(57)【要約】【課題】平坦な構造面から硬化材料層を破壊することなしに分離するための装置および方法を特定する。【解決手段】面と材料層との間に配置されかつ膜またはゲルのような材料の形で設計される可撓性の弾性分離層（１）によって、基準として働く平坦な面（２）上で硬化された材料層（４）を分離するための装置および方法が提供される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面と材料層との間に配置される可撓性の弾性分離層によって、基準として働く平坦な面上で硬化される材料層を分離するための装置であって、
ゲルのような弾性材料の形の弾性分離層が面に直接適用されることを特徴とする、材料層を分離するための装置。
【請求項２】
面に対するゲルのような層の付着は、硬化材料層に対するゲルのような層の付着よりも数倍大きいことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ゲルのような分離層は、硬化材料の剥離プロセスが行なわれゲルのような分離層が完全な引き離しの後に緩んで元の状態に戻るまで、分離プロセスの間中、弾性変形されることを特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
ゲルのような分離層の側の構造面は横方向でフレームによって規定され、材料のための一種の保持深皿が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
横フレームは分離層と同じゲルのような材料から形成されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
フレームおよび底板からなる保持深皿はゲルのような分離層とともに、交換可能なユニットを形成することを特徴とする、請求項２から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
面と材料層との間に配置される可撓性の弾性分離層によって、基準として働く平坦な面上で硬化される材料層を分離するための装置であって、
弾性分離層は高弾性膜の形で設計され、分離プロセスの間、基準面で伸ばされることを特徴とする、材料層を分離するための装置。
【請求項８】
膜は２つの対向するローラに取付けられ、反対方向へのローラの回転によって伸ばされ得ることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ローラはフレーム内で保持され、取付けられた膜とともに液体フォトポリマーのための一種の保持深皿を形成することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
フレーム、ローラ、および取付けられた膜からなる保持深皿は交換可能なユニットを形成することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
基準面は透明な板として設計され、分離層も透明であることを特徴とする、請求項１および７のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
面と材料層との間に配置されかつ膜の形で設計される可撓性の弾性分離層（１）によって、基準として働く平坦な面（２）上で硬化される材料層（４）を分離するための方法であって、請求項１から１１のいずれかに記載の装置が用いられる、材料層を分離するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、平坦な構造面から硬化材料層を破壊することなしに分離するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「光硬化性」フォトポリマーから層状に３次元物体を生成することに関して、様々に異なった方法が１９９３年のマーシャル  バーンズ（Marshall Burns）による「自動製造−製造における生産性の向上（“Automated Fabrication-Improving Productivity in Manufacturing”）」と題された文献（ＩＳＢＮ  ０−１３−１１９４６２−３）で提供されている。
【０００３】
これらの方法では３つの態様が説明され、透明な基準面、いわゆる「接触ウィンドウ」上で、生成されるべき層を接触ウィンドウを通して選択的に露光し、重合／硬化する。３つの態様は図１（ａ）から（ｃ）で示される。図では、１０はコンテナを示し、２０はコンテナ内の液体重合性材料を、３０は形成されるべき物体を、４０は断面画像を投影するためのマスク製造装置を備える光源を、５０は接触ウィンドウを、６０は物体のためのキャリアプラットホームを、７０は物体のためのサポートを示す。
【０００４】
