JP6334000B2 - 3d印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、3次元造形方法、及び、3d印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット - Google Patents

3d印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、3次元造形方法、及び、3d印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット Download PDF

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Description

本発明は、3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、3次元造形方法、及び、3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセットに関する。
光学的立体造形法とは、光硬化性組成物に必要なエネルギー供給を選択的に行って、所望形状の立体造形物を形成する方法である。
立体造形法の代表的な例としては、容器に入れた光硬化性組成物の液面に、所望パターンの硬化層が得られるように、光、例えば紫外線レーザーを選択的に照射して硬化層を得、次に該硬化層の上に光硬化性組成物を層状に供給し、次いで上記と同様に光を選択的に照射して上記の硬化層と連続した硬化層を形成する。この積層操作を繰り返すことにより、最終的に所望の立体的な3次元造形物を得る方法である。この立体造形法は、製作する造形物の形状が複雑な場合でも、容易にしかも短時間で目的の造形物を得ることができるため注目されている。
また、近年、インクジェット方式による光造形法が提案され、インクジェットノズルから吐出した液状の光硬化性樹脂を硬化させ、積層して光造形することが可能となり、従来のように大型の樹脂液槽や暗室の設置が不要となる等の利点がある。光造形機がコンパクトで小型化できる他、CAD(Computer Aided Design)システムを用いることにより、自由に立体モデルを作製できる3DCADとして注目されている。
従来の光造形法としては、特許文献1及び2に記載されたものが挙げられる。
特開2012−111226号公報 米国特許第7851122号明細書
本発明者らは、インクジェット方式により、従来の軟質モデル材を用いて柔らかい3D造形物を製造した場合には、造形物が非常に脆く、サポート材の除去工程中に造形物が壊れる問題があることを見出した。また、このような造形物は、引っ張りや折り曲げによっても壊れやすいことがわかった。
本発明が解決しようとする課題は、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度に優れる3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、上記インクジェットインク組成物を用いる3次元造形方法、並びに、上記インクジェットインク組成物を含む3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセットを提供することである。
上記の課題は、下記<1>、<9>又は<10>に記載の手段により達成された。好ましい実施態様である<2>〜<8>及び<11>と共に以下に列挙する。
<1>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、並びに、アシルフォスフィンオキサイド化合物、を含有し、かつ、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質量含有率が、15質量%以下であることを特徴とする3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<2>アクリレートモノマーAが、単官能アクリレート化合物である、<1>に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<3>アクリレートモノマーBが、単官能アクリレート化合物である、<1>又は<2>に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<4>アクリレートオリゴマーCのヤング率が、1〜100MPaである、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<5>インク組成物の全量に対するアクリレートモノマーAの質量含有率MAとアクリレートモノマーBの質量含有率MBとが、MA<MBを満たす、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<6>インク組成物の全量におけるアクリレートオリゴマーCの質量含有率MCが、1質量%以上15質量%以下である、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<7>アクリレートモノマー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よりなる群から選ばれたモノマーを含む、<1>〜<6>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<8>アクリレートモノマー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)エチルよりなる群から選ばれたモノマーを含む、<1>〜<7>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、
<9>インク組成物を40℃〜80℃の範囲に加熱する加熱工程、加熱した上記インク組成物をインクジェットヘッドで吐出し、3次元造形物の断面情報に基づいて、インク層を形成する吐出工程、及び、上記インク層を活性光線で硬化させる硬化工程、を含み、
上記吐出工程及び上記硬化工程を50回以上繰り返して行い、上記インク組成物として、<1>〜<8>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物を少なくとも用いる、3次元造形方法、
<10>モデル材用インク組成物、並びに、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、を有し、上記サポート材用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質量含有率が、5質量%以下であり、上記モデル材用インク組成物が、<1>〜<8>のいずれか1つに記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物である、3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット、
<11>上記サポート材用インク組成物に含まれる単官能アクリルアミド化合物が、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルフォリン及びN,N−ジメチルアクリルアミドよりなる群から選ばれた1種以上の化合物を含み、かつ、上記サポート材用インク組成物に含まれるヒドロキシ基を有する単官能アクリレート化合物が、ポリエチレングリコールモノアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート及び2−ヒドロキシプロピルアクリレートよりなる群から選ばれた1種以上の化合物を含む、<10>に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット。
本発明によれば、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度に優れる3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物、上記インクジェットインク組成物を用いる3次元造形方法、並びに、上記インクジェットインク組成物を含む3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセットを提供することができる。
以下において、本発明の内容について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本発明において、数値範囲を表す「下限〜上限」の記載は、「下限以上、上限以下」を表し、「上限〜下限」の記載は、「上限以下、下限以上」を表す。すなわち、上限及び下限を含む数値範囲を表す。
更に、本明細書における基(原子団)の表記において、置換及び無置換を記していない表記は置換基を有さないものと共に置換基を有するものをも包含するものである。例えば「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含するものである。
また、本発明において、「質量%」と「重量%」とは同義であり、「質量部」と「重量部」とは同義である。
また、本発明において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。
(3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物)
本発明の3D印刷(「3次元造形」又は「3D printing」ともいう。)用活性光線硬化型インクジェットインク組成物(以下、単に「インク組成物」ともいう。)は、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、並びに、アシルフォスフィンオキサイド化合物、を含有し、かつ、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質量含有率が、15質量%以下であることを特徴とする。
本発明者は、詳細な検討を行った結果、本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物を用いることにより、柔らかさ及び引っ張り強度の両方に優れた3次元造形物が得られることを見いだした。
本発明における「3D印刷」とは、複数のインク層を積層して形成する印刷方法であって、50層以上の層を積層する印刷方法をいう。
上記効果が発現する詳細な機構は、不明であるが、上記アクリレートモノマーA、上記アクリレートモノマーB、上記アクリレートオリゴマーC及び特定の上記光重合開始剤を含有し、かつ、多官能モノマーの量を特定の範囲とすることにより、協奏的に効果が発現していると推定している。
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、例えば、血管等の医療用3次元造形物や、玩具、フィギュア等の用途に好適に用いることができる。
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、後述する着色剤を含有した着色インク組成物であっても、クリアインク組成物であってもよい。
本発明でいう「活性光線」とは、その照射によりインク組成物中において開始種を発生させることができるエネルギーを付与することができる活性光線であれば、特に制限はなく、広くα線、γ線、X線、紫外線(UV)、可視光線、電子線などを包含するものであるが、中でも、硬化感度及び装置の入手容易性の観点から、紫外線及び電子線が好ましく、紫外線が特に好ましい。したがって、本発明のインク組成物は、活性光線として、紫外線を照射することにより硬化可能なインク組成物が好ましい。
なお、本発明において、特に断りのない限り、「アクリレート」とは、「アクリレート」、「メタクリレート」の双方あるいはいずれかを指し、また、「アクリル」とは、「アクリル」、「メタクリル」の双方あるいはいずれかを指すものとする。
具体的には、例えば、アクリレートモノマー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。
