JP6919229B2 - 三次元造形物製造用組成物および三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の三次元造形物製造用組成物は、三次元造形物の製造に用いる三次元造形物製造用組成物であって、
複数個の粒子と、
前記粒子を分散させる溶剤と、
ナノセルロースと、
バインダーと、を含み、
前記ナノセルロースの含有率が0.02体積%以上0.42体積%以下であり、
前記バインダーの含有率が2.0質量%以下であることを特徴とする。
前記第1のパターン形成工程、前記第1のパターン形成工程のうちの少なくとも一方において、前記三次元造形物製造用組成物を用いることが好ましい。
これにより、三次元造形物の寸法精度、信頼性をより向上させることができる。
《三次元造形物の製造方法》
まず、本発明の三次元造形物の製造方法について説明する。
これにより、三次元造形物の寸法精度、信頼性をより向上させることができる。
≪第1のパターン形成工程≫
第1のパターン形成工程では、サポート部形成用組成物1A’を、例えば、ステージM41の平面M410上に吐出して第1のパターン1Aを形成する。
本工程におけるサポート部形成用組成物1A’の粘度は、100mPa・s以上1000000mPa・s以下であるのが好ましく、500mPa・s以上100000mPa・s以下であるのがより好ましく、1000mPa・s以上20000mPa・s以下であるのがさらに好ましい。
なお、サポート部形成用組成物1A’については、後に詳述する。
第2のパターン形成工程では、実体部形成用組成物1B’を吐出して第2のパターン1Bを形成する。
実体部形成用組成物1B’は、例えば、ペースト状をなしていてもよい。
上記のような第1のパターン形成工程、第2のパターン形成工程を行うことにより、第1のパターン1A、第2のパターン1Bを有する層1が形成される。言い換えると、層形成工程は、第1のパターン形成工程および第2のパターン形成工程を有している。
溶剤除去工程では、層1中に含まれる溶剤を除去する。
本実施形態では、上記のようにして層形成工程(第1のパターン形成工程および第2のパターン形成工程)および溶剤除去工程を含む一連の工程を繰り返し行うことにより得られた積層体50に対して、バインダーとしての機能を有する成分を除去する脱バインダー処理を施す脱バインダー工程を有している(図8参照)。これにより、脱バインダー体70が得られる。このような脱バインダー体70を得ることにより、後の焼結工程(接合工程)をより好適に行うことができる。
本実施形態では、脱バインダー工程で得られた脱バインダー体70中に含まれる粒子(主材粒子)同士を接合するための接合処理を施す接合工程としての焼結工程を有している。
これにより、三次元造形物10の生産性をより向上させることができる。
焼結工程での加熱は、脱バインダー体70を構成する粒子の構成材料の融点以下の温度で行うのが好ましい。
これにより、脱バインダー工程は、焼結前工程を兼ねることができ、脱バインダー体70に予熱を与えて、脱バインダー体70をより確実に焼結させることができる。
その後、後処理として、サポート部5(第1のパターン形成工程で形成された第1のパターン1A)を除去する。これにより、三次元造形物10が取り出される(図10参照)。
次に、本発明の三次元造形物製造用組成物について説明する。
まず、三次元造形物10の製造に用いる三次元造形物製造用組成物としての実体部形成用組成物1B’について説明する。
実体部形成用組成物1B’が、複数個の粒子を含むことにより、三次元造形物10の構成材料の選択の幅を拡げることができ、所望の物性、質感等を有する三次元造形物10を好適に得ることができる。例えば、溶媒に溶解した材料を用いて三次元造形物を製造する場合、使用することのできる材料に制限があるが、粒子を含む実体部形成用組成物1B’を用いることによりこのような制限を解消することができる。
また、実体部形成用組成物1B’は、2種以上の粒子を含んでいてもよい。
実体部形成用組成物1B’が溶剤を含むことにより、実体部形成用組成物1B’中において粒子を好適に分散させることができ、ディスペンサー等による実体部形成用組成物1B’の吐出を安定的に行うことができる。
これにより、実体部形成用組成物1B’の吐出性をより優れたものとすることができる。また、溶剤に対するナノセルロースの親和性を向上させることができ、例えば、実体部形成用組成物1B’中において、ナノセルロースが粒子の表面の少なくとも一部を被覆している場合に、実体部形成用組成物1B’中における粒子の分散性を向上させることができる。
