JP2020023064A - Slurry for photo molding and method for producing photo molded object using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元の造形物を製造する光造形技術に使用されるスラリー及びそれを用いた光造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a slurry used for an optical molding technique for producing a three-dimensional molded article and a method for producing an optical molded article using the slurry.
三次元の造形物を製造する技術として、光造形技術が知られている。
光造形技術は、光硬化性樹脂に光を照射して硬化する工程を繰り返して、三次元の造形物を製造する技術である。また、光硬化性樹脂にセラミックや金属の無機粒子を混合したスラリーに光を照射して硬化させ、得られた光硬化物から樹脂成分を除去し、無機成分を焼結させることによって、無機成分の骨格を有する三次元の造形物を得る方法も知られている。例えば特許文献1に示す光造形装置を用い、造形テーブル上にスラリーの薄層を塗布し、紫外線レーザーを走査し、所定のパターン形状にスラリーを硬化させるという工程を繰り返し、立体的に硬化された光硬化物を形成し、未硬化のスラリーを除去後、脱脂・焼結して樹脂成分を除去することにより、三次元の造形物を製造する。
光造形技術に使用されるスラリーは、リコータにより均一な層を塗布する際には良好な流動性を備え、塗布完了後は形状を維持するというチクソトロピー性を備える必要がある。
As a technique for manufacturing a three-dimensional structure, an optical molding technique is known.
The optical molding technology is a technology for manufacturing a three-dimensional molded object by repeating a process of irradiating a photocurable resin with light to cure the resin. In addition, by irradiating light to a slurry obtained by mixing ceramic or metal inorganic particles with a photocurable resin, the resin is removed from the obtained photocured product, and the inorganic component is sintered, whereby the inorganic component is sintered. There is also known a method for obtaining a three-dimensional model having a skeleton. For example, using a stereolithography apparatus shown in
The slurry used in the stereolithography technique needs to have good fluidity when a uniform layer is applied by a recoater, and have thixotropic properties of maintaining the shape after the application is completed.
また、精密で微細な構造を有する造形物を製造するには、一度に塗布するスラリー層の厚みを薄くする必要があるが、スラリーに含有させる無機粒子の粒径が10[μm]より大きいと、スラリー層の表面の平滑性が低下して、高精細な造形が困難になる。そのため10[μm]以下という微細な粒径の無機粒子を混合したスラリーが必要である。(例えば特許文献2、3)
Further, in order to manufacture a molded article having a precise and fine structure, it is necessary to reduce the thickness of the slurry layer applied at a time, but if the particle diameter of the inorganic particles contained in the slurry is larger than 10 [μm]. In addition, the smoothness of the surface of the slurry layer is reduced, and high-precision molding is difficult. Therefore, a slurry in which inorganic particles having a fine particle diameter of 10 [μm] or less are required. (For example,
高精細な造形物を製造するため、スラリーに含有させる無機粒子の粒径を小さくすると、無機粒子の凝集により、樹脂に無機粒子を均一に混合させることが困難になる。これを避けるために、無機粒子の含有率を低くすると、硬化した光硬化物を焼結した際に収縮しクラック等の不具合が発生し、光造形物の歩留まりを低下させるという問題がある。
また、スラリーは、塗布時には低い粘度を有し、塗布後には高い粘度を有するというチクソトロピー性を備える必要があるが、含有させる無機粒子の粒径を大きくすると、十分なチクソトロピー性を実現することが困難になる。
If the particle size of the inorganic particles contained in the slurry is reduced in order to produce a high-definition model, it is difficult to uniformly mix the inorganic particles with the resin due to the aggregation of the inorganic particles. In order to avoid this, if the content of the inorganic particles is reduced, the cured photocured product shrinks when it is sintered, causing a problem such as a crack, thereby lowering the yield of the photolithographic product.
Further, the slurry has a low viscosity at the time of application, it is necessary to have a thixotropic property of having a high viscosity after the application, but when the particle size of the inorganic particles to be contained is increased, sufficient thixotropic property can be realized. It becomes difficult.
上記課題を鑑み、本発明は、微細な粒径の無機粒子を含有するとともに、十分なチクソトロピー性を実現することができる光造形用スラリー及びそれを用いた光造形物の製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention provides a stereolithography slurry containing inorganic particles having a fine particle size and capable of realizing a sufficient thixotropic property, and a method for producing a stereolithography using the same. As an issue.
本発明に係る光造形用スラリーは、
第1の無機粒子と第2の無機粒子と光硬化性樹脂とを含み、
前記第1の無機粒子の平均粒径は1〜5[μm]であり、
前記第2の無機粒子の平均粒径は、前記第1の無機粒子の平均粒径の0.22倍以下であり、
前記第1の無機粒子に対する前記第2の無機粒子の体積比率は、0.01以上であり、
せん断速度10[1/s]における粘度は50[Pa・s]以下であり、
せん断速度0.01[1/s]における粘度は500[Pa・s]以上である、
ことを特徴とする。
The slurry for stereolithography according to the present invention,
Including first inorganic particles, second inorganic particles and a photocurable resin,
The average particle diameter of the first inorganic particles is 1 to 5 [μm],
The average particle size of the second inorganic particles is not more than 0.22 times the average particle size of the first inorganic particles,
The volume ratio of the second inorganic particles to the first inorganic particles is 0.01 or more,
The viscosity at a shear rate of 10 [1 / s] is 50 [Pa · s] or less,
The viscosity at a shear rate of 0.01 [1 / s] is 500 [Pa · s] or more,
It is characterized by the following.
このような光造形用スラリーとすることで、良好なチクソトロピー性を備えた高精細な光造形物を製造するためのスラリーを得ることができる。 By using such a slurry for stereolithography, a slurry for producing a high-definition stereolithography product having good thixotropy can be obtained.
このような特性を有するスラリーとすることで、スラリーを均一に塗布するとともに、スラリーの積層が可能となり、高精細な3次元構造の光造形物の製造が容易になる。 By using a slurry having such characteristics, the slurry can be uniformly applied, and the slurry can be laminated, thereby facilitating the production of a stereolithography having a high-definition three-dimensional structure.
