JP2015112751A - 造形材料、造形方法、造形物、および造形装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】造形装置100は、粒体2aと粒体2a同士を結着する熱可塑性のバインダー材料3とを含む造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料4を形成する加熱部20と、流動性造形材料4を展延して造形層5を形成する展延部30と、造形層5が積層される造形部40と、積層された造形層5の所望の領域にUVインク8を付与する描画部50と、造形層5の所望の領域に付与されたUVインク8を硬化させる硬化部60とを備える。
【選択図】図2
Description
特許文献1には、粉末の造形材料を積層させながらインクジェット法により液状結合剤を付与(吐出)し、造形材料を特定の箇所で結合させることにより断面各層を形成して造形物を造形する方法が開示されている。
以下、それぞれについて具体的に説明する。
図1は、実施形態に係る造形材料1の常温(15〜25℃)における状態を示す概念図である。
造形材料1は、積層造形法により3次元形状の立体モデル(造形物)を造形する際に使用する材料(主材)であり、造形材料1によって造形物の基本となる各層、つまり造形物の各断面形状を形成するための層(以下造形層という)を形成する。
造形材料1は、「粒体」から成る粉末材料2および「熱可塑性バインダー」としてのバインダー材料3などによって構成される。
粉末材料2は、造形材料1を用いて形成される造形物の主要な構成材料である。粉末材料2には、アクリル樹脂粉末、シリコーン樹脂粉末、アクリルシリコーン樹脂粉末、ポリエチレン樹脂粉末、ポリスチレン樹脂粉末、ナイロン樹脂粉末、ポリアクリロニトリル樹脂粉末、二酸化ケイ素粉末、酸化アルミニウム粉末から選ばれた1種類または2種類以上の粉末を用いることができる。
また、粒体2aの粒径は、造形材料1によって形成される造形層の平均厚さ以下であることが好ましく、造形層の平均厚さの2分の1以下であることがより好ましい。これにより、造形層における粒体2aの体積充填率を向上させ、ひいては、造形物の機械的強度を向上させることができる。
粒体2aの粒径が単一の値である場合、造形物を形成したときの粒体2aによる体積充填率は、最密充填時の理論値である69.8%を超えることはなく、実際には50〜60%程度の充填率となる。これに対し、粉末材料2に互いに異なる粒径の粒体2aが含まれる(粒径が範囲を持って分布する)ようにすれば、例えば相対的に大きな粒径を有した粒体2a同士によって形成された空隙に、相対的に粒径の小さい粒体2aが配置されることによって体積充填率が向上される。これにより、造形物の機械的強度を向上させることができる。
シリコーン樹脂粒体として、例えば、トスパール(登録商標)1110(粒径11μm)、トスパール120(粒径2μm)、トスパール130(粒径3μm)、トスパール145(粒径4.5μm)、トスパール2000B(粒径6μm)、トスパール3120(粒径12μm)(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製)(トスパール:登録商標)等が挙げられる。
アクリル樹脂粒体としては、例えば、エポスター(登録商標)L15(粒径10〜15μm)、エポスターM05(粒径4〜6μm)、エポスターGPH40〜H110(粒径4〜11μm)((株)日本触媒製)(エポスター:登録商標)、テクポリマー(登録商標)MB−8C(粒径8μm)、テクポリマーMBX−8(粒径8μm)、テクポリマーMBP−8(粒径8μm)(積水化成品工業(株)製)(テクポリマー:登録商標)が挙げられる。
バインダー材料3は、造形材料1において粉末材料2とバインダー材料3とを混ぜ、略均一に分散させたときに粒体2a同士を結着する機能を持つ所謂バインダーである。図1に示すように、粉末材料2とバインダー材料3とが略均一に分散するように混ぜ合わせたとき、バインダー材料3は、例えば、フレーク状のバインダーフレーク3aとして粒体2aを結着している。
