JP2016190380A - 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

Abstract

【課題】製造に使用する三次元造形用組成物を節約しつつ、高い寸法精度で三次元造形物を製造することが可能な三次元造形物の製造方法および三次元造形物製造装置を提供すること、および、信頼性の高い三次元造形物を提供すること。
【解決手段】本発明の三次元造形物の製造方法は、層を積層することにより三次元造形物を製造する方法であって、三次元造形用組成物を供給する三次元造形用組成物供給工程と、供給された三次元造形用組成物を、層形成手段により移動させて層を形成する層形成工程と、層に対して結合液を吐出する結合液吐出工程と、を有し、三次元造形用組成物供給工程では、既に形成した層上に三次元造形用組成物を供給し、層形成工程では、層形成手段による三次元造形用組成物の移動方向の下流側に配置され、三次元造形用組成物の移動を制御する規制手段によって、三次元造形用組成物の移動を規制することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、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に関する。

粉体を結合液で固めながら、三次元物体を造形する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、次のような操作を繰り返すことによって三次元物体を造形する。まず、粉体を均一な厚さで薄く敷き詰めて粉体層を形成し、この粉体層の所望部分に結合液を吐出することによって粉体同士を結合させる。この結果、粉体層の中で、結合液が吐出された部分だけが結合して、薄い板状の部材（以下、「断面部材」という）が形成される。その後、その粉体層の上にさらに粉体層を薄く形成し、所望部分に結合液（硬化性インク）を吐出する。その結果、新たに形成された粉体層の結合液が吐出された部分にも、新たな断面部材が形成される。このとき、粉体層上に吐出した結合液が染み込んで、先に形成された断面部材に到達するので、新たに形成された断面部材は先に形成された断面部材にも結合される。このような操作を繰り返して、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層することによって、三次元物体を造形することができる。

このような三次元造形技術は、造形しようとする物体の三次元形状データさえあれば、粉体を結合させて直ちに造形可能であり、造形に先立って金型を作成するなどの必要がないので、迅速にしかも安価に三次元物体を造形することが可能である。また、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層して造形するので、例えば内部構造を有する複雑な物体であっても、複数の部品に分けることなく一体の造形物として形成することが可能である。

しかしながら、従来の粉体を用いた製造方法では、三次元造形物を造形する造形ステージ全体に粉体を供給して層を形成するため、粉体等の材料に無駄が生じていた。

特開２００１−１５０５５６号公報 特開２０１１−２４５７１２号公報

本発明の目的は、製造に使用する三次元造形用組成物を節約しつつ、高い寸法精度で三次元造形物を製造することが可能な三次元造形物の製造方法および三次元造形物製造装置を提供すること、および、信頼性の高い三次元造形物を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の三次元造形物の製造方法は、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、
粒子を含む三次元造形用組成物を供給する三次元造形用組成物供給工程と、
供給された前記三次元造形用組成物を、層形成手段により移動させて前記層を形成する層形成工程と、
前記層に対して前記粒子同士を結合する結合液を吐出する結合液吐出工程と、を有し、
前記三次元造形用組成物供給工程では、既に形成した前記層上に前記三次元造形用組成物を供給し、
前記層形成工程では、前記層形成手段による前記三次元造形用組成物の移動方向の下流側に配置され、前記三次元造形用組成物の移動を制御する規制手段によって、前記三次元造形用組成物の移動を規制することを特徴とする。

これにより、製造に使用する三次元造形用組成物を節約しつつ、高い寸法精度で三次元造形物を製造することができる。

本発明の三次元造形物の製造方法では、前記三次元造形用組成物の粘度は、５００ｍＰａ・ｓ以上２０００００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。
これにより、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。

本発明の三次元造形物の製造方法では、前記三次元造形用組成物は、水系溶媒を含むことが好ましい。
これにより、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。

本発明の三次元造形物の製造方法では、前記三次元造形用組成物供給工程では、直前に形成した前記層の前記結合液を吐出した領域と前記結合液を吐出していない領域の境界より、前記移動方向における上流側に前記三次元造形用組成物を供給することが好ましい。
これにより、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。

