(57)【要約】【課題】三次元物体を作成する固体自由成形（ＳＦＦ）システムを提供する。【解決手段】固体自由成形システム１０は、アルギン酸塩系粉末を供給し、少なくとも１つの結合剤を供給し、構造プラットフォーム上にアルギン酸塩系粉末と結合剤を計量供給してアルギン酸塩系材料の層を形成する。これにより、構造プラットフォーム上にアルギン酸塩系材料から柔軟三次元物体を形成する【選択図】      図１
2005132110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルギン酸塩系粉末を供給するステップと、
少なくとも１つの結合剤を供給するステップと、
構造プラットフォーム上に前記アルギン酸塩系粉末と前記結合剤を計量供給してアルギン酸塩系材料層を形成するステップと、
前記構造プラットフォーム上に前記アルギン酸塩系材料から柔軟三次元物体を形成するステップと、
を有することを特徴とする構造物の製造方法。
【請求項２】
前記アルギン酸塩系粉末が、少なくとも１つのアルギン酸塩化合物と、少なくとも１つの充填剤及び少なくとも１つの多価カチオンの中から選択された少なくとも１つの構成材料と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記構造プラットフォーム上に前記アルギン酸塩系粉末と前記結合剤を別々に計量供給するステップをさらに含み、前記構造プラットフォーム上の前記アルギン酸塩系粉末と前記結合剤が混ざって前記アルギン酸塩系材料の層を形成することを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記アルギン酸塩化合物が、アルギン酸とその誘導体、アルギン酸ナトリウムとその誘導体、アルギン酸カリウムとその誘導体、アルギン酸マグネシウムとその誘導体、アルギン酸カルシウムとその誘導体、およびこれらの組み合わせの中から選択されることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項５】
前記アルギン酸塩系粉末が、遅延剤、湿潤剤、粘度調整剤、界面活性剤、着色剤、保水添加剤、繊維、およびこれらの組み合わせの中から選択される構成材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項６】
前記結合剤が、遅延剤、湿潤剤、粘度調整剤、界面活性剤、繊維、着色剤、保水添加剤、およびこれらの組み合わせの中から選択される構成材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記アルギン酸塩化合物が前記アルギン酸塩系粉末の重量で約１０％〜９５％であり、前記充填剤が前記アルギン酸塩系粉末の重量で約５％〜９０％であり、前記多価カチオンが前記アルギン酸塩系粉末の重量で約０．０１％〜５０％であることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項８】
アルギン酸塩系粉末と結合剤を含むアルギン酸塩系材料を含む計量供給システムを備え、前記計量供給システムがアルギン酸塩系材料を計量供給するように構成されることを特徴とする三次元物体を作成するための固体自由成形システム。
【請求項９】
前記計量供給システムが粉末散布システムを含むことを特徴とする請求項８に記載の固体自由成形システム。
【請求項１０】
前記計量供給システムを制御するように機能するコンピュータ制御システムをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の固体自由成形システム。
【請求項１１】
コンピュータ援用設計システムをさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の固体自由成形システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルギン酸塩系材料から三次元物体を形成する固体自由成形システム及びその成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体自由成形（ＳＦＦ：ｓｏｌｉｄ  ｆｒｅｅｆｏｒｍ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）または積層製造（ＬＭ：ｌａｙｅｒ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）は、あらかじめ形成されたツール（金型または鋳型）を使用せずに任意の複雑な形状の物体を１層ずつまたは１箇所ずつ構築する製造技術である。この方法は、最初に、所望の物体の形状を表す計算機援用設計（ＣＡＤ）ファイルを作成することから始まる。ＳＦＦ技術は、ＣＡＤ画像データを三次元物体に直接変換することを可能にする。ＳＦＦ技術は、ＣＡＤデータベースの検証、設計実現性の評価、部分的機能の試験、美観の評価、人間工学的設計の確認、工具および固定具設計の支援、概念モデルおよび販売／マーケティングツールの作成、インベストメント鋳造法のパターン形成、製造の設計変更の削減と除去、小量生産の実現などの用途に使用することができる。
