JP2015139918A - 三次元造形物の製造方法、三次元造形物製造装置および三次元造形物 - Google Patents
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Abstract
Description
三次元造形物を形成する方法の一つとして、積層法が知られている。積層法では、一般的に、三次元物体のモデルを多数の二次元断面層に分割した後、各二次元断面層に対応する断面部材を順次造形しつつ、断面部材を順次積層することによって三次元造形物を形成する。
しかしながら、従来の方法では、微細な質感を表現するのが困難であった。
本発明の三次元造形物の製造方法は、硬化性樹脂を含むインクを吐出して硬化させることで形成された層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
インク吐出工程では、前記三次元造形物の最外層が形成される領域に、前記三次元造形物を構成するための実体部形成用インクと犠牲層を形成するための犠牲層形成用インクとが重なるように吐出することを特徴とする。
これにより、マット調やグロス調等の微細な質感が表現された三次元造形物を安定的にかつ効率よく製造することができる三次元造形物の製造方法を提供することができる。
前記実体部形成用インクの硬化時における前記犠牲層形成用インクの粘弾性は、前記実体部形成用インクの硬化時における前記実体部形成用インクの粘弾性よりも小さいものであることが好ましい。
これにより、マット調の質感を有する三次元造形物を効率よく製造することができる。
前記実体部形成用インクの硬化時における前記犠牲層形成用インクの粘弾性は、前記実体部形成用インクの硬化時における前記実体部形成用インクの粘弾性以上のものであることが好ましい。
これにより、グロス調の質感を有する三次元造形物を効率よく製造することができる。
これにより、最終的に得られる三次元造形物において実体部が露出するため、微細なしわを有する表面状態を、観察者により好適に視認させることができる。このため、本発明の効果がより顕著に発揮される。
これにより、マット調やグロス調等の微細な質感をより確実に表現することができる。
これにより、マット調やグロス調等の微細な質感をより確実に表現することができる。
これにより、より適切な硬化速度で実体部形成用インクを硬化させることができ、三次元造形物において微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。
これにより、より適切な硬化速度で犠牲層形成用インクを硬化させることができ、三次元造形物において微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。
これにより、実体部形成用インクおよび犠牲層形成用インクを、より適切な硬化速度で硬化させることができ、三次元造形物においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。
前記最外層が形成される領域の形成に前記無色インクを用い、それよりも内側の領域の形成に前記着色インクを用いることが好ましい。
これにより、微細な質感をより好適に表現することができる。また、着色剤(特に、顔料)を含む実体部は、着色剤を含まない実体部に比べて脆く、傷や欠け等を生じやすいが、着色剤を含まない実体部形成用インクを用いて形成される領域(コート層)を設けることにより、このような問題の発生を効果的に防止することができる。
前記有彩色インクを用いて形成する領域の内側の領域の形成に、前記白色インクを用いることが好ましい。
これにより、白色インクが付与された領域(第1の領域)が隠蔽性を発揮することができ、三次元造形物の彩度をより高めることができる。
これにより、例えば、最終的に得られる三次元造形物を、マット調やグロス調等の微細な質感の程度が互いに異なる複数の領域を有するものとして得ることができる。その結果、より複雑な外観の表現が可能となり、三次元造形物の美的外観(審美性)、高級感等を特に優れたものとすることができる。
前記三次元造形物を構成するための実体部形成用インクを吐出する第1の吐出手段と、
犠牲層を形成するための犠牲層形成用インクを吐出する第2の吐出手段と、
前記実体部形成用インクおよび前記犠牲層形成用インクを硬化させる硬化手段と、を有し、
前記第1の吐出手段および前記第2の吐出手段は、前記三次元造形物の最外層が形成される領域に、前記実体部形成用インクと前記犠牲層形成用インクとを重ねて吐出するよう制御されていることを特徴とする。
これにより、マット調やグロス調等の微細な質感が表現された三次元造形物を安定的にかつ効率よく製造することができる三次元造形物製造装置を提供することができる。
これにより、マット調やグロス調等の微細な質感が表現された三次元造形物を提供することができる。
本発明の三次元造形物は、本発明の三次元造形物製造装置を用いて製造されたものであることを特徴とする。
これにより、マット調やグロス調等の微細な質感が表現された三次元造形物を提供することができる。
《三次元造形物の製造方法》
まず、本発明の三次元造形物の製造方法について説明する。
図1、図2は、本発明の三次元造形物の製造方法の好適な実施形態について、各工程を模式的に示す断面図、図3は、本発明で形成することのできる他の表面形状を説明するための模式的な断面図である。
≪インク吐出工程(インク付与工程)≫
インク吐出工程では、インクジェット法により、硬化性樹脂を含む実体部形成用インク11’および硬化性樹脂を含む犠牲層形成用インク12’を、インクジェット法により、所定のパターンで吐出する(1a、1c、1e)。
このように、本発明では、三次元造形物10の実体部11となるべき部位にインク(実体部形成用インク11’)を付与するだけでなく、その表面側にもインク(犠牲層形成用インク12’)を付与し、さらに、三次元造形物10の外表面となる領域近傍に実体部形成用インク11’と犠牲層形成用インク12’を重ねて付与する。
これにより、三次元造形物10の表面形状を容易に調整することができる。特に、微細な凹凸の外観を呈する表面形状を容易に得ることができる。
