JP2020504042A

JP2020504042A - ３次元物体形成用の自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法及び装置

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Publication number: JP2020504042A
Application number: JP2019539966A
Authority: JP
Inventors: ジャンニジテッリ; アヴィエヌレイチェンタル; ルチアーノトリンガリー
Original assignee: ネクサ３ディーインコーポレイテッド
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US10328634B2; IL257975A; WO2017056124A1; CN110225815A; AU2016330287A1; US10357919B2; US20170129175A1; ITUB20154169A1; IL257975B; JP2018529561A; CA2998078C; JP6884419B2; KR20180061209A; CA2998078A1; EP3573814A1; AU2016330287B2; WO2017056124A8; CN108136665B; US11260579B2; KR102537952B1

Abstract

３次元物体は、放射線に透過性のシートと支持プレートとの間のスペースにて放射線に対する露出によって光硬化液体ポリマーを光硬化することにより形成される。膜が、シートの光硬化液体ポリマーに面した側に配置される。膜は、放射線に対して透過性であり、液体潤滑剤層により被覆される。膜は、液体ポリマーが放射線に対する露出によって硬化を受ける領域に対して変異可能であり、ここで放射線（例えば、４１０ｎｍ）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイ、バッフルのアレイ、及びレンズのアレイから構成されるコリメート光源によって提供することができる。バッフルは、ＬＥＤアレイにおいて各個々のＬＥＤ光源のビーム幅を制限し、レンズのアレイは、ＬＥＤ光源のアレイからの１焦点長の位置に配置される。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１７年１月２５日に出願された米国特許出願第１５／４１５，６８８号に対する優先権を主張し、本特許出願は引用により本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
本発明は、一般的には３Ｄ印刷と呼ばれる、３次元印刷の分野に関し、より詳細には、光硬化を用いた３Ｄ印刷技術に関し、更に詳細には、３次元物体形成用の変位可能な自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法及び装置に関する。

光硬化による３Ｄ印刷技術の分野には、２つの基本的な技術、すなわち、４００ｎｍ近傍のレーザ発光を使用して、特殊タンク中に存在する液状の光硬化液体ポリマーを発光ビームによって固化させるステレオリソグラフィ印刷と；同様にタンク中で液状である光硬化液体ポリマーを、投影機に類似したデバイスにより発光される光放射に露出させるようにするＤＬＰ印刷（デジタル光加工）と、を含むことができることは知られている。

これら両方の技術に従って、印刷プロセスは、順に層を作製し、すなわち、支持プレート（又は引出しプレート）に接着した第１層を固化させ、次いで第１層に接着した第２層を固化させ、完全な物体を形成するまでこれを進める。従って、本技術によれば、形成される３次元物体を表すデータは、一連の２次元層として構成され、この２次元層が物体の横断面を表すことになる。

ＳＬＡとＤＬＰタイプの両方の機械に適用されるボトム−アップ法に従って、物体を引き出すためのプレートは、層ごとの傾斜移動を伴って下方から上方に移動する。基本的に、３次元物体を形成するための方法は、以下のことを含む。
ａ．ソフトウエアが、印刷用入力として与えられた３Ｄモデルを順序正しい連続層に分割し、その厚さは、採用された技術、ポリマーの不透過度、触媒量、得られる精度の程度及び提供される機械の特徴に従って決定され、通常は５０〜２００ミクロンであるが、何れの場合でも離散的な有限数の層の連続であること、
ｂ．ポリマーの第１層のそれ自体への接着を容易にできる材料からなる引出しプレートが、第１層から所定の距離まで移動して、第１層を固化させるよう光線（ＳＬＡ又はＤＬＰ）を待機し、次いで、プレートが、形成されたばかりの層をタンクの基部から引き離すのに十分な距離（通常、約１ｍｍ）だけ持ち上げられて、第２層の形成のため所定の距離を差し引いた同じ距離だけ下げられ、完全な物体が形成されるまでこれを継続する。

傾斜移動とも呼ばれる結果として生じる往復移動は、２つの主要な目的を有し、すなわち、形成されたばかりの層をタンクの基部から引き離すことが可能になること、及び同時に、重合していない新たな量の液体樹脂が、形成されたばかりの層と容器の基部の間に配置することが可能になり、次の層の硬化及び形成のために、既に固化された層の下方で依然として液状の材料が回復可能になることである。上記で引用した出願人らの特許出願において、適切にドープされた感光性材料を光硬化するためのプロセスを使用する、３次元物体を生成するための方法及び装置を記載しており、これにより、３次元物体を逐次的及び一部連続的な形成プロセスに従って製造することが可能になり、傾斜タイプの方法を使用して得ることができるものと比較して、速度、精度及び最終生成物の機械的品質が大きく向上する。

本発明の実施形態によれば、放射線（radiation）に対して透過性のシートと透過性のシートから漸進的に離れて移動する支持プレートとの間の空間内で光硬化液体ポリマーの漸進的硬化により成長によって形成される３次元物体は、膜が、透過性のシートの光硬化液体ポリマーに面した側に配置されており、膜が放射線に対して透過性であり、膜が液体潤滑剤層によって被覆されており、液体潤滑剤層が膜により徐々に剥離されて、膜が放射線によって硬化を受ける領域に対して変位可能であり、これにより成長が生じることを特徴とする。種々の実施形態において、膜は、自己潤滑性ポリマーから、例えば、その内部に液体潤滑剤が存在するポリマーから作製することができる。１つの実施形態において、シリコーンポリマーであり、液体潤滑剤がシリコーン油である。シリコーン油及び自己潤滑性ポリマーの一方又は両方が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で富化することができる。

