JP2023118129A - 印刷物を作成するシステムおよび方法 - Google Patents

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クリッチマン、エリ
Kritchman Eli
サララー、ウェイル
Salalha Wael
アクア、タリ
Aqua Tali
セラ、タル
Sela Tal
ベニチョー、アクセル
BENICHOU Axel
ダヤギ、ヨハイ
Dayagi Yohai
アブラモフ、ドロン
Avramov Doron
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Xjet Ltd
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Xjet Ltd
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Abstract

【課題】異なるサイズの粒子を有する製品を形成するためのシステム及び方法の提供。【解決手段】製品を製造するためのシステムであって、製品の少なくとも第１の部分を、第１の平均粒径を有する第１の材料で付加して印刷するように構成可能な第１のプリントヘッド１０６群、および製品の少なくとも第２の部分を、第２の平均粒径を有する第２の材料で付加して印刷するように構成可能な第２のプリントヘッド１０６群を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域と、製品の所望の特性を反映する情報を受信し；第１のプリントヘッド１０６群および第２のプリントヘッド１０６群を調整して、第１の材料と第２の材料を層ごとに分配し、製品の所望の特性を反映する情報に基づいて製品の異なる部分に異なる特性を付与するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、を含む、システムとする。【選択図】図１

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１７年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／４８７，６７０
号の優先権の利益を主張し、これは参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、概して、異なるサイズの粒子を有する製品を形成するためのシステムに関す
る。一実施形態では、システムは、製品の異なるセクションまたは部分を付加して印刷す
るように構成された１つ以上のプリントヘッドを保持するプリントヘッド領域と、プリン
トヘッドを調節するように構成されるプロセッサを備える。本開示はまた、開示されたシ
ステムを使用することなどにより、製品を製造する方法に関する。
３次元（３Ｄ）インクジェット印刷プロセスは、直接金属レーザー焼結または選択的レ
ーザー焼結（それぞれＤＭＬＳおよびＳＬＳ）などの付加製造プロセスと見なされる。イ
ンクジェット印刷プロセスは、プラスチック、金属、またはセラミックの物体の印刷に使
用される。ＤＭＬＳやＳＬＳとは異なり、インクジェットプロセスで印刷された金属また
はセラミック体は、最終焼結段階を必要とする「未焼結」体と考えられる。未加工部分の
機械的特性は完全に焼結部品よりも劣るため、通常、金属またはセラミックの３Ｄインク
ジェット印刷では、モデル材料と支持材料の少なくとも２種類の材料を使用する必要があ
る。モデル材料と支持材料は、インクジェット可能なインクである。モデル材料は、所望
の物を形成するために使用されるが、支持材料は、物体の少なくとも一部のための所望の
支持構造を形成するのに使用される。このような支持構造は、印刷中またはモデルが自己
支持するための適切な機械的強度に達するまで物体を支持するように構成されている。モ
デルにチャネルまたは他のボイドが含まれている場合、または負の角度で印刷する必要が
ある場合は、支持材料の使用が特に望ましい。モデルが自立段階に達すると、支持構造は
削除される。
３Ｄ印刷の基本的な課題の１つは、モデル内の支持材料の相互汚染を最小限に抑えなが
ら、自立段階に達する前の印刷されたモデルに必要な支持機能を提供するとともに、その
後取り除くことができる、支持構造の印刷を可能にする支持材料の開発である。したがっ
て、支持材料は、モデル材料のさまざまな特性と両立できるものでなければならない。例
えば、本開示の一態様によれば、以下により詳細に説明するように、支持構造の焼結温度
が、モデル材料の焼結温度よりも高いことが重要である。
支持材料は、印刷直後、または焼結後のいずれかの印刷後のプロセスにおいて除去され
なければならない。支持体の除去は、化学的、機械的、または熱的に行われる。支持体の
除去に使用される方法に関係なく、印刷されたモデルを固体金属またはセラミック片に変
換するには、印刷後の処理手順がいくつか必要である。印刷段階の後に、かつモデルが自
立段階に達する前に、支持体を除去することに関連する１つの問題は、除去プロセスが印
刷されたパーツの完全性に影響を与える可能性があることである。この段階では、印刷さ
れた部品が簡単に破損し得る。
インクジェット印刷用のモデル材料と支持材料の組み合わせ、および本開示で開示され
るそのような材料を組み合わせる方法は、先行技術の欠点に対処する。本開示はまた、上
述の問題および／または先行技術の他の問題の１つまたは複数を克服するための、そのよ
うなインクを製造する新規で独創的な方法を提供する。特に、本開示は、モデルと支持イ
ンクとの間のパラメータを調整して、インクジェット印刷による製品の製造を支援するか
、最終印刷モデルの結果を改善するか、またはその両方に関する。
部分的に前述のニーズに対処するために、本開示は、製品を形成するためのシステムに関
する。一実施形態では、システムは、製品の少なくとも第１の部分を第１の平均粒径を有
する第１の材料で付加して印刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群を保持する
ように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域を備える。第１の平均粒径は、第
１の焼結特性を付与するように選択される。本明細書で説明するシステムは、製品の第２
の部分を第２の平均粒径を有する第２の材料で付加して印刷するように構成可能な第２の
プリントヘッド群も含む。第２の平均粒径は、第２の焼結特性を付与するように選択され
る。
本明細書に記載のシステムはまた、製品の所望の特性を反映する情報を受信し、前記第
１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を調節して、前記製品の所望の
特性を反映した情報に基づいて、前記製品の異なる部分には異なる特性を付与するために
、層ごとに前記第１の材料および前記第２の材料を分配するように構成可能な少なくとも
１つのプロセッサを含む。
本開示はまた、開示されたシステムを使用することなどにより、インクジェット印刷に
より物体を製造する方法に関する。一実施形態では、この方法は、物体材料を噴射して、
第１の焼結温度を有する製品構造を形成することを含む。製品構造の形成と同時にまたは
その前に、方法は、粒子を含む支持材料を噴射して支持構造を形成することをさらに含み
、ここで、支持構造は製品構造を支持するように噴射される。一実施形態では、支持材料
は、物体材料の焼結温度よりも高い焼結温度を有する。噴射された物体と噴射された支持
体は一緒に未焼結部分を構成する。この方法は、未焼結部分を第１の焼結温度以上および
第２の焼結温度未満の温度に加熱することにより、噴射支持体を実質的に焼結することな
く噴射物体を少なくとも部分的に焼結し、少なくとも部分的に焼結された物体から実質的
に未焼結の支持体を取り除くことをさらに含む。
上述の主題とは別に、本開示は、以下に説明されるような多くの他の特徴を含む。前述
の説明と以下の説明はどちらも例示に過ぎない。
添付図面は、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。
本開示による付加製造装置の一例を示す。
粉末層の噴霧（図２Ａ）を含む本開示の実施形態による付加製造プロセスの例を示す。（図２Ｂ）。所望のモデル領域でのナノ粉末のインクジェット（図２Ｃ）。モデル領域の強化（図２Ｄ）。続いて、大きな粉末を噴霧する追加の層を適用するステップが繰り返され（図２Ｅ）、ナノ粉末のインクジェットが行われる（図２Ｆ）。
インクジェット印刷によるカラー無機物の印刷を可能にする複数のプリントヘッドを備える本開示の実施形態によるプリンターヘッドアセンブリを示す。
顔料、またはジルコニアなどの構造粒子と混合された顔料など（図４Ａ）、またはジルコニア粒子に埋め込まれた顔料（図４Ｂ）などの着色剤粒子を含む本開示の一実施形態によるインク分散液を示す。図４Ｃは、除去された構造粒子を示す。
本開示の実施形態に従って作成された色層の下に白色層を有する色付き立方体を示す。
材料の焼結温度対粒子サイズを示すグラフである。 粉末材料に関連する４つの焼結段階の相対密度対焼結温度を示すグラフである。
本開示によるＳｉＯ２支持インクを製造するために使用される構成要素の三元状態図である。
モデルと支持材料を備えたインサイチュレーザーシステムの概略図を示す。
分散剤蒸発の前（図９Ａ）および後（図９Ｂ）の粒子材料を示す概略図である。図９Ａは、低温で分散分子で包まれた粒子を示す概略図である。図９Ｂは、高温ではあるが焼結未満の温度で分散分子を失った後に残った粒子を示す概略図である。
様々な形状およびサイズを有する粉末の充填密度を示す概略図であり、具体的には、モノサイズ分散（図１０Ａ）、マルチサイズ分散（図１０Ｂ）、モノサイズおよびマルチサイズ分散（図１０Ｃ）、熱処理後の図５Ｃのモノサイズおよびマルチサイズ分散（図１０Ｄ）を示す。
焼結中の支持材料とモデル材料との間の収縮率の差異のために、高応力およびひずみに関連したモデル部品の分離および変形を示す概略図である。
本開示による異なる材料で印刷された物体を示す。図１２Ａは、バルク材料上のコーティングを示し、図１２Ｂは、バルク材料上にある含浸層上のコーティングを示す。
本開示による材料の混合物で構築された物体を示す。
モデル材料に支持材料を浸透させることにより、本開示による複合物体を製造するフロー図である。
本開示は、一般に、インクジェット印刷による製品の製造を支援するためにモデルイン
クと支持インクとの間のパラメータを調整することに関する。モデルインクと支持インク
間のパラメータを有益に調整するための複数の統合された技術と、システムが開示される
。これらには以下が含まれる：
ｉ）焼結後の支持体の除去を容易にするために、支持体の前にモデルが焼結するように焼
結温度を調整する。以下でより詳細に説明するように、これは、材料の選択、粒子サイズ
、粒子分布、またはそれらの組み合わせによって行うことができる。
ｉｉ）モデルと支持構造間の収縮を制御して、印刷からグリーンステージ、ブラウンステ
ージ、最終焼結を通しての温度範囲でのモデルの歪みや亀裂を回避する。
ｉｉｉ）材料を選択するか、またはこの結果を達成するのに役立つ添加剤を使用して、モ
デルと支持構造の間の相互汚染を低減する。
ｉｖ）モデルインクと支持インクの両方の粒子サイズを制御して、モデルと支持領域の両
方を迅速かつ効率的にカバーすることにより、印刷速度を向上させる。
以下は、本明細書に記載される様々な実施形態の一般的な説明であり、特に、開示され
るプリンター、印刷システム、インクおよびインクシステム、製品を製造するためにその
ようなシステムおよび／またはインクを使用する方法、上記から製造された製品に関する
。ここで、本開示に従って実施されるこれらの前述の実施形態を詳細に参照し、その実施
例を添付の図面に示す。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために、図面全体を通
して同じ参照番号が使用される。
［プリンター］
一実施形態では、付加製造装置が開示されている。本明細書で使用する「付加製造装置
」という用語は、物体が作成されるまで材料の連続層を置くことによってデジタルモデル
から物体を生成できる任意のデバイスまたはシステムを広く含む。図１は、本明細書で説
明されるような様々な実装が実施され得る付加製造装置１００の例を示す。図１に示すよ
うに、付加製造装置１００は、印刷領域１０２、少なくとも１つのプリントヘッド１０６
を支持するプリントヘッドホルダー１０４、プリントヘッド１０６をインクリザーバ１１
０と相互接続する少なくとも１つの導管１０８、エネルギー源１１２、冷却ファン１１４
、シールド１１６、レベリング装置１１８、およびコントローラ１２０を含んでもよい。
印刷領域１０２は、付加製造プロセスで構築される物体を支持するためのベースとして
使用されてもよい。「印刷領域」という用語は、付加製造装置１００から分配された材料
の複数の層を保持できる剛性表面を備えた領域を含む。「印刷トレイ」および「印刷テー
ブル」という用語は、印刷領域に関して、本開示において交換可能に使用することもでき
る。一実施形態では、印刷領域１０２は、例えば、熱伝導性材料を含むことができ、また
は印刷領域１０２は、金属製のトレイを含むことができる。この実施形態では、印刷領域
１０２は、最近印刷された層の固化を支援するため、またはインク液体成分の少なくとも
一部の蒸発を促進するために、必要な物体温度まで温められてもよい。別の実施形態では
、印刷領域１０２は断熱材料を含むことができる。例えば、印刷領域１０２は、木材、プ
ラスチック、または絶縁セラミックを含み得る。両方の実施形態において、印刷領域１０
２は、物体の温度を維持し、最近印刷された層の加熱は、例えばハロゲンランプ、ＩＲラ
ンプ、ＵＶランプ、レーザー、フラッシュランプ、またはマイクロ波源などのエネルギー
源１１２を使用することにより、上からの直接熱放射によって達成される。
一実施形態では、印刷領域１０２は、トレイホルダー（または「チャック」）に取り付
け可能な印刷トレイであってもよい。トレイホルダーは、必要に応じてトレイを加熱する
加熱機構を含むことができる。トレイホルダーは、真空またはクリッピングジグを含む任
意の手段によってトレイが取り付けられる剛性の平らな熱伝導表面（カバー下の加熱手段
によって任意に加熱される）を含むことができる。あるいは、ホルダは、露出した加熱手
段（例えば、トレイを直接加熱する放射ランプ）を囲む保持フレームを含むことができる
。一実施形態では、印刷トレイは交換可能である。例えば、印刷が終了したら、オペレー
ターは、印刷物が置かれたトレイをプリンターから取り除き、プリンターにきれいなトレ
イを取り付け、新しい印刷セッションを開始できる。
一実施形態では、トレイは硬くなければならない。これは、トレイをトレイホルダーか
ら取り外すときに曲がるのを防ぐために必要である。一実施形態では、トレイホルダーは
平坦であってもよい。これは、トレイホルダー表面とトレイの間の良好な取り付けを可能
にし、また印刷物と真直ぐなレベリング装置の間の良好な整列を保証するために望ましい
。トレイは熱伝導性で、重すぎないようにする必要がある。一実施形態によれば、トレイ
はアルミニウム製であり、約３～１２ｍｍの範囲の厚さを有する。
用語「印刷領域」は、用語「印刷面」と混同すべきではない。用語「印刷面」は、新し
い層が印刷される表面を指す。印刷プロセスの最初の段階では、印刷領域１０２は印刷面
であり得る。なぜなら、その上に第１層が直接印刷されるからである。ただし、後続のす
べての層（第２層など）は、以前に堆積した層の上に印刷される。したがって、第２層の
場合、第１層は印刷面であり、第３層の場合、第２層は印刷面などである。図１に示す例
では、印刷面１２２は以前に堆積された層である。新しい層１２４は、印刷面１２２の上
に現在印刷されている層である。新しい層１２４は、すべての印刷パス中にＺ方向に沿っ
て構築され、「上層」または「最新層」とも呼ばれる。
本明細書に記載の開示の態様によれば、モデルは支持体上に印刷され、支持体は、剛性
の安定性、支持部品材料（モデル）との適切なインターフェース、およびからの分離の容
易さを含む望ましい特性を示す。別の態様によれば、支持構造体もトレイから取り外し可
能でなければならない。一実施形態によれば、部品とトレイとの間に支持構造が構築され
ることに留意されたい。トレイから印刷された部品を簡単に取り外すことができるように
するため、ごくわずかな支持体層（例えば、１から１０）は、その後に堆積される層とは
異なる場合がある。一実施形態では、これらの少数の層は支持材料のみを含む。
他の実施形態では、少数の層は、支持材料とモデル材料の特定の混合物または組み合わ
せを含む。一実施形態では、モデル材料は、柱構造に追加されてもよい。いくつかの最下
層の混合物は、上の層の混合物と異なる場合があり、両方とも部品付近の支持構造の混合
物と異なる場合がある。この構造のより詳細な説明は、参照により本明細書に組み込まれ
る米国特許出願第１５／０２９，８１５号に記載されている。
最終印刷物の完全性を支援するために、印刷物を均一かつ一定に冷却することができる
。一実施形態では、これは、印刷された物体が所望の温度に達するまで、断熱された冷却
ボックスなどの冷却環境で、新たに印刷された物体を載せた印刷トレイを保持することに
よって行われ得る。
本開示の実施形態と一致し、再び図１を参照する。図１に示すように、付加製造装置１
００は、印刷面１２２から間隔を空けて少なくとも１つのプリントヘッド１０６を維持す
るためのプリントヘッドホルダー１０４を含み得る。用語「プリントヘッドホルダー」は
、少なくとも１つのプリントヘッド１０６を、印刷面１２２から固定した距離又は印刷領
域１０２から変化する距離に、保持するのに適した任意の構造を含む。付加製造プロセス
は、材料の連続層を置くことを含むため、物体の高さは徐々に成長している。一実施形態
では、各層が置かれた後、印刷領域１０２は、少なくとも１つのプリントヘッド１０６と
印刷面１２２との間の固定距離を維持するためにＺ方向に少し低くシフトする。別の代替
実施形態では、各層が置かれた後、プリントヘッドホルダー１０４はＺ方向に少し高くシ
フトして、少なくとも１つのプリントヘッド１０６と印刷面１２２との間の固定距離を維
持する。一例では、プリントヘッド１０６と印刷面１２２との間の固定距離は、０．５ｍ
ｍ～５ｍｍの任意の値であり得る。別の代替実施形態では、各層が置かれた後、印刷領域
１０２はＺ方向に少し低く移動し、プリントヘッドホルダー１０４はＺ方向に少し高く移
動して、少なくとも１つのプリントヘッド１０６と印刷面１２２との間の固定距離を維持
する。簡単にするために、以下の説明では、印刷トレイが静止している間にプリントヘッ
ド１０６が動いていると仮定する。しかし、代替の実施形態では、印刷トレイは、プリン
トヘッド１０６の下を動くように構成されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、プリントヘッドホルダー１０４は、単一のプリントヘッ
ド１０６または複数のプリントヘッド１０６を支持してもよい。「プリントヘッド」とい
う用語は、直線アレイまたはプレートに編成され、概して一つとしてまとめて製造される
複数のノズルを指す。プリントヘッド１０６が付加製造装置１００に接続されると、複数
のノズルは、インクリザーバ１１０からインクを分配して物件を層ごとに形成するように
構成される。少なくとも１つのプリントヘッド１０６は、第１のモデル材料を分配するた
めの第１のノズル群と、第１のモデル材料とは異なる第２のモデル材料を分配するための
第２のノズル群を含む複数のノズルを含んでもよい。一実施形態では、プリントヘッドは
、複数のノズルのセットを含めて管理する能力によって特徴付けられる。ただし、モデル
又は支持体に関係なく、各プリントヘッドには１種類のインクが供給される。本明細書で
使用する「物件（物）」という用語は、モデルと支持構造の組み合わせを説明するために
使用される。一実施形態では、第１の材料を使用してモデルを印刷し、第２の材料を使用
して支持体を印刷することができる。この実施形態の典型的なケースは、所望の物体が２
つの異なる材料からなる場合である。別の実施形態では、第１の材料は所望の物体を生成
するために使用される物体材料であり、第２の材料は印刷中に一時的に使用される支持材
