JP2002018966A - 三次元物体の製造方法 - Google Patents

三次元物体の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 他のエレメントとは異なる感触特性を有する
選択されたエレメントを有する三次元物体の製造方法を
提供する。 【解決手段】 他のエレメントとは異なる感触特性を有
する選択されたエレメントを有する三次元物体の製造方
法であり、ａ．感触特性を変えることが可能な光応答性
剤を含有する光硬化性組成物の層を提供し、ｂ．前記層
を、形成されるべき物体の断面パターンにおいて、前記
光応答性剤を活性化させる照射を用いて光照射して、硬
化層を形成し、ｃ．次いで異なった感触特性が所望され
る前記選択されたエレメントに相当する前記断面パター
ンの部分を、選択的に、前記光応答性剤を活性化させる
照射を用いて光照射し、それにより、前記選択された部
分の感触特性を変え、ｄ．前記工程ａ、ｂ、およびｃを
繰り返して、前記物体の連続して隣接する断面パターン
を形成し、ｅ．前記断面パターンを一体化して前記物体
を提供することからなる、三次元物体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、断層撮影データまたは
ＣＡＤ／ＣＡＭデータからの三次元モデルの製造に関す
る。ここで、モデルは、１以上のエレメントまたは部分
を含有しており、各エレメントまたは部分は、互いに異
なる色または独自のテクスチャ、弾性、または、その他
の感触特性を有している。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】照射
により架橋および固体化する組成物に照射することによ
り、三次元物体またはモデルを製造する、いくつかの方
法および装置が、開発されている。スワインソンによる
米国特許第４０４１４７６号および第４２２８８６１号
は、放射線のインターセクティングビームを用いて、い
ちいち容積を走査することにより、独立に各点を固体化
させて、三次元物体を形成することを開示している。ス
ワインソンの方法は、複雑で高価である。
【０００３】ハルによる米国特許第４５７５３３０号
は、固体化した光重合可能な組成物の連続した薄層を積
層させることにより、三次元物体を製造する方法を開示
している。この方法は、立体石版印刷として知られるよ
うになったものである。このハルの特許に記載されたあ
る実施態様においては、三次元物体は、組成物のバスに
浸されたプラットフォームの表面に、光硬化性組成物の
薄層を設け、レーザービームを用いてこの層を走査する
ことにより形成されている。レーザーは、モデルのＸ、
Ｙ次元を制御する。Ｚ次元は、モデルの断面に相当する
各連続層が重合または架橋した後、プラットフォームを
より深くさげることにより、制御されるものである。
【０００４】他の三次元物体製造方法は、ブルメンター
ルによる米国特許第４９４０４１２号に記載されてお
り、この方法においては、透明および不透明な部分を有
するハードコピーイメージが、三次元物体を製造するた
めに、連続して積層されて接着される層を形成するため
の写真工程におけるマスクとして使用されるものであ
る。
【０００５】前記方法によりあらかじめ製造されたモデ
ルは、本質的に、色およびテクスチャにおいて、均一で
ある。選択されたエレメントは、独自に着色可能であ
り、または独自のテクスチャ、弾性、またはその他の接
触特性に寄与可能である、モデルを製造することが望ま
れている。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用】本発明は、三
次元物体の他のエレメントとは異なる感触特性を有する
選択されたエレメントを有する三次元物体の製造方法で
あり、 ａ．感触特性を変えることが可能な光応答性剤を含有す
る光硬化性組成物の層を提供し、 ｂ．前記層を、形成されるべき物体の断面パターンにお
いて、前記光応答性剤を活性化させる照射を用いて光照
射して、硬化層を形成し、 ｃ．次いで異なった感触特性が所望される前記選択され
たエレメントに相当する前記断面パターンの部分を、選
択的に、前記光応答性剤を活性化させる照射を用いて光
照射し、それにより、前記選択された部分の感触特性を
変え、 ｄ．前記工程ａ、ｂ、およびｃを繰り返して、前記物体
の連続して隣接する断面パターンを形成し、 ｅ．前記断面パターンを一体化して前記物体を提供する
ことからなる、三次元物体の製造方法に関する。 本発明によれば、独自に色のついたエレメントまたは独
自に感触特性を有するエレメントを有する、三次元物体
が製造される。本発明の好ましい実施態様においては、
三次元物体が立体石版印刷により製造される。
