JP7340099B2 - 3dプリントのための光学活性造形材料 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、2019年10月1日出願の米国仮特許出願第62/909,044号に対する特許協力条約の第8条に従う優先権を主張する。
本発明は、三次元造形材料に関し、特に、光硬化中にスペクトル変化を示す三次元物品をプリントするための重合性液体に関する。
3Dプリンタは、インクとしても知られる造形材料を用いて、コンピュータ生成ファイルに従って様々な3D物体、物品、または部品を形成する。いくつかの例では、造形材料は、周囲温度で固体であり、高い噴射温度で液体に変わる。他の例では、造形材料は、周囲温度で液体である。
造形材料は、様々な化学種を含むことができる。造形材料に含まれる化学種は、プリント物品の所望の化学的および/または機械的特性、プリント物品の設計上の特徴、および3Dプリント装置の動作パラメータを含むがこれらに限定されない、様々な考慮事項に従って選択することができる。
染料および顔料はしばしば、光反応性プロジェクタおよびレーザベースの3Dプリント可能配合物に含まれ、それらは2つの目的を果たす。染料および顔料は、最終3Dプリント物体の色および不透明性を提供し、プリントプロセス中の光浸透深さを制限するように機能する。光浸透深さのこの制御は、各3Dプリント層の形成中の重合の厚さを制御する。穴およびスロットならびに縮れた平面のような小さな負の特徴および正の特徴を解像できることは、光浸透深さの厳密な制御に依存する。追加の層が結像されると、迷光がその部品に入り、負の特徴および外面に運ばれ、そこで材料をさらに重合させることができ、小さい負の特徴を解像する問題および全体的な寸法精度に関する問題が生じる。光浸透深さの厳密な制御は、光の方向に垂直な表面のプリント表面品質および精度を大幅に改善する。
プリントされた部品は、未硬化樹脂でコーティングされてプリンタから出る。残存する未硬化樹脂を部品から洗浄し、乾燥させる。この段階における部品は、「グリーン(green)」硬化されたと見なされる。光反応性材料は、液体から軟質固体に変換するのに充分な光に曝露されているが、重合プロセスを完了し、完全な機械的強度および他の材料特性を得るために、追加の光反応が必要である。この追加の光反応は、「グリーン」硬化部品を追加の硬化光チャンバ内に置き、重合プロセスを完了するのに充分な時間、温度、および正しい光スペクトルを有する光強度を提供することによって、完了する。
特に、プリント中に光浸透深さを制御するために配合物中で使用されるほとんどの染料または顔料によって、追加の硬化プロセス中に光が部品に深く浸透することが抑制される。プリント後硬化光が部品に深く浸透できない場合、表面が完全に硬化しても部品のコアはほとんどグリーンのままである。これによって、得られる物品のいくつかの異なる故障モードが作り出される可能性がある。
これらの欠点を考慮して、いくつかの実施形態では、造形サイクルの過程にわたってプリント部品のスペクトル特性を変更するように動作可能な染料成分を含む、3Dプリント用途のための造形材料が本明細書で説明される。いくつかの実施形態では、例えば、染料成分は、物品プリント中に所望の光浸透深さを提供し、最終的な光硬化プロセス中に充分な光学的透明度を提供することができる。重合性液体は、いくつかの実施形態では、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;光開始剤成分;および染料成分を含み、染料成分は、重合性液体の光硬化中に退色して、T/T≧0.75を満たす物品を提供し、ここで、TおよびTは、それぞれ物品および無染色対照物品について400~500nmからの最大透過率値である。いくつかの実施形態では、T/T≧0.8である。
別の態様では、重合性液体は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;光開始剤成分;および式Iの染料を含む染料成分を含み
Figure 0007340099000001
式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される。
別の態様では、三次元物品をプリントする方法が本明細書に記載される。この方法は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはそれらの混合物;光開始剤成分;および染料成分、を含む重合性液体を提供する工程を含む。重合性液体は光硬化されて、関係T/T≧0.75を満たす物品を形成し、ここで、TおよびTは、それぞれ物品および無染色対照物品について400~500nm下の最大透過率値である。
別の態様において、三次元物品をプリントする方法は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;光開始剤成分;および染料成分、を含む重合性液体を提供する工程を含む。重合性液体は光硬化されて物品を形成し、染料成分は式Iの染料を含む:
Figure 0007340099000002
式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される。
本明細書に記載の方法のいくつかの実施形態では、物品は、層ごとのプロセスによって形成され、層の形成は、重合性液体の層の堆積および照射によって行われる。
これらのおよび他の実施形態は、以下の詳細な説明においてさらに説明される。
本明細書に記載の実施形態に従った、比T/Tを決定するための装置のバイアルの断面図 使用できるPhoseon LEDライトヘッドについての様々なスペクトルを示す図
本明細書に記載の実施形態は、以下の詳細な説明および実施例を参照することによってより容易に理解することができる。しかしながら、本明細書に説明される要素、装置、および方法は、詳細な説明および実施例に提示される特定の実施形態に限定されない。これらの実施形態は、本発明の原理の単なる例示であることを認識されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの修正および適合が当業者には容易に明らかであろう。
さらに、本明細書に開示される全ての範囲は、その中に包含される任意のおよび全ての部分的範囲を包含すると理解されるべきである。例えば、「1.0~10.0」の規定された範囲は、1.0以上の最小値で始まり、10.0以下の最大値で終わる任意のおよび全ての部分的範囲、例えば、1.0~5.3、または4.7~10.0、または3.6~7.9を含むと見なされるべきである。
本明細書に開示される全ての範囲はまた、他に特に明記しない限り、範囲の終点を含むと見なされるべきである。例えば、「5~10の間」の範囲は、概して、端点5および10を含むと見なされるべきである。
