JP2004532753A - ３次元モデリングのための材料および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶融配置モデリング技術によって、モデル、およびその支持体を構築する際に使用される、高性能熱可塑性材料である。１２０℃よりも高い熱変性温度を有する、アモルファス熱可塑性樹脂は、モデリング材料を含む。好ましい実施形態において、モデリング材料を含む熱可塑性樹脂は、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、およびポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂からなる群から選択される。

Description

【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、付加プロセスモデリング技術を使用する、三次元物品の製造に関する。より具体的に、本発明は、三次元物品を形成するために、予め決められたパターンで第１の凝固可能な材料を配置することで三次元物品を形成し、合わせて、この三次元物品を構築する際に、この物質のための支持構造体を提供するために、第２の凝固可能な材料を配置することに関する。
【０００２】
付加プロセスモデリング機器は、コンピューターエイデッドデザイン（ＣＡＤ）システムから提供された設計データに基づいて、モデリング媒体を構築することによって３次元モデルを作製する。３次元モデルは、審美的判断を含む機能、機械的ＣＡＤモデルを補強する機能、ハードツーリングを形成する機能、インターフェースおよび空間配分を解析する機能、および機能を試験する機能のために使用される。一つの技術は、このモデルを形成する多数の層を構築することにより、ＣＡＤシステムから提供される設計データに従って、予め決められたパターンで凝固可能なモデリング材料を配置することである。
【背景技術】
【０００３】
押出しヘッドから凝固可能なモデリング材料の層を配置することによって、３次元モデルを作製するための装置および方法の例が、Ｖａｌａｖａａｒａの米国特許第４，７４９，３４７号、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，１２１，３２９号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許第５，３０３，１４１号、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，３４０，４３３号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許第５，４０２，３５１号、Ｃｒｕｍｐらの米国特許第５，５０３，７８５号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許第５，７６４，５２１号、Ｄａｎｆｏｒｔｈらの米国特許第５，９００，２０７号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒらの米国特許第５，９６８，５６１号およびＳｔｕｆｆｌｅらの米国特許第６，０６７，４８０号に記載されており、これらの全ては、本発明の譲受人であるＳｔｒａｔａｓｙｓ、Ｉｎｃ．に譲渡されている。このモデリング材料は、固体形態（例えば、米国特許第５，１２１，３２９号に開示されているような、繰り出しリール上の可撓性フィラメント巻線の形態または固体ロッドの形態）で押出しヘッドに供給され得る。代わりに、米国特許第４，７４９，３４７号に記載されているように、モデリング材料は、レザバから液体形態でポンピングされ得る。任意の場合において、この押出しヘッドは、ノズルから基板上に溶融モデリング材料を押出す。この押出された材料は、ＣＡＤモデルから規定された領域において、層から層に配置される。凝固の際に、前の層に十分な結合で接着する凝固可能な材料が、モデリング材料として使用される。熱可塑性材料が、これらの配置モデリング技術に特に適切であることが見出されている。
【０００４】
付加プロセス技術による（例えば、凝固可能な材料の層を配置することによる）三次元物品の作製の際に、支持層または支持構造体（これは、モデリング材料自体によって直接的に支持されない）が、引き出し部分の下または構築中の物質の空洞内に使用されなければならないことは、例外ではなく規則である。例えば、この物質が、地下鍾乳洞の内部のモデルであり、そしてこの鍾乳洞のプロトタイプが、床から天井まで構築される場合、天井が完成するまで、鍾乳石は一時的な支持を必要とする。支持層または支持構造体は、他の同様の理由（例えば、このモデルが基板から除去されるのを可能にし、部分的に完成したときにこのモデルが変形する傾向に耐え、そしてこの構築プロセスによって部分的に完成したモデルに適用された力に耐えること）のために必要とされ得る。
【０００５】
支持構造体は、同一の配置技術および装置を利用して構築され得、これによって、このモデリング材料が配置される。この装置は、適切なソフトウエアの制御下で、形成される物質の張り出しセグメントまたは空き領域セグメントのための支持構造体として作動する付加的形状を形成する。支持材料は、モデリング装置内の別々の分配ヘッド、またはモデリング材料を配置する同一の分配ヘッドのいずれかから配置される。支持材料は、この支持材料がモデリング材料に付着するように選択される。このモデルをこのような支持構造体に固定することにより、このモデルを構築する問題を解決するが、このモデルを損傷させることなく、完成したモデルから支持構造体を取り外すさらなる問題を生じる。
