JP7374950B2 - 導電性インクのインサイチュ焼結のための方法及びシステム - Google Patents
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Description
本発明のある実施形態によると、導電性インクは硬化性である。
本発明のある実施形態によると、本発明の方法は、導電性インクを分配するステップの前に、モデリング材料を部分的に硬化させるステップを含む。
本発明のある実施形態によると、本発明の方法は、モデリング材料を分配して導電性要素の上に層を形成するステップを含み、導電性要素の上に分配されたモデリング材料も焼結誘導剤を含む。
本発明のある実施形態によると、導電性インクは非硬化性である。
本発明のある実施形態の一態様によると、3次元物体の付加製造のための組成物が提供される。この組成物は、硬化性モデリング材料と、硬化性モデリング材料と混合された非硬化性焼結誘導剤とを含む。
本発明のある実施形態によると、焼結誘導組成物は、フリーラジカル重合性化合物、カチオン重合性化合物、及びアニオン重合性化合物からなる群から選択される化合物である焼結誘導剤を含む。
本発明のある実施形態によると、焼結誘導剤は塩である。
本発明のある実施形態によると、対アニオンは、ハロゲンアニオン、硫酸アニオン、過塩素酸アニオン、塩素酸アニオン、硝酸アニオン、カルボン酸アニオン、スルホン酸アニオン、リン酸アニオン、及びホスホン酸アニオンからなる群から選択される。
本発明のある実施形態によると、イオン性基は、アクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、オリゴマー、及び/又はポリマーを含む。
本発明のある実施形態によると、イオン性基は、ポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロリド)、カチオンに帯電したポリイミド、ポリエチレンイミン、及びポリピロールからなる群から選択される。
で表される。
本発明のある実施形態によると、R2~R4は、それぞれ独立して、メチル又はエチルである。
本発明のある実施形態によると、Ra及びRbはそれぞれ水素である。
本発明のある実施形態によると、焼結誘導組成物は焼結不活性材料をさらに含む。
本発明のある実施形態によると、焼結誘導剤は、アンモニウム置換アクリレート、トリメチルアンモニウムメチルメタクリレートクロリド、3-トリメチルアンモニウムプロピルメタクリルアミドクロリド、及びアンモニウム置換アクリルアミドからなる群から選択される。
単なる例として、添付の図面及び画像を参照しながら、本発明の一部の実施形態が本明細書に記載される。これより特に図面を参照するが、示される詳細は、例として、本発明の実施形態の説明的議論のためのものであることを強調しておく。これに関して、図面を伴う説明によって、本発明の実施形態を実施できる方法が当業者には明らかとなる。
各層は、2次元表面を走査し、それをパターン化する付加製造装置によって形成される。走査しながら、装置は、2次元層又は表面上の複数のターゲット位置に到達し、各ターゲット位置又は一連のターゲット位置に関して、そのターゲット位置又は一連のターゲット位置が、構成材料によって占有されるかどうか、及びどの種類の構成材料をそこへ供給すべきかを決定する。この決定は、表面のコンピュータ画像により行われる。
たとえば、a=1の場合、すべてのモデリングヘッド及び支持ヘッドが動作する場合には、支持材料の全体の分配速度は、モデリング材料の全体の分配速度と一般に同じである。
制御装置340は、製造装置114を制御し、場合により及び好適には供給システム330も制御する。制御装置340は、典型的には、制御操作を行うように構成された電子回路を含む。制御装置340は好適には、コンピュータ物体データに基づいた製造命令に関するデジタルデータを伝送するデータ処理装置154、たとえば、標準テッセレーション言語(STL)フォーマットなどの形態でコンピュータが読み取り可能な媒体上に示されるCAD構成と通信する。典型的には、制御装置340は、それぞれの分配ヘッド又はノズルアレイに印加される電圧、及びそれぞれの印刷ヘッド中の構成材料の温度を制御する。
本発明の種々の代表的な実施形態では、焼結誘導組成物又は焼結誘導剤は、イオン性部分を含む。これは、電荷交換反応によって、インク中の導電性粒子の静電安定性を低下させることができる。好適には、焼結誘導組成物又は焼結誘導剤は、場合により及び好適にはアクリルモノマー又は誘導体であるイオン性基と、対イオンとを含み、イオン性基は担体として機能し、対イオンは、分散剤分子と導電性粒子との分離又は結合抑制の機能を果たし、それによってそれらを凝固させることができる。
Xは、本明細書に記載のようにO又はNHであり;
