(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が一時領域（１０５）および恒久領域（１１０）を備える複数の物品媒体層（１００）に接着剤を適用することにより三次元物品（１０００）を形成する積層造形システム（５００）に用いられる接着剤分配装置（５６０）であって、
前記装置は、物品媒体層の前記一時領域に第１の一次的粘着性接着剤（４０５，６０５）を適用し、前記物品媒体層の前記恒久領域に第２の結合性接着剤（４１０，６１０）を適用するよう構成されており、
前記一次的粘着性接着剤を、剥離可能および／または取り外し可能に構成することを特徴とする装置。
【請求項２】
１つ以上のプリントヘッドを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ以上のプリントヘッドは、前記第１および第２の接着剤を同時に一緒に印刷するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
単数または複数の前記プリントヘッドはインクジェットプリントヘッドを備える、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
三次元物品を形成するための積層造形システム（５００）であって、前記システムは、物品（１０００）の物品媒体層（１００）に接着剤を適用する接着剤分配装置（５６０）を備え、前記物品媒体層の各々は一時領域（１０５）および恒久領域（１１０）を含み、
前記接着剤分配装置（５６０）は、前記物品媒体層の異なる領域に第１の接着剤（４０５，６０５）および第２の接着剤（４１０，６１０）を適用するように構成され、前記第１の接着剤は、剥離可能および／または取り外し可能に構成された一時的粘着性接着剤であることを特徴とする、システム。
【請求項６】
前記第２の接着剤は、永続的な結合性接着剤であり、前記接着剤分配装置は、前記物品媒体層の恒久領域に前記第２の接着剤を適用するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の接着剤は、結合および輪郭形成中に、前記物品媒体層の前記一時領域を一時的に結合するために適用される、請求項５または６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の接着剤は、接着剤を適用した複数の前記物品媒体層を所定の温度より高い温度に加熱した際に、溶解して前記物品媒体層の一時領域の間の界面から流出するように構成される、請求項５〜７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記粘着性接着剤は、（ｉ）単一の固体ワックス、（ｉｉ）蜜蝋を含む単一の固体ワックス、（ｉｉｉ）脱イオン水中のワックス粒子のマイクロエマルション、（ｉｖ）脱イオン水中のワックス粒子のマイクロエマルションであり、前記ワックスがパラフィンワックス、蜜蝋、またはカルナウバワックスを含む、マイクロエマルション、（ｖ）ステアリン酸、（ｖｉ）ｐＨが１０〜１１の間である接着剤、
のうちの１つ以上を含む、請求項５〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２の接着剤は、前記物品媒体層の恒久領域を永続的に相互に接合するための結合性接着剤を含む、請求項５〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記結合性接着剤は、（ｉ）脱イオン水中のエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）共重合体接着剤のエマルション粒子からなるマイクロエマルション、（ｉｉ）脱イオン水中の５％のＥＶＡ固形分、（ｉｉｉ）１．６６ｍＰａ秒の粘度、（ｉｖ）５３．６５ｍＮ／ｍの表面張力、
の１つ以上を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１および第２の接着剤の各々は、（ｉ）５０ｍＰａ秒未満の粘度、（ｉｉ）１〜１０ｍＰａ秒の範囲の粘度、（ｉｉｉ）３４ｍＮ／ｍよりも大きな表面張力、
の１つ以上を有する、請求項５〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
積層造形システムにおいて複数の個々の物品媒体層を結合して三次元物品を形成する方法であって、各物品媒体層は、一時領域と恒久領域とを含み、前記方法は、
複数の物品媒体層の各々の前記一時領域に第１の付着性接着剤を適用し、
前記複数の物品媒体層の各々の前記恒久領域に第２の結合性接着剤を適用し、
前記物品媒体層を互いの上に配置して前記物品を形成し、
前記物品媒体層を所定の温度以上に加熱し、前記第１の接着剤を溶解させ、冷却して再固化し、一時結合領域を形成し、
前記物品媒体層を前記付着性接着剤の融点より高い温度に加熱し、毛管作用により、層間の前記結合領域から前記付着性接着剤を移動させ、
