JP6624636B2 - 窯業原料、焼成体の製造方法、及び焼成体 - Google Patents
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Description
本発明は、窯業原料、焼成体の製造方法、及び焼成体に関するものである。
近年、付加製造技術（３Ｄプリンタ）による立体造形が注目を集めている。この技術は、３次元（３Ｄ）のデータをもとにして、コンピュータで薄い断面の形状を計算し、この計算結果をもとに材料を積層して３次元の造形物を作製するものである。
この技術では、例えば、以下のような方式が採用されている（特許文献１参照）。すなわち、造形用の粉体により構成された複数の粉体層を積層形成し、その積層過程において、複数の粉体層の各々の表面に所定の平面形状で所定のパターニング用の液体（パターニング液体）を吹き付けることが行われている。このパターニング液体の吹き付けにより、粉体層を相互に結合して積層体（成形体）を成形している。
そして、材料としては、例えば、石膏などの粉末材料が使用され、形状を固定化するためポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の有機結合剤が使用されている。
ところで、粉末原料に窯業原料を使用したいという要望がある。この場合は、従来の付加製造技術を適用すれば成形体が製造可能と考えられる。
ところで、粉末原料に窯業原料を使用したいという要望がある。この場合は、従来の付加製造技術を適用すれば成形体が製造可能と考えられる。
しかしながら、粉末原料に窯業原料を使用した場合、従来の方式を使用すると、成形体を焼成した時、有機結合剤が分解して形状維持が出来なくなり、形状崩壊し、焼成することができなかった。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、窯業原料を用いた付加製造技術において、焼成時にも形状保持されて実用的な焼成体を得ることを目的とする。
本発明者らは、上記従来技術を鑑み、鋭意研究を重ねた結果、新規な窯業原料を開発した。そして、この窯業原料を用いて付加製造方式により、焼成体を製造すると、焼成時にも形状保持されて実用的な焼成体が得られるという予想外の事実を見いだした。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明の窯業原料は、付加製造方式により焼成体を製造するための窯業原料であって、無機結合剤を含有していることを特徴とする。
また、本発明の製造方法は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）前記粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、前記成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、
前記窯業原料及び／又は前記液体には、無機結合剤が含有されていることを特徴とする。
また、本発明の焼成体は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）前記粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、前記成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、
前記窯業原料及び／又は前記液体には、無機結合剤が含有されている焼成体の製造方法によって得られたことを特徴とする。
すなわち、本発明の窯業原料は、付加製造方式により焼成体を製造するための窯業原料であって、無機結合剤を含有していることを特徴とする。
また、本発明の製造方法は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）前記粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、前記成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、
前記窯業原料及び／又は前記液体には、無機結合剤が含有されていることを特徴とする。
また、本発明の焼成体は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）前記粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、前記成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、
前記窯業原料及び／又は前記液体には、無機結合剤が含有されている焼成体の製造方法によって得られたことを特徴とする。
本発明の窯業原料によれば、６００℃以上での焼成によって、陶磁器やセラミックス製品が得られる。
本発明の製造方法によれば、付加製造方式を用いた形状の自由度が高い陶磁器やセラミックス製品が得られる。
本発明の焼成体は、陶磁器やセラミックス製品として有用である。
本発明の製造方法によれば、付加製造方式を用いた形状の自由度が高い陶磁器やセラミックス製品が得られる。
本発明の焼成体は、陶磁器やセラミックス製品として有用である。
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
窯業原料は、無機結合剤の硬化を促進させる硬化促進剤を含有していることが好ましい。硬化促進剤を含有していると、無機結合剤の硬化が促進され、焼成体の形状保持性が高くなる。
