JP6799922B2 - 三次元（３ｄ）印刷部品および構成要素のための紫外線（ｕｖ）光硬化可能インクのマルチレイヤアドレス可能硬化を実施するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、三次元（３Ｄ）印刷部品および構成要素、特に３Ｄインクジェット印刷システムにおいて形成されるそれらの部品および構成要素の形成および／または製造において紫外線（ＵＶ）光または光硬化可能インク層の調整可能硬化を実施するためのシステムおよび方法に関する。

三次元または３Ｄ印刷は一般的に、多くの場合、層ごとに材料を堆積するプロセスを通じて三次元部品、物体または構成要素（「３Ｄ印刷部品」）を製造するのに使用可能である広範なクラスの技法を指す（「材料積層造形」またはＡＭ技法とも称される）。３Ｄ印刷技法は、多くの態様において、受像媒体基板上に二次元（２Ｄ）印刷画像を形成するための既知の相当するプロセスと同様と考えられる１つまたは複数のプロセスを利用する。３Ｄ印刷技法がゆるやかに関連する２Ｄ印刷プロセスから適応されている場合があるにもかかわらず、３Ｄ印刷技法によって生成される出力構造における顕著な差は、概して、（１）３Ｄプリンタから出力３Ｄ印刷部品を形成するのに使用される堆積材料の組成、および（２）堆積材料の連続する層を、出力３Ｄ印刷部品の形状に構築するための比較的多数のそれらの層の堆積において「印字」ヘッドによって為される多数の通過に基づく。高機能の３Ｄプリンタにおいて、たとえば、印刷装置が、ロボットアームの端部にあるような、複数の軸の間で移動することができることによって、３Ｄプリンタが、３Ｄモデルのコピーおよび／またはモデリング情報の詳細なデジタルデータソースファイルへの変換におけるコンピュータ制御に従って実質的にいかなる形状の３Ｄ印刷部品をも製造することができる。多数の材料積層造形または３Ｄ印刷プロセスが現在利用可能である。これらの多様な３Ｄ印刷プロセスの間での弁別的な基本的特性は、出力３Ｄ印刷部品を作成するために層が堆積される方法、および、出力３Ｄ印刷部品を形成するのに使用される材料にある。

３Ｄ印刷技法のいくつかは、たとえば、選択的レーザ溶融または焼結のような技法を使用することによって材料を溶融または軟化して、層を生成する。他の３Ｄ印刷技法は、ステレオリソグラフィのような、液体材料を堆積するための技術を使用して、液体材料を硬化させる。これとは別に、たとえば、薄膜積層法においては、紙、ポリマーまたは金属の薄層が切断されて成形され、ともに接合されて、出力３Ｄ印刷部品が形成され得る。各方法は、これらの３Ｄ印刷技法のいくつかを特定の３Ｄ印刷部品造形シナリオにおいて多かれ少なかれ許容可能にする、一定の欠点によって相殺されることが多い一定の利点を有する。特定の３Ｄ印刷技法、および、その３Ｄ印刷技法を実行するためのシステムを選択するにあたっての主要な考慮事項は、物体生成の速度、デバイス費用、デバイス柔軟性、ならびに、たとえば、３Ｄ印刷部品が特定の色彩設計を提示するように意図されているときに利用可能な材料における色域を含む、３Ｄ印刷部品の生成のための構成材料の費用および選択を含む。いくつかの材料積層造形技法は、出力３Ｄ印刷部品の「印刷」または他の様態での構築の過程において複数の材料を使用することが可能である。これらの技法は、同時に複数の色および配色で印刷して、その後、概して追加の塗装／仕上げを必要としなくてもよい出力３Ｄ印刷部品を生成することが可能であることが多い。

３Ｄプリンタは、概して、広範囲の異なる材料で印刷することができる。これらの材料は、たとえば、押出プラスチックおよびサーモプラスチック、高密度ポリエチレン、特定の金属（焼結金属、金属粉末および／または金属合金を含む）、接着粉末混合物、セラミック材料およびセラミック基複合材、モデリング粘土、石膏、ならびに、高濃度の固形成分を溶液中に含有する光硬化可能および／または紫外線（ＵＶ）光硬化可能インクを含む特定のインク状材料を含む。３Ｄプリンタは、さらには、調理において食料品を生成するための可食材料の組成物の層を堆積するのにも使用することができる。

開示されている方式は、基礎構造構成要素上に三次元（３Ｄ）出力物体を「構築」するために個々の層が噴射される、材料積層造形プロセスによって３Ｄ出力物体を生成するためのＵＶ硬化可能噴射インク（様々なサイズの固形物粒子および顔料が透明なおよび／または着色懸濁液中に懸濁されている）に焦点を当てる。それゆえ、開示されている技法は、３Ｄ物体の生成に適合された、受像媒体基板上に２Ｄ画像を生成するのに使用可能である方式に、ゆるやかに基づく。

開示されている方式において、３Ｄプリンタが、インクジェット様印刷プロセスおよび／または印字ヘッドを使用して積層造形プロセスにおいて先行して堆積された層上に印刷材料の個々の連続した層を拡散させることによって、出力物体を一度に一層ずつ作成する。このプロセスにおいて、層の堆積は、すべての層が印刷されるまで繰り返される。この技法は、先行して堆積された層を「覆い隠す」場合がある特定の張出し層から構成されるものを含む、すべての形状のフルカラー原型の印刷を可能にする。

インクジェットプリンタシステムは、３Ｄ出力物体が完成されるまで、ビルドトレイ上に材料を極薄層（たとえば、１６〜３０μｍ）で噴霧する。各層は、噴射後に、取り扱いおよび使用する前に完成物体の後硬化処理を受けることなく、直に取り扱いおよび使用することができる、完全に硬化したモデルを生成する、ＵＶ光を含む光を当てることによって熱または光硬化可能であり得る。

