JP6945230B2 - 無焼成セラミックス用３ｄプリンタのノズル - Google Patents

Description

本発明は、無焼成セラミックスを用いた３Ｄプリンタのノズルに関する。

３Ｄプリンタについて、常温での粘度が１０，０００ｃｐｓ以上の硬化性液状組成物の硬化性液層を形成し、その所定部分に硬化触媒を噴射して目的とする立体物の一部の形状を描画し、これを順次繰り返すことで、立体物を作製するようにしたものが開示されている（特許文献１）。また、堆積層上で、材料ベッドに対して移動可能な感熱プリントヘッドを用い、感熱ヘッドと堆積層との間に配置された保護シートを有するものが開示されている（特許文献２）。

３Ｄプリンタの射出ノズルから押し出された組成物（可塑物体）を３Ｄ状に成形するためには、直ちに硬化する必要があるため、特許文献１では触媒を用い、特許文献２では保護シートを利用して組成物の過熱、冷却の温度制御を行っている。

しかしながら、可塑物体の硬化に触媒の噴射を利用したり、保護シートを使用したりするには、そのために３Ｄプリンタの構造が複雑になるといった問題があった。

特開２００７−１０６０７０号公報 特開２０１５−１１０３４１号公報

本発明の課題は上記のような問題を解決し、射出ノズルに対して極めて簡単な構造を付加することによって、加温等による硬化促進を行わず、可塑物体（無焼成セラミックス）を３Ｄ状に成形することができる３Ｄプリンタのノズル（以下、無焼成セラミックス用ノズルと言う場合がある）を提供することである。

（１）移動可能な無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルにおいて、所定の寸法を有するカバーであって、ノズルに供給される可塑体が吐出されるそのノズルの吐出口から上部のそのノズルに、少なくてもそのカバーの一部分が支持され、赤外線透過性又は熱伝導が良く、かつ水蒸気が通過しない材質からなるカバーを備えることを特徴とする、無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルである。
（２）可塑体の組成は、酸化物粉体を主体とした酸性あるいは塩基性可塑体であることを特徴とする、（１）に記載の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルである。
（３）カバーは板状であり、所定の寸法は、大きさ１００ｍｍ×２００ｍｍ以下、厚み３ｍｍ以下で、カバーの下面と吐出されて基台に載置された固化完了前の可塑体の上端との距離は、１〜１０ｍｍであることを特徴とする（１）に記載の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルである。
（４）（１）〜（３）に記載の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルを備えることを特徴とする３Ｄプリンタである。
（５）（４）に記載の３Ｄプリンタを用いて、ノズルの吐出口から吐出された可塑体の固化によって３Ｄ状無焼成セラミックスを積層することを特徴とする、３Ｄ状無焼成セラミックスの成形方法である。

極めて簡単な構造の３Ｄプリンタのノズルによって、１００℃を超える加温等による硬化促進を行うことなく、１００℃以下で無焼成セラミックスを３Ｄ状に成形することができるという効果を奏する。

二酸化ケイ素（シリカ）が固化体を形成するモデル図である。 無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルを備える３Ｄプリンタ（カバーなし）の説明図である。 無焼成セラミックス用ノズルの拡大図（カバーなし）である。 無焼成セラミックス用ノズルの拡大図（カバーあり）である。 （ａ）無焼成セラミックス用ノズルの吐出口部（２１ゲージ）、（ｂ）無焼成セラミックス用ノズルの吐出口部（２４ゲージ）（ｃ）と従来の高粘度用の吐出口部（１８ゲージ）を示す図である。 移動する無焼成セラミックス用ノズルと、その吐出口から吐出された可塑物体が硬化するメカニズムを示すモデル図である。 二酸化ケイ素（シリカ）を主成分とする可塑体による３Ｄ状の形成体である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルから吐出された可塑体を、直ちに硬化させて３Ｄ状の固化体を形成するために、１００℃を超える加温等で硬化促進を行うと、可塑体の溶媒が蒸発して、可塑体が固化体になる本来の化学反応が起こらない。

すなわち本来の化学反応によって可塑体を固化体とすることは、可塑体の溶媒の蒸発を抑えつつ加温することができれば実現できるのであり、無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルが、カバーを備えていることによって実現できたのである。その結果、加温する温度は、従来法である例えば熱溶解積層法では２００℃程度を要するに対して、本発明では１００℃以下とすることができたのである。

可塑体の組成は、酸化物粉体を主体とした酸性あるいは塩基性可塑体が好ましく、主体となる酸化物粉体としては二酸化ケイ素（シリカ）や酸化鉄が好ましく、シリカであるときには酸性となり、酸化鉄であるときには塩基性可塑体となる。

