专利名称：三维层压模制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用喷墨系统形成三维物体的三维层压模制装置。
背景技术：
层压模制的原理与形成三维轮廓图的方法一样。也就是，三维物体被切片来产生薄片的形状，接着所述薄片形状被模制并一层层地层压起来。
层压模制方法的例子包括利用光固化树脂的立体光刻(stereolithography)方法，利用金属或树脂粉末的粉末层压方法，树脂被熔化并被沉积的熔化沉积方法，和纸片、塑料片或薄金属板被层叠起来的片层压方法。
这些层压模制方法随着三维CAD技术近来的传播而快速的传播，并且也被称为快速成型技术(prototyping technique)。在这些层压模制方法中，三维物体可从三维CAD数据中直接获得。自从金属模制变为可能以来，这种快速成型技术不仅被应用在试制领域中，而且被应用在实际制造领域中。进一步说，通过利用三维打印机、数字转换器、或扫描仪作为三维CAD的输出设备，快速成型技术也被用在三维拷贝机(copyingmachine)中。尤其是，利用喷墨系统的层压模制装置被期望用在普通业务三维打印机或三维拷贝机上，因为利用喷墨系统的层压模制装置具有简单的结构，并与利用不同系统的装置相比，更容易操作。
利用喷墨系统的层压模制方法被分类为粉末层压方法和熔化树脂沉积方法。粉末层压方法是麻省理工开发的。在粉末层压方法中，利用喷墨装置将粘合剂喷射入浆粉或灰浆的粉末层中，接着，所述的被喷射的粘合剂被固化了。在另一方面，在熔化树脂沉积方法中，树脂被喷射以直接形成层压的形状，而无需使用任何支撑层。
利用粉末的粉末层压方法需要在模制后去除不需要的粉末，并且由于粉末的散布，不适合办公室环境。因此，粉末层压方法不适合普通业务三维打印机或三维拷贝机。另一方面，熔化树脂沉积方法能在办公室环境中使用，并且适合普通业务三维打印机或三维拷贝机。
熔化树脂沉积方法包括与喷射嘴(原理上与喷墨头一样)连接的机器人臂在XYZ三维方向上移动的方法，以及喷墨头设置在X-Y平面中且在Z方向上的的方法。然而，由于这些方法在模制过程没有使用支撑模型的支撑物，所以浮岛形(当层叠切片数据时，突然出现在层中的形状)或者长梁形，如字母H的水平横条，不能由这些方法形成。因此，可模制的形状是受限制的，所以这些方法不适合形成复杂的形状，如实际工业产品和医疗模型。
作为这些方法的对策，日本专利No.3179547提出了利用支撑物的方法。明确地说，支撑树脂和模制树脂都被层压叠加了，并且如果必要，表面也被平整化。通过这种方法，甚至更复杂的形状也可被模制成。所述支撑物可被形成，使得模型被埋在所述支撑物中。作为替代，柱形的或片状的支撑物可在需要的地方形成。然而，从能对应任何复杂形状的角度看，前种方法是优选的，并且不需要特殊的数据处理。(后种方法需要用于提供支撑物的数据处理)在这种喷墨型层压模制方法中使用的材料被分类为在室温下是液体的材料和在室温下是固体的材料。有人建议对喷墨型层压模制，使用室温下为液体的光固化树脂或热固性树脂。然而，如果树脂粘性高，那么在喷嘴处会发生堵塞，相反，如果树脂粘性低，那么在层叠后的光固化或热固过程中会发生“滴落”。因此，日本专利No.2697138提出在光固化树脂滴的飞行路线中发射光线，以用所述光线照射飞行中的树脂滴。然而，这种方法的缺点在于，泄漏的光或反射光会照射喷墨头，导致喷嘴的堵塞。
另一方面，作为室温下为固体的材料，在加热后转变成液体的树脂，如石蜡或热溶性树脂，被经常使用。在日本专利申请公开No.HEI-9-123290中，形成支撑物以使模型埋在所述支撑物中的方法被使用了，并且具有不同熔点的材料被用在所述模型和支撑物中，以便在模制处理后，利用溶点的不同将支撑物去除。然而，那些材料具有不足。也就是，作为模型材料，这些材料易碎，并且模型易破碎。进一步说，这些材料由于收缩会产生翘曲，这样模型的空间稳定性被削弱了。
为了克服材料的脆性，日本专利申请公开No.2001-214098中提出了一种具有延展性的模型材料。
同样，为了保持模型的空间稳定性，日本专利申请公开No.2001-58357提出了一种方法，其中利用旋转或高温辊子、转刀或其他类似物进行平滑处理的同时，执行层压模制，每次形成一层或几层模型。然而，在层压模制过程中执行平滑过程使层压模制的速度降低了。
发明内容
考虑到上述情况，本发明的目标是克服上述问题，并同时提供一种能高精度且高速地形成三维复杂物体的三维层压模制装置。
为了实现上述和其他目标，本发明提供一种三维层压模制装置，包括喷射支撑物材料的第一喷射单元以形成掩埋模型的支撑层，喷射模型材料的第二喷射单元，容纳第一和第二喷射单元的外壳，和控制外壳内部温度的控制器。所述控制器将外壳内的温度控制在(溶点-30)℃到(溶点-5)℃。
图1(a)是根据本发明一个优选实施例的层压模制装置的示意侧视图；图1(b)是图1(a)所示的层压模制装置的示意俯视图；图2是图1(a)所示的层压模制装置的喷射头的平面图；图3是图2所示喷射头的线性头的分解视图；图4是线性头的剖视图；图5是根据本发明优选实施例的喷射头的另一个例子的平面图；图6是根据实施例的变更实施方式的层压模制装置的示意图。
具体实施例方式
根据本发明的三维层压模制方法的解释将被提供。
首先，利用三维CAD设计的、或利用三维扫描仪或数字转换器扫描的三维形体的表面数据或立体数据，被转换成STL格式并送入图1(a)所示的层压模制装置39中。要模制的三维形体的模制方向是基于输入的STL数据而被确定的。模制方向不是特别限制的，但通常是选择物体在Z方向(高度方向)的长度，也就是高度最低的方向。接着，确定三维形体的X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面的投影区域。为了块状形体的加固，除了X-Y平面的顶部表面以外，每个平面均被向外移了足够的量。所述移动量不是特别限制的，并且根据形状、大小和使用的材料而不同，但是通常移动量约为1到10mm。在这种方式下，限制模制形体(上表面是打开的)的块状形体是特定的。接着，块状形体在Z方向上以单层厚度被切成薄片。所述的单层厚度取决于使用的材料，但通常是20到60μm。如果仅有一个物体要模制，那么块状形体被放在稍后将描述的Z-载物台38(在每次单层模制完成后下降一个单层距离的平台)的中心。如果两个或多个物体要模制，那么相应的块状形体可被放在Z-载物台38上或可以一个叠一个。当使用材料被确定时，那些块状形体和薄片数据(轮廓数据)的准备以及在Z-载物台38上放置块状形体能被自动地执行。
