JP2011230421A - 立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状通りに造形することができる立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形装置を提供する。
【解決手段】立体造形装置は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置ベルト上に供給する(S2)。立体造形装置は、インクジェットヘッドから立体造形粉体に造形液を吐出することで、立体造形粉体が造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する(S3)。層を積み重ねることで、所望の形状の立体造形物が造形される。造形液は、水の蒸発を抑制すると共に造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、pH値が7以上9以下である。
【選択図】図4
【解決手段】立体造形装置は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置ベルト上に供給する(S2)。立体造形装置は、インクジェットヘッドから立体造形粉体に造形液を吐出することで、立体造形粉体が造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する(S3)。層を積み重ねることで、所望の形状の立体造形物が造形される。造形液は、水の蒸発を抑制すると共に造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、pH値が7以上9以下である。
【選択図】図4
Description
本発明は、造形液と立体造形粉体とを混合して固化することで造形される立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形物を製造するための立体造形装置に関する。
従来、立体造形粉体と造形液とを混合して固化することにより、立体造形物を造形する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の粉体は、接着剤と、充填剤と、繊維とを含む。造形液は、水を溶媒とする。平坦に配置された粉体に、インクジェットヘッドから造形液が滴下されて造形液と粉体とが混合すると、粉体に含まれる接着剤が溶解する。溶解した接着剤同士が結合し、層が生成される。上記処理が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。
特許文献1が開示している従来の造形液は、立体造形粉体との適合性が悪い場合があった。例えば、従来の造形液はpH値について考慮されておらず、立体造形粉体の分解を促進する等の問題が生じていた。造形液と立体造形粉体との適合性が悪いと、所望の形状の立体造形物を造形することができないという問題点があった。
本発明は、インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状通りに造形することができる立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形装置を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様に係る立体造形物の製造方法は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体によって層を形成する層形成工程と、前記層形成工程において形成された前記層に、水を溶媒とする造形液をインクジェットヘッドから吐出させることで、前記立体造形粉体が前記造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する生成工程とを備える立体造形物の製造方法であって、前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、pH値が7以上であって9以下であることを特徴とする。
第一の態様に係る立体造形物の製造方法では、造形液が弱アルカリ性であるため、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化される。よって、立体造形粉体と造形液とによって生成される生成物が得られやすい。また、水溶性ポリマーの加水分解が促進されることも防止される。よって、第一の態様に係る立体造形物の製造方法によると、インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状に造形することができる。
前記造形液に含有される前記増粘湿潤剤は、2価以上のアルコールであってもよい。増粘湿潤剤として2価以上のアルコールを用いることで、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。その結果、インクジェットヘッドで造形液が乾燥して詰まりが生じることを防止し、且つ、造形液をインクジェットヘッドから精度良く立体造形粉体に吐出させることができる。前記造形液は、前記増粘湿潤剤を20重量%以上50重量%以下含有してもよい。この場合、造形液の粘度を適切な値とすることができる。さらに、水の蒸発が適切に抑制される。