図１に基づいて、可塑体の主体となる酸化物粉体が、例えばシリカの粉体であるときに、可塑体が固化体となる化学反応について説明を行う。シリカの粉体５１が、アルカリ性である溶媒例えば水酸化カリウム水溶液によって、シリカの粉体５１表面かシリカ由来のイオンが溶出していわば被膜５２を形成する。その後、シリカが析出し、さらに乾燥することによって、被膜５２はシリカの粉体５１間をつなぐバインダーとなる。すなわちシリカの粉体５１同士が結合されて、固化体を形成することになる。

請求項１に係る発明は無焼成セラミックス用ノズルであり、請求項４に係る発明はそのノズルを備えた３Ｄプリンタであるので、請求項１に係る発明１に対応するものを実施例１、請求項４に係る発明に対応するものを実施例２としたが、説明の便宜のため、以下では必ずしもその順序に従わずに記載した。

（無焼成セラミックス用ノズルを備えた３Ｄプリンタ、実施例２）
図２に基づいて、無焼成セラミックス用ノズル１０を備えた３Ｄプリンタ２（実施例１においてカバー３０なし）の説明を行う。３Ｄプリンタ２は、支持構造部材２２に支持された駆動部２０、駆動部２０に取り付けられた、無焼成セラミックス用ノズル１５（実施例１０においてカバー３０なし）、無焼成セラミックス用ノズル１５に取り付けられた、吐出口１２を有する吐出部１１（図３参照）、一端がノズル１５に接続され、他端がタンク６０の底部に接続されたチューブ２１及び吐出口１２から吐出された可塑体５０（図６参照）を受ける基台４０を備えて構成される。

無焼成セラミックス用ノズル１０すなわち吐出口１２は、駆動部２０が移動することによって、移動することができる。移動の方向は３Ｄすなわち左右、前後そして上下方向である。可塑体５０はタンク６０に供給され、タンク６０の上部から可塑体を加圧するコンプレッサ（図示せず）により、タンク６０の底部からチューブ２１中を流動し、無焼成セラミックス用ノズル１０の内部を通って、吐出口１１から基台４０に向かって吐出される。図３は図２の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズル（カバーなし）１５を拡大したものであるが、本発明に係る無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズル１０は、さらにカバー３０（図４参照）を備えている。

（無焼成セラミックス用ノズル、実施例１）
図４に示すように、無焼成セラミックス用ノズル１０（実施例１）は、吐出口１２より上部において、無焼成セラミックス用ノズル１０に支持されたカバー３０を備えている。図４ではカバー３０は吐出部１１のテーパ部分によって支持されているが、後述するＤ状の形成体５３を形成するメカニズムに相応しい位置に支持される。
カバー３０の材質は、赤外線透過性を有し、又は熱伝導を有し、かつ水蒸気が透過しない観点から、石英ガラスを特に含むガラス、アクリル樹脂などが好ましい。カバー３０の寸法は、作製する形成体の大きさ、ノズルの移動速度、可塑体の固化速度、透過率の観点から、大きさ１００ｍｍ×２００ｍｍ以下、厚み３ｍｍ以下が好ましい。その大きさの下限は、作製しようとする形成体の大きさなどによって、またその厚みの下限は、カバーの材質などによって適宜選択される。

例えば光によって固化反応を促進するときには、カバー３０について基台４０と反対側に赤外レーザ光源が設けられる。そうすれば、赤外レーザ光源はノズルと伴に移動し、赤外レーザ光源から放射されたレーザは、カバー３０を介して、基台４０上の可塑体５０にあたり、可塑体５０の溶解、再析出を促進するのである。

無焼成セラミックス用ノズル１０に取り付けられた吐出口部１１については、図５（ａ）、（ｂ）に示すように従来のもの（ｃ）とは異なる。すなわち、従来のもの（ｃ）が吐出口に至るまでに細管１３０を有するのに対して、（ａ）、（ｂ）では細管１３０を有さず、吐出口１２に向かってテーパを形成している。吐出口１２と基台４０に載置された可塑体５０との距離は、なるべく短いことが好ましいため、細管１３０のような形状であると、フラットである吐出口が可塑体５０に接触して、可塑体５０を削るおそれが発生するからである。なお、吐出口部１１の材質は、従来どおりステンレスなどを用いることができる。なお、吐出口部１１はルアーロックによって接続される。

吐出口１２の内径（ノズル径）としては、可塑体５０の流動性の観点から、０．３、０．４、０．５、０．７ｍｍである。ノズル１０の移動速度としては可塑体の流動性・化学反応速度・作業効率の観点から、２０〜４０ｍｍ／ｓｅｃである。また、吐出速度はノズル径と移動速度を同期して自動で変調されており、最大吐出量は、２ｍｌ／ｍｉｎである。

