JP2019064276A - シェル物体の立体自由形状製作 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2010年4月25日に出願した米国仮特許出願第61/327,692号、2010年4月25日に出願した米国仮特許出願第61/327,693号及び2011年3月1日に出願した米国仮特許出願第61/447,743(それらの出願はともに参照として本明細書中に援用される)の利益を主張する。
本発明は、その一部の実施形態では、立体自由形状製作(SFF)に関し、さらに詳しくはシェル物体のSFFに関するが、それに限定されない。
実験では、Objet Geometries Ltd.の市販のモデル材を使用した。これらの材料は広範囲の特性を含む。例えばVeroGray(商標)は剛性モデル材であり、TangoPlus(商標)(Tango+)は軟性のゴム状モデル材である。別名RGD535として知られる材料FullCure(登録商標)535(FC535)、および別名RGD515として知られる材料FullCure(登録商標)515(FC515)は、利用可能な特性の範囲を拡張し、Objet Geometriesの複数材料Connex(商標)プラットフォーム専用であり、典型的に他の材料と組み合わせて使用される。本研究に使用した他の材料として、VeroGray(商標)、DurusWhite(商標)、FullCure登録商標970(TangoBlack(商標))、およびFullCure登録商標980(TangoBlack Plus(商標))がある。
2つの異なるモデル材および1つのサポート材の異なる空間的配列を設計かつ試験する能力をもたらすために、ソフトウェアを開発した。ソフトウェアはまた、異なるデジタル材料を設計する能力をももたらした。加えて、ソフトウェアは、予め定められた厚さの正確なシェル(特定の表面の空間的向きによって、ずれは+0.03mmから+0.08mmまで変化する)の画定を可能にするシェル形成機能を含むものであった。ソフトウェアはまた、1つ以上のシェル層の画定を可能にする多重シェル形成機能をも含んでいた。
標準Connex(商標)500印刷機(Objet Geometries)を使用して、全ての材料および構造を印刷した。
実験は、光沢面のみならず、艶消し面の製作をも含んだ。
印刷変形(カール)は、10×10×230mm3のバーを印刷し、試験片の他端に300グラムの重量を加えながら、試験片の一端の平坦面からのめくれ上がりを測定することによって定量的に評価した。この研究では、4mm以下のめくれ上がりを大部分の主流用途にとっての許容範囲とみなした。
高い熱安定性および高い靭性を持つ構造
高Tg材の開発の目的は、70℃を超えるHDTを有しかつ比較的低い印刷変形(低カール)すなわち10mm未満を呈する材料を提供することであった。配合FC535は65℃のTgおよび70℃のHDTを有する。下の表1はFC535の特性を示す。
(i)標準切欠き試験片。矩形の試験片を印刷し、その後に切込みを切削する(ASTM D256)。
(ii)切欠き付き試験片を様々な向きに印刷する
破断点百分率伸びを測定する(ASTM D638)
(i)様々な向きに印刷された試験片に対する三点曲げ(屈曲)試験(ASTM D695)
(ii)固定ビーム曲げ
印刷の向きとは、印刷面(印刷トレイ)に対して製作される物体の向きを指す。図8Eは、本書で言及する種々の異なる向きを示す。
構造の全断面積(3×12.7mm)の約20%とすることのできる、HIM(本実施例ではFC515)から作られた幅が約0.25mmのシェル、およびFC535から作られたコア。引張り強さおよび弾性率は、HIMのシェルの導入後に10%未満だけ減少したが、破断点ひずみは約10%から35%超に増加した。HIMのシェルは、それが無ければ破壊的影響を有する表面欠陥から物品を保護する(特に艶消し面)と、本発明者らは推測した。下の表2aは、種々の製作された種々の試験片に対する向きF時の衝撃抵抗をまとめたものである。
屈曲試験は主にスナップ適用のシミュレーションのために使用した。これらを適用すると、細いビームは変位し、かつ急速にその初期位置に復帰する。したがって、2つの関連パラメータを測定した。すなわち、破断前の最大曲げ変位、および曲げ抵抗(最大荷重)である。このタイプの適用に対して望ましい特性は、高い破断点撓みを伴うスチフネスである。屈曲試験用の試験片は様々な向きに印刷モードで異なるビーム幅に印刷した。屈曲試験および試験した試験片を図8Aおよび図9A〜図9Cに示す。
