JP2011020412A - 三次元造型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モデル材に溶着しているサポート材を迅速・簡易に除去し、耐環境性に優れ、取り扱いの安全性にも優れる三次元造型方法を提供することを技術的な課題とする。
【解決手段】本発明は、立体形状モデルの断面形状データよりマスクパターンを積層し立体物を造形する三次元造型方法であって、マスクパターンに則してモデル材とサポート材とによって積層形成し立体物を形成した後、該立体物に電解質溶液を付着することによって立体物から不要なサポート材を除去する三次元造型方法である。電解質溶液としては、少なくとも炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのいずれか一又は二以上を含有するのが好適である。
【選択図】なし

Description

立体形状モデルの断面形状パターンを積層し立体物を造形する三次元造型方法に関し、積層形成されているモデル材からサポート材を除去する技術であって、三次元造型という技術をより普及させる三次元造型方法に関する。

近年、ラピッドプロトタイピング等の分野において三次元造型という技術が用いられている。かかる三次元造型によって得られた立体物は、商品開発段階等において最終製品の外観や性能の評価を行うための試作品、または展示品等として利用されることが多い。
このような三次元造型の技術としては、光造形法、粉末法、シート積層法等が知られている。中でも３Ｄプリンターによって紫外線硬化性樹脂を噴射しマスクパターンを積層する方法が多用されている（特許文献１−３参照）。

この方法は、最終製品の外観内観のデザイン・機構等を三次元ＣＡＤによってデータ化した後、コンピュータによって該データをスライスして薄板を重ね合わせるような多層型のマスクパターンデータを作成し、紫外線硬化性樹脂をマスクパターンデータに則してヘッドより噴射して積層することにより立体物を製造する。

近年では１６μｍという精細な積層ピッチを実現し、サポート材を併用することによって、中空部を伴った立体物の製造も可能となっている。
この際、立体物に溶着されたサポート材を除去する必要があるが、このサポート材を除去する煩雑な工程が、三次元造型という技術の普及を阻む要因の一つとして指摘されていた。

サポート材を除去する手段としては、立体物を固定した基台を振動させたり、立体物自体にサンドブラストの如く機械的負荷を加えることによってサポート材を剥離する方法（特許文献４参照）や、高圧水を噴射するウォータージェットによる除去方法、有機溶媒を用いて溶解させる方法、手指によって擦り落とす方法等が知られている。

しかし、サンドブラストやウォータージェット等を使用する方法は、外観から見えにくい内部に溶着しているサポート材や複雑な形状部分における除去を効率的に行うことができず、得られた立体物の表面粗度が上昇したり、角部に欠けが生じるといった欠点を有していた。また手指によって擦り落とす方法は時間がかかり非効率であった。
さらに、耐環境性に配慮し、取り扱いにおける安全性に配慮した処理方法を提供することが要求されていた。

特開平６−５５６４２号公報 特開平１０−２０７１９４号公報 特開２００２−６７１７４号公報 特開平１０−８６２２４号公報

立体物を造形する三次元造型方法において、モデル材に溶着しているサポート材を迅速・簡易に除去する方法を提供することを目的とする。
またサポート材を除去した後、特殊な廃液設備を設けることなく、かつ耐環境性に優れ、取り扱いにおける安全性に優れたサポート材の除去方法を提供することを目的とする。
さらにサポート材を除去した後、立体物の色落ちや、臭気の付着といった塗装等の前処理にとっても好適な方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を採用した。
（１）本発明は、立体物を造形する三次元造型方法であって、立体形状モデルの断面形状マスクパターンに則してモデル材とサポート材とを積層し立体物を造形した後、当該立体物に電解質溶液を付着させることによって当該立体物から前記サポート材を除去することを特徴とする三次元造型方法である。
（２）前記モデル材が、光開始剤と紫外線硬化性樹脂組成物とを有することを特徴とする上記（１）項に記載された三次元造型方法である。
（３）前記サポート材が、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール及び光開始剤の混合物であることを特徴とする上記（１）又は（２）項に記載された三次元造型方法である。
（４）前記電解質溶液がｐＨ８以上のアルカリ溶液であって、少なくとも、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサン、アセトニトリル、ジオキサン、グリセリンのいずれか一又は二以上を含有することを特徴とする上記（１）乃至（３）項のいずれか一に記載された三次元造型方法である。
（５）前記電解質溶液がｐＨ１１以上１３以下のアルカリ溶液あることを特徴とする上記（４）記載の三次元造型方法である。

（６）前記電解質溶液が、更に炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのいずれか一又は二以上を含有することを特徴とする上記（４）又は（５）項に記載された三次元造型方法である。
（７）前記立体物に電解質溶液を付着する方法として、溶液槽に電解質溶液を充填した後、該電解質溶液に立体物を浸漬し、攪拌することによって立体物から不要なサポート材を除去することを特徴とする上記（１）乃至（６）項のいずれか一に記載された三次元造型方法である。
（８）前記立体物に電解質溶液を付着する方法として、溶液槽に電解質溶液を充填した後、該電解質溶液に立体物を浸漬した後、電解質溶液に陰極と陽極を接触させた後に電極間に電流を流すことによって立体物から不要なサポート材を除去することを特徴とする上記（１）乃至（６）項のいずれか一に記載された三次元造型方法である。

