JP2021130198A - 光造形用インクセット、及び、光造形品の製造方法 - Google Patents

光造形用インクセット、及び、光造形品の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】サポート材の除去性が優れ、更に自立性に優れたサポート材を用いて、寸法精度が良好で、柔らかく、かつ、引張強度に優れた光造形品を得るための光造形用インクセット、該光造形用インクセットを用いて造形された光造形品、及び、前記光造形用インクセットを用いた光造形品の製造方法の提供。【解決手段】光造形用インクセットは、モデル材用組成物が、Tgが20〜120℃のエチレン性不飽和単量体(A)と、Tgが-65℃〜20℃未満のエチレン性不飽和単量体(B)と、Mwが800〜10,000の2官能アクリレートオリゴマー(C)と、開始剤(D)と、を含有し、2官能以上のアクリレート化合物の含有量が15重量部以下であり、サポート材用組成物が、19〜80質量部の水溶性単官能エチレン性不飽和単量体(a)と15〜75質量部の分子量が300〜3000オキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(b)とを、含有する。【選択図】図1

Description

本発明は、マテリアルジェット光造形法に用いられるモデル材用組成物とサポート材用組成物を組み合わせた光造形用インクセット、及び、前記光造形用インクセットを用いた光造形品の製造方法に関する。
従来、立体造形物を作成する方法として、紫外線等を照射することにより硬化する光硬化性組成物を用いた造形法が広く知られている。具体的に、このような造形法では、光硬化性組成物に紫外線等を照射して硬化させることにより、所定の形状を有する硬化層を形成する。その後、該硬化層の上にさらに光硬化性組成物を供給して硬化させることにより、新たな硬化層を形成する。前記工程を繰り返し行うことにより、立体造形物を作製する。
前記造形法の中でも、近年、ノズルから光硬化性組成物を吐出させ、その直後に紫外線等を照射して硬化させることにより、所定の形状を有する硬化層を形成するマテリアルジェット方式(インクジェット方式)による光造形法(以下、マテリアルジェット光造形方又はインクジェット光造形法という)が報告されている(特許文献1〜4)。インクジェット光造形法は、光硬化性組成物を貯留する大型の樹脂液槽及び暗室の設置が不要である。そのため、従来法に比べて、造形装置を小型化することができる。インクジェット光造形法は、CAD(Computer Aided Design)データに基づいて、自由に立体造形物を作成可能な3Dプリンターによって実現される造形法として、注目されている。
インクジェット光造形法において、中空形状等の複雑な形状を有する光造形品を造形する場合には、モデル材を支えるために、該モデル材とサポート材とを組み合わせて形成する(特許文献1)。サポート材は、モデル材と同様に、光硬化性組成物に紫外線等を照射して硬化させることにより作成される。モデル材を作成した後は、サポート材を、物理的に剥離する、又は、有機溶媒もしくは水に溶解させることにより、前記サポート材を除去することができる。
また、インクジェット方式による光造形法において、柔らかく、かつ、引張強度に優れた光造形品を造形したいという要望がある。特許文献2では、インク組成物が、ホモポリマーのガラス転移温度が25℃以上120℃以下のアクリレートモノマーA、ホモポリマーのガラス転移温度が−60℃以上25℃未満のアクリレートモノマーB、重量平均分子量が2,000以上20,000以下の2官能アクリレートオリゴマーC、及び、光重合開始剤としてアシルフォスフィンオキサイド化合物を含有し、かつ、該インク組成物の全量に対する2官能以上のアクリレート化合物の含有量を特定の範囲に規定することにより、前記インク組成物を光硬化させることにより得られた硬化物が、柔らかく、かつ、引張強度に優れることが開示されている。
特開2012−111226号公報 国際公開第2016/098636号
特許文献2には、単官能アクリルアミド化合物及び/又は1つ以上のヒドロキシ基を有する単官能アクリレート化合物と、ポリエチレングリコール及び/又はポリプロピレングリコールと、光重合開始剤とを含有するサポート材用インク組成物が開示されている。しかしながら、このようなサポート材用インク組成物を用いたとしても、該サポート材用インク組成物に含まれる成分の種類及び含有量によっては、該サポート材用インク組成物を光硬化させることにより得られるサポート材の自立性が劣る場合があった。その結果、前記サポート材用インク組成物を用いて造形された光造形品の寸法精度が低下するという問題があった。
本発明は、前記現状に鑑みてなされたものであり、自立性に優れたサポート材を用いて、寸法精度が良好で、柔らかく、かつ、引張強度に優れた光造形品を得るための光造形用インクセット、該光造形用インクセットを用いて造形された光造形品、及び、前記光造形用インクセットを用いた光造形品の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、サポート材用組成物中の非重合成分及び水溶性単官能エチレン性不飽和単量体の含有量を所定の範囲に規定することにより、サポート材の水除去性に優れ、更に自立性に優れたサポート材が得られることを見出した。本発明者らは、前記サポート材用組成物と、柔らかく、かつ、引張強度に優れたモデル材を得ることが可能なモデル材用組成物とを用いることにより、寸法精度が良好な光造形品を造形することができること見出した。
本発明の第1の態様によれば、インクジェット光造形法に用いられ、かつ、モデル材を造形するために使用されるモデル材用組成物と、サポート材を造形するために使用されるサポート材用組成物とを組み合わせてなる光造形用インクセットであって、前記モデル材用組成物は、重合体のガラス転移温度が20℃以上120℃以下のエチレン性不飽和単量体(A)と、重合体のガラス転移温度が−65℃以上20℃未満のエチレン性不飽和単量体(B)と、重量平均分子量が800以上10,000以下の2官能アクリレートオリゴマー(C)と、光重合性開始剤(D)と、を含有し、かつ、2官能以上のアクリレート化合物の含有量が、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、15重量部以下であり、前記サポート材用組成物は、該サポート材用組成物全体100重量部に対して、19〜80質量部の水溶性単官能エチレン性不飽和単量体(a)と15〜75質量部のオキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(b)とを含有し、前記オキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(b)の分子量が300〜3000である、光造形用インクセットが提供される。
本発明の第2の態様によれば、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(A)が、単官能エチレン性不飽和単量体である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第3の態様によれば、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(B)が、単官能エチレン性不飽和単量体である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第4の態様によれば、前記モデル材用組成物の前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の25℃におけるヤング率が、1〜100MPaである光造形用インクセットが提供される。
本発明の第5の態様によれば、前記モデル材用組成物の前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量が、該モデル材用組成物全体100重量部に対して、1〜15重量部である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第6の態様によれば、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(A)が、イソボルニルアクリレート、t−ブチルシクロヘキシルアクリレート、3,3,5−トリメチルシクロヘキシルアクリレート、及び、ジシクロペンタニルアクリレートから選択される1種以上である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第7の態様によれば、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(B)が、フェノキシエチルアクリレート、n−ステアリルアクリレート、イソデシルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、n−ラウリルアクリレート、n−オクチルアクリレート、n−デシルアクリレート、イソオクチルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、及び、アクリル酸2−(N−ブチルカルバモイルオキシ)エチルから選択される1種以上である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第8の態様によれば、前記光重合性化合物が、アシルフォスフィンオキサイド系光重合性開始剤である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第9の態様によれば、前記サポート材用組成物が、1〜20質量部の光重合開始剤(d)を含有する光造形用インクセットが提供される。
