JP6178933B2 - 物体をモールド成形及び複製するための熱溶解積層法に基づく鋳型、その製造のための方法及び熱溶解積層式３ｄプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄ物品、特には鋳型を製造する方法に関する。本発明は、更に、上記鋳型等の鋳型を用いて物体を作製する方法に関する。本発明は、更に、上記３Ｄ物品を製造する方法により得られる鋳型にも関する。本発明は、更に、前記３Ｄ物品、特には前記鋳型を製造する方法を実行するために特に使用することができる３Ｄプリンタにも関する。

熱溶解積層法（ＦＤＭ）は当業技術において知られている。文献EP0833237は、例えば所定の温度で固化する材料の供給部を備えた可動供給ヘッド、並びに“Ｘ”、“Ｙ”及び“Ｚ”軸に沿って所定のパターンで相対的に移動されるベース部材を含み、前記供給ヘッドから放出される材料を前記ベース部材上に制御された割合で蓄積させることにより三次元物体を作製する装置を記載している。該装置は、好ましくは、材料が供給される間に前記供給ヘッド及びベース部材の制御された移動のための駆動信号を発生するために、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）及びコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ソフトウェアを用いる処理においてコンピュータ駆動される。三次元物体は、当該形状が形成されるまで、固化材料の層を繰り返し堆積することにより作製することができる。固化に際して十分な接着力で前の層に接着する自硬性ワックス、熱可塑性樹脂、溶解金属、２液式エポキシ、発泡プラスチック及びガラス等の如何なる材料も利用することができる。各層状基体が前の層により画定され、各層厚は、前記供給ヘッドの先端が前の層の上に位置される高さにより定まり、厳密に制御される。

今後１０〜２０年内に、デジタル製造（デジタルファブリケーション）は世界的な製造法の性質を益々変化させるであろう。デジタル製造の態様のうちの１つは、３Ｄ印刷である。現在のところ、セラミック、金属及びポリマ等の種々の材料を用いて種々の３Ｄ印刷された物体を製造するために多数の異なる技術が開発されている。３Ｄ印刷は、鋳型（金型）を製造する際にも使用することができ、斯かる鋳型は次いで物体を複製するために使用することができる。

鋳型を作製する目的で、ポリジェット（polyjet）技術の使用が提案されている。この技術は光重合が可能な材料の層毎の堆積を利用し、該材料は各堆積の後に固体構造を形成するために硬化される。この技術は滑らかな表面を形成するが、光硬化性材料は余り安定でなく、射出成形アプリケーションに有用となるべく相対的に低い熱伝導度も有している。

最も広く使用されている付加製造技術は、熱溶解積層法（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）である。熱溶解積層法（ＦＤＭ）は、模型製造（modeling）、試作品作製（prototyping）及び製造アプリケーションのために普通に使用される付加製造技術である。ＦＤＭは材料を層に重ねて形成することによる“追加的”原理に基づいて動作する。即ち、プラスチックのフィラメント（糸状体）又は金属線がコイルから巻き戻され、一部分を形成するために材料を供給する。可能性として、（例えば、熱可塑性物質の場合）フィラメントは溶融され、重ねられる前に押し出される。ＦＤＭは迅速な試作品作製技術である。ＦＤＭの他の呼称は、“フィラメント溶解製法”（ＦＦＦ）である。ここでは、ＦＤＭ又はＦＦＦと等価であると考えられる“フィラメント３Ｄ印刷”なる用語が適用される。一般的に、ＦＤＭプリンタは熱可塑性フィラメントを使用し、該熱可塑性フィラメントは融点まで加熱され、次いで層から層へと（又は、実際にはフィラメントからフィラメントへと）押し出されて、三次元物体を作製する。ＦＤＭプリンタは相対的に高速であり、複雑な物体を印刷するために用いることができる。

３Ｄ印刷可能材料として特別に適格であり得る材料は、金属、ガラス、熱可塑性ポリマ及びシリコン樹脂（シリコーン）等からなる群から選択することができる。特に、３Ｄ印刷可能材料は、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジェン・スチレン）、ナイロン（又はポリアミド）、アセテート（又はセルローズ）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、テレフタレート（ＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート等）、アクリル（ポリメチルアクリレート、パースペクス、ポリメチル・メタクリレート、ＰＭＭＡ等）、ポリプロピレン（又はポリプロペン）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＰＥ（発泡耐衝撃ポリテン（又はポリエテン）、低密度（ＬＤＰＥ）、高密度（ＨＤＰＥ）等）、ＰＶＣ（ポリビニル・クロライド）、ポリ塩化エテン等からなる群から選択された（熱可塑性）ポリマを含む。オプションとして、上記３Ｄ印刷可能材料は、ウレア・ホルムアルデヒド、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン・ホルムアルデヒド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ゴム等からなる群から選択される３Ｄ印刷可能材料を含む。オプションとして、該３Ｄ印刷可能材料は、ポリスルフォン、ポリエーテル・スルフォン、ポリフェニル・スルフォン、イミド（ポリ・エーテル・イミド等）等からなる群から選択される３Ｄ印刷可能材料を含む。

“３Ｄ印刷可能材料”とは、２以上の材料の組み合わせも指す。一般的に、これらの（高分子）材料は、ガラス転移温度Ｔ_ｇ及び／又は融解温度Ｔ_ｍを有する。３Ｄ印刷可能材料は、ノズルを離れる前に当該３Ｄプリンタにより少なくともガラス転移温度、通常は少なくとも融解温度の温度まで加熱される。従って、特定の実施態様において、３Ｄ印刷可能材料はガラス転移温度（Ｔ_ｇ）及び／又は融解温度（Ｔ_ｍ）を持つ熱可塑性ポリマを有する一方、プリンタヘッド動作は受け側物品及び該受け側物品上に堆積される３Ｄ印刷可能材料の１以上を少なくともガラス転移温度の温度まで、特には少なくとも融点の温度まで加熱する動作を含む。更に他の実施態様において、３Ｄ印刷可能材料は融点（Ｔ_ｍ）を持つ（熱可塑性）ポリマを有する一方、プリンタヘッド動作は受け側物品及び該受け側物品上に堆積される３Ｄ印刷可能材料の１以上を少なくとも該融点の温度まで加熱する動作を含む。使用することが可能な材料の特定の例は、例えば、アクリロニトリル・ブタジェン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、リグニン、ゴム等からなる群から選択することができる。