本発明において、モノマーのホモポリマー(単独重合体)のガラス転移温度(Tg)は、動的粘弾性測定器(DMA)によって測定される。なお、ホモポリマーのガラス転移温度は、重合度に左右される場合があるが、重量平均分子量10,000以上のホモポリマーを作製して測定すれば、重合度による影響は無視できる。本発明では、重合度による影響が無視できるまで重合させた試料を用いて測定した値を、ガラス転移温度(Tg)とした。
<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>
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、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を含有する。
アクリレートモノマー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。
アクリレートモノマーAのホモポリマーのガラス転移温度は、25℃以上120℃以下であり、30℃以上100℃以下であることが好ましく、60℃以上100℃以下であることがより好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れ、また、サポート材除去時の故障発生を抑制できる。
また、アクリレートモノマーAは、単官能アクリレートモノマーであっても、多官能アクリレートモノマーであってもよいが、単官能アクリレートモノマーであることが好ましい。
更に、アクリレートモノマーAは、炭化水素環構造を有するアクリレートモノマーであることが好ましい。
アクリレートモノマーAとして、具体的には、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、シクロヘキシルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、t−ブチルアクリレート、t−ブチルメタクリレート、t−ブチルシクロヘキシルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、フェニルアクリレート、フェニルメタクリレート、ベンジルアクリレート、ベンジルメタクリレート、フェネチルアクリレート、フェネチルメタクリレート、ジシクロペンタニルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、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アクリレート、3,3,5−トリメチルシクロヘキシルメタクリレート、ジシクロペンテニルアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレートが挙げられる。
これらの中でも、アクリレートモノマーAとしては、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よりなる群から選ばれたモノマーを含むことが好ましく、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を含むことがより好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の引っ張り強度により優れ、また、サポート材除去時の故障発生を抑制できる。
アクリレートモノマーAは、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよい。
本発明のインク組成物の全量に対するアクリレートモノマーAの質量含有率は、1〜30質量%であることが好ましく、3〜25質量%であることがより好ましく、5〜20質量%であることが更に好ましく、10〜20質量%であることが特に好ましい。上記範囲であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れ、また、サポート材除去時の故障発生を抑制できる。
<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>
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、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を含有する。
アクリレートモノマー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。
アクリレートモノマーBのホモポリマーのガラス転移温度は、−60℃以上25℃未満であり、−30℃以上10℃以下であることが好ましく、−10℃以上10℃以下であることがより好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れ、また、成型性に優れる。
また、アクリレートモノマーBは、単官能アクリレートモノマーであっても、多官能アクリレートモノマーであってもよいが、単官能アクリレートモノマーであることが好ましい。
更に、アクリレートモノマー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アクリレートモノマーであることが好ましい。
アクリレートモノマーBとしては、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、及び、フェノキシエチルアクリレート化合物が好ましく挙げられる。
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−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。
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。
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。
また、アクリレートモノマーBとしては、テトラヒドロフルフリルアクリレートや、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))も好ましく挙げられる。
これらの中でも、アクリレートモノマーBとしては、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)エチルよりなる群から選ばれたモノマーを含むことが好ましく、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を含むことがより好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れ、また、成型性に優れる。
アクリレートモノマーBは、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよい。
本発明のインク組成物の全量に対するアクリレートモノマーBの質量含有率は、10〜90質量%であることが好ましく、30〜85質量%であることがより好ましく、40〜80質量%であることが更に好ましく、50〜75質量%であることが特に好ましい。上記範囲であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れ、また、成型性に優れる。
また、本発明のインク組成物の全量に対するアクリレートモノマーAの質量含有率MAとアクリレートモノマーBの質量含有率MBとは、MA<MBを満たす(MAがMBよりも小さい)ことが好ましく、2×MA<MBを満たす(MAを2倍した値がMBよりも小さい)ことがより好ましく、3×MA<MBを満たす(MAを3倍した値がMBよりも小さい)ことが更に好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れ、また、成型性に優れる。
更に、10×MA>MBを満たす(MAを10倍した値がMBよりも大きい)ことが好ましく、7×MA>MBを満たす(MAを7倍した値がMBよりも大きい)ことがより好ましく、5×MA>MBを満たす(MAを5倍した値がMBよりも大きい)ことが更に好ましい。
<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>
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、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を含有する。
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。
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。1官能アクリレートオリゴマーのみを含有すると、得られる3次元造形物の引っ張り強度に劣り、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、得られる3次元造形物の柔らかさに劣る。
アクリレートオリゴマーCの重量平均分子量(Mw)は、2,000以上20,000以下であり、5,000以上20,000以下であることが好ましく、10,000以上20,000以下であることがより好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れる。
アクリレートオリゴマーの重量平均分子量の測定方法としては、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析を実施し、測定する。
より詳細には、GPCの測定条件としては、東ソー(株)HLC−8220 GPCを使用し、カラムとしてTSK gel SuperAWM−Hを3本連結して使用し、N−メチルピロリドン(10mM LiBr)を溶媒とし、流速0.5mL/minにて測定する。また、試料の濃度は0.1質量%とし、注入量は60μL、測定温度は40℃とする。検出器には、RI検出装置(示差屈折計)を使用する。
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く、2〜80MPaであることがより好ましく、3〜50MPaであることが更に好ましく、10〜30MPaであることが特に好ましい。上記範囲であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れる。
本発明におけるアクリレートオリゴマーCの25℃におけるヤング率とは、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。
本発明における25℃におけるヤング率の測定方法は、以下の方法にて行う。
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んだ。
アクリレートオリゴマーCとしては、例えば、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計2つ有するMw2,000以上20,000以下のオリゴマーであれば、特に制限はなく、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)等を挙げることができる。
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が好ましく、ウレタンアクリレートオリゴマー、又は、ポリエステル鎖を有するウレタンアクリレートオリゴマーがより好ましく、ウレタンアクリレートオリゴマーが更に好ましい。
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、及び、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、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で上記条件に該当するものを用いることができる。
アクリレートオリゴマーCは、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよい。