さらに、語句「最大で」が量または数量に関連して使用される場合、その量は少なくとも検出可能な量または数量であることを理解されたい。例えば、「最大で」特定量の量で存在する物質は、検出可能な量から最大で特定量および特定量を含む量で存在することができる。
「3次元プリントシステム」、「3次元プリンタ」、「プリント」などの用語は、概して、選択的堆積、噴射、溶融堆積モデリング、マルチジェットモデリング、および、造形材料またはインクを使用して三次元物体を製作する当該技術で現在知られているかまたは将来知られ得る他の付加製造技術によって、3次元物品または物体を作製するための様々な固体自由形状製造技術を記載する。
一態様では、3Dプリント用途で使用するための重合性液体が本明細書に記載される。重合性液体は、例えば、ステレオリソグラフィ(SLA)、デジタルライトプロセッシング(DLP)、およびマルチジェットプリント(MJP)に基づくものなど、様々な異なる3Dプリンタで用いることができる。重合性液体は、いくつかの実施形態では、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;光開始剤成分;および染料成分を含み、染料成分は、重合性液体の光硬化中に退色して、T/T≧0.75を満たす物品を提供し、ここで、TおよびTは、それぞれ物品および無染色対照物品について400~500nmからの最大透過率値である。いくつかの実施形態では、T/T≧0.8またはT/T≧0.9である。
別の態様では、重合性液体は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;光開始剤成分;および式Iの染料を含む染料成分を含み
Figure 0007340099000003
式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される。
本明細書に記載されるように、重合性液体は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のモノマーおよび/またはオリゴマー硬化性材料は、約300nm~約400nmまたは約320nm~約380nmの範囲の波長で光重合性または光硬化性である。あるいは、他の例では、モノマーおよび/またはオリゴマー硬化性材料は、電磁スペクトルの可視波長で光重合性である。いくつかの実施形態では、光硬化を開始するために光開始剤が使用される。
したがって、重合反応は、場合によっては、エチレン性不飽和点を含む、例えば不飽和点の間のフリーラジカル重合反応を含む。他の重合反応を使用することもできる。当業者によって理解されるように、本明細書に記載の硬化性材料を重合または硬化させるために使用される重合反応は、互いに反応して1つまたは複数の共有結合を形成することができる1つまたは複数の官能基または部分を有する複数の「モノマー」または化学種の反応を含むことができる。
本明細書に記載される光硬化性材料の重合性部分の1つの非限定的な例は、ビニル部分、アリル部分、または(メタ)アクリレート部分などのエチレン性不飽和部分であり、ここで、「(メタ)アクリレート」という用語は、アクリレートまたはメタクリレートあるいはそれらの混合物または組合せを含む。
さらに、本明細書に記載のモノマー光硬化性材料および/またはオリゴマー光硬化性材料は、単官能性、二官能性、三官能性、四官能性、五官能性、またはより高官能性の硬化性種を含むことができる。「単官能性」硬化性種は、本明細書における参照目的のために、1つの硬化性または重合性部分を含む化学種を含む。同様に、「二官能性」硬化性種は、2つの硬化性または重合性部分を含む化学種を含む;「三官能性」硬化性種は、3つの硬化性または重合性部分を含む化学種を含む;「四官能性」硬化性種は、4つの硬化性または重合性部分を含む化学種を含む;また、「五官能性」硬化性種は、5つの硬化性または重合性部分を含む化学種を含む。したがって、いくつかの実施形態では、単官能性硬化性材料はモノ(メタ)アクリレートを含み、二官能性硬化性材料はジ(メタ)アクリレートを含み、三官能性硬化性材料はトリ(メタ)アクリレートを含み、四官能性硬化性材料はテトラ(メタ)アクリレートを含み、五官能性硬化性材料はペンタ(メタ)アクリレートを含む。他の単官能性、二官能性、三官能性、四官能性、および五官能性の硬化性材料も使用することができる。
本開示の目的と矛盾しない任意のモノマー光硬化性材料またはモノマー光硬化性材料の組合せを使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の重合性液体のモノマー光硬化性材料は、アクリレートおよび/または(メタ)アクリレートの1つまたは複数の種、例えば1つまたは複数の単官能性、二官能性、三官能性、四官能性アクリレートまたは(メタ)アクリレート、および/または五官能性(メタ)アクリレートを含む。いくつかの実施形態では、例えば、モノマー光硬化性材料は、以下を含む:メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n-プロピル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、n-ヘキシル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、n-オクチル(メタ)アクリレート、n-デシル(メタ)アクリレート、n-ドデシル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-または3-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2-メトキシエチル(メタ)アクリレート、2-エトキシエチル(メタ)アクリレート、2-または3-エトキシプロピル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、アクリロイルモルホリン、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、2-(2-エトキシエトキシ)エチルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、2-フェノキシエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、イソデシルアクリレート、2-フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ラウリルメタクリレート、またはこれらの組合せ。いくつかの実施形態では、モノマー光硬化性材料は、アリルアクリレート、アリルメタクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、およびシクロヘキサンジメタノールジアクリレートのうちの1つまたは複数を含む。