JP6672874B2 - 三次元造形用支持材、三次元造形用支持材カートリッジ、三次元造形用組成物セット、三次元造形装置、及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
に関する。
硬化後の化合物が少なくとも40℃以上90℃以下の温水に対して溶解性を示す温水溶解性の放射線硬化型化合物と、
ポリグリセリンの脂肪酸エステル、ポリグリセリンのエチレンオキサイド付加物、及びポリグリセリンのプロピレンオキサイド付加物からなる群より選択される少なくとも1種のポリグリセリン系化合物と、
を含有し、
インクジェット方式により吐出されるインクジェット用の三次元造形用支持材。
可塑剤を含有する<1>に記載の三次元造形用支持材。
前記ポリグリセリン系化合物の溶融温度が40℃以上70℃以下である<1>又は<2>に記載の三次元造形用支持材。
前記放射線硬化型化合物として、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートを含有する<1>〜<3>のいずれか1に記載の三次元造形用支持材。
<1>〜<4>のいずれか1に記載の三次元造形用支持材を収容した三次元造形用支持材カートリッジ。
放射線硬化型の三次元造形材と、
<1>〜<4>のいずれか1に記載の三次元造形用支持材と、
を有する三次元造形用組成物セット。
放射線硬化型の三次元造形材を収容し、前記三次元造形材をインクジェット方式により吐出する第1吐出部と、
<1>〜<4>のいずれか1に記載の三次元造形用支持材を収容し、前記三次元造形用支持材をインクジェット方式により吐出する第2吐出部と、
吐出した前記三次元造形材及び前記三次元造形用支持材を硬化する放射線を照射する放射線照射部と、
を備える三次元造形装置。
前記第2吐出部から吐出されるときの前記三次元造形用支持材の温度が45℃以上85℃以下である<7>に記載の三次元造形装置。
放射線硬化型の三次元造形材をインクジェット方式により吐出し、放射線照射により硬化して、造形物を形成し、
<1>〜<4>のいずれか1に記載の三次元造形用支持材をインクジェット方式により吐出し、放射線照射により硬化して、前記造形物の少なくとも一部を支持する支持部を形成し、
前記造形物の形成後、前記支持部を60℃以上90℃以下の温水に溶解させて除去する三次元造形物の製造方法。
前記三次元造形用支持材をインクジェット方式により吐出するときの該三次元造形用支持材の温度が45℃以上85℃以下である<9>に記載の三次元造形物の製造方法。
本実施形態に係る三次元造形用支持材(以下「サポート材」とも称する)は、インクジェット方式により吐出されるインクジェット用のサポート材である。
そして、前記サポート材は、温水溶解性の放射線硬化型化合物と、ポリグリセリンの脂肪酸エステル、ポリグリセリンのエチレンオキサイド付加物、及びポリグリセリンのプロピレンオキサイド付加物からなる群より選択される少なくとも1種のポリグリセリン系化合物と、を含有する。
また、本明細書において温水とは、温度が上記範囲である水を指す。
この効果が奏される推定メカニズムは、以下のように推察される。
ここで、インクジェット用のサポート材には、吐出装置による吐出のときの温度(一般的には45℃以上85℃以下の温度)において、吐出装置から吐出し得る程度の粘度であることが求められる。ただし、その一方では、サポート材により形成される支持部を求められる形状に精度よく形成する観点で、吐出装置から吐出された後であって放射線照射によって硬化するまで、吐出された位置からの移動が抑制されることが求められる。
放射線硬化型化合物は、放射線(例えば紫外線、電子線)により、硬化(重合)する化合物である。放射線硬化型化合物は、モノマーであっても、オリゴマーであってもよい。
また、温水溶解性とは、放射線の照射によって硬化した後の化合物が前述の温度範囲内の温水に対して溶解性を示すことを指す。
これらの中でも、吐出する時の温度において低粘度化しインクジェット方式での吐出性を向上させる観点、放射線照射により良好に硬化させる観点、及び硬化後に温水を用いた除去の際の除去性を向上させる観点から、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロイルモルホリン、アクリル酸、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレートが好ましく、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートがより好ましい。
放射線硬化型化合物の粘度(23℃)は、5mPa・s以上80mPa・s以下が好ましく、8mPa・s以上60mPa・s以下がより好ましく、10mPa・s以上50mPa・s以下がさらに好ましい。
なお、粘度の測定は、後述のレオマット115(Contraves製)を用いた測定方法に準じて測定し得る。
放射線硬化型化合物の含有量は、サポート材全体に対して、40質量%以上80質量%以下が好ましく、45質量%以上65質量%以下がより好ましい。
