JP7125247B2 - 低分散高速応答混合デバイス - Google Patents

Description

本開示は、高粘性材料の迅速な混合に関し、より詳細には、デジタルプリンタに使用されるもののような、少量の高粘性材料の迅速な混合に関する。

混合は頻繁に遭遇する問題であり、多くの異なるアプローチが存在する。しかしながら、それらのうち、高分解能デジタル機能傾斜生成システムに使用するのに適切なものはごくわずかしかない。デジタル機能傾斜システムは、様々な濃度の異なる物質を有する材料を堆積するものである。使用される材料は通常、高い粘性を有する。たとえば、一般的なＵＶ硬化可能三次元印刷樹脂は、水よりもおおよそ１０～１０００倍高い粘性を有する。熱硬化樹脂も、一般的に水の粘性よりもはるかに高い粘性を有し、その粘性は、短繊維のような強化剤を添加することによってさらにより高く増大する可能性がある。高い分解能を達成するためには、材料のビーズまたは液滴の絶対的なサイズは小さい。高い粘性と小さい寸法との組み合わせは、レイノルズ数が１よりもはるかに小さいことを意味する。レイノルズ数とは、慣性力対粘性力の比であり、それゆえ、所与の流動状態についてこれら２つのタイプの力の相対的な重要性を定量化する。

混合を後押しする１つの目標は、切断、折り畳みおよび延伸動作を繰り返すことによって、可能な最短の拡散経路長を生成することであり、または、非相溶性ポリマーブレンドの場合には、ナノスケールエマルジョンを達成することである。これは一般的に、分布混合と称される。一般的にマイクロメートル～ナノメートルスケールにある、何らかの非常に小さい拡散経路長において、材料は、分布混合が行われるように十分に分布するようになる。

デジタル機能傾斜生成システムにおいて、システムが材料を堆積すると、混合の比が変化する。この混合物の傾斜を制御することを可能にするために、混合は、堆積される材料の成分が１つのボクセル（体積画素）内で混合されるが、実質的に近傍のボクセルが一緒に混合されないように達成されなければならない。本明細書における論述は、流れの上流および下流としてのボクセル間の混合を参照するが、ボクセル内の混合は直交流混合を特徴とする。

現行の手法は、スタティックラインミキサ、ツインスクリューミキサおよびマイクロ流体ミキサを含むが、これらのいずれも、これらの特定の問題を解決しない。インラインスタティックミキサは、拡散経路長を低減する複数の延伸および折り畳み動作を達成するが、上流および下流への高い分散を有する。ツインスクリューミキサは一般的に、極度に粘性の高い流体について複数の延伸および折り畳み動作でポリマーコンパウンディングを達成するが、極度に高い上流および下流分散を有する。

マイクロ流体ミキサは、混合を達成するために液滴核分裂、流動不安定性、または弁を使用するが、これらは一般的に、粘性が大幅に低い水媒体において実証されている。アクティブミキサは高度に複雑な概念である。これらの手法は、撹拌棒、音響場または電場を有する小さいチャンバを使用するが、これらは、デジタル機能材料印刷における、対象の高い粘性および小さいスケールでは良好に機能しない。

一実施形態は、１０ナノメートル～１０マイクロメートルの範囲内の第１の加工材料の液滴を作成することが可能な並列液滴ディスペンサと、第１の加工材料の液滴のための流体を送達し、第１のエマルジョンを生成するためのポンプと、エマルジョンを受け入れ、均質な材料を生成するための、ボクセル間混合が低いコンパクトミキサと、分注システムとを有する混合システムである。

別の実施形態は、第１の加工材料の液滴を生成することであって、液滴は１０ナノメートル～１０マイクロメートルの範囲内のサイズを有する、生成することと、第１のエマルジョンを生成するために第１の加工材料の液滴を流体内に添加することであって、第１の加工材料の液滴の添加は、エマルジョン内に傾斜を生成するように制御される、添加することと、均質な傾斜混合物を生成するために第１のエマルジョンを混合することと、均質な傾斜混合物を表面上に分注することとを含む、傾斜材料を分注する方法である。

図１は、混合の従来技術の実施形態を示す図である。 図２は、混合器のシステム図である。 図３は、混合システムの代替的な実施形態を示す図である。 図４は、混合システムの代替的な実施形態を示す図である。 図５は、混合システムの代替的な実施形態を示す図である。 図６は、デポジションノズルの実施形態を示す図である。

