(57)【要約】  本発明は、多色の三次元物体を製造する改善された押出し成形３Ｄ印刷、特に改善された熱溶解積層方式による３Ｄ印刷に関している。また本発明は、従来技法に比べて特に鮮明度の優れた機械的に安定した多色の三次元物体が製造可能な三次元印刷方法にも関している。本発明による方法は、物体の製造に実際に用いられるポリマーストランドが、印刷ヘッドの上流側でコーティングされ、このコーティングが、印刷ヘッド内へのポリマーストランドの挿入前に固定化されることに基づいている。印刷ヘッド内へ押出されたストランドの表面にはほとんどのコーティングが押出し後も残留する。このコーティングは、着色されていてもよいし、機能性の添加剤を含有していてもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材料を印刷するための印刷ヘッドを備えている、押出し成形３Ｄプリンタであって、
前記印刷ヘッドの上流側にコーティングユニットが設けられており、
前記コーティングユニットにおいて、フィラメントが、複数の調量装置を備えた複数のインク供給容器からの添加剤及び／又はインクでコーティングされ、
前記コーティングユニットと前記印刷ヘッドとの間で固定化が行われることを特徴とする押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項２】
前記添加剤及び／又はインクは、コーティングの前に、ミクサ内で次のように相互に混合される、すなわち、前記ミクサに異なる添加剤及び／又はインクが供給され、前記ミクサ内で生成された混合物が前記コーティングユニット内へ移送されるように混合される、請求項１記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項３】
前記印刷ヘッドは、前記ミクサに対してさらに付加的に、前記コーティングユニットの上流側で静的ミクサを、ノズルの下方領域に備えている、請求項２記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項４】
前記コーティングユニットの上流側にガイド又は制動部を備え、さらに前記固定化の後に任意の搬送ユニットを備え、前記コーティングユニット内で前記フィラメントが、前記ガイド又は制動部と、前記任意の付加的な搬送ユニットとによって引っ張られている、請求項１から３いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項５】
三次元物体を製造する前記装置は、サポート材料を印刷するための第２の印刷ヘッド及び／又は第３の印刷ヘッドを備えており、前記第３の印刷ヘッドは、前記第２の印刷ヘッドと全く同じように構成されており、前記第３の印刷ヘッドは第２の造形材料用のフィラメントを有している、請求項１から４いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項６】
第１の印刷ヘッドは、着色過程前は無色で不透明な造形材料を含み、前記第３の印刷ヘッドは、着色過程前は無色で透明な造形材料を含む、請求項５記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項７】
前記２つの印刷ヘッドは、複数の造形材料に対してそれぞれ固有の混合装置によって同じインク供給容器にアクセスする、請求項５又は６記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項８】
前記第１及び／又は任意の第３の印刷ヘッドからの前記造形材料は、加工可能な熱可塑性の材料、有利には、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（メタ）アクリレート、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ＨＤＰＥ、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、またはこれらのポリマーの少なくとも２つからなる混合物であり、有利には前記第３の印刷ヘッドからの前記造形材料は、ポリメタアクリレート又はポリカーボネートである、請求項７記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項９】
前記第２の印刷ヘッドからのサポート材料は、酸可溶性ポリマー、塩基可溶性ポリマーまたは水溶性ポリマーである、請求項５から８いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１０】
それぞれの色合いが、コンピュータベースのＣＡＤプログラムに入力され、座標情報に加えて、製造のための色情報と材料配合及びインク調合の制御のための色情報とを含むファイルが設けられており、それによって前記各色合いは、調量装置の制御と、供給容器からの各原色ないし黒色の制御された調量とによって設定調整される、請求項１から９いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１１】
インク又は添加剤に加えてさらなる顔料を含んだ、さらなるインク供給容器が設けられており、前記さらなる顔料の少なくとも１つは、金属粉顔料及び／又は蛍光顔料を含んでいる、請求項１から１０いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１２】
前記組成物は、マイクロ波、熱、プラズマ、ＵＶ光、又は磁場によって活性可能な添加剤を含み、及び／又は、前記組成物は、接着増進剤又は接着剤を含み、任意に無色である、請求項１から１１いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１３】
前記固定化は、固定化ユニット内で行われるか、又は、少なくとも１ｃｍの区間に亘って、有利には少なくとも１５ｃｍの区間に亘って行われる、請求項１から１１いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１４】
