JP2016193564A - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents

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    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing

Abstract

【課題】比較的大きな三次元造形物を製造する場合であっても、三次元造形物を精度良く製造することが可能となる三次元造形物の製造方法を提供する。【解決手段】この三次元造形物の製造方法は、未硬化の光硬化型インク5の層である未硬化インク層6をスクリーン印刷によって形成する未硬化インク層形成工程と、未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を硬化させて硬化インク層12を形成する硬化インク層形成工程とを繰り返すことで、硬化インク層12を積層して三次元造形物または三次元造形物の原型を形成する造形物形成工程と、造形物形成工程後に、硬化インク層形成工程で硬化されなかった未硬化の光硬化型インクを取り除く未硬化インク除去工程とが含まれている。【選択図】図1

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法に関する。
従来、光造形物の製造方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の光造形物の製造方法では、まず、ディスペンサによって造形テーブル上に光硬化性樹脂液を供給し、供給された光硬化性樹脂液をリコータによって掃引して一層分のコート層を形成してから、コート層の所定の部分に光を照射して第1層目の硬化樹脂層を形成する。その後、第1層目として形成された硬化樹脂層の外側にディスペンサによって光硬化性樹脂液を供給し、供給された光硬化性樹脂液をリコータによって掃引して次の一層分のコート層を形成してから、このコート層の所定の部分に光を照射して第1層目の樹脂硬化層の上に第2層目の硬化樹脂層を形成する。この製造方法では、以後、同様にして第3層目以降の樹脂硬化層を順次堆積させることで、光造形物を製造している。
特開2007−76090号公報
特許文献1に記載の光造形物の製造方法では、ディスペンサによって光硬化性樹脂液を供給し、供給された光硬化性樹脂液をリコータによって掃引して一層分のコート層を形成しているため、コート層の面積が広くなると、一定の厚みを有するコート層を形成することが困難になる。すなわち、この製造方法では、大きな光造形物を製造するためにコート層の面積を広くすると、一定の厚みを有するコート層を形成することが困難になり、その結果、一定の厚みを有する樹脂硬化層を形成することが困難になる。したがって、この製造方法では、大きな光造形物を製造する場合に、光造形物を精度良く形成することが困難になる。
そこで、本発明の課題は、比較的大きな三次元造形物を製造する場合であっても、三次元造形物を精度良く製造することが可能となる三次元造形物の製造方法を提供することにある。
上記の課題を解決するため、本発明の三次元造形物の製造方法は、未硬化の光硬化型インクの層である未硬化インク層をスクリーン印刷によって形成する未硬化インク層形成工程と、未硬化インク層の所定の部分に光を照射し未硬化インク層の所定の部分を硬化させて硬化インク層を形成する硬化インク層形成工程とを繰り返すことで、硬化インク層を積層して三次元造形物または三次元造形物の原型を形成する造形物形成工程と、造形物形成工程後に、硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化の光硬化型インクを取り除く未硬化インク除去工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の三次元造形物の製造方法では、未硬化の光硬化型インクの層である未硬化インク層をスクリーン印刷によって形成しているため、未硬化インク層の面積が広くなっても、スクリーンの厚みに応じた一定の厚みを有する未硬化インク層を形成することが可能になる。すなわち、本発明では、大きな三次元造形物を製造するために未硬化インク層の面積を広くしても、一定の厚みを有する未硬化インク層を形成することが可能になる。したがって、本発明では、比較的大きな三次元造形物を製造する場合であっても、一定の厚みを有する未硬化インク層の所定の部分を硬化させて、一定の厚みを有する硬化インク層を形成することが可能になる。その結果、本発明では、比較的大きな三次元造形物を製造する場合であっても、積層された硬化インク層によって三次元造形物を精度良く製造することが可能になる。