前記物品から前記一時領域を分離することを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、薄膜積層法または積層造形（ＬＯＭ）に関し、特に装置に関し、および、特に、積層造形のための粘着性および結合性接着システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラピッドプロトタイピング（敏速試作）とは、材料の除去または削除に依拠する従来の加工法ではなく、材料の付加により物品を製造することのできる、コンピュータ制御された付加式の製造と定義される。「ラピッド（敏速）」なる用語は、相対的な用語であるが、完成した三次元の物品の構築に、使用する方法ならびにモデルの寸法よび複雑さに応じて、数時間から数日を要する、当業において特別な意味を有する用語であることは理解されるであろう。ラピッドプロトタイピングの一般的分野において使用される公知の方法が多数ある。積層造形法は、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）の一形態であり、接着剤をコーティングした紙、プラスチック、または金属の薄板を連続して積層した後、連続して貼り合わせ、ナイフまたはレーザカッターを用いて切断して成形するものである。
【０００３】
複数の媒体物品層を形成した後、輪郭形成および層結合処理が行われる。複数の層を一緒に結合し、その後、印刷した媒体の堆積物から不要な支持材料を除去し、３Ｄ印刷物とすることを含む、輪郭形成または淘汰処理を行う。
【０００４】
ＬＯＭラピッドプロトタイピングでは、当初、２つのＬＯＭ物品領域が存在する。すなわち、ＬＯＭ物品は、層を一緒に結合して最終的な３Ｄ物品を構成する恒久領域と、後に「淘汰」され、最終３Ｄ物品から分離除去される一時領域とを含む。典型的なＬＯＭの製造において、接着剤は、ロール上の媒体に予め適用される。図１は、接着剤をロール１上の媒体に予め適用した、従来のＬＯＭ組立工程を示す図である。接着剤は、加熱されたローラー２により活性化され、接触している層６の一体的な結合を引き起こす。プリズム４を介してレーザ光３を照射するレーザユニット５は、不要な材料の除去を促進する。
【０００５】
紙系の原料を使用する既存のＬＯＭシステムでは、紙はロールの形態で提供される。紙のロールには、接着剤を予め下側に設けていてもよい。この場合、接着剤を熱および／または圧力によって活性化し、前の層への結合を形成してもよい。代替的な試みでは、材料をロールから引き出しつつ、接着剤を材料の下側に適用してもよい。しかし、ロール材料の使用に関連する多くの欠点がある。例えば、装置は、専用に製造された材料ロールのみで動作可能であることが多く、入手がコスト高となり、および／または、交換が困難となり得る。また、原料ロールの日常の使用に関しても欠点もある。例えば、ロールは、予め接着剤が適用されているために、送り機構内で動かなくなったり、詰まったりする場合がある。これとともに、不要な材料は、形成された部分と同じ接着力で互いに接着しているために、不要な材料を除去することは非常に困難となり得る。このため、物品を解放するために鑿または他の鋭利な道具が必要とあることが多いので、廃棄物の除去「淘汰」中に、形成した部分を破損する場合がある。
【０００６】
特許文献１では、接着剤の充填された凹部を有するホイールを用いることにより、接着剤を媒体に適用し、その後に、これを基材に接触させ、制御された量の接着剤を基材上の離れた点に転写する。このシステムは、ＬＯＭ組立体の恒久結合領域にはより高い糊ドット印刷密度を、一時指示領域にはより低密度のドットをデジタル適用することができる。
【０００７】
紙層の間に接着剤を適用する他の方法は、シートの作業域全体を被覆することと、シートの特定の位置に置いた場合に、その位置の接着を防ぐ物質を用いることを含むが、上記のように、前者は、完成した部分の後処理中に不要な材料を除去する場合に、非常に困難を生じさせる。この技術は、最初にシート全体を被覆しているので、効果的に接着剤を廃棄することに関する欠点を有する。
【０００８】
さらに、現在のＬＯＭシステムは、溶媒系であり、水溶性でない接着剤を用いることが多く、したがって、例えば、廃棄の点で環境問題が存在することに留意されたい。しかし、含水量の高い水系接着剤は、紙の反りや歪み等のさらなる問題を生じさせ、このことはＬＯＭシステムへの適用を害するために、かかる溶媒系接着剤がこれまでＬＯＭに使用されてきた。
【０００９】
したがって、ＬＯＭシステムにおける不要な材料の結合および除去に関連して、対処が必要な問題が多数ある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／００９４４４１号明細書
【発明の開示】
【００１１】
したがって、本教示は、請求項１に詳述するような、接着剤の分配装置を提供する。
【００１２】
他の態様によれば、請求項１０に記載のような、物品の物品媒体層の異なる領域に対して、第１および第２の接着剤を適用するＬＯＭシステムが提供される。また、請求項３１に従う結合モジュールも提供する。また、請求項３７に従う、コレータを備えるＬＯＭシステムを提供する。また、請求項４０に従う方法を提供する。また、請求項４６に従う接着剤を提供する。有利な特徴は、従属請求項で提供される。
【００１３】
接着剤は、接着剤が適用された層の一時的な結合を提供するための粘着性接着剤を含む。
【００１４】
接着剤分配装置が、接着剤を複数の物品媒体層に適用して三次元（３Ｄ）物品を形成する積層造形（ＬＯＭ）システムに用いられる。物品媒体層の各々は、一時領域および恒久領域を含み、装置は、物品媒体層の一時領域に第１の接着剤を適用し、物品媒体層の恒久領域に第２の結合性接着剤を適用するよう構成されている。
【００１５】
ある構成では、デバイスは、１つ以上のプリントヘッドを備える。１つ以上のプリントヘッドを、第１および第２の接着剤を同時に一緒に印刷するように構成してもよい。あるいは、装置は、単一のプリントヘッドを備えることができる。単数または複数のプリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドを備えることができる。装置は、３Ｄ物品媒体層から離して接着剤を適用するように構成することができる。プリントヘッドの各々は、接着剤を印刷する際に物品媒体層の幅にわたって走査するように構成されているプリントヘッドキャリッジを備えることができる。プリントヘッドの各々は、ページ幅のアレイプリントヘッドを備える。装置は、物品媒体層上の特定の位置に、所定量の第１の接着剤および第２の接着剤を印刷するように構成することができる。