３Ｄ印刷部品の正確な硬化は、すべてのＵＶインク３Ｄプリンタが直面する課題である。３Ｄプリンタに利用可能な広範なＵＶインク色で、過硬化することなく十分徹底的に硬化することは困難である。アドレス可能硬化は、２Ｄ画像形成において、たとえば、形成された色画像を維持するのに重要である。一例として、クリアコートインクが過硬化されると、クリアコートインクは硬化プロセスにおいて黄色になる可能性がある。同様に、他の色も過硬化されると「変色」する場合がある。これによって、受像媒体基板上に堆積される材料のランダムな変色に基づいて画像品質が低減する。硬化不足である場合、堆積される画像材料は、不鮮明、汚れなどになる場合がある、それによって同じく、出力画像の画像品質に影響を及ぼす。

３Ｄ印刷においては、さらなる問題がある。硬化不足または過硬化は３Ｄ出力物体の物理的特性に影響を及ぼす。これらの悪影響を受ける特性は、強度および硬度を含み得る。完成３Ｄ出力物体を表面硬化するのに失敗すると、結果として、完成したことになっている３Ｄ出力物体の単純な後処理の取り扱いおよび／または操作によって、完成３Ｄ出力物体の表面に欠陥がもたらされる場合がある。加えて、３Ｄ出力物体を生成するための堆積材料のいくつかは未硬化状態では必ずしも生物学的に安全でない場合があるため（たとえば、「このインクはあなたの健康を損なう可能性があります」）、完成３Ｄ出力物体の表面を完全に硬化することができなかったことによって、取り扱う人員に対して危険がもたらされる場合がある。

後硬化コーティングプロセスを必要とすることなく、処理中の３Ｄ物体の内部層、および、完成３Ｄ出力物体の表面の適切な硬化をより良好に保証することができるシステム、方法、技法、プロセスおよび方式を提供することが有利であり得る。

本開示によるシステムおよび方法の例示的な実施形態は、３Ｄ印刷部品の生成に固有である硬化問題に対処するために、制御可能ＵＶ光を使用して、多層（マルチレイヤ）履歴および／または履歴プロファイルから特定のピクセルにＵＶインクを照射することができる。

例示的な実施形態は、３Ｄ印刷物体が印刷されているときに、その物体内の個々の層を適切に硬化させるために、アドレス可能硬化をもたらすことができる。アドレス可能硬化の使用は、３Ｄ印刷物体内の個々の層状構成要素の色または厚さにかかわりなく、個々の層および／または層状構成要素の適切な硬化を保証するように意図されている。

実施形態において、アドレス可能硬化は、各層内でピクセルごとに行われ得る。

例示的な実施形態は、層ごとの履歴を利用することができ、それによって、アドレス可能硬化ユニットの強度を調整して、特定の層を過硬化することによって引き起こされる場合がある損傷効果をもたらすことなく、特定の層に対する完全な硬化をもたらす。ＵＶ光を含む、当てられる光は、硬化のために光によって貫通されるべきいくつかの層のうちの個々の層の構成および／または色に基づいて、いくつかの層を別様に貫通することになるため、この層ごとの履歴を参考にすることは適切であり得る。光は、たとえば、黒色または他の暗色のインクのいくつかの層のみを貫通しながら、２０以上のクリアインクの層を貫通することができる。

例示的な実施形態は、実質的にすべてのＵＶインク３Ｄプリンタが直面する、３Ｄ印刷部品を正確に硬化するという課題に対処することができる。実施形態において、過硬化することなく、３Ｄ出力物体を十分徹底的に硬化することに関する懸案事項は、３Ｄプリンタにおいて使用するのに利用可能な広範なＵＶインク色について対処される。

例示的な実施形態は、ＵＶインクの特定のピクセルを照射するために制御可能ＵＶ光（露光）を利用することができる。ＵＶ光露光量は、複数の３Ｄ印刷部品の各々に固有であるマルチレイヤインク堆積履歴を使用して制御することができる。

本開示によるシステムおよび方法の例示的な実施形態は、３Ｄ印刷物体が印刷されているときに、その物体内の個々の層を適切に硬化させるために、アドレス可能硬化をもたらすことができる。アドレス可能硬化の使用は、３Ｄ物体内の個々の層状構成要素の色または厚さにかかわりなく、個々の層および／または層状構成要素の適切な硬化を保証するように意図されている。

実施形態において、アドレス可能硬化は、各層内でピクセルごとに行われ得る。これとは別に、たとえば、ＬＥＤベースの露光アレイ内の各発光ダイオード（ＬＥＤ）のような各露光ユニットは、いくつかの隣接するピクセルをカバーし、単一または複数の層内のいくつかの隣接するピクセルの平均ピグメントに基づいて硬化強度を適用することができる。

例示的な実施形態は、層ごとの履歴を利用することができ、それによって、アドレス可能硬化ユニットの強度を調整して、特定の層を過硬化することによって引き起こされる場合がある損傷効果をもたらすことなく、特定の層に対する完全な硬化をもたらす。ＵＶ光を含む、当てられる光は、いくつかの層のうちの個々の層の構成および／または色に基づいて、いくつかの層を別様に貫通することになるため、この層ごとの履歴を参考にすることは適切である。光は、たとえば、黒色インクのいくつかの層のみを貫通しながら、２０以上のクリアインクの層を貫通することができる。

開示されているシステムおよび方法のこれらのおよび他の特徴および利点が、様々な例示的な実施形態の以下の詳細な説明に記載されており、またはその説明から明らかになる。

本開示による、三次元（３Ｄ）印刷部品および構成要素、特に３Ｄインクジェット印刷システムにおいて形成されるそれらの部品および構成要素の形成および／または製造においてＵＶ光または光硬化可能インク層の調整可能硬化を実施するための、開示されているシステムおよび方法の様々な例示的な実施形態は、以下の図面を参照して詳細に説明される。

図１は、本開示によるアドレス可能硬化デバイスを含む例示的なインクジェット３Ｄ物体形成システムのブロック図である。 図２は、本開示によるアドレス可能硬化方式がこれに基づき得るマルチレイヤ履歴を構成し得る例示的な層の概要を示す図である。 図３は、本開示による、処理中の３Ｄ物体内の層のアドレス可能硬化を含む３Ｄ物体形成方式を実施するための例示的な制御システムのブロック図である。 図４は、本開示による、処理中の３Ｄ物体内の層のアドレス可能硬化を含む３Ｄ物体形成方式を実施するための例示的な方法の流れ図である。