料であり、例えば物体の「ネガティブ」傾斜壁を支持する。通常、プリントヘッド１０６
は、新しい層１２４の長手方向軸Ｙに実質的に垂直なＸ方向に新しい層１２４を走査する
ことができる。各物体は数千の印刷層から構成されるので、通常数千のサイクルが必要で
ある。各サイクルが複数のプリントヘッド１０６からの複数の印刷を含む場合、サイクル
数は数千から数百またはそれ以下に減らすことができる。また、付加製造装置１００は、
同じ運転で複数の物体を生成する場合がある。一実施形態では、異なるノズルサイズを有
する異なる印刷材料に対して異なるプリントヘッド１０６を使用することができる。例え
ば、第１のプリントヘッドを使用して物体材料を分配することができ、第２のプリントヘ
ッドを使用して支持材料を分配することができる。別の例として、第１のプリントヘッド
は第１のサイズのノズルを有し、第２のプリントヘッドは、第１のサイズとは異なる第２
のサイズのノズルを有してもよい。
いくつかの実施形態では、付加製造装置１００は、プリントヘッド１０６をインクリザ
ーバ１１０と相互接続する少なくとも１つの導管１０８を含むことができる。用語「導管
」は、一般に、液体または気体の輸送のための通路を有する本体を指す。少なくとも１つ
の導管１０８は、プリントヘッド１０６とインクリザーバ１１０との間の相対運動を可能
にするために可撓性であり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの導管１
０８は、インクリザーバ１１０をプリントヘッド１０６に相互接続して、プリントヘッド
１０６にインクを供給する供給導管と、プリントヘッド１０６から排出されなかったイン
クの少なくとも一部をインクリザーバ１１０に循環させるために、プリントヘッド１０６
をインクリザーバ１１０と相互接続する戻り導管（図示せず）と、を含み得る。用語「イ
ンクリザーバ」は、プリントヘッド１０６に運ばれるまでにインクを貯蔵するように構成
された任意の構造を含む。いくつかの実施形態では、インクリザーバ１１０は、１つ以上
のタンクと、超音波または衝撃波をインクに送ってインク中の固体粒子の凝集を防止する
か、インク中に凝集物が既に存在する場合、凝集物を破壊するように構成された超音波ベ
ースの要素と、を含み得る。加えて、付加製造装置１００は、コントローラ１２０によっ
て作動し、少なくとも１つの導管１０８に沿って配置されて、少なくとも１つのプリント
ヘッド１０６、少なくとも１つの導管１０８、および／またはインクリザーバ１１０内の
圧力を制御する複数の弁（図示せず）を含んでもよい。同様のインクシステムのより詳細
な説明は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／９２１，２７９号に
記載されている。
単一のインクを分配する単一のプリントヘッド、および特定のインクのための複数のプ
リントヘッドを使用するのが典型的であるが、異なるインクを分配するマルチノズルアレ
イインクジェットヘッドを使用することも可能である。ここで、それぞれのインクは、別
々のノズルアレイに存在する。
［インクジェット印刷添加剤に使用される第３のプリントヘッド］
種々の実施形態において、最終物体の特性、例えば、印刷物の色や機械的特性などを改
善するために、１つ以上の添加材料をインクに加えて、印刷または焼結ステップなどの最
終製品の処理を支援するか、別個のヘッドから印刷してもよい。一実施形態では、添加剤
単独または適切な溶媒に溶解した添加剤の分配専用の少なくとも１つの別個のヘッドがあ
る。本明細書で使用する場合、このヘッドは、２つの別個のプリントヘッドを使用して印
刷されたモデルまたは支持体以外の材料を堆積するために使用され、「第３のプリントヘ
ッド」または「添加剤ヘッド」と呼ばれる。添加剤の種類の詳細については、以下で説明
する。添加剤は別のヘッドで印刷されるため、添加剤と適合しない可能性のあるターゲッ
トインクに添加剤が溶解する問題はない。さらに、添加剤ヘッドを使用すると、物体の異
なるゾーンに異なる量の添加剤を分配することができる。
プリンターの加熱源
いくつかの実施形態によれば、図１に示されるように、開示された付加製造装置１００
は、エネルギー源、例えばエネルギー源１１２を含み得る。「エネルギー源」という用語
は、付加製造装置１００によって印刷される物体にエネルギーを供給するように構成され
る任意のデバイスを含む。例えば、新しい層１２４への放射または熱の形でエネルギーを
供給して、分散剤材料および他の有機添加剤を蒸発させ、任意で物体粒子間の少なくとも
部分的な焼結を開始することができる。一例では、エネルギー源１１２は、新しい層１２
４に沿って線を照射または走査するように構成されたランプまたはレーザーなどの小さな
スポットサイズのエネルギー源を含んで、新しく形成された層１２４にインサイチュ脱バ
インダーまたは焼結、あるいは少なくとも部分焼結を引き起こす。別の例では、エネルギ
ー源１１２は、部分的または完全なインサイチュ脱バインダーまたは焼結を開始するため
に、新たに形成された層１２４の領域を覆うように構成されたフラッシュランプを含み得
る。本開示のこの態様によれば、エネルギー源１１２は、支持インクの焼結を回避するた
めに、モデルインクのみを選択的に焼結するように構成されてもよい。そのような選択性
は、支持インクよりもモデルインクにより多く吸収される波長で新しい層１２４を照射す
ることにより、および／または照射波長へのエネルギー吸収を増加させる顔料をモデルイ
ンクに加えることにより達成できる。
第１の実施形態では、エネルギー源１１２を印刷領域１０２に組み込んで、温かいトレ
イを形成することができる。印刷物が下から加熱されている場合、熱は絶えず新しい層１
２４まで流れ、材料の熱流抵抗のために、（Ｚ軸に沿って）物体の底部が高温となり、物
体の上面が低温となる温度勾配が構築される。暖かいトレイの温度は、上層の温度を一定
に保つために、印刷中の物体の仮の高さに応じて、制御される。このような手順の欠点は
、下層を高温に加熱すると、分散剤やその他の添加剤に見られるような有機分子が悪影響
を受け、有機物が炭素やその他の残留物に分解する可能性があることである。別の欠点は
、下層に残っている残留液体が蒸発し、高いガス圧を引き起こし、材料の砕けまたは割れ
を引き起こす可能性があることである。一般的に、乾燥後に層の温度差を作ることは、層
の熱膨張が異なるために亀裂が生じる可能性があることから、薦めない。
図１に示される第２の実施形態では、放射エネルギー源１１２は、印刷される物体の上
方に配置されてもよい。エネルギー源１１２による直接加熱は、新しい層１２４の一定温
度を保証することができる。エネルギー源１１２は、プリントヘッド１０６の脇に配置す
ることができ、熱放射、例えば電磁放射を生成することができる。仮の最終層の下の多孔
質体は液体キャリアの一部を吸収するため、最終層の乾燥を層ごとに行うことは困難にな
る。したがって、熱源の強度は、最終層の中間の高さＺの関数として増加する必要がある
。あるいは、熱源は、物体の高さの関数として、ＸまたはＹ方向に沿ってゆっくりと移動
する必要がある。
第３の実施形態では、エネルギー源１１２は、新しい層１２４にある角度で熱風の流れ
を吹き付けるように構成された開口を含むことができる。熱風の使用は、新しい層１２４
の温度を上げるだけでなく、最後の層の上の蒸発したキャリア液体の分圧を下げて、新し
い層１２４から液体キャリア（および場合によっては分散剤および他の有機材料）の蒸発
を助ける。さらに、第１、第２および第３の実施形態のいずれかの組み合わせを使用して
、加熱および／または蒸発性能を最大化することができる。
冷却装置
上述のように、新しい層１２４の加温は、付加製造プロセスの一部であり得る。しかし
、いくつかの実施形態では、印刷物の残りの部分は、新しい層１２４と同じ温度に維持さ
れるべきではない。したがって、付加製造装置１００は、最近印刷された層に蓄えられた
熱を周囲の空気に放散するための冷却ファン１１４を含むことができる。最近印刷された
層を冷却する理由の１つは、インク滴がキャリア液の沸点よりも（例えば、３０℃）高い
温度の表面に到達すると、表面に付着するのではなく爆発する可能性がある（例えば、水
滴が１２０℃の表面に到達するとき）。したがって、対象物の残りの部分は、新しい層１
２４の温度と同じ温度に維持する必要はなく、一定の均一な温度に維持するだけでよい。
例えば、以前に印刷された層が、冷却ファン１１４を使って比較的低い温度に維持される
場合（例えば、約２３０℃）、新しい層１２４は、キャリア液体の沸騰温度よりも高い温
度に温められてもよい（例えば、新しい層１２４は約５００℃に温められる）。
熱シールド
いくつかの実施形態では、付加製造装置１００は、シールド１１６などの熱バッファも
含むことができる。本開示の文脈では、熱シールドは、ノズルアレイを部分的に覆い、ノ
ズルから印刷領域への印刷を容易にする開口を有するプレートを指す。印刷物は、室温（
例えば、約２５℃）と比較して比較的高温（例えば、約２３０℃）であるため、プリント
ヘッド１０６は、印刷領域から発生する熱や煙から保護されるべきである。一実施形態で
は、シールド１１６は、印刷中の物体の温度と比較して比較的低い温度（例えば、１０～
５０℃）に維持され、プリントヘッド１０６と印刷物との間に熱障壁を提供する。
レベリング装置
異なるノズルの異なる噴射力を含むプロセス条件の変動により、新しい層１２４は完全
に平坦ではない場合がある。液体の表面張力の結果、層の端が完全に鋭くない場合がある
。したがって、付加製造装置１００は、新しい層１２４を平らにし、および／または新し
い層１２４の１つ以上の縁を研ぐためのレベリング装置１１８を含むこともある。一実施
形態において、レベリング装置１１８は、垂直または水平研削ローラーまたは切断ローラ
ーを含むことができる。別の実施形態では、レベリング装置１１８は、レベリングのダス
ト出力を吸引するダストポンプおよびダストフィルタ１２６を含むことができる。印刷プ
ロセス中、レベリング装置１１８は、層が分配され固化されている間に新しい層１２４上
で動作し得る。一例では、レベリング装置１１８は、上層の高さの材料の約５％～２０％
を剥離する場合がある。いくつかの実施形態において、レベリング装置１１８は、キャリ
ア液体が蒸発し、新しい層１２４が少なくとも部分的に乾燥して固体になった後に、イン
クと接触する。
制御および処理装置
説明した付加製造装置１００は、デジタルモデルから任意の物体を生成することができ
る。そうするために、付加製造装置１００は、異なる印刷構成要素の動作を制御するため
のコントローラ１２０などの処理デバイスを含むことができる。いくつかの実施形態によ
れば、コントローラ１２０は、付加製造装置１００の動作方法を決定するように構成され
た少なくとも１つのプロセッサを含み得る。少なくとも１つのプロセッサは、入力に対し
て論理演算を実行する電気回路を有する任意の物理デバイスを構成し得る。例えば、少な
くとも１つのプロセッサには、１つ以上の集積回路、マイクロチップ、マイクロコントロ
ーラ、マイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）のすべてまたは一部、グラフィック
処理装置（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲ
ートアレイ（ＦＰＧＡ）、または命令の実行や論理演算の実行に適したその他の回路を含
んでもよい。少なくとも１つのプロセッサによって実行される命令は、例えば、コントロ
ーラ１２０と統合された、またはコントローラ１２０に埋め込まれたメモリに事前ロード
されてもよく、または別個のメモリに格納されてもよい。メモリは、ランダムアクセスメ
モリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ハードディスク、光ディスク、磁気媒
体、フラッシュメモリ、その他の永久メモリ、固定メモリ、揮発性メモリ、または命令を
保存できるその他のメカニズムを含み得る。
いくつかの実施形態では、メモリは、視覚コードに関連付けられた製品を表す情報を格
納するように構成される。いくつかの実施形態では、コントローラ１２０は複数のプロセ
ッサを含むことができる。各プロセッサは、同様の構造を持っていてもよく、互いに電気
的に接続または切断される異なる構造を持っていてもよい。例えば、複数のプロセッサは
、別個の回路であっても、単一の回路に統合されていてもよい。複数のプロセッサを使用
する場合、プロセッサは独立して、または協調して動作するように構成することができる
。複数のプロセッサは、電気的、磁気的、光学的、音響的、機械的、または相互作用を可
能にする他の手段によって結合されてもよい。
印刷センサ
説明した付加製造装置１００は、印刷プロセスが計画通りに進行することを確認するた
めに、１つ以上のセンサを含むことができる。例えば、付加製造装置１００は、イメージ
センサ１２８などのイメージャも含むことができる。「イメージャ」または「イメージセ
ンサ」という用語は、近赤外、赤外、可視、紫外スペクトルの光信号を検出し、電気信号
に変換できる装置を指す。電気信号は、検出された信号に基づいて画像またはビデオスト
リーム（即ち、画像データ）を形成するために使用できる。「画像データ」という用語に
は、近赤外、赤外、可視、および紫外スペクトルの光信号から取得された任意の形式のデ
ータが含まれる。画像センサの例には、半導体電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化
膜半導体（ＣＭＯＳ）、またはＮ型金属酸化膜半導体（ＮＭＯＳ、ライブＭＯＳ）のアク
ティブピクセルセンサが含まれる。場合によっては、画像センサ１２８は、印刷領域１０
２を取り込むように構成されたカメラの一部であってもよい。
以下は、焼結温度、モデルと支持構造の間の収縮、およびモデルと支持構造の間の相互
汚染を調整するための組成物および方法を含め、本発明者らが最終印刷モデルを改善する
ために発見した組成物および方法について説明する。
［インク組成物］
図１（１００）に示された付加製造装置は、複数のタイプのインクを印刷するように構
成できる。「インク」という用語は、印刷面１２２上に所望のパターンで堆積することを
意図した任意の流体を含む。したがって、「インク」という用語には、モデル、支持、ま
たは存在する場合は第３のプリントヘッドからの添加剤の印刷用の材料が含まれる。これ
らの異なるインクは、「モデル材料」、「支持材料」、「付加製造材料」、「印刷材料」
、および「印刷液」とも呼ばれる場合がある。これらの用語は、本明細書において互換的
に使用される。
所与の部品に複数のモデルインクを印刷することは、ジェット印刷対選択的レーザー焼
結印刷の独特で非常に重要な属性である。この組み合わせは、ピクセルスケールでの細か
いミックス（ここで、実際には材料の均一なミックスが得られる）として行われるか、異
なる材料を含むパーツの異なる領域を作成することにより巨視的なスケールで行われる。
複合材料印刷では、プリンターは複数のＩＤＳ（インク供給システム）と複数のヘッドを
備え、噴射される材料ごとに少なくとも１つのヘッドがある。この手法は、参照により組
み込まれる文献［ＰＣＴ＿Ｆｒｉｅｄｍａｎ＿３Ｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｐｒｉｎｔｉｎ
ｇ＿４６１９／２０＿Ｃｈａｐｔｅｒ １７］に説明されている。本開示と一致して、適
切なインクのいくつかの例は、以下の属性を含み得る。
粒子サイズ、材料および形状
本明細書に記載されるインクは、金属（例えば、鉄、ステンレス鋼、銅、銀、金、チタ
ンなど）、セラミック材料、金属酸化物、酸化物（例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ
２、ＢｉＯ２）、金属炭酸塩、金属炭化物、炭化物（例えば、ＷＣ、Ａｌ４Ｃ３、ＴｉＣ
）、金属合金（例えば、ステンレス鋼、チタン、Ｔｉ６４）、窒化物、無機塩、ポリマー
粒子、キャリア液体中のそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない任意の所望
の材料の固体粒子の分散液を含み得る。一実施形態では、固体粒子は、シリコン、アルミ
ニウム、チタン、イットリウム、コバルト、銅、鉄、亜鉛、マグネシウム、ジルコニア、
それらの組み合わせまたは合金から選択される金属および半金属を含む。
様々な実施形態では、粒子は、印刷中に必要な空間解像度を維持するか、（焼結後に）
必要な材料特性を維持するか、または分配ヘッドの制限を満たすために、ミクロンサイズ
（約０．５μｍから約５０μｍ）またはナノサイズ（約５から約５００ｎｍ）である、例
えば、分配用プリントヘッドに直径３０μｍのノズルが含まれる場合、粒子サイズは２μ
ｍ以下であることが望ましい。本開示の文脈において、「モデル材料」または「モデルイ
ンク」という用語は、一般に、モデルを構築するために使用される固体材料または粒子を
指し、一方、「支持材料」または「支持インク」は、概して、通常一時的にモデルに取り
付けられる支持構造体を構築するために使用される材料または固体粒子を指す。
粒子サイズは、高い印刷解像度に重要である。一般に、粒子サイズは印刷イメージマッ
プのピクセルサイズの約１／４を超えてはならないが、ある程度の（約１０粒子の）凝集
が予想されるため、粒子サイズは１／１０ピクセルサイズを超えないことが望まれる。例
えば、ピクセルサイズが１５ミクロンの場合、粒子を１．５ミクロンより小さくする必要
がある。この比率は、他のピクセルサイズおよび粒子サイズと一致する必要がある。
一実施形態では、モデル内の固体粒子は通常、連続的なマルチモーダル粒子サイズ分布
を有する。しかし、特別な場合には、二峰性分布など、分布は離散的である。一実施形態
では、支持材料中の固体粒子は、単峰性の粒度分布を有する。このような分布は、多峰性
と比較して、配管とヘッドでの流れが良くなり（ヘッドの目詰まりが減少する）、高温で
焼結する傾向が減少する程度の利点しか持たない。本明細書に記載される粒子サイズは、
標準測定技術を使用して決定される平均粒子直径である。例えば、一実施形態では、平均
粒子サイズは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた乾燥モデル粉末の検査により決定さ
れる。平均粒子直径は、ランダムに選択された粒子の直径の平均値であってもよく、ここ
で粒子直径は、固定方向で測定されたフェレ直径である。
印刷速度を上げるための粒子サイズの調整
一実施形態では、本発明者らは、モデル領域と支持領域の両方をカバーする高速印刷ボ
リューム、続いてモデル領域にのみバインダー中の小さなナノ粒子の印刷を特徴とするイ
ンクをインクジェットすることを達成するために、大きくて安価な粒子（１－５μｍ）の
使用を試みた。図２に示すように、より小さなナノサイズのインクが噴射される（図２Ｂ
）大きなミクロンサイズの粉末の組み合わせ（図２Ａ）を使用すると、より速く、より費
用効果的に印刷できることを見出した。この実施形態では、大きくて安価な１～５μｍの
粒子を使用することにより、モデルと支持領域の両方を高速印刷し、続いてモデル領域に
のみバインダー中の小さなナノ粒子を噴射することができる。
図２Ａを参照すると、第１のステップが、例えば、より大きなノズル、空気、流体また
は電気スプレーを有するインクジェットプリントヘッドを介して、またはワイヤロッドコ
ーティングによって、または別の方法によって、１～５μｍサイズの粉末の分散液をスプ
レー／散布することを含むプロセスが記載される。図２Ｂに示されるように、この段階で
は、トレイは粉末の分散液でコーティングされ、次に分散液が蒸発される。分散液が蒸発
した後、ナノサイズの粉末は、図２Ｃに示すように、モデルにインクジェット印刷される
。これに続いて、バインダーを使用した熱硬化、またはインサイチュであり得る部分焼結
プロセスによる、図２Ｄに示した硬化ステップが続く。堆積ステップは、図２Ｅおよび図
２Ｆに示されるように、所望の厚さおよびプロファイルを得るために必要な回数だけ繰り
返される。
一実施形態によれば、１～５μｍのサイズの粉末を有する粉末の分散液、大きな粒子サ
イズの分散液は、小さなナノ粒子インクと同じ材料を含んでもよい。少数の非限定的な例
として、大小の粒子は、３１６などのステンレス、シリカ、合金、ジルコニア、その他の