【００１６】
別の構成では、三次元（３Ｄ）物品を形成するための積層造形（ＬＯＭ）システムであって、物品の物品媒体層に接着剤を適用する接着剤分配装置を備え、物品媒体層の各々は一時領域および恒久領域を含み、接着剤分配装置は、物品媒体層の異なる領域に第１および第２の接着剤を適用するように構成されている、システムが提供される。
【００１７】
一構成では、第１の接着剤は、一時的な粘着性接着剤であり、接着剤分配装置は、物品媒体層の一時領域に第１の接着剤を適用するように構成される。第２の接着剤は、永続的な結合性接着剤とすることができ、接着剤分配装置は、物品媒体層の恒久領域に第２の接着剤を適用するように構成される。
【００１８】
第１の接着剤を、結合および輪郭形成中に、物品媒体層の一時領域を一時的に結合するために適用することができる。第１の接着剤は、接着剤を適用した複数の物品媒体層を所定の温度より高い温度に加熱した際に、溶解して物品媒体層の一時領域の間の界面から流出するように構成することができる。
【００１９】
別の構成によれば、接着剤が適用された層の一時的な結合を提供するための粘着性接着剤を含む接着剤が提供される。
【００２０】
ＬＯＭシステムまたは接着剤の一構成では、粘着性接着剤は、単一の固体ワックスを含む。任意選択で、ワックスは、蜜蝋を含む。任意選択で、粘着性接着剤は、脱イオン水中のワックス粒子からなるマイクロエマルションを含む。任意選択で、ワックスは、パラフィンワックス、蜜蝋またはカルナウバワックスを含む。任意選択で、粘着性接着剤は、ステアリン酸をさらに含む。任意選択で、粘着性接着剤は、ｐＨが１０〜１１の間である。任意選択で、粘着性接着剤は、剥離可能および／または非活性化可能および／または取り外し可能に構成された一時的な接着剤である。
【００２１】
一態様では、第２の接着剤は、物品媒体層の恒久領域を永続的に相互に接合するための結合性接着剤を含む。任意選択で、結合性接着剤は、脱イオン水中のエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）共重合体接着剤のエマルション粒子からなるマイクロエマルションを含む。結合性接着剤は、脱イオン水中に約５％のＥＶＡ固形分を含むことができる。結合性接着剤は、約１．６６ｍＰａ秒の粘度を有する。任意選択で、結合用接着剤は、約５３．６５ｍＮ／ｍの表面張力を有する。
【００２２】
一構成では、第１および第２の接着剤の各々は、５０ｍＰａ秒未満の粘度を有する。あるいは、第１および第２の接着剤の各々は、１〜１０ｍＰａ秒の範囲の粘度を有する。第１および第２の接着剤の各々は、３４ｍＮ／ｍよりも大きな表面張力を有することができる。第１および第２の接着剤は、インクジェット印刷されるように構成することができる。
【００２３】
別の態様によれば、積層造形（ＬＯＭ）システムにおいて、複数の個々の物品媒体層を結合して三次元（３Ｄ）物品を形成するための結合モジュールを提供する。各物品媒体層は、第１の接着剤が適用される一時領域と、第２の接着剤が適用される恒久領域を含み、結合モジュールは、接着剤の適用された複数の物品媒体層を加熱するための加熱要素を含む。
【００２４】
加熱要素は、接着剤の適用された複数の物品媒体層を所定の温度より高い温度に加熱し、第１の接着剤を溶解させて一時領域の間の界面から流出させ、かつ、第２の接着剤により結合領域を永続的に互いに結合させるよう構成することができる。結合モジュールは、複数の物品媒体層を積み重ねるための構築台を含むことができ、構築台は、物品媒体層を加熱要素に接触させるように移動可能に構成される。加熱素子は、加熱板を備えることができる。所定の温度は８０℃以上とすることができる。
【００２５】
結合モジュールは、本明細書に従う接着剤分配装置を備えることができる。
【００２６】
他の態様によれば、複数の個々の印刷された媒体層を組み立て、三次元（３Ｄ）物品を形成する積層造形（ＬＯＭ）システムを提供する。このシステムは、複数の個々の印刷された媒体層を組み立てて３Ｄ物品を形成するよう構成されたコレータを備え、コレータは、請求項１〜９のいずれかに記載の接着剤分配装置と、請求項３１〜３６のいずれかに記載の結合モジュールとを備える。
【００２７】
システムは、丁合に先立って複数の物品媒体層の各々を印刷するためのインク印刷モジュールを備えることができる。コレータは、複数の媒体層の個々の輪郭形成を行うよう構成された輪郭形成モジュールを備えることができる。
【００２８】
別の態様によれば、積層造形（ＬＯＭ）システムにおいて、複数の個々の物品媒体層を結合して三次元（３Ｄ）物品を形成する方法を提供する。各物品媒体層は、一時領域と恒久領域とを含み、この方法は、複数の物品媒体層の各々の一時領域に第１の付着性接着剤を適用し、複数の物品媒体層の各々の恒久領域に第２の結合性接着剤を適用し、物品媒体層を互いの上に配置して物品を形成し、物品媒体層を所定の温度以上に加熱し、第１の接着剤を溶解させ、冷却して再固化し、一時結合領域を形成し、物品媒体層を粘着性接着剤の融点より高い温度に加熱し、毛管作用により、層間結合領域から粘着性接着剤を移動させ、ＬＯＭ物品から一時領域を分離することを含む。
【００２９】
