JP7282162B2 - 三次元物体を調製するための３ｄ印刷システム - Google Patents

Description

本発明は、ポリスチレンフォームなどの膨張したポリマーで少なくとも部分的に作製された三次元物体を調製するための三次元印刷システム、ならびに少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための方法に関するものである。

膨張したポリマー、すなわちポリマーフォームは、低密度を特徴とする気泡構造である。フォームは、独立気泡フォーム、連続気泡フォーム、混合気泡フォーム、一体型フォームに分けられる。独立気泡フォームは、中実ポリマー材料によって完全に囲まれ、気体で満たされた気泡を含むが、連続気泡フォームの気泡は、中実ポリマー材料によって完全には囲まれておらず、したがって互いに相互接続されている。このため、連続気泡フォームは水などの液体を吸収する可能性があるが、独立気泡フォームは吸収しない。混合気泡フォームは、連続気泡ならびに独立気泡を含むが、一体型フォームは、厚い、非気泡または少なくとも本質的に非気泡の外壁と、それらの間に気泡コアとを有し、密度は外壁から内壁へと本質的に連続的に減少する。

フォームは、容易に成形可能であり、引張強度が低く、遮音性が高く、さらに熱伝導率が低いことを特徴とする。これらの特性のために、フォームは簡単に作業でき、様々な商業分野で応用されている。例えば、ポリスチレンまたはポリウレタンで作られたものなどの独立気泡フォームは、例えば、建物の断熱材としてなど、産業の複数の分野で断熱材として使用されている。フォームの商業的用途の他の例は、遮音材、クッション、マットレス、マット、およびスポンジである。

フォームは、エチレン－酢酸ビニル、ポリエチレン、ニトリルゴム、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体、ポリクロロプレン、ポリイミド、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリ乳酸、およびポリ塩化ビニルなど、ほぼすべての市販のポリマーで作製することができる。

発泡物品を製造するためのいくつかの方法が知られている。したがって、一例は、発泡剤を含む加圧されたポリマー溶融物がノズルを介して金型に射出される直接射出膨張発泡成形プロセスである。加圧されたポリマー溶融物の圧力よりも低い圧力が存在する金型内では、発泡剤が膨張し、したがって、所望の形状のポリマーフォームを形成する。別の一例は、圧力が解放されて温度が低下する前に、高温および加圧下で二酸化炭素などの発泡剤を用いてオートクレーブ内でポリマー顆粒をインキュベートして、顆粒を発泡ビーズに発泡させることである。次に、これらの発泡ビーズを金型に注入して、圧力と蒸気を加えることによって発泡ビーズをその中で熱溶融して所望の形状にすることができる。したがって、さらに別の一例は、ポリマー溶融物を含む加圧された発泡剤をダイプレートの金型を通して押し出し、ポリマーストランドの膨張が回避されるように圧力下でポリマー溶融物が冷却される水中造粒機内で金型のすぐ後ろにポリマー溶融物ストランドを造粒することによって、膨張可能なポリマービーズを形成することである。その後、膨張可能なポリマービーズを金型内で発泡させ溶融して、所望の形状を有する物品にすることができる。

最近、三次元（３Ｄ）印刷を利用して発泡物品を製造することが提案された。これには、製造に手間と費用がかかる成形品が必要ないという利点がある。さらに、３Ｄ印刷は高速で、プロセス中に材料を変更することができ、ごみはごくわずかしか発生しない。

特許文献１は、３Ｄ印刷に基づいて発泡生成物を製造するための方法および装置を開示している。この装置は、成形ユニットとしての３Ｄプリンター、超臨界浸透ユニット、および発泡ユニットを含む。超臨界浸透ユニットは、予熱器、ブースターポンプ、二酸化炭素貯蔵タンク、および浸透容器を含むが、発泡ユニットは、主に蒸気発生器、フォームボックス、およびカバープレートで構成されている。この方法は、以下のステップ：第一に、３Ｄプリンターを介してポリマー溶融物の三次元モデルを印刷するステップと、第二に、形成された三次元モデルを超臨界浸透ユニットの浸透容器に入れ、超臨界二酸化炭素を浸透させるステップと、第三に、発泡生成物が得られるように、フォームボックス内で三次元モデルの蒸気発泡を実行するステップとを含む。しかしながら、このプロセスにはいくつかの欠点がある。まず第一に、それは発泡セクションと非発泡セクションとを含むハイブリッド物品を製造することを可能にしない。むしろ、この方法では、完全に均一に発泡した物品しか製造できない。また、この方法で製造された発泡生成物の発泡構造および密度は、十分に制御することができない。

