JP7521118B2 - ステレオリソグラフィ３ｄ印刷によって物体を製造するための方法及びデバイス - Google Patents

Description

本発明は、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷によって物体を製造する方法であって、物体が、構造化層（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌａｙｅｒ）の堆積を得るために構築台上に層ごとに構築され、各構造化層が、
－ 感光性樹脂の未構造化層を用意するステップと、
－ 所望のパターンに従って未構造化層上に選択的に光を投射することにより感光性樹脂を硬化させて、パターンに従って構造化された構造化層を得るステップと
によって得られる、方法に関する。

さらに、本発明は、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷によって物体を製造するためのデバイスであって、
構築台と、
材料キャリヤと、
感光性樹脂の未構造化層を構築台上に又は部分的に構築された物体上に適用するための手段と、
感光性樹脂の未構造化層上への光のパターン化のために設計された光エンジンであって、パターンに従って構造化された構造化層を得るために感光性樹脂を硬化させるように適合された、光エンジンと
を備える、デバイスに言及する。

本明細書において、「光（ｌｉｇｈｔ）」は、感光性樹脂の重合を誘発することが可能な任意の電磁放射を含み得る。「光」という用語は、必ずしも可視光、例えば人の目によって認識され得るスペクトルの部分に限られるものではない。放射は、１０ｎｍから１０，０００ｎｍ、好ましくは１００から５００ｎｍの範囲内の波長を有し得る。

「感光性樹脂（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｔｉｖｅ ｒｅｓｉｎ）」という用語は、硬化プロセスを通じて硬化高分子材料に整合する材料を意味し得る。感光性樹脂は、モノマー、オリゴマー、及び光開始剤の混合物を含み得るが、これに限定されない。感光性樹脂はまた、未硬化フォトポリマーと呼ばれ得る。

感光性樹脂の「硬化（ｃｕｒｉｎｇ）」は、光を照射されることにより感光性樹脂が重合又は交差結合されるプロセスである。

本明細書において、「光エンジン（ｌｉｇｈｔ ｅｎｇｉｎｅ）」は、所定のパターンに従って動的光情報（ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｇｈｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を生成することが可能なデバイスである。実例として、ＬＣＤディスプレイ、デジタル・ライト・プロセッシング（ＤＬＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、他のアクティブ・マスク・プロジェクション・システム、及び／又はレーザ・スキャナに基づくシステムが、感光性樹脂の表面に光情報を選択的に投射するために使用され得る。

他の積層造形技術と比較すると、市販のステレオリソグラフィ（ＳＬＡ：ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）・プリンタは、高い解像度及び表面品質を提供する。さらに、加熱又は薄膜コーティングのような特定のプロセス応用を用いると（例えば、特許文献１及び２参照）、他のいずれの積層造形技法でも処理され得ない高粘度材料、例えば樹脂が印刷され得る。高粘度材料は、ステレオリソグラフィによって印刷される部品の機械的特性の発展をもたらし得る。

しかし、現在のステレオリソグラフィ・プロセスは、一度に１種類の材料しか処理することができない。ステレオリソグラフィの別の欠点は、支持構造の必要性である。トップ・ダウンのシステム及びボトム・アップのシステムのどちらの場合でも、支持構造は、張出し部、アンダカット、又は主構築部によって支持されない他のセグメントを支持する働きをする。ステレオリソグラフィでは、支持構造は、本質的に構築材料と同じ材料で構成される。したがって、支持構造は、洗浄又は溶融によって容易に除去することができず、機械的に除去する必要があり、多くの場合、手作業で、例えば折り取るか又は切り取って除去する必要があり、部品の表面上に跡が残る。これは、表面の潜在的な損傷に加えて、余計な時間と作業要求とを伴う。印刷プロセス後に脱バインダ及び／又は焼結を必要とする部品、例えばセラミック又は金属充填されたフォトポリマーの場合は特に、支持構造の手作業での除去は、時間がかかるだけでなく労働集約的且つツール集約的であり、且つ、プロセス連鎖にわたって部品を損傷するさらなるリスクを追加する。

インクジェット印刷又は溶融フィラメント造型法（ＦＦＦ：Ｆｕｓｅｄ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）などの他の積層造形技術は、一度に複数の材料を処理し得る。それらのシステムは、支持構造を印刷するための支持材料を提供できることが多く、支持材料は、本質的に構築材料とは異なる。支持材料を溶融させること、又は溶剤を使用して支持材料を洗い流すことを含めて、この支持材料を除去するためのいくつかの方法が存在する。これは、印刷された部品の表面を損傷することなしに支持材料を除去することを可能にする。しかし、溶融フィラメント造型法のための印刷システムは、現在のところ、大抵の工業用途に必要とされる正確な層接着及び表面品質を欠いている。一方で、インクジェット印刷技術は、感光性樹脂の粘度パラメータに関してかなりの制限があり、一般に、利用可能な印刷ヘッドの流体制限（ｆｌｕｉｄｉｃ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）に起因して、約２０ｍＰａ・ｓに限定される。低粘度モノマーは通常、短い重合鎖を特徴とし、且つ、密な高分子網目を形成し、したがって壊れやすい高分子部品をもたらすので、上記の制限は、達成可能な機械的特性への大きな影響を有する。

印刷プロセスのいくつかの限界を克服するために、異なる印刷方策が組み合わせられ得る。熱可塑性プラスチック（ＦＦＦ）とインクジェット印刷ヘッドからのフォトポリマーとを組み合わせるための手法（例えば、特許文献３）、及び着色目的のためにＳＬＡシステムとインクジェット印刷ヘッドとを組み合わせるための手法（例えば、特許文献３～５）が存在する。ＳＬＡのための複数材料手法は、それぞれ異なる樹脂を含む複数の大桶を含意することが多い（例えば、特許文献６）。しかし、それらの手法は、様々な材料間での相互汚染の問題に悩まされることが多い。

