JP7254905B2 - 層状の材料被着により３次元の成形物を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、層状の材料被着により３次元の成形物を製造する方法であって、成形物用の幾何学形状データ、３次元の成形物を支持する基底面を備えた支持体部材、硬化可能な液状または流動性の第１の材料、硬化可能な液状、流動性、ペースト状または粉末状の第２の材料および硬化した第１の材料を溶解可能な溶剤を準備する、方法に関する。

実地から周知のこのような方法では、第１および第２の材料として、紫外線の作用により硬化可能な液状のポリマが使用される。従来周知の方法では、第１および第２の材料の液滴状の部分材料がインクジェットプリンタにより基底面の複数の異なる箇所に吹き付けられることにより、支持体部材の基底面にまず第１の材料層が被着される。それぞれ異なる材料から成る材料液滴が基底面に被着される箇所は、製造しようとする成形物用に準備される幾何学形状データに基づいて、第２の材料から成る材料層の領域が、製造しようとする成形物の最下層を形成するように選択される。第１の材料は、第２の材料が一切被着されず、第１の材料の別の材料層が被着されるとその上に成形物が、全ての材料層が硬化するまで支持材料により支持されるべきオーバハングを有することになる箇所で基底面に被着される、支持材料として用いられる。このようにして得られた最も下の材料層は、別のステップにおいて紫外線を照射され、これにより、第１および第２の材料に含まれるポリマを架橋により硬化させることができる。

最も下の材料層が仕上げられた後は、成形物の全ての層が製造されかつ硬化させられるまで、最も下の材料層に複数の別の材料層が適宜に被着されかつ硬化させられる。その後、このようにして得られた層スタックは、第１の材料が溶解するまで溶剤と接触させられる。第２の材料は、溶剤中では溶解しない。

従来周知の方法は確かに、３次元の成形物を試作品としてまたは少ない個数で比較的廉価に製造することを可能にする。ＵＶ架橋可能なポリマの使用および印刷における高解像度に基づき、良好な表面クオリティが可能になる。しかしながら高解像の３Ｄ印刷には、基底面もしくは基底面上に位置する硬化された材料層に細いノズルを通じてポリマを被着させることができるようにするために、極めて低い粘度のポリマが必要とされている。

インクジェット印刷法（インクジェット法）では、ノズルは一般に２５ｍＰａ・ｓの最高粘度を処理することができる。より高い粘度は一般に噴射不能である。このような材料から製作された物体には最小荷重を加えることができるだけに過ぎず、単に鑑賞用物体として用いられるだけに過ぎない。

インクジェット３Ｄプリンタを用いて、硬化可能な液状ポリマから成る材料を層状に被着することにより、射出成形機用の射出成形型を製造することも、実地から既に周知である。射出成形型は２つの型部材を有しており、これらの型部材の間に、射出成形機で製造されるべき成形物の３次元のネガ形状を有するキャビティが形成されている。射出成形型は、３Ｄプリンタにおいてポリマから成る層が複数被着されることにより製造され、ポリマは、ノズルを介して液状形態で基底面もしくは基底面上に予め被着された硬化した材料層に被着される。各材料層を被着した後で、依然として液状のポリマにはその都度ＵＶ光が照射され、これによりポリマを架橋することで、関係する材料層を硬化させることができる。次いで射出成形型が完成するまで、別の材料層が適宜に被着されかつ硬化させられる。次いで射出成形型は３Ｄプリンタから取り出されて射出成形機に組み込まれ、これにより、射出成形型に設けられた噴射開口を介して、ポリマとは異なる高温のプラスチックをキャビティ内へ噴射することができる。キャビティがプラスチックで満たされかつプラスチックが冷却された後で射出成形型が開かれ、成形物がエジェクタによりキャビティから放出される。この方法は、３Ｄ印刷で製造された型は充填材料の高い温度に基づき極めて限定的な耐用年数しか有しておらず、おおよそ１０～１００の射出成形工程の後には更新されねばならない、という欠点を有している。さらに、射出成形機への射出成形型の組込みには比較的時間がかかる。このことは特に、特注品の成形物の場合に不都合である。

構成材料として固形物を用いる別の周知の技術では、大抵熱可塑性樹脂が溶融され、ノズルを介して、または粉末の形態で、焼結法で層状に被着される。ただし、極めて良好な耐荷力は印刷時間を犠牲にする（極低速）、または低い解像度もしくは表面クオリティを免れない。

やはり比較的高い粘度を処理することができるステレオリソグラフィ法は、軽微な利点をもたらす。この利点は、材料がノズルを介して吹き付けられなければならないのではなく、ポリマ容器内で設定に従って外部のＵＶ光線により架橋される、という事実から生じる。これにより、さらに向上した特性を有する、いわゆる２成分ＵＶポリマも処理され得る。これにより、成形物の改良された耐荷力も達成される。ただし：物体製作用の多量の材料、２成分混合物の制限された硬化時間、（消費されなかったポリマの再使用を不可能にする）多量の材料消費という欠点がある。これらは全て、部品製造のコストを大幅につり上げることになる。

インクジェット法を除く全ての周知の３Ｄ技術はさらに、複数の材料には適さないという、別の重大な欠陥を有している。つまり、同時に１種類の材料だけが使用可能であるに過ぎない。これにより、工業分野における当該方法の使用は極めて限定的である。

したがって本発明の課題は、機械的に安定しておりかつ荷重を加えることができる、高解像度を有する３次元の成形物を印刷可能な、冒頭で述べた形式の方法を提供することにある。

