(57)【要約】硬化性相変化材料を分配するための選択的堆積造形法および装置が開示されている。材料の分配温度は、材料の反応性成分が所望の期間に亘りその温度で保持されたときに実質的に未硬化の状態を維持する材料にとっての熱安定性温度値またはそれ未満に設定される。分配された材料には、この材料が固化して物体の層を形成できるようにする環境が与えられる。固化した材料は、所望の層厚に標準化され、次いで、化学線への露光により硬化せしめられる。好ましい実施の形態において、紫外線硬化性相変化材料が、約８０℃で分配され、この温度で約１３から約１４センチポアズの粘度を有する。硬化した材料は、選択的堆積造形法に以前に用いられた熱可塑性相変化材料よりも実質的に向上した物理的性質を与える。
2005504654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元物体を層毎の様式で形成する方法において、
前記物体の層に対応するコンピュータ・データを生成する工程、
少なくとも一種類の反応性成分を有する放射線硬化性相変化材料のための熱安定性分配環境を提供する工程であって、該分配環境が、前記材料を、該材料の反応性成分が実質的に未硬化のままである所定の期間に亘り流動可能な状態に維持できる分配温度を持つものである工程、
前記物体の層を形成するために前記コンピュータ・データにしたがって、前記分配温度で流動可能な状態にある前記硬化性相変化材料を分配する工程、
分配された材料の温度を低下させて、該材料を流動できない状態に固化させる工程、
前記三次元物体の最初に分配された層を支持し、先に形成された層の頂面に後の層を形成するための作業面を提供する工程、および
固化した材料を放射線への露光により硬化させる工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記硬化性相変化材料を、該材料の反応性成分がその間に実質的に未硬化のままである分配温度に維持できる所望の期間が、少なくとも１時間であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記硬化性相変化材料を少なくとも１時間に亘り前記分配温度に維持することができ、その間に、該材料の粘度が約２０％を超えて増大しないことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記硬化性相変化材料を、該材料の反応性成分がその間に実質的に未硬化のままである分配温度に維持できる所望の期間が、約２週間から約８週間であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記硬化性相変化材料を約２週間から約８週間に亘り前記分配温度に維持することができ、その間に、該材料の粘度が約２０％を超えて増大しないことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記分配温度が約９０℃以下であり、前記相変化材料が該分配温度で約１８センチポアズ以下の粘度を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記分配温度が約８０℃であり、前記相変化材料が該分配温度で約１３センチポアズの粘度を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記材料を分配する工程が、前記分配温度で約１０．５から約１８センチポアズの粘度で前記相変化材料を分配するために複数の分配オリフィスを持つプリントヘッドを少なくとも１つ使用する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記固化された材料上に平坦化手段を通過させて、各層の層厚を該層の硬化前に確立する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記材料を硬化させる工程を、前記物体の少なくとも２つの層が形成された後に行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
各層が分配された後であって、材料の次の層を分配する前に、前記固化した分配された材料を硬化させる工程を各層について行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記材料を硬化する工程を、紫外線へのフラッド露光により行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記分配された材料の温度を低下させて該材料を固化する工程が、該温度を約４０℃から約８０℃までの温度に低下させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記分配された材料の温度を低下させて該材料を固化する工程が、該温度を約４０℃から約５５℃までの温度に低下させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
選択的堆積造形装置により行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１６】
三次元物体を層毎の様式で形成する方法において、
前記物体の層に対応するコンピュータ・データを生成する工程、
少なくとも一種類の反応性成分を有する放射線硬化性相変化材料を提供する工程であって、該材料が熱安定温度を持ち、該熱安定温度が、該材料中の反応性成分がその間に実質的に未硬化のままである所望の期間に亘り該材料を維持できる最高温度である工程、
前記材料の温度を、該材料が流動可能な状態に移行する分配温度まで上昇させる工程であって、該分配温度が前記熱安定温度以下である工程、
流動可能な状態にある前記材料を前記分配温度で、前記コンピュータ・データにしたがって分配して、前記物体の層を形成する工程、
分配された材料の温度を低下させて、該材料を流動できない状態に固化する工程、および
前記分配された材料を放射線への露光により硬化させる工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項１７】
少なくとも一種類の反応性成分を有する硬化性相変化材料を分配することにより、層毎に三次元物体を形成するための選択的堆積造形装置において、
前記物体の層に対応するデータを処理するためのコンピュータシステム、
層を形成するために、前記コンピュータシステムにより処理されたデータにしたがって、分配温度で流動可能な状態にある前記硬化性相変化材料を分配するための手段であって、該分配温度が前記材料の熱安定温度を超えず、該熱安定温度が、前記材料中の反応性成分がその間実質的に未硬化のままである所望の期間に亘り該材料を維持できる最高温度である手段、
前記物体の層を形成するために、分配された材料が流動できない状態に固化するときに、該材料を支持するための手段、
均一な層厚を確立するために前記層の表面を標準化するための手段、および
固化した材料の反応成分を硬化させるために、該材料を放射線に露光するための手段、
を備えてなることを特徴とする装置。
【請求項１８】
前記硬化性相変化材料を分配ための手段が、約９０℃以下の分配温度で動作するプリントヘッドを少なくとも１つ備えていることを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記コンピュータシステムが、前記物体の支持領域に対応するデータを処理するものであり、
前記物体のための支持体を形成するために、前記コンピュータシステムにより処理されたデータにしたがって非硬化性相変化材料を分配するための手段を備えることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記プリントヘッドが、前記硬化性相変化材料および前記非硬化性相変化材料の両方を分配することを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
複数のプリントヘッドを備え、該プリントヘッドのいくつかが、前記硬化性相変化材料の分配専用であり、該プリントヘッドの残りが、前記非硬化性相変化材料の分配専用であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
