JP2011518694A - Cw/uvled硬化を用いる選択的積層成形 - Google Patents
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Abstract
Description
用語「連続波」は「CW」と略記され、連続光を発する光源をパルス光を発する光源と弁別するために光学で用いられる。
本発明のいくつかの実施形態において光硬化性材料を計量分配するSDM装置の造形環境においてはほぼ40℃のような低い温度を維持することが望ましいことがわかった。これは様々な関連する理由があり、その中で最も重要な理由は、材料が計量分配される前の流動可能状態にあるときの硬化プロセスの熱開始が防止されることである。硬化プロセスの熱開始は、計量分配装置を詰まらせて装置を機能不全にするから、回避されるべきである。さらにまた、SDM装置内をより低い温度に維持することは、重合硬化プロセスでは造形されている3次元物体からかなりの量の発熱が生じ得るから、重要である。この熱は、前の層の固化後に材料内に既に存在する熱に加えて、引き続いて計量分配される層が計量分配された後で固化することができ、流動可能な状態にとどまって物体から流れ落ちることはないであろうように、最小限に抑えるかまたは取り除かなければならない。以下でわかるように、本発明のCW/UV硬化システムはIR光の発生を回避することで熱の悪影響を軽減する。
米国オレゴン州ウイルソンビル(Wilsonville)のゼロックス社(Xerox Corporation)から入手できるZ850プリントヘッドのような、計量分配デバイスによって計量分配するための、多くの光硬化性相変化配合物が開発されている。造形材料配合物の4つの例の組成を、重量%で、下の表1に与える。
図1は、本発明のCW/UV硬化システム36(すなわちCW/UV光源)の実施形態例を示す、SDM装置10の略図である。造形環境12内において支持構造体46上に3次元物体44を造形しているSDM装置10が示されている。物体44及び支持構造体46は、図1では一般にエアシリンダーまたは液圧シリンダーを含むが、別の実施形態では造形台を上下させるいずれかの作動デバイスを含めることができる、いずれかの従来の作動デバイス16によって垂直方向に精密に位置決めすることができる、造形台14上に層毎態様で造形される。図2は「犬の骨」タイプの物体44及びX-Y-Z直交座標系で示されるような造形台自由度を示す、造形台14の拡大斜視図である。
図3は、本発明のCW/UV硬化システム36の一実施形態を組み込んでいる、SDM装置10の別の実施形態例を示す。全体として参照数字54で簡略に示される材料給廃システムを備える、SDM装置10が示される。図1に示されるSDM装置10とは対照的に、図3のSDM装置では、計量分配トロリー20の代わりに、造形台14が通常の駆動装置26によって往復駆動される。計量分配トロリーは物体の層の厚さを制御するため、作動デバイス16によって垂直方向に精密に移動させられる。図3の実施形態において、作動デバイス16はサーボモーターで駆動される精密親ねじリニアアクチュエータを有する。リニアアクチュエータ16の末端は造形環境12の対向する辺上にあり、造形台の往復方向に垂直な方向にある。しかし、図3では図示を容易にするため、リニアアクチュエータが造形台14の往復方向に合わせられているような見かけを与える2次元的に平らな態様で示されている。リニアアクチュエータを往復方向に合わせることはできるが、いくつかの実施形態では装置内の空間の最適使用のため、直交方向に配置されるであろう。
図4A及び4Bは本発明のCW/UV硬化システム36の一実施形態例の簡略な平面図及び側面図である。CW/UV硬化システム36は計量分配された造形材料を硬化させるためにそれぞれの計量分配層28に対して1つ以上の連続(すなわち非断続)露光を生成する。UVLED38は露光間で消灯されるが、それぞれの層は単一露光において連続照射されるから、露光間の消灯は光源の「パルス動作」を意味しない。パルス光源は一般に比較的高い周波数(例えば、120Hz)で動作するが、CW/UV硬化システム36を用いる連続露光の長さは少なくとも1秒ないしさらに長いオーダーである。