【０００６】
この支持構造体を取り外す問題は、例えば、米国特許第５，５０３，７８５号に記載されているように、このモデルと支持構造体との間に、弱い破壊可能な結合を形成することにより取り組まれている。この’７８５特許は、モデリング材料と弱い、破壊可能な結合を形成する材料が、モデリング材料が支持材料または放出材料として選択される、プロセスを開示している。この支持材料は、物質とこの支持構造体との間のインターフェースに配置されるか、またはこの支持材料は、この物質の形成後に、この支持構造体が破壊され得るいずれかの場合において、積層様式で配置され、支持構造体を形成する。
【０００７】
現在の技術のＳｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）３次元モデリング機器は、モデリング材料として、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）熱可塑性組成物またはワックス材料を使用する。支持材料のための使用される材料は、耐衝撃性ポリスチレンである。現在の技術のフィラメント充填Ｓｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）３次元モデリング機器において、モデリング材料（または支持材料）のフィラメントのストランドは、一対のモーター駆動充填ローラーによって、押出しヘッドにより保持されるリキファイヤー（ｌｉｑｕｉｆｉｅｒ）に向けて進められる。このリキファイヤーの内部で、このフィラメントが、流動可能温度まで加熱される。このリキファイヤーは、充填ローラーによって、フィラメントのストランドをリキファイヤーに「ポンピング」することによって加圧される。このフィラメントのストランド自体は、ポンプ作用を生じるピストンとして作動する。この充填ローラーが、フィラメントを押出しヘッド中に進め続ける場合、入ってくるフィラメントストランドの力により、分配ノズルから外に流動可能な物質を押出し、ここで、この動可能な物質は、構築プラットホームに取り外し可能に装着された基板上に配置される。
【０００８】
二重の三次元物品を製造するために、高強度のエンジニアリングポリマーの層状配置のための装置および方法が、米国特許第６，０６７，４８０号に開示されている。このポリマーの充填ロッドは、シリンダーに配置されたピストンを使用して、低いメルトフローおよび長い鎖長を有するポリマーに適用する高圧押出しを提供する、押出しシリンダーから押出される。’４８０特許には、ポリカーボネート、ポリアリールエーテルケトン（ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｋｏｔｏｎｅ）およびポリ（メチルメタクリレート）の充填ロッドが、押出しシリンダー装置を使用して首尾良く押出されることが、開示されている。この’４８０特許は、支持材料の開示はない。
【０００９】
高強度のエンジニアリング熱可塑性物質の層状堆積のための装置および方法が、ＰＣＴ出願番号ＵＳ００／１７３６３号に開示されている。この’３６３出願には、モデルが高温熱可塑性物質を用いて構築されることが開示されている。支持材料は、教示されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高性能のエンジニアリング熱可塑性物質からモデルを構築することによって、モデルの強度および質を改良するための引き続く必要性が、存在する。これらの高性能材料からモデルを構築するための適切な支持構造体を提供する、モデリングプロセスに適合する材料が、必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の簡単な要旨）
本発明は、溶融配置モデリング技術によって、モデルおよびその支持体を構築する際に使用される、高性能熱可塑性材料である。１２０℃よりも高い熱変性温度を有するアモルファス熱可塑性樹脂は、モデリング材料を含む。好ましい実施形態において、モデリング材料を含む熱可塑性樹脂は、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、およびポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂からなる群から選択される。自己積層化するアモルファス熱可塑性樹脂は、モデリング材料に対して弱く結合し、モデリング材料の熱変性温度と類似の熱変性温度を有し、そして支持材料を含む３４メガパスカル（ＭＰａ）［５０００ｐｓｉ］と８３ＭＰａ［１２，０００ｐｓｉ］との間の張力強度を有する。好ましい実施形態において、この支持材料を含む熱可塑性樹脂は、ポリフェニレンエーテルとポリオレフィンとのブレンド、ポリフェニルスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンド、およびポリフェニルスルホンとポリスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンドからなる群から選択される。
【００１２】
（詳細な説明）