接着，利用图1(a)所示的模制装置39来执行层压模制。也就是，喷射头31，32喷射支撑物材料形成支撑层36，与此同时，模制装置39的喷射头30喷射模型材料形成模型35。此时，通过基于薄片数据的轮廓线的最外面框架的近似测定(判断喷射的支撑物材料和模型材料在轮廓线上的位置)，来控制喷射支撑物材料的位置和喷射模型材料的位置。
模制装置39的构造将被描述。如图1(a)所示，模制装置39包括模制单元200、支座37、Z-载物台38和外壳40、传感器41和控制单元42。模制单元200、支座37、Z-载物台38和传感器41都容纳在外壳40内。传感器41是用来检测壳体40的在模型35或支撑物36表面附近的位置处的内部环境温度。如图1(b)所示，传感器41位于模制单元200、支座37、Z-载物台38垂直对准之外的地方。控制单元42是用来控制传感器41的开/关，以便能外壳40的内部环境温度保持在适当温度。
所述模制单元200包括喷射头30，31和32，以及紫外线辐射装置33和34。所述喷射头30、31、32具有相同的构造，每个都有图2所示的大量的线性头100。
如图3和图4所示，每个线性头100都包括喷嘴板2、压力腔板4、限流器板6、隔膜7、隔膜板9、基体11、压电元件12和衬底14。所述喷嘴板2是由5个喷嘴1排成一行形成的。所述压力腔板4是由用来存储喷射材料(支撑物材料或模型材料)的压力腔3形成的。所述限流器板6是由向各个压力腔3提供喷射材料的限流器5形成的。所述隔膜7提供了界定压力腔3的一部分壁。所述隔膜板9设置有过滤器8。所述基体11是由向限流器5供应喷射材料的供给通道10A和接受压电元件12的开口10B形成的。所述压电元件12在一端处通过粘合剂13粘着在隔膜7上，所述粘合剂是硅粘合剂或类似物，所述压电元件12的另一端固定在衬底14上。
所述隔膜板9、限流器板6、压力腔板4和基体11是由不锈材料或类似物制成的。所述喷嘴2是由镍制成的，所述衬底14是由绝缘物质制成的，诸如陶瓷或聚酰亚胺。
所述线性头100是以下述方式组装的。首先，所述基体11、隔膜板9、限流器板6、压力腔板4和喷嘴板2被定位并在压力作用下一个固定在另一个上。此时，环氧粘合剂被使用。接着，粘着在衬底14上的压电元件12被插入基体11的开口10B中，并且用粘合剂13粘着在所述隔膜7上。然后，所述基体11通过螺丝钉或类似物连接在主装置上。所述线性头100没有被挤压出的环氧粘合剂所阻塞，并保持气密性。
在这种结构下，存储在喷射材料罐(没有被显示)中的喷射材料通过供给通道10A、过滤器8、限流器5和压力腔3供入喷嘴1中。通过电信号对压电元件12的施加和断开，所述隔膜7发生变形和恢复，从而从相应的喷嘴1喷射喷射材料微滴，并且向所述压力腔3中供给喷射材料。
如图2所示，所述喷射头30包括固定板300和多头单元301、302和303。每个多头单元301、302、303都包括固定在所述固定板300上的四个线性头100。每个多头单元301、302、303的线性头100都是按与预定分辨率的间距相等的预定量在Y方向上以阶梯方式移位。在Y方向上每个线性头100的喷嘴1的喷嘴间距是预定分辨率的间距的4倍。所述多头单元301、302和303被设置以使Y方向上的喷嘴间距保持恒定。
这里，所述的Y方向垂直于模制单元200移动的前进和倒退方向A和B。两者都是通过单轴驱动机构驱动的(没有显示)。
如上所述，所述喷射头31和32与喷射头30具有相同的配置。也就是，所述喷射头31包括固定板310和多头单元311、312和313。每个多头单元311、312和313都包括固定在固定板310上的四个线性头100。每个多头单元311、312和313的线性头100都按预定量在Y方向上以阶梯方式移位。所述多头单元311、312和313被设置以使Y方向上的喷嘴间距保持恒定。类似地，所述喷射头32包括固定板320和多头单元321、322、323。每个多头单元321、322、323都包括固定在固定板320上的四个线性头100。每个多头单元321、322、323的线性头100都按预定量在Y方向上以阶梯方式移位。所述多头单元321、322、323被设置以使Y方向上的喷嘴间距保持恒定。
所述固定板300，310和320用螺丝钉固定在一起(没有显示)。喷嘴排列的相对于与方向A、B和Y垂直的方向(即图1(a)中所示Z的方向)的高度在多头单元301、302和303中，多头单元311、312和313中，以及多头单元321、322和323中是相同的。
所述喷射头30(多头单元301、302和303)喷射模型材料。所述喷射头31(多头单元321、312和313)和喷射头32(多头单元321、322和323)喷射支撑物材料。能被用作支撑物材料的材料和能被用作模型材料的材料将在后文描述。
这里，为了克服模型的脆性，优选利用尽可能高分子量的模型材料。然而，还要有粘性的限制，并且喷射时的粘度希望在30mPa·s或更小。这样，具有非常高的分子量的材料就不能被用在模型材料上了。
所述模型的坚固性能通过利用分子量低的材料作为模型材料、并且聚合以获得高分子量来提高。在这种情况中，优选利用室温下为固体的材料作为支撑物材料和室温下为液体的材料作为模型材料。也就是，利用室温下为液体的材料作为支撑物材料的，需要柱状或管状的支撑物来防止材料滴落。另一方面，利用室温下为固体的材料的，能够以单层或多层基体方式形成模型。
下述情况应被注意到，如果对于支撑物材料，一种材料能在室温以下的温度，例如10℃下喷射，那么所述材料在室温下的粘性就太小了。这减小了用于支撑物材料的材料选择范围。此外，当所述材料从液相转化为固相时，这种材料体积的收缩通常是很大的，从而导致模型的空间精确性的降低。
类似地，如果对于模型材料，一种材料能在室温以下的温度，如10℃下喷射，那么所述材料的粘性在室温下就太小了。这减小了用于模型材料的材料选择范围。此外，用这种材料形成的模型通常在强度和坚固性方面是薄弱的。进一步说，如果紫外线照射时材料固化，那么在较低温度下反应速度会大幅度下降，并且固化时所述材料会大幅收缩。
出于此原因，本发明实施例中，室温下为固体的固体墨被用作支撑物材料，并且室温下为液体的光固化树脂墨被用作模型材料。
所述紫外线辐射装置33和34被分别设置在所述喷射头31和32的左右侧。所述紫外线辐射装置33和34发射紫外线来固化和聚合从喷射头30喷射的光固化树脂。