粘度が高くなるほど強い酸素阻害がおこる点において粘度は酸素阻害と密に関係するが、相は変化するべきではない。酸素阻害に対する理想的な方法は、酸素のない窒素または二酸化炭素のような、不活性ガス環境において硬化を実施することである。しかし、これはSDM装置の複雑性を高める。酸素阻害に対する別の方法は、上述したパルス動作キセノンランプ手法でなされるような、高強度短時間硬化光を与えることである。パルス動作手法において、パルス幅は、硬化中のフリーラジカルの酸素分子との結合を防止するため、酸素の拡散時間より短くすべきである。
CW/UV硬化システム36を、キセノンランプアセンブリの代わりにシステムに実装することで、3-Dモデラーで試験した。CW/UV硬化システム36及び従来のキセノンランプで硬化させたサンプルの機械的特性を比較する実験を行った、
UVLEDアレイ100を3-Dモデラーに組み込んだ後、通常のSDM法及びプロセスにしたがってサンプル(すなわち試験物体44)を造形した。サンプルの形状及び寸法は、図2の物体44に示されるような、「犬の骨」と呼ばれる、ASTM(アメリカ材料試験協会)規定に基づいて作成されたCADウインドウ内にあった。
次に図13を参照すれば、図3に簡略に示されたSDM装置が参照数字10で示される。造形環境にアクセスするため、装置の前面にスライドドア82が設けられる。ドア82は装置内で回転して環境内に脱け落ちることはできない。装置は、ドア82が開いている間は動作しないかまたは電源が入らないであろうように構成される。さらに、装置が動作している間は、ドアは開かないであろう。材料供給ドア84が設けられ、よって、硬化性相変化材料及び非硬化性相変化材料をそれぞれの供給マガジン(図示せず)に入れて、一方のドア84を通して硬化性相変化材料を装置に挿入し、他方のドア84を通して非硬化性相変化材料を装置に挿入することができる。排出された廃材を装置から取り出すことができるように、廃材引出86が装置10の底部に設けられる。先に論じた外部コンピュータと通信していて、外部コンピュータからのプリントコマンドデータの受領をトラッキングする、ユーザインターフェース88が設けられる。
12 造形環境
14 造形台
16 作動デバイス
20 計量分配トロリー
24 計量分配デバイス
32 プレナライザ
36 CW/UV硬化システム
37 電源
38 UV発光ダイオード(LED)
44 3次元物体
46 支持構造体
Claims (25)
- 造形環境内で3次元物体を層毎態様で形成する方法において、前記方法が、
前記物体の少なくとも1つの層に対応するコンピュータデータを生成する工程、
前記物体の前記少なくとも1つの層を形成するために、前記コンピュータデータにしたがい、前記造形環境内で硬化性材料を計量分配する工程、
前記造形環境内で前記計量分配された材料を造形台上に支持する工程、及び
前記計量分配された材料を硬化させるために光源からの紫外(UV)光の露光を前記少なくとも1つの層の前記計量分配された材料にかける工程、
を含み、
前記光源が赤外(IR)光を実質的に含まない光を発生する、
ことを特徴とする方法。 - 前記光源が1つ以上のUV発光ダイオード(LED)を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記1つ以上のUVLEDがアレイに配列された複数のUVLEDを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記露光が少なくとも1秒の時間長を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記光源からの照射量が約10mW/cm2から約100mW/cm2の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記光源が200nmと410nmの間の中心波長を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記計量分配された材料が前記光源の帯域と少なくともある程度重なる吸収帯域幅を有するように、選ばれた量の光重合開始剤を前記計量分配される材料に与える工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 最上層及び前記最上層の下の少なくとも1つの付加層を含む多重層を形成する工程を含み、前記最上層及び前記少なくとも1つの付加層を硬化させるに十分な量で前記最上層の下の前記少なくとも1つの付加層に前記光源からの光が到達するように、前記計量分配される材料の吸収帯域幅が選ばれることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 1つの層を形成する工程と前記1つの層に隣接する層を形成する工程の間は前記光源を消灯させる工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 順次層をなして堆積されたUV硬化性材料を硬化させるための連続波(CW)紫外(UV)硬化システムにおいて、
