JP7026058B2 - ビルドプレート経由での脱ガスによって気泡を低減する三次元印刷法および装置 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年7月1日に出願された米国仮出願第62/357,646号および第62/357,659号に基づく優先権を主張するものであり、これらの開示はここに引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。
任意の適切な重合性液体を、本発明の実現に使用することができる。液体(本明細書では「液体樹脂」、「インク」、または単に「樹脂」と呼ばれる場合もある)は、モノマー、特に光重合性モノマーおよび/またはフリーラジカル重合性モノマー、ならびにフリーラジカル開始剤などの適切な開始剤、ならびにこれらの組み合わせを含み得る。例としてアクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、アクリルアミド、スチレン系樹脂、オレフィン、ハロゲン化オレフィン、環状アルケン、無水マレイン酸、アルケン、アルキン、一酸化炭素、官能性オリゴマー、多官能性硬化部位モノマー、官能性PEGなど、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。液体樹脂、モノマーおよび開始剤の例として、米国特許第8,232,043号、同第8,119,214号、同第7,935,476号、同第7,767,728号、同第7,649,029号、国際公開第2012/129968A1号、中国特許第102715751A号、特開第2012-210408A号に記載のものが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
本発明の装置の非限定的な実施形態が図2に示されている。この装置は、壁14により定義されるビルドチャンバーを反射鏡13を介して照らす電磁放射線12を供給するデジタル光プロセッサー(DLP)などの放射源11と、ビルドチャンバーの底部を形成する剛性のビルドプレート15とを含み、ビルドチャンバーには液体樹脂16が充填されている。下記にてさらに詳しく論ずるとおり、チャンバー15の底部は、半透過性部材を含むビルドプレートで構成される。構築物17の下方にある物体の頂部は、キャリア18に取り付けられる。キャリアは、リニアステージ19によって縦方向に駆動されるが、後述するとおり、代替的構造物を使用してもよい。
本発明の方法および装置は、例えば本方法の速度および/または信頼性を高めるために、フィードバック制御およびフィードフォワード制御を含むプロセス制御を実施するためのプロセス工程および装置の特徴を含み得る。
前述のとおり、本発明は三次元物体の形成方法を提供するものであり、本方法は、(a)キャリアおよびビルドプレートを提供する工程(前記ビルドプレートは半透過性部材を含み、前記半透過性部材はビルド面および前記ビルド面から離れた供給面を含み、前記ビルド面と前記キャリアが中間のビルド領域を画定し、前記供給面は重合阻害剤と流体接触する)、その後における(同時および/または順次の)(b)前記ビルド領域に重合性液体を充填する工程(前記重合性液体は前記ビルドセグメントと接触する)、(c)前記ビルドプレートを介して前記ビルド領域を照射して前記ビルド領域内に固体の重合領域を生み出す工程(前記固体の重合領域と前記ビルド面との間に前記重合性液体から成る液体フィルム放出層が形成され、液体フィルムの重合は前記重合阻害剤によって阻害される)、ならびに(d)前記キャリアが前記重合領域に接着された状態で前記キャリアを前記静止状態のビルドプレート上の前記ビルド面から離れる形で移動させて、前記重合領域と前記上部ゾーンとの間に後続のビルド領域を創出する工程を含む。概して、本方法は(e)工程(b)から(d)までの継続および/または反復により、互いに接着した状態の重合領域の堆積の継続または反復により前記三次元物体が形成されるまで、後続の重合領域が従前の重合領域と接着した状態を生み出す工程を含む。
本発明の一実施形態では、重合性液体によるビルド領域の再充填を向上または加速するために、ビルド面を基準としてキャリアを縦方向に往復運動(または振動)させる(つまり、これら2つは互いを基準に縦方向に往復運動する)。そのような往復運動または振動(これら2つの用語は本明細書において互換的に使用される)は、ビルド面への重合性液体の供給を向上するよう構成設定される限り、互いに均一および不均一、および/または周期的もしくは非周期的な構成設定を含め、如何なる適切な構成設定であってもよい。
