JP2007106070A

JP2007106070A - ３次元積層造形方法とその装置

Info

Publication number: JP2007106070A
Application number: JP2005301443A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Takeuchi; 安正竹内; Mitsuhiko Sakakibara; 満彦榊原; Eijiro Tagami; 英二郎田上
Original assignee: CTT Corp KK; International Center for Materials Research
Current assignee: CTT Corp KK; International Center for Materials Research
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】造形物を簡単かつ短時間で製造可能な３次元積層造形方法とその装置を提供する。
【解決手段】硬化性液状組成物の硬化性液層を形成し、その所定部分に硬化触媒を噴射して目的とする立体物の一部の形状を描画し、これを順次繰り返すことで、立体物を作製するようにしたので、造形物を簡単かつ短時間で製造できる。また、硬化性液状組成物として、人体に対しての安全性が高くかつ無味無臭の反応性シリコーンを含むものを採用したので、例えば人体に直接接触する造形物を簡単かつ短時間で製造できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、二液硬化型樹脂を用いた３次元積層造形方法とその装置、詳しくは例えば反応性シリコーンなどの硬化性液状組成物を用いた３次元積層造形方法とその装置に関する。

近年、立体物（被造形物）を３次元的に造形する方法の一種として、３次元積層造形法が開発されている。３次元積層造形法は、まず、造形される立体物の３次元形状をコンピュータ上で輪切りにし、その輪切りにした断面形状を何らかの手段で形成し、あたかも立体等高線地図を作成するように順次積み重ねていく方法である。このような３次元積層造形方法としては、（１）光硬化性樹脂を用いる光造形法、（２）粉末を用いる粉末積層法、（３）溶融させた樹脂を堆積させる溶融樹脂堆積法、（４）紙、プラスチックまたは金属からなる薄板を積層する薄板積層法などが知られている。

このうち、積層造形の手段としてインクジェット方式を用いるものとして、デンプンや石膏あるいはセラミックスの粉末を層状に形成し、その表面にバインダをインクジェットで噴射し、輪切り形状を描画して積層する粉末積層法や、ワックスなどを溶融させてインクジェットで噴射して描画し、これらを固めて積層する溶融樹脂積層法や、光硬化性樹脂を噴射・描画して光を照射して硬化させて積層する光造形法が実用化されている。

また、反応性物質に曝されたときに硬化し得る媒質から三次元物体を積層造形で形成する方法が特許文献１および特許文献２に開示されているが、これらは具体例が示されておらず実施の確認が困難である。

さらに、反応性の２成分を用いる積層造形法としては、例えば特許文献３に、粉末材料を選択的に接着する際に非水性有機モノマー化合物を用いる方法が開示されている。そのほか、特許文献４には、反応性成分を含む粉末材料の層に活性成分を含む液体を適用し、活性成分が反応性成分と反応するか、活性成分は反応性成分がそれ自身と反応することを促進できる方法を開示している。これらは、いずれも粉末積層法である。

また、光造形法においても、例えば非特許文献１に開示された反応性の２成分を用いる「ポジティブ・ダイレクトマスク法」という積層造形法が開発されている。これは、光重合開始剤を含まない光硬化性樹脂層の必要箇所に、光重合開始剤をインクジェットで噴射して描画し、次に光を照射することで積層する方式を採用したものである。その際、各層毎に光を照射せず、数層積層してから光を照射するようにしてもよい。また、この方法で使用される光硬化性樹脂はゾル・ゲル変換光硬化性樹脂と言われ、高温ではゾル状態、低温ではゲル状態に可逆的かつ急速に相転移する特殊樹脂である。その結果、造形時に支持体を使わなくて済むという有益な光造形法である。
特公平７−９８３６３号公報特公平７−９８３６４号公報特表２００３−５３１２２０号公報特表２００４−５２２６２２号公報日本機械学会第１４回設計工学・システム部門講演論文集２００４年１１月２９日「ポジティブ・ダイレクトマスク面露光による光造形法」