VeroGrey(商標)(VG)は、Objet Geometries Ltd.から現在市販されているモデル材の中で、最も高い昇温時寸法安定性(低い材料クリープ)を示す。他方、VGは最も脆弱な材料である。
FullCure(登録商標)970(TangoBlack(商標))から作られたコアおよびFullCure(登録商標)970(TangoGrey(商標))から作られたコアを、FullCure980(TangoBlack Plus(商標))から作られたシェルおよびFullCure(登録商標)930(Tango Plus(商標))から作られたシェルによって包囲した。シェルの厚さは約0.25mmであった。結果的に得られた構造および純粋な材料構造基準の引張りひずみの関数としての引張り応力を図12A〜図12Bに示す。図示する通り、結果的に得られたシェル構造の強度は、該構造を含む別々の構成要素の強度よりずっと高い。FullCure(登録商標)930のシェルおよびFullCure(登録商標)970のコアは結果的に、FullCure(登録商標)930より高い伸びおよび高い強度をもたらすが、逆の場合、非常に劣った結果になる。FullCure(登録商標)930はFullCure(登録商標)970より幾分高い塑性挙動を有するので、シェルをFullCure(登録商標)930で作成すると、FullCure(登録商標)970(コア材)の特性の大部分を持つ材料が得られるが、破断点伸びおよび強度は著しく改善される。
多くの場合、シェルは物体の全体積のごくわずかな割合から構成されるだけであるので、シェルは、一部の実施形態では、コアの脆性を著しく低減させると結論付けられる。小さいシェルの厚さは、欠陥の大部分または全部、および特に水平方向の亀裂の端点を包含するのに充分である。シェルは実際、構造の一部であるので、シェルは構造の寸法精度に影響を及ぼすことなく作成される。シェルは、シェル‐大気界面に加えて、シェル‐コア(またはシェル‐シェル)界面にも寄与する。熱機械的特性に対するシェルの貢献は、大きい亀裂の入った表面(シェル界面)で特に明瞭である。靭性エンベロープ材はコアと同時に生成されるので、エンベロープ材はコアと完全に相互作用するシェルに寄与し、コア‐シェル界面における凹凸はシェル材で埋められ、逆の場合も同様であり、その結果、シェル材とコア材(または中間シェル)との間の優れた共有接着が達成される。それにより、界面における材料特性の漸進的遷移を確実にするモデル‐モデル混合層が形成される。靭性シェルは稠密な材料の界面の凸凹(モデル‐モデル界面)の端部を固定し、それらの伝搬および亀裂への変化を防止する。
本発明の一部の実施形態では、コンピュータ実装方法が、次のパラメータ、すなわち各表面の空間的向き、印刷モード(光沢または艶消し)、および隔壁の厚さの少なくとも1つを考慮に入れながら、印刷される構造の特定の要素に対するシェルの動的適応を自動的に実行する。そのようなコンピュータ実装方法はトレイ上に構造をマッピングすることができ、かつ関連パラメータを抽出する。次いで該方法はユーザ入力を使用して、各領域に対し対応するシェル(外周)構造を計算し、外面のボクセルを第2モデル材に割り当てる。コンピュータ実装方法は、データプロセッサ(例えばデータプロセッサ54)を介して立体自由形状製作装置を制御する制御ユニット(例えば制御ユニット52、図1参照)によって実行することができる。
Claims (20)
- 2つ以上の積層シェルによって少なくとも部分的に包囲された積層コアを含む積層重合体構造であって、前記積層コアのそれぞれ、及び前記2つ以上の積層シェルのそれぞれは、前記コアの少なくとも1つの層が、前記2つ以上の積層シェルのそれぞれの層と同一平面を占めるように3次元インクジェット印刷によって製作されており、前記構造は、少なくとも30J/mの衝撃抵抗によって特徴付けられ、少なくとも前記コアは、1GPaを超える弾性率、及び室温を超える熱変形温度(HDT)によって特徴付けられる、積層重合体構造。
- 前記積層コアは、前記2つ以上の積層シェルのうちの少なくとも1つと比べて、より低い衝撃抵抗値及びより高いHDT値によって特徴付けられる、請求項1に記載の積層重合体構造。
- 前記2つ以上の積層シェルは、中間積層シェル及び外部積層シェルを含み、前記中間積層シェルの厚さは、約40ミクロン〜約200ミクロンである、請求項1又は2に記載の積層重合体構造。
- 前記中間積層シェルは、前記外部積層シェルと比べて、より低い衝撃抵抗値及びより高いHDT値によって特徴付けられる、請求項3に記載の積層重合体構造。
