JP6884419B2 - ３次元物体形成用の自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元物体形成用の自己潤滑性基底層を用いる光硬化のための方法および装置に関する。
より詳細には、本発明は、適切にドープされた感光性材料を光硬化するためのプロセスを使用する、３次元物体を生成するための革新的方法に関し、その方法によって３次元物体を、逐次的および一部連続的な形成プロセスに従って作製することが可能になり、傾動タイプの方法を使用して得ることができるものに比較して速度、精度および最終生成物の機械的性質が大きく増大する。
本発明は、通常３Ｄ印刷と呼ばれる３次元印刷の分野、詳細には、光硬化による３Ｄ印刷技術に関する。

光硬化による３Ｄ印刷技術の分野は、２つの基本技術：４００ｎｍ近傍のレーザ発光を使用して、特殊タンク中に存在する液状の光硬化ポリマーを発光ビームによって固化させるステレオリソグラフィ印刷；やはりタンク中で液状である光硬化ポリマーを、投影機に類似のデバイスから発光する光放射に露出させるＤＬＰ印刷（デジタル光加工）を含むことができることは公知である。
こうした両方の技術に従って、印刷プロセスは、次から次へと層を作製し、即ち、支持プレート（または引出しプレート）に接着した第１層を固化させ、次いで第１層に接着した第２層を固化させることを続けて完全な物体を形成させるように進行することは公知である。したがって、本技術に従うと、形成される３次元物体を表すデータが、一連の２次元層として組織化され、この層が、物体の横断面を表すことになる。
ＳＬＡとＤＬＰ型両方の機械に適用されたボトム−アップ方法に従って、物体を引き出すためのプレートは、層ごとの傾動移動を用いて底部から上方に移動する。

基本的に、３次元物体を形成するための方法は、
− ソフトウエアが、印刷用入力として与えられた３Ｄモデルを通常５０〜２００μｍにさらに分割して順序正しい連続層にし、その厚さは、採用された技術、ポリマーの不透過度、触媒量、得られる精度の程度および提供される機械の特徴によって決定され、いかなる場合も個々に独立した有限個の層の連続であることと、
− ポリマーの第１層のそれ自体への接着を促進できる材料からなる引出しプレートが、第１層から所定の距離まで移動し、光線（ＳＬＡまたはＤＬＰ）を待って第１層を固化させる；次いで、プレートが、形成されたばかりの層をタンクの基部から引き離すのに十分な距離だけ持ち上げられ、次いで、第２層の形成のための所定の距離を差し引いた同じ距離（通常、約１ｍｍ）だけ下げられ、これを続けて完全な物体が形成されることとを含む。

傾動移動とも呼ばれる結果としての行ったり来たりの移動は、２つの主要な目的：即ち、その移動によって、形成されたばかりの層がタンクの基部から離れることが可能になること、および同時に、その移動によって、重合していない新たな量の液体樹脂が、形成されたばかりの層と容器の基部の間に入ることが可能になって、次の層の硬化および形成をするために、既に固化した層の下方のまだ液状の材料を回復することを可能にすることを有する。
数学的モデルによって上述のシステムを要約するために、以下のパラメータを指定することが可能である：
ｔｃ＝ポリマーを硬化するための光線の露出時間（詳細には、光源および周囲の作業条件によって分配された関連スペクトルの電磁力、酸素欠乏、ポリマー色の強度および被覆能、触媒量の関数）
ｓ＝層厚
ｎ＝形成された層の数
ｄ＝引出しプレートの傾動距離
ｈ＝印刷される物体の高さ
ｔｂ＝傾動時間
ｖｂ＝傾動速度
Ｔ＝３次元物体を印刷するための全時間
これらから、式：
ｎ＝ｈ／ｓ
に従って、硬化すべき層の数ｎは、印刷される物体の高さｈと固化される層の厚さｓの間の比に等しいことを推論することができる。

傾動時間は、引出しプレートが距離ｄ＋（ｄ−ｓ）、即ち、樹脂を更新または回復するためのプレート上昇距離に印刷位置まで帰還するための距離を加え、生成される層の厚さを差し引いた距離を移動するのに要する時間として定義され、これによって
ｔｂ＝（ｄ＋（ｄ−ｓ））／ｖｂ
が与えられ、これは、印刷プロセスには全時間：

が必要であることを意味する。

実際、この式は、ＤＬＰ技術の印刷時間の特性式を表し、この式は、例えば、傾動速度の上昇時と下降時の間の差（この速度は、形成されたばかりの層の機械的応力が過度に高くなるのを避けるために、上昇時の剥離相中で遅くなる傾向がある）、固化直後の樹脂が相互作用を強化し、したがって、基部から剥離させる傾向のある機械的応力に対してより耐性であることを可能にするために層の光露出時間に続いて加えられる休止時間などのさらなる要素によって富化することができる。

ステレオリソグラフィ印刷技術に対する印刷時間の特性式に関して、ＤＬＰ技術に対する式との間に大きな相違が存在することに留意されたい。実際、形成される層の表面がすべて同時に投影されるという条件では、ＤＬＰ技術は、印刷される物体の高さに専ら依存し、その形状またはその体積には依存しないことが明白であり、ステレオリソグラフィ技術の場合とは異なる。実際、２つの場合で光源から分配される電力が同じであるならば、ステレオリソグラフィ技術は、レーザを使用し、生成する単一層の全表面を走査するのに時間を要する。
したがって、ステレオリソグラフィ印刷技術に対する印刷時間の特性式はまた、印刷される物体の体積にも依存する。