Yは、1~20個の炭素原子の長さの置換又は非置換の炭化水素鎖であり;
R1は、本明細書に記載のようにH又はアルキル、好適にはCH3であり;
R2~R4は、それぞれ独立してアルキルであり;
Zは本明細書に記載のアニオンである)で表される。
ある実施形態では、Yは、1~10個の炭素原子の長さである。ある実施形態では、Yは1~4個の炭素原子の長さである。ある実施形態では、Yは2又は3個の炭素原子の長さ(たとえば、-CH2CH2-又は-CH2CH2CH2-)である。
ある実施形態では、R2~R4は、それぞれ独立して、メチル又はエチルである。ある実施形態では、R2~R4はそれぞれメチルである。
TMAEMC)、3-トリメチルアンモニウムプロピルメタクリルアミドクロリド(たとえば、ビジオマー MAPTAC 30)、及びアンモニウム置換アクリルアミド(たとえば、DMAPAAQ、たとえば、ラーン(Rahn)、RCX-14/705)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
フリーラジカル重合性化合物としては、(メタ)アクリル又はメタ(アクリル)アミドモノマー、(メタ)アクリル又は(メタ)アクリルアミドオリゴマー、(メタ)アクリル又は(メタ)アクリルアミドポリマー、及びそれらのあらゆる組合せを挙げることができる。代表的なそのような化合物は前述している。
焼結不活性材料の非限定的な例としては、一官能性又は多官能性(たとえば、二官能性、三官能性など)のアクリレート又はメタクリレート、たとえばアクリロイルモルホリン(ACMO)、アクリル酸ヒドロキシエチル(BASF)、ヒドロキシエチルアクリルアミド(ラーン)(HEAA)、ポリエチレングリコールジアクリレート(サートマー(Sartomer)、SR344)、エトキシル化トリメチロールプロパンアクリレート(サートマー、SR415)、ヒドロキシエチルアクリレート、ビスフェノールAエトキシル化ジメタクリレート(サートマー、SR9036)などが挙げられる。
光開始剤は、1種類の化合物、又は開始系を形成する2種類以上の化合物の組合せであってよい。適切なUVフリーラジカル開始剤の非限定的な例は、1-[4-(2-ヒドロキシエトキシ)-フェニル]-2-ヒドロキシ-2-メチル-1-プロパン-1-オンであり、これはイルガキュア(IGRACURE) I-2959の商品名でチバ・スペシャルティ・ケミカルズ(Ciba Specialty Chemicals)(スイス)より入手可能である。別のα-ヒドロキシケトン、たとえばダロキュア(Darocure) 1173、チバ(Ciba)のイルガキュア(Irgacure) 184、及びアシルホスフィン、たとえばダロキュア TPOも使用することができる。
モデリング材料が焼結誘導剤と混合される本発明の一実施形態による方法は、以下のようにまとめることができる:焼結誘導剤を含むモデリング材料が受容媒体の上に分配されて層が形成され、導電性インクがモデリング材料の層の上に分配されて導電性要素が形成される。
「代表的な」という単語は、「ある例、場合、又は実例として機能する」ことを意味するために本明細書において使用される。「代表的」として記載されるいずれの実施形態も、必ずしも別の実施形態に対して好ましい又は有利であると解釈されるものではなく、及び/又は別の実施形態の特徴を含むことが排除されるものではない。
「から本質的になる」という用語は、追加の成分、ステップ、及び/又は部分が請求される組成物、方法、又は構造の基本的で新規な特徴を実質的に変化させない場合にのみ、組成物、方法、又は構造が追加の成分、ステップ、及び/又は部分を含むことができることを意味する。
本明細書において使用される場合、アルケン及びアルキンは、それぞれ1つ以上の二重結合又は三重結合を含有する本明細書で定義されるアルキルである。
「ヘテロ脂環式」という用語は、窒素、酸素、及び硫黄などの1つ以上の原子を環の中に有する単環式基又は縮合環基を表す。これらの環は1つ以上の二重結合を有することもできる。しかし、これらの環は完全共役π電子系を有さない。代表例は、ピペリジン、ピペラジン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、モルホリノ、オキサゾリジン(oxalidine)などである。ヘテロ脂環式は、置換されていても非置換であってもよい。置換ヘテロ脂環式は、1つ以上の置換基を有することができ、そのそれぞれの置換基は、独立して、たとえば、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、ヘテロ脂環式、アミン、ハライド、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、C-カルボキシレート、O-カルボキシレート、N-チオカルバメート、O-チオカルバメート、尿素、チオ尿素、O-カルバメート、N-カルバメート、C-アミド、N-アミド、グアニル、グアニジン、及びヒドラジンであってよい。ヘテロ脂環式基は、末端基(この語句は前述のように定義され、1つの隣接原子に結合する)、又は結合基(この語句は前述のように定義され、その2つ以上の場所において2つ以上の部分を連結する)であってよい。