膜の変位は、光硬化液体ポリマーが硬化を受ける領域に対して横方向（又は他の方向）とすることができる。例えば、横方向の変位は、膜を第１のリールから供給して第２のリール上に膜を巻き取ることによって達成することができ、第１及び第２のリールは、光硬化液体ポリマーが硬化を受けているタンクの両側に配置される。このような横方向の変位は、支持プレートが透過性のシートから離れて垂直方向に引き上げられたときに生じることができる。

一部の実施形態において、光硬化液体ポリマーは、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイを含むコリメート光源からの照射によって硬化を受けることができる。これらのＬＥＤ光源は、４００〜７００ｎｍの波長、１つの実施形態においては４１０ｎｍの波長で放射線を放出することができる。コリメート光源は、バッフルのアレイ及びレンズのアレイを含むことができ、バッフルは、ＬＥＤ光源のアレイにおいて各個々のＬＥＤ光源のビーム幅をレンズのアレイのレンズのほぼ直径にまで制限するように配列され、レンズのアレイは、ＬＥＤ光源のアレイから１直径長で配置することができる。

更に別の実施形態において、放射線に対する露出によって光硬化液体ポリマーを光硬化することにより３次元物体を形成するための装置は、光硬化液体ポリマーを集めるためのタンクであって、タンクの底部が、放射線に対して透過性である材料で作製されているシートによって被覆された孔を有するタンクと、シートから離れるように構成された支持プレートとを備える。膜が、シートの光硬化液体ポリマーに面した側に配置されており、膜が放射線に対して透過性であり、膜が液体潤滑剤層によって被覆されており、液体潤滑剤層が膜により徐々に剥離されて、膜が、互いに対向するリールのペアの間に配置されて、リール間の膜の一部が、タンクを通って、透過性のシートの上方で且つ光硬化液体ポリマーの下方を通過するようになる。

一部の実施形態において、膜が自己潤滑性ポリマーから作製され、その内部には液体潤滑剤が存在する。自己潤滑性ポリマーがシリコーンであり、液体潤滑剤がシリコーン油とすることができる。

更に、コリメート光源を用いて、光硬化液体ポリマーが硬化を受ける放射線を放出することができる。１つの実施形態において、コリメート光源は、４００〜７００ｎｍの波長、及び詳細には４１０ｎｍの波長で放射線を放出するよう構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイを含む。コリメート光源が、バッフルのアレイ及びレンズのアレイを含み、バッフルは、ＬＥＤ光源のアレイにおいて各個々のＬＥＤ光源のビーム幅をレンズのアレイのレンズのほぼ直径にまで制限するように配列され、レンズのアレイは、ＬＥＤ光源のアレイから１直径長で配置されている。

本発明のこれらの実施形態及び追加の実施形態について、以下で更に説明する。

ここで、本発明の好ましい実施形態を例示する添付の図面を参照しながら、例として及び本発明の範囲を限定することなく、本発明を説明する。

図１は、本発明の実施形態による、変位可能な自己潤滑性膜が挿入された、光硬化を用いて物体を形成するための装置の切り欠き図である。自己潤滑性膜の動作の概略図である。本発明の実施形態による、光硬化による製造中での物体の成長の際の自己潤滑性膜の変位を示す図である。本発明の実施形態による、光硬化による製造中での物体の成長の際の自己潤滑性膜の変位を示す図である。本発明の実施形態による、光硬化による製造中での物体の成長の際の自己潤滑性膜の変位を示す図である。本発明の実施形態による、光硬化による製造中での物体の成長の際の自己潤滑性膜の変位を示す図である。本発明の実施形態による、光硬化による製造中での物体の成長の際の自己潤滑性膜の変位を示す図である。本発明の実施形態による、光硬化による製造中での物体の成長の際の自己潤滑性膜の変位を示す図である。本発明の光硬化装置の１つの実施形態における一体構造のタンク組立体の様々な図である。本発明の光硬化装置の１つの実施形態における一体構造のタンク組立体の様々な図である。本発明の光硬化装置の１つの実施形態における一体構造のタンク組立体の様々な図である。本発明の光硬化装置の１つの実施形態における一体構造のタンク組立体の様々な図である。本発明の光硬化装置の１つの実施形態における一体構造のタンク組立体の様々な図である。本発明の光硬化装置の１つの実施形態における一体構造のタンク組立体の様々な図である。膜を利用する光硬化システムにおけるＤＬＰ投射機の使用の一例を示す図である。本発明の実施形態による、コリメート光源及び液晶ディスプレイを用いた光硬化による物体を形成するシステムの動作の概略図である。点光源を用いて生じる画像歪みの一例を示す図である。点光源アレイを用いたときに生成される影効果の一例を示す図である。点光源アレイを用いたときに生成される影効果を例示する画像を示す図である。本発明の実施形態による、個々のＬＥＤ源及び液晶ディスプレイから構成されるコリメート光源を用いる光硬化による物体を形成するためのシステムの動作の概略図である。本発明の実施形態による、個々のＬＥＤ源及び液晶ディスプレイから構成されるコリメート光源の分解図である。

上記で引用した特許出願では、３次元物体形成用の自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法及び装置が記載されている。これらの方法及び装置は、吸引効果（形成されている物体の表面とその下方に位置付けられた非粘着材料との間の真空から生じる）を排除すること、形成されている層とタンク基部の間の接着を排除すること、上述の効果によって導入される機械応力を低減すること、及び従来の解決策と比べて遙かに短時間で３次元物体を形成するプロセスを提供することを提案している。詳細には、３次元物体を形成するために自己潤滑性基底層を備えた光硬化用のこのような方法及び装置は、タンクの基部と光硬化液体ポリマーとの間に膜を配置することを含み、この膜は、関心のある電磁スペクトルに対して透過性であり、適切にドープされたポリマーがこの潤滑材料層上で懸濁し残留したまま固化することを可能にする潤滑材料層を徐々に剥離させることができる。これにより出願人らが提案した方法及び装置は、前述の解決策の限界を克服し、望ましい技術的結果が得られる。