したがって、
Ｓｎ＝Ｎ番目の層の表面
Ｓｓ＝レーザビームの走査表面
ｔｐ＝表面Ｓｓの単位面積に対するレーザビームの持続時間
ｔｌ＝待ち時間、即ち、レーザビームが次のＳｓに移動するのに要する時間
単一層の硬化時間は：
（Ｓｎ／Ｓｓ）×（ｔｐ＋ｔｌ）であり、したがって、ｎ層全部を合計することによって：

これからステレオリソグラフィ印刷技術の印刷時間の特性式は：

である。
これは、既に言及したように、形成される物体の高さのみならず、その体積にも依存している。
したがって、同一の高さの２つの物体を同時に生成するために、ＴＤＬＰで示されるＤＬＰ印刷技術に対する印刷時間は、まったく変化しないが、ＴＳＬＡで示されるステレオリソグラフィ印刷技術に対する印刷時間は、２つの物体の２つの単一特性印刷時間の和に依存する（等しいとみなすために傾動時間を差し引いて）。

これまでの節では、光硬化による３次元印刷プロセスに関する３つの主要な問題点のうちの２つ、即ち、連続層の形成に関連する機械的管理面につながる１つの問題点、および印刷動力学管理ソフトウエアの特徴を決定する時間式に関するもう１つの問題点を取り扱ってきた。
同様に重要である第三の問題点は、いわゆるタンクである、樹脂集合システムの特徴に関するものであり、このタンクは、それから印刷３次元物体が光硬化によって得られる液体ポリマーを含むという目的のみならず、機械的強度が統一性に悪い影響を及ぼすことなく、層の形成および形成されたばかりの層の分離も促進し、引出しプレートに対する接着を促進するという目的も有する。
従来技術の解決策の特徴を解析することによって、ＤＬＰとＳＬＡ両方の技術に対するボトムアップ集合システムを以下：
− 中空基部を備えた樹脂容器；
− 基部を被覆するためのＵＶ線透過性材料；
− 透過性材料を被覆するための非粘着性材料の層
のように要約することが可能である。

穴部は、通常集合システムの中心部に作製されることによって光硬化現象を引き起こすための光ビームの通過を可能にする；穴部は、例えば、石英やホウケイ酸ガラスなど、優れたＵＶ線透過特徴（入射発光パワーを損失しないために）を有するガラスによって被覆される。最後に、プロセスの正しい性能を可能にする最も重要な部分は、確かに、第一層が引出しプレートおよび連続層に接着することによって逐次的一緒に結合することを可能にするための非接着性材料によるガラスの被覆に関する。
このプロセスの失敗によって、形成されたばかりの層のタンク基部上への落下、形成プロセスの中断および印刷ルーチン作業の失敗がもたらされる。
物体の生成を非常に遅くし（センチメートルあたり最大数時間）、非常に不安定にするこの技術の限定的効果は、小寸法を有する物体を作製する能力と共に以下で調査される。
従来技術による技術を採用する際の第１の制約は、いわゆる吸引効果であり、これは、物体の表面と、タンク基部上に位置し、ＵＶ線に透過性であるシートを被覆する非粘着性材料との間で発生する。

この現象が発生するための最適条件が如何に起きるかは直ちに明らかとなる。実際、層は、非粘着性膜からの距離ｓ（Ｎ番目の層の厚さ）まで樹脂に浸される（両方の表面は、形成される層の精度を高めるために、同一表面上にあり、完全に平滑である）；こうして新しい層が光硬化によって生成する。実際、空気が存在しないことによって、より大きな粘度を有する液体に囲まれた２つの表面の間に真空が創出され、接触した２つの表面は、可能な限りの大きさである；システムおよび、したがって、形成される新しい層（これは、厚さが１０分の数μｍしかない）が受ける機械的応力は膨大であり、形成されたばかりの層が裂けるリスクがあり、そうなれば上方の表面に付着せず、印刷プロセスが中断される。

この現象の影響を低減するために、本プロセスは、引出しプレートおよび創出される物体の表面が十分に小さく（通常、この型の技術では物体は、寸法約４×４、５×５ｃｍで創出される）、同時に傾動段階中のプレートの上昇速度が極めて低減され（この速度ｖｂが両方の技術の時間式で現れる仕方に留意されたい）、そのために印刷時間が大きく増加する（一般的に傾動時間は全時間の約４０％である）という方式で進行する。
ボトムアップ光硬化技法における３次元印刷物体形成の動力学を理解する上で基本的である第２の問題点は、基部ガラス上方に位置する層の非粘着能の問題点である。
この型の３次元印刷は、形成されたばかりの層が、第一層では引出しプレートに対して、連続層ではその前の層に対しての連結能に基づいている。しかし、下方の膜の示す機械的強度が、上方膜の接着力より大きい場合、硬化層は、タンク基部上に必ず残留し、３次元印刷物体創出のためのプロセスを中断する。

従来技術によれば、こうした特徴を備えた多様な材料の使用；即ち、その弾性特徴によって上述の吸引効果の低減を可能にする、例えば、２成分ＳＦ４５などの特定のシリコーンの使用；または現在市場で入手可能な最高水準の非粘着特性を備えた材料の一つであるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の使用によってこの困難を解決しようとする試みがなされてきた。
この効果を低減し、したがって、許容される印刷の達成を可能にするために、２つの要素：即ち、光源に対する露出時間（ｔ）および傾動速度（ｖｂ）を介在させることも可能である。実際、露出を増加させ、したがって、より多くのエネルギーを分配することによって、形成される層は、その厚さを増加させる傾向になるが、所定の厚さ（ｓ）になろうとする力が働くので、上方の層に向かって圧縮力が働き、非粘着性膜からの断裂抵抗が増加し、この分野では鋸歯状面として公知の現象である物体側面上の一連の小ステップの形成のために物体形状の精度が失われる。傾動速度に関して、プレートの上昇を遅くすると、形成された層が膜から分離するのにより多くの時間が与えられ、層はより徐々に剥離し、したがって、精度と印刷達成の可能性の両方を増進する。
特性時間式を参照すれば、提案された両方の解決策は、作製モデルの精度の不可避的喪失のみならず、印刷時間の大きな増加、即ち、数センチメートルに過ぎない高さの物体を多くの時間で作製することが不可避になるような介入をもたらすことは明白である。

