(57)【要約】  処理される部品と液体プロセス可塑剤が、プロセス可塑剤の沸点よりも低い動作温度まで密閉された処理チャンバ内でともに加熱される、３Ｄ印刷によって得られる部品の表面仕上げのための方法および装置である。空気蒸気混合物は、部品表面における凝縮物の形成を回避し且つプロセス可塑剤蒸気が凝縮物形成なく部品表面によって吸収されることを可能にするように、温度および濃度を均一に保ち且つ空気／蒸気混合物と部品を接触させるようにチャンバ内での連続的循環が維持される。蒸気の曝露時間は、所望の浸透深さに応じて固定される。装置は、加熱手段（１５）を有するチャンバ（１１）、チャンバ（１１）内の空気／蒸気混合物を循環させてその内部の均一な温度および濃度条件を維持する手段、および凝縮によって空気／蒸気混合物からプロセス可塑剤蒸気を分離するユニット（２４）を備える。残留空気／蒸気混合物を濾過するためのユニット（３９）も設けられる。
2020524624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄ印刷によって得られたプラスチック材料から作製された部品の表面仕上げのための方法において、
ａ）加熱手段を備えた密閉可能チャンバ内に、そのような処理を必要とする少なくとも１つの部品を配置するステップと、
ｂ）制御された量の液体プロセス可塑剤を前記チャンバに供給するステップと、
ｃ）前記チャンバを密閉し、前記加熱手段を作動させて、前記チャンバ内の温度を前記プロセス可塑剤の沸点よりも低い動作温度まで上昇させ、それにより、前記チャンバ内に空気と前記プロセス可塑剤の蒸気との混合物を形成するステップと、
ｄ）前記加熱手段が作動されて前記チャンバ内の温度およびプロセス可塑剤蒸気濃度を均一に維持し、その表面温度が前記混合物の温度と略等しく且つ前記表面上でプロセス可塑剤蒸気の凝縮が起こらないように前記部品の同時加熱を確実にしてから、前記チャンバ内の前記空気／蒸気混合物の連続的な循環を保持するステップと、
ｅ）前記プロセス可塑剤蒸気と前記部品の表面との間の直接接触および前記部品表面下の所望の深さまでの前記蒸気の吸収を可能にするのに十分な所定時間だけ、前記部品を前記動作温度に保持するステップであって、前記動作温度がプラスチック材料と吸収されたプロセス可塑剤蒸気との間の混合物のガラス転移温度よりも僅かに高いステップと、
ｆ）前記所定時間が経過した後、前記加熱を停止し、凝縮により前記空気／蒸気混合物を前記チャンバから蒸気分離手段に吸引するステップと、
ｇ）処理された部品を前記チャンバから取り除くステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記動作温度が、プラスチック材料とプロセス可塑剤の前記混合物のガラス転移温度よりも１０℃以下、好ましくは５℃以下高い、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記部品が、２０から８０分まで変化する時間だけ、前記プロセス可塑剤蒸気にさらされる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記プロセス可塑剤が、前記処理チャンバの容積に適した容積のパッケージされた用量として供給され、前記プロセス可塑剤の容積が、前記チャンバの容積１リットル当たり２から１０ｍｌ、好ましくは２から５ｍｌの範囲である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
凝縮による前記プロセス可塑剤の分離ステップの後、残留空気／蒸気混合物が、残留プロセス可塑剤を吸収または中和することができる液体中で濾過される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記プロセス可塑剤の蒸気と混合された不活性ガスが、前記チャンバ内に含まれる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記処理チャンバ内の動作圧力が、１２５ｋＰａと１５０ｋＰａとの間に含まれる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記処理チャンバ内の動作圧力が、大気圧未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記処理チャンバ内の温度が、動作温度を超えて急速に上昇し、その後、前記動作温度まで低下する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理される部品がＡＢＳから作製され、前記プロセス可塑剤がアセトンであり、前記動作温度が３０から４０℃の間に含まれる、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記処理時間が、３０分から５０分の間に含まれる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
３Ｄ印刷によって得られたプラスチック材料から作製された部品の表面仕上げのための装置において、
−そのような処理を必要とする少なくとも１つの部品を収容するための密閉可能チャンバ（１１）と、
−制御された量の液体プロセス可塑剤を前記チャンバの底部に供給する手段（２０、２２）と、
−前記液体プロセス可塑剤を加熱するために前記チャンバの少なくとも前記底部に配置され、前記チャンバが密閉されると、空気と前記プロセス可塑剤の蒸気との混合物を形成し、前記プロセス可塑剤の沸点よりも低い動作温度に前記空気／蒸気混合物の温度を上昇させる加熱手段（１５、１７）と、
−加熱ステップ中、および前記部品の表面との前記可塑剤蒸気の直接接触および物品の表面下の所望の深さまでの前記蒸気の吸収を可能にするのに十分な所定時間だけ前記動作温度に維持するステップ中に、前記チャンバ（１１）内の前記空気／蒸気混合物の均一な循環を保持する手段（１８）と、
−前記所定の曝露時間が経過すると、前記チャンバと連通して配置されることができる前記空気／蒸気混合物から前記プロセス可塑剤蒸気を分離する手段（２４）と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記制御された量のプロセス可塑剤を供給する前記手段が、前記プロセス可塑剤のパッケージされた用量用のハウジング（２０）と、前記ハウジング（２０）と前記チャンバ（１１）とを連通して配置する導管（２１）とを備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記パッケージされた用量が、穿刺可能なカプセル（Ｃ）の形態であり、前記カプセルを穿刺する手段（４８）が、その内容物が前記導管（２１）を介して前記チャンバに流出することを可能にするように前記ハウジング（２０）の底部に設けられる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記カプセルの穿刺を可能にするために、前記カプセル上の所定の識別マークを検出するための光学式検出手段（２２）が設けられる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記チャンバ（１１）内に、外部モータ手段（１９）によって動力供給されるファン（１８）が設けられ、前記チャンバ内の空気／蒸気混合物の循環および前記混合物の均一な分布を生じさせる、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記プロセス可塑剤蒸気を前記空気／蒸気混合物から分離する前記手段（２４）が、熱電凝縮器を備える、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記熱電凝縮器が、閉回路内の冷却流体によって冷却されるペルチェセルタイプのものである、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ペルチェセルの高温側に熱的に接続されたフィン（２８）を含む密閉された内側部分を有する本体（２７）を備え、前記内側部分が、前記空気／蒸気混合物を前記本体（２７）の内側部分において循環させるようにポンプ（２５）を介して前記チャンバ（１１）と連通して配置されるように構成される、請求項１７または１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記凝縮器（７０）が、ペルチェセル凝縮器（７２）であり、前記チャンバの内側に形成された開口（７３、７４）を介して前記チャンバ１１と直接連通し、反対側が前記ペルチェセル（７２）の低温側に接触し、前記凝縮器内の前記空気／蒸気混合物を循環させる手段（７８）が前記開口（７３）の１つに配置され、前記ペルチェセルの高温側が熱交換手段（７１）に接触して発生した熱を除去する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