本実施形態に係るサポート材は、ポリグリセリンの脂肪酸エステル、ポリグリセリンのエチレンオキサイド付加物、及びポリグリセリンのプロピレンオキサイド付加物からなる群より選択される少なくとも1種のポリグリセリン系化合物を含有する。
脂肪酸としては、炭素数16以上20以下の脂肪酸が好ましく、例えばパルミチン酸、ステアリン酸、及びアラキジン酸等の飽和脂肪酸が好ましい。
エチレンオキシド又はプロピレンオキシドは60モル以上120モル以下付加されたものが好ましく、さらには80モル以上100モル以下付加されたものがより好ましい。
ポリグリセリンの脂肪酸エステル(a)とポリグリセリンのエチレンオキシド付加物又はプロピレンオキシド付加物(b)とを併用する場合、その質量比(a:b)としては70:30乃至90:10の範囲が好ましく、75:25乃至85:15の範囲がより好ましい。
ポリグリセリン系化合物は、常温(23℃)では固体であることが好ましい。
また、インクジェット方式の吐出装置でサポート材を吐出する際の温度は例えば70℃であり、この温度でのポリグリセリン系化合物の粘度は、例えば200mPa・s以上1500mPa・s以下が好ましく、400mPa・s以上1200mPa・s以下がより好ましく、600mPa・s以上1000mPa・s以下がさらに好ましい。
なお、粘度の測定は、後述のレオマット115(Contraves製)を用いた測定方法に準じて測定し得る。
ポリグリセリン系化合物の含有量(ポリグリセリン系化合物を2種以上併用する場合にはその合計量)は、サポート材全体に対して、5質量%以上45質量%以下が好ましく、10質量%以上35質量%以下がより好ましく、15質量%以上30質量%以下がさらに好ましい。
本実施形態に係るサポート材は、さらに可塑剤を含んでもよい。
可塑剤としては、非放射線硬化型ポリマー等が挙げられる。非放射線硬化型ポリマーとは、放射線(例えば、紫外線、電子線)により硬化(重合)反応が生じないポリマーを指す。
ポリエーテルポリオールとしては、例えば、多価アルコールの多量体、多価アルコールとアルキレンオキサイドとの付加物、アルキレンオキサイドの開環重合体等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,2−ヘキサンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール、2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、2−メチル−1,8−オクタンジオール、1,8−デカンジオール、オクタデカンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ヘキサントリオール等が挙げられる。
アルキレンオキサイドとしては、例えば、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド、スチレンオキサイド、エピクロルヒドリン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。
ひまし油ポリオールとしては、ひまし油を多価アルコールで変性した変性ひまし油、ひまし油脂肪酸(ひまし油から得られる脂肪酸)を多価アルコールで変性した変性ひまし脂肪酸等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、ポリエーテルポリオールの説明で例示した多価アルコール等が挙げられる。
ポリエステルポリオールとしては、例えば、多価アルコールと二塩基酸との反応生成物、環状エステル化合物の開環重合体等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、ポリエーテルポリオールの説明で例示した多価アルコール等が挙げられる。
二塩基酸としては、例えば、カルボン酸(例えば、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸、ダイマー酸、マレイン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸等)、カルボン酸の無水物等が挙げられる。
環状エステル化合物としては、例えば、ε−カプロラクトン、β−メチル−δ−バレロラクトン等が挙げられる。
上記各種ポリオールと併用する多価アルコールの含有量は、全放射線硬化型ポリマーに対して、30質量%以上60質量%以下(好ましくは35質量%以上50質量%以下)がよい。特に、ポリエステルポリオールと多価アルコールとの混合物を使用する場合、その質量比(ポリエステルポリオール/多価アルコール)は30/70以上10/90以下(好ましくは25/75以上20/80以下)がよい。
なお、多価アルコールは、ポリエーテルポリオールの説明で例示した多価アルコール等が挙げられる。
非放射線硬化型ポリマーの重量平均分子量としては、200以上1000以下が好ましく、250以上850以下がより好ましい。