ここで、本発明の一実施形態において、放射線への露出を通じて液体ポリマー（場合によっては樹脂として知られる）を光硬化することにより３次元物体を形成する方法が提供される。本発明の方法において、３次元物体は、放射線に対して透過性のシートと前記物体の既に形成された部分が接着した支持プレートとの間のタンクの空間内で、前記光硬化液体ポリマーの漸進的硬化に起因して成長によって形成される。支持プレートは、上記成長の間透過性シートから離れて漸進的に移動する。本発明のこの実施形態は、光硬化液体ポリマーに面する上記透過性シートの側部に膜が配置されることを特徴とする。膜は、放射線（場合によっては４１０ｎｍとすることができる）に対して透過性であり、上記膜により徐々に剥離される液体潤滑剤層によって被覆される。物体の成長の際、液体潤滑剤層は、漸進的硬化を受ける光硬化液体ポリマーの領域に対して変位（例えば、横方向、半径方向、円周方向、又は他の方向）され、これにより液体潤滑剤層の復元を容易にする。場合によっては、液体潤滑剤の変位は、上記成長中の膜のシートの変位又は交換により影響を受ける可能性がある。上述のように、上記で引用した出願人らの特許出願において、光硬化液体ポリマーは、ある容積（液体ポリマーの全容積の最大５％）の液体潤滑剤を含むことができる。本発明の実施形態は、光硬化液体ポリマーに面する上記透過性シートの側部に膜が配置されることを特徴とする。

本明細書で更に検討するように、本発明の１つの実施形態において、放射線への露出によって光硬化液体ポリマーを光硬化することにより３次元物体を形成するための装置は、光硬化液体ポリマーを含有するためのタンクを備え、該タンクの底部には、シートによって覆われる孔を有し、該シートが、上記放射線（場合によっては４１０ｎｍとすることができる）に透過性の材料から作られ、シートから離れて移動するように設計された支持プレートを更に備える。本発明の実施形態は、光硬化液体ポリマーに面する上記透過性シートの側部に膜が配置されることを特徴とする。膜は、放射線に対して透過性であり、上記膜により徐々に剥離される液体潤滑剤層によって被覆される。上記で言及された変位を容易にするために、膜は、２つのリールの間に引っ張られるロールとして構成することができ、各リールがタンクの両側にそれぞれ配置され、これらリールの間に膜の一部があり、該膜の一部は、支持プレート及び光硬化液体ポリマーの真下で且つ孔を覆う透過シートの上方に配置されるようにする。この配置は、広義には、２つのスプール間に引っ張られ、機械のタイピング分野内でタイプガイドにわたって配置されるタイプライターリボンに類似することができる。

３次元物体の製造の際、各々が適切なエンドエフェクタを備えた１又は２以上のステッピング・モータは、リール及び／又は膜に作用して、光硬化液体ポリマーが漸次的硬化を受けているタンクの作業領域に対してリール間で引っ張られる膜の一部を変位させるようにし、他方のローラから供給しながら一方のローラ上に膜を巻き取るようにすることができる。このような変位は、双方向又は一方向とすることができ、タンクの作業領域において液体潤滑剤層の復元を容易にすることで、迅速で連続した印刷を可能にする。タンク内のマスクは、リール間の作業領域付近に配置されて、光硬化液体ポリマーを含有することができる。膜は、自己潤滑性ポリマーで作ることができ、すなわち、当該ポリマーの内部には液体潤滑剤が存在し、１つの実施形態において、上記ポリマーはシリコーンであり、上記液体潤滑剤はシリコーンオイルであり、粘度が５０〜１０００mm²／ｓの間（２３°ＣでセンチストロークモデルｃＳｔに従って定義される）、好ましくは、３００〜４００mm²／ｓの間である。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）もまた、膜内部に存在することができる。

出願人らの先の特許出願において、膜により剥離される潤滑油の（静的）層を提供することにより、形成されたばかりの硬化した液体ポリマーの層のタンク基部からの引き離し及び形成されたばかりの層とタンク基部との間の液体ポリマーの回復という二重の問題に取り組んだ点に留意されたい。しかしながら、出願人らは、液体ポリマーの回復時間が重合時間よりも長いように形成されている物体の断面が十分に大きい場合、システムは、液体ポリマーの回復が完了できるよう強制停止されることを記載している。換言すると、印刷はもはや連続ではないが、逐次的である。

本発明は、この課題に取り組んでいる。（例えば、１つのリールから膜を引張り、支持プレートが垂直方向に移動しているときに他方のリール上に膜を集めることにより）漸進的硬化を受ける光硬化液体ポリマーの領域に対して液体潤滑剤層を変位させることにより、液体ポリマーの回復時間を短縮することができる。これは、膜と液体ポリマーとの間に粘性摩擦が存在することに起因する。膜の一部は、硬化を受けている液体ポリマーの領域の真下から移動する（例えば、横方向、半径方向、円周方向、又はその他）ので、これに隣接する領域からある容積の液体ポリマーを引き寄せる。従って、漸進的硬化を受けている光硬化性液体ポリマーの領域に対して膜を変位させることによって、前記領域下の液体潤滑剤層が復元されるだけでなく、前記領域下の液体ポリマーの容積もまた、膜がそのように変位されていない場合よりもより迅速に回復される。これは、より大きな物体断面が形成されるためにシステムが印刷プロセスを中断する必要性を軽減するという効果を有する。

