JP2021050407A - 三次元造形物製造用組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】三次元造形物の製造に用いる装置内での金属粒子の沈降が好適に防止され、寸法精度の高い三次元造形物の安定的な製造に好適に用いることができる三次元造形物製造用組成物を提供すること。【解決手段】本発明の三次元造形物製造用組成物は、層を積層して三次元造形物を製造するために用いられる三次元造形物製造用組成物であって、複数個の金属粒子と、層状ケイ酸塩と、前記金属粒子を分散させる溶媒とを含有し、25℃における、ずりせん断速度0.3s−1での粘度が92Pa・s以上である。25℃における、ずりせん断速度0.3s−1での粘度が500Pa・s以下であるのが好ましい。【選択図】なし
Description
本発明は、三次元造形物製造用組成物に関する。
近年、三次元物体のモデルデータを多数の二次元断面層データに分割した後、各二次元断面層データに対応する断面部材を順次造形しつつ、断面部材を順次積層することによって三次元造形物を形成する積層法である三次元造形法が注目されている。
このような三次元造形物の製造に、複数個の金属粒子の集合体である金属粉末と溶媒とを含む組成物が使用される場合がある。例えば、特許文献1には、金属粉末と溶媒とを含む金属ペーストを使用して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置が開示されている。
しかしながら、金属粉末と溶媒とを含む三次元造形物製造用組成物においては、金属粉末の比重が溶媒の比重よりも大きいことに起因して、金属粒子が三次元造形物製造用組成物中で沈降しやすかった。特に、三次元造形物製造用組成物による三次元造形物の製造に用いる装置内、例えば、三次元造形物製造用組成物を保存するタンク等の組成物貯留部内等で金属粒子が沈降すると、三次元造形物製造用組成物中での組成のばらつきが大きくなる。これにより、三次元造形物を安定的に製造することができない問題が顕著に発生していた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することができる。
本発明の適用例に係る三次元造形物製造用組成物は、層を積層して三次元造形物を製造するために用いられる三次元造形物製造用組成物であって、
複数個の金属粒子と、
層状ケイ酸塩と、
前記金属粒子を分散させる溶媒と、を含有し、
25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度が92Pa・s以上である。
複数個の金属粒子と、
層状ケイ酸塩と、
前記金属粒子を分散させる溶媒と、を含有し、
25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度が92Pa・s以上である。
以下、添付する図面を参照しつつ、好適な実施形態について詳細な説明をする。
[1]三次元造形物製造用組成物
まず、本発明の三次元造形物製造用組成物について説明する。
[1]三次元造形物製造用組成物
まず、本発明の三次元造形物製造用組成物について説明する。
三次元造形物製造用組成物1’は、複数の層1を積層してなる三次元造形物10の前記層1を吐出法により形成するのに用いるものである。三次元造形物製造用組成物1’は、複数個の金属粒子と、層状ケイ酸塩と、前記金属粒子を分散させる溶媒とを含有し、そして、25℃における三次元造形物製造用組成物1’のずりせん断速度0.3s−1での粘度は、92Pa・s以上である。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’中での金属粒子の不本意な沈降を効果的に防止することができる。特に、三次元造形物10の製造に用いる三次元造形物製造装置M100内、例えば、三次元造形物製造用組成物1’を保存する組成物貯留部M7内等で金属粒子の沈降を効果的に防止することができる。その結果、三次元造形物製造装置M100内における三次元造形物製造用組成物1’中での組成の不本意なばらつきを抑制することができ、目的とする部位に安定的に三次元造形物製造用組成物1’を吐出することができ、結果として、寸法精度の高い三次元造形物10を安定的に製造することができる。
より具体的には、三次元造形物製造用組成物1’が層状ケイ酸塩を含有することにより、三次元造形物製造用組成物1’に応力が加わっていない状態や三次元造形物製造用組成物1’に加わっている応力が十分に小さい状態では、三次元造形物製造用組成物1’の粘度を十分に高いものとすることができる。その結果、保存状態の三次元造形物製造用組成物1’、例えば、組成物貯留部M7内に貯留された三次元造形物製造用組成物1’での金属粒子の沈降を効果的に防止することができる。
また、三次元造形物製造用組成物1’が層状ケイ酸塩を含有することにより、三次元造形物製造用組成物1’に比較的大きな応力が加わった状態では、三次元造形物製造用組成物1’の粘度を好適に低下させることができる。これにより、三次元造形物製造用組成物1’は、三次元造形物10の製造に用いる三次元造形物製造装置M100内で好適に流動することができ、吐出法による三次元造形物製造用組成物1’の吐出も好適に行うことができる。
本発明では、25℃における三次元造形物製造用組成物1’のずりせん断速度0.3s−1での粘度が、92Pa・s以上である。
当該パラメーターは、保存時の三次元造形物製造用組成物1’の状態、例えば、組成物貯留部M7内に貯留された三次元造形物製造用組成物1’の状態に近似した状態を表現するのに導入したパラメーターである。この値が十分に大きいことにより、前記状態で金属粒子の沈降が十分に生じにくいことを示している。
前述したように、本発明では、前述した条件を満足することにより、優れた効果が得られる点に特徴を有しているが、前述した条件を満足しない場合には、上記のような優れた効果は十分に得られない。
例えば、三次元造形物製造用組成物が層状ケイ酸塩を含まないものであると、保存状態における三次元造形物製造用組成物の粘度を十分に高いものすることができず、三次元造形物製造用組成物中における金属粒子の沈降を十分に抑制することができない。
また、三次元造形物製造用組成物が溶媒を含まないものであると、三次元造形物の製造に用いる三次元造形物製造装置内での三次元造形物製造用組成物の流動性を十分に高めることが困難となり、また、吐出法による三次元造形物製造用組成物の吐出も困難となる。
また、三次元造形物製造用組成物の25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度が小さすぎると、保存状態における三次元造形物製造用組成物の粘度を十分に高いものとすることができず、三次元造形物製造用組成物中における金属粒子の沈降を十分に抑制することができない。
なお、本発明において、溶媒とは、金属粒子を分散することができる液体、すなわち、分散媒である。そして、当該溶媒としては、揮発性の液体、すなわち、それ単独で、所定の沸点を有し、当該沸点で実質的に分解しない物質であるのが好ましい。
また、本明細書で説明する「粘度」は、レオメーターを用いた測定により求めることができる。レオメーターとしては、例えば、MCR−301(AntonPaar社製)等が挙げられる。
前述したように、三次元造形物製造用組成物1’の25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度は、92Pa・s以上であればよいが、5.0Pa・s以上であるのが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
また、三次元造形物製造用組成物1’の25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度の上限値は、特に限定されないが、500Pa・sであるのが好ましく、450Pa・sであるのが好ましい。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’に比較的大きな応力を加えた際に、より好適に、三次元造形物製造用組成物1’の粘度を適度に低下させることができる。その結果、必要時において、三次元造形物製造用組成物1’が、三次元造形物製造装置M100内でより好適に流動することができ、吐出法による三次元造形物製造用組成物1’の吐出もより好適に行うことができる。