本発明の第二の態様に係る立体造形物は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物が層状に積層されることによって形成される立体造形物であって、前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、pH値が7以上であって9以下であることを特徴とする。
第二の態様に係る立体造形物は、原料である造形液が弱アルカリ性である。従って、造形液と立体造形粉体とが混合された際に、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されるので、立体造形粉体と造形液との生成物が得られやすい。また、水溶性ポリマーの加水分解が促進されることも防止される。
本発明の第三の態様に係る立体造形装置は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置する載置台と、水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、および界面活性剤を含有し、pH値が7以上であって9以下である造形液を吐出可能なインクジェットヘッド部と、前記インクジェットヘッド部と前記載置台に載置された前記立体造形粉体との相対位置を移動させる移動機構と、前記移動機構を動作させることで、前記載置台に載置された前記立体造形粉体と前記インクジェットヘッド部との間の、前記載置台に垂直な方向の距離を調整する距離制御手段と、前記載置台に載置された前記立体造形粉体の特定の範囲に前記造形液が吐出されるように、前記インクジェットヘッド部が前記造形液を吐出する動作、および前記移動機構が前記載置台に平行な方向における前記相対位置を移動させる動作を制御する吐出制御手段とを備えている。
立体造形装置が吐出する造形液は、弱アルカリ性である。従って、造形液と立体造形粉体とが混合された際に、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されるので、立体造形粉体と造形液との生成物が得られやすい。また、水溶性ポリマーの加水分解が促進されることも防止される。よって、第三の態様に係る立体造形装置によると、インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状に造形することができる。
以下、本発明を具現化した実施の形態の一例について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
造形液および立体造形粉体の用途について、概略的に説明する。造形液および立体造形粉体は、立体造形物を造形するための材料である。水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体に造形液を滴下し、立体造形粉体を造形液に溶解させて固化させることによって、立体造形物を造形することができる。
特に、本実施の形態に係る造形液は、立体造形装置1(図1から図3参照)のインクジェットヘッド部5から吐出させることに適している。作業者は、平坦に配置した立体造形粉体の層に、立体造形装置1を用いて造形液を滴下することで、所望の形状の固形物の層を容易に得ることができる。1つの固形物の層を形成する処理が終了すると、形成した固形物の層の上面に、立体造形粉体の層をさらに重ねて形成する。立体造形装置1を用いて再び造形液を滴下し、固形物の層を重ねる。以上の処理が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。
図1および図2を参照して、立体造形物の製造に用いられる立体造形装置1の機械的構成について説明する。図1の左下側を立体造形装置1の正面側とし、図1の右上側を立体造形装置1の背面側とする。図1の右側を立体造形装置1の右側とし、図1の左側を立体造形装置1の左側とする。
図1に示すように、立体造形装置1は、直方体状の基部2を備える。基部2は、立体造形装置1の全体を支持し、且つ搬送部20等の各種機構を備える。基部2の上部背面側には、箱状の印刷部3が設けられている。印刷部3の右端には、造形液を収納する4つのカートリッジ4が配置される。カートリッジ4の内部には、造形液を封入して脱気された密封パックが収容されている。密封パックは造形液の使用量に応じて収縮し、密封パック内に気体が混入することがないため、気泡は生じない。よって、立体造形装置1は、確実に造形液を吐出することができる。カートリッジ4の各々は、インクジェットヘッド部5(図2参照)が備える4つのインクジェットヘッドの各々にチューブ6によって接続し、各インクジェットヘッドに造形液を供給する。印刷部3の正面壁部7の下部には、矩形の開口8が形成されている。
基部2は、上部中央に搬送部20を備える。搬送部20は、立体造形粉体25が載置される幅広のタイミングベルトである載置ベルト21を備える。基部2の正面左側には、作業者からの種々の入力を受け付ける操作部28が設けられる。基部2の右側面の背面側端部には、立体造形装置1と外部機器(例えば、パーソナルコンピュータ)とを接続するための外部I/F29が設けられる。