本発明は、図１に示される型の配置モデリングシステムを関して記載される。図１は、本発明に従う、支持構造体２８によって支持されるモデル２６を構築する押出し装置１０を示す。この押出し装置１０は、押出しヘッド１２、材料受容基板１４、および材料供給源１８を備える。この押出しヘッド１２は、基板１４に対してＸ方向およびＹ方向に移動し、この基板は、垂直Ｚ方向に移動する。この材料供給源１８は、押出しヘッド１２に材料の供給原料を供給する。記載される実施形態において、材料の固体供給原料は、押出しヘッド１２に供給され、そして押出しヘッド１２によって保持されたリキファイヤー２２内で溶融される。このリキファイヤー２２は、供給原料をその凝固点よりもわずかに高い温度まで加熱し、この原料を溶融状態に変える。溶融した材料を、リキファイヤー２２のオリフィス２４を通って基板１４上に押出す。供給原料は、連続フィラメント、ロッド、スラグ、ペレット、顆粒などの形態をとり得る。
【００１３】
押出しヘッドの移動を、多数の経路および層で、基板１４上に材料を配置するように制御し、３次元モデル２６を構築し、この３次元モデル２６を構築する際、これを物理的に支持するように規定された支持構造体２８をさらに構築する。このモデル２６およびその支持構造体２８は、熱凝固を促進するために制御された環境を有する構築チャンバ（示さず）内で、基板１４上に構築される。配置された材料の第１層は、基礎を形成するように基板１４に付着するのと同時に、続く材料の層が、互いに付着する。
【００１４】
モデリング材料Ａが、モデル２６を形成するために供給され、そして支持材料Ｂが、支持構造体２８を形成するためにモデリング材料Ａを分配するのと合わせて、供給される。便宜のために、押出し装置１０を、１種類の材料供給源１８のみで示す。しかし、本発明の実施において、モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、別々の材料供給源からの材料の別々の供給原料として、押出し装置１０に提供される。次いで、この押出し装置１０は、以下により２種の異なる材料を供給することで適用し得る：（１）２つの押出しヘッド１２（モデリング材料Ａが供給される押出しヘッドおよび支持材料Ｂが供給される押出しヘッド）（例えば、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ’５６１特許に開示されている）を提供すること；（２）両方の材料を供給するための単一のノズルを備えた、モデリング材料Ａと支持材料Ｂの両方が供給される単一の押出しヘッド（例えば、Ｃｒｕｍｐ’３２９特許の図６に示されている）を提供すること；または（３）各材料が別々のノズルを介して供給される、両方の材料が供給される単一の押出しヘッドを提供すること（例えば、Ｃｒｕｍｐ’７８５特許の図６に示されている）。
【００１５】
記載される実施形態において、このモデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、押出しヘッドから水平な層の実質的に連続した「ロード（ｒｏａｄ）」として配置され、そして固体形態で押出しヘッドから供給される。当業者は、本発明が、種々の他の型のモデリング機器においても同様に有利に実施され、そしてこの材料が、代わりに、液体形態で押出しヘッドに供給され得ることを理解する。
【００１６】
本発明は、１２０℃を超えるガラス転位温度を有し、そして液体から固体に変わる際にわずかな収縮を示す、モデリング材料Ａ（高性能エンジニアリング熱可塑性樹脂（ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｒｅｓｉｎ））を提供する。好ましい熱可塑性樹脂は、ポリカーボネート樹脂、ポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂およびポリフェニルスルホン樹脂からなる群から選択される。本発明の支持材料Ｂは、モデリング材料Ａに類似した熱耐性および収縮性を有する自己積層型熱可塑性樹脂であり、そして支持材料Ｂは、材料インターフェースにおいて剥がれ得るので、弱くこのモデルに対して積層される。さらに、この支持材料Ｂは、このモデルを支持するに十分に強い。本発明の熱可塑性材料は、溶融配置モデリングのために現在利用可能な材料よりも、より高度な耐衝撃性、より高度な靱性、より高い熱変性温度およびより高度な化学的耐性を有する。当業者に理解されるように、本発明のモデリング材料および支持材料は、熱可塑性樹脂のさらに増強された特性を提供し得る、充填剤および他の添加剤を含み得る。
【００１７】
（モデリング材料および支持材料のレオロジー）
モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、一般的に、熱特性、強度、粘度および接着に関して、それらが使用される特定のモデリングシステムについての多くのモデリング基準を満足しなければならない。
【００１８】
モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、モデリングプロセスに適切な溶融粘度を有しなければならない。理想的には、溶着モデリングに使用される材料は、低い溶融粘度を有する。溶解粘度は、一般的に連続ロード（ｒｏａｄ）またはビーズとして押出され得るように、押出し温度において十分低くなければならない。また、押出し温度における溶融粘度は、材料の溶着されたロードまたはビーズがほとんど溶融強度を有さず、巻き上がらないで平坦に置かれ得るように、十分に低くなければならない。溶融粘度は、材料が押出される温度を増加することによって、低くされる。しかし、押出し温度が高すぎると、押出し機のアイドルに乗っている加熱された材料が分解し得る。分解した場合、ポジティブカットオフ機構を有さないフィラメントポンプ押出し機の場合では、材料は、液化機から構造エンベロープへと制御不能に排出する（「浸出」と呼ばれる状態）。さらに、より低い押出し温度は、エネルギー消費を減少し、熱生成を減少し、そしてポリマー材料の分解の機会を減少する。