本発明の三次元造形物製造装置は、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、
粒子を含む三次元造形用組成物を供給する三次元造形用組成物供給部と、
供給された前記三次元造形用組成物を移動させて前記層を形成する層形成手段と、
前記層形成手段による前記三次元造形用組成物の移動方向の下流側に配置され、前記三次元造形用組成物の移動を制御する規制手段と、
前記層に対して前記粒子同士を結合する結合液を吐出する結合液吐出手段と、を有し、
前記三次元造形用組成物供給部は、既に形成した前記層上に前記三次元造形用組成物を供給することを特徴とする。

これにより、製造に使用する三次元造形用組成物を節約しつつ、高い寸法精度で三次元造形物を製造することができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記規制手段は、前記層が形成される造形ステージの外周の一部に接触するよう設けられていることが好ましい。
これにより、より高い寸法精度で三次元造形物を製造することができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記層形成手段は、スキージであることが好ましい。
これにより、より高い寸法精度で三次元造形物を製造することができる。

本発明の三次元造形物は、本発明の三次元造形物の製造方法により製造されたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い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ことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い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製造方法の好適な実施形態について、各工程を示す模式図である。 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、各工程を示す模式図である。 三次元造形物製造装置の好適な実施形態を上から平面視した平面図である。 図３に示す三次元造形物製造装置の側面図である。

以下、添付する図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細な説明をする。

１．三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、各工程を示す模式図である。

図１、図２に示すように、本実施形態の製造方法は、粒子を含む三次元造形用組成物６を造形ステージ１０２に供給する第１三次元造形用組成物供給工程と、供給された三次元造形用組成物を、層形成手段１２を用いて移動させて層１を形成する第１層形成工程と、インクジェット法により、層１に対して、結合液２を吐出する結合液吐出工程と、層１に吐出した結合液２を硬化させる、結合部４を形成する硬化工程と、結合部４を形成した層１上に三次元造形用組成物を供給する第２三次元造形用組成物供給工程と、層１上に供給された三次元造形用組成物６を、層形成手段１２を用いて移動させて層１を形成する第２層形成工程と、を有し、その後、結合液吐出工程、硬化工程、第２三次元造形用組成物供給工程、第２層形成工程を繰り返し行い、さらに、その後に、各層１を構成する粒子のうち、結合剤により結合していないものを除去する未結合粒子除去工程を有している。

本発明では、結合部４を形成した層１（既に形成した層１）上に三次元造形用組成物を供給する点、および、層形成の際に、層形成手段１２による三次元造形用組成物６の移動方向の下流側に配置された、三次元造形用組成物６の移動を制御する規制手段１０１によって、三次元造形用組成物６の移動を規制する点に特徴を有している。

このような特徴を有することにより、製造する三次元造形物１０００の大きさによって、三次元造形用組成物６の供給位置を調整することができる。その結果、三次元造形物１０００の製造に用いる三次元造形用組成物の量を減らすことができる。さらに、規制手段１０１によって三次元造形用組成物６の移動（流動）が規制されるため、三次元造形用組成物６の移動方向の下流における層１の端部の崩壊や、所定の層厚よりも薄くなってしまうことが抑制される。その結果、寸法精度の高い三次元造形物を得ることができる。

以下、各工程について詳細に説明する。
＜第１三次元造形用組成物供給工程＞
まず、図１（ａ）に示すように、規制手段１０１と造形ステージ１０２とで構成された造形部１０の造形ステージ１０２上に、粒子を含む三次元造形用組成物６を供給する。なお、三次元造形用組成物６については、後に詳述する。

＜第１層形成工程＞
次に、図１（ｂ）に示すように、造形ステージ１０２上に供給した三次元造形用組成物６を、層形成手段１２を用いて、三次元造形用組成物６を移動させて層１を形成する。

図に示すように、三次元造形用組成物６の移動方向の下流側には、三次元造形用組成物６の移動を規制する規制手段１０１が設けられている。

層形成手段１２の移動に伴って形成されていく層１の移動方向の下流側の端部が規制手段１０１に接触した状態で層１の形成が終了する。このように、三次元造形用組成物６の移動方向の下流側の層１の端部が規制手段１０１と接触していることにより、三次元造形用組成物６の移動方向の下流側の層１の端部において、層１が崩壊するのを防止することができる。その結果、寸法精度の高い三次元造形物を得ることができる。また、規制手段１０１近傍にまで三次元造形物を配置造形することができ未結合の領域を狭くすることができる。その結果、後述する未結合粒子除去工程において、三次元造形物１０００の取り出し性を向上することができる。