図2に示すように、印刷部3の内部には、インクジェットヘッド部5が設けられる。インクジェットヘッド部5は、4つのインクジェットヘッドを左右方向に並べて保持する。インクジェットヘッド部5には、左右方向に延びるガイドシャフト9が貫通している。さらに、インクジェットヘッド部5にはタイミングベルト10が接続している。立体造形装置1は、ステップモータであるヘッド用モータ35(図3参照)によってタイミングベルト10を回転させることで、インクジェットヘッド部5をガイドシャフト9に沿って左右方向に移動させつつ、載置ベルト21に載置された立体造形粉体25に造形液を吐出させることができる。
印刷部3の内部の左端には、インクジェットヘッド吸引部12が設けられる。インクジェットヘッド吸引部12は、4つのキャップ(図示せず)を備えており、上下方向に昇降することができる。インクジェットヘッド部5がガイドシャフト9に沿って左端に移動すると、インクジェットヘッド吸引部12が上昇する。4つのキャップの各々が、インクジェットヘッド部5に設けられた4つのインクジェットヘッドの各々の下部に密着し、インクジェットヘッド内部の造形液を吸引する。その結果、造形液は、インクジェットヘッドの下端のノズル(図示せず)に到達する。造形液がノズルに到達すると、立体造形装置1は、造形液を円滑に吐出できる状態となる。さらに、立体造形装置1は、造形液の吐出を行わない間、インクジェットヘッド吸引部12のキャップをインクジェットヘッドに密着させる。従って、立体造形装置1は、立体造形粉体25を載置ベルト21上に載置する際に、立体造形粉体25がインクジェットヘッドに付着することを防止することができる。
搬送部20は、左右方向を回転軸の伸長方向とする2つのプーリ22,23を備える。立体造形粉体25が載置される載置ベルト21は、左右方向に所定の幅を有する。ステップモータである載置ベルト用モータ41(図3参照)によって2つのプーリ22,23が回転することで、載置ベルト21は前後方向に回転する。載置ベルト21は、基部2の先端部から後端部まで延びる。従って、載置ベルト21に載置された立体造形粉体25は、開口8を通って印刷部3の内部と外部との間を移動できる。立体造形粉体25は、印刷部3の外部で載置ベルト21に載置される。立体造形装置1は、立体造形粉体25が載置ベルト21上に載置される際に、飛散した立体造形粉体25の印刷部3内部への侵入を、印刷部3の正面壁部7によって防ぐことができる。
さらに、搬送部20は、載置ベルト21を上下方向に昇降させる昇降機構42(図3参照)を備える。立体造形装置1は、立体造形物の層が重ねられる毎に載置ベルト21を下方に移動させることで、立体造形物および立体造形粉体25の上面とインクジェットヘッド部5との間の距離を一定に保つことができる。よって、立体造形装置1は、より正確な位置に造形液を吐出することができる。なお、基部2の内部の背面側下部には、立体造形装置1の動作を制御する制御部30が設けられる。
図3を参照して、立体造形装置1の電気的構成について説明する。立体造形装置1は、制御部30、印刷部3、搬送部20、操作部28、および外部I/F29を備える。各部は、バス45によって電気的に接続される。
制御部30は、CPU31、RAM32、およびROM33を備える。CPU31は、立体造形装置1の制御を司る。RAM32は、制御プログラムで使用される各種の情報を一時的に記憶する。ROM33は、立体造形装置1を動作させるためのプログラムおよび初期値等を記憶している。
印刷部3は、インクジェットヘッド部5、ヘッド用モータ35、吐出制御回路36、および吸引制御機構37を備える。ステップモータであるヘッド用モータ35は、CPU31からの信号に従って回転することでタイミングベルト10(図2参照)を回転させて、インクジェットヘッド部5を左右方向に移動させる。吐出制御回路36は、CPU31からの信号に従って、インクジェットヘッド部5が備える各インクジェットヘッドからの造形液の吐出を制御する。吸引制御機構37は、CPU31からの信号に従って、インクジェットヘッド吸引部12の昇降動作、およびインクジェットヘッド内部の造形液の吸引動作を制御する。
搬送部20は、載置ベルト用モータ41および昇降機構42を備える。ステップモータである載置ベルト用モータ41は、CPU31からの信号に従って回転することで載置ベルト21を回転させて、立体造形粉体25を搬送する。昇降機構42は、載置ベルト21を昇降させて、立体造形粉体25の上面とインクジェットヘッド部5との間の上下方向の距離を調整する。
なお、図示しないが、立体造形装置1は、立体造形粉体を計量する計量機構と、計量機構によって計量された立体造形粉体が投入されるふるいと、ふるいを振動させる振動機構とを備える。立体造形装置1は、計量機構、ふるい、および振動機構によって、一定量の立体造形粉体を均一に載置ベルト21上にふるい落とすことができる。また、立体造形装置1は、載置ベルト21の上方に、載置ベルト21と平行にスキージ(図示外)を備える。立体造形装置1は、昇降機構42によって載置ベルト21の上下方向の位置を調整し、載置ベルト21を回転させることで、立体造形粉体の上面をスキージに接触させて、粉体上面を平坦化させることができる。スキージの材質は、ステンレス、アルミニウム等の錆び難い金属、または紙が望ましい。また、静電気が生じ難い材質のスキージを用いることで、静電気の影響等によって粉体の上面が荒れることを防止することができる。
