JP2005531439A - 三次元モデリングのための材料および方法 - Google Patents

Abstract

３次元モデル（２６）およびこのモデルの支持構造体（２８）が溶融載置によるモデル製造方法により造られ、シリコーンを含む熱可塑性材料が使われ、支持構造体（２８）および／またはモデル（２６）を形成する。シリコーンは離型剤として作用し、モデルの完成後モデルから支持構造体の取り外しを容易にする。シリコーンを含む熱可塑性材料は、熱安定性が優れており、３次元モデル製造装置（１０）の押し出しヘッド（１２）、すなわち、噴射ヘッドのノズル（２４）における材料の堆積を防止する。

Description

本発明は、累積的処理によるモデル製造方法を用いた３次元物体の製造に関する。特に、本発明は、３次元物体を形成するように所定のパターンにおいて第１の凝固可能な材料を堆積し、この３次元物体を造る時に、これに合わせて３次元物体の支持構造体が得られるように第２の凝固可能な材料を堆積することにより３次元物体を形成することに関する。

累積的処理によるモデル製造機は、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムから得られた設計データに基づいてモデル製造中間物を積み重ねて３次元モデルを造る。３次元モデルは、美的判断、数学的ＣＡＤモデルの点検、ハード・ツーリングの形成、干渉および空間割り当ての調査、機能性のテストを含む機能のために使われる。一つの方法は、このモデルを形成する多重層の積み重ねを用いて、ＣＡＤシステムから得られた設計データに従って所定のパターンに凝固可能なモデル製造材料を堆積することである。

押し出しヘッドから凝固可能なモデル製造材料の層を堆積することにより３次元モデルを造る装置および方法の例は、Ｖａｌａｖａａｒａの米国特許第４，７４９，３４７号、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，１２１，３２９号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，３０３，１４１号、Ｃｒｕｍｐの米国特許第５，３４０，４３３号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，４０２，３５１号、Ｃｒｕｍｐ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，５０３，７８５号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，７６４，５２１号、Ｄａｎｆｏｒｔｈ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，９００，２０７号、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，９６８，５６１号、Ｓｔｕｆｆｌｅ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，０６７，４８０号、およびＢａｔｃｈｅｌｄｅｒ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，２３８，６１３号に記載されている。これらの特許は、すべて、本発明の譲受人であるＳｔｒａｔａｓｙｓ，Ｉｎｃ．，に譲渡されている。モデル製造材料は、押し出しヘッドに固体の形、例えば、供給リールに巻きつけられた柔軟な長繊維の形、または米国特許第５，１２１，３２９号で開示されている棒状の形で供給される。米国特許第４，７４９，３４７号に記載されているように、代わりに、モデル用材料は、貯蔵容器から液体としてポンプで注入される。いずれにしても、押し出しヘッドは溶融モデル用材料をノズルから台上に押し出す。押し出された材料は、ＣＡＤモデルから規定された領域に層毎に堆積される。凝固する時に適切な結合力をもって前の層に付着する凝固可能な材料が、モデル用材料として使われる。熱可塑性物質は、このような堆積によるモデル製造方法に特に適していることが判明している。

凝固可能な物質からモデルを造るもう一つの層を堆積する方法では、噴射ヘッドのノズルからモデル用材料の液滴を堆積させる。噴射ヘッドから凝固可能なモデル用材料の層を堆積することにより３次元モデルを造る装置および方法の例は、例えば、Ｈｅｌｉｎｓｋｉ ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，１３６，５１５号およびＬｅｙｄｅｎ ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，１９３，９２３号に記載されている。

現在の技術であるＳｔｒａｔａｓｙｓの長繊維供給式ＦＤＭ（登録商標）３次元モデル製造機において、モデル用材料（または支持用材料）の長繊維ストランドは、一対のモーター駆動供給ローラーで押し出しヘッドにより運ばれる液化装置内に進められる。液化装置内で、単繊維は流動可能な温度まで加熱される。液化装置は、供給ローラーによる液化装置内への長繊維ストランドの「供給」により加圧される。長繊維自身のストランドはポンプを作るピストンとして作用する。供給ローラーが長繊維を押し出しヘッド内に進め続ける時は、流入する長繊維ストランドの力が流動可能な材料を分配ノズルから押し出し、そのノズルで流動可能な物質が組み立て構造物に着脱可能に取り付けられた基板の上に堆積される。現在の技術のＳｔｒａｔａｓｙｓのＦＤＭ（登録商標）３次元モデル製造機は、モデル用材料としてアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）熱可塑性プラスチック組成物、ワックス物質、またはポリカーボネート樹脂を用いる。

