JPH04119825A - 三次元目的物の製造方法 - Google Patents
三次元目的物の製造方法Info
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- JPH04119825A JPH04119825A JP2413025A JP41302590A JPH04119825A JP H04119825 A JPH04119825 A JP H04119825A JP 2413025 A JP2413025 A JP 2413025A JP 41302590 A JP41302590 A JP 41302590A JP H04119825 A JPH04119825 A JP H04119825A
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- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
- B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
- B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
-
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
- B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
- B29K2995/0037—Other properties
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- Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
［０００１］
本発明は液体表面に二次元ポリマー薄層を形成し、ポリ
マー薄層の厚さに相当する寸法だけ液体表面を揚挙し、
次いで先行ポリマー薄層に接合する二次元ポリマー層を
再び形成し、上記両工程を三次元目的物がもたらされる
まで反覆することにより、光重合可能液状媒体を高エネ
ルギー放射線の助成で重合させて、三次元目的物を製造
する方法に関するものである。 ［０００２］
マー薄層の厚さに相当する寸法だけ液体表面を揚挙し、
次いで先行ポリマー薄層に接合する二次元ポリマー層を
再び形成し、上記両工程を三次元目的物がもたらされる
まで反覆することにより、光重合可能液状媒体を高エネ
ルギー放射線の助成で重合させて、三次元目的物を製造
する方法に関するものである。 ［０００２］
この方法は「ステレオリトグラフィー」としてすでに公
知である。これは例えば機械的作業なしにコンピュータ
エイドのデザイン作成のプロトタイプ乃至母型の作製に
使用され得る。この方法の好ましい形態は米国特許４５
７５３３０号明細書に開示されている。三次元目的物は
光重合可能の液状媒体に形成される。フログラム制御で
運動可能の紫外線スポットがこの液状媒体表面に照射さ
れて各スポット部分を重合させる。照射スポットの反覆
前進及び後退により多数のスポットから成る二次元ポリ
マー薄層を形成することができる。次いでこのポリマー
薄層の載置されている支承体が降下せしめられ、新たに
液状媒体がこの部分に流入し、他のポリマー薄層が線放
射により形成される。このポリマー層は接着性であって
、各層は互いに接着一体化される。この処理の反覆によ
り、三次元目的物が形成され、液から除去され、洗浄さ
れ、別途処理により完全に硬化される。 ［０００３］ 最近に至り、このタイプのステレオリトグラフィー法が
、レーザ光源を使用して工業的に実施されている。しか
しながら、レーザ光の使用にもがかわらず、多数のスポ
ットを反覆放射せねばならず、またレーザ光は数秒間を
要する各スポットにおける重合が完了するまでは次のス