中国特許出願公開第１０６４９３９６８号明細書

これを考慮して、本発明の根底にある目的は、より柔軟であり、特に発泡構造および発泡した生成物の密度を制御することを可能にし、発泡セクションと非発泡セクションとを含むハイブリッド物品を製造することを可能にする、少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための３Ｄ印刷システムおよび方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は、少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための３Ｄ印刷システムであって、
ｉ）膨張可能なポリマー溶融物を調製し、膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーのストランドを表面に堆積させるための印刷装置と、
ｉｉ）事前定義された三次元マトリックス内の印刷装置の位置を調整して、膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーのストランドを所定の時間に三次元マトリックス内の正確な位置に堆積させるための三次元移動装置とを含み、
印刷装置は、
ａ）印刷装置の上流端の供給セクションと、
ｂ）加熱セクションと、
ｃ）加圧セクションと、
ｄ）発泡剤供給ラインと、
ｅ）混合セクションと、
ｆ）冷却セクションと、
ｇ）膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーのストランドを表面に堆積させるための金型を含む印刷装置の下流端にある末端印刷ヘッドセクションとを含み、
混合セクションｅ）および冷却セクションｆ）は、供給セクションａ）、加熱セクションｂ）、および加圧セクションｃ）の下流に配置され、発泡剤供給ラインｄ）は、１つまたは複数の排出端を有し、排出端は、加圧セクションｃ）、混合セクションｅ）、および冷却セクションｆ）のうちの１つまたは複数に接続されている、３Ｄ印刷システムを提供することによって満たされる。

本発明に係る３Ｄ印刷システムは、後で発泡剤を注入されて発泡されるポリマーストランドをターゲット表面に堆積させない。むしろ、本発明に係る３Ｄ印刷システムは、発泡剤を含むポリマーの混合物のストランドをターゲット表面に堆積させる。印刷装置の供給セクションａ）に供給された後、ポリマーは加熱セクションｂ）で溶融され、加圧セクションｃ）で加圧され、その後、発泡剤が発泡剤供給ラインｄ）を介して加圧されたポリマー溶融物に注入される。加えられた圧力のために、そのように形成された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物は、印刷装置のこのセクションにおいて、それぞれ膨張または発泡しない。続いて、膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を混合および冷却してから、それを印刷装置の末端印刷ヘッドセクションの金型を通して押すことによりターゲット表面に堆積させる。とりわけ、印刷装置で調整された混合物の流量および冷却セクションで調整された温度に依存して、膨張可能なポリマー、膨張するポリマー、または膨張したポリマーのストランドがターゲット表面に堆積される。混合物の温度が末端印刷ヘッドセクションで十分に低い場合、混合物は、印刷装置の外部の周囲温度にさらされたときに、末端印刷ヘッドセクションを離れた後、それぞれ膨張または発泡するだけであり、その結果、膨張可能なポリマーのストランド、すなわち膨張していないポリマーのストランドが堆積され、これは、堆積中またはその直後に表面で膨張する。しかしながら、末端印刷ヘッドセクションにおける混合物の温度がより高い場合、（膨張するポリマーのストランドが堆積されるように）末端印刷ヘッドセクションを離れるとき、または（すでに膨張したポリマーのストランドが堆積されるように）末端印刷ヘッドセクションを離れる前でさえ、混合物はすでにそれぞれ膨張または発泡するであろう。したがって、本発明に係る３Ｄ印刷システムは、この点に関して非常に柔軟である。さらに、本発明に係る３Ｄ印刷システムは、印刷装置内で発泡剤を含むポリマーの混合物中の発泡剤の濃度を変更することを可能にし、冷却セクションの温度を変更することによって印刷装置内の混合物の温度を変更することを可能にし、印刷装置を通る混合物の流量を変更することを可能にし、時間の経過とともに印刷装置に供給されるポリマーの種類を変更することを可能にする。これらの理由のために、本発明に係る３Ｄ印刷システムは、発泡構造および発泡した生成物の密度を自由に制御することを可能にする。さらに、ポリマー溶融物への発泡剤の添加を一時的に停止することにより、発泡セクションと非発泡セクションを含むハイブリッド物品を製造することができる。全体として、本発明は、より柔軟であり、特に発泡構造および発泡した生成物の密度を制御することを可能にし、発泡セクションと非発泡セクションとを含むハイブリッド物品を製造することを可能にする、少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための３Ｄ印刷システムおよび方法を提供する。

