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JPH0924552A - 三次元物体の製造方法 - Google Patents

三次元物体の製造方法

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Publication number
JPH0924552A
JPH0924552A JP7194248A JP19424895A JPH0924552A JP H0924552 A JPH0924552 A JP H0924552A JP 7194248 A JP7194248 A JP 7194248A JP 19424895 A JP19424895 A JP 19424895A JP H0924552 A JPH0924552 A JP H0924552A
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JP
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support structure
release
structural material
release material
nozzle
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JP7194248A
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James W Comb
ジェイムズ・ダブリュ・コウム
R Priedman William Jr
ウィリアム・アール・プリードマン・ジュニア
L Jinieru Robert
ロバート・エル・ジニエル
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Stratasys Inc
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/40—Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 オーバハング部を有する三次元物体を容易に
能率よく製造する。 【解決手段】 物体（５８）及びその下方の支持構造体
（６０）を形成すべく材料（Ａ）が層状に盛り上げられ
る工程に於いて、形成される物体のオーバハング部の下
方に材料を溶着することによって支持構造体が形成され
る。容易に除去可能な支持構造体が物体のオーバハング
部の下面（６２）との界面に沿って形成される。物体の
材料と弱い又は溶解可能な接合部を形成する弱く除去可
能又は破壊可能なジョイントが剥離材料（Ｂ）を使用す
ることによって界面に沿って形成される。剥離材料は分
離層又は薄い被覆として溶着される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三次元物体を製造
する方法及び装置に係り、更に詳細にはオーバハング部
を有する所定の形状の三次元物体を製造する方法及び装
置に係る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】上述の
如き装置の一つの有用な用途は物体の原型を迅速に形成
することである。層状に溶着される凝固可能な材料を盛
り上げる装置の如く原型形成の目的で使用される種々の
装置が存在する。従来のかかる装置としてステレオリト
グラフィー及び溶融溶着式原型形成装置がある。本願出
願人に譲渡された米国特許第５，１２１，３２９号には
後者の型式の装置が開示されており、この装置は所望の
形状になるまで凝固する材料の複数の層を繰返し溶着す
ることにより三次元物体を形成する。
【０００３】程度の差はあるが既存の全ての三次元原型
形成装置に共通の欠点は、形成される物体の最終形状に
支持層や支持構造体を設けることなく自由空間に原型の
形状の一部をなす層を形成することができないというこ
とである。原型形成材料により直接的には支持されない
オーバハング部を有する物体の場合には、材料は物体形
成過程に於いてオーバハング部を支持する支持構造体と
しても溶着される必要がある。
【０００４】上記米国特許第５，１２１，３２９号に記
載されたコンピュータにより駆動される装置に於いて
は、形成されるべき物体の設計はまずコンピュータに於
いて行われ、材料の複数の層を溶着することによって所
望の形状の物体が形成されるよう流動状態の材料を供給
すべく原型を支持するベース部材及び原型形成材料供給
ヘッドのための駆動モータへ駆動信号を供給する特定の
ソフトウェアが使用される。物体の形成工程中に形成途
上の物体のオーバハング部を支持する支持構造体として
機能する追加の構造体が適当なソフトウエアによる制御
下に於いて形成されるようにベース部材、即ち基体上に
材料を溶着するよう原型形成装置を使用することが可能
である。物体の形状にかかる支持構造体を設けることに
よりオーバハング部を有する物体の形成が困難であると