本開示による、三次元（３Ｄ）印刷部品および構成要素、特に３Ｄインクジェット印刷システムにおいて形成されるそれらの部品および構成要素の形成および／または製造においてＵＶ光または光硬化可能インク層の調整可能硬化を実施するためのシステムおよび方法は、概して、それらのシステムおよび方法の特定の利用形態を参照する。本開示において説明および図示されている例示的な実施形態は、３Ｄ物体形成システム、３Ｄ物体形成システム内の個々の材料堆積構成要素、または３Ｄ物体形成システムにおける３Ｄ物体形成を制御するための制御および／または処理構成要素の任意の特定の構成、ならびに、形成または製造中に処理中の３Ｄ物体の１つまたは複数の層を選択的に硬化するためのアドレス可能物体硬化構成要素を含むそのような３Ｄ物体形成システムの任意の特定の構成に特に限定されるものとして解釈されるべきではない。本開示において詳細に説明されるもののようなデバイスおよび方式を利用して、アドレス可能かつ／または選択的な個別の硬化を、処理中の３Ｄ物体の部分に適用するためのシステムおよび方法の任意の有利な使用は、開示されている例示的なシステムおよび方法の範囲内に含まれるものとして企図されていることが認識されるべきである。

本開示によるシステムおよび方法は、３Ｄ物体の形成のためのプラットフォーム上に堆積される材料として噴射インクを利用する３Ｄプリンタにおける３Ｄ物体形成に対する使用に特に適合可能であるものとして説明される。これらの参照は、開示されているシステムおよび方法の単一の実世界の利用形態を提供するにあたっての例示としてのみ意図されており、任意の特定の製品またはデバイスの組み合わせに、または、説明および図示されているアドレス可能硬化デバイスおよび方式が有利に利用され得る任意の特定のタイプの３Ｄプリンタに開示されているシステムおよび方法を限定するものとして考えられるべきではない。任意の一般的に知られているプロセッサ制御３Ｄ物体形成デバイスであって、プロセッサが、本開示において説明されている特定の機能に従って適合され得る、処理中の３Ｄ物体の個別の部分の可変硬化を指示することができる、プロセッサ制御３Ｄ物体形成デバイスが企図される。

開示されている実施形態は、他の目的の中でも、多くの３Ｄプリンタ、特にＵＶ硬化可能インク３Ｄプリンタが従来から直面している課題に対処する、３Ｄプリンタにおいて形成される３Ｄ印刷部品の「正確な」硬化を可能にするように意図されている。目的は、３Ｄプリンタにおいて使用するために利用可能である広い様々な範囲のＵＶ硬化可能インク色および組成にわたって、過硬化することなく３Ｄ物体のすべての構成要素を効果的に硬化するのに十分徹底的であるレベルの硬化を可能にすることである。開示されている方式、プロセス、方法および技法、ならびに、それらの実施をサポートするシステムおよびデバイスは有利には、３Ｄ印刷部品、構成要素および／または物体に固有であるように特定の個別の部分内に配置されているＵＶ硬化可能インクのマルチレイヤ履歴から得られる情報に基づいて、ＵＶ硬化可能インクの個々のピクセルおよび／またはピクセルグループをさえ照射するような詳細を含む、３Ｄプリンタによって形成される処理中の３Ｄ物体の特定の個別の部分を照射するための制御可能ＵＶ光照射および／または露光をもたらすことができる。

ＵＶ硬化可能インクを用いて印刷するとき、インクを正確に硬化させることは大いに重要である。硬化において不一致が大きくなることによって、ＵＶ硬化可能インクが依然として液体のままになるか、または、ＵＶ硬化可能インク層の個々の部分において正確な色域を呈することに問題を有することになる可能性がある。３Ｄ物体形成、３Ｄ印刷および／または積層造形において、硬化の度合いは、理想的な硬化および／または硬化露光量からのすべての明らかに小さい変動は、引張強度、衝撃強度、および硬度のような、形成される３Ｄ物体の物理的特性に悪影響を及ぼし得る。加えて、いくつかのＵＶ硬化可能インク、インク成分および／またはインク溶液は生物学的または微生物学的に中性ではないため、形成される３Ｄ物体を適切に表面硬化できないことによって、結果として、十分に硬化しなかった物体を取り扱う人間に危険が生じる場合がある。

そこで、開示されている方式は、マルチレイヤ履歴に従って、処理中の３Ｄ物体の識別可能な部分を、個々の層および層グループ内のピクセルごとのレベルにまで個別に正確に硬化することによって、この課題に対処する。一実施形態において、３Ｄ物体形成方式において噴射または他の様態で堆積される物体形成材料の個々の層について層ごとの履歴を蓄積することができる。この層ごとの履歴は、３Ｄ画像形成方式と関連付けられるメモリ構成要素に記憶することができる。処理中の３Ｄ物体の個別の部分を識別することができる。それらの個別の部分のマルチレイヤ履歴を分析することができる。個々のピクセルについて、適切なレベルのＵＶ硬化放射または照射を決定することができる。ＬＥＤ ＵＶ硬化アレイを含む硬化アレイについて、ＵＶ硬化放射または照射の平均レベルは、ＵＶ硬化アレイの個々の要素によってカバーされる複数のピクセルの間で決定することができる。認識されるＵＶ硬化放射は、３Ｄ物体内の複数の層を貫通することになる。

図１は、本開示によるアドレス可能硬化デバイス１５０を含む例示的なインクジェット３Ｄ物体形成システム１００のブロック図を示す。図１に示すように、例示的なシステム１００は、堆積材料１２５を、１つまたは複数の個々の材料堆積構成要素１２０から何らかの様式の基部構成要素１７０に送達するための材料堆積デバイス１１０を含み得る。堆積材料１２５は、種々の色および組成のＵＶ硬化可能インクの形態であり得る。１つまたは複数の個々の材料堆積構成要素１２０は、種々の色および組成のＵＶ硬化可能インクを基部構成要素１７０上に噴射するためのインクジェットデバイスまたはヘッドの形態であり得る。