金属またはセラミック材料であり得る。この実施形態によれば、脱バインダーステップま
たは事前焼結ステップ中に、小さな粒子がネッキングを生成する傾向があるため、モデル
領域に緑または茶色の領域が作成されて、何らかの硬化または他の機械的特性を提供する
。その結果、モデル領域は自立型であるが、大きな粒子のみの支持領域はより分離可能な
構造のままである。別の実施形態によれば、大きなサイズの粒子と小さなサイズの粒子は
異なる材料のものであってもよい。１つの非限定的な例は、大きなサイズのジルコニア粒
子分散液と、ステンレスまたは銅ナノ粒子である。別の非限定的な例によれば、大きなサ
イズの粒子はＷＣであってもよく、小さなサイズの粒子はステンレスまたは銅であっても
よい。
支持インク
本明細書に記載の支持材料は、完成品の一体部分として残り、多成分材料を形成しても
よい。あるいは、物体が印刷されると、典型的には焼結などの熱処理を含む印刷後プロセ
スの前に、支持材料が除去される。あるいは、支持インクで印刷された支持構造は、印刷
後のプロセス中に印刷された物体に残る場合がある。これらの場合、支持インクの支持構
造は、焼結プロセス後に除去できるように十分に柔らかくおよび／または脆いままでなけ
ればならない。最終物体の金属組成は、初期インクの金属組成と同様または近いが、一部
の実施形態では、印刷プロセス中の材料の一部の損失により、開始組成とは異なる場合が
ある。
支持材料の詳細な説明は、ＷＯ２０１５０５６２３２Ａ１（特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ２
０１４／０６５４０２号）に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。本明
細書に開示される実施形態による支持インクは、例えば本明細書に記載されるキャリアビ
ヒクル、分散剤および添加剤に分散される固体粒子を含む化学物質を含む。
支持インク用の固体粒子
一実施形態では、支持材料は、１つまたは複数の種類の材料および／または粒子サイズ
の粒子を含む。例えば、一実施形態では、１つまたは複数の種類の粒子を一緒に混合する
ことができる。粒子サイズは直径で示されるが、特に示されていません。説明したように
、粒子の直径は、ナノメートルスケールから、例えば（約１０ｎｍから５００ｎｍ未満、
例えば４００ｎｍ、３００ｎｍ）、サブミクロン（約０．５μｍから約１μｍ）まで、ミ
クロン（５０μｍ以下）までであり、支持体の一般的な機能を提供する。任意に、固体粒
子は、水、塩基性、または酸性水溶液に混和性または少なくとも部分的に可溶性である。
様々な実施形態において、支持材料の固体粒子の粒径は、１．０ミクロン以上、少なく
とも２．０ミクロン、少なくとも１０．０ミクロン、少なくとも２０．０ミクロン、また
は５０．０までである。一実施形態では、担体材料の固体粒子の粒径は、１．０ミクロン
から５．０ミクロンまでなど、１．０ミクロンから５０ミクロンまでの範囲である。加え
て、モデルインク中の固体材料の粒子サイズは、０．４ミクロン以下、０．３ミクロン以
下、０．２ミクロン以下、０．１ミクロン以下、１０ｎｍなど、０．５ミクロン以下であ
る。一実施形態では、モデル粒子の粒径は１０ｎｍから０．５ミクロンの範囲である。
様々な実施形態において、固体粒子は、１つ以上の金属またはセラミック材料、酸化物
、炭化物、窒化物、または炭酸塩を含む。固体粒子として使用できるこのような酸化物お
よび炭酸塩の非限定的な例には、酸化ケイ素（シリカ－ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（
Ａｌ２Ｏ３－アルミナ）、酸化チタン（ＴｉＯ２－チタニア）、酸化イットリウム（Ｙ２
Ｏ３－イットリア）、酸化コバルトが含まれる（ＣｏＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化鉄（
Ｆｅ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（
ＺｒＯ２－ジルコニア）、炭酸鉄（ＦｅＣＯ３）、および有機または無機塩が含まれる。
一実施形態では、支持材料はＦｅＣＯ３粒子を含む。ＦｅＣＯ３は、５００～７００℃
の温度で酸化鉄とＣＯ２に熱分解する脆い材料である。鉄を含むモデルインクの支持構造
を提供するために、ＦｅＣＯ３粉末を溶液中に分散させて、インクジェットプリントヘッ
ドから基板上に堆積できる噴射可能なインクを形成できる。ＦｅＣＯ３粒子は、市販の分
散剤を使用してキャリア液に分散できる。ＦｅＣＯ３の使用に関連する他の利点は、酸化
鉄への化学分解中にサイズが小さくなることである。酸化鉄は簡単に除去できるだけでな
く、モデル内の酸化鉄汚染物質は焼結中に金属鉄に変換される。その結果、汚染の影響を
受けない機械的特性を備えたモデル片を製造できる。
塩支持体
別の実施形態では、支持体は、支持粒子の焼結を妨げる他の材料または粒子、例えばシ
リカまたは有機塩または無機塩と混合された同じモデル粒子を含む。この支持材料の利点
は、モデルを不注意に汚染する残留支持材料の一部が同じモデル材料を含むことである。
塩に基づく支持材料には、塩ごとの水の溶解力が高いため、水で簡単に洗浄できるという
事実など、多くの利点がある。実際、支持体の除去が焼結前に行われた場合（緑または茶
色の段階）、部品は多孔質であるため、水はモデル材料全体（外表面だけでなく）を流れ
、部品のバルク内部の汚染塩を洗い流す。したがって、汚染が防止される。一実施形態で
は、未焼結段階の支持体の除去を促進するために、有機塩よりも無機塩の方が好ましい場
合がある。なぜなら、有機塩は高温で損なわれる可能性があるからである。
別の実施形態では、支持体は塩のみを含む。モデル材料の追加が必要な場合、該追加は
印刷中に印刷マップに基づいて行われる。その場合、混合は、モデルと支持ピクセルをイ
ンターレースすることにより、均一に行われるか、または支持マトリックスにモデルピク
セル群の島を印刷することにより、非均一に行われる。この技術は、支持材料の生産を簡
素化するだけでなく、印刷される各モデル材料に対して個々の支持体を製造する必要性も
排除する。この手法のもう１つの利点は、印刷部品からの距離の関数として比率を制御す
る可能性を含め、支持体内の塩とモデル素材の比率を柔軟に決定できることである。
塩支持体は、液体中の塩溶液または塩粒子分散物のいずれかとして実施することができ
る。一実施形態では、塩は、ケイ酸塩ナノ粒子などの粒子と、無機または有機塩粒子また
はその溶液の組み合わせであってもよい。
一実施形態において、支持インクは不溶性塩粒子を含み、該塩は無機または有機であり
得る。これらの無機または有機塩の粒度は、１０～８００ｎｍ、例えば５０～６００ｎｍ
、または１００～５００ｎｍの範囲であってもよい。不溶性の塩粒子とは、水にもインク
溶媒混合物にも溶解しないことを意味する（モデルと支持体の両方）。言い換えれば、塩
支持インクは、塩が不溶性である第１の溶媒によって特徴付けられる。そのような支持体
を除去するために、焼結の前または後のいずれの段階において、塩が溶解する第２の溶媒
が使用される。第２の溶媒である塩支持体除去溶媒は、例えば、印刷部品の噴霧、噴射、
または水性溶液槽への印刷部品の浸漬などの異なる形態で適用されてもよい。第２の溶媒
を含む水溶液溶液槽は、印刷部品での水媒体の流れを増加させるようにように構成された
機械要素により、または水媒体への機械的振動またはパルスを生成することにより、支持
体の除去を向上することができる。別の態様によれば、印刷部品は、振動トレイ上に配置
されて、支持体の除去を向上してもよい。
キャリア液
前述の粒子は、「キャリア」または「溶媒」とも呼ばれるキャリア液に分散させること
ができる。一実施形態によれば、キャリア液は、印刷直後に蒸発して、後続の層が下の固
体材料上に分配されるようになる。したがって、印刷中の物体の上層の温度は、キャリア
液の沸騰温度に匹敵するはずである。印刷中の熱出力を減らすために、沸点が高すぎない
ことが望ましい。噴射能力を可能にするために、主にキャリア液の粘度に依存するインク
の粘度が高すぎてはならない。また、液体の表面張力は、噴射ヘッドの要件に適合する必
要がある。一実施形態において、適切なキャリア液体は、１００～２５０℃の沸点、２４
℃で３～３０の粘度、２０～７０ミリニュートン／ｍの表面張力を有する。
別の実施形態では、上層の温度は、液体キャリアの沸騰温度よりもはるかに高く、それ
により、キャリア液体中の分散剤または様々な添加剤などの他の有機材料の蒸発が促進さ
れる。
溶解モデル材料
物体を構築するために使用されるマイクロまたはナノサイズの粒子の形態の固体材料の
少なくとも一部は、キャリア液に溶解することができる。例えば、銀（Ａｇ）粒子の分散
液は、Ａｇ粒子に加えて、キャリア液に溶解したＡｇ有機化合物の一部を含んでいる。印
刷後および焼成中に、Ａｇ有機化合物の有機部分が蒸発して、金属銀原子が十分に広がる
ようになる。溶解銀を含むインクは、Ｄｙｅｓｏｌ Ｉｎｃ．（米国）（カリフォルニア
州、９５６１７、第５ストリート、＃６３８）から市販のＤＹＡＧ１００導電性銀印刷イ
ンクなど、容易に入手できる。
分散剤
粒子の分散を維持するために、分散剤は、粒子をキャリア液に分散させることを助ける
。分散剤は業界で知られており、多くの場合一種のポリマー分子である。一般に、分散分
子は固体粒子の表面に付着し（つまり、粒子を包み込み）、粒子同士の凝集を抑制する。
複数主の固体粒子が分散液に分散している場合、異なる分散剤材料間の適合性の問題を回
避できるように、すべての固体粒子種に同じ分散剤を使用することが好ましい。分散剤は
、安定した分散液を形成できるように、キャリア液に溶解できる必要もある。
分散剤はまた、安定性の目的のために液体キャリアと適合しなければならない。例えば
、水性インクでは、分散液のｐＨを変更するなど、表面特性を適切に制御することで安定
化を実現できる。安定剤（すなわち、分散剤）は、共有結合または物理吸着によって粒子
の表面に結合していることに注意する必要がある。
分散剤の追加の役割は、印刷中に理解される。印刷中、噴射および乾燥後、分散剤は粒
子同士の接着および結合を助ける。粒子が液体キャリアに分散されている場合、これは分
散剤の反対の役割であることに注意されたい。さらに結合が必要な場合、特別な結合添加
剤がインク分散液に追加される。
本明細書で使用できる分散剤の非限定的な例には、ＢｙｋＣｈｅｍｉｅ社のＤｉｓｐｅ
ｒｂｙｋ １８０、Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ １９０、Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ １６３；Ｌｕｂ
ｒｉｚｏｌ社のＳｏｌｓｐｅｒｓｅ ３９０００、Ｓｏｌｓｐｅｒｓｅ ３３０００、Ｓ
ｏｌｓｐｅｒｓｅ ３５０００；Ｃｏａｔｅｘ（Ａｒｋｅｍａ）社のＲｈｅｏｓｐｅｒｓ
ｅ３０２０、３４５０、３６２０；ＢＡＳＦ社のＥｆｋａ ７７０ ｌ、Ｅｆｋａ ７７
３ｌ、Ｅｆｋａ７７３２が含まれる。イオン性分散剤には、例えば、ＳＬＳ（ラウリル硫
酸ナトリウム）、ＣＴＡＢ（セチルテトラアンモニウムブロミド）、ＡＯＴ（ジオクチル
スルホスクシナート）およびオレイン酸などの脂肪酸が含まれる。Ｓｕｎ Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌｓ Ｌｔｄ．（英国、Ｓｌｏｕｇｈの４８５ Ｂｅｒｋｓｈｉｒｅ Ａｖ）から市販
のＳｕｎＴｒｏｎｉｃ Ｊｅｔ Ｓｉｌｖｅｒ Ｕ６５０３などの従来の粒子インクが容
易に入手可能である。
前述の分散剤は、モデル粒子の１～１０重量％の範囲の量で見出すことができる。分散
剤の正確な量は、薬剤の分散力と混合ツールの品質、および乾燥材料の付着特性にも依存
する。これらはすべて、粘度などのインク特性に影響を与える可能性がある。
分散剤の除去
分散剤はまた、所望の後処理段階の前または最中に、具体的には予備焼結または焼結な
どの印刷物の熱処理中に、印刷物から除去できるようなものでなければならない。プリン
ターの高温環境での印刷中に、分散剤の部分的な除去が行われる場合がある。その場合、
部分的な焼結が起こり、分散剤の結合力を置き換える。焼結に関連するさまざまな問題の
より詳細な説明を以下に示す。
表面改質剤
表面改質剤は、表面張力、耐スクラッチ性、印刷物との界面特性などの特性に影響を与
える物質である。例示的な表面改質剤には、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロ
ース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、酢酸セルロースなどのセルロース系ポリマ
ーが含まれる。他の表面改質剤には、ポリブチラール（Ｂｕｔｖａｒ製）が含まれる場合
がある。以下で詳しく説明するように、表面改質剤は、色や耐摩耗性を追加するなど、完
成したモデルに望ましい特性を持たせる。表面改質剤は、モデルからの支持体の分離を促
したり、交差汚染を減らすために支持体とモデルの間に障壁を設けるなど、印刷物の処理
を改善することもある。
支持インク中に存在する場合、表面改質剤は、粘度などの所望のインク特性に応じて、
支持インクの約０．１から約５重量％であってもよい。
改質剤として使用される添加剤
本明細書で使用される「添加剤」は、インクに添加されて、ターゲット粒子の印刷を支
援するか、未加工部分を硬化するか、印刷および焼結プロセス中の有害現象を防ぐ材料を
指す。様々な実施形態において、印刷または焼結ステップなどの最終製品の処理、または
印刷物の色または機械的特性などの最終物体の特性を支援するために、１つ以上の添加材
料をインクに追加することができる。一実施形態では、添加剤のみまたは適切な溶媒に溶
解した添加剤を分配するための専用の少なくとも１つの別個のプリントヘッドがある。本
明細書で使用される場合、モデルまたは支持体以外の材料を堆積するために使用されるこ
のヘッドは、「添加剤ヘッド」と呼ばれる。この場合、添加剤と適合しない可能性がある
ターゲットインクへの該添加剤の溶解問題はない。さらに、添加剤ヘッドを使用すると、
物体の異なるゾーンに異なる量の添加剤を分配することができる。
モデル表面を着色するために使用される添加剤
様々な実施形態では、所望の色を付与するために、印刷物の表面上に１つ以上の添加材
料が堆積されてもよい。例えば、添加剤の追加または過剰使用の恩恵を受ける可能性があ
る１つのゾーンは、モデルの周辺領域である。添加剤は、周辺でのみ必要な特定の色であ
り得る。
［異なるサイズの粒子で製品を形成するシステム］
一実施形態では、異なるサイズの粒子を含む製品を形成するためのシステムを説明する
。このシステムは、製品の少なくとも第１部分を、第１平均粒径を有する第１の材料で付
加して印刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群を保持するように構成された少
なくとも１つのプリントヘッド領域を備え、ここで第１の平均粒径は、焼結時に最初の構
造特性を付与するように選択される。一実施形態では、第１の部分は、印刷製品のコアま
たは本質的な部分を含む。例えば、人工歯を印刷する場合、外層とは対照的に、印刷され
た歯のコアまたは本質的な部分は、歯のコアを構成する。
このシステムは、製品の少なくとも第２の部分を、第２の平均粒径を有する第２の材料
で付加して印刷するように構成可能な少なくとも第２のプリントヘッド群も備え、ここで
第２の平均粒径は、焼結時の第１の構造特性とは異なる第２の構造特性を付与するように
選択される。一実施形態では、第２の部分は、印刷製品の周辺部分を含む。例えば、人工
歯が印刷されている場合、印刷された歯の周辺部分は、コア構造とは対照的に、歯の外層
を構成する。
一実施形態において、第１の材料および第２の材料は、異なる平均粒径および異なる焼
結温度を有することを除いて、同じ化学構造または結晶構造など、実質的に同じである。
別の実施形態において、第１の材料および第２の材料は、互いに異なる化学構造および／
または結晶構造を有するなど、実質的に異なるが、実質的に同じ焼結温度を有する。
このシステムは、製品の所望の特性を反映する情報を受け取り、第１のプリントヘッド
群および第２のプリントヘッド群を調整して、第１の材料および第２の材料を層ごとに不
均一に分配し、それにより製品の所望の特性を反映する情報に基づいて、製品の異なる部
分に異なる構造特性を付与するように構成される少なくとも１つのプロセッサをさらに備
える。一実施形態では、少なくとも１つのプロセッサは、製品の所望の特性を達成するた
めに、第１および第２の材料の配分を決定するように構成される。
本明細書で使用する「インターレース（ｉｎｔｅｒｌａｃｅ）」とは、製品の異なる部
分で分離するのではなく、堆積時に第１の材料と第２の材料が混合して単一構造を形成す
るように互いに点在することを意味する。単一構造は、第１の材料および第２の材料の重
量または体積に関して異なる量を含み得る。例えば、インターレース全体の異なる材料間
の比率は、製品の所望の特性に応じて、製品の異なる部分で異なる。一実施形態では、プ
リントヘッドは、第１および第２の材料をランダムに織り交ぜず、そのような材料を堆積
させて特定の効果を達成する。例えば、少なくとも１つのプロセッサは、所望の特性を有
する印刷製品を達成するために、第１のプリントヘッド群および第２のプリントヘッド群
が、第１および第２の材料を互いにデジタルインターレースさせるように構成してもよい
。
一実施形態では、本明細書に記載のシステムは、２つの材料のうちの少なくとも１つが
他の材料に浸透するように材料を堆積させる。この実施形態では、第１の材料を第２の材
料に吸い上げるか、またはその逆により、印刷製品に形成されるストリングのウェブなど
の１つまたは複数のストリングが形成される。
所望の特性は、各層の第１および第２の材料の量および／または配分を変えることによ
り達成することができる。例えば、少なくとも１つのプロセッサは、第１層が第２の材料
よりも多くの第１の材料を含み、第２層が第１の材料よりも多くの第２の材料を含むよう
に、第１および第２の材料の分布を決定するように構成されてもよい。各層の第１および
第２の材料の量および／または分布を変えることにより、物体のコアを含む第１の部分、
および物体の周辺を含む少なくとも第２の部分の印刷が可能になる。
変更または付与できる製品の典型的な望ましい特性には、熱的、機械的、化学的または
物理的特性が含まれる。熱特性の非限定的な例には、焼結温度、熱膨張係数、収縮係数、
熱伝導率、および熱拡散率が含まれる。望ましい機械的特性の非限定的な例には、耐摩耗
性、脆性、延性、弾性、剛性、靭性、および降伏強度が含まれる。物理的特性の非限定的
な例には、密度、硬度、色が含まれる。化学的性質の非限定的な例には、安定性、耐食性
、耐酸化性が含まれる。本明細書で使用するとき、化学的「安定性」とは、環境または通
常の使用中に材料が特に反応しないことを意味する。例えば、材料は、予想される適用条
件下で空気、水、湿気、熱、溶媒などに対して不活性である場合、安定していると見なさ
れる。同様に、予想される使用条件または通常の環境条件で腐食、分解、重合、燃焼、ま
たは爆発する可能性がある場合、材料は不安定であると思われる場合がある。第１および
第２の材料、ならびにそれぞれの量を交互にすることにより、前述の任意の組み合わせを
印刷製品に付与することができる。
前述のように、製品の所望の特性は、様々な化学的または機械的特性、特に製品または
製品の特定部分だけの収縮係数を含み得る。一実施形態では、焼結温度および収縮係数の
少なくとも一方を調整することなどにより、印刷されたモデル部品と印刷された支持体と
の間の寸法収縮を低減または排除することが望ましい場合がある。一実施形態では、印刷
されたモデルと印刷された支持体との間の寸法収縮の差は、１０％未満、または５％未満
など、１５％未満である。
一実施形態では、支持インクまたはモデルインクのうちの少なくとも１つは、印刷され
たモデル部分を、支持材料より低い温度で焼結させる化学組成、粒径、粒径分布、または
それらの組み合わせを有する固体粒子を含む。例えば、一実施形態では、印刷されたモデ
ル部品は、支持構造の温度より少なくとも１００℃低い温度、例えば、支持構造の温度よ