在图1(a)中，模制装置39从喷射头30喷射模型材料，从喷射头31和32喷射支撑物材料，并利用紫外线辐射装置33和34固化模型材料。
更明确地，当模制单元200沿方向A移动时，固体墨从喷射头31喷射，光固化树脂从喷射头30喷射。这样喷射的光固化树脂墨被紫外线辐射装置34固化了。以这种方式，支撑物36和模型35的一层在模制支座37上形成了。此时，喷嘴头32和紫外线辐射装置33可辅助使用。
在另一方面，当模制单元200沿方向B移动时，固体墨从喷射头32喷射，光固化树脂墨从喷射头30喷射。利用紫外线辐射装置33，光固化树脂墨被固化了。以这种方式，支撑物36和模型35的一层在模型支座37上形成了。此时，喷嘴头31和紫外线辐射装置34可辅助使用。
为了保持模制单元200与支撑物36和模型35间的预定距离，每次一层支撑物36和模型35以上述方式形成时，Z-载物台38以预定量下降。应该注意到，所述墨的喷射时机是受控的，从而使墨以指定分辨率喷射到指定的位置上。
通过重复上述操作，支撑物36由从喷射头31和32喷射出的固体墨的形成。与此同时，光固化树脂墨从喷射头30喷射入支撑物36的凹槽或堰中，并且通过紫外线辐射装置33和34辐射的紫外线来聚合和固化，从而形成模型35。
如上所述，由于光固化树脂墨被喷入支撑物36的凹槽或堰中，所以即使在室温下模型材料是液体，模型材料墨也没有滴落的危险。因此，大范围的光固化树脂和热固性树脂能被用作模型材料。进一步说，由于喷射头31和32位于喷射头30的两侧，所以当模制单元200沿前进方向A和倒退方向B移动时，光固化树脂墨总可在固体墨喷射后喷射。因此，支撑物材料和模型材料在前进方向A和倒退方向B都可喷射，提高了层压模制的速度。
进一步说，由于有两个用于支撑物材料的喷射头31，32，因此即使喷射头31，32之一中的一个或更多喷嘴1被堵塞，通过利用喷射头31，32中另一个的相应的一个或更多喷嘴1，也可以实现可选的喷射，并且提供了控制装置来检测堵塞的喷嘴1，以及执行必要控制操作。
此外，由于支撑物材料的喷射头31、32位于模型材料的喷射头30与各个紫外线辐射装置33、34之间，所以泄漏的光或反射光很难照射喷射头30，从而可以防止喷射头30的喷嘴1的堵塞。
因为当紫外线辐射装置33、34辐射紫外线时，紫外线辐射装置33、34(活性能量光线辐射装置)产生的热使得从喷射头31、32喷射的层压支撑物材料的表面光滑了，结果，模型35的空间稳定性被加强了。如果紫外线辐射装置33和34在模制单元200分别沿方向A和B移动时被辅助使用，如上所述，那么模型35的空间稳定性被进一步加强了。由于模型35充足的空间稳定性被保证了，而不需要执行平滑过程，所以平滑过程所需的时间能被省去，使得能够高速层压模制。
尽管在上述实施例中，每个喷射头30、31、32都有如图4所示的线性头布置，但每个喷射头30、31、32均可以有替代的如图5所示的线性头布置。
也就是，多个线性头100相对于方向A和B倾斜固定在每个固定板300、301和302上，这样相对于Y方向的喷嘴间距变为指定的分辨率。
以这种线性头的设置，固定板300，310和320上线性头100(喷嘴板2)的安装密度能够增加，同时，Y方向上的喷射宽度能够增加。因此，使用更少的喷嘴板100能获得所需的喷射宽度。
然后，根据实施例的变更实施方式的模制装置39A将参考图6进行描述。所述模制装置39A具有与上述模制装置39相似的构造，除了紫外线辐射装置33、34被分别设置在喷射头30和31之间以及喷射头30和32之间以外。在模制装置39A中，当模制单元200A沿前进方向A和倒退方向B移动时，紫外线辐射装置33和34都被使用。
在这种构造下，当紫外线辐射装置33、34辐射紫外线时，紫外线辐射装置33、34(活性能量光线辐射装置)产生的热使得从喷射头31、32喷射的层压支撑物材料的表面光滑了，结果，模型35的空间稳定性被加强了。由于模型35充足的空间稳定性被保证了，而不需要执行平滑过程，所以平滑过程所需时间能被省去，使得能够高速层压模制。请注意，执行平滑过程进一步提高模型35的精密性是可能的。
通过在层压模制过程中将模制装置39(39A)的内部环境温度控制在(支撑物材料的熔点-30)℃到(支撑物材料的熔点-5)℃的范围内，由于伴随支撑物材料温度变化的体积收缩而产生的支撑物36的翘曲变形能被抑制，这样使得模型35空间稳定性得以加强。此外，支撑物36的光滑表面能够获得，而不执行任何特殊的精加工。如果内部环境温度低于(支撑物材料的熔点-30)℃，那么由于翘曲变形引起的空间稳定性的恶化产生了，并且表面光滑度不足。另一方面，如果内部环境温度高于(支撑物材料的熔点-5)℃，那么支撑物材料可能根据模型35的形状局部地变形，导致模型35的空间稳定性恶化。
换句话说，层压模制过程中的模制装置39(39A)的内部环境温度应被控制在(支撑物材料的熔点-30)℃到(支撑物材料的熔点-5)℃的范围。然而，为了获得模制模型35的高空间稳定性，而无需管模型35的形状，优选将内部环境温度控制在(支撑物材料的熔点-25)℃到(支撑物材料的熔点-10)℃的范围内，并且更优选将内部环境温度控制在(支撑物材料的熔点-20)℃到(支撑物材料的熔点-10)℃的范围内。
下列实验是利用图6所示的模制装置39A实施的。
实验1总重为300g，包括10份重的聚氨脂丙烯酸酯(商品名DIABEAMUK6038，可从Mitsubishi Rayon有限公司获得)和90份重的新戊二醇羟基特戊酸酯二(甲基)丙烯酸酯(商品名KAYARAD MANDA，可从NipponKayaku有限公司获得)作为模型材料，3份重的光聚合引发剂(商品名IRGACURE 1700，可从Ciba Specialty Chemicals获得)，和2份重的蓝色颜料(商品名Lionel Blue 7400G，可从TOYO INK MFG有限公司获得)作为着色剂，被分散开并且利用均化器(商品名HG30，Hitachi Koki有限公司制造)以2000rpm的搅拌速度搅拌直到获得均匀的混合物。接着，所得混合物通过过滤器以去除杂质等物，从而获得均匀的模型用墨混合物。所述墨的粘性在9.5mPa·s，并且所述墨的表面张力是32.5mN/m。所述墨的粘性通过使用旋转粘度计(ELD模式，TOKIMEC有限公司制造)来测量，并且表面张力是利用自动表面张力计(CVBF-Z模式，KyowaInterface Science有限公司制造)来测量。它们的测量温度都是25℃。