バインダー材料3は、ポリエチレングリコールに限定するものではなく、常温で固体の熱可塑性バインダーであれば良く、例えば、ポリエーテル変性シリコーン(信越化学工業(株)製 KF‐6004;融点:45℃)、水溶性ナイロン(東レ(株)製 P−70;融点:85℃)、ポリカプロラクトンジオール((株)ダイセル製 PCL−210;融点:46〜48℃、PCL−230;融点:55〜58℃)、パラフィンワックス(例えば、テトラコサンC24H50;融点49〜52℃、ヘキサトリアコンタンC36H74;融点73℃、日本精蝋社製 HNP−10;融点75℃、日本精蝋社製 HNP−3;融点66℃など)、マイクロクリスタリンワックス(例えば、日本精蝋社製 Hi−Mic−1080;融点83℃、日本精蝋社製 Hi−Mic−1045;融点70℃、日本精蝋社製 Hi−Mic2045;融点64℃、日本精蝋社製 Hi−Mic3090;融点89℃、日本石油精製社製 155マイクロワックス;融点70℃など)、脂肪酸(例えば、ベヘン酸;融点81℃、ステアリン酸;融点72℃、パルミチン酸;融点64℃、ミリスチン酸;融点53.8℃、ラウリン酸;融点43.2°、など)、脂肪酸エステル(例えば、アラキン酸メチルエステル;融点48℃、ポリグリセリン脂肪酸エステル;融点60〜80℃、など)、脂肪酸アミド(例えば、オレイン酸アミド;融点76℃)などであっても良い。
なかでも、ポリエチレングリコール、ポリエーテル変性シリコーン、水溶性ナイロン、ポリカプロラクトンジオール、パラフィンワックス(テトラコサン、ヘキサトリアコンタン)、脂肪酸(ベヘン酸、ステアリン酸)、脂肪酸アミド(オレイン酸アミド)は、水またはアルコールに可溶性を有している為、造形物を取り出す(現出させる)場合に、大量の有機溶剤を使用せず、水やアルコール等の水系溶媒を用いて水洗する簡便な方法を用いることができるので特に望ましい。
[配合比]
造形物において粉末材料2を構成する粒体の充填率が高くなるほど、機械的な強度が高められる。それゆえに、造形物の機械的な強度を高める上では、粒体が密に充填されるべく、密に充填された粒体の隙間よりもバインダー材料3の占める体積が小さくなるような配合比が好ましい。したがって、(A)粉末材料2:(B)バインダー材料3の体積比として7:3〜9:1の範囲が好ましい。
[実施例]
(A)粉末材料2としてテクポリマーMB−8Cを、(B)バインダー材料3としてポリカプロラクトンジオールを、体積比(A):(B)=7.5:2.5で混練することにより、本実施形態に係る造形材料1を作成した。
図2は、本実施形態に係る造形装置100を説明する模式図である。
図2において、Z軸方向が上下方向、Z方向が上方向(つまり−Z方向が鉛直方向)、Y軸方向が前後方向、+Y方向が手前方向、X軸方向が左右方向、+X方向が左方向、X−Y平面が、造形装置100が設置される平面と平行な面としている。
造形装置100は、材料供給部10、加熱部20、展延部30、造形部40、描画部50、硬化部60、およびそれぞれを制御する制御部(図示省略)などを備えている。
なお、材料供給部10は、この構成に限定するものではなく、例えば、造形材料1を収容したカートリッジを装填し加熱する装填部を備え、装填されたカートリッジをバインダー材料3の融点以上に加熱することで造形材料1に流動性を持たせて加熱部20に供給する構成(図示省略)であっても良い。
スクイージ31は、X軸方向に移動可能に設けられたY軸方向に延在する細長い板状体であり、X―Y平面上で流動性造形材料4を−X方向にすり押すように移動させることで、流動性造形材料4を薄く展延させることができる。
展延部30は、造形部40が備えるステージ41上に流動性造形材料4を展延し、造形層5を形成する。
吐出ヘッド51は、インクジェット法により「液滴」としての紫外線硬化性インク(UVインク8)をステージ41上の造形層5に吐出するノズル(図示省略)を備えている。
カートリッジ装填部52は、UVインク8を収容したインクカートリッジを装填し、UVインク8を吐出ヘッド51に供給する。
キャリッジ53は、吐出ヘッド51、カートリッジ装填部52(つまりはインクカートリッジ)を搭載し、キャリッジ移動機構54によって、ステージ41の上面を移動する。
キャリッジ移動機構54は、X−Y軸直動搬送機構を有し、キャリッジ53をX−Y平面で移動(走査)させる。
次に、上述した造形材料1および造形装置100を使用した造形方法について説明する。
本実施形態に係る造形方法は、以下の工程を含んでいる。
(1)粒体2aと粒体2a同士を結着するバインダー材料3とを含む造形材料1を、バインダー材料3の融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料4を形成する工程
(2)流動性造形材料4を展延し、バインダー材料3の融点未満の温度に冷却して造形層5を形成する工程
(3)造形層5を積層する工程
(4)積層された造形層5の所望の領域にUVインク8を付与する工程
(5)造形層5の所望の領域に付与されたUVインク8を硬化させる工程
以下、図2を参照して順に説明する。
造形装置100に造形材料1を供給した後の工程から造形物を現出させる前までの工程は、造形装置100が備える制御部の制御によって行われる。
