JP7011493B2

JP7011493B2 - 立体物造形方法

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Publication number: JP7011493B2
Application number: JP2018036214A
Authority: JP
Inventors: 幸弘前川; 智洋奥村; 洋平森田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: JP2019150980A

Description

本発明は、基材上に、印刷装置、特に、インクジェットプリンターによって、セラミックス粉体を分散させた液体材料を用いて、セラミックスの立体物を造形する立体物造形方法に関するものである。

３次元の立体形状を持つセラミックスを製造するための従来のプロセスとして、プレス成型または鋳型を用いる方法があるが、多品種少量生産に適さない。

そこで、インクジェットプリンターを用いてセラミックス粉体と有機成分とを含む立体形状を製作し、これを焼結することで、セラミックス製の立体物を造形する方法が開発された（例えば、特許文献１を参照）。

その他の、コンピューター制御を利用したラピッドプロトタイピングによるセラミックス立体物の造形方法として、選択的レーザー焼結法がある（例えば、特許文献２を参照）。

特表２００９－５３１２６０号公報特開２０１６－２１６７５９号公報

しかしながら、従来例に示した特許文献１に記載の技術では、焼結工程において、有機成分を徐々に酸化及び気化させる必要があるため、焼結工程だけで数時間以上、場合によっては１００時間以上を要してしまい、完成までに多大な時間を要するという問題があった。

また、従来例に示した特許文献２に記載の技術では、層ごとに焼結を行うため、短時間の造形が可能である一方、形状精度が悪いという問題があった。造形精度を上げようとしてレーザー光を絞りすぎると、大面積の走査に長時間を要することとなり、全体の造形時間が増加してしまう。

本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、セラミックスの立体物を造形するに際して、短時間で高精度に造形することができる立体物造形方法を提供することを目的としている。

本発明の１つの態様の立体物造形方法は、
セラミックスの粉体を含む粉体層を基材に形成する第１ステップと、
前記第１ステップで形成した前記粉体層を熱処理して粉体を焼結し焼結層を形成する第２ステップと、
前記焼結層に発生したクラックのみを、セラミックスの粉体を含む粉体層で埋める第３ステップと、
前記第３ステップで形成した粉体層を再度焼結する第４ステップとを備え、
前記第１、第２、第３、第４ステップを繰返し行う。

本発明の前記態様によれば、高精度に１又は２つの粉体層を形成するごとに焼結を行うので、長時間の焼結工程が必要なく、短時間で立体物を造形することができる。また、焼結工程で発生するクラックも埋めて修正することができるため、複雑な形状を、より正確に造形することができる。つまり、短時間で高精度に立体物を造形することができる。

本発明の実施の形態１における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態１における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態１における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態１における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態１における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態１における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における立体物造形方法の１つの工程での形成物の構成を示す断面図

以下、本発明の実施の形態における立体物造形方法について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１Ａ～図１Ｆを参照して説明する。

図１Ａ～図１Ｆは、本発明の実施の形態１における立体物造形方法の各工程での形成物の構成を示す断面図である。

図１Ａにおいて、例えばイットリア安定化ジルコニア（以下、単に「ＹＳＺ」と称する。）粉体セラミックスからなる粉体を分散させた液体材料としての第１インクを、インクジェットヘッドから基材１の表面に向けて吐出することにより塗布する。このようにして、基材１の表面に、ＹＳＺを含む粉体層として第１インクの粉体層２をインクジェット法により形成する。この第１インクの粉体層２は、粉体と、バインダー（例えば樹脂製バインダー）と、溶剤と、界面活性剤となどで構成される。

ジルコニア（ＺｒＯ_２）に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物を添加して固溶させたものをイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）といい、立方晶が広範囲の温度帯において安定して存在するようになる。ＹＳＺの焼結温度は、８００～１６００℃程度であり、焼結によりセラミックス塊となる。ジルコニアに添加する酸化物量を安定化ジルコニアの量よりも少なくすると、単斜晶あるいは正方晶が分散した状態となる。この状態のものを、部分安定化ジルコニアという。本明細書においては、両者を区別せず、ともに安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と呼ぶこととする。ＹＳＺは、義歯材料などとして広く実用化されている。