この課題は、特許請求項１記載の特徴により解決される。本発明による、層状の材料被着により３次元の成形物を製造する方法では、成形物用の幾何学形状データ、３次元の成形物を支持する基底面を備えた支持体部材、硬化可能な液状または流動性の第１の材料、硬化可能な液状、流動性、ペースト状または粉末状の第２の材料および溶剤を準備し、第２の材料は、硬化状態では硬化した第１の材料よりも高い強度を有しており、硬化した第１の材料は溶剤中で溶解可能であり、
ａ）ネガ型層を形成するために、流動性の第１の材料の部分材料を、幾何学形状データに基づいて、基底面および／または基底面上に位置する、３次元の成形物の硬化した材料層に、ネガ型層の基底面とは反対の側の表面に、製造しようとする成形物の材料層のネガ形状を有する少なくとも１つのキャビティが形成されるように被着させ、
ｂ）ネガ型層を硬化させ、
ｃ）キャビティに第２の材料を充填し、これによりネガ形状をポジ形状として成形物層に転移させることで成形物層を形成し、
ｄ）キャビティに充填された第２の材料を硬化させ、
ｅ）硬化したネガ型層および／または硬化した成形物層の、基底面に対して所定の間隔をあけて配置された平面を越えて突出した領域を、切削式の材料除去により除去し、
ｆ）ステップａ）～ｅ）を少なくとも１回繰り返し、
ｇ）ネガ型層を溶剤と接触させ、これにより、硬化した第１の材料を溶剤に溶かす。

つまり本発明では、異なる特性を有する複数の材料を異なる印刷法により処理しかつ／または異なる印刷装置を用いて基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に層状に被着する、ハイブリッド法が想定されている。このことは連続する１回の３Ｄ印刷工程において行うことができる、すなわち、当該方法は全て、１つの３Ｄ印刷ステーションにおいて実施され得る。この３Ｄ印刷ステーション以外に、別の製造工程は一切不要である。

第１の材料は、第２の材料用の型を製造するためだけに用いられるので、極めて低粘度であるもしくは薄いか、または高流動性であってよい。第１の材料が、基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の既に硬化した材料層への被着中に有している低粘度もしくは高流動性に基づき、第１の材料の相応に少量の部分材料を複数、基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に被着させることにより、型を、デジタル式の印刷法により高解像度でかつ高い表面クオリティを備えて印刷することができる。

型の、第１の材料から成る材料層の機械的な安定性および強度には、低い要求しか課せられない。それというのも、型は第２の材料を支持しているだけであり、場合により、第２の材料を被着する印刷法に際して第１の材料に加えられる力を支持する必要があるだけに過ぎないからである。第１の材料の硬化に基づき、第１の材料は、第２の材料のための賦形体として使用することができるために十分な強度を達成する。硬化状態にある第１の材料の機械的な強度が、第２の材料の硬化した層から形成される成形物の機械的な安定性に影響を及ぼすことは全くない。なぜならば、第１の硬化した材料は、全ての材料層の被着後に溶剤中に溶かされることにより、成形物から除去されるからである。硬化した第２の材料は、溶剤中で溶解不能である。

第２の材料は、成形物用の本来の構成材料であり、第１の材料とは異なる特性、とりわけより高い粘度を有していてよい。第２の材料は、第１の材料から製造された型を型取ることにより幾何学形状を成形されるため、高い印刷解像度を得るために、第２の材料の少量の部分材料を複数、基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に被着させることは不要である。むしろ、高粘度の第２の材料を用いても作業することができる。これにより、成形物の高い機械的な安定性および強度が達成され得る。それどころか必要な場合には、第２の材料は、少なくとも２つの異なる高粘度の物質から成る混合物および／または材料強度を高めるための少なくとも１つの添加剤を含むことが可能である。第２の材料は、デジタル式の印刷法によっても基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に選択的に、つまり成形物用に準備された幾何学形状データに相応して選択される複数の異なる箇所に対する部分材料の被着により、被着させることができる。しかしまた、第２の材料を、アナログ式の印刷法により、基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に被着させることも可能である。それどころかこの場合は、第２の材料の２つ以上の成分を基底面および／または基底面上に位置する硬化した材料層に被着させ、これにより、複数の異なる成分を含む成形物を製造することが可能である。複数の材料に適したこの形式は、第２の材料用の複数の印刷モジュールを直列接続することにより達成され得る。このようにして、複数の異なる機械的かつ／または電気的な特性および／または異なる色が達成され得る。

本発明による方法では、好適には個々の材料層の印刷後に、基底面に対して所定の間隔をあけて、好適には基底面に対して平行に配置された平面を越えて突出している、硬化したネガ型層および／または硬化した成形物層の領域が、その都度切削式の材料除去により除去されるため、成形物の個々の層は、互いに正確に平行に延在しているもしくは所定の配置形式で配置されていると共に、所定の層厚さを有している。さらに切削式の材料除去により、キャビティに第２の材料を充填する際に、第２の材料が第１の材料の硬化した最上層の表面と接触するとこの表面に生じ得る「汚れ」が除去される。つまり前記平面を越えて突出している領域の除去は、硬化した第１および第２の材料から成る混合層が常に所望の厚さを有しておりかつ第１の材料の表面から、溶剤中で溶解不能な第２の材料が除去される、ということをもたらす。このことは、成形物の極めて正確で歪みの少ない製造を可能にする。切削式の材料除去は、好適にはいわゆる厚さフライス／研磨器を用いて行われる。好適には、特許請求項１記載のステップｅ）は、第１の材料の各個別の材料層の被着後にその都度実施される。基底面に対して所定の間隔をあけて配置された平面を越えて突出している硬化したネガ型層および／または硬化した成形物層の領域は、好適には完全に除去される。よって突出している領域が除去されると、ネガ型の最上層も、成形物の最上層も、基底面に対して所定の間隔をあけて配置された平面にそれぞれ面一につながることになる。

