JP7185826B2 - 三次元造形物の造形材料 - Google Patents

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Description

本発明は、三次元造形物の造形材料に関する。
従来から、様々な三次元造形物の製造装置が使用されている。このうち、層を積層して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置がある。このような三次元造形物の製造装置における三次元造形物の造形材料として、金属粉末と溶媒とを含む三次元造形物の造形材料が使用される場合がある。例えば、特許文献１には、金属粉末と溶剤とを含む金属ペーストを使用して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置が開示されている。
特開２００８－１８４６２２号公報
しかしながら、金属粉末と溶媒とを含む三次元造形物の造形材料においては、金属粉末の比重が溶媒の比重よりも大きいことに起因して、金属粉末が溶媒中で沈降する場合があった。特許文献１に記載の金属ペーストも、金属粉末が溶剤中で沈降する虞がある。
上記課題を解決するための本発明の三次元造形物の造形材料は、金属粉末と、環状セルロース誘導体と、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩と、溶媒と、を含有することを特徴とする。
本発明の三次元造形物の造形材料を使用可能な三次元造形物製造装置の一例を表す概略構成図。 本発明の三次元造形物の造形材料の実施例及び比較例におけるずり速度に対する粘度のフローカーブを表すグラフ。
最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の造形材料は、金属粉末と、環状セルロース誘導体と、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩と、溶媒と、を含有することを特徴とする。
本態様によれば、環状セルロース誘導体と、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩とを含有する。カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩を含有することで、該カードハウス構造の空隙に金属粉末が入り込み、金属粉末が溶媒中で沈降することを抑制できる。なお、一般的にカードハウス構造は振動により崩れる場合があるが、環状セルロース誘導体を含有することで、カードハウス構造が崩れることを該環状セルロース誘導体が抑制できる。したがって、長期にわたり金属粉末が溶媒中で沈降することを抑制できる。
本発明の第２の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第１の態様において、前記層状珪酸塩はスメクタイトであることを特徴とする。
本態様によれば、層状珪酸塩はスメクタイトである。層状珪酸塩をスメクタイトとすることで、好適なカードハウス構造を形成可能である。
本発明の第３の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第１または第２の態様において、前記層状珪酸塩はモンモリロナイト及びヘクトライトの少なくとも一方を含むことを特徴とする。
本態様によれば、層状珪酸塩はモンモリロナイト及びヘクトライトの少なくとも一方を含む。層状珪酸塩をモンモリロナイト及びヘクトライトとすることで、特に好適なカードハウス構造を形成可能である。
本発明の第４の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記環状セルロース誘導体は、β－シクロデキストリンであることを特徴とする。
本態様によれば、環状セルロース誘導体はβ－シクロデキストリンである。環状セルロース誘導体をβ－シクロデキストリンとすることで、好適に層状珪酸塩のカードハウス構造を保護することが可能である。
本発明の第５の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記溶媒は、プロピレングリコールを含むことを特徴とする。
本態様によれば、溶媒はプロピレングリコールを含む。プロピレングリコールは環状セルロース誘導体と相性が良いので、環状セルロース誘導体を好適に溶解できる。
本発明の第６の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記金属粉末を９０体積％以下、前記環状セルロース誘導体と前記層状珪酸塩との合計を０．０３９体積％以上４体積％以下、含有することを特徴とする。
本態様によれば、金属粉末の含有比率と、環状セルロース誘導体及び層状珪酸塩の含有比率と、が好適になるので、金属粉末が溶媒中で沈降することを長期にわたり好適に抑制できるとともに、三次元造形物中の金属の純度を高めることができるためである。