次に、図１Ｂにおいて、ライン状の誘導結合型プラズマトーチ（ＩＣＰトーチプラズマ）を用いて、第１インクの粉体層２が形成された基材１の表面の平面状の部分全体を熱処理することにより、粉体層２の粉体を焼結し、ジルコニアセラミックスからなる第１インク焼結層４を焼結層として形成する。

第１インク焼結層４は、バインダー（例えば樹脂製バインダー）と、溶剤と、界面活性剤となどの大半が、第１インクの粉体層２から熱処理により揮発して失われており、その過程で体積収縮が起きる。したがって、第１インク焼結層４の厚さは、図１Ａにおける第１インクの粉体層２の厚さ（例えば５～５０μｍ程度）の２５～５０％程度と小さくなり、クラック６が発生する。

ＩＣＰトーチによる熱処理は極めて短時間（数秒以下）で行われるため、基材１の温度は第１インクの粉体層２が焼結されている瞬間の温度よりも低く保たれる。よって、熱処理された基材１の最表面の温度は、急速に低下する。したがって、ごく僅か（例えば数秒～数十秒）の冷却時間をあけて、次の塗布工程に進むことができる。

なお、特許文献３（特開２０１５－１８９０２４号公報）には、樹脂製の立体物を造形する方法として、インクジェットプリンターを用いて層を印刷するに際して、層を形成するごとに、造形物に対して低温プラズマを照射し、層間の密着性を向上させる方法が知られている。が、ここで開示されているプラズマ処理で用いられているのは、低温プラズマであり、セラミックスを焼結させることができるような高温を得ることは不可能である。

次に、図１Ｃにおいて、第１インク焼結層４に発生したクラック６の位置及び大きさをクラック検出手段７で検出する。この検出手段７としては、カメラと画像認識処理部とで構成される画像認識手段、又は、磁性材料を検出する磁気センサなどを利用することができる。

第１インクの粉体層２として、磁性を持つセラミックス粉体を使用する場合、あるいは、第１インクに、磁性を持つセラミックス粉体又はその他の磁性材料を添加することが可能な場合は、磁気センサを用いる方法が好適である。画像認識による方法では、基材１の表面が鏡面になっていたり、又は傾きがあると、微小なクラック６を検出するのが困難になる。一方、クラック６のエッジ部では、物理的に磁性が強くなるため、磁気センサを用いる方法は、画像認識を用いる方法に比べて、クラック６の検出が容易になる。また、サイズ及び価格ともに磁気センサを用いる方法のほうが、画像認識を用いる方法に比べて、優位性がある。

次に、図１Ｄにおいて、第１インク焼結層４のクラック６の位置に、粉体を分散させた液体材料としての第１インクを、インクジェットヘッドから吐出して塗布することにより、クラック６を埋め、平な粉体層２ａを形成する。

次に、図１Ｅにおいて、再び、第１インクをインクジェットヘッドから図１Ｄの第１インク焼結層４と粉体層２ａとの上に吐出して塗布することにより、図１Ｄの工程で得られた第１インク焼結層４と粉体層２ａとの上に、粉体層２ｂをインクジェット法により形成する。

なお、粉体層２，２ａ，２ｂは形成される場所が異なるだけで、材料は同じである。

この後は、図１Ｂの熱処理を行ったのち、図１Ｃ～図１Ｅまでの工程を繰り返すことによって、所望の形状の立体物１１を造形する。

このようにして、少なくとも、図１Ｄ及び／又は図１Ｅなどの塗布工程と図１Ｆなどの熱処理工程とを適宜繰り返し行うことにより、図１Ｆに示すように、短時間で高精度に、白色で硬度の高いジルコニアセラミックス立体物１１を造形することができる。

ここでは、熱処理においてＩＣＰトーチプラズマを照射する場合を例示したが、ＩＣＰトーチプラズマに代えて、短時間で熱処理が可能な強力な熱源を用いる他の熱処理方法を用いることも可能である。例えば、フラッシュランプによる閃光、又はレーザーなどのエネルギーを照射してもよい。レーザーを用いる場合は、パターンを直描する必要はないので、生産性を得るためにライン状に整形されたレーザービームを走査することが望ましい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図２Ａ～図２Ｇを参照して説明する。