本発明の第10の態様によれば、前記サポート材用組成物が、更に水溶性有機溶剤を含有し、 前記水溶性有機溶剤の含有量が、前記サポート材用組成物の全質量100質量部に対して、30質量部以下である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第11の態様によれば、前記サポート材用組成物が、更に表面調整剤を含有し、前記表面調整剤の含有量が、前記サポート材用組成物の全質量100質量部に対して、0.005質量部以上3.0質量部以下である光造形用インクセットが提供される。
本発明の第12の態様によれば、マテリアルジェット光造形法により、本発明による第1から第11の態様による光造形用インクセットを用いて光造形品を製造する方法であって、前記モデル材用組成物を光硬化させることによりモデル材を得るとともに、前記サポート材用組成物を紫外線LEDを用いて、光硬化させることによりサポート材を得る工程(I)と、前記サポート材を除去する工程(II)と、を有する、光造形品の製造方法が提供される。
本発明によれば、サポート材の水除去性に優れ、更に自立性に優れたサポート材を用いて、寸法精度が良好で、柔らかく、かつ、引張強度に優れた光造形品を得るための光造形用インクセット、該光造形用インクセットを用いて造形された光造形品、及び、前記光造形用インクセットを用いた光造形品の製造方法を提供することができる。
図1は、インクジェット造形法によりサポート材用インク及びモデル材用インクを吐出してエネルギー線を照射している状態を示す模式側面図である。 図2は、インクジェット造形法によりサポート材用インク及びモデル材用インクを吐出している状態を示す模式側面図である。 図3は、インクジェット造形法により吐出したサポート材用インク及びモデル材用インクにエネルギー線を照射している状態を示す模式側面図である。 図4は、インクジェット造形法により形成したサポート材とモデル材からなる造形物前駆体の模式側面図である。 図5は、インクジェット造形法により形成した造形物の模式側面図である。
以下、本発明の一実施形態(以下、本実施形態ともいう)について詳しく説明する。本発明は、以下の内容に限定されるものではない。なお、以下の説明において「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及びメタクリレートの総称であり、アクリレート及びメタクリレートの一方又は両方を意味するものである。「(メタ)アクリロイル」、「(メタ)アクリル」についても同様である。
1.モデル材用組成物
<エチレン性不飽和単量体(A)>
本実施形態に係る光造形用インクセットに含まれるモデル材用組成物は、エチレン性不飽和単量体(A)を含有する。前記エチレン性不飽和単量体(A)は、ホモポリマー(重合体)のガラス転移温度(以下、Tgという)が20℃以上120℃以下である。前記エチレン性不飽和単量体(A)のTgが前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。前記エチレン性不飽和単量体(A)のホモポリマーのTgは、30℃以上であることが好ましく、60℃以上であることがより好ましい。また、前記エチレン性不飽和単量体(A)のホモポリマーのTgは、100℃以下であることが好ましい。なお、Tgは、動的粘弾性測定器(DMA)によって測定することができる。
前記エチレン性不飽和単量体(A)は、アクリレート化合物であっても、メタクリレート化合物であってもよいが、アクリレート化合物であることが好ましい。また、前記エチレン性不飽和単量体(A)は、単官能エチレン性不飽和単量体であっても、多官能エチレン性不飽和単量体であってもよいが、単官能エチレン性不飽和単量体であることが好ましい。さらに、前記エチレン性不飽和単量体(A)は、炭化水素環構造を有するエチレン性不飽和単量体であることが好ましい。
前記エチレン性不飽和単量体(A)としては、例えば、イソボルニル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、t−ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェネチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−メタクリロイロキシエチルヘキサヒドロフタル酸、3−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−メタクリロイロキシエチルフタル酸、3,3,5−トリメチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、前記エチレン性不飽和単量体(A)は、イソボルニルアクリレート、t−ブチルシクロヘキシルアクリレート、3,3,5−トリメチルシクロヘキシルアクリレート、及び、ジシクロペンタニルアクリレートから選択される1種以上であることが好ましく、イソボルニルアクリレート及び/又はt−ブチルシクロヘキシルアクリレートであることがより好ましい。これにより、前記モデル材用組成物を光硬化させることにより得られるモデル材及び該モデル材を用いて製造される光造形品の引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。
前記エチレン性不飽和単量体(A)の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、1〜30重量部であることが好ましい。前記エチレン性不飽和単量体(A)の含有量が前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。前記エチレン性不飽和単量体(A)の含有量は、3重量部以上であることがより好ましく、5重量部以上であることがさらに好ましく、10重量部以上であることが特に好ましい。また、前記エチレン性不飽和単量体(A)の含有量は、25重量部以下であることがより好ましく、20重量部以下であることがさらに好ましい。なお、前記(A)成分が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各(A)成分の含有量の合計である。
<エチレン性不飽和単量体(B)>
本実施形態に係る光造形用インクセットに含まれるモデル材用組成物は、エチレン性不飽和単量体(B)を含有する。前記エチレン性不飽和単量体(B)は、ホモポリマーのTgが−65℃以上20℃未満である。前記エチレン性不飽和単量体(B)のTgが前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。前記エチレン性不飽和単量体(B)のホモポリマーのTgは、−30℃以上であることが好ましく、−10℃以上であることがより好ましい。また、前記エチレン性不飽和単量体(B)のホモポリマーのTgは、10℃以下であることが好ましい。なお、Tgは、動的粘弾性測定器(DMA)によって測定することができる。
前記エチレン性不飽和単量体(B)は、アクリレート化合物であっても、メタクリレート化合物であってもよいが、アクリレート化合物であることが好ましい。また、前記エチレン性不飽和単量体(B)は、単官能エチレン性不飽和単量体であっても、多官能エチレン性不飽和単量体であってもよいが、単官能エチレン性不飽和単量体であることが好ましい。さらに、前記エチレン性不飽和単量体(B)は、エーテル結合及び/又は炭素数8以上のアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体であることが好ましい。
前記エチレン性不飽和単量体(B)としては、例えば、長鎖アルキル(炭素数8以上)アクリレート化合物、ポリエチレンオキサイド又はポリプロピレンオキサイド鎖を有するアクリレート化合物、フェノキシエチルアクリレート化合物、テトラヒドロフルフリルアクリレート、アクリル酸2−(N−ブチルカルバモイルオキシ)エチル(1,2−エタンジオール 1−アクリラート 2−(N−ブチルカルバマート))等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記長鎖アルキルアクリレート化合物としては、例えば、2−エチルヘキシルアクリレート、n−オクチルアクリレート、n−イソノニルアクリレート、n−デシルアクリレート、イソオクチルアクリレート、n−ラウリルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、n−セチルアクリレート、n−ステアリルアクリレート、イソミリスチルアクリレート、イソステアリルアクリレート等が挙げられる。
前記ポリエチレンオキサイド又はポリプロピレンオキサイド鎖を有するアクリレート化合物としては、例えば、(ポリ)エチレングリコールモノアクリレート、(ポリ)エチレングリコールアクリレートメチルエステル、(ポリ)エチレングリコールアクリレートエチルエステル、(ポリ)エチレングリコールアクリレートフェニルエステル、(ポリ)プロピレングリコールモノアクリレート、(ポリ)プロピレングリコールモノアクリレートフェニルエステル、(ポリ)プロピレングリコールアクリレートメチルエステル、(ポリ)プロピレングリコールアクリレートエチルエステル、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、メトキシジプロピレングリコールアクリレート、エトキシジエチレングリコールアクリレート(エトキシエトキシエチルアクリレート)、メトキシポリエチレングリコールアクリレート等が挙げられる。
前記フェノキシエチルアクリレート化合物としては、例えば、フェノキシエチルアクリレート、フェノキシジエチレングリコールアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピルアクリレート、ノニルフェノールエチレンオキサイド付加物アクリレート等が挙げられる。