この方法は、物品媒体層を所定の温度より高い温度に加熱し、第２の結合性接着剤により恒久領域を永続的に結合させ、完成したＬＯＭ物品を形成することを含むことができる。この方法は、第１の接着剤に使用されるワックスの融点より高い温度に物品媒体層を加熱すること含むことができる。この方法は、８０℃より高い温度に物品媒体層を加熱し、粘着性接着剤が移動するのに十分な時間を保証する期間にわたり温度をこの水準に保持することを含むことができる。
【００３０】
第１の接着剤の加熱は、物品媒体層の一時領域の剥離につながる、第１の接着剤の毛管流動を引き起こすことができる。物品媒体層は、紙のシートを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】接着剤がロール上の媒体に予め適用されており、加熱されたローラーにより接着剤が活性化され、接触している層を一緒に結合される従来のＬＯＭ組立工程を示す図である。
【図２】ＬＯＭ物品の媒体層中の粘着性および結合性接着剤領域を示す図である。
【図３】本発明の教示に従う積層造形（ＬＯＭ）システムのブロック図である。
【図４】本教示の実施形態に従うコレータモジュールのブロック図である。
【図５】インクまたは接着剤を印刷する際に、物品媒体層の幅にわたり走査するよう構成されている典型的なプリントヘッドキャリッジを示す図である。
【図６】ページ幅アレイプリントヘッドを示す。
【図７】本教示の実施形態に従う、積層造形（ＬＯＭ）システムにおいて、複数の個々の物品媒体層を結合して、三次元（３Ｄ）物品を形成する工程を示すフローチャートである。
【図８】紙に印刷された、水中ワックスマイクロエマルションの写真画像である。
【図９】紙に印刷された、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）マイクロエマルションの写真画像である
【図１０】結合および熱ラミネートした後に、２層を分離しようとした後の、結合した領域の紙不良の例の写真画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
ここで図面を参照しつつ、本出願を説明する。本明細書で用いる「備える」「含む」という用語は、述べられた特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するためであるが、１種以上の他の特徴、整数、ステップ、構成要素またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除するものではない。
【００３３】
まず、図２〜４を参照し、三次元（３Ｄ）物品を形成するための積層造形（ＬＯＭ）システムが提供される。このシステムは、接着剤分配装置５６０を備える。
【００３４】
図２は、ＬＯＭ物品の物品媒体層１００中の粘着性および結合性接着剤領域を示す図である。図２を参照し、ＬＯＭ物品１０００の物品媒体層１００は、種々の領域、すなわち、三次元物品１０００の形成工程において、除去または淘汰される領域である一時領域１０５と、積層および結合されて最終的な三次元物品１０００を形成する恒久領域１１０とを含む。
【００３５】
本明細書では、２種類の接着剤４００が、ＬＯＭ物品を形成する工程で使用するために提供される。第１の接着剤４０５は、一時領域１０５（淘汰される領域）を仮止めするために適用され、第２の接着剤４１０は、複数の３Ｄ物品媒体層の恒久領域１１０を結合するための恒久領域１１０に適用される。
【００３６】
図２〜４を参照し、システムおよび接着剤分配装置は、接着剤を物品媒体層１００に適用するよう構成されており、第１の接着剤４０５を物品媒体層１００の一時領域１０５に適用し、第２の接着剤４１０を物品媒体層１００の恒久領域１１０に適用することを含む。
【００３７】
第１の接着剤４０５は、三次元（３Ｄ）物品を形成するための積層造形（ＬＯＭ）システムにおいて、複数の物品媒体層１００の一時領域１０５を一時的に結合し、または、仮止めするために提供される。第１の接着剤４０５は、適用されると、媒体層１００の結合を提供する。第１の接着剤４０５は、室温およびシステム装置の動作温度を含む温度範囲での結合を提供する。第１の接着剤４０５は、通常の室内圧力または大気圧または作動圧力での結合を提供する。第１の接着剤は、粘着性接着剤４０５である。物品の一時領域の淘汰は、一時的または仮止め接着剤を使用することによって促進および容易化される。粘着性接着剤は、一時的な結合を提供するように構成される。必要に応じて、粘着性接着剤は、接着剤として不活性となり、および／または結合を解除し、および／または除去されるように構成される。一時領域１０５が一緒に結合していることがもはや必要ない場合に、粘着性接着剤は、不活性化可能となり、および／または剥離可能となり、および／または除去可能となる。粘着性接着剤４０５は、不活性化され、または非活性であり、または剥離され、または除去された場合に、一時領域の結合をもはや提供しない。粘着性接着剤４０５は、組み立てる物体の一時領域１０５を淘汰するステップで、非活性となり、または除去可能となる。
【００３８】
本明細書の実施形態に従う好ましい例の構成では、粘着性接着剤４０５は、所定の温度より高い熱を加えると、非活性化または除去されるように構成される。粘着性接着剤４０５は、接着剤４０５が適用された複数の物品媒体層１００に熱を加えると、溶解し、媒体層１００の一時領域１０５の間の界面から流出するように構成される。粘着性接着剤４０５は、接着剤を印刷した複数の物品媒体層が所定の温度以上に加熱された場合に、溶解し、物品媒体層の一時領域の間の界面から流れ出るよう構成される。
【００３９】
