JP2022010038A - 傾斜機能材料の付加製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は傾斜機能部品を層ごとに製造する方法に関する。
【解決手段】樹脂支持体によって画定される造形面上に、放射エネルギー硬化性樹脂であって、物理的性質の異なる少なくとも２つの群の粒子を含む充填剤を含有する樹脂を堆積するステップと、複数の粒子群が互いに分離して、樹脂内に少なくとも２つの領域が画定されるように、充填剤を沈降させるステップと、樹脂に層の増分を画定するために、造形面に対してステージを位置決めするステップと、部品の断面層の幾何形状を画定するために、放射エネルギーを特定のパターンで印加することで樹脂を選択的に硬化させるステップと、部品を造形面から分離するために、造形面とステージを移動させて相対的に離すステップと、部品が完成するまで、少なくとも位置決めのステップと選択硬化のステップを複数の層に対して繰り返すステップと、を含む、傾斜機能部品を層ごとに製造する方法
【選択図】図１

Description

本発明は一般に付加製造に関し、より具体的には付加製造における硬化性材料処理の方法に関する。

付加製造は、材料を層ごとに造形して部品を形成するプロセスである。ステレオリソグラフィは、液体の放射エネルギー硬化性ポリマー「樹脂」の槽と、レーザなどの硬化性エネルギー源とを使用する、付加製造プロセスの一種である。同様に、ＤＬＰ３Ｄ印刷は、２次元像投影機を使用して部品の１層を一度に造形する。各層に対して、投影機が、液体の表面、又は樹脂の拘束表面を画定する透明体を通して、部品の断面の放射像を照射する。放射に曝されることにより、樹脂内にパターンが硬化及び凝固されて、前段階の硬化層に結合する。他のタイプの付加製造プロセスは、他のタイプの放射エネルギー源を使用して樹脂にパターンを凝固させる。

傾斜機能材料は、体積全体に亘って組成及び構造が段階的に変化し、材料の性質がそれに応じた変化をする。材料を、特定の機能及び用途に設計することが可能である。傾斜機能材料の製造には、従来、バルク（粒子処理）、プリフォーム処理、層処理、及び溶融処理に基づく様々なアプローチが使用されている。

傾斜機能材料は、単一材料が適さない、また２つの異なる材料間の分離境界が機能的でないような（例えば、金属部品表面上のセラミック被覆；これは熱膨張係数（ＣＴＥ）の大きな差により被覆が剥がれやすいような）様々な用途において有益である。

付加製造による傾斜機能材料の製造方法が求められている。

これらの問題点の少なくとも１つは、異なる領域に沈降可能な異なる性質を有する複数の粒子を有する樹脂の付加製造によって対処される。沈降した樹脂を硬化させて傾斜機能構造を形成可能である。

本明細書に記載の技術の一態様によれば、傾斜機能部品を層ごとに製造する方法が提供される。この方法は、樹脂支持体によって画定される造形面上に、放射エネルギー硬化性であって、物理的性質の異なる少なくとも２つの群の粒子を含む充填剤を含有する樹脂を堆積するステップと、少なくとも２つの群の粒子が互いに分離して、樹脂内に少なくとも２つの領域が画定されるように、充填剤を沈降させるステップと、造形面上に堆積される樹脂の層の増分を画定するために、ステージを造形面に対して位置決めするステップと、部品の断面層形状を画定するために、放射エネルギーを特定のパターンで印加することで樹脂を選択的に硬化させるステップと、部品を造形面から分離するために、造形面とステージを相対的に移動させて離間するステップと、部品が完成するまで、少なくとも位置決めのステップと選択硬化のステップを複数の層に対して繰り返すステップと、を含む。

本発明は添付の図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。

例示的な付加製造装置の概略側立面図である。 例示的な走査ビーム装置の概略図である。 槽に堆積された樹脂の小部分の沈降ステップの前の断面図である。 図３の樹脂の沈降後の断面図である。 槽の上方にステージが位置している、沈降した樹脂を含む槽の断面図である。 ステージが第１の層の形成位置に下降した、図５の槽の断面図である。 ステージが第２の層の形成位置に下降した、図５の槽の断面図である。 ステージが第３の層の形成位置に下降した、図５の槽の断面図である。 ステージが引き上げられて、形成された３つの層がそこに付着した、図５の槽の断面図である。

様々な図において同一参照番号が同一要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書に記載の付加製造法の実施形態を実行するための、１つの好適な装置１０の一実施例を概略的に表す。本方法の実行には他の構成の設備も使用可能であることは理解されるであろう。例示的装置１０の基本構成要素には、一つ又は複数の槽１１、ステージ１４、放射エネルギー装置１８、及び（任意選択により）槽輸送機構２０が含まれる。

槽１１は、床１２と周囲又は壁１３を含み、放射エネルギー硬化樹脂Ｒを収容するように構成されている。一実施形態において、床１２は透明であるか、又は透明な一つ又は複数の部分を含んでいる。本明細書における「透明」という用語は、選択された波長の放射エネルギーが通過可能な材料を指している。例えば以下で述べるように、硬化に使用される放射エネルギーは、紫外光又は可視スペクトルのレーザ光であってよい。透明材料の非限定的な例としては、ポリマー、ガラス、又はサファイアや水晶などの結晶性鉱物が含まれる。床１２は２つ以上の副構成要素から構成されて、そのうちのいくつかが透明であってもよい。ここに示す実施例は「上向き構成」である。他の実施形態（図示せず）では、放射エネルギー装置が槽１１の反対側に配置可能（「下向き」構成と称する）であるために、槽１１は透明である必要はない。