欧州特許出願公開第３２８４５８３号明細書 欧州特許出願公開第３４１８０３３号明細書 米国特許第１０，４８６，３６４号明細書 米国特許第１０，４４９，７１５号明細書 米国特許出願公開第２０１５／１３１０７４号明細書 米国特許出願公開第２０１７／１００８９９号明細書

本発明の目的は、印刷された物体の表面を損傷することなしに後処理ステップにおいて容易に且つ制御可能に除去され得る支持構造の配置を可能にするために、ステレオリソグラフィに基づく印刷方法及びデバイスを改善することである。

上記その他の目的を解決するために、本発明は、その第１の態様において、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷によって物体を製造する方法であって、物体が、構造化層の堆積を得るために構築台上に層ごとに構築され、各構造化層が、
－ 感光性樹脂の未構造化層を用意するステップと、
－ 所望のパターンに従って未構造化層に選択的に光を投射することにより感光性樹脂を硬化させて、パターンに従って構造化された構造化層を得るステップと
によって得られ、
構造化層の堆積が、隣接する構造化層の第１の対を含み、
感光性樹脂とは異なる除去可能材料の第１のフィルムが、除去可能材料の滴をエゼクタから放出することにより、前述の隣接する構造化層の第１の対のうちの第１の構造化層上に配置され、その後、前述の隣接する構造化層の第１の対のうちの第２の構造化層が、除去可能材料の第１のフィルム上に構築され、それにより、前述の隣接する構造化層の第１の対の第１の構造化層と第２の構造化層との間に除去可能材料の第１のフィルムが配置され、また、
後処理ステップにおいて、前述の除去可能材料の第１のフィルムが、除去可能材料の第１のフィルムを分解させるか又はその安定性を失わせる物理的且つ／又は化学的な処理を受け、除去可能材料が物体から除去される、方法を提供する。

本発明は、機械的に好都合なフォトポリマーの処理を可能にするステレオリソグラフィに基づく印刷プロセスを使用するものであり、また、印刷プロセス中に追加物質を選択的に追加するという考えに基づくものであり、この追加物質は、除去可能材料である。詳細には、本発明は、硬化した感光性樹脂の構造化層の間に除去可能材料のフィルムを配置することにより３Ｄ印刷された物体の異なる部品間に一時的な接合部を提供するという考えに基づくものであり、この一時的な接合部は、後処理ステップにおいて容易に分解されて除去され得る。そのような除去可能な接合部は、３Ｄ印刷された物体を２つ以上の部品に分離するために、又は、物体の表面に悪影響を与えることなしに物体から支持構造を除去するために、使用され得る。

除去可能材料は感光性樹脂と同じ材料ではないので、除去可能材料を除去するための後処理ステップは、除去可能材料のみが反応するプロセスとして設計され、それにより、硬化感光性樹脂を無影響のままにしておくことができる。具体的には、後処理ステップは、除去可能材料の第１のフィルムを分解させるか又はその安定性を失わせる物理的且つ／又は化学的な処理に除去可能材料のフィルムをさらすように設計される。

好ましい実施例によれば、物理的且つ／又は化学的な処理は、溶融、気化、昇華、膨潤、及び溶媒中での溶解からなる群から選択される。したがって、後処理ステップは、硬化感光性樹脂及び除去可能材料の様々な物理的且つ／又は化学的な特性を活用し、且つ、溶融、気化、昇華、膨潤、及び溶媒中での溶解などの分解反応を生じさせる物理的且つ／又は化学的な処理を、硬化した感光性樹脂においてではなく除去可能材料においてのみ適用する。

導入部で述べられたように、ステレオリソグラフィ・プロセスにおいて複数の材料を使用することは、通常、各材料につき１つの大桶などの複数の材料貯槽の使用を必要とし、ここで、構築台又は構築台上に少なくとも部分的に構築された物体は、前述の貯槽に交互に沈められる。しかし、物体が第２の材料に沈められるときに、第１の材料の構造化層が作製された後で依然として物体に付着している第１の材料の未硬化分が第２の材料中に移されるので、また逆の場合も同様なので、上記のことは、相互汚染をもたらす。

異なる２種類の材料間での相互汚染を回避するために、感光性樹脂から作られた構造化層上に除去可能材料の滴を放出するエゼクタにより、除去可能材料が適用される。具体的には、滴は、所望の機能を果たすために除去可能接合部が必要とされる構造化層の１つ又は複数の位置に選択的に配置される。エゼクタは、インクジェット印刷ヘッドとして、又はノズル若しくは液滴ディスペンサとして設計されることが好ましい。

除去可能材料で作られた接合部は、硬化感光性樹脂の選択された部品を３Ｄ印刷された物体から分離する働きをすることができる。除去されるべき選択された部品が上側及び下側の両方において構造化層によって閉じ込められている場合、除去可能接合部が両方の側にあることが有利であろう。したがって、本発明の好ましい実施例は、構造化層の堆積が、隣接する構造化層の第２の対を含むことを実現し、
ここで、感光性樹脂とは異なる除去可能材料の第２のフィルムが、除去可能材料の滴をエゼクタから放出することにより、前述の隣接する構造化層の第２の対のうちの第１の構造化層上に配置され、その後、前述の隣接する構造化層の第２の対のうちの第２の構造化層が、除去可能材料の第２のフィルム上に構築され、それにより、前述の隣接する構造化層の第２の対の第１の構造化層と第２の構造化層との間に除去可能材料の第２のフィルムが配置され、また、
後処理ステップにおいて、前述の除去可能材料の第２のフィルムが、除去可能材料の第２のフィルムを分解させるか又はその安定性を失わせる物理的且つ／又は化学的な処理を受け、除去可能材料が物体から除去される。