熱の適用または他の最小限のことを用いて粘着性接着剤の不活性化または除去を行うが、他の代替的な構成を用いることもできることは理解されるであろう。例えば、接着剤４０５は、低温の適用または所定の圧力の適用で不活性化するように構成されてもよい。あるいは、別の適当な不活性化法を提供することもできる。
【００４０】
本明細書によれば、第２の接着剤は、複数の物品媒体層１００の結合領域１１０を永続的に結合するために提供される。第２の接着剤は、結合性または永久結合性接着剤である。所定の温度以上の熱が加えられた場合に、第２の永久結合性接着剤を用いて一緒に結合されていうる結合領域１１０は、結合されたままである。一つの構成において、第２の永続的結合性接着剤は、粘着性接着剤の結合を解除するための熱の適用による影響を受けない。別の構成では、第２の接着剤の結合を、熱の適用により増強することができる。結合は、所定の温度以上の熱を加えると、より強くすることができる。
【００４１】
図３を参照し、システムは、ＬＯＭシステムにおいて、３Ｄ物品を形成するために、複数の個々の物品媒体層を結合するための層結合モジュール５５０を含む。各物品媒体層は、第１の粘着性接着剤４０５が適用された一時領域１０５と、第２の結合性接着剤４１０が適用された恒久領域１１０とを含む。
【００４２】
図４を参照し、層結合モジュール５５０は、複数の印刷された物品媒体層１００を加熱するための加熱要素５５５を具えることができる。
【００４３】
図２、図３および図４を参照しつつ、複数の個々の印刷された物品媒体層１００を組み立てて三次元（３Ｄ）物品を形成するための積層造形（ＬＯＭ）システムの動作を説明する。このシステムは、複数の個々の印刷された媒体層を組み立てるよう構成されたコレータを含み、コレータは、接着剤分配装置および結合モジュールを含む。ＬＯＭシステムは、丁合いの前に、複数の物品媒体層１００を印刷するためのインクプリンタ等の印刷モジュールを更に備えることができる。図３は、本教示の実施形態に従う積層造形（ＬＯＭ）システム５００のブロック図である。
【００４４】
図３では、紙送り機構５１０を介して、紙等の媒体を印刷部５２０に供給することができる。印刷モジュール５２０内で媒体にインク等を印刷することができる。その後、コレータ内で複数の物品媒体層１００の輪郭形成および結合を行い、色付きの３Ｄ物品１０００を完成させる。
【００４５】
図４は、本教示の実施形態に従うコレータモジュール５３０のブロック図である。図４を参照し、コレータモジュール５３０は、それぞれ個々の輪郭形成モジュール５４０および層結合モジュール５５０を含むことができる。層結合モジュール５５０は、本教示に従う接着剤分配装置５６０と、接着剤を印刷した複数の物品媒体層１００を加熱するための加熱素子５５５を備えることができる。接着剤分配装置５６０は、インクジェット式分配装置とすることができる。
【００４６】
本発明の教示の範囲内で、個々の媒体層１００は、異なる物理的要素または実体と考えることができる。このように、それらを個別に採取し配置するか、またはシステム内で搬送することができる。ＬＯＭシステム５００は、複数の媒体層１００を印刷するよう構成された印刷モジュール５１０と、複数の個々の媒体層１００を組み立てて３Ｄ物品１００を形成するよう構成されたコレータモジュール５３０を備えることができる。個々の媒体層１００の各々を、個々にまたは独立して印刷することができる。コレータモジュール５３０は、個々の３Ｄ物品媒体層を切断し、個々の層を一緒に結合して、完成した３Ｄ物品１０００を形成する輪郭形成および層結合モジュール５４０および５５０を備えることができる。
【００４７】
印刷モジュール５２０は、コレータ５３０とは別の処理モジュール内に設けることもできるし、一体とすることもできる。
【００４８】
コレータモジュール５３０は、複数の媒体層１００の個々を結合するように構成された層結合モジュール５５０を含むことができる。層結合モジュール５５０を、接着剤４００を用いて層１００を一緒に結合するように構成することができる。接着剤は、本発明の教示による接着剤分配装置５６０を用いて分配される。また、コレータモジュール５３０は、複数の媒体層１００の個々の輪郭形成を行い、３Ｄ物品１０００内の所望の３Ｄ形状を達成するよう構成された輪郭形成モジュール５４０も備えることができる。輪郭形成モジュール５４０および層結合モジュール５５０を、コレータモジュール５３０内の単一の輪郭形成および層結合モジュールに統合することができる。
【００４９】
印刷モジュール５２０は、大容量の入力トレイおよび出力トレイを有しており、両面ユニットを標準装備しているオフィスプリンタとすることができる。また、印刷モジュール５２０をコレータモジュール５３０に統合し、印刷処理が輪郭形成および結合処理の直前に行われるようにすることができる。印刷モジュール５２０は、カラー印刷モジュールとすることができる。また、印刷モジュール５２０を接着剤分配装置５６０と同じプリンタとし、カラーインクと接着剤インクが、それぞれが独自の専用の印刷チャネルとインク供給路を用いて分配されるようにすることができる。しかし、印刷モジュールおよび接着剤分配装置は、別々の印刷装置であることが好ましい。
【００５０】
本明細書は、結合および輪郭形成を行うシステムおよび方法、特に、複数の物品媒体層１００の個々を互いに結合する結合方法を提供する。上述のように、ＬＯＭラピッドプロトタイピングでは、当初、ＬＯＭ物品の２つの領域が存在する。すなわち、ＬＯＭ物品は、複数の層が一緒に結合されて最終的な３Ｄ物品１０００を形成する恒久結合領域１１０と、一時粘着性領域１０５とを備える。その後、粘着性領域１０５は「淘汰」され、最終的な３Ｄ物品１０００から分離および除去される。本教示は、物品媒体層１００の各々の一時領域１０５および恒久領域１１０に適用されるべき異なる接着剤を提供する。
