(57)【要約】【課題】本発明は、機械的特性の高い３次元物体を短い作業時間で形成する方法と装置を提供しようとするものである。【解決手段】３次元物体の立体造形の方法は、画定された領域内に、反応性ガラスアイオノマー微粒子と、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸を含む架橋可能なポリ酸微粒子とナノコンポジットとを含んだ、微粒子ブレンドを堆積するステップと、所定のエリア内に水和セメントを形成するため、液相結合剤を微粒子ブレンドの所定のエリア上にインクジェットにより吐出するステップと、その水和セメントを硬化させるステップとを備えている。【選択図】図３
2005119302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画定された領域に、反応性ガラスアイオノマー微粒子と、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸を含む架橋可能なポリ酸微粒子と、ナノコンポジットとを含む、微粒子ブレンドを堆積するステップと、
所定のエリアに水和セメントを形成するために、液相結合剤を前記微粒子ブレンドの所定のエリアにインクジェットにより吐出するステップと、
前記水和セメントを硬化させるステップとを含むことを特徴とする、３次元物体の立体造形の方法。
【請求項２】
前記水和セメントを形成しない前記微粒子ブレンドの部分を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の立体造形の方法。
【請求項３】
反応性ガラスアイオノマー微粒子と、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸を含む架橋可能なポリ酸微粒子と、ナノコンポジットとを含む微粒子ブレンドと、
前記微粒子ブレンドを水和し、セメントを形成するように構成された、インクジェットにより吐出可能な水性結合剤とを含むことを特徴とする、３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項４】
前記反応性ガラスアイオノマー微粒子はガラスアイオノマーセメントを含むことを特徴とする請求項３に記載の３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項５】
前記架橋可能なポリ酸微粒子は、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸と、ポリアクリル酸、ポリガラクツロン酸およびポリエチレン−ｃｏ−マレイン酸のうちの１つとを含むことを特徴とする請求項３に記載の３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項６】
前記ナノコンポジットは、ＰＥＯ／クレーナノコンポジット、クロサイト１０Ａ、クロサイト３０Ｂ、クロサイトＮａ＋、親水性ポリマー−シリケートナノコンポジット、ヒドロキシアパタイトナノコンポジットまたは層状複水酸化物（ＬＤＨ）ナノコンポジットのうちの１つを含むことを特徴とする請求項３に記載の３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項７】
前記インクジェットにより吐出可能な水性結合剤を前記微粒子ブレンド上に選択的に吐出するように構成されたインクジェット材料ディスペンサをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項８】
画定された領域において前記微粒子ブレンドを支持するように構成された支持体をさらに備え、前記画定された領域は、前記インクジェットにより吐出可能な水性結合剤が前記インクジェット材料ディスペンサからインクジェットにより吐出される際に、前記微粒子ブレンドと接触するように、前記インクジェット材料ディスペンサに対して構成されることを特徴とする請求項３に記載の３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項９】
前記システムは、前記セメントの各層が少なくとも１つの隣接する層に結合するように、複数のセメント層を被着するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の３次元物体のＳＦＦシステム。
【請求項１０】
互いに接触して堆積される複数のセメント層を含み、前記複数のセメント層の各セメント層は、反応性ガラスアイオノマー微粒子と、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸を含む架橋可能なポリ酸微粒子と、ナノコンポジットとを含む微粒子ブレンドを含み、
前記微粒子ブレンドは、インクジェットにより吐出可能な水性結合剤を用いることにより水和され、硬化されることを特徴とする、固体３次元プトロタイプ組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元物体の造形方法及び装置に関し、特に機械的特性を高め作業時間を短縮する組成物を用いた装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトタイプの３次元構造物あるいは物体を効率的に製造することにより、ある製品を妥当な価格で市場に送り出すための時間を短縮する有効な手段とすることができる。プロトタイプを準備する通常の手法では、金型あるいは押型など特有の型を製作する必要があり、それは時間がかかり、煩わしい工程になることもある。
