JP6996310B2 - Manufacturing method of three-dimensional model - Google Patents
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Description
本発明は、立体造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional model.
粉体材料を積層し造形物を作成する三次元造形方式 (以下粉末積層造形方式と言うことがある) は、レーザー焼結方式 (LS)、電子ビーム焼結方式 (EBM) 、バインダージェット方式に大別される。一般的にバインダージェット方式は、粉体材料を用い、インクジェットヘッドからバインダーインク(造形液)を塗布し、粉体材料を凝固させることで造形をする技術である。粉体材料としては、石膏、各種砂、金属、セラミック、ガラス等が挙げられる。またこれらの粉体材料に、水溶性有機材料を被覆し、造形液を塗布することで該水溶性有機材料を架橋させ、粉体材料同士を結合させる技術が知られている(例えば特許文献1参照)。粉体材料の造形後は、例えば未結合粉体材料を除去した後に焼結工程を行い、緻密構造体としての立体造形物を得ることができる。 The three-dimensional modeling method (hereinafter sometimes referred to as powder layered manufacturing method) for laminating powder materials to create a model is the laser sintering method (LS), electron beam sintering method (EBM), and binder jet method. It is roughly divided. Generally, the binder jet method is a technique of using a powder material, applying a binder ink (modeling liquid) from an inkjet head, and coagulating the powder material to perform modeling. Examples of the powder material include gypsum, various sands, metals, ceramics, glass and the like. Further, there is known a technique of coating these powder materials with a water-soluble organic material and applying a modeling liquid to crosslink the water-soluble organic materials and bond the powder materials to each other (for example, Patent Document 1). reference). After modeling the powder material, for example, after removing the unbonded powder material, a sintering step can be performed to obtain a three-dimensional model as a dense structure.
しかし、前記のような従来の粉末積層造形方式では、焼結工程を行うと立体造形物の収縮が生じる。立体造形物の形状によっては、焼結の進行度の差や熱分布の差等から等方収縮せず、焼結による形状歪みを発生させてしまうという問題があった。この問題は、造形物の大きくなるほど、また形状が複雑になるほど顕著に表れる。このような歪みを抑制するためには、立体造形物を構成するモデル部の収縮するであろう箇所にサポート部を設けて焼結する手法が知られている。しかしながら、一般的にサポート部を構成するサポート材は焼結工程でモデル部と共に焼結されてしまうため、モデル部とサポート部が一体化し、サポート部を切削等の機械加工で除去する工程が必須となり、長時間の後処理工程が必要であるという問題点があった。 However, in the conventional powder additive manufacturing method as described above, shrinkage of the three-dimensional model occurs when the sintering step is performed. Depending on the shape of the three-dimensional model, there is a problem that it does not shrink isotropically due to the difference in the progress of sintering and the difference in heat distribution, and the shape distortion due to sintering occurs. This problem becomes more pronounced as the model becomes larger and the shape becomes more complex. In order to suppress such distortion, a method is known in which a support portion is provided at a position where the model portion constituting the three-dimensional model is likely to shrink and sintering is performed. However, in general, the support material that constitutes the support part is sintered together with the model part in the sintering process, so it is essential to integrate the model part and the support part and remove the support part by machining such as cutting. Therefore, there is a problem that a long-time post-treatment process is required.
なお、特許文献2には、造形物の最外層に、造形物の内部に付与する結合剤量の1.05~5.0倍の結合剤を付与することを特徴とする三次元造形物の製造方法が開示されている。
また特許文献3には、造形ステージに向けて硬化性の造形材を吐出して造形材層を形成する際に、三次元造形物の輪郭内側部分を形成し、次いで、前記内側部分から斜め下方に向かって傾斜する傾斜部分を前記輪郭部分として形成する三次元造形方法が開示されている。
しかし、これらの従来技術では、前記のようなサポート部を除去するための長時間の後処理工程に関する問題点を解決することはできない。
In addition, Patent Document 2 is characterized in that the outermost layer of the modeled object is provided with a binder 1.05 to 5.0 times the amount of the binder applied to the inside of the modeled object. The manufacturing method is disclosed.
Further, in Patent Document 3, when a curable modeling material is discharged toward a modeling stage to form a modeling material layer, an inner portion of the contour of the three-dimensional model is formed, and then diagonally downward from the inner portion. A three-dimensional modeling method is disclosed in which an inclined portion inclined toward is formed as the contour portion.
However, these conventional techniques cannot solve the problems related to the long-time post-treatment process for removing the support portion as described above.
本発明の目的は、粉体材料に造形液を塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、前記立体造形物を構成するモデル部からの前記モデル部を支持するサポート部の除去を容易にし、サポート部を除去するための長時間の後処理工程を省くことのできる、立体造形物の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is a laminating step of applying a modeling liquid to a powder material to form a modeling layer to which the powder materials are bonded, and sequentially laminating the modeling layers to obtain a laminate, and sintering the laminate. In the method of manufacturing a three-dimensional model having a sintering step, it is easy to remove the support portion that supports the model portion from the model portion constituting the three-dimensional model, and it takes a long time to remove the support portion. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a three-dimensional model, which can omit a post-treatment step.
上記課題は、下記構成1)により解決される。
1)粉体材料に、水を含む造形用インクBを塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、
前記積層工程時、前記立体造形物を構成するモデル部とこれを支持するサポート部との間に、セラミック前駆体を含む非造形用インクAを塗布し、前記モデル部と前記サポート部との間に焼結阻害領域を形成し、
前記セラミック前駆体が、前記造形用インクBに含まれる水と反応することを特徴とする立体造形物の製造方法。
The above problem is solved by the following configuration 1).