原則として、本発明は、印刷装置およびそのセクションの形態に関して特に限定されない。したがって、セクションのうちの１つまたは複数は、例えば、正方形、長方形、楕円体、または円形の断面を有することができ、単一セクションの寸法は、互いに同じであっても異なっていてもよい。特に、供給セクションａ）、加熱セクションｂ）、混合セクションｅ）、および冷却セクションｆ）のうちの１つまたは複数が円形断面を有する、したがって（三次元的に見て）管状である場合、良好な結果が得られる。各々のセクションは、例えば、１～１０ｍｍまたは２～４ｍｍの同じ内径または異なる内径を有することができる。より好ましくは、少なくとも供給セクションａ）、加熱セクションｂ）、混合セクションｅ）および冷却セクションｆ）のすべては、好ましくは１～１０ｍｍの間、より好ましくは２～４ｍｍの間である同じ内径を有する管状セクションである

また、本発明は、原則として、混合セクション（ｅ）および冷却セクションｆ）が、供給セクションａ）、加熱セクションｂ）、および加圧セクションｃ）の下流に配置されている限り、かつ、発泡剤供給ラインｄ）が、１つまたは複数の排出端を有し、排出端が、加圧セクションｃ）、混合セクションｅ）、および冷却セクションｆ）のうちの１つまたは複数に接続されている限り、印刷装置の単一セクションの順序に関して特に限定されない。この文脈において、セクションは、長手方向のセグメント、すなわち、印刷装置の長手方向に延びるセグメントを示す。

本発明の１つの特定の好ましい実施形態によれば、セクションａ）～ｃ）およびｅ）～ｇ）は、印刷装置の上流端から下流端へとこの順序で配置される。

あるいはまた、セクションａ）～ｃ）およびｅ）～ｇ）は、印刷装置の上流端から下流端へと、供給セクションａ）、次に加圧セクションｃ）が続き、次に加熱セクションｂ）が続き、次に混合セクションｅ）が続き、次に冷却セクションｆ）が続き、次に末端印刷ヘッドセクションｇ）が続く順序で配置される。

本発明のさらに別の一実施形態によれば、セクションａ）～ｃ）は、１つのセクションに組み合わされる、すなわち、供給セクションａ）は、加熱セクションｂ）および加圧セクションｃ）も兼ねるように具現化される。この組み合わされたセクションａ）、ｂ）、ｃ）の下流には、混合セクションｅ）、次に冷却セクションｆ）が続き、次に末端印刷ヘッドセクションｇ）が続く。

さらに代替的に、セクションｅ）およびｆ）は、１つのセクションに組み合わされ、すなわち、混合セクションｅ）は、冷却セクションｆ）も兼ねるように具現化される。この実施形態は、セクションａ）からｃ）が１つのセクションに組み合わされる前述の実施形態と互換性があり、その結果、本発明のこの実施形態の印刷装置は、組み合わされた供給、加熱、および加圧セクションａ）、ｂ）、ｃ）と、その下流に、組み合わされた混合および冷却セクションｅ）、ｆ）とを含む。あるいはまた、セクションａ）、ｂ）およびｃ）は異なっていてもよく、その結果、印刷装置は、上流の供給セクションａ）、その下流に加熱セクションｂ）、その下流に加圧セクションｃ）、その下流に組み合わされた混合および冷却セクションｅ）、ｆ）およびその下流に末端印刷ヘッドセクションｇ）を含む。

供給セクションａ）は、その最も単純な実施形態では、管の管状端セクションである。

加熱セクションを形成するために、印刷装置のそれぞれのセクションは、管内に存在するポリマーを加熱して溶融させることができる任意の手段を備えていてもよい。例えば、印刷装置のそれぞれのセクションは、ペルチェ素子または抵抗ヒーターなどの能動加熱素子、または熱交換器を備えていてもよい。より具体的には、ペルチェ素子、抵抗ヒーター、または熱交換器を加熱セクションの外壁に設けることができ、これは、ペルチェ素子、抵抗ヒーターまたは熱交換器が、管の外壁に設けられるように、印刷装置の加熱セクションｂ）が管状セクションである場合に特に好ましい。

本発明のアイデアのさらなる発展において、供給セクションａ）と加熱セクションｂ）との間に冷却セクションを配置することが提案されている。これにより、下流の加熱セクションｂ）でポリマーに伝達される熱のために、ポリマーが供給セクションａ）で溶融することを確実に回避することができる。冷却セクションは、ペルチェ素子、熱交換器、または好ましくは冷却フィンが管の外壁に設けられている、管を含む管状セクションとすることができる。