立体物を造形する三次元造型方法において、モデル材に溶着しているサポート材を迅速・簡易に除去する効果的な方法を提供する効果を奏する。
また廃液設備が不要であり、かつ耐環境性に優れ、取り扱いにおける安全性に優れたサポート材の除去方法を提供する効果を奏する。
さらにサポート材を除去した後、立体物の色落ちや、臭気の付着といった塗装等の前処理にとっても好適な方法を提供するという効果を奏する。

以下に本発明に係る三次元造型方法の一例を示す。以下の本発明の一実施形態を示すものであって、本発明を以下の形態のものに限定するものではない。
本発明に使用されるモデル材とは、最終的に製造される所望の立体形状モデルを形成するための材料であって、硬化性樹脂組成物と光開始剤とを有する化合物である。

硬化性樹脂組成物としては、アクリル系モノマー、アクリル系オリゴマー等が挙げられる。アクリル系モノマーとしては、例えば、多官能性のアクリル系モノマーであるトリプロピレングリコールジアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート等が挙げられる。また、アクリル系オリゴマーとしては、例えば、ポリウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、エポキシアクリレート等が挙げられる。

光開始剤としては、種々のものが用いられる。例えば、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−メチル−２−モルホリノ（４−チオメチルフェニル）プロパン−１−オン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）ブタノン等のアセトフェノンケタール系；ベンゾフェノン、ｏ−ベンゾイル安息香酸メチル等のベンゾフェノン系；ベンゾインイソブチルエーテル等のベンゾインエーテル系；２，４−ジエチルチオキサントン等のチオキサントン系；アシルフォスフィンオキサイド、カンファーキノン等の特殊系などが挙げられる。また、オリゴ〔２−ヒドロキシ−２−メチル−１−｛４−（１−メチルビニル）フェニル｝プロパノン〕、４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル（２−ヒドロキシ−２−プロピル）ケトン、アクリル化ベンゾフェノン、（４−ベンゾイルベンジル）トリメチルアンモニウムクロリド等や、黄変がさほど問題とならない分野では、トリエタールアミン、メチルジエタノールアミン、４−ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、４，４−ジエチルアミノベンゾフェノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタアクリレート等のアミン系促進剤を使用することもできる。さらには、４，４’−ジメトキシペンゾイン、２，４−ジエトキシチオキサントン、２−エチルアントラキノン、２−メチルアントラキノン、１，８−ジヒドロキシアントラキノン、２−ヒドロキシ−４’−ヒドロキシエトキシ−２−メチルプロピオフェノン、過酸化ジベンゾイル、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン、ベンゾイン、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン、ベンズアルデヒド、４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル−（２−ヒドロキシ−２−メチルプロピル）ケトン、ベンゾイルアセトン、２−イソプロピルチオキサントン、１−クロル−４−プロポキシチオキサントン、４−イソプロピルチオキサントン及びこれらの混合物よりなる群から選択することができる。

また本発明に使用されるサポート材としては、アルコールエーテル、ポリエチレングリコール、グリセロール、光開始剤等の一以上から選択される混合物である。
ここで、アルコールエーテルとしては、イソプロパノール、アリルアルコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、プロポキシド、イソプロポキシド等が挙げられる。さらにプロピレングリコールとしては、プロパン−１，２−ジオール等が挙げられる。

本発明に使用される電解質溶液とは、ｐＨ８以上のアルカリ溶液であって、少なくとも、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサン、アセトニトリル、ジオキサン、グリセリンのいずれか一又は二以上を含有するのが好ましい。溶液のｐＨが８未満の場合は、モデル材に溶着しているサポート材を迅速・簡易に除去することが困難となる。より好ましくはｐＨ８〜１２である。ｐＨが１２を超えると、モデル材に損傷を与える可能性があるため好ましくない。なお、水としては、水道水、純水、イオン交換水等を用いることができる。
また電解質溶液は、更に炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのいずれか一又は二以上を含有するのが好ましい。これらはｐＨ値の調整にも影響するものである。
この中でも、より強い塩基性が必要とされる場合には、炭酸カリウムが好ましい。サポート材の乳化を促し、モデル材から分離するのが容易だからである。炭酸カリウムは、例えば、塩化カリウム水溶液を電解して得られる。

また電解質溶液には、エチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピルアルコールといったアルコール類、メチルエチルケトン、アセトン等のケトン類、エーテル類等を添加しても良い。更に本発明の目的を損なわない範囲で、例えば、エチレンジアミン４酢酸、ヒドロキシエタンジホスホン酸、カテコール、ガーリック酸、シュウ酸、クエン酸等のキレート剤、アニオン系、カチオン系、ノニオン系の界面活性剤、過酸化水素水、フッ化アンモニウム等の高純度精製品を添加しても良い。