1) A laminating step of applying a modeling ink B containing water to a powder material to form a modeling layer to which the powder material is bonded, and sequentially laminating the modeling layers to obtain a laminated body, and the laminated body. In a method of manufacturing a three-dimensional molded product having a sintering step of sintering,
During the laminating step, a non-modeling ink A containing a ceramic precursor is applied between a model portion constituting the three-dimensional model and a support portion supporting the model portion, and between the model portion and the support portion. Forming a sintering inhibition region in
A method for producing a three-dimensional model , wherein the ceramic precursor reacts with water contained in the modeling ink B.
本発明によれば、粉体材料に造形液を塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、前記立体造形物を構成するモデル部からの前記モデル部を支持するサポート部の除去を容易にし、サポート部を除去するための長時間の後処理工程を省くことのできる、立体造形物の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a molding liquid is applied to a powder material to form a molding layer to which the powder materials are bonded, and the molding layers are sequentially laminated to obtain a laminated body, and the laminated body is sintered. In the method of manufacturing a three-dimensional model having a sintering step, it is easy to remove the support portion that supports the model portion from the model portion constituting the three-dimensional model, and it takes a long time to remove the support portion. It is possible to provide a method for manufacturing a three-dimensional model, which can omit the post-treatment step.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る立体造形装置の第1例の概要について図1ないし図5を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の平面説明図であり、図2は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の側面説明図であり、図3は、造形部の断面説明図であり、図4は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の斜視説明図であり、図5は、造形部の斜視説明図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. An outline of the first example of the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1 is a plan explanatory view of the three-dimensional modeling apparatus according to the embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view of the three-dimensional modeling apparatus according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross section of a modeling portion. It is an explanatory view, FIG. 4 is a perspective explanatory view of the three-dimensional modeling apparatus which concerns on embodiment of this invention, and FIG. 5 is a perspective explanatory view of a modeling part.
この立体造形装置は、粉体造形装置(粉末造形装置ともいう。)であり、粉体(粉体材料)が結合された層状造形物である造形層30が形成される造形部1と、造形部1の層状に敷き詰められた粉体層31に造形液10(造形用インクB)を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット5とを備えている。
This three-dimensional modeling device is a powder modeling device (also referred to as a powder modeling device), and is a
造形部1は、粉体槽11と、平坦化部材(リコータ)である回転体としての平坦化ローラ12などを備えている。なお、平坦化部材は、回転体に代えて、例えば板状部材(ブレード)とすることもできる。
The
粉体槽11は、粉体20を供給する供給槽21と、造形層30が積層されて立体造形物が造形される造形槽22とを有している。供給槽21の底部は供給ステージ23として鉛直方向(高さ方向)に昇降自在となっている。同様に、造形槽22の底部は造形ステージ24として鉛直方向(高さ方向)に昇降自在となっている。造形ステージ24上に造形層30が積層された立体造形物が造形される。
The
供給ステージ23は、例えば図4に示すように、モータ27によって矢印Z方向(高さ方向)に昇降され、造形ステージ24は、同じく、モータ28によって矢印Z方向に昇降される。
As shown in FIG. 4, for example, the
平坦化ローラ12は、供給槽21の供給ステージ23上に供給された粉体20を造形槽22に供給し、平坦化部材である平坦化ローラ12によって均して平坦化して、粉体層31を形成する。
The
この平坦化ローラ12は、造形ステージ24のステージ面(粉体20が積載される面)に沿って矢印Y方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、往復移動機構25によって移動される。また、平坦化ローラ12は、モータ26によって回転駆動される。
The
一方、造形ユニット5は、造形ステージ24上の粉体層31に造形液10を吐出する液体吐出ユニット50を備えている。
On the other hand, the
液体吐出ユニット50は、キャリッジ51と、キャリッジ51に搭載された2つ(1又は3つ以上でもよい。)の液体吐出ヘッド(以下、単に「ヘッド」という。)52a、52bを備えている。
The
キャリッジ51は、ガイド部材54及び55に移動可能に保持されている。ガイド部材54及び55は、両側の側板70、70に昇降可能に保持されている。
The
このキャリッジ51は、後述するX方向走査機構550によってモータ、プーリ及びベルトから構成される主走査移動機構を介して主走査方向である矢印X方向(以下、単に「X方向」という。他のY、Zについても同様とする。)に往復移動される。
The
2つのヘッド52a、52b(以下、区別しないときは「ヘッド52」という。)は、液体を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ2列配置されている。一方のヘッド52aの2つのノズル列は、シアン造形液及びマゼンタ造形液を吐出する。他方のヘッド52bの2つのノズル列は、イエロー造形液及びブラック造形液をそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。
