JP2019081958A - Sintering shaping method, liquid binder, and sintered shaped article - Google Patents
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Description
本発明は、焼結造形方法、焼結造形に用いる液状結合剤、および焼結造形物に関する。 The present invention relates to a sinter molding method, a liquid binder used for sinter molding, and a sinter molded article.
3次元形状の立体モデル(造形物)を形成する造形方法の一つに積層造形法がある。積層造形法としては、例えば、光硬化性樹脂を積層させながらレーザーで選択的に硬化させて造形物の断面各層を形成する光造形法、粉末材料を積層させながらレーザーで選択的に溶着し固化させて各層を形成する粉末焼結法、熱可塑性材料を加熱しノズルから押し出して堆積させることにより各層を形成する溶融物堆積法、紙などのシート材をモデルの断面形状にカットして積層し接着することにより形成するシート積層法、などが提案されている。 One of the modeling methods for forming a three-dimensional three-dimensional model (shaped object) is the layered modeling method. As the layer-forming method, for example, an optical forming method of selectively curing by a laser while laminating a photocurable resin to form cross-sectional layers of a shaped object, and selectively welding and solidifying a laser while laminating a powder material Powder formation method to form each layer, melt deposition method to form each layer by extruding and depositing thermoplastic material by heating and extruding thermoplastic material, sheet material such as paper is cut into a cross-sectional shape of the model and laminated A sheet laminating method formed by bonding has been proposed.
特許文献1には、次のような三次元プリント技術(三次元造形物の製造方法)が開示されている。
まず、セラミックや金属等を含む粉末材料を層状に沈積する。次いで、粉末材料同士を結合させる結合剤材料を、粉末材料の層の選択された領域に塗布する。すると、粉末材料間の空隙に浸透した結合剤材料が、粉末材料同士を接合することによって、三次元造形物の二次元断面層に対応する造形物が形成される。こうした粉末材料の沈積と、結合剤材料の塗布とを交互に繰り返すことによって二次元断面層が積層され、三次元構造を有した造形物が形成(造形)される。
Patent Document 1 discloses the following three-dimensional printing technique (a method of manufacturing a three-dimensional structure).
First, a powder material containing ceramic, metal, etc. is deposited in layers. A binder material is then applied to selected areas of the layer of powder material, which bonds the powder materials together. Then, the binder material that has penetrated into the voids between the powder materials joins the powder materials to form a shaped object corresponding to the two-dimensional cross-sectional layer of the three-dimensional object. By alternately repeating the deposition of the powder material and the application of the binder material, a two-dimensional cross-sectional layer is laminated, and a three-dimensional shaped object is formed (shaped).
しかしながら、特許文献1の三次元造形物の製造方法は、粉末材料(造形材料)に塗布した結合剤材料によって粉末材料同士を接合するものであって、例えば、レーザーを照射するなどして選択的に金属材料(造形材料)を溶着して固化させる方法とは、造形材料を固化する方法、つまり造形材料が結び付く形態が異なる。得られた三次元造形物の強度は、この造形材料の結び付きの形態によって大きく異なってくる。一般的に、特許文献1のような粉末材料同士を結合剤材料によって接合する造形方法の方が、金属材料を溶着し固化させる方法と比較して、強度が劣ってしまう。そこで、粉末材料にセラミックや金属材料を用い、粉末材料同士の結びつきを向上させるために焼結工程を導入することにより、三次元造形物の強度を上げることが考えられた。しかしながら、この方法によると、粉末材料同士を接合する材料が熱分解によって除去(脱脂)され粉末材料同士が焼結するため、三次元造形物の寸法収縮が大きくなってしまい、形状の変化を起こしやすいという問題があった。つまり、特許文献1の三次元造形物の製造方法によって造形された三次元造形物は、その強度を上げるために焼結した場合に、基の寸法を維持することが難しく、より強度が高く高精細な三次元造形物の形成を安定してできないという問題があった。 However, the method for producing a three-dimensional structure of Patent Document 1 is to bond powder materials together with a binder material applied to a powder material (shape material), and for example, it is possible to selectively apply laser light. The method of welding and solidifying the metal material (the molding material) is different from the method of solidifying the molding material, that is, the form in which the molding material is connected. The strength of the obtained three-dimensional structure differs greatly depending on the form of connection of the structure. In general, the forming method of bonding powder materials as in Patent Document 1 with a binder material is inferior in strength as compared with a method of welding and solidifying a metal material. Therefore, it has been considered to increase the strength of the three-dimensional structure by using a ceramic or metal material as the powder material and introducing a sintering process to improve the bond between the powder materials. However, according to this method, the material for bonding the powder materials to each other is removed (degreased) by thermal decomposition and the powder materials sinter together, so the dimensional shrinkage of the three-dimensional structure becomes large, causing a change in shape. There was a problem that it was easy. That is, when sintered to increase its strength, it is difficult to maintain the dimensions of the base, and the three-dimensional structure formed by the method of manufacturing a three-dimensional structure of Patent Document 1 has high strength and high strength. There has been a problem that the formation of a fine three-dimensional structure can not be stabilized.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following applications or embodiments.
[適用例1] 本適用例に係る焼結造形方法は、第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料を用いて造形層を形成する造形層形成工程と、前記造形層の所望の領域に第2の無機粒子が含まれる液状結合剤を付与する工程と、付与された前記液状結合剤を硬化させて造形断面層を形成する工程と、前記造形層の前記液状結合剤が付与されていない領域を除去する工程と、前記造形断面層を加熱して焼結処理する工程と、を含むことを特徴とする。 Application Example 1 In the sinter modeling method according to this application example, in a forming layer forming step of forming a forming layer using a sinter forming material containing a first inorganic particle, and a desired region of the forming layer. A step of applying a liquid binder containing second inorganic particles, a step of curing the applied liquid binder to form a shaped cross-sectional layer, and the liquid binder of the shaped layer is not applied It is characterized by including the process of removing a field, and the process of heating and sintering processing the above-mentioned modeling section layer.
本適用例の焼結造形方法は、第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料を用いて造形層を形成する造形層形成工程と、造形層の所望の領域に第2の無機粒子が含まれる液状結合剤を付与する工程と、付与された液状結合剤を硬化させて造形断面層を形成する工程とを含む。これらの工程を含むことにより、造形断面層には、第1の無機粒子に加え、更に第2の無機粒子を含ませることができる。また、造形層の液状結合剤が付与されていない領域を除去する工程と、積層された造形断面層を加熱して焼結処理する工程と、を含む。これらの工程を含むことにより、積層された造形断面層によって三次元造形物が造形され、また焼結処理をすることによって、その強度を高めることができる。 In the sintering and shaping method of this application example, a second inorganic particle is contained in a desired region of a modeling layer forming step of forming a modeling layer using a sintered modeling material containing a first inorganic particle, and Applying the liquid binder, and curing the applied liquid binder to form the shaped cross-section layer. By including these steps, the shaped cross-sectional layer can further include a second inorganic particle in addition to the first inorganic particle. Moreover, the process of removing the area | region to which the liquid binder of the modeling layer is not provided, and the process of heating and sintering the laminated modeling cross section layer are included. By including these steps, the three-dimensional structure is formed by the laminated forming cross-sectional layer, and the strength can be enhanced by performing a sintering process.
本適用例によれば、造形断面層には、第1の無機粒子に加え、更に第2の無機粒子を含ませるため、より無機粒子(第1および第2の無機粒子)の密度(体積充填率)が高い三次元造形物を得ることができる。その結果、焼結処理を行った場合の三次元造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い三次元造形物を造形することができる。 According to this application example, in order to further include the second inorganic particles in addition to the first inorganic particles, the density of the inorganic particles (first and second inorganic particles) (volume filling) Three-dimensional object with a high rate) can be obtained. As a result, the dimensional change (shrinkage) of the three-dimensional structure in the sintering process is further suppressed, and a three-dimensional structure with higher dimensional accuracy can be formed.
