JP2018144488A - 刺激応答性の高性能ポリマーを使った積層造形法 - Google Patents
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- B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
- B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
- B29K2105/0005—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing compounding ingredients
- B29K2105/0014—Catalysts
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Abstract
Description
本願は2016年5月13日に出願された「高性能ポリマーを用いた室温での積層造形法に向けて」と題する米国仮出願第62/336,510号の利益を主張するものである。同出願の内容はここに参照によってその全体において組み込まれる。
本発明は、高性能ポリマーの組成物ならびに該組成物を使って三次元物品を作り出すための方法および装置に関する。
特に断わりのない限り、明細書および特許請求の範囲を含む、本願において使用される以下の用語は、以下に与えられる定義をもつ。明細書および添付の特許請求の範囲において使用されるところでは、文脈がそうでないことを明確に示すのでない限り、単数形は、複数を指示することを含むことに注意しておく必要がある。
HPPの不溶性の粒子を結合させ、融合させるためにHPP溶液を使うことに基づく、高性能ポリマー(HPP)の、積層造形法(additive manufacturing)のための方法ならびに三次元プリントを使用する、ポリマーでできた物品を製造するための方法が開示される。開示される方法は、より良好な機械的特性、より良好な熱的特性などを有する三次元物品を迅速にプリントできるという利点をもつ。開示される方法は、前記方法が、回路を作製するための導線などのように、三次元物品を別の物品の周囲に構築することが可能であるという点で、当該技術分野の他の方法よりフレキシブルである。さらに、製造された物品は、Kapton(登録商標)ポリマー、ポリケトンポリマー、およびポリエーテルスルホンポリマーなどの最終ポリマーにマッチする分子構造上の特徴および物理的特性を有する。
三次元の形は、一種または二種以上の材料から作ることができる。ある種の実施形態においては、三次元の形はポリマーを含むことができる。三次元の形を形成するためにいかなる型のポリマーを使用してもよく、ポリマーは、三次元の形が所望の特性を有するように選択されることができる。よって、ポリマーは、ポリイミド、ポリケトン、還元された形態のポリケトン、ポリエーテルスルホンなどでありうる。
ある側面では、三次元の形は、ポリケトン、たとえばポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルエーテルケトン(PEEEK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)、またはポリエーテルケトンケトンケトン(PEKKK)である、最終ポリマーから作られることができる。ポリケトンポリマーがPEEKである場合には、典型的には、以下に示すように、少なくとも一種の芳香族ジヒドロキシ化合物と、少なくとも一種のジハロベンゾイド化合物または少なくとも一種のハロフェノール化合物との、実質的に等モルの混合物を反応させることにより得ることができる。
任意の高性能ポリマー(HPP)の固体の粉末は、溶媒の除去により固体として得ることができる。HPPをさらに処理して、所望の粒径分布または粒子形状を有する粉末を提供することができる。固体HPPの粒径は、機械的デバイス、たとえば、すり鉢とすりこぎ、ミリング、超音波エネルギーの適用を利用することにより、スプレー乾燥により、または制約された通路において高速で流れる液体中で粒子を剪断することにより、減少させることができる。たとえば、固体HPPは、すり鉢を使ってすりつぶされる、ミリングされる、ミクロンサイズの微粉にされる、あるいはナノメートルサイズの微粉にされることができ、所望の平均粒径を有するHPP粉末を提供することができる。よって、固体HPPをミリングして、約5ミクロン〜約250ミクロン、または約10ミクロン〜約100ミクロンなどの平均粒径を有するポリ(アミド酸)粉末を提供することができる。このようにして、HPP粉末は、約5ミクロン〜約25ミクロン、約20ミクロン〜約60ミクロン、約10ミクロン〜約20ミクロン、約20ミクロン〜約30ミクロン、約40ミクロン〜約50ミクロン、または約25ミクロン〜約50ミクロンの平均粒径を有することができる。