【０００３】
最近では、コンピュータ化したモデリングがプロトタイプを形成する必要性をある程度まで軽減している。コンピュータモデリングは、迅速に実行することができ、専用の型の製作を必要とすることなく、製品がどのようになるかについて分かりやすく提供することができる。しかしながら、依然として多くの場合に、プロトタイピングのためには現実に物を製作することが好ましい。３次元物体のコンピュータモデリングと物理的な成形を融合して、立体造形と呼ばれる場合がある。
【０００４】
立体造形（ＳＦＦ）は、３次元物体、たとえばプロトタイプ部品、モデル、加工工具、製造部品、型および他の物品が、構造となる材料の層を次々に堆積することにより製造される工程である。一般的に、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を用いて、設計過程は自動化されている。適当なコンピュータを用いるとき、作業者は３次元の物品を設計し、その後、構造材料を選択的に放出する位置決め可能な吐出ヘッドを用いることにより、その物体を生成することができる。ＳＦＦを利用する種々の技法が開発されてきている。
【０００５】
ＳＦＦ物体を形成する従来の方法は、市販の石膏およびバイオポリマーシステムあるいは酸塩基セメントを用いている。石膏およびバイオポリマーシステムは固めるのに多くの時間を要し、最終的な物体の機械的特性が悪い。同様に、酸塩基セメントによる方法は、最終的に製造される物体の割れに対する靭性が小さく、湿気のような環境の変化に影響を受けやすく、結果として、生成されるＳＦＦ物品の細部を良好に形作ることができない傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、機械的強度など機械的特性が改善された３次元物体を短い作業時間で形成する方法と装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
３次元物体の立体造形の方法は、画定された領域内に、反応性ガラスアイオノマー微粒子と、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸を含む架橋可能なポリ酸微粒子とナノコンポジットとを含んだ、微粒子ブレンドを堆積するステップと、所定のエリア内に水和セメントを形成するため、液相結合剤を微粒子ブレンドの所定のエリア上にインクジェットにより吐出するステップと、その水和セメントを硬化させるステップとを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
添付の図面は本発明のシステムおよび方法の種々の実施形態を示しており、本明細書の一部である。示された実施形態は本発明のシステムおよび方法の例示にすぎず、その範囲を制限するものではない。
【０００９】
図面全体を通して、同一の参照番号は、必ずしも同一ではないが、類似の構成要素を示す。
【００１０】
本明細書において、混成有機−無機組成物でＳＦＦ物品を形成するための方法および装置を説明する。具体的には、無機リン酸塩と、アルミノシリケートガラスと、金属酸化物と、層状複水酸化物と、有機モノマーと、ポリ酸と、バイオポリマーと、ポリマー−クレーナノコンポジットとを含むセメント形成有機−無機複合粉末システムが反応性のマトリクス形成結合剤と混合されて、３次元物体が形成される。
【００１１】
本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられる用語「セメント」は、硬化して接着剤として作用する任意の構成材料と広く解釈されることを意図している。同様に、「結合剤」は、個別の粒子を互いに結合させるか、あるいはある表面への接着を容易にするために用いられる任意の材料として幅広く解釈されることを意図している。さらに、用語「支持体」は、任意の構成プラットフォーム、除去可能な材料、あるいは先行して堆積された反応性または粉末材料として解釈されることを意図している。「構成プラットフォーム」は通常、ＳＦＦ装置から堆積された材料を支持する硬質の支持体である。同様に、用語「硬化」は固体３次元物体を形成する物質を硬化あるいは固化する過程を指すことを意図する。
【００１２】
以下の説明では、その説明の目的上、混成有機−無機組成物でＳＦＦ物品を形成する本発明のシステムおよび方法を完全に理解してもらうために、数多くの特定の細かい点が記載されている。しかしながら、これらの特定の細かい点を用いることなく、本発明の方法を実施することができることは当業者には明らかであろう。本明細書において、「１つの実施形態」あるいは「ある実施形態」を参照することは、その実施形態とともに記載されるある特定の特徴部、構造あるいは特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な場所において「１つの実施形態では」という言い回しが見られるが、それは必ずしも全て同じ実施形態を指すわけでない。
［例示的な構造］