窯業原料は、無機結合剤の硬化を促進させる硬化促進剤を含有していることが好ましい。硬化促進剤を含有していると、無機結合剤の硬化が促進され、焼成体の形状保持性が高くなる。
窯業原料は、無機結合剤としてケイ酸塩を含むことが好ましい。ケイ酸塩を含むことで、焼成時の形状保持性が向上する。
焼成体のかさ密度が１．０ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。この範囲のかさ密度であると、実用的な陶磁器やセラミックス製品となる。
焼成体は、断面に積層痕が残っており、積層ピッチが５ｍｍ以下であることが好ましい。このような構成であると、十分な強度を有するとともに、外観がよい。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
〔１〕窯業原料
本発明の窯業原料は、付加製造方式により焼成体を製造するための窯業原料である。そして、窯業原料は、無機結合剤を含有していることを特徴とする。
〔１〕窯業原料
本発明の窯業原料は、付加製造方式により焼成体を製造するための窯業原料である。そして、窯業原料は、無機結合剤を含有していることを特徴とする。
窯業原料としては、窯業に用いる原料であれば特に限定されない。原料としては、例えば、陶石、長石、珪石、蝋石、シャモット、バン土頁岩、カオリン等の骨格形成原料、蛙目粘土、木節粘土、カオリン等の可塑性原料、珪灰石、石灰石、灰長石等のカルシウム原料、長石、ドロマイト等の焼結助剤原料等が挙げられる。好ましくは、モロカイト、長石、仮焼粘土、粘土、アルミナ粉末、石英粉末、タルク、骨材等の無機材が挙げられる。これらの原料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。通常、２種以上を混合して用いられる。
本発明では、無機結合剤以外の窯業原料全量を１００質量部とした場合に、可塑性原料が６０質量部以下であることが好ましい。ここで、可塑性原料としては、粘土、蛙目粘土、カオリン等が挙げられる。可塑性原料は、好ましくは４０質量部以下であり、より好ましくは３０質量部以下である。この範囲にすると、成形体の積層状態が良好となる。
本発明では、好ましい各原料の混合割合としては、無機結合剤以外の窯業原料全量を１００質量部とした場合に、モロカイトが５〜７０質量部、長石が４０〜７０質量部であり、さらに好ましくはモロカイトが１０〜６０質量部、長石が４５〜５５質量部である。この範囲内にすると、成形体の積層状態が良好となり、所望の焼成体が得られる。
窯業原料の最大粒度は、特に限定されない。窯業原料の最大粒度は、好ましくは付加製造方式の積層ピッチの２倍以下であり、より好ましくは１倍以下であり、さらに好ましくは０．９倍以下である。なお、通常、窯業原料の最大粒度は、付加製造方式の積層ピッチの１／１０００倍以上である。窯業原料の最大粒度が、この範囲内であると成形体の密度を向上できる。
窯業原料の最大粒径は、特に限定されないが、積層ピッチが１００μｍの場合、好ましくは、０．０１〜２００μｍであり、より好ましくは０．１〜２００μｍであり、更に好ましくは０．１〜１００μｍである。窯業原料の最大粒径が小さすぎると、窯業原料が舞って付加製造方式での成形が難しい傾向にあり、一方、大きすぎると成形体の密度が小さくなる傾向にある。従って、上記の範囲が窯業原料の最大粒径として好ましい。
窯業原料における粒度分布は、特に限定されない。好ましくは、粗粒が６０〜８０質量部、微粒が４０〜２０質量部とすることができ、より好ましくは、粗粒が６５〜８０質量部、微粒が３５〜２０質量部とすることができ、更に好ましくは、粗粒が７０〜８０質量部、微粒が３０〜２０質量部とすることができる。この範囲とすると、成形体の密度が向上するから好ましい。
ここで、「粗粒」とは積層ピッチが１００μmの場合、沈降法で求められる粒子径が５０μｍ以上１００μｍ以下の粒子を意味する。「微粒」とは沈降法で求められる粒子径が０．０１μｍ以上５μｍ以下の粒子を意味する。
窯業原料の粉末粒度は、造粒により調整してもよい。造粒方法としては特に限定されず、公知の方法を適宜選択できる。例えば、湿式造粒、乾式造粒を採用することができる。造粒した場合に、粉体層を圧縮することで圧密にして充填性を上げ密度向上できる。
窯業原料の安息角は、特に限定されないが、好ましくは、２０〜７０度であり、より好ましくは３０〜７０度であり、更に好ましくは３０〜６０度である。この範囲であると、窯業原料の流動性が適切な範囲となり、付加製造方式による積層状態が良好となる。
安息角は、パウダーテスター（ホソカワミクロン社製）ＴＹＰＥ ＰＴ−Ｅにて測定できる。
窯業原料のせん断応力は、特に限定されないが、好ましくは、４０ｋＰａ以上である。なお、通常は、１００ｋＰａ以下である。
ここで、せん断応力は以下のように測定された値である。すなわち、（株）ナノシーズ製 粉体せん断力測定装置ＮＳ−Ｓ５００型にて測定した値である。なお、測定条件としては、試料を５０ｇとし、荷重は５０Ｎ、１００Ｎ、１５０Ｎとする。
ここで、せん断応力は以下のように測定された値である。すなわち、（株）ナノシーズ製 粉体せん断力測定装置ＮＳ−Ｓ５００型にて測定した値である。なお、測定条件としては、試料を５０ｇとし、荷重は５０Ｎ、１００Ｎ、１５０Ｎとする。
窯業原料の内部摩擦は、特に限定されないが、好ましくは、３０〜４０である。
ここで、内部摩擦は以下のように測定された値である。すなわち、（株）ナノシーズ製 粉体せん断力測定装置ＮＳ−Ｓ５００型にて測定した値である。なお、測定条件としては、試料を５０ｇとし、荷重は５０Ｎ、１００Ｎ、１５０Ｎとする。