- 前記積層コアは、第1モデル材から作られており、前記外部積層シェルは、第2モデル材から作られており、前記中間積層シェルは、前記第1モデル材と前記第2モデル材の両方を含む、請求項3又は4に記載の積層重合体構造。
- 前記中間積層シェルの前記モデル材は、前記中間積層シェルの1つ以上の層にわたって互いに横方向に変位した空間位置を占め、それぞれの層にわたる前記モデル材のそれぞれの基本変位単位は、単一画素である、請求項5に記載の積層重合体構造。
- 前記占めることは、約1:1の比でランダムである、請求項6に記載の積層重合体構造。
- 前記積層コア及び前記2つ以上の積層シェルのうちの少なくとも1つは、前記少なくとも1つの積層シェルの1つ以上の層にわたって互いに横方向に変位した空間位置を占める2つ以上の異なるモデル材を含み、それぞれの層にわたる前記モデル材のそれぞれの基本変位単位は、単一画素である、請求項1〜4のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記占めることは、約1:4〜約4:1の比でランダムである、請求項8に記載の積層重合体構造。
- 前記積層コアを特徴付ける前記HDTは、50℃を超え、前記2つ以上の積層シェルのうちの少なくとも1つを特徴付けるHDTは、50℃未満である、請求項1〜9のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記2つ以上の積層シェルのうちのいずれかの特性破断点伸び値は、前記積層コアの特性破断点伸び値より低い、請求項1〜10のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記積層コアの特性伸長引裂き抵抗は、前記2つ以上の積層シェルのうちの少なくとも1つの特性伸長引裂き抵抗より低い、請求項1〜11のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記積層コアと前記2つ以上の積層シェルの中の少なくとも1つの対は、互いに共有接着されている、請求項1〜12のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記積層コアと前記2つ以上の積層シェルの中の少なくとも1つの対の間の界面は、表面凸凹を有し、前記2つ以上の積層シェルのうちの少なくとも1つは、前記表面凸凹の端部を固定する、請求項1〜13のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記界面は、亀裂の伝搬を防止する、請求項14に記載の積層重合体構造。
- 前記積層コアと前記2つ以上の積層シェルの中の少なくとも1つの対の間の界面は、界面における材料特性の漸進的遷移を確実にするモデル−モデル混合層を形成する、請求項1〜15のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記積層重合体構造は、前記積層コア、第1の積層シェル、第2の積層シェル、及び第3の積層シェルを含み、前記積層コアは、約3.5GPaの弾性率によって特徴付けられ、前記第3の積層シェルは、約0.2GPaの弾性率によって特徴付けられ、前記第1の積層シェル及び前記第2の積層シェルはそれぞれ、約0.6GPa及び約1.8GPaの弾性率によって特徴付けられる、請求項1〜16のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 前記2つ以上の積層シェルのそれぞれの積層シェルは、モデル材の異なる組み合わせから作られており、それぞれの組み合わせは、それぞれの積層シェルの1つ以上の層にわたって互いに横方向に変位した空間位置を占める2つ以上の異なるモデル材を含み、それぞれの層にわたる前記モデル材のそれぞれの基本変位単位は、単一画素である、請求項1〜17のいずれかに記載の積層重合体構造。
- 3つ以上の積層シェルがある、請求項18に記載の積層重合体構造。
- それぞれの組み合わせは、2つの異なるモデル材を含み、前記3つ以上の積層シェルの第1の積層シェルの組み合わせは、3:1のモデル材比であり、前記3つ以上の積層シェルの第2の積層シェルの組み合わせは、1:1のモデル材比であり、前記3つ以上の積層シェルの第3の積層シェルの組み合わせは、1:3のモデル材比である、請求項19に記載の積層重合体構造。
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