この発明において以下で説明される方法は、実用新案ＤＥ−Ｕ−９３  １９４０５．６「フォト硬化の原理で３次元物体（モデル）を生成するための装置（“Apparatus for manufacturing a three-dimensional object（model）on the principle of photohardening”）」で記載されている方法のさらなる展開である。
【０００５】
接触ウィンドウ／基準面から硬化材料層を分離することができるように、米国特許第５，１７１，４９０号（エフレム  Ｖ．フューディム（Efrem V. Fudim））およびＤＥ  ４１  ２５  ５３４  Ａ１（ＥＯＳ  ＧｍｂＨ、エレクトロオプティカルシステムズ（Electro Optical Systems））では、可撓性プラスチックの薄膜によって層を分離するための解決策が記載されている。
【特許文献１】実用新案ＤＥ−Ｕ−９３  １９４０５．６
【特許文献２】米国特許第５，１７１，４９０号
【特許文献３】ＤＥ  ４１  ２５  ５３４  Ａ１
【非特許文献１】ＩＳＢＮ  ０−１３−１１９４６２−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザまたは異なった形状の表面構造のマスクを用いて、放射源に対向する透明な基準面のある側面を直接、選択的に露光すると、この基準面に直接接触する樹脂が重合する。表面構造に関して異なって構成される層を透明な基準面から以下のようになるように分離することにおいて問題がある。すなわち、層が前に生成された層にずっと付いたままの状態で、かつ結果として得られる層と既に生成された物体の一部とが分離力によって変形または破壊もしくは引き裂かれることなく、さらには層状に生成された物体が最終的に生成プロセスの間中ずっとキャリア板に付いた状態となるように、層を分離することにおいて問題がある。
【０００７】
上述の特許で提案される分離膜の使用により、いわゆる剥離効果が用いられる。つまり、膜が分離プロセスによって正しく硬化ポリマー層から剥離し、結果として、力ベクトルの分解のために分離力がＺ方向に減じられる。
【０００８】
膜が透明な基準面からの分離層として働き、かつ生成されるべき物体のみが基準面から分離のために移動させられるならば、その分離路は実際に生成されるべき後続の層の厚みよりもずっと大きくなる。なぜならば、分離プロセスの間に膜に弾性張力ができ、そのために実際の剥離プロセスに必要なだけの分離力が作られなければならないからである。この移動または分離プロセスのために、各々の場合において構造層の重合時間に加えなければならない余分な時間がかかることとなり、この余分な時間を加えたものが本質的に生成プロセスの生成時間のトータルとなる。さらに、膜が永久的に塑性変形し、折り目／波形がつけられ、平坦な表面がもはや形成されなくなるという危険性がある。ここでは、透明な基準面で重合される層表面に応じて、物体または硬化層と透明な基準面との間の付着力を克服するべきである。表面構造は通常不均一であるため、適用される付着力も不均一に分配される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の目的は、
ａ）  硬化表面区域と、
ｂ）  硬化層の表面構造の形成と、
ｃ）  用いられる硬化材料とは無関係に、
透明な基準面から硬化層を容易に分離することを可能にし、現在硬化されている層が既に生成された層構造とともにその元の形を保ち、分離のための移動で必要とされる経路が最小になり、それゆえに各層の生成時間が減じられ、同時にプロセスが長期にわたって安定するような、分離層および／または分離方法のための解決案を提供することである。
【００１０】
この目的は、請求項１または１０に従った特徴をそれぞれ備える装置または方法によって達成される。この発明の展開は従属請求項で提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
さらなる特徴および適合性は、図による実際的な例の説明から明らかである。
分離層として、弾性でかつ透明／半透明の材料を用いる。この方法での分離層は、
Ａ）  分離層が透明な底板に接合されないように、透明な膜の形で材料と底板との間に配置され得る（図２）。
Ｂ）  直接のコーティングとして透明な底板に適用され得るため、弾性分離層（たとえば、シリコーン）が底板上に形成される。
Ａ）：分離層としての膜
底板とフォトポリマーとの間に配置される（透明な）膜が分離層として選択される（図３）。
【００１２】
膜は底板に付着せず、したがって底板とともに中実の非変形性ユニットを形成しないため、分離プロセスの間に膜を弾性変形させることもでき、いわゆる「剥離」または「引き剥がし」プロセスが硬化層で行われる。分離層の弾性変形または引き剥がしプロセスのために、分離力ベクトルの変位／ベクトル分解が起こり、分離プロセスが実質的に容易になる（図４および図５参照）。このプロセスは、膜と底板との間のギャップに分圧または真空を与えることによってさらに補強され得る。このプロセスはまた、硬化層を後続の層の厚みの分だけ構造面から移動しさえすればよいという利点を有する。
