押出型堆積システムのための粘性ポンプ
ポンプシステム（１０）は、第１駆動モータ（１６）の動力により固体材料を送出するように構成された搬送アセンブリ（２２）と、スクリューポンプ（２４）であって、スクリューポンプ（１０）のバレル（１０６）を少なくとも部分的に画定するハウジング（８４）と、バレル（１０６）の第１端部でハウジング（８４）に固定される押出端部（８２）と、ハウジング（８４）に固定され、バレル（１０６）と交差する液化装置（８５，３４２）と、バレル（１０６）を少なくとも部分的に挿通する羽根車（９４）とを有するスクリューポンプ（２４）とを備えている。液化装置（８５，３４２）は、搬送アセンブリ（２２）から送出される固体材料を受け入れ、この受け入れた固体材料を少なくとも部分的に溶融し、少なくとも部分的に溶融された材料をバレル（１０６）に移動させるように構成されており、羽根車（９４）は、第２駆動モータ（１８）の動力により、バレル（１０６）に移動された少なくとも部分的に溶融された材料を押出端部（８２）の方に推進するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［背景］
本発明は、押出型積層製造システムを用いた３次元（３Ｄ）オブジェクトの製作に関する。具体的には、本発明は、３Ｄオブジェクトを製作するための押出型積層製造システムとともに使用される粘性ポンプに関する。
【０００２】
押出型積層製造システム（例えば、ミネソタ州エデンプレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドによって開発された溶融堆積モデリングシステム）は、流動可能な構築材料を押し出すことにより、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）モデルから３Ｄオブジェクトを層ごとの方式で構築するために使用されている。構築材料は、押出ヘッドによって搬送されるノズルを通して押し出され、ｘ−ｙ平面における基部上に一連の道路として堆積される。押し出された構築材料は、前もって堆積された構築材料に溶融し、熱の低下に伴って固化する。基部に対する押出ヘッドの位置は、次に、（ｘ−ｙ平面に垂直な）ｚ軸に沿って上昇され、その後、この工程は繰り返され、ＣＡＤモデルに類似する３Ｄオブジェクトが形成される。
【０００３】
基部に対する押出ヘッドの移動は、３Ｄオブジェクトを表す構築データに従ってコンピュータ制御下で実行される。この構築データは、最初に３ＤオブジェクトのＣＡＤモデルを複数の水平にスライスされた層にスライスすることにより得られる。次に、ホストコンピュータは、スライスされた各層に関して、構築材料の道路を堆積させるための構築経路を生成して、３Ｄオブジェクトを形成する。
【０００４】
構築材料の各層を堆積させることによって３Ｄオブジェクトを製造する場合、典型的に、構築材料自体によって支持されていない、構築中のオブジェクトの突出部の下、あるいは、空洞内に、支持層または支持構造が構築される。支持構造は、構築材料を堆積させる堆積技術と同様の堆積技術を用いて構築されてもよい。ホストコンピュータは、形成中の３Ｄオブジェクトの突出部分または自由空間部分のための支持構造として機能する付加形状を生成する。次に、構築工程中、生成された形状に従って、第２の押出端部から支持材料が堆積される。この支持材料は、製造中は構築材料に粘着し、構築工程が完了したときに、完成された３Ｄオブジェクトから除去可能である。
［概要］
本発明は、押出型堆積システムにおいて使用するのに適したポンプシステムに関する。このポンプシステムは、第１の駆動モータと動作可能に係合される搬送アセンブリと、スクリューポンプであって、該スクリューポンプのバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、バレルの第１の端部でハウジングに固定される押出端部と、ハウジングに固定され、バレルと交差する液化装置と、バレルを少なくとも部分的に挿通する羽根車とを含むスクリューポンプとを含んでいる。搬送アセンブリは、第１の駆動モータの動力により固体材料を送出するように構成されている。液化装置は、搬送アセンブリから送出される固体材料を受け入れ、受け入れた固体材料を少なくとも部分的に溶融し、少なくとも部分的に溶融された固体材料をバレルに移動させる。羽根車は、バレルに移動された少なくとも部分的に溶融された材料を、第２の駆動モータの動力によって、押出端部の方へ推進させるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】本発明の２段ポンプシステムの側面図である。
【図１Ｂ】本発明の２段ポンプシステムの斜視図である。
【図２Ａ−２Ｂ】２段ポンプシステムのフィラメント搬送アセンブリの底面図である。
【図３】２段ポンプシステムのスクリューポンプの側面図である。
【図４】図３中の断面４−４の断面図であって、スクリューポンプの内部領域を示している。
【図５】スクリューポンプの上部の拡大断面図である。
【図６】図３中の断面６−６の断面図であって、スクリューポンプの液化装置空洞を示している。
【図７Ａ】スクリューポンプの羽根車の側面図である。
【図７Ｂ】スクリューポンプの羽根車の斜視図である。
【図８】外部加熱システムと併用されるスクリューポンプの側面図である。
【図９】図８中の断面９−９の断面図である。
【図１０】別の加熱冷却システムと併用されるスクリューポンプの側面図である。
【図１１】図１０中の断面１１−１１の断面図である。
【図１２】２段ポンプシステムの別のスクリューポンプの斜視図である。
【図１３】別の２段ポンプシステムを含む押出装置の上面図である
【発明を実施するための形態】
【０００６】
［詳細な説明］
図１Ａ，１Ｂはそれぞれ、２段ポンプシステム１０の側面図と斜視図とであり、この２段ポンプシステム１０は、押出型積層製造システム（例えば、ミネソタ州エデンプレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドによって開発された溶融堆積モデリングシステム）において、押出ヘッドとして使用するのに適した押出システムである。図１Ａに示されるように、ポンプシステム１０は、フレーム１２、流入部１４、駆動モータ１６，１８、導管２０、フィラメント搬送アセンブリ２２、およびスクリューポンプ２４を含んでいる。
【０００７】
フレーム１２は、ポンプシステム１０の支持構造であり、流入部１４、駆動モータ１６，１８、導管２０、フィラメント搬送アセンブリ２２、およびスクリューポンプ２４はそれぞれ、直接的または間接的にフレーム１２に接続されている。流入部１４は、フィラメント供給源（図示せず）から構築材料または支持材料（図示せず）のフィラメントを受け入れるのに好適な流入口を提供する構造となっている。導管２０は、フィラメント供給源からフィラメント搬送アセンブリ２２までフィラメントを導くために、流入部１４内へと延出している管である。
【０００８】
駆動モータ１６およびフィラメント搬送アセンブリ２２は、ポンプシステム１０の第１段を画定している。駆動モータ１６は、フレーム１２を挿通する第１モータであり、フィラメント搬送アセンブリ２２を動作させるように設定されている。フィラメント搬送アセンブリ２２は、フレーム１２の下方に配置され、駆動モータ１６によって動作される、ギアとピンチローラとから構成されるシステムを含んでいる。この配置によって、フィラメント搬送アセンブリ２２は、導管２０からスクリューポンプ２４までフィラメントを送出することができる。
【０００９】
図１Ｂに示されるように、ポンプシステム１０は、さらにモータプーリ２６を含み、モータプーリ２６は、駆動モータ１８に軸方向に接続される。駆動モータ１８は、上記フレーム１２に固定される第２モータであり、モータプーリ２６を介してスクリューポンプ２４を動作させるように設定されている。したがって、駆動モータ１８、スクリューポンプ２４、およびモータプーリ２６は、ポンプシステム１０の第２段を画定している。スクリューポンプ２４は、フレーム１２を挿通し、ベルトプーリ２８を含んでいる。ベルトプーリ２８は、ベルト（図示せず）によりモータプーリ２６に動作可能に接続されている。これにより、（駆動モータ１８による）モータプーリ２６の回転に対応して、（ベルトを介して）ベルトプーリ２８が回転できる。以下に述べるように、ベルトプーリ２８の回転に対応して、（図１Ａまたは図１Ｂでは図示しない）スクリューポンプ２４の羽根車が回転する。
【００１０】
動作中、駆動モータ１６により、フィラメント搬送アセンブリ２２は、構築材料または支持材料のフィラメントをスクリューポンプ２４に送出する。スクリューポンプ２４では、フィラメントは溶融され、流動可能な状態で構築材料が提供される。次に、駆動モータ１８が、（モータプーリ２６、ベルトプーリ２８、およびタイミングベルトを介して）スクリューポンプ２４の羽根車を回転させて、流動可能な材料を押し出すことにより、層ごとの方式で３Ｄオブジェクトまたは支持構造を形成する。
【００１１】
以下に説明するように、ポンプシステム１０は、標準的な液化ポンプを用いて通常達成される流量よりも高い流量で、流動可能な材料を押し出す。さらに、ポンプシステム１０は、より一定した応答時間を提供する。応答時間は、ポンプ内の流動可能な材料の体積の関数である。標準的な液化ポンプでは、流動可能な材料の体積は、典型的に、流量に比例する。例えば、流量が低い場合、液化装置内のフィラメントには、溶融する時間があるため、液化装置の体積のほとんどは溶融され、応答時間は遅い。しかしながら、流量が高い場合、溶融される体積は減小するので、応答時間が高まる。ほとんどの３Ｄオブジェクトは、様々な押出流量で構築される様々な形状を有するため、標準的な液化ポンプの応答時間も変動する。これに比べ、スクリューポンプ２４内の流動可能な材料の体積は、低く維持される。したがって、ポンプシステム１０の応答時間は、速く、実質的に一定に維持され得る。
【００１２】
図２Ａ，２Ｂは、駆動モータ１６およびフィラメント搬送アセンブリ２２の底面斜視図である。図２Ａ，２Ｂでは、フィラメント搬送アセンブリ２２は、（図示しない）構築材料または支持材料のフィラメントを（図１Ａ，１Ｂに図示された）スクリューポンプ２４に送出するための適切な材料前進機構の一例である。フィラメント搬送アセンブリ２２は、支持プレート３０、送出ブロック３２、フィラメント管３４、出口ブロック３６、付勢ブロック３８、およびギアシステム４０を含み、フィラメント搬送アセンブリ２２では、支持プレート３０が、（図１Ａ，１Ｂに図示された）フレーム１２により保持されている。
【００１３】
送出ブロック３２は、支持プレート３０に固定され、送出ブロック３２を挿通する経路４２を含んでいる。送出ブロック３２は、（図１Ａ，１Ｂに図示された）導管２０に接続されたフィラメント搬送アセンブリ２２の一部であり、送出ブロック３２では、構築材料または支持材料のフィラメントが導管２０から経路４２に送出される。フィラメント管３４は、経路４２における、導管２０に対する反対側端から延出し、フィラメントを出口ブロック３６の方へ移動させるための経路を提供する。出口ブロック３６は、支持プレート３０に固定され、以下に説明するように、スクリューポンプ２４の方へフィラメントを案内するための（図２Ｂに図示された）出口経路４４を含んでいる。付勢ブロック３８もまた、支持プレート３０に固定され、スロット４６，４８、およびピン５０を含んでおり、付勢ブロック３８では、ピン５０がスロット４８を挿通している。
【００１４】
ギアシステム４０は、駆動ローラ５２，５４、駆動ギア５６、遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６、支持アーム８８、およびねじりバネ７０を含んでいる。駆動ローラ５２，５４は、回転可能なローラであり、フィラメント管３４から出口ブロック３６の方へフィラメントを把持し、引っ張っている。駆動ギア５６および遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６は、一連の係合されたギアであり、一連の係合されたギアでは、遊動ギア５８，６０，６２，６４が、支持プレート３０に軸方向に接続されていることで、遊動ギア５８，６０，６２，６４が回転できる。図示のように、駆動ローラ５２は、遊動ギア５８に軸方向に接続され、駆動ローラ５４は、遊動ギア６６に軸方向に接続されている。さらに、駆動ギア５６は、支持プレート３０を介して、駆動モータ１６に軸方向に接続されている。この配置によって、駆動モータ１６は、動作中に、駆動ギア５６を回転させることができ、これに対応して、遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６が回転する。遊動ギア５８，６６の回転はそれぞれ、駆動ローラ５２，５４を回転させる。
【００１５】
この実施形態では、駆動ローラ５４および遊動ギア６６は、支持プレート３０に固定されておらず、遊動ギア５８は、遊動ギア６６と直接的に係合していない。支持アーム６８は、ボルト７２を介して遊動ギア６４に軸方向に接続された第１端部と、ピン７４を介して駆動ローラ５４および遊動ギア６６に軸方向に接続された第２端部とを有している。このように、駆動ローラ５４、遊動ギア６６、および支持アーム６８は、ボルト７２の周囲で回転可能に支持プレート３０に固定されている一方、さらに、遊動ギア６６が遊動ギア６４と係合し続けることを可能にしている。ねじりバネ７０は、（図示しない）ピンの周囲で固定される第１端部と、ボルト７２とともに軸方向に配列された本体と、付勢ブロック３８に係合する第２端部とを有している。ねじりバネ７０は、支持アーム８８上に、図２Ａにおける反時計方向にねじりを加える。付勢ブロック３８では、ねじりバネ７０は、スロット４６内に延出し、ピン５０に対して付勢する。その結果、ピン５０は、支持アーム８８上のねじりを調節するために使用されてもよい。
【００１６】
ピン５０がスロット４８の右側（矢印７６の方向）に移動されると、駆動ローラ５４、遊動ギア６６、および支持アーム６８は、ボルト７２の周囲を（図２Ａにおける反時計方向に）枢動する。これによって、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間の接触力が増加する。以下に述べるように、ピン５０が、望ましくは、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間の接触力が約０（または０を僅かに超える値）となるように、スロット４８内に配置されることで、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間の圧力が最小化される。そして、ピン５０は、所望の力で駆動ローラ５４に前もって負荷を与えるために、スロット４８内の任意の位置で固定されてもよい。