【０００７】ある実施態様においては、光応答性剤が、
光硬化性組成物に混合される。物体の各単層が形成され
ると、その単層は、前記光応答性剤が、モデルの一部の
感触特性を変化、漂白、または着色させる、光応答性剤
を選択的に添加する照射を用いて、走査される。色また
は感触特性変化の走査は、単層を形成する照射前、照射
中または照射後に行なうことが可能である。
【０００８】本発明の他の実施態様においては、光漂白
性光重合開始剤の組み合わせが、光硬化性層を硬化させ
るために使用される。モデルのあらかじめ選択された部
分を硬化させるために使用される照射は、そのモデル部
分において所望される色に基づいて、選択される。すな
わち、光硬化性組成物における光重合開始剤のうちの一
つを漂白する照射を選択することにより、光硬化性組成
物が、ラジカルまたは漂白された光重合開始剤により発
生した他の反応性種により硬化され、一方、漂白されて
いない光重合開始剤は、硬化された部分における層を着
色するものである。他の色が所望されるモデルの他の部
分においては、光硬化性層が、光重合開始剤が前記層を
着色する一方で、層を硬化させる他の光重合開始剤を漂
白する照射により、硬化される。
【０００９】本発明の他の実施態様においては、実質的
に無色のカラーフォーマが、光分解性組成物においてマ
イクロカプセル化され、または、光軟化性組成物に混合
されてマイクロパーティクルに形成される。これらの試
剤は、光硬化性組成物に混合される。光硬化性層への照
射後または照射と同時に、マイクロカプセルまたはマイ
クロパーティクルが、選択的に、含有されたカラーフォ
ーマを遊離させる、破壊させる、または分解させる、そ
れぞれの波長において、選択的に照射される。カラーフ
ォーマは、光ポリマまたは組成物における他の試剤と反
応して、カラーフォーマを着色し、モデルの一部を着色
する。本発明の他の実施態様においては、インクジェッ
トまたは類似の技術が、選択的に断面層の部分におい
て、反応性または不反応性染料を定着させることに使用
される。ここで、色は、層が硬化すると染料が層内で反
応またはトラップされるようにして、付けられる。
【００１０】定義 “感触特性”という言葉は、ここでは、テクスチャ、反
発弾性（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）、弾性（ｅｌａｓｔｉ
ｃｉｔｙ）、硬度などを意味する。
【００１１】“エレメント”という言葉は、ここでは、
脳のモデル内の腫瘍またはひざのモデル内のじん帯など
のモデルの部分を意味する。
【００１２】“Ｘ−Ｙ層”という言葉は、ここでは、三
次元物体を形成するために、独立に走査され、または照
射され、および積層される、三次元物体の単層またはシ
ングル断面を意味する。
【００１３】
【実施例】本発明は特に、立体石版印刷に関連する使用
について記載するが、当業者にとっては、この教示が前
記ブルメンタールの特許に記載されたような、他の三次
元物体の製造方法に変換されて使用可能であることは、
明らかである。
【００１４】本発明はまた、色限定または感触特性限定
照射工程が、断面パターンが照射された後、行なわれる
方法に関して、記載する。前者の工程が後者の工程の
前、後、または同時に行なわれることが可能であること
は、当業者には明らかである。
【００１５】本発明のある実施態様によれば、ホトクロ
ミック材料が光硬化性組成物に混合される。ホトクロミ
ック材料は、照射により着色される無色染料または光漂
白可能な染料でもよい。各Ｘ−Ｙ層を硬化させるために
走査した後、その層は、走査または照射されて、層の選
択された部分が着色され、Ｘ−Ｙ層が積層されると、三
次元物体の選択されたエレメントが着色されることにな
る。立体石版印刷工程においては、層は、プラットフォ
ームがＺ−次元に低下すると、自動的に層が積層され
る。ブルメンタール方法においては、層は、機械的に積
層される。
【００１６】光漂白性染料を含有する光硬化性組成物の
場合には、Ｘ−Ｙ層は、引き続き、色が所望でない選択
された部分に照射される。光着色性剤の場合には、色が
所望であるところのＸ−Ｙ層の部分が、引き続き照射さ
れる。ホトクロミック剤は、Ｘ−Ｙ層を硬化させるため
に使用される照射に応答不可能である。また、層が硬化
すると、この試剤は、着色または漂白される。したがっ
て、Ｘ−Ｙ層を硬化させるのに使用される照射波長とは
異なる波長において、敏感であるホトクロミック材料
が、選択される。この方法においては、色が所望である
または所望でないＸ−Ｙ層の部分を引き続いて照射する
ことにより、着色されたエレメントが、三次元物体にお
いて形成可能である。
【００１７】本発明の前記実施態様において有用な光漂