ナノセルロースは、セルロースまたはセルロースの誘導体で構成され、その幅および厚さが100nm以下の繊維状物質であり、いわゆる、セルロースナノファイバーやセルロースナノクリスタルを含む概念である。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
前述したように、ナノセルロースは、溶剤が除去された状態において粒子同士を仮結合するバインダーとしての機能(溶剤が除去された状態で層1中において粒子同士を仮結合する機能)も有しているが、実体部形成用組成物1B’は、さらにナノセルロース以外にバインダーとして機能する成分(以下、「その他のバインダー」ともいう)を含んでいてもよい。
また、実体部形成用組成物1B’は、前述した以外の成分を含んでいてもよい。このような成分としては、例えば、重合開始剤;分散剤;界面活性剤;増粘剤;凝集防止剤;消泡剤;スリップ剤(レベリング剤);染料;重合禁止剤;重合促進剤;浸透促進剤;湿潤剤(保湿剤);定着剤;防黴剤;防腐剤;酸化防止剤;紫外線吸収剤;キレート剤;pH調整剤等が挙げられる。
次に、三次元造形物10の製造に用いる三次元造形物製造用組成物としてのサポート部形成用組成物1A’について説明する。
サポート部形成用組成物1A’が、複数個の粒子を含むことにより、形成すべきサポート部5(第1のパターン1A)が微細な形状を有する場合等であっても、サポート部5を高い寸法精度で、効率よく形成することができる。また、サポート部5を構成する複数の粒子の隙間から、溶剤やバインダー(分解物を含む)を効率よく除去することができ、三次元造形物10の生産性をより向上させることができる。また、脱バインダー体70に不本意に溶剤、バインダー等が残存することをより効果的に防止することができ、最終的に得られる三次元造形物10の信頼性をより向上させることができる。
また、サポート部形成用組成物1A’は、2種以上の粒子を含んでいてもよい。
サポート部形成用組成物1A’が溶剤を含むことにより、サポート部形成用組成物1A’中において粒子を好適に分散させることができ、ディスペンサー等によるサポート部形成用組成物1A’の吐出を安定的に行うことができる。
サポート部形成用組成物1A’がナノセルロースを含むことにより、前述したのと同様の効果が得られる。
前述したように、ナノセルロースは、溶剤が除去された状態において粒子同士を仮結合するバインダーとしての機能(溶剤が除去された状態で層1中において粒子同士を仮結合する機能)も有しているが、サポート部形成用組成物1A’は、さらにナノセルロース以外にバインダーとして機能する成分(その他のバインダー)を含んでいてもよい。
また、サポート部形成用組成物1A’は、前述した以外の成分を含んでいてもよい。このような成分としては、例えば、重合開始剤;分散剤;界面活性剤;増粘剤;凝集防止剤;消泡剤;スリップ剤(レベリング剤);染料;重合禁止剤;重合促進剤;浸透促進剤;湿潤剤(保湿剤);定着剤;防黴剤;防腐剤;酸化防止剤;紫外線吸収剤;キレート剤;pH調整剤等が挙げられる。
次に、本発明に係る三次元造形物製造用組成物セットについて説明する。
これにより、三次元造形物の寸法精度、信頼性をより向上させることができる。
これにより、三次元造形物10の寸法精度、信頼性をさらに向上させることができる。
次に、本発明の三次元造形物製造装置について説明する。
図12は、三次元造形物製造装置の好適な実施形態を模式的に示す側面図である。
制御部M1は、コンピューターM11と、駆動制御部M12とを有している。
上記のような構成により、複数の層1を積層して、積層体50を得ることができる。
本発明に係る三次元造形物は、前述したような本発明の三次元造形物製造装置を用いて製造することができる。
また、前述した実施形態では、三次元造形物製造用組成物を所定のパターンで吐出し、所望の形状を有する層を形成する場合について代表的に説明したが、本発明は、スキージー、ローラー等の平坦化手段を用いて、三次元造形物製造用組成物を平坦化して層を形成し、当該層にレーザー光を照射して接合部を形成する方法等(SLS法等)に適用してもよい。
前処理工程としては、例えば、ステージの清掃工程等が挙げられる。
[1]三次元造形物製造用組成物の製造
平均粒径が3.0μmのSUS316L粉末:100質量部と、溶剤としてのグリセリン:28.33質量部と、セルロースで構成されたナノセルロース:0.071質量部とを混合することにより、三次元造形物製造用組成物(層形成用組成物)としての実体部形成用組成物を得た。このようにして得られた実体部形成用組成物において、ナノセルロースは、SUS316L粉末の構成粒子の表面を被覆していた。表面状態は、実体部形成用組成物を液体窒素温度で急冷凍させ、そのままFIB付きSEM装置内で加工をすることで観察した。
