JP2021505432A - 複雑な形状の３次元物体の製造 - Google Patents

Abstract

３次元物体を製造するための方法及び装置。装置は、ノズルで終端する複数の材料堆積ヘッドを含み、そのうちの１つ又は２つのノズルは、第１の材料を堆積させて第１及び第２のパターン層を形成するように構成される。第１及び第２のパターン層が堆積されるときに、変化する断面を有する空間（空の容積）が形成されるように、第１及び第２のパターン層は互いに横方向にずらされる。いくつかの例では、２つ以上のノズルを使用して、対応する第１及び第２のパターン層を堆積させることができる。ノズルは互いに独立して動くことができる。

Description

本方法及び装置は、全体として３次元物体の製造に関する。より詳細には、本方法及び装置は、複雑な形状の３次元物体を製造するための自動化された方法及び装置に関する。
本出願は、２０１７年１２月６日に出願された「複雑な形状の３次元物体の製造」という名称の同一発明者に対する米国仮特許出願第６２／５９５，０９６号の利益を主張するものであり、上記仮出願は参照により本明細書に組み込まれるものとする。

３次元印刷は、インクジェット印刷、選択的材料堆積、材料押出、材料焼結などの様々な積層造形技術を含む総称である。物体は、先に堆積又は分散された材料層の上部又は下部に材料層を堆積させることによって製造され、このため、積層造形（ＡＭ）プロセスと呼ばれる。ほとんどの場合、物体が製造される材料は、先に堆積された層に付着し、紫外線放射などの化学線放射、熱源などによって硬化され又は凝固させられるポリマーである。

大部分の物体は、その構造が単純ではなく、湾曲した表面、及び物体の本体の外側に張り出し又は中空物体の場合には物体の壁によって画定される物体内部の中空の空所又は空洞内に突出し得る表面などの複雑な形状の部分を含む。表面は、傾斜させられ、様々な角度で配向されることができ、様々な厚さ又はサイズを有することができる。このような物体を印刷するために、様々な特性及び強度を有する様々なタイプの材料層が必要とされ得る。複合材料は、様々な物体の製造に使用される最も強度のある材料の１つである。複合材料は珍しい特性の選択を提供するが、積層造形プロセスは複雑な形状の物体の製造にいくつかの利点を提供する。

いくつかの複合材料は、例えば、様々な樹脂と混合された繊維を含む成分の混合物の堆積によって物体を形成することにより製造される。金属及び金属マトリックス、ガラス、セラミック及びセラミックマトリックス要素と樹脂との混合物も知られている。炭素、ガラス又はアラミドの強化材は、通常、織物の形態で提供される。様々な材料の布を敷き、その上に樹脂を吹き付ける機械が存在するが、プロセスは大部分が手作業である。サンドイッチ構造の複合材料は、軽量で厚いコアに２つの薄いが硬い表皮を付着させることにより製造される特別な種類の複合材料である。表皮は外側の層で、様々な材料で構成されている。木材、アルミニウム、プラスチックが一般に使用される。しかし最近では、先進的な繊維強化複合材料が表皮材料として使用されている。このような３次元パネルの製造は比較的簡単なプロセスであるが、複雑な３次元形状の製造はより困難である。

複雑な３次元形状は、デッキ及び船体が一般に湾曲した複合積層体又はサンドイッチ型構造で作られる船舶の建造に使用される。船は、船の重量を減らすために、湾曲した複合積層体及びサンドイッチ型の材料を使用している。航空宇宙産業では、複雑な３次元形状が翼、ドア、操縦翼面、水平尾翼、軍用機と民間航空機の両方のスタビライザー、ビークル、キャラバン、産業機械カバー及び他の物品に使用されている。

インペラー、ローター、エンジンブレードなどの複数の複雑な物体又は物品、及び他の様々な物体も、３次元印刷技術を用いて製造することができる。一般に、３次元印刷を用いて無限の多様な物品及び複雑な物体を製造することができ、このような複雑な物体の製造は、それ自体が複雑で労働集約的な作業である、特別な大きなサイズの型の製造を必要とする。

３次元物体の製造に現在使用されている材料の数は多くないが、多種の３次元物体の製造に適している。利用可能な材料の色は幾分か制限されており、既存の機器によって製造される３次元物体のサイズも制限されている。通常、大きなサイズの製品はいくつかの部品で製造され、最終製品に組み立てなければならず、これは困難な作業である。

