JP7270892B2 - Method and apparatus for creating three-dimensional objects - Google Patents

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Description

本発明は、所定のデザインの三次元物体を作る方法および装置に関し、特に従来基板上に噴射して造形するいわゆる3Dプリンターの技術を応用して、熱又は力学的作用によって一時的に流動化する媒体内に三次元物体を構成する樹脂等を噴出することにより形成する方法およびその製造装置に係わる。 The present invention relates to a method and apparatus for producing a three-dimensional object with a predetermined design, and in particular, by applying the so-called 3D printer technology, in which the object is modeled by spraying onto a conventional substrate, and is temporarily fluidized by thermal or mechanical action. The present invention relates to a method of forming a three-dimensional object by ejecting resin or the like into a medium and a manufacturing apparatus therefor.

3DプリンターはASTM F2792-12aにおいてはAdditive Manufacturing(付加製造)と定義されているが、一般的に理解しやすいために本明細書では3Dプリンターの用語を使用する。3Dプリンターの技術は、材料、製造方式、システム、製造方式別の個別技術、アプリケーション技術の5つの要素技術に区分することができる。 Although 3D printers are defined as Additive Manufacturing in ASTM F2792-12a, the term 3D printers is used herein for general ease of understanding. 3D printer technology can be divided into five elemental technologies: materials, manufacturing methods, systems, individual technologies for each manufacturing method, and application technologies.

要素技術の一つである「材料」としては、製造方式や用途に応じて、様々な材料が開発されており、主材料としては光硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、金属、セラミックス、ワックス等がある。また、結合剤噴射法で用いるバインダや、着色剤もこの材料に含まれる。 As for "materials", which is one of the elemental technologies, various materials have been developed according to the manufacturing method and application. be. This material also includes binders and colorants used in the binder injection method.

例えば、低臭気で、変形が少なく、透明性・表面処理性に優れた造形品を造形し得る、熱溶融積層方式の3Dプリンター用造形材料(特許文献1)、付加製造技術に用いる熱可塑性樹脂フィラメントであって、フィラメント断面において、内側層と外側層を備え、各層を構成する樹脂組成物のメルトフローレイトの差が10(g/10分)以下であることを特徴とする材料(特許文献2)などが挙げられる。 For example, molding materials for 3D printers using the hot-melt lamination method (Patent Document 1), thermoplastic resins used in additive manufacturing technology, which are low-odor, less deformable, and capable of molding molded products with excellent transparency and surface treatability. A filament comprising an inner layer and an outer layer in the cross section of the filament, wherein the difference in melt flow rate of the resin composition constituting each layer is 10 (g / 10 min) or less (Patent Document 2) and the like.

一方、要素技術の「製造方式」については、ASTMによって大きく7つの方式に分類されており、1.液状の結合剤を粉末床に噴射して選択的に固化させる方式、2.材料を供給しつつ、ビーム等を集中させることによって熱の発生位置を制御し、選択的に溶融・結合させる方式、3.流動性のある材料をノズルから押し出して堆積させつつ固化させる方式(代表的にはFDM法)、4.材料の液滴を噴射し、選択的に堆積して固化させる方式(代表的にはインクジェット法)、5.粉末を敷いた領域を熱エネルギーによって選択的に溶融結合させる方式(代表的にはレーザー焼結法)6.紙、樹脂、金属箔等のシート状の材料を接着させる方式、7.タンクにためられた液状の光硬化性樹脂を光重合によって選択的に硬化させる方式(光造形法)がある。 On the other hand, the "manufacturing method" of elemental technology is roughly classified into seven methods by ASTM. A method in which a liquid binder is sprayed onto the powder bed and selectively solidified;2. 3. A method of selectively melting and bonding by controlling the position of heat generation by concentrating a beam or the like while supplying materials; 4. A method in which a fluid material is extruded from a nozzle and deposited while being solidified (typically the FDM method); 5. A method in which droplets of material are ejected, selectively deposited and solidified (typically an inkjet method); 5. A method of selectively melting and bonding the powder-covered region by thermal energy (typically a laser sintering method). 7. A method of adhering sheet materials such as paper, resin, and metal foil; There is a method (stereolithography method) in which a liquid photocurable resin stored in a tank is selectively cured by photopolymerization.

現在家庭用として普及している3Dプリンターは前記FDM(Fused Deposition Modeling)方式を採用している。FDM方式(熱溶解積層法)とは、その名前の通り樹脂等を熱で溶かしてZ軸方向に積層して造形する方式である。この技術に関しては米国Stratasys社が特許権(特許文献3)を有しており、2009年に権利有効期間を満了すると、多くのメーカーが参入して、一般ユーザーも気軽に手に入れることのできるプリンターが市場に導入されるようになった。 3D printers that are currently widespread for home use employ the FDM (Fused Deposition Modeling) method. The FDM method (Fused Deposition Modeling), as the name suggests, is a method in which resin is melted with heat and layered in the Z-axis direction for modeling. US Stratasys has a patent right for this technology (Patent Document 3), and when the validity of the right expires in 2009, many manufacturers will enter the market and general users will be able to easily obtain it. Printers were introduced to the market.