なお、実体部形成用インク11’、犠牲層形成用インク12’については、後に詳述する。
これにより、三次元造形物10の生産性を十分に優れたものとしつつ、製造される三次元造形物10における不本意な凹凸の発生等をより効果的に防止し、三次元造形物10の寸法精度を特に優れたものとすることができる。また、最終的に得られる三次元造形物10の表面状態、外観をより好適に制御することができる。
≪硬化工程(単位層形成工程)≫
インク吐出工程でインク(実体部形成用インク11’、犠牲層形成用インク12’)を付与(吐出)した後、インク(実体部形成用インク11’、犠牲層形成用インク12’)に含まれる硬化成分(硬化性樹脂)を硬化させる(1b、1d、1f)。これにより、実体部11、犠牲層12および硬化混在部13を有する単位層1が得られる。
本工程は、硬化成分(硬化性樹脂)の種類により異なるが、例えば、硬化成分(硬化性樹脂)が熱硬化性樹脂の場合、加熱により行うことができ、硬化成分(硬化性樹脂)が光硬化性樹脂の場合、対応する光の照射により行うことができる(例えば、硬化成分(硬化性樹脂)が紫外線硬化性樹脂の場合は紫外線の照射により行うことができる)。
これにより、後に詳述する犠牲層除去工程を容易に行うことができ、三次元造形物10の生産性のさらなる向上を図ることができる。
前記の一連の工程を繰り返し行う。これにより、隣接する単位層1同士が結合した状態となり、このような状態の単位層1が複数積層された積層体、すなわち、実体部11の表面に犠牲層12が設けられた仮成形体10’が得られる(1g参照)。
そして、前記のような一連の工程を繰り返し行った後に、犠牲層12および硬化混在部13を除去する(1h)。
これにより、表面に微細な質感が表現された三次元造形物10が得られる。
微細な質感は、例えば、実体部形成用インク11’の硬化時における犠牲層形成用インク12’の粘弾性が、実体部形成用インク11’の硬化時における実体部形成用インク11’の粘弾性以上のものである場合や、実体部形成用インク11’の硬化時における犠牲層形成用インク12’の粘弾性が、実体部形成用インク11’の硬化時における実体部形成用インク11’の粘弾性よりも小さいものである場合等で異なるものとすることができる。なお、硬化時とは、実体部形成用インク11’が硬化する際に流動性がなくなった時点の半硬化状態のことである。
また、インク吐出工程において、実体部形成用インク11’と犠牲層形成用インク12’とを重ねて吐出する際に、実体部形成用インク11’および犠牲層形成用インク12’のうちの少なくとも一方の吐出量を変更することにより、外表面の微細な質感を容易に変更することができる。
また、前記の説明では、液体を用いるものとして説明したが、同様の機能を有する物質(例えば、固体、気体、超臨界流体等)を用いてもよい。
また、前記液体を付与する際または前記液体を付与した後に、超音波振動を付与してもよい。
これにより、犠牲層12の除去を促進することができ、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
これにより、最終的に得られる三次元造形物10は、異なる質感を呈する部位が存在するものとなり、より複雑な外観の表現が可能となり、三次元造形物10の美的外観(審美性)、高級感等を特に優れたものとすることができる。
前述したような本発明の三次元造形物の製造方法によれば、マット調やグロス調等の微細な質感が表現された三次元造形物を安定的にかつ効率よく製造することができる。また、三次元造形物の歩留まりが向上するので、三次元造形物の製造コストの低減の観点からも有利である。
まず、本発明の三次元造形物製造装置について説明する。
図4は、本発明の三次元造形物製造装置の好適な実施形態を模式的に示す断面図である。
三次元造形物製造装置100は、実体部形成用インク11および犠牲層形成用インク12を用いて、単位層1を繰り返し成形し積層することにより、三次元造形物10を製造するものである。
コンピューター21は、内部にCPUやメモリ等を備えて構成される一般的な卓上型コンピューター等である。コンピューター21は、三次元造形物10の形状をモデルデーターとしてデータ化し、それを平行な幾層もの薄い断面体にスライスして得られる断面データ(スライスデータ)を駆動制御部22に対して出力する。
ステージ3は、表面(実体部形成用インク11’、犠牲層形成用インク12’が付与される部位)が平坦なものである。
これにより、厚さの均一性の高い単位層1を容易かつ確実に形成することができる。また、製造される三次元造形物10において、不本意な変形等が生じることを効果的に防止することができる。
また、ステージ3の表面(実体部形成用インク11’、犠牲層形成用インク12’が付与される部位)には、表面処理が施されていてもよい。
これにより、例えば、実体部形成用インク11’の構成材料や犠牲層形成用インク12’の構成材料がステージ3に付着してしまうことをより効果的に防止したり、ステージ3耐久性を特に優れたものとし、三次元造形物10のより長期間にわたる安定的な生産を図ったりすることができる。ステージ3の表面の表面処理に用いられる材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂等が挙げられる。
このような第1のインク吐出部(実体部形成用インク付与手段)4を備えることにより、微細なパターンで所望の部位に所望の量だけ実体部形成用インク11’を付与することができ、微細な構造を有する三次元造形物10であっても特に生産性良く製造することができる。
第1のインク吐出部(実体部形成用インク付与手段)4は、駆動制御部22からの指令により、形成すべきパターン、付与する実体部形成用インク11’の量等が制御されている。第1のインク吐出部(実体部形成用インク付与手段)4による実体部形成用インク11’の吐出パターン、吐出量等は、スライスデータに基づいて決定される。
これにより、単位層1を積層していった場合でも、第1のインク吐出部(実体部形成用インク付与手段)4のノズル面(吐出部先端)と実体部形成用インク11’の着弾部との距離を所定の値に保つことができる。