これらの中でも、前記エチレン性不飽和単量体(B)は、フェノキシエチルアクリレート、n−ステアリルアクリレート、イソデシルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、n−ラウリルアクリレート、n−オクチルアクリレート、n−デシルアクリレート、イソオクチルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、及び、アクリル酸2−(N−ブチルカルバモイルオキシ)エチルから選択される1種以上であることが好ましく、フェノキシエチルアクリレート及び/又はn−ステアリルアクリレートであることがより好ましい。これにより、前記モデル材用組成物を光硬化させることにより得られるモデル材及び該モデル材を用いて製造される光造形品の引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。
前記エチレン性不飽和単量体(B)の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、10〜90重量部であることが好ましい。前記エチレン性不飽和単量体(B)の含有量が前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。前記エチレン性不飽和単量体(B)の含有量は、30重量部以上であることがより好ましく、40重量部以上であることがさらに好ましく、50重量部以上であることが特に好ましい。また、前記エチレン性不飽和単量体(B)の含有量は、85重量部以下であることがより好ましく、80重量部以下であることがさらに好ましく、75重量部以下であることが特に好ましい。なお、前記(B)成分が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各(B)成分の含有量の合計である。
また、前記エチレン性不飽和単量体(A)の含有量M(A)と前記エチレン性不飽和単量体(B)の含有量M(B)とは、M(A)<M(B)を満たす(M(A)がM(B)よりも小さい)ことが好ましく、2×M(A)<M(B)を満たす(M(A)を2倍した値がM(B)よりも小さい)ことがより好ましく、3×M(A)<M(B)を満たす(M(A)を3倍した値がM(B)よりも小さい)ことがさらに好ましい。これにより、前記モデル材用組成物を光硬化させることにより得られるモデル材及び該モデル材を用いて製造される光造形品の引張強度を向上させることができる。また、前記モデル材は、後述するサポート材を除去する際、壊れにくくなることにより、成形性を向上させることができる。
また、前記エチレン性不飽和単量体(A)の含有量M(A)と前記エチレン性不飽和単量体(B)の含有量M(B)とは、10×M(A)>M(B)を満たす(M(A)を10倍した値がM(B)よりも大きい)ことが好ましく、7×M(A)>M(B)を満たす(M(A)を7倍した値がM(B)よりも大きい)ことがより好ましく、5×M(A)>M(B)を満たす(M(A)を5倍した値がM(B)よりも大きい)ことがさらに好ましい。
<2官能アクリレートオリゴマー(C)>
本実施形態に係る光造形用インクセットに含まれるモデル材用組成物は、2官能アクリレートオリゴマー(C)を含有する。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)は、重量平均分子量(以下、Mwという)が800以上10,000以下である。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)のMwが前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)のMwは、5,000以上であることが好ましく、10,000以上であることがより好ましい。
なお、Mwは、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析をにより測定することができる。より詳細には、東ソー(株)HLC−8220 GPCを用いて、カラムとしてTSK gel SuperAWM−Hを3本連結して使用し、溶媒:テトラヒドロフラン(10mM LiBr)、流速:0.5mL/min、試料濃度:0.1質量%、注入量:60μL、測定温度:40℃の条件で測定することができる。検出器には、UV又はRI検出装置(示差屈折計)を使用することができる。
前記2官能アクリレートオリゴマー(C)は、アクリロイルオキシ基を有していても、メタクリロイルオキシ基を有していてもよいが、アクリロイルオキシ基を有していることが好ましい。また、2官能アクリレートオリゴマー(C)は、アクリロイルオキシ基及び/又はメタクリロイルオキシ基を合計2つ有するオリゴマーである。前記モデル材用組成物が単官能アクリレートオリゴマーのみを含有すると、前記モデル材及び前記光造形品の引張強度が劣る。一方、前記モデル材用組成物が3官能以上のアクリレートオリゴマーのみを含有すると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさが劣る。
前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の25℃におけるヤング率は、1〜100MPaであることが好ましい。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の前記ヤング率が前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の前記ヤング率は、2MPa以上であることがより好ましく、3MPa以上であることがさらに好ましく、10MPa以上であることが特に好ましい。一方、前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の前記ヤング率は、80MPa以下であることがより好ましく、50MPa以下であることがさらに好ましく、30MPa以下であることが特に好ましい。
ここで、前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の25℃におけるヤング率とは、前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の単独重合体(モノポリマー)の25℃におけるヤング率である。前記ヤング率の測定方法は、例えば、以下の方法により行うことができる。Irgacure819(BASF社製)2質量%、Irgacure184(BASF社製)2質量%、及び、測定するオリゴマー96質量%を混合した液体をバーコーターにて100μmの塗布膜を形成し、紫外線(UV)露光機にて硬化させる。この時、硬化膜の重合度の影響が無視できる程度まで硬化をさせた。この硬化膜を15mm×50mmの短冊状に切り出し、引っ張り試験機(オートグラフAGS−X 5KN、(株)島津製作所製)にてヤング率を測定する。また、ヤング率の値は、1%の伸びの部分で測定する。また、試験では、長軸方向に引っ張り、上下約10mm部分をクランプで掴む。
前記2官能アクリレートオリゴマー(C)としては、例えば、オレフィン系(エチレンオリゴマー、プロピレンオリゴマー、ブテンオリゴマー等)、ビニル系(スチレンオリゴマー、ビニルアルコールオリゴマー、ビニルピロリドンオリゴマー、アクリル樹脂オリゴマー等)、ジエン系(ブタジエンオリゴマー、クロロプレンゴム、ペンタジエンオリゴマー等)、開環重合系(ジ−,トリ−,テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリエチルイミン等)、重付加系(オリゴエステルアクリレート、ポリアミドオリゴマー、ポリイソシアネートオリゴマー)、付加縮合オリゴマー(フェノール樹脂、アミノ樹脂、キシレン樹脂、ケトン樹脂等)等が挙げられる。これらの中でも、ウレタンアクリレートオリゴマー、ポリエステルアクリレートオリゴマー、又は、エポキシアクリレートオリゴマーであることが好ましく、ウレタンアクリレートオリゴマーであることがより好ましい。前記ウレタンアクリレートオリゴマー、前記ポリエステルアクリレートオリゴマー、及び、前記エポキシアクリレートオリゴマーとしては、オリゴマーハンドブック(古川淳二監修、(株)化学工業日報社)を参照することができる。また、前記2官能アクリレートオリゴマー(C)としては、新中村化学工業(株)、サートマー・ジャパン(株)、ダイセル・サイテック(株)、Rahn A.G.社等により市販されているものを用いることができる。
前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、1〜15重量部であることが好ましい。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量が前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量は、3重量部以上であることがより好ましく、5重量部以上であることがさらに好ましい。なお、前記(C)成分が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各(C)成分の含有量の合計である。
前記(A)、(B)及び(C)成分のうち、2官能以上のアクリレート化合物の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、15重量部以下である。