さらに、前記のレーザー焼結法といわれる技術に関する基本特許(3D Systems社)も2014年に権利期間を満了した。レーザー焼結法は、粉末を薄層に展開する薄層形成工程と、形成された薄層に、造形対象物の断面形状に対応する形状にレーザー光を照射して、その粉末を結合させる断面形状形成工程とを順次繰り返すことにより製造する方法であり、他の造形方法と比較して精密造形に好適であり、保持部材が不要であるという利点を有する。 Furthermore, in 2014, the basic patent (3D Systems, Inc.) related to the above-mentioned laser sintering method expired. The laser sintering method consists of a thin layer forming process in which the powder is spread into a thin layer, and a laser beam is irradiated to the formed thin layer in a shape corresponding to the cross-sectional shape of the object to be molded, and the powder is bonded to the cross section. It is a method of manufacturing by sequentially repeating the shape forming process, and is suitable for precision molding as compared with other molding methods, and has the advantage of not requiring a holding member.

このレーザー光による焼結法は、使用可能な素材の種類が多く、ナイロン等の樹脂以外にも、チタン、銅、ニッケル等の金属が利用できることも特徴である。またFDM方式では、造形中に造形物が倒れないように保持部材が必要であるところ、焼結法では硬化後に造形物が沈まないので前記の通り保持部材が不要となる。ただし、レーザー光を利用するためにFDM方式の3Dプリンターに比較して装置がやや高めになるという課題もある。 This sintering method using a laser beam is characterized by the fact that it can be used with many kinds of materials, and metals such as titanium, copper, and nickel can be used in addition to resins such as nylon. In addition, in the FDM method, a holding member is required to prevent the modeled object from collapsing during molding, but in the sintering method, the modeled object does not sink after hardening, so the holding member is not required as described above. However, there is also the problem that the device is slightly higher than the FDM type 3D printer because it uses laser light.

特開2016-60147号公報JP 2016-60147 A 特開2017-65111号公報JP 2017-65111 A 米国特許5121329号U.S. Pat. No. 5,121,329

本発明の課題は、基本的にはFDM、インクジェットの各方式を採用する製造技術に係わるものであって、所望の形状の三次元物体を作成する方法、特に三次元物体が支持基盤を不要とする製造方法およびその方法に使用する装置を提供することである。 The subject of the present invention is basically related to manufacturing techniques employing FDM and inkjet methods, and a method for creating a three-dimensional object with a desired shape, especially a three-dimensional object that does not require a support base. The object of the present invention is to provide a manufacturing method and an apparatus for use in the method.

3Dプリンターの製造方法の分類の欄で述べた、FDM、インクジェットの各方式においては、3Dプリンター用造形材料を基盤上に配置することから成形が始まる。このとき、造形材料の各部分は他の造形部分との連続性(一体性)を保つか、基盤からの支持がなければ、形成することはできない。 In the FDM and inkjet methods mentioned in the section on the classification of 3D printer manufacturing methods, molding begins with placing the modeling material for the 3D printer on the substrate. At this time, each portion of the modeling material must maintain continuity (integrity) with other modeling portions or cannot be formed without support from the base.

例えば、複数のリング同士が連結された鎖のような造形物などを考えてみる。鎖を構成する各リングは他のリングと物理的に接続されていないこと、リング以外に突出部(例えば基盤からの支持部材;従来の射出成形ではランナー部ということもできる)などが無いこと、各リングは他の1つ以上のリングの環を貫通して形成されていることが、条件である。 For example, consider a modeled object such as a chain in which a plurality of rings are connected to each other. Each ring that constitutes the chain is not physically connected to other rings, and there are no protrusions other than the rings (for example, a support member from the base; in conventional injection molding, it can also be called a runner portion), etc. The proviso is that each ring is formed through an annulus of one or more other rings.

前記のような鎖を従来の3Dプリンターの製造方法をそのまま適用しても、直接的には製造できない。ステップバイステップで、先に形成されたリングを何らかの保持部材に固定して、次のリングを基盤あるいは別の保持部材により支持しつつ、先に形成されたリングを貫通して次のリングを形成することを繰り返すような手法が必要となる。 Such a chain cannot be directly manufactured by applying the conventional manufacturing method of a 3D printer as it is. Step by step, the previously formed ring is secured to some holding member and the next ring is formed through the previously formed ring while supporting the next ring by a substrate or another holding member. A repetitive method is required.