本発明による方法では、成形物層を被着する度に、硬化したネガ型層および硬化した成形物層の、基底面に対して所定の間隔をあけて好適には基底面に対して平行に配置された平面を越えて突出した領域を、切削式の材料除去により除去する。したがって、本発明に基づく方法を用いて成形物を完全に１つのプリンタで、別の工程を必要とすること無しに製造することができる。

本発明の１つの好適な構成では、第１の材料の部分材料が、好適にはインクジェット印刷法によりまたは電子写真により、基底面および／または基底面上に位置する硬化したネガ型層および／または硬化した成形物層に被着され、この場合、第１の材料は、エネルギの作用に基づき硬化可能な材料であって、ネガ型層を硬化させるために第１の材料にエネルギを供給する。好適には第２の材料も、キャビティ内に充填されてからエネルギを供給される、エネルギの作用に基づき硬化可能な材料である。エネルギには特に放射線、好適にはＵＶ線等の光線が含まれていてよい。

当該方法の１つの有利な実施形態では、第２の材料の粘度は、硬化されていない状態では、硬化されていない状態の第１の材料の粘度よりも高く、場合により少なくとも１０倍高く、特に少なくとも２００倍高く、好適には少なくとも２０００倍高くかつ／または流動性の第１の材料および流動性、ペースト状または粉末状の第２の材料は、所定の固形物量を有しており、第２の材料の固形物量は、第２の材料が硬化されていない状態では、第１の材料が硬化されていない状態における第１の材料の固形物量より多く、場合により少なくとも１０倍多く、特に少なくとも２００倍多く、好適には少なくとも２０００倍多い。このことは、高い表面クオリティおよび表面精度と同時に優れた機械的な強度を有する成形物の製造を可能にする。さらに、固形物量（添加剤）を含む第２の材料は、固形物量を含まない対応する材料に比べて機械的かつ／または電気的な特性を大幅に向上させる、球形、または繊維に類似した形状で提供され得る。

本発明の１つの実用的な構成では、第１の材料は、噴射に適した、１０００ｍＰａ・ｓ未満、特に１００ｍＰａ・ｓ未満、場合により３０ｍＰａ・ｓ未満、好適には１０ｍＰａ・ｓ未満の作業粘度（若しくは単に粘度）を有しており、少なくとも３６０ｄｐｉ、特に少なくとも７２０ｄｐｉ、好適には少なくとも１４４０ｄｐｉの解像度を有する液滴の形態で、基底面および／または基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に被着される。このことは、成形物の高い表面クオリティを可能にする。第２の材料は、その流動性を変化させるため、好適には流動性を高めるもしくは粘度を低下させるために、好適には室温と比べて作業温度に加熱される。作業温度に加熱された第２の材料はその後、基底面もしくは基底面上に位置する硬化した材料層に被着される。

本発明の１つの改良では、第２の材料は、選択的なデジタル式のコーティング法／調量法により、幾何学形状データに基づいてネガ型層に被着され、これにより、流動性、ペースト状または粉末状の第２の材料の少なくとも１つの部分材料が少なくとも１つのキャビティ内に供給されることになり、好適には、キャビティの外側に位置するネガ型層の箇所が第２の材料と接触することは全くまたは極僅かにしかない。つまり第２の材料は、好適にはキャビティが存在する箇所にのみ供給される。第２の材料のキャビティへの充填は、弁またはそのような調節装置により開放位置および閉鎖位置に変位させることができるノズルを介して行われてよい。キャビティとノズルの供給開口との間の相対位置に応じた複数の弁の同期化は、制御装置を介して行うことができる。このことは、第２の材料がキャビティの内側にも外側にも大面積に被着されるアナログ式のコーティング法と比べると、１つの利点である。第２の材料は、キャビティ内への充填に際して第１の材料とは異なる特性を有していてよく、特に第２の材料は、第１の材料が基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に被着されるときに有している第１の材料の粘度よりも高い粘度を有していてよい。

本発明の１つの好適な構成では、第２の材料は、流体と少なくとも１つの添加剤とを含む複合材料であり、この場合、流体は室温において少なくとも５０ｍＰａ・ｓ、好適には少なくとも１０００ｍＰａ・ｓの粘度を有しており、添加剤は、流体中に配置された固形物粒子を有している。固形物粒子は、繊維、特に炭素繊維、ナノチューブ、ガラス球、グラフェン、スチレンブロックコポリマ、特にスチレン－エチレン－ブチレン－スチレン（ＳＥＢＳ）、充填材としての固形物のナノ／マイクロ粒子および／または高度に分岐したポリエステルオールおよび／またはこれらの混合物を含んでいてよい。複合材料は室温で、または室温よりも高い温度に加熱されてキャビティ内に充填されてよい。

本発明の１つの好適な構成では、第２の材料は、第１の材料よりも高い粘度および／または多い固形物量を有しており、この場合、第１および第２の材料は両方共インクジェット印刷法により、基底面および／または基底面上に位置する硬化したネガ型層および／または成形物層に被着され、インクジェット印刷法では、第１の材料は少なくとも１つの第１のノズルから吐出されかつ第２の材料は少なくとも１つの第２のノズルから吐出され、第２のノズルの流出開口は、第１のノズルの流出開口よりも大きな横断面を有しておりかつ／または高い作業圧力を加えられ、特に第２のノズルの流出開口の直径は、第１のノズルの流出開口の直径よりも大きくなっている。インクジェット印刷法は、第２の材料が圧電アクチュエータを介してパルス状にかつ／または部分的にノズルから吐出（噴射）される印刷法を意味する。第２のノズルのより大きな横断面および／またはより高い作業圧力に基づき、高粘度の第２の材料のインクジェット印刷が可能になる。第１のノズルの流出開口の、第２のノズルの流出開口の横断面に比べてより小さな横断面および／または第２のノズルの、第１のノズルの作業圧力に比べてより高い作業圧力は、第１の材料を高解像度で基底面もしくは基底面上に位置する３次元の成形物の硬化した材料層に被着することを可能にする。