さらに、場合によっては、モノマー光硬化性材料は、以下を含む:1,3-または1,4-ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6-ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、トリプロピレングリコール、1,4-ジヒドロキシメチルシクロヘキサン、2,2-ビス(4-ヒドロキシシクロヘキシル)プロパンまたはビス(4-ヒドロキシシクロヘキシル)メタン、ヒドロキノン、4,4’-ジヒドロキシビフェニル、ビスフェノールA、ビスフェノールF、またはビスフェノールSを含む、脂肪族、脂環式または芳香族ジオールのジアクリレートおよび/またはジメタクリレートエステル。本明細書に記載されるモノマー光硬化性材料はまた、1,1-トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールモノヒドロキシトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールモノヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、および/またはビス(トリメチロールプロパン)テトラ(メタ)アクリレートを含んでもよい。さらに、場合によっては、モノマー光硬化性材料は、以下を含み得る:エトキシル化またはプロポキシル化ネオペンチルグリコール、エトキシル化またはプロポキシル化ビスフェノールA、エトキシル化またはプロポキシル化ビスフェノールF、エトキシル化またはプロポキシル化ビスフェノールS、エトキシル化またはプロポキシル化1,1,1-トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、またはエトキシル化またはプロポキシル化グリセロールトリ(メタ)アクリレートなどのエトキシル化またはプロポキシル化種。いくつかの場合において、モノマー光硬化性材料は、脂環式エポキシ、N-ビニルピロリドン、またはイソシアヌレートポリアクリレートを含む。いくつかの実施形態では、イソシアヌレートポリアクリレートは、式Iのものである:
Figure 0007340099000004
式中、R-Rは独立して水素およびアルキルからなる群から選択され、m、nおよびpは独立して1~10の範囲の整数である。
いくつかの実施形態では、イソシアヌレートポリアクリレートは、重合性液体の総重量に基づいて、少なくとも20質量パーセントまたは少なくとも30質量パーセントの量で存在する。イソシアヌレートポリアクリレートはまた、重合性液体の総重量に基づいて、30~60質量パーセントの量で存在することができる。
本明細書に記載されるいくつかの実施形態において有用な市販のモノマー光硬化性材料の追加の非限定的な例としては、以下が挙げられる:SARTOMERからSR 506の商品名で市販されているイソボルニルアクリレート(IBOA);SARTOMERからSR 432Aの商品名で市販されているイソボルニルメタクリレート;SARTOMERからSR 272の商品名で市販されているトリエチレングリコールジアクリレート;SARTOMERからSR 205の商品名で市販されているトリエチレングリコールジメタクリレート;SARTOMERからSR 833Sの商品名で市販されているトリシクロデカンジメタノールジアクリレート;SARTOMERからSR 368の商品名で市販されているトリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリアクリレート;SARTOMERからSR 339の商品名で市販されている2-フェノキシエチルアクリレート;SARTOMERからSR 349の商品名で市販されているエトキシ化(3モル)ビスフェノールAジアクリレート;RAHN USA社からGENOMER 1120の商品名で市販されている環状単官能性アクリレート;およびSARTOMERからSR 399 LVの商品名で市販されているジペンタエリスリトールペンタアクリレート。他の市販のモノマー光硬化性材料を使用することもできる。
いくつかの実施形態では、モノマー光硬化性材料は、2つ以上の不飽和置換基を含む複素環を含む。置換複素環は、例えば、3つの不飽和置換基を含むことができる。複素環は、いくつかの実施形態において、ポリアリル化されてもよい。ポリアリル化される場合、複素環は、2つ以上のアリル置換基を含む。例えば、ポリアリル化複素環は、ポリアリルイソシアヌレートを含むことができる。あるいは、2つ以上の不飽和置換基を含む複素環は、式IIのものであり得る:
Figure 0007340099000005
式中、R-Rは独立して水素およびアルキルからなる群から選択され、m、nおよびpは独立して1~10の範囲の整数である。
式IIの複素環を含む2つ以上の不飽和置換基を含む複素環は、重合性液体中に、本明細書に記載の目的と矛盾しない任意の量で存在することができる。いくつかの実施形態では、複素環は、重合性液体の総重量に基づいて、5~30質量パーセントの量で存在する。
いくつかの実施形態では、イソシアヌレートポリアクリレート対2つ以上の不飽和置換基を含む複素環の比は、1:4~4:1または1:3~3:1である。イソシアヌレートポリアクリレート対2つ以上の不飽和置換基を含む複素環の比は、例えば、約1:1であり得る。
モノマー光硬化性材料は、いくつかの実施形態では、脂肪族ジアクリレート、脂肪族ジメタクリレート、シクロアルキルジアクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、およびこれらの混合物からなる群から選択される。
モノマー光硬化性材料は、本明細書に記載の目的と矛盾しない任意の量で重合性液体中に存在することができる。いくつかの実施形態では、モノマー光硬化性材料は、重合性液体の総重量に基づいて、10~90質量パーセントの量で存在する。モノマー光硬化性材料はまた、重合性液体の総重量に基づいて、20~80質量パーセントまたは30~60質量パーセントの量で存在してもよい。
本明細書に記載の重合性液体は、オリゴマー光硬化性材料を含むことができる。オリゴマー光硬化性材料は、モノマー光硬化性材料との混合物中に存在し得るか、またはモノマー光硬化性材料の不存在下で存在し得る。概して、本開示の目的と矛盾しない任意のオリゴマー光硬化性材料を、本明細書に記載の重合性液体中で使用することができる。いくつかの実施形態では、オリゴマー光硬化性材料は、以下を含む:1,3-または1,4-ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6-ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、トリプロピレングリコール、エトキシル化またはプロポキシル化ネオペンチルグリコール、1,4-ジヒドロキシメチルシクロヘキサン、2,2-ビス(4-ヒドロキシシクロヘキシルプロパンまたはビス(4-ヒドロキシシクロヘキシル)メタン、ヒドロキノン、4,4’-ジヒドロキシビフェニル、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、エトキシル化またはプロポキシル化ビスフェノールA、エトキシル化またはプロポキシル化ビスフェノールFまたはエトキシル化またはプロポキシル化ビスフェノールS、