実際には、本発明の３次元物体形成用の自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法及び装置によれば、時間の経過と共に徐々に膜によって剥離される潤滑油の変位可能な層を提供することにより、従来のボトムアップシステムの２つの特性上の問題、すなわち、タンク基部から形成されたばかりの層の引き離しと、形成されたばかりの層とタンク基部との間の液体ポリマーの回復とを解決することが可能となる。適切にドープされた液体状態のポリマーは、固化するにつれて潤滑剤層上に懸濁されたままであり、もはやタンクの基部とは接触しておらず、従って、上記基部から形成されたばかりの層を引き離す必要はない。

上記で引用した出願人らの特許出願において、底部から上方に物体が形成される３次元物体を作製する方法及び装置を記載しており、液体ポリマーの光硬化は、デジタル光加工（ＤＬＰ）投射機からの光線流を用いて達成される。この構成は、迅速な物体成長を可能にしたが（２００ミクロン厚の層に対して１．８ｍｉｎ／ｃｍ程度の印刷速度）、ｘ−ｙ解像度が制限される（例えば、７５ミクロン）。更に、液体ポリマーを硬化するためにかなりの光強度を必要とするので、ＤＬＰ投射機は、作業スペースに近接して位置付ける必要があり、液体ポリマーの硬化を行うことができる領域（例えば、１２０×９０ｍｍ程度）が制限される。ＤＬＰ投射機の作業スペースへのこの近接性はまた、焦点面における光学収差及び歪みを導入する。

本発明の実施形態は、ＤＬＰ投射機の使用を排除し、約４１０ｎｍ（より一般的には、４００〜７００ｎｍの波長領域内にある）の波長を有する光ビームを放出するコリメート光源に置き換えることにより、これらの欠陥に取り組んでいる。光源は、１つの実施形態において、出力が個々のビームダイレクタ（又はバッフル）によって制約されレンズアレイによってコリメートされる発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを備える。結果として得られるコリメート光ビームは、上述の膜の下方で液体ポリマーを含有するタンク内に配置された液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を照明するのに使用される。ＬＣＤは、印刷される物体の断面画像の表現をレンダリングするようにコンピュータ制御下にあり、コリメートされた光ビームは、入射放射線の波長に対して不透過性にレンダリングされていないＬＣＤの部分を通過し、ＬＣＤの直ぐ上の装置の作業スペースにおいて液体ポリマーの光硬化をもたらすようになる。この構成は、迅速な印刷速度を維持しながら、光学収差又は歪みなしで、ｘ−ｙ平面にて高解像度（例えば、約５０ミクロン以下、及び一実施形態では約３０ミクロン）を可能にする。この高解像度コリメート光源及びＬＣＤイメージングシステムは、出願人らの先の特許出願にて検討した潤滑剤層を生成する静的膜、又は本明細書に記載される変位可能な膜と共に使用することができる。

図１を参照すると、本発明による３次元物体形成用の自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法及び装置の収集タンク１０の一部の断面は、中心位置にて、タンク１０の真下に位置する光源（図示せず）からくる入射光線流の通過を可能にする孔１１を有する。孔１１は、シート（図示せず）によって覆われ、該シートは、ホウケイ酸塩又は石英から作ることができ、或いは、一般には、光硬化のため対象のＵＶスペクトルに透過性の材料、より具体的には、本明細書で記載されるコリメート光源を用いるシステムでは、４００〜７００ｎｍレンジ、より詳細には４１０ｎｍの電磁スペクトルに透過性の材料から作られる。タンク１０の基部上に位置付けられたシートは、タンクに収容される液状の光硬化液体ポリマー１７の漏出を阻止する。

シートの上方には、低摩擦係数及び高耐摩耗性のシリコーンベースの自己潤滑性ポリマーから作られた膜１３が存在し、本システムでは膜１３と光硬化液体ポリマー１７の間のバッファの役割を果たす、符号１４で表記されたシリコーン及び非粘着材料の層を（図２に示すように）剥離することができ、この層の目的は、従来のボトムアップシステムの吸引硬化及び機械的接着特性の誘発を阻止し、この理由で以下では抑止層１４として示される。液体ポリマー１７は、抑止層１４の上方で依然として懸濁されたままであり、本明細書で記載される本発明による製造プロセスを可能にする。

図示の実施形態では、光源からの光線流に対して透過性の膜１３は、２つのリール１２の間に引っ張られるロールとして構成され、各リールがタンク１０の両側にそれぞれ配置され、これらリールの間に膜の一部１３’がある。膜のこの一部１３’は、支持プレート（図示せず）の真下に配置され、該支持プレートは、製造中物体の成長の際にタンク１０から離れ、光硬化液体ポリマー、及び上記で検討した透過性シートの上方に垂直方向に漸進的に移動する。

３次元物体の製造の際、各々が適切なエンドエフェクタを備えた１又は２以上のステッピング・モータ（図１には示されていない）は、リール１２及び／又は膜１３に作用して、光硬化液体ポリマー１７が漸次的硬化を受けているタンク１０作業領域に対してリール間で引っ張られる膜の一部１３’を変位させるようにし、他方のローラから供給しながら他方のローラ上に膜を巻き取るようにすることができる。このような変位は、双方向又は一方向とすることができ、タンクの作業領域において液体潤滑剤層の復元を容易にすることで、これにより迅速で連続した印刷を可能にする。タンク内のマスクは、リール間の装置の作業領域付近に配置されて、光硬化液体ポリマーを含有することができる。膜は、自己潤滑性ポリマーで作ることができ、すなわち、当該ポリマーの内部には液体潤滑剤が存在し、１つの実施形態において、上記ポリマーはシリコーンであり、上記液体潤滑剤はシリコーンオイルであり、粘度が５０〜１０００mm²／ｓの間（２３°ＣでセンチストロークモデルｃＳｔに従って定義される）、好ましくは、３００〜４００mm²／ｓの間である。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）もまた、膜内部に存在することができる。

