JP2016037041A - 立体造形用粉末材料、立体造形材料セット、及び立体造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の芯材が水溶性樹脂により固定化された粒子を含む。
本発明の立体造形用粉末材料は、複数の芯材が水溶性樹脂により固定化された粒子を含み、更に必要に応じてその他の成分を含有し、樹脂により結着した所定形状の粉末材料層を複数積層して立体物を造形する立体造形に用いられる。
前記芯材としては、粉末乃至粒子の形態を有する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、その材質としては、例えば、金属、セラミックス(ガラスを含む)、カーボン、ポリマー、木材、生体親和材料、などが挙げられるが、高強度な立体造形物を得る観点からは、最終的に焼結処理が可能な金属、セラミックスなどが好ましい。
前記ステンレス(SUS)鋼としては、例えば、SUS304、SUS316、SUS317、SUS329、SUS410、SUS430、SUS440、SUS630などが挙げられる。
前記ステンレス鋼としては、これらの材料で形成された市販品の粒子乃至粉末を使用することができ、例えば、SUS316L(山陽特殊製鋼株式会社製、PSS316L)などが挙げられる。
前記金属酸化物としては、例えば、シリカ(SiO2)、オルトケイ酸(H4SiO4)、メタケイ酸(H2SiO3)、メタ二ケイ酸(H2Si2O5)等の珪酸、酸化ホウ素(B2O3/B2O5)、リン酸(P2O5)、酸化ビスマス(Bi2O3)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、二酸化テルル(TeO2)、五酸化バナジウム(V2O5)、酸化アンチモン(Sb2O5)、酸化イットリウム(Y2O3)、二酸化ゲルマニウム(GeO2)、一酸化鉛(PbO)、酸化銅(II)(CuO)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ガラス転移現象を示す非晶質な無機物質としては、例えば、ガラスなどが挙げられる。
前記セラミックスの中でも、ジルコニア、ガラスが好ましい。
更に、前記セラミックスに所望の機能を付与するため、圧縮、熱処理、急冷、着色、金属膜の被覆等の処理を行うこともできる。
前記ポリマーとしては、例えば、水に不溶な公知の樹脂などが挙げられる。
前記生体親和材料としては、例えば、ポリ乳酸、リン酸カルシウムなどが挙げられる。
前記数平均粒子径が、1μm以上であると、立体造形物の製造効率が良好であり、取扱性やハンドリング性に優れるという利点があり、10μm以下であると、複数の芯材が水溶性樹脂により結着してなる立体造形用粉末材料のサイズが適切であり、かつ、粒度分布が狭いので、立体造形物の表面粗さが小さくなり、かつ、内部の空隙が小さいので、焼結する場合の接点数が多くなり、充分な焼結体強度が得られる。
前記芯材の数平均粒子径は、公知の粒径測定装置、例えば、マイクロトラックHRA(日機装株式会社製)、などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。
前記芯材の粒度分布としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができる。
前記芯材の外形、表面積、円形度、流動性、濡れ性等については、目的に応じて適宜選択することができる。
前記水溶性樹脂としては、水に溶解可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
本発明において、前記水溶性樹脂の水溶性は、例えば、30℃の水100gに前記水溶性樹脂を1g混合して撹拌したとき、その90質量%以上が溶解するものを意味する。
また、前記水溶性樹脂としては、その4質量%(w/w%)水溶液の20℃における粘度が、40mPa・s以下が好ましく、1mPa・s以上35mPa・s以下がより好ましく、5mPa・s以上30mPa・s以下が更に好ましい。
前記粘度が、40mPa・s以下であると、前記立体造形用粉末材料に水系液体を付与した際に、複数の芯材粒子が崩壊し、流動することにより空隙を埋めることが可能となる。更に、立体造形用粉末材料(層)による硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)の強度が充分であり、その後の焼結等の処理乃至取扱い時に型崩れ等の問題が生じないという利点がある。また、前記立体造形用粉末材料に水系液体を付与して形成した立体造形用粉末材料(層)による硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)の寸法精度が良好である。
前記粘度は、例えば、JIS K7117に準拠して測定することができる。
前記水溶性樹脂の重合度は、前記水溶性樹脂がポリビニルアルコール樹脂である場合には、ビニルアルコールの重合度を意味する。前記水溶性樹脂の重合度は、前記水溶性樹脂がブタンジオール−ビニルアルコール共重合体である場合には、ブタンジオールの重合度とビニルアルコールの重合度の合計を意味する。前記水溶性樹脂の重合度は、前記水溶性樹脂がデンプンである場合には、グルコースの重合度を意味する。前記水溶性樹脂の重合度は、前記水溶性樹脂がポリアクリル酸ナトリウムである場合には、アクリル酸の重合度を意味する。前記水溶性樹脂の重合度は、前記水溶性樹脂がカルボキシメチルセルロースナトリウムである場合には、グルコースの重合度を意味する。前記水溶性樹脂がゼラチンである場合には、アミノ酸の重合度を意味する。