図２Ａ～図２Ｇは、本発明の実施の形態２における立体物造形方法の各工程での形成物の構成を示す断面図である。

まず、図２Ａにおいて、例えばＹＳＺからなる粉体を分散させた液体材料としての第１インクを、インクジェットヘッドから基材１の表面に向けて吐出することにより塗布する。このようにして、基材１の表面に、ＹＳＺを含む粉体層として第１インクの粉体層２をインクジェット法により形成する。この第１インクの粉体層２は、粉体と、バインダー（例えば樹脂製バインダー）と、溶剤と、界面活性剤となどで構成される。

次に、図２Ｂにおいて、ライン状のＩＣＰトーチプラズマを用いて、第１インクの粉体層２が形成された基材１の表面の平面状の部分全体を熱処理することにより、粉体層２の粉体を焼結し、ジルコニアセラミックスからなる第１インク焼結層４を形成する。この際、インクの粉体層２の収縮によりクラック６が発生する。

次に、図２Ｃにおいて、第１インク焼結層４に発生したクラック６の位置及び大きさをクラック検出手段７で検出する。

次に、図２Ｄにおいて、第１インク焼結層４のクラック６の位置に、粉体を分散させた液体材料としての第１インクを、インクジェットヘッドから吐出して塗布することにより、クラック６を埋め、平な粉体層２ａを形成する。

クラック６へ塗布する第１インクの粉体層２ａの量は、次工程での熱処理によるインクの収縮率を考慮して、クラック６の体積より多めにする。このため、一例として、第１インク焼結層４のクラック６において、粉体層２ａの厚みは第１インク焼結層４の厚みよりも大きくしている。より具体的な例としては、粉体層２ａの厚みは、第１インク焼結層４の厚みの２倍程度とすることができる。

次に、図２Ｅにおいて、再び、ライン状のＩＣＰトーチプラズマを用いて、熱処理することにより、粉体層２ａを焼結し、ジルコニアセラミックスからなる第１インク焼結層４ａをクラック６に形成する。この結果、クラック６内の第１インク焼結層４ａと、クラック６以外の第１インク焼結層４とが一体的になり、１つの第１インク焼結層４になる。

次に、図２Ｆにおいて、再び、第１インクを、インクジェットヘッドから図２Ｅの第１インク焼結層４の上に吐出して塗布することにより、図２Ｅの工程で得られた第１インク焼結層４の上に、粉体層２ｂをインクジェット法により形成する。

この後は、図２Ｂの熱処理を行ったのち、図２Ｃ～図２Ｆまでの工程を繰り返すことによって、所望の形状の立体物１２を造形する。

このようにして、少なくとも、図２Ｄ及び／又は図２Ｆなどの塗布工程と図２Ｅ及び／又は図２Ｇなどの熱処理工程とを適宜繰り返し行うことにより、図２Ｇに示すように、短時間で高精度に、白色で硬度の高いジルコニアセラミックス立体物１２を造形することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図３Ａ～図３Ｆを参照して説明する。

図３Ａ～図３Ｆは、本発明の実施の形態３における立体物造形方法の各工程での形成物の構成を示す断面図である。

まず、図３Ａにおいて、例えばＹＳＺからなる粉体を分散させた液体材料としての第１インクを、インクジェットヘッドから基材１の表面に向けて吐出することにより塗布する。このようにして、基材１の表面に、ＹＳＺを含む粉体層として第１インクの粉体層２をインクジェット法により形成する。この第１インクの粉体層２は、粉体と、バインダー（例えば樹脂製のバインダー）、溶剤と、界面活性剤となどで構成される。

次に、図３Ｂにおいて、ライン状のＩＣＰトーチプラズマを用いて、第１インクの粉体層２が形成された基材１の表面の平面状の部分全体を熱処理することにより、粉体層２の粉体を焼結し、ジルコニアセラミックスからなる第１インク焼結層４を形成する。この際、インクの粉体層２の収縮によりクラック６が発生する。

