JP2005319712A - 三次元造形方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィラーなどに頼ることなく、物性の優れた造形物を製造することができる三次元造形装置を提供する。
【解決手段】 第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６を重合反応させて三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、上下方向に可動自在なテーブル１と、テーブル１の上に三次元造形物の形状に倣った壁部を形成するために冷却すると固化するワックス液２を塗布する前後・左右方向に可動自在なワックス塗布装置３と、壁部内に第１の重合反応性液体４を貯留する前後・左右方向に可動自在な第１液体吐出装置５と、貯留された第１の重合反応性液体４に第２の重合反応性液体６を吐出する前後・左右方向に可動自在な第２液体吐出装置７を備え、第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６がレドックス触媒重合反応を起こして形成される高分子樹脂層を積層して三次元造形物を製造する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三次元造形物を製造するための三次元造形方法及びその装置に関する。

従来の三次元造形方法及びその装置としては、液体の吐出装置にフィラーの吐出装置を付け加えて構成し、樹脂としてワックス系の熱溶融性樹脂、紫外線硬化樹脂或いは粘度の非常に高いウレタン系樹脂を使用し、これらの樹脂にフィラーを混入させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、石膏粉末に水を反応させることで、硬化した三次元造形物を得る方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−３１８５７３号公報 特開２０００−１５６１３号公報

しかし、特開平８−３１８５７３号公報に記載された造形方法においては、樹脂そのものに強度がなく、ガラスや酸化チタンなどのフィラーで強度を上げる方法では、フィラーの強度のみに依存している。即ち、専ら造形物全体の強度はフィラーに依存しているが、逆にフィラーが多過ぎると、フィラーを支える樹脂が少なくなり、かえって造形物全体の強度が下がってしまうという問題があった。そのため、フィラーの量を常にコントロールしなければならなかった。しかも、フィラーのみに頼って重合した樹脂は、一般的に硬くて脆い性質を持ち、耐環境性能も非常に低かった。

また、フィラーなしで強度を上げるには、液体の粘度を大幅に上げなければいけないが、液体の粘度が水なみ（少なくとも数十〜100ｍPa・秒以下）に低くないと吐出できないという問題も抱えていた。即ち、吐出装置による緻密な吐出量のコントロールが難しいため、高粘度の液体を使うことは現実的ではなかった。

また、特開２０００−１５６１３号公報に記載された造形方法においては、硬化した造形物が耐衝撃性に欠けるだけでなく、造形物にそのまま製品としての価値を求めることができないという問題があった。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フィラーなどに頼ることなく、物性の優れた造形物を製造することができる三次元造形方法及びその装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体を重合反応させて三次元造形物を製造する三次元造形方法であって、前記三次元造形物の形状に倣った壁部を形成するために冷却すると固化する液体を塗布する液体塗布工程と、前記壁部内に第１の重合反応性液体を貯留する液体貯留工程と、貯留された第１の重合反応性液体に第２の重合反応性液体を吐出する液体吐出工程と、第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体がレドックス触媒重合反応を起こして高分子樹脂層を形成する樹脂層形成工程とからなり、前記各工程を順次繰り返すことによって、前記高分子樹脂層を積層して三次元造形物を製造するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の三次元造形方法において、前記第１の重合反応性液体及び前記第２の重合反応性液体に、光重合開始剤を配合し、更に前記樹脂層形成工程において、光重合開始剤を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の三次元造形方法において、前記第１の重合反応性液体と前記第２の重合反応性液体のいずれか一方又は両方が、顔料又は染料にて着色されている。

請求項４に係る発明は、第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体を重合反応させて三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、上下方向に可動自在なテーブルと、このテーブルの上に三次元造形物の形状に倣った壁部を形成するために冷却すると固化する液体を塗布する前後・左右方向に可動自在な液体塗布装置と、前記壁部内に第１の重合反応性液体を貯留する前後・左右方向に可動自在な第１液体吐出装置と、貯留された第１の重合反応性液体に第２の重合反応性液体を吐出する前後・左右方向に可動自在な第２液体吐出装置を備え、第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体がレドックス触媒重合反応を起こして形成される高分子樹脂層を積層して三次元造形物を製造するものである。