記凝縮器における前記空気／蒸気混合物循環手段（７８）が、前記凝縮器が動作していないとき、前記プロセス可塑剤加熱ステップ中に、および前記部品がプロセス可塑剤蒸気にさらされたときに前記動作温度を不変に維持するステップ中に、前記チャンバ（１１）における空気／蒸気混合物循環手段としても機能する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記チャンバ（１１）の側壁に追加の加熱手段（１７）が設けられている、請求項１２から２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記空気／蒸気混合物が前記分離手段（２４）において処理された後に前記チャンバと連通して配置されるように構成された濾過手段（３９）をさらに備える、請求項１２から２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記濾過手段が、前記分離手段（２４）における処理後に前記空気／蒸気混合物に含まれる残留プロセス可塑剤を吸収または中和することができる液体に浸漬されたバブラー装置（４０）を備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記チャンバ（１１）を冷却するための外部に取り付けられた冷却手段（１６）をさらに備える、請求項１２から２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記チャンバが、前記タンクを収容および支持する外側ハウジング（１０）内に配置されたタンク（１１）の形状であり、前記タンクが、カバー（１２）によって密閉可能であり、前記外側ハウジング（１０）には、前記タンク（１１）との間隙（５５）を規定する絶縁内側ハウジング（５４）が設けられ、制御された量の前記プロセス可塑剤を供給する前記手段（２０、２２）、前記空気／蒸気混合物の前記分離手段（２４、７０）が、前記外側ハウジング（１０）に含まれる、請求項１２から２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置の動作を管理するためのマイクロプロセッサ手段（５３）をさらに備える、請求項１２から２６のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、３次元物体を印刷する分野（以下、略して「３Ｄ印刷」という）に関し、特に、３Ｄ印刷プロセス、特にポリマー材料を使用して物品／物体（以下、「部品」とも称する）を作製するプロセスによって得られる部品の表面仕上げ方法に関する。本発明はまた、３Ｄ印刷により得られた部品の表面仕上げのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知のように、３Ｄ印刷プロセスは、３Ｄモデリングソフトウェアによって作成された対応するモデルから３次元物体が再現されることを可能にする。そのようなプロセスに基づく機械、装置、およびシステム全体は、それらのコストの削減と、専門および／または産業用装置からデスクトップタイプ、オフィスおよび家庭用機械に至るまでカバーして市場に出される製品のますますの多様化とにより、市場において急速に広がっている。
【０００３】
３Ｄプリンタの使用は、建築からエンターテイメントまで、生物医学部門から航空宇宙部門までなど、ラピッドプロトタイピングから幅広い分野における無数の他の用途まで急速に広がっている。
【０００４】
一般に、３Ｄ印刷プロセスは、３次元の物体を取得するために適切な材料を層毎に堆積することを含む。主に低コストのおかげでより普及している技術は、蒸着印刷またはＦＦＭ／ＦＤＭ（溶融フィラメント製造／溶融蒸着モデリング）であり、ポリマーフィラメントは、溶融するまで加熱され、ソフトウェアのガイドの下に、移動しながらノズルを通過し、材料を堆積させて重なり合う層を形成する。この種の技術においてより一般的に使用される材料は、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）およびＰＬＡ（ポリ乳酸）である。他の技術によれば、粉末ポリマーまたは金属材料または液体ポリマー材料が使用される。
【０００５】
層の厚さは、通常５０〜１００ミクロンであるが、１０ミクロンの範囲の厚さが得られることがあり、しかしながら、これは、より長い製造時間をもたらす。仕上げの品質は、層の厚さを低減することによって明らかに向上するが、それにもかかわらず、物体の表面は、比較的縞模様で、不均一で多孔質であるため、物体は、望ましくない特性を示すことがある（例えば、それらは、液体に浸漬されることがある）か、またはそれらの最終的な目的（例えば、装飾物体の場合）に適していない外観を有することがある。他の例では、表面の凹凸は、望ましい要件および／または寸法公差を満たさない（例えば、３Ｄ印刷によって製造された物体が型である場合）。これらの全ての場合、および製造された部品の品質に関連して言及されていない他の場合では、表面仕上げ処理が使用される必要がある。
【０００６】
例えば、射出成形によって得られるプラスチック材料物品の表面仕上げの既知の方法は、プラスチック材料に適合する溶媒に物品を浸漬すること、または存在するいかなる粗さも滑らかにするのに十分なほど物品表面の表面上を流れることができるプラスチック材料の限られた表面可溶化を引き起こすのに十分な所定時間、溶媒蒸気に物品をさらすことを含む（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
この方法は、３Ｄ印刷によって得られるプラスチック材料から作製される物品の表面仕上げにも拡張されている。この主題については、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５を参照のこと。３Ｄ部品は、３Ｄプリンタにおいて製造された後、プラスチック材料に適合する適切な溶媒の蒸気にさらされる。部品に接触すると、蒸気は、その上で凝縮し、材料を軟化して材料を表面に流し、したがって、表面を滑らかにする。部品は、表面が沸騰する溶媒の温度に到達するまで徐々に加熱され、前記温度に到達するまで表面でその表面上で凝縮する溶媒によって常に覆われる。部品は、所望の仕上げ度が得られるまで、凝縮する溶媒蒸気にさらされたままであり、その後、蒸気から取り外され、溶媒の再蒸発により乾燥することを可能にする。
【０００８】
曝露時間は、部品上の溶媒蒸気の凝縮を観察することによって決定され、部品は、凝縮が終了すると蒸気チャンバから取り外され、これは、部品の表面温度が溶媒の沸点に到達したことを示す。さらにまた、曝露時間は、溶媒および材料の種類、部品の形状特性、および溶媒蒸気濃度を考慮する。
【０００９】
この方法は、不可欠な条件として、部品の表面における溶媒の凝縮を伴う。しかしながら、表面における蒸気の浸透を妨げることに加えて、凝縮溶媒への長時間の曝露は、材料の損失を伴う浸食および表面流出をもたらすことがあり、さらに、凝縮液滴が部品の形状のために優先的な流路を有することがあるため、また、流出が不均一に発生することがあり、したがって、局所的な凝縮液の蓄積をもたらす。さらにまた、上述した既知の方法では、部品の表面下の溶媒浸透の深さを制御することはできない。
【００１０】
この用途に適した溶媒として、トリクロロエチレン、フルオロカーボンおよびそれらの混合物などのハロゲン化溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトンが、プラスチック材料および動作条件にしたがって選択されることが提案されている。
【００１１】
３Ｄ印刷部品の表面仕上げのための装置もまた、特許文献５に開示されている。本装置は、表面の粗さおよび多孔性を除去し、滑らかで光沢のある表面を得るために物品を溶媒蒸気にさらすことを含む。本装置は、非気密性の蓋を有する金属製の収納ボックス構造によって形成されており、加熱チャンバが配置されている。前記チャンバ内で、溶媒が最初に気化され、次に処理される３Ｄ部品が配置される。部品は、冷えているかまたは事前に冷却される可能性がある。収納ボックス構造はまた、加熱チャンバから分離された乾燥チャンバも収容し、乾燥チャンバでは、溶媒処理の終了時に３Ｄ部品が移送され、そこから溶媒を除去する。乾燥チャンバは、溶媒除去プロセスを高速化するために室温よりも低い温度に維持される。加熱チャンバの上方に冷却コイルが設けられ、溶媒回収タンクに送られて再利用される前に水分離器を通過する溶媒の蒸気を凝縮する。
【００１２】
上記特許出願にかかる装置は、大気圧において作動し、加熱チャンバは、部品の処理中は開いたままであり、オペレータが全処理中に部品を溶媒蒸気雰囲気中に懸濁させて処理の結果を制御することを可能にする。溶媒としてフルオロカーボンが使用される。
【００１３】