また、規制手段１０１は、層１が形成される造形ステージ１０２の外周の一部に接触するよう設けられている。これにより、層１をより均一な厚さに形成することができる。また、層１が崩壊するのをより効果的に防止することができる。

本実施形態において、規制手段１０１の上面と、形成する層１上面とは、面一となるように、造形ステージ１０２の位置が調整されている。これにより、均一な厚さの層１をより容易に形成することができる。

本工程で形成される層１の厚さは、特に限定されないが、１０μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、三次元造形物１０００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１０００における不本意な凹凸の発生等をより効果的に防止することができる。

なお、三次元造形用組成物６中に溶媒が含まれている場合には、層１を乾燥させて溶媒の少なくとも一部を除去してもよい。

＜結合液吐出工程＞
次に、インクジェット法により、層１に対し、結合液２を吐出する（図１（ｃ））。

本工程では、層１のうち三次元造形物１０００の実部（実体のある部位）に対応する部位にのみ、選択的に結合液２を付与する。実体のある部位とは、最終的に三次元造形物１０００を構成する部位を意味する。

これにより、層１を構成する粒子同士を結合剤により強固に結合することができ、最終的に得られる三次元造形物１０００の機械的強度を優れたものとすることができる。

本工程では、インクジェット法により結合液２を付与するため、結合液２の付与パターンが微細な形状のものであっても再現性よく結合液２を付与することができる。
なお、結合液２については、後に詳述する。

＜硬化工程＞
その後、層１に付与された結合液を硬化させ、結合部４を形成する（図１（ｃ））。これにより、粒子同士の結合強度を特に優れたものとすることができ、その結果、最終的に得られる三次元造形物１０００の機械的強度を特に優れたものとすることができる。

本工程は、結合液の種類により異なるが、例えば、結合剤が熱硬化性樹脂を含む場合、加熱により行うことができ、結合液が光硬化性樹脂を含む場合、対応する光の照射により行うことができる（例えば、結合液が紫外線硬化性樹脂を含む場合は紫外線の照射により行うことができる）。

なお、吐出工程と硬化工程とは、同時進行的に行ってもよい。すなわち、１つの層１全体のパターン全体が形成される前に、結合液２が付与された部位から順次硬化反応を進行させるものであってもよい。

＜第２三次元造形用組成物供給工程＞
次に、結合部４を形成した層１上に三次元造形用組成物６を供給する（図１（ｄ））。 なお、三次元造形用組成物６に水系溶媒と水溶性樹脂が含まれている場合、直前に結合部４を形成した層１における結合部４と未結合の境界上に三次元造形用組成物６を供給すると、三次元造形用組成物６に含まれる水系溶媒が未結合の領域に浸透しやすく、水溶性樹脂が再溶解して境界の粒子を流動させてしまう。また、スキージ（層形成手段）１２の荷重により、結合部４と未結合の境界にクラックを発生させてしまう虞があった。そのため、直前に結合部４を形成した層１における結合部４と未結合部の境界（結合液２を吐出した領域と結合液２を吐出していない領域の境界）より層形成手段１２の移動方向における上流側に三次元造形用組成物６を供給することが望ましい。但し、三次元造形用組成物６を供給する位置は、直前に結合部４を形成した層１のさらに下層の層１の結合部４と未結合の境界上に位置することになってもよい。

この三次元造形用組成物６の供給位置は、製造する三次元造形物１０００の大きさによって調整することができる。その結果、三次元造形物１０００の製造に用いる三次元造形用組成物６の量を減らすことができ、製造に使用する三次元造形用組成物６を節約することができる。

三次元造形用組成物６は、前述の境界から所定量だけ層形成手段１２の移動方向における上流側に供給することが可能で、この場合は、三次元造形物１０００の製造に用いる三次元造形用組成物６の量を最小限にすることができるし、結合液２を吐出するための制御データから境界を抽出して、所定量シフトするという簡便な方法で三次元造形用組成物６の供給位置を決定できる。この場合の供給位置はＸ軸方向において、境界に沿って異なるＹ座標に供給することになる。