ところで、このような３次元積層造形方法では、３次元ＣＡＤデータから直接造形することが可能であるため、各種の工業分野で利用されてきた。その後、ＣＴスキャナーなどの断層データからでも造形できるようになり、現在は医療の分野にも応用されている。具体的には、手術前のシミュレーション用頭骨モデルまたは患者への病気の説明用の頭骨や臓器モデルの造形法として使用されている。そのほか、歯科医療でのインプラント用ガイドおよび耳鼻科医療での補聴器用のシェルといった、人体に直接接触する物を作製する際の造形法として応用されている。
インプラント用ガイドとは、顎骨に植設されたボルトで入れ歯を固定するインプラント法において利用され、ボルトを患部に対して所定の差し込み角度、所定の差し込み深さで固定するガイドである。また、ここでいう補聴器用のシェルとは、患者の耳の穴を計測して作製されるもので、患者の耳に最も適合した形状を有している。

しかしながら、現状の３次元積層造形法は、工業用を目的に開発されたものである。そのため、人体に対する安全性は充分に配慮されているとはいえない。具体的には、光造形法用の光硬化性樹脂には、エポキシ系やアクリル系のものが用いられているものの、残留する未反応モノマーや光重合開始剤の安全性に課題を有している。また、粉末造形法では、造形物に付着している粉末が落下する可能性が存在する。さらに、溶融樹脂堆積法においては、残留未反応モノマーの課題を有している。そして、薄板積層法では、紙の粉塵が付着する可能性を有している。これらの解決策としては、造形後の洗浄を充分に行ったり、後処理工程において、人体に対する毒性が低い素材を造形物の表面に塗装するなどして、用途ごと対応していた。

また、３次元積層造形法は、金型などを使用しないことから、単品生産システムとして有用な方式であり、前述した医療分野においても将来的に益々使用頻度が高まる傾向にある。例えば、身体の障害部分を補綴するための補綴物（エピテーゼ）を３次元積層造形法により作製したいという要望もある。エピテーゼは、患者のＱＯＬ（Quality of Life ：生活の品質）向上に重要視されている。例えば、事故で耳介を失った患者に人工物の耳介を提供することで、障害を目立たなくさせ、その患者の社会復帰を容易にすることができる。このようなエピテーゼは人体に長時間接触されるものである。そのため、これを積層造形で作製する際には、人体に対する高い安全性が要求される。

しかしながら、従来の３次元積層法により、例えば人体に好適とされるシリコーンゴム製のエピテーゼを造形する際には、まず、でんぷん粉末を用いる粉末積層法によりマスターを造形し、このマスターにワックスを含浸させ、これを石膏で固めた後、お湯でマスターを溶かして除去する。次に、得られた石膏内の成形空間に、二液反応型シリコーンを流し込んで固めた後、石膏を壊してエピテーゼを製造するという、複雑で多数の工程を必要とした方法をとらざるを得なかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、人体に対する安全性の高い造形物を簡単かつ短時間で製造することができる３次元積層造形方法とその装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、常温での粘度が１０,０００以上ｃｐｓの硬化性液状組成物の硬化性液層を形成する液層形成工程と、該硬化性液層の表面の所定部分に、上記硬化性液状組成物の硬化触媒をインクジェット方式により噴射し、造形しようとする立体物の断面形状を描画する触媒噴射工程とを備え、上記液層形成工程および上記触媒噴射工程を順次繰り返し積層することで、上記立体物の造形物を作製することを特徴とする３次元積層造形方法である。

請求項１に記載された発明によれば、硬化性液状組成物の硬化性液層を形成し、その所定部分に硬化触媒を噴射して目的とする立体物の断面形状を描画し、これを順次繰り返し積層することで、立体物を作製するようにしたので、造形物を簡単かつ短時間で製造することができる。

この描画は、硬化性液層の表面に硬化触媒を噴射して行うが、硬化性液層の硬化性液状組成物に硬化触媒を拡散して反応が開始されると、硬化性液状組成物の粘度が急激に上昇して高分子量の固体となり、硬化触媒の拡散が困難となる。硬化性液状組成物の反応により固化される範囲は、硬化性液状組成物と硬化触媒の割合量、環境温度、拡散速度などによって影響される。そのため、造形する前にこの固化する範囲を確認しておく必要がある。しかしながら、拡散速度は環境温度によって影響を受けやすい。よって、硬化性液層の表面に硬化触媒を噴射し、描画してから強制攪拌させると、固化範囲が制御しやすくなる。しかも、反応速度も速くなり、造形時間の短縮も図れる。
なお、造形物の作製後は、硬化性液層の未硬化部分をオーブンなどに入れ、加温して粘度を下げて流すか、手作業で除去する。回収された未硬化の硬化性液層は再使用可能である。造形物に付着した未硬化部分は、洗浄（エタノール洗浄など）などして除去する。