３次元物品の印刷は、以下のＳａｃｈｓらに対する特許文献１、Ｌｅｙｄｅｎに対する特許文献２、Ｓａｃｈｓらに対する特許文献３、Ｃｈｕｎｇに対する特許文献４、Ｇｙｂｉｎに対する特許文献５、Ｎａｋａｈａｒａに対する特許文献６、Ｙａｋｕｂｏｖに対する特許文献７、Ｙａｋｕｂｏｖに対する特許文献８、Ｌｉｓｉｔｓｉｎに対する特許文献９、Ｕｚａｎに対する特許文献１０、Ｂｕｒｎｅｌｌ−Ｊｏｎｅｓに対する特許文献１１、Ｏｈｎｏに対する特許文献１２、Ｋｈｏｓｈｎｅｖｉｓに対する特許文献１３、Ｈｕｂｅｒに対する特許文献１４、Ｓｔｅｇｅに対する特許文献１５を含むいくつかの米国特許に記載されている。
定義

本開示で使用されるように、「複雑な形状の３次元物体」という用語は、凸状又は凹状であり得る湾曲した表面、平坦な表面、及び物体の本体の外側に張り出し又は中空物体の場合には物体の壁によって画定される物体内部の中空の空所又は空洞内に突出し得る表面を含む、３次元の物理的な物体を意味する。表面は、傾斜させられ、様々な角度で配向されることができ、様々な厚さ又はサイズを有することができる。複雑な形状の３次元物体は、あらゆるタイプの均質又は複合材料で作成することができる。

本開示で使用されるように、「パターン層」という用語は、基板又は印刷装置テーブル上に堆積されたときに追加材料を堆積又は鋳造できる空きスペースを形成する要素を意味する。
ダルトンという用語は、モル質量の国際（ＳＩ）単位であり、歴史的な理由から分子量を示すのにも使用される。

米国特許第５，２０４，０５５号明細書 米国特許第６，１９３，９２３号明細書 米国特許第６，３９７，９９２号明細書 米国特許第６，６２７，８３５号明細書 米国特許第７，０７４，３５８号明細書 米国特許第８，３０９，２２９号明細書 米国特許第８，９７４，２１３号明細書 米国特許第９，１６２，３９１号明細書 米国特許第９，２１６，５４３号明細書 米国特許第９，６２３，６０７号明細書 米国特許出願公開第２００３／００８５３８３号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１９８８６１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１８１５１９号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１６６０５６号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０３２１３８５号明細書

３次元物体を製造するための方法及び装置。装置は、ノズルで終端する複数の材料堆積ヘッドを含み、そのうちの１つ又は２つのノズルは、第１の材料を堆積させて第１及び第２のパターン層を形成するように構成される。第１及び第２のパターン層が堆積されるときに、第１及び第２のパターン層の間に変化する断面を有する空間（空の容積）が形成されるように、第１及び第２のパターン層は互いに横方向にずらされている。いくつかの例では、１つのノズルのみを使用して第１及び第２のパターン層を堆積させることができる。他の例では、２つ以上のノズルを使用して対応する第１及び第２のパターン層を堆積させることができる。ノズルは互いに独立して動くことができる。

追加材料堆積ノズルは、第１及び第２のパターン層の間の空間に第２の材料を堆積させるように構成される。第２の材料は、第１のパターン層と第２のパターン層との間の空間を充填し、第１のパターン層と第２のパターン層との間の空間と形状が同一である複雑な形状の３次元物体を形成する。いくつかの例では、方法及び装置は、第１及び第２のパターン層及び複雑な形状の３次元物体が順番に堆積されることを特徴とするが、いくつかの例では、第１及び第２の材料を同時に又はほぼ同時に堆積させることができる。

通常、第１及び第２のパターン層の元になる材料及び第２の材料は、化学線放射、温度もしくは圧力、又は樹脂と硬化剤の混合物に曝されたときにそれらの凝集状態を変化させる材料、すなわち、凝固又は硬化する材料である。従って、両材料はそれらの凝集状態を変化させる。通常、パターン層は、第２の材料が堆積される前に凝固する。第１の材料は、第２の材料とは異なる機械的特性を有する。第２の材料は、その中に追加材料又は添加剤を含めることをサポートする。追加材料又は添加剤は、第２の材料、例えば、セラミック、金属又は鉱物粉末充填材、ガラス及び他の繊維、レオロジー改質剤及び他の材料の特性とは異なる特性を有することができる。追加材料は、第２の材料の所望の特性を高めることができる。

第２の材料の硬化が完了すると、パターン層は、任意の公知の除去方法によって、特に水道水への暴露、熱又は機械的作用によって除去される。パターン形成層は高い吸水性を示すが、膨潤が制限されているため、パターン材料は壊れてビーズになり、続いて過剰な水で洗い流される。パターン層の材料組成は、親水性又は疎水性の架橋剤と組み合わせた親水性モノマーをベースとする。この化学構造は、ポリマーの迅速な膨潤を可能にするが、水に完全には溶解しない。高応力の結果、ヒドロゲルは壊れてビーズになり、ビーズは、例えば、メッシュフィルターで水を濾過することによってメッシュに容易に集めることができる。

一例では、材料堆積ノズル及びテーブルは、３つの異なる方向に互いに対する直線運動の自由度を有する。さらなる例では、材料堆積ノズルは、半径方向及び軸方向に移動するように構成され、テーブルは、所望の方向に回転及び移動するように構成される。