本発明では、三次元物体(例えば前記各リング)があたかも宙に浮いているような状態で形成することで、前記の基盤や保持部材を使用することなく3Dプリンター技術を適用する方法を提案することを目的としている。 The present invention proposes a method of applying 3D printer technology without using the above-mentioned base or holding member by forming a three-dimensional object (for example, each ring) as if it were floating in the air. It is intended to

本発明は、ゲル状態から熱又は力学的作用によって一時的に流動化する媒体内に、造形材料をプリントするプリントヘッドを挿入し、プリントヘッド部を加熱するか或いは動作させることによってプリントヘッド部直近の媒体を液状化させ、造形材料をプリントヘッドのノズルより噴出し、噴出後は液状化した前記媒体がゲル状態に戻ることにより所望の三次元物体を作成することを特徴とする。すなわち、媒体は、造形材料を噴出している間は通常の3Dプリンターの造形空間と同じ状態となり、噴出後には造形材料の周囲がゲル化することで造形材料が固化する際の鋳型となるものである。 The present invention inserts a print head for printing a modeling material into a medium that is temporarily fluidized by heat or mechanical action from a gel state, and heats or operates the print head to produce a print head immediately adjacent to the print head. The medium is liquefied, the modeling material is ejected from the nozzles of the print head, and after the ejection, the liquefied medium returns to a gel state to create a desired three-dimensional object. In other words, the medium is in the same state as a normal 3D printer's modeling space while the modeling material is ejected, and after ejection, the surroundings of the modeling material gel and become a mold when the modeling material solidifies. is.

具体的な媒体としては、加熱により流動化し冷却によりゲル化する寒天ゲルや流動パラフィンを5~10%に相当する量のポリエチレンでゲル化したものや、力学的作用によって流動化する媒体の例として、粒子径10~100nmの粘土鉱物を体積分率0.0001~0.1の範囲で塩濃度0.0001~1[M]の水中に分散させてなる物理ゲルが好ましい。物理ゲルはいわゆるチキソトロピー性を有していることが特徴である。 Examples of specific media include agar gel that is fluidized by heating and gelled by cooling, liquid paraffin that is gelled with polyethylene in an amount equivalent to 5 to 10%, and a medium that is fluidized by mechanical action. A physical gel obtained by dispersing a clay mineral having a particle diameter of 10 to 100 nm in a volume fraction of 0.0001 to 0.1 in water having a salt concentration of 0.0001 to 1 [M] is preferable. A physical gel is characterized by having so-called thixotropy.

さらに前記粘土鉱物としては、サポナイト、ヘクトライト、スチブンサイトから選択される一種以上であることが好ましい。チキソトロピー性の発現・制御の面で好適であり、粘度調整剤や分散化剤として化粧品にも使用されるなど、安全性の高い物質だからである。 Further, the clay mineral is preferably one or more selected from saponite, hectorite, and stevensite. This is because it is a highly safe substance that is suitable for expression and control of thixotropy and is also used in cosmetics as a viscosity modifier or dispersant.

粘土鉱物のような層状珪酸塩鉱物は、水に分散された場合に層間が負に、層の端部は正に帯電し、静電気的な結合を生じることにより、カードハウス構造を形成する。この構造を形成する力が抵抗となり、弾性が生じて物理ゲル化する。一方で層状珪酸塩鉱物の水分散液で形成される水性ゲル状組成物に水溶性の金属塩を加えると均一なカードハウス構造が形成されず、凝集や沈殿を生じ、ゲルが形成されず、ゾル状に変化する。従って、本発明では、塩濃度が所定の範囲内であることを物理ゲルの要件とした。 When layered silicate minerals such as clay minerals are dispersed in water, the layers are negatively charged and the edges of the layers are positively charged to form an electrostatic bond to form a card house structure. The force that forms this structure acts as a resistance, resulting in elasticity and physical gelation. On the other hand, when a water-soluble metal salt is added to an aqueous gel composition formed from an aqueous dispersion of layered silicate minerals, a uniform card house structure is not formed, aggregation and precipitation occur, and no gel is formed. It turns into a sol. Therefore, in the present invention, the requirement for the physical gel is that the salt concentration be within a predetermined range.

また、本発明の三次元物体の製造装置は、造形材料をプリントするプリントヘッドと、ゲル状態から熱又は力学的作用によって一時的に流動化する媒体を有し、プリントヘッド部を加熱するか或いは動作させることによってプリントヘッド部直近の媒体を液状化させ、造形材料をプリントヘッドのノズルより噴出し、噴出後は液状化した前記媒体がゲル状態に戻ることにより所望の形状を付与することを特徴とする。 Further, the three-dimensional object manufacturing apparatus of the present invention has a print head for printing a modeling material and a medium that is temporarily fluidized from a gel state by heat or mechanical action, and the print head is heated or It is characterized by liquefying the medium in the vicinity of the print head by operating it, ejecting the modeling material from the nozzles of the print head, and giving the desired shape by returning the liquefied medium to a gel state after ejection. and