ポットに移動され得ないので、この方法は全体的に極め
て長時間を必要とする。しかもこのように比較的長い重
合時間にかかわらず、目的物は別途の処理でさらに完全
硬化する必要があり、またレーザ光の使用自体が著しい
高コストを必要とする。 ［０００４］ そこで本発明の目的は、複雑なパターンであっても比較
的短時間で三次元目的物全形成できる、簡単カリ低廉な
ステレオリトグラフィー法を提供することである。 ［０００５］ 上記目的はことに （ａ）液体表面に二次元ポリマー薄層を形成し、（ｂ）
ポリマー薄層の厚さに相当する寸法だけ液体表面を揚挙
し、次ＸＪ）で先行ポリマー薄層に接合する二次元ポリ
マー層を再び形成し、（ｃ）上記工程（ａ）及び（ｂ）
を三次元目的物がもたらされるまで反覆することにより
、光重合可能液状媒体を高エネルギー放射線の助成で重
合させて、三次元目的物を製造する方法において達成さ
れるべきものである。 ［０００６］
知である。これは例えば機械的作業なしにコンピュータ
エイドのデザイン作成のプロトタイプ乃至母型の作製に
使用され得る。この方法の好ましい形態は米国特許４５
７５３３０号明細書に開示されている。三次元目的物は
光重合可能の液状媒体に形成される。フログラム制御で
運動可能の紫外線スポットがこの液状媒体表面に照射さ
れて各スポット部分を重合させる。照射スポットの反覆
前進及び後退により多数のスポットから成る二次元ポリ
マー薄層を形成することができる。次いでこのポリマー
薄層の載置されている支承体が降下せしめられ、新たに
液状媒体がこの部分に流入し、他のポリマー薄層が線放
射により形成される。このポリマー層は接着性であって
、各層は互いに接着一体化される。この処理の反覆によ
り、三次元目的物が形成され、液から除去され、洗浄さ
れ、別途処理により完全に硬化される。 ［０００３］ 最近に至り、このタイプのステレオリトグラフィー法が
、レーザ光源を使用して工業的に実施されている。しか
しながら、レーザ光の使用にもがかわらず、多数のスポ
ットを反覆放射せねばならず、またレーザ光は数秒間を
要する各スポットにおける重合が完了するまでは次のス
ポットに移動され得ないので、この方法は全体的に極め
て長時間を必要とする。しかもこのように比較的長い重
合時間にかかわらず、目的物は別途の処理でさらに完全
硬化する必要があり、またレーザ光の使用自体が著しい
高コストを必要とする。 ［０００４］ そこで本発明の目的は、複雑なパターンであっても比較
的短時間で三次元目的物全形成できる、簡単カリ低廉な
ステレオリトグラフィー法を提供することである。 ［０００５］ 上記目的はことに （ａ）液体表面に二次元ポリマー薄層を形成し、（ｂ）
ポリマー薄層の厚さに相当する寸法だけ液体表面を揚挙
し、次ＸＪ）で先行ポリマー薄層に接合する二次元ポリ
マー層を再び形成し、（ｃ）上記工程（ａ）及び（ｂ）
を三次元目的物がもたらされるまで反覆することにより
、光重合可能液状媒体を高エネルギー放射線の助成で重
合させて、三次元目的物を製造する方法において達成さ
れるべきものである。 ［０００６］
しかるに、上記目的は、支承液体よりも低い比重を有し
、かつこれと混和し難い光重合可能の液状媒体薄層を成
形手段から連続的に支承液体面上に誘導し、次いでこれ
を線放射により重合させることにより達成されることが
本発明者らにより見出された。 ［０００７］ 本発明方法は、光重合可能の液状媒体、ことにエチレン
性不飽和のアクリルもしくはビニル化合物にその基礎を
有する。ことに高分子量化合物、例えばアクリル酸もし
くはメタクリル酸とジエポキシドもしくはポリエポキシ
ドとの反応生成物、例えばエポキシアクリラート或は長
鎖アクリル酸エステルが好ましＸ／）。また不飽和ポリ
エステル及び長鎖ジビニル化合物を使用することも好ま
しＵ）。この液状媒体は高粘度、ことに１０００ ｍ
