オリフィスが利用されることができた。
供給材料をその凝固点より非常に僅かだけ上の温度で
流動状態で排出し、それにより材料が基板10上へ排出さ
れた後の冷却の際に非常に迅速に凝固することが望まれ
る。供給材料が望ましい所定の温度でオリフィス98から
排出されること及び材料が流れ通路94を通して液体状態
で維持されてそこで凝固しないことを保証するために、
補助電気加熱器100が流体通路94に近接して排出ノズル
４のチップに設けられる。温度制御装置86は第１図に示
すようにチップ加熱器100のための第２の調節可能な温
度調整器を有する。その温度調整器はノズルの出口端近
くで流れ通路94に近接してノズル４へ取付けられた熱電
対102の形の第２の感知装置から制御信号を受取る。第
１図にも示したように、熱電対88及び102のためのコネ
クタは両方共に電力リード線又はコンジット90を通って
延び、該リード線又はコンジットは主加熱器80のため及
びチップ加熱器100のための温度制御装置86の温度調整
器へ連結される。
駆動ロッド52が第３図に示した位置の近くにラチェッ
ト歯72をもたらすためにそのロッド供給行程の終点の方
へ下方へ移動する時、ピストン54及び駆動ロッド72はラ
チェットヘッド72をそのラチェット歯74と共にその上方
端近くで供給ロッド46に沿って新たな把持をとることが
できるために上方へ引込められねばならない。駆動ロッ
ド52の上方及び下方への運動はラチェットヘッド又は枢
動可能なリンク70の下方への運動によって作動される小
出しヘッド供給室50内のリミットスイッチによって制御
されることができ、又は代替的に第１図に概略的に示し
たようなタイマー106が供給ロッド46の下方への運動を
調時するため及び所定の時間間隔の終了時に駆動ロッド
52の戻しを開始するために利用することができる。いず
れの形式の制御装置も空気弁64へ連結されてそのソレノ
イド弁を消勢し且つ駆動シリンダ56の頂部への加圧空気
の供給を遮断する。それが起こった時、戻しばね76はピ
ストンロッド54を上方へ逆に戻す。この運動は第１図に
示したように空気シリンダ56の頂部上の取付具へ連結さ
れた急速解放通気弁55の使用によって更に助けられ且つ
可能にされる。ライン58を通して空気シリンダ56への加
圧空気の供給が弁64を閉じることによって遮断された
時、戻しばね76の作用によるピストン54の上方への運動
はシリンダ56の頂部の空気を弁55を通して放出させる。
駆動ロッド52の戻り行程の頂上で、ラチェットヘッド72
は供給ロッド46上の新たな把持をとる。空気弁64は次に
タイマー106によって調時された間隔で再び開かれて加
圧空気の供給をシリンダ56内の駆動ピストン54の頂上へ
再び導入する。ロッド46の下方への供給運動が次に再び
開始される。供給ロッド46が室50内で下方へ移動する
と、それは加熱ヘッド84内でその溶融点まで加熱され
る。その結果として、液体材料は流れ通路94中へ下方へ
流れ且つ小出し出口98を通って出る。
また、加圧空気の供給、従って小出しヘッド２及びそ
の小出し出口98を通る流動状態の材料の供給を調整する
ための空気弁64の開閉は第１図及び第２図に概略的に示
したリレー104によって行われることができる。第２図
に示したように、リレー104は小出しヘッド２を「Ｚ」
軸線に沿って垂直方向へ移動させる駆動モータ32へ送ら
れたソフトウェア層状化信号に応答する。このためリレ
ー104は小出しヘッド２の上方及び下方への運動を指示
するプログラムされた信号に応じて空気弁64を開閉する
ように付勢され且つ消勢されることができる。後述する
ように、小出しヘッド２が各先に形成された層より上へ
所定の垂直方向距離だけ連続する層を形成することを開
始するために上方へ移動される器に空気弁64を閉じ且つ
材料46の供給を遮断することは或る種類の物品を作る時
に望ましいことがある。シリンダ56への加圧空気の供給
が遮断された時、ばね負荷逆止弁96は流れ通路94を閉じ
る。
物品を形成するための供給材料源として固体ロッド46
を利用する上述した実施例では、所定の速度での器板10
上への材料の計量は、小出し出口オリフィス98の予め選
択された寸法と、供給ロッドが加熱され且つ流動状態へ
変えられた時に供給ロッド46が小出しヘッド２の供給室
50を通してゆっくり前進する速度を制御するようにピス
トン54上に維持されるように予め選択された一定の圧力
との複合作用によって行われる。また、計量された材料
の流れは最後の層より上のノズル４のチップの間隙即ち
垂直方向高さと材料の粘性とによって制御される。
種々の基体が基板10の頂部上に成形される物品を受取
るために利用されることができる。第１図及び第２図に
示したような比較的微細なワイヤメッシュサンドペーパ
ー108がそのために特に満足し得るものであることが判
明している。第２図に示したように複製される原型物品
40に対応して物品40aがサンドペーパー108上に作られた
後、サンドペーパー基体又は基礎は損傷を受けることな
く物品の底から容易に剥離されることができる。
上述したように、基体又は基礎108は有利には、砂で
被覆され従ってノートン47650−４番のような研磨布か
らなる微細なワイヤメッシュスクリーンの形をとること
ができる。そのような「サンドペーパー」又は研磨布は
両面接着剤テープによって基板10へ付着されることがで
きる。基体108は形成される物品の基礎層の局部的収縮