本開示の特徴及び利点は、以下の説明及び添付の図面から当業者に思い浮かぶであろう。図面において、同様の部品には同様の符号が付けられている。

大きなサイズで複雑な形状の３次元物体の例である。

大きなサイズで複雑な形状の３次元物体の別の例である。

複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置の例である。

複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置の別の例である。

複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置のさらに別の例である。

複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置のさらに別の例である。

重くて複雑な形状の３次元物体の製造に適したパターン層の例である。

大きなサイズで複雑な形状の３次元物体の平面図である。

複雑な形状の３次元物体の製造方法の更なる例である。

複雑な形状の３次元物体の製造方法の更なる例である。

大きなシェル、型などのような複雑な形状の３次元物体を製造するための既存の方法及び装置は、概して時間がかかり、労働集約的である。通常、このような複雑な３次元物体、特に大きくて複雑な形状の３次元物体は、いくつかのステップで製造される。最初に複雑な形状の３次元物体データをセグメントに切断し、次に各セグメントを製造し、最後にセグメントを大きくて複雑な形状の３次元物体に組み立てる。例えば、型と称されることもある鋳型は、通常、最終的な鋳型に組み立てられる２つ以上の別個のセグメント又はパーツから作られる。次に、それから所望の複雑な形状の３次元物体が製造される別の材料が、先に作られた鋳型に堆積又は鋳造される。これらは時間と費用がかかるやり方である。

本開示は、層のパターンを堆積させ、続いて鋳造材料でパターンを充填することによって、複雑な形状の３次元物体の製造を支援する方法及び装置を記載する。この方法及び装置は、複雑な形状の３次元物体を製造するために必要な鋳型及び他のツールの製造を容易にする。

本開示はまた、既存の方法の欠点を克服する複雑な形状の３次元物体の製造方法を提供し、大きくて複雑な形状の３次元物体の製造のための有用な代替方法を提供する。この方法は、パターン層及び複雑な形状の３次元物体の連続的又はほぼ同時の製造ステップを提案する。通常、第１及び第２のパターン層及び大きくて複雑な形状の３次元物体は、第１及び第２のパターン層が最初に堆積され、パターン層の硬化の後に、大きくて複雑な形状の３次元物体材料が堆積される順序で製造される。

従来、このような複雑な形状の３次元物体又は構造物の製造は、通常、建物の建設に使用される足場に類似した、いわゆる支持要素又は支持構造の導入によって行われる。物体の製造が完了すると、支持要素を除去しなければならない。ほとんどの場合、支持構造は、ナイフ、ペンチ及びパテ型スクレーパーなどの機械的手段によって除去される。このような機械的手段の使用は、支持体が取り付けられた表面を平滑化するために、かなりの手作業とその後の処理を必要とする。加えて、型又は鋳造品の内部空洞内にあるいくつかの支持構造は、除去することができない。

パターン層は通常、印刷された物体の完全性を維持し、複雑な形状の３次元物体の外面及び内面から容易に取り外し可能であること、取り外したときに複雑な形状の３次元物体の外面又は内面に損傷を与えないことなど、いくつかの条件を満たす必要がある。本開示のいくつかの例では、パターン層は、水道水で破壊可能な材料で作ることができる。いくつかのパターン層構造は、加熱又はハンマリングもしくは圧力などの機械的な力によって容易に破壊することができる。

十分に強く容易に取り除くことができるパターン層材料を含む３次元印刷又は押し出し成形用の改良されたパターン材料を用いて、複雑な型及び鋳型の製造用ツールの生産を単純化及び加速する必要がある。

図１は、大きなサイズで複雑な形状の３次元物体の一例である。複雑な形状の３次元物体１００は、高さが約１５００ｍｍ以上であり、直径が４００ｍｍ又は５００ｍｍであり得る。物体は、平坦面１０４、凸面及び凹面１０８を含む。さらに、表面は傾斜し、様々な角度に向けられることができ、３次元物体１００の壁は様々な厚さ又はサイズを有することができる。

図２は、別の大きなサイズで複雑な形状の３次元物体の例である。複雑な形状の３次元物体２００は、船のパネル又は飛行機のセグメントであり得る。３次元物体２００は、長さが約１５００ｍｍで、厚さが例えば１０ｍｍから５００ｍｍであり得る。複雑な形状の３次元物体２００の材料は、２つの堅いパターン層２０４及び２０８の間の空間に鋳造され、パターン層２０４及び２０８の間に位置するコア２１２を形成する。コア２１２の硬化が完了すると、パターン層２０４及び２０８を除去することができる。いくつかの例では、パターン層２０４及び２０８は、パターン層２０４及び２０８が作られるのと同じ材料で作られる底部パターン層２１６と組み合わせることができる。

