改質ＡＢＳ材料を用いて３次元オブジェクトを構築する方法
押出による積層堆積システムを用いて、３Ｄオブジェクト（１８）を構築する方法は、押出による積層堆積システムの押出ヘッド（１２）へ改質ＡＢＳ材料を送出することと、押出ヘッド（１２）の応答時間を向上させる条件下で、送出された改質ＡＢＳ材料を押出ヘッド（１２）において溶融することと、３Ｄオブジェクト（１８）を形成するために、溶融された熱可塑性プラスチック材料を一層毎に堆積させることとを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［背景］
本発明は、押出による積層堆積システムを用いた、３次元（３Ｄ）オブジェクトの製造に関する。具体的には、本発明は、改質ＡＢＳ材料を含む構築材料から、３Ｄオブジェクトを製造することに関する。
【０００２】
押出による積層堆積システム（例えば、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドによって開発された、溶融堆積モデリングシステム）は、流動性を有する構築材料を押出して、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから３Ｄオブジェクトを一層毎に構築するのに使用される。構築材料は、押出ヘッドに搭載されたノズルを介して押出され、ｘ−ｙ平面にて連続した路（ｒｏａｄｓ）として基板上に堆積される。押出された構築材料は、既に堆積された構築材料と融合し、温度の低下とともに固化する。そして、基台に対する押出ヘッドの位置が、（ｘ−ｙ平面に垂直な）ｚ軸に沿って高められたのち、その工程が繰り返されて、ＣＡＤモデルに類似した３Ｄオブジェクトを形成する。
【０００３】
基台に対する押出ヘッドの移動は、コンピュータ制御下で、３Ｄオブジェクトを表す構築データに従って実行される。構築データは、まず始めに、３ＤオブジェクトのＣＡＤモデルを、水平にスライスされた複数の層に、スライスすることによって得られる。その後、スライスされた各層毎に、ホストコンピュータは、３Ｄオブジェクトを形成する構築材料の路を堆積させるための構築経路を生成する。
【０００４】
構築材料の層を堆積させて３Ｄオブジェクトを製造する際には、一般的に、構築中のオブジェクトの突出部の下、あるいは、構築中のオブジェクトの空洞内に、支持層または支持構造が構築される。ただし、構築中のオブジェクトの突出部、あるいは、構築中のオブジェクトの空洞は、構築材料自体によって支持されない。支持構造は、構築材料を堆積させる堆積技術と同様の堆積技術を用いて構築されてもよい。ホストコンピュータは、形成されている３Ｄオブジェクトの突出部または自由空間部の、支持構造として機能する、付加的な構造を生成する。そして、支持材料は、構築処理中に生成された構造に従って、第２の押出端部から堆積される。この支持材料は、製造中は構築材料に接着し、構築処理が完了したときに、完成された３Ｄオブジェクトから除去できる。
【０００５】
構築材料は、一般的に、非ニュートン流動特性を示す。非ニュートン流動特性において、構築材料は、押出流動の初期始動段階中に、移動に対して抵抗する。それゆえ、３Ｄオブジェクトの多くに共通する問題は、非ニュートン流動特性に起因する、押出ヘッドの応答時間の制限である。このような制限は、堆積精度を低下させる可能性があり、特に、層毎に堆積される構築材料の量が比較的少量である、微細な素性構造において観察できる。したがって、構築材料を堆積させるための押出ヘッドの応答時間を向上させる、３Ｄオブジェクトの構築方法が必要とされている。
［概要］
本発明は、押出による積層堆積システムを用いて、３Ｄオブジェクトを構築する方法に関する。本方法は、改質ＡＢＳ材料を、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、送出された改質ＡＢＳ材料を、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で押出ヘッドにおいて溶融させることとを含んでいる。溶融された熱可塑性プラスチック材料は、一層毎に堆積されて、３Ｄオブジェクトを形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】押出による積層堆積システムの構築室の透視図であって、本発明に従って構築されている３Ｄオブジェクトを示している。
【図２】押出による積層堆積システムにおける押出ヘッド構築ラインの拡大部分断面図である。
【図３】押出による積層堆積システムを用いて３Ｄオブジェクトを構築する方法のフローチャートである。
【図４−７】本発明に従って実行された押出工程と、比較押出工程とにおける、押出速度に対する駆動圧のグラフ表示である。
【図８】本発明に従って実行された押出工程と、比較押出工程とにおける、押出速度に対する駆動圧のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
［詳細な説明］
図１は、押出による積層堆積システムの構築室１０の透視図であり、構築室１０は、押出ヘッド１２と、案内レール１４と、構築プラットフォーム１６と、３Ｄオブジェクト１８と、支持構造２０とを含んでいる。構築室１０を組み込み得る、好適な押出による積層堆積システムには、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから「ＦＤＭ」という商品名で市販されている、溶融堆積モデリングシステムが含まれる。押出ヘッド１２は、流動性を有する構築材料と支持材料とを押し出して、一層毎に３Ｄオブジェクト１８と支持構造２０とをそれぞれ構築するように構成された装置である。押出ヘッド１２の好適な装置の例は、ラボシエールらによる米国特許出願公開公報第２００７／０００３６５６号、及び、ラボシエールらによる（米国特許出願公開公報第２００７／０２２８５９０号として公開されている）米国特許出願第１１／３９６，８４５号に開示されている。
【０００８】
押出ヘッド１２は、ｘ軸に沿って延在する案内レール１４と、構築室１０内において（図示しない）ｙ軸に沿って延在している（図示しない）追加的な案内レールとによって、構築室１０内で支持されている。案内レール１４と追加的な案内レールとによって、押出ヘッド１２は、ｘ軸及びｙ軸に沿った平面における、あらゆる方向に移動することができる。構築プラットフォーム１６は、３Ｄオブジェクト１８及び支持構造２０を構築するための作業面であり、ｚ軸に沿って高さを調整可能である。
【０００９】
３Ｄオブジェクト１８を構築するために使用される構築材料は、応答時間の向上をもたらしながら押出ヘッド１２から押し出されることが可能な改質ＡＢＳ材料であるので、堆積処理の精度が向上される。本発明で用いるのに好適な改質ＡＢＳ材料の例は、追加のモノマー、オリゴマー、および／または、ポリマーを用いて改質されたＡＢＳ材料、例えばアクリル系材料、を含む。市販されている好適な改質ＡＢＳ材料の例は、マサチューセッツ州 ピッツフィールドにあるジェネラル エレクトリック カンパニーからの“ＣＹＣＯＬＡＣ” ＡＢＳ ＭＧ９４−ＮＡ１０００という商品名である、メタクリル酸メチルにより改質されたＡＢＳ／ポリマー（スチレン−アクリロニトリル）混合物を含む。
【００１０】
３Ｄオブジェクト１８は、ピン特徴部２２と突出部２４とを含んでおり、ピン特徴部２２は、複数層の微細な特徴構造であって、Ｘ軸及びＹ軸に沿った平面において小さな平均断面を有している。ピン特徴部２２は、標準ＡＢＳ共重合体（例えば、ミシガン州 ミッドランドにあるダウ ケミカル カンパニーから“ＡＧ７００ ＡＢＳ”という商品名で市販されているＡＢＳ共重合体）を用いて構築された場合に、観察可能な構築誤差を示し得る、微細な特徴構造の一例である。例えば、Ｘ軸及びＹ軸に沿った平面において、約３．０ミリメートル（約１２０ミル（ｍｉｌ））以下の幅を少なくとも１つ有する微細な特徴構造を構築する場合、標準ＡＢＳ共重合体は、視認可能な誤差をもたらすであろう。このため、得られる３Ｄオブジェクトの美的品質及び物理的品質が損なわれることがある。
【００１１】