を避けるために及び物品を損傷なく基体10から解放する
ことを向上するために重要である。基体108上の砂粒子
は小出しされた材料の特に有効な付着を提供する。ま
た、材料は開いたマトリックスワイヤスクリーンの小室
又は孔中へ流れ且つ埋め込む。物品の分離は、物品が形
成された後に低電圧電流が流される銅ワイヤで作られた
導電性ワイヤメッシュスクリーン基体108を使用するこ
とによって促進されることができる。
代替的に、ワイヤメッシュスクリーンは磁化されるこ
とができ且つ鉄粒子が供給材料中へ混合され、基体108
への基礎層の付着を強める。基板10へ適用された磁場の
中断は形成された物品の分離を可能にする。
また、基体108は物品を損傷なく分離するために溶解
され得る水溶性蝋で作られることができる。
第５図は多数の層を作り上げることによって三次元物
体を形成するために供給材料を可動の基板10上へ小出し
するための装置の別の例を示す。この実施例では、供給
材料は固体の形の可撓性ストランドの形をしている。第
３図の実施例の固体ロッド46のように、可撓性ストラン
ドは固体材料であって、その凝固温度より上へ比較的迅
速に加熱されることができ、且つ受取板10上への小出し
後温度の小さい低下の際に非常に迅速に凝固する材料で
ある。第１図及び第３図の実施例に関して上述した材料
のどれでも十分である。熱可塑性樹脂、蝋、又はビスマ
ス、金又は銀のストランドのような可撓性ワイヤの形の
金属の可撓性ストランドが適当である。可撓性ストラン
ド110は供給リール114から小出しヘッド112中へ前進さ
れ且つそれを通して前進される。可撓性ストランドは運
動中の支持のためにテフロン（登録商標名）のような適
当な低摩擦材料で作られた案内スリーブ111を通して送
られる。小出しヘッド112は供給室118を有し、該供給室
はその上方端にある入口穴116と、可撓ストランドが小
出しノズル122の方へ送られる下方案内穴120とを有す
る。小出しノズル122は小出しヘッド112への図示したよ
うなねじ山付連結部を有し、且つ流動状態の材料の計量
された供給を与える助けをするために所定の寸法の小出
し出口オリフィス126と下方端において流れ連通状態に
ある中央の材料供給及び流れ通路124を含む。電気抵抗
加熱器コイル130を収容するスリーブの形の加熱器128は
通路124中の供給ストランドを加熱するためにノズル122
の壁に近接して図示したように排出ノズル122の周りに
配置される。シールリング132は排出ノズル122への入口
において流れ通路124の内部表面の周りに設けられてそ
の場所で液圧シールを提供する。
供給材料の可撓性ストランドを小出しヘッド112中へ
且つそれが通して導入するために、複数個の駆動ローラ
134が図示したように供給室118内に設けられ、それらロ
ーラは適当なベルト又はチェーン駆動装置143によるな
どして互いに駆動連結される。回転動力はモータ142及
び駆動ベルト又はチェーン144によって駆動ローラへ供
給される。モータ142は種々の形式をとり得る。高分解
能ステップモータが好ましい。駆動ローラ134と対向し
て配置された複数個の遊びローラ136はそれと協働して
それらの間に可撓性ストランド110を把持し且つそれを
小出しヘッド112を通してノズル122の小出し出口126の
方へ前進させる。ローラ136はそれと係合する圧力板138
上に作用するばね140を使用することによって可撓性ス
トランド110上で把持摩擦接触を維持するようにローラ1
34の方へばね偏圧される。
可撓性ストランドのための供給リール114はフリーホ
イール動作することができ、その場合駆動モータ142は
可撓性ストランド110を前進させるための単なる駆動動
力源である。そのような構成では、モータ142は好まし
くはステップモータである。代替的に、追加の駆動モー
タ146が回転ホイール114に設けられることができ、モー
タ146は可撓性ストランドの前進を制御する助けをする
ステップモータである。２つの駆動モータ142及び146を
利用することによって、それらの速度はそれらが可撓性
ストランド110を同じ直線速度で前進させるように密接
に等位にされ且つ制御される。いずれの駆動構造によっ
ても、物品が形成されている時に小出しヘッド112の拘
束されない移動を可能にするに充分なゆるみが可撓性ス
トランド110に維持される。
可撓性ストランド110は好ましくは1.587mm（1/16イン
チ）のオーダーの非常に小さい直径を有する。しかしな
がら、直径0.0254mm（0.001インチ）位小さな微小な供
給材料の可撓性ワイヤが小出しヘッド112を通して制御
された前進をさせるために利用されることができる。モ
ータ146と関連して駆動モータ142又はモータ142の選択
的制御によって、可撓性ストランド110の前進速度、従
って基板10上への供給材料の体積小出し速度は非常に厳
密に制御されることができる。可撓性ストランドはその
凝固点より僅かに上の所定の温度までノズル122の通路1
24内で加熱器コイル130によって加熱される。材料は流
動状態へ変えられ、その状態で材料は第１図に示したよ
うに基板10のサンドペーパー受取表面108上へ小出し出
口126から外方へ流れる。第５図の材料供給装置は第１
図及び第２図に関して図示され且つ説明されたと同じＸ
−Ｙテーブル12及び機械的に移動可能な基板10と共に利
用されることは注目されるべきである。小出しヘッド２
