(57)【要約】３次元オブジェクトを作成するための加法プロセスは、押出しヘッド（１２）、材料受容ベース（１４）、材料供給（１８）およびオリフィス（２４）をさらに有する液化機（２２）を備える装置（１０）を使用することを含む。モデル（２６）を形成するために、モデリング材料（Ａ）は小出しにされる。供給材料（Ｂ）は、支持構造（２８）を形成するために小出しにされる。モデリング材料（Ａ）は、ポリフェニルエンスルホンおよびポリカーボネートの混合物を含む熱可塑性材料である。加熱されている間に、材料（Ａ，Ｂ）上で操作することによって、完全モデル（２６）から支持構造（２８）の取外しが容易となる。
2006525159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元オブジェクトを構築するための加法プロセス方法であって、該方法が、
３次元オブジェクトを規定するために、所定のパターンで、加熱されたビルトチャンバに溶融状態の熱可塑性のモデリング材料を小出しにするステップと、
３次元オブジェクトに対する支持構造を作るために、モデリング材料を小出しにすることに連携して、加熱されたビルトチャンバに、溶融状態の熱可塑性の供給材料を小出しにするステップであって、オブジェクト構築中に、モデリング材料と接着するために、該支持材料が選択される、ステップと、
該オブジェクトが構築された後に、該オブジェクトから該支持構造を取り外すステップと
を包含し、
該方法は、
該支持構造が、該材料が約１５０℃を超える温度まで加熱される間に、該モデルから該支持構造を剥離することによって該モデルから取り外されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記ビルトチャンバが約２００℃と２３５℃との間の温度になるまで加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記支持構造が、前記材料が前記ビルトチャンバの温度である間に取り外される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記支持構造を取り外すステップが、
外部オーブン中で、取外しが完了するまで必要に応じて、前記オブジェクトおよび前記支持構造を加熱することをさらに包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記支持構造を取り外すステップが、前記オブジェクトおよび前記支持構造を、約１５０℃を超える温度まで加熱することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記支持構造を取り外すステップが、取外しが完了するまで必要に応じて、前記オブジェクトおよび前記支持構造を再加熱することをさらに包含する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記オブジェクトおよび前記支持構造が、電子オーブン中で加熱される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記支持構造が、プライヤー、直たがね、フックたがね、突きぎり、フック突きぎりおよび穴たがねからなる群から選択された手工具を使用して前記モデルから剥離される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記熱可塑性のモデリング材料が、主に、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート、および選択的には、他の添加物の混合物からなり、該混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが７０パーセントと９９パーセントとの間にあり、該混合物中のポリカーボネートの重量パーセントが１パーセントと２５パーセントとの間にある、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記混合物中のポリカーボネートの重量パーセントが約１０パーセントであり、前記混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが最低８０パーセントである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが約９０パーセントである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
３次元オブジェクトを構築するための追加的プロセス方法であって、該方法が、
前記３次元オブジェクト規定するために、所定のパターンで加熱されたビルトチャンバ中に流動性を有する状態の凝固可能なモデリング材料を小出しにするステップと、
該３次元オブジェクトの支持構造を作るために、該モデリング材料を小出しにすることと連携して、該加熱されたビルトチャンバ中に、流動性を有する状態の凝固可能な支持材料を小出しにするステップであって、該オブジェクトの構築中に、該モデリング材料に付着するために、該支持材料が選択される、ステップと、
該オブジェクトが構築された後に、該オブジェクトから該支持構造を取り外すステップと
を包含し、
該該方法は、
主に、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート、および選択的には他の添加物の混合物からなる熱可塑性樹脂を該モデリング材料として提供するステップであって、該混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが約７０パーセントと９９パーセントとの間にあり、該混合物中のポリカーボネートの重量パーセントが１パーセントと２５パーセントとの間にある、ステップを特徴とする、方法。
【請求項１３】
