JP2003053847A - 固体自由形状造形において高粘度の造形材料を使用するためのリコーティングシステム - Google Patents
固体自由形状造形において高粘度の造形材料を使用するためのリコーティングシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 三次元物体を形成する固体自由形状造形装置
において、粘度の高いペースト状の造形材料を層状に塗
布する方法。 【解決手段】最初に、低粘度状態を確立するために粘度
変更物質が造形材料中に混入され、その造形材料が作業
表面上に層状に供給される。その後、粘度変更物質は、
好ましくは蒸発により造形材料から取り除かれ、層が選
択的に硬化されて、三次元物体が形成される。この方法
は、固体自由形状造形技術において、高粘度の材料の均
一な層を塗布しようとする際の、下方の層に印加される
せん断応力の望ましくない効果を実質的に排除する。こ
の方法では、高粘度のペースト状の材料の使用が可能で
あり、かかる材料は、５０重量％以上の金属、セラミッ
ク、鉱物またはポリマーの粉末を含み得る。好ましく
は、結合剤は、三次元物体形成のために選択的に硬化さ
れる光硬化性樹脂または熱硬化性材料である。
において、粘度の高いペースト状の造形材料を層状に塗
布する方法。 【解決手段】最初に、低粘度状態を確立するために粘度
変更物質が造形材料中に混入され、その造形材料が作業
表面上に層状に供給される。その後、粘度変更物質は、
好ましくは蒸発により造形材料から取り除かれ、層が選
択的に硬化されて、三次元物体が形成される。この方法
は、固体自由形状造形技術において、高粘度の材料の均
一な層を塗布しようとする際の、下方の層に印加される
せん断応力の望ましくない効果を実質的に排除する。こ
の方法では、高粘度のペースト状の材料の使用が可能で
あり、かかる材料は、５０重量％以上の金属、セラミッ
ク、鉱物またはポリマーの粉末を含み得る。好ましく
は、結合剤は、三次元物体形成のために選択的に硬化さ
れる光硬化性樹脂または熱硬化性材料である。
Description
【０００１】発明の背景
１．発明の属する技術分野
本発明は、広くはあらゆる固体自由形状造形技術に用い
られるリコーティング（Ｒｅｃｏａｔｉｎｇ）システム
に関し、特に、固体自由形状造形装置により硬化される
前において、高粘度の造形材料の均一な層を形成するこ
とができるリコーティングシステムに関する。このリコ
ーティングシステムは、高粘度の造形材料の層を形成す
るために造形材料の新しい層を塗布する際に、それより
前に形成された各層が実質的に乱されない点が特徴的で
ある。
られるリコーティング（Ｒｅｃｏａｔｉｎｇ）システム
に関し、特に、固体自由形状造形装置により硬化される
前において、高粘度の造形材料の均一な層を形成するこ
とができるリコーティングシステムに関する。このリコ
ーティングシステムは、高粘度の造形材料の層を形成す
るために造形材料の新しい層を塗布する際に、それより
前に形成された各層が実質的に乱されない点が特徴的で
ある。
【０００２】２．従来技術の説明
近年、模型、試作品、および稼動期間が限られた工業分
野における物体の迅速な作製のために、いくつかの新し
い技術が開発されてきている。これらの新しい技術は、
一般的に、固体自由形状造形技術（Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅ
ｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ技術；以下、「Ｓ
ＦＦ技術」と呼ぶ）として説明することができる。ＳＦ
Ｆ技術の中には、ステレオリソグラフィ、選択的積層形
成、ラミネートオブジェクト作製、選択的相領域積層、
多重相ジェット硬化、弾道粒子成形、溶融積層形成、粒
子積層、選択的レーザー焼結等が含まれる。一般的には
本質的に切削形式の従来型の造形技術に対し、一般的に
ＳＦＦ技術では、複雑な物体が、追加形式で造形材料か
ら生成される。たとえば、従来型の造形技術では、機械
操作により材料が除去されたり、ダイまたは型により最
終的な形状に近い形状に材料が形作られた後にトリミン
グされたりする。それに対して、追加形式の造形技術で
は、複雑な物体を造形するために、層ごとに、徐々に増
分させられるように造形材料からなる部分が特定の位置
に追加されていく。この追加形式の処理の内容は、使用
される技術によって、すなわち造形材料の選択的積層か
造形材料の選択的硬化かによって変化する。
野における物体の迅速な作製のために、いくつかの新し
い技術が開発されてきている。これらの新しい技術は、
一般的に、固体自由形状造形技術（Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅ
ｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ技術；以下、「Ｓ
ＦＦ技術」と呼ぶ）として説明することができる。ＳＦ
Ｆ技術の中には、ステレオリソグラフィ、選択的積層形
成、ラミネートオブジェクト作製、選択的相領域積層、
多重相ジェット硬化、弾道粒子成形、溶融積層形成、粒
子積層、選択的レーザー焼結等が含まれる。一般的には
本質的に切削形式の従来型の造形技術に対し、一般的に
ＳＦＦ技術では、複雑な物体が、追加形式で造形材料か
ら生成される。たとえば、従来型の造形技術では、機械
操作により材料が除去されたり、ダイまたは型により最
終的な形状に近い形状に材料が形作られた後にトリミン
グされたりする。それに対して、追加形式の造形技術で
は、複雑な物体を造形するために、層ごとに、徐々に増
分させられるように造形材料からなる部分が特定の位置
に追加されていく。この追加形式の処理の内容は、使用
される技術によって、すなわち造形材料の選択的積層か
造形材料の選択的硬化かによって変化する。
【０００３】ＳＦＦ技術は、典型的には、物体のコンピ
ュータグラフィックによる表現と、連続的な層状に当該
物体を形成するための造形材料の供給物を用いる。ＳＦ
Ｆ技術は、これまでの従来型の生産方法に比べて、多く
の利点を有している。たとえば、ＳＦＦ技術は、試作品
である物体を開発するための時間を大幅に短縮化し、ま
た、高速生産工程において限られた数の物体を迅速に作
製することができる。ＳＦＦ技術はまた、鋳造作業によ
り型を作製する必要性を含めて、これまでの従来型の生
産方法に付随する複雑な工具使用や機械使用の必要性を
排除する。加えて、ＳＦＦ技術は、カスタマイズされた
対象物体が、コンピュータグラフィックデータを処理す
ることにより迅速に形成され得る点で有利である。
ュータグラフィックによる表現と、連続的な層状に当該
物体を形成するための造形材料の供給物を用いる。ＳＦ
Ｆ技術は、これまでの従来型の生産方法に比べて、多く
の利点を有している。たとえば、ＳＦＦ技術は、試作品
である物体を開発するための時間を大幅に短縮化し、ま
た、高速生産工程において限られた数の物体を迅速に作
製することができる。ＳＦＦ技術はまた、鋳造作業によ
り型を作製する必要性を含めて、これまでの従来型の生
産方法に付随する複雑な工具使用や機械使用の必要性を
排除する。加えて、ＳＦＦ技術は、カスタマイズされた
対象物体が、コンピュータグラフィックデータを処理す
ることにより迅速に形成され得る点で有利である。
【０００４】様々なＳＦＦ技術において使用される造形
材料としては、種々様々のものが存在する。これらの材
料は、典型的には、粉末、液体、ペースト、フォーム、
またはゲルの形態で付与される。近年、ＳＦＦ技術の工
程において、粘度の高いペースト状の材料を利用するこ
とに関心が向けられてきている。ペースト状の材料を使
用することの主な目的の１つは、形成される結果物たる
物体の特性の向上をもたらす、特有の材料特性の利点を
享受することである。これらのペーストは、固体装填材
または充填材を、微粒子または粉末の形態で、結合剤と
混合することにより得られ得る。いくつかのペーストで
は、結合剤は、アクリレート、エポキシおよびビニルエ
ーテルの種々の組合せからなる光重合性樹脂のような、
感光性または熱硬化性の液体樹脂を含む。粉末は、典型
的には４５μｍよりも小さい粒子サイズを有するもので
あり、ポリマー粉末、鉱物粉末、金属粉末またはセラミ
ック粉末でもよいし、それらのいかなる組合せでもよ
い。使用され得るポリマー粉末としては、ＡＢＳ、ナイ
ロン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテ
ルスルフェート等の熱可塑性ポリマーが挙げられる。使
用され得る金属粉末としては、鋼、合金鋼、ステンレス
鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン
合金、銅、タングステン、タングステンカーバイド、モ
リブデン、ニッケル合金、ランタン、ハフニウム、タン
タル、レニウム、ルビジウム、ビスマス、カドミウム、
インジウム、スズ、亜鉛、コバルト、マンガン、クロ
ム、金、銀等が挙げられる。使用され得るセラミック粉
末としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭
酸カルシウム、フッ化物、酸化マグネシウム、炭化珪
素、二酸化珪素、窒化珪素、炭化チタン、炭窒化チタ
ン、二ホウ化チタン、二酸化チタン、タングステンカー
バイド、三酸化タングステン、ジルコニア、硫化亜鉛等
が挙げられる。使用され得る希土類鉱物粉末としては、
酸化セリウム、酸化ジスプロシウム、酸化エルビウム、
酸化ガドリニウム、酸化ホルミウム、酸化ルテチウム、
酸化サマリウム、酸化テルビウム、酸化イットリウム等
が挙げられる。あるいは、これらのペーストは、固体装
填材または充填材なしで、高粘度の感光性または熱硬化
性の液体樹脂を混合することによっても得られ得る。こ
れらの高粘度の液体すなわちペーストは、たとえばアク
リレート、エポキシおよび／またはビニルエーテルから
なる光重合性樹脂を、たとえばポリブタジエン、ポリエ
チレン、ガラス繊維等の好ましい強化剤と混合すること
により得ることができる。
材料としては、種々様々のものが存在する。これらの材
料は、典型的には、粉末、液体、ペースト、フォーム、
またはゲルの形態で付与される。近年、ＳＦＦ技術の工
程において、粘度の高いペースト状の材料を利用するこ
とに関心が向けられてきている。ペースト状の材料を使
用することの主な目的の１つは、形成される結果物たる
物体の特性の向上をもたらす、特有の材料特性の利点を
享受することである。これらのペーストは、固体装填材
または充填材を、微粒子または粉末の形態で、結合剤と
混合することにより得られ得る。いくつかのペーストで
は、結合剤は、アクリレート、エポキシおよびビニルエ
ーテルの種々の組合せからなる光重合性樹脂のような、
感光性または熱硬化性の液体樹脂を含む。粉末は、典型
的には４５μｍよりも小さい粒子サイズを有するもので
あり、ポリマー粉末、鉱物粉末、金属粉末またはセラミ
ック粉末でもよいし、それらのいかなる組合せでもよ
い。使用され得るポリマー粉末としては、ＡＢＳ、ナイ
ロン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテ
ルスルフェート等の熱可塑性ポリマーが挙げられる。使
用され得る金属粉末としては、鋼、合金鋼、ステンレス
鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン
合金、銅、タングステン、タングステンカーバイド、モ
リブデン、ニッケル合金、ランタン、ハフニウム、タン
タル、レニウム、ルビジウム、ビスマス、カドミウム、
インジウム、スズ、亜鉛、コバルト、マンガン、クロ
ム、金、銀等が挙げられる。使用され得るセラミック粉
末としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭
酸カルシウム、フッ化物、酸化マグネシウム、炭化珪
素、二酸化珪素、窒化珪素、炭化チタン、炭窒化チタ
ン、二ホウ化チタン、二酸化チタン、タングステンカー
バイド、三酸化タングステン、ジルコニア、硫化亜鉛等
が挙げられる。使用され得る希土類鉱物粉末としては、
酸化セリウム、酸化ジスプロシウム、酸化エルビウム、
酸化ガドリニウム、酸化ホルミウム、酸化ルテチウム、
酸化サマリウム、酸化テルビウム、酸化イットリウム等
が挙げられる。あるいは、これらのペーストは、固体装
填材または充填材なしで、高粘度の感光性または熱硬化
性の液体樹脂を混合することによっても得られ得る。こ
れらの高粘度の液体すなわちペーストは、たとえばアク
リレート、エポキシおよび／またはビニルエーテルから
なる光重合性樹脂を、たとえばポリブタジエン、ポリエ
チレン、ガラス繊維等の好ましい強化剤と混合すること
により得ることができる。
【０００５】ペーストは、典型的には周囲条件下で１
０，０００センチポアズよりも高い粘度を有するもので
あり、放射への露出により層ごとに選択的に硬化され
る。一般的には、放射はペースト中の結合剤を硬化す
る。未硬化のペーストは、線形の応力−歪み特性、それ
を超えると降伏応力となる閾値を有するビンガム型の線
形応力−歪み特性、非線形の偽塑性応力−歪み特性（せ
ん断減粘性）、または非線形のダイラタント流体の応力
−歪み特性（せん断増粘性）を示し得る。ペーストは、
ＳＦＦ技術に使用される他の材料に比べて顕著な利点を
有することが分かっている。たとえば、ペーストは、金
属粉末等の固体装填材料を、体積にして５０％よりも大
きい密度で含むことができ、それにより非常に高密度の
生部品（ｇｒｅｅｎ ｐａｒｔ）を作ることが可能とな
る。これらの生部品は、その後の焼結や浸潤等の後処理