のように、小出しヘッド112は制御モータ32による
「Ｚ」軸線に沿う選択的な垂直方向運動可能に支持腕８
上に取付けられる。同様に、第１図及び第２図に関して
図示され且つ説明されたように設計物品を多数の層に区
分けするためのコンピュータ36及び関連したソフトウェ
アを利用するCAD設計系が第５図の小出し実施例と共に
利用される。
第１図及び第２図の小出し装置又は第５図の可撓性ス
トランド供給装置のいずれに関しても、供給材料は小出
しヘッド中で流動状態まで加熱され、且つ基板10上に配
置されたサンドペーパー108のような受取表面上へ制御
された流れ速度で計量される。コンピュータ36及び層状
化ソフトウェア42から制御装置44を通して入力された駆
動信号に応じて、小出しヘッド２及び基板10は所望の形
状の物品を作るために所定のパターンで互いに関して選
択的に移動される。図示した実施例では、基板10は
「Ｘ」及び「Ｙ」軸線に沿って移動することができ、小
出しヘッドは「Ｚ」軸線に沿って垂直方向へ移動するこ
とができる。しかしながら、物品の作るための総合的な
制御された移動は、基板だけ又は小出しヘッドだけを移
動し他を移動しないで行われることができることは理解
されるべきである。
第４図に示したように、供給材料は流動状態で小出し
ヘッド２又は112から小出し出口を通ってサンドペーパ
ー108上へ小出しされ、材料の多数の層を形成し且つ作
り上げる。小出しヘッドの多数のパスが作られ、各パス
はコンピュータ36へ入力された設計データに従って製作
される物品を多数の横断面について層状化ソフトウェア
42によって描かれるような制御されたパターンで生じ
る。コンピュータ及び関連したソフトウェアプログラム
は小出しが原設計図形に基づいてオン及びオフする時を
決定する。機械制御装置44は「Ｘ」、「Ｙ」、及び
「Ｚ」軸線に沿う駆動モータ20、24、及び32の動作を制
御する。これらのモータのそれぞれは別々に動作するこ
とができ、又はそれらの１つ以上が形成される物品の形
状に依存して同時に動作することができる。各層につい
ての円形パターンは基板10の「Ｘ」及び「Ｙ」軸線に沿
う制御された運動によって発生されることができる。小
出しヘッドは最初に第１の層を形成するために基板10又
はその受取基体108より上の所定の高さに配置される。
各その後の層の高さは次に非常に薄い層を小出しし且つ
形成するために厳密に制御される。層が薄くなる程、物
品上に生じる表面は平滑になる。層は水平方向に、垂直
方向に、又は水平方向に対してどの360゜の方向にも形
成されることができる。材料の小出しは３つの軸線のど
れに沿っても起こることができる。材料の小出しは
「Ｘ」−「Ｚ」平面又は「Ｚ」−「Ｙ」平面での堆積が
有利になるまでは「Ｘ」−「Ｙ」平面だけに沿って起こ
ることができる。通常、小出しヘッドは、受取又は基板
10に対して概ね垂直に、従ってテーブル12の「Ｘ」−
「Ｙ」平面に対して垂直に「Ｚ」軸線に沿って装着され
る。
第４図に示すように多数の層を形成し且つ作り上げる
時、基板10及び小出しヘッドの最初の相対的運動は
「Ｘ」−「Ｙ」軸線に沿う水平面内である。第１の層は
小出しされ且つそれがサンドペーパー108のような基体
へ付着する時に凝固する。第１の層はコンピュータプロ
グラムによって描かれる形状をとることができ且つそれ
はほぼ瞬間的に凝固する。小出しヘッドの下の層の部分
が凝固するまでは材料は先に形成された層の上へ小出し
されない。第２の層及び各その後の層はコンピュータプ
ログラム及び層状化ソフトウェアから各層の特別の横断
面によって描かれる僅かに異なる形状をとることができ
る。各層が水平な「Ｘ」−「Ｙ」平面でだけ形成される
各層のパターン状態では、モータ32は各層が形成された
後に選択的に作動され、各層が層間の間隙、従って各層
の厚さを制御するように厳密に制御された所定の距離だ
け小出しヘッドの「Ｚ」軸線に沿って増分して高くす
る。小出しヘッドがこのようにして高くされた後、次の
層が制御された経路に沿って小出しされ且つ形成され
る。若干の場合には、小出しヘッドは層が螺旋形パター
ンを形成する時のように層が形成される時に「Ｚ」軸線
に沿った方向へ移動することができ、ソフトウェアプロ
グラムは各層の端における小出しヘッドの位置を制御す
る。従って、次の層の開始位置にある時に、小出しヘッ
ドは先に形成された層上の対応する点より上で「Ｚ」軸
線に沿って所定の距離だけ既に高くされていることがで
きる。そのような状態で、小出しヘッドは次に層の開始
時に上昇される必要がなく、又は小出しヘッドは層間の
所望の間隙、従って所定の層厚さを形成するために非常
に小さい距離増分して高くされることができる。
材料の各層は液体状態で小出しされ、凝固し且つ先の
層へ付着する。これは層の間に非常に強い結合を作る。
第４図でノズル４及び122に関して図示されたような平
らな底表面を有するノズルをもつ小出し装置を利用する
時、ノズルの底の平らな面はノズル及びサンドペーパー
108が「Ｘ」−「Ｙ」平面で互いに相対的に移動される
時に「ドクターブレード」作用を提供する。材料が小出
しされている時に材料の層との表面接触によって、小出
しチップは各層の頂面を正確な「Ｚ」軸線設定に制限
し、このため「Ｚ」軸線に沿って蓄積誤差が起こらない
ように各層の厚さを調整する助けをする。
多数の層は第４図に示したように同一の厚さを有する
ことができ、又は層は特別の物品を作るために必要且つ