本発明のインク組成物の全量に対するアクリレートオリゴマーCの質量含有率MCは、1質量%以上15質量%以下であることが好ましく、3質量%以上15質量%以下であることがより好ましく、5質量%以上15質量%以下であることが更に好ましい。上記範囲であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れる。
また、本発明の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質量含有率は、15質量%以下である。
本発明のインク組成物における2官能以上のアクリレート化合物のうち、アクリレートオリゴマーCの占める割合は、2官能以上のアクリレート化合物の全質量に対し、50質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが更に好ましく、95質量%以上であることが特に好ましい。上記範囲であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度がより優れる。
<アシルフォスフィンオキサイド化合物光重合開始剤>
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、アシルフォスフィンオキサイド化合物(以下、「特定光重合開始剤」ともいう。)を含有する。この特定光重合開始剤を含有すると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度に優れ、また、光重合開始剤の残留物や分解物等に由来する着色を少なくすることができる。
アシルフォスフィンオキサイド化合物は、モノアシルフォスフィンオキサイド化合物、ビスアシルフォスフィンオキサイド化合物のいずれであってもよいが、ビスアシルフォスフィンオキサイド化合物であることが好ましい。
また、本発明のインク組成物は、1種以上のアシルフォスフィンオキサイド化合物、及び、1種以上のα−ヒドロキシケトン化合物を含有することが好ましい。上記態様であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度がより優れる。
アシルフォスフィンオキサイド化合物としては、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、ビス(2,6−ジメチルベンゾイル)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)−2−メトキシフェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,6−ジメチルベンゾイル)−2−メトキシ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)−2,4−ジメトキシフェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,6−ジメチルベンゾイル)−2,4−ジメトキシ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)−2,4−ジペンチルオキシフェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,6−ジメチルベンゾイル)−2,4−ジペンチルオキシフェニルフォスフィンオキサイド、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エトキシ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エトキシ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メトキシ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メトキシ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(4−ペンチルオキシフェニル)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(4−ペンチルオキシフェニル)フェニルフォスフィンオキサイドが挙げられる。
α−ヒドロキシケトン化合物としては、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、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン等が挙げられる。
特定光重合開始剤は、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよい。
本発明のインク組成物の全量に対する光重合開始剤の質量含有率は、1〜20質量%であることが好ましく、2〜15質量%であることがより好ましく、5〜15質量%であることが更に好ましい。上記範囲であると、得られる3次元造形物の柔らかさ及び引っ張り強度により優れる。
本発明のインク組成物は、光重合開始剤として、特定の活性エネルギー線を吸収して重合開始剤の分解を促進させるため、増感剤として機能する化合物(以下、単に「増感剤」ともいう。)を含有してもよい。
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)、キサンテン類(例えば、フルオレッセイン、エオシン、エリスロシン、ローダミンB、ローズベンガル等)、シアニン類(例えば、チアカルボシアニン、オキサカルボシアニン等)、メロシアニン類(例えば、メロシアニン、カルボメロシアニン等)、チアジン類(例えば、チオニン、メチレンブルー、トルイジンブルー等)、アクリジン類(例えば、アクリジンオレンジ、クロロフラビン、アクリフラビン等)、アントラキノン類(例えば、アントラキノン等)、スクアリウム類(例えば、スクアリウム等)、クマリン類(例えば、7−ジエチルアミノ−4−メチルクマリン等)、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。
中でも、増感剤としては、チオキサントン類が好ましく、イソプロピルチオキサントンがより好ましい。
また、増感剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
インク組成物の全量に対する増感剤の質量含有率は、0.1〜5質量%であることが好ましく、0.5〜3質量%であることがより好ましい。上記範囲であると、硬化性及び硬化感度に優れる。
<着色剤>
本発明のインク組成物は、必要に応じて、着色剤を含有していてもよい。
ここで用いることのできる着色剤には、特に制限はなく、用途に応じて公知の種々の顔料、染料を適宜選択して用いることができる。中でも、着色剤としては特に耐光性に優れるとの観点から顔料であることが好ましい。
本発明に好ましく使用される顔料について述べる。
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及び無機顔料、また、樹脂粒子を染料で染色したもの等も用いることができる。更に、市販の顔料分散体や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、あるいは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。
これらの顔料としては、例えば、伊藤征司郎編「顔料の辞典」(2000年刊)、W.Herbst,K.Hunger「Industrial Organic Pigments」、特開2002−12607号公報、特開2002−188025号公報、特開2003−26978号公報、特開2003−342503号公報に記載の顔料が挙げられる。
本発明において使用できる有機顔料及び無機顔料の具体例としては、例えば、イエロー色を呈するものとして、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の如きモノアゾ顔料、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の如きジスアゾ顔料、C.I.ピグメントイエロー180の如き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)の如きアゾレーキ顔料、C.I.ピグメントイエロー95(縮合アゾイエローGR等)の如き縮合アゾ顔料、C.I.ピグメントイエロー115(キノリンイエローレーキ等)の如き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)の如き塩基性染料レーキ顔料、フラバントロンイエロー(Y−24)の如き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)の如きイソインドリノン顔料、キノフタロンイエロー(Y−138)の如きキノフタロン顔料、イソインドリンイエロー(Y−139)の如き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)の如きニトロソ顔料、C.I.ピグメントイエロー117(銅アゾメチンイエロー等)の如き金属錯塩アゾメチン顔料等が挙げられる。
赤あるいはマゼンタ色を呈するものとして、C.I.ピグメントレッド3(トルイジンレッド等)の如きモノアゾ系顔料、C.I.ピグメントレッド38(ピラゾロンレッドB等)の如きジスアゾ顔料、C.I.ピグメントレッド53:1(レーキレッドC等)やC.I.ピグメントレッド57:1(ブリリアントカーミン6B)の如きアゾレーキ顔料、C.I.ピグメントレッド144(縮合アゾレッドBR等)の如き縮合アゾ顔料、C.I.ピグメントレッド174(フロキシンBレーキ等)の如き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)の如き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)の如き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)の如きチオインジゴ顔料、C.I.ピグメントレッド194(ペリノンレッド等)の如きペリノン顔料、C.I.ピグメントレッド149(ペリレンスカーレット等)の如きペリレン顔料、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)の如きキナクリドン顔料、C.I.ピグメントレッド180(イソインドリノンレッド2BLT等)の如き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)の如きアリザリンレーキ顔料等が挙げられる。
青あるいはシアン色を呈する顔料として、C.I.ピグメントブルー25(ジアニシジンブルー等)の如きジスアゾ系顔料、C.I.ピグメントブルー15(フタロシアニンブルー等)の如き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)の如き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)の如き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)の如き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)の如きアルカリブルー顔料等が挙げられる。
緑色を呈する顔料として、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)の如き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)等の如きアゾ金属錯体顔料等が挙げられる。
オレンジ色を呈する顔料として、C.I.ピグメントオレンジ66(イソインドリンオレンジ)の如き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)の如きアントラキノン系顔料が挙げられる。
黒色を呈する顔料として、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。