前記のようにして得られた三次元造形物製造用組成物を用いて、設計寸法が厚さ:4mm×幅:10mm×長さ:80mmの直方体形状である三次元造形物を、以下のようにして製造した。
実体部形成用組成物、サポート部形成用組成物の組成を表1、表2に示すようにした以外は、前記実施例1と同様にして三次元造形物製造用組成物(三次元造形物製造用組成物セット)、三次元造形物を製造した。
実体部形成用組成物、サポート部形成用組成物の構成成分として、ナノセルロースを用いなかった以外は、前記実施例1と同様にして三次元造形物製造用組成物(三次元造形物製造用組成物セット)、三次元造形物を製造した。
実体部形成用組成物、サポート部形成用組成物の構成成分として、ナノセルロースの代わりにポリビニルアルコールを用い、各成分の利用量を表1、表2に示すようにした以外は、前記実施例1と同様にして三次元造形物製造用組成物(三次元造形物製造用組成物セット)、三次元造形物を製造した。
[3.1]三次元造形物の生産性(バインダーの除去効率)
前記各実施例および各比較例について、各三次元造形物製造用組成物(実体部形成用組成物、サポート部形成用組成物)を用いて、それぞれ、前記と同様にして、積層体を製造した。
B:バインダー量が初期の5%となるまでの時間が3時間以上4時間未満である。
C:バインダー量が初期の5%となるまでの時間が4時間以上5時間未満である。
D:バインダー量が初期の5%となるまでの時間が5時間以上6時間未満である。
E:バインダー量が初期の5%となるまでの時間が6時間以上である。
前記各実施例および各比較例の三次元造形物について、厚さ、幅、長さを測定し、設計値からのずれ量を求め、以下の基準に従い評価した。
B:厚さ、幅、長さのうち、設計値からのずれ量が最も大きいものについての設計値からのずれ量が1.0%以上2.0%未満である。
C:厚さ、幅、長さのうち、設計値からのずれ量が最も大きいものについての設計値からのずれ量が2.0%以上4.0%未満である。
D:厚さ、幅、長さのうち、設計値からのずれ量が最も大きいものについての設計値からのずれ量が4.0%以上7.0%未満である。
E:厚さ、幅、長さのうち、設計値からのずれ量が最も大きいものについての設計値からのずれ量が7.0%以上である。
これらの結果を表3にまとめて示す。
Claims (8)
- 三次元造形物の製造に用いる三次元造形物製造用組成物であって、
複数個の粒子と、
前記粒子を分散させる溶剤と、
ナノセルロースと、
バインダーと、を含み、
前記ナノセルロースの含有率が0.02体積%以上0.42体積%以下であり、
前記バインダーの含有率が2.0質量%以下であることを特徴とする三次元造形物製造用組成物。 - 前記ナノセルロースは、前記粒子の表面を被覆している請求項1に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記溶剤は、多価アルコールを含んでいる請求項1または2に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 前記粒子は、金属材料、セラミックス材料のうち少なくとも一方を含む請求項1ないし3のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の三次元造形物製造用組成物を用いて層を形成する層形成工程と、前記層中に含まれる前記溶剤を除去する溶剤除去工程とを含む一連の工程を繰り返し行うことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
- 前記層形成工程は、第1のパターンを形成する第1のパターン形成工程と、第2のパターンを形成する第2のパターン形成工程とを有し、
前記第1のパターン形成工程、前記第1のパターン形成工程のうちの少なくとも一方において、前記三次元造形物製造用組成物を用いる請求項5に記載の三次元造形物の製造方法。 - 前記一連の工程を繰り返し行った後に、前記粒子同士を接合する接合処理を施す接合工程を有する請求項5または6に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記三次元造形物製造用組成物を、ディスペンサーにより吐出する請求項5ないし7のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
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