次に、図３Ｃにおいて、液体材料としての第２インクを、インクジェットヘッドから基材１の表面に向けて吐出して塗布することにより、基材１の表面に第２インク層をインクジェット法により形成する。その後、熱又はＵＶ（すなわち紫外線）によって第２インク層を硬化させて、第２インク硬化層５を形成する。この第２インク硬化層５は、樹脂材料と、溶剤と、界面活性剤となどで構成される。第２インク硬化層５は、造形中の立体物を支えるためのサポート層として機能する。このサポート層が無いと、２層目に塗布する第１インクの端部が垂れて基材１と直に接するような配置となってしまい、所望の立体形状が得られない。一般的に樹脂材料からなる立体物を造形する場合、サポート層としても樹脂材料が用いられる。樹脂材料の例としては、熱硬化材又はＵＶ硬化材などが用いられる。

所望形状の立体物の造形が終了した後、サポート層のみが溶融する液体に浸すなどして、サポート層を造形物から分離することにより、所望形状の立体物を得ることもできる。

しかし、本実施形態では、セラミックスの焼結を行うため、各層が８００℃以上の高温になる。よって、従来の樹脂材料のサポート層を用いることができない。高温においても失われないサポート層として、第１インク中のセラミックス（ＹＳＺ）と異なるセラミックス材料を用いることが考えられるが、これが同時に焼結されてしまうと、造形が終了した後に、サポート層５と立体物１３とを分離することができない。こうしたことから、実施の形態３及び後述する実施の形態４においては、第１インク中のＹＳＺが焼結する温度において、第２インク中の耐熱性粉体が粉体のままの状態を維持するよう、焼結が起きないジルコニア粉体を第２インクの主成分として用いている。よって、第２インク硬化層５は、粉体層２の粉体とは材料特性が異なる樹脂を含むサポート層として機能する。

この際、第２インク硬化層５の厚さは第１インク焼結層４より少し厚めに形成することが望ましい。

次に、図３Ｄにおいて、第１インクを図３Ｃの工程で得られた層の全面に塗布し、スキージ等を用いた印刷方法で、クラック６を第１インクで埋め、クラック６内に粉体層２ａを印刷形成する。

次に、図３Ｅにおいて、再び、第１インクをインクジェットヘッドから、図３Ｄの工程で得られた層に吐出することにより塗布して、図３Ｄの工程で得られた層の上に、粉体層２ｂをインクジェット法により形成する。

この後は、図３Ｂの熱処理を行ったのち、図３Ｃ～図３Ｆまでの工程を繰り返すことによって、所望の形状の立体物１３を造形する。

このようにして、少なくとも、図３Ｄ及び／又は図３Ｅなどの塗布工程と図３Ｆなどの熱処理工程とを適宜繰り返し行うことにより、図３Ｆに示すように、短時間で高精度に、白色で硬度の高いジルコニアセラミックス立体物１３を造形することができる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図４Ａ～図４Ｇを参照して説明する。

図４Ａ～図４Ｇは、本発明の実施の形態４における立体物造形方法の各工程での形成物の構成を示す断面図である。

まず、図４Ａにおいて、例えばＹＳＺからなる粉体を分散させた液体材料としての第１インクを、インクジェットヘッドから基材１の表面に向けて吐出することにより塗布する。このようにして、基材１の表面に、ＹＳＺを含む粉体層として第１インクの粉体層２をインクジェット法により形成する。この第１インクの粉体層２は、粉体と、バインダー（例えば樹脂製のバインダー）、溶剤と、界面活性剤となどで構成される。

次に、図４Ｂにおいて、ライン状のＩＣＰトーチプラズマを用いて、第１インクの粉体層２が形成された基材１の表面の平面状の部分全体を熱処理することにより、粉体層２の粉体を焼結し、ジルコニアセラミックスからなる第１インク焼結層４を形成する。この際、インクの粉体層２の収縮によりクラック６が発生する。