ここで、内部摩擦は以下のように測定された値である。すなわち、（株）ナノシーズ製 粉体せん断力測定装置ＮＳ−Ｓ５００型にて測定した値である。なお、測定条件としては、試料を５０ｇとし、荷重は５０Ｎ、１００Ｎ、１５０Ｎとする。
窯業原料のゆるみかさ密度は、特に限定されない。窯業原料のゆるみかさ密度は、好ましくは０．５ｇ／ｃｍ３以上であり、より好ましくは０．７ｇ／ｃｍ３以上であり、更に好ましくは１．０ｇ／ｃｍ３以上である。また、窯業原料のゆるみかさ密度は、通常２．０ｇ／ｃｍ３以下である。この範囲内であると、窯業原料の充填性が適切な範囲となり、付加製造方式による積層状態が良好となる。
本発明におけるゆるみかさ密度とは、粉体を所定の容器内に自然落下させた状態の充填密度であり、粉体特性測定器を用いて以下の方法で測定した値である。具体的には、パウダーテスター（ホソカワミクロン社製）ＴＹＰＥ ＰＴ−Ｅにて測定した値を採用することができる。
本発明において、窯業原料の混合の仕方は特に限定されない。乾式混合及び湿式混合のいずれも採用することができる。製造の効率化の観点から乾式混合が好ましい。なお、乾式混合する前にあらかじめ粒度分布の既知の原料を選定しておくことが好ましい。
〔無機結合剤〕
本発明の窯業原料は、無機結合剤を含有することを特徴とする。無機結合剤は、特に限定されない。例えば、ケイ酸塩、リン酸塩、シリカゾル、セメントを好適に用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。
本発明の窯業原料は、無機結合剤を含有することを特徴とする。無機結合剤は、特に限定されない。例えば、ケイ酸塩、リン酸塩、シリカゾル、セメントを好適に用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。
ケイ酸塩としては、特に限定されないが、例えば、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸カルシウム等が挙げられる。ケイ酸塩の中でも、アルカリ金属ケイ酸が好ましく、ケイ酸ナトリウムが特に好ましく用いられる。
リン酸塩としては、特に限定されないが、リン酸アルミニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸カリウム、リン酸リチウム、ヘキサメタリン酸ソーダ、ピロリン酸ソーダ、テトラポリリン酸ソーダ、トリポリリン酸ソーダ、ウルトラリン酸ソーダ等が挙げられる。リン酸塩の中でも、リン酸アルミニウムが好ましく用いられる。
セメントとしては、特に限定されないが、例えば、アルミナセメント、マグネシアセメント、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、超速硬セメント、膨張セメント、酸性リン酸塩セメント、シリカセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、キーンスセメント等の各種セメント等が挙げられる。
無機結合剤の添加量については、特に限定されない。無機結合剤以外の窯業原料１００質量部に対して、好ましくは、０〜６０質量部であり、より好ましくは０〜３０質量部であり、更に好ましくは０〜１０質量部である。無機結合剤の添加料をこの範囲にすることで、成形体の形状を良好に保った状態で焼成できる。
〔硬化促進剤〕
無機結合剤の硬化を促進させる硬化促進剤は、任意の添加物であり、無機結合剤の種類に応じて適宜選択される。硬化促進剤は、１種のみ用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。
無機結合剤の硬化を促進させる硬化促進剤は、任意の添加物であり、無機結合剤の種類に応じて適宜選択される。硬化促進剤は、１種のみ用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。
無機結合剤にアルカリ金属ケイ酸を用いた場合には、硬化促進剤として、例えば、Ｚｎ（亜鉛）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）等の酸化物；Ｚｎ（亜鉛）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ａｌ（アルミニウム）等の水酸化物；Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｃａ（カルシウム）等のケイ化物；Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｃａ（カルシウム）等のケイフッ化物；Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｎ（亜鉛）等のリン酸塩、Ｃａ（カルシウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）等のホウ酸塩；ミョウバン等が例示される。
これらの中でも、トリポリリン酸アルミニウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、ミョウバンが好ましく用いられる。
これらの中でも、トリポリリン酸アルミニウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、ミョウバンが好ましく用いられる。
〔２〕焼成体の製造方法
本発明の成形体の製造方法は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、成形体を焼成する焼成体の製造方法である。窯業原料及び／又は液体には、無機結合剤が含有されていることを特徴とする。
