JP6348520B2 - ポリマーベースの型とその製造方法 - Google Patents

Description

射出成形プロセスは、柔軟化又は液状化された材料を、最終製品の所望の形状から反転された形状の空洞を有する型に射出することを伴う。射出された材料は、例えば熱相転移等の物理的プロセス、又は、例えば架橋や縮合重合等の化学的プロセスを経て、型内で固化される。射出成形プロセスは、意図した部品の高速で効果的な形成に必要な高温及び高応力を伴う。更に、射出成形プロセスは通常、大量生産において実装されるため、型はその寿命の間、数百回、更には数千回のサイクルを耐えるものである必要がある。

射出成形用の型は、様々な材料から製造され得る。大半の型は、鋼又はアルミニウム合金等の金属製である。これらの金型は異なる方法の組み合わせによって形成され、その大半はコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）フライス等のサブトラクティブ法である。サブトラクティブ法は高コストであるため、これらの型の利用は超大型の生産系に限られてしまう。

射出成形用の型のより低コストな製造方法は、熱硬化性ポリマーの３次元（３Ｄ）プリント又は３Ｄ造形プロセスの利用を伴う。しかしながら、このような型は性質が金型に劣り（例えば、型の寿命がより短い）、ならびに最終製品の性質が劣る（例えば寸法の歪み、又は形状の不正確さ）。

発明として見なされる主題は、本明細書の終盤部で具体的に指摘され別個に請求される。しかしながら本発明は、操作の組織化と方法の両方につき、その対象物、特徴、及び利点と共に、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解され得る。
本発明に一部の実施形態に係る印刷システムのハイレベルブロック図である。 本発明に一部の実施形態に従って製造された型の図である。 本発明の一部の実施形態に係る型の部品の図である。 本発明の一部の実施形態に係る型の部品の図である。 本発明の一部の実施形態に係る型の部品の図である。 本発明の一部の実施形態に係る型の部品の図である。 本発明の一部の実施形態に係る型の製造方法のフロー図である。 本発明の一部の実施形態に係る型の製造方法のフロー図である。

説明の単純さと明確さのために、図面に示される要素は必ずしも縮尺通りに描かれていないことが理解される。例えば、一部の要素の寸法は、明確さのために、その他の要素と比較して誇張され得る。更に、適切と思われる箇所において、対応する、もしくは類似する要素を示すために、複数の図面にわたって参照番号が繰り返し用いられ得る。

以下の詳細な説明において、多数の具体的な細部が、本発明の網羅的な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な細部がなくても実施可能であることが、当業者によって理解されるだろう。その他の例では、公知の方法、手順、及び部品は、本発明を曖昧にしないために、詳細には記載されていない。

本発明の実施形態は、アディティブマニュファクチャリング（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（ＡＭ）システム、例えば２次元インクジェット印刷システムを用いた射出成形用の型の製造に関する。本発明の実施形態は、選択堆積モデリング（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ）（ＳＤＭ）、固体自由成形（ｓｏｌｉｄ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）（ＳＦＦ）、又は３Ｄプリントについての説明を容易にするために記載されるが、本発明はこのようなシステムに限定されず、その他のＡＭシステムにおいて利用され得ることが理解されるべきである。

射出成形中に、型は高温、高圧、及び応力にさらされる。したがって、このような型は良好な機械的性質、高い表面品質、および高温における熱安定性を有することが求められる。例えば、一部の射出成形プロセスにおいて、溶融ポリマーが約４００〜１６００ｂａｒの高圧、２０〜８０トンの締め付け圧、及び約２２０℃の温度で型に射出され得て、型そのものが高い閉鎖圧で保持される。射出後、型の開封時に、射出部分に隣接する型領域に高い引張応力が加えられ得る。

本発明の一部の実施形態による型は、型の製造のために必要となる材料堆積プロセス中の寸法精度を維持しつつ、射出成形に伴う高温及び応力に耐える型の性能を向上するために、異なる２つの熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーを含み得る。本発明の一部の実施形態による型は、約８０℃未満、例えば約７０℃未満、６０℃未満、５５℃未満のガラス転移温度（ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（Ｔｇ）又は熱たわみ温度（ｈｅａｔ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（ＨＤＴ）を有する第１の材料を含む第１部分又は領域と、約８０℃超、例えば約９０℃超のＴｇ又はＨＤＴを有する第２の材料を含む第２部分又は領域と、を含み得る。積層造形プロセス中にＵＶ硬化によって作成された、約８０℃未満のＴｇ又はＨＤＴを有するポリマーは、良好又は許容可能な寸法精度を可能にし得て、これにより、これらのポリマーから製造された物体は、堆積プロセス後に正確な寸法を有し得る。

熱たわみ温度（ＨＤＴ）は、材料、例えばポリマー又はプラスチック試料が、指定された荷重によってたわむ温度である。特定のポリマーのＨＤＴは、ＡＳＴＭ Ｄ６４８に概説される標準試験によって決定される。この試験において、試料には、２℃／分で上昇する様々な温度でエッジワイズ方向に三点曲げが行われる。試験に用いられる外部繊維応力は０．４５５ＭＰａ又は１．８２ＭＰａである。試料が投入され、温度は、試料が０．２５ｍｍ曲がるまで上昇する。ガラス転移温度は、非晶質材料（ポリマー等）における、硬質かつ任意で脆い状態から、軟化された又は弾力のある状態への可逆的転移である。ＴｇはＡＳＴＭ Ｄ４０６５により、Ｅ”（損失弾性率）ピーク温度として測定され得る。