それに対して、押出ヘッド１２から改質ＡＢＳ材料を堆積させることによって得られる応答時間の向上により、ピン特徴部２２は、より高い堆積精度で構築される。その結果、Ｘ軸及びＹ軸に沿った平面における、ピン特徴部２２の好適な断面の寸法は、約３．０ミリメートル（約１２０ミル）以下の幅を含み、特に好適な幅は、約１．５ミリメートル（約６０ミル）から約２．８ミリメートル（約１１０ミル）の範囲である。以下に説明される処理条件下では、このような材料は、（標準ＡＢＳ共重合体と比較して）より大きなニュートン状の特性を得ることができるので、３Ｄオブジェクト１０を構築する場合に、押出ヘッド１２の応答時間が向上される。さらに、改質ＡＢＳ材料によって、３Ｄオブジェクトに、良好な層間接着と部品強度とを付与することができる。
【００１２】
支持構造２０は、支持材料を用いて、構築プラットフォーム上に一層毎に構築されるので、支持構造２０は、３Ｄオブジェクト１８の突出部位２４を支持する。改質ＡＢＳ材料は、向上された応答時間で堆積されることに加え、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから“ＷＡＴＥＲ ＷＯＲＫＳ”及び“ＳＯＬＵＢＬＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ”という商品名で市販されている水溶性支持材料と共に使用されるのに好適である。また、改質ＡＢＳ材料は、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから“ＢＡＳＳ”という商品名で市販の取り壊される支持材料、及び、クランプらによる米国特許第５，５０３，７８５号に開示されている支持材料に使用されるのにも好適である。それに比べて、標準ＡＢＳ共重合体は、“ＢＡＳＳ"系の支持構造に対して著しい粘着量を発揮する。改質ＡＢＳ材料は、実質的により一層容易に“ＢＡＳＳ"系の支持構造から除去される一方で、構築処理中には好適に粘着し得る。
【００１３】
図２は、（図１に図示された）３Ｄオブジェクト１８を構築する改質ＡＢＳ材料を押し出すための（図１に図示された）押出ヘッド１２における構築ライン２６の拡大部分断面図である。構築ライン２６は、送出チューブ２８と、ベースブロック３０と、送出通路３２と、駆動システム３４と、液化アセンブリ３６と、構築端部３８とを含み、これらは、（米国特許出願公開公報第２００７／０２２８５９０号として公開された）ラボシエールらによる米国特許出願第１１／３９６，８４５号に開示されているのと同様に配置されている。送出チューブ２８は、（図１に示された）構築室１０の外側に配置された（図示しない）供給源から、（フィラメント４０と称する）改質ＡＢＳ材料のフィラメントを受け入れる。フィラメント４０が、送出チューブ２８と、ベースブロック３０の送出通路３２とを挿通しているので、駆動システム３４は、フィラメント４０を液化アセンブリ３６内へ送出することができる。
【００１４】
駆動システム３４は、駆動ローラ４２と遊動ローラ４４とを含み、駆動ローラ４２及び遊動ローラ４４は、フィラメント４０に係合するとともに、フィラメント４０を把持するように構成されている。駆動ローラ４２が（図示しない）駆動モータに軸方向に接続されていることで、駆動ローラ４２及び遊動ローラ４４は、フィラメントを液化アセンブリ３６内へ送出することができる。液化アセンブリ３６は、液化ブロック４６と液化通路４８とを含んでいる。液化通路４８は、液化ブロック４６を挿通する通路であって、駆動システム３４近傍に入口を有し、構築端部３８に出口を有している。液化通路４８は、フィラメント４０が液化ブロック４６を通過するための経路を提供する。液化ブロック４６は、液化ブロック４６に沿った温度プロファイルに基づいた所望の流動パターンにフィラメントを溶融させるための過熱ブロックである。構築端部３８は、液化アセンブリ３６に固定された押出端部である。構築端部３８は、改質ＡＢＳ材料の路を堆積させるための端部径を有しており、路の路幅及び路高は、端部径にある程度基づいている。構築端部３８の好適な端部径の例は、約２５０マイクロメートル（約１０ミル（ｍｉｌ））から約５１０マイクロメートル（約２０ミル）の範囲である。
【００１５】
改質ＡＢＳ材料は、（駆動モータから）駆動ローラ４２に回転力を印加することによって、押出ヘッド１２の構築ライン２６を通って押し出される。駆動ローラ４２と遊動ローラ４４との摩擦グリップによって、回転力は、フィラメント４０に印加される駆動圧に変換される。駆動圧によって、フィラメント４０の連続した部分が液化通路４８内へ押し込まれ、改質ＡＢＳ材料は、液化ブロック４６によって溶融される。フィラメント４０の未溶融部分は、溶融された改質ＡＢＳ材料を液化通路４８及び構築端部３８を通って押し出すピストンとして機能するので、溶融された改質ＡＢＳ材料が押し出される。フィラメント４０を液化通路４８へ押し込み、溶融された改質ＡＢＳ材料を押し出すのに必要とされる駆動圧は、例えば、改質ＡＢＳ材料の流動に対する抵抗、駆動ローラ４２の軸受摩擦、駆動ローラ４２と遊動ローラ４４との間のグリップ摩擦、及びその他の要因などの複数の要因に基づいており、これら全ての要因が、駆動ローラ４２及び遊動ローラ４４によってフィラメント４０に印加された駆動圧に抵抗する。
【００１６】
構築処理中、構築材料の押出流動特性は、通常、３つの押出フェーズ、すなわち、（１）押出流動速度がゼロ流動速度から定常状態流動速度へ増加する始動フェーズ、（２）定常状態フェーズ、（３）押出流動速度が定常状態流動速度からゼロ流動速度へ減小する停止フェーズ、に含まれる。定常状態フェーズ中では、構築材料の押出流動速度は、フィラメント（例えば、フィラメント４０）へ印加された駆動圧と、駆動圧に対する上述の抵抗との間の差である。しかしながら、始動フェーズ中では、構築材料は、構築材料が押し出されるようになる前に上回る必要がある、押出に対する付加的な抵抗を始めに発揮する。この付加的な抵抗は、本明細書中において、構築材料のチキソトロピー性閾値と称される。
【００１７】
チキソトロピー性閾値が高いと、一般的には、押出流動を開始するために、相当量の駆動圧が必要となる。これに伴い、駆動モータが回転力を駆動ローラに印加するときと、押出流動が実際に開始されるときとの間の時間が増大するので、押出ヘッドの応答時間が限定される。上述のように、そのように応答時間が限定されることで、堆積精度が低下することがあり、堆積精度の低下は、特に、微細な特徴構造において観察できる。それゆえ、以下に説明されるように、押出ヘッド１２の応答時間は、改質ＡＢＳ材料のチキソトロピー性閾値が低減されるという条件下において、改質ＡＢＳ材料が押し出されることによって改善される。
【００１８】
図３は、方法５０のフロー図であり、方法５０は、始動フェーズの間の応答時間を向上させて、（図１に示された）３Ｄオブジェクト１８を構築するのに好適な方法である。方法５０は、ステップ５２−５８を含み、まず、改質ＡＢＳ材料のフィラメントを押出ヘッド１２へ送出することを含んでいる（ステップ５２）。１つの実施形態では、改質ＡＢＳ材料は、改質ＡＢＳ材料が、約６．９メガパスカル（約１，０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））以下の、より好ましくは、約５．２メガパスカル（約７５０ｐｓｉ）以下の、駆動圧にて、標準形状液化機から、最高液化温度にて、１６．４マイクロリットル／秒（１，０００立方マイクロインチ毎秒（ｍｉｃｓ））の押出速度で押し出され得るように選択される。
【００１９】
本明細書で使用されているように、「標準形状液化機」という用語は、液化チューブ内径が、１．９４３ミリメートル（０．０７６５インチ）から１．９０５ミリメートル（０．０７５インチ）の範囲であって、端部全長が、７７．３４３±０．２５４ミリメートル（３．０４５±０．０１０インチ）であって、内径における首の長さが、０．７６２±０．０５１ミリメートル（０．０３０±０．００２インチ）であって、端部端ランド内径が、０．４０６±０．０１３ミリメートル（０．０１６±０．０００５インチ）の構築端部を有する液化機として定義されている。また、本明細書で使用されているように、「最高液化温度」という用語は、改質ＡＢＳ材料が、変色せず、或いは、流動特性を変えることなく、２分間耐え得る最も高い液化温度として定義されている。この基準を満たす改質ＡＢＳ材料の例には、上述の好適な改質ＡＢＳ材料が含まれる。