槽１１の床１２は、平坦であってよい造形面２２を画定する。説明の便宜上、造形面２２は装置１０のＸ－Ｙ面に平行に配向するものと考えてよい。そしてＸ－Ｙ面に垂直な方向をＺ方向と記す（Ｘ、Ｙ，Ｚは３つの互いに直交する方向である）。

本明細書において槽１１を本発明の原理の説明の例として使用しているが、これは造形面の画定に使用し得る、樹脂の支持体の１つの種類に過ぎない。例えば、槽の代わりにプレート、あるいは、例えば普通のテープ成形に使用されるタイプの可撓性の箔を使用することが可能である。

造形面２２は、硬化樹脂の付着に耐性のある「非粘着性」に構成されていてもよい。非粘着性は、床１２とその表面仕上げ、及び／又は塗布された被膜の化学的性質などの、複数の変数の組み合わせで実現され得る。一実施例では、永続性又は半永続性の非粘着被膜が塗布されてもよい。適切な被膜の非限定的な実施例の１つは、ポリテトラフルオロエチレン（「ＰＴＦＥ」）である。一実施例では、槽１１の造形面２２のすべて又は一部は、非粘着性を有する、制御された面粗さ又は表面テキスチャ（例えば突起、窪み、溝、隆起など）を組み込むことができる。一実施例では、床１２が、全体又は部分的に酸素透過性材料でできていてもよい。

槽１１の位置を直近で囲む面積又は体積は（槽が硬化ステップを行うように配置されている場合には）「造形ゾーン」と定義され、破線のボックス２３で表される。

記述を簡単にするために、例示的な槽１１は静止位置にあって、本明細書に記載のすべての造形サイクルが造形ゾーン２３の槽１１で生じるものとして示されている。代替として、槽１１を輸送して造形ゾーン２３の中に出し入れできる輸送機構２０を提供して、造形ゾーン２３から離れた場所で槽１１の準備（例えば、充填、除去及び／又は清掃など）ができるようにしてもよい。言い換えると、槽１１は前もって充填された「カートリッジ」として扱ってもよい。

図示した実施例では、１つの可能な槽輸送機構２０を、造形ゾーン２３を横断して横に延びるコンベアベルトの形で示している。この目的に適する他のタイプの機構としては、例えば機械式リンク機構、回転テーブル、ロボット作動体アームがある。槽１１は任意の所望の方向から造形ゾーン２３に出入りしてもよいことは理解されるであろう。

次に装置１０の構成要素を考えると、ステージ１４は平坦面３０を画定する構造であって、槽１１が造形ゾーン２３にあるときに造形面２２に平行に配向することができる。ステージ１４を槽１１に対し、したがって造形面２２に対して、Ｚ方向に平行に移動させる何らかの手段が提供される。図１において、これらの手段はステージ１４と静止した支持構造体３４との間に接続された単純なアクチュエータ３２として概略的に示されている。ここでボールねじ電気アクチュエータ、リニア電気アクチュエータ、デルタドライブ、空気圧シリンダ、又は油圧シリンダなどの装置がこの目的で使用できることが理解される。ステージ１４を可動とすることに加え、あるいはその代わりに、床１２及び／又は槽１１全体をＺ方向に平行に可動とすることもできる。

新しい樹脂Ｒ及び／又は充填剤が、適切なアクチュエータによって造形ゾーン２３への出し入れ移動可能な新規材料貯蔵器５６から槽１１内へ充填される。樹脂Ｒを混合する手段が備えられて、材料（例えば、新規樹脂、使用済み樹脂、新規充填剤、使用済み充填剤のいずれか又はすべてを含む）を均一とするようになっていてもよい。

放射エネルギー装置１８は、適切なパターンで、かつ造形プロセス中に樹脂Ｒを硬化させるための適切なエネルギーレベルとその他の動作特性で以って、放射エネルギーを生成しかつ樹脂Ｒ上に投影するように動作可能な、任意の装置又は装置の組み合わせであってよい。これについては以下で詳細を述べる。

図１に示す例示的実施形態において、放射エネルギー装置１８は、「投影機」４８を含むことができる。これは本明細書においては、樹脂Ｒを硬化させるための適切なエネルギーレベルとその他の動作特性を有する放射エネルギーパターン化像を生成するように動作可能な任意の装置を一般的に指すために使用される。本明細書で使用されるように、用語「パターン化像」とは、個別のピクセルのアレイから成る放射エネルギーの投影物を称する。パターン化像装置の非限定的な例としては、ＤＬＰプロジェクタ又は別のデジタルマイクロミラーデバイス、ＬＥＤの２Ｄアレイ、レーザの２Ｄアレイ、光アドレス型ライトバルブがある。図に示す実施例では、投影機４８は、ＵＶランプなどの放射エネルギー源５０と、放射エネルギー源５０からの光源ビーム５４を受光して樹脂Ｒの表面上に投影されるパターン化像５６を生成するように動作可能な像形成装置５２と、任意選択で一つ又は複数のレンズなどの集束光学系５８から成る。