複雑な形状の３次元物体２００は、層状物体として製造される。いくつかの連続するパスを実行することにより、第１の材料の所望の数の硬化したパターン層２２０を堆積させることができる。同様の又は異なる方法で、鋳造された複雑な形状の３次元物体の材料層２２４を堆積させることができ、複雑な形状の３次元物体を製造又は製作することができる。パターン層２２０及び鋳造された物体の材料層２２４は、同じ厚さ又は異なる厚さであることができる。通常、鋳造された複雑な形状の３次元物体の材料層２２４は、いくつかのパターン層２２０が堆積され硬化された後に堆積される。遅延は、３〜３０個のパターン層２２０を堆積させるのに必要な時間によって定めることができる。

図３Ａは、複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置の例である。装置３００は、第１の材料すなわちパターン層材料を堆積させるように構成されたパターン層材料堆積ノズル３０４と、第２の材料又は鋳造品３４０材料を堆積させるように構成されたノズル３１２とを含む。材料堆積ノズル３０４は、第１の材料を堆積させて第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６を形成するように構成される。第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６は横方向にずらされているので、ノズル３０４は、それらを異なる方法で堆積させることができ、例えば、パターン層３３２の特定の高さを構築し、パターン層３３６の同様の又は異なる高さを構築するようにずらすことができる。横方向にずらされている第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６は、第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６に沿って変化する断面を有する空間（空の容積）を形成する。プロセッサ３３０は、複雑な形状の３次元物体データを受け取り、それをノズル３０４及び３１２の移動及びそれぞれの材料堆積速度に変換するように構成される。プロセッサ３３０は、製造される複雑な形状の３次元物体の形状及び壁厚の関数として第１のパターン層３３２と第２のパターン層３３６との間の距離を変化させる。プロセッサ３３０はまた、第１のパターン層３３２と第２のパターン層３３６との間の変化する空間又は容積においてノズル３１２によって堆積される第２の材料３４０の量を変化させる。ノズル３０４は、第１の材料をノズル３０４に供給するように構成された各材料供給機構３１６と連通し、ノズル３１２は、第２の材料３４０をノズル３１２に供給するように構成された材料供給機構３２４と連通している。第２の材料堆積速度もプロセッサ３３０によって制御され、第１のパターン層３３２と第２のパターン層３３６との間の変化する空間を満たすのに十分な量の第２の材料を提供するように調整されることができる。

第１及び第２の材料堆積速度を制御することに加えて、プロセッサ３３０は、ノズル３０４及び３１２並びにテーブル３２８の相対変位速度を制御する。テーブル３２８は、第１のタイプの材料及び第２のタイプの材料を受け取り、保持するように構成される。テーブル３２８は、矢印３４２によって示されるように、複数（少なくとも３つ）の方向（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ）に移動して、製造された複雑な形状の３次元物体のサイズ又は寸法を変更するために材料堆積中に適応することができる。代わりに、ノズル３０４及び３１２が、複数の方向、例えば、垂直方向（Ｚ）及び水平方向（Ｘ、Ｙ）に移動されることができる。いくつかの例では、テーブル３２８は、第２の材料の硬化をより速く開始するために、環境温度よりも高い温度に加熱することができる。

ノズル３０４は、複雑な形状の３次元物体、例えば物体２００などの鋳型又は型の第１及び第２のパターン層３３２及び３３６を形成する。ノズル３０４によって堆積され又は押し出される第１の材料は、米国特許第９，２１６，５４３号及び米国特許出願第１４／９４３，３９５号及び第１５／６６５，４７２号に開示された材料のようなゲル凝集状態の擬似塑性材料であり得る。擬似塑性ゲルは、本出願の譲受人からＤＩＭＥＮＧＥＬ（登録商標）という名称で市販され、機構３１６によって加えられる攪拌により堆積ノズル３０４を通って流れる。ゲルの弾性はノズルを出た直後に回復し、ゲルは凝固又は硬化してその形状及び強度を維持し又は取り戻す。ノズルを出た後、材料はもはや応力下になく、ネットワークは直ちに元どおりになり、ゲルの再凝固をもたらす。ゲル凝固の直後に、ゲルは、完全に重合して架橋するようにゲルを固定させるためにＵＶ光に曝される。凝固又は硬化したゲルは、複雑な形状の３次元物体のための鋳型又は型の第１パターン層３３２及び第２パターン層３３６又は壁３３２及び３３６を形成する。

しかしながら、ＤＩＭＥＮＧＥＬ（登録商標）は、容易なパターン層の除去を支援しない。本開示は、パターン層の除去を容易にする材料を提案する。新規のパターン層材料組成は、親水性又は疎水性の架橋と組み合わせた親水性モノマーをベースとする。この化学構造により、ポリマーは急速に膨潤するが、水中で完全には溶解しない。高応力の結果、ヒドロゲルは壊れてビーズになり、ビーズは、例えば、篩フィルターによって水を濾過することにより容易に篩に集めることができる。