【００１９】
理論上は、溶融物の粘度は、その材料の分子量に関連し、そして臨界分子量に近づくにつれて、性質は減少する。それゆえ、溶融粘度の下限は、臨界分子量における溶融粘度として規定されるが、事実上、全ての商業的グレードのポリマーは、臨界分子量を超えており、良好な物理学的性質を与える。
【００２０】
溶融粘度は、その逆数のパラメーター（メルトフロー）を測定することによって測定され得る。フィラメントポンプ押出し機を有するＳｔｒａｔａｓｙｓ ＦＤＭ（登録商標）モデリング機械においてモデルを構築するために使用される材料は、約２１ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）以下の比較的低い圧力下で、連続ビーズとして押出されるように、押出し温度において高いメルトフローを有さなければならない。フィラメントポンプ型押出し機によて溶着される材料についての望ましい高いメルトフローは、押出し温度における１．２ｋｇの負荷下において、ＡＳＴＭ Ｄ１２３８によって測定される場合、約５ｇｍｓ／１０分より大きい。最も好ましくは、メルトフローは、５〜３０ｇ／１０分である。より低いメルトフロー（より高い粘度）は、高圧力押出し（例えば、米国特許第６，０６７，４８０号に開示される装置による）に適する。
【００２１】
構築下において、モデルを適切に支持するために、支持材料Ｂは、それら自体に接着しなければならない（自己積層板（ｓｅｌｆ−ｌａｍｉｎａｔｅ））。支持材料Ｂは、モデリング材料Ａに対する弱い破壊可能な接着を形成しなければならず（共積層板（ｃｏ−ｌａｍｉｎａｔｅ）、その結果、モデルに対して損傷を引き起こすことなく、完成したモデルから分離され得る。支持構造がベースから構築される場合、支持材料Ｂは、このベースにさらに接着しなければならない。
【００２２】
寸法的に正確なモデルを作製するために、モデリング材料および支持材料は、構築エンベロープの条件において冷却の際に、ほとんど収縮を示してはならない。支持材料Ｂの任意の収縮は、モデリング材料Ａの収縮と一致しなければならない。材料において異なる収縮は、モデル／支持構造接合部に沿った応力および接着の破壊を引き起こす。アモルファスポリマーは、代表的に、凝固の際に、ＡＳＴＭ射出成形試験標準に従って、０．０１ｃｍ／ｃｍ（０．０１０インチ／インチ）以下の収縮を有する。アモルファスポリマーに特徴的な収縮は、溶着モデリングの目的について受容可能であり、一方、結晶性ポリマーは、溶着モデリングには高すぎる収縮を示す。充填材が、収縮を減少させるために、この材料に添加され得る。結晶性添加物は、この材料がアモルファスポリマーの特徴の収縮を示し続けるように、十分に少ない量で添加される限り、本発明の材料に添加され得る。
【００２３】
特定のモデリング材料Ａの選択は、完成したモデルの特定の適用に従って作製され得る。支持材料Ｂは、その形成の間、モデルに対する支持を提供するために、固体形態において、十分な機械的強度を有さなければならない。支持材料Ｂは、モデル材料Ａによる力に抵抗しなければならないか、またはこのモデルは、望ましくない巻き上げおよび変形を示す。
【００２４】
モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、フィラメントまたはロッド形態で供給される場合、破壊することなく、輸送されるのに十分な強度でなければならない。フィラメント形態で供給される場合、この材料は、さらに、フィラメントに形成されるための強度および可撓性を有さなければならず、巻き取られそして繰り出され（ｕｎｓｐｏｏｌ）なければならず、そして破壊することなく、押出し装置を通って供給されなければならない。同様に、フィラメント形態で供給される材料は、押出し装置を通って供給される間、圧縮力によって変形されないように十分な剛性を有しなければならない。
【００２５】
熱特性に関して、モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、両方の材料が、同じ構築チャンバ内に首尾良く押し出され得るように、同じ熱変形特性を有するべきである。米国特許第５，８６６，０５８号において教示されるように、熱可塑性材料または他の熱凝固性モデリング材料の凝固温度よりも高い温度に加熱されるチャンバ中でモデルを構築し、続いて、次第に冷却し、材料からの応力を軽減する。応力は、構築される間、モデルからアニールされ、その結果、完成モデルは、応力が無く、そして非常に小さいひずみを有する。’０５８号特許においてさらに教示されるように、モデリング材料は、構築チャンバの温度よりも高いガラス転移温度（Ｔ_ｇ）を有するべきであり、その結果、このモデルは、垂れるほど弱くならない。従って、構築チャンバの好ましい温度は、モデリング材料Ａの凝固温度とそのクリープ緩和温度（クリープ緩和温度は、その応力緩和係数が、その下限温度から１０の因子で低下する点として規定される）との間の範囲内にある。同様に、支持材料Ｂのガラス転移温度は、構築チャンバの温度より高くあるべきであり、その結果、支持構造は、変形せず、そしてその支持構造が支持するモデルの構造的忠実度を維持する。支持材料Ｂのガラス転移温度（または熱変形温度）が、モデリング材料Ａのガラス転移温度の約２０℃以内（好ましくは、１５℃以内）であるべきであることが、発見された。この材料への充填材の添加は、材料のガラス転移温度を上昇させる効果を有し得る。実際、ガラス転移温度は、熱変形温度によって示される。本明細書中に開示される例示的な材料の熱変形温度は、この材料のＤＭＡ軟化点によって測定される。