図１は、混合のための従来技術のプロセス１０を示す。スタティックミキサまたはツインミキサにおける動作の大部分は、本明細書においては分布混合と称する表面領域を作成する。図１に示すように、大抵の場合は高粘性流体である元の材料１２が、１２と１４との間の延伸を受ける。混合器はその後、１６におけるように表面領域を作成するために材料を切断および積層し、もしくは、１８におけるように折り畳み、またはより高い可能性として、それら両方の組み合わせを行う。混合に利用可能な別の方法は、分散混合である。このプロセスは一般的に、２０において材料を延伸し、２２において材料は液滴に分かれる。液滴は、単一または複数のステップにおいて、２２におけるように分かれるか、または、２４におけるように融合する。これらのステップの繰り返しおよび組み合わせによって、一般的に、より良好な分散がもたらされる。たとえば、流体の混合物を分布混合にかけることによって開始し、その後、分散混合を行うことができる。良好なクロスフロー分散をもたらす複数の混合ステップは多くの場合、有意な上流および下流分散をももたらす。

小滴のエマルジョンを直に生成し、エマルジョンの組成を変化させることによって、プロセス中の複数のステップをスキップすることが可能である。これによって、組成の変化が制御されて鮮鋭になった均質な傾斜材料を生成するために、上流および下流分散が制限された相対的に短い混合セクションが可能になる。組成の変化が、基板上に堆積するためのデジタル傾斜材料を提供している。

混合材料の分散は、体積にわたる組成の変動の度合いの尺度として定義することができる。流体領域にわたる分散の度合いを定量化するために、様々な統計的方策を行うことができる。これは、流体領域全体またはその領域のサブセットにわたって測定することができる。たとえば、混合ボクセルの分散、または、いくつかのボクセルの間の分散を測定することができる。

以下の説明において、「低分散」とは、第１の流体の第２の流体内への分散が１未満の分散係数を有することを意味する。「コンパクトミキサ」とは、単一ボクセル以下のサイズに近い機能容量を有するサイズを有するミキサである。「ボクセル」とは、体積画素のことである。本明細書において論じられているコンパクトミキサは、１０％未満のボクセル間混合として定義される「低い」ボクセル間混合を有する。ピクセル、すなわち画素と同様に、ボクセルは、それらのサイズに応じて決まる分解能を有する。プリンタのような液滴ベースの堆積システムについて、分解能は一般的に、堆積される液滴のサイズに相関する。デジタル機能傾斜生成機のような連続的な押し出し工程について、ボクセルのサイズは、押し出しの断面、および、押し出し物の組成を変更することができるレートに関係する。

エマルジョンの生成において生じる１つの問題は、追加の混合をほとんどまたはまったく必要とせずにエマルジョンを生成するために、十分に小さい液滴サイズで一方の材料をもう一方の中に分注することにある。しかしながら、これは可能である。いくつかの計算が、本明細書における実施形態の実行可能性をサポートする。１００マイクロメートルのボクセルサイズについて、約２５０ピコリットルの体積を与えるために１００マイクロメートルの直径を有する半球を仮定する。１ｃｍ／ｓすなわち１０，０００マイクロメートル／秒の堆積速度について、１００マイクロメートルのボクセルの堆積速度は１００ボクセル／秒である。最も極端な事例において、ボクセルが要求に応じて混合され、その後直ちに堆積されるとき、ミキサは、０．０１秒未満の間にボクセルを混合することが可能でなければならない。しかしながら、複数のボクセルを同時に混合することが可能である。複数のボクセルを混合することによって堆積システムの複雑性およびサイズが増大するが、ミキサに対する性能要件は低減する。

５０％の体積分率を有する材料を作成するためには、各材料を毎秒１２５ピコリットル注入する必要がある。各材料は、他の流体、または、最終的な混合物の一部でない中性分散媒中に直に注入することができる。必要とされる液滴のサイズを推定するためには、拡散率を計算しなければならない。一例として、７０，０００ＭＷ ８ｇ／ｄｌのデキストラン中のフルオレセイン染料の拡散率は、約４Ｘ１０^－１０ｍ^２／ｓであると推定されている。混合材料が２桁遅い拡散率を有すると仮定する場合、０．０１秒の目標混合時間を所与として、妥当な拡散長推定値は０．２マイクロメートルである。

これらの条件下では、０．２マイクロメートル以下の直径を有する液滴を生成することが理想となる。要求に応じて生成される液滴に必要とされる堆積速度を達成するためには、０．０１秒毎に２５０，０００個の液滴、すなわち、毎秒２５０万個の液滴が生成されなければならない。

多数の小滴分注技法とは異なり、液滴サイズの分布が最重要ではないことは注目に値する。これらの液滴は主に、混合されている流体の間の表面領域を生成するために使用され、最終的にはすべてともに混合されることになり、そのため、重要なのは、分注される総体積が正確であることのみである。変動係数が高いシステムでさえ、多数の液滴を分注することによってこれを達成することができる。