また、本発明に係る光造形用スラリーは、
前記第1の無機粒子の体積比率が固化限界値以上であることを特徴とする。
Further, the slurry for stereolithography according to the present invention,
The volume ratio of the first inorganic particles is equal to or more than a solidification limit value.
また、本発明に係る光造形用スラリーは、
前記第1の無機粒子と前記第2の無機粒子を合わせた体積比率は65〜70[vol%]であることを特徴とする。
Further, the slurry for stereolithography according to the present invention,
The combined volume ratio of the first inorganic particles and the second inorganic particles is 65 to 70 [vol%].
また、本発明に係る光造形用スラリーは、
前記第1の無機粒子に対する前記第2の無機粒子の体積比率が、0.10〜0.15であることを特徴とする。
Further, the slurry for stereolithography according to the present invention,
The volume ratio of the second inorganic particles to the first inorganic particles is 0.10 to 0.15.
このような光造形用スラリーを用いることにより、前記光造形用スラリーから形成される光硬化物を焼結する際の収縮を低減し、高精細な光造形物を、精度良く製造することが可能となる。 By using such a stereolithography slurry, shrinkage during sintering of a photocured product formed from the stereolithography slurry can be reduced, and a high-definition stereolithography product can be accurately manufactured. Becomes
本発明に係る光造形物の製造方法は、
上記の光造形用スラリーを吐出する第1の工程と、
前記光造形用スラリーを引き延ばし厚さ5〜200[μm]のスラリー層を形成する第2の工程と、
所定のパターン形状に走査してレーザー光を前記スラリー層に照射する第3の工程と、
前記第1、第2及び第3の工程を繰り返し、前記スラリー層から光硬化物を形成する工程と、
前記光硬化物を熱処理し前記光硬化性樹脂を除去する第1の熱処理工程と、
前記第1の熱処理工程の後に前記光硬化物を熱処理し焼結する第2の熱処理工程と
を含むことを特徴とする。
The method of manufacturing an optically shaped article according to the present invention includes:
A first step of discharging the stereolithography slurry,
A second step of extending the stereolithography slurry to form a slurry layer having a thickness of 5 to 200 [μm];
A third step of irradiating the slurry layer with a laser beam by scanning in a predetermined pattern shape;
Repeating the first, second, and third steps to form a photocured product from the slurry layer;
A first heat treatment step of heat treating the photocured material to remove the photocurable resin;
And a second heat treatment step of heat-treating and sintering the photocured product after the first heat treatment step.
本発明に係る光造形物の製造方法は、
前記第1の工程又は前記第1の工程と前記第2の工程において、前記光造形用スラリーの温度を35〜60[℃]に保持することを特徴とする。
The method of manufacturing an optically shaped article according to the present invention includes:
In the first step or the first step and the second step, the temperature of the stereolithography slurry is maintained at 35 to 60 ° C.
このような光造形物の製造方法により、高精細な光造形物を容易に再現性よく製造することができる。 According to such a method of manufacturing an optically formed object, a high-definition optically formed object can be easily manufactured with good reproducibility.
本発明によれば、微細な粒径の無機粒子を高密度で含有するとともに、十分なチクソトロピー性を実現することができる光造形用スラリー及びそれを用いた光造形方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to contain the inorganic particle of a fine particle diameter at high density and realizing sufficient thixotropic property, the slurry for stereolithography and the stereolithography method using the same can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は、いずれも本発明の要旨の認定において限定的な解釈を与えるものではない。また、同一又は同種の部材については同じ参照符号を付して、説明を省略することがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, none of the following embodiments gives a limited interpretation in the recognition of the gist of the present invention. In addition, the same or similar members are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted.
なお、無機粒子の粒子径は対数正規分布に従い、無機粒子の「平均粒径」とは、粒子径の粒度分布における積算値50%での粒子径のことを意味する。粒子径(粒径)の測定は、湿式レーザー回折・散乱法(Microtrac MT330)及びSEM観察測定を用いた。 The particle diameter of the inorganic particles follows a logarithmic normal distribution, and the “average particle diameter” of the inorganic particles means the particle diameter at an integrated value of 50% in the particle diameter distribution. The particle diameter (particle diameter) was measured using a wet laser diffraction / scattering method (Microtrac MT330) and SEM observation measurement.
(実施形態1)
以下、光造形技術に使用する光硬化性樹脂に無機粒子を含有するスラリーについて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a slurry containing inorganic particles in a photocurable resin used in the stereolithography technique will be described.
<光造形物の製造工程>
図1は、特許文献1に開示される光造形装置の主要部分を示す概念図である。
図1(a)に示すように、光造形用スラリー1は、ディスペンサー2から吐出され、補助テーブル3の上面に堆積される。
その後、図1(b)に示すように、リコータ4は、造形テーブル5の上方で図中Y方向に、例えば速度1〜5[mm/s]で移動し、補助テーブル3の上面に堆積されたスラリー1を、造形テーブル5の造形面5a上に引き延ばし、均一な厚さのスラリー層1aを形成する。なお、リコータ4の移動速度は、スラリー1の粘度特性、塗布厚により適宜調整される。
リコータ4の速度は、例えば、スラリー層1aの厚み50[μm]に対して、典型的なせん断速度として20〜200[1/s]となるように設定するのであれば、上記の速度1〜5[mm/s]となる。なお、リコータ4の速度はスラリー1の特性、特に後述するチクソトロピー性に依存する。
スラリー層1aの厚さは、5〜200[μm]であり、さらに、高精細な光造形物を製造するために好適なスラリー層1aの厚さは5〜50[μm]である。
スラリー層1aの厚さは、リコータ4のZ方向の高さにより調整することができる。
すなわち、造形面5a(又は後述する、直前に形成されたスラリー層1a)の上面(表面)が構成するXY平面とリコータ4の下端部が通過するXY平面とがZ方向に形成する間隔により、リコータ4の移動によって形成するスラリー層1aの厚さが決定される。
<Manufacturing process of stereolithography>
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a main part of the optical shaping apparatus disclosed in
As shown in FIG. 1A, the
After that, as shown in FIG. 1B, the recoater 4 moves above the modeling table 5 in the Y direction in the figure, for example, at a speed of 1 to 5 [mm / s], and is deposited on the upper surface of the auxiliary table 3. The
For example, if the speed of the recoater 4 is set so as to be a typical shearing speed of 20 to 200 [1 / s] with respect to a thickness of 50 [μm] of the slurry layer 1a, the above-mentioned
The thickness of the slurry layer 1a is 5 to 200 [μm], and the thickness of the slurry layer 1a suitable for producing a high-definition stereolithographic product is 5 to 50 [μm].