３次元積層造形方法が適用される技術分野としては、例えば各種の工業分野、各種の医療分野などが挙げられる。さらに、今後は、３次元プリンターとして民生分野にも展開され得る。
造形される立体物の素材、形状、大きさなどは限定されない。積層造形で造形可能な立体物をコンピュータ上に取り込む手段としては、例えば３次元ＣＡＤ技術、ＣＴスキャナーやＭＲＩによるスキャン技術、３次元ＣＧ技術、３次元写真（３Ｄデジタイザー）技術、３次元超音波技術、などを採用することができる。

硬化性液状組成物は、二液硬化型樹脂で、具体的には、熱硬化性ウレタン樹脂、熱硬化性エポキシ樹脂、ポリエーテルゴム、ポリサルファイドゴムやシリコーンゴムなどを採用することができる。また、人体に対してより安全性が高い樹脂としては、例えば歯科印象材として使われるポリエーテルゴム、ポリサルファイドゴム、シリコーンゴムなどを採用することができる。特に、臭いが少ないシリコーンゴムが好ましい。二液硬化型シリコーンとしては、重縮合型と付加型があり、どちらも積層造形は可能であるが、硬化収縮の小さい付加型が積層造形にはより好ましい。付加型シリコーンを用いるシリコーンゴムの積層造形方法が特に好ましい。

ここで、付加型シリコーンを用いた硬化の代表的な例としては、アルケニル基を有するポリオルガノシロキサンと、ケイ素原子に結合した水素原子を１分子中に少なくとも３個有するポリオルガノハイドロジェンシロキサンの付加反応による硬化である。すなわち、この硬化は、硬化触媒、例えば白金触媒によりアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンとハイドロジェンシロキサンのヒドロキシシレーション反応により硬化反応が生起する。ここで、アルケニル基としてはビニル、アリル、１−ブテニル、１−ヘキセニルなどを挙げることができるが、合成の容易さや熱安定性などの点からビニル基が最もよい。特に末端にビニル基を有するポリオルガノシロキサンが好ましい。
付加型シリコーンの硬化触媒としては、白金触媒溶液を採用することができる。白金触媒としては白金単体、塩化白金、白金―オレフイン錯体や白金―アルコール錯体などの白金配位化合物を採用することができる。これらの白金触媒を流動パラフインや、シリコーンオイルや、アルケニル基を有するポリオルガノシロキサンに溶解した白金触媒溶液を硬化触媒として用いる。

付加型シリコーンを用いるシリコーンゴムの積層造形方法においては、硬化性液状組成物がアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンとケイ素原子に結合した水素原子を１分子中に少なくとも３個有するポリオルガノハイドロジェンシロキサンの混合物で、硬化触媒は白金触媒の溶液である。硬化性液状組成物と硬化触媒の割合は、硬化性液状組成物１００重量部に対して、硬化触媒としては白金換算で０．１〜５重量％の濃度で含む白金触媒溶液を１〜３０重量部、好ましくは５〜２０重量部用いる。すなわち、白金触媒の使用量は、白金換算で、硬化性液状組成物１００重量部に対し、０．００１〜１.５重量部、好ましくは０．００５〜１.０重量部用いる。硬化触媒が少なすぎると硬化が不十分となり、目的の造形物が得られない。一方、硬化触媒が多すぎるとインクジェットで噴射する量が多くなり、いわゆる「重ね塗り」する量が多くなり造形時間が掛かるので好ましくない。

硬化性液状組成物は、常温での粘度が、１０,０００ｃｐｓ以上とする必要がある。特に、５０,０００ｃｐｓ以上が好ましい。これは、低粘度の硬化触媒をインクジェットで硬化性液状組成物の表面に噴射するが、このとき、硬化性液状組成物の粘度が１０,０００ｃｐｓより低ければ、硬化触媒が硬化性液状組成物に速やかに拡散し、硬化性液状組成物と硬化触媒の混合割合が小さくなりすぎて反応し難くなる。または、反応しても架橋密度が低く、目的の物性値が得られ難くなる。その結果、硬化性液状組成物の粘度は高い方が良く、５０,０００ｃｐｓ以上が好ましい。

