JP2016040121A - 積層造形用粉末及び積層造形物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑な立体形状の積層造形物を高強度で寸法精度良く製造し得る積層造形用粉末を提供する。【解決手段】第1の結着樹脂及びフィラーを含むコア粒子と、前記コア粒子の表面に存在し、第2の結着樹脂を含むシェルと、からなるコアシェル型粒子を含み、粒径分布Dv/Dnが1.5以下で、かつ下記式で表される平均円形度が0.800以上0.980以下であることを特徴とする積層造形用粉末。平均円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)?100【選択図】なし

Description

本発明は、積層造形用粉末及び積層造形物の製造方法に関する。
3次元CAD等で作成された立体形状データを利用して、実立体を製作する技術を総称してラピッドプロトタイピング技法(Rapid Prototyping)という。前記ラピッドプロトタイピング技法のなかで、高耐熱性粉末を材料とする成形技法を用いると、模型や木型を使わずに鋳型や中子を製作することができるため、極めて迅速な鋳物製造プロセスが実現可能となる。前記ラピッドプロトタイピング技法は、積層造形法とも呼ばれ、物体の断面形状を積層し、3次元物体を創成するものである。また、前記ラピッドプロトタイピング技法の一種であり、材料として粉末を用いる積層法(粉末固着法)が種々提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。
また、「立体カラーコピー方法及び装置」は、試料を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の2次元画像を撮像する試料断面撮像ステップ(A)と、2次元画像から試料の3次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータに変換するデータ処理ステップ(B)と、カラーラピッドプロトタイピング装置を用いて立体カラー模型を製作する立体カラー模型製作ステップ(C)とを有するものである(特許文献6参照)。
また、“Mass production of dental restoration by solid free−form fabrication methods”は、(a)セラミック又は複合材料の層を形成し、(b)その層に結合剤を付加し、(c)前記(a)と前記(b)を多数回繰り返し互いに結合された多数の層を形成して歯の補綴物の形状に成形し、(d)成形した材料を補強して歯の補綴物を製造するものである(特許文献7参照)。
また、“Mass production of shells and models for dental restoration produced by solid free−form fabrication methods”は、(a)デジタルデータを用いて歯の補綴物のシェル形状を準備し、(b)ポリマー材の層を形成し、(c)前記(b)を多数回繰り返し互いに結合された多数の層を形成してデジタルデータに基づくシェル形状を成形するものである(特許文献8参照)。
また、「人工骨成形方法」は、(a)生体用粉末材料及び液体材料を、噴射装置のノズル先端近傍まで異なる流路によって運ぶ工程、(b)前記噴射装置のノズルから、前記生体用粉末材料及び液体材料を固体表面に混合噴射し、前記固体表面に前記生体用粉末材料及び液体材料の混合物を付着させることにより層を形成させる工程、及び(c)前記層にさらに前記生体用粉末材料及び液体材料を混合噴射して前記混合物の付着面の積層を繰り返すことにより、前記層を複数層重層させて骨の三次元構造物を立体形成させる工程、を含むものである(特許文献9参照)。
また、「粉末積層法による人工骨成型方法」においても同様に、水和反応で硬化する粉体骨材を用いて粉末積層させることにより、さらに強度の高い人工骨を成型するものである(特許文献10参照)。しかし、この提案の水和反応による硬化では十分な強度を得ることは難しく、特に大腿骨のような負荷が掛かる部位においての適用は困難である。
なお、前記特許文献9、及び前記特許文献10の「人工骨成型方法」は、インクジェット式粉末積層成型と呼ばれることもある。
従来より、人工骨はステンレス、チタン合金等の金属材料、耐摩耗性のプラスチック等から作られ骨置換術に使われてきた。これらの人工骨は機能不全の関節機能を代行するものであるが、金属材料及び耐摩耗性プラスチックは、磨耗や腐食、膨潤等の経時変化を起こすため、長期間使用することができないという問題点があった。それに代わる材料として、リン酸カルシウムをベースとしたセラミックスが挙げられる。現在、骨形成の足場を提供するものや、それ自体が骨に経時的に吸収されつつ、新生骨の形成を促進し、将来的に骨置換されるものが知られている。
骨形成の足場を提供する骨補填材としては、例えば、ハイドロキシアパタイト等の骨組織との親和性に優れ、骨組識と介在物なしに直接結合するものが多く使用されている。前記骨補填材を骨欠損部に埋入することにより、前記骨補填材を足場として速やかに骨修復が行われるが、ハイドロキシアパタイト単独では骨置換が起きないため、残存したハイドロキシアパタイトが生体内で不具合を生じさせる可能性も考えられる。一方、骨置換される骨補填材は、骨組識に埋入することによって骨組織の造骨作用を促進し、骨修復を容易かつより速やかに行わせることができる。
前記骨置換される骨補填材の材料としては、例えば、リン酸三カルシウム(TCP)が知られている。前記リン酸三カルシウムが骨組織に吸収される度合は、前記リン酸三カルシウムの成形体の形状及び形態に依存する。すなわち、多孔質体は形態的に表面積が大きく、骨組織に吸収されやすく、また食細胞にも貪食されやすい。これに対して、緻密質体は、吸収が非常に遅く、かつ食細胞にも貪食され難い。これら形態による性質の違いを利用し、多孔質部分と緻密質部分を組み合わせることで、所望の生体適合性を発現させることが期待できる(特許文献11参照)。しかし、いずれも負荷が大きい大腿骨に適用できるレベルの強度は有しておらず、また、所望の形状に成型加工するには多くの時間を要するのみならず、特に切削の場合だと内部構造を有した繊細な加工は不可能である。
これら粉末積層造形法は、前記のような繊細加工を行う上では有利ではあるが、セラミックスや炭素繊維のように、通常のレーザーなどでは溶融しないような融点が極めて高い材料を造形する上では工夫が必要である。
本発明は、複雑な立体形状の積層造形物を高強度で寸法精度良く製造し得る積層造形用粉末を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の積層造形用粉末は、第1の結着樹脂及びフィラーを含むコア粒子と、前記コア粒子の表面に存在し、第2の結着樹脂を含むシェルと、からなるコアシェル型粒子を含み、粒径分布Dv/Dnが1.5以下で、かつ下記式で表される平均円形度が0.800以上0.980以下であることを特徴とする。
平均円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)×100
本発明によれば、複雑な立体形状の積層造形物を高強度で寸法精度良く製造し得る積層造形用粉末を提供することができる。
以下、本発明に係る積層造形用粉末及び積層造形物の製造方法について説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
(積層造形用粉末)
本発明の積層層造形用粉末は、第1の結着樹脂及びフィラーを含むコア粒子と、前記コア粒子の表面に存在し、第2の結着樹脂を含むシェルと、からなるコアシェル型粒子を含み、粒径分布Dv/Dnが1.5以下で、かつ下記式で表される平均円形度が0.800以上0.980以下であることを特徴とする。
平均円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)×100
本発明の積層造形用粉末の一例を説明する。第1の結着樹脂(例えばポリエステル樹脂)及びフィラー(例えばリン酸カルシウム、炭素材料)を含むコア粒子を有機溶媒に溶解又は分散させて溶解液乃至分散液を作成し、該溶解液乃至分散液を例えば平均粒径が20〜60nmの第2の結着樹脂(例えばスチレン・アクリル樹脂)を含む水系媒体中に添加して乳化乃至分散させて乳化乃至分散液を作成する。そして、該乳化乃至分散液から有機溶媒を除去し、積層造形用粒子(コアシェル型粒子)を形成した後、積層造形用粒子をイオン交換水で分散させて分散液を作成する。さらに、該分散液を攪拌下で加熱処理して積層造形用粉末が得られる。
上記のようにして得られる積層造形用粉末は、第1の結着樹脂及びフィラーを含むコア粒子の表面に第2の結着樹脂を含むシェルが存在するコアシェル型粒子を含んでいる。なお、前記シェルは、前記コア粒子を被覆していてもよいし、前記コア粒子の表面に付着していてもよい。
<結着樹脂>
前記コアシェル型粒子において、第1の結着樹脂はコア粒子に含まれ、第2の結着樹脂はシェルに含まれる。本発明において、前記第2の結着樹脂は、第1の結着樹脂と非相溶であり、酢酸エチルに対して膨潤することが好ましい。