適当なように厚さを変化することができる。また、層は
第９図に示したように各層の高さにわたって厚さをそれ
ぞれ変化することができる。第９図の例で示したよう
に、サンドペーパー基体108上に形成される層は傾斜し
た表面に沿って高さを変化することができ、該表面は真
直ぐ又は弓形であることができる。
供給材料の給送は、基体108上への材料の流れが不足
され又は過度に過剰になることのないように基板10及び
小出しヘッドの「Ｘ」、「Ｙ」、及び「Ｚ」方向の運動
に関して制御される。主な重要性は層の厚さの制御、従
って仕上げの平滑性の制御である。もし材料が１つの層
の上に溢流し且つ／又は他の層で不足するならば、層は
不規則な厚さのものになり、その結果粗い壁表面を製作
された物品上に生ずる。供給材料の制御は種々の様態で
行われることができる。１つのアプローチは第１図及び
第３図に関して説明され且つ例示されたように一定の加
圧された空気圧力下での固体ロッド46の前進によるノズ
ルからの流動性材料の排出を利用する。これは小出し出
口オリフィス98において供給材料の一定の流体圧力を提
供する。固体ロッド46の前進運動は「Ｘ」−「Ｙ」平面
での小出しヘッド及び基板の相対的運動速度によって最
初に決定される速度である。第５図の実施例では、可撓
性ストランド110の給送体積量の非常に正確な制御が達
成されることができる。これは制御モータ20及び24の駆
動速度を感知することによって達成されるように小出し
ヘッド及び基板の互いに相対的な水平面での合成「Ｘ」
「Ｙ」速度に関して駆動モータ142の直線速度を比例的
に調整することによってなされることができる。代替的
に、モータ142の速度はモータ20、24、及び32を感知す
ることによって合成「Ｘ」、「Ｙ」「Ｚ」速度に関して
比例的に調整されることができる。このため、小出しヘ
ッド112から排出される時の流動状態の供給材料の体積
流量は小出しヘッド及び基板10の互いに相対的な「Ｘ」
−「Ｙ」速度と比例関係で制御される。これは、駆動モ
ータ20及び24のパルス信号を感知すること及び小出しヘ
ッド112の駆動モータ142へ比例パルス駆動信号を送るこ
とによって行われることができる。
非常に小さい所定の直径の可撓性ストランドを使用す
る第５図の材料供給装置は材料の小出しの体積流量にわ
たって非常に正確な制御を可能にする。有効なオン／オ
フ流体小出しは前進モータを簡単に停止することによっ
て行われることができる。これは例えば角部を含むパタ
ーンを追跡する時になされることができる。小出しヘッ
ド及び基板の間に「Ｘ」−「Ｙ」平面に沿った相対的運
動がない時にパターンの角部における供給材料の溜まり
又は過剰な堆積を避けるために、モータ20及び24への駆
動信号の中断は可撓性ストランド110を前進させるため
の１つ以上の駆動モータへの停止信号を提供するために
使用されることができる。
代替的に、「Ｘ」−「Ｙ」駆動モータ20及び24は中断
せずに一定の速度で駆動されることができる。該速度は
小出し材料の比較的遅い出力送りが必要とされる角部の
周りのように、パターンを形成するために必要とされる
最も遅い速度に対応するように選択される。第５図の可
撓性ストランド110は「Ｘ」−「Ｙ」平面での小出しヘ
ッド及び基板の互いに相対的な一定速度の運動と比較対
応するようにストランド駆動モータを制御することによ
って一定の直線速度で前進される。供給材料の体積量制
御に対するこのアプローチは制御動作を簡単化するが、
物品を所望の層で作り上げるためにより長い時間を必要
とする。上述したように、第５図に示した小出しヘッド
装置での供給材料として可撓性ストランドを使用するこ
とは、液体状態の供給材料の小出しの厳密な制御を可能
にする。可撓性ストランド110は、それが小出しヘッド1
12中で加熱される時に小出し出口126に液体状態の供給
材料の実質的に最小限の蓄積があるように小さい直径及
びその結果の小さい質量を有する。このため、ストラン
ド110の直線的前進運動の確実な遮断はヘッド112からの
液体材料の小出しを実質的に遮断する。供給材料の流れ
は、各層の形成後で且つ次の層に材料を小出しする前に
小出しヘッドを「Ｚ」軸線に沿って所定の距離垂直上方
へ移動する時にそのようにして中断される必要があり得
る。小出しヘッドの「Ｚ」軸線に沿うそのような増分的
な垂直方向運動中の小出しヘッドからの連続した材料の
流れは特別の点において先の層上に材料の過剰な蓄積を
生ずることがある。
可撓性ストランド110が小出しヘッド112中で加熱され
る温度の厳密な制御はその流れを所望の出口温度に調整
する助けをもする。このために、第５図に示したような
熱電対148がノズル122の内部通路124に近接して配置さ
れることができ、熱電対148は電気抵抗加熱要素130の温
度を厳密に調整するために第１図に関して上述したよう
な温度制御装置86と関連して使用される。
好ましくは、利用される供給材料はそれが小出しされ
る室温で材料がほぼ瞬間的に凝固することを許す凝固温
度を有する。例えば、厚さが0.0254mm（0.001インチ）
より小さい比較的薄い層で堆積された熱可塑性樹脂は室
温で小出しされた時にほぼ瞬間的に凝固する。もし熱可
塑性樹脂のより厚い層が0.508mm（0.020インチ）のオー
ダーで形成されるならば、空気、水、またはフレオンの
ような冷却媒体が熱可塑性樹脂をそれが小出しされる時
に冷却するように基板10上で又はそれと関連して利用さ