本発明の一部の実施形態は、同じＴｇ及びＨＤＴを有し得る。例えば、６０℃のＴｇを有する材料は、約５５℃のＨＤＴを有し得て、９０℃のＴｇを有する材料は、約８５℃のＨＤＴを有し得る。

型の体積の大部分は、約８０℃未満、例えば約７０℃未満、６０℃未満、５５℃未満のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第１の材料を用いて、積層によって製造され得る。第１の材料は単一のビルド材料、又は複合材料であり得る。第１の材料は、寸法精度の高い形状を得るために堆積され得る。しかしながら、約８０℃未満のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する材料は、溶融ポリマーの型への射出中、高温に暴露されると変形し得る。例えば、第１の材料は約４０〜６０℃のＴｇ及び／又はＨＤＴを有し得る。

約８０℃超の（例えば約９０℃超）のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料は、第１の材料の上に、及び／又は隣接して、堆積され得る。第２の材料は第１の材料よりも厚さが小さく、型のより小さな体積を占め得る。このような材料は、例えばＯｂｊｅｔ（登録商標）Ｅｄｅｎ５００（商標）３Ｄプリンターで単一のビルド材料（モデリング材料）として用いられた場合、大きな厚さ（５ｍｍ超）で堆積されると、３ｍｍ超の寸法の歪みをもたらし得る。しかしながら、第２の材料は、第１の材料が第２の材料への基礎を形成するような形で堆積され得るため、堆積された様々な要素の寸法精度は維持され得て、寸法の歪みは３ｍｍ未満、例えば約１ｍｍ未満になり得る。第２の材料は、射出成形温度において遥かに優れた温度安定性を有し得て、そのため、第２の材料で被覆された型領域は、重大な幾何変形又は歪みをもたらすことなく、型に射出された高温の材料に暴露され得る。

本明細書において、材料は、５００ｍｍ×４００ｍｍ×２００ｍｍの寸法を有する堆積部分の寸法の歪みがどの方向においても３ｍｍ未満（例えば、約１ｍｍ未満）である場合、アディティブマニュファクチャリングプロセス中に良好な寸法精度を有するものと見なされ得る。第１のポリマーは第１の熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーであり得る；すなわち、第１のポリマーは、第１の領域を形成するように堆積された組成物の、ＵＶにより開始された重合からもたらされる。例えば、Ｏｂｊｅｔ Ｅｄｅｎ５００ ３Ｄプリンターで用いられる典型的な樹脂組成物としては、官能性モノマー又はオリゴマーが挙げられる。

樹脂組成物は、例えば、アクリルモノマー及び／又はアクリルオリゴマーを含み得る。アクリルモノマーは官能性アクリル化分子であり、例えばアクリル酸及びメタクリル酸のエステルであり得る。モノマーは単官能性又は多官能性（例えば、２、３、４官能、及びその他）であり得る。本発明のアクリル単官能性モノマーの一例は、ＳＲ−３３９の商品名でＳａｒｔｏｍｅｒによって販売されているフェノキシエチルアクリレートである。アクリル２官能性モノマーの一例は、ＳＲ−９００３の商品名でＳａｒｔｏｍｅｒによって販売されているプロポキシル化（２）ネオペンチルグリコールジアクリレートである。アクリルオリゴマーは、官能性アクリル化分子であり、例えばアクリル酸及びメタクリル酸のポリエステルであり得る。アクリルオリゴマーのその他の例は、ウレタンアクリレート及びウレタンメタクリレートの各類である。ウレタンアクリレートは、脂肪族又は芳香族又は脂環式ジイソシアネート又はポリイソシアネート及びヒドロキシル含有アクリル酸エステルから製造される。ウレタンアクリレートの一例は、Ｐｈｏｔｏｍｅｒ−６０１０の商品名でＣｏｇｎｉｓによって販売されているウレタンアクリレートオリゴマーである。

本明細書において、高官能性又は多官能性のモノマー又はオリゴマーは、ポリマー内に含まれる際、固化プロセス（例えば硬化）中に架橋を促進し得るように、１よりも多い（例えば２、３、４官能、及びその他）反応基を有するモノマー又はオリゴマーである。架橋度が高いほど、ポリマーのＴｇは高くなる。ポリマーのＴｇに影響しうるモノマー又はオリゴマーのその他の特性は、分子の剛性である。分子の剛性が高いほど、Ｔｇは高くなる。