非放射線硬化型ポリマーの重量平均分子量は、ポリスチレンを標準物質としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定される値である。
非放射線硬化型ポリマーの粘度(25℃)は、200mPa・s以下が好ましく、100mPa・s以下がより好ましく、70mPa・s以下がさらに好ましい。
なお、粘度の測定は、後述のレオマット115(Contraves製)を用いた測定方法に準じて測定し得る。
可塑剤の含有量は、例えば、サポート材全体に対して、25質量%以上60質量%以下が好ましく、30質量%以上55質量%以下がより好ましく、35質量%以上50質量%以下がより好ましい。
放射線重合開始剤としては、放射線ラジカル重合開始剤、放射線カチオン重合開始剤等の周知の重合開始剤が挙げられる。
放射線重合開始剤の含有量は、例えば、放射線硬化型化合物に対して、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上5質量%以下がより好ましい。
なお、放射線重合開始剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
重合禁止剤としては、例えば、フェノール系重合禁止剤(例えば、p−メトキシフェノール、クレゾール、t−ブチルカテコール、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシトルエン、2,2'−メチレンビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)、2,2'−メチレンビス(4−エチル−6−ブチルフェノール)、4,4'−チオビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)等)、ヒンダードアミン、ヒドロキノンモノメチルエーテル(MEHQ)、ヒドロキノン等の周知の重合禁止剤が挙げられる。
重合禁止剤の含有量は、例えば、放射線硬化型化合物に対して、0.1質量%以上1質量%以下が好ましく、0.3質量%以上0.5質量%以下がより好ましい。
なお、重合禁止剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
界面活性剤としては、例えば、シリコーン系界面活性剤、アクリル系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、両性界面活性剤、フッ素系界面活性剤等の周知の界面活性剤が挙げられる。
界面活性剤の含有量は、例えば、放射線硬化型化合物に対して、0.05質量%以上0.5質量%以下が好ましく、0.1質量%以上0.3質量%以下がより好ましい。
なお、界面活性剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
上記以外で、その他の添加剤としては、例えば、色材、溶剤、増感剤、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、増粘剤、分散剤、重合促進剤、浸透促進剤、湿潤剤(保湿剤)等の周知の添加剤が挙げられる。
サポート材の表面張力は、例えば20mN/m以上40mN/m以下の範囲が挙げられる。
ここで、表面張力は、ウイルヘルミー型表面張力計(協和界面科学株式会社製)を用い、23℃、55%RHの環境において測定した値である。
ここで、粘度は、レオマット115(Contraves製)を測定装置として用いて、測定温度はそれぞれ前記温度に設定し、せん断速度は1400s−1の条件で測定した値である。
本実施形態に係る三次元造形用組成物セットは、放射線硬化型のモデル材(三次元造形材)と、前述の本実施形態に係るサポート材(三次元造形用支持材)と、を有する。
本実施形態の三次元造形用組成物セットに用いられるモデル材は、放射線硬化型化合物(モデル材用放射線硬化型化合物)を含有する。モデル材は、上記成分以外に、放射線重合開始剤、重合禁止剤、界面活性剤、色材等のその他添加剤を含んでもよい。
特に、モデル材用放射線硬化型化合物は、ウレタン(メタ)アクリレートと他の放射線硬化型化合物(例えば、単官能又は多官能の(メタ)アクリレート)とを併用することが好ましい。この場合、ウレタン(メタ)アクリレートの含有量は、モデル材全体に対して、10質量%以上60質量%以下が好ましく、20質量%以上50質量%以下がより好ましい。一方、上記他の放射線硬化性化合物の含有量は、サポート材全体に対して、40質量%以上75質量%以下が好ましく、50質量%以上65質量%以下がより好ましい。
本実施形態に係る三次元造形装置は、放射線硬化型のモデル材(三次元造形材)を収容し、前記モデル材をインクジェット方式により吐出する第1吐出部と、前述の本実施形態に係るサポート材(三次元造形用支持材)を収容し、前記サポート材をインクジェット方式により吐出する第2吐出部と、吐出したモデル材及びサポート材を硬化する放射線を照射する放射線照射部と、を備える。
図1は、本実施形態に係る三次元造形装置の一例を示す概略構成図である。