分配された材料を固化させるように前記物体から熱を除去するために、分配された層を冷却するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項２３】
前記層の表面を標準化するための手段が、各層の層厚を該層の硬化前に確立するために、固化した材料上を通過せしめられる平坦化手段を含むことを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項２４】
前記平坦化手段が、前記層を標準化するときに廃棄材料を蓄積するものであり、
前記廃棄材料を前記平坦化手段から除去するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項２３記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く、固体堆積造形法に関し、特に、硬化性相変化材料を分配して三次元物体を形成するための方法および装置に関する。硬化性相変化材料は、分配された後に固化する流動可能な状態で分配され、次いで、化学線への露光により硬化せしめられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、モデル、試作品および限定数製造部品の高速形成のために、新たな技術がいくつか開発されてきた。これらの新たな技術は一般に、固体自由形状製造技法と呼ばれ、ここでは「ＳＦＦ」と称される。ＳＦＦ技法のいくつかの例としては、ステレオリソグラフィー、選択的堆積造形法、積層物体製造法、選択的相区域堆積法、多相ジェット固化法、弾道粒子製造法、溶融堆積造形法、粒子堆積法、レーザ焼結法などが挙げられる。一般に、ＳＦＦ技法において、複雑な部品は、一般に本質的に減算様式である従来の製造技法とは対照的に、加算様式で造形材料から製造される。例えば、従来のほとんどの製造技法では、材料は、機械加工操作により除去されるか、もしくはダイまたは成形型中でほぼ最終的な形状に成形され、次いで、削除される。これとは対照的に、加算製造技法では、複雑な部品を構築するために、層毎に構築材料の所定部分を標的位置に追加に加えていく。ＳＦＦ技術では、典型的に、部品のコンピュータグラフィック表示および構築材料の供給を利用して、部品を連続層で製造する。ＳＦＦ技術には、従来の製造方法より優れた利点が数多くある。例えば、ＳＦＦ技術は、試作部品の開発にかかる時間を劇的に短縮しており、高速製造プロセスで限定数の部品を製造することができる。また、ＳＦＦ技法では、注文の用途毎に金型を製造する必要性を含む、従来の減算製造法に関連する複雑な道具加工や機械加工の必要がなくなる。さらに、注文に応じた物体は、ＳＦＦ技法ではコンピュータグラフィックデータから直接製造できる。
【０００３】
一般に、ほとんどのＳＦＦ技法において、構造物は、構築材料の連続層を固化または硬化させることにより、層毎の様式で形成される。例えば、ステレオリソグラフィーでは、典型的に、紫外線バンドにあるエネルギーの厳密な集束ビームを液体感光性樹脂の層に亘り走査させ、樹脂を選択的に硬化させて、構造物を形成している。ここでは「ＳＤＭ」と称する選択的堆積造形法では、相変化構築材料は、層毎の様式で三次元物体を構築するために、別個の液滴として滴下または噴射されて、もしくはノズルを通して押し出されて、構築用台または固化材料の先に形成した層と接触して固化する。この新規の産業において用いられるＳＤＭの他の同義的な名称には、固体物体イメージング、堆積造形法、マルチジェット造形法、三次元プリント法(three-dimensional printing)、サーマルステレオリソグラフィーなどがある。低融点を持つ熱可塑性材料が固体造形用材料として用いられることが多く、これは、押出機やプリントヘッドなどの噴射装置により供給される。熱可塑性材料を押し出すある種のＳＤＭプロセスが、例えば、バチェルダー(Batchelder)等の特許文献１に記載されている。インクジェット・プリントヘッドを用いたある種のＳＤＭプロセスが、例えば、メンヘネット(Menhennett)等の特許文献２に記載されている。ＳＤＭに用いられる熱可塑性構築材料がいくつか入手でき、カリフォルニア州、バレンシア所在のスリーディーシステムズ社(3D Systems, Inc.)により、商標名Thermojet（登録商標）2000およびThermojet（登録商標）88で販売されている。また、熱可塑性相変化構築材料のいくつかの配合物が、ビュイ(Bui)等の特許文献３に開示されている。
【０００４】
相変化材料を用いたＳＤＭ装置には、ステレオリソグラフィーなどの他のＳＦＦ装置より優れた利点がいくつかある。ＳＤＭ装置の重要な利点の１つは、この装置がステレオリソグラフィー装置よりも著しく安価なことである。これは、一般に、ステレオリソグラフィー装置に用いられる高価なレーザや走査用構成部品の代わりに、インクジェット・プリントヘッドなどのＳＤＭ装置に用いられる分配装置が比較的低コストであるためである。ＳＤＭの利点の１つは、典型的に用いられる相変化構築材料は、刺激性ではなく、特別な取扱手法を必要とせずに、直接取り扱えることである。さらに、ＳＤＭでは放射線の集中ビームを発生するレーザを利用しないので、レーザの操作に要求される安全手法が必要ない。それゆえ、特別な取扱手法および／または安全手法が要求されないので、オフィス環境においてはＳＤＭ装置が好ましい。
【０００５】
しかしながら、ＳＤＭ装置には、ステレオリソグラフィー装置と比較して、欠点がいくつかある。欠点の１つに、ＳＤＭにより従来の熱可塑性材料から形成された三次元物体は、ステレオリソグラフィーにより形成された物体と比較して、機械的性質が劣っていることがある。これは一般に、分配に必要な相変化特性を与えるために材料に高ワックス含有量が必要とされるためである。ワックスの引張強度は非常に小さいので、ワックスの含有量が高いと、形成されて得られた物体の機械的性質が著しく低減する。さらに、ＳＤＭ装置に現在用いられるほとんどの材料は相変化熱可塑性材料であるので、形成された物体は温度感受性である。例えば、その物体は、いくぶん高温で、粘着性すなわちベトベトになり、このことは望ましくない。
【０００６】
ＳＤＭ装置に使用するための、機械的性質が改善された構築材料を開発する必要性が、かなり以前からあった。初期の提案の１つは、ＳＤＭ装置に用いられる分配装置から堆積された後に硬化できる、紫外線（ＵＶ）硬化性相変化材料を開発することにあった。理論的には、紫外線へのフラッド露光により堆積した材料が一旦硬化せしめられたら、最終的な物体は、液体感光性樹脂を用いたステレオリソグラフィーにおいて達成された機械的性質よりも優れた機械的性質を示す。しかしながら、最近まで、ＳＤＭ装置において放射線硬化性相変化材料をうまく分配することには問題があることが実証されている。
【０００７】
放射線硬化性構築材料を用いた初期の提案の１つが、ヘリンスキー(Helinski)の特許文献４に見られ、ここでは、ＳＤＭ装置において紫外線硬化性構築材料を選択的に分配することが提案されている。しかしながら、紫外線硬化性配合物は全く開示されていない。ＳＤＭ装置に使用するために提案された初期の紫外線硬化性材料の配合物がいくつか、特許文献５の別表Ａに見られ、ここでは、三種類の反応性材料の組成物が提供されている。しかしながら、明細書にはこれらの配合物が全く論じられていない。さらに、同じ三種類の配合物を列記しており、特許文献５に関連している、レイデン(Leyden)等の特許文献６では、９０℃から１４０℃の温度でプリントヘッドからそれらの配合物を分配することが好ましいと指摘されている。レイデンはさらに、反応性相変化構築材料の配合物は、反応性成分の利点を実現するために、反応性感光性樹脂成分を２０重量％以上含まなくてはならないであろうと述べている。レイデンはまた、反応性相変化構築材料の配合物は、１２５℃から１３０℃の分配温度で１８〜２５センチポアズの粘度を有するべきであるとも述べている。しかしながら、それらの配合物がうまく分配されたか否かは言及されていない。これらの反応性配合物は、レイデンの特許文献７にも開示されている。
【０００８】