白色顔料の具体例としては、塩基性炭酸鉛(2PbCO3Pb(OH)2、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(TiO2、いわゆる、チタンホワイト)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3、いわゆる、チタンストロンチウムホワイト)などが利用可能である。
ここで、酸化チタンは他の白色顔料と比べて比重が小さく、屈折率が大きく化学的、物理的にも安定であるため、顔料としての隠蔽力や着色力が大きく、更に、酸やアルカリ、その他の環境に対する耐久性にも優れている。したがって、白色顔料としては酸化チタンを利用することが好ましい。もちろん、必要に応じて他の白色顔料(列挙した白色顔料以外であってもよい。)を使用してもよい。
着色剤の分散には、例えばボールミル、サンドミル、アトライター、ロールミル、ジェットミル、ホモジナイザー、ペイントシェーカー、ニーダー、アジテータ、ヘンシェルミキサ、コロイドミル、超音波ホモジナイザー、パールミル、湿式ジェットミル等の分散装置を用いることができる。
着色剤の分散を行う際には、界面活性剤等の分散剤を添加することができる。
また、着色剤を添加するにあたっては、必要に応じて、分散助剤として、各種着色剤に応じたシナージストを用いることも可能である。分散助剤は、着色剤100質量部に対し、1〜50質量部添加することが好ましい。
着色剤は、インク組成物の調製に際して、各成分と共に直接添加してもよい。また、分散性向上のため、あらかじめ溶剤又はモノマーのような分散媒体に添加し、均一分散あるいは溶解させた後、配合することもできる。
着色剤などの諸成分の分散媒としては、溶剤を添加してもよく、また、無溶媒で、低分子量成分である上記重合性化合物を分散媒として用いてもよいが、インク組成物を活性光線の照射により硬化させるため、無溶剤であることが好ましい。これは、硬化されたインク組成物から形成された硬化インク層中に、溶剤が残留すると、耐溶剤性が劣化したり、残留する溶剤のVOC(Volatile Organic Compound)の問題が生じるためである。このような観点から、分散媒としては、モノマーを用い、中でも、最も粘度が低いモノマーを選択することが分散適性やインク組成物のハンドリング性向上の観点から好ましい。
ここで用いる着色剤の平均粒径は、微細なほど発色性に優れるため、0.01〜0.4μmであることが好ましく、0.02〜0.2μmであることがより好ましい。最大粒径は好ましくは3μm以下、より好ましくは1μm以下となるよう、着色剤、分散剤、分散媒の選定、分散条件、ろ過条件を設定する。この粒径管理によって、ヘッドノズルの詰まりを抑制し、インク組成物の保存安定性、透明性及び硬化感度を維持することができる。本発明においては分散性、安定性に優れた上記分散剤を用いることにより、粒子状の着色剤を用いた場合でも、均一で安定な分散物が得られる。
着色剤の粒径は、公知の測定方法で測定することができる。具体的には、遠心沈降光透過法、X線透過法、レーザー回折・散乱法、動的光散乱法により測定することができる。本発明においては、レーザー回折・散乱法を用いた測定により得られた値を採用する。
インクが着色剤を含有する場合、インク組成物の全量に対する着色剤の質量含有率は、色、及び、使用目的により適宜選択されるが、着色性及び保存安定性の観点から、0.01〜40質量%であることが好ましく、0.1〜30質量%であることが更に好ましく、0.2〜20質量%であることが特に好ましい。
<分散剤>
本発明のインク組成物は、分散剤を含有してもよい。特に顔料を使用する場合において、顔料をインク組成物中に安定に分散させるため、分散剤を含有することが好ましい。分散剤としては、高分子分散剤が好ましい。なお、本発明における「高分子分散剤」とは、重量平均分子量が1,000以上の分散剤を意味する。
高分子分散剤としては、DISPERBYK−101、DISPERBYK−102、DISPERBYK−103、DISPERBYK−106、DISPERBYK−111、DISPERBYK−161、DISPERBYK−162、DISPERBYK−163、DISPERBYK−164、DISPERBYK−166、DISPERBYK−167、DISPERBYK−168、DISPERBYK−170、DISPERBYK−171、DISPERBYK−174、DISPERBYK−182(BYKケミー社製);EFKA4010、EFKA4046、EFKA4080、EFKA5010、EFKA5207、EFKA5244、EFKA6745、EFKA6750、EFKA7414、EFKA745、EFKA7462、EFKA7500、EFKA7570、EFKA7575、EFKA7580(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、ディスパースエイド15、ディスパースエイド9100(サンノプコ(株)製);ソルスパース(SOLSPERSE)3000、5000、9000、12000、13240、13940、17000、22000、24000、26000、28000、32000、36000、39000、41000、71000などの各種ソルスパース分散剤(Noveon社製);アデカプルロニックL31、F38、L42、L44、L61、L64、F68、L72、P95、F77、P84、F87、P94、L101、P103、F108、L121、P−123((株)ADEKA製)、イオネットS−20(三洋化成工業(株)製);ディスパロン KS−860、873SN、874(高分子分散剤)、#2150(脂肪族多価カルボン酸)、#7004(ポリエーテルエステル型)(楠本化成(株)製)が挙げられる。
インク組成物の全量に対する分散剤の質量含有率は、使用目的により適宜選択されるが、0.05〜15質量%であることが好ましい。
<界面活性剤>
本発明のインク組成物は、長時間安定した吐出性を付与するため、界面活性剤を含有することが好ましい。
界面活性剤としては、特開昭62−173463号、同62−183457号の各公報に記載されたものが挙げられる。例えば、ジアルキルスルホコハク酸塩類、アルキルナフタレンスルホン酸塩類、脂肪酸塩類等のアニオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル類、アセチレングリコール類、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロックコポリマー類等のノニオン性界面活性剤、アルキルアミン塩類、第四級アンモニウム塩類等のカチオン性界面活性剤が挙げられる。また、上記界面活性剤としてフッ素系界面活性剤(例えば、有機フルオロ化合物等)やシリコーン系界面活性剤(例えば、ポリシロキサン化合物等)を用いてもよい。上記有機フルオロ化合物は、疎水性であることが好ましい。上記有機フルオロ化合物としては、例えば、フッ素系界面活性剤、オイル状フッ素系化合物(例、フッ素油)及び固体状フッ素化合物樹脂(例、四フッ化エチレン樹脂)が含まれ、特公昭57−9053号(第8〜17欄)、特開昭62−135826号の各公報に記載されたものが挙げられる。
上記ポリシロキサン化合物としては、ジメチルポリシロキサンのメチル基の一部に有機基を導入した変性ポリシロキサン化合物であることが好ましい。変性の例として、ポリエーテル変性、メチルスチレン変性、アルコール変性、アルキル変性、アラルキル変性、脂肪酸エステル変性、エポキシ変性、アミン変性、アミノ変性、メルカプト変性などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。これらの変性の方法は組み合わせて用いられてもかまわない。また、中でもポリエーテル変性ポリシロキサン化合物がインクジェットにおける吐出安定性改良の観点で好ましい。
ポリエーテル変性ポリシロキサン化合物の例としては、例えば、SILWET L−7604、SILWET L−7607N、SILWET FZ−2104、SILWET FZ−2161(日本ユニカー(株)製)、BYK306、BYK307、BYK331、BYK333、BYK347、BYK348等(BYK Chemie社製)、KF−351A、KF−352A、KF−353、KF−354L、KF−355A、KF−615A、KF−945、KF−640、KF−642、KF−643、KF−6020、X−22−6191、X−22−4515、KF−6011、KF−6012、KF−6015、KF−6017(信越化学工業(株)製)が挙げられる。
これらの中でも、界面活性剤としてはシリコーン系界面活性剤が好ましく挙げられ、ポリシロキサン系界面活性剤がより好ましく挙げられ、ポリジメチルシロキサン系界面活性剤が更に好ましく挙げられる。
本発明のインク組成物中における界面活性剤の含有量は使用目的により適宜選択されるが、インク組成物の全体の質量に対し、0.0001〜3質量%であることが好ましい。
<その他の成分>
本発明のインク組成物は、必要に応じて、上記各成分以外に、その他の成分を含有していてもよい。
その他の成分としては、例えば、重合禁止剤、特定光重合開始剤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。これらは、特開2009−185186号公報に記載されており、本発明においても使用できる。
また、本発明のインク組成物は、アクリレートモノマーA、アクリレートモノマーB及びアクリレートオリゴマーC以外のモノマーを含有していてもよい。
アクリレートモノマーA、アクリレートモノマーB及びアクリレートオリゴマーC以外のモノマーとしては、N−ビニル化合物、ビニルエーテル化合物、アクリレートモノマーA及びアクリレートモノマーBに該当しない単官能アクリレート化合物、アクリレートモノマーA及びアクリレートモノマーBに該当せず、かつ分子量又はMw2,000未満の2官能以上のアクリレート化合物等が挙げられる。
なお、アクリレートモノマーA、アクリレートモノマーB及びアクリレートオリゴマーC以外のモノマーを含有する場合、そのインク組成物全量に対する質量含有率は、アクリレートモノマーAの質量含有率、アクリレートモノマーBの質量含有率及びアクリレートオリゴマーCの質量含有率のいずれよりも少ないことが好ましい。
本発明のインク組成物は、保存性を高める観点から、重合禁止剤を含有することが好ましい。
インクジェット記録において、インク組成物は、40℃〜80℃の範囲で加熱、低粘度化して吐出することが好ましく、熱重合によるヘッド詰まりを防ぐために、重合禁止剤を添加することが好ましい。
重合禁止剤としては、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。
本発明に好ましく使用されるニトロソ系重合禁止剤の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。
ニトロソ系重合禁止剤の市販品として、FIRSTCURE ST−1(Chem First社製)、等が挙げられる。
ヒンダードアミン系重合禁止剤の市販品としてTINUVIN292、TINUVIN770DF、TINUVIN765、TINUVIN123が挙げられる。
中でも、重合禁止剤としては、クペロンAl(トリス(N−ニトロソ−N−フェニルヒドロキシルアミン)アルミニウム塩、FIRSTCURE ST−1)、メトキシヒドロキノン、及び、HO−TEMPO(4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシ)よりなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物が好ましい。
重合禁止剤は、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよい。
本発明のインク組成物の全量に対する重合禁止剤の質量含有率は、0.001〜1.5質量%が好ましく、0.01〜1.0質量%がより好ましく、0.05〜0.8質量%が更に好ましい。上記範囲であると、インク組成物の調製時、保管時の重合を抑制でき、インクジェットノズルの詰まりを防止できる。
<インク組成物の物性>
本発明のインク組成物の25℃における粘度は、20〜150mPa・sであることが好ましく、40〜100mPa・sであることがより好ましい。上記範囲であると、吐出性及び成型性に優れる。