凝固可能な材料の層を堆積する方法などの累積的処理方法により３次元物体を造る場合、支持している層または構造が、張り出している部分の下または製作中の物体の空洞において、使用されねばならず、張り出している部分や製作中の物体はモデル用材料自身により直接支持されていないことは例外というよりもむしろ決まり事である。支持構造体は、モデル用材料を堆積するときと同じ堆積方法および装置を利用して造られる。適切なソフトウエアによる制御の下で、この装置により、形成される物体の張り出しているセグメントまたは自由空間セグメント用支持構造体として作用する追加の形状が得られる。支持用材料は、モデル製造装置内の別の分配ヘッドから堆積されるか、またはモデル用材料を堆積する同じ分配ヘッドにより堆積される。

モデルを支持するために、支持用材料はモデル用材料に付着しなければならない。また、通常、支持用材料を用いて堆積された材料のベース層を造り、その上にモデルを造ることになるので、支持用材料は、同様に、モデル製造基板に脱着可能に付着する必要がある。このモデルを支持用材料にしっかり固定すると、完成したモデルから支持構造体をモデルに傷をつけずに切り離さなければならないという問題が生じる。

支持構造体を切り離す問題は、米国特許第５，５０３，７８５号に記載されているように、支持構造体とモデルの間に弱くて切れやすい結合を形成することにより解決された。物体が造られた後物体から切り離さねばならない支持構造体は「剥離」支持体として知られている。高衝撃性ポリスチレンは、剥離支持体の製造に商業的に使われている。さらに、浴中で洗い流す可溶性支持用材料が知られている。Ｓｔｒａｔａｓｙｓ Ｉｎｃ．は、Ｗａｔｅｒｗｏｒｋｓという商標で販売された、係属中の米国特許出願第１０／０１９，１６０号で開示された材料を、可溶性支持用材料を造るために発売している。

最近、高温溶融載置によるモデル製造機が知られるようになった。この機械は、高温・高強度のエンジニアリング熱可塑性プラスチックからモデルを造ることができる。高温エンジニアリング熱可塑性プラスチックを用いたモデルの製造は、材料の耐久性により非常に望ましいが、この熱可塑性プラスチックは支持構造体の製作と取り外しについて問題がある。候補になる支持用材料は、モデルが品質を落としたり、垂れ下がることなく造られる高温製造環境に耐えねばならない。この種の材料は、一般に、破損に対して強く且つ抵抗力を持たねばならない。支持体は、モデルの製造後、モデルから取り外さねばならない。このため、完成したモデルから支持体をどのようにして分離するかという問題が生じる。

耐久性のある３次元物体を造るための高強度エンジニアリング・ポリマーを積層する装置および方法は、米国特許第６，０６７，４８０号で開示されている。この‘４８０特許では、ポリカーボネート、ポリアリルエーテルケトンおよびポリメチルメタクリレートの高圧押し出しが開示されている。この’４８０特許では、支持用材料は開示されていない。

高温エンジニアリング熱可塑性樹脂の積層による３次元モデルを造る装置および方法は、２００１年２月２７日に出願された米国特許出願第０９／８０４，４０１号および２００１年１２月１３日に出願された米国特許出願第１０／０１８，６７３号で開示されている。なお、これらの出願は、各々がＳｔｒａｔａｓｙｓ Ｉｎｃ．に譲渡されている。これらの出願では、３次元モデルの製造にポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンおよびアモルファス・ポリイミドを使用することが具体的に開示されているが、この種のモデルの剥離支持構造体を造るために処方された材料は開示されていない。

３次元モデルの高温モデル用材料および支持用材料は、２００１年５月１１日に出願され、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ Ｉｎｃ．に譲渡された係属中の米国特許出願第０９／８５４，２２０号で開示されている。‘２２０出願で支持用材料の取り外しは、手間がかかる。

高性能エンジニアリング熱可塑性プラスチックを用いて造られたモデルから支持体を簡単に取り外す方法を引き続き改良する必要がある。高温環境に耐えられ且つ完成モデルから、より簡単に外れるような熱可塑性プラスチックから造られたモデルの支持用材料が得られることが望ましい。

本発明の概要
本発明は、シリコーンを含む熱可塑性組成物、および積層モデル製造により３次元モデルを造るためにこの組成物を用いる方法である。この熱可塑性組成物には、約１０重量％未満のシリコーンが含まれている。

本発明の方法では、このモデルの支持構造体を造る支持用材料としてシリコーンを含む熱可塑性組成物が使われている。モデル製造中、モデル完成後モデルから支持構造体が外れやすくするために離型剤として作用するシリコーンが含まれている。このシリコーン離型剤は、熱安定性も優れており、高温製造環境におけるこの材料の使用が容易になる。有利なことに、シリコーンは、３次元モデル装置の押し出しヘッド、すなわち、噴射ヘッドのノズルにおける材料の堆積の防止にも役立つ。したがって、本発明の熱可塑性組成物は、支持用材料として使える上に、モデル自身を造る材料としても使える利点もある。