ＳＤＭに用いられる任意の材料の主な要件は、周囲温度で寸法安定性すなわち固体であり、熱を加えることにより上昇する高温で溶融されているすなわち液体であることである。インクジェット・プリント法およびインクジェット・プリントヘッドを用いたＳＤＭの両方において、分配温度は、材料が溶融状態すなわち液体状態に移行する溶融温度と少なくとも等しくなければならない。インクジェットプリントプロセスにおいて、相変化インク材料は、例えば、ティタリントン(Titterington)等の特許文献８に論じられているように、約８５℃から１５０℃の温度でインクジェット・プリントヘッドから溶融状態すなわち液体状態で分配される。ＳＤＭにおいて、相変化熱可塑性材料は典型的に、例えば、レイデン等の特許文献６に論じられているように、約１３０℃でインクジェット・プリントヘッドから分配される。さらに、ＳＤＭ法において、好ましくは約１４０℃の温度でインクジェット・プリントヘッドにより分配することを意図した反応性材料の配合物が、レイデン等の特許文献７に開示されている。また、２５〜２５センチポアズの粘度を持つ、１３０℃で分配することが意図されている紫外線硬化性相変化配合物が、特許文献９に開示されている。それゆえ、従来技術のＳＤＭ技法は、硬化性相変化材料は、１３０℃辺りの温度で分配すべきであり、二次元プリント法においては、分配温度は一般に、約８５℃から１５０℃であることを示している。
【０００９】
しかしながら、熱安定性は、長期間に亘りこのような高い分配温度に保持される硬化性相変化材料にとって重大な問題となっている。特許文献９において、この熱不安定性の問題は、最初に、長期間に亘り約１３０℃に保持されたときの材料の粘度の上昇を測定することにより発見された。
【００１０】
粘度のこの上昇は、長い反応性分子が架橋し始める、硬化プロセスの熱重合開始により生じると考えられている。これは、硬化プロセスの熱重合開始により、プリントヘッドの分配オリフィスが詰まり、装置が機能不全に陥ることがあるので、望ましくない。この問題に対処する試みにおいて、特許文献９は、約１３０℃の温度で材料を分配するプリントヘッドに供給する前に、保持容器内で材料を低温（１００℃）に維持することを提案している。しかしながら、これではまだ架橋はなくならず、架橋は、まだインクジェット・プリントヘッド内で生じ、プリントヘッドを故障させることがあり、望ましくない。さらに、架橋は、保持容器内で生じるかもしれず、そうすると、材料がもはや適切に分配できない点までその材料を劣化させ得る。
【００１１】
インクジェット・プリントヘッドから分配される硬化性相変化材料における架橋の熱重合開始は、取るに足らない問題ではない。得られる物体において所望の機械的性質を得るために、モノマー、オリゴマー、多官能アクリレートなどの反応性高分子量成分が十分な量で必要である。しかしながら、これらの成分は、流動可能な状態にある配合材料の粘度を上昇させ、この上昇した粘度は、プリントヘッドの粘度範囲の限度を遙かに超えてしまうことが多い。ＳＤＭにおける以前の急場しのぎの方法では、材料を、インクジェット・プリントヘッドの仕様を満たすのに粘度がその温度で十分に低いであろう、できるだけ高い温度で分配する試みをしていた。しかしながら、この手法は、高い分配温度により硬化プロセスが始まり、これにより、材料の粘度が増し、分配操作に望ましからぬ影響を与え得るので、紫外線硬化性材料ではうまく機能しない。低分子量のモノマーを加えて配合物の粘度を低下させることが役立つこともあるが、これらのモノマーは揮発して、装置内で凝縮する傾向にあるので、臭気問題が生じることがあり、揮発したモノマーは、装置を故障させ得る汚染物を生じる。それゆえ、低分子量のモノマーを含ませることは、できれば最小にすべきである。
【００１２】
インクジェット・プリント産業の動向は、プリントヘッドのオリフィスのサイズを減少させることによって、より高いプリント解像度を達成することにあるので、架橋問題はさらに複雑である。オリフィスのサイズが減少するにつれ、分配される材料の粘度も減少しなければならない。第一世代の相変化インクジェット・プリントヘッドでは、分配温度で約１８〜２５センチポアズの粘度が要求されていた。オレゴン州、ウィルソンビル所在のゼロックス社(Xerox Corporation)から得られるPhaser（登録商標）850プリンタに用いられるZ850プリントヘッドなどの、現在の仕様では、一般に、分配温度で約１３から約１４センチポアズの粘度が要求される。次世代のプリントヘッドでは、約１０センチポアズ以下のようなさらに低い粘度値が要求されるであろう。インクジェット・プリントヘッドに要求される粘度値が引き続き減少するにつれ、これらの要件を満たすように相変化材料を配合することは、特に、紫外線硬化性相変化材料にとって、非常に難しくなってきている。
【００１３】
三次元プリント法における硬化性材料の使用が、ごく最近、ゴーサイト(Gothait)の特許文献１０および特許文献１１に教示された。しかしながら、これらの材料は、分配されたときに固化する相変化材料であるか否かは知られていない。それらの材料の融点および凝固点も述べられていない。さらに、これらの文献のいずれにも、架橋および熱安定性の問題が述べられておらず、材料の配合、粘度値、また分配温度も開示されていない。
【特許文献１】
米国特許第５８６６０５８号明細書
【特許文献２】
米国特許第５５５５１７６号明細書
【特許文献３】
米国特許第６１３２６６５号明細書
【特許文献４】
米国特許第５１３６５１５号明細書
【特許文献５】
国際公開第９７／１１８３７号パンフレット
【特許文献６】
米国特許第６１３３３５５号明細書
【特許文献７】
米国特許第５８５５８３６号明細書
【特許文献８】
米国特許第５３８０７６９号明細書
【特許文献９】
国際公開第００／１１０９２号パンフレット
【特許文献１０】
米国特許第６２５９９６２号明細書
【特許文献１１】
国際公開第０１／２６０２３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
それゆえ、ＳＤＭにおいて放射線硬化性相変化材料を分配できる方法および装置を、それらの材料の分配に関連する熱安定性問題をなくしつつ、開発する必要がある。従来技術のこれらと他の難点が本発明により克服される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、広い領域に亘り利点を与える。以下の説明は、そのような用途を多数示すことを意図したものであり、排他的なものではない。ここに教示した基本的な方法および装置は、多くの用途に容易に適用できることが理解されよう。この明細書およびここに添付した特許請求の範囲は、開示された特定の実施例に言及する要件のために言語により制限しているように思われるかもしれないが、開示されている本発明の範囲および精神を踏まえて広く認められるべきと意図されている。
【００１６】
本発明の態様の１つは、ＳＤＭ装置内で流動可能な状態にあり、分配された後に急速に固化し、次いで、化学線への露光により硬化せしめられる硬化性相変化材料をうまく分配することである。
【００１７】
本発明の別の態様は、硬化性相変化材料を、この材料にとっての熱安定温度以下の分配温度で分配することである。
【００１８】
本発明の特徴は、放射線硬化性相変化材料を、この材料の反応性成分が実質的に未硬化のままである所望の期間に亘り、分配温度に維持できることである。
【００１９】
本発明の別の特徴は、分配温度で約１３から約１４センチポアズの粘度値を持つ放射線硬化性相変化材料を配合することである。
【００２０】
本発明の利点は、形成された三次元物体が、熱可塑性相変化構築材料を用いてＳＤＭにより形成された物体と比較して、優れた機械的性質を有することである。
【００２１】
本発明の別の利点は、硬化性相変化材料を分配して、溶剤の施用または熱により容易に除去できる非硬化性支持材料と共に三次元物体を形成できることである。
【００２２】