[適用例2] 上記適用例に係る焼結造形方法において、前記焼結処理する工程は、前記第2の無機粒子を、前記第1の無機粒子が焼結を開始する焼結開始温度より低い温度において前記第1の無機粒子に融着させる加熱工程を含むことを特徴とする。 Application Example 2 In the sintering and shaping method according to the application example, in the step of performing the sintering process, the second inorganic particle is lower than a sintering start temperature at which the first inorganic particle starts sintering. The method is characterized by including a heating step of fusing the first inorganic particles at a temperature.
本適用例によれば、焼結処理する工程は、第2の無機粒子を、第1の無機粒子が焼結を開始する焼結開始温度より低い温度において第1の無機粒子に融着させることにより、第2の無機粒子を、第1の無機粒子同士を結着させるバインダーとして機能させることができる。その結果、焼結処理を行った場合の三次元造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い三次元造形物を造形することができる。 According to this application example, the step of performing the sintering process fuses the second inorganic particle to the first inorganic particle at a temperature lower than the sintering start temperature at which the first inorganic particle starts sintering. Thus, the second inorganic particles can function as a binder for binding the first inorganic particles to each other. As a result, the dimensional change (shrinkage) of the three-dimensional structure in the sintering process is further suppressed, and a three-dimensional structure with higher dimensional accuracy can be formed.
[適用例3] 上記適用例に係る焼結造形方法において、前記焼結造形材料は、前記第1の無機粒子同士を結着する熱可塑性バインダーを含み、前記造形層形成工程は、前記焼結造形材料を前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱して行うことを特徴とする。 Application Example 3 In the sinter modeling method according to the application example, the sinter modeling material includes a thermoplastic binder that bonds the first inorganic particles to each other, and the sinter forming step includes the sintering step. The method is characterized in that the shaping material is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic binder.
本適用例によれば、焼結造形材料は、第1の無機粒子同士を結着する熱可塑性バインダーを含んでいる。また、造形層形成工程は、焼結造形材料を熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱して行う。焼結造形材料を熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱することで焼結造形材料の流動性が高まるため、焼結造形材料をより容易に展延させることが可能となり、より寸法精度の高い造形層を形成することが可能となる。また、焼結処理を進める加熱工程では、熱可塑性バインダーが熱分解されるまでの間(脱脂が完了するまでの間)熱可塑性バインダーが第1の無機粒子同士の結着に寄与する。本適用例によれば、これらの結果、より寸法精度の高い三次元造形物を造形することができる。 According to this application example, the sintered and shaped material contains a thermoplastic binder that bonds the first inorganic particles to each other. In the shaping layer forming step, the sintered shaping material is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic binder. By heating the sintered shaped material to a temperature higher than the melting point of the thermoplastic binder, the flowability of the sintered shaped material is increased, so that the sintered shaped material can be spread more easily, and the dimensional accuracy is higher. It is possible to form a shaping layer. In addition, in the heating process in which the sintering process proceeds, the thermoplastic binder contributes to the binding between the first inorganic particles until the thermoplastic binder is thermally decomposed (until the degreasing is completed). According to this application example, as a result of these, it is possible to form a three-dimensional structure with higher dimensional accuracy.
[適用例4] 上記適用例に係る焼結造形方法において、前記造形断面層に含まれる前記第1の無機粒子の重量と前記第2の無機粒子の重量との比率が400:1〜3:1の範囲であることを特徴とする。 Application Example 4 In the sintering and shaping method according to the application example, the ratio of the weight of the first inorganic particles to the weight of the second inorganic particles contained in the shaped cross-sectional layer is 400: 1 to 3: It is characterized by being in the range of 1.
本適用例によれば、造形断面層に含まれる第1の無機粒子の重量と第2の無機粒子の重量との比率が400:1〜3:1の範囲であるため、第1の無機粒子を主材として造形することができる。また、この主材に付与する第2の無機粒子によって、より無機粒子の密度が高い三次元造形物を得ることができる。その結果、焼結処理を行った場合の三次元造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い三次元造形物を造形することができる。 According to this application example, since the ratio of the weight of the first inorganic particles to the weight of the second inorganic particles contained in the shaped cross-sectional layer is in the range of 400: 1 to 3: 1, the first inorganic particles are Can be shaped as a main material. Moreover, a three-dimensional structure having a higher density of inorganic particles can be obtained by the second inorganic particles applied to the main material. As a result, the dimensional change (shrinkage) of the three-dimensional structure in the sintering process is further suppressed, and a three-dimensional structure with higher dimensional accuracy can be formed.
[適用例5] 上記適用例に係る焼結造形方法において、前記第1の無機粒子の平均粒子径と前記第2の無機粒子の平均粒子径との比率が50000:1〜10:1の範囲であることを特徴とする。 Application Example 5 In the sintering method according to the application example, the ratio of the average particle diameter of the first inorganic particles to the average particle diameter of the second inorganic particles is in the range of 50000: 1 to 10: 1. It is characterized by being.
本適用例によれば、第1の無機粒子の平均粒子径と第2の無機粒子の平均粒子径との比率が50000:1〜10:1の範囲であるため、第1の無機粒子を主材として造形することができ、また、付与する第2の無機粒子が、液状結合剤と共に主材(第1の無機粒子)の間に浸透しやすい。その結果、より均質に無機粒子の密度を高めた造形断面層を形成することができ、より均質に無機粒子の密度を高めた三次元造形物を得ることができる。その結果、焼結処理を行った場合の三次元造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い三次元造形物を造形することができる。 According to this application example, the ratio of the average particle diameter of the first inorganic particles to the average particle diameter of the second inorganic particles is in the range of 50000: 1 to 10: 1. It can be shaped as a material, and the second inorganic particles to be applied easily penetrate between the main material (first inorganic particles) together with the liquid binder. As a result, it is possible to form a shaped cross-section layer in which the density of inorganic particles is more uniformly increased, and to obtain a three-dimensional structure in which the density of inorganic particles is more uniformly increased. As a result, the dimensional change (shrinkage) of the three-dimensional structure in the sintering process is further suppressed, and a three-dimensional structure with higher dimensional accuracy can be formed.
[適用例6] 上記適用例に係る焼結造形方法において、前記第2の無機粒子の平均粒
子径が0.001μm以上10μm以下であることを特徴とする。
Application Example 6 In the sintering and shaping method according to the application example, an average particle diameter of the second inorganic particles is 0.001 μm to 10 μm.
本適用例によれば、第2の無機粒子の平均粒子径が0.001μm以上10μm以下である。つまり、第2の無機粒子がナノ粒子レベル(1〜1万nm)の大きさの無機粒子であるため、第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料の所望の領域に液状結合剤を付与した場合に、第1の無機粒子の空隙に容易に入り込ませることができる。つまり、より均質に無機粒子(第1および第2の無機粒子)の密度を高めることができ、より均質に無機粒子の密度を高めた三次元造形物を得ることができる。また、第2の無機粒子がナノ粒子レベルの大きさの無機粒子であるため、第2の無機粒子を付与することによって三次元造形物の焼結開始温度を降下させることができる。つまり、第2の無機粒子のサイズ効果により、第2の無機粒子と第1の無機粒子との焼結がより低い温度で開始されるため、例えば、第1の無機粒子と第2の無機粒子とが同じ金属の場合には、第1の無機粒子だけの場合の焼結開始温度に比較し、より低い温度で焼結を開始することができる。その結果、焼結処理のための加熱工程における寸法の変化(例えば、焼結造形材料に含まれるバインダー材料の熱分解(脱脂)による寸法の変化)を、より低い温度から抑制することができるため、三次元造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い三次元造形物を造形することができる。 According to this application example, the average particle diameter of the second inorganic particles is 0.001 μm to 10 μm. That is, since the second inorganic particle is an inorganic particle having a size of the nanoparticle level (1 to 10,000 nm), the liquid binder is applied to a desired region of the sintered and shaped material containing the first inorganic particle. When it does, it can be easily inserted in the void of the 1st inorganic particle. That is, the density of the inorganic particles (first and second inorganic particles) can be increased more uniformly, and a three-dimensional structure with the density of the inorganic particles increased more uniformly can be obtained. In addition, since the second inorganic particle is an inorganic particle having a size at the nanoparticle level, the sintering start temperature of the three-dimensional structure can be lowered by applying the second inorganic particle. That is, because sintering of the second inorganic particle and the first inorganic particle is started at a lower temperature due to the size effect of the second inorganic particle, for example, the first inorganic particle and the second inorganic particle When the same metal is used, sintering can be started at a lower temperature as compared to the sintering start temperature of the first inorganic particle alone. As a result, it is possible to suppress the change in dimension in the heating step for the sintering process (for example, the change in dimension due to the thermal decomposition (defatting) of the binder material included in the sintered shaped material) from a lower temperature. The dimensional change (shrinkage) of the three-dimensional structure is further suppressed, and a three-dimensional structure with higher dimensional accuracy can be formed.