ノズルは、第２の材料が被着されるべき表面に対して小さな間隔をあけて配置される。ノズルの下にキャビティが位置しているときに、ノズルの材料通路から第２の材料が流出させられる。第２の材料がノズルから押し出され、表面がノズルに対して相対的に移動させられると、表面に第２の材料の筋が落ちる。材料補充が停止されると、ノズルは材料供給無しで表面上を移動する。

本発明の１つの改良では、第２の材料に気体圧力を供給し、このようにして加圧された第２の材料を、少なくとも１つの弁を介して少なくとも１つのノズルに案内し、この場合、ノズルの流出開口は、基底面に沿って支持体部材に対して位置決めされており、弁は、製造しようとする成形物用に準備された幾何学形状データに基づいてかつノズルと支持体部材との間の相対位置に応じて制御され、これにより、流出開口がキャビティのところに位置決めされると材料流が解放され、流出開口がキャビティのところに位置決めされていないと材料流は遮断される。この場合、弁は電磁式にまたは圧電素子を介して操作されてよい。

好適には、ノズルの流出開口は、キャビティ内に延びる連続的な線に沿って、支持体部材に対して相対的に移動させられ、液状、流動性またはペースト状の第２の材料は、流出開口から前記線に沿ってキャビティ内に連続的に供給される。このことは、連続的な材料被着ひいては第２の材料をキャビティに充填する際の迅速な作業進捗を可能にする。第２の材料は、連続的な圧送工程に適した自体公知のマイクロポンプを介して、またはノズルの気体圧力を第２の材料に供給することにより、供給され得る。ノズル通路からの第２の材料の送出は、高粘度用の圧電アクチベータを介して直接に行われるか、（ノズル通路を開閉する）ノズル通路スライダ用の圧電アクチベータを介して行われる、または圧縮空気により通路内へ押し込まれる。この場合、圧縮空気は電磁弁により電磁式に活性化されてよい。

本発明の１つの有利な実施形態では、支持体シートが準備され、支持体シート上に第２の材料が配置されており、この場合、第２の材料は、第１の材料よりも高い粘度を有しておりかつ／または第１の材料よりも多い固形物量を含んでおり、支持体シートは、第２の材料をキャビティに充填するために、支持体シート上に位置する第２の材料がキャビティに向かい合うようにキャビティに位置決めされ、この場合、支持体シートを透過するエネルギビームが支持体シートに向けられ、これにより、支持体シートの、キャビティに面した側における第２の材料が、加熱により液化されてキャビティ内に供給される。つまり第２の材料は、転写法により好適には選択的に、複数のキャビティ内に充填される。エネルギビームとして、好適にはレーザビームが使用される。しかしまた、エネルギビームは電子ビームであるということも考えられる。エネルギビームを支持体シートの複数の異なる箇所に位置決めするために、材料被着中にエネルギビームをニュートラル位置から変向させることができる。変向は、成形物用に準備された幾何学形状データに基づいてかつニュートラル位置に位置するエネルギビームと支持体部材との間の相対位置に応じて行われてよい。レーザビームの場合、変向は、変位可能な光学系、特にガルバノミラーおよび／またはポリゴンミラーを介して行われてよい。エネルギビームとして電子ビームが使用される場合、電子ビームは適宜に磁界により変向される。

本発明の１つの改良では、第２の材料は、フレキソ印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法、レーザ転写法、微量調量法により、ドクタまたはチャンバドクタを介してキャビティ内に充填される。つまり第２の材料は、アナログ式の印刷法によりキャビティ内に充填される。このことは、面状の印刷に基づき高速印刷を可能にする。

本発明の１つの別の有利な実施形態では、第２の材料は、加熱により液化されてからキャビティに充填され、その後冷却により硬化させられる熱可塑性樹脂である。この場合、第２の材料を硬化させるためのＵＶ線源は一切不要であり、第２の材料は冷却されるだけである。

硬化した最も上のネガ型層および／または硬化した最も上の成形物層からは、切削式の材料除去時に生じる切りくずが適宜に除去される。これにより、高精度で別の材料層が被着され得る、平らで清浄な表面が得られる。

本発明の１つの好適な実施形態では、基底面を有する支持体部材が、材料被着中および場合により材料硬化中に回転軸線を中心として回転させられ、好適には回転軸線に沿って移動させられる。これにより、重なり合って配置される複数の材料層を中断無く印刷することが可能である。このことは、迅速な材料被着を可能にする。第２の材料が転写法によりキャビティ内に充填される場合には、それぞれ対応する材料被着箇所に重ねて配置された支持体シートの複数の材料供給箇所にエネルギビームを順次位置決めすることができ、これにより、支持体シート上に位置する第２の材料をエネルギビームにより加熱して、第２の材料を、被着箇所に位置するキャビティ内に転移させることができ、この場合、エネルギビームの出力は、第２の材料供給箇所よりも回転軸線から大きく離れた第１の材料供給箇所にエネルギビームを位置決めする際に、エネルギビームが、第２の材料供給箇所にエネルギビームを位置決めするときよりも大きな出力を有するように調節される。この出力適合は、全ての材料供給箇所に同量の材料が供給される、という利点を有している。このことは主に、内径が外径よりも小さな回転プラットフォームにおいて使用する場合に必要であり、これに基づき、内側では、外側におけるよりも細いビームが必要になる。