なお、本発明におけるインク組成物等の粘度は、液温25℃に保持し、デジタル粘度計(DV-I Prime、ブルックフィールド社製)で測定した粘度である。
また、本発明のインク組成物の25℃における表面張力は、20〜40mN/mであることが好ましく、20〜30mN/mであることがより好ましい。上記範囲であると、吐出性及び成型性に優れる。
なお、本発明におけるインク組成物等の表面張力は、液温25℃に保持し、表面張力計(表面張力計CBVP−Z、協和界面科学(株)製)を用いて測定した値である。
(3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット)
本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット(以下、単に「インクセット」ともいう。)は、モデル材用インク組成物、並びに、サポート材用インク組成物、を有し、上記モデル材用インク組成物が、本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物である。
また、本発明のインクセットは、モデル材用インク組成物、並びに、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、を有し、上記サポート材用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質量含有率が、5質量%以下であり、上記モデル材用インク組成物が、本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物であることが好ましい。
本発明のインクセットにおけるモデル材用インク組成物の好ましい態様は、上述した本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物の好ましい態様と同様である。
また、本発明のインクジェットインクセットは、2種以上のモデル材用インク組成物や、2種以上のサポート材用インク組成物を有していてもよい。
また、本発明のインクジェットインクセットが2種以上のモデル材用インク組成物を有する場合、2種以上のモデル材用インク組成物は、いずれも本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物であることが好ましい。
なお、「モデル材」とは、硬化して、目的とする造形物となる材料をいう。「サポート材」とは、3D印刷工程においてモデル材の周囲や内部に印刷され、モデル材を支持(サポート)するものであって、造形が終了した後に除去される材料をいう。
−サポート材用インク組成物−
本発明のインクセットに用いられるサポート材用インク組成物は、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し、上記サポート材用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質量含有率が、5質量%以下であることが好ましい。
サポート材用インク組成物は、モノマーと光重合開始剤とを含有する活性光線硬化型のインクジェットインク組成物であることが好ましい。
上記サポート材用インク組成物は、3D印刷において、モデル材用インク組成物を吐出した位置の周囲に必要に応じて吐出されることにより、インク層を支持するサポート材として好適に用いられる。
本発明のインクセットに用いられるサポート材用インク組成物は、硬化して得られたサポート材が容易に除去できるものであることが好ましく、硬化して得られたサポート材が、水溶性の硬化物であるか、及び/又は、硬化したモデル材よりも硬度が小さく、かつ破砕可能な硬化物であることがより好ましい。
また、サポート材用インク組成物とモデル材用インク組成物とは、互いに相溶しない組成物であることが好ましい。上記態様であると、成型性に優れ、また、活性光線の照射によりこれら2種の組成物を同時に硬化することも可能になる。
本発明に用いられるサポート材用インク組成物は、サポート材用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質量含有率が、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、2官能以上のアクリレート化合物を含有しないことが特に好ましい。上記態様であると、得られるサポート材の除去性に優れ、また、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
<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>
本発明に用いられるサポート材用インク組成物は、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を含有することが好ましい。上記態様であると、得られるサポート材の除去性に優れ、また、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
また、本発明に用いられるサポート材用インク組成物におけるエチレン性不飽和化合物の全量に対する単官能アクリルアミド化合物及び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の質量含有率が、50質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが更に好ましく、95質量%以上であることが特に好ましく、100質量%、すなわち、サポート材用インク組成物におけるエチレン性不飽和化合物として、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のみを含有することが最も好ましい。上記態様であると、得られるサポート材の除去性に優れ、また、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
単官能アクリルアミド化合物としては、アクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、N−エチルアクリルアミド、N−プロピルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N−ブチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド、N−ヒドロキシプロピルアクリルアミド、N−ヒドロキシブチルアクリルアミド、アクリロイルモルフォリン、メタクリルアミド、N−メチルメタクリルアミド、N−エチルメタクリルアミド、N−プロピルメタクリルアミド、N−イソプロピルメタクリルアミド、N−ブチルメタクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、N,N−ジエチルメタクリルアミド、N−ヒドロキシエチルメタクリルアミド、N−ヒドロキシプロピルメタクリルアミド、N−ヒドロキシブチルメタクリルアミド及びメタクリロイルモルフォリン等が例示できる。
これらの中でも、単官能アクリルアミド化合物は、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルフォリン及びN,N−ジメチルアクリルアミドよりなる群から選ばれた化合物を含むことが好ましい。
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しては、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、メトキシポリエチ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、メトキシポリプロピ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/ポリプロピレングリコールブロックポリマーのモノアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、メトキシポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、メトキシポリプロピレングリコールモノメタクリレート、ポリエチレングリコール/ポリプロピレングリコールブロックポリマーのモノメタクリレート等が例示できる。
これらの中でも、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は、ポリエチレングリコールモノアクリレート,4−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート及び2−ヒドロキシプロピルアクリレートよりなる群から選ばれた化合物を含むことが好ましい。
単官能アクリルアミド化合物は、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよく、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は、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよく、単官能アクリルアミド化合物及び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を共に含有していてもよい。
サポート材用インク組成物の全量に対する単官能アクリルアミド化合物及び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の総質量含有率は、1〜95質量%であることが好ましく、3〜50質量%であることがより好ましく、5〜30質量%であることが更に好ましい。上記範囲であると、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
また、サポート材用インク組成物の全量に対する単官能アクリルアミド化合物及び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の総質量含有率は、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコールの質量含有率よりも少ないことが好ましい。
<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>
本発明に用いられるサポート材用インク組成物は、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を含有することが好ましく、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を2種以上含有することがより好ましく、ポリエチレングリコールを1種以上及びポリプロピレングリコールを1種以上含有することが更に好ましい。上記態様であると、得られるサポート材の除去性に優れ、また、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
また、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコールの数平均分子量Mnとしては、100〜5,000であることが好ましく、150〜3,000であることがより好ましい。上記態様であると、成型性に優れ、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
ポリエチレングリコールは、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよく、ポリプロピレングリコールは、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよく、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコールを共に含有していてもよい。