本発明の重要な有用性は、物体の張出し部分又はアンダカットを支持するために物体の製造中に印刷される支持構造の除去である。除去は、支持構造の上側及び下側において除去可能材料のフィルムで支持構造を閉じ込めることによって可能とされる。したがって、本発明のプロセスの好ましい実施例は、感光性樹脂で構成された支持構造が除去可能材料の第１のフィルムと除去可能材料の第２のフィルムとの間に作り出され、後処理ステップにおいて前述の支持構造が物体から除去されることを実現する。

除去可能材料のフィルムがそれぞれ設けられている構造化層の上側及び下側の両方において構造化層によって閉じ込められる支持構造の代わりに又はそれに加えて、支持構造はまた、物体の構造化層と構築台との間に配置され得る。ここで、本発明のプロセスの好ましい実施例は、感光性樹脂で構成された支持構造が除去可能材料の第１のフィルムと構築台との間に作り出され、後処理ステップにおいて前述の支持構造が物体から除去されることを実現する。

構築台からの支持構造の分離を容易にするために、感光性樹脂の第１の構造化層を構築台上に構築する前に除去可能材料の滴をエゼクタから放出することにより、除去可能材料の第３のフィルムが構築台上に配置され得る。このようにして、除去可能材料で作られる追加の接合部が、構築台と支持構造との間に作り出される。

支持構造は、張出し部分又はアンダカットの下の空間全体を埋めることができる。しかし、支持構造を構築するのに必要とされる感光性樹脂の量を最小限に抑えるために、支持構造は、複数の支柱などの複数の支持要素を含み得る。

ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷プロセスにおいて一般に実践されるように、支持構造は実際の物体と同時に構築され、そのため、好ましい実施例は、支持構造が硬化感光性樹脂の複数の層から構築されることを実現する。この目的のために、パターンのセクションは、それぞれ、支持構造を層ごとに構築するために使用され得る。

特定の好ましい実施例によれば、除去可能材料のフィルムは、前述の支持構造の硬化感光性樹脂の層の間にそれぞれ配置される。このようにして、支持構造は、硬化感光性樹脂及び除去可能材料で作られた交互するセクションで構成される。言い換えれば、支持構造は、少なくとも１つの除去可能材料のフィルムにより、少なくとも２つのセクションに分割される。後処理ステップ中、除去可能材料が分解されるか又はその安定性を失うときに、支持構造は、少なくとも２つのセクションに、即ちより容易に除去され得るより小さな部品に、分離するか又は崩壊する。これは、アクセスするのが難しい物体の領域からの又は物体の空洞からの支持構造の除去を可能にする。さらに、この方法は、印刷部品の幾何形状から大いに独立し得るので、この方法は、自動化された後処理及び清掃ステップにおいて除去を統合することを可能にする。

さらに、これは、単一の印刷処理の部品組立体において、或いは印刷後に分解され得ない組立体群においてですら、部品間、下位部品間、又は組立体群間に可動のジョイント、歯車、又は他のタイプの軸受若しくは可動解決策を作り出す能力を提供する。

除去可能材料の性質に関して、エゼクタにより滴で適用することができ、また、融点、溶解性、沸点などのような少なくとも１つの物理的及び／又は化学的特性が硬化感光性樹脂とは異なる、任意の材料が使用され得る。

除去可能材料は、重合可能であり且つその重合状態及びプレ重合状態において溶媒中で溶解又は膨潤され得る材料であることが好ましい。したがって、そのような材料は、アクリレート類、メタクリレート類、アクリルアミド類、ビニル・エーテル類若しくはビニル・エステル類、マレイミド類、環状エーテル類、イソシアネート類、アミン類、又は他の重合可能な不飽和基若しくは飽和基などの、少なくとも１種類の重合性基で構成されてよく、また、場合により、少なくとも１種類の親水性基又は親油性基をさらに含み得る。重合材料は、水、アルコール、油、又は他の有機溶媒などの溶媒中で分解又は膨潤可能であり得る。そのような材料は、例えば、ヒドロキシ基、カルボニル基、及びカルボキシ基、並びに他の電気陰性のヘテロ原子類、アミン類、イオン性液体類、及び塩類との誘導体、例えばヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ： ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、２－（２－エトキシエトキシ）エチルアクリレート（ＥＯＥＯＥＡ：２－（２－ｅｔｈｏｘｙｅｔｈｏｘｙ）ｅｔｈｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリロイル・モルホリン（ＡＣＭＯ：ａｃｒｙｌｏｙｌ ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｅ）、ポリエチレン・グリコール誘導体、ポリエーテル類、ヒドロキシ・エチレン、又はアクリル酸ラウリル類を含む。

代替的な好ましい実施例によれば、除去可能材料は、印刷プロセス後に固化され且つ溶解可能であり、したがって、長鎖アルコール類又はワックス類などの、＜２００℃の融点などの硬化感光性樹脂の熱分解温度未満の融点を有する材料である。

硬化感光性樹脂上の除去可能材料の付着を改善するために、構造化層は、除去材料の滴をエゼクタから構造化層上に放出する前に、例えばプラズマ又はコロナ処理といった表面調整によって前処理され得る。

除去可能材料は液体の形態で硬化感光性樹脂層上に適用されるので、好ましい実施例は、除去可能材料のフィルム上に構造化層が構築される前に除去可能材料のフィルムが固化されることを実現する。除去可能材料のフィルムは、除去可能材料のフィルム上に構造化層が構築される前に、乾燥ステップ、固化ステップ、又は光硬化ステップを受けることが好ましい。或いは、除去可能材料のフィルムは、大気のような環境ガス又は特殊なプロセス・ガス若しくはプロセス雰囲気によってトリガされるか或いは追加のエゼクタ・デバイスによって放出され得る第２の除去可能材料化合物と接触することによってトリガされる化学反応過程によるハードニング又は硬化にさらされる。別の手法では、除去可能材料のフィルムは、硬化感光性樹脂層の表面上で液体のままでいて、その後で、次の硬化感光性樹脂の層を形成する電磁放射パターンによって少なくとも部分的に硬化され得る。代替的な手法では、除去可能材料のフィルムは、硬化感光性樹脂層の表面上、さらには硬化感光性樹脂の複数の層の間で、液体のままであり続ける。しかし、そのような構成では、除去可能材料のフィルムの粘度は、印刷プロセス全体にわたって変動するか又は持続する場合があり、また、その物理的なプロセス環境（例えば、プロセス温度）又は化学的なプロセス環境（例えば、周囲ガス雰囲気）によって影響される場合がある。