一連の動作ステップは、最初にチャンバを加熱することを含み、液体溶媒は、既に充填されており、溶媒蒸気を生成し、その後、その部品を溶媒蒸気雰囲気中に浸漬する。溶媒蒸気は、動作温度にあるが、部品は、最初は室温にあり、それにより、必然的に蒸気が凝縮して、動作温度と部品表面温度との間で熱平衡状態に到達するまで徐々に加熱する。この状態で、部品の蒸気凝縮が停止し、処理が終了する。通常、処理時間（不十分と考えられる場合には繰り返されることがある）は、数分未満であり、場合によっては３０秒程度である。
【００１４】
上述した装置は、非常に複雑で高価であり、非常に高価な溶媒を使用する；したがって、特別な産業用用途にのみ関心があることができる。さらにまた、０．５インチの最小レベルの溶媒は、溶媒が蒸発するチャンバの底部において維持される必要があるため、必要な量の溶媒は、数リットル程度のかなり高い量であると予測することができる。それでも、蒸気チャンバを開いた状態で処理を行う必要性は、作業環境汚染のリスク、ならびに蒸気チャンバ中に浸漬した部品を保持するオペレータの健康に対する可能なリスクをもたらし、それにより、適切な吸引システムが提供される必要がある。最後に、乾燥チャンバへの部品の移送は、溶媒曝露期間の終わりにおける部品表面の半流動状態を考慮しても複雑な動作である。
【００１５】
したがって、３Ｄ印刷によって得られたプラスチック材料から作製された部品の表面仕上げを、効果的で迅速且つ安全な方法で、家庭やオフィス用途でも手頃な価格で実行することができる必要性が非常に強く感じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５４４８８３８号明細書
【特許文献２】国際公開第０３／０８９２１８号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２００７／０４４００７号パンフレット
【特許文献４】国際公開第２００８／０８８７６１号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２０１０／００２６４３号パンフレット
【発明の概要】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、既知の方法で得られるものに少なくとも匹敵する仕上げ程度および品質が達成されることができ且つ部品の表面での凝縮物の形成による不都合を有することがない、３Ｄ印刷によって得られるプラスチック材料から作製される部品の表面仕上げ方法を提供することである。
【００１８】
本発明の特定の目的は、必要に応じて処理強度を調節することができる、特に、部品がさらされる蒸気の浸透深さを制御することができる、上述したタイプの方法を提供することである。
【００１９】
本発明の他の重要な目的は、３Ｄプリンタのほとんどの作業空間に沿って小さなサイズを有する上述した方法にしたがって作動することができる３Ｄ印刷によって得られるプラスチック材料から作製される部品の表面仕上げ装置を提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、専門家（建築家、設計者、設計事務所など）と個人の両方が使いやすく、十分な表面仕上げ技術の技術スキルがなくても３Ｄ印刷に情熱を傾ける上述したタイプの装置を提供することである。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、処理の中間段階において部品を移動させる必要のない上述したタイプの装置を提供することである。
【００２２】
本発明の他の目的は、その使用のための追加の機器（例えば、ヒュームフード）を必要とせずに使用できる上述したタイプの装置を提供することである。
【００２３】
本発明のさらに他の目的は、液体であろうと蒸気形態であろうと、プロセス材料と直接接触することを決して必要としない、オペレータが安全に使用できる上述したタイプの装置を提供することである。
【００２４】
本発明のさらなる目的は、ユーザにより遠隔制御可能で且つプログラム可能な上述したタイプの装置を提供することである。
【００２５】
これらの目的は、本質的な特徴が請求項１および１２に記載されている本発明にかかる３Ｄ印刷によって得られるプラスチック材料から作製された部品の表面仕上げのための方法および装置によって達成される。さらに重要な特徴は、従属請求項に記載されている。
【００２６】
本発明にかかる方法の重要な特徴によれば、３Ｄ印刷によって得られた部品（または複数の部品）は、加熱手段を備えた密閉可能チャンバ内に配置される。前記チャンバには、制御された量の液体プロセス可塑剤が供給され、それはチャンバの底部領域に集められる。加熱手段が作動すると、液体可塑剤が加熱され、前記プロセス可塑剤の空気と蒸気の混合物が前記チャンバ内に形成され、前記混合物は、チャンバ全体における均一な分布と、前記プロセス可塑剤の沸点よりも低い動作温度に到達するまで徐々に加熱される部品表面との均一な接触とを得るために循環を維持される。部品は、プロセス可塑剤蒸気と所定時間接触し続け、接触時間に関連して部品表面によって蒸気が所望の深さまで吸収され、プラスチック材料の対応する軟化、プラスチック材料とそこに吸収されるプロセス可塑剤蒸気との間の混合物のガラス転移温度よりも僅かに高い動作温度を得ることを可能にする。所定時間が経過すると、空気／蒸気混合物は、前記チャンバの外部での凝縮により空気／蒸気混合物からプロセス可塑剤の分離ユニットに送られる。分離ステップの終わりに、処理された部品は、チャンバから取り外される。
【００２７】
このように動作することにより、すなわち、熱平衡状態とも呼ばれる部品表面とそれに接触する空気／蒸気混合物との間の温度が略等しい状態を維持することにより、蒸気凝縮、したがって、表面部品層の可溶化による軟化が回避され、蒸気吸収、したがって、表面可塑化による軟化が促進される。
【００２８】
本発明にかかる方法の好ましい実施形態によれば、動作温度は、前記混合物のガラス転移温度よりも１０℃を超えず、好ましくは５℃を超えず、可塑剤蒸気を処理するための部品の曝露時間は、２０から８０分の範囲である。
【００２９】
本発明にかかる方法の他の特徴によれば、プロセス可塑剤は、処理チャンバの容積に適した予めパッケージされた投与容積で供給される。本発明の特定の実施形態によれば、プロセス可塑剤の容積は、チャンバの容積１リットル当たり２から１０ｍｌ、好ましくは２から５ｍｌの範囲である。
【００３０】
本発明の他の重要な特徴によれば、本装置は、
ａ）そのような処理を必要とする少なくとも１つの部品を収容するための密閉可能チャンバと、
ｂ）制御された量の液体プロセス可塑剤を前記チャンバの底部に供給する手段と、
ｃ）前記液体プロセス可塑剤を加熱し、それにより、空気と前記プロセス可塑剤の蒸気との混合物を形成するとともに、前記空気／蒸気混合物の温度を前記プロセス可塑剤の沸点よりも低く且つ前記プラスチック材料のガラス転移温度よりも僅かに高い動作温度まで上昇させる、少なくとも前記チャンバの前記底部に配置された加熱手段と、
ｄ）加熱ステップ中、および前記可塑剤蒸気と前記部品の表面との直接接触および前記部品の表面下の所望の深さまでの前記蒸気の吸収を可能にするのに十分な所定時間の間に前記動作温度に維持するステップ中に、前記チャンバ内の前記空気／蒸気混合物の均一な循環を維持する手段と、
ｅ）凝縮により前記空気／蒸気混合物から前記プロセス可塑剤蒸気を分離する手段であって、前記チャンバに対して外部にあり且つ前記所定の接触時間が経過すると前記チャンバと連通して配置されることができる分離手段とを含む。
【００３１】
本発明にかかる装置の好ましい実施形態では、処理チャンバの一方側におけるハウジングと、ハウジングの底部におけるカプセルを切断または穿刺し、その内容物を導管を介してチャンバに流す手段とを備える、穿刺可能なカプセルの形態のプロセス可塑剤の予めパッケージされた用量のフィーダが提供される。カプセルの切断または穿刺を可能にするために、検出手段が提供されることが好ましい。好ましくは、検出手段は、光学タイプのものである。このようにして、プロセス可塑剤供給動作は、可能な限り簡素化され、それにより、ユーザとのいかなる接触のリスクも回避し、装置の非常にコンパクトなレイアウトを達成する。
【００３２】
本発明の装置の好ましい実施形態によれば、ペルチェセルを使用する熱電型の凝縮器は、加熱ステップの終わりに処理チャンバから到来する空気／蒸気混合物からプロセス可塑剤を分離するために採用される。ペルチェセルの冷却は、閉回路内の冷却流体を使用して、または空気によって行うことができる。凝縮群の構造は、非常にコンパクトであり、さらに、凝縮器本体が密閉されることができるため、環境への損失のいかなるリスクも回避される。
【００３３】