また、加圧セクションｃ）に関して、本発明は特に限定されない。したがって、加圧セクションｃ）は、（加熱セクションｂ）が加圧セクションｃ）の下流にある場合）固体の形態または（加熱セクションｂ）が加圧セクションｃ）の上流にある場合）好ましくは溶融物の形態のいずれかで管中に存在するポリマーを加圧することができる任意の手段によって形成することができる。好ましくは、加圧セクションｃ）は、ピストン圧縮機、スクリュー圧縮機、またはギア圧縮機を含む。加圧セクションｃ）が加熱セクションｂ）の下流に配置される場合、加圧セクションｃ）を通って流れるポリマー溶融物が固化することを回避するために、加圧セクションｃ）が加熱要素を含むことがさらに好ましい。加圧セクションｃ）で提供される加熱要素は、ペルチェ要素、抵抗ヒーター、または熱交換器とすることができる。

上記のように、本発明によれば、発泡剤供給ラインｄ）は、加圧セクションｃ）、混合セクションｅ）、および冷却セクションｆ）のうちの１つまたは複数に接続されている１つまたは複数の排出端を有する。したがって、発泡剤供給ラインｄ）は、３つの排出端を含むことができ、そのうちの１つは加圧セクションｃ）に接続され、そのうちの他方は混合セクションｅ）に接続され、そのうちの他方は冷却セクションｆ）に接続される。あるいはまた、発泡剤供給ラインｄ）は２つの排出端を含むことができ、そのうちの一方は混合セクションｅ）に接続され、そのうちの他方は冷却セクションｆ）に接続される。さらに代替的で実際に好ましいのは、発泡剤供給ラインｄ）が、１つの排出端を含むものであり、これは、混合セクションｅ）、より好ましくは、混合セクションｅ）の上流部分に接続される。混合セクションｅ）が冷却セクションｆ）の上流に配置される場合、後者の実施形態が特に好ましい。冷却セクションｆ）が混合セクションｅ）の上流に配置される場合、発泡剤供給ラインｄ）は、冷却セクションｆ）に接続された１つの排出端を有することができる。

本発明のアイデアのさらなる発展において、混合セクションｅ）は、１つまたは複数の静的ミキサーを含むことが示唆される。原則として、押し出し機または混錬機などの動的ミキサーも使用できる場合でも、実際には、１つまたは複数の静的ミキサーを使用することが好ましい。動的ミキサーの不可欠な構成要素であるような移動要素または回転要素がそれぞれ存在しないため、これは好ましい。そのため、メンテナンスが少なくて済む。さらに、静的ミキサーは、内径が１～１０ｍｍ、好ましくは２～４ｍｍの管に統合できるように、十分に小さく具現化することができる。

冷却セクションｆ）は、例えば、正方形、長方形、楕円体、または円形の断面を有することができる。しかしながら、冷却セクションｆ）は、管を含む管状セクションであり、ペルチェ素子、熱交換器、または冷却フィンが管の外壁に設けられていることが好ましい。より好ましくは、管状冷却セクションｆ）の内径は１～１０ｍｍであり、特に好ましくは２～４ｍｍである。

本発明の別の特に好ましい一実施形態によれば、印刷ヘッドセクションｇ）は、先細の管状セクションであり、印刷ヘッドセクションｇ）の下流部分は、金型を形成するように先細になっている。好ましくは、印刷ヘッドセクションｇ）の上流部分は、供給セクションａ）、加熱セクションｂ）、混合セクションｅ）、および冷却セクションｆ）のうちの少なくとも１つと同じ内径を有し、より好ましくは、供給セクションａ）、加熱セクションｂ）、混合セクションｅ）、および冷却セクションｆ）のうちのすべてと同じ内径を有することが好ましい。金型は、好ましくは０．１～１．０ｍｍ、より好ましくは０．１～０．５ｍｍの内径を有する。

別の一態様によれば、本発明は、少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための方法であって、方法は、前述の三次元印刷システムで実行される、方法に関するものである。

好ましくは、この方法は、
ａ）ポリマー溶融物が得られるように、ポリマーを溶融するステップと、
ｂ）加圧されたポリマー溶融物が得られるように、ポリマー溶融物を加圧するステップと、
ｃ）膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、少なくとも１つの発泡剤を加圧されたポリマー溶融物に投与するステップと、
ｄ）均質化された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、少なくとも１つのミキサーを通過させることにより、好ましくは少なくとも１つの静的ミキサーを通過させることにより、膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を均質化するステップと、
ｅ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物が得られるように、均質化された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を冷却するステップと、
ｆ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物を、印刷装置の金型を通して押し出すことにより、成形、堆積、および発泡させるステップとを含む。