図6で図示されているとおり、三次元プリンター用のビルドプレート700が示されている。ビルドプレート700は光学的に透明な第1のチャネル層702と、第1のチャネル層上の光学的に透明でガス透過性の第2のチャネル層704と、上側表面および下側表面を有する可撓性、光学的に透明、ガス透過性のシート706とを含む。シートの上側表面は、三次元物体を形成するためのビルド面710を形成する。接着層712と714はそれぞれ、チャネル層702と704との間、およびチャネル層704とシート706との間に位置する。チャネル層702は、圧力制御装置750に流体接続されるチャネル702Aを含み、チャネル層704は、片側でガス源760に、もう片側で真空または出口770に流体接続されるチャネル704Aを含む。図示されているとおり、チャネル層704は平坦部分704Bを含み、底面は接着層714と上面によってチャネル層702に接着する。チャネル層704は、平坦部分704Bの上面でチャネルを画定する部分704Cをも含む。チャネル層702、704における「チャネル」は、流体の流入を可能にする非対称の空隙または不規則な表面または他の構成設定を含むと理解すべきである。
ビルドプレート700が屈曲位置から上向きに平坦位置へと戻る際の振動および/または力の速度を増加させるために、、チャネル702A内の圧力を低減する真空ポンプによって提供されてもよい。
さらに、圧力制御装置750はチャネル702Aに送達されるガスの成分を、例えば望ましい量の酸素または窒素を供給するといった形で制御し得る。一部の実施形態において、空気と比較して酸素量が増やされ、窒素量が減らされる。ガスの組成は圧力制御装置750によって圧力と一緒に制御され得る。
一部の実施形態において、ビルドプレートに対する圧力およびガス供給を制御して、図1および2に記載の三次元印刷プロセスおよび装置内の重合性液体(例えば樹脂)に含まれる過剰なガスによって形成される気泡または空隙を低減させることができる。本明細書に記載の方法は、図6および7に関して記載のガス源760および真空/出口770など、圧力制御装置/ガス供給を使用して、ビルドプレートに供給されるガスの圧力および/または成分の制御によって実行され得るが、理解すべき点として、代替的ビルドプレートを含む何らかの適切なシステムを使用してもよい。例えば、任意の透過性のビルドプレートを配置して、ビルド面と反対側が圧力制御チャンバー内に位置するようにする、あるいは任意の適切な圧力制御チャネルの構成設定を使用してもよい。
本明細書に記載のビルドプレートを形成するため、多層ビルドプレートおよび/または複数の材料から形成されたビルドプレートを含め、任意の適切な材料を使用してもよい。例えば、可撓層(単独あるいは付加的な支持材または層と一緒に使用)は編み込みガラス織物(ガラス繊維またはeガラス)に架橋シリコン弾性被覆(室温加硫(RTV)シリコンなど)を施したものを含んでもよく、これはガラス繊維織物に軽く浸透して機械的耐久性を提供し得る。シリコンエラストマー(ゴム)の酸素透過性はTeflon(登録商標)AF-2400と同等である。そのような構成設定を単独で使用する、または空気(酸素)の流動向けに利用可能な織物の未充填区域を有するガラスプレートに添加(接着剤で固定)してもよい。スルホン化テトラフルオロエチレン系フッ素化重合体-共重合体、例えばDupont社製のNafion(登録商標)を使用してもよい。
ビルドプレート表面またはビルド領域にオムニフォビック表面を使用してもよい。例えば、毛管力によって表面に固定または保持される非混和性流体を含有する、パターン化された表面(無作為な粒子配列または微細パターンの表面)を使用してもよい。そのような表面は、表面上の流体が表面に沿って浮遊する結果をもたらし得る。そのような表面の例が米国特許第8,535,779号および第8,574,704号に記載されており、これらの開示は、ここに引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。