り少なくとも１５０℃低い温度、さらには少なくとも２００℃低い温度で焼結する。
支持体インクおよびモデルインク中の固体粒子の粒径、粒径分布、またはそれらの組み
合わせを変更して、印刷されたモデルが支持材料の温度よりも低い温度で焼結できるよう
にしてもよい。例えば、支持インク中の固体材料の粒径は、モデルインク中の固体材料の
粒径よりも大きい。一実施形態において、支持インク中の固体材料の粒径は１．０ミクロ
ン以上であり、モデルインク中の固体材料の粒径は０．５ミクロン以下である。一実施形
態では、支持インクは、単一モードの粒度分布を有する固体粒子を含み、モデルインクは
、マルチモードの粒度分布を有する固体粒子を含む。同様に、支持インクは、第２のイン
クの固体粒子の充填密度よりも低い充填密度を有する固体粒子を含んでもよい。
前述のように、本開示に従って使用できるインクには、シリコン、アルミニウム、チタ
ン、イットリウム、コバルト、銅、鉄、亜鉛、マグネシウム、ジルコニア、それらの組み
合わせまたは合金などの金属又は半金属の酸化物または炭酸塩の１つ以上の固体粒子を含
む支持構造をインクジェット印刷するための１つ以上の支持インクと、モデル部品をイン
クジェット印刷するためのモデルインクと、が含まれる。ここで、支持インクまたはモデ
ルインクの少なくとも一方が、印刷されたモデルと印刷された支持体との間の寸法収縮の
差を低減または排除する特性を示す。一実施形態では、支持インクの酸化物または炭酸塩
の１つ以上の固体粒子は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＣｕＯ
、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＦｅＣＯ３およびそれらの組み合わせを含む。
一実施形態において、モデルインクは、鉄、銅、銀、金、およびチタンから選択される
金属、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢｉＯ２から選択される金属酸化物、ＷＣ、Ａｌ４Ｃ３、Ｔ
ｉＣから選択される金属炭化物、ステンレス鋼およびチタンベースの複合材料から選択さ
れる金属の合金から作られた固体粒子を含む。
一実施形態では、支持インクまたはモデルインクの少なくとも１つは、分散剤、レオロ
ジー剤、バインダー、またはそれらの組み合わせから選択される添加剤をさらに含む。こ
こで、添加剤は、インクに含まれた固体粒子間の間隙を制御するのに十分な量で含まれる
。
一実施形態では、説明されたシステムのプリントヘッド領域は、第３のプリントヘッド
群を保持するように構成される。この第３のプリントヘッド群は、第１および第２の印刷
物を一時的に支持するための取り外し可能な支持材料を付加して印刷するように構成可能
である。上記のように、１つまたは複数の添加剤材料は、印刷または焼結ステップなどの
最終製品の処理を支援するためにインクに追加されるか、印刷物の色や機械的特性などの
最終物体の特性を改善するために別のヘッドから印刷される。
［開示されたシステムを使用して異なるサイズの粒子で製品を形成する方法］
本明細書には、記載されたシステムを使用してインクジェット印刷により製品を製造す
る方法も開示されている。例えば、本明細書に記載のインクジェット印刷によって物体を
作製する方法は、粒子を含む物体材料を噴射して、第１の焼結温度を有する製品構造を形
成することを含み得る。製品構造の形成と同時にまたはその前に、方法は、粒子を含む支
持材料を噴射して支持構造を形成することをさらに含む。ここで、該支持構造は製品構造
を支持するように噴射される。一実施形態では、支持材料は、物体材料の焼結温度よりも
高い焼結温度を有する。噴射された物体と噴射された支持体は一緒に未加工部分を構成す
る。この方法は、未焼結部分を第１の焼結温度以上および第２の焼結温度未満の温度に加
熱することにより、噴射支持体を実質的に焼結することなく噴射物体を少なくとも部分的
に焼結し、少なくとも部分的に焼結された物体から実質的に未焼結の支持体を取り除くこ
とをさらに含む。
本明細書で使用される「実質的に未焼結の」とは、支持粒子間に何らかの付着があって
も、該支持粒子がまだ一緒に融合して高密度固体片を形成しない限り、支持粒子が実質的
に分離したまままたは容易に分離したままであることを意味する。
上述のように、本明細書で、特に開示された方法に使用できる１つ以上の固体粒子は、
ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ
２、ＦｅＣＯ３、およびそれらの組み合わせを含む。同様に、開示された方法で使用でき
るモデルインクは、鉄、銅、銀、金、チタンから選択された金属、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、
ＢｉＯ２から選択された金属酸化物、ＷＣ、Ａｌ４Ｃ３、ＴｉＣから選択された金属炭化
物、ステンレス鋼およびチタンベースの複合材料から選択された金属合金から作られた固
体粒子を含む。
この方法は、印刷モデルの焼結が、支持材料の焼結温度よりも少なくとも１００℃低い
など、支持材料の焼結温度より低い温度で印刷モデルを焼結することをさらに含む。
一実施形態では、焼結は、単一のステップで、複数のステップで、またはレーザーの使
用により実行されてもよい。レーザーを使用して焼結が起こる場合、レーザー焼結は、マ
イクロ波エネルギー、プラズマエネルギー、または高エネルギーランプを含む外部エネル
ギー源などによる、レーザーと組み合わせた少なくとも１つの外部エネルギー源をさらに
含む。
一実施形態では、この方法は、グリーン物体をある温度および時間で熱処理して、理論
密度の７０～８５％の範囲の密度を有する部分焼結モデルを形成することをさらに含む。
表面特性を変更するために使用される添加剤
一実施形態では、この方法は、支持体またはモデルに少なくとも１つの添加剤を追加す
ることをさらに含み、添加剤は、支持インクまたはモデルインクで堆積されるか、または
別個のプリンターヘッドを使用して堆積される。添加剤は、最終モデルの少なくとも１つ
の特性を変更するために、別個のプリンターヘッドでモデルの表面に堆積させることがで
き、前記少なくとも１つの特性は、印刷物の色または機械的特性から選択される。例えば
、モデルの表面に堆積された添加剤は、金属またはポリマーを含む少なくとも１つの耐摩
耗性層を形成してもよい。金属の非限定的な実施形態は、コバルト、チタン、タングステ
ン、およびその炭化物を含み、ポリマーは、ゾルゲル由来のシリカと、テトラエトキシシ
ラン（ＴＥＯＳ）および３－グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（ＧＬＹＭＯ
）のハイブリッド膜を含む。
一実施形態において、添加剤は、完成モデルと複合体を形成するポリマーを含んでもよ
く、印刷中にインクに添加することにより、またはその後の浸透法による毛管作用により
、印刷モデル材料に添加される。例えば、ポリマーはポリアニリンアルコール（ＰＡＮ）
を含んでもよく、印刷されたモデルは金属炭化物を含んでもよい。
一実施形態では、方法は、支持材料とモデル材料との間に界面層を形成することをさら
に含み、該界面層は支持材料とモデル材料の組み合わせを含む。例えば、界面層はＦｅＣ
Ｏ３を含む。
一実施形態では、この方法は、少なくとも１つの機械的、化学的、または熱処理ステッ
プによってモデル材料から支持構造を除去することをさらに含む。
前述のように、添加剤ヘッドアセンブリは、図３に示されたいくつかのヘッドを含むか
、いくつかのインクタイプを受け入れて噴射する１つのヘッドを含む。このヘッドアセン
ブリに必要なインクは、それぞれいくつかのインクタンクと配管に保存されているいくつ
かのインクタイプを含むことができる。
［着色印刷部品を作成するためのシステムおよび方法］
一実施形態では、インクは、構造材料インク、白インク、および着色インクであるバル
ク材料用のインクを任意に含む必要がある。図４に示すように、インクは、溶媒に溶解し
た着色剤を含む着色インクを除いて、キャリア液体中の固体粒子の分散液を含む必要があ
る。一例として、図４Ａを参照すると、一実施形態では、バルクのインクは、キャリア液
体中のジルコニア分散液を含むことができる。着色インクは、黄色、赤色、および青色の
無機顔料と混合されたジルコニアを含んでもよい。図４Ａに示すように、インク分散液は
、着色剤粒子（顔料）、構造粒子（ジルコニア）と混合した顔料、またはジルコニア粒子
に埋め込まれた顔料を含むことができる（図４Ｂ参照）。
別の例では、バルク材料は鋼を含み、白インクはジルコニアを含み、着色インクは、カ
ラー印刷で使用される４つのＣＭＹＫインク：シアン、マゼンタ、イエロー、およびキー
（黒）を含む。この実施形態では、ＣＭＹＫ粒子顔料はガラス粒子と混合されてもよく、
ガラス粒子は焼結時に光沢のある透明なコーティングを形成する。図５を参照すると、着
色インク分散液中の構造粒子のロールは、着色領域対バルク領域の同じ層厚を達成するた
めに必要なインクの適切な固体体積割合を生成するために使用される。この実施形態では
、構造粒子はフィラーと考えることができる。
一実施形態では、モデル表面に色を追加する方法は以下を含む。
・物体の形状と表面色を含む、必要な物体の３Ｄデジタル表現の作成または受信。色は表
面上の点ごとに異なる場合があり、マンセル表色系（色相、彩度、明度）、ＣＩＥ ＸＹ
Ｚ（三刺激値）またはＣＩＥＬＡＢ（ａ＊、ｂ＊、Ｌ＊）または番号付きコードシステム
、または他のカラーシステムで表現できる。
・プリンターで使用可能なインクの色のセットに色を分離する（ＣＭＹＫ減法システムの
色、またはスポットカラー、またはその他）。
・物体の表面のカラースポットを構成する色付きピクセルの数と相対比率を計算する。
・図５に示すように、物体の表面に近いピクセルにそれぞれの色合いをデジタル的に割り
当てる。
・印刷中の素材上の物体の方向を決定し、必要な支持構造をデジタル処理で追加する。
・デジタル物体をスライスする。
・層ごとに物体層（スライス）を印刷し、各ヘッドは各ピクセルに割り当てられたインク
タイプに従って噴射する。周囲の着色領域の層の厚さは、層の大部分の厚さと類似してい
る必要があり、場合によっては同一であることに注意されたい。印刷された物体は「未焼
結物体」と呼ばれる。そして
・物体の材料が完全に焼結するまで、緑色の物体をオーブンで焼成する。
物体を構成するバルク材料が白色でない代替実施形態では、この方法は、着色ピクセル
の下の物体の周辺に白色層を追加することを含む。飽和色が必要な場合、または色が物体
の表面上のスポットごとに異なる場合、少なくともカラー層の背後の層は白であることが
望ましい（図５）。また、着色インク（存在する場合）の構造粒子が透明であることも必
須であり得る。
一実施形態では、色合いは、焼結中の物体の焼成温度に適合する無機着色剤（顔料）を
含む。加えて、着色インクは、着色剤または建材と混合された着色剤を含んでもよい。建
築材料は、ジルコニアなどのバルクの建材と同じでも、異なっていてもよい。例えば、バ
ルクがスチールを含む場合、着色インクはガラスを含む。
着色外層が、バルクとは異なる材料を含む場合（例えば、バルクが金属であり、着色層
がセラミックである場合）、インクを含む粒子のサイズは、両方の材料の焼結温度が、必
要な許容範囲内で同じとなるように調整することができる。着色インクがガラス粒子を含
み、ガラスが様々な酸化物分子の均一な混合物を含む場合、ガラスそのものの組成は、バ
ルクと同じ焼結温度に調合されてもよい。例えば、シリカ材料に少量の酸化鉛を添加する
ことにより製造されたガラスは、シリカの焼結温度を１６００℃から１３００℃に下げる
。
一実施形態では、層全体にわたって均一な層厚を保証するために、印刷用着色インクと
構造インクは同じ色のピクセルにある。着色インクに加えて、または着色インクの代わり
に、焼結後に透明な光沢のあるインクを堆積させて、製造された物体に光沢を加えること
ができる。
［着色人工部を作成するためのシステムおよび方法］
記載されたプロセスは、例えば、人工歯を製作するために、歯科産業に利益をもたらし
得る。一実施形態では、人工歯または人工歯冠の通常の色は、灰色がかった白または茶色
がかった白などのくすんだ色である。そのような色に合わせるために、ジルコニア系イン
クを使用するなど、開示された方法を使用して人工歯または歯冠を印刷することができ、
着色インクはジルコニアと混合または埋め込まれた顔料を含む。一実施形態では、開示さ
れたプロセスを使用して製造され、本明細書に記載されるように着色され、図３～５など
にグラフで表される人工歯または歯冠が記載される。
人工歯を作製するためのシステム
前述を考慮して、人工歯部分などの身体インプラントまたは人工装具を付加して製造す
るためのシステムも記載される。最も単純な実施形態では、システムは少なくとも１つの
プリントヘッド領域と、少なくとも１つのプロセッサと、を含む。プリントヘッド領域は
、金属粒子を含む第１のインクから、３次元金属コアを付加して印刷するように構成され
た第１のプリントヘッド群と、セラミック粒子を含む第２のインクから、前記金属コアを
囲むセラミック外側コーティングを付加して印刷するように構成されたプリントヘッドと
、を保持するように構成されている。加えて、少なくとも１つのプロセッサは、金属およ
びセラミックで構成されるカスタマイズされた人工歯部分を印刷するための命令を受信す
るように構成される。プロセッサは、第１のプリントヘッド群が印刷領域に３次元金属コ
アを付加して印刷し、同時に第２のプリントヘッド群が印刷領域にセラミック外側コーテ
ィングを付加して印刷するように、第１のプリントヘッド群および第２のプリントヘッド
群を制御する。
一実施形態では、受信された命令は、実際の歯全体を表す３次元データを含み、少なく
とも１つのプロセッサは、実際の歯を正確に再現するように構成される。例えば、一実施
形態では、プロセッサは、人工歯部分のセラミック外側コーティングが実際の歯全体と同
じ寸法を有するように、第１のプリントヘッド群および第２のプリントヘッド群の分配を
制御するように構成される。
加えて、少なくとも１つのプロセッサは、金属コアの高さがセラミック外側コーティン
グの高さよりも高くなるように、第１のプリントヘッド群および第２のプリントヘッド群
を制御するようにさらに構成できる。
さらに、少なくとも１つのプロセッサは、金属コアが、セラミック外側コーティングか
ら突出するねじ付き金属部分を有するように、第１のプリントヘッド群および第２のプリ
ントヘッド群を制御するようにさらに構成され得る。
説明されたプロセッサは、本明細書に説明された様々な材料を印刷する際の柔軟性を可
能にする。例えば、プロセッサは、同じ層または別個の異なる層に金属とセラミックを印
刷するようにプリントヘッドを構成できる。一実施形態では、少なくとも１つのプロセッ
サは、３次元金属の次の層が堆積される前に、３次元金属コアの層に対応するセラミック
外側コーティングの層を印刷するようにさらに構成される。一実施形態では、少なくとも
１つのプロセッサはさらに、第１のプリントヘッド群および第２のプリントヘッド群に、
金属とセラミックを互いにデジタルインターレースさせるように構成される。
人工歯のねじ部を印刷するために使用できる追加のプリントヘッドも記載されている。
この実施形態では、少なくとも１つのプリントヘッド領域は、ねじ付き金属部分を製造す
るための取り外し可能な支持材料を付加して印刷するように構成可能な第３のプリントヘ
ッド群を保持するように構成される。
金属が固化した後にセラミック層を印刷する方法も記載されている。この実施形態では
、記載されたシステムは、印刷領域に熱を提供して最近堆積したインクを固化するように
構成された熱源をさらに備えてもよく、少なくとも１つのプロセッサは、３次元金属コア
の層が少なくとも部分的に固化した後に、３次元金属コアの層に対応するセラミック外側
コーティングの層を印刷するようにさらに構成される。
熱誘導応力問題を回避するために、金属コアおよびセラミック外側コーティング層は、
同じまたは実質的に同じ焼結温度を共有する。前述のように、これは、金属およびセラミ
ック材料に異なる粒子サイズを使用するなど、最終製品のさまざまな部分を印刷するため
に使用されるインクの粒子サイズを操作することによって実現できる。一実施形態では、
セラミック粒子の平均粒径は金属粒子の平均粒径より大きく、金属コアとセラミック外側
コーティングが焼結温度または収縮係数を実質的に共有できるようにしてもよい。
この実施形態で使用されるプロセッサは、人工歯部分の色付けに関する３次元色情報を
含む命令を受け取る。さらに、プロセッサは、実際の歯の色分布をシミュレートするため
に、ピクセルごとに異なる色が堆積されるように、複数のプリントヘッドにセラミック外
側コーティングを印刷させるように構成される。一実施形態では、複数のプリントヘッド
は、異なる色でセラミックを印刷するように構成され、少なくとも１つのプロセッサは、
３次元色情報に従って異なる色でセラミックの堆積を制御するようにさらに構成される。
例えば、複数のプリントヘッドは非構造顔料を印刷するように構成され、少なくとも１つ
のプロセッサはさらに、前述したＣＭＹＫインクのように、３次元色情報に従って、セラ
ミック外側コーティング上の非構造顔料の分配を制御するように構成される。
一実施形態では、本明細書に記載の複数のプリントヘッドは、機械的または審美的改善
を提供する材料を堆積するようにさらに構成されてもよい。例えば、一実施形態では、複
数のプリントヘッドは、人工歯の表面にガラスを堆積させることなどにより、焼結後に光
沢のある透明コーティングを提供するために堆積するようにさらに構成される。
人工歯部分を製造するためのシステムをさらに参照して、実際の歯を表す３次元データ
を受信するためのインターフェースが説明される。一実施形態では、３次元データは、歯
の実際の着色を表す３次元色情報を含む。記載されたシステムは、キャリア液中の第１の
色の第１の材料を噴射するように構成された少なくとも第１のプリントヘッド群、キャリ
ア液の第２の色の第２の材料を噴射するように構成された少なくとも第１のプリントヘッ
ド群を支持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域を含む。一実施形
態では、システムは、キャリア液中の第３の色の第３の材料を噴射するように構成された
少なくとも第３のプリントヘッド群をさらに含む。第１の材料、第２の材料、および第３
の材料のうちの少なくとも１つは、付加的な噴射層が人工歯部分を形成することができる
ように構成される。
本明細書に記載のシステムは、３次元色情報を含む３次元データにアクセスするように
構成された少なくとも１つのプロセッサをさらに含む。３次元色情報は、歯部の色分布の
デジタル表現を生成するために使用され、デジタル表現は、噴射された人工歯部における
実際の歯の色分布をデジタル処理でシミュレートするように、少なくとも１つの第１のプ
リントヘッド群、少なくとも１つの第２のプリントヘッド群、および少なくとも１つの第
３のプリントヘッド群を制御する命令を構成する。
少なくとも１つのプロセッサはさらに、第１、第２、および第３のプリントヘッド群を
制御して、人工歯部分を噴射するように構成されてもよい。この実施形態では、プロセッ
サは、少なくとも１つの第１のプリントヘッド群、少なくとも１つの第２のプリントヘッ
ド群、および少なくとも１つの第３のプリントヘッド群からの色の混合物が、実際の歯の
色分布をシミュレートすることを可能にする。一実施形態では、印刷された人工歯部分は
、セラミック外側コーティングとデジタル的に織り交ぜられた金属コアを有する。第１、
第２および第３の材料のいずれかまたはすべてが、本明細書に記載のセラミック材料など
のセラミックを含むことが理解される。別の実施形態では、第２および第３の材料は、本
明細書で前述したように、実質的に非構造顔料を含んでもよい。
記載されたシステムを使用して人工歯を作製する方法
人工歯部分を付加して製造する方法も記載されている。一実施形態では、この方法は、
金属粒子を有する第１のインクから、３次元金属コアを付加して印刷するように構成可能
な第１のプリントヘッド群を提供することを含む。この方法はさらに、セラミック粒子を
含む第２のインクから、金属コアを取り囲むセラミック外側コーティングを付加して印刷
するように構成された第２のプリントヘッド群を提供することを含む。