いう問題が解消されるが、その場合には最終的に形成さ
れる物体に損傷を与えることなく支持構造体を物体より
除去しなければならないという新たな問題が生じる。支
持構造体が所望の物体を形成するため使用される材料と
同一の材料にて形成される場合には、支持構造体と物体
との間の接合部の強度は物体の各層の間の接合強度と同
程度になる。そのため支持構造体を物体より除去する力
が与えられると、支持構造体の材料の一部が物体の表面
に残存したり、物体の一部が損傷したりする。何れの場
合にも物体が破壊され或いは物体の価値が損なわれる。
【０００５】本発明は、最終的に得られるべき物体に損
傷が及ぶことがないよう物体の材料と支持構造体の材料
との間に弱く破壊可能な接合部を形成することによって
上述の種々の問題を解消する方法及び装置を提供せんと
するものである。
【０００６】
【発明の概要】本発明の主要な目的は、物体と支持構造
体との間の界面に於ける物体の材料と支持構造体の材料
との間の界面接合強度が低減され、これにより殆ど労す
ることなく支持構造体の材料を迅速に且つ容易に除去す
ることができ、しかも物体が形成される過程に於いて物
体を所定の位置に保持するに十分な強度が確保される方
法及び装置を提供することである。かかる目的で、物体
と支持構造体との間の界面に於ける材料の間に最小限の
界面接合強度を与え、これによりそれらの材料の間に容
易に分離可能なジョイントを形成する材料が選定され
る。
【０００７】本発明の一つの好ましい実施形態に於いて
は、所望の物体と該物体のオーバハング部をその下方に
て支持する独立の支持構造体とを形成するよう所定のパ
ターンにて第一の凝固可能な材料が溶着され、物体と支
持構造体との間の空間により物体のオーバハング部の下
面が郭定される。物体を形成するための第一の材料とは
異なる組成の第二の剥離材料が前記空間に溶着される。
この第二の剥離材料は、それが物体と支持構造体との間
の界面に沿って容易に分離可能なジョイントとして第一
の材料との間に弱く破壊可能な接合部を形成するよう選
定される。第一及び第二の材料はそれらを複数の層とし
て溶着することにより盛り上げられられることが好まし
く、剥離材料は物体と支持構造体とよりなる三次元複合
体に於いて物体及び支持構造体の互いに隔置された層の
間にそれらと同一の高さにて溶着される。
【０００８】剥離材料が層状に溶着される上述の実施形
態に於いては、支持構造体の最後の層は形成される物体
の材料と接触した状態にて形成され、従ってその層は物
体及び支持構造体と接触した状態になる。しかしこの第
二の材料が物体の材料との間に形成する接合部は物体を
形成する第一の材料の層の間の接合部よりも実質的に弱
い。従って第二の材料の接合部を破壊することにより支
持構造体を物体より容易に除去することができる。
【０００９】分離用の剥離層が上述の実施形態に従って
溶着される場合には、有効な剥離材料として種々の材料
が使用されてよい。かかる材料の組合せの幾つかの例に
ついて説明する。例えば物体及び支持構造体を形成する
ために使用される材料はポリアミドの如く周囲温度に於
いて凝固する熱可塑性樹脂であり、分離層を形成する材
料は炭化水素ワックスであってよい。
【００１０】剥離材料が物体とその下方の支持構造体と
の間の薄い被覆として溶着される実施形態に於いては、
剥離材料は物体及び支持構造体よりなる複合体に於いて
大きさや形状が無視されてよいほど薄い層として物体と
その下方の支持構造体との間の界面に流動可能な状態で
溶着される。かかる方法に於いては物体を形成する材料
はポリアミドの如く液体状態にて溶着される熱可塑性樹
脂であり、剥離材料はフルオロケミカル、シリコーン、
ステアリン酸の如き離型剤、溶媒又は水に溶解可能な重
合体、ワックスや重合体を含む分散液であることが好ま
しい。
【００１１】それぞれ互いに異なる材料を供給する吐出
チップを有する一対のディスペンサを有する本発明に於
ける装置は、第一の材料にて物体を形成し、第二の材料
にて支持構造体を形成するために使用されてよく、その
場合第二の材料は物体の支持されるべき部分を下面との
間に弱い接合部を形成する。例えば物体を形成する材料
は熱可塑性樹脂や精密鋳造用ワックスであり、支持構造
体を形成する材料は物体の材料との間の接触界面に弱い
接合部を形成するワックスであってよい。
【００１２】上述の方法に於いて使用される装置の一つ
の有用な特徴は、それぞれ吐出チップを有する二つのデ
ィスペンサが１つの供給ヘッドに取り付けられていると
いうことである。材料を層状に盛り上げることによって
三次元物体を形成するよう、供給ヘッド及び材料を受け
る基体を互いに他に対しＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って相対
変位させる制御可能な機構が設けられる。各ディスペン
サはチップが取り付けられた吐出ノズルを担持してい
る。一方のノズルは他方のノズルに対し上下方向に調節
可能であることが好ましく、その場合には材料を供給し
ない側のノズルの吐出チップはそれが材料を供給する側