に非常に適しており、それにより、流込成形や鍛造等の
従来の形成技術により達成されるのと実質的に類似の力
学的特性を、最終的な物体にもたらすことができる。し
たがって、ペーストの利用は、固体自由形状造形による
高速生産を実現するための大きな前進であると考えられ
る。
０，０００センチポアズよりも高い粘度を有するもので
あり、放射への露出により層ごとに選択的に硬化され
る。一般的には、放射はペースト中の結合剤を硬化す
る。未硬化のペーストは、線形の応力−歪み特性、それ
を超えると降伏応力となる閾値を有するビンガム型の線
形応力−歪み特性、非線形の偽塑性応力−歪み特性（せ
ん断減粘性）、または非線形のダイラタント流体の応力
−歪み特性（せん断増粘性）を示し得る。ペーストは、
ＳＦＦ技術に使用される他の材料に比べて顕著な利点を
有することが分かっている。たとえば、ペーストは、金
属粉末等の固体装填材料を、体積にして５０％よりも大
きい密度で含むことができ、それにより非常に高密度の
生部品（ｇｒｅｅｎ ｐａｒｔ）を作ることが可能とな
る。これらの生部品は、その後の焼結や浸潤等の後処理
に非常に適しており、それにより、流込成形や鍛造等の
従来の形成技術により達成されるのと実質的に類似の力
学的特性を、最終的な物体にもたらすことができる。し
たがって、ペーストの利用は、固体自由形状造形による
高速生産を実現するための大きな前進であると考えられ
る。
【０００６】近年、ＳＦＦ技術の工程において、高粘度
のペースト状の材料を利用することにも関心が向けられ
てきている。たとえば、ステレオリソグラフィにおいて
は、大小の分子量のモノマーとオリゴマーの双方を含
む、液体感光性ポリマー樹脂が使用されている。硬化さ
れると、分子量の大きなモノマーとオリゴマーは、分子
量の小さなモノマーの場合よりも、高い力学的特性をも
たらす。したがって、形成される物体の力学的特性を高
めるためには、樹脂中の分子量の大きなモノマーとオリ
ゴマーの量を最大化すること、および／または強化剤を
含めることが望ましい。しかしながら、液体感光性ポリ
マー樹脂中の分子量の大きなモノマーとオリゴマーの量
を増やすと、樹脂の粘度も増加する。好ましくないこと
に、ステレオリソグラフィにおける従来の樹脂コーティ
ングシステムは、一般的にはニュートン流体に類似の挙
動を示す低粘度の液体樹脂を使用した場合のみ適当に動
作可能であるので、上記の粘度の増加量は、かかる樹脂
コーティングシステムにとって許容可能な粘度の範囲を
遥かに超えることがある。この点を相殺するために、ス
テレオリソグラフィにおいて現在使用されている液体感
光性ポリマー樹脂は、該樹脂の粘度を樹脂コーティング
システムにとって許容可能な粘度の範囲内に抑えるた
め、分子量の小さなモノマーを含んでいる。すなわち、
ステレオリソグラフィに使用される液体感光性ポリマー
樹脂から形成される物体の力学的特性を実質的に向上さ
せるためには、高粘度の液体を使用した場合でも適当に
動作可能である必要がある。
のペースト状の材料を利用することにも関心が向けられ
てきている。たとえば、ステレオリソグラフィにおいて
は、大小の分子量のモノマーとオリゴマーの双方を含
む、液体感光性ポリマー樹脂が使用されている。硬化さ
れると、分子量の大きなモノマーとオリゴマーは、分子
量の小さなモノマーの場合よりも、高い力学的特性をも
たらす。したがって、形成される物体の力学的特性を高
めるためには、樹脂中の分子量の大きなモノマーとオリ
ゴマーの量を最大化すること、および／または強化剤を
含めることが望ましい。しかしながら、液体感光性ポリ
マー樹脂中の分子量の大きなモノマーとオリゴマーの量
を増やすと、樹脂の粘度も増加する。好ましくないこと
に、ステレオリソグラフィにおける従来の樹脂コーティ
ングシステムは、一般的にはニュートン流体に類似の挙
動を示す低粘度の液体樹脂を使用した場合のみ適当に動
作可能であるので、上記の粘度の増加量は、かかる樹脂
コーティングシステムにとって許容可能な粘度の範囲を
遥かに超えることがある。この点を相殺するために、ス
テレオリソグラフィにおいて現在使用されている液体感
光性ポリマー樹脂は、該樹脂の粘度を樹脂コーティング
システムにとって許容可能な粘度の範囲内に抑えるた
め、分子量の小さなモノマーを含んでいる。すなわち、
ステレオリソグラフィに使用される液体感光性ポリマー
樹脂から形成される物体の力学的特性を実質的に向上さ
せるためには、高粘度の液体を使用した場合でも適当に
動作可能である必要がある。
【０００７】ＳＦＦ技術において高粘度のペーストおよ
び液体を用いる際には、乗り越えなければならない多く
の困難な課題がある。たとえば、高粘度の材料を流動さ
せるためには、その材料は非常に大きなせん断応力を受
けなくてはならない。ＳＦＦ技術において高粘度の材料
の均一な層を形成しようとすると、リコーターまたはス
プレッド装置は、例外なく非常に大きなせん断応力を材
料に与える。新しい層を形成する際には、与えられたせ
ん断応力は、それより前に形成した各層にも働き、物体
の各層を歪ませたり、カールさせたり、ずれさせたりす
る場合がある。このことは、高粘度の材料の場合には、
層間における層の剥離、層の一部欠落、層の不均一なコ
ーティング等の、好ましくない結果をもたらす場合があ
る。加えて、リコーターにより印加されるせん断応力は
また、「囲まれた体積部分（ｔｒａｐｐｅｄ ｖｏｌｕ
ｍｅ）」その他の物体の特徴部分のように、形成途中の
物体の既硬化部分とリコーターがすれ違う個所の前後の
領域においても問題となる。この問題を解決するための
これまでの試みは、コーティング工程において材料に印
加されるせん断応力の制御に重点を置いたものであっ
た。たとえば、ＷＯ００／５１８０９におけるリコーテ
ィングシステムは、高粘度の造形材料の層を塗布する際
に印加されるせん断応力を制御するために、回転するロ
ーラー部材を利用している。しかしながら、高粘度の液
体およびペーストは、均一な層を適切に形成するために
必要なせん断応力の大きさに関し非常に厳密であり、印
加される適当なせん断応力の大きさは、採用されている
特定の配合に実質的に依存して変わり得る。しばしば、
物体を造形台に繋ぎ止めるためだけでなく、造形中にお
いて物体の各層が移動したり歪んだりすることを防止す
るためにも、非常に多くの数のアタッチメント状の支持
体を設けることが必要となる。すなわち、ＳＦＦ技術の
工程における高粘度の材料の使用は、現在のリコーティ
ングシステムにより、厳しく制限されている。
び液体を用いる際には、乗り越えなければならない多く
の困難な課題がある。たとえば、高粘度の材料を流動さ
せるためには、その材料は非常に大きなせん断応力を受
けなくてはならない。ＳＦＦ技術において高粘度の材料
の均一な層を形成しようとすると、リコーターまたはス
プレッド装置は、例外なく非常に大きなせん断応力を材
料に与える。新しい層を形成する際には、与えられたせ
ん断応力は、それより前に形成した各層にも働き、物体
の各層を歪ませたり、カールさせたり、ずれさせたりす
る場合がある。このことは、高粘度の材料の場合には、
層間における層の剥離、層の一部欠落、層の不均一なコ
ーティング等の、好ましくない結果をもたらす場合があ
る。加えて、リコーターにより印加されるせん断応力は
また、「囲まれた体積部分（ｔｒａｐｐｅｄ ｖｏｌｕ
ｍｅ）」その他の物体の特徴部分のように、形成途中の
物体の既硬化部分とリコーターがすれ違う個所の前後の
領域においても問題となる。この問題を解決するための
これまでの試みは、コーティング工程において材料に印
加されるせん断応力の制御に重点を置いたものであっ
た。たとえば、ＷＯ００／５１８０９におけるリコーテ
ィングシステムは、高粘度の造形材料の層を塗布する際
に印加されるせん断応力を制御するために、回転するロ
ーラー部材を利用している。しかしながら、高粘度の液
体およびペーストは、均一な層を適切に形成するために
必要なせん断応力の大きさに関し非常に厳密であり、印
加される適当なせん断応力の大きさは、採用されている
特定の配合に実質的に依存して変わり得る。しばしば、
物体を造形台に繋ぎ止めるためだけでなく、造形中にお
いて物体の各層が移動したり歪んだりすることを防止す
るためにも、非常に多くの数のアタッチメント状の支持
体を設けることが必要となる。すなわち、ＳＦＦ技術の
工程における高粘度の材料の使用は、現在のリコーティ
ングシステムにより、厳しく制限されている。
【０００８】この問題に対する別のアプローチが、ファ
ン（Ｆａｎ）等に付与された米国特許第５，４７４，７
１９号に開示されており、粘度を低下させられる組成物
を配合することが提案されている。これらの組成物は、
熱せられた際あるいはせん断応力が印加された際に、粘
度が低下するものである。せん断応力が印加された際に
粘度が低下する組成物は、一般的には偽塑性流体または
せん断減粘性流体として知られているが、これは、使用
可能なペースト配合物の全流動学的範囲を包含するもの
ではない。すなわち、ファン（Ｆａｎ）等に付与された
米国特許第５，４７４，７１９号は、加熱により液化す
る塑性流体の組成物を配合し、加熱された液体状態でそ
れらの組成物を塗布すること、またはせん断減粘性特性
を示すビンガム型の組成物を配合し、コーティング時に
この組成物にせん断応力を印加することを提案してい
る。しかしながら、これらの解決方法はいずれも、使用
可能な材料の流動学的範囲を制限するものである。たと
えば、偽塑性組成物は特殊な配合を必要とし、それは全
てのペースト配合物が達成可能なものではない。加え
て、特定の量のせん断応力が印加された際のペースト配
合物の挙動は様々であるため、複数の配合物に対して満
足に動作するような、特定のせん断応力を印加するアプ
リケーターを構成することは、非常に困難である。した
がって、ＳＦＦ技術において高粘度の材料をコーティン
グするという課題に対しては、コーティング条件を満た
すに際し材料の配合に好ましくない流動学上の制限を課
さず、また、コーティング用アプリケーターに常に調整
を加える必要のないような、よりよい解決法を提供する
必要がある。
ン（Ｆａｎ）等に付与された米国特許第５，４７４，７
１９号に開示されており、粘度を低下させられる組成物
を配合することが提案されている。これらの組成物は、
熱せられた際あるいはせん断応力が印加された際に、粘
度が低下するものである。せん断応力が印加された際に
粘度が低下する組成物は、一般的には偽塑性流体または
せん断減粘性流体として知られているが、これは、使用
可能なペースト配合物の全流動学的範囲を包含するもの
ではない。すなわち、ファン（Ｆａｎ）等に付与された
米国特許第５，４７４，７１９号は、加熱により液化す
る塑性流体の組成物を配合し、加熱された液体状態でそ
れらの組成物を塗布すること、またはせん断減粘性特性
を示すビンガム型の組成物を配合し、コーティング時に
この組成物にせん断応力を印加することを提案してい
る。しかしながら、これらの解決方法はいずれも、使用
可能な材料の流動学的範囲を制限するものである。たと
えば、偽塑性組成物は特殊な配合を必要とし、それは全
てのペースト配合物が達成可能なものではない。加え
て、特定の量のせん断応力が印加された際のペースト配
合物の挙動は様々であるため、複数の配合物に対して満
足に動作するような、特定のせん断応力を印加するアプ
リケーターを構成することは、非常に困難である。した
がって、ＳＦＦ技術において高粘度の材料をコーティン
グするという課題に対しては、コーティング条件を満た
すに際し材料の配合に好ましくない流動学上の制限を課
さず、また、コーティング用アプリケーターに常に調整
を加える必要のないような、よりよい解決法を提供する
必要がある。
【０００９】また、本発明にいくらか関係のあるものと
して、コーエン（Ｃｏｈｅｎ）等に付与された米国特許
第３，２６４，１０３号および第３，３９５，０１４号
に開示された工程が挙げられる。これらの工程は、テー
プキャスティングの分野において開発されたものであ
る。これらの特許では、熱可塑性の光硬化性組成物が、
溶液の状態で薄い層としてフィルムに塗布され、その後
乾燥させられる工程が開示されている。このコーティン
グされたフィルムは、その後、フィルム側からのイメー
ジ様の紫外光または可視光に露出され、露出された部分
は交差結合される。しかしながら、これらの工程は、第
一義的には、フィルムの固定層の上に組成物が塗布され
る印刷版の製造に向けたものである。したがって、ペー
ストまたは揺変性の材料のような流動性材料の非固定層
の上に、リコーティング中において印加されるせん断応
力で下方の該非固定層に損傷を与えることなく材料を塗
布するという課題に対処したものではない。蒸発性の溶
液を利用したより最近のテープキャスティングの例は、
ベルビル（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ）等に付与された米国
特許第６，１８０，１８８号であり、固定表面の上に光
学的コーティングを付与することが開示されている。
して、コーエン（Ｃｏｈｅｎ）等に付与された米国特許
第３，２６４，１０３号および第３，３９５，０１４号
に開示された工程が挙げられる。これらの工程は、テー
プキャスティングの分野において開発されたものであ
る。これらの特許では、熱可塑性の光硬化性組成物が、
溶液の状態で薄い層としてフィルムに塗布され、その後
乾燥させられる工程が開示されている。このコーティン
グされたフィルムは、その後、フィルム側からのイメー
ジ様の紫外光または可視光に露出され、露出された部分
は交差結合される。しかしながら、これらの工程は、第
一義的には、フィルムの固定層の上に組成物が塗布され
る印刷版の製造に向けたものである。したがって、ペー