しかしながら、ＦＤＭは鋳型を作製するには特別に適しているものではないと思われる。ＦＤＭにより印刷された物体は粗い表面を有し、このことは例えば光学的アプリケーションにおいては望ましくない。更に、構造がかなり粗くなると、複製された部分を当該鋳型から取り外すことが困難になる。ＦＤＭは、通常は、気密的でない構造体となる。このことは、ここでも、空気を取り除くために真空が付与される例えばシリコン樹脂モールド成形のためのアプリケーションにおいて問題となる。これらの孔には液体が侵入し、表面を粗くさせると共に、複製された構造体又はモールド成形された形状物を当該鋳型から取り外すことを困難にさせる。

ヨーロッパ特許出願公開第EP0521813号公報は、複合ヘッダの間に成形可能な充填ブロックを固定し、これらブロックの輪郭を上記ヘッダの形状に合致するように形成して、連続した表面を持つ支持構造体を形成することにより作製される複合工具を開示している。未硬化の複合薄板の層が該支持構造体上に堆積され、硬化される。

米国特許第5216616号公報は、３Ｄ物体を作製するシステム及び方法を開示している。支持環境として、当該物体のための支持環境を提供するために一連のウェブ若しくは柱、又はカプセル構造を設けることができる。

従って、本発明の一態様は、３Ｄ物品（“物品”）、特には鋳型（mold）を製造するための代替方法であって、好ましくは上述した欠点の１以上を更に少なくとも部分的に除去する方法を提供するものである。本発明の一態様は、鋳型、特には本明細書に記載される鋳型（特には、３Ｄ物品を製造するための本明細書に記載される方法を用いて得ることができる鋳型）等を用いて３Ｄ物体（“物体”）を作製する代替方法であって、好ましくは上述した欠点の１以上を更に少なくとも部分的に除去する方法を提供するものである。更に、本発明の一態様は、代替の鋳型であって、好ましくは上述した欠点の１以上を更に少なくとも部分的に除去し、且つ、３Ｄ物品を製造するための本明細書に記載される方法を用いて特に得ることができる鋳型を提供するものである。更に、本発明の一態様は、代替の３Ｄプリンタであって、好ましくは上述した欠点の１以上を更に少なくとも部分的に除去し、且つ、３Ｄ物品を製造するための本明細書に記載される方法を実行するために特に用いることができる３Ｄプリンタを提供するものである。

ここでは、物体をモールド成形する及び／又はガラスレンズ等の既製の構造体上に構造を複製するために用いることができる鋳型を作製するためにＦＤＭ印刷法を特に用いることが提案される。

従って、本発明の第１態様は、３Ｄ物品を製造する方法（特には、３Ｄ物品を製造するための熱溶解積層式方法）を提供するもので、前記３Ｄ物品は外側層と空洞を備える支持構造部とを有し、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、当該方法は、（ａ）前記外側層及び前記支持構造部を（３Ｄ印刷された材料を形成するために）３Ｄ印刷可能材料により３Ｄ印刷するステップ及びオプションとして前記空洞を充填材料により少なくとも部分的に充填するステップを有する３Ｄ印刷段階と；オプションとして（ｂ）特に（前記外側層の）表面粗さを低減するために前記外側層の少なくとも一部を後処理するステップを有する後処理段階と；を有する。特には、（ｉ）前記空洞を充填するステップ及び（ii）前記後処理するステップのうちの１以上が適用され、更に特別には両方が適用される。従って、３Ｄ物品を製造する該方法は、（ｉ）前記空洞を充填材料により少なくとも部分的に充填するステップ、及び（ii）前記外側層の少なくとも一部を後処理するステップの１以上を含むことができる。

従って、本発明の該方法は特に他の態様において３Ｄ物品（特には、外側層と空洞を備える支持構造部とを有する鋳型）を形成するために使用することができ、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、前記空洞は前記充填材料により少なくとも部分的に充填される。同様に、本発明の該方法は特に他の態様において３Ｄ物品（特には、外側層と空洞を備える支持構造部とを有する鋳型）を形成するために使用することができ、前記外側層及び前記支持構造部は（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する。特に、本発明の該方法は特に他の態様において３Ｄ物品（特には、外側層と空洞を備える支持構造部とを有する鋳型）を形成するために使用することができ、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填され、前記外側層及び前記支持構造部は（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する。

従って、ここに記載される３Ｄ物品（更に特別には、鋳型である３Ｄ物品）は、ここに記載される３Ｄ物品（特には鋳型）を製造する方法により得ることができる。従って、特に上記３Ｄ物品は鋳型を有し、更に特別には該３Ｄ物品は鋳型である。

驚くべきことに、本方法により得られる３Ｄ物品は、例えば射出成形（複製）工程において鋳型として使用されるための熱的安定性及び／又は十分な強度を有するように思われる。更に驚くべきことに、滑らかな表面を形成することができ、このことは本方法により得られる３Ｄ物品を鋳型として使用されることを可能にすると思われる。従って、実施態様において、３Ｄ物品を製造する当該方法により得られる３Ｄ物品及び／又は３Ｄ物品自体は、特に鋳型として構成することができる。このような鋳型は、他の複製方法において使用することができる。

従って、本発明は、複製方法のための相対的に安価な鋳型を容易に作製する優れた方法を提供する。古典的方法は、しばしば、複製方法が適用される場所から遠い場所における高価で複雑な鋳型作製ステップを含む一方、本発明によれば複製者が鋳型を容易に作製することができるか又はローカルな供給者に斯様な鋳型を注文することができるので、本発明は複製方法に対する大幅に速く且つ安価な適応を可能にする。本発明は、装置の容易且つ迅速な遅い段階での適合化のために特に用いることができ、斯かる適合化は特注化することさえでき、及び／又は相対的に少ない複製数のために使用することもできる一方、一般的な現状技術の鋳型の場合、複製は大きな複製数でしか商業的に実施することができない。