【００１７】
支持アーム６８の角度位置は、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間のフィラメントの滑りを自己修正する機構を提供する。動作中、駆動ローラ５２，５４は、スクリューポンプ２４内へ、またはスクリューポンプ２４内において、押圧されることに対するフィラメントの抵抗からもたらされる、（矢印７８の方向の）抵抗力（ＦＲ）によって反応される。駆動ローラ５２，５４と接触するフィラメントは、フィラメントの組成およびテクスチャに基づいた任意の摩擦係数（μ）を有している。したがって、駆動ローラ５２，５４の間の接触力が（ねじりバネ７０の位置から）約０とすると、フィラメントに加えられる駆動力（ＦＤ）にフィラメントの摩擦係数（μ）を乗じた値が抵抗力（ＦＲ）よりも大きい場合、駆動ローラ５２，５４は、フィラメントの滑りを伴うことなく、フィラメントを出口ブロック３６の方へ推進させる。したがって、フィラメントの滑りの閾値は、以下の通りとなる：
ＦＤ×μ＝ＦＲ、または （式１）
μ＝ＦＤ／ＦＲ （式２）
抵抗力（ＦＲ）および駆動力（ＦＤ）がそれぞれ、力ベクトル（即ち、図２Ａにおける力ベクトルＦＲおよびＦＤ）として表される場合、（力ベクトルＦＤに平行な）支持ブロック３８に垂直な軸からの支持アーム６８の角度θは、以下の式によって定義され得る：
ｔａｎ（θ）＝ＦＲ／ＦＤ （式３）
上記式を式２で置換すると、以下が得られる：
角度θ＝ａｒｃｔａｎ（μ） （式４）
したがって、駆動ローラ５２，５４の間の挟締力が抵抗力（ＦＲ）の変化に応じて変化するため、支持アーム６８を角度θで配向することにより、フィラメントの滑りを自己修正する機構がもたらされる。例えば、スクリューポンプ２４における抵抗圧力により抵抗力（ＦＲ）が増大する場合、駆動ローラ５２，５４の間の挟締力が増大して、フィラメント上に高レベルの駆動力（ＦＤ）がもたらされることにより、フィラメントの滑りのリスクが低減される。好ましくは、角度θは、ａｒｃｔａｎ（μ）よりも僅かに小さく決定され、および／または、駆動ローラ５２，５４の間の接触力は、０よりも僅かに大きく設定され、滑りに対する安全マージンが提供される。
【００１８】
動作中、構築材料または支持材料のフィラメントは、送出ブロック３２の経路４２、フィラメント管３４、および駆動ローラ５２，５４の間を介して送出される。次に、駆動モータ１６が駆動ギア５６を回転させる。これに対応して、遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６が、（図２Ａにおける回転矢印で表されるように）回転する。遊動ギア５８の回転に対応して駆動ローラ５２が回転し、さらに遊動ギア６６の回転に対応して駆動ローラ５４が回転する。この駆動ローラ５２，５４の回転は、フィラメントの連続した部分を把持し、出口ブロック３６の方へ引っ張る。
【００１９】
図２Ｂに示されるように、出口ブロック３６は、出口経路４４を画定する基部８０ａおよびキャップ部８０ｂを含み、これら基部８０ａおよびキャップ部８０ｂは、複数のボルト８１で共に固定される。出口ブロック３６は、フィラメントをギアシステム４０からスクリューポンプ２４の方へ案内するための機構を提供し、発生した抵抗力（ＦＲ）によるフィラメントの座屈のリスクを低減する。キャップ部８０ｂを、望ましくは、基部８０ａに離脱可能に固定できることで、洗浄および修理目的（例えば、出口経路４４内に詰まったフィラメントの除去）のために、出口経路４４にアクセス可能になる。
【００２０】
別の実施形態では、ギアシステム４０は、個々の設計の必要に応じて、さらなる数の遊動ギア、またはより少ない数の遊動ギアを含んでもよい。自己締着能力を提供しない別の実施形態では、ギア５８は、駆動モータ１６に軸方向に接続され、遊動ギア６６と直接的に係合する。これにより、駆動モータ１６は、ギア５８および駆動ローラ５２を直接的に回転させ、これに対応して、遊動ギア６６および駆動ローラ５４が回転する。この実施形態では、駆動ローラ５４および遊動ギア６６は、支持プレート３０に回転可能に固定され、駆動ギア５６および遊動ギア６０，６２，６４は省略されてもよい。さらに別の実施形態では、駆動ローラ５４を、駆動ローラ５２と直接的または間接的に係合されない（図示しない）遊動ローラと置き換えてもよい。この実施形態では、遊動ローラは、支持プレート３０（即ち、自己締着能力を有さない）か、または（図２Ａ，２Ｂに示されるように）付勢された支持アーム６８のいずれかに回転可能に固定される。
【００２１】
図３は、長軸Ｌに沿って延在するスクリューポンプ２４の側面図である。図３中の下から上に示されるように、スクリューポンプ２４は、さらに、押出端部８２、バレルハウジング８４、（液化装置ハウジング８６，８８により画定される）液化装置８５、送出経路９０、スクリューポンプ本体９２、羽根車９４、および取付プレート９６を含んでいる。押出端部８２は、バレルハウジング８４に離脱可能に接続されており、スクリューポンプ２４の一部である。このスクリューポンプ２４の一部から、流動可能な材料が押し出される。
【００２２】
バレルハウジング８４は、羽根車９４の底部を収容する円周ハウジング部品であり、望ましくは、液化装置ハウジング８６と一体化して形成される。液化装置ハウジング８６，８８は、（例えば、ボルトで）共に固定されて液化装置８５を画定することで羽根車９４の中央部を収容するハウジング部品である。送出経路９０は、上部羽根車ハウジング８８内への開口部であり、（図１Ａ，１Ｂに示された）フィラメント搬送アセンブリ２２から構築材料または支持材料のフィラメントを受け入れるように構成されている。
【００２３】
スクリューポンプ２４は、さらに、取付プレート９６の上方に、スクリューポンプ２４の開口部であるネジ穴９８を含み、ネジ穴９８は、（図示しない）止めネジを受け入れるためのものである。スクリューポンプ本体９２は、上部羽根車ハウジング８８に固定され、羽根車９４の上部を収容するハウジング部品である。取付プレート９６は、スクリューポンプ本体９２に固定されたプレートであり、（図１Ａ，１Ｂに示された）フレーム１２に固定されたスクリューポンプ２４の一部である。スクリューポンプ本体９２は、液化装置ハウジング８８の上方の位置でスクリューポンプ本体９２を挿通する通気開口部１００を含み、羽根車９４が視認可能となる開口部を提供する。
【００２４】
ベルトプーリ２８は、フレーム１２上に取り付けられると、（図示しない）モータ駆動のベルトにより回転され、これに対応して、羽根車９４が回転する。羽根車９４が回転する間、構築材料または支持材料のフィラメントは、送出経路９０を介して、スクリューポンプ２４内に送出され、流動可能な状態に溶融される。この流動可能な材料は、次に、羽根車９４の回転により、押出端部８２を介して押し出される。
【００２５】
図４は、図３における断面４−４の断面図であり、スクリューポンプ２４の内部領域を示している。図４に示されるように、押出端部８２は、ノズル１０２と、オリフィス１０４とを含み、オリフィス１０４は、長軸Ｌに沿った、ノズル１０２における開口部であり、流動可能な材料を押し出すためのものである。ノズル１０２は、バレルハウジング８４上にネジで離脱可能に取り付けられることで、必要に応じて（例えば、異なるオリフィス直径を提供するために）、ノズル１０２を交換することができる。
【００２６】
バレルハウジング８４、液化装置ハウジング８６，８８、およびスクリューポンプ本体９２は、長軸Ｌに沿って延在する中央円柱形空洞である内部バレル１０６を画定している。図示のように、バレル１０６は、通気開口部１００を介してアクセス可能である。羽根車９４は、長軸Ｌに沿ってバレル１０６を挿通し、羽根車９４およびバレル１０６は、望ましくは、少なくともバレルハウジング８４および液化装置８５内において、密接に合致する面を有する（即ち、羽根車９４の外径がバレル１０６の直径と密接に合致する）。
【００２７】
液化装置ハウジング８６，８８はまた、液化装置空洞１０８を画定している。液化装置空洞１０８は、液化装置８５内の円板状の空洞であり、送出経路９０に接続されている。円板状の形状のため、液化装置８５は、一般的に、「ホッケーパック液化装置」と称される。以下に説明するように、液化装置８５は、送出経路９０を介して液化装置空洞１０８に入り込む固体フィラメントの連続した部分を溶融する。液化装置ハウジング８６，８８は、液化装置空洞１０８に熱を供給するヒータ棒１１０を含んでいる。ヒータ棒１１０が対流によって液化装置空洞１０８を加熱することにより、液化装置空洞１０８は、所望の流動可能な粘度までフィラメントを熱的に溶融することができる。
【００２８】
スクリューポンプ本体９２は、さらに、液化装置ハウジング８８と通気開口部１００との間に位置する上部本体ヒータ１１１を含んでいる。ヒータ１１１は、液化装置ハウジング８８の上方において、流動可能な材料がバレル１０６と固化するのを防止する。液化装置ハウジング８８の上方において、流動可能な材料がバレル１０６と固化するのを防止することで、流動可能な材料のメニスカスがバレル１０６内で上昇および下降して、フィラメント搬送アセンブリ２２とスクリューポンプ２４との間の送出速度の瞬間的な不均衡中に、分離機能をもたらすことが望ましい。
【００２９】
別の実施形態では、スクリューポンプ２４は、バレル１０６および／または液化装置空洞１０８において所望の熱プロファイルを得るために、さらなる加熱要素またはより少ない加熱要素を含んでもよい。１つの実施形態では、１つまたは複数のヒータ棒１１０およびヒータ１１１は、１つまたは複数の（図示しない）熱電対で監視される温度フィードバックを介して独立して制御されてもよい。
【００３０】
羽根車９４は、スクリューポンプ２４の上部１１２において、ベルトプーリ２８に固定されている。以下に説明するように、羽根車９４がベルトプーリ２８に固定されていることにより、ベルトプーリ２８の回転動作に対応して羽根車９４が回転できる。羽根車９４は、当該羽根車９４の外部表面に刻まれた複数のスパイラル溝を有し、このスパイラル溝はバレル１０６とともに粘性ポンプを形成する。スパイラル溝の上部（部分９４ａとして参照する）は、比較的深い溝を有しているので、比較的大きな体積および低い圧力での粘性ポンプ動作がもたらされる（即ち、羽根車９４の輸送領域）。スパイラル溝の下部（部分９４ｂとして参照する）は、比較的浅い溝を有しているので、比較的高い圧力および小さな体積での粘性ポンプ動作がもたらされる（即ち、羽根車９４の加圧領域）。
【００３１】
動作中、構築材料または支持材料のフィラメントは、液化装置空洞１０８内に送出され、所望の流動可能な粘度まで溶融される。フィラメントの連続した部分が液化装置空洞１０８内に送出され続けるにつれ、フィラメントは、溶融しながら内側に向けて円周方向に（即ち、らせん状に）移動する。この溶融された流動可能な材料は、最終的に、羽根車９４の輸送領域（即ち、羽根車９４の部分９４ａ付近）に到達し、輸送領域では、羽根車９４の回転が、羽根車９４の加圧領域（即ち、羽根車９４の部分９４ｂ付近）内に流動可能な材料を推進する。羽根車９４の部分９４ｂは、流動可能な材料の圧力を上昇させ、押出端部８２のオリフィス１０４を介して流動可能な材料を押し出す。この場合、流動可能な材料の押出速度は、（駆動モータ１８の駆動力に対応する）羽根車９４の回転速度によって制御されてもよい。押し出された材料は、所望のパターンで堆積され、３Ｄオブジェクトおよび／または支持構造が形成される。
【００３２】
スクリューポンプ２４は、高い流量と、高速且つ予測可能な応答時間を実現するために有利である。ポンプの応答時間を向上するため、望ましくは、羽根車９４とバレル１０６との間の隙間を最小化することにより、バレル１０６内の構築材料の体積は低減される。例えば、直径０．２５インチの羽根車および０．００１インチの隙間を有する円筒形スクリューポンプは、直径０．０１６インチのノズルを介して２０，０００立方マイクロインチ／秒を送り出すことができ、０．０１０秒未満の時定数を有するであろう。これに対し、直径０．０１６インチのノズルを介して僅か２，０００立方マイクロインチ／秒を送り出すことしかできない液化ポンプは、０．０２０秒を超える時定数を有し得る。
【００３３】
流動可能な材料がオリフィス１０４から押し出されるよりも速くフィラメントが液化装置空洞１０８内に送り込まれる場合、過剰な流動可能な材料は、バレル１０６を介して上方向に逆流し得る。この逆流が過剰に大きい場合（例えば、オリフィス１０４が詰まる場合）、過剰な流動可能な材料は、通気開口部１００を介してスクリューポンプ２４から抜け出る可能性がある。通気開口部１００は、スクリューポンプ２４の上部１１２が偶発的に流動可能な材料に曝されることから保護し、且つ、逆流する構築材料が熱的に分解する（例えば、変色する）ほど長い時間液化装置空洞１０８内にとどまらず、その後、次の工程で再混合および押し出しされることを確実にする。通気開口部１００はまた、液化装置空洞１０８内に存在するあらゆるガス（例えば、水蒸気）を放出するという点でも有利である。
【００３４】
１つの実施形態では、スクリューポンプ２４は、さらに、バレル１０６内に、１つまたは複数の（図示しない）オーバーフローセンサを含んでもよい。１つまたは複数のオーバーフローセンサを用いて、流動可能な材料の逆流が通気開口部１００に達しようとする時を監視してもよい。１つまたは複数のオーバーフローセンサが流動可能な材料の後退を検出した場合、オーバーフローセンサは、次に、フィラメントの送出速度を低減または停止させるように、（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに示された）駆動モータ１６に指示してもよい。
【００３５】
さらに別の実施形態では、液化装置８５、および任意に、バレルハウジング８４は、スクリューポンプ本体９２に離脱可能にクランプされてもよい。これにより、保守または交換のために、複数の液化装置を容易に取り換えることが可能になる。
【００３６】
図５は、スクリューポンプ２４の上部１１２の拡大図であり、ベルトプーリ２８と羽根車９４との間の接続をさらに示している。図示のように、スクリューポンプ２４の上部１１２は、羽根車延長部１１４、上部軸受１１６、底部軸受１１８、ネジ環１２０、スペーサ１２２、およびバネ１２４を含んでいる。羽根車延長部１１４がベルトプーリ２８および羽根車９４に固定されることで、ベルトプーリ２８の回転に対応して、羽根車９４が長軸Ｌの周囲を回転することができる。
【００３７】