前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量は、前記2官能以上のアクリレート化合物全体100重量部に対して、50重量部以上であることが好ましい。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量が前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度をより向上させることができる。前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量は、2官能以上のアクリレート化合物全体100重量部に対して、80重量部以上であることがより好ましく、90重量部以上であることがさらに好ましく、95重量部以上であることが特に好ましい。
<光重合開始剤(D)>
本発明のモデル材用組成物は、光重合開始剤を含むことが好ましい。光重合開始剤は、紫外線、近紫外線または可視光領域の波長の光を照射するとラジカル反応を促進する化合物である。上記光重合開始剤としては、低エネルギーで重合を開始させることができれば特に限定されないが、アシルフォスフィンオキサイド化合物、α−アミノアルキルフェノン化合物、α−ヒドロキシキノン化合物、チオキサントン化合物、ベンゾイン化合物、アントラキノン化合物およびケタール化合物からなる群から選択される少なくとも1種の化合物を含む光重合開始剤を用いることが好ましい。これらの中でも、アシルフォスフィンオキサイド化合物が特に好ましい。
上記アシルフォスフィンオキサイド化合物としては、具体的には、例えば、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、2,6−ジメトキシベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、2,6−ジクロロベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、2,3,5,6−テトラメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、2,6−ジメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、4−メチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、4−エチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、4−イソプロピルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、1−メチルシクロヘキサノイルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド、2,4,6−トリメチルベンゾイルフェニルフォスフィン酸メチルエステル、2,4,6−トリメチルベンゾイルフェニルフォスフィン酸イソプロピルエステル、ビス(2,6−ジメトキシベンゾイル)−2,4,4−トリメチルペンチルフォスフィンオキサイド等が挙げられる。これらは単独で又は複数混合して使用してもよい。市場で入手可能なアシルフォスフィンオキサイド化合物としては、例えば、BASF社製の“DAROCURE TPO”等が挙げられる。
上記α−アミノアルキルフェノン化合物としては、具体的には、例えば、2−メチル−1[4−(メチルチオ)フェニル]−2−モルホリノプロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルホリノフェニル)ブタノン−1、2−メチル−1−[4−(メトキシチオ)−フェニル]−2−モルホリノプロパン−2−オン等が挙げられる。これらは単独で又は複数混合して使用してもよい。市場で入手可能なα−アミノアルキルフェノン化合物としては、例えば、BASF社製の“IRGACURE 369”、“IRGACURE 907”等が挙げられる。
上記α−ヒドロキシキノン化合物としては、具体的には、例えば、、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−ヒドロキシ−2−メチル−フェニルプロパン−1−オン、2−ヒドロキシ−1−{4−[4−(2−ヒドロキシ−2-メチループロピオニル)−ベンジル]−フェニル}−2−メチル−プロパン−1−オン、1−[4−(2-ヒドロキシエトキシ)−フェニル] −2−ヒドロキシ2−メチル−1−プロパン1−オン等が挙げられる。これらは単独で又は複数混合して使用してもよい。市場で入手可能なα−ヒドロキシキノン化合物としては“IRGACURE 184” “DAROCURE 1173”“IRGACURE 2959” “IRGACURE 127” 等が挙げられる。
上記チオキサントン化合物としては、具体的には、例えば、チオキサントン、2−メチルチオキサントン、2−エチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、4−イソプロピルチオキサントン、2−クロロチオキサントン、2,4−ジメチルチオキサントン、2,4−ジエチルチオキサントン、2,4−ジクロロチオキサントン、1−クロロ−4−プロポキシチオキサントン等が挙げられる。これらは単独で又は複数混合して使用してもよい。市場で入手可能なチオキサントン化合物としては、例えば、日本化薬社製の“MKAYACURE DETX−S”、ダブルボンドケミカル社製の“Chivacure ITX”等が挙げられる。
上記ベンゾイン化合物としては、具体的には、例えば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル等が挙げられる。
上記アントラキノン化合物としては、具体的には、例えば、2−エチルアントラキノン、2−t−ブチルアントラキノン、2−クロロアントラキノン、2−アミルアントラキノン等が挙げられる。
上記ケタール化合物としては、具体的には、例えば、アセトフェノンジメチルケタール、ベンジルジメチルケタール等〕、炭素数13〜21のベンゾフェノン化合物〔例えば、ベンゾフェノン、4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルサルファイド、4,4’−ビスメチルアミノベンゾフェノン等が挙げられる。
前記(D)の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、1〜15重量部であることが好ましい。前記(D)の含有量が前記範囲であると、前記モデル材及び前記光造形品の柔らかさ及び引張強度を向上させることができる。前記(D)の含有量は、2重量部以上であることがより好ましく、5重量部以上であることがさらに好ましい。また、前記(D)の含有量は、13重量部以下であることがより好ましい。なお、前記(D)成分が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各(D)成分の含有量の合計である。
<その他の添加剤>
本実施形態に係る光造形用インクセットに含まれるモデル材用組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲で、必要により、その他の添加剤を含有させることができる。その他の添加剤としては、例えば、増感剤、着色剤、分散剤、表面調整剤、重合禁止剤、保存安定化剤、アシルフォスフィンオキサイド化合物(D)以外の光重合開始剤、共増感剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、褪色防止剤、導電性塩類、溶剤、高分子化合物、塩基性化合物、レベリング添加剤、マット剤、膜物性を調整するためのポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ゴム系樹脂、ワックス類等が挙げられる。
前記増感剤としては、例えば、多核芳香族類(例えば、ピレン、ペリレン、トリフェニレン、2−エチル−9,10−ジメトキシアントラセン等)、チオキサントン類(例えば、イソプロピルチオキサントン等)、チオクロマノン類(例えば、チオクロマノン等)等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、チオキサントン類であることが好ましく、イソプロピルチオキサントンであることがより好ましい。
前記増感剤の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、0.1〜5重量部であることが好ましい。前記増感剤の含有量が前記範囲であると、前記モデル材が硬化性及び硬化感度に優れる。前記増感剤の含有量は、0.5重量部以上であることがより好ましく、3重量部以下であることがより好ましい。なお、前記増感剤が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各増感剤の含有量の合計である。