さらに、構造化層は、空洞を有するように構造化されてよく、空洞内には、エゼクタから除去可能材料の滴が放出される。これは、所望の位置における除去可能材料の位置決めを改善する。

本発明のさらなる態様によれば、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷によって物体を製造するためのデバイスであって、
構築台と、
材料キャリヤと、
感光性樹脂の未構造化層を構築台上に又は部分的に構築された物体上に適用するための手段と、
感光性樹脂の未構造化層上への光のパターン化のために設計された光エンジンであって、パターンに従って構造化された構造化層を得るために感光性樹脂を硬化させるように適合された、光エンジンと、
除去可能材料のフィルムを得るために構造化層上に除去可能材料の滴を放出するためのエゼクタと、
構築台、光エンジン、及びエゼクタの相対位置を変更するための駆動手段と、
第１の相対位置では構造化層を構築するために構築台及び構築台上に少なくとも部分的に構築された物体が光エンジンに割り当てられ、第２の相対位置では構造化層上に除去可能材料のフィルムを適用するために構築台及び構築台上に少なくとも部分的に構築された物体がエゼクタに割り当てられるように、駆動手段を制御するように適合された制御ユニットと、
を備え、
制御ユニットが、隣接する構造化層の第１の対のうちの第１の構造化層上に除去可能材料の第１のフィルムが配置され、その後、前述の隣接する構造化層の第１の対のうちの第２の構造化層が除去可能材料の第１のフィルム上に構築され、それにより前述の隣接する構造化層の第１の対の第１の構造化層と第２の構造化層との間に除去可能材料の第１のフィルムが配置されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、デバイスが提供される。

制御ユニットは、隣接する構造化層の第２の対のうちの第１の構造化層上に除去可能材料の第２のフィルムが配置され、その後、前述の隣接する構造化層の第２の対のうちの第２の構造化層が除去可能材料の第２のフィルム上に構築され、それにより前述の隣接する構造化層の第２の対の第１の構造化層と第２の構造化層との間に除去可能材料の第２のフィルムが配置されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされることが、好ましい。

制御ユニットは、感光性樹脂の少なくとも１つの構造化層で構成された支持構造が除去可能材料の第１のフィルムと除去可能材料の第２のフィルムとの間に作り出されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされることが、好ましい。

制御ユニットは、感光性樹脂の少なくとも１つの構造化層で構成された支持構造が除去可能材料の第１のフィルムと構築台との間に作り出されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされることが、好ましい。

制御ユニットは、感光性樹脂の第１の構造化層を構築台上に構築する前に除去可能材料の第３のフィルムが構築台上に配置されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされることが、好ましい。

制御ユニットは、支持構造が感光性樹脂の複数の構造化層で構成されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされることが、好ましい。

制御ユニットは、除去可能材料のフィルムが支持構造の前述の複数の構造化層の間にそれぞれ配置されるように、所定のシーケンスに従って第１の位置と第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされることが、好ましい。

以下、本発明の特定の好ましい実施例を参照することにより、本発明をより詳細に説明する。

ボトム・アップ・ステレオリソグラフィ・プロセスのための材料配置方策の実例を示す図である。 トップ・ダウン・ステレオリソグラフィ・プロセスのための材料配置方策の実例を示す図である。 可動ＳＬＡ印刷ヘッドによるステレオグラフィ印刷プロセスのための材料配置方策の側面図である。 可動ＳＬＡ印刷ヘッドによるステレオグラフィ印刷プロセスのための材料配置方策の上面図である。 張出し構造を含む印刷部品の図である。 空洞の内側に支持構造を含む印刷部品の図である。 図５ａの接触領域をより詳細に示す図である。 可動セグメントを含む例示的な部品の図である。 支持構造の内側の例示的な材料配置を示す図である。 部品と支持構造との間の接合部領域における例示的な支持構造幾何形状を示す図である。 印刷プロセスの流れ図である。

本発明は、支持構造の除去を容易にするために除去可能材料を選択的に配置するさらなる段階を伴う、充填材入りの又は無充填の感光性樹脂の光への選択的な暴露により部品を積層的に造形する方法である。ステレオリソグラフィ印刷システムは、充填材の有無に関わらず、印刷部品自体に対してだけでなく必要な支持構造に対しても同じ材料を用いて、様々な粘度、好ましくは所定のプロセス温度において０．１Ｐａ．ｓから２０Ｐａ．ｓの間の動的粘度の感光性樹脂の処理及び選択的な硬化を可能にする。１種類の材料のみに限定されるという市販のプリンタの欠点を克服するために、複数種の追加の材料を含む少なくとも１種類の追加の材料を選択的に配置することができる滴生成デバイス、例えばインクジェット印刷ヘッド、ノズル、又はピペットを印刷プロセスに取り入れることにより、複数材料ステレオリソグラフィ印刷が達成される。印刷物体に第２の又は追加の段階として除去可能材料を導入する本発明は、あらゆるタイプのステレオリソグラフィ印刷プロセスに適用され得る。図１及び図２は、そのような第２の又は追加の材料段階を追加するためにエゼクタを実装した２つの異なるステレオリソグラフィ印刷プロセスの概略図を示す。滴を放出するためのエゼクタに加えて、すでに硬化した層上を移動するユニットは、選択的に配置された液滴、滴アレイ、又は表面湿潤液滴層を硬化又は固定するための光源、例えばＬＥＤ又はＵＶランプを含み得る。さらに、ユニットは、配置された材料を乾燥させるための、及び／或いは基質を乾燥させ且つ／又は制御された若しくは制御されない気化を実施するための、熱源を含み得る。例えばワイパ・ブレード又は定められた温度の空気流若しくはガス流を用いて基質（すでに硬化した層）を下処理して表面を乾燥させる／清掃することが必要な場合がある。液滴の定められた配置を可能にする（例えば、印刷された層基質上での液滴材料の濡れ及び結合挙動を定めるか又はそれに影響を与える）ために、例えば層表面のプラズマ処理又はコロナ処理といった表面調整処理を使用することが、さらに有益であり得る。