支持用材料として使用する場合は、本発明の組成物は約１〜１０重量％のシリコーンを含むのが好ましい。モデル用材料として使用する場合は、本発明の組成物はシリコーンの含有量が比較的少なく、約０．５〜２重量％の範囲が好ましい。この熱可塑性組成物の基本ポリマーは、種々の物理的特性、熱的およびレオロジー特性に基づいて、堆積モデル製造プロセスにより選択される。

詳細な説明
本発明は、図１に示した型の堆積によるモデル製造システムを参照しながら記載する。図１には、本発明の支持構造体２８により支持されたモデル２６を造る押し出し装置１０が記載されている。この押し出し装置１０には、押し出しヘッド１２、材料受け入れ台１４および材料供給装置１８が含まれている。押し出しヘッド１２は、垂直なＺ方向に動く台１４に対しＸおよびＹ方向に動く。材料供給装置１８は，原料を押し出しヘッド１２に供給する。説明された実施態様では、固体原料は押し出しヘッド１２に供給され、液化装置２２で溶融され押し出しヘッド１２により運ばれる。液化装置２２は原料をその凝固点の少し上の温度まで加熱し、原料を溶融状態にする。溶融材料は、液化装置２２のノズル２４を通して台１４の上に押し出される。原料は、連続的な長繊維、棒、棒状素材、ペレット、粒状物などの形をしている。

押し出しヘッドの動きは、反復運動により材料を台上に堆積するように制御され、複数の層が３次元モデル２６を造り、さらに、造られたモデル２６を物理的に支持するように規定された支持構造体２８を造る。モデル２６および支持構造体２８は、熱的凝固を促進するように制御された環境を有する組み立てチェンバー（図示していない）内で台１４上に積み重ねられる。堆積された材料の第１の層は、基礎を形成するように台１４に付着し、その後の材料層は互いに付着する。

モデル用材料Ａは分配されてモデル２６を形成し、支持用材料Ｂはモデル用材料Ａの分配と同様に分配されて支持構造体２８を形成する。便宜上、押し出し装置１０には、材料供給装置１８は一つだけ図示されているが、本発明を実行する場合には、モデル用材料Ａと支持用材料Ｂが別々の材料供給装置から別々の原料として押し出し装置１０に供給されることを理解する必要がある。

記載の実施態様では、モデル用材料Ａと支持用材料Ｂは、押し出しヘッドから水平層においてほぼ連続的な「道状」として堆積され、押し出しヘッドには固体として供給される。本発明は、噴射ヘッドを用いるモデル製造機を含めて、その他の型の種々のモデル製造機で実行しても効果があり、代わりに材料を液体として押し出しヘッドに供給できることは、当業者には理解できるであろう。

モデル用材料と支持用材料のレオロジー
モデル用材料Ａと支持用材料Ｂは、これらが使われる特定のモデル製造システムについて、一般に、熱的特性、強度、粘度および付着性に関連する多数のモデル製造基準を満たさねばならない。モデル用材料Ａと支持用材料Ｂの溶融粘度は、モデル製造プロセスに適していなければならない。溶融堆積によるモデル製造に使われる材料は、溶融粘度が低いことが理想的である。溶融粘度は、押し出し温度で十分低いことが必要なので、材料は一般に連続的な道状またはビードとして押し出される。また、押し出し温度における溶融粘度は、十分低いことが必要なので、材料の堆積された道状またはビードの溶融強度は低く、これらの道状やビードはカール状に巻き上げられるよりもむしろ平らにすることができる。溶融粘度は、材料の押し出し温度を上げれば下げられる。しかし、押し出し温度が高いほど、エネルギー消費量が増加し、熱の発生量や材料が劣化する機会が増加する。

理論的には、溶融物の粘度はその物質の分子量に関係付けられ、分子量が臨界値に接近すると諸特性は低下する。そこで、溶融粘度の下限は、臨界分子量における粘度として規定されるが、ほとんどすべての商業グレードのポリマーは臨界分子量を超えると優れた物理特性に到達する。

溶融粘度は、逆のパラメータであるメルトフローにより測定できる。長繊維注入押し出し機を有するＳｔｒａｔａｓｙｓＦＤＭ（登録商標）モデル製造機でモデルの製造に使われる材料が、約２１１ｋｇ／ｃｍ（３０００ｐｓｉ）以下の比較的低圧下で連続的なビードとして押し出されるためには、そのメルトフローが押し出し温度において高くなければならない。長繊維注入型押し出し機により堆積された材料の望ましい高メルトフローは、押し出し温度において１．２ｋｇの荷重の下でＡＳＴＭ Ｄ１２３８による測定値で約５グラム／１０分より大きい。メルトフローは、５〜３０グラム／１０分の範囲にあるのが最も好ましい。比較的低いメルトフロー（すなわち、比較的高い粘度）は、米国特許出願第６，０６７，４８０号で開示された装置の場合のように、高圧押し出しに適している。

