JP7121745B2 - 流体サポート連続３次元プリンター - Google Patents

Description

優先権主張
本出願は、２０１７年３月３０日に出願されたシンガポール特許出願第１０２０１７０２６３５Ｙ号の優先権を主張するものである。

技術分野
本発明は、一般的に３次元（３Ｄ）印刷に関し、特に、軟質材料の３Ｄ印刷のための方法及びシステムに関する。

３次元（３Ｄ）プリンターは、多くの分野で用途が見いだされている。生物医学用途では、３Ｄプリンターを使用して３次元の軟質材料を印刷することが特に関心のある分野である。人間の臓器と組織は主にゲル状の材料で構成されているため、ハイドロゲルなどの軟質材料は、重要な研究分野である。軟質が有益な２つの明らかな領域は、組織工学と再生医療の用途と創傷被覆材の用途である。

組織工学の場合、ゲルは、細胞を培養する能力と、栄養の効果的な送達と廃棄物の除去を可能にする好ましい輸送特性とにより、好ましい足場材料である。さらに、ほとんどの組織はゲル状マトリックスで発達を開始するため、ハイドロゲルの使用により、組織エンジニアは、微小環境の機械的特性を再現する機会が得られる。これは、機能性組織の達成に重要であることが示されている。

ゲルは、創傷床に圧力をかけることなく機械的保護を提供する能力があるため、創傷被覆材にも使用されている。特に、慢性創傷のための高度な被覆材の多数は、創傷滲出液を吸収することにより、水分バランスを維持する能力によって開発されてきた。しかし、これらの場合、創傷床のサイズ、深さ、複雑な形状は、多くの場合シートで製造されている従来の被覆材の課題となっている。

これらの用途では、任意形状の軟質材料を製造する能力は非常に貴重である。３Ｄ印刷などの積層造形法は、このような用途に最適である。しかし、３Ｄ印刷技術は、従来、熱溶解積層法（ＦＤＭ）またはステレオリソグラフィ法（ＳＬＡ）に基づいてきた。どちらの方法も、高い空間制御と解像度が可能である。しかし、押出ノズルまたはレーザースポットを２次元平面上で作動させてから、各Ｚ層をステップスルーする必要があるため、印刷速度が大幅に制限される。さらに、既存の３Ｄプリンターは通常、硬い材料用に設計されており、柔らかい構造物とは互換性がない。

軟質材料用に設計された少数の実験的システムは、典型的には、ＦＤＭに類似したフィラメント押出法を使用する。しかし、印刷速度が遅いため、診療所や病院の環境で使用することは非現実的である。被覆材の交換は、１日おきに頻繁に行われる可能性があるため、慢性創傷の場合、速度は特に直接関係する問題である。

したがって、必要なのは、現在の方法およびシステムよりも印刷速度が速い軟質材料および軟質構造の印刷に適した３Ｄ印刷のための方法およびシステムである。 さらに、他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および本開示のこの背景と併せて、後続の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明の実施形態の少なくとも一つの態様では、３次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷するためのシステムが提供される。システムは、樹脂タンク、光学画像源、サポート流体リザーバおよびポンプ構造を含む。樹脂タンクは、３Ｄオブジェクトが印刷される場所であり、３Ｄオブジェクトのベースを形成するための印刷ベッドを含む。光学画像源は、３Ｄ画像に従って光を変調し、樹脂タンク内の光架橋性樹脂の架橋度とパターンを変化させる。サポート流体リザーバは、樹脂タンクと流体連通しており、光架橋性樹脂と混和しないサポート流体を含んでいる。 ポンプ構造は、３Ｄオブジェクトが印刷ベッドに印刷されている際の３Ｄオブジェクトの上部の垂直高さと同じ速度で樹脂タンク内でサポート流体が上昇するように、サポート流体をサポート流体リザーバから樹脂タンクに移動するように構成されている。