図１は、複数材料ボトム・アップ・ステレオリソグラフィ印刷プロセス１００の概略図及び実例である。プリンタ１００は、構築台２で構成され、構築台２は、位置１０１と１０２と１０３との間で矢印７に従って回転可能である。位置１０１では、透明な大桶５が、感光性樹脂４で満たされている。この材料の高さは、数ミリメートルまでの印刷層厚さの範囲内であってよい。コータ８が、新たな感光性材料４で大桶を被覆するために設置され得る。構築台２は、構築台２（又は、構築台２上に部分的に構築された部品１）と大桶５との間の所望の層高さの距離に達するまで、感光性材料内へ下降される。硬化システム６が、透明な大桶５を通じて感光性材料４を硬化させる。これは、例えば、光源として単一の又は複数のＬＥＤを使用する動的マスク・システム、レーザ走査システム、或いはＬＣＤ又は他の能動的若しくは受動的な露光ディスプレイであり得る。硬化後、構築台２は上昇され、大桶５は再度被覆され得る。これらのステップが繰り返されることにより、３次元的な部品１が印刷される。張出し又は空洞などの特定の構造の場合、支持構造３が必要である。支持構造は、感光性樹脂から印刷されたセクション３１、可溶性材料、膨潤性材料、可融性材料、気化可能な材料、及び／又は昇華可能な材料などの除去可能材料から印刷されたセクション３２、並びに部品１と支持構造３との間の接合部セクション３３を含む、様々なセクションに分割され得る（図５ｂ参照）。セクション３２及び３３を印刷するために、モータ７が、印刷された部品１を所望の位置まで回転させ得る。例示的な位置１０２又は１０３では、滴生成デバイス９、例えばインクジェット印刷ヘッド若しくはピペット、又は加熱可能なノズルが、部品１の表面の上へ移動されて、選択された領域において除去可能材料を配置する。除去可能材料中の光開始剤に適合されたＵＶ光源又は可視光源１０が、材料を硬化させてそれを固定することができる。或いは、熱源１１、例えば赤外線ランプ又はハロゲン・ランプが、除去可能材料を乾燥させるか又は除去可能材料の成分（例えば、溶媒）を気化させることができる。必要であれば、スクレーパ１２、又は定められた温度の空気流若しくはガス流が、余分な除去可能材料を拭い落として／吹き飛ばして噴射を受ける基質を下処理するために、部品１の表面上で移動され得る。除去可能材料を配置する前に部品１の硬化感光性樹脂の表面の湿潤性及び付着性を向上させるために、例えばコロナ処理又はプラズマ処理といった表面処理デバイス１３が設置され得る。除去可能材料の配置後、構築台２は、元の位置１０１へ回転され、そこで部品１の次の層が硬化され、前述の層はまた、支持構造のセクション３１を形成する。

図２は、複数材料トップ・ダウン印刷プロセス２００を示す。構築台２が、感光性樹脂４で満たされたタンク５に沈む。位置２０１では、硬化システム６が、感光性材料４を上方から硬化させる。これは、例えば、光源としてＬＥＤを使用する動的マスク・システム、レーザ走査システム、或いはＬＣＤ又は他の能動的若しくは受動的な露光ディスプレイであり得る。硬化後、構築台２は、液体樹脂に沈められ、コータ又はブレード８が、印刷された部品を次の未硬化樹脂の層で被覆し得る。これらのステップが繰り返されることにより、３次元的な部品１が印刷される。張出し又は空洞などの特定の構造の場合、支持構造３が必要である。支持構造は、感光性樹脂３１から印刷されたセクション３１、可溶性材料、膨潤性材料、又は可融性材料などの除去可能材料から印刷されたセクション３２、及び部品１と支持構造３との間の接合部セクション３３を含む、様々なセクションに分割され得る。セクション３２及び３３を印刷するために、層３１を硬化させた後、滴生成デバイス９、例えばインクジェット印刷ヘッド若しくはピペット、又は加熱可能なノズルが、部品１の表面上で位置２０２まで移動されて、選択された領域において除去可能材料を配置する。除去可能材料中の光開始剤に適合されたＵＶ光源又は可視光源１０が、材料を硬化させてそれを固定することができる。熱源１１、例えば赤外線ランプ又はハロゲン・ランプが、除去可能材料を乾燥させることができる。除去可能材料の配置の前に、ワイパ若しくはブレード１２、又は定められた温度の空気流若しくはガス流が、未硬化樹脂の残渣を除去してもよい。表面品質を高めるために、例えばコロナ処理又はプラズマ処理といった表面処理デバイス１３が、部品１の表面上を移動してよい。