本発明の成形体の製造方法は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、成形体を焼成する焼成体の製造方法である。窯業原料及び／又は液体には、無機結合剤が含有されていることを特徴とする。
図１〜７を参照しつつ、焼成体の製造方法について説明する。
（２−１）粉体層形成工程
粉体層形成工程では、窯業原料を用いて所定厚みの粉体層１を形成する（図１参照）。この際に、通常は、リコーターを用いて窯業原料を敷き詰めて粉体層１を形成する。
この工程は、例えば具体的には、次のように行われる。まず、成形装置の基台３の鉛直上側（ｚ軸方向上側）に、窯業原料（立体造形用混合粉体）が例えば厚さ０．０１〜５ｍｍの層状に充填される。次に窯業原料は篦等によって擦り切られて所望の厚みの粉体層１とされる。
積層ピッチは、大型の成形体を作製するためには、０．１〜５ｍｍが好ましい。この範囲とすることで、製造スピードの効率化が図られる。
なお、窯業原料を敷き詰めた後に、粉体層１を圧縮してもよい。
粉体層形成工程では、窯業原料を用いて所定厚みの粉体層１を形成する（図１参照）。この際に、通常は、リコーターを用いて窯業原料を敷き詰めて粉体層１を形成する。
この工程は、例えば具体的には、次のように行われる。まず、成形装置の基台３の鉛直上側（ｚ軸方向上側）に、窯業原料（立体造形用混合粉体）が例えば厚さ０．０１〜５ｍｍの層状に充填される。次に窯業原料は篦等によって擦り切られて所望の厚みの粉体層１とされる。
積層ピッチは、大型の成形体を作製するためには、０．１〜５ｍｍが好ましい。この範囲とすることで、製造スピードの効率化が図られる。
なお、窯業原料を敷き詰めた後に、粉体層１を圧縮してもよい。
この工程における窯業原料は、上述の〔１〕窯業原料において記載されたものを使用できる。上述の〔１〕窯業原料は、無機結合剤を含有しているものに限定されている。
本発明の焼成体の製造方法においては、無機結合剤を含有している窯業原料に限定されず、無機結合剤を含有していない窯業原料も使用できる。無機結合剤を含有していない窯業原料を使用する場合には、後述する（２−１）の工程における液体７には無機結合剤が含有されている。
この場合における無機結合剤を含有していない窯業原料としては、窯業に用いる原料であれば特に限定されず用いることができる。原料としては、例えば、陶石、長石、珪石、蝋石、シャモット、バン土頁岩、カオリン等の骨格形成原料、蛙目粘土、木節粘土、カオリン等の可塑性原料、珪灰石、石灰石、灰長石等のカルシウム原料、長石、ドロマイト等の焼結助剤原料等が挙げられる。好ましくは、モロカイト、長石、仮焼粘土、粘土、アルミナ粉末、石英粉末、タルク、骨材等の無機材が挙げられる。これらの原料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。通常、２種以上を混合して用いられる。
無機結合剤を含有していない窯業原料においては、上述の〔１〕窯業原料における「好ましい各原料の混合割合」に関する記載、「窯業原料の最大粒度」に関する記載、「窯業原料の最大粒径」に関する記載、「窯業原料における粒度分布」に関する記載、「窯業原料の安息角」に関する記載、「窯業原料のせん断応力」に関する記載、「窯業原料の内部摩擦」に関する記載、「窯業原料のゆるみかさ密度」に関する記載、「窯業原料の混合の仕方」に関する記載は、そのまま適用することができる。
この場合における無機結合剤を含有していない窯業原料としては、窯業に用いる原料であれば特に限定されず用いることができる。原料としては、例えば、陶石、長石、珪石、蝋石、シャモット、バン土頁岩、カオリン等の骨格形成原料、蛙目粘土、木節粘土、カオリン等の可塑性原料、珪灰石、石灰石、灰長石等のカルシウム原料、長石、ドロマイト等の焼結助剤原料等が挙げられる。好ましくは、モロカイト、長石、仮焼粘土、粘土、アルミナ粉末、石英粉末、タルク、骨材等の無機材が挙げられる。これらの原料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。通常、２種以上を混合して用いられる。
無機結合剤を含有していない窯業原料においては、上述の〔１〕窯業原料における「好ましい各原料の混合割合」に関する記載、「窯業原料の最大粒度」に関する記載、「窯業原料の最大粒径」に関する記載、「窯業原料における粒度分布」に関する記載、「窯業原料の安息角」に関する記載、「窯業原料のせん断応力」に関する記載、「窯業原料の内部摩擦」に関する記載、「窯業原料のゆるみかさ密度」に関する記載、「窯業原料の混合の仕方」に関する記載は、そのまま適用することができる。
（２−１）吹き付け工程
吹き付け工程では、粉体層１の所定領域に液体７を吹き付ける（図２参照）。粉体層１において固化されるべき部分、すなわち成形対象となる立体造形物の一部に相当する位置に対してヘッド５から液体（造形液）７が射出（滴下）され、その部分が層状の固化物として形成される。図２においては、粉体層１のうち固化された部分を斜線で示している。
吹き付け工程では、粉体層１の所定領域に液体７を吹き付ける（図２参照）。粉体層１において固化されるべき部分、すなわち成形対象となる立体造形物の一部に相当する位置に対してヘッド５から液体（造形液）７が射出（滴下）され、その部分が層状の固化物として形成される。図２においては、粉体層１のうち固化された部分を斜線で示している。
この際、ヘッド駆動機構により基台３に対してヘッド５がｘｙ平面内を移動させられつつ、液体７が射出されることで、成形対象となる立体造形物の一部に相当する層状の固化物が形成される。
