JP2019072970A - 立体造形物の製造方法及び立体造形用サポート材組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物形成後のサポート材を簡易に除去することのできる、立体造形物の製造方法及び立体造形用のサポート材組成物の提供。【解決手段】造形材料を基材上に塗布し、立体造形物の断面情報に基づいて造形材料層１０を形成する工程と、サポート材組成物を前記基材上に塗布し、前記造形材料層１０をサポートするサポート材層３０を形成する工程と、を含み、造形材料層１０を形成する工程と、前記サポート材層３０を形成する工程とを行う立体造形物の製造方法であって、前記サポート材組成物は、炭酸エチレンを主成分として含む立体造形物の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、立体造形物の製造方法及び立体造形用サポート材に関する。

立体造形物は一般的に３Ｄプリンターと呼ばれる付加製造装置によって製造される。付加製造装置は、熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂、粉末樹脂、粉末金属等の造形材料を溶融押出やインクジェットにより所定の領域に押し出し又は塗布した後、レーザー光や電子ビーム等を用いて融着、硬化させることによって、造形材料を薄膜状に積み重ねて目的の立体造形物を製造する。この方法は、形状データから直接造形物が得られ、中空やメッシュ状等の複雑な形状を一体成型できるため、小ロットもしくはオーダーメイドのテストモデル作成を始め、医療、航空機産業、産業用ロボット等利用分野が広がっている。

付加製造装置として具体的には、アクリル等の光硬化樹脂を用いたインクジェット紫外線硬化方式、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いた熱溶解積層方式、他にも粉末造形方式や光造形方式の３Ｄプリンターが知られている。

付加製造技術では複雑な形状の立体造形物を形成できるが、中空構造を製造する際に、立体造形物が自重により変形することを防止するため、立体造形物を支持して、その形状を保持するための支持体が用いられることがある。例えば、粉末の造形材料を結着或いは融着させていく粉末造形方式の場合には、未結着、未融着の粉末造形材料が支持体として作用し、成形後にはこれらが払い落とされることにより立体造形物を得ることが出来る。一方、光硬化性樹脂を段階的に硬化していくインクジェット方式や、熱可塑性樹脂を溶融押出して積層していく熱溶解積層方式においてはモデル材（造形材料）からなる立体造形物とサポート材からなる支持体をほぼ同時に形成していくため、成形後立体造形物からサポート材を除去することが必要である。

サポート材は、立体造形物と融着、接着もしくは粘着しているため、サポート材を立体造形物から除去する作業において、ヘラやブラシ等を用いて手作業で剥離したり、ウォータージェットで吹き飛ばしたりするなど手段が用いられるが、立体造形物破損の危険性があるため丁寧な作業が必要である。また、サポート材として熱可塑性樹脂や熱溶融するワックス、水や有機溶剤に溶解可能な材料、水膨潤ゲル等を使用し、サポート材の性質に応じて加熱、溶解、化学反応、水圧洗浄等の動力洗浄や電磁波照射、熱膨張差等を利用した分離方法も提案されている。

特開２００５−３５２９９号公報 特開２０１６−５３７０３４号公報

ところが、水によってサポート材を溶解除去しようとする場合、水の溶解能力がアルカリや溶剤に比べると低いため、サポート材は水に易溶で、直ちに溶ける物性を有する必要があるが、そのような物性をもつサポート材の材料の選定が難しい。加熱によってサポート材を溶融除去しようとする場合、サポート材の融点によっては、モデル材までも溶解してしまうため、サポート材の材料の選定が難しく、また、サポート材除去に際しての条件の設定が困難である。また、サポートの除去方法として、電磁波照射、熱膨張差を利用することも試みられているが、未だ開発中であり、実用化されていないのが現状である。そのため、立体造形物に損傷を与えずに簡易に除去することのできるサポート材が求められている。

本発明は上記した課題を解決するためになされたもので、立体造形物形成後のサポート材を簡易に除去することのできる、立体造形物の製造方法及び立体造形用のサポート材組成物を提供することを目的とする。

本発明の立体造形物の製造方法は、造形材料を基材上に塗布し、立体造形物の断面情報に基づいて造形材料層を形成する工程と、サポート材組成物を前記基材上に塗布し、前記造形材料層をサポートするサポート材層を形成する工程とを行う立体造形物の製造方法であって、前記サポート材組成物は、炭酸エチレンを含むことを特徴とする。

本発明の立体造形物の製造方法は、前記造形材料層と前記サポート材層からなる立体造形物前駆体を水と接触させて、前記サポート材層を除去する工程をさらに具備することが好ましい。この場合、サポート材層を除去する工程における水の温度は４０℃以上であることが好ましい。