パターン層又は壁３３２及び３３６の急速な凝固又は硬化（層ピニングとも呼ばれる）は、１秒未満かかり、ノズル３１２による第２の材料の堆積を容易にする。パターン層又は壁３３２及び３３６の急速な凝固又は硬化は、ゲル配合物内に予め埋め込まれた光開始剤及びＵＶ源によって提供される紫外線（ＵＶ）放射を使用することによってさらに加速され得る。この第２の材料３４０は、製作又は製造される複雑な形状の３次元物体の鋳造材料である。第２の材料３４０は、樹脂と硬化剤の様々な比率での混合物、又は熱、光、マイクロ波、電子ビーム又は任意の外部放射線源を含む外部開始を含む、材料の大きなグループ及び重合のための多くの技術から選択することができる。熱硬化性ポリマー材料の結果は、触媒又は開始剤、触媒対、触媒の硬化性ポリマー及び室温促進剤を用いて開始することができる。ポリマーは、モノマー対を用いた段階成長重合、又は連鎖成長重合、重縮合、もしくは開環重合の組み合わせを含む。熱硬化性ポリマーは、エポキシ樹脂、ビニルエステル、ポリエステル、アクリレート、ポリウレタン、ポリ尿素、加硫ゴム、フェノールホルムアルデヒド、尿素ホルムアルデヒド、メラミン樹脂、ベンゾオキサジン、ポリイミド、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリシアヌレート、及びシリコーン（以下、熱硬化性ポリマーと称する）を含む様々な種類のポリマーを含む。いくつかの例では、無機成分と有機成分の混合物からなる人造石組成物を鋳造することができる。人造石の無機成分は、砕いた大理石又は花崗岩、ガラス及び炭素繊維又はガラス粒子、アルミニウムの金属粒子又は窒化ホウ素のような合金などであり得る。鋳造材料のための結合剤も、セメント、石膏などの無機物であることができる。

第２の材料は、パターン層３３２及び３３６の間の空間に堆積され、パターン層又は壁とともに堅固な補強構造を形成する。硬化性ポリマー３４０が装置３００によってノズル３１２から層状に押し出されるとき、材料層は、混合、熱又は化学線放射に曝されると凝固する。パターン層３３２及び３３６と恒久的に接触しているので、材料は凝固し、複雑な形状の３次元物体の強度を高める。

いくつかの例において、第２の材料３４０の凝固又は硬化プロセスは、第２のタイプの材料を硬化するように構成された熱源、マイクロ波源、赤外線放射源、電子ビーム源、又は任意の外部放射線源によって促進及び加速され得る。

第１の材料は第２の材料とは異なる物理的特性を有することができる。それらの特性は、弾性係数、透明度、外観、材料硬化放射波長及び他の特性を含むことができる。いくつかの例では、材料硬化放射線源３４４及び３４６、例えば、ＵＶ（紫外線）放射源は、複雑な形状の３次元物体又はパターン層の所望の部分を照射するように配置されることができる。プロセッサ３３０はまた、あらゆる種類の材料硬化放射線源の動作を制御するように構成される。

図３Ｂは、複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置の別の例である。装置３５０は、可変距離で配置されるか、又は互いに対して横方向にずらされ、第１の材料を堆積させるように構成された２つの材料堆積ノズル３０４及び３５４と、第２の材料を堆積させるように構成されたノズル３１２とを含む。２つの材料堆積ノズル３０４及び３５４は、第１の材料を堆積させて、第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６を同時に形成するように構成される。材料堆積ノズル３０４及びノズル３１２は、同じ譲受人に対する米国特許第９，０１１，１３６号及び第９，６２３，６０７号に開示されているものと同様に、互いに独立して垂直方向（Ｚ）及び水平方向（Ｘ、Ｙ）に移動することができる。第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６は、第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６に沿って変化する断面を有する空間（空の容積）を形成する。プロセッサ３３０は、複雑な形状の３次元物体データを受け取り、それをノズル３０４及び３５４の移動及びそれぞれの材料堆積速度に変換するように構成される。プロセッサ３３０は、製造される複雑な形状の３次元物体の形状及び壁厚の関数としてノズル３０４及び３５４の間の距離を変化させて第１のパターン層３３２及び第２のパターン層３３６を堆積させる。プロセッサ３３０はまた、第１のパターン層３３２と第２のパターン層３３６との間の変化する空間又は容積においてノズル３１２によって堆積される第２の材料３４０の量を変化させる。

第１のパターン層３３２と第２のパターン層３３６との間の距離又は間隙はまた、設計に応じて変化する。ノズル３０４及び３５４は、第１の材料をノズル３０４及び３５４に供給するように構成されたそれぞれの材料供給機構３１６及び３２０と連通し、ノズル３１２は、第２の材料３４０をノズル３１２に供給するように構成された材料供給機構３２４と連通している。プロセッサ３３０は、複雑な形状の３次元物体データを受け取り、それをそれぞれの材料堆積速度に変換するように構成される。第２の材料堆積速度もコンピュータ３３０によって制御され、第１のパターン層３３２と第２のパターン層３３６との間の変化する空間又は容積を満たすのに十分な量の第２の材料を提供するように調整されることができる。