また、以下に詳述するように、第1の結着樹脂はポリエステル樹脂であることが好ましく、第2の結着樹脂はスチレン・アクリル樹脂であることが好ましい。
<<第1の結着樹脂>>
第1の結着樹脂としては、積層造形時に使用するレーザーを吸収する波長を有していること、乳化性を有していることが好ましく、目的に応じて適宜選択することができるが、中でも特にポリエステル樹脂が好ましい。なお、第1の結着樹脂として、複数の樹脂を組み合せて用いても良い。また、吸収波長においては、例えばCOレーザーを用いる場合は、1000cm−1付近に吸収があることが好ましい。
本発明で用いるポリエステル系樹脂は、下記一般式(1)で表される1種若しくは2種以上のポリオールと、下記一般式(2)で表される1種若しくは2種以上のポリカルボン酸とをポリエステル化したものを用いることができる。
A−(OH)m ・・・一般式(1)
[一般式(1)中、Aは炭素数1〜20のアルキル基、アルキレン基、置換基を有していてもよい芳香族基若しくはヘテロ環芳香族基を表す。mは2〜4の整数を表す。]
B−(COOH)n ・・・一般式(2)
[一般式(2)中、Bは炭素数1〜20のアルキル基、アルキレン基、置換基を有していてもよい芳香族基若しくはヘテロ環芳香族基を表す。nは2〜4の整数を表す。]
上記一般式(1)で表される具体的なポリオールとしては、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、1,2−プロピレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,4−ブテンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ソルビトール、1,2,3,6−ヘキサンテトロール、1,4−ソルビタン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール、1,2,4−ブタントリオール、1,2,5−ペンタントリオール、グリセロール、2−メチルプロパントリオール、2−メチル−1,2,4−ブタントリオール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、1,3,5−トリヒドロキシメチルベンゼン、ビスフェノールA、ビスフェノールA酸化エチレン付加物、ビスフェノールA酸化プロピレン付加物、水素化ビスフェノールA、水素化ビスフェノールA酸化エチレン付加物、水素化ビスフェノールA酸化プロピレン付加物等が挙げられる。
上記一般式(2)で表される具体的なポリカルボン酸としては、マレイン酸、フマール酸、シトラコン酸、イタコン酸、グルタコン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、コハク酸、アジピン酸、セバチン酸、アゼライン酸、マロン酸、n−ドデセニルコハク酸、イソオクチルコハク酸、イソドデセニルコハク酸、n−ドデシルコハク酸、イソドデシルコハク酸、n−オクテニルコハク酸、n−オクチルコハク酸、イソオクテニルコハク酸、イソオクチルコハク酸、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸、2,5,7−ナフタレントリカルボン酸、1,2,4−ナフタレントリカルボン酸、1,2,4−ブタントリカルボン酸、1,2,5−ヘキサントリカルボン酸、1,3−ジカルボキシル−2−メチル−2−メチレンカルボキシプロパン、1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸、テトラ(メチレンカルボキシル)メタン、1,2,7,8−オクタンテトラカルボン酸、ピロメリット酸、エンポール三量体酸等、シクロヘキサンジカルボン酸、シクロヘキセンジカルボン酸、ブタンテトラカルボン酸、ジフェニルスルホンテトラカルボン酸、エチレングリコールビス(トリメリット酸)等が挙げられる。
また、ポリエステル樹脂について、以下の要件を満たすことが好ましい。
ガラス転移温度としては、30〜80℃であることが好ましい。
酸価としては、10〜30mgKOH/gであることが好ましい。
重量平均分子量Mwとしては、4,000〜20,000であることが好ましい。
積層造形用粉末に対する含有量としては、1〜50質量%であることが好ましい。
これらの範囲を満たす場合、バインダーとしての機能を果たすことができる。
また、第1の結着樹脂として、上記ポリエステル樹脂以外にも、例えば、ポリオール等を用いることができる。
<<第2の結着樹脂>>
第2の結着樹脂としては、水系媒体中で水性分散液を形成しうる樹脂であれば、特に制限はなく、公知の樹脂の中から目的に応じて適宜選択することができるが、中でもスチレン・アクリル樹脂が好ましい。
スチレン・アクリル樹脂用の樹脂としては、熱可塑性樹脂であっても熱硬化性樹脂でもよく、例えば、ビニル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ケイ素樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリカーボネート樹脂、などを用いることができる。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、微細な球状の樹脂微粒子の水性分散液が得られやすい点で、ビニル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂及びポリエステル樹脂から選択される少なくとも1種で形成されるのが好ましい。なお、ビニル樹脂は、ビニルモノマーを単独重合又は共重合したポリマーであり、例えば、スチレン−(メタ)アクリル酸エステル樹脂、スチレン−ブタジエン共重合体、(メタ)アクリル酸−アクリル酸エステル重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、スチレン−(メタ)アクリル酸共重合体、などが挙げられる。
スチレン・アクリル樹脂は、アニオン性であることが好ましい。スチレン・アクリル樹脂は、後に述べる製法でアニオン活性剤を用いたり、樹脂中にカルボン酸基、スルホン酸基などのアニオン性基を導入することによっても作成できる。スチレン・アクリル樹脂は粒子状となっていることが好ましく、粒子径としては一次粒子の平均粒子径として20〜60nmが乳化粒子の粒子径と粒子径分布を制御するのに好ましい。より好ましくは30〜50nmの粒子径である。
なお、粒子径はSEM(走査型電子顕微鏡)、TEM(透過型電子顕微鏡)、光散乱法などによって測定できる。好ましくはレーザー散乱測定法による堀場製作所製LA−920によって、測定レンジに入るように適切な濃度に希釈して測定すればよい。粒子径は体積平均径として求められる。
スチレン・アクリル樹脂微粒子は、目的に応じて適宜選択した公知の方法に従って重合させることにより得ることができるが、スチレン・アクリル樹脂微粒子の水性分散液として得ることが好ましい。スチレン・アクリル樹脂微粒子の水性分散液の調製方法としては、例えば、以下の方法が好適に挙げられる。
(1)ビニル樹脂の場合、ビニルモノマーを出発原料として、懸濁重合法、乳化重合法、シード重合法及び分散重合法から選択されるいずれかの重合反応により、直接、スチレン/アクリル樹脂微粒子の水性分散液を製造する方法
(2)ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の重付加ないし縮合系樹脂の場合、前駆体(モノマー、オリゴマー等)又はその溶剤溶液を適当な分散剤の存在下、水性媒体中に分散させた後、加熱、又は硬化剤を添加して硬化させて、スチレン・アクリル樹脂微粒子の水性分散液を製造する方法
(3)ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の重付加ないし縮合系樹脂の場合、前駆体(モノマー、オリゴマー等)又はその溶剤溶液(液体であることが好ましい。加熱により液状化してもよい)中に適当な乳化剤を溶解させた後、水を加えて転相乳化する方法
(4)予め重合反応(付加重合、開環重合、重付加、付加縮合、縮合重合等いずれの重合反応様式であってもよい)により調製した樹脂を機械回転式又はジェット式等の微粉砕機を用いて粉砕し、次いで、分級することによってスチレン・アクリル樹脂微粒子を得た後、適当な分散剤の存在下、水中に分散させる方法
(5)予め重合反応(付加重合、開環重合、重付加、付加縮合、縮合重合等いずれの重合反応様式であってもよい)により調製した樹脂を溶剤に溶解した樹脂溶液を霧状に噴霧することによりスチレン・アクリル樹脂微粒子を得た後、該樹脂微粒子を適当な分散剤の存在下、水中に分散させる方法
(6)予め重合反応(付加重合、開環重合、重付加、付加縮合、縮合重合等いずれの重合反応様式であってもよい)により調製した樹脂を溶剤に溶解した樹脂溶液に貧溶剤を添加するか、又は予め溶剤に加熱溶解した樹脂溶液を冷却することによりスチレン・アクリル樹脂微粒子を析出させ、次に溶剤を除去して樹脂微粒子を得た後、スチレン・アクリル樹脂微粒子を適当な分散剤存在下、水中に分散させる方法
(7)予め重合反応(付加重合、開環重合、重付加、付加縮合、縮合重合等いずれの重合反応様式であってもよい)により調製した樹脂を溶剤に溶解した樹脂溶液を、適当な分散剤存在下、水性媒体中に分散させた後、加熱又は減圧等によって溶剤を除去する方法