代替の実施形態では、前述のステップの順序が変更される。例えば、ステップａ）およびｂ）は、組み合わされた供給、加熱、および加圧セクションａ）、ｂ）、ｃ）を通してポリマーを押し出すことによって同時に実行することができる。

また、ステップｄ）およびｅ）は、組み合わされた混合および冷却セクションｅ）、ｆ）を通して、膨張可能な加圧されたポリマー溶融ポリマーを押し出すことによって同時に実行することができる。

前述の両方の実施形態は、ステップａ）およびｂ）が、組み合わされた供給、加熱、および加圧セクションａ）、ｂ）、ｃ）を通してポリマーを押し出すことによって同時に実行され、ステップｄ）およびｅ）が、組み合わされた混合および冷却セクションｅ）、ｆ）を通して膨張可能な加圧されたポリマー溶融ポリマーを押し出すことによって同時に実行されるように組み合わせることができる。この実施形態では、この方法は、以下のステップ：ｉ）加圧されたポリマー溶融物が得られるように、ポリマーを溶融および加圧するステップと、
ｉｉ）膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、少なくとも１つの発泡剤を加圧されたポリマー溶融物に投与するステップと、ｉｉｉ）膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を均質化および冷却するステップと、ｉｖ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物を、印刷装置の金型を通して押し出すことにより、成形、堆積、および発泡させるステップとを含む。

さらに別の実施形態では、ステップａ）からｆ）を含む前述の実施形態において、ステップｂ）は、ステップａ）の前に実行することができ、その結果、最初にポリマーが加圧され、その後、加圧されたポリマーが溶融される。

さらに別の一実施形態では、ステップａ）からｆ）を含む前述の実施形態では、ステップｅ）は、ステップｄ）の前に実施することができ、その結果、最初に膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が冷却され、その後、冷却された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が混合される。

方法は、以下のステップ：
ａ）加圧されたポリマーが得られるように、ポリマーを加圧するステップと、
ｂ）加圧されたポリマー溶融物が得られるように、加圧されたポリマーを溶融するステップと、
ｃ）膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、少なくとも１つの発泡剤を加圧されたポリマー溶融物に投与するステップと、
ｄ）冷却された膨張可能な加圧されたポリマー混合物が得られるように、膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を冷却するステップと、
ｅ）均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物が得られるように、少なくとも１つのミキサーを通過させることにより、好ましくは少なくとも１つの静的ミキサーを通過させることにより、冷却された膨張可能な加圧されたポリマー混合物を均質化するステップと、
ｆ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物を、印刷装置の型を通して押し出すことにより、成形、堆積、および発泡させるステップとを含むように、前述の両方の実施形態を組み合わせることができる。

膨張中に発泡剤によって形成される気泡のサイズを調整するために、本発明のアイデアのさらなる発展において、少なくとも１つの核剤がポリマーに添加され、少なくとも１つの核剤は、好ましくは、溶融ステップａ）の前および／または溶融ステップａ）であるが、均質化ステップｅ）の前に添加されることが示唆されている。

核剤が、タルク、ワックス、グラファイト、ベントナイト、および前述の化合物の２つ以上の任意の組み合わせからなる群から選択される場合、特に良好な結果が得られる。

本発明は、任意の発泡可能なポリマーを用いて実行することができる。したがって、適切な例は、熱可塑性ポリウレタン、ポリオレフィン（ポリエチレンまたはポリプロピレンなど）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレートなど）、エチレンビニルアセテート共重合体、エチレンブチルアクリレート共重合体、ポリスチレン、ポリ乳酸、熱可塑性エラストマー、ニトリルゴム、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体、ポリクロロプレン、ポリイミド、塩化ポリビニル、および前述のポリマーの２つ以上の任意の組み合わせからなる群から選択されるポリマーである。

ポリマーは、任意の形態、例えば、特に、ポリマー溶融物、ポリマー顆粒、ポリマーペレット、ポリマーフィラメント、またはポリマーワイヤの形態で、印刷装置の供給セクションａ）にそれぞれ入ることができる。

本発明を１つまたは複数の化学的発泡剤を使用して実行することができる場合でも、本発明に係る方法で使用される発泡剤は物理的発泡剤であることが特に好ましい。物理的発泡剤の好ましい例は、二酸化炭素、窒素、水、シクロペンタン、イソブタン、ペンタン、および前述の化合物の２つ以上の任意の組み合わせからなる群から選択されるものである。