＜第２層形成工程＞
本工程では、図１（ｅ）に示すように、層１上に供給された三次元造形用組成物６を、層形成手段１２を用いて移動させて層１を形成する。

本実施形態では、積層した層１の面積が上に行くほどその面積が小さくなるよう構成されている。これにより、三次元造形物１０００の製造に用いる三次元造形用組成物６の量を効果的に減らすことができ、製造に使用する三次元造形用組成物６をさらに節約することができる。

本工程では、上述した第１層形成工程と同様に、層形成手段１２の移動に伴って形成されていく層１の移動方向の下流側の端部が規制手段１０１に接触した状態で層１の形成が終了する。

その後、上述した結合液吐出工程、硬化工程、第２三次元造形用組成物供給工程、第２層形成工程、結合液吐出工程、硬化工程を順次行う（図２（ｆ）〜（ｉ）参照）。これにより、前記各層１のうち、結合液２が付与された部位の粒子が結合した状態となり、このような状態の結合部４が複数積層された積層体としての三次元造形物１０００が得られる（図２（ｉ）参照）。

また、２回目以降の吐出工程（図２（ｆ）参照）で層１に付与された結合液２は、当該層１を構成する粒子同士の結合に利用されるとともに、付与された結合液２の一部は、それよりも下の層１に浸透する。このため、結合液２は、各層１内での粒子同士を結合だけでなく、隣接する層間での粒子同士の結合にも利用される。その結果、最終的に得られる三次元造形物１０００は、全体としての機械的強度に優れたものとなる。

＜未結合粒子除去工程＞
そして、前記のような一連の工程を繰り返し行った後に、後処理工程として、各層１を構成する粒子のうち、結合剤により結合していないもの（未結合粒子）を除去する未結合粒子除去工程（図２（ｊ））を行う。これにより、三次元造形物１０００が取り出される。

本実施形態では、積層した層１の面積が上に行くほどその面積が小さくなるよう構成され、三次元造形用組成物６の使用量が少なくなっているため、未結合粒子の除去が容易となっている。

本工程の具体的な方法としては、例えば、刷毛等で未結合粒子を払い除ける方法、未結合粒子を吸引により除去する方法、空気等の気体を吹き付ける方法、水等の液体を付与する方法（例えば、液体中に前記のようにして得られた積層体を浸漬する方法、液体を吹き付ける方法等）、超音波振動等の振動を付与する方法等が挙げられる。また、これらから選択される２種以上の方法を組み合わせて行うことができる。より具体的には、空気等の気体を吹き付けた後に、水等の液体に浸漬する方法や、水等の液体に浸漬した状態で、超音波振動を付与する方法等が挙げられる。中でも、前記のようにして得られた積層体に対し、水を含む液体を付与する方法（特に、水を含む液体中に浸漬する方法）を採用するのが好ましい。これにより、未結合粒子を除去する際に三次元造形物１０００に傷等の欠陥が生じることをより確実に防止することができる。また、このような方法を採用することにより、三次元造形物１０００の洗浄を兼ねて行うことができる。

上述したような製造方法により製造された三次元造形物は、寸法精度が高いものとなっている。

なお、上記説明では、三次元造形用組成物６を、形成すべき層１の１つ下の階層の層１上に供給するものとして説明したが、これに限定されず、三次元造形用組成物６の供給は、既に形成された層１上であれば、いずれであってもよい。

２．三次元造形用組成物
次に、三次元造形用組成物について詳細に説明する。
三次元造形用組成物は、複数の粒子を含むものである。

以下、各成分について詳細に説明する。
≪粒子≫
粒子としては、いかなる粒子を用いることができるが、多孔質の粒子（多孔質粒子）で構成されていることが好ましい。これにより、三次元造形物を製造する際に、結合液を空孔内に好適に侵入させることができ、結果として、機械的強度に優れた三次元造形物の製造に好適に用いることができる。

粒子の構成材料としては、例えば、無機材料や有機材料、これらの複合体等が挙げられる。

粒子を構成する無機材料としては、例えば、各種金属や金属化合物等が挙げられる。金属化合物としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物；水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物；窒化珪素、窒化チタン、窒化アルミ等の各種金属窒化物；炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭化物；硫化亜鉛等の各種金属硫化物；炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩；硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩；ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩；リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩；ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化物等が挙げられる。