図１は、混成有機−無機組成物でＳＦＦ物品を形成する本発明の方法を組み込むことができる立体造形（ＳＦＦ）システム（１００）を示している。図１に示すように、ＳＦＦシステムは製造区画（１１０）と、可動ステージ（１２０）と、複数の制御部および表示部を含む表示パネル（１３０）とを備えることができる。さらに、コンピューティングデバイス（１４０）をＳＦＦシステム（１００）と通信可能に結合することができる。
【００１３】
図１に示される製造区画（１１０）は、支持体上で所望の３次元物体が形成され、かつその形成を容易にするように構成することができる。所望の３次元物体の形成は、粉末を散布するステップと、その粉末内に結合剤を選択的に供給するステップを含むことができる。図１に示されるＳＦＦシステム（１００）は単一で、独立しており、自己完結している立体造形システムとして示されているが、本発明の粉末を基にするＳＦＦシステムおよび方法は、立体造形システムの構造あるいは構成にかかわらず、粉末を基にする方法を利用する任意の立体造形システムに組み込むことができる。
【００１４】
図１に示されるＳＦＦシステム（１００）の可動ステージ（１２０）は、液体結合剤材料を供給するように構成された任意の数のインクジェット材料ディスペンサを備えることができる可動式の材料ディスペンサである。可動ステージ（１２０）は、コンピューティングデバイス（１４０）によって制御することができ、たとえば、シャフトシステム、ベルトシステム、チェーンシステムなどによって制御可能に動かすことができる。可動ステージ（１２０）が動作するとき、表示パネル（１３０）でユーザに動作条件を知らせるとともに、ユーザに対してユーザインターフェースを提供することができる。
【００１５】
所望の３次元物体を形成するとき、コンピューティングデバイス（１４０）は可動ステージ（１２０）を制御可能に位置決めし、ディスペンサ（図示せず）のうちの１つまたは複数を誘導して、製造区画（１１０）内の所定の場所で液体結合剤材料を制御可能に供給し、所望の３次元物体を形成することができる。ＳＦＦシステム（１００）で用いられるインクジェット材料ディスペンサには、限定はしないが、熱作動式インクジェットディスペンサ、機械作動式インクネットディスペンサ、静電作動式インクジェットディスペンサ、磁気作動式インクジェットディスペンサ、圧電作動式インクジェットディスペンサ、連続インクジェットディスペンサなどを含む、本発明を実行するように構成された任意のタイプのインクジェットディスペンサを用いることができる。さらに、インクジェットプリントヘッドディスペンサを加熱して、粘性の化学組成物の供給を助けることができる。図１のＳＦＦ装置をさらに明瞭に示す断面図が図２である。
【００１６】
図２に示すように、コンピューティングデバイス（１４０）はサーボ機構（２００）に通信可能に結合することができる。コンピューティングデバイス（１４０）はサーボ機構（２００）にコマンドを送信し、サーボ機構が可動ステージ（１２０）を選択的に位置決めする。１つまたは複数のインクジェットディスペンサ（２１０）を可動ステージ（１２０）と、複数の材料容器（図示せず）とに結合することができる。一旦サーボ機構（２００）によって位置決めされると、インクジェットディスペンサ（２１０）は、材料容器から供給される反応性マトリクス形成結合剤（２２０）を吐出することができる。材料容器（図示せず）に格納され、供給するためインクジェットディスペンサ（２１０）に供給される液相結合剤（２２０）は、リン酸、フィチン酸、クエン酸、酒石酸、および複合体を形成する特性を有する他の有機ヒドロキシ酸、ならびに染料着色剤、顔料着色剤、ピロリドン、１，５−ヘキサンジオール、低分子量の水溶性エチレン酸化物−プロピレン酸化物オリゴマー、サーフィノール４６５および／または水を含むことができる。液相結合剤（２２０）の利点および反応は、図２〜図４Ｄを参照しながら後に詳細に説明する。
【００１７】
図２は、液相結合剤（２２０）を受け取り、所望の３次元物体が形成されるのを助ける本発明のシステムの構成要素も示す。図２に示すように、ＳＦＦシステム（１００）の製造区画（１１０）は、セメントを形成する有機−無機複合粉末（２４０）が供給される支持体（２６０）を備えることができる。１つの例示的な実施形態によれば、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）は、粉末容器（図示せず）から大量に支持体（２６０）上に供給され、機械式ローラ（２３０）を用いて所望の厚みまで平坦化される。セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）は、用いる粉末サイズに応じ、０．００５ミリメートル〜１ミリメートル以上の厚みに広げることができる。機械式ローラ（２３０）の制御がサーボ機構（２００）によって実行され、支持体（２６０）上にセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）を制御可能に堆積させ、平坦化することができる。支持体上に供給されたセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）は、反応性ガラス粉末とアイオノマー、架橋可能なポリ酸、ｐＨ調整剤、ナノコンポジット、バイオ分子、Ａｌ（３＋）供給源および／またはＺｎ（２＋）供給源のうちのいくつかあるいは全てを含んでいる。セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の成分の組成、相互作用および機能は、図２〜図４Ｄを参照しながら以下にさらに詳細に説明する。