前記印刷ヘッドの上流側に、コーティングされたフィラメントの直径を検出する複数のセンサが配設されており、前記複数のセンサからの情報は、材料の流れの最適化、色制御、印刷制御のために用いられる、請求項１から１０いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１５】
多色の押出し成形３Ｄ印刷方法であって、
少なくともコーティングユニットにおいて、造形材料を添加組成物及び／又は染色組成物で相前後して連続的にコーティングし、固定化し、印刷ヘッドに誘導して、該ヘッド内で溶解させ、前記溶解物をノズルを介して前記印刷ヘッドから吐出させることを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記方法を、請求項１から１３のうちの少なくとも１項による押出し成形３Ｄプリンタを用いて実施する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
印刷の後で複数のコーティング成分がストランド表面に堆積されている、請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良された押出し成形３Ｄ印刷方法に関し、特に多色の三次元物体を製造する改良された熱溶解積層方法（ＦＤＭ）に関している。本発明は特に従来技術に比べて機械的に安定した多色の３次元物体を製造することができる３Ｄ印刷方法に関している。この本発明による方法は、三次元物体の実際の製造に用いるポリマーストランドが印刷ヘッドの上流側でコーティングされることと、このコーティングが、ポリマーストランドの印刷ヘッドへの挿入前に固定化されることに基づいている。印刷ヘッドへ押出された後は、ほとんどのコーティングが、押出されたストランドの表面に残留する。このコーティングは、着色されてもよいし機能性添加剤を含んでいてもよい。
【背景技術】
【０００２】
ラピッドプロトタイピング法ないしラピッドマニュファクチャリング法とは、既存の三次元ＣＡＤデータを、可能な限り手動介入や金型なしで、直接的にかつ高速に加工品に置き換える目的を持った製造方法である。
【０００３】
このラピッドプロトタイピング法では、多種多様な方法が存在しており、これらの方法は主に２つのグループに分けることができる。すなわちレーザーをベースとする方法と、レーザーを使用しない方法である。
【０００４】
最もよく知られているレーザーベースの古い３Ｄ印刷方法は、ステレオリソグラフィ法（ＳＬＡ）である。ここではポリマーからなる放射線硬化性の液状組成物がレーザーを用いて層毎に硬化される。そのようにして製造された加工品は、表面における着色が事後的にしかできないことは当業者には明らかである。このことは複雑で時間がかかる。
【０００５】
それに類似した方法は、選択的レーザー焼結法であり（ＳＬＳ）は、そこでは、粉末状の原料、例えば熱可塑性プラスチックまたは焼結金属などが、レーザーを用いて前記ＳＬＡ層の場合に類似して選択的に焼結される。この方法を用いても、第１のステップにおいて単色又は特定の色に着色された３Ｄ物体を得ることができる。同じようなことは、レーザーベースの第３の方法とも称される、積層造形法にも当て嵌まる。ここでは、接着剤のついたペーパーシート又はプラスチックフィルムが上下に積層され層毎に接着されて、レーザーで切削加工される。物体の後からの着色は、例えば米国特許第６，７１３，１２５号明細書にも記載がある。
【０００６】
多色性物体の製造に用いることができる公知の３Ｄ印刷方法には、ＵＶインクジェット法が挙げられる。この方法は３段階の過程を経ており、まず粉末状の材料が薄い層で塗布され、次にこの層上にＵＶ硬化性の液体が後の三次元物体の各層を形成すべく印刷され、最後にこれらの印刷された層がＵＶ光源を介して硬化される。これらの過程のステップは、層毎に繰り返されている。
【０００７】
欧州特許第１４７５２２０号明細書には、異なって着色された液体が硬化剤と共に供給される方法が開示されており、国際公開第２００８／０７７８５０号パンフレットには、印刷直前にチャンバ内でさらに混合されることによって選択的な着色が可能になる方法が開示されている。しかしながらこの混合チャンバでは、鮮明な色への移行は不可能である。さらにこのような手順では、硬化の境も不鮮明になりやすく、その結果滑らかさに欠ける凹凸表面となり、場合によっては不均一な着色を引き起こす原因にもなる。国際公開第０１／２６０２３号パンフレットには、２つの印刷ヘッドが異なる色の硬化剤組成物を備え、それらが加工物に異なる弾性特性をもたらしていることが開示されている。しかしながらここでは３色以上の記載はない。
【０００８】
紫外光に代えて熱放射を用いた硬化が行われ、同時に異なる色の硬化剤組成物が用いられる変化実施例は、国際公開第２００８／０７５４５０号パンフレットに記載されている。
【０００９】
英国特許第２４１９６７９号明細書には、様々に着色されたポリマー粒子が選択的に塗布され、様々な波長のもとで硬化される方法が開示されている。但しこの方法は極端に複雑であり、同時に鮮明度の低いカラー画像をもたらす。
【００１０】
国際公開第２００９／１３９３９５号パンフレットによるインクジェット３Ｄ印刷に類似した方法では、着色液体が層状に塗布され、この第１の液体と硬化反応を起こす第２の液体が選択的に印刷されている。このような方法では、硬化されていない液体層間で生じ得る混合は除いて、複数の色を層状に構築できる。
【００１１】
さらに別の方法は、三次元印刷法（ＴＤＰ）である。この方法では、インクジェットプロセスと同じ様な粉末状の材料、好ましくはセラミックが、熱可塑性ポリマーの溶融と共に層毎に選択的に含浸される。各印刷層の後には、新しい粉末材料の層が被着されなければならない。ここでは熱可塑性樹脂の凝固が三次元物体を形成している。
【００１２】