上部軸受１１６および底部軸受１１８は、スクリューポンプ本体９２と羽根車延長部１１４との間に配置される。底部軸受１１８およびバネ１２４は、スペーサ１２２の対向面上に載置され、スペーサ１２２の対向面上において、バネ１２４は、スペーサ１２２に対して付勢されている。底部軸受１１８に隣接する羽根車延長部１１４の部分は、底部軸受１１８を半径方向に拘束しないように、直径においてアンダーカットされている。したがって、羽根車９４および羽根車延長部１１４は、上部軸受１１６と、羽根車９４とバレルハウジング８４との間の（図３に示された）流体力学的向心力とによってのみ、半径方向に拘束される。
【００３８】
上部軸受１１６は、底部軸受１１８の上方に位置し、ネジ環１２０により、スクリューポンプ本体９２内に軸方向に保持される。モータ駆動のベルト（図示せず）および上部軸受１１６が、望ましくは、水平軸Ｈに沿って配列されることで、モータ駆動のベルトの半径方向の荷重が反応され、羽根車９４上に掛かる可能性のあるあらゆる側面負荷が低減される。羽根車９４とバレル１０６との間の半径方向の隙間が狭いため、流体力学的向心力が小さい低回転速度でも、羽根車９４とバレル１０６との間の接触を減らすことが望ましい。
【００３９】
ネジ環１２０は、ベルトプーリ２８内およびベルトプーリ２８の下方に位置し、（図３，４に示された）押出端部８２と、羽根車９４との間の隙間を調節するために用いられる。押出端部８２と羽根車９４との間の隙間を調節するために、ネジ環１２０は回転され、（隙間を減小させるか増大させるかによって）バネ１２４上の付勢力を圧迫または解放する。所望の隙間サイズが得られたら、（図示しない）止めネジが（図３に示された）ネジ穴９８内に挿入され、ネジ環１２０のさらなる回転を防止する。
【００４０】
図６は、図３における断面６−６の断面図であり、液化装置８５内の、液化装置空洞１０８を示している。図示のように、液化装置空洞１０８は、らせんバッフル２０２を含んでいる。らせんバッフル２０２によって、溶融しているフィラメントは、縮小するらせんで羽根車９４の方へ流れるので、溶融された流動可能な材料の停滞ポケットが形成されるリスクが低減される。
【００４１】
流動可能な材料は、望ましくは、（図３，４に示された）押出端部８２からの押出流量に合致する流量で、バレル１０６に搬送される。バレル１０６の過剰充填は、流動可能な材料が（図３，４に示された）通気開口部１００を介して逆流する原因になり得る。あるいは、バレル１０６の充填不足の結果、低流量をもたらし得る。（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに示された）フィラメント搬送アセンブリ２２からのフィラメント送出量を制御することにより、液化装置８５内の流量は、押出端部８２からの押出流量と合致され得る。
【００４２】
フィラメント送出量は、１つまたは複数のフィードバックセンサに反応することで、（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに示された）駆動モータ１６を制御してもよい。例えば、力センサ（例えば、ロードセル）をフレーム１２または駆動モータ１６上に配置し、液化装置８５の流量を監視することができる。適切な力センサの一例は、Ｚｉｎｎｉｅｌ等の米国特許第６，０８５，９５７号に開示されている。この米国特許第６，０８５，９５７号では、力センサは、液化装置８５内へ推進されているフィラメントの力に反応する。したがって、液化装置８５の流量は、測定された力が低すぎる場合には増加され、測定された力が高すぎる場合には低減される。液化装置８５の反応特性を合致させることにより、流動可能な材料のオープンループ規制を得ることも可能である。さらに、上述のように、通気開口部１００におけるオーバーフローセンサを用いて、同様にフィラメント送出量を調節してもよい。
【００４３】
図７Ａ，７Ｂはそれぞれ、羽根車９４の側面図および斜視図である。図示のように、２つの溝は、部分９４ａで始まり、部分９４ｂで各溝はより浅い溝に移行する。上述のように、部分９４ａは、比較的深い溝を有し、比較的高体積および低圧力での粘性ポンプ動作を提供する（即ち、羽根車９４の輸送領域）。これに対して、部分９４ｂは、比較的浅い溝を有し、比較的高圧力および低体積での粘性ポンプ動作を提供する（即ち、羽根車９４の加圧領域）。
【００４４】
図８は、長軸Ｌに沿って延在するスクリューポンプ２４の側面図であり、図８では、スクリューポンプ２４は、外部加熱装置１２８と併用される。図９は、図８における断面９−９の断面図であり、外部加熱装置１２８をさらに示している、図８，９に示されるように、外部加熱装置１２８は、上部加熱コイル１３０および下部加熱コイル１３２を含み、これら上部加熱コイル１３０および下部加熱コイル１３２は、（図示しない）熱制御源に接続されている。上部加熱コイル１３０は、バレルハウジング８４に巻き付けられ、押出工程中、バレルハウジング８４を伝導的に加熱する。同様に、下部加熱コイル１３２は、押出端部８２に巻き付けられ、押出工程中、押出端部８２を伝導的に加熱する。
【００４５】
１つの実施形態では、上部加熱コイル１３０および下部加熱コイル１３２の一方または双方は、１つまたは複数の熱電対（図示せず）で監視される温度フィードバックにより、独立して制御されてもよい。外部加熱装置１２８の使用は、羽根車９４により送出される間に流動可能な材料が冷却するリスクを低減する。流動可能な材料が冷却すると、流動可能な材料が、バレル１０６、通気開口部１００、および／またはオリフィス１０４を詰まらせることになり得る。別の実施形態では、液化装置空洞１０８と押出端部８２との間、並びに液化装置空洞１０８の上方に、さらなる熱領域が追加されてもよい。バレル１０６とオリフィス１０４とに必要な熱量は、典型的に、スクリューポンプ２４を介した流量の最新の状況によって変化する。
【００４６】
図１０は、長軸Ｌに沿って延在するスクリューポンプ２４の拡大側面図であり、図１０では、スクリューポンプ２４が熱スリーブ１３４と併用される。図１１は、図１０における断面１１−１１の断面図であり、熱スリーブ１３４をさらに示している。図１０，１１に示されるように、熱スリーブ１３４は、スリーブハウジング１３６、上部加熱コイル１３８、および下部加熱コイル１４０を含んでいる。スリーブハウジング１３６は、バレルハウジング８４の周囲に延在し、実質的に上部加熱コイル１３８を収容している。上部加熱コイル１３８は、バレルハウジング８４に巻き付けられ、押出工程中に対流によってバレルハウジング８４を加熱する。同様に、下部加熱コイル１４０は、押出端部８２に巻き付けられ、押出工程中に対流によって押出端部８２を加熱する。
【００４７】
１つの実施形態では、上部加熱コイル１３８および下部加熱コイル１４０の一方または双方は、１つまたは複数の熱電対（図示せず）により監視される温度フィードバックにより、独立して制御されてもよい。これにより、押出端部８２およびバレルハウジング８４に沿ってさらに大きな温度制御が提供される。例えば、上部加熱コイル１３８は、熱電対により監視されるバレルハウジング８４に沿った所望の温度プロファイルが得られるように制御されてもよい。下部加熱コイル１４０にも同様の配置が適用可能である。別の実施形態では、液化装置空洞１０８と押出端部８２との間、並びに液化装置空洞１０８の上方に、さらなる熱領域が追加されてもよい。さらなる実施形態では、圧縮ガス源（図示せず）が、ガス流入口１４１ａに接続されてもよい。この実施形態では、加熱ガスまたは冷却ガスは、バレルハウジング８４とスリーブハウジング１３６との間のガス流入口１４１ａ内に流入し、ガス流出口１４１ｂから流出してもよい。これにより、押出端部８２とバレルハウジング８４とに沿ったさらなる温度制御が提供される。図８〜１１で上述した外部加熱冷却システムは、スクリューポンプ２４と併用し得る適切な外部温度制御システムの例である。
【００４８】
図１２は、スクリューポンプ２２４の斜視図であり、スクリューポンプ２２４は、ポンプシステム１０において使用されるスクリューポンプ２４の代替物である。説明を容易にするため、スクリューポンプ２４の各部品に対応する参照符号は、２００が加算されている。この実施形態では、スクリューポンプ２２４は、（図３，４，６に示された）スクリューポンプ２４の液化装置８５と同様に機能する一対の液化装置３４２，３４４を含んでいる。また、バレルハウジング２８４に液化装置３４２，３４４をそれぞれ固定するため、スクリューポンプ２２４は、バレルハウジング２８４の周囲に固定される支持支柱３４６，３４８を含んでいる。
【００４９】
液化装置３４２は、液化装置ハウジング３５０，３５２、送出経路３５４、および液化装置ハウジング３５２における出口経路（図示せず）を含み、液化装置ハウジング３５２は、支持支柱３４６を介してバレルハウジング２８４に固定される液化装置３４２の一部である。これにより、液化装置３４２からの出口経路は、バレル３０６（図示せず）と交差することができる。液化装置３４４は、液化装置ハウジング３５６，３５８、送出経路３６０、および出口経路３６２を含み、液化装置ハウジング３５６は、支持支柱３４８を介してバレルハウジング２８４に固定される液化装置３４４の一部である。これにより、出口経路３６２は、バレル３０６、および液化装置３４２からの出口経路と交差することができる。
【００５０】
液化装置３４２，３４４により、複数の材料をバレル３０６内に送り込むことができる。例えば、１つの実施形態では、複数の端部の較正および登録を要することなく、連続した押出工程で、バレル３０６および押出端部２８２を介して、構築材料と支持材料とを送り込んでもよい。１つの材料から別の材料に切り替える場合、第１の材料は、望ましくは、第２の材料を堆積させる前に、スクリューポンプ２４２からパージされる。バレル３０６から第１の材料を除去するために十分な時間の間、廃棄容器（図示せず）上に押出端部２８２を配置しながら、第２の材料を供給および押し出しすることにより、パージを行ってもよい。
【００５１】
あるいは、複数の構築材料または支持材料を（羽根車２９４によって）混合し、ともに押し出してもよい。これにより、様々な種類の構築材料または支持材料を混合し、結果として得られる３Ｄオブジェクトまたは支持構造の所望の物理的特性を増すことが可能となる。この実施形態では、（図示しない）構築材料または支持材料の第１フィラメントを送出経路３５４に送り込み、液化装置８５について上述したように液化装置３４２内で溶融してもよい。この溶融された、流動可能な材料は、次に、液化装置３４２の出口経路を流れ、バレル３０６に流入する。同様に、（図示しない）構築材料または支持材料の第２フィラメントを送出経路３６０内に送り込み、液化装置８５ついて上述したように、液化装置３４４内で溶融してもよい。この溶融された、流動可能な材料は、次に、出口経路３６２を流れ、バレル３０６に流入する。次に、流動可能な材料がバレル３０６を介して押出端部２８２の方に押されるときに、羽根車３００が流動可能な材料を混合する。この混合された流動可能な材料は、次に押出端部３８２を介して押し出され、結果として得られる３Ｄオブジェクトまたは支持構造が形成される。
【００５２】
複数の液化装置（例えば、液化装置３４２，３４４）は、様々に着色された構築材料および支持材料を使用することもできる。様々な色のフィラメントは、同時にスクリューポンプ２４２に供給されてもよく、スクリューポンプ２４２の混合動作と組み合わせて、結果として得られる３Ｄオブジェクトまたは支持構造の全色域を生成し得る。
【００５３】
別の実施形態では、スクリューポンプ２４２は、３つ以上の液化装置を含んでもよい。（例えば、スクリューポンプ２４２の場合のように）複数の液化装置が使用される場合、各フィラメントは、望ましくは、個々の材料前進機構（例えば、フィラメント搬送アセンブリ２２）を有する所定の液化装置に送り込まれ、独立してフィラメントの送出量が制御される。
【００５４】
図１３は、スクリューポンプ２４のための駆動モータがポンプシステム１０から離れた位置に配置される代替実施形態である押出装置４００の上面図である。押出装置４００は、ポンプシステム１０によって搬送されるペイロードを最小化するために有利である。さらに、この配置は、ガントリの台車につながるワイヤーの数を最小化し、さらに、Ｘ−Ｙ−Ｚガントリおよびポンプに同じモータを使用することが可能となる（例えば、低コストの利点）。
【００５５】
図示のように、押出装置４００は、ポンプシステム４０２、Ｘ−Ｙガントリ４０４、遠隔駆動モータ４０６、第１プーリ部４０８、および第２プーリ部４１０を含んでいる。ポンプシステム４０２は、駆動モータ１８が省略されている（および遠隔駆動モータ４０６に置き換えられている）ことを除き、ポンプシステム１０と同様である。ポンプシステム４０２は、スクリューポンプ羽根車（図示せず）を回転させるための（図１Ａ，１Ｂに示された）ベルトプーリ２８と同様に機能するベルトプーリ４０３を含んでいる。Ｘ−Ｙガントリ４０４は、構築材料および／または支持材料を堆積させるために押出装置４００の周囲をＸ−Ｙ平面でポンプシステム４０２を移動させるためのガントリアセンブリである。遠隔駆動モータ４０６は、（図１Ｂに示された）モータプーリ２６と同様に機能するモータプーリ４１２を含んでいる。
【００５６】
第１プーリ部４０８は、駆動ベルト４１４、ジャックシャフト入力プーリ４１６、および複数の遊動プーリ４１８を含み、第１プーリ部４０８では、駆動ベルト４１４が、モータプーリ４１２、ジャックシャフト入力プーリ４１６、および複数の遊動プーリ４１８の回りを一巡している。第２プーリ部４１０は、駆動ベルト４２０、ジャックシャフト出力プーリ４２２、および複数の遊動プーリ４２４を含み、第２プーリ部４１０では、駆動ベルト４２０が、ベルトプーリ４０３、ジャックシャフト出力プーリ４２２、および複数の遊動プーリ４２４の回りを一巡している。ジャックシャフト出力プーリ４２２は、ジャックシャフト入力プーリ４１６に軸方向に接続されている。
【００５７】
この配置により、遠隔駆動モータ４０６は、ベルトプーリ４０３（および、これに対応してポンプシステム４０２のスクリューポンプ羽根車）を回転させることができる。動作中、遠隔駆動モータ４０６により、モータプーリ４１２が回転する。これに対応して、駆動ベルト４１４が、ジャックシャフト入力プーリ４１６を回転させる。ジャックシャフト入力プーリ４１６の回転により、ジャックシャフト出力プーリ４２２が回転するので、駆動ベルト４２０がベルトプーリ４０３（およびスクリューポンプの羽根車）を回転させる。
【００５８】
遠隔駆動モータ４０６は、望ましくは、Ｘ−Ｙガントリ４０４の動作により羽根車が回転しないように、Ｘ−Ｙガントリ４０４の動作を「減じる」ように動作される。Ｘ−Ｙガントリ４０４のモータを無効化するために遠隔駆動モータ４０６が制御され得る回転速度は、以下の式により、数学的に算出され得る：
以下の定義が使用される：
Ｗmotor＝モータの回転速度
Ｗjack＝ジャックシャフトの回転速度
ＰＤmotor＝モータプーリのピッチ円直径
ＰＤjackin＝ジャックシャフト入力プーリのピッチ円直径