別の実施形態では、この方法は、金属およびセラミックで構成されるカスタマイズされ
た人工歯部分を印刷するための命令を受信し、第１のプリントヘッド群および第２のプリ
ントヘッド群を制御して、第１のプリントヘッド群が３次元金属コアを印刷領域に印刷し
、同時に第２のプリントヘッド群が印刷領域にセラミックの外側コーティングを追加印刷
する。
［最終製品の特性を改善するために添加剤を印刷するための第３のプリントヘッド］
上述のように、最終製品の処理を支援するため、例えば最終物体の特性を改善するため
に、１つ以上の添加材料をインクに添加してもよい。改善できる特性の非限定的な例には
、印刷物の色または機械的特性が含まれる。
モデル表面への耐摩耗性層の追加
耐摩耗層は、人工歯または整形外科の移植可能およびさまざまな工業用部品の文脈で説
明できるが、その使用は例示にすぎず、限定的または排他的ではない。人工歯に加えて、
さまざまな印刷製品が耐摩耗層の恩恵を受けられる。一実施形態では、追加のヘッドを使
用して、得られる物体の耐摩耗性を高める添加材料を堆積させることができる。本発明者
らは、添加剤を印刷されたモデル材料に組み込むことにより、耐摩耗層が実現できること
を見出した。非限定的な例には、ステンレス鋼へのＷＣの追加、ステンレスへのＷＳ２ま
たはＣ６０の追加、またはＷＣ／Ｃｏマトリックスの使用が含まれる。一実施形態では、
ＷＣまたはＷＳ２を第３相としてマトリックスに添加して、得られる製品の摩擦および耐
摩耗性を低減することができる。さらに、ＷＳ２を印刷物に追加して、潤滑性、接着性、
破壊靭性、およびひずみエネルギー解放率を向上させることができる。一実施形態では、
追加のヘッドは、炭化タングステンを含む分散液に添加されるコバルト粒子の分散液を含
む材料を印刷してもよい。
別の実施形態では、耐摩耗層は、エポキシ／ゾルゲルの複合体を含んでもよい。これら
の材料を堆積させるために、ゾルゲルまたはゾルゲル原料と組み合わせたエポキシが印刷
物の表面に印刷される。これらの材料は、溶媒を失うと、１００～２００℃で硬化する。
一実施形態では、これらの材料は、特定の条件下でさらなる加熱にさらされるとセラミッ
クのようになる。理論に拘束されるわけではないが、そのような条件は通常、ほとんどの
熱領域でゾルゲルの重量損失をもたらす。例えば、最大約２５０℃で、ゾルゲルマトリッ
クス上の水分子と化学結合が弱い溶媒の第１の蒸発が起こる。架橋有機基／鎖の追加の分
解／熱分解は、約３００℃で生じ、６５０℃まで続きる。５００℃を超えると、縮合反応
による３Ｄ Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉネットワークの形成が始まる。これで、シリカコーティング
が得られる。
本明細書に記載されるＧＬＹＭＯ－ＴＥＯＳの組み合わせは、単独で、または架橋剤（
ＰＶＰ）のようなより硬化させるための添加剤とともに使用することができる。本発明者
らは、ポリマーがインクジェット技術により比較的容易に噴射され、環境が所望の最終製
品の助けとなるため、開示された方法においてこれらの材料が望ましいことを発見した。
一実施形態では、プロセスは、印刷物の高温表面上にこれらのポリマーを噴射することを
含み、これにより硬化および硬化が促進される。その結果、密度が高く、透明で、傷に強
いコーティングが形成される。
これらのポリマータイプの材料を調製するための手順は、ウーら、ポリカーボネート用
のゾルゲルコーティングの機械的特性の改善に関する研究、固体薄膜、第５１６巻、６号
、２００８年、第１０５６～１０６２頁に記載されている。これは参照により本明細書に
組み込まれる。
モデルと支持体の間への障壁の追加
別の実施形態では、添加剤ヘッドを使用して、緩衝剤／障壁を形成する添加剤を堆積さ
せて、交差汚染を防止し、および／または支持体除去を改善することができる。この実施
形態は、添加剤としてのＦｅＣＯ３の使用に関して以前に説明された。例えば、一実施形
態では、ＦｅＣＯ３は、鉄ベースの金属合金の３Ｄ印刷用の支持材料として使用されても
よい。前述のように、ＦｅＣＯ３は５００～７００℃の温度で酸化鉄とＣＯ２に熱分解す
る脆い材料である。鉄を含むモデルインクの支持構造を提供するために、ＦｅＣＯ３粉末
を溶液に分散させて、インクジェットプリントヘッドから基板上に堆積できる噴射可能な
インクを形成することができる。噴射と乾燥に加えて、３Ｄ印刷プロセスには、異なるノ
ズルのビルド速度のばらつきによる高さのばらつきを減らすためのレベリングステップが
含まれる。レベリングステップは、多くの場合、ローラーによって実行される。ローラー
は、モデルと支持体の間で相互汚染を引き起こす可能性がある。したがって、支持材料は
、印刷後の熱処理中に除去可能であるか、支持体の汚染を材料マトリックスに統合できる
必要がある。
一実施形態では、ＦｅＣＯ３は、鉄およびステンレス鋼などの鉄合金の支持材料として
使用されてもよい。印刷後、モデルと一緒に支持体を炉に入れて、熱脱バインダーおよび
ＦｅＣＯ３分解を行う。脱バインダーは主に５００℃未満の温度で発生するため、ＦｅＣ
Ｏ３の分解は、ＣＯ２が印刷された部分を離れるのにすでにある程度の空孔構造が利用で
きる段階で発生する。残りの酸化鉄は体積が小さく、脆いままである。熱分解後、支持体
とモデル部品を室温まで冷却する必要があり、残りの酸化鉄はブラシまたは気流によって
機械的に簡単に除去できる。支持体を取り外した後、モデルは焼結炉に運ばれる。
上述のように、ＦｅＣＯ３支持体の１つの利点は、モデル内の汚染が、酸化鉄に変換さ
れた分解段階中にあることである。水素雰囲気またはフォーミングガス（５％Ｈ２、９５
％Ｎ２）での焼結中、酸化鉄は金属鉄に還元される。したがって、汚染はモデル材料の一
部に変換される。汚染物質の濃度が低いため、少量の鉄（≦２重量％）を追加しても、モ
デルの材料、例えばステンレス鋼３１６、３１６Ｌ、１７－４または３１４の化学量論は
大きく変わらない。
一実施形態において、記載されたバリア／バッファ層の厚さは、０．１～０．３μｍの
範囲であり得る。このようにして、物体の表面上の支持材料とモデル材料の混合を防ぐこ
とができる。
モデル領域に添加剤を供給することによる複合材料の形成
いくつかの実施形態では、所望の効果に応じて、添加剤をモデル領域に均一または不均
一に供給することができる。例えば、印刷段階の後、完全な焼結の前に、例えば未焼結ま
たは茶色の部分に、毛管作用によって印刷物の開気孔に別の材料を加えて複合材料を生成
することが望ましい場合がある。
一実施形態において、ポリアニリンアルコール（ＰＡＮ）ポリマーは、印刷中（それを
インクに加えることにより）またはその後浸透法により毛管作用により、印刷されたモデ
ル材料に加えられる。この特定の方法は、高圧充填を使用し、ポリマー充填のない物体よ
りも高い強度を持つ複合材料をもたらす。ＰＡＮは焼結プロセスに参加し、炭化して金属
と炭素の複合材料を生成する。ＰＡＮがＷＣ印刷サンプルに追加された場合、このプロセ
スを使用して作成された複合材料のタイプの１つの非限定的な例を示す。この場合、ＰＡ
Ｎは炭素をＷＣに失うことなく炭化するため、得られる複合材料の密度は低くなり、弾性
が増加する。
一般に、炭素繊維は、有機ポリマーであるＰＡＮから作られ、炭素原子によって結合さ
れた分子の長い列によって特徴付けられる。繊維は、紡糸、安定化、炭化、最終処理など
、いくつかのプロセスステップによって製造される。繊維を炭化する前に、線形原子結合
をより熱的に安定なラダー結合に変換するために、化学的に変更する必要がある。これは
、空気中の繊維を約２００℃で３０～１２０分間加熱することで達成される。これにより
、繊維は空気から酸素分子を拾い、原子結合パターンを再配置する。記載されたプロセス
では、印刷は２００℃で実行されるため、ＰＡＮを使用する場合、追加の処理ステップは
不要である。
［焼結－モデルと支持体間のパラメータの調整］
本開示と一致して、印刷プロセスが完了した後、焼結のために物体をオーブンに入れる
ことができる。いくつかの実施形態では、物体は、完全になるまでオーブン内で所定の温
度まで焼成されてもよい。焼結プロセスには、次の焼成ステップが含まれる：すべての有
機材料を燃やすための初期加温；コバルトなどの無機添加剤がある場合、それを液化する
ための追加の加温；および粒子を焼結するための最終加熱。
記載された加熱ステップのいくつかは、真空をかけること、圧力をかけること、酸化を
防ぐために不活性ガスを加えること、および材料に拡散してそれと反応する他のガス（例
えば、本体から酸素を取り除くことを助ける水素）を加えることを含むことができる。
粒子の焼結温度は、とりわけ、粒子サイズの関数である。ナノ粒子はより低い温度で融
解する傾向があるため、ナノ粒子とマイクロ粒子の混合物は部分焼結を促進する場合があ
る。これは、支持材料よりも低い温度で焼結するモデルインクを設計する場合に特に重要
である。分散剤を除去することにより、モデル粒子間の焼結は、分散剤の粒子による干渉
または汚染なしに進められる。さらに、分散剤が除去されると、固化した３Ｄ構造を弱く
する、印刷物内に分散剤粒子の「島」の形成が防止される。ポリマー分散剤およびその他
の不揮発性化合物は、通常、印刷後のプロセスで燃やされるか、焼却される。
一実施形態では、本開示は、支持体の前にモデルの焼結を確実にするように粒径および
焼結温度が選択されるメカニズムを提供し、焼結後の支持体除去を促進する。モデルと支
持材料の間の焼結温度を制御して、焼結モデルから非焼結支持体を簡単に除去できるよう
にするこのメカニズムは、シリカ支持体で例示される。シリカ支持体は、均一で大きな粒
子サイズで構成される。
焼結中、焼結粒子は、実質的に付着し、粒子間に位置する空隙を充填し、密度を増加さ
せる。巨視的な結果は、実質的な収縮（例えば、１５～６０％の体積）である。したがっ
て、１つの材料のみが特定の温度で収縮すると、それは他の材料から離れ、２つの材料が
分離し、材料の少なくとも１つが破損する可能性がある。この問題を回避するために、一
実施形態では、異なる材料の焼結温度と収縮係数は実質的に同一でなければならない。
焼結温度および支持材料
支持材のロールは、（ａ）モデルの「ネガティブ」壁を支持するため、および（ｂ）モ
デルの周りに保護エンベロープを加えるため、二重である。一実施形態では、支持材料は
、モデルを焼結する前にモデルから除去されない。この実施形態では、複合材料の前述の
要件とは対照的に、支持材料はモデル材料とは実質的に異なる（より高い）焼結温度を必
要とする。したがって、モデル材料の部分的または完全な焼結は、支持材料の焼結がほと
んどまたはまったくない状態で行われ、モデルを破壊することなく、剛性の焼結モデル材
料から柔らかいまたは脆いまたは可溶性の支持材料を除去できる。再び、この実施形態は
、モデルと比較して十分に高い融点を有する支持材料を選択することにより、または制御
された粒子サイズおよび／または粒子サイズ分布により、または異なる材料の制御された
形状不規則性により個々のインク組成物の焼結温度を調整することにより、達成すること
ができる。
最後の実施形態による支持体の例は、直径約１ミクロンの球状シリカ粒子を含むインク
であり、ステンレス鋼インクの支持体として機能する。表１の材料の比較を参照されたい
。
Figure 2023118129000002
任意の側面から、モデルは、支持体の焼結温度（約１５６０℃）より十分に低い温度（
約１２５０℃）で焼結することがわかる。上記の表に示すように、粒子の焼結温度は粒子
のサイズと化学成分に依存する。粒子サイズが０．１ミクロンより小さいなど、１ミクロ
ンよりもはるかに小さい場合、粒子サイズが小さくなるにつれて焼結温度は実質的に低下
する。したがって、２つの異なる溶融温度の２つの材料ＡとＢを同じ温度で焼結する必要
がある場合、少なくとも１つの材料（例えば、材料Ｂ）の粒子サイズを調整して、両方の
焼結温度を同じにすることができる。図６Ａは、このアイデアをグラフで示しており、材
料の焼結温度対粒子サイズを示している。図６Ｂは、材料の相対密度対焼結温度をグラフ
で示している。一実施形態では、モデル材料は、支持材料の焼結温度よりも少なくとも１
００℃低い温度、例えば支持材料の焼結温度よりも少なくとも１５０℃低い、少なくとも
２００℃低い、少なくとも２５０℃低い、または少なくとも３００℃低い温度で焼結する
。
したがって、同一の焼結温度を得るための１つの実施形態は、少なくとも１つの材料の
粒子サイズおよび／または粒子サイズ分布を制御して、他の材料と実質的に同様の焼結温
度を得るものである。別の実施形態では、粒子形状を制御する。形状が規則的であるほど
（球形など）、焼結温度は高くなる。
単一段階焼結
前述のように、代替実施形態の１つでは、本発明者らは、焼結温度の大きな差に基づく
印刷物の製造方法を見出した。これにより、モデル材料を焼結するのに十分高いが、支持
材料を焼結しない単一の加熱ステップが可能になる。この方法により、基礎となる（また
は巻き付けた）支持構造から破損することなく削除できるほどの整合性を持つモデルが作
成される。この実施形態は、モデルインクと支持インクとの間の焼結温度の差を利用する
。
二段階焼結
再び図６Ｂを参照する。図６Ｂは、粉末材料に関連する複数の焼結段階の相対密度を示
すグラフである。この実施形態では、支持材料は、モデル材料がその焼結前段階（粉末粒
子が互いに接触してネッキングが始まる点）に達した後に、実質的な収縮が始まる前に除
去される。このプロセスは、焼結前に部品から有機成分を除去する必要がある場合にＭＩ
Ｍ業界で使用される２段階の脱バインダーおよび焼結プロセスに似ている。例示的な２段
階焼結プロセスは以下を含む：印刷基板から印刷物を取り除くこと；支持構造の一部が配
置された物体を第１のオーブンに入れ、物体が粒子間でネッキングが始まる温度まで加熱
すること（事前焼結と呼ばれるこの段階では、物体からバインダーが除去される）；物体
を冷却し、冷却部分をクリーニングポートに移動して、物体から支持構造を取り除くこと
；および第２の焼結段階のために、物体を高温オーブンに入れること（この段階では、物
体を加熱して完全に焼結する）。
焼結の初期段階で、粉末粒子は互いに結合し、それらの間にネッキングが形成される。
この段階では、材料はルースパウダー段階よりもはるかに硬く、脆くないが、収縮はほと
んど起こっていない。さらに、低温のため、支持材料は焼結を開始する点に到達しないの
で、機械的または物理的または化学的手段のいずれかによって支持材料を除去するプロセ
スは比較的簡単である。予備焼結段階で支持材料を除去すると、部品の機械加工とハンド
リングを使用して、支持材料を完全に除去できる。また、焼結段階の前に支持材料を取り
除くことにより、ひび割れを防ぐことができる。焼結プロセスの前に支持体が除去されな
い場合、支持材料も焼結し始め、その除去がより困難になる可能性がある。
２段階焼結の場合、室温から第１段階のオーブンの温度までモデル材料と支持材料間の
収縮の差を全くまたはほとんど持たせたくないという要望は制限されることをコメントす
る価値がある。一実施形態では、２段階プロセスを使用することは、長時間の脱バインダ
ープロセスを比較的安価な低温炉で行うことができるため、より経済的であり得る。高価
な高温焼結炉は、高速で高温の焼結段階だけのために残す。
前述のように、脱バインダー段階中に支持体の焼結がないことを保証する１つの方法は
、モデル材料よりも大きいサイズおよびより規則的な形状および「狭い」粒子サイズ分布
および高い融点を有する支持材料を使用することである。これは、前述のように、鋼ナノ
粒子を含むインクを支持するために１ミクロンの球状シリカ粒子を含む支持材料を使用す
ることで例示される。そのような支持インクは、アルキルシリケートの加水分解およびそ
れに続くアルコール溶液中のシリカ酸の縮合により、均一なサイズの球状シリカ粒子の制
御された成長を可能にする化学反応のシステムによって製造できる。アンモニアは形態学
的触媒として使用される。このプロセスで得られる粒子サイズは、直径０．０５μｍ未満
から２μｍに制御できる。直径の不均一性は１０％未満である。
例として、サイズが約６０ｎｍ（多分散）のサイズを有するＳｉＯ２粒子は、約９００
℃で焼結する。例えばミクロン範囲のより大きな粒子を使用すると、粒子はモデル部品の
焼結温度を大幅に上回る１５５０℃で焼結する。したがって、ミクロン範囲の粒子を含む
支持体は、モデル粒子が焼結して剛性構造を形成することを可能にするが、支持体粒子に
ついてはそうしない。焼結温度の違い、および結果として生じる微細構造により、印刷お
よび焼結されたモデルを、破損することなく支持構造から取り除くことができる。
既知の湿式化学技術を使用して、制御された形状；気孔率レベル；および密度、例えば
、密度が低下した中空球などの特注の特性を有するミクロンサイズのＳｉＯ２粒子を製造
することができる。粒径を制御するために使用できる制御パラメータの非限定的な例には
、Ｓｉ前駆体の性質；シリカの製造に使用される水／エタノールの比；反応時間および温
度；およびｐＨ剤の種類が含まれる。システムを説明するプロセスは、文献［Ｗ． Ｓｔ
ｏｂｅｒ， Ａ． Ｆｉｎｋ， Ｅ． Ｂｏｈｎ， Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇｒｏｗｔ
ｈ ｏｆ ｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｓｐｈｅｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｎ
ｓｉｚｅ ｒａｎｇｅ， Ｊ． Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃ
ｉ． ２６ （１９６８） ６２－６９］に記載されている。これは参照により本明細書
に組み込まれる。
ＳｉＯ２材料の粒径に対するＳｉ前駆体の性質、水分含有量、およびエタノール比の影
響を例示するために、発明者らは、図７に示される三元状態図内のいくつかの変数を試験
した。 ７．次の反応条件を使用しました：温度２０℃、１２時間攪拌、ｐＨ～１１。
ＳｉＯ２前駆体材料は、９重量％のＳｉＯ２含有量を含み、粘度：２５℃で１２．２ｃ
Ｐｓ、密度１．１２ｇ／ｃｃ、および表面張力３２ｍＮ／ｍを示した。
表２は、エタノール／水の比およびシリカ含有量の変化により粒子サイズがどのように
変化したかを示す。
Figure 2023118129000003
インサイチュ脱バインダーおよび焼結
一実施形態では、脱バインダーおよび焼結中の収縮に関連する問題に対処する方法が開
示されている。特に、本発明者らは、未焼結体または茶色体のクラックを除去するととも
に、印刷後の脱バインダープロセスを短縮するために、プロセススループットを改善する
インサイチュ脱バインダーおよび焼結プロセスを見出した。
現在のプロセスでは、各印刷層は、連続層を噴射する前に硬化される。通常、硬化は、
金属インクの液体キャリアを蒸発させて未焼結部分を生成することで実現できる。液体キ
ャリアを蒸発させ、噴射された液滴を特定の正確な場所に固定するために、印刷は通常、
高温の表面で行われ、追加の加熱を使用して液体キャリアを完全に蒸発させる。余分な加
熱は、送風機、ランプ、照明、および吸引で構成されるシステムによって行われる。
開示されたプロセスにおいてナノ粒子が使用される場合、ナノ粒子の融点は典型的には
約２００～４００℃の範囲である。したがって、加熱チャックやランプを使用するなどの
単純な外部エネルギーによって、基板または前の層で焼結が生じる。しかし、マイクロお
よびサブミクロンの粒子サイズが使用される場合、典型的な金属の融点はバルク材料と一
致したままであるため、加熱チャックまたはランプを使用した焼結または部分焼結さえも
排除する。特に、エネルギー束（Ｗａｔｔ／ｍ２）は焼結を開始するには不十分である。
その結果、サンプルへの低い総エネルギー束を提供するために、短い時間フレームで高い
エネルギー束が必要になる。これは、レーザー、マイクロ波、またはフラッシュ光焼結に
よって実現できる。そのようなシステムは、短時間で高エネルギー束（ワット）を提供で
きるため、表面温度が適切な焼結レベルまで上昇する。
一実施形態では、ミクロンおよびサブミクロンの金属粒子を含む完全に焼結された部品
を得るために、脱バインダーおよび焼結手順からなる印刷後プロセスを使用することがで