ストまたは揺変性の材料のような流動性材料の非固定層
の上に、リコーティング中において印加されるせん断応
力で下方の該非固定層に損傷を与えることなく材料を塗
布するという課題に対処したものではない。蒸発性の溶
液を利用したより最近のテープキャスティングの例は、
ベルビル（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ）等に付与された米国
特許第６，１８０，１８８号であり、固定表面の上に光
学的コーティングを付与することが開示されている。
【００１０】光硬化性の組成物では、光により開始され
る反応が紫外（ＵＶ）光を採用しているため、充填材料
に関し高い充填密度を実現しようとすると、さらなる問
題が生じる。たとえばアルミ部品等の金属部品や金属工
具部品の製造のように、充填材料として金属が使用され
る場合には、紫外光は、金属により充填された材料への
吸収または金属充填物による反射のため減衰される。こ
のことは、材料の層中の結合剤が硬化することを不可能
にする。層は、たとえば５０μｍの厚さを持ち得るもの
であり、硬化の深さは、下方の材料と結合するためにこ
の材料の層の厚さよりも大きくなくてはならない。しか
しながら、金属により充填された結合剤材料において高
い充填密度を実現する場合には、二峰型および三峰型の
金属粒子が採用され得る。これらの粒子は、紫外光の透
過を遮断する因子として有効に働いてしまい、これによ
り、物体の層間の境界が完全に結合されることが阻害さ
れる。
る反応が紫外（ＵＶ）光を採用しているため、充填材料
に関し高い充填密度を実現しようとすると、さらなる問
題が生じる。たとえばアルミ部品等の金属部品や金属工
具部品の製造のように、充填材料として金属が使用され
る場合には、紫外光は、金属により充填された材料への
吸収または金属充填物による反射のため減衰される。こ
のことは、材料の層中の結合剤が硬化することを不可能
にする。層は、たとえば５０μｍの厚さを持ち得るもの
であり、硬化の深さは、下方の材料と結合するためにこ
の材料の層の厚さよりも大きくなくてはならない。しか
しながら、金属により充填された結合剤材料において高
い充填密度を実現する場合には、二峰型および三峰型の
金属粒子が採用され得る。これらの粒子は、紫外光の透
過を遮断する因子として有効に働いてしまい、これによ
り、物体の層間の境界が完全に結合されることが阻害さ
れる。
【００１１】従来技術におけるこれらおよびその他の困
難な問題は、本発明において、層ごとに三次元物体を造
形するに際し、粘度が変更された造形材料を利用するこ
とにより解決される。
難な問題は、本発明において、層ごとに三次元物体を造
形するに際し、粘度が変更された造形材料を利用するこ
とにより解決される。
【００１２】発明の概要
本発明は、改善された力学的特性を有する三次元物体を
層ごとに造形するために、潜伏性重合により硬化する高
粘度の造形材料の均一な層の形成を可能とすることによ
り、広範に亘るＳＦＦ技術の工程においてその利点を発
揮するものである。
層ごとに造形するために、潜伏性重合により硬化する高
粘度の造形材料の均一な層の形成を可能とすることによ
り、広範に亘るＳＦＦ技術の工程においてその利点を発
揮するものである。
【００１３】本発明の１つの側面は、ＳＦＦ技術により
三次元物体を造形する新規な方法であって、従来技術に
おける前述の問題を解決する、高粘度の造形材料の均一
な層を形成することができる方法を提供することであ
る。
三次元物体を造形する新規な方法であって、従来技術に
おける前述の問題を解決する、高粘度の造形材料の均一
な層を形成することができる方法を提供することであ
る。
【００１４】本発明の別の側面は、造形材料のコーティ
ングを塗布する新規な方法であって、現在のリコーティ
ングシステムにより課される材料上の制約を排除し、Ｓ
ＦＦ技術において使用されるより広い流動学的範囲の造
形材料において、造形材料の均一な層を形成することが
できる方法を提供することである。
ングを塗布する新規な方法であって、現在のリコーティ
ングシステムにより課される材料上の制約を排除し、Ｓ
ＦＦ技術において使用されるより広い流動学的範囲の造
形材料において、造形材料の均一な層を形成することが
できる方法を提供することである。
【００１５】本発明の１つの特徴は、ＳＦＦ装置によ
り、造形材料が、３つの異なる相状態に転移させられる
点である。
り、造形材料が、３つの異なる相状態に転移させられる
点である。
【００１６】本発明の別の特徴は、作業表面上に造形材
料を供給するのに先立って、当該材料の粘度を顕著に低
下させるために、造形材料中に粘度変更物質を混入する
点である。
料を供給するのに先立って、当該材料の粘度を顕著に低
下させるために、造形材料中に粘度変更物質を混入する
点である。
【００１７】本発明のまた別の特徴は、作業表面上に造
形材料を供給した後に、当該材料から粘度変更物質を抜
き取ることにより、造形材料の粘度を顕著に高める点で
ある。
形材料を供給した後に、当該材料から粘度変更物質を抜
き取ることにより、造形材料の粘度を顕著に高める点で
ある。
【００１８】本発明のまた別の特徴は、粘度変更物質を
蒸発させるべく造形材料に熱を加えることにより、造形
材料から粘度変更物質を抜き取る点である。
蒸発させるべく造形材料に熱を加えることにより、造形
材料から粘度変更物質を抜き取る点である。
【００１９】本発明の利点は、造形されている物体が実
質的に自立状態となり、リコーティング工程中におい
て、粘度変更物質により実現される造形材料の粘度低下
のため、リコーティング工程により実質的に悪影響を受
けなくなる点である。
質的に自立状態となり、リコーティング工程中におい
て、粘度変更物質により実現される造形材料の粘度低下
のため、リコーティング工程により実質的に悪影響を受
けなくなる点である。
【００２０】本発明の別の利点は、支持体の必要性が実
質的に排除され、それにより形成される物体の下向き表
面が大幅に改善され、後仕上げの必要性も最小限とされ
る点である。
質的に排除され、それにより形成される物体の下向き表
面が大幅に改善され、後仕上げの必要性も最小限とされ
る点である。
【００２１】本発明による方法および装置のまた別の利
点は、高速生産のためのＳＦＦ技術において、ペースト
状の造形材料からの高密度に充填された生部品の形成が
可能となる点である。
点は、高速生産のためのＳＦＦ技術において、ペースト
状の造形材料からの高密度に充填された生部品の形成が
可能となる点である。
【００２２】これらおよびその他の側面、特徴および利
点が、第１の粘度値を有する造形材料の層を形成するた
めに、リコーティングシステムにより低粘度状態で作業
表面に塗布される造形材料を採用する、本発明の方法お
よび装置において達成される。これらの方法および装置
は、造形材料の層を、低粘度状態から第２の粘度値を有
する高粘度状態に転移させる。好ましくは、この転移
は、粘度変更物質を蒸発させるべく熱を加えることによ
り、粘度変更物質を造形材料の層から除去することによ
り実現される。ある実施形態においては、造形材料の第
１の粘度値は、第２の粘度値の多くとも１／２未満であ
る。別の実施形態では、低粘度状態から高粘度状態への
転移は、高粘度状態の造形材料の層の上に低粘度状態の
造形材料の別の層が塗布されたときに、高粘度状態の造
形材料の層へのせん断応力の伝播を実質的に防止するの
に十分な程度の転移である。別の実施形態では、低粘度
状態から高粘度状態への転移は、造形材料の第２の粘度
値が、少なくとも層中の造形材料が実質的に自立状態と
なる点まで高められるような転移である。
点が、第１の粘度値を有する造形材料の層を形成するた
めに、リコーティングシステムにより低粘度状態で作業
表面に塗布される造形材料を採用する、本発明の方法お
よび装置において達成される。これらの方法および装置
は、造形材料の層を、低粘度状態から第２の粘度値を有
する高粘度状態に転移させる。好ましくは、この転移
は、粘度変更物質を蒸発させるべく熱を加えることによ
り、粘度変更物質を造形材料の層から除去することによ
り実現される。ある実施形態においては、造形材料の第
１の粘度値は、第２の粘度値の多くとも１／２未満であ
る。別の実施形態では、低粘度状態から高粘度状態への
転移は、高粘度状態の造形材料の層の上に低粘度状態の
造形材料の別の層が塗布されたときに、高粘度状態の造
形材料の層へのせん断応力の伝播を実質的に防止するの
に十分な程度の転移である。別の実施形態では、低粘度
状態から高粘度状態への転移は、造形材料の第２の粘度
値が、少なくとも層中の造形材料が実質的に自立状態と
なる点まで高められるような転移である。
【００２３】本発明において使用される造形材料は、周
囲条件下において１０，０００センチポアズよりもおお
よそ高い粘度を有するペーストを形成するような、固体
装填材または充填材と結合剤材料との組合せを含む。固
体装填材または粒子状物質は、好ましくは、ポリマー粉
末、金属粉末、セラミック粉末または鉱物粉末のあらゆ
る組合せから選択される粉末材料である。平均の粒子サ
イズは変動し得るが、好ましくは、直径にして約４５μ
ｍよりもおおよそ小さい。結合剤またはバインダーは、
好ましくは、アクリレート、エポキシおよび／またはビ
ニルエーテルの光重合性樹脂またはそれらの組合せから
配合された感光性液体樹脂、または熱重合性材料であ
る。
囲条件下において１０，０００センチポアズよりもおお
よそ高い粘度を有するペーストを形成するような、固体
装填材または充填材と結合剤材料との組合せを含む。固
体装填材または粒子状物質は、好ましくは、ポリマー粉
末、金属粉末、セラミック粉末または鉱物粉末のあらゆ
る組合せから選択される粉末材料である。平均の粒子サ
イズは変動し得るが、好ましくは、直径にして約４５μ
ｍよりもおおよそ小さい。結合剤またはバインダーは、
好ましくは、アクリレート、エポキシおよび／またはビ
ニルエーテルの光重合性樹脂またはそれらの組合せから
配合された感光性液体樹脂、または熱重合性材料であ
る。
【００２４】造形材料中に混入される粘度変更物質は、
好ましくは、アセトンまたはアルコールのような溶媒で
あって、材料供給後に蒸発により除去できるものであ
る。各層が形成される作業領域は、蒸発工程を補助しま
たは加速するために加熱されてもよい。
好ましくは、アセトンまたはアルコールのような溶媒で
あって、材料供給後に蒸発により除去できるものであ
る。各層が形成される作業領域は、蒸発工程を補助しま
たは加速するために加熱されてもよい。
【００２５】ある実施形態では、粘度が変更された造形
材料は、供給台に垂直に押し出され、平滑化部材または
ドクターブレードがその材料を作業表面上に拡げる。こ
の作業表面は、直前に形成された層またはＳＦＦ装置の
台であり得る。ある変更実施形態では、粘度が変更され
た造形材料は、分配ローラー、案内ブレード、スカイブ
（ｓｋｉｖｅ）およびドクターブレードを有するリコー
ティング用アプリケーターに、重力供給される。この分
配ローラーを有するリコーティング用アプリケーター
は、低粘度状態において液体様特性を示す造形材料を使
用する場合に好ましい。
材料は、供給台に垂直に押し出され、平滑化部材または
ドクターブレードがその材料を作業表面上に拡げる。こ
の作業表面は、直前に形成された層またはＳＦＦ装置の
台であり得る。ある変更実施形態では、粘度が変更され
た造形材料は、分配ローラー、案内ブレード、スカイブ
（ｓｋｉｖｅ）およびドクターブレードを有するリコー
ティング用アプリケーターに、重力供給される。この分
配ローラーを有するリコーティング用アプリケーター
は、低粘度状態において液体様特性を示す造形材料を使
用する場合に好ましい。
【００２６】さらに別の複数の実施形態は、それぞれ異
なる配合の造形材料を供給する、複数のリコーティング
用アプリケーターを含む。これらの実施形態において
は、三次元物体に、高充填密度の金属層と高充填密度の
セラミック層等、異なる材料の複数の層が形成される。
加えて、本発明の方法および装置により作製されるこれ
らの充填密度の高い三次元物体は、その後の焼結や浸潤
等の処理に好適である。
なる配合の造形材料を供給する、複数のリコーティング
用アプリケーターを含む。これらの実施形態において
は、三次元物体に、高充填密度の金属層と高充填密度の
セラミック層等、異なる材料の複数の層が形成される。
加えて、本発明の方法および装置により作製されるこれ
らの充填密度の高い三次元物体は、その後の焼結や浸潤
等の処理に好適である。
【００２７】本発明の側面、特徴および利点は、以下の
発明の詳細な説明を、特に添付の図面と共に考慮するこ
とにより、明らかとなるであろう。
発明の詳細な説明を、特に添付の図面と共に考慮するこ
とにより、明らかとなるであろう。
【００２８】理解を容易にするために、可能な個所で
は、各図に共通する同一の要素を示すために同一の参照
番号が使用されている。
は、各図に共通する同一の要素を示すために同一の参照
番号が使用されている。
【００２９】好ましい実施形態の詳細な説明
本発明は、広範に亘るＳＦＦ技術の工程においてその利
点を発揮するものである。以下の説明は多くの応用の代
表例を示すものであり、全てを網羅するものではない。
以下の説明を読めば理解できるであろうが、以下に教示
される基本的な装置および方法は多くの用途に容易に適
用できる。この明細書および特許請求の範囲は、開示さ
れている特定の例に言及する要請から限定的な言回しと
取れる部分もあるかもしれないが、開示されている発明
の範囲および精神を逸脱しない限りにおいて、ある程度
の幅を有するものとして意図されたものである。
点を発揮するものである。以下の説明は多くの応用の代