HPP組成物は、溶媒に溶解した第一のHPPと、前記溶媒に不溶で初期には固体材料として存在する第二のHPPとを含む。第一のHPPおよび第二のHPPは同じポリマーであることができ、あるいは異なることができ、ポリイミド、ポリケトン、還元された形態のポリケトン、ポリエーテルスルホンまたはそれらの組み合わせでありうる。
三次元オブジェクトは成形(molding)プロセスによって形成(form)されることができる。よって、整形(shaping)および乾燥段階は、好適な形状または断面の空洞においてHPP組成物を鋳造または成形する動作を含むことができる。成形(molding)という用語は、その最も広い意味で解釈されるべきであり、開放的な型〔モールド〕における鋳造、ダイを通じた押し出しおよび押し出し物の切断、射出成形(射出圧縮成形、ガス支援射出成形およびインサート成形など)、吹き込み成形、回転成形、押し出し成形、プレス成形、トランスファー成形など任意の型の構成法をカバーする。
HPP組成物の溶液およびHPPの粉末を、三次元プリントシステムを使用して三次元物品を創出するためのプロセスにおいて使用することができる。HPP組成物は、上記で詳細に述べたように、溶媒に溶解した第一のHPPおよび固体として存在する第二のHPPを含む。こうして得られる混合物は、混合されて、粘性溶液を与える。三次元プリントシステムは、コンピュータ、三次元プリンター、ならびにHPP粉末およびHPP組成物を分注するための手段を有しうる。三次元プリントシステムは、任意的に、ポストプリント処理システムを含みうる。コンピュータは、デスクトップコンピュータ、ポータブルコンピュータ、またはタブレットなどのパーソナルコンピュータでありうる。コンピュータは、スタンドアローンのコンピュータあるいはローカルエリアネットワーク(LAN)または広域ネットワーク(WAN)の一部でありうる。よって、コンピュータは、コンピュータ支援設計(CAD)/コンピュータ援用製造(CAM)プログラムまたはカスタム・ソフトウエア・アプリケーションなどのソフトウエア・アプリケーションを含むことができる。CAD/CAMプログラムは、データ保存エリアに保存されている三次元物品のデジタル表現を操作することができる。ユーザーが、三次元物品を製作したいとき、ユーザーは、保存された表現をソフトウエア・プログラムにエクスポートし、次いで、プログラムにプリントするように指示を与える。プログラムは、三次元プリンターを動作させる該プリンター中の電子回路を制御する指示を送ることにより、各層をプリントする。あるいはまた、物品のデジタル表現は、プリンター・ハードウエアにより、コンピュータ可読媒体(たとえば磁気または光学ディスク)から直接読まれることができる。
上記の方法およびプロセスを使用して得られた三次元物品を硬化して、最終三次元物品を得ることができる。物品の硬化は、物品が構築プレートに取り付けられている間に行なうことができ、あるいは物品の硬化は、まず物品を構築プレートから分離して次いで硬化させることにより行なうことができる。硬化プロセスにおいて、未反応のプレポリマーが最終ポリマーに変換される。よって、たとえば、プレポリマーが、ポリ(アミド酸)である場合には、未反応のポリ(アミド酸)は、硬化プロセスの間にイミド化を介してポリイミドポリマーに変換される。
高分子量BPA-PEEKポリマーの合成
次の構造をもつPEEKポリマーを合成した。
アルケン部位を含むポリマーの合成
次の構造を有するPEEKポリマーを合成した。
エポキシド部位を含むポリマーの合成
スペアミント油中でのエポキシPEEKの光架橋
例2で調製したエポキシPEEK(構造中のnが0の場合のもの)をスペアミント油に溶解して、7重量%のエポキシPEEK溶液を得た。対照実験はエポキシPEEKポリマーが存在していなかった。このエポキシPEEK溶液に、1重量%もしくは8重量%のトリアリールスルホニウム光開始剤、0もしくは1重量%のパラトルエンスルホン酸(PTSA)、0もしくは1重量%のフルオロアンチモン酸六水和物(HSbF6・6H2O)および0もしくは1重量%のトリフルオロ酢酸(TFA)を添加した。溶液の約0.3mLがガラス・スライド上に堆積し、365nmの発光波長をもつ100Wランプを使ってUV光に曝露されるか、UV光に曝露されないかした。材料が硬くなり、ガラス・スライドから取り外されても自立するために必要とされる時間を記録した。データを表1にまとめておく。
テルペン溶媒中でのエポキシPEEKの光架橋
エポキシPEEKポリマーのテルペン溶媒中での光架橋を例4に詳述したように実行した。ただし、溶媒はスペアミント油およびテルペンであった。材料が硬くなり、ガラス・スライドから取り外されても自立するために必要とされる時間を記録した。データを表2にまとめておく。
フェンコン中でのエポキシPEEKの光架橋
エポキシPEEKポリマーの溶媒としてのフェンコン中での光架橋を例4に詳述したように実行した。材料が硬くなり、ガラス・スライドから取り外されても自立するために必要とされる時間を記録した。データを表3にまとめておく。