前記着色剤としては、用途に応じて、公知の種々の顔料及び染料を適宜選択して用いることができる。これらの中でも、耐光性に優れる観点から、顔料であることが好ましい。前記顔料としては、特に限定されるものではなく、一般に市販されているすべての有機顔料、無機顔料、樹脂粒子を染料で染色した顔料等を用いることができる。また、市販の顔料分散体、表面処理された顔料、例えば、顔料を分散媒として不溶性の樹脂等に分散させたもの、顔料表面に樹脂をグラフト化したもの等も、本発明の効果を損なわない限りにおいて、用いることができる。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうちイエロー色を呈するものとしては、例えば、C.I.ピグメントイエロー1(ファストイエローG等)、C.I.ピグメントイエロー74等のモノアゾ顔料;C.I.ピグメントイエロー12(ジスアジイエローAAA等)、C.I.ピグメントイエロー17等のジスアゾ顔料;C.I.ピグメントイエロー180等の非ベンジジン系のアゾ顔料;C.I.ピグメントイエロー100(タートラジンイエローレーキ等)等のアゾレーキ顔料;C.I.ピグメントイエロー95(縮合アゾイエローGR等)等の縮合アゾ顔料;C.I.ピグメントイエロー115(キノリンイエローレーキ等)等の酸性染料レーキ顔料;C.I.ピグメントイエロー18(チオフラビンレーキ等)等の塩基性染料レーキ顔料;フラバントロンイエロー(Y−24)等のアントラキノン系顔料;イソインドリノンイエロー3RLT(Y−110)等のイソインドリノン顔料;キノフタロンイエロー(Y−138)等のキノフタロン顔料;イソインドリンイエロー(Y−139)等のイソインドリン顔料;C.I.ピグメントイエロー153(ニッケルニトロソイエロー等)等のニトロソ顔料;C.I.ピグメントイエロー117(銅アゾメチンイエロー等)等の金属錯塩アゾメチン顔料等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうち赤又はマゼンタ色を呈するものとしては、例えば、C.I.ピグメントレッド3(トルイジンレッド等)等のモノアゾ系顔料;C.I.ピグメントレッド38(ピラゾロンレッドB等)等のジスアゾ顔料;C.I.ピグメントレッド53:1(レーキレッドC等)、C.I.ピグメントレッド57:1(ブリリアントカーミン6B)等のアゾレーキ顔料;C.I.ピグメントレッド144(縮合アゾレッドBR等)等の縮合アゾ顔料;C.I.ピグメントレッド174(フロキシンBレーキ等)等の酸性染料レーキ顔料;C.I.ピグメントレッド81(ローダミン6G’レーキ等)等の塩基性染料レーキ顔料、C.I.ピグメントレッド177(ジアントラキノニルレッド等)等のアントラキノン系顔料、C.I.ピグメントレッド88(チオインジゴボルドー等)等のチオインジゴ顔料;C.I.ピグメントレッド194(ペリノンレッド等)等のペリノン顔料;C.I.ピグメントレッド149(ペリレンスカーレット等)等のペリレン顔料;C.I.ピグメントバイオレット19(無置換キナクリドン)、C.I.ピグメントレッド122(キナクリドンマゼンタ等)等のキナクリドン顔料;C.I.ピグメントレッド180(イソインドリノンレッド2BLT等)等のイソインドリノン顔料;C.I.ピグメントレッド83(マダーレーキ等)等のアリザリンレーキ顔料等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうち青又はシアン色を呈する顔料としては、例えば、C.I.ピグメントブルー25(ジアニシジンブルー等)等のジスアゾ系顔料;C.I.ピグメントブルー15(フタロシアニンブルー等)等のフタロシアニン顔料;C.I.ピグメントブルー24(ピーコックブルーレーキ等)等の酸性染料レーキ顔料;C.I.ピグメントブルー1(ビクロチアピュアブルーBOレーキ等)等の塩基性染料レーキ顔料;C.I.ピグメントブルー60(インダントロンブルー等)等のアントラキノン系顔料;C.I.ピグメントブルー18(アルカリブルーV−5:1)等のアルカリブルー顔料等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうち緑色を呈する顔料としては、例えば、C.I.ピグメントグリーン7(フタロシアニングリーン)、C.I.ピグメントグリーン36(フタロシアニングリーン)等のフタロシアニン顔料;C.I.ピグメントグリーン8(ニトロソグリーン)等のアゾ金属錯体顔料等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうちオレンジ色を呈する顔料としては、例えば、C.I.ピグメントオレンジ66(イソインドリンオレンジ)等のイソインドリン系顔料;C.I.ピグメントオレンジ51(ジクロロピラントロンオレンジ)等のアントラキノン系顔料等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうち黒色を呈する顔料としては、例えば、カーボンブラック、チタンブラック、アニリンブラック等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記有機顔料及び前記無機顔料のうち白色を呈する顔料としては、例えば、塩基性炭酸鉛(2PbCOPb(OH)、いわゆる、シルバーホワイト)、酸化亜鉛(ZnO、いわゆる、ジンクホワイト)、酸化チタン(TiO、いわゆる、チタンホワイト)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO、いわゆる、チタンストロンチウムホワイト)等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、顔料としての隠蔽力及び着色力が大きく、さらに、酸、アルカリ、その他の環境等に対する耐久性に優れる観点から、酸化チタンであることが好ましい。
前記着色剤の含有量は、着色性及び保存安定性の観点から、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、0.01〜40重量部であることが好ましい。前記着色剤の含有量は、0.1重量部以上であることがより好ましく、0.2重量部以上であることがさらに好ましい。また、前記着色剤の含有量は、30重量部以下であることがより好ましく、20重量部以下であることがさらに好ましい。なお、前記着色剤が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各着色剤の含有量の合計である。
前記分散剤は、Mwが1,000以上の高分子分散剤であることが好ましい。前記高分子分散剤としては、例えば、DISPERBYK−101、DISPERBYK−102等(BYKケミー社製);EFKA4010、EFKA4046等(以上、エフカアディティブ社製);ディスパースエイド6、ディスパースエイド8等(以上、サンノプコ社製);ソルスパース(SOLSPERSE)3000、5000等の各種ソルスパース分散剤(以上、Noveon社製);アデカプルロニックL31、F38等(以上、ADEKA社製);イオネットS−20(三洋化成工業社製);ディスパロン KS−860、873SN等(以上、楠本化成社製)等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記分散剤の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、0.05〜15重量部であることが好ましい。なお、前記分散剤が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各分散剤の含有量の合計である。
前記表面調整剤(E)としては、例えば、分子量264以上かつMn5,000以下である、PEG型非イオン界面活性剤[ノニルフェノールのエチレンオキサイド(以下、EOと略記)1〜40モル付加物、ステアリン酸EO1〜40モル付加物等]、多価アルコール型非イオン界面活性剤(ソルビタンパルミチン酸モノエステル、ソルビタンステアリン酸モノエステル、ソルビタンステアリン酸トリエステル等)、フッ素含有界面活性剤(パーフルオロアルキルEO1〜50モル付加物、パーフルオロアルキルカルボン酸塩、パーフルオロアルキルベタイン等)、変性シリコーンオイル[ポリエーテル変性シリコーンオイル、(メタ)アクリレート変性シリコーンオイル等]等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。前記表面調整剤のうち、シリコーン系表面調整剤が好ましく、ポリジメチルシロキサン構造を有する表面調整剤が特に好ましい。
前記表面調整剤の含有量は、添加効果、並びに、前記モデル材及び前記光造形品の物性を向上させる観点から、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、3重量部以下であることが好ましく、2重量部以下であることがより好ましく、0.1重量部以上であることが好ましい。なお、前記表面調整剤が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各表面調整剤の含有量の合計である。
前記モデル材用組成物は、重合禁止剤を含有することが好ましい。前記モデル材用組成物が重合禁止剤を含有することにより、前記造形品を成形する温度(50〜90℃程度)において、重合が過剰に起きることを抑制することができる。その結果、単量体を安定させることができるため、前記モデル材用組成物が硬化しやすくなる。
前記重合禁止剤は、前記モデル材用組成物の保存性を高め、かつ、インクジェットヘッドからの吐出安定性を向上させる。前記重合禁止剤としては、例えば、ニトロソ系重合禁止剤、ハイドロキノン、メトキシヒドロキノン、ベンゾキノン、p−メトキシフェノール、TEMPO、TEMPOL(HO−TEMPO)、クペロンAl、ヒンダードアミン等が挙げられる。
前記重合禁止剤の含有量は、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、0.001〜1.5重量部であることが好ましい。前記重合禁止剤の含有量が前記範囲であると、前記モデル材用組成物の保存性をより高め、かつ、インクジェットヘッドからの吐出安定性をより向上させる。前記重合禁止剤の含有量は、0.01重量部以上であることがより好ましく、0.05重量部以上であることがさらに好ましい。また、前記重合禁止剤の含有量は、1.0重量部以下であることがより好ましく、0.8重量部以下であることがさらに好ましい。なお、前記重合禁止剤が2種以上含まれる場合、前記含有量は、各重合禁止剤の含有量の合計である。