(8)予め重合反応(付加重合、開環重合、重付加、付加縮合、縮合重合等いずれの重合反応様式であってもよい)により調製した樹脂を溶剤に溶解した樹脂溶液中に適当な乳化剤を溶解させた後、水を加えて転相乳化する方法
また、スチレン・アクリル樹脂について、以下の要件を満たすことが好ましい。
ガラス転移温度としては、30〜80℃であることが好ましい。
酸価としては、150〜250mgKOH/gであることが好ましい。
重量平均分子量Mwとしては、200,000〜800,000であることが好ましい。
積層造形用粉末に対する含有量としては、0.01〜0.05質量%であることが好ましい。
これらの範囲を満たす場合、前記結着樹脂を粒子化することができる。
また、スチレン・アクリル樹脂の酸価は、ポリエステル樹脂の酸化よりも大きいことが好ましい。
上述したように、第2の結着樹脂は、第1の結着樹脂と非相溶であり酢酸エチルに対して膨潤することが好ましい。酢酸エチルに対する膨潤性の評価の一例について、前記スチレン・アクリル樹脂を例に挙げて以下に説明する。
第2の結着樹脂としてのスチレン・アクリル樹脂について、30mlのアズワン社製スクリューバイヤルにメスピペットでそれぞれ底から20mmになるように添加し、酢酸エチルをメスピペットで10ml入れる。その後、24時間静置させ、白色を有する樹脂微粒子のエマルションが下側に、酢酸エチルが上側に相分離させる。そして、スクリューバイヤルの底からの、白色を有する樹脂微粒子エマルションの高さを観察することで酢酸エチルに対する膨潤性を評価できる。高い膨潤性を有するものは前記高さが高くなる。この場合、前記高さが、20mm以上であると膨潤性が良く好ましく、21mm以上がより好ましい。
また、第2の結着樹脂として、上記スチレン・アクリル樹脂以外にも、例えば、スチレン樹脂等を用いることができる。
<フィラー>
コア粒子に含まれるフィラーとしては、所望の積層造形物(焼結体)を構成しうる材料であればよく、特に限定されないが、無機材料であることが望ましく、積層造形物として、軽量で高強度なものを得る上では炭素材料が望ましく、人工骨を得る上ではリン酸カルシウム系材料が望ましい。これらは複数用いてもよい。
本発明の積層造形用粉末に対する前記フィラーの含有量としては、用途やフィラーの種類に応じて、適宜変更することができる。レーザー照射時に樹脂のロス分を少なくすることができ、寸法精度を向上させる上で、積層造形用粉末に対して30質量%以上であることが好ましく、35質量%以上であることがより好ましく、40質量%以上であることがさらに好ましい。上限は特に限定されないが、60質量%以下であることが好ましい。
また、前記フィラーの体積平均粒径Aは、積層造形用粉末の寸法制度や造粒性の観点から、積層造形用粉末の体積平均粒径Bに対して、A/B<0.8であることが好ましく、特に造粒性を向上させる上ではA/B<0.7がより好ましく、0.6未満がさらに好ましい。下限は特に限定されないが、0.2以上であることが好ましい。なお、体積平均粒径は後述する方法によって求められる。
以下にリン酸カルシウム及び炭素材料の詳細を説明する。
<<リン酸カルシウム>>
前記リン酸カルシウムとしては、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る。
その材質としては、例えば、水酸アパタイト(HAp、ハイドロキシアパタイト)、炭酸アパタイト、フッ化アパタイト、α−リン酸三カルシウム(α−TCP)、β−リン酸三カルシウム(β−TCP)、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム(OCP)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、骨置換される積層造形物を得る観点から、ハイドロキシアパタイト、α−リン酸三カルシウム(α−TCP)、β−リン酸三カルシウム(β−TCP)、リン酸八カルシウム(OCP)が好ましい。
前記リン酸カルシウムとして、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る。前記市販品としては、例えば、太平化学産業社製のα−TCP、β−TCPなどが挙げられる。なお、前記リン酸カルシウムとしては、凝集性を改善する目的等で、公知の表面(改質)処理がされていてもよい。
前記リン酸カルシウム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、水酸アパタイト(HAp)合成で好適に用いられる沈殿法などが挙げられる。
<<炭素材料>>
前記炭素材料としては、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、炭素の含有率が85〜100質量%の範囲内であるのが好ましい。具体的には、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンブラック、フラーレン、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが挙げられる。
これらの中でも、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンが好ましい。
前記炭素材料の形状、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、形状としては、例えば、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブなどが挙げられる。大きさは、第1の結着樹脂(例えばポリエステル樹脂)中に内包する観点から、サブミクロンオーダー以下であることが好ましい。
<その他の成分>
前記積層造形用粉末が含み得る公知のその他の成分としては、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、キレート剤、流動化剤、レベリング剤、焼結助剤などが挙げられる。
前記積層造形用粉末が、前記流動化剤を含むと前記積層造形用粉末による層等を容易にかつ効率よく形成し得る点で好ましい。
前記レベリング剤を含むと前記積層造形用粉末の濡れ性が向上し、ハンドリング等が容易になる点で好ましい。
前記焼結助剤を含むと、得られた硬化物(積層造形物、焼結用硬化物)につき焼結処理を行う場合において、より低温での焼結が可能となる点で好ましい。
−積層造形用粉末の物性等−
前記積層造形用粉末の体積平均粒径Dvは、4.0μm〜10.0μmが好ましく、4.5μm〜7.0μmがより好ましい。前記体積平均粒径Dvが、4.0μm以上であると、粒子間相互作用を抑えることができ、凝集性を抑制することができるため、積層造形物の製造効率を向上させることができる。一方、前記体積平均粒径Dvが10.0μm以下であると、前記積層造形用粉末を用いて薄層を形成した際に、該薄層における該積層造形用粉末の充填率を向上させることができ、空隙を減少させることができ、得られる積層造形物における空隙等を抑制することができる。なお、積層造形用粉末の平均粒子径は、乳化工程における水系媒体の攪拌等の乳化乃至分散条件により調整することができる。
前記積層造形用粉末の体積平均粒径は、公知の粒径測定装置、例えば、マルチサイザーIII(ベックマンコールター社製)やFPIA3000(シスメックス社製)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。
前記積層造形用粉末の体積平均粒径Dvと数平均粒径Dnとの比である粒度分布Dv/Dnは、1.5以下とする必要があり、1.25以下が好ましく、1.15以下がより好ましい。前記粒度分布Dv/Dnが1.5を超えると、粗大粒子が薄い積層造形用粉末層を形成する上でノイズとなる可能性があるのみならず、微細粉も増えてしまい、自己凝集を促進させる恐れもある。
前記積層造形用粉末の粒度分布Dv/Dnは、公知の粒径測定装置、例えば、マルチサイザーIII(ベックマンコールター社製)、FPIA3000(シスメックス社製)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。
前記積層造形用粉末の下記式で表される平均円形度は、0.800以上とする必要があり、0.940〜0.980が好ましく、0.960〜0.970がより好ましい。平均円形度は以下のように定義される。
平均円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)×100
前記平均円形度が、0.800未満であると、積層造形用粉末が凝集しやすくなるのみならず、薄層を形成した際に、該薄層における該積層造形用粉末の充填率が不充分で空隙が生じやすく、得られる積層造形物に空隙等が生じやすくなることがある。
一方、前記平均円形度の上限を0.980以下に抑えると造形後のエアーブローの際、内部に存在する未硬化粉体の除去が容易となる。
前記平均円形度は、公知の円形度測定装置、例えば、FPIA3000(シスメックス社製)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Dv/Dnの値を制御する方法は、特に制限されるものではないが、例えば、分級等を行うことにより制御することができる。