本発明の立体造形物の製造方法は、前記造形材料層と前記サポート材層からなる立体造形物前駆体を加熱して、前記サポート材層を除去する工程をさらに具備することが好ましい。この場合、サポート材層を除去する工程における加熱温度は３８℃以上であることが好ましい。

本発明の立体造形用サポート材組成物は、炭酸エチレンを含むことを特徴とする。

本明細書において「下限値〜上限値」との記載における「〜」の符号は、下限値以上、上限値以下の範囲であることを意味する。

本発明の立体造形物の製造方法及び立体造形用のサポート材組成物によれば、立体造形物形成後のサポート材を簡易に除去することができる。

本発明の立体造形物の製造方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の立体造形物の製造方法を説明するための図である。本発明の立体造形物の製造方法は、造形材料を基材２上に塗布し、立体造形物の断面情報に基づいて造形材料層１０を形成する工程（Ａ）と、サポート材組成物を前記基材２上に塗布し、前記造形材料層１０をサポートするサポート材層３０を形成する工程（Ｂ）とを行い、立体造形物を製造する方法である。本発明の立体造形物の製造方法において使用されるサポート材組成物は、下記式（１）で示される炭酸エチレン（エチレンカーボネート）を含むことを特徴とする。

造形材料層１０を形成する工程（Ａ）においては、立体造形物の断面情報に基づいて、立体造形物の材料となる造形材料が塗布される。造形材料は通常常温で固体であるので、造形材料を加熱して溶融し、液体の状態で塗布することが好ましい。

立体造形物の断面情報は、所望の立体造形物の３次元形状に応じた断面データを、使用する装置にあわせた任意の形式で作成することができる。立体造形物の断面情報の生成方法としては、例えば、造形すべき物体の三次元ＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）データを用い、上記ＣＡＤデータを立体造形用のデータとして、例えば、三次元ＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データに変換し、さらに、この三次元ＳＴＬデータから、任意の一方向（例えば、高さ方向）に造形材料層１０の１層分の厚みに相当するピッチ（層厚）でスライスした各断面体（層）のデータを生成する方法が挙げられる。上記ピッチは、使用する造形材料や、所望の精度等に応じて、適宜決定することができる。また、上記各断面体（層）のデータは、必要に応じて、各部分の色の情報（彩色データ）を有していてもよい。さらに、三次元形状入力装置で計測された三次元着色形状のデータ及びテクスチャを利用することも可能である。

なお、サポート材組成物を用いる本発明においては、「立体造形物の断面情報」とは、立体造形物自体の断面情報だけでなく、立体造形物を形成する際に設けるサポート材の断面情報も含まれる。

造形材料層１０を形成する工程（Ａ）における造形材料の塗布方法としては、加熱溶融することで液状となった造形材料液を、インクジェットヘッド４で吐出するインクジェット法を用いる方法が、従来公知の装置に適用可能であるため好ましい。インクジェット法では、インクジェットヘッド４が、立体造形物の断面情報に基づいて、ＸＹ平面上を移動して、所定の厚さの造形材料層１０を形成することができる。

造形材料層１０を形成する工程（Ａ）における造形材料層１０の厚さは、上述したように、使用される造形材料や、所望の精度等に応じて決定される。造形材料層１０の厚さは、造形精度、造形材料層１０の強度及び製造効率等の観点から、０．１〜２００μｍであることが好ましく、１〜１５０μｍであることがより好ましく、１０〜１００μｍであることがさらに好ましい。また、造形材料層１０を形成する工程（Ａ）におけるインクジェットヘッド４による造形材料の吐出の解像度は、所望の立体造形物の精度や、立体造形物の断面情報の精度に応じて、適宜選択することができる。