表例を示すものであり、全てを網羅するものではない。
以下の説明を読めば理解できるであろうが、以下に教示
される基本的な装置および方法は多くの用途に容易に適
用できる。この明細書および特許請求の範囲は、開示さ
れている特定の例に言及する要請から限定的な言回しと
取れる部分もあるかもしれないが、開示されている発明
の範囲および精神を逸脱しない限りにおいて、ある程度
の幅を有するものとして意図されたものである。
【００３０】本発明の方法は、３つの異なる相状態間を
転移する造形材料を使用する機能を、ＳＦＦ装置に与え
る。より詳細に言えば、本発明の原理は、粘度変更物質
を造形材料に混入して第１の粘度値を有する第１の相状
態を確立することにより、高粘度の造形材料の粘度を低
下させ、その後、ＳＦＦ装置の作業表面上に当該材料を
薄く塗布し、第２の粘度値を実現するために粘度変更物
質を除去することにより、第２の相状態を確立するとい
うものである。第３の相状態は、第２の相状態にある造
形材料の層の一部を選択的に硬化することによりもたら
される固体状態である。硬化は、好ましくは、たとえば
レーザーにより発生され走査ミラーシステムにより方向
付けされる化学線への露出等の放射への露出や、光また
は熱への反応による潜伏性重合を引き起こすようなその
他の放射への露出により達成される。第２の相状態は、
造形材料の本来の配合を示す高粘度状態である。造形材
料のこの高粘度状態は、高粘度液体、半固体、ゲル、フ
ォームまたはペーストの状態であり得る。ある実施形態
では、粘度値は、少なくとも層中の造形材料が実質的に
自立状態となる点である第２の粘度値まで高められる。
ここでの用法では、実質的に自立状態の造形材料とは、
自身の重さの下で自身の形状を保持することができ、好
ましくは囲い壁なしの連続的な層として存在する場合に
もそのように自身の形状を保持することができる造形材
料を指す。たとえば、あらゆる半固体、ゲル、フォーム
およびペーストは、実質的に自立状態である。また、多
くの高粘度液体もその揺変性特性により実質的に自立状
態であり、特にＳＦＦ技術の工程において薄い層状に配
される場合はそうである。別の実施形態では、粘度値
は、第１の粘度値が多くとも第２の粘度値の約１／２未
満となるような第２の粘度値まで高められる。好ましい
実施形態では、造形材料の粘度の転移は、高粘度状態の
造形材料の層の上に低粘度状態の造形材料の別の層が塗
布されたときに、高粘度状態の造形材料の層へのせん断
応力の伝播を実質的に防止するのに十分な程度の転移と
される。あるいは、上記の転移は、造形材料の層に化学
的転移を引き起こすことによっても達成され得る。
転移する造形材料を使用する機能を、ＳＦＦ装置に与え
る。より詳細に言えば、本発明の原理は、粘度変更物質
を造形材料に混入して第１の粘度値を有する第１の相状
態を確立することにより、高粘度の造形材料の粘度を低
下させ、その後、ＳＦＦ装置の作業表面上に当該材料を
薄く塗布し、第２の粘度値を実現するために粘度変更物
質を除去することにより、第２の相状態を確立するとい
うものである。第３の相状態は、第２の相状態にある造
形材料の層の一部を選択的に硬化することによりもたら
される固体状態である。硬化は、好ましくは、たとえば
レーザーにより発生され走査ミラーシステムにより方向
付けされる化学線への露出等の放射への露出や、光また
は熱への反応による潜伏性重合を引き起こすようなその
他の放射への露出により達成される。第２の相状態は、
造形材料の本来の配合を示す高粘度状態である。造形材
料のこの高粘度状態は、高粘度液体、半固体、ゲル、フ
ォームまたはペーストの状態であり得る。ある実施形態
では、粘度値は、少なくとも層中の造形材料が実質的に
自立状態となる点である第２の粘度値まで高められる。
ここでの用法では、実質的に自立状態の造形材料とは、
自身の重さの下で自身の形状を保持することができ、好
ましくは囲い壁なしの連続的な層として存在する場合に
もそのように自身の形状を保持することができる造形材
料を指す。たとえば、あらゆる半固体、ゲル、フォーム
およびペーストは、実質的に自立状態である。また、多
くの高粘度液体もその揺変性特性により実質的に自立状
態であり、特にＳＦＦ技術の工程において薄い層状に配
される場合はそうである。別の実施形態では、粘度値
は、第１の粘度値が多くとも第２の粘度値の約１／２未
満となるような第２の粘度値まで高められる。好ましい
実施形態では、造形材料の粘度の転移は、高粘度状態の
造形材料の層の上に低粘度状態の造形材料の別の層が塗
布されたときに、高粘度状態の造形材料の層へのせん断
応力の伝播を実質的に防止するのに十分な程度の転移と
される。あるいは、上記の転移は、造形材料の層に化学
的転移を引き起こすことによっても達成され得る。
【００３１】好ましくは、粘度変更物質または粘度変更
剤は溶媒である。造形材料の薄い層がドクターブレード
その他の平滑化部材により塗布され、溶媒が蒸発により
除去され、作業表面上に高粘度の造形材料の層が好適に
残される。あるいは、所望の場合には、溶媒を除去する
ために、溶媒抜取処理が行われてもよい。材料の第３の
相状態は、該第３の相状態にある造形材料を含む三次元
物体を形成するために、材料の層がＳＦＦ装置によって
選択的に硬化されたときに確立される。この三次元物体
は、続いて該物体周囲の未硬化の造形材料から分離され
る。材料が第１の相状態にある間に、リコーティングシ
ステムは、それより前に供給された第２もしくは第３ま
たはその両方の相状態にある材料の上面に、当該材料を
供給する。粘度の高い材料を供給する際に通常生じる問
題を実質的に取り除くために、第１の相状態の粘度は、
第２および第３の相状態の粘度に比べ、実質的に低くさ
れている。
剤は溶媒である。造形材料の薄い層がドクターブレード
その他の平滑化部材により塗布され、溶媒が蒸発により
除去され、作業表面上に高粘度の造形材料の層が好適に
残される。あるいは、所望の場合には、溶媒を除去する
ために、溶媒抜取処理が行われてもよい。材料の第３の
相状態は、該第３の相状態にある造形材料を含む三次元
物体を形成するために、材料の層がＳＦＦ装置によって
選択的に硬化されたときに確立される。この三次元物体
は、続いて該物体周囲の未硬化の造形材料から分離され
る。材料が第１の相状態にある間に、リコーティングシ
ステムは、それより前に供給された第２もしくは第３ま
たはその両方の相状態にある材料の上面に、当該材料を
供給する。粘度の高い材料を供給する際に通常生じる問
題を実質的に取り除くために、第１の相状態の粘度は、
第２および第３の相状態の粘度に比べ、実質的に低くさ
れている。
【００３２】図解説明のために選ばれた好ましい実施形
態では、多官能価のアクリル酸モノマーと熱開始剤また
は光開始剤とからなるペースト状の造形材料が、周囲条
件下で１００，０００センチポアズより大きい粘度を有
するようにシリカ粉末で充填される。このペーストはそ
の後、体積にして約３０％のＭＥＫ（メチルエチルケト
ン）等の粘度変更物質により薄められ、粘度は周囲条件
下で１０，０００センチポアズ未満に低下させられる。
好ましくは、粘度が変更された造形材料は、粉末等の固
体粒子状物質の存在にも拘らず、液体様の特性を示す。
粘度変更物質として使用され得る好ましい溶媒は、炭化
水素、脂肪族炭化水素、ナフサ、鉱物油、芳香族炭化水
素、ベンゼン、トルエン、官能芳香族炭化水素、Ｏ−ク
レゾール、ハロゲン化炭化水素、塩素系溶媒、四塩化炭
素、二酸化炭素、フレオン、塩化メチレン、１価アルコ
ール、多価アルコール、フェノール、エーテル、テトラ
ヒドロフラン、グリコールエーテル、ケトン、アセト
ン、シクロヘキサノン、アセトフェノン、アミン、ｎ−
ブチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン、酸、クロム
酸、硝酸、リン酸、鉱物、水、四塩化珪素、三塩化リ
ン、エステル、Ｎ−ブチルアセテート、エチルアセテー
ト、窒素含有化合物、硝酸塩、ニトリル、有機硫黄化合
物、酸／アルデヒド、酢酸、トリクロロ酢酸、水酸化物
基剤、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、過酸化
物、過酸化水素、およびそれらの組合せである。
態では、多官能価のアクリル酸モノマーと熱開始剤また
は光開始剤とからなるペースト状の造形材料が、周囲条
件下で１００，０００センチポアズより大きい粘度を有
するようにシリカ粉末で充填される。このペーストはそ
の後、体積にして約３０％のＭＥＫ（メチルエチルケト
ン）等の粘度変更物質により薄められ、粘度は周囲条件
下で１０，０００センチポアズ未満に低下させられる。
好ましくは、粘度が変更された造形材料は、粉末等の固
体粒子状物質の存在にも拘らず、液体様の特性を示す。
粘度変更物質として使用され得る好ましい溶媒は、炭化
水素、脂肪族炭化水素、ナフサ、鉱物油、芳香族炭化水
素、ベンゼン、トルエン、官能芳香族炭化水素、Ｏ−ク
レゾール、ハロゲン化炭化水素、塩素系溶媒、四塩化炭
素、二酸化炭素、フレオン、塩化メチレン、１価アルコ
ール、多価アルコール、フェノール、エーテル、テトラ
ヒドロフラン、グリコールエーテル、ケトン、アセト
ン、シクロヘキサノン、アセトフェノン、アミン、ｎ−
ブチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン、酸、クロム
酸、硝酸、リン酸、鉱物、水、四塩化珪素、三塩化リ
ン、エステル、Ｎ−ブチルアセテート、エチルアセテー
ト、窒素含有化合物、硝酸塩、ニトリル、有機硫黄化合
物、酸／アルデヒド、酢酸、トリクロロ酢酸、水酸化物
基剤、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、過酸化
物、過酸化水素、およびそれらの組合せである。
【００３３】潜伏性重合を実現するのに役立つ材料の一
例は、光または熱に反応して分解する保護されたアミン
基を有するエポキシである。熱重合反応は、適当な熱開
始剤を使用することにより実現される。Ｅ．Ｉ．デュポ
ン・ド・ニューマーズ・アンド・カンパニー社（Ｅ．
Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃ
ｏｍｐａｎｙ）により市販されているＷＡＺＯ材料は、
適当な熱開始剤の１タイプの例である。熱開始剤は、赤
外（ＩＲ）放射への露出により活性化される。他の熱開
始剤としては、フォート・ワシントンのエレクトロン・
マイクロスコーピー・サイエンス社（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）によりや
はり市販されているアゾビスイソブチロニトリル熱開始
剤、ワコウ・スペシャルティ・ケミカルズ社（Ｗａｋｏ
Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ， Ｌｔ
ｄ．）により市販されているＰＡおよびアゾ開始剤であ
るＶＡ−０４４、ＶＡ−０５７、ＶＡ−０８５、ＶＡ−
０７０およびＶＡ−０９６がある。
例は、光または熱に反応して分解する保護されたアミン
基を有するエポキシである。熱重合反応は、適当な熱開
始剤を使用することにより実現される。Ｅ．Ｉ．デュポ
ン・ド・ニューマーズ・アンド・カンパニー社（Ｅ．
Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃ
ｏｍｐａｎｙ）により市販されているＷＡＺＯ材料は、
適当な熱開始剤の１タイプの例である。熱開始剤は、赤
外（ＩＲ）放射への露出により活性化される。他の熱開
始剤としては、フォート・ワシントンのエレクトロン・
マイクロスコーピー・サイエンス社（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）によりや
はり市販されているアゾビスイソブチロニトリル熱開始
剤、ワコウ・スペシャルティ・ケミカルズ社（Ｗａｋｏ
Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ， Ｌｔ
ｄ．）により市販されているＰＡおよびアゾ開始剤であ
るＶＡ−０４４、ＶＡ−０５７、ＶＡ−０８５、ＶＡ−
０７０およびＶＡ−０９６がある。
【００３４】熱硬化を実現する熱開始剤はまた、熱の下
でのカチオン硬化を開始させるカチオンの供給源として
の塩を含んでいる。オニウム塩およびピリジウム塩は、
有機分子、オリゴマーまたはポリマーに結合したスチレ
ンオキシドの一部分を基にした化合物等のエポキシド化
合物中で、熱硬化を開始させるカチオン種を供給する。
Ｎ−ベンジルピリジニウムおよびそれに関連した第４級
アンモニウム塩は、加熱条件下において酸性種を供給す
る。満足な熱硬化の開始を実現するためのかぎは、上記
の結合した一部分が、立体反応またはルイス塩基の反応
によるエポキシ官能基のカチオン重合を妨げないことで
ある。かかる反応については、２０００年２月１日に付
与された米国特許第６，０２０，５０８号に、より詳細
に記載されている。スチレンオキシドの開環重合を実現
し、カチオン種を作用させることのできる他の方法もま
た知られている。
でのカチオン硬化を開始させるカチオンの供給源として
の塩を含んでいる。オニウム塩およびピリジウム塩は、
有機分子、オリゴマーまたはポリマーに結合したスチレ
ンオキシドの一部分を基にした化合物等のエポキシド化
合物中で、熱硬化を開始させるカチオン種を供給する。
Ｎ−ベンジルピリジニウムおよびそれに関連した第４級
アンモニウム塩は、加熱条件下において酸性種を供給す
る。満足な熱硬化の開始を実現するためのかぎは、上記
の結合した一部分が、立体反応またはルイス塩基の反応
によるエポキシ官能基のカチオン重合を妨げないことで