【００２６】
（モデル材料および支持材料の組成）：
本発明に従る材料は、ＰＣＴ出願番号ＵＳ０１／４１３５４およびＰＣＴ出願番号ＵＳ００／１７３６３に開示される型のフィラメント供給層溶着モデリング機械を使用して、試験された。上で考察されるレオロジー基準を満たすことが実証された、モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂの以下の実施例を、提供する：
（実施例１）
（モデリング材料）：モデリング材料Ａは、ポリカーボネート樹脂である。特定の例示的なポリカーボネート樹脂は、Ｌｅｘａｎ（登録商標）ＨＦ１１１０（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手され得る）である。この材料は、１５６℃の熱変形温度を有し、そして１．２ｋｇ負荷において、３００℃で、２０〜３０ｇｍｓ／１０分の範囲のメルトフローを有する。ポリカーボネート樹脂は、約３２０℃の温度を有する液化機から、約１３５℃の温度を有する構築チャンバ内に首尾良く押し出された。
【００２７】
（支持材料）：支持材料Ｂは、ポリフェニレンエーテルおよびポリオレフィンのブレンド（例えば、耐衝撃性（ｈｉｇｈ ｉｍｐａｃｔ）ポリスチレン）を含む樹脂である。望ましい重量％の範囲は、約５０％と９０％との間のポリフェニレンエーテルおよび約１０％と５０％との間のポリオレフィンである。特定の例示的な樹脂は、７５重量％のＮｏｒｙｌ（登録商標）７３１ポリフェニレンエーテルおよび２５重量％のＮｏｒｙｌ（登録商標）Ｎ３００Ｘ耐衝撃性（それぞれ、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手可能である）のブレンドである。この樹脂は、１７８℃の熱変形温度を有し、そしてモデリング材料のメルトフローと類似のメルトフローを有する。この材料は、約３６０℃の温度を有する液化機から押出されて、ポリカーボネート樹脂を使用して構築されるモデルのための支持構造を首尾良く形成した。
【００２８】
（実施例２）
（モデリング材料）：モデリング材料Ａは、ポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂である。この樹脂は、ポリカーボネートの向上した強度および靱性特性を有する材料を提供するために、少なくとも約５０重量％のポリカーボネートを含むべきである。特に好ましいポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂は、Ｃｙｃｏｌｏｙ（登録商標）Ｃ１１１０ＨＦ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手可能である）である。この樹脂は、１４３℃の熱変形温度を有し、そして１．２ｋｇ負荷下、２８０℃において、１０〜２０ｇｍｓ／１０分の範囲のメルトフローを有する。ポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂は、約３２０℃の温度を有する液化機から、約１１０℃の温度を有する構築チャンバ内に首尾良く押し出された。
【００２９】
（支持材料）：支持材料Ｂは、ポリフェニレンエーテルおよびポリオレフィンのブレンド（例えば、耐衝撃性ポリスチレン）を含む樹脂である。望ましい重量％の範囲は、約４０％と８０％との間のポリフェニレンエーテルおよび約２０％と６０％との間のポリオレフィンである。特定の例示的な樹脂は、Ｎｏｒｙｌ（登録商標）７３１（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手可能である）ポリフェニレンエーテル／ポリスチレンのブレンドである。この樹脂は、１５６℃の熱変形温度を有し、そしてモデリング材料のメルトフローと類似のメルトフローを有する。この材料は、約３４０℃の温度を有する液化機から押出されて、ポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂を使用して構築されるモデルのための支持構造を首尾良く形成した。
【００３０】
（実施例３）
（モデリング材料）：このモデリング材料Ａは、ポリフェニレンスルホン樹脂である。特定の例示的なポリフェニレンスルホン樹脂は、Ｒａｄｅｌ（登録商標）Ｒ ５６００ ＮＴ（ＢＰ Ａｍｏｃｏから入手可能である）である。このポリフェニレンスルホン樹脂は、２３６℃の熱変形温度を有し、そして１．２ｋｇ負荷下、４００℃において、２０〜３０ｇｍｓ／１０分の範囲のメルトフローを有する。ポリフェニレンスルホン樹脂は、約４００℃の温度を有する液化機から、約２００℃の温度を有する構築チャンバ内に首尾良く押し出された。
【００３１】