１００ｋＨｚ圧電アクチュエータおよび数千個のノズルのように、高い速度を使用して毎秒２５０万個の液滴を生成することができるが、ボクセルに関する混合動作は必ずしも、１つのボクセルに関する堆積速度内で行われる必要はない。システムは、上流で、他の確立されている手段を使用して容易に到達できる低減した速度で液滴を生成することができる。代替的に、正確な体積分率を達成するより大きい液滴を生成し、必要とされる表面領域の生成を完了するために下流混合を使用することが可能である。

１マイクロメートル未満の小滴を生成するためのいくつかの方法が存在する。伸長流または延伸流のようなフローフォーカスアーキテクチャを使用すると、おおよそマイクロメートル以下の液滴を生成することができる単純に作製できる形状を使用して液滴を作成することが可能である。おおよそ５マイクロメートルの液滴を制御可能に、安定してかつロバストに生成することができる、エマルジョン生成のための並列ノズルを示す参考文献が存在する。電気スプレーまたは細糸延伸噴霧化のようなスプレー技法は、より小さい粒子を大量に生成することができるが、液滴の量を調節するために別の装置が必要である。

上記の論述は、傾斜材料のデジタル堆積のために迅速で軸方向分散の低い混合を達成することが可能であることを実証している。２０１４年１２月２９日に提出された「ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＤＩＧＩＴＡＬ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＧＲＡＤＥＤ， ＨＩＥＲＡＲＣＨＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」と題する米国特許出願第１４／５７８，０４４号明細書は、このタイプのシステムの一実施形態を教示している。これらのシステムは一般的に、図２に示すような、ある種類のミキサを利用する。図２は、デジタル機能傾斜材料（ＤＦＧＭ）プリントヘッドのための液滴ミキサの一実施形態を示す。

液滴ミキサ３０は、分散媒３２の第１のソースを有する。ソースは、タンク、リザーバまたは他の容器３１であってもよい。図３～図５を参照して後により詳細に論じるように、分散媒はまた、第２のポリマー材料から構成されてもよい。リザーバ３４が、第１のポリマー材料３６が、小滴の形態で分散媒３２中に注入されることを可能にする。液滴の注入は一般的に、ポンプまたは他の注入器３７のような、ある種のポジティブプレースメントシステムの制御下になる。

リザーバ３４は、システムの、それがなければ分布混合システムが必要になるエマルジョンを生成する部分を表し、その置換によって、システムは、複数の混合ステップを使用するよりも小型かつ高速になる。相当の表面領域を直に生成することによって、分布ステップの必要がない。エマルジョンが生成された後、エマルジョンは、３８においてさらなる下流混合を受けることができ、その後、プリントヘッド３９において分注される。

このシステムの実施形態は、多くの形態のうちの１つをとることができる。図３～図５は、構成の異なるいくつかの実施形態を示し、これらは例に過ぎず、特許請求の範囲を決して限定すべきでないことが理解される。図３は、２つの異なる材料の液滴が、混合またはブレンドを受け得ないものである、同じ非混合性分散媒中に分散する実施形態を示している。第１の材料３６が、リザーバ４１において分散媒中に予め分散し、第２の材料３２が、リザーバ４３において分散媒中に予め分散する。歯車ポンプから構成されてもよいポンプ４２および４４が、その後、材料をリザーバから出て共通チャネル４８に入るように圧送する。混合される第１の材料対第２の材料の比は、ポンプの相対流速によって制御される。５０における混合および分注の前の選択膜４６が、分散媒が除去されることを可能にする。分散媒は、リサイクルおよび再使用することができる。

このシステムは、小滴分注システムよりもはるかに大きいスケールで容易に制御される分注システムを有するという利点を有し、変動を欠き得る一貫した上流工程が、小滴を生成することができる。例は、電気スプレーまたは細糸延伸噴霧器を含む。これによって、そうでなければシステム内に設計することが困難であり得る液滴生成システムが可能になる。

図４の実施形態４０において、第２の流体３２および第１の流体３６が、共通チャネル４８中に分散する。ポンプ４２が、第２の流体中への注入を可能にする。ポンプ４４は、共通チャネルから液体を引き込み、液体を下流の混合および分注５０に送出する。第１の流体対第２の流体の比は、歯車ポンプ４２に関連して第１の流体の液滴分注の速度を変更することによって変化する。第２の任意選択の歯車ポンプ４４の流速は、第１のポンプ４２の流速＋液滴ディスペンサの流速に等しくなければならない。いくつかの実施形態において、それらの流体のうちの一方は、炭素繊維のような強化剤を含み得る。強化された材料の小滴が生成されることを回避するために、好ましい実施形態は、強化されていない材料を強化されている流体中に分注することである。

図５は、システムが両方の材料の液滴を、混合および分注の前に混合物全体から後に分離する分散媒中に分注する実施形態を示す。図５において、システムは、２つのポリマー３２および３６を共通チャネル４８中に分注する。ポンプ４２は流体を注入するための正の変位を与え、混合された流体をセパレータを通じて混合および分注５０へと下流に移動させ、この実施形態では、セパレータは膜４６から構成される。