前記支持構造を取り外すステップが、前記材料が約１５０℃より高い温度まで加熱されている間に、前記オブジェクトから前記支持構造を剥離することを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ビルトチャンバが、約２００℃と約２３５℃との間の温度まで加熱される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記支持構造を取り外すステップが、前記材料が前記ビルトチャンバの温度である間に、前記オブジェクトから前記支持構造を剥離することを包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記支持構造を取り外すステップが、取外しが完了するまで必要に応じて、前記オブジェクトおよび前記支持構造を加熱することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記加熱することが電子オーブン中でなされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記混合物中のポリカーボネートの重量パーセントが約１０パーセントであり、前記混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが最低８０パーセントである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが約９０パーセントである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
熱可塑性のモデリング材料が、２２０℃より高いガラス転移温度を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
軟質フィラメント状態の熱可塑性モデリング材料の供給原料を供給するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記支持材料が熱可塑性であり、該材料がポリエーテルスルホン塩基ポリマーおよびシリコン剥離剤を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記支持材料が耐衝撃性ポリスチレンをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ポリエーテルスルホンが約９０〜９５重量パーセントの前記支持材料を含み、耐衝撃性のポリスチレンが前記支持材料の約３〜８重量パーセントを含み、シリコンが約１〜３重量パーセントの前記支持材料を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
フィラメントが主に、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート、および選択的には他の添加物の混合物からなる熱可塑性モデリングフィラメントであって、
該混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが、約７０パーセントと９９パーセントとの間であり、該混合物中のポリカーボネートの重量パーセントが、約１パーセントと２５パーセントとの間である、熱可塑性モデリングフィラメント。
【請求項２６】
前記混合物中のポリカーボネートの重量パーセントが約１０パーセントであり、前記混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが最低約８０パーセントである、請求項２５に記載の熱可塑性モデルフィラメント。
【請求項２７】
前記混合物中のポリフェニルスルホンの重量パーセントが約９０パーセントである、請求項２６に記載の熱可塑性モデリングフィラメント。
【請求項２８】
前記混合物が２２０℃よりも高いガラス転移温度を有する、請求項２５に記載の熱可塑性モデリングフィラメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加法プロセスモデリング技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用する３次元オブジェクトの製造に関する。さらに詳しくは、本発明は、３次元オブジェクトが構築される場合に、その支持構造を提供するために第２の凝固可能な材料の堆積に協調して、３次元オブジェクトを形成するために所定のパターンで第１の凝固可能な材料を堆積させることによって３次元オブジェクトを形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
加法プロセスモデリング機械は、設計（ＣＡＤ）システムに支援されたコンピュータから提供される設計データに基づいて、モデリング媒体を組み立てることによって３次元モデルを形成する。３次元モデルは、審美判断、数学的ＣＡＤモデルの加工、硬質な後部の形成、干渉および空間割り当て、および機能テスト含む機能として使用される。一技術は、多層構築がそのモデルを形成するＣＡＤシステムから提供される設計データに基づいて、所定のパターンで凝固可能なモデリング材料を堆積することである。
【０００３】
押出しヘッドから凝固可能なモデリング材料の層を堆積することによって３次元モデルを作成する装置および方法の実施例は以下の文献に記載される。Ｖａｌａｖａａｒａによる米国特許第４，７４９，３４７号；Ｃｒｕｍｐによる米国特許第５，１２１，３２９号；Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらによる米国特許第５，３０３，１４１号；Ｃｒｕｍｐによる米国特許第５，３４０，４３３号；Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらによる米国特許第５，４０２，３５１号；Ｃｒｕｍｐらによる米国特許第５，５０３，７８５号；Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらによる米国特許第５，７６４，５２１号；Ｄａｎｆｏｒｔｈらによる米国特許第５，９００，２０７号；Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらによる米国特許第５，９６８，５６１号；Ｓｔｕｆｆｌｅらによる米国特許第６，０６７，４８０号；およびＢａｔｃｈｅｌｄｅｒらによる米国特許第６，２３８，６１３号。これらのすべては、本発明の譲受人であるＳｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．に譲渡される。モデリング材料は、固形状で押出しヘッドに供給され得、例えば、それは、供給リール上で創傷された可撓性フィラメント状、または固形の棒状であり得、それは、米国特許第５，１２１，３２９号に開示されている。米国特許第４，７４９，３４７号に記載されているように、モデリング材料は、代替的には、タンクから液状でくみ上げられ得る。いずれの場合でも、押出しヘッドは、ベース上へノズルから溶融されたモデリング材料を押出す。押出された材料は、ＣＡＤモデルから規定された範囲において層ごとに堆積される。固化した時の十分な接着によって前層に付着する凝固可能な材料がモデリング材料として使用される。これら堆積モデリング技術に対しては、熱可塑性材料が特に適切であると分かっている。