本実施形態の別の態様によれば、３次元（３Ｄ）オブジェクトの連続印刷のための方法が提供される。この方法は、垂直方向に移動可能なスクリーンを介して投影される光を変調するステップを含み、垂直方向に移動可能なスクリーンが樹脂タンク内の印刷ベッドから離れるにつれて、樹脂タンクに配置された光架橋性樹脂の架橋度とパターンを変化させる。この方法は、スクリーンが印刷ベッドから垂直に移動するのと同じ速度で樹脂タンク内でサポート流体が上昇するように、サポート流体をサポート流体リザーバから樹脂タンクに移送するステップをさらに含む。

添付の図は、同様の参照番号が別々の図全体を通して同一または機能的に類似の要素を指し、以下の詳細な説明とともに本明細書に組み込まれ、その一部を形成し、さまざまな実施形態を示し、さまざまな原理および利点を説明するのに役立つものである。

本実施形態による３次元（３Ｄ）印刷のためのシステムの図を示し、光学画像源に光源を使用するためのシステムの断面図を示す。 光学画像源にレーザービームを使用するためのシステムの断面図を示す。 スクリーンを使用しない場合のシステムの断面図を示す。 本実施形態によるサポート流体リザーバおよび印刷タンクシステムの側面図を示す。 本実施形態による３Ｄ閉輪郭印刷物を示し、固体印刷ベッドの欠点を示している。 本実施形態による印刷ベッドを示す。

当業者は、図中の要素が単純化および明瞭化のために示されており、必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解するであろう。

以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、本発明、または本発明の用途および使用を限定することを意図していない。さらに、本発明の前述の背景または以下の詳細な説明で提示された理論に拘束される意図はない。本実施形態の意図は、ソフトゲル材料の迅速な印刷を可能にする３次元（３Ｄ）印刷のための方法およびシステムを提示することである。本実施形態によれば、薄い架橋性樹脂層が印刷全体にわたって維持され、それにより、ソフトゲル材料の連続的な（したがって迅速な）印刷が可能になる。さらに、薄い架橋性樹脂層の液体サポートを使用し、液体の浮力を利用してオーバーハング構造を支持する。これにより、ソフトゲル材料が崩壊することなく迅速な印刷が可能となる。

図１Ａを参照すると、例１００は、本実施形態による３Ｄ印刷のためのシステムを示している。 ３Ｄ印刷のためのシステムは、光源１０２と樹脂タンク１０４を含み、樹脂タンク１０４はその中に光架橋性樹脂１０５を保持する。マスク１０６は、光源１０２と樹脂タンク１０４の間に配置され、光源１０２からの光を変調して樹脂タンク１０４に配置された光架橋性樹脂の架橋度とパターンを変えることにより光学画像源を提供する。本実施形態によれば、マスク１０６は、特定のｚレベルでの３Ｄモデルの断面に対応する画像を表示することができるアクティブマトリクスマスクである。

マスク１０６は、垂直方向に移動可能なスクリーン１０８を含む。本実施形態によれば、スクリーン１０８は、ガラス印刷スクリーンであり、これを通してパターンを樹脂に投影することができ、それに対して樹脂を押し付けて、特定の各ｚレベルを印刷するための樹脂の薄い層を達成する。

サポート流体１１０がサポート液体リザーバ（図示せず）から提供され、本実施形態によれば、サポート流体１１０は、樹脂１０５と非混和性であり、印刷物１１４に浮力１１２を提供する。 浮力１１２は、ソフトゲル材料がその自重によって崩壊することを防止するため、ソフトゲル材料部品を印刷するのに特に有利である。

樹脂タンク１０４は、複数のチャネル１１８を有するステージ１１６または印刷ベッドを含み、チャネルを通りサポート流体１１０が印刷物１１４の周りの樹脂タンク１０４へ通過する。本実施形態によれば、受動ポンプシステム（以下で説明する）は、サポート流体１１０のレベルがスクリーン１０８と同じ速度で上昇することを保証し、それにより、樹脂１０５の一定の厚さを維持する。