本発明の三次元物体を作成する方法およびそれに使用する製造装置は、成形品の保持具や支持基盤などを不要とし、従来の3Dプリンター技術の適用範囲を拡大することができる。これまでのFDM、インクジェットなどによる成形方法では、基盤上に配置することが前提となっていたが、本発明により空間(宙に浮いたような状態)内に造形材料を噴射することによっても形を付与することが可能となった。 The method for creating a three-dimensional object of the present invention and the manufacturing apparatus used therefor do not require a holder for a molded product, a support base, and the like, and can expand the scope of application of conventional 3D printer technology. Conventional molding methods such as FDM and inkjet are based on the premise that they are placed on a substrate. was able to be given.

いわば三次元物体が他との接触をしていなくても成形することができるようになるので、例えば球体、チェーンなど従来の技術では、どうしても余計な部分(射出成形のランナー部のようなもの)ができてしまうところ、本発明の適用によって目的物のみを成形することができるのである。 In other words, three-dimensional objects can be molded even if they are not in contact with others. By applying the present invention, it is possible to mold only the target object.

図1は、本発明の媒体として、各種粘土鉱物の体積分率(φ)=0.001のときの(x軸)水分散液の塩化ナトリウム濃度[M]と(y軸)せん断弾性率(Pa)との関係を示す図である。図中のSAはサポナイト、HEはヘクトライト、STはスチブンサイトを示す(以下同様)。FIG. 1 shows, as the medium of the present invention, sodium chloride concentration [M] and (y-axis) shear modulus ( Pa). In the figure, SA indicates saponite, HE indicates hectorite, and ST indicates stevensite (the same applies hereinafter). 図2は、本発明の媒体として、各種粘土鉱物の体積分率(φ)=0.005のときの(x軸)水分散液の塩化ナトリウム濃度[M]と(y軸)せん断弾性率(Pa)との関係を示す図である。FIG. 2 shows, as the medium of the present invention, sodium chloride concentration [M] and (y-axis) shear modulus ( Pa). 図3は、本発明の媒体として、各種粘土鉱物の体積分率(φ)=0.01のときの(x軸)水分散液の塩化ナトリウム濃度[M]と(y軸)せん断弾性率(Pa)との関係を示す図である。FIG. 3 shows, as the medium of the present invention, sodium chloride concentration [M] and (y-axis) shear modulus ( Pa). 図4は、本発明の媒体(サポナイトを含む物理ゲル)を使用して、造形材料(アラルダイト)を成形したとき(実施例1)の結果を示す写真である。FIG. 4 is a photograph showing the results of molding a modeling material (araldite) using the medium of the present invention (physical gel containing saponite) (Example 1). 図5は、媒体を寒天として用い、プリントヘッド部を加熱しないで挿入して成形を試みたとき(比較例1)の結果を示す写真である。FIG. 5 is a photograph showing the results of an attempt to mold by inserting the print head portion without heating using the medium as agar (Comparative Example 1). 図6は、本発明例中、媒体としてハイコール ジェル(登録商標)を用い、プリントヘッド部を加熱しつつ、造形材料(熱可塑性樹脂)で成形を試みたとき(実施例2)の結果を示す写真である。FIG. 6 shows the results of molding using a molding material (thermoplastic resin) while heating the print head using Hicol Gel (registered trademark) as a medium (Example 2). It is a photograph.

本発明による三次元物体の作成方法は、ゲル状態から熱又は力学的作用によって一時的に流動化する媒体内に、造形材料をプリントするプリントヘッドを挿入し、プリントヘッド部を加熱するか或いは動作させることによってプリントヘッド部周辺の媒体を液状化させ、造形材料をプリントヘッドのノズルより噴出し、噴出後は液状化した前記媒体がゲル状態に戻ることにより所望の形状を付与することを特徴とする。 The method for creating a three-dimensional object according to the present invention includes inserting a print head for printing a modeling material into a medium that is temporarily fluidized from a gel state by thermal or mechanical action, and heating or operating the print head portion. The medium around the print head is liquefied by squeezing, the modeling material is ejected from the nozzles of the print head, and after ejection, the liquefied medium returns to a gel state to give the desired shape. do.

本発明の媒体は、室温において通常はゲル状態であるが、熱又は作用力が加えられると一時的に流動化するものを用いる。これにより造形材料は、液体中に噴出されるので通常の3Dプリンターと同じようにプリントが行われる。仮に造形材料が噴出後しばらくの間液体状態であって、光架橋等で後々固化(架橋)させるものであった場合でも、プリント後には前記造形材料の周囲の媒体がゲル化するので、それに合わせて形状が付与されることとなる。従って、媒体が鋳型ともなり得るのである。 The medium of the present invention is normally in a gel state at room temperature, but is temporarily fluidized when heat or force is applied. As a result, the modeling material is ejected into the liquid, so printing is performed in the same way as a normal 3D printer. Even if the modeling material is in a liquid state for a while after being ejected and is then solidified (cross-linked) by photo-crosslinking or the like, the medium surrounding the modeling material will gel after printing. shape will be given. Therefore, the medium can also serve as a template.