基部構成要素１７０は、例示的なシステム１００によって形成される処理中の３Ｄ物体１３０を、材料堆積位置１７６と硬化位置１７８との間で搬送するための何らかの可動プラットフォームの形態であり得る。図示のように、基部構成要素１７０は、１つまたは複数の駆動ローラまたは追従ローラ１７２、１７４の周囲の様々な位置の間で可動であり得る。処理中の３Ｄ物体１３０は、堆積材料１２５の連続した層が追加されるようにするために、個々の材料堆積構成要素、たとえば、印字ヘッドの下を進むようにされ得る。

実施形態において、たとえば、低レベルＵＶランプによるＵＶ硬化放射を含む、何らかの基本レベルの硬化放射１４５を与えるための基本硬化デバイス１４０が含まれ得る。たとえば、処理中の３Ｄ物体の個々の領域および／または処理中の３Ｄ物体を形成する層を、個々の領域の各々の中の個々の層のマルチレイヤ履歴に適切であるようなＵＶ硬化放射の、なお制御される、より高い閾値レベルにするための、個々の個別に方向付けられる調整可能な硬化ヘッドまたはランプ１６０によるＵＶ硬化放射を含む、個別的に独立して調整可能な硬化放射１６５を与えるためのアドレス可能硬化デバイス１５０が含まれ得る。このように、個別的な硬化放射１６５は、個別的な硬化放射１６５によって露光および硬化されるべき処理中の３Ｄ物体の特定の領域内の最近印刷された層のマルチレイヤ履歴を適用することに基づいて調整することができる。実施形態において、処理中の３Ｄ物体１３０に当てられるすべての硬化放射は、アドレス可能硬化デバイス１５０によって与えることができ、いかなる基本硬化デバイス１４０も含む必要はない。実施形態において、アドレス可能硬化デバイス１５０と関連付けられる、個々の個別に方向付けられる調整可能硬化ヘッドまたはランプ１６０は、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）構成要素もしくはアレイ、レーザタイプの硬化構成要素、または他のＵＶ硬化放射を与える構成要素の形態であってもよい。

図２は、本開示によるアドレス可能硬化方式がこれに基づき得るマルチレイヤ履歴を構成し得る例示的な層の概要２００を示す。図２に示すように、マルチレイヤ履歴を構成する３Ｄプリンタから印刷された４つのインク層２１０〜２４０のサンプル断面が、例示的なマルチレイヤ履歴がその一区画を形成し得る処理中の３Ｄ物体の層の個別の部分に当てられるべき可変硬化放射２５０〜２７０の正確なレベルの決定において３Ｄプリンタによって処理するために分析され、評価され、３Ｄプリンタ内に記憶され得る。処理中の３Ｄ物体の定式化において、図示されているような、下方の２つまたは３つの層２２０〜２４０が、複数の層２１０〜２４０から構成される処理中の３Ｄ物体の個別の部分に方向付けられている１つまたは複数の硬化ランプによってすでに露光されて、部分的にまたは基本的に完全に硬化されたものであり得ると仮定することが分かりやすい。しかしながら、ちょうど印刷されたばかりの最上層２１０は、下層２２０〜２４０上に堆積された直後にアドレス可能硬化デバイス（図１に示すものなど）の下を通されることによって、最初に一定レベルの硬化に晒され得る。個々にアドレス可能なＵＶ硬化構成要素またはランプは、個々にアドレス可能な各領域または別様に処理中の３Ｄ印刷部品、物体もしくは構成要素の個別の部分の層ごとの履歴に基づいて、様々なレベルの放射２５０〜２７０を層状構成要素の個別の部分に与えるように個々に制御することができる。

たとえば、可変放射レベル２５０によって作用されるべき図２の左の層の列は、多くの黒色の層がともに、硬化するためにもっとも大きいＵＶエネルギーを加えられる必要がある１つの極端な事例を示している。図示されているような様々な度合いにおいて、黒色がシアンの上に印刷されている層は必要とする合計エネルギーがわずかにより低く（放射レベル２５５参照）、黄色および／または白色を含むより明るい色の複数の層の上にシアンが印刷されている層が必要とする合計エネルギーはさらにより低く（放射レベル２６０参照）、同様に、黄色を含むより明るい色の複数の層の上に印刷されている１つまたは複数の透明層はエネルギーをさらに低減し（放射レベル２６５参照）、もう一方の極端な事例において、透明な複数の層がいくつかの層を貫通するのに必要とするＵＶエネルギーの量は最小である（放射レベル２７０参照）。図２に示す例示的な層の概要２００には４つの層が図示されているが、この図示は例示のみを目的として行われていることが留意されるべきである。たとえば、アドレス可能硬化デバイスの放射レベルを設定するための開示されている方式に従って開発、分析および／または記憶されるマルチレイヤ履歴には実質的に制約はない。言い換えれば、開示されている方式は、たとえば、図示されているような４つの層には限定されない。３Ｄプリンタにおいて使用されている、噴射インクを含むインクの物理的特性に応じて、ＵＶ光は、種々の数の層を通じて伝播することができ、層ごとの分析は、処理中の３Ｄ物体の個別の部分を適切に硬化させるための、アドレス可能放射の設定値を提供するために、これらの物理的特性を正確に計上する。利用されるインクにおける特定の物理的特性を含むインク層の様々な組み合わせの硬化および層伝播効果の試験に基づいて、特定の設定パラメータが３Ｄプリンタに届けられ、記憶され得る。

開示されている方式によれば、マルチレイヤ履歴制御と組み合わせてアドレス可能ＵＶ硬化デバイスを利用することによって、各処理中のまたは完成した３Ｄ印刷部品、物体または構成要素が、印刷されている各インクについて「正確な」量の総合硬化エネルギーで、３Ｄ印刷部品、物体または構成要素の内部で完全かつ均一に硬化されることが可能である。この結果として、粘着または接着層の不具合、および、処理中のまたは完成した３Ｄ印刷部品、物体または構成要素内の個別の部分またはポケットの不適切な部分的硬化に基づく他の有害効果を含むいくつかの不具合を最小限に抑えながら、３Ｄ印刷部品、物体または構成要素が、引張強度のような最適な物理的特性で生成され得る。