放射エネルギー源５０は、樹脂Ｒを硬化させるための適切なエネルギーレベルと周波数特性を有するビームを生成するように動作可能な任意の装置を含んでよい。図に示す実施例では、放射エネルギー源５０はＵＶフラッシュランプを含む。

像形性装置５２は、一つ又は複数のミラー、プリズム及び／又はレンズを含み、適切なアクチュエータを備えている。そうして放射エネルギー源５０からの光源ビーム５４を、樹脂Ｒの表面に一致するＸ－Ｙ平面におけるピクセル化像に変換することができる。図示した実施例では像形成装置５２は、デジタルマイクロミラー装置であってもよい。例えば、投影機４８は、市販品のデジタル光処理（「ＤＬＰ」）投影機であってもよい。

任意選択として、投影機４８は、投影機４８の像形成装置５２やその他の部分を選択的に動かせるように構成されたアクチュエータ、ミラーなどの追加的手段を含み、造形面２
２のパターン化像５６を走査又はその位置をシフトさせる効果を有してもよい。別の表現をすれば、パターン化像は、公称位置又は開始位置から離れて移動してもよい。これにより、単一像形成装置５２が例えば大きな造形領域をカバーすることが可能となる。像形成装置５２からパターン化像を走査又はシフトさせる手段は市販されている。この種の像投影は、本明細書では、「タイル像」と呼んでもよい。

図２に示す別の例示的実施形態においては、他の種類の放射エネルギーデバイスに加えて、放射エネルギー装置１８が「走査ビーム装置」６０を含んでもよい。これは本明細書においては、適切なエネルギーレベルとそのほかの動作特性を有する放射エネルギーを生成して樹脂Ｒを硬化させ、ビームを樹脂Ｒの表面に所望のパターンで走査するように動作可能な任意のデバイスを指す。図に示す実施例では、走査ビーム装置６０は、放射エネルギー源６２とビーム操縦装置６４とを含む。

放射エネルギー源６２は、樹脂Ｒを硬化させるための適切な出力と他の動作特性を有するビームを生成するように動作可能な任意の装置を含んでよい。適切な放射エネルギー源の非限定的な例としては、レーザ又は電子線銃がある。

ビーム操縦装置６４は１つ以上のミラー、プリズム及び／又はレンズを含み、適切なアクチュエータを備え、放射エネルギー源６２からのビーム６６が所望のスポットサイズに集束されて、樹脂Ｒの表面に一致する面内の所望位置に操作されるようになっていてよい。ビーム６６は本明細書では「造形ビーム」とも称される。他の種類の走査ビーム装置も使用することができる。例えば、放射エネルギー源自体が１つ以上のアクチュエータによって可動である走査ビーム源のように、複数の造形ビームを用いる走査ビーム源も知られている。

装置１０にはコントローラ６８が含まれてもよい。図１のコントローラ６８は、装置１０、ステージ１４、放射エネルギー装置１８及び上記の様々なアクチュエータの動作を制御するために必要なハードウェアとソフトウェアを一般化した表示である。コントローラ６８は例えば、プログラマブルロジックコントローラ（「ＰＬＣ」）又はマイクロコンピュータなどの１つ以上のデバイスに含まれる１つ以上のプロセッサ上で動作するソフトウェアで具体化されてもよい。そのようなプロセッサは、例えば有線接続又は無線接続によって、センサ及び動作要素に結合されてもよい。同一の１つ又は複数のプロセッサが、統計解析及びフィードバック制御のためにセンサデータを取り込んで解析することに使用されてもよい。

任意で、装置１０の構成要素はハウジング７０で囲まれてもよい。これを用いて、遮蔽体又はガスポート７２を用いた不活性ガス雰囲気を提供可能である。任意で、ハウジング７０内の圧力は、外気より高いか低い所望のレベルに維持することが可能である。任意で、ハウジング７０は、温度及び／又は湿度制御することが可能である。任意で、時間間隔、温度、湿度及び／又は化学種の濃度などの因子に基づいて、ハウジング７０の換気を制御することが可能である。

樹脂Ｒは放射エネルギー硬化性の材料を含み、硬化状態で充填剤を一体的に付着又は結合させることができる。本明細書における「放射エネルギー硬化性」という用語は、特定の周波数及びエネルギーレベルの放射エネルギーの照射に応答して固化する任意の材料を指す。例えば、樹脂Ｒは、重合反応を誘発する機能を有し、樹脂を液体状態から固体状態に変化させる、光開始剤化合物を含む既知の種類の光ポリマー樹脂を含んでよい。あるいは、樹脂Ｒは放射エネルギーの照射によって蒸発する溶媒を含む材料から成っていてもよい。未硬化樹脂Ｒは、固体（例えば顆粒状）、又はペースト若しくはスラリーを含む液体の状態で提供されてもよい。

一般に、樹脂Ｒは流動性がなければならない。図示した実施形態によれば、樹脂Ｒはセルフレベリング性のある、比較的低粘度の液体であることが好ましい。樹脂Ｒは、樹脂Ｒの水平出しにステージ１４との接触を要する、より高い粘度の液体であってもよい。樹脂Ｒの組成は、特定の用途に適合するように所望して選択されてもよい。異なる組成の混合物が使用されてもよい。