[適用例7] 上記適用例に係る焼結造形方法において、前記第1の無機粒子および前
記第2の無機粒子が、セラミック粒子または金属粒子であることを特徴とする。
Application Example 7 In the sintering and shaping method according to the application example, the first inorganic particles and the second inorganic particles are ceramic particles or metal particles.
本適用例によれば、第1の無機粒子および第2の無機粒子が、セラミック粒子または金属粒子であるため、これらが主材の三次元造形物に対して焼結処理を行うことができ、その結果、より強固な三次元造形物を得ることができる。 According to this application example, since the first inorganic particles and the second inorganic particles are ceramic particles or metal particles, they can perform a sintering process on the three-dimensional structure of the main material, As a result, a stronger three-dimensional object can be obtained.
[適用例8] 本適用例に係る液状結合剤は、第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料の所望の領域に液状結合剤を付与する工程と、付与した前記液状結合剤を硬化する工程と、を含む三次元造形物の製造に用い、第2の無機粒子が含まれていることを特徴とする。 Application Example 8 The liquid binder according to this application example applies a liquid binder to a desired region of the sintered shaped material containing the first inorganic particles, and hardens the applied liquid binder. And a second inorganic particle is included in the production of the three-dimensional structure including the steps.
本適用例の液状結合剤は、三次元造形物の製造に用いる液状結合剤であり、第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料の所望の領域に付与され、付与された領域が硬化することで三次元造形物を構成する領域が形成される。また、この液状結合剤には、第2の無機粒子が含まれている。つまり、本適用例の液状結合剤によれば、三次元造形物を造形するための所望の領域には、第1の無機粒子に加え、更に第2の無機粒子を含ませることができる。その結果、より無機粒子の密度が高い三次元造形物を得ることができる。 The liquid binder of this application example is a liquid binder used in the production of a three-dimensional structure, which is applied to a desired region of the sintered shaped material including the first inorganic particles, and the applied region is cured. Thus, an area constituting the three-dimensional structure is formed. Further, the liquid binder contains second inorganic particles. That is, according to the liquid binder of this application example, in addition to the first inorganic particles, the second inorganic particles can be further contained in the desired region for forming the three-dimensional structure. As a result, a three-dimensional structure with a higher density of inorganic particles can be obtained.
[適用例9] 上記適用例に係る液状結合剤において、前記第2の無機粒子の平均粒子径が0.001μm以上10μm以下であることを特徴とする。 Application Example 9 In the liquid binder according to the application example described above, an average particle diameter of the second inorganic particles is 0.001 μm to 10 μm.
本適用例によれば、液状結合剤に含まれる第2の無機粒子の平均粒子径が0.001μm以上10μm以下である。つまり、第2の無機粒子は、ナノ粒子レベルの大きさの無機粒子であるため、第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料の所望の領域に液状結合剤を付与した場合に、第1の無機粒子の空隙に容易に入り込ませることができる。つまり、より均質に無機粒子(第1および第2の無機粒子)の密度を高めることができ、より均質に無機粒子の密度を高めた三次元造形物を得ることができる。 According to this application example, the average particle diameter of the second inorganic particles contained in the liquid binder is 0.001 μm to 10 μm. That is, since the second inorganic particle is an inorganic particle having a size of the nanoparticle level, the first binder particle is applied when a liquid binder is applied to a desired region of the sintered and shaped material containing the first inorganic particle. Can be easily inserted into the voids of the inorganic particles of That is, the density of the inorganic particles (first and second inorganic particles) can be increased more uniformly, and a three-dimensional structure with the density of the inorganic particles increased more uniformly can be obtained.
[適用例10] 上記適用例に係る液状結合剤において、前記第2の無機粒子がセラミック粒子または金属粒子であることを特徴とする。 Application Example 10 In the liquid binder according to the application example, the second inorganic particles are ceramic particles or metal particles.
本適用例によれば、例えば、第1の無機粒子が第2の無機粒子と同様のセラミック粒子である場合、または、第1の無機粒子が第2の無機粒子と同様の金属粒子である場合において、これらを主材とした三次元造形物の焼結処理を行うことができ、その結果、より強固な三次元造形物を得ることができる。 According to this application example, for example, the first inorganic particle is a ceramic particle similar to the second inorganic particle, or the first inorganic particle is a metal particle similar to the second inorganic particle In the above, it is possible to carry out a sintering process of a three-dimensional structure mainly composed of these, and as a result, it is possible to obtain a stronger three-dimensional structure.
[適用例11] 本適用例に係る焼結造形物は、適用例1ないし適用例7のいずれか一例に記載の焼結造形方法により造形されたことを特徴とする。 Application Example 11 A sintered molded article according to this application example is characterized in that it is shaped by the sinter molding method described in any one of application examples 1 to 7.
上記適用例に記載の焼結造形方法により造形された焼結造形物は、焼結処理を行った場合の三次元造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い三次元造形物として提供される。 The three-dimensional object of the sinter object formed by the sinter object forming method according to the application example is further suppressed in dimensional change (shrinkage) of the three-dimensional object when the sinter process is performed. Provided as a shaped object.
[適用例12] 本適用例に係る焼結造形物は、適用例8ないし適用例10のいずれか一例に記載の液状結合剤を用いて造形されたことを特徴とする。 Application Example 12 The sintered molded article according to this application example is characterized in that it is shaped using the liquid binder described in any one of Application Examples 8 to 10.
上記適用例に記載の液状結合剤を用いて造形された焼結造形物は、より寸法精度の高い三次元造形物として提供される。 The sintered shaped object shaped using the liquid binder described in the application example is provided as a three-dimensional shaped object with higher dimensional accuracy.
[適用例13] 本適用例に係る焼結造形物は、積層する焼結造形材料に予め含まれる第1の無機粒子と、積層された前記焼結造形材料に付与する液状結合剤に含まれる第2の無機粒子と、を含んで構成されることを特徴とする。 Application Example 13 The sintered molded article according to this application example is included in the first inorganic particles contained in advance in the sintered molded material to be laminated, and in the liquid binder to be applied to the laminated sintered molded material. And a second inorganic particle.
本適用例によれば、焼結造形物は、積層する焼結造形材料に予め含まれる第1の無機粒子と、積層された焼結造形材料に付与する液状結合剤に含まれる第2の無機粒子と、を含んで構成される。つまり、焼結造形物は、第1の無機粒子に加え、第2の無機粒子を含んで構成されるため、第1の無機粒子のみで構成される焼結造形物に比較して、より無機粒子の充填率が高い焼結造形物を得ることができる。 According to this application example, the sintered shaped article is the first inorganic particles contained in advance in the sintered shaped material to be laminated, and the second inorganic substance contained in the liquid binder applied to the sintered shaped material on the laminated side. And particles. That is, since the sintered molded article is configured to include the second inorganic particles in addition to the first inorganic particles, it is more inorganic than the sintered molded article configured of only the first inorganic particles. It is possible to obtain a sintered shaped article having a high packing ratio of particles.
以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following is one embodiment of the present invention, and not intended to limit the present invention. In addition, in each following figure, in order to make an explanation intelligible, it may be described in the scale different from actual.