膜１３の一部１３’の変位の実施例が図３Ａ〜３Ｅに示される。これらの図に示すように、物体１８は、ポリマー１７の所望のパターン（上記物体の適切な断面によって定義される）で形成され、膜１３と光硬化液体ポリマー１７との間のバッファを共に形成する自己潤滑性のシリコーンベースポリマー及び非粘着材料１６の層上で変位される。シリコーン油（数字１５で示されるペレット形態で膜内部に溶解されている）は、膜１３が作られる自己潤滑性ポリマー中に存在するときには、膜１３の使用中でも表面に到達するまで材料の内部から外部に向かって移動する潤滑剤であり、これにより摩擦の低減に寄与し、その上方では依然として液体状態でポリマー１７が懸濁されたままである抑止基底層１４を生成する。抑止層１４は、製造プロセス中の液体ポリマーの硬化部分の吸引効果及び機械的接着の誘発を阻止するのを助ける。潤滑剤（及び／又は膜を作製するのに使用されるシリコーンベースポリマー）中にＰＴＴが存在することで、潤滑特性が改善され、摩擦が低減され、膜１３の持続時間を改善して摩耗を低減するが、これは必須ではない。

種々の実施形態において、膜厚が０．５０ｍｍ〜２．５０ｍｍ、ショア硬度が５５〜７０、破壊荷重が８〜１０ＭＰａ、及び破壊点での伸び率が３００〜４００であるシリコーンベースポリマーを用いることができる。より具体的には、例として及び本発明の範囲を限定することなく、膜１３に含有される潤滑剤は、５０〜１０００ｍｍ２／ｓ、詳細には３５０ｍｍ２／ｓ（２３°ＣでセンチストロークモデルｃＳｔに従って定義される）の粘度を有するシリコーン油からなることができるが、５０〜１０００mm²／ｓの間の範囲の種々の粘度を有するシリコーン油を用いることができる。ＰＴＴＥ１６（シリコーン油１５より前に膜１３の外部に向かって移動する傾向にある）は、シリコーン油に添加することができ、他の潤滑生成物は、例えば、ＳｉｌｉｃｏｎｉＰａｄｏｖａによる樹脂９５１５のようなモールド剥離用樹脂などを用いることができる。例証として、ＳｉｌｉｃｏｎｉＰａｄｏｖａにより提供される潤滑流体樹脂９５１５並びにＢｌｕｅＳｔａｒＳｉｌｉｃｏｎｅｓによって製造されたＳｉｌｉｃｏｎｉＰａｄｏｖａにより提供されるＲｈｏｄｏｒｓｉｌＨｕｉｌｅ４７Ｖ５０タイプのシリコーン油を使用することが可能である。

光硬化液体ポリマー１７の選択に関して、好ましくは膜１３に含有されるものと同じタイプの潤滑剤を添加して、従来の樹脂を使用することが可能である。これにより、液体ポリマーにより膜１３に含有される潤滑剤の機械的吸引効果及び希釈を低減することが可能となる。一部の実施形態において、光硬化液体ポリマーに溶解した潤滑剤の割合は、４〜６％程度とすることができるが、固化材料の溶解度及び所望の特性に応じて他の潤滑剤量を用いることができる。実際には、潤滑剤量が多くなるほど、固化表面が益々不透明になり、サテン仕上げとなる。本発明に従って用いることができる樹脂の特定の実施例は、上記で引用した出願人らの出願において記載されている。

図３Ａ及び３Ｂに示すように、物体１８の形成の際には、膜１３を覆う潤滑材料は、除去される傾向がある。抑止層１４のこの低減は、樹脂（すなわち、光硬化液体ポリマー）１７と膜１３との接触をもたらし、従来のボトムアップシステムで知られる同じ種類の望ましくない効果を発生させる。この問題を制限するために、好ましくは、自己潤滑性膜１３は、物体１８が形成されているタンクの作業領域に対して変位可能に作製される。例えば、図３Ｃ〜３Ｄに示すように、物体１８の成長中、液体潤滑剤は、漸進的硬化を受けている光硬化液体ポリマーの領域に対して変位（例えば、横方向に）され、これにより上記成長の領域下で液体潤滑剤層が復元される。図示の実施例において、液体潤滑剤の変位は、上記成長の際の膜１３のシートの横方向変位によって達成される。膜１３の横方向変位は、物体１８の成長の際に、引き出しプレート１９が光硬化液体ポリマー１７から離れて垂直方向に移動した時に、図１に示すようにリール１２間で膜シートを引っ張ることにより達成される。図３Ｅを参照すると、膜がこのように変位されると、物体１８の成長の際に消費される抑止層１４の領域２１、２２は、作業領域から離れて移動し、これら領域を膜１３から復元することが可能となる。更に、作業領域には、成長プロセスの際に液体潤滑剤の新規層が設けられる。

前述の実施例では、液体ポリマー１７の領域に対する膜１３（及び詳細には抑止領域１４）の横方向変位を記載しており、ここでは液体ポリマーの光硬化が生じ、これにより物体１８の成長がもたらされる。他の実施形態では、膜は、円形プラテン上で半径状に中心から離れて引っ張って配置することができる。更に他の実施形態では、膜は、交換シートの形態とすることができ、シートは、物体１８の成長の際に定期的に全体が交換される。

図３Ｆに示すように、膜１３が硬化を受けている液体ポリマーの領域に対して変位されると、これに隣接する領域から作業領域内にある容積の液体ポリマーを引き寄せる。従って、漸進的硬化を受けている光硬化性液体ポリマーの領域に対して膜１３を変位させることによって、前記領域下の液体潤滑剤層が復元されるだけでなく、前記領域下の液体ポリマーの容積もまた、膜がそのように変位されていない場合よりもより迅速に回復される。これは、より大きな物体断面が形成されるためにシステムが印刷プロセスを中断する必要性を軽減するという効果を有する。