適用されるポリマーの種類に応じて、ステップｃ）で得られた膨張可能な加圧されたポリマー溶融物は、６０～２７０℃の温度を有することができ、２～５０ＭＰａに加圧される。

例えば、ポリマーが熱可塑性ポリウレタンである場合、ステップｃ）で得られた膨張可能な加圧されたポリマー溶融物は、好ましくは１００～１８０℃の温度を有し、２～５０ＭＰａに加圧される。

しかしながら、ポリマーがポリエチレンまたはポリプロピレンなどのポリオレフィンである場合、ステップｃ）で得られた膨張可能な加圧されたポリマー溶融物は、６０～１２０℃の温度を有し、２～５０ＭＰａに加圧されることが好ましい。

さらなる一態様によれば、本発明は、前述の方法で得られる三次元物体に関するものである。三次元物体は、特に、遮音性材料、クッション、マットレス、マット、スポンジ、靴底、スポーツ靴、保護具、支持構造、または充填構造であり得る。

続いて、添付の図１を参照して、本発明に係る特定の一実施形態について説明する。

本発明の１つの例示的な実施形態に係る、膨張可能なポリマー溶融物を調製するための、および少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための３Ｄ印刷システムの表面に膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーのストランドを堆積するための印刷装置の概略断面図を示す。 実施例１で得られたＰＥＴの正方形の単層を示す。 実施例２で得られた２つのＰＥＴキューブを示す。 実施例２の印刷ノズルを通して押し出されたストランドの拡大写真を示す。

図１に示される印刷装置１０は、その上流端１２からその下流端１４へと、以下のセクション：
ｉ）供給セクション１６と、
ｉｉ）冷却セクション１８と、
ｉｉｉ）加熱セクション２０と、
ｉｖ）加圧セクション２２と、
ｖ）混合セクション２４と、
ｖｉ）冷却セクション２８と、
ｖｉｉ）膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーのストランドを表面に堆積させるための型３２を含む、印刷装置の下流端にある末端印刷ヘッドセクション３０とをこの順序で含み、混合セクション２４の上部に接続された、排出端を有する発泡剤供給ライン２６が提供される。

供給セクション１６は、印刷装置１０の上流管状端セクションであるが、冷却セクション１８は、その外壁に冷却フィンを備えた管状セクションとして具現化されている。加熱セクション２０は、管の外壁にペルチェ素子を含む管状セクションであり、一方、加圧セクション２２は、スクリュー圧縮機を含む。混合セクション２４は、静的ミキサーを含む管状セクションであり、一方、冷却セクション２８は、その外壁にペルチェ要素を備えている管状セクションである。

動作中に、少なくとも部分的に発泡したポリマーで作製された三次元物体を調製するための方法が実行され、これは以下のステップ：
ｉ）ポリマーを供給セクション１６に供給するステップと、
ｉｉ）供給セクション１６ですでに溶融するのを回避するように、冷却セクション１８でポリマーを冷却するステップと、
ｉｉｉ）ポリマー溶融物が得られるように、加熱セクション２０でポリマーを溶融するステップと、
ｉｖ）加圧されたポリマー溶融物が得られるように、加圧セクション２２においてポリマー溶融物を加圧するステップと、
ｖ）膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、混合セクション２４の上流部分において加圧されたポリマー溶融物にガス供給ライン２６を介して少なくとも１つの発泡剤を投与するステップと、
ｖｉ）均質化された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、混合セクション２４に設けられたミキサーを通過させることにより、膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を均質化するステップと、
ｖｉｉ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物が得られるように、冷却セクション２８において均質化された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を冷却するステップと、
ｖｉｉｉ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物を、印刷装置１０の印刷ヘッドセクション３０の金型３２を通して押し出すことによって、成形、堆積、および発泡させるステップ、とを含む。

続いて、本発明は、非限定的な実施例によってさらに説明される。

３Ｄプリンターのホットエンド（印刷ヘッド）は、発泡剤を溶融ポリマーに直接可溶化するために、本特許出願の請求項１に従って構築された。溶融セクションの内径は１．７ｍｍであった。発泡剤は、ＨＰＬＣポンプによって発泡剤供給ラインにポンプ輸送された。溶融ポリマーと発泡剤の混合物を静的ミキサー（ＳＭＸ ＤＮ３の４つの要素）に通し、そこで発泡剤をポリマーと均質化させた。最後に、含浸された溶融物は、標準の０．４ｍｍ印刷ノズルを通過した。溶融セクションと発泡剤の注入は、電気的に加熱されたアルミニウムブロックによって加熱され、一方、静的ミキサーは、加熱カートリッジなしでアルミニウムブロックによって冷却された（環境への熱放散）。両方の加熱ブロックを同じ温度に加熱した。