本発明に係る実施形態は、半透過性(またはガス透過性)部材(例えばTEFLON AF(登録商標)フルオロポリマーなどパーフルオロポリマー)を含む、ビルドプレート上の可撓層に関して記述されるが、理解すべき点として、本明細書に記載の構成設定において任意の適切な可撓性材料を使用してもよい。例えば、グラシンなど透明で弾力性のある紙を使用してもよい。グラシンは比較的透明な耐油紙で、スーパーカレンダー仕上げの適切に水和されたセルロース系繊維から形成される。グラシンをワックスまたは釉薬で可塑化および/または被覆することができる。グラシンはガス透過性であってもよい。一部の実施形態において、架橋シリコンエラストマーまたはTEFLON AF(登録商標)フルオロポリマーなどパーフルオロポリマーの薄膜でグラシンを被覆してもよい。グラシン紙は実質的に耐油性であり、本明細書に記載の重合性液体に限定的に付着し得る。
Claims (15)
- 三次元物体を形成する方法であって、
キャリア、およびビルド面を有する光学的に透明な部材を用意するステップであって、前記キャリアおよび前記ビルド面がそれらの間にビルド領域を画定するステップと、
前記ビルド領域を重合性液体で充填するステップと、
前記光学的に透明な部材を介して前記ビルド領域に光を連続的または断続的に照射するステップであって、前記重合性液体から固体ポリマーを形成する、ステップと、
前記光学的に透明な部材を介して減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを前記重合性液体に加えることによって重合性液体のガス含有量を低減するステップと、
前記キャリアを前記ビルド面から離れるよう連続的または断続的に(例えば逐次的に、または前記照射するステップと同時に)移動させるステップであって、前記固体ポリマーから前記三次元物体を形成する、ステップと
を含み、
前記光学的に透明な部材を介して減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを重合性液体に加えることによって重合性液体のガス含有量を低減するステップが、前記光学的に透明な部材を介して重合阻害剤ガスを前記重合性液体に供給することを含み、
前記重合阻害剤ガスを重合性液体に供給することが、前記重合阻害剤ガスを実質的に一定の圧力で供給することを含む方法。 - 前記重合阻害剤ガスを重合性液体に供給することが、酸素富化ガスを大気圧未満の圧力で供給することを含む請求項1に記載の方法。
- 前記酸素富化ガスの酸素含有率が約80%~100%である請求項2に記載の方法。
- 前記酸素富化ガスの圧力が実質的に、大気圧での空気中の酸素の分圧に等しい請求項2に記載の方法。
- 三次元物体を形成する方法であって、
キャリア、およびビルド面を有する光学的に透明な部材を用意するステップであって、前記キャリアおよび前記ビルド面がそれらの間にビルド領域を画定するステップと、
前記ビルド領域を重合性液体で充填するステップと、
前記光学的に透明な部材を介して前記ビルド領域に光を連続的または断続的に照射するステップであって、前記重合性液体から固体ポリマーを形成する、ステップと、
前記光学的に透明な部材を介して減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを前記重合性液体に加えることによって重合性液体のガス含有量を低減するステップと、
前記キャリアを前記ビルド面から離れるよう連続的または断続的に(例えば逐次的に、または前記照射するステップと同時に)移動させるステップであって、前記固体ポリマーから前記三次元物体を形成する、ステップと
を含み、
前記光学的に透明な部材を介して減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを重合性液体に加えることによって重合性液体のガス含有量を低減するステップが、前記光学的に透明な部材を介して重合阻害剤ガスを前記重合性液体に供給することを含み、
前記減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを加えるステップが、減圧を断続的に加えることを含む方法。 - 三次元物体を形成する方法であって、
キャリア、およびビルド面を有する光学的に透明な部材を用意するステップであって、前記キャリアおよび前記ビルド面がそれらの間にビルド領域を画定するステップと、
前記ビルド領域を重合性液体で充填するステップと、