このような第2のインク吐出部(犠牲層形成用インク付与手段)5を備えることにより、微細なパターンで所望の部位に所望の量だけ実体部形成用インク11’を付与することができ、製造すべき三次元造形物10が微細な構造を有するものであっても、所望の部位に所望の大きさ、形状の犠牲層12を形成することができ、三次元造形物10の表面形状、外観をより確実に形成することができる。また、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
第1の吐出部4および第2の吐出部5は、駆動制御部22によって、三次元造形物の表面が形成される領域近傍に対して、実体部形成用インク11’と犠牲層形成用インク12’とを重ねて吐出するよう制御される。
このような硬化手段6を備えることにより、最終的に得られる三次元造形物10の機械的強度を優れたものとすることができるとともに、三次元造形物10の表面形状、外観を確実に制御することができる。
エネルギー線照射手段(硬化手段)6が照射するエネルギー線の種類は、実体部形成用インク11’、犠牲層形成用インク12’の構成材料により異なるが、例えば、紫外線、可視光線、赤外線、X線、γ線、電子線、イオンビーム等が挙げられる。中でも、コスト面、三次元造形物の生産性の観点から、紫外線を用いるのが好ましい。
なお、図中には示していないが、三次元造形物製造装置100は、犠牲層12を除去する犠牲層除去手段や、犠牲層が除去された三次元造形物10を乾燥する乾燥手段を備えるものであってもよい。
乾燥手段としては、例えば、前述したような加熱した気体や乾燥した気体を供給するものや、三次元造形物10が収納された空間を減圧する減圧手段等が挙げられる。
前述したような本発明の三次元造形物製造装置によれば、微細な質感を再現することができる三次元造形物を安定的にかつ効率よく製造することができる。また、三次元造形物の歩留まりが向上するので、三次元造形物の製造コストの低減の観点からも有利である。
次に、インクセットについて説明する。
インクセットは、少なくとも1種の実体部形成用インク11’と、犠牲層形成用インク12’とを備えている。インクセットは、前述したような本発明の三次元造形物の製造方法、三次元造形物製造装置に適用されるものである。
<実体部形成用インク>
実体部形成用インク11’は、少なくとも硬化性樹脂(硬化成分)を含むものである。
硬化性樹脂(硬化成分)としては、例えば、熱硬化性樹脂;可視光領域の光により硬化する可視光硬化性樹脂(狭義の光硬化性樹脂)、紫外線硬化性樹脂、赤外線硬化性樹脂等の各種光硬化性樹脂;X線硬化性樹脂等が挙げられ、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
中でも、得られる三次元造形物10の機械的強度や三次元造形物10の生産性、実体部形成用インク11’の保存安定性等の観点から、特に、紫外線硬化性樹脂(重合性化合物)が好ましい。
エチレン性不飽和重合性化合物は、単官能の重合性化合物および多官能の重合性化合物、またはそれらの混合物の化学的形態をもつ。
多官能の重合性化合物としては、不飽和カルボン酸と脂肪族の多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族のアミン化合物とのアミド類が用いられる。
不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステルであるラジカル重合性化合物の具体例としては、例えば、(メタ)アクリル酸エステルが代表的であり、単官能のもの、多官能のもののいずれも用いることができる。
六官能の(メタ)アクリレートの具体例としては、例えば、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ソルビトールヘキサ(メタ)アクリレート、フォスファゼンのアルキレンオキサイド変性ヘキサ(メタ)アクリレート、カプトラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
イタコン酸エステルとしては、例えば、エチレングリコールジイタコネート、プロピレングリコールジイタコネート、1,3−ブタンジオールジイタコネート、1,4−ブタンジオールジイタコネート、テトラメチレングリコールジイタコネート、ペンタエリスリトールジイタコネート、ソルビトールテトライタコネート等が挙げられる。
イソクロトン酸エステルとしては、例えば、エチレングリコールジイソクロトネート、ペンタエリスリトールジイソクロトネート、ソルビトールテトライソクロトネート等が挙げられる。
マレイン酸エステルとしては、例えば、エチレングリコールジマレート、トリエチレングリコールジマレート、ペンタエリスリトールジマレート、ソルビトールテトラマレート等が挙げられる。
その他の好ましいアミド系モノマーとしては、例えば、特公昭54−21726号公報に記載のシクロへキシレン構造を有するもの等が挙げられる。
CH2=C(R1)COOCH2CH(R2)OH (1)
(ただし、式(1)中、R1およびR2は、それぞれ独立に、HまたはCH3を示す。)
カチオン重合性化合物としては、例えば、開環重合性基を含む硬化性化合物等が挙げられ、中でも、ヘテロ環状基含有硬化性化合物が特に好ましい。このような硬化性化合物としては、例えば、エポキシ誘導体、オキセタン誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、環状ラクトン誘導体、環状カーボネート誘導体、オキサゾリン誘導体などの環状イミノエーテル類、ビニルエーテル類等が挙げられ、中でも、エポキシ誘導体、オキセタン誘導体、ビニルエーテル類が好ましい。
好ましいエポキシ誘導体の例としては、例えば、単官能グリシジルエーテル類、多官能グリシジルエーテル類、単官能脂環式エポキシ類、多官能脂環式エポキシ類等が挙げられる。