印刷条件は以下の通りである。
フィラメント：３Ｄ－Ｐｒｉｎｔｅｒｓｔｏｒｅ．ｃｈ製のＰｒｏ Ｆｉｌｌ ＰＥＴ
印刷温度：２０５℃
押し出し速度：１５ｍｍ／分（発泡剤ありの場合０．６倍）
発泡剤：アセトン（０．００５ｍｌ／分）
発泡剤含有量（１７％ｗ／ｗ）

図２は、ＰＥＴの正方形の単層を示している。印刷は外側から内側へと進行した。つまり、ストランドの外側のラウンドが最初に配置された。第３のラウンド中に、発泡剤の流れが開始され、押し出し速度が４０％低下した。最初の２ラウンドのストランドは透明でクリアであったが、次のストランドには、発泡剤によって引き起こされた気泡が明らかに含まれている。

実施された試験において、発泡プロセスは安定していた。ポリマーフィラメントは、サイズおよび／または流量の目に見える変化なしに、時間の関数として絶えず発泡した。

最終的な物体の寸法精度は、発泡プロセスによって視覚的に影響を受けなかった。密度の低下を補うために、発泡物体を印刷する間の流量を減少させた。

発泡物体の層間の良好な接着が観察され、発泡物体を手動で圧搾することによって確認することができた。

同じ印刷ノズルの動きで印刷された２つのＰＥＴキューブを図３に示した。左側のキューブは発泡剤を添加せずに印刷され、右側のコーンは１７％の発泡剤を用いて印刷され、フィラメントの押し出し速度は０．６倍低下した。発泡したキューブは、発泡剤なしで印刷されたキューブよりも３５％軽量であった。上記の単層のように、ストランド内の泡が見えた。

図４は、印刷ノズルを通して押し出されたストランドの拡大写真を示している。右側では、１５ｍｍ／分の押し出し速度で発泡剤を添加せずにＰＥＴフィラメントを押し出した。ストランドは透明で均質であり、気泡は見られなかった。左側では、ＰＥＴを９ｍｍ／分で押し出し、発泡剤としてアセトンを添加した。発泡剤のために、ストランドはここでは泡を含んでいた、すなわちそれは発泡した。

実施された試験において、発泡プロセスは安定していた。ポリマーフィラメントは、サイズおよび／または流量の目に見える変化なしに、時間の関数として絶えず発泡した。

最終的な物体の寸法精度は、発泡プロセスによって視覚的に影響を受けなかった。密度の低下を補うために、発泡物体を印刷する間の流量を減少させた。

発泡物体の層間の良好な接着が観察され、発泡物体を手動で圧搾することによって確認することができた。

１０ 印刷装置
１２ 印刷装置の上流端
１４ 印刷装置の下流端
１６ 供給セクション
１８ 冷却セクション
２０ 加熱セクション
２２ 加圧セクション
２４ 混合セクション
２６ 発泡剤供給ライン
２８ 冷却セクション
３０ 印刷ヘッドセクション
３２ 金型

Claims (14)