ある。かかる反応については、２０００年２月１日に付
与された米国特許第６，０２０，５０８号に、より詳細
に記載されている。スチレンオキシドの開環重合を実現
し、カチオン種を作用させることのできる他の方法もま
た知られている。
【００３５】より分子量の大きい粘着付与剤を造形材料
中に含ませることが好ましいことも分かっている。この
粘着付与剤は、層間の皮膜強度を高めるために添加され
るが、カールおよび層の剥離の問題を排除することにも
役立つことが分かっている。粘着付与剤は、造形材料に
より高い見かけ粘度を付与し、該材料の皮膜強度を高め
る。粘着付与剤は、粘度変更物質として選択された溶媒
の存在下で溶解する粉末状態のポリメチルメタクリレー
トであることが好ましいが、所望であれば、他の粘着付
与剤も使用可能である。上述した造形材料に対するある
変更実施形態では、１５重量％の高分子量ポリメチルメ
タクリレートが、造形材料の多官能価のアクリル酸モノ
マー液体成分中で使用される。２種類の好適なポリメチ
ルメタクリレートが、Ｅｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２
０４２およびＥｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２０４３の
商品名で、デラウェア州ウィルミントンのＩＣＩアクリ
リックス社（ＩＣＩ Ａｃｒｙｌｉｃｓ）から市販され
ている。Ｅｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）は、デラウェア
州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン・ド・ニューマー
ズ・アンド・カンパニー社（Ｅ．Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ
ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃｏ．）が権利を有する
登録商標である。これらのポリメチルメタクリレート
は、造形材料中で１５重量％使用された際、層間の皮膜
強度を高め、硬化された層の端部におけるカールの問題
を解決した。
中に含ませることが好ましいことも分かっている。この
粘着付与剤は、層間の皮膜強度を高めるために添加され
るが、カールおよび層の剥離の問題を排除することにも
役立つことが分かっている。粘着付与剤は、造形材料に
より高い見かけ粘度を付与し、該材料の皮膜強度を高め
る。粘着付与剤は、粘度変更物質として選択された溶媒
の存在下で溶解する粉末状態のポリメチルメタクリレー
トであることが好ましいが、所望であれば、他の粘着付
与剤も使用可能である。上述した造形材料に対するある
変更実施形態では、１５重量％の高分子量ポリメチルメ
タクリレートが、造形材料の多官能価のアクリル酸モノ
マー液体成分中で使用される。２種類の好適なポリメチ
ルメタクリレートが、Ｅｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２
０４２およびＥｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２０４３の
商品名で、デラウェア州ウィルミントンのＩＣＩアクリ
リックス社（ＩＣＩ Ａｃｒｙｌｉｃｓ）から市販され
ている。Ｅｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）は、デラウェア
州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン・ド・ニューマー
ズ・アンド・カンパニー社（Ｅ．Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ
ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃｏ．）が権利を有する
登録商標である。これらのポリメチルメタクリレート
は、造形材料中で１５重量％使用された際、層間の皮膜
強度を高め、硬化された層の端部におけるカールの問題
を解決した。
【００３６】特に図２から７を参照すると、全体的に参
照番号１０として、本発明のリコーティングシステムの
各工程を実施するための固体自由形状造形装置が図示さ
れている。粘度が変更された造形材料１２が、供給容器
１４内に配されており、ドクターブレード１８等の平滑
化部材による供給材料の分配が必要な際には、たとえば
ピストン１６のような何らかの適当な手段により供給さ
れる。ドクターブレード１８は、参照番号２０により特
定されているレールシステム上を往復運動し、粘度が変
更された造形材料１２を供給する。好ましくは、粘度変
更物質が直ちに蒸発してしまわないように、粘度が変更
された造形材料１２は、比較的低温に保たれて収容され
る。粘度が変更された造形材料の組成によっては、粒子
を浮遊状態に保つために、容器中の造形材料を攪拌また
は循環させること必要となり得る。造形材料は、既に粘
度変更物質が添加された状態で装置に供給されてもよい
し、あるいは、必要に応じて所望の場合には、装置が粘
度変更物質をその都度造形材料と混合してもよい。
照番号１０として、本発明のリコーティングシステムの
各工程を実施するための固体自由形状造形装置が図示さ
れている。粘度が変更された造形材料１２が、供給容器
１４内に配されており、ドクターブレード１８等の平滑
化部材による供給材料の分配が必要な際には、たとえば
ピストン１６のような何らかの適当な手段により供給さ
れる。ドクターブレード１８は、参照番号２０により特
定されているレールシステム上を往復運動し、粘度が変
更された造形材料１２を供給する。好ましくは、粘度変
更物質が直ちに蒸発してしまわないように、粘度が変更
された造形材料１２は、比較的低温に保たれて収容され
る。粘度が変更された造形材料の組成によっては、粒子
を浮遊状態に保つために、容器中の造形材料を攪拌また
は循環させること必要となり得る。造形材料は、既に粘
度変更物質が添加された状態で装置に供給されてもよい
し、あるいは、必要に応じて所望の場合には、装置が粘
度変更物質をその都度造形材料と混合してもよい。
【００３７】全体的に参照番号２２で示されているの
は、ＳＦＦ装置１０の作業領域であり、ここで三次元物
体が造形される。作業領域２２は、コンピュータ制御シ
ステム（図示せず）によって上下動させられ得る造形台
２４を有している。図２から７においては、造形材料の
既に形成された３つの層が、それぞれ参照番号２６、２
８および３０で示されている。これらの既に形成された
３つの層のそれぞれは、参照番号３２で示される第２の
相状態にある造形材料の部分と、参照番号３４で示され
る第３の相状態にある造形材料の部分とを有している。
好ましくは、造形材料の第２の相状態は実質的に自立状
態であって、典型的には、粘度変更物質が蒸発により除
去された後の確立された状態で、周囲条件下で１０，０
００センチポアズより大きい粘度を有する。第３の相状
態は、一般的には、造形材料が適当な放射源に露出され
た後に確立される、硬化された状態である。好ましい方
法は、造形材料の一部を、参照番号３４で示される形成
中の三次元物体をなす層の状態に硬化するために、走査
ミラー３８を介して選択的に方向付けられるレーザー等
の化学線源３６を使用する方法である。造形材料を硬化
する様々な手法が当該技術分野ではよく知られており、
それらにはたとえば、紫外エネルギー線の選択的な集束
によるものや、マスキングと放射への一括露出とによる
ものが含まれる。
は、ＳＦＦ装置１０の作業領域であり、ここで三次元物
体が造形される。作業領域２２は、コンピュータ制御シ
ステム（図示せず）によって上下動させられ得る造形台
２４を有している。図２から７においては、造形材料の
既に形成された３つの層が、それぞれ参照番号２６、２
８および３０で示されている。これらの既に形成された
３つの層のそれぞれは、参照番号３２で示される第２の
相状態にある造形材料の部分と、参照番号３４で示され
る第３の相状態にある造形材料の部分とを有している。
好ましくは、造形材料の第２の相状態は実質的に自立状
態であって、典型的には、粘度変更物質が蒸発により除
去された後の確立された状態で、周囲条件下で１０，０
００センチポアズより大きい粘度を有する。第３の相状
態は、一般的には、造形材料が適当な放射源に露出され
た後に確立される、硬化された状態である。好ましい方
法は、造形材料の一部を、参照番号３４で示される形成
中の三次元物体をなす層の状態に硬化するために、走査
ミラー３８を介して選択的に方向付けられるレーザー等
の化学線源３６を使用する方法である。造形材料を硬化
する様々な手法が当該技術分野ではよく知られており、
それらにはたとえば、紫外エネルギー線の選択的な集束
によるものや、マスキングと放射への一括露出とによる
ものが含まれる。
【００３８】作業領域２２は、層形成のために粘度が変
更された造形材料１２が供給された後の蒸発工程を促進
するために、比較的高温の領域とされている。作業領域
２２の温度を制御するために、参照番号４０および４２
で示されるヒーターユニットが使用され得る。あるい
は、所望であれば、台２４上にもヒーターユニットが配
されてもよいし、作業領域内の温度を制御するためにオ
ーバーヘッド型のランプが設けられてもよい。加えて、
加熱されたガスまたは空気の制御された流れが各層上に
均一に向けられるように対流加熱器を設け、ＳＦＦ装置
が三次元物体を造形するにおいて許容可能な所望の蒸発
速度を達成するように蒸発工程を促進してもよい。
更された造形材料１２が供給された後の蒸発工程を促進
するために、比較的高温の領域とされている。作業領域
２２の温度を制御するために、参照番号４０および４２
で示されるヒーターユニットが使用され得る。あるい
は、所望であれば、台２４上にもヒーターユニットが配
されてもよいし、作業領域内の温度を制御するためにオ
ーバーヘッド型のランプが設けられてもよい。加えて、
加熱されたガスまたは空気の制御された流れが各層上に
均一に向けられるように対流加熱器を設け、ＳＦＦ装置
が三次元物体を造形するにおいて許容可能な所望の蒸発
速度を達成するように蒸発工程を促進してもよい。
【００３９】図２を参照すると、本発明のＳＦＦ装置に
より実行される第１の工程が示されている。この第１の
工程では、ピストン１６が垂直に移動され、参照番号４
４で示された低粘度状態にある粘度が変更された造形材
料を、所望の量だけ供給台４５の上に供給する。また、
ほぼ同時に、次の層の形成準備のため、台２４が１層厚
分だけ降下させられる。図３を参照すると、次の工程が
示されており、この工程では、ここでは参照番号４６で
示されている粘度が変更された造形材料を層３０の上面
に拡げるために、ドクターブレード１８が駆動される。
ここで言う装置１０の作業表面とは、その直上に造形材
料の新たな層が配されるべき面である。図３では、最上
層３０の露出された面すなわち上向き表面が作業表面で
あるが、物体を最初に形成し始めるときは、造形台２４
の上面が最初の作業表面となる。第１の相状態にある造
形材料の粘度は、第２および第３の相状態の場合の粘度
よりも実質的に低いので、材料を拡げる際にドクターブ
レード１８により印加されるせん断応力は、隣接する層
３０内の造形材料を大幅に乱す程には強くない。このこ
とは、層間における層の剥離、層の一部欠落または層の
不均一なコーティングを生じることなく高粘度の造形材
料の薄く均一な層を実現するという従来技術における大
きな問題を、特有の方法で解決するものである。これら
の問題は、層の塗布時におけるそれらの層を介してのせ
ん断応力の好ましくない伝播によりもたらされるもので
あり、望ましくない前縁部の膨らみおよび／または囲ま
れた体積部分のえぐれまたは累積の問題を引き起こすよ
うな固体部分上に層を形成する場合には深刻な問題とな
り得る。比類なきことに、低粘度の媒体の層をそれより
ずっと粘度の高い媒体の層上に塗布し、その後、三次元
物体をなす層を形成するために当該材料を硬化させるの
に先だって、好ましくは上記のより粘度の高い媒体の粘
度にまで塗布された材料の粘度を高めることによって、
これらの問題の全てを効果的に解決できることが分かっ
た。このことは、ＳＦＦ技術において高粘度材料の薄い
層を硬化することにより得ることのできる優れた特性の
利益を享受しながら、高粘度状態にある材料を層状に塗
布するという問題を回避するものである。
より実行される第１の工程が示されている。この第１の
工程では、ピストン１６が垂直に移動され、参照番号４
４で示された低粘度状態にある粘度が変更された造形材
料を、所望の量だけ供給台４５の上に供給する。また、
ほぼ同時に、次の層の形成準備のため、台２４が１層厚
分だけ降下させられる。図３を参照すると、次の工程が
示されており、この工程では、ここでは参照番号４６で
示されている粘度が変更された造形材料を層３０の上面
に拡げるために、ドクターブレード１８が駆動される。
ここで言う装置１０の作業表面とは、その直上に造形材
料の新たな層が配されるべき面である。図３では、最上
層３０の露出された面すなわち上向き表面が作業表面で
あるが、物体を最初に形成し始めるときは、造形台２４
の上面が最初の作業表面となる。第１の相状態にある造
形材料の粘度は、第２および第３の相状態の場合の粘度
よりも実質的に低いので、材料を拡げる際にドクターブ
レード１８により印加されるせん断応力は、隣接する層
３０内の造形材料を大幅に乱す程には強くない。このこ
とは、層間における層の剥離、層の一部欠落または層の
不均一なコーティングを生じることなく高粘度の造形材
料の薄く均一な層を実現するという従来技術における大