前記平均円形度の値を制御する方法は、特に制限されるものではないが、例えば、分級等を行うことにより制御することができる。
本発明の積層造形用粉末は、各種の成形体、構造体の簡便かつ効率的な製造に好適に用いることができる。
(積層造形物の製造方法及び積層造形物の製造装置)
本発明の積層造形物の製造方法は、本発明の積層造形用粉末を用いて積層造形用粉末層を形成する工程を少なくとも有し、さらに必要に応じてその他の工程を有する。
本発明で用いられる積層造形物の製造装置は、本発明の積層造形用粉末を用いて積層造形用粉末層を形成する手段を少なくとも有し、さらに必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の積層造形物の製造方法は、積層造形物の製造装置を用いて好適に実施することができ、前記積層造形用粉末層を形成する工程は、前記積層造形用粉末層を形成する手段により好適に実施することができ、前記その他の工程は、前記その他の手段により好適に実施することができる。
<積層造形用粉末層を形成する工程及び積層造形用粉末層を形成する手段>
前記積層造形用粉末層を形成する工程は、支持体上に、本発明の積層造形用粉末を用いて所定の厚みの積層造形用粉末層を形成する工程である。
前記積層造形用粉末層を形成する手段は、支持体上に、本発明の積層造形用粉末を用いて所定の厚みの積層造形用粉末層を形成する手段である。
<<支持体>>
前記支持体としては、前記積層造形用粉末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、該積層造形用粉末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、すなわち、前記積層造形用粉末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。
<<積層造形用粉末層の形成>>
積層造形用粉末を支持体上に配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。例えば、薄層に配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、前記積層造形用粉末をブラシ、ローラ、ブレード等の部材を用いて薄層に拡げる方法、前記積層造形用粉末の表面を押圧部材を用いて押圧して薄層に拡げる方法、公知の粉末積層装置を用いる方法などが好適に挙げられる。
前記カウンター回転機構(カウンターローラー)、前記ブラシ乃至ブレード、前記押圧部材などを用いて、前記支持体上に前記積層造形用粉末を薄層に載置させるには、例えば、以下のようにして行うことができる。
公知の外枠(「型」、「中空シリンダー」、「筒状構造体」などと称されることもある)内に、該外枠の内壁に摺動しながら昇降可能に配置された前記支持体上に前記積層造形用粉末を、前記カウンター回転機構(カウンターローラー)、前記ブラシ、ローラ又はブレード、前記押圧部材などを用いて載置させる。このとき、前記支持体として、前記外枠内を昇降可能なものを用いる場合には、上記の図1に示す支持体を前記外枠の上端開口部よりも少しだけ下方の位置に配置する。すなわち前記積層造形用粉末層の厚み分だけ下方に位置させておき、前記支持体上に前記積層造形用粉末を載置させる。以上により、前記積層造形用粉末を前記支持体上に薄層に載置させることができる。
<<積層造形用粉末層を焼結させる工程及び積層造形用粉末層を焼結させる手段>>
本発明の積層造形物の製造方法において、上記のようにして薄層に載置させた前記積層造形用粉末層に対し、レーザー照射又は電子線照射を行い、積層造形用粉末層を焼結させる工程を有することが好ましい。
前記積層造形用粉末層にレーザーや電子線を作用させると硬化が生ずる。ここで、得られた薄層の硬化物(便宜上「下層」と称する)上に、上記と同様にして、前記積層造形用粉末を薄層に載置させる(便宜上「上層」と称する)。この薄層に載置された積層造形用粉末層(上層)に対し、前記レーザーや電子線を作用させると上層の硬化が生ずる。このときの上層の硬化は、上層においてのみならず、その下の下層との間でも生ずる。その結果、上層及び下層の約2層分の厚みを有する硬化物(積層造形物)が得られる。
また、前記積層造形用粉末を前記支持体上に薄層に載置させるには、前記公知の粉末積層装置を用いて自動的にかつ簡便に行うこともできる。前記粉末積層装置は、一般に、前記積層造形用粉末を積層するためのリコーターと、前記積層造形用粉末を前記支持体上に供給するための可動式供給槽と、前記積層造形用粉末を薄層に載置し、積層するための可動式成形槽とを備える。
前記粉末積層装置においては、前記供給槽を上昇させるか、前記成形槽を下降させるか、又はその両方によって、常に前記供給槽の表面は前記成形槽の表面よりもわずかに上昇させることができる。また、前記供給槽側から前記リコーターを用いて前記積層造形用粉末を薄層に配置させることができ、前記リコーターを繰り返し移動させることにより、薄層の前記積層造形用粉末を積層させることができる。
前記積層造形用粉末層の厚みとしては、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、一層当たりの平均厚みで、3μm〜200μmが好ましく、10μm〜100μmがより好ましい。前記平均厚みが3μm以上であると、積層造形物が得られるまでに要する時間を短縮することができ、焼結等の処理乃至取扱い時に型崩れ等の問題を軽減することができる。一方、200μm以下であると、積層造形物の寸法精度を向上させることができる。なお、前記平均厚みは、公知の方法に従って測定することができる。
−レーザー照射−
前記レーザー照射におけるレーザーとしては、リン酸カルシウムが有する吸収波長領域のレーザー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、COレーザー、Nd−YAGレーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザーなどが挙げられる。
前記レーザー照射の条件としては、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。例えば、小型レーザーを用いる場合、リン酸カルシウムを溶融することができないため、併用する接着剤(ポリエステル)を混在させて、レーザー照射により接着剤を溶融させて造形することが好ましい。その場合、COレーザーを用いることが好ましい。照射条件としては、例えば、レーザー出力15W、波長10.6μm、ビーム径0.4mm程度が好ましい。
−電子線照射−
前記電子線としては、リン酸カルシウムが溶融するエネルギーの電子線を照射すること以外の制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。電子線を照射する際には、前記積層造形用粉末は真空環境下で扱われる必要があるが、積層造形用粉末層を形成する手段は前記と同様である。
前記電子線照射の条件としては、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、出力1,500W、ビーム径0.1mm、真空度1.0×10−5mbar程度が好ましい。
また、形成した硬化物を公知の焼結炉などを用いて焼結してもよい。これにより、前記硬化物を一体化された成形体(積層造形物)とすることができる。
<その他の工程及びその他の手段>
前記その他の工程としては、例えば、表面保護処理工程、塗装工程、などが挙げられる。
前記その他の手段としては、例えば、表面保護処理手段、塗装手段、などが挙げられる。
前記表面保護処理工程は、前記硬化物形成工程、又は焼結工程において形成した造形物に保護層を形成する工程である。前記表面保護処理工程を行うことにより、前記造形物を例えばそのまま使用等することができる程度の耐久性等を該造形物の表面に与えることができる。前記保護層の具体例としては、耐水性層、耐候性層、耐光性層、断熱性層、光沢層、などが挙げられる。前記表面保護処理手段としては、公知の表面保護処理装置、例えば、スプレー装置、コーティング装置などが挙げられる。
前記塗装工程は、前記造形物に塗装を行う工程である。この塗装工程を行うことにより、前記造形物に所望の色に着色させることができる。前記塗装手段としては、公知の塗装装置、例えば、スプレー、ローラ、刷毛等による塗装装置などが挙げられる。
以上の積層造形物の製造方法及び製造装置により、複雑な立体形状の積層造形物を、本発明の前記積層造形用粉末を用いて簡便かつ効率良く、焼結等の前に型崩れが生ずることなく、寸法精度良く製造することができる。こうして得られた積層造形物は、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。
以下、本発明を実施例及び比較例を挙げて説明する。なお、本発明はここに例示される実施例に限定されるものではない。
(調製例1)
<フィラー1の調製>
−α−リン酸三カルシウム(α−TCP)の合成−
