JP6262249B2

JP6262249B2 - 形成方法

Info

Publication number: JP6262249B2
Application number: JP2015544719A
Authority: JP
Inventors: 謙磁塚田; 雅登鈴木; 明宏川尻; 良崇橋本; 政利藤田
Original assignee: Fuji Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JPWO2015063923A1; WO2015063923A1

Description

本発明は、硬化性樹脂を吐出する吐出装置を用いて、硬化性樹脂による構造物を形成する形成方法に関するものである。

近年、硬化性樹脂を用いて、種々の構造物、所謂、造形モデルを形成する方法の開発が進められている。詳しくは、硬化性樹脂を薄膜状に吐出し、吐出された硬化性樹脂を硬化させる。そして、硬化した樹脂の上に、さらに、硬化性樹脂を薄膜状に吐出し、硬化性樹脂を硬化させる。このようにして、硬化性樹脂の吐出と樹脂の硬化とが繰り返され、硬化性樹脂の複数の膜が積層されることで、硬化性樹脂による造形モデルが形成される。

また、形成予定の造形モデルに、外側に向かって突出する部分、所謂、オーバーハング部等が存在する場合には、サポート材を用いた形成方法が採用される。詳しくは、後に説明するため、簡単に説明すると、サポート材の少なくとも一部に沿って、硬化性樹脂を吐出し、硬化させることで、サポート材と造形モデルとを一体的に形成する。そして、その一体物からサポート材を分離することで、造形モデルが得られる。下記特許文献には、サポート材を用いた造形モデルの形成方法の一例が記載されている。

特開２０１１−５６６６号公報特開２０１１−５６６７号公報特開２０１１−５６６８号公報

上記特許文献に記載されているように、サポート材と造形モデルとを一体的に形成し、その一体物からサポート材を分離することで、オーバーハング部を有する造形モデルを形成することが可能である。しかしながら、従来の手法でのサポート材の分離には、種々の問題があった。具体的には、例えば、サポート材を引っ張って、一体物から取り外す場合には、造形モデルが破損する虞がある。また、造形モデルの形状が複雑である場合には、サポート材を引っ張り難い場合もある。また、水，薬品等の特定の液体に溶解可能な材料により成形されたサポート材を用いた場合には、一体物を特定の液体に浸漬することで、サポート材を除去することが可能である。しかしながら、サポート材の溶解した液体の廃棄に伴って、環境汚染を引き起こす虞がある。また、熱により溶解可能な材料により成形されたサポート材を用いた場合には、一体物を加熱することで、サポート材を一体物から除去することが可能である。しかしながら、一体物を加熱する際に、造形モデルが熱変形する虞がある。このようにサポート材を用いた造形モデルの形成方法には、改良の余地が多分に残されており、種々の改良を施すことで、サポート材を用いた造形モデルの形成方法の実用性を向上させることが可能となる。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、実用性の高いサポート材を用いた造形モデルの形成方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、本願の請求項１に記載の形成方法は、硬化性樹脂を吐出する吐出装置を用いて、硬化性樹脂による構造物を形成する形成方法であって、インクジェットヘッドによって紫外線硬化樹脂が吐出され、前記インクジェットヘッドによって生分解性樹脂が吐出される吐出工程と、前記吐出工程において吐出された紫外線硬化樹脂に紫外線を照射することで、紫外線硬化樹脂を硬化させ、前記吐出工程において吐出された生分解性樹脂に紫外線を照射することで、生分解性樹脂を硬化させて、生分解性樹脂により成形された部材とする硬化工程と、前記硬化工程での紫外線硬化樹脂および生分解性樹脂の硬化が完了した後に、前記生分解性樹脂により成形された部材を微生物によって分解し、除去する除去工程とを含むことを特徴とする。

また、請求項２に記載の形成方法は、請求項１に記載の形成方法において、前記除去工程が、微生物が培養された容器の内部において、前記生分解性樹脂により成形された部材を微生物によって分解し、除去する工程であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の形成方法は、請求項１または請求項２に記載の形成方法において、前記生分解性樹脂により成形された部材が、サポート材であることを特徴とする。

請求項１に記載の形成方法では、サポート材として利用可能な部材が、インクジェットヘッドにより吐出された生分解性樹脂が硬化されることで、生分解性樹脂により成形されている。そして、その部材と造形モデルとが一体化された一体物から、生分解性樹脂が微生物によって分解されることで、サポート材として利用可能な部材が除去される。これにより、造形モデルの破損，環境汚染，造形モデルの熱変形等を生じさせることなく、造形モデルを形成することが可能となる。