また、三次元造形物製造用組成物1’の25℃におけるずりせん断速度10s−1での粘度は、15Pa・s以上であるのが好ましく、19Pa・s以上であるのがより好ましい。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’が、三次元造形物製造装置M100内でより好適に流動することができるとともに、三次元造形物製造装置M100内の配管M8等の流路における金属粒子の沈降、堆積をより長期間にわたって効果的に防止することができる。
また、三次元造形物製造用組成物1’の25℃におけるずりせん断速度300s−1での粘度は、0.18Pa・s以上1.0Pa・s以下であるのが好ましい。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’の吐出、特に、ディスペンサーを用いた三次元造形物製造用組成物1’の吐出をより安定的に行うことができるとともに、三次元造形物製造用組成物1’の吐出を行う組成物吐出手段M3のノズル付近での三次元造形物製造用組成物1’の固形分の強固な付着をより効果的に防止することができる。
[1−1]金属粒子
三次元造形物製造用組成物1’は、複数個の金属粒子を含んでいる。
三次元造形物製造用組成物1’は、複数個の金属粒子を含んでいる。
これにより、例えば、三次元造形物製造用組成物1’を用いて製造される三次元造形物10の質感、機械的強度、靱性、耐久性、重量感等を優れたものとすることができる。また、金属粒子を構成する金属材料は、一般に、後に詳述するようなバインダーの分解温度で、十分な形状の安定性を有する。したがって、三次元造形物10の製造過程において、バインダーを確実に除去し、三次元造形物10中にバインダーが残存するのをより確実に防止しつつ、三次元造形物10の寸法精度をより確実に向上させることができる。また、金属粒子の接合のためのエネルギーを付与した際の伝熱が効率よく進行するため、三次元造形物10の生産性を向上させつつ、各部位での不本意な温度のばらつきの発生をより効果的に防止することができ、三次元造形物10の信頼性をより向上させることができる。また、例えば、溶媒に溶解した材料を用いて三次元造形物を製造する場合、使用することのできる材料に制限があるが、金属粒子を含む三次元造形物製造用組成物1’を用いることによりこのような制限を解消することができる。
三次元造形物製造用組成物1’に含まれる金属粒子の構成材料としては、例えば、マグネシウム、鉄、金、銀、銅、コバルト、チタン、クロム、ニッケル、アルミニウムやこれらのうち少なくとも1種を含む合金等が挙げられる。前記合金としては、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が挙げられる。
金属粒子の構成材料の密度、すなわち、真密度は、1.8g/cm3以上19.5g/cm3以下であるのが好ましく、2.4g/cm3以上12.0g/cm3以下であるのがより好ましく、5.0g/cm3以上9.0g/cm3以下であるのがさらに好ましい。
従来においては、金属粒子の構成材料の密度が前記範囲内の値である場合に、前述したような問題がより顕著に発生していたが、本発明では、金属粒子の構成材料の密度が前記範囲内の値であっても、前述したような問題の発生を十分に防止することができる。また、金属粒子の構成材料の密度が前記範囲内の値であると、より長期間にわたって、三次元造形物製造装置M100内での金属粒子の沈降をより好適に防止することができるとともに、より寸法精度の高い三次元造形物10をより安定的に製造することができる。すなわち、金属粒子の構成材料の密度が前記範囲内の値であると、本発明による効果がより顕著に発揮される。
金属粒子の形状は、特に限定されず、球状、紡錘形状、針状、筒状、鱗片状等、いかなる形状であってもよく、また、不定形であってもよいが、球状であるのが好ましい。
金属粒子の平均粒径は、特に限定されないが、3μm以上60μm以下であるのが好ましく、4μm以上55μm以下であるのがより好ましく、5μm以上50μm以下であるのがさらに好ましい。
これにより、前述したような粘度の条件を満たす三次元造形物製造用組成物1’の調製が容易となる。また、後に詳述するような接合工程での金属粒子の接合をより好適に行うことができる。また、例えば、層1中に含まれる溶媒やバインダー等を効率よく除去することができ、不本意に金属粒子以外の構成材料が最終的な三次元造形物10中に残存することをより効果的に防止することができる。このようなことから、三次元造形物10の生産性をより向上させつつ、製造される三次元造形物10の寸法精度、機械的強度、信頼性をより向上させることができる。
なお、本発明において、平均粒径とは、体積基準の平均粒子径(D50)を言い、例えば、マイクロトラックUPA(マイクロトラック・ベル社製)等を用いて測定される。メタノール液中の粒子に光を照射し、当該液中の前方・側方・後方に配置されたディテクターによって、発生する回折散乱光を測定する。この測定結果を利用して、本来は不定形である粒子を球形であるものと仮定し、当該粒子の体積と等しい球に換算された粒子集団の全体積を100%として累積カーブを求める。その際の累積値が50%となる点を上記平均粒子径(D50)とする。
三次元造形物製造用組成物1’中における金属粒子の含有率は、70質量%以上90質量%以下であるのが好ましく、72質量%以上88質量%以下であるのがより好ましく、74質量%以上86質量%以下であるのがさらに好ましい。
これにより、前述したような粘度の条件を満たす三次元造形物製造用組成物1’の調製が容易となり、三次元造形物10の寸法精度、信頼性をより確実に向上させることができる。また、長期間にわたって、三次元造形物製造用組成物1’の吐出をより安定的に行うことができる。
なお、金属粒子は、例えば、後述する接合工程等の三次元造形物10の製造過程において、酸化反応等の化学反応をする材料で構成されており、三次元造形物製造用組成物1’中に含まれる金属粒子の組成と、最終的な三次元造形物10の構成材料の組成とが異なっていてもよい。
また、三次元造形物製造用組成物1’は、2種以上の金属粒子を含んでいてもよい。
また、三次元造形物製造用組成物1’は、2種以上の金属粒子を含んでいてもよい。
[1−2]層状ケイ酸塩
三次元造形物製造用組成物1’は、層状ケイ酸塩を含んでいる。
層状ケイ酸塩は、一般的なバインダーとしての機能、すなわち、三次元造形物製造用組成物1’から溶媒が除去された状態において、金属粒子同士を仮結合する機能を有するとともに、以下のような機能も有している。
三次元造形物製造用組成物1’は、層状ケイ酸塩を含んでいる。
層状ケイ酸塩は、一般的なバインダーとしての機能、すなわち、三次元造形物製造用組成物1’から溶媒が除去された状態において、金属粒子同士を仮結合する機能を有するとともに、以下のような機能も有している。
すなわち、三次元造形物製造用組成物1’が層状ケイ酸塩を含むことにより、三次元造形物製造用組成物1’に応力が加わっていない状態や三次元造形物製造用組成物1’に加わっている応力が十分に小さい場合には、三次元造形物製造用組成物1’の粘度を十分に高いものとすることができるとともに、三次元造形物製造用組成物1’に所定値以上の応力が加わった場合に、三次元造形物製造用組成物1’の粘度を低下させることができる。これにより、三次元造形物10の製造に用いる三次元造形物製造装置M100内、特に、三次元造形物製造用組成物1’を保存する組成物貯留部M7内での金属粒子の沈降、三次元造形物製造用組成物1’の組成のばらつきの発生を効果的に防止することができる。また、三次元造形物製造装置M100内で三次元造形物製造用組成物1’を円滑に流動させることができ、また、三次元造形物製造装置M100内からの三次元造形物製造用組成物1’の吐出を円滑に行うことができる。そして、三次元造形物製造装置M100の三次元造形物製造用組成物1’の流路や三次元造形物製造用組成物1’の吐出部での三次元造形物製造用組成物1’の固形分、特に、金属粒子の固着を効果的に防止することができる。そして、目的の部位に供給される三次元造形物製造用組成物中における金属粒子の含有率が低下することで、寸法精度の高い三次元造形物を製造することが困難になったり、三次元造形物製造用組成物の吐出そのものが困難となり、三次元造形物を安定的に製造することができなくなったりすることを防止できる。