型は、約８０℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料を含む第２部分を更に含み得る。約８０℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料を含む第２部分は、第１部分の上に、及び／又は第１部分に平行に隣接して堆積され得る、及び／又は任意で、第１部分を被覆する。一部の実施形態において、型のうち第２部分の領域は高温及び応力に暴露されることが予測される。堆積後、第２部分は０．５ｍｍ未満の寸法の歪みを有し得る。第２の材料は第２の熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーであり得る。第２のポリマーは、単独重合された際に高いＴｇ（例えば１００℃超）を有するポリマーをもたらすモノマー又はオリゴマーの組成物を用いて製造され得て、このモノマー又はオリゴマーの濃度は例えば４５％（重量％、すなわちｗ／ｗ）以上である。本明細書において、全ての組成物の百分率は組成物全体に対する重量％である。

第２の材料の組成物は、例えば４５％以上の多官能モノマー及び／又は多官能オリゴマーを含み得る。例示的なアクリル２官能モノマーは、ＳＲ−９００３の商品名でＳａｒｔｏｍｅｒによって販売されているプロポキシル化（２）ネオペンチルグリコールジアクリレートである。

ここで、例示的な３Ｄプリントシステムのハイレベルブロック図を図示する図１を参照する。３Ｄプリントシステムは、本発明の一部の実施形態に係る射出成形型を製造するのに用いられ得る。システム１０は、印刷ユニット又は印刷ブロック２０、供給システム３０、１以上のコントローラ４０、ユーザーインターフェース５０、及び製造プラットフォーム又はトレイ６０を含み得る。１又は複数のコントローラ４０は、システム１０の他の要素すべてを制御するように構成され得る。

印刷ユニット２０は１以上の印刷ヘッド２２、例えば図示される印刷ヘッド１〜ｎと、１以上の固化、凝固、又は硬化装置２４、例えば図示される２つの装置２４と、１以上のレベリング装置２６とを含み得る。印刷ヘッド２２は任意のインクジェット法を用いて材料を堆積させるように構成され得る。印刷ユニット２０はＸ方向とＹ方向に平行に、及び／又はＺ方向に垂直に移動し得る。

印刷ヘッド２２は、例えば一列又は２次元配列に配置された２以上のノズルの配列を含み得る。印刷ヘッド２２は異なる材料を堆積させ得る。例えば、印刷ヘッド１及び２は、約８０℃未満のＴｇ及び／又はＨＤＴ、又は６０℃未満のＨＤＴを有する第１の材料を堆積させるよう構成され得て、印刷ヘッド３及び４は、約８０℃超（８０℃超、又は１００℃超）のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料を堆積させるよう構成され得る。一部の実施形態において、その他の印刷ヘッドは、型の構築／製造プロセス中に支持される必要のある型内の要素、例えば張り出し部や空洞部に支持を提供するように構成される支持材料を堆積させ得る。印刷ヘッド２２は、供給システム３０から堆積材料を供給され得る。

固化装置２４は、堆積された材料を固化させ得る光、熱等を発光するように構成された任意の装置を含み得る。例えば、固化装置２４は、ＵＶ硬化性の堆積された材料を硬化させるための１以上のＵＶランプを含み得る。レベリング装置２６は、新しく形成された層を、層の上を擦過して余分な材料を除去することで平滑化する及び／又は所望の厚さを確立するよう構成された任意の装置を含み得る。例えば、レベリング装置２６はローラーであり得る。レベリング装置２４は、レベリング中に発生した余剰の材料を収集するための廃材収集装置（図示せず）を含み得る。

供給システム３０は、複数のビルド材料を印刷ヘッド２２に提供するように構成される２以上の材料コンテナ又はカートリッジを含み得る。一部の実施形態において、型の異なる部分を形成するために第１、第２、第３、等のビルド材料の各々が堆積され得る。別法として、供給システム３０に含まれる異なるコンテナからの２以上のビルド材料が、印刷面／トレイ上で互いに隣接して、重なりうるが混合されず、それぞれ別の印刷ヘッド２２から堆積され得る、すなわち、各ビルド材料がそれぞれの性質を保持しつつ堆積後に不均質な第１の材料を形成する。第２の材料が、共に堆積されて不均質な第２の材料を形成する１以上のビルド材料の同様の「組み合わせ」を含む場合には、同様のプロセスが第２の材料についても実装され得る。２以上のビルド材料の堆積プロセスと、供給システム３０から印刷ヘッド２２への材料供給のその他の側面とは、コントローラ４０によって制御され得る。

１以上のコントローラ４０の各々は、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、チップ又は任意の適切な演算又は計算装置であり得るプロセッサ４２、メモリ４４、及びストレージユニット４６を含み得る。例えば、プロセッサ４２は所望の方向に印刷ユニット２０の移動を制御し得る。メモリ４４は例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、シンクロナスＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）、ダブルデータレート（ＤＤＲ）メモリチップ、フラッシュメモリ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、キャッシュメモリ、バッファ、短期記憶メモリユニット、長期記憶メモリユニット、又はその他の適切なメモリユニット又はストレージユニットを含み得る。メモリ４４は、複数の、場合によっては異なるメモリユニットであり得る、又は含み得る。

１以上のメモリ４４は、実行可能コード、例えばアプリケーション、プログラム、プロセス、タスク、又はスクリプト、を含み得る。実行可能コードは、本発明の実施形態に従って装置１０を制御して３Ｄオブジェクトを印刷するためのコード又は命令を含み得る。例えば、メモリ４４は、例えば第１の組の印刷ヘッド２２を用いて、第１のビルド材料を３Ｄオブジェクト（例えば型）の第１の場所に堆積させて、例えば固化装置２４を用いて第１の場所の材料を固化させるためのコードを含み得る。コードは更に、第２のビルド材料を、第１の場所の上の、及び／又は隣接する、型の第２の場所に堆積させることを含み得る。

