JP6458346B2 - 三次元造形物製造装置および三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の三次元造形物製造装置は、粒体を含むペースト状の組成物を用いて、層を積層することにより、三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、
前記組成物が付与され、前記層が形成されるステージと、
前記組成物を、前記ステージ上の造形領域に直接供給するディスペンサーと、
前記ディスペンサーにより供給された前記組成物を平坦化する平坦化手段とを備えており、
前記平坦化手段は、前記ディスペンサーの吐出部の外周に、回動可能に設置されたものであることを特徴とする。
前記平坦化手段は、前記ディスペンサーの相対的な移動方向の前後方向に設けられたものであることが好ましい。
これにより、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。
三次元造形物製造装置は、前記組成物が供給される空間の雰囲気を、前記溶剤の構成成分を含むものに調整する雰囲気調整手段を備えたものであることが好ましい。
三次元造形物製造装置は、紫外線照射手段を備えていることが好ましい。
前記層形成工程は、ディスペンサーを用いて、前記組成物をステージ上の造形領域に直接供給することにより行うものであるとともに、前記組成物を前記造形領域に付与した後に、平坦化手段を用いて前記組成物を平坦化することにより行うものであり、
前記平坦化手段は、前記ディスペンサーの吐出部の外周に、回動可能に設置されたものであることを特徴とする。
前記層形成工程は、前記溶剤の構成成分を含む雰囲気下で行うものであることが好ましい。
まず、本発明の三次元造形物の製造方法について説明する。
≪層形成工程≫
層形成工程では、粒体111を含むペースト状の組成物(三次元造形用組成物)11を用いて、所定の厚さを有する層1を形成する(1a、1d)。
なお、組成物11については、後に詳述する。
また、図示の構成では、複数のディスペンサー31を用いている。
層形成工程で層1を形成した後、インクジェット法により、当該層1に対し、層1を構成する粒体111を結合するための結着液12を付与する(1b、1e)。
なお、結着液12については、後に詳述する。
結着液付与工程で層1に結着液12を付与した後、層1に付与された結着液12に含まれる結合剤121を硬化させ、硬化部(結合部)13を形成する(1c、1f)。これにより、結合剤121と粒体111との結合強度を特に優れたものとすることができ、その結果、最終的に得られる三次元造形物10の機械的強度を特に優れたものとすることができる。
そして、前記のような一連の工程を繰り返し行った後に、後処理工程として、各層1を構成する粒体111のうち、結合剤121により結合していないもの(未結合粒子)を除去する未結合粒子除去工程(1h)を行う。これにより、三次元造形物10が取り出される。
次に、本発明の三次元造形物製造装置について説明する。
コンピューター21は、内部にCPUやメモリ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21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(スライスデータ)を駆動制御部22に対して出力する。
ブレードのY方向の長さは、造形領域の幅(Y方向の長さ)以上のものである。
このような結着液付与手段5を備えることにより、三次元造形物10の機械的強度を容易かつ確実に優れたものとすることができる。
図7は、本発明の第2実施形態の三次元造形物製造装置が備えるディスペンサーと平坦化手段との位置関係を模式的に示す断面図である。以下の説明では、前述した実施形態との相違点について中心的に説明し、同様の事項についての説明は省略する。
図8は、本発明の第3実施形態の三次元造形物製造装置が備えるディスペンサーと平坦化手段との位置関係を模式的に示す断面図である。以下の説明では、前述した実施形態との相違点について中心的に説明し、同様の事項についての説明は省略する。
次に、本発明の三次元造形物の製造に用いる組成物(三次元造形用組成物)11について詳細に説明する。