層状ケイ酸塩は、三次元造形物製造用組成物1’に応力が加わっていない状態では、カードハウス構造を取り得るとともに、三次元造形物製造用組成物1’に所定値以上の応力が加わった場合に、前記カードハウス構造が崩壊するものである。
このような層状ケイ酸塩を含有することで、静置状態で、層状ケイ酸塩の結晶同士が三次元の網目構造を形成し、その構造中の層間に金属粒子が入り込んだ状態を取り得る。これにより、金属粒子が三次元造形物製造用組成物1’中で沈降することを長期間にわたって効果的に防止することができる。特に、三次元造形物製造用組成物1’の調製時に、撹拌力を加えることにより、上記のような三次元造形物製造用組成物1’を好適に調製することができる。
なお、本明細書中において、カードハウス構造とは、層状の微小結晶同士が三次元の網目構造を形成している三次元ネットワーク構造のことを指す。
層状ケイ酸塩としては、カードハウス構造を形成可能なものであれば、特に限定されないが、スメクタイトを好適に用いることができる。
層状ケイ酸塩としてスメクタイトを用いることにより、より好適なカードハウス構造を形成することができるとともに、前述したようなずりせん断速度に相当する程度の応力が加わった際に、前記カードハウス構造をより好適に崩壊させることができる。
スメクタイトとしては、例えば、モンモリロナイト、ヘクトライト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、ソーコナイト、ボルコンスコアイト、スインホルダイト、スチーブンサイト等が挙げられる。
中でも、スメクタイトとしては、モンモリロナイトおよびヘクトライトなる群から選択される少なくとも1種であるのが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
なお、層状ケイ酸塩としては、例えば、天然物やその精製物のほか、人工的に合成された合成物を用いることもできる。特に、層状ケイ酸塩は、合成物であるのが好ましい。
層状ケイ酸塩が合成物であることにより、最終的に得られる三次元造形物10中に、好ましくない不純物が含まれることをより効果的に防止することができる。また、天然の層状ケイ酸塩では、産地等の条件による特性・品質の差が比較的大きいのに対し、合成物の層状ケイ酸塩では、特性・品質のばらつきが比較的小さい。したがって、三次元造形物10の生産安定性や、三次元造形物10の特定・品質を安定化させる上でも有利である。
人工的に合成された層状ケイ酸塩の市販品としては、例えば、クニミネ工業社製のスメクトン−SWN、クニビス−110、クニビス−127、モイストナイト−WO、スメクトン−SAN、スメクトン−SAN−P、スメクトン−STN、スメクトン−SEN等が挙げられる。
三次元造形物製造用組成物1’中における層状ケイ酸塩の含有率は、0.1質量%以上10質量%以下であるのが好ましく、0.5質量%以上5質量%以下であるのがより好ましく、0.8質量%以上3質量%以下であるのがさらに好ましい。
これにより、前述したような粘度の条件を満たす三次元造形物製造用組成物1’の調製が容易となり、三次元造形物10の寸法精度、信頼性をより確実に向上させることができる。また、長期間にわたって、三次元造形物製造用組成物1’の吐出をより安定的に行うことができる。
[1−3]溶媒
三次元造形物製造用組成物1’は、金属粒子を分散させる機能を有する溶媒を含んでいる。
三次元造形物製造用組成物1’は、金属粒子を分散させる機能を有する溶媒を含んでいる。
これにより、例えば、ディスペンサー等による三次元造形物製造用組成物1’の吐出を安定的に行うことができる。
溶媒は、三次元造形物製造用組成物1’中において金属粒子を分散させる機能、すなわち、分散媒としての機能を有していれば、特に限定されない。溶媒としては、例えば、水;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ジエチルジグリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類;酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸iso−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸iso−ブチル等の酢酸エステル類;カルビトールやそのエステル化合物等のカルビトール類;セロソロブやそのエステル化合物等のセロソロブ類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;エタノール、プロパノール、ブタノール、2−エチル−1−ヘキサノール等の一価アルコールや、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、グリセリン等の多価アルコール等のアルコール類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶媒;ピリジン、ピコリン、2,6−ルチジン等のピリジン系溶媒等の揮発性溶媒、テトラブチルアンモニウムアセテート等のテトラアルキルアンモニウムアセテート等のイオン液体等が挙げられ、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て用いることができる。
中でも、溶媒は、水を含むものであるのが好ましい。
これにより、粘度が比較的高い有機溶媒を用いる場合に比べて、三次元造形物10の製造時において、層1からの溶媒の除去を容易に行うことができ、三次元造形物10の生産性をさらに高める上で有利である。また、後に詳述する接合工程での溶媒の急激な揮発、例えば、突沸等に伴う不本意な変形をより効果的に防止することができ、三次元造形物10のさらなる寸法精度の向上を図ることができる。
これにより、粘度が比較的高い有機溶媒を用いる場合に比べて、三次元造形物10の製造時において、層1からの溶媒の除去を容易に行うことができ、三次元造形物10の生産性をさらに高める上で有利である。また、後に詳述する接合工程での溶媒の急激な揮発、例えば、突沸等に伴う不本意な変形をより効果的に防止することができ、三次元造形物10のさらなる寸法精度の向上を図ることができる。
三次元造形物製造用組成物1’を構成する溶媒全体に占める水の割合は、50質量%以上であるのが好ましく、80質量%以上であるのがより好ましく、90質量%以上であるのがさらに好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
また、三次元造形物製造用組成物1’は、さらに、2−エチル−1−ヘキサノールを含んでいるのが好ましい。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’の吐出、特に、ディスペンサーを用いた三次元造形物製造用組成物1’の吐出をより安定的に行うことができるとともに、三次元造形物製造用組成物1’の吐出を行う組成物吐出手段M3のノズル付近での三次元造形物製造用組成物1’の固形分の強固な付着をより効果的に防止することができる。
三次元造形物製造用組成物1’が2−エチル−1−ヘキサノールを含む場合、特に、2−エチル−1−ヘキサノールとともに水を含んでいるのが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
[1−4]層状ケイ酸塩以外のバインダー
三次元造形物製造用組成物1’は、前述した層状ケイ酸塩に加えて、三次元造形物製造用組成物1’から溶媒が除去された状態において、金属粒子同士を仮結合する機能を有するバインダーとして、層状ケイ酸塩以外の成分をさらに含んでいてもよい。
三次元造形物製造用組成物1’は、前述した層状ケイ酸塩に加えて、三次元造形物製造用組成物1’から溶媒が除去された状態において、金属粒子同士を仮結合する機能を有するバインダーとして、層状ケイ酸塩以外の成分をさらに含んでいてもよい。
これにより、例えば、前述したようなずりせん断速度での三次元造形物製造用組成物1’の粘度の調整をより好適に行うことができる。また、溶媒が除去された状態における金属粒子同士の仮接合の接合強度をより好適なものとしたり、最終的に得られる三次元造形物10中における不純物の含有率をより低くしたりすることができる。