The thickness of the slurry layer 1a can be adjusted by the height of the recoater 4 in the Z direction.
That is, the distance between the XY plane formed by the upper surface (surface) of the
その後、形成されたスラリー層1aには、スラリー1に含有される光硬化性樹脂の感光波長を有するレーザー光が走査露光される。
レーザー光の光路は、図示しないレンズやミラーを用いた光学系により制御され、XY平面上の所定のパターンにレーザー光が走査される。
レーザー光が照射された箇所では、スラリー1に含有される光硬化性樹脂が光化学反応により硬化する。その結果、スラリー層1a内のスラリー1のうち、走査露光された所定のパターンの箇所が硬化され、硬化層6が形成される。レーザー光が照射されなかった箇所は、未硬化のスラリー1のまま残る。
Thereafter, the formed slurry layer 1a is scanned and exposed to laser light having a photosensitive wavelength of the photocurable resin contained in the
The optical path of the laser light is controlled by an optical system using a lens or a mirror (not shown), and the laser light is scanned in a predetermined pattern on the XY plane.
At the location irradiated with the laser beam, the photocurable resin contained in the
その後、造形テーブル5が、スラリー層1aの厚さに相当する距離、例えば5〜200[μm]、Z方向に移動(降下)する。その結果、硬化層6の上面が、補助テーブル3と同じ高さになり、図1(a)に示した状態となる。
ここで、光造形用スラリー1をディスペンサー2から吐出する第1の工程と、光造形用スラリー1をリコータ4により引き延ばし、硬化層6上に新たなスラリー層1aを形成する第2の工程と、スラリー層1aにレーザー光を所定のパターン形状に照射する第3の工程を繰り返す。
Thereafter, the modeling table 5 moves (falls) in the Z direction by a distance corresponding to the thickness of the slurry layer 1a, for example, 5 to 200 [μm]. As a result, the upper surface of the
Here, a first step of discharging the
以上の工程が所定の回数繰り返され、硬化層6がZ方向に積層される。積層された硬化層6は、所定の3次元形状に硬化された光硬化物を形成している。
The above steps are repeated a predetermined number of times, and the cured
スラリー1は、上記のように吐出工程と引き延ばす工程に使用され、吐出工程と引き延ばす工程が繰り返されてスラリー層が積層されるため、チクソトロピー性を有することが好ましい。チクソトロピー性とは、静止状態では高い粘度を有し、せん断速度が高くなると粘度が低下することをいう。せん断速度が高い状態で低い粘度を有することにより、スラリー1を吐出し、引き延ばすことが可能となる。静止状態で高い粘度を有することにより、積層されたスラリー層の形状維持が可能となる。せん断速度が高い状態で低い粘度を有するとは、好適には、せん断速度10[1/s]において、50[Pa・s]以下である。ここで、せん断速度10[1/s]は、リコータ4の移動速度を考慮した値である。静止状態で高い粘度を有するとは、好適には、せん断速度0.01[1/s]において、500[Pa・s]以上である。
Since the
上記チクソトロピー性を有するスラリーを用いて、例えばせん断速度10[1/s]以上の速さで、リコータ4により引き延ばすことで均一に再現性よくスラリーの層を順次積層することができる。ここで、積層数が増大するに従って、積層された未硬化のスラリーに加わる重力が増大するため、積層された状態で塗布後の形状を維持するためにはスラリーに高い粘度が要求される。せん断速度0.01[1/s]において、500[Pa・s]以上であるスラリーを用いれば、積層されたスラリー層の形状を維持でき、その結果として、精度の高い三次元造形物を得ることができる。 By using the slurry having the thixotropic property and stretching it with the recoater 4 at a shear rate of, for example, 10 [1 / s] or more, the layers of the slurry can be sequentially laminated uniformly and with good reproducibility. Here, as the number of stacked layers increases, the gravity applied to the stacked uncured slurry increases. Therefore, in order to maintain the shape after application in the stacked state, the slurry needs to have a high viscosity. When a slurry having a shear rate of 0.01 [1 / s] and a slurry of 500 [Pa · s] or more is used, the shape of the stacked slurry layer can be maintained, and as a result, a highly accurate three-dimensional structure can be obtained. be able to.
なお、塗布時の粘度を低減するため、ディスペンサー2、リコータ4及び補助テーブル3の温度をコントロールし、スラリー1の温度を35℃〜60℃に保持してもよい。特に、チクソトロピー性により、静止時の粘度が非常に高い場合、ディスペンサー2からの吐出が困難になることがある。
その場合、少なくともディスペンサー2及びリコータ4の温度を35〜60℃の範囲で保持することにより、スラリー1の粘度が低減し、スラリー1の吐出を滑らかに行うことができる。
ただし、保持温度が60℃を超えると、光硬化性樹脂が熱的に反応し、光硬化性能が劣化する場合があるため、保持温度は60℃を超えないことが好ましい。
In addition, in order to reduce the viscosity at the time of application, the temperature of the
In this case, by maintaining at least the temperature of the
However, if the holding temperature exceeds 60 ° C., the photocurable resin reacts thermally and the photocuring performance may be deteriorated. Therefore, it is preferable that the holding temperature does not exceed 60 ° C.
