JP2005254521A - 三次元造形物及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents

三次元造形物及び三次元造形物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 目的とする三次元造形物をその形状のみならず色彩をも含めて忠実に製造することができる三次元造形の製造方法を提供すること。また、短時間にかつ低コストで、着色された外観を有する機械的強度に優れた三次元造形物を提供すること。
【解決手段】 支持体上に粉末材料を含む層を形成する工程、および、得られた粉末材料層を結合剤により像様に結合させる工程を含む三次元造形物の製造方法であって、(a)前記粉末材料として合成有機粉末を使用し、(b)前記結合剤が活性放射線により硬化することを特徴とする三次元造形物の製造方法。また、粉末材料と結合剤を含み、該結合剤を立体的に硬化して形成される三次元造形物において、前記粉末材料が合成有機粉末を含み、前記結合剤が活性放射線により硬化する結合剤を含むことを特徴とする三次元造形物。
【選択図】図1

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法に関し、更に詳しくは、粉末材料層を結合剤により像様に結合させる工程を含む三次元造形物を製造する方法に関する。
従来から、立体的な造形対象物をスライスした断面データに基づき、その各断面形状に対応させて粉末の薄層を結合剤により像様に結合し、この結合された薄層よりなる断面形状を順次積層させることによって、造形対象物の三次元モデルとなる造形物を作成する技術が知られている。
このような技術は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれ、部品試作及びデザイン確認用途などに利用することができる。近年、安価かつ高速、さらにはカラーモデリング作成に適するインクジェットを利用する方式のものが提案されており、例えば特許文献1に開示されたものがある。この立体造形の具体的な手順を以下に説明する。
まず、ブレード機構により粉末を平らな表面上に均一な厚さを有する薄層に拡げ、この粉末の薄層表面に、インクジェットノズルヘッドを走査させて、造形対象物のスライスした断面データに基づき、その断面形状に対応させて、結合剤を吐出する。結合剤が吐出された領域の粉末材料は、必要な操作を施すことにより、粉末を接合状態にするとともに、既に形成済の下層の断面形状とも結合する。そして、造形物全体が完成するまで、粉末薄層を上部に順次積層しながら、結合剤を吐出する工程を繰り返す。最終的に、結合剤が吐出されなかった領域は、粉末が個々に独立して互いに接合しない状態であるため、造形物を装置から取り出す際に、粉末は容易に除去することができ、目的とする造形物が分離できる。以上の操作により、所望の三次元造形物が製造できる。
また、同様な方法で、イエロー(Y)、マゼンタ(M)又はシアン(C)のいずれかに着色を施した結合剤を吐出することにより、着色した三次元造形物を得る、例えば特許文献2が開示されている。
しかしながら、上記の手法では、造形物の特性(質感、色)が所望の物に比べ、満足できるレベルには至らないのが実状である。特に、透明感の必要な三次元造形物を得ることは、粉末と結合剤の性質の違いなどの理由から、従来の方法では不可能とされている。さらに、表面になめらかさを付与するためには、上塗り、研磨処理を人手により行わなければならないため時間と費用が必要となる。
また、人手での彩色では、三次元造形物の所定の位置に所望の模様などを確実に描くことが一般的に困難である。
一方で、製造直後の三次元造形物は結合剤による接合力のみにより形作られているため、三次元造形物の取り扱い方法によっては強度が弱く壊れてしまう場合もある。そこで、従来、製造後の三次元造形物の粉末粒子の間に樹脂及びワックスなどを含浸させることにより強度を増大させてきた。しかしながら、このような工程は手間と時間を要する。
特許第2729110号公報 特開2001−150556号公報
本発明が解決しようとする課題は、目的とする三次元造形物をその形状のみならず色彩をも含めて忠実に製造することができる三次元造形技術を提供することである。本発明は、短時間にかつ低コストで、着色された外観を有する機械的強度に優れた三次元造形物を製造することを目的としている。
本発明の上記課題は、以下の(1)、(2)の手段により達成された。
(1)支持体上に粉末材料を含む層を形成する工程、および、得られた粉末材料層を結合剤により像様に結合させる工程を含む三次元造形物の製造方法であって、(a)前記粉末材料として合成有機粉末を使用し、(b)前記結合剤が活性放射線付与により硬化することを特徴とする三次元造形物の製造方法、
(2)粉末材料と結合剤を含み、該結合剤を像様に硬化して形成される三次元造形物において、前記粉末材料が合成有機粉末を含み、前記結合剤が活性放射線により硬化する結合剤を含むことを特徴とする三次元造形物。
合成有機粉末を粉末材料として使用し、紫外線硬化性樹脂等の結合剤で結合させることにより、透明性があり、質感及び機械的強度に優れ、更には表面の光沢感や彩色を鮮やかに表現することができる。その結果、今まで不可能とされていた、高品位三次元造形物が簡便に安価に製造可能となる。
本発明は、支持体上に粉末材料を含む層を形成する工程、および、得られた粉末材料層を結合剤により像様に結合させる工程を含む三次元造形物の製造方法であって、前記粉末材料として合成有機粉末を使用し、前記結合剤が活性放射線により硬化することを特徴とする三次元造形物の製造方法に係る。