硬化性液状組成物の粘度は高い方がよいが、あまり高いと薄い層が形成しにくくなる。そこで、必要に応じて硬化性液状組成物を加熱して用いることもできる。加熱する温度はあまり高すぎると熱分解が発生する。そのため、加熱温度は、１５０℃以下が好ましい。また、硬化性液状組成物を加熱することは、硬化性液状組成物と硬化触媒が混合された時の反応速度を速める効果も有しており、その点でも好ましい。温度範囲としては、さらに好ましくは４０〜９０℃、特に好ましくは５０〜８０℃である。

硬化性液状組成物の高粘度化には、分子量の大きい成分を用いてホットメルトタイプにすればよいが、硬化性液状組成物に増粘剤、チクソトロピー付与剤（揺変剤）、ゾルゲル変性剤などの粘度調整剤を添加してもよい。増粘剤とは、反応に寄与しない高分子量の成分である。チクソトロピー付与剤（揺変剤）としては、アマイドワックス、硬化ヒマシ油、酸化ポリエチレン、ポリエーテル、ポリエステルなどの有機系のものや、コロイド状シリカやベントナイトなどの無機系のものを採用することができる。ゾルゲル変性剤は、特開平６−３３２１７６号公報で開示されているアイソタクチックポリメタクリル酸エステルと、シンジオタクチックポリメタクリル酸エステルの組み合わせを採用することができる。
上記粘度調整剤の使用量は、硬化性液状組成物１００重量部に対し、通常、１〜３０重量部、好ましくは５〜２０重量部である。

硬化性液状組成物には、必要に応じて無機質充填剤のような補強剤を配合してもよい。無機質充填剤としては、例えば煙霧質シリカ、沈殿シリカ、溶融シリカ、石英微粉末、中空ガラス粉末、珪藻土、アルミナ、珪酸アルミニウム、酸化鉄、酸化チタン、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、カーボンブラックなどを採用することができる。さらに、これらをシランカップリング剤で処理したものでもよい。これらは、１種類でもよいし、複数種類でもよい。その配合割合は、特に制限されないが硬化性液状組成物１００重量部に対して５〜３００重量部である。

硬化触媒は、インクジェットで噴射される。そのため、噴射する温度での粘度は５０ｃｐｓ以下であることが好ましい。特に好ましい粘度は、５〜２０ｃｐｓである。粘度が５０ｃｐｓより高ければ、インクジェットで噴射する際、抵抗が大きすぎて安定した噴射を行うことができない。インクジェットとしては、圧電素子を用いた方式のものが好ましい。また、低粘度化するためには、必要に応じて硬化触媒の温度を高めることが好ましい。しかしながら、あまり高温にするとインクジェットに使用される接着剤がダメージを受けるので、１００℃以下がよい。噴射時の温度は、常温から９０℃程度の範囲で、好ましくは３０〜８０℃である。なお、硬化触媒が加温されていると、硬化性液状組成物と攪拌混合したとき、反応速度が速くなるので造形時間が短縮されるので有効である。

硬化性液層の形成方法としては、所定量の硬化性液状組成物をリコーター装置で薄く展ばしていく塗布方法を採用することができる。
リコーター装置とは、薄い板状（スキージーとかワイパーと呼ばれる場合もある。）、櫛状、ロール状のものが一軸方向に移動して硬化性液状組成物の薄い層を形成する装置である。
硬化性液層の厚さは限定されない。例えば０．１〜１．０ｍｍである。硬化性液層の積層数は、造形物の大きさ、形状などにより適宜変更される。

請求項２に記載された発明は、上記硬化性液状組成物は、反応性シリコーンを含むとともに、上記硬化触媒は上記反応性シリコーンを硬化させる触媒である請求項１に記載の３次元積層造形方法である。