【００５１】
２つの異なる種類の接着剤４００は、粘着性接着剤４０５と結合性接着剤４１０を含む。粘着性接着剤４０５の目的は、積層または切断工程中に、一時的に複数の層１００を一緒に結合または粘着し、切断工程の動作が切断している層を邪魔する、すなわち、切断中に切断層が持ち上がったり裂けたりするのを防ぐことである。ＬＯＭプロセスが完了すると、粘着性接着剤４０５を後続の工程により除去することができるが、これについては後述する。一時領域１０５は、図３において符号「１」で示される。
【００５２】
結合性接着剤４１０の目的は、永続的に複数の物品媒体層１００を相互に結合することである。結合は、十分に強く、複数の層１００が、淘汰工程の間、および、３Ｄ物品１０００のその後の取り扱いにおいて、互いに分離しないようにすることが好ましい。恒久領域１１０は、図２において符号「２」で示される。
【００５３】
なお、本明細書のシステムおよび方法は、一時的粘着性接着剤４０５と永続的結合性接着剤４１０の両方を、本教示に従う接着剤分配装置５６０を用いて同時に一緒に印刷可能とする。
【００５４】
接着剤分配装置５６０は、物品媒体層１００上の特定の場所への、特定量の接着剤４０５、４１０の差別的な適用を可能にする制御手段を備えることができる。このことは、特定の場所への接着剤の分配を制御可能とし、これは、少量の接着剤の使用を有利に可能とし、また、接着剤を必要とする場所に特定した接着剤の適用も可能とする。
【００５５】
この点において、接着剤分配装置５６０は、物品媒体層１００上の特定の位置１０５、１１０に粘着性接着剤４０５および結合性接着剤４１０を印刷するように構成された接着剤プリンタを備えることができる。接着剤分配装置５６０を、特定の制御された量の接着剤を標的位置１０５および１１０へ適用または印刷するよう構成することができる。その量は調整可能とすることができる。
【００５６】
上述のように、本教示は、ラピッドプロトタイピングのための積層造形（ＬＯＭ）システムに用いる接着剤分配装置を提供する。図４を参照し、本教示に従う接着剤分配装置５６０をコレータモジュール５３０に含むことができる。接着剤分配装置５６０は、３Ｄ物品媒体層１００への接着剤の適用のために設けられる。装置５６０は、３Ｄ物品媒体層１００の一時領域１０５を仮止めするための第１の接着剤４０５と、３Ｄ物品媒体層１００の恒久領域１１０を結合するための第２の接着剤を適用するよう構成される。接着剤分配装置５６０は、１つ以上のインクジェットプリントヘッドを備えることができる。好ましくは、装置は、同時に２つ以上の流体を印刷する能力を備えた単一のプリントヘッドを備える。プリントヘッドは、物品媒体層１００と接触せず、基板上に１つ以上の接着剤層を迅速に堆積させるような速度で前後に走査することができる。プリントヘッドは、接着剤を分配する際に、物品媒体層１００の幅にわたって走査するよう構成されたプリントヘッドキャリッジを備えることができる。代替的に、プリントヘッドはページ幅のアレイプリントヘッドを備えることができる。図５は、インクまたは接着剤を印刷する際に、物品媒体層１００の幅にわたって走査するよう構成された典型的なプリントヘッドキャリッジ６００を示す。図５を参照し、プリントヘッドキャリッジ６００を、第１の粘着性接着剤６０５および第２の結合用接着剤６１０を分配するよう構成することができる。図６は、第１の粘着性接着剤６０５および第２の結合性接着剤６１０を分配するよう構成することもできるページ幅のアレイプリントヘッド７００を示す。
【００５７】
仮止めと結合の両方に使用される接着剤４０５、４１０は、好ましくは、インクジェット印刷に適合するような配合とすることが好ましい。接着剤の粘度が一般に５０ｍＰａ秒未満であり、好ましくは１〜１０ｍＰａ秒の範囲であるよう接着剤を構成することができる。接着剤が物品媒体層の多孔性表面を浸透し、表面で結合に利用可能な接着剤が少なくならないように、接着剤の表面張力が３４Ｎ／ｍ超であることが好ましい。表面張力の好ましい範囲は、３４〜５０ｍＮ／ｍの範囲内である。
【００５８】
本明細書に従う粘着性接着剤の異なる処方を提供することができることは理解されるであろう。
【００５９】
粘着性接着剤４０５は、以下を含む問題点および特徴を考慮して処方されている。
・融点以上に加熱された際に液体となるように接着剤を処方することができる。
・接着剤の粘度を十分に低くし、インクジェット印刷できるようにすることができる。
・接着剤は、ワックスを含むことができる。
・ワックスは、所望の後処理温度に応じて選択することができる。
・接着剤は、マイクロエマルションを含むことができる。
・接着剤は、脱イオン水中のワックス粒子からなるマイクロエマルションを含むことができる。
・接着剤は、さらに、ステアリン酸を含むことができる。
・粘着性接着剤は、さらにグリコールを含むことができる。
・セルロース系紙の上に堆積された場合に、接着剤は、比較的高い表面張力を有することができる。
・接着剤は、印刷に適する。
・接着剤は、インクジェットプリントヘッドを使用して印刷するのに適する。
【００６０】
本明細書の実施形態の好ましい例示的な構成によれば、以下のものを含む、異なる種類の粘着性接着剤を用いることができる。すなわち、
ａ）１００％固形ワックス製剤
粘着性接着剤は、蜜蝋等の単一の固体ワックスを含むことができる。融点以上に加熱された場合に、液体となり、インクジェット印刷を可能するのに十分なほどに粘度が低くなるように、ワックスを処方することができる。
ｂ）水中のワックス粒子からなるマイクロエマルション