【００２０】
改質ＡＢＳ材料は、その後、押出ヘッド内で溶融される（ステップ５４）。上述のように、改質ＡＢＳ材料のフィラメントは、駆動システム３４を用いて、液化アセンブリ３６へと送出される。液化アセンブリ３６は、好ましくは、改質ＡＢＳ材料が熱的に安定する液化機ピーク温度を有しており、液化機ピーク温度は、改質ＡＢＳ材料のチキソトロピー性閾値を低減する。液化アセンブリ３６に好適な液化機ピーク温度は、例えば、約２８０℃から約３６０℃の範囲であって、とりわけ好適な温度は、約３００℃から約３４０℃の範囲であり、さらにとりわけ好適な温度は、約３００℃から約３２０℃の範囲である。
【００２１】
そして、溶融された改質ＡＢＳ材料は、押出ヘッド１２から押し出され（ステップ５６）、一層毎に堆積されて、構築室１０内で３次元オブジェクトを構築する（ステップ５８）。構築室１０に好適な周囲温度は、約７０℃から約１０５℃の範囲であって、とりわけ好適な周囲温度は、約８０℃から約９５℃の範囲である。好適な液化機ピーク温度及び好適な周囲温度は、標準ＡＢＳ共重合体を押し出すのに通常用いられる対応する温度よりも高い。より高い温度は、結果として得られる３Ｄオブジェクト１８において、部品強度を向上させ、かつ、空隙率（porosity）を低減させるのに有利である。
【００２２】
結果として得られる３Ｄオブジェクト１８は、高い堆積精度を有しており、高い堆積精度は、特にピン特徴部２２において、美的品質が向上されることによって観察され得る。それゆえ、改質ＡＢＳ材料は、高解像度の微細な特徴構造を提供するのに、有利である。堆積された後、３次元オブジェクトにおける改質ＡＢＳ材料は、実質的に熱劣化しないことが望ましい。標準ＡＢＳ共重合体における熱劣化は、一般的には、堆積された材料における茶色の筋として観察され得る。
［実施例］
本発明は、以下の実施例においてより詳細に説明されるが、本発明の範囲内における多くの修正例及び変形例が当業者には明らかであろうから、以下の実施例は例示としてのみ意図されるものである。実施例１−１２及び比較例Ａ−Ｄにおける押出工程の駆動圧は、液化機ピーク温度及び押出流動速度の関数として、得られる押出プロファイルを比較するために、定量的に測定された。各押出工程は、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから“ＦＤＭ ＴＩＴＡＮ”という商品名で市販されている溶融堆積モデリングシステム上で実行された。付随する押出ヘッドは、“ＴＩＴＡＮ”ＴＩ構築端部を有しており、この構築端部は、液化チューブの内径が、１．９４３ミリメートル（０．０７６５インチ）から１．９０５ミリメートル（０．０７５インチ）の範囲であって、端部の全長が、７７．３４３±０．２５４ミリメートル（３．０４５±０．０１０インチ）であって、内径における首の長さが、０．７６２±０．０５１ミリメートル（０．０３０±０．００２インチ）である。
【００２３】
実施例１−１２の押出工程は、マサチューセッツ州 ピッツフィールドにあるジェネラル エレクトリック カンパニーから“ＣＹＣＯＬＡＣ”ＭＧ９４−ＮＡ１０００ ＡＢＳという商品名で市販されている改質ＡＢＳ材料を用いて実行された。比較例Ａ−Ｄの押出工程は、ミシガン州 ミッドランドにあるダウ ケミカル カンパニーから“ＡＧ７００ ＡＢＳ”という商品名で市販の、標準ＡＢＳ共重合体を用いて実行された。押出工程は、異なる温度、及び、異なる押出速度により実行され、実施例１−４の押出工程はそれぞれ、端部ランド内径が０．２５４ミリメートル（０．０１０インチ）で実行され、実施例５−８の押出工程はそれぞれ、端部ランド内径が０．３０５ミリメートル（０．０１２インチ）で実行され、実施例９−１２及び比較例Ａ−Ｄの押出工程はそれぞれ、端部ランド内径が０．４０６ミリメートル（０．０１６インチ）で実行された。表１は、実施例１−１２及び比較例Ａ−Ｄの押出工程のために用いられた、構築材料、端部径、及び、押出速度を記載している。
【００２４】
【表１】
各押出工程毎に、構築サイクルが開始され、所定の構築材料が押し出された。構築材料は、フィラメント形態（“ＴＩＴＡＮ”ＴＩ構築端部の標準フィラメント径、例えば、約１．７９６ミリメートル（約０．０７０７インチ）の径）で、押出ヘッドへ供給され、ギアシステムによって液化機へ推進された。液化機ピーク温度は第１のレベル（例えば、２４０℃）に維持され、定常状態動作が得られるまで、フィラメントは推進された。そして、駆動モータの所要電力が定量的に測定され、それに対応する駆動圧であって、構築材料を押し出すために必要とされる駆動圧が、駆動モータの所要電力に基づいて算出された。その後、この手順は、２４０℃から３４０℃までの範囲の、様々な異なる液化機ピーク温度で繰り返された。
【００２５】
図４−７は、実施例１−１２及び比較例Ａ−Ｄの押出工程の、押出速度に対する駆動圧のグラフ表示である。図４−６の比較においては、液化機ピーク温度が上昇するにつれて、また、端部径が減小するにつれて、そして、押出速度が増加するにつれて、予期されたように、駆動圧が低下することが示されている。しかしながら、（図６に示された）実施例９−１２の押出工程の比較、及び、（図７に示された）比較例Ａ−Ｄの押出工程の比較では、同等の条件において、本発明で用いるのに好適な改質ＡＢＳ材料（ＭＧ９４−ＮＡ１０００ ＡＢＳ）が、標準ＡＢＳ（ＡＧ７００ ＡＢＳ）よりも低い駆動圧で押出可能であったことが示されている。
【００２６】
図８は、図６，７に示されたデータについての、別のグラフ表示であり、２８０℃での比較例Ａ−Ｄの押出工程の押出速度と、２８０℃での実施例９−１２の押出工程の押出速度と、３００℃での実施例９−１２の押出工程の押出速度とに対する駆動圧として示されている。例Ａ−Ｄの標準ＡＢＳ共重合体は、約２９０℃を越える温度においては、熱的に安定ではなく、熱劣化する傾向がある。そのため、３００℃における例Ａ−Ｄの押出工程は比較されなかった。
【００２７】
図８に示されるように、２８０℃及び３００℃での例９−１２の押出工程は、２８０℃での比較例Ａ−Ｄの押出工程から得られる駆動圧よりも、低い駆動圧で実行された。さらに、押出工程の指数回帰線は、各押出工程毎に破線で示されるように、ゼロ流動速度に外挿された（つまり、ｙ軸と交差している）。ｙ軸との交点における駆動圧は、対応する液化機ピーク温度に関して、構築材料のチキソトロピー性閾値に対応している。それゆえ、比較例Ａ−Ｄに使用された標準ＡＢＳ共重合体を押し出すのに好適な温度である２８０℃の液化機ピーク温度では、標準ＡＢＳ共重合体は、約６．８メガパスカル（約９８０ｐｓｉ）のチキソトロピー性閾値を有していた。これに対し、実施例９−１２に使用された改質ＡＢＳ材料は、２８０℃の液化機ピーク温度では、約３．９メガパスカル（約５６０ｐｓｉ）のチキソトロピー性閾値を有していた。さらに、実施例９−１２に使用された改質ＡＢＳ材料を押し出すのに望ましい温度である３００℃の液化機ピーク温度では、改質ＡＢＳ材料は、約３．０メガパスカル（約４３０ｐｓｉ）のチキソトロピー性閾値を有していた。
【００２８】
したがって、改質ＡＢＳ材料の流動特性は、標準ＡＢＳ共重合体に比べて、よりニュートン流動に近い。ニュートン流動を示す材料は、線形の押出工程プロファイルを示すであろうし、ゼロ駆動圧（つまり、チキソトロピー性閾値がない）にて、ｙ軸と交差するであろう。図８に示されている押出工程プロファイルは、例えば、液化機における湿潤ドーナツが構築端部に近接していたこと、構築材料が液化機において長時間にわたり固体状態であったこと、及びせん断層が液化機壁に近づくように押圧されたことなどの複数の要因に起因して、指数的傾向を示す。
【００２９】