その後、未硬化のスラリー1を、有機溶媒等により溶解させて除去し、所定の3次元形状に硬化された領域を光硬化物として残存させる。
Thereafter, the
その後、3次元パターン形状に硬化された光硬化物を、大気雰囲気(酸素含有雰囲気)で、例えば500〜600℃まで徐々に昇温し、熱処理を施し、光硬化物に含有されている樹脂成分を分解して、気化させることにより脱脂する。
その後、さらに昇温し、例えば無機材料としてセラミックス粒子を用いる場合では1500−1600℃の熱処理により、光硬化物に含有されている無機粒子を焼結した後、室温まで降温する。
上記脱脂の工程と、焼結の工程は引き続いて連続して行ってもよいが、別工程として実行してもよい。
Thereafter, the photo-cured product cured into a three-dimensional pattern shape is gradually heated in an air atmosphere (oxygen-containing atmosphere) to, for example, 500 to 600 ° C., and is subjected to a heat treatment, so that a resin component contained in the photo-cured product is obtained. Is decomposed and degreased by vaporization.
Thereafter, the temperature is further increased. For example, when ceramic particles are used as the inorganic material, the inorganic particles contained in the photocured product are sintered by a heat treatment at 1500 to 1600 ° C., and then the temperature is lowered to room temperature.
The degreasing step and the sintering step may be performed continuously and continuously, or may be performed as separate steps.
以上の工程により、無機材料焼結体からなる高精細な3次元の光造形物を提供することができる。 Through the above steps, it is possible to provide a high-definition three-dimensional stereolithography made of a sintered inorganic material.
<スラリー>
高精細な光造形物を得るためのスラリーに要求される事項としては、(1)光硬化体を形成する際の工程上の要求からのチクソトロピー性を有すること、(2)焼結工程における収縮が低減されていることの2点が挙げられる。本発では、光硬化性樹脂と無機粒子を主たる構成成分とし、無機粒子の粒径及び含有率を特定の範囲にすることによって、上記の要求を同時に満たすスラリーを提供する。
<Slurry>
Items required for a slurry for obtaining a high-definition optical molded article include (1) having thixotropy from a requirement in a process of forming a photocured body, and (2) shrinkage in a sintering process. Are reduced. In the present invention, a slurry that satisfies the above-mentioned requirements at the same time is provided by using a photocurable resin and inorganic particles as main constituents and setting the particle size and content of the inorganic particles in specific ranges.
<無機粒子の粒径>
本発明にかかるスラリーは、2種の異なる平均粒径を有する無機粒子及び液状の光硬化性樹脂を含有する。異なる平均粒径を有する無機粒子のうち、粒径の大きい方を第1の無機粒子、小さい方を第2の無機粒子とする。
<Particle size of inorganic particles>
The slurry according to the present invention contains two types of inorganic particles having different average particle sizes and a liquid photocurable resin. Among the inorganic particles having different average particle diameters, the larger one is the first inorganic particle, and the smaller one is the second inorganic particle.
第1の無機粒子の平均粒径の好適な範囲は1〜5μmである。第1の無機粒子の平均粒径が5μmを超えると、スラリー層の厚みに対して無機粒子が大きくなり過ぎ、引き延ばし工程においてスラリー層が均一に形成されない場合が生じ、また形成されるスラリー層の平滑性が不十分となる。1μm未満であると、無機粒子による凝集力が強くなり、スラリーの粘度が高くなり、工程上要求される流動性を確保できなくなる。 The preferred range of the average particle size of the first inorganic particles is 1 to 5 μm. When the average particle diameter of the first inorganic particles exceeds 5 μm, the inorganic particles become too large with respect to the thickness of the slurry layer, and a case where the slurry layer is not formed uniformly in the stretching step occurs. The smoothness becomes insufficient. If it is less than 1 μm, the cohesive force of the inorganic particles is increased, the viscosity of the slurry is increased, and the fluidity required in the process cannot be secured.
第2の無機粒子は、第1の無機粒子と比較して充分小さいことを特徴とする。充分小さいとは、第1の無機粒子が充填された隙間に、第2の無機粒子が入り込むことができる程度の差があることをいう。このように大きさが充分異なる2種の粒子が混在することによって、第2の無機粒子が無ければ光硬化性樹脂によって占められたであろうスラリー内の空間が、第2の無機粒子によって置き換えられる。この結果、第1の無機粒子が単独で配合される場合との比較において、単位体積あたりのスラリーにおける無機粒子が占める体積の割合、即ち無機粒子の含有率を高めることができる。無機粒子の含有率が高いことは、焼結工程での収縮を抑制するうえで有効である。 The second inorganic particles are characterized by being sufficiently smaller than the first inorganic particles. Sufficiently small means that there is such a difference that the second inorganic particles can enter the gap filled with the first inorganic particles. By mixing the two types of particles having sufficiently different sizes, the space in the slurry that would have been occupied by the photocurable resin without the second inorganic particles was replaced by the second inorganic particles. Can be As a result, the ratio of the volume occupied by the inorganic particles in the slurry per unit volume, that is, the content ratio of the inorganic particles can be increased as compared with the case where the first inorganic particles are blended alone. A high content of the inorganic particles is effective in suppressing shrinkage in the sintering step.
さらに、第1の無機粒子の隙間に第2の無機粒子が存在し、その関係が特定の範囲であることによって、チクソトロピー性が呈される。チクソトロピー性を示す理由は必ずしも明確になってはいないが、以下の理由から、粒子の幾何学的配置に依存すると考えられる。 Furthermore, the presence of the second inorganic particles in the gaps between the first inorganic particles and the relationship within a specific range provides thixotropic properties. Although the reason for the thixotropic property is not always clear, it is considered that it depends on the geometrical arrangement of the particles for the following reasons.