（支持材料）：支持材料Ｂは、ポリフェニレンスルホンおよびアモルファスポリアミドのブレンドを含む樹脂である。この材料は、さらに、ポリスルホンを含み得る。望ましい重量％の範囲は、約６０重量％と９０重量％の間のポリフェニレンスルホン、および約１０重量％と４０重量％の間のアモルファスポリアミドのブレンド、または約６０重量％と９０重量％の間のポリフェニレンスルホン、約１重量％と４０重量％の間のポリスルホンおよび約１０重量％と４０重量％の間のポリアミドのブレンドである。特定の例示的な樹脂は、５０重量％のＲａｄｅｌ（登録商標）Ｒ ５６００ ＮＴポリフェニルスルホン（ＢＰ Ａｍｏｃｏから入手可能である）、２５重量％のＵｄｅｌ（登録商標）Ｐ １７１０ ＮＴ １５ポリスルホン（ＢＰ Ａｍｏｃｏから入手可能である）、および２５重量％のＥＭＳ ＴＲ７０アモルファスポリアミド（ＥＭＳ−Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧ ｏｆ Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄから入手可能である）のブレンドである。この樹脂は、２２４℃の熱変形温度およびモデリング材料のメルトフローと類似のメルトフローを有する。この材料は、約３５０℃の温度を有する液化機から押出されて、ポリフェニルスルホン樹脂を使用して構築されるモデルのための支持構造を首尾良く形成した。ポリマー化学において通常の技術は、支持材料Ｂに成分材料を配合するために使用された。
【００３２】
上記実施例に与えられる材料のそれぞれが、３４ＭＰａ［５０００ｐｓｉ］と８３ＭＰａ［１２，０００ｐｓｉ］との間の引張り強さを示し、そしてアモルファスポリマーに「典型的な収縮（０．０１ｃｍ／ｃｍ（０．０１０インチ／インチ）未満）を示した。上記実施例の材料のそれぞれが、溶着モデリングについての現在の使用における材料よりも、高い耐衝撃性、大きな靱性、高い熱変形温度および大きな化学耐性を有するモデルを構築した。実施例３の材料は、現在の技術の任意の迅速原型作製方法によって提供されるモデルを越える、靱性、耐衝撃性、熱耐性および化学抵抗性を有することが見出された。
【００３３】
上記のように、モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、不活性および／または活性な充填剤材料を含み得る。この充填剤は、得られるモデルの意図される用途に依存して所望され得る材料特性を増大し得る。例えば、充填剤は、ＲＦ遮蔽特性、導電性特性または高周波不透過特性（いくつかの医用用途に有用である）を提供し得る。あるいは、充填剤は、材料特性低下させ得るが、これは、いくつかの用途に受容可能であり得る。例えば、安価な充填剤が、モデリング材料Ａまたは支持材料Ｂのコストを下げるために、これらの材料に添加され得る。充填剤はまた、これらの材料の熱特性を変更し得、例えば、充填剤は、材料の耐熱性を増加し得、そして充填剤は、熱凝固の際の材料の収縮を減少し得る。代表的な充填剤としては、ガラスファイバー、カーボンファイバー、カーボンブラック、ガラスマイクロスフェア、炭酸カルシウム、雲母、タルク、シリカ、アルミナ、炭化ケイ素、ケイ灰石、グラファイト、金属および塩が挙げられる。許容できないモデルの質の低下を伴うことなくモデリング材料および支持材料Ｂに添加される充填剤材料の量の上限は、約２０重量％である。
【００３４】
当業者は、無数の他の接着剤をまた、本発明のモデリング材料および支持材料において使用して、特定の用途に望ましい特性を改変し得ることを認識する。例えば、可塑剤の添加は、この材料の耐熱性およびメルトフローを低下させる。色素または顔料の添加は、この材料の色を変えるために行われ得る。抗酸化剤が、押出し成形機中の材料の熱分解の速度を低下させるために、添加され得る。さらに、少量の他のポリマーが、本発明の材料に添加され得る。充填剤と他の添加剤の総量は、本発明のモデリング材料および支持材料の基本的なレオロジーを維持しつつ、約３０重量％におよび得る。
【００３５】
モデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、モデリング供給材料として使用するために、ロッド、ペレットまたは他の形状に成形され得るか、またはこれは、事前に凝固されることなく、液体供給材料として使用され得る。あるいは、その混合物が、凝固され、次いで顆粒化され得る。顆粒化された供給材料組成物は、可撓性の連続フィラメントを形成するために、従来の押出し成形装置を通して加工され得る。望ましくは、これらのフィラメントは、スプールへと連続した長さで巻かれ、そして乾燥される。このフィラメントは、代表的に、０．１７８ｃｍ（０．０７０インチ）程の非常に小さな直径であり、そして０．００３ｃｍ（０．００１インチ）程度の小さな直径を有し得る。本発明のモデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、モデリングフィラメントへと首尾良く成形され、そしてフィラメント供給配置モデリングマシンにおいて使用されている。
【００３６】
本発明のモデリング材料Ａおよび支持材料Ｂは、水分感受性であることに注意するべきである。多湿環境へのこれらの材料の曝露は、モデルの質を有意に低下することあ実証押されており、従って、乾燥状態の維持が重要である。溶融配置技術によって本発明の材料を正確で頑丈なモデルに構築するために、材料が乾燥していなければならない。本発明の高温の水分感受性材料を使用して三次元物品を構築するために特に適切な装置は、ＰＣＴ出願番号ＵＳ０１／４１３５４およびＰＣＴ出願番号ＵＳ００／１７３６３（これらは本明細書中で参考として援用される）に開示される。この’３６３の出願は、高温構築チャンバを有するモデリングマシンを開示し、そして’３５４の出願は、水分密閉フィラメントカセット、およびフィラメント供給配置モデリングマシンに水分感受性モデリングフィラメントを供給するためのフィラメント通路を開示する。