本発明による解決策は、本文脈に挿入されており、それは、吸引効果を排除し、形成された層とタンク基部との間の接着を排除し、上述の効果によって導入される機械的応力を低減し、傾動によって導入される機械的応力を低減し、従来技術の解決策と比較してはるかに短時間で形成するためのプロセスを提供することを提案する。
３次元物体を形成するために自己潤滑性基底層を備えた光硬化用の方法および装置を提供することによって、本発明に従って各種の結果が得られ、この方法および装置は、従来技術のボトムアップ３Ｄ印刷方法および装置と異なり、タンクの基部と光硬化樹脂との間に膜を入れることを含み、この膜は、関連の電磁スペクトルに対して透過性であり、この膜は、適切にドープされたポリマーがこの潤滑材料層上で懸濁し残留したまま固化することが可能である潤滑材料層を徐々に剥離させることができる。

本発明の目的は、従来技術の方法および装置の限界を克服し、上記の技術的結果を得ることを可能にする、３次元物体を形成するための光硬化方法および装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、この方法および装置が生成コストと管理コストの両方について実質的に低いコストで実行可能であることである。
本発明の別の目的は、簡単で、安全でかつ信頼性のある、３次元物体を形成するための光硬化方法および装置を提供することである。

したがって、本発明の第１の具体的な物体は、放射線にさらされた光硬化液体ポリマーを光硬化することによって３次元物体を形成するための方法であって、前記３次元物体が、放射線に対して透過性のシートと、支持プレート、即ち、前記物体の既に形成された部分との間の空間内で、前記光硬化液体ポリマー次第に硬化することにより、成長によって形成され、前記支持プレートが、前記透過性シートから次第に離れ、膜が、前記光硬化液体ポリマーに面した前記透過性シート側に配置され、前記放射線に対して透過性であり、液体潤滑剤層によって被覆されており、液体潤滑剤層が前記膜により徐々に剥離されることを特徴とする方法に関する。
好ましくは、本発明によれば、前記光硬化液体ポリマーは、前記液体潤滑剤を順に（in turn）含む。

本発明の第２の具体的な物体は、放射線に対する露出によって光硬化液体ポリマーを光硬化することによって３次元物体を形成するための装置であって、前記光硬化液体ポリマーを集めるためのタンクであって、タンク底部が、シートによって被覆された穴部を有し、前記シートが前記放射線に対して透過性である材料で作製されているタンクと、シートから離れるように設計された支持プレートとを備えるタイプであり、膜が、前記シートの前記光硬化液体ポリマーに面した側に配置されており、前記膜が前記放射線に対して透過性であり、前記膜が液体潤滑剤層によって被覆されており、液体潤滑剤層は前記膜により徐々に剥離されることを特徴とする装置に関する。
好ましくは、本発明によれば、前記膜は、自己潤滑性ポリマー、即ち、その内部に液体潤滑剤が存在するポリマーによって作製され、より好ましくは、前記ポリマーは、シリコーンであり、前記液体潤滑剤は、シリコーン油であり、５０〜１０００ｍｍ²／秒（２３℃における、センチストークモデルによって定義されたｃＳｔ）、好ましくは、３００〜４００ｍｍ²／秒の粘度を有する。
最後に、本発明によれば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が、好ましくは、膜内部に存在する。

本発明により、３次元物体を形成するための自己潤滑性基底層を備えた光硬化用の方法および装置の効率は、明白であり、この方法および装置によって逐次的一部連続的な３次元物体形成が可能になる。実際、以下に記載されるように、このシステムは、傾動引出しシステムを使用する必要性を完全に排除し、一部の条件下では、最終生成物を連続方式で形成することができる。
実際、本発明により、３次元物体を形成するための自己潤滑性基底層を備えた光硬化用の方法および装置によれば、傾動システムの使用はもはや存在せず、時間と共に徐々に膜によって剥離される潤滑油層の挿入によって、旧来のボトムアップシステムの２つの特徴的な課題、即ち、形成されたばかりの層のタンク基部からの分離および形成されたばかりの層とタンク基部の間の液体ポリマーの回復を解決することが可能になる。
また、適切にドープされた液状のポリマーは、それが、油性潤滑層上に懸濁して残留しつつ硬化するときに、タンク基部ともはや接触せず、したがって、引出しプレートを上げて形成されたばかりの層を分離する必要性はもはや存在しない。

最後に、液体ポリマーを回復する課題に関して、以下に記載される特定の条件下を除いて、この課題は解決され、したがって、逐次的であるが一部のみ連続的であるシステムを定義することが可能である（即ち、引出しプレートの傾動の必要性なしで）。その理由は、以下に記載されるように、ある種の条件下でのみ、液体ポリマーの回復を重合時間より速やかに実施し、したがって、システムに引出しプロセスの中断を要求することなく、固化される領域の新部分のすべてが樹脂によって実際に調質されるのを待つことが可能である。
ここで、本発明の好ましい実施形態を例示する添付の図面を参照しながら、例としておよび本発明の範囲を限定することなく、本発明を説明する。