また、本発明では、未硬化インク除去工程において、硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化の光硬化型インクが取り除かれるため、取り除かれた未硬化の光硬化型インクを未硬化インク層形成工程のスクリーン印刷で再利用することが可能になる。したがって、本発明では、1個当たりの三次元造形物を製造する際に使用される光硬化型インクの使用量を低減することが可能になる。
本発明において、硬化インク層形成工程では、硬化インク層の周りを囲むように未硬化インク層の外周側部分に光を照射して未硬化インク層の外周側部分を硬化させ、未硬化インク層の外周側への未硬化の光硬化型インクの流出を防止する流出防止部を形成することが好ましい。このように構成すると、未硬化インク層の外周側への未硬化の光硬化型インクの流出を防止するための枠材等が設けられていなくても、流出防止部によって、未硬化インク層の外周側への未硬化の光硬化型インクの流出を防止することが可能になる。したがって、三次元造形物の製造装置の構成を簡素化することが可能になる。また、このように構成すると、スクリーン印刷で使用されるスクリーンを流出防止部によって保持することが可能になる。
本発明において、光硬化型インクは、たとえば、紫外線硬化型インクである。この場合には、光硬化型インクは、水溶性の紫外線硬化型インクであることが好ましい。このように構成すると、たとえば、製造された三次元造形物や三次元造形物の原型が仮に不良品であった場合に、硬化した光硬化型インク(すなわち、三次元造形物や三次元造形物の原型)を水に溶かして未硬化の状態に戻すことが可能になる。また、未硬化の状態に戻した光硬化型インクを未硬化インク層形成工程のスクリーン印刷で再利用することが可能になる。
本発明において、たとえば、光硬化型インクには、金属粉末、セラミック粉末または熱硬化性樹脂の粉末が含まれており、三次元造形物の製造方法は、未硬化インク除去工程後に、造形物形成工程で形成された三次元造形物の原型を加熱して三次元造形物を製造する加熱工程を備えている。
本発明において、硬化インク層形成工程で未硬化層の所定の部分に光を照射する光源は、紫外線を射出する複数の発光ダイオードが配列されたUV−LEDアレイ、または、レーザー装置である。
以上のように、本発明の三次元造形物の製造方法によれば、比較的大きな三次元造形物を製造する場合であっても、三次元造形物を精度良く製造することが可能になる。
本発明の実施の形態にかかる三次元造形物の製造方法を説明するための図であり、(A)は未硬化インク層形成工程を説明するための図、(B)、(C)は硬化インク層形成工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる造形物形成工程後の状態を示す図であり、(A)は縦断面図、(B)は平面図である。 図1、図2に示す三次元造形物の製造方法で製造された三次元造形物の側面図である。 図3に示す三次元造形物と形状の異なる三次元造形物の製造方法を説明するための図であり、(A)は未硬化インク層形成工程を説明するための図、(B)、(C)、(D)は硬化インク層形成工程を説明するための図である。 図3に示す三次元造形物と形状の異なる三次元造形物の製造方法を説明するための図である。 図4、図5に示す三次元造形物の製造方法で製造された三次元造形物の側面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
(三次元造形物の製造方法)
図1は、本発明の実施の形態にかかる三次元造形物の製造方法を説明するための図であり、(A)は未硬化インク層形成工程を説明するための図、(B)、(C)は硬化インク層形成工程を説明するための図である。図2は、本発明の実施の形態にかかる造形物形成工程後の状態を示す図であり、(A)は縦断面図、(B)は平面図である。図3は、図1、図2に示す三次元造形物の製造方法で製造された三次元造形物1の側面図である。