【００３７】
本発明のモデリング材料Ａおよび支持材料Ｂについて、受容可能な含水量（すなわち、モデルの質が低下しないレベル）は、７００ｐｐｂ未満の含水量レベルである（Ｋａｒｌ Ｆｉｓｃｈｅｒ法を使用して測定した場合）。この’３５４の出願は、フィラメントを乾燥するための技術を開示し、ここでこのフィラメントは、フィラメントカセットの形態で提供される。材料を乾燥するための１つの方法は、所望の乾燥が達成されるまで、適切な温度（１７５〜２００°Ｆの間が代表的である）にて、真空条件下で、この材料を含むカセットをオーブン中に入れることであり、乾燥が達成されると、このカセットは、水分を閉め出すために密閉される。次いで、このカセットは、マシン中に設置されるまで、水分不透過性パッケージ中に真空密閉され得る。３００ｐｐｍ未満の含水量に達するまでの推定乾燥時間は、４〜８時間である。別の方法は、オーブンを使用することなく、このカセット中に乾燥剤の塊を入れることにより、この材料を乾燥することである。Ｔｒｉ−Ｓｏｒｂモレキュラーシーブおよび酸化カルシウム（ＣａＯ）乾燥剤処方物を含む塊をこのカセット中に入れ、そして水分不透過性パッケージ中にこのカセットを密閉することは、この材料を、７００ｐｐｍ未満の含水量レベルまで乾燥し、そして１００〜４００ｐｐｍの好ましい範囲までこの材料を乾燥することが実証されている。適切なＴｒｉ−Ｓｏｒｂモレキュラーシーブ乾燥剤処方物としては、ゼオライト、ＮａＡ；ゼオライト、ＫＡ；ゼオライト、ＣａＡ、ゼオライト、ＮａＸ、およびアルミノケイ酸マグネシウムが挙げられる。
【００３８】
本発明の材料から形成されるモデルは、従来技術の溶融配置モデリング用途に使用される材料から形成されるモデルよりも優れた有用性を有する。例えば、本発明の材料から作製されるモデルは、動力工具および家庭用器具のための機能的部品（ここで、強度および強靱性が重要である）；自動車用途のための機能的部品（ここで、強度、強靱性、高い耐熱性および化学耐性が重要である）；医用機器および歯科用機器のための機能的部品（ここで、これらの部品は、スチーム滅菌の繰返しサイクルの後に鍵となる特性を維持しなければならない）；および低い引火性および煙発生が所望される用途のための機能的部分、として使用され得る。
【００３９】
本発明の材料は、本明細書中で、「モデリング」材料または「支持」材料のいずれかと称されているが、これらの材料は、いわゆる「支持」材料を使用してモデルを形成し、そしていわゆる「モデリング」材料を使用してこのモデルのための支持構造を形成するように、交換可能であり得る。本明細書中でモデリング材料と記載される材料は、ほとんどの用途について、上記支持材料の特性より優れた特性を有する。本明細書中でモデリング材料として紹介される材料を使用して構築されるモデルは、例えば、本明細書中で支持材料として紹介される得材料を使用して構築されるモデルよりも強くかつ強靱である。本明細書中における「モデリング」材料または「支持」材料のいずれかとしての材料の分類は、この材料の予想される代表的な用途に従って、参照の簡便さのために行われる。
【００４０】
本発明は、好ましい実施形態を参照して記載されているが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更が、形式上および詳細に実施され得ることを理解する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、層状押出し技術を使用して形成される、モデリングおよびそのための支持構造体の概略図である。

Claims (21)

1. 溶融形態の第１の熱凝固性材料を、第１の押出し温度で、所定のパターンで供給して、三次元物品を規定し、同時に、溶融形態の第２の熱凝固性材料を、第２の押出し温度で分配して、該三次元物品のための支持構造を規定することによって三次元物品を作製するためのプロセスであって、改良点は、以下：
   第１の熱可塑性樹脂を含みかつ１２０℃より高い熱変形温度を有するモデリング材料を、該第１の熱凝固性材料として提供する工程；および
   ポリフェニレンエーテルとポリオレフィンとのブレンド、ポリフェニルスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンド、およびポリフェニルスルホンとポリスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンドからなる群から選択される第２の熱可塑性樹脂を含む支持材料を、該第２の熱凝固性材料として提供する工程、
   を包含する、プロセス。
2. 前記支持材料が、少なくとも７０重量％の前記第２の熱可塑性樹脂を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 請求項１または２に記載のプロセスであって、前記モデリング材料を構成する前記第１の熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、およびポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂からなる群から選択される、プロセス。