本発明の方法は、硬化性相変化材料を流動可能な状態で制御可能に分配し、材料の温度を低下させて、この材料を層毎に固化させ物体を形成する環境を提供し、分配された材料を支持し、材料の後の層を分配するための作業面を提供し、化学線への露光により材料を硬化させる各工程を有してなる。硬化性相変化材料を、この材料の熱安定温度を超えない温度で分配することが、本発明に特有である。この熱安定温度は、材料の反応性成分が実質的に未硬化のままである所望の期間、好ましくは、約２から約８週間に亘り、材料を維持できる最高温度である。ある実施の形態において、硬化性相変化材料は、約８０℃以下の融点および分配温度で約１８センチポアズ以下の粘度を有する。分配温度が約８０℃であり、材料が分配温度で約１３から約１４センチポアズの粘度を有することが好ましい。前記材料は、この材料が分配後に急速に固化してペースト状の流動できない状態を形成するように、周囲温度より高い凝固点を有することが好ましい。次いで、平坦化手段を層全体に掃引して、層を滑らかにし、層を所望の厚さに標準化させる。次いで、層に化学線へのフラッド露光を施して、この層を硬化させることが好ましい。あるいは、多数の層を分配し、平坦化し、次いで、化学線への露光を施しても差し支えない。熱可塑性相変化材料によりこれまで形成されていた物体と比較して、優れた機械的性質を有する三次元物体が形成されるまで、これらの各工程を繰り返す。
【００２３】
本発明の装置は、物体の各層に対応するデータを処理するためのコンピュータシステム、硬化性相変化材料を分配するための手段、分配された材料を支持するための手段、および材料を化学線に露光するための手段を有してなる。さらに、好ましい実施の形態では、硬化性相変化材料を、この材料を分配するインクジェット・プリントヘッドに供給するための手段を備え、平坦化手段から廃棄材料を収集し、除去するための手段を含む。
【００２４】
好ましい実施の形態において、本発明の装置は、溶剤の施用または熱により容易に除去できる非硬化性相変化支持材料も分配する。
【００２５】
これらと他の態様、特徴、および利点は、本発明の方法および装置により達成される。
【００２６】
本発明の態様、特徴、および利点は、特に、添付の図面と共に考慮したときに、本発明の以下の詳細な説明を検討することにより明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は全てのＳＤＭ技法およびそれから製造された物体に適用できるが、本発明は、紫外線硬化性相変化支持材料を分配するインクジェット・プリントヘッドを用いたＳＤＭ技法に関して説明する。しかしながら、本発明は、様々な硬化性相変化材料を用いたどのようなＳＤＭ技法に実施しても差し支えないことが理解されよう。例えば、硬化性相変化材料は、スペクトルの紫外線バンド以外の波長を持つ化学線への露光により、または材料に熱を施すことにより、硬化しても差し支えない。
【００２８】
ここに用いているように、構築材料の「流動可能な状態」という用語は、材料を分配するときにインクジェット・プリントヘッドにより生じる剪断応力などの、材料を動かすすなわち流動させる、分配装置により生じる剪断応力に材料が抵抗できない状態を称する。構築材料の流動可能な状態は液体状態であることが好ましいが、構築材料の流動可能な状態は、チキソトロープ性を示してもよい。ここで用いている「固化した」および「固化可能な」という用語は、材料が流動可能な状態から流動できない状態に移行する材料の相変化特徴を称する。構築材料の「流動できない状態」は、材料が、自重の下でそれ自体の形状を保持できるほど十分に自己支持性である状態である。固体状態、ゲル状態、ペースト状態、またはチキソトロープ状態で存在する構築材料が、ここでの目的のための構築材料の流動できない状態の例である。さらに、「硬化した」または「硬化可能な」という用語は、任意の重合反応を称する。重合反応が化学線への露光または熱への露出により誘発されることが好ましい。重合反応は、紫外または赤外の波長バンドにある化学線への露光により開始される、モノマーおよびオリゴマーの架橋を含むことが最も好ましい。さらに、「硬化状態」という用語は、重合反応が実質的に完了している材料または材料の一部を称する。一般事項として、材料は、硬化される前は、流動可能な状態と流動できない状態とを容易に移行できるが、一旦硬化されたら、材料は、流動可能な状態に戻ったり、装置により分配することができないことを認識すべきである。
【００２９】
本発明によれば、ＳＤＭにおいて放射線硬化性相変化材料を取り扱う場合、材料をできるだけ低い温度で分配することが望ましいことが分かった。これは様々な関連する理由のためであり、その内の最も重大な理由は、材料が、分配される前に流動可能な状態にあるときに、硬化プロセスの熱重合開始を防ぐためである。硬化プロセスの熱重合開始により、プリントヘッドが詰まり、これにより、装置がうまく作動しなくなることがあるので、このことは避けるべきである。ＳＤＭ装置を連続的に作動させて材料を分配する場合でさえ、プリントヘッドの両端部にある分配オリフィスは、相当な期間に亘り使用されないことが多いので、詰まってしまうかもしれない。さらにまた、できるだけ低い温度で分配することにより、形成されている物体に最初に導入される熱量が最小になる。化学線により開始される硬化プロセス中に、相当な量の発熱が発せられるので、このことは重要である。この熱は、固化後の材料中にすでに存在する熱以外に、先に形成された層の温度が材料の凝固点よりも高くならないように最小に維持しなければならない。このことが生じると、分配される材料の次の層が固化せず、むしろ、流動可能な状態のままであり、物体から流れ去るので、構築プロセスは失敗するであろう。それゆえ、硬化プロセスにより生じる追加の熱は、分配される材料のその後の層が、すでに硬化した層と接触した際に固化するように、材料の分配温度を低下させることにより、補わなければならない。熱がちょうどどれだけ発せられるかは、多くの要因によるが、一般に、配合物中の反応性材料のタイプおよび量に関連している。ある状況下において、物体の表面から熱を除去するための能動的または受動的な冷却装置を提供することが望ましいであろう。例えば、能動的な冷却装置が、対流により発熱を除去するために、物体が形成されているときにその表面に亘り気流を生じさせてもよい。能動的な冷却装置は、熱伝導により発熱を吸引するヒートシンクのように機能する大きな熱伝導性構築台を備えていても差し支えない。それゆえ、硬化した材料の温度を、次の層を形成するために分配すべき材料の凝固点よりも低く維持する環境を提供するために、冷却装置を用いても差し支えない。
【００３０】
好ましい実施の形態において、硬化性相変化材料を分配するために、Z850プリントヘッドが用いられるが、所望であれば、他の分配装置を用いても差し支えない。Z850プリントヘッドから分配されている材料が約１３から約１４センチポアズの粘度を有することが推奨される。ＳＤＭにおいてプリントヘッドから熱硬化性相変化配合物を分配する上でのこれまでの経験から、約２０％未満の粘度の変動で許容できる分配結果が得られることが分かった。さらにＳＤＭ技法による経験により、材料は一般に、長期間に亘り分配温度またはその付近の温度に維持すべきであることが示されている。このことは、材料を分配する準備のできている状態を維持するために必要である。この期間は、数分、数時間、数日、または数週間であって差し支えない。例えば、操作者がＳＤＭ装置のスイッチを切り忘れた場合、装置は一度に数週間もスイッチが入ったままであることがあり得る。この期間中、貯留槽およびプリントヘッド中の材料は、分配温度に維持されるであろう。装置内の材料の粘度が目標値から約２０％を超えて上昇することは望ましくないであろう。このことが起きると、プリントヘッドが詰まって、装置が動作できなくなったり、材料が適切に分配されず、構築プロセスが失敗するであろう。これらの理由のために、ＳＤＭにおいて分配される材料は、約４週間に亘り分配温度に維持されたときに、約２０％を超えて粘度が上昇しないことが望ましい。材料の粘度上昇は、４週間以上に亘り分配温度に維持されたときに、約５％未満であることが好ましい。粘度が上昇しないことが理想的に望ましいが、これは一般に、放射線硬化性相変化材料を取り扱う場合には、不可能である。
【００３１】