請求項５に係る発明は、請求項４記載の三次元造形装置において、前記第１の重合反応性液体及び前記第２の重合反応性液体に光重合開始剤を配合する配合装置と、この配合装置により配合された光重合開始剤を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射する光源を備えた。

請求項６に係る発明は、請求項４又は５記載の三次元造形装置において、前記高分子樹脂層の面を平坦にする切削装置を備えた。

請求項７に係る発明は、請求項４、５又は６記載の三次元造形装置において、散在する粉末や切削屑などの不要物を処理する吸引装置を備えた。

以上説明したように請求項１に係る発明によれば、冷却すると固化する液体を用いて、目的とする三次元造形物の形状に倣った壁部を形成し、その壁部内で重合反応を起こさせるため、三次元造形物の形状を形成し易い。更に、フィラーなどに頼らず、造形プロセス中にレドックス触媒重合反応を起こさせることにより、物性の優れた樹脂製の造形物を作り上げることができる。

請求項２に係る発明によれば、重合反応性液体に光重合開始剤を配合し、更に光重合開始剤を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射することにより、重合の反応速度を上げることで、造形速度を早くすることができる。

請求項３に係る発明によれば、重合反応性液体を顔料又は染料にて着色することにより、容易に三次元造形物を着色することができる。

請求項４に係る発明によれば、冷却すると固化する液体を用いて、目的とする三次元造形物の形状に倣った壁部を形成し、その壁部内で重合反応を起こさせるため、三次元造形物の形状を形成し易い。更に、フィラーなどに頼らず、造形プロセス中にレドックス触媒重合反応を起こさせることにより、物性の優れた樹脂製の造形物を製造することができる。

請求項５に係る発明によれば、第１の重合反応性液体及び第２の重合反応性液体に光重合開始剤を配合し、更に光重合開始剤を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射することにより、重合の反応速度を上げることで、造形速度を早くすることができる。

請求項６に係る発明によれば、高分子樹脂層の面を平坦にする切削装置を設けたことにより、品質のよい三次元造形物を製造することができる。

請求項７に係る発明によれば、散在する切削屑などの不要物を処理する吸引装置を設けたことにより、それらが三次元造形物に混入することがなく、品質のよい三次元造形物を製造することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る三次元造形装置の構成図、図２は三次元造形の作業手順を示すフローチャート、図３は各工程の説明図である。

本発明に係る三次元造形装置は、図１に示すように、水平且つ平坦なテーブル１と、テーブル１の上に冷却すると固化するワックス液２を吐出するワックス塗布装置３と、第１の重合反応性液体４を吐出する前後・左右方向に可動自在な第１液体吐出装置５と、第２の重合反応性液体６を吐出する前後・左右方向に可動自在な第２液体吐出装置７と、第１の重合反応性液体４及び第２の重合反応性液体６に光重合開始剤８を配合する配合装置９と、光重合開始剤８を光開裂反応させる光線を照射する光源１０と、樹脂層の面などを平坦にする切削装置１１と、散在する粉末や切削屑などの不要物を処理する吸引装置１２などを備えている。なお、これらの装置１，３，５，７，９，１０，１１，１２は、密閉された空間（不図示）内に配置されている。

テーブル１は、上下方向（Ｚ軸）が可動自在で、上下方向の任意の位置で位置決めできるように構成されている。ワックス塗布装置３と第１液体吐出装置５と第２液体吐出装置７は、テーブル１の上方に配置され、前後方向（Ｘ軸）及び左右方向（Ｙ軸）が可動自在に構成されている。テーブル１、ワックス塗布装置３、第１液体吐出装置５、第２液体吐出装置７は、夫々ＮＣ（数値制御）により、目的とする三次元造形物の形状データに基づいて駆動される。

