JP4482864B2 - 三次元構造印刷 - Google Patents
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Description
望のパターンで噴霧される。それはその後冷却及び固化され、及び一連の作業が3D物体を作る為に繰り返される。該配合物は、物体を硬化する為に最終的に活性化される反応性成分を含む。ここでの欠点は再び、利用出来る材料が極端に限定されることである。
第一の材料層を画定する段階;
前記原型に対応するパターンにて前記第一材料層に液体試薬の形態の第二材料を適用する段階;
及びこれらの段階を繰り返して連続層を形成する為の段階;
からなり、かつこの方法において、堆積した層は第一反応性成分を含み、そして前記適用された液体材料は、該第一反応性成分と反応し得るか又は該第一反応性成分がそれ自体と反応することを促進し得る第二活性成分を含み、それにより、成形品は層の形態で構築され;及び該層の少なくとも幾つかの層の特徴が該層に渡り様々に変化し及び/又はそれら層の特性は層から層へと変化する方法が提供される。
液体中の稀釈剤は反応性稀釈剤であり、その為に適用された液体全てが粉体と共に配合されて適用された液体と粉体のシームレス複合材料を形成することが非常に重要である。
ン等のような熱硬化性反応により引き起こされ得るか、又は環状エーテル化合物(エポキシ、オキセタン、脂環式エポキシ等)、環状ラクトン、環状アセタール化合物、環状チオエーテル化合物、スピロオルトエステル化合物及びビニル化合物、カチオン性光開始剤塩(例えばジアゾニウム、スルホニウム、ヨードニウム又はフェロセニウム)のような電磁放射線により引き起こされるカチオン性系、又はアクリレート、メタクリレート、アリルウレタン、ウレタンアクリレート、エポキシ−アクリレート、不飽和ポリエステル化合物、ラジカル光開始剤(例えば、アセトフェノン群、ベンジオン(benzion)群、ベンゾフェノン群、チオキサントン群、酸化ホスフィン、アルキルトリフェニルボレート、ヨードニウム塩)のようなラジカル硬化性系により引き起こされ得る。
成し、そしてこれは固体成形品を形成する為に繰り返される。本発明にしたがったシステムは、活性成分が化学的に反応して新規化学成分を形成するので形成された製品を比較的頑丈にすることが分かった。化学結合はまた、層間に形成し得る。透明な製品は本発明のこの特殊な面によりたやすく与えられる。
液体が存在しないように、最終的に形成された3D物体に配合されるようになるので非常に好ましい。
速な噴射/噴霧ピエゾ作用の手頃なバランスとして10ないし20cpsである。低過ぎる粘度は過剰の画像の拡がりにより解像度の損失を導き得る。
本実施例は、堆積された粉体への層ごとに適用された液体の変動性を示す。3層の堆積物を製造し、ここで、層1及び3はポリビニルアセタール粉体及びオキセタン開環性化合物を含むカチオン的に硬化性の液体の複合材料であり、そして層2はポリビニルアセタール粉体とラジカル硬化性アクリレート液体である。3層は層内及び層間で固く結合している。アクリレート層2は青色透明であるが、層1及び3は不透明で白濁している。
ブトバー(Butvar)B76粉体(<80μmに粉砕)の層(1000μm)をXYステージに置かれた金属シート上に塗布した。オキセタン液体Aを、シエメンス(Siemens)印刷ヘッド(ユーロマーク(Euromark)より供給された)から、およそ長さ3cm及び幅3mmのストリップ中で0.2cms-1で基材を移動することにより、粉体に噴射した。これをその後、UVランプ(4W)下に3分間置いて液体を硬化した。
段階2.
B76の層(400μm)を前の粉体層に塗布した。段階1と同様の方法において、アクリレート液体Bを前に硬化したストリップの頂に噴射した。これをその後、UVランプ(4W)下に3分間置いて、アクリレート液体/粉体複合材料を硬化すると、青色層を与える。
段階3.