本発明の第７の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第６の態様において、前記環状セルロース誘導体と前記層状珪酸塩との合計を０．１６体積％以上０．８体積％以下含有することを特徴とする。
本態様によれば、環状セルロース誘導体及び層状珪酸塩の含有比率が特に好適になるので、金属粉末が溶媒中で沈降することを長期にわたり特に好適に抑制できるとともに、三次元造形物中の金属の純度を高めることが特に好適にできるためである。
本発明の第８の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第６または第７の態様において、前記層状珪酸塩を０．０２６体積％以上含有することを特徴とする。
本態様によれば、層状珪酸塩の含有量が好適になるので、好適にカードハウス構造を形成できる。
本発明の第９の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第６から第８のいずれか１つの態様において、前記環状セルロース誘導体を０．０１３体積％以上含有することを特徴とする。
本態様によれば、環状セルロース誘導体の含有量が好適になるので、好適にカードハウス構造を補強できるためである。
本発明の第１０の態様の三次元造形物の造形材料は、前記第１から第９のいずれか１つの態様において、前記金属粉末の粒子径としてのＤ５０は、１０μｍ以下であることを特徴とする。
粒子径の小さい金属粉末を使用して三次元造形物を形成することで高精度な三次元造形物を形成できるが、本態様によれば、１０μｍ以下の粒子径の金属粉末を使用するので、高精度な三次元造形物を形成できる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
＜三次元造形物製造装置＞
最初に、本発明の三次元造形物の造形材料を使用可能な、三次元造形物製造装置４００の概要について図１を参照して説明する。図１は、三次元造形物製造装置４００の動作が分かるように、４つの状態図で表されている。なお、図中のＺ方向は鉛直方向である。
図１で表される三次元造形物製造装置４００は、ステージ４０３の側傍に、流動性の造形材料Ｍを収容するシリンダー室４６１を備えており、シリンダー室４６１には、Ｚ方向に昇降移動可能なピストン４６５を有している。詳細は後述するが、造形材料Ｍには、金属粉末と、環状セルロース誘導体と、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩と、溶媒と、が含まれている。
図１の一番上の状態図で表されるように、図１中のシリンダー室４６１の左側上方には、ステージ４０３上の層形成領域４１３或いは形成した層１０の上に造形材料Ｍを供給し、所定厚さの塗膜を形成するための塗工ローラー４６９が配置されている。そして、塗工ローラー４６９は、図１の一番上の状態図及び図１の上から２番目の状態図で表される位置から、図１の上から３番目の状態図及び図１の一番下の状態図で表されるようにステージ４０３上の層形成領域４１３を通って、図１中の右側の回収シュート４７５の上方の回収口４７７に臨む位置までの範囲を移動できるように構成されている。
また、図１において図１の一番上の状態図以外では省略されているが、三次元造形物製造装置４００は、ガルバノレーザー４２３を備えており、層形成領域４１３に形成された層１０にレーザーを照射可能な構成になっている。ガルバノレーザー４２３は、レーザー照射部と、レーザー照射部からのレーザーを位置決めする複数のミラーと、レーザーを収束させるレンズと、を有し、レーザーを高速、広範囲に走査することが可能な構成となっている。が設けられている。
ここで、三次元造形物製造装置４００における三次元造形物の製造の流れを説明する。
三次元造形物製造装置４００を使用して三次元造形物を製造する場合には、造形材料Ｍの準備、造形材料Ｍの塗工、造形材料Ｍの溶融の順で作業が進められる。以下、これらの作業の内容を説明する。
最初に、流動性組成物の準備においては、シリンダー室４６１に造形材料Ｍを必要な量充填する。次に、図１の一番上の状態図及び図１の上から２番目の状態図で表されるように、ピストン４６５を１層分の層１０の形成に必要な所定量、上方に移動させる。また、１層分の層１０を形成する場合の所定の高さにステージ４０３を設定しておき、図１の一番上の状態図及び図１の上から２番目の状態図で表される位置に塗工ローラー４６９を位置させておく。
次に、造形材料Ｍの塗工においては、図１の一番上の状態図及び図１の上から２番目の状態図で表される位置から、図１の上から３番目の状態図で表されるように、塗工ローラー４６９をステージ４０３側に移動させる。このとき、塗工ローラー４６９は、シリンダー室４６１の上面から突出している部位の造形材料Ｍをかき取るようにしてステージ４０３上に至らせ、図１の上から３番目の状態図及び図１の一番下の状態図で表されるように、ステージ４０３上に造形材料Ｍを充填する。なお、塗工ローラー４６９は、ステージ４０３上の層形成領域４１３の図１中の右側の回収シュート４７５の上方の回収口４７７に臨む位置まで移動して余剰の造形材料Ｍを回収シュート４７５に排出する。