きな問題を、特有の方法で解決するものである。これら
の問題は、層の塗布時におけるそれらの層を介してのせ
ん断応力の好ましくない伝播によりもたらされるもので
あり、望ましくない前縁部の膨らみおよび／または囲ま
れた体積部分のえぐれまたは累積の問題を引き起こすよ
うな固体部分上に層を形成する場合には深刻な問題とな
り得る。比類なきことに、低粘度の媒体の層をそれより
ずっと粘度の高い媒体の層上に塗布し、その後、三次元
物体をなす層を形成するために当該材料を硬化させるの
に先だって、好ましくは上記のより粘度の高い媒体の粘
度にまで塗布された材料の粘度を高めることによって、
これらの問題の全てを効果的に解決できることが分かっ
た。このことは、ＳＦＦ技術において高粘度材料の薄い
層を硬化することにより得ることのできる優れた特性の
利益を享受しながら、高粘度状態にある材料を層状に塗
布するという問題を回避するものである。
【００４０】図４を参照すると、作業領域２２上の掃引
を完了したドクターブレード１８が図示されており、こ
こで、余剰の造形材料４８は回収容器５０に運ばれる。
この余剰の造形材料は、好ましくは再利用されるが、所
望の場合には廃棄されてもよく、あるいは、掃引中に該
材料から蒸発した粘度変更物質の量が無視できる程度で
ある場合には、供給容器１２に戻されてもよい。この時
点で、参照番号５２で示された、粘度が変更された造形
材料の新たに形成された層が確立される。
を完了したドクターブレード１８が図示されており、こ
こで、余剰の造形材料４８は回収容器５０に運ばれる。
この余剰の造形材料は、好ましくは再利用されるが、所
望の場合には廃棄されてもよく、あるいは、掃引中に該
材料から蒸発した粘度変更物質の量が無視できる程度で
ある場合には、供給容器１２に戻されてもよい。この時
点で、参照番号５２で示された、粘度が変更された造形
材料の新たに形成された層が確立される。
【００４１】図５を参照すると、次の工程が図示されて
おり、ここで造形材料の層から粘度変更物質が除去され
て、当該層の高粘度状態が確立される。好ましくは、理
想的な粘度変更物質は、室温大気圧下で比較的速く蒸発
し、かつ瞬時に蒸発する点を有するものであるが、ペー
スト中の固体装填材または充填材との相性から、理想的
な粘度変更物質から多少外れたものが必要とされる場合
もある。多くの場合、蒸発工程を補助し、蒸発工程の完
了までに要する時間を短縮化するために、参照番号４０
および４２で示された熱せられた定盤等のヒーターユニ
ットが必要となる。この場合、粘度が変更された造形材
料１２および４８中の粘度変更物質が蒸発するのを防ぐ
ために、熱せられた定盤と供給容器１４ならびに回収容
器５０との間に十分な断熱部を設けることも必要とな
る。蒸気を表す線５６により表現された蒸発工程の後、
ここでは参照番号５４で示される造形材料の層は、第２
の相状態に転移し、実質的に自立状態となる。このこと
により、三次元物体を形成するために材料を硬化するに
際し、前述の高粘度の造形材料の利用による利点が享受
できるので、このことは望ましい。所望の場合、特に大
気中に放出するのが望ましくない溶媒の場合や、使捨て
使用するにはコストが高すぎる溶媒の場合には、粘度変
更物質を回収するために凝縮器システムが使用されても
よい。凝縮器システムはまた、特に除去される溶媒の体
積が相当に昇る場合にも望ましいことがある。
おり、ここで造形材料の層から粘度変更物質が除去され
て、当該層の高粘度状態が確立される。好ましくは、理
想的な粘度変更物質は、室温大気圧下で比較的速く蒸発
し、かつ瞬時に蒸発する点を有するものであるが、ペー
スト中の固体装填材または充填材との相性から、理想的
な粘度変更物質から多少外れたものが必要とされる場合
もある。多くの場合、蒸発工程を補助し、蒸発工程の完
了までに要する時間を短縮化するために、参照番号４０
および４２で示された熱せられた定盤等のヒーターユニ
ットが必要となる。この場合、粘度が変更された造形材
料１２および４８中の粘度変更物質が蒸発するのを防ぐ
ために、熱せられた定盤と供給容器１４ならびに回収容
器５０との間に十分な断熱部を設けることも必要とな
る。蒸気を表す線５６により表現された蒸発工程の後、
ここでは参照番号５４で示される造形材料の層は、第２
の相状態に転移し、実質的に自立状態となる。このこと
により、三次元物体を形成するために材料を硬化するに
際し、前述の高粘度の造形材料の利用による利点が享受
できるので、このことは望ましい。所望の場合、特に大
気中に放出するのが望ましくない溶媒の場合や、使捨て
使用するにはコストが高すぎる溶媒の場合には、粘度変
更物質を回収するために凝縮器システムが使用されても
よい。凝縮器システムはまた、特に除去される溶媒の体
積が相当に昇る場合にも望ましいことがある。
【００４２】図６を参照すると、参照番号５８で示され
ている当該層の所望の部分を選択的に硬化するように放
射光線を方向付けるために、放射源３６および走査ミラ
ー３８がコンピュータ制御システム（図示せず）により
動作させられている。好ましい実施形態では、放射源
は、造形材料中に含まれる光重合性結合剤材料を硬化す
る紫外レーザーであるが、所望であれば、他のＳＦＦ硬
化技術が使用されてもよい。光重合性結合剤材料は、ア
クリレート、エポキシおよび／またはビニルエーテルの
種々の組合せから配合された光重合性樹脂を含み得る。
ている当該層の所望の部分を選択的に硬化するように放
射光線を方向付けるために、放射源３６および走査ミラ
ー３８がコンピュータ制御システム（図示せず）により
動作させられている。好ましい実施形態では、放射源
は、造形材料中に含まれる光重合性結合剤材料を硬化す
る紫外レーザーであるが、所望であれば、他のＳＦＦ硬
化技術が使用されてもよい。光重合性結合剤材料は、ア
クリレート、エポキシおよび／またはビニルエーテルの
種々の組合せから配合された光重合性樹脂を含み得る。
【００４３】図２から７に図示されたＳＦＦ装置に沿っ
て説明してきたリコーティング工程は、以下のように要
約することができる。
て説明してきたリコーティング工程は、以下のように要
約することができる。
【００４４】１）作業領域２２において、造形台２４
が、１層厚分降下させられる。
が、１層厚分降下させられる。
【００４５】２）ピストン１６が、粘度が変更された造
形材料を垂直に押し出し、材料４４をドクターブレード
１８の前に配する。
形材料を垂直に押し出し、材料４４をドクターブレード
１８の前に配する。
【００４６】３）ドクターブレード１８が、材料を運
び、造形台または直前に形成された層３０の上に、１層
分の厚さを有する均一なコーティング５２を形成する。
び、造形台または直前に形成された層３０の上に、１層
分の厚さを有する均一なコーティング５２を形成する。
【００４７】４）余剰の材料４８が、容器５０に回収さ
れる。
れる。
【００４８】５）層５４中の材料に含まれる粘度変更物
質が、実質的に蒸発させられる。
質が、実質的に蒸発させられる。
【００４９】６）三次元物体の１つの層が描かれ、層５
８の一部が硬化される。
８の一部が硬化される。
【００５０】７）三次元物体の造形が完了するまで、工
程１）から６）が繰り返される。
程１）から６）が繰り返される。
【００５１】８）作業領域中の台２４が開始位置まで上
昇させられ、未硬化の高粘度の材料に取り囲まれた三次
元物体が取り外される。
昇させられ、未硬化の高粘度の材料に取り囲まれた三次
元物体が取り外される。
【００５２】９）三次元物体が、手作業もしくは溶剤に
よる洗浄またはこれらの方法の組合せにより、未硬化の
高粘度の材料から分離される。
よる洗浄またはこれらの方法の組合せにより、未硬化の
高粘度の材料から分離される。
【００５３】あるいは、１つの層が描かれる前に、粘度
を変更された造形材料の２つ以上の層が作業表面上に塗
布されてもよい。その場合、次の層を塗布する前に、各
層から粘度変更物質を除去することが望ましい。この複
数の層を付与する技術は、造形処理を最初に開始する際
に、作業領域内の台に三次元物体がはり付いてしまわな
いようにするために望ましい場合がある。
を変更された造形材料の２つ以上の層が作業表面上に塗
布されてもよい。その場合、次の層を塗布する前に、各
層から粘度変更物質を除去することが望ましい。この複
数の層を付与する技術は、造形処理を最初に開始する際
に、作業領域内の台に三次元物体がはり付いてしまわな
いようにするために望ましい場合がある。
【００５４】各層は、当初は均一な厚さではないことに
注意されたい。一例として、作業領域内の台が０．００
５インチ（約０．１２７ｍｍ）ずつ降下させられる場合
を考える。仮に造形材料が体積にして約３０％の粘度変
更物質の溶媒を含んでいるとすると、その粘度変更物質
の溶媒が蒸発した後には、最終的な層は３０％薄く、す
なわち０．００３５インチ（約０．０８８９ｍｍ）とな
る。次のサイクルでは、台は０．００５インチ（約０．
１２７ｍｍ）移動するが、その結果直前の層からドクタ
ーブレードまでの距離は０．００６５インチ（約０．１
６５ｍｍ）となるので、リコーターはより多くの造形材
料を積層する。粘度変更物質の溶媒が除去されると、今
度の層は０．００４５５インチ（約０．１１６ｍｍ）の
厚さとなる。次のサイクルでは、リコーターはさらに厚
い０．００６９５インチ（約０．１７７ｍｍ）の層を積
層し、粘度変更物質の溶媒が除去されると、この層は
０．００４８６５インチ（約０．１２６ｍｍ）の厚さと
なる。この工程が繰り返され、層厚は漸近的に０．００
５インチ（約０．１２７ｍｍ）に近づき、数層形成後に
は実用に耐える許容誤差範囲内で０．００５インチ（約
０．１２７ｍｍ）となる。
注意されたい。一例として、作業領域内の台が０．００
５インチ（約０．１２７ｍｍ）ずつ降下させられる場合
を考える。仮に造形材料が体積にして約３０％の粘度変
更物質の溶媒を含んでいるとすると、その粘度変更物質
の溶媒が蒸発した後には、最終的な層は３０％薄く、す
なわち０．００３５インチ（約０．０８８９ｍｍ）とな
る。次のサイクルでは、台は０．００５インチ（約０．
１２７ｍｍ）移動するが、その結果直前の層からドクタ
ーブレードまでの距離は０．００６５インチ（約０．１
６５ｍｍ）となるので、リコーターはより多くの造形材
料を積層する。粘度変更物質の溶媒が除去されると、今
度の層は０．００４５５インチ（約０．１１６ｍｍ）の
厚さとなる。次のサイクルでは、リコーターはさらに厚
い０．００６９５インチ（約０．１７７ｍｍ）の層を積
層し、粘度変更物質の溶媒が除去されると、この層は
０．００４８６５インチ（約０．１２６ｍｍ）の厚さと
なる。この工程が繰り返され、層厚は漸近的に０．００
５インチ（約０．１２７ｍｍ）に近づき、数層形成後に
は実用に耐える許容誤差範囲内で０．００５インチ（約
０．１２７ｍｍ）となる。
【００５５】また、光硬化性液体樹脂を利用したステレ
オリソグラフィに関する複数の出願において詳細に説明
されているように、光硬化性結合剤材料は、露出され硬
化されるときに収縮することにも注意されたい。このた
め、露出され硬化された領域における層厚は、露出され
ていない領域における層厚よりもわずかに薄い。ここで
も上記と同様の効果により、後続の層の厚さが厚くなっ
ていき、この露出された領域と露出されていない領域と
の層厚の差が補償される。すなわち、収縮領域にはわず
かに多くの量の材料が積層される。
オリソグラフィに関する複数の出願において詳細に説明
されているように、光硬化性結合剤材料は、露出され硬
化されるときに収縮することにも注意されたい。このた
め、露出され硬化された領域における層厚は、露出され
ていない領域における層厚よりもわずかに薄い。ここで
も上記と同様の効果により、後続の層の厚さが厚くなっ
ていき、この露出された領域と露出されていない領域と
の層厚の差が補償される。すなわち、収縮領域にはわず
かに多くの量の材料が積層される。
【００５６】また、リコーティング工程には、機械的そ
の他の不正確さが伴う点にも注意されたい。たとえば、
作業領域全体に亘る材料の積層量は完全に均一ではない
点等である。ドクターブレードは完全に真直ぐかつ平坦
ではないかもしれないし、そのドクターブレードが移動
される経路も、平坦ではないかもしれないし、造形領域
内の台の表面に平行でもないかもしれない。しかしなが
ら、上述の原理によりこの点もまた補償され、数層形成
後には、各層は均一な厚さを有しかつ平坦となる。加え
て、時間経過に伴うおよび装置動作ごとの造形材料中の
粘度変更物質の量の変化も、上述した原理により自動的
に補償される。
の他の不正確さが伴う点にも注意されたい。たとえば、
作業領域全体に亘る材料の積層量は完全に均一ではない
点等である。ドクターブレードは完全に真直ぐかつ平坦
ではないかもしれないし、そのドクターブレードが移動
される経路も、平坦ではないかもしれないし、造形領域
内の台の表面に平行でもないかもしれない。しかしなが
ら、上述の原理によりこの点もまた補償され、数層形成
後には、各層は均一な厚さを有しかつ平坦となる。加え
て、時間経過に伴うおよび装置動作ごとの造形材料中の
粘度変更物質の量の変化も、上述した原理により自動的
に補償される。
【００５７】ある変更実施形態では、ドクターブレード
１８が双方向に動作して双方向に造形材料を運び、リコ
ーティングを完了するのに必要な時間を短縮することが
可能となるように、回収容器５０よりも内側に、ピスト
ン等の第２の供給手段が使用され得る。かかる構成の場
合、戻り方向の掃引における余剰の造形材料を回収する
ために、ピストン１６の外側に、第２の回収容器が設け
られる。
１８が双方向に動作して双方向に造形材料を運び、リコ
ーティングを完了するのに必要な時間を短縮することが