段階2を繰り返すが、オキセタン液体Aを使用する。成形品を粉体から除去しそして100℃にて15分間硬化した。
1mm厚の最終的な成形品は3層からなり、層1及び3は同じ材料及び白色であり、層2は青色で化学構成が異なる。試料を通した光学顕微鏡による観察は明らかに、試料の層形成した特徴を示している。
交互3層からなる成形品を、堆積された液体樹脂の交互の層上への低粘度光開始剤組成物の噴射により構築した。
樹脂Aの層(1.0g、600μm厚)を直径55mmの浅皿中に置いた。実施例1と同様の方法において、2.4cms-1の速度で基材を移動させながら、光開始剤液体Cを樹脂に噴射した。試料をその後、UVランプ(4W)下に3分間置いて液体を硬化した。段階2.
樹脂Bの層(0.2g)を前の層及び硬化したストリップに塗布し、そして同一の方法で、液体Cを前の硬化したストリップに再び噴射した。試料をUV下に再び硬化した。
段階3.
樹脂Aの層(0.2g)を前の層及び噴射した硬化連続層に塗布した。
試料を未硬化層から除去し、過剰の樹脂を拭い去り、そして交互3層からなる成形品を、UV下に1時間硬化させて350μm厚のストリップを与えた。
LEDを、以下の方法において、液体樹脂組成物への光開始剤組成物の適用により、硬化した樹脂を層中でLEDの周囲に構築することにより、硬化した樹脂の積層成形品中に封入した。
段階1.
樹脂A(1.0g)を、5cm×10cmの型に噴霧して樹脂の平坦な層(およそ200μm厚)を与えた。前述の実施例のとおりに、液体Cの形態にある開始剤組成物を、2cms-1で樹脂基材を移動させながら、シーメンス印刷ヘッドを使用して堆積された樹脂層に噴射した。樹脂層を、開始剤組成物を用いて適用された領域にのみUV下に硬化した。
段階2.
樹脂A(0.25g)を、エアブラシを用いて前の層の上に噴霧し、そして噴霧及び硬化手順を繰り返した。発光ダイオード‘LED’(プラスチック材料をやすりがけにより900μmまで厚さを低下させた場合のプラスチックである、RS成分)を硬化した樹脂の頂に平坦に置いた。
段階3.
樹脂A(0.25g)を前の層の頂に噴霧し、過剰の樹脂をLEDのいかなる突起した部分の上から拭い去り、そして噴射及び硬化手順を繰り返した。
段階4.
LEDが固体樹脂中に完全に封入されるまで段階3を繰り返した。これは、合計15層の適用された開始剤組成物による堆積及び硬化を要した。
段階5.
成形品を未硬化の樹脂から除去し、過剰の樹脂を拭い去り、そして成形品をUV下に1時間硬化した。LEDの突起した接触面に3V出力の供給元を接続して、LEDが光を放射することを観察した。
こうして電子部品を、液体樹脂の層への光開始剤組成物の繰り返した適用により、層形成した成形品に導入した。
本実施例は、光開始剤組成物のプログラムされた適用により硬化した堆積された樹脂層を使用したパターンの製造を示す。生じた示されたパターン化の原理は、層形成した成形品内で固体パターン又はプログラムされたボイドを形成する能力を示している。
樹脂D(0.10g)を2.5cm×7.5cmのスライドガラス上に平坦に塗布する。
段階2.
液体Cを、2cms-1の速度で基材を移動させながら、文字“VANTICO”を与えるパターンで樹脂上に噴射する。パターンをその後、4WのUVランプ下に3分間硬化する。
段階3.
過剰の樹脂をスライドから拭い、そしてトリ(プロピレングリコール)メチルエーテルを用いてスライドをゆすぐと、スライドに付着した硬化した樹脂から形成した文字“VANTICO”が残る。
このように、詳細化された及び多孔性の成形品は、硬化性樹脂上に光開始剤を噴射することにより作成され得る。
LED及びファイバー光学素子を、以下の方法において、液体樹脂組成物への光開始剤組成物の適用により、硬化した樹脂を埋封された成形品の周囲に構築することにより、硬化した樹脂の積層成形品中に封入した。
樹脂A(1.0g)を、10cm×10cmの型内に置き、及び塗布して樹脂の平坦な層(およそ100μm厚)を与えた。前述の実施例のとおりに、液体Dの形態にある開始
剤を、2cms-1で基材を移動させながら、全長8cmのシエメンス印刷ヘッドを使用して樹脂に噴射した。樹脂層を、開始剤組成物を用いて適用された領域にのみUV下に硬化した。
段階2.