ここで液体７について説明する。無機結合剤を含有している窯業原料を用いた場合には、液体７としては、溶媒のみ、又は無機結合剤を溶媒に溶解させた溶液を用いることができる。
無機結合剤を含有していない窯業原料を用いた場合には、液体７としては、無機結合剤を溶媒に溶解させた溶液を用いる。
無機結合剤を含有していない窯業原料を用いた場合には、液体７としては、無機結合剤を溶媒に溶解させた溶液を用いる。
ここで用いられる溶液に含有される可能性のある無機結合剤としては、上述の〔１〕窯業原料において記載された無機結合剤を好適に使用することができる。窯業原料に、無機結合剤を含有しているものを使用する場合には、窯業原料に含まれる無機結合剤と、溶液に含まれる無機結合剤とは同一種であっても異種であってもよい。また、溶液に添加される無機結合剤は、単一種で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。
また、液体７には、上述の〔１〕窯業原料において記載された硬化促進剤を適宜添加してもよい。この場合、液体７に添加される硬化促進剤は、単一種で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。
溶媒は、特に限定されない。例えば、水を用いることができる。また、水と他の溶媒の混合溶媒としてもよい。他の溶媒は、無機溶媒、有機溶媒のいずれでもよく、例えば、具体的には、アルコール、ケトン等の溶媒が挙げられる。このように、水と他の溶媒との混合溶媒とする場合には、水の含有量は特に限定されない。水の含有量は、混合溶媒全体を１００質量部とした場合に、好ましくは１〜９９質量部、更に好ましくは３０〜９９質量部、特に好ましくは５０〜９９質量部である。
溶液の濃度は、特に限定されないが、溶媒１００質量部に対して、好ましくは無機結合剤が０〜２０質量部、更に好ましくは無機結合剤が０〜１０質量部、特に好ましくは無機結合剤が０〜５質量部である。溶液の濃度が好ましい範囲内にあるときは、ヘッド５のノズルからの射出状態が良好となる。
本製造方法では、粉体層形成工程、及び吹き付け工程を順に繰り返し（図３〜図４参照）、図５の状態となり、図５の状態から図６のような成形体９が取り出される。
詳細には、基台３が鉛直下方（ｚ軸方向下方）に、層状の固形物の各層に対応する厚さ分だけ下降させされる。以下、粉体層形成工程、及び吹き付け工程が繰り返されることにより、層状の固化物が順次積層されて立体的な造形物が成形されてゆき、固化されなかった窯業原料が取り除かれることで成形体９（立体造形物）が得られる。そして、図７に示すように、好ましくは、成形体９の表面に施釉することにより、施釉品とする。符号１１は釉層を示す。施釉の方法としては、特に限定されず、スプレーコート、ディップコーティング、ロールコーティング、スピンコーティング、ロールコーティング等の公知の方法を適宜選択して採用できる。釉層は、単層でも複層でもよい。なお、施釉は必ずしも行わなくてもよい。
釉薬は、特に限定されない。用途に応じて公知の釉薬を適宜選択できる。釉薬としては、例えば、長石、珪石等を配合した灰釉、石灰釉等の透明度の高い無色の透明釉、透明釉に酸化銅を加えた緑釉、鉄分を呈色剤とする鉄釉等が例示される。
（２−３）焼成工程
焼成工程においては、成形体を焼成して焼成体とする。
焼成温度は特に限定されない。例えば、６００〜１３５０℃とすることができる。本発明では、結合剤が無機系材料であるから、焼成工程においても成形体の形状が崩れることなく維持される。
焼成工程においては、成形体を焼成して焼成体とする。
焼成温度は特に限定されない。例えば、６００〜１３５０℃とすることができる。本発明では、結合剤が無機系材料であるから、焼成工程においても成形体の形状が崩れることなく維持される。
従来のように、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の有機結合剤を用いた場合には、焼成工程において、有機結合剤が分解して成形体の形状が維持できなく、形状崩壊し焼成できなかった。本発明のように無機結合剤を用いると、形状崩壊を起こさずに焼成できる。
〔３〕焼成体
本発明の焼成体は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、窯業原料及び／又は液体には、無機結合剤が含有されている焼成体の製造方法によって得られる。焼成体の製造方法に記載された各用語については、〔２〕焼成体の製造方法の記載をそのまま適用することができる。
本発明の焼成体は、（１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、窯業原料及び／又は液体には、無機結合剤が含有されている焼成体の製造方法によって得られる。焼成体の製造方法に記載された各用語については、〔２〕焼成体の製造方法の記載をそのまま適用することができる。
焼成体のかさ密度は特に限定されないが、好ましくは０．５ｇ／ｃｍ３以上であり、より好ましくは０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、更に好ましくは１．０ｇ／ｃｍ３以上である。
なお、焼成体のかさ密度は、通常２．５ｇ／ｃｍ３以下である。
かさ密度をこの範囲内とすることで、幅広い用途に実用可能な焼成体となる。
なお、かさ密度は、質量と体積を測定して、これらから算出した値である。
なお、焼成体のかさ密度は、通常２．５ｇ／ｃｍ３以下である。
かさ密度をこの範囲内とすることで、幅広い用途に実用可能な焼成体となる。
なお、かさ密度は、質量と体積を測定して、これらから算出した値である。