図4を参照して、立体造形装置1を用いた立体造形物の造形手順(製造方法)について説明する。作業者は、あらかじめカートリッジ4内に造形液を詰めて、立体造形装置1に配置する。次いで、インクジェットヘッド吸引部12によって、カートリッジ4内の造形液をインクジェットヘッドのノズルまで導入させる。さらに、作業者は、造形する立体造形物の三次元データから、固形物の層の厚み毎に、立体造形物の断面データをパーソナルコンピュータ等に生成させる。以上の処理を行った後、造形処理の開始指示を立体造形装置1の操作部28に入力すると、立体造形装置1のCPU31は、図4に示す造形処理を実行する。
まず、立体造形装置1は、立体造形物の断面データをパーソナルコンピュータ等から取得する(S1)。計量機構および振動機構を動作させて、載置ベルト21上に敷かれた載置媒体(例えば、布、プラスチックシート、アルミ箔等)の上に、立体造形粉体を供給する(S2)。なお、本実施の形態に係る立体造形装置1は、立体造形粉体の供給が終了すると、載置ベルト21を回転させて立体造形粉体の上面をスキージに接触させることで、立体造形粉体を所定の厚みで平坦化させる。
次いで、立体造形装置1は、造形する立体造形物についての1または複数の断面データのうち、最下層の断面データに基づいて、ヘッド用モータ35および載置ベルト用モータ41を駆動して立体造形粉体を移動させながら造形液を吐出する(S3)。その結果、造形液に立体造形粉体が溶解して生成物が生じ、この生成物を含む固形物の層が生成される。生成された層は、立体造形物の最下層となる。ここで、立体造形装置1は、同一箇所に造形液を複数回吐出してもよい。具体的には、立体造形装置1は、固形物の層の厚みに応じて吐出回数を変えてもよい。また、立体造形装置1は、周囲に吐出される造形液の量が少ない箇所には、より多くの造形液を吐出することが望ましい。この場合、立体造形装置1は、細い線、点等の細かい形状の造形物も確実に造形することができる。
1または複数の固形物の層のうち、最も上面の層の造形が終了していなければ(S4:NO)、立体造形装置1は、1つの層の厚み分だけ載置ベルト21を降下させる(S5)。立体造形装置1は、既に造形された固形物の層の上面に立体造形粉体を供給する(S2)。立体造形装置1は、前回造形した層よりも1つ上の層の断面データに基づいて、造形液を吐出する(S3)。S2〜S5の手順が繰り返されることで、三次元データによって示される形状の立体造形物が、下の層から順に造形されていく。なお、造形される固形物の層は1つでもよい。つまり、層を積み重ねなくてもよい。
最も上面の層の造形が終了すると(S4:YES)、立体造形装置1は、造形された固形物の上面に再び立体造形粉体を供給する(S6)。その結果、立体造形物の最上面の造形の精度が向上し、且つ余分な粉体を除去し易くなる。以上により、造形処理は終了する。その後、作業者は、粉体中から立体造形物を取り出す。集塵機で粉塵を吸引しながら、エアガンで余分な粉体を吹き飛ばし、除去する。以上の手順によって、1つの立体造形物の造形が完了する。
次に、造形液の組成について説明する。造形液は、水を溶媒として、増粘湿潤剤、および界面活性剤を含有する。さらに、造形液はpH調整剤を含有し、pH値が7以上9以下となっている。本実施の形態に係る造形液は、無色透明であり、一般的な印刷用のインクとは異なる。以下、各成分について詳述する。
増粘湿潤剤について説明する。増粘湿潤剤は、造形液の粘度を上昇させると共に、溶媒である水の蒸発を抑制するものである。インクジェットヘッドの特性(ヘッドの構成、駆動電圧、および周波数等)が、吐出する液体の特性に合わないと、インクジェットヘッドは、液体を正確に吐出することが困難である。特に、ピエゾ式のインクジェットヘッドは吐出力が弱いため、造形液の粘度をインクジェットヘッドの特性に合わせる必要性が高い。造形液は、増粘湿潤剤によって増粘されることで、インクジェットヘッドによって精度良く吐出される。また、溶媒である水の蒸発が早ければ、造形液がインクジェットヘッドにおいて固化しやすくなるため、インクジェットヘッドは目詰まりを起こしやすくなる。造形液は、増粘湿潤剤によって水の蒸発を抑制されることで、インクジェットヘッドを詰まり難くすることができる。従って、増粘湿潤剤を含有する造形液は、インクジェットヘッドによる吐出に適している。さらに、造形液が増粘湿潤剤を含有しなければ、水の蒸発によって立体造形物が収縮する。その結果、布等の載置媒体に張り付いている部分に比べて、載置媒体との間の距離が大きい部分の収縮率が大きくなり、作業者が所望する形状の立体造形物が造形されない。造形液は、増粘湿潤剤を含有することで立体造形物の収縮を抑制し、精度良く立体造形物を造形することができる。また、造形液が増粘湿潤剤を含有すると、立体造形物の弾力性が向上する。