前記水溶性樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール樹脂、変性ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース樹脂、デンプン、ゼラチン、ビニル樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレングリコール、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリビニルアルコール樹脂、変性ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース樹脂、デンプン、ゼラチン、ポリエチレングリコールが好ましく、ポリビニルアルコール樹脂がより好ましい。
これらは、前記水溶性を示す限りにおいて、ホモポリマー(単独重合体)であってもよいし、ヘテロポリマー(共重合体)であってもよく、また、変性されていてもよいし、公知の官能基が導入されていてもよく、また塩の形態であってもよい。
したがって、例えば、前記ポリビニルアルコール樹脂であれば、ポリビニルアルコールであってもよいし、アセトアセチル基、アセチル基、シリコーン等による変性ポリビニルアルコール(アセトアセチル基変性ポリビニルアルコール、アセチル基変性ポリビニルアルコール、シリコーン変性ポリビニルアルコールなど)であってもよく、また、ブタンジオール・ビニルアルコール共重合体等であってもよい。また、前記ポリアクリル酸樹脂であれば、ポリアクリル酸であってもよいし、ポリアクリル酸ナトリウム等の塩であってもよい。前記セルロース樹脂であれば、例えば、セルロースであってもよいし、カルボキシメチルセルロース(CMC)等であってもよい。また、前記アクリル樹脂であれば、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリル酸・無水マレイン酸共重合体などであってもよい。
前記水溶性プレポリマーとしては、例えば、止水剤等に含まれる接着性の水溶性イソシアネートプレポリマー、などが挙げられる。
前記市販品としては、例えば、ポリビニルアルコール(株式会社クラレ製、PVA−205C、PVA−220C)、ポリアクリル酸(東亞合成株式会社製、ジュリマーAC−10)、ポリアクリル酸ナトリウム(東亞合成株式会社製、ジュリマーAC−103P)、アセトアセチル基変性ポリビニルアルコール(日本合成化学工業株式会社製、ゴーセネックスZ−300、ゴーセネックスZ−100、ゴーセネックスZ−200、ゴーセネックスZ−205、ゴーセネックスZ−210、ゴーセネックスZ−220)、カルボキシ基変性ポリビニルアルコール(日本合成化学工業株式会社製、ゴーセネックスT−330、ゴーセネックスT-350、ゴーセネックスT-330T)、ブタンジオール・ビニルアルコール共重合体(日本合成化学工業株式会社製、ニチゴーG−ポリマーOKS−8041)、カルボキシメチルセルロース(第一工業株式会社製、セロゲン5A)、デンプン(三和澱粉工業株式会社製、ハイスタードPSS−5)、ゼラチン(新田ゼラチン株式会社製、ビーマトリックスゼラチン)などが挙げられる。
前記立体造形用粉末材料の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記水溶性樹脂を前記基材上に公知の被覆方法に従って被覆する方法などが好適に挙げられる。
前記芯材を凝集し前記水溶性樹脂で結着する方法としては、特に制限はなく、公知の方法を適宜採用することができ、かかる凝集体形成方法としては、例えば、転動流動コーティング法、スプレードライ法、撹拌混合添加法、ディッピング法、ニーダーコート法、などが挙げられる。また、これらの被覆方法は、公知の市販の各種コーティング装置、造粒装置などを用いて実施することができる。
これらの中でも、噴霧造粒法や特開2011−212668号公報に記載の粒子の製造方法(精密噴射造粒法)において前記芯材と前記水溶性樹脂を噴霧、造粒することで、非常に均一な粒子が製造可能となり、立体造形用粉末材料の粒子制御性が飛躍的に向上する。
前記立体造形用粉末材料の数平均粒子径Dnとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、15μm以上50μm以下が好ましく、15μm以上30μm以下がより好ましい。
前記数平均粒子径Dnが、15μm以上であると、立体造形物の製造効率が良好であり、取扱性やハンドリング性に優れるという利点があり、50μm以下であると、前記立体造形用粉末材料を用いて薄層を形成した際に、該薄層における前記立体造形用粉末材料の充填率が良好であり、空隙が生じにくいので、充分な強度の立体造形物が得られる。
前記立体造形用粉末材料の数平均粒子径Dn及び粒度分布Dv/Dnは、公知の粒径測定装置、例えば、マイクロトラックHRA MT−3300EXII(日機装株式会社製)、マルチサイザーIII(コールターカウンター社製)、FPIA−3000(シスメックス株式会社製)などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。
前記安息角が40度以下であると、立体造形用粉末材料を支持体上の所望の場所に効率よく安定に配置することができるという利点がある。
なお、前記安息角は、例えば、粉体特性測定装置(パウダテスタPT−N型、ホソカワミクロン株式会社製)などを用いて測定することができる。