きる。レーザーラインスキャナーを使用して、インサイチュプロセスを使用して粉末を焼
結することもできるが、このプロセスは、スキャン時間による低スループットによって制
限される。
インサイチュ焼結のこれらの制限を回避するために、印刷プロセス後に褐色または完全
に焼結された部品を得るプロセスが本明細書に記載されている。既存のレーザーラインス
キャン技術とは異なり、本明細書では、フラッシュライトまたはマイクロ波エネルギーを
含むラインスキャンレーザーまたは全面積焼結について説明する。このプロセスでは、支
持体にセラミック材料を使用し、モデルに金属粉末を使用するなど、支持体がその材料特
性のために焼結しないモデルと支持体を用いる。別の例として、モデル領域でのナノ粒子
ドーピングを使用する。
図８は、本開示の一実施形態によるモデルおよび支持材料を備えたインサイチュレーザ
ーシステムの概略図である。焼結に使用される外部エネルギーはマイクロ波、サンプル上
を転がる帯電ローラーまたは高エネルギーランプからのフラッシュライトによって生成さ
れるプラズマであり得る。
開示された方法では、印刷された金属インク層の直接選択的加熱が生じ、それにより、
より高いプロセス温度、したがってより短い時間でのより良好な焼結性能が可能になる。
提案されるプロセスは次のとおりである：（ｉ）インクと支持体を印刷し；（ｉｉ）基板
の底部からの熱を使用して、および／またはランプシステムでブロワーを使用して、低エ
ネルギー束の液体キャリアを除去し；（ｉｉｉ）中間範囲のエネルギー束（詳細は以下参
照）を備えたレーザースキャナまたは他のエネルギーを使って余分の有機材料を除去し、
（ｉｖ）最後に、粒子を焼結温度まで短時間加熱する高エネルギーを備えた同じ機器（例
：レーザー）を使用する。
一実施形態では、脱バインダープロセスは、本明細書に記載および例示されるレーザー
、例えば長時間にわたる低強度（最大１０ｍｍ／秒のプロセス速度）を有するものを用い
て行うことができる。脱バインダープロセスの目標は、熱分解によって印刷されたインク
の有機成分を除去することである。これには、モデルの表面を３００～４００℃に加熱す
る必要がある。短時間で高エネルギーで焼結する場合、酸化を避けるために焼結時間はミ
リ秒の範囲内である必要がある。焼結中、金属粒子は、表面エネルギーの力によって互い
に接続し始める。有機成分の一部を除去した後、部分的に焼結してサンプルの褐色強度を
達成する方法が説明されている。これに続いて、炉の焼結を行って、完全な脱バインダー
と焼結を達成できる。印刷プロセスでの高速焼結により、酸化を排除できる。ただし、酸
化環境がないことを確認するために、窒素、アルゴン、水素などの不活性ガス、またはこ
れらのガスの一般的な組み合わせをシステムに追加できる。この焼結方法で使用されるレ
ーザーに関して、約１０－２０ＫＷ／ｃｍ２の強度、１０－１００ｕｍの線幅、および３
－３００ｃｍの線長を備えた８０８ｎｍ波長を生成するラインアレイレーザーが記載され
ている。一実施形態では、典型的なパルス持続時間が１～２０ミリ秒を有するＣＷまたは
パルスレーザーを使用することができる。
上述のように、焼結材料は、その構成粒子間の空隙および空隙の除去に関連する圧密化
のために、焼結中に実質的に収縮する。したがって、モデルのみが特定の温度で焼結およ
び収縮する場合、モデルは非収縮支持材料から剥離する。一実施形態では、モデルから支
持体を除去する手段としてこの剥離を使用することが可能である。この機能は、支持体が
モデル本体の外側にある場合に便利である。対照的に、支持体がモデルによって実質的に
囲まれている場合、支持体はモデルが必要に応じて収縮するのを防ぎ、焼結時にモデルが
破損する可能性があるため、この機能はオプションではない。
言い換えれば、上記の非限定的な様々な例のピクセルごとの異なる材料のデジタル適用
に加えて、同じピクセルごとに１つ以上の補完的なデジタル熱処理を提供して、ピクセル
の固化、蒸発、ネッキング、脱バインダー、または焼結レベルを制御するなど、必要なロ
ーカルまたはバルク特性を達成することができる。この態様によれば、印刷されたピクセ
ルは、緑、茶色、焼結ピクセル、または加熱、脱バインダー、くびれ、部分焼結または完
全焼結などの間のどこかになるように処理されてもよい。異なる熱処理が特定の材料に異
なる機械的特性を提供する可能性があるため、本発明の態様に従ってピクセルレベルでデ
ジタル熱処理を提供する能力により、モデル構造、支持体構造またはそれらのインターフ
ェース間を横切って異なる機械的特性の分布が可能になる。例えば、モデルピクセルは、
モデル領域を茶色の領域として作成するインサイチュ熱処理にさらされる可能性があるが
、支持トピクセルは、インサイチュ熱処理にさらされないか、これらの支持を緑領域に変
換する熱処理にさらされる可能性がある。あるいは、例えば、いくつかの支持ピクセルを
インサイチュ熱処理することにより、それらのピクセルを茶色ピクセルにし、他の支持ピ
クセルを緑の段階に保ちながらその支持を強化することができる。別の例によれば、支持
体とモデルの間の境界層のピクセルは、支持体とモデルの間の分離を容易にするため、ま
たは支持体とモデルの間の収縮係数の差に対する感度を下げてクラックを防止するために
、（境界層のピクセルを）緑色ピクセルにするインサイチュ熱処理にさらされる場合があ
る。別の例によれば、一部のモデルピクセルをインサイチュデジタル熱処理にさらして、
これらのピクセルを、モデル内のひずみ解放領域として機能する緑のピクセルとして作成
するが、他のモデルピクセルは、デジタルインサイチュ熱処理にさらして茶色のピクセル
または部分的に焼結したピクセルに変換する場合がある。
［収縮－モデルと支持体間のパラメータの調整］
処理中のインクの収縮の制御
前述の議論を考慮し、本開示の態様によれば、異なるモデルインクが同じモデルで使用
される場合、複合体または多部品物体を形成するために、同様の収縮係数を共有するモデ
ルインクを使用することが有利である。このような収縮係数の類似性は、部品の加熱およ
び焼結の段階に沿った温度範囲内にある必要がある。第１の実質的な収縮は、添加剤が蒸
発する脱バインダー中に起こり（真空を残して）、第２の収縮は焼結中に起こる。一実施
形態において、収縮は、グリーン状態で支持体を除去することにより、または収縮が３％
未満、例えば２％未満、さらには１％未満である脱バインダープロセス後に制御される。
脱バインダー中の収縮
一実施形態では、収縮を全く防ぐことにより、脱バインダー段階中の収縮の差を防ぐこ
とができる。これは、プロセス全体を通してオーブン内の真空を維持することで実行でき
る。部品を取り囲む真空のため、添加剤の損失の後に残る内部真空は、収縮を引き起こす
圧力を生成しない。第二の実施形態は、添加剤が物体を離れるとき（例えば、蒸発または
崩壊および蒸発により）、親密な接触まで粒子が互いに向かって移動するという提案に基
づいており、したがって、添加剤によって事前に占有されていた空の体積が最小化される
。ただし、添加剤が占める体積がすべてなくなるわけではない。それは、添加剤がなくて
も、最も近い構造の粒子間に多くの空き空間があるからである。例えば、均一な半径の球
状粒子の場合、最も近い構造の空き空間は全体の体積の３０％を超える。粒子のサイズが
互いに異なる場合、空き空間はより少なくなり得る。この実施形態において、失われる添
加剤（例えば、有機材料）の量は、添加剤が失われている間に両方の材料が同じ量だけ収
縮するように適切に制御される。添加剤の主要部分がバインダーの場合、この段階は脱バ
インダー段階である。
焼結中の収縮
バインダーと他の添加剤を脱バインダーする前に、粒子を互いに分離する。脱バインダ
ー後に、粒子は、個々の点で互いに接触するだけである。焼結中、粒子は互いに溶け合い
、粒子表面間の空隙が消失し、材料が収縮する。したがって、収縮の量は、焼結前の粒子
間の空き空間の量に依存する。
一実施形態において、各材料の粒子は、サイズおよび形状が互いに実質的に同一である
。この実施形態は、粒子体積に対する空き空間の割合がスケールに不変であるという事実
に基づいている。別の実施形態では、スケールが異なり得ることを除いて実質的に同一で
ある両方の材料のサイズおよび形状分布が記載されている。別の実施形態は、小さな粒子
を大きな粒子と混合して、両方の材料に同じ相対的な空き空間を持たせることにより、材
料の相対的な空き空間を制御することに関する。この実施形態は、小さな粒子が大きな粒
子の間の空き空間を埋めるため、空き空間を減少させるという事実に依存している。
破損および割れを防止するために、添加剤が失われる温度が異なる材料で実質的に同じ
であることが重要であり、それにより同一の収縮が同時に起こる。
添加剤による収縮の制御
前述のように、同じ温度で２つ以上のモデル材料を焼結することが望ましい実施形態で
は、材料間の異なる収縮率の問題を回避するために、組成の変更を使用できる。例えば、
モデル材料は、焼結中に異なる量で収縮する場合があることが知られている。これは、そ
れぞれの粒子間の空隙が異なる場合があるためである。空隙サイズに影響するパラメータ
の１つは、粒子に追加および混合される、失われる材料の量である。失われる材料は、粒
子の焼結温度よりも低い温度で蒸発または崩壊して蒸発する。失われる材料が蒸発すると
、粒子材料は粒子間に大きな隙間を残する。焼結中、粒子は互いに近づき、隙間を閉じて
、材料の収縮を引き起こす。したがって、収縮係数は、失われる材料の追加量によって制
御される。
前述のように、異なる添加剤、すなわち、分散材料、注入改善材料、および結合材料を
インク配合物に当然含めることができる。３つの材料のうちの１つ以上は、一般に、焼結
前の熱処理期間中に失われる。通常、すべての有機材料が失われる。したがって、粒子間
の空隙の量またはサイズは、添加される（添加剤）材料の量を制御することにより制御で
きる。
図９は、分散剤の蒸発前後の粒子材料を示している。図９Ａは、低温で分散分子（９０
４）で包まれた粒子（９０２）を示す。図９Ｂは、高温（焼結よりは低い）で分散分子を
失った後に残る粒子（９０２）を示し、分散分子は、有機材料を含むことが多い。
パッキング密度による収縮率の制御
一実施形態において、収縮量は、粒子の物理的形状を変えることにより修正することも
できる。例えば、粒子が球形粒子と比較して立方体である場合、異なる充填率（本明細書
では「充填密度」とも呼ばれる）がある。球状粒子の充填限界は約６４％である。一実施
形態では、特定の粒子分布を選択して複数の粒子を非常に高い充填密度に充填できるよう
にすると、粒子サイズの広い範囲および混合を使用して充填密度を１００％に近い値に高
めることができる。
印刷された粉末の充填率は、粒子の形状およびサイズ分布に依存する。これは、結晶格
子内の分子または原子のパッキングに似ている。単一サイズのルースパウダーの一般的な
充填率の範囲は、０．５～０．７である。例えば、結晶格子では、単純な原子立方体のパ
ッキング係数は約０．５２；体心立方体（ＢＣＣ）の場合は０．６８；面心立方体（ＦＣ
Ｃ）の場合は０．７４である。一方、さまざまなサイズの粉末が存在する場合、小さな粉
末は大きな粉末間の空間に収まる。
図１０Ａは、単一サイズの大きな粒子のみに関連するモデル粉末の低い充填密度を示し
ている。対照的に、図１０Ｂは、マルチモード粒子サイズ分布に関連するモデル粉末のよ
り高い充填密度を示している。図１０Ｂにおいて、より小さい粒子は、より大きい粒子間
の空隙を埋めることができる。バイモーダル粒度分布に関連するこの効果の結果として、
粉末はより高い充填密度を有し、それはより低い充填密度を有する粉末と比較してより少
ない収縮を有する印刷モデルをもたらす。一実施形態では、印刷されたモデルは、各軸で
最大密度まで１０％未満収縮する。本発明者らは、粒子の収縮、充填密度、およびバイン
ダーの除去を制御することにより、低歪み領域を得ることができることを見出した。この
議論によれば、粒子は、添加剤材料を含むエンベロープに埋め込まれた固体標的粒子を含
み、それは後で脱バインダー工程中に燃え尽きることに留意されたい。
本発明者らは、モデル粉末および支持体粉末に異なる粒子サイズ分布を使用すると、モ
デルおよび支持体領域のそれぞれについてより望ましい収縮プロファイルがもたらされ、
モデルと支持体との間の歪み領域が小さくなることを見出した。図１０Ｃに示した一実施
形態では、高い充填密度をもたらす多モード粒子サイズ分布を有するモデル粉末、および
より低い充填密度をもたらす単一モード粒子サイズ分布を有する構造粉末が記載されてい
る。高充填密度のモデル材料を、低充填密度の支持材料と組み合わせて使用すると、脱バ
インダー中の支持体の応力が低くなることが分かった。脱バインダー中、支持材料に関連
した低い充填密度により、バインダーが失われると支持材料の自由体積が増加するため、
モデルが縮小する間、支持粒子は自由に他の位置に移動できる。例えば、一実施形態では
、実質的に同じ粒子サイズを有する支持材料（約０．５の充填密度を達成するため）は、
バインダーが除去されると、５０％を超える自由体積が得られる。これにより、焼結中に
モデルから実質的にすべての応力が解放される。図１０Ｄ参照。
一実施形態では、モデルと３Ｄ印刷材料の支持材料との間の収縮率を中和する方法が開
示されている。この方法は、焼結中の支持材料とモデル材料との間の収縮率の差による、
高応力とひずみに関連するモデル部品の制御されない分離と変形を回避しようとする。図
１１Ａ～１１Ｆでは、支持材料よりも収縮率が高いモデルインク用の粉末を選択すると、
焼結の開始時に歪みが生じ（図１１Ａ参照）、焼結中に制御されない分離が生じるが、そ
れにより、得られる印刷物が変形する（図１１Ｃ参照）。他方、支持材料よりも収縮率が
低いモデルインク用の粉末を選択すると、焼結の開始時に再び歪みが生じ（図１１Ｂ参照
）、焼結中に高い圧縮応力が生じるが（図１１Ｄ参照）、それにより、得られる印刷物が
変形する。その結果、一実施形態では、図１１Ｅおよび１１Ｆに示すように、モデルおよ
び支持材料の収縮率をバランスさせ、可能な限り調和させて、焼結中の応力を最小限に抑
えることが望ましい。
開示されたインク組成物、そのような組成物の製造方法およびそのような組成物の使用
方法は、材料の複合体などの３Ｄ印刷物体に適用可能であり得る。そのような物体および
複合物は、本開示による複数のモデルインクを使用するモデルを支持体上に印刷し、印刷
後工程で支持構造体を除去することにより作製することができる。別の方法は、モデル材
料が支持材料によって浸透された状態で、またはその逆に、完成した物体に支持構造を保
持することを含み得る。
図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、これらは異なる材料で構築された物体の概略図を
示している。多くの場合、必要な物体には、コア材料などの物体のさまざまな部分にさま
ざまな材料が含まれ、さらに多くのコーティング層が含まれる。一実施形態は、第１の物
体１２００および１２０１のバルク材料１２０２には、該第１の物体の外面にコーティン
グ材料１２０４が積層している。
図１２Ｂを参照すると、一実施形態では、バルク材料１２０２上に複数の層１２０４お
よび１２０６が存在する。代替技術では、１つの層が１つの材料によって印刷され、別の
層が別の材料によって印刷される。特別な場合は、物体の外表面、または物体と最上層の
間のコーティング状材料１２０６の含浸状である。含浸のようなものは、物体表面からの
距離が増加するにつれて、含浸材料とバルク材料の割合が徐々に減少することを含むこと
ができる。このようにして、勾配が変化するにつれて、色、熱、または機械的特性などの
さまざまな機能を実現する傾斜機能材料を生成できる。
図１３Ａを参照すると、本開示による材料の混合物で構築された物体が示されている。
この実施形態では、物体１３００は、物体全体または物体の一部のいずれかの上に２つ以
上の材料の混合物を含む。物体１３００は、第１の材料（１３０４）と第２の材料（１３
０６）の混合物を含む。図１３Ｂを参照すると、物体１３００のセクションを拡大したと
き（１３１０）、材料の混合は、各ピクセル（１３１２および１３１４）が交互の材料１
３０４および１３０６で構成されることが確認できる。
［混合材料を印刷するための方法およびシステム］
層の所与の位置に本開示による材料の混合物で物体を印刷するための１つの技術は、層
の特定のピクセルに１つの材料を、他のピクセルの別の材料を分配することにより行うこ
とができる。複数のインクおよびインクヘッドを使用して、物体材料と物体支持体の間で
印刷を区別することができる。一実施形態によれば、１つのインクは、物体と支持構造の
両方を構築するために使用することができ（層ごとに）、別のインクは物体または支持体
の一方のみに属する層部分にのみ分配され、それにより両方の材料の機械的属性に差をも
たらすことができる。この差は、完成した物体に改善された所望の特性を付与したり、印
刷後の物体から支持体の除去を容易にするために使用したりできる。例えば、ＷＣ粒子な
どの第１のインクを使用して、物体層部分と支持層部分の両方を印刷できる。コバルト材
料または粒子などの第２のインクは、層の物体部分にのみ分配できる。印刷が終了し、印
刷された複合体がオーブンで焼成された後に、両方の材料間に実質的な差が導入される（
ＷＣ粒子のみの支持体は焼結されず、物体は焼結されるか、少なくともコバルト中ＷＣの
固体マトリックスで形成される）。この差により、物体から支持体を除去できる。
［混合材料を印刷するためのシステム］
示されるように、少なくとも２つの異なる材料から複合３次元製品を形成するための付
加製造システムが記載されている。一実施形態では、システムは、第１の物体材料の層を
付加して印刷するように構成可能な第１のプリントノズル群と、第２の物体材料の層を付
加して印刷するように構成可能な第２のノズル群と、を保持するように構成された少なく
とも１つのプリントヘッド領域を備える。一実施形態では、第１の物体材料は金属であり
、第２の物体材料はセラミックである。
上述のシステムは、複合３次元製品を印刷するための命令を受信し、命令に従って第１
のプリントヘッド群および第２のプリントヘッド群を制御するように構成された少なくと
も１つのプロセッサをさらに含み得る。例えば、一実施形態において、第１のプリントヘ
ッド群および第２のプリントヘッド群は、複数の添加剤層から製品を連続的に形成するよ
うに制御されて、第１のノズル群および第２のノズル群は、ピクセル単位で、共通層内に
第１の物体材料と第２の物体材料をそれぞれ堆積し、その後、後続の層内に第１の物体材
料と第２の物体材料をそれぞれ堆積する。一実施形態では、後続の層は、第１の物体材料
ピクセルの上にある第２の物体材料ピクセルおよび第２の物体材料ピクセルの上にある第
１の物体材料ピクセルのうちの少なくとも１つを含む。
一実施形態では、コントローラは、第１の物体材料と第２の物体材料とをインターフェ
ースさせるように構成される。
一実施形態では、コントローラは、第１の物体材料内に第２の物体材料材料の少なくと
も一部をカプセル化するように構成される。
一実施形態では、第１のノズル群は、第１のインク組成物から第１の物体材料の層を付
加して印刷するように構成可能であり、第２のノズル群は、第２のインク組成物から第２
の物体材料の層を付加して印刷するように構成可能である。一実施形態では、第１のイン
ク組成物および第２のインク組成物は、液体形態で一緒に噴射され、組み合わされた場合
に第１のインクと第２のインクとの間に実質的に相分離や拡散がないように選択される分
散剤を含む。
一実施形態では、製品は未加工部分であり、未加工部分は、体積で２％～２０％、例え
ば４％～１５％、または５％～１０％の範囲の量のバインダーを含む。
一実施形態では、未加工部分は、体積で５０％～７０％、例えば体積で５５～６５％の
範囲の量の固体粒子を含む。
一実施形態では、未加工部分は、２％～２０％、例えば５％～１０％の範囲の多孔度を
有する。
別の実施形態では（図１４のフロー図参照）、完成品の不可欠な部分のままである支持
体を使用することにより、複合材料を作製することができる。この実施形態では、支持体
は、多孔質モデルに浸透して複合材料を生成することができる。支持体を除去する必要が
ないため、この方法は、単一の焼結ステップを使用して作成できる材料を可能にし、それ
により、処理を簡素化し、複合材料を作成するコストを削減する。さらに、得られた焼結