【０００３】
ＳＦＦ技術は、構造成分を追加または付着させて層の所定の領域を実質的に１箇所ずつ形成することを含む。そのような所定の領域が共に、ＣＡＤの立体図形によって定義される三次元物体の薄片を構成する。次に、連続する層が所定の順序で付着され、層がその隣の層に付着されて一つの多層３次元物体が形成される。
【０００４】
粉末／結合剤ＳＦＦシステムでは、最初に粉末の薄い層を広げ、次に結合剤を計量供給して特性の領域内の粉末を接着して所望の層パターンを作成する。このプロセスは、すべての層が印刷されるまで繰り返される。結合剤は、層内と層間の粉末を接合する。印刷が完了した後で、未結合の粉末が除去され、所望の形状の三次元物体が残る。
【発明の開示】
【０００５】
簡潔に説明すると、この開示の実施形態は、三次元物体を作成する固体自由成形（ＳＦＦ）システムおよび方法を含む。１つの例示的なＳＦＦシステムは、例えば、アルギン酸塩系粉末と結合剤を含むアルギン酸塩系材料を含む計量供給システムを含む。この計量供給システムは、アルギン酸塩系材料を計量供給するように構成されている。
【０００６】
また、三次元物体を作成する方法を提供する。１つの例示的な方法は、例えば、アルギン酸塩系粉末を供給するステップと、少なくとも１つの結合剤を供給するステップと、構造プラットフォーム上にアルギン酸塩系粉末と結合剤を計量供給してアルギン酸塩系材料の層を形成するステップと、構造プラットフォーム上にアルギン酸塩系材料から柔軟三次元物体を形成するステップとを含む。
【０００７】
添付図面を参照して本発明の多数の態様をより良く理解することができる。図面の構成要素は、必ずしも実寸大ではない。さらに、図面において、いくつかの図にわたって、同じ参照数字は対応する部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
アルギン酸塩系材料、その付着方法、およびアルギン酸塩系材料を使用するシステムを提供する。詳細には、実施形態は、固体自由成形（ＳＦＦ）システムおよび方法による柔軟三次元物体の製造におけるアルギン酸塩系材料の使用に関する。用語「柔軟三次元物体」は、一定の体積および形状を特定の用途に適切した程度に十分に維持できる硬さの弾性物体を指す。
【０００９】
アルギン酸塩系材料は、アルギン酸塩系粉末と少なくとも１つの結合剤を含むがこれらに限定さない。アルギン酸塩系粉末は、１つまたは複数のアルギン酸塩化合物、１つまたは複数の充填剤、および１つまたは複数の多価カチオンを含むがこれらに限定さない。さらに、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤はそれぞれ、遅延剤、湿潤剤、粘度調整剤、界面活性剤、繊維、着色剤、分散剤、酸化防止剤、保水添加剤、溶剤などの追加の成分を含むことができるこれらに限定されない。
【００１０】
アルギン酸塩系材料から形成された柔軟三次元物体は弾性を有する。一般的に、弾性は、アルギン酸塩化合物を使用して柔軟三次元物体を作成することによる成果である。この材料を使用することによって、何も後処理を必要とせずに柔軟部品を直接印刷することができる。柔軟部品は、例えば封止、曲げ、捻りなどの機能を必要とする用途に必要とされる。そのような用途において、剛性部品は、必要とされる機能を満たすことができない。
【００１１】
図１は、コンピュータ制御システム１２と計量供給システム１４を含むがこれらに限定さない代表的なＳＦＦシステム１０のブロック図を示す。さらに、ＳＦＦシステム１０は、必要に応じて、従来の（例えば、サーマル、赤外線）加熱装置、位置決めシステム、および構造プラットフォーム温度制御システムを含むことができる。コンピュータ制御システム１２は、計量供給システム１４、位置決めシステム、および構造プラットフォーム温度制御システムを制御するように構成されたプロセス制御システムを含む。さらに、コンピュータ制御システム１２は、計算機援用設計（ＣＡＤ）システム１６や他のＳＳＦ  ＣＡＤ関連システムを含むがこれらに限定されない。
【００１２】
計量供給システム１４は、例えば、従来の粉末散布技術、従来のインクジェット技術、および従来の流体被覆技術を含む。アルギン酸塩系材料の構成材料は、これらの技術のうちの１つまたは複数を使用して、繰り返しかつ／または同時に計量供給することができる。
【００１３】