のノズルより供給される材料に干渉しないよう、材料を
供給する側のノズルの吐出チップよりも常に高い位置に
位置決めされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照しつつ、本
発明を幾つかの実施形態について詳細に説明する。
【００１４】図３乃至図５に示されている如き三次元物
体を製造するために使用される支持構造体形成及び除去
装置は種々の型式の原型製造装置との関連で使用されて
よい。特に適用可能な原型製造装置は、上記米国特許第
５，１２１，３２９号に記載された装置の如く、連続的
に互いに隣接する複数の層やラミネートを形成すること
によって三次元物体を形成する装置である。本願に於い
て開示される分離層や分離被覆を形成する方法は、最終
的に自由空間に突出延在する原型のオーバハング部の下
方に原型形成プロセス中に支持構造体が存在する必要が
あるあらゆる状況に適用可能である。
【００１５】好ましい材料溶着及び盛り上げプロセスは
上記米国特許第５，１２１，３２９号に記載された型式
のものである。図１及び図２は、本願に於いて開示され
る如き支持構造体形成及び除去プロセスを実施すべく上
述の装置に於いて使用されるよう一対のディスペンサ８
及び３０が取り付けられた供給ヘッド２を示している。
かかる目的で、供給ヘッド２は複数のパス及び層にて材
料を溶着し所定形状の物体を形成し得るよう、図６に示
されている如く材料を受けるベース５６に対し相対的に
運動可能に支持されている。かかる相対運動は連続的な
層として材料を溶着しこれにより三次元物体を形成し得
るようＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って行われる。かかる相対
運動を達成するために上記米国特許第５，１２１，３２
９号に記載されている如きステップモータにより駆動さ
れるねじが使用されてよい。供給ヘッド２はＸ方向及び
Ｙ方向に運動可能なキャリア４に取り付けられることが
好ましく、図１及び図２に示されたリードねじ６がＸ方
向の運動を達成するために使用される。キャリア４はリ
ードねじ６の延在方向に垂直な第二のＹ方向に第二のリ
ードねじによって駆動されるよう取り付けられている。
これらのリードねじはステップモータの如き制御可能な
モータにより駆動される。上述の相対運動は形成される
べき物品の設計がまずコンピュータに於いて行われるコ
ンピュータ制御式のＣＡＤ／ＣＡＭ装置によって制御さ
れることが好ましい。供給ヘッド２を所定の運動パター
ンにて運動させ、これにより材料の層を連続的に溶着し
盛り上げて所望の形状に形成し得るよう、コンピュータ
内の三次元データを駆動モータの制御された運動に変換
するソフトウェアが使用される。図示の実施形態に於い
ては、ベース５６、即ち材料を受ける基体（図６参照）
は完全に三次元的な運動を行い得るよう上下方向、即ち
Ｚ方向に移動可能である。
【００１６】一方の材料を供給する好ましくは管状部
材、即ち導管の形態をなす第一のディスペンサ８が設け
られている。可撓性を有するフィラメントやストランド
の如き固体の形態にて供給材料が供給される用途に於い
ては、固体材料を加熱して溶融し、これにより供給材料
が吐出チップ１４を有する供給ノズル１２へ液体状態に
て供給されるよう、ディスペンサ８の周りには加熱コイ
ル１０が設けられている。チップ１４は液体材料を供給
する吐出口を郭定している。供給材料は典型的には物体
形成工程、即ち原型形成工程が行われる制御された雰囲
気温度の如き所定の条件が満たされると凝固する材料で
ある。ディスペンサ８は材料を受ける側の端部にキャッ
プ１６を有し、このキャップは取り付けリング１８に固
定されている。後に説明する理由から、ディスペンサ８
は好ましくは取り付けリング１８に枢着されることによ
り所定の上下方向の調節が可能であるよう取り付けられ
ている。かかる目的で一対の実質的に水平に延在する枢
軸ピン２０がキャップ１６の両側部より突出し、取り付
けリング１８に支持されている。
【００１７】リフトブラケット２２がチップ１４に近接
してディスペンサ８の他端に取り付けられており、アタ
ッチメントプレート２４を担持している。二方向に作動
可能なシリンダ２８の如きリフト装置がアタッチメント
プレート２４に固定されたピストン２６を有している。
シリンダ２８は空気圧シリンダ又は油圧シリンダであっ
てよい。またシリンダ２８はピストン２６を上下方向に
往復動させ得るよう流体によって駆動される二方向に往
復動可能なシリンダである。図示のディスペンサよりの
材料の供給を制御するソフトウェアプログラムの制御に
より達成される上述の如き往復動により吐出チップ１４
が昇降される。かくしてチップ１４が上下方向に高さ調
節されることにより後述の如く第二のディスペンサ３０
に対する特定の目的が達成される。リフト装置２８は、
電気的に付勢されると伸張し、ばねによって復帰される
ことによってピストン２６を周期的に往復動させるばね
付勢されたソレノイドを含む機構を含んでいてよい。ピ
ストン２６は通常時には図６に示されている如くディス