Ｐａ５ 以上の粘度を持たねばならなし）。 このような高粘度はチクソトローピング剤、例えば微細
粉シリカ、インシアナートプレポリマー或は水素添加ひ
まし油によってもたらされ得る。この液状媒体は光重合
開始剤を含有する。これは光重合を開始させる波長が使
用される放射線波長と合致するものでなければならない
。適当な光重合開始剤は、例えば２，４゜６−ドリメチ
ルベンゾイルジフエニルホスフインオキシドのようなア
シルホスフィンオキシト、ベンジルジメチルケタールの
ようなベンジルケタール、ベンゾインエチルエーテルの
ようなベンゾインエーテル、及び脂肪族アミンと結合し
たベンジルなどである。このような光重合開始剤は液状
媒体中に０．０１から０． ２重量％含有されることが
好ましい。重合可能媒体はさらに慣用の添加剤、例えば
重合禁止剤或は光伝導充填剤を含有してもよい。 ［０００８］ この液状媒体は成形手段から液表面上に誘導される。こ
の成形手段は、重合されるべき薄層の厚さに相当する寸
法の断面乃至直径を有するノズルを具備する。 この点に関する融通性を保全するため、順次に異なる横
断面を有する多数のノズルを用意するか、或は横断面を
変え得るノズルを具備する。大きい面積の薄層を形成す
るため、この成形手段は液体表面に沿って或はこれを横
切って多数回にわたり移動せしめられ得る。連続するス
ポットで線放射及び重合を行う上述米国特許４５７５３
３０号による方法と異なり、本発明における成形手段の
液体表面の運動は連続的中に中断なく行われる。 ［０００９］ ノズルと液体表面との間の間隔は、液体の噴出が一定の
幅を維持し、例えば扇状とならないように最少限度に維
持されねばならない。３ ｍｍ をこえない間隔が
望ましい。光重合可能液状媒体がその表面上に誘導され
、これを支承する液体は、媒体と混和し、反応するもの
であってはならない。またこの支承液体の比重は、重合
可能液状媒体が支承液体中に沈下せず、その表面に浮い
ているように後者のそれより若干高くされねばならない
。しかしながら、この比重差は余り大きくしてはならな
い。さもないと光重合可能液状媒体の液体表面上の浮力
が大きくなり過ぎ、遊走する可能性が出て来るからであ
る。また液状媒体の粘度が十分高い場合、液体表面への
誘導に際して、その形状が損なわれず、ことに重合が迅
速に行なわれない場合にも少なくとも大きく損なわれる
ことがない。重合の進行により一般に収縮するが、これ
により比重が増大する。そこで、形成されたポリマー層
は支承液体中に若干沈下するカミこれはむしろ好ましい
。支承液体は固体の溶液であることが望ましく、その比
重は溶解されるべき固体の比重により容易に調整され得
る。塩溶液を使用するのがことに有利である。 ［００１０１ 光重合を開始させる高エネルギー放射線は可視光線、紫
外線或は赤外線であって・その波長は任意である。しか
しながら、例えば市販の石英灯により放射される３４０
−４５０Ａｔｍ 波長の紫外線が好ましい。これは液
体表面全体を間断なく、ことに全周から照射される。重
合開始線放射は、支承液体表面に液状媒体皮膜が誘導さ
れた瞬間のみでなく、処理の全時間にわたり、しかも支
承液体表面下に達するように行なわれる。このようにし
て形成されたポリマー薄層は、実質上完全に硬化せしめ
られる。好ましい実施態様でば、このポリマー薄層の厚
さはＯＯ２から５ ｍｍ ことに０．１から１
ｍｍ Ｉ、：なされ、２−２０秒間で十分硬化する
まで重合せしめられる。なお、光重合可能液状媒体及び
／或は支承液体は加熱されてもよい。 ［００１１］ 第１の二次元ポリマー薄層が形成されると、液体表面は
、ポリマー薄層の厚さに相当する寸法だけ揚挙され、次
いで他の二次元ポリマー層が形成される。この支承液体
の揚挙は、種々の装置により行なわれ、例えば前述の米
国特許４５７５３３０号では三次元目的物を支承する可