有機樹脂からなる分散媒にミクロンオーダーの無機粒子が高充填された系では、無機粒子同士は、互いに斥力で反発し合い、周辺に存在する粒子との斥力が釣り合った配置まで動いて止まるため、最密充填構造に近い構造を取ると考えられる。このとき、斥力によって粒子同士が影響を及ぼし合って拘束しているため、これがマクロの視点からは、粘性が高い状態として観察される。外部から力を加えると、粒子が拘束し合って形成しているネットワーク構造が壊れ、粘度が下がりはじめる。ネットワーク構造の強さは、粒子の幾何学的配置に依存する。また、対象とする現象に相当するせん断力と、ネットワーク構造を解くために要する力との関係も、その現象においてチクソトロピー性が得られるかに関与する。 In a system in which a dispersion medium made of an organic resin is highly filled with micron-order inorganic particles, the inorganic particles repel each other with a repulsive force and move to a position where the repulsive force with the particles existing in the periphery is balanced and stopped. It is considered that the structure takes a structure close to the close-packed structure. At this time, since the particles exert influence on each other and are constrained by the repulsive force, this is observed as a highly viscous state from a macro viewpoint. When an external force is applied, the network structure formed by binding the particles is broken, and the viscosity starts to decrease. The strength of the network structure depends on the geometry of the particles. Further, the relationship between the shear force corresponding to the target phenomenon and the force required to solve the network structure also plays a role in whether thixotropic property is obtained in the phenomenon.
第2の無機粒子の平均粒径の好適な範囲は、第1の無機粒子の平均粒径の0.22倍以下である。第1の無機粒子の粒径が1〜5μmである場合、第2の無機粒子の粒径は、1.1μm以下であることが好ましい。1.1μmを超えると、第1の無機粒子に対して大きくなり過ぎ、無機粒子の含有率を高めると同時にチクソトロピー性を呈する効果が期待できない。第2の粒子の粒子径は、0.05 μm未満であると、第2の無機粒子が凝集しやすくなり、凝集粒塊が生じ、粒塊を解砕することが難しくなる。下限値としての0.05μmを、粒子径1〜5μmに対する倍率に換算すると、0.05倍以下となる。 The preferred range of the average particle size of the second inorganic particles is 0.22 times or less the average particle size of the first inorganic particles. When the particle diameter of the first inorganic particles is 1 to 5 μm, the particle diameter of the second inorganic particles is preferably 1.1 μm or less. If it exceeds 1.1 μm, it will be too large with respect to the first inorganic particles, and the effect of increasing the content of the inorganic particles and exhibiting thixotropic properties cannot be expected. If the particle diameter of the second particles is less than 0.05 μm, the second inorganic particles are likely to agglomerate, agglomerated agglomerates are formed, and it becomes difficult to disintegrate the agglomerates. When the lower limit value of 0.05 μm is converted into a magnification for a particle size of 1 to 5 μm, the value becomes 0.05 times or less.
第1の無機粒子に対する第2の無機粒子の体積比率は、0.01以上である。0.01未満であると、第1の無機粒子の間の隙間を置換する効果が小さ過ぎる。さらに好適には、0.1〜0.15である。なお、体積比率の算出において、粒子の体積が直接計測できないときは、重量と密度から算出した体積の値を用いる。第1の無機粒子と第2の無機粒子として同種の素材を用いるときは、体積比率は、重量比率と等しい。 The volume ratio of the second inorganic particles to the first inorganic particles is 0.01 or more. If it is less than 0.01, the effect of replacing the gap between the first inorganic particles is too small. More preferably, it is 0.1 to 0.15. In the calculation of the volume ratio, when the volume of the particles cannot be directly measured, the value of the volume calculated from the weight and the density is used. When the same type of material is used as the first inorganic particles and the second inorganic particles, the volume ratio is equal to the weight ratio.
図2は、2種の粒子による最密充填状態を示す。まず樹脂がない状態で異なる粒径を有する2種の無機粒子を配列させる状況を想定する。理想的には、球形粒子の六方最密充填構造の第1の無機粒子の配置を想定し、第1の無機粒子間に、小さい粒径の第2の無機粒子を内接するように配置することで稠密構造を実現させることができる。
図2は、2つの異なる粒子による最密充填の状態を示し、点線は、第1の無機粒子に相当し、実線は第2の無機粒子に相当する。
最密充填の状態での第2の無機粒子の平均粒径は、幾何学的考察により、第1の無機粒子の平均粒径の0.22倍となる。このときの第1の無機粒子の体積比率:第2の無機粒子の体積比率の比は、1:0.01である。
<スラリーの各成分>
無機粒子としては、金属粒子、セラミック粒子を使用することができる。セラミック材料として、例えばアルミナを使用できるが、その他シリカ、ジルコニア等が使用できる。
FIG. 2 shows a close-packed state by two kinds of particles. First, a situation in which two types of inorganic particles having different particle sizes are arranged in the absence of a resin is assumed. Ideally, the arrangement of the first inorganic particles having a hexagonal close-packed structure of spherical particles is assumed, and the second inorganic particles having a small particle size are inscribed between the first inorganic particles. And a dense structure can be realized.
FIG. 2 shows a state of close packing by two different particles, in which the dotted line corresponds to the first inorganic particles and the solid line corresponds to the second inorganic particles.
The average particle size of the second inorganic particles in the state of close packing is 0.22 times the average particle size of the first inorganic particles due to geometrical considerations. At this time, the ratio of the volume ratio of the first inorganic particles to the volume ratio of the second inorganic particles is 1: 0.01.
<Each component of slurry>
Metal particles and ceramic particles can be used as the inorganic particles. As the ceramic material, for example, alumina can be used, but silica, zirconia, or the like can also be used.
光硬化性樹脂としては、特に限定しないが、光造形精度の良好な、例えばアクリル系樹脂を好適に使用することができる。
レーザー光による微細なパターンを形成するため、レーザー光の侵入深さとして、例えば5〜200[μm]の樹脂を好適に使用できる。
また、無機粒子との濡れ性を調整するため、界面活性剤を含有させてもよい。
Although there is no particular limitation on the photocurable resin, an acrylic resin having good optical modeling accuracy, for example, an acrylic resin can be suitably used.
In order to form a fine pattern using laser light, a resin having a penetration depth of laser light of, for example, 5 to 200 [μm] can be suitably used.
In order to adjust the wettability with the inorganic particles, a surfactant may be contained.