CW/UV光を発する1つ以上のUVLED、及び
前記堆積された層に露光を与えるため、前記1つ以上のLEDに電力を供給するように及び前記1つ以上のLEDの動作を制御するように構成された電源、
を備えることを特徴とするCW/UV硬化システム。 - 前記1つ以上のUVLEDがアレイに配列された複数のLEDを含むことを特徴とする請求項10に記載のCW/UV硬化システム。
- 前記1つ以上のLEDが、少なくとも1つのLEDを有する2つ以上のモジュールに接続された2つ以上のLEDを含むことを特徴とする請求項10に記載のCW/UV硬化システム。
- 前記1つ以上のUVLEDによって放射されるCW/UV光を間接的に測定する少なくとも1つのパワー検出器をさらに備えることを特徴とする請求項10に記載のCW/UV硬化システム。
- 前記電源が、単一の堆積層に単露光を与えるため、前記1つ以上のLEDに電力を供給するように及び前記1つ以上のLEDの動作を制御するように構成されることを特徴とする請求項10に記載のCW/UV硬化システム。
- 前記UVLEDがCW/UV光ビームを発生し、隣接光ビームが前記最上層において重なることを特徴とする請求項14に記載のCW/UV硬化システム。
- 前記UVLEDがある発光帯域幅をもつUV発光スペクトルを有し、前記UV硬化性材料がある吸収帯域幅を有し、最上層及び前記最上層の下の少なくとも1つの付加層を含む多重層をなして堆積され、前記発光帯域幅と前記吸収帯域幅が、前記UV硬化性材料を硬化させるに十分な量の前記UVLEDからの光が前記最上層及び前記少なくとも1つの付加層を通過するように、少なくともある程度重なることを特徴とする請求項10に記載のCW/UV硬化システム。
- 造形環境内で硬化性材料から3次元物体を形成するための選択的積層成形(SDM)装置において、前記装置が前記3次元物体の層に対応するコンピュータデータを受け取り、前記装置が、
前記造形環境内で前記3次元物体を支持するように構成された造形台、
前記造形台に対向して配置され、前記3次元物体の前記層を形成するために前記コンピュータデータにしたがい前記造形環境内で前記硬化性材料を計量分配するように構成された計量分配デバイス、及び
前記造形台に対向して配置され、前記計量分配された材料の硬化を開始させるUV光で前記層を照射するように構成された連続波(CW)紫外(UV)光源、
を備え、
前記CW/UV光源が赤外(IR)光を実質的に発生しない、
ことを特徴とするSDM装置。 - 前記光源が200nmと410nmの間の中心波長を有することを特徴とする請求項17に記載のSDM装置。
- 前記光源が1つ以上のUV発光ダイオード(LED)を有することを特徴とする請求項18に記載のSDM装置。
- 前記1つ以上のUVLEDがアレイに配列された複数のUVLEDを含むことを特徴とする請求項19に記載のSDM装置。
- 前記層が1層あたり少なくとも1秒の時間長の間照射されることを特徴とする請求項17に記載のSDM装置。
- 前記UV光源からの照射量が約10mW/cm2から約100mW/cm2の範囲にあることを特徴とする請求項17に記載のSDM装置。
- 前記CW/UV光源が少なくとも1つの層に単UV露光をかけることを特徴とする請求項17に記載のSDM装置。
- 前記CW/UV光源が少なくとも1つのLEDを有する2つ以上のモジュールに接続された2つ以上のLEDを含むことを特徴とする請求項17に記載のSDM装置。
- 前記CW/UV光源によって放射されるUV光を間接的に測定する少なくとも1つのパワー検出器をさらに備えることを特徴とする請求項17に記載のSDM装置。
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