JP6507526B2 - 造形方法および造形物 - Google Patents

Description

本発明は、造形方法および造形物に関する。

中空形状や庇形状などを有する立体物を三次元造形により造形する際には、立体物の本体部を加工工程において支持するサポート部が必要となる。サポート部は、立体物が造形された後は不要となるため除去される。したがって、サポート部には、本体部と同様の強度が求められるとともに、造形された立体物から容易に除去可能であることが求められる。

従来のサポート部を除去する手段としては、振動させたり機械的負荷を加えたりしてサポート材を剥離する方法や、ウォータージェットによる除去方法、有機溶媒を用いて溶解させる方法、手指によって擦り落とす方法などの、機械的な方法や化学的な方法が知られている。しかしながら、これらの方法では、除去に時間がかかる、本体部の表面に損傷を与えてしまう場合がある、などの課題があった。これに対して、サポート部の除去をより効率的に行おうとする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の技術では、水や溶媒に可溶性の樹脂に光重合開始剤を混合した材料をサポート部に用いて、三次元造形により本体部（モデル材）用の材料とサポート部（サポート材）用の材料とを、紫外線硬化させながら積層印刷して立体物を造形する。そして、立体物を造形した後、立体物に電解質溶液を塗布することにより、硬化したサポート部が電解質溶液に溶解して立体物から除去される。立体物に電解質溶液を塗布する方法としては、ディップ法、噴霧法、ウォータージェット、はけ塗りなどが挙げられ、ブラシスクラブ洗浄の併用が推奨されている。

特開２０１１−２０４１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、サポート部を除去する際に、硬化したサポート部を表面から溶解させるためサポート部の溶解を促す動作が必要となる。したがって、サポート部をより簡便に除去できる方法が求められている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る造形方法は、第１の部分用の第１の樹脂と第２の部分用の第２の樹脂とを用いて、前記第１の部分と前記第２の部分とで構成される造形物を造形する工程と、前記第２の樹脂を変性させて前記造形物から前記第２の部分を除去する工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例の造形方法によれば、第１の樹脂と第２の樹脂とを用いて第１の部分と第２の部分とで構成される造形物を造形するので、例えば中空形状や庇形状などを有する造形物を、第１の部分を本体部とし第２の部分をサポート部として容易に造形することができる。そして、第２の樹脂を変性させることにより第２の部分を除去するので、第２の部分への機械的な接触や第２の部分の溶解を促す動作などを必要とせず、造形物から第２の部分を容易に除去することができる。

［適用例２］上記適用例に係る造形方法であって、前記第２の部分を除去する工程では、前記造形物に所定の刺激を加えることにより前記第２の樹脂をゲルからゾルに転移させることが好ましい。

本適用例の造形方法によれば、造形物に所定の刺激を加えることにより第２の樹脂をゲルからゾルに転移させて除去する。したがって、造形物を造形する工程では、第２の樹脂がゲルであるため、第２の部分（サポート部）を第１の部分（本体部）と同様に取り扱うことができる。そして、第２の部分を除去する工程では、第２の樹脂がゾル化して流動状態となるので、第２の部分が自ら除去される。これにより、第１の部分の表面に損傷を与えることなく、第２の部分をより効率的に除去することができる。

［適用例３］上記適用例に係る造形方法であって、前記所定の刺激は、前記造形物の少なくとも第２の部分の温度を所定の温度にするものであってもよい。

本適用例の造形方法によれば、造形物の少なくとも第２の部分の温度を所定の温度にすることにより第２の樹脂がゾル化するので、簡易な装置を用いて第２の部分を除去することができる。