簡潔に述べると、開示されている実施形態は、完成３Ｄ部品、物体または構成要素の構造的完全性および表面完全性を改善するために、形成または造形プロセス中に処理中の３Ｄ部品、物体または構成要素の個々の部分に、個別的にアドレス可能な硬化を適用することによって、３Ｄプリンタを含む、従来の３Ｄ部品、物体または構成要素形成／造形システムを改善する。開示されている実施形態は、マルチレイヤ履歴に基づいてＵＶ硬化放射を増減させることができることに基づいてＵＶ硬化に対する全体的な放射要件を最小限に抑え、それによって、概して処理中のまたは完成した３Ｄ部品、物体または構成要素の任意の特定の個別部分における過硬化または硬化不足を回避することによって、改善された機能的３Ｄプリンタを提供することができる。処理中の３Ｄ部品、物体または構成要素の任意の特定の個別部分における層のマルチレイヤ組成に基づいて、一定レベルのＵＶ硬化放射はいくつかの暗色層のみを貫通し得るか、または、多くのより明るいもしくは透明な層を貫通し得ることを理解すると、そのような一定レベルのＵＶ硬化放射を当てる結果として、処理中の３Ｄ部品、物体または構成要素の特定の個別部分のランダム可変硬化がもたらされるということになり得る。このランダム可変硬化は、完成３Ｄ部品、物体または構成要素の構造的特性に影響を与えることができるだけでなく、完成３Ｄ部品、物体または構成要素の様々な色特性を含む、完成３Ｄ部品、物体または構成要素の審美的特性にも影響を与えることができる。３Ｄ部品、物体または構成要素を形成する複数の堆積層のマルチレイヤ履歴の分析、ならびに、その分析によるアドレス可能硬化デバイスの自動調整によって、従来の３Ｄ印刷および物体硬化技法よりも優れたものになる。上記でキャプチャされているような、個別の色のインクに対する参照は、アドレス可能硬化デバイスによって操作されるべき開示されているインクの１つの例示的な特性を提供するように意図されている。マルチレイヤ履歴は、単色構成要素、および／または、一度に単色の堆積材料のみを堆積することが可能である３Ｄプリンタのための貫通方式のみを決定するために等しく適用可能であり得る。一例として、単色構成要素のみを生成することが可能である３Ｄプリンタにおいて、アドレス可能硬化デバイスは、透明インクのみを使用した別の印刷洗浄において同じ３Ｄプリンタによって印刷され得る３Ｄ部品、物体または構成要素の硬化と比較して、すべて黒色のインクを用いて印刷される３Ｄ部品、物体または構成要素の硬化のための硬化エネルギーを変化させることにおいて、依然として大幅な有用性を見出し得る。開示されている硬化方式の個別部分へのアドレス可能性はまた、特定の３Ｄ部品、物体または構成要素の比較的多数の層を含む、相対的により厚い（本体）部分、および、特定の３Ｄ部品、物体または構成要素の比較的少数の層を含む、相対的により薄い（端、縁またはフランジ）部分を適切に硬化させるためにも利用され得る。従来の硬化システムは、相対的により厚い部分を硬化不足にし得（構造的完全性に影響を与える）、一方で、相対的により薄い部分において、反りまたは他の歪みを誘発する程度まで、またはさらには、損傷もしくは構造的不具合の程度まで、相対的により薄い部分を過硬化にし得る。また、噴射インク材料の特性に対する参照は、限定ではないが、たとえば、積層蛍光材料、積層真珠光沢材料、積層金属フレーク材料、積層磁気インク文字認識（ＭＩＣＲ）材料、および、完成３Ｄ部品、物体または構成要素において特定の審美的特性を発現させるために使用可能であり得る他のインク積層材料を含んでもよい。

図３は、本開示による、処理中の３Ｄ物体内の層のアドレス可能硬化を含む３Ｄ物体形成方式を実施するための例示的な制御システム３００のブロック図を示す。図３に示すように、例示的な制御システム３００は、３Ｄプリンタにおける３Ｄ物体形成動作を管理するのに使用可能である。

例示的な制御システム３００は、それによってユーザが例示的な制御システム３００と通信することができる操作インターフェース３１０を含むことができる。操作インターフェース３１０は、３Ｄ物体形成デバイスと関連付けられているローカルアクセス可能ユーザインターフェースであってもよい。操作インターフェース３１０は、ユーザが例示的な制御システム３００に情報を入力することを可能にすることができる制御デバイスおよび／またはコンピューティングデバイスに共通の１つまたは複数の従来のメカニズムとして構成されてもよい。操作インターフェース３１０は、たとえば、従来のキーボード、「ソフト」ボタンまたは互換性のあるスタイラスとともに使用するための様々な構成要素を有するタッチスクリーン、それによってユーザが、音声認識プログラムによって「翻訳」されるべき口頭命令を例示的な制御システム３００に与えることができるマイクロフォン、または、それによってユーザが特定の操作命令を例示的な制御システム３００に通信することができる他の同様のデバイスを含んでもよい。操作インターフェース３１０は、例示的な制御システム３００が関連付けられる３Ｄ物体形成デバイス上に取り付けられている、当該デバイスに一体化されている、または、当該デバイスと関連付けられているグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）の機能の一部分であってもよい。

例示的な制御システム３００は、例示的な制御システム３００を個々に操作し、３Ｄ物体形成のための制御および動作機能を実行し、特に、アドレス可能硬化構成要素を利用して、例示的な制御システム３００が関連付けられ得る３Ｄプリンタにおける３Ｄ物体形成のためのアドレス可能硬化方式を実施するための１つまたは複数のローカルプロセッサ３２０を含むことができる。プロセッサ（複数可）３２０は、例示的な制御システム３００の特定の機能、および、例示的な制御システム３００による３Ｄ物体形成プロセスの制御を指示するための命令を解釈および実行する少なくとも１つの従来のプロセッサまたはマイクロプロセッサを含むことができる。