总重为300g，包括50份重的巴西棕榈蜡(商品名除臭净化巴西棕榈蜡No.1，可从CERARICA NODA有限公司获得)和50份重的酯酰胺(商品名Kawaslip SA可从Kawaken Fine Chemicals有限公司获得)作为支撑物材料，以及3份重的黑色颜料(商品名MA77，可从MitsubishiChemical公司获得)作为着色剂，被分散开并且利用均化器(商品名HG30，Hitachi Koki有限公司制造)以2000rpm的搅拌速度搅拌直到获得均匀的混合物。接着，所得混合物通过过滤器以去除杂质等物，从而获得均匀的支撑物用墨混合物。所述墨的粘性是11.0mPa·s，并且表面张力是20.0mN/m。测得两者喷射温度都是130℃。利用YanagimotoManufacturing公司制造的微型熔点仪MP-S3测量熔点。大约3mg的墨被放入样品容器中，并以2℃/min的温升率加热。通常，从墨开始熔化的温度到墨完成熔化的温度被定义为熔点。然而，在本实施例中墨开始熔化的温度就是熔点。所述墨的熔点是75℃。
利用上述方法获得的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为50℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，Ushio公司制造)以350mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被形成。所述的形成的模型没有翘曲或局部变形，并且具有光滑表面。
实验2利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为70℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以250mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被制造出来。所述的制造出的模型没有翘曲或局部变形，并且具有光滑表面。
实验3利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为45℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以350mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被制造出来了。所述的制造出的模型没有翘曲或局部变形，并且具有光滑表面。
实验4利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为55℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以300mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被形成。所述的形成的模型没有翘曲或局部变形，并且具有光滑表面。
实验5利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为60℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以300mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被形成。所述的形成的模型没有翘曲或局部变形，并且具有光滑表面。
实验6利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为65℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以300mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被形成。所述形成的模型没有翘曲或局部变形，并且具有光滑表面。
对比实验1利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为71℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以300mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被形成。所述支撑物材料根据模型的形状局部变形，并且模型的空间稳定性差。
对比实验2利用与实验1相同的模型材料和支撑物材料，当把模制装置39A的内部环境温度控制为44℃，并利用紫外线辐射装置33和34(SP5-250DB，由Ushio公司制造)以300mJ/cm2的光照射模型材料来固化所述模型材料时，模型被形成。所述形成的模型在端部和延长部分具有轻微的变形或空间扭曲。表面不光滑。
如上所述，本发明能提供一种较低廉的喷墨型三维层压模制装置，它以高速产生高精度和不易破碎的模型。
当室温下为固体的材料被用作支撑物材料时，材料每个点可以单独地固化，从而导致支撑物材料不够光滑。然而，在层压模制过程中，当使用在活性能量光线照射时被熔化或变形的材料作为支撑物材料时，能提高每个支撑物层的光滑度。这反过来保证了模型的强度。
如果模型材料和支撑物材料具有不同的颜色，那么在去除支撑物材料时很容易确定支撑物材料是否剩余。通过向支撑物材料中加入黑色染料、黑色颜料、或深色的着色剂，活性能量光线的吸收效率提高了，从而能进一步提高层压模制过程中每层的光滑度。
作为支撑物材料，脂肪酰胺、聚酯、聚乙酸乙烯酯、硅酮树脂、苯并呋喃树脂、脂肪酸酯、甘油酯、石蜡或类似物中选出的一个或多个成份能被利用。这些支撑物材料的熔点约在70-90℃。因此，线性头100和存储支撑物材料的罐(没有显示)必须稳定地保持在100℃或更高的温度。进一步，优良的热阻对支撑物材料是重要的。因为这些支撑物材料在从喷嘴喷射出后粘附在介质或类似物时瞬时固化，所以喷射后的干燥过程是不需要的，这样高速层压模制是可能的。进一步说，因为所述支撑物材料的溶剂不能蒸发，所以所述支撑物材料是有益于环境的。