本形態の三次元造形物の製造方法で製造される三次元造形物1(図3参照)は、たとえば、円錐台状の造形物である。この三次元造形物1は、以下のように製造される。まず、図1(A)に示すように、架台3の上に形成された離型層4の上に、スクリーン印刷によって光硬化型インク5を印刷して、未硬化の光硬化型インク5の層である未硬化インク層6を形成する(未硬化インク層形成工程)。すなわち、枠8に固定されたスクリーン9とスキージ10とを用いたスクリーン印刷によって、離型層4の上に未硬化インク層6を形成する。本形態では、未硬化インク層形成工程において、円板状の未硬化インク層6が形成される。また、形成された未硬化インク層6の厚みは、たとえば、1μm〜10μmである。
ここで、本形態の光硬化型インク5は、紫外線が照射されると硬化する紫外線硬化型インク(UVインク)である。より具体的には、光硬化型インク5は、水溶性のUVインクである。離型層4は、たとえば、シリコーン樹脂やフッ素樹脂のコーティングである。スクリーン9は、メッシュ状(網目状)に形成されている。このスクリーン9は、金属線や樹脂線を編み込むことで、あるいは、金属膜や樹脂膜をエッチングすることで形成されている。また、スクリーン9には、レジストによって印刷パターンが形成されている。スクリーン9の厚さやメッシュの粗さは、未硬化インク層6の厚みに応じて選定されている。たとえば、スクリーン9のメッシュの粗さは、1インチ当たり数メッシュから数千メッシュとなっている。
なお、未硬化インク層6の形状を維持するために、未硬化の光硬化型インク5の粘度は、数千〜数十万mPa・sec以上であることが好ましい。また、光硬化型インク5には、たとえば、金属粉末、セラミック粉末、無機フィラー(具体的には、石、砂、金属酸化物等の無機フィラー)、樹脂やゴムの粉末や溶液、繊維(具体的には、カーボンナノチューブ、植物繊維、紙粉末、セルロース、木材チップ等の繊維(ファイバー))、着色用色材および熱硬化性樹脂等の粉末の少なくともいずれか1つが含まれていても良い。光硬化型インク5にセラミック粉末が含まれている場合には、光硬化型インク5に釉薬粉末が含まれていても良い。また、光硬化型インク5に着色用色材が含まれている場合には、後述のように複数層形成される未硬化インク層6ごとに、光硬化型インク5に含まれる着色用色材の色を変えても良い。また、架台3自体がシリコーン樹脂やフッ素樹脂で形成されている場合には、架台3の上に離型層4が形成されていなくても良い。
離型層4の上に未硬化インク層6が形成されると、その後、図1(B)に示すように、未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を硬化させて硬化インク層12を形成する(硬化インク層形成工程)。硬化インク層形成工程では、紫外線を射出する複数の発光ダイオード(UV−LED)が配列されたUV−LEDアレイ14とレンズアレイ15とを用いて、UV−LEDアレイ14から射出される紫外線を、レンズアレイ15を介して未硬化インク層6の所定の部分に照射し未硬化インク層6の所定の部分を完全硬化させて硬化インク層12を形成する。
UV−LEDアレイ14では、図1の紙面垂直方向にUV−LEDが配列されている。また、UV−LEDアレイ14の解像度は、たとえば、1200dpi〜600dpiとなっている。硬化インク層形成工程では、UV−LEDアレイ14およびレンズアレイ15が図1の左右方向へ走査する。また、硬化インク層形成工程では、硬化インク層12が三次元造形物1の一部を構成するための適切な形状となるように、UV−LEDアレイ14が走査しながら、複数のUV−LEDのうちから選択されたUV−LEDが点灯する。本形態では、硬化インク層形成工程において、円板状の硬化インク層12が形成される。
また、硬化インク層形成工程では、硬化インク層12の周り(外周側)を囲むように未硬化インク層6の外周側部分に光を照射して未硬化インク層6の外周側部分を硬化させ、未硬化インク層6の外周側への未硬化の光硬化型インク5の流出を防止する流出防止部17を形成する。このときには、未硬化インク層6の外周側部分を完全硬化させて流出防止部17を形成する。本形態では、硬化インク層形成工程において、未硬化インク層6の外周端部分が完全硬化させられて、円環状の流出防止部17が形成される。以下では、硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化の光硬化型インク5を「未硬化インク16」とする。