液滴として分注する正確さおよび精密さにおける制御要因の１つは、液滴のピンチオフ挙動である。分注装置の表面と、液滴が中に分注されている流体の両方が、この挙動に影響を与える。液滴が中に分注されている流体を制御することによって、液滴が中に分注されている流体における変化に起因するシステムエラーおよびシステム内の非線形性が低減する。

本明細書において対象になっているような粘性の高い流体について、液滴を別の液体中に注入する１つの方法は、容積式システムを使用する。容積式システムは、他の流体中に注入されている流体に対して、ある種の正の力を加える。１つの可能性は、毛細管および小型ピストンから構成される。ピストンは、流体の液滴を分注するために毛細管内で作動する。図６は、そのようなシステムの一例を示す。

ディスペンサ６０は、その中でピストン６２が動くチャネル６４を有する。流体６８の流れを制御する一方向弁６６が加わることによって、単一の液滴システムが、連続液滴システムに変化する。ピストンは中立位置において開始し、その後、表面７０に触れるために下向き方向に動く。これによって、正確さが増大し、液滴サイズが低減し得る。別の流体中に分注するとき、表面７０は、先行する図面からの共通チャネル４８の底部、または、流体のリザーバであってもよい。液滴７４が表面上に分注された後、ピストンは、矢印によって示すように、チャネル６４内で上向きに動く。システムは、一方向弁６６を通じて新たな流体６８を引き込む。ピストンは、流体がディスペンサ内で誤った方向に動くことを防止するシール７２を有してもよい。

このように、より高速かつより小型のミキサが、デジタル堆積システムまたはプリントヘッドの一部として傾斜材料を提供することができる。２つの材料の流れを互いに対して制御することによって、組成の鮮鋭な変化を有するように異なるポリマーの濃度を微細に制御することができ、所望の傾斜が生成される。エマルジョンを生成するために液滴生成器を使用することによって、分布混合の必要がなくなり、システム内の全体的な堆積を低減するために、混合器をより小さくし、流体をより高速に混合することが可能になる。

Claims (10)

1. １０ナノメートル～１０マイクロメートルの範囲内の第１の加工材料の液滴を作成することが可能な並列液滴ディスペンサと、
   前記第１の加工材料の前記液滴のための流体を送達し、第１のエマルジョンを生成するためのポンプであって、前記第１の加工材料の前記液滴のための前記流体の送達は、前記エマルジョン内に傾斜を生成するように制御される、前記ポンプと、
   前記エマルジョンを受け入れ、均質な傾斜混合物を生成するための、ボクセル間混合が１０％未満のコンパクトミキサと、
   前記均質な傾斜混合物を表面上に分注するための、分注システムと
   を備え、
   前記並列液滴ディスペンサは、その中でピストンが動くチャネルを有し、前記ピストンは、下向きに動いて前記液滴を前記流体に分注し、その後前記チャネル内で上向きに動いて前記流体を引き込む、
   混合システム。
2. 前記ポンプは、前記第１のエマルジョンを生成するために前記第１の加工材料が中に分散される分散媒を送達する、請求項１に記載の混合システム。
3. 前記分散媒を分離するための流体セパレータをさらに備える、請求項２に記載の混合システム。
4. 前記流体セパレータは、膜および蒸発器のうちの一方を含む、請求項３に記載の混合システム。
5. １０ナノメートル～１０マイクロメートルの範囲内の第２の加工材料の液滴を作成することが可能な第２の液滴ディスペンサをさらに備える、請求項１に記載の混合システム。
6. 並列液滴ディスペンサを使用して第１の加工材料の液滴を生成することであって、前記液滴は１０ナノメートル～１０マイクロメートルの範囲内のサイズを有する、生成することと、
   第１のエマルジョンを生成するために前記第１の加工材料の前記液滴を流体内に添加することであって、前記第１の加工材料の前記液滴の添加は、前記エマルジョン内に傾斜を生成するように制御される、添加することと、
   均質な傾斜混合物を生成するために１０％未満のボクセル間混合で前記第１のエマルジョンを混合することと、
   前記均質な傾斜混合物を表面上に分注することと
   を含み、
   前記並列液滴ディスペンサは、その中でピストンが動くチャネルを有し、前記ピストンは、下向きに動いて前記液滴を前記流体に分注し、その後前記チャネル内で上向きに動いて前記流体を引き込む、
   傾斜材料を分注する方法。
7. 前記流体は分散媒を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記方法は、前記分散媒を分離することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 混合することは、前記第１のエマルジョンおよび第２のエマルジョンを混合することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記第１の加工材料の前記液滴を流体内に添加することは、前記第１の加工材料の前記液滴を、第２の加工材料を含む流体内に添加することを含む、請求項６に記載の方法。

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