脂肪酰胺的实例包括包括单酰胺、二酰胺、四酰胺、聚酰胺和酯酰胺。对于单酰胺，可以使用下列物质的一种或两种或多种的组合物月桂酰胺、硬脂酰胺、油酰胺、芥酸酰胺、蓖麻酸酰胺、棕榈酸酰胺、山嵛酸酰胺和巴西烯酸酰胺。可以使用N-取代的脂肪酰酰。在此情况下，可以使用下列物质的一种或两种或多种的组合物N，N′-羟基硬脂酰胺、N，N′-亚乙基双油酰胺、N，N′-二甲苯双油酰胺、单羟甲基硬脂酰胺、N-油基硬脂酰胺、N-硬脂基硬脂酰胺、N-油基棕榈酰胺、N-硬脂基芥酸酰胺、N，N′-二油基己二酰二胺、N，N′-二油基癸二酰胺、N，N′-二硬脂基间苯二甲酰胺和2-乙酰磺胺酯硬脂酸酯。
对双酰胺，N，N′-亚乙基双油酰胺、N，N′-二甲苯双油酰胺或类似物可被使用。对四酰胺，UNIREZ 2224、UNIREZ 2970(两者可从Union CampChemicals公司获得)或类似物可被使用。对聚酰胺，SYLVAMIDE-5(可从Arizona Chemical公司获得)、DPX 335-10、DPX H-415、DPX 335-11、DPX 830、DPX 850、DPX 925、DPX 927、DPX 1160、DPX 1163、DPX 1175、DPX 1196、DPX 1358、Versamid 711、Versamid 725、Versamid 930、Versamid940、Versalon 1117、Versalon 1138、Verslon 1300(能从Henkel公司获得)、Tohmide 391、Tohmide 393、Tohmide 394、Tohmide 395、Tohmide 397、Tohmide 509、Tohmide 535、Tohmide 558、Tohmide 560、Tohmide 1310、Tohmide 1396、Tohmide 90、Tohmide 92(能从Fuji Kasei Kogyo有限公司获得)或类似物可被使用。对酯酰胺，脂肪酯酰胺(如硬脂酯酰胺)是典型的，并且CPH-380N(能从CP Hal获得)，Kawaslip SA(能从KawakenFine Chemicals有限公司获得)或类似物可被使用。
对聚酯，KTR2150(能从Kao公司获得)能被使用。对聚乙酸乙烯酯，AC401、AC540或AC580(能从Allied Chemical获得)可被使用。对硅酮树脂，SILICONE SH6018(能从Toray Silicone有限公司获得)、SILICONE KR215、SILICONE KR216或SILICONE KR220(能从Shin-Etsu Chemical有限公司获得)可被使用。对苯并呋喃树脂，ESCURONG-90(能从Nippon Steel Chemical有限公司获得)能被使用。
对脂肪酯，一价或多价的醇脂肪酯是优选的。可用的脂肪酯的例子包括山梨糖醇酐单棕榈酸酯、山梨糖醇酐单硬脂酸酯、山梨糖醇酐单山嵛酸酯、聚乙二醇单硬脂酸酯、聚乙二醇双硬脂酸酯、聚丙二醇单硬酯酸酯和乙二醇双硬脂酸酯。其中可使用的特定例子包括RHEODOL SP-S10、RHEODOL SP-S30、RHEODOL SA10、EMASOL P-10、EMASOLS-10、EMASOL S-20、EMASOL B、RHEODOL SUPER SP-S10、EMANON3199、EMANON 3299、EXCEPARL PE-MS(上述均能从Kao公司获得)，Unister M9676和Unister M2222SL(能从NOF公司获得)。
另外，更高的醇酯可被使用，如廿六酸蜂花酯、蜡基蜡酸酯、蜡基褐煤酸酯、十六酸蜂花酯、硬脂酸蜂花酯、鲸蜡醇十六酸酯和鲸蜡醇硬脂酸酯。
所述甘油酯可从单甘油硬脂酸酯、单甘油棕榈酸酯、单甘油油酸酯、单甘油山嵛酸酯或类似物中选取。其中特定的例子包括RHEODOL MS-50、RHEODOL MS-60、RHEODOL MS-165、RHEODOL Mo-60和EXCEPARL G-MB(上述均能从Kao公司获得)。
所述石蜡可从石油蜡，如固体石蜡，微晶蜡和费托合成蜡，植物蜡，如小烛树蜡和巴西棕榈蜡，特定酯蜡，以及聚乙烯蜡中选取。其中特定例子包括除臭净化巴西棕榈蜡No.1、净化小烛树蜡No.1(上述均能从CERARICA NODA有限公司获得)、Syncrowax ERL-C、Syncrowax HR-C(两者都能从Croda Japan KK获得)，和KF2(能从Kawaken FineChemicals有限公司获得)。可用的特定酯蜡的例子包括EXCEPARL DS-C2(能从Kao公司获得)、Kawaslip-L和Kawaslip-R(两者都能从KawakenFine Chemicals有限公司获得)。
进一步说，脂肪族的饱和烃树脂、松香树脂、烃树脂、酰胺树脂，及丙烯酸脂和异丁烯酸脂聚合物的高分子量树脂、苯乙烯聚合体、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚酮或类似物也可被加入。
优选各种表面处理剂、表面活化剂、粘度调节剂、增粘剂、抗氧化剂、防老剂、交联促进剂、紫外线吸收剂、增塑剂、防腐剂和分散剂被混合在一起来表现其功能。
作为着色剂，溶解或稳定分散在支撑物材料中并热稳定性优良的染料和颜料是合适的。希望用溶剂染料，但没有特殊的限制。进一步说，为了颜色调整或类似原因，两种或多种着色剂可适当地混合。
特定染料的例子列在下面<品红色染料>MS Magenta VP、MS Magenta HM-1450、MS MagentaHso-147(Mitsui Toatsu Chemicals有限公司)、AIZEN SOT Red系列、SPIRON Red GEHSPECIAL(Hodogaya Chemical有限公司)、MACROLEXROT 5B(Bayer Japan有限公司)、KAYASET Red B、KAYASET Red 130、KAYASET Red 802(Nippon Kayaku有限公司)、ROSE BENGAL(DaiwaKasei有限公司)、DIARESIN Red K(Mitsubishi Chemicals公司)、Oil Red(BASF Japan有限公司)、Oil Pink330(Chuo Synthetic Chemical有限公司)。