本発明の他の特定の実施形態では、ペルチェセル凝縮器は、プロセス可塑剤蒸気に富む混合物の少なくとも１つの入口開口およびチャンバ内部に面するプロセス可塑剤蒸気に乏しい混合物の少なくとも１つの戻り開口を介して処理チャンバと直接連通し、混合物を開口のうちの少なくとも１つにおいて凝縮器を介して循環させるための手段が提供される。有利には、同じ循環手段はまた、凝縮器が作動していないときの部品の処理中に、チャンバ内の空気／蒸気混合物の均一な循環を維持することも提供する。
【００３４】
本発明の装置のさらに他の特徴によれば、その全ての構成要素（処理チャンバ、プロセス可塑剤供給ユニット、凝縮器群および冷却流体回路、ならびに残留混合物濾過ユニット）は、一般的な３Ｄプリンタと同程度の比較的小さなサイズの外部ハウジングに含まれ、ハウジングの内部は、カバーによって密閉可能な上部開口を介して容易にアクセス可能である。
【００３５】
３Ｄ印刷によって得られたプラスチック材料から作製された部品の表面仕上げのための方法および装置のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して行われる以下のその実施形態の例示および非限定的な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明にかかる装置の斜視図である。
【図２】図１のトレースＡの垂直面に沿って矢印ＩＩの方向に作製された装置の断面図であり、この断面は、前部断面と呼ばれる。
【図３】図１のトレースＢの垂直面に沿って矢印ＩＩＩの方向に作製された装置の断面図であり、この断面は、側部断面と呼ばれる。
【図４】図１のトレースＣの垂直面に沿って矢印ＩＶの方向に作製された装置の断面図であり、この断面は、後部断面と呼ばれる。
【図５】本発明にかかる装置の内部の凝縮器ユニットの分解拡大斜視図である。
【図６】図５の凝縮器ユニットの斜視アセンブリである。
【図７】本発明の例示的な実施形態にかかるプロセス可塑剤カプセルを供給するための装置の拡大図である。
【図８】本発明の装置におけるプロセス可塑剤サイクルを概略的に示している。
【図９】内側部品を示すために外側ハウジングが部分的に取り外されている、本発明にかかる装置の他の実施形態の斜視図である。
【図１０】図９のトレースＤの垂直面に沿って矢印Ｘの方向に作製された図９の装置の断面図である。
【図１１】チャンバの内側から見た凝縮器ユニットの斜視図である。
【図１２】外側、すなわち図１１の反対側から見た凝縮器ユニットの斜視図である。
【図１３】図１１および図１２の凝縮器ユニットの分解斜視図である。
【図１４】本発明にかかる方法を示すフロー図である。
【図１５】本発明の方法にかかる処理の前後の、液体窒素の手段によって破壊された３Ｄ印刷されたＡＢＳサンプルの断面の２つのＳＥＭ画像を示している。
【図１６】本発明の方法にかかる処理の前後の、同じサンプルの表面の正面図の２つのＳＥＭ画像を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の方法は、特に上記引用されたＦＦＦ／ＦＤＭとして知られている印刷プロセスを使用することにより、３Ｄ印刷により得られるプラスチック材料から作製された物体または部品（以下、「３Ｄ部品」または「部品」）を処理するために使用されることができ、ポリマーフィラメントは、溶融加熱され、モデリングソフトウェアのガイドの下で、ノズルを通過し、材料を堆積しながら移動して互いに重なり合う連続した層を形成して所望の物体を形成する。このようにして作製された物体は、その表面の実質的に段差状、しわ状、および縞模様の外観によって特徴付けられ、これは、一般に、美的および／または機能的観点から、排除しなければならない欠陥を構成する。
【００３８】
この目的のために、本発明によれば、３Ｄ部品は、３Ｄ部品を構成するプラスチック材料と適合性のあるプロセス可塑剤も供給される密閉可能チャンバ内に懸濁されるか、他の方法で配置される。
【００３９】
本明細書および添付の特許請求の範囲の文脈において、用語「プロセス可塑剤」とは、プラスチック材料中に蒸気として吸収され、３Ｄ部品の表面層の軟化を引き起こし且つその表面からの蒸発に続く３Ｄ部品の冷却時に解放される程度まで、それと密接な混合物を形成してそのガラス転移温度（ＴＧ）を降下させることができる蒸発可能な物質を意味する。いかなる特定の作用メカニズムに結合することも望まない場合、プロセス可塑剤は、ポリマー材料に化学的に結合していないが、ＴＧを降下させるために前記材料またはその成分の１つと均一な混合物を形成すると考えられる。３Ｄ部品の表面層の軟化は、蒸気浸透深さの関数として、所望の表面平滑化をもたらし、さらにまた、その相互浸透を促進し且つ３Ｄ部品の形態を均質化する内層の構造の変化ももたらすことがある構造的再編成を引き起こす。
【００４０】
明らかに、３Ｄ部品を構成するアモルファスまたは半結晶性のあらゆるタイプのポリマー材料について、プロセス可塑剤として使用可能ないくつかの物質が存在する可能性があり、その中のいくつかが好ましいであろう。例えば、ＡＢＳから作製された３Ｄ部品の場合、上述した種類の物質は、それらが少なくとも水溶性である点でケトンが本発明の方法において好ましい場合であっても、アセトンやメチルエチルケトンなどの低沸点ケトン、またはジクロロメタンやフルオロカーボンなどのハロゲン化化合物とすることができる。
【００４１】
本明細書および添付の特許請求の範囲の文脈において使用される場合、用語「表面仕上げ」とは、通常は最大３ｍｍの深さで表面層の下方にある材料の層まで、必要な場合はさらに大きく拡張することができ、それにより、要求された滑らかな表面に加えて、表面の機械的抵抗の改善も得られる、３Ｄ部品を構成する材料に適合性のあるプロセス可塑剤の蒸気によって行われる処理を意味する。
【００４２】
処理される部品がチャンバにセットされ、プロセス可塑剤が液体状態でその中に供給された後、チャンバが密閉され、チャンバの内部に熱が供給されて、動作温度が動作圧力におけるプロセス可塑剤の沸点よりも適切に低い温度に到達するまで３Ｄ部品およびプロセス可塑剤を加熱する。動作圧力は、大気圧に動作温度におけるプロセス可塑剤の蒸気圧を加えたものにほぼ等しい。満たされるべき重要な条件は、３Ｄ部品がプロセス可塑剤の温度上昇と同じ速度で加熱し、且つチャンバ内の温度が、加熱ステップ中と処理中の部品の表面と空気／蒸気混合物との間の実質的な熱平衡を確保するために動作温度が到達するときとの両方において可能な限り均一になるということである。
【００４３】
動作パラメータは、動作温度と処理時間、すなわち、プロセス可塑剤蒸気への３Ｄ部品の曝露時間である。３Ｄ部品がプロセス可塑剤の蒸気にさらされている全時間の間、３Ｄ部品は、これらの蒸気と熱平衡状態を保つ必要があり、その表面においてプロセス可塑剤が凝縮しないように温度を維持する必要がある。
【００４４】
動作温度は、３Ｄ部品を構成する材料、特にそのガラス転移温度とプロセス可塑剤として使用される液体の温度、およびポリマーおよび吸収されるプロセス可塑剤の重量比に依存する。
【００４５】
特に、動作温度（Ｔｅｓ）は、可塑化ポリマー、すなわちポリマーおよびそこに吸収されるプロセス可塑剤からなる混合物のガラス転移温度よりも高くなければならず、したがって、前記混合物中のプロセス可塑剤の重量濃度にも依存する。例えば、ポリマー混合物のガラス転移温度の大まかな推定値を取得するためのフォックスの方程式（１／Ｔｍｉｓ＝ｗｐ／Ｔｐ＋ｗｐｌ／Ｔｐｌ、ここで、Ｔｍｉｓ、ＴｐおよびＴｐｌは、それぞれ、可塑化ポリマー、純粋なポリマーおよびプロセス可塑剤のガラス転移温度であり、ｗｐおよびｗｐｉは、純粋なポリマーおよび吸収されたプロセス可塑剤の重量分率であり、ｗｐ＋ｗｐｉ＝１である）などの、当業者にとって周知の経験式が存在する。
【００４６】
本発明の目的のために、すなわち、部品の表面層の構造的再編成を可能にするような処理中の部品の表面軟化を維持するために、動作温度Ｔｅｓが僅かに高い、すなわち、ポリマー／プロセス可塑剤混合物のガラス転移温度Ｔｍｉｓよりもいくらか高い温度℃、一般に、１０℃以下、実際には好ましくは５℃以下で十分である。
【００４７】
その表面に凝縮した溶媒の作用により既知の方法にしたがって生じる３Ｄ部品の表面層の可溶化プロセスとは異なり、本発明にかかるプロセス可塑剤蒸気の吸収は、比較的遅いプロセスであり、ポリマー中のプロセス可塑剤の浸透の深さ、したがって軟化効果の深さは、２０から８０分の範囲の動作温度における蒸気への曝露時間によって決まる。
【００４８】
３Ｄ部品を構成する材料がＡＢＳであり、プロセス可塑剤がアセトンである本発明の例示的な実施形態では、動作温度は、３０から４０℃であり、３Ｄ部品のアセトン蒸気への曝露時間は、２０から６０分、好ましくは３０から５０分の範囲であるとともに、動作圧力は、１２５から１５０ｋＰａの範囲である。
【００４９】