次に、図４Ｃにおいて、液体材料としての第２インクを、インクジェットヘッドから基材１の表面に向けて吐出して塗布することにより、基材１の表面に第２インク層をインクジェット法により形成する。その後、熱又はＵＶによって第２インク層を硬化させて、第２インク硬化層５を形成する。この第２インク硬化層５は、樹脂材料と、溶剤と、界面活性剤となどで構成される。樹脂材料の例としては、熱硬化材又はＵＶ硬化材などが用いられる。

次に、図４Ｄにおいて、第１インクを図４Ｃの工程で得られた層の全面に塗布し、スキージ等を用いた印刷方法で、クラック６を第１インクで埋め、クラック６内に粉体層２ａを印刷形成する。

次に、図４Ｅにおいて、再び、ライン状のＩＣＰトーチプラズマを用いて、熱処理することにより、粉体層２ａを焼結し、ジルコニアセラミックスからなる第１インク焼結層４ａをクラック６に形成する。この結果、クラック６内の第１インク焼結層４ａと、クラック６以外の第１インク焼結層４とが一体的になり、１つの第１インク焼結層４になる。

次に、図４Ｆにおいて、再び、第１インクを、インクジェットヘッドから図４Ｅの第１インク焼結層４の上に吐出して塗布することにより、図４Ｅの工程で得られた第１インク焼結層４の上に、粉体層２ｂをインクジェット法により形成する。

この後は、図４Ｂの熱処理を行ったのち、図４Ｃ～図４Ｇまでの工程を繰り返すことによって、所望の形状の立体物１４を造形する。

このようにして、少なくとも、図４Ｃ及び／又は図４Ｄ及び／又は図４Ｆなどの塗布工程と図４Ｅ及び／又は図４Ｇなどの熱処理工程とを適宜繰り返し行うことにより、図４Ｇに示すように、短時間で高精度に、白色で硬度の高いジルコニアセラミックス立体物１４を造形することができる。

以上述べた立体物造形方法は、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。

例えば、ジルコニアセラミックスによる立体物を造形する場合を例示したが、他のセラミックス（アルミナ、シリコンカーバイド、又はチッ化珪素など）を造形する場合にも適用可能である。

前記実施形態１～４によれば、高精度に１又は２つの粉体層２，２ａ，２ｂを形成するごとに焼結を行うので、長時間の焼結工程が必要なく、短時間で立体物１１，１２，１３，１４を造形することができる。また、焼結工程で発生するクラック６も粉体層２ａで埋めて修正することができるため、複雑な形状を、より正確に造形することができる。つまり、短時間で高精度に立体物１１，１２，１３，１４を造形することができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

以上のように、本発明の前記態様にかかる立体物造形方法は、セラミックスからなる立体物を造形するに際して、短時間で高精度に造形することができる立体物造形方法を提供することができ、例えば、ジルコニア製の義歯の製造、又は、ジルコニア、アルミナ、シリコンカーバイド、又はチッ化珪素などのエンジニアリングセラミックスの製造に利用できる。

１・・・基材
２，２ａ，２ｂ・・・第１インクの粉体層
４，４ａ・・・第１インク焼結層
５・・・第２インク硬化層
６・・・クラック
７・・・クラック検出手段
１１，１２，１３，１４・・・立体物

Claims

セラミックスの粉体を含む粉体層を基材に形成する第１ステップと、
前記第１ステップで形成した前記粉体層を熱処理して粉体を焼結し焼結層を形成する第２ステップと、
前記焼結層に発生したクラックのみを、セラミックスの粉体を含む粉体層で埋める第３ステップと、
前記第３ステップで形成した粉体層を再度焼結する第４ステップとを備え、
前記第１、第２、第３、第４ステップを繰返し行う、
立体物造形方法。
前記第３ステップで、前記クラックを埋める前に、前記クラックをクラック検出手段で検出する、
請求項１に記載の立体物造形方法。
前記第２ステップと前記第３ステップとの間に、前記粉体層の前記粉体とは材料特性が異なるジルコニア粉体を主成分とする粉体に樹脂を含むサポート層を形成する第５ステップを備える、
請求項１または２のいずれか１項に記載の立体物造形方法。
前記第３ステップが、スキージを使用した印刷によって行われる、
請求項１～３のいずれか１項に記載の立体物造形方法。