粘着性接着剤は、代替的に、脱イオン水中のワックス粒子からなるマイクロエマルションを含むことができる。インク温度を上げる必要がないため、この処方は、実施がより簡単となり得る。マイクロエマルションを形成するために、１００ｇの脱イオン水を９０℃に加熱し、これに６０ｇの固体ワックスのフレークを添加することができる。次いで、高速せん断混合ブレードを用いて混合物を１０，０００ｒｐｍで６０秒間攪拌し、その後、混合物を放冷することができる。ワックスの量は、９０％の水に対して１０％のワックスから、４０％の水に対して６０％のワックスまでの範囲で変える事ができる。缶ワックス顆粒でワックスフレークを置き換えるように、固形ワックスでワックスフレークを置き換えることができる。せん断速度は３０００ｒｐｍから最大で１５，０００ｒｐｍまで調整することができ、混合時間は１０秒から最大で３００秒まで調整することができる。ワックスを、所望の後処理温度に応じて適宜選択することができる。これに関し、ワックスは、パラフィンワックス、蜜蝋、またはカルナウバロウを含んでもよい。これらのワックスの融点を示す表を以下に示す。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
この結果、脱イオン水マトリックス中にワックス粒子のマイクロエマルションが生成される。
【００６３】
マイクロエマルションはステアリン酸をさらに含むことができる。ステアリン酸の添加は、マイクロエマルションのｐＨをｐＨ１０〜１１の間に調整し、これによって、マイクロエマルションを安定化し、ワックス粒子のクリーミング、凝集または沈殿を防止することができる。
【００６４】
粘着性接着剤はグリコールをさらに含むことができる。グリコールの添加の効果は、接着剤を分配するために使用されるプリントヘッドを長時間にわたって蓋をしないままにすることができることである。また、グリコールは、プリントヘッド内の粘着性接着剤の性能を向上させる。つまり、接着剤が乾燥せずに長期間にわたってプリントヘッドノズル内に残留することができる。
【００６５】
カルナバワックスのエマルションのインクジェット印刷可能な特性を測定する実験を行った。エマルションの粘度は４．７６ｍＰａ秒であり、表面張力は３５．４２ｍＮ／ｍであった。結果として得られるワックスマイクロエマルション接着剤は、セルロース系紙の上に堆積された場合、比較的高い表面張力を有しており、約７０℃の接触角を示した。図８は、紙の形態の物品媒体層上に印刷された水中のワックスのマイクロエマルションの写真画像である。
【００６６】
上記のように、ワックスのマイクロエマルションは、紙媒体にわたって印刷ヘッドを走査することによって２つのインク流体経路を有するように設計された従来のインクジェットプリンタを用いて印刷することができる。ワックスのマイクロエマルションを物品媒体層の上に堆積させ、球状の液滴として保持させることができる。水は直ちにマイクロエマルション液滴から蒸発を開始し、ワックス粒子は融合を開始し、直径が約５０ミクロンで高さが約２０ミクロン（初期滴下量２８ピコリットルを基準とする）の小さな円板を形成する。
【００６７】
結合性接着剤配合物は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）共重合体接着剤エマルションを脱イオン水で希釈することにより得ることができる。比率は、水９部に対し接着剤１部とすることができる。次いで、混合物を十分に撹拌することができる。これにより、水中ＥＶＡ粒子のマイクロエマルションとなり、水中に約５％のＥＶＡ固形分をもたらす。この溶液の粘度を測定したところ、１．６６ｍＰａ秒であり、表面張力を測定したところ、５３．６５ｍＮ／ｍであった。したがって、得られたマイクロエマルションは、高い表面張力を有し、セルロース系紙に印刷した場合に約８０°の濡れ角を示した。多種のかかる水中ワックスのマイクロエマルションが実験室で調整されており、表面張力の値は３４．５ｍＮ／ｍ〜７２ｍＮ／ｍの範囲である。表面張力の値を高くするために、流体の保持背圧を低くし、流体の吐出を補助する必要がある場合がある。６５℃〜９０℃の範囲の種々の濡れ角を作成した。図９は、紙に印刷されたＥＶＡマイクロエマルションの写真画像である。
【００６８】
図７は、本教示の一実施形態に従う、複数の個々の物品媒体層を結合し、層状物品製造（ＬＯＭ）システム内で３次元（３Ｄ）物品を形成する方法または処理８００を示すフローチャートである。前述のように、インク等で予め印刷することのできる複数の物品媒体層１００は、それぞれが粘着性領域または一時領域１０５と結合領域１１０を備える。図７を参照し、粘着性接着剤４０５および結合性接着剤４１０が、それぞれ物品媒体層ｎの一時領域１０５および恒久領域１１０に適用される。接着剤は、前述のインクジェット印刷接着剤分配装置５６０を用いて適用することができる。物品媒体層１００は、互いの上に配置される（８２０）。物品媒体層１００は、各層に接着剤を適用すると、互いの上に配置することができる。このようにして、物品媒体層１００を、接着剤を予め適用した物品媒体層１００の上に配置することができる。例えば、ステップ８２０に示すように、物品媒体層ｎ＋１を、粘着性および結合性適用層の上に配置することができる。次いで、部分的に完成したＬＯＭビルドスタックを、加熱したプレートで押圧し、最後に適用した層を下の層と密着させる。加熱により粘着性接着剤の一部が溶け、流動して上下の媒体層の間の中間層として保持される。接着された層と８０°Ｃに加熱した表面との接触を２秒間保持すると、粘着性接着剤６０５中のワックスの一部を溶解させ流動させることができる。熱源から層を除去すると、ワックスは再固化し、二つの層の間で粘着性を形成することができる。