ストレージユニット４６は、装置１０によって製造／構築／作成される３Ｄ型の設計パラメータを含むファイルを格納し得る。例えば、３Ｄ型の設計を含む３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルがストレージユニット４６に格納され得る。ファイルは、型の異なる部分の寸法と一を含み得る。

装置１０はユーザーインターフェース５０を更に含み得る。ユーザーインターフェース５０は、マウス、キーボード、タッチスクリーン又はタッチパッド、又は任意の適切な入力装置等の入力装置であり得る、又は含み得る。任意の適切な数の入力装置がユーザーインターフェース５０に含まれ得ることが認識される。ユーザーインターフェース５０は、１以上のディスプレイ、スピーカー、及び／又はその他任意の適切な出力装置等の出力装置を更に含み得る。任意の適切な数の出力装置がユーザーインターフェース５０に含まれ得ることが認識される。ブロック５０に示されるように、任意の適用可能な入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置がコントローラ４０に接続され得る。例えば、有線又は無線ネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）、モデム、プリンター、ファクシミリ機、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）装置又は外付けハードドライブが、ユーザーインターフェース５０に含まれ得る。ユーザーインターフェース５０は、ユーザがストレージユニット４６へ、本発明の一部の実施形態による型の堆積を制御するための命令をアップロードすること、及び／又は、堆積させる型の設計を含むファイル（例えばｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ（ＣＡＤ）ファイル）をアップロード及び更新することを可能にする。

トレイ６０は、支持に適した、すなわち３Ｄオブジェクトのインクジェット印刷又はその他のアディティブマニュファクチャリングに耐える、任意のトレイであり得る。トレイ６０はＸ−Ｙテーブルに取り付け又は接続され得て、例えばコントローラ４０によって、印刷又は堆積プロセスの要件に従ってＺ方向に移動するよう制御され得る。追加として、もしくは別法として、トレイ６０はＸ−Ｙ平面において移動するよう構成され得る。

コントローラ４０は、印刷ユニット２０及び／又はトレイ６０を、印刷ユニット２０と、トレイ６０又はトレイ上にすでに堆積されたオブジェクトの各部との間の相対的移動を、印刷ヘッド２２の各々がビルド材料の液滴（例えば第１又は第２のビルド材料）をＸ−Ｙ平面の所定の位置、かつＺ方向の所定の高さに堆積しうるように引き起こすように制御し得る。

本発明に一部の実施形態に係る例示的な型の図示である図２を参照する。型２００は、第１部分２１０と第２対応部分２２０とを含み得る。第１部分２１０は、空洞２１５を含み得て、第２部分２２０は、突起２２５を含み得る。部分２１０と２２０とを取り付けると、閉鎖空間が形成される。空間の形状は、型を用いて製造される製品の形状に対応する。溶融ポリマーはこの空間に射出され、型内で少なくとも部分的に固化して最終製品を形成し得る。空洞２１５及び突起２２５は、射出成形プロセス中に約１５０〜３３０℃の高温、及び約４００〜１６００Ｂａｒの高圧に暴露され得る。部分２１０及び２２０の各々は、３Ｄ印刷法を用いて、熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーから製造され得る。

図３〜６は、本発明の一部の実施形態に係る、空洞を有する例示的な型の部品を図示する。例示的な型の部品３１０は図３Ａに図示される。型の部品３１０は、空洞３１５、第一部分３１２、及び第２部分３１４を含み得る。第１部分３１２は、約８０℃未満、例えば７０℃、６０℃、又は５５℃未満、もしくは４０〜６０℃の範囲内のガラス転移温度（Ｔｇ）及び／又はＨＤＴを有する第１の材料（例えば、硬化後に熱硬化又はＵＶ硬化性ポリマーになる材料）を用いて（例えばインクジェット印刷によって）１層ずつ堆積され得る。この材料は、堆積中に良好な寸法精度を呈し得る。第１部分３１２は、型の部品３１０の体積の大部分を占め得る。本発明の一部の実施形態に係る例示的な第１の材料は、約４８℃のＴｇ及び／又はＨＤＴと、約２〜２．５ＧＰａの弾性係数を有し得る。

第１の材料は、第１のビルド材料組成物の、ＵＶにより開始された重合の結果であり得る。該第１の組成物は、官能基を有する硬化性成分（例えば。硬化性成分は官能性モノマー及び／又はオリゴマーを含み得る）、光開始剤、界面活性剤、及び安定剤を含み得る。硬化性成分は（メタ）アクリルモノマー、（メタ）アクリルオリゴマー、（メタ）アクリル架橋剤、又はこれらの任意の組み合わせであり得る。第１の組成物は、５０〜８０％の単官能性モノマー及び／又はオリゴマー及び／又は０〜５０％の多官能性モノマー及び／又はオリゴマーを有する硬化性成分を含み得る。