PEEKポリマーを使ったモデル・プロダクトの用意
例1で調製されたBPA-PEEKポリマーをスペアミント油に溶解して、6重量%ないし8重量%のBPA-PEEK溶液を得た。このBPA-PEEK溶液の2mLに、約20μmの直径をもつ粉末PEEK(1g、Evonicから購入)を加え、混合物を室温で一晩攪拌してペースト(半固体、図2のA)を得た。このペーストを架橋されたポリシロキサンの直方体形(ドッグボーン形)に成形した(3.8mm(T)×5.7mm(W)×28.6mm、図2のB)。成形された形をオーブンに入れ、温度を120°C(100°Cから150°Cの範囲)まで上昇させた。高温への速い加熱による割れを防ぐために、昇温は0.5°C/minの割合とした。3時間加熱した後、PEEK粉末およびBPA-PEEKの混合物において鋳造された直方体のプロダクトを型から取り出した(図2のC)。鋳造されたプロダクトはさらに、3時間にわたって220°Cで乾燥された。残っている溶媒があればそれを除去するためである。乾燥されたプロダクトは高温で次のような二つの方法でベーキングした。第一の方法では、乾燥されたプロダクトを、粉末PEEKの融点(345°C)より下の332°C(温度範囲:345°Cまで)で2ないし3時間にわたってベーキングした。第二の方法では、乾燥されたプロダクトを、粉末PEEKの融点より上の、360°Cより上で短時間(すなわち5分間)ベーキングした。試料は220°Cから365°C(温度範囲:360°Cないし380°C)まで、約7°C/minの割合で加熱され、5分間(試料のサイズに依存して20分まで)365°Cに保持され、室温まで冷まされた(図2のD)。第二の方法によってベーキングされた(360°Cより上でベーキングされた)プロダクトは、試料の歪みや曲がりを最小限にするため、ゆっくりと(少なくとも1時間かけて)150°Cまで冷まされるべきである。長方形の下側が完全に融解せず、試料が曲がった場合には、試料は上下逆さまにされて、さらに5分間365°Cでベーキングされた。365°Cでのベーキング後、試料の寸法は2.9mm×5.0mm×22.4mmに縮小した。
シリンジ・プリントによる3D PEEKプロダクトの用意
例1で調製されたBPA-PEEKポリマーをスペアミント油に溶解して、6重量%のBPA-PEEK溶液を得た。このBPA-PEEK溶液の7.6mLに、約20μmの直径をもつ粉末PEEK(2.5g、Evonicから購入)を加え、混合物を室温で一晩攪拌して粉末PEEKとBPA-PEEK溶液の粘性混合物を得た。
種々の粒径を使った3D PEEKプロダクトの用意
例1で調製された、大きな分子量(Mw=121kDa)をもつBPA-PEEKポリマーをスペアミント油に溶解して、8重量%のBPA-PEEK溶液を得た。このBPA-PEEK溶液の2mLに、約20μmまたは約50μmの直径をもつ粉末PEEK(2.5g、Evonicから購入)を加え、混合物を室温で一晩攪拌してペーストを得た。例4で述べたように、ペーストは長方形に成形した。成形された形を型から取り外し、オーブンに入れ、温度を約0.5°C/minの割合で120°C(100°Cから150°Cまでの範囲)まで上昇させた。3時間加熱したのち、鋳造されたプロダクトをさらに220〜230°Cで乾燥させて、残っている可能性のある溶媒を除去した。乾燥したプロダクトを、粉末PEEKの融点より上の370〜385°Cで短時間(すなわち5〜20min)ベーキングして、次いで150°Cまで、試料の歪みや曲がりを最小限にするためにゆっくりと、冷ました。
フェンコン中でのエポキシPEEKの噴射による3D PEEKプロダクトの用意
測定された粘性プロファイルに基づいて、Gen4Lヘッドを使ってエポキシPEEKおよびUV光開始剤の溶液を噴射する初期実験の実行に進んだ。65°Cに設定されたGen4Lヘッド温度では、溶液は顕微鏡スライド上にうまく噴射された。フェンコン溶液を噴射した顕微鏡スライドをUVランプの下に置き、1分未満でゲルに硬化させた。ゲルは、環境室内光への継続する曝露の結果として、固まって、固体になった。フェンコン溶液を用いてプリントするときは、溶媒としてカルボンを使ったときと同じように、溶媒がシリコーンのチューブに浸透する問題を観察したことを注意しておくべきである。だが、カルボン溶液で作業するときに見出された手法はこの場合にも有効である。柔軟性が要求されない場合には、テフロン(登録商標)のチューブを使うことができる。移動プリント・ヘッドに取り付けられるチューブについては、柔軟性が重要であり、よってチューブをシリコーン・グリースで密封するという代替的な解決策(チューブの保護外層を用いて可能)が評価されているところである。
フェンコン中のエポキシPEEKとPEEK粉末の組み合わせによる3D PEEKプロダクトの用意