三次元造形用粉末を構成する粒体111は、多孔質で、かつ、疎水化処理が施されたものであるのが好ましい。このような構成であることにより、結着液12が疎水性の結合剤121を含むものである場合に、三次元造形物10を製造する際に、疎水性の結合剤121を空孔1111内に好適に侵入させることができ、アンカー効果が発揮され、その結果、粒体111同士の結合の結合力(結合剤121を介した結合力)を優れたものとすることができ、結果として、機械的強度に優れた三次元造形物10を好適に製造することができる(図10参照)。また、このような三次元造形用粉末は、好適に再利用することができる。より詳しく説明すると、三次元造形用粉末を構成する粒体111が、疎水化処理が施されたものであると、後に詳述する水溶性樹脂112が空孔1111内に入り込むことが防止されているため、三次元造形物10の製造において、結着液12が付与されなかった領域の粒体111は、水等で洗浄することにより、不純物の含有率が低く、高い純度で回収することができる。このため、再度、回収した三次元造形用粉末を、所定の割合で、水溶性樹脂112等と混合することにより、確実に所望の組成に制御された三次元造形用組成物を得ることができる。また、結着液12を構成する結合剤121が、粒体111の空孔1111内に入り込むことにより、結着液12の不本意な濡れ広がりを効果的に防止することができる。その結果、最終的に得られる三次元造形物10の寸法精度をより高いものとすることができる。
メチルトリ−t−ブチロキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリ−n−プロポキシシラン、エチルイソプロポキシシラン、エチル−n−ブチロキシシラン、エチルトリ−sec−ブチロキシシラン、エチルトリ−t−ブチロキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、n−ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、n−オクチルトリメトキシシラン、n−ドデシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、n−ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、n−オクチルトリエトキシシラン、n−ドデシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリエトキシシラン、2−〔2−(トリクロロシリル)エチル〕ピリジン、4−〔2−(トリクロロシリル)エチル〕ピリジン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、1,3−(トリクロロシリルメチル)ヘプタコサン、ジベンジルジメトキシシラン、ジベンジルジエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルジメチルメトキシシラン、フェニルジメトキシシラン、フェニルジエトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン、フェニルジメチルエトキシシラン、ベンジルトリエトキシシラン、ベンジルトリメトキシシラン、ベンジルメチルジメトキシシラン、ベンジルジメチルメトキシシラン、ベンジルジメトキシシラン、ベンジルジエトキシシラン、ベンジルメチルジエトキシシラン、ベンジルジメチルエトキシシラン、ベンジルトリエトキシシラン、ジベンジルジメトキシシラン、ジベンジルジエトキシシラン、3−アセトキシプロピルトリメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、アリルトリエトキシシラン、4−アミノブチルトリエトキシシラン、(アミノエチルアミノメチル)フェネチルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、6−(アミノヘキシルアミノプロピル)トリメトキシシラン、p−アミノフェニルトリメトキシシラン、p−アミノフェニルエトキシシラン、m−アミノフェニルトリメトキシシラン、m−アミノフェニルエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシシラン、ω−アミノウンデシルトリメトキシシラン、アミルトリエトキシシラン、ベンゾオキサシレピンジメチルエステル、5−(ビシクロヘプテニル)トリエトキシシラン、ビス(2−ヒドロキシエチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、8−ブロモオクチルトリメトキシシラン、ブロモフェニルトリメトキシシラン、3−ブロモプロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、2−クロロメチルトリエトキシシラン、クロロメチルメチルジエトキシシラン、クロロメチルメチルジイソプロポキシラン、p−(クロロメチル)フェニルトリメトキシシラン、クロロメチルトリエトキシシラン、クロロフェニルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルメチルジメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、2−(4−クロロスルフォニルフェニル)エチルトリメトキシシラン、2−シアノエチルトリエトキシシラン、2−シアノエチルトリメトキシシラン、シアノメチルフェネチルトリエトキシシラン、3−シアノプロピルトリエトキシシラン、2−(3−シクロヘキセニル)エチルトリメトキシシラン、2−