その後、一層目の硬化インク層12、未硬化インク16および流出防止部17の上に、スクリーン印刷によって未硬化の光硬化型インク5を印刷して円板状の未硬化インク層6を形成する(未硬化インク層形成工程)。また、図1(C)に示すように、この未硬化インク層形成工程において形成された未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を完全硬化させて硬化インク層12を形成する(硬化インク層形成工程)。この硬化インク層形成工程でも、流出防止部17を形成する。その後、二層目の硬化インク層12、未硬化インク16および流出防止部17の上に、スクリーン印刷によって未硬化の光硬化型インク5を印刷して円板状の未硬化インク層6を形成し(未硬化インク層形成工程)、この未硬化インク層形成工程において形成された未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を完全硬化させて硬化インク層12を形成する(硬化インク層形成工程)。この硬化インク層形成工程でも、流出防止部17を形成する。
以後、同様にして、未硬化インク層形成工程と硬化インク層形成工程とを繰り返すことで、硬化インク層12を積層して、図2に示すように、三次元造形物1を形成する(造形物形成工程)。この造形物形成工程では、積層される流出防止部17によって流出防止堰18が形成される。その後、硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化インク16を取り除く(未硬化インク除去工程)。また、流出防止堰18を除去するとともに離型層4から三次元造形物1を剥離する。離型層4から三次元造形物1が剥離されると、三次元造形物1が完成する。なお、図2(B)では、架台3および離型層4の図示を省略している。
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態では、未硬化の光硬化型インク5の層である未硬化インク層6をスクリーン印刷によって形成しているため、未硬化インク層6の面積が広くなっても、スクリーン9の厚みに応じた一定の厚みを有する未硬化インク層6を形成することが可能になる。すなわち、本形態では、大きな三次元造形物1を製造するために未硬化インク層6の面積を広くしても、一定の厚みを有する未硬化インク層6を形成することが可能になる。したがって、本形態では、比較的大きな三次元造形物1を製造する場合であっても、一定の厚みを有する未硬化インク層6の所定の部分を硬化させて、一定の厚みを有する硬化インク層12を形成することが可能になる。その結果、本形態では、比較的大きな三次元造形物1を製造する場合であっても、積層された硬化インク層12によって三次元造形物1を精度良く製造することが可能になる。
本形態では、未硬化インク除去工程において、硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化インク16が取り除かれている。そのため、本形態では、未硬化インク除去工程で取り除かれた未硬化インク16を未硬化インク層形成工程のスクリーン印刷で再利用することが可能になる。したがって、本形態では、1個当たりの三次元造形物1を製造する際に使用される光硬化型インク5の使用量を低減することが可能になる。
本形態では、光硬化型インク5は、水溶性のUVインクである。そのため、本形態では、たとえば、製造された三次元造形物1が仮に不良品であった場合に、硬化した光硬化型インク5(すなわち、三次元造形物1)を水に溶かして未硬化の状態に戻すことが可能になる。また、未硬化の状態に戻した光硬化型インク5を未硬化インク層形成工程のスクリーン印刷で再利用することが可能になる。
本形態では、硬化インク層形成工程において、未硬化インク層6の外周側への未硬化インク16の流出を防止する流出防止部17を形成している。そのため、本形態では、未硬化インク層6の外周側への未硬化インク16の流出を防止するための枠材等が設けられていなくても、流出防止部17によって未硬化インク16の流出を防止することが可能になる。したがって、本形態では、三次元造形物1の製造装置の構成を簡素化することが可能になる。また、本形態では、スクリーン9が硬化インク層12に対して平行になるように、流出防止部17によってスクリーン9を保持することも可能になる。
(三次元造形物の製造方法の変形例)