本発明に従って自己潤滑性膜が挿入されている、光硬化によって物体を形成するための装置用のタンクの断面透視図である。 本発明の第１の実施形態による自己潤滑性膜の操作の概観図である。 本発明の第２の実施形態による自己潤滑性膜の操作の概観図である。 本発明の第１の実施形態による光硬化によって物体を形成するためのシステムの操作の概観図である。 樹脂／ポリマーの重合および回復のための多様な時間で光硬化によって得られる一連の試料を示す図である。 本発明の第２の実施形態による光硬化によって物体を形成するためのシステムの操作の概観図である。 プロセスの操作手段を評価するための、本発明による形成プロセスの例で使用される物体の横断面図である。 図７Ａの物体の透視図である。 樹脂／ポリマーを更新するための時間の決定を参照して、本発明の第３の実施形態による光硬化によって物体を形成するためのシステムの操作の概観図である。 樹脂／ポリマーの更新時間を決定するための重要な手段を示しながら、形成中の物体の横断面図である。 例１で得られる物体の写真像である。 例２で得られる物体の写真像である。 例３で得られる物体の写真像である。

本発明による方法および装置の例として、３次元物体を作製するためのボトムアップ型の方法が使用され、物体は、底部から上方に形成され、光硬化が、光線流を処理するためのデジタル型システムを用いて得られる。光硬化プロセス用に使用される材料は、紫外触媒および潤滑物質で適切にドープされた最初は液状のポリマーである。

図１を参照して、全体が数字１０で示された、本発明による３次元物体を形成するための自己潤滑性基底層を備えた光硬化用装置の集合タンクは、中心位置に穴部１１を有し、その穴部によって、タンク１０の下方に位置する光源（示さず）から来る入射光線流の通過が可能になる。穴部１１は、シート１２によって被覆され、そのシートは、ホウケイ酸塩または石英、またはいずれにしろＵＶスペクトルに対して透過性である、より詳細には、商業的に使用するためのＤＬＰ型デジタル投影機を使用するシステムでは、可視から紫外帯までの電磁スペクトル波に対して透過性である材料から作製することができる。

タンク１０の基部上に位置するシート１２は、タンクに入れられた液体ポリマーのいずれの漏洩も防止するという目的のみならず、例えば、アルミニウム製の引出しプレート（示さず）に対して圧縮による付着によって残留する傾向のある第１層が形成された場合に下方に強制的に向けるという機能を果たす目的も有する。

シート１２の上方に、摩擦係数が小さく、耐摩耗性が大きい自己潤滑性のシリコーン系ポリマーから作製され、金型および以下でより詳細に説明する特殊ドーピングを使用して作製された膜１３が存在し、この膜１３は、１４と標識されたシリコーンおよび非粘着性材料の層を剥離させることができ（図２に示されるように）、この層１４は、システム中で、膜１３と光硬化ポリマーの間で緩衝する役割を果たし、その目的は、吸引効果および従来技術のボトムアップシステムの機械的接着特徴の始動を防止することであり、その理由のために、抑制層１４という名称で以下に示される。さらに、抑制層１４の上方の懸濁したままの液状のポリマーによって、本発明に従う一つのプロセスを取得することが可能になり、このプロセスは、時間式の決定を特に参照しながら以下で詳細に説明されるように、逐次的少なくとも一部連続的であると定義することができ、従来技術のシステムでは基本的である傾動ルーチン作業を最終的に排除する。
より詳細には、本発明の試験段階では、例としておよび本発明の範囲を限定することなく、以下の特徴：０．５０ｍｍ〜２．５０ｍｍの膜厚さ、５５〜７０のショア硬度、８〜１０ＭＰａの破断荷重、３００〜４００の破断時延伸パーセンテージを有するシリコーン系ポリマーを使用した。

最良の結果（膜の持続という点で）がショア硬度７０で得られたが、広範囲の硬度を有する膜も使用することができる。
しかし、使用されたものと類似の潤滑剤の透過性特徴、潤滑剤の弾性開放を有する他の型の材料を使用することも依然として可能であることに留意されたい。
再度図２を参照すれば、シリコーン油（数字１５で示されたペレット形態で膜内部に溶解した）は、膜１３を作製する自己潤滑性ポリマー中に存在する場合、膜１３の使用中でも材料の内側から外側に向かって移動し、ついには表面に到達し、それによって摩擦の低減に寄与し、抑制基底層１４を生成し、その上方では、依然として液状のポリマーが懸濁したままである。

より詳細には、例としておよび本発明の範囲を限定することなく、膜１３内に含まれた潤滑剤は、粘度３５０ｍｍ²／秒（２３℃における、センチストークモデルによって定義されたｃＳｔ）を有するシリコーン油からなる。しかし、５０〜１０００ｍｍ²／秒の範囲にある多様な粘度を有するシリコーン油を使用することが可能である。また、以下で記載されるように、シリコーン油は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）添加剤（図２で１６と標識されている）を有することができる。
例えば、金型から離すために使用される型の潤滑剤流体樹脂として：例えば、離型剤として使用されるＳｉｌｉｃｏｎｉ Ｐａｄｏｖａ製の樹脂９５１５、およびＢｌｕｅＳｔａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ製でやはりＳｉｌｉｃｏｎｉ Ｐａｄｏｖａから供給されるＲｈｏｄｏｒｓｉｌ Ｈｕｉｌｅ ４７ Ｖ ５０型シリコーン油を使用することが可能である。

本発明による３次元物体を形成するための自己潤滑性基底層用いて光硬化させるための方法および装置では、少なくとも全印刷プロセスの間、潤滑層を維持する必要性によって、より大きい粘度を有するシリコーン油の使用がもたらされた。その理由は、そうしたシリコーン油は、全遮断表面上により容易に持続層を形成するからである。
潤滑油の粘度に関して、上述したように、広範囲：５０〜１０００ｍｍ²／秒（２３℃における、センチストークモデルによって定義されたｃＳｔ）に分布した粘度特徴を有する油を使用することが可能であり、最良の結果は、３００−４００ｍｍ²／秒の範囲で得られる。ＰＴＦＥは油に添加することができ、例えば、Ｓｉｌｉｃｏｎｉ Ｐａｄｏｖａ製の樹脂９５１５などの離型用樹脂などの他の潤滑生成物を使用することができる。
シリコーン系添加剤の利点は、摩擦係数および摩耗因子の低減によって表される。