In the two
これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液の各々を収容した複数のタンク60がタンク装着部56に装着され、供給チューブなどを介してヘッド52a、52bに供給される。
A plurality of
また、キャリッジ51には造形槽22に1層の造形層30を形成するときに、少なくとも当該造形液10が付着した領域に粉体20を供給する粉体後供給手段である粉体後供給部80が一体に備えられている。
Further, in the
また、X方向の一方側には、液体吐出ユニット50のヘッド52の維持回復を行うメンテナンス機構61が配置されている。
Further, on one side in the X direction, a
メンテナンス機構61は、主にキャップ62とワイパ63で構成される。キャップ62をヘッド52のノズル面(ノズルが形成された面)に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成(ノズル内は負圧状態である)のため、ノズル面をワイパ63でワイピング(払拭)する。また、メンテナンス機構61は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ62で覆い、粉体20がノズルに混入することや造形液10が乾燥することを防止する。
The
造形ユニット5は、ベース部材7上に配置されたガイド部材71に移動可能に保持されたスライダ部72を有し、造形ユニット5全体がX方向と直交するY方向(副走査方向)に往復移動可能である。この造形ユニット5は、後述するY方向走査機構552によって全体がY方向に往復移動される。
The
液体吐出ユニット50は、ガイド部材54、55とともに矢印Z方向に昇降可能に配置され、後述するZ方向昇降機構551によってZ方向に昇降される。
The
ここで、造形部1の詳細について説明する。
Here, the details of the
粉体槽11は、箱型形状をなし、供給槽21と造形槽22の2つの上面が開放された槽を備えている。供給槽21内部には供給ステージ23が、造形槽22内部には造形ステージ24がそれぞれ昇降可能に配置される。
The
供給ステージ23の側面は供給槽21の内側面に接するように配置されている。造形ステージ24の側面は造形槽22の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ23及び造形ステージ24の上面は水平に保たれている。
The side surface of the
粉体槽11の周りには、図5に示すように、上面が開放された凹形状である粉体落下口29が設けられている(図1ないし図3では省略)。粉体落下口29には、粉体層31を形成するときに平坦化ローラ12によって供給される粉体20のうちの余剰の粉体20が落下する。粉体落下口29に落下した余剰の粉体20は供給槽21に粉体を供給する粉体供給装置に戻される。
As shown in FIG. 5, a concave
供給槽21上には図6の粉体供給装置554が配置される。造形の初期動作時や供給槽21の粉体量が減少した場合に、粉体供給装置554を構成するタンク内の粉体を供給槽21に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。
The
平坦化ローラ12は、供給槽21から粉体20を造形槽22へと移送供給して、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である粉体層31を形成する。
The flattening
この平坦化ローラ12は、造形槽22及び供給槽21の内寸(即ち、粉体が供される部分又は仕込まれている部分の幅)よりも長い棒状部材であり、往復移動機構25によってステージ面に沿ってY方向(副走査方向)に往復移動される。
The flattening
この平坦化ローラ12は、モータ26によって回転されながら、供給槽21の外側から供給槽21及び造形槽22の上方を通過するようにして水平移動する。これにより、粉体20が造形槽22上へと移送供給され、平坦化ローラ12が造形槽22上を通過しながら粉体20を平坦化することで粉体層31が形成される。
The flattening
また、図2にも示すように、平坦化ローラ12の周面に接触して、平坦化ローラ12に付着した粉体20を除去するための粉体除去部材である粉体除去板13が配置されている。
Further, as shown in FIG. 2, a
粉体除去板13は、平坦化ローラ12の周面に接触した状態で、平坦化ローラ12とともに移動する。また、粉体除去板13は、平坦化ローラ12が平坦化を行うときの回転方向に回転するときにカウンタ方向になる状態で配置されている。
The
本実施形態では、造形部1の粉体槽11が供給槽21と造形槽22の二つの槽を有する構成としているが、造形槽22のみとして、造形槽22に粉体供給装置から粉体を供給して、平坦化手段で平坦化する構成とすることもできる。
In the present embodiment, the
次に、上記立体造形装置の制御部の概要について図6を参照して説明する。図6は同制御部のブロック図である。 Next, the outline of the control unit of the three-dimensional modeling apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram of the control unit.
制御部500は、この立体造形装置全体の制御を司るCPU501と、CPU501に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するROM502と、造形データ等を一時格納するRAM503とを含む主制御部500Aを備えている。
The
制御部500は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ(NVRAM)504を備えている。また、制御部500は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するASIC505を備えている。
The
制御部500は、外部の造形データ作成装置600から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのI/F506を備えている。なお、造形データ作成装置600は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。
The
制御部500は、各種センサの検知信号を取り込むためのI/O507を備えている。
The
制御部500は、液体吐出ユニット50の各ヘッド52を駆動制御するヘッド駆動制御部508を備えている。
The
制御部500は、液体吐出ユニット50のキャリッジ51をX方向(主走査方向)に移動させるX方向走査機構550を構成するモータを駆動するモータ駆動部510と、造形ユニット5をY方向(副走査方向)に移動させるY方向走査機構552を構成するモータを駆動するモータ駆動部512を備えている。
The
制御部500は、液体吐出ユニット50のキャリッジ51をZ方向に移動(昇降)させるZ方向昇降機構551を構成するモータを駆動するモータ駆動部511を備えている。なお、矢印Z方向への昇降は造形ユニット5全体を昇降させる構成とすることもできる。
The
制御部500は、供給ステージ23を昇降させるモータ27を駆動するモータ駆動部513と、造形ステージ24を昇降させるモータ28を駆動するモータ駆動部514を備えている。
The
制御部500は、平坦化ローラ12を移動させる往復移動機構25のモータ553を駆動するモータ駆動部515と、平坦化ローラ12を回転駆動するモータ26を駆動するモータ駆動部516を備えている。
The
制御部500は、供給槽21に粉体20を供給する粉体供給装置554を駆動する供給系駆動部517と、液体吐出ユニット50のメンテナンス機構61を駆動するメンテナンス駆動部518を備えている。
The
制御部500のI/O507には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ560などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。
A detection signal such as a temperature /
制御部500には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル522が接続されている。
An
なお、造形データ作成装置600と立体造形装置(粉体積層造形装置)601によって本発明に係る装置としての立体造型システムが構成される。
The modeling
次に、造形の流れについて図7を参照して説明する。図7は造形の流れの説明に供する模式的説明図である。 Next, the flow of modeling will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a schematic explanatory diagram for explaining the flow of modeling.