上述した形態では、離型層4から三次元造形物1が剥離されると、三次元造形物1が完成する。この他にもたとえば、光硬化型インク5に金属粉末、セラミック粉末または熱硬化性樹脂の粉末が含まれている場合には、造形物形成工程において三次元造形物1の原型を形成するとともに、離型層4から三次元造形物1の原型を剥離した後に、加熱炉21(図3参照)の中で、三次元造形物1の原型を加熱して三次元造形物1を製造しても良い。すなわち、光硬化型インク5に金属粉末、セラミック粉末または熱硬化性樹脂の粉末が含まれている場合には、未硬化インク除去工程後に、造形物形成工程で形成された三次元造形物1の原型を加熱して三次元造形物1を製造する加熱工程が設けられていても良い。
たとえば、光硬化型インク5に金属粉末が含まれている場合には、加熱工程において、三次元造形物1の原型を焼いて、金属の焼結体を三次元造形物1として製造しても良い。また、光硬化型インク5にセラミック粉末が含まれている場合には、加熱工程において、三次元造形物1の原型を焼いて、陶器を三次元造形物1として製造しても良い。なお、加熱工程において三次元造形物1の原型を焼いて、三次元造形物1として金属の焼結体や陶器を製造する場合、光硬化型インク5が水溶性のUVインクであると、加熱工程において光硬化型インク5を比較的容易に除去することが可能になるため、金属の焼結体や陶器を比較的容易に製造することが可能になる。
(三次元造形物の形状の変形例)
上述した形態では、三次元造形物1の形状は、円錐台状であるが、三次元造形物1の形状は、円錐台状以外の形状であっても良い。たとえば、三次元造形物1は、図5、図6に示すように、中空の略半球状に形成されても良い。この場合であっても、三次元造形物1を製造するときには、まず、図4(A)に示すように、架台3の上に形成された離型層4の上に、スクリーン印刷によって未硬化の光硬化型インク5を印刷して円板状の未硬化インク層6を形成する(未硬化インク層形成工程)。その後、図4(B)に示すように、未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を完全硬化させて円環状の硬化インク層12を形成する(硬化インク層形成工程)。この硬化インク層形成工程では、円環状の流出防止部17も形成する。
その後、一層目の硬化インク層12、未硬化インク16および流出防止部17の上に、スクリーン印刷によって未硬化の光硬化型インク5を印刷して円板状の未硬化インク層6を形成してから(未硬化インク層形成工程)、図4(C)に示すように、この未硬化インク層形成工程において形成された未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を完全硬化させて円環状の硬化インク層12を形成する(硬化インク層形成工程)。この硬化インク層形成工程でも、円環状の流出防止部17を形成する。その後、二層目の硬化インク層12、未硬化インク16および流出防止部17の上に、スクリーン印刷によって未硬化の光硬化型インク5を印刷して円板状の未硬化インク層6を形成してから(未硬化インク層形成工程)、図4(D)に示すように、この未硬化インク層形成工程において形成された未硬化インク層6の所定の部分に光を照射し未硬化インク層6の所定の部分を完全硬化させて円環状の硬化インク層12を形成する(硬化インク層形成工程)。この硬化インク層形成工程でも、円環状の流出防止部17を形成する。
以後、同様にして、未硬化インク層形成工程と硬化インク層形成工程とを繰り返すことで、硬化インク層12を積層して、図5に示すように、三次元造形物1を形成する(造形物形成工程)。その後、硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化インク16を取り除く(未硬化インク除去工程)。また、流出防止堰18を除去するとともに離型層4から三次元造形物1を剥離する。離型層4から三次元造形物1が剥離されると、三次元造形物1が完成する。
なお、この三次元造形物1の底面部には、中空に形成される三次元造形物1から未硬化インク16を取り除くための貫通孔1aが形成されている。また、光硬化型インク5に金属粉末、セラミック粉末または熱硬化性樹脂の粉末が含まれている場合には、造形物形成工程において三次元造形物1の原型を形成するとともに、離型層4から三次元造形物1の原型を剥離した後に、加熱炉21(図6参照)の中で、三次元造形物1の原型を加熱して三次元造形物1を製造しても良い。また、この三次元造形物1は中空状に形成されており、造形物形成工程において、何層目かの硬化インク層12がその下側に配置される硬化インク層12に対してオーバーハングした状態になることがある。このオーバーハングした状態の硬化インク層12は、その下側にある未硬化インク16によって崩れないように保持されている。