【０００４】
凝固可能な材料からモデルを形成するための別の層状堆積技術は、ジェッティングヘッド（ｊｅｔｔｉｎｇ  ｈｅａｄ）のノズルからのモデリング材料の溶滴を堆積する。ジェッティングヘッドからの凝固可能なモデリング材料の層を堆積することによって３次元モデルを形成するための装置および方法の例は、例えば、Ｈｅｌｉｎｓｋｉらによる米国特許第５，１３６，５１５号、およびＬｅｙｄｅｎらによる米国特許第６，１９３，９２３号に記載されている。
【０００５】
現在の技術によるフィラメントフェッド（ｆｉｌａｍｅｎｔ−ｆｅｄ）のＳｔｒａｔａｓｙｓ  ＦＤＭ（登録商標）という３次元モデリング機械は、モデリング材料のフィラメントストランド（ｆｉｌａｍｅｎｔ  ｓｔｒａｎｄ）（つまり、支持材料）は、押出しヘッドによって運ばれた液化機へモータ駆動のフィードローラ対により進められる。液化機の中では、フィラメントは、流動性を有する温度まで熱される。液化機は、フィードローラにより液化機へフィラメントのストランドの「くみ上げる（ｐｕｍｐｉｎｇ）」ことによって加圧される。フィラメントのストランドそれ自体は、ポンプを作るピストンのような役割を果たす。フィードローラが押出しヘッドへフィラメントを進め続けるとき、次にくるフィラメントストランドの力が、ビルドプラットフォーム（ｂｕｉｌｄ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）に取外し可能に取り付けられた基板上に堆積される小出ノズル（ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ  ｎｏｚｚｌｅ）から流動性材料を押出す。現在の技術であるＳｔｒａｔａｓｙｓ  ＦＤＭ（登録商標）３次元モデリング機械は、モデリング材料として、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）熱可塑性樹脂、またはポリカーボネートを使用する。
【０００６】
加法プロセス技術により（例えば、凝固可能な材料の層を堆積することによって）、３次元オブジェクトを形成する場合、モデリング材料自体によって直接的に支持されない支持層または支持構造が、張出し部分の下、または構築中のオブジェクトのキャビティ中で使用されなければならないということは、例外というよりむしろ原則である。例えば、このオブジェクトが地下穴内部のモデルであり、この穴のプロトタイプが床から天井へ構築される場合、鍾乳石は天井が完成するまで一時的な支持を必要とする。支持層または支持構造は、例えば、モデルをベースから取り外すことを可能にすること、部分的に完成する間にモデルが変形するという傾向に耐えること、および構築工程により部分的に完成したモデルに与えられる力に耐えること、などの他の理由に対しても必要とされ得る。
【０００７】
支持構造は、同様な堆積技術および装置を利用して構築され得、それによって、モデリング材料が堆積される。適切なソフトウェア制御下の装置は、形成されるオブジェクトの張出しセグメントまたは自由空間セグメントに対する支持構造として働くさらなるジオメトリを生産する。支持材料は、モデリング装置内の分離した小出しヘッドから、もしくはモデリング材料を堆積する同様な小出しヘッドによってかのどちらか一方で堆積される。支持材料はモデリング材料に取外し可能に付着するように選択される。さらに、支持材料は、典型的には、モデルが構築される堆積材料のベース層を作り出すために使用され、この支持材料は、同じようにして、取外し可能なようにモデリング基板に付着するべきである。支持構造を構築することが、モデルを支持するという問題を解決するが、モデルに損傷を与えることなく、完成モデルから支持構造を取外すというさらなる問題を作り出す。
【０００８】
支持構造を取り外すという問題は、モデルと支持構造との間の弱く破壊可能な接合を形成することにより解消されてきており、このことは、例えば、米国特許第５，５０３，７８５号に記載されている。この’７８５特許は、弱く破壊可能な接合を形成する材料は支持構造かまたは剥離塗料のどちらか一方として選択される工程を開示する。支持材料は、オブジェクトおよびその支持構造との間のインターフェースにおいて、層仕上げ状に溶着されるか、支持構造を形成するために層仕上げ状に溶着され、どちらか一方の場合に、そのオブジェクトの変形の後、その支持が破壊されることを可能にする。構築された後に、オブジェクトから離れて破壊されなければならない支持構造は、「剥離（ｂｒｅａｋ−ａｗａｙ）」構造として知られている。さらには、可溶性の支持材料が知られ、バスの中で洗い流される。Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．は、係属中の特許出願第１０／０１９，１６０号中に開示された材料を提供し、この可溶性支持構造を作るための材料は商品名ＷａｔｅｒｗｏｒｋｓＴＭとして売られている。
【０００９】