可塑剤蒸気を処理するための３Ｄ部品の曝露時間は、既に述べたように、蒸気浸透の深さを決定し、その結果、処理によって生じる効果を決定する。示唆として、上記の実施形態では、２０〜３０分のオーダーの比較的短い曝露時間は、１００〜２００μｍの浸透深さをもたらす一方で、５０〜６０分のオーダーの比較的長い曝露時間では、浸透深さは、２〜３ｍｍに到達することがある。どちらの場合も効果は異なる。第１の場合では、３Ｄ部品の表面層は、軟化させられ、その結果、表面材料は、流動させられ、したがって、表面の凹凸（段差、多孔性、縞模様など）を滑らかにするという望ましい効果が得られる。第２の場合では、表面の平滑化効果に加えて、蒸気曝露時間に関連する深さの表面下の層を含む、比較的深い軟化および材料の流動作用が発生する。この場合、関与する層は、より柔らかくなり、単一の層に浸透し、したがって、３Ｄ部品の表面の機械的抵抗を増加させる。
【００５０】
本発明にかかる方法のこの特徴のおかげで、可塑剤蒸気を処理するために３Ｄ部品の曝露期間を調整することが可能であり、その結果、所望のタイプの表面仕上げが、比較的長い処理時間によって３Ｄ部品の機械的抵抗も増加させるように、比較的短い曝露時間による表面の単純な平滑化および研磨から選択されることができる。この点で、既知の方法では、３Ｄ部品の表面を凝縮溶媒に持続的にさらすと許容できない材料の流出が生じるため、この程度の曝露時間によって動作することが不可能であることは注目に値する。
【００５１】
プロセス可塑剤の必要量は、予めパッケージされた用量として提供されることが好ましい。本発明にかかる方法において必要なプロセス可塑剤のそのような投与容積は、動作サイクルが行われるチャンバの容積に適している。一例として、２７リットルの容積および処理されるＡＢＳに３Ｄ部品を含む処理チャンバの場合、６０〜８０ｍｌの用量のアセトンで十分である。一般に、部品の所望の表面仕上げを得るためには、チャンバ容積１リットル当たり２から１０ｍｌ、好ましくは２から５ｍｌのプロセス可塑剤が必要である。
【００５２】
プロセス可塑剤蒸気への曝露に設定された時間が経過すると、加熱が停止され、処理された部品をチャンバから取り出さずに、処理チャンバと空気／蒸気分離ユニットとの間で空気／蒸気混合物を循環させるステップが作動される。分離ユニットでは、空気／蒸気混合物に存在するプロセス可塑剤蒸気の大部分が凝縮によって分離される一方で、処理チャンバ内の部品は冷却され、吸収されたプロセス可塑剤蒸気を放出する。凝縮されることができないプロセス可塑剤の残りの部分は、プロセス可塑剤の化学的特徴に応じて吸収または中和をもたらす液体手段において希薄空気／蒸気混合物をバブリングすることにより、濾過によって取り除かれる。
【００５３】
本発明にかかる方法の同等の代替実施形態では、処理チャンバ内に存在する液体形態の３Ｄ部品およびプロセス可塑剤は、動作温度よりも高い温度まで（ＡＢＳ／アセトンの場合、処理される３Ｄ部品を損傷するいかなるリスクも回避するために、５０℃よりも高い温度、好ましくは７０〜８０℃以下の温度まで）急速に加熱され、その後、自然に動作温度まで冷却するか、冷却手段によって熱が除去されてプロセスを高速化する。また、この場合、プロセス可塑剤蒸気と空気によって形成される混合物を連続的に循環させることにより、チャンバ内を最大限均一な温度に維持することが重要である。
【００５４】
本発明のさらなる実施形態では、３Ｄ部品の表面仕上げの処理は、ＣＯ２またはＮ２雰囲気などの不活性雰囲気において行うことができる。この解決策は、燃焼反応が物理的に不可能であることを完全に確認する必要がある場合に有利であり得る。
【００５５】
本発明の方法のさらに他の実施形態によれば、３Ｄ部品の表面仕上げ処理は、大気圧よりも低い動作圧力において行うことができる。これは、３Ｄ部品を形成するプラスチック材料が、低蒸気圧および／または大気圧での比較的高い沸点を有するプロセス可塑剤を必要とするか、または適合性がある場合に必要になり得、それにより、対応して高い動作温度が必要になり得る。例えば、ポリ乳酸から作製される３Ｄ部品の場合、プロセス可塑剤として１，２−ジクロロエタンを使用すると有利であり得、これは、大気圧では８４℃で沸騰し、３０〜４０℃の動作温度は、部品の表面軟化を達成するのに適した空気／２，２−ジクロロエタン蒸気混合物を生成するには蒸気圧が低すぎる。対照的に、そのような動作温度は、約２７０ｍｍＨｇの減圧で動作する場合に使用されることができる。
【００５６】
本発明によれば、３Ｄ印刷によって得られるプラスチック材料から作製された部品［「３Ｄ部品」］の表面仕上げのための装置も提供される。図１および図２を参照すると、一般に１で示される本発明にかかる装置は、金属または任意の他の適切な剛性材料から作製された略平行六面体形状である外側ハウジング１０を備え、ハウジング１０の縁部にヒンジ止めされたカバー１２により密閉可能なタンク形状チャンバ１１が配置される。特に、ハウジング１０は、タンク１がアクセス可能な上面１０ａを有し、カバー１２は、面１０ａの側面にヒンジ止めされている。カバー１２とタンク１１との間の気密封止は、タンク１１の縁部上に配置された、例えばＯリングタイプのシール１３によって確保される。
【００５７】
タンク１１は、３Ｄ印刷プロセスから生じ且つ上記定義された適切なプロセス可塑剤の蒸気への曝露による表面仕上げ処理を必要とする１つの部品、または複数の部品を含むように設計されている。タンク１１は、処理の温度および圧力条件において前記プロセス可塑剤の蒸気との接触に耐えることができる材料から作製され、好ましくは鋼から作製される。
【００５８】
外側ハウジング１０は、ハウジング１０とタンク１１との間の間隙に配置されたタンク１１および装置の他の構成要素の保護容器として機能し、内部構造保持タンク１１およびこれらの構成要素を備える。特に、図２、図３および図４において１４で示される構造は、ハウジング１０の内縁を画定する金属フレームによって形成され、それによってタンク１１および他の構成要素は、不図示のクロスバーおよびブラケットによって支持される。
【００５９】
図２に示されるように、加熱部材１５は、タンク１１の底部の外側に固定されるとともに、冷却ファン１６は、タンク１１の内側ハウジング５４の側壁および底部のそれぞれに設けられ、タンク１１の周りの絶縁空間５５を規定する。必要に応じて、タンク１１の側壁にもさらに加熱部材１７を設けることができる。
【００６０】
タンク１１の底部には、モータ１９によって作動される内側ファン１８が配置されており、これは、タンク１１の内部の空気およびプロセス可塑剤蒸気によって形成される混合物（本明細書および添付の特許請求の範囲では、「空気／蒸気混合物」とも呼ばれる）の均一な拡散を保証するように機能し、特にその底部において層状化する蒸気を回避し、タンク内の混合物の温度にさえ寄与する。
【００６１】
本発明の特に好ましい実施形態では、予めパッケージされた用量の形態で所定用量の可塑剤を使用するプロセス可塑剤供給システムが提供される。図３に概略的に示されている可塑剤供給システムは、内側ハウジング５４の外側のタンク１１の隣に配置されている。プロセス可塑剤供給システムは、カバー１２を持ち上げることによりアクセス可能な、可塑剤を含むカプセルＣ用のハウジング２０を備える。ハウジング２０にカプセルＣを配置した後、カバー１２を閉じると、適切な穿刺機構がカプセルを穿刺し、それにより、そこに含まれる可塑剤が出て、ハウジング２０の底部からその底部近くのタンク１１の内側に延びる導管２１を通って流れる。
【００６２】
図７には、プロセス可塑剤供給システムの拡大軸方向断面図が示されている。カプセルＣと導管２１の入口の周りのハウジング２０の底壁との間に配置されたハウジング２０の底部にシール５６が設けられ、処理中にプロセス可塑剤蒸気が逃げるのを防止する。図７には、本発明の装置が備える所定用量のプロセス可塑剤を含むカプセルＣの穿刺機構の実施形態も示されている。穿刺機構は、導管２１の入口付近に横方向に配置された多孔板４９からカプセルハウジング２０の底部に延びる導管２１と同軸の円形または半円形のブレード４８を備える。ブレード表面は、切断されるとカプセルＣの閉鎖箔を押し上げるための導管２１の軸に平行な当接部またはボス５０を有し、したがって、プロセス可塑剤がカプセルＣから急速に流出するのを助ける。明らかに、当該技術分野において既知の他の同等の穿刺システムが代替として使用されることができる。
【００６３】
供給システムは、カプセルを新たな認証された起点として識別するように設計されたカプセル認識システムをさらに備え、これは、カプセルに印刷、貼付またはその他の方法で設けられるバーコードまたはＲＦＩＤタグを読み取る光学式リーダ２２を備える。光学式リーダ２２は、ハウジング２０の隣に配置され、カプセルがハウジング２０の壁に形成された窓２０ａを介してハウジング２０に配置されると、カプセル上のコードまたはタグを読み取ることができる。読み取りの肯定的な結果は、カバー１２の閉鎖を可能にする。
【００６４】