定量的には、改質ＡＢＳ材料は、２８０℃の液化機ピーク温度において、標準ＡＢＳ共重合体におけるチキソトロピー性閾値の約６０％未満であるチキソトロピー性閾値を有していた。さらに、材料を押し出すのに好適な温度（つまり、標準ＡＢＳ共重合体では２８０℃、そして、改質ＡＢＳ材料では３００℃）を比較する場合に、改質ＡＢＳ材料は、標準ＡＢＳ共重合体におけるチキソトロピー性閾値の約５０％未満であるチキソトロピー性閾値を有していた。そのため、押出ヘッドは、改質ＡＢＳ材料と比較して、標準ＡＢＳ共重合体の押出流動を開始するために、２倍以上の静的駆動圧を発生させる必要があるであろう。したがって、上述の動作条件下で改質ＡＢＳ材料を使用することによって、押出処理の応答時間が向上されるので、３Ｄオブジェクトを構築するときの堆積精度が向上する。
【００３０】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、本発明の精神及び本発明の範囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変更を行い得ることを当業者は認識するであろう。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［背景］
本発明は、押出による積層堆積システムを用いた、３次元（３Ｄ）オブジェクトの製造に関する。具体的には、本発明は、改質ＡＢＳ材料を含む構築材料から、３Ｄオブジェクトを製造することに関する。
【０００２】
押出による積層堆積システム（例えば、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドによって開発された、溶融堆積モデリングシステム）は、流動性を有する構築材料を押出して、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから３Ｄオブジェクトを一層毎に構築するのに使用される。構築材料は、押出ヘッドに搭載されたノズルを介して押出され、ｘ−ｙ平面にて連続した路（ｒｏａｄｓ）として基板上に堆積される。押出された構築材料は、既に堆積された構築材料と融合し、温度の低下とともに固化する。そして、基台に対する押出ヘッドの位置が、（ｘ−ｙ平面に垂直な）ｚ軸に沿って高められたのち、その工程が繰り返されて、ＣＡＤモデルに類似した３Ｄオブジェクトを形成する。
【０００３】
基台に対する押出ヘッドの移動は、コンピュータ制御下で、３Ｄオブジェクトを表す構築データに従って実行される。構築データは、まず始めに、３ＤオブジェクトのＣＡＤモデルを、水平にスライスされた複数の層に、スライスすることによって得られる。その後、スライスされた各層毎に、ホストコンピュータは、３Ｄオブジェクトを形成する構築材料の路を堆積させるための構築経路を生成する。
【０００４】
構築材料の層を堆積させて３Ｄオブジェクトを製造する際には、一般的に、構築中のオブジェクトの突出部の下、あるいは、構築中のオブジェクトの空洞内に、支持層または支持構造が構築される。ただし、構築中のオブジェクトの突出部、あるいは、構築中のオブジェクトの空洞は、構築材料自体によって支持されない。支持構造は、構築材料を堆積させる堆積技術と同様の堆積技術を用いて構築されてもよい。ホストコンピュータは、形成されている３Ｄオブジェクトの突出部または自由空間部の、支持構造として機能する、付加的な構造を生成する。そして、支持材料は、構築処理中に生成された構造に従って、第２の押出端部から堆積される。この支持材料は、製造中は構築材料に接着し、構築処理が完了したときに、完成された３Ｄオブジェクトから除去できる。
【０００５】
構築材料は、一般的に、非ニュートン流動特性を示す。非ニュートン流動特性において、構築材料は、押出流動の初期始動段階中に、移動に対して抵抗する。それゆえ、３Ｄオブジェクトの多くに共通する問題は、非ニュートン流動特性に起因する、押出ヘッドの応答時間の制限である。このような制限は、堆積精度を低下させる可能性があり、特に、層毎に堆積される構築材料の量が比較的少量である、微細な素性構造において観察できる。したがって、構築材料を堆積させるための押出ヘッドの応答時間を向上させる、３Ｄオブジェクトの構築方法が必要とされている。
［概要］
本発明は、押出による積層堆積システムを用いて、３Ｄオブジェクトを構築する方法に関する。本方法は、改質ＡＢＳ材料を、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、送出された改質ＡＢＳ材料を、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で押出ヘッドにおいて溶融させることとを含んでいる。溶融された熱可塑性プラスチック材料は、一層毎に堆積されて、３Ｄオブジェクトを形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】押出による積層堆積システムの構築室の透視図であって、本発明に従って構築されている３Ｄオブジェクトを示している。
【図２】押出による積層堆積システムにおける押出ヘッド構築ラインの拡大部分断面図である。
【図３】押出による積層堆積システムを用いて３Ｄオブジェクトを構築する方法のフローチャートである。
【図４−７】本発明に従って実行された押出工程と、比較押出工程とにおける、押出速度に対する駆動圧のグラフ表示である。
【図８】本発明に従って実行された押出工程と、比較押出工程とにおける、押出速度に対する駆動圧のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
［詳細な説明］
図１は、押出による積層堆積システムの構築室１０の透視図であり、構築室１０は、押出ヘッド１２と、案内レール１４と、構築プラットフォーム１６と、３Ｄオブジェクト１８と、支持構造２０とを含んでいる。構築室１０を組み込み得る、好適な押出による積層堆積システムには、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから「ＦＤＭ」という商品名で市販されている、溶融堆積モデリングシステムが含まれる。押出ヘッド１２は、流動性を有する構築材料と支持材料とを押し出して、一層毎に３Ｄオブジェクト１８と支持構造２０とをそれぞれ構築するように構成された装置である。押出ヘッド１２の好適な装置の例は、ラボシエールらによる米国特許出願公開公報第２００７／０００３６５６号、及び、ラボシエールらによる（米国特許出願公開公報第２００７／０２２８５９０号として公開されている）米国特許出願第１１／３９６，８４５号に開示されている。
【０００８】
押出ヘッド１２は、ｘ軸に沿って延在する案内レール１４と、構築室１０内において（図示しない）ｙ軸に沿って延在している（図示しない）追加的な案内レールとによって、構築室１０内で支持されている。案内レール１４と追加的な案内レールとによって、押出ヘッド１２は、ｘ軸及びｙ軸に沿った平面における、あらゆる方向に移動することができる。構築プラットフォーム１６は、３Ｄオブジェクト１８及び支持構造２０を構築するための作業面であり、ｚ軸に沿って高さを調整可能である。
【０００９】
３Ｄオブジェクト１８を構築するために使用される構築材料は、応答時間の向上をもたらしながら押出ヘッド１２から押し出されることが可能な改質ＡＢＳ材料であるので、堆積処理の精度が向上される。本発明で用いるのに好適な改質ＡＢＳ材料の例は、追加のモノマー、オリゴマー、および／または、ポリマーを用いて改質されたＡＢＳ材料、例えばアクリル系材料、を含む。市販されている好適な改質ＡＢＳ材料の例は、マサチューセッツ州 ピッツフィールドにあるジェネラル エレクトリック カンパニーからの“ＣＹＣＯＬＡＣ” ＡＢＳ ＭＧ９４−ＮＡ１０００という商品名である、メタクリル酸メチルにより改質されたＡＢＳ／ポリマー（スチレン−アクリロニトリル）混合物を含む。
【００１０】