モールド形成又は鋳造とは、例えば鋳型又は母型と呼ばれる剛性フレーム又は主体を用いて液体又は柔軟な原材料を成形することにより製造する工程である。鋳型は、液体又は特にはプラスチック材料等の柔軟な材料により充填することができる中空のフレーム又は主体である。上記液体は鋳型内で硬化又は固まり、該鋳型の形状になる。

本明細書における３Ｄ物品は、特に、外側層を含む主体であり、該外側層は当該主体を部分的に又は完全に周辺から囲む又は包囲する。特に、当該３Ｄ物品は、該３Ｄ物品の鋳型としての使用を可能にする（モールド形成）空洞を含むことができる。該（モールド形成）空洞は、上記外側層により形成される表面又は外面を有する。当該３Ｄ物品の主体自体も（より小さな）空洞（ここでは、“内部空洞”とも称される）を含むことができる。というのは、前述したように、３Ｄ印刷は、非機能的体積領域は完全には充填せず、斯様な（内部）空洞を持つ支持構造部を設けることにより高速化することができるからである。従って、特別な実施態様において、当該３Ｄ物品は外側層により包囲された支持構造部を有する。このような３Ｄ物品の多くのアプリケーションに対して、このことは、斯様な３Ｄ物品を迅速に形成するために理想的な解決策であり得る。しかしながら、鋳型として使用する場合等の、斯様な３Ｄ物品の特定のアプリケーションの場合、該形成された３Ｄ物品は、表面の平滑化等の必要な処理又は該鋳型を高い温度で使用することを許容しないように思われる。当該３Ｄ物品を高い温度で使用する場合、又は外側表面を滑らかにする場合、内部空洞を伴う（３Ｄ）支持構造部を備えた従来の鋳型は実質的に使用不能であると思われる。

従って、本発明は、この目的のために、前記（内部）空洞を充填材料により少なくとも部分的に充填するステップを設ける。代わりに又は加えて、本発明は上記目的のために前記外側層の少なくとも一部の後処理を設ける。特に、本発明は上記目的のために前記（内部）空洞を充填材料により少なくとも部分的に充填するステップ、及び前記外側層の少なくとも一部の後処理を特に設ける。

ここでは、（実施態様において）前記支持構造部を相互接続させ、空の空間の領域を容易に充填することができるようにし、かくして充填された物品となり得るようにすることを提案する。上記空の空間は印刷過程の間に、粉体又は粒子のスラリ（懸濁液）等の充填材料により充填することができる。該充填材料は、実施態様では、高い機械的強度を有する必要はない。当該空の空間は印刷後に充填することもできる。この目的のためには、液体であり、その後に重合することができる材料を用いることが最も適している。この目的のために、ポリアクリレート、ポリエステル及びエポキシ樹脂のうちの１以上を用いることができる。代わりに又は加えて、当該３Ｄ物品の熱伝導度（射出成形アプリケーションにとり重要である）を改善するために、金属、セラミック（例えば、窒化ホウ素及び酸化アルミニウム等）及び黒鉛等の熱伝導粒子を用いることができる。

前記構造部を強化するために、種々の材料を適用することができる（前記（内部）空洞を充填するための充填材料として）。熱伝導度を向上させるために、前記支持構造部（材料）より（相当に）高い熱伝導度を持つ材料が特に適用される。従って、実施態様において、前記充填材料は前記支持構造部より高い熱伝導度を持つ材料を有する。特に、当該充填材料は、前記支持構造部（及び前記外側層）よりも、少なくとも５倍等の少なくとも２倍、特には少なくとも２０倍等の少なくとも１０倍、更に特別には少なくとも１００倍等の少なくとも５０倍高い熱伝導度を持つ材料を有する。

上記充填材料を当該３Ｄ物品（構築中の）に供給するために、例えば、本明細書に記載される３Ｄプリンタを適用することができる。好適なプリンタは、例えば、複数のジェットを有するプリンタを含む。しかしながら、代わりに又は加えて、上記充填材料はジェットを使用する以外の方法で供給することもできる（下記参照）。更に、（支持及び／又は充填）材料のタイプに依存して、当該充填材料は当該３Ｄ物品の印刷の間に、及び／又は当該３Ｄ物品を実質的に印刷した後に供給することができる。更に、全ての内部空洞が充填されねばならないというものではなく、及び／又は全ての内部空洞が完全に充填されねばならないというものでもない。従って、本発明の方法は、“前記空洞を前記充填材料により少なくとも部分的に充填するステップ”を含む。

上記充填材料は、例えば粉体として及び／又は液体として供給することができる。“充填材料”なる用語は、複数の（異なる）充填材料も指すことができる。更に、該充填材料は、スラリ等の液体として供給され、次いで乾燥及び／又は硬化されるようにすることもできる。従って、一実施態様において、前記空洞を充填する前の当該充填材料は、金属粒子（銅及び真鍮の１以上等）、セラミック粒子（例えば、前述した窒化ホウ素及び酸化アルミニウムを特に有するもの等）及び炭素粒子（前述した黒鉛を特に有するもの等）の１以上を含む、スラリ等の液体を有し、当該方法は、前記空洞内の液体（前記スラリ等）を固形充填材料に変質させるステップを有する変質段階を更に有し、該変質段階は硬化させるステップ及び乾燥させるステップの１以上を含む。一般的に、当該充填材料による充填ステップは、前記後処理段階の前に実行される。しかしながら、代わりに又は加えて、一実施態様において、充填材料による充填ステップは後処理の後に実行することもできる。上記から明らかなように、当該充填材料の化学組成は、当該支持構造部の化学組成とは（一般的に、前記外側層の化学組成からも）異なる。