装置は、処理サイクルの終わりに作動する蒸発したプロセス可塑剤の凝縮による回収システムをさらに備える。より具体的には、プロセス可塑剤回収システムは、空気／蒸気混合物を供給するための防爆ポンプ２５を介してタンク１１から到来する空気／蒸気混合物が供給される可塑剤凝縮器２４、および空気が同じポンプ２５から吸引されてタンク１１に戻されながら、導管２３を介して凝縮したプロセス可塑剤を受け取る使用済み可塑剤回収タンク２６を備える。
【００６５】
図５に示されるように、本発明の本実施形態では、凝縮器２４は、中空の直方体の本体２７、特に金属製の正方形のベースと、本体２７のものと同じ金属材料の内側のフィン２８とを備える熱電型凝縮器である。空気／蒸気混合物は、本体２７内を循環し、プロセス可塑剤は、その中で凝縮する。本体２７は、プロセス可塑剤蒸気の漏れのいかなるリスクも回避するために、外部から密閉されている。フィン２８は、熱的連続性を確保し、本体２７の容積を均等に占めるように、本体２７の内面に接触するように配置される。低温側が本体２７に面している２つのペルチェセル２９は、本体２７のそれぞれ２つの反対側に配置されている。ペルチェセル２９の低温側と本体２７のそれぞれの側との間の接触は、フィン２８を冷却させる。冷却流体が循環する金属コイル３０は、ペルチェセルの高温側に接触しており、ペルチェセルの高温側によって生成された熱を除去する。
【００６６】
図６に示されるように、冷却流体は、循環ポンプ３１、冷却流体によって輸送される熱を交換するためのラジエータ３２、およびそれぞれポンプ３１とラジエータ３２との間、ラジエータ３２と第１のコイル３０との間および他のコイル３０とポンプ３１との間の導管３３、３４、３５を備える閉回路内を循環する。２つのコイル３０は、さらなる導管３６を介して直列に接続されている。ラジエータ３２は、ファン（図示せず）により、および外側ハウジング１０の背面に形成されたグリッド（図示せず）を介して、生成された熱風を外部に放出する。
【００６７】
本発明のさらなる実施形態では、凝縮器２４の冷却能力を高めるために、関連する冷却コイルを有する本体２７の他の２つの対向する側面に２つの追加のペルチェセルを設けることができる（図示せず）。
【００６８】
凝縮器２４とタンク１１を連通する導管と凝縮器２４とプロセス可塑剤回収タンク２６を連通する導管２３とのために、本体２７の上面および下面から２つのコネクタ３７（図５に１つのみ表示）が延びている。本発明の他の実施形態では、凝縮されたプロセス可塑剤は、凝縮ステップの終わりまで凝縮器の底部に残り、その後、専用の弁を開くことにより排出される。
【００６９】
プロセス可塑剤回収タンク２６は、ポンプ２５と連通する導管（図示せず）の接続部３８を有し、空気と未凝縮可塑剤の混合物を吸引し、プロセス可塑剤の内容物が所定値（例えば、カプセルによって入力された量の７０％）に到達するまで凝縮器２４内の次の通過のためにタンク１１においてリサイクルする。
【００７０】
凝縮ステップの終了時に、空気と混合された気相の若干のプロセス可塑剤がタンク１１にまだ存在している。プロセス可塑剤の量を僅かに検出可能な嗅覚レベルまでさらに低減するために、タンク１１に存在する少量のプロセス可塑剤蒸気を含む空気がポンプ２５によって吸引され、例えば、プロセス可塑剤がアセトンまたは他の水溶性物質である場合、図２、図３および図４に概略的に示される水フィルタ３９など、残留プロセス可塑剤を吸収または中和することができる液体を含むフィルタを通過させる。
【００７１】
図８も参照すると、水フィルタ３９は、気泡をできる限り小さく生成することができる市販のタイプのエアレータ装置４０（例えば、無機多孔質石、微小穿孔管など）によって吸引空気がバブリングされる水で満たされた容器３９ａを備え、濾過の効果は、この要因ならびに水中の気泡の経路に直接依存することが明らかである。そのように処理された空気は、大気への排出が可能にされるようなプロセス可塑剤の残留内容物を有するとともに、濾過水中の可塑剤の濃度は、下水道への排出が可能にされるようなレベルまでである。明らかに、上述した洗浄システムは、プロセス可塑剤が水溶性である場合にのみ使用可能である。
【００７２】
図９から図１３を参照すると、本発明にかかる方法が実行されることができる、３Ｄ印刷によって得られた物品の表面仕上げのための装置の他の実施形態が説明される。この実施形態は、装置のコンパクトさをさらに改善するように設計されている。図９−図１２および図１−図７では、同じ構成要素は、同じ参照符号によって示されている。
【００７３】
図９および図１０を特に参照すると、一般に１で示される本発明にかかる装置は、明確にするために図では部分的に除去され、形状がほぼ平行六面体であり、金属または他の適切な剛性材料から作製された外側ハウジング１０と、ハウジング１０の縁部にヒンジ止めされたカバー１２によって密閉可能なタンク形状チャンバ１１とを備える。特に、ハウジング１０は、タンク１１がアクセス可能な上面１０ａを有し、カバー１２は、面１０ａの側面にヒンジ止めされている。カバー１２とタンク１１との間の気密封止は、タンク１１の縁部に沿って配置された、例えばＯリングタイプの不図示のシールによって確保される。カバー１２には透明窓４１が設けられており、処理中の部品を視覚的に制御する。
【００７４】
外側ハウジング１０は、ハウジング１０とタンク１１との間の間隙に配置されたタンク１１および装置の他の構成要素の保護容器として機能し、タンク１１および前記構成要素を保持する構造１４を備える。
【００７５】
図１から図７を参照して説明した実施形態と同様に、タンク１１は、底部に加熱部材（図示せず）を備えており、さらに任意の加熱部材をタンク１１の側壁に設けることができる。
【００７６】
同様に、予めパッケージされたカプセルの形態で所定用量の可塑剤を利用するプロセス可塑剤供給システムが設けられる。液体可塑剤を含むカプセル用のハウジング２０、カプセル認識システム、およびカプセルを穿刺する関連の穿刺機構が図９および図１０に示されており、それにより、カプセルに含まれる可塑剤が出て、ハウジング２０の底部からその底部付近のタンク１１の内部まで延びる導管２１を通って流出する。電磁弁６１が導管２１に取り付けられており、開放しているときに、タンク１１に向かって液体が流出し、閉鎖しているときにタンク１１が加圧されることを可能にする。穿刺機構として、図７を参照して既に説明したものが使用されるが、当該技術分野において既知の任意の同等の穿刺システムが代替として使用されてもよい。
【００７７】
装置は、凝縮による蒸発プロセス可塑剤の回収ユニットをさらに備え、これは、タンク１１内の可塑剤蒸気を処理するために部品の曝露の終わりに作動を開始する。本発明の本実施形態では、ユニットは、タンク１１から分離されておらず、また、配管によっておよびポンプによって送られる蒸気流によってタンクに接続されていないが、その凝縮器を介してタンク１１にはんだ付けされている。図１１、図１２、および図１３を特に参照すると、ユニットは、熱電タイプの蒸気凝縮器７０と、凝縮熱を除去するための熱交換器７１とを備える。この場合にも、熱電凝縮器は、図１３に示されるペルチェセル７２を備えている。ペルチェセル７２は、凝縮器７０と熱交換器７１との間に、より正確には凝縮器７０の外側に取り付けられる一方で、外側とは反対の内側は、タンク１１に面している。ペルチェセル７２の低温側は、凝縮器７０に面している一方で、高温側は、熱交換器７１に面している。凝縮器７０は、内部にフィンがあり、プロセス可塑剤蒸気リッチ混合物の入口およびタンク１１に戻されるプロセス可塑剤蒸気希薄混合物の出口のために、その内側に形成された少なくとも２つの開口７３および７４を介してタンク１１と連通している。凝縮器７０を通る空気／蒸気混合物の循環は、磁気駆動ファン７８および関連するモータ７５によって制御される。ファン７８は、開口７３まで軸方向に並んだフィン付き部分の上方の凝縮器７０内に配置され、ペルチェセルによって冷却された凝縮器の内部フィン間で出口開口７４に向けて、空気／蒸気混合物を開口７３を介してタンク１１から吸引する。フィンと接触すると、プロセス可塑剤蒸気の一部が凝縮して凝縮器ボックスの底部７０ａに重力によって落下し、そこで、それらは、動作サイクルの最後まで滞留する。凝縮器の底部から延びる排出管７６は、容器（図示せず）内の凝縮されたプロセス可塑剤を排出するために開放される電磁弁７７を備えている。
【００７８】
ペルチェセルの高温側は、図１３に示される内部モータ駆動ファン７９を介してフィン付き熱交換器７１によって空冷される。
【００７９】