ペンサ３０のチップ３６に対し所定の高さ位置にチップ
１４を保持するよう後退された状態に維持される。また
ディスペンサ３０はその吐出端部にノズル３４を担持し
ており、ノズル３４にはチップ３６が取り付けられてい
る。ディスペンサ３０へ供給される固体の供給材料を溶
融するための加熱コイル３２が使用されることが好まし
く、その場合には供給材料はノズルチップ３６を経て液
体状態にて供給される。ディスペンサ３０は取り付けキ
ャップ３１によりキャリア４に固定されている。
【００１８】チップ１４及び３６は所定の条件下にて凝
固可能であるよう液体状態にて供給される互いに異なる
組成の別の材料供給源に個別に接続されている。供給材
料は例えばポンプによりリザーバより液体状態にて供給
されてもよい。また供給材料は図示の如くまた米国特許
第５，１２１，３２９号の図５に示されている如く可撓
性を有するフィラメントやストランドの如く始めのうち
は固体の状態にて供給されてもよい。可撓性を有するス
トランドは、その凝固温度よりも高い温度に比較的迅速
に加熱可能でありしかもベース５６上へ供給された後に
温度が僅かに低下しても迅速に凝固する固体材料にて形
成される。後に説明する種々の材料を含む熱可塑性樹
脂、ワックス、金属よりなる可撓性ストランドが使用さ
れてよい。かかるストランド又はフィラメントが図２に
於いて符号５０にて示されており、適当な材料送給機構
により供給スプール（図示せず）より管状の導管及びガ
イドハウジング５４を経て送給される。フィラメント５
０を挟んで送給する機構として一対のピンチローラ４６
が効果的に使用可能である。ピンチローラ４６を間欠的
に制御された状態にて駆動することはステップモータ３
８及び４０によって達成され、各モータは駆動力をロー
ラ４６へ伝達する平歯車４２及び４４を駆動する。
【００１９】モータ３８及び４０はピンチローラ４６を
間欠的に駆動し、これにより特定のディスペンサ８又は
３０のためのフィラメント材料を選択的に送給すべく適
当なソフトウェアによってプログラム式に制御される。
ディスペンサ８のためのフィラメント５２について上述
した材料送給機構と同一の機構が別の供給スプールより
フィラメントをディスペンサ３０を送給するために使用
されてよい。
【００２０】図３乃至図５は形成されるべき三次元物体
の自由空間へ突出するオーバハング部の下方に取り外し
可能な支持構造体を形成するための種々の方法を示して
いる。特に図４は物体、即ち原型５８と支持構造体６０
の間に破壊によって分離可能なジョイントを形成するた
めに剥離層Ｂが使用される好ましい実施形態を示してい
る。この実施形態に於いては、物体５８及び支持構造体
６０は同一の材料Ａにて形成される。図示の如く、物体
５８はその右側にオーバハング部を有し、該オーバハン
グ部の下面が符号６２にて示されている。下面６２に隣
接する支持構造体６０の上面は符号６４にて示されてい
る。下面６２及び上面６４はそれらの間に剥離材料Ｂに
て充填されたジョイント及び分離空間を郭定するよう互
いに隔置されている。
【００２１】図４に例として示された三次元的構造にて
物体５８、支持構造体６０、剥離層Ｂよりなる複合構造
体を形成するために材料Ａ及びＢが種々の要領にて溶着
されてよい。本願に開示された供給装置を使用して、材
料は図４に示されている如くＸ−Ｙ平面に於いて長方形
をなすトラック又は経路にて吐出チップ１４及び３６よ
り供給され溶着される。材料は基体５６（図６参照）上
に複数の層として盛り上げられ、複数の層は二つのディ
スペンサ８及び３０よりＺ軸に沿って各高さに溶着され
る。物体５８の層及び支持構造体６０の層は、物体５８
のオーバハング部が自由空間に突出延在し支持されるこ
とを必要とする高さになるまで、図４に示されたパター
ンにて盛り上げられる。かくして層ストリップＡ−１が
物体５８のために溶着された後、剥離材料Ｂの層ストリ
ップＢ−１が同一の高さに溶着される。しかる後支持層
Ａ−２が同一の高さに溶着される。このプロセスは、ス
テップモータ３８及び４０を間欠的に駆動して必要な量
の材料Ａ及びＢを凝固可能な液体の状態にて供給するこ
とによりディスペンサ８及び３０が制御可能に使用され
るよう継続される。溶着された材料を担持する基体５６
は、好ましくは図４に示されている如くストリップの形
態にて材料の層を連続的に形成し、これにより物体５８
及び支持構造体６０を全体として所望の高さになるまで
盛り上げによって形成すべく、供給ヘッド２に対し上下
方向に調節される。剥離材料Ｂは物体５８及び支持構造
体６０の互いに隣接する面６２及び６４の間に郭定され
る分離空間を順次充填するよう各Ｚ方向の位置、即ち各
高さ毎に間欠的に供給される。図４に示されている如く
複合構造体が形成された後、材料Ｂにより郭定されるジ
ョイントは弱く除去可能であるので、支持構造体６０は
容易に除去される。
【００２２】かくして第二の材料、即ち剥離材料Ｂは物
体５８のオーバハング部の下面６２を郭定する材料Ａと
接触した状態にて最後の支持層を形成するために使用さ