PEEK粉末をベース上に堆積させ、次いでエポキシPEEKおよび光開始剤のフェンコン溶液を加え、層をUV光源に約1分間曝露した。このプロセスを繰り返して、2層標本を創生した。UV硬化が標本に追加的な安定性を提供することを見出した。結果として得られた3D PEEKプロダクトが図7に示されている。
2 粉末床リザーバ(貯留槽)
4 ヘッド
3 構築プレート
5 ローラー
Claims (20)
- 三次元物品を製造する方法であって:
a.溶媒に溶解した第一のHPPと、固体としての第二のHPPとを含む高性能ポリマー(HPP)組成物を堆積させる段階と;
b.前記HPP組成物を刺激にさらして前記三次元物品のポリマー層を形成する段階と;
c.段階a〜bを繰り返して前記三次元物品の残りを形成する段階とを含む、
方法。 - 前記第一のHPPがポリケトンを含む、請求項1記載の方法。
- 前記ポリケトンが、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルエーテルケトン(PEEEK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)またはポリエーテルケトンケトンケトン(PEKKK)である、請求項2記載の方法。
- 前記第二のHPPが、ポリイミド、ポリケトン、還元された形態のポリケトンまたはポリエーテルスルホンを含み、前記第二のHPPは前記溶媒に可溶でない、請求項1記載の方法。
- 前記溶媒が低い蒸気圧をもち、食品でも安全である、請求項1記載の方法。
- 前記溶媒がスペアミント油、α-テルピネン、リモネン、α-ピネン、フェンコンまたはそれらの組み合わせを含む、請求項5記載の方法。
- 前記刺激が、熱、光、酸化、還元、酸触媒作用、塩基触媒作用、遷移金属触媒作用またはそれらの組み合わせを含む、請求項1記載の方法。
- 硬化させる段階をさらに含み、硬化は化学的硬化または熱的硬化によってなされる、請求項1記載の方法。
- 三次元物品を製造する方法であって:
a.第一のHPPの粉末を構築プレート上に堆積させて粉末床を形成する段階と;
b.前記粉末床上の選択された諸位置において、溶媒に溶解した第二のHPPを含む溶液をプリントする段階と;
c.プリントされた溶液を刺激にさらして、前記三次元物品のポリマー層を形成する段階と;
d.段階a〜cを繰り返して前記三次元物品の残りを製造する段階とを含む、
方法。 - 前記第一のHPPが、ポリイミド、ポリケトン、還元された形態のポリケトンまたはポリエーテルスルホンを含み、前記第一のHPPは前記溶媒に可溶でない、請求項9記載の方法。
- 前記第二のHPPがポリケトンを含む、請求項9記載の方法。
- 前記ポリケトンが、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルエーテルケトン(PEEEK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)またはポリエーテルケトンケトンケトン(PEKKK)である、請求項11記載の方法。
- 前記溶媒が低い蒸気圧をもち、食品でも安全である、請求項9記載の方法。
- 前記溶媒がスペアミント油、α-テルピネン、リモネン、α-ピネン、フェンコンまたはそれらの組み合わせを含む、請求項13記載の方法。
- 前記刺激が、熱、光、酸化、還元、酸触媒作用、塩基触媒作用、遷移金属触媒作用またはそれらの組み合わせを含む、請求項9記載の方法。
- 硬化させる段階をさらに含み、硬化は化学的硬化または熱的硬化によってなされる、請求項9記載の方法。
- プロセスによって作られる三次元物品であって、前記プロセスは:
a.溶媒に溶解した第一のHPPと、固体としての第二のHPPとを含む高性能ポリマー(HPP)組成物をプリントする段階と;
b.前記HPP組成物を刺激にさらして、前記三次元物品のポリマー層を形成する段階と;
c.段階a〜bを繰り返して前記三次元物品の残りを形成する段階と;
d.前記物品を約1分未満にわたって硬化させる段階とを含む、
三次元物品。 - 前記第一のHPPがポリケトンを含み、前記ポリケトンが、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルエーテルケトン(PEEEK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)またはポリエーテルケトンケトンケトン(PEKKK)であり、前記第二のHPPが、ポリイミド、ポリケトン、還元された形態のポリケトンまたはポリエーテルスルホンを含み、前記第二のHPPは前記溶媒に可溶でない、請求項17記載の三次元物品。
- 前記溶媒がスペアミント油、α-テルピネン、リモネン、α-ピネン、フェンコンおよびそれらの組み合わせを含む、請求項17記載の三次元物品。
- 前記刺激が、熱、光、酸化、還元、酸触媒作用、塩基触媒作用、遷移金属触媒作用またはそれらの組み合わせを含む、請求項17記載の三次元物品。
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