動支承台により行なわれる。この支承台は第１ポリマー
薄層が形成されてから始めて降下せしめられる。従って
、支承液体の表面は目的物に対して相対的に上昇せしめ
られ、形成されたポリマー層を被覆し、この上に次のポ
リマー層が形成され、硬化せしめられる。第１層の光重
合は一般的にその表面が未だ多少粘着性である状態まで
進んでいるに過ぎず、従って新らしい第２層はこれに粘
着して両層が一体的に合体される。 ［００１２］ 原則的には成長しつつある三次元目的物を支承液体を収
容している容器の底部に接触保持し、第１ポリマー薄層
形成が終了次第、支承液体の算定された量を導入するこ
とにより、この支承液体の表面を揚挙することも可能で
ある。しかしながら、この場合には成形手段も相当する
程で揚挙されねばならない。 ［００１３］ ポリマー薄層の形成工程（ａ）及び支承液体表面の揚挙
工程（ｂ）は、三次元目的物が形成され終るまで必要な
回数だけ反覆されねばならない。目的物形成においては
、垂直壁面（個々のポリマー層の正確な重層による）の
みならず、（各層の適宜の載置による）傾斜面及びさら
に（次第に面積の大きい層の載置による）水平部分の形
成も可能である。 ［００１４］ なお前述の米国特許４５７５３３０号における方法と同
様に、本発明方法においても、工程（ａ）及び（ｂ）は
、コンピュータにより、例えば成形手段を、同じくコン
ピュータ制御下に在るロボットアームと結合することに
より制御されることもできる。 ［００１５］ 米国特許４５７５３３０号に対する本発明方法の主要な
利点は、はるかに迅速に処理を行ない得ることである。 さらに得られる三次元目的物は、放射線が支承液体中に
さらに深く進入し、目的物の下方部分を硬化され得る。 なお高コストのレーザ光源を必要とせず、光重合可能液
状媒体の費消量を少なくし得る利点がある。成形手段か
らもたらされる液状媒体がすべて重合され、洗浄工程に
おける上記媒体のロスが無いからである。 ［００１６］ 本発明方法を実施する装置の概略を示す添附図面におい
て、容器１は支承液体２を収容しており、成形手段３か
ら光重合可能液状媒体４が、支承液体２の表面５上に誘
導される。支承液体表面上に誘導された薄層上に放射さ
れる高エネルギー線６は媒体の重合を開始し、次々に積
層して揚挙及び降下可能の支承台８上に載置されている
三次元目的物７を形成する。成形手段及び支承台の運動
はコンピュータ制御される。 ［００１７］ 本発明方法は、複雑な内部構造を有するモデル、パター
ン及びプロトタイプなどの目的物を含めて、任意所望の
形状の目的物を形成するために使用され得る。
、かつこれと混和し難い光重合可能の液状媒体薄層を成
形手段から連続的に支承液体面上に誘導し、次いでこれ
を線放射により重合させることにより達成されることが
本発明者らにより見出された。 ［０００７］ 本発明方法は、光重合可能の液状媒体、ことにエチレン
性不飽和のアクリルもしくはビニル化合物にその基礎を
有する。ことに高分子量化合物、例えばアクリル酸もし
くはメタクリル酸とジエポキシドもしくはポリエポキシ
ドとの反応生成物、例えばエポキシアクリラート或は長
鎖アクリル酸エステルが好ましＸ／）。また不飽和ポリ
エステル及び長鎖ジビニル化合物を使用することも好ま
しＵ）。この液状媒体は高粘度、ことに１０００ ｍ
Ｐａ５ 以上の粘度を持たねばならなし）。 このような高粘度はチクソトローピング剤、例えば微細
粉シリカ、インシアナートプレポリマー或は水素添加ひ
まし油によってもたらされ得る。この液状媒体は光重合
開始剤を含有する。これは光重合を開始させる波長が使
用される放射線波長と合致するものでなければならない
。適当な光重合開始剤は、例えば２，４゜６−ドリメチ
ルベンゾイルジフエニルホスフインオキシドのようなア
シルホスフィンオキシト、ベンジルジメチルケタールの
ようなベンジルケタール、ベンゾインエチルエーテルの