可能となるように、回収容器５０よりも内側に、ピスト
ン等の第２の供給手段が使用され得る。かかる構成の場
合、戻り方向の掃引における余剰の造形材料を回収する
ために、ピストン１６の外側に、第２の回収容器が設け
られる。
【００５８】別の実施形態では、戻り方向の掃引に際し
ドクターブレードの前方に新鮮な材料が配されるよう
に、回収容器５０に代えて第２の造形材料供給容器とピ
ストンを設けてもよい。この実施形態では、最初のリコ
ーティングサイクルからの余剰の材料が、第２の造形材
料供給容器上にじかに残されてよく、ドクターブレード
は該余剰の材料を越えて引き上げられ、戻り方向の掃引
のために配置される。これにより、回収容器の必要性が
実質的になくなる。その後、必要であれば上方に残され
た余剰の材料に追加の粘度が変更された造形材料が足さ
れ、ドクターブレードがもとの位置まで掃引しながら戻
る。２つの容器が材料供給と材料回収の役割を交互に行
いながら、この工程が繰り返される。
ドクターブレードの前方に新鮮な材料が配されるよう
に、回収容器５０に代えて第２の造形材料供給容器とピ
ストンを設けてもよい。この実施形態では、最初のリコ
ーティングサイクルからの余剰の材料が、第２の造形材
料供給容器上にじかに残されてよく、ドクターブレード
は該余剰の材料を越えて引き上げられ、戻り方向の掃引
のために配置される。これにより、回収容器の必要性が
実質的になくなる。その後、必要であれば上方に残され
た余剰の材料に追加の粘度が変更された造形材料が足さ
れ、ドクターブレードがもとの位置まで掃引しながら戻
る。２つの容器が材料供給と材料回収の役割を交互に行
いながら、この工程が繰り返される。
【００５９】既に簡単に触れたまた別の実施形態では、
回収容器５０から供給容器１４に材料を戻すために、ポ
ンプその他の搬送手段が使用され得る。この場合には、
ドクターブレードはもとの位置に引き戻され、したがっ
て一方向のみにコーティングが行われる。
回収容器５０から供給容器１４に材料を戻すために、ポ
ンプその他の搬送手段が使用され得る。この場合には、
ドクターブレードはもとの位置に引き戻され、したがっ
て一方向のみにコーティングが行われる。
【００６０】ここで説明したいずれの実施形態において
も、蒸発その他の工程中の変動要因により、造形材料中
の粘度変更物質の量が、時間に伴って不正確となり得
る。容器１４中の材料のレベル（高さ）を特定するため
に、センサーその他のレベル検出手段が必要となり得
る。たとえば、キャパシタンスセンサーを使用して、ピ
ストンの上下動に際し容器中で何らかのレベルに造形材
料が存在していること（あるいは不足していること）を
検出したり、該センサーが材料ありの状態と材料なしの
状態との間の遷移を検出する位置であって該システムに
より参照点として設定・使用される位置を検出してもよ
い。
も、蒸発その他の工程中の変動要因により、造形材料中
の粘度変更物質の量が、時間に伴って不正確となり得
る。容器１４中の材料のレベル（高さ）を特定するため
に、センサーその他のレベル検出手段が必要となり得
る。たとえば、キャパシタンスセンサーを使用して、ピ
ストンの上下動に際し容器中で何らかのレベルに造形材
料が存在していること（あるいは不足していること）を
検出したり、該センサーが材料ありの状態と材料なしの
状態との間の遷移を検出する位置であって該システムに
より参照点として設定・使用される位置を検出してもよ
い。
【００６１】センサーは、時間の経過に伴う蒸発の結果
としての容器中の造形材料のレベルを特定するためにも
使用され得るが、造形材料中の粘度変更物質の濃度を監
視するためにも必要となり得る。たとえば、この材料の
粘度または体積その他の特性を監視し、材料を低粘度状
態に保つために、必要に応じて周期的に追加の粘度変更
物質を足すことが望ましい場合がある。
としての容器中の造形材料のレベルを特定するためにも
使用され得るが、造形材料中の粘度変更物質の濃度を監
視するためにも必要となり得る。たとえば、この材料の
粘度または体積その他の特性を監視し、材料を低粘度状
態に保つために、必要に応じて周期的に追加の粘度変更
物質を足すことが望ましい場合がある。
【００６２】また別の実施形態では、リコーティングシ
ステムにより複数の材料が供給されてもよい。この実施
形態では、粘度が変更された異なる材料をそれぞれ貯蔵
する複数の貯蔵部が、ＳＦＦ装置により選択的に使用さ
れてもよい。目下使用されていない貯蔵部は、ドクター
ブレードが該貯蔵部上を通って別の材料を運んでもその
別の材料が該貯蔵部に混入しないように、一時的に蓋を
されていてもよい。材料回収容器も複数あってもよく、
これらもまた、不適当な材料を回収してしまわないよう
に一時的に蓋をされてもよい。異なる材料の複数の層を
供給する技術の１つの応用は、インターリーブ（交互配
置）された高充填密度の金属層と高充填密度のセラミッ
ク層とにより三次元物体を作製することである。これら
の層は、後で炉内で焼かれ、インターリーブされた金属
層とセラミック層からなる複合物体が作製される。別の
応用は、最初はある１つの材料により作られ、後に別の
材料へと移り変わる三次元物体を作製することである。
たとえば、この移変わりは、セラミックから金属への移
変わりであってもよいし、所望であれば、ことによると
硬質プラスチックから軟質プラスチックへの移変わりで
あってもよい。
ステムにより複数の材料が供給されてもよい。この実施
形態では、粘度が変更された異なる材料をそれぞれ貯蔵
する複数の貯蔵部が、ＳＦＦ装置により選択的に使用さ
れてもよい。目下使用されていない貯蔵部は、ドクター
ブレードが該貯蔵部上を通って別の材料を運んでもその
別の材料が該貯蔵部に混入しないように、一時的に蓋を
されていてもよい。材料回収容器も複数あってもよく、
これらもまた、不適当な材料を回収してしまわないよう
に一時的に蓋をされてもよい。異なる材料の複数の層を
供給する技術の１つの応用は、インターリーブ（交互配
置）された高充填密度の金属層と高充填密度のセラミッ
ク層とにより三次元物体を作製することである。これら
の層は、後で炉内で焼かれ、インターリーブされた金属
層とセラミック層からなる複合物体が作製される。別の
応用は、最初はある１つの材料により作られ、後に別の
材料へと移り変わる三次元物体を作製することである。
たとえば、この移変わりは、セラミックから金属への移
変わりであってもよいし、所望であれば、ことによると
硬質プラスチックから軟質プラスチックへの移変わりで
あってもよい。
【００６３】以上説明してきた実施形態では、低粘度状
態から高粘度状態への遷移は、必ずしも層中の造形材料
が実質的に自立状態となるために十分な量の遷移でなく
てもよく、所望の場合はそれに十分な量の遷移とされ得
る点に注意されたい。これは、三次元物体が造形されて
いくにつれて、造形台２４が降下させられ、それにより
三次元物体および直近の未硬化の造形材料に、構造上の
囲い壁が付与されるからである。この装置構成では、遷
移は、単純に、高粘度状態にある造形材料の層の上に低
粘度状態にある造形材料の別の層を塗布する際に、高粘
度の造形材料の層へのせん断応力の伝播が実質的に防止
されるのに十分な量の遷移とされてもよい。一般的な決
まりとして、このことは、低粘度状態にある造形材料の
第１の粘度値が、多くとも高粘度状態にある造形材料の
第２の粘度値の約１／２より小さくなるように、造形材
料を転移させることにより実現される。せん断応力の伝
播が実質的に防止されるようになる臨界点は、造形材料
の低粘度状態と高粘度状態の間の相対的な粘度値に依存
するが、低粘度の造形材料の新たなコーティングの塗布
により、下方にある高粘度の造形材料の層が乱されなく
なる点として認識することができる。好ましくは、高粘
度材料を硬化するときに実現できる改善された力学的特
性の利益を享受するために、第２の粘度値は、与えられ
た造形材料にとって可能な限り高い粘度値である方がよ
い。
態から高粘度状態への遷移は、必ずしも層中の造形材料
が実質的に自立状態となるために十分な量の遷移でなく
てもよく、所望の場合はそれに十分な量の遷移とされ得
る点に注意されたい。これは、三次元物体が造形されて
いくにつれて、造形台２４が降下させられ、それにより
三次元物体および直近の未硬化の造形材料に、構造上の
囲い壁が付与されるからである。この装置構成では、遷
移は、単純に、高粘度状態にある造形材料の層の上に低
粘度状態にある造形材料の別の層を塗布する際に、高粘
度の造形材料の層へのせん断応力の伝播が実質的に防止
されるのに十分な量の遷移とされてもよい。一般的な決
まりとして、このことは、低粘度状態にある造形材料の
第１の粘度値が、多くとも高粘度状態にある造形材料の
第２の粘度値の約１／２より小さくなるように、造形材
料を転移させることにより実現される。せん断応力の伝
播が実質的に防止されるようになる臨界点は、造形材料
の低粘度状態と高粘度状態の間の相対的な粘度値に依存
するが、低粘度の造形材料の新たなコーティングの塗布
により、下方にある高粘度の造形材料の層が乱されなく
なる点として認識することができる。好ましくは、高粘
度材料を硬化するときに実現できる改善された力学的特
性の利益を享受するために、第２の粘度値は、与えられ
た造形材料にとって可能な限り高い粘度値である方がよ
い。
【００６４】図１を参照すると、せん断応力を印加する
従来技術のアプリケーターが、全体として参照番号１１
により示されている。このアプリケーターは、ＷＯ ０
０／５１８０９の公報に開示されているアプリケーター
に類似のものである。この従来技術のアプリケーター１
１は、せん断応力を印加するローラー１５の近傍に、ド
クターブレード１３を有している。ローラー１５が回転
すると、高粘度の造形材料１７にせん断応力が印加され
て、該材料１７が流動させられる。これにより、ドクタ
ーブレード１３は、造形材料１９の均一な層を掃引形成
することができる。しかしながら、ローラー１５の好適
な回転速度と、ローラー１５とドクターブレード１３の
間の好適な距離が、せん断応力を印加するアプリケータ
ーにより均一な層を形成するための決定的なパラメータ
となる。これらのパラメータは、コーティングされてい
る高粘度の造形材料の特性に依存する。好ましくないこ
とに、特定の材料に対するこれらのパラメータの適当な
値の選択は、試行錯誤によってなされるものである。加
えて、時間の経過に伴い特定の材料の粘度は変化し得る
ので、均一な層を続けて作製するためには、これらの値
は常に調整されなくてはならない。すなわち、均一な層
状に材料を供給するにあたり高粘度の材料にせん断応力
を印加することにより機能するアプリケーターは、望ま
しくないことに、材料の粘度の変化に敏感であり、した
がってあらゆる状況下で適当に動作するわけではない。
従来技術のアプリケーターが、全体として参照番号１１
により示されている。このアプリケーターは、ＷＯ ０
０／５１８０９の公報に開示されているアプリケーター
に類似のものである。この従来技術のアプリケーター１
１は、せん断応力を印加するローラー１５の近傍に、ド
クターブレード１３を有している。ローラー１５が回転
すると、高粘度の造形材料１７にせん断応力が印加され
て、該材料１７が流動させられる。これにより、ドクタ
ーブレード１３は、造形材料１９の均一な層を掃引形成
することができる。しかしながら、ローラー１５の好適
な回転速度と、ローラー１５とドクターブレード１３の
間の好適な距離が、せん断応力を印加するアプリケータ
ーにより均一な層を形成するための決定的なパラメータ
となる。これらのパラメータは、コーティングされてい
る高粘度の造形材料の特性に依存する。好ましくないこ
とに、特定の材料に対するこれらのパラメータの適当な
値の選択は、試行錯誤によってなされるものである。加
えて、時間の経過に伴い特定の材料の粘度は変化し得る
ので、均一な層を続けて作製するためには、これらの値
は常に調整されなくてはならない。すなわち、均一な層
状に材料を供給するにあたり高粘度の材料にせん断応力
を印加することにより機能するアプリケーターは、望ま
しくないことに、材料の粘度の変化に敏感であり、した
がってあらゆる状況下で適当に動作するわけではない。
【００６５】図８を参照すると、粘度が変更された造形
材料を塗布する形式のリコーティング用アプリケーター
の本発明による変更実施形態が、全体として参照番号６
０で示されている。この実施形態では、粘度が変更され
た造形材料１２が、参照番号６２で示される供給領域に
重力供給されるようにして、容器６４に収容されてい
る。リコーティング用アプリケーター６０は、分配ロー
ラー６６、供給案内ブレード６８、スカイブ７０および
ドクターブレード１８を含んでいる。好ましくは、ロー
ラー６６が回転していないときには造形材料が供給され
ないように、粘度が変更された造形材料１２の表面張力
と、ローラー６６とブレード６８の間の隙間とは、十分
に釣り合わされている。したがって、ローラー６６の速
度の調節により、粘度が変更された造形材料の分配を調
節することが望ましい。スカイブ７０は、供給された造
形材料がローラー６６に付着して容器内に戻ってしまう
ことを防ぎ、ドクターブレード１８は、直前の層７４の
上に粘度が変更された造形材料７２の均一な層を形成す
るための最終的な掃引を行う。この重力供給型の構成
は、特に粘度が変更された造形材料が液体の特性のよう
な非揺変性の特性を示す場合には、前述の実施形態より
も好ましい。これは、表面上において液体を掻き削るべ
く平滑化部材を使用する際に、重力供給型のリコーティ
ングシステムであれば、層中に好ましくないさざ波やう
ねりを生じさせることなく、液体の薄い均一な層を形成
できることが分かったからである。しかしながら、この