３Ｄオブジェクト１８は、ピン特徴部２２と突出部２４とを含んでおり、ピン特徴部２２は、複数層の微細な特徴構造であって、Ｘ軸及びＹ軸に沿った平面において小さな平均断面を有している。ピン特徴部２２は、標準ＡＢＳ共重合体（例えば、ミシガン州 ミッドランドにあるダウ ケミカル カンパニーから“ＡＧ７００ ＡＢＳ”という商品名で市販されているＡＢＳ共重合体）を用いて構築された場合に、観察可能な構築誤差を示し得る、微細な特徴構造の一例である。例えば、Ｘ軸及びＹ軸に沿った平面において、約３．０ミリメートル（約１２０ミル（ｍｉｌ））以下の幅を少なくとも１つ有する微細な特徴構造を構築する場合、標準ＡＢＳ共重合体は、視認可能な誤差をもたらすであろう。このため、得られる３Ｄオブジェクトの美的品質及び物理的品質が損なわれることがある。
【００１１】
それに対して、押出ヘッド１２から改質ＡＢＳ材料を堆積させることによって得られる応答時間の向上により、ピン特徴部２２は、より高い堆積精度で構築される。その結果、Ｘ軸及びＹ軸に沿った平面における、ピン特徴部２２の好適な断面の寸法は、約３．０ミリメートル（約１２０ミル）以下の幅を含み、特に好適な幅は、約１．５ミリメートル（約６０ミル）から約２．８ミリメートル（約１１０ミル）の範囲である。以下に説明される処理条件下では、このような材料は、（標準ＡＢＳ共重合体と比較して）より大きなニュートン状の特性を得ることができるので、３Ｄオブジェクト１０を構築する場合に、押出ヘッド１２の応答時間が向上される。さらに、改質ＡＢＳ材料によって、３Ｄオブジェクトに、良好な層間接着と部品強度とを付与することができる。
【００１２】
支持構造２０は、支持材料を用いて、構築プラットフォーム上に一層毎に構築されるので、支持構造２０は、３Ｄオブジェクト１８の突出部位２４を支持する。改質ＡＢＳ材料は、向上された応答時間で堆積されることに加え、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから“ＷＡＴＥＲ ＷＯＲＫＳ”及び“ＳＯＬＵＢＬＥ ＳＵＰＰＯＲＴＳ”という商品名で市販されている水溶性支持材料と共に使用されるのに好適である。また、改質ＡＢＳ材料は、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから“ＢＡＳＳ”という商品名で市販の取り壊される支持材料、及び、クランプらによる米国特許第５，５０３，７８５号に開示されている支持材料に使用されるのにも好適である。それに比べて、標準ＡＢＳ共重合体は、“ＢＡＳＳ"系の支持構造に対して著しい粘着量を発揮する。改質ＡＢＳ材料は、実質的により一層容易に“ＢＡＳＳ"系の支持構造から除去される一方で、構築処理中には好適に粘着し得る。
【００１３】
図２は、（図１に図示された）３Ｄオブジェクト１８を構築する改質ＡＢＳ材料を押し出すための（図１に図示された）押出ヘッド１２における構築ライン２６の拡大部分断面図である。構築ライン２６は、送出チューブ２８と、ベースブロック３０と、送出通路３２と、駆動システム３４と、液化アセンブリ３６と、構築端部３８とを含み、これらは、（米国特許出願公開公報第２００７／０２２８５９０号として公開された）ラボシエールらによる米国特許出願第１１／３９６，８４５号に開示されているのと同様に配置されている。送出チューブ２８は、（図１に示された）構築室１０の外側に配置された（図示しない）供給源から、（フィラメント４０と称する）改質ＡＢＳ材料のフィラメントを受け入れる。フィラメント４０が、送出チューブ２８と、ベースブロック３０の送出通路３２とを挿通しているので、駆動システム３４は、フィラメント４０を液化アセンブリ３６内へ送出することができる。
【００１４】
駆動システム３４は、駆動ローラ４２と遊動ローラ４４とを含み、駆動ローラ４２及び遊動ローラ４４は、フィラメント４０に係合するとともに、フィラメント４０を把持するように構成されている。駆動ローラ４２が（図示しない）駆動モータに軸方向に接続されていることで、駆動ローラ４２及び遊動ローラ４４は、フィラメントを液化アセンブリ３６内へ送出することができる。液化アセンブリ３６は、液化ブロック４６と液化通路４８とを含んでいる。液化通路４８は、液化ブロック４６を挿通する通路であって、駆動システム３４近傍に入口を有し、構築端部３８に出口を有している。液化通路４８は、フィラメント４０が液化ブロック４６を通過するための経路を提供する。液化ブロック４６は、液化ブロック４６に沿った温度プロファイルに基づいた所望の流動パターンにフィラメントを溶融させるための過熱ブロックである。構築端部３８は、液化アセンブリ３６に固定された押出端部である。構築端部３８は、改質ＡＢＳ材料の路を堆積させるための端部径を有しており、路の路幅及び路高は、端部径にある程度基づいている。構築端部３８の好適な端部径の例は、約２５０マイクロメートル（約１０ミル（ｍｉｌ））から約５１０マイクロメートル（約２０ミル）の範囲である。
【００１５】
改質ＡＢＳ材料は、（駆動モータから）駆動ローラ４２に回転力を印加することによって、押出ヘッド１２の構築ライン２６を通って押し出される。駆動ローラ４２と遊動ローラ４４との摩擦グリップによって、回転力は、フィラメント４０に印加される駆動圧に変換される。駆動圧によって、フィラメント４０の連続した部分が液化通路４８内へ押し込まれ、改質ＡＢＳ材料は、液化ブロック４６によって溶融される。フィラメント４０の未溶融部分は、溶融された改質ＡＢＳ材料を液化通路４８及び構築端部３８を通って押し出すピストンとして機能するので、溶融された改質ＡＢＳ材料が押し出される。フィラメント４０を液化通路４８へ押し込み、溶融された改質ＡＢＳ材料を押し出すのに必要とされる駆動圧は、例えば、改質ＡＢＳ材料の流動に対する抵抗、駆動ローラ４２の軸受摩擦、駆動ローラ４２と遊動ローラ４４との間のグリップ摩擦、及びその他の要因などの複数の要因に基づいており、これら全ての要因が、駆動ローラ４２及び遊動ローラ４４によってフィラメント４０に印加された駆動圧に抵抗する。
【００１６】
構築処理中、構築材料の押出流動特性は、通常、３つの押出フェーズ、すなわち、（１）押出流動速度がゼロ流動速度から定常状態流動速度へ増加する始動フェーズ、（２）定常状態フェーズ、（３）押出流動速度が定常状態流動速度からゼロ流動速度へ減小する停止フェーズ、に含まれる。定常状態フェーズ中では、構築材料の押出流動速度は、フィラメント（例えば、フィラメント４０）へ印加された駆動圧と、駆動圧に対する上述の抵抗との間の差である。しかしながら、始動フェーズ中では、構築材料は、構築材料が押し出されるようになる前に上回る必要がある、押出に対する付加的な抵抗を始めに発揮する。この付加的な抵抗は、本明細書中において、構築材料のチキソトロピー性閾値と称される。
【００１７】
チキソトロピー性閾値が高いと、一般的には、押出流動を開始するために、相当量の駆動圧が必要となる。これに伴い、駆動モータが回転力を駆動ローラに印加するときと、押出流動が実際に開始されるときとの間の時間が増大するので、押出ヘッドの応答時間が限定される。上述のように、そのように応答時間が限定されることで、堆積精度が低下することがあり、堆積精度の低下は、特に、微細な特徴構造において観察できる。それゆえ、以下に説明されるように、押出ヘッド１２の応答時間は、改質ＡＢＳ材料のチキソトロピー性閾値が低減されるという条件下において、改質ＡＢＳ材料が押し出されることによって改善される。
【００１８】
図３は、方法５０のフロー図であり、方法５０は、始動フェーズの間の応答時間を向上させて、（図１に示された）３Ｄオブジェクト１８を構築するのに好適な方法である。方法５０は、ステップ５２−５８を含み、まず、改質ＡＢＳ材料のフィラメントを押出ヘッド１２へ送出することを含んでいる（ステップ５２）。１つの実施形態では、改質ＡＢＳ材料は、改質ＡＢＳ材料が、約６．９メガパスカル（約１，０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））以下の、より好ましくは、約５．２メガパスカル（約７５０ｐｓｉ）以下の、駆動圧にて、標準形状液化機から、最高液化温度にて、１６．４マイクロリットル／秒（１，０００立方マイクロインチ毎秒（ｍｉｃｓ））の押出速度で押し出され得るように選択される。
【００１９】