［適用例４］上記適用例に係る造形方法であって、前記所定の刺激として、前記造形物を所定のｐＨの電解質溶液に浸漬してもよい。

本適用例の造形方法によれば、造形物を所定のｐＨの電解質溶液に浸漬することにより第２の樹脂がゾル化するので、簡易な装置を用いて第２の部分を除去することができる。

［適用例５］上記適用例に係る造形方法であって、前記所定の刺激として、前記造形物に紫外線を照射してもよい。

本適用例の造形方法によれば、造形物に紫外線を照射することにより第２の樹脂がゾル化するので、簡易な装置を用いて第２の部分を除去することができる。

［適用例６］上記適用例に係る造形方法であって、前記第２の部分を除去する工程では、前記造形物に所定の刺激を加えることにより前記第２の樹脂を溶媒に対して可溶化させることが好ましい。

本適用例の造形方法によれば、造形物に所定の刺激を加えることにより第２の樹脂を溶媒に対して可溶化する。したがって、造形物を造形する工程では、第２の部分（サポート部）を第１の部分（本体部）と同様に取り扱うことができ、第２の部分を除去する工程では、第２の樹脂が可溶化して溶媒に溶解するので、第２の部分が自ら除去される。これにより、第１の部分の表面に損傷を与えることなく、第２の部分をより効率的に除去することができる。

［適用例７］上記適用例に係る造形方法であって、前記第２の部分を除去する工程において前記造形物に前記所定の刺激を加えることにより、前記第１の樹脂を硬化させることが好ましい。

本適用例の造形方法によれば、造形物に所定の刺激を加えて第２の部分（サポート部）を除去する際に、第１の部分（本体部）を硬化させることができる。したがって、第２の部分を除去する工程が第１の樹脂を硬化させる工程を兼ねることができる。

［適用例８］本適用例に係る造形物は、第１の部分用の第１の樹脂と第２の部分用の第２の樹脂とを用いて造形され、前記第１の部分と前記第２の部分とで構成される造形物であって、前記第２の樹脂は、所定の刺激を加えることにより変性する材料であることを特徴とする。

本適用例の構成によれば、造形物は第１の部分用の第１の樹脂と第２の部分用の第２の樹脂とを用いて造形され、第１の部分と第２の部分とで構成されている。そのため、例えば中空形状や庇形状などを有する造形物を、第１の部分を本体部とし第２の部分をサポート部として容易に造形することができる。そして、第２の樹脂が所定の刺激により変性するので、第２の部分を容易に除去して、第１の部分からなる造形物を得ることができる。

［適用例９］本適用例に係る造形物は、第１の部分用の第１の樹脂と第２の部分用の第２の樹脂とを用いて造形された後、前記第２の部分が除去された造形物であって、前記第２の樹脂は、所定の刺激を加えることにより変性する材料であることを特徴とする。

本適用例の構成によれば、造形物は第１の部分用の第１の樹脂と第２の部分用の第２の樹脂とを用いて造形された後、第２の部分が除去されたものである。そのため、例えば中空形状や庇形状などを有する造形物を、第１の部分を本体部とし第２の部分をサポート部として容易に造形することができる。そして、第２の樹脂が所定の刺激により変性するので、第２の部分を容易に除去して、第１の部分からなる造形物を得ることができる。

第１の実施形態に係る造形物としての立体物を示す斜視図。 第１の実施形態に係る造形方法を説明する断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
＜造形物＞
まず、第１の実施形態に係る造形物としての立体物について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る造形物としての立体物を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る立体物１は、第１の部分としての本体部１０からなる。本体部１０は、基部１１と庇部１２とを有している。本体部１０の上面（図１に示す上方側の面）は、略長方形であり、基部１１と庇部１２とに亘る領域を有している。本体部１０の材料（第１の樹脂）としては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどが用いられる。

本体部１０の上面の長辺に沿った方向をＸ方向とし、上面の短辺に沿った方向でありＸ方向と交差する方向をＹ方向する。本体部１０の厚さ方向であり、Ｘ方向およびＹ方向と交差する方向をＺ方向とする。本体部１０は、基部１１の上方（＋Ｚ方向）側から庇部１２が＋Ｘ方向側に延出した形状を有している。本体部１０は、上面と同じ大きさの底面を有する直方体から、庇部１２の下方（−Ｚ方向）側の部分を取り去った形状を有している、ともいうことができる。