第１及び第２の材料堆積速度を制御することに加えて、プロセッサ３３０は、ノズル３０４、３５４及びノズル３１２並びにテーブル３２８の相対変位速度を制御する。テーブル３２８は、第１のタイプの材料及び第２のタイプの材料を受け取り、保持するように構成される。テーブル３２８は、矢印３４２によって示されるように、３つの方向（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ）に移動して、製造された複雑な形状の３次元物体のサイズ又は寸法を変更するために材料堆積中に適応することができる。代わりに、ノズル３０４及び３５４並びにノズル３１２は、互いに独立して垂直方向（Ｚ）及び水平方向（Ｘ、Ｙ）に移動されることができる。いくつかの例では、テーブル３２８は、第２の材料の硬化のより速い開始をパターン化するために、環境温度よりも高い温度に加熱することができる。

ノズル３０４及び３５４は、複雑な形状の３次元物体３００（１００又は２００）の第１及び第２のパターン要素層３３２及び３３６を堆積させる。ノズル３０４及び３０８によって堆積され又は押し出される第１の材料は、水で破壊可能な材料、熱放射、又は力／圧力などの機械的作用で破壊可能な材料であることができる。

パターン要素層３３２及び３３６に破壊可能な材料を使用することにより、パターン層の除去が容易になる。例えば、パターン層の材料組成は、親水性又は疎水性の架橋剤と組み合わせた親水性モノマーをベースとする。この化学構造は、ポリマーの急速に膨張を可能にするが、水に完全には溶解しない。高応力の結果として、ヒドロゲルは壊れてビーズになり、ビーズは、例えば、篩フィルターによって水を濾過することにより容易に篩に集めることができる。

典型的な第１の材料すなわち水で破壊可能な材料の組成は、アクリルアミド、メタクリルアミド、アクリレート、アクリル酸及びアクリル酸塩、ヒドロキシ（メタ）アクリレート、カルボキシ（メタ）アクリレート、アクリロニトリル、炭水化物モノマー、メタクリレート、及び多官能性アクリルを含む。

典型的な第１の材料すなわち水又は熱放射で破壊可能な材料の組成はさらに、オリゴマーを通して低分子量の４４ダルトンから最大３００，０００ダルトンの高分子量ポリマーまでの分子量（ＭＷ）の範囲で、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）、別名ポリ（オキシエチレン）又はポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）を含むことができる。ＰＥＧオリゴマー又はポリマーは、ヘテロ二官能性、ホモ二官能性、単官能性、ＰＥＧデンドリマー及びマルチアームＰＥＧ及びＰＥＧコポリマーであり得る。ＰＥＧベースのポリマーは６０°Ｃの低い融解温度（Ｔｍ）を示すので、温和な熱への曝露下で容易に破壊される。類似の材料は、低い融解温度であることができ、例えば、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリエチレンコメタクリル酸、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＰ）、又は約４５〜６０°ＣのＴｍを示す類似のポリマーを含む。

さらに、水又は有機溶媒を含む非反応性添加剤を含むことができる。これらの溶媒に加えて、可塑剤として使用する短いオリゴマーを含むことができ、溶融温度及びポリマーの剛性を低下させる。

いくつかの例では、熱硬化性ポリマー以外の材料をパターン層の間に堆積させることができる。そのような材料は、様々なワックス、耐水性フォトポリマー、セメント、石膏などの鉱物結合剤との水性混合物であり得る。

いくつかの例では、第２の材料３４０の凝固又は硬化プロセスは、第１のタイプの材料を硬化するように構成された硬化放射線源及び第２のタイプの材料を硬化するように構成された放射線源によって促進及び加速され得る。第２のタイプの材料を硬化するように構成された硬化放射線源は、熱、マイクロ波又はＩＲ放射線源であり得る。加熱は、より速くより効率的な重合のために、硬化収率だけでなくその速度も高める。

装置３５０は、第１及び第２のパターン層３３２及び３３６を同時に堆積させる。いくつかの例では、パターン層３０４及び３０８と複雑な形状の３次元物体の鋳造材料３４０の堆積の間に遅延があり得る。通常、鋳造された複雑な形状の３次元物体の材料層２２４は、いくつかのパターン層３３２及び３３６が堆積され硬化された後に堆積される。遅延は、３〜３０個のパターン層３３２及び３３６を堆積させるのに必要な時間によって定めることができる。いくつかの連続するパスを実行することにより、第１の材料によって境界が定められた第２の材料の所望の数の硬化層を堆積させることができ、３次元物体を製造することができる。