例示的な制御システム３００は、１つまたは複数のデータ記憶デバイス３３０を含むことができる。そのようなデータ記憶デバイス（複数可）３３０は、例示的な制御システム３００、特にプロセッサ（複数可）３２０によって使用されるべきデータまたは操作プログラムを記憶するのに使用することができる。データ記憶デバイス（複数可）３３０は、たとえば、開示されている方式に従って識別および分析することができる３Ｄ物体の個別部分内の複数の層の組成に基づいて、３Ｄプリンタによって印刷される処理中の３Ｄ物体に当てられるべき、３Ｄプリンタ内のアドレス可能硬化構成要素によって当てられるべき可変レベルの強度を含む硬化照射またはエネルギーにおける特定のレベルの強度に関する情報を記憶するのに使用することができる。記憶されている特定のレベルの強度は、３Ｄプリンタの製造元および／または供給元によって提供される試験データに基づくことができる。データ記憶デバイス（複数可）３３０は、代替的にまたは付加的に、３Ｄプリンタ内の基部構成要素上の３Ｄ物体形成材料の個々の層の堆積に関する層ごとの（またはマルチレイヤ）履歴に関する情報を記憶するのに使用されてもよい。本開示全体を通じて説明されているように、これは、３Ｄプリンタによって形成される処理中の３Ｄ物体の個別部分に対する硬化放射のアドレス可能強度を指定するための基礎を形成することができる、３Ｄプリンタ内の３Ｄ物体形成動作中にたとえ一時的にではあっても、データ記憶デバイス（複数可）３３０に記憶することができるマルチレイヤ履歴である。

データ記憶デバイス（複数可）３３０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、または、更新可能データベース情報を記憶することが可能であり、たとえば、プロセッサ（複数可）３２０によるシステム動作の実行のための命令を別個に記憶するための別のタイプの動的記憶デバイスを含んでもよい。データ記憶デバイス（複数可）３３０はまた、従来の読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）デバイス、または、静的情報およびプロセッサ（複数可）３２０に対する命令を記憶する別のタイプの静的記憶デバイスを含んでもよいＲＯＭをも含んでもよい。さらに、データ記憶デバイス（複数可）３３０は、例示的な制御システム３００に一体化されていてもよく、または、例示的な制御システム３００の外部に設けられ、クラウドベースの記憶構成要素としても含め、当該制御システムと有線または無線通信してもよい。

例示的な制御システム３００は、限定ではないが、例示的な制御システム３００が関連付けられ得る３Ｄ物体形成デバイスのＧＵＩ上の表示画面を含む、ユーザに情報を出力する１つまたは複数の従来のメカニズムとして構成されてもよい、少なくとも１つのデータ出力／表示デバイス３４０を含んでもよい。データ出力／表示デバイス３４０は、３Ｄプリンタによって形成されている処理中の３Ｄ物体に様々なレベルの硬化放射を当てるための、１つまたは複数の個々にアドレス可能な硬化構成要素、またはアドレス可能硬化デバイス全体の動作を含む、例示的な制御システム３００が関連付けられ得る３Ｄプリンタの３Ｄ物体形成動作のステータスをユーザに指示するのに使用することができる。

例示的な制御システム３００は、それによって例示的な制御システム３００が例示的な制御システム３００の外部の構成要素と通信することができる１つまたは複数の別個の外部通信インターフェース３５０を含むことができる。外部通信インターフェース３５０の少なくとも１つは、たとえば、例示的な制御システム３００が関連付けられ得る３Ｄプリンタのような３Ｄ物体形成デバイスへの接続および／または当該デバイスとの通信をサポートするための出力ポートとして構成することができる。例示的な制御システム３００と外部および／または関連構成要素との間の有線または無線通信を提供するための任意の適切なデータ接続は、図示されている外部通信インターフェース３５０によって包含されることが意図されている。

例示的な制御システム３００は、処理中の３Ｄ物体を形成するために層内の材料の堆積を制御するのに使用することができる材料堆積制御ユニット３６０を含むことができる。材料堆積制御ユニット３６０は、例示的な制御システム３００が関連付けられ得る３Ｄプリンタによって印刷されるべき３Ｄ物体に関する入力デジタルデータを受信することができる。受信される入力デジタルデータは、たとえば、外部通信インターフェース３５０を介して任意のデータソースから入来してもよい。プロセッサ３２０または材料堆積制御ユニット３６０自体のいずれかが、受信入力デジタルデータを、３Ｄプリンタ内の物体形成基部上に１つまたは複数の色またはタイプの物体形成材料を堆積するための層ごとの方式にパースすることができる。材料堆積制御ユニット３６０は、その後、材料堆積デバイス内の噴射インク材料堆積ヘッドまたはノズルから層内に噴射されるインクを含む、材料堆積デバイス内の特定の材料出力からの物体形成材料の堆積を指示することができる。

例示的な制御システム３００は、独立型構成要素としての、または、データ記憶デバイス３３０の１つまたは複数の中の構成要素、機能、または記憶空間としての、マルチレイヤ履歴記憶ユニットを含むことができる。マルチレイヤ履歴記憶ユニット３７０は、３Ｄプリンタ内の物体形成基部上に１つまたは複数の色またはタイプの物体形成材料を堆積するための層ごとの方式の記録を、少なくとも一時的に記憶するのに使用可能であり得る。この記憶されている記録は、プロセッサ３２０による追加の分析に利用可能であり得、または、後述する層分析および硬化制御ユニット３８０が、上記で詳細に説明したプロセスおよび技法に従って３Ｄプリンタ内のアドレス可能硬化デバイスからのアドレス可能放射エネルギー放射方式を実施するための制御入力を決定するために利用可能であり得る。

例示的な制御システム３００は、例示的な制御システムが関連付けられている３Ｄプリンタ内の処理中の３Ｄ物体を形成する物体形成材料の１つまたは複数の堆積層の、収集および／または記憶されているマルチレイヤ履歴を分析するための層分析および硬化制御ユニット３８０を含むことができる。層分析および硬化制御ユニット３８０は、たとえば、１つまたは複数のデータ記憶デバイス３３０に結合されているプロセッサ３２０の一部として、または、例示的な制御システム３００内の別個の独立型構成要素モジュールもしくは回路として動作することができる。