所望の期間に亘り粘度上昇の制限を約２０％以内にとどめるように放射線硬化性相変化材料の分配と共に、Z850プリントヘッドを作動させる許容できる温度範囲を決定するために、熱老化試験を行った。これらの試験は、長期間に亘り異なる高温で保持した多数の配合物について行った。これらの期間中、配合物の硬化状態を決定するために、配合物の粘度測定を行った。粘度が実質的に急激に上昇した配合物は、硬化プロセスが熱重合開始により強力に誘引され、配合物が許容できなくなることを示した。試験は、多数の配合物について、約９５℃、８５℃、８０℃、および６５℃の高温で行った。結果は様々であった。それは、特に、できるだけ硬化プロセスをさらに阻害する試みで、いくつかの配合物に様々な重合開始剤および酸化防止剤を少量加えたためである。配合物を試験する前に、どのような高温でも、粘度の上昇は約２０％以内に制限すべきであると決定し、この量のときに配合物がそのままの状態である期間を測定した。数時間以内のように、非常に急速にこの値を超えて粘度が上昇した配合物は許容できないと考えた。分配のためには、約１３から約１４センチポアズの粘度範囲が好ましい。粘度の上限は、約１８センチポアズ、好ましくは、約１６．８センチポアズであると決定した。分配したときに約１０．５センチポアズの粘度値を有した試験したいくつかの配合物はうまく分配されたので、粘度の下限は約１０．５センチポアズであると決定した。それゆえ、各々の試験のデータから、所定の温度で保持した各々の配合物について、許容できる熱安定期間を決定することができた。この望ましい期間は、ここでは、材料の分配寿命と称され、材料が分配温度に維持されたときに材料の反応性成分が実質的に未硬化のままである最小の所望の期間である。少なくとも、材料の分配寿命は、少なくとも１時間、好ましくは、約２から約８週間であるべきである。
【００３２】
一般に、９５℃に保持した配合物の全ては、約３日未満の許容できない分配寿命を有していた。８５℃および８０℃に保持した配合物のほとんどは、約２〜３週間の一般に許容できる分配寿命を有していた。６５℃に保持した配合物のほぼ全ての配合物は、約２から約８週間の確定した分配寿命を有していた。これらの試験から、放射線硬化性相変化配合物を分配するための最高の熱安定温度は約９０℃であるという意見の一致に到達した。これは、この値が９５℃で得られた許容できない結果と、８５℃で得られた一般に許容できる結果の間であるからである。さらに、配合物中の重合開始剤と酸化防止剤の量を調節することにより、この温度で放射線硬化性相変化配合物を分配することが実施可能であり、特に、材料の許容できる分配寿命が約３週間以下である場合、分配を行えると考えられる。
【００３３】
Z850プリントヘッドにおける圧電素子の損傷は、約６０℃未満の温度で生じ始める。それゆえ、Z850プリントヘッドの使用可能な分配温度は、放射線硬化性相変化材料の分配には、約６０℃から約９０℃までであり、好ましい分配温度範囲は約６０℃から約８５℃までであり、最も好ましい分配温度は約８０℃であると決定した。それゆえ、分配温度が約６０℃から約９０℃までであるときに、放射線硬化性相変化材料を分配するための熱安定性分配環境を提供できる。
【００３４】
所望であれば、適切な分配温度を決定するために、別の手法を用いてもよい。この手法によれば、分配寿命および配合物を予め選択することができ、試験により熱安定温度を決定しても差し支えない。少なくとも１時間のような予め選択した期間に亘り、材料中の反応性成分が実質的に未硬化のままである流動可能な状態に材料を維持できる最高温度を決定するための試験を行っても差し支えない。より長い貯蔵寿命が必要であれば、所望の期間は約２から約８週間であろう。例えば、粘度が約２０％以下しか上昇しないときに、材料が実質的に未硬化のままであるか否かを決定するために、所望の期間に亘り材料の粘度の変化を測定することにより集計したデータを用いても差し支えない。材料が約１３から約１４センチポアズの初期粘度を有する場合、約１８センチポアズ以下まで、好ましくは、１６．８センチポアズ以下までの上昇が望ましい。試験を異なる温度で続けても差し支えなく、それらのデータから、熱安定温度を決定しても差し支えない。次いで、装置の分配温度は、連続的かつ信頼できる分配を確実にするために、この温度以下に設定することのみが必要である。それゆえ、この別の手法において、分配温度は、特定の硬化性相変化配合物について個別に調節しても差し支えない。
【００３５】
多数の放射線硬化性相変化構築材料の配合物を開発した。それらの配合物は紫外線への露光により硬化するように開発され、これら配合物は、約８０℃で約１３から約１４センチポアズの粘度を有する。この材料の配合物は、約５０℃から約６０℃の融点、および約４５℃から約５５℃の凝固点を有することを目標とした。材料の融点は分配温度よりも少なくとも低いが、一般に、約５０℃よりも低くはなく、そうでなければ、先に硬化した層から発熱が放出され続ける環境において、分配された材料が固化しないであろう。約５０℃から約８０℃の融点が許容されるが、プリントヘッド中で生じ得る温度変動を考慮に入れて、材料が流動可能な状態のままであることを確実にするために、約５０℃から約６０℃までが好ましい。
【００３６】
好ましい実施の形態において、非硬化性相変化支持材料が、硬化性相変化構築材料と同じプリントヘッドから分配される。この支持材料は、この実施の形態についての硬化性相変化構築材料と同じ分配温度で、同様の融点、凝固点、および粘度を有さなければならない。それゆえ、支持材料は、硬化性相変化構築材料と同じ相変化特徴を有するように配合することが好ましい。
【００３７】
硬化性相変化構築材料の配合物は、熱老化試験によれば、少なくとも約４週間の分配寿命を有した。配合物は少なくとも約５〜８週間の分配寿命を有すると考えられるが、試験は、４週間を超える期間は行わなかった。配合物は一般に、約２０重量％から約４０重量％の高分子量モノマーおよびオリゴマー、約１０重量％から約６０重量％の低分子量モノマー、約１重量％から約６重量％の光重合開始剤、および約５重量％から約２５重量％のワックスを有してなる。高分子量と低分子量両方の反応性成分は、材料の約７５重量％から約９５重量％を構成する。したがって、高分子量と低分子量のモノマーおよびオリゴマーの組合せは、約８０℃の温度で配合物にとって望ましい約１３から約１４センチポアズの粘度を達成するように調節した。高分子量モノマーについて、ウレタンアクリレートおよびエポキシアクリレートの両方を、個別と組合せで用いた。低分子量モノマーについては、メタクリレート、ジメタクリレート、トリアクリレート、およびジアクリレートを様々な組合せで用いた。非反応性ウレタンワックスを用いたが、炭化水素ワックス、パラフィンワックス、脂肪エステルワックスなどの他のワックスを用いても差し支えない。４種類の例示としての構築材料の配合物の成分が、表１に重量パーセントで与えられている。
【表１】
2005504654.tif 000003
【００３８】
表１に列記した４種類の配合物に用いた以下の成分は、以下の商標名でペンシルバニア州、エクストン所在のサートマー社(Sartomer Company)から得られる：CN980,CN981,CN975,CN2901,SR203,SR205,SR340,SR313,SR454,CD406,SR604,およびSR493D。成分ADS038およびADS043は、カナダ国、ケベック州所在のアメリカン・ダイ・ソース社(American Dye Source, Inc.)から得られる。E3200の商標名のエポキシアクリレートは、ジョージア州、アトランタ所在のユーシービー・ケミカル社(UCB Chemical, Inc.)から得られる。列記したI-184の名称の光重合開始剤は、ニューヨーク州、ニューヨーク所在のチバ・スペシャルティー・ケミカルス社(Ciba Specialty Chemicals, Inc.)から得られる。
【００３９】
表１の配合物は、混合ブレードが備え付けられたケトル中で個々の成分を混合することにより、本発明にしたがって調製した。ケトルを約８５℃に予熱し、ケトル中に各成分を入れ、ケトルを閉じ、撹拌し始めた。各成分が最終的にケトルの温度と同じになるように撹拌を続けた。次いで、均一な溶融状態となるまで撹拌を続けた。粘度を測定し、必要に応じて調節した。７５ポンド（約３４ｋｇ）の配合物を均一な状態になるまで混合するのに、約２．５時間かかった。次いで、配合物をケトルから取り出し、流動可能な状態にある間に１マイクロメートルのアブソリュートフィルタに通して濾過した。次いで、配合物を周囲温度まで冷却し、その温度で、配合物は流動可能な状態から流動できない状態に移行した。
【００４０】
