JP4553989B2 - 成形体を製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、
（1）表面に粉末材料の層を塗布し、
（2）粉末材料の層に少なくとも一つの液体をパターン状に塗布して、パターン状に結合された粉末材料の層を形成し、
（3）ステップ（1）及び（2）を予め設定された回数繰り返して、パターン状に結合された粉末の多数の連続層を形成し、結合された粉末材料の連続層を一体化して成形体を形成し、
（4）未結合の粉末を除去する
ステップからなる成形体を製造する方法に関する。
この種の方法はEP-A-0,431,924で公知となっている。この欧州特許出願によれば、表面に塗布された粉末層にバインダーが液として塗布され、パターン状に結合された粉末材料の層が作られる。一般に、これは一つ以上のインクジェットカートリッジを用いて行われる。しかしながら、この方法の欠点は、慣用のインクジェットを使用すると、確実に、インクジェットカートリッジがバインダーにより詰まる危険性が高いということである。更に、液体のバインダーの使用の難点は、このバインダーが一般に若干粘着性であり、それゆえ取り扱いの困難性が増すことである。
本発明の目的は、これらの問題に解答を提供することであり、この目的のために、液体が水からなり、粉末材料がステップ（2）で水と接触した後にバインダーを形成する少なくとも一つの成分からなることを特徴とする。
この方法の利点は、それ自体粘着性でない液体が使用され、この液体は取り扱いが容易であり、インクジェットカートリッジを使用する場合の詰まりの危険性が小さいことである。
勿論、水を使用することは環境に極めて優しい。本発明の方法においては、各成分はすべて取り扱いが容易である。
後者の要素は、特に、いわゆる「ドロップ-オン-デマンド」方式のインクジェットカートリッジを使用する場合、大きな利点である。この種のドロップ-オン-デマンド方式のインクジェットカートリッジは公知であり、一般に2列の開口部からなり、電気信号を受けるとスプレーする液滴を供給する。
粉末材料を結合させる液体として溶剤を使用することは、基本的にEP-A-0,431,924で公知となっている。しかしながら、ステップ（2）において粉末材料の成分とバインダーを形成する水を含有する液体の使用は開示されていない。
結合された粉末の硬化を促進し、高温で起こる化学的硬化反応を刺激するために、場合によっては液体バインダーの塗布時に結合された粉末の層を加熱することがEP-A-0,431,924で公知となっている。
本発明の方法においては、ステップ（1）及び/または（2）を行う毎に、あるいはステップ（1）及び/または（2）を2回以上行う毎に、加熱により、結合された粉末の層を乾燥することが好ましい。特に好ましくは、ステップ（1）及び/または（2）を2から6回行う毎に乾燥が行われる。加熱は、多数の方法で、例えば熱風、赤外線照射及びマイクロウエーブ照射の方法により行われる。しかしながら、本発明の脈絡としては、ステップ（1）の直後及びステップ（2）の直前に、熱板を最後に塗布した粉末層に接触させる、あるいはすぐ上に置くことにより、乾燥を行うと極めて良好な結果が得られることを見出した。ステップ（1）の後で乾燥を行う利点は、最後に塗布した粉末層が未だ乾燥していて、熱板を最後に塗布した粉末層に接触させる場合、粉末が板に付着する傾向は、低減されるという結果が得られることである。加熱を行う温度は、使用される粉末のタイプに依存する。しかしながら、この温度は、好ましくは粉末組成物の最低の融点を有する成分の融解温度以下である。この温度は、一般に50と120℃の間である。所望ならば、塗布された粉末層に圧力を印加するために熱板を使用することもできる。
粉末材料の各層に塗布される水を含有する液体は、好ましくは一つ以上の液滴の微細なジェットの形で塗布される。特に好ましくは、液体は、複数の液滴の微細なジェットの形で塗布され、異なるジェットの液体は異なる色彩である。これは、インクジェットプリンターを利用して極めて効果的に行うことができ、基本的に公知である。
異なる色彩を使用することにより着色物品を作製することも可能である。製造すべき成形体にそれぞれ特定の色を塗布する位置は、接続されたコンピュターを正しくプログラムすることにより正確に設定される。この種の手法は、インクジェットプリンターについて基本的に公知である。