本実施形態に係る光造形用インクセットに含まれるモデル材用組成物の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、前記(A)〜(D)成分、並びに、必要により、前記その他の添加剤を、混合攪拌装置等を用いて均一に混合することにより、製造することができる。
このようにして製造された前記モデル材用組成物は、インクジェットヘッドからの吐出性を良好にする観点から、25℃における粘度が、70mPa・s以下であることが好ましい。なお、モデル材用組成物の粘度の測定は、JIS Z 8803に準拠し、R100型粘度計を用いて行われる。
2.サポート材用組成物
サポート材用組成物は、光硬化によりサポート材を与える、サポート材用の光硬化性組成物である。モデル材を作成後、サポート材をモデル材から物理的に剥離することにより、または、サポート材を有機溶媒もしくは水に溶解させることにより、モデル材から除去することができる。本発明のモデル材用組成物は、サポート材用組成物として従来公知の種々の組成物との組み合わせにおいて用いることができるが、サポート材を除去する際にモデル材を破損することがなく、環境に優しく、細部まできれいにかつ容易にサポート材を除去することができるため、本発明の光造形用組成物セットを構成するサポート材用組成物は水溶性であることが好ましい。
本発明において、水溶性サポート材用組成物は、少なくとも1種の水溶性単官能エチレン性不飽和単量体(a)、少なくとも1種のポリアルキレングリコール(b)および光重合開始剤(c)を含むことが好ましい。
本発明のサポート材用組成物に含まれる水溶性の単官能エチレン性不飽和単量体としては、例えば、炭素数5〜15の水酸基含有(メタ)アクリレート〔例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート等〕、数平均分子量(Mn)200〜1,000の水酸基含有(メタ)アクリレート〔例えばポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、モノアルコキシ(炭素数1〜4)ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、モノアルコキシ(炭素数1〜4)ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、PEG−PPGブロックポリマーのモノ(メタ)アクリレート等〕、(メタ)アクリルアミド誘導体〔例えば(メタ)アクリルアミド、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−エチル(メタ)アクリルアミド、N−プロピル(メタ)アクリルアミド、N−ブチル(メタ)アクリルアミド、N,N’−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N,N’−ジエチル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシブチル(メタ)アクリルアミド等〕、(メタ)アクリロイルモルフォリン等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
サポート材用組成物に含まれる水溶性単官能エチレン性不飽和単量体(a)の含有量は、上記サポート材用組成物100質量部に対して、19〜80質量部であることが好ましく、より好ましくは22質量部以上であり、さらに好ましくは25質量部以上であり、より好ましくは76質量部以下であり、さらに好ましくは73質量部以下である。水溶性単官能エチレン性不飽和単量体(a)の含有量が上記範囲内であると、サポート材のサポート力を低下させることなく、水によるサポート材の除去性を向上させることができる。
サポート材用組成物に含まれ得るポリアルキレングリコール(b)としては、直鎖型、多鎖型のいずれであってもよい。また、水に溶解するものであれば、末端にアルキル基を含んでいてもよく、例えば、好ましくは炭素数6以下のアルキル鎖を含んでいてもよい。このようなポリアルキレングリコール(b)として、具体的には、例えば、オキシブチレン基を有するポリアルキレングリコールが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
サポート材用組成物に含まれ得るオキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(b)としては、オキシブチレン基を含んでいれば、特にそのアルキレン部分の構造は限定されず、例えば、オキシブチレン基(オキシテトラメチレン基)のみ有するポリブチレングリコール単体であってもよく、また、オキシブチレン基と他のオキシアルキレン基とを共に有するポリブチレンポリオキシアルキレングリコール(例えば、ポリブチレンポリエチレングリコール)であってもよい。例えば、上記ポリブチレングリコールは、下記化学式(1)で示され、上記ポリブチレンポリエチレングリコールは、下記化学式(2)で示される。
Figure 2021130198
Figure 2021130198
上記化学式(2)において、mは5〜300の整数であることが好ましく、nは2〜150の整数であることが好ましい。より好ましくは、mは6〜200、nは3〜100である。また、化学式(1)および化学式(2)中のオキシブチレン基は、直鎖であってもよいが、分岐していてもよい。
サポート材用組成物が、オキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(d)を含むことにより、サポート材のサポート力を低下させずに水による除去性をより向上させることができる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(b)成分の重量平均分子量は、300以上であり、3000より小さいことが好ましく、更に、800以上であり、2000より小さいことがより好ましい。(b)成分の重量平均分子量が300より小さいと、サポート材用組成物を硬化した際にサポート材のブリーディングが生じる。ブリーディングとは、硬化したサポート材内部から液体成分がサポート材表面に浸みだす現象である。また、ポリアルキレングリコールの重量平均分子量が3000より小さいことにより、サポート材用組成物の吐出安定性に優れる。
(b)成分は、2種類以上使用されてもよい。2種類以上のポリアルキレングリコールが使用される場合、重量平均分子量が300より小さい又は3000より大きいポリアルキレングリコールの含有量は、少量が好ましい。
サポート材用組成物におけるポリアルキレングリコール(b)の含有量は、サポート材用組成物100質量部に対して、15〜75質量部であることが好ましく、より好ましくは17質量部以上であり、さらに好ましくは20質量部以上であり、より好ましくは72質量部以下であり、さらに好ましくは70質量部以下である。ポリアルキレングリコール(b)の含有量が、上記範囲内であると、サポート材のサポート力を低下させずにサポート材の水または水溶性溶媒による除去性を向上させることができる。
サポート材用組成物は、水溶性有機溶剤(c)を含んでいてもよい。水溶性有機溶剤(c)は、サポート材用組成物を光硬化させて得られるサポート材の水への溶解性を向上させる成分である。また、サポート材用組成物を低粘度に調整する機能も有する。
水溶性有機溶剤(c)としては、グリコール系溶剤を用いることが好ましく、具体的には、例えば、エチレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノアセテート、ジエチレングリコールモノアセテート、ジプロピレングリコールモノアセテート、トリエチレングリコールモノアセテート、トリプロピレングリコールモノアセテート、テトラエチレングリコールモノアセテート、テトラプロピレングリコールモノアセテート、エチレングリコールジアセテート、プロピレングリコールジアセテートなどのグリコールエステル系溶剤;エチ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メチルエーテル、トリ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エチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、テトラプロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、プロピレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルなどのグリコールエーテル系溶剤;エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノプロピルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノブチルエーテルアセテートなどのグリコールモノエーテルアセテート系溶剤等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
中でも、低粘度のサポート材組成物を調製しやすく、また、硬化して得られるサポート材が水溶解性に優れる点から、水溶性有機溶剤(c)としては、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルおよびジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートが好ましい。
サポート材用組成物における水溶性有機溶剤(c)の含有量は、サポート材用組成物100質量部に対して、30質量部以下であることが好ましく、より好ましくは28質量部以下であり、さらに好ましくは25質量部以下である。水溶性有機溶剤(c)の含有量が、上記範囲内であると、サポート材のサポート力を低下させずにサポート材の水または水溶性溶媒による除去性を向上させることができる。