層状の支持材料を適用する様々な方法が知られている。例えば、この支持材料は、「目打ち（ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ）」と呼ばれる短いビード部分において適用され得、ここで、支持構造が構築中のモデルと接する。この目打ちは、モデルとの接触範囲を制限することによって支持の付着力を低減し、剥離支持の取外しを支援する。さらに、支持材料の層は、支持構造を構築する場合にモデリング材料の層と混合され得、「合成支持（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ）」と呼ばれる技術である。この合成支持は弱く、それゆえ均質支持（ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ  ｓｕｐｐｏｒｔ）より容易に破壊する。別の技術は、角型中空柱のアレイとして支持構造を構築し、それぞれが、インターフェース層によりその上面にキャップされ、またはベース層により底面をキャップされること以外では、並んで接続しない。「ボックス支持（ｂｏｘ  ｓｕｐｐｏｒｔ）」として知られるこの形式は、いったんベース層が取り除かれると、断面において折れるという利点を有するが、多くの構築時間を有するという不利点がある。
【００１０】
高温のエンジニアリング熱可塑性樹脂の層状の堆積により３次元モデルを構築するための装置および方法は、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された係属中の米国特許出願第０９／８０４，４０１号および米国特許第６，７２２，８７２号に開示される。これらの出願は、３次元モデルを構築するためにポリカーボネート、ポリエーテルイミド、非晶形のポリアミドおよびスルホンの使用を開示する。これらの中で、ポリカーボネートのみが、商業上実施されている。
【００１１】
高性能エンジニアリング熱可塑性樹脂からモデルを構築することによって、モデルの強度および質を改善するという継続的な必要がある。このような熱可塑性樹脂から作られるモデルの支持構造は、高温環境に耐えなければならなく、完成モデルから取外し可能でなければならない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（簡単な発明の要旨）
本発明は、主成分としてポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦ）の混合物、微量成分としてポリカーボネート（ＰＣ）を備えるモデリングフィラメントを形成する熱可塑性樹脂材料であり、熱可塑性材料を使用する層堆積モデリングによって３次元モデルを構築するための方法、および上記材料から構築された完成モデルから支持を取り外すための方法である。本発明による方法は、３次元モデルを構築するためにモデリング材料としてＰＰＳＦ／ＰＣ混合熱可塑性樹脂材料を使用する。このＰＰＳＦ／ＰＣ混合熱可塑性樹脂材料は、良好な温度安定性を示し、３次元モデル装置のノズルにおいて構築に耐え、非常に高い耐薬品性を有し、この材料から作られたモデルは高い強度を示す。
【００１３】
本発明の高温エンジニアリング熱可塑性樹脂によるモデリングは、高温構築環境に適合性のある支持材料の使用を必要とする。適切な支持材料の強度により、高温下の支持取外し技術が利用されている。高温下におけるこの材料の操作により、完成モデルから支持構造を取り外すことが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に示すタイプの堆積モデリングシステムを参照して、本発明について説明する。図１は、本発明による支持構造２８によって支持されるモデル２６を構築する押出装置１０を示す。押出装置１０は、押出ヘッド１２と、材料受容ベース１４と、材料供給１８とを含む。押出ヘッド１２は、ベース１４に対してＸ方向およびＹ方向に移動し、そのベースは垂直方向のＺ方向に移動する。材料供給１８は、押出ヘッド１２に材料の供給原料を供給する。説明する実施形態では、材料の固体供給原料は、押出ヘッド１２に供給され、押出ヘッド１２によって支えられた液化器２２において溶融される。液化器２２は、供給原料を凝固点よりわずかに高い温度へと加熱し、溶融状態にする。液化器２２のオリフィス２４を介して、溶融された材料をベース１４に押し出す。供給原料は、連続したフィラメント、ロッド、スラグ、ペレット、顆粒などの形状を取り得る。
【００１５】
複数の経路および層においてベース１４上に材料を堆積することによって三次元モデル２６を構築できるように、さらに、構築されたときにおいてモデル２６を物理的に支持するために規定された支持構造２８を構築できるように、押出ヘッドの移動が制御される。熱による凝固を促進することができるように制御された環境を有するビルトチャンバ（図示せず）内において、モデル２６および支持構造２８は、ベース１４上に構築される。その上にモデルが構築される基礎を形成するために、堆積された材料のいくつかのベース層がベース１４に接着する。
【００１６】
モデリング材料Ａを小出しする（ｄｉｓｐｅｎｓｅ）ことによって、モデル２６を形成し、モデリング材料Ａの小出しと調和して支持材料Ｂを小出しすることによって、支持構造２８を形成する。便宜のために、押出装置１０を１つの材料供給１８のみを用いて示した。しかし、本発明の実施において、モデリング材料Ａと支持材料Ｂとが、別個の材料供給からの別個の供給材料として押出装置１０に提供される、ということは理解されるべきである。（１）２つの押出ヘッド１２（１つにモデリング材料Ａが供給され、１つに支持材料Ｂが供給される）を提供すること（例えば、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ‘５６１特許に開示されている）によって、または（２）モデリング材料Ａと支持材料Ｂとが供給され、かつ両材料を小出しする単一のノズルを有する単一の押出ヘッドを提供すること（例えば、Ｃｒｕｍｐ‘３２９特許の図６に示されている）によって、または（３）両材料が供給された、かつ各材料は別個のノズルを介して小出しされる単一のヘッドを提供すること（例えば、Ｃｒｕｍｐ‘７８５特許の図６に示されている）によって、押出装置１０は、２つの異なった材料の小出しを調節し得る。
【００１７】