硬化性液状組成物として、人体に対する安全性が高い二液硬化型樹脂の一種である反応性シリコーンを用いたので、人体に直接接触される部材として作製し、これを使用した際でも人体に対する安全性が高い。
反応性シリコーンには、重縮合型および付加型が存在する。どちらでも積層造形は可能であるが、硬化収縮の小さい付加型の方が積層造形用として好ましい。付加型シリコーンは、シリコーンゴムの積層造形方法が特に好適である。
反応性シリコーンを硬化させる触媒としては、例えば白金触媒などを採用することができる。
反応性シリコーンを原料とした造形物の用途としては、例えば人体の障害部分を補綴するためのエピテーゼ、補聴器のシェル、インプラントのための手術中に使用するガイドやマウスピース型の歯列矯正用治具などが挙げられる。

請求項３に記載された発明は、上記触媒噴射工程後、上記硬化性液層の硬化性液状組成物と上記硬化触媒とを攪拌混合する攪拌混合工程を有する請求項１または請求項２に記載の３次元積層造形方法である。

請求項３に記載された発明によれば、触媒噴射工程後、硬化性液層の硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合するので、硬化性液状組成物の反応速度（硬化速度）を速めることができる。
硬化性液層と上記硬化触媒とを攪拌混合する方法は限定されない。例えば、低周波振動による攪拌混合、超音波振動による攪拌などを採用することができる。

請求項４に記載された発明は、造形用テーブル上に、常温での粘度が１０,０００ｃｐｓ以上の硬化性液状組成物を塗布して硬化性液層を形成する液層形成手段と、上記硬化性液層の表面の所定部分に、上記硬化性液状組成物の硬化触媒を噴射し、造形しようとする立体物の断面形状をインクジェット方式で描画する手段と、上記硬化触媒および上記硬化性液状組成物をそれぞれ加熱する加熱手段と、積層する手段およびこれらをコンピュータで制御する手段を備えたことを特徴とする３次元積層造形装置である。

請求項４に記載された発明によれば、液層形成手段により造形用テーブル上に、加熱手段により加熱された硬化性液状組成物を塗布して硬化性液層を形成し、次いで、硬化性液層の所定部分に、加熱手段により加熱された硬化触媒をインクジェット方式により噴射して描画する。その後、これらを順次繰り返すことで造形物を作製するようにしたので、この造形物を簡単かつ短時間で製造することができる。

本発明に係わる３次元積層造形装置は、いわゆる３次元プリンターとしても使うことができる。すなわち、テレビのデジタル化に伴い、３次元デジタルコンテンツが今後急速に増えてきて、それをプリントアウトして手元に置きたいという要望がますます強くなると思われる。すなわちアニメキャラクター、美術品やアーカイブデータから造形する民生用という用途ができてくる。
従来の３次元積層造形装置の主な用途である工業用では、工業に従事する特定の者だけが使用するものであったが、民生用の場合には不特定多数の人間が使用する。そのため、仮に乳幼児が口に入れても大丈夫なほどの安全性が要求されることになる。この点で、本発明に係わる３次元積層造形装置（請求項１の３次元積層造形方法も同じ）の場合には、請求項２のように硬化性液状組成物として反応性シリコーンを含むものを採用することで有用となる。

加熱手段としては、電気ヒータ、コイル内に加熱媒体（オイルや水蒸気）を流す方法などを採用することができる。
加熱手段による加熱温度は、硬化性液状組成物および硬化触媒の種類により適宜変更され、上記のとおりである。

請求項５に記載された発明は、上記硬化性液層の硬化性液状組成物と上記硬化触媒とを攪拌混合する攪拌混合手段を有する請求項４に記載の３次元積層造形装置である。

請求項５に記載された発明によれば、硬化性液層の硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合手段により攪拌混合するので、硬化性液状組成物の反応速度（硬化速度）を速めることができる。

硬化性液状組成物と硬化触媒との攪拌混合方法としては、例えば、薄く塗布された硬化性液状組成物上でリコーター装置のリコーター部分を振動させる方法でもよい。リコーターとしては、薄い板状、櫛状、ロール状のものを採用することができる。リコーターを硬化性液状組成物の表面に対して垂直方向に振動させるものがよい。もちろん、垂直方向と水平方向とに同時に振動させてもよい。ロール状の攪拌混合部材は進行方向に対して逆回転させるものが適している。振動の周波数は高周波、低周波どちらでもよいが、１００Ｈｚ以下の低周波数の方が適している。攪拌混合装置（強制攪拌装置）は、リコーター装置とは別に設けてもよい。
硬化性液状組成物と上記硬化触媒とを振動させる振動手段としては、例えば上記リコーター装置、バイブレータ装置、超音波発生装置などを採用することができる。