１つの実施形態において、アルギン酸塩系粉末は、従来の粉末散布技術を使用して計量供給される。粉末散布システムは、「供給容器」から「構築容器」に均一に所定の層厚さの粉末を平らに散布する機構を含む。用語「供給容器」は、１層ずつ散布される粉末を収容する方法を含むものである。用語「構造容器」は、物体を構築する領域を含むものである。一般に、粉末散布システムは、供給容器を持ち上げ、使用可能な粉末を回転ローラで構築容器内に散布することによって動作する。また、もう１つの実施形態において、アルギン酸塩系粉末は、インクジェット技術を使用して、スラリーとして計量供給されることに注意されたい（米国特許第６，５９６，２２４号参照）。
【００１４】
ドロップ・オン・デマンドや連続フロー・インクジェット技術などのインクジェット技術を使用して、構造プラットフォーム上に化学合成物を計量供給することができる。計量供給システム１４は、１つまたは複数の化学合成物を複数のインクジェット印字ヘッド・ディスペンサのうちの１つまたは複数から計量供給（例えば、噴射）するように構成された少なくとも１つの従来のインクジェット印字ヘッド（例えば、サーマル・インクジェット印字ヘッドおよび／またはピエゾ・インクジェット印字ヘッド）を含むことができる。さらに、インクジェット印字ヘッドは、化学合成物を保持することができかつインクジェット印字ヘッド・ディスペンサに流体的に結合された複数のインクジェット区分室（例えば、構成材料を収容するタンクまたは溜め）を含むことができる。インクジェット印字ヘッド・ディスペンサを加熱して、粘着性化学合成物の計量供給を支援することができる。例えば、インクジェット印字ヘッド・ディスペンサは、約２００℃まで加熱され、７０〜１２０℃の範囲で加熱されることが好ましい。
【００１５】
１つの実施形態において、計量供給システム１４は、アルギン酸塩系材料の構成材料（例えば、結合剤、着色剤、溶剤）のための個別のインクジェット印字ヘッドを含む。例えば、２つのインクジェット印字ヘッドを有するＳＦＦシステム１０では、１つのインクジェット印字ヘッドは結合剤を保持し、１つのインクジェット印字ヘッドは着色剤を保持する。
【００１６】
ＳＦＦシステム１０は、繰り返し積層プロセスにおいて三次元物体を作成または構成するために使用されるプロセスに組み込むことができる。コンピュータ制御システム１２は、ディスペンサ・システム１４からの出力を制御するように選択的に調整可能であり、繰り返しプロセスの各層の各構成材料の厚さとパターンを制御する。
【００１７】
例えば、アルギン酸塩系粉末と結合剤は、構造プラットフォーム上に様々なパターンで計量供給される。パターンは、アルギン酸塩系粉末と結合剤の交互の層、アルギン酸塩系粉末と結合剤の交互にずれたチェッカー盤状の層、アルギン酸塩系粉末と結合剤の交互に並列の帯の形を取ることができるが、これらに限定されない。さらに、アルギン酸塩系粉末と結合剤のパターンは、粉末の厚さと結合剤の量（例えば、液滴）によって異なることがある。この点において、アルギン酸塩系粉末と結合剤の適切な間隔を達成するために、構造プラットフォーム２０を横切る複数回の通過（例えば、走査）を行うことができる。
【００１８】
一般に、各通過における散布されるアルギン酸塩系粉末の量は、約１０ミクロン〜１０００ミクロン、狭い範囲では約１０ミクロン〜２００ミクロン、さらに狭い範囲では約２０ミクロン〜５０ミクロンとすることができる。しかしながら、散布される粉末の望ましい量は、例えば、微粒子のサイズ、必要な分解能、所望の表面仕上げなどのいくつかの要因に依存する。
【００１９】
一般的に、インクジェット技術を使用して計量供給される構成材料の量は、約０．１ピコリットル〜５００ピコリットル、狭い範囲では約１ピコリットル〜１００ピコリットル、より狭い範囲では約５ピコリットル〜３５ピコリットルである。しかしながら、これらの構成材料の望ましい射出量は、例えば、構成成分の濃度と化学的特性、構成材料の温度、所望の分解能（例えば、６００滴／１インチ）、および印字ヘッド加熱チャンバの設計などのいくつかの要因に依存する。
【００２０】
図２は、ＳＦＦシステム１０を使用して物体を形成する代表的な方法２０を示す流れ図である。ブロック２２に示すように、アルギン酸塩系粉末と結合剤が供給される。ブロック２４に示したように、アルギン酸塩系粉末と結合剤は、構造プラットフォーム上に１層ずつ計量供給される。例えば、最初にアルギン酸塩系粉末が、構造プラットフォーム上に散布され、次に、コンピュータ・システム１２によって制御された通りに、結合剤がアルギン酸塩系粉末の一部分に計量供給される。アルギン酸塩系粉末と結合剤が混ざり、アルギン酸塩系材料層を形成する。アルギン酸塩化合物は、結合剤と相互作用したとき、多価カチオンと交差結合してアルギン酸塩ヒドロゲルになる。ブロック２６に示したように、アルギン酸塩系粉末と結合剤の複数の層が構造プラットフォーム上に計量供給された後、柔軟三次元物体が形成される。
【００２１】