脂環式エポキシ化合物としては、シクロヘキセンオキシド基またはシクロペンテンオキシド基を1分子内に2個以上有する多官能脂環式エポキシ類が好ましい。脂環式エポキシ化合物の具体例としては、例えば、4−ビニルシクロヘキセンジオキサイド、(3,4−エポキシシクロヘキシル)メチル−3,4−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート、ジ(3,4−エポキシシクロヘキシル)アジペート、ジ(3,4−エポキシシクロヘキシルメチル)アジペート、ビス(2,3−エポキシシクロペンチル)エーテル、ジ(2,3−エポキシ−6−メチルシクロヘキシルメチル)アジペート、ジシクロペンタジエンジオキサイド等が挙げられる。
このような通常のグリシジル化合物としては、例えば、グリシジルエーテル化合物やグリシジルエステル化合物等を挙げることができるが、グリシジルエーテル化合物を併用することが好ましい。
実体部形成用インク11’は、前述した硬化成分の中でも、特に、(メタ)アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチル、ポリエーテル系脂肪族ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマー、2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル(メタ)アクリレート、および、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレートよりなる群から選択される1種または2種以上を含むものであるのが好ましい。これにより、より適切な硬化速度で実体部形成用インク11’を硬化させることができ、三次元造形物10において、マット調やグロス調等の微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
また、これらの硬化成分を含むことにより、実体部形成用インク11’の硬化物の各種溶媒(例えば、水等)に対する溶解性、膨潤性を特に低いものとすることができる。その結果、犠牲層除去工程において、より確実に、高い選択性で犠牲層12を除去することができ、実体部11に欠陥が生じたりすること等による不本意な変形を防止することができる。その結果、より確実に、三次元造形物10の寸法精度をより高いものとすることができる。
特に、実体部形成用インク11’が(メタ)アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチルを含むものであると、酸素阻害を受けにくく低エネルギーでの硬化が可能であり、また、他モノマーを含めた共重合を促進し、造形物の強度を高めるという効果が得られる。
また、実体部形成用インク11’が2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル(メタ)アクリレートを含むものであると、柔軟性を持ち破断伸び率を向上させるという効果が得られる。
また、実体部形成用インク11’が4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレートを含むものであると、前層で形成した自硬化物に加え、PMMA、PEMA粒子やシリカ粒子、金属粒子等への密着性を向上することにより、造形物の強度を高めるという効果が得られる。
実体部形成用インク11’中における硬化成分の含有率は、80質量%以上97質量%以下であるのが好ましく、85質量%以上95質量%以下であるのがより好ましい。
これにより、最終的に得られる三次元造形物10の機械的強度を特に優れたものとすることができる。また、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
また、実体部形成用インク11’は、重合開始剤を含むものであるのが好ましい。
これにより、三次元造形物10の製造時における実体部形成用インク11’の硬化速度を速めることができ、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
重合開始剤としては、例えば、光ラジカル重合開始剤(芳香族ケトン類、アシルホスフィンオキサイド化合物、芳香族オニウム塩化合物、有機過酸化物、チオ化合物(チオキサントン化合物、チオフェニル基含有化合物等)、ヘキサアリールビイミダゾール化合物、ケトオキシムエステル化合物、ボレート化合物、アジニウム化合物、メタロセン化合物、活性エステル化合物、炭素ハロゲン結合を有する化合物、アルキルアミン化合物等)や光カチオン重合開始剤等を用いることができ、具体的には、アセトフェノン、アセトフェノンベンジルケタール、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、キサントン、フルオレノン、ベンズアルデヒド、フルオレン、アントラキノン、トリフェニルアミン、カルバゾール、3−メチルアセトフェノン、4−クロロベンゾフェノン、4,4’−ジメトキシベンゾフェノン、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンゾインプロピルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンジルジメチルケタール、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、チオキサントン、ジエチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、2−クロロチオキサントン、2−メチル−1−[4−(メチルチオ)フェニル]−2−モルホリノ−プロパン−1−オン、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド、2,4−ジエチルチオキサントン、およびビス−(2,6−ジメトキシベンゾイル)−2,4,4−トリメチルペンチルフォスフィンオキシド等が挙げられ、これらのうちから選択される1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