前記立体造形用粉末材料は、前記立体造形用粉末材料に前記水系液体を付与するだけで、複雑な立体形状を有する立体造形物を簡便かつ効率よくしかも寸法精度良く製造することができる。こうして得られた立体造形物は、充分な硬度を有する。
前記立体造形物は、硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)であり、手で持ったり、型に出し入れしたり、エアーブロー処理を行って余分な前記立体造形用粉末材料を除去したりしても、型崩れを生じることがなく、取扱性、ハンドリング性に優れる。前記硬化物は、そのまま使用してもよいし、焼結用硬化物として更に焼結処理を施して成形体としてもよい。そして、前記焼結処理を施した場合において、焼結後の該成形体において不要な空隙等が生じることがなく、美麗な外観の成形体が容易に得られる。
本発明の立体造形材料セットは、本発明の前記立体造形用粉末材料と、水系液体とを備え、更に必要に応じてその他の成分等を備えている。
前記水系液体は、水性媒体、及び架橋剤を少なくとも含有し、水溶性有機溶剤及び界面活性剤を含有することが好ましく、更に必要に応じてその他の成分を含有してなる。
前記水性媒体としては、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン、などが挙げられる。なお、前記水性媒体は、前記水が前記アルコール等の水以外の成分を含有する有機溶剤であってもよい。
前記架橋剤としては、前記水溶性樹脂を架橋可能な性質を有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属塩、金属錯体、有機ジルコニウム化合物、有機チタン化合物、キレート剤などが挙げられる。
前記有機ジルコニウム化合物としては、例えば、酸塩化ジルコニウム、炭酸ジルコニウムアンモニウム、乳酸ジルコニウムアンモニウムなどが挙げられる。
前記有機チタン化合物としては、例えば、チタンアシレート、チタンアルコキシドなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、金属塩がより好適である。
前記金属塩としては、市販品を使用することができ、該市販品としては、例えば、オキシ塩化ジルコニウム八水和物(第一稀元素化学工業株式会社製、酸塩化ジルコニウム)、水酸化アルミニウム(和光純薬工業株式会社製)、水酸化マグネシウム(和光純薬工業株式会社製)、チタンラクテートアンモニウム塩(マツモトファインケミカル株式会社製、オルガチックスTC−300)、ジルコニウムラクテートアンモニウム塩(マツモトファインケミカル株式会社製、オルガチックスZC−300)、塩基性酢酸アルミニウム(和光純薬工業株式会社製)、ビスビニルスルホン化合物(富士ファインケミカル株式会社製、VS−B(K−FJC))、炭酸ジルコニウムアンモニウム塩(第一稀元素化学工業株式会社製、ジルコゾールAC−20)、チタントリエタノールアミネート(マツモトファインケミカル株式会社製、オルガチックスTC−400)、グリオキシル酸塩(Safelink SPM−01、日本合成化学工業株式会社製)、アジピン酸ジヒドラジド(大塚化学株式会社製)などが挙げられる。前記金属塩における金属の価数が2以上であると、架橋強度を向上させることができ、得られる前記立体造形物(焼結用硬化物)が良好な強度を有する点で好ましい。
前記濃度が、0.1質量%以上であると、前記立体造形用粉末材料に前記水系液体を付与して形成した立体造形用粉末材料(層)による硬化物(立体造形物)の強度が充分であり、50質量%以下であると、前記立体造形用粉末材料に前記水系液体を付与して形成した立体造形用粉末材料(層)による硬化物(立体造形物)の寸法精度が良好である。
前記水溶性有機溶剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、1,2,6−ヘキサントリオール、1,2−ブタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、2,3−ブタンジオール、2,4−ペンタンジオール、2,5−ヘキサンジオール、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール、2−ピロリドン、2−メチル−1,3−プロパンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、3−メチル−1,3−ブタンジオール、3−メチル−1,3−ヘキサンジオール、N−メチル−2−ピロリドン、N−メチルピロリジノン、β−ブトキシ−N,N−ジメチルプロピオンアミド、β−メトキシ−N,N−ジメチルプロピオンアミド、γ−ブチロラクトン、ε−カプロラクタム、エチレングリコール、エチレングリコール−n−ブチルエーテル、エチレングリコール−n−プロピルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、エチレングリコールモノ−2−エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、グリセリン、ジエチレングリコール、ジエチレングリコール−n−ヘキシルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジグリセリン、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコール−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、チオジグリコール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコール、トリプロピレングリコール−n−プロピルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、プロピルプロピレンジグリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコール−n−ブチルエーテル、プロピレングリコール−t−ブチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ヘキシレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記界面活性剤としては、例えば、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤、アセチレングリコール系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、シリコーン界面活性剤などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記その他の成分としては、例えば、保存剤、防腐剤、安定化剤、pH調整剤などが挙げられる。
前記その他の成分としては、前記水系液体を付与する手段の種類、使用頻度や量などの諸条件を考慮して適宜選択することができ、例えば、インクジェット法によって前記水系液体を付与する場合には、インクジェットプリンター等におけるノズルヘッドへの目詰り等の影響を考慮して選択することができる。
本発明の立体造形材料セットを用いて立体造形物を製造すると、前記立体造形用粉末材料に前記架橋剤を含有する前記水系液体を作用させるだけで、複雑な立体形状を有する立体造形物を簡便かつ効率良くしかも寸法精度良く製造することができる。こうして得られた立体造形物は、充分な硬度を有する硬化物(立体造形物)であり、手で持ったり、型に出し入れしたり、エアーブロー処理を行って余分な前記立体造形用粉末材料を除去したりしても、型崩れを生じることがなく、取扱性及びハンドリング性に優れる。この硬化物(立体造形物)は、そのまま使用してもよいし、焼結用硬化物として更に焼結処理を施して成形体(立体造形物)としてもよい。そして、前記焼結処理を施した場合において、焼結後の該成形体において不要な空隙等が生じることがなく、美麗な外観の成形体が容易に得られる。
本発明で得られる焼結用硬化物は、上述した本発明の前記立体造形用粉末材料に前記水系液体を付与させて得られた硬化物、であって、焼結を行って成形体を製造するのに用いられる。
本発明の立体造形物の製造方法は、立体造形用粉末材料層形成工程と、硬化物形成工程とを含み、更に必要に応じて焼結工程等のその他の工程を含む。
本発明で用いられる立体造形物製造装置は、立体造形用粉末材料層形成手段と、硬化物形成手段とを有し、更に必要に応じて焼結手段等のその他の手段を有してなる。
前記立体造形用粉末材料層形成工程は、支持体上に、本発明の前記立体造形用粉末材料を用いて立体造形用粉末材料層を形成する工程であり、立体造形用粉末材料層形成手段により好適に実施される。
前記支持体としては、前記立体造形用粉末材料を載置することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、該立体造形用粉末材料の載置面を有する台、特開2000−328106号公報の図1に記載の装置におけるベースプレート、などが挙げられる。
前記支持体の表面、即ち、前記立体造形用粉末材料を載置する載置面としては、例えば、平滑面であってもよいし、粗面であってもよく、また、平面であってもよいし、曲面であってもよいが、前記立体造形用粉末材料における前記水溶性樹脂が水に溶解し、前記架橋剤の作用によって架橋した際に、該水溶性樹脂との親和性が低いことが好ましい。
前記載置面と、溶解し架橋した前記水溶性樹脂との親和性が、芯材と、溶解し架橋した前記水系液体との親和性よりも低いと、得られた立体造形物(焼結用硬化物)を該載置面から取り外すことが容易である点で好ましい。
前記立体造形用粉末材料を前記支持体上に載置させる方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、薄層に載置させる方法としては、特許第3607300号公報に記載の選択的レーザー焼結方法に用いられる、公知のカウンター回転機構(カウンターローラー)などを用いる方法、前記立体造形用粉末材料をブラシやローラやブレード等の部材を用いて薄層に拡げる方法、前記立体造形用粉末材料の表面を押圧部材を用いて押圧して薄層に拡げる方法、公知の立体造形物製造装置を用いる方法、などが好適に挙げられる。
ここで得られた薄層の硬化物上に、上記と同様にして、前記立体造形用粉末材料を薄層に載置させ、この薄層に載置された該立体造形用粉末材料(層)に対し、前記架橋剤を含有する水系液体を作用させると、硬化(該立体造形用粉末材料における前記水溶性樹脂を溶解し架橋)が生ずる。このときの硬化は、該薄層に載置された前記立体造形用粉末材料(層)においてのみならず、その下に存在する、先に硬化して得られた前記薄層の硬化物との間でも生ずる。その結果、前記薄層に載置された前記立体造形用粉末材料(層)の約2層分の厚みを有する硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)が得られる。