このような成分、すなわち、層状ケイ酸塩以外のバインダーとしては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ乳酸、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、アルギン酸塩、ナノセルロース、シクロデキストリン等の環状セルロース誘導体等が挙げられ、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て用いることができる。
特に、三次元造形物製造用組成物1’がアルギン酸塩を含んでいると、三次元造形物製造用組成物1’に応力が加わっていない状態や三次元造形物製造用組成物1’に加わっている応力が十分に小さい状態での、三次元造形物製造用組成物1’の粘度をより好適に高いものとすることができる。
三次元造形物製造用組成物1’がアルギン酸塩を含んでいる場合、三次元造形物製造用組成物1’中におけるアルギン酸塩の含有率は、0.2質量%以上2.0質量%以下であるのが好ましく、0.8質量%以上1.2質量%以下であるのがより好ましい。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
三次元造形物製造用組成物1’が層状ケイ酸塩以外のバインダーとして複数種の成分を含んでいる場合、三次元造形物製造用組成物1’中におけるこれらの含有率の和、すなわち、層状ケイ酸塩以外のバインダーの含有率の総和は、0.3質量%以上1.0質量%以下であるのが好ましい。
これにより、例えば、前述したようなずりせん断速度での三次元造形物製造用組成物1’の粘度の調整をさらに好適に行うことができる。また、溶媒が除去された状態における金属粒子同士の仮接合の接合強度をさらに好適なものとしたり、最終的に得られる三次元造形物10中における不純物の含有率をさらに低くしたりすることができる。
[1−5]その他の成分
三次元造形物製造用組成物1’は、前述した以外の成分を含んでいてもよい。このような成分としては、例えば、重合開始剤;分散剤;界面活性剤;増粘剤;凝集防止剤;消泡剤;レベリング剤;染料;重合禁止剤;重合促進剤;浸透促進剤;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調整剤等が挙げられる。
三次元造形物製造用組成物1’は、前述した以外の成分を含んでいてもよい。このような成分としては、例えば、重合開始剤;分散剤;界面活性剤;増粘剤;凝集防止剤;消泡剤;レベリング剤;染料;重合禁止剤;重合促進剤;浸透促進剤;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調整剤等が挙げられる。
ただし、三次元造形物製造用組成物1’中におけるこれらの成分の含有率の和は、5質量%以下であるのが好ましく、3質量%以下であるのがより好ましい。
三次元造形物製造用組成物1’は、層1を形成するのに際し、ディスペンサーにより吐出されるものであるのが好ましい。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’の吐出をより安定的に行うことができるとともに、形成される層1の厚みの不本意なばらつきをより効果的に抑制することができる。
[2]三次元造形物の製造方法
次に、前述した本発明の三次元造形物製造用組成物を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。
次に、前述した本発明の三次元造形物製造用組成物を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。
図1〜図7は、三次元造形物の製造方法の好適な実施形態での工程を模式的に示す縦断面図である。図8は、三次元造形物の製造方法の好適な実施形態で得られた三次元造形物を模式的に示す縦断面図である。図9は、三次元造形物の製造方法の好適な実施形態を示すフローチャートである。
本実施形態の三次元造形物10の製造方法は、三次元造形物製造用組成物1’を吐出法により層1を形成して、複数の層1が積層されてなる三次元造形物10を製造する方法である。
より具体的には、本実施形態の三次元造形物10の製造方法は、図1、図4に示すように、前述した本発明の三次元造形物製造用組成物1’を用いて層1を形成する層形成工程と、図2、図5に示すように、層1中に含まれる溶媒を除去する溶媒除去工程と、図3、図6に示すように、層1にレーザー光Lを照射し、層1中に含まれる金属粒子同士を接合し、接合部3を形成する接合工程とを有しており、図7に示すように、層形成工程、溶媒除去工程および接合工程を含む一連の工程を繰り返し行う。
これにより、三次元造形物10の製造に用いる三次元造形物製造装置M100での金属粒子の沈降を好適に防止しつつ、寸法精度の高い三次元造形物10を安定的に製造することができる。
以下、各工程について詳細に説明する。
[2−1]層形成工程
[2−1]層形成工程
層形成工程では、例えば、ステージM41の平面M410上に、組成物吐出手段M3から三次元造形物製造用組成物1’を吐出して層1を形成する。
三次元造形物製造用組成物1’の吐出方法は、特に限定されないが、ディスペンサーにより吐出するのが好ましい。
このように、ディスペンサーを用いることにより、前述した組成、粘度の条件を満足する三次元造形物製造用組成物1’をより安定的に吐出することができ、良好な層1を形成することができる。また、スキージ、モーノポンプ、ギアポンプ等、ディスペンサー以外の方式を用いて層1を形成する場合に比べて、層1の厚さの不本意なばらつきを効果的に抑制することができ、製造される三次元造形物10の寸法精度を向上させる上でも有利である。また、厚みが比較的大きい層1を容易に形成することができ、三次元造形物10の生産性をさらに向上させる上でも有利である。
本工程では、三次元造形物製造用組成物1’を、連続体状に吐出してもよいし、複数の液滴として吐出してもよいが、図示の構成では、複数の液滴として吐出する場合を示している。
三次元造形物10の製造においては、三次元造形物製造用組成物1’として、複数種の組成物を用いてもよい。
[2−2]溶媒除去工程
溶媒除去工程では、層1中に含まれる溶媒を除去する。
溶媒除去工程では、層1中に含まれる溶媒を除去する。
これにより、層1の流動性が低下し、層1の形状の安定性が向上する。また、本工程を行うことにより、後の接合工程での溶媒の急激な揮発、例えば、突沸等に伴う不本意な変形を効果的に防止することができる。以上のようなことから、より確実に寸法精度に優れた三次元造形物10を得ることができ、三次元造形物10の信頼性をより向上させることができるとともに、三次元造形物10の生産性をより向上させることができる。
溶媒の除去の方法としては、自然乾燥であってもよいが、図示の構成では、溶媒除去手段M9を用いる。これにより、三次元造形物10の生産性をより優れたものとすることができる。
溶媒除去手段M9による溶媒の除去の具体的な方法としては、例えば、層1の加熱や、層1への赤外線の照射、層1を減圧下に置くこと、乾燥空気等のような液体成分の含有率の低いガスを供給すること等が挙げられる。また、これらから選択される2種以上を組み合わせて行ってもよい。液体成分の含有率の低いガスを供給する方法を採用する場合、当該ガスとしては、相対湿度が30%以下のガスを好適に用いることができる。
なお、本工程は、例えば、前述した層形成工程と同時進行的に行ってもよい。より具体的には、例えば、三次元造形物製造用組成物1’を吐出して層1が完成する前に、吐出された三次元造形物製造用組成物1’から溶媒を除去する処理を施してもよい。
また、本工程においては、層1中に含まれる溶媒を、完全に除去する必要はない。
また、本工程においては、層1中に含まれる溶媒を、完全に除去する必要はない。
本工程後の層1中における溶媒の含有率は、0.1質量%以上25質量%以下であるのが好ましく、0.5質量%以上20質量%以下であるのがより好ましい。
これにより、後の工程での溶媒の急激な揮発、例えば、突沸等に伴う不本意な変形を効果的に防止し、さらに確実に寸法精度に優れた三次元造形物10を得ることができ、三次元造形物10の信頼性をさらに向上させることができるとともに、三次元造形物10の生産性をさらに向上させることができる。
[2−3]接合工程
接合工程では、レーザー光照射手段M6により層1にレーザー光Lを照射し、層1中に含まれる金属粒子の少なくとも表面を加熱、溶融する。より具体的には、各層1において、三次元造形物10の実体部となるべき部位に選択的にレーザー光Lを走査することにより照射する。