このような重合開始剤を含むことにより、より適切な硬化速度で実体部形成用インク11’を硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
特に、後に詳述する犠牲層形成用インク12’とともに、実体部形成用インク11’が、重合開始剤として、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイドを含むものであると、実体部形成用インク11’および犠牲層形成用インク12’について、硬化速度の制御をより好適に行うことができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がさらに確実に得られる。また、三次元造形物10の生産性をさらに優れたものとすることができる。
これにより、実体部形成用インク11’および犠牲層形成用インク12’を、それぞれ、より好適な速度で硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がさらに確実に得られる。
これにより、実体部形成用インク11’および犠牲層形成用インク12’を、それぞれ、より好適な速度で硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がさらに確実に得られる。
特に、実体部形成用インク11’中における重合開始剤の含有率をX1[質量%]、犠牲層形成用インク12’中における重合開始剤の含有率をX2[質量%]としたとき、1.05≦X1/X2≦2.0の関係を満足するのが好ましく、1.1≦X1/X2≦1.5の関係を満足するのがより好ましい。
これにより、実体部形成用インク11’および犠牲層形成用インク12’を、それぞれ、より好適な速度で硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がさらに確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性をさらに優れたものとすることができる。
これにより、より適切な硬化速度で実体部形成用インク11’を硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
以下に実体部形成用インク11’中における硬化性樹脂と重合開始剤との配合比率(以下に述べる「その他の成分」を除くインク組成)の好ましい具体例を示すが、本発明における実体部形成用インクの組成は、以下に述べるものに限定されるものではないことは、言うまでもない。
・アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチル:32質量部
・ポリエーテル系脂肪族ウレタンアクリレートオリゴマー:10質量部
・2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピルアクリレート:13.75質量部
・ジプロピレングリコールジアクリレート:15質量部
・4−ヒドロキシブチルアクリレート:20質量部
・ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド:5質量部
・2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド:4質量部
前記のような配合の場合に、前述したような効果がより顕著に発揮される。
また、実体部形成用インク11’は、前述した以外の成分を含むものであってもよい。
このような成分としては、例えば、顔料、染料等の各種着色剤;分散剤;界面活性剤;増感剤;重合促進剤;溶剤;浸透促進剤;湿潤剤(保湿剤);定着剤;防黴剤;防腐剤;酸化防止剤;紫外線吸収剤;キレート剤;pH調整剤;増粘剤;フィラー;凝集防止剤;消泡剤等が挙げられる。
特に、着色剤として、顔料を含むことにより、実体部形成用インク11’、三次元造形物10の耐光性を良好なものとすることができる。顔料は、無機顔料および有機顔料のいずれも使用することができる。
前記無機顔料の中でも、好ましい白色を呈するためには、酸化チタンが好ましい。
黄色(イエロー)の顔料としては、例えば、C.I.ピグメントイエロー 1、2、3、4、5、6、7、10、11、12、13、14、16、17、24、34、35、37、53、55、65、73、74、75、81、83、93、94、95、97、98、99、108、109、110、113、114、117、120、124、128、129、133、138、139、147、151、153、154、167、172、180等が挙げられる。
また、前記以外の顔料としては、例えば、C.I.ピグメントグリーン 7,10、C.I.ピグメントブラウン 3,5,25,26、C.I.ピグメントオレンジ 1,2,5,7,13,14,15,16,24,34,36,38,40,43,63等が挙げられる。
これにより、実体部形成用インク11’の吐出安定性や実体部形成用インク11’中における顔料の分散安定性を特に優れたものとすることができるとともに、より優れた画質の画像を形成することができる。
また、染料としては、例えば、酸性染料、直接染料、反応性染料、および塩基性染料等が挙げられ、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
特に、実体部形成用インク11’が着色剤として酸化チタンを含むものである場合、当該実体部形成用インク11’中における酸化チタンの含有率は、12質量%以上18質量%以下であるのが好ましく、14質量%以上16質量%以下であるのがより好ましい。これにより、特に優れた隠蔽性が得られる。
分散剤としては、特に限定されないが、例えば、高分子分散剤等の顔料分散液を調製するのに慣用されている分散剤が挙げられる。
高分子分散剤の具体例としては、例えば、ポリオキシアルキレンポリアルキレンポリアミン、ビニル系ポリマーおよびコポリマー、アクリル系ポリマーおよびコポリマー、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、アミノ系ポリマー、含珪素ポリマー、含硫黄ポリマー、含フッ素ポリマー、およびエポキシ樹脂のうち1種以上を主成分とするもの等が挙げられる。