本明細書で使用されているように、「標準形状液化機」という用語は、液化チューブ内径が、１．９４３ミリメートル（０．０７６５インチ）から１．９０５ミリメートル（０．０７５インチ）の範囲であって、端部全長が、７７．３４３±０．２５４ミリメートル（３．０４５±０．０１０インチ）であって、内径における首の長さが、０．７６２±０．０５１ミリメートル（０．０３０±０．００２インチ）であって、端部端ランド内径が、０．４０６±０．０１３ミリメートル（０．０１６±０．０００５インチ）の構築端部を有する液化機として定義されている。また、本明細書で使用されているように、「最高液化温度」という用語は、改質ＡＢＳ材料が、変色せず、或いは、流動特性を変えることなく、２分間耐え得る最も高い液化温度として定義されている。この基準を満たす改質ＡＢＳ材料の例には、上述の好適な改質ＡＢＳ材料が含まれる。
【００２０】
改質ＡＢＳ材料は、その後、押出ヘッド内で溶融される（ステップ５４）。上述のように、改質ＡＢＳ材料のフィラメントは、駆動システム３４を用いて、液化アセンブリ３６へと送出される。液化アセンブリ３６は、好ましくは、改質ＡＢＳ材料が熱的に安定する液化機ピーク温度を有しており、液化機ピーク温度は、改質ＡＢＳ材料のチキソトロピー性閾値を低減する。液化アセンブリ３６に好適な液化機ピーク温度は、例えば、約２８０℃から約３６０℃の範囲であって、とりわけ好適な温度は、約３００℃から約３４０℃の範囲であり、さらにとりわけ好適な温度は、約３００℃から約３２０℃の範囲である。
【００２１】
そして、溶融された改質ＡＢＳ材料は、押出ヘッド１２から押し出され（ステップ５６）、一層毎に堆積されて、構築室１０内で３次元オブジェクトを構築する（ステップ５８）。構築室１０に好適な周囲温度は、約７０℃から約１０５℃の範囲であって、とりわけ好適な周囲温度は、約８０℃から約９５℃の範囲である。好適な液化機ピーク温度及び好適な周囲温度は、標準ＡＢＳ共重合体を押し出すのに通常用いられる対応する温度よりも高い。より高い温度は、結果として得られる３Ｄオブジェクト１８において、部品強度を向上させ、かつ、空隙率（porosity）を低減させるのに有利である。
【００２２】
結果として得られる３Ｄオブジェクト１８は、高い堆積精度を有しており、高い堆積精度は、特にピン特徴部２２において、美的品質が向上されることによって観察され得る。それゆえ、改質ＡＢＳ材料は、高解像度の微細な特徴構造を提供するのに、有利である。堆積された後、３次元オブジェクトにおける改質ＡＢＳ材料は、実質的に熱劣化しないことが望ましい。標準ＡＢＳ共重合体における熱劣化は、一般的には、堆積された材料における茶色の筋として観察され得る。
［実施例］
本発明は、以下の実施例においてより詳細に説明されるが、本発明の範囲内における多くの修正例及び変形例が当業者には明らかであろうから、以下の実施例は例示としてのみ意図されるものである。実施例１−１２及び比較例Ａ−Ｄにおける押出工程の駆動圧は、液化機ピーク温度及び押出流動速度の関数として、得られる押出プロファイルを比較するために、定量的に測定された。各押出工程は、ミネソタ州 エデン プレーリーにあるストラタシス，インコーポレイテッドから“ＦＤＭ ＴＩＴＡＮ”という商品名で市販されている溶融堆積モデリングシステム上で実行された。付随する押出ヘッドは、“ＴＩＴＡＮ”ＴＩ構築端部を有しており、この構築端部は、液化チューブの内径が、１．９４３ミリメートル（０．０７６５インチ）から１．９０５ミリメートル（０．０７５インチ）の範囲であって、端部の全長が、７７．３４３±０．２５４ミリメートル（３．０４５±０．０１０インチ）であって、内径における首の長さが、０．７６２±０．０５１ミリメートル（０．０３０±０．００２インチ）である。
【００２３】
実施例１−１２の押出工程は、マサチューセッツ州 ピッツフィールドにあるジェネラル エレクトリック カンパニーから“ＣＹＣＯＬＡＣ”ＭＧ９４−ＮＡ１０００ ＡＢＳという商品名で市販されている改質ＡＢＳ材料を用いて実行された。比較例Ａ−Ｄの押出工程は、ミシガン州 ミッドランドにあるダウ ケミカル カンパニーから“ＡＧ７００ ＡＢＳ”という商品名で市販の、標準ＡＢＳ共重合体を用いて実行された。押出工程は、異なる温度、及び、異なる押出速度により実行され、実施例１−４の押出工程はそれぞれ、端部ランド内径が０．２５４ミリメートル（０．０１０インチ）で実行され、実施例５−８の押出工程はそれぞれ、端部ランド内径が０．３０５ミリメートル（０．０１２インチ）で実行され、実施例９−１２及び比較例Ａ−Ｄの押出工程はそれぞれ、端部ランド内径が０．４０６ミリメートル（０．０１６インチ）で実行された。表１は、実施例１−１２及び比較例Ａ−Ｄの押出工程のために用いられた、構築材料、端部径、及び、押出速度を記載している。
【００２４】
【表１】
各押出工程毎に、構築サイクルが開始され、所定の構築材料が押し出された。構築材料は、フィラメント形態（“ＴＩＴＡＮ”ＴＩ構築端部の標準フィラメント径、例えば、約１．７９６ミリメートル（約０．０７０７インチ）の径）で、押出ヘッドへ供給され、ギアシステムによって液化機へ推進された。液化機ピーク温度は第１のレベル（例えば、２４０℃）に維持され、定常状態動作が得られるまで、フィラメントは推進された。そして、駆動モータの所要電力が定量的に測定され、それに対応する駆動圧であって、構築材料を押し出すために必要とされる駆動圧が、駆動モータの所要電力に基づいて算出された。その後、この手順は、２４０℃から３４０℃までの範囲の、様々な異なる液化機ピーク温度で繰り返された。
【００２５】
図４−７は、実施例１−１２及び比較例Ａ−Ｄの押出工程の、押出速度に対する駆動圧のグラフ表示である。図４−６の比較においては、液化機ピーク温度が上昇するにつれて、また、端部径が減小するにつれて、そして、押出速度が増加するにつれて、予期されたように、駆動圧が低下することが示されている。しかしながら、（図６に示された）実施例９−１２の押出工程の比較、及び、（図７に示された）比較例Ａ−Ｄの押出工程の比較では、同等の条件において、本発明で用いるのに好適な改質ＡＢＳ材料（ＭＧ９４−ＮＡ１０００ ＡＢＳ）が、標準ＡＢＳ（ＡＧ７００ ＡＢＳ）よりも低い駆動圧で押出可能であったことが示されている。
【００２６】
図８は、図６，７に示されたデータについての、別のグラフ表示であり、２８０℃での比較例Ａ−Ｄの押出工程の押出速度と、２８０℃での実施例９−１２の押出工程の押出速度と、３００℃での実施例９−１２の押出工程の押出速度とに対する駆動圧として示されている。例Ａ−Ｄの標準ＡＢＳ共重合体は、約２９０℃を越える温度においては、熱的に安定ではなく、熱劣化する傾向がある。そのため、３００℃における例Ａ−Ｄの押出工程は比較されなかった。
【００２７】
図８に示されるように、２８０℃及び３００℃での例９−１２の押出工程は、２８０℃での比較例Ａ−Ｄの押出工程から得られる駆動圧よりも、低い駆動圧で実行された。さらに、押出工程の指数回帰線は、各押出工程毎に破線で示されるように、ゼロ流動速度に外挿された（つまり、ｙ軸と交差している）。ｙ軸との交点における駆動圧は、対応する液化機ピーク温度に関して、構築材料のチキソトロピー性閾値に対応している。それゆえ、比較例Ａ−Ｄに使用された標準ＡＢＳ共重合体を押し出すのに好適な温度である２８０℃の液化機ピーク温度では、標準ＡＢＳ共重合体は、約６．８メガパスカル（約９８０ｐｓｉ）のチキソトロピー性閾値を有していた。これに対し、実施例９−１２に使用された改質ＡＢＳ材料は、２８０℃の液化機ピーク温度では、約３．９メガパスカル（約５６０ｐｓｉ）のチキソトロピー性閾値を有していた。さらに、実施例９−１２に使用された改質ＡＢＳ材料を押し出すのに望ましい温度である３００℃の液化機ピーク温度では、改質ＡＢＳ材料は、約３．０メガパスカル（約４３０ｐｓｉ）のチキソトロピー性閾値を有していた。
【００２８】
したがって、改質ＡＢＳ材料の流動特性は、標準ＡＢＳ共重合体に比べて、よりニュートン流動に近い。ニュートン流動を示す材料は、線形の押出工程プロファイルを示すであろうし、ゼロ駆動圧（つまり、チキソトロピー性閾値がない）にて、ｙ軸と交差するであろう。図８に示されている押出工程プロファイルは、例えば、液化機における湿潤ドーナツが構築端部に近接していたこと、構築材料が液化機において長時間にわたり固体状態であったこと、及びせん断層が液化機壁に近づくように押圧されたことなどの複数の要因に起因して、指数的傾向を示す。