(実施形態1)
実施形態1として、3次元形状の立体モデル(焼結造形物)を造形する一つの手法としての積層造形における焼結造形材料、焼結造形装置、「焼結造形方法」、焼結造形に用いる「液状結合剤」、およびこれらによって造形された「焼結造形物」を説明する。
積層造形の方法としては、三次元造形物の断面形状を形成すべく焼結造形材料で構成された薄い層にインクジェット法により選択的に液状結合剤を付与し、液状結合剤を付与した部分を硬化させながら次々と積層することにより三次元造形物を形成する方法を用いている。
以下、それぞれについて具体的に説明する。
(Embodiment 1)
As Embodiment 1, a sinter modeling material, a sinter modeling apparatus, a “sinter modeling method”, a sinter modeling used in lamination modeling as one method for forming a three-dimensional model (sinter-shaped object) of a three-dimensional shape A "liquid binder" and a "sintered shaped article" shaped by these will be described.
As a method of additive manufacturing, a liquid binder is selectively applied to a thin layer made of a sintered modeling material by an inkjet method so as to form a cross-sectional shape of a three-dimensional structure, and a portion to which the liquid binder is applied is The method of forming a three-dimensional structure by laminating one after another while curing is used.
Each of these will be specifically described below.
<焼結造形材料>
図1は、焼結造形材料1の常温(15〜25℃)における状態を示す概念図である。
焼結造形材料1は、積層造形法により3次元形状の立体モデル(焼結造形物)を造形する際に使用する材料(主材)であり、焼結造形材料1によって焼結造形物の基本となる各層、つまり焼結造形物の各断面形状を形成するための層(以下造形層という)を形成する。
焼結造形材料1は、粉末の「第1の無機粒子」から成る粉末材料2および「熱可塑性バインダー」としてのバインダー材料3などによって構成される。
<Sintered molding material>
FIG. 1 is a conceptual view showing a state of the sintered and shaped material 1 at normal temperature (15 to 25 ° C.).
The sintered molding material 1 is a material (main material) used when molding a three-dimensional three-dimensional model (sintered molding) by the lamination molding method, and the basics of the sintered molding by the sintered modeling material 1 To form each layer (hereinafter referred to as a shaped layer) for forming each cross-sectional shape of the sintered shaped article.
The sintered shaped material 1 is constituted of a
粉末材料2は、焼結造形材料1を用いて形成される焼結造形物の主要な構成材料である。
粉末材料2は、「第1の無機粒子」としての無機粒子2aの集合体として構成される。 無機粒子2aには、金属粒子やセラミック粒子を用いることができる。無機粒子2aは、平均粒子径が0.1μm以上30μm以下の略球形である。平均粒子径は、1μm以上15μm以下であることが更に好ましい。また、真球形状に近いほどより好ましい。これにより、焼結造形物の形状に係る制御性、特に焼結造形物の外形を規定する辺や角部における形状の制御性が向上する。
The
また、無機粒子2aの粒径は、焼結造形材料1によって形成される造形層の平均厚さ以下であることが好ましく、造形層の平均厚さの2分の1以下であることがより好ましい。これにより、造形層における無機粒子2aの密度(体積充填率)を向上させ、ひいては、焼結造形物の機械的強度を向上させることができる。
In addition, the particle diameter of the
また、粉末材料2には、上記粒径の範囲内で、互いに異なる粒径の無機粒子2aが含まれていることが好ましい。なお、無機粒子2aの粒径の分布としては、ガウス分布(正規分布)に近い分布であってもよいし、最大径側あるいは最小径側に粒径分布の最大値を有するような分布(片分散)であってもよい。
In addition, it is preferable that the
無機粒子2aの粒径が単一の値である場合、焼結造形物を形成したときの無機粒子2aによる体積充填率は、最密充填時の理論値である69.8%を超えることはなく、実際には50〜60%程度の充填率となる。これに対し、粉末材料2に互いに異なる粒径の無機粒子2aが含まれる(粒径が範囲を持って分布する)ようにすれば、例えば相対的に大きな粒径を有した無機粒子2a同士によって形成された空隙に、相対的に粒径の小さい無機粒子2aが配置されることによって体積充填率が向上する。これにより、焼結造形物の機械的強度を向上させることができる。このようにして、具体的には、体積充填率が、約70%となるようにすることが好ましい。
When the particle size of the
粉末材料2(無機粒子2a)には、好適例としてステンレス合金粉末を使用している。なお、粉末材料2は、ステンレス合金粉末に限定するものではなく、例えば、銅、青銅(Cu/Sn)、真鍮(Cu/Zn)、錫、鉛、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、チタン、タンタル、鉄、カルボニル鉄などの粉末、また、チタン合金、コバルト合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、クロム合金、シリコン合金、ジルコニウム合金、金合金などの金属合金粉末、また、Fe/Ni、Fe/Si、Fe/Al、Fe/Si/Al、Fe/Co、Fe/Co/Vなどを含む磁性合金粉末、あるいはチタンアルミニウムなどの金属間化合物粉末などであっても良い。また、セラミック粉末の場合、アルミナ粉末、ジルコニア粉末などであっても良い。
For the powder material 2 (
バインダー材料3は、熱可塑性の高分子化合物であり、焼結造形材料1において粉末材料2とバインダー材料3とを混ぜ、無機粒子2aを略均一に分散させたときに無機粒子2a同士を結着する機能を有する。図1に示すように、粉末材料2とバインダー材料3とが略均一に分散するように混ぜ合わせたとき、バインダー材料3は、例えば、フレーク状のバインダーフレーク3aとして無機粒子2aを結着している。
The
バインダー材料3には、例えば、好適例として、融点が55℃〜58℃、熱分解開始温度が、約200℃のポリカプロラクトンジオールを用いている。
なお、バインダー材料3は、ポリカプロラクトンジオールに限定するものではなく、常温で固体の熱可塑性を有し、その熱分解開始温度が50℃以上で無機粒子2aの焼結温度より低いものを用いる。例えば、融点が50〜100℃、熱分解開始温度が約250℃のエチレン酢酸ビニル共重合体や、融点が約120℃、熱分解開始温度が約400℃のポリエチレンなどであっても良い。
それぞれ、常温では、ろう状、ワセリン状、フレーク状などの固体で、融点を超えると融解し液状となる。
For example, as a preferable example, polycaprolactone diol having a melting point of 55 ° C. to 58 ° C. and a thermal decomposition start temperature of about 200 ° C. is used as the
In addition, the
Each is a solid such as waxy, vaseline-like or flake-like at normal temperature, and melts and becomes liquid when it exceeds the melting point.