第２部分３１４は、第２のビルド材料組成物を堆積することで作成され得る。該組成物は、重合されると約８０℃超、例えば約９０℃超、もしくは８５〜１００℃の範囲内のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する。第２の部分は型の部品３１０内の、約１５０〜３３０℃の高温及び４００〜１６００Ｂａｒの高圧に暴露される場所、例えば空洞３１５に対向する場所に形成され得る。第２部分３１４は、第１及び第２部分との間の接着が、堆積プロセス中に第２部分３１４の堆積された材料の歪みを防ぎ得るだけの強度を有しうるように、第１部分３１２を被覆し得る。１ｍｍ超の寸法的歪みを防ぐために、第１部分３１２は寸法的に第２部分３１４を支持し得る。第２部分３１４は１〜５ｍｍの厚さを有しうる。

第２の組成物は、多官能基を有する硬化性成分（例えば、硬化性成分は多官能性モノマー及び／又はオリゴマーを含み得る）、光開始剤、界面活性剤、及び安定剤を含み得る。硬化性成分は（メタ）アクリルモノマー、（メタ）アクリルオリゴマー、（メタ）アクリル架橋剤、又はこれらの任意の組み合わせであり得る。例示的な第２の組成物は、４５％以上の多官能性モノマー及び／又はオリゴマーを含み得る。第２の組成物は４５％以上の、単独重合された場合に高Ｔｇを有するポリマーをもたらす成分、例えば高Ｔｇ（約１００℃超）を有する多官能性アクリレート、及び／又は剛体分子を有するモノマー又はオリゴマー、例えばＳａｒｔｏｍｅｒからＳＲ８３３ｓ，ＳＲ８３４，ＣＮ９６８，ＣＮ９７５，ＳＲ３６８，ＳＲ２９５，ＳＲ９０４１として市販されているもの等を含み得る。

一部の実施形態において、追加の第３部分は、第１部分を被覆し得る。第３部分は、第１の材料、又は約８０℃未満のＴｇ及び／又はＨＤＴを有するその他の材料を含み得る。第３部分は、第２部分をひび割れ及び脆さから保護し得る。第３部分を含む型の部品３２０が図３Ｂに図示されている。型の部品３２０は、型の部品３１０とほぼ同じ部分及び材料を含み得る。型の部品３２０は、更に第３部分３１６を含み得る。第３部分３１６は、第１部分３１２と同じ第１の組成物を用いて堆積され得る、又はその他の組成物（例えば、固化又は重合後に、約８０℃未満のＴｇ及び／又はＨＤＴを有するポリマー材料をもたらす材料）を用いて堆積され得る。このような材料は、約８０℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料より高い延性を有し得る。第３部分は第２部分を被覆し得て、約０．０５〜０．５ｍｍ、例えば０．３ｍｍの厚さを更に有し得る。

他の例示的な型の部品４１０が図４に図示される。型の部品４１０は、第１部分４１２、及びより薄いサブ部分４１５とより厚いサブ部分４１６との２つのサブ部分を含む第２部分４１４を含み得る。第１部分４１２は、約８０℃未満、例えば７０℃、６０℃、又は５５℃未満のガラス転移温度（Ｔｇ）及び／又はＨＤＴを有する第１の材料（例えば、固化後にポリマーを形成する材料）を用いて堆積され得る。第１部分４１２は、型の部品４１０の体積の大部分を占め得る。

第２部分４１４は、約８０℃超、例えば約９０℃超、のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料を用いて堆積され得る。第２部分は型の部品４１０内の、約１５０〜３３０℃の高温及び４００〜１６００Ｂａｒの高圧に暴露される場所に形成され得る。第２部分４１４は、第１部分４１２を被覆及び保護するために堆積された、例えば１〜５ｍｍの厚さを有するより薄いサブ部分４１５を含み得る。第２部分４１４は、型内、例えば型の空洞に射出された溶融ポリマーに対向し得て、そのため高温及び高圧へのより高い抵抗性を必要とし得る場所に堆積されたより厚いサブ部分４１６を更に含み得る。サブ部分４１６の厚さは、例えば６〜１０ｍｍであり得る。

一部の実施形態において、型の部品の所望の位置において、例えば空洞全体又は空洞内の別々の位置において、追加の抵抗性及び耐久性が必要とされ得る。この位置は、型内の射出及び固化プロセスのコンピュータシミュレーションによって決定され得る。所望の位置は第２部分に含まれ得るが、第２部分に含まれるポリマーのＴｇ又はＨＤＴよりも高いＴｇ又はＨＤＴ、例えば約１００℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴ、を有する第３の材料により更にコーティングされ得る。所望の位置に堆積された第４部分を有する例示的な型の部品が図５に図示される。型の部品５１０は、型４１０とほぼ同じ部分を含み得る。しかしながら、一部の所望の位置において、型の部品５１０は、第２部分４１４内の、１５０〜３３０℃のより高温に暴露される所望の位置を被覆するように堆積された第４部分５１８を少なくとも含み得る。第４部分５１８の厚さは０．０５〜０．５ｍｍであり得る。