れ、それが即座に凝固することを保証しなければならな
いことがある。冷却媒体の適用は制御されねばならな
い。過度の冷却は収縮歪みを生じることがある。小出し
された材料を迅速に凝固させるために冷却媒体を適用す
る本性及び範囲は使用される材料の本性に依存する。例
えば蝋は薄い層中でほぼ瞬間的に冷却し且つ凝固する。
第１図に示したような１つの作業実施例では、圧縮機60
及びその受取タンク162から供給された圧縮空気が別個
の供給ライン150を通して提供され、その排出端は第１
図に示したように排出ノズル４のチップに近接して配置
された。ライン150からの冷却空気は多数の層が形成さ
れた時に蝋を迅速に凝固する助けをした。
別個の源から異なる種類及び／又は異なる色の小出し
材料を受取り且つ小出しするための異なる構造及び構成
の小出しヘッドが利用されることができる。例えば、第
６図に示したように、小出しヘッド112は多数の供給室1
51及び152を有することができ、それへ異なる供給材料1
10a及び110bが別個の供給源から送られることができ
る。供給材料110a及び110bは第５図に関して説明され且
つ図示されるようにリールから供給される可撓性ストラ
ンドをあることができ、又は供給材料は第１図に関して
例示したようにロッドの形であることができた。いずれ
の場合にも、異なる材料は供給され且つ小出しヘッドの
抵抗加熱器156によって交互に溶融されて逆止弁154を通
して交互の流れ通路124a及び124bへ流れることができ
た。第６図に示したように、それら通路の両方ノズル12
2のチップ上の単一の排出出口又はオリフィス126と連通
する。このため、小出しヘッドのそのような構成によっ
て、熱可塑性樹脂及び蝋のような異なる材料が同じ物品
の異なる層を形成するために利用されることができた。
また、供給材料110a及び110bは創作される物体に異なる
色の交互の異なる層を形成するために異なる色で提供さ
れることができた。例えば、材料110aは赤色の蝋の形で
あることができ、材料110bは青色のプラスチックの形で
あることができた。
第11図に示したように、複数個の小出しオリフィス12
7が小出しヘッド112上で円形パターンで配置されること
もできた。小出しヘッドは第６図に示したものと同じ基
本的構造を有し、供給通路151、152等を有し、それへ材
料の異なる組成及び色の多数のロッド又は可撓性ストラ
ンドが送られることができる。しかしながら、小出しヘ
ッドの底は断面線11−11で終端しており、それに沿って
第11図が描かれている。このため、材料は各逆止弁154
の出口において別個のオリフィス127を通して小出しさ
れる。そのような排出ヘッドの構造は組立時間をはやめ
且つ別個の供給材料の選択的な制御によって所望数のオ
リフィスからの材料の排出を可能にする。使用者は特別
の物品を作るため及び各物品内に異なる層を作るために
特別の材料及び色の供給源から引出すことができる。二
部分エポキシ組成物のような化学的硬化材料が第11図に
関して説明されたようなアプリケーターを使用すること
によって適用されることができたことは企図される。２
つの成分が一緒に混合するように別個の整合されたオリ
フィス127を通して排出される。
また、第10図に例示されるように、熱的に凝固する材
料が基板又は基体108より上方で懸垂されるように自由
空間中へ小出しされることができ、材料は該基板又は基
体へ選択された場所において結合される。このために、
小出しヘッド112は図示したようにその出口端又は小出
しチップへ固定された超音波振動器又はホーン158を有
する。材料は固体として小出しヘッド112へ供給され、
且つ第５図に関して130で開示された加熱要素のような
加熱要素の使用によって流動又は液体状態まで加熱され
る。次に、超音波エネルギが電気音響振動器158によっ
て適用され、材料はその周囲の凝固温度より僅かに下の
温度で小出しされ、超音波振動によって供給されたエネ
ルギは圧力を増加する作用をし且つ材料が小出し出口12
6から小出しされる時に材料を流動状態に保つ作用をす
る。材料がその凝固温度より低い温度で小出しされるの
で、それは排出の際に瞬間的に凝固する。この技術は第
10図に示したように基体108より上の自由空間中で材料
のパターンをねじ山、支柱、又はストランドで形成する
ために利用されることができる。材料の各ストランドは
最初に基体上へ排出されてそれへ付着させる。その後、
材料の種々のパターンが図示したように基体より上の自
由空間で弓形に形成されることができ、材料のストラン
ドはそれらの両端において片持状態で基体108へ固定さ
れる。層状化された態様で自由空間で形成され且つ凝固
された材料のストランド160が第10図に示される。
また、超音波振動器を有する小出しチップは制限なく
三次元物体を創作するために使用されることができる。
例えば、離間した場所180a及び180bで基体108へ係止さ
れたワイヤフレームセグメントを画成する多数の自由に
自立するストランド180からなるワイヤフレーム物体が
第12図に図示されたように作られることができた。各ス
トランド180はそれがノズル112から小出しされた時に瞬
間的に凝固し、ノズル及び基体はコンピュータ駆動制御
モータによって「Ｘ」、「Ｙ」及び「Ｚ」軸線に沿って
所定のパターンで互いに相対的に移動される。ストラン
ドを第12図に示したように弓形形状に形成する時、ノズ
ル112は形成される弓形に接する線に対して概ね垂直