ＰＤjackout＝ジャックシャフト出力プーリのピッチ円直径
ＰＤscrew＝ネジプーリのピッチ円直径
Ｖx＝Ｘ方向の台車速度
Ｖy＝Ｙ方向の台車速度
ジャックシャフトおよびモータの回転速度は、以下の式で与えられる：
Ｗjack＝Ｗmotor（ＰＤmotor／ＰＤjackin）−Ｖx／πＰＤjackin（式５）
Ｗscrew＝Ｗjack（ＰＤjackout／ＰＤscrew）−Ｖy／πＰＤscrew（式６）
式６におけるＷjackに式５を代入すると、以下が得られる：
Ｗscrew＝（Ｗmotor（ＰＤmotor／ＰＤjackin）−Ｖx／πＰＤjackin）（ＰＤjackout／ＰＤscrew）−Ｖy／πＰＤscrew（式７）
式７を利用して、Ｗmotorを求めることができる：
（Ｗscrew＋Ｖy／πＰＤscrew）（ＰＤscrew／ＰＤjackout）＝Ｗmotor（ＰＤmotor／ＰＤjackin）−Ｖx／πＰＤjackin（式８）
Ｗmotor＝（（Ｗscrew＋Ｖy／πＰＤscrew）（ＰＤscrew／ＰＤjackout）＋Ｖx／πＰＤjackin）ＰＤjackin／ＰＤmotor（式９）
式９により、遠隔駆動モータ４０６の回転速度（Ｗmotor）は、Ｘ−Ｙガントリ４０４の動作に合致され、駆動ベルト４１４，４２０によるスクリューポンプ羽根車の精密な制御が可能になる。
【００５９】
各フィラメント搬送アセンブリの駆動モータ（例えば、駆動モータ１６）は、押出ヘッド、Ｘ−Ｙガントリ４０４、または押出装置４００の静止部分に同様に搭載されてもよい。フィラメント搬送アセンブリは、離れた位置で、フィラメントをスクリューポンプに押し入れるための適切な力を提供し得る。これにより、Ｘ−Ｙガントリ４０４によって搬送されるペイロード重量が低下し、機械的アセンブリが簡素化され、Ｘ−Ｙガントリ４０４上の台車サイズが最小化される。
【００６０】
上述のように、ポンプシステム１０，４０２において使用される構築材料は、望ましくは、フィラメントの形態で提供される。適切なフィラメント材料およびフィラメント供給源の例は、Ｓｗａｎｓｏｎ等の米国特許第６，９２３，６３４号およびＣｏｍｂ等の米国公開第２００５／０１２９９４１号に開示されている。構築材料として適切な材料の例は、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ナイロン、ポリスチレン、非晶質ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、およびこれらの共重合体、これらの組み合わせ等の、あらゆる種類の押し出し可能な熱可塑性プラスチック材料を含む。上記は構築材料の使用を参照するものであるが、ポンプシステム１０，４０２は、支持構造を構築する支持材料を押し出すことにも適している。適切な水溶性支持材料の例は、ミネソタ州エデンプレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから、「ＷＡＴＥＲＷＯＲＫＳ」および「ＳＯＬＵＢＬＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ」という商品名で市販されているものを含む。
【００６１】
上述のように、ポンプシステム１０（およびポンプシステム４０２）は、押出型積層製造システムにおいて押出ヘッドとして使用するのに適切な押出システムを提供する。ポンプシステム１０の有利な特性の例として、高速で一貫した応答時間、高い流量（例えば、２０，０００立方マイクロインチ／秒）、流量と応答時間との分離、複数の種類の構築材料および支持材料の堆積、材料を変える際の交換を必要とする部品数の最小化、押出ヘッドおよびＸ−Ｙガントリの質量の最小化、ノズル間の較正または登録を必要としないこと、送出される原材料のコストの最小化、ポンプの製造コストの最小化、摩耗部品の最小化、ネジと穴との位置ずれの排除、高温材料（例えば、４００℃以上）を送り出す高温動作、および全色域モデリングが可能であることが挙げられる。
【００６２】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細の変更を行い得ることを認識するであろう。例えば、ポンプシステム１０は、押出型積層製造システムにおいて使用されるものとして述べられているが、ポンプシステム１０は、３Ｄオブジェクトを構築するためのあらゆる種類の押出型堆積システムにおける使用にも適している。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［背景］
本発明は、押出型積層製造システムを用いた３次元（３Ｄ）オブジェクトの製作に関する。具体的には、本発明は、３Ｄオブジェクトを製作するための押出型積層製造システムとともに使用される粘性ポンプに関する。
【０００２】
押出型積層製造システム（例えば、ミネソタ州エデンプレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドによって開発された溶融堆積モデリングシステム）は、流動可能な構築材料を押し出すことにより、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）モデルから３Ｄオブジェクトを層ごとの方式で構築するために使用されている。構築材料は、押出ヘッドによって搬送されるノズルを通して押し出され、ｘ−ｙ平面における基部上に一連の道路として堆積される。押し出された構築材料は、前もって堆積された構築材料に溶融し、熱の低下に伴って固化する。基部に対する押出ヘッドの位置は、次に、（ｘ−ｙ平面に垂直な）ｚ軸に沿って上昇され、その後、この工程は繰り返され、ＣＡＤモデルに類似する３Ｄオブジェクトが形成される。
【０００３】
基部に対する押出ヘッドの移動は、３Ｄオブジェクトを表す構築データに従ってコンピュータ制御下で実行される。この構築データは、最初に３ＤオブジェクトのＣＡＤモデルを複数の水平にスライスされた層にスライスすることにより得られる。次に、ホストコンピュータは、スライスされた各層に関して、構築材料の道路を堆積させるための構築経路を生成して、３Ｄオブジェクトを形成する。
【０００４】
構築材料の各層を堆積させることによって３Ｄオブジェクトを製造する場合、典型的に、構築材料自体によって支持されていない、構築中のオブジェクトの突出部の下、あるいは、空洞内に、支持層または支持構造が構築される。支持構造は、構築材料を堆積させる堆積技術と同様の堆積技術を用いて構築されてもよい。ホストコンピュータは、形成中の３Ｄオブジェクトの突出部分または自由空間部分のための支持構造として機能する付加形状を生成する。次に、構築工程中、生成された形状に従って、第２の押出端部から支持材料が堆積される。この支持材料は、製造中は構築材料に粘着し、構築工程が完了したときに、完成された３Ｄオブジェクトから除去可能である。
［概要］
本発明は、押出型堆積システムにおいて使用するのに適したポンプシステムに関する。このポンプシステムは、第１の駆動モータと動作可能に係合される搬送アセンブリと、スクリューポンプであって、該スクリューポンプのバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、バレルの第１の端部でハウジングに固定される押出端部と、ハウジングに固定され、バレルと交差する液化装置と、バレルを少なくとも部分的に挿通する羽根車とを含むスクリューポンプとを含んでいる。搬送アセンブリは、第１の駆動モータの動力により固体材料を送出するように構成されている。液化装置は、搬送アセンブリから送出される固体材料を受け入れ、受け入れた固体材料を少なくとも部分的に溶融し、少なくとも部分的に溶融された固体材料をバレルに移動させる。羽根車は、バレルに移動された少なくとも部分的に溶融された材料を、第２の駆動モータの動力によって、押出端部の方へ推進させるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】本発明の２段ポンプシステムの側面図である。
【図１Ｂ】本発明の２段ポンプシステムの斜視図である。
【図２Ａ−２Ｂ】２段ポンプシステムのフィラメント搬送アセンブリの底面図である。
【図３】２段ポンプシステムのスクリューポンプの側面図である。
【図４】図３中の断面４−４の断面図であって、スクリューポンプの内部領域を示している。
【図５】スクリューポンプの上部の拡大断面図である。
【図６】図３中の断面６−６の断面図であって、スクリューポンプの液化装置空洞を示している。
【図７Ａ】スクリューポンプの羽根車の側面図である。
【図７Ｂ】スクリューポンプの羽根車の斜視図である。
【図８】外部加熱システムと併用されるスクリューポンプの側面図である。
【図９】図８中の断面９−９の断面図である。
【図１０】別の加熱冷却システムと併用されるスクリューポンプの側面図である。
【図１１】図１０中の断面１１−１１の断面図である。
【図１２】２段ポンプシステムの別のスクリューポンプの斜視図である。
【図１３】別の２段ポンプシステムを含む押出装置の上面図である
【発明を実施するための形態】
【０００６】
［詳細な説明］
図１Ａ，１Ｂはそれぞれ、２段ポンプシステム１０の側面図と斜視図とであり、この２段ポンプシステム１０は、押出型積層製造システム（例えば、ミネソタ州エデンプレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドによって開発された溶融堆積モデリングシステム）において、押出ヘッドとして使用するのに適した押出システムである。図１Ａに示されるように、ポンプシステム１０は、フレーム１２、流入部１４、駆動モータ１６，１８、導管２０、フィラメント搬送アセンブリ２２、およびスクリューポンプ２４を含んでいる。
【０００７】
フレーム１２は、ポンプシステム１０の支持構造であり、流入部１４、駆動モータ１６，１８、導管２０、フィラメント搬送アセンブリ２２、およびスクリューポンプ２４はそれぞれ、直接的または間接的にフレーム１２に接続されている。流入部１４は、フィラメント供給源（図示せず）から構築材料または支持材料（図示せず）のフィラメントを受け入れるのに好適な流入口を提供する構造となっている。導管２０は、フィラメント供給源からフィラメント搬送アセンブリ２２までフィラメントを導くために、流入部１４内へと延出している管である。
【０００８】
駆動モータ１６およびフィラメント搬送アセンブリ２２は、ポンプシステム１０の第１段を画定している。駆動モータ１６は、フレーム１２を挿通する第１モータであり、フィラメント搬送アセンブリ２２を動作させるように設定されている。フィラメント搬送アセンブリ２２は、フレーム１２の下方に配置され、駆動モータ１６によって動作される、ギアとピンチローラとから構成されるシステムを含んでいる。この配置によって、フィラメント搬送アセンブリ２２は、導管２０からスクリューポンプ２４までフィラメントを送出することができる。
【０００９】
図１Ｂに示されるように、ポンプシステム１０は、さらにモータプーリ２６を含み、モータプーリ２６は、駆動モータ１８に軸方向に接続される。駆動モータ１８は、上記フレーム１２に固定される第２モータであり、モータプーリ２６を介してスクリューポンプ２４を動作させるように設定されている。したがって、駆動モータ１８、スクリューポンプ２４、およびモータプーリ２６は、ポンプシステム１０の第２段を画定している。スクリューポンプ２４は、フレーム１２を挿通し、ベルトプーリ２８を含んでいる。ベルトプーリ２８は、ベルト（図示せず）によりモータプーリ２６に動作可能に接続されている。これにより、（駆動モータ１８による）モータプーリ２６の回転に対応して、（ベルトを介して）ベルトプーリ２８が回転できる。以下に述べるように、ベルトプーリ２８の回転に対応して、（図１Ａまたは図１Ｂでは図示しない）スクリューポンプ２４の羽根車が回転する。
【００１０】
動作中、駆動モータ１６により、フィラメント搬送アセンブリ２２は、構築材料または支持材料のフィラメントをスクリューポンプ２４に送出する。スクリューポンプ２４では、フィラメントは溶融され、流動可能な状態で構築材料が提供される。次に、駆動モータ１８が、（モータプーリ２６、ベルトプーリ２８、およびタイミングベルトを介して）スクリューポンプ２４の羽根車を回転させて、流動可能な材料を押し出すことにより、層ごとの方式で３Ｄオブジェクトまたは支持構造を形成する。
【００１１】
以下に説明するように、ポンプシステム１０は、標準的な液化ポンプを用いて通常達成される流量よりも高い流量で、流動可能な材料を押し出す。さらに、ポンプシステム１０は、より一定した応答時間を提供する。応答時間は、ポンプ内の流動可能な材料の体積の関数である。標準的な液化ポンプでは、流動可能な材料の体積は、典型的に、流量に比例する。例えば、流量が低い場合、液化装置内のフィラメントには、溶融する時間があるため、液化装置の体積のほとんどは溶融され、応答時間は遅い。しかしながら、流量が高い場合、溶融される体積は減小するので、応答時間が高まる。ほとんどの３Ｄオブジェクトは、様々な押出流量で構築される様々な形状を有するため、標準的な液化ポンプの応答時間も変動する。これに比べ、スクリューポンプ２４内の流動可能な材料の体積は、低く維持される。したがって、ポンプシステム１０の応答時間は、速く、実質的に一定に維持され得る。
【００１２】
図２Ａ，２Ｂは、駆動モータ１６およびフィラメント搬送アセンブリ２２の底面斜視図である。図２Ａ，２Ｂでは、フィラメント搬送アセンブリ２２は、（図示しない）構築材料または支持材料のフィラメントを（図１Ａ，１Ｂに図示された）スクリューポンプ２４に送出するための適切な材料前進機構の一例である。フィラメント搬送アセンブリ２２は、支持プレート３０、送出ブロック３２、フィラメント管３４、出口ブロック３６、付勢ブロック３８、およびギアシステム４０を含み、フィラメント搬送アセンブリ２２では、支持プレート３０が、（図１Ａ，１Ｂに図示された）フレーム１２により保持されている。
【００１３】
送出ブロック３２は、支持プレート３０に固定され、送出ブロック３２を挿通する経路４２を含んでいる。送出ブロック３２は、（図１Ａ，１Ｂに図示された）導管２０に接続されたフィラメント搬送アセンブリ２２の一部であり、送出ブロック３２では、構築材料または支持材料のフィラメントが導管２０から経路４２に送出される。フィラメント管３４は、経路４２における、導管２０に対する反対側端から延出し、フィラメントを出口ブロック３６の方へ移動させるための経路を提供する。出口ブロック３６は、支持プレート３０に固定され、以下に説明するように、スクリューポンプ２４の方へフィラメントを案内するための（図２Ｂに図示された）出口経路４４を含んでいる。付勢ブロック３８もまた、支持プレート３０に固定され、スロット４６，４８、およびピン５０を含んでおり、付勢ブロック３８では、ピン５０がスロット４８を挿通している。