1,1,1-トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、またはエトキシル化またはプロポキシル化グリセロールトリ(メタ)アクリレートを含む、脂肪族、脂環式または芳香族ジオールのエステルのジアクリレートおよび/またはジメタクリレート。オリゴマー材料はまた、脂環式エポキシを含んでもよい。
オリゴマー光硬化性材料は、ウレタンジアクリレート、ウレタンジメタクリレート、脂肪族ウレタンジアクリレート、脂肪族ウレタンジメタクリレート、ポリエステルジアクリレート、ポリエステルジメタクリレート、またはそれらの混合物を含んでもよい。いくつかの非限定的な市販のオリゴマー材料としては、以下が挙げられる:SARTOMERからSR 611の商品名で市販されているアルコキシル化テトラヒドロフルフリルアクリレート;DYMAXからBOMAR BR-952の商品名で市販されている多官能性アクリレートオリゴマー;DYMAX社からBR-371Sの商品名で市販されている脂肪族ポリエーテルウレタンアクリレート;SARTOMERからのCN1964;RAHN USAからのGenomer 4247または1122、および/またはALLNEXからのEBECRYL(登録商標)の商品表示のオリゴマー材料、例えばEBECRYL(登録商標)5781、5850、7320、8402および/または4859。
オリゴマー光硬化性材料は、本明細書に記載の目的と矛盾しない任意の量で重合性液体中に存在することができる。いくつかの実施形態では、例えば、オリゴマー光硬化性材料は、重合性液体の総重量に基づいて、10~70質量パーセントまたは20~60質量パーセントの量で存在する。いくつかの実施形態では、オリゴマー光硬化性材料は、重合性液体の総重量に基づいて、0~70質量パーセントの量で存在する。
本明細書に記載される重合性液体はまた、液体の重合または硬化を開始するための光開始剤成分を含む。本開示の目的と矛盾しない任意の光開始剤を使用することができる。いくつかの実施形態では、光開始剤は、好ましくは約250nm~約420nmまたは約300nm~約385nmの光を吸収してフリーラジカルを生成するように動作可能な、アルファ開裂(単分子分解プロセス)光開始剤または水素抽出光増感剤-第3アミン相乗剤を含む。
アルファ開裂光開始剤の例は、Irgacure 184(CAS 947-19-3)、Irgacure 369(CAS 119313-12-1)、およびOmnirad(Irgacure)819(CAS162881-26-7)である。光増感剤-アミンの組合せの例は、ジエチルアミノエチルメタクリレートを有するDarocur BP(CAS 119-61-9)である。
さらに、いくつかの例では、適切な光開始剤は、以下を含む:ベンゾイン、ベンゾインエーテル、例えば、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテルおよびベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインフェニルエーテルおよびベンゾインアセタートを含む、ベンゾイン類、2,2-ジメトキシアセトフェノンおよび1,1-ジクロロアセトフェノンを含むアセトフェノン類、ベンジル、ベンジルジメチルケタールおよびベンジルジエチルケタールなどのベンジルケタール類、2-メチルアントラキノン、2-エチルアントラキノン、2-tert-ブチルアントラキノン、1-クロロアントラキノンおよび2-アミルアントラキノンを含む、アントラキノン類、トリフェニルホスフィン、ベンゾイルホスフィンオキシド類、例えば2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド(ルシリンTPO)、ベンゾフェノンおよび4,4’-ビス(N,N’-ジメチルアミノ)ベンゾフェノンなどのベンゾフェノン類、チオキサントンおよびキサントン、アクリジン誘導体、フェナジン誘導体、キノキサリン誘導体または1-フェニル-1,2-プロパンジオン、2-O-ベンゾイルオキシム、1-アミノフェニルケトン類または1-ヒドロキシフェニルケトン類、例えば1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、フェニル1-ヒドロキシイソプロピルケトンおよび4-イソプロピルフェニル1-ヒドロキシイソプロピルケトン。
適切な光開始剤はまた、アセトフェノン類、2,2-ジアルコキシベンゾフェノン類および1-ヒドロキシフェニルケトン類、例えば1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンまたは2-ヒドロキシイソプロピルフェニルケトン(=2-ヒドロキシ-2,2-ジメチルアセトフェノン)を含む、HeCdレーザー放射線源と共に使用するために動作可能なものを含んでもよい。さらに、いくつかの場合において、好適な光開始剤は、ベンジルジメチルケタールなどのベンジルケタール類を含む、Arレーザー放射線源と共に使用するために動作可能なものを含む。いくつかの実施形態では、光開始剤は、α-ヒドロキシフェニルケトン、ベンジルジメチルケタールまたは2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシドまたはそれらの混合物を含む。
好適な光開始剤の別のクラスは、いくつかの例では、化学線を吸収し、重合開始のためのフリーラジカルを生成することができる、イオン染料-対イオン化合物を含む。いくつかの実施形態では、イオン染料-対イオン化合物を含有する重合性液体は、約400nm~約700nmの調節可能な波長範囲内で可視光に曝露されると重合することができる。イオン染料-対イオン化合物およびそれらの動作モードは、欧州特許出願公開第0223587号明細書および米国特許第4,751,102号明細書;同第4,772,530号明細書;および同第4,772,541号明細書に開示される。
光開始剤は、本明細書に記載の重合性液体中に、本開示の目的と矛盾しない任意の量で存在することができる。いくつかの実施形態では、光開始剤は、重合性液体の総重量に基づいて、約5質量%までの量で存在する。いくつかの場合において、光開始剤は、約0.1質量%~約5質量%の範囲の量で存在する。
さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の重合性液体は、1つまたは複数の増感剤をさらに含むことができる。増感剤は、同様に存在し得る1つまたは複数の光開始剤の有効性を増加させるために添加され得る。本開示の目的と矛盾しない任意の増感剤を使用することができる。いくつかの場合において、増感剤は、イソプロピルチオキサントン(ITX)または2-クロロチオキサントン(CTX)を含む。
増感剤は、本開示の目的と矛盾しない任意の量で重合性液体中に存在することができる。いくつかの実施形態では、増感剤は、重合性液体の総重量に基づいて、約0.1質量%~約2質量%または約0.5質量%~約1質量%の範囲の量で存在する。
本明細書に記載されるように、重合性液体は染料成分を含む。いくつかの実施形態では、染料成分は、重合性液体の光硬化中に退色して、T/T≧0.75の関係を満たす物品を提供し、ここで、TおよびTは、それぞれ物品および無染色対照物品について400~500nmからの最大透過率値である。いくつかの実施形態では、T/T≧0.8またはT/T≧0.9である。
いくつかの実施形態では、染料成分は、本明細書に記載の物品のプリント中の光浸透深さの所望の制御を提供する。そのような制御によって、光の方向に垂直な表面についてのプリント表面品質および精度を著しく改良しながら、微細な穴、スロット、および微細な特徴を解像することが可能になる。
特に、いくつかの実施形態では、染料成分は、プリントされたグリーン硬化部品が追加の光硬化チャンバ内に置かれて重合プロセスを完了するときに著しく退色する。染料成分の退色は、プリント物品の断面厚さ全体にわたって重合が完了したことを裏付ける。このようにして、物品の所望の機械的および/または化学的特性が達成される。さらに、光硬化後物品は、本明細書に開示されるT/T値によって特徴付けられるような染料色を含まないかまたは実質的に含まなくてもよい。
いくつかの実施形態では、染料成分は式Iの染料を含む:
Figure 0007340099000006
式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される。
いくつかの実施形態では、例えば、染料成分は、以下の種の1つまたは複数を含む:
Figure 0007340099000007
本明細書に記載されるジケト染料構造は、エノール/ケトの形態をとり得ることが本明細書において企図される:
Figure 0007340099000008
式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される。
いくつかの実施形態では、染料成分は、以下の式II:
Figure 0007340099000009
式中、R10-R19は、独立して、水素、アルキル、および-OR20からなる群から選択され、R20は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される;および/または式III:
Figure 0007340099000010
式中、R21-R25は、独立して、水素、アルキル、および-OR27からなる群から選択され、R27は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリール、およびアリール-アルキルからなる群から選択され、R26は、アルキルおよび-OR28からなる群から選択され、R28は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリール、およびアリール-アルキルからなる群から選択される;および/または式IV:
Figure 0007340099000011
式中、R29-R38は、独立して、水素、アルキル、および-OR39からなる群から選択され、R39は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリール、およびアリールアルキルからなる群から選択される、
の種の1つまたは複数を含む。
さらに、いくつかの実施形態では、染料成分は、1つまたは複数のアゾ染料を含むことができる。例えば、染料成分は、ソルベントイエロー(Solvent Yellow)56などの1つまたは複数のソルベントイエロー染料を含むことができる。
本明細書に記載されるように、染料成分は、重合性液体の光硬化中に退色して、T/T≧0.75の関係を満たす物品を提供することができ、ここで、TおよびTは、それぞれ物品および無染色対照物品について400~500nmからの最大透過率値である。本明細書に記載されるT/T値を満たすための染料成分の退色は、以下のプロトコルに従って決定される。RAA4直角コサインアダプタ集光ヘッドおよび光ファイバケーブルを備えたInternational Light Technologies ILTの分光放射計。集光ヘッドは、図1に示すように、2つの3次元プリント部品内に配置される。集光熱は、目的の光硬化重合性液体からなる特定の厚さの平坦な窓(10)と同一平面上にある。2つの部品(11、12)は、4つの機械ネジ(13)によって共に保持される。集光ヘッドおよび試験サンプルアセンブリは、位置および配向を制御するために固定具に取り付けられる。
アセンブリは、所定のスペクトルを有する光チャンバ内にまたは光源の下に配置される。試料の光透過率の測定には、色素成分の吸収極大に対応するピーク波長が400~500nmのLED光源を用いる。本明細書に記載されるように、T値は、色素成分を含有する試料について指定され、T値は、色素成分を含まない同じ材料配合物について指定される。試料についての最大透過率値は、試料を通過するLED光源のピーク波長における光の最大放射照度である。試料は、同じ規定された厚さのものである。図2は、使用することができるPhoseon LEDライトヘッドについての様々なスペクトルを示す。
あるいは、UV後硬化チャンバ内の後硬化深さ制御のために試料の光透過率を測定するために、対象の光スペクトルは、UV後硬化チャンバ内で使用される光源のスペクトルである。UV後硬化チャンバの広域スペクトル光源を用いるこの技術では、最大透過率値は、規定された厚さの試料を通過する400~500nmの光の最大放射照度である。本明細書に記載されるように、T値は、色素成分を含有する試料について指定され、T値は、色素成分を含まない同じ材料配合物について指定される。次いで、比T/Tが測定され、プリント中に存続し硬化深さの制御に役立つように設計されているが、後硬化中に退色して後硬化中に最大の光浸透深さを可能にするように設計されている、UV吸収染料を含有する試料の透過率を特定することができる。