水に加えて、好ましくは、使用される液体は、また、1-50重量%、好ましくは5-25重量%の一つ以上の流動促進剤も含む。この種の流動促進剤は界面活性剤であり、液体がインクジェットカートリッジの極めて小さい開口部から液滴でスプレーされるように、表面張力を低減させるよう意図されている。好適な流動促進剤の例は、ジエチレングリコール、モノエチレングリコール等のグリコール、及びエタノール、1-プロパノール、2-プロパノール等の低級アルカノールである。2種以上のこの種の流動促進剤の組み合わせを使用することも可能である。極めて好適な組み合わせは、例えばジエチレングリコールと2-プロパノールの混合物である。
この液体は一つ以上の着色剤を含むことがある。複数のインクジェットカートリッジを使用する場合には、色彩がそれぞれに異なる複数の液体を使用して、異なる色調からなる成形体を製造することができる。
既述したように、粉末材料は、スプレーされる液体と接触する結果、バインダー（「接着成分」）を形成する成分を含む。加えて、この粉末はフィラーを含む。フィラーを塗布する場合には、本発明の方法により得られる成形体を例えば焼結、焼成あるいは焼きなまして、バインダー成分を除去し、フィラー材料の成形体を得ることができる。フィラーの例は、金属粉末、ガラスビーズ、ガラスファイバー、セラミック材料、プラスチック、シリカ、砂などである。このようにして、例えば全くガラス、鋼、鉄などからなる成形体を製造することが可能である。
好ましくは、粉末材料は、スプレーされる水と接触する結果、バインダーを形成する成分とは別に、2次的なバインダーを含む。このような2次的なバインダーは、特に熱硬化性材料または熱可塑性材料を含む。熱硬化性材料は、ポリエステル粉末コーティング等の、熱の影響で硬化する材料である。この例は、Lakfabriek Korthals B.V.により製造されているポリエステル粉末コーティングタイプLTである。熱可塑性材料は、加熱により軟化あるいは溶融し、冷却時には再度固化する材料である。
上記の熱硬化性材料及び熱可塑性材料は、本発明の脈絡においては2次的なバインダーと呼ばれる。2次的なバインダーが存在すると、完結後熱処理により追加的に補強することができる成形体を本発明の方法によって、迅速かつ簡単に製造する可能性が提供される。
好適な接着成分は、特に、水を含有する液体と接触した後、バインダーを形成する粉末である。例は、デキストリン粉末、（カルボメトキシ）メチルセルロース、壁紙接着剤粉末、ゼラチン、イヌリン、アラビアゴム、ポリビニルアルコール、セメント、焼き石膏、水溶性塩及び微粉砕した顆粒砂糖である。接着成分がポリビニルアルコール、（カルボメトキシ）メチルセルロース、ゼラチン及び/またはデキストリンである粉末が好ましい。好適なポリビニルアルコール粉末の例は、商標名Mowiolで販売されているものなど、完全あるいは部分加水分解ポリビニルアルコールである。好適なグレードは、例えばMowio13-83、Mowio118-88及びMowio110-98である。ポリビニルアルコール粉末は、ポリビニルアルコール顆粒をポリビニルアルコールのガラス転移温度以下の温度で、例えば液体窒素下で粉砕することにより製造される。市販のデキストリンの例は、Avebee Companyにより販売されている、37-LAC-19である。
粉末粒子の粒子サイズは、一般に25から250μmで変わり、好ましくは50から175μmの間である。粉末粒子が250μm以上の場合には、成形される成形体の寸法精度は、一般に望ましいことではないが、粉末の粒子サイズにより過剰に決められる。使用することができる粉末組成物の例は、ほぼ3容量部のガラスビーズ（ほぼ、50-100μm）、3容量部のポエリエステル粉末コーティング及び1容量部のデキストリンを含む組成物である。粉末組成物は、また、場合によっては2次的なバインダー及び/またはフィラーの添加と共にポリビニルアルコールも含むことがある。
結合された粉末材料のすべての層が形成された後、未結合の余分の粉末が除去される。次に、得られる成形体は、好ましくは尚存在する液体を除去し、2次的なバインダーのような各粉末成分にそれぞれの機能を行わせるために、オーブンに入れられる。成形体の強度はこのようにして最適化される。所望ならば、行う場合には、オーブン中で加熱する前後に、成形体は、（無色の）ラッカーまたはワニスによって外側を被覆される。成形体の強度に対して有利な効果を有するのと並んで、特に、異なる色彩で製造される場合には、このことは、また、成形体の退色性にも有効である。
しかしながら、未結合の粉末と製造された成形体の組み合わせを、ステップ（3）後に乾燥処理にかけることが好ましい。このようにして、更に強固な製品が得られる。これにより、未結合の粉末を成形体から除去する、引き続くステップ（4）時に成形体の変形が起こる危険性は存在しない。このような乾燥処理は、例えばオーブン中で行われる。