実体部形成用インク11’が界面活性剤を含むものであると、三次元造形物10の耐擦性をより良好なものとすることができる。
界面活性剤の具体例としては、例えば、BYK−347、BYK−348、BYK−UV3500、3510、3530、3570(以上、BYK社製商品名)等を挙げられる。
また、実体部形成用インク11’は、溶剤を含むものであってもよい。
これにより、実体部形成用インク11’の粘度調整を好適に行うことでき、実体部形成用インク11’が高粘度の成分を含むものであっても、実体部形成用インク11’のインクジェット方式による吐出安定性を特に優れたものとすることができる。
これにより、インクジェット法による実体部形成用インク11’の吐出安定性を特に優れたものとすることができる。なお、本明細書中において、粘度とは、E型粘度計(東京計器社製 VISCONIC ELD)を用いて25℃において測定される値をいう。
また、三次元造形物10の製造には、複数種の実体部形成用インク11’を用いてもよい。
これにより、例えば、三次元造形物10の外観上、色調に影響を与える領域に付与する実体部形成用インク11’として着色剤を含む実体部形成用インク11’を用い、三次元造形物10の外観上、色調に影響を与えない領域に付与する実体部形成用インク11’として着色剤を含まない実体部形成用インク11’を用いることができ、三次元造形物10の生産コストの低減の観点等から有利である。
これにより、マット調やグロス調等の質感をより好適に表現することができる。また、着色剤(特に、顔料)を含む実体部11は、着色剤を含まない実体部11に比べて脆く、傷や欠け等を生じやすいが、着色剤を含まない実体部形成用インク11’を用いて形成される領域(コート層)を設けることにより、このような問題の発生を効果的に防止することができる。また、三次元造形物10の長期間の使用により、表面が摩耗した場合等であっても、三次元造形物10の色調の変化を効果的に防止、抑制することができる。
これにより、これらの実体部形成用インク11’の組み合わせにより、表現できる色再現領域を広いものとすることができる。
複数種の実体部形成用インク11’を用いる場合、少なくとも、藍紫色(シアン)の実体部形成用インク11’、紅紫色(マゼンタ)の実体部形成用インク11’および黄色(イエロー)の実体部形成用インク11’を用いるのが好ましい。
これにより、これらの実体部形成用インク11’の組み合わせにより、表現できる色再現領域をより広いものとすることができる。
すなわち、最終的に得られる三次元造形物10を、白色(ホワイト)の実体部形成用インク11’が付与された第1の領域と、第1の領域よりも外表面側に設けられた白色以外の有色の実体部形成用インク11’が付与された領域(第2の領域)とを有するものとすることができる。これにより、白色(ホワイト)の実体部形成用インク11’が付与された第1の領域が隠蔽性を発揮することができ、三次元造形物10の彩度をより高めることができる。
また、前述したような微細な質感が得られる効果と、彩度を高める効果とが相乗的に作用し合い、三次元造形物10の美的外観(審美性)を特に優れたものとすることができる。
犠牲層形成用インク12’は、少なくとも硬化性樹脂(硬化成分)を含むものである。
(硬化性樹脂)
犠牲層形成用インク12’を構成する硬化性樹脂(硬化成分)としては、例えば、実体部形成用インク11’の構成成分として例示した硬化性樹脂(硬化成分)と同様のものが挙げられる。
これにより、三次元造形物製造装置の構成が複雑化するのを効果的に防止することができ、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。また、三次元造形物10の表面形状をより確実に制御することができる。
これにより、より適切な硬化速度で犠牲層形成用インク12’を硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
すなわち、(メタ)アクリロイルモルフォリンは、硬化反応が進行した場合であっても完全硬化でない状態(完全硬化でない状態の(メタ)アクリロイルモルフォリンの重合体)では、水等の各種溶媒に対する溶解性が高い状態が高いものである。したがって、前述したような犠牲層除去工程において、実体部11に欠陥が生じるのをより効果的に防止しつつ、犠牲層12を選択的かつ確実に、また、効率よく除去することができる。その結果、より高い信頼性で、所望の形態の三次元造形物10を生産性良く得ることができる。
また、犠牲層形成用インク12’がエトキシエトキシエチル(メタ)アクリレートを含むものであると、硬化後もタック性が残存し易く、実体部表面のマット調の質感形成が効果的になされるとともに、犠牲層12を除去する液体による除去性を高められるという効果が得られる。
犠牲層形成用インク12’が前述した特定の硬化成分(テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、エトキシエトキシエチル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、および、(メタ)アクリロイルモルフォリンよりなる群から選択される1種または2種以上)を含むものである場合、犠牲層形成用インク12’を構成する全硬化成分に対する当該特定の硬化成分の割合は、80質量%以上であるのが好ましく、90質量%以上であるのがより好ましく、100質量%であるのがさらに好ましい。これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
これにより、形成される犠牲層12の形状の安定性を特に優れたものとすることができ、三次元造形物10の製造時に単位層1を付き重ねていった場合に、下側の単位層1が不本意に変形することをより効果的に防止することができ、上側の単位層1を好適に支持することができる。その結果、最終的に得られる三次元造形物10の寸法精度を特に優れたものとすることができる。また、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