説明した実施形態では、モデリング材料Ａと支持材料Ｂとは、押出ヘッドから、水平な層における実質的に連続的な「道（ｒｏａｄ）」のように、堆積され、押出ヘッドから固体状態で供給される。本発明が、別の様々なタイプのモデリング装置（噴出ヘッドを用いる装置を含む）において有利に実施され得るということ、および、代替的に、材料が液体状態で押出ヘッドに供給され得るということは、当業者には理解されるであろう。また、図示した支持構造２８はラスターパターンで支持材料Ｂから構築されるが、支持構造を構築するために用いられ得る構築スタイルがいくつもあるということは、当業者には理解されるであろう。
【００１８】
（モデリング材料および支持材料のレオロジー）
モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、用いられる特定のモデリングシステムに対する多数のモデリング基準を満たす必要があり、その基準は、通常、熱特性、強度、粘度、および粘着力に関連する。
【００１９】
モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、モデリングプロセスに適した溶融粘度を有する必要がある。理想的には、溶融堆積モデリングに用いられる材料の溶融粘度は低い。概ね連続的な道またはビードとして押し出され得るように、押出温度における溶融粘度は十分低い必要がある。また、材料の堆積された道またはビードにほとんど溶融強度なく、丸まるのではなく平坦になるに十分、押出温度における溶融粘度が低い必要がある。溶融粘度は、材料が押し出される温度を上げることによって、下がる。
【００２０】
しかし、押出温度が高すぎると、押出器において移動がない加熱された材料の分解が引き起こされ得る。分解されると、ポジティブなカットオフのメカニズムのないフィラメント−ポンプ押出器の場合には、材料は、液化器からビルトエンベロープ（ｂｕｉｌｄ  ｅｎｖｅｌｏｐｅ）へと制御不能に流れ出、その状況は、「ウーゼ（ｏｏｚｅ）」と称される。さらに、より低い押出温度では、エネルギー消費が低減され、熱の生成が低減され、また、ポリマー材料が劣化する可能性が低減する。
【００２１】
理論上は、溶融粘度は、材料の分子量に関連し、臨界分子量に近づくと、特性がなくなる。溶融粘度の下限は、臨界分子量における粘度として定義される。しかし、ほとんど全ての商用ポリマーが、臨界分子量を超え、優れた物理特性を有する
溶融粘度は、溶融流の逆数のパラメータによって測定され得る。約２０．７ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）以下の比較的低圧下において連続的なビードとして押し出されるように、フィラメントポンプ押出器を有するＳｔｒａｔａｓｙｓ  ＦＤＭ（登録商標）のモデリング装置においてモデルを構築するために用いられる材料は、押出温度において、高溶融流を有する必要がある。フィラメントポンプ型の押出器によって堆積される材料に対して望ましい高溶融流は、押出温度において１．２ｋｇの負荷下においてＡＳＴＭ  Ｄ１２３８による測定では約５ｇｍｓ／１０分よりも大きい。最も好ましくは、溶融流は、５〜３０ｇ／１０分である。より低い溶融流（より高い粘度）は、例えば米国特許第６，０６７，４８０号に開示されている装置による、高圧下における押出に適する。
【００２２】
堆積モデリングプロセスによって必要とされる様々な物理特性、熱特性、および流体力学的特性に基づいて、モデリング方法に用いられる適合性の支持材料が選択される。構築中のモデルを適切に支持するために、支持材料Ｂは、自身を接着する（セルフラミネートする）必要がある。支持材料がベース層を作成するために用いられる場合には、支持材料は、さらに基板に接着する必要がある。モデリング材料が有することになる接着力に基づいて、支持材料は、さらに選択される。支持材料とモデリング材料との接着は、その形成中において、モデルを適切な位置に固定するに十分強い必要があるが、モデルに損傷を生じることなしに、完成したモデルから支持構造を取り除き得るに十分弱い必要がある。
【００２３】
寸法が正確なモデルを生成するために、モデリング材料および支持材料が、ビルトエンベロープの条件において冷却する際にほとんど収縮を示さない必要がある。全ての支持材料Ｂの収縮は、モデリング材料Ａの収縮と類似する必要がある。材料間の収縮の差によって、モデル／支持構造の接合部に沿って、応力と接着の不全とが生じる。ＡＳＴＭの注入モデリングテスト規格に準じると、通常、アモルファスポリマーは、凝固のときに、０．０１０ｉｎｃｈ／ｉｎｃｈ以下の収縮を有する。結晶性ポリマーは堆積モデリングには大きすぎる収縮を示すが、アモルファスポリマーの収縮特性は、堆積モデリングの目的に対して容認可能である。収縮を低減するために、充填材が材料に加えられ得る。引き続き材料がアモルファスポリマーの収縮特性を示すに十分少量の結晶性の添加物が加えられる限り、結晶性の添加物が本発明の材料に加えられ得る。
【００２４】
特定のモデリング材料Ａの選択は、最終モデルの特定の用途に従ってなされ得る。支持材料Ｂは、固体状態において、形成中においてモデルに支持を提供するに十分な機械的強度を有する必要がある。支持材料Ｂは、モデリング材料Ａによる力に抗する必要があり、さもないと、モデルは、望ましくない湾曲および変形を示す。
【００２５】
フィラメントまたはロッドの形状で供給され場合には、モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、破損することなく運ばれるに十分強い必要がある。フィラメントの形状で供給される場合には、材料は、フィラメントへと形成され、スプールおよびアンスプールされ、破損なしに押出装置を介して供給される強度および可撓性をさらに有する必要がある。同様に、フィラメントの形状で供給される材料は、押出装置を介した供給の間における圧縮力によって変形しないに十分の剛性を有する必要がある。
【００２６】