樹脂１０５は、光架橋性樹脂またはゲル、または赤色照明に敏感な市販のＨ－Ｎｕ ６０５ＩＬ開始剤、緑色照明に敏感な市販のエオシンＹ／ＴＥＡ／ＮＶＰ開始剤システム、または青色照明に敏感な市販のＺＶＥ２００－Ｖ４７０樹脂など、特定の光波長に敏感な開始剤システムである。このようにしてで、異なる樹脂を同時に印刷して、ハイドロゲルまたはプラスチックハイブリッド印刷物１１４を製造することができる。

本実施形態によれば、サポート流体１１０は、樹脂よりも密度の高い油など、樹脂１０５と非混和性であり、印刷物に浮力１１２を与えて、自重によってソフトゲル材料が崩壊することを防止する。樹脂１０５としてのＰＥＧ－ジアクリレートハイドロゲルの場合、サポート流体１１０として界面活性剤を含む過フッ素化油は、過剰な樹脂を置き換え、薄い樹脂層を維持する。あるいは、より剛性の構造を提供できるアクリレート樹脂１０５の場合、グリセリンがサポート流体１１０に適している。さらに、過フッ素化油への酸素の溶解度は非常に高いため、サポート流体１１０は酸素リザーバとしても機能し、解像度を改善するために空乏ゾーン１２０を作成することにより架橋性樹脂の厚さをさらに制限する。さらに、過フッ素化油の代わりに半フッ素化油を使用することができる

スクリーン１０８は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）でコーティングされたガラス板であることが好ましい。樹脂１０５は、サポート流体１１０とスクリーン１０８との間に拘束されて、樹脂層の厚さを減らし、ｚ方向の解像度を改善する。ＰＤＭＳコーティングは、樹脂１０５（例えば、架橋ゲル）がスクリーン１０８に付着するのを防ぐ。

本実施形態によれば、マスク１０６は、アクティブマトリックスであり、例えば図１Ａに示すような液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルとすることができ、高出力ＬＥＤ投光器としての光源１０２を有する。この構成は、数分以内に厚さ１センチメートルのゲルを架橋するのに十分な照明を提供する。

あるいは、図１Ｂの例１５０に示されるように、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）１５２を利用してレーザービーム１５４を方向付けるプロジェクタを使用することができ、またはレーザー照明１５４を備えた液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）構成１５６を使用するプロジェクタを使用することができる。

図１Ｃの例１８０に示すさらなる代替実施形態では、架橋反応を行うためにプロジェクタを使用することにより、ガラス印刷スクリーンを除去することができ、サポート流体１１０の上の樹脂層１０８上にパターンを直接照射することができる。

すべての場合において、光学画像源は、黒、白、グレーの画像を表示できるビデオソース（ラップトップ、Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉなど）に接続され、それぞれ架橋なし、完全な架橋、および部分的な架橋をもたらす。これにより、勾配多孔性と機械的強度を、インターフェースなしで単一のモノリシック印刷で作成できます。

図２を参照すると、側面図２００は、本実施形態による受動ポンプシステムを示している。受動ポンプシステムは、サポート流体レベルがスクリーンと同じ速度で上昇することを保証し、それにより一定の樹脂厚を維持する。サポート流体リザーバ２０２が接続管２０４によって印刷タンク１０４に流体接続され、旋回構造２０６によって印刷タンクに機械的に接続されている。印刷手順を通して樹脂の厚さを維持するために、３Ｄオブジェクトが印刷ベッドに印刷されるときに、３Ｄオブジェクトの上部の垂直高さと同じ速度でサポート流体レベルが上昇することを保証する必要がある。印刷スクリーンが設けられている場合、サポート流体レベルが印刷スクリーンと同じ速度で上昇することを確実にする必要がある。これは、流体レベルフィードバックを有する能動ポンプシステムを使用して実現することができる。しかし、本実施形態によれば、図２の受動ポンプシステムは、同じ寸法の２つのタンク（すなわち、サポート流体リザーバ２０２および印刷タンク１０４）を接続管２０４で連結し、変位増幅旋回構造２０６を使用して、リザーバ２０２から印刷タンク１０４に移送されるサポート流体１１０の量が正しいことを保証する。