樹脂Ｒは、以下で説明する焼結プロセスなどの後続処理により、発ガス又は焼失する能力を有するように選択されてもよい。

樹脂Ｒは充填剤を含有する。充填剤は、樹脂に前もって混合されてから、新規材料保存容器５６に装填されてもよい。充填剤は、通常「物質の非常に小さい粒」として定義される粒子を含む。充填剤は、選択された樹脂Ｒに化学的かつ物理的に適合する任意の材料を含んでよい。粒子は規則的形状又は不規則的形状であってよく、大きさが均一又は不均一であってよく、また可変的なアスペクト比を有してもよい。例えば、粒子は、小さい球、多面体又は細粒の粉末形状であってよいし、あるいは小さい針または繊維状の形状であってもよい。

充填剤の組成は、その化学的性質及び微細構造を含めて、特定の用途に適合するように所望して選択されてもよい。例えば、充填剤は金属、セラミック、ポリマー及び／又は有機物であってもよい。他の可能性のある充填剤の例としては、ダイアモンド、シリコン、グラファイトがある。異なる組成の混合物が使用されてもよい。

充填剤は、異なる物理的性質を有する、少なくとも２つの群の粒子を含んでよい。説明のために、図３には樹脂Ｒの層８０が、それぞれ「Ｐ１」、「Ｐ２」と標識した２つの群の粒子を含む例を示す。２つの群の粒子Ｐ１及びＰ２は、樹脂Ｒ内で異なる「浮力」となるために、ある性質又は性質の組み合わせが異なる。例えば、この「浮力」は、粒子の樹脂層の最上部への浮遊、樹脂層の最下部への降下、特定の層又は垂直位置への移動、あるいは与えられた層又は特定の垂直位置へその位置を維持する粒子の傾向を決定する。浮力に影響するそのような性質の例には、粒子密度、樹脂密度、任意次元での粒子サイズ、粒子体積、粒子形状及び／又は他の粒子の存在及びそのさまざまな性質がある。例えば、粒子Ｐ１とＰ２は、同一直径、したがって同一体積であるが密度の異なる球形粒子であってもよい。別の例としては粒子Ｐ１とＰ２は、同一密度であるが直径が異なり、したがって体積の異なる球形粒子であってもよい。粒子Ｐ１とＰ２は、樹脂Ｒに対して特定の浮力（例えば、正、中性又は負）を有する必要はない。むしろ、それらの浮力は互いに異なるべきである。樹脂内での粒子の移動は経時的に発生する。時定数（ある粒子が樹脂内のある位置又は層に移動するのに要する時間）は、少なくとも、重力の下向きの力、粒子で置き換えられた樹脂の上向きの力、及び与えられた粒子と任意の周囲の粒子及び／又は樹脂との間の任意の方向への任意の運動に抵抗する摩擦（これに限らないが、付着力、凝集力、粘着力及び抗力を含む）に依存する。

図３は混合状態の粒子Ｐ１、Ｐ２を含む樹脂を示す。以下でより詳細を述べるように、沈降する機会が与えられると、粒子Ｐ１と粒子Ｐ２に作用する力の違いにより、樹脂Ｒ内で異なる高さになろうとする。例えば図４に示すように、浮力の小さい粒子Ｐ２（図示の目的で物理的に大きく示す）は槽の底に向かって沈もうとし、より浮力のある粒子Ｐ１は最上層方向に留まろうとする。

充填剤は「可融性」であってよい。これは十分なエネルギーを与えることによって塊に固化可能であることを意味する。例えば、可融性は、これに限らないが、ポリマー、セラミック、ガラス、金属などの多くの入手可能な粉末の特性である。

樹脂Ｒに対する充填剤の割合は、特定の用途に適合するように選択されてもよい。一般的に、組み合わされた材料が流動して平坦化可能であり、かつ硬化状態で充填剤粒子を保持するのに十分な樹脂Ｒがある限りは、任意の量の充填剤を使用できる。

次に装置１０の動作例を、図１、３、４を参照して詳細に説明する。部品を製造し、装置１０を使用する前段として、部品７４がＺ軸に沿って配列された平坦層の積み重ねとしてソフトウェアでモデル化されることを理解されたい。使用する硬化方法の種類に応じて、各層はピクセルのグリッドに分割されてもよい。実際の部品７４は、数ダース又は数百の層の積層体としてモデル化及び／又は製造することができる。適切なソフトウェアのモデル化プロセスは当分野では知られている。

最初に槽１１に樹脂Ｒを準備して、造形ゾーン２３に配置する。槽１１が前もって充填されたカートリッジであれば、（任意で）非粘着性材料を造形面２２に塗布するステップと、槽１１に以下で述べる樹脂を充填するステップは、オフラインで完了している。

槽１１が前もって充填されたカートリッジでなければ、槽１１に樹脂を充填する必要がある。この充填ステップは、造形ゾーン２３において新材料保存容器５６を使用するか、又はどこか別のところにある新材料保存容器（図示せず）を使用して実行可能である。本明細書で使用する「充填」という用語は、槽１１に樹脂Ｒを、分注、装填又は配置する行為を一般的に表し、槽１１が満杯、すなわち最大容量まで満たされることを必ずしも意味するものではない。こうして、「充填」作業は、部分的又は完全であってよい。充填プロセスの予備段階として任意で、非粘着性材料が、樹脂を塗布する前に造形面２２に塗布されてもよい。例えば、ポリビニルアルコール（「ＰＶＡ」）などの剥離剤が、各層を造形する前に造形面２２に塗布されてもよい。別の実施例では、非粘着特性を有する犠牲層が塗布されてもよい。ポリマーシート又はポリマーフィルムなどの非粘着フィルムを造形面２２に被覆することもできる。フィルムは層を硬化した後、除去可能である。