実施形態では、低粘度状態から高粘度状態への遷移が、
少なくとも層中の造形材料が、揺変性状態のゲルのよう
に実質的に自立状態となるのに十分な量の遷移であるこ
とが好ましい。このことは、リコーティング用アプリケ
ーターが、塗布された層の造形台からの流出を防ぐ囲い
壁を有さない造形台と共に使用される場合には、特に好
ましい。しかしながら、この遷移は、低粘度状態にある
造形材料の第１の粘度値が、多くとも高粘度状態にある
造形材料の第２の粘度値の約１／２未満となるような条
件の、より大きな量の遷移であってもよい。また、この
遷移は、低粘度状態にある造形材料の新しい層が塗布さ
れる際に、高粘度状態にある造形材料の層へのせん断応
力の伝播が実質的に防止されるような条件の、より大き
な量の遷移であってもよい。
材料を塗布する形式のリコーティング用アプリケーター
の本発明による変更実施形態が、全体として参照番号６
０で示されている。この実施形態では、粘度が変更され
た造形材料１２が、参照番号６２で示される供給領域に
重力供給されるようにして、容器６４に収容されてい
る。リコーティング用アプリケーター６０は、分配ロー
ラー６６、供給案内ブレード６８、スカイブ７０および
ドクターブレード１８を含んでいる。好ましくは、ロー
ラー６６が回転していないときには造形材料が供給され
ないように、粘度が変更された造形材料１２の表面張力
と、ローラー６６とブレード６８の間の隙間とは、十分
に釣り合わされている。したがって、ローラー６６の速
度の調節により、粘度が変更された造形材料の分配を調
節することが望ましい。スカイブ７０は、供給された造
形材料がローラー６６に付着して容器内に戻ってしまう
ことを防ぎ、ドクターブレード１８は、直前の層７４の
上に粘度が変更された造形材料７２の均一な層を形成す
るための最終的な掃引を行う。この重力供給型の構成
は、特に粘度が変更された造形材料が液体の特性のよう
な非揺変性の特性を示す場合には、前述の実施形態より
も好ましい。これは、表面上において液体を掻き削るべ
く平滑化部材を使用する際に、重力供給型のリコーティ
ングシステムであれば、層中に好ましくないさざ波やう
ねりを生じさせることなく、液体の薄い均一な層を形成
できることが分かったからである。しかしながら、この
実施形態では、低粘度状態から高粘度状態への遷移が、
少なくとも層中の造形材料が、揺変性状態のゲルのよう
に実質的に自立状態となるのに十分な量の遷移であるこ
とが好ましい。このことは、リコーティング用アプリケ
ーターが、塗布された層の造形台からの流出を防ぐ囲い
壁を有さない造形台と共に使用される場合には、特に好
ましい。しかしながら、この遷移は、低粘度状態にある
造形材料の第１の粘度値が、多くとも高粘度状態にある
造形材料の第２の粘度値の約１／２未満となるような条
件の、より大きな量の遷移であってもよい。また、この
遷移は、低粘度状態にある造形材料の新しい層が塗布さ
れる際に、高粘度状態にある造形材料の層へのせん断応
力の伝播が実質的に防止されるような条件の、より大き
な量の遷移であってもよい。
【００６６】以上説明した実施形態のいずれもが、たと
えば積層形式の三次元物体等を作製するいずれのＳＦＦ
技術においても、種々の配合の造形材料の均一な層を塗
布するために改変され得ることを理解されたい。そのよ
うな積層形式の三次元物体は、物体全体の力学的特性を
改善するために、該物体中において好適に配向・配置さ
れる層ごとに、異なる力学的特性を有していてもよい。
えば積層形式の三次元物体等を作製するいずれのＳＦＦ
技術においても、種々の配合の造形材料の均一な層を塗
布するために改変され得ることを理解されたい。そのよ
うな積層形式の三次元物体は、物体全体の力学的特性を
改善するために、該物体中において好適に配向・配置さ
れる層ごとに、異なる力学的特性を有していてもよい。
【００６７】以上に説明したのは、好ましい実施形態で
あり、本明細書中の特許請求の範囲の技術的範囲および
精神を逸脱しない限りにおいて、改変および変更が可能
である。
あり、本明細書中の特許請求の範囲の技術的範囲および
精神を逸脱しない限りにおいて、改変および変更が可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】均一な層状にペーストを供給するに際しペース
ト状材料にせん断応力を印加する、従来技術のリコーテ
ィング用アプリケーターの概略側面図
ト状材料にせん断応力を印加する、従来技術のリコーテ
ィング用アプリケーターの概略側面図
【図２】本発明のリコーティングシステムの各工程を実
行するためのＳＦＦ装置の概略側面図
行するためのＳＦＦ装置の概略側面図
【図３】本発明のリコーティングシステムの各工程を実
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
【図４】本発明のリコーティングシステムの各工程を実
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
【図５】本発明のリコーティングシステムの各工程を実
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
【図６】本発明のリコーティングシステムの各工程を実
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
【図７】本発明のリコーティングシステムの各工程を実
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
行するための、図２と同一のＳＦＦ装置の概略側面図
【図８】本発明を実施するために使用されるリコーティ
ング用アプリケーターの概略側面図
ング用アプリケーターの概略側面図
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 チャールズ ダブリュ ハル
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
91387 サンタ クラリタ ライヴ オー
ク スプリングス キャニオン ロード
15605
(72)発明者 ケネス ジェイ ニューウェル
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
91381 ヴァレンシア ザ オールド ロ
ード ナンバー33 25876
Claims (21)
- 【請求項１】 固体自由形状造形装置において、三次元
物体を形成するために造形材料を層状に塗布するシステ
ムであって、 前記造形材料を前記装置に供給する手段と、 第１の粘度値を有する低粘度状態を確立するために、前
記造形材料に粘度変更物質を混入する手段と、 前記造形材料の層を形成するために、前記造形材料が前
記低粘度状態にある間において、前記装置によって作業
表面に前記造形材料を塗布する手段と、 前記造形材料の前記層からの前記粘度変更物質の除去を
行い、前記造形材料の前記層において高粘度状態を確立
することにより、前記造形材料の前記層を転移させる手
段であって、前記粘度変更物質の前記除去が、前記高粘
度状態にある前記造形材料の前記層の上に前記低粘度状
態にある前記造形材料の別の層を塗布する際に、前記高
粘度状態にある前記造形材料の前記層へのせん断応力の
伝播が実質的に防止されるのに十分な量の除去である手
段と、 前記三次元物体を形成するべく硬化された状態を確立す
るために、前記造形材料の前記層の所定の部分を硬化す
る手段を備えたシステム。 - 【請求項２】 前記造形材料の前記高粘度状態が、第２
の粘度値を有する状態であって、前記造形材料の前記第
１の粘度値が、多くとも前記第２の粘度値の約１／２未
満であることを特徴とする請求項１記載のシステム。 - 【請求項３】 前記造形材料の前記層を転移させる前記
手段が、前記造形材料の前記層から前記粘度変更物質を
除去するために、前記造形材料の前記層を加熱する手段
を含んでいることを特徴とする請求項１記載のシステ
ム。 - 【請求項４】 前記粘度変更物質が、蒸発により除去さ
れる溶媒であることを特徴とする請求項１記載のシステ
ム。 - 【請求項５】 前記溶媒が、炭化水素、脂肪族炭化水
素、ナフサ、鉱物油、芳香族炭化水素、ベンゼン、トル
エン、官能芳香族炭化水素、Ｏ−クレゾール、ハロゲン
化炭化水素、塩素系溶媒、四塩化炭素、二酸化炭素、フ
レオン、塩化メチレン、１価アルコール、多価アルコー
ル、フェノール、エーテル、テトラヒドロフラン、グリ
コールエーテル、ケトン、アセトン、シクロヘキサノ
ン、アセトフェノン、アミン、ｎ−ブチルアミン、Ｎ，
Ｎ−ジメチルアニリン、酸、クロム酸、硝酸、リン酸、
鉱物、水、四塩化珪素、三塩化リン、エステル、Ｎ−ブ
チルアセテート、エチルアセテート、窒素含有化合物、
硝酸塩、ニトリル、有機硫黄化合物、酸／アルデヒド、
酢酸、トリクロロ酢酸、水酸化物基剤、水酸化アンモニ
ウム、水酸化ナトリウム、過酸化物、過酸化水素および
それらの組合せからなる群から選択されることを特徴と
する請求項４記載のシステム。 - 【請求項６】 前記造形材料の前記層を転移させる前記
手段が、少なくとも前記層中の前記造形材料が実質的に
自立状態となる点まで、前記層を転移させることを特徴
とする請求項１記載のシステム。 - 【請求項７】 前記高粘度状態にある前記造形材料が、
液体、半固体、ゲル、フォームまたはペーストの状態の
材料であり、前記高粘度状態の有する第２の粘度値が、
周囲条件下で少なくとも約１０，０００センチポアズよ
りも大きいことを特徴とする請求項１記載のシステム。 - 【請求項８】 前記高粘度状態にある前記造形材料が、
光重合性樹脂または熱重合性材料であることを特徴とす
る請求項７記載のシステム。 - 【請求項９】 前記光重合性樹脂が、アクリレート、エ
ポキシ、ビニルエーテルおよびそれらの組合せからなる
光重合性樹脂ベースの群から選択されることを特徴とす
る請求項８記載のシステム。 - 【請求項１０】 前記造形材料が、複数粒子の粒子状物
質と結合剤を含むことを特徴とする請求項７記載のシス
テム。 - 【請求項１１】 前記粒子状物質が、ポリマー粉末、鉱
物粉末、金属粉末またはセラミック粉末の種々の組合せ
を含む粉末であることを特徴とする請求項１０記載のシ
ステム。 - 【請求項１２】 前記ポリマー粉末が、熱可塑性ポリマ
ー、ＡＢＳ、ナイロン、ポリプロピレン、ポリカーボネ
ート、ポリエーテルスルフェートおよびそれらの組合せ
からなる群から選択されることを特徴とする請求項１１
記載のシステム。 - 【請求項１３】 前記金属粉末が、鋼、合金鋼、ステン
レス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チ
タン合金、銅、タングステン、タングステンカーバイ
ド、モリブデン、ニッケル合金、ランタン、ハフニウ
ム、タンタル、レニウム、ルビジウム、ビスマス、カド
ミウム、インジウム、スズ、亜鉛、コバルト、マンガ
ン、クロム、金、銀およびそれらの組合せからなる群か
ら選択されることを特徴とする請求項１１記載のシステ
ム。 - 【請求項１４】 前記セラミック粉末が、窒化アルミニ
ウム、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、フッ化物、
酸化マグネシウム、炭化珪素、二酸化珪素、窒化珪素、
炭化チタン、炭窒化チタン、二ホウ化チタン、二酸化チ
タン、タングステンカーバイド、三酸化タングステン、
ジルコニア、硫化亜鉛およびそれらの組合せからなる群
から選択されることを特徴とする請求項１１記載のシス
テム。 - 【請求項１５】 前記鉱物粉末が、酸化セリウム、酸化
ジスプロシウム、酸化エルビウム、酸化ガドリニウム、
酸化ホルミウム、酸化ルテチウム、酸化サマリウム、酸
化テルビウム、酸化イットリウムおよびそれらの組合せ
からなる群から選択されることを特徴とする請求項１１
記載のシステム。 - 【請求項１６】 前記結合剤が、光重合性樹脂または熱
重合性材料を含むことを特徴とする請求項１０記載のシ
ステム。 - 【請求項１７】 前記光重合性樹脂が、アクリレート、
エポキシ、ビニルエーテルおよびそれらの組合せからな
る光重合性樹脂ベースの群から選択されることを特徴と
する請求項１６記載のシステム。 - 【請求項１８】 前記造形材料が、ポリメチルメタクリ
レートの粘着付与剤を添加物としてさらに含むことを特
徴とする請求項１７記載のシステム。 - 【請求項１９】 前記造形材料の前記層の前記所定の部
分を硬化する前記手段による前記所定の部分の硬化が、
前記造形材料の前記層の前記所定の部分を化学線に露出
することにより実現されることを特徴とする請求項１記
載のシステム。 - 【請求項２０】 前記熱重合性材料が、過酸化物ベース
の熱開始剤を含むことを特徴とする請求項８記載のシス
テム。 - 【請求項２１】 前記熱重合性材料が、過酸化物ベース
の熱開始剤を含むことを特徴とする請求項１６記載のシ
ステム。
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| US10/052,506 | 2002-01-17 | ||
| US10/052,506 US6656410B2 (en) | 2001-06-22 | 2002-01-17 | Recoating system for using high viscosity build materials in solid freeform fabrication |
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|---|---|
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