以下に本発明の実施例を図面に基づきより詳細に説明する。

層状の材料被着により３次元成形物を製造する１つの好適な装置を極構成で示す図であって、装置は、それぞれ異なる液状の硬化可能な材料を提供する複数の異なる供給装置を有している。 ３次元成形物を製造する装置の側面図であって、装置は、液状の第１の材料を層状に被着するノズルと、液状の第２の材料を被着する、フレキソまたはグラビア印刷装置として形成された第２の材料被着ステーションとを備えた第１の供給装置を有している。 成形物を製造するそれぞれ異なる方法ステップの最中の成形物を示す横断面図である。 成形物を製造するそれぞれ異なる方法ステップの最中の成形物を示す横断面図である。 成形物を製造するそれぞれ異なる方法ステップの最中の成形物を示す横断面図である。 成形物を製造するそれぞれ異なる方法ステップの最中の成形物を示す横断面図である。 成形物を製造するそれぞれ異なる方法ステップの最中の成形物を示す横断面図である。 成形物を製造するそれぞれ異なる方法ステップの最中の成形物を示す横断面図である。 材料層のフライス切削中の厚さフライスを示す側面図である。 材料層のフライス切削中の厚さフライスを示す側面図である。 全ての材料層が被着された後の成形物の第１の実施例を示す横断面図である。 第１および第２の材料から成る、成形物の硬化された材料層を示す概略図であって、層は透視的に示されている。 第１および第２の材料の材料層から成る層スタックを示す立体図である。 溶剤を用いて第１の材料の材料層を除去した後の成形物を示す立体図である。 全ての材料層が被着された後の成形物の第２の実施例を示す横断面図である。 第１の材料の材料層を除去した後の成形物の第２の実施例を示す横断面図である。 図２と類似の、ただしフレキソ印刷装置の代わりにロータリースクリーン印刷装置が設けられた装置を示す側面図である。 図２と類似の、ただしフレキソ印刷装置の代わりにチャンバドクタ式コーティング装置が設けられた装置を示す側面図である。 円筒形のコーティングローラを示す図である。 円錐台形のコーティングローラを示す図である。 図２と類似の、ただしフレキソ印刷装置の代わりにより高粘度用のインクジェット印刷装置が設けられた装置を示す側面図である。 図２と類似の、ただしフレキソ印刷装置の代わりにホットメルトまたは微量調量装置／コーティング装置が設けられた装置を示す側面図である。 キャビティに第２の材料を充填する際のノズルを示す、図１６の部分拡大図である。 第２の材料を被着するための印刷ヘッドモジュールの概略図である。 第２の材料で満たされたキャビティを示す図である。 円形の流出開口を有するノズルを備えた微量調量ユニットを示す図である。 矩形の流出開口を有するノズルを備えた微量調量ユニットを示す図である。

層状の材料被着により３次元の型および３次元の成形物１を製造する方法では、成形物１に関する幾何学形状データが、ソフトウェアを実行するコンピュータと通信する制御ユニットにより準備される。さらに、成形物１を支持するように水平面内に配置された基底面３を備えたプレート状の支持体部材２が準備される。図１に見られるように、基底面３は実質的に、円環ディスクの形状を有している。しかしまた、基底面３が特に穴の塞がった円盤の形状を有しているかまたは矩形に形成されていてよい、別の構成も考えられる。

さらに当該方法では、硬化可能な液状の第１の材料４、第１の材料とは異なる、硬化可能な液状の第２の材料５および硬化した第１の材料４のための溶剤としての水が準備される。硬化可能な第２の材料５は、溶剤中で溶解不能である。第２の材料５は、第２の材料５が硬化した状態において、硬化した第１の材料４よりも高い強度を有するように選択される。よって第２の材料５は、第１の材料４の粘度よりも高い粘度を有している。この実施例では、第１の材料４は、光重合開始剤を含みかつ紫外線照射により架橋可能なポリマである。

液状の第１の材料４は第１のリザーバ６内に配置されており、液状の第２の材料５は第２のリザーバ７内に配置されている。第１のリザーバ６は導管を介して、第１の材料４用の第１の供給装置８に接続されている。図２に認められるように、第１のリザーバ６は実質的に閉じられた容器として形成されており、第２のリザーバ７は槽として形成されている。

第１の供給装置８は、１列に配置され、第１の材料４の部分材料を供給するために基底面３もしくは基底面３上に位置する第１および／または第２の材料４，５の硬化した材料層に向けられた、複数のノズル（詳しくは図示せず）を備えた第１のインクジェット印刷ヘッドを有している。ノズル列は、基底面３の平面に対して平行に配置されておりかつ基底面３の周方向に対して横方向に、好適には基底面３の中心に対して実質的に半径方向に延在している。

支持体部材２と第１の供給装置８とは、第１の位置決め装置９を介して矢印１０の方向および矢印１０の方向とは反対の方向において互いに相対的に回転可能でありかつ回転軸線１１に対して平行に相対的に移動可能である。この場合、基底面３内に位置しかつ回転軸線１１から離間した複数の点は、らせん状またはつる巻線状の軌道曲線に沿って移動する。