製作中のモデルを適切に支持するためには、支持用材料Ｂは自身に結合（自己積層）しなければならない。モデルを損傷することなく支持用材料Ｂは、モデル用材料Ａに対して弱く切断しやすい結合を形成しなければならない（共積層）。完成したモデルから支持用材料を分離することができるように、支持構造体を台から積み重ねる場合は、支持用材料Ｂを追加して台に結合させなければならない。

正確な寸法のモデルを造るためには、モデル用材料と支持用材料は造形空間の状態で冷却する時にほとんど収縮を示さないはずである。支持用材料Ｂの収縮は、すべて、モデル用材料Ａの収縮と釣り合わねばならない。複数の材料に収縮率の違いがあると、モデルと支持構造体の継ぎ目に沿って応力や結合欠陥を生じる。アモルファス・ポリマーには、通常、凝固する時に、ＡＳＴＭ射出成形テスト基準による０．０１０インチ／インチ以下の収縮がある。アモルファス・ポリマーの収縮特性は、積層造形の場合には許容できるが、結晶性ポリマーは積層造形の場合には収縮率が高すぎる。材料に充填材を加えて収縮率を下げることができる。結晶性の添加剤は、材料がアモルファス・ポリマーの収縮特性と同じ程度の収縮特性を維持し続ける程度まで添加量を十分少なくするのであれば、本発明の材料に添加することができる。

完成したモデルの用途により特定のモデル材料Ａを選択することができる。支持用材料Ｂは、形成中のモデルを支持するために、固体の状態で十分な機械的強度を持たねばならない。支持用材料Ｂは、モデル用材料Ａの力に抵抗できねばならず、そうでないとモデルはカール状に曲がったり、変形したりする。これは望ましくない現象である。引っ張り強度は、通常、２１１ｋｇ／ｃｍ（３０００ｐｓｉ）〜８４４ｋｇ／ｃｍ（１２，０００ｐｓｉ）の範囲にあるのが望ましい。

モデル用材料Ａと支持用材料Ｂは、長繊維または棒状で供給される場合、輸送時に破損しないように十分な強度を必要とする。長繊維で供給される場合は、これらの材料は破損することなく長繊維を形成し、リールに巻き取られ、リールからほどかれ、押し出し装置を通して供給されるように強度および柔軟性を持たねばならない。同じく、長繊維として供給される材料は、押し出し装置を通して供給される間に圧縮力により変形されないほど十分な剛さを持たねばならない。

熱的特性については、モデル用材料Ａおよび支持用材料Ｂは、類似した熱たわみ特性を持っているので、両材料は同じ組み立てチェンバーにうまく押し出される。米国特許出願第５，８６６，０５８号で教示されているように、熱可塑性またはその他の熱的に凝固可能なモデル材料の凝固温度よりも高い温度に加熱されたチェンバーにおいてモデルを造り、次いで、徐々に冷却してこの材料から応力を除去する。応力は、モデルが造られている間にモデルを焼きなまして除去されるので、仕上げられたモデルは応力はなく、変形は非常に少ない。‘０５８特許でさらに詳しく教示されているように、モデル用材料のガラス転移温度（Ｔ_ｇ）は組み立てチェンバーの温度よりも高いので、このモデルは垂れ下がるほど弱くならない。組み立てチェンバーの好適な温度は、したがって、モデル用材料Ａの凝固温度とその材料のクリープ緩和温度（クリープ緩和温度は応力緩和係数がその低温限界から１／１０に低下する点として規定されている）との間の範囲にある。同様に、支持用材料Ｂのガラス転移温度は、組み立てチェンバーの温度よりも高いので、支持構造体は変形せず且つその構造体が支持するモデルの構造的正確さを維持する。支持用材料Ｂのガラス転移温度（または熱変形温度）がモデル用材料Ａのそれの約２０℃以内、好適には１５℃にあるべきであることが実験により発見された。これらの材料へ充填材を添加すると、材料のガラス転移温度を上げる効果がある。実際には、ガラス転移温度は、熱変形温度により示される。本明細書で開示された代表的な材料の熱変形温度は、その材料のＤＭＡ軟化点により測定される。

モデル用材料Ａまたは支持用材料Ｂとして、またはこの種の材料を処方する場合に使用する代表的なポリマーには、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレン、ポリカーボネート、高衝撃性ポリスチレン、ポリスルホン、ポリスチレン、アクリル系ポリマー、アモルファス・ポリアミド、ポリエステル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫおよびＡＢＳがある。特定の材料処方の選択は、堆積によるモデル製造プロセスにより要求された種々の物理的、熱的およびレオロジー的特性に基づいてなされる。支持用材料は、さらに、モデル用材料との結合の強度に基づいて選択される。