に、垂直方向の「Ｚ」軸線から所定の角度傾斜されるこ
とができる。このため、ワイヤフレームを創作したCAD
図形はワイヤフレームの三次元物体に直接に翻訳される
ことができる。第12図に示した物体について、ストラン
ドは２つの点において且つまた互いに係止され、そこで
ストランドは交差する。片持支持されたストランド及び
物体は各ストランドを基体上で一点だけで係止されるこ
とによっても形成されることができる。材料の細いスト
ランドはスパイダーウエブ形状又は中空な単一部片の球
体の物品を含む中空な又は開いた物品を創作するために
自由空間でワイヤフレームとして凝固されることができ
る。
第10図及び第12図の実施例に関して、超音波振動器は
加熱器を使用せずにそれだけで材料を流動化する装置で
あることができた。また、自由空間においてさえ、材料
の瞬間的な凝固は材料がノズル112から排出される時に
材料へ適用されるフレオンのような冷媒の使用によって
達成されることができる。
また、小出しヘッドが複数個の小出し出口又はオリフ
ィスを組入れた出口マニホルドへ連結されることができ
ることは企図される。そのような小出し構造は塗装ブラ
シ形式の層状化作用で幅広い縦条体を多数の層で形成す
るために有用である。第７図及び第８図はそのようなた
めに適当である多オリフィス排出マニホルド162を示
す。マニホルド162の長さに沿って複数個のソレノイド
アクチュエータが配置されており、各ソレノイドアクチ
ュエータは小出し出口又はオリフィス170と密接した動
作関係で配置された底チップ弁要素168を有する連結さ
れたプランジャ166を有する。制御装置164は電気作動ソ
レノイドであることができ、又はそれらは空気作動弁と
共に一般に利用されているように加圧空気の供給源へ連
結された空気アクチュエータであることができた。材料
供給ロッド又はストランド172及び174は第７図及び第８
図に例示したようにマニホルド172の内側で長さ方向へ
導入されることができる。マニホルド162の内部壁表面
に沿って長さ方向に配置された主電気抵抗ストリップ加
熱器は固体供給材料172及び174を最初に加熱し且つ液化
する作用をし、また出口170に近接してマニホルドの底
の外側表面上に取付けられた別個のストリップ加熱器17
8は液化された材料の温度をその凝固温度より僅かに上
の値に厳密に制御する作用をする。マニホルド162は比
較的大きい物体を作り上げるために材料の幅広い縦条体
を適用するように受取基体を横切る直線経路で移動され
ることができることは理解されよう。
また、多数の小出しオリフィスのアプローチは第５図
の可撓性ストランド供給構造と共に使用されることがで
きる。そのために、給送ローラ134、136はそれらの回転
軸線に沿って細長くされ、複数個の別個の供給リール11
4から供給された複数個の可撓性ストランド110を把持し
且つ前進させる。各ストランドは別個のノズル122中へ
前進させる。
上述した材料供給構造に加えて、材料は一定の又は可
変の容積式ポンプを用いて液体貯蔵層から液体として小
出しヘッドへ供給されることもできた。冷えば、多数部
分の化学的に硬化するエポキシ配合物が物品形成材料と
して使用されることができ、エポキシ配合物のそれぞれ
は液体として別個の供給源から多通路小出しヘッドへ供
給される。
種々の変更及び修正が三次元物体を形成するためのこ
こに開示した装置の構造及び動作に、並びに該物体を形
成するための開示された方法に、特許請求の範囲で述べ
られた本発明の精神及び範囲から逸脱せずになされ得る
ことは理解される。
【図面の簡単な説明】 第１図は三次元物体を形成するための装置の一実施例を
示す斜視図であり、第２図は物品形成装置を作動するた
めのコンピュータを利用した設計系を示す概略図であ
り、第３図は第１図の小出しヘッドの垂直断面図であ
り、第４図は材料の多数の層を適用する小出しヘッドを
示す破断図であり、第５図は供給材料として可撓性スト
ランドを利用する材料適用装置の異なる実施例の立面図
であり、第６図は小出しノズルの修正された形の破断断
面図であって、多数の流れ通路を示す図であり、第７図
は多数の出口を有するマニホルド形式の材料小出し装置
の破断斜視図であり、第８図は第７図のマニホルド及び
弁組立体の垂直断面図であり、第９図はどのようにして
材料の多数の層が変化する高さ及び厚さで作り上げられ
得るかを示す概略的な説明図であり、第10図はどのよう
にして材料が本発明の装置によって自由空間で小出しさ
れ且つ形成され得るかを示す概略的な説明図であり、第
11図は第６図の線11−11に沿って見た代替的な多オリフ
ィス小出しヘッドの底面図であり、第12図はどのように
してワイヤフレーム物品が本発明の装置によって形成さ
れ得るかを示す概略的な説明図である。 １……三次元物品を作る装置、２、112……小出しヘッ
ド、４……小出しノズル、10、110……基板、12……テ
ーブル、16……駆動ブロック、18、22、30……駆動ね
じ、20、24、32、142、146……駆動モータ、36……コン
ピュータ、40……三次元物品の意匠、40a……物品、42
……ソフトウェア、44……機械制御装置、46……供給ロ
ッド、50、118、151、152……供給室、52……駆動ロッ
ド、54……ピストン、56……動力シリンダ、58……空気
ライン、72……ラチェットヘッド、80、100、128、15
6、178……加熱器、84……加熱ヘッド、86……温度制御