白性染料の例は、本技術分野において良く知られてお
り、１９９１年２月１日に提出された米国特許出願第０
７／６４９１００号に記載されたベンゾスピロピランの
メロシアナイン変形（ｍｅｒｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｒａ
ｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ）を含有する。
【００１８】前記ホトクロミック剤が、モデルの所望の
色の濃さを有する量で、使用される。典型的な光硬化性
組成物は、１００部のモノマーあたり、約０．０２から
１部のホトクロミック染料を含有可能である。
【００１９】前記実施態様において有用な光着色性染料
の例もまた、本技術分野において良く知られており、１
９９１年２月１日で提出された米国特許出願第０７／６
４９１００号に記載されたベンゾスピロピランを含有す
る。
【００２０】本発明の他の実施態様は、ジアゾケミスト
リを利用するものである。モノマ、ジアゾ化合物、およ
び光重合開始剤を含有する、光硬化性Ｘ−Ｙ層は、可視
光線を用いて照射され、三次元物体の固体部分に相当す
る部分を硬化する。各Ｘ−Ｙ層が形成された後、色が所
望でないＸ−Ｙ層の部分は、紫外線を用いて照射され
る。Ｘ−Ｙ層は、次いで、照射されていない部分を選択
的に着色するための、ブループリントにおいて使用され
る処理と類似の処理、すなわち、アンモニア蒸気を用い
て処理される。
【００２１】本発明の実施態様において有用なジアゾ化
合物は、本技術分野において良く知られており、従来の
ブループリントで使用された化合物を含有する。アンモ
ニアガス処理は、照射の後、アンモニアガスの充満した
部屋において行なうことができる。
【００２２】本発明の他の実施態様によれば、カラーフ
ォーマまたはカラープリカーサを含有する、マイクロカ
プセルまたはマイクロパーティクルが、調製される。マ
イクロカプセルの壁部は、日本特許公告５２−３４４８
８（１９７７年９月３日）に記載されているような光分
解性壁部形成ポリマから形成可能である。または、光軟
化性マイクロパーティクルは、米国特許第４，７８８，
１２５号に記載されているように、光軟化性組成物から
形成可能である。または、カラーフォーマは、日本特許
公告４４−１７７３３（１９６９年８月４日）に記載さ
れているような、マイクロカプセル壁部を破壊する、光
分解性剤を用いて、マイクロカプセル化が可能である。
前記文献に記載されているように、カラーフォーマを光
感応性マイクロカプセルまたは光感応性マイクロパーテ
ィクルに混合することにより、光応答性でないカラーフ
ォーマが、光応答性となるものである。Ｘ−Ｙ層硬化
後、マイクロカプセルまたはマイクロパーティクルを化
学線照射することにより、マイクロカプセルまたはマイ
クロパーティクルの壁部が分解し、カラーフォーマが遊
離する。ホトクロミック剤の場合には、カラープリカー
サが選択的に、Ｘ−Ｙ層の硬化に独立して、選択的に遊
離可能であるように、マイクロカプセルまたはマイクロ
パーティクルの感応性は、光硬化性組成物のそれとは異
なる。
【００２３】本発明の特別の実施態様においては、光硬
化性組成物は、独立に異なるカラーフォーマを含有する
マイクロカプセルまたはマイクロパーティクルの多数の
セットを含有可能である。たとえば、それぞれ、シア
ン、マゼンタおよびイエローカラーフォーマを含有す
る、マイクロカプセルまたはマイクロパーティクルの３
セットが、種々の異なる色に独立に着色されたエレメン
トを有するモデルを製造するのに使用可能である。たと
えば、マイクロカプセルまたはマイクロパーティクル
は、異なる照射バンドで照射されて分解され、または軟
化されて、調製可能である。Ｘ−Ｙ層硬化後、シアン、
マゼンタおよびイエローのマイクロカプセルまたはマイ
クロパーティクルは、Ｘ−Ｙ層の所望の部分に所望の色
が製造されるように、Ｘ−Ｙ層の選択された部分に、選
択的に、異なるバンドの照射が行なわれる。たとえば、
黄色が所望であるエレメント内のＸ−Ｙ層の部分に於い
ては、層は、イエローカラーフォーマ含有マイクロカプ
セルまたはマイクロパーティクルを分解する照射によっ
て、照射される。Ｘ−Ｙ層のこの部分は、シアン含有ま
たはマゼンタ含有マイクロカプセルまたはマイクロパー
ティクルを分解する照射には、照射されない。同時に、
赤が所望であるエレメントに相当するＸ−Ｙ層のこれら
の部分においては、層は、シアン含有マイクロカプセル
またはマイクロパーティクルを分解する照射にこれらの
部分を照射することなしに、マゼンタ含有およびイエロ
ー含有マイクロカプセルまたはマイクロパーティクルを
分解する照射に照射される。
【００２４】カラーフォーマは、本質的に無色の化合物