「ハライド」又は「ハロゲンイオン」という用語は、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素のアニオンを表す。
「サルフェート」という用語は、-O-S(=O)2-OR’末端基(この用語は前述の定義の通りである)又は-O-S(=O)2-O-結合基(これらの語句は前述の定義の通りである)を表し、R’は前述の定義の通りである。
本明細書において使用される場合、「チオオキソ」という用語は、硫黄原子が指定の位置で二重結合によって原子(たとえば、炭素原子)に結合する(=S)基を表す。
「ヒドロキシル」という用語は-OH基を表す。
「アリールオキシ」という用語は、本明細書に定義される-O-アリール基及び-O-ヘテロアリール基の両方を表す。
「チオアルコキシ」という用語は、本明細書に定義される-S-アルキル基、及び-S-シクロアルキル基の両方を表す。
「ヒドロキシアルキル」は、「アルコール」として記載される場合もあり、ヒドロキシ基で置換された本明細書の定義のアルキルを表す。
「イソシアネート」という用語は-N=C=O基を表す。
「イソチオシアネート」という用語は-N=C=S基を表す。
「ハロゲン化アシル」という用語は、R’’’’が前述の定義のハライドである-(C=O)R’’’’基を表す。
「C-カルボキシレート」という用語は、-C(=O)-OR’末端基又は-C(=O)-O-結合基(これらの語句は前述の定義の通りである)を表し、R’は本明細書に定義される通りである。
「C-チオカルボキシレート」という用語は、-C(=S)-OR’末端基又は-C(=S)-O-結合基(これらの語句は前述の定義の通りである)を表し、R’は本明細書に定義される通りである。
「N-カルバメート」という用語は、R’’OC(=O)-NR’-末端基又は-OC(=O)-NR’-結合基(これらの語句は前述の定義の通りである)を表し、R’及びR’’は本明細書に定義される通りである。
「O-チオカルバメート」という用語は、-OC(=S)-NR’R’’末端基又は-OC(=S)-NR’-結合基(これらの語句は前述の定義の通りである)を表し、R’及びR’’は本明細書に定義される通りである。
本明細書において使用される場合、「ジチオカルバメート」という用語は、S-ジチオカルバメート及びN-ジチオカルバメートを含む。
「C-アミド」という用語は、-C(=O)-NR’R’’末端基又は-C(=O)-NR’-結合基(これらの語句は前述の定義の通りである)を表し、R’及びR’’は本明細書に定義される通りである。
本発明のある実施形態により実験を行った。AMシステムを用いて、モデリング材料からトレンチを有する物体を作成した。トレンチの寸法は,幅10mm、長さ40mm、及び深さ2mmであった。
2つの焼結誘導剤をこれらの実験で試験した。両方の誘導剤は、重合させた、第4級アンモニウム基を有するアクリルモノマーであった。第1の誘導剤は、ビジオマー(Visiomer) TMAEMCを含み、第2の誘導剤はアダムクアト(Adamquat)
MC 80を含んだ。これらのモノマーに、3%w/wのTPO光開始剤を加え(0.45gのTPOを15gのモノマーに加え)、続いて40℃で15分間加熱し、激しく混合した。
実験1:
光開始剤を含むアクリル焼結誘導剤約0.7gをトレンチに塗布した後、UV中圧水銀ランプを用いて硬化させた。あるトレンチ中のサンプル(トレンチ1と記載)は、半重合表面を得るために8サイクル曝露し、別のトレンチ中のサンプル(トレンチ2と記載)は6サイクル曝露した。さらなるトレンチを対照として使用し、焼結誘導剤は塗布しなかった。
約0.1gのインクをトレンチ1及び2、ならびに実験1の対照トレンチに塗布した。したがって、トレンチ1及び2では、導電性インクがアクリル焼結誘導剤の上に塗布され、対照トレンチはアクリル材料を有さなかった。
次に、溶媒を蒸発させるために、サンプルを40℃の温度で1時間維持した(図6D、表示は図6Aと同じである)。
実験3:
次に、実験2のトレンチ1及び2に、光開始剤を含むアクリル焼結誘導剤約0.7gを再び塗布した。アクリル材料を塗布する前に導電性インクを乾燥させたので、アクリレートと導電性インクとが混合されないことは明らかであった。UV中圧水銀ランプを用いて硬化を行った。トレンチ1は、半重合表面を得るために8サイクル曝露し、トレンチ2は6サイクル曝露した(図6E、表示は図6Aと同じである)。