サポート材吐出ヘッド14は、例えば、サポート材カートリッジ32と不図示の供給管を通じて連結されている。そして、サポート材カートリッジ32により、サポート材吐出ヘッド14へサポート材が供給される。
なお、モデル材吐出ヘッド12及びサポート材吐出ヘッド14は、各々、例えば、有効な吐出領域(モデル材及びサポート材を吐出するノズルの配置領域)が、造形台20上の造形領域幅(造形ユニット10の移動方向(主走査方向)と交差(例えば直交)する方向の長さ)以上とした長尺状のヘッドとしてもよい。この場合、造形ユニット10は、主走査方向のみに移動する方式とする。
また、モデル材吐出ヘッド12からモデル材を吐出する際においても、モデル材が加熱される温度は、上記と同じ範囲であることが好ましい。
ここで、紫外線照射装置としては、例えば、メタルハライドランプ、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、デイープ紫外線ランプ、マイクロ波を用い外部から無電極で水銀灯を励起するランプ、紫外線レーザー、キセノンランプ、UV−LED等の光源を有する装置が適用される。
電子線照射装置としては、例えば、走査型、カーテン型、プラズマ放電型等の電子照射装置が挙げられる。
このようにして、造形物の一部となる層と、必要に応じて、サポート部の一部となる層とからなる第1層LAY1を形成する(図2A参照)。ここで、図2A中、MD1は、第1層LAY1における造形物の一部となる層を示し、SP1は、第1層LAY1におけるサポート部の一部となる層を示す。
具体的には、サポート部を有する状態の造形物を温水中に浸漬してサポート部を溶解させて除去する方法(浸漬法)、サポート部を有する状態の造形物に温水を噴射しサポート部を溶解させつつ水圧で除去する方法(噴射法)等が採用される。なお、簡易な除去方法という観点で、浸漬法による除去がより好ましい。前記浸漬法では、超音波の照射も好適に併用される。
[サポート材SA1]
−ポリグリセリン系化合物1の調製−
デカグリセリン−トリステアリン酸エステル80部と、ジグリセリン−エチレンオキシド100モル付加物20部と、を100℃から200℃の範囲で溶融するまで加熱攪拌し、これを室温(25℃)まで冷却することで、HLB値10のポリグリセリン系化合物1を得た。
・ヒドロキシエチルアクリレート(HEA): 100部
(温水溶解性のUV硬化型化合物)
・ひまし油ポリオール: 50部
(可塑剤、「URIC H−31」伊藤製油(株)製、水酸基価157から170mgKOH/g、粘度(25℃)40mPa・s以下)
・ポリグリセリン系化合物1: 50部
・重合開始剤: 5.0部
(「Darocur 1173」BASF社製、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン)
・重合禁止剤: 0.5部
(「Genorad 16」Rahn AG社製)
上記成分を混合し、サポート材SA1を調製した。
実施例1で用いたポリグリセリン系化合物1を、以下により調製されたポリグリセリン系化合物2に変更した以外は、実施例1と同様にしてサポート材を得た。
−ポリグリセリン系化合物2の調製−
デカグリセリン−トリステアリン酸エステル20部と、ジグリセリン−エチレンオキシド100モル付加物80部と、を100℃から200℃の範囲で溶融するまで加熱攪拌し、これを室温(25℃)まで冷却することで、HLB値9.5のポリグリセリン系化合物2を得た。
実施例1で用いたヒドロキシエチルアクリレート(HEA)を、アクリロイルモルホリンに変更した以外は、実施例1と同様にしてサポート材を得た。
実施例1で用いた可塑剤(ひまし油ポリオール、URIC H−31)を、ポリエステルポリオール(P−400、(株)アデカ製)に変更した以外は、実施例1と同様にしてサポート材を得た。
実施例1において、ヒドロキシエチルアクリレート(HEA)、重合開始剤(Darocur 1173)、重合禁止剤(Genorad 16)を含有しないこと以外は、実施例1と同様にしてサポート材を得た。
実施例1において、ポリグリセリン系化合物1を含有しないこと以外は、実施例1と同様にしてサポート材を得た。
実施例3において、ポリグリセリン系化合物1を含有しないこと以外は、実施例3と同様にしてサポート材を得た。
実施例4において、ポリグリセリン系化合物1を含有しないこと以外は、実施例4と同様にしてサポート材を得た。
実施例1において、ポリグリセリン系化合物1をエチレン酢酸ビニル共重合体、森部商店社製、製品名:701D)に変更した以外は、実施例1と同様にしてサポート材を得た。
(インクジェット吐出適性の評価)
サポート材のインクジェット吐出適性について、粘度を測定することにより評価した。
70℃での粘度を、レオマット115(Contraves製)を用い、せん断速度は1400s−1の条件で測定した。
評価基準は、次の通りである。
−評価基準−
A(○):15mPa・s以下
B(△):15mPa・s超え30mPa・s以下
C(×):30mPa・s超え