造形槽22の造形ステージ24上に、1層目の造形層30が形成されている状態から説明する。
The state in which the
この造形層30上に次の造形層30を形成するときには、図7(a)に示すように、供給槽21の供給ステージ23をZ1方向に上昇させ、造形槽22の造形ステージ24をZ2方向に下降させる。
When the
このとき、造形槽22の上面(粉体層表面)と平坦化ローラ12の下部(下方接線部)との間隔がΔt1となるように造形ステージ24の下降距離を設定する。この間隔Δt1が次に形成する粉体層31の厚さに相当する。間隔Δt1は、数十~100μm程度であることが好ましい。
At this time, the descending distance of the
次いで、図7(b)に示すように、供給槽21の上面レベルよりも上方に位置する粉体20を、平坦化ローラ12を順方向(矢印方向)に回転しながらY2方向(造形槽22側)に移動することで、粉体20を造形槽22へと移送供給する(粉体供給)。
Next, as shown in FIG. 7B, the
さらに、図7(c)に示すように、平坦化ローラ12を造形槽22の造形ステージ24のステージ面と平行に移動させ、図7(d)に示すように、造形ステージ24の造形層30上で所定の厚さΔt1になる粉体層31を形成する(平坦化)。粉体層31を形成後、平坦化ローラ12は、図7(d)に示すように、Y1方向に移動されて初期位置に戻される。
Further, as shown in FIG. 7C, the flattening
ここで、平坦化ローラ12は、造形槽22及び供給槽21の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。一定に保って移動できることで、平坦化ローラ12で粉体20を造形槽22の上へと搬送させつつ、造形槽22上又は既に形成された造形層30の上に均一厚さΔt1の粉体層31を形成できる。
Here, the flattening
その後、図7(e)に示すように、液体吐出ユニット50のヘッド52から造形液10の液滴を吐出して、次の粉体層31に造形層30を積層形成する(造形)。
After that, as shown in FIG. 7 (e), droplets of the
なお、造形層30は、例えば、ヘッド52から吐出された造形液10が粉体20と混合されることで、粉体20に含まれる水溶性有機材料が造形液10に含まれる架橋剤によって架橋され、粉体同士が結合されて形成される。
In the
次いで、上述した粉体供給・平坦化よる粉体層31を形成する工程、ヘッド52による造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層30を形成する。このとき、新たな造形層30とその下層の造形層30とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。
Next, a
以後、粉体の供給・平坦化よる粉体層31を形成する工程、ヘッド52による造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物(立体造形物)を完成させる。
After that, the three-dimensional shape model (three-dimensional model) is completed by repeating the process of forming the
次に、第二の例として、粉体層形成方法での造形の流れについて図8も参照して説明する。図8は造形の流れの説明に供する模式的説明図である。 Next, as a second example, the flow of modeling in the powder layer forming method will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic explanatory diagram for explaining the flow of modeling.
ここでは、造形槽22の造形ステージ24上に、1層目の造形層30が形成されている状態から説明する。
Here, the state in which the
この造形層30上に次の造形層30を形成するときには、図8(a)に示すように、供給槽21の供給ステージ23をZ1方向に上昇させ、造形槽22の造形ステージ24をZ2方向に下降させる。
When the
このとき、造形ステージ24の下降距離は、Δt1よりも大きいことが望ましく、Δt1の2倍以下であることがより好ましい。間隔Δt1は次に形成する粉体層の厚さ(積層ピッチ)に相当する。間隔Δt1は、数十~100μm程度であることが好ましい。
At this time, the descending distance of the
この場合、平坦化ローラ12は供給槽21及び造形槽22の上端面に対してギャップを置いて配置している。したがって、造形槽22に粉体を移送供給して平坦化するとき、粉体層の表面(粉体面)は供給槽21及び造形槽22の上端面よりも高い位置になる。
In this case, the flattening
これにより、平坦化ローラ12が供給槽21及び造形槽22の上端面に接触することを確実に防止できて、平坦化ローラ12の損傷が低減する。平坦化ローラ12の表面が損傷すると粉体層の表面にスジが発生して平坦性が低下する。
As a result, the flattening
次いで、図8(b)に示すように、供給槽21の上面レベルよりも上方に位置する粉体20を、平坦化ローラ12を逆方向(矢印方向)に回転しながら造形槽22側に移動することで、粉体20を造形槽22へと移送供給する(粉体供給)。
Next, as shown in FIG. 8B, the
さらに、図8(c)に示すように、平坦化ローラ12を造形槽22の造形ステージ24のステージ面と平行に移動させ、造形ステージ24の造形層上でΔt1よりも厚い粉体層31を形成する。このとき、粉体層31の形成に使用されなかった余剰の粉体は余剰粉体受け槽に落下する。
Further, as shown in FIG. 8C, the flattening
その後,図8(d)に示すように、造形物と平坦化ローラの移動線との間隔がΔt1となるように,造形槽ステージ24を上昇させ、供給槽ステージ23を下降させる。
After that, as shown in FIG. 8D, the
そして、図8(e)に示すように、平坦化ローラ12を矢印方向に回転させながら、供給槽21側へと移動させ、余剰の粉末を供給槽21に戻すことで、造形槽粉面を平坦化する。
Then, as shown in FIG. 8 (e), the flattening
平坦化ローラ12の原点回帰時に供給槽21を平坦化する第二の粉体層形成方法では、粉体搬送時の余剰の粉末が余剰粉末受け槽に運ばれる量を低減するだけでなく、粉体層の平滑性を良くし、粉体密度を高める効果がある。
In the second powder layer forming method in which the
その後、図8(g)に示すように、液体吐出ユニットのヘッド52から造形液10の液滴を吐出して、次の粉体層に所要形状の造形層を積層形成する(造形)。このとき、造形液10は、1つの区画に対して複数回に分けて吐出される。
After that, as shown in FIG. 8 (g), droplets of the
なお、造形層は、例えば、ヘッドから吐出された造形液が粉体と混合されることで、粉体に含まれる水溶性有機材料が造形液に含まれる架橋剤によって架橋され、粉体同士が結合されて形成される。 In the modeling layer, for example, the modeling liquid discharged from the head is mixed with the powder, so that the water-soluble organic material contained in the powder is crosslinked by the cross-linking agent contained in the modeling liquid, and the powders are separated from each other. Formed by being combined.
次いで、上述した粉体供給・平坦化よる粉体層を形成する工程、ヘッドによる造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層を形成する。このとき、新たな造形層とその下層の造形層とは一体化して三次元形状造形物(立体造形物)の一部を構成する。 Next, a new modeling layer is formed by repeating the above-mentioned steps of forming the powder layer by powder supply and flattening and the process of discharging the modeling liquid by the head. At this time, the new modeling layer and the underlying modeling layer are integrated to form a part of the three-dimensional shaped object (three-dimensional model).