焼結造形物において粉末材料2を構成する無機粒子2aの充填率が高くなるほど、焼結造形物の形状に係る精度が高められる。それゆえに、焼結造形物の形状に係る精度を高める上では、無機粒子2aが密に充填されるべく、密に充填された無機粒子2aの空隙よりもバインダー材料3の占める体積が小さくなるような配合比が好ましい。したがって、粉末材料2:バインダー材料3の体積比として、7:3〜9:1の範囲が好ましい。
The higher the filling factor of the
なお、焼結造形材料1には、溶媒を含んでも良い。溶媒としては、水および無機塩の水溶液等の非有機系溶媒を含む水系溶媒が好ましい。水系溶媒としては、水を用いることが更に好ましい。焼結造形材料1に溶媒を含むことで、粉末材料2が均一に分散したペースト状の焼結造形材料をより容易に得ることができる。また、溶媒によって、ペースト状の焼結造形材料をより展延させやすくなるため、造形層をより薄く形成することができる。
The sintered molding material 1 may contain a solvent. As the solvent, an aqueous solvent containing a non-organic solvent such as water and an aqueous solution of an inorganic salt is preferable. As the aqueous solvent, water is more preferably used. By containing the solvent in the sintered modeling material 1, it is possible to more easily obtain a paste-like sintered modeling material in which the
<焼結造形装置>
図2は、焼結造形装置100を説明する模式図である。
図2において、Z軸方向が上下方向、−Z方向が鉛直方向、Y軸方向が前後方向、+Y方向が手前方向、X軸方向が左右方向、+X方向が左方向、X−Y平面が、焼結造形装置100が設置される平面と平行な面としている。
<Sintering molding apparatus>
FIG. 2 is a schematic view for explaining the
In FIG. 2, the Z-axis direction is the vertical direction, the -Z direction is the vertical direction, the Y-axis direction is the longitudinal direction, the + Y direction is the near direction, the X-axis direction is the lateral direction, the + X direction is the left direction, and the XY plane is The plane is parallel to the plane on which the
焼結造形装置100は、焼結造形材料1を用いて積層造形法により3次元形状の立体モデル(焼結造形物)を造形する装置である。
焼結造形装置100は、材料供給部10、加熱部20、展延部30、造形部40、描画部50、硬化部60、現出部70、脱脂焼結部80、およびそれぞれを制御する制御部(図示省略)などを備えている。
The
The sintering and shaping
材料供給部10は、収容された焼結造形材料1を加熱部20に供給する部分であり、例えば、図2に示すようなホッパー11を備えている。ホッパー11は加熱部20の上方に位置する材料吐出口12から内部に収容された焼結造形材料1を加熱部20に供給する。
なお、材料供給部10は、この構成に限定するものではなく、例えば、焼結造形材料1を収容したカートリッジを装填し加熱する装填部を備え、装填されたカートリッジをバインダー材料3の融点以上に加熱することで焼結造形材料1に流動性を持たせて加熱部20に供給する構成(図示省略)などであっても良い。
The
The
加熱部20は、焼結造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱し維持するホットプレート21を備えている。材料供給部10から供給された焼結造形材料1は、ホットプレート21上でバインダー材料3が融解することで、流動性の有る流動性造形材料4となる。
The
展延部30は、スクイージ31を備えている。
スクイージ31は、X軸方向に移動可能に設けられたY軸方向に延在する細長い板状体であり、X―Y平面上で流動性造形材料4を−X方向にすり押すように移動させることで、流動性造形材料4を薄く展延させることができる。
展延部30は、造形部40が備えるステージ41上に流動性造形材料4を展延し造形層5を形成する。
なお、流動性造形材料4を薄く展延させる方法は、スクイージ31により展延する方法に限定するものでない。例えば、エアにより押圧して展延する方法や、加熱部を備えたステージを回転させて遠心力により展延する方法などであっても良い。
The
The
The
In addition, the method of spreading the flowable modeling material 4 thinly is not limited to the method of spreading by the
造形部40は、ステージ41と、ステージ41をZ軸方向に昇降させるステージ昇降機構42などを備えている。ステージ41は、ホットプレート21と同一の面内(同一の高さ)に位置する初期位置において、スクイージ31によって、流動性造形材料4が展延されるX―Y平面を構成する。
The
ステージ41は、常温(例えば室温)に維持され、ステージ41上に展延された流動性造形材料4は、融点未満になると流動性を失い、先に形成された造形層5上に新たに造形層5として積層される。展延された流動性造形材料4は、融点未満になるまで放置しても良いし、冷却しても良い。冷却方法としては、ファンなどを用いて造形層5に常温あるいは冷却した風を送風する方法や、造形層5に冷却プレートを接触させる方法などが可能である。
The
ステージ昇降機構42は、ステージ41上に展延され形成された造形層5の層厚みに応じてステージ41を降下させる。ステージ41が降下することで、造形層5の表面がホットプレート21と同一の面内(同一の高さ)に位置するようになり、再び、スクイージ31によって流動性造形材料4が展延され造形層5として積層されるX―Y平面が構成される。
The
描画部50は、吐出ヘッド51、カートリッジ装填部52、キャリッジ53、キャリッジ移動機構54(構成図省略)などを備えている。
吐出ヘッド51は、インクジェット法により液状結合剤8をステージ41上の造形層5に吐出するノズル(図示省略)を備えている。
カートリッジ装填部52は、液状結合剤8を収容したインクカートリッジを装填し、液状結合剤8を吐出ヘッド51に供給する。
キャリッジ53は、吐出ヘッド51、カートリッジ装填部52(つまりはインクカートリッジ)を搭載し、キャリッジ移動機構54によって、ステージ41の上面を移動する。
キャリッジ移動機構54は、X−Y軸直動搬送機構を有し、キャリッジ53をX―Y平面で移動(走査)させる。
The drawing unit 50 includes a discharge head 51, a cartridge loading unit 52, a carriage 53, a carriage moving mechanism 54 (not shown), and the like.
The ejection head 51 is provided with a nozzle (not shown) for ejecting the liquid binder 8 onto the
The cartridge loading unit 52 loads the ink cartridge containing the liquid binder 8 and supplies the liquid binder 8 to the ejection head 51.
The carriage 53 mounts the ejection head 51 and the cartridge loading unit 52 (that is, an ink cartridge), and moves the upper surface of the
The carriage moving mechanism 54 has an X-Y axis linear motion conveying mechanism, and moves (scans) the carriage 53 in the XY plane.
描画部50は、制御部による制御によって、ステージ41上に展延された造形層5に、液状結合剤8による所望の画像(焼結造形物の断面形状を反映した画像)を形成する。具体的には、制御部は、予め入力された焼結造形物を構成する各断面層の画像情報を有し、この画像情報に応じて、吐出ヘッド51を移動する位置、液状結合剤8を吐出するタイミングを制御し、対応する各造形層5に液状結合剤8を付与する。
The drawing unit 50 forms a desired image (image reflecting the cross-sectional shape of the sintered formed article) by the liquid binder 8 on the shaped
硬化部60は、造形層5に付与された液状結合剤8を硬化させて造形断面層6を形成する液状結合剤硬化機構61を備えている。例えば、液状結合剤8に紫外線硬化性樹脂を含む材料を用いる場合には、液状結合剤硬化機構61は、紫外線照射機により構成され、また、例えば、液状結合剤8に熱硬化性樹脂を含む材料を用いる場合には、液状結合剤硬化機構61は、加熱装置により構成される。
The curing unit 60 includes a liquid
現出部70は、造形層5の液状結合剤8が付与されていない領域(非造形部5b)を除去して造形物7を現出する部分であり、造形部40の−X側に配置されている。現出部70は、切削ナイフ、回転ブラシなどの不要部除去手段(図示省略)を備えており、搬送機構43によって造形部40から搬送された造形物(造形層5の積層物)に対して現出処理を行う。
なお、現出処理は、バインダー材料3が水溶性の場合において、水洗などにより非造形部5bを洗い流し除去する方法であってもよいため、不要部除去手段として、水洗槽などを備える構成であっても良い。
The revealing
In addition, since the development process may be a method of washing away the
脱脂焼結部80は、非造形部5bが除去された造形物7(積層された造形断面層6)を脱脂し、焼結処理する部分であり、現出部70の−X側に配置されている。脱脂焼結部80は、脱脂焼結炉81、加熱ヒーター82、脱脂ガス供給設備83、排気設備84などを備えており、搬送機構43によって現出部70から搬送された造形物7に対して脱脂焼結処理を行う。
The degreasing /
なお、焼結造形装置100は、現出部70および脱脂焼結部80が、造形部40から連続して設けられている構成を例に説明したが、これに限定するものではない。例えば、現出部70および脱脂焼結部80と、あるいは、現出部70と脱脂焼結部80のそれぞれとが別体で構成されていても良い。
In addition, although the sinter shaping |
<液状結合剤>
図3は、実施形態1に係る「液状結合剤」としての液状結合剤8の概念図である。
液状結合剤8は、液状の液体部9に「第2の無機粒子」としての無機粒子8aを含んでいることを特徴としている。また、液体部9には、硬化剤8bを含んでいる。
Liquid Binder
FIG. 3 is a conceptual view of a liquid binder 8 as a “liquid binder” according to the first embodiment.