＜造形方法＞
第１の実施形態に係る立体物１（本体部１０）は、三次元造形により造形される。より具体的には、三次元ＣＡＤなどにより設計した図１に示すような立体物１の完成形状の三次元データに基づいて、立体物１をＸ方向とＹ方向とで構成される平面を有する薄板状に分割したデータを作成する。そして、３Ｄプリンターやディスペンサーなどを用いて、その薄板状の層を一層ずつ形成し＋Ｚ方向に積層することにより、立体物１が造形される。

図１に示す立体物１（本体部１０）の下方（−Ｚ方向）側は基部１１のみであるが、上方（＋Ｚ方向）側は基部１１と庇部１２とが存在する。換言すれば、基部１１は接地される部分であり、庇部１２は空間に浮いた部分である。そのため、Ｘ方向とＹ方向とで構成される平面を有する薄板状の層を積層して立体物１を造形する際には、庇部１２を下方側で支える部材が必要となる。

本実施形態では、立体物１を造形する際に、本体部１０の庇部１２を支える部材として、第２の部分としてのサポート部２０（図２（ｃ）参照）を本体部１０とともに形成し、本体部１０が形成された後にサポート部２０を除去する。したがって、上述の立体物１を薄板状に分割したデータは、本体部１０とサポート部２０とを含む。

本体部１０の材料としては、上述したように、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどの樹脂を用いる。サポート部２０の材料（第２の樹脂）としては、例えば、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリアスパラギン酸誘導体、側鎖にフェニルホウ酸部位を導入したポリアクリル酸とシゾフィランとの混合体、シクロデキストリンを導入したカードランとアゾベンゼンを導入したポリアクリル酸との混合物などを用いることができる。

以下に、第１の実施形態に係る造形方法について、図２を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係る造形方法を説明する断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図に相当する。

図２（ａ）に示すように、本体部１０用の材料を、本体部１０を薄板状に分割した本体部材料層１０ａとして、基材３０上の基部１１が設けられる領域に配置する。また、サポート部２０用の材料を、サポート部２０を薄板状に分割したサポート部材料層２０ａとして、基材３０上の庇部１２が設けられる領域と重なる領域に配置する。本体部材料層１０ａとサポート部材料層２０ａとは、ともにゲル状で配置される。

例えば３Ｄプリンターを用いて造形する場合、本体部１０用の材料とサポート部２０用の材料とは、それぞれ専用のノズルから吐出され、基材３０上の基部１１が設けられる領域と庇部１２が設けられる領域とに塗り分けられる。なお、基材３０は、立体物１を造形する工程において、本体部１０（本体部材料層１０ａ）とサポート部２０（サポート部材料層２０ａ）とを支持するためのものである。

図２（ｂ）に示すように、本体部材料層１０ａとサポート部材料層２０ａとを、順次それぞれの領域に塗り分け＋Ｚ方向に積層していく。造形される本体部１０において基部１１のみで庇部１２を含まない層までは、本体部材料層１０ａとサポート部材料層２０ａとが配置される。造形される本体部１０において基部１１と庇部１２とを含む層からは、本体部材料層１０ａのみが基部１１が設けられる領域と庇部１２が設けられる領域とに配置される。

本体部材料層１０ａが最上層まで配置されることにより、図２（ｃ）に示すように、本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａが形成される。サポート部２０は、庇部１２を支えるように、庇部１２と基材３０との間に位置している。

次に、直方体１ａを基材３０から取り外した後、直方体１ａのうちサポート部２０の材料を変性させて、直方体１ａからサポート部２０を除去する。より具体的には、サポート部２０を除去する工程では、直方体１ａに所定の刺激を加えることにより、サポート部２０の材料をゲルからゾルに転移させる。本実施形態では、サポート部２０の材料に応じて、以下のように異なる刺激が加えられる。換言すれば、本実施形態では、サポート部２０の材料をゲルからゾルに転移させるためにどのような刺激を加えるかに応じて、サポート部２０の材料を選択できる。