【００１４】
ギアシステム４０は、駆動ローラ５２，５４、駆動ギア５６、遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６、支持アーム８８、およびねじりバネ７０を含んでいる。駆動ローラ５２，５４は、回転可能なローラであり、フィラメント管３４から出口ブロック３６の方へフィラメントを把持し、引っ張っている。駆動ギア５６および遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６は、一連の係合されたギアであり、一連の係合されたギアでは、遊動ギア５８，６０，６２，６４が、支持プレート３０に軸方向に接続されていることで、遊動ギア５８，６０，６２，６４が回転できる。図示のように、駆動ローラ５２は、遊動ギア５８に軸方向に接続され、駆動ローラ５４は、遊動ギア６６に軸方向に接続されている。さらに、駆動ギア５６は、支持プレート３０を介して、駆動モータ１６に軸方向に接続されている。この配置によって、駆動モータ１６は、動作中に、駆動ギア５６を回転させることができ、これに対応して、遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６が回転する。遊動ギア５８，６６の回転はそれぞれ、駆動ローラ５２，５４を回転させる。
【００１５】
この実施形態では、駆動ローラ５４および遊動ギア６６は、支持プレート３０に固定されておらず、遊動ギア５８は、遊動ギア６６と直接的に係合していない。支持アーム６８は、ボルト７２を介して遊動ギア６４に軸方向に接続された第１端部と、ピン７４を介して駆動ローラ５４および遊動ギア６６に軸方向に接続された第２端部とを有している。このように、駆動ローラ５４、遊動ギア６６、および支持アーム６８は、ボルト７２の周囲で回転可能に支持プレート３０に固定されている一方、さらに、遊動ギア６６が遊動ギア６４と係合し続けることを可能にしている。ねじりバネ７０は、（図示しない）ピンの周囲で固定される第１端部と、ボルト７２とともに軸方向に配列された本体と、付勢ブロック３８に係合する第２端部とを有している。ねじりバネ７０は、支持アーム８８上に、図２Ａにおける反時計方向にねじりを加える。付勢ブロック３８では、ねじりバネ７０は、スロット４６内に延出し、ピン５０に対して付勢する。その結果、ピン５０は、支持アーム８８上のねじりを調節するために使用されてもよい。
【００１６】
ピン５０がスロット４８の右側（矢印７６の方向）に移動されると、駆動ローラ５４、遊動ギア６６、および支持アーム６８は、ボルト７２の周囲を（図２Ａにおける反時計方向に）枢動する。これによって、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間の接触力が増加する。以下に述べるように、ピン５０が、望ましくは、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間の接触力が約０（または０を僅かに超える値）となるように、スロット４８内に配置されることで、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間の圧力が最小化される。そして、ピン５０は、所望の力で駆動ローラ５４に前もって負荷を与えるために、スロット４８内の任意の位置で固定されてもよい。
【００１７】
支持アーム６８の角度位置は、駆動ローラ５２と駆動ローラ５４との間のフィラメントの滑りを自己修正する機構を提供する。動作中、駆動ローラ５２，５４は、スクリューポンプ２４内へ、またはスクリューポンプ２４内において、押圧されることに対するフィラメントの抵抗からもたらされる、（矢印７８の方向の）抵抗力（ＦＲ）によって反応される。駆動ローラ５２，５４と接触するフィラメントは、フィラメントの組成およびテクスチャに基づいた任意の摩擦係数（μ）を有している。したがって、駆動ローラ５２，５４の間の接触力が（ねじりバネ７０の位置から）約０とすると、フィラメントに加えられる駆動力（ＦＤ）にフィラメントの摩擦係数（μ）を乗じた値が抵抗力（ＦＲ）よりも大きい場合、駆動ローラ５２，５４は、フィラメントの滑りを伴うことなく、フィラメントを出口ブロック３６の方へ推進させる。したがって、フィラメントの滑りの閾値は、以下の通りとなる：
ＦＤ×μ＝ＦＲ、または （式１）
μ＝ＦＤ／ＦＲ （式２）
抵抗力（ＦＲ）および駆動力（ＦＤ）がそれぞれ、力ベクトル（即ち、図２Ａにおける力ベクトルＦＲおよびＦＤ）として表される場合、（力ベクトルＦＤに平行な）支持ブロック３８に垂直な軸からの支持アーム６８の角度θは、以下の式によって定義され得る：
ｔａｎ（θ）＝ＦＲ／ＦＤ （式３）
上記式を式２で置換すると、以下が得られる：
角度θ＝ａｒｃｔａｎ（μ） （式４）
したがって、駆動ローラ５２，５４の間の挟締力が抵抗力（ＦＲ）の変化に応じて変化するため、支持アーム６８を角度θで配向することにより、フィラメントの滑りを自己修正する機構がもたらされる。例えば、スクリューポンプ２４における抵抗圧力により抵抗力（ＦＲ）が増大する場合、駆動ローラ５２，５４の間の挟締力が増大して、フィラメント上に高レベルの駆動力（ＦＤ）がもたらされることにより、フィラメントの滑りのリスクが低減される。好ましくは、角度θは、ａｒｃｔａｎ（μ）よりも僅かに小さく決定され、および／または、駆動ローラ５２，５４の間の接触力は、０よりも僅かに大きく設定され、滑りに対する安全マージンが提供される。
【００１８】
動作中、構築材料または支持材料のフィラメントは、送出ブロック３２の経路４２、フィラメント管３４、および駆動ローラ５２，５４の間を介して送出される。次に、駆動モータ１６が駆動ギア５６を回転させる。これに対応して、遊動ギア５８，６０，６２，６４，６６が、（図２Ａにおける回転矢印で表されるように）回転する。遊動ギア５８の回転に対応して駆動ローラ５２が回転し、さらに遊動ギア６６の回転に対応して駆動ローラ５４が回転する。この駆動ローラ５２，５４の回転は、フィラメントの連続した部分を把持し、出口ブロック３６の方へ引っ張る。
【００１９】
図２Ｂに示されるように、出口ブロック３６は、出口経路４４を画定する基部８０ａおよびキャップ部８０ｂを含み、これら基部８０ａおよびキャップ部８０ｂは、複数のボルト８１で共に固定される。出口ブロック３６は、フィラメントをギアシステム４０からスクリューポンプ２４の方へ案内するための機構を提供し、発生した抵抗力（ＦＲ）によるフィラメントの座屈のリスクを低減する。キャップ部８０ｂを、望ましくは、基部８０ａに離脱可能に固定できることで、洗浄および修理目的（例えば、出口経路４４内に詰まったフィラメントの除去）のために、出口経路４４にアクセス可能になる。
【００２０】
別の実施形態では、ギアシステム４０は、個々の設計の必要に応じて、さらなる数の遊動ギア、またはより少ない数の遊動ギアを含んでもよい。自己締着能力を提供しない別の実施形態では、ギア５８は、駆動モータ１６に軸方向に接続され、遊動ギア６６と直接的に係合する。これにより、駆動モータ１６は、ギア５８および駆動ローラ５２を直接的に回転させ、これに対応して、遊動ギア６６および駆動ローラ５４が回転する。この実施形態では、駆動ローラ５４および遊動ギア６６は、支持プレート３０に回転可能に固定され、駆動ギア５６および遊動ギア６０，６２，６４は省略されてもよい。さらに別の実施形態では、駆動ローラ５４を、駆動ローラ５２と直接的または間接的に係合されない（図示しない）遊動ローラと置き換えてもよい。この実施形態では、遊動ローラは、支持プレート３０（即ち、自己締着能力を有さない）か、または（図２Ａ，２Ｂに示されるように）付勢された支持アーム６８のいずれかに回転可能に固定される。
【００２１】
図３は、長軸Ｌに沿って延在するスクリューポンプ２４の側面図である。図３中の下から上に示されるように、スクリューポンプ２４は、さらに、押出端部８２、バレルハウジング８４、（液化装置ハウジング８６，８８により画定される）液化装置８５、送出経路９０、スクリューポンプ本体９２、羽根車９４、および取付プレート９６を含んでいる。押出端部８２は、バレルハウジング８４に離脱可能に接続されており、スクリューポンプ２４の一部である。このスクリューポンプ２４の一部から、流動可能な材料が押し出される。
【００２２】
バレルハウジング８４は、羽根車９４の底部を収容する円周ハウジング部品であり、望ましくは、液化装置ハウジング８６と一体化して形成される。液化装置ハウジング８６，８８は、（例えば、ボルトで）共に固定されて液化装置８５を画定することで羽根車９４の中央部を収容するハウジング部品である。送出経路９０は、上部羽根車ハウジング８８内への開口部であり、（図１Ａ，１Ｂに示された）フィラメント搬送アセンブリ２２から構築材料または支持材料のフィラメントを受け入れるように構成されている。
【００２３】
スクリューポンプ２４は、さらに、取付プレート９６の上方に、スクリューポンプ２４の開口部であるネジ穴９８を含み、ネジ穴９８は、（図示しない）止めネジを受け入れるためのものである。スクリューポンプ本体９２は、上部羽根車ハウジング８８に固定され、羽根車９４の上部を収容するハウジング部品である。取付プレート９６は、スクリューポンプ本体９２に固定されたプレートであり、（図１Ａ，１Ｂに示された）フレーム１２に固定されたスクリューポンプ２４の一部である。スクリューポンプ本体９２は、液化装置ハウジング８８の上方の位置でスクリューポンプ本体９２を挿通する通気開口部１００を含み、羽根車９４が視認可能となる開口部を提供する。
【００２４】
ベルトプーリ２８は、フレーム１２上に取り付けられると、（図示しない）モータ駆動のベルトにより回転され、これに対応して、羽根車９４が回転する。羽根車９４が回転する間、構築材料または支持材料のフィラメントは、送出経路９０を介して、スクリューポンプ２４内に送出され、流動可能な状態に溶融される。この流動可能な材料は、次に、羽根車９４の回転により、押出端部８２を介して押し出される。
【００２５】
図４は、図３における断面４−４の断面図であり、スクリューポンプ２４の内部領域を示している。図４に示されるように、押出端部８２は、ノズル１０２と、オリフィス１０４とを含み、オリフィス１０４は、長軸Ｌに沿った、ノズル１０２における開口部であり、流動可能な材料を押し出すためのものである。ノズル１０２は、バレルハウジング８４上にネジで離脱可能に取り付けられることで、必要に応じて（例えば、異なるオリフィス直径を提供するために）、ノズル１０２を交換することができる。
【００２６】
バレルハウジング８４、液化装置ハウジング８６，８８、およびスクリューポンプ本体９２は、長軸Ｌに沿って延在する中央円柱形空洞である内部バレル１０６を画定している。図示のように、バレル１０６は、通気開口部１００を介してアクセス可能である。羽根車９４は、長軸Ｌに沿ってバレル１０６を挿通し、羽根車９４およびバレル１０６は、望ましくは、少なくともバレルハウジング８４および液化装置８５内において、密接に合致する面を有する（即ち、羽根車９４の外径がバレル１０６の直径と密接に合致する）。
【００２７】
液化装置ハウジング８６，８８はまた、液化装置空洞１０８を画定している。液化装置空洞１０８は、液化装置８５内の円板状の空洞であり、送出経路９０に接続されている。円板状の形状のため、液化装置８５は、一般的に、「ホッケーパック液化装置」と称される。以下に説明するように、液化装置８５は、送出経路９０を介して液化装置空洞１０８に入り込む固体フィラメントの連続した部分を溶融する。液化装置ハウジング８６，８８は、液化装置空洞１０８に熱を供給するヒータ棒１１０を含んでいる。ヒータ棒１１０が対流によって液化装置空洞１０８を加熱することにより、液化装置空洞１０８は、所望の流動可能な粘度までフィラメントを熱的に溶融することができる。
【００２８】
スクリューポンプ本体９２は、さらに、液化装置ハウジング８８と通気開口部１００との間に位置する上部本体ヒータ１１１を含んでいる。ヒータ１１１は、液化装置ハウジング８８の上方において、流動可能な材料がバレル１０６と固化するのを防止する。液化装置ハウジング８８の上方において、流動可能な材料がバレル１０６と固化するのを防止することで、流動可能な材料のメニスカスがバレル１０６内で上昇および下降して、フィラメント搬送アセンブリ２２とスクリューポンプ２４との間の送出速度の瞬間的な不均衡中に、分離機能をもたらすことが望ましい。
【００２９】
別の実施形態では、スクリューポンプ２４は、バレル１０６および／または液化装置空洞１０８において所望の熱プロファイルを得るために、さらなる加熱要素またはより少ない加熱要素を含んでもよい。１つの実施形態では、１つまたは複数のヒータ棒１１０およびヒータ１１１は、１つまたは複数の（図示しない）熱電対で監視される温度フィードバックを介して独立して制御されてもよい。
【００３０】
羽根車９４は、スクリューポンプ２４の上部１１２において、ベルトプーリ２８に固定されている。以下に説明するように、羽根車９４がベルトプーリ２８に固定されていることにより、ベルトプーリ２８の回転動作に対応して羽根車９４が回転できる。羽根車９４は、当該羽根車９４の外部表面に刻まれた複数のスパイラル溝を有し、このスパイラル溝はバレル１０６とともに粘性ポンプを形成する。スパイラル溝の上部（部分９４ａとして参照する）は、比較的深い溝を有しているので、比較的大きな体積および低い圧力での粘性ポンプ動作がもたらされる（即ち、羽根車９４の輸送領域）。スパイラル溝の下部（部分９４ｂとして参照する）は、比較的浅い溝を有しているので、比較的高い圧力および小さな体積での粘性ポンプ動作がもたらされる（即ち、羽根車９４の加圧領域）。
【００３１】
動作中、構築材料または支持材料のフィラメントは、液化装置空洞１０８内に送出され、所望の流動可能な粘度まで溶融される。フィラメントの連続した部分が液化装置空洞１０８内に送出され続けるにつれ、フィラメントは、溶融しながら内側に向けて円周方向に（即ち、らせん状に）移動する。この溶融された流動可能な材料は、最終的に、羽根車９４の輸送領域（即ち、羽根車９４の部分９４ａ付近）に到達し、輸送領域では、羽根車９４の回転が、羽根車９４の加圧領域（即ち、羽根車９４の部分９４ｂ付近）内に流動可能な材料を推進する。羽根車９４の部分９４ｂは、流動可能な材料の圧力を上昇させ、押出端部８２のオリフィス１０４を介して流動可能な材料を押し出す。この場合、流動可能な材料の押出速度は、（駆動モータ１８の駆動力に対応する）羽根車９４の回転速度によって制御されてもよい。押し出された材料は、所望のパターンで堆積され、３Ｄオブジェクトおよび／または支持構造が形成される。
【００３２】