サポート材用インク組成物の全量に対するポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコールの総質量含有率は、10〜98質量%であることが好ましく、20〜95質量%であることがより好ましく、30〜90質量%であることが更に好ましく、40〜80質量%であることが特に好ましい。上記範囲であると、成型性に優れ、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
<光重合開始剤>
本発明のインクセットに用いられるサポート材用インク組成物は、光重合開始剤を含有することが好ましい。
光重合開始剤としては、光ラジカル重合開始剤であることが好ましい。
光重合開始剤としては、(a)芳香族ケトン類、(b)アシルフォスフィンオキサイド化合物、(c)芳香族オニウム塩化合物、(d)有機過酸化物、(e)チオ化合物、(f)ヘキサアリールビイミダゾール化合物、(g)ケトオキシムエステル化合物、(h)ボレート化合物、(i)アジニウム化合物、(j)メタロセン化合物、(k)活性エステル化合物、(l)炭素ハロゲン結合を有する化合物、及び(m)アルキルアミン化合物等が挙げられる。これらのラジカル重合開始剤は、上記(a)〜(m)の化合物を単独若しくは組み合わせて使用してもよい。上記重合開始剤の詳細については、例えば、特開2009−185186号公報の段落0090〜0116に記載されているものが例示できる。
光重合開始剤は、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
サポート材用インク組成物は、光重合開始剤を2種以上含有することが好ましく、3〜5種含有することがより好ましく、3種含有することが更に好ましい。
光重合開始剤としては、アシルフォスフィンオキサイド化合物、α−ヒドロキシケトン化合物及び/又はα−アミノケトン化合物が好ましく挙げられる。中でも、サポート材用インク組成物は、サポート材用インク組成物は、アシルフォスフィンオキサイド化合物及びα−ヒドロキシケトン化合物を含有することが特に好ましい。
アシルフォスフィンオキサイド化合物及びα−ヒドロキシケトン化合物としては、公知のものを用いることができ、例えば、特定光重合開始剤として上述したものが好ましく挙げられる。
α−アミノケトン化合物としては、公知のものを用いることができ、具体的には例えば、2−メチル−1−フェニル−2−モルフォリノプロパン−1−オン、2−メチル−1−[4−(ヘキシル)フェニル]−2−モルフォリノプロパン−1−オン、2−エチル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)ブタン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)ブタン−1−オン、2−メチル−1−(4−メチルチオフェニル)−2−モルフォリノプロパン−1−オン)、2−(ジメチルアミノ)−2−[(4−メチルフェニル)メチル]−1−[4−(4−モルフォリニル)フェニル]−1−ブタノン等が好ましく例示できる。
サポート材用インク組成物に用いられる光重合開始剤としては、水溶性の光重合開始剤を含むことが好ましい。
例えば、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−オンは、水溶性の光重合開始剤であり、好ましく例示できる。
サポート材用インク組成物の全量に対する光重合開始剤の質量含有率は、1〜20質量%であることが好ましく、2〜15質量%であることがより好ましく、5〜10質量%であることが更に好ましい。上記範囲であると、硬化性に優れ、得られたサポート材を除去する際における3次元造形物の故障の発生を抑制することができる。
<その他の成分>
本発明に用いられるサポート材用インク組成物は、必要に応じて、上記各成分以外に、その他の成分を含有していてもよい。
その他の成分としては、例えば、重合禁止剤、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、水、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。これらは、特開2009−185186号公報に記載されており、本発明においても使用できる。
また、サポート材用インク組成物は、単官能アクリルアミド化合物及び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以外のモノマーを含有していてもよい。
なお、単官能アクリルアミド化合物及び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以外のモノマーを含有する場合、そのサポート材用インク組成物の全量に対する質量含有率は、単官能アクリルアミド化合物及び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の総質量含有率よりも少ないことが好ましく、サポート材用インク組成物の全量に対し、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、含有しないことが特に好ましい。
本発明に用いられるサポート材用インク組成物は、保存性を高める観点から、重合禁止剤を含有することが好ましい。
重合禁止剤としては、上述したものが好ましく挙げられる。
重合禁止剤は、1種単独で含有しても、2種以上を含有してもよい。
サポート材用インク組成物の全量に対する重合禁止剤の質量含有率は、0.001〜1.5質量%が好ましく、0.01〜1.0質量%がより好ましく、0.05〜0.8質量%が更に好ましい。上記範囲であると、サポート材用インク組成物の調製時、保管時の重合を抑制でき、インクジェットノズルの詰まりを防止できる。
<サポート材用インク組成物の物性>
サポート材用インク組成物の25℃における粘度は、20〜150mPa・sであることが好ましく、40〜100mPa・sであることがより好ましい。上記範囲であると、吐出性及び成型性に優れる。
また、サポート材用インク組成物の25℃における表面張力は、20〜40mN/mであることが好ましく、25〜35mN/mであることがより好ましい。上記範囲であると、吐出性及び成型性に優れる。
本発明のインク組成物及び上記サポート材用インク組成物の製造方法は、特に制限はなく、公知の方法により各成分を混合し製造することができる。
(3次元造形方法)
本発明の3次元造形方法は、インク組成物を40℃〜80℃の範囲に加熱する加熱工程、加熱した上記インク組成物をインクジェットヘッドで吐出し、3次元造形物の断面情報に基づいて、インク層を形成する吐出工程、及び、上記インク層を活性光線で硬化させる硬化工程、を含み、上記吐出工程及び上記硬化工程を50回以上繰り返して行い、上記インク組成物として、本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物を少なくとも用いる方法である。
本発明の3次元造形方法における本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物の好ましい態様は、上述した本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物の好ましい態様と同様である。
また、本発明の3次元造形方法は、本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物をモデル材用インク組成物として用いることが好ましい。
本発明の3次元造形方法は、本発明の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物を1種単独で使用しても、2種以上使用してもよい。
また、本発明の3次元造形方法は、光造形法による3次元造形方法であることが好ましい。
また、本発明の3次元造形方法は、上記インク組成物として、本発明のインク組成物に加え、サポート材用インク組成物を更に使用してもよい。
本発明の3次元造形方法におけるサポート材用インク組成物の好ましい態様は、上述した本発明のインクセットにおけるサポート材用インク組成物の好ましい態様と同様である。
本発明の3次元造形方法は、公知のインクジェット吐出装置又はインクジェット吐出手段を用いることができ、これらであれば、いずれも、本発明の3次元造形方法の吐出工程におけるインク組成物の吐出を実施することができる。
<加熱工程>
本発明の3次元造形方法は、インク組成物を40℃〜80℃の範囲に加熱する加熱工程を含むことが好ましい。
インク組成物の加熱手段としては、特に制限はなく、公知の加熱手段を用いることができる。
加熱手段としては、後述する吐出工程に用いるインクジェット吐出装置に備えられた加熱手段が好適に挙げられる。一例としては、インク組成物供給タンクからインクジェットヘッド部分までの断熱及び加温を行う加熱手段が挙げられる。
温度コントロールの方法としては、特に制限はないが、例えば、温度センサーを各配管部位に複数設け、インク組成物の流量、環境温度に応じた加熱制御をすることが好ましい。温度センサーは、インク組成物供給タンク及びインクジェットヘッドのノズル付近に設けることができる。また、加熱するヘッドユニットは、装置本体を外気からの温度の影響を受けないよう、熱的に遮断又は断熱することが好ましい。加熱を要するインクジェット吐出装置の立上げ時間を短縮するため、あるいは、熱エネルギーのロスを低減するために、他部位との断熱を行うと共に、加熱ユニット全体の熱容量を小さくすることが好ましい。
また、活性光線硬化型インクジェットインク組成物は、概して通常インクジェット吐出において使用される水性インク組成物より粘度が高いため、吐出時の温度変動による粘度変動が大きい。インク組成物の粘度変動は、液滴サイズの変化及び液滴吐出速度の変化に対して大きな影響を与え、ひいては画質劣化を引き起こす場合があるため、吐出時のインク組成物の温度はできるだけ一定に保つことが好ましい。よって、本発明において、インク組成物の温度の制御幅は、好ましくは設定温度の±5℃、より好ましくは設定温度の±2℃、更に好ましくは設定温度±1℃とすることが適当である。
また、本発明の3次元造形方法においては、上記加熱工程を複数回行ってもよいし、上記加熱手段を1回行い、そのままインク組成物を40℃〜80℃の範囲で保温してもよい。
本発明の3次元造形方法においては、後述する吐出工程において、インクジェットヘッドで吐出する際のインク組成物の温度が40℃〜80℃であることが好ましいため、40℃〜80℃の範囲にインク組成物が保たれるように、加熱工程を再度行ったり、保温したりすることが好ましい。
<吐出工程>
本発明の3次元造形方法は、上記加熱工程により加熱した上記インク組成物をインクジェットヘッドで吐出し、3次元造形物の断面情報に基づいて、インク層を形成する吐出工程を含むことが好ましい。
吐出工程に用いる3次元造形物の断面情報は、特に制限はなく、所望の3次元造形物の3次元形状に応じた断面データを、使用する装置にあわせた任意の形式で作成すればよい。3次元造形物の断面情報の生成方法としては、例えば、造形すべき物体の三次元CADデータを用い、上記CADデータを三次元造形用のデータとして、例えば、三次元STL(Stereo Lithography)データに変換し、更に、この三次元STLデータから、任意の一方向(例えば、高さ方向)にインク層1層分の厚みに相当するピッチ(層厚)でスライスした各断面体(層)のデータを生成する方法が挙げられる。上記ピッチは、使用するインク組成物や、所望の精度等に応じて、適宜決定することができる。また、上記各断面体(層)のデータは、必要に応じて、各部分の色の情報(彩色データ)を有していてもよい。
更に、三次元形状入力装置で計測された三次元着色形状のデータ及びテクスチャを利用することも可能である。
また、吐出工程において、本発明のインク組成物等のモデル材用インク組成物だけでなく、サポート材用インク組成物を用いる場合、上記「3次元造形物の断面情報」とは、3次元造形物自体の断面情報だけでなく、3次元造形物を形成する際に設けるサポート材の断面情報も含まれることは言うまでもない。
吐出工程には、上述したように、公知のインクジェット吐出装置又はインクジェット吐出手段を用いて、インク組成物をインクジェットヘッドで吐出し、インク層を形成することができる。