複合材料は、改善された物理的および化学的特性を示すことができる。
［混合材料の印刷による複合体の形成方法］
図１４を参照すると、例示的なプロセス１４００は、支持体１４０８として金属酸化物
上にモデル１４０６を形成する印刷ステップ１４０５で始まる。次のステップ１４１０は
、金属酸化物から酸素が取り除かれ、金属に還元するように５００～８００℃の範囲の温
度に印刷物を加熱することを含む。金属酸化物の分解により、モデルは別の金属に囲まれ
る。高温での加熱を続けると１４１５、モデルおよび支持粒子１４１２が寸法の変化なし
に焼結し始める。その結果、茶色の部分１４１４が形成される。最後に、高温１４２０で
、支持金属が溶融して多孔質モデルに浸透し、それによりモデル材料と支持金属の複合体
１４２５が形成される。
一実施形態では、炭化タングステン（ＷＣ）で作られたモデルと酸化コバルト（ＣｏＯ
）で作られた支持体とを含む複合体が開示されている。この実施形態は、ＣｏＯが以下の
方法で５００℃を超えると酸化物を失うという事実を利用する：Ｃｏ３Ｏ４→ＣｏＯ→Ｃ
ｏ。さらに、ＷＣは、粒子形状（鋭い縁）のために、幾何学的形状を変化させることなく
９００℃を超える焼結を開始することが知られている。言い換えると、ＷＣは円形ではな
いため、ナノメートルの１０分の１より大きい粒子は９００℃で硬化を開始する。これは
、粒子の鋭いエッジが近い粒子の表面に接続し、粒子間を物理的に接続するためである。
温度が１４００℃に達すると、コバルトがＷＣの固有の多孔性に浸透して複合材料を生
成する。
１段階焼結プロセスに加えて、この方法は、支持材料の使用（支持材料を廃棄すること
とは対照的に）を含む多くの他の有益な特性を有する。このプロセスでは、モデルと支持
材料の多くの組み合わせを使用することもでき、支持体とモデル材料の間の汚染もない。
例えば、金属酸化物または炭酸第一鉄から支持インクを調製することは非常に簡単である
ことがわかっている。
一実施形態では、ＷＣを含むモデル材料および炭酸第一鉄を含む支持材料が開示されて
いる。炭酸第一鉄は、８００℃で状態を酸化第一鉄に変化させ、９００℃を超えると酸化
物を失うことが知られている。さらに１５００℃で熱処理すると、鉄がＷＣに浸透する。
ＷＣを含むモデル材料は、酸化銅および酸化コバルトを含む金属酸化物などの様々な支
持材料とともに使用することができる。更なる支持体オプションは、Ｆｅ酸化物やＣｏ酸
化物などの共晶酸化物材料から選択できる。高温（＞５００℃など）では、酸化物が分解
する。温度がさらに上昇すると、浸透が発生する。
［同時に印刷および着色するための付加的な印刷システム］
前述のように、開示されたシステムは、所望の色を有する製品を与えるために着色され
た外部コーティングを印刷することによりさらに修正することができる複合体などの３次
元部品の印刷を可能にする。この実施形態では、着色構造粒子を使用して製品を同時に印
刷および着色するための付加印刷システムについてさらに説明する。
［製品を同時に印刷および着色するためのシステム］
前述の説明は、この実施形態および以下の説明に関連している。一実施形態では、第１
の色の第１の着色構造材料を付加して印刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群
と、第１の色とは異なる第２の色の第２の着色構造材料を付加して印刷するように構成可
能な第２のプリントヘッド群と、を保持するように構成された少なくとも１つのプリント
ヘッド領域を含むシステムについて説明する。
一実施形態では、本明細書に記載のシステムは、製品の所望の構造特性および色特性を
反映する情報を受信するように構成された少なくとも１つのプロセッサをさらに備える。
製品の所望の構造特性と色特性を反映する情報に基づいて、第１のプリントヘッド群と第
２のプリントヘッド群を調整して、製品が付加して形成されると、シミュレートされた所
望の色特性に制御された割合で着色粒子が混合される。
本明細書に記載のシステムは、第１の色および第２の色とは異なる少なくとも第３の色
の少なくとも第３の着色構造材料を付加して印刷するように構成可能な少なくとも第３の
プリントヘッド群をさらに備えてもよい。一実施形態では、第１の着色構造材料、第２の
着色構造材料、および第３の着色構造材料は、焼結後にシミュレートされた所望の色特性
が生じるように焼結可能である。
一実施形態では、少なくとも第３のグループのプリントヘッドは、少なくとも第３の着
色構造材料を付加して印刷するように構成可能であり、複数のサブグループを含み、各サ
ブグループは異なる着色構造材料を付加して印刷するように構成可能である。
本明細書で前述したように、第１の着色構造材料、第２の着色構造材料、および少なく
とも第３の着色構造材料は、セラミック粒子を含むことができる。例えば、セラミック粒
子は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、
およびＦｅＣＯ３の少なくとも１つから選択されてもよい。
一実施形態では、第１の着色構造材料、第２の着色構造材料、および少なくとも第３の
着色構造材料は、本明細書で前述したものを含む。例えば、第１、第２および第３の着色
構造材料は、鉄、銅、銀、金、チタン、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢｉＯ２、ＷＣ、Ａｌ４Ｃ
３、ＴｉＣ、ステンレス鋼、およびチタンベースの複合材料から選択される少なくとも１
つの金属、金属酸化物、炭化物、および金属合金などの金属粒子を含んでもよい。
一実施形態では、第１の着色構造材料、第２の着色構造材料、および少なくとも第３の
着色構造材料は、本明細書で前述したような合成構造粒子を含む。例えば、合成構造粒子
は、ポリアニリンアルコール（ＰＡＮ）ポリマー、エチレン酢酸ビニルコポリマー、エチ
ルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、酢
酸セルロース選択されるセルロースポリマー、およびポリブチラールから選択されるコポ
リマーを含んでもよい。共重合体は、ゾルゲル誘導シリカ、テトラエトキシシラン（ＴＥ
ＯＳ）および３－グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランを含んでもよい。
所望の表面色を有する物体を形成するための付加製造システムであって、内側コア部と
外表面部を有する３次元物体を印刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群；コア
の着色とは異なる着色を有する色コーティングを外表面部に堆積するように構成可能な第
２のプリントヘッド群を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域
を含む。第２のプリントヘッド群は、複数の異なる色を堆積するように構成される。
この付加製造システムは、物体の所望の形状および物体の表面にわたって変化する色の
濃淡を伴う所望の表面着色を含む物体の３Ｄデジタル表現を受信し、所望の表面の着色を
分析して、所望の表面着色における色の濃淡を特定するように構成された少なくとも１つ
のプロセッサをさらに備えてもよい。
プロセッサは、第１のプリントヘッド群を制御して３次元物体を付加形成し、３次元物
体の付加形成中に、物体の表面にわたって変化する色の混合物を堆積する第２のプリント
ヘッド群を制御して、物体の表面にわたって所望の可変表面着色に対応する色の濃淡をシ
ミュレートするようにさらに構成することができる。
一実施形態では、少なくとも１つのプロセッサは、ピクセルごとに所望の着色を分析し
、第２のプリントヘッド群に様々な色を付着させてピクセルごとに所望の着色をシミュレ
ートするように構成される。例えば、第２のプリントヘッド群は、ＣＭＹＫ［シアン、マ
ゼンタ、黄色、およびキー（黒）］の色合いに分離された複数のプリントヘッドを使用し
て、色付きセラミック材料を印刷するように構成してもよい。
一実施形態では、第１のプリントヘッド群は、金属からコアを印刷するように構成され
た金属サブグループと、金属コアに隣接した外表面をセラミック材料から印刷するように
構成されたセラミックサブグループと、を含む。例えば、金属サブグループは、ステンレ
ス鋼、およびチタン、Ｔｉ６４の少なくとも１つを含み、セラミックサブグループは、Ｓ
ｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＢｉＯ２の少なくとも１つを印刷するように構成されてい
る。
一実施形態では、プリントヘッドの第２のグループは、ガラス材料などの焼結後に光沢
のある透明コーティングを提供するための材料を堆積するように構成可能である。この実
施形態では、プリントヘッドの第１のグループは、内側コアを印刷するように構成された
第１のサブグループと、外面部分を印刷するように構成された第２のサブグループとを含
む。アディティブマニュファクチャリングシステムを使用して人工歯を印刷する場合、プ
リントヘッドの第１グループには、人工歯の内核を印刷するように構成された第１サブグ
ループと、人工歯の外面部分を印刷するように構成された第２サブグループが含まれる。
本開示の範囲から逸脱することなく、インクジェット印刷技術を使用して開示されたイ
ンクおよびチタン部品を形成する方法に様々な修正および変更を加えることができること
は当業者には明らかであろう。代替の実装は、本明細書に開示された仕様および実施を考
慮することにより、当業者には明らかであろう。詳細な説明及び実施例は例示に過ぎない
。
１００ 付加製造装置
１０２ 印刷領域
１０６ プリントヘッド
１１０ インクリザーバ
１２０ コントローラ
１２２ 印刷面

Claims (88)

  1. 製品を製造するためのシステムであって、
    前記製品の少なくとも第１の部分を、第１の平均粒径を有する第１の材料で付加して印
    刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群であって、前記第１の平均粒径は、第１
    の焼結特性を与えるように選択される、第１のプリントヘッド群、および
    前記製品の少なくとも第２の部分を、第２の平均粒径を有する第２の材料で付加して印
    刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群であって、前記第２の平均粒径は、第２
    の焼結特性を与えるように選択される、第２のプリントヘッド群
    を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域と、
    前記製品の所望の特性を反映する情報を受信し；
    前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を調整して、前記第１
    の材料と前記第２の材料を層ごとに分配し、前記製品の所望の特性を反映する情報に基づ
    いて前記製品の異なる部分に異なる特性を付与する
    ように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
    を含む、システム。
  2. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記製品の所望の特性を達成するために、前記第
    １の材料および前記第２の材料の分配を決定するように構成される、請求項１に記載のシ
    ステム。
  3. 前記製品の所望の特性は、熱的、機械的、化学的、電気的、または物理的特性を含む、
    請求項２に記載のシステム。
  4. 前記製品の所望の特性は、熱膨張係数、熱伝導率、熱拡散率、耐摩耗性、脆性、延性、
    弾性、剛性、靭性、降伏強度、色、密度、硬度、腐食、耐酸化性、およびそれらの組み合
    わせを含む、請求項３に記載にシステム。
  5. 前記焼結特性が、焼結温度および収縮係数のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に
    記載のシステム。
  6. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプ
    リントヘッド群を調整して、重量または体積によって決定される異なる量で前記第１の材
    料および前記第２の材料を分配するように構成される、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記第１の材料および前記第２の材料は、少なくとも１つの元素を共有するが、異なる
    平均粒径および異なる焼結温度を有する、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記第１の材料および前記第２の材料は、互いに異なる化学的性質を有するが、実質的
    に同じ焼結温度を有する、請求項１に記載のシステム。
  9. 前記少なくとも１つのプロセッサが、堆積時に前記第１の材料と前記第２の材料を互い
    にインターレースさせるようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
  10. インターレースされた材料が単一構造を形成する、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記インターレース全体における異なる材料間の割合が、前記製品の前記所望の特性に
    応じて、前記製品の異なる部分で変化する、請求項１０に記載のシステム。
  12. 前記第１の材料および前記第２の材料のうちの少なくとも一方が他方に吸い上げられて
    、前記他方に１つ以上のストリングを形成する、請求項１１に記載のシステム。
  13. 前記少なくとも１つのプリントヘッド領域は、第３のプリントヘッド群を保持するよう
    にさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
  14. 前記第３のプリントヘッド群は、印刷された前記第１材料および前記第２の材料を一時
    的に支持する取り外し可能な支持材料を付加して印刷するように構成可能である、請求項
    １３に記載のシステム。
  15. 前記第１の部分が前記物体のコアを含み、前記第２の部分が前記物体の周辺部を含む、
    請求項１に記載のシステム。
  16. インクジェット印刷により物体を製造する方法であって、
    粒子を含む物体材料を噴射して製品構造を形成するステップであって、前記物体材料は
    第１の焼結温度を有する、ステップと、
    前記製品構造の形成と同時に、またはその前に、粒子を含む支持材料を噴射して支持構
    造を形成するステップであって、前記支持構造は前記製品構造を支持するように噴射され
    、前記支持材料は前記物体材料の焼結温度より高い焼結温度を有し、噴射された前記物体
    と噴射された前記支持体とが一緒になって未加工部分を構成する、ステップと、
    前記未加工部分を前記第１の焼結温度以上で前記第２の焼結温度未満の温度に加熱する
    ことにより、噴射された前記支持体を実質的に焼結することなく噴射された前記物体を少
    なくとも部分的に焼結するステップと、
    少なくとも部分的に焼結された前記物体から実質的に未焼結の支持体を除去するステッ
    プと、
    を含む、方法。
  17. 前記支持粒子が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＣｕＯ、Ｚｎ
    Ｏ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、およびＦｅＣＯ３の少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の
    方法。
  18. 前記支持材料および前記物体材料の少なくとも一方の固体粒子が、鉄、銅、銀、金、チ
    タン、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢｉＯ２、ＷＣ、Ａｌ４Ｃ３、ＴｉＣ、ステンレス鋼、およ
    びチタンベースの複合材料から選択される少なくとも１つの金属、金属酸化物、炭化物、
    および金属合金を含む、請求項１６記載の方法。
  19. 前記物体材料が、前記支持材料の焼結温度よりも少なくとも１００℃低い焼結温度を有
    する、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記焼結するステップが、単一のステップまたは複数のステップからなり、オーブン内
    で、またはレーザーエネルギー、マイクロ波エネルギー、プラズマエネルギー、または高
    エネルギーランプを用いて行われる、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記支持体粒子が、前記物体粒子よりも高い温度で前記支持体を焼結させる、粒子サイ
    ズ、粒子サイズ分布、または材料の少なくとも１つを有する、請求項１６に記載の方法。
  22. 前記支持材料および前記物体材料の少なくとも一方が、他方のドーピング剤となるよう
    に選択される、請求項１６に記載の方法。
  23. 少なくとも２つの異なる材料から複合３次元製品を形成するための付加製造システムで
    あって、
    第１の物体材料を噴射するように構成可能な第１のプリントノズル群、および
    第２の物体材料を噴射するように構成可能な第２のノズル群
    を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域と、
    前記複合３次元製品を印刷するための指示を受信し；
    前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を制御して、受信した
    前記指示に従って複数の添加剤層から前記製品を順次形成する
    ように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
    を含む、付加製造システム。
  24. 前記第１のノズル群および前記第２のノズル群は、それぞれ、ピクセルごとに、前記第
    １の物体材料および前記第２の物体材料を共通層に堆積した後に、後続の層に前記第１の
    物体材料と前記第２の物体材料をそれぞれ堆積し、前記後続の層は、第１の物体材料ピク
    セルの上にある第２の物体材料ピクセルと、第２の物体材料ピクセルの上にある第１の物
    体材料ピクセルの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の付加製造システム。
  25. 前記第１の物体材料は金属であり、前記第２の物体材料はセラミックである、請求項２
    ３に記載の付加製造システム。
  26. 前記プロセッサは、前記第１の物体材料と前記第２の物体材料とをインターフェースさ
    せるように構成される、請求項２３に記載の付加製造システム。
  27. 前記プロセッサは、前記第１の物体材料材料内に前記第２の物体材料材料の少なくとも
    一部をカプセル化するように構成される、請求項２３に記載の付加製造システム。
  28. 前記第１のノズル群は、第１のインク組成物から前記第１の物体材料の層を付加して印
    刷するように構成可能であり、前記第２のノズル群は、第２のインク組成物から前記第２
    の物体材料の層を付加して印刷するように構成可能である、請求項２３に記載の付加製造
    システム。
  29. 前記第１のインク組成物および前記第２のインク組成物が、分散剤をさらに含む、請求
    項２８に記載の付加製造システム。
  30. 前記分散剤は、液体形態で一緒に噴射され、組み合わされたときに、前記第１のインク
    と前記第２のインクとの間の相分離および拡散が実質的にないように選択される、請求項
    ２９に記載の付加製造システム。
  31. 前記製品が未加工部分であり、前記未加工部分が２体積％～２０体積％の範囲の量のバ
    インダーを含む、請求項２３に記載の付加製造システム。
  32. 前記未加工部分が、５体積％～１０体積％の範囲の量のバインダーを含む、請求項３１
    に記載の付加製造システム。