図２を参照すれば、シリコーンが（数字１６で標識されたもの）と結合する場合、優れた相乗効果を利用することができ、（数字１６で標識されたもの）は、シリコーン油１５より先に膜１３の外側に向かって移動する傾向があり、膜１３の粗さを低減し、持続を大きく増加させる基底層を創出する。
光硬化ポリマーの選定に関しては、本発明によれば、好ましくは、タンクの基部に置かれた膜に入れられたものと同じ型の潤滑剤の添加と共に、３Ｄ印刷分野で既に使用の樹脂を使用することが可能である。これによって、機械的吸引効果および膜１３内に入れられた潤滑剤の液体ポリマーによる稀釈を低減することが可能になる。
最良の結果は、光硬化液体ポリマー中に溶解した潤滑剤のパーセンテージ４〜６％で得られるが、溶解度および固化材料の所望の特徴により広範囲に変動する量の潤滑剤を使用することができる。実際、潤滑剤の量が多いほど、固化表面は、より不透明であり、サテン光沢がより強い。
Ｓｐｏｔ−Ａ材料樹脂、詳細には、クラスＨＴおよびクラスＬＶが試験された。
より詳細には、以下の試験が、科学的実演機の機能を備えるように構築された装置で実施された：
樹脂型ＨＴ９６％＋シリコーン油４％：距離２００ｍｍにおける重合時間は９９０ｍ秒に等しく、６ｍｍに対する調質時間は１１００ｍ秒に等しく、層厚は２００μｍ、同じ点におけるシリコーン膜の印刷持続は２８０ｍｍであり；
樹脂型ＬＶ（低粘度）９６％＋シリコーン油４％：距離２００ｍｍにおける重合時間は６００ｍ秒に等しく、６ｍｍに対する調質時間は４００ｍ秒に等しく、層厚は２００μｍ、同じ点におけるシリコーン膜の印刷持続は８０ｍｍである（印刷性能はＨＴに対してほぼ２倍であるが、膜の持続は極めて悪い）；
樹脂型ＨＴ８０％＋樹脂型ＬＶ（低粘度）１６％＋シリコーン油４％：距離２００ｍｍにおける重合時間は８００秒に等しく、６ｍｍに対する調質時間は８００ｍ秒に等しく、層厚は２００μｍ、同じ点におけるシリコーン膜の印刷持続は１６０ｍｍ（厚さ１ｍｍの膜の使用における妥協条件）。

より詳細には、膜１３内に潤滑剤１５に加えてＰＴＦＥ１６が存在する場合に関しては、潤滑剤中のＰＴＦＥの存在は、潤滑特徴を改善し、摩擦を低減し、摩耗を低減する膜１３の持続を改善するが、これは必須ではないことがわかった。記載の現象はまた、シリコーン油のみに基づく潤滑剤または離型のための潤滑樹脂を用いても出現する。
最後に、物体の形成中、膜１３を被覆する潤滑材料は、除去される傾向があり；抑制層１４のこの低減は、膜１３と樹脂（即ち、光硬化液体ポリマー）の接触をもたらし、ボトムアップシステムで公知であるすべての望ましくない効果を発生させることがわかった。

本課題を限定するために、自己潤滑性膜１３は、好ましくは、面が二重鏡面仕上げおよびクロムメッキ処理を受けた熱間鋼金型の内部で、液相で、シリコーン油およびＰＴＦＥで適切にドープされた液相塩基性基本ポリマーの射出技法に従い、固化に必要な時間待機して作製される。図３を参照して、この介入によって、膜１３の表面粗さの低減が可能になり（ＰＴＦＥ粒子の存在に加えて）、印刷の持続を大きく増加させる。
金型の表面は、膜の適切な表面粗さを取得するために、適切な機械仕上げによって処理されなければならない。より詳細には、液体ポリマーの側面は、特に平滑でなければならない。表面を形成するために使用される金型の壁面をクロムメッキおよび研磨処理するだけの価値がある。この介入によって、膜の表面粗さの低減および劣化する前の印刷持続の増加が可能になる。

科学的実演機で得られた実験データは、こうした議論を立証する。実際、シリコーン油でドープされ、２００μｍ層を有する物体を作製するのに使用され、ＨＴ−ＬＶ−Ｏｉｌ混合樹脂から得られる厚さ１ｍｍを有する膜について；膜が、サンドブラスト金型を用いての射出によって作製された場合、その持続は、同じ点で８０ｍｍであり、上面を研磨された金型では、同じ点で２５０ｍｍであり、上面を研磨され、クロムメッキされた金型では、同じ点で３８０ｍｍである。
要約すれば、印刷プロセスにおける膜の持続の増加は、その表面仕上げと連動している；樹脂と接触した表面が平滑であるほど、持続の点から見た性能上昇は大きくなる。

別の可能な介入は、表面細孔を閉鎖するために分子レベルで表面に介入するという目的を有するプラズマ処理（医薬器具の滅菌のために使用される）を用いた射出によって得られた膜を後処理するという介入である。
例としておよび本発明の範囲を限定することなく、本発明により３次元物体を形成するための自己潤滑性基底層を備えた光硬化用の方法および装置を操作する手段が以下に記載される。
これまでの頁で既に記載されたようにおよび図４を参照して、適切にドープされ処理された自己潤滑性材料から作製された膜１３の存在によって、シリコーン油、より一般的には潤滑材料の粒子１５の膜表面への移動が遅くなり、潤滑抑制層１４と呼ばれる極めて薄い表面層１４が創出される；したがって、接触界面が、まだ液体である樹脂１７と膜１３との間に生成し、樹脂が膜１３の表面と接触する代わりに界面上で漂う傾向がある；したがって、光硬化プロセスが、シリコーン油の潤滑抑制層１４上で懸濁しながら行われ、これによって：形成された物体１８と膜１３の間の吸引効果を排除し、形成された物体１８と膜１３の間の接着を排除し、上述の効果によって導入される機械的応力を低減し、傾動によって導入される機械的応力を低減し、従来技術の解決策よりもはるかに短い時間での形成プロセスが可能になる。