<蓝绿色染料>MS Cyan HM-1238、MS Cyan VPG(Mitsui ToatsuChemicals有限公司)、AIZEN SOT Blue-4(Hodogaya Chemical有限公司)、MACROLEX Blue RR(Bayer Japan有限公司)、KAYASET Blue N、KAYASET Blue 814(Nippon Kayaku有限公司)、DAIWA Blue 7000、Oleosol Fast Blue GL(Daiwa Kasei有限公司)、DIARESIN Blue P(Mitsubishi Chemicals公司)、SUDAN Blue 670、NEOPEN Blue 808、ZAPON Blue 806(BASF Japan有限公司)。
<黑色染料>MS BLACK VPC(Mitsui Toatsu Chemicals有限公司)、AIZEN SOT BLACK-1、AIZEN SOT BLACK-5(Hodogaya Chemical有限公司)、RESOLIN BLACK BS(Bayer Japan有限公司)、KAYASETBLACK A-N(Nippon Kayaku有限公司)、DAIWA BLACK MSC(DaiwaKasei有限公司)、HSB-202(Mitsubishi Chemicals公司)、NEPTUNEBLACK X60、NEOPEN BLACK X58(BASF JAPAN有限公司)、OleosolFast BLACK RL(Taoka Chemical有限公司)、Chuo BLACK80、ChuoBLACK80-15(Chuo Synthetic Chemical有限公司)。
作为颜料，各种有机的或无机的颜料可被利用。具体例子包括Chromofine Magenta 6880、6891N、6790、6887，Chromofine Red 6830，Chromofine Blue HS-3、5187、5197、5085N、SR-4937、4933GN-EP、5214、5221、5000P，Chromofine Black A-1103，Seikafast Red 8040、CA120、LR-116、1531B、8060R、ZAW-262、1537B、4R-4016、ZA-215，Seikalightviolet B800、7805，Seikalight Blue C718、A612，Cyanine Blue 4933M、4933 GN-EP、4940、4973(Dainichiseika Color&Chemicals Mfg有限公司)，KET Red 301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、336、337、338、346，KET Blue 101、102、103、104、105、106、111、118、124(Dainippon Ink And Chemicals，股份有限公司)，Colortex Red115、116、D3B、H-1024，Colortex Violet600，Pigment Red 122、Colortex Blue516、517、518、519、A818、P-908，Colortex Black 702，U905(Sanyo Color Works有限公司)，Lionol Blue FG7330、FG7350、FG7400G、FG7405G、(ToyoInk MFG有限公司)，carbon black#2600、#2400、#2350、#2200、#1000、#990、#980、#970、#960、#950、#850、MCF88、#750、#650、MA600、MA7、MA8、MA11、MA100、MA100R、MA77、#52、#50、#47、#45、#45L、#40、#33、#32、#30、#25、#20、#10、#44，CF9(Mitsubishi Chemical公司)。
所述模型材料是一种在活性能量光线照射下、加热或类似情况下固化的材料，例如，是一种活性能量光线固化或热固性的化合物，并且从防止喷嘴阻塞的角度出发，优选在室温下是液体的材料。
所述活性能量光线固化化合物是通过辐射活性能量光线产生的游离基聚合作用或阳离子催化聚合作用而聚合得到的化合物。适当地使用了如下两种化合物一种化合物包括乙烯不饱和基作为通过游离基聚合作用而聚合的化合物，以及一种化合物包括脂肪族环氧基或氧杂环丁烷环作为通过阳离子催化聚合作用而聚合的化合物。
用在模型材料中的光固化树脂单体的例子优选是具有相对较低粘性的能以游离基聚合的树脂单体，并且在分子结构中包括不饱和双键。其优选实例包括单官能团如(甲基)丙烯酸(2-乙基己)酯(EHA)、(甲基)丙烯酸(2-羟乙)酯(HEA)、(甲基)丙烯酸(2-羟丙)酯(HPA)、己内酯改性的(甲基)丙烯酸(四氢糠)酯、(甲基)丙烯酸异冰片基(isobonyl)酯、(甲基)丙烯酸(3-甲氧基丁)酯、(甲基)丙烯酸(四氢糠)酯、(甲基)丙烯酸月桂酯、(甲基)丙烯酸(2-苯氧基乙)酯、(甲基)丙烯酸异癸酯、(甲基)丙烯酸异辛酯、(甲基)丙烯酸十三烷酯、(甲基)丙烯酸己内酯和乙氧基化的壬基酚(甲基)丙烯酸酯，双官能团如三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三甘醇二(甲基)丙烯酸酯、四甘醇二(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、新戊二醇羟基特戊酸酯二(甲基)丙烯酸酯(MANDA)、羟基特戊酸酯新戊二醇酯二(甲基)丙烯酸酯(HPNDA)、1，3-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯(BGDA)、1，4-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯(BUDA)、1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯(HDDA)、1，9-壬二醇二(甲基)丙烯酸酯、二甘醇二(甲基)丙烯酸酯(DEGDA)、新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯(NPGDA)、三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯(TPGDA)、己内酯改性的羟基特戊酸酯新戊二醇酯二(甲基)丙烯酸酯、丙氧基化的戊二醇二(甲基)丙烯酸酯、乙氧基改性的双酚A二(甲基)丙烯酸酯、丙二醇200二(甲基)丙烯酸酯和丙二醇400(polyethylene 