材料のテスト
以下は、非常に高温のモデル製造環境（すなわち、組み立てチェンバーの温度が２００℃以上）において支持用材料として使用するためにテストされた材料処方の例である。これらの材料処方は、ポリフェニルスルホン・モデル用材料について支持用材料としてテストされた。具体的には、各々の場合、ポリフェニルスルホン・モデル用材料は、Ｒａｄｅｌ（登録商標）Ｒ ５６００ ＮＴ（ＢＰ Ａｍｏｃｏから入手できる）である。このポリフェニルスルホン樹脂の熱変形温度は２３６℃、１．２ｋｇの荷重下の４００℃におけるメルトフローは２０〜３０グラム／１０分の範囲にある。実施例３は本発明を具体的な形で例示しているが、実施例１および２は比較例である。

テストした材料は、すべて、上記のレオロジー基準を満たしている。各々の場合、ポリマー化学における一般的な方法を用いて成分材料を調合した。代表的な材料は、非常に小さな直径（１．７７８ｍｍ（０．０７０インチ）のオーダーの）のモデル用長繊維として良好に形成され、水分含有量は７００ｐｐｍ未満に乾燥され、長繊維供給型の積層モデル製造機で使われた。これらの実施例の材料は、係属中の米国特許出願第０９／８０４，４０１号（２００１年２月２７日に出願された）および第１０／０１８，６７３号（２００１年１２月１３日に出願された）で開示された型の長繊維供給型の堆積モデル製造機を用いてテストされた。

実施例１
種々のサイズのモデルが、ポリフェニルスルホン・モデル用材料および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を含む支持用材料を用いて、約２００〜２２５℃の温度を有する組み立てチェンバーで造られた。場合によっては支持用材料には、さらに、ポリスルホンが含まれている。種々の材料の成分は、ポリフェニルスルホンが約６０〜９０重量％、アモルファス・ポリアミド・ブレンドが約１０〜４０重量％の範囲にあるか、またはポリフェニルスルホンが約６０〜９０重量％、ポリスルホンが約１〜４０重量％およびアモルファス・ポリアミド・ブレンドが約１０〜４０重量％の範囲にある。テストされた特定の代表的な樹脂は、Ｒａｄｅｌ（登録商標）Ｒ ５６００ ＮＴポリフェニルスルホン（ＢＰ Ａｍｏｃｏから入手できる）５０重量％、Ｕｄｅｌ（登録商標）Ｐ １７１０ ＮＴ １５ポリフェニルスルホン（ＢＰ Ａｍｏｃｏから入手できる）２５重量％およびＥＭＳ ＴＲ ７０アモルファス・ポリアミド（スイスのＥＭＳ−Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧから入手できる）２５重量％のブレンドである。この樹脂の熱変形温度は２２４℃、メルトフローはモデル用材料のメルトフローと同等である。支持用材料は約３５０℃の温度を有する液化装置から押し出され、ポリフェニルスルホン樹脂を用いて造られたモデルの支持構造体を形成した。

この実施例の支持用材料は、製造に要した時間が約２０時間未満のモデルについては満足できたが、製造に要した時間がもっと長いモデルの場合は不適切であった。支持用材料は、組み立てチェンバーに入れて２０時間ほど経過すると熱的に不安定になることが判明した。熱的に不安定なことは、材料が次第に黒ずみ、モデルに強く付着することから証明された。大型の部品や複雑な部品を造るようにするためには、２００時間程度の製造時間に耐えられる材料が望ましい。したがって、この実施例の支持用材料は小さな部品を支持する場合は満足できることが判明したが、より一般的な高温で使う場合は適切ではない。

実施例２
テストモデルは、モデル用材料にポリフェニルスルホンを、支持用材料にはポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンまたはポリエーテルイミド（すなわち、Ｕｌｔｅｍ（商標））などの種々の樹脂を用いて、約２００〜２２５℃の温度の組み立てチェンバーで造られた。これらの材料は、熱安定性は優れていたが、モデルから剥離することができなかった。ポリフェニルスルホンを含む支持用材料はモデルに非常に強く付着した。ポリエーテルイミドを含む支持用材料は、モデルにかなり強く付着し、ポリエーテルスルホンを含む支持用材料は、このモデルへの付着が最も弱かったが、適切な使用という点からは強すぎるほど付着した。

実施例３
ポリフェニルスルホン製の大小のモデルが、ポリエーテルスルホン基本ポリマーとシリコーン離型剤とを含む支持用材料を用いて約２００〜２２５℃の組み立てチェンバーで造られた。便宜上、基本ポリマーと調合されたシリコーンを含む「マスターバッチ」を得るために商業的に利用できるコンパウンドを用いた。ポリプロピレン、直鎖状低密度ポリエチレン、および高衝撃性ポリスチレンを含む種々のマスターバッチをテストした。さらに、粘度が６０，０００センチストークス（中程度の粘度）から５千万センチストークス（非常に高粘度）の範囲にある種々のシリコーンをテストした。非常に高粘度のシリコーンの分子量は高く、低粘度のシリコーンの分子量は低い。