ようなベンゾインエーテル、及び脂肪族アミンと結合し
たベンジルなどである。このような光重合開始剤は液状
媒体中に０．０１から０． ２重量％含有されることが
好ましい。重合可能媒体はさらに慣用の添加剤、例えば
重合禁止剤或は光伝導充填剤を含有してもよい。 ［０００８］ この液状媒体は成形手段から液表面上に誘導される。こ
の成形手段は、重合されるべき薄層の厚さに相当する寸
法の断面乃至直径を有するノズルを具備する。 この点に関する融通性を保全するため、順次に異なる横
断面を有する多数のノズルを用意するか、或は横断面を
変え得るノズルを具備する。大きい面積の薄層を形成す
るため、この成形手段は液体表面に沿って或はこれを横
切って多数回にわたり移動せしめられ得る。連続するス
ポットで線放射及び重合を行う上述米国特許４５７５３
３０号による方法と異なり、本発明における成形手段の
液体表面の運動は連続的中に中断なく行われる。 ［０００９］ ノズルと液体表面との間の間隔は、液体の噴出が一定の
幅を維持し、例えば扇状とならないように最少限度に維
持されねばならない。３ ｍｍ をこえない間隔が
望ましい。光重合可能液状媒体がその表面上に誘導され
、これを支承する液体は、媒体と混和し、反応するもの
であってはならない。またこの支承液体の比重は、重合
可能液状媒体が支承液体中に沈下せず、その表面に浮い
ているように後者のそれより若干高くされねばならない
。しかしながら、この比重差は余り大きくしてはならな
い。さもないと光重合可能液状媒体の液体表面上の浮力
が大きくなり過ぎ、遊走する可能性が出て来るからであ
る。また液状媒体の粘度が十分高い場合、液体表面への
誘導に際して、その形状が損なわれず、ことに重合が迅
速に行なわれない場合にも少なくとも大きく損なわれる
ことがない。重合の進行により一般に収縮するが、これ
により比重が増大する。そこで、形成されたポリマー層
は支承液体中に若干沈下するカミこれはむしろ好ましい
。支承液体は固体の溶液であることが望ましく、その比
重は溶解されるべき固体の比重により容易に調整され得
る。塩溶液を使用するのがことに有利である。 ［００１０１ 光重合を開始させる高エネルギー放射線は可視光線、紫
外線或は赤外線であって・その波長は任意である。しか
しながら、例えば市販の石英灯により放射される３４０
−４５０Ａｔｍ 波長の紫外線が好ましい。これは液
体表面全体を間断なく、ことに全周から照射される。重
合開始線放射は、支承液体表面に液状媒体皮膜が誘導さ
れた瞬間のみでなく、処理の全時間にわたり、しかも支
承液体表面下に達するように行なわれる。このようにし
て形成されたポリマー薄層は、実質上完全に硬化せしめ
られる。好ましい実施態様でば、このポリマー薄層の厚
さはＯＯ２から５ ｍｍ ことに０．１から１
ｍｍ Ｉ、：なされ、２−２０秒間で十分硬化する
まで重合せしめられる。なお、光重合可能液状媒体及び
／或は支承液体は加熱されてもよい。 ［００１１］ 第１の二次元ポリマー薄層が形成されると、液体表面は
、ポリマー薄層の厚さに相当する寸法だけ揚挙され、次
いで他の二次元ポリマー層が形成される。この支承液体
の揚挙は、種々の装置により行なわれ、例えば前述の米
国特許４５７５３３０号では三次元目的物を支承する可
動支承台により行なわれる。この支承台は第１ポリマー
薄層が形成されてから始めて降下せしめられる。従って
、支承液体の表面は目的物に対して相対的に上昇せしめ
られ、形成されたポリマー層を被覆し、この上に次のポ
リマー層が形成され、硬化せしめられる。第１層の光重
合は一般的にその表面が未だ多少粘着性である状態まで
進んでいるに過ぎず、従って新らしい第２層はこれに粘
着して両層が一体的に合体される。 ［００１２］ 原則的には成長しつつある三次元目的物を支承液体を収
容している容器の底部に接触保持し、第１ポリマー薄層