400)二(甲基)丙烯酸酯，和多官能团如三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯(TMPTA)、三(甲基)丙烯酸季戊四醇酯(PETA)、六(甲基)丙烯酸二季戊四醇酯(DPHA)、异氰酸三烯丙酯、ε-丁内酯改性的(甲基)丙烯酸二季戊四醇酯、异氰脲酸三(2-羟乙)酯三(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化的三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、丙氧基化的三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、丙氧基化的甘油三(甲基)丙烯酸酯、四(甲基)丙烯酸季戊四醇酯、二(三羟甲基)丙烷三(甲基)丙烯酸酯、二季戊四醇羟基五(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化的四(甲基)丙烯酸季戊四醇酯和五(甲基)丙烯酸酯。
例子包括KAYARAD TC-110S、KAYARAD R-128H、KAYARAD R-526、KAYARAD NPGDA、KAYARAD PEG400DA、KAYARAD MANDA、KAYARAD R-167、KAYARAD HX-220、KAYARAD HX-620、KAYARADR-551、KAYARAD R-712、KAYARAD R-604、KAYARAD R-684、KAYARAD GPO、KAYARAD TMPTA、KAYARAD THE-330、KAYARADTPA-320、KAYARAD TPA-330、KAYARAD PET-30、KAYARAD RP-1040、KAYARAD T-1420、KAYARAD DPHA、KAYARAD DPHA-2C、KAYARADD-310、KAYARAD D-330、KAYARAD DPCA-20、KAYARAD DPCA-30、KAYARAD DPCA-60、KAYARAD DPCA-120、KAYARAD DN-0075、KAYARAD DN-2475、KAYAMER PM-2、KAYAMER PM-21，KS系列HDDA、TPGDA、TMPTA，SR系列256、257、285、335、339A、395、440、495、504、111、212、213、230、259、268、272、344、349、601、602、610、9003、368、415、444、454、492、499、502、9020、9035、295、355、399E494、9041203、208、242、3 13、604、205、206、209、210、214、23 1E239、248、252、297、348、365C、480、9036、350(NipponKayaku有限公司)，BEAM SET 770(Arakawa Chemical Industries有限公司)。
对于光可聚合预聚物，可以使用用于紫外光固化树脂生产的光可聚合预聚物。可以没有限制地使用的预聚物的实例可以包括聚酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、氨基甲酸乙酯树脂、醇酸树脂、醚树脂和多元醇的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯等。此外，还可以使用水溶性树脂和乳液型光固化树脂。其具体实例包括聚酯(甲基)丙烯酸酯、双酚环氧(甲基)丙烯酸酯、双酚A环氧(甲基)丙烯酸酯、环氧丙烷改性的双酚A环氧(甲基)丙烯酸酯、碱溶性环氧(甲基)丙烯酸酯、丙烯酸酯改性的环氧(甲基)丙烯酸酯、磷酸酯改性的环氧(甲基)丙烯酸酯、聚碳酸酯氨基甲酸乙酯(甲基)丙烯酸酯、聚酯氨基甲酸乙酯(甲基)丙烯酸酯、脂环氨基甲酸乙酯(甲基)丙烯酸酯、脂族氨基甲酸乙酯(甲基)丙烯酸酯、聚丁二烯(甲基)丙烯酸酯、和聚苯乙烯(甲基)丙烯酸酯。
例子包括Diabeam UK6105、Diabeam UK6038、Diabeam UK6055、Diabeam UK6063、Diabeam UK4203(Mitsubishi Rayon有限公司)，OlestarRa1574(Mitsui Chemicals公司)、KAYARAD UX系列2201、2301、3204、3301、4101、6101、7101、8101，KAYARAD R&EX系列，011、300、130、190、2320、205、131、146、280，KAYARAD MAX系列，1100、2100、2101、2102、2203、2104、3100、3101、3510、3661(Nippon Kayaku有限公司)，BEAM SET 700、710、720、750、502H、504H、505A-6、510、550B、55 1B、575、261、265、267、259、255、271、243、101、102、115、207TS、575CB、AQ-7、AQ-9、AQ-11、EM-90、EM-92(AraKawaChemical Industries有限公司)，0304TB、0401TA、0403KA、0404EA、0404TB、0502TI、0502TC、102A、103A、103B、104A、1312MA、1403EA、1422TM、1428TA、1438MG、1551MB、IBR-305、1FC-507、1SM-012、1AN-202、1ST-307、1AP-201、1PA-202、1XV-003、1KW-430、1KW-501、4501TA、4502MA、4503MX、4517MB、4512MA、4523TI、4537MA、4557MB、6501MA、6508MG、6513MG、6416MA、6421MA、6560MA、6614MA、717-1、856-5、QT701-45、6522MA、6479MA、6519MB、6535MA、724-65A、824-65、6540MA、6RI-350、6TH-419、6HB-601、6543MB、6AZ-162、6AZ-309、6AZ-215、6544MA、6AT-203B、6BF-203、6AT-113、6HY316、6RL-505、7408MA、7501TE、7511MA、7505TC、7529MA、MT408-13、MT408-15、MT408-42、7CJ-601、7PN-302、7541MB、7RZ-011、7613MA、8DL-100、8AZ-103、5YD-420、9504MNS，Acryt WEM-202U、030U、321U、306U、162、WBR-183U、601U、401U、3DR-057、829、828(TAISEI CHEMICAL INDUSTRIES有限公司)。