本発明の請求項１および請求項４に記載された発明によれば、硬化性液状組成物の硬化性液層を形成し、その所定部分に硬化触媒を噴射して描画し、これを順次繰り返すことで造形物を作製するので、造形物を簡単かつ短時間で製造することができる。

特に、請求項２に記載された発明によれば、硬化性液状組成物として、人体に対しての安全性が高くかつ無味無臭の反応性シリコーンを含むものを採用したので、例えば人体に直接接触する造形物を簡単かつ短時間で製造することができる。

請求項３および請求項５に記載された発明によれば、触媒噴射工程後、硬化性液層の硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合するので、硬化性液状組成物の硬化速度を速めることができる。

以下、本発明をさらに具体的に説明する。
図１において、１０は３次元積層造形装置で、この３次元積層造装置１０は、造形テーブル１１上に、常温での粘度が１００,０００ｃｐｓの硬化性液状組成物を塗布して硬化性液層１２を形成する液層形成手段１３と、硬化性液層１２の表面の所定部分に、硬化性液状組成物の硬化触媒を噴射し、造形しようとする立体物の断面形状をインクジェット方式で描画する手段１４と、硬化触媒と硬化性液状組成物とをそれぞれ加熱する１対の電気ヒータ（加熱手段）１５，１６と、硬化性液層１２の硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合するリコーター装置（攪拌混合手段）１７と、造形テーブル１１を一層毎下降させ積層する手段と、これらをコンピュータ２１で制御する制御手段を備えている。

以下、これらの構成部品を詳細に説明する。
硬化性液状組成物として、両末端がビニル基で封鎖されたポリジメチルシロキサン１００重量部、室温での粘度８０ｃｐｓのポリメチルハイドロジェンシロキサン１０重量部を攪拌混合した組成物を用意した。この硬化性液状組成物の常温（２５℃）における粘度は、１０万ｃｐｓであった。また、硬化触媒として、塩化白金酸オクタノール錯体に流動パラフィンを加えて、４０℃での粘度を１０ｃｐｓに調整した。この硬化触媒の濃度は、白金換算で０．４重量％である。

液層形成手段１３は、ＣＡＤなどで作成された物の図形データに基づき、圧電素子方式のインクジェットヘッド１４（東芝テック（株）製、ＣＡ３）をＸＹ方向に移動させながら製図するＸＹプロッタを本体とし、上端が開口部された四角いコンテナー形状のケーシング１８を有している。ケーシング１８の上端には、幅広で平坦な底板を有した樋部１８ａが周設されている。樋部１８ａの底板の一部には、上流部が、硬化性液状組成物を貯液する第１の貯液タンク１９の底部に連通された第１の供給管２０の下流部が連通されている。

第１の供給管２０の途中には、第１の貯液タンク１９の硬化性液状組成物を樋部１８ａに圧送する第１のポンプ２１が設けられている。第１の貯液タンク１９内には、硬化性液状組成物を８０℃まで加熱する第１の電気ヒータ１５が収納されている。また、樋部１８ａの底板の他部には、下流部が硬化性液状組成物の回収タンク２２に連通された第１の排液管２３の上流部が連通されている。しかも、回収タンク２２は、ケーシング１８の底部と短尺な第２の排液管２４Ａを通して連通されている。これは、造形テーブル１１とケーシング１８の隙間から硬化性液状組成物が染み出たものを回収するためのものである。