れる。従って剥離材料Ｂは物体５８と支持構造体６０と
の間の空間にオーバハング部の形状に一致する層として
溶着される。材料Ｂは原型形成材料Ａと接合部を形成す
るよう選定され、この場合の接合部は材料Ａ同士により
形成される接合部よりも実質的に弱い。支持構造体６０
に分離力が与えられると、支持構造体は物体より取り外
され、物体５８の下面６２に剥離材料Ｂがある程度残存
した状態になる。原型形成材料Ａに対する剥離材料Ｂの
接合部は弱いので、物体の表面に残存する剥離材料は物
体それ自身に損傷を及ぼすことなく容易に剥取りにより
除去される。かくして支持構造体を除去することは、物
体５８及び支持構造体の互いに隣接する面６２及び６４
の間の界面の空間により郭定される０．０００１〜０．
１２５inch（０．００２５〜３．１８mm）、好ましくは
０．００５〜０．０２０inch（０．１３〜０．５１mm）
の厚さを有する比較的薄い層として剥離材料Ｂを供給す
ることによって容易にされる。
【００２３】図４との関連で上述した物体５８より支持
構造体６０を上述の如く迅速に且つ容易に除去し得るよ
う種々の材料が使用されてよい。物体５８及び支持構造
体６０を形成するために使用される材料Ａは、材料の供
給が行われる所定の周囲条件に於いて容易に凝固する熱
可塑性材料であることが好ましい。精密鋳造用ワックス
の如き種々の熱可塑性樹脂が好適である。剥離材料は炭
化水素ワックスの混合物であってよい。原型形成材料Ａ
は比較的高い引張り強さを有する。例えば約２７００ps
i （１９０kg/cm2）の比較的高い引張り強さを有するポ
リアミドの原型形成材料Ａが炭化水素ワックスの混合物
を含む剥離材料Ｂと共に使用されると、物体５８及び支
持構造体６０は剥離材料Ｂにより郭定された分離領域に
沿って破壊することにより容易に分離した。このことは
原型形成材料と剥離材料Ｂとの間の表面張力の差が大き
いことによる。物体及び支持構造体の材料Ａの表面張力
に比して剥離材料Ｂの表面張力が遥かに低いことによ
り、材料Ｂにより郭定されるジョイントに於ける界面接
合強度が低減され、これにより物体５８の下面６２に殆
ど損傷を与えることなく支持構造体６０を容易に分離す
ることができる。
【００２４】また原型形成材料としてポリアミドが使用
され、剥離材料Ｂとして水に溶解可能なワックスが使用
されたところ、良好な結果が得られた。前述の例の場合
と同様、界面接合強度が低減されるだけでなく、支持構
造体は約５分以内に室温の水に溶解した。物体及び支持
構造体については水に溶解しない材料Ａを使用し、剥離
材料として水に溶解可能な材料を使用すれば、複合構造
体を浴中に配置することにより残存する剥離材料を容易
に溶解によって除去することができる。
【００２５】更に他の一つの例として、物体５８及び支
持構造体６０のための材料Ａはワックス及び重合体の混
合物にて形成され、分離空間、即ちジョイントのための
剥離材料Ｂとして水に溶解可能なワックスが使用されて
よい。この場合にも非常に弱い界面接合部が得られ、支
持構造体を容易に分離することができ、また剥離材料Ｂ
は室温の水に容易に溶解し、これにより支持構造体６０
の分離を非常に容易に行うことができる。
【００２６】図５は図４の実施形態と同様の実施形態を
示しているが、この実施形態に於いては剥離材料が物体
６６と支持構造体６８との間の分離線、即ちジョイント
に沿って薄い被覆７０として液体状態にて適用される。
この場合にも物体及び支持構造体は互いに同一の材料Ａ
にて形成される。材料Ａは複数の層として積層され、図
４について上述した要領にて垂直方向に盛り上げられ
る。しかしこの実施形態に於いては、流動可能な材料Ｄ
が物体６６と支持構造体６８との間の接触面に適用され
る。この材料Ｄは通常物体と支持構造体との間の同一の
材料Ａに於いて生じる分子結合を阻止し、これにより符
号７０にて示された接触面に実質的に弱い接合部を形成
する。引張り力が複合構造体６６、６８に与えられる
と、支持構造体６８は材料Ｄが残存したり物体の接触面
を損傷したりすることなく容易に且つきれいに分離され
除去される。この実施形態に於ける剥離材料は非常に薄
い層Ｄを形成するので、層Ｄの形状や大きさは物体及び
支持構造体よりなる複合構造体に於いて無視されよい。
この薄い剥離被覆の厚さは０．００２inch（０．０５１
mm）以下であることが好ましい。
【００２７】剥離被覆Ｄとして溶液、エマルジョン、分
散液が使用されてよい。物体６６及び支持構造体６８の
ための材料Ａは図４について材料Ａとして上述した材料
の何れであってもよい。良好な剥離被覆材料として例え
ばアクリレート等の重合体や、ステアリン酸、アゼライ
ン酸等の有機化合物の如き溶媒に溶解可能な化合物があ
る。剥離被覆として水に溶解可能な重合体も好適であ
り、ポリエチレンオキシド、グリコールをベースとする
重合体、ポリビニル・ピロリドンをベースとする重合
体、メチル・ビニル・エーテル、マレイン酸をベースと
する重合体、ポリオキサゾリンをベースとする重合体、
ポリクアテルニウムIIの材料がある。従来の離型剤も良