本発明の方法において製造することができる成形体は、多様な分野で使用される。例として、成形体は、例えば家具、輸送手段（車、汽車、航空機、など）、分子、玩具、人工装具及び他の用具、装飾物品のスケールモデルを作製するのに使用される。この方法は、また、建物及び景観のモデル、並びに例えば石膏物品を作る鋳型を作製するのにも好適である。
接着成分に加えて、粉末組成物がフィラーを含む場合には、前もって、接着成分をフィラーに結合させることが有利である。この目的で、フィラー及び接着成分及び任意の他の成分を、前もって水または他の好適な液体の存在下で混合し、その後に組成物を乾燥し、必要ならば粉砕することができる。
インクジェットプリンターとして、公知で、市販のインクジェットプリンターが使用される。極めて好適なインクジェットプリンターの例は、Hewlett PackardのHP-Deskjet 850プリンターである。このプリンターのインクスプレー部は、粉末層の一番上にプリントができるように調整される。プリンターは、黒インクと3種の異なる基本色用のスプレー開口部を含む。好適な流動促進剤を持つ水で黒インクを入れ替えれば、この装置によって色彩のすべての可能な組み合わせの物品を製造することができようになる。
極めて好適なインクジェットカートリッジは、HP 51645タイプのドロップ-オン-デマンドインクジェットカートリッジ（これもHewlett Packard）である。このようなインクジェットカートリッジは約300のスプレー開口部を含む。
以下に実施例により本発明が例示される。
実施例
ポルシェの3Dモデルをインターネット（www.3dcafe.com）からダウンロードした。3Dスタジオプログラムによってこのモデルを着色し、ポリレイファイルにエクスポートした。特殊なプログラムのこのポリレイファイルから112のセクションを計算した。モデルの最近接の外側から1mmよりも小さい距離を有するセクションのすべての位置は上記最近接の外側の色彩を得た。EP-A-0,431,924により、これらのセクションをプリンターに送った。プリント部はHP-Deskjetからのものであった。このようにして、20分以内にこの車のモデルがプリントされた。車は完全に着色された外側を持っていた。
粉末材料としては、約120μmの粒子サイズの微細に粉砕されたポリビニルアルコールを使用した。水で黒インクを入れ替えて、水と水ベースのインク（HP deskjetインク）によりプリントを行った。

Claims (9)

1. （1）表面に粉末材料の層を塗布し、
   （2）粉末材料の層に水を含み且つバインダーを含まない液体をパターン状に塗布して、パターン状に結合された粉末材料の層を形成し、
   （3）ステップ（1）及び（2）を予め設定された回数繰り返して、パターン状に結合された粉末の多数の連続層を形成し、結合された粉末材料の連続層を一体化して成形体を形成し、
   （4）未結合の粉末を除去する
   ステップからなる成形体を製造する方法であって、
   （ｉ）粉末材料がステップ（2）で水と接触後にバインダーを形成する少なくとも一つの成分からなり、
   （ｉｉ）ステップ（1）及び/または（2）を行う毎に、あるいはステップ（1）及び/または（2）を2回以上行う毎に乾燥が行われ、ここで、ステップ（１）の直後でステップ（２）の直前に熱板を最後に塗布した粉末層に接触させる、もしくはすぐ上に置くことにより前記乾燥が行われる
   ことを特徴とする方法。
2. ステップ（1）及び/または（2）を2から6回行う毎に乾燥が行われることを特徴とする請求の範囲の１に記載の方法。
3. 液体が一つ以上の液滴の微細なジェットの形で塗布されることを特徴とする請求の範囲の1から2の一つ以上に記載の方法。
4. 液体が複数の液滴の微細なジェットの形で塗布され、異なるジェットの液体が異なる色彩であることを特徴とする請求の範囲の3に記載の方法。
5. 水とバインダーを形成する粉末材料の成分がポリビニルアルコール、（カルボキシ）メチルセルロース、ゼラチン及び/またはデキストリンであることを特徴とする請求の範囲の1から4の一つ以上に記載の方法。
6. バインダーを形成する成分に加えての粉末材料がフィラーからなることを特徴とする請求の範囲の1から5の一つ以上に記載の方法。
7. バインダーを形成する成分に加えての粉末材料が2次的なバインダーからなることを特徴とする請求の範囲の1から6の一つ以上に記載の方法。
8. 2次的なバインダーが熱硬化性材料または熱可塑性材料からなることを特徴とする請求の範囲の7に記載の方法。
9. 未結合の粉末と成形体の組み合わせがステップ（4）で未結合の粉末を除去する前に乾燥処理にかけられることを特徴とする請求の範囲1から8の一つ以上に記載の方法。