【００１３】
膜の材料は、分離プロセスのために選択され得るか、または用いられるフォトポリマーに応じて最適化され得る。
【００１４】
さらなる「付着防止」効果と、アクリル酸エステル系（acrylate systems）を用いてのラジカル重合のわずかな抑制とは、たとえばＦＥＰ膜、ＰＴＦＥ膜、またはＰＦＡ膜を用
いることによってさらにもたらされ得る。
【００１５】
損傷または磨耗の際には、膜を問題なく交換することができる。
装置の維持または洗浄をさらにうまく行うために、同じまたは異なる材料から作られるさらなるフレームとともに膜を一種の「深皿」へと構成することもでき（図６参照）、これは、残った材料（フォトポリマー）とともに、硬化された形で容易に除去され、処理され得る。
【００１６】
高弾性材料の膜、たとえばラテックスまたはシリコーンゴムを用いると、分離プロセスのために剪断効果がさらに用いられ得る。この効果は、分離プロセスの間に基準面の膜を伸ばすことによってもたらされる。剥離効果と剪断効果との組合せによって、分離が容易になり、分離路は次の層の厚みの距離分だけに抑えられる。
【００１７】
図６の構成はフォト硬化(photohardening)による高速原型法のための装置を示し、（たとえばガラスから作られる）透明な底板とそれに取付けられた同様に透明な膜とを備える深皿に液体材料（光硬化性プラスチック）が入れられる。膜はこの場合、底板と膜との間のギャップが保証されるように、フレームと底板との間の、深皿の縁領域に取付けられる。これによって、膜が伸ばされた状態で底板に付着することが妨げられ、膜と底板との間のギャップに対する空気の流入と流出とが可能になる。
【００１８】
深皿の上方にはキャリア板が位置付けられる。これを線状ユニットによって垂直方向に上げ、底板にまで下げることもできる。
【００１９】
第１の層に対しては、（たとえば、マルチメディア投影器またはレーザによって）選択的に露光されるフォトポリマーの硬化によってキャリア板の下部への強固な接合が保証されるような材料の深さまで、キャリア板を沈める。
【００２０】
硬化層を備えるキャリア板を上げるとき、硬化材料層と膜との間の分離のための力ベクトルが十分に大きな水平成分（ＦTrenn XY）を示すと、膜は一種の剥離／引き剥がしプロセスによって硬化材料層の下部から離れる（図３から図５）。
【００２１】
水平力成分（ＦTrenn XY）は以下のような事実によってもたらされる。すなわち、物体を上げるとき、取付けられたフレームと硬化材料層に付着する領域との間の膜が弾性変形し、または伸びて、材料層と相対的に変動する膜の取付角αによって力が与えられる方向も垂直からはずれる、という事実から水平力成分がもたらされる。
【００２２】
この場合、膜が硬化面から完全に分離し、後の緩みによってその元の状態へと戻ることができるような程度にまでキャリア板を上げなければならない。
【００２３】
分離プロセスの間に膜と硬化層との間にできつつあるＶ字形状のギャップへと、硬化されるべき後続の層のための新たな液体材料が自動的に入り込む。
【００２４】
底板への膜の付着を妨げ、空気の供給を確実にし、したがって膜が面／底板に吸着されることを妨げるための代替の形は、計画的に作られる表面の粗さによって、または、
ａ）  ミクロ／ナノ構造による膜の下部の構成（図７（ａ））、または
ｂ）  たとえばガラス表面を僅かにエッチングすることによる、または好適に粗いコーティング（ＩＴＯコーティング）を行うことによる、膜に面した底板の側面の構成（図７（ｂ））によって、置換えられ得る。
【００２５】
膜が、たとえば生来の十分な剛性を有する場合、または膜が好適に伸ばされている場合
、ある特定の状況下では透明な基準板を完全に省くこともできる。
【００２６】
さらなる実施例では、板と膜との間に液状媒体またはガス媒体で満たされた平坦なチャンバが形成されるように、膜および透明な基準板を配置する。分圧をチャンバに与えて分離／剥離プロセスを速めることもでき、分離プロセスの際、物体と共にキャリア板の上げ／下げを最小に、つまり後続の層の厚みの分だけにまで減じることもできる。
【００２７】
物体を次の層の厚みにまで上げたときに分圧または真空が与えられる。これは、剥離プロセスが始まるまでの間、膜の弾性変形を引き起こし、かつ付着硬化面の輪郭の外側にある縁領域での膜の取付け角αを大きくするためである。
【００２８】
膜が硬化層から完全に離れて緩むまで、分圧または真空が与えられる。