好ましい実施の形態において、ＳＤＭ装置は、物体を形成するための、表１の実施例４のもののような、好ましい紫外線硬化性相変化材料、および必要に応じて物体の支持体を形成するための別の非硬化性相変化材料を分配する。このことは、非硬化性相変化材料が、支持材料を溶解するための溶剤の施用により、または支持材料を溶融するための熱の施用により、硬化した物体から除去できるので望ましい。支持材料は、ビュイ等の特許文献３に開示されたものなどの熱硬化性相変化材料であってよい。あるいは、支持材料は、所望であれば、噴射した材料の凝集力および液滴形状を改善するために材料の表面張力を低下させるフッ素系界面活性剤を含んでもよい、水溶性材料であってよい。さらに、この材料は、所望であれば、物体から拭き取ることのできるゼラチンなどのゲル材料であってもよい。さらに、支持材料は、それを三次元物体から容易に砕くことのできる機械的に弱い性質を示してもよい。
【００４１】
本発明の好ましいＳＤＭ装置において、Z850プリントヘッドは、非硬化性相変化材料並びに硬化性相変化構築材料を分配するように構成されている。好ましい支持材料の配合物は、ニュージャージー州、アービントン所在のルーガー・ケミカル社(Ruger Chemicla Co., Inc.)から得られるオクタデカノールを７０重量％、イリノイ州、シカゴ所在のアラカワ・ケミカル(Arakawa Chemical Inc.(USA))から得られるKE100の名称で販売されている粘着付与剤を３０重量％有してなる。この支持材料の配合物は、約８０℃の温度での約１１．０センチポアズの粘度、約５８℃の融点、および約４９℃の凝固点を有する。この配合物を、混合翼を備えたケトル内で混合した。ケトルを約８５℃に予熱し、融点が低いので最初にオクタデカノールをケトルに入れた。ケトルを閉じ、撹拌し始めた。オクタデカノールが一旦溶融したら、撹拌し続けながら混合物にKE100を加えた。ケトルを閉じ、混合物が均一な状態となるまで撹拌を続けた。粘度を測定し、必要に応じて調節した。次いで、配合物をケトルから取り出し、流動可能な状態にある間に１マイクロメートルのアブソリュートフィルタに通して濾過した。次いで、配合物を周囲温度まで冷却し、この温度で、配合物は流動可能な状態から流動できない状態に移行した。
【００４２】
材料が噴射されるときの液滴形状および材料の凝集力を改善するために、構築材料および支持材料の配合物のいずれにもフッ素系界面活性剤などの界面活性剤を加えてもよい。一般に、フッ素系界面活性剤を加えることにより、高い表面張力の液体を噴射できるようになる。特に、高い極性の水溶性相変化配合物に、および中程度に極性のインクには、約０．０１％から約０．１０％の濃度のフッ素系界面活性剤を加えてもよい。紫外線硬化性相変化配合物については、フッ素系界面活性剤により、表面張力を約３３ｄｙｎ／ｃｍ2（３３０μＮ／ｃｍ2）から約２７ｄｙｎ／ｃｍ2（２７０μＮ／ｃｍ2）まで低下させることができる。
【００４３】
硬化性配合物は、約８０℃の温度で前記材料を分配するように改良されたZ850プリントヘッドから分配した。各々の層を化学線へのフラッド露光により硬化させた試験部品を形成した。次いで、達成された物理的性質を決定するために、この部品を試験した。最初の３つの配合物について測定した物理的性質が、粘度値、融点、および凝固点と共に、表２に列記されている。
【表２】
2005504654.tif 000004
【００４４】
これらの機械的性質（引張強度および引張弾性率）は、熱可塑性相変化材料を用いたＳＤＭにおいて得られた性質よりもずっと優れている。例えば、ビュイ等の特許文献３において、開示された非硬化性熱可塑性相変化配合物は、７３％の伸びおよび４３５ｐｓｉ（３ＭＰａ）の引張応力を有する。これらの物理的性質は、共に、カリフォルニア州、バレンシア所在のスリー・ディー・システムズ社(3D Systems, Inc.)より販売されているThermojet（登録商標）2000構築材料を分配するThermojet（登録商標）固体物体プリンタを用いた達成したものを示している。４種類の硬化性相変化配合物は、非硬化性熱可塑性配合物と比較して、明らかに優れた引張強度および耐久性を示す。例えば、実施例１の配合物の引張強度は、非硬化性熱可塑性配合物の引張強度の５倍より大きい。実施例４の配合物は、他の配合物ほど脆くなく、したがって、より耐久性があるので、好ましい。好ましい配合物は、ここに引用する、「Selective Deposition Modeling with Curable Phase Change Materials」と題する、同時出願された事件番号USA.282の米国特許出願にも開示されている。
【００４５】
特に図１を参照すると、本発明のＳＤＭ方法を実施するためのＳＤＭ装置が参照番号１０により示されている。ＳＤＭ装置１０が、参照番号１２により示されている構築環境１２内で支持構造体４６上で三次元物体４４を構築しているのが示されている。物体４４および支持構造体４６は、任意の従来の駆動手段１６により垂直に正確に配置できる構築台１４上で層毎の様式で構築される。分配手段２４を担持している材料分配トレイ２０が上に乗るレール装置１８が台１４の真上に平行に配置されている。分配手段２４は、構築材料および支持材料を分配するインクジェット・プリントヘッドであり、複数の分配オリフィスを持つ圧電型のものであることが好ましい。しかしながら、所望であれば、音響型または静電型などの他のタイプのインクジェット・プリントヘッドを用いても差し支えない。好ましいインクジェット・プリントヘッドは、オレゴン州、ウィルソンビル所在のゼロックス社から得られるZ850プリントヘッドである。あるいは、所望であれば、インクジェット・プリントヘッドの代わりに、溶射ノズルを用いても差し支えない。
【００４６】
プリントヘッド２４を担持しているトロリーには、離れたところにある貯留槽４９から硬化性相変化構築材料２２が供給される。この貯留槽には、硬化性相変化構築材料を流動可能な状態にし、それを維持するためにヒータ２５が設けられている。同様に、プリントヘッド２４を担持しているトロリーには、離れたところにある貯留槽５０から流動可能な状態で非硬化性相変化支持材料も供給される。これらの材料を分配するために、これらの材料を流動可能な状態になるまで最初に加熱し、プリントヘッドまでの流路に沿って材料を流動可能な状態に維持するのに加熱手段が設けられている。加熱手段は、両方の貯留槽４９および５０上のヒータ２５、および貯留槽をプリントヘッド２４に接続する供給管５２に設けられた追加のヒータ（図示せず）からなる。図１には１つしか示されていないが、構築材料および支持材料の両方を分配するための複数の排出オリフィス２７が、プリントヘッド２４に位置している。各々の排出オリフィスは、いずれの材料も、構築環境にある任意の所望の目的位置に分配できるような様式で、構築材料または支持材料のいずれかを分配するように専用のものとなっている。
【００４７】
電気モータなどの従来の駆動手段２６により水平通路に沿って往復駆動される往復手段が、プリントヘッド２４のために設けられている。一般に、プリントヘッド２４を担持しているトロリーは、排出オリフィス２７から材料の１つの完全な層を分配するように多数の通路を取る。図１には、トロリーが左から右への移動をちょうど開始したときの、分配された構築材料の層２８の一部が示されている。分配された液滴３０は浮遊中であるのが示されており、排出オリフィスと構築材料の層２８との間の距離は、説明を容易にするために、大きく誇張されている。層２８は、三次元物体を形成し、支持するために、必要に応じて、全てが構築材料、全てが支持材料、または構築材料と支持材料との組合せであってもよい。
【００４８】
構築材料および支持材料は、別個の液滴３０として流動可能な状態で分配され、相変化の結果として層２８と接触した際に固化する。あるいは、所望であれば、それらの材料は、ＳＤＭ装置において連続流として分配されてもよい。物体の各層は、ビットマップ上で複数のピクセルに分割されており、その場合、硬化性相変化材料２２を堆積させるために標的位置が、物体のピクセル位置に割り当てられる。同様に、必要に応じて物体の支持体を形成するのに非硬化性相変化材料４８を堆積させるために、物体の外側に位置するピクセル座標が標的とされるであろう。一般に、別個の液滴が、最初の層厚を確立するためにビットマップの標的とするピクセル位置の全てに一旦堆積されたら、固体の充填条件が満たされる。分配中に確立される最初の層厚は、各層の固体充填状態が層に必要とされる材料よりも多い材料を含有するように最終的な層厚よりも大きいことが好ましい。
【００４９】