加熱部20は、ホットプレート21により造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱し、バインダー材料3を融解することで、流動性造形材料4を形成する。
造形層5の層厚みは、スクイージ31による展延の仕様によって制御される。具体的には、造形層5の層厚みは、スクイージ31の下端とX―Y平面(例えば初期位置におけるステージ41の表面)との間隙の大きさ、スクイージ31の移動速度、流動性造形材料4の粘度などによって変化するため、所望の厚みになるように適宜設定を行うことが望ましい。
図1においてフレーク状に分散していたバインダー材料3は、一旦溶融し凝固することで、粒体2aの体積充填率を高め、造形層5の全体に略均一に分布する。所望の位置に選択的に付与されたUVインク8は、図3に示すように、粒体2a、バインダー材料3を含む領域に浸透し、造形部5aが形成される。
なお、UVインク8の硬化は、次に積層される造形層5に付与されるUVインク8との界面の接合強度を保つために、光重合が完了しない程度に紫外線を照射し硬化させることが好ましい。
また、造形装置100は、紫外線照射機61をキャリッジ53に搭載する構成としても良く、UVインク8を付与しながら紫外線を照射し硬化させる方法であっても良い。
本実施形態による造形材料は、粒体2aで構成される造形材料1が粒体2a同士を結着するバインダー材料3を含んでいる。そのため、例えば、粒体2aが、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子(粉末)であっても、粒体2a同士を結着するバインダー材料3によって繋ぎとめられる(結着される)ため、容易に飛散することがなくなる。その結果、造形材料1にインクジェット法によりUVインク8を吐出し、造形材料1を特定の箇所で結合させることにより造形物を造形する方法においても、粒体2aの飛散、拡散が抑制される。そのため、粒体2aによってUVインク8を吐出するノズルが塞がれることが無くなり(あるいは抑制され)、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。
また、現出させる際に加温することにより熱可塑性バインダーが軟化するので、現出時間を短縮することが可能である。
なお、水系溶媒とは水、及び無機塩の水溶液等の非有機系溶媒、水溶性の有機溶媒およびこれらを混合液のことである。
水溶性の有機溶媒としては、メタノール、エタノール、ブタノール、IPA(イソプロピルアルコール)、 ノルマルプロピルアルコール、ブタノール、イソブタノール、TBA(ターシャリーブタノール)、ブタンジオール、エチルヘキサノール、ベンジルアルコールなどのアルコール類や、1.3 ジオキソラン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどのグリコールエーテル類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール類、イソプロピルエーテル、メチルセロソルブ、セロソルブ、ブチルセロソルブ、ジオキサン、MTBE(メチルターシャリーブチルエーテル)、ブチルカルビトールなどのエーテル系溶媒が挙げられる。
これらの水系溶媒のうち揮発物が水蒸気である水は加温して現出する場合であっても、安全性が高くもっとも好ましい。
また、バインダー材料3としてアルコール等に溶解性の高い熱可塑性バインダーを用いる場合は、アルコール等の水溶性の有機溶媒を適量混合する等により、造形材料による積層構造から、結合(硬化)した部分で造形された造形物を取り出す(現出させる)場合に、現出まで含めた全体の造形時間を短縮することが可能である。
バインダー材料3をその融点未満の温度に冷却する方法は、特に限定はなく、環境雰囲気による自然冷却であってもよいし、積極的に冷風を吹き付ける送風器であってもよい。
紫外線硬化性インク(UVインク8)には、カチオンを活性種とする重合反応によって硬化するカチオン重合型の紫外線硬化樹脂を含むものと、ラジカルを活性種とする重合反応によって硬化するラジカル重合型の紫外線硬化樹脂を含むものとがある。これらのいずれかに属する紫外線硬化性インク(UVインク8)を用いることができる。
ラジカル重合型の紫外線硬化樹脂としては、アクリル系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等が挙げられる。なお、アクリル系樹脂としては、例えば、ポリエステルアクリレート系樹脂、エポキシアクリレート系樹脂、ウレタンアクリレート系樹脂、及びポリエーテルアクリレート系樹脂が挙げられる。カチオン重合型の紫外線硬化樹脂としては、エポキシ系樹脂、オキセタン系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、及び、シリコーン系樹脂が挙げられる。なお、シリコーン系樹脂としては、アクリルシリコーン系樹脂、ポリエステルシリコーン樹脂、エポキシシリコーン樹脂、及びメルカプトシリコーン樹脂等が挙げられる。