粒子を構成する有機材料としては、例えば、合成樹脂、天然高分子等が挙げられ、より具体的には、ポリエチレン樹脂；ポリプロピレン；ポリエチレンオキサイド；ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミン；ポリスチレン；ポリウレタン；ポリウレア；ポリエステル；シリコーン樹脂；アクリルシリコーン樹脂；ポリメタクリル酸メチル等の（メタ）アクリル酸エステルを構成モノマーとする重合体；メタクリル酸メチルクロスポリマー等の（メタ）アクリル酸エステルを構成モノマーとするクロスポリマー（エチレンアクリル酸共重合樹脂等）；ナイロン１２、ナイロン６、共重合ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミド；カルボキシメチルセルロース；ゼラチン；デンプン；キチン；キトサン等が挙げられる。

粒子の平均粒径は、特に限定されないが、１μｍ以上２５μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以上１５μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができるとともに、製造される三次元造形物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、三次元造形用粉末の流動性、三次元造形用粉末を含む三次元造形用組成物の流動性を特に優れたものとし、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。なお、本発明において、平均粒径とは、体積基準の平均粒径を言い、例えば、サンプルをメタノールに添加し、超音波分散器で３分間分散した分散液をコールターカウンター法粒度分布測定器（ＣＯＵＬＴＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＩＮＳ製ＴＡ−ＩＩ型）にて、５０μｍのアパチャーを用いて測定することにより求めることができる。

粒子のＤｍａｘは、３μｍ以上４０μｍ以下であるのが好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができるとともに、製造される三次元造形物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、三次元造形用粉末の流動性、三次元造形用粉末を含む三次元造形用組成物の流動性を特に優れたものとし、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。

三次元造形用組成物中における三次元造形用粉末の含有率は、１０質量％以上９０質量％以下であるのが好ましく、１５質量％以上５８質量％以下であるのがより好ましい。粒子は多孔性であってもよく、かさ密度が概ね０．１ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３の範囲が適当であり、０．１５ｇ／ｃｍ^３〜０．５ｇ／ｃｍ^３の範囲の多孔性粉末がより好ましい。これにより、三次元造形用組成物の流動性を十分に優れたものとしつつ、最終的に得られる三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができる。

≪水系溶媒≫
三次元造形用組成物は、水系溶媒を含んでいてもよい。水系溶媒を含むことにより、三次元造形用組成物の流動性を特に優れたものとし、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。また、水系溶媒を含むことにより、乾燥後において層１の端部の崩壊をより効果的に防止することができる。

三次元造形用組成物を構成する水系溶媒としては、水および／または水との相溶性に優れる液体で構成されたものであるが、主として水で構成されたものであるのが好ましく、特に、水の含有率が７０ｗｔ％以上のものであるのが好ましく、９０ｗｔ％以上のものであるのがより好ましい。これにより、水溶性樹脂をより確実に溶解することができ、三次元造形用組成物の流動性、三次元造形用組成物を用いて形成される層１の組成の均一性を特に優れたものとすることができる。また、水は層１形成後の除去が容易であるとともに、三次元造形物中に残存した場合においても悪影響を与えにくい。また、人体に対する安全性、環境問題の観点等からも有利である。

三次元造形用組成物中における水系溶媒の含有率は、５質量％以上７５質量％以下であるのが好ましく、３５質量％以上７０質量％以下であるのがより好ましい。これにより、前述したような水系溶媒を含むことによる効果がより顕著に発揮されるとともに、三次元造形物の製造過程において水系溶媒を短時間で容易に除去することができるため、三次元造形物の生産性向上の観点から有利である。

特に、三次元造形用組成物が水系溶媒として水を含むものである場合、三次元造形用組成物中における水の含有率は、２０質量％以上７３質量％以下であるのが好ましく、５０質量％以上７０質量％以下であるのがより好ましい。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。

≪水溶性樹脂≫
三次元造形用組成物は、複数個の粒子とともに、水溶性樹脂を含むものであってもよい。水溶性樹脂を含むことにより、粒子同士を結合（仮固定）することができ、層１の端部の崩壊をより効果的に防止することができる。また、粒子同士を結合（仮固定）し、粒子の不本意な飛散等を効果的に防止することができる。これにより、作業者の安全や、製造される三次元造形物の寸法精度の向上を図ることができる。また、水溶性樹脂は、粒子表面との親和性が高いため、粒子表面を容易に被覆することができる。