以後、粉体の供給・平坦化よる粉体層を形成する工程、ヘッドによる造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物(立体造形物)を完成させる。 After that, the three-dimensional shape model (three-dimensional model) is completed by repeating the process of forming the powder layer by supplying and flattening the powder and the process of discharging the modeling liquid by the head as many times as necessary.
次に、上記立体造形装置で使用する立体造形用粉体材料(粉体)及び造形用インクB(造形液)の一例について説明する。なお、以下で説明する粉体及び造形液に限定されるものではない。 Next, an example of the three-dimensional modeling powder material (powder) and the modeling ink B (modeling liquid) used in the three-dimensional modeling apparatus will be described. It should be noted that the present invention is not limited to the powder and the modeling liquid described below.
立体造形用粉体材料は、基材と、この基材を平均厚み5nm~500nmで被覆し、造形液としての架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能な水溶性有機材料とを有してなる。 The powder material for three-dimensional modeling has a base material and a water-soluble organic material that covers the base material with an average thickness of 5 nm to 500 nm and can be dissolved and crosslinked by the action of water containing a cross-linking agent as a modeling liquid. Become.
この立体造形用粉体材料においては、基材を被覆する水溶性有機材料が、架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能であるため、水溶性有機材料に架橋剤含有水が付与されると、水溶性有機材料は、溶解すると共に、架橋剤含有水に含まれる架橋剤の作用により架橋する。 In this powder material for three-dimensional modeling, the water-soluble organic material that coats the base material can be dissolved and crosslinked by the action of the cross-linking agent-containing water. The water-soluble organic material dissolves and is crosslinked by the action of the crosslinking agent contained in the crosslinking agent-containing water.
これにより、上記立体造形用粉体材料を用いて薄層(粉体層)を形成し、粉体層に架橋剤含有水を造形液10として吐出することで、粉体層においては、溶解した水溶性有機材料が架橋する結果、粉体層が結合硬化して造形層30が形成される。
As a result, a thin layer (powder layer) was formed using the above-mentioned powder material for three-dimensional modeling, and water containing a cross-linking agent was discharged as the
このとき、基材を被覆する水溶性有機材料の被覆量が平均厚みで5nm~500nmであることが好ましく、これにより水溶性有機材料が溶解したときに基材の周囲に必要最小量だけ存在し、これが架橋して三次元ネットワークを形成するため、粉体層の硬化は寸法精度良く、かつ、良好な強度をもって行われる。 At this time, the coating amount of the water-soluble organic material covering the base material is preferably 5 nm to 500 nm in average thickness, so that when the water-soluble organic material is dissolved, only the minimum necessary amount is present around the base material. Since this is crosslinked to form a three-dimensional network, the powder layer is cured with good dimensional accuracy and good strength.
この操作を繰り返すことにより、簡便かつ効率的に、焼結等の前に型崩れが生ずることなく、寸法精度良く複雑な立体造形物を形成することができる。 By repeating this operation, it is possible to easily and efficiently form a complicated three-dimensional model with good dimensional accuracy without causing shape loss before sintering or the like.
-基材-
基材としては、最終的に焼結処理が可能な金属を選択する。例えば、ステンレス(SUS)鋼、鉄、銅、チタン、銀などが好適に挙げられ、該ステンレス(SUS)鋼としては、例えば、SUS316Lなどが挙げられる。
-Base material-
As the base material, a metal that can be finally sintered is selected. For example, stainless steel (SUS) steel, iron, copper, titanium, silver and the like are preferably mentioned, and examples of the stainless steel (SUS) steel include SUS316L and the like.
これらの材料は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 These materials may be used alone or in combination of two or more.
なお、基材として、これらの材料で形成された市販品の粒子ないし粉末を使用することができる。市販品としては、例えば、SUS316L(山陽特殊鋼製、PSS316L)、Ti (大阪チタニウム)などが挙げられる。 As the base material, commercially available particles or powders made of these materials can be used. Examples of commercially available products include SUS316L (Sanyo Special Steel, PSS316L) and Ti (Osaka Titanium).
また、基材としては、水溶性有機材料との親和性を高める目的等で、公知の表面(改質)処理がされていてもよい。 Further, the base material may be subjected to a known surface (modification) treatment for the purpose of enhancing the affinity with the water-soluble organic material.
-水溶性有機材料-
水溶性有機材料としては、水に溶解し、架橋剤の作用により架橋可能な性質を有するものであれば、換言すれば、水溶性であって架橋剤によって架橋可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Water-soluble organic material-
The water-soluble organic material is not particularly limited as long as it is soluble in water and has the property of being crosslinkable by the action of a cross-linking agent, in other words, as long as it is water-soluble and can be crosslinked by a cross-linking agent. , Can be appropriately selected according to the purpose.
ここでは、水溶性有機材料の水溶性は、例えば、30℃の水100gに水溶性有機材料を1g混合して撹拌したとき、その90質量%以上が溶解するものを意味する。 Here, the water solubility of the water-soluble organic material means that, for example, when 1 g of the water-soluble organic material is mixed with 100 g of water at 30 ° C. and stirred, 90% by mass or more thereof is dissolved.
また、水溶性有機材料としては、その4質量%(w/w%)水溶液の20℃における粘度が、40mPa・s以下であるものが好ましく、1~35Pa・sであるものがより好ましく、5~30mPa・sであるものが特に好ましい。 The water-soluble organic material preferably has a viscosity of a 4% by mass (w / w%) aqueous solution at 20 ° C. of 40 mPa · s or less, and more preferably 1 to 35 Pa · s. Those having an amount of about 30 mPa · s are particularly preferable.