図３Ａを参照すると、例３００は、閉輪郭印刷ベッド３０２を示している。サポート流体１１０は、印刷ベッド３０２に対して及び印刷ベッド３０２の周りを流れる。未硬化の樹脂３０４は、硬化した樹脂３０６により印刷タンク１０４に閉じ込められる。

図３Ｂでは、例３５０は、接着のために化学修飾された印刷ベッド１１６を示し、サポート流体１１０が印刷ベッドを通って流れることを可能にするチャネルを提供するために開けられた穴１１８の規則的な配列を有する。印刷物１１４が印刷ベッド１１６に付着するために、ガラス表面は、ゲルが反応できるアクリレートで修飾されている。さらに、サポート流体１１０は、未硬化樹脂の閉じ込めを防ぐために囲まれた容積にアクセスできなければならないため、印刷ベッド１１６のガラス板に穴１１８を開けて、サポート流体１１０が閉輪郭３５２の中心に流れ込むようにする。

本実施形態による３Ｄ印刷システムは、光架橋性樹脂が使用されるため、表面的にステレオリソグラフィ法（ＳＬＡ）に類似しているが、重要な違いが存在する。第１に、本実施形態によるシステムおよび方法は、薄い架橋性樹脂層を維持し、それにより、ゲル材料の連続的な（したがって迅速な）印刷を可能にする。従来のＳＬＡは、各層で架橋される領域を追跡するために、作動レーザースポットを使用して実行される。これは非常に遅いプロセスであり、完了するまで印刷に数時間かかることがある。新しい方法では、スクリーンまたはプロジェクタを使用して、架橋する領域を一度に１フレームずつ表示する。しかし、表示されたパターンが正しいｚ位置の層にのみ移送されることを保証するために樹脂の薄い層を塗布する必要があるため、塗布のために架橋が必然的に一時停止され、それによりプロセスが大幅に遅くなり、 速度はレーザー作動アプローチに匹敵する。

本実施形態によれば、印刷速度の問題は、アクティブマトリクスマスク１０６を利用して一度にフレーム全体を表示する。樹脂１０５の薄い層を堆積する代わりに、高密度のサポート流体１１０（樹脂と混ざらない）が過剰な樹脂１０５を移動させ、それをスクリーン１０８とサポート流体１１０の間の薄い層に拘束する。 スクリーン１０８が上に移動して印刷ベッド１１６から離れるのと同じ速度でサポート流体１１０を印刷タンク１０４に送り込むことにより、層の厚さを規定する一定の樹脂１０５の厚さが維持される。

さらに、本実施形態によれば、サポート流体１１０の酸素の溶解度は高く（水中の酸素の溶解度の約１０～２０倍）、サポート流体１１０は、樹脂１０５中に空乏ゾーン１２０を作り出す酸素源としても機能し、光架橋性層の厚さをさらに減少させる。このようにして、マスク１０６上に一連の画像（すなわち、ビデオ）を表示することにより、連続印刷が実現される。

本実施形態と従来の３Ｄ印刷との第２の主な違いは、浮力を利用してオーバーハング構造を支持するサポート流体１１０であり、それにより、部分的または完全に架橋され得る軟質ゲル材料が崩壊することなく迅速な印刷を可能にする。

熱溶解積層法（ＦＤＭ）では、加熱ノズルから新しく押し出された（および液体）プラスチックフィラメント（例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）またはポリ乳酸（ＰＬＡ））をサポートするために、広範な支持構造を使用する必要があるが、ＳＬＡ法は、架橋時に樹脂が硬化するため、支持ストラットがはるかに少なくて済む。しかし、ゲルなどの柔らかい素材の場合、架橋部分は、十分な構造的完全性を持たず、その代わりに自重で崩壊する可能性がある。