市販のパドルを用いて160rpmで攪拌させた0.513mol/dmの水酸化カルシウム懸濁液中に、0.342mol/dmのリン酸水溶液を6mL/minの速度で送液し、アンモニアにてpHを8.7付近で安定化させた。次いで、37℃のインキュベーターにて72時間熟成し、濾過したのち乾燥して粉体を得た。次いで、800℃環境にて1時間焼成したのち、直径3mmのジルコニアビーズを用いてボールミル粉砕した。その際、ボールミル粉砕はGlen Creston Ltd.社製BM−6型ローラーボールミルを用いて実施し、30分間の粉砕化が終了したら、75μmメッシュに通して篩に掛けることで微細粉を得た。次いで、1,400℃にて5時間焼成したのち急冷することで、[フィラー1]としてのα−リン酸三カルシウム(α−TCP)を得た。
調製した前記α−リン酸三カルシウムの結晶相の同定を、X線粉末回折装置(リガク電機社製、RINT1100)を用いて以下の条件で実施したところ、結晶相がαであることがわかった。
[測定条件]
・管球:Cu
・電圧:40kV
・電流:40mA
・開始角度:3°
・終了角度:80°
・スキャンスピード:0.5°/min
[フィラー1]としてのα−リン酸三カルシウムについて、後述する[積層造形用粉末1]の測定と同様の手法により、測定を行った。体積平均粒径Dvは4.7μmであった。
−ポリエステル樹脂の合成−
冷却管、攪拌機及び窒素導入管の付いた反応槽中に、ビスフェノールAエチレンオキサイド2モル付加物67質量部、ビスフェノールAプロピオンオキサイド3モル付加物84質量部、テレフタル酸274質量部、及びジブチルチンオキサイド2質量部を投入し、常圧下、230℃にて8時間反応させた。次いで、該反応液を10〜15mmHgの減圧下にて5時間反応させてポリエステル樹脂を合成した。得られたポリエステル樹脂は、酸価が17mgKOH/g、重量平均分子量(Mw)が5,600、ガラス転移温度(Tg)が50℃であった。
合成したポリエステル樹脂の重量平均分子量MwをGPC(Gel Permeation Chromatography)により以下の条件で測定した。
[測定条件]
・装置:GPC−8020(東ソー社製)
・カラム:TSK G2000HXL及びG4000HXL(東ソー社製)
・温度:40℃
・溶媒:クロロホルム
・流速:1.0mL/分
濃度0.5質量%の試料を1mL注入し、上記の条件で測定したポリマーの分子量分布から単分散ポリスチレン標準試料により作成した分子量校正曲線を使用してポリエステル樹脂の重量平均分子量(Mw)を算出した。なお、分析の際は、ポリエステル樹脂をクロロホルムに0.15質量%濃度で、溶解後0.2μmフィルターで濾過し、その濾液を試料として用いた。
合成したポリエステル樹脂のガラス転移温度Tgを島津製作所製TA−60WS及びDSC−60を用い、次に示す測定条件で測定した。
[測定条件]
・サンプル容器:アルミニウム製サンプルパン(フタあり)
・サンプル量:5mg
・リファレンス:アルミニウム製サンプルパン(アルミナ10mg)
・雰囲気:窒素(流量50ml/min)
・温度条件
開始温度:20℃
昇温速度:10℃/min
終了温度:150℃
保持時間:なし
降温温度:10℃/min
終了温度:20℃
保持時間:なし
昇温速度:10℃/min
終了温度:150℃
測定した結果は前記島津製作所製データ解析ソフト(TA−60、バージョン1.52)を用いて解析を行った。解析方法は2度目の昇温のDSC微分曲線であるDrDSC曲線のもっとも低温側に最大ピークを示す点を中心として±5℃の範囲を指定し、解析ソフトのピーク解析機能を用いてピーク温度を求める。次にDSC曲線で前記ピーク温度+5℃、及び−5℃の範囲で解析ソフトのピーク解析機能を用いて、DSC曲線の最大吸熱温度を求める。ここで示された温度がポリエステル樹脂のガラス転移温度Tgに相当する。
−積層造形用粉末材料の調製−
前記[フィラー1]を40質量部、前記ポリエステル樹脂を60質量部仕込み、二軸混練機PCM−43(池貝社製)を用いて、回転数200rpm、混練温度190℃の条件下で混練することで[積層造形用粉末材料]を得た。原料混合物の上記混練機への原料の供給速度は10kg/h、上記混練機中の平均滞留時間は1分間であった。
−積層造形用粉末相の調製−
ビーカー内に前記[積層造形用粉末材料]100質量部(ポリエステル樹脂60質量部+[フィラー1]40質量部)、酢酸エチル130質量部を、攪拌し溶解させた。次いで、ビーズミル(「ウルトラビスコミル」;アイメックス社製)を用いて、送液速度1kg/hr、ディスク周速度6m/s、及び0.5mmジルコニアビーズを80体積%充填した条件で3パスして[原料溶解液乃至分散液]を調製した。
−スチレン・アクリル樹脂微粒子の調製−
撹拌棒及び温度計をセットした反応容器に、水683部、メタクリル酸エチレンオキサイド付加物硫酸エステルのナトリウム塩(エレミノールRS−30、三洋化成工業社製)16部、スチレン83部、メタクリル酸83部、アクリル酸ブチル110部、過硫酸アンモニウム1部を仕込み、400回転/分で15分間撹拌したところ、白色の乳濁液が得られた。加熱して、系内温度75℃まで昇温し5時間反応させた。さらに、1%過硫酸アンモニウム水溶液30部加え、75℃で5時間熟成してビニル系樹脂(スチレン−メタクリル酸−アクリル酸ブチル−メタクリル酸エチレンオキサイド付加物硫酸エステルのナトリウム塩の共重合体)の水性分散液[スチレン・アクリル樹脂微粒子A分散液]を得た。[スチレン・アクリル樹脂微粒子A分散液]の体積平均粒径(堀場製作所製LA−920で測定)は44nm、酸価は180mgKOH/g、重量平均分子量Mwは500,000、Tgは62℃であった。
次に、攪拌速度を600回転/分に変更して、残りは前記と同様に合成を行い、[スチレン・アクリル樹脂微粒子B分散液]を得た。[スチレン・アクリル樹脂微粒子B分散液]の体積平均粒径(堀場製作所製LA−920で測定)は20nm、酸価は180mgKOH/g、重量平均分子量Mwは500,000、Tgは62℃であった。
次に、攪拌速度を300回転/分に変更して、残りは前記と同様に合成を行い、[スチレン・アクリル樹脂微粒子C分散液]を得た。[スチレン・アクリル樹脂微粒子C分散液]の体積平均粒径(堀場製作所製LA−920で測定)は60nm、酸価は180mgKOH/g、重量平均分子量Mwは500,000、Tgは62℃であった。
−スチレン・アクリル樹脂微粒子の評価−
上記調整したスチレン・アクリル樹脂について、30mlのアズワン社製スクリューバイヤルにメスピペットでそれぞれ底から20mmになるように添加し、酢酸エチルをメスピペットで10ml入れた後、24時間静置したところ、白色を有する樹脂微粒子のエマルションが下側に、酢酸エチルが上側に相分離した。そして、スクリューバイヤルの底からの、白色を有する樹脂微粒子エマルションの高さを観察することで酢酸エチルに対する膨潤性の違いを評価した。高い膨潤性を有するものは前記高さが高くなる。膨潤性の程度は下記のように樹脂微粒子エマルションの高さを観察し判断した。ここで、「膨潤する」とは、○、△と評価されるものをいう。
[膨潤性の評価基準]
○:21mm以上・・・膨潤する
△:20mm以上、21mm未満・・・不十分に膨潤する
×:20mm未満・・・膨潤しない
スチレン・アクリル樹脂微粒子の膨潤性評価結果及び第1の結着樹脂(ここではポリエステル樹脂)との相溶性の評価結果を表1に示す。
Figure 2016040121
<積層造形用粉末1の製造>
−水系媒体相の調製−
水660質量部、[スチレン・アクリル樹脂微粒子A分散液]25質量部、ドデシルジフェニルエーテルジスルホン酸ナトリウムの48.5質量%の水溶液(「エレミノールMON−7」;三洋化成工業社製)25質量部及び酢酸エチル60質量部を混合撹拌し、乳白色の液体(水相)を得た。
−乳化乃至分散液の調製−
前記水系媒体相150質量部を容器に入れ、TK式ホモミキサー(特殊機化工業社製)を用い、回転数12,000rpmで攪拌し、これに前記[原料溶解液乃至分散液]100質量部を添加し、10分間混合して乳化乃至分散液(乳化スラリー)を調製した。
−有機溶媒の除去−
脱気用配管、攪拌機及び温度計をセットしたフラスコに、前記乳化スラリー100質量部を仕込み、攪拌周速20m/分で攪拌しながら30℃にて12時間減圧下、脱溶剤し脱溶剤スラリーとした。
−洗浄−
前記脱溶剤スラリー全量を減圧濾過した後、濾過ケーキにイオン交換水300質量部を添加し、TK式ホモミキサーで混合、再分散(回転数12,000rpmにて10分間)した後濾過した。得られた濾過ケーキにイオン交換水300質量部を添加し、TK式ホモミキサーで混合(回転数12,000rpmにて10分間)した後濾過する操作を3回行い、再分散したスラリーの伝導度が0.1μS/cm以上且つ10μS/cm以下になったところで洗浄スラリーとした。
−乾燥−
得られた濾過ケーキを順風乾燥機にて45℃で48時間乾燥し、目開き75μmメッシュで篩い、[積層造形用粉末1]を得た。[積層造形用粉末1]はコア粒子の表面にシェルが存在するコアシェル型粒子の構造であった。
−積層造形用粉末1の測定−