米国特許第２００４／０２５１５７４号明細書に記載された方法では、熱可塑性樹脂の印刷に続いてインクが選択的に印刷されている。この方法の利点は、印刷の非常に繊細な選択が可能になることである。但しこの方法の欠点は、均等に発光するカラー画像が達成できないことである。なぜなら（セラミックス）粉末と結合剤からなる複合材料内にインクが均等に浸透することが達成されないからである。
【００１３】
欧州特許第１４９１３２２号に記載されている方法では、２つの異なる材料が印刷されている。第１の材料は、バインダーと、第２の材料との接触の際に沈殿する着色剤とを含有し、それによって表面が選択的に着色される。このようにして、良好な色特性が対象表面で形成される。しかしながらここでの問題は、前記２つの材料の均一な混合と、手間のかかる２段階のプロセスにある。ここでは多色の印刷の場合に鮮明な色合いが保証されるかどうかや、それをどのようにして保証するかについては何も言及されていない。
【００１４】
米国特許第６，４０１，００２号明細書では、様々な液体が、種々異なるインクやバインダーと共に使用されている。これらの液体は、別個に滴化されるか、または滴化の前に複数の接続路を介してノズル内で結合される。但し当業者には、前記２つの手順がどちらも理想的な鮮明度には結びつかないことがわかっている。特に第１の手順では、インクの混合が粘稠液体中で行われる。この混合が完全に行われることは非常にまれである。第２の手順では、配管内の圧力差が非常に大きな色変動につながる可能性がある。
【００１５】
印刷過程を用いた三次元物体の製造に関連して最も材料の節約をもたらし、機械設計に関して最も効果的な方法は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）である。これは、押出加工をベースにしたデジタル製造システムである。小さな変更を伴ってはいるがこれによく似た方法では、例えば、溶融フィラメント製造法（ＦＦＦ）、金属押出加工法（ＭＥＭ）または選択的堆積造形法（ＳＤＭ）などが公知である。
【００１６】
熱溶解積層法ＦＤＭでは、２つの異なるポリマー繊維が、ノズル内で溶融されて選択的に印刷される。一方の材料はサポート材料であり、これは、例えば印刷過程の間支持を必要とする３Ｄ物体の張り出し部分が後から印刷される箇所でのみ必要とされる材料である。このサポート材料は、その後、例えば酸、塩基または水による溶解によって除去することができる。他方の材料（造形材料）は、実際の３Ｄ物体を形成する。ここでも、印刷は一般に層状に行われる。このＦＤＭ法は、米国特許第５１２１３２９号明細書に最初に記載されている。一般に、着色は例えば米国特許第２０００／２０１１１７０７号明細書にも記載があるので、ここでの詳細な説明は省く。
【００１７】
欧州特許第１５５８４４０号明細書に記載された方法では、個々の層は、その後の方法ステップでカラー印刷される。但しこの方法ステップは遅く、既に硬化した熱可塑性樹脂の印刷の際にはカラー画像の解像度低下につながる。
【００１８】
米国特許第６，１６５，４０６号明細書によるカラー３Ｄ印刷方法では、個々の各インク毎に別々のノズルが使用される。従ってインク混合の可能性は非常に限定的となり、カラー画像が非常に容易となる。
【００１９】
米国特許第７６４８６６４号明細書に記載されたＦＤＭ法の変化例では、種々の着色造形材料が顆粒の形態で使用されて互いに別々に溶融され、プリントされる前に、色の要求に応じて、各インク毎に介在接続された押出し機を用いて相互に混合される。この方法は、装置的に非常に複雑となり、結果としてＦＤＭの多くの利点が失われる。
【００２０】
欧州特許第１４３２５６６号明細書による非常に類似したシステムでは、溶融された顆粒状物質の混合が、それらの直接の印刷前に、加熱された印刷ヘッド内で直接行われる。但しこの混合は完全に行うことはできず、印刷画像の品質も相応に悪化する。さらにここでもまた顆粒状物質または粉末状物質を使用しなければならない欠点があり、それらはマシーン内で別個に保管され、溶融されなければならない。
【００２１】
米国特許第６，１２９，８７２号明細書では、造形材料がノズル内で溶融され、ノズル端部において異なる色混合物の溶融内へ選択的に調量される方法が記載されている。しかしながらこのことは、十分な色混合には結びつかず、不鮮明なカラー画像につながる。
【００２２】
米国特許第２０１０／０３２７４７９号明細書には、着色された複数のフィラメントがマイクロ押出し機で混ぜ合わされ、その中で新しく着色されたフィラメントが、印刷のために印刷ヘッドへ移される前に連続的に押し出される方法が記載されている。この方法は、非常に高度で複雑な装置を必要とする。その他にも、達成可能な色の範囲がフィラメントの数によって制限される。代替的実施形態によれば、種々異なる色のフィラメントが、印刷ヘッドに直接案内され、そこで混合可能であるが、しかしながら、この変化例も、上述したような欠点を呈する。
【００２３】
発明の課題
したがって、本発明の課題は、シャープで鮮明なカラー画像を伴う、選択的に着色された多色の三次元物体を製造することができる３Ｄ印刷方法を提供することである。
【００２４】
さらに本発明の課題は、機械的に安定した多色性物体を印刷する、有利にかつ高速に実施可能な３Ｄ印刷方法を提供することである。
【００２５】
さらに本発明の課題は、色の導入が後処理によって延期されないような着色物体を表示できる方法を提供することである。
【００２６】
その他の課題についてはここでは明示的に述べないが、以下の明細書における実施例の説明や特許請求の範囲の記載からも明らかになる。
【００２７】
解決手段
本発明は、３Ｄ多色印刷のための改善された押出し成形３Ｄ印刷方法に関している。この押出し成形３Ｄ印刷方法は、特に熱溶解積層法（以下では単にＦＤＭ法とも称する）またはＦＤＭ法に非常に類似した印刷方法と理解されたい。なお以下の明細書においては、用語「押出し成形３Ｄ印刷方法」、「ＦＤＭ印刷法」、「ＦＤＭ３Ｄ印刷法」は、いずれも同義語として用いられる。同様に、以下の明細書において用語「押出し成形３Ｄプリンタ」、「ＦＤＭ３Ｄプリンタ」、「ＦＤＭプリンタ」も同義語として用いる。