好な剥離被覆として使用可能である。かかる材料として
フルオロケミカル、シリコーン、レシチン、ステアレー
トがある。例えばパラフィンの如きワックス、微細結晶
物質、ポリエチレン、重合体を含む分散液も剥離被覆と
して使用されてよい。
【００２８】図５の実施形態に於いて物体６６及び支持
構造体６８のための材料Ａとしてポリアミドがあり、薄
い被覆７０のための剥離被覆Ｄとしてシリコーンがあ
る。上述の材料Ａは約１０００psi （７０．３kg/cm2）
の引張り強さを有し、物体と支持構造体との間の分離ジ
ョイント７０にシリコーン被覆が介装された複合構造体
はその界面ジョイントに於いて約１０５psi （７．３８
kg/cm2）の引張り強さを有し、複合構造体に曲げ応力を
与えることによってジョイント７０に於いて容易に分離
された。
【００２９】図５の実施形態に使用され良好な結果が得
られた更に他の材料の組合せに於いては、物体及び支持
構造体の材料Ａとしてワックス及び重合体の混合物が使
用され、剥離被覆としてステアリン酸溶液が使用され
た。これらの材料にて図５に示されている如く形成され
た複合構造体はその分離ジョイント７０に於いて非常に
低い引張り強さを有し、これにより図５に示された複合
構造体は試験装置に於いて容易に分離した。
【００３０】同一の材料Ａにて形成される物体のオーバ
ハング部とその下方の支持構造体との間に剥離層又は剥
離被覆が形成される図４又は図５の実施形態を採用する
ことにより格別の利点が得られる。第一の利点は収縮特
性に関するものである。全ての材料はある程度収縮す
る。物体及びこれに隣接する支持構造体に対し収縮特性
が大きく異なる材料が使用される場合には、二つの材料
の間の分離ジョイントに沿って大きい収縮差が生じる。
このことにより過大な応力が発生され、接合部が破壊
し、物体に歪みが生じる。これらの潜在的な有害な影響
は物体５８又は６６及び支持構造体６０又は６８に対し
同一の材料Ａを使用し、それらの間に比較的薄い分離層
又は被覆を設けることにより最小限に抑えられる。また
種々の材料の溶融温度及び原型形成温度も影響する。材
料はそれらが採用される温度と両立し、これによりそれ
らの所期の機能を達成するよう選定されなければならな
い。従って支持構造体形成用材料として機械加工可能な
ワックスが大型で厚い支持構造体を形成するためのラミ
ネート強度を得るために６０℃の比較的高い雰囲気温度
が必要である場合にも、物体と支持構造体との間の界面
領域、即ち分離領域に比較的薄い層として適用される
と、鋳造用ワックスの如く熱可塑性樹脂製の物体及び支
持構造体の３０℃程度の比較的低い原型形成温度に於い
ても良好にラミネート状になる。換言すれば、図４に示
されている如き剥離材料Ｂの比較的薄い層は、材料Ａの
原型形成温度に於いても十分良好にラミネート状にな
り、これによりその上方に物体の材料Ａを支持するに十
分な強度を有する層を形成する。材料Ｂのかかる剥離層
により形成される比較的弱い接合部、即ちラミネート
は、支持構造体６０を迅速に且つ容易に分離する上で望
ましい。
【００３１】図３は図１、図２、図６の供給装置を用い
て良好に達成される第三の実施形態を示している。この
実施形態に於いては、第一の材料Ａは物体７２を形成す
るために使用され、これとは異なる組成の第二の材料Ｃ
が支持構造体７４を形成するために使用される。これら
二つの構造体は分離線、即ちジョイント７６に沿って互
いに接触している。この実施形態に於いても、二つの材
料Ａ及びＣは図４との関連で上述した如く供給ヘッド２
が複数回パスされることにより層状に溶着され、供給ヘ
ッドの各パス毎に図３及び図４に示されている如く細長
いストリップ、即ちトラックが形成される。物体用の材
料Ａ及び支持構造体用の材料Ｃの同一の組合せが材料Ａ
及びＢについて図４との関連で上述した如く使用されて
よい。
【００３２】図４との関連で上述した如く、互いに異な
る材料が同一の水平面内に於いて、即ち同一の高さ位置
に於いて、換言すれば図４に於けるストリップＡ−１、
Ａ−２、Ｂ−１としてノズルチップ１４及び３６より供
給されるので、材料を供給しない側のノズル及びそのチ
ップが材料を供給するノズルにより溶着される材料に干
渉するという問題がある。この問題は図１、図２、図６
との関連で上述した装置、即ち一方のディスペンサのチ
ップの高さを他方のディスペンサのチップに対し上下方
向に調節する装置を設けることによって解消される。従
ってディスペンサ８は少なくともノズル１２及びチップ
１４が配置されるその吐出端に於いてリフト装置２８に
より上下方向に調節可能である。ディスペンサ３０は図
３及び図４に於ける材料Ａを供給するために使用され、
ディスペンサ８は材料Ｂ又はＣを供給するために使用さ
れる。図６に示されている如く、ノズル１２、従ってチ
ップ１４は通常時にはディスペンサ３０の吐出チップ３
６よりも高い位置にリフト装置２８によって保持され
る。かかる高さの差が図６に於いて誇張して示されてい
る。チップ１４はチップ３６が材料を供給する場合には
チップ３６よりも僅かに、例えば１／１６inch（１．６