いくつかの実施形態では、式I~IVに該当する1つまたは複数の染料は、完成した光硬化物品のT/T制限を満たす。さらに、本明細書に記載の重合性液体は、完成した光硬化物品のT/T制限にかかわらず、1つまたは複数の染料を含む染料成分を含むことができる。いくつかの実施形態では、染料成分は、完成した光硬化物品のT/T制限にかかわらず、式I~IVに該当する任意の染料を含むことができる。
染料成分は、本明細書に記載の目的に合致する任意の量で重合性液体中に存在することができる。染料成分の量は、物品の設計パラメータおよび/またはモノマーおよび/またはオリゴマー光硬化性材料の組成同一性を含むがこれに限定されない、いくつかの考慮事項に従って選択することができる。概して、染料成分は、重合性液体の総重量に基づいて、0.5質量パーセント未満の量で存在する。いくつかの実施形態では、例えば、染料成分は、重合性液体の総重量に基づいて、0.005~0.02質量パーセントの量で存在する。
別の態様では、三次元物品をプリントする方法が本明細書に記載される。方法は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはそれらの混合物;光開始剤成分;および染料成分、を含む重合性液体を提供する工程を含む。重合性液体は光硬化されて、関係T/T≧0.75を満たす物品を形成し、ここで、TおよびTは、それぞれ物品および無染色対照物品について400~500nm下の最大透過率値である。
別の態様において、三次元物品をプリントする方法は、モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;光開始剤成分;および染料成分、を含む重合性液体を提供する工程を含む。重合性液体は光硬化されて物品を形成し、染料成分は式Iの染料を含む:
Figure 0007340099000012
式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される。いくつかの実施形態では、染料成分は、式II~IVの1つに該当する染料を含む。
本明細書に記載される方法で使用される重合性液体の成分は、本明細書に上述される任意の組成および/または特性を含むことができる。さらに、成分は、重合性液体中に本明細書に記載される任意の量で存在することができる。
重合性液体を光で硬化させて物品を形成する。光硬化プロセスは、1つまたは複数の工程を含むことができる。いくつかの実施形態では、重合性液体は、最初に、液体を軟質固体に転換するのに必要な充分量の光に曝露される。軟質固体は、物品の未硬化状態である。重合プロセスを完了し、物品の完全な機械的強度を得て、他の材料特性を達成するためには、追加の光反応が必要である。この追加の光反応は、未硬化物品を光チャンバ内に置き、重合プロセスを完了するのに充分な時間、温度および光強度を正しい波長で提供することによって完了することができる。本明細書で用いた場合、用語「光硬化後」は、完全な光開始重合プロセスの完了後の物品の状態を指す。したがって、光硬化後物品は、熱硬化などのさらなる非光誘起重合プロセスを受けていない。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の方法に従って形成された物品は、少なくとも100℃の光硬化後熱変形温度を有することができる。いくつかの実施形態では、物品は、少なくとも200℃または少なくとも250℃の光硬化後熱変形温度を有する。物品は、いくつかの実施形態では、表Iから選択される光硬化後熱変形温度を有することができる。
Figure 0007340099000013
光硬化後物品に対応して、本明細書に記載される熱たわみ値は、熱硬化などの1つまたは複数の追加の工程なしに達成される。したがって、本明細書に記載される熱たわみ値を有する物品は、光硬化のみによって製造することができ、それによって、熱硬化を含む追加の処理工程のコストおよび時間が節約される。本明細書に記載のプリント物品の熱変形温度は、1.82MPaの荷重でASTM D648に従って決定される。いくつかの実施形態では、熱変形値は、本明細書に記載の光硬化後物品のT/T値に加えられる。
高い熱変形温度に加えて、本明細書に記載の方法に従ってプリントされた物品は、高温で所望の貯蔵弾性率を有することができる。いくつかの実施形態では、物品は、200℃で少なくとも1500MPaの貯蔵弾性率を有する。さらに、物品は、250℃で1000MPa超の貯蔵弾性率を有することができる。
いくつかの実施形態では、物品は、層ごとのプロセスによって形成され、層の形成は、重合性液体の層の堆積および照射によって与えられる。
重合性液体の層は、三次元物品の形成中にコンピュータ可読フォーマットで3D物品の画像に従って堆積させることができる。重合性液体は、予め選択されたコンピュータ支援設計(CAD)パラメータに従って堆積させることができる。さらに、場合によって、本明細書に記載の重合性液体の1つまたは複数の層は、約10μm~約100μm、約10μm~約80μm、約10μm~約50μm、約20μm~約100μm、約20μm~約80μm、または約20μm~約40μmの厚さを有する。他の厚さも可能である。
さらに、本明細書に記載の3D物品をプリントする方法は、いわゆる「マルチジェット」または「ステレオリソグラフィ」3Dプリント方法を含んでもよいことを理解されたい。例えば、いくつかの例では、3D物品をプリントするマルチジェット方法は、3Dプリントシステムの造形パッドなどの基板上に、本明細書に記載の重合性液体の層を選択的に堆積させる工程を含む。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の方法はさらに、重合性液体の層のうちの少なくとも1つを支持材料で支持する工程を含む。本開示の目的と矛盾しない任意の支持材料を使用することができる。
ステレオリソグラフィを用いて、本明細書に記載の重合性液体から3D物品を形成することも可能である。例えば、場合によっては、3D物品をプリントする方法は、容器内に重合性液体を保持する工程、および、容器内の重合性液体に選択的にエネルギーを付与して重合性液体の少なくとも一部を固化させ、それによって3D物品の断面を画定する固化層を形成する工程を含む。さらに、本明細書に記載される方法はさらに、固化層を上昇または下降させて、重合性液体の新しいまたは第2の層を提供する工程、その後に、容器内の重合性液体にエネルギーを再び選択的に付与し、3D物品の第2の断面を画定する新しいまたは第2の重合性液体の少なくとも一部分を固化させる工程を含む。さらに、3D物品の第1および第2の断面は、重合性液体を固化させるためのエネルギーの付与によって、z方向(または上記の上昇または下降の方向に対応する造形方向)に互いに結合または接着することができる。さらに、容器内の重合性液体にエネルギーを選択的に付与する工程は、本明細書に記載の重合性材料の重合を開始するのに充分なエネルギーを有する電磁放射線、例えばUVおよび/または可視放射線を付与する工程を含むことができる。さらに、場合によっては、重合性液体の固化層を上昇または下降させる工程は、流体造形材料の容器内に配置されたエレベータプラットフォームを使用して行われる。本明細書に記載される方法はまた、エレベータプラットフォームを上昇または下降させることによって提供される重合性液体の新しい層を平坦化する工程を含むことができる。そのような平坦化は、場合によっては、ワイパまたはローラによって行うことができる。
