JP2017164980A - 三次元造形物の製造方法、及び三次元造形装置 - Google Patents
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放射線により硬化するカチオン硬化性化合物、カチオン重合開始剤、及び吸液粒子を含む造形材の未硬化層を形成する第一工程と、
第一工程後、前記造形材の未硬化層に非硬化領域を設ける場合、前記造形材の未硬化層の非硬化領域とする領域の表面に、水、及びOH基を持つ液体からなる群より選択される少なくとも1種を含む液状物を付与する第二工程と、
第二工程後、前記造形材の未硬化層に、放射線を照射し、前記造形材の硬化層を形成する第三工程と、
を有し、
前記第一工程から前記第三工程までを繰り返し、前記造形材の硬化層を積層する三次元造形物の製造方法。
前記造形材が、HLB値が9以上14以下の界面活性剤を更に含む請求項1に記載の三次元造形物の製造方法。
放射線により硬化するカチオン硬化性化合物、カチオン重合開始剤、及び吸液粒子を含む造形材を収容し、前記造形材の未硬化層を形成する未硬化層形成部と、
水、及びOH基を持つ液体からなる群より選択される少なくとも1種を含む液状物を収容し、前記造形材の未硬化層の非硬化領域とする領域の表面に、前記液状物を付与する液状物付与部と、
前記造形材の未硬化層に放射線を照射し、前記造形材の硬化層を形成する放射線照射部と、
を備え、
前記造形材の硬化層を積層して三次元造形物を製造する三次元造形装置。
前記造形材が、HLB値が9以上14以下の界面活性剤を更に含む請求項3に記載の三次元造形装置。
請求項2に係る発明によれば、HLB値が9未満又は14超えの界面活性剤を更に含む場合に比べて、形状精度の高い三次元造形物の製造を実現する三次元造形物の製造方法が提供される。
請求項3に係る発明によれば、簡易に三次元造形物の製造を実現する新規な三次元造形物の製造装置が提供される。
請求項4に係る発明によれば、HLB値が9未満又は14超えの界面活性剤を更に含む場合に比べて、形状精度の高い三次元造形物の製造を実現する三次元造形物の製造方法が提供される。
本実施形態に係る三次元造形物の製造方法は、放射線により硬化するカチオン硬化性化合物、カチオン重合開始剤、及び吸液粒子を含む造形材の未硬化層を形成する第一工程と、第一工程後、造形材の未硬化層に非硬化領域を設ける場合、造形材の未硬化層の非硬化領域とする領域の表面に、水、及びOH基を持つ液体からなる群より選択される少なくとも1種を含む液状物を付与する第二工程と、第二工程後、造形材の未硬化層に、放射線を照射し、造形材の硬化層を形成する第三工程と、を有し、第一工程から第三工程までを繰り返し、造形材の硬化層を積層する三次元造形物の製造方法である。
本実施形態に係る三次元造形装置101は、例えば、造形ユニット10と、造形台20と、を備えている。また、三次元造形装置101は、装置に脱着可能に、モデル材を収容するモデル材カートリッジ30と、硬化阻害液を収容する硬化阻害液カートリッジ32と、を備えている。なお、図1中、MDは、モデル材の硬化層を積層した造形物を示し、SPは、モデル材の非硬化層とした部位(以下「サポート部」とも称する)を示している。
未硬化層形成部12は、例えば、モデル材カートリッジ30と不図示の供給管を通じて連結されている。そして、モデル材カートリッジ30により、未硬化層形成部12へモデル材が供給される。
なお、未硬化層形成部12は、例えば、モデル材の塗布領域が造形台20の造形領域の幅(造形ユニット10と造形台20の造形領域とが相対的に移動方向に対する交差方向(例えば直交方向)に沿った造形領域の長さ)とされた長尺状の装置を適用する。
硬化阻害液付与部14は、例えば、硬化阻害液カートリッジ32と不図示の供給管を通じて連結されている。そして、硬化阻害液カートリッジ32により、硬化阻害液付与部14へ硬化阻害液が供給される。
なお、硬化阻害液付与部14は、例えば、硬化阻害液の付与領域(例えば、硬化阻害液を吐出するノズルの配置領域)が造形台20の造形領域の幅(造形ユニット10と造形台20の造形領域とが相対的に移動方向に対する交差方向(例えば直交方向)に沿った造形領域の長さ)とされた長尺状の装置を適用する。
具体的には、例えば、モデル材に含まれるカチオン硬化性化合物として、紫外線により硬化する硬化性化合物を適用する場合、放射線照射部16としては、放射線として紫外線を照射する紫外線照射装置を適用する。また、モデル材に含まれるカチオン硬化性化合物として、電子線により硬化する硬化性化合物を適用する場合、放射線照射部16としては、放射線として電子線を照射する電子線照射装置を適用する。
なお、硬化阻害液はカチオン重合を阻害しカチオン重合開始剤の反応を抑制させ、かつ吸液粒子によるドメイン領域以外に浸透しない所謂サポート部を同一製膜樹脂面で形成可能となる。
電子線照射装置としては、例えば、走査型、カーテン型、プラズマ放電型等の電子照射装置が挙げられる。