結合性接着剤層は、はるかに強い結合力を生成する。実験から、結合性接着剤層が引き離されると、接着剤の結合が機能しなくなる前に、結合領域内の紙繊維が引き裂かれる、すなわち、紙自体が破損することが分かった。図１０は、結合および熱ラミネートした後に、２つの物品媒体層を分離しようと試みた後の、結合領域の紙の破損の写真画像である。ステップ８４０の後の組み立てシーケンスが完了すると、ＬＯＭスタック全体を、粘着性接着剤の融点より５℃〜３０℃高い温度の加熱炉内に配置する。ステップ８５０を参照し、ＬＯＭスタックを加熱炉内で熱に晒し、熱がＬＯＭスタックを完全に貫通するようにさせる。この時間の長さは、適用した粘着性接着剤の量、使用した接着剤の水分含量、ＬＯＭスタックの高さ、および加熱温度を含む多数の変数に依存する。しかし、一般的に、加熱時間は、小さなスタック物品でわずか１０分、大きなスタック物品でも１時間とすることができる。
【００６９】
加熱時間の延長は、粘着性接着剤が溶解し、粘着性領域から実質的に流出し、毛管作用によって結合する物体から離れて移動することを引き起こす。粘着層の接着力はこのようにして放出され、粘着性領域の媒体はこのように容易に分離され、物品の多少なりともの自己淘汰を容易に引き起こす。このようにして、物品媒体層１００の一時領域１０５は互いに接着せず、続いて行われる分離または淘汰処理を容易にする。最後に、結合した恒久領域１１０を備える完成したＬＯＭ物品を、粘着／解放された一時領域１０５から分離８４０する。
【００７０】
ＬＯＭスタックの内部コアと外部環境が均一な温度を達成するようにＬＯＭ層スタックを約９０℃の温度に保持することで、恒久結合性接着領域１１０が強化されるとともに、水が高温でさらに損失する傾向となる。
【００７１】
一方、第１の粘着性接着剤４０５は、溶解して低粘度の液体になり、毛管作用によって印刷領域から離れて移動する。第１の粘着性接着剤４０５は、一般的に、既に恒久結合性接着剤４１０によって占有されている永続的な結合領域１１０から離れる方向に移動することができる。
【００７２】
その結果、粘着性領域１０５内の層１００は、全ての構造的完全性を失い、自動に分離し、または自己淘汰して永続的に結合した物体１０００から分離する傾向となる。
【００７３】
複数の個々の物品媒体層を結合して、積層造形（ＬＯＭ）システムにおいて三次元（３Ｄ）物品を形成する方法は、
複数の物品媒体層の各々の一時領域に第１の粘着性接着剤を適用し、
複数の物品媒体層の各々の恒久領域に第２の結合性接着剤を適用し、
物品媒体層を互いの上に配置して物品を形成し、
物品媒体層を所定の温度以上に加熱し、第１の接着剤を溶解させ、冷却して再固化し、一時的な結合領域を形成し、
物品媒体層を粘着性接着剤の融点以上に加熱し、毛管作用によって粘着性接着剤を層間結合領域から離れて移動させ、
ＬＯＭ物品から一時領域を分離することを含む。
【００７４】
所定の温度以上に物品媒体層を加熱することで、第２の結合性接着剤が恒久領域を永続的に結合して、完成したＬＯＭ物品を形成する。
【００７５】
熱を適用して、物品媒体層を第１の接着剤に使用されるワックスの融点より高い温度に加熱する。本明細書に従う好ましい構成において、加熱工程は、８０℃より高い温度に物品媒体層を加熱することを含む。第１の接着剤の加熱は、第１の接着剤の毛細管流動を引き起こし、物品媒体層の一時領域の剥離を引き起こす。本明細書の一実施形態に従う好ましい構成では、第１の接着剤は一時的な接着剤であり、物品媒体層は複数枚の紙を含み、加熱は、第１の一時的接着剤の毛細管流動を引き起こし、紙の剥離を引き起こす。
【００７６】
媒体、物品媒体層、および層なる用語は、互換的に使用されている。これらの用語は、３Ｄ製造プロセスで用いられる基板を指す。本願の好適な構成では、これは、紙またはセルロース紙である。しかし、他の媒体タイプを用いることができ、かつ、ポリマーフィルム、金属箔、セラミック粉末含浸紙シート、金属粉末含浸シート、ポリマー粉末含浸シート、水溶性紙、ワックス等から製造された基材を含むことができることが理解されるであろう。
【００７７】
本教示は、永続的に結合したＬＯＭ物品から一時的な支持材料を除去する問題を克服する。これは、ＬＯＭ層スタック全体が粘着性接着剤の融点より高い温度に加熱された場合に、構築した物品の一時領域または一時的な支持層を解放するように構成されている一時的な接着剤を使用することによって達成される。これにより、粘着性接着剤が流動し、一時的な支持層の界面を離れる。本教示は、一時的な支持構造を引き裂き、ＬＯＭ物品を露出させるために力を使う必要を有利に排除する。さらに、本教示の結合モジュールは、支持材料からＬＯＭ物品を分離するために必要なプロセスを迅速化するように有利に構成される。また、本教示は、ＬＯＭ物品材料の淘汰または不注意による除去の間に、ＬＯＭ物品に損傷を与える可能性を低減する。
【００７８】
いくつかの例示的な構成を参照しつつ本発明を説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく改変を行うことができることから、本発明の教示をかかる構成に限定することを意図するものでないことは理解されるであろう。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲に照らして必要とみなされるようにのみ限定されることは理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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