JP2019189897A - 三次元造形用流動性組成物、三次元造形物の製造方法及び三次元造形物 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、構成材料粒子としての金属粉末と、溶剤と、接着増進剤と、を含有する金属ペースト(三次元造形用流動性組成物)を用いて三次元造形物を製造する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示されるような、従来の三次元造形用流動性組成物は、三次元造形物を製造するための物性を確保しつつ、構成材料粒子の沈降を抑制し、さらに、構成材料粒子以外の成分を減らすことが十分にできていなかった。
図1は、本発明の三次元造形用流動性組成物を使用可能な三次元造形物の製造装置1の構成を示す概略構成図である。
ここで、図中のX方向は水平方向であり、Y方向は水平方向であるとともにX方向と直交する方向であり、Z方向は鉛直方向である。
本発明の三次元造形用流動性組成物は、三次元造形物Oの製造に用いる三次元造形用流動性組成物であって、三次元造形物Oを構成する金属の構成材料粒子と、キトサンナノファイバー及びセルロースナノファイバーの少なくとも一方のナノファイバーと、を含有する。本発明者らが鋭意検討した結果、金属の構成材料粒子と、キトサンナノファイバー及びセルロースナノファイバーの少なくとも一方のナノファイバーとを含有する流動性組成物は、せん断速度を上げていくことに伴うせん断応力の低下度合が大きい(すなわち、チクソ性が大きい)ことがわかった。しかも、チクソ性を大きくするために必要なナノファイバー量は少量で済むことが分かった。すなわち、構成材料粒子以外の成分を多くすることなく、三次元造形用流動性組成物を静置させている場合(せん断速度が小さい場合)は粘度を高くして構成材料粒子が沈降しづらくし、三次元造形用流動性組成物を射出する場合(せん断速度が大きい場合)は粘度を低くして射出性を良くできる。
なお、粘度は、せん断応力をせん断速度で割ることで求められる。
本発明の三次元造形用流動性組成物は、金属の構成材料粒子を含有する。ここで、金属とは、単一の金属(例えば、銅、マグネシウム、鉄、コバルト、チタン、クロム、ニッケル、アルミニウム)、金属を含む酸化物(例えば、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素)、合金(例えば、マルエージング鋼、ステンレス鋼、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル基調合金、アルミニウム合金等)を含む。
該構成材料粒子の含有率は、30質量%以上93質量%以下であることが好ましい。構成材料粒子の含有率が30質量%未満であると粒子の焼結時に隣の粒子と焼結しにくくなってしまう場合があり、93重量%を超えると粒子充填率が高すぎるために流動性が極端に落ちてしまう場合があるためである。このため、構成材料粒子の含有率を30重量%以上93重量%以下とすることで、効果的にチクソ性を大きくすることができ、効果的に、三次元造形物を製造する際の射出性を良くし、構成材料粒子の沈降を抑制できる。
また、構成材料粒子の平均粒径が前記下限値を下回った場合、成形し難い形状を成形する際に成形性が低下し、焼結密度が低下するおそれがあり、前記上限値を上回った場合、成形時に粒子間の隙間が大きくなるので、やはり焼結密度が低下するおそれがある。
また、構成材料粒子の粒度分布は、できるだけ狭いのが好ましい。具体的には、構成材料粒子の平均粒径が前記範囲内であれば、最大粒径が200μm以下であるのが好ましく、150μm以下であるのがより好ましい。構成材料粒子の最大粒径を前記範囲内に制御することにより、構成材料粒子の粒度分布をより狭くすることができ、焼結体のさらなる高密度化を図ることができる。
なお、上記の最大粒径とは、レーザー回折法により得られた質量基準での累積粒度分布において、累積量が小径側から99.9%となるときの粒径のことをいう。
本発明の三次元造形用流動性組成物は、キトサンナノファイバー及びセルロースナノファイバーの少なくとも一方のナノファイバーを含有する。
該ナノファイバーの含有率は0.001質量%以上0.003質量%以下であることが好ましい。該ナノファイバーの含有率が0.001質量%未満であると所望のチクソ性が出ない場合があり、該ナノファイバーの含有率が0.003質量%を超えると、三次元造形物Oの純度が低下する場合や三次元造形物Oを製造する際の射出性が低下する(粘度が高すぎる)場合があるためである。すなわち、キトサンナノファイバー及びセルロースナノファイバーの少なくとも一方のナノファイバーの含有率を0.001質量%以上0.003質量%以下とすることで、効果的にチクソ性を大きくすることができ、効果的に、三次元造形物Oを製造する際の射出性を良くし、構成材料粒子の沈降を抑制できる。
本発明の三次元造形用流動性組成物は、溶剤を含有していてもよい。
該溶剤の含有率は、1.5質量%以上2.1質量%以下であることが好ましい。溶剤の含有率が1.5%未満であると前記粒子同士を仮結合する機能が損なわれてしまう場合があり、2.1重量%を超えると三次元造形物Oの純度が低下し、耐食性や寸法安定性が低下する場合があるためである。
ここで、多価アルコールの具体例としては、プロピレングリコール(PG)、エチレングリコール(EG)、ブチレングリコール、グリセリンなどが挙げられる。
上記溶剤には粘度調整剤として樹脂を溶解させてもよい。ただし、三次元造形物を製造する際の射出に伴う昇温などにより重合反応が生じるものは適さない。例えば、分散剤として使用される(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン共重合体や、イソシアネート化合物などは、本発明の三次元造形用流動性組成物に含有可能な溶剤として適さない。溶剤の重合反応に伴う三次元造形用流動性組成物の増粘のため、三次元造形物を製造する際の射出性が低下してしまうためである。