なお、放射線照射部16は、例えば、放射線の付与領域が造形台20の造形領域の幅(造形ユニット10と造形台20の造形領域と相対的に移動方向に対する交差方向(例えば直交方向)に沿った造形領域の長さ)とされた長尺状の装置を適用する。
しかし、これに限られず、未硬化層形成部12、硬化阻害液付与部14及び放射線照射部16は、各々、モデル材の塗布領域、硬化阻害液の付与領域、及び放射線の付与領域が造形台20の造形領域の幅よりも小さい短尺状の装置としてもよい。この場合、造形ユニット10は、例えば、不図示の駆動装置により、造形台20の造形領域上を、主走査方向と、これと交差(例えば直交)する副走査方向に移動可能な方式(所謂、キャリッジ方式)とする。
つまり、モデル材の未硬化層に非硬化領域を設ける場合、モデル材の未硬化層のうち、硬化領域(モデル材の未硬化層を硬化させて造形物の一部となる領域)とする以外の領域に、硬化阻害液を付与する。
この硬化阻害液の付与により、非硬化領域とする領域におけるモデル材の未硬化層中に、硬化阻害液が浸透し、吸液粒子に吸液されて保持された状態となる。
なお、モデル材の未硬化層に非硬化領域を設けない場合は、硬化阻害液の付与は実施しない。一方、モデル材の未硬化層では、硬化阻害液を液膜状態で予め付与浸透させておき、放射線照射によって硬化阻害液の非付与部のみ硬化するため、硬化阻害液の付与部(モデル材の未硬化層の非硬化領域)は容易に可能になる。また、硬化阻害液の付与部(モデル材の非硬化領域)は、モデル材層の硬化層の積層時も下面の処理の影響を受けずに逐次積層除去可能になる。
具体的には、例えば、モデル材に含まれるカチオン硬化性化合物が硬化(つまりカチオン硬化性化合物の重合反応)する放射線の付与により、硬化阻害液が浸透したモデル材の未硬化層の非硬化領域以外の硬化領域では硬化が進行し、モデル材の硬化層が形成される。一方で、硬化阻害液が浸透したモデル材の未硬化層の非硬化領域では、放射線の付与によっても、硬化が進行せず、モデル材の非硬化層となる。なお、モデル材の未硬化層の非硬化領域は、液膜非硬化状態をそのまま維持し、モデル材の硬化層の積層時もその下面の硬化阻害を受けずに逐次露光造形が可能となる。
なお、得られた造形物は、研磨処理、着色処理等の後処理を施してもよい。
このように、三次元造形装置101では、硬化阻害液の付与及び非付与を選択的に行い、目的とする形状の造形材の硬化層を形成し、そして、この造形材の硬化層を積層することにより、三次元造形物の製造を実現する。このため、三次元造形装置101では、簡易に三次元造形物が製造される。
モデル材は、カチオン硬化性化合物、カチオン重合開始剤、及び吸液粒子を含む。
カチオン硬化性化合物としては、例えば、紫外線硬化性化合物、電子線硬化性化合物が挙げられる。ここで言う、硬化性化合物は、硬化後において不可逆のものを指す。カチオン硬化性化合物は、モノマー、マクロマー、オリゴマー、プレポリマー、及びポリマー(樹脂)のいずれであってもよい。
カチオン硬化性化合物としては、例えば、前記モノマーを1種又は2種以上を重合させたマクロマー、オリゴマー、プレポリマー、及びポリマー(樹脂)等の他、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂等も挙げられる。
吸液粒子は、吸液性材料を主成分として含む。なお「主成分」とは、全体に対し50質量%以上含む成分をいう。吸液性材料とは、吸液性材料と硬化阻害液を質量比30:100で24時間混合した後、混合液中からフィルターにより吸液性材料を取り出した際、吸液性材料の質量が硬化阻害液混合前に対して5%以上増加するものである。
なお、体積平均粒径の測定装置には、マイクロトラックUPA粒度分析計9340(Leeds&Northrup社製)を用いた。その測定は、対象粒子を分散した分散媒4mlを測定セルに入れて行った。なお、測定時の入力値として、粘度には分散媒の粘度を、分散粒子の密度は対象粒子の密度とした。なお、体積平均粒径の測定については、以下、同様である。
界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤等が挙げられる。これらの中でも、アニオン性界面活性剤、またはノニオン性界面活性剤を用いることが望ましい。
・HLB=20×(親水部の式量の総和/分子量)
モデル材には、熱硬化性樹脂粒子、熱可塑性樹脂粒子、熱硬化剤粒子、無機粒子等の各種粒子を含んでもよい。モデル材に、これら樹脂又は金属粒子を含めると、得られる三次元造形物の強度、及び耐熱性が調整できる。
なお、モデル材に、これら樹脂又は金属粒子(特に樹脂粒子)を含める場合、三次元造形装置(三次元造形物の製造方法)は、加熱装置(ヒータ等)により、モデル材の硬化層、又はモデル材の硬化層を積層した三次元造形物を加熱する態様を採用することがよい。