装置、94、124、124a、124b……流れ通路、98……オリ
フィス、108……基体、110……可撓性ストランド、110
a、110b、172、174……供給材料、114……供給リール、
122……排出ノズル、126、170……小出し出口オリフィ
ス、134……駆動ローラ。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所望のパターンで基材上で凝固する材料の
    多数の層を順次堆積することによって所定の形状の三次
    元物理的物体を作る装置であって、 一端にある小出し出口へ連結された流れ通路装置をその
    中に有する移動可能な小出しヘッドであって、前記出口
    はその中に所定寸法の排出オリフィスを備えたチップを
    含む、前記小出しヘッドと、 所定の温度で凝固する材料の供給部、及び該材料を流動
    状態で前記流れ通路装置中へ導入するための装置と、 前記小出しヘッドの前記小出し出口と密接した作業近接
    関係で配置された基部材と、 前記小出しヘッド及び前記基部材を互いに他に対して、
    所定の順序及びパターンで直角座標系の「Ｘ」、「Ｙ」
    及び「Ｚ」軸線に沿って三次元で移動させる機械的装置
    であって、各連続した層の形成を開始する前に、前記小
    出しヘッドを前記基部材に対して、次に、それまでに堆
    積された各連続した層に対して、所定の増分的な距離だ
    け移動させ、前記排出オリフィスから排出された後に材
    料が凝固するに従って互いに順次堆積されて所定の厚さ
    の前記材料の多数の層を形成させる、前記機械的装置
    と、 前記小出しヘッドと前記基部材とが互いに他に対して移
    動されるに従って三次元物体を形成するように、前記排
    出オリフィスから流体の流れとして前記材料を所定の速
    度で前記基部材上に排出するように計量するための装置
    と、 を含む三次元物理的物体を作る装置。
  2. 【請求項２】前記物体を流動状態で導入するための前記
    装置が前記材料をその凝固温度より直ぐ上の温度まで加
    熱するように制御された前記小出しヘッド上の加熱装置
    を含み、それにより前記材料が前記小出し出口から流体
    の流れとなって流れ且つ室温における前記出口からの排
    出の際に殆ど直ちに凝固するようにした請求項１に記載
    された三次元物理的物体を作る装置。
  3. 【請求項３】前記小出しヘッド及び前記基部材を互いに
    相対的に移動させるための前記機械的装置が前記小出し
    ヘッドへ機械的に連結されたモータ装置を含み、該モー
    タは各連続する層の形成の開始に先立って前記小出しヘ
    ッドを所定の増分した距離だけ垂直方向上方へ移動させ
    るように動作し、それにより層間の間隙を制御し、この
    ため層が前記出口からの排出後に凝固する時にそれぞれ
    他の上に連続的に堆積する所定の厚さの前記材料の多数
    の層を形成し、それにより各層を形成する過程での前記
    ヘッドの小出し出口の移動が前記間隙を制御する助けを
    するようにした請求項１に記載された三次元物理的物体
    を作る装置。
  4. 【請求項４】前記基部材が水平面で「Ｘ」及び「Ｙ」軸
    線に沿って並進運動可能に指示され、且つ前記機械的装
    置が前記基部材を前記「Ｘ」及び「Ｙ」軸線に沿って選
    択的に移動させるように動作し得る第２及び第３のモー
    タ装置を含む請求項３に記載された三次元物理的物体を
    作る装置。
  5. 【請求項５】所望の物体又は模型の三次元図形を創作す
    るためにプログラムされたコンピュータを利用した設計
    のコンピュータと、前記コンピュータと関連し、図形を
    多数の立面層データへ変換するために動作し得るソフト
    ウェアと、前記モータ装置のそれぞれと電子的に結合さ
    れ、且つ前記コンピュータから受取った各層についての
    「Ｘ」、「Ｙ」及び「Ｚ」軸線駆動信号に応じて前記モ
    ータのそれぞれを作動させるように動作し得る三次元制
    御装置とを含む請求項４に記載された三次元物理的物体
    を作る装置。
  6. 【請求項６】前記材料が熱可塑性樹脂である請求項１に
    記載された三次元物理的物体を作る装置。
  7. 【請求項７】前記材料が蝋である請求項１に記載された
    三次元物理的物体を作る装置。
  8. 【請求項８】前記材料の供給部が固体の形であり、前記
    材料を前記供給室を通して前記流れ通路装置の方へ前進
    されるように前記固体材料と作動上関連した材料前進機
    構を更に含み、前記加熱装置が前記固体材料を流動可能
    な流体状態に溶融する作用をする請求項２に記載された
    三次元物理的物体を作る装置。
  9. 【請求項９】前記材料が連続した可撓性ストランドの形
    であり、前記材料のストランドを前記供給室を通して前
    記流れ通路装置の方へ制御された前進をさせるために前
    記ストランドと作動上関連した材料前進装置を更に含む
    請求項８に記載された三次元物理的物体を作る装置。
  10. 【請求項１０】前記可撓性ストランドが巻かれる供給リ
    ールを含み、前記材料前進装置が前記ストランドと係合
    し且つそれを前記リールから引張る装置を含む請求項９