水溶性有機材料の粘度が、40mPa・s以下であることにより、立体造形用粉体材料に造形液である架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉体材料(粉体層)による硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)の強度が充分となり、その後の焼結等の処理ないし取扱い時に型崩れ等の問題が生じにくい。また、立体造形用粉体材料に架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉体材料(粉体層)による硬化物(立体造形物、焼結用硬化物)の寸法精度が充分となる。 When the viscosity of the water-soluble organic material is 40 mPa · s or less, the powder material for three-dimensional modeling (powder layer) formed by applying water containing a cross-linking agent, which is a molding liquid, to the powder material for three-dimensional modeling. The strength of the cured product (three-dimensional molded product, cured product for sintering) becomes sufficient, and problems such as shape loss are less likely to occur during subsequent processing or handling such as sintering. In addition, the dimensional accuracy of the cured product (three-dimensional model, cured product for sintering) formed by the powder material for three-dimensional modeling (powder layer) formed by applying cross-linking agent-containing water to the powder material for three-dimensional modeling is sufficient. Will be.
水溶性有機材料の粘度は、例えば、JIS K7117に準拠して測定することができる。 The viscosity of the water-soluble organic material can be measured, for example, according to JIS K7117.
-架橋剤含有水-
造形液である架橋剤含有水としては、水性媒体中に架橋剤を含有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、架橋剤含有水は、水性媒体、架橋剤のほか、必要に応じて適宜選択したその他の成分を含有していてもよい。
-Water containing cross-linking agent-
The cross-linking agent-containing water as the modeling liquid is not particularly limited as long as it contains the cross-linking agent in the aqueous medium, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. The cross-linking agent-containing water may contain an aqueous medium, a cross-linking agent, and other components appropriately selected as necessary.
その他の成分としては、架橋剤含有水を付与する手段の種類、使用頻度や量などの諸条件を考慮して適宜選択することができる。例えば、液体吐出法によって架橋剤含有水を付与する場合には、液体吐出ヘッドのノズルへの目詰り等の影響を考慮して選択することができる。 The other components can be appropriately selected in consideration of various conditions such as the type of means for applying the cross-linking agent-containing water, the frequency of use and the amount. For example, when water containing a cross-linking agent is applied by the liquid discharge method, it can be selected in consideration of the influence of clogging of the liquid discharge head on the nozzle.
水性媒体としては、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン、などが挙げられるが、水が好ましい。なお、水性媒体は、水がアルコール等の水以外の成分を若干量含有するものであってもよい。 Examples of the aqueous medium include water, alcohols such as ethanol, ethers, ketones, and the like, but water is preferable. The aqueous medium may be one in which water contains a small amount of a component other than water such as alcohol.
上述した立体造形物用粉体材料及び造形液としての架橋剤含有水を使用することで、粉体(基材)を接着させるためのバインダーを液体吐出ヘッドから吐出する構成に比べて、ノズルの目詰まりが少なく、ヘッドの耐久性が向上する。 By using the above-mentioned powder material for three-dimensional modeling and water containing a cross-linking agent as the modeling liquid, the nozzle is compared with the configuration in which the binder for adhering the powder (base material) is discharged from the liquid discharge head. There is less clogging and the durability of the head is improved.
本発明の製造方法は、立体造形物を構成するモデル部とこれを支持するサポート部との間に、前記モデル部から前記サポート部の除去を容易にする非造形用インクAを塗布し、両者間に焼結阻害領域を形成することを特徴とする。非造形用インクAは、従来公知の方法、例えばインクジェット法を用いたり、図1~8で説明した立体造形装置に別の液体吐出ヘッドをさらに設け、非造形用インクAを吐出することによりモデル部とサポート部との間に焼結阻害領域を形成することができる。 In the manufacturing method of the present invention, a non-modeling ink A that facilitates removal of the support portion from the model portion is applied between the model portion constituting the three-dimensional model and the support portion that supports the model portion, and both are applied. It is characterized by forming a sintering inhibition region between them. The non-modeling ink A is a model by using a conventionally known method, for example, an inkjet method, or by further providing another liquid ejection head in the three-dimensional modeling apparatus described with reference to FIGS. 1 to 8 and ejecting the non-modeling ink A. A sintering inhibition region can be formed between the portion and the support portion.
図9は、本発明の方法を説明するための立体造形物の一例の斜視図である。図9に示す立体造形物90は、板材91に対してオーバーハングしたアーチ92が形成された造形物である。従来方法で造形を行う場合には、図10のようにアーチ92下部にアーチを支えるためのサポート材からなるサポート部93が必要である。サポート部93がない場合、アーチ92の構造の形成は困難であり、仮に形成できたとしても、熱収縮により歪んだ形状となってしまう。また、サポート部93は、前記のように造形物からサポート部93を機械加工等により取り除く長時間の後処理工程が必要であり、機械加工不可な複雑な形状では、その形状を造形できない。
FIG. 9 is a perspective view of an example of a three-dimensional model for explaining the method of the present invention. The three-
そこで本発明では、図11に示すように、アーチ92であるモデル部とサポート部93との間に、非造形用インクAを塗布し、両者間に焼結阻害領域を形成する。焼結阻害領域は、非造形用インクAの固形成分からなる薄膜94であるのが好ましい。このような薄膜94は、セラミック粉末またはセラミック前駆体を含有する薄膜であるのがさらに好ましい。一般的に粉末積層造形方式では、造形層を順次積層し積層体を得た後、該積層体に焼結工程を行うことにより、緻密構造体を得ている。本発明の前記形態では、該焼結工程によりモデル部とサポート部との間にセラミック薄膜が形成され、モデル部とサポート部との焼結による固着が防止される。これにより、従来のような機械加工による後処理工程をすることなく、モデル部とサポート部との分離が容易となる。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 11, a non-modeling ink A is applied between the model portion, which is the arch 92, and the
非造形用インクAとしては、セラミック前駆体を含有するものが挙げられる。セラミック前駆体は、加水分解によって-Si-O-結合を有する3次元ネットーワーク構造を形成するものが好ましく、例えばオルトケイ酸テトラメチル (TEOS)のようなアルコキシシラン等が挙げられる。非造形用インクAに含まれる前記セラミック前駆体は、例えば造形用インクBに含まれる成分(具体的には水)と反応し、前記3次元ネットーワーク構造を形成することができる。
これとは別に、非造形用インクAは、セラミック粉末を含むこともできる。セラミック粉末としては、例えばシリカ等が挙げられる。
Examples of the non-modeling ink A include those containing a ceramic precursor. The ceramic precursor preferably forms a three-dimensional network structure having an —Si—O— bond by hydrolysis, and examples thereof include alkoxysilanes such as tetramethyl orthosilicate (TEOS). The ceramic precursor contained in the non-modeling ink A can react with, for example, a component (specifically, water) contained in the modeling ink B to form the three-dimensional network structure.