次に、構成材料粒子及びナノファイバーの好ましい組み合わせについて図2から図7のせん断速度に対する粘度を表すグラフを参照して説明する。ナノファイバーを添加しない場合においては、いずれの組み合わせにおいても、構成材料粒子が沈降してしまいグラフが得られなかった。
なお、図2から図7で表されるグラフにおいて使用した三次元造形用流動性組成物の作製手順(組成)については後述する。
最初に、構成材料粒子として銅粉末を使用した場合について説明する。
ここで、図2及び図3は、構成材料粒子として銅粉末を使用した場合における、本発明の三次元造形用流動性組成物の一例におけるせん断速度に対する粘度を表すグラフである。このうち、図2はナノファイバーとしてキトサンナノファイバーを使用した場合のグラフであり、図3はナノファイバーとしてセルロースナノファイバーを使用した場合のグラフである。
ここで、図4及び図5は、構成材料粒子として酸化アルミニウム粉末を使用した場合における、本発明の三次元造形用流動性組成物の一例におけるせん断速度に対する粘度を表すグラフである。このうち、図4はナノファイバーとしてキトサンナノファイバーを使用した場合のグラフであり、図5はナノファイバーとしてセルロースナノファイバーを使用した場合のグラフである。
ここで、図6及び図7は、構成材料粒子としてステンレス粉末を使用した場合における、本発明の三次元造形用流動性組成物の一例におけるせん断速度に対する粘度を表すグラフである。このうち、図4はナノファイバーとしてキトサンナノファイバーを使用した場合のグラフであり、図5はナノファイバーとしてセルロースナノファイバーを使用した場合のグラフである。
なお、上記図2から図7の結果は、Anton Paar製のMCR301(レオメーター)を用い、直径25mmのコーンプレート(CP−25)を用いて、せん断速度を10〜1000(/s)、歪量を0.1%、測定モードをFlow curve測定として、測定した結果である。
なお、上記図2から図7の三次元造形用流動性組成物は、以下の手順で作製した。
次に、PGに対してPVAを5質量%含むPVA溶液を所定量(0.8g)測り、前記ガラス瓶に投入した。
次に、水に対して所望のナノファイバー(セルロースナノファイバー又はキトサンナノファイバー)を0.2質量%含むナノファイバー溶液を所定量(0.8g)測り、前記ガラス瓶に投入した。
次に、所定量(0.06g)の2Et1HxOH(2エチル1ヘキサノール)を前記ガラス瓶に投入した。
次に、薬包紙に真球状シリカ微粒子を所定量(0.004g)測り、前記ガラス瓶の内面に静電気により貼り付かないように注意して、前記ガラス瓶に投入した。
なお、三次元造形用流動性組成物を作製してからレオメーターでの測定までに時間がかかる場合には、再度、自転・公転ミキサーARE310を用いて前記ガラス瓶への投入物を混ぜた。
ここで、図8は、三次元造形物の製造方法の一実施例に係るフローチャートである。
そして、本ステップS180の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。
5…ステージ、6…ステージ駆動部、7…制御部、8…層、O…三次元造形物
Claims (9)
- 三次元造形物の製造に用いる三次元造形用流動性組成物であって、
三次元造形物を構成する金属の構成材料粒子と、
キトサンナノファイバー及びセルロースナノファイバーの少なくとも一方のナノファイバーと、
を含有することを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項1に記載された三次元造形用流動性組成物において、
前記ナノファイバーの含有率は、0.001質量%以上0.003質量%以下であることを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項1又は2に記載された三次元造形用流動性組成物において、
前記構成材料粒子の含有率は、30重量%以上93重量%以下であることを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載された三次元造形用流動性組成物において、
溶剤を含有し、
前記溶剤は、多価アルコールを含有することを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載された三次元造形用流動性組成物において、
前記構成材料粒子は、銅、酸化アルミニウム、ステンレス及び二酸化ケイ素のうちの少なくともいずれかを含有することを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項5に記載された三次元造形用流動性組成物において、
前記構成材料粒子として、銅、酸化アルミニウム、ステンレス及び二酸化ケイ素のうちの少なくともいずれかを含有し、
前記ナノファイバーとして、セルロースナノファイバーを含有することを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項5に記載された三次元造形用流動性組成物において、
前記構成材料粒子として、銅及びステンレスの少なくともいずれかを含有し、
前記ナノファイバーとして、キトサンナノファイバーを含有することを特徴とする三次元造形用流動性組成物。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載された三次元造形用流動性組成物を射出して層を形成する層形成工程と、
前記層中に含有される前記ナノファイバーを除去する除去工程と、
を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載された三次元造形用流動性組成物を用いて形成されたことを特徴とする三次元造形物。
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