<スラリー組成と粘度特性の検証>
無機粒子の粒径や体積比を変えてスラリーを作製し、得られたスラリーの粘度特性を検証した。第1の無機粒子として平均粒径1.6[μm]のアルミナ粒子、第2の無機粒子として平均粒径0.18[μm]のアルミナ粒子、液状の光硬化性樹脂として以下に示す組成のものを用いた。
・メトキシプロピレングリコールアクリレート11.1g
・トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリアクリレート4.1g
・1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン0.8g
・日本油脂(株)製アリルエーテルコポリマー(分散剤)1.0g
これらの無機粒子と光硬化性樹脂との混合は、混合対象物を容器に収容し、容器に対して公転及び自転運動を付与することで撹拌及び脱泡処理を行う公・自転型撹拌脱泡装置を用いて実行した。
作製されたスラリーは、チクソトロピー特性を評価するため、粘度のせん断速度依存性を、アントンパール・ジャパン社製レオメータ 型式MCR302ST、パラレルプレート25mmφを用い、設定温度23℃にて測定した。
<Verification of slurry composition and viscosity characteristics>
A slurry was prepared by changing the particle size and volume ratio of the inorganic particles, and the viscosity characteristics of the obtained slurry were verified. Alumina particles having an average particle size of 1.6 [μm] as first inorganic particles, alumina particles having an average particle size of 0.18 [μm] as second inorganic particles, and a liquid photocurable resin having the following composition Was used.
・ Methoxypropylene glycol acrylate 11.1 g
・ 4.1 g of tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate
0.8 g of 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone
・ 1.0 g of allyl ether copolymer (dispersant) manufactured by NOF Corporation
The mixing of these inorganic particles and the photo-curable resin is performed by accommodating an object to be mixed in a container, and imparting revolving and rotating motion to the container to perform agitation and defoaming treatments. Performed using the instrument.
In order to evaluate the thixotropic properties of the prepared slurry, the shear rate dependence of the viscosity was measured at a set temperature of 23 ° C. using a rheometer model MCR302ST manufactured by Anton Paar Japan, parallel plate 25 mmφ.
第1の無機粒子、第2の無機粒子及び光硬化性樹脂の体積比率を変え、種々のスラリーのサンプルを作製した。表1に各サンプルの条件をまとめる。
表1にはスラリーの各サンプルに対して、チクソトロピー性についての判定結果を記載する。判定基準は、せん断速度10[1/s]において、50[Pa・s]以下、せん断速度0.01[1/s]において、500[Pa・s]以上をOKとし、それ以外をNGとした。なお、粘度測定不能の場合(例えば固化した場合)もNGと判定した。
表1では、1種類の平均粒径の無機粒子を含有するスラリーを比較例と記載している。
また、図3に、サンプル1、4−10、12−13の粘度のせん断速度依存性を比較して示す。
Various slurry samples were prepared by changing the volume ratio of the first inorganic particles, the second inorganic particles, and the photocurable resin. Table 1 summarizes the conditions of each sample.
Table 1 shows the results of determination of the thixotropic property of each sample of the slurry. The criterion is that, at a shear rate of 10 [1 / s], 50 [Pa · s] or less, and at a shear rate of 0.01 [1 / s], 500 [Pa · s] or more is OK, and the others are NG. did. In addition, when viscosity measurement was impossible (for example, when solidified), it was determined as NG.
In Table 1, a slurry containing one kind of inorganic particles having an average particle diameter is described as a comparative example.
FIG. 3 shows a comparison of the shear rate dependence of the viscosity of
表1
Table 1
まず比較対象として、1種の平均粒径の無機粒子を用いたスラリーの特性について説明し、その後、2種の平均粒径の無機粒子を用いたスラリーの特性について説明する。
サンプル1(比較例1)
無機粒子として、第1の無機粒子のみを光硬化性樹脂に60[vol%]添加し、公自転撹拌装置により撹拌・脱泡処理し、混合した。
サンプル1はチクソトロピー性を有し、高いせん断速度での判定基準は満足するが、図3の×に示すように、低いせん断速度での判定基準を満足せず、積層数が増大するに従って未硬化スラリー層の高さ保持が困難となり、その上に描画した時に高さ変位による造形形状の歪みを発生する危険性があり、高精細な光造形用スラリーとしての使用は困難である。
First, as a comparative object, characteristics of a slurry using inorganic particles having one average particle diameter will be described, and then characteristics of a slurry using inorganic particles having two average particles will be described.
Sample 1 (Comparative Example 1)
As the inorganic particles, only the first inorganic particles were added to the photocurable resin at 60 vol%, and the mixture was stirred and defoamed by a revolving stirrer and mixed.
サンプル2(比較例2)
無機粒子として、第1の無機粒子のみを光硬化性樹脂に65[vol%]添加し、公自転撹拌装置により撹拌・脱泡処理し、混合して、サンプル2のスラリーを作製した。
第1の無機粒子は凝集することなく光硬化性樹脂との混合は可能であるが、混合後のサンプル2は固化してしまい、粘度の測定が不可能であった。そのため、単独で光硬化性樹脂に第1の無機粒子を添加した場合に、スラリーが固化する限界値(スラリーが固化する最小の体積比率、以下、”固化限界値”と称す)が、60〜65[vol%]の範囲に存在することが理解できる。
すなわち、サンプル2のスラリーは、静止状態での形状の維持を確保することは可能であるが、光造形装置のリコータ4により、均一なスラリー層を塗布することはできず、光造形用スラリーとしての使用は困難である。
Sample 2 (Comparative Example 2)
As the inorganic particles, only the first inorganic particles were added to the photocurable resin in an amount of 65 [vol%], and the mixture was stirred and defoamed by a revolving stirrer and mixed to prepare a
The first inorganic particles could be mixed with the photocurable resin without agglomeration, but the
That is, the slurry of the
サンプル1及びサンプル2の結果から、第1の無機粒子のみの組成では、無機粒子の含有率(体積比率)を変化させることで粘度の調整は可能ではあるが、含有率が高いと固化により塗布に適さず、含有率が低いと静止状態での形状維持が困難であり、光造形に適したチクソトロピー性を有するスラリーを再現性良く供給することが困難であることが理解できる。
From the results of
サンプル3(比較例3)
無機粒子として、第2の無機粒子のみを光硬化性樹脂に60[vol%]添加し、公自転撹拌装置により撹拌・脱泡処理し、混合し、サンプル3を作製した。しかしながら、第2の無機粒子が凝集してしまい、光硬化性樹脂との均一な混合ができず、粘度の測定が不可能であった。
なお、第2の無機粒子を光硬化性樹脂に65[vol%]添加した場合も同様に第2の無機粒子が凝集し、光硬化性樹脂との均一な混合ができなかった。
サンプル1、2及びサンプル3との比較から、無機粒子の含有率が同一の体積比率であっても、無機粒子の粒径が微細化することにより、樹脂との混合が困難になることが理解できる。
Sample 3 (Comparative Example 3)
As inorganic particles, only the second inorganic particles were added to the photocurable resin at 60 vol%, and the mixture was stirred and defoamed by a revolving stirrer and mixed to prepare Sample 3. However, the second inorganic particles were aggregated, could not be uniformly mixed with the photocurable resin, and could not be measured for viscosity.