Apart from this, the non-modeling ink A may also contain ceramic powder. Examples of the ceramic powder include silica and the like.
図12および13は、非造形用インクAの塗布パターンの一例を説明するための図である。
図12において、(a)は図9と同様に立体造形物の一例の斜視図であり、(b)は板材91とアーチ92の境界部のA-A線に沿った断面の平面図である。図12(b)において、サポート部93の板材91に面する部分全体に非造形用インクAが塗布され、薄膜94が形成されている。
図13において、(a)は図9と同様に立体造形物の一例の斜視図であり、(b)はアーチ92のB-B線に沿った断面の平面図である。図12(b)において、サポート部93とアーチ92の接する面には、非造形用インクAが塗布され、薄膜94が形成されている。
薄膜94の厚さは、非造形用インクAの構成成分によって種々決定することが可能であるが、例えば、焼成工程後の厚さとして、少なくともvoxel単位でモデル部とサポート部とが隣接しない距離を設ける必要がある。ここでいう隣接とは、基準となるvoxelに対して前後上下左右だけでなく、斜め方向におけるvoxelも隣接に含む。このとき、画像パターンの形成、特にモデル部-薄膜-サポート部の界面部分の画像パターンの形成は、モデル部を第一優先とし、造形物の画像に合わせて薄膜の範囲を決定し、その後サポート部の画像を決定する。
12 and 13 are diagrams for explaining an example of a coating pattern of the non-modeling ink A.
In FIG. 12, (a) is a perspective view of an example of a three-dimensional model as in FIG. 9, and (b) is a plan view of a cross section of the boundary portion between the
In FIG. 13, (a) is a perspective view of an example of a three-dimensional model as in FIG. 9, and (b) is a plan view of a cross section of the arch 92 along the line BB. In FIG. 12B, the non-modeling ink A is applied to the contact surface between the
The thickness of the
図14は、造形用インクBと非造形用インクAの吐出方法の一例を説明するための図であり、図15は、造形用インクBと非造形用インクAの吐出方法の別の例を説明するための図である。
図14に示す形態では、造形用インクBと非造形用インクAが同時に粉体材料に吐出され、それぞれのインクが粉体材料200中の所定の領域に濡れ広がる。
図15に示す形態では、まず非造形用インクAが吐出され、その後、造形用インクBが吐出される。この形態では、非造形用インクAが十分に粉体材料200中の所定の領域に十分に濡れ広がった後に、造形用インクBに含まれる水と接触するため、非造形用インクAが、セラミック前駆体を含有する場合には、-Si-O-結合を有する3次元ネットーワーク構造が形成され、焼結工程を経た後は、非造形用インクAに含まれる固形成分が前記粉体材料間に介在することになり、モデル部からのサポート部の除去が容易となる。
FIG. 14 is a diagram for explaining an example of a method of ejecting the modeling ink B and the non-modeling ink A, and FIG. 15 is a diagram showing another example of the ejection method of the modeling ink B and the non-modeling ink A. It is a figure for demonstrating.
In the form shown in FIG. 14, the modeling ink B and the non-modeling ink A are simultaneously ejected to the powder material, and each ink wets and spreads over a predetermined region in the
In the form shown in FIG. 15, the non-modeling ink A is first ejected, and then the modeling ink B is ejected. In this embodiment, the non-modeling ink A is sufficiently wet and spread over a predetermined area in the
図16は、モデル部とサポート部との間に薄膜が形成されるメカニズムの一例を説明するための図である。
図16に示す形態では、非造形用インクAがセラミック前駆体を含んでいる。造形用インクBの吐出により、水が非造形用インクAに供給され、-Si-O-結合を有する3次元ネットーワーク構造が形成される。焼結工程を経た後は、非造形用インクAに含まれる固形成分がセラミックに転移し、粉体材料間に介在し、モデル部からのサポート部の除去が容易となる。一般的にアルコキシシランのセラミック転移温度は、600~800℃であり、金属からなる粉体材料の焼結温度(1000℃以上)よりも十分に低い。したがって、モデル部とサポート部との焼結収縮が進行するよりも前に、かつ両者が固着するよりも前に、両者間にセラミック薄膜が形成され、モデル部からのサポート部の除去が容易となる。
FIG. 16 is a diagram for explaining an example of a mechanism in which a thin film is formed between a model portion and a support portion.
In the form shown in FIG. 16, the non-modeling ink A contains a ceramic precursor. By ejecting the modeling ink B, water is supplied to the non-modeling ink A to form a three-dimensional network structure having an —Si—O— bond. After the sintering step, the solid component contained in the non-modeling ink A is transferred to the ceramic, intervenes between the powder materials, and the support portion can be easily removed from the model portion. Generally, the ceramic transition temperature of alkoxysilane is 600 to 800 ° C., which is sufficiently lower than the sintering temperature (1000 ° C. or higher) of a powder material made of metal. Therefore, a ceramic thin film is formed between the model portion and the support portion before the sintering shrinkage progresses and before both are fixed, so that the support portion can be easily removed from the model portion. Become.