図３ａは、可動印刷ヘッド１５による例示的なステレオリソグラフィ・プロセスの側面図を示す。部品１は、ｚ方向において垂直に移動可能な構築台２上に印刷される。感光性材料３１は、ｘ方向において水平に移動され得る印刷ヘッド１５によって適用され且つ硬化される。印刷ヘッド１５は、構築台２上への液体感光性樹脂のための移送媒体として作用する、循環又は回転フォイルを備える。例えばレーザ・スキャナ、動的マスク・システム、又はＬＥＤモジュールといった硬化デバイス１６が、移送された樹脂を印刷ヘッド１５の内側からフォイルを通じて選択的に硬化させる。印刷ヘッド１５の後ろでは、例えばインクジェット印刷ヘッド若しくはピペット、又は（加熱可能な）ノズルといった滴放出デバイス９が、構築台１上で移動し、且つ、可溶性、膨潤性、可融性、昇華性、又は気化性の除去可能材料を選択的に配置することができる。除去可能材料中の任意選択の光開始剤に適合されたＵＶ光源又は可視光源１０が、除去可能材料を硬化してそれを固定し得る。例えば赤外線ランプ又はハロゲン・ランプといった熱源１１が、除去可能材料を乾燥させ得る。部品１の表面は、ワイパ若しくはブレード１２又は定められた温度の空気流若しくはガス流、及び／或いは例えばコロナ処理又はプラズマ処理といった表面処理デバイス１３を介して、下処理され得る。滴生成デバイス９、並びに硬化デバイス１０及び熱処理デバイス１１は、印刷ヘッド１５に取り付けられるか、又は独立して移動され得る。

図３ｂは、マルチ・パス印刷のための可動印刷ヘッド１５による例示的なステレオリソグラフィ・プロセスの上面図を示す。滴生成デバイス９は、印刷ヘッド１５上に設置されるか、又は、独立して移動することができ、且つ、構築台２上のより大きな構築領域を走査するためにｙ方向においてさらに移動することができる。硬化デバイス１０及び熱処理デバイス１１は、応じて滴生成デバイス９の前後に相応に位置決めされる。除去可能材料の配置の前に、印刷された部品１の表面を下処理するために、ワイパ若しくはブレード又は定められた温度の空気流若しくはガス流が使用されてよく、また、表面は、滴生成デバイスの前後に相応に位置決めされた例えばコロナ処理又はプラズマ処理といった表面処理デバイス１３によって処理されてよい。

図４は、構築台２に付着された、張出しセクションを含む印刷部品３００を示し、張出しセクションは、ステレオリソグラフィを介して支持構造３が印刷されることを必要とする。支持構造３は、部品１と同じ感光性樹脂材料から印刷される。支持構造３と部品１との間の接合部セクション３３において、及び／又は構築台２と支持構造３との間の接合部セクション３４において、可溶性、膨潤性、可融性、気化性、及び／又は昇華性であり得る除去可能材料が配置され且つ固化される。印刷プロセス後、部品は後処理を受ける。印刷された部品１から支持構造３を除去するために、及び／又は構築台２から部品１を取り外すために、部品１及び／又は構築台２全体が、加熱若しくは冷却され、且つ／又は適切な溶媒に沈められ得る。これは、セクション３３及び／又は３４内の除去可能材料を不安定化することにより印刷部品１の表面を損傷することなしに部品１から支持構造３を除去することを可能にする。また、これは、さもなければ部品１の手作業での取外しによって生じる引っ掻き傷から構築台２を防ぐ。さらに、支持構造３の除去又は構築台２からの分離は、自動的な後処理（例えば、ＵＶ又は熱による後硬化）又は洗浄ステップに組み入れられ得る。これは、かなりの時間、労力、及び手作業を節約し得る。

図５ａは、ステレオリソグラフィを介して支持構造３が印刷されることを必要とする、部分的にアクセス不能な空洞を含む部品４００を示す。支持構造３は、硬化感光性材料の層／セクション３１と、可溶性、膨潤性、可融性、気化性、及び／又は昇華性の材料などの除去可能材料の層／セクション３２とで構成され、且つ、セクションＸをより詳細に示す図５ｂに示されるように接合部セクション３３を介して部品１に付着される。支持構造３が印刷されることを必要とする、アクセス不能な空洞又は張出し部は、硬化感光性材料の層／セクション３１と除去可能材料の層／セクション３２とが交互になった支持構造３によって支持され得る。セクション３２における除去可能材料は、印刷プロセス後の後処理ステップ中に溶解、膨潤、溶融、気化、又は昇華される。このようにして、支持構造３を小さな部品に分割することができ、それらの部品は、空洞から、又はアクセスし難い領域若しくは機械的にアクセス不能な領域から、洗い流すか又は吹き飛ばすことができる。

図６は、可動であるように意図された挿入物、例えばシャフトを有する部品５００を示す。可動部品５０２は、印刷部品５０１の内側に設置され、除去可能材料セクション５０３により部品５０１から分離される。セクション５０３における除去可能材料は印刷プロセス後の後処理ステップ中に溶解、膨潤、溶融、気化、又は昇華などにより除去されるので、セクション５０３は印刷部品５００から除去され得る。

図７は、支持構造３内の除去可能材料の配置の様々な実例を示す。部品１は、感光性樹脂から印刷され、支持構造３に付着される。支持構造３のベース・セクション３１が、部品１の層ごとの構成中に部品１と同じ感光性樹脂材料から構成され得る。滴生成デバイスにより、除去可能材料の滴が支持構造３に導入されて、支持構造３内にセクション３２を作り出す。支持構造３のサイズ、支持構造３の材料特性、感光性樹脂の除去可能材料との適合性、表面張力などに応じて、接合部セクション３３の様々な幾何形状が必要とされ得る。除去可能材料の溶融、溶解、膨潤、気化、又は昇華により、支持構造３は、部品１から除去され得る。実例６０１は、より多量の除去可能材料を接合部セクション３３内に配置するための、また、除去可能材料の流体力学的特性を利用するための、支持構造３のベース・セクション３１における空洞１７を示す。実例６０２では、例えば接合部領域における除去可能材料の量を増やすために、感光性樹脂材料（セクション３１）及び除去可能材料（セクション３２）の交互になった少数の層が、接合部領域内に配置されている。実例６０３では、感光性樹脂材料（セクション３１）の複数の層が、除去可能材料（セクション３２）の層によって分離されている。これらの支持構造３は、セクション３２における除去可能材料を溶解、膨潤、溶融、気化、又は昇華させることにより、小片に縮小され得る。