得られた[積層造形用粉末1]の体積平均粒径(Dv)、個数平均粒径(Dn)は、粒度測定器(「マルチサイザーIII」、ベックマンコールター社製)を用い、アパーチャー径100μmで測定し、解析ソフト(Beckman Coulter Multisizer 3 Version3.51)にて解析を行った。具体的にはガラス製100mlビーカーに10wt%界面活性剤(アルキルベンゼンスフォン酸塩ネオゲンSC−A;第一工業製薬社製)を0.5ml添加し、[積層造形用粉末1]を0.5g添加しミクロスパーテルでかき混ぜ、次いでイオン交換水80mlを添加した。得られた分散液を超音波分散器(W−113MK−II、本多電子社製)で10分間分散処理した。前記分散液を、前記マルチサイザーIIIを用いて、測定用溶液としてアイソトンIII(ベックマンコールター社製)を用いて測定を行った。測定は装置が示す濃度が8±2%になるように[積層造形用粉末1]のサンプル分散液を滴下した。本測定法は粒径の測定再現性の点から前記濃度を8±2%にすることが重要である。この濃度範囲であれば粒径に誤差は生じない。得られた体積平均粒径Dvと個数平均粒径Dnとから粒径分布Dv/Dnを求めた。
得られた[積層造形用粉末1]について、平均円形度は以下のように定義される。
平均円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)×100
平均円形度は、フロー式粒子像分析装置(「FPIA−2100」;シスメックス社製)を用いて計測し、解析ソフト(FPIA−2100 Data Processing Program For FPIA Version00−10)を用いて測定した。
具体的には、ガラス製100mlビーカーに10wt%界面活性剤(アルキルベンゼンスフォン酸塩ネオゲンSC−A;第一工業製薬社製)を0.1〜0.5ml添加し、[積層造形用粉末1]を0.1〜0.5g添加しミクロスパーテルでかき混ぜ、次いでイオン交換水80mlを添加した。得られた分散液を超音波分散器(本多電子社製)で3分間分散処理した。前記分散液を、前記FPIA−2100を用いて濃度を5000〜15000個/μlが得られるまで[積層造形用粉末1]の形状及び分布を測定した。
本測定法は平均円形度の測定再現性の点から前記分散液濃度が5000〜15000個/μlにすることが重要である。前記分散液濃度を得るために前記分散液の条件、すなわち添加する界面活性剤量、[積層造形用粉末1]の量を変更する必要がある。界面活性剤量は前述した[積層造形用粉末1]の粒径の測定と同様に[積層造形用粉末1]の疎水性により必要量が異なり、多く添加すると泡によるノイズが発生し、少ないと[積層造形用粉末1]を十分にぬらすことができないため、分散が不十分となる。
また、[積層造形用粉末1]の添加量は粒径の値により異なり、小粒径の場合は少なく、また大粒径の場合は多くする必要があり、[積層造形用粉末1]の粒径が3〜7μmの場合、[積層造形用粉末1]の量を0.1〜0.5g添加することにより分散液濃度を5000〜15000個/μlにあわせることが可能となる。
測定した結果を表2に示した。
<フィラー2の調製>
−リン酸三カルシウム(β−TCP)の合成−
市販のパドルを用いて160rpmで攪拌させた0.513mol/dmの水酸化カルシウム懸濁液中に、0.342mol/dmのリン酸水溶液を6mL/minの速度で送液し、アンモニアにてpHを8.7付近で安定化させた。次いで、37℃のインキュベーターにて72時間熟成し、濾過したのち乾燥して粉体を得た。次いで、800℃環境にて1時間焼成したのち、直径3mmのジルコニアビーズを用いてボールミル粉砕した。その際、ボールミル粉砕はGlen Creston Ltd.社製BM−6型ローラーボールミルを用いて実施し、30分間の粉砕化が終了したら、75μmメッシュに通して篩に掛けることで微細粉を得た。次いで、1,100℃にて5時間焼成したのち急冷することで、[フィラー2]としてのβ−リン酸三カルシウム(β−TCP)を得た。
得られた[フィラー2]としてのβ−TCPについて、調製例1と同様にして測定したところ、体積平均粒径Dvは5.0μmであった。
<フィラー3の調製>
−リン酸八カルシウム(OCP)の合成−
市販のパドルを用いて160rpmで攪拌させた0.455mol/dmの水酸化カルシウム懸濁液中に、0.342mol/dmのリン酸水溶液を6mL/minの速度で送液し、アンモニアにてpHを8.7付近で安定化させた。次いで、37℃のインキュベーターにて72時間熟成し、濾過したのち乾燥して粉体を得た。次いで、800℃環境にて1時間焼成したのち、直径3mmのジルコニアビーズを用いてボールミル粉砕した。その際、ボールミル粉砕はGlen Creston Ltd.社製BM−6型ローラーボールミルを用いて実施し、30分間の粉砕化が終了したら、75μmメッシュに通して篩に掛けることで微細粉を得た。次いで、1,100℃にて5時間焼成したのち急冷することで、[フィラー3]としてのリン酸八カルシウム(OCP)を得た。
得られた[フィラー3]としてのOCPについて、調製例1と同様にして測定したところ、体積平均粒径Dvは7.0μmであった。
<フィラー4の調製>
−ハイドロキシアパタイト(HAp)の合成−
市販のパドルを用いて160rpmで攪拌させた0.500mol/dmの水酸化カルシウム懸濁液中に、0.300mol/dmのリン酸水溶液を6mL/minの速度で送液し、アンモニアにてpHを8.7付近で安定化させた。次いで、37℃のインキュベーターにて72時間熟成し、濾過したのち乾燥して粉体を得た。次いで、800℃環境にて1時間焼成したのち、直径3mmのジルコニアビーズを用いてボールミル粉砕した。その際、ボールミル粉砕はGlen Creston Ltd.社製BM−6型ローラーボールミルを用いて実施し、30分間の粉砕化が終了したら、75μmメッシュに通して篩に掛けることで微細粉を得た。次いで、1000℃にて5時間焼成することで、[フィラー4]としてのハイドロキシアパタイト(HAp)を得た。
得られた[フィラー4]としてのHApについて、調製例1と同様にして測定したところ、体積平均粒径Dvは5.0μmであった。
(実施例1)
得られた前記[積層造形用粉末1]について、外枠(型)を用いて、積層造形物1を以下のようにして製造した。
(1)まず、前記粉末積層装置(ニイガタ社製、粉体用冶具)を用いて、供給槽から成形槽に前記[積層造形用粉末1]を移送させ、前記支持体上に平均厚みが100μmの積層造形用粉末1による薄層を形成した。
(2)次に、形成した[積層造形用粉末1]による薄層の表面に、COレーザー(SUNX社製、LP−400)を照射し、前記[積層造形用粉末1]を焼結することで、前記リン酸カルシウムを焼結させた。
(3)次に、前記(1)及び前記(2)の操作を所定の3mmの総平均厚みになるまで繰返し、前記[積層造形用粉末1]による薄層を順次積層していき、積層造形物1を製造した。
得られた積層造形物1に対し、エアーブローにより余分な積層造形用粉末を除去したところ、型崩れを生ずることはなかった。得られた積層造形物1は強度、及び寸法精度に優れていた。得られた積層造形物1につき、強度、及び寸法精度を以下の基準にて評価した。結果を下記表2に示した。
<強度(硬度)>
以下の基準で評価した。
×:積層造形用粉末が充分に硬化しておらず、外枠(型)から積層造形物を取り出すことができず、取り出すと所定の形状を維持することができない状態
○:積層造形物につきエアーブローを行っても、不要な積層造形用粉末のみが除去され、積層造形物自体はその形状を維持している状態
<寸法精度>
以下の基準で評価した。
×:得られた積層造形物の表面に歪みが生じており、表面をSEMにより観察すると、積層造形用粉末の偏在が認められる状態
○:得られた積層造形物の表面状態は良好であるが、わずかに反りが生じている状態
◎:得られた積層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
(4)前記(3)で得られた積層造形物1につき、焼結炉内で真空条件、1,300℃で焼結処理を行った。この積層造形物1は完全に一体化されたリン酸カルシウムの構造体であり、硬質の床に叩きつけても破損等が生じなかった。
(実施例2)
実施例1において、[フィラー1]であるα−TCPを[フィラー2]であるβ−TCPに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物2を製造した。得られた積層造形物2につき、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)
実施例1において、[フィラー1]であるα−TCPを[フィラー3]であるOCPに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物3を製造した。得られた積層造形物3につき、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4)
実施例1において、[フィラー1]であるα−TCPを[フィラー4]であるHApに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物4を製造した。得られた積層造形物4につき、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5)