4. 前記モデリング材料が、約２０重量％までの充填剤を含む、請求項３に記載のプロセス。
5. 前記支持材料が、少なくとも７０重量％の前記第１の熱可塑性樹脂を含む、請求項１または２に記載のプロセス。
6. 請求項１に記載のプロセスであって、前記第２の熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンエーテルとポリオレフィンとのブレンドであり、前記第１の熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート樹脂またはポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂からなる群から選択される、プロセス。
7. 前記第２の熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンエーテルと耐衝撃性ポリスチレンとのブレンドである、請求項６に記載のプロセス。
8. 請求項６に記載のプロセスであって、前記支持材料が、約５０重量％と９０重量％との間のポリフェニレンエーテルおよび約１０重量％と５０重量％との間のポリオレフィンを含み、そして前記モデリング材料が、少なくとも７０重量％のポリカーボネートを含む、プロセス。
9. 請求項６に記載のプロセスであって、前記支持材料が、約４０重量％と８０重量％との間のポリフェニレンエーテルおよび約２０重量％と６０重量％との間のポリオレフィンを含み、そして前記第１の熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート／アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂である、プロセス。
10. 請求項１に記載のプロセスであって、前記第２の熱可塑性樹脂が、ポリフェニルスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンド、およびポリフェニルスルホンとポリスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンドからなる群から選択され、そして前記第１の熱可塑性樹脂が、ポリフェニルスルホン樹脂である、プロセス。
11. 請求項１０に記載のプロセスであって、前記第２の熱可塑性樹脂が、約６０重量％と９０重量％との間のポリフェニルスルホン、約１重量％と４０重量％との間のポリスルホン、および約１０重量％と４０重量％との間のアモルファスポリアミドブレンドを含む、ポリフェニルスルホンとポリスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンドである、プロセス。
12. 請求項１０に記載のプロセスであって、前記第２の熱可塑性樹脂が、約６０重量％と９０重量％との間のポリフェニルスルホン、および約１０重量％と４０重量％との間のアモルファスポリアミドブレンドを含む、ポリフェニルスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンドである、プロセス。
13. 請求項１に記載のプロセスであって、前記モデリング材料が、前記第１の押出し温度において、１．２ｋｇの負荷の下で、５〜３０ｇｍ／１０分の範囲のメルトフローを有し、そして前記支持材料が、前記第２の押出し温度において、１．２ｋｇの負荷の下で、５〜３０ｇｍ／１０分の範囲のメルトフローを有する、プロセス。
14. 請求項１に記載のプロセスであって、前記支持材料が、前記モデリング材料の熱変形温度の上下約２０℃以内の熱変形温度、および３４ＭＰａと８３ＭＰａ（５０００ｐｓｉと１２，０００ｐｓｉ）との間の引張り強さを有する、プロセス。
15. 請求項１に記載のプロセスであって、以下：
    前記モデリング材料を使用して、前記支持構造を構築する工程；および
    前記支持材料を使用して、前記三次元物品を構築する工程、をさらに包含する、プロセス。
16. 層状に構造を構築するための、溶融材料のロードとして押出しに適切な熱凝固性組成物であって、該組成物は、少なくとも７０重量％のアモルファス熱可塑性樹脂を含み、該アモルファス熱可塑性樹脂は、ポリフェニレンエーテルと耐衝撃性ポリスチレンとのブレンド、ポリフェニルスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンド、およびポリフェニルスルホンとポリスルホンとアモルファスポリアミドとのブレンドからなる群から選択される、組成物。
17. １２０℃より高い熱変形温度、および３４ＭＰａ（５０００ｐｄｉ）と８３ＭＰａ（１２，０００）との間の引張り強さを有する、請求項１６に記載の熱可塑性組成物。
18. ４００℃までの温度で、１．２ｋｇの負荷の下、約５〜３０ｇｍ／１０分の範囲のメルトフローを有する、請求項１７に記載の熱可塑性組成物。
19. 前記押出し可能物品が、フィラメントである、請求項１８に記載の熱可塑性組成物。
20. ２０重量％までの充填剤をさらに含む、請求項１６に記載の熱可塑性組成物。
21. 押出し可能物品の形態の、請求項１６に記載の熱可塑性組成物。

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