従って、前記３Ｄ印刷段階は、前記外側層及び前記支持構造部を３Ｄ印刷可能材料により３Ｄ印刷して３Ｄ印刷された材料を形成するステップ、及びオプションとして前記空洞を充填材料により少なくとも部分的に充填するステップを特に有することができる。前述したように、印刷するステップ及び充填するステップは同一の装置により実施することができる。更に、印刷するステップ及び充填するステップは同じ工程の間に実行することができ、印刷するステップ及び充填するステップは交互に行うこともできる。更に、前記外側層の一部は初期段階で設けることができ、該外側層の一部は後の段階で設けることもできる。従って、上述した印刷段階は完成した３Ｄ物品を作製するために実質的に必要な各動作を記述したもので、そこに記載された動作の要約は、当業者にとり明らかなように、特定の必要な順序を意味するものではない。更に、上記３Ｄ印刷段階は３Ｄ印刷可能材料を処理して、前記３Ｄ印刷された材料を形成するステップを含むことができる。斯様な処理は、乾燥させるステップ、硬化させるステップ、接着するステップ、加熱するステップ、（例えば、ＵＶ及びＩＲの１以上）により照射するステップ、圧力を加えるステップ等の１以上を含むことができる。従って、一実施態様において、前記３Ｄ印刷可能材料は硬化性材料を有し、当該３Ｄ印刷方法は該３Ｄ印刷可能材料の少なくとも一部を硬化させて、前記３Ｄ印刷された材料を形成するステップを含む。印刷可能材料を硬化させるステップは、前記３Ｄ印刷段階の間に特に（少なくとも部分的に）実行される。特に、当該３Ｄ印刷可能材料は、熱溶解積層用材料、即ちＦＤＭ印刷（製造）工程を実行するために使用することができる材料を有する。

前記支持構造部及び外側層を備えると共に、オプションとして前記充填された内部空洞（前記充填材料により充填された）を備える３Ｄ物品を形成したら、特定の実施態様において、後処理段階を開始することができる。更に他の実施態様において、該後処理段階は省略することができる。しかしながら、本発明は特に斯かる後処理（段階）に関連して説明される。

特定の実施態様においては、後処理の後に（後においても）、前記充填材料の少なくとも一部を前記内部空洞に導入することができることに注意されたい。このような実施態様が選択された場合、一般的に充填の後に内部空洞（の開口）を閉じるために閉止部を設けることができる。しかしながら、一般的に、充填材料による充填ステップは後処理段階に先行する。上記“閉止部”なる用語は、複数の閉止部を指すこともできる。

上記後処理に戻ると、これは、前記外側層を（更に）滑らかにする等のために、特に外側層が処理される段階である。ＦＤＭは、粗い表面を形成しがちな技術である。しかしながら、このような鋳型は、レンズを複製する等のアプリケーションにおいては良好な解放（取外し）特性及び滑らかな表面を有さねばならない。重合に先立ちシリコン樹脂等のモノマから空気を除去することができるように、印刷の間に残存する空隙も除去されねばならない。上述した方法等のように当該鋳型の機械的完全さが向上された場合、表面を滑らかにする種々の技術を適用することができる。この目的のために、高温フレーム若しくはレーザによる融解処理、又は溶媒による溶解処理を用いることができる。溶媒による溶解の場合、最も有効な材料はポリカーボネート、ＡＢＳ、ＰＭＭＡ及びポリスチレンである。融解に基づく平滑化処理の場合、ナイロン、ポリエチレン等のポリアルケンのような結晶性材料を利用することもできる。当該鋳型がＦＤＭ印刷に使用された材料の融解又はガラス転移よりも高い温度で使用されることを要する場合、当該材料の表面は軟らかくなり、接着し得る。この目的のために、とりわけ、該鋳型の外側層（表面）を、当該ＦＤＭ印刷された材料を部分的に溶解すると共に該材料に浸透することができる材料でコーティングすることが推奨される。次いで、該材料は架橋結合されて、溶解又は融解され得ない硬い表面を形成することができる（例えば、ポリアクリレート、ポリエステル及びエポキシ樹脂のうちの１以上を適用することができる）。レーザ表面改質の場合、ポリマ内にレーザ波長吸収染料が必要とされ得る。これらの染料は、当該ポリマに又は表面に添加することができる。従って、一実施態様において、（少なくとも）前記外側層の少なくとも一部を形成するために使用される印刷可能材料は、特にＵＶ、ＩＲ及び可視光の１以上における放射に関して、当該印刷可能材料（（少なくとも）前記外側層の少なくとも一部を形成するための）よりも放射に対して高い吸収度を特に有する放射吸収材料を含むことができる。代わりに又は加えて、前記外側層の少なくとも一部は、該外側層の少なくとも一部にコーティングを設ける等により、このような放射吸収材料を備えることができる。

従って、例えば前記後処理は前記外側層又は該層の少なくとも一部の一種の研磨処理を含むことができる。特定の実施態様において、前記後処理段階は、（ａ）前記外側層の少なくとも一部を加熱するステップ（レーザ及び／又はフレーム（炎）による等）、（ｂ）前記外側層の少なくとも一部を溶媒で溶解するステップ、及び（ｃ）前記外側層の少なくとも一部をコーティングするステップの１以上を有することができる。このような方法により、上記外側層は、３Ｄ印刷により（特に、ＦＤＭ式３Ｄ印刷により）得られるよりも滑らかな表面を得ることができる。このような方法により、当該外側層は特に実質的に未処理の層から改質された層に変化する。従って、実施態様において、このようにして得られる外側層及び前記支持構造部は（ａ）化学組成、（ｂ）密度及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する。従って、一実施態様において、該外側層及び前記支持構造部は化学組成が相違する。