The liquid binder 8 is characterized in that the
無機粒子8aには、無機粒子2aと同様に、金属粒子やセラミック粒子を用いることができる。好適例として無機粒子2aと同様に、ステンレス合金粉末を使用している。なお、無機粒子8aは、ステンレス合金に限定するものではなく、例えば、銅、青銅(Cu/Sn)、真鍮(Cu/Zn)、錫、鉛、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、チタン、タンタル、鉄、カルボニル鉄など、また、チタン合金、コバルト合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、クロム合金、シリコン合金、ジルコニウム合金、金合金などの金属合金、また、Fe/Ni、Fe/Si、Fe/Al、Fe/Si/Al、Fe/Co、Fe/Co/Vなどを含む磁性合金、あるいはチタンアルミニウムなどの金属間化合物などであっても良い。また、セラミックの場合、アルミナ、ジルコニアなどであっても良い。
As the
無機粒子8aは、平均粒子径が0.001μm以上10μm以下の略球形である。なお、無機粒子8aの平均粒子径は、0.001μm以上5μm以下であることが更に好ましく、真球形状に近いほどより好ましい。また、無機粒子2aの平均粒子径と無機粒子8aの平均粒子径との比率は、50000:1〜10:1の範囲である。これにより、無機粒子8aを無機粒子2aの空隙に容易に入り込ませることができる。つまり、より均質に無機粒子(無機粒子2aおよび無機粒子8a)の密度を高めることができ、より均質に無機粒子の密度を高めた三次元造形物を得ることができる。
The
硬化剤8bとしては、好適例として紫外線硬化性樹脂(紫外線重合性化合物)を用いているが、これに限定するものではなく、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)、赤外線硬化性樹脂等の各種光硬化性樹脂、X線硬化性樹脂など、また、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る構成であっても良い。
As the
また、液状結合剤8(液体部9)は、例えば、分散剤、界面活性剤、重合開始剤、重合促進剤、溶媒、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、凝集防止剤、消泡剤などの成分を含むものであってもよい。 In addition, the liquid binder 8 (liquid portion 9) is, for example, a dispersant, a surfactant, a polymerization initiator, a polymerization accelerator, a solvent, a penetration accelerator, a wetting agent (humectant), an adhesion promoter, a mildew agent, It may contain ingredients such as preservatives, antioxidants, ultraviolet light absorbers, chelating agents, pH adjusters, thickeners, anticoagulants, antifoaming agents and the like.
<焼結造形方法>
次に、上述した焼結造形材料1および液状結合剤8を用い、焼結造形装置100を使用して「焼結造形物」を造形する「焼結造形方法」について説明する。
本実施形態に係る焼結造形方法は、以下の工程を含んでいる。
(1)無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1を用いて造形層5を形成する造形層形成工程
(2)造形層5の所望の領域に無機粒子8aが含まれる液状結合剤8を付与する工程
(3)付与された液状結合剤8を硬化させて造形断面層6を形成する工程
(4)造形層5の液状結合剤8が付与されていない領域を除去する工程
(5)積層された造形断面層6を加熱して焼結処理する工程
<Sintered molding method>
Next, a “sinter molding method” will be described that shapes a “sinter-shaped product” using the sintering and shaping material 1 and the liquid binder 8 described above and using the sintering and shaping
The sinter molding method according to the present embodiment includes the following steps.
(1) A forming layer forming step of forming the forming
以下、図2を参照して順に説明する。
なお、焼結造形装置100に焼結造形材料1を供給した後の工程から造形物7の焼結処理を行う工程までは、焼結造形装置100が備える制御部の制御によって行われる。
Hereinafter, description will be made in order with reference to FIG.
In addition, from the process after supplying the sintering modeling material 1 to the
まず、無機粒子2aおよびバインダー材料3を含む焼結造形材料1を準備し、材料供給部10(ホッパー11)に充填する。それぞれの比率は、無機粒子2aの粒径、粒径の分布、無機粒子2aによる体積充填率、展延して形成する造形層5の層厚みなど、焼結造形物の造形仕様に応じ、適宜設定することが望ましい。具体的には、例えば、無機粒子2aの体積充填率が約70%となるようにする。また、それぞれの分散が均一になることが好ましい。
First, the sintered and shaped material 1 including the
また、無機粒子8aおよび硬化剤8bを含む液状結合剤8を準備し、インクカートリッジに充填してカートリッジ装填部52にセットする。
無機粒子8aには、好適例として、無機粒子2aと同じ素材の無機粒子を用いるが、これに限定するものではない。また、液状結合剤8に含む無機粒子8aの量は、形成された造形断面層6に含まれる無機粒子2aの重量と無機粒子8aの重量との比率が400:1〜3:1の範囲となるように調整する。具体的には、好適例として、焼結造形材料1において体積充填率が約70%となるように調整された無機粒子2aに対して、無機粒子2aの重量と無機粒子8aの重量との比率が9.5:1となるように無機粒子8aの含有量を調整する。
硬化剤8bには、好適例として紫外線硬化性樹脂を使用する。
In addition, a liquid binder 8 containing
Although the inorganic particle of the same raw material as the
For the
次に、材料供給部10から加熱部20(ホットプレート21)に焼結造形材料1を供給する。一度に加熱部20に供給される焼結造形材料1の量は、造形層5の1層分の量に見合う量に制御されている。
加熱部20は、ホットプレート21により焼結造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱し、バインダー材料3を融解することで、流動性造形材料4を形成する。
Next, the sintered and shaped material 1 is supplied from the
The
次に、展延部30により流動性造形材料4をステージ41上に展延する。具体的には、流動性を帯びた焼結造形材料1(流動性造形材料4)の+X側に当接させたスクイージ31を−X方向に移動させることによってステージ41の表面に押し伸ばす。
Next, the flowable molding material 4 is spread on the
ステージ41は、常温(例えば室温)に維持されており、ステージ41上に展延された流動性造形材料4が常温に冷却される。流動性造形材料4は、常温に冷却されることで、バインダー材料3が凝固し、造形層5が形成され、造形層形成工程が完了する。
造形層5の層厚みは、スクイージ31による展延の仕様によって制御される。具体的には、造形層5の層厚みは、スクイージ31の下端とX−Y平面(例えば初期位置におけるステージ41の表面)との間隙の大きさ、スクイージ31の移動速度、流動性造形材料4の粘度などによって変化するため、所望の厚みになるように適宜設定を行うことが望ましい。
The
The layer thickness of the
次に、描画部50は、ステージ41上に形成された造形層5の所望の領域に無機粒子8aが含まれる液状結合剤8を付与し、液状結合剤8による所望の画像を形成する。具体的には、予め制御部に入力された焼結造形物を構成する各断面層の画像情報に応じて、吐出ヘッド51を移動させながら液状結合剤8を吐出して、焼結造形物の断面形状に対応する位置に液状結合剤8を付与する。