【００２８】
ＦＤＭ３Ｄプリンタの態様及びそれに所属するプロセスパラメータは、米国特許第５，１２１，３２９号明細書及び米国特許第２０１０／０３２７４７９号明細書が参照可能である。それらのパラメータを、本発明に関連させてその他の押出し成形３Ｄ印刷方法へ移行することは、当業者にとっては容易であり、大きな手間はかからない。
【００２９】
本発明の枠内では、「印刷ヘッド」との用語は、押出し成形３Ｄ印刷方法において、フィラメントを供給、溶融、塗布する装置全般を指すものと理解されたい。
【００３０】
本発明の枠内では、「組成物」との用語は、本発明に従ってポリマーストランドに塗布される組成物を指すものと理解されたい。この組成物には、インク、顔料、染料及び／又は添加物が含まれる。
【００３１】
本発明の枠内では、「固定化」との用語は、コーティングの乾燥、硬化、重合、添加剤付加、架橋結合、結合又はその他の反応全般を指すものと理解されたい。
【００３２】
本発明の枠内では、「フィラメント」との用語は、ストランドの型内の造形材料ないしサポート材料の未処理の成形品を指すものと理解されたい。このフィラメントは、印刷ヘッドにおいて、本発明に従って溶融された後で、３Ｄ物体に印刷される。このフィラメントは、熱可塑性材料であってもよい。前記フィラメントは通常は、ポリマーフィラメントであるが、但しこれに限定されるものではない。前記ポリマーフィラメントは、例えば一部のみが熱可塑性ポリマーマトリックス材料とさらなる充填物質若しくは例えば金属から成っていてもよい。
【００３３】
前記課題は、上流側のコーティングユニットと下流側の固定化ユニットとを有する印刷ヘッドを備え、複数のフィラメントから単一色または多色の３次元物体を製造する新たな押出し成形３Ｄプリンタを提供することによって解決される。
【００３４】
この押出し成形３Ｄプリンタは、通常は、造形材料を印刷する少なくとも１つの印刷ヘッドと、さらに通常はフィラメントの形態で供給されるサポート材料を印刷するさらなる印刷ヘッドとが含まれている。これらの印刷ヘッドは、少なくとも２つの領域からなるそれぞれ１つのノズルを含んでいる。当該ノズルの第１の上方領域には固体のポリマーが存在し、第２の下方領域には溶融されたポリマーが存在している。前記印刷ヘッド内部では、上方領域の固体状態と、下方領域の溶融状態との間で移行が連続する。
【００３５】
本発明は、そのようなフィラメント、とりわけ造形材料をコーティング及び印刷する装置に関している。
【００３６】
特に本発明による装置によれば、フィラメントが、印刷ヘッドへ挿入される前に、コーティングユニットを用いて調量装置を具備した複数の供給容器からの添加剤及び/又はインクと共にコーティングされている。さらに本発明による装置は、コーティングユニットの下流で、実際の印刷ヘッドの上流に、固定化ユニットを含み、この固定化ユニットは、最も簡素なケースにおいては、乾燥ユニット及び/又は空気乾燥が行われる領域である。
【００３７】
コーティングユニットは、１つ又は複数のノズルを備えた装置、特に１つ又は複数のインクジェット印刷ヘッドを備えた装置であってもよい。代替的な実施形態によれば、フィラメントを取り囲みインクを十分に含んでいるスポンジ状の材料か又はインクないし添加剤混合物を交互に連続的に充填する可及的に小さな環状ギャップである。有利には、コーティングユニットからのフィラメントの出口には、フィラメントの塗布厚を印刷ヘッドの設計に相応するように調整する制限部が存在する。さらに前記コーティングユニットは、過剰なコーティング材と洗浄過程のための出口を有する。これについては、コーティングユニット内に導入された組成物が、または、制限部によって除去されたコーティングが、簡単に排出口を介して逆流しないように注意を払わなければならないが、それについては材料消費を抑えるための所期の制御が行われるようにしてもよい。さらに前記排出口は、残量を収集するための収集容器が出口に設けられていてもよい。
【００３８】
前記固定化ユニットは、熱乾燥ユニット、例えば、ＩＲビーム源及び／又はエアージェットないしガスジェットであってもよく、特に後者は、任意に温度制御されたガスを含み得る。事前にコーティングされたフィラメントは、このユニットによって案内され、揮発性成分が乾燥ユニットを用いて除去される。そのため、未乾燥インクの後からの塗布が回避可能である。さらに、気泡の形成または不正確な印刷につながりかねないノズル内の印刷過程中の揮発成分からのガスの発生の問題を回避することが可能である。
【００３９】
有利にはこの箇所において付加的に次のことが考慮されるべきであろう。すなわち、解放された揮発成分（例えば溶剤）が捕獲されるか又は被害を与えることなく放出されるようにすることが考慮されるべきである。
【００４０】
熱的乾燥ユニットに対しては代替的に、コーティングされたフィラメントを印刷ヘッドに投入する前に空気乾燥させることも可能である。それに対してはコーティングされたフィラメントは、コーティングユニットを離れた後で、印刷ヘッドに入る前に、少なくとも１ｃｍの区間を通過し、有利には少なくとも１０ｃｍの区間、特に有利には少なくとも１５ｃｍの区間、極めて有利には少なくとも２５ｃｍの区間を通過している。有利な実施形態によれば、前記コーティングユニットと印刷ヘッドは、加熱されるハウジング内に存在する。この態様を用いることにより空気乾燥が付加的に加速される。この態様において有利には、当該ハウジング室内の十分な換気が考慮される。それについてはさらに揮発成分が害を及ぼさないように排出されなければならない。
【００４１】
コーティングの固定化は、乾燥の代わりに、又は、乾燥に加えてさらに付加的に、そのような重合、付加反応又は架橋などの化学反応を介して行われるか促進される。
【００４２】