造形材料層１０を形成する造形材料としては、インクジェット法を用いる場合、インクジェット造形法に使用可能な一般的な光硬化性インクを使用することができる。このような光硬化性インクとしては、ストラタシス社製のＶｅｒｏＷｈｉｔｅＰｌｕｓ、ＶｅｒｏＢｌａｃｋＰｌｕｓ、ＶｅｒｏＢｌｕｅ、ＶｅｒｏＧｒａｙ、ＶｅｒｏＣｌｅａｒ等や、キーエンス社製のＡＲ−Ｍ１、ＡＲ−Ｍ２やミマキエンジニアリング社製のＬＨ１００Ｃｌｅａｒ ｌｉｑｕｉｄ、ＬＨ１００Ｃｙａｎ、ＬＨ１００Ｙｅｌｌｏｗ、ＬＨ１００Ｍａｇｅｎｔａ、ＬＨ１００Ｗｈｉｔｅ、ＬＨ１００Ｂｌａｃｋ、ＬＦ−１４０Ｃｙａｎ、ＬＦ−１４０Ｌｉｇｈｔ Ｃｙａｎ、ＬＦ−１４０Ｙｅｌｌｏｗ、ＬＦ−１４０Ｍａｇｅｎｔａ、ＬＦ−１４０Ｌｉｇｈｔ Ｍａｇｅｎｔａ、ＬＦ−１４０Ｗｈｉｔｅ、ＬＦ−１４０Ｂｌａｃｋ、ＬＦ−１４０ｗｈｉｔｅ等が例として挙げられる。これらの光硬化性インクは、１種を単独で用いてもよいし、又は２種以上を併用してもよい。また、カラーの立体造形物を形成するためには、造形材料に着色顔料を含有させたカラーの光硬化性インクを２種以上用いることが好ましい。

本発明の立体造形物の製造方法は、造形材料層１０を光硬化させる硬化工程を含むことが好ましい。硬化工程において用いることができる光は、紫外線、可視光又は赤外光などが挙げられる。光のピーク波長は、光硬化性インクに含有される光重合開始剤や増感剤の吸収特性にもよるが、例えば、２００〜６００ｎｍであることが好ましく、３００〜４５０ｎｍであることがより好ましく、３２０〜４２０ｎｍであることが更に好ましく、ピーク波長３４０〜４００ｎｍの範囲の紫外線であることが特に好ましい。

サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）においては、炭酸エチレンを含むサポート材組成物を基材２上に塗布してサポート材層３０を形成する。サポート材組成物は、造形材料の塗布された位置の周囲に必要に応じて塗布されることにより、造形材料層１０を支持するサポート材として機能する。

サポート材層３０は任意の形状で形成することができる。例えば、立体造形物を形成する際において必要最低限のサポート材が形成されるように、サポート材層３０を形成してもよいし、また、立体造形物の周囲や内部に十分なサポート材が形成されるようにサポート材層３０を形成してもよい。

サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）におけるサポート材組成物の塗布方法としては、加熱溶融することで液状となったサポート材組成物を、インクジェットヘッド４で吐出するインクジェット法を用いる方法が、従来公知の装置に適用可能であるため好ましい。この際の加熱温度は炭酸エチレンの融点、すなわち３８℃以上であることが好ましい。この際、造形材料とサポート材組成物を別々に塗布するように複数のインクジェットヘッド４を用いてもよく、共通のインクジェットヘッド４によって、上記造形材料とサポート材組成物を塗布してもよい。

サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）におけるサポート材層３０の厚さは、上述したように、使用される造形材料や、所望の精度等に応じて決定される。サポート材層３０の厚さは、サポート材の強度及び製造効率等の観点から、０．１〜２００μｍであることが好ましく、１〜１５０μｍであることがより好ましく、１０〜１００μｍであることがさらに好ましい。また、サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）におけるインクジェットヘットによるサポート材組成物の吐出の解像度は、所望の立体造形物の精度や、立体造形物の断面情報の精度に応じて、適宜選択することができる。

サポート材組成物は、炭酸エチレンを含み、好ましくは炭酸エチレンを主成分として含む。炭酸エチレンは、融点が３８℃と比較的低く、固体状態においても十分な強度を有する。また、衝撃に対しても耐性がある。そのため、十分なサポートが可能である。また、水溶性かつ低粘度（４０℃で１．９ｍＰａ・ｓ）であり、水によって極めて簡易に除去される。そのため、水に長時間接触させる必要がなく、細部にわたって精密な除去が可能である。なお、ここでの主成分とは、組成物全体の５０質量％以上を意味する。炭酸エチレンの含有割合は、サポート材組成物の全量に対して８０質量％以上がより好ましく、９０質量％以上がさらに好ましく、９５質量％以上が特に好ましい。

また、炭酸エチレンと公知の水溶性サポート材を混合して、サポート材組成物として用いてもよい。これにより、サポート材の水洗性能を向上させることができる。炭酸エチレンと公知の水溶性サポート材を混合する場合、炭酸エチレンの含有量は、サポート材組成物の全量に対して２〜３０質量％が好ましく、５〜２０質量％がより好ましい。

サポート材組成物は、炭酸エチレン以外にも、必要に応じて、その他の成分を含有してもよい。その他の成分として例えば増粘剤、防菌剤等が挙げられる。増粘剤としてはカルボキシビニールポリマー、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、メチルセルロース等の親水性合成ポリマー樹脂等、防菌剤としては、フェノキシエタノール、サリチル酸、パラベン、１、２ヘキサンジオール等が使用可能である。