である。典型的には、これらは、酸または塩基と反応す
ることにより、着色される。したがって、マイクロカプ
セルまたはマイクロパーティクルから遊離したカラーフ
ォーマを着色するためには、酸または塩基性化合物が、
光硬化性化合物に混合されなければならない。または、
形成されたポリマが、酸性または塩基性である場合に
は、カラーフォーマの現像剤として機能可能である。
【００２５】カラーフォーマの有用な例は、本技術にお
いて良く知られており、米国特許第４３９９２０９号に
記載されている。
【００２６】本発明の他の実施態様によれば、光硬化性
組成物は、２以上の光漂白性光重合開始剤の組み合わせ
を含有する。この実施態様によれば、Ｘ−Ｙ層は、Ｘ−
Ｙ層が形成されるとき、その層から色が減ざれることに
より、選択的に着色可能である。この場合、Ｘ−Ｙ層
は、硬化させるために、同じ波長の照射に、均一に照射
されるわけではない。むしろ、層の各部分は、Ｘ−Ｙ層
の特別な部分に所望な色に基づいて選択された波長で、
照射される。本発明のこの実施態様においては、シア
ン、マゼンタ、およびイエロー光漂白性光重合開始剤の
組み合わせが使用される。これらの光重合開始剤は、重
合が開始するとき、漂白する。漂白性光重合開始剤のあ
るものは、重合が、開始ラジカル中間体を製造し、光重
合開始剤が色を失う、還元性電子伝達（ｒｅｄｕｃｔｉ
ｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）により開始
される（文献：Ｃｈｅｓｎｅａｕ ａｎｄ Ｎｅｃｋｅｒ
ｓ、Ｊ．Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ、４２、２６９（１９８
８））。
【００２７】基準色において三次元物体を形成するため
の減色分離モデルは、このようにして可能である。フォ
トポリマが形成されると漂白される、シアン、マゼン
タ、およびイエロー光重合開始染料を含有するモノマ混
合物が調製される。これらの吸収は、個々に活性化さ
れ、漂白可能なように、注意深く合わされなければなら
ない。開始は、シアン、マゼンタ、またはイエロー吸収
波長に調整された照射により起こる。コンピュータイン
プットにより、照射工程の波長、電力および期間が制御
され、これにより、Ｘ−Ｙ層形成のみならず、各部の色
も制御される。たとえば、もし開始が黄色吸収光重合開
始剤により引き起こされると、ポリマ形成は、この点
で、青色の物体を製造する。もし開始がマゼンタ光重合
開始剤により引き起こされると、ポリマ形成は、この点
で、緑色の物体を製造する。もし開始がシアン吸収染料
により引き起こされると、この部分は、オレンジ色であ
る。
【００２８】本発明のこの実施態様に有用な光重合開始
剤の例としては、米国特許第４７７２５４１号に記載の
ダイボレート光重合開始剤、１９９１年５月２０日に出
願された係属中の米国特許出願０７／７０２８８６に記
載されたフルオロン、および、１９９１年２月１日に出
願された米国特許出願０７／６４９１００に記載された
ベンゾスピロピランが、含有される。
【００２９】本発明の他の実施態様においては、モデル
の選択された部分またはエレメントは、色が所望される
点において、ポリマに染料を選択的に反応させるなどし
て、着色可能である。ある場合には、色が所望であると
ころのＸ−Ｙ層のこれらの部分に着色されたモノマを選
択的に付着させるのと同様の技術、または、インクジェ
ットを用いることによりポリマが高分子化されると、ロ
ーズベンガルアクリレート、たとえば、３−ヒドロキシ
ローズベンガルのアクリレートエステルなどの反応性着
色モノマが、ポリマに反応可能となる。すなわち、色が
所望されるＸ−Ｙ層のこれらの部分におけるＸ−Ｙ層
に、反応性染料を付着させ、染料付着後、直ちに層を照
射することにより、染料は、付着された部分に於けるＸ
−Ｙ層に固着する。または、反応性のない染料は、Ｘ−
Ｙ層を硬化させる前に、類似の形態で、層に付着可能で
ある。Ｘ−Ｙ層の引き続く高分子化は、染料を留めて、
所望の色を製造するものである。反応性のない染料を使
用すると、ブルメンタール工程を用いて三次元物体を形
成することが両立されるが、にじみまたはひろがりの問
題が、立体石版工程においておきる可能性がある。ここ
で、Ｚ方向にプラットフォームが低下すると、Ｘ−Ｙ層
は、次いで光硬化性組成物に浸されるものである。
【００３０】本発明の実施態様において使用可能な他の
反応性染料の例としては、ビニル基を含有するように変
成された染料が挙げられる。反応性のない染料の例は、
本技術分野において容易に入手可能である。
【００３１】選択的な色を製造する観点からは、光硬化
性組成物の組成は、特には重要ではない。光硬化性組成