高粘度のシリコーンよりは中間粘度のシリコーンの方が優れた離型剤であり、高衝撃性ポリスチレン・マスターバッチの方が、テストされたその他のマスターバッチよりもポリフェニルスルホン・モデル用材料から簡単に離れることが判明した。好適な実施態様では、このマスターバッチには、約７５重量％の高衝撃性ポリスチレン・コポリマーおよび約２５重量％の６０，０００センチストーク（ｃＳｔ）の粘度のシリコーンが含まれていた。この実施態様では、支持用材料には、約９０〜９５重量％のポリエーテルスルホン、約３〜８重量％の高衝撃性ポリスチレン、および約１〜３重量％のシリコーンが含まれていた。この組成物は、ＢＡＳＦのＵｌｔｒａｓｏｎ Ｅ−１０１０ポリエーテルスルホンおよびＤｏｗ−ＣｏｒｎｉｎｇのＭＢ２５−５０４のヒドロキシ末端ポリジメチルシロキサン（すなわち、ヒドロキシ末端シリコーン）含有スチレンーブタジエン・コポリマーを用いて実証された。この材料は、約４２０℃の温度を有する液化装置から押し出され、ポリフェニルスルホン樹脂を用いて造られたモデルの支持構造体を良好に形成することができた。この支持構造体は、組み立て後のモデルから簡単に剥離した。

この実施例の支持用材料は、引っ張り強度が３５２ｋｇ／ｃｍ（５０００ｐｓｉ）〜８４４ｋｇ／ｃｍ（１２，０００ｐｓｉ）の範囲にあり、アモルファス・ポリマー特有の収縮率を呈し、メルトフローは４５０℃までの温度において１．２ｋｇの荷重の下で約５〜３０グラム／１０分の範囲にあり、そして熱変形温度は約２３２℃であった。

結果に関する考察
基本ポリマーに少量のシリコーンを添加すると、基本ポリマーとモデル用材料との間の結合を弱め、そのポリマーを用いてそのモデルから剥離されうる支持構造体を形成できることが実証された。中間の粘度のシリコーン（約１０^４〜１０^５センチストークス）は剥離特性が優れているが、本発明では種々のシリコーンを有利に使用することができる。

シリコーン離型剤は、２２５℃で２００時間以上耐熱性を示したので、本発明は高温熱可塑性プラスチックから造られるモデルを非常に高い温度環境下で支持する場合に特に有用である。

本発明の組成物はポリエーテルスルホン基本ポリマーを用いて実証されたが、支持構造体のそのモデルへの付着を同様に弱めるために、シリコーン離型剤はその他の種々の基本ポリマーに加えることができる。基本ポリマーは、堆積によるモデル製造プロセスにより要求された種々の物理的、熱的およびレオロジー特性に基づいて選択される。高温プロセスの場合、ポリフェニルスルホンやポリエーテルイミド基本ポリマーにシリコーンを添加すると、優れた熱安定性を示す。種々の製造環境において使用が可能であると考えられるその他の基本ポリマーには、ポリフェニレン、ポリカーボネート、高衝撃性ポリスチレン、ポリスルホン、ポリスチレン、アクリル系樹脂、アモルファス・ポリアミド、ポリエステル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫおよびＡＢＳがある。基本ポリマーとモデル用材料との間の付着力が比較的高い場合は、シリコーンを比較的多量に加えることができる。適切な量のシリコーンは、製造中モデルを支持するのに十分な付着力があれば、支持構造体とモデルとの間の結合を弱めることがあっても壊すことはない。添加するシリコーンの量は最大約１０重量％が望ましいとされる場合もあると思われる。

本発明を実証するために高衝撃性ポリスチレン・コポリマーが使われたが、この種のコポリマーは、本発明の組成物に含まれるコポリマーの一例にすぎない。シリコーンを基本ポリマーと調合する際、便宜上、高衝撃性ポリスチレン・マスターバッチを使った。種々のマスターバッチを使用してもよく（例えば、支持用材料の基本ポリマーを用いて作られたマスターバッチ）、マスターバッチを必要としないその他の調合方法を使用してもよく（例えば、液体シリコーンは基本ポリマーに直接加えられる）、また、所定の用途の加工上の要求を満たすために熱可塑性プラスチック組成物にその他の種々のコポリマーを種々な量にて含ませてもよいことは、当業者であればわかることである。

シリコーンを含む熱可塑性材料の予想外の利点は、この材料が押し出しヘッド液化装置のノズルにおける材料の堆積を防止することである。意図したものではないが、材料のこの特質は非常に望ましい。通常、押し出しを基本にした積層によるモデル製造機の液化装置は、ノズルに容認できないほどの材料が堆積するために、約３２ｋｇ（７ポンド）押し出しただけで交換しなければならない。シリコーン含有材料の詰まりに対する抵抗力は、当該分野で今まで知られていたどの材料よりも優れていることが認められた。シリコーン含有熱可塑性材料の押し出しに用いた液化装置のノズルは、交換が必要になる前に１８ｋｇ（４０ポンド）以上の材料を押し出した。したがって、ノズルの寿命は４００％以上延びたことになる。したがって、シリコーンはモデル用材料並びに支持用材料について熱可塑性プラスチックに望ましい特性を与えることが実証された。