焼成体の空隙率は、特に限定されない。空隙率は、好ましくは８０％以下であり、より好ましくは６０％以下であり、更に好ましくは５０％以下である。
空隙率をこの範囲内とすることで、幅広い用途に実用可能な焼成体となる。
なお、空隙率は、かさ密度と真比重より算出できる。
空隙率をこの範囲内とすることで、幅広い用途に実用可能な焼成体となる。
なお、空隙率は、かさ密度と真比重より算出できる。
焼成体の断面に積層痕が残っており、積層ピッチが５ｍｍ以下であることが好ましい。積層ピッチをこの範囲内とすることで、強度が強くなり、外観も良くなり、寸法精度も高くなる。
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
１．各種無機結合剤の検討
＜実験例１〜５＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に各種無機結合剤を５質量部添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で５ｃｍ角、厚み１ｃｍにて成形体（積層造形物）を造形し、これを６００℃で焼成した。そして、成形体の形状維持が可能であるかを確認した。
実験例１〜５の条件と結果を表１に記載する。評価は以下の通りである。なお、実験例２〜５が実施例であり、実験例１は参考例である。
○：形状維持可能である。
×：形状維持できない。
＜実験例１〜５＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に各種無機結合剤を５質量部添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で５ｃｍ角、厚み１ｃｍにて成形体（積層造形物）を造形し、これを６００℃で焼成した。そして、成形体の形状維持が可能であるかを確認した。
実験例１〜５の条件と結果を表１に記載する。評価は以下の通りである。なお、実験例２〜５が実施例であり、実験例１は参考例である。
○：形状維持可能である。
×：形状維持できない。
表１の結果から、実験例２〜５までの場合は、６００℃で焼成しても形状維持は可能であった。これらの実験例は、付加製造方式による焼結体の作製に適していることが確認された。この結果から、無機結合剤を用いると、成形体を焼結しても形状維持可能であることが分かった。
２．成形体の密度の検討
＜実験例６〜１１＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に無機結合剤（珪酸ナトリウム）を５質量部添加し、簡易積層造形装置を使用して（５ｃｍ角、厚み１ｃｍ）の成形体を造形した。これらの成形体のかさ密度を測定した。そして、これらの成形体を６００℃で焼成し、成形体の形状維持が可能であるか否かを確認した。
実験例６〜１１の条件と結果を表２に記載する。評価は以下の通りである。なお、実験例６〜１１が実施例である。
◎：形状維持は可能である。成形体のハンドリング性も非常に良好である。
○：形状維持は可能である。成形体のハンドリング性がやや不良である。
△：形状維持がやや難しい。
＜実験例６〜１１＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に無機結合剤（珪酸ナトリウム）を５質量部添加し、簡易積層造形装置を使用して（５ｃｍ角、厚み１ｃｍ）の成形体を造形した。これらの成形体のかさ密度を測定した。そして、これらの成形体を６００℃で焼成し、成形体の形状維持が可能であるか否かを確認した。
実験例６〜１１の条件と結果を表２に記載する。評価は以下の通りである。なお、実験例６〜１１が実施例である。
◎：形状維持は可能である。成形体のハンドリング性も非常に良好である。
○：形状維持は可能である。成形体のハンドリング性がやや不良である。
△：形状維持がやや難しい。
実験例６〜１１の条件と結果を表２に記載する。
表２の結果から、実験例７〜１１までの場合は、形状維持は可能であり、付加製造方式に適していることが確認された。なお、実験例６においても用途によっては付加製造方式に適することが確認された。
また、この結果から、成形体のかさ密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上である場合には、６００℃での焼結状態が特に良好であることが確認された。さらに、成形体のかさ密度が１．５ｇ／ｃｍ３以上である場合には、６００℃での焼結状態が非常に良好であることが確認された。
また、この結果から、成形体のかさ密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上である場合には、６００℃での焼結状態が特に良好であることが確認された。さらに、成形体のかさ密度が１．５ｇ／ｃｍ３以上である場合には、６００℃での焼結状態が非常に良好であることが確認された。
３．硬化促進剤の検討
＜実験例１２〜１６＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部、各種硬化促進剤５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で５ｃｍ角、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形１時間後の成形体硬さをＪＩＳ Ｋ６２５３Ａ ＩＳＯ ７６１９Ａに準拠するＴＹＰＥ Ａゴム硬度計により測定した。