凝縮ステップの終了時に、空気と混合された気相の若干のプロセス可塑剤がタンク１１にまだ存在している。プロセス可塑剤の量を僅かに検出可能な嗅覚レベルまでさらに低減させるために、タンク１１に存在する少量のプロセス可塑剤蒸気を含む空気は、ポンプ８１によって吸引され、濾過ユニット３９を通過する。濾過ユニット３９は、図１から図７の実施形態について既に説明したものと等しく、本明細書ではこの説明を完全に参照する。濾過ユニット３９は、残留プロセス可塑剤を吸収または中和することができる液体、例えばプロセス可塑剤がアセトンまたは他の水溶性物質である場合には水フィルタを含む。ポンプ８１は、周囲の空気を吸引し、濾過ユニット３９に供給される電磁弁８５を備えた管８４を介して出る残留蒸気を含む空気／蒸気混合物をタンク１１から電磁弁８３を備えた管８２を介してタンク１１に送る。
【００８０】
本発明の装置の本実施形態では、ポンプ８１は、濾過ユニット３９に対してのみ動作し、前述の実施形態のポンプ２５が行うように凝縮ユニットがプロセス可塑剤を回収することさえしないことは注目に値する。これは、一方側でシステムの簡素化をもたらし、他方側で標準ポンプを使用する可能性をもたらし、最終的にはより安価でコンパクトな装置をもたらす。
【００８１】
また、本発明の本実施形態では、タンク１１内の動きに熱風／蒸気混合物を維持する本質的な機能は、タンク１１の底部に配置された専用ファン１８によっては達成されず、ペルチェセルがオフになっている間、または場合によってはそれらをオンにしたままで処理サイクル中にプロセス可塑剤が凝縮するのを防止するように凝縮器フィンを加熱するように極性を反転させる凝縮器ユニットが動作しない場合であっても、必要に応じて高速で動作する凝縮器７０のファン７８によって達成されることは注目に値する。したがって、この実施形態のさらなる利点は、装置の性能に悪影響を与えることなく、タンク１１および関連するモータ内に循環ファンがないことである。
【００８２】
以下において、図８に概略的に示されるプロセス可塑剤サイクルおよび図１４のフロー図も参照しながら、装置の動作が説明される。
【００８３】
動作プロセスは、実質的に４つの主要な動作ステップを含む。これらのステップは、以下のとおりである。
・プロセス可塑剤の蒸発：このステップ（タンク１１内に以前は配置された３Ｄ部品の処理サイクルの開始）では、加熱部材１５は、液相でプロセス可塑剤（これもまた、以前はタンク１１に充填されていた）の温度を上昇させ、したがって、タンク１１に存在する空気／蒸気混合物中の可塑剤蒸気の量を対応して増加させる。ファン１８またはファン７８によってタンク１１内を連続的に移動する空気／蒸気混合物は、処理中の部品と接触し、それと熱平衡状態を確立するまで加熱する。
・熱供給により維持され且つファン１８またはファン７８の作用によりタンク１１内の高い熱均一性を維持する平衡動作温度に到達したときの、処理中の３Ｄ部品におけるプロセス可塑剤蒸気の分子吸収。
・プロセス可塑剤の回収：プロセス可塑剤蒸気への曝露ステップが終了すると、後者は、凝縮器ユニットを循環した後、液体に変換される。このステップでは、物理的および技術的な制限により、特定のパーセントのプロセス可塑剤のみを液体に変換することができるが、その１００％は変換することができない。
・濾過：空気／蒸気混合物の蒸気相にまだ存在するプロセス可塑剤は、特に水フィルタ３９内で濾過され、プロセス可塑剤のいかなる残留物もそこから除去される。
【００８４】
図１から図７に示される本発明の実施形態にかかる装置において、プロセス可塑剤サイクルが図８に詳細に示されている。
【００８５】
装置の動作は不連続である。処理される部品をタンク１１内に配置した後、不図示の適切な部品サポートが設けられ、プロセス可塑剤は、タンク１１の容量に適した所定の用量で供給される。有利には、プロセス可塑剤の所定の用量は、穿孔されることを意図したキャップまたはセクションを備える、金属材料（例えば、アルミニウム）またはプラスチック材料または可塑剤に適合性のある材料のカートリッジまたはカプセルＣに含まれる。未開封のカプセルＣは、ハウジング２０内に配置され、カバー１２を密閉して閉鎖することを可能にする光学式リーダ２３によって識別される。カバー１２を閉鎖すると、カプセルＣをハウジング２０の底部における穿刺部材４８に付勢し、それによりカプセルを開放し、その内容物が導管２１を介してタンク１１に流出する。いかなるプロセス可塑剤蒸気もハウジング２０から逃げるのを防止するために、カバー１２とハウジング２０の入口との間にシール５６が配置されるか、または図１０に示されるようにハウジング２０の出口側またはタンク１１の入口側のいずれかにおいて導管２１にオンオフ電磁弁６１を設けることができることに留意されたい。
【００８６】
タンク１１内のプロセス可塑剤は、タンク１１の底部に配置された加熱部材１５を介して熱を供給することにより加熱される。図９−図１３の実施形態のファン１８、またはファン７８は、タンク１１の容積全体にわたるプロセス可塑剤蒸気の均一な拡散を促進し、タンク１１の内部雰囲気の均一な温度を維持するために動作し続ける。部品を囲む空気蒸気混合物の温度と略等しい温度からなる、処理される３Ｄ部品の表面に接触すると、循環する空気／蒸気混合物に含まれるプロセス可塑剤蒸気は、ポリマー材料またはその成分と均一な混合物を形成し、したがって材料のＴＧを低下させる、３Ｄ部品の表面によって吸収されて表面に浸透する。タンク１１の側壁に配置された加熱部材１７は、これらの壁を暖かく保ち、したがって、それらに接触する溶媒のいかなる凝縮も防止する。
【００８７】
処理の結果は、カバー１２に配置された透明窓４１をたどって、得られた仕上げ効果が望ましいものであるかどうかをオペレータが確認し、プロセス可塑剤回収ステップに進む前に、処理時間を延長するかまたはいくつかの動作パラメータを変更するかまたはニーズに応じて全サイクルを繰り返すことを可能にすることができる。
【００８８】
３Ｄ部品処理ステップの終了時、すなわち、３Ｄ部品表面が所望の仕上げ度に到達したとき、空気およびプロセス可塑剤蒸気の混合物、ならびに液体可塑剤がタンク１１に存在する。カバー１２の開口において、それを回避するために、オペレータは、開口凝縮器２４が作動する前に、可塑剤蒸気または動作環境に広がる可塑剤蒸気と接触する。図８の図を参照すると、タンク１１と凝縮器２４との間、および凝縮器２４とポンプ２５との間の導管におけるそれぞれの２つの電磁弁４２および４３が開放されてポンプ２５が始動され、したがって、タンク１１と凝縮器２４との間の濃縮空気／蒸気混合物の循環および希釈混合物のタンク１１への循環を開始する一方で、徐々に凝縮する可塑剤が容器２６に回収される。
【００８９】
凝縮器の動作温度は、各ペルチェセルの低温側で約−１５℃であり、前記温度は、セルの始動から約５分以内に到達する。図９から図１３にかかる装置は、ポンプ８１が蒸気−希薄空気／蒸気混合物を最終水フィルタに供給するようにのみ機能することを除いて、同様の方法で動作する。
【００９０】
可塑剤蒸気の約７０％が凝縮されると、タンク１１において排出されるポンプ２５の周囲空気吸引側、および希釈された空気／蒸気混合物をタンク１１からバブラー３９ａに供給する導管において、それぞれ、２つの電磁弁４２および４３が閉鎖され、２つの電磁弁４４および４５が開放される。バブラー３９ａの底部に存在するエアレータ４０は、混合物の流れをバブラーに存在する水の表面に向かって上昇する小さなバブルに破壊する。この経路の間、まだ存在するプロセス可塑剤は溶解され、実質的に無臭の、非常に希釈された（＜５％）可塑剤水溶液を形成する。濾過ステップの最後に、ポンプ２５がオフにされて全ての弁が閉鎖されると、カバー１２が持ち上げられて、完成した３Ｄ部品が取り外されることができる。可塑剤の痕跡のみを含む空気を排出するための通気孔が設けられている。
【００９１】
容器２６に集められた凝縮プロセス可塑剤は、アクセスポート４６を介して容器２６に到達してそれを引き出して空にすることにより回収されるとともに、第２のアクセスポート４７は、バブラー３９ａが引き出されて空にすることを可能にする。図１に不連続線で示される２つのポートは、装置１の外側ハウジング１０の側面に設けられ、検査窓５１および５２を備える。
【００９２】
上述した装置の動作は、動作ステップの開始および停止、ならびに各処理の開始時に設定され且つ部品の形状やその他の基準に基づいて決定される各ステップの期間を制御する、電子カード５３に内蔵されたマイクロプロセッサで実行されるプログラムによって管理される。一般に、動作パラメータのほとんどは、ユーザが２つまたは３つの処理レベル（可塑剤蒸気への曝露時間に比例する）の選択のみを必要とするように、処理される部品の形状にかかわらずプログラムにおいて固定および事前設定される。明らかに、特別なニーズや特別な形状の３Ｄ部品から得られた動作経験に基づいて、様々な動作パラメータを選択するためのカスタマイズ機能にアクセスすることができる。
【００９３】
本発明にかかる装置の動作サイクルを管理するプログラムは、タンク１１に配置された適切なセンサ（例えば、図１０の圧力センサ８０）から圧力および温度信号を受信し、それに応じて、（必要な場合、および設置されている場合）冷却ファン１７の助けを借りて加熱部材１５、側部加熱部材１７からの熱流を制御する。プログラムはまた、可塑剤回収ユニットに配置された温度センサを介して、冷却流体の流量および凝縮ステップの期間を制御する。