図８は、構築部品１と支持構造３との間の接合部領域における幾何形状のさらなる実例を示す。支持構造３のベース・セクション３１は、構築部品１と同じ感光性樹脂材料で構成される。除去可能材料から作られたセクション３２及び／又は３３が、例えばインクジェット印刷ヘッド又はノズルといった滴生成デバイスにより、セクション３１上又はセクション３１間に選択的に配置される。除去可能材料は、適用後に光源によって硬化されるか又はガス流若しくは周囲大気によって乾燥され得る。或いは、除去可能材料は、その元の形態若しくはわずかに改質された液体形態を維持し続けるか、又は固化し得る。図８は、除去可能材料で作られたセクション３２及び／又は３３の様々な設計を示す。

ａ．支持構造３は、平らな表面で終わる。除去可能材料は、この表面上に配置される。
ｂ．支持構造３は、接合部セクション３３内により多量の除去可能材料を配置するために、丸く且つ／又は平坦な空洞１７を有する。
ｃ．支持構造３は、接合部セクション３３内により多量の除去可能材料を配置するために、角があり且つ／又は深さがある空洞１７を有する。
ｄ．セクション３２が、接合部領域に加えて支持構造のいくつかの層（セクション３１）の間に配置されている。
ｅ．（ｂ）の詳細図を示す。
ｆ．支持構造３は、接合部セクション３３内により多量の除去可能材料を配置するために、先細の空洞１７を有する。このようにして、接合部領域において除去可能材料の量と比較して感光性樹脂の量が減少される。
ｇ．選択的に配置された除去可能材料の滴は、連結していない。
ｈ．支持構造３のセクション３１が、除去可能材料で作られたセクション３２によって分離されている。
ｉ．支持構造３のセクション３１が、除去可能材料で作られたセクション３２によって分離されており、セクション３２は、構築方向において除去可能材料によって相互接続されている。

図９は、印刷プロセスの流れ図を示す。第１に、ＣＡＤファイルが生成されて、定められた層厚さにスライスされる必要がある。混成支持構造が有益である場合、２つの選択肢が存在し得る。選択肢１は、相応にスライスされて第２の材料で印刷される支持構造の第２のＣＡＤファイルを生成することである。選択肢２は、第２の印刷システムによって２回目に使用されることになる、すでに存在する積層のうちの特定の層を決定することである。層情報は、ステレオリソグラフィ部及び滴生成デバイスのための適切なファイル・フォーマットで、例えばＢＭＰ及びＰＮＧそれぞれで提供される必要がある。ベース層が好ましい場合、画像情報は、適切なファイル・フォーマットで提供される必要がある。ステレオリソグラフィ層を硬化させた後、表面は、噴射を受けるために下処理される必要があり得る。これは、拭い落し、乾燥、又はプラズマ処理若しくはコロナ処理などの特定の表面活性化処理を含む。例えばインクジェット印刷ヘッド又は（加熱可能な）ノズルといった１つ又は複数の滴生成デバイスによる選択的な滴配置の後、液滴は、硬化又は固定される必要があり得る。この目的のために、適切な波長の光源、又はＩＲランプといった熱源、又はガス流を生成するデバイスが、噴射デバイスの後ろに設置され得る。その後、液体感光性材料の次の層が配置され且つ硬化される（ステレオリソグラフィ）。

Claims (28)

1. ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷により物体を製造する方法であって、前記物体が、構造化層の堆積を得るために構築台上に層ごとに構築され、各構造化層が、
   － 感光性樹脂の未硬化層を用意するステップと、
   － 所望のパターンに従って前記未硬化層上に選択的に光を投射することにより前記感光性樹脂を硬化させて、前記パターンに従って構造化された前記構造化層を得るステップと
   によって得られ、
   前記構造化層の堆積が、隣接する構造化層の第１の対を含み、
   前記感光性樹脂とは異なる少なくとも１つの除去可能材料の第１のフィルムが、前記除去可能材料の滴をエゼクタから放出することにより、前記隣接する構造化層の第１の対のうちの第１の構造化層上に配置され、その後、前記隣接する構造化層の第１の対のうちの第２の構造化層が、前記除去可能材料の第１のフィルム上に構築され、それにより、前記隣接する構造化層の第１の対の前記第１の構造化層と前記第２の構造化層との間に前記除去可能材料の第１のフィルムが配置され、
   後処理ステップにおいて、前記除去可能材料の第１のフィルムが、前記除去可能材料の第１のフィルムを分解させるか又はその安定性を失わせる物理的且つ／又は化学的な処理を受け、前記除去可能材料が前記物体から除去される、方法。
2. 前記物理的且つ／又は化学的な処理が、溶融、気化、昇華、膨潤、及び溶媒中での溶解からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記構造化層の堆積が、隣接する構造化層の第２の対を含み、
   前記感光性樹脂とは異なる除去可能材料の第２のフィルムが、前記除去可能材料の滴をエゼクタから放出することにより、前記隣接する構造化層の第２の対のうちの第１の構造化層上に配置され、その後、前記隣接する構造化層の第２の対のうちの第２の構造化層が、前記除去可能材料の第２のフィルム上に構築され、それにより、前記隣接する構造化層の第２の対の前記第１の構造化層と前記第２の構造化層との間に前記除去可能材料の第２のフィルムが配置され、
   前記後処理ステップにおいて、前記除去可能材料の第２のフィルムが、前記除去可能材料の第２のフィルムを分解させるか又はその安定性を失わせる物理的且つ／又は化学的な処理を受け、前記除去可能材料が前記物体から除去される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記感光性樹脂で構成された支持構造が、前記除去可能材料の第１のフィルムと前記除去可能材料の第２のフィルムとの間に作り出され、前記後処理ステップにおいて、前記支持構造が前記物体から除去される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 前記感光性樹脂で構成された支持構造が、前記除去可能材料の第１のフィルムと前記構築台との間に作り出され、前記後処理ステップにおいて、前記支持構造が前記物体から除去される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 除去可能材料の第３のフィルムが、感光性樹脂の第１の構造化層を前記構築台上に構築する前に前記除去可能材料の滴をエゼクタから放出することにより、除去可能材料の第３のフィルムが前記構築台上に配置される、請求項５に記載の方法。
7. 前記支持構造が、複数の支柱を含む、請求項４から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記支持構造が、硬化感光性樹脂の複数の層から構築される、請求項４から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 除去可能材料のフィルムが、前記硬化感光性樹脂の層の間にそれぞれ配置される、請求項８に記載の方法。
10. 前記パターンのセクションが、前記支持構造を層ごとに構築するためにそれぞれ使用される、請求項４から９までのいずれか一項に記載の方法。
11. 前記後処理ステップが、前記物体の層ごとの構成が終了した後で行われる、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。
12. 前記除去可能材料が、
    － 少なくとも１種類の重合性基、及び少なくとも１種類の親水性基又は親油性基で構成されている、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 前記重合性基が、アクリレート類、メタクリレート類、アクリルアミド類、ビニル・エーテル類、ビニル・エステル類、マレイミド類、環状エーテル類、イソシアネート類、アミン類、又は他の重合可能な不飽和基若しくは飽和基から選択される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記除去可能材料が、その重合状態又はプレ重合状態において、溶媒中で膨潤可能且つ／又は溶解可能である、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. 前記除去可能材料が、その重合状態又はプレ重合状態において、ヒドロキシ基、カルボニル基、及びカルボキシ基、並びに他の電気陰性のヘテロ原子類、アミン類、イオン性液体類、及び塩類との誘導体を含む、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
16. 前記除去可能材料が、ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、２－（２－エトキシエトキシ）エチルアクリレート（ＥＯＥＯＥＡ）、アクリロイル・モルホリン（ＡＣＭＯ）、ポリエチレン・グリコール誘導体、ポリエーテル類、ヒドロキシ・エチレン、又はアクリル酸ラウリル類を含む、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の方法。
17. 前記除去可能材料が、長鎖アルコール類又はワックス類のような、硬化感光性樹脂の熱分解温度未満の融点を有する材料である、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
18. 前記構造化層が、前記除去可能材料の滴をエゼクタから前記構造化層上に放出する前に、表面調整プロセスによって前処理される、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の方法。
19. 前記表面調整プロセスは、プラズマ処理又はコロナ処理である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記除去可能材料のフィルムが、前記除去可能材料のフィルム上に構造化層が構築される前に、乾燥ステップ、固化ステップ、又は光硬化ステップを受ける、請求項１から１９までのいずれか一項に記載の方法。
21. 前記構造化層が、空洞を有するように構造化され、前記空洞内に、前記エゼクタから前記除去可能材料の前記滴が放出される、請求項１から２０までのいずれか一項に記載の方法。
22. ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷によって物体を製造するためのデバイスであって、
    構築台と、
    材料キャリヤと、
    感光性樹脂の未硬化層を前記構築台上に又は部分的に構築された前記物体上に適用するための手段と、
    前記感光性樹脂の未硬化層上への光のパターン化のために設計された光エンジンであって、パターンに従って構造化された構造化層を得るために前記感光性樹脂を硬化させるように適合されている光エンジンと、
    除去可能材料のフィルムを得るために前記構造化層上に除去可能材料の滴を放出するためのエゼクタと、
    前記構築台、前記光エンジン、及び前記エゼクタの相対位置を変更するための駆動手段と、
    第１の相対位置では前記構造化層を構築するために前記構築台及び前記構築台上に少なくとも部分的に構築された前記物体が前記光エンジンに割り当てられ、第２の相対位置では前記構造化層上に除去可能材料のフィルムを適用するために前記構築台及び前記構築台上に少なくとも部分的に構築された前記物体が前記エゼクタに割り当てられるように、前記駆動手段を制御するように適合された制御ユニットと
    を備え、
    隣接する構造化層の第１の対のうちの第１の構造化層上に除去可能材料の第１のフィルムが配置され、その後、前記隣接する構造化層の第１の対のうちの第２の構造化層が前記除去可能材料の第１のフィルム上に構築され、それにより前記隣接する構造化層の第１の対の前記第１の構造化層と前記第２の構造化層との間に前記除去可能材料の第１のフィルムが配置されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、デバイス。
23. 隣接する構造化層の第２の対のうちの第１の構造化層上に除去可能材料の第２のフィルムが配置され、その後、前記隣接する構造化層の第２の対のうちの第２の構造化層が前記除去可能材料の第２のフィルム上に構築され、それにより前記隣接する構造化層の第２の対の前記第１の構造化層と前記第２の構造化層との間に前記除去可能材料の第２のフィルムが配置されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、請求項２２に記載のデバイス。
24. 前記感光性樹脂の少なくとも１つの構造化層で構成された支持構造が前記除去可能材料の第１のフィルムと前記除去可能材料の第２のフィルムとの間に作り出されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、請求項２２又は２３に記載のデバイス。
25. 前記感光性樹脂の少なくとも１つの構造化層で構成された支持構造が前記除去可能材料の第１のフィルムと前記構築台との間に作り出されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、請求項２２から２４までのいずれか一項に記載のデバイス。
26. 感光性樹脂の第１の構造化層を前記構築台上に構築する前に除去可能材料の第３のフィルムが前記構築台上に配置されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、請求項２５に記載のデバイス。
27. 前記支持構造が前記感光性樹脂の複数の構造化層で構成されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、請求項２４から２６までのいずれか一項に記載のデバイス。
28. 除去可能材料のフィルムが前記支持構造の前記複数の構造化層の間にそれぞれ配置されるように、前記制御ユニットが、所定のシーケンスに従って前記第１の位置と前記第２の位置とを変更するように構成され且つプログラムされる、請求項２７に記載のデバイス。
    

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