Next, the drawing unit 50 applies the liquid binder 8 containing the
図4は、焼結造形装置100によって造形層5の所望の領域に液状結合剤8を付与した様子を示す概念図である。
図1においてフレーク状に分散していたバインダー材料3は、一旦融解し凝固することで、無機粒子2aの体積充填率を高め、無機粒子2aの表面を覆うようにして造形層5の全体に略均一に分布する。所望の位置に選択的に付与された液状結合剤8は、図4に示すように、無機粒子2a、バインダー材料3を含む領域(バインダー材料3に覆われた無機粒子2aの空隙部)に浸透し、造形部5aが形成される。また、無機粒子2aに比較して粒径の小さい無機粒子8aは、液状結合剤8(液体部9)が造形層5の内部に浸透するのに伴って無機粒子2aの隙間に入り込んでいく。
FIG. 4 is a conceptual view showing how the liquid binder 8 is applied to a desired region of the shaped
The
次に、硬化部60は、造形層5に付与された液状結合剤8を硬化させて造形断面層6を形成する。具体的には、好適例として紫外線硬化性樹脂を含んだ液状結合剤8を使用しているため、キャリッジ53をステージ41上から退避させた後に、紫外線照射機(液状結合剤硬化機構61)によって造形層5に紫外線を照射し、造形層5に付与された液状結合剤8を硬化させることで、造形部5aを硬化させる。
なお、液状結合剤8の硬化は、次に積層される造形層5に付与される液状結合剤8との界面の接合強度を保つために、硬化が完了しない程度に硬化させることが好ましい。
Next, the curing unit 60 cures the liquid binder 8 applied to the shaped
The liquid binder 8 is preferably cured to such an extent that the curing is not completed in order to maintain the bonding strength of the interface with the liquid binder 8 to be applied to the shaped
次に、ステージ昇降機構42は、ステージ41上に展延され形成された造形層5の層厚みに応じてステージ41を降下させる。ステージ41が降下することで、造形層5の表面がホットプレート21と同一の面内に位置するようになり、再び、スクイージ31によって流動性造形材料4が展延され造形層5として積層されるX―Y平面が構成される。
Next, the
以降、材料供給部10から加熱部20に焼結造形材料1を供給する工程から上記の工程までを繰り返し、造形層5を積層する。つまり、2層目以降の造形層5は、先に形成された造形層5の上に積層される。
なお、流動性造形材料4を展延して造形層5を形成する工程をステージ41上以外の場所で行い、造形層5を順次ステージ41に移送することで積層する方法であっても良い。
Thereafter, the process from the process of supplying the sintered modeling material 1 to the
The step of forming the shaped
造形層5の積層が造形物7の造形に対応した高さに達し積層が完了したら、これを造形部40から取り出し、造形物7を現出させる。具体的には、搬送機構43によって造形物(造形層5の積層物)を造形部40から現出部70に搬送し、不要部除去手段によって液状結合剤8が付与されていない非造形部5bを除去することで造形物7(積層された造形断面層6)を現出させる。
When the lamination of the forming
次に、現出させた造形物7を脱脂焼結部80に移し、脱脂処理をする。具体的には、まず、搬送機構43によって現出部70から脱脂焼結炉81の内部に造形物7を搬送し、造形物7の脱脂を行う。脱脂は、バインダー材料3および付与し硬化した液状結合剤8(硬化剤8b)を加熱分解し除去することを目的として行う。脱脂工程では、バインダー材料3の脱脂が開始する温度範囲(好適例においては、ポリカプロラクトンジオールの熱分解開始温度(約200℃)を超える温度(300℃))で加熱処理をし、バインダー材料3および液状結合剤8(硬化剤8b)の脱脂を進める。バインダー材料3および液状結合剤8(硬化剤8b)が熱分解することによって発生した分解成分は、脱脂ガス供給設備83から供給される脱脂用ガスによって、排気設備84から排出される。
Next, the three-dimensional object 7 that has been revealed is transferred to the degreasing and
次に、脱脂された造形物7の焼結処理を行う。具体的には、脱脂処理を行った温度を更に超える温度に徐々に加熱していき、無機粒子2aが焼結される温度で加熱処理を行う。好適例として、例えば、無機粒子2aに、ステンレス合金粉末を用いた場合には、ステンレス合金が焼結される1300℃まで徐々に加熱温度を上昇させる。無機粒子2aおよび無機粒子8aの焼結が完了することで、所望の焼結造形物が得られる。
Next, a sintering process is performed on the degreased shaped object 7. Specifically, the temperature is gradually increased to a temperature further exceeding the temperature at which the degreasing treatment is performed, and the heat treatment is performed at a temperature at which the
徐々に加熱する温度を上昇させる加熱工程では、無機粒子8aを、無機粒子2aが焼結を開始する焼結開始温度(無機粒子2aのみで焼結させた場合の焼結開始温度)より低い温度において無機粒子2aに融着)させることができる。これは、無機粒子8aがナノ粒子レベルの大きさの無機粒子であるため、無機粒子8aを付与することによって焼結開始温度を降下させることができるサイズ効果(融点降下)によるものである。
In the heating step of gradually raising the heating temperature, the
図5は、脱脂、焼結の熱処理工程を従来技術(液状結合剤8が無機粒子8aを含まない場合)と比較する概念図である。熱処理温度の推移に応じて焼結造形物を構成する主材(無機粒子)の結び付き方が変化する様子を示している。
主材(無機粒子2a)は、バインダー材料および付与し硬化した液状結合剤によって支えられているが、脱脂工程(図5に示すAのゾーン)では、バインダー材料および付与し硬化した液状結合剤が徐々に加熱分解されるため、主材(無機粒子2a)を結び付ける力は徐々に弱くなる。これは、従来技術においても、本実施例においても同様である。
FIG. 5 is a conceptual diagram comparing the heat treatment process of degreasing and sintering with the prior art (in the case where the liquid binder 8 does not contain the
The main material (
脱脂を完了し、徐々に加熱温度を上昇させて、焼結が完了する状態まで熱処理を継続する間(図5に示すBおよびCのゾーン)では、主材(無機粒子)を支える状態が、従来技術と異なっている。
従来技術では、脱脂が完了し、無機粒子同士の焼結が開始するまでの範囲(図5に示すBのゾーン)では、主材(無機粒子2a)を結び付ける力が極小となる。そのため、無機粒子の体積充填率が本実施形態と比較して低い(無機粒子2aのみのため)ことの影響も合わせて、造形物7の寸法変化が起こりやすい。
これに対し、本実施形態では、同様のBのゾーンにおいて無機粒子8aと無機粒子2aとの融着が開始するため、また無機粒子の体積充填率が従来技術と比較して高いため(無機粒子2aの空隙に無機粒子8aが入り込んでいるため)、造形物7の寸法変化が起こりにくい。
While degreasing is completed, heating temperature is gradually increased, and heat treatment is continued until sintering is completed (zones of B and C shown in FIG. 5), a state in which the main material (inorganic particles) is supported, It differs from the prior art.