このような媒体としては、以下に例示する三つのタイプが考えられる。 As such a medium, the following three types are conceivable.

一つ目として、加熱により流動化し冷却することでゲル化する寒天などが挙げられる。寒天ゲルを媒体として利用する際には、3Dプリンター側のプリントヘッド部が発熱するタイプである必要がある。流動化する前にプリントヘッドが動くと寒天ゲルに亀裂を生じさせ、その亀裂へ造形材料が流入することになり、所望の形状を付与できないおそれがあるからである。 One example is agar, which is fluidized by heating and gelled by cooling. When using agar gel as a medium, the print head on the 3D printer must be of a type that generates heat. This is because if the print head is not moved before it is fluidized, the agar gel may crack and the modeling material may flow into the cracks, making it impossible to give the desired shape.

寒天ゲルを媒体として使用する場合、寒天は0.6~1.6重量%程度の濃度で熱水に一旦溶解させ、冷却することによってゲル化させて使用することができる。周知のように寒天ゲルは85℃程度以上にならないと溶けないので、プリントヘッド部の温度もそれ以上に加熱されることになる。プリントヘッド部によって加熱され流動化した媒体中に造形材料が噴射される。 When an agar gel is used as a medium, the agar can be dissolved in hot water at a concentration of about 0.6 to 1.6% by weight and gelled by cooling. As is well known, agar gel does not melt unless the temperature is about 85° C. or higher, so the temperature of the print head section is also heated to a temperature higher than that. A build material is jetted into the heated and fluidized medium by the printhead assembly.

二つ目としては、粘土鉱物を分散させた物理ゲルを使用する。この場合には、粒子径10~100nmの粘土鉱物を体積分率0.0001~0.1の範囲で塩濃度0.0001~1[M]の水中に分散させたものを使用することが好ましい。物理ゲルを媒体とする場合には、プリントヘッド部が加熱される必要はなく、単にヘッドが動くことに追従して、ヘッド部の進行方向周囲のゲルが可逆的に液状化する。 The second is to use a physical gel in which clay minerals are dispersed. In this case, it is preferable to use a clay mineral with a particle size of 10 to 100 nm dispersed in water with a salt concentration of 0.0001 to 1 [M] at a volume fraction of 0.0001 to 0.1. . When the physical gel is used as a medium, the print head portion does not need to be heated, and the gel around the traveling direction of the head portion is reversibly liquefied simply by following the movement of the head portion.

ここで、物理ゲルは分散させる水中の塩濃度が重要である。粘土鉱物のような層状珪酸塩鉱物は、水に分散された場合に層間が負に、層の端部は正に帯電し、静電気的な結合を生じることにより、カードハウス構造を形成する。この構造を形成する力が抵抗となり、弾性が生じて物理ゲル化する。一方で層状珪酸塩鉱物の水分散液で形成される水性ゲル状組成物に水溶性の金属塩を加えると均一なカードハウス構造が形成されず、凝集や沈殿を生じ、ゲルが形成されず、ゾル状に変化する。従って、前記塩濃度が所定の範囲内であることを要件とした。 Here, the salt concentration in the water in which the physical gel is dispersed is important. When layered silicate minerals such as clay minerals are dispersed in water, the layers are negatively charged and the edges of the layers are positively charged to form an electrostatic bond to form a card house structure. The force that forms this structure acts as a resistance, resulting in elasticity and physical gelation. On the other hand, when a water-soluble metal salt is added to an aqueous gel composition formed from an aqueous dispersion of layered silicate minerals, a uniform card house structure is not formed, aggregation and precipitation occur, and no gel is formed. It turns into a sol. Therefore, it was required that the salt concentration be within a predetermined range.

塩濃度が前記範囲よりも、低い場合および高い場合には図1~図3に示すように、分散後のせん断弾性率が低くなる、すなわち物理ゲルとしての固形状態の形状保持性が劣ることになる。図1には、粘土鉱物としてサポナイト(SA)、ヘクトライト(HE)、スチブンサイト(ST)を体積分率0.001で水中に分散させ、塩化ナトリウムの濃度(M:mol/L)が0.007[M]~0.1[M]の範囲にあるときの、物理ゲルのせん断弾性率G(Pa)を示したものである。せん断弾性率は、せん断力による変形のしにくさを表す物性値である。同様に図2には各粘土鉱物の体積分率が0.005であるとき、図3には体積分率が0.01のときの塩濃度とせん断弾性率の関係を示したものである。 When the salt concentration is lower or higher than the above range, as shown in FIGS. 1 to 3, the shear elastic modulus after dispersion becomes low, that is, the physical gel has poor shape retention in the solid state. Become. In FIG. 1, saponite (SA), hectorite (HE) and stevensite (ST) as clay minerals are dispersed in water at a volume fraction of 0.001, and sodium chloride concentration (M: mol/L) is 0.001. 007 [M] to 0.1 [M], showing the shear modulus G (Pa) of the physical gel. The shear modulus is a physical property value representing the resistance to deformation due to shear force. Similarly, FIG. 2 shows the relationship between salt concentration and shear modulus when the volume fraction of each clay mineral is 0.005, and FIG. 3 shows the relationship when the volume fraction is 0.01.