形成が終了次第、支承液体の算定された量を導入するこ
とにより、この支承液体の表面を揚挙することも可能で
ある。しかしながら、この場合には成形手段も相当する
程で揚挙されねばならない。 ［００１３］ ポリマー薄層の形成工程（ａ）及び支承液体表面の揚挙
工程（ｂ）は、三次元目的物が形成され終るまで必要な
回数だけ反覆されねばならない。目的物形成においては
、垂直壁面（個々のポリマー層の正確な重層による）の
みならず、（各層の適宜の載置による）傾斜面及びさら
に（次第に面積の大きい層の載置による）水平部分の形
成も可能である。 ［００１４］ なお前述の米国特許４５７５３３０号における方法と同
様に、本発明方法においても、工程（ａ）及び（ｂ）は
、コンピュータにより、例えば成形手段を、同じくコン
ピュータ制御下に在るロボットアームと結合することに
より制御されることもできる。 ［００１５］ 米国特許４５７５３３０号に対する本発明方法の主要な
利点は、はるかに迅速に処理を行ない得ることである。 さらに得られる三次元目的物は、放射線が支承液体中に
さらに深く進入し、目的物の下方部分を硬化され得る。 なお高コストのレーザ光源を必要とせず、光重合可能液
状媒体の費消量を少なくし得る利点がある。成形手段か
らもたらされる液状媒体がすべて重合され、洗浄工程に
おける上記媒体のロスが無いからである。 ［００１６］ 本発明方法を実施する装置の概略を示す添附図面におい
て、容器１は支承液体２を収容しており、成形手段３か
ら光重合可能液状媒体４が、支承液体２の表面５上に誘
導される。支承液体表面上に誘導された薄層上に放射さ
れる高エネルギー線６は媒体の重合を開始し、次々に積
層して揚挙及び降下可能の支承台８上に載置されている
三次元目的物７を形成する。成形手段及び支承台の運動
はコンピュータ制御される。 ［００１７］ 本発明方法は、複雑な内部構造を有するモデル、パター
ン及びプロトタイプなどの目的物を含めて、任意所望の
形状の目的物を形成するために使用され得る。
【図１】
添附図面（単一図面）は、本発明方法を実施するための
装置の概念を示すためのスケッチである。
装置の概念を示すためのスケッチである。
１ 支承液体容器
２ 支承液体
３ 成形手段
４ 重合可能液状媒体
５ 支承液体の表面
高エネルギー線
三次元目的物
目的物を支承する台
【図１】
図面
Claims (5)
- 【請求項１】（ａ）液体表面に二次元ポリマー薄層を形
成し、（ｂ）ポリマー薄層の厚さに相当する寸法だけ液
体表面を揚挙し、次いで先行ポリマー薄層に接合する二
次元ポリマー層を再び形成し、（ｃ）上記工程（ａ）及
び（ｂ）を三次元目的物がもたらされるまで反覆するこ
とにより、光重合可能液状媒体を高エネルギー放射線の
助成で重合させて、三次元目的物を製造する方法であっ
て、支承液体よりも低い比重を有し、かつこれと混和し
難い光重合可能の液状媒体薄層を成形手段から連続的に
支承液体面上に誘導し、次いでこれを線放射により重合
させることを特徴とする方法。 - 【請求項２】請求項（１）による三次元目的物の製造方
法であって、光重合可能液状媒体がエチレン性不飽和ア
クリルもしくはビニル化合物と光重合開始剤とを含有す
ることを特徴とする方法。 - 【請求項３】請求項（１）による三次元目的物の製造方
法であって、光重合可能液状媒体が搖変性であることを
特徴とする方法。 - 【請求項４】請求項（１）による三次元目的物の製造方
法であって、誘導された光重合可能液状媒体を支承する
液体が塩水溶液であることを特徴とする方法。 - 【請求項５】請求項（１）による三次元目的物の製造方
法であって、成形手段から支承液体表面上への薄層の誘
導がコンピュータ制御されることを特徴とする方法。
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