例えば、他の材料のコーティングを、該コーティングを形成するために外側層へ供給される材料の架橋結合もオプションとして含んで設けることができる。代わりに又は加えて、一実施態様において、前記外側層及び支持構造部は密度が相違する。例えば、加熱することにより、前記外側層（の表面）は、特に同一の材料のものであり得る前記支持構造部よりも高密度になり得る。代わりに又は加えて、一実施態様において、前記外側層及び支持構造部は表面テクスチャが相違する。例えば、前記外側層（の表面）の一部を溶解する（又は膨らます）場合、該表面は滑らかにされ得る。従って、これらオプションの各々は、未処理の外側層（及び該外側層と実質的に同一の材料のものであり得る支持構造部の表面）よりも一層少ない表面粗さを有すると共に一層滑らかなテクスチャを有する外側層につながり得る。機械式プロファイルメータにより測定された場合、平均で、測定ラインに沿う隣接する最大高及び最小高の間の高さの差は、好ましくは１０ミクロン未満、より好ましくは５ミクロン未満、最も好ましくは１ミクロン未満とすべきである。

先に示したように、本発明は上述した３Ｄ物品を製造する方法により得られる又は得られない鋳型自体も提供し、他の態様において斯かる鋳型は外側層と空洞を備える支持構造部とを有し、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填される。特定の実施態様において、該鋳型は、本明細書に記載される方法により得ることができる。更に、前述したように、特に前記充填材料は前記支持構造部よりも高い熱伝導度を持つ材料を有することができる。更に、一実施態様において、前記外側層及び前記支持構造部は、（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する。

一実施態様において、上記鋳型等の３Ｄ物品の体積の５〜４０％のような２〜６０％等の例えば１〜８０％程度は前記空洞の体積により占有され得、残りが実質的に前記外側層及び支持構造部である。更に、前記空洞は、５００μｍ^３のような少なくとも２０μｍ^３等の少なくとも１００μｍ^３の各体積を、５０ｍｌまで、１０ｍｌまで、１ｍｌまで、又はそれより少ない等の１００ｍｌまで有することができる。これら空洞は、異なる形状を有することができ、全てが等しく成形される必要はない。

このように、３Ｄ物品を製造する上述した方法及び鋳型は、各々、特にはＦＤＭ方法及びＦＤＭ（で得られる）鋳型である。従って、本発明は熱溶解積層法により（例えば、本明細書に記載されるＦＤＭプリンタにより）３Ｄ物品を製造する方法を特に提供する。

従って、先に示したように、本発明は、（３Ｄ）物体（“物体”）を作製するための方法等の、前述のようにして得られた３Ｄ物品が複製目的の鋳型として使用される方法も提供し、斯かる方法は、鋳型を硬化性材料により少なくとも部分的に充填する（特には、射出成形により）ステップと、前記硬化性材料を少なくとも部分的に硬化させて、硬化された材料を有する前記物体を形成するステップとを有し、前記鋳型は外側層と空洞を備える支持構造部とを有し、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、当該方法は前記鋳型から前記物体を取り外すステップを更に有する。この方法において使用することができる鋳型は、特に外側層と空洞を備える支持構造部とを有する鋳型であり、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、（ｉ）前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填され、及び／又は（ii）前記外側層及び前記支持構造部は、（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する。従って、該鋳型は特に前述した方法により得られ得る。更に、多数の複製処理に関係する特定の実施態様において、前記充填材料は前記支持構造部よりも高い熱伝導度を持つ材料を有する。従って、（３Ｄ）物体を作製するための本発明の方法は、特に射出成形方法（本明細書に特に記載された前記鋳型を用いる）である。

本方法の応用例の１つは、光学部品を作製することである。このような事例において、当該鋳型の表面の滑らかさは、レンズ、窓等を作製する場合におけるように、必須であり得る。従って、前記硬化性材料は当該物体の所望の用途に適した如何なる材料も含むことができるが、特定の実施態様では、該硬化性材料はシリコン樹脂（シリコーン）を有する。特に、当該物体は、レンズ、窓（即ち、透光性材料を有する窓）等の光学部品を有することができる。本明細書において、“３Ｄ物品”なる用語は特に鋳型として使用することができる３Ｄ物品を指し、“物体”なる用語は、鋳型として使用される３Ｄ物品から区別するために、及び／又は本明細書に記載された物体を作製するための方法によっては得られない３Ｄ物品から区別するために使用されていることに注意されたい。

３Ｄ物品（特には、鋳型）を製造する前記方法は、例えば特定のプリンタにより適用することができる。他の態様において、本発明は、このようなプリンタを提供し、斯かる３Ｄプリンタは、（ａ）プリンタノズルと、オプションとして（ｂ）充填材料供給ユニットとを有し、当該３Ｄプリンタは外側層と空洞を備える支持構造部とを有する３Ｄ物品を形成するように構成され、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、特定の実施態様において前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填され、当該３Ｄプリンタは、オプションとして（ｃ）特に（前記外側層の）表面粗さを低減するために前記３Ｄ物品の外側層の少なくとも一部を後処理する（特には、後処理段階において）ように構成された後処理段ユニットを更に有する。従って、当該プリンタは、特に、（ｉ）前記充填材料供給ユニット及び（ii）前記後処理段ユニットの１以上を有することができる。このように、該３Ｄプリンタは、特に、３Ｄ ＦＤＭプリンタ（又は、“ＦＤＭ ３Ｄ”プリンタ若しくは単に“ＦＤＭプリンタ”）である。

従って、上記３Ｄプリンタは、前述した３Ｄ物品（特には鋳型）を製造する方法を実行するように構成することができる。前記プリンタノズルは前記印刷可能材料を供給し、これにより前記外側層及び支持構造部を構築するために使用することができる。前記（オプションの）充填材料供給ユニットは前記充填材料を供給するように構成される。一実施態様において、該充填材料供給ユニットは、プリンタノズルを含むこともできる。更に、該３Ｄプリンタは、ヒータ、放射（ＵＶ及びＩＲの１以上等）の発生源、及び圧力を供給する（印刷される印刷可能材料に対し）ための装置等からなる群から選択される１以上の要素を含むことができる。前述したように、該３Ｄプリンタは特に（オプションの）後処理段ユニットを有することができる。このような後処理段ユニットは、例えば、加熱ユニット（印刷された３Ｄ物品の外側層の少なくとも一部を加熱するように構成された）、（前記外側層の少なくとも一部の）溶媒による溶解を実行するように構成されたユニット、及びコーティングユニット（前記印刷された３Ｄ物品の外側層の少なくとも一部をコーティングするように構成された）の１以上を含むことができる。