粘土鉱物の濃度(体積分率)が低い場合(図1または図2)には特に、塩濃度が高くなるとせん断弾性率が急激に低下する傾向がある。一方、粘土鉱物の濃度が高い場合(図3)には、塩濃度が高くなっても比較的影響は少ない。これは塩の存在によってカードハウス構造を形成するべき粘土鉱物が凝集などによって失われても、溶液中にその消失分を補うことができるだけの余力があることを示している。 Especially when the concentration (volume fraction) of the clay mineral is low (Fig. 1 or Fig. 2), there is a tendency for the shear modulus to drop sharply as the salt concentration increases. On the other hand, when the concentration of clay minerals is high (Fig. 3), even if the salt concentration is high, there is relatively little effect. This indicates that even if the clay mineral that should form the card house structure is lost due to agglomeration or the like due to the existence of the salt, the solution has a surplus capacity sufficient to make up for the lost amount.

本来の目的としては、粘土鉱物は物理ゲルの構造を維持するだけの量が存在すれば足り、多量に含ませる必要はない。物理ゲルが鋳型としても機能するので、多量に含むと造形材料との接触面に粘土鉱物が析出するなどのおそれがあり、造形物の平滑な表面形成の妨げになる可能性があるからである。 For the original purpose, it is sufficient that the clay mineral exists in an amount sufficient to maintain the structure of the physical gel, and it is not necessary to include it in a large amount. Because the physical gel also functions as a template, if it is included in a large amount, clay minerals may precipitate on the contact surface with the modeling material, which may interfere with the formation of a smooth surface of the modeled object. .

前記物理ゲルは塩濃度の調整された水に粘土鉱物を分散させて得ることができる。この水としては、イオン交換などにより脱塩処理された純水が好ましく、具体的には電気伝導率が0.05~1mS/m程度である。もちろん前記電気伝導率よりも低い場合あるいは高い場合であっても、粘土鉱物中の塩濃度および別途添加する塩濃度を適宜調整することで、所定のせん断弾性率に調整することができる。 The physical gel can be obtained by dispersing clay minerals in water with adjusted salt concentration. This water is preferably pure water that has been desalted by ion exchange or the like, and specifically has an electric conductivity of about 0.05 to 1 mS/m. Of course, even when the electrical conductivity is lower or higher than the above-described electric conductivity, the shear modulus can be adjusted to a predetermined shear modulus by appropriately adjusting the salt concentration in the clay mineral and the salt concentration to be added separately.

三つ目の例として、流動パラフィンを5~10%に相当する量のポリエチレンでゲル化したものが挙げられる。このタイプのものは、前記寒天ゲルと物理ゲルの両方の性質を有しており、プリントヘッド部の加熱又は動きによって、その軌跡における範囲内でゲルが一次的に液状となり、プリントヘッド部の動きが停止するか、プリントヘッド部が離れた位置にあることで、液状から元のゲル状態へと可逆的に変化する。これによって、造形材料が噴出される間は、従来の3Dプリンターによる基盤上への噴射と同様の環境を提供し、噴出後は造形材料の周囲でゲル化した媒体が、鋳型の代わりとなるのである。 A third example is liquid paraffin gelled with polyethylene in an amount corresponding to 5-10%. This type has the properties of both the agar gel and the physical gel, and when the print head is heated or moved, the gel temporarily becomes liquid within the range of its trajectory, and the print head moves. It reversibly changes from the liquid state back to the gel state when the printhead is stopped or the printhead is moved away. As a result, while the modeling material is ejected, it provides an environment similar to the ejection onto the substrate by a conventional 3D printer, and after ejection, the gelled medium around the modeling material acts as a template. be.