充填が造形ゾーン２３内で生じる場合、新材料保存容器５６を使用して樹脂Ｒが造形面２２に塗布される。塗布される樹脂Ｒの量は、１つの層８０又は複数の層に十分であってよい。後でより詳細を述べるように、槽１１の充填高さによっては、異なる方法を用いて傾斜機能部品を作製してもよい。部品の形状及び選択される造形形式によって、槽１１が異なれば異なる高さまで充填されることに留意されたい。さらに、層の厚さは、層から層にわたって均一である必要はない。したがって、槽１１が一度に１層分だけしか充填されていないとしても、層の厚さが変われば槽の充填高さも変わるであろう。

任意選択的に、異なる層は、樹脂及び／又は充填剤の２つ以上の異なる材料の組み合わせを含んでもよい。本明細書で使用されるように、「組み合わせ」という用語は、いずれかの構成要素のいかなる違いも表す。したがって例えば、２つの異なる充填物成分のいずれかと混合された特定の樹脂組成は、２つの異なる材料の組み合わせを示す。例えば、１つの層が樹脂Ｒと充填剤の第１の組み合わせから成り、第２の層が樹脂Ｒと充填剤の異なる組み合わせから成ってもよい。別の言い方をすれば、任意の与えられた層に対して、任意の所望の樹脂と任意の所望の充填剤を使用することが可能である。例えば、複数のカートリッジ又は異なる材料で前もって充填された槽１１を設けることにより、あるいは、図１に見られる種類の、２つ以上の新材料保存容器５６を設けることによって、異なる材料を提供可能である。異なる保存容器からの異なる材料が特定の槽１１で混合されてもよいし、あるいは、それらの材料が槽１１に供給される前にどこが別の場所で混合されてもよい。

材料は、堆積された後所定の時間の間沈降させられる。異なる粒子間の浮力及び摩擦の
違いによって、浮力のより小さい（より密度が高いか、より大きいか又はより均一な）粒子が底部に留まるか、底部に降下するかの少なくともいずれかとなり、他方で、浮力のより大きい（より密度が小さいか、より小さいか又はより不規則な）粒子が上部に移動するか、上部に留まるかの少なくともいずれかとなる。例えば、図４は図３に示す粒子Ｐ１と粒子Ｐ２の群が沈降した例を示す。粒子Ｐ１と粒子Ｐ２は互いに分離して、層８０内の、例えば下部領域８２と上部領域８４の、２つの別々の領域となる。３つ以上の異なる粒子の群が使用される場合には、層８０内に複数の層状領域が形成され得る。任意選択として、槽１１を軽く動かすことによって（例えば小さな変位で傾斜又は揺動させることによって）沈降を促進してもよい。

材料が堆積した後、装置１０が選択された層の増分を画定するために位置決めされる。層の増分は、樹脂が充填される槽１１内の深さと、ステージ１４の操作とで画定される。例えば、ステージ１４は、図４に示すように、上面３０が塗布された樹脂Ｒにちょうど触るように位置決めされてもよいし、あるいはステージ１４は樹脂Ｒを圧縮して押しのけて、積極的に層の増分を画定するように使用されてもよい。層の増分は、付加製造プロセスの速度、及び製造される部品７４の解像度に影響する。層の増分は可変であってもよく、層のより大きい増分を用いて、高精度を必要としない部品７４の部分のプロセスの速度を上げ、高精度を必要とするところでは、プロセス速度を犠牲にして、層のより小さい増分を用いることができる。

一般的に、槽１１が一度に１つの傾斜機能層の作製に使用される場合には、被覆後の槽１１内の装填された樹脂の層８０は、両方の材料領域８２、８４が露光中に確実に硬化されるために、部品７４の所望の造形層（例えばスライス厚さ）にほぼ等しくするべきである。

樹脂Ｒが塗布され、層の増分が画定されると、放射エネルギー装置１８を用いて、造形中の部品７４の２次元断面すなわち層が硬化される。

投影機４８が使用される場合、投影機４８が部品７４の断面を表すパターン化像５６を床１２越しに樹脂Ｒに投影する。このプロセスは、本明細書では「選択性」硬化と呼ぶ。光ポリマーはある程度硬化することが理解されるであろう。多くの場合、放射エネルギー装置１８は、樹脂Ｒを完全には硬化しない。むしろ、樹脂Ｒが十分に「ゲル化」する程度に部分的に硬化させ、後硬化プロセス（後で説明）で、到達し得る完全さまで樹脂Ｒを硬化させる。この種の樹脂Ｒを用いて、複数層の構成要素が作製されるとき、放射エネルギー装置１８のエネルギー出力は注意深く選択されて、後続の層が塗布されたとき、次の層からのエネルギーが前の層の硬化を更に進めることを予期して、前の層を部分硬化、すなわち「半硬化」させてもよい。本明細書に記載のプロセスにおいては、「硬化する」又は「硬化された」という用語は、樹脂の部分硬化又は完全硬化を指すために使用されてよい。硬化プロセスの間、放射エネルギーは与えられた層に複数のステップ（例えば複数回の照射）で供給される場合もあるし、また、与えられた層に対して複数の異なるパターンで供給されることもある。これにより、層の異なる部分に対して異なる量のエネルギーの印加が可能となる。