実施例1において、[フィラー1]であるα−TCPをカーボンナノチューブ(保土ヶ谷化学社製:NT−7K)に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物5を製造した。得られた積層造形物5につき、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6)
実施例1において、[フィラー1]であるα−TCPをグラフェンに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物6を製造した。得られた積層造形物6につき、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7)
実施例1において、[フィラー1]であるα−TCPをフラーレンに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物7を製造した。得られた積層造形物7につき、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8)
実施例1において、[フィラー1]の体積平均粒径Dvを4.0μmに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物8を製造した。得られた積層造形物8につき、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9)
実施例1において、[積層造形用粉末1]の体積平均粒径Dvを10.0μmに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物9を製造した。得られた積層造形物9につき、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10)
実施例1において、分級することにより、[積層造形用粉末1]の粒径分布Dv/Dnを1.25に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物10を製造した。得られた積層造形物10につき、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11)
実施例1において、分級することにより、[積層造形用粉末1]の平均円形度を0.940に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物11を製造した。得られた積層造形物11につき、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12)
実施例1において、分級することにより、[積層造形用粉末1]の平均円形度を0.980に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物12を製造した。得られた積層造形物12につき、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13)
実施例1において、ポリエステル樹脂のガラス転移温度Tgを30℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物13を製造した。得られた積層造形物13につき、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14)
実施例1において、ポリエステル樹脂のガラス転移温度Tgを80℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物14を製造した。得られた積層造形物14につき、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15)
実施例1において、ポリエステル樹脂の酸価を10mgKOH/gに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物15を製造した。得られた積層造形物15につき、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16)
実施例1において、ポリエステル樹脂の酸価を30mgKOH/gに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物16を製造した。得られた積層造形物16につき、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)
実施例1において、ポリエステル樹脂の重量平均分子量Mwを4000に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物17を製造した。得られた積層造形物17につき、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18)
実施例1において、ポリエステル樹脂の重量平均分子量Mwを20000に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物18を製造した。得られた積層造形物18につき、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19)
実施例1において、スチレン・アクリル樹脂の酸価を150mgKOH/gに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物19を製造した。得られた積層造形物19につき、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20)
実施例1において、スチレン・アクリル樹脂の酸価を250mgKOH/gに変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物20を製造した。得られた積層造形物20につき、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21)
実施例1の<積層造形用粉末1の製造>において、体積平均粒径Dvが44nmの[スチレン・アクリル樹脂微粒子A分散液]を、体積平均粒径Dvが20nmの[スチレン・アクリル樹脂微粒子B分散液]に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物21を製造した。得られた積層造形物21につき、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22)
実施例1の<積層造形用粉末1の製造>において、体積平均粒径Dvが44nmの[スチレン・アクリル樹脂微粒子A分散液]を、体積平均粒径Dvが60nmの[スチレン・アクリル樹脂微粒子C分散液]に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物22を製造した。得られた積層造形物21につき、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23)
実施例1において、スチレン・アクリル樹脂の重量平均分子量Mwを200,000に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物23を製造した。得られた積層造形物23につき、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24)
実施例1において、スチレン・アクリル樹脂の重量平均分子量Mwを800,000に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物24を製造した。得られた積層造形物24につき、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25)
実施例1において、スチレン・アクリル樹脂のガラス転移温度Tgを30℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物25を製造した。得られた積層造形物25につき、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26)
実施例1において、スチレン・アクリル樹脂のガラス転移温度Tgを80℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物26を製造した。得られた積層造形物26につき、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27)
実施例1において、レーザー方式による焼結を電子線照射方式(EBM:Electron Beam Melting)による焼結に変えて、積層造形物27を以下のようにして製造した。なお、電子線照射方式は、自作電子線照射装置を用いて行った。また、照射条件としては、出力1,500W、ビーム径0.1mm、真空度1.0×10−5mbar程度とした。
(1)まず、粉末積層装置(ニイガタ社製、粉体用冶具)を用いて、供給槽から成形槽に[積層造形用粉末1]を移送させ、前記支持体上に平均厚みが100μmの[積層造形用粉末1]による薄層を形成した。