前述のように、アルギン酸塩系材料は、アルギン酸塩系粉末と少なくとも１つの結合剤を含む。アルギン酸塩系粉末はアルギン酸塩系材料の約２０％〜９５％とし、結合剤はアルギン酸塩系材料の重量で約５％〜８０％とすることができる。より具体的には、アルギン酸塩系粉末はアルギン酸塩系材料の約５０％〜９０％とし、結合剤はアルギン酸塩系材料の重量で約１０％〜５０％とすることができる。
【００２２】
さらに、アルギン酸塩系粉末は、１つまたは複数のアルギン酸塩化合物、１つまたは複数の充填剤、および１つまたは複数の多価カチオンを含む。アルギン酸塩化合物の機能は、膨潤し、次に多価カチオンと交差結合して柔軟三次元物体を１層ずつ形成することである。さらに、交差結合した重合体は、三次元物体に弾性を与える。アルギン酸塩化合物には、例えば、アルギン酸、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸マグネシウム、アルギン酸カルシウム、これらのそれぞれの誘導体、およびこれらのそれぞれの組み合わせが含まれる。さらに、アルギン酸塩化合物は、Ｍ形態（マンヌロン酸）、Ｇ形態（グルロン酸）、およびこれらの組み合わせを含む。アルギン酸塩化合物は、ＧＧ、ＭＭおよびＭＧ共重合体アルギン酸塩のタイプを含む。アルギン酸塩系材料は、アルギン酸塩系材料の重量で２０％〜約９５％、より狭い範囲では約５０％〜約９０％のアルギン酸塩化合物を含む。
【００２３】
充填剤は、少なくとも三次元物体の表面を硬化させ平滑化する働きをする。充填剤には、例えば、セラミックス、ガラス、自然発生物質、その合成誘導体、および重合体充填剤が含まれる。例えば、充填剤は、砂、石英、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、水酸化アルミニウム、窒化物（例えば、窒化ケイ素）、カオリン、滑石、ケイ灰石、長石、雲母、デンプン、デンプン誘導体、セルロース、セルロース誘導体、亜鉛ガラス、ホウ素シリケート・ガラス、ポリカーボネート、ポリエポキシド、ポリエチレン、ポリアクリレート、およびポリメタクリレートが含まれる。アルギン酸塩系材料は、アルギン酸塩系材料の重量で５％〜約９０％、より狭い範囲では約５％〜約５０％の充填剤を含む。
【００２４】
多価カチオンは、アルギン酸塩化合物を少なくとも交差結合する働きをする。多価カチオンには、例えば、金属酸化物、金属塩、およびこれらの組み合わせが含まれる。金属酸化物には、例えば、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム（中性、酸性、塩基性）、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛ならびに酸化亜鉛／酸化マグネシウムなどの焼結したセラミックスが含まれる。金属塩には、例えば、塩化アルミニウム、ステアリン酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、炭酸カルシウム、アスコビル酸カルシウム、ステアリン酸カルシウム、乳酸カルシウム、糖酸カルシウム、リン酸水素カルシウム、塩化カルシウム、水酸化カルシウム、リン酸カルシウム、酢酸カルシウム、ヒドロキシアパタイト、硝酸カルシウム、フルオロホウ酸カルシウム、塩化亜鉛、ステアリン酸亜鉛、酢酸亜鉛、グルコン酸亜鉛、硫酸亜鉛、硝酸亜鉛、硝酸バリウム、硝酸ストロンチウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、塩化鉄、硝酸鉄、硫酸鉄、ならびにマグネシウム、カルシウム、バリウム、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、クロム、バナジウムの水酸化物が含まれる。アルギン酸塩系材料には、アルギン酸塩系材料の重量で０．０１％〜約５０％、より狭い範囲では約０．５％〜約３０％の多価カチオンを含む。
【００２５】
結合剤は、少なくともアルギン酸塩粉末を膨潤し、それにより、ヒドロゲル形成プロセスが促進される。結合剤には、例えば、水などの膨潤剤が含まれる。前述のように、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤には、例えば、遅延剤、湿潤剤、粘度調整剤、界面活性剤、繊維、着色剤（例えば、染料、顔料、インク）、分散剤、酸化防止剤、保水添加物（例えば、アクリルアミドとその塩類、アクリル酸塩重合体および共重合体）、および溶剤などの追加の構成材料が含まれ、さらに、柔軟三次元物体は、例えば、高分子被覆などの水分損失を少なくする材料で被覆されてもよい。
【００２６】
三次元物体の交差結合、膨潤、１層ずつの接着、靭性、ガラス転移温度の適切なバランスを得るために、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤中にさらに他の構成材料を使用してもよい。さらに、構成材料を使用して、計量供給する前および／または後のアルギン酸塩系粉末および／または結合剤の物理的および／または化学的性質（例えば、粘性、反応性、表面張力、泡形成、および射出チャンバの濡れ）を変化させてもよい。