【００１８】
一旦、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の層内に液相結合剤（２２０）が供給されると、液相結合剤（２２０）およびセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の混合物（２５０）が支持体（２６０）で、所望の３次元物体を形作る。図２に示すＳＦＦシステム（１００）を用いたシステムおよび方法を、図３〜図４Ｄを参照しながら以下に詳細に説明する。
［例示的な組成］
図２に示すように、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）を加えながらＳＦＦシステム（１００）を動作させる本発明のシステムおよび方法は、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）と液相結合剤（２２０）との化合を含んでいる。セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）および液相結合剤の例示的な組成を説明する。
【００１９】
先に述べたように、材料容器（図示せず）に格納され、インクジェットディスペンサ（２１０）に供給される液相結合剤（２２０）は、リン酸、フィチン酸、クエン酸あるいは他のヒドロキシ酸、染料着色剤、顔料着色剤、ピロリドン、１，５−ヘキサンジオール、低分子量の水溶性エチレン酸化物−プロピレン酸化物オリゴマー、サーフィノール４６５および／または水を含むことができる。
【００２０】
水に液相結合剤（２２０）の大部分を構成させることができる。水は、その低コスト、反応性、吐出可能性およびセメント形成粉末を湿らせる際の効率の観点から用いられる。
【００２１】
図２に示す液相結合剤（２２０）もインクジェットディスペンサから吐出させることができる。水だけからなる液体結合剤が吐出可能であるが、その吐出は効率的ではない。本発明の液相結合剤（２２０）は水性であるが、反応性の成分が添加されるので、吐出可能性を改善するために、限定はしないが、サーフィノール４６５を含む界面活性剤および粘度調整剤も通常添加される。
【００２２】
生成される３次元物体の反応速度を著しく高め、かつ硬化時間を短縮するシステムのｐＨを低減するために、液相結合剤（２２０）にｐＨ−調整剤溶液も添加することができる。さらに、クエン酸を入れることにより、生成される３次元物体の機械的特性も高められる。生成される３次元物体の機械的特性は、以下に記載されるように、クエン酸がセメント形成有機−無機複合粉末内に存在する多価無機物と相互作用するとき、高められるであろう。本発明の液相結合剤に含まれるｐＨ調整剤は、限定はしないが、リン酸、フィチン酸およびクエン酸あるいは他のヒドロキシ酸を含む。
【００２３】
２−ピロリドンは、同じく液相結合剤（２２０）に含めることができる溶媒である。２−ピロリドンは多くのポリマーおよび他の材料を溶解するのに効率的である。２−ピロリドンは、結合剤内に存在する数多くの水溶性染料の良好な補助溶媒でもある。さらに、２−ピロリドンは、インクジェットノズルが、水が蒸発して目詰まりを起こすのを防ぐために、液相結合剤（２２０）に含めることができる湿潤剤およびキャップ除去剤（de-capping agent）の一例でもある。湿潤剤およびキャップ除去剤の他の例として、限定はしないが、１，５−ヘキサンジオール、二官能価および三官能価のアルコール、低分子量の水溶性エチレン酸化物−プロピレン酸化物オリゴマーが含まれる。低分子量の水溶性エチレン酸化物−プロピレン酸化物オリゴマーは、液相結合剤（２２０）の粘度および湿潤挙動を変更させることができる。
【００２４】
さらに、１つまたは複数の色からなる３次元物体を製造するために、染料着色剤および顔料着色剤を液相結合剤（２２０）に添加することができる。染料着色剤および顔料着色剤には、液相結合剤（２２０）内に均等に分散される単一の色を用いることができ、あるいは個別の材料容器（図示せず）に収容される多数の色を用いることもできる。
【００２５】
図２は、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）も示す。支持体上に供給されるセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）は、反応性ガラスと、架橋可能なポリ酸、ｐＨ調整剤、ナノコンポジット、バイオ分子、Ａｌ（３＋）供給源および／またはＺｎ（２＋）供給源のうちのいくつかを組み合わせもよく、全てを含んでもよい。
【００２６】
図２に示されるセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の主成分は反応性ガラスである。反応性ガラスは、一旦、結合剤材料と接触すると、架橋可能な成分Ｃａ（２＋）およびＡｌ（３＋）を放出する。一旦、反応性ガラスからこれらの架橋成分が放出されると、それらの成分は結合剤／粉末混合物内の酸性基と自由に反応する。一旦、反応性ガラスから放出された架橋成分が酸性基（たとえば以下に記載されるポリ酸）と反応すると、架橋が生じ、所望の３次元物体の形状が固化される。本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に含めることができる反応性ガラスの例としては、限定はしないが、多くの場合フッ化物を含んだ、反応性ガラスあるいはイオンを濾過することができるカルシウムアルミノシリケートを含んでいる。