最も単純なケースでは、塗布されるコーティングは、反応性の混合物であり、これは周辺条件のもとで自動的に反応し、次のように固定化される。すなわち、コーティングされたフィラメントは、コーティングユニットを離れた後で、印刷ヘッドに入る前に、１ｃｍの区間を通過し、有利には少なくとも１０ｃｍの区間、特に有利には少なくとも１５ｃｍの区間、極めて有利には２５ｃｍの区間を通過している。
【００４３】
代替的に前記コーティングの固定化は、プラズマ、ＵＶビーム、マイクロ波ビーム、磁気誘導、または冷間プラズマによって行われてもよいし、加速されてもよい。それにより固定化区間の長さが著しく短縮可能になる。
【００４４】
前記コーティングが反応性コーティングである限りは、前記コーティングの固定化は、印刷ノズルの上流側では完全に行われなくてもよく、そのときには十分な固定化は、押出し過程の後で、プラズマ、ＵＶビーム、マイクロ波ビーム、磁気誘導、又は冷間プラズマによって行われてもよい。それにより、特に中間層の付着性が改善され得る。
【００４５】
別の実施形態によれば、前記コーティングが押出しの過程の後で、付加的に、雰囲気湿度、酸素、又は水分と反応する。これにより、中間層の付着性及び／又は構造部の機械的特性が改善され、さらに着色と光沢が変化するか又は表面の粗さが改善される。
【００４６】
印刷ノズルがさらなる装置、例えば静的混合装置を装備していない限り、印刷ヘッド内の比較的低いせん断速度と、選択された押出し温度でのコーティングとポリマーの相応に調節された粘度と、に基づいて、印刷ノズルにおける押出し過程中のフィラメントとコーティングの混合はほとんど起きない。
【００４７】
このようにして、表面が概ねコーティング若しくは着色されたストランドからなる構成部品が得られるようになる。この方法によれば、全体を完全に着色したポリマーマトリックスの場合に比べて材料の節約がなされる。さらにこのようにすれば、押出し過程後の３Ｄ物体の安定性の増加のために、それを必要とする箇所に、添加剤、特に定着剤を正確に被着させることができるようになる。
【００４８】
別の任意の実施形態によれば、前記組成物が動的ミクサ又は有利には静的ミクサを介してコーティングユニットに供給される。前記ミクサには、まず、様々な添加物、顔料及び／又はインクが供給される。ミクサ内で生成された混合物は、さらにコーティングユニットへ移送される。
【００４９】
このミクサは、有利には直接前記コーティングユニットに設けられていてもよいし、当該コーティングユニットと共に統合された１つのユニットであってもよい。それによりデッドスペースや印刷ロス、線路の数が最小化できる。インク、顔料及び／又は添加物からなる混合物は、固形フィラメントの表面に塗布される。後からの印刷ヘッドにおける押出し過程の際には、コーティングとベースフィラメントとの部分的な混合が溶解物への拡散によって行われ得る。しかしながら溶解物中の均質な分散は、既に前述したように不要である。なぜなら、三次元物体の後の表面は、概ね及び有利には、溶融ストランドの表面を形成する供給されたコーティングから形成されるからである。この変化実施例を用いることにより、特に比較的僅かなインク消費量で鮮やかな着色物体が製造される方法、あるいは、同じインク消費量のもとで色合いの濃い表面コーティングがなされる方法が得られる。
【００５０】
相応のことは、添加剤、特に三次元物体内の個々の層間での接着性の向上に寄与する添加剤にも当て嵌まる。これらは専ら溶融ストランドの表面に必要とされる。
【００５１】
さらなる別の実施形態によれば、印刷ヘッドは、溶融フィラメントの領域において、付加的な動的ミクサまたは静的ミクサをノズル下方領域に有している。しかしながら基本的にはそのような付加的ミクサは、最終成形品の良好なカラー鮮明度を得るためには不要である。
【００５２】
印刷ヘッド、コーティングユニット及びさらなる構成要素の配置構成は、それらの配向方向に関して比較的自由に選択可能であり、本発明によれば、順番に関してだけが守られる。それによりフィラメントは任意に水平方向に又は下方から上方へコーティングユニット及び／又は固定化ユニットを通過してもよい。この場合、通常は下流側へ印刷する印刷ヘッド内に入る前の方向転換は、偏向ロールを用いて実現されてもよい。
【００５３】
前記偏向ロールに対しては代替的に、フレキシブルチューブを通してフィラメントを案内してもよい。この変化例の利点は、より信頼性の高いプリンタの動作が保証される点である。それに対して偏向ロールの利点は、フィラメントのより高い張力にある。
【００５４】
フィラメントの移送は、従来技術から公知の機構を用いて行われる。この機構は通常は２つの搬送ロールと該搬送ロールを駆動するモータである。ここでは１つ又は２つのロールが駆動可能である。それに対する代替的な変化例としては、例えば米国特許第２０１０／００７６４９５号明細書が参照され得る。通常の場合、一次側搬送ユニットは、印刷ヘッドの入力側にある。それに対して代替的若しくは付加的に、さらなる搬送ユニットを、固定化ユニットの後方に直接配置してもよいし、有利には任意の偏向ロールや案内チューブの前方に配置してもよい。さらにコーティングユニットの上流側で、さらなる搬送ユニットを相互に独立して制御可能なように、それぞれ固有のモータと共に、原料フィラメントが載置されるフィラメントロールの直後に直接配置してもよい。
【００５５】
有利には、コーティングユニットの直ぐ上流側には、例えば２つ以上の制動ロールの形態の制動システムか又はガイドシステムが存在していてもよい。それらを用いることによって、コーティングユニット内でフィラメントに張力を付与することが保証される。特に有利には、コーティングユニットに続く固定化ユニットの直後に第２の搬送ユニット又は第２のガイドシステムが存在するか又は乾燥のために最低限必要とされる１ｃｍの最小区間の後に、第２の搬送ユニット又は第２のガイドシステムが存在する。
【００５６】
プリンタを最小化する場合には、前述の張力付与は任意に省いてもよい。なぜならコーティングユニット内での水平移動は、最小限でしかできないからである。