第１の供給装置８および第１の位置決め装置９は、製造しようとする成形物１の幾何学形状データを格納するためのデータメモリを有する制御装置（詳細には図示せず）に接続されている。制御装置により、幾何学形状データに基づいて第１の材料４の部分材料の供給および第１の位置決め装置９を制御することができ、これにより、流動性の第１の材料４から成る複数のネガ型層１２を、基底面もしくは基底面に予め被着された、第１および／または第２の材料４，５の硬化した材料層に被着することができる（図３Ａ）。この場合、ネガ型層１２はそれぞれ、製造しようとする成形物１の材料層のネガ形状を有する、少なくとも１つのキャビティ１３を有している。キャビティ１３は、それぞれ関係するネガ型層１２の層厚さ全体にわたり、基底面３もしくはネガ型層１２の下に位置する硬化した材料層まで延在している。

矢印１０の方向に見て第１の供給装置８の後ろには、第１の硬化装置１４が配置されており、第１の硬化装置１４により、基底面３にまたは基底面３上に位置する硬化した材料層に被着される液状の第１の材料４を硬化させることができる。このために第１の硬化装置１４は、第１のＵＶ線源（詳細には図示せず）を有しており、第１のＵＶ線源により紫外線を、第１の材料の硬化されるべき材料層に放射することができ、これにより第１の材料に含まれる光架橋剤が活性化され、第１の材料４に含まれるポリマが架橋されるようになっている。

矢印１０の方向に見て第１の硬化装置１４の後ろには、第２の供給装置１５が配置されており、第２の供給装置１５により、予め硬化させられた各ネガ型層１２のキャビティ１３に第２の材料５を充填し、これにより、成形物層１６を形成することができるようになっている（図３Ｂ）。図２に示す実施例では、第２の供給装置１５はフレキソ印刷装置として形成されている。

第２の供給装置１５は、フレキソ印刷ローラとして形成された転移体１７と、第２のリザーバ７に接触しているコーティング装置１８とを有しており、コーティング装置１８により、転移体１７の少なくとも１つの表面領域を、第２の材料５の層１９でコーティングすることができるようになっている。第２の位置決め装置により、仮想の回転軸線を中心として円錐形の転移体１７を回転させることができ、これにより、転移体１７の周面上に位置する第２の材料５の層１９がキャビティ１３の底部および内壁に接触し、その結果、流動性の第２の材料５がキャビティ内に充填され、次いで成形物層１６を形成する。成形物層１６は、層１２のネガ形状とは逆の、製造しようとする成形物１の層のポジ形状を有している。

その後、このようにして得られた成形物層１６は、第２の硬化装置２１により硬化させられる。図１に見られるように、第２の硬化装置２１は、矢印１０の方向に見て第２の供給装置１４の後ろに配置されている。第２の硬化装置２１は第２のＵＶ線源を有しており、第２の材料を、その内部に含まれるポリマの架橋により硬化させるために、第２のＵＶ線源により紫外線を成形物層１６に放射することができるようになっている。

その後、別の方法ステップにおいて、硬化したネガ型層１２および／または硬化した成形物層１６の領域および／またはネガ型層に配置された、硬化した第２の材料５が、厚さフライス若しくは平フライス２２により除去される（図３Ｃ、図４、図４Ａ）。この場合、基底面に対して予め規定された間隔をあけて基底面に対して平行に配置された平面を越えて突出した、硬化した第１および／または第２の材料４，５の部分は、切削式の材料除去により完全に除去され、次いで吸込みノズル２３により吸い込まれる。必要な場合には、吸込みノズル２３の後ろに表面クリーニング装置２０が配置されていてもよい。

硬化されたネガ型層１２および成形物層１６の表面には、相応して別のネガ型層１３（図３Ｄ）および別の成形物層１６（図３Ｅ、図３Ｆ）が被着される。これらのステップは、製造しようとする成形物の全ての成形物層１６が形成されるまで（図５～図８）、繰り返される。

１つの別の方法ステップにおいて、ネガ型層１２は溶剤と接触させられ、これにより、硬化した第１の材料４は溶剤中に完全に溶解する。このことは、例えば、ネガ型層１２と成形物層１６とから成る層スタックが、予め規定された時間にわたり溶剤に浸漬させられることにより達成され得る。その後、完成した成形物（図８）が溶剤から取り出されて乾燥させられる。

図９および図１０に見られるように、本発明に基づく方法により、オーバハング２５および中空空間２６を備えた成形物も製造され得る。

第２の材料５は、スクリーン印刷法によってキャビティ１３内に充填することもできる。図１１に見られるように、この場合、転移体１８はロータリースクリーン印刷ローラとして形成されている。ロータリースクリーン印刷ローラは、穿孔されたスクリーン状の周面を有している。第２のリザーバ７は、ロータリースクリーン印刷ローラの内部空洞内に配置されている。

周面に設けられた穿孔穴は、その寸法に関して第２の材料５の粘度に合わせられており、これにより、ロータリースクリーン印刷ローラの胴壁の内周面に直線に沿って当接しているドクタ２４により穿孔穴を通して、第２の材料５を押し通すことができるようになっている。ドクタ２４の作用範囲外で第２の材料５が穿孔穴を通流することはない。供給箇所の後ろに配置されたクリーニング装置が、ロータリースクリーン印刷ローラにおいて除去されなかった材料を除去し、その材料を再利用するために循環させる。その他の点では、図１１に示した装置は図２に示した装置に対応するため、相応して図１１には、図２の説明が当てはまる。

第２の材料５は、チャンバドクタ法でもキャビティ１３内に充填され得る。図１２に見られるように、この場合、転移体１８は、外周面にチャンバドクタ３２が配置されたアニロックスローラとして形成されている。アニロックスローラは、相応に彫刻されかつ材料収容用に準備された周面を有している。その他の点では、図１２に示した装置は図２に示した装置に対応するため、相応して図１２には、図２の説明が当てはまる。