【００２７】
遅延剤は、少なくとも、多価カチオンを有するアルギン酸塩化合物の硬化を遅くする。遅延剤には、例えば、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、シュウ酸カリウム、シュウ酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、ホウ酸、ホウ砂、マロン酸、イソクエン酸、アミノ酸、クエン酸、サリチル酸、酒石酸、シュウ酸、およびこれらの組み合わせが含まれる。アルギン酸塩系粉末および／または結合剤は、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤の重量で０％〜約２０％、より狭い範囲では約０．０１％〜約２０％の遅延剤を含む。
【００２８】
粘度調整剤は、少なくとも、アルギン酸塩系材料および／または結合剤の粘性を高くしたり低くしたりする働きをする。粘度調整剤には、例えば、二酢酸エチレングリコール、硫酸アルミニウムカリウム、イソプロパノール、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレンモノブチルエーテル、三酢酸グリセリン、アセト酢酸エチル、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸ナトリウム、およびこれらの組み合わせが含まれる。アルギン酸塩系粉末および／または結合剤は、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤の重量で約０．０１％〜約５０％、より狭い範囲では約０．０１％〜約２０％の粘度調整剤を含む。
【００２９】
界面活性剤は、少なくとも、アルギン酸塩系材料および／または結合剤の表面張力を高くしたり低くしたりする働きをする。界面活性剤には、例えば、低分子量（例えば、約３０，０００〜１，０００，０００ｇ／モル）の水溶性酸化エチレン−酸化プロピレンオリゴマーが含まれる。
【００３０】
アルギン酸塩系粉末および／または結合剤は、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤の重量で０．０１％〜約３０％、より狭い範囲では約０．１％〜約２０％の界面活性剤を含む。
【００３１】
アルギン酸塩系粉末および／または結合剤に繊維を加えて、三次元物体の機械的特性（例えば、引っ張り強さと圧縮強さ）を変更しかつ／または改善することができる。繊維には、例えば、ポリマ繊維、セラミック繊維、天然繊維、炭素繊維、ガラス繊維、およびこれらの組み合わせが含まれる。より具体的には、繊維には、例えば、アセテート繊維、木繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、ケイ酸アルミニウム繊維、またこれらの例示的繊維のそれぞれの誘導体が含まれる。アルギン酸塩系粉末および／または結合剤は、アルギン酸塩系粉末および／または結合剤の重量で約０．０１％〜約３０％、より狭い範囲では約１％〜約２０％の繊維を含むことができる。
【００３２】
本明細書において、粘度、温度、比率、濃度、量、および他の数値データが、ある範囲の形式で表されることがあることに注意されたい。そのような範囲の形式は、利便性と簡潔さのために使用されており、したがって、範囲の限度として明示的に示された数値を含むだけでなく、各数値と部分的範囲が明示的に示されているかのように、その範囲に含まれるすべての個別の数値または部分的範囲をも含むように柔軟に解釈されるべきであることを理解されたい。例示すると、「約０．１％〜約５％」の濃度範囲は、約０．１重量％〜約５重量％の明示的に示された濃度だけでなく、示した範囲内の個別の濃度（例えば、１％、２％、３％、および４％）および部分的範囲（例えば、０．５％、１．１％、２．２％、３．３％、および４．４％）も含むように解釈されるべきである。
【００３３】
以上説明した実施形態に対して多くの変形および修正を行うことができる。これらの修正および変形はすべて、本明細書の開示の範囲内に含まれ、添付した特許請求の範囲によって保護されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】固体自由成形（ＳＦＦ）システムの実施形態を示す図である。
【図２】図１に示したＳＦＦシステムを使用して柔軟三次元物体を形成する代表的な実施形態の流れ図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  固体自由成形（ＳＳＦ）システム
１２  コンピュータ制御システム
１４  計量供給システム
１６  コンピュータ援用設計システム
【図１】
2005132110.tif 000003
【図２】
2005132110.tif 000004