また、犠牲層形成用インク12’は、重合開始剤を含むものであるのが好ましい。
これにより、三次元造形物10の製造時における犠牲層形成用インク12’の硬化速度を適度に速めることができ、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
犠牲層形成用インク12’を構成する重合開始剤としては、例えば、実体部形成用インク11’の構成成分として例示した重合開始剤と同様のものが挙げられる。
このような重合開始剤を含むことにより、より適切な硬化速度で犠牲層形成用インク12’を硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
これにより、より適切な硬化速度で犠牲層形成用インク12’を硬化させることができ、三次元造形物10においてマット調やグロス調等の微細な質感の外観がより確実に得られるとともに、三次元造形物10の生産性を特に優れたものとすることができる。
「配合比率例1」
・テトラヒドロフルフリルアクリレート:36質量部
・エトキシエトキシエチルアクリレート:55.75質量部
・ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド:3質量部
・2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド:5質量部
「配合比率例2」
・ジプロピレングリコールジアクリレート:37質量部
・ポリエチレングリコール(400)ジアクリレート:55.85質量部
・ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド:3質量部
・2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド:4質量部
「配合比率例3」
・テトラヒドロフルフリルアクリレート:36質量部
・アクリロイルモルフォリン:55.75質量部
・ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド:3質量部
・2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド:5質量部
「配合比率例4」
・アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチル:36質量部
・ポリエチレングリコール(400)ジアクリレート:55.75質量部
・ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド:3質量部
・2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド:5質量部
前記のような配合の場合に、前述したような効果がより顕著に発揮される。
また、犠牲層形成用インク12’は、前述した以外の成分を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、顔料、染料等の各種着色剤;分散剤;界面活性剤;増感剤;重合促進剤;溶剤;浸透促進剤;湿潤剤(保湿剤);定着剤;防黴剤;防腐剤;酸化防止剤;紫外線吸収剤;キレート剤;pH調整剤;増粘剤;フィラー;凝集防止剤;消泡剤等が挙げられる。
犠牲層形成用インク12’を構成する着色剤としては、例えば、実体部形成用インク11’の構成成分として例示した着色剤と同様のものが挙げられるが、三次元造形物10の表面の法線方向から観察した際に当該犠牲層形成用インク12’により形成される犠牲層12と重なり合う実体部11の色(三次元造形物10の外観上視認されるべき色)とは異なる色となるような着色剤であるのが好ましい。これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
また、犠牲層形成用インク12’の粘度は、10mPa・s以上30mPa・s以下であるのが好ましく、15mPa・s以上25mPa・s以下であるのがより好ましい。
これにより、インクジェット法による犠牲層形成用インク12’の吐出安定性を特に優れたものとすることができる。
例えば、実体部形成用インク11’の硬化時における粘弾性が互いに異なる2種以上の犠牲層形成用インク12’を備えるものであってもよい。
これにより、最終的に得られる三次元造形物10を、微細な質感の程度が互いに異なる複数の領域を有するものとして得ることができる。その結果、より複雑な外観の表現が可能となり、三次元造形物10の美的外観(審美性)、高級感等を特に優れたものとすることができる。
なお、インクセットは、少なくとも1種の実体部形成用インク(第1のインク)11’と、少なくとも1種の犠牲層形成用インク(第2のインク)12’を備えるものであればよいが、これらとは異なる第3のインクを第3のインクを備えるものであってもよい。
本発明の三次元造形物は、前述したような製造方法、三次元造形物製造装置、インクセットを用いて製造することができる。これにより、マット調やグロス調等の微細な質感を有する三次元造形物を提供することができる。
本発明の三次元造形物の用途は、特に限定されないが、例えば、人形、フィギュア等の鑑賞物・展示物;インプラント等の医療機器等が挙げられる。
また、本発明の三次元造形物は、模型(例えば、自動車、オートバイ、船、飛行機等の乗り物、建築物、動物、植物等の生物、石等の自然物(非生物)、各種食品等の模型)であってもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
前処理工程としては、例えば、ステージの清掃工程等が挙げられる。
後処理工程としては、例えば、洗浄工程、バリ取り等を行う形状調整工程、実体部を構成する硬化性樹脂の硬化度を上昇させるための追加の硬化処理等が挙げられる。
また、本発明は、粉体積層法、(すなわち、粉体を用いて層を形成し、当該層の所定の部位に硬化性のインクを付与して硬化部を形成するという一連の操作を繰り返し行うことのより、硬化部が設けられた複数の層を有する積層体としての三次元造形物を得る方法)に適用されるものであってもよい。