また、請求項２に記載の形成方法では、微生物が培養された容器の内部において、生分解性樹脂が分解され、サポート材として利用可能な部材が除去される。これにより、迅速に、生分解性樹脂を分解し、サポート材として利用可能な部材を除去することが可能となる。

また、請求項３に記載の形成方法では、サポート材として利用可能な部材が、サポート材に限定されている。これにより、オーバーハング部等を有する造形モデルを適切に形成することが可能となる。

本発明の実施例である形成方法によって造形モデルを形成するための造形モデル形成装置を示す平面図である。図１の造形モデル形成装置が備える制御装置を示すブロック図である。図１の造形モデル形成装置によって形成される造形モデルを示す斜視図である。サポート材を示す側面図である。サポート材と造形モデルとが一体化された一体物を示す側面図である。サポート材と造形モデルとが一体化された一体物を培養容器内に収容する様子を示した図である。変形例の形成途中の一体物を示す側面図である。変形例の形成途中の一体物を示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。

＜造形モデル形成装置の構成＞
図１に、本発明の実施例の造形モデル形成装置１０を示す。造形モデル形成装置１０は、紫外線硬化樹脂による造形モデルを形成するための装置である。造形モデル形成装置１０は、搬送装置２０と、ヘッド移動装置２２と、インクジェットヘッド２４と、紫外線照射装置２６とを備えている。

搬送装置２０は、Ｘ軸方向に延びる１対のコンベアベルト３０と、コンベアベルト３０を周回させる電磁モータ（図２参照）３２とを有している。１対のコンベアベルト３０は、造形モデルを形成するための造形ステージ板３４を支持し、その造形ステージ板３４は、電磁モータ３２の駆動により、Ｘ軸方向に搬送される。また、搬送装置２０は、保持装置（図２参照）３６を有している。保持装置３６は、コンベアベルト３０によって支持された造形ステージ板３４を、所定の位置（図１での造形ステージ板３４が図示されている位置）において固定的に保持する。

ヘッド移動装置２２は、Ｘ軸方向スライド機構５０とＹ軸方向スライド機構５２とによって構成されている。Ｘ軸方向スライド機構５０は、Ｘ軸方向に移動可能にベース５４上に設けられたＸ軸スライダ５６を有している。そのＸ軸スライダ５６は、電磁モータ（図２参照）５８の駆動により、Ｘ軸方向の任意の位置に移動する。また、Ｙ軸方向スライド機構５２は、Ｙ軸方向に移動可能にＸ軸スライダ５６の側面に設けられたＹ軸スライダ６０を有している。そのＹ軸スライダ６０は、電磁モータ（図２参照）６２の駆動により、Ｙ軸方向の任意の位置に移動する。そのＹ軸スライダ６０には、インクジェットヘッド２４が取り付けられている。このような構造により、インクジェットヘッド２４は、ヘッド移動装置２２によってベース５４上の任意の位置に移動する。

インクジェットヘッド２４は、造形ステージ板３４の上に紫外線硬化樹脂を吐出する。詳しくは、インクジェットヘッド２４の下面には、複数のノズル穴（図示省略）が形成されている。そして、電気信号に従って、圧電素子（図２参照）７２や熱による蒸気泡を駆動源として、紫外線硬化樹脂がインクジェットヘッド２４の複数のノズル穴から吐出される。これにより、造形ステージ板３４上に紫外線硬化樹脂が吐出される。

紫外線照射装置２６は、紫外線を照射するＬＥＤ（図２参照）７８を有しており、下方を向いた状態でＹ軸スライダ６０の下面に固定されている。これにより、Ｙ軸スライダ６０が、ヘッド移動装置２２によって移動させられることで、造形ステージ板３４上の任意の位置に紫外線を照射することが可能である。

また、造形モデル形成装置１０は、図２に示すように、制御装置８０を備えている。制御装置８０は、コントローラ８２と、複数の駆動回路８４と、制御回路８６とを備えている。複数の駆動回路８４は、上記電磁モータ３２，５８，６２、保持装置３６、圧電素子７２に接続されており、制御回路８６は、ＬＥＤ７８に接続されている。また、コントローラ８２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備え、コンピュータを主体とするものであり、複数の駆動回路８４および制御回路８６に接続されている。これにより、搬送装置２０、ヘッド移動装置２２、インクジェットヘッド２４、紫外線照射装置２６の作動が、コントローラ８２によって制御される。