吐出口１２の内径とノズル１０の移動速度の組み合わせとしては、内径０．４ｍｍで移動速度２０〜４０ｍｍ／ｓｅｃや内径０．５ｍｍで移動速度２０〜５０ｍｍ／ｓｅｃである。

（可塑体の調製）
シリカ（ＳＯ−Ｃ１、アドマテックス社、粒子径２５０ｎｍ）１．８ｇと炭素（ＡＧＢ−５、伊藤黒鉛、粒子径５μｍ）３６ｇを転動ミルで混合後、０．５Ｍ ＫＯＨ ３１ｇを添加して、へらを用いて予備混錬した。その後、泡取り練太郎（シンキー製、１０００ｒｐｍ、５分）を用いて脱泡し、可塑体５０を調製した。

（実施例３）
図６に基づいて、吐出口１２から吐出された可塑物体５０が硬化して、固化体すなわち３Ｄ状の形成体５３を形成するメカニズムの説明を行う。（ａ）無焼成セラミックス用ノズル１０は、吐出口１２から可塑体５０を吐出しながら、（ｂ）可塑体５０に含まれる水（溶媒）の蒸発をカバー３０で防ぎながら、光、または熱によって基台４０に載置された可塑体５０の固化反応を促進させる。（ｃ）無焼成セラミックス用ノズル１０すなわちカバー３０が移動して、カバー３０によって覆われなくなった基台４０に載置された可塑体５０では、水の蒸発が加速されて可塑体５０の固化が完了する。そして、固化された可塑体５０が積層することによって、３Ｄ状の形成体５３（実施例３）が形成された。

図７に示すように、３Ｄ状の形成体５３は黒色であって、その上面には固化した可塑体５０の起伏による模様が形成されていた。

可塑体の流動性、ノズルの移動速度の観点から、カバー３０の下面３１と吐出されて基台４０に載置された固化完了前の可塑体５０の上端５４との距離は、１〜１０ｍｍが好ましい。

（比較例）
３Ｄプリンタ２を用いた以外は、実施例３と同様にして、３Ｄ状の形成体を形成しようとしたが、急速な乾燥により、描画中に固化体に割れが生じ、適正な３Ｄ状の形成体を得ることができなかった。

射出ノズルに対して極めて簡単な構造を付加することによって、１００℃以上の加温等による硬化促進を行わず、無焼成セラミックスを３Ｄ状に成形することができる３Ｄプリンタのノズルを提供することができる。

１ 無焼成セラミックス用ノズルを備える３Ｄプリンタ
２ 無焼成セラミックス用ノズルを備える３Ｄプリンタ（カバーなし）
１０ 無焼成セラミックス用ノズル
１１ 吐出口部
１２ 吐出口
１５ 無焼成セラミックス用ノズル（カバーなし）
２０ 駆動部
２１ チューブ
２２ 支持構造部材
３０ カバー
３１ 下面
４０ 基台
５０ 可塑体
５１ 二酸化ケイ素（シリカ）の粉体
５２ 被膜
５３ ３Ｄ状の形成体
５４ 上端
６０ タンク
１３０ 細管

Claims (5)

1. 移動可能な無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルにおいて、板状であり、大きさ１００ｍｍ×２００ｍｍ以下、厚み３ｍｍ以下の寸法を有するカバーであって、ノズルに供給される可塑体が吐出される前記ノズルの吐出口から上部の前記ノズルと略垂直に、少なくても前記カバーの一部分が支持され、前記カバーの下面と、吐出されて前記ノズルと略垂直な基台に載置された、前記カバーにカバーされた固化完了前の前記可塑体の上端との距離は、１〜１０ｍｍであり、赤外線透過性又は熱伝導が良く、かつ水蒸気が通過しない材質であるガラス、アクリル樹脂からなるカバーを備えることを特徴とする、無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズル。
2. 前記カバーの略中心に前記ノズルが位置することを特徴とする請求項１に記載の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズル。
3. 前記可塑体の組成は、酸化物粉体を主体とした酸性あるいは塩基性可塑体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルの使用方法。
4. 請求項１又は２に記載の無焼成セラミックス用３Ｄプリンタのノズルを備えることを特徴とする３Ｄプリンタ。
5. 請求項４に記載の３Ｄプリンタを用いて、前記ノズルの吐出口から吐出された前記可塑体の固化によって３Ｄ状無焼成セラミックスを積層することを特徴とする、３Ｄ状無焼成セラミックスの成形方法。

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