水溶性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミンからなる群から選択される少なくとも１種を含むものを用いるのが好ましい。これにより、水溶性樹脂と粒子との親和性（水溶性樹脂が有する水溶性の官能基と粒子表面の水酸基またはカルボキシル基またはアミノ基との間で水素結合）を特に高いものとすることができる。

≪その他の成分≫
また、三次元造形用組成物は、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、重合開始剤；重合促進剤；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調整剤等が挙げられる。

上述したような三次元造形用組成物の粘度は、５００ｍＰａ・ｓ以上２０００００ｍＰａ・ｓ以下であるのが好ましく、の粘度は、１０００ｍＰａ・ｓ以上１００００ｍＰａ・ｓ以下であるのがより好ましい。これにより、層１の形状をより容易に保つことができ、より寸法精度に優れた三次元造形物１０００を製造することができる。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。

３．結合液
次に、結合液について詳細に説明する。

≪結合剤≫
結合液は、少なくとも結合剤を含むものである。
結合剤は、硬化することによって、粒子を結合する機能を備えた成分である。

結合剤としては、例えば、熱可塑性樹脂；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の機械的強度や三次元造形物の生産性等の観点から、結合剤は、硬化性樹脂が好ましい。また、各種硬化性樹脂の中でも、得られる三次元造形物の機械的強度や三次元造形物の生産性、結合液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。

紫外線硬化性樹脂としては、紫外線照射により、光重合開始剤から生じるラジカル種またはカチオン種等により、付加重合または開環重合が開始され、重合体を生じるものが好ましく使用される。付加重合の重合様式として、ラジカル、カチオン、アニオン、メタセシス、配位重合が挙げられる。また、開環重合の重合様式として、カチオン、アニオン、ラジカル、メタセシス、配位重合が挙げられる。

結合液中における結合剤の含有率は、８０質量％以上であるのが好ましく、８５質量％以上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の機械的強度を特に優れたものとすることができる。

≪その他の成分≫
また、結合液は、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；重合開始剤；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、結合液が着色剤を含むことにより、着色剤の色に対応する色に着色された三次元造形物を得ることができる。

特に、着色剤として、顔料を含むことにより、結合液、三次元造形物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。

結合液が顔料を含むものである場合、当該顔料の平均粒径は、３００ｎｍ以下であるのが好ましく、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であるのがより好ましい。これにより、結合液の吐出安定性や結合液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。

また、結合液の粘度は、３ｍＰａ・ｓ以上２５ｍＰａ・ｓ以下であるのが好ましく、５ｍＰａ・ｓ以上２０ｍＰａ・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結合液の吐出安定性を特に優れたものとすることができる。

また、三次元造形物の製造には、複数種の結合液を用いてもよい。
例えば、着色剤を含む結合液（カラーインク）と、着色剤を含まない結合液（クリアインク）とを用いてもよい。これにより、例えば、三次元造形物の外観上、色調に影響を与える領域に付与する結合液として着色剤を含む結合液を用い、三次元造形物の外観上、色調に影響を与えない領域に付与する結合液として着色剤を含まない結合液を用いてもよい。また、最終的に得られる三次元造形物において、着色剤を含む結合液を用いて形成された領域の外表面に、着色剤を含まない結合液を用いた領域（コート層）を設けるように、複数種の結合液を併用してもよい。

また、例えば、異なる組成の着色剤を含む複数種の結合液を用いてもよい。これにより、これらの結合液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。

また、白色（ホワイト）の結合液を、他の有色の結合液と併用することにより、例えば、以下のような効果が得られる。すなわち、最終的に得られる三次元造形物を、白色（ホワイト）の結合液が付与された第１の領域と、第１の領域と重なり合い、かつ、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結合液が付与された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）の結合液が付与された第１の領域が隠蔽性を発揮することができ、三次元造形物の彩度をより高めることができる。

５．三次元造形物製造装置
次に、本発明の三次元造形物製造装置の好適な実施形態について説明する。

図３は、三次元造形物製造装置の好適な実施形態を上から平面視した平面図、図４は、図３に示す三次元造形物製造装置の側面図である。

三次元造形物製造装置１００は、図３、図４に示すように、三次元造形物１０００が造形される造形部１０と、三次元造形用組成物６を供給する三次元造形用組成物供給部１１と、供給された三次元造形用組成物を用いて造形部１０に三次元造形用組成物の層１を形成するスキージ（層形成手段）１２と、層１を形成した際に余剰の三次元造形用組成物を回収する回収部１３と、層１を加熱する加熱手段１４と、層１に対して結合液２を吐出する結合液吐出手段１５と、層１に対して紫外線を照射する紫外線照射手段１６と、を有している。