固化又は重合された際に第３の材料を形成する組成物は、多官能基を有する硬化性成分（例えば、硬化性成分は多官能性モノマー及び／又はオリゴマーを含み得る）、光開始剤、界面活性剤、及び安定剤を含み得る。例示的な組成物は４０〜８０％の多官能性モノマー及び／又はオリゴマーを含み得る。組成物は、０〜５０％の単官能性モノマー及び／又は４０〜８０％の多官能性オリゴマーを有する硬化性成分を含み得る。

一部の実施形態において、第１部分はポリマー以外の材料、例えばアルミニウム合金、鋼等の金属又は合金、もしくは溶融シリカ、アルミナ等のセラミック材料から構築され得る。この第１部分は、多様な型の基礎として再利用されるために構築され得る。第１部分は、例えば積層造形によらずに既成であって、その後空洞の細部が積層造形によって追加されてよい。例えば、第１部分は、大まかな空洞の構成を有しえて、固化後に熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーを形成する材料を用いて、所望の設計に従って型の詳細な要素が堆積され得る。堆積された型の第２部分は、約８０℃超、例えば９０℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する材料を用いて堆積され得る。堆積された第２部分における寸法の歪みを防ぐために、第１部分と第２部分との間に非常に良好な密着性が確立されなければならない。このような密着は、第１部分と第２部分との間に特殊な接着剤を含む領域を作ること、又は、第２部分に対向する第１部分の表面に網を溶接すること、又は、表面の粗さを変えることによって確立され得る。堆積された部分は、堆積された第２部分の堆積プロセス中、更には射出成形プロセス中に、堆積された部分と金属部分とのいかなる分離も防ぐように、十分な密着力をもって第１部分に接続され得る。

ここで、本発明の一部の実施形態に係る例示的な型の部品を図示する図６を参照する。型の部品６１０は、第１部分６１２、第２の堆積された部分６１４、及び部分６１４と部分６１２とを接続する密着領域６１６を含み得る。第１部分６１２は、２．５ＧＰａ超の弾性係数を有する任意の材料を含み得る。第１部分は、射出成形用の型の形成に適した金属又は合金、例えばアルミニウム合金又は鋼を含み得る。部分６１２は、例えば機械加工等の任意の公知の方法によって所望の形状に成形され得る。部分６１２は、第２部分６１４の堆積の基礎として用いられ得る大まかな型の形状に成形され得る。部分６１２は、射出成形プロセス中に部分６１４から熱を奪い得る。

部分６１４は、例えばインクジェット印刷法を用いて、第１部分６１２の上に、又は隣接して堆積され得る。一部の実施形態において、射出成形されるオブジェクトの細部は部分６１４において輪郭堆積され得る。３Ｄ堆積法の製造柔軟性は、短期間かつ低コストでの詳細な型の製造を可能にし得る。部分６１４は、型に射出される溶融ポリマーに対向する型の部品６１０の空洞内に堆積され得る。部分６１４は、固化後に約８０℃超（例えば９０℃超）のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーを形成する組成物、例えば４５％以上の多官能性モノマー及び／又は多官能性オリゴマーを有するポリマー、を用いて堆積され得る。部分６１４は、約１００℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有するモノマー及び／オリゴマーを４５％以上有するポリマーを用いて堆積され得る。

部分６１４の堆積中に寸法精度を達成するために、第１部分が、堆積中に、堆積された層を支持して安定化させ得るよう、第１部分６１２と第２の堆積された部分６１４との間に良好な密着性が得られるべきである。このような密着は、例えば部分６１２と部分６１４との間に密着領域６１６を形成する等のいくつかの密着法によって確立され得る。密着領域６１２は、部分６１２と堆積されたポリマーとの間の密着を向上するために接着剤を含み得る。接着剤は、第２部分６１４の堆積に先立って堆積され得る。密着領域６１２は、接触面の金属ポリマーが増加し得て、２つの部分間の密着が向上するよう、堆積された部分６１４と接し得る、部分６１２の表面に溶接された金網を含み得る。追加で、又は別法として、人工的な表面の粗さが、例えば表面に摩耗を形成することによって部分６１２の表面に導入され得て、これにより堆積されたポリマーと金属又はセラミック部分との間の接触表面積を増加させる。

一部の実施形態において、追加の第３部分（図示せず）は、第２部分を被覆するように堆積され得る。第３部分（例えば図３Ｂに図示の部分３１６）は、固化後に約８０℃未満、例えば約６０℃又は５５℃未満、もしくは４０〜６０℃の範囲のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーを形成する材料組成物を用いて堆積され得る。このような材料は、約８０℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する材料よりも高い延性を有し得る。第３部分は第２部分を被覆し得て、更に、約０．３ｍｍ、例えば０．０５〜０．５ｍｍの厚さを有し得る。