【００５７】
印刷ヘッドは基本的に印刷過程中は印刷ベッド全体に亘って水平方向に移動するので、フィラメントが印刷ヘッドの直接の上流側で移動の十分な自由度を得ることが保証される。このことは、次のことによって達成され得る。すなわちフィラメントロールから印刷ヘッドまでの全ての構成要素がコーティングユニットないし乾燥ユニットを介して一緒に動くことによって達成される。また代替的に、既述したように、２つの搬送ユニットを設け、そのうちの第１の搬送ユニットは、固定化ユニットの直接の下流側に配置し、第２の搬送ユニットは、印刷ヘッドの直接の上流側か若しくは印刷ヘッド内部に配置し、相互に独立して次のように制御してもよい。すなわち、一方では印刷ヘッドの自由な制御を単独で可能にし、他方ではフィラメントの過度な引っ張りを回避するのに十分なフィラメントが２つのポジションの間で存在するように制御してもよい。
【００５８】
本発明による押出し成形３Ｄプリンタは、さらなる任意の構成要素を具備することも可能である。以下のリストは、例示的なものにすぎず、網羅的なリストとして理解されるべきではない。
【００５９】
さらにコーティングユニットの上流側で、プラズマ放電のような手法を用いて、原料フィラメントを接着性向上のために任意に活性化させてもよい。
【００６０】
さらにそれぞれの印刷ヘッドの上流側に任意のインク検出器及び／又はフィラメントの直径ないしは入ってくるフィラメントとコーティングされたフィラメントの層厚さを検出するためのセンサが設けられていてもよい。それらの情報は、材料の流れを最適化し、インクの制御と印刷の制御のために用いることが可能である。
【００６１】
装置内で使用されるインクは、種々異なる色の組成物、例えばマゼンタ、シアン、ブルーないしイエローからなる三原色の減法混色か、であるレッド、グリーン、ブルーの光の構成色の加法混色であってもよい。三原色を用いた場合には、さらに有利には第４のカラーとしてブラックが付加的に加えられてもよい。さらに代替的に、使用される造形材料に依存してホワイトを第４ないし第５のカラーとして用いてもよい。しかしながら真の表色系のためには、系に応じて２０色まで必要となる可能性がある。ここでは少なくとも１０色の異なるカラーからなる表色系、とりわけ１２色の異なるカラーの表色系が有利である。そのような表色系を用いれば、より高い輝度のカラーが得られる。
【００６２】
種々異なる組成の表色系は、当業者にとっては２Ｄ印刷の頃から既に公知である。使用される全ての色は、それぞれ固有の調量装置を備えた別個の保存容器内に含まれており、そこから実施形態に応じてコーティングユニットか又は動的ミクサ内へ直接調量される。
【００６３】
前記添加剤は、有利には１つ又はそれ以上の接着促進添加剤である。代替的または付加的に、さらなる添加剤、例えばＵＶ架橋結合剤や熱的若しくは磁気的に活性化可能な接着剤などを含んでいてもよい。さらには、感触性向上のための添加剤への添加物や汚れ防止ないしは耐擦傷性向上のためのコーティング成分、表面安定化のための添加剤、例えばＵＶ安定剤なども考えられる。その上さらに産業用途に対しては、熱伝導性や導電性を改善するための添加剤や帯電防止剤も対象に挙げられる。
【００６４】
３Ｄ物体の可燃性を減少させるために、又は、熱特性、表面導電率、及び／又は、感触性を向上させるために、無機添加剤、例えばシリカ、アルミナ、又は（暗色の物体の場合）カーボンブラックなどを添加剤として表面に被着させることも可能である。ここでのそれぞれの効果は、相応の添加剤が材料マトリックスに添加された場合よりも格段に良くなる。
【００６５】
とりわけ熱伝導性および表面導電率を向上させるために、添加剤のグラフが使用されてもよい。
【００６６】
添加剤は、別個の供給容器から供給されるか又は一色以上の色と混合されて供給される。それぞれの造形材料及び／又はサポート材料は、それらの添加剤と共に次のようにコーティングされる。すなわち、それらが溶融した後でもノズル内に、好ましくは押し出されたストランドの表面に残存し、そこにおいてそれらの効果が得られるように、例えばストランド相互の接着性向上特性または表面導電率が得られるようにコーティングされる。
【００６７】
特定の実施形態によれば、三次元物体の製造装置は、第三の印刷ヘッドを有している。この任意の第三の印刷ヘッドは、第２の印刷ヘッドと正確に同じように形成されている。特に、この第３の印刷ヘッドを用いて第２の造形材料のためのフィラメントが印刷される。この第２の造形材料は、第１の造形材料とは異なる。色組成物は、透明な造形材料の印刷の際に必要に応じて不透明な光学特性を与える充填剤を任意に含有することができる。
【００６８】
例えば、第２の印刷ヘッドは、着色過程前は無色で不透明な造形材料を含み、第３の印刷ヘッドは、着色過程前は無色で透明な造形材料を含んでいてもよい。有利には、前記２つの印刷ヘッドは、同じ供給容器に対応しているそれぞれ固有の混合装置を備える。
【００６９】
有利には、前記造形材料は、加工可能な熱可塑性材料であってもよい。有利には、第２の印刷ヘッド及び／又は任意の第３の印刷ヘッドからの造形材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（メタ）アクリレート、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ＨＤＰＥ、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、またはこれらのポリマーの少なくとも２つからなる混合物、又は、前述したこれらのポリマーのいずれかの少なくとも５０重量％で組成されている混合物であってもよい。本明細書で使用される表記（メタ）アクリレートとは、ここではメタクリレート類、例えばメチルメタクリレート、エチルメタクリレート等も、アクリレート類、例えばエチルヘキシルアクリレート、エチルアクリレート等も、並びに前記２つの混合物も意味する。
【００７０】