【００２７】
先に記載したように、本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）には架橋可能なポリ酸も含まれ、反応性ガラスから放出される架橋結合成分と反応する。本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に含めることができる架橋可能なポリ酸は、限定はしないが、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリガラクツロン酸、ポリエチレン−ｃｏ−マレイン酸および他のポリカルボン酸、ならびに他の重合可能な化学種を有する不飽和カルボン酸コポリマーを含むものである。
【００２８】
ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸（ＰＶＰ−ｃｏ−ＰＡＡ）も本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に含まれる。ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸（ＰＶＰ−ｃｏ−ＰＡＡ）は、上記のガラス−アイオノマー網内に架橋される架橋可能なポリ酸である。さらに、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）にＰＶＰ−ｃｏ−ＰＡＡを入れることにより、作業時間、および結果として生成される３次元物体の機械的特性を改善することもできる。
【００２９】
生成される３次元物体の反応速度を著しく高め、かつ硬化時間を短縮するシステムのｐＨを低減するために、セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）にｐＨ調整剤を添加することもできる。さらに、クエン酸を入れることにより、生成される３次元物体の機械的特性も改善されるであろう。生成される３次元物体の機械的特性は、以下に記載されるように、同じくセメント形成有機−無機複合粉末に含まれる、層状複水酸化物（ＬＤＨ）内に存在する多価無機物とクエン酸が相互作用するときに高められるであろう。本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に含まれるｐＨ調整剤は、限定はしないが、酒石酸、クエン酸、グルタミン酸、ジグリコール酸、ＤＬアスパラギン酸、イミノ二酢酸、イタコン酸および／またはＮＨ４Ｈ２ＰＯ４のようなリン酸塩を含む。
【００３０】
限定はしないが、ＰＥＯ／クレーナノコンポジット、サザンクレイ  プロダクツ(Southern Clay Products)社のクロサイト(ｃｌｏｓｉｔｅ)１０Ａ、クロサイト３０Ｂ、クロサイトＮａ＋、親水性ポリマー−シリケートナノコンポジット、ヒドロキシアパタイトおよび／または層状複水酸化物（ＬＤＨ）ナノコンポジットを含むナノコンポジットも、本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に含めることができる。通常のナノコンポジットは、構造的な補強を行い、かつ製造される３次元物体に水分損失が生じ、結果として乾燥したり、あるいは亀裂が生じたりするのを防ぐために、所望の３次元物体において補強剤および水分供給源としての役割を果たす。
【００３１】
層状複水酸化物（ＬＤＨ）コンポジットも本発明のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に含まれ、補強剤としての役割を果たすだけでなく、生成される３次元物体の機械的特性を高める役割も果たす。ＬＤＨは、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩あるいはポリアニオンのような介在するアニオンを有する、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛などの多価陽イオン無機物から構成されるナノコンポジットである。ＬＤＨは、ポリ酸の架橋剤としての役割を果たし、さらに補強剤としてナノコンポジットフィラーの機能も果たす付加的な金属部位を提供する。
【００３２】
先にナノコンポジットのリストに列挙されたヒドロキシアパタイトは、水分損失を防ぐ水分供給源としての役割を果たさないので、本発明のシステムのナノフィラーとしてさらに大きな役割を果たす。さらに正確に言うと、ヒドロキシアパタイトは単に、生成される３次元物体において補強剤としての役割を果たす。
【００３３】
バイオ分子もセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に添加することができる。バイオ分子は水溶性であり、生成される３次元物体の機械的特性を高める増粘剤あるいは接着剤としての役割を果たすことができる。セメント形成有機−無機複合粉末の一部を形成できるバイオ分子のタイプは、限定はしないが、デキストリンおよび可溶性の澱粉を含む。