物において有用な、モノマ、オリゴマ、および光重合開
始剤の例は、デュポンの欧州特許０３９３６７２号およ
びハルの米国特許第４５７５３３０号に開示されてい
る。
【００３２】本発明のさらなる実施態様によれば、三次
元モデルの選択された部分の感触特性が、変えられてい
る。本発明のこの実施態様によれば、架橋度は、Ｘ−Ｙ
層の選択された部分で増加し、感触差異を形成するもの
である。本発明の主な適用のうちの一つは、三次元解剖
学的モデルの製造である。これらのモデルにおいては、
種々の解剖学的特徴の、異なる感触、テクスチャー、ま
たは弾性を模倣するため、モデルのある部分の感触特性
を変化させることが望ましい。たとえば、ひざのモデル
の製造においては、多く架橋した本質的に弾性的でない
ポリマの骨部を形成し、より弾性的なポリマからじんた
いを形成することが望ましい。
【００３３】モデルに異なった感触特性を付与するある
技術は、Ｘ−Ｙ層を照射して、層を形成しているポリマ
における架橋の第１レベルを形成することである。次い
で、さらなる架橋が、さらなる照射により層の選択され
た部分に導入される。また、結果として異なった感触特
性を示すことになる、架橋度の差異は、Ｘ−Ｙ層が走査
されるとき、レーザービームの強度を調節することによ
り、形成可能である。
【００３４】架橋度を調整しながら異なった感触性を形
成するために使用可能な化学作用は、オキシムアクリレ
ートに基づくものであり、文献（Ｋｕｍａｒ、Ｇ．
Ｓ．、ａｎｄ Ｎｅｃｋｅｒｓ、Ｄ．Ｃ．、“Ｌａｓｅ
ｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｔｉｏｎａ
ｌ Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎ
ｇＶｉｓｉｂｌｅ Ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ ａｎｄ ＵＶ
Ｃｒｏｓｓ−Ｌｉｎｋｉｎｇ ｂｙ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓ
ｉｔｉｖｅ Ｍｏｎｏｍｅｒｓ” Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃ
ｕｌｅｓ Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．１５、ｐ４３２２（１
９９１））に詳細に記載されている。オキシムアクリレ
ートは、ＵＶ域において吸収最大を有する。この文献
は、高圧水銀ランプまたはＨｅ−ＣｄＵＶレーザを用い
るペンダント基の光架橋、および、アルゴンイオンレー
ザを用いる可視重合開始剤によるオキシムアクリレート
の光重合の研究を開示している。このように、この実施
態様におけるＸ−Ｙレーザは、可視光レーザを用いる走
査により重合可能であり、ＵＶレーザを用いる第２走査
は、架橋度を変化させ、感触差異を形成するのに使用可
能である。
【００３５】以上、本発明を実施例を参照して詳細に説
明したが、当業者にとって、添付の特許請求の範囲に記
載された発明の範囲を逸脱することなく、種々の変換を
することが可能であることは明らかであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F213 AA43 AA44 AB03 AB04 AB12 AB14 AM22 AM23 AR07 AR16 AR20 WA25 WB01 WL02 WL13 WL25 WL43 WL44 WL96

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 他のエレメントとは異なる感触特性を有
    する選択されたエレメントを有する三次元物体の製造方
    法であり、 ａ．感触特性を変えることが可能な光応答性剤を含有す
    る光硬化性組成物の層を提供し、 ｂ．前記層を、形成されるべき物体の断面パターンにお
    いて、前記光応答性剤を活性化させる照射を用いて光照
    射して、硬化層を形成し、 ｃ．次いで異なった感触特性が所望される前記選択され
    たエレメントに相当する前記断面パターンの部分を、選
    択的に、前記光応答性剤を活性化させる照射を用いて光
    照射し、それにより、前記選択された部分の感触特性を
    変え、 ｄ．前記工程ａ、ｂ、およびｃを繰り返して、前記物体
    の連続して隣接する断面パターンを形成し、 ｅ．前記断面パターンを一体化して前記物体を提供する
    ことからなる、三次元物体の製造方法。
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