次に、造形材料Ｍの溶融においては、塗工ローラー４６９を層形成領域４１３上の位置から図１の一番上の状態図及び図１の上から２番目の状態図で表される位置まで退避させ、ガルバノレーザー４２３を使用して、層１０における三次元造形物に対応する領域の造形材料Ｍを溶融する。
そして、造形材料Ｍの準備、造形材料Ｍの塗工、造形材料Ｍの溶融を行うことにより構成される層１０を積層することで、所望の三次元造形物を製造する。
なお、本発明の三次元造形物の造形材料Ｍを使用可能な三次元造形物製造装置は、上記三次元造形物製造装置４００のような粉末床溶融結合（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）タイプのものに限定されない。例えば、造形材料Ｍを吐出するディスペンサーを用いて層１０を形成するものなども使用可能である。ディスペンサーを用いて層１０を形成し、造形材料Ｍの溶融を行うことにより構成される層１０を積層することで、所望の三次元造形物を製造してもよい。
＜三次元造形物の造形材料＞
次に、三次元造形物の造形材料Ｍについて詳細に説明する。
本発明の三次元造形物の造形材料Ｍは、金属粉末と、環状セルロース誘導体と、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩と、溶媒と、を含有する。このように、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩を含有することで、層状の結晶同士が三次元の網目構造を形成し、その構造中の層間に金属粉末が入って、金属粉末が溶媒中で沈降することを抑制できる。なお、一般的にカードハウス構造は振動により崩れる場合があるが、環状セルロース誘導体を含有することで、カードハウス構造が崩れることを該環状セルロース誘導体が抑制できる。したがって、このような構成の造形材料Ｍとすることで、長期にわたり金属粉末が溶媒中で沈降することを抑制できる。カードハウス構造とは、層状の微小結晶同士が三次元の網目構造を形成している三次元ネットワーク構造である。
＜層状珪酸塩＞
造形材料Ｍに含有される層状珪酸塩としては、カードハウス構造を形成可能なものであれば特に限定はないが、スメクタイトを好適に使用することができる。層状珪酸塩をスメクタイトとすることで、好適なカードハウス構造を形成可能なためである。スメクタイトとしては、モンモリロナイト、ヘクトライト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、ソーコナイト、ボルコンスコアイト、スインホルダイト及びスチーブンサイトなどを使用できる。
また、特に、モンモリロナイト及びヘクトライトを好ましく使用できる。層状珪酸塩としてモンモリロナイト及びヘクトライトの少なくとも一方を含むことで、特に好適なカードハウス構造を形成可能なためである。
＜環状セルロース誘導体＞
造形材料Ｍに含有される環状セルロース誘導体としては、増粘剤として使用可能な既存の環状セルロース誘導体などを使用できるが、シクロデキストリンを好ましく使用することができる。
なお、シクロデキストリンの中でも、β－シクロデキストリンを特に好ましく使用できる。環状セルロース誘導体としてβ－シクロデキストリンとすることで、好適に層状珪酸塩のカードハウス構造を保護することが可能なためである。
＜金属粉末＞
造形材料Ｍに含有される金属粉末としては、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミ、鉄、銅など、造形する三次元造形物に応じて様々な金属を特に限定なく使用できる。また、金属粉末の粒子径についても特に限定はない。
＜セラミック粉末＞
造形材料Ｍに含有されるセラミック粉末としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、炭化珪素など、造形する三次元造形物に応じて様々なセラミックを特に限定なく使用できる。
また、前述した金属粉末と混合して使用しても良い。
また、副成分の粉末としては、黒鉛、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｐ、Ｓ、Ｎｂ等の合金用元素が挙げられ、これらは単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
主成分の金属粉末と副成分の粉末の混合比は、９０～９９．８％／０．２～１０％がよく、９３～９９．５％／０．５～７％がさらに好ましい。
ただし、金属粉末の粒子径は、Ｄ５０が１０μｍ以下であるものを好ましく使用できる。粒子径の小さい金属粉末を使用して三次元造形物を形成することで高精度な三次元造形物を形成できるが、Ｄ５０が１０μｍ以下であるものを使用することで、高精度な三次元造形物を形成できるためである。