光重合開始剤(d)としては、モデル材用組成物に含有され得る光重合開始剤として上記に述べた化合物を同様に使用することができる。サポート材用組成物における光重合開始剤の含有量は、サポート材用組成物100質量部に対して、好ましくは1〜20質量部であり、より好ましくは2〜18質量部である。
光重合開始剤の含有量が上記範囲内であると、未反応の重合成分を十分に低減させて、サポート材の硬化性を十分に高めやすい。
上記サポート材用組成物には、必要により、その他の添加剤を含有させることができる。その他の添加剤としては、例えば、表面調整剤、酸化防止剤、着色剤、顔料分散剤、保存安定剤、紫外線吸収剤、光安定剤、重合禁止剤、連鎖移動剤、充填剤等が挙げられる。
サポート材用組成物に、表面調整剤(e)を配合することによりサポート材用組成物の表面張力を適当な範囲に制御することができ、モデル材用組成物とサポート材用組成物がその界面で混合することを抑制することができる。これにより、寸法精度の良好な光造形品を得ることができる。サポート材用組成物が含み得る表面調整剤としては、本発明のモデル材用組成物に用い得る表面調整剤として例示したものと同様のものを用いることができ、その含有量は、サポート材組成物100質量部に対して0.005〜3質量部であることが好ましい。
また、サポート材用組成物に保存安定化剤(f)を配合することにより保存安定性を向上させることができる。サポート材用組成物が含み得る保存安定化剤としては、本発明のモデル材用組成物に用い得る保存安定化剤として例示したものと同様のものを用いることができ、その含有量は、サポート材組成物100質量部に対して0.05〜3質量部であることが好ましい。
本発明において、サポート材用組成物の粘度は、インクジェットノズルからの吐出性を良好にする観点から、25℃において30〜200mPa・sであることが好ましく、より好ましくは35mPa・s以上、さらに好ましくは40mPa・s以上であり、より好ましくは170mPa・s以下、さらに好ましくは150mPa・s以下である。なお、上記粘度の測定は、JIS Z 8803に準拠し、R100型粘度計を用いて行うことができる。
本発明において、サポート材用組成物の表面張力は、好ましくは24〜30mN/mであり、より好ましくは24.5〜29.5mN/mであり、さらに好ましくは25〜29mN/mである。表面張力が上記範囲内であると、ノズルからの吐出液滴を正常に形成することができ、適切な液滴量や着弾精度を確保することやサテライトの発生を抑制することが可能であり、高い造形精度を確保しやすくなる。なお、サポート材用組成物の表面張力は、モデル材用組成物における表面張力の測定方法と同様の方法に従い測定することができる。
本発明のサポート材用組成物の製造方法は特に限定されず、例えば、混合攪拌装置等を用いて、サポート材用組成物を構成する成分を均一に混合することにより製造することができる。
3.光造形品及びその製造方法
本実施形態の光造形物の製造方法は、前述の実施形態で説明したマテリアルジェット光造形用組成物セットを用いた光造形物の製造方法であり、マテリアルジェット(インクジェット)方式プリンターを用いてモデル材用組成物及びサポート材用組成物を吐出した後、モデル材用組成物を光硬化させてモデル材を得るとともに、水溶性サポート材用組成物を光硬化させて水溶性サポート材を得る工程と、前記水溶性サポート材を水に浸水することにより除去する工程とを備えている。
本実施形態の光造形物の製造方法は、上記マテリアルジェット光造形用組成物セットを用いているため、造形精度に優れた光造形物を形成することができる。
以下、本実施形態の光造形物の製造方法について図面に基づき説明する。図1は、マテリアルジェット造形法によりサポート材用組成物及びモデル材用組成物を吐出してエネルギー線を照射している状態を示す模式側面図である。図1において、三次元造形装置10は、インクジェットヘッドモジュール11と、造形テーブル12とを備えている。また、インクジェットヘッドモジュール11は、光造形用インクユニット11aと、ローラー11bと、光源11cとを備えている。更に、光造形用インクユニット11aは、モデル材用インク13が充填されたモデル材用インクジェットヘッド11aMと、サポート材用インク14が充填されたサポート材用インクジェットヘッド11aSとを備えている。
モデル材用インクジェットヘッド11aMからは、モデル材用組成物13が吐出され、サポート材用インクジェットヘッド11aSからは、サポート材用組成物14が吐出され、光源11cからエネルギー線15が照射され、吐出されたモデル材用組成物13及びサポート材用組成物14を硬化させて、モデル材13PMとサポート材14PSを形成している。図1では、一層目のモデル材13PM及びサポート材14PSを形成する状態を示している。
次に、本実施形態の光造形物の製造方法について図面に基づき更に詳細に説明する。本実施形態の光造形物の製造方法では、先ず、図2に示すように、インクジェットヘッドモジュール11を造形テーブル12に対してX方向(図2では右方向)に走査させる共に、モデル材用インクジェットヘッド11aMからモデル材用組成物13を吐出し、サポート材用インクジェットヘッド11aSからサポート材用組成物14を吐出する。これにより、造形テーブル12の上に、モデル材前駆体13Mからなる層とサポート材前駆体14Sからなる層とを、それぞれの界面同士が接触するように隣接して配置する。
次に、図3に示すように、インクジェットヘッドモジュール11を造形テーブル12に対して逆X方向(図3では左方向)に走査させると共に、ローラー11bでモデル材前駆体13M及びサポート材前駆体14Sからなる層の表面を平滑にした後、光源11cからエネルギー線15を照射し、モデル材前駆体13M及びサポート材前駆体14Sからなる層を硬化させて、一層目のモデル材13PM及びサポート材14PSからなる層を形成す
る。
続いて、造形テーブル12をZ方向に一層分だけ下降させて、上記と同様の工程を行い、二層目のモデル材及びサポート材からなる層を形成する。その後、上記の工程を繰り返すことにより、図4に示すように、モデル材13PMとサポート材14PSからなる光造形品前駆体16が形成される。
最後に、図4に示した光造形品前駆体16を水に浸漬することによりサポート材14PSを溶解して除去し、図7に示すような光造形品17が形成される。
本実施形態の光造形物の製造方法において、光源として、例えば、高圧水銀灯、メタルハライドランプ、UV-LED等を使用できる。三次元造形装置10の小型化が可能であり、消費電力が小さいという観点から、UV-LEDが好ましい。光量は、造形品の硬度および寸法精度の観点から、200〜500mJ/cmが好ましい。光源としてUV-LEDを用いる場合、光が深層まで届きやすくなり、光造形品の硬度および寸法精度を向上させることができることから、中心波長が385〜415nmのものを用いることが好ましい。また、光源11cから照射するエネルギー線15についは、紫外線、近紫外線、可視光線、赤外線、遠赤外線、電子線、α線、γ線およびエックス線等を使用することができるが、硬化作業の容易性及び効率性の観点から、紫外線又は近紫外線が好ましい。
本発明の製造方法において、例えば、作製する物体の3次元CADデータをもとに、マテリアルジェット方式で積層して立体造形物を構成するモデル材用組成物のデータ、および、作製途上の立体造形物を支持するサポート材用組成物のデータを作製し、さらにマテリアルジェット方式の3Dプリンタで各組成物を吐出するスライスデータを作製し、作製したスライスデータに基づきモデル材用およびサポート材用の各組成物を吐出後、光硬化処理を層ごとに繰り返し、モデル材用組成物の硬化物(モデル材)およびサポート材用組成物の硬化物(サポート材)からなる光造形物を作製することができる。
立体造形物を構成する各層の厚みは、造形精度の観点からは薄いほうが好ましいが、造形速度とのバランスからは5〜30μmが好ましい。
得られた光造形物は、モデル材とサポート材とが組み合わされたものである。かかる光造形物からサポート材を除去してモデル材である光造形品を得る。サポート材の除去は、例えば、サポート材を溶解させる除去溶剤に得られた光造形物を浸漬し、サポート材を柔軟にした後、ブラシなどでモデル材表面からサポート材を除去して行うことが好ましい。サポート材の除去溶剤には水、水溶性溶剤、例えばグリコール系溶剤、アルコール系溶剤などを用いてもよい。これらは、単独で、あるいは複数用いてもよい。
上記光造形品は、水に接触した場合の吸水及び膨潤が抑制されており、微細構造部分の破損及び変形を起こしにくいものである。また、上記光造形品は撥水撥油性に優れ、汚染されにくいものである。
以下、本実施形態をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
<モデル材用組成物>
(モデル材用組成物の製造)
表1及び2に示す通り、各成分を、混合攪拌装置を用いて均一に混合し、実施例M1〜M16及び比較例m1〜m3のモデル材用組成物を製造した。
Figure 2021130198
Figure 2021130198
<サポート材用組成物>
<サポート材用樹脂組成物>
表3に、下記の実施例及び比較例において、サポート材組成物に使用した成分をまとめた。
Figure 2021130198
(実施例S1〜S13)
先ず、実施例S1〜S13、比較例s1のサポート材組成物を次のようにして調製した。即ち、プラスチック製ビンに、表4に示す成分(a)〜(f)を表7に示す配合量(単位:質量部)で計り取り、これらを混合することにより各サポート材組成物を調製した。
Figure 2021130198