連続動作での膜の塑性変形およびクリープの問題を避けるために、分離プロセスの間に伸ばされる高弾性の膜が用いられ得る。この目的のために、たとえば２つの対向するローラ上に膜を取付け（図８参照）、両端で「巻続けること」によってそれを伸ばし、後続の「巻出し」によって元の状態に戻す。結果として得られる反対方向への膜の均一な伸びによって、膜の厚みは一時的にテーパを持ち、さらなる剪断力ができる。
【００２９】
フレームで保持されるローラ間に膜を取付けることは、液体フォトポリマーが入れられる深皿を形成するようなものであり得る（図８参照）。
【００３０】
膜の代替物は、フォトポリマーに面するガラス板に光透過性シリコーン層を適用することによって提供される。分離プロセスの間、フォトポリマーに面するシリコーン層は原則として膜のように挙動する。つまり、シリコーン層全体で弾性変形が起こり、シリコーン層の内部応力が剥離されている硬化材料層に付着するシリコーン層の領域にもたらされる。
【００３１】
底板（ガラス板）に対するシリコーン層の優れた付着が保証されること、またはシリコーン層と底板との間の付着がシリコーン層と硬化材料との間の付着よりも数倍大きいことがここでは重要である。
【００３２】
同じシリコーン材料からのフレームに窪みを作ることによって、液体フォトポリマーを保持するための深皿も形成される（図９参照）。
【００３３】
膜またはシリコーンに関して上で説明される方法は上述の構成に限定されていない。これらの用途は、図１（ａ）から図１（ｃ）で示される態様から、および実用新案ＤＥ−Ｕ−９３  １９  ４０５．６「フォト硬化の原理で３次元物体（モデル）を生成するための装置（“Apparatus for manufacturing a three-dimensional object (model) on the principle of photohardening”）」での構成からも、考えられ得る。
【００３４】
なお、本発明の装置は、面と材料層との間に配置されかつ膜の形で設計される可撓性の弾性分離層（１）によって、基準として働く平坦な面（２）上で硬化される材料層（４）を分離するための装置であって、膜（１）は面（２）に付着せず、ガス媒体または液状媒体が膜と面との間に流れ込み得ることを特徴とする、材料層を分離するための装置であってもよい。また、媒体の供給と除去とは、面の表面のある特定の表面粗さに応じて保証されてもよい。また、媒体の供給と除去とは、面に対向している膜の側面のミクロ構造化に応じて保証されてもよい。また、装置は、分圧または真空が与えられ得る平坦なチャンバが面と膜との間に形成されてもよい。また、装置は、分圧または真空は膜が硬化層から完全に離れて緩むまでチャンバに与えられ、分圧または真空を与えることによって膜が弾性変形されて分離／剥離プロセスが速められ、剥離プロセスが始まるまで、付着硬化面の
輪郭の外側にある縁領域での膜の取付け角αを増大させてもよい。また、装置は、分圧または真空を与えることによって、分離プロセスの際に物体と共にキャリア板の上げ／下げが最小に、つまり後続の層の厚みよりも少ないものにまたはそれに等しいものにまで減じられ得るものであってもよい。また、膜はフレームに取付けられ、フレームとの組合せによってユニットを形成し材料のための保持深皿として働くものであってもよい。また、フレームおよび膜からなる保持深皿は交換可能なユニットを形成してもよい。膜は可撓性の薄いガラスの形で用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（ａ）から（ｄ）は先行技術の状態を示す図である。
【図２】分離層１を上に備える透明な底板２、液体フォトポリマー３、および物体５を示す図である。
【図３】分離層１が透明な膜として設計され底板とフォトポリマーとの間に配置される、図２の構成を示す図である。
【図４】既に凝固された層４を分離層から引き離す動作を示す図である。
【図５】既に凝固された層４を分離層から引き離す動作を示す図である。
【図６】重合トラフを形成するように窪みが作られる分離層１とｚ方向に移動可能な物体サポート７とを備える、フォト硬化による高速原型法のための装置の概略図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、底板２に対する膜または分離層１の付着が防がれることを示す概略図である。
【図８】回転可能なように取付けられたローラ８に弾性膜または分離層１を取付けることを示す概略図である。
【図９】重合トラフを形成するように窪みが作られる分離層１の概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  弾性分離層、２  平坦な面、４  材料層。
【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１】
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