樹脂A(0.5g)を、前の層の上に塗布し、そして噴射及び硬化手順を繰り返した。これを繰り返して合計3層の硬化した樹脂を与えた。
段階3.
ファイバー光学素子A(直径400μm、長さ5cm)を、ファイバーの長さが硬化したストリップの末端を越えて突起(2cm)するように、硬化した樹脂上に置いた。
段階4.
樹脂A(0.5g)を前の層の上に塗布し、そして噴射及び硬化手順を繰り返した。
段階5.
ファイバー光学素子が硬化した樹脂中に完全に封入するまで段階4を2回繰り返した。段階6.
未硬化の樹脂を型から除去し、そして樹脂Eで置換して前の樹脂Aのレベルまで液体のレベルを持っていった。
段階7.
樹脂E(0.5g)を前の層の上に塗布し、そして噴射及び硬化手順を繰り返した。
段階8.
樹脂E(0.5g)を、前の層の上に塗布し、そしてLED(やすりがけにより900μmまで厚さを減少させた)を硬化した樹脂の表面に置き、そしてファイバー光学素子B(直径400μm、長さ5cm)を、一方の末端がLEDに接触しそして他方の末端が樹脂の硬化した部分の末端を越えるように硬化した樹脂の表面に置いた。噴射及び硬化手順を繰り返した。
段階9.
樹脂E(0.5g)を前の層の表面に塗布し、過剰の樹脂をLEDの表面から拭い去り、そして噴射及び硬化手順を繰り返した。
段階10.
硬化した樹脂中にLED及びファイバー光学素子が完全に封入されるまで段階9を繰り返した。これは、合計15層の適用された開始剤組成物による堆積及び硬化を要求した。段階11.
成形品を未硬化の樹脂から除去し、過剰の樹脂を拭い去り、そして成形品をUV下にて90分間硬化した。
最終的な成形品(1.2mm厚、幅1cm、長さ8cm)は不透明の硬化した樹脂の底
部からなり、ファイバー光学素子Aが封入されている。第二の透明硬化樹脂層はLED及びファイバー光学素子Bを封入している。LEDの突起した接触面に3V出力の供給元を接続して、LEDが、その幾らかがファイバー光学素子Bを透過するがファイバー光学素子Aを透過しない黄色光を放射することを観察した。
本実施例は、堆積された粉体の同一の層への適用された液体の変動性を示す。各々の層が2つの部分からなる2層成形品を製造する。部分1はポリビニルアセタール粉体とカチオン硬化性エポキシベースの液体(E)の複合材料であり、そして部分2はポリビニルアセタール粉体とラジカル硬化性アクリレート液体(F)である。
ブトバーB76粉体(<80μmに粉砕)の層(500μm)をローリング技術により金属シート上に塗布し、その後それをXYZステージに置いた。液体Aを、シーメンス印刷ヘッドから、0.1cms-1の速度で粉体に噴射した。液体噴射されたストリップは長さおよそ4cm及び幅3mmである。このストリップと周囲の粉体の間に現れた小さなギャップは、粉体と液体の混合物の収縮による。検体をその後、UVランプ(4W)下に4分間置いて液体を硬化した。
段階2.
非常に薄い粉体層(50μm)を、ストリップと粉体の間のギャップを充填する為に前の層に塗布した。その後、液体Bを、存在するストリップの末端から始めて粉体層に噴射した(液体Aと共に噴射した)。わずかな重複部分は2種のストリップの接続を高める為に好ましい。残りは段階1に記載されたと同様の方法である。
段階3.