ケーシング１８内には、昇降可能に上記造形テーブル１１が配置されている。造形テーブル１１は、軸線がＺ方向に向いた送りねじ２４を有したねじ送り式の昇降装置２５により昇降可能に設けられている。
ケーシング１８の上方には、インクジェットヘッド１４をＸＹ方向に移動させる第１のＸＹテーブル２６と、先細りの平板形状を有したリコーター１７（図２も参照）をＸＹ方向に移動させる第２のＸＹテーブル２７とが、互いに平行状態で上下２段に配設されている。第２のＸＹテーブル２７によりリコーター１７をＸＹ方向に移動させながら、リコーター１７を垂直（Ｚ方向）に±０．２ｍｍの範囲でかつ周波数５０Ｈｚで振動させることで、造形テーブル１１上に形成された硬化性液層１２の硬化性液状組成物と、この表面にインクジェットヘッド１４から噴射された硬化触媒とを攪拌混合する。

また、先細りの平板形状を有したリコーター１７に代えて、平板形状のリコーター１７Ａ（図３）、櫛形状のリコーター１７Ｂ（図４）、ローラ形状のリコーター１７Ｃ（図５）などを採用することができる。ローラ形状のリコーター１７Ｃの外周面には、多数の攪拌突起１７ａが、ローラの長さ方向およびローラの周方向にそれぞれ所定ピッチで突設されている。
さらに、インクジェットヘッド１４には、硬化触媒を貯液する第２の貯液タンク２８の底部と上流部が連通した湾曲自在な第２の供給管（ホース）２９の下流部が連通されている。第２の貯液タンク２８には、第２の電気ヒータ１６が収納されている。第２の供給管２９の途中には、第２の貯液タンク２８の硬化触媒をインクジェットヘッド１４に圧送する第２のポンプ３０が設けられている。

３次元積層造装置１０の制御系としては、装置全体を制御するパソコン２１を有している。パソコン２１にはコントローラ３２が接続され、コントローラ３２には、インクジェットヘッド１４と、第１の電気ヒータ１５と、第２の電気ヒータ１６と、第１のポンプ２１と、第２のポンプ２９と、昇降装置２５と、第１のＸＹテーブル２６と、第２のＸＹテーブル２７とがそれぞれ電気的に接続されている。

次に、この発明に係る３次元積層造装置１０を用いた３次元積層造形方法を説明する。
あらかじめ、造形データとして、円錐形状（直径３ｃｍ、高さ２ｃｍ）の３次元ＣＡＤデータをＳＴＬデータに変換し、それを０．２ｍｍ間隔でスライスして断面データを作成し、それをＸＹプロッタで描画できるようにビットマップデータに変換したものを用意した。また、造形テーブル１１は、昇降装置２５によりケーシング１８の上端から０．２ｍｍだけ下方させておく。さらに、硬化性液状組成物を第１のタンク１９に貯液し、これを第１の電気ヒータ１５により６０℃に加熱して保持するとともに、硬化触媒を第２のタンク２８に貯液し、これを第２の電気ヒータ１６により４０℃に加熱して保持しておく。

造形物の造形時には、第１のポンプ２１により、第１のタンク１９から硬化性液状組成物を、第１の供給管２０を通してケーシング１８の樋部１８ａに供給する。供給された硬化性液状組成物は、樋部１８ａからケーシング１８内に流れ込み、その後、第２のＸＹテーブル２７によりリコーター１７（スキージー）をＹ方向に移動させて余分な硬化性液状組成物を造形テーブル１１上から除去する。これにより、厚さ０．２ｍｍの硬化性液層１２が形成される。このとき、除去された硬化性液状組成物は、第１の排液管２３から回収タンク２２に回収される。
次に、硬化性液層１２の表面に対して、第２のタンク２８内で第２の電気ヒータ１６により４０℃に加熱された硬化触媒を、第１のＸＹテーブル２６によりＸＹ方向に移動できるインクジェットヘッド１４から噴射させ、上記造形データに基づく１層目の断面形状を描画する。その際、硬化性液状組成物と硬化触媒の割合は、通常、硬化性液状組成物１００重量部に対し、硬化触媒として白金換算で０．１〜５重量％含む白金触媒溶液を１〜３０重量部用いるが、この場合、該組成物１００重量部に対し、白金濃度が０．４重量％の硬化触媒を１０重量部になるように、硬化触媒の噴射量を調整した。その後、第２のＸＹテーブル２７によりリコーター１７を垂直に±０．２ｍｍの範囲でかつ周波数５０Ｈｚで振動させながら移動させる。この振動するリコーター１７より、１層目の硬化性液層１２の硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合する。