抵抗測定の結果を以下の表2にまとめており、横列Aはアクリル焼結誘導剤の再塗布を行っていない導電性インクの抵抗に対応し、横列Bはアクリル焼結誘導剤を再塗布した場合の抵抗に対応する。
実験4:
以下の表3は、堆積された導電性パスのインサイチュ焼結への使用に適切な、本発明のある実施形態による焼結不活性材料を含有する代表的な焼結誘導組成物を示している。
Claims (13)
- 付加製造システムによって行う、導電性要素の製造方法において、
焼結誘導剤を含有し、硬化させることができるモデリング材料を受容媒体の上に分配して層を形成する工程と、
導電性インクを前記モデリング材料の層の上に分配して導電性要素を形成する工程とを備え、硬化させることができる前記モデリング材料は付加製造に使用されるために配合され、前記モデリング材料自体の上に3次元物体を形成することが可能であり、
前記焼結誘導剤は、化学式
Xは、O又はNHであり、
Yは、1~20個の炭素原子の長さの置換又は非置換の炭化水素鎖であり、
R1は、H、アルキル、又はシクロアルキルであり、
Ra及びRbは、それぞれ独立して、H、アルキル又はシクロアルキルであり、
R2~R4は、それぞれ独立してアルキルであり、
Zは、アニオンである)で表される、
方法。 - 前記アニオンはクロリドである、請求項1に記載の方法。
- 前記導電性インクが非硬化性である、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記導電性インクが硬化性である、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記導電性インクを分配する工程よりも前に、前記モデリング材料を部分的に硬化させる工程をさらに備える、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記導電性インクを分配する工程よりも後に、前記導電性インクを少なくとも部分的に乾燥させる工程をさらに備え、前記導電性インクを少なくとも部分的に乾燥させる工程は、前記導電性インクの溶媒の少なくとも10%の蒸発を伴う、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 硬化させることができるモデリング材料を分配して前記導電性要素の表面に層を形成するステップをさらに備え、前記導電性要素の前記表面に分配された硬化させることができる前記モデリング材料が前記焼結誘導剤をさらに含有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 付加製造システムによって行う、導電性要素の製造方法において、
焼結誘導剤を含有し、硬化させることができるモデリング材料を受容媒体の上に分配して層を形成する工程であって、硬化させることができる前記モデリング材料は付加製造に使用するために配合され、それ自体で3次元の物体を形成することができる、焼結誘導剤を含有し、硬化させることができるモデリング材料を受容媒体の上に分配して層を形成する工程と、
導電性要素を形成するためにモデリング材料の前記層の上に導電性インクを分配する工程と、
前記層及び前記導電性要素の少なくとも1つの上に焼結誘導剤を含有する焼結誘導組成物を分配する工程であって、前記焼結誘導剤は、化学式
Xは、O又はNHであり、
Yは、1~20個の炭素原子の長さの置換又は非置換の炭化水素鎖であり、
R1は、H、アルキル、又はシクロアルキルであり、
Ra及びRbは、それぞれ独立して、H、アルキル又はシクロアルキルであり、
R2~R4は、それぞれ独立してアルキルであり、
Zは、アニオンである)で表される、焼結誘導剤を含有する焼結誘導組成物を分配する工程とを備える、方法。 - 前記アニオンはクロリドである、請求項8に記載の方法。
- 前記導電性インクが硬化性である、請求項8又は9に記載の方法。
- 前記導電性インクが非硬化性である、請求項8又は9に記載の方法。
- 前記焼結誘導組成物が少なくとも前記導電性要素の上に分配される、請求項8~11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記焼結誘導組成物が、一官能性又は多官能性であるアクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、及びビニルエーテルからなる群から選択される焼結不活性材料をさらに含有し、前記焼結不活性材料はイオン性を含まず、前記焼結誘導組成物中における前記焼結不活性材料の分量は少なくとも20重量%である、請求項8~12のいずれか1項に記載の方法。
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