＜造形モデルの形成＞
造形モデル形成装置１０では、上述した構成によって、インクジェットヘッド２４が搬送装置２０に保持された造形ステージ板３４に紫外線硬化樹脂を吐出し、吐出された紫外線硬化樹脂が、紫外線の照射により硬化することで、造形モデルが形成される。具体的には、コントローラ８２の指令により、造形ステージ板３４が作業位置まで搬送され、その位置において、造形ステージ板３４が、保持装置３６によって固定的に保持される。そして、インクジェットヘッド２４が、コントローラ８２の指令により、造形ステージ板３４の所定の位置の上方に移動する。続いて、インクジェットヘッド２４は、造形ステージ板３４の上面に所定のパターンで紫外線硬化樹脂を吐出し、紫外線硬化樹脂の薄膜を形成する。

紫外線硬化樹脂の薄膜が形成されると、紫外線照射装置２６が、コントローラ８２の指令により、形成された紫外線硬化樹脂の薄膜の上方に移動し、ＬＥＤ７８によって紫外線が、薄膜に照射される。これにより、造形ステージ板３４の上に形成された紫外線硬化樹脂の薄膜が硬化する。続いて、インクジェットヘッド２４が、コントローラ８２の指令により、硬化した紫外線硬化樹脂の薄膜の上方に移動し、紫外線硬化樹脂の吐出により、紫外線硬化樹脂の薄膜を形成する。そして、紫外線照射装置２６が、コントローラ８２の指令により、形成された紫外線硬化樹脂の薄膜の上方に移動し、ＬＥＤ７８によって紫外線が、薄膜に照射される。この紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射が繰り返されることで、複数の層の紫外線硬化樹脂の薄膜によって造形モデルが形成される。

このように、造形モデル形成装置１０では、複数の層の紫外線硬化樹脂の薄膜によって造形モデルが形成されるが、造形モデルに、外側に向かって突出する部分、所謂、オーバーハング部等が存在する場合には、サポート材を用いて、造形モデルを形成する必要がある。具体的に、図３に示す形状の造形モデル１００を形成する場合について説明する。

形成予定の造形モデル１００は、１対の脚部１０２，１０４と、それら１対の脚部１０２，１０４に上架された平板部１０６とによって構成されている。平板部１０６の両端部は、１対の脚部１０２，１０４より外側に突出しており、オーバーハング部１０８，１１０となっている。このような形状の造形モデル１００を形成する際には、１対の脚部１０２，１０４と平板部１０６とによって囲まれる空間に相当する形状の第１サポート材（図４参照）１１２と、オーバーハング部１０８の真下を占める空間に相当する形状の第２サポート材（図４参照）１１４と、オーバーハング部１１０の真下を占める空間に相当する形状の第３サポート材（図４参照）１１６とを用意する必要がある。

そして、３個のサポート材１１２，１１４，１１６が、図４に示すように、造形ステージ板３４の上に載置される。そして、第１サポート材１１２と第２サポート材１１４との間への紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射とが繰り返されることで、脚部１０２が形成される。また、第１サポート材１１２と第３サポート材１１６との間への紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射とが繰り返されることで、脚部１０４が形成される。１対の脚部１０２，１０４が形成されると、脚部１０２，１０４の上面および、３個のサポート材１１２，１１４，１１６の上面への紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射とが繰り返されることで、平板部１０６が形成される。これにより、図５に示すように、造形モデル１００と３個のサポート材１１２，１１４，１１６とが一体化された一体物１２０が形成される。

この一体物１２０から３個のサポート材１１２，１１４，１１６を分離させることで、造形モデル１００の形成が完了するが、従来の手法でのサポート材の分離には、種々の問題があった。具体的には、例えば、サポート材１１２，１１４，１１６を引っ張って、一体物１２０からサポート材１１２，１１４，１１６を取り外す場合には、造形モデル１００が破損する虞がある。また、造形モデルの形状が複雑である場合には、サポート材を引っ張り難い場合もある。