上記で引用した出願人らの出願において、膜１３の製造方法が検討されている。上記で引用した出願人らの出願において、膜１３の製造方法が検討されている。膜１３は、液体ポリマーの光硬化を行うのに使用される放射線（場合によっては４１０ｎｍとすることができる）に対して透過性であり、液体潤滑剤層は、光硬化液体ポリマーに向かう方向でシートから離れて移動するよう設計される。膜１３が存在することで、シリコーン油及びより一般的には潤滑剤材料の粒子１５の膜表面に向かう緩慢な移動をもたらし、抑止層１４の極薄い表面を生成する。更に、本明細書で記載されるように膜を変位させることにより、依然として液体である樹脂１７と、膜１３との間で界面が確実に維持されるので、樹脂は、膜１３の表面に接触するのではなく、界面上で浮遊する傾向となる。従って、光硬化プロセスは、製造中の物体がシリコーン油の潤滑する抑止層１４上に懸濁されるように生じ、これは、形成される物体１８と膜１３との間の吸引効果を排除し、形成される物体１８と膜１３との間の接着を排除し、上述の効果によって導入される機械応力を低減し、傾斜によって導入される機械応力を低減し、及び従来の解決策と比べて遙かに短時間での形成プロセスを可能にするのを助ける。実際に、物体１８は、潤滑している抑止層１４と樹脂／ポリマー１７との間の界面上で、既に懸濁されているという理由から、タンク基部から引き寄せられる必要はない。膜１３の上述の変位と共に懸濁はまた、液体ポリマー又は樹脂１７が回復するのを可能にし、他方、引き出しプレート１９は、新規の硬化形成のためのスペースを設けるために引き上げられる。このことは、液体ポリマーのこのような回復を可能にするためにプロセスが緩慢又は中断させる必要がないので、連続印刷を維持するのを助ける。

膜の変位速度は、液体ポリマー１７が作業領域に十分に高速で侵入するように調整して、形成されている層が、硬化される新しい表面全てを完全に調質できるようになるまでは固化しないようにすることができる。この調質速度は、使用中の樹脂（すなわち、使用中の光硬化液体ポリマー）の多くの化学的／物理的特性によって決まり、上記樹脂の粘度を低下させると、調質速度の増大を可能にするような傾向にすることができる。加えて、樹脂／ポリマー１７を膜１３によって生成されるものと同じ潤滑シリコーン油１５でドープすると、調質速度が改善される傾向となる。

ここで図４Ａ〜４Ｆを参照すると、印刷装置用のモジュール式タンク組立体２５が示される。タンク組立体２５は、タンク１０を定めるマスク２６を含む。マスク２６は、リール１２間でマスクの真下を移動するときに膜１３に接してシールするため底部周縁上にガスケット（図示せず）を含む。リール１２は、双方向又は一方向でステッピング・モータ２７によって回転され、上述のように、リール１２間で膜１３の変位を生じさせる。図４Ａ及び４Ｂは、タンク組立体２５の上面斜視図であり、図４Ｃ及び４Ｄは、ローラ１２及びステッピング・モータ２７（図４Ｃ）並びにマスク２６（図４Ｄ）それぞれの詳細を示す、タンク組立体２５の分解斜視図であり、また、図４Ｅ及び４Ｆは、キャビティ２８（図４Ｆ）のロータ１２（図４Ｅ）の位置決めを示す、タンク組立体２５の側方斜視図である。使用時には、リール１２は、リールカバー２９によって覆われ、これらカバーは、リールの変更のため取り外し可能である。

図に示されるように、リール１２は、マスク２６の両側でキャビティ２８内に配置される。図１に示すように、膜１３は、タンク１０の底面を通ってリール１２間で配備される。引き出しプレート１９（これらの図では示されていない）が引き上げられると、ステッピング・モータ２７は、同期した時計回りで又は反時計回りの方向でリール１２を回転させて、物体の製造中のタンク１０の作業領域に対して横方向で膜１３の一部を変位させる。リール１２は、アクスル又はピン（図示せず）上でカバー２９の真下のキャビティ２８内に維持される。アクスル又はピンは、古いリールを取り外すことを可能にする内部バネ又は他の手段によって維持される滑動可能に押圧できる端部を有することができる。

上述のように、上記で引用した特許出願では、デジタル光加工（ＤＬＰ）投影機からの光線流が記載されていた。このような構成の実施例が、図５に示される。ＤＬＰ投影機３０は、タンクの基部にてホウケイ酸塩ガラス３１の層を通って光線流を生成した。膜１３は、ＤＬＰ投影機３０の放射線に対して透過性であり、該投影機は、液体ポリマー（図示せず）との膜１３の上部界面にて画像焦点面を有する。液体ポリマーの光硬化は、投影画像に従ってこの界面で起こり、これにより構築中の物体の成長が容易になる。

この構成は、２００ミクロン厚みの層に対して１．８ｃｍ／ｍｉｎ程度の印刷速度を可能にしたが、限定的なｘ−ｙ解像度（例えば、７５ミクロン）しか提供しなかった。更に、液体ポリマーを硬化するのにかなりの光強度を必要とするので、ＤＬＰ投射機３０は、作業スペースに近接して位置付ける必要があり、液体ポリマーの硬化を行うことができる領域（例えば、１２０×９０ｍｍ程度）が制限される。ＤＬＰ投射機の作業スペースへのこの近接性はまた、焦点面における光学収差及び歪みを導入する。