熱特性については、モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂが首尾よく同一のビルトチャンバに押し出されるために、類似の熱変形特性を有する必要がある。米国特許第５，８６６，０５８号に教示されるように、熱可塑性材料または別の熱により凝固可能なモデリング材料の凝固温度よりも高い温度に加熱されたチャンバ内にモデルを構築し、その後に徐々に冷却することによって、材料に起因する応力が緩和される。最終のモデルに応力がなく、かつほとんど歪みをなくするために、構築中にモデルから応力はアニールにより開放（ａｎｎｅａｌ  ｏｕｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍｏｄｅｌ）される。‘０５８特許にさらに教示されているように、モデルが、垂れるに十分弱くならないように、モデリング材料は、ビルトチャンバの温度よりも高いガラス転移温度（Ｔｇ）を有する必要がある。従って、ビルトチャンバの好適な温度は、モデリング材料Ａの凝固温度と、その材料のクリープ緩和温度（クリープ緩和温度は、応力緩和係数が低温限界から１０分の１に減少する点として定義される）との間の範囲内である。同様に、支持構造が変形せず、それが支持するモデルの構造の正確さを保つために、支持材料Ｂのガラス転移温度は、ビルトチャンバの温度より高い必要がある。支持材料Ｂのガラス転移温度（または、熱変形温度）がモデリング材料のそれの約２０℃以内、好ましくは１５℃以内である必要がある、ということが実験を介して発見された。材料に充填剤を加えることによって、材料のガラス転移温度が上がるという効果があり得る。
【００２７】
所定の構築プロセスでは、モデルの形成に用いられる材料は、望ましくは、支持構造の形成に用いられる材料の特性よりも優れた特性を有する（例えば、強度および剛度が大きい）。
【００２８】
（材料のテスト）
以下は、非常に高温度のモデリング環境（換言すると、２００℃以上のビルトチャンバ温度）においてテストされた材料のフォーミュレーションの実例である。具体的に用いたモデリング装置は、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ  ＦＤＭ（登録商標）ＴｉｔａｎＴＭである。いずれの場合にも、モデリング材料は、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦ）またはポリフェニルスルホンの混合物である。ポリフェニルスルホンは、強固であり、熱抵抗および化学抵抗が高いという点において、モデリングに特に望ましい材料である。具体的には、テストされたポリフェニルスルホンは、Ｒａｄｅｌ（登録商標）Ｒ５６００ＮＴ（Ｓｏｌｖａｙ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｌ．Ｌ．Ｃ．から入手可能）である。このポリフェニルスルホン樹脂は、２３６℃のガラス転移温度と、１．８２ＭＰａ（２６４ｐｓｉ）における２０７℃の熱変形温度と、６９．６ＭＰａ（１０，１００ｐｓｉ）の引張強度と、１．２ｋｇの負荷下において、４００℃において２０〜３０ｇｍｓ／１０分の範囲内の溶融流とを有する。
【００２９】
テストされた全ての材料は、上述した流体力学的基準を満たした。いずれの場合においても、構成材料を構成するために、ポリマー化学において慣例な手法を用いた。例示的な材料は、非常に小さな直径（１．７８ｍｍ（０．０７０インチ）のオーダーの直径）のモデリングフィラメントへと首尾よく形成され、フィラメントが供給された堆積モデリング装置に用いられる。提示された実施例による材料は、フィラメントが供給された層状堆積モデリング装置（本明細書において完全に記載されているかのように、本明細書において援用される、係属中の米国特許出願第０９／８０４，４０１号および米国特許第６，７２２，８７２号に開示された型の装置）を用いてテストされた。
【００３０】
（実施例１（比較用））
ポリフェニルスルホンのモデリング材料と、ポリエーテルスルホンポリフェニルスルホン、またはポリエーテルイミドの種々の樹脂（換言すると、ＵｌｔｅｍＴＭ）を構成する支持材料とを用いて、約２００〜２２５℃の温度を有する炉（換言すると、ビルトチャンバ）内において、テストモデルを構築した。これらの支持材料は、好適な熱安定性を示したが、モデルから外すことはできなかった。ポリフェニルスルホンを含むこの支持材料は、モデルに非常に強く付着していた。ポリエーテルイミドを含む支持材料は、強くモデルに付着し、また、ポリエーテルスルホン含む支持材料は、この中ではモデルへの最弱な付着を示したが、適切に用いるには強く付着していた。
【００３１】
また、この実施例の材料は、液化器において望ましくない構築を示した。約３．２ｋｇ（７ポンド）のみの材料を押し出した後において、詰まりのために液化器を取り替える必要があった。
【００３２】
（実施例２）
ポリエーテルスルホンベースポリマーとシリコンの離型剤とを含む支持材料を用いて、約２００〜２２５℃の温度を有する炉において、大きなポリフェニルスルホンのモデルと小さなポリフェニルスルホンのモデルとを構築した。便宜上、ベースポリマーと混合された、シリコンを含む「マスターバッチ」を提供するために、市販の化合物を用いた。ポリプロピレン、線形かつ低密度のポリエチレンと、高耐衝撃性のポリスチレンとを含めて、種々のマスターバッチをテストした。さらに、種々のシリコン（約６０，０００センチストークス（中程度の粘度）から５０，０００，０００センチストークス（非常に高い粘度）の範囲にわたるシリコンをテストした。非常に高い粘度のシリコンの分子量は大きく、その上、粘度が小さいシリコンほど分子量は小さい。
【００３３】
中程度の粘度のシリコンが非常に高い粘度のシリコンよりもはるかに優れた離型剤であることと、高耐衝撃性のポリスチレンのマスターバッチが、テストに用いた別のマスターバッチよりも容易にポリフェニルスルホンのモデリング材料から離れることとが、判明した。好適な実施形態では、マスターバッチは、約７５重量パーセントの高耐衝撃性のポリスチレンコポリマーと、約２５重量パーセントの６０，０００センチストークス（ｃＳｔ）の粘度のシリコンとを含んでいた。この実施形態では、支持材料は、約９０〜９５重量パーセントのポリエーテルスルホン、約３〜８重量パーセントの高耐衝撃性のポリスチレンと、約１〜３重量パーセントのシリコンとから成っていた。ＢＡＳＦ、Ｕｌｔｒａｓｏｎ  Ｅ−１０１０ポリエーテルスルホン、ヒドロキシで終端したポリジメチルシロキサン（換言すると、ヒドロキシで終端したシリコン）とを含むＤｏｗ−Ｃｏｒｎｉｎｇ  ＭＢ２５−５０４スチレンブタジエンコポリマーとを用いて、この合成物は明らかにされた。約４２０℃の温度を有する液化器からこの材料が押し出されることによって、ポリフェニルスルホン樹脂を用いて構築されるモデル用の支持構造が首尾よく形成された。この支持構造は、構築の後においてモデルから申し分なく離された。