【００２９】
定量的には、改質ＡＢＳ材料は、２８０℃の液化機ピーク温度において、標準ＡＢＳ共重合体におけるチキソトロピー性閾値の約６０％未満であるチキソトロピー性閾値を有していた。さらに、材料を押し出すのに好適な温度（つまり、標準ＡＢＳ共重合体では２８０℃、そして、改質ＡＢＳ材料では３００℃）を比較する場合に、改質ＡＢＳ材料は、標準ＡＢＳ共重合体におけるチキソトロピー性閾値の約５０％未満であるチキソトロピー性閾値を有していた。そのため、押出ヘッドは、改質ＡＢＳ材料と比較して、標準ＡＢＳ共重合体の押出流動を開始するために、２倍以上の静的駆動圧を発生させる必要があるであろう。したがって、上述の動作条件下で改質ＡＢＳ材料を使用することによって、押出処理の応答時間が向上されるので、３Ｄオブジェクトを構築するときの堆積精度が向上する。
【００３０】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、本発明の精神及び本発明の範囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変更を行い得ることを当業者は認識するであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
押出による積層堆積システムを用いて、３次元オブジェクトを構築する方法であって、
最高液化機温度にて、標準形状の液化機から１６．４マイクロリットル／秒の押出速度で押し出されるときに、約６．９メガパスカル以下の駆動圧を必要とする、改質アクリロニトリル−ブタジレンースチレン（ＡＢＳ）材料のフィラメントを前記押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、
該送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドにて溶融させることと、
前記３次元オブジェクトを形成するために、前記溶融された改質ＡＢＳ材料を一層毎に堆積させることと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記必要とされる駆動圧は、約５．２メガパスカル以下である
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記改質ＡＢＳ材料は、メタクリル酸メチルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドにて溶融させることは、前記送出された改質ＡＢＳ材料を、約３００℃から約３４０℃の範囲であるピーク温度にて溶融させることを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記ピーク温度は、約３００℃から約３２０℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法であって、
前記３次元オブジェクトは、複数層の特徴を有し、該複数層の特徴は、約３．０ミリメートル以下である少なくとも１つの断面寸法を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記堆積された改質ＡＢＳ材料は、実質的に、熱劣化しない
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、同じ条件下で押し出されたときに、標準ＡＢＳ共重合体のチキソトロピー性閾値よりも小さいチキソトロピー性閾値を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
押出による積層堆積システムを用いて、３次元オブジェクトを構築する方法であって、
該方法は、
改質アクリロニトリル−ブタジレンースチレン（ＡＢＳ）材料を、前記押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、
約３００℃から約３４０℃の範囲であるピーク温度にて、前記送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッド内で溶融させることと、
該溶融された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドから押し出すことと、
前記３次元オブジェクトを構築するために、前記溶融された改質ＡＢＳ材料を一層毎に堆積させることと
を備え、
前記３次元オブジェクトにおける前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、実質的に、熱劣化しない
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記ピーク温度は、約３００℃から約３２０℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
前記改質ＡＢＳ材料は、メタクリル酸メチルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、前記押出による積層堆積システムの構築室に堆積され、該構築室は、約７０℃から約１０５℃の範囲である周囲温度を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記構築室の前記周囲温度は、約８０℃から約９５℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の方法であって、
前記３次元オブジェクトは、複数層の特徴を備え、該複数層の特徴は、約３．０ミリメートル以下の少なくとも１つの断面寸法を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
押出による積層堆積システムを用いて、３次元オブジェクトを構築する方法であって、
改質アクリロニトリル−ブタジレンースチレン（ＡＢＳ）材料を、前記押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、
ピーク温度であって、該ピーク温度にて溶融された標準ＡＢＳ共重合体に対するチキソトロピー性閾値の約６０％以下である、前記改質ＡＢＳ材料に対するチキソトロピー性閾値をもたらすピーク温度にて、前記送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッド内において溶融させることと、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドから押し出すことと、
前記３次元オブジェクトを構築するために、前記溶融された改質ＡＢＳ材料を一層毎に堆積させることと
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記改質ＡＢＳ材料は、メタクリル酸メチルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
前記３次元オブジェクトは、複数層の特徴を備え、該複数層の特徴は、約３．０ミリメートル以下の少なくとも１つの断面寸法を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、
前記堆積された改質ＡＢＳ材料は、実質的に、熱劣化しない
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、前記押出による積層堆積システムの構築室に堆積され、該構築室は、約７０℃から約１０５℃の範囲である周囲温度を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
前記構築室の前記周囲温度は、約８０℃から約９５℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項１】