造形部１０は、図３、図４に示すように、枠状の三次元造形用組成物の移動を制御する規制手段１０１と、枠状の規制手段１０１内部に設けられた造形ステージ１０２とを有している。
規制手段１０１は、枠状の部材で構成されている。

本実施形態では、規制手段１０１の、スキージ１２の移動方向の下流側の一辺を用いて、三次元造形用組成物の移動を制御する。

造形ステージ１０２は、ＸＹ平面において矩形型の形状を有している。
造形ステージ１０２は、図示せぬ駆動手段によってＺ軸方向に可動（昇降）するよう構成されている。

また、造形部１０は、図示せぬ駆動手段によってＸ軸方向に駆動可能となっている。
そして、造形部１０が、Ｘ軸方向、すなわち、後述する結合液吐出手段１５の描画領域へ移動することで、結合液吐出手段１５によって層１に結合液２が吐出される。

三次元造形用組成物供給部１１は、造形ステージ１０２または既に形成した層１上に、三次元造形用組成物を供給する機能を有している。三次元造形用組成物供給部１１は、製造する三次元造形物の大きさに応じて、供給場所を調整可能となっている。

三次元造形用組成物供給部１１により供給された三次元造形用組成物は、後述するスキージ１２により移動させられ、層１を形成する。

スキージ（層形成手段）１２は、Ｘ軸方向に長尺の板状をなしている。また、スキージ１２は、図示せぬ駆動手段によってＹ軸方向に駆動するよう構成されている。また、スキージ１２は、その短軸方向の先端が、規制手段１０１の上面と接するよう構成されている。スキージ１２を用いることにより、より均一な層１をより容易に形成することができる。

このスキージ１２は、Ｙ軸方向に移動しながら、供給された三次元造形用組成物を造形ステージ１０２に搬送し、造形ステージ１０２上に層１を形成する。

本実施形態では、スキージ１２の移動方向と、造形部１０の移動方向とが交差（直交）するよう構成されている。このような構成とすることにより、結合液吐出手段１５による結合液２の吐出が行われている際に、次の層１の形成の準備を行うことができ、三次元造形物の生産効率を向上させることができる。

回収部１３は、上面が開口した箱状の部材であり、造形部１０とは別体として設けられている。この回収部１３は、層１の形成で余剰となった三次元造形用組成物を回収する機能を有している。
回収部１３は、規制手段１０１と接するように設けられている。

スキージ１２によって運ばれた余剰の三次元造形用組成物は、この回収部１３で回収され、回収された三次元造形用組成物は、再利用に供される。

加熱手段１４は、層１を加熱して、層１を乾燥させる機能を有している。すなわち、層１中に水系溶媒が含まれている場合において、その水系溶媒の少なくとも一部を除去する機能を有している。

結合液吐出手段１５は、形成した層１に対して結合液２を吐出する機能を有している。
具体的には、造形ステージ１０２上に層１を形成した造形部１０がＸ軸方向に移動し、結合液吐出手段１５の下部の描画領域に差し掛かった際に、層１に対して結合液吐出手段１５から結合液２が吐出される。

結合液吐出手段１５は、インクジェット方式で、結合液２の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドが搭載されている。また、結合液吐出手段１５は、図示せぬ結合液２供給部を備えている。本実施形態では、いわゆるピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されている。

紫外線照射手段１６は、結合液吐出手段１５の移動方向（Ｘ軸方向）の両端に２つ設けられている。

紫外線照射手段１６は、層１に対して紫外線を照射することにより、層１中の硬化性成分を硬化させ、層１中の粒子同士を結合させる機能を有している。

なお、上述した説明では、層形成手段として、スキージ１２を用いた場合について説明したが、スキージに限定されず、例えば、ローラーであってもよい。

また、回収部１３には、スキージ１２に付着した三次元造形用組成物を除去する除去手段を設けてもよい。除去手段としては、超音波、ふき取り、静電気等を用いることができる。