(他の実施の形態)
上述した形態では、光硬化型インク5は、水溶性のUVインクであるが、光硬化型インク5は、水溶性を有しないUVインクであっても良い。また、光硬化型インク5は、UV硬化型樹脂を有機溶剤で希釈したソルベントUVインクであっても良い。この場合には、光硬化型インク5に含まれるUV硬化型樹脂は、たとえば、ラジカル重合若しくはカチオン重合によって硬化するタイプのいずれか1つ、または、これらの混合物である。また、光硬化型インク5は、紫外線以外の光が照射されると硬化するインクであっても良い。たとえば、光硬化型インク5は、可視光が照射されることで硬化するインクであっても良い。
上述した形態では、硬化インク層形成工程において、未硬化インク層6の所定の部分に紫外線を照射する光源として高解像度のUV−LEDアレイ14が用いられている。この他にもたとえば、未硬化インク層6の所定の部分に紫外線を照射する光源として、ファイバーレーザー、紫外線半導体レーザー、あるいは、エキシマレーザー等のレーザー装置が使用されても良い。また、光硬化型インク5が紫外線以外の光が照射されると硬化するインクである場合には、光硬化型インク5の種類に応じた光源が硬化インク層形成工程において使用されれば良い。
上述した形態において、未硬化インク層形成工程で印刷される光硬化型インク5の粘度が低い場合には、未硬化インク層形成工程で印刷された光硬化型インク5に低強度の紫外線を照射して、光硬化型インク5の粘度を高めても良い。また、上述した形態では、硬化インク層形成工程において流出防止部17を形成しているが、未硬化の光硬化型インク5の粘度が比較的高い場合には、硬化インク層形成工程において流出防止部17を形成しなくても良い。また、上述した形態では、離型層4は、たとえば、シリコーン樹脂やフッ素樹脂のコーティングであるが、離型層4は、水溶性樹脂や紫外線硬化型樹脂のように、水や特定の溶剤に溶ける樹脂のコーティングであっても良い。また、上述した形態において、光硬化型インク5に着色用色材が含まれていない場合には、二次加飾法を使って後から三次元造形物1を着色しても良い。
1 三次元造形物
5 光硬化型インク
6 未硬化インク層
12 硬化インク層
14 UV−LEDアレイ(光源)
17 流出防止部

Claims (6)

  1. 未硬化の光硬化型インクの層である未硬化インク層をスクリーン印刷によって形成する未硬化インク層形成工程と、前記未硬化インク層の所定の部分に光を照射し前記未硬化インク層の所定の部分を硬化させて硬化インク層を形成する硬化インク層形成工程とを繰り返すことで、前記硬化インク層を積層して三次元造形物または三次元造形物の原型を形成する造形物形成工程と、
    前記造形物形成工程後に、前記硬化インク層形成工程で硬化しなかった未硬化の前記光硬化型インクを取り除く未硬化インク除去工程と、を備えることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
  2. 前記硬化インク層形成工程では、前記硬化インク層の周りを囲むように前記未硬化インク層の外周側部分に光を照射して前記未硬化インク層の外周側部分を硬化させ、前記未硬化インク層の外周側への未硬化の前記光硬化型インクの流出を防止する流出防止部を形成することを特徴とする請求項1記載の三次元造形物の製造方法。
  3. 前記光硬化型インクは、紫外線硬化型インクであることを特徴とする請求項1または2記載の三次元造形物の製造方法。
  4. 前記光硬化型インクは、水溶性の紫外線硬化型インクであることを特徴とする請求項3記載の三次元造形物の製造方法。
  5. 前記光硬化型インクには、金属粉末、セラミック粉末または熱硬化性樹脂の粉末が含まれており、
    前記未硬化インク除去工程後に、前記造形物形成工程で形成された前記三次元造形物の原型を加熱して前記三次元造形物を製造する加熱工程を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
  6. 前記硬化インク層形成工程で前記未硬化層の所定の部分に光を照射する光源は、紫外線を射出する複数の発光ダイオードが配列されたUV−LEDアレイ、または、レーザー装置であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
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