(3−シクロヘキセニル)エチルトリエトキシシラン、3−シクロヘキセニルトリクロロシラン、2−(3−シクロヘキセニル)エチルトリクロロシラン、2−(3−シクロヘキセニル)エチルジメチルクロロシシラン、2−(3−シクロヘキセニル)エチルメチルジクロロシシラン、シクロヘキシルジメチルクロロシラン、シクロヘキシルエチルジメトキシシラン、シクロヘキシルメチルジクロロシラン、シクロヘキシルメチルジメトキシシラン、(シクロヘキシルメチル)トリクロロシラン、シクロヘキシルトリクロロシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロオクチルトリクロロシラン、(4−シクロオクテニル)トリクロロシラン、シクロペンチルトリクロロシラン、シクロペンチルトリメトキシシラン、1,1−ジエトキシ−1−シラシクロペンタ−3−エン、3−(2,4−ジニトロフェニルアミノ)プロピルトリエトキシシラン、(ジメチルクロロシリル)メチル−7,7−ジメチルノルピナン、(シクロヘキシルアミノメチル)メチルジエトキシシラン、(3−シクロペンタジエニルプロピル)トリエトキシシラン、N,N−ジエチル−3−アミノプロピル)トリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、(フルフリルオキシメチル)トリエトキシシラン、2−ヒドロキシ−4−(3−トリエトキシプロポキシ)ジフェニルケトン、3−(p−メトキシフェニル)プロピルメチルジクロロシラン、3−(p−メトキシフェニル)プロピルトリクロロシラン、p−(メチルフェネチル)メチルジクロロシラン,p−(メチルフェネチル)トリクロロシラン、p−(メチルフェネチル)ジメチルクロロシラン、3−モルフォリノプロピルトリメトキシシラン、(3−グリシドキシプロピル)メチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、1,2,3,4,7,7,−ヘキサクロロ−6−メチルジエトキシシリル−2−ノルボルネン、1,2,3,4,7,7,−ヘキサクロロ−6−トリエトキシシリル−2−ノルボルネン、3−ヨードプロピルトリメトキシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、(メルカプトメチル)メチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、メチル{2−(3−トリメトキシシリルプロピルアミノ)エチルアミノ}−3−プロピオネート、7−オクテニルトリメトキシシラン、R−N−α−フェネチル−N’−トリエトキシシリルプロピルウレア、S−N−α−フェネチル−N’−トリエトキシシリルプロピルウレア、フェネチルトリメトキシシラン、フェネチルメチルジメトキシシラン、フェネチルジメチルメトキシシラン、フェネチルジメトキシシラン、フェネチルジエトキシシラン、フェネチルメチルジエトキシシラン、フェネチルジメチルエトキシシラン、フェネチルトリエトキシシラン、(3−フェニルプロピル)ジメチルクロロシラン、(3−フェニルプロピル)メチルジクロロシラン、N−フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン、N−(トリエトキシシリルプロピル)ダンシルアミド、N−(3−トリエトキシシリルプロピル)−4,5−ジヒドロイミダゾール、2−(トリエトキシシリルエチル)−5−(クロロアセトキシ)ビシクロヘプタン、(S)−N−トリエトキシシリルプロピル−O−メントカルバメート、3−(トリエトキシシリルプロピル)−p−ニトロベンズアミド、3−(トリエトキシシリル)プロピルサクシニック無水物、N−〔5−(トリメトキシシリル)−2−アザ−1−オキソ−ペンチル〕カプロラクタム、2−(トリメトキシシリルエチル)ピリジン、N−(トリメトキシシリルエチル)ベンジル−N,N,N−トリメチルアンモニウムクロライド、フェニルビニルジエトキシシラン、3−チオシアナートプロピルトリエトキシシラン、(トリデカフロオロ−1,1,2,2,−テトラヒドロオクチル)トリエトキシシラン、N−{3−(トリエトキシシリル)プロピル}フタルアミド酸、(3,3,3−トリフルオロプロピル)メチルジメトキシシシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシシラン、1−トリメトキシシリル−2−(クロロメチル)フェニルエタン、2−(トリメトキシシリル)エチルフェニルスルホニルアジド、β−トリメトキシシリルエチル−2−ピリジン、トリメトキシシリルプロピルジエチレントリアミン、N−(3−トリメトキシシリルプロピル)ピロール、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリブチルアンモニウムブロマイド、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリブチルアンモニウムクロライド、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリメチルアンモニウムクロライド、ビニルメチルジエトキシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルジメチルメトキシシラン、ビニルジメチルエトキシシラン、ビニルメチルジクロロシラン、ビニルフェニルジクロロシラン、ビニルフェニルジエトキシシラン、ビニルフェニルジメチルシラン、ビニルフェニルメチルクロロシラン、ビニルトリフェノキシシラン、ビニルトリス−t−ブトキシシラン、アダマンチルエチルトリクロロシラン、アリルフェニルトリクロロシラン、(アミノエチルアミノメチル)フェネチルトリメトキシシラン、3−アミノフェノキシジメチルビニルシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルジメチルクロロシラン、フェニルメチルジクロロシラン、ベンジルトリクロロシラン、ベンジルジメチルクロロシラン、ベンジルメチルジクロロシラン、フェネチルジイソプロピルクロロシラン、フェネチルトリクロロシラン、フェネチルジメチルクロロシラン、フェネチルメチルジクロロシラン、5−(ビシクロヘプテニル)トリクロロシラン、5−(ビシクロヘプテニル)トリエトキシシラン、2−(ビシクロヘプチル)ジメチルクロロシラン、2−(ビシクロヘプチル)トリクロロシラン、1,4−ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、ブロモフェニルトリクロロシラン、3−フェノキシプロピルジメチルクロロシラン、3−フェノキシプロピルトリクロロシラン、t−ブチルフェニルクロロシラン、t−ブチルフェニルメトキシシラン、t−ブチルフェニルジクロロシラン、p−(t−ブチル)フェネチルジメチルクロロシラン、p−(t−ブチル)フェネチルトリクロロシラン、1,3−(クロロジメチルシリルメチル)ヘプタコサン、((クロロメチル)フェニルエチル)ジメチルクロロシラン、((クロロメチル)フェニルエチル)メチルジクロロシラン、((クロロメチル)フェニルエチル)トリクロロシラン、((クロロメチル)フェニルエチル)トリメトキシシラン、クロロフェニルトリクロロシラン、2−シアノエチルトリクロロシラン、2−シアノエチルメチルジクロロシラン、3−シアノプロピルメチルジエトキシシラン、3−シアノプロピルメチルジクロロシラン、3−シアノプロピルメチルジクロロシラン、3−シアノプロピルジメチルエトキシシラン、3−シアノプロピルメチルジクロロシラン、3−シアノプロピルトリクロロシラン、フッ化アルキルシラン等を挙げることができ、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。
組成物11は、複数個の粒体111とともに、水溶性樹脂112を含むものであってもよい。
組成物11は、前述したような成分に加えて、揮発性の溶剤(図9中には図示せず)を含むものであってもよい。
また、組成物11は、前述した以外の成分を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、重合開始剤;重合促進剤;浸透促進剤;湿潤剤(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。
次に、本発明の三次元造形物の製造に用いる結着液について詳細に説明する。
結着液12は、少なくとも結合剤121を含むものである。
結合剤121は、粒体111を結合する機能を有するものであればいかなるものであってもよいが、粒体111として後に詳述するような空孔1111を有し、かつ、疎水化処理が施されたものを用いる場合には、疎水性(親油性)を有するものであるのが好ましい。これにより、結着液12と疎水化処理が施された粒体111との親和性を高いものとすることができ、層1に結着液12が付与されることにより、結着液12は、疎水化処理が施された粒体111の空孔1111内に好適に侵入することができる。その結果、結合剤121によるアンカー効果が好適に発揮され、最終的に得られる三次元造形物10の機械的強度を特に優れたものとすることができる。なお、疎水性の結合剤は、水に対する親和性が十分に低いものであればよいが、例えば、25℃における水に対する溶解度が1[g/100g水]以下であるのが好ましい。
(ただし、式(1)中、R1およびR2は、それぞれ独立に、HまたはCH3を示す。)
また、結着液12は、前述した以外の成分を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、顔料、染料等の各種着色剤;分散剤;界面活性剤;重合開始剤;重合促進剤;溶剤;浸透促進剤;湿潤剤(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;増粘剤;フィラー;凝集防止剤;消泡剤等が挙げられる。
前記無機顔料の中でも、好ましい白色を呈するためには、酸化チタンが好ましい。