次に、上記実施例及び比較例のサポート材組成物について、下記に示す方法によって、サポート材組成物の低温安定性、サポート材組成物を硬化したサポート材硬化物の高温高湿条件安定性(サポート力)及び水除去性を評価した。
<サポート材組成物の低温安定性>
低温でのサポート材組成物の安定性について評価した。各サポート材組成物をガラス瓶に入れ、そのサポート材組成物入りガラス瓶を温度10℃に設定した恒温槽中で24時間保管した。その後、保管後のサポート材組成物の状態を目視で確認して、下記基準でサポート材組成物の低温安定性を評価した。
サポート材組成物が液体状を維持している場合:低温安定性A(優良)
サポート材組成物が一部凝固(固化)している場合:低温安定性B(良)
サポート材組成物が凝固(固化)している場合:低温安定性C(不良)
<サポート材硬化物のサポート力>
ガラス板上に、縦30mm、横30mm、厚さ5mmの額縁状のシリコンゴムにより枠を形成し、その枠の中に各サポート材組成物を流し込み、メタルハライドランプにより積算光量500mJ/cm2の紫外線を照射し、サポート材硬化物を作製した。続いて、上記硬化物をガラス製シャーレに入れ、その硬化物入りシャーレを温度40℃、相対湿度90%の恒温槽中に2時間放置した。その後、放置後の上記硬化物の状態を目視で確認して、下記基準でサポート材硬化物のサポート力を評価した。
硬化物の表面に液体状物質の発生がなく、硬化物の軟化も確認されない場合:サポート力A(優良)
硬化物の表面に液体状物質がわずかに発生し、硬化物の軟化が若干確認された場合:サポート力B(良)
硬化物の表面に液体状物質が発生し、硬化物の軟化が確認された場合:サポート力C(不良)
<サポート材硬化物の水除去性>
上記サポート材硬化物のサポート力の評価の場合と同様にして、サポート材硬化物を作製した。次に、上記硬化物を、50mLのイオン交換水を満たしたビーカーに入れ、水温を25℃に維持しながら超音波洗浄機で処理し、上記硬化物が溶解するまでの時間を測定し、下記基準でサポート材硬化物の水除去性を評価した。
硬化物が完全に溶解するまでに30分を要した場合:水除去性A(優良)
硬化物が完全に溶解するまでに1時間を要した場合:水除去性B(良)
硬化物が完全に溶解するまでに2時間を要した場合:水除去性C(不良)
以上の結果を表5に示す。
Figure 2021130198
実施例S1〜S13のサポート材組成物は、全ての評価項目で満足できる結果を得たことが分かる。
<光造形品>
<マテリアルジェット光造形用組成物セット(インクセット)>
表6に示す通りに上記モデル材用組成物及びサポート材用組成物を組み合わせることにより、実施例1〜4及び比較例1〜3を調製した。
ガラス板(商品名「GLASS PLATE」、アズワン社製、200mm×200mm×厚さ5mm)の上面四辺に厚さ1mmのスペーサーを配し、10cm×10cmの正方形に仕切った。該正方形内にサポート材用組成物を注型した後、照射手段として紫外線LED(NCCU001E、日亜化学工業株式会社製)を用い、全照射光量が500mJ/cmとなるように紫外線を照射して硬化させ、サポート材を得た。
次に、上記サポート材の上面四辺に厚さ1mmのスペーサーを配し、10cm×10cmの正方形に仕切った。該正方形内にモデル材用組成物を注型した後、照射手段として紫外線LED(NCCU001E、日亜化学工業株式会社製)を用い、全照射光量が500mJ/cmとなるように紫外線を照射して硬化させ、モデル材を得た。
(密着性の評価)
この状態で30℃の恒温槽に12時間放置し、モデル材とサポート材との密着性の様子を目視にて確認し、下記の基準において評価した。結果を表6に示す。
○:モデル材とサポート材とは密着していた。
×:モデル材とサポート材との界面で剥がれが生じ、モデル材の硬化収縮でモデル材が反るように剥がれた。
Figure 2021130198
表6の結果から分かるように、モデル材用組成物およびサポート材用組成物の両方が本発明の要件を満たす実施例1〜4は、モデル材とサポート材との界面に剥がれが生じず、モデル材とサポート材とがより密着していた。このように、モデル材とサポート材とが密着していれば、寸法精度が良好な光造形品が得られる。
一方、モデル材用組成物およびサポート材用組成物の一方又は両方が本発明の要件を満たしていない比較例1〜3は、モデル材とサポート材との界面で剥がれが生じた。このように、モデル材とサポート材との密着性が悪いと、光造形品の寸法精度が悪化する。
本発明の光造形用インクセットは、インクジェット光造形法を用いて、寸法精度が良好な光造形品を製造する際に好適に用いることができる。
10 三次元造形装置
11 インクジェットヘッドモジュール
11a 光造形用インクユニット
11aM モデル材用インクジェットヘッド
11aS サポート材用インクジェットヘッド
11b ローラー
11c 光源
12 造形テーブル
13 モデル材用インク
13M モデル材前駆体
13PM モデル材
14 サポート材用インク
14S サポート材前駆体
14PS サポート材
15 エネルギー線
16 造形物前駆体
17 造形物

Claims (12)

  1. インクジェット光造形法に用いられ、かつ、モデル材を造形するために使用されるモデル材用組成物と、サポート材を造形するために使用されるサポート材用組成物とを組み合わせてなる光造形用インクセットであって、
    前記モデル材用組成物は、
    重合体のガラス転移温度が20℃以上120℃以下のエチレン性不飽和単量体(A)と、
    重合体のガラス転移温度が−65℃以上20℃未満のエチレン性不飽和単量体(B)と、
    重量平均分子量が800以上10,000以下の2官能アクリレートオリゴマー(C)と、
    光重合性開始剤(D)と、
    を含有し、かつ、
    2官能以上のアクリレート化合物の含有量が、前記モデル材用組成物全体100重量部に対して、15重量部以下であり、
    前記サポート材用組成物は、該サポート材用組成物全体100重量部に対して、
    19〜80質量部の水溶性単官能エチレン性不飽和単量体(a)と
    15〜75質量部のオキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(b)とを含有し、前記オキシブチレン基を含むポリアルキレングリコール(b)の分子量が300〜3000である、光造形用インクセット。
  2. 請求項1において、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(A)が、単官能エチレン性不飽和単量体である光造形用インクセット。
  3. 請求項1又は2において、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(B)が、単官能エチレン性不飽和単量体である光造形用インクセット。
  4. 請求項1〜3のいずれか一つにおいて、前記モデル材用組成物の前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の25℃におけるヤング率が、1〜100MPaである光造形用インクセット
  5. 請求項1〜4のいずれか一つにおいて、前記モデル材用組成物の前記2官能アクリレートオリゴマー(C)の含有量が、該モデル材用組成物全体100重量部に対して、1〜15重量部である光造形用インクセット。
  6. 請求項1〜4のいずれか一つにおいて、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(A)が、イソボルニルアクリレート、t−ブチルシクロヘキシルアクリレート、3,3,5−トリメチルシクロヘキシルアクリレート、及び、ジシクロペンタニルアクリレートから選択される1種以上である光造形用インクセット。
  7. 請求項1〜6のいずれか一つにおいて、前記モデル材用組成物の前記エチレン性不飽和単量体(B)が、フェノキシエチルアクリレート、n−ステアリルアクリレート、イソデシルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、n−ラウリルアクリレート、n−オクチルアクリレート、n−デシルアクリレート、イソオクチルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、及び、アクリル酸2−(N−ブチルカルバモイルオキシ)エチルから選択される1種以上である光造形用インクセット。
  8. 請求項1〜7のいずれか一つにおいて、前記光重合性化合物が、アシルフォスフィンオキサイド系光重合性開始剤である光造形用インクセット。
  9. 請求項1において、前記サポート材用組成物が、1〜20質量部の光重合開始剤(d)を含有する光造形用インクセット。
  10. 請求項1又は9において、前記サポート材用組成物が、更に水溶性有機溶剤を含有し、 前記水溶性有機溶剤の含有量が、前記サポート材用組成物の全質量100質量部に対して、30質量部以下である光造形用インクセット。
  11. 請求項1又は9又は10において、前記サポート材用組成物が、更に表面調整剤を含有し、
    前記表面調整剤の含有量が、前記サポート材用組成物の全質量100質量部に対して、0.005質量部以上3.0質量部以下である光造形用インクセット。
  12. マテリアルジェット光造形法により、請求項1〜11のいずれか一つに記載の光造形用インクセットを用いて光造形品を製造する方法であって、
    前記モデル材用組成物を光硬化させることによりモデル材を得るとともに、前記サポート材用組成物を紫外線LEDを用いて、光硬化させることによりサポート材を得る工程(I)と、
    前記サポート材を除去する工程(II)と、
    を有する、光造形品の製造方法。
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