ワックス塗布装置３は、前後方向（Ｘ軸）及び／又は左右方向（Ｙ軸）に動きながら所望な量のワックス液２を吐出して目的の三次元造形物の形状に倣った壁部Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３……，Ｋｎ（図３）を形成することができる。ワックス液２は、冷却すると固化し、加熱または有機溶剤により容易に溶解する性質を有する。

第１液体吐出装置５は、前後方向（Ｘ軸）及び／又は左右方向（Ｙ軸）に動いてワックス液２が固化して形成された壁部内に第１の重合反応性液体４を吐出して貯留することができる。また、第２液体吐出装置７は、前後方向（Ｘ軸）及び／又は左右方向（Ｙ軸）に動きながら壁部内に貯留されている第の１重合反応性液体４に対して第２の重合反応性液体６を散布することができる。

第１の重合反応性液体４は、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）液にジメチルパラトルイジンを溶融させたものである。また、第２の重合反応性液体６は、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）液に過酸化ベンゾイルを溶融させたものである。

第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６は、室温にて接触・混合されると、一般に知られているレドックス触媒重合反応を起こして硬化する。おおよそ、レドックス触媒重合反応においては、双方の重量比が厳密に一定である必要がなく、混合比に多少のばらつきがあっても、重合反応後の樹脂は、ほぼ同程度の物性を示す。

配合装置９は、第１の重合反応性液体４及び第２の重合反応性液体６に光重合開始剤８を配合し、光源１０は、配合された光重合開始剤８を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射する。

ここで、光重合開始剤８としては、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンや2.2−ジメトキシ−1.2−ジフェニルエタン−1−オンが挙げられるが、要は紫外線・可視光線・赤外線に反応して開裂し、ラジカル重合反応・カチオン重合反応・アニオン重合反応などを起こすものであれば、どんなものでもよい。

切削装置１１が、冷えて固化したワックス層の面及び第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６が重合反応して形成した樹脂層の面を平坦にするのは、これらの面に積層される次のワックス層及び樹脂層を平滑に形成するためである。

また、吸引装置１２が、散在する粉末や切削屑（ワックス、樹脂）などの不要物を吸引処理するのは、これらの不要物が樹脂層に混入することによる品質の低下を防止するためである。

次に、本発明に係る三次元造形装置の動作及び三次元造形方法を、図２に示すフローチャートにより説明する。
先ず、ステップＳＰ１において、図３（ａ）に示すように、１枚の樹脂層を形成するため、ワックス塗布装置３、第１液体吐出装置５及び第２液体吐出装置７にとって最適な位置（高さ）にテーブル１を位置決めする（テーブル位置決め工程）。

次いで、ステップＳＰ２において、図３（ｂ）に示すように、テーブル１の上に目的の三次元造形物の形状に倣う壁部Ｋ１が得られるようワックス塗布装置３を動かしながらワックス液２を所定の厚さ（例えば、０．１ｍｍ）に塗布する（ワックス塗布工程）。ワックス液２は、加熱または有機溶剤により容易に溶解する性質のもので、ワックス塗布装置３から吐出されるときは水と同じくらいの粘度の液体であるが、テーブル１に付着した直後に冷えて固化する。

次いで、ステップＳＰ３において、図３（ｃ）に示すように、ワックス液２が固まって形成された壁部Ｋ１の内部に第１液体吐出装置５が第１の重合反応性液体４を所定の厚さ（例えば、壁部Ｋ１の高さ０．１ｍｍの約半分である０．０５ｍｍ）になるまで吐出して貯留する（液体貯留工程）。吐出された第１の重合反応性液体４は、それ自体では重合反応を起こさないため、吐出後も液体のままである。なお、反応速度を上げるために、第１の重合反応性液体４に光重合開始剤８を予め配合しておくこともできる。