接合工程では、レーザー光照射手段M6により層1にレーザー光Lを照射し、層1中に含まれる金属粒子の少なくとも表面を加熱、溶融する。より具体的には、各層1において、三次元造形物10の実体部となるべき部位に選択的にレーザー光Lを走査することにより照射する。
これにより、三次元造形物製造用組成物1’中に含まれる金属粒子同士が接合し、接合部3が形成される。このように接合部3が形成されることにより、その後の金属粒子の不本意な移動が防止され、三次元造形物10の寸法精度を向上させることができる。また、このようにして形成される接合部3は、一般に、金属粒子同士が十分な接合強度で接合している。また、本工程で、レーザー光Lが照射される層1よりも下側に、接合部3が形成された層1を有する場合には、一般に、当該下側の層1の接合部3と、新たに形成される接合部3とが接合する。このようなことから、最終的に得られる三次元造形物10の機械的強度を向上させることができる。
また、レーザー光Lを用いることにより、所望の部位に高い選択性でエネルギーを付与することができるため、三次元造形物10の寸法精度を向上させる上で有利であるとともに、三次元造形物10の生産性を向上する上でも有利である。また、エネルギー効率を向上させることができ、省エネルギーの観点からも有利である。
また、本工程においては、レーザー光Lの照射により、金属粒子の接合を行うとともに、金属粒子以外の不要な成分を除去することができる。例えば、バインダー、残存する溶媒等を除去することができ、これらの成分が形成される接合部3中に残存することを効果的に防止することができる。
接合の形態としては、例えば、焼結、溶融固化等が挙げられる。
接合の形態としては、例えば、焼結、溶融固化等が挙げられる。
本工程で用いることのできるレーザーとしては、例えば、ルビーレーザー、YAGレーザー、Nd:YAGレーザー、チタンサファイアレーザー、半導体レーザー等の固体レーザー;色素レーザー等の液体レーザー;ヘリウムネオンレーザー等の中性原子レーザー、アルゴンイオンレーザー等のイオンレーザー、炭酸ガスレーザー、窒素レーザー等の分子レーザー、エキシマレーザー、ヘリウムカドミニウムレーザー等金属蒸気レーザー等のガスレーザー;自由電子レーザー;酸素−ヨウ素化学レーザー、フッ化水素レーザー等の化学レーザー;ファイバーレーザー等が挙げられる。
本工程は、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性雰囲気中で行ってもよいし、減圧雰囲気下で行ってもよい。これにより、金属粒子の構成材料の不本意な化学反応を効果的に防止することができる。
また、本工程は、酸素ガス等の反応性ガス雰囲気下で行ってもよい。これにより、三次元造形物製造用組成物1’中に含まれる金属粒子の組成とは、異なる組成の材料で構成された三次元造形物10を得ることができる。
本工程を行う雰囲気は、例えば、三次元造形物製造用組成物1’の組成、金属粒子の粒径等の条件により、適宜決定される。
接合部3を有する層1の厚さは、特に限定されないが、5μm以上300μm以下であるのが好ましく、10μm以上200μm以下であるのがより好ましい。
これにより、三次元造形物10の生産性を向上させつつ、三次元造形物10の寸法精度をより向上させることができる。
なお、例えば、層1の各部位で、レーザー光Lの種類、照射強度等のレーザー光Lの照射条件が異なるように調整してもよい。
[2−4]三次元造形物の完成
その後、前述した層形成工程、溶媒除去工程および接合工程を含む一連の工程を繰り返し行うことにより、図7に示すように、複数の層1が積層された積層体50が得られる。そして、当該積層体50は、複数の層1にわたって設けられた接合部3を有する三次元造形物10を含んでいる。
その後、前述した層形成工程、溶媒除去工程および接合工程を含む一連の工程を繰り返し行うことにより、図7に示すように、複数の層1が積層された積層体50が得られる。そして、当該積層体50は、複数の層1にわたって設けられた接合部3を有する三次元造形物10を含んでいる。
その後、図8に示すように、積層体50から、層1のうち接合部3以外の部位を除去することにより、三次元造形物10が取り出される。
前述したような三次元造形物10の製造方法をフローチャートにまとめると、図9のようになる。
図9に示すように、三次元造形物10の製造においては、層形成工程、溶媒除去工程および接合工程を含む一連の工程を所定回数だけ繰り返し行い、複数の層1が積層された積層体50を得る。
すなわち、すでに形成された層1上に新たな層1を形成すべきか否かを判断し、形成すべき層1がある場合には新たな層1を形成し、形成すべき層1がない場合には当該積層体50に対し、後処理として、層1のうち接合部3以外の部位を除去する不要部除去工程を行い、目的とする三次元造形物10を得る。
不要部除去工程は、例えば、積層体50の各層1の接合部3が形成されていない領域を吸引手段にて除去することにより、行うことができる。また、不要部除去工程は、例えば、積層体50の各層1の接合部3が形成されていない領域を送風機にて吹き飛ばす方法や、液体中で超音波振動を付与する方法等により行うこともできる。
なお、図示の構成では、理解を容易にするために、前述した各工程を順次行うものとして説明したが、造形領域であるステージ上の空間の各部位で、異なる工程を同時進行的に行ってもよい。例えば、層1を形成しつつ、この完成前の層1の他の部位で、溶媒除去工程や接合工程を行ってもよい。
[3]三次元造形物製造装置
次に、三次元造形物製造装置について説明する。
図10は、三次元造形物製造装置の好適な実施形態を模式的に示す断面図である。
次に、三次元造形物製造装置について説明する。
図10は、三次元造形物製造装置の好適な実施形態を模式的に示す断面図である。
三次元造形物製造装置M100は、層1の形成を複数回行うことにより、三次元造形物10を製造するのに用いられるものであって、三次元造形物製造用組成物1’を吐出するノズルとしての組成物吐出手段M3と、組成物吐出手段M3より三次元造形物製造用組成物1’を吐出して形成された層1に対してレーザー光Lを照射するレーザー光照射手段M6とを備え、層1を積み重ねて三次元造形物10を製造する。
より具体的には、三次元造形物製造装置M100は、制御部M2と、三次元造形物製造用組成物1’を所定のパターンで吐出することができるノズルを備える組成物吐出手段M3と、組成物吐出手段M3から吐出された三次元造形物製造用組成物1’により形成された層1から溶媒の少なくともの一部を除去する溶媒除去手段M9と、少なくとも一部の溶媒が除去された層1に金属粒子を接合するためのレーザー光Lを照射するレーザー光照射手段M6とを備えている。
これにより、前述したような本発明の三次元造形物製造用組成物1’による効果をより好適に発揮させることができる。
制御部M2は、コンピューターM21と、駆動制御部M22とを有している。
コンピューターM21は、内部にCPUやメモリー等を備えて構成される一般的な卓上型コンピューター等である。コンピューターM21は、三次元造形物10の形状をモデルデータとしてデータ化し、それを平行な幾層もの薄い断面体にスライスして得られる断面データ、すなわち、スライスデータを駆動制御部M22に対して出力する。
コンピューターM21は、内部にCPUやメモリー等を備えて構成される一般的な卓上型コンピューター等である。コンピューターM21は、三次元造形物10の形状をモデルデータとしてデータ化し、それを平行な幾層もの薄い断面体にスライスして得られる断面データ、すなわち、スライスデータを駆動制御部M22に対して出力する。
制御部M2が有する駆動制御部M22は、組成物吐出手段M3、層形成部M4、溶媒除去手段M9、レーザー光照射手段M6等をそれぞれに駆動する制御手段として機能する。具体的には、例えば、組成物吐出手段M3の駆動、例えば、XY平面上での移動等、組成物吐出手段M3による三次元造形物製造用組成物1’の吐出、図10中のZ方向に移動可能なステージM41の下降およびその下降量、溶媒除去手段M9の駆動、レーザー光照射手段M6によるレーザー光Lの照射パターンや照射、走査速度等を制御する。
組成物吐出手段M3には、三次元造形物製造用組成物1’が貯留、保存される組成物貯留部M7からの配管M8が接続されている。組成物貯留部M7には、前述した三次元造形物製造用組成物1’が貯留されており、駆動制御部M22の制御により、組成物吐出手段M3より吐出される。
組成物吐出手段M3は、ガイドM5に沿って、図10中のX方向およびY方向に各々独立して移動することができる。