いくつかの例では、材料硬化放射線源３４４及び３４６は、複雑な形状の３次元物体又はパターン層の所望の部分を照射するように配置されることができる。プロセッサ３３０はまた、材料硬化放射線源３４４及び３４６の動作を制御するように構成される。材料硬化放射線源３４４及び３４６は、第２の材料硬化放射線源も含むことができる。

図４は、複雑な形状の３次元物体の製造に適した装置の別の例である。図４Ａの装置は、対称的な３次元物体の製造を単純化する。物体４１４は、図１の複雑な形状の３次元物体に類似した複雑な形状の対称的な３次元物体である。パターン層４０６及び４１０は、それらの間に、物体４１４を形成する第２の材料が鋳造される空間を形成することができる。テーブル３２８は、直線運動に加えて、矢印４２０で示すような回転運動を提供するように構成される。テーブル３２８の回転運動は、材料供給機構３１６、３２０及び３２４によって示される第１及び第２の材料堆積ノズルの半径方向運動によって補足される。テーブル３２８の回転と材料堆積ヘッド３１６、３２０及び３２４の独立した半径方向運動（図４Ｂの矢印４１６、４１８及び４２０）との組み合わせは、可変形状を有する対称的な物品４１４の製作又は製造を容易にし、例えば、３次元物体の直径が変化し、鋳造材料の量又は境界要素４０６及び４１０の間の距離が変化し得る。さらに、テーブル３２８は、複雑な形状の３次元物体４１４のサイズの変化に対応するために、複数の方向に移動することができる。代わりに、ノズル３０４及び３０８並びにノズル３１２は、複数の方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）又は少なくとも１つの方向に移動され得る。

先に開示された方法と同様に、第２の材料は、パターン要素層４０６及び４１０の間の容積又は空間に堆積された熱硬化性ポリマー材料、すなわち、熱硬化性ポリマーであり、堅固なパターン又は自己パターン形成構造を形成する。熱硬化性ポリマー４１４が装置４００によってノズル３１２から層状に押し出されるとき、熱硬化性ポリマー材料層は、熱又は赤外線放射に曝されると凝固する。パターン層４０６及び４１０と恒久的に接触しているので、熱硬化性ポリマー材料は凝固し、複雑な形状の３次元物体の強度を高める。

さらなる例によれば、パターン構造要素３３２の第２の材料４１４（又は３４０）側に最も近い複雑な形状は、複雑な形状の３次元物体の鋳造された材料の熱硬化性ポリマー４１４（又は３４０）に複写されるレリーフを含むことができる。

さらなる例では、装置３００及び４００は、ノズル３１２を有する複数のヘッド３２４を含むことができる。ノズル３１２−１及び３１２−２を有するさらなるヘッドは、ノズル３１２によって堆積される材料とは異なる材料を堆積させることができる。これらの材料は、複雑な形状の３次元物体のパターン層４１０に最も近い側に装飾模様を形成するために、外観、色及び構造が異なることができる。

パターン層は通常、印刷された物体の完全性を維持する、３次元物体を簡単に取り外し可能である、取り外すときに３次元物体の表面に損傷を与えないなどのいくつかの条件を満たす必要がある。非常に大きく及び／又は重く複雑な形状の３次元物体５００（図５）を製造しなければならない場合、パターン層５０６及び５１０は、追加の（当技術分野で知られている）支持体５１４、５１６及び５２０によってさらに強化されることができる。追加の支持構造５１４、５１６及び５２０は、複雑な形状の３次元物体の完全性を維持し、パターン層が作られるのと同じ水又は熱放射で破壊可能な材料又は異なる材料で作られることができる。支持構造５１４、５１６及び５２０は、複雑な形状の３次元物体５００と接触せず、それらを除去しても、複雑な形状の３次元物体５００の表面に跡又は人為的な影響を残すことはないため、それらは、水で破壊可能な材料以外で作ることができる。

図６は、大きなサイズで複雑な形状の３次元物体の平面図である。複雑な形状の３次元物体６００は、複雑な形状の３次元物体６００の内部空洞に位置する付加的な３次元物体６０４を含む。符号６０６及び６１０は、パターン層の除去を容易にする上述した水又は熱で破壊可能な材料であり得る第１の材料から作られたそれぞれのパターン層を示す。符号６０２は、複雑な形状の３次元物体６００の鋳造材料を示す。

水や熱で破壊可能な材料の使用は、大きな設計の自由度を提供する。これにより、複雑な型を設計する必要なく、「命令によって」消えるパターンを使用して複雑な形状を作成し、鋳造された材料の複雑な形状を残すことができる。

図７に示すさらなる例では、複雑な形状の３次元物体７００が形成される材料７０２は、容積７０４の任意に選択された位置に堆積される。材料７０２は、物体７００の製造の過程で堆積される。パターン層７１２及び／又は７１６の少なくとも１つに充填口７０８を設けることができる。複雑な形状の３次元物体７００は、閉じた物体として示されているが、パターン層７１２及び／又は７１６の両方に自由にアクセスできる頂部が切断された物体であることができる。