サポート流体１１０は、浮力によりオーバーハングした架橋ゲル構造を支えるのに役立つ。サポート流体１１０は、ゲル構造に付着しないので、印刷物１１４を単にすすぐことにより除去することができる。これは、最終的な印刷物から物理的に切り離す必要がある従来のサポート構造よりもはるかに優れている。

したがって、本実施形態は、現在の方法およびシステムよりも印刷速度が速い軟質材料および軟質構造の印刷に適した３Ｄ印刷のための方法およびシステムを提供することが分かる。そのようなシステムおよび方法は、深い傷および／または大きな傷の創傷被覆材を複雑な形状で迅速に印刷できる、診療所または病院環境に適している。さらに、本実施形態のそのようなシステムおよび方法は、印刷全体にわたってサポート流体１１０によりソフトゲルを支持することができるため、組織工学に適している。

本実施形態の前述の詳細な説明において例示的な実施形態を提示したが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用可能性、動作、または構成を決して限定することを意図するものではないことをさらに理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を実施するための便利なロードマップを当業者に提供するものであり、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態で説明された機能、ステップおよび動作方法において様々な変更が行われ得ることが理解されるだろう。

１０２ 光源
１０４ 印刷タンク
１０５ 光架橋性樹脂
１０６ マスク
１０８ スクリーン
１１０ サポート流体
１１２ 浮力
１１４ 印刷物
１１６ 印刷ベッド
１１８ チャネル
１２０ 空乏ゾーン
１５２ デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）
１５４ レーザー照明
１５６ 液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）構成
２０２ サポート流体リザーバ
２０４ 接続管
２０６ 旋回構造

Claims (24)