また、上記説明では、紫外線照射手段１６を有するものとして説明したが、これに限定されない。例えば、硬化性成分が熱硬化性樹脂を含む場合には、加熱手段であってもよい。

また、上記説明では、規制手段１０１の形状が枠状であると説明したが、規制手段１０１の形状は、枠状に限定されない。

６．三次元造形物
本発明の三次元造形物は、前述したような三次元造形物製造装置を用いて製造されたものである。これにより、信頼性の高い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、プロトタイプ、量産品、オーダーメード品のいずれに適用されるものであってもよい。

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。

例えば、前述した実施形態では、回収部と造形部とが別体となっている構成について説明したが、これに限定されず、回収部と造形部とは一体的に構成されていてもよい。

また、三次元造形物の製造方法においては、必要に応じて、前処理工程、後処理工程を行ってもよい。

前処理工程としては、例えば、造形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、着色工程、被覆層形成工程、未硬化の紫外線硬化性樹脂を確実に硬化させるための光照射処理や加熱処理を行う紫外線硬化性樹脂硬化完了工程等が挙げられる。

また、前述した実施形態では、全ての層に対して、結合液を付与するものとして説明したが、結合液が付与されない層を有していてもよい。例えば、造形ステージの直上に形成された層に対して、結合液を付与しないものとし、犠牲層として機能させてもよい。

また、前述した実施形態では、吐出工程をインクジェット法により行う場合について中心的に説明したが、吐出工程は他の方法（例えば、他の印刷方法）を用いて行うものであってもよい。

また、本実施形態では、積層した層１の面積が上に行くほどその面積が小さくなるよう構成されているが、積層する過程で面積がほぼ同じ面積の層１を積層するものであってもよい。

１…層
２…結合液
４…結合部
６…三次元造形用組成物
１０…造形部
１１…三次元造形用組成物供給部
１２…スキージ（層形成手段）
１３…回収部
１４…加熱手段
１５…結合液吐出部
１６…紫外線照射手段
１００…三次元造形物製造装置
１０１…規制手段
１０２…造形ステージ
１０００…三次元造形物

Claims (9)

1. 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、
   粒子を含む三次元造形用組成物を供給する三次元造形用組成物供給工程と、
   供給された前記三次元造形用組成物を、層形成手段により移動させて前記層を形成する層形成工程と、
   前記層に対して前記粒子同士を結合する結合液を吐出する結合液吐出工程と、を有し、
   前記三次元造形用組成物供給工程では、既に形成した前記層上に前記三次元造形用組成物を供給し、
   前記層形成工程では、前記層形成手段による前記三次元造形用組成物の移動方向の下流側に配置され、前記三次元造形用組成物の移動を制御する規制手段によって、前記三次元造形用組成物の移動を規制することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
2. 前記三次元造形用組成物の粘度は、５００ｍＰａ・ｓ以上２０００００ｍＰａ・ｓ以下である請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
3. 前記三次元造形用組成物は、水系溶媒を含む請求項１または２に記載の三次元造形物の製造方法。
4. 前記三次元造形用組成物供給工程では、直前に形成した前記層の前記結合液を吐出した領域と前記結合液を吐出していない領域の境界より、前記移動方向における上流側に前記三次元造形用組成物を供給する請求項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。
5. 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、
   粒子を含む三次元造形用組成物を供給する三次元造形用組成物供給部と、
   供給された前記三次元造形用組成物を移動させて前記層を形成する層形成手段と、
   前記層形成手段による前記三次元造形用組成物の移動方向の下流側に配置され、前記三次元造形用組成物の移動を制御する規制手段と、
   前記層に対して前記粒子同士を結合する結合液を吐出する結合液吐出手段と、を有し、
   前記三次元造形用組成物供給部は、既に形成した前記層上に前記三次元造形用組成物を供給することを特徴とする三次元造形物製造装置。
6. 前記規制手段は、前記層が形成される造形ステージの外周の一部に接触するよう設けられている請求項５に記載の三次元造形物製造装置。
7. 前記層形成手段は、スキージである請求項５または６に記載の三次元造形物製造装置。
8. 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により製造されたことを特徴とする三次元造形物。
9. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載の三次元造形物製造装置を用いて製造されたことを特徴とする三次元造形物。

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