上記インク層を形成するインク組成物は、少なくとも本発明のインク組成物を含んでいればよく、例えば、カラー3次元造形物を形成するためには、2種以上の本発明のインク組成物を用いることが好ましく、また、必要に応じて、本発明のインク組成物以外にサポート材用インク組成物を用いることが好ましい。
サポート材用インク組成物により形成するインク層は、任意の形状で形成すればよい。例えば、3次元造形物を形成する際において必要最低限のサポート材が形成されるように、サポート材用インク組成物によるインク層を形成してもよいし、また、3次元造形物の周囲や内部に十分なサポート材が形成されるように、大きくマージンをとってサポート材用インク組成物によるインク層を形成してもよい。
また、所望の形状の3次元造形物の形成に、サポート材が不要であれば、サポート材用インク組成物を用いなくともよい。
吐出工程におけるインク層の厚さは、特に制限はなく、上述したように、使用するインク組成物や、所望の精度等に応じて決定すればよいが、0.1〜200μmであることが好ましく、1〜150μmであることがより好ましく、10〜100μmであることが更に好ましい。
吐出工程におけるインクジェットヘットによるインク組成物の吐出の解像度は、特に制限はなく、所望の3次元造形物の精度や、3次元造形物の断面情報の精度に応じて、適宜選択することができる。
本発明の3次元造形方法における最初の吐出工程において形成するインク層は、使用する3次元造形装置の基盤や造形テーブル上に直接形成してもよいし、別途準備した任意の基板、支持体又は物品上に形成してもよいし、上記吐出工程以外の方法で設けたサポート材用インク組成物を1層又は複数層の上に形成してもよい。
本発明の3次元造形方法における2回目以降の吐出工程において形成するインク層は、既に形成されたインク層上に形成することが好ましい。
<硬化工程>
本発明の3次元造形方法は、上記吐出工程により形成したインク層を活性光線で硬化させる硬化工程を含むことが好ましい。
硬化工程において用いることができる活性光線は、α線、γ線、電子線、X線、紫外線、可視光又は赤外光などが挙げられる。活性光線のピーク波長は、光重合開始剤や増感剤の吸収特性にもよるが、例えば、200〜600nmであることが好ましく、300〜450nmであることがより好ましく、320〜420nmであることが更に好ましく、活性光線が、ピーク波長340〜400nmの範囲の紫外線であることが特に好ましい。
硬化工程における活性光線の露光面照度は、10〜4,000mW/cm2であることが好ましく、20〜2,500mW/cm2であることがより好ましい。
活性光線源としては、水銀ランプやガス・固体レーザー等が主に利用されており、紫外線硬化型インクジェットインク組成物の硬化に使用される光源としては、水銀ランプ、メタルハライドランプが広く知られている。しかしながら、現在環境保護の観点から水銀フリー化が強く望まれており、GaN系半導体紫外発光デバイスへの置き換えは産業的、環境的にも非常に有用である。更に、LED(UV−LED)、LD(UV−LD)は小型、高寿命、高効率、低コストであり、光硬化型インクジェット用光源として期待されている。
また、発光ダイオード(LED)及びレーザーダイオード(LD)を活性光線源として用いることが可能である。特に、紫外線源を要する場合、紫外LED及び紫外LDを使用することができる。例えば、日亜化学(株)は、主放出スペクトルが365nmと420nmとの間の波長を有する紫色LEDを上市している。更に一層短い波長が必要とされる場合、米国特許第6,084,250号明細書は、300nmと370nmとの間に中心付けされた活性光線を放出し得るLEDを開示している。また、他の紫外LEDも、入手可能であり、異なる紫外線帯域の放射を照射することができる。本発明で特に好ましい活性光線源はUV−LEDであり、特に好ましくは340〜400nmにピーク波長を有するUV−LEDである。
なお、LEDの上記インク層上での最高照度は、10〜2,000mW/cm2であることが好ましく、20〜1,000mW/cm2であることがより好ましく、50〜800mW/cm2であることが特に好ましい。
インク層は、活性光線に、好ましくは0.01〜120秒、より好ましくは0.1〜90秒照射されることが適当である。
本発明の3次元造形方法は、上記吐出工程及び上記硬化工程を50回以上繰り返して行う。上記吐出工程及び上記硬化工程の1セットを繰り返すことにより、3次元造形物が、断面情報に基づき1層ずつ形成されていき、本発明の3次元造形方法においては50層以上形成される。繰り返し回数が50回以上であれば、本発明における柔らかさの効果が十分に得られる。本発明における柔らかさの効果をより発揮する観点から、成型物の厚さが1mm以上であることが好ましく、1cm以上であることがより好ましい。そのため、本発明の3次元造形方法は、前記吐出工程及び前記硬化工程を100回以上繰り返して行うことが好ましく、300回以上繰り返して行うことがより好ましい。
また、上記吐出工程及び上記硬化工程を繰り返す間に、必要に応じて、上記加熱工程を再度行ってもよい。
また、必要に応じ、上記吐出工程と上記硬化工程との間に、インク層の表面をローラ等により平滑化する平滑化工程を含んでいてもよい。
インク組成物としてサポート材用インク組成物を併用した場合、本発明の3次元造形方法は、得られた3次元造形物からサポート材用インク組成物が硬化したサポート材を除去する除去工程を含む。
サポート材の除去方法としては、特に制限はなく、粉砕等により物理的に除去してもよいし、溶解等により化学的に除去してもよい。
例えば、サポート材がモデル材と比較して硬度が小さく、かつ破砕可能な硬化物であれば、粉砕等により物理的に除去することが好ましい。また、サポート材が水溶性の硬化物である場合は、水性液に接触させ除去することが好ましい。
本発明の3次元造形方法は、必要に応じて、その他公知の工程を含んでいてもよい。
また、本発明の3次元造形方法は、必要に応じて、得られた三次元造形物に対して掃除、熱処理、樹脂又はワックス浸透、研磨などの後処理工程を行ってもよい。上記掃除は、上記三次元造形物をブローやブラシ掛けをして隙間に残されたサポート材の残渣等を取り除くことが挙げられる。上記熱処理は、3次元造形物の強度及び耐久性を増加させるため、使用したモデル材用インク組成物の組成等に応じ行うことができる。上記ワックス浸透は、間隙率を低下させ、上記3次元造形物を耐水性にし、より研磨仕上げをしやすくすることができ、また、表面光沢性を改良することができる。上記研磨仕上げは、表面平滑性を改良し、肌ざわりや光沢性等を改良することができる。
また、本発明の3次元造形方法は、必要に応じて、得られた3次元造形物の表面を着色する工程を含んでいてもよい。
以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
なお、以下において特に断らない限り、「部」は「質量部」を表し、「%」は「質量%」を表す。
また、以下におけるモノマーのTgは、モノマーのホモポリマーにおけるガラス転移温度である。
<顔料分散物の作製>
下記表1に記載の組成のうち顔料以外を混合し、SILVERSON社製ミキサーで撹拌し(10〜15分、2,000〜3,000回転/分)、均一な透明液(分散剤希釈液)を得た。この透明液(分散剤希釈液)に顔料を加え、更にミキサーで撹拌し(10〜20分、2,000〜3,000回転/分)、均一な予備分散液を500部得た。その後、ディスパーマット社製の循環型ビーズミル装置(SL−012C1)を用いて分散処理を実施した。分散条件は直径0.65mmのジルコニアビーズを200部充填し、周速を15m/sとした。分散時間は1〜6時間とした。
表1に記載の各化合物及び略称の詳細は、以下の通りである。
PB15:4(C.I.ピグメントブルー15:4、シアン顔料、HELIOGEN BLUE D 7110 F、BASF社製)
混結キナクリドン(キナクリドン系混晶顔料、マゼンタ顔料、CINQUASIA MAGENTA L 4540、BASF社製)
PY155(C.I.ピグメントイエロー155、イエロー顔料、INK JET YELLOW 4GC、Clariant社製)
TiO(酸化チタン、白色顔料、KRONOS 2300、KRONOS社製)
SOl32000(分散剤、SOLSPERSE 32000、Lubrizol社製)
SOl41000(分散剤、SOLSPERSE 41000、Lubrizol社製)
UV12(重合禁止剤、FLORSTAB UV−12、Kromachem社製)
PEA(2−フェノキシエチルアクリレート、Tg:5℃、分子量:192、SR339C、Sartomer社製)
<サポート材用インク組成物の作製>
下記表2に記載の組成を混合し、SILVERSON社製ミキサーで撹拌し(10〜15分、2,000〜3,000回転/分)、均一な透明液(分散剤希釈液)を得た。これを、実施例及び比較例のサポート材用インク組成物(サポート材)として用いた。
表2に記載の各成分欄の数値の単位は、質量部である。
表2に記載の各化合物及び略称の詳細を以下に示す。
アクリロイルモルフォリン(ACMO、RAHN社製)
ポリエチレングリコールモノアクリレート(数平均分子量(Mn):336、BOSOMERTM MPEG 350 MA、Laporte社製)
IBOA(イソボルニルアクリレート、Tg:94℃、分子量:208、SR506D、Sartomer社製)
HDDA(1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、Tg:43℃、分子量:226、SR238、Sartomer社製)
ポリエチレングリコール(Mn=200)(Mn=200、東京化成工業(株)製)
ポリエチレングリコール(Mn=400)(Mn=400、東京化成工業(株)製)
ポリプロピレングリコール(Mn=2,000、東京化成工業(株)製)
Irgacure2959(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、光重合開始剤、BASF社製)
Irgacure184(1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、光重合開始剤、BASF社製)
TPO(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、光重合開始剤、LUCIRIN TPO、BASF社製)
OH−TEMPO(4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル フリーラジカル、重合禁止剤、(株)ADEKA製)
<モデル材用インク組成物(モデル材)の作製>
下記表3〜表8に記載の組成を混合し、SILVERSON社製ミキサーで撹拌し(10〜15分、2,000〜3,000回転/分)、均一な透明液(分散剤希釈液)を得た。これを、実施例及び比較例のモデル材用インク組成物(モデル材)として用いた。
(実施例1〜18、及び、比較例1〜14)
サポート材1、及び、モデル材(インク1〜32)を市販3DプリンターObjet260Connex(ストラタシス社製)に充填し、下記に記載の方法でそれぞれのインクによる試料を成型して、成型性、収縮率、柔らかさ、強度、及び、サポート材除去による故障発生率についてそれぞれ評価した。試料作成にあたっては、70℃に加熱したモデル材およびサポート材1をインクジェットヘッドで吐出して、3次元造形物の断面情報に基づいたインク層を形成し、そのインク層を活性光線で硬化させることを300回以上繰り返した。
<成型性評価>
一片の長さが3cmの立方体を作製し、得られた立方体の各面の頂点の角度を測定して、以下の評価基準により評価した。立方体の作製において、インク層の周囲に存在するサポート材は、ナイフを用いて取り除いた。
優秀5:頂点の角度がいずれも90±0.5度未満
良好4:90度からの最も大きい誤差が、0.5度以上1度未満
許容3:90度からの最も大きい誤差が、1度以上1.5度未満
不良2:90度からの最も大きい誤差が、1.5度以上2.0度未満
きわめて不良1:90度からの最も大きい誤差が、2.0度以上
<収縮率評価>