平坦化手段３２が、層を滑らかにし、標準化して、最終的な層厚を確立するために層を横断して掃引される。平坦化手段３２は、構築プロセス中に生じる、液滴の容積変動、熱歪み等の蓄積する影響をなくすために、必要に応じて、層を標準化するために用いられる。構築材料の分配された層を滑らかに伸ばし、材料を硬化する前に最後に形成される層にとって所望の厚さを設定するために、その層の所定部分を溶融し、移動させ、除去することが、平坦化手段の機能である。これにより、三次元物体を形成する層の全てに関して均一な表面形態および層厚が確実になるが、装置から除去しなければならない廃棄材料が生じる。平坦化手段３２は、所望であれば、材料分配トロリー２０に取り付けても、または図示したように、レール装置１８に別々に取り付けてもよい。
【００５０】
各層の規定のパターンのデータにしたがって各層にとって所望の厚さを超える構築材料を堆積させるＳＤＭ構築技法において平坦化手段３２を用い、次いで、平坦化手段により、各層から過剰の構築材料を除去して、所望の厚さを達成する。本発明により平坦化手段を使用することは、所定の層の表面状態をモニタする能動的フィードバック装置が必要ないので、一般に好ましい。しかしながら、層を硬化する前に所定の層について、平坦化を完了しなければならないことが重要である。
【００５１】
層を標準化するための代わりの実施の形態において、表面走査装置を設けても差し支えない。そのような装置は、任意の所定の層の表面状態を能動的にモニタし、均一な層を形成するために低い区域に追加の材料を選択的に分配するのに使用できるフィードバックデータを与える。そのようなシステムの１つが、ここに引用する、２００１年２月８日に出願されたケレケス(Kerekes)等の米国特許出願第０９／７７９３５５号明細書に開示されている。そのような閉じたループシステムは、層を形成する材料の蓄積を能動的に制御するのに望ましいであろう。そのようなシステムは、平坦化手段により後に除去される、層に必要なよりも過剰な材料を分配する必要をなくすことにより、構築速度を増すことができる。それゆえ、所望であれば、層を標準化するために、本発明と組み合わせて、表面走査システムを用いてもよい。
【００５２】
平坦化中に生成される過剰な材料を収集するために、廃棄材料収集装置（図１には示されていない）を使用する。廃棄材料収集装置は、所望であれば、材料を廃棄材料タンクまたは廃棄材料カートリッジに送達する供給管を備えてもよい。硬化性相変化材料の好ましい廃棄材料装置が、ここに引用する、スリー・ディー・システムズ社に譲渡された「Quantized Feed System for Solid Freeform Fabrication」と題する事件番号USA.229の同時出願された米国特許出願に開示されている。
【００５３】
図１に示した実施の形態において、１つのプリントヘッドが、硬化性相変化材料および非硬化性相変化材料の両方を分配する。あるいは、各々が、それらの材料のいずれかまたは両方を分配するように専用になっている、多数のプリントヘッドを用いても差し支えない。非硬化性材料は、層毎の構築プロセスの終わりに三次元物体から容易に除去できるように選択されるが、それでも、分配および平坦化が均一となるように硬化性材料と同様の融点および凝固点を有することが好ましい。この実施の形態において、２つの異なる材料について、別々の材料供給装置が必要とされるが、廃棄材料は平坦化後に収集される両方の材料の組合せであるので、廃棄材料収集装置は１つしか必要ない。
【００５４】
レール装置１８上に取り付けられた、参照番号３６により示される化学線源の設備がＳＤＭ装置１０に特有である。化学線源３６は、材料の形成されたばかりの層の上に化学線源を位置させるように、レール装置１８に沿って往復して駆動される。化学線源３６は、平坦化により層を標準化した後に各層に紫外線のフラッド露光を与えるのに用いられる紫外線発光バルブ３８を含む。あるいは、紫外線へのフラッド露光による硬化前に、多数の層を分配し、標準化しても差し支えない。平坦化手段を構築区域から引っ込めた後であって、化学線源を構築区域上でレール装置に沿って横断させている間などの、所望の時に、バルブ３８のスイッチを入れたり切ったりすることにより、露光をフラッシュ様式で行うことが好ましい。あるいは、バルブはスイッチが入ったままであり、所望であれば、露光のフラッシュ作動を制御するために、シャッター装置を用いても差し支えない。化学線源３６がレール装置１８上に往復するように取り付けられているのが示されているが、所望であれば、分配トロリーに直接取り付けてもよい。そのいずれもが構築プロセスを台無しにし、装置に損傷を与えるであろう、分配オリフィス中や平坦化手段の表面にある材料を硬化させることを防ぐように、化学線への露光からプリントヘッドおよび平坦化手段を遮蔽することが重要である。
【００５５】
外部コンピュータ３４が、形成すべき物体の三次元座標データを含む固体造形用ＣＡＤデータファイルを生成するか、または外部コンピュータ３４にそのようなファイルを提供することが好ましい。典型的に、コンピュータ３４は、物体のデータを表面表示データに、最も一般的には、ＳＴＬファイルフォーマットに変換する。好ましい実施の形態において、コンピュータは、物体の支持領域に対応するデータも確立する。ユーザが物体を構築することを望む場合、プリントコマンドが、プリント・クライアント・ソフトウェアにより、ＳＴＬファイルが処理される外部コンピュータで実行され、プリント・ジョブとしてＳＤＭ装置１０のコンピュータ制御装置に送信される。コンピュータ制御装置４０に送信された処理済みデータは、磁気ディスクタイプ、超小型電子メモリ、ネットワーク接続などの、どのような所望の従来のデータ転送可能媒体によって送っても差し支えない。コンピュータ制御装置は、データを処理し、物体を形成するように装置を作動させる信号を生成する。データ転送経路およびＳＤＭ装置の様々な構成要素の制御が、４２の点線として示されている。
【００５６】
構築材料および支持材料の配合物が、流動可能な状態にある間にＳＤＭ装置１０により分配される。好ましい構築材料の配合物は、表１に記載された実施例４である。この配合物は、従来技術の熱可塑性相変化材料と比較して実質的に改善された引張強度を持ちながら、最高の伸び（１１．３％）を持つ最も耐久性の高いものであるので、好ましかった。構築配合物および支持配合物は、第１の層については構築台１４と、その後の層についてはその前に形成された層の頂面と実質的に接触した際に固化した。材料が流動できない状態に固化する点である材料の凝固点は、約４０℃から約８０℃の範囲にあるのが望ましい。できれば、硬化中に発生している発熱を考慮に入れて、確実に固化させるために、実際の凝固点は、より高い温度寄りであることが好ましい。一般に、試験した材料の凝固点は、約４５℃から約５５℃の標的範囲に照らして約４０℃から約５０℃の範囲内に入った。これらの試験において、分配された材料が固化する温度を低下させる補助をするのに、能動的な冷却は必要なかった。しかしながら、硬化後に多量の発熱を発生して、固化プロセスを妨げるかもしれない大型の物体を形成する場合には、能動的な冷却が必要であろう。
【００５７】
各層の材料全てを分配し、固化した後、平坦化手段３２を用いて、各層を標準化した。標準化後、各層に、露光トロリーの一部である化学線源３６による紫外線へのフラッド露光を与える。フラッド露光は、構築材料を硬化させるが、支持材料は硬化させない。試料部品をこのように製造し、支持材料を除去して、三次元物体を露呈させた。
【００５８】
支持材料は、さらなる加工工程により除去する。一般に、支持材料を流動可能な状態に戻すための熱の施用が、三次元物体から支持材料を実質的に全て除去するのに必要である。このことは、様々な方法で実施することができる。例えば、部品を、水または油などの液体材料入りの加熱された大桶内に配置することができる。加熱した液体材料を支持材料に直接吹き付けるような、物理的撹拌を用いてもよい。これは、適切な設備による蒸気洗浄により行うことができる。あるいは、支持材料は、支持材料を溶解させる適切な液体溶剤中にその材料を浸漬することにより除去しても差し支えない。
【００５９】