放射エネルギーに曝すことにより、層８０の全体厚さが放射エネルギーの侵入深さ以下である限り、層８０の両方の領域８２、８４が同時に硬化される。これにより、傾斜機能を有する、複数材料の層が生成される。

第１の層の硬化が完了すると、例えばアクチュエータ３２を使用してステージ１４を持ち上げることによって、ステージ１４が床１２から離間される。

任意選択で、硬化サイクルの間に部品７４及び／又はステージ１４を洗浄して、未硬化の樹脂Ｒ、破片又は汚染物質を除去してもよい。上記の選択的硬化ステップにおいて硬化しなかった樹脂Ｒ又は十分にゲル化するまで硬化しなかった樹脂Ｒを除去するために、洗浄プロセスを利用してもよい。例えば、部品７４及び／又はステージ１４を洗浄して、最終部品７４に余計な材料や汚染物質がない様にすることが望ましいであろう。例えば、部品７４及び／又はステージ１４を、液体洗剤又は溶媒などの洗浄流体に接触させて洗浄を行ってもよい。

離間した後、使用した槽１１は洗浄するか又は他の方法で再生して、未硬化樹脂Ｒ及びそのほかの破片を造形面２２から除去することで再使用に備える。適切な洗浄プロセスの非限定的な例としては、ブラシ掛け、研削、削除、真空吸引又は吹き付け、吸収、拭き取り、溶剤すすぎ、あるいはこれらの組み合わせがある。槽１１を洗浄又は他の方法で再生するために使用する具体的なプロセス又は機構は、本発明には特に関連しない。洗浄又は他の方法で再生するプロセスは、装置１０から離れた場所で行われてもよいことは理解されるであろう。新材料保存容器５６を使用して樹脂Ｒを造形面２２に塗布して、それを再度硬化させることに備える。

槽１１を準備し、槽１１に必要なだけ樹脂Ｒを充填し、粒子を沈降させ、層を増加させ、そして選択的に硬化させる、このサイクルが部品７４の全体が完成するまで反復される。

投影機の代わりに走査ビーム装置が使用される場合、放射エネルギー源６２がビーム６６を放出し、ビーム操縦装置６４を使用して、造形ビーム６６の焦点を露出した樹脂Ｒ上に適切なパターンで操縦することにより樹脂Ｒを硬化させる。槽１１の装填、槽１１への樹脂Ｒの充填及び層の増加のサイクルが反復される。放射エネルギー源６２が再び造形ビーム６６を放出し、ビーム操縦装置６４を使用して造形ビーム６６の焦点を露出した露出樹脂Ｒ上に適切なパターンで動かす。樹脂Ｒの露出層は放射エネルギーに曝され、それが上述したように樹脂Ｒを選択的に硬化させて、その前に硬化した上の層に結合させる。

任意選択により、走査ビーム装置は投影機と組み合わせて使用されてもよい。例えば、走査ビーム装置は、未硬化樹脂Ｒの表面上に一つ又は複数のビームを走査して（投影機により印加されたものに加えて）放射エネルギーを印加するように使用されてもよい。これは、投影機の使用と同時であっても、逐次的であってもよい。

いずれの硬化方法（投影機又は走査）及びいずれの造形方法でも、硬化された樹脂Ｒにより、充填剤が（使用されている場合には）固体形状内に保持された部品７４が得られる。この部品内では、充填剤粒子のそれ以上の移動は期待されないし、望ましくもない。そして硬化プロセス中に生成された傾斜は固定される。この部品はある条件に関して最終製品として使用可能である。硬化ステップの後、部品７４はステージ１４から取り外すことができる。

最終製品が充填剤（例えば純粋なセラミック、ガラス、金属、ダイアモンド、シリコン、グラファイトなど）を含むように意図される場合、部品７４は通常の焼結プロセスで処理されて、樹脂Ｒを燃焼させて、セラミック又は金属粒子を一体化してもよい。任意選択により、部品内の空洞を充填剤よりも低融点の材料で充填するために、焼結プロセス中又はその後で含侵処理が行われてもよい。含侵処理により部品の物理的性質が改善される。

上記の方法により、複数層から成る部品７４が得られ、そこでは各層が傾斜機能となっている。別の言い方をすれば、組成勾配が各層を横断している。代替として、複数層を、槽１１内の沈降樹脂Ｒの単一充填物から製造することも可能である。このプロセスでは、
浮力の小さい粒子が早いサイクルにおいて消費されるために、完成した部品に傾斜機能構造が得られる。

このプロセスを図５～図９を参照して示す。図５は、造形面２２を有し、２つの群の粒子Ｐ１、Ｐ２を有する樹脂Ｒを含む槽１１を示す。上の説明と同じで、粒子Ｐ２は浮力が小さく、したがって、造形面２２に近い位置を維持する。ステージ１４は槽１１の上方にあるように示されている。

図６は、樹脂Ｒの中で、造形面２２から選択された層の増分だけ上に配置されたステージ１４を示す。樹脂組成の層の増分は、硬化されたときこの第１層８６が図７に示すように（排他的に又は大部分が）粒子Ｐ２を含むようになっている。