熱硬化性樹脂粒子としては、例えば、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、アミノ樹脂(尿素樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂など)、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂等の粒子などが挙げられる。熱硬化性樹脂粒子としては、これらの樹脂粒子表面が反応性官能基(イソシネート基、シランカップリング剤残基、アミノ基、ヒドロキシ基、アクリル性残基)等で変性された粒子等も挙げられる。
なお、熱硬化性樹脂粒子は、多孔質粒子とし、吸液粒子を兼ねてもよい。
熱硬化性樹脂粒子の含有量は、モデル材に対して、1質量%以上30質量%以下が好ましく、5質量%以上20質量%以下がより好ましい。
熱可塑性樹脂粒子としては、例えば、熱可塑性樹脂粒子としては、例えば、アクリル樹脂粒子、ポリエチレン樹脂粒子、ポリプロピレン樹脂粒子、ポリアミド樹脂粒子(ナイロン粒子)、ポリイミド樹脂粒子、ポリエチレンテレフタレート樹脂粒子、ポリスチレン樹脂粒子、シリコーン樹脂粒子、及びスチレンーアクリル共重合体粒子、ポリ乳酸粒子、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体(ABS)粒子等が挙げられる。
なお、熱可塑性樹脂粒子は、多孔質粒子とし、吸液粒子を兼ねてもよい。
熱可塑性樹脂粒子の含有量は、モデル材に対して、1質量%以上30質量%以下が好ましく、5質量%以上20質量%以下がより好ましい。
熱硬化剤粒子としては、ブロック化イソシアネート粒子(具体的には、ヘキサメチンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート等の粒子)等が挙げられる。
熱硬化剤粒子の径(体積平均粒径)は、体積平均粒径で1μm以上100μmの範囲が望ましく、5μm以上50μm以下がより望ましい。
熱硬化剤粒子の含有量は、モデル材に対して、1質量%以上30質量%以下が好ましく、5質量%以上20質量%以下がより好ましい。
無機粒子としては、金属粒子、セラミック粒子等が挙げられる。
金属粒子としては、ステンレス粒子(SUS粒子)、チタン粒子、タングステン粒子、アルミ粒子、銅粒子、錫粒子、亜鉛粒子、鉄粒子等が挙げられる。
セラミック粒子としては、ガラス粒子(ガラスフリット)、シリカ粒子、変性シリカ粒子等が挙げられる。
金属粒子の含有量は、モデル材に対して、5質量%以上50質量%以下が好ましく、10質量%以上30質量%以下がより好ましい。
sp値が9.6以下のモノマー類としてはネオペンチルグリコールジアクリレートおよびその誘導体、ヘキサンジオールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ジペンタエリスリトールの多官能体、各種エチレンオキサイド変性フェノキシアクリレート類、アルコキシアルキルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、ジシクロペンタジエンアクリレートなどが挙げられる。
これらの中でも、疎水性モノマーが有する官能基としては、ラウリル基、およびドデシル基が望ましい。
硬化阻害液は、水、及びOH基を持つ液体からなる群より選択される少なくとも1種を含む液状物である。これら液状物は、カチオン硬化性化合物がカチオン重合するための活性種(カチオン)を消失させる液状物である。
OH基を持つ液体としては、例えば、モノアルコール、ジアルコール、3価以上の多価アルコールが挙げられる。
ジアルコールとしては、例えば、アルキレングリコール(例えば、エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、2−メチル−1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2,3,5−トリメチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2−エチル−1,6−ヘキサンジオール、2,2,4−トリメチル−1,6−ヘキサンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、1,10−デカンジオール、1,12−ドデカンジオール、1,14−テトラデカンジオール、1,16−ヘキサデカンジオール、1,2−ジメチロールシクロヘキサン、1,3−ジメチロールシクロヘキサン、1,4−ジメチロールシクロヘキサン等)等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、ヒドロキシル基を3個以上含有するアルキレン多価アルコール(例えば、グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、1,2,6−ヘキサントリオール、1,2,4−ブタントリオール、エリスリトール、ソルビトール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、マンニトール等)が挙げられる。