When 65 [vol%] of the second inorganic particles was added to the photocurable resin, the second inorganic particles were similarly aggregated and could not be uniformly mixed with the photocurable resin.
From the comparison with
サンプル4〜13(実施例及び比較例)
サンプル4〜13は、光硬化性樹脂に第1の無機粒子及び第2の無機粒子の体積比率を変えて、公自転撹拌装置により撹拌・脱泡処理し、混合したスラリーである。
表1において、第1の無機粒子に対する第2の無機粒子の体積比率が0.1以上0.15以下のサンプル7〜10、13は、チクソトロピー性の判定基準を満たし、光造形用スラリーに適したサンプルであることが理解できる。なお、サンプル11は、混合後の静止状態で固化してしまい、粘度測定不能であるため判定はNGとした。
図3に、サンプル4(■)、5(□)、6(▲)、7(●)、8(◇)、9(○)、10(◆)、12(+)、13(△)の粘度のせん断速度依存性を示す。サンプル4−6、12は、せん断速度10[1/s]での粘度の値が高いため、このスラリーを、リコータ等を用いて引き延ばすことによってスラリー層を形成しようとした場合は、塗膜切れが起こり、連続したスラリー層を安定して作成することができない。
Samples 4 to 13 (Examples and Comparative Examples)
Samples 4 to 13 are slurries obtained by changing the volume ratio of the first inorganic particles and the second inorganic particles to the photocurable resin, performing stirring and defoaming treatment by a revolving stirrer, and mixing.
In Table 1, the samples 7 to 10 and 13 in which the volume ratio of the second inorganic particles to the first inorganic particles is 0.1 or more and 0.15 or less satisfy the thixotropy determination criteria and are suitable for the stereolithography slurry. It can be understood that this is a sample. Note that Sample 11 solidified in a static state after mixing, and the viscosity could not be measured.
FIG. 3 shows samples 4 (サ ン プ ル), 5 (□), 6 (▲), 7 (●), 8 (◇), 9 (○), 10 (◆), 12 (+), and 13 (△). This shows the shear rate dependence of viscosity. Samples 4-6 and 12 have a high viscosity at a shear rate of 10 [1 / s]. Therefore, when this slurry is stretched using a recoater or the like to form a slurry layer, the coating film breaks. Occurs, and a continuous slurry layer cannot be stably formed.
体積比率が同等の65[vol%]付近のサンプル同士を比較すると、含有する無機粒子が第1の無機粒子のみの場合、スラリーは固化してしまう(サンプル2)。第2の無機粒子のみであると、凝集が起こりやすい粒径のため、スラリーを調製すること自体ができない(サンプル3)。しかしながら、第1の無機粒子と第2の無機粒子を組み合わせて用いると、低速域(<1[1/s])及び高速域(>1[1/s])ともに粘性を示すスラリーが得られる(サンプル4)。しかしながら、このスラリーを用いて高精細な光造形物を製造するには、この段階ではまだ高速域における粘性が高過ぎ、適当でない。第2の粒子の比率を増すことによって、良好なチクソトロピー性を実現するスラリーが得られる領域がある(サンプル7〜10、13)。このとき、第1の粒子の体積比率は、すなわち、第1の無機粒子を単独で添加した場合にスラリーが固化してしまうような(固化限界値以上の)体積比率で無機粒子を含有するサンプルに対しても、第1の無機粒子と第2の無機粒子を組み合わせて用いることによって、(判定がOKの)良好なチクソトロピー性を有するスラリーを得ることができる。
サンプル7〜10、13は、第1の無機粒子のみによるサンプル1及び2における含有量より高い含有量で無機粒子を含むため、これらのサンプルを用いて光造形物を製造すれば、光硬化物中の無機粒子の密度が高く、すなわち除去及び焼結の工程時に除去される樹脂成分が少ないために、焼結時の収縮を低減できる。
Comparing the samples having the same volume ratio in the vicinity of 65 [vol%], when the inorganic particles contained are only the first inorganic particles, the slurry is solidified (sample 2). If only the second inorganic particles are used, the slurry itself cannot be prepared because of the particle size at which aggregation is likely to occur (sample 3). However, when the first inorganic particles and the second inorganic particles are used in combination, a slurry having viscosity in both the low-speed region (<1 [1 / s]) and the high-speed region (> 1 [1 / s]) is obtained. (Sample 4). However, at this stage, the viscosity in the high-speed range is still too high to produce a high-precision optically formed object using this slurry, which is not appropriate. There are regions where a slurry that achieves good thixotropic properties can be obtained by increasing the ratio of the second particles (samples 7 to 10, 13). At this time, the volume ratio of the first particles is the same as that of the sample containing the inorganic particles at a volume ratio (above the solidification limit value) at which the slurry solidifies when the first inorganic particles are added alone. Again, by using the first inorganic particles and the second inorganic particles in combination, it is possible to obtain a slurry having a good thixotropy (OK is determined).
Since Samples 7 to 10 and 13 contain inorganic particles at a higher content than
上記結果から、第1の無機粒子と第2の無機粒子を合わせた体積比率は65〜70[vol%]であることが好適である。また、本発明における無機粒子の組み合わせによれば、上記体積比率であっても良好なチクソトロピー性を有し、光造形物を製造するために適したスラリーを提供できる。 From the above results, it is preferable that the total volume ratio of the first inorganic particles and the second inorganic particles is 65 to 70 [vol%]. Further, according to the combination of the inorganic particles in the present invention, a slurry suitable for producing an optically shaped article having good thixotropy even at the above volume ratio can be provided.