【００３４】
さらに、シリコンの添加物が液化器の寿命を延ばすことが示された。シリコンの添加物なしの場合には（例えば、実施例１の支持材料）、約３．２ｋｇ（７ポンド）の支持材料を押し出した後において、ノズルにおける材料の構築のために液化器を取り替える必要があった。シリコンの添加物がある場合には、液化器は、取り替える必要が生じるまでに、１８ｋｇ（４０ポンド）を超える支持材料を押し出した。従って、ノズルの寿命が４００パーセント超延びた。
【００３５】
ポリフェニルスルホンのモデリング材料に関しては、この材料からなる大きなモデル（換言すると、約１６４０立方センチメートル（１００立方インチ）以上のモデル）には、炉から取り出したほぼその時において、ひびが入った。このひびは、厚い部分において最も激しかった。小さなモデルでもひびが生じ、それは主に角張った角においてであった。
【００３６】
（実施例３）
実施例２において記載したように、ポリエーテルスルホン、高耐衝撃性のポリスチレンと、シリコンの離型剤とからなる支持材料を用いて、約２００〜２３０℃の温度を有する炉において、大きなポリフェニルスルホンのモデルと小さなポリフェニルスルホンのモデルとを構築した。この実施例では、ＰＰＳＦ樹脂にもシリコンを加えた。種々のマスターバッチを用いて、種々の濃度のシリコン（最大約５重量パーセントのシリコン）をテストした。
【００３７】
シリコンの添加物によって、液化器の寿命がわずかに延びる（押し出されたモデリング材料が約３．２ｋｇ（７ポンド）から約４．５ｋｇ（１０ポンド）へと）、ということが判明した。同様に、シリコンの添加物によって、支持構造からのモデルの外しやすさがわずかに改善した。
【００３８】
（実施例４）
この実施例では、ポリカーボネートポリマーをポリフェニルスルホンポリマーに混合した。用いたポリカーボネートは、Ｌｅｘａｎ（登録商標）ＨＦ１１１０（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手可能）。この材料は１５６℃のガラス転移温度を有し、約３２０〜３４０℃の液化器の温度において処理させたときにおいてノズルを介してよく流れることが、示された。種々の濃度のポリカーボネート（５〜７５重量パーセントのポリカーボネート）をテストした。
【００３９】
実施例２において記載したように、ポリエーテルスルホン、高耐衝撃性のポリスチレンと、シリコンの離型剤とからなる支持材料を用いて、ＰＰＳＦ／ＰＣの混合モデリング材料から、大きなモデルと小さなモデルとを構築した。２００〜２３５℃（好適な温度は２２５℃）に維持された炉へと、約４００〜４３０℃の温度を有する液化器からＰＰＳＦ／ＰＣの混合モデリング材料を押し出した。支持物の除去を容易にするために、材料が依然として熱い間においてモデルから支持物を取り除いた。この高温支持物除去法（ｈｏｔ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｒｅｍｏｖａｌ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）の詳細について、以下に説明する。
【００４０】
ＰＰＳＦ／ＰＣ材料が、押出ヘッド液化器のノズルにおける構築に抗するということが判明した。驚くべきことに、ポリカーボネートは、液化器の高温において壊れない。液化器の取り替えが必要になるまでに、約１３．６ｋｇ（３０ポンド）の材料が押し出された。さらに、ＰＰＳＦ／ＰＣ材料から構築されたモデルは、真直ぐなＰＰＳＦから構築されたモデルにおいて生じた応力によるひびを示さなかった。また、最大２０〜２５重量パーセントのポリカーボネートを加えることによっても、ＰＰＳＦポリマーの熱特性、化学特性、または強度特性にはこれという変化はなかった。１０パーセントのポリカーボネートの混合が好ましい。その理由は、それが、容易に均一な混合物を生成するに十分な量のポリカーボネートポリマーであり、所望のＰＰＳＦの特性にはほとんど影響を及ぼすことないためである。
【００４１】
測定したＰＰＳＦ／ＰＣの混合物（１０重量パーセントのポリカーボネート）の熱特性および機械特性は、以下のとおりである。
【００４２】
【表１】
2006525159.tif 000003
（結果の考察）
ＰＰＳＦのベースポリマーにポリカーボネートを追加することによって、ＰＰＳＦと熱特性および強度特性が類似したモデリング材料が得られるが、その材料は押出ヘッドノズルにおける構築への抵抗を示し、強固なひびのないモデルを生成する、ということが明らかになった。従って、ポリカーボネートポリマーが、商用に適した特性を有するＰＰＳＦの熱可塑性を提供するということが明らかになった。１重量パーセントのポリカーボネートまたは約２５重量パーセントの添加を用いることによって、商用に有用なＰＰＳＦのモデリング材料が提供され得る、ということが期待される。最大２５重量パーセントのポリカーボネートを用いることによって、混合物の熱特性は幾分低下し、好適な炉の温度をわずかに低減する必要がある（おそらく約２１５〜２２０℃へと）。ＰＰＳＦ／ＰＣの混合材料に少量のシリコンを加えることによって液化器の寿命がさらに延びる、ということも期待される。
【００４３】
支持構造に関しては、完成したモデルからの支持構造の除去が、炉の外において材料が熱い場合の方が、材料がすでに冷却された場合よりもかなり容易である、ということが判明した。熱いうちに支持物を除去することによって、モデルから支持物を離すに要する労力が低減される。従来技術では、処理する前において、その部品およびそれの支持物を適切な温度に冷却することが許されていた。高温の支持材料の強度が大きいために、冷却の際における支持物を外すことは、従来技術の商用システムにおけるよりも本材料における方が難しい。高温支持物除去法によって、高強度の支持物を外すことが、それより弱い強度の従来技術において既知の支持物の冷却によって外すことよりも、容易になる。熱によって、支持材料が柔軟にかつ壊れにくくなり、それによって、より容易にモデルから支持物が除去されるようになる。熱は、ＰＰＳＦのモデリング材料とそれの支持物との接着の強さも弱める。実施例４の材料に対しては、支持物の除去には１５０℃〜２２０℃の温度範囲が最適であるということが判明した。