スクリューポンプ２４は、高い流量と、高速且つ予測可能な応答時間を実現するために有利である。ポンプの応答時間を向上するため、望ましくは、羽根車９４とバレル１０６との間の隙間を最小化することにより、バレル１０６内の構築材料の体積は低減される。例えば、直径０．２５インチの羽根車および０．００１インチの隙間を有する円筒形スクリューポンプは、直径０．０１６インチのノズルを介して２０，０００立方マイクロインチ／秒を送り出すことができ、０．０１０秒未満の時定数を有するであろう。これに対し、直径０．０１６インチのノズルを介して僅か２，０００立方マイクロインチ／秒を送り出すことしかできない液化ポンプは、０．０２０秒を超える時定数を有し得る。
【００３３】
流動可能な材料がオリフィス１０４から押し出されるよりも速くフィラメントが液化装置空洞１０８内に送り込まれる場合、過剰な流動可能な材料は、バレル１０６を介して上方向に逆流し得る。この逆流が過剰に大きい場合（例えば、オリフィス１０４が詰まる場合）、過剰な流動可能な材料は、通気開口部１００を介してスクリューポンプ２４から抜け出る可能性がある。通気開口部１００は、スクリューポンプ２４の上部１１２が偶発的に流動可能な材料に曝されることから保護し、且つ、逆流する構築材料が熱的に分解する（例えば、変色する）ほど長い時間液化装置空洞１０８内にとどまらず、その後、次の工程で再混合および押し出しされることを確実にする。通気開口部１００はまた、液化装置空洞１０８内に存在するあらゆるガス（例えば、水蒸気）を放出するという点でも有利である。
【００３４】
１つの実施形態では、スクリューポンプ２４は、さらに、バレル１０６内に、１つまたは複数の（図示しない）オーバーフローセンサを含んでもよい。１つまたは複数のオーバーフローセンサを用いて、流動可能な材料の逆流が通気開口部１００に達しようとする時を監視してもよい。１つまたは複数のオーバーフローセンサが流動可能な材料の後退を検出した場合、オーバーフローセンサは、次に、フィラメントの送出速度を低減または停止させるように、（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに示された）駆動モータ１６に指示してもよい。
【００３５】
さらに別の実施形態では、液化装置８５、および任意に、バレルハウジング８４は、スクリューポンプ本体９２に離脱可能にクランプされてもよい。これにより、保守または交換のために、複数の液化装置を容易に取り換えることが可能になる。
【００３６】
図５は、スクリューポンプ２４の上部１１２の拡大図であり、ベルトプーリ２８と羽根車９４との間の接続をさらに示している。図示のように、スクリューポンプ２４の上部１１２は、羽根車延長部１１４、上部軸受１１６、底部軸受１１８、ネジ環１２０、スペーサ１２２、およびバネ１２４を含んでいる。羽根車延長部１１４がベルトプーリ２８および羽根車９４に固定されることで、ベルトプーリ２８の回転に対応して、羽根車９４が長軸Ｌの周囲を回転することができる。
【００３７】
上部軸受１１６および底部軸受１１８は、スクリューポンプ本体９２と羽根車延長部１１４との間に配置される。底部軸受１１８およびバネ１２４は、スペーサ１２２の対向面上に載置され、スペーサ１２２の対向面上において、バネ１２４は、スペーサ１２２に対して付勢されている。底部軸受１１８に隣接する羽根車延長部１１４の部分は、底部軸受１１８を半径方向に拘束しないように、直径においてアンダーカットされている。したがって、羽根車９４および羽根車延長部１１４は、上部軸受１１６と、羽根車９４とバレルハウジング８４との間の（図３に示された）流体力学的向心力とによってのみ、半径方向に拘束される。
【００３８】
上部軸受１１６は、底部軸受１１８の上方に位置し、ネジ環１２０により、スクリューポンプ本体９２内に軸方向に保持される。モータ駆動のベルト（図示せず）および上部軸受１１６が、望ましくは、水平軸Ｈに沿って配列されることで、モータ駆動のベルトの半径方向の荷重が反応され、羽根車９４上に掛かる可能性のあるあらゆる側面負荷が低減される。羽根車９４とバレル１０６との間の半径方向の隙間が狭いため、流体力学的向心力が小さい低回転速度でも、羽根車９４とバレル１０６との間の接触を減らすことが望ましい。
【００３９】
ネジ環１２０は、ベルトプーリ２８内およびベルトプーリ２８の下方に位置し、（図３，４に示された）押出端部８２と、羽根車９４との間の隙間を調節するために用いられる。押出端部８２と羽根車９４との間の隙間を調節するために、ネジ環１２０は回転され、（隙間を減小させるか増大させるかによって）バネ１２４上の付勢力を圧迫または解放する。所望の隙間サイズが得られたら、（図示しない）止めネジが（図３に示された）ネジ穴９８内に挿入され、ネジ環１２０のさらなる回転を防止する。
【００４０】
図６は、図３における断面６−６の断面図であり、液化装置８５内の、液化装置空洞１０８を示している。図示のように、液化装置空洞１０８は、らせんバッフル２０２を含んでいる。らせんバッフル２０２によって、溶融しているフィラメントは、縮小するらせんで羽根車９４の方へ流れるので、溶融された流動可能な材料の停滞ポケットが形成されるリスクが低減される。
【００４１】
流動可能な材料は、望ましくは、（図３，４に示された）押出端部８２からの押出流量に合致する流量で、バレル１０６に搬送される。バレル１０６の過剰充填は、流動可能な材料が（図３，４に示された）通気開口部１００を介して逆流する原因になり得る。あるいは、バレル１０６の充填不足の結果、低流量をもたらし得る。（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに示された）フィラメント搬送アセンブリ２２からのフィラメント送出量を制御することにより、液化装置８５内の流量は、押出端部８２からの押出流量と合致され得る。
【００４２】
フィラメント送出量は、１つまたは複数のフィードバックセンサに反応することで、（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに示された）駆動モータ１６を制御してもよい。例えば、力センサ（例えば、ロードセル）をフレーム１２または駆動モータ１６上に配置し、液化装置８５の流量を監視することができる。適切な力センサの一例は、Ｚｉｎｎｉｅｌ等の米国特許第６，０８５，９５７号に開示されている。この米国特許第６，０８５，９５７号では、力センサは、液化装置８５内へ推進されているフィラメントの力に反応する。したがって、液化装置８５の流量は、測定された力が低すぎる場合には増加され、測定された力が高すぎる場合には低減される。液化装置８５の反応特性を合致させることにより、流動可能な材料のオープンループ規制を得ることも可能である。さらに、上述のように、通気開口部１００におけるオーバーフローセンサを用いて、同様にフィラメント送出量を調節してもよい。
【００４３】
図７Ａ，７Ｂはそれぞれ、羽根車９４の側面図および斜視図である。図示のように、２つの溝は、部分９４ａで始まり、部分９４ｂで各溝はより浅い溝に移行する。上述のように、部分９４ａは、比較的深い溝を有し、比較的高体積および低圧力での粘性ポンプ動作を提供する（即ち、羽根車９４の輸送領域）。これに対して、部分９４ｂは、比較的浅い溝を有し、比較的高圧力および低体積での粘性ポンプ動作を提供する（即ち、羽根車９４の加圧領域）。
【００４４】
図８は、長軸Ｌに沿って延在するスクリューポンプ２４の側面図であり、図８では、スクリューポンプ２４は、外部加熱装置１２８と併用される。図９は、図８における断面９−９の断面図であり、外部加熱装置１２８をさらに示している、図８，９に示されるように、外部加熱装置１２８は、上部加熱コイル１３０および下部加熱コイル１３２を含み、これら上部加熱コイル１３０および下部加熱コイル１３２は、（図示しない）熱制御源に接続されている。上部加熱コイル１３０は、バレルハウジング８４に巻き付けられ、押出工程中、バレルハウジング８４を伝導的に加熱する。同様に、下部加熱コイル１３２は、押出端部８２に巻き付けられ、押出工程中、押出端部８２を伝導的に加熱する。
【００４５】
１つの実施形態では、上部加熱コイル１３０および下部加熱コイル１３２の一方または双方は、１つまたは複数の熱電対（図示せず）で監視される温度フィードバックにより、独立して制御されてもよい。外部加熱装置１２８の使用は、羽根車９４により送出される間に流動可能な材料が冷却するリスクを低減する。流動可能な材料が冷却すると、流動可能な材料が、バレル１０６、通気開口部１００、および／またはオリフィス１０４を詰まらせることになり得る。別の実施形態では、液化装置空洞１０８と押出端部８２との間、並びに液化装置空洞１０８の上方に、さらなる熱領域が追加されてもよい。バレル１０６とオリフィス１０４とに必要な熱量は、典型的に、スクリューポンプ２４を介した流量の最新の状況によって変化する。
【００４６】
図１０は、長軸Ｌに沿って延在するスクリューポンプ２４の拡大側面図であり、図１０では、スクリューポンプ２４が熱スリーブ１３４と併用される。図１１は、図１０における断面１１−１１の断面図であり、熱スリーブ１３４をさらに示している。図１０，１１に示されるように、熱スリーブ１３４は、スリーブハウジング１３６、上部加熱コイル１３８、および下部加熱コイル１４０を含んでいる。スリーブハウジング１３６は、バレルハウジング８４の周囲に延在し、実質的に上部加熱コイル１３８を収容している。上部加熱コイル１３８は、バレルハウジング８４に巻き付けられ、押出工程中に対流によってバレルハウジング８４を加熱する。同様に、下部加熱コイル１４０は、押出端部８２に巻き付けられ、押出工程中に対流によって押出端部８２を加熱する。
【００４７】
１つの実施形態では、上部加熱コイル１３８および下部加熱コイル１４０の一方または双方は、１つまたは複数の熱電対（図示せず）により監視される温度フィードバックにより、独立して制御されてもよい。これにより、押出端部８２およびバレルハウジング８４に沿ってさらに大きな温度制御が提供される。例えば、上部加熱コイル１３８は、熱電対により監視されるバレルハウジング８４に沿った所望の温度プロファイルが得られるように制御されてもよい。下部加熱コイル１４０にも同様の配置が適用可能である。別の実施形態では、液化装置空洞１０８と押出端部８２との間、並びに液化装置空洞１０８の上方に、さらなる熱領域が追加されてもよい。さらなる実施形態では、圧縮ガス源（図示せず）が、ガス流入口１４１ａに接続されてもよい。この実施形態では、加熱ガスまたは冷却ガスは、バレルハウジング８４とスリーブハウジング１３６との間のガス流入口１４１ａ内に流入し、ガス流出口１４１ｂから流出してもよい。これにより、押出端部８２とバレルハウジング８４とに沿ったさらなる温度制御が提供される。図８〜１１で上述した外部加熱冷却システムは、スクリューポンプ２４と併用し得る適切な外部温度制御システムの例である。
【００４８】
図１２は、スクリューポンプ２２４の斜視図であり、スクリューポンプ２２４は、ポンプシステム１０において使用されるスクリューポンプ２４の代替物である。説明を容易にするため、スクリューポンプ２４の各部品に対応する参照符号は、２００が加算されている。この実施形態では、スクリューポンプ２２４は、（図３，４，６に示された）スクリューポンプ２４の液化装置８５と同様に機能する一対の液化装置３４２，３４４を含んでいる。また、バレルハウジング２８４に液化装置３４２，３４４をそれぞれ固定するため、スクリューポンプ２２４は、バレルハウジング２８４の周囲に固定される支持支柱３４６，３４８を含んでいる。
【００４９】
液化装置３４２は、液化装置ハウジング３５０，３５２、送出経路３５４、および液化装置ハウジング３５２における出口経路（図示せず）を含み、液化装置ハウジング３５２は、支持支柱３４６を介してバレルハウジング２８４に固定される液化装置３４２の一部である。これにより、液化装置３４２からの出口経路は、バレル３０６（図示せず）と交差することができる。液化装置３４４は、液化装置ハウジング３５６，３５８、送出経路３６０、および出口経路３６２を含み、液化装置ハウジング３５６は、支持支柱３４８を介してバレルハウジング２８４に固定される液化装置３４４の一部である。これにより、出口経路３６２は、バレル３０６、および液化装置３４２からの出口経路と交差することができる。
【００５０】
液化装置３４２，３４４により、複数の材料をバレル３０６内に送り込むことができる。例えば、１つの実施形態では、複数の端部の較正および登録を要することなく、連続した押出工程で、バレル３０６および押出端部２８２を介して、構築材料と支持材料とを送り込んでもよい。１つの材料から別の材料に切り替える場合、第１の材料は、望ましくは、第２の材料を堆積させる前に、スクリューポンプ２４２からパージされる。バレル３０６から第１の材料を除去するために十分な時間の間、廃棄容器（図示せず）上に押出端部２８２を配置しながら、第２の材料を供給および押し出しすることにより、パージを行ってもよい。
【００５１】
あるいは、複数の構築材料または支持材料を（羽根車２９４によって）混合し、ともに押し出してもよい。これにより、様々な種類の構築材料または支持材料を混合し、結果として得られる３Ｄオブジェクトまたは支持構造の所望の物理的特性を増すことが可能となる。この実施形態では、（図示しない）構築材料または支持材料の第１フィラメントを送出経路３５４に送り込み、液化装置８５について上述したように液化装置３４２内で溶融してもよい。この溶融された、流動可能な材料は、次に、液化装置３４２の出口経路を流れ、バレル３０６に流入する。同様に、（図示しない）構築材料または支持材料の第２フィラメントを送出経路３６０内に送り込み、液化装置８５ついて上述したように、液化装置３４４内で溶融してもよい。この溶融された、流動可能な材料は、次に、出口経路３６２を流れ、バレル３０６に流入する。次に、流動可能な材料がバレル３０６を介して押出端部２８２の方に押されるときに、羽根車３００が流動可能な材料を混合する。この混合された流動可能な材料は、次に押出端部３８２を介して押し出され、結果として得られる３Ｄオブジェクトまたは支持構造が形成される。
【００５２】
複数の液化装置（例えば、液化装置３４２，３４４）は、様々に着色された構築材料および支持材料を使用することもできる。様々な色のフィラメントは、同時にスクリューポンプ２４２に供給されてもよく、スクリューポンプ２４２の混合動作と組み合わせて、結果として得られる３Ｄオブジェクトまたは支持構造の全色域を生成し得る。
【００５３】
別の実施形態では、スクリューポンプ２４２は、３つ以上の液化装置を含んでもよい。（例えば、スクリューポンプ２４２の場合のように）複数の液化装置が使用される場合、各フィラメントは、望ましくは、個々の材料前進機構（例えば、フィラメント搬送アセンブリ２２）を有する所定の液化装置に送り込まれ、独立してフィラメントの送出量が制御される。
【００５４】