1. 三次元（３Ｄ）オブジェクトを印刷するためのシステムであって、
   前記３Ｄオブジェクトが印刷される樹脂タンクであって、前記３Ｄオブジェクトのベースを形成するための印刷ベッドを含む樹脂タンクと、
   ３Ｄ画像に従って光を変調し、前記樹脂タンク内の光架橋性樹脂の架橋度と架橋パターンを変化させるための光学画像源と、
   前記光架橋性樹脂と混和しないサポート流体を備えるサポート流体リザーバであって、前記樹脂タンクと流体連通するサポート流体リザーバと、前記３Ｄオブジェクトが前記印刷ベッド上で印刷されている際の前記３Ｄオブジェクトの上部の垂直高さと同じ速度で前記サポート流体が前記樹脂タンク内で上昇するように、前記サポート流体リザーバから前記樹脂タンクへ前記サポート流体を移送するよう構成されたポンプ構造と、
   を備えるシステム。
2. 前記樹脂タンク内の前記光架橋性樹脂の上部に設置された垂直方向に移動可能なスクリーンをさらに備え、前記印刷ベッドから離れる前記垂直方向に移動可能なスクリーンの垂直移動と同じ速度で前記サポート流体が前記樹脂タンク内で上昇するように、前記ポンプ構造が前記サポート流体の前記サポート流体リザーバから前記樹脂タンクに移送するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記３Ｄオブジェクトの部分を連続的に形成するために、前記サポート流体が前記光架橋性樹脂の架橋性層を前記垂直方向に移動可能なスクリーンに対して拘束的に保持する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記３Ｄオブジェクトが完全に印刷されるまで、前記サポート流体が前記垂直方向に移動可能なスクリーンに対して前記架橋性層を保持する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記光学画像源が、
   光源と、
   前記光架橋性樹脂の架橋度および架橋パターンを変化させるために前記光源からの光を変調する、前記光源および前記樹脂タンクの間に配置されたマスクと、
   を備える、請求項２～４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記マスクが垂直方向に移動可能なスクリーンを備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記マスクがアクティブマトリックスである、請求項５または請求項６に記載のシステム。
8. 前記アクティブマトリックスが液晶ディスプレイパネルである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記光学画像源が、
   レーザービームと、
   デジタルマイクロミラーデバイスと、
   を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記光学画像源が、
    レーザー照明と、
    液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）構成と、
    を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記光学画像源がプロジェクタを備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
12. 垂直方向に移動可能なスクリーンがポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）でコーティングされたガラス板を備え、前記光架橋性樹脂が前記ガラス板に付着することを防ぐ、請求項２～８のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記光架橋性樹脂が特定の光波長に敏感な樹脂又は特定の光波長に敏感な開始剤システムを有するポリマー溶液を含み、前記開始剤システムは、光増感剤、共開始剤および触媒を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記光架橋性樹脂が赤色照明に敏感なＨ－Ｎｕ６０５ＩＬ開始剤、緑色照明に敏感なＥｏｓｉｎ Ｙ／ＴＥＡ／ＮＶＰ開始剤システム、青色照明に敏感なＺＶＥ２００－Ｖ４７０樹脂の１または複数を含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記光架橋性樹脂内に空乏ゾーンを作ることによって前記光架橋性樹脂の厚さを制限するために、前記サポート流体は、酸素が溶解している流体を含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記サポート流体が前記光架橋性樹脂よりも密度の高い油を含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記油が界面活性剤を有する過フッ素化オイル、または界面活性剤を有する半フッ素化油を含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ポンプ構造は、変位旋回構造を含む受動ポンプ構造を備え、前記受動ポンプ構造は、前記３Ｄオブジェクトが前記印刷ベッド上で印刷されている際の前記３Ｄオブジェクトの上部の垂直高さと同じ速度で前記サポート流体が前記樹脂タンク内で上昇するように、動作時に前記サポート流体リザーバから前記樹脂タンクへ前記サポート流体を移送するよう構成されている、請求項１～１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記ポンプ構造は、流体レベルフィードバックを含む能動ポンプ構造を備え、前記受動ポンプ構造は、前記３Ｄオブジェクトが前記印刷ベッド上で印刷されている際の前記３Ｄオブジェクトの上部の垂直高さと同じ速度で前記サポート流体が前記樹脂タンク内で上昇するように、動作時に前記サポート流体リザーバから前記樹脂タンクへ前記サポート流体を移送するよう構成されている、請求項１～１７のいずれか一項に記載のシステム。
20. 前記印刷ベッドが前記３Ｄオブジェクトの接着のために化学修飾されている、請求項１～１８のいずれか一項に記載のシステム。
21. 前記印刷ベッドには、複数のチャネルが形成されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載のシステム。
22. 三次元（３Ｄ）オブジェクトを連続的に印刷する方法であって、
    垂直方向に移動可能なスクリーンが樹脂タンク内の印刷ベッドから離れるように移動するにつれて、前記樹脂タンク内に配置された光架橋性樹脂の架橋度および架橋パターンを変化させるために、前記垂直方向に移動可能なスクリーンを通り、光学画像源から投影される光を変調するステップと、
    前記スクリーンが前記印刷ベッドから離れる垂直移動と同じ速度でサポート流体が前記樹脂タンク内で上昇するようにサポート流体リザーバから前記樹脂タンクに前記サポート流体を移送するステップと、
    を備える方法。
23. 前記サポート流体を移送するステップが、前記３Ｄオブジェクトの部分を連続的に形成するために前記光架橋性樹脂の架橋性層を前記スクリーンに対して拘束的に保持するように、前記サポート流体を移送するステップを備える、請求項２２に記載の方法。
24. 前記サポート流体を移送するステップが、前記３Ｄオブジェクトが完全に印刷されるまで前記サポート流体を移送するステップを備える、請求項２２または請求項２３に記載の方法。

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