【００４４】
ポリエーテルスルホンと、高耐衝撃性のポリスチレンと、シリコンの離型剤とからなる支持材料を本発明の例証に用いたが、そのような材料は、本発明における支持材料として用いられ得る熱可塑性材料の一例のみであり、本発明は高温支持物除去法から利益を受ける。
【００４５】
当業者に認識されるように、ＰＰＳＦ／ＰＣモデリング材料が不活性および／または活性の充填材を含み得る。充填材は高められた材料の特性を提供し得、それは、結果得られるモデルに意図された使用法に依存して、望ましくあり得る。例えば、充填材は、ＲＦ遮蔽特性、伝導特性、または無線不伝導性特性（一部の医療用途には有用）を提供し得る。もしくは、充填材は、支持材料の特性を劣化し得るが、このことは一部の使用法では許容され得る。例えば、安価な充填材を追加することによって材料の費用が低減され得る。充填材は材料の熱特性も変更し得る。例えば、充填材は材料の熱抵抗を増加し得、充填材は熱凝固の際における材料の収縮を低減し得る。例示的な充填材には、ガラスファイバーと、カーボンファイバーと、カーボンブラックと、ガラスマイクロスフィアと、カルシウムカーボネートと、雲母と、タルクと、シリカと、アルミナと、シリコンカーバイドと、ウォラストナイトと、黒鉛と、金属と、塩と、粘土のナノコンポジットとが含まれる。
【００４６】
無数の別の添加物が特定の用途に所望されるとおり材料の特性を変更し得るということは、当業者には認識されるであろう。例えば、可塑剤を加えることによって、熱可塑性材料の熱抵抗および溶融流が下がることになる。染料または色素を加えることによって、色を変更し得る。酸化防止剤を加えることによって、押出器における材料の熱による劣化が鈍化され得る。材料を有意に劣化させることなしに、最大約２０重量パーセントの添加材が加えられ得る、ということが期待される。
【００４７】
本発明のＰＰＳＦ／ＰＣのモデリング材料は、モデリング供給原料としての使用のためのフィラメント、ロッド、ペレット、または別の形状にモールドされ得、または、それは、先に凝固することなしに液体の供給原料として用いられ得る。もしくは、混合物が凝固され、粒状にされ得る。
【００４８】
ＰＰＳＦ／ＰＣのモデリング材料が湿気に敏感であるということに留意されたい。この材料を湿り気のある空気にさらすことによって、モデルの質が下がるということが明らかになった。従って、乾燥状態を保つことは重要である。本発明の材料に対して、溶融堆積法によって正確かつ強固なモデルを構築するために、材料を乾燥させる必要がある。本発明の高温かつ湿気に敏感な材料を用いて三次元オブジェクトを構築するに特に適した装置は、係属中の米国特許出願第０９／８０４，４０１号および米国特許第６，７２２，８７２号に開示されており、これらは本明細書に援用される。‘８７２特許には、高温のビルドチャンバを有するモデリング装置が開示されており、‘４０１出願には、湿気が塞がれたフィラメントカセットと、フィラメントが供給された堆積モデリング装置において湿気に敏感なモデリングフィラメントを供給するフィラメントの経路と開示されている。
【００４９】
（高温支持物除去法）
支持物は、その部分がまさに構築され材料が依然として熱いときにおいて、本発明により構築されたモデルから、より容易に除去される。それに付属する支持物を有するモデルは、熱い間において、モデリング装置の炉から除去され、ユーザー（熱保護手袋を装着している）が種々の手工具を用いて支持物を引っ張り、外す。外すことが困難になるように材料が冷却されると、ユーザーは、モデリング装置の炉または別の利用可能な炉においてその部分を再加熱する。再加熱の時間は、炉およびその部分の形状に依存する。ＴｉｔａｎＴＭ装置の炉において、その部分は、約４〜１５分再加熱される。その部分の加熱に用いられ得る別のタイプの炉には、マイクロ波加熱炉、家庭用対流式オーブン、実験用炉、または高温空気銃が含まれる。マイクロ波加熱炉は、その部分を迅速に加熱し得るが、ユーザーは材料を過熱しモデルを溶融しないように気を付ける必要がある。
【００５０】
通常、支持物の除去は、まずベース層を除去し、その後に内部の支持構造、次いでモデルに接合する層が続く場合が、もっとも容易である。種々の手工具が支持物の除去に有用であり、それには、プライヤーと、直たがね（ｓｔｒａｉｇｈｔ  ｃｈｉｓｅｌ）と、フックたがねと、突きぎりと、フック突きぎりと、穴たがねとが含まれる。プライヤーは、可能な限り多くの支持構造を除去するために用いられる。直たがねは、モデルと支持面との間に工具を無理やり押し込み、工具を押し、面取りし、モデルの表面に沿って行われることによる界面層の除去に特に有用である。フックたがねは、支持物の端部をフックし引っぱることによって、直たがねでは届き得ない位置における支持物の除去に用いられ得る。突きぎりは、直たがねで届くには小さすぎる領域からの支持物の除去に用いられる。フック突きぎりは、フックたがねと同様の態様で、支持物のフッキングすることおよび支持物を介して工具を引っ張ることによって、一連の除去された支持物を生成するために用いられ得る。最終的に、穴たがねを用いることによって、穴部および凹形の特徴部から支持物を除去する。
【００５１】
好適な実施形態を参照して本発明について記載したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および詳細に変更がなされ得る、ということは当業者には認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】層状の押出し技術を使用して形成されたモデルおよび支持構造の図的表示である。
【図１】
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【国際調査報告】
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