【００３４】
さらに、図２に示されるように、Ａｌ（３＋）供給源およびＺｎ（２＋）供給源をセメント形成有機−無機複合粉末（２４０）に添加することができる。Ａｌ（３＋）供給源およびＺｎ（２＋）供給源の例は、限定はしないが、Ａｌ（ＮＯ３）３およびＺｎＯを含んでよい。添加されたＡｌ（３＋）供給源およびＺｎ（２＋）供給源は上記のポリ酸と架橋する主成分であるため、結果として生成される３次元物体の物理的特性を高める。
【００３５】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の上記の成分は、液相結合剤（２２０）と化合するときに所望の３次元物体を製造するように、複数の配合物で組み合わせられる。本発明のシステムおよび方法は、限定はしないが、以下に記載される配合物を含むものである。
【００３６】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第１の例示的な配合は、７５ｗｔ％反応性ガラス、１０ｗｔ％ＰＡＡ（ＭＷ６０Ｋ）、５ｗｔ％酒石酸、２．５ｗｔ％クエン酸、２．５ｗｔ％ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）／クレーナノコンポジットおよび５ｗｔ％Ａｌ（ＮＯ３）３を含む。
【００３７】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第２の例示的な配合は、８０ｗｔ％反応性ガラス、５ｗｔ％ＰＡＡ（ＭＷ６０Ｋ）、５ｗｔ％グルタミン酸、２．５ｗｔ％ジグリコール酸、２．５ｗｔ％ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）／クレーナノコンポジットおよび５ｗｔ％デキストリンを含む。
【００３８】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第３の例示的な配合は、７５ｗｔ％反応性ガラス、１０ｗｔ％ポリガラクツロン酸、５ｗｔ％ＤＬアスパラギン酸、２．５ｗｔ％クエン酸、２．５ｗｔ％ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）／クレーナノコンポジットおよび５ｗｔ％ヒドロキシアパタイトを含む。
【００３９】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第４の例示的な配合は、７０ｗｔ％反応性ガラス、１０ｗｔ％酸化亜鉛（ＺｎＯ）、１０ｗｔ％ＰＥ−ｃｏ−マレイン酸、３ｗｔ％クエン酸、３ｗｔ％イミノ二酢酸、２ｗｔ％可溶性澱粉および２ｗｔ％Ｃｌｏｓｉｔｅ１０Ａを含む。
【００４０】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第５の例示的な配合は、６０ｗｔ％反応性ガラス、２０ｗｔ％（ＮＨ４）Ｈ２ＰＯ４、５ｗｔ％ＰＡＡ（ＭＷ６０Ｋ）、５ｗｔ％ポリガラクツロン酸、５ｗｔ％イミノ二酢酸および５ｗｔ％Ｃｌｏｓｉｔｅ１０Ａを含む。
【００４１】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第６の例示的な配合は、７５ｗｔ％反応性ガラス、８ｗｔ％イタコン酸、１０ｗｔ％ＰＥ−ｃｏ−マレイン酸、２ｗｔ％クエン酸、２ｗｔ％可溶性澱粉および３ｗｔ％Ｃｌｏｓｉｔｅ３０Ｂを含む。
【００４２】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第７の例示的な配合は、７５ｗｔ％反応性ガラス、１０ｗｔ％ＰＶＰ−ｃｏ−ＰＡＡ、８ｗｔ％イタコン酸、３ｗｔ％ＣｌｏｓｉｔｅＮａ＋、２ｗｔ％クエン酸および２ｗｔ％可溶性澱粉を含む。
【００４３】
セメント形成有機−無機複合粉末（２４０）の第８の例示的な配合は、７５ｗｔ％反応性ガラス、８ｗｔ％イタコン酸、１０ｗｔ％ＰＶＰ−ｃｏ−ＰＡＡ、２ｗｔ％クエン酸、２ｗｔ％可溶性澱粉および３ｗｔ％Ｃｌｏｓｉｔｅ３０Ｂを含む。
【００４４】
本発明のシステムおよび方法は上記の例示的な配合物には限定されない。それらの配合物は単に、例示のためにのみ本明細書で説明されている。
［例示的な実施態様および動作］
図３は、１つの例示的な実施形態のセメント形成有機−無機複合粉末（２４０；図２）を加えながら、図２に示されるＳＦＦシステム（１００；図２）を動作させる方法を示す流れ図である。図３は、セメント形成有機−無機複合粉末を加えながらＳＦＦシステムを動作させる適切な仕組みを示すが、本発明のシステムおよび方法は、図３に示される実施形態と全く同じものに限定されない。図３に示すように、本発明の例示的な方法は、規定された量のセメント形成有機−無機複合粉末を広げ、充填することにより開始する（ステップ３００）。一旦、ある量のセメント形成有機−無機複合粉末が広げられると、ＳＦＦシステム（１００；図２）は、定められた量の液体結合剤をセメント形成有機−無機複合粉末内に選択的に堆積させる（ステップ３１０）。一旦、セメント形成有機−無機複合粉末および液体結合剤が化合すると、結合剤内のポリ酸が反応性ガラスと接触し、その後、放出された水素イオンでガラス表面が侵蝕される（ステップ３２０）。