mm）程度高くされるだけでよい。材料がチップ１４を経
てディスペンサ８より供給される場合には、リフト装置
２８はチップ１４がチップ３６よりも上述の距離程度下
方に位置するようピストン２６を伸張しチップ１４を下
降するよう作動される。かかる構造によれば一方のノズ
ルチップが他方のノズルチップより供給される材料と干
渉する虞れが解消される。
【００３３】一つの供給ヘッド２に担持された二つのデ
ィスペンサは図１及び図２に示された細長い管状のディ
スペンサ及び加熱コイルの形態以外の形態をなしていて
もよい。フィラメントや棒体の形態にて溶融可能な固体
をディスペンサへ供給する場合以外の状況に於いては、
供給されるべき材料はポンプによりリザーバより液体と
して直接供給され、その場合には加熱コイルを有する細
長い管状のディスペンサは不要である。また図５の実施
形態に於いては、剥離材料の薄い被覆は吐出チップとし
て機能する注射針を経て注射器より供給されてもよい。
かかる供給装置は供給ヘッド２に取り付けられたディス
ペンサの一方として機能する。またこれと同一の用途に
於いては、物体６６との界面７０に於ける支持構造体６
８の上面に液体を塗布する機能を果たす剛毛を有するブ
ラシチップを経て液体の剥離材料が供給されてもよい。
物体６６の下面の垂直面が支持構造体６８の各層の垂直
面より分離される場合には、液体の被覆は支持構造体の
各層の垂直面にも塗布されてよい。薄い被覆として供給
される液体材料は物体６６の材料Ａの隣接する次の層が
適用される前に凝固し、少なくとも部分的に硬化する。
【００３４】分離用の構造材料や剥離材料は一つの供給
ヘッドに担持され複数の供給通路を有する一つのノズル
チップより供給されてもよい。かかる供給ヘッドの構造
が前述の米国特許第５，１２１，３２９号の図６に示さ
れており、コラム１４の第１１行乃至第３６行に記載さ
れている。かかる供給ヘッドの実施形態に於いては、フ
ィラメントや棒体を溶融させることにより、或いは液体
をリザーバより供給ヘッド内の互いに独立の供給通路を
経て供給することにより、互いに異なる材料が液体の状
態にて供給される。一方の材料又は他方の材料を選択的
に又は間欠的に供給すべく適当な流量制御装置が使用さ
れる。
【００３５】以上に於いては本発明を特定の実施形態に
ついて詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に
限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々
の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかで
あろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による供給ヘッド及び供給ノズル機構を
示す斜視図である。
【図２】図１の線２−２に沿う供給ヘッドの垂直断面図
である。
【図３】形成される物体のための除去可能な支持構造体
を形成する方法の一つの実施形態を示す斜視図である。
【図４】剥離層を形成する他の実施形態を示す斜視図で
ある。
【図５】剥離被覆を使用する更に他の一つの実施形態を
示す側面図である。
【図６】図１及び図２に示された二つの供給ノズルのチ
ップを示す部分図である。
【符号の説明】
２…供給ヘッド ８、３０…ディスペンサ １０、３２…加熱コイル １２、３４…供給ノズル １４、３６…チップ ２８…シリンダ（リフト装置） ５６…ベース ５８、６６、７２…原型（物体） ６０、６８、７４…支持構造体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ・ダブリュ・コウム アメリカ合衆国 55416 ミネソタ州、セ ント・ルイス・パーク、キプリング・アヴ ェニュー 2613 (72)発明者 ウィリアム・アール・プリードマン・ジュ ニア アメリカ合衆国 55391 ミネソタ州、ウ ェイザタ、ディア・ヒル・ドライヴ 1906 (72)発明者 ロバート・エル・ジニエル アメリカ合衆国 55423 ミネソタ州、リ ッチフィールド、ジェイムズ・アヴェニュ ー・サウス 6845

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空間に突出し延在するオーバハング部を有
    する三次元物体を製造する方法にして、 所定のパターンにて流動状態の第一の凝固可能な構造材
    料を溶着し、これにより三次元物体と前記構造材料の層
    の溶着中に支持されることを必要とする前記物体のオー
    バハング部の下方に位置する独立の三次元支持構造体と
    よりなる三次元複合体を郭定する前記構造材料の複数の
    層を溶着する工程であって、前記物体及び前記支持構造
    体は前記物体の前記オーバハング部の下面を郭定する空
    間により分離される工程と、 前記構造材料の供給と協調して行われる複数パスの溶着
    工程にて前記構造材料と接触した状態で前記物体と前記