増粘湿潤剤には種々の物質を用いることができるが、2価以上のアルコールを用いることが好ましい。具体的には、グリセリン、ジエチレングリコール、およびポリエチレングリコール等の2価以上のアルコールのうちの1種以上を、増粘湿潤剤として用いるのが好ましい。特に、グリセリン、およびジエチレングリコールの少なくともいずれかを増粘湿潤剤として用いるのがさらに好ましい。グリセリン、およびジエチレングリコールは、蒸気圧が低いため、水の蒸発を抑制する効果(所謂湿潤効果)を効率良く得ることができる。さらに、グリセリン、およびジエチレングリコールは、毒性が低いため、作業者は安全に造形液を取り扱うことができる。グリセリン、およびジエチレングリコールは、塩化ビニル樹脂、およびポリスチレン等の汎用樹脂と共に用いることも可能であるため、立体造形装置1等の材料が制約されることもない。
重合度の高いポリエチレングリコール(例えば、ポリエチレングリコール600)は、融点が約20℃であるため、温度環境に応じて固体となる場合と液体となる場合とがある。従って、重合度の高いポリエチレングリコールは、取り扱いが困難であり、低温条件で析出する可能性もある。よって、ポリエチレングリコールを増粘湿潤剤として造形液に含有させる場合には、重合度の低いもの(例えば、ポリエチレングリコール200)を用いることが望ましい。少量のポリエチレングリコールを含有させるだけで、造形液を容易に増粘させることができる。
また、増粘湿潤剤として、2P=2−ピロリドン、NMP=N−メチル−2−ピロリドン、DMI=1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等を用いることも可能である。つまり、20℃での蒸気圧が1hPa以下であり、且つ水と自由に混和する有機溶剤を、増粘湿潤剤として用いることができる。
増粘湿潤剤の含有量は、2価以上のアルコールを増粘湿潤剤として用いる場合、造形液全体に対して20重量%以上50重量%以下であることが望ましい。2価以上のアルコールの含有量を20重量%以上とすることで、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。含有量を50重量%以下とすることで、水の蒸発が過度に抑制されて造形物の硬度が著しく低下することを防止することができる。
なお、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの粘度は、一般的には約2.5mPa・s以上である。従って、増粘湿潤剤によって造形液の粘度を約2.5mPa・s以上とすれば、印刷用のインクジェットヘッドを用いても、印刷用インクと同様に精度良く造形液を吐出させることができる。
pH調整剤について説明する。pH調整剤は、造形液のpH値を調整するために用いられる。造形液が酸性にならなければ、インクジェットヘッドに錆びが生じ難くなる。具体的には、造形液のpH値は7以上であることが望ましい。また、造形液が過度のアルカリ性にならなければ、作業者は造形液を安全に取り扱うことができる。特に、加水分解する水溶性ポリマー(例えば、ポリビニルアルコール)を立体造形粉体に含有させる場合には、pH値を調整することで、造形液が過度のアルカリ性になって加水分解が促進されることを防止することができる。よって、加水分解によって立体造形物の硬度が低下することを防止することができる。さらに、造形液が弱アルカリ性であれば、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されるので、立体造形粉体と造形液とによって生成される生成物が得られやすい。よって、立体造形物が円滑に造形される。以上より、造形液のpH値は、7以上9以下であることが望ましい。なお、pH調整剤には種々の物質を用いることができる。特に、毒性が少ないアミン類をpH調整剤として用いるのが望ましい。例えば、トリエタノールアミン(2,2´,2´´−ニトリロトリエタノール)をpH調整剤として使用できる。
界面活性剤について説明する。界面活性剤は、造形液の表面張力を減少させるために含有される。表面張力が大きい液体をインクジェットヘッドに精度良く吐出させることは困難である。界面活性剤を含有する造形液は、界面活性剤を含有しない造形液に比べて表面張力が小さいため、より精度良くインクジェットヘッドから吐出させることができる。さらに、造形液の表面張力が低ければ、表面張力が高い場合に比べて容易に造形液が立体造形粉体に浸透する。よって、作業者は円滑に造形工程を進行させることができる。
次に、立体造形粉体の組成について説明する。立体造形粉体は、水溶性ポリマーを含有する。好適な水溶性ポリマーとしてポリビニルアルコールが挙げられるが、その他にも、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウムとマレイン酸とのコポリマー、ポリビニルピロリドンと酢酸ビニルとのコポリマー等が挙げられる。特に、部分けん化型のポリビニルアルコールを水溶性ポリマーとして用いることで、造形された固形物の層を反り返り難くすることができる。立体造形粉体は、接着力を有さないフィラー(充填剤)を含有することが望ましい。立体造形粉体にフィラーを含有させることで、水の蒸発による立体造形物の収縮を抑制することができるため、作業者が所望する形状の立体造形物が精度良く造形される。フィラーは、無機物でも有機物でもよい。フィラーは、撥水性がないことが望ましい。撥水性がないフィラーを立体造形粉体に含有させることで、造形液が立体造形粉体にはじかれ難くなる。その結果、作業者は円滑に立体造形物を造形することができる。例えば、炭酸カルシウム、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、タルク、EVA(エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂)等、粉の状態で撥水性が低い材質をフィラーとして用いるとよい。