1. 少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための三次元印刷システムであって、
   ｉ）膨張可能なポリマー溶融物を調製し、膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーのストランドを表面に堆積させるための印刷装置（１０）と、
   ｉｉ）膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーの前記ストランドを所定の時間に三次元マトリックス内の正確な位置に堆積させるための三次元移動装置と
   を備え、
   前記印刷装置（１０）は、
   ａ）前記印刷装置の上流端（１２）の供給セクション（１６）と、
   ｂ）加熱セクション（２０）と、
   ｃ）加圧セクション（２２）と、
   ｄ）発泡剤供給ライン（２６）と、
   ｅ）混合セクション（２４）と、
   ｆ）冷却セクション（２８）と、
   ｇ）膨張可能な、膨張する、または膨張したポリマーの前記ストランドを前記表面に堆積させるための金型（３２）を含む前記印刷装置（１０）の下流端（１４）にある末端印刷ヘッドセクション（３０）と
   を備え、
   前記混合セクション（２４）および前記冷却セクション（２８）は、前記供給セクション（１６）、前記加熱セクション（２０）、および前記加圧セクション（２２）の下流に配置され、前記発泡剤供給ライン（２６）は、１つまたは複数の排出端を有し、前記排出端は、前記加圧セクション（２２）、前記混合セクション（２４）、および前記冷却セクション（２８）のうちの１つまたは複数に接続されており、
   前記冷却セクション（２８）は、管を含む管状セクションであり、ペルチェ素子、抵抗ヒーター、熱交換器または冷却フィンが前記管の外壁に設けられており、
   前記加圧セクション（２２）は、ピストン圧縮機、スクリュー圧縮機、またはギア圧縮機を含む、三次元印刷システム。
2. 少なくとも前記セクション（１６）、（２０）、（２４）、および（２８）は、同じ内径を有する管状セクションである、請求項１に記載の三次元印刷システム。
3. ｉ）前記供給セクション（１６）、前記加熱セクション（２０）、前記加圧セクション（２２）、前記混合セクション（２４）、前記冷却セクション（２８）、および前記印刷ヘッド（３０）は、前記印刷装置（１０）の前記上流端（１２）から前記下流端（１４）まで、この順序で配置されるか、または、
   ｉｉ）前記供給セクション（１６）、前記加熱セクション（２０）、前記加圧セクション（２２）、前記混合セクション（２４）、前記冷却セクション（２８）、および前記印刷ヘッド（３０）は、前記供給セクション（１６）、次に前記加圧セクション（２２）が続き、次に前記加熱セクション（２０）が続き、次に前記混合セクション（２４）が続き、次に前記冷却セクション（２８）が続き、次に前記印刷ヘッドセクション（３０）が続く順序で、前記上流端（１２）から前記下流端（１４）まで配置されるか、または、
   ｉｉｉ）前記供給セクション（１６）、前記加熱セクション（２０）、および前記加圧セクション（２２）は、１つのセクションに組み合わされ、次に前記混合セクション（２４）が続き、次に前記冷却セクション（２８）が続き、次に前記印刷ヘッドセクション（３０）が続く、請求項１または２に記載の三次元印刷システム。
4. 前記加熱セクション（２０）は管を含む管状セクションであり、ペルチェ素子、抵抗ヒーター、または熱交換器が前記管の外壁に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の三次元印刷システム。
5. 前記加圧セクション（２２）の壁は、加熱手段を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の三次元印刷システム。
6. 前記冷却セクション（２８）は、前記混合セクション（２４）の下流に配置され、前記発泡剤供給ライン（２６）は、前記混合セクション（２４）に接続されている１つの排出端を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の三次元印刷システム。
7. 前記冷却セクション（２８）は、前記混合セクション（２４）の上流に配置され、前記発泡剤供給ライン（２６）は、前記冷却セクション（２８）、または前記混合セクション（２４）に接続されている１つの排出端を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の三次元印刷システム。
8. 前記印刷ヘッドセクション（３０）は、先細の管状セクションであり、前記印刷ヘッドセクション（３０）の下流部分は、前記金型（３２）を形成するように先細になっている、請求項１～７のいずれか一項に記載の三次元印刷システム。
9. 少なくとも部分的に膨張したポリマーで作製された三次元物体を調製するための方法であって、前記方法は、請求項１～８のいずれか一項に記載の三次元印刷システムで実行される、方法。
10. 前記方法は、
    ａ）ポリマー溶融物が得られるように、ポリマーを溶融するステップと、
    ｂ）加圧されたポリマー溶融物が得られるように、前記ポリマー溶融物を加圧するステップと、
    ｃ）膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、少なくとも１つの発泡剤を前記加圧されたポリマー溶融物に投与するステップと、
    ｄ）均質化された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物が得られるように、少なくとも１つのミキサーを通過させることにより、前記膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を均質化するステップと、
    ｅ）冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物が得られるように、前記均質化された膨張可能な加圧されたポリマー溶融物を冷却するステップと、
    ｆ）前記冷却された均質化された膨張可能な加圧されたポリマー混合物を、前記印刷装置（１０）の前記金型（３２）を通して押し出すことにより、成形、堆積、および発泡させるステップと
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも１つの核剤が前記ポリマーに添加される、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記ポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリエステル、エチレンビニルアセテート共重合体、エチレンブチルアクリレート共重合体、ポリスチレン、ポリ乳酸、熱可塑性エラストマー、ニトリルゴム、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体、ポリクロロプレン、ポリイミド、塩化ポリビニル、および前述のポリマーの２つ以上の任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記発泡剤は、物理的発泡剤である、請求項９～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ステップｃ）で得られた前記膨張可能な加圧されたポリマー溶融物は、６０～２７０℃の温度を有し、２～５０ＭＰａに加圧される、請求項９～１３のいずれか一項に記載の方法。

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