＜溶媒＞
造形材料Ｍに含有される溶媒としては、水や様々な有機溶媒を特に限定なく自由に組み合わせて使用できる。ただし、溶媒は、プロピレングリコールを含むことが好ましい。プロピレングリコールは環状セルロース誘導体と相性が良いので、環状セルロース誘導体を好適に溶解できるためである。
＜その他の構成成分＞
なお、造形材料Ｍには、金属粉末、環状セルロース誘導体、カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩及び溶媒のほかにも、例えば防腐剤など、必要に応じてその他の構成成分を含有させることができる。
＜各構成成分の好ましい含有量＞
造形材料Ｍの各構成成分の好ましい含有量としては、金属粉末を９０体積％以下、環状セルロース誘導体と層状珪酸塩との合計を０．０３９体積％以上４体積％以下、であることが挙げられる。造形材料Ｍの各構成成分をこのような含有量とすることで、金属粉末の含有比率と、環状セルロース誘導体及び層状珪酸塩の含有比率と、が好適になるためである。具体的には、環状セルロース誘導体と層状珪酸塩との合計を０．０３９体積％以上とすることで金属粉末が溶媒中で沈降することを長期にわたり好適に抑制でき、環状セルロース誘導体と層状珪酸塩との合計を４体積％以下とすることで三次元造形物中に残る金属以外の成分が多くなりすぎることを抑制できる。
また、特に、環状セルロース誘導体と層状珪酸塩との合計を０．１６体積％以上０．８体積％以下にすることが好ましい。環状セルロース誘導体及び層状珪酸塩の含有比率が特に好適になるので、金属粉末が溶媒中で沈降することを長期にわたり特に好適に抑制できるとともに、三次元造形物中に残る金属以外の成分が多くなりすぎることを特に好適に抑制できるためである。
また、層状珪酸塩を０．０２６体積％以上含有することが好ましい。層状珪酸塩の含有量が好適になるので、好適にカードハウス構造を形成できるためである。
また、環状セルロース誘導体を０．０１３体積％以上含有することが好ましい。環状セルロース誘導体の含有量が好適になるので、好適にカードハウス構造を補強できるためである。
［造形材料Ｍの実施例］
次に、具体的な造形材料Ｍの実施例について説明する。
以下の成分を含有する実施例１の造形材料Ｍ１、実施例２の造形材料Ｍ２、実施例３の造形材料Ｍ３、実施例４の造形材料Ｍ４、比較例１の造形材料ＭＡ及び比較例２の造形材料ＭＢを作製した。ここで、小数点以下の数値は、一部、四捨五入して表している。なお、下記のスメクトン－ＳＷＮは、スメクタイトであり、詳細にはスメクタイトのうちのヘクトライトに相当する。
［実施例１：造形材料Ｍ１］
金属粉末としてのＳＵＳであるＰＦ－５Ｆ（エプソンアトミック（株）製）：８７体積％
環状セルロース誘導体としてのβ－シクロデキストリン：０．０９７８体積％
層状珪酸塩としてのスメクトン－ＳＷＮ（クニミネ工業（株））：０．０６５２体積％
溶媒としてのプロピレングリコール：９．６８体積％
溶媒としての水：３．１９体積％
ここで、実施例１の造形材料Ｍ１における環状セルロース誘導体と層状珪酸塩との合計は、０．１６３体積％である。
［実施例２：造形材料Ｍ２］
実施例１の造形材料Ｍ１に対してスメクトン－ＳＷＮの含有量を０．０２６１体積％にし、その分溶媒に置き換えたもの。
［実施例３：造形材料Ｍ３］
実施例１の造形材料Ｍ１に対してβ－シクロデキストリンの含有量を０．０１３０体積％にし、その分溶媒に置き換えたもの。
［実施例４：造形材料Ｍ４］
実施例１の造形材料Ｍ１に対してβ－シクロデキストリン及びスメクトン－ＳＷＮの含有量を０．０３９体積％にし、その分溶媒に置き換えたもの。
［比較例１：造形材料ＭＡ］
実施例１の造形材料Ｍ１に対してβ－シクロデキストリン及びスメクトン－ＳＷＮの含有量を０にし、その分溶媒に置き換えたもの。
すなわち、比較例１の造形材料ＭＡには、環状セルロース誘導体及び層状珪酸塩は、含有されていない。
［比較例２：造形材料ＭＢ］
実施例１の造形材料Ｍ１に対してβ－シクロデキストリンの含有量を０にし、その分溶媒に置き換えたもの。
すなわち、比較例２の造形材料ＭＢには、環状セルロース誘導体は、含有されていない。
＜構造粘性評価及び沈降評価＞
上記実施例１の造形材料Ｍ１、実施例２の造形材料Ｍ２、実施例３の造形材料Ｍ３、実施例４の造形材料Ｍ４、比較例１の造形材料ＭＡ及び比較例２の造形材料ＭＢについて、構造粘性評価及び沈降評価を行った。構造粘性評価は、ずり速度を速くしていった際の粘度低下の有無で評価し、沈降評価は、各造形材料Ｍを容器に入れて静置させておいた際の固液分離の有無で評価した。
その結果、実施例１の造形材料Ｍ１は、十分な構造粘性を有し、長期間沈降が生じなかった。また、実施例２の造形材料Ｍ２及び実施例３の造形材料Ｍ３も、実施例１の造形材料Ｍ１ほどではないが、十分な構造粘性を有し、長期間沈降が生じなかった。実施例４の造形材料Ｍ４は、かろうじて構造粘性を有し、比較例１の造形材料ＭＡに比べると沈降が抑制された。また、比較例２の造形材料ＭＢは、沈降評価において振動が原因と考えられる固液分離が発生していた。また、金属粉末としてのＳＵＳであるＰＦ－５Ｆ（エプソンアトミック（株）製）：８７体積％のかわりにセラミック粉末としてアルミナを用いた場合も同様の効果が得られた。