    支持構造体との間の前記空間に第二の剥離材料を供給す
    る工程であって、前記剥離材料は該剥離材料が前記物体
    と前記支持構造体との間の前記空間に位置する容易に分
    離可能なジョイントとして前記構造材料と弱い破壊可能
    な接合部を形成するよう前記構造材料とは異なる組成を
    有する工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】請求項１の方法に於いて、前記剥離材料は
    前記空間の形状に一致する層として溶着されることを特
    徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求項２の方法に於いて、前記剥離材料の
    層は前記三次元複合体内の同一の高さ位置に於いて前記
    物体及び前記構造体の互いに隣接し互いに隔置された層
    の間に前記剥離材料を断続的に溶着することにより複数
    の層状部分として盛り上げられることを特徴とする方
    法。
  4. 【請求項４】請求項２の方法に於いて、前記剥離材料は
    各溶着パス毎に垂直方向に０．０００１〜０．１２５in
    ch（０．００２５〜３．１８mm）の厚さに溶着されるこ
    とを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求項１の方法に於いて、前記構造材料は
    熱可塑性樹脂であり、前記剥離材料は機械加工可能なワ
    ックスであることを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】請求項１の方法に於いて、前記構造材料は
    精密鋳造用ワックスであり、前記剥離材料は機械加工可
    能なワックスであることを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】請求項１の方法に於いて、前記剥離材料は
    前記構造材料により形成される前記物体及び前記支持構
    造体の互いに隣接する面と接触した状態にて前記空間中
    に薄い被覆として溶着されることを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】請求項７の方法に於いて、前記薄い被覆は
    前記物体及び前記支持構造体の互いに隣接する面を覆う
    と共に前記互いに隣接する面を郭定する前記構造材料の
    部分の間に通常発生する分子結合を遮断するに十分であ
    り且つ無視し得る程度の厚さを有することを特徴とする
    方法。
  9. 【請求項９】請求項８の方法に於いて、前記構造材料は
    熱可塑性樹脂であり、前記被覆を形成する前記剥離材料
    は水に溶解可能な重合体であることを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】請求項８の方法に於いて、前記構造材料
    は熱可塑性樹脂であり、前記被覆を形成する前記剥離材
    料は溶媒に溶解可能な重合体であることを特徴とする方
    法。
  11. 【請求項１１】請求項８の方法に於いて、前記構造材料
    は熱可塑性樹脂であり、前記被覆を形成する前記剥離材
    料はシリコーンであることを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】請求項１０の方法に於いて、前記構造材
    料は熱可塑性樹脂であり、前記被覆を形成する前記剥離
    材料はステアリン酸溶液であることを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】請求項１の方法に於いて、前記構造材料
    及び前記剥離材料は二つの互いに独立のノズルより供給
    され、各ノズルは吐出チップを有し、材料を受けるベー
    スに対しＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って相対運動するよう対
    応する供給ヘッドに取り付けられており、一度に一つの
    ノズルからのみ材料が供給されるよう前記二つのノズル
    よりの前記構造材料及び前記剥離材料の供給が制御され
    ることを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】請求項１３の方法に於いて、一方のノズ
    ルは前記材料を受けるベースに対し上下方向に調節可能
    であり、前記構造材料及び前記剥離材料を供給する工程
    中前記一方のノズルの高さが制御可能に調節され、これ
    により材料供給工程中に材料を供給しない側のノズルの
    前記吐出チップが材料を供給する側のノズルにより供給
    される材料に干渉しないよう材料を供給する側のノズル
    の前記吐出チップよりも常に上方に位置決めされること
    を特徴とする方法。
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