また、水，薬品等の特定の液体に溶解可能な材料により成形されたサポート材を用いた場合には、一体物１２０を特定の液体に浸漬することで、サポート材１１２，１１４，１１６を一体物１２０から分離することが可能である。しかしながら、サポート材の溶解した液体の廃棄に伴って、環境汚染を引き起こす虞がある。また、熱により溶解可能な材料により成形されたサポート材を用いた場合には、一体物１２０を加熱することで、サポート材１１２，１１４，１１６を一体物１２０から分離することが可能である。しかしながら、一体物１２０を加熱する際に、造形モデル１００が変形する虞がある。

このようなことに鑑みて、３個のサポート材１１２，１１４，１１６の各々は、ポリカプロラクトンにより成形されている。ポリカプロラクトンは、生分解性樹脂であり、微生物によって分解される。つまり、サポート材１１２，１１４，１１６は、自然環境下で放置されることで、分解され、一体物１２０から除去されるのである。ただし、自然環境下での放置では、サポート材１１２，１１４，１１６の分解に時間を要するため、一体物１２０は、図６に示すように、微生物が培養された培養容器１２２の中に収容される。

培養容器１２２内で培養される微生物としては、ポリカプロラクトン等の生分解性樹脂を分解可能な微生物であれば、酵母菌、バクテリア、菌類、ウィルス等、種々の種類のものを採用することが可能である。また、培養容器１２２には、微生物だけでなく、微生物の養分等が入れられている。さらに、一体物１２０が培養容器１２２内に収容される際には、微生物が好適に活動可能な温度および湿度に維持される。これにより、迅速に、サポート材１１２，１１４，１１６を分解し、一体物１２０からサポート材１１２，１１４，１１６を除去することが可能となる。

このように、本実施例では、造形モデル形成時に用いられるサポート材として、生分解性樹脂により成形されたサポート材１１２，１１４，１１６を用いることで、造形モデル１００の破損，環境汚染，造形モデル１００の熱変形等を生じさせることなく、造形モデル１００を形成することが可能となる。

ちなみに、上記実施例において、インクジェットヘッド２４は、吐出装置の一例である。サポート材１１２，１１４，１１６は、サポート材の一例である。培養容器１２２は、容器の一例である。また、サポート材１１２，１１４，１１６を用いて造形モデル１００を形成する方法は、形成方法の一例である。インクジェットヘッド２４によって紫外線硬化樹脂を吐出する工程は、吐出工程の一例である。培養容器１２２内においてサポート材１１２，１１４，１１６を分解し、除去する工程は、除去工程の一例である。紫外線硬化樹脂は、硬化性樹脂の一例である。ポリカプロラクトンは、生分解性樹脂の一例である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、上記実施例では、造形ステージ板３４の上にサポート材１１２，１１４，１１６が載置され、各サポート材１１２，１１４，１１６の間等へのインクジェットヘッド２４による樹脂の吐出により、一体物１２０が形成されているが、一体物１２０全体をインクジェットヘッド２４による樹脂の吐出により形成することが可能である。

具体的には、インクジェットヘッド２４を、造形モデル１００の原料となる紫外線硬化樹脂だけでなく、サポート材１１２，１１４，１１６の原料となる液状の生分解性樹脂も吐出可能な構造とする。そのインクジェットヘッド２４によって、造形ステージ板３４の上に、紫外線硬化樹脂と生分解性樹脂とが吐出され、図７に示すように、紫外線硬化樹脂の薄膜１３０と、生分解性樹脂の薄膜１３２とが形成される。そして、各薄膜１３０，１３２に紫外線が照射されることで、各薄膜１３０，１３２が硬化する。なお、サポート材１１２，１１４，１１６の原料となる液状の生分解性樹脂も、紫外線の照射により硬化する性質を備えている。

続いて、硬化した薄膜１３０，１３２の上に、インクジェットヘッド２４によって紫外線硬化樹脂と生分解性樹脂とが吐出され、紫外線硬化樹脂の薄膜と生分解性樹脂の薄膜とが積層される。そして、紫外線が積層された薄膜に照射される。このインクジェットヘッド２４による紫外線硬化樹脂および生分解性樹脂の吐出と、紫外線の照射が繰り返されることで、図８に示す形状の造形物１３４が形成される。