ノズルの詰まりに対する抵抗力は、０．７５重量％という少量のシリコーンを含む組成物について実証された。したがって、モデル用材料の場合、材料中のシリコーンの量は約０．５〜２重量％という少量に保持してモデル用材料の強度を損なうことなく液化装置の寿命を延ばすことができる。当業者により認められるように、離型剤としての能力が低い比較的高粘度のシリコーンは、モデル用材料への添加剤として有効である。さらに、当業者により認められるように、シリコーンはモデル用材料と支持用材料の両方に含まれ、支持用材料中のシリコーンの量は少ない方が好ましい。

また、当業者により認められるように、モデル用材料Ａおよび支持用材料Ｂには、不活性および／または活性な充填材が含まれる。充填材は、得られるモデルの用途によっては望ましい材料特性を向上させることができる。例えば、充填材は、無線周波数遮蔽特性、伝導度、または放射線不透過特性（一部の医療の用途で役立つ）を与えることができる。一方、充填材は材料特性を低下させる場合があるが、一部の用途では容認できる。例えば、安価な充填材をモデル用材料Ａまたは支持用材料Ｂに添加できれば、これらの材料のコストを下げることができる。充填材は材料の熱的特性を変えることもできる。例えば、充填材は、材料の耐熱性を向上させたり、硬化時に材料の収縮を少なくすることができる。代表的な充填材には、ガラス繊維、炭素繊維、ガラス微小球、炭酸カルシウム、マイカ、タルク、シリカ、アルミナ、炭化珪素、ケイ灰石、黒鉛、金属および塩類がある。

支持構造体の剥離を助長する充填材は、本発明の組成物においても使用することができる。例えば、水や別の溶媒に接触すると膨潤する充填材は、支持構造体を壊す時に役立つ傾向がある。水や別の溶媒に接触するとガスを発生する充填材は、同様に、支持構造体を壊す時に役立つ傾向がある。

当業者は、無数にあるその他の添加剤も特定の用途の場合、材料特性を望ましいように変えることができることを認めるであろう。例えば、可塑剤を添加すると、熱可塑性材料の耐熱性とメルトフローとを下げる。染料や顔料を添加すると色が変わる。酸化防止剤を添加すると、押し出し機における材料の熱劣化を遅くすることができる。

前述の実施例のモデル用材料Ａおよび支持用材料Ｂは、モデル用原料として使用するために長繊維、棒、ペレットまたはその他の形に成形することができ、または予め凝固させずに液体原料として使用することができる。一方、混合物は凝固させ、次いで、粒状化する。

本明細書では、材料は「モデル用」材料または「支持用」材料と呼ばれているが、これらの材料はいわゆる「支持用」材料を用いてモデルを形成し、一方いわゆる「モデル用」材料を用いてそのモデルの支持構造体を形成できるように相互交換できることを指摘する必要がある。しかし、所定の製造プロセスでは、モデルの形成に使われた材料はその支持構造体を形成するのに使われた材料の特性よりも優れた特性を持っているのが望ましい（例えば、強度や靭性が高い）。

代表的な実施態様を参照しながら本発明について説明してきたが、本発明はこれらの実施態様の細部に限定されず、次の特許請求の範囲により規定されることを理解すべきである。

図１は、層状押し出し方法を用いて形成されたモデルおよびモデルの支持構造体の概略図である。

Claims (26)