本発明の実施形態は、ＤＬＰ投射機をコリメート光源に置き換えて、画像プラットフォームとしてＬＣＤディスプレイを用いることにより、これらの欠陥に取り組んでいる。図６は、この構成を示している。光源３２は、ＬＣＤパネル３３を通る放射線３８のコリメート光線流（１つの実施形態において、４００〜７００ｎｍの波長領域、より詳細には４１０ｎｍである）を提供して、画像３９を生成する。ＬＣＤパネルは、液晶マトリクス３６を狭装する２つの偏光層３４、３５を含む。液晶マトリクスは、複数のアドレス指定可能ピクセルを含み、入射放射線に対して個々に透過性又は不透過性で作製することができる。マトリクス中の結晶の透過性結晶を通過する入射放射線の作用は、ディスプレイ面３７上に画像３９を形成する。液晶マトリクス３６の個々の結晶は、通常は、表示するため画像のビットマップ（又は他の）形態が提供されるプロセッサ又は他のコントローラの制御下で、それぞれの結晶に電圧を印加又は印加しないことによって透過性又は不透過性に作製される。

コリメートされた光源用の光の波長は、ＬＣＤディスプレイの偏光が通常はＵＶフィルタとして機能するので、光の可視域の端縁で選択される。タイプの多くの光硬化性ポリマーは、ＵＶバンドにて３Ｄ印刷硬化に使用される。従って、ＵＶ放射線は、ＬＤＣディスプレイの偏光によってフィルタ処理されることになるので、ＬＣＤ画像デバイスを用いると、従来のシステムでは問題を生じる。同時に、可視域で通常硬化する樹脂は、約５０ミクロン以下の画像平面のｘ−ｙ解像度を達成するのに用いることはできない。代わりに、これらのシステムは通常、１００ミクロン程度の解像度を達成する。従って、本発明の実施形態にて使用される樹脂は、約３７０ｎｍの中心波長にて硬化可能であるが、コリメート光源の好ましい波長である、４１０ｎｍでも良好な硬化特性を依然として提供する。

上述のように、好ましい光源は、コリメート光源であり、好ましくは、個々の発光体のアレイによって生成される。これは、点源は樹脂の硬化を行うのに十分なエネルギーを生成する傾向になく、更に、図７に示すように、ズーム効果に起因して歪みを引き起こすことに起因する。単一のＵＶＬＥＤ４０のような点源を用いて、光硬化構成（簡単にするために、構成のホウケイ酸塩ガラス３１及び膜１３だけが例示されている）においてＬＣＤディスプレイ３３を照明するのに使用されるときには、元の画像４１は、膜１３の上面の画像平面にて拡大４２される。拡大された画像はそのエッジにて不規則になり、サイズが間違っている傾向となるので、これは不十分である。

その固有の課題がない場合、光源のアレイは使用されない。樹脂の光硬化を行うのに十分なエネルギーを達成するために、光源アレイは必要ではないが、図７Ｂに示すように、アレイ内の個々の各光源が画像平面において固有の画像（拡大された）を生成することになるので、シャドーウィングを引き起こす。個々のＬＥＤ源４３−１，４３−２、４３−３のアレイ４３はＬＥＤディスプレイ３３を照明し、該ディスプレイ３３は、ホウケイ酸塩ガラス３１及び膜１３の間に配置される。従って、これら光源の各々は、膜１３と光硬化樹脂（図示せず）との間の界面で画像平面にてＬＣＤディスプレイ上の画像の固有表現４４−１、４４−２、４４−３を生成する。これらの画像は各々拡大されて互いに重なり合い、シャドーウィング及び他の望ましくない影像効果を生じる。単一の物体（ＬＣＤ画像のような）に入射する２つの光源に対するシャドー効果の実施例が、図８に例示される。

コリメート光源を用いることで、図９に示すように、これらのシャドー効果が排除される。コリメート光線流４５は、バッフル４７及びコリメートレンズ４８のアレイを用いて、個々のＬＥＤ４６−１、４６−２、４６−３のアレイ４６によって生成される。バッフル４７は、各個々のＬＥＤ源４６−１、４６−２、４６−３のビーム幅をアレイ４８で使用されるレンズのほぼ直径にまで制限するように配列される。レンズのアレイは、各ＬＥＤ源から離れた１焦点長に配置され、従って、バッフルは、このようなスペースを収容するようなサイズにされる。本発明の１つの実施形態において、ＬＥＤ源の９×１２アレイが使用される。これは、図１０に示され、ここでは、ＬＥＤ４６のアレイ、各々がＬＥＤの１つに対応するバッフル４７、レンズ４８のアレイ、ＬＥＤ当たりに１つのレンズ、及び印刷される画像が導入されるＬＣＤディスプレイ３３を分解図で示している。再度図９を参照すると、レンズ４８のアレイによって生成されたコリメート光は、光硬化液体ポリマー（図示せず）の底面の直下で膜１３の上部界面上に投影されたときにＬＣＤ３３からの画像がそのオリジナルサイズを保持するのを確保する。ＬＣＤは、印刷される物体の断面画像の表現をレンダリングするようにコンピュータ制御下にあり、コリメートされた光ビームは、入射放射線の波長に対して不透過性にレンダリングされていないＬＣＤの部分を通過し、ＬＣＤの直ぐ上の装置の作業スペースにおいて液体ポリマーの光硬化をもたらすようになる。この構成は、迅速な印刷速度を維持しながら、光学収差又は歪みなしで、ｘ−ｙ平面にて高解像度（例えば、約５０ミクロン以下、及び一実施形態では約３０ミクロン）を可能にする。この高解像度コリメート光源及びＬＣＤイメージングシステムは、出願人らの先の特許出願にて検討した潤滑剤層を生成する静的膜、又は本明細書に記載される変位可能な膜と共に使用することができる。