本発明は、前記方法に使用する三次元物体の製造装置に係わるものでもある。本発明の装置は、造形材料から所望の形状の三次元物体を製造する装置であって、造形材料をプリントするプリントヘッドと、ゲル状態から熱又は力学的作用によって一時的に流動化する媒体を有し、プリントヘッド部を加熱するか或いは動作させることによってプリントヘッド部直近の媒体を液状化させ、造形材料をプリントヘッドのノズルより噴出し、噴出後は液状化した前記媒体がゲル状態に戻ることにより所望の形状を付与することを特徴とする。すなわち、従来の3Dプリンター用装置に、本発明で使用する媒体を適用して、従来のプリント用に用いていた基盤などを必要とする環境を一変し、媒体内で成形する装置を提供するものである。 The present invention also relates to a three-dimensional object manufacturing apparatus used in the above method. The apparatus of the present invention is an apparatus for manufacturing a three-dimensional object of a desired shape from a building material, comprising a print head for printing the building material and a medium that is temporarily fluidized from a gel state by thermal or mechanical action. By heating or operating the print head, the medium in the immediate vicinity of the print head is liquefied, the modeling material is ejected from the nozzles of the print head, and after ejection, the liquefied medium returns to a gel state. It is characterized by imparting a desired shape. In other words, by applying the medium used in the present invention to a conventional 3D printer device, the environment that requires a substrate or the like used for conventional printing is completely changed, and a device that molds within the medium is provided. is.

媒体に関する特徴や、特定事項は前記の通りであるのでここでは、プリントヘッド部に関してのみ説明する。本発明の装置に係わるプリントヘッド部は、媒体中に挿入されたのちに動作する。媒体が熱によって流動化するものを採用する場合には、挿入されるヘッド部が加熱される必要がある。加熱の方法は従来の電熱方式で良く、寒天ゲルを媒体とすれば、85℃以上の温度に加熱された後に、媒体内に挿入される。 Since the characteristics and particulars regarding the medium are as described above, only the print head section will be described here. The printhead assembly associated with the apparatus of the present invention operates after it has been inserted into the media. When a medium that is fluidized by heat is used, it is necessary to heat the inserted head portion. A conventional electric heating method may be used for heating, and if agar gel is used as a medium, it is inserted into the medium after being heated to a temperature of 85° C. or higher.

その後、プリントヘッド部が媒体内を所定の方向、位置まで移動され、ヘッド部より造形材料が噴射されつつ、所望の形状を形成するための範囲内において動作する。一定量の噴出が終了すると、ヘッド部は一旦媒体の外に移動する。冷却された媒体は、造形材料を内部に留めた状態でゲル化し、外部からの紫外線照射などにより造形材料が硬化させられる。続いて、次の形状形成のためにプリントヘッド部が再び、媒体中に挿入され、以後、この動作を繰り返して、最終的に目的とする形状が形成される。 After that, the print head unit is moved within the medium to a predetermined position in a predetermined direction, and operates within a range for forming a desired shape while ejecting the modeling material from the head unit. After a certain amount of jetting is completed, the head unit temporarily moves out of the medium. The cooled medium gels while retaining the modeling material inside, and the modeling material is cured by ultraviolet irradiation or the like from the outside. Subsequently, the print head portion is again inserted into the media for the next shape formation, and the operation is repeated thereafter to finally form the desired shape.

媒体が力学的作用によって一次的に流動化するもの(例えば前記物理ゲルや、流動パラフィンをゲル化したもの)の場合には、プリントヘッド部が加熱される必要はなく、ヘッド部の動きがある間はゲルが液状化する点が異なるだけで、その他の動作は前記と同様となる。 When the medium is temporarily fluidized by mechanical action (for example, physical gel or liquid paraffin gel), the print head does not need to be heated, and the head moves. The only difference is that the gel is liquefied during the period, and other operations are the same as those described above.

以下本発明をより具体的に明らかにするために、いくつかの例を示す。 In order to clarify the present invention more concretely, some examples are shown below.

(実施例1)
スメクトンSA(合成サポナイト;クニミネ工業株式会社製)0.5gをイオン交換水(電気伝導率0.0001mS/m)5.5gに分散させて、本発明に使用する媒体を得た。体積分率は0.036である。また媒体の塩濃度は0.1[M]以下である。
(Example 1)
0.5 g of Sumecton SA (synthetic saponite; manufactured by Kunimine Industries Co., Ltd.) was dispersed in 5.5 g of ion-exchanged water (electrical conductivity: 0.0001 mS/m) to obtain the medium used in the present invention. The volume fraction is 0.036. Also, the salt concentration of the medium is 0.1 [M] or less.

造形材料として、予め水性塗料(黄色)を若干混ぜ合わせたアラルダイト(エポキシ系接着剤:ハンツマン・ジャパン株式会社製)を使用し、これをシリンジ(本発明の3Dプリンター用のプリントヘッド部の代替)に入れた。 As a modeling material, Araldite (epoxy-based adhesive: manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.) slightly mixed with water-based paint (yellow) is used, and this is used as a syringe (substitute for the print head part for the 3D printer of the present invention). I put it in

前記シリンジの先端を、前記媒体中に挿入に造形材料を噴射しつつ、造形物1を作成した結果、図4に示すような各種形状の物品が形成できた。 While inserting the tip of the syringe into the medium and injecting the modeling material, the object 1 was produced. As a result, articles of various shapes as shown in FIG.