紫外線カチオン硬化性樹脂「SCR773(JSR社製)65部と、界面活性剤「TEGO2200N(エボニック社製)、HLB値=10、3個のアクリロイル基を持つポリエチレンオキサイド/ポリプロピレンオキサイドからなるポリオキシアルキレンにより変性されたシリコーン系界面活性剤)5部と、粉末材料(多孔質ナイロン粒子(吸液粒子)/ナイロン樹脂粒子(熱可塑性樹脂)/イソシアネート粉末(熱硬化剤粒子)=質量比30/60/10)30部と、を混合して、モデル材を得た。
得られたモデル材をスリットダイコーターで造形台上に塗布し、厚み30μmのモデル材の未硬化層を形成した。
次に、非硬化領域とするモデル材の未硬化層の表面に、インクジェット方式の吐出装置から硬化阻害液として水を吐出した。その後、モデル材の未硬化層の全面に、LEDから波長365nmの紫外線を照射した。これにより、モデル材の硬化層を形成した。一方で、硬化阻害液として水を付与した領域のモデル材の未硬化層は硬化せず、非硬化層となっていた。
そして、形成したモデル材の硬化層及び非硬化層を下層とし、上記操作を繰り返して、モデル材の硬化層及び非硬化層を積層した。その後、モデル材の非硬化層(サポート部)を除去し、モデル材の硬化層の積層体からなる箱状の三次元造形物を得た。
表1に従って、モデル材の界面活性剤の種類を変更した以外は、同様にして、三次元造形物を得た。
各例の三次元造形物の製造において、サポート部の除去を下記基準で評価した。また、得られた三次元造形物を観察した。その結果を表1に示す。
A(○):造形物とサポート部の界面剥離除去が容易
B(△):硬化阻害液の浸透が不十分で、サポート部の不十分未溶解処理部分が残る
C(△−):硬化阻害液の浸透が展開し、造形物まで溶解
D(×): 硬化阻害液が拡大し浸透せず、造形物の硬化不良発生
・KF353(HLB値=10):「KF353(信越化学工業社製)、HLB値=10、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
・KF6011(HLB値=12):「KF6011(信越化学工業社製)、HLB値=12、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
・KF640(HLB値=14):「KF640(信越化学工業社製)、HLB値=14、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
・KF352A(HLB値=7):「KKF352A(信越化学工業社製)、HLB値=7、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
・KF6015(HLB値=5):「KF6015(信越化学工業社製)、HLB値=5、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
・KF6017(HLB値=5):「KF6017(信越化学工業社製)、HLB値=5、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
・KF354L(HLB値=16):「KF354L(信越化学工業社製)、HLB値=16、ポリエーテル変性シリコーン系界面活性剤)」
12 未硬化層形成部
14 硬化阻害液吐出部
16 放射線照射部
20 造形台
30 モデル材カートリッジ
32 硬化阻害液カートリッジ
101 三次元造形装置
Claims (4)
- 放射線により硬化するカチオン硬化性化合物、カチオン重合開始剤、及び吸液粒子を含む造形材の未硬化層を形成する第一工程と、
第一工程後、前記造形材の未硬化層に非硬化領域を設ける場合、前記造形材の未硬化層の非硬化領域とする領域の表面に、水、及びOH基を持つ液体からなる群より選択される少なくとも1種を含む液状物を付与する第二工程と、
第二工程後、前記造形材の未硬化層に、放射線を照射し、前記造形材の硬化層を形成する第三工程と、
を有し、
前記第一工程から前記第三工程までを繰り返し、前記造形材の硬化層を積層する三次元造形物の製造方法。 - 前記造形材が、HLB値が9以上14以下の界面活性剤を更に含む請求項1に記載の三次元造形物の製造方法。
- 放射線により硬化するカチオン硬化性化合物、カチオン重合開始剤、及び吸液粒子を含む造形材を収容し、前記造形材の未硬化層を形成する未硬化層形成部と、
水、及びOH基を持つ液体からなる群より選択される少なくとも1種を含む液状物を収容し、前記造形材の未硬化層の非硬化領域とする領域の表面に、前記液状物を付与する液状物付与部と、
前記造形材の未硬化層に放射線を照射し、前記造形材の硬化層を形成する放射線照射部と、
を備え、
前記造形材の硬化層を積層して三次元造形物を製造する三次元造形装置。 - 前記造形材が、HLB値が9以上14以下の界面活性剤を更に含む請求項3に記載の三次元造形装置。
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