＜ずり速度に対する粘度のフローカーブ＞
［実施例５：造形材料Ｍ５、比較例３：造形材料ＭＣ、比較例４：造形材料ＭＤ］
図２は、実施例５の造形材料Ｍ５、比較例３の造形材料ＭＣ、比較例４の造形材料ＭＤのずり速度に対する粘度のフローカーブを表している。ここで、実施例５の造形材料Ｍ５は、実施例１の造形材料Ｍ１にカードハウス構造を形成しない珪素粒子であるアドマナノＹＡ０１０Ｃ－ＳＶ１（（株）アドマテックス製）を含有するなどした造形材料Ｍ１の類似組成である。また、比較例３の造形材料ＭＣは、比較例１の造形材料ＭＡにアドマナノＹＡ０１０Ｃ－ＳＶ１を含有するなどした造形材料ＭＡの類似組成である。そして、比較例４の造形材料ＭＤは、比較例１の造形材料ＭＡにβ－シクロデキストリン及びアドマナノＹＡ０１０Ｃ－ＳＶ１を含有するなどした造形材料ＭＡの類似組成である。
図２で表されるように、実施例５の造形材料Ｍ５は、静置した状態の流体を流動させるために力が必要となることに対応する降伏値を持ち、静置されている状態などに近いずり速度が低い状態での粘度が特に高くなっている。すなわち、実施例５の造形材料Ｍ５は、静置されている状態では効果的に金属粉末としてのＳＵＳの沈降を抑制することが可能な組成になっている。一方、比較例３の造形材料ＭＣは、降伏値の有無は測定していないが、そもそもの粘度が低く、静置状態でのＳＵＳの沈降を抑制することが不十分である。そして、比較例４の造形材料ＭＤは、降伏値を持たず、静置状態でのＳＵＳの沈降を抑制することが不十分である。
１０…層、４００…三次元造形物製造装置、４０３…ステージ、４１３…層形成領域、
４２３…ガルバノレーザー、４６１…シリンダー室、４６５…ピストン、
４６９…塗工ローラー、４７５…回収シュート、４７７…回収口、Ｍ…造形材料

Claims (10)

  1. 金属粉末と、
    環状セルロース誘導体と、
    カードハウス構造を形成可能な層状珪酸塩と、
    溶媒と、
    を含有することを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  2. 請求項１に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記層状珪酸塩はスメクタイトであることを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  3. 請求項１または２に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記層状珪酸塩はモンモリロナイト及びヘクトライトの少なくとも一方を含むことを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記環状セルロース誘導体は、β－シクロデキストリンであることを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記溶媒は、プロピレングリコールを含むことを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記金属粉末を９０体積％以下、前記環状セルロース誘導体と前記層状珪酸塩との合計を０．０３９体積％以上４体積％以下、含有することを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  7. 請求項６に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記環状セルロース誘導体と前記層状珪酸塩との合計を０．１６体積％以上０．８体積％以下含有することを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  8. 請求項６または７に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記層状珪酸塩を０．０２６体積％以上含有することを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  9. 請求項６から８のいずれか１項に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記環状セルロース誘導体を０．０１３体積％以上含有することを特徴とする三次元造形物の造形材料。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載された三次元造形物の造形材料において、
    前記金属粉末の粒子径としてのＤ５０は、１０μｍ以下であることを特徴とする三次元造形物の造形材料。
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