【００９４】
本発明にかかる方法の動作条件により、処理される部品の表面上での凝縮プロセス可塑剤の形成が回避されることが理解されるであろう。これは、主に、部品表面とタンク１１を循環する空気／蒸気混合物との間で一定の熱平衡を保つためである。このようにして、可塑剤蒸気のみが部品表面と接触し、そこに浸透することが保証される。浸透プロセスは、比較的ゆっくりであり、特許文献５に記載のプロセスのように、溶媒が部品上で凝縮する場合に起こることができず、部品の表面上の凝縮溶媒の存在は、蒸気との接触を妨げることに加えて、急速な表面可溶化を生じさせ、フルオロカーボン溶媒が使用されるという事実によっても強化され、これは、ＡＢＳ部品の場合、ポリマーのポイブタジエン相も溶解する。
【００９５】
以下の例では、３Ｄ印刷によって得られた部品の表面仕上げのための方法にしたがって動作する装置の性能が示されている。これらの試験の各サンプルは、特に指定のない限り、独自のフィラメントＺ−ＡＢＳを使用するＺｏｒｔｒａｘ  Ｍ２００  ３Ｄプリンタによって印刷された。使用される印刷オプションは、特に指定のない限り、２０％において「メッシュ」モードを有するＺ−ｓｕｉｔｅソフトウェアにおいて事前設定される。本発明の方法にかかる処理は、以下の最適化されたパラメータ、すなわち、プロセス可塑剤蒸気曝露時間：５０分、動作温度：３５℃を用いて実施された。
【実施例１】
【００９６】
曝露時間に厳密に関連するポリマーにおけるプロセス可塑剤（具体的には、アセトン）の浸透と、機械的および審美的特性との依存関係が調査された。Ｚｏｒｔｒａｘ  Ｍ２００によって最大浸透で印刷されたサンプル（ＡＢＳ  Ｚｏｒｔｒａｘ製の４つの分厚い平行六面体、サイズ８０×１０×４ｍｍ）が異なる時間（３０、６０および９０分）処理された。本発明の方法にしたがって動作する装置における処理後、サンプルの極低温破壊後に可視化された部品のＳＥＭ画像が撮像された。このようにして、１．５ｍｍ（９０分間の試験）に等しい長さまでのアセトン浸透が観察された。基本的に、時間が経過するにつれて、アセトンは、さらに深く浸透し、したがって、浸透軸上でさらに大きな濃度勾配（ポリマー中のアセトンの量として意味する）を形成する。
【００９７】
試験結果が以下の表１に示されている。
【００９８】
【表１】
2020524624.tif 000003
【００９９】
サンプルのＳＥＭ撮像画像は、ＡＢＳサンプルの処理後に粗さが著しく低減することを示している。それぞれ液体窒素によって得られた断片の断面と、処理前後の平行六面体の表面の一部の正面図を示す図１５（倍率１００倍）および図１６（倍率５０００倍）を参照されたい。粗さは、左側の画像に明確に現れ、右側の画像では無視できる。
【実施例２】
【０１００】
本発明の方法にしたがって動作する装置において処理されたサンプルの機械的性能を試験するために、単純に印刷されたサンプルを標準としてＩＺＯＤ試験が実施された。得られた結果が表２に示されている。ＺｏｒｔｒａｘおよびＭａｋｅｒｂｏｔが、この試験において使用される２つのフィラメントである。全てのサンプルは、Ｚｏｒｔｒａｘ  Ｍ２００によって印刷された。
【０１０１】
【表２】
2020524624.tif 000004
【０１０２】
印刷の向きが衝撃強度に影響を与え、より一般には、印刷されたワークピースの機械的特性に影響を与えることに留意することが重要である。ＮＭＲ分析により、Ｍａｋｅｒｂｏｔ  ＡＢＳがより高いブタジエン含有量を有することがわかり（Ｚｏｒｔｒａｘにおける５０％スチレン相、Ｍａｋｅｒｂｏｔにおける３５％のみのスチレン相）、これは、処理がＭａｋｅｒｂｏｔワークピースの機械的特性の改善にそれほど重要な影響を与えない理由を説明する。実際のところ、本発明にかかる処理によって使用される可塑剤は、ＡＢＳのスチレン相と相互作用するが、ブタジエン相に対しては不活性である。
【０１０３】
ＩＺＯＤ試験はまた、上記引用された可塑剤の浸透を研究するために使用された同じ時間によって処理されたサンプルでも実施された。各サンプルに対して３つの試験を実施することによって得られた結果が以下の表３に示されている。
【０１０４】
【表３】
2020524624.tif 000005
【０１０５】
上記の説明から、本発明にかかる装置および方法は、所定の物体を完全に達成することが明らかであると思われる。
【０１０６】
一般に、記載された装置は、表面仕上げ処理を行う他の装置に対して、処理される部品に材料を追加も除去もしないという利点を有する。本発明の方法にかかる表面仕上げは、あらゆる点で、処理された部品の表面層の再編成である。凹凸が排除され、表面がより均一にされる。サンディング、タンブル仕上げなどの技術に関しては、材料の除去はない。塗装などに関しては、材料の追加はない。
【０１０７】
表面の化学的仕上げを行う装置に関しては、３Ｄ部品の処理中に凝縮液が実質的に形成されないため、流出および／または凝縮液の形成によるプラスチック材料の損失なしに、仕上げプロセスのより正確な制御が得られ、さらに、プロセス可塑剤蒸気の浸透深さを制御する可能性のために、３Ｄ部品の表面の機械的抵抗の増加を得ることができる。
【０１０８】
既知の技術にかかる３Ｄ部品の表面仕上げのための装置に関して、本発明の装置は、比較的小さいサイズおよび重量によって特徴付けられ、工業的状況でなくても使用中に自動化されて安全であるという利点を有する。ユーザの観点からの重要な利点は、処理の準備ステップにおける液体形態と、処理中および処理後の蒸気形態の両方において、使いやすさとプロセス可塑剤との接触がほぼ完全にないことである。
【０１０９】
装置のコンパクトさはまた、熱電凝縮器の使用からも生じる。蒸留プロセスにおいて使用されるような凝縮器に関して、この解決策は、凝縮が起こる表面と接触する液体によってではなく、熱電素子によって提供される冷却タイプを有するという利点を有する。これは、同様に凝縮温度において液体を冷却する必要がないため、よりコンパクトな設計を可能にする。除湿器において使用されるような熱電凝縮器に関して、本明細書において使用される凝縮器は、外部から完全に絶縁され、凝縮プロセス中に環境に蒸気を拡散させないという目的に対して気密であるという特徴を有する。
【０１１０】
本発明の装置において使用される凝縮器の他の利点は、金属であり且つ熱伝導性および電気伝導性の両方を備え、ペルチェセルを迅速に冷却すると同時に、可燃性蒸気を発火させる可能性のある静電荷の蓄積を防止することを可能にする材料から構成される。
【０１１１】
最後に、本説明は３Ｄ印刷によって得られたプラスチック材料から作製された部品を参照しているが、本発明の基本概念は、異なる技術によって作製されるが、同じ課題を有し且つより良い表面仕上げおよび表面機械的抵抗の増加を得るために適合性のあるプロセス可塑剤（本明細書において使用される意味で）によって処理されることができる物体、物品および製品にも適用することができることが意図されることは注目に値する。
【０１１２】
穿刺可能なカプセルの形態で予めパッケージされた用量を使用する好ましいプロセス可塑剤供給システムが参照されているが、プロセス可塑剤の制御された用量の供給は、従来の方法で、計量ポンプおよび関連する可塑剤タンクを介して行うことができることが理解されるであろう。
【０１１３】
添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、３Ｄ印刷によって得られたプラスチック材料から作製された部品の表面仕上げのための方法および装置に対して、これらのおよび他の変形および／または変更を行うことができる。
【図１】
2020524624.tif 000006
【図２】
2020524624.tif 000007
【図３】
2020524624.tif 000008
【図４】
2020524624.tif 000009
【図５】
2020524624.tif 000010
【図６】
2020524624.tif 000011
【図７】
2020524624.tif 000012
【図８】
2020524624.tif 000013
【図９】
2020524624.tif 000014
【図１０】
2020524624.tif 000015
【図１１】
2020524624.tif 000016
【図１２】
2020524624.tif 000017
【図１３】
2020524624.tif 000018
【図１４】
2020524624.tif 000019
【図１５】
2020524624.tif 000020
【図１６】
2020524624.tif 000021
【国際調査報告】
2020524624.tif 000022
2020524624.tif 000023
2020524624.tif 000024