更に他の実施態様において、上記３Ｄプリンタは、（ｄ）スラリ又はペースト等の液体を固形充填材料に変質させる（特に、変質段階において）ように構成された変質段ユニットを更に有し、前記スラリ等の前記液体は金属粒子、セラミック粒子及び炭素粒子の１以上を有し、前記変質段ユニットは前記スラリ等の前記液体を硬化及び／又は乾燥させる（特に、前記変質段階において）ように構成され、前記（オプションの）後処理段ユニットは、（ｉ）前記外側層の少なくとも一部を加熱するステップ、（ii）前記外側層の少なくとも一部を溶媒で溶解するステップ、及び（iii）前記外側層の少なくとも一部をコーティングするステップの１以上を適用する（特に、前記後処理段階において）ように構成される。代わりに又は加えて、ペーストを使用することもできる。ここでは、本発明はスラリに関連して定義されているが、本発明は液体の実施態様としてスラリに限定されるものではない。

図１は、鋳型等の３Ｄ物品の一実施態様を概略的に示す。 図２Ａは、鋳型等の３Ｄ物品を製造するための一実施態様を概略的に示す。 図２Ｂは、鋳型等の３Ｄ物品を製造するための他の実施態様を概略的に示す。 図３Ａは、後処理段階の前後の図１の３Ｄ物品の一部の拡大図を概略的に示す。 図３Ｂは、後処理後の鋳型の一実施態様の他の拡大図を概略的に示す。 図４Ａは、３Ｄプリンタの一態様を概略的に示す。 図４Ｂは、３Ｄプリンタの他の態様を概略的に示す。

以下、本発明の実施態様を例示のみとして添付図面を参照して説明するが、これら図において同様の符号は同様の部分を示している。尚、これら図面は必ずしも実寸通りではない。

図１は、外側層２１０と空洞２３０を備える支持構造部２２０とを有する３Ｄ物品１０、特には鋳型２０を概略的に示し、上記外側層は支持構造部２２０を少なくとも部分的に包囲し、空洞２３０は充填材料２０４により少なくとも部分的に充填されている。物品１０の体積部分は符号２００により示されている。該体積部分２００は、特に、空洞２３０を含む支持構造部２２０を有している。更に、本発明において、１以上の空洞２３０は充填材料２０４を有している。従って、本発明の物体において、体積部分２００は充填材料２０４も有している。支持構造２２０及び外側層２１０の材料は、実施態様では、実質的に同一とすることができる。充填材料２０４は、一般的に、支持構造部の材料とは組成が異なる。

ここに概略的に示されるように、当該３Ｄ物品１０が鋳型２０であると仮定すると、該鋳型２０は符号２２により示された鋳型開口又は鋳型空洞を含むことができ、該開口又は空洞は、当業技術において知られているように、モールド形成処理において３Ｄ物体の少なくとも一部を作製するために使用される。符号２２２は前記支持構造部の外層を示す。当該３Ｄ物品１０の後処理により、支持構造部の外層２２２は処理されないままとなるが、前記外側層２１０（又は、少なくとも該外側層の表面）は処理される。これにより、特に、これら層の表面が相違することになる。例えば、これらは（ａ）化学組成、（ｂ）密度及び（ｃ）表面テクスチャの１以上が相違し得る。

図２Ａ〜図２Ｂは、後処理段階を含まない、３Ｄ物品を製造する処理工程の限定するものでないステップを概略的に示す。これらの図は、３Ｄ印刷段階に焦点を当てている。前記空洞を充填する前の充填材料は、金属粒子、セラミック粒子及び炭素粒子の１以上を含む懸濁液（スラリ）２０５等の液体を有することができ、その場合、当該方法は空洞内の該スラリを固形充填材料２０４に変質させるステップを有する変質段階を更に有することができ、該変質段階は硬化させるステップ及び乾燥させるステップの１以上を含む。ここでは、上記液体はスラリ２０５を参照して更に説明されるが、スラリ以外の液体を適用することもできる（及び、オプションとして、充填材料２０４に変質される）。従って、当該印刷段階は、例えば、充填材料（又はスラリ２０５のような液体等の、該充填材料の前駆物質）を注入するステップ及び供給するステップの１以上を含むことができる。符号２０２は３Ｄ印刷された材料を示す。印刷する場合、３Ｄ印刷可能材料は可撓性であるが、該３Ｄ印刷された材料は、当業技術において知られているように、３Ｄ印刷可能材料よりも剛性である。一実施態様においては、同時に３Ｄ印刷可能材料を印刷すると共に充填材料（又は、その前駆物質）で充填することができるか、又は複数の３Ｄ印刷及び充填ステップを用い、これにより段階的に（完了した）３Ｄ物品を形成することができる（図２Ａ参照）。代わりに、先ず少なくとも部分的に又は実質的に全体的に３Ｄ支持構造部（及び外側層２１０）を形成し、次いで充填材料で充填することができる（図２Ｂ）。概略的に図示された両処理工程の実施態様において、上記充填材料は流体充填材料（スラリ）２０５として供給され、次いで乾燥及び／又は硬化される。しかしながら、粒子状充填材料２０４により充填するステップを含み、他の実施態様も可能である。従って、図２Ａ〜図２Ｂは、鋳型２０等の３Ｄ物品を作製するための限定されない数の実施態様を概略的に示すものである。

図３Ａは、後処理段階の前後の図１の３Ｄ物品の一部の拡大図を概略的に示す。後処理の前において、表面テクスチャは相対的に粗く、このことは外側層２１０及び支持構造部２２０に当てはまる。しかしながら、後処理の後、外側層２１０は表面粗さを低減する１以上の方法を受けている。その結果が、矢印の後に概略的に示されている。このような処理は、下側に位置する支持構造部２２０（及び３Ｄ印刷された材料２０２の残部）に対しては全く又は余り効果を有さないであろう。図３Ｂは、後処理後の当該鋳型の一実施態様の他の拡大図を概略的に示す。ここでは、当該後処理は、例えばコーティングステップを含んでいるものとすることができる。コーティング２１７が図示されており、該コーティングは外側層２１０の表面粗さを、コーティングされていない外側層２１０に対して減少させる。