以下で記載されるように、本発明による方法および装置を使用して物体１８を形成するための時間式の決定を参照して、本プロセスによって傾動を必要とせずに物体１８の形成が可能になる。実際、物体１８は、タンク基部から引き出す必要がない。その理由は、それが、潤滑抑制層１４と樹脂／ポリマー１７の間の界面中で既にタンク基部上に懸濁しているからである。また、この懸濁によって、引出しプレート１９が上昇して新たな硬化形成のための空間を作製しつつ、液体ポリマーまたは樹脂１７がこの遮断層内に侵入することが可能になり、逐次的印刷のみならず、連続印刷も可能になる。
しかし、この目的を実現するために、樹脂、即ち、液体ポリマー１７が十分速やかに浸透して、形成されつつある層２０が、硬化する新しい表面すべてを完全に調質できる前に固化しないことが必要である。
上記の実験的試験は、図５に示され、正方形が、ＨＴ−ＬＶ−油混合型樹脂を使用し、重合時間および調質時間の変動で得られた印刷試料を示す。

正方形１の像および正方形６の像から、調質時間ｔｂａ３５０μｍを一定に保持し、重合時間のみを正方形１の７００ｍ秒から正方形６の１２００ｍ秒まで変動させることにより、逐次的印刷で、物体が、２００μｍの層によって得られた；２つの予想された現象、即ち、
− 重合時間は、正方形３では９００ｍ秒に既に補正されている；過剰の露出のための過剰の重合現象が、正方形４から６で明白である；
− 既に第１の正方形において、より大きい大きさの円筒（直径３、４、５、１０、２０ｍｍ）では、円筒の中心部位が空白で、損なわれていることを明白に示すことができる；これは、樹脂の調質時間３５０ｍ秒が、形成される新しい層の完全な回復を保証するのに不十分であったからであることを直ちに示すことができる。

しかし、重合時間の値が、２００μｍの層に対して９００ｍ秒に固定され、調質時間が、正方形９で最大１５００ｍ秒まで増加された正方形７から９において、円筒が直径最大１５ｍｍまで完全に形成されたことを示すことができる。
本実験は、より詳細に以下で記載され、逐次的で少なくとも一部で連続的な生成システムにおいて重合時間と調質時間の間の均衡を提供する時間式を明白に特徴づけ、立証する。

理想的な条件下で、専ら連続である印刷の目的に到達するために、調質速度が、どんな場合でも代表的な重合時間未満である時間において引出しプレートの全表面を樹脂被覆するのに（これは印刷の最大寸法に相当する）どんな場合でも十分大きいことが必要であると思われる。
既に形成された物体部分の下方のポリマーの回復時間を低減するために、調質速度を遅らせることが必要である。このパラメータは、使用樹脂の（即ち、使用の光硬化液体ポリマーの）多数の化学的／物理的特徴によって決まり、粘度の低減が、確かに最良の結果を与える介入の一つである。
図６を参照して、本発明による技術の最大の革新の要素の一つは、樹脂／ポリマー１７に、膜１３によって生成されるものと同一の潤滑シリコーン油１５’をドープするという概念を導入したという要素である。この介入は、２つの重要な結果：調質速度の大きな増加、したがって、逐次的印刷への変更の必要性のない、より大きな表面を連続的に印刷する可能性；およびそれによって膜１３が作製される自己潤滑性材料の持続の大きな増加の実現を可能にしたことは明白であり、樹脂／ポリマー１７が抑制層１４をよりゆっくりと消費する傾向があるという理由で、樹脂／ポリマー１７は、界面と同じ材料でドープされる。
この技術の採用に際しては、作製される３次元物体の「スライシング」プロセスの概観が必要であった。

図７Ａに示す型のトリリトン物体１８を生成することを望む場合、形成される第１の層（物体１８は連続様式で形成されるので、層と呼ぶのは不正確ではあるが）では、トリリトン物体１８のカラム１８’の単一横断面のそれぞれの表面が十分に小さいので層の重合中に樹脂／ポリマーの回復が可能であると仮定して、この場合は、引出しプロセスは連続であり、ビーム１８”に対する層が到達される際に、物体１８の横断面が非常に大きくなるので樹脂／ポリマーの回復時間は重合時間より大である；この場合は、システムは、強制的に停止され、樹脂／ポリマーの完全回復を可能にし、次いでもはや連続的ではなくて逐次的であるシステムに強制的に変更される。
上述され、図７に示されたトリリトン物体１８の例を再度考察すると、新しい引出し特徴を以下のように要約することが可能である。

従来技術による光硬化システムの特徴である傾動プロセスは、逐次的移動まで移行することによって完全に追い越された；潤滑性抑制層１４上に懸濁して形成されつつある物体１８は、タンク基部から分離される必要はもはや存在せず、問題の表面が、樹脂／ポリマー１７の即座の回復を可能にするのに十分小さい場合は、連続引出しの限界まで到達している。
本発明による技術を特徴づけ、逐次的一部連続的として定義してもよい混合引出しシステムを決定づける特徴を強調する数学的モデルが以下に記載される。