  33. 前記未加工部分が、５０体積％～７０体積％の範囲の量の固体粒子を含む、請求項３２
    に記載の付加製造システム。
  34. 前記未加工部分が、２％～２０％の多孔度を有する、請求項２３に記載の付加製造シス
    テム。
  35. 前記未加工部分が、５％～１０％の多孔度を有する、請求項３４に記載の付加製造シス
    テム。
  36. プリントヘッドを通して噴射して３次元物体を形成するように構成されたインク組成物
    であって、
    各寸法が３０ミクロン未満の複数のセラミック粒子；
    バインダー材料；
    顔料；
    分散剤；および
    前記プリントヘッドを通して噴射する間に、前記セラミック粒子、前記バインダー材料
    、前記顔料、および前記分散剤を搬送するように混合および構成される除くことができる
    キャリア
    を含み、前記キャリアは、噴射後の乾燥による蒸発除去のために配合される、インク組成
    物。
  37. 前記インク組成物は、噴射後の乾燥後、前記キャリアが実質的に蒸発し、前記バインダ
    ー材料が実質的に蒸発しないように配合される、請求項３６に記載のインク組成物。
  38. 前記バインダーおよび前記分散剤が同じ材料である、請求項３６に記載のインク組成物
    。
  39. 前記構造粒子が、金属粒子、セラミック粒子、および合成粒子のうちの少なくとも１つ
    を含む、請求項３６に記載のインク組成物。
  40. 前記構造粒子が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＣｕＯ、Ｚｎ
    Ｏ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、またはＦｅＣＯ３の少なくとも１つを含む、請求項３９に記載の
    インク組成物。
  41. 前記少なくとも１つの金属粒子が、鉄、銅、銀、金、チタン、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｂ
    ｉＯ２、ＷＣ、Ａｌ４Ｃ３、ＴｉＣ、ステンレス鋼、およびチタンベースの複合材料から
    選択される金属酸化物、炭化物、および金属合金を含む、請求項３６記載のインク組成物
    。
  42. 前記分散剤が、前記セラミック粒子の１～１０重量％の量で存在する、請求項３６に記
    載のインク組成物。
  43. 前記顔料が、構造粒子と混合されるか、または構造粒子に埋め込まれる、請求項３６に
    記載のインク組成物。
  44. 人工歯部分の付加製造システムであって、
    金属粒子を含む第１のインクから３次元金属コアを付加して印刷するように構成可能な
    第１のプリントヘッド群、および
    セラミック粒子を含む第２のインクから、前記金属コアを取り囲むセラミック外側コー
    ティングを付加して印刷するように構成可能な第２のプリントヘッド群
    を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域と、
    金属とセラミックで構成されるカスタマイズされた人工歯部分を印刷するための指示を
    受信し；
    前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を制御して、前記第１
    のプリントヘッド群が印刷領域に前記３次元金属コアを付加して印刷し、同時に前記第２
    のプリントヘッド群が前記印刷領域に前記セラミック外側コーティングを付加して印刷す
    る
    ように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
    を含む、システム。
  45. 受信した前記命令は、実際の歯全体を表す３次元データを含み、前記少なくとも１つの
    プロセッサは、前記人工歯部分の前記セラミック外側コーティングが前記実際の歯全体と
    同じ寸法となるように、前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群
    の配分を制御するように構成される、請求項４４に記載のシステム。
  46. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記金属コアの高さが前記セラミック外側コーテ
    ィングの高さよりも高くなるように、前記第１リントヘッド群および前記第２のプリント
    ヘッド群を制御するようにさらに構成される、請求項４４に記載のシステム。
  47. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記金属コアが前記セラミック外側コーティング
    から突出するねじ付き金属部分を有するように、前記第１のプリントヘッド群および前記
    第２のプリントヘッド群を制御するようにさらに構成される、請求項４４に記載のシステ
    ム。
  48. 前記少なくとも１つのプリントヘッド領域は、ねじ付き金属部分を製造するための取り
    外し可能な支持材料を付加して印刷するように構成可能な第３のプリントヘッド群を保持
    するように構成される、請求項４４に記載のシステム。
  49. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記３次元金属の後続の層が堆積される前に、前
    記３次元金属コアの層に対応する前記セラミック外側コーティングの層を印刷するように
    さらに構成される、請求項４４に記載のシステム。
  50. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプ
    リントヘッド群が、前記金属および前記セラミックを互いにデジタルインターレースさせ
    るようにさらに構成される、請求項４４に記載のシステム。
  51. 印刷領域に熱を与えて最近堆積したインクを固化するように構成された熱源をさらに備
    え、前記少なくとも１つのプロセッサが、３次元金属コアの層が少なくとも部分的に固化
    された後に、前記３次元金属コアの層に対応する前記セラミック外側コーティングの層を
    印刷するようにさらに構成される、請求項４４に記載のシステム。
  52. 前記セラミック粒子の平均粒子サイズは、前記金属粒子の平均粒子サイズよりも大きい
    が、前記金属コアおよび前記セラミック外側コーティングは、焼結温度を実質的に共有す
    る、請求項４４に記載のシステム。
  53. 受信した前記命令は、実際の歯に結合されるように構成された歯の一部を表す３次元デ
    ータを含み、前記少なくとも１つのプロセッサは、前記人工歯部分のセラミック外側コー
    ティングが前記歯の一部と同じ寸法を有するように、前記第１のプリントヘッド群および
    前記第２のプリントヘッド群の分配を制御するように構成される、請求項４４に記載のシ
    ステム。
  54. 受信した前記命令は、前記人工歯部の着色に関する３次元色情報を含み、前記少なくと
    も１つのプロセッサは、さまざまな色がピクセルごとに配置されて実際の歯の色分布をシ
    ミュレートするように、複数のプリントヘッドで前記セラミック外側コーティングを印刷
    するようにさらに構成される、請求項４４に記載のシステム。
  55. 前記複数のプリントヘッドは、異なる色でセラミックを印刷するように構成され、前記
    少なくとも１つのプロセッサは、前記３次元色情報に従って異なる色で前記セラミックの
    堆積を制御するようにさらに構成される、請求項５４に記載のシステム。
  56. 前記複数のプリントヘッドは、非構造顔料を印刷するように構成され、前記少なくとも
    １つのプロセッサは、前記３次元色情報に従って、前記セラミック外側コーティング上の
    前記非構造顔料の分配を制御するようにさらに構成される、請求項５４に記載のシステム
    。
  57. 前記複数のプリントヘッドが、焼結後に光沢のある透明コーティングを提供するための
    材料を堆積するようにさらに構成される、請求項５４に記載のシステム。
  58. 人工歯部分の製造システムであって、
    実際の歯を表す３次元データを受信するためのインターフェースであって、前記３次元
    データは、歯の実際の着色を表す３次元色情報を含む、インターフェースと、
    キャリア液中の第１色の第１の材料を噴射するように構成された第１のプリントヘッド
    群；
    キャリア液体中の第２色の第２の材料を噴射するように構成された第２のプリントヘッ
    ド群；
    キャリア液体中の第３色の第３の材料を噴射するように構成された第３のプリントヘッ
    ド群
    を支持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域であって、前記第１の
    材料、前記第２の材料、および前記第３材料の少なくとも１つは、付加噴射層が前記人工
    歯部分を形成できる構造である、プリントヘッド領域と、
    ３次元色情報を含む３次元データにアクセスし；
    前記３次元色情報を使用して、歯部分の色分布のデジタル表現を生成し；
    前記第１のプリントヘッド群、前記第２のプリントヘッド群、および前記第３のプリン
    トヘッド群を制御して、前記第１のプリントヘッド群、前記第２のプリントヘッド群、お
    よび前記第３のプリントヘッド群からの色の混合物が実際の歯の色分布をシミュレートす
    るように、前記人工歯部分を噴射する
    ように構成された少なくとも１つのプロセッサであって、前記デジタル表現は、噴射され
    た前記人工歯部分において実際の歯の色分布をデジタル処理でシミュレートするように、
    前記第１のプリントヘッド群、前記第２のプリントヘッド群、および前記第３のプリント
    ヘッド群を制御する指示を構成する、プロセッサと、
    を含む、システム。
  59. 印刷された前記人工歯部分は、金属コアとセラミック外側コーティングをデジタルイン
    ターレースさせたものである、請求項５８に記載のシステム。
  60. 前記第１の材料が、セラミックを含む、請求項５８に記載のシステム。
  61. 前記第２材料および前記第３の材料が、セラミックを含む、請求項５８に記載のシステ
    ム。
  62. 前記第２の材料および前記第３の材料が、実質的に非構造顔料である、請求項５８に記
    載のシステム。
  63. 人工歯部分の付加製造方法であって、
    金属粒子を有する第１のインクから３次元金属コアを付加して印刷するように構成可能
    な第１のプリントヘッド群を提供するステップと、
    セラミック粒子を含む第２のインクから、金属コアを取り囲むセラミックの外側コーテ
    ィングを付加して印刷するように構成可能な第２のプリントヘッド群を提供するステップ
    と、
    金属とセラミックで構成される、カスタマイズされた人工歯部分を印刷するための指示
    を受信するステップと、
    前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を制御して、前記第１
    のプリントヘッド群が印刷領域に前記３次元金属コアを付加して印刷し、同時に前記第２
    のプリントヘッド群が前記印刷領域に前記セラミック外側コーティングを付加して印刷す
    るステップと、
    を含む、方法。
  64. 着色粒子を使用して製品を同時に印刷および着色するための付加印刷システムであって
    、
    第１色の第１の材料を付加して印刷するように構成可能な第１のプリントヘッド群；お
    よび
    前記第１色とは異なる第２色の第２の材料を付加して印刷するように構成可能な第２の
    プリントヘッド群
    を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域と、
    前記製品の所望の構造特性と色特性を反映した情報を受信し；
    前記製品が付加して形成されると、異なる色の粒子が制御された比率で混合されて前記所
    望の色特性をシミュレートするように、前記製品の所望の構造特性と色特性を反映した情
    報に基づいて前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を制御する
    ように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
    を含む、付加印刷システム。
  65. 前記第１色および前記第２色とは異なる第３色の第３の着色構造材料を付加して印刷す
    るように構成可能な第３のプリントヘッド群をさらに含む、請求項６４に記載の付加印刷
    システム。
  66. 前記第１の着色構造材料、前記第２の着色構造材料、および前記第３の着色構造材料は
    、焼結後にシミュレートした前記所望の色特性が得られるように焼結可能である、請求項
    ６５に記載の付加印刷システム。
  67. 少なくとも第３の着色構造材料を付加して印刷するように構成可能な第３のプリントヘ
    ッド群が複数のサブグループを含み、各サブグループが異なる着色構造材料を付加して印
    刷するように構成できる、請求項６５に記載の付加印刷システム。
  68. 前記第１の着色構造材料、前記第２の着色構造材料、および前記第３の着色構造材料が
    、セラミック粒子を含む、請求項６５に記載の付加印刷システム。
  69. 前記セラミック粒子が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＣｕＯ
    、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、またはＦｅＣＯ３の少なくとも１つを含む、請求項６８に
    記載の付加印刷システム。
  70. 前記第１の着色構造材料、前記第２の着色構造材料、および前記第３の着色構造材料が
    、金属粒子を含む、請求項６５に記載の付加印刷システム。
  71. 前記金属粒子が、鉄、銅、銀、金、チタン、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢｉＯ２、ＷＣ、Ａ
    ｌ４Ｃ３、ＴｉＣ、ステンレス鋼、およびチタンベースの複合材料から選択される少なく
    とも１つの金属、金属酸化物、炭化物、および金属合金を含む、請求項７０に記載の付加
    印刷システム。
  72. 前記第１の着色構造材料、前記第２の着色構造材料、および前記第３の着色構造材料が
    、合成構造粒子を含む、請求項６５に記載の積層印刷システム。
  73. 前記合成構造粒子が、ポリアニリンアルコール（ＰＡＮ）ポリマー、エチレン酢酸ビニ
    ルコポリマー、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメ
    チルセルロース、酢酸セルロースから選択されるセルロースポリマー、およびポリブチラ
    ールから選択されるコポリマーを含む、請求項７２に記載の付加印刷システム。
  74. 前記共重合体が、ゾル－ゲル誘導シリカ、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）および３
    －グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランを含む、請求項７３に記載の加法印刷シ
    ステム。
  75. 所望の表面色を有する物体を形成するための付加製造システムであって、
    内側コア部分および外表面部分を有する３次元物体を印刷するように構成可能な第１プ
    リントヘッド群、および
    前記コアの着色とは異なる着色を有するコーティング材料を前記外表面部分に堆積する
    ように構成可能な第２のプリントヘッド群
    を保持するように構成された少なくとも１つのプリントヘッド領域と、
    前記物体の所望の形状および前記物体の色の濃淡付きの所望の表面着色を含む、物体の
    ３Ｄデジタル表現を受信し；
    前記所望の表面着色を分析して、前記所望の表面着色における前記色の濃淡を特定し；
    前記第１のプリントヘッド群を制御して、３次元物体を付加して形成し；
    前記３次元物体を付加して形成する間に、色の混合物を堆積させ、それにより前記物体
    の表面全体において前記所望の表面着色に対応する色の濃淡をシミュレートするように、
    前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群のうち少なくとも一方を
    制御する
    ように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
    を含む、付加製造システム。
  76. 前記所望の表面色は、前記表面全体にわたって変化し、前記少なくとも１つのプロセッ
    サは、前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッド群を制御して、前記
    物体の表面全体にわたって変化する色の混合物を堆積させるように構成される、請求項７
    ５に記載の付加製造システム。
  77. 前記第２のプリントヘッド群は、複数の異なる色を堆積するように構成され、前記少な
    くとも１つのプロセッサは、前記第１のプリントヘッド群および前記第２のプリントヘッ
    ド群を制御して、前記物体の表面全体にわたって変化する色の混合物を堆積させるように
    構成される、請求項７５に記載の付加製造システム。
  78. 前記少なくとも１つのプロセッサは、ピクセルごとに所望の着色を分析し、前記第２の
    プリントヘッド群が、ピクセルごとに前記所望の着色をシミュレートするように、様々な
    色を堆積するように構成される、請求項７５に記載の付加製造システム。
  79. 前記第１のプリントヘッド群は、金属からコアを印刷するように構成された金属サブグ
    ループと、前記金属コアに隣接して、セラミック材料から外表面を印刷するように構成さ
    れたセラミックサブグループと、を含む、請求項７５に記載の付加製造システム。
  80. 前記第２のプリントヘッド群は、ＣＭＹＫ［シアン、マゼンタ、イエロー、およびキー
    （ブラック）］の色合いに分離された複数のプリントヘッドを使用して着色材料を印刷す
    るように構成される、請求項７５に記載の付加製造システム。
  81. 前記着色材料が、セラミック材料を含む、請求項８０に記載の付加製造システム。
  82. 前記セラミック材料が、透明である、請求項８１に記載の付加製造システム。
  83. 前記外表面部分が、実質的に白色である、請求項７５に記載の付加製造システム。
  84. 前記金属サブグループは、ステンレス鋼およびチタン、Ｔｉ６４のうちの少なくとも１
    つを印刷するように構成され、前記セラミックサブグループは、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｚ
    ｒＯ２、ＢｉＯ２のうちの少なくとも１つを印刷するように構成される、請求項７５に記
    載の付加製造システム。
  85. 前記第２のプリントヘッド群は、焼結後に光沢のある透明コーティングを提供するため
    の材料を堆積するように構成可能である、請求項７５に記載の付加製造システム。
  86. 前記光沢のある透明コーティングが、ガラスまたは透明セラミックのうちの１つを含む
    、請求項８５に記載の付加製造システム。
  87. 前記第１のプリントヘッド群は、前記内側コアを印刷するように構成された第１のサブ
    グループと、前記外表面部分を印刷するように構成された第２のサブグループとを含む、
    請求項７５に記載の付加製造システム。
  88. 前記第１のプリントヘッド群は、人工歯の内側コアを印刷するように構成された第１サ
    ブグループと、人工歯の外表面部分を印刷するように構成された第２サブグループとを含
    む、請求項８７に記載の付加製造システム。
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