次いで、ステップＳＰ４において、図３（ｄ）に示すように、第１の重合反応性液体４が貯留されている部分に、第１の重合反応性液体４の厚さを含めた合計の厚さが壁部Ｋ１の高さ（例えば、０．１ｍｍ）になるまで、第２の重合反応性液体６を吐出する（液体吐出工程）。なお、反応速度を上げるために、第２の重合反応性液体６に光重合開始剤８を予め配合しておくこともできる。

ステップＳＰ３で吐出される第１の重合反応性液体４とステップＳＰ４で吐出される第２の重合反応性液体６の体積比率は、必ずしも１対１である必要はなく、用途に応じて変更しても差し支えない。

次いで、ステップＳＰ５において、図３（ｅ）に示すように、第１の重合反応性液体４に含まれるジメチルパラトルイジンと第２の重合反応性液体６に含まれる過酸化ベンゾイルが接触した瞬間から反応性ラジカルが発生し、レドックス触媒重合反応を開始し、硬化した樹脂層Ｗ１を形成する（樹脂層形成工程）。

なお、第１の重合反応性液体４及び第２の重合反応性液体６に光重合開始剤８を配合した場合には、光重合開始剤８を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を光源１０から放射するとよい。そうすれば、第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６の硬化速度が上がり、造形速度を早くすることができる。

また、硬化した樹脂層Ｗ１の面及び固化したワックス層の面を切削して平坦にする必要があるならば、ステップＳＰ６において、吸引装置１２で切削面の周囲を吸引しながら切削装置１１で硬化した樹脂層Ｗ１の面及び固化したワックス層の面を切削するのが、好ましい（樹脂層切削工程）。

同様に、ステップＳＰ１〜ステップＳＰ６を順次繰り返すことにより、図３（ｆ）に示すように、ワックス液２で壁部Ｋ２，Ｋ３……，Ｋｎを形成し、第１の重合反応性液体４に含まれるジメチルパラトルイジンと第２の重合反応性液体６に含まれる過酸化ベンゾイルでレドックス触媒重合反応を起こさせ、樹脂層Ｗ２，Ｗ３……Ｗｎを積層していく（積層完了工程）。すると、目的とする三次元造形物Ｗが形成される。

積層作業が終了したら、固化したワックス液２を加熱または有機溶剤により溶解して取り除き、中空の三次元造形物Ｗを得ることができる。このようにして形成された三次元造形物Ｗは、例えば耳あな形補聴器のシェルに適用することができる。

本発明では、テーブル１を上下方向（Ｚ軸）に可動自在にし、ワックス塗布装置３、第１液体吐出装置５及び第２液体吐出装置７は、前後方向（Ｘ軸）・左右方向（Ｙ軸）に可動自在にした。
しかし、テーブル１を前後方向（Ｘ軸）・左右方向（Ｙ軸）・上下方向（Ｚ軸）に可動自在にして、ワックス塗布装置３、第１液体吐出装置５及び第２液体吐出装置７を固定することもできる。また、テーブル１を固定し、ワックス塗布装置３、第１液体吐出装置５及び第２液体吐出装置７を前後方向（Ｘ軸）・左右方向（Ｙ軸）・上下方向（Ｚ軸）に可動自在にすることもできる。

本発明の実施の形態では、第１の重合反応性液体４を最初に吐出し、次いで第２の重合反応性液体６を吐出したが、吐出する順番はいずれが最初でもかまわない。

また、本発明の実施の形態では、第１の重合反応性液体４としてジメチルパラトルイジンを含んだＭＭＡ液、第２の重合反応性液体６として過酸化ベンゾイルをＰＭＭＡに溶融したものを用いたが、液体と液体が反応してラジカル等を発生し高分子樹脂を形成するのであれば、それぞれに含まれるものはどんなものでもよい。

例えば、ジメチルパラトルイジン以外の第三級アミンを含んだフェノキシエチルメタクリレート液と、過酸化ベンゾイル以外の反応性有機化酸化物が溶融したＭＭＡ液でもよい。また、過酸化ベンゾイルを第１の重合反応性液体４に、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリンを第２の重合反応性液体６に配合してもよい。