前記厚みが、30μm以上であると、前記立体造形用粉末材料に前記水系液体を付与して形成した立体造形用粉末材料(層)による硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)の強度が充分であり、500μm以下であると、前記立体造形用粉末材料に前記水系液体を付与して形成した立体造形用粉末材料(層)による硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)の寸法精度が良好である。
なお、前記平均厚みは、特に制限はなく、公知の方法に従って測定することができる。
前記硬化物形成工程は、前記立体造形用粉末材料層の所定領域に、前記水系液体を付与し、前記立体造形用粉末材料層の硬化物を形成する工程であり、硬化物形成手段により好適に実施される。
これらの中でも、前記ディスペンサ方式は、液滴の定量性に優れるが、塗布面積が狭くなり、前記スプレー方式は、簡便に微細な吐出物を形成でき、塗布面積が広く、塗布性に優れるが、液滴の定量性が悪く、スプレー流による粉末の飛散が発生する。このため、本発明においては、前記インクジェット方式が特に好ましい。前記インクジェット方式は、前記スプレー方式に比べ、液滴の定量性が良好であり、前記ディスペンサ方式に比べ、塗布面積が広くできる利点があり、複雑な立体形状を精度良くかつ効率よく形成し得る点で好ましい。
前記その他の工程としては、例えば、乾燥工程、焼結工程、表面保護処理工程、塗装工程、などが挙げられる。
造形側粉末貯留槽1の上には、前記粉末貯留槽内の立体造形用粉末材料に向けて水系液体4を吐出するインクジェットヘッド5を有し、更に、供給側粉末貯留槽2から造形側粉末貯留槽1に立体造形用粉末材料を供給すると共に、造形側粉末貯留槽1の立体造形用粉末材料(層)表面を均す、均し機構6(以下、リコーターということがある)を有する。
一層分の描画が終了した後、供給側粉末貯留槽2のステージ3を上げ、造形側粉末貯留槽1のステージ3を下げる。その差分の立体造形用粉末材料を、前記均し機構6によって、造形側粉末貯留槽1へと移動させる。
前記新たに形成された立体造形用粉末材料層上に、更に二層目のスライスデータに基づく描画を行い、この一連のプロセスを繰り返して立体造形物を得、図示しない加熱手段で加熱乾燥させることで造形物が得られる。
図2に示す構成の立体造形物製造装置によれば、2つの粉末貯留槽を平面的に並べる図1の構成に比べて、装置をコンパクトにできる。
こうして得られた立体造形物は、充分な強度を有し、寸法精度に優れ、微細な凹凸、曲面なども再現できるので、美的外観にも優れ、高品質であり、各種用途に好適に使用することができる。
本発明の立体造形物は、本発明の前記立体造形物の製造方法により製造される。
前記立体造形物の空隙率は、15%以下であり、10%以下が好ましい。前記空隙率が15%以下であると、空隙が少ない立体造形物(焼結用硬化物)が得られる。
前記空隙率は、例えば、アルキメデス法などにより求めることができる。
前記芯材の数平均粒子径は、粒径測定装置(マイクロトラックHRA、日機装株式会社製)を用いて測定した。
−立体造形用粉末材料1の作製−
まず、数平均粒子径が1.2μmのステンレス鋼(SUS316L)(山陽特殊製鋼株式会社製、PSS316L)30質量部、ポリビニルアルコール(株式会社クラレ製、PVA−205C、重合度1,700、重量平均分子量22,000)0.3質量部、及びイオン交換水70質量部を含む立体造形用粒子液を調製した。
前記立体造形用粒子液の粘度は、回転粘度計(VISCOMATE VM−150III、東機産業株式会社製)用いて25℃の環境下で測定したところ、25℃で3.2mPa・sであった。
次に、特開2011−212668号公報に記載の粒子製造装置を用いて、前記調製した立体造形用粒子液を、ノズル数4、駆動周波数340kHz、風量40L/minの条件で噴射し、液滴を乾燥固化して、サイクロン補集することで、立体造形用粉末材料1を作製した。
得られた前記立体造形用粉末材料1における前記水溶性樹脂の含有量は、前記芯材に対して、2体積%であった。
ここで、前記水溶性樹脂の含有量(体積%)は、示差熱式熱量測定装置(ThermoPlus、リガク株式会社製)を用いて、窒素ガス送風下にて、前記立体造形用粉末材料1を500℃で30分間昇温して水溶性樹脂を熱分解し、揮発させることで芯材の重量を測定し、熱履歴を与える前の粉末の重量との重量差を測定することで重量%を測定した。芯材の材質が変われば密度が異なるため、体積%濃度に換算して記載している。
測定装置として市販の粒径測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA MT−3300EXII)を用い、数平均粒子径Dn、及び体積平均粒子径DvとDnとの比Dv/Dnを求めた。
前記立体造形用粉末材料1の流動性として安息角を市販の安息角測定装置(ホソカワミクロン株式会社製、パウダテスタPT−N型)を用いて測定したところ、35度であった。なお、前記安息角の測定値が大きい程、流動性が悪くなる傾向にある。
水70質量部と、水溶性有機溶剤として3−メチル−1,3−ブタンジオール(東京化成工業株式会社製)30質量部と、架橋剤として炭酸ジルコニウムアンモニウム塩(第一稀元素化学工業株式会社製、ジルコゾールAC−20)2質量部、及び界面活性剤としてエマルゲンLS106(花王株式会社製)0.2質量部とを、ホモミキサーを用いて30分間分散させて、水系液体1を調製した。