図７は、第１の層８６が付着した状態で、樹脂Ｒの中で、造形面２２から選択された層の増分だけ上に配置されたステージ１４を示す。第１の層８６の作製に粒子Ｐ２のある部分が消費されたために、第２の層８８は硬化されると、図８に示すように、大部分が粒子Ｐ２を含み、いくらかが粒子Ｐ１を含む。ステージを移動させるとき、層同士のある程度の混合が起き得ることに留意されたい。混合層が望まれる場合、図７に示すように直ちに硬化することができる。そうでなければ、層を所望の積層に再安定させるのに、ある時間を経過させる必要がある。

図８は、第１の層８６と第２の層８８が付着した状態で、樹脂Ｒの中で、造形面２２から選択された層の増分だけ上に配置されたステージ１４を示す。第１の層８６と第２の層８８の作製に粒子Ｐ２の実質的にすべてが消費されたので、第３の層９０は硬化されると、図９に示すように、粒子Ｐ１のみを含む。完成した部品１７４は、こうして傾斜機能を有し、各層が粒子Ｐ１とＰ２の異なる分布を含む。前に述べた部品７４と比較すると、部品１７４は、層の増分ごとよりもむしろ部品全体に亘って傾斜が広がっている。

任意選択により、上記の傾斜機能部品を製造するいずれの方法も従来の付加製造方法と組み合わせて、１つ以上の傾斜機能を持つ部分、領域又はセクションと、１つ以上の傾斜のない部分、領域又はセクションを有する部品を製造することが可能である。例えば、部品７４又は１７４の１つ以上の層は、樹脂Ｒが充填剤なしで、又は実質的に均一な物理的性質の粒子を含む充填剤と共に堆積し、及び／又は沈降ステップを省略して沈降及び傾斜が起きないようにした造形サイクルを用いて作製されてもよい。

本明細書に記載の方法は従来技術に対していくつかの利点を有する。具体的には本方法は、付加製造によって傾斜機能材料の製造を可能とする。

これまでに付加製造の方法及び装置を説明した。本明細書（すべての添付の特許請求の範囲、要旨及び図面を含む）に開示のすべての特徴、及び／又はそのように開示されたすべての方法又はプロセスのすべてのステップは、そのような特徴及び／又はステップの少なくともあるものが相互に排他的である組み合わせを除いて、いかなる形にも組み合わせることが可能である。

本明細書（すべての添付の特許請求の範囲、要旨及び図面を含む）に開示の各特徴は、特に断らない限り、同様、等価又は類似の目的に供する代替的な特徴で置き換えることが可能である。したがって、特に断らない限り、開示の各特徴は、一般的な一連の等価又は類似の特徴の一例に過ぎない。

本発明は前述の実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（すべての添付の特許請求の範囲、要旨及び図面を含む）に開示の特徴のすべての新規のもの又
はすべての新規の組み合わせに、あるいは、そのように開示されたすべての方法又はプロセスのステップの、すべての新規のもの又はすべての新規の組み合わせに及ぶ。

本発明のさらなる態様は下記の記載によって示される。

傾斜機能部品を層ごとに製造する方法であって、
樹脂支持体によって画定される造形面上に、放射エネルギー硬化性であり、物理的性質の異なる少なくとも２つの群の粒子を含む充填剤を含有する樹脂を堆積するステップと、
前記少なくとも２つの群の粒子が互いに分離して、前記樹脂内に少なくとも２つの領域が画定されるように、充填剤を沈降させるステップと、
前記造形面上に堆積される前記樹脂の層の増分を画定するために、ステージを前記造形面に対して位置決めするステップと、
部品の断面層形状を画定するために、放射エネルギーを特定のパターンで印加することで前記樹脂を選択的に硬化させるステップと、
前記部品を前記造形面から分離するために、前記造形面と前記ステージを相対的に移動させて離間するステップと、
前記部品が完成するまで、少なくとも前記位置決めのステップと選択的硬化のステップを複数の層に対して繰り返すステップと、
を含む、方法。