特に図２を参照する。本発明を実施するための固体自由形状製造装置の好ましい実施の形態が参照番号１０で示されている。参照番号５４により示されている材料供給および廃棄装置を備えたこの装置１０が示されている。図１に示したＳＤＭ装置とは対照的に、この実施の形態における構築台１４は、分配トロリー２０の代わりに、従来の駆動装置２６により往復駆動される。分配トロリー２０は、物体の層厚を制御するために、作動手段１６により垂直に正確に動かされる。作動手段１６は、サーボモータにより駆動される精密親ネジ線形作動装置からなることが好ましい。好ましい実施の形態において、２つの線形作動装置１６の端部は、構築環境１２の反対側の端部で、構築台の往復方向を横断する方向にある。しかしながら、図２の説明を容易にするために、線形作動装置が構築台１４の往復方向に整合されている外観を与える二次元の平らな様式で示されている。線形作動装置は、往復方向に整合されていてもよいが、装置内の空間を最適に使用するように横断方向に位置していることが好ましい。
【００６０】
参照番号１２で一般に表されている構築環境において、一体に形成された支持体４６と共に形成されている三次元物体が参照番号４４により示されている。物体４４および支持体４６の両方は、構築台１４から取り外しできる状態にある間にその台の往復運動中の加速および減速の影響を維持するように構築台上に実質的に固定された様式で配置されている。これを行うために、支持材料は構築プロセスの終わりに除去すべきように設計されているので、構築材料を分配する前に、構築台上に支持材料の少なくとも１つの完全な層を分配することが望ましい。この実施の形態において、参照番号２２により同定される硬化性相変化構築材料は三次元物体４４を形成するために装置１０により分配され、参照番号４８により同定される非硬化性相変化材料は支持体４６を形成するために分配される。参照番号５６Ａおよび５６Ｂにより一般に同定される容器が、これら二種類の材料２２および４８を個別の量だけそれぞれ保持している。供給管５８Ａおよび５８Ｂが、材料をプリントヘッド２４にそれぞれ供給する。材料２２および４８は流動可能な状態となるまで加熱され、材料がプリントヘッド２４に供給されるときに流動可能な状態にあるのを維持するために、供給管５８Ａおよび５８Ｂにヒータ（図示せず）が設けられている。この実施の形態において、インクジェット・プリントヘッドは、両方の材料が、形成されている任意の層の任意の標的位置に層毎の様式で選択的に分配できるように、複数の分配オリフィスから両方の材料を分配するように構成されている。プリントヘッド２４が追加の材料２２または４８を必要とするとき、押出棒６０Ａおよび６０Ｂが、容器５６Ａおよび５６Ｂから材料を押し出し、供給管５８Ａおよび５８Ｂを通して、プリントヘッド２４に供給するようにそれぞれはめ込まれている。
【００６１】
図２に示した実施の形態における分配トロリー２０は、層から過剰な材料を除去して、分配されている層を標準化する加熱された平坦化手段３２を備えている。加熱された平坦化手段は、流動できない状態にある材料と接触する。この平坦化手段は、加熱されているので、材料のある部分を流動可能な状態に局所的に変換する。この過剰な流動可能となった材料は、表面張力のために、平坦化手段の表面に付着し、平坦化手段が回転するにつれ、この材料は、平坦化手段３２と接触しているスカイブ６２により持っていかれる。スカイブ６２は、平坦化手段３２の表面から材料を分離し、トロリー２０上に位置する、参照番号６４により同定される廃棄材料貯留槽中に流動可能な材料を導く。廃棄材料貯留槽６４にあるヒータ６６およびサーミスタ６８が、廃棄材料貯留槽の温度を、貯留槽中の廃棄材料が流動可能な状態のままでいるのに十分な点に維持するように作動する。廃棄材料貯留槽は、廃棄材料を廃棄材料容器７２Ａおよび７２Ｂに供給するために加熱された廃棄材料供給管７０に接続されている。廃棄材料は、重力により、廃棄材料容器７２Ａおよび７２Ｂに降下して流動できる。各々の廃棄材料容器にスプライス接続された供給管７０が１つだけ示されているが、廃棄材料貯留槽と、各廃棄材料容器７２Ａおよび７２Ｂとの間には別々の廃棄材料供給管７０を設けることが好ましい。各廃棄材料容器７２Ａおよび７２Ｂについて、廃棄材料の廃棄材料容器への供給を調節するために、電磁弁７４Ａおよび７４Ｂが取り付けられている。弁７４Ａおよび７４Ｂは、閉じたままであり、それぞれの押出棒６０Ａおよび６０Ｂが追加の材料を移動させるように作動したときのみに開くことが好ましい。例えば、押出棒６０Ａのみが作動した場合、弁７４Ａのみが開いて、廃棄材料７６を廃棄材料容器７２Ａ中に分配することができる。この弁のフィードバック制御により、材料が容器から分配装置に供給される速度に比例して、廃棄材料容器中の廃棄材料の供給を等しくすることにより、いずれの廃棄材料容器へも廃棄材料の供給が多すぎるのを防ぐ。それゆえ、廃棄材料の廃棄材料容器への供給は、供給装置の構築材料および支持材料の供給速度とつり合わされる。
【００６２】
硬化性相変化構築材料２２および非硬化性相変化支持材料４８が１つの層に分配された後、それらの材料は、流動可能な状態から流動できない状態に移行する。層の上に平坦化手段３２を通過させることにより、層が標準化された後、次いで、層を、放射線源７８により化学線に露光させる。化学線は、スペクトルの紫外バンドまたは赤外バンドにあることが好ましい。しかしながら、平坦化は、層が放射線源７８に露光される前に行われることが重要である。それは、層中の材料が流動できない状態から流動可能な状態に変化させられる場合、好ましい平坦化のみが層を標準化できるからである。材料２２が最初に硬化されている場合には、このことは起こり得ない。
【００６３】
この実施の形態において、両方の材料は積み重なり、平坦化手段３２により除去されて、廃棄材料を形成する。廃棄材料容器中の廃棄材料を放射線に露光して、容器内の構築材料２２を、廃棄材料容器中に反応性材料がなくなるように硬化させるために、第２の放射線源８０を設けることが好ましい。
【００６４】
ここで、図３を参照する。図２に示したＳＤＭ装置が１０で示されている。構築環境を評価するために、スライド式ドア８２が装置の前面に設けられている。ドア８２は、装置内の放射線を環境中に逃げないようにする。装置は、ドア８２が開いている状態で作動しない、すなわちスイッチが入らないように構成されている。さらに、装置が作動しているときには、ドア８２は開かない。硬化性相変化材料を一方のドア８４に通して装置中に挿入でき、非硬化性相変化材料を他方のドアに通して装置中に挿入できるように、材料の供給ドア８４が設けられている。放出された廃棄材料を装置から除去できるように、装置１０の底部には、廃棄材料引出し８６が設けられている。外部コンピュータからのプリントコマンドデータの受取りを追跡する、前述した外部コンピュータと連絡しているユーザ・インターフェースが設けられている。
【００６５】
ここに記載されたものは、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱せずに改変および変更を行ってもよいという好ましい実施の形態である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明を実施するための固体堆積造形装置の側面図
【図２】本発明を実施するための固体堆積造形装置の好ましい実施の形態の側面図
【図３】本発明を実施するための図２の装置の等角図
【符号の説明】
【００６７】
１０    ＳＤＭ装置
１２    構築環境
１４    構築台
１８    レール装置
２０    分配トロリー
２４    プリントヘッド
２６    駆動装置
３２    平滑化手段
３４    外部コンピュータ
３６    化学線源
３８    紫外線発光バルブ
４０    コンピュータ制御装置
４４    三次元物体
４６    支持体
【国際公開パンフレット】
2005504654.tif 000005
2005504654.tif 000006
2005504654.tif 000007
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2005504654.tif 000030
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504654.tif 000031
2005504654.tif 000032
【国際調査報告】
2005504654.tif 000033
2005504654.tif 000034