以上説明した造形液および造形手順によって得られる効果を確認するために、実施例1〜3に示す試験を行った。以下、実施例1〜3について説明する。
[実施例1]
造形液に含まれる各物質の含有量と、粘度、表面張力、およびpHとの関係を確認するための試験を行った。この試験では、増粘湿潤剤、pH調整剤、および界面活性剤の含有量を調整した複数の造形液A〜Jを作製し、作製した造形液の粘度(単位:mPa・s)、表面張力(mN/m)、およびpHを測定した。増粘湿潤剤にはグリセリン(関東化学株式会社製特級)を用いた。pH調整剤にはトリエタノールアミン(関東化学株式会社製特級)を用いた。界面活性剤にはイノゲンXL−70(非イオン界面活性剤、第一工業製薬株式会社製)を用いた。測定結果を表1に示す。かっこ内に示す数値は、測定時の温度である。
[実施例1]
造形液に含まれる各物質の含有量と、粘度、表面張力、およびpHとの関係を確認するための試験を行った。この試験では、増粘湿潤剤、pH調整剤、および界面活性剤の含有量を調整した複数の造形液A〜Jを作製し、作製した造形液の粘度(単位:mPa・s)、表面張力(mN/m)、およびpHを測定した。増粘湿潤剤にはグリセリン(関東化学株式会社製特級)を用いた。pH調整剤にはトリエタノールアミン(関東化学株式会社製特級)を用いた。界面活性剤にはイノゲンXL−70(非イオン界面活性剤、第一工業製薬株式会社製)を用いた。測定結果を表1に示す。かっこ内に示す数値は、測定時の温度である。
前述したように、造形液は、増粘湿潤剤を含有することで粘度が上昇するため、増粘湿潤剤を含有しない場合に比べてインクジェットヘッドによる吐出に適したものとなる。さらに、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの粘度は、一般的には約2.5mPa・s以上である。従って、造形液の粘度を約2.5mPa・s以上とすれば、印刷用のインクジェットヘッドを用いても、印刷用インクと同様に精度良く造形液を吐出させることができる。表1に示すように、グリセリンを10重量%含有する造形液Aの粘度は1.76mPa・sであった。グリセリンの含有量が20重量%以上50重量%以下である造形液B〜Jの粘度は、いずれも2.50mPa・s以上であった。よって、増粘湿潤剤であるグリセリンの含有量は、20重量%以上50重量%以下であることがより望ましいことが分かる。
造形液の表面張力は、界面活性剤であるイノゲンXL−70の含有量が0.2重量%である場合、純水よりも十分に低い数値(約30mN/m)となった。その結果、造形液A〜Jは、インクジェットヘッドによる吐出に適したものとなった。なお、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの表面張力は、インクを紙等の印刷媒体に滲みこませるために、低い数値(約30mN/m)に調整されている。従って、造形液A〜Jは、印刷用のインクジェットヘッドを用いた場合にも正確に吐出される。
また、造形液D〜G,I,JのpH値はいずれも7以上であるため、インクジェットヘッド等に用いられている金属製部材は錆び難い。さらに、造形液F,G,JのpH値は9以下(弱アルカリ性)であるため、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されて生成物が得られやすくなり、ポリビニルアルコールの加水分解等の不具合が生じる可能性も低い。よって、実施例1では、pH調整剤であるトリエタノールアミンの望ましい含有量は、0.02重量%以下である。
[実施例2]
造形液が増粘湿潤剤を含有することによって、水が乾燥する際の立体造形物の収縮が抑制されることについて、確認試験を行った。この試験では、3種類の造形液のそれぞれを同一の立体造形粉体に滴下し、同一形状の立体造形物を造形した。次いで、水が乾燥して固化した立体造形物の寸法を計測した。造形した立体造形物は、手前の壁、左の壁、および右の壁によって形成される筒体(三角筒)である。各壁部の上辺および下辺の長さの目標値を20.00mm、各壁部の厚みの目標値を2.0mm、各壁部の高さ(筒体の高さ)の目標値を10.0mmとした。
造形液が増粘湿潤剤を含有することによって、水が乾燥する際の立体造形物の収縮が抑制されることについて、確認試験を行った。この試験では、3種類の造形液のそれぞれを同一の立体造形粉体に滴下し、同一形状の立体造形物を造形した。次いで、水が乾燥して固化した立体造形物の寸法を計測した。造形した立体造形物は、手前の壁、左の壁、および右の壁によって形成される筒体(三角筒)である。各壁部の上辺および下辺の長さの目標値を20.00mm、各壁部の厚みの目標値を2.0mm、各壁部の高さ(筒体の高さ)の目標値を10.0mmとした。