各層が傾斜機能するように、前記樹脂を堆積して前記充填剤を沈降させるステップを各層に対して繰り返すことを更に含む、前記方法。

各層が、第１の群の粒子を包含する第１の上側領域と、第２の群の粒子を包含する第２の下側領域とを含む、前記方法。

前記部品が全体として傾斜機能するように、前記造形面に追加樹脂を加えることなしに、複数の層に対して前記位置決めと前記選択的硬化のステップを繰り返す、前記方法。

前記少なくとも２つの群の粒子は異なる浮力を有する、前記方法。

前記少なくとも２つの群の粒子は異なる摩擦特性を有する、前記方法。

前記樹脂支持体の少なくとも一部は透明であって、前記樹脂支持体を通して前記放射エネルギーが印加される、前記方法。

前記少なくとも２つの群の粒子は異なる密度を有する、前記方法。

前記少なくとも２つの群の粒子は異なる体積を有する、前記方法。

前記樹脂支持体は前記造形面を画定する床を有する槽である、前記方法。

前記少なくとも２つの群の粒子は異なる形状を有する、前記方法。

硬化樹脂を燃焼させて前記充填剤を一体化するために前記部品を焼結することを更に含む、前記方法。

焼結中または焼結後に、低融点材料を前記部品内に含侵させることを更に含む、前記方法。

前記放射エネルギーの印加は、複数のピクセルからなるパターン化された像を投影することにより印加される、前記方法。

前記パターン化された像は前記放射エネルギーの印加中にシフトされる、前記方法。

追加の放射エネルギーが、少なくとも１つの造形ビームを前記樹脂表面上に走査することによって印加される、前記方法。

前記放射エネルギーは、造形ビームを前記樹脂表面上に走査することによって印加される、前記方法。

前記部品と前記ステージの少なくとも１つを洗浄することを更に含み、前記洗浄は槽と前記ステージを動かして相対的に離間するステップの後に実行される、前記方法。

前記洗浄のステップは、前記部品及び前記ステージの少なくとも１つを洗浄流体に接触させることを含む、前記方法。

前記部品の少なくとも１つの選択部分に関する造形サイクルを実行するステップを更に含み、前記造形サイクルは、
前記造形面上に樹脂を堆積するステップであって、前記堆積される樹脂は放射エネルギー硬化性であり、実質的に均一な物理的性質を有する粒子を含む充填剤を任意選択で含有するステップと、
前記堆積される樹脂に層の増分を画定するために、前記造形面に対してステージを位置決めするステップと、
前記部品の断面層形状を画定するために、放射エネルギーを特定のパターンで印加することで堆積樹脂を選択的に硬化させるステップと、
前記部品を前記造形面から分離するために、前記造形面と前記ステージを相対的に移動させて離間するステップと、
前記部品の選択された部分が傾斜機能しないように、少なくとも前記位置決めのステップと選択硬化のステップを複数の層に対して繰り返すステップと、
を含む、前記方法。

Claims (14)

1. 傾斜機能部品（７４、１７４）を層ごとに製造する方法であって、
   樹脂支持体（１２）によって画定される造形面（２２）上に、放射エネルギー硬化性であり、物理的性質の異なる少なくとも２つの群の粒子を含む充填剤を含有する樹脂を堆積するステップと、
   前記少なくとも２つの群の粒子が互いに分離して、前記樹脂内に少なくとも２つの領域が画定されるように、前記充填剤を沈降させるステップと、
   前記造形面（２２）上に堆積される前記樹脂の層の増分を画定するために、ステージ（１４）を前記造形面（２２）に対して位置決めするステップと、
   部品（７４、１７４）の断面層形状を画定するために、放射エネルギーを特定のパターンで印加することで前記樹脂を選択的に硬化させるステップと、
   前記部品（７４、１７４）を前記造形面（２２）から分離するために、前記造形面（２２）と前記ステージ（１４）を相対的に移動させて離間するステップと、
   前記部品（７４、１７４）が完成するまで、少なくとも前記位置決めのステップと選択的硬化のステップを複数の層に対して繰り返すステップと、
   を含み、
   前記複数の層が傾斜機能するように、前記造形面（２２）に追加樹脂を加えることなしに、前記複数の層に対して前記位置決めと前記選択的硬化のステップを繰り返す、方法。
2. 各層が傾斜機能するように、前記樹脂を堆積して前記充填剤を沈降させるステップを各層に対して繰り返すことを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 各層が、第１の群の粒子を包含する第１の上側領域と、第２の群の粒子を包含する第２の下側領域とを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも２つの群の粒子は異なる浮力を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも２つの群の粒子は異なる摩擦特性を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記樹脂支持体（１２）の少なくとも一部は透明であって、前記樹脂支持体（１２）を通して前記放射エネルギーが印加される、請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも２つの群の粒子は異なる密度を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記少なくとも２つの群の粒子は異なる体積を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記樹脂支持体（１２）は前記造形面（２２）を画定する床を有する槽である、請求項１に記載の方法。
10. 前記少なくとも２つの群の粒子は異なる形状を有する、請求項１に記載の方法。
11. 硬化樹脂を燃焼させて前記充填剤を一体化するために前記部品（７４、１７４）を焼結することを更に含む、請求項１に記載の方法。
12. 焼結中または焼結後に、低融点材料を前記部品（７４、１７４）内に含侵させることを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記部品（７４、１７４）と前記ステージ（１４）の内の少なくとも１つを洗浄することを更に含み、前記洗浄は槽と前記ステージ（１４）を動かして相対的に離間するステップの後で実行される、請求項１に記載の方法。
14. 前記部品（７４、１７４）の少なくとも１つの選択部分に関する造形サイクルを実行するステップを更に含み、前記造形サイクルは、
    前記造形面（２２）上に樹脂を堆積するステップであって、前記堆積される樹脂は放射エネルギー硬化性であり、実質的に均一な物理的性質を有する粒子を含む充填剤を任意選択で含有する、ステップと、
    前記堆積される樹脂に層の増分を画定するために、前記造形面（２２）に対してステージ（１４）を位置決めするステップと、
    前記部品（７４、１７４）の断面層形状を画定するために、放射エネルギーを特定のパターンで印加することで堆積樹脂を選択的に硬化させるステップと、
    前記部品（７４、１７４）を前記造形面（２２）から分離するために、前記造形面（２２）と前記ステージ（１４）を相対的に移動させて離間するステップと、
    前記部品（７４、１７４）の選択された部分が傾斜機能しないように、少なくとも前記位置決めのステップと選択硬化のステップを複数の層に対して繰り返すステップと、
    を含む、請求項１に記載の方法。

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