また、別の例として、第１の重合反応性液体４は、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）液にキュメンヒドロパーオキサイドを溶融させ、また、第２の重合反応性液体６には、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）液に金属塩を配合させる組み合わせもある。

また、ジメチルパラトルイジンのような三級アミンの代わりとして、Ｐ−トルエンスルフィン酸を適用してもよく、要は第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６が合わさることでラジカル等が発生して重合反応を起こし高分子化するものであれば、レドックス重合反応に拘らず、どんな組み合わせでも適用することができる。

更に、共重合により硬化膜の物性をよくするために、ＭＭＡ液にジメタクリル酸グリコールを配合するなどしてもよく、要は第１の重合反応性液体４と第２の重合反応性液体６とも、単一成分か複数成分かにこだわる必要はない。

本発明によれば、フィラーなどに頼らず、造形プロセス中にレドックス触媒重合反応をさせることにより、物性の優れた樹脂製の造形物を作り上げることができるだけでなく、そのまま製品として利用することができる。

本発明に係る三次元造形装置の構成図 三次元造形の作業手順を示すフローチャート 工程説明図で、（ａ）はテーブル位置決め工程、（ｂ）はワックス塗布工程、（ｃ）は液体貯留工程、（ｄ）は粉末散布工程、（ｅ）は樹脂層形成工程、（ｆ）は積層完了工程

符号の説明

１…テーブル、２…ワックス液、３…ワックス塗布装置、４…第１の重合反応性液体、５…第１液体吐出装置、６…第２の重合反応性液体、７…第２液体吐出装置、８…光重合開始剤、９…配合装置、１０…光源、１１…切削装置、１２…吸引装置、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３……，Ｋｎ…壁部、Ｗ…三次元造形物、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３……，Ｗｎ…樹脂層。

Claims (7)

1. 第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体を重合反応させて三次元造形物を製造する三次元造形方法であって、前記三次元造形物の形状に倣った壁部を形成するために冷却すると固化する液体を塗布する液体塗布工程と、前記壁部内に第１の重合反応性液体を貯留する液体貯留工程と、貯留された第１の重合反応性液体に第２の重合反応性液体を吐出する液体吐出工程と、第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体がレドックス触媒重合反応を起こして高分子樹脂層を形成する樹脂層形成工程とからなり、前記各工程を順次繰り返すことによって、前記高分子樹脂層を積層して三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形方法。
2. 前記第１の重合反応性液体及び前記第２の重合反応性液体に、光重合開始剤を配合し、更に前記樹脂層形成工程において、光重合開始剤を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射する請求項１記載の三次元造形方法。
3. 前記第１の重合反応性液体と前記第２の重合反応性液体のいずれか一方又は両方が、顔料又は染料にて着色されている請求項１又は２記載の三次元造形方法。
4. 第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体を重合反応させて三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、上下方向に可動自在なテーブルと、このテーブルの上に三次元造形物の形状に倣った壁部を形成するために冷却すると固化する液体を塗布する前後・左右方向に可動自在な液体塗布装置と、前記壁部内に第１の重合反応性液体を貯留する前後・左右方向に可動自在な第１液体吐出装置と、貯留された第１の重合反応性液体に第２の重合反応性液体を吐出する前後・左右方向に可動自在な第２液体吐出装置を備え、第１の重合反応性液体と第２の重合反応性液体がレドックス触媒重合反応を起こして形成される高分子樹脂層を積層して三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形装置。
5. 前記第１の重合反応性液体及び前記第２の重合反応性液体に光重合開始剤を配合する配合装置と、この配合装置により配合された光重合開始剤を光開裂反応させる紫外線・赤外線・可視光線などの光線を照射する光源を備えた請求項４記載の三次元造形装置。
6. 前記高分子樹脂層の面を平坦にする切削装置を備えた請求項４又は５記載の三次元造形装置。
7. 散在する切削屑などの不要物を処理する吸引装置を備えた請求項４、５又は６記載の三次元造形装置。