(比較例1)
媒体として寒天を用いた。また、シリンジは加熱しないで、実施例1の操作どおりに操作した。その結果、寒天は常にゲル状態であったため、造形材料(実施例1と同じ素材)は、直ぐに押しつぶされ、形状を形成する前にシリンジの動作で破壊された寒天ゲルの亀裂部分に侵入し、或いはゲルの表面よりにじみ出て、所望の形状を付与できなかった。その結果を図5に示す。図5には上からみたときの状態と、側面からみたときの状態が示されており、いずれの状態からも造形材料2が拡散していることがわかる。なお、シリンジを加熱しながら行えば、前記実施例1のように成形できる可能性はある。
(Comparative example 1)
Agar was used as a medium. In addition, the syringe was operated as in Example 1 without heating. As a result, since the agar was always in a gel state, the modeling material (the same material as in Example 1) was immediately crushed and penetrated into the cracks of the agar gel that had been destroyed by the action of the syringe before forming the shape. Alternatively, the desired shape could not be imparted due to oozing from the surface of the gel. The results are shown in FIG. FIG. 5 shows the state when viewed from above and the state when viewed from the side, and it can be seen from both states that the modeling material 2 is diffused. It should be noted that there is a possibility that molding can be performed as in Example 1 by heating the syringe.

(実施例2)
媒体として、ハイコール ジェル(登録商標 カネダ株式会社製;流動パラフィンを5~10%に相当する量のポリエチレンでゲル化したもの)を用い、造形材料として熱可塑性樹脂を使用した。なお、この際に使用したプリントヘッド部は150℃以上に加熱されていた。
(Example 2)
Hicol Gel (registered trademark manufactured by Kaneda Co., Ltd.; liquid paraffin gelled with polyethylene in an amount corresponding to 5 to 10%) was used as a medium, and a thermoplastic resin was used as a modeling material. The print head used at this time was heated to 150° C. or higher.

図6に結果を示す。ヘッド部が加熱されているので、その内部に熱可塑性樹脂が射出された結果となった。樹脂の硬化が早いこと、ヘッド部の加熱により媒体ハイコール ジェル(登録商標)が液状化したこと、によりリング形状の造形物3が作成できた。 The results are shown in FIG. Since the head portion was heated, the result was that the thermoplastic resin was injected into it. The ring-shaped molded object 3 was created because the resin hardened quickly and the medium Hicol Gel (registered trademark) was liquefied by heating the head portion.

このように媒体に応じて、プリントヘッド部の構成、すなわち媒体が液状化する条件で成形を行えば、所望の造形物が得られることが判った。 In this way, it was found that a desired shaped object can be obtained by forming a print head portion according to the medium, that is, by performing molding under conditions in which the medium is liquefied.

本発明によれば、三次元物体があたかも宙に浮いているような状態で形成することで、従来必要とされている基盤や保持部材を使用することなく3Dプリンター技術を適用することができる。 According to the present invention, by forming a three-dimensional object as if it were floating in the air, 3D printer technology can be applied without using a conventionally required base or holding member.

1 造形物
2 造形材料
3 造形物
1 modeled object 2 modeled material 3 modeled object

Claims (1)

ゲル状態から熱又は力学的作用によって一時的に流動化する媒体内に、
造形材料をプリントするプリントヘッドを挿入し、
プリントヘッド部を加熱するか或いは動作させることによってプリントヘッド部直近の媒体を液状化させ、
造形材料をプリントヘッドのノズルより噴出し、
噴出後は液状化した前記媒体がゲル状態に戻ることにより所望の形状を付与する三次元物体の作成方法であって、
前記媒体が、粒子径10~100nmの粘土鉱物を体積分率0.0001~0.1の範囲で塩濃度0.0001~1[M]の水中に分散させてなる物理ゲルであり、
前記粘土鉱物が、サポナイト、ヘクトライト、スチブンサイトから選択される一種以上である
ことを特徴とする三次元物体の作成方法。
In a medium that is temporarily fluidized from a gel state by thermal or mechanical action,
Insert the print head that prints the build material,
liquefying the medium proximate the printhead by heating or operating the printhead;
The molding material is ejected from the nozzle of the print head,
A method for creating a three-dimensional object in which a desired shape is imparted by returning the liquefied medium to a gel state after ejection,
The medium is a physical gel obtained by dispersing a clay mineral with a particle size of 10 to 100 nm in a volume fraction of 0.0001 to 0.1 in water with a salt concentration of 0.0001 to 1 [M],
The clay mineral is at least one selected from saponite, hectorite, and stevensite.
A method of creating a three-dimensional object, characterized by:
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