モデル材液体の密度と成型物の密度との差(密度差)を算出して、以下の評価基準で評価した。モデル材液体、及び、成型物の密度は、乾式自動密度計(アキュピックII 1340シリーズ、(株)島津製作所製)を用いて測定した。液体の密度は約1gの液体サンプルにて、成型物の密度は1辺が8mmの立方体に成型したサンプルにて、測定した。立方体の作製において、インク層の周囲に存在するサポート材は、ナイフを用いて取り除いた。
優秀5:密度差が3%未満
良好4:密度差が3%以上6%未満
許容3:密度差が6%以上9%未満
不良2:密度差が9%以上12%未満
きわめて不良1:密度差が12%以上
<柔らかさ評価>
一片の長さが3cmの立方体を作製し、得られた立方体の柔らかさをデュロメーター(GS−779Gテックロック社)を用いてデュロメータ硬さ(タイプA)で測定し、その測定値により以下の評価基準で評価した。立方体の作製において、インク層の周囲に存在するサポート材は、ナイフを用いて取り除いた。なお、上記柔らかさの測定は、一辺が3cmの立方体を水平な台に置き、積層した上面からデュロメータを押さえつけて測定した。
優秀5:0以上30未満
良好4:30以上50未満
許容3:50以上70未満
不良2:70以上90未満
きわめて不良1:90以上
<強度評価>
2mm×10mm×80mmの板状サンプルを作製し、得られた板状サンプルを用いて、引っ張り試験(オートグラフAGS−X 5KN SHIMAZU社製)を行い、引っ張り強度を測定し、以下の基準で評価した。板状サンプルの作製において、インク層の周囲に存在するサポート材は、ナイフを用いて取り除いた。なお、板状サンプルは、長さの長い方向が台に水平になるように形成した。また、試験では、2mm×10mm×80mmの短冊を長軸方向にひっぱり、上下約10mm部分をクランプで掴んだ。
優秀5:引っ張り強度が30N以上
良好4:密度差が25N以上30N未満
許容3:密度差が20N以上25N未満
不良2:密度差が15N以上20N未満
きわめて不良1:密度差が15N未満
<サポート材除去による故障発生率評価>
内径10mm、外径11mm、厚み1mm、長さ5cmの管状サンプルを造形し、Objet260Connex備え付けのサポート材除去の水噴射システムでサポート材を除去し、得られた管におけるちぎれなどの故障発生率を調べた。
なお、管状サンプルは、長さの長い方向が台に水平になるように形成した。また、サポート材の除去は、全方位から水を噴射して、サポート材が除去されるまで継続した。平均10分程度の時間を要した。
優秀5:10回の造形で故障は0回
良好4:10回の造形で故障は1回
許容3:10回の造形で故障は2回
不良2:10回の造形で故障は3回
きわめて不良1:10回の造形で故障は4回以上
上述した以外の、表3〜表8に記載の各化合物及び略称の詳細は、以下の通りである。
TMCHA(3,3,5−トリメチルシクロヘキシルアクリレート、Tg:27℃、分子量:195、SR420、Sartomer社製)
DCPA(ジシクロペンタニルアクリレート、Tg:120℃、分子量:204.3、FA513AS、日立化成工業(株)製)
TCDDMDA(トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、Tg:187℃、分子量:304、SR833S、Sartomer社製)
TMPTA(トリメチロールプロパントリアクリレート、Tg:62℃、分子量:296、SR351、Sartomer社製)
IDA(イソデシルアクリレート、Tg:−60℃、分子量:212、SR395、Sartomer社製)
DEG EA(ジエチレングリコールモノブチルエーテルアクリレート、Tg:−74℃、分子量:216、CD278、Sartomer社製)
C18 alkyl acrylate(ステアリルアクリレート、Tg:9℃、分子量:324、SR586、Sartomer社製)
ADA(1−アダマンチルアクリレート、Tg:153℃、分子量:206.3、大阪有機化学工業(株)製)
CN704(2官能ポリエステルアクリレートオリゴマー、Mw:5,000、ヤング率:2MPa、Sartomer社製)
CN962(2官能ポリエステルアクリレートオリゴマー、Mw:5,550、ヤング率:14MPa、Sartomer社製)
CN996(2官能ウレタンアクリレートオリゴマー、Mw:2,850、ヤング率:21MPa、Sartomer社製)
CN965(ポリエステル構造を有する2官能ウレタンアクリレートオリゴマー、Mw:5,600、ヤング率:78MPa、Sartomer社製)
CN2505(4官能ポリエステルアクリレートオリゴマー、Mw:1,500、ヤング率:152MPa、Sartomer社製)
CN991(ポリエステル構造を有する2官能ウレタンアクリレートオリゴマー、Mw:1,500、ヤング率:13MPa、Sartomer社製)
CN710(単官能ポリエステルアクリレートオリゴマー、Mw:5,000、ヤング率:0.2MPa、Sartomer社製)
CN989(3官能ウレタンアクリレートオリゴマー、Mw:4,000、ヤング率:1,360MPa、Sartomer社製)
UV3000B(2官能ウレタンアクリレートオリゴマー、Mw:18,000、ヤング率:4MPa、紫光UV−3000B、日本合成化学工業(株)製)
UV3700B(2官能ウレタンアクリレートオリゴマー、Mw:38,000、ヤング率:0.5MPa、紫光UV−3700B、日本合成化学工業(株)製)
Irg184(1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、光重合開始剤、Irgacure184、BASF社製)
Irg819(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、光重合開始剤、Irgacure819、BASF社製)
BYK307(ポリジメチルシロキサン系界面活性剤、BYK−307、BYK Chemie社製)
UV1(重合禁止剤、FLORSTAB UV−1、Kromachem社製)
Irg2959(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、光重合開始剤、Irgacure2959、BASF社製)
Irg907(2−[4−(メチルチオ)ベンゾイル]−2−(4−モルフォリニル)プロパン、α−アミノケトン化合物、光重合開始剤、Irgacure907、BASF社製)
TPO(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、光重合開始剤、LUCIRIN TPO、BASF社製)
PEG400DA(ポリエチレングリコールジアクリレート、2官能、Tg:39℃、分子量:508、SR334、Sartomer社製)
(実施例19〜22)
表9に記載のサポート材2〜5、及び、モデル材(インク1)を市販3DプリンターObjet260Connex(ストラタシス社製)に充填し、サポート材除去による故障発生率を評価した。評価結果をまとめて表9に示す。

Claims (12)

  1. 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、並びに、
    α−ヒドロキシケトン化合物及びアシルフォスフィンオキサイド化合物よりなる群から選択された光重合開始剤、を含有し
    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質量含有率が、1質量%以上15質量%以下であり、かつ、
    インク組成物の全量に対するアクリレートオリゴマーCの質量含有率MCが、1質量%以上15質量%以下であることを特徴とする
    3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  2. アクリレートモノマーAが、単官能アクリレート化合物である、請求項1に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  3. アクリレートモノマーBが、単官能アクリレート化合物である、請求項1又は2に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  4. 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、請求項1〜3のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  5. インク組成物の全量に対するアクリレートモノマーAの質量含有率MAとアクリレートモノマーBの質量含有率MBとが、MA<MBを満たす、請求項1〜4のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  6. 前記光重合開始剤が、1種以上のα−ヒドロキシケトン化合物、及び、1種以上のアシルフォスフィンオキサイド化合物を含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  7. アクリレートモノマー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よりなる群から選ばれたモノマーを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  8. アクリレートモノマー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)エチルよりなる群から選ばれたモノマーを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  9. インク組成物の全量に対するアクリレートモノマーBの質量含有率が、50〜75質量%であり、
    インク組成物の全量に対するアクリレートモノマーAの質量含有率MAとアクリレートモノマーBの質量含有率MBとが、3MA<MB<10MAを満たす請求項1〜8のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物。
  10. インク組成物を40℃〜80℃の範囲に加熱する加熱工程、
    加熱した前記インク組成物をインクジェットヘッドで吐出し、3次元造形物の断面情報に基づいて、インク層を形成する吐出工程、及び、
    前記インク層を活性光線で硬化させる硬化工程、を含み、
    前記吐出工程及び前記硬化工程を50回以上繰り返して行い、
    前記インク組成物として、請求項1〜のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物を少なくとも用いる、
    3次元造形方法。
  11. モデル材用インク組成物、並びに、
    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、を有し、
    前記サポート材用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質量含有率が、5質量%以下であり、
    前記モデル材用インク組成物が、請求項1〜のいずれか1項に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインク組成物である、
    3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット。
  12. 前記サポート材用インク組成物に含まれる単官能アクリルアミド化合物が、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルフォリン及びN,N−ジメチルアクリルアミドよりなる群から選ばれた1種以上の化合物を含み、かつ、
    前記サポート材用インク組成物に含まれるヒドロキシ基を有する単官能アクリレート化合物が、ポリエチレングリコールモノアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート及び2−ヒドロキシプロピルアクリレートよりなる群から選ばれた1種以上の化合物を含む、請求項11に記載の3D印刷用活性光線硬化型インクジェットインクセット。
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