得られた立体造形物1に対し、エアーブローにより余分な前記立体造形用粉末材料1を除去したところ、型崩れを生ずることはなかった。立体造形物1は強度、寸法精度に優れていた。
前記空隙率は、アルキメデス法(メトラートレド社製、MS403S/02、密度測定用キット0.1mg、1mg天秤用)を用いて、立体造形物の空気中及び水中での質量の相関関係から算出した。
上記と同じ条件で、幅10mm×長さ60mm×厚み3mmの大きさの試験サンプルを作製した。この試験サンプルを株式会社島津製作所製のオートグラフAGS−Jと3点曲げ試験治具を用い、図3に示すように試験サンプルの中心点を厚み方向に図3中矢印方向に押し込む3点曲げ試験を実施し、3点曲げ応力(MPa)を測定し、下記基準で評価した。なお、支点間の距離は24mmであった。
[評価基準]
◎:8.0MPa以上
○:5.0MPa以上8.0MPa未満
△:3.0MPa以上5.0MPa未満
×:3.0MPa未満
◎:立体造形物の表面が滑らかで美麗であり、反りも生じていない状態
○:立体造形物の表面状態は良好であるが、僅かに反りが生じている状態
△:立体造形物の表面に若干の歪みと凹凸が生じている状態
×:立体造形物の表面に歪みが生じており、表面を観察すると、前記芯材と前記水溶性樹脂との偏在が認められる状態
実施例1において、芯材をステンレス鋼(SUS316L)(PSS316L、数平均粒子径4.7μm、山陽特殊製鋼株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、立体造形物2を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例1において、芯材をステンレス鋼(SUS316L)(PSS316L、数平均粒子径9.5μm、山陽特殊製鋼株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、立体造形物3を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をアセトアセチル基変性ポリビニルアルコール(日本合成化学工業株式会社製、ゴーセネックス Z100、重合度500)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物4を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をポリビニルアルコール(株式会社クラレ製、商品番号:1,100、重合度200)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物5を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をアセトアセチル基変性ポリビニルアルコール(日本合成化学工業株式会社製、ゴーセネックス Z200、重合度1,000)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物6を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をブタンジオール・ビニルアルコール共重合体(ニチゴー G−ポリマー OKS−8041、重合度500、日本合成化学工業株式会社製)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物7を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、前記立体造形用粉末材料における水溶性樹脂の含有量を0.5体積%に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物8を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、前記立体造形用粉末材料における水溶性樹脂の含有量を8体積%に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物9を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、前記立体造形用粉末材料における水溶性樹脂の含有量を15体積%に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物10を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例1において、芯材をZrO2(東ソー株式会社製、TZ−B53、数平均粒子径2.4μm)に変更した以外は、実施例1と同様にして、立体造形物11を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をポリアクリル酸ナトリウム(ジュリマーAC−10LHP、東亜合成株式会社製、重合度1,700)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物12を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をデンプン(ハイスタードPSS0−5、重合度1,700、三和澱粉工業株式会社製)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物13を