3種類の造形液は、比較例としての純水、および造形液G,J(実施例1参照)である。立体造形粉体は、ポリビニルアルコール(株式会社クラレ製、製品名「クラレポバール」)であり、けん化度は87〜89mol%、グレードは224S、重合度は2400である。造形手順は、図4に示した手順である。詳細には、立体造形粉体を載置する載置媒体にはプラスチックシートを用いた。立体造形粉体を供給するために用いたふるいの開口径は425μmであった。立体造形粉体の1つの層の厚みを0.3mmとした。造形液は、1つの層の造形において、同一箇所に3回繰り返し吐出させた。各寸法は、立体造形粉体への造形液の吐出を行った日の翌日に測定した。寸法の計測結果を表2に示す。
表2に示すように、純水を造形液として用いた場合には、下辺の長さに比べて上辺の長さが短い。純水を造形液として用いた場合、増粘湿潤剤を造形液に含有させる場合に比べて水の蒸発量が多い。従って、水の蒸発に伴って各壁部は収縮する。各壁部の下部は、プラスチックシートに付着するため、上部に比べて収縮量が小さい。よって、各壁部が収縮すると、上辺の長さは下辺の長さよりも短くなる。一方、増粘湿潤剤を含有した造形液G,Jを用いた場合、各壁部の下辺の長さと上辺の長さとの誤差はほぼ無い。以上より、造形液が増粘湿潤剤を含有することによって、立体造形物の収縮が抑制されることが確認できた。
なお、造形液Gを用いて造形した立体造形物の硬度を、造形3日後にデュロメータで測定した。測定結果は43であった。さらに、造形液Gを用いて造形した立体造形物に、綿棒を用いて水を塗布し、造形3日後の立体造形物の硬度をデュロメータで測定した。測定結果は49であった。いずれの場合も、使用したデュロメータは株式会社テクロック製GS−701Nであり、JIS S6050に則っている。以上より、造形後の立体造形物に水を塗布することで、立体造形物の硬度が上がることが分かった。
[実施例3]
造形液のpH値と立体造形物の硬度との関係を確認するための試験を行った。この試験では、まず、角型ケース(87mm×57mm×19mm)を3つ用意し、3つの角型ケースのそれぞれに、立体造形粉体を2gずつ平坦に敷き詰めた。使用した立体造形粉体は、実施例2と同様に、グレードが224Sのクラレポバールである。次いで、角型ケースに敷き詰めた立体造形粉体に、3種類の造形液のうちの1つを2.8g滴下し、全体に染み渡らせた。以上の手順を繰り返すことで固形物の層を積み重ねて、厚さ約4mmの平板状の立体造形物を造形した。15時間後に、各立体造形物の3箇所の硬度を、デュロメータで測定した。使用したデュロメータは、実施例2で使用したデュロメータと同一である。使用した造形液は、造形液D,G(実施例1参照)、および造形液Kである。造形液Kは、pH調整剤であるトリエタノールアミンを含有していない点のみが、造形液Gとは異なる。測定結果を表3に示す。
造形液のpH値と立体造形物の硬度との関係を確認するための試験を行った。この試験では、まず、角型ケース(87mm×57mm×19mm)を3つ用意し、3つの角型ケースのそれぞれに、立体造形粉体を2gずつ平坦に敷き詰めた。使用した立体造形粉体は、実施例2と同様に、グレードが224Sのクラレポバールである。次いで、角型ケースに敷き詰めた立体造形粉体に、3種類の造形液のうちの1つを2.8g滴下し、全体に染み渡らせた。以上の手順を繰り返すことで固形物の層を積み重ねて、厚さ約4mmの平板状の立体造形物を造形した。15時間後に、各立体造形物の3箇所の硬度を、デュロメータで測定した。使用したデュロメータは、実施例2で使用したデュロメータと同一である。使用した造形液は、造形液D,G(実施例1参照)、および造形液Kである。造形液Kは、pH調整剤であるトリエタノールアミンを含有していない点のみが、造形液Gとは異なる。測定結果を表3に示す。
グリセリンは、ポリビニルアルコールの可塑剤として働く。造形液Dは、可塑剤として働くグリセリンの含有量が、造形液G,Kよりも少ない。しかし、表3に示すように、造形液Dによって造形された立体造形物の硬度は、造形液G,Kによって造形された立体造形物の硬度に比べて明らかに低い。pH値が9.85である造形液Dが、ポリビニルアルコールを加水分解した結果、立体造形物の硬度が低下したことが原因と考えられる。表3に示す結果より、造形液の望ましいpH値は9以下であることが分かる。また、造形液Kは酸性であるため、錆びが生じ易い。よって、造形液D,G,Kのうち、立体造形に用いるのが最も望ましい造形液は、pH値が7以上9以下の範囲にある造形液Gである。
上記実施の形態において、図4のS2で立体造形粉体を載置ベルト21に供給して層を形成する工程が、本発明の「層形成工程」に相当する。図4のS3で造形液を吐出する工程が「生成工程」に相当する。載置ベルト21が本発明の「載置台」に相当する。搬送部20、および印刷部3のガイドシャフト9、タイミングベルト10、ヘッド用モータ35が、本発明の「移動機構」に相当する。図4のS5で載置ベルト21を降下させる制御を行うCPU31が、本発明の「距離制御手段」として機能する。図4のS3で載置ベルト21上の立体造形粉体を移動させながら造形液を吐出させる制御を行うCPU31が、本発明の「吐出制御手段」として機能する。