＜実験例１２〜１６＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部、各種硬化促進剤５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で５ｃｍ角、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形１時間後の成形体硬さをＪＩＳ Ｋ６２５３Ａ ＩＳＯ ７６１９Ａに準拠するＴＹＰＥ Ａゴム硬度計により測定した。
実験例１２〜１６の条件と結果を表３に記載する。なお実験例１２〜１６が実施例である。
表３の結果から、実験例１２〜１６までの成形体の硬さは、付加製造方式の成形体としては実用的であることが確認された。硬化促進剤を用いた実験例１３〜１６は特に保形性に優れていることが確認された。また、これらの結果から、トリポリリン酸アルミニウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、ミョウバンは硬化促進剤として極めて有効であることが確認された。
４．施釉後の外観観察
＜実験例１７〜１８＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部、又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で５ｃｍ角、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形後、成形体の表面に施釉した。そして、外観を目視にて確認した。
＜実験例１７〜１８＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部、又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で５ｃｍ角、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形後、成形体の表面に施釉した。そして、外観を目視にて確認した。
実験例１７〜１８の条件と結果を表４に記載する。評価は以下の通りである。なお、実験例１８が実施例である。実験例１７は比較例である。
○：外観は良好である。
×：外観は不良である。
○：外観は良好である。
×：外観は不良である。
表４の結果から、ケイ酸ナトリウムを用いた実験例１８の外観は良好であった。一方、ＰＶＡを用いた実験例１７の外観は不良であり、ＰＶＡを用いるためには脱脂工程を別途設ける必要があることが確認された。このように、施釉に関しても無機結合剤を用いた方が、有機結合材を用いる場合よりも有効であることが確認された。
５．焼成体の曲げ強度の検討
＜実験例１９〜２２＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で１ｃｍ×１０ｃｍ、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形後、１２２０℃で焼成した。そして、焼成体のかさ密度と曲げ強度の関係を検討した。
＜実験例１９〜２２＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で１ｃｍ×１０ｃｍ、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形後、１２２０℃で焼成した。そして、焼成体のかさ密度と曲げ強度の関係を検討した。
実験例１９〜２２の条件と結果を表５に記載する。なお、実験例１９〜２２が実施例である。
表５の結果から、焼成体かさ密度が１．１ｇ／ｃｍ３以上であると焼成体の曲げ強度が実用品として使用する場合に十分であることが確認された。
６．積層ピッチの検討
＜実験例２３〜２６＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で１ｃｍ×１０ｃｍ、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形後、１２２０℃で焼成した。そして、焼成体の寸法精度、外観の様子を確認した。なお、成形体の作製において、積層ピッチを、それぞれ０．１ｍｍ（実験例２３）、０．５ｍｍ（実験例２４）、１．０ｍｍ（実験例２５）、５ｍｍ（実験例２６）とした。なお、実験例２３〜２６が実施例である。
＜実験例２３〜２６＞
モロカイト５０質量部、増井長石５０質量部の原料調合系に、ケイ酸ナトリウム５質量部を添加し、市販３ＤプリンタＰｒｏＪｅｔ１６０（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製）で１ｃｍ×１０ｃｍ、厚み１ｃｍの成形体を造形し、造形後、１２２０℃で焼成した。そして、焼成体の寸法精度、外観の様子を確認した。なお、成形体の作製において、積層ピッチを、それぞれ０．１ｍｍ（実験例２３）、０．５ｍｍ（実験例２４）、１．０ｍｍ（実験例２５）、５ｍｍ（実験例２６）とした。なお、実験例２３〜２６が実施例である。
結果としては、積層ピッチが小さくなるにつれて、すなわち、５ｍｍ（実験例２６）、１．０ｍｍ（実験例２５）、０．５ｍｍ（実験例２４）、０．１ｍｍ（実験例２３）の順で、寸法精度が良くなることが確認された。また、積層ピッチが小さくなるにつれて、すなわち、５ｍｍ（実験例２６）、１．０ｍｍ（実験例２５）、０．５ｍｍ（実験例２４）、０．１ｍｍ（実験例２３）の順で、外観が良くなることが確認された。
７．実施例の効果
本実施例の窯業原料を用いると、６００℃以上での焼成によっても、形状崩壊を起こすことなく、実用的な陶磁器やセラミックス製品が得られる。
また、本実施例の製造方法によれば、付加製造方式を用いた形状の自由度が高い陶磁器やセラミックス製品が得られる。
また、本実施例の焼成体は、陶磁器やセラミックス製品として有用である。