1. ３次元モデルを造る累積的処理方法であって、
   約０．５〜１０重量％のシリコーンを含む熱可塑性組成物の層を堆積する工程を含む前記方法。
2. 請求項１の方法であって、前記熱可塑性組成物に約２重量％未満のシリコーンが含まれ、前記熱可塑性組成物が前記モデルを形成する、方法。
3. 請求項１の方法であって、前記熱可塑性組成物に約１重量％を超えたシリコーンが含まれ、前記熱可塑性組成物が前記モデルの支持構造体を形成する、方法。
4. 請求項１の方法であって、前記熱可塑性組成物に、さらに、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレン、ポリカーボネート、高衝撃性ポリスチレン、ポリスルホン、ポリスチレン、アクリル系樹脂、アモルファス・ポリアミド、ポリエステル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫおよびＡＢＳからなる群から選択された基本ポリマーが含まれている、方法。
5. 請求項１の方法であって、前記熱可塑性組成物の熱変形温度が約２２０℃を超えている、方法。
6. 請求項５の方法であって、前記熱可塑性組成物のメルトフローが４５０℃以下の温度、１．２ｋｇの荷重の下で約５〜３０グラム／１０分の範囲にあり、引っ張り強度が約３５２ｋｇ／ｃｍ（５，０００ｐｓｉ）〜８４４ｋｇ／ｃｍ（１２，０００ｐｓｉ）の範囲にある、方法。
7. 請求項６の方法であって、前記熱可塑性組成物に、さらに、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンおよびポリエーテルイミドからなる群から選択された基本ポリマーが含まれている、方法。
8. 請求項１の方法であって、前記シリコーンの粘度が約１０^４〜１０^５センチストークスのオーダーにある、方法。
9. 請求項１の方法であって、前記シリコーンがヒドロキシ末端ポリシロキサンである、方法。
10. 請求項１の方法であって、前記熱可塑性組成物の熱変形温度が約４０℃を超え、メルトフローが４５０℃以下の温度、１．２ｋｇの荷重の下で約５〜３０グラム／１０分の範囲にあり、引っ張り強度が約２１１ｋｇ／ｃｍ（３，０００ｐｓｉ）〜８４４ｋｇ／ｃｍ（１２，０００ｐｓｉ）の範囲にある、方法。
11. 請求項１の方法であって、前記熱可塑性組成物が、約１８０℃〜２５０℃範囲の温度を有する組み立てチェンバーに堆積される、方法。
12. ３次元モデルおよび前記モデルの支持構造体を造る累積的処理方法であって、前記モデルが凝固可能なモデル用材料の積層により形成され、前記支持構造体が凝固可能な支持用材料の積層により形成され、前記支持用材料が約１〜１０重量％のシリコーン離型剤を含む、方法。
13. 請求項１２の方法であって、前記支持用材料に、さらに、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレン、ポリカーボネート、高衝撃性ポリスチレン、ポリスルホン、ポリスチレン、アクリル系樹脂、アモルファス・ポリアミド、ポリエステル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫおよびＡＢＳからなる群から選択された基本ポリマーが含まれている、方法。
14. 請求項１３の方法であって、前記基本ポリマーがポリエーテルスルホンであり、前記支持用材料に、さらに、高衝撃性ポリスチレンが含まれている、方法。
15. 請求項１４の方法であって、前記モデル用材料に主成分としてポリフェニルスルホン樹脂が含まれている、方法。
16. 請求項１２の方法であって、前記支持用材料に、さらに、ポリエーテルスルホン基本ポリマーが含まれている、方法。
17. 請求項１６の方法であって、前記支持用材料に、さらに、高衝撃性ポリスチレンが含まれ、前記モデル用材料に、主成分としてポリフェニルスルホン樹脂が含まれている、方法。
18. 積層により３次元モデルを造る場合に使用する熱可塑性組成物であって、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレン、ポリカーボネート、高衝撃性ポリスチレン、ポリスルホン、ポリスチレン、アクリル系樹脂、アモルファス・ポリアミド、ポリエステル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫおよびＡＢＳからなる群から選択された基本ポリマー、および約０．５〜１０重量％のシリコーンを含み、且つ熱変形温度が約４０℃を超え、メルトフローが４５０℃以下の温度、１．２ｋｇの荷重の下で約５〜３０グラム／１０分の範囲にあり、引っ張り強度が約２１１ｋｇ／ｃｍ（３，０００ｐｓｉ）〜８４４ｋｇ／ｃｍ（１２，０００ｐｓｉ）の範囲にある、組成物。
19. 請求項１８の熱可塑性組成物であって、前記基本ポリマーがポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンおよびポリエーテルイミドからなる群から選択され、前記熱変形温度が約２２０℃を超えている、組成物。
20. 請求項１９の熱可塑性組成物であって、前記組成物が約２２５℃以下の温度において少なくとも２００時間以上にわたり熱的安定性を示す、組成物。
21. 請求項１８の熱可塑性組成物であって、前記シリコーンがヒドロキシ末端ポリシロキサンである、組成物。
22. 請求項１８の熱可塑性組成物であって、前記組成物中の前記基本ポリマーの重量パーセントは、約６０〜約９９％の範囲である、組成物。
23. 請求項２２の熱可塑性組成物であって、前記熱可塑性組成物に、さらに、約３〜１５重量％の高衝撃性ポリスチレンが含まれている、組成物。
24. 請求項２３の熱可塑性組成物であって、前記基本ポリマーがポリエーテルスルホンである、組成物。
25. 請求項２４の熱可塑性組成物であって、前記組成物中のポリエーテルスルホンの重量パーセントは約９０〜９５％、前記組成物中の高衝撃性ポリスチレンの重量パーセントは約３〜８％、および前記組成物中のシリコーン離型剤の重量パーセントは約１〜３％の範囲である、組成物。
26. 請求項１８の熱可塑性組成物であって、長繊維の形をしている、組成物。

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