前記光学的に透明な部材を介して前記ビルド領域に光を連続的または断続的に照射するステップであって、前記重合性液体から固体ポリマーを形成する、ステップと、
前記光学的に透明な部材を介して減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを前記重合性液体に加えることによって重合性液体のガス含有量を低減するステップと、
前記キャリアを前記ビルド面から離れるよう連続的または断続的に(例えば逐次的に、または前記照射するステップと同時に)移動させるステップであって、前記固体ポリマーから前記三次元物体を形成する、ステップと
を含み、
前記重合性液体が、前記光学的に透明な部材の上の下側領域と、前記光学的に透明な部材とは反対側の前記下側領域の上の上側領域を含み、前記光学的に透明な部材を介して減圧および/またはポリマー阻害剤富化ガスを重合性液体に加えるステップが、前記上側領域内のガス濃度を低減することを含む方法。 - 前記下側領域の厚さが約1~1000ミクロンである請求項6に記載の方法。
- 前記光学的に透明な部材を介して減圧を断続的に重合性液体に加えるステップが、前記上側領域内のガス濃度を低減し、前記下側領域内のガス濃度を維持するのに十分である請求項6または7に記載の方法。
- 前記光学的に透明な部材がビルドプレートを備え、このビルドプレートがガスおよび/または圧力の制御装置に接続するよう構成されているチャネル層を備える請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記充填ステップ、前記照射ステップおよび/または前記移動ステップが、
(i)前記ビルド面に接触している重合性液体のデッドゾーンを連続的に維持し、且つ
(ii)前記デッドゾーンと前記固体ポリマーとの間でこれらと相互接触している重合ゾーンの勾配を連続的に維持し、前記重合ゾーンの勾配が、部分的に硬化した形態の前記重合性液体を含む
ことも同時に行いながら、実行される請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。 - 前記光学的に透明な部材を介して減圧を断続的に重合性液体に加えることによって重合性液体のガス含有量を低減するステップが、前記重合性液体中のガス濃度を低減することによってデッドゾーンを1000ミクロン未満に維持するのに十分である請求項10に記載の方法。
- 前記重合領域に接着した状態のキャリアが、静止状態のビルドプレート上のビルド面から離れるように一方向に移動する請求項11に記載の方法。
- 前記充填ステップが、前記ビルド面に対して前記キャリアを縦方向に往復運動させて、前記重合性液体による前記ビルド領域の再充填を向上または加速させることを更に含む請求項12に記載の方法。
- 前記光学的に透明な部材を介して減圧を重合性液体に加える際に、前記キャリアの移動を低減する又は静止させること更に含む請求項1から13のいずれか1項に記載の方法。
- 重合性液体から三次元物体を形成する装置であって、
(a)支持材と、
(b)前記支持材と動作可能に関連付けられ、前記三次元物体を形成する際の土台となるキャリアと、
(c)ビルド面を有するガス透過性の光学的に透明な部材であって、前記ビルド面および前記キャリアが中間のビルド領域を画定する、部材と、
(d)前記ビルド面と動作可能に関連付けられ、前記ビルド領域に固化または重合のための液体ポリマーを供給するよう構成された液体ポリマー供給装置(例えばウェル)と、
(e)前記光学的に透明な部材を介して前記ビルド領域を照射して前記重合性液体から固体ポリマーを形成するよう構成された放射源と、
(f)前記透明な部材または前記キャリアのいずれかと動作可能に関連付けられた少なくとも1つの駆動装置と、
(g)前記キャリア、および/または前記少なくとも1つの駆動装置、および前記放射源と動作可能に関連付けられ、前記固体ポリマーから前記三次元物体を形成するために、前記キャリアを前記ビルド面から離れるように移動させる制御装置と、
(h)前記光学的に透明な部材と流体連通状態にあり、前記ガス透過性部材を介して前記ビルド面への圧力を制御し、かつ/またはガスを供給するよう構成されているガス/圧力の制御装置と
を備え、前記ガス/圧力の制御装置が、請求項1から14のいずれか1項に記載の方法を実行するよう構成されている装置。
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