電解質溶液は、上記の珪酸塩を５〜１０体積％、燐酸塩を２〜５体積％及び水８５〜９５体積％であるのが好ましい。珪酸塩５体積％未満ではサポート材を迅速に除去する上で不具合がある。また燐酸塩２体積％未満でもサポート材を迅速に除去する上で不具合がある。さらに水８５体積％未満では、除去処理を行った立体物の表面に水溶液の残渣が付着し安定性が損なわれる可能性があり、９５体積％を超えるとサポート材を迅速に除去する上で不具合を生じる。

電解質溶液を立体物に塗布する方法としては、ディップ法、噴霧法、ウォータージェット、はけ塗り等が挙げられる。また、１０〜８０℃の温度範囲で、必要に応じて超音波等を照射しても良いが、特に限定するものではない。立体物の形状が複雑な場合は、立体物を電解質溶液に一定時間浸漬した後引き上げるディップ法が好ましい。
また、溶液槽に電解質溶液を充填した後、電解質溶液に立体物を浸漬し、攪拌棒で攪拌することによって立体物から不要なサポート材をより迅速に除去することができる。この際、ブラシスクラブ洗浄を併用すると効果的である

さらに、溶液槽に電解質溶液を充填した後、電解質溶液に立体物を浸漬した後、電解質溶液に陰極と陽極を接触させた後に電極間に電流を流すことによって立体物から不要なサポート材を更に迅速に除去するができる。
例えば、溶液槽に電解質溶液を充填するとともに、立体物を浸漬し、攪拌棒で攪拌する。この際に、オーステナイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等によって陰極と陽極を形成し、電解質溶液中に配置する。直流電源を陰極及び陽極に接続する等の構成を採用することができる。

以下、本発明に係る実施例及び比較例を挙げて更に詳しく説明する。
（１）立体物
３ＤプリンターＣｏｎｎｅｘ５００（オブジェット社）を用いて立体物を製造した。この際、モデル材としては、アクリル系モノマー、アクリル系オリゴマー、ウレタンアクリレートオリゴマー、１．７．７−トリメチルビシクロ［２．２．１］ヘプタン−２−オールアクリレート、光開始剤の混合物を用いた。またサポート材としては、ポリエチレングリコール、プロパン−１，２−ジオール、グリセロール、２−ヒドロキシ−４’−ヒドロキシエトキシ−２−メチルプロピオフェノンの混合物を用いた。

立体物としては、挟持幅を調整できるスパナを三次元ＣＡＤによってデータ化した後、コンピュータによって該データをスライスして薄板を重ね合わせるような多層型のマスクパターンデータを作成し、マスクパターンに従ってモデル材とサポート材を紫外線硬化を併用して印刷することによってスパナ模型を積層形成した。

（２）サポート材の除去工程
このようにして製造したスパナ模型を、表１に示す水１リットル、炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）、塩酸（ＨＣｌ）の配合を変化させた５種類の電解質溶液に浸漬し、攪拌機で対流させながら６時間浸漬した後、引き上げて、立体物の外観形態を目視により観察した。
（３）実験結果
その結果を以下の表１に示す。

上記の表１におけるサポート材の除去率は、除去前に対してサポート材の体積変化を計測したものである。除去率１００％は、立体物からサポート材を分離できた状態を示している。また、モデル材の損傷率は、除去前に対する体積変化を計測したものである。０％のものは損傷が見られたかった状態を示している。
上記表１より、炭酸カリウムを調整してｐＨ１２．５としたものが最も好適であり、次にｐＨ１０以上のものが好ましい。ｐＨ１４のものや、ｐＨ８未満のものは、除去率や損傷率の点で劣っていることが判った。

Claims (8)

1. 立体物を造形する三次元造型方法であって、立体形状モデルの断面形状マスクパターンに則してモデル材とサポート材とを積層し立体物を造形した後、当該立体物に電解質溶液を付着させることによって当該立体物から前記サポート材を除去することを特徴とする三次元造型方法。
2. 前記モデル材が、光開始剤と紫外線硬化性樹脂組成物とを有することを特徴とする請求項１に記載された三次元造型方法。
3. 前記サポート材が、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール及び光開始剤の混合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載された三次元造型方法。
4. 前記電解質溶液がｐＨ８以上のアルカリ溶液であって、少なくとも、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサン、アセトニトリル、ジオキサン、グリセリンのいずれか一又は二以上を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載された三次元造型方法。
5. 前記電解質溶液がｐＨ１１以上１３以下のアルカリ溶液あることを特徴とする請求項４記載の三次元造型方法。
6. 前記電解質溶液が、更に炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのいずれか一又は二以上を含有することを特徴とする請求項４又は５に記載された三次元造型方法。
7. 前記立体物に電解質溶液を付着する方法として、溶液槽に電解質溶液を充填した後、該電解質溶液に立体物を浸漬し、攪拌することによって立体物から不要なサポート材を除去することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載された三次元造型方法。
8. 前記立体物に電解質溶液を付着する方法として、溶液槽に電解質溶液を充填した後、該電解質溶液に立体物を浸漬した後、電解質溶液に陰極と陽極を接触させた後に電極間に電流を流すことによって立体物から不要なサポート材を除去することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載された三次元造型方法。