Claims (15)
- 硬化性樹脂を含むインクを吐出して硬化させることで形成された層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
インク吐出工程では、前記三次元造形物の最外層が形成される領域に、前記三次元造形物を構成するための実体部形成用インクと犠牲層を形成するための犠牲層形成用インクとが重なるように吐出することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 吐出した前記実体部形成用インクと前記犠牲層形成用インクとを硬化する硬化工程を有し、
前記実体部形成用インクの硬化時における前記犠牲層形成用インクの粘弾性は、前記実体部形成用インクの硬化時における前記実体部形成用インクの粘弾性よりも小さいものである請求項1に記載の三次元造形物の製造方法。 - 吐出した前記実体部形成用インクと前記犠牲層形成用インクとを硬化する硬化工程を有し、
前記実体部形成用インクの硬化時における前記犠牲層形成用インクの粘弾性は、前記実体部形成用インクの硬化時における前記実体部形成用インクの粘弾性以上のものである請求項1に記載の三次元造形物の製造方法。 - 前記実体部形成用インクおよび前記犠牲層形成用インクを硬化させることにより得られた仮成形体から、前記犠牲層を除去する工程を有する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記インク吐出工程において、前記実体部形成用インクと前記犠牲層形成用インクとを重ねて吐出する際に、重ねる順序を変更する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記インク吐出工程において、前記実体部形成用インクと前記犠牲層形成用インクとを重ねて吐出する際に、前記実体部形成用インクおよび前記犠牲層形成用インクのうちの少なくとも一方の吐出量を変更する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記実体部形成用インクは、(メタ)アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチル、ポリエーテル系脂肪族ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマー、2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル(メタ)アクリレート、および、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレートよりなる群から選択される1種または2種以上を含むものである請求項1ないし6のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記犠牲層形成用インクは、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、エトキシエトキシエチル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、および、(メタ)アクリロイルモルフォリン、(メタ)アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチルよりなる群から選択される1種または2種以上を含むものである請求項1ないし7のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記実体部形成用インクおよび前記犠牲層形成用インクは、いずれも、重合開始剤として、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド、および/または、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイドを含むものである請求項1ないし8のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記実体部形成用インクとして、着色剤を含有する着色インクに加え、着色剤を含有しない無色インクを用い、
前記最外層が形成される領域の形成に前記無色インクを用い、それよりも内側の領域の形成に前記着色インクを用いる請求項1ないし9のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。 - 着色剤を含有する着色インクとして、有彩色インクと白色インクとを用い、
前記有彩色インクを用いて形成する領域の内側の領域の形成に、前記白色インクを用いる請求項1ないし10のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。 - 異なる複数種の前記犠牲層形成用インクを用いる請求項1ないし11のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 硬化性樹脂を含むインクを吐出して硬化させることで形成された層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、
前記三次元造形物を構成するための実体部形成用インクを吐出する第1の吐出手段と、
犠牲層を形成するための犠牲層形成用インクを吐出する第2の吐出手段と、
前記実体部形成用インクおよび前記犠牲層形成用インクを硬化させる硬化手段と、を有し、
前記第1の吐出手段および前記第2の吐出手段は、前記三次元造形物の最外層が形成される領域に、前記実体部形成用インクと前記犠牲層形成用インクとを重ねて吐出するよう制御されていることを特徴とする三次元造形物製造装置。 - 請求項1ないし12のいずれか1項に記載の三次元造形物の方法を用いて製造されたものであることを特徴とする三次元造形物。
- 請求項13に記載の三次元造形物製造装置を用いて製造されたものであることを特徴とする三次元造形物。
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