本発明の一部の実施形態に係る型の製造方法のフロー図を示す図７を参照する。ボックス７００において、方法は第１及び第２部分の（例えば部分３１２〜３１４又は４１２〜４１４）寸法を決定することを含み得る。第１部分は、約８０℃未満、例えば約７０℃、６０℃、又は５５℃未満、もしくは４０〜６０℃の範囲のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第１の材料を含み得て、第２部分は、約８０℃超、例えば約９０℃超、もしくは８５〜１００℃の範囲のＴｇ及び／又はＨＤＴを含み得る第２の材料を含み得る。射出成形中の予測温度のコンピュータシミュレーションは、型の３Ｄモデルを用いて実施され得る。シミュレーションされた温度分布は、型のどの部分に第２の材料を堆積する必要があるか、例えばより高い温度（例えば１５０℃超）に面する型の部分を決定するための基礎となり得る。シミュレーションされた温度分布は、型のどの部分に第１の材料を堆積可能であるか、例えば中程度〜低温（例えば４０〜１５０℃）に面する型の部分を更に決定し得る。

一部の実施形態において、第２部分はより高い予測温度の領域においてより厚くなり得る。例えば、より厚いサブ部分４１６が、図４に図示されるように型のコアの中央部分に堆積され得る。一部の実施形態において、方法は、第１の材料（又は約８０℃未満、例えば７０℃未満、もしくは４０〜６０℃の範囲内のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する任意のその他の材料）を含む第３部分（例えば部分３１６）の配置及び形状を決定することを含み得る。第３部分は第２及び第２部分よりもはるかに薄くなり得て、第２部分を被覆し得て、例えば０．０５〜０．５ｍｍである。

第１及び第２（及び任意で第３）部分の決定された配置は、３Ｄモデル又はオブジェクトを形成するために、堆積装置に関連付けられた格納媒体、例えばインクジェット装置１０内のストレージ４６に（例えばＣＡＤファイルとして）保存され得る。格納された部分は、堆積装置によって堆積される各層における第１及び第２又はそれ以上のビルド材料の堆積シーケンスを更に決定するために用いられ得る。一部の実施形態において、堆積シーケンスは堆積された型の特定の要素を支持するための支持材料を堆積させることを含み得る。

操作７１０，７２０及び７３０は、例えば図１に図示のシステム１０を用いて、インクジェット印刷によって実行され得る。別法として、操作は、ビルド材料を１層ずつ堆積することにより３Ｄオブジェクトの形成を可能にする任意の堆積／印刷プロセスを用いて実行され得る。

ボックス７１０において、方法は、約８０℃未満、例えば約７０℃、６０℃、又は５５℃未満、もしくは４０〜６０℃の範囲内のガラス転移温度（Ｔｇ）及び／又はＨＤＴを有する第１の材料の２以上の層を堆積して、型の第１部分（例えば部分３１２及び４１２）を形成することを含み得る。第１の材料は１層ずつ堆積されて型の第１部分を形成し得る。一部の実施形態において、印刷ユニット（例えば印刷ユニット２０）の一度の走査で、第１の材料だけが１つの層に堆積され得て、ここで走査された型の断面全体が第１部分、例えば型３１０，４１０及び５１０の第１部分の下端に含まれる。

ボックス７２０において、方法は、約８０℃超、例えば９０℃超、もしくは８５〜１００℃の範囲内のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第２の材料の２以上の層を堆積して型の第２部分（部分３１４及び４１４）を形成することを含み得る。第２の材料は、一層ずつ堆積されて型の第２部分を形成し得る。第２の材料は、４５％以上のモノマー又はオリゴマーを含み、１００℃超のＴｇを有し、及び／又は４５％以上の多官能性モノマー又はオリゴマーを含み、固化後に熱硬化性又はＵＶ硬化性ポリマーをもたらし得る組成物で形成され得る。

一部の実施形態において、方法は、型のうち射出成形プロセス中に超高温、例えば３００℃超に暴露される場所で第２部分を少なくとも部分的に被覆するために、例えば約１００℃超のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する追加の高Ｔｇ材料を堆積することを含み得る。追加の部分（例えば部分５１８）は、型のうち、射出成形プロセス中により高い温度安定性を必要とする領域及び場所に堆積され得る。

一部の実施形態において、印刷ユニット（例えば印刷ユニット２０）の一度の走査で、第１の材料及び第２の材料の両方が同時に堆積されて１つの層を形成し得て、ここで走査された型の断面、例えば型の部品３１０，４１０及び５１０の中央部分が第１部分と第２部分の両方を含む。一部の実施形態において、１つの層における一度の走査中に、例えば型の部品３１０，４１０及び５１０の上端において第２の材料のみが堆積され得る。一部の実施形態において、印刷ユニットの一度の走査中に、３以上の異なる材料が１つの層に堆積され得る。例えば、第１の材料、第２の材料、任意で第３の材料、及び支持材料が、型の部品のコアにおける形状を形成するために堆積され得る。

ボックス７３０において、方法は、約８０℃未満、例えば６０℃又は５５℃未満、のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する材料の２以上の層を堆積して、第２部分を被覆するように型の第３部分（部分３１６）を形成することを含み得る。第３部分は、約８０℃未満のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する第１の材料又は任意の他の材料を用いて堆積され得る。第３部分は０．１〜０．３ｍｍの厚さを有して堆積され得る。