In the prior art, in the range (the zone B shown in FIG. 5) until the degreasing is completed and the sintering of the inorganic particles starts, the force connecting the main material (
On the other hand, in the present embodiment, the fusion between the
また、脱脂工程中に無機粒子8aと無機粒子2aとの融着が開始してもよい(この場合、融着開始温度は、バインダー材料3および液状結合剤8(硬化剤8b)の熱分解開始温度が低い)。このようにすることで、バインダー材料3および液状結合剤8(硬化剤8b)が脱脂されて主材(無機粒子2a)を結び付ける力が極小となる前に無機粒子8aと無機粒子2aとの融着が開始するため、造形物7の寸法変化が起こりにくい。また、脱脂工程が完了した後に無機粒子2aとの融着が開始してもよい。(この場合、融着開始温度は、バインダー材料3および液状結合剤8(硬化剤8b)の熱分解開始温度が低い)。このようにすることで、主材(無機粒子2a)と主材(無機粒子2a)の空隙には、無機粒子2aが入り混んでいるので、バインダー材料3および液状結合剤8(硬化剤8b)が脱脂されても主材(無機粒子2a)が動きにくく、造形物7の寸法変化が起こりにくい。
In addition, fusion between the
以上述べたように、本実施形態による焼結造形方法、焼結造形に用いる液状結合剤、および焼結造形物によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の焼結造形方法は、無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1を用いて造形層5を形成する造形層形成工程と、造形層5の所望の領域に無機粒子8aが含まれる液状結合剤8を付与する工程と、付与された液状結合剤8を硬化させて造形断面層6を形成する工程とを含む。これらの工程を含むことにより、造形断面層6には、無機粒子2aに加え、更に無機粒子8aを含ませることができる。また、造形層5の液状結合剤8が付与されていない領域を除去する工程と、積層された造形断面層6を加熱して焼結処理する工程と、を含む。これらの工程を含むことにより、積層された造形断面層6によって三次元造形物(焼結造形物)が造形され、また焼結処理をすることによって、その強度を高めることができる。
As described above, according to the sinter molding method, the liquid binder used for the sinter molding, and the sinter molded article according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
In the sintering and shaping method of the present embodiment, the
また、造形断面層6には、無機粒子2aに加え、更に無機粒子8aを含ませるため、より無機粒子の密度(体積充填率)が高い焼結造形物を得ることができる。その結果、焼結処理を行った場合の焼結造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い焼結造形物を造形することができる。
Moreover, in addition to the
また、無機粒子8aを、無機粒子2aが焼結を開始する焼結開始温度より低い温度において無機粒子2aに融着させることにより、無機粒子8aを、無機粒子2a同士を結着させるバインダーとして機能させることができる。その結果、焼結処理を行った場合の焼結造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い焼結造形物を造形することができる。
In addition, the
また、焼結造形材料1は、無機粒子2a同士を結着する熱可塑性のバインダー材料3を含んでおり、造形層形成工程は、焼結造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱して行う。焼結造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱することで焼結造形材料1の流動性が高まるため、焼結造形材料1をより容易に展延させることが可能となり、より寸法精度の高い造形層5を形成することが可能となる。また、焼結処理を進める加熱工程では、バインダー材料3が熱分解されるまでの間(脱脂が完了するまでの間)バインダー材料3が無機粒子2a同士の結着に寄与する。本実施形態によれば、これらの結果、より寸法精度の高い焼結造形物を造形することができる。
In addition, the sinter-shaped material 1 includes a
また、造形断面層6に含まれる無機粒子2aの重量と無機粒子8aの重量との比率が400:1〜3:1の範囲であるため、無機粒子2aを主材として造形することができる。また、この主材に付与する無機粒子8aによって、より無機粒子の密度が高い焼結造形物を得ることができる。その結果、焼結処理を行った場合の焼結造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い焼結造形物を造形することができる。
Moreover, since the ratio of the weight of the
また、無機粒子2aの平均粒子径と無機粒子8aの平均粒子径との比率が50000:1〜10:1の範囲であるため、無機粒子2aを主材として造形することができ、また、付与する無機粒子8aが、液状結合剤8と共に主材(無機粒子2a)の間に浸透しやすい。その結果、より均質に無機粒子の密度を高めた造形断面層6を形成することができ、より均質に無機粒子の密度を高めた焼結造形物を得ることができる。その結果、焼結処理を行った場合の焼結造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い焼結造形物を造形することができる。
Further, since the ratio of the average particle size of the
また、無機粒子8aの平均粒子径が0.001μm以上10μm以下である。つまり、無機粒子8aがナノ粒子レベル(1〜1万nm)の大きさの無機粒子であるため、無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1の所望の領域に液状結合剤8を付与した場合に、無機粒子2aの空隙に容易に入り込ませることができる。つまり、より均質に無機粒子の密度を高めることができ、より均質に無機粒子の密度を高めた焼結造形物を得ることができる。また、無機粒子8aがナノ粒子レベルの大きさの無機粒子であるため、無機粒子8aを付与することによって焼結造形物の焼結開始温度を降下させることができる。つまり、無機粒子8aのサイズ効果により、無機粒子8aと無機粒子2aとの焼結がより低い温度で開始されるため、例えば、無機粒子2aと無機粒子8aとが同じ金属の場合には、無機粒子2aだけの場合の焼結開始温度に比較し、より低い温度で焼結を開始することができる。その結果、焼結処理のための加熱工程における寸法の変化(例えば、焼結造形材料1に含まれるバインダー材料3の熱分解(脱脂)による寸法の変化)を、より低い温度から抑制することができるため、焼結造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い焼結造形物を造形することができる。
Moreover, the average particle diameter of the
また、無機粒子2aおよび無機粒子8aが、セラミック粒子または金属粒子であるため、これらが主材の焼結造形物に対して焼結処理を行うことができ、その結果、より強固な焼結造形物を得ることができる。
In addition, since the
本実施形態の液状結合剤8は、焼結造形物の製造に用いる液状結合剤8であり、無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1の所望の領域に付与され、付与された領域が硬化することで焼結造形物を構成する領域が形成される。また、この液状結合剤8には、無機粒子8aが含まれている。つまり、本実施形態の液状結合剤8によれば、焼結造形物を造形するための所望の領域には、無機粒子2aに加え、更に無機粒子8aを含ませることができる。その結果、より無機粒子の密度が高い焼結造形物を得ることができる。
The liquid binder 8 of this embodiment is a liquid binder 8 used for producing a sintered shaped product, which is applied to a desired region of the sintered shaped material 1 including the
また、液状結合剤8に含まれる無機粒子8aの平均粒子径が0.001μm以上10μm以下である。つまり、無機粒子8aは、ナノ粒子レベルの大きさの無機粒子であるため、無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1の所望の領域に液状結合剤8を付与した場合に、無機粒子2aの空隙に容易に入り込ませることができる。つまり、より均質に無機粒子(無機粒子2aおよび無機粒子8a)の密度を高めることができ、より均質に無機粒子の密度を高めた焼結造形物を得ることができる。
Moreover, the average particle diameter of the
また、例えば、焼結造形材料1に含まれる無機粒子2aが液状結合剤8に含まれる無機粒子8aと同様のセラミック粒子である場合、または、焼結造形材料1に含まれる無機粒子2aが液状結合剤8に含まれる無機粒子8aと同様の金属粒子である場合において、これらを主材とした焼結造形物の焼結処理を行うことができ、その結果、より強固な焼結造形物を得ることができる。
Also, for example, when the
上述した焼結造形方法により造形された焼結造形物は、つまりは、液状結合剤8を用いて造形された焼結造形物は、更に言えば、積層する焼結造形材料1に予め含まれる無機粒子2aと、積層された焼結造形材料1に付与する液状結合剤8に含まれる無機粒子8aと、を含んで構成された焼結造形物は、焼結処理を行った場合の焼結造形物の寸法変化(収縮)がより抑制され、より寸法精度の高い焼結造形物として提供される。
That is, the sinter-shaped object formed by using the liquid binder 8 is, in other words, previously included in the sinter-shaped material 1 to be laminated. The sintered shaped object formed by including the
1…焼結造形材料、2…粉末材料、2a…無機粒子、3…バインダー材料、3a…バインダーフレーク、4…流動性造形材料、5…造形層、5a…造形部、5b…非造形部、6…造形断面層、7…造形物、8…液状結合剤、8a…無機粒子、8b…硬化剤、9…液体部、10…材料供給部、11…ホッパー、12…材料吐出口、20…加熱部、21…ホットプレート、30…展延部、31…スクイージ、40…造形部、41…ステージ、42…ステージ昇降機構、43…搬送機構、50…描画部、51…吐出ヘッド、52…カートリッジ装填部、53…キャリッジ、54…キャリッジ移動機構、60…硬化部、61…液状結合剤硬化機構、70…現出部、80…脱脂焼結部、81…脱脂焼結炉、82…加熱ヒーター、83…脱脂ガス供給設備、84…排気設備、100…焼結造形装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sinter-shaped material, 2 ... powder material, 2a ... inorganic particle, 3 ... binder material, 3a ... binder flake, 4 ... fluid formable material, 5 ... formation layer, 5a ... formation part, 5b ... non- formation part, Reference Signs List 6 modeling cross section layer 7 modeling object 8
Claims (13)
付与された前記液状結合剤を硬化させて造形断面層を形成する工程と、
前記造形層の前記液状結合剤が付与されていない領域を除去する工程と、
前記造形断面層を加熱して焼結処理する工程と、を含むことを特徴とする焼結造形方法。 A forming layer forming step of forming a forming layer using a sintered forming material containing a first inorganic particle, a step of applying a liquid binder containing a second inorganic particle in a desired region of the forming layer ,
Curing the applied liquid binder to form a shaped cross section layer;
Removing the region of the shaped layer to which the liquid binder is not applied;
And heating the shaped cross-sectional layer to perform a sintering process.
第2の無機粒子が含まれていることを特徴とする液状結合剤。 Used for producing a three-dimensional structure including applying a liquid binder to a desired region of the sintered shaped material containing the first inorganic particles, and curing the applied liquid binder;
A liquid binder characterized in that it contains a second inorganic particle.
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