第３のノズルからの第２の任意の造形材料については、特にポリメタクリレート若しくはポリカーボネートが有利である。
【００７１】
第１の印刷ヘッドからのサポート材料に関して、これらは好ましくは酸可溶性ポリマー、塩基可溶性ポリマー又は水溶性ポリマーであってもよい。
【００７２】
本発明による、押出し成形３Ｄ印刷に使用する装置は、一般的従来技術に対応しており、そのため通常は次のように構成されている。すなわち、それぞれの色合いが計算機ベースのＣＡＤプログラムに入力され、製造過程と材料および色調合の制御のための色情報が含まれるファイルが座標に加えて提供されるように構成されている。適切なファイルフォーマットは、例えば添加剤製造ファイルフォーマット（ＡＳＴＭ  Ｆ２９１５−１２）に記載されている。ここでは、調量装置の制御と、供給容器からの各原色ないし黒の制御された調量とによってそのつどの色合いが設定される。
【００７３】
任意に、第２および第３の印刷ヘッドのコーティングユニットは、黒と複数色ないし複数原色若しくは添加剤に加えて、さらなる顔料も含んださらなるインク供給容器を備えていてもよい。これらのさらなる顔料は、例えばメタリック顔料及び／又は蛍光顔料を含み得る。
【００７４】
前記インク供給容器はまた、添加剤、接着促進剤または接着剤を含んでいてもよい。それらは、マイクロ波、磁場または電場によって加熱可能であり、及び／又は活性化可能である。これらは、１つの組成物又は全ての組成物に添加されてもよいし、別個のインク供給容器から添加されてもよい。後者の場合、これらの組成物は無色である。相応の添加剤の具体的な選択は、当業者には、組成物と使用される造形材料とから明らかとなる。
【００７５】
その上さらに、１つ若しくは複数のインク供給容器は、架橋結合剤、開始剤又は促進剤を含んでいてもよい。それらは、フィラメントとの接触によって、混合物中の相互反応によって、固定化ユニット内の又は押出し後の反応の熱的又は他のタイプの活性化によって、添加や架橋結合などの反応につながる。それにより、完全に若しくは部分的にエラストマーまたは熱硬化性の三次元物体が得られる。
【００７６】
表面コーティングの反応は、後からも行うことができ、そこでは、まず、マイクロ波、熱、プラズマ、紫外線光または磁場を用いて、活性化可能な添加剤が、コーティングとして塗布され、それが後に、以下の方法ステップに従って相応に活性化される。それにより、押出されたストランド表面において特に有利な反応が生じ、これは特に上下のストランド相互間の架橋結合のために用いられてもよい。しかしながら溶融されたフィラメントが存在し得る印刷ヘッドの領域内での拡散か又は付加的な既に上述したような動的ないし静的ミクサによって、追加の架橋結合がそれまでのフィラメント内部でも生じる。
【００７７】
代替的に、異なるインク供給容器からの添加剤は、混合の後で相互に自動的に反応し、例えばフィラメント表面における化学的架橋結合に結びつくか、及び／又は、印刷後のフィラメント上下間の接着性の向上に結びつく。
【００７８】
通常は、前記インク供給容器は、カラー印刷のための２Ｄインクジェットカラープリンタに関する従来技術からも公知であるような可動カートリッジであってもよいし、あるいは、例えばポンピングを介してそこから液体が抜かれるか、又はカートリッジ周りでピストンポンプ内へクランプ可能な可動カートリッジであってもよい。それらは簡単にかつ個別に交換ないし再生が可能なように構成可能である。
【００７９】
上述の装置の他にも、新規なカラー押出し成形３Ｄ印刷方法自体も、本発明の一部である。この新規な方法は、以下のステップによって特徴付けられる：すなわち、
−連続的に移送されるフィラメントに添加剤及び／又は染料組成物をコーティングするステップ、
−前記添加剤及び／又は染料組成物をフィラメントの表面に固定化させるステップ、
−コーティングされた前記フィラメントを印刷ヘッド内へ差し入れるステップ、
−前記印刷ヘッド内のフィラメントを溶融するステップ、
−前記溶融物をノズルを介して三次元印刷の目的のために吐出するステップ。特にこの方法は、上述した本発明に係る押出し成形３Ｄプリンタを用いて実施される。
【００８０】
本発明による方法は、有利には、コーティング成分が印刷後ストランド表面において増加される点で傑出している。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の主要な構成要素としてコーティングユニット、固定化ユニット、押出し成形３Ｄプリンタ用の印刷ヘッドが表されている本発明の例示的な実施形態を示した図
【符号の説明】
【００８２】
１      供給容器を備えたカラー組成物のためのミクサ
２      コーティングユニット
３      固定化ユニット
４      印刷ヘッド
【図１】
2016501136.tif 000002
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月9日(2015.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材料を印刷するための第１の印刷ヘッドを備えている、押出し成形３Ｄプリンタであって、
前記第１の印刷ヘッドの上流側にコーティングユニットが設けられており、
前記コーティングユニットにおいて、フィラメントが、複数の調量装置を備えた複数のインク供給容器からの添加剤及び／又はインクでコーティングされ、
前記コーティングユニットと前記印刷ヘッドとの間で固定化が行われることを特徴とする押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項２】
前記添加剤及び／又はインクは、コーティングの前に、ミクサ内で次のように相互に混合される、すなわち、前記ミクサに異なる添加剤及び／又はインクが供給され、前記ミクサ内で生成された混合物が前記コーティングユニット内へ移送されるように混合される、請求項１記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項３】