図１３は、スクリューポンプ２４のための駆動モータがポンプシステム１０から離れた位置に配置される代替実施形態である押出装置４００の上面図である。押出装置４００は、ポンプシステム１０によって搬送されるペイロードを最小化するために有利である。さらに、この配置は、ガントリの台車につながるワイヤーの数を最小化し、さらに、Ｘ−Ｙ−Ｚガントリおよびポンプに同じモータを使用することが可能となる（例えば、低コストの利点）。
【００５５】
図示のように、押出装置４００は、ポンプシステム４０２、Ｘ−Ｙガントリ４０４、遠隔駆動モータ４０６、第１プーリ部４０８、および第２プーリ部４１０を含んでいる。ポンプシステム４０２は、駆動モータ１８が省略されている（および遠隔駆動モータ４０６に置き換えられている）ことを除き、ポンプシステム１０と同様である。ポンプシステム４０２は、スクリューポンプ羽根車（図示せず）を回転させるための（図１Ａ，１Ｂに示された）ベルトプーリ２８と同様に機能するベルトプーリ４０３を含んでいる。Ｘ−Ｙガントリ４０４は、構築材料および／または支持材料を堆積させるために押出装置４００の周囲をＸ−Ｙ平面でポンプシステム４０２を移動させるためのガントリアセンブリである。遠隔駆動モータ４０６は、（図１Ｂに示された）モータプーリ２６と同様に機能するモータプーリ４１２を含んでいる。
【００５６】
第１プーリ部４０８は、駆動ベルト４１４、ジャックシャフト入力プーリ４１６、および複数の遊動プーリ４１８を含み、第１プーリ部４０８では、駆動ベルト４１４が、モータプーリ４１２、ジャックシャフト入力プーリ４１６、および複数の遊動プーリ４１８の回りを一巡している。第２プーリ部４１０は、駆動ベルト４２０、ジャックシャフト出力プーリ４２２、および複数の遊動プーリ４２４を含み、第２プーリ部４１０では、駆動ベルト４２０が、ベルトプーリ４０３、ジャックシャフト出力プーリ４２２、および複数の遊動プーリ４２４の回りを一巡している。ジャックシャフト出力プーリ４２２は、ジャックシャフト入力プーリ４１６に軸方向に接続されている。
【００５７】
この配置により、遠隔駆動モータ４０６は、ベルトプーリ４０３（および、これに対応してポンプシステム４０２のスクリューポンプ羽根車）を回転させることができる。動作中、遠隔駆動モータ４０６により、モータプーリ４１２が回転する。これに対応して、駆動ベルト４１４が、ジャックシャフト入力プーリ４１６を回転させる。ジャックシャフト入力プーリ４１６の回転により、ジャックシャフト出力プーリ４２２が回転するので、駆動ベルト４２０がベルトプーリ４０３（およびスクリューポンプの羽根車）を回転させる。
【００５８】
遠隔駆動モータ４０６は、望ましくは、Ｘ−Ｙガントリ４０４の動作により羽根車が回転しないように、Ｘ−Ｙガントリ４０４の動作を「減じる」ように動作される。Ｘ−Ｙガントリ４０４のモータを無効化するために遠隔駆動モータ４０６が制御され得る回転速度は、以下の式により、数学的に算出され得る：
以下の定義が使用される：
Ｗmotor＝モータの回転速度
Ｗjack＝ジャックシャフトの回転速度
ＰＤmotor＝モータプーリのピッチ円直径
ＰＤjackin＝ジャックシャフト入力プーリのピッチ円直径
ＰＤjackout＝ジャックシャフト出力プーリのピッチ円直径
ＰＤscrew＝ネジプーリのピッチ円直径
Ｖx＝Ｘ方向の台車速度
Ｖy＝Ｙ方向の台車速度
ジャックシャフトおよびモータの回転速度は、以下の式で与えられる：
Ｗjack＝Ｗmotor（ＰＤmotor／ＰＤjackin）−Ｖx／πＰＤjackin（式５）
Ｗscrew＝Ｗjack（ＰＤjackout／ＰＤscrew）−Ｖy／πＰＤscrew（式６）
式６におけるＷjackに式５を代入すると、以下が得られる：
Ｗscrew＝（Ｗmotor（ＰＤmotor／ＰＤjackin）−Ｖx／πＰＤjackin）（ＰＤjackout／ＰＤscrew）−Ｖy／πＰＤscrew（式７）
式７を利用して、Ｗmotorを求めることができる：
（Ｗscrew＋Ｖy／πＰＤscrew）（ＰＤscrew／ＰＤjackout）＝Ｗmotor（ＰＤmotor／ＰＤjackin）−Ｖx／πＰＤjackin（式８）
Ｗmotor＝（（Ｗscrew＋Ｖy／πＰＤscrew）（ＰＤscrew／ＰＤjackout）＋Ｖx／πＰＤjackin）ＰＤjackin／ＰＤmotor（式９）
式９により、遠隔駆動モータ４０６の回転速度（Ｗmotor）は、Ｘ−Ｙガントリ４０４の動作に合致され、駆動ベルト４１４，４２０によるスクリューポンプ羽根車の精密な制御が可能になる。
【００５９】
各フィラメント搬送アセンブリの駆動モータ（例えば、駆動モータ１６）は、押出ヘッド、Ｘ−Ｙガントリ４０４、または押出装置４００の静止部分に同様に搭載されてもよい。フィラメント搬送アセンブリは、離れた位置で、フィラメントをスクリューポンプに押し入れるための適切な力を提供し得る。これにより、Ｘ−Ｙガントリ４０４によって搬送されるペイロード重量が低下し、機械的アセンブリが簡素化され、Ｘ−Ｙガントリ４０４上の台車サイズが最小化される。
【００６０】
上述のように、ポンプシステム１０，４０２において使用される構築材料は、望ましくは、フィラメントの形態で提供される。適切なフィラメント材料およびフィラメント供給源の例は、Ｓｗａｎｓｏｎ等の米国特許第６，９２３，６３４号およびＣｏｍｂ等の米国公開第２００５／０１２９９４１号に開示されている。構築材料として適切な材料の例は、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ナイロン、ポリスチレン、非晶質ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、およびこれらの共重合体、これらの組み合わせ等の、あらゆる種類の押し出し可能な熱可塑性プラスチック材料を含む。上記は構築材料の使用を参照するものであるが、ポンプシステム１０，４０２は、支持構造を構築する支持材料を押し出すことにも適している。適切な水溶性支持材料の例は、ミネソタ州エデンプレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから、「ＷＡＴＥＲＷＯＲＫＳ」および「ＳＯＬＵＢＬＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ」という商品名で市販されているものを含む。
【００６１】
上述のように、ポンプシステム１０（およびポンプシステム４０２）は、押出型積層製造システムにおいて押出ヘッドとして使用するのに適切な押出システムを提供する。ポンプシステム１０の有利な特性の例として、高速で一貫した応答時間、高い流量（例えば、２０，０００立方マイクロインチ／秒）、流量と応答時間との分離、複数の種類の構築材料および支持材料の堆積、材料を変える際の交換を必要とする部品数の最小化、押出ヘッドおよびＸ−Ｙガントリの質量の最小化、ノズル間の較正または登録を必要としないこと、送出される原材料のコストの最小化、ポンプの製造コストの最小化、摩耗部品の最小化、ネジと穴との位置ずれの排除、高温材料（例えば、４００℃以上）を送り出す高温動作、および全色域モデリングが可能であることが挙げられる。
【００６２】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細の変更を行い得ることを認識するであろう。例えば、ポンプシステム１０は、押出型積層製造システムにおいて使用されるものとして述べられているが、ポンプシステム１０は、３Ｄオブジェクトを構築するためのあらゆる種類の押出型堆積システムにおける使用にも適している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の駆動モータおよび第２の駆動モータと、
前記第１の駆動モータに動作可能に係合され、前記第１の駆動モータの動力により固体材料を送出するように構成された搬送アセンブリと、
スクリューポンプであって、該スクリューポンプのバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、前記バレルの第１の端部で前記ハウジングに固定される押出端部と、前記ハウジングに固定され、前記バレルと交差する液化装置であって、前記搬送アセンブリから送出された前記固体材料を受け入れ、該受け入れた固体材料を少なくとも部分的に溶融し、該少なくとも部分的に溶融された材料を前記バレルに移動させるように構成された液化装置とを備えるスクリューポンプと、
少なくとも部分的に前記バレルを挿通する羽根車であって、前記第２の駆動モータの動力により、前記バレルに移動される前記少なくとも部分的に溶融された材料を、前記押出端部の方へ推進するように構成された羽根車と
を備えるポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記固体材料は、フィラメントとして提供され、
前記搬送アセンブリは、
複数の係合されたギアであって、前記複数の係合されたギアのうちの少なくとも１つは、前記第１の駆動モータ内に動作可能に係合された前記搬送アセンブリの一部である、複数の係合されたギアと、
前記複数の係合されたギアのうちの第１のギアと軸方向に係合された第１の駆動ローラと、
前記複数の係合されたギアのうちの第２のギアと軸方向に係合された第２の駆動ローラであって、前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとが、前記フィラメントを係合するように構成されている、第２の駆動ローラと
を備えていることを特徴とするポンプシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のポンプシステムであって、
前記第２の駆動ローラは、付勢されて、前記フィラメントの抵抗力の変化に対応して前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の圧迫力を変化させる
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記液化装置は、実質的に、前記羽根車と同心である円柱形の空洞を備える
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のポンプシステムであって、
前記液化装置は、らせんバッフルを備える
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記羽根車は、前記バレル内の加圧領域と輸送領域とを少なくとも部分的に画定し、前記輸送領域は、前記液化装置に隣接し、前記加圧領域は、前記押出端部に隣接する
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
さらに、
前記ハウジングの少なくとも一部の周囲に延在する外部温度制御システムを備える
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記液化装置は、第１の液化装置であり、前記固体材料は、第１の固体材料であり、
前記ポンプシステムは、さらに、前記ハウジングに固定され、前記バレルと交差する第２の液化装置を備え、該第２の液化装置は、第２の固体材料を受け入れ、該受け入れた第２の固体材料を少なくとも部分的に溶融し、前記少なくとも部分的に溶融された第２の固体材料を前記バレルに移動させる
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項９】
フィラメントとして供給される熱可塑性プラスチック材料を押し出すためのポンプシステムであって、
前記フィラメントの連続した部分を送出するように構成された一対の駆動ローラと、
第１の端部と通気開口部とを有するバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、
該ハウジングに固定され、前記バレルにおける、前記第１の端部と前記通気開口部との間の位置で、前記バレルの周囲を円周方向に延在する液化装置空洞を画定する液化装置ハウジングと、
該液化装置ハウジングを挿通し、前記一対の駆動ローラから送出される前記フィラメントの前記連続した部分を前記液化装置空洞に移動させるように構成された送出経路と、
前記バレルの前記第１の端部で前記ハウジングに固定される押出端部と、
前記バレルを挿通する羽根車であって、少なくとも前記液化装置空洞と前記バレルの前記第１の端部との間において、前記羽根車の長軸に沿って深さが異なる複数の溝を備える羽根車と
を備えるポンプシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のポンプシステムであって、
前記一対の駆動ローラのうちの少なくとも１つは、付勢され、前記フィラメントの抵抗力の変化に対応して前記一対の駆動ローラ間の挟締力を変化させる
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載のポンプシステムであって、
前記羽根車は、前記バレル内の加圧領域と輸送領域とを少なくとも部分的に画定し、前記輸送領域は、前記液化装置空洞に隣接し、前記加圧領域は、前記押出端部に隣接している
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のポンプシステムであって、
前記輸送領域は、少なくとも前記液化装置空洞と前記通気開口部との間に延在する
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１３】
請求項９に記載のポンプシステムであって、
前記一対の駆動ローラおよび前記羽根車は、別個の駆動モータによって動作されるように構成されている
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１４】
３次元オブジェクトを構築するための押出装置であって、
ポンプシステムであって、第１の駆動モータと、該第１の駆動モータと動作可能に係合され、該第１の駆動モータの動力によって熱可塑性プラスチック材料のフィラメントを送出するように構成されたフィラメント搬送アセンブリとを有するポンプシステムと、
スクリューポンプであって、該スクリューポンプのバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、前記バレルの第１の端部で前記ハウジングに固定された押出端部と、前記ハウジングに固定され、前記バレルと交差する液化装置であって、前記フィラメント搬送アセンブリから送出される前記フィラメントを受け入れるように構成された送出経路を有する液化装置と、前記バレルを少なくとも部分的に挿通する羽根車とを有するスクリューポンプと、
少なくとも一方向に前記ポンプシステムを移動させるように構成されたガントリアセンブリと、