層形成部M4は、組成物吐出手段M3から吐出された三次元造形物製造用組成物1’が供給され、三次元造形物製造用組成物1’を用いて形成された層1を支持するステージM41と、ステージM41を取り囲む枠体M45とを有している。
ステージM41は、先に形成された層1の上に、新たな層1を形成するのに際して、駆動制御部M22からの指令により所定量だけ順次下降する。
ステージM41は、その上面のうち少なくとも三次元造形物製造用組成物1’が付与される部位が平坦な平面M410となっている。これにより、厚さの均一性の高い層1を容易かつ確実に形成することができる。
ステージM41は、高強度の材料で構成されているのが好ましい。ステージM41の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼等の各種金属材料等が挙げられる。
また、ステージM41の平面M410には、表面処理が施されていてもよい。これにより、例えば、三次元造形物製造用組成物1’の構成材料等がステージM41に強固に付着してしまうことをより効果的に防止したり、ステージM41の耐久性を向上させ、三次元造形物10のより長期間にわたる安定的な生産を図ったりすることができる。ステージM41の平面M410の表面処理に用いられる材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂等が挙げられる。
組成物吐出手段M3は、駆動制御部M22からの指令により移動し、三次元造形物製造用組成物1’をステージM41上の所望の部位に吐出するように構成されている。
組成物吐出手段M3は、三次元造形物製造用組成物1’を吐出するように構成されている。
組成物吐出手段M3としては、例えば、インクジェットヘッド、各種ディスペンサー等が挙げられるが、ディスペンサーであるのが好ましい。
このように、ディスペンサーを用いることにより、前述した組成、粘度の条件を満足する三次元造形物製造用組成物1’をより安定的に吐出することができ、良好な層1を形成することができる。また、ディスペンサー以外の方式を用いた場合に比べて、層1の厚さの不本意なばらつきを効果的に抑制することができ、製造される三次元造形物10の寸法精度を向上させる上でも有利である。また、厚みが比較的大きい層1を容易に形成することができ、三次元造形物10の生産性をさらに向上させる上でも有利である。
組成物吐出手段M3の吐出部の大きさであるノズル径は、特に限定されないが、10μm以上100μm以下であるのが好ましい。
これにより、三次元造形物10の寸法精度をより向上させつつ、三次元造形物10の生産性をより向上させることができる。
溶媒除去手段M9は、組成物吐出手段M3により吐出された三次元造形物製造用組成物1’により形成された層1中に含まれる溶媒の少なくとも一部を除去する機能を有する。
溶媒除去手段M9としては、例えば、層1を加熱するラインヒーター、加熱ローラー、層1に赤外線を照射する赤外線照射手段、乾燥空気等のような液体成分の含有率の低いガス供給手段等が挙げられ、これらから選択される2種以上を組み合わせたものであってもよい。
レーザー光照射手段M6は、組成物吐出手段M3により吐出された三次元造形物製造用組成物1’により形成された層1、特に、本実施形態では、溶媒除去手段M9により溶媒の少なくとも一部が除去された層1中に含まれる金属粒子を接合するためのレーザー光Lを照射する機能を有する。
これにより、層1中に含まれる金属粒子が接合し、接合部3を形成することができる。特に、金属粒子を含む層1にレーザー光Lを走査することにより、層1の所望の部位に選択的にエネルギーを付与することができ、接合部3の形成のエネルギー効率をより向上させることができる。これにより、金属粒子の接合や、バインダー等の除去をより効率よく行うことができ、三次元造形物10の生産性をより向上させることができる。また、エネルギー効率を向上させることができるため、省エネルギーの観点からも有利である。
本発明では、三次元造形物10の製造を雰囲気の組成等が管理されたチャンバー内で行ってもよい。これにより、例えば、不活性ガス中で接合工程を行うことができ、粒子の不本意な変性等をより効果的に防止することができる。また、例えば、反応性ガスを含む雰囲気中で接合工程を行うことにより、原料として用いる金属粒子の組成とは異なる組成の材料で構成された三次元造形物10を好適に製造することができる。
[4]三次元造形物
本発明に係る三次元造形物は、前述したような本発明の三次元造形物製造用組成物を用いて製造することができる。特に、前述したような三次元造形物の製造方法、三次元造形物製造装置を適用して好適に製造することができる。
これにより、得られる三次元造形物は、寸法精度が高く信頼性に優れたものとなる。
本発明に係る三次元造形物は、前述したような本発明の三次元造形物製造用組成物を用いて製造することができる。特に、前述したような三次元造形物の製造方法、三次元造形物製造装置を適用して好適に製造することができる。
これにより、得られる三次元造形物は、寸法精度が高く信頼性に優れたものとなる。
三次元造形物の用途は、特に限定されないが、例えば、時計ケース、メガネフレーム、メダル、ペンダントヘッド、その他のアクセサリー、食器類、人形、フィギュア等の鑑賞物・展示物;インプラント、ステント、人工骨等の医療機器;ボルト、ナット、ネジ、アーム、リング、パイプ、その他各種工業製品の部品等が挙げられる。
また、三次元造形物は、プロトタイプ、量産品、オーダーメード品のいずれに適用されてもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されない。
例えば、三次元造形物製造装置では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
例えば、前述した実施形態では、ステージが昇降する構成について説明したが、ステージは昇降せずに、組成物吐出手段が昇降するように構成されていてもよい。
また、前述した実施形態では、レーザー光照射手段がXY平面上で移動することにより、層へのレーザー光の照射部位を変更する構成を図示していたが、レーザー光照射手段は、XY平面上を移動しないものであってもよい。より具体的には、例えば、レーザー光照射手段は、レーザー光照射部と、レーザー光照射部からのレーザー光を位置決めする複数のミラーと、レーザー光を収束させるレンズとを有するガルバノレーザーであってもよい。これにより、レーザー光を、高速でかつ広範囲に走査することができる。
また、前述した実施形態では、ステージの表面に直接層を形成する場合について代表的に説明したが、例えば、ステージ上に造形プレートを配置し、当該造形プレート上に層を積層して三次元造形物を製造してもよい。このような場合、三次元造形物の製造過程においては、造形プレートと最下層を構成する粒子とを接合させ、その後、後処理で目的とする三次元造形物から造形プレートを除去してもよい。これにより、例えば、複数の層を積層していく過程での層の反りの発生をより効果的に防止することができ、最終的に得られる三次元造形物の寸法精度をより向上させることができる。
また、前述した実施形態では、全ての層に接合部を形成する場合について代表的に説明したが、複数の層が積層されてなる積層体は、例えば、接合部を有さない層を備えていてもよい。また、ステージとの接触面に、実体部が形成されない層を形成し、当該層を犠牲層として機能させてもよい。
また、三次元造形物の製造方法においては、必要に応じて、前処理工程、中間処理工程、後処理工程を行ってもよい。
前処理工程としては、例えば、ステージの清掃工程等が挙げられる。
後処理工程としては、例えば、洗浄工程、バリ取り、研磨等を行う形状調整工程、着色工程、被覆層形成工程、粒子の接合強度を向上させるための熱処理工程等が挙げられる。
後処理工程としては、例えば、洗浄工程、バリ取り、研磨等を行う形状調整工程、着色工程、被覆層形成工程、粒子の接合強度を向上させるための熱処理工程等が挙げられる。
また、前述した実施形態では、三次元造形物の製造に、本発明の三次元造形物製造用組成物以外の組成物を用いない場合について説明したが、本発明の三次元造形物製造用組成物と、本発明以外の三次元造形物製造用組成物とを組み合わせて用いてもよい。例えば、前記層のうち三次元造形物の実体部となるべき領域の形成には、本発明の三次元造形物製造用組成物を用い、前記層のうちそれ以外の部位、すなわち、サポート材として機能すべき領域の形成には、本発明の三次元造形物製造用組成物以外の組成物を用いてもよい。