（１．温度）
サポート部２０の材料としてポリイソプロピルアクリルアミドやポリアスパラギン酸誘導体を用いる場合、刺激として少なくともサポート部２０の温度を所定の温度にすることで、サポート部２０の材料をゲルからゾルに転移させることができる。ポリイソプロピルアクリルアミドは、３２℃以上ではゲルであるが、３２℃よりも低い温度にすることでゲルからゾルに転移する。また、ポリアスパラギン酸誘導体は、２０℃以下の温度にすることでゲルからゾルに転移する。なお、ポリアスパラギン酸誘導体は、３７℃以上の温度でゾルからゲルに転移する。

（２．ｐＨ）
サポート部２０の材料として側鎖にフェニルホウ酸部位を導入したポリアクリル酸とシゾフィランの混合体を用いる場合、刺激としてｐＨが８．４以下の電解質溶液に浸漬することで、サポート部２０の材料をゲルからゾルに転移させることができる。なお、この材料は、ｐＨが９．９以上になるとゾルからゲルに転移する。

（３．紫外線）
サポート部２０の材料としてシクロデキストリンを導入したカードランとアゾベンゼンを導入したポリアクリル酸との混合物を用いる場合、刺激として紫外線領域の波長（３６５ｎｍ程度）の光を照射することで、サポート部２０の材料をゲルからゾルに転移させることができる。なお、この材料は、可視光領域の波長の光を照射することでゾルからゲルに転移する。

上述したサポート部２０の材料に応じて異なる刺激を直方体１ａに加えることで、図２（ｄ）に示すように、サポート部２０の材料がゲルからゾルに転移し、ゾル状となったサポート部２０ｂは自ら直方体１ａから除去される。これにより、直方体１ａからサポート部２０が除去されて、図２（ｅ）に示すように本体部１０のみとなり、この結果、立体物１が得られる。なお、上述の刺激に対して本体部１０の材料がゲルからゾルに転移することはない。

第１の実施形態に係る造形方法によれば、図２（ｄ）に示すサポート部２０を除去する工程において、サポート部２０の材料がゲルからゾルに転移することにより、液体となって自ら除去される。そのため、サポート部２０への機械的な接触やサポート部２０の溶解を促す動作などを必要とせず、直方体１ａからサポート部２０を容易に除去することができる。

サポート部２０の材料をゲルからゾルに転移するための刺激としては、サポート部２０の材料に応じて温度、ｐＨ、紫外線を選択できる。そして、いずれの材料の場合も、例えば、チャンバー、溶液槽などの簡易な装置を用いて簡便な方法で除去を行うことができる。また、サポート部２０の材料が液体となって除去されるため、本体部１０を有機溶媒などで洗浄することにより、立体物１（本体部１０）へのサポート部２０の材料の付着（残留）を容易に抑止することができる。

さらに、図２（ｂ）に示す直方体１ａを造形する工程では、本体部材料層１０ａとサポート部材料層２０ａとがともにゲル状であり両者が同様の強度を有するため、本体部材料層１０ａとサポート部材料層２０ａとを同様に取り扱うことができるので、支障なく直方体１ａの造形を行うことができる。

なお、第１の実施形態に係る造形方法で造形できる立体物は、図１に示す立体物１に限定されるものではない。第１の実施形態に係る造形方法によれば、例えば、中空状態の形状の立体物や、複雑な内部形状を有する立体物など他の形状の立体物を造形することができる。

（第２の実施形態）
＜造形方法＞
第２の実施形態に係る造形方法は、第１の実施形態に係る造形方法に対して、サポート部２０の材料、その材料の変性の仕方、およびその材料を変性させるために加える刺激が異なるが、造形する立体物１の形状、および立体物１を造形する基本プロセスは同様である。第２の実施形態に係る造形方法を、図２を参照して説明する。第１の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。