前記ポンプシステムおよび前記ガントリアセンブリから離れた位置に配置された第２の駆動モータと、
前記第２の駆動モータを前記ポンプシステムの前記羽根車に係合させることで、前記第２の駆動モータの動力により前記羽根車を回転可能に構成されたベルトプーリアセンブリと
を備える押出装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記ベルトプーリアセンブリは、
第１のプーリと、該第１のプーリおよび前記第２の駆動モータと係合されることで、前記第２の駆動モータの動力により前記第１のプーリを回転可能な第１の駆動ベルトとを有する第１のプーリ部と、
第２のプーリであって、前記第１のプーリに軸方向に接続されることで該第１のプーリの回転が該第２プーリを回転可能にする、第２のプーリと、該第２のプーリと前記羽根車とに係合されることで該第２プーリの回転が該羽根車を回転可能にする、第２の駆動ベルトとを有する第２のプーリ部と
を備えることを特徴とする押出装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の押出装置であって、
前記第２の駆動モータは、前記ガントリアセンブリの動作が前記羽根車を回転させないように、前記ガントリアセンブリの動作を減じるように設定されている
ことを特徴とする押出装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記フィラメント搬送アセンブリは、
複数の係合されたギアであって、該複数の係合されたギアのうちの少なくとも１つは、前記第１の駆動モータに動作可能に係合された前記フィラメント搬送アセンブリの前記一部である、複数の係合されたギアと、
該複数の係合されたギアのうちの第１のギアと軸方向に係合された第１の駆動ローラと、
前記複数の係合されたギアのうちの第２のギアと軸方向に係合された第２の駆動ローラであって、前記第１の駆動ローラおよび該第２の駆動ローラは、前記フィラメントに係合するように設定されている、第２の駆動ローラと
を備えることを特徴とする押出装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の押出装置であって、
前記第２の駆動ローラは、付勢され、前記フィラメントの抵抗力の変化に対応して前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の挟締力を変化させる
ことを特徴とする押出装置。
【請求項１９】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記液化装置は、実質的に前記羽根車と同心である円柱形の空洞を備える
ことを特徴とする押出装置。
【請求項２０】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記羽根車は、前記バレル内の加圧領域と輸送領域とを少なくとも部分的に画定し、該輸送領域は、前記液化装置に隣接し、該加圧領域は、前記押出端部に隣接している
ことを特徴とする押出装置。
【請求項１】
第１の駆動モータおよび第２の駆動モータと、
前記第１の駆動モータに動作可能に係合され、前記第１の駆動モータの動力により固体材料を送出するように構成された搬送アセンブリと、
スクリューポンプであって、該スクリューポンプのバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、前記バレルの第１の端部で前記ハウジングに固定される押出端部と、前記ハウジングに固定され、前記バレルと交差する液化装置であって、前記搬送アセンブリから送出された前記固体材料を受け入れ、該受け入れた固体材料を少なくとも部分的に溶融し、該少なくとも部分的に溶融された材料を前記バレルに移動させるように構成された液化装置とを備えるスクリューポンプと、
少なくとも部分的に前記バレルを挿通する羽根車であって、前記第２の駆動モータの動力により、前記バレルに移動される前記少なくとも部分的に溶融された材料を、前記押出端部の方へ推進するように構成された羽根車と
を備えるポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記固体材料は、フィラメントとして提供され、
前記搬送アセンブリは、
複数の係合されたギアであって、前記複数の係合されたギアのうちの少なくとも１つは、前記第１の駆動モータ内に動作可能に係合された前記搬送アセンブリの一部である、複数の係合されたギアと、
前記複数の係合されたギアのうちの第１のギアと軸方向に係合された第１の駆動ローラと、
前記複数の係合されたギアのうちの第２のギアと軸方向に係合された第２の駆動ローラであって、前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとが、前記フィラメントを係合するように構成されている、第２の駆動ローラと
を備えていることを特徴とするポンプシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のポンプシステムであって、
前記第２の駆動ローラは、付勢されて、前記フィラメントの抵抗力の変化に対応して前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の圧迫力を変化させる
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記液化装置は、実質的に、前記羽根車と同心である円柱形の空洞を備える
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のポンプシステムであって、
前記液化装置は、らせんバッフルを備える
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記羽根車は、前記バレル内の加圧領域と輸送領域とを少なくとも部分的に画定し、前記輸送領域は、前記液化装置に隣接し、前記加圧領域は、前記押出端部に隣接する
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
さらに、
前記ハウジングの少なくとも一部の周囲に延在する外部温度制御システムを備える
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のポンプシステムであって、
前記液化装置は、第１の液化装置であり、前記固体材料は、第１の固体材料であり、
前記ポンプシステムは、さらに、前記ハウジングに固定され、前記バレルと交差する第２の液化装置を備え、該第２の液化装置は、第２の固体材料を受け入れ、該受け入れた第２の固体材料を少なくとも部分的に溶融し、前記少なくとも部分的に溶融された第２の固体材料を前記バレルに移動させる
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項９】
フィラメントとして供給される熱可塑性プラスチック材料を押し出すためのポンプシステムであって、
前記フィラメントの連続した部分を送出するように構成された一対の駆動ローラと、
第１の端部と通気開口部とを有するバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、
該ハウジングに固定され、前記バレルにおける、前記第１の端部と前記通気開口部との間の位置で、前記バレルの周囲を円周方向に延在する液化装置空洞を画定する液化装置ハウジングと、
該液化装置ハウジングを挿通し、前記一対の駆動ローラから送出される前記フィラメントの前記連続した部分を前記液化装置空洞に移動させるように構成された送出経路と、
前記バレルの前記第１の端部で前記ハウジングに固定される押出端部と、
前記バレルを挿通する羽根車であって、少なくとも前記液化装置空洞と前記バレルの前記第１の端部との間において、前記羽根車の長軸に沿って深さが異なる複数の溝を備える羽根車と
を備えるポンプシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のポンプシステムであって、
前記一対の駆動ローラのうちの少なくとも１つは、付勢され、前記フィラメントの抵抗力の変化に対応して前記一対の駆動ローラ間の挟締力を変化させる
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載のポンプシステムであって、
前記羽根車は、前記バレル内の加圧領域と輸送領域とを少なくとも部分的に画定し、前記輸送領域は、前記液化装置空洞に隣接し、前記加圧領域は、前記押出端部に隣接している
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のポンプシステムであって、
前記輸送領域は、少なくとも前記液化装置空洞と前記通気開口部との間に延在する
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１３】
請求項９に記載のポンプシステムであって、
前記一対の駆動ローラおよび前記羽根車は、別個の駆動モータによって動作されるように構成されている
ことを特徴とするポンプシステム。
【請求項１４】
３次元オブジェクトを構築するための押出装置であって、
ポンプシステムであって、第１の駆動モータと、該第１の駆動モータと動作可能に係合され、該第１の駆動モータの動力によって熱可塑性プラスチック材料のフィラメントを送出するように構成されたフィラメント搬送アセンブリとを有するポンプシステムと、
スクリューポンプであって、該スクリューポンプのバレルを少なくとも部分的に画定するハウジングと、前記バレルの第１の端部で前記ハウジングに固定された押出端部と、前記ハウジングに固定され、前記バレルと交差する液化装置であって、前記フィラメント搬送アセンブリから送出される前記フィラメントを受け入れるように構成された送出経路を有する液化装置と、前記バレルを少なくとも部分的に挿通する羽根車とを有するスクリューポンプと、
少なくとも一方向に前記ポンプシステムを移動させるように構成されたガントリアセンブリと、
前記ポンプシステムおよび前記ガントリアセンブリから離れた位置に配置された第２の駆動モータと、
前記第２の駆動モータを前記ポンプシステムの前記羽根車に係合させることで、前記第２の駆動モータの動力により前記羽根車を回転可能に構成されたベルトプーリアセンブリと
を備える押出装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記ベルトプーリアセンブリは、
第１のプーリと、該第１のプーリおよび前記第２の駆動モータと係合されることで、前記第２の駆動モータの動力により前記第１のプーリを回転可能な第１の駆動ベルトとを有する第１のプーリ部と、
第２のプーリであって、前記第１のプーリに軸方向に接続されることで該第１のプーリの回転が該第２プーリを回転可能にする、第２のプーリと、該第２のプーリと前記羽根車とに係合されることで該第２プーリの回転が該羽根車を回転可能にする、第２の駆動ベルトとを有する第２のプーリ部と
を備えることを特徴とする押出装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の押出装置であって、
前記第２の駆動モータは、前記ガントリアセンブリの動作が前記羽根車を回転させないように、前記ガントリアセンブリの動作を減じるように設定されている
ことを特徴とする押出装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記フィラメント搬送アセンブリは、
複数の係合されたギアであって、該複数の係合されたギアのうちの少なくとも１つは、前記第１の駆動モータに動作可能に係合された前記フィラメント搬送アセンブリの前記一部である、複数の係合されたギアと、
該複数の係合されたギアのうちの第１のギアと軸方向に係合された第１の駆動ローラと、
前記複数の係合されたギアのうちの第２のギアと軸方向に係合された第２の駆動ローラであって、前記第１の駆動ローラおよび該第２の駆動ローラは、前記フィラメントに係合するように設定されている、第２の駆動ローラと
を備えることを特徴とする押出装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の押出装置であって、
前記第２の駆動ローラは、付勢され、前記フィラメントの抵抗力の変化に対応して前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の挟締力を変化させる
ことを特徴とする押出装置。
【請求項１９】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記液化装置は、実質的に前記羽根車と同心である円柱形の空洞を備える
ことを特徴とする押出装置。
【請求項２０】
請求項１４に記載の押出装置であって、
前記羽根車は、前記バレル内の加圧領域と輸送領域とを少なくとも部分的に画定し、該輸送領域は、前記液化装置に隣接し、該加圧領域は、前記押出端部に隣接している
ことを特徴とする押出装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２０１０−５１７８３０（Ｐ２０１０−５１７８３０Ａ）
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４９５９８（Ｐ２００９−５４９５９８）
【出願日】平成２０年２月１１日（２００８．２．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１７８３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１００４６７
【国際公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【出願人】（５０９１１３９７７）ストラタシス，インコーポレイテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１１日（２００８．２．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１７８３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１００４６７
【国際公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【出願人】（５０９１１３９７７）ストラタシス，インコーポレイテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
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