本発明の立体造形物の製造方法における造形材料層１０を形成する工程（Ａ）と、サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）は同時に行ってもよく、順に行ってもよい。順に行う場合には、いずれを先に行ってもよい。また、本発明の立体造形物の製造方法における造形材料層１０を形成する工程（Ａ）と、サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）の回数は各々１回のみでもよく、複数回行ってもよい。これらの工程の回数は、立体造形物の形状や造形材料の種類等によって適宜設定することができる。造形材料層１０を形成する工程（Ａ）と、サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）を複数回行う場合、これらは交互に行うか、造形材料層１０を形成する工程（Ａ）と、サポート材層３０を形成する工程（Ｂ）を同時に行う工程を複数回行うことが好ましい。

本発明の立体造形物の製造方法において、基材２は、最初に行われる造形材料層１０を形成する工程（Ａ）においては、例えば、使用する立体造形装置の基盤や造形テーブルあるいは、別途準備した任意の基板、支持体又は物品である。またサポート材層３０を１層又は複数層で形成して基材２としてもよい。２回目以降の造形材料層１０を形成する工程（Ａ）においては、基材２は、既に形成された造形材料層１０、サポート材層３０、又は造形材料層１０とサポート材層３０とからなる立体造形物前駆体である。

上記したようにサポート材層３０を形成するサポート材組成物中の炭酸エチレンの融点は３８℃であるため、基材２は、３８℃未満の温度に保持される。基材２を３８℃未満に保持する方法としては、基材２を冷却する方法、例えば、基材２の下面に冷却手段を設置する方法、装置自体を低温の箱の中に設置する方法などを使用することができる。

本発明の製造方法は、さらに、造形材料層１０とサポート材層３０が積層されて形成された立体造形物前駆体を水と接触させて、サポート材層３０を除去する工程を有することが好ましい。上記したように、炭酸エチレンは、水溶性であるため、立体造形物前駆体を水と接触させることでサポート材層３０を容易に除去することができる。

立体造形物前駆体を水と接触させる方法としては、例えば、立体造形物前駆体を水に浸漬する方法、立体造形物前駆体に水をかけ流す方法等が使用可能である。立体造形物前駆体に水をかけ流す方法では例えば、立体造形物前駆体にシャワー状に水をかけ流す方法であってもよい。炭酸エチレンは、低粘度であるため、水によって極めて簡易に除去され、細部にわたって精密な除去が可能である。

立体造形物前駆体を水と接触させる方法において、水の温度は、４０℃以上であることが好ましい。炭酸エチレンは、融点が３８℃と比較的低いため、３８℃以上の水と接触させることでサポート材層３０は液状となる。立体構造物前駆体からサポート材層を精密に除去するために、水の温度は、水及びサポート材の比熱などを考慮して４０℃以上であることが好ましい。これにより、サポート材層３０を極めて迅速に除去することができる。

また、炭酸エチレンは、融点が３８℃であるため、サポート材層３０の除去に際しては、立体造形物前駆体を３８℃以上に加熱してもよい。これにより、サポート材層３０を容易に除去することができ、また、液体の炭酸エチレンは低粘度であるため、細部にわたって精密な除去が可能である。

以上、本発明の立体造形物の製造方法によれば、サポート材組成物が炭酸エチレンを主成分として含むため、立体構造物前駆体からのサポート材の除去が極めて容易であり、また、簡易な方法で細部にわたって精密な除去が可能である。

Claims (6)

1. 造形材料を基材上に塗布し、立体造形物の断面情報に基づいて造形材料層を形成する工程と、
   サポート材組成物を前記基材上に塗布し、前記造形材料層をサポートするサポート材層を形成する工程とを行う立体造形物の製造方法であって、
   前記サポート材組成物は、炭酸エチレンを含むことを特徴とする立体造形物の製造方法。
2. 前記造形材料層と前記サポート材層からなる立体造形物前駆体を水と接触させて、
   前記サポート材層を除去する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の立体造形物の製造方法。
3. 前記サポート材層を除去する工程における水の温度は４０℃以上であることを特徴とする請求項２記載の立体造形物の製造方法。
4. 前記造形材料層と前記サポート材層からなる立体造形物前駆体を加熱して、
   前記サポート材層を除去する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の立体造形物の製造方法。
5. 前記サポート材層を除去する工程における加熱温度は３８℃以上であることを特徴とする請求項４記載の立体造形物の製造方法。
6. 炭酸エチレンを含む立体造形用サポート材組成物。

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