別の態様では、プリントされた3D物品が本明細書に記載される。いくつかの実施形態では、プリントされた3D物品は、本明細書に記載の重合性液体のいずれかから形成される。本明細書に記載の重合性液体から形成される3D物品は、本明細書に記載されるT/T制限を満たすことができる。
これらの前述の実施形態は、以下の非限定的な実施例においてさらに説明される。
表2は、本明細書に記載の一実施形態による重合性液体の配合物を提供する。
Figure 0007340099000014
本明細書で言及される全ての特許文献は、参照によりその全体が組み込まれる。本発明の様々な目的の達成において、本発明の様々な実施形態を説明してきた。これらの実施形態は、本発明の原理の単なる例示であることを認識されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その多くの修正および適合が当業者には容易に明らかであろう。
他の実施形態
1. 重合性液体であって、
モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;
光開始剤成分;および
染料成分
を含み、
前記染料成分は、前記重合性液体の光硬化中に退色して、T /T ≧0.75の関係を満たす物品を提供し、ここで、T およびT は、それぞれ前記物品および無染色対照物品について400~500nmからの最大透過率値である
ことを特徴とする、重合性液体。
2. T /T ≧0.8であることを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
3. T /T ≧0.9であることを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
4. 前記染料成分が、式I:
Figure 0007340099000015
の染料を含み、
式中、R -R は、独立して、水素、アルキル、および-OR からなる群から選択され、R は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される
ことを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
5. 前記モノマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、10~90質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
6. 前記オリゴマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、10~70質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
7. 前記モノマー光硬化性材料が、脂肪族ジアクリレート、脂肪族ジメタクリレート、シクロアルキルジアクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
8. 前記モノマー光硬化性材料が、イソシアヌレートポリアシレートを含むことを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
9. 前記イソシアヌレートポリアクリレートが、前記重合性液体の総重量に基づいて、少なくとも20質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態8に記載の重合性液体。
10. 前記モノマー光硬化性成分がさらに、ポリアリル化複素環を含むことを特徴とする、実施形態8に記載の重合性液体。
11. 前記ポリアリル化複素環が、ポリアリルイソシアヌレートであることを特徴とする、実施形態10に記載の重合性液体。
12. 前記イソシアヌレートポリアクリレート対前記ポリアリルイソシアヌレートの比が1:4~4:1であることを特徴とする、実施形態11に記載の重合性液体。
13. 前記前記染料成分のピーク吸収が450nm未満であることを特徴とする、実施形態1に記載の重合性液体。
14. 重合性液体であって、
モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;
光開始剤成分;および
染料成分
を含み、
前記染料成分が、式I:
Figure 0007340099000016
の染料を含み、
式中、R -R は、独立して、水素、アルキル、および-OR からなる群から選択され、R は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される
ことを特徴とする、重合性液体。
15. 前記モノマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、10~90質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態14に記載の重合性液体。
16. 前記オリゴマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて0~70質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態14に記載の重合性液体。
17. 前記モノマー光硬化性材料が、脂肪族ジアクリレート、脂肪族ジメタクリレート、シクロアルキルジアクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、実施形態15に記載の重合性液体。
18. 前記モノマー光硬化性材料が、イソシアヌレートポリアシレートを含むことを特徴とする、実施形態14に記載の重合性液体。
19. 前記イソシアヌレートポリアクリレートが、前記重合性液体の総重量に基づいて、少なくとも20質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態18に記載の重合性液体。
20. 三次元物品をプリントする方法であって、
重合性液体を提供する工程;および
前記重合性液体を光硬化して前記物品を形成する工程
を含み、
前記重合性液体が、
モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;
光開始剤成分;および
染料成分
を含み、