また、第1の無機粒子の粒径(平均粒径1.6μm)に対する第2の無機粒子の粒径を、0.22倍以下、好適には0.11倍(平均粒径0.18[μm])とし、第1の無機粒子の体積比率に対する第2の無機粒子の体積比率を0.10〜0.15に設定することで、高精度な光造形技術に使用可能なスラリーを得ることができる。 In addition, the particle diameter of the second inorganic particles with respect to the particle diameter of the first inorganic particles (average particle diameter 1.6 μm) is 0.22 times or less, preferably 0.11 times (average particle diameter 0.18 [ μm]) and setting the volume ratio of the second inorganic particles to the volume ratio of the first inorganic particles to 0.10 to 0.15 to obtain a slurry that can be used for high-precision stereolithography. Can be.
なお、本発明のスラリーによれば、せん断速度が高速領域における粘度のせん断速度依存性が小さく、安定した状態で、スラリーを光造形装置の造形ステージに塗布できる。 In addition, according to the slurry of the present invention, the slurry can be applied to the molding stage of the optical molding apparatus in a stable state in which the shear rate has a small dependence on the shear rate of the viscosity in a high-speed region.
<結論>
光硬化性樹脂に、1〜5[μm]の微細な第1の無機粒子と、粒子径が第1の無機粒子の粒子径の0.22倍以下、0.05倍以上の粒子径の第2の無機粒子とを混合し、分散させることで、良好なチクソトロピー性を有するスラリーを得ることができる。
得られたスラリーを、光造形装置において、10[1/s]以上のせん断速度で塗布することにより、5〜200[μm]の薄いスラリー層を形成し、レーザー光により、所定のパターンにスキャンする工程を繰り返すことで、高精細な3次元形状にパターニングされた硬化スラリーの光硬化物を製作することができる。スラリーが硬化された3次元構造の光硬化物を脱脂及び焼結することで3次元の光造形物を再現性よく製造することができる。
<Conclusion>
In the photocurable resin, fine first inorganic particles having a particle size of 1 to 5 [μm] and a second inorganic particle having a particle size of 0.22 times or less and 0.05 times or more the particle size of the first inorganic particles. By mixing and dispersing with the inorganic particles of No. 2, a slurry having good thixotropic properties can be obtained.
The obtained slurry is applied at a shear rate of 10 [1 / s] or more in an optical shaping apparatus to form a thin slurry layer of 5 to 200 [μm], which is scanned into a predetermined pattern by a laser beam. By repeating this step, a photo-cured product of the cured slurry patterned into a high-definition three-dimensional shape can be manufactured. By degreasing and sintering the photocured product having the three-dimensional structure in which the slurry is cured, a three-dimensional photolithographic product can be manufactured with good reproducibility.
本発明によれば、高精細な三次元の造形物を製造するためのスラリー及びそれを用いた光造形物の製造方法を提供することができ、産業上の利用可能性は高い。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the slurry for manufacturing a high-precision three-dimensional molded object and the manufacturing method of the optical molded object using the same can be provided, and industrial applicability is high.
1 スラリー
1a スラリー層
2 ディスペンサー
3 補助テーブル
4 リコータ
5 造形テーブル
5a 造形面
6 硬化層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の無機粒子の平均粒径は1〜5[μm]であり、
前記第2の無機粒子の平均粒径は、前記第1の無機粒子の平均粒径の0.22倍以下であり、
前記第1の無機粒子に対する前記第2の無機粒子の体積比率は、0.01以上であり、
せん断速度10[1/s]における粘度は50[Pa・s]以下であり、
せん断速度0.01[1/s]における粘度は500[Pa・s]以上である、
ことを特徴とする光造形用スラリー。 Including first inorganic particles, second inorganic particles and a photocurable resin,
The average particle diameter of the first inorganic particles is 1 to 5 [μm],
The average particle size of the second inorganic particles is not more than 0.22 times the average particle size of the first inorganic particles,
The volume ratio of the second inorganic particles to the first inorganic particles is 0.01 or more,
The viscosity at a shear rate of 10 [1 / s] is 50 [Pa · s] or less,
The viscosity at a shear rate of 0.01 [1 / s] is 500 [Pa · s] or more,
A slurry for stereolithography, comprising:
ことを特徴とする請求項1記載の光造形用スラリー。 The stereolithography slurry according to claim 1, wherein a volume ratio of the first inorganic particles is equal to or more than a solidification limit value.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の光造形用スラリー。 The stereolithography slurry according to claim 1, wherein a volume ratio of the first inorganic particles to the second inorganic particles is 65 to 70 [vol%].
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の光造形用スラリー。 The stereolithography slurry according to any one of claims 1 to 3, wherein a volume ratio of the second inorganic particles to the first inorganic particles is 0.10 to 0.15.
前記光造形用スラリーを引き延ばし厚さ5〜200[μm]のスラリー層を形成する第2の工程と、
所定のパターン形状に走査してレーザー光を前記スラリー層に照射する第3の工程と、
前記第1、第2及び第3の工程を繰り返し、前記スラリー層から光硬化物を形成する工程と、
前記光硬化物を熱処理し前記光硬化性樹脂を除去する第1の熱処理工程と、
前記第1の熱処理工程の後に前記光硬化物を熱処理し焼結する第2の熱処理工程と
を含むことを特徴とする光造形物の製造方法。 A first step of discharging the stereolithography slurry according to any one of claims 1 to 4,
A second step of extending the stereolithography slurry to form a slurry layer having a thickness of 5 to 200 [μm];
A third step of irradiating the slurry layer with a laser beam by scanning in a predetermined pattern shape;
Repeating the first, second, and third steps to form a photocured product from the slurry layer;
A first heat treatment step of heat treating the photocured material to remove the photocurable resin;
A second heat treatment step of heat-treating and sintering the photocured product after the first heat treatment step.
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