(2)次に、形成した[積層造形用粉末1]による薄層の表面に、前記電子線照射し、前記[積層造形用粉末1]を焼結することで、リン酸カルシウムを焼結させた。
(3)次に、前記(1)及び前記(2)の操作を所定の3mmの総平均厚みになるまで繰返し、前記[積層造形用粉末1]による薄層を順次積層していき、積層造形物27を製造した。
得られた積層造形物27に対し、エアーブローにより余分な積層造形用粉末を除去したところ、型崩れを生ずることはなかった。得られた積層造形物27は強度、及び寸法精度に優れていた。得られた積層造形物27につき、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28)
実施例1において、分級することにより、[積層造形用粉末1]の平均円形度を0.857に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物28を製造した。得られた積層造形物28につき、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29)
実施例1において、分級することにより、[積層造形用粉末1]の粒径分布Dv/Dnを1.42に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物29を製造した。得られた積層造形物29につき、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30)
実施例1において、フィラー添加量を30質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物30を製造した。得られた積層造形物30につき、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31)
実施例1において、フィラーの体積平均粒径Aと、該フィラーが含有されている積層造形用粉末の体積平均粒径Bの関係A/Bを0.79に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物31を製造した。得られた積層造形物31につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
(比較例1)
実施例1において、第1の結着樹脂であるポリエステル樹脂をアクリル樹脂に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物32を製造した。得られた積層造形物32につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
なお、比較例1では積層造形用粉末の粒子は形成されず、コアシェル型粒子の構造は得られなかった。
(比較例2)
実施例1において、第2の結着樹脂であるスチレン・アクリル樹脂をアクリル樹脂に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層造形物33を製造した。得られた積層造形物33につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
なお、比較例2では積層造形用粉末の粒子は形成されず、コアシェル型粒子の構造は得られなかった。
(比較例3)
実施例1において、第1の結着樹脂であるポリエステル樹脂を用いなかった以外は、実施例1と同様にして、積層造形物34を製造した。得られた積層造形物34につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
なお、比較例3では積層造形用粉末の粒子は形成されず、コアシェル型粒子の構造は得られなかった。
(比較例4)
実施例1において、第2の結着樹脂であるスチレン・アクリル樹脂を用いなかった以外は、実施例1と同様にして、積層造形物35を製造した。得られた積層造形物35につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
なお、比較例4では積層造形用粉末の粒子は形成されず、コアシェル型粒子の構造は得られなかった。
(比較例5)
実施例1において、第1の結着樹脂であるポリエステル樹脂と、[フィラー1]であるα−リン酸三カルシウムを溶融混練して得られた積層造形用粉末を用いて積層造形物36を製造した。得られた積層造形物36につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
(比較例6)
実施例1の前記粒子化プロセスにおいて、[フィラー1]であるα−リン酸三カルシウムを添加しないで作成したポリエステル樹脂粒子と、α−リン酸三カルシウムを混合して得られた積層造形用粉末を用いて積層造形物37を製造した。得られた積層造形物37につき、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示した。
上記実施例、比較例における処方及び評価結果を表2に示す。
なお、表2中、「CNT」とあるのは、カーボンナノチューブを示し、「PES」とあるのは、ポリエステル樹脂を示し、「Ac」とあるのは、アクリル樹脂を示し、「St/Ac」とあるのは、スチレン・アクリル樹脂を示す。また、フィラーの「添加量」は積層造形用粉末に対する添加量を示す。
Figure 2016040121
米国特許第5204055号公報 米国特許第5902441号公報 米国特許第6375874号公報 特開平9−324203号公報 特開2004−42546号公報 特開2004−69403号公報 米国特許第6322728号公報 米国特許出願公開第2002/0064745号公報 特開2004−202126号公報 特許第4575295号公報 特開平5−31166号公報

Claims (14)

  1. 第1の結着樹脂及びフィラーを含むコア粒子と、前記コア粒子の表面に存在し、第2の結着樹脂を含むシェルと、からなるコアシェル型粒子を含み、
    粒径分布Dv/Dnが1.5以下で、かつ下記式で表される平均円形度が0.800以上0.980以下であることを特徴とする積層造形用粉末。
    平均円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)×100
  2. 前記フィラーは、前記積層造形用粉末に対して30質量%以上含まれることを特徴とする請求項1に記載の積層造形用粉末。
  3. 前記フィラーの体積平均粒径Aと、前記積層造形用粉末の体積平均粒径Bの関係が、A/B<0.8であることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層造形用粉末。
  4. 前記フィラーが、リン酸カルシウム及び炭素材料から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  5. 前記リン酸カルシウムが、ハイドロキシアパタイト、α−リン酸三カルシウム、β−リン酸三カルシウム及びリン酸八カルシウムから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項4に記載の積層造形用粉末。
  6. 前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラフェン及びフラーレンから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項4に記載の積層造形用粉末。
  7. 前記積層造形用粉末の体積平均粒径Dvが、4.0μm以上10.0μm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  8. 前記積層造形用粉末の粒径分布Dv/Dnが、1.25以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  9. 前記積層造形用粉末の平均円形度が、0.940以上0.980以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  10. 前記第2の結着樹脂が、第1の結着樹脂と非相溶であり酢酸エチルに対して膨潤することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  11. 前記第1の結着樹脂が、ポリエステル樹脂であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  12. 前記第2の結着樹脂が、スチレン・アクリル樹脂であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の積層造形用粉末。
  13. 支持体上に、請求項1〜12のいずれかに記載の積層造形用粉末を用いて積層造形物を製造する積層造形物の製造方法であって、
    積層造形用粉末層を形成する工程を少なくとも有することを特徴とする積層造形物の製造方法。
  14. 前記積層造形用粉末層にレーザー照射又は電子線照射を行い、前記積層造形用粉末層を焼結させる工程を有することを特徴とする請求項13に記載の積層造形物の製造方法。
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