次に、昇降装置２５により造形テーブル１１を０．２ｍｍだけ下降させ、同様の操作を順次行う。すなわち、厚さ０．２ｍｍの２層目の硬化性液層１２を形成した後、インクジェットヘッド１４より硬化触媒を硬化性液層１２の表面に噴射させて造形データに基づく２層目の断面形状を描画し、それから硬化性液状組成物と硬化触媒とをリコーター１７により攪拌混合する。
このような操作を繰り返して造形データに基づく最後の層まで、順次、硬化性液層１２を積層する。最後の硬化性液層１２を形成してから、約３０分放置して完全に造形物（積層造形物）Ａの硬化を終了させ、その後、造形テーブル１１を元の高さ位置まで戻してから、造形物Ａの周りの硬化性液状組成物をヘラにより掻き落とす。そして、造形物Ａを造形テーブル１１から取り出してエタノールで洗浄する。これにより、シリコーンゴム製の造形物Ａが得られる。

このように、まず硬化性液状組成物の硬化性液層１２を形成し、その所定部分に硬化触媒をインクジェット法により噴射して描画し、これを順次繰り返すことで造形物Ａを作製するので、造形物Ａを簡単かつ短時間で製造することができる。
また、硬化性液状組成物として、人体に対しての安全性が高くかつ無味無臭の反応性シリコーンを含むものを採用したので、例えば人体に直接接触する造形物Ａを簡単かつ短時間で製造することができる。

さらに、触媒噴射工程後、硬化性液層１２の硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合するので、硬化性液状組成物の硬化速度を速めることができる。
そして、硬化性液層１２の硬化性液状組成物と硬化触媒とを振動により攪拌混合するので、比較的簡単かつ安価に硬化性液状組成物と硬化触媒とを攪拌混合することができる。

本発明に係る３次元積層造形装置の概略構成図である。本発明に係る３次元積層造形装置に使用される先細りの平板形状を有したリコーターの斜視図である。本発明に係る３次元積層造形装置に使用される平板形状を有したリコーターの斜視図である。本発明に係る３次元積層造形装置に使用される櫛形状を有したリコーターの斜視図である。本発明に係る３次元積層造形装置に使用されるローラ形状を有したリコーターの使用状態の側面図である。

符号の説明

１０３次元積層造形装置
１１造形用テーブル
１２硬化性液層
１３液層形成手段
１４インクジェットヘッド（インクジェット手段）
１５第１の電気ヒータ（加熱手段）
１６第２の電気ヒータ（加熱手段）
１７リコーター（液面平滑化手段および攪拌混合手段）
Ａ造形物

Claims

常温での粘度が１０,０００ｃｐｓ以上の硬化性液状組成物を塗布して層状の硬化性液層を形成する液層形成工程と、
該硬化性液層の表面の所定部分に、上記硬化性液状組成物の硬化触媒をインクジェット方式により噴射し、造形しようとする立体物の断面形状を描画する触媒噴射工程とを備え、
上記液層形成工程および上記触媒噴射工程を順次繰り返し積層することで、上記立体物の造形物を作製することを特徴とする３次元積層造形方法。
上記硬化性液状組成物は反応性シリコーンを含むとともに、上記硬化触媒は上記反応性シリコーンを硬化させる触媒である請求項１に記載の３次元積層造形方法。
上記触媒噴射工程後、上記硬化性液層の硬化性液状組成物と上記硬化触媒とを攪拌混合する攪拌混合工程を有する請求項１または２に記載の３次元積層造形方法。
造形用テーブル上に、常温での粘度が１０,０００ｃｐｓ以上の硬化性液状組成物を塗布して硬化性液層を形成する液層形成手段と、
上記硬化性液層の表面の所定部分に、上記硬化性液状組成物の硬化触媒を噴射し、造形しようとする立体物の断面形状をインクジェット方式で描画する手段と、積層する手段と、
上記硬化触媒および上記硬化性液状組成物をそれぞれ加熱する加熱手段、
およびこれらをコンピュータで制御する手段とを備えたことを特徴とする３次元積層造形装置。
上記硬化性液層の硬化性液状組成物と上記硬化触媒とを攪拌混合する攪拌混合手段を有する請求項４に記載の３次元積層造形装置。