また、三次元造形物10の製造には、複数種の結着液12を用いてもよい。
本発明の三次元造形物は、前述したような製造方法、三次元造形物製造装置を用いて製造することができる。
中間処理工程としては、例えば、三次元造形用組成物がペレット状をなすものである場合、層形成工程と結着液付与工程との間に、加熱を中止等する工程(水溶性樹脂固化工程)を有していてもよい。これにより、水溶性樹脂が固体状態となり、層を粒体同士の結合力がより強いものとして得ることができる。また、例えば、三次元造形用組成物が水等の溶剤成分(分散媒)を含むものである場合、層形成工程と結着液付与工程との間に、当該溶剤成分を除去する溶剤成分除去工程を有していてもよい。これにより、層形成工程をより円滑に行うことができ、形成される層の厚さの不本意なばらつきをより効果的に防止することができる。その結果、より寸法精度の高い三次元造形物をより高い生産性で製造することができる。
1…層
11…組成物(三次元造形用組成物)
111…粒体
1111…空孔
112…水溶性樹脂
12…結着液
121…結合剤
13…硬化部(結合部)
100…三次元造形物製造装置
2…制御部
21…コンピューター
22…駆動制御部
3…ディスペンサーユニット(ディスペンサーアレイ)
31…ディスペンサー
311…吐出部
4…層形成部
41…ステージ
42…スキージー(平坦化手段)
43…ガイドレール
45…枠体
5…結着液吐出部(結着液付与手段)
6…エネルギー線照射手段(硬化手段)
7…リング状部材
Claims (12)
- 粒体を含むペースト状の組成物を用いて、層を積層することにより、三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、
前記組成物が付与され、前記層が形成されるステージと、
前記組成物を、前記ステージ上の造形領域に直接供給するディスペンサーと、
前記ディスペンサーにより供給された前記組成物を平坦化する平坦化手段とを備えており、
前記平坦化手段は、前記ディスペンサーの吐出部の外周に、回動可能に設置されたものであることを特徴とする三次元造形物製造装置。 - 前記ディスペンサーを複数備えている請求項1に記載の三次元造形物製造装置。
- 複数の前記ディスペンサーについて、形成される前記層の厚さを異なるものとすることができるように構成されている請求項2に記載の三次元造形物製造装置。
- 前記ディスペンサーと前記平坦化手段とは、独立して作動することができるものである請求項1ないし3のいずれか1項に記載の三次元造形物製造装置。
- 前記ディスペンサーは、前記ステージに対して、前記ステージの面内方向に相対的に移動しつつ前記組成物を供給するものであり、
前記平坦化手段は、前記ディスペンサーの相対的な移動方向の前後方向に設けられたものである請求項1ないし4のいずれか1項に記載の三次元造形物製造装置。 - 前記組成物は、溶剤を含むものであり、
三次元造形物製造装置は、前記組成物が供給される空間の雰囲気を、前記溶剤の構成成分を含むものに調整する雰囲気調整手段を備えたものである請求項1ないし5のいずれか1項に記載の三次元造形物製造装置。 - 前記粒体を結合するための結着液を付与する結着液付与手段を備えている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の三次元造形物製造装置。
- 前記結着液は、紫外線硬化性樹脂を含むものであり、
三次元造形物製造装置は、紫外線照射手段を備えている請求項7に記載の三次元造形物製造装置。 - 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装置を用いて三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
- 粒体を含むペースト状の組成物を用いて、層を形成する層形成工程を複数回行い、三次元造形物を製造する方法であって、
前記層形成工程は、ディスペンサーを用いて、前記組成物をステージ上の造形領域に直接供給することにより行うものであるとともに、前記組成物を前記造形領域に付与した後に、平坦化手段を用いて前記組成物を平坦化することにより行うものであり、
前記平坦化手段は、前記ディスペンサーの吐出部の外周に、回動可能に設置されたものであることを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 前記層に、前記粒体を結合するための結着液を付与する結着液付与工程を有している請求項9または10に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記組成物は、溶剤を含むものであり、
前記層形成工程は、前記溶剤の構成成分を含む雰囲気下で行うものである請求項10に記載の三次元造形物の製造方法。
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