なお、本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではない。
本実施例の窯業原料を用いると、６００℃以上での焼成によっても、形状崩壊を起こすことなく、実用的な陶磁器やセラミックス製品が得られる。
また、本実施例の製造方法によれば、付加製造方式を用いた形状の自由度が高い陶磁器やセラミックス製品が得られる。
また、本実施例の焼成体は、陶磁器やセラミックス製品として有用である。
なお、本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではない。
本発明は、窯業原料を用いた付加製造技術（３Ｄプリンタ）による立体造形に好適に利用可能である。
１…粉体層
３…基台
５…ヘッド
７…液体（造形液）
９…成形体
１１…釉層
３…基台
５…ヘッド
７…液体（造形液）
９…成形体
１１…釉層
Claims (8)
- 付加製造方式により焼成体を製造するための窯業原料であって、無機結合剤及び硬化促進剤を含有しており、
前記無機結合剤は、アルカリ金属ケイ酸を含有し、
前記硬化促進剤は、Ｚｎ（亜鉛）の酸化物、Ｍｇ（マグネシウム）の酸化物、Ｃａ（カルシウム）の酸化物、Ｚｎ（亜鉛）の水酸化物、Ｍｇ（マグネシウム）の水酸化物、Ｃａ（カルシウム）の水酸化物、Ａｌ（アルミニウム）の水酸化物、Ｎａ（ナトリウム）のケイ化物、Ｋ（カリウム）のケイ化物、Ｃａ（カルシウム）のケイ化物、Ｎａ（ナトリウム）のケイフッ化物、Ｋ（カリウム）のケイフッ化物、Ｃａ（カルシウム）のケイフッ化物、Ａｌ（アルミニウム）のリン酸塩、Ｚｎ（亜鉛）のリン酸塩、Ｃａ（カルシウム）のホウ酸塩、Ｂａ（バリウム）のホウ酸塩、Ｍｇ（マグネシウム）のホウ酸塩、及びミョウバンからなる群から選択される１種以上の化合物を含有することを特徴とする窯業原料。 - 前記硬化促進剤は、トリポリリン酸アルミニウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、及びミョウバンからなる群から選択される１種以上の化合物を含有することを特徴とする請求項１に記載の窯業原料。
- （１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）前記粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、前記成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、
前記窯業原料及び／又は前記液体には、無機結合剤及び硬化促進剤が含有されており、
前記無機結合剤は、アルカリ金属ケイ酸を含有し、
前記硬化促進剤は、Ｚｎ（亜鉛）の酸化物、Ｍｇ（マグネシウム）の酸化物、Ｃａ（カルシウム）の酸化物、Ｚｎ（亜鉛）の水酸化物、Ｍｇ（マグネシウム）の水酸化物、Ｃａ（カルシウム）の水酸化物、Ａｌ（アルミニウム）の水酸化物、Ｎａ（ナトリウム）のケイ化物、Ｋ（カリウム）のケイ化物、Ｃａ（カルシウム）のケイ化物、Ｎａ（ナトリウム）のケイフッ化物、Ｋ（カリウム）のケイフッ化物、Ｃａ（カルシウム）のケイフッ化物、Ａｌ（アルミニウム）のリン酸塩、Ｚｎ（亜鉛）のリン酸塩、Ｃａ（カルシウム）のホウ酸塩、Ｂａ（バリウム）のホウ酸塩、Ｍｇ（マグネシウム）のホウ酸塩、及びミョウバンからなる群から選択される１種以上の化合物を含有することを特徴とする焼成体の製造方法。 - 前記硬化促進剤は、トリポリリン酸アルミニウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、及びミョウバンからなる群から選択される１種以上の化合物を含有することを特徴とする請求項３に記載の焼成体の製造方法。
- （１）窯業原料を用いて所定厚みの粉体層を形成する粉体層形成工程、及び（２）前記粉体層の所定領域に液体を吹き付ける吹き付け工程を順に繰り返し、積層して成形体を形成し、前記成形体を焼成する焼成体の製造方法であって、
前記窯業原料及び／又は前記液体には、無機結合剤及び硬化促進剤が含有されており、
前記無機結合剤は、アルカリ金属ケイ酸を含有し、
前記硬化促進剤は、Ｚｎ（亜鉛）の酸化物、Ｍｇ（マグネシウム）の酸化物、Ｃａ（カルシウム）の酸化物、Ｚｎ（亜鉛）の水酸化物、Ｍｇ（マグネシウム）の水酸化物、Ｃａ（カルシウム）の水酸化物、Ａｌ（アルミニウム）の水酸化物、Ｎａ（ナトリウム）のケイ化物、Ｋ（カリウム）のケイ化物、Ｃａ（カルシウム）のケイ化物、Ｎａ（ナトリウム）のケイフッ化物、Ｋ（カリウム）のケイフッ化物、Ｃａ（カルシウム）のケイフッ化物、Ａｌ（アルミニウム）のリン酸塩、Ｚｎ（亜鉛）のリン酸塩、Ｃａ（カルシウム）のホウ酸塩、Ｂａ（バリウム）のホウ酸塩、Ｍｇ（マグネシウム）のホウ酸塩、及びミョウバンからなる群から選択される１種以上の化合物を含有することを特徴とする焼成体の製造方法によって得られた焼成体。 - 前記硬化促進剤は、トリポリリン酸アルミニウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、及びミョウバンからなる群から選択される１種以上の化合物を含有することを特徴とする請求項５に記載の焼成体。
- かさ密度が１．０ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の焼成体。
- 断面に積層痕が残っており、積層ピッチが５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の焼成体。
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