水素イオンによって侵蝕されると、ガラス表面は多価陽イオン化学種を放出し（ステップ３３０）、それがさらに、ポリ酸およびガラス粒子の表面と反応して、シリカゲル層が形成される（ステップ３４０）。シリカゲル層が形成されると、複数の反応が起こり、所望の３次元物体がさらに固化し（ステップ３４５）、ＳＦＦシステム（１００；図２）は、材料の供給動作が終了したか否かを判定する（ステップ３５０）。材料の供給動作が完了した場合には（ＹＥＳ、ステップ３５０）、形成済みの部分から無反応のセメント形成有機−無機複合粉末が除去され（ステップ３６０）、形成工程が完了する。しかしながら、ＳＦＦシステム（１００；図２）が、材料の供給動作が終了していないものと判定する場合には（ＮＯ、ステップ３５０）、ＳＦＦシステムは再びステップ３００に戻り、別の結合剤堆積を実行する準備として、別の量のセメント形成有機−無機複合粉末を広げ、充填する（ステップ３００）。ここで、上記の工程を、図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら詳細に説明する。
【００４５】
図３に示すように、本発明のシステムおよび方法は、ある量のセメント形成有機−無機複合粉末を広げ、充填することにより開始する（ステップ３００）。図４は、支持体（２６０）上に広げられ、充填されている、ある量のセメント形成有機−無機複合粉末（４００）を示す。広げられる最小量の粉末（４００）は、主に粉末サイズによって決まる。１つの例示的な実施形態によれば、粉末は０．００５ミリメートル〜１ミリメートル以上の厚みまで広げることができる。先に述べたように、セメント形成有機−無機複合粉末（４００）は、反応性ガラスアイオノマーと、架橋可能なポリ酸、ｐＨ調整剤、ナノコンポジット、バイオ分子、Ａｌ（３＋）供給源および／またはＺｎ（２＋）供給源のうちのいくつかあるいは全てを含む。
【００４６】
一旦、セメント形成有機−無機複合粉末が広げられると（ステップ３００；図３）、可動ステージ（１２０）がセメント形成有機−無機複合粉末内に液相結合剤を選択的に堆積させることができる（ステップ３１０；図３）。図４Ｂに示すように、可動ステージ（１２０）はコンピューティングデバイス（１４０；図１）によって制御可能に位置決めされ、その後、ある量（４１０）の液相結合剤（４２０）がセメント形成有機−無機複合粉末（４００）内に制御可能に堆積される。液相結合剤（４２０）の量（４１０）を堆積させる場所は、所望の３次元物体の形成を誘導するＣＡＤあるいは他のコンピュータモデリングプログラムによって決定される。一旦堆積すると、液相結合剤（４２０）を含む場所は、結果として生成される３次元物体の境界を形作ることになる。
【００４７】
セメント形成有機−無機複合粉末内に堆積させる液相結合剤の量は通常、粉末に対する結合剤の比として計算される。本発明のシステムおよび方法の場合、粉末に対する結合剤の比は約０．０５：１〜０．５：１の範囲を有することができる。
【００４８】
セメント形成有機−無機複合粉末（４００）および液相結合剤（４２０）が化合すると、「ガラス−アイオノマー」化学反応が起こり、生成される３次元物体の硬質で、迅速に硬化する土台の役割を果たす。最初に、一旦、ガラス粉末および酸あるいはポリ酸成分が混合すると、ポリ酸が正に帯電した水素イオンを放出し、そのイオンはセメント形成有機−無機複合粉末内に含まれる反応性ガラスの表面に接触する（ステップ３２０；図３）。一旦、正に帯電した水素イオンが反応性ガラスを侵蝕すると、Ｃａ２＋およびＡｌ３＋のような架橋金属イオンが反応性ガラスから放出される（ステップ３３０；図３）。金属イオンＣａ２＋およびＡｌ３＋は、Ｈ＋の放出後にガラスから放出され、ポリ酸、およびガラス粒子の表面と反応して、シリカゲル層が形成される（ステップ３４０；図３）。このガラス−アイオノマー化学反応は、迅速に固化し、比較的高い強度の「乾燥していない物体」あるいはまだ完全には硬化していない物体を提供する。
【００４９】
一旦、ガラス−アイオノマー化学反応が生じると、さらに別の材料および化学反応が生じ、さらに３次元物体を固化するのに役立つ（ステップ３４５）。図４Ｃは、時間が経過するときに（矢印によって示される）、化学反応が起こり、セメント形成有機−無機複合粉末（４００）および液相結合剤（４２０）の混合物が化合して、構造の構成材料（４５０）が形成されていくのを示している。
【００５０】
構造の構成材料（４５０）の材料特性は、セメント形成有機−無機複合粉末（４００）に含まれるさらに別の材料によって、少なくともある程度、通常のガラス−アイオノマー物質よりも高まる。第１に、ポリビニルピロリドンあるいはそのコポリマー（複数可）およびそこから導出されるナノコンポジットを用いることにより、固有の水保持特性が提供される。第２に、層状複水酸化物（ＬＤＨ）をセメント形成有機−無機複合粉末（４００）に添加することにより、さらに別の金属部位が提供され、それがポリ酸のための架橋剤としての役割を果たすとともに、ナノコンポジットフィラーあるいは補強剤の役割も果たす。層状複水酸化物から導出されるこれらのナノコンポジットは、亀裂生長トラップとしての役割を果たすことにより、生成される３次元物体の機械的特性を改善することができる。網構造のゲル化あるいは形成中に、混合物内のポリマー−クレーナノコンポジットフィラーがマトリクス内に分散あるいはトラップされる。