デカルト座標法の場合、コーティング装置のローラ１８は円筒形を成している（図１３）のに対し、極座標法の場合、ローラは円錐形を成している（図１４）。

第２の材料５は、インクジェット印刷法によってキャビティ１３内に充填することもできる（図１５）。このためには第２の供給装置１５が、１列に配置され、第２の材料５をそれぞれ部分的に供給するための、基底面３もしくは基底面３上に位置する第１および／または第２の材料４，５の硬化した材料層に向けられた、複数のノズルを備えた第２のインクジェット印刷ヘッドを有している。ノズル列は、基底面３の平面に対して平行に配置されておりかつ基底面３の周方向に対して横方向に、好適には基底面３の中心に対して実質的に半径方向に延在している。第２の材料５は第１の材料４よりも高い粘度を有しているため、第２のインクジェット印刷ヘッドのノズルは、第１のインクジェット印刷ヘッドのノズルよりも大きな横断面を有している。より大きなノズル横断面を用いて作業する代わりにまたはより大きなノズル横断面に追加して、第２のインクジェット印刷ヘッドのノズルにおいて、第１のノズルにおけるよりも高いノズル圧を用いて作業することもできる。インクジェット印刷ヘッドに対する支持体部材２の位置決めは、図１に相応して位置決め装置を介して行われる。第２の材料５の吐出量は、インクジェット印刷ヘッドと支持体部材２との間の相対位置に応じて、かつ製造しようとする成形物１用に準備される幾何学形状データに基づいて制御される。

図１６に示す実施例では、第２の材料５はノズル法またはホットメルト法でキャビティ１３内に充填される。ノズル法では、高粘度の第２の材料５が室温でまたは室温に比べて温められた状態で、気体圧力によりノズル流出部を介して送出される。ホットメルト法では、第２の材料５は、室温では固形であり、加熱により液化可能な熱可塑性樹脂である。印刷過程中、第２の材料は加熱されて液状になり、次いで調量ポンプ、スクリューコンベヤまたは気体圧力により、充填されるべきキャビティ１３に向けられたノズル２７（図１７）を通って基底面３もしくは基底面３上に位置する第１および／または第２の材料４，５の硬化した材料層に供給される。ノズル２７に対する支持体部材２の位置決めは、図１に相応して位置決め装置９を介して行われる。ノズル２７からの第２の材料５の吐出量は、ノズル２７と支持体部材２との間の相対位置に応じて、かつ製造しようとする成形物１用に準備される幾何学形状データに基づいて制御される。第２の材料がキャビティ１３内に充填された後、第２の材料は冷却により硬化させられる。

さらに、第２の材料を微量調量法によりキャビティ１３内に充填する可能性もある。図１８に見られるように、この場合、第２の材料５を加圧するために第２のリザーバ７は、例えば空気圧源であってよい気体圧力源２８に接続されている。リザーバ７は、内部にそれぞれ開放位置および閉鎖位置を調節可能な弁３０が配置された複数の導管２９を介して、材料供給用のノズル２７に接続されている。ノズル２７の流出開口は、この流出開口と基底面３との間に小さな間隔をあけて配置され、このようにして支持体部材２に対し、基底面３に沿って位置決めされる。個々の弁３０はそれぞれ、製造しようとする成形物１用に準備された幾何学形状データに基づいて、かつノズル２７と支持体部材２との間の相対位置に応じて制御されるようになっており、ノズル２７の流出開口がキャビティ１３に位置決めされると、第２の材料５の材料流が解放される。ノズル２７の流出開口がキャビティ１３に位置決めされていない時に、材料流は遮断される。

図１８に見られるように、複数の微量調量ユニット３１が設けられていてよく、微量調量ユニット３１の弁３０の入口は、それぞれ導管２９を介して第２のリザーバ７に接続されている。各微量調量ユニット３１は、それぞれ関係する弁３０の出口に接続されたノズル２７を有している。ノズル２７はマトリックス状に複数列にかつ／または複数段に配置されている。弁３０は、キャビティ１３が第２の材料５により面状に被覆される（図１９）ように制御される。ノズル２７は、円形（図２０）または角形、好適には矩形（図２１）の流出開口を有していてよい。

Claims (14)