前記第１の印刷ヘッドは、前記ミクサに対してさらに付加的に、前記コーティングユニットの上流側で静的ミクサを、ノズルの下方領域に備えている、請求項２記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項４】
前記コーティングユニットの上流側にガイド又は制動部を備え、さらに前記固定化の後に搬送を行う搬送ユニットを備え、前記コーティングユニット内で前記フィラメントが、前記ガイド又は制動部と、前記付加的な搬送ユニットとによって引っ張られている、請求項１から３いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項５】
前記押出し成形３Ｄプリンタは、サポート材料を印刷するための第２の印刷ヘッド及び第３の印刷ヘッドを備えており、前記第３の印刷ヘッドは、前記第２の印刷ヘッドと全く同じように構成されており、前記第３の印刷ヘッドは第２の造形材料用のフィラメントを有している、請求項１から４いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項６】
前記第１の印刷ヘッドは、着色過程前は無色で不透明な造形材料を含み、前記第３の印刷ヘッドは、着色過程前は無色で透明な造形材料を含む、請求項５記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項７】
前記第２及び第３の印刷ヘッドは、複数の造形材料に対してそれぞれ固有の混合装置によって同じインク供給容器にアクセスする、請求項５又は６記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項８】
前記第１及び／又は第３の印刷ヘッドからの前記造形材料は、加工可能な熱可塑性の材料である、請求項７記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項９】
前記第１及び／又は第３の印刷ヘッドからの前記造形材料は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ（メタ）アクリレート、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ＨＤＰＥ、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、またはこれらのポリマーの少なくとも２つからなる混合物である、請求項８記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１０】
前記第３の印刷ヘッドからの前記造形材料は、ポリメタアクリレート又はポリカーボネートである、請求項９記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１１】
前記第２の印刷ヘッドからのサポート材料は、酸可溶性ポリマー、塩基可溶性ポリマーまたは水溶性ポリマーである、請求項５から１０いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１２】
それぞれの色合いが、コンピュータベースのＣＡＤプログラムに入力され、座標情報に加えて、製造のための色情報と材料配合及びインク調合の制御のための色情報とを含むファイルが設けられており、それによって前記各色合いは、調量装置の制御と、供給容器からの各原色ないし黒色の制御された調量とによって設定調整される、請求項１から１１いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１３】
インク又は添加剤に加えてさらなる顔料を含んだ、さらなるインク供給容器が設けられており、前記さらなる顔料の少なくとも１つは、金属粉顔料及び／又は蛍光顔料を含んでいる、請求項１から１２いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１４】
前記組成物は、マイクロ波、熱、プラズマ、ＵＶ光、又は磁場によって活性可能な添加剤を含み、及び／又は、前記組成物は、接着増進剤又は接着剤を含む、請求項１又は１３記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１５】
前記接着増進剤又は接着剤は無色である、請求項１４記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１６】
前記固定化は、固定化ユニット内で行われるか、又は、少なくとも１ｃｍの区間に亘って行われる、請求項１又は１３記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１７】
前記第１の印刷ヘッドの上流側に、コーティングされたフィラメントの直径を検出する複数のセンサが配設されており、前記複数のセンサからの情報は、材料の流れの最適化、色制御、印刷制御のために用いられる、請求項１から１２いずれか１項記載の押出し成形３Ｄプリンタ。
【請求項１８】
多色の押出し成形３Ｄ印刷方法であって、
少なくともコーティングユニットにおいて、造形材料を添加組成物及び／又は染色組成物で相前後して連続的にコーティングし、固定化し、印刷ヘッドに誘導して、該ヘッド内で溶解させ、前記溶解物をノズルを介して前記印刷ヘッドから吐出させることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記方法を、請求項１から１７いずれか１項による押出し成形３Ｄプリンタを用いて実施する、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
印刷の後で複数のコーティング成分がストランド表面に堆積されている、請求項１８記載の方法。
【国際調査報告】
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