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をカルボキシメチルセルロースナトリウム(セロゲン5A、重合度1,700、第一工業製薬株式会社製)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物14を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をゼラチン(ビーマトリックスゼラチン、重合度1,700、新田ゼラチン株式会社製)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物15を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2において、水溶性樹脂をポリエチレングリコール(PEG−1000、和光純薬工業株式会社製、重合度4,000)に変更した以外は、実施例2と同様にして、立体造形物16を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例1において、前記立体造形用粒子液を、スプレードライヤー(装置名:ADL311−A、ヤマト科学株式会社製)を用いて、造粒した以外は、実施例1と同様にして、立体造形用粉末材料17を作製した。なお、スプレードライ法の詳細については、特開2008−304901号公報に記載されている。
得られた前記立体造形用粉末材料17における前記水溶性樹脂の含有量は、前記芯材に対して、2体積%であった。
得られた立体造形用粉末材料17について、実施例1と同様にして測定した、数平均粒子径Dnは28μm、粒度分布Dv/Dnは1.4、安息角は37度であった。
次に、得られた前記立体造形用粉末材料17と、前記水系液体1とを用いて、実施例1と同様にして、立体造形物17を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例17において、芯材をガラスビーズ(ユニチカ株式会社製、SPL−30、数平均粒子径28.8μm)に変更した以外は、実施例17と同様にして、立体造形物18を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例17において、芯材をガラスビーズ(ユニチカ株式会社製、SPM−30、数平均粒子径28.3μm)に変更した以外は、実施例17と同様にして、立体造形物19を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例17において、芯材をマイクロガラスビーズ(ポッターズ・バロティーニ株式会社製、EMB−10、数平均粒子径4.5μm)に変更した以外は、実施例17と同様にして、立体造形物20を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例3において、前記立体造形用粉末材料における水溶性樹脂被覆工法として、転動流動槽を用いて、芯材に対して均一にコーティングし、単一の芯材に均一な薄膜を形成した以外は、実施例3と同様にして、立体造形物21を製造し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
表2の結果から、単一の芯材に均一にコーティングした粒子は、積層された際の立体造形物の空隙率には大きな変動はなかった。
<1> 樹脂により結着した所定形状の粉末材料層を複数積層して立体物を造形する立体造形に用いる粉末材料であって、
複数の芯材が水溶性樹脂により固定化された粒子を含むことを特徴とする立体造形用粉末材料である。
<2> 前記立体造形用粉末材料の数平均粒子径Dnが、15μm以上50μm以下であり、
前記数平均粒子径Dnと前記立体造形用粉末材料の体積平均粒子径Dvとの比(Dv/Dn)が、1.4以下である前記<1>に記載の立体造形用粉末材料である。
<3> 前記芯材の数平均粒子径が、1μm以上10μm以下である前記<1>から<2>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<4> 前記水溶性樹脂の含有量が、前記芯材に対して0.5体積%以上15体積%以下である前記<1>から<3>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<5> 前記水溶性樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂、変性ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース樹脂、デンプン、ゼラチン、及びポリエチレングリコールから選択される少なくとも1種である前記<4>に記載の立体造形用粉末材料である。
<6> 前記水溶性樹脂の重合度が、100以上2,000以下である前記<1>から<5>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<7> 噴射造粒法により製造される前記<1>から<6>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<8> 前記芯材が、金属粒子及びセラミックス粒子の少なくともいずれかである前記<1>から<7>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<9> 前記セラミックス粒子が、ガラスである前記<8>に記載の立体造形用粉末材料である。