1. 層状の材料被着により３次元の成形物（１）を製造する方法であって、該成形物（１）用の幾何学形状データ、前記３次元の成形物（１）を支持する基底面（３）を備えた支持体部材（２）、硬化可能な液状または流動性の第１の材料（４）、硬化可能な液状、流動性、ペースト状または粉末状の第２の材料（５）および溶剤を準備し、前記第２の材料（５）は、硬化状態では硬化した前記第１の材料（４）よりも高い強度を有しており、硬化した前記第１の材料（４）は、前記溶剤中で溶解可能であり、
   ａ）ネガ型層（１２）を形成するために、流動性の前記第１の材料（４）の部分材料を、前記幾何学形状データに基づいて、前記基底面（３）および／または該基底面（３）上に位置する前記３次元の成形物（１）の硬化した材料層に、前記ネガ型層（１２）の前記基底面（３）とは反対の側の表面に、製造しようとする前記成形物（１）の材料層のネガ形状を有する少なくとも１つのキャビティ（１３）が形成されるように被着させ、
   ｂ）前記ネガ型層（１２）を硬化させ、
   ｃ）前記キャビティ（１３）に前記第２の材料（５）を充填し、これにより前記ネガ形状をポジ形状として成形物層（１６）に転移させることで該成形物層（１６）を形成し、
   ｄ）前記キャビティ（１３）に充填された前記第２の材料（５）を硬化させ、
   ｅ）硬化した前記ネガ型層（１２）および／または硬化した前記成形物層（１６）の、前記基底面（３）に対して所定の間隔をあけて配置された平面を越えて突出した領域を、切削式の材料除去により除去し、
   ｆ）ステップａ）～ｅ）を少なくとも１回繰り返し、
   ｇ）前記ネガ型層（１２）を溶剤と接触させ、これにより、硬化した前記第１の材料（４）を溶剤に溶かす、
   方法。
2. 前記第１の材料（４）の部分材料が、インクジェット印刷法によりまたは電子写真により、前記基底面および／または該基底面上に位置する硬化した前記ネガ型層（１２）および／または硬化した前記成形物層（１６）に被着され、前記第１の材料（４）は、エネルギの作用に基づき硬化可能な材料であって、前記ネガ型層（１２）を硬化させるために前記第１の材料（４）にエネルギを供給する、請求項１記載の方法。
3. 前記第２の材料（５）の粘度は、硬化されていない状態では、硬化されていない状態の前記第１の材料（４）の粘度よりも高くかつ／または流動性の前記第１の材料および流動性、ペースト状または粉末状の前記第２の材料は、所定の固形物量を有しており、前記第２の材料（５）の固形物量は、前記第２の材料（５）が硬化されていない状態では、前記第１の材料（４）が硬化されていない状態における前記第１の材料（４）の固形物量より多い、請求項１または２記載の方法。
4. 前記第１の材料（４）は、噴射に適した、１０００ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有しており、少なくとも３６０ｄｐｉの解像度を有する液滴の形態で、前記基底面および／または該基底面上に位置する前記３次元の成形物（１）の硬化した材料層に被着される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記第２の材料（５）は、選択的なコーティング法により、前記幾何学形状データに基づいて前記ネガ型層（１２）に被着され、これにより、流動性、ペースト状または粉末状の前記第２の材料の少なくとも１つの部分材料が少なくとも１つのキャビティ（１３）内に供給されることになり、該キャビティの外側に位置する前記ネガ型層の少なくとも１つの箇所に、前記第２の材料（５）が接触することはない、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記第２の材料（５）は、流体と少なくとも１つの添加剤とを含む複合材料であり、前記流体は室温において少なくとも５０ｍＰａ・ｓの粘度を有しており、前記添加剤は、前記流体中に配置された固形物粒子を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記第２の材料（５）は、前記第１の材料（４）よりも高い粘度および／または多い固形物量を有しており、前記第１および前記第２の材料（４，５）は両方共インクジェット印刷法により、前記基底面（３）および／または該基底面（３）上に位置する硬化した前記ネガ型層（１２）および／または前記成形物層（１６）に被着され、前記インクジェット印刷法では、前記第１の材料（４）は少なくとも１つの第１のノズルから吐出されかつ前記第２の材料（５）は少なくとも１つの第２のノズルから吐出され、該第２のノズルの流出開口は、前記第１のノズルの流出開口よりも大きな横断面を有しておりかつ／または高い作業圧力を加えられ、前記第２のノズルの前記流出開口の直径は、前記第１のノズルの前記流出開口の直径よりも大きくなっている、請求項５または６記載の方法。
8. 前記第２の材料（５）に気体圧力を供給し、このようにして加圧された前記第２の材料（５）を、少なくとも１つの弁（３０）を介して少なくとも１つのノズル（２７）に案内し、該ノズルの流出開口は、前記基底面（３）に沿って前記支持体部材（２）に対して位置決めされており、前記弁（３０）は、製造しようとする前記成形物（１）用に準備された前記幾何学形状データに基づいてかつ前記ノズル（２７）と前記支持体部材（２）との間の相対位置に応じて制御され、これにより、前記流出開口が前記キャビティ（１３）のところに位置決めされると材料流が解放され、前記流出開口が前記キャビティ（１３）のところに位置決めされていないと前記材料流は遮断される、請求項２から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記ノズル（２７）の前記流出開口は、前記キャビティ（１３）内に延びる連続的な線に沿って、前記支持体部材（２）に対して相対的に移動させられ、液状、流動性またはペースト状の前記第２の材料（５）は、前記流出開口から前記線に沿って前記キャビティ（１３）内に連続的に供給される、請求項７または８記載の方法。
10. 支持体シートが準備され、該支持体シート上に前記第２の材料（５）が配置されており、該第２の材料（５）は、前記第１の材料よりも高い粘度を有しておりかつ／または前記第１の材料（４）よりも多い固形物量を含んでおり、前記支持体シートは、前記第２の材料（５）を前記キャビティ（１３）に充填するために、前記支持体シート上に位置する前記第２の材料（５）が前記キャビティ（１３）に向かい合うように前記キャビティ（１３）に位置決めされ、前記支持体シートを透過するエネルギビームが前記支持体シートに向けられ、これにより、前記支持体シートの、前記キャビティ（１３）に面した側における前記第２の材料が、加熱により液化されて前記キャビティ（１３）内に供給される、請求項５または６記載の方法。
11. 前記第２の材料（５）は、フレキソ印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法、レーザ転写法、微量調量法によりかつ／またはドクタ（２４）またはチャンバドクタを介して前記キャビティ（１３）内に充填される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記第２の材料（５）は、加熱により液化されてから前記キャビティ（１３）内に充填され、その後冷却により硬化させられる熱可塑性樹脂である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 硬化した最も上の前記ネガ型層（１２）および／または硬化した最も上の前記成形物層（１６）から、前記切削式の材料除去時に生じる切りくずが除去される、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 前記基底面（３）を有する前記支持体部材（２）は、材料被着中に回転軸線（１１）を中心として回転させられる、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。

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