前記物品が、T /T ≧0.75の関係を満たし、ここで、T およびT は、それぞれ前記物品および無染色対照物品について400~500nmからの最大透過率値である
ことを特徴とする、方法。
21. T /T ≧0.8であることを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
22. T /T ≧0.9であることを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
23. 前記染料成分のピーク吸収が、450nm未満であることを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
24.
前記染料成分が、式I:
Figure 0007340099000017
の染料を含み、
式中、R -R は、独立して、水素、アルキル、および-OR からなる群から選択され、R は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される
ことを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
25. 前記モノマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、10~90質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
26. 前記オリゴマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、0~70質量パーセントの量で存在することを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
27. 前記物品が、1.82MPaの荷重でASTM D648に従って少なくとも100℃の光硬化後熱変形温度を有することを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
28. 前記物品が、1.82MPaの荷重でASTM D648に従って少なくとも200℃の光硬化後熱変形温度を有することを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
29. 前記モノマー光硬化性材料が、脂肪族ジアクリレート、脂肪族ジメタクリレート、シクロアルキルジアクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、実施形態20に記載の方法。
30. 三次元物品をプリントする方法であって、
重合性液体を提供する工程;および
前記重合性液体を光硬化して前記物品を形成する工程
を含み、
前記重合性液体が、
モノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;
光開始剤成分;および
染料成分
を含み、
前記染料成分が、式I:
Figure 0007340099000018
の染料を含み、
式中、R -R は、独立して、水素、アルキル、および-OR からなる群から選択され、R は、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択される
ことを特徴とする、方法。

Claims (10)

  1. 重合性液体であって、
    1つまたは複数のモノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;
    光開始剤成分;および
    染料成分
    を含み、
    前記染料成分が、式I:
    Figure 0007340099000019
    の染料を含み、
    式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択され
    前記モノマー光硬化性材料が、イソシアヌレートポリアクリレートを含む
    ことを特徴とする、重合性液体。
  2. 前記モノマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、10~90質量パーセントの量で存在することを特徴とする、請求項1に記載の重合性液体。
  3. 前記オリゴマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて0~70質量パーセントの量で存在することを特徴とする、請求項1に記載の重合性液体。
  4. 前記モノマー光硬化性材料が、脂肪族ジアクリレート、脂肪族ジメタクリレート、シクロアルキルジアクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項2に記載の重合性液体。
  5. 前記イソシアヌレートポリアクリレートが、前記重合性液体の総重量に基づいて、少なくとも20質量パーセントの量で存在することを特徴とする、請求項に記載の重合性液体。
  6. 三次元物品をプリントする方法であって、
    重合性液体を提供する工程;および
    前記重合性液体を光硬化して前記物品を形成する工程
    を含み、
    前記重合性液体が、
    1つまたは複数のモノマー光硬化性材料、オリゴマー光硬化性材料、またはこれらの混合物;
    光開始剤成分;および
    染料成分
    を含み、
    前記染料成分が、式I:
    Figure 0007340099000020
    の染料を含み、
    式中、R-Rは、独立して、水素、アルキル、および-ORからなる群から選択され、Rは、水素、アルキル、アリール、アルキル-アリールおよびアリール-アルキルからなる群から選択され
    前記モノマー光硬化性材料が、イソシアヌレートポリアクリレートを含む
    ことを特徴とする、方法。
  7. 前記モノマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて、10~90質量パーセントの量で存在することを特徴とする、請求項に記載の方法。
  8. 前記オリゴマー光硬化性材料が、前記重合性液体の総重量に基づいて0~70質量パーセントの量で存在することを特徴とする、請求項に記載の方法。
  9. 前記モノマー光硬化性材料が、脂肪族ジアクリレート、脂肪族ジメタクリレート、シクロアルキルジアクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項に記載の方法。
  10. 前記イソシアヌレートポリアクリレートが、前記重合性液体の総重量に基づいて、少なくとも20質量パーセントの量で存在することを特徴とする、請求項に記載の方法。
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