3次元形状の立体モデルの強度が必要な場合においては、紫外線硬化性インク(UVインク8)と造形材料1を構成する粒体2aには同系の材料を用いることが好ましい。例えば、粒体2aとしてプラスチック材料を用いる場合、紫外線硬化性インク(UVインク8)により粒体2aの表面が溶解することにより粒体2aとの界面における剥離が起こりにくく、結果として3次元形状の立体モデルの強度が向上する。その指標としては、溶解度パラメータを用いることができる。例として、ラジカル重合型のアクリル系樹脂(溶解度パラメータ:9.5)を用いる場合、粒体2aは同系材料のアクリル樹脂(溶解度パラメータ:9.5)やポリエチレン樹脂(溶解度パラメータ:7.9)を用い、ポリアクリロニトリル樹脂(溶解度パラメータ:15.4)やナイロン樹脂(溶解度パラメータ:13.6)を用いない方が好ましい。
実施形態では、液滴に紫外線硬化性インク(UVインク8)を使用し、硬化部60が紫外線照射機61を有するとして説明したが、これに限定するものではなく、例えば、液滴に熱硬化性インクを使用し、硬化部60が造形層5に付与した熱硬化性インクを加熱して硬化させる加熱手段を有する構成であっても良い。
また、例えば、造形材料が遮光性の高い材料で構成され、また造形層5が厚く構成された場合に、光硬化性インクでは造形層の硬化が充分に行えない場合などにおいては、熱硬化性インクを使用し熱硬化性インクを硬化させる加熱手段を備えることで、充分な硬化強度を備えた造形物を造形することができる。
Claims (13)
- 造形材料を用いて形成された層の所望の領域に液滴を付与する工程を含む造形方法に用いる造形材料であって、粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含むことを特徴とする造形材料。
- 前記熱可塑性バインダーの融点が30℃以上90℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の造形材料。
- 前記熱可塑性バインダーが水系溶媒に可溶であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の造形材料。
- 前記熱可塑性バインダーが、ポリエチレングリコール、ポリエーテル変性シリコーン、水溶性ナイロン、ポリカプロラクトンジオール、パラフィンワックス、脂肪酸、脂肪酸アミドの少なくともいずれかを含んでいることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の造形材料。
- 前記粒体が、アクリル樹脂粒体、シリコーン樹脂粒体、アクリルシリコーン樹脂粒体、ポリエチレン樹脂粒体、ポリスチレン樹脂粒体、ナイロン樹脂粒体、ポリアクリロニトリル樹脂粒体、二酸化ケイ素粒体、酸化アルミニウム粒体から選ばれた1種類または2種類以上の粒体を含んでいることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の造形材料。
- 前記粒体の平均球相当径が0.1μm以上30μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の造形材料。
- 粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する工程と、
前記流動性造形材料を展延して造形層を形成する工程と、
前記造形層の所望の領域に液滴を付与する工程と、
前記造形層の所望の領域に付与された前記液滴を硬化させる工程と、を含むことを特徴とする造形方法。 - 前記液滴が光硬化性インクであることを特徴とする請求項7に記載の造形方法。
- 前記液滴が熱硬化性インクであることを特徴とする請求項7に記載の造形方法。
- 請求項7ないし請求項9のいずれか一項に記載の造形方法によって造形された造形物。
- 粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する加熱部と、
前記流動性造形材料を展延して造形層を形成する展延部と、
前記造形層の所望の領域に液滴を付与する描画部と、
前記造形層の所望の領域に付与された前記液滴を硬化させる硬化部と、を備えることを特徴とする造形装置。 - 前記硬化部が光照射手段を有することを特徴とする請求項11に記載の造形装置。
- 前記硬化部が加熱手段を有することを特徴とする請求項11に記載の造形装置。
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