第２の実施形態では、サポート部２０の材料（第２の樹脂）として、ポリアクリル酸またはポリメタクリル酸のポリマーとフェロセンまたはビオロゲンとが共有結合で連結した樹脂を用いる。この材料（第２の樹脂）は、フェロセンまたはビオロゲンが酸化あるいは還元されるとイオン化することで、水に可溶となる。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、本体部材料層１０ａと、上述の樹脂を材料とするサポート部材料層２０ａとを、順次それぞれの領域に塗り分け＋Ｚ方向に積層する。図２（ｃ）に示すように、本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａが形成された後、直方体１ａを酸化剤または還元剤に浸漬する。これにより、サポート部２０の材料（第２の樹脂）に含まれるフェロセンまたはビオロゲンが酸化または還元されてイオン化し、その状態のサポート部２０ｂが水に溶解して自ら直方体１ａから除去される。これにより、直方体１ａからサポート部２０が除去されて、図２（ｅ）に示すように本体部１０からなる立体物１が得られる。

第２の実施形態に係る造形方法によれば、サポート部２０の材料が水に可溶となることにより自ら除去されるため、機械的な接触などを必要とせず簡易な装置を用いて、直方体１ａから容易に除去することができる。そして、立体物１（本体部１０）へのサポート部２０の材料の付着（残留）を容易に抑止することができる。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。

（変形例１）
上記の実施形態では、本体部１０の材料（第１の樹脂）として、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどの樹脂を用いる構成であったが、本発明はこのような形態に限定されない。本体部１０の材料として、サポート部２０を除去する工程において直方体１ａに加える刺激により、硬化する材料を用いる構成としてもよい。

このような本体部１０の材料として、例えば、アクリル酸のモノマーを用いることができる。サポート部２０の材料（第２の樹脂）としては、第１の実施形態と同様にシクロデキストリンを導入したカードランとアゾベンゼンを導入したポリアクリル酸との混合物を用いることができる。これらの材料を用いて本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａを形成した後、刺激として紫外線領域の波長の光を直方体１ａに照射する。そうすると、サポート部２０の材料がゲルからゾルに転移して直方体１ａから除去されるとともに、本体部１０の材料が重合して硬化する。これにより、サポート部２０を除去する工程が本体部１０を硬化させる工程を兼ねることができる。

１…立体物（造形物）、１ａ…直方体（造形物）、１０…本体部（第１の部分）、１０ａ…本体部材料層（第１の樹脂）、１１…基部、１２…庇部、２０…サポート部（第２の部分）、２０ａ…サポート部材料層（第２の樹脂）、２０ｂ…ゾル状となったサポート部。

Claims (4)

1. ゲル状の第１の樹脂を含む本体部材料層とゲル状の第２の樹脂を含むサポート部材料層からなる薄板状の層を繰返し形成して、本体部とサポート部とで構成される造形物を造形する工程と、
   前記造形する工程が完了した後に、前記造形物に紫外線を照射することにより、前記本体部を硬化させると同時に前記第２の樹脂をゲルからゾルに転移させ、前記サポート部を除去する工程と、を含むことを特徴とする造形方法。
2. 請求項１に記載の造形方法であって、
   前記第２の樹脂は、シクロデキストリンを導入したカードランとアゾベンゼンを導入したポリアクリル酸との混合物であることを特徴とする造形方法。
3. 請求項２に記載の造形方法であって、
   前記紫外線照射工程において、紫外線の波長は、３６５ｎｍであることを特徴とする造形方法。
4. 第１の樹脂からなり基部と庇部とを有する本体部と第２の樹脂からなり前記庇部を支えるサポート部とで構成される造形物であって、
   前記第２の樹脂は、シクロデキストリンを導入したカードランとアゾベンゼンを導入したポリアクリル酸との混合物であり、
   前記第１の樹脂は、紫外線硬化樹脂であることを特徴とするゲル状の造形物。

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