押出による積層堆積システムを用いて、３次元オブジェクトを構築する方法であって、
最高液化機温度にて、標準形状の液化機から１６．４マイクロリットル／秒の押出速度で押し出されるときに、約６．９メガパスカル以下の駆動圧を必要とする、改質アクリロニトリル−ブタジレンースチレン（ＡＢＳ）材料のフィラメントを前記押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、
該送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドにて溶融させることと、
前記３次元オブジェクトを形成するために、前記溶融された改質ＡＢＳ材料を一層毎に堆積させることと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記必要とされる駆動圧は、約５．２メガパスカル以下である
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記改質ＡＢＳ材料は、メタクリル酸メチルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドにて溶融させることは、前記送出された改質ＡＢＳ材料を、約３００℃から約３４０℃の範囲であるピーク温度にて溶融させることを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記ピーク温度は、約３００℃から約３２０℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法であって、
前記３次元オブジェクトは、複数層の特徴を有し、該複数層の特徴は、約３．０ミリメートル以下である少なくとも１つの断面寸法を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記堆積された改質ＡＢＳ材料は、実質的に、熱劣化しない
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、同じ条件下で押し出されたときに、標準ＡＢＳ共重合体のチキソトロピー性閾値よりも小さいチキソトロピー性閾値を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
押出による積層堆積システムを用いて、３次元オブジェクトを構築する方法であって、
該方法は、
改質アクリロニトリル−ブタジレンースチレン（ＡＢＳ）材料を、前記押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、
約３００℃から約３４０℃の範囲であるピーク温度にて、前記送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッド内で溶融させることと、
該溶融された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドから押し出すことと、
前記３次元オブジェクトを構築するために、前記溶融された改質ＡＢＳ材料を一層毎に堆積させることと
を備え、
前記３次元オブジェクトにおける前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、実質的に、熱劣化しない
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記ピーク温度は、約３００℃から約３２０℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
前記改質ＡＢＳ材料は、メタクリル酸メチルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、前記押出による積層堆積システムの構築室に堆積され、該構築室は、約７０℃から約１０５℃の範囲である周囲温度を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記構築室の前記周囲温度は、約８０℃から約９５℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の方法であって、
前記３次元オブジェクトは、複数層の特徴を備え、該複数層の特徴は、約３．０ミリメートル以下の少なくとも１つの断面寸法を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
押出による積層堆積システムを用いて、３次元オブジェクトを構築する方法であって、
改質アクリロニトリル−ブタジレンースチレン（ＡＢＳ）材料を、前記押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ送出することと、
ピーク温度であって、該ピーク温度にて溶融された標準ＡＢＳ共重合体に対するチキソトロピー性閾値の約６０％以下である、前記改質ＡＢＳ材料に対するチキソトロピー性閾値をもたらすピーク温度にて、前記送出された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッド内において溶融させることと、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料を前記押出ヘッドから押し出すことと、
前記３次元オブジェクトを構築するために、前記溶融された改質ＡＢＳ材料を一層毎に堆積させることと
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記改質ＡＢＳ材料は、メタクリル酸メチルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
前記３次元オブジェクトは、複数層の特徴を備え、該複数層の特徴は、約３．０ミリメートル以下の少なくとも１つの断面寸法を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、
前記堆積された改質ＡＢＳ材料は、実質的に、熱劣化しない
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶融された改質ＡＢＳ材料は、前記押出による積層堆積システムの構築室に堆積され、該構築室は、約７０℃から約１０５℃の範囲である周囲温度を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
前記構築室の前記周囲温度は、約８０℃から約９５℃の範囲である
ことを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１０−５２１３３９（Ｐ２０１０−５２１３３９Ａ）
【公表日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５３５７６（Ｐ２００９−５５３５７６）
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００２０２１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１１２０６１
【国際公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０９１１３９７７）ストラタシス，インコーポレイテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００２０２１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１１２０６１
【国際公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０９１１３９７７）ストラタシス，インコーポレイテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
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