<10> 前記<1>から<9>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料と、水系液体とを備えることを特徴とする立体造形材料セットである。
<11> 前記水系液体が、架橋剤を含む前記<10>に記載の立体造形材料セットである。
<12> 支持体上に、前記<1>から<9>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料を用いて立体造形用粉末材料層を形成する立体造形用粉末材料層形成工程と、
前記立体造形用粉末材料層の所定領域に、水系液体を付与し、前記立体造形用粉末材料層の硬化物を形成する硬化物形成工程と、を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法である。
<13> 前記水系液体が、架橋剤を含む前記<12>に記載の立体造形物の製造方法である。
<14> 更に、前記硬化物形成工程で得られた硬化物を焼結する焼結工程を含む前記<12>から<13>のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
<15> 前記硬化物形成工程における水系液体の付与が、インクジェット法により行われる前記<12>から<14>のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
<16> 前記<12>から<15>のいずれかに記載の立体造形物の製造方法により製造された立体造形物であって、
前記立体造形物の空隙率が15%以下であることを特徴とする立体造形物である。
<17> 前記水溶性樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂又は変性ポリビニルアルコール樹脂である前記<4>から<9>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<18> スプレードライ法により製造される前記<9>及び<17>のいずれかに記載の立体造形用粉末材料である。
<19> 前記架橋剤が、金属塩である前記<11>に記載の立体造形材料セットである。
<20> 前記架橋剤が、金属塩である前記<13>に記載の立体造形物の製造方法である。
2 供給側粉末貯留槽
3 ステージ
4 水系液体
5 インクジェットヘッド
6 均し機構
Claims (16)
- 樹脂により結着した所定形状の粉末材料層を複数積層して立体物を造形する立体造形に用いる粉末材料であって、
複数の芯材が水溶性樹脂により固定化された粒子を含むことを特徴とする立体造形用粉末材料。 - 前記立体造形用粉末材料の数平均粒子径Dnが、15μm以上50μm以下であり、
前記数平均粒子径Dnと前記立体造形用粉末材料の体積平均粒子径Dvとの比(Dv/Dn)が、1.4以下である請求項1に記載の立体造形用粉末材料。 - 前記芯材の数平均粒子径が、1μm以上10μm以下である請求項1から2のいずれかに記載の立体造形用粉末材料。
- 前記水溶性樹脂の含有量が、前記芯材に対して0.5体積%以上15体積%以下である請求項1から3のいずれかに記載の立体造形用粉末材料。
- 前記水溶性樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂、変性ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース樹脂、デンプン、ゼラチン、及びポリエチレングリコールから選択される少なくとも1種である請求項4に記載の立体造形用粉末材料。
- 前記水溶性樹脂の重合度が、100以上2,000以下である請求項1から5のいずれかに記載の立体造形用粉末材料。
- 噴射造粒法により製造される請求項1から6のいずれかに記載の立体造形用粉末材料。
- 前記芯材が、金属粒子及びセラミックス粒子の少なくともいずれかである請求項1から7のいずれかに記載の立体造形用粉末材料。
- 前記セラミックス粒子が、ガラスである請求項8に記載の立体造形用粉末材料。
- 請求項1から9のいずれかに記載の立体造形用粉末材料と、水系液体とを備えることを特徴とする立体造形材料セット。
- 前記水系液体が、架橋剤を含む請求項10に記載の立体造形材料セット。
- 支持体上に、請求項1から9のいずれかに記載の立体造形用粉末材料を用いて立体造形用粉末材料層を形成する立体造形用粉末材料層形成工程と、
前記立体造形用粉末材料層の所定領域に、水系液体を付与し、前記立体造形用粉末材料層の硬化物を形成する硬化物形成工程と、を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法。 - 前記水系液体が、架橋剤を含む請求項12に記載の立体造形物の製造方法。
- 更に、前記硬化物形成工程で得られた硬化物を焼結する焼結工程を含む請求項12から13のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
- 前記硬化物形成工程における水系液体の付与が、インクジェット法により行われる請求項12から14のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
- 請求項12から15のいずれかに記載の立体造形物の製造方法により製造された立体造形物であって、
前記立体造形物の空隙率が15%以下であることを特徴とする立体造形物。
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