なお、前記層の、三次元造形物の実体部となるべき領域およびサポート材として機能すべき領域のいずれにおいても、本発明の三次元造形物製造用組成物を用いる場合であっても、これらの領域で異なる組成物、例えば、組成の異なる組成物を用いてもよい。
上記のように単一の層を複数種の組成物を用いて形成する場合であっても、前述したような吐出法を用いることにより、異なる組成物で形成する各領域のパターンを、いずれも精度よく形成することができる。
また、本発明の三次元造形物製造用組成物は、複数の層を積層してなる三次元造形物の前記層を吐出法により形成するのに用いるものであればよく、前述したような三次元造形物の製造方法以外の製造方法、前述したような三次元造形物製造装置以外の装置に適用されるものであってもよい。
以下に具体的な実施例をあげて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。なお、以下の説明において、特に温度条件を示していない処理は、25℃において行った。また、各種測定条件についても特に温度条件を示していないものは、25℃における数値である。
[5]三次元造形物製造用組成物の製造
(実施例1)
SUS316L粉末:84.03質量部と、水:3.91質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):0.08質量部と、βデキストリン:0.12質量部とを混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。なお、SUS316Lの真密度は、7.98g/cm3である。また、SUS316L粉末を構成する金属粒子は、球状をなすものであった。
(実施例1)
SUS316L粉末:84.03質量部と、水:3.91質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):0.08質量部と、βデキストリン:0.12質量部とを混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。なお、SUS316Lの真密度は、7.98g/cm3である。また、SUS316L粉末を構成する金属粒子は、球状をなすものであった。
(実施例2、3)
実施例2は、SUS316L粉末:83.61質量部と、水:3.89質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):3.89質量部と、アルギン酸塩であるアルギン酸ナトリウム:0.12質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.50質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。実施例3は、SUS316L粉末:83.61質量部と、水:9.79質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):0.08質量部と、βデキストリン:0.05質量部アルギン酸塩であるアルギン酸ナトリウム:0.06質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.50質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。その他の含有率については、組成を表1に示す。
実施例2は、SUS316L粉末:83.61質量部と、水:3.89質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):3.89質量部と、アルギン酸塩であるアルギン酸ナトリウム:0.12質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.50質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。実施例3は、SUS316L粉末:83.61質量部と、水:9.79質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):0.08質量部と、βデキストリン:0.05質量部アルギン酸塩であるアルギン酸ナトリウム:0.06質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.50質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。その他の含有率については、組成を表1に示す。
(比較例1〜3)
比較例1は、SUS316L粉末:83.61質量部と、βデキストリン:0.44質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。比較例2は、SUS316L粉末:87.00質量部と、βデキストリン:0.44質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.5質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。比較例3は、SUS316L粉末:83.61質量部と、水:3.88質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):0.08質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.5質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。その他の含有率については、組成を表1に示す。
比較例1は、SUS316L粉末:83.61質量部と、βデキストリン:0.44質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。比較例2は、SUS316L粉末:87.00質量部と、βデキストリン:0.44質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.5質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。比較例3は、SUS316L粉末:83.61質量部と、水:3.88質量部と、層状ケイ酸塩としての合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製):0.08質量部と、2−エチル−1−ヘキサノール:0.5質量部と、を混合することにより、三次元造形物製造用組成物を得た。その他の含有率については、組成を表1に示す。
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物の組成を表1にまとめて示す。なお、表1中に示す平均粒径の値は、金属粉末のサンプルをメタノールに添加し、超音波分散器で3分間分散した分散液をマイクロトラックUPA(マイクロトラック・ベル社製)にて測定することにより求めた値であり、体積基準の平均粒径である。また、表1には、25℃における、ずりせん断速度0.3s−1での粘度、ずりせん断速度10s−1での粘度、および、ずりせん断速度300s−1も示した。これらの粘度は、レオメーターとしてMCR−301(AntonPaar社製)を用いた測定により得られた値である。また、表中、2−エチル−1−ヘキサノールを「EH」、合成品のスメクタイトであるスメクトン−SWN(クニミネ工業社製)を「SM」、アルギン酸ナトリウムを「AL」、βデキストリンを「BD」で示した。
[6]三次元造形物の製造
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物を用いて、設計寸法が厚さ:4mm×幅:10mm×長さ:80mmの直方体形状である三次元造形物を、以下のようにして製造した。
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物を用いて、設計寸法が厚さ:4mm×幅:10mm×長さ:80mmの直方体形状である三次元造形物を、以下のようにして製造した。
まず、図10に示すような三次元造形物製造装置を用意し、組成物吐出手段としてのディスペンサーのノズルから、三次元造形物製造用組成物をステージ上に吐出して層を形成した。このようにして形成された層の厚みは50μmであった。