図17は、モデル部とサポート部との間に薄膜が形成されるメカニズムの別の例を説明するための図である。
図17に示す形態では、非造形用インクAがセラミック粉末を含んでいる。
非造形用インクAが吐出され乾燥する過程で、セラミックス粉末は粉体材料間に介在する。その後焼結収縮が進行する温度に達すると、セラミックス粉末によって接点を阻害された粉体材料は粒子間距離が離れているために焼結が進行せず互いの固着が阻害される。このようにして、モデル部とサポート部との間に非焼結領域を形成させ、その後の焼結工程を経て機械強度を低下させることで、モデル部とサポート部とを容易に分離することができる。
FIG. 17 is a diagram for explaining another example of the mechanism by which a thin film is formed between the model portion and the support portion.
In the form shown in FIG. 17, the non-modeling ink A contains a ceramic powder.
In the process of ejecting and drying the non-modeling ink A, the ceramic powder is interposed between the powder materials. After that, when the temperature at which the sintering shrinkage progresses is reached, the powder materials whose contacts are blocked by the ceramic powder do not proceed with sintering because the distance between the particles is large, and their adhesion to each other is hindered. In this way, the model part and the support part can be easily separated by forming a non-sintered region between the model part and the support part and lowering the mechanical strength through the subsequent sintering step. can.
本発明で使用できる各材料の具体例を以下に示すが、本発明は下記例に限定されない。
(1)
基材:SUS316L 平均粒径8μm
水溶性有機材料:ポリビニルアルコール 膜厚100 μm
造形用インクB:水(75%)と、Zr2+架橋剤を含有する
非造形用インクA:イソプロピルアルコール、1,2-プロパンジオールおよびテトラオルトケイ酸エチル含有
(2)
基材:SUS316L 平均粒径8μm
水溶性有機材料:ポリビニルアルコール 膜厚100 μm
造形用インクB:水(75%)と、Zr2+架橋剤を含有する
非造形用インクA:イソプロピルアルコール、1,2-プロパンジオールおよびジメチルシロキサン含有
(3)
基材:SUS316L 平均粒径8μm
水溶性有機材料:ポリビニルアルコール 膜厚100 μm
造形用インクB:水(75%)と、Zr2+架橋剤を含有する
第二インク:イソプロピルアルコール、1,2-プロパンジオールおよびシリカ微粒子(平均粒径500 nm)含有
Specific examples of each material that can be used in the present invention are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.
(1)
Base material: SUS316L Average particle size 8 μm
Water-soluble organic material: Polyvinyl alcohol Film thickness 100 μm
Modeling ink B: Water (75%) and non-modeling ink A containing Zr 2+ cross-linking agent: Isopropyl alcohol, 1,2-propanediol and ethyl tetraorthosilicate (2)
Base material: SUS316L Average particle size 8 μm
Water-soluble organic material: Polyvinyl alcohol Film thickness 100 μm
Modeling ink B: Water (75%) and non-modeling ink A containing Zr 2+ cross-linking agent: isopropyl alcohol, 1,2-propanediol and dimethylsiloxane (3)
Base material: SUS316L Average particle size 8 μm
Water-soluble organic material: Polyvinyl alcohol Film thickness 100 μm
Modeling ink B: Water (75%) and second ink containing Zr 2+ cross-linking agent: Isopropyl alcohol, 1,2-propanediol and silica fine particles (
1 造形部
5 造形ユニット
7 ベース部材
10 造形液
11 粉体槽
12 平坦化ローラ
13 粉体除去板
20 粉体
21 供給槽
22 造形槽
23 供給ステージ
24 造形ステージ
25 往復移動機構
26 モータ
27 モータ
28 モータ
29 粉体落下口
30 造形層
31 粉体層
50 液体吐出ユニット
51 キャリッジ
52 ヘッド
52a 液体吐出ヘッド
52b 液体吐出ヘッド
54 ガイド部材
55 ガイド部材
56 タンク装着部
60 タンク
61 メンテナンス機構
62 キャップ
63 ワイパ
70 側板
71 ガイド部材
72 スライダ部
80 粉体後供給部
500 制御部
500A 主制御部
501 CPU
502 ROM
503 RAM
504 不揮発性メモリ
505 ASIC
506 I/F
507 I/O
508 ヘッド駆動制御部
510 モータ駆動部
511 モータ駆動部
512 モータ駆動部
513 モータ駆動部
514 モータ駆動部
515 モータ駆動部
516 モータ駆動部
517 供給系駆動部
518 メンテナンス駆動部
522 操作パネル
550 X方向走査機構
551 Z方向走査機構
552 Y方向走査機構
554 粉体供給装置
560 温湿度センサ
600 造形データ作成装置
601 立体造形装置
90 立体造形物
91 板材
92 アーチ
93 サポート部
94 薄膜
200 粉体材料
1
502 ROM
503 RAM
504
506 I / F
507 I / O
508 Head
Claims (8)
前記積層工程時、前記立体造形物を構成するモデル部とこれを支持するサポート部との間に、セラミック前駆体を含む非造形用インクAを塗布し、前記モデル部と前記サポート部との間に焼結阻害領域を形成し、
前記セラミック前駆体が、前記造形用インクBに含まれる水と反応することを特徴とする立体造形物の製造方法。 A molding step in which a modeling ink B containing water is applied to a powder material to form a modeling layer to which the powder material is bonded, and the modeling layers are sequentially laminated to obtain a laminate, and the laminate is sintered. In the method of manufacturing a three-dimensional model having a sintering step
During the laminating step, a non-modeling ink A containing a ceramic precursor is applied between a model portion constituting the three-dimensional model and a support portion supporting the model portion, and between the model portion and the support portion. Forming a sintering inhibition region in
A method for producing a three-dimensional model , wherein the ceramic precursor reacts with water contained in the modeling ink B.
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