以下を定義することが可能である：
Ｈ＝生成される物体の全高さ
ｈｎ＝Ｎ番目の層の厚さ
ｎ＝Ｎ番目の層
｜ｘｎ，ｙｎ｜_最大＝Ｎ番目の層の断面の最大直線寸法
ｔｐ＝単位高さ当りの重合時間
ｔｒ＝樹脂／ポリマーを回復させる調質時間または時間
ｖｐ＝連続印刷状況時の重合速度
ｖｂ＝樹脂／ポリマーを回復させる調質速度または速度
Ｔ＝物体の全印刷時間
図８を参照すれば、図８は、回復時間または調質時間、即ち、固化した物体１８と潤滑抑制層１４の間を通過する液状の樹脂１７’が印刷される全表面を被覆する時間のグラフ表現を示す。

したがって、時間ｔｒは、Ｎ番目の層それぞれに対して定義することができ、それは、２つの因子、調質速度（ｖｒ）および、図９に示されるように、作用素｜Ｘｎ，Ｙｎ｜_最大、即ち、Ｎ番目の層で固化する最大表面によって生成する最大座標ｘ，ｙによって定義される調質距離によって決まる。
多数の因子（液体の温度および粘度、固化したばかりの物体表面の摩擦係数、潤滑抑制層の摩擦係数など）によって決まる樹脂／ポリマーの回復速度に関して、この回復速度は、問題の限定された距離の観点から、問題の応用において最初は一定であると考えられる。

回復速度の光硬化ポリマーの粘度に対する依存性に対してのみ注意が向けられる。その理由は、これが、ｖｒ値を増加させるための本発明による技術介入の要素の一つであり、したがって、連続に限定されたプロセスを目指すからである。
したがって、Ｎ番目の層を回復する時間を定義することが可能になる：

層Ｎの全数：

これから本発明による技術の逐次的成分の特性時間式が得られる。

最後に、適用条件が存在し、それは、Ｎ番目の層の重合時間ｔｐが同じ層の回復時間ｔｒ未満であるならば妥当である。実際、浸透しつつある樹脂が、重合する全表面を被覆する前に固化する場合、中心部位は、必ず中空であり、以下の例の実験用試験で示されるように、一種のリングドーナツ効果を生成する。

逆に、仮にＮ番目の層の重合時間が、回復時間より大である場合（ｖｒがシステムに対して定数であると考えられ、ｔｒが、作用素｜ｘ，ｙ｜_最大、即ち、固化する表面間の最大寸法のみに依存する場合）、連続型引出しシステムに変化すると思われる。こうした理由のために、個別層の概念が失われ、統合型の解析に移行する。したがって、厚さ無限小のＮ番目の層がｄｎとして定義され、Ｈが、印刷される物体の高さであり、ｖｐが、第一近似で、光源の特徴に、および樹脂／ポリマーを補強する触媒の型および量に依存して、重合速度に等しい定数であると、以上から、連続モードの成分の特性時間式を単純に：

として定義することが可能である。
上記から、生成する物体が、そのすべての高さＨに対して回復時間はＮ番目の層の重合時間未満であるという条件を満足する場合、印刷は、完全に連続であり、可能な限り最良の性能を実現し、物体の最短の印刷時間および最良の機械的性質が得られ、そのために従来技術による技術の古典的なステップ状形成が失われる。
こうした理由のために、これまでに既に記載されたように、印刷条件を最も改善できる本発明の態様は、回復速度を増加すること、即ち、液体の粘度を低下させることおよび摩擦係数の劇的な低減を目的とする態様である。

以下の頁は、本発明による技術によって得られるプロセス性能を明白に決定する重合および回復速度に対する定数の値を提示する本発明の正当性を実験的に検証するのに使用された科学的実演機によって得られた実験データを示す。
本発明によって、傾動速度および時間、Ｎ番目の層の表面値および引出しプレートの下降時間などのＤＬＰおよびＳＬＡ技術の特性パラメータが、参照式の逐次的成分と連続的成分の両方で、すべて消滅し、印刷速度がそのために低減することに注目されたい。
最後に、本発明によるシステムの連続成分が生成する物体の高さにのみ依存することに留意されたい。
これは、本発明による技術では、引出しプレート上に同時に生成する物体の量は、全印刷時間に影響を与えず、この時間が生成物の高さのみによって決まることを意味する。

要約すれば、緒言で言及したように、ボトムアップ型の任意の光硬化システムは、底部から上方に向かって物体を形成する必要性に起因する２つの主要な課題：即ち、形成されつつある層の上方への付着を可能にするための非粘着性システムの創出および形成されたばかりの極めて薄い層に作用する、吸引効果によって発生する機械的応力の低減を処理しなければならない。
たとえ可能であるとしても、さらにはるかに複雑であり、従来技術の技術による印刷プロセスの達成のためにはいかなる場合でも処理しなければならない第２水準の課題は、引出しプレート上の第１層の圧縮、長時間にわたり機能性および持続性に悪影響を与える連続応力を受けた非粘着性膜の保護、および最後に、光源と感光性樹脂の間に差し込まれた膜の電磁吸収の封じ込めである。

その基本的で新規および革新的概念が自己潤滑性抑制基底層の形成および維持中に存在する本発明による技術は、上述の問題点すべてに十分回答する。以下の例で知見される実験結果の達成は、採用された技術中に存在し、その技術は、吸引効果および接着に伴う課題を軽減しようと試みるのではなく、その課題を回避することができる。
以下の例は、従来技術のＤＬＰ技術と本発明による技術の間の比較結果を示し、最終的には、その結果は、標準ＤＬＰ技術を用いた試行的逐次的印刷と本発明の技術による潤滑基底層の創出を用いた逐次的印刷の間で比較される。
２つの科学的実演機、即ち、ＤＬＰ型の旧来の実演機および本発明による技術の採用による実演機が科学的仮定を解析および比較するために調製された。