本発明の一部の実施形態に係る型（例えば型の部品６１０）の製造方法のフローチャートを示す図８を参照する。ボックス８１０において、方法は、２．５ＧＰａ超の弾性係数を有する材料を含む型の第１部分（例えば部分６１２）を取得することを含み得る。第１部分は、鋼やアルミニウム合金等の金属、アルミナ等のセラミック材料、複合材料又は２．５ＧＰａ超の弾性係数を有するその他任意の材料を含み得る。第１部分は、様々な型を形成するために利用及び再利用され得る標準形状を有するように製造され得る。

ボックス８２０において、方法は、第１部分の上に、約８０℃超、例えば９０℃超のガラス転移温度（Ｔｇ）及び／又はＨＤＴを有するポリマー材料の２以上の層を堆積して型の第２部分（例えば部分６１４）を形成することを含み得る。第２の材料は一層ずつ堆積されて型の第２部分を形成し得る。一部の実施形態において、第２部分の厚さは１ｍｍ超である。

一部の実施形態において、第１と第２部分との間の密着を向上するために密着領域（例えば領域６１６）が得られ得る。一部の実施形態において、第２部分の第１部分への密着は接着剤を用いてなされる。一部の実施形態において、第２部分の第１部分への密着は、第２部分との界面を形成する金網を第１部分の表面（例えば領域６１６）に溶接することでなされる。追加で、または別法として、第２部分に対向する第１部分の表面は、表面の粗さを増大させること（例えば人工的な引っかき傷を追加することにより）で第２部分の材料の、第１部分への接続表面積を増加させるよう変形され得る。

ボックス８３０において、方法は、約８０℃未満、例えば７０℃または４０〜６０℃の範囲内のＴｇ及び／又はＨＤＴを有する材料の２以上の層を堆積して、第２部分を被覆するように型の第３部分（例えば図３Ｂに図示の部分３１６）を形成することを含み得る。第３部分は０．１〜０．３ｍｍの厚さを有して堆積され得る。

本明細書において本発明の特定の特徴が図示及び記載されてきたが、数々の変形、置換、変更、及び等価物が、当業者によって想到されるだろう。したがって、添付の請求の範囲は、このような変形及び変更を、本発明の真の意図に含まれるものとして包含するよう意図されることが理解される。

Claims (15)

1. 射出成形用のポリマー製型を作成する方法であって、
   ８０℃未満のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する第１の材料を層状に堆積して、それにより、前記ポリマー製型の第１部分を形成することと、
   ８０℃超のＴｇを有する第２の材料を層状に堆積して、それにより、前記ポリマー製型の第２部分を形成することと、を含み、
   前記第２部分は、前記第１部分を少なくとも部分的に覆い、前記第２部分は、前記第１部分よりも薄く、かつ前記ポリマー製型の空洞に面する、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   ８０℃未満のＴｇを有する前記第１の材料又は別の材料を層状に堆積して、それにより、前記第２部分を被覆するように前記型の第３部分を形成することを更に含む、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、堆積はインクジェット印刷及び層の固化によってなされる、方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の方法であって、前記第２の材料は、８０℃超の熱たわみ温度（ＨＤＴ）を有する、方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法であって、固化後に前記第２の材料となる組成物は、前記組成物の総重量に対して４５重量％超の濃度で、多官能性モノマー及びオリゴマーを含む、方法。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法であって、固化後に前記第２の材料となる組成物は、前記組成物の総重量に対して４５重量％超の濃度で、１００℃超のＴｇを有するモノマー及びオリゴマーを含む、方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の方法であって、
   前記第２部分が、高温に暴露されることが予測される温度の領域において厚くなるように、前記射出成形中に、予測される前記ポリマー製型内の温度分布によって第１及び第２部分の形状を決定することを更に含む、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記射出成形プロセスのコンピュータシミュレーションに基づいて前記温度分布を決定することを更に含む、方法。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の方法であって、前記第１の材料は６０℃未満のＴｇを有し、前記第２の材料は９０℃超のＴｇを有する、方法。
10. 射出成形用のポリマー製型であって、
    ８０℃未満のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する第１の材料を含む第１部分と、
    ８０℃超のＴｇを有する第２の材料を含む第２部分と、
    を含み、
    前記第２部分は、少なくとも部分的に前記第１部分を被覆し、前記第２部分は、前記第１部分よりも薄く、かつ前記ポリマー製型の空洞に面する、
    型。
11. 請求項１０に記載のポリマー製型であって、
    ８０℃未満のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する材料を含み、前記第２部分を被覆する第３部分を更に含む、型。
12. 請求項１０又は１１に記載のポリマー製型であって、前記第２部分は１ｍｍ以上の厚さを有する、型。
13. 請求項１０〜１２のいずれかに記載のポリマー製型であって、固化後に前記第２の材料となる組成物は、前記組成物の総重量に対して４５重量％超の濃度で、多官能性モノマー及びオリゴマーを含む、型。
14. 請求項１０〜１２のいずれかに記載のポリマー製型であって、固化後に前記第２の材料となる組成物は、前記組成物の総重量に対して４５重量％超の濃度で、１００℃超のＴｇを有するモノマー及びオリゴマーを含む、型。
15. 請求項１０〜１４のいずれかに記載のポリマー製型であって、前記第１の材料は６０℃未満のＴｇを有し、前記第２の材料は９０℃超のＴｇを有する、型。

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