4mm、3mm、2.5mm、2mm、1.8mm、1.5mm、1.4mm、1.2mm、1.0mm、0.8mm、0.6mm、0.5mm、0.45mm、0.4mm、0.35mm、0.3mm、及び0.25mmの正方形の凸部形状(凸部の高さ0.5mm)が、それぞれ格子状に配置された造形パターンを有する解像度パターン(図3参照)を準備した。
インクジェットヘッドとして富士フィルムダイマティックス社製 Polarisヘッド(型番:PQ512/85)を、紫外線照射光源としてINTEGRATION TECHNOLOGY LTD社製 Subzero−055(100w/cmの強度)を選択し、これらを駆動部と制御部からなる造形装置に設置し、これを試験用の造形装置とした。なお、造形装置は、インクジェットヘッドと光源が共に往復運動する方式であり、一度の走査(スキャン)毎に厚み20μmのサポート材層の積層と紫外線照射による硬化処理を行い、サポート材による支持部(サポート部)の形成を行う装置とした。また、造形装置では、サポート材は、遮光条件下、保存タンクから送液ポンプによりサンゴバン社製Tygon 2375耐薬チューブを経由し、日本ポール製 プロファイル・スター A050フィルター(ろ過精度5μm)を通過させ、異物を除去した後にインクジェットヘッドへ送液する仕組みとした。
上記造形装置を用い、前記解像度パターンを走査(スキャン)して支持部パターンを形成し、どの大きさの造形パターンまで解像できたかにより評価した。
前記形状精度(解像度)の評価で形成した支持部パターンを、60℃の温水に浸漬し、パターンが溶解したか否かによって評価した。
−評価基準−
A(○):5分以内に溶解し固形物が消失した
B(△):溶解したが、固形物が消失するまでに30分を超える時間を要した
C(×):溶解し切らず、固形物が残った
12 モデル材吐出ヘッド
14 サポート材吐出ヘッド
16 放射線照射装置
20 造形台
30 モデル材カートリッジ
32 サポート材カートリッジ
101 三次元造形装置
Claims (9)
- ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロイルモルホリン、アクリル酸、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、及びメトキシポリエチレングリコールアクリレートからなる群より選択される少なくとも1種の放射線硬化型化合物と、
ポリグリセリンの脂肪酸エステル、ポリグリセリンのエチレンオキサイド付加物、及びポリグリセリンのプロピレンオキサイド付加物からなる群より選択される少なくとも1種のポリグリセリン系化合物と、
を含有し、
前記放射線硬化型化合物の含有量が、三次元造形用支持材全体に対して、40質量%以上80質量%以下である、
インクジェット方式により吐出されるインクジェット用の三次元造形用支持材。 - 可塑剤を含有する請求項1に記載の三次元造形用支持材。
- 前記放射線硬化型化合物が、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートである請求項1又は請求項2に記載の三次元造形用支持材。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の三次元造形用支持材を収容した三次元造形用支持材カートリッジ。
- 放射線硬化型の三次元造形材と、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の三次元造形用支持材と、
を有する三次元造形用組成物セット。 - 放射線硬化型の三次元造形材を収容し、前記三次元造形材をインクジェット方式により吐出する第1吐出部と、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の三次元造形用支持材を収容し、前記三次元造形用支持材をインクジェット方式により吐出する第2吐出部と、
吐出した前記三次元造形材及び前記三次元造形用支持材を硬化する放射線を照射する放射線照射部と、
を備える三次元造形装置。 - 前記第2吐出部から吐出されるときの前記三次元造形用支持材の温度が45℃以上85℃以下である請求項6に記載の三次元造形装置。
- 放射線硬化型の三次元造形材をインクジェット方式により吐出し、放射線照射により硬化して、造形物を形成し、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の三次元造形用支持材をインクジェット方式により吐出し、放射線照射により硬化して、前記造形物の少なくとも一部を支持する支持部を形成し、
前記造形物の形成後、前記支持部を60℃以上90℃以下の温水に溶解させて除去する三次元造形物の製造方法。 - 前記三次元造形用支持材をインクジェット方式により吐出するときの該三次元造形用支持材の温度が45℃以上85℃以下である請求項8に記載の三次元造形物の製造方法。
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