図３に示されているような例示的な制御システム３００の様々な構成要素のすべては１つまたは複数のデータ／制御バス３９０によって内部で、および、１つまたは複数の３Ｄ物体形成デバイスに接続することができる。これらのデータ／制御バス３９０は、例示的な制御システム３００の様々な構成要素のすべてが、例示的な制御システム３００が関連付けられ得る３Ｄ物体形成デバイスまたは３Ｄプリンタ内に一体的に収容されているか、または、他の様態でその外部にあり、それに接続されているかにかかわらず、それらの構成要素間の有線または無線通信を提供することができる。

図３においては一体型ユニットとして示されているが、例示的な制御システム３００の様々な開示されている要素は、単一のユニットに対して一体的であるか、または、例示的な制御システム３００の単一のユニットの外部にあり、当該ユニットと有線もしくは無線通信している、個々の構成要素または構成要素の組み合わせとしてのサブシステムの任意の組み合わせにおいて構成されてもよいことが諒解されるべきである。言い換えれば、図３の図示によっては、一体型ユニットとしての、または、サポートユニットとしての特定の構成が暗示されるべきではない。さらに、例示的な制御システム３００に関する本開示において提供されている詳細の理解を容易にするために、個々のユニットとして図示されているが、個々に図示されている構成要素のいずれかの説明されている機能は、たとえば、１つまたは複数のデータ記憶デバイス（複数可）３３０に接続されており、当該記憶デバイスと通信している１つまたは複数のプロセッサ３２０によって行われてもよいことが理解されるべきである。

開示されている実施形態は、３Ｄ物体のマルチレイヤ履歴に基づいて層をアドレス可能に硬化することを含む、３Ｄ物体形成方式を実施するための例示的な方法を含み得る。図４は、そのような例示的な方法の流れ図を示す。図４に示すように、方法の動作は、ステップＳ４０００において開始し、ステップＳ４１００に進む。

ステップＳ４１００において、３Ｄ物体形成データが、３Ｄプリンタ内、または、３Ｄプリンタと関連付けられている制御構成要素内のデータソースから受信され得る。方法の動作はステップＳ４２００に進む。

ステップＳ４２００において、受信された３Ｄ物体形成データが、３Ｄプリンタ内で処理中の３Ｄ物体を生成するために１つまたは複数の色および／またはタイプの物体形成材料を物体形成基部上に堆積するための層ごとの堆積方式にパースまたは他の様態で変換され得る。方法の動作はステップＳ４３００に進む。

ステップＳ４３００において、ＵＶ硬化インクの個々の層が、３Ｄプリンタ内で実行される層ごとの材料堆積方式に従って処理中の３Ｄ物体を形成するために、複数のインクジェットヘッドまたはノズルから堆積され得る。方法の動作はステップＳ４４００に進む。

ステップＳ４４００において、層ごとの材料堆積方式に従って処理中の３Ｄ物体を形成するために複数のインクジェットヘッドまたはノズルから堆積されるＵＶ硬化インクの個々の層のマルチレイヤ履歴が、たとえば、３Ｄプリンタ内のデータ記憶デバイス内に収集および維持され得る。方法の動作はステップＳ４５００に進む。

ステップＳ４５００において、３Ｄプリンタ内で形成されている処理中の３Ｄ物体の個々の個別部分が識別され得る。方法の動作はステップＳ４６００に進む。

ステップＳ４６００において、識別された各個々の個別部分内の個々の層のマルチレイヤ履歴に従って堆積されている、処理中の３Ｄ物体の識別された各個々の個別部分内の個々の層の組成が評価され得る。この評価の目的は、ピクセルレベルまたはマルチピクセルレベルにおいて、処理中の３Ｄ物体の識別された各個々の個別部分を形成する層の構成を得ることである。方法の動作はステップＳ４７００に進む。

ステップＳ４７００において、処理中の３Ｄ物体の各個々の個別部分に当てられるべき硬化エネルギーの強度が、処理中の３Ｄ物体の識別された各個々の個別部分内の個々の層の評価された組成に基づいて決定され得る。上記で詳細に説明したように、この決定は、処理中の３Ｄ物体の識別された各個々の個別部分内の堆積材料層の正確な硬化を可能にするために、ＵＶ硬化可能インクを含む、堆積材料の色および／または材料成分を含む、層内に堆積される材料の特性を考慮に入れることができる。方法の動作はステップＳ４８００に進む。

ステップＳ４８００において、決定された強度の硬化エネルギーが、処理中の３Ｄ物体の識別された各個々の個別部分を正確に硬化するために、処理中の３Ｄ物体の識別された各個々の個別部分に当てられ得る。方法の動作はステップＳ４９００に進む。

ステップＳ４９００は、３Ｄプリンタ内で３Ｄ物体を形成するための層ごとの材料堆積方式に従って、処理中の３Ｄ物体の層のすべてが堆積および硬化されているか否かが判定される判定ステップである。

ステップＳ４９００において、層ごとの材料堆積方式に従って、処理中の３Ｄ物体の層のすべてが堆積および硬化されていないと判定される場合、方法の動作はステップＳ４３００に戻る。

ステップＳ４９００において、層ごとの材料堆積方式に従って、処理中の３Ｄ物体の層のすべてが堆積および硬化されていると判定される場合、方法の動作はステップＳ５０００に進む。

処理中の３Ｄ物体のすべての層が堆積されているが、すべての層が完全に硬化されていない場合があるという可能性がある。この事例において、方法は、３Ｄ物体形成動作が完全に完了する前に、１つまたは複数の最終的な硬化動作を提供するために、ステップＳ４４００に戻ることができる。

ステップＳ５０００において、形成および硬化された３Ｄ物体が３Ｄプリンタから出力され得る。方法の動作はステップＳ５１００に進み、方法の動作は終了する。

上記で示したように、方法は、３Ｄプリンタ内で形成されている３Ｄ物体のすべての要素部分および／または個々の個別部分の正確な硬化の、以前は達成することができなかったレベルの制御を確実に可能にすることができる。

開示されている実施形態は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに、上記で概説した方法のステップのすべてまたは少なくともいくつかを実行させることができる命令を記憶している持続性コンピュータ可読媒体を含むことができる。