図４Ａ〜図４Ｂは、３Ｄプリンタの幾つかの態様を概略的に示す。符号５００は３Ｄプリンタを示している。符号５３０は３Ｄ印刷を行う、特にはＦＤＭ式３Ｄ印刷を行うように構成された機能ユニットを示し、この符号は３Ｄ印刷段ユニットも示している。ここでは、ＦＤＭ式３Ｄプリンタヘッド等の３Ｄ印刷材料を供給するためのプリンタヘッドのみが概略的に示されている。符号５０１は該プリンタヘッドを示す。本発明の３Ｄプリンタは、他の実施態様も可能であるが、特には複数のプリンタヘッドを含むことができる。符号５０２はプリンタノズルを示す。本発明の３Ｄプリンタは、他の実施態様も可能であるが、特には複数のプリンタノズルを含むことができる。符号３２０は、３Ｄ印刷可能材料のフィラメント（前述したような）を示す。明瞭化のために、当該３Ｄプリンタの全てのフィーチャが示されているのではなく、本発明に特に関係のあるもののみが示されている。当該３Ｄプリンタ５００は受け側物品５５０上に複数のフィラメント３２０を堆積することにより３Ｄ物品１０を形成するように構成され、各フィラメント３２０は融点Ｔ_ｍを持つような３Ｄ印刷可能材料を有する。該３Ｄプリンタ５００は上記フィラメント材料をプリンタノズル５０２の上流で加熱するように構成されている。このことは、例えば、押し出し及び／又は加熱機能の１以上を有する装置により実行することができる。このような装置が、符号５７３により示され、プリンタノズル５０２の上流に（即ち、時間的には当該フィラメント材料がプリンタノズル５０２を離脱する前）配設されている。符号５７２は、特にはワイヤの形態での材料の糸巻きを示す。当該３Ｄプリンタ５００は、これをフィラメント又はファイバに変形させる。フィラメントをフィラメント毎にフィラメント上に配置することにより、３Ｄ物品１０を形成することができる。

図４Ｂは、後処理段ユニット５１０を含む３Ｄプリンタ５００の一実施態様を概略的に示す。該３Ｄプリンタ５００はプリンタ段ユニット（印刷段ユニット）５３０を有し、該プリンタ段ユニットは３Ｄ印刷可能材料により印刷を行うためのプリンタヘッドを少なくとも有している（図４Ａ参照）。オプションとして、該プリンタ段ユニット５３０は充填材料を供給するように構成された材料供給ユニット５０４を有することができる。また、オプションとして、該プリンタ段ユニット５３０は特に上記材料供給ユニット５０４との組み合わせで変質段ユニット５２０を有することができる。特に、該変質段ユニット５２０は、例えば上記材料供給ユニット５０４により供給されたスラリ２０５を固形充填材料２０４に変質させるように構成することができる。材料供給ユニット５０４及び変質段ユニット５２０はプリンタ段ユニット５３０にオプションとして含まれるものであるから、点線が用いられている。更に、該３Ｄプリンタ５００はオプションとして後処理ユニット５１０を有することができる。オプションとして、当該３Ｄプリンタは該３Ｄプリンタを或る段階から他の段階へと移送するための移送手段（図示略）を含むことができる。ここに概略的に示されたエレメント及び／又はユニット以外の機能エレメント及び／又はユニットを、該３Ｄプリンタ５００に含めることもできる。

他のフィーチャを斯様な鋳型に組み込むこともできることは言うまでもない。例えば、当該鋳型の使用の間において水冷が必要とされる場合、水冷を可能にするために適切なチャンネルを設計し、当該鋳型に組み込むことができる。

“実質的になる”における等の、本明細書における“実質的に”なる用語は、当業者により理解されるであろう。また、“実質的に”なる用語は、“全体的に”、“完全に”、“全て”等による実施態様も含むことができる。従って、実施態様においては、実質的になる形容詞句を除去することもできる。当てはまる場合、“実質的に”なる用語は、１００％を含み、９５％又はそれ以上、特には９９％又はそれ以上、更に特別には９９.５％又はそれ以上等の、９０％又はそれ以上にも関係し得る。“有する”なる用語は、“有する”なる用語が“からなる”を意味するような実施態様も含む。“及び／又は”なる用語は、“及び／又は”の前後に言及される項目の１以上に特に関係する。例えば、“項目１及び／又は項目２”なる語句及び同様の語句は、項目１及び項目２の１以上に関係し得る。“有する”なる用語は、一実施態様では“からなる”を示すことができるが、他の実施態様では、“少なくとも指定されたものを含むと共に、オプションとして１以上の他のものを含む”を示すこともできる。

更に、詳細な説明及び請求項における第１、第２及び第３等の用語は同様の要素の間を区別するために使用されるものであり、必ずしも連続した又は時間的順序を説明するためのものではない。斯様に使用された用語は適切な状況下では入れ替え可能であり、ここに説明される本発明の実施態様は、ここに記載又は図示されたもの以外の順序で動作することができると理解されるべきである。

本明細書における装置は、とりわけ、動作中で説明されている。当業者にとり明らかなように、本発明は動作中の装置又は動作方法に限定されるものではない。

上述した実施態様は本発明を限定するというよりは解説するものであり、当業者であれば添付請求項の範囲から逸脱することなしに多数の代替実施態様を設計することができることに注意すべきである。尚、請求項において、括弧内の如何なる符号も当該請求項を限定するものと見なしてはならない。また、“有する”なる動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載されたもの以外の構成要素又はステップの存在を排除するものではない。また、単数形の構成要素は複数の斯様な構成要素の存在を排除するものではない。本発明は、幾つかの個別のエレメントを有するハードウェアにより、及び適切にプログラムされたコンピュータにより実施化することができる。また、幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これら手段の幾つかは１つの同一のハードウェアにより具現化することができる。また、特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。