もう1種の粉体層(300μm)を前の層に堆積した。液体A及びBを粉体層にそれぞれ噴射した。この段階において、液体−噴射されたストリップ間に明確なギャップは見えない。前の液体−噴射された層に堆積された粉体はわずかにしか除去されない。形成した層をUVランプにて4分間硬化し、そしてその後、粉体から除去し、そして60℃にて20分間熱硬化した。
60μm厚及び長さ8cmの最終的な成形品は2層からなり、各々の層は、同じ粉体からなるが異なった液体を有する2つの部分から構成される。したがって、これら2つの部分の間に異なった機械的特性;液体Aを有するものは液体Bを有するものよりさらに硬いことが観察される。
モウイタル(Mowital)B60Tの層(500μm)を金属プレート上に塗布し、それをUSAテキサス州のミクロファブ テクノロジー社(MicroFab Technologies Ltd)からのジェットラブ(Jetlab)装置中に内蔵されたX−Yステージ上に置いた。
段階2.
樹脂Gを、70℃まで加熱したミクロファブの50μm一噴射ヘッドを使用し、液滴密度300滴/mmにて、250μmごとに間隔のあいた線からなるパターンにおいて、粉体に噴射した。2つの正方形(以下に示すように、20mm辺、10mm間隔)からなる前記パターンをその後、UV光(4W、UVA、120mJ/cm2)に曝露することに
より硬化した。
段階3.
粉体のさらなる層(300μm)を前の層に塗布し、そして段階2を繰り返した。
段階4.
粉体のさらなる層(300μm)を前の層に塗布し、そして段階2をUV硬化なしに繰り返した。
段階5.
樹脂Hを、70℃まで加熱した同じ印刷ヘッドを使用し、液滴密度300滴/mmにて、250μmごとに間隔のあいた線からなるパターンにおいて、粉体に噴射した。2つの矩形(幅5mm、長さ18mm、2つの前に印刷した正方形に結合する)からなる前記パターンをその後、UV光(4W、UVA、120mJ/cm2)に曝露することにより硬
化した。
段階6.
粉体のさらなる層(300μm)を前の層に塗布し、そして段階5を繰り返した。
段階7.
段階6を繰り返した。
段階8.
遊離した粉体から部品を除去した。
液体樹脂Gから製造された領域は硬い一方で、液体Hから製造された領域は非常に可撓性であり、効果的な蝶番を製造した。両方の領域は粉体の溶解により透明であった。粉体の単一層への多層液体の適用(層4において生じるように)は、異なった液体から作成された領域間の良好な結合を与える。慣習的な粉体の使用にもかかわらず、2つの領域の材料特性は大いに異なる。
2つの型の試料を調製した。実施例8は、液体I及び液体Jを交互に使用することにより製造した層からなり:実施例9は、液体I及び液体Jから交互に各々の層内で線を印刷し、そして線がまた垂直に交互になるように層を配列することにより調製した。比較例を、全ての層に対して液体K(IとJの1:1ブレンド)を使用することにより調製した。
引張試験結果:(ISO 527−11(1993)によって試験試料を調製し、そして試験速度0.08mm/秒、グリップ距離55mmにて、ステーブル ミクロシステムズ(Stable Micro Systems)TA−HDi 引張分析器を使用して試験することにより実施した。)
このように、異なったパターンにおいて2つの液体を印刷することは、2つの液体のブレンドよりも非常に異なった結果を生じる。使用されたパターンはまた、部分全体の特性に影響する。これは、その部分全体を構築するのに不適切である材料を使用してその部分のある一定の体積を構築することを可能にする。
Claims (36)
- 成形品の原型に従う連続層で三次元成形品を形成する方法であって、該方法は、
第一の材料層を画定する段階;
前記原型に対応するパターンにて前記第一材料層に液体試薬の形態の第二材料を適用する段階;
及びこれらの段階を繰り返して連続層を形成する為の段階;
からなり、かつ、この方法において、堆積した層は第一反応性成分を含み、そして前記適用された液体材料は、反応基オキセタン基を有する低分子量液体(<200)である反応性希釈剤、及び該第一反応性成分と反応し得るか又は該第一反応性成分がそれ自体と反応することを促進し得る第二活性成分を含み、それにより、成形品は層の形態で構築され;及び該層の少なくとも幾つかの層の特徴が該層に渡り様々に変化し及び/又はそれら層の特性は層から層へと変化し、及び前記連続層により形成された成形品は、原型においてプログラムされたボイドを除いて実質的にボイドフリーであり、そして前記第一材料は熱可塑性粉体であり、前記適用された液体材料は熱可塑性粉体と配合される、方法。 - 前記第一材料層は、粉体である請求項1記載の方法。
- 前記粉体は、実質的に第一反応性成分からなる請求項2記載の方法。
- 前記適用された液体試薬は、粘度低下希釈剤を含む請求項1記載の方法。
- 前記粘度低下稀釈剤は、30ないし60体積%の範囲内で存在する請求項4記載の方法。
- 前記粉体は、反応性有機又は有機金属ポリマー、オリゴマー又はモノマーを含み、及び前記液体試薬は硬化性樹脂を含む請求項2ないし5のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記粉体及び/又は適用された液体試薬は、有機又は無機充填剤、顔料、ナノ粒子、染料及び/又は界面活性剤を含む請求項6記載の方法。