此外，对于光可聚合引发剂，可以使用任何通过光线(特别是，波长为220nm至400nm的紫外光线)的发射形成自由基的物质。其具体实例包括苯乙酮、2，2-二乙氧基苯乙酮、对-二甲氨基苯乙酮、二苯甲酮、2-氯二苯甲酮、对，对′-二氯二苯甲酮、对，对-双二乙氨基二苯甲酮、米蚩酮、苄基、苯偶姻、苯偶姻甲醚、苯偶姻乙醚、苯偶姻异丙醚、苯偶姻正丙醚、苯偶姻异丁醚、苯偶姻正丁醚、苄基甲基缩酮、噻吨酮、2-氯噻吨酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-酮、1-(4-异丙基苯基)2-羟基-2-甲基丙烷-1-酮、苯甲酰甲酸甲酯、1-羟基环己基苯基酮、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰和过氧化二叔丁基。可以单独使用这些光可聚合引发剂中的一种，或者可以组合使用几种。
感光剂也可被用来防止光辐射(尤其是紫外光)过程中，吸收或遮蔽光线(尤其是紫外光)的墨中的颜料引起的固化速度的降低。所述感光剂的例子包括脂族胺；环胺，如包含芳族基或哌啶的胺；尿素化合物，如邻硫脲；硫化物，如二乙基硫代邻酸钠或芳香族亚硫酸的可溶性盐；腈化物，如N，N’-二取代-对-氨基苄腈；磷化物，如三-正-丁基膦或钠二乙基二硫代磷酸盐；米歇尔甲酮；N-亚硝基羟胺衍生物；唑烷化合物；四氢化-1，3-氧氮杂芑化合物；和氮化合物，如具有二胺的甲醛或乙醛的缩合物。所述感光剂中的一种可被单独使用，或者其中几种可被组合使用。
作为着色剂，溶解或稳定分散在上述模型材料中的染料和颜料是适合的。因此，上述用作支撑物材料的着色剂可被使用，几乎是没有特殊限制的。进一步说，两种或更多种着色剂可被适当地混合，来用作颜色调节或其他类似作用。
本发明中，优选模型材料包含低沸点的有机溶剂(尤其是低沸点的醇)，以便提高干燥速度。低沸点醇的例子包括具有1至4个碳原子的脂肪族醇，如甲醇、乙醇、正-丙醇、异丙醇、正-丁醇、仲丁醇、叔丁醇和异丁醇。所述低沸点醇中的一种可被单独使用，或者其中几种可被组合使用。低沸点溶剂的含量优选占墨混合物总重量的1-30wt％，更优选占墨混合物总重量的10-20wt％。如果含量超过30wt％，那么放电属性方面的问题可能出现，并且如果含量少于1wt％，那么干燥速度可能降低。
固化模型材料的机构可以是一种紫外线辐射灯，电子辐射装置或类似物。去除臭氧的机构被优先提供了。所述灯的例子包括高压汞蒸汽灯、超高压汞灯和金属卤化物灯。尽管超高压汞灯是一种点光源，但是通过结合光学系统已提高了光使用效率的深紫外线型灯能在短波长范围内辐射光线。金属卤化物灯对有色物体是有效的，因为金属卤化物灯在宽波长范围内发射光线。金属如铅、锡或铁的卤化物被使用，并可按照光引发剂的吸收光谱进行选择。没有特殊的限制下，对固化有效的灯被使用。例如，可以使用可商业获得的灯，如H灯、D灯或V灯(可从Fusion UVSystems有限公司获得)。
虽然本发明的一些典型实施例已被详细描述，然而本领域普通技术人员将会认识到在这些典型实施例中，可以进行许多可能的改进和变化，同时仍保留本发明的许多新颖特性和优点。
例如，墨回收或再循环机构等类似物可配备在所述模制装置39、39A上。用于去除粘着在喷嘴表面上的墨的刀片或用于检测有缺陷喷嘴的检测机构也可被提供。
权利要求
1.一种三维层压模制装置，包括第一喷射单元，它喷射支撑物材料以形成埋模型的支撑物层；第二喷射单元，它喷射模型材料来形成模型，所述模型材料具有熔点；外壳，它容纳第一和第二喷射单元；以及控制器，它将所述外壳内部温度控制在(熔点-30)℃至(熔点-5)℃的范围。
2.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于所述模型材料是一种活性能量光线固化化合物。
3.根据权利要求2所述的三维层压模制装置，其特征在于所述支撑物材料是一种在被活性能量光线照射时熔化的材料。
4.根据权利要求2所述的三维层压模制装置，其特征在于所述支撑物材料是一种在被活性能量光线照射时变形的材料。
5.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于所述模型材料和支撑物材料具有不同颜色。
6.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于所述支撑物材料包含着色剂。
7.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于所述支撑物材料被加有黑色染料、黑色颜料、深色染料和深色颜料中的一种。
8.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于，还包括辐射活性能量光线的辐射装置，其中所述辐射装置设置在所述第一喷射头的附近。
9.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于，还包括一对辐射活性能量光线的辐射装置，其中所述成对辐射装置设置在所述第一和第二喷射单元之间。
10.根据权利要求1所述的三维层压模制装置，其特征在于所述支撑物材料在室温下为固体，而所述模型材料在室温下为液体。
全文摘要
一种三维层压模制装置，包括喷射支撑物材料以形成支撑物的喷射头和喷射模型材料来形成模型的喷射头。所述支撑物材料在室温下是固体。层压模制装置内部温度在层压模制过程中被控制在(所述支撑物材料的熔点－30)℃到(所述支撑物材料的熔点－5)℃。
文档编号B41M5/00GK1526542SQ2004100078
公开日2004年9月8日 申请日期2004年3月3日 优先权日2003年3月7日
发明者前川勉, 大内明美, 藤井秀俊, 玉桥邦裕, 庄司裕, 高荻浩, 俊, 美, 裕 申请人:日立印刷技术株式会社