上述した例示的なシステムおよび方法は、よく知られるため、また、理解を容易にするために、本開示の主題を実装することができる適切な動作、製品処理および３Ｄ物体形成または積層造形環境の簡潔で全般的な説明を提供するために、特定の従来の構成要素を参照している。必須ではないが、本開示の実施形態は、少なくとも部分的に、説明されている特定の機能を実行するためのハードウェア回路、ファームウェア、またはソフトウェアコンピュータ実行可能命令の形態で提供されてもよい。これらは、プロセッサによって実行される個々のプログラムモジュールを含んでもよい。

開示されている主題の他の実施形態は、多くの異なる構成の、３Ｄプリンタを含む積層造形デバイスにおいて実践されてもよいことを、当業者は諒解しよう。

上記で示したように、本開示の範囲内の実施形態は、アドレス可能硬化を制御するために、１つまたは複数のプロセッサによって読み出し実行することができるコンピュータ実行可能命令またはデータ構造を記憶しているコンピュータ可読媒体を含んでもよい。そのようなコンピュータ可読媒体は、プロセッサ、汎用または専用コンピュータによってアクセスすることができる任意の利用可能な媒体とすることができる。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュドライブ、データメモリカード、または、アクセス可能コンピュータ実行可能命令もしくはデータ構造の形態の所望のプログラム要素もしくはステップを担持もしくは記憶するのに使用することができる他のアナログもしくはデジタルデータ記憶デバイスを含むことができる。

コンピュータ実行可能命令は、たとえば、プロセッサに、上記で示した機能のいくつかを個々にまたは様々な組み合わせで実施させるためにそれぞれ実行およびアクセスされ得る持続性命令およびデータを含む。コンピュータ実行可能命令はまた、プロセッサによるアクセスおよび実行のために遠隔して記憶されるプログラムモジュールをも含んでもよい。

図示されている例示的な一連の実行可能命令または関連データ構造は、上記で概説した例示的な方法のステップにおいて説明されている機能を実施するための対応する一連の動作の一例を表す。図示されている例示的なステップは、開示されている実施形態の目的を実行するために任意の妥当な順序で実行されてもよい。特定の方法ステップが任意の他の方法ステップを実行するための必要な前提条件である場合を除き、方法の開示されているステップの特定の順序が必ずしも図４における図示によって暗示されているとは限らない。

Claims (9)

1. 三次元（３Ｄ）印刷部品を生成するためのシステムであって、３Ｄ印刷部品を形成するために物体形成基部上に物体形成材料の層を堆積する材料堆積デバイスと、
   前記３Ｄ印刷部品の形成時に取得された、前記３Ｄ印刷部品を形成する複数の堆積層についての層ごとの情報に基づいて、前記３Ｄ印刷部品の少なくとも一部分を硬化させるための硬化エネルギーのレベルを決定し、前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分を硬化させるために、決定された前記レベルで硬化エネルギーを放出するアドレス可能硬化デバイスと、
   を備えるシステム。
2. プロセス方向において、前記材料堆積デバイスと前記アドレス可能硬化デバイスとの間に置かれる基本硬化デバイスをさらに備え、
   前記基本硬化デバイスは、前記３Ｄ印刷部品を形成するプロセスにおいて前記堆積層の１つまたは複数を硬化させる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記物体形成材料は紫外線（ＵＶ）硬化可能インク材料である、請求項１に記載のシステム。
4. 複数の物体形成材料の硬化エネルギーレベルデータ、および、前記複数の物体形成材料の個々の層の相互との構成を記憶するデータ記憶デバイスをさらに備え、
   前記アドレス可能硬化デバイスは、前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分についての前記記憶されている硬化エネルギーレベルデータを参照することによって、前記硬化エネルギーのレベルを決定する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記アドレス可能硬化デバイスは、互いに異なるレベルの前記硬化エネルギーを放出する１つまたは複数の硬化エネルギー放出部を備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記アドレス可能硬化デバイスは、前記複数の個別部分の各々を硬化させるための前記硬化エネルギーのレベルを決定するために、前記複数の個別部分の前記各々をピクセルごとに分析する、請求項５に記載のシステム。
7. ３Ｄ印刷デバイスにおいて３Ｄ印刷部品を生成するための方法であって、３Ｄ印刷部品を形成するために物体形成基部上に物体形成材料の層を堆積するステップと、
   プロセッサを用いて、前記３Ｄ印刷部品の少なくとも一部分の層履歴を開発するために、前記３Ｄ印刷部品を形成する複数の堆積層についての層ごとの情報を収集するステップと、
   前記プロセッサを用いて、前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分の前記開発された層履歴に基づいて前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分を硬化させるための硬化エネルギーのレベルを自動的に決定するステップと、
   前記プロセッサを用いて、前記決定されたレベルの硬化エネルギーを放出するように、アドレス可能強度硬化デバイスを制御するステップと、
   前記３Ｄ印刷部品の表面を、前記アドレス可能強度硬化デバイスから放出される前記決定されたレベルの硬化エネルギーに晒すことによって、前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分を硬化させるステップと、
   を含む方法。
8. 前記アドレス可能強度硬化デバイスは、互いに異なるレベルの前記硬化エネルギーを放出する１つまたは複数の硬化エネルギー放出部を備える、請求項７に記載の方法。
9. ３Ｄプリンタにおいて３Ｄ印刷部品を生成するための方法をプロセッサに実行させる命令を記憶している持続性コンピュータ可読媒体であって、
   前記命令は、前記プロセッサに、
   前記３Ｄ印刷部品の少なくとも一部分の層履歴を開発するために、３Ｄ印刷部品を形成するための物体形成基部上の物体形成材料の複数の連続して堆積される層についての層ごとの情報を収集するステップと、
   前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分の前記開発された層履歴に基づいて前記３Ｄ印刷部品の前記少なくとも一部分を硬化させるための硬化エネルギーのレベルを自動的に決定するステップと、
   前記３Ｄ印刷部品の表面を、アドレス可能強度硬化デバイスから放出される前記決定されたレベルの硬化エネルギーに晒すために、前記決定されたレベルの硬化エネルギーを放出するように、前記アドレス可能強度硬化デバイスを制御するステップと、
   を実行させることを特徴とする持続性コンピュータ可読媒体。

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