    に記載された三次元物理的物体を作る装置。
  11. 【請求項１１】層の厚さを制御する助けとなるように、
    前記チップが、各層を形成する過程において前記小出し
    ヘッドと前記基部材とが互いに他に対して移動する時
    に、排出された前記材料と接触するように前記機械的装
    置によって位置決めされる底面を有している請求項１に
    記載された三次元物理的物体を作る装置。
  12. 【請求項１２】三次元物品を作る方法であって、 熱的に凝固可能な材料の供給を流体の流れとして機械的
    に移動可能な小出しヘッドの小出しノズルの流れ通路中
    へ導入する段階であって、このノズルが前記流れ通路と
    流動流れ連通状態にある小出し出口をその一端に有して
    いる、該段階と、 前記小出し出口から前記材料をそれが凝固する温度より
    高い所定の温度で連続した流動可能な流体の流れとし
    て、前記ノズルに近接して位置された基部材上へ小出し
    する段階と、 前記材料を前記基部材上へ小出しすると同時に、前記基
    部材と前記小出しヘッドとを互いに他に対して所定のパ
    ターンで機械的に相対運動させ、前記基部材上に前記材
    料の第１の層を形成する段階と、 前記小出しヘッドを前記第１の層から所定の層の厚さの
    距離だけ移動させ、前記ノズルに近接した前記第１の層
    の部分が冷却され且つ凝固した後に、前記基部材と前記
    小出しヘッドとを互いに他に対して移動させながら同時
    に前記小出し出口から前記第１の層上へ流体の流れとし
    て前記材料の第２の層を小出しし、もって、前記第２の
    層が冷却されて凝固し且つ前記第１の層に付着して三次
    元物品を形成するようにする段階と、 前記基部材と前記小出しヘッドとを互いに他に対して移
    動させながら前記小出し出口から流動状態で前記材料の
    小出しを繰り返えすことによって、多数のパスにより互
    いの層の頂部上に堆積される前記材料の多数の層を形成
    する段階であって、各先行する層が形成された後に前記
    小出しヘッドと前記基部材とが所定の距離移動され、各
    連続した層の小出しが、前記ノズルに近接した先行する
    層の材料が凝固されてしまった後に、行なわれるように
    制御されている、該段階と、 を含む三次元物品を作る方法。
  13. 【請求項１３】前記材料を固体状態で前記小出しヘッド
    中へ導入し、且つ前記小出しヘッド中の前記材料をその
    凝固温度より増分的に上の温度まで加熱し、それにより
    前記材料が前記流れ通路中へ流動状態で向けられること
    を更に含む請求項12に記載された三次元物品を作る方
    法。
  14. 【請求項１４】凝固する材料を所望のパターンで基部材
    上に堆積することによって所定の形状の三次元物理的物
    体を作る装置であって、 材料の供給を保持し且つ該材料を流体の流れとして小出
    しするための装置を有する小出しヘッドと、 前記小出しヘッドに緊密な作業接近状態で配置された基
    部材と、 前記基部材上の開いたマトリックス基体と、 流動材料を前記基部材上へ排出すると同時に前記小出し
    ヘッド及び前記基部材を互いに相対的に運動の所定の順
    序及びパターンで運動させ、それにより前記小出しヘッ
    ドから小出しされた第１の材料が前記開いたマトリック
    ス基体上に受取られ且つ固体に硬化し、それにより形成
    された物品を強固に係止する装置と、 を含む三次元物理的物体を作る装置。
  15. 【請求項１５】前記基体が細かいワイヤメッシュスクリ
    ーンである請求項14に記載された装置。
  16. 【請求項１６】三次元物品を作る方法であって、 その中にある排出オリフィスを備えたチップを有する小
    出しヘッドから流体の流れとして凝固可能の材料を小出
    しする段階であって、前記チップは底面を有し、前記材
    料は周囲条件で凝固する材料のうちの１つで成る、該段
    階と、 前記チップの底面とそれに近接して配置された基部材と
    の間に所定の間隙距離を維持して、前記材料を前記基部
    材上に小出しする段階と、 前記基部材上に前記材料を小出しすると同時に、前記基
    部材の平面内で前記基部材と前記小出しヘッドとの間の
    相対運動を行なわせ、前記基部材上に前記材料の第１の
    層を形成する段階と、 前記第１の層に対して所定の層の厚さの距離に前記小出
    しヘッドを移動し、次に前記基部材の平面内において前
    記基部材と前記小出しヘッドとの間の相対運動を行なわ
    せながら、前記排出オリフィスから前記第１の層上に流
    体の流れとして前記材料の第２の層を小出しし、前記チ
    ップの前記底面は前記第１の層とほぼ平行であって且つ
    これに接触して維持されていて、もって、前記チップの
    底面が、前記材料が小出しされる時に該材料の前記第２
    の層の頂面に、剪断効果をもたらし、かくて、前記基部
    材に対して連続する層の絶対的な位置を厳密に制御し、
    且つ層堆積における累積的誤差を阻止し、且つ滑らかな
    層表面を維持するようになっている段階と、 を含む三次元物品を作る方法。
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