- 前記液体試薬中の反応性稀釈剤は、前記粉体を膨潤及び又は溶解し得る反応基を有する請
求項7記載の方法。 - 前記適用された粉体層の厚さは、1ないし1000μmの範囲内にある請求項2ないし8のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記適用された液体材料は、着色されている請求項1ないし9のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記適用された液体材料は、シリカ、有機コア−シェル(マイクロエマルジョンから製造)、金属又は合金のようなコロイド粒子又はナノ粒子を含む請求項1ないし10のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記適用された液体材料の粘度は、室温にて2ないし500cpsの範囲内にある請求項1ないし11のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記第二活性成分は、第一反応性成分の架橋を促進する触媒として作用する請求項1ないし12のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記適用された液体材料は、複数のノズルを通して分散される請求項1ないし13のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記ノズルは、インクジェットプリンターの一部又はインクジェット印刷ヘッドと一般に同等な一連のノズルを含む装置の一部を形成する請求項14記載の方法。
- 前記ノズルは、ピエゾインクジェット技術の原理で作動する請求項15記載の方法。
- 前記ノズル開口部の寸法は、10ないし200μmの範囲内にあり、及び/又は適用される液滴の寸法は10ないし200μmの範囲内にある請求項14ないし16のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記ノズル開口部の寸法は、0.1ないし200μmの範囲内にあり、及び/又は適用される液滴の寸法は0.1ないし200μmの範囲内にある請求項1ないし16のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記適用された液体材料は、周囲温度にて2ないし30cpsの範囲内にある粘度を有する請求項1ないし18のうちいずれか1項記載の方法。
- 前記成形品を照射する段階をさらに含む請求項1ないし19のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記成形品は、ピクセル毎、線毎又は層毎に、無作為に又はクラスターで照射される請求項20記載の方法。
- 前記成形品は、幾つかの層が形成された後に照射される請求項20記載の方法。
- 前記成形品は、全ての層が形成された後に照射される請求項20記載の方法。
- 前記照射段階は、電磁放射線を使用する請求項20ないし23のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記照射段階は、UV線を使用する請求項20ないし23のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記モデルは、デジタルモデルである請求項1ないし25のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記第一及び/又は第二活性成分は、それぞれの活性成分の混合物からなる請求項1ないし26のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記形成された層の厚さは、30μmないし200μmである請求項1ないし27のうちのいずれか1項記載の方法。
- 複数の異なった液体が、それぞれの第一材料の堆積された層に適用される請求項1ないし28のうちのいずれか1項記載の方法。
- 複数の異なった液体が、同じ又は異なった位置において、1つの第一材料の堆積された層に適用される請求項1ないし29のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記異なった液体は、一通過で適用される請求項30記載の方法。
- 前記異なった液体は、一連の通過のそれぞれの通過で適用される請求項30記載の方法。
- 前記堆積された層の少なくとも1層は異なった材料からなる請求項1ないし32のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記形成された層は、異なる厚さを有する請求項1ないし33のうちのいずれか1項記載の方法。
- 層は、その範囲に渡り、異なった厚さで形成される請求項1ないし34のうちのいずれか1項記載の方法。
- 前記成形品中で様々な特性を達成する為に、ピクセル毎、線毎及び/又は層毎に、ピクセル液滴の数を変化させ、かつ/または適用される液体を変化させるさらなる段階を特徴とする、請求項1ないし35のうちのいずれか一項に記載の方法。
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