造形物１３４が形成されると、その造形物１３４の上面に、インクジェットヘッド２４によって紫外線硬化樹脂が吐出され、紫外線硬化樹脂の薄膜が形成される。そして、その紫外線硬化樹脂の薄膜に、紫外線が照射される。このインクジェットヘッド２４による紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射が繰り返されることで、図５に示す一体物１２０が形成される。このように、一体物１２０全体をインクジェットヘッド２４による樹脂の吐出により形成することが可能である。

また、例えば、上記実施例では、サポート材１１２，１１４，１１６を培養容器１２２内において、早期に分解させているが、自然環境下で分解させることが可能である。ただし、サポート材１１２，１１４，１１６を自然環境下で分解させると、分解時間が非常に長くなるため、新たな効果が生じる。具体的には、例えば、一体物１２０を水槽等に入れた場合には、サポート材１１２，１１４，１１６は分解前において、立方体形状をなし、時間の経過に伴って、サポート材１１２，１１４，１１６が徐々に分解していくことで、立方体形状がアーチ状に変化していく。つまり、所定の構造物の形状が、時間の経過とともに、変化するという効果が生じるのである。このような効果を利用して、玩具等として、一体物を形成することも可能である。

また、例えば、サポート材と造形モデルとの一体物として、植木鉢，漁礁に沈められるもの等を形成することで、時間の経過とともに変化する効果を利用できる。詳しくは、例えば、一体物として植木鉢を形成した場合には、時間の経過とともに、排水用の穴等が形成され、植物の成長に応じた形状に植木鉢を変化させることが可能となる。また、一体物として漁礁に沈めるものを形成した場合には、時間の経過とともに、魚が入り込むための穴を大きくすることが可能となり、魚の成長に応じた形状に漁礁を変化させることが可能となる。

なお、一体物をこのような方法で利用する際には、生分解性樹脂により成形される部材は、サポート材として用いる必要はなく、生分解性樹脂により成形される部材と、紫外線硬化樹脂の硬化により形成される部材とが一体的に形成されればよい。つまり、造形モデルのオーバーハング部の有無に関わらず、生分解性樹脂により成形される部材の少なくとも一部に沿って、紫外線硬化樹脂を吐出し、硬化させることで、一体物を形成することが可能である。これにより、時間の経過に伴って変形する一体物が形成される。

また、上記実施例では、生分解性樹脂として、ポリカプロラクトンが採用されているが、ポリ乳酸，ポリヒドロキシアルカノエート，ポリグリコール酸，変性ポリビニルアルコール，カゼイン，変性澱粉，ＰＥＴ共重合体等、種々の生分解性樹脂を採用することが可能である。

また、上記実施例では、硬化性樹脂として、紫外線硬化樹脂が採用されているが、紫外線以外の特定の波長の光によって硬化する樹脂、熱によって硬化する樹脂等を採用することが可能である。また、加熱により溶解した樹脂を、吐出装置により吐出し、常温で硬化する樹脂を、硬化性樹脂として採用することが可能である。具体的には、例えば、ＡＢＳ樹脂等を採用することが可能である。また、硬化性樹脂を吐出する装置としては、インクジェットヘッド２４に限られず、ディスペンサヘッド等を採用することが可能である。

２４：インクジェットヘッド（吐出装置）１１２：第１サポート材１１４：第２サポート材１１６：第３サポート材１２２培養容器（容器）

Claims

硬化性樹脂を吐出する吐出装置を用いて、硬化性樹脂による構造物を形成する形成方法において、
前記形成方法が、
インクジェットヘッドによって紫外線硬化樹脂が吐出され、前記インクジェットヘッドによって生分解性樹脂が吐出される吐出工程と、
前記吐出工程において吐出された紫外線硬化樹脂に紫外線を照射することで、紫外線硬化樹脂を硬化させ、前記吐出工程において吐出された生分解性樹脂に紫外線を照射することで、生分解性樹脂を硬化させて、生分解性樹脂により成形された部材とする硬化工程と、
前記硬化工程での紫外線硬化樹脂および生分解性樹脂の硬化が完了した後に、前記生分解性樹脂により成形された部材を微生物によって分解し、除去する除去工程と
を含むことを特徴とする形成方法。
前記除去工程が、
微生物が培養された容器の内部において、前記生分解性樹脂により成形された部材を微生物によって分解し、除去する工程であることを特徴とする請求項１に記載の形成方法。
前記生分解性樹脂により成形された部材が、サポート材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の形成方法。