本発明は、更に、前記詳細な説明に記載され、及び／又は添付図面に示された特徴的フィーチャの１以上を有する装置に当てはまるものである。本発明は、更に、前記詳細な説明に記載され、及び／又は添付図面に示された特徴的フィーチャの１以上を有する方法又は製造方法に関するものである。

本特許出願において説明される種々の態様は、更なる利点を提供するために組み合わせることができる。更に、フィーチャの幾つかは、１以上の分割出願のための基礎を形成することができるものである。

支持構造部を備える鋳型が作製された。支持構造部及び外側層は、例えばＡＢＳ、ポリスチレン又はＰＣから形成された。支持構造部における空洞は、高熱伝導性黒鉛複合材料（充填材料としての黒鉛）により充填された。

２つの異なる部分が互いに重ね合わされ、次いでモールド形成空洞（即ち、３Ｄ物体を作製するために重合可能な材料で充填するために使用される空洞）は液状シリコン樹脂により充填され、次いで重合された。次に、当該鋳型は加熱され、上記シリコン樹脂は重合した（硬化された）。該鋳型は開かれ、モールド形成された物体が外された。異なるタイプの鋳型が使用され、これらの幾つかは上記充填材料及び表面を平滑化する後処理なしで作製され、幾つかは後処理のみを伴って作製され、幾つかは上記充填材料のみを伴って作製され、幾つかは充填材料及び後処理の両方を伴って作製された。表面処理及び充填材料なしでＦＤＭ作製された鋳型は、複製技術のために使用することはできなかった。当該鋳型は変形する。同じことが、表面処理は伴うが充填材料を伴わない鋳型にも当てはまる。加熱等の表面処理の幾つかは、当該鋳型の変形につながる。充填材料を伴うものは、高い温度等の複製条件に耐えることができた。しかしながら、後処理の後の鋳型だけが、滑らかな表面を有すると共に当該鋳型から相対的に容易に外され得る３Ｄ物品をもたらした。相対的に非常に滑らかな表面を持つレンズが得られた。

Claims (13)

1. ３Ｄ物品を製造する方法であって、前記３Ｄ物品は外側層と空洞を備える支持構造部とを有し、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、当該方法が、
   （ａ）前記外側層及び前記支持構造部を熱溶解積層式３Ｄ印刷可能材料により、熱溶解積層式３Ｄ印刷するステップ及び前記空洞を充填材料により少なくとも部分的に充填するステップを有する３Ｄ印刷段階と、
   （ｂ）表面粗さを低減するために前記外側層の少なくとも一部を後処理するステップを有する後処理段階と、
   を有する、方法。
2. 前記３Ｄ物品が鋳型である、請求項１に記載の方法。
3. 前記３Ｄ印刷可能材料は硬化性材料を有し、前記３Ｄ印刷するステップが前記３Ｄ印刷可能材料の少なくとも一部を硬化させて３Ｄ印刷された材料を形成するステップを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記充填材料が前記支持構造部よりも高い熱伝導度を持つ材料を有する、請求項１ないし３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記空洞を充填する前の前記充填材料は金属粒子、セラミック粒子及び炭素粒子の１以上を含むスラリを有し、当該方法が前記空洞内の前記スラリを固形充填材料に変質させるステップを有する変質段階を更に有し、該変質段階が硬化するステップ及び乾燥するステップの１以上を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記後処理段階は、（ａ）前記外側層の少なくとも一部を加熱するステップ、（ｂ）前記外側層の少なくとも一部を溶媒で溶解するステップ、及び（ｃ）前記外側層の少なくとも一部をコーティングするステップの１以上を有し、このようにして得られる前記外側層及び前記支持構造部が（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する、請求項１ないし５の何れか一項に記載の方法。
7. 物体を形成する方法であって、請求項１ないし６の何れか一項に記載の方法により得られる鋳型を硬化性材料により少なくとも部分的に充填するステップと、前記硬化性材料を少なくとも部分的に硬化させて、硬化された材料を有する前記物体を形成するステップとを有し、前記鋳型は外側層と空洞を備える支持構造部とを有し、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填され、当該方法は前記鋳型から前記物体を取り外すステップを更に有し、前記充填材料は前記支持構造部よりも高い熱伝導度を持つ材料を有する、方法。
8. 前記硬化性材料はシリコン樹脂を有し、前記物体が光学部品を有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記外側層及び前記支持構造部が（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する、請求項７又は請求項８に記載の方法。
10. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の方法により得られると共に、外側層と空洞を備える支持構造部とを有する鋳型であって、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填され、前記充填材料が前記支持構造部よりも高い熱伝導度を持つ材料を有する、鋳型。
11. 前記外側層及び前記支持構造部が（ａ）化学組成、（ｂ）密度、及び（ｃ）表面テクスチャの１以上で相違する、請求項１０に記載の鋳型。
12. （ａ）プリンタノズルと（ｂ）充填材料供給ユニットとを有する熱溶解積層式３Ｄプリンタであって、当該３Ｄプリンタは外側層と空洞を備える支持構造部とを有する３Ｄ物品を形成し、前記外側層は前記支持構造部を少なくとも部分的に包囲し、前記空洞は充填材料により少なくとも部分的に充填され、当該３Ｄプリンタが、（ｃ）表面粗さを低減するために前記３Ｄ物品の外側層の少なくとも一部を後処理する後処理段ユニットを更に有する、３Ｄプリンタ。
13. スラリを固形充填材料に変質させる変質段ユニットを更に有し、前記スラリは金属粒子、セラミック粒子及び炭素粒子の１以上を有し、前記変質段ユニットは前記スラリを硬化及び／又は乾燥させ、前記後処理段ユニットが、（ｉ）前記外側層の少なくとも一部を加熱するステップ、（ii）前記外側層の少なくとも一部を溶媒で溶解するステップ、及び（iii）前記外側層の少なくとも一部をコーティングするステップの１以上を適用する、請求項１２に記載の３Ｄプリンタ。

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