JP2004532753A5 - ３次元モデリングのための方法 - Google Patents

Description

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、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。

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。支持材料のために使用される材料は、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、この流動可能な物質は、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。

（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に関して記載される。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。

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のに十分に強い。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。

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っ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５ｇ／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。

（モデル材料および支持材料の組成）：
本発明に従う材料は、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、２０〜３０ｇ／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。

（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、１０〜２０ｇ／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。

（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、２０〜３０ｇ／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。

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、材料特性を低下させ得るが、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。

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、７００ｐｐｍ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。

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。

Claims (20)

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方法であって、改良点は、以下：
   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、方法。
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に記載の方法。
3. 前記モデリング材料が、２０重量％までの充填剤を含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 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に記載の方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記第２の熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンエーテルと耐衝撃性ポリスチレ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、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記第２の熱可塑性樹脂が、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１０重量％と５０重量％との間の耐衝撃性ポリスチレンを含み、そして前記第１の熱可塑性樹脂が、少なくとも７０重量％のポリカーボネートを含む、方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、前記第２の熱可塑性樹脂が、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２０重量％と６０重量％との間の耐衝撃性ポリスチレンを含み、そして前記第１の熱可塑性樹脂が、少なくとも５０重量％のポリカーボネートを含む、方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、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、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記第２の熱可塑性樹脂が、６０重量％と９０重量％との間のポリフェニルスルホン、１重量％と４０重量％との間のポリスルホン、および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、方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、前記第２の熱可塑性樹脂が、６０重量％と９０重量％との間のポリフェニルスルホン、および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、方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、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、５〜３０ｇ／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、５〜３０ｇ／１０分の範囲のメルトフローを有する、方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、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、方法。
13. 融解形態の第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方法であって、改良点は、以下：
    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２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第２の熱可塑性樹脂を含む支持材料を、該第１の熱凝固性材料として提供する工程、
    を包含する、方法。
14. 三次元物品を作製するための方法であって、
    三次元物品を規定する予め定められたパターンにて、流動可能な状態でモデリング材料を供給し、前記三次元物品はその三次元物品の作製中に支持を必要とする突出部を備え、前記モデリング材料が、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第１の熱可塑性樹脂を含む、ステップと、
    前記三次元物品のための三次元物品サポート構造を形成するために、前記モデリング材料を供給することと連携して、前記三次元物品の突出部の下方の空間に支持材料を流動可能な状態にて供給し、前記支持材料は、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第２の熱可塑性樹脂を含む、ステップと、
    を備える方法。
15. 三次元物品を作製するための方法であって、
    三次元物品を規定する予め定められたパターンにて、流動可能な状態でモデリング材料を供給し、前記三次元物品はその三次元物品の作製中に支持を必要とし、前記モデリング材料が、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第１の熱可塑性樹脂を含む、ステップと、
    前記三次元物品を支持するための三次元物品サポート構造を形成するために、前記モデリング材料を供給することと連携して、支持材料を流動可能な状態にて供給し、前記支持材料は、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第２の熱可塑性樹脂を含む、ステップと、
    を備える方法。
16. 前記支持材料は、１２０℃より高い熱変形温度、および３４ＭＰａ（５０００ｐｓｉ）と８３ＭＰａ（１２，０００ｐｓｉ）との間の引張り強さを有する、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
17. 前記支持材料は、４００℃までの温度で、１．２ｋｇの負荷の下、５〜３０ｇ／１０分の範囲のメルトフローを有する、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
18. 前記支持材料は、２０重量％までの充填剤をさらに含む、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
19. 前記支持材料は、押出し可能な物品である、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
20. 前記押出し可能な物品が、フィラメントである、請求項１９に記載の方法。