本発明の１つの実施形態において、コリメート光源は、４１０ｎｍにて２５０ｍＷ／ｃｍ²の光束を生成し、８４０ｄｐｉのＬＣＤディスプレイを用いて、歪みなしで、約３０ミクロンのｘ−ｙ解像度で約２〜２．５秒以内で２００ミクロン厚の層の印刷を可能にする。アレイの個々のＬＥＤ光源は、レンズアレイのレンズの焦点長にて離間して配置され、これらレンズもまた、ＬＥＤからの１焦点長だけ離間して配置され、従って、バッフルは各々、１焦点長スクエアである。

本発明は、例証として本発明の範囲を限定することなく、その好ましい実施形態に従って記載されているが、本発明は、本明細書中の特許請求の範囲で規定された革新的概念の範囲から逸脱することなく、本分野の専門家によって修正及び／又は適応することができることを理解されたい。

１０タンク
１１孔
１２リール
１３、１３’ 膜
１７光硬化液体ポリマー

Claims

放射線に晒された光硬化液体ポリマーを光硬化することによって３次元物体を形成するための方法であって、前記３次元物体が、前記放射線に対して透過性のシートと、支持プレート、すなわち、前記物体の既に形成された部分との間の空間内で、前記光硬化液体ポリマーの漸進的硬化により成長によって形成され、前記支持プレートが、前記透過性のシートから漸進的に離れて移動する前記方法において、膜が、前記透過性のシートの前記光硬化液体ポリマーに面した側に配置されており、前記膜は、前記放射線に対して透過性であると共に、前記膜により徐々に剥離される液体潤滑剤層によって被覆されており、前記膜は、前記光硬化液体ポリマーが前記放射線によって硬化を受ける領域に対して変位可能であり、これにより前記成長が生じることを特徴とする方法。
前記膜が自己潤滑性ポリマーから作製されることを特徴とする、請求項１に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記自己潤滑性ポリマーが、その内部に液体潤滑剤が存在するポリマーであることを特徴とする、請求項２に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記変位が、前記光硬化液体ポリマーが硬化を受ける前記領域に対して横方向であることを特徴とする、請求項３に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記横方向の変位は、前記膜を第１のリールから供給して第２のリール上に前記膜を巻き取ることによって達成され、前記第１及び第２のリールは、前記光硬化液体ポリマーが硬化を受けているタンクの両側に配置されることを特徴とする、請求項４に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記横方向の変位は、前記支持プレートが前記透過性のシートから離れて垂直方向に引き上げられた時に生じることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記自己潤滑性ポリマーがシリコーンポリマーであり、前記液体潤滑剤がシリコーン油であることを特徴とする、請求項４に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記シリコーン油及び前記自己潤滑性ポリマーの一方又は両方が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で富化されていることを特徴とする、請求項７に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記光硬化液体ポリマーは、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイを含むコリメート光源からの照射によって硬化を受けることを特徴とする、請求項４に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記ＬＥＤ光源は、４００〜７００ｎｍの波長で放射線を放出することを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記ＬＥＤ光源は、４１０ｎｍの波長で放射線を放出することを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記コリメート光源は、バッフルのアレイ及びレンズのアレイを含み、前記バッフルは、前記ＬＥＤ光源のアレイにおいて各個々のＬＥＤ光源のビーム幅を前記レンズのアレイのレンズのほぼ直径にまで制限するように配列され、前記レンズのアレイは、前記ＬＥＤ光源のアレイから１直径長で配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体を形成するための方法。
前記光硬化液体ポリマーは、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイ、バッフルのアレイ、及びレンズのアレイを含むコリメート光源からの照射によって硬化を受け、前記バッフルは、前記ＬＥＤ光源のアレイにおいて各個々のＬＥＤ光源のビーム幅を前記レンズのアレイのレンズのほぼ直径にまで制限するように配列され、前記レンズのアレイは、前記ＬＥＤ光源のアレイから１直径長で配置されている、請求項１に記載の３次元物体を形成するための方法。
放射線に対する露出によって光硬化液体ポリマーを光硬化することにより３次元物体を形成するための装置であって、前記光硬化液体ポリマーを集めるためのタンク（１０）であって、前記タンクの底部が、前記放射線に対して透過性である材料で作製されているシートによって被覆された孔を有するタンクと、前記シートから離れるように構成された支持プレートとを備え、膜が、前記シートの前記光硬化液体ポリマーに面した側に配置されており、前記膜が前記放射線に対して透過性であり、前記膜が液体潤滑剤層によって被覆されており、前記液体潤滑剤層が前記膜により徐々に剥離されて、前記膜が、互いに対向するリールのペアの間に配置されて、前記リール間の前記膜の一部が、前記タンクを通って、前記透過性のシートの上方で且つ前記光硬化液体ポリマーの下方を通過するようになることを特徴とする装置。
前記膜が自己潤滑性ポリマーから作製され、その内部には液体潤滑剤が存在することを特徴とする、請求項１４に記載の３次元物体を形成するための装置。
前記自己潤滑性ポリマーがシリコーンであり、前記液体潤滑剤がシリコーン油であることを特徴とする、請求項１５に記載の３次元物体を形成するための装置。
前記光硬化液体ポリマーが硬化を受ける前記放射線を放出するためのコリメート光源を更に備えることを特徴とする、請求項１４に記載の３次元物体を形成するための装置。
前記コリメート光源が、４００〜７００ｎｍの波長で放射線を放出するよう構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の３次元物体を形成するための装置。
前記コリメート光源が、４１０ｎｍの波長で放射線を放出するよう構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）光源のアレイを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の３次元物体を形成するための装置。
バッフルのアレイ及びレンズのアレイを含み、前記バッフルは、前記ＬＥＤ光源のアレイにおいて各個々のＬＥＤ光源のビーム幅を前記レンズのアレイのレンズのほぼ直径にまで制限するように配列され、前記レンズのアレイは、前記ＬＥＤ光源のアレイから１直径長で配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の３次元物体を形成するための装置。