その後、前記層に対して、溶媒除去手段であるラインヒーターによる180℃での加熱処理を施し、層中に含まれる溶媒を除去した。
その後、溶媒が除去された層に対して、最大ピーク波長が1064nmレーザー光であるYAGレーザーによるレーザー光を走査させ、金属粒子の接合を行った。
上記のような層の形成ないし金属粒子の接合の一連の工程を繰り返し行うことにより、製造すべき三次元造形物に対応する形状の積層体を得た。
その後、積層体の各層の接合部が形成されていない領域を吸引手段にて除去することにより、目的とする三次元造形物を取り出した。
[7]評価
[7−1]組成物貯留部での保存安定性
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物を、それぞれ、前記[6]で三次元造形物の製造に用いた三次元造形物製造装置の組成物貯留部に入れた状態で静置した。静置してから24時間経過した時点において、組成物貯留部での金属粒子の沈降の状況を目視で観察し、以下の基準に従い評価した。沈降した金属粒子の量が少ないほど、保存安定性に優れていると言える。Aを良好なレベルとした。
[7−1]組成物貯留部での保存安定性
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物を、それぞれ、前記[6]で三次元造形物の製造に用いた三次元造形物製造装置の組成物貯留部に入れた状態で静置した。静置してから24時間経過した時点において、組成物貯留部での金属粒子の沈降の状況を目視で観察し、以下の基準に従い評価した。沈降した金属粒子の量が少ないほど、保存安定性に優れていると言える。Aを良好なレベルとした。
A:金属粒子の沈降がほとんど認められない。
B:金属粒子の沈降がわずかに認められる。
C:金属粒子の沈降が顕著に認められる。
B:金属粒子の沈降がわずかに認められる。
C:金属粒子の沈降が顕著に認められる。
[7−2]装置流路内での金属粒子の固着のし難さ
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物について、それぞれ、前記[6]で三次元造形物の製造を行った後、三次元造形物製造装置を1時間放置し、その後、ディスペンサー部分を分解し、ディスペンサーのノズルに直結する組成物流路の内壁面における金属粒子の固着の状況を目視で観察し、以下の基準に従い評価した。Aを良好なレベルとした。
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物について、それぞれ、前記[6]で三次元造形物の製造を行った後、三次元造形物製造装置を1時間放置し、その後、ディスペンサー部分を分解し、ディスペンサーのノズルに直結する組成物流路の内壁面における金属粒子の固着の状況を目視で観察し、以下の基準に従い評価した。Aを良好なレベルとした。
A:組成物流路の内壁面における金属粒子の固着がほとんど認められない。
B:組成物流路の内壁面における金属粒子の固着がわずかに認められる。
C:組成物流路の内壁面における金属粒子の固着が顕著に認められる。
B:組成物流路の内壁面における金属粒子の固着がわずかに認められる。
C:組成物流路の内壁面における金属粒子の固着が顕著に認められる。
[7−3]三次元造形物製造用組成物の吐出安定性
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物について、三次元造形物製造装置を用いて1000ショット射出し、射出した組成物の重量を測定した。上記測定を2日間間欠的に行い、吐出重量が初期値の80%以下となった場合吐出不良と認定し、以下の基準に従い吐出不良の有無を評価した。射出重量のばらつきが小さいほど、寸法精度に優れていると言える。Aを良好なレベルとした。
前記各実施例および各比較例の三次元造形物製造用組成物について、三次元造形物製造装置を用いて1000ショット射出し、射出した組成物の重量を測定した。上記測定を2日間間欠的に行い、吐出重量が初期値の80%以下となった場合吐出不良と認定し、以下の基準に従い吐出不良の有無を評価した。射出重量のばらつきが小さいほど、寸法精度に優れていると言える。Aを良好なレベルとした。
A:1000ショット射出を15回以上繰り返しても吐出不良が発生しない。
B:1000ショット射出を5回以上15回未満繰り返した時に吐出不良が発生する。
C:1000ショット射出を5回未満繰り返した時に吐出不良が発生する。
これらの結果を表2にまとめて示す。
B:1000ショット射出を5回以上15回未満繰り返した時に吐出不良が発生する。
C:1000ショット射出を5回未満繰り返した時に吐出不良が発生する。
これらの結果を表2にまとめて示す。
表2から明らかなように、本発明では、三次元造形物の製造に用いる装置内での三次元造形物製造用組成物中に含まれる金属粒子の沈降や固着が好適に防止され、三次元造形物製造用組成物を安定的に吐出することができた。その結果、本発明では、寸法精度が高く、信頼性の高い三次元造形物を安定的に製造することができた。これに対し、各比較例では、満足のいく結果が得られなかった。
10…三次元造形物、50…積層体、1…層、1’…三次元造形物製造用組成物、3…接合部、M100…三次元造形物製造装置、M2…制御部、M21…コンピューター、M22…駆動制御部、M3…組成物吐出手段、M4…層形成部、M41…ステージ、M410…平面、M45…枠体、M5…ガイド、M6…レーザー光照射手段、M7…組成物貯留部、M8…配管、M9…溶媒除去手段、L…レーザー光
Claims (12)
- 層を積層して三次元造形物を製造するために用いられる三次元造形物製造用組成物であって、
複数個の金属粒子と、
層状ケイ酸塩と、
前記金属粒子を分散させる溶媒と、を含有し、
25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度が92Pa・s以上であることを特徴とする三次元造形物製造用組成物。 - 25℃におけるずりせん断速度0.3s−1での粘度が500Pa・s以下である請求項1に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 25℃におけるずりせん断速度10s−1での粘度が19Pa・s以上である請求項1または2に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 25℃におけるずりせん断速度300s−1での粘度が0.18Pa・s以上1.0Pa・s以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記金属粒子の含有率が70質量%以上90質量%以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記金属粒子の平均粒径が3μm以上60μm以下である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記層状ケイ酸塩の含有率が0.1質量%以上10質量%以下である請求項1ないし6のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記層状ケイ酸塩は合成物である請求項1ないし7のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記溶媒は、水を含むものである請求項1ないし8のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記三次元造形物製造用組成物は、さらに、アルギン酸塩を含んでいる請求項1ないし9のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記三次元造形物製造用組成物は、2−エチル−1−ヘキサノールを含んでいる請求項1ないし10のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記三次元造形物製造用組成物は、前記層を形成するのに際し、ディスペンサーにより吐出されるものである請求項1ないし11のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
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