クレーナノコンポジット内のシリケート層はわずか数ナノメートル厚であり、均一なナノメートルレベルの分散を実現するはずである。ナノフィラーの均一な分散は、界面の相互作用を改善し、それゆえ、生成される固体の機械的特性を改善するであろう。ナノコンポジットによって与えられる補強の度合いは、そのフィラーの剛性およびアスペクト比、ならびにフィラーとポリマー／ガラスマトリクスとの間の接着強度によって決まる。第３に、上記の他のナノコンポジットが、生成された物体の補強剤および水分供給源としての役割を果たすことができる。これは、生成される３次元物体内の水分損失を防ぎ、乾燥あるいは亀裂が生じる可能性を減らすであろう。第４に、クエン酸あるいは他の酸を加えることにより、システム全体のｐＨが減少する。この結果として、反応速度が速くなり、機械的特性が高められる。クエン酸が層状複水酸化物（ＬＤＨ）内に存在する多価無機物と反応することになるので、機械的特性がさらに高められるであろう。第５に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を加えることにより、システム内のポリ酸が架橋し、生成される３次元物体の機械的特性をさらに高めることができる。
【００５１】
上記の反応が起こるとき、形成された物品はさらに、所望の３次元物体を固化する（ステップ３４５）。ステップ３４５は、セメント形成有機−無機複合粉末（４００）および液相結合剤（４２０）の混合物が、次の粉末層が広げられる前に完全に硬化すると想像させるかもしれない。これは事実と異なる。事例によっては、初期硬化は数分であるが、混合物の完全な硬化には数日を要するものもある。初期の固化あるいは硬化は、セメント形成有機−無機複合粉末（４００）の後続の層を広げるのを支持するのに十分なほど、混合物が硬化している。セメント形成有機−無機複合粉末（４００）の後続の層は、約１５秒〜３分おきに広げることができる。
【００５２】
形成時に、コンピューティングデバイスは、所望の材料の供給動作が完了したか否かを判定する（ステップ３５０）。所望の３次元物体の形成が完了していた場合には（ＹＥＳ、ステップ３５０）、未反応の粉末を除去し、形成された部分を取り出すことにより、形成された物体が分離される（ステップ３６０）。しかしながら、コンピューティングデバイスが、所望の３次元物体がまだ満足のいくように形成されていないものと判定する場合には（ＮＯ、ステップ３５０）、ＳＦＦシステム（１００；図１）は再び、ある量のセメント形成有機−無機複合粉末を広げ、充填して（ステップ３００）、上記の工程が繰り返される。図４Ｄは、構造の構成材料（４５０）で形成される完成した３次元物体を示す。図４Ｄに示すように、完成した３次元物体は、必ずしも必要ではないが、上記の方法を何度も繰り返えして形成することができる。
【００５３】
結論として、本発明のＳＦＦシステムおよび方法によれば、機械的特性を高めた、ガラス−アイオノマーに基づくＳＦＦシステムを効率的に実現できる。より具体的には、ポリビニルピロリドン−ｃｏ−ポリアクリル酸、層状複水酸化物（ＬＤＨ）およびナノコンポジットを用いることにより、作業時間が短縮され、生成されるＳＦＦ物品の機械的特性が改善される。改善される機械的特性の例は、従来のガラス−アイオノマー物品に比べて、機械的な強度および割れに対する靭性が高められること、および水分供給源に起因して低湿度の環境において水分損失および乾燥亀裂を生じにくくすることを含む。さらに、本発明の方法およびシステムは、大量の粉末を与えることにより、支持構造体を形成する必要性がなくなるとともに、３次元物体を迅速に製造することができる。
【００５４】
上記の説明は、システムおよび方法の例示的な実施形態を図示し、説明するのものである。そのシステムおよび方法を完全に述べることや、そのシステムおよび方法を開示してものと全く同じ形態に限定することは意図していない。上記の教示に鑑みて、数多くの変更および変形が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のシステムおよび方法の例示的な実施形態を実施できるＳＦＦシステムの斜視図である。
【図２】本発明のシステムおよび方法の例示的な実施形態を実施できるＳＦＦシステムの断面図である。
【図３】１つの例示的な実施形態による、一部品の反応性材料を用いて本発明の方法を実行する方法を示す流れ図である。
【図４Ａ】１つの例示的な実施形態による、本発明の方法によって用いられる粉末を示す断面図である。
【図４Ｂ】１つの例示的な実施形態による、一部品の反応性材料の堆積を示す断面図である。
【図４Ｃ】１つの例示的な実施形態による、時間の経過とともに硬化過程を示す断面図である。
【図４Ｄ】１つの例示的な実施形態による、本発明の方法によって形成される物体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  立体造形システム
１２０  可動ステージ
１４０  コンピューティングデバイス
２２０  液相結合剤
２３０  ローラ
２４０  セメント形成有機ー無機複合粉末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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