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。例えば、図4を参照して説明した造形手順は適宜変更できる。より具体的には、最上層の造形の終了後に、立体造形粉体の供給(S6)を行うことなく、粉体を除去してもよい。造形液は、増粘湿潤剤、界面活性剤、およびpH調整剤以外の物質を含有してもよい。上記実施例1で作製した造形液A〜Jは、全てpH調整剤を含有している。しかし、造形液は、pH調整剤を含有しない状態で望ましいpH値(例えば、7以上9以下)となるのであれば、pH調整剤を含有しなくてもよい。
立体造形粉体を載置ベルト21に供給する処理は、作業者自身が行ってもよい。この場合、望ましくは、作業者は、立体造形粉体の厚みを調整するための冶具を載置ベルト21上に配置する。例えば、作業者は、1段毎の高さが所定距離(例えば、2mm)である階段状の2つの冶具を、段部が向かい合うように対称に配置するとよい。この場合、作業者は、後述する平坦化の工程において、スキージを2つの冶具の所定の段部に摺動させることで、立体造形粉体を正確な厚みで且つ平坦に配置することができる。冶具の構成は適宜変更できる。
1 立体造形装置
5 インクジェットヘッド部
9 ガイドシャフト
10 タイミングベルト
20 搬送部
21 載置ベルト
22,23 プーリ
25 立体造形粉体
31 CPU
35 ヘッド用モータ
41 載置ベルト用モータ
5 インクジェットヘッド部
9 ガイドシャフト
10 タイミングベルト
20 搬送部
21 載置ベルト
22,23 プーリ
25 立体造形粉体
31 CPU
35 ヘッド用モータ
41 載置ベルト用モータ
Claims (5)
- 水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体によって層を形成する層形成工程と、
前記層形成工程において形成された前記層に、水を溶媒とする造形液をインクジェットヘッドから吐出させることで、前記立体造形粉体が前記造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する生成工程とを備える立体造形物の製造方法であって、
前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、pH値が7以上であって9以下であることを特徴とする立体造形物の製造方法。 - 前記造形液に含有される前記増粘湿潤剤が、2価以上のアルコールであることを特徴とする請求項1に記載の立体造形物の製造方法。
- 前記造形液が、前記増粘湿潤剤を20重量%以上50重量%以下含有することを特徴とする請求項2に記載の立体造形物の製造方法。
- 水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物が層状に積層されることによって形成される立体造形物であって、
前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、pH値が7以上であって9以下であることを特徴とする立体造形物。 - 水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置する載置台と、
水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、および界面活性剤を含有し、pH値が7以上であって9以下である造形液を吐出可能なインクジェットヘッド部と、
前記インクジェットヘッド部と前記載置台に載置された前記立体造形粉体との相対位置を移動させる移動機構と、
前記移動機構を動作させることで、前記載置台に載置された前記立体造形粉体と前記インクジェットヘッド部との間の、前記載置台に垂直な方向の距離を調整する距離制御手段と、
前記載置台に載置された前記立体造形粉体の特定の範囲に前記造形液が吐出されるように、前記インクジェットヘッド部が前記造形液を吐出する動作、および前記移動機構が前記載置台に平行な方向における前記相対位置を移動させる動作を制御する吐出制御手段と
を備えたことを特徴とする立体造形装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010104308A JP2011230421A (ja) | 2010-04-28 | 2010-04-28 | 立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形装置 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016107465A (ja) * | 2014-12-04 | 2016-06-20 | 株式会社リコー | 立体造形用硬化液、及び立体造形材料セット、並びに立体造形物の製造方法 |
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WO2022131227A1 (ja) * | 2020-12-14 | 2022-06-23 | Agcセラミックス株式会社 | 造形用液体、造形用材料セット、及び造形物の製造方法 |
-
2010
- 2010-04-28 JP JP2010104308A patent/JP2011230421A/ja active Pending
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