（例１）
ＤＬＰ技術および引出しプレートの傾動を用いて生成した物体
使用機械：旧来の科学的実演機ＤＬＰ
層厚：２００μｍ
印刷物体の高さ：３５ｍｍ
形成時間：７６分
印刷速度：２１．７分／ｃｍ
図１０を参照して、印刷品質は良好であり、物体は、良好な機械的強度を有し、見かけ上は精度が高い；厳密には傾動プロセスのために、層になっている状態のみを見ることができる。印刷用に送られたファイルに関しては、変形性はまったく見られない。すべての部位が印刷されている。基部厚さは、形成された第１層の過剰圧縮のために計画のミリメートル未満である。

（例２）
傾動なしの引出しを用い、ＤＬＰ技術で生成した物体
使用機械：旧来の科学的実演機ＤＬＰ
層厚：２００μｍ
印刷物体の高さ：３５ｍｍ
形成時間：２２７秒
印刷速度：１．８分／ｃｍ
注記：図１１を参照して、印刷品質は非許容であり、表面は粗および非画定であり、０．５ｍｍより厚い部位のすべてが形成されてはいない。物体は、生成物線を完全には再現していない。大きすぎる底部は、作製されなかった。

（例３）
逐次的一部連続的な本発明による技術を用いて生成した物体
使用機械：旧来の科学的実演機ＤＬＰ
層厚：２００μｍ
印刷物体の高さ：３５ｍｍ
形成時間：１７５秒
印刷速度：５０秒／ｃｍ
注記：図１２を参照して、印刷品質は、全体として正確であり、基部もまた正しく画定されおり、基部は、大きさのために逐次的配置によって作製された物体の唯一の部位である；物体の残りの部位は、連続印刷されている。その理由は、より小さい表面によって、ｔｂがｔｐ未満であることが可能になったので、物体は、分当り１センチメートル未満の速度で作製されたからである。表面は、視覚および触覚による検査で完全である。

得られた本結果は、本発明により３次元物体を形成するための自己潤滑性基底部を用いた光硬化用方法および装置、即ち、膜とポリマーの間に入って当初の材料が適切にドープされた薄い抑制層を固化することができる、自己潤滑性材料からの準弾性膜で作製されたタンク、および引出し時間を管理できるソフトウエアの使用が、３次元物体を形成するためにかなり速やかであり、より精度がよい逐次的で一部連続的なプロセスを可能にすることを実際に示した。

実験的な結論はまた、本発明により３次元物体を形成するための自己潤滑性基底部を用いた光硬化用方法が、より一般的に３次元光硬化印刷機の作製に応用され、ステップ様の方式の代わりに本プロセスにより作製された物体それ自体に与えられた機械的利点を考慮することなく、引出しプレートの傾動移動を求めることによって層ごとの層形成プロセスを可能にする現状技術より最大２桁大きい物体形成速度を可能にすることを示した。

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

Claims (15)

1. 光硬化性液体ポリマーを放射線にさらすことを含む、３次元物体を形成するための方法であって、
   前記３次元物体が、前記放射線に対して透過性のシートと、支持プレートに接着している、前記物体の部分的に形成された部分との間の空間内で、前記光硬化性液体ポリマーが次第に硬化することにより、成長によって形成され、
   前記支持プレートが、前記透過性シートから次第に離れ、
   膜が、前記透過性シートの前記光硬化性液体ポリマーに面した側に配置されており、前記放射線に対して透過性であり、かつ液体潤滑剤層によって被覆されており、
   前記液体潤滑剤層が前記膜により徐々に剥離され、前記液体潤滑剤がシリコーン油であり、
   前記光硬化性液体ポリマーが前記透過性シートと前記支持プレートとの間の空間のみに存在する、前記方法。
2. 前記膜が自己潤滑性ポリマーから作製される、請求項１に記載の方法。
3. 前記自己潤滑性ポリマーが、前記膜により徐々に剥離される前記液体潤滑剤を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記液体潤滑剤が前記自己潤滑性ポリマーに不溶性であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記自己潤滑性ポリマーがシリコーンポリマーを含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記シリコーン油がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によって富化されている、請求項１に記載の方法。
7. 前記光硬化性液体ポリマーもまた前記液体潤滑剤を含む、請求項３に記載の方法。
8. 前記液体潤滑剤が、４〜６質量％の量で前記光硬化性液体ポリマー中に溶解している、請求項７に記載の方法。
9. 光硬化性液体ポリマーを放射線にさらすことにより３次元物体を形成するための装置であって、前記装置が、
   前記光硬化性液体ポリマーを集めるための、底部に穴部（１１）を有するタンク（１０）と、
   放射線に対して透過性である材料で作製されているシート（１２）と、
   前記シート（１２）から離れるように作られている支持プレートと、
   前記シート（１２）の前記光硬化性液体ポリマーに面した側に配置されており、前記放射線に対して透過性であり、かつ液体潤滑剤層（１４）によって被覆されている膜（１３）とを備え、
   前記穴部（１１）がシート（１２）によって被覆されており、
   前記液体潤滑剤層が前記膜（１３）により徐々に剥離され、前記液体潤滑剤がシリコーン油である、前記装置。
10. 前記膜（１３）が自己潤滑性ポリマーから作製される、請求項９に記載の装置。
11. 前記自己潤滑性ポリマーが、前記膜（１３）により徐々に剥離される前記液体潤滑剤を含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記液体潤滑剤が前記自己潤滑性ポリマーに不溶性である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記自己潤滑性ポリマーが、シリコーンポリマーを含む、請求項１１に記載の装置。
14. シリコーン油が、２３℃における、センチストークモデルによって定義されたｃＳｔの５０〜１０００ｍｍ²／秒の粘度を有することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
15. 膜（１３）がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む、請求項９に記載の装置。

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