パターン層７１２、７１６及びパターン要素層７１２及び／又は７１６の間に囲まれた容積の任意に選択された位置７０４に堆積された材料７０２が完了すると、パターン層７１２、７１６は３次元印刷機から除去され、それらの間の空間は材料７０２又は同様のものによって充填されることができる。このような方法は、次の部分を印刷するための機械を解放し、充填口７０８を通して連続的に導入され得る様々な異なる材料の使用を支援する。材料は、異なる色であることができ、異なる機械的特性を有することができる。この方法を使用して、複合材料の物体を製造することもできる。このような材料の硬化は、オフラインで行うことができる。

方法及び装置は、その特定の例を参照して詳細に説明され、当業者には、方法及び装置にその主旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を行うことができることが明らかであろう。

Claims (20)

1. 第１及び第２のパターン層が第１及び第２のパターン層に沿って変化する可変断面を有する空間を形成するために互いに横方向にずらされた第１及び第２のパターン層を堆積させるために第１の材料を使用することと、
   前記第１のパターン層と前記第２のパターン層との間の前記空間と形状が同一の複雑な形状の３次元物体を形成するために前記第１のパターン層と前記第２のパターン層との間の空間に第２の材料を堆積させることと
   を含み、
   前記第１の材料と前記第２の材料とは異なる特性を有する、方法。
2. 前記第１の材料の硬化（凝固）後に前記第２の材料を堆積させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の材料は、水で破壊可能な材料、熱で破壊可能な材料、及び機械的に破壊可能な材料からなる材料群のうちの１つである、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の材料の組成は、親水性又は疎水性の架橋剤と組み合わせた親水性モノマーをベースとする、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の材料の組成は、アクリルアミド、メタクリルアミド、アクリレート、アクリル酸及びアクリル酸塩、ヒドロキシ（メタ）アクリレート、カルボキシ（メタ）アクリレート、アクリロニトリル、炭水化物モノマー、メタクリレート、及び多官能性アクリルを含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記第１の材料の組成は、モノマー及びダイマーからオリゴマーまで及び３００，０００ダルトンの高分子量ポリマーまでの広範囲の分子量（ＭＷ）を有する、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）、別名ポリ（オキシエチレン）又はポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）をさらに含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記第２の材料は熱硬化性ポリマー材料である、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の材料は、エポキシ樹脂、ビニルエステル、ポリエステル、アクリレート、ポリウレタン、ポリ尿素、加硫ゴム、フェノールホルムアルデヒド、尿素ホルムアルデヒド、メラミン樹脂、ベンゾオキサジン、ポリイミド、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリシアヌレート及びシリコーンからなる材料群のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の材料は、添加剤材料の前記第２の材料への含有を支援する、請求項７に記載の方法。
10. 前記第１のパターン層と前記第２のパターン層との間の空間は、前記第１のパターン層と前記第２のパターン層との間の空間に堆積される前記第２の材料の型として使用される、請求項１に記載の方法。
11. 複雑な形状の３次元物体の製造の完了時に前記第１及び第２のパターン層を除去することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の材料は、前記第２の材料とは異なる機械的特性（弾性係数、透明度、外観）を有する、請求項１に記載の方法。
13. 第１及び第２のパターン層に沿って変化する断面を有する空間（空の容積）を形成するように第１及び第２のパターン層を形成するために第１の材料を堆積させるように構成された材料堆積ノズルと、
    前記第１のパターン層と前記第２のパターン層との間の空間と形状が同一の複雑な形状の３次元物体を形成するために前記第１のパターン層と前記第２のパターン層との間の空間に第２の材料を堆積させるように構成された第２の材料堆積ノズルと
    を含み、
    前記第２の材料堆積ノズルは、前記第１及び第２のパターン層の硬化後に前記第２の材料を堆積させる、装置。
14. 少なくとも前記第１の材料を硬化するように構成された少なくとも１つの第１の材料硬化放射線源をさらに含み、前記第１の材料硬化放射線源がＵＶ源である、請求項１３に記載の装置。
15. 少なくとも１つの第２の材料硬化放射線源は、熱源、マイクロ波源又はＩＲ放射線源である、請求項１４に記載の装置。
16. 前記第１の材料及び前記第２の材料を受け取り、保持するように構成されたテーブル（支持体）をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
17. 前記テーブルは、水平方向及び垂直方向に移動するように構成される、請求項１６に記載の装置。
18. 前記材料堆積ノズルは半径方向に移動するように構成され、テーブルが回転するように構成される、請求項１３に記載の装置。
19. 前記第２の材料を堆積させるように構成された複数のノズルがある、請求項１３に記載の装置。
20. 材料堆積ノズルが互いに独立して複数の方向に移動するように構成される、請求項１３に記載の装置。

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