また、本発明は粉末材料と結合剤を含み、該結合剤を像様に硬化して形成される三次元造形物において、前記粉末材料が合成有機粉末を含み、前記結合剤が活性放射線により硬化する結合剤を含むことを特徴とする三次元造形物に係る。前記三次元造形物は前記粉末材料が島の構造を有し、前記活性放射線により硬化した結合剤が海の構造を有する海島構造を内部構造として有することが好ましい。
本発明において「像様に」とは、三次元造形物の製造方法においては「2次元画像状に」の意味であり、また、三次元造形物においては最終的に「3次元形状に」の意味である。前者の場合、「断面形状になるように」の意であると言え、又後者の場合、「製造しようとする三次元造形物と同一又は相似の立体形状となるように」の意であるとも言える。
海島構造とは、連続相中に、閉じた界面(相と相との境界)を有する島状の相が存在している構造のものをいう。すなわち、本発明では、海である活性放射線により硬化した結合剤の連続相中に、合成有機粉末の島が存在している構造をとるものとなっている。この様に、本発明の三次元造形物は、連続相中に別の構成成分の相が島状に存在している構造をとるものである。
本発明に使用する粉末材料は合成有機粉末である。合成有機粉末とは、有機粉末の中から、自然界より得られる有機粉末(タンパク質、多糖、天然ゴム等)を除く意である。
合成有機粉末として、合成高分子化合物を使用することが好ましい。合成高分子化合物とは、石油、石炭、カーバイドなどを原料として得られた低分子量化合物を、人工的に重合または縮合による化学反応で高分子量化したものをいう。
粉末材料を敷設する支持体としては、任意の表面形状を有する支持体が使用できるが、なめらかな表面を有する支持体が好ましく、平坦な面を有する支持体が好ましく使用できる。本発明の製造方法において、製造する三次元造形物の高さ以上に伸長可能な枠を周囲に有する水平な支持体を使用することが好ましい。
粉末材料層の所定の厚さとしては、1スライスピッチあたり10〜500μmの厚さの層とすることが好ましく、25〜150μmの厚さとすることがより好ましい。層形成工程および着色断面形状形成工程を1回繰り返すごとに粉末材料層全体の積層厚さを前記のスライスピッチずつ増大させる。
着色断面形状とは、造形対象物のスライスした断面データに基づいた、一切断面の形状を有し、かつ、形状に対応する彩色を伴うものを言う。断面形状は特に不透明な造形物の場合には、中空の造形物としても良く、この場合には、形状の輪郭近傍の形状を再現すれば充分である。彩色も造形物表面の色彩を再現すれば良く、形状の輪郭の色再現が重要である。
本発明の三次元造形物の製造方法の概要を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の三次元造形物の製造方法の一実施態様について主要な工程を示す模式図である。
本発明の製造方法においては、粉末材料の薄層1が三次元造形部3に設けられた支持体(造形ステージ)4の上に形成される。支持体4は、垂直方向移動部5により支持されており、周囲を枠6により取り囲まれている。粉末供給部から支持体4上に供給された余分の粉末材料上を、Y方向(紙面と垂直な方向)に長く伸びたブレード7がX方向(紙面上左から右方向)に移動することにより薄層1が形成される。このように形成された薄層1の上に、結合剤付与部のインクジェットヘッド8から、断面形状データにしたがって、結合剤が粉末材料の薄層1上に供給され、結合剤付与領域2を形成する。この結合剤付与領域2は、紫外線照射部9から照射される紫外線により硬化することにより、粉末材料をその結合剤付与領域2において薄層全体の厚さにわたり結合して断面形状を形成し、かつそのすぐ下の断面形状とも結合する。
引き続いて、垂直方向移動部5を1スライスピッチだけ下方に移動させ、新たな粉末材料層を形成する。
新たに形成された薄層の上に、結合剤付与部のインクジェットヘッドから、隣接する次の断面形状データにしたがって、結合剤が供給され、新たな結合剤付与領域が形成される。この領域に紫外線照射して硬化させることにより粉末材料を結合する。
粉末材料の薄層1の形成、結合剤の供給及び硬化を必要な回数順次繰り返した後、結合剤が付与されていない領域の粉末材料を分離することにより、三次元造形物10を得ることができる。
図2は、上記のような三次元造形物の製造において隣接する各層に形成された断面形状を模式的に示す斜視図である。
本発明の三次元造形物の製造方法における好ましい一実施態様について、以下に説明する。以下の5ステップは、(粉末)層形成工程および着色断面形状形成工程に先立って、三次元形状色彩データ作成工程および断面毎の着色断面形状データ作成工程を実施するものである。
第1ステップでは、コンピュータに、表面に着色模様等が施された三次元造形対象物を表現したモデルデータを作成させる。造形するための基になるモデルデータには、一般の3D−CADモデリングソフトウェアで作成されるカラー三次元モデルデータを使用することができる。また、三次元形状入力装置で計測された三次元着色形状のデータおよびテクスチャを利用することも可能である。
第2ステップでは、コンピュータが上記のモデルデータから造形対象物を水平方向にスライスした各断面ごとの断面データを作成する。モデルデータから積層する粉末の一層分の厚みに相当するピッチ(層厚t)でスライスされた断面体を切り出し、断面の存在する領域を示す形状データおよび彩色データを断面データとして作成する。具体的には、三次元CADを使用して作製された(STLフォーマット等)データを、厚さが10〜500μmのスライスした断面データに変換することができる。なお、本発明において、「形状データ」および「彩色データ」を併せて「着色(断面)形状データ」ともいう。
続いて、造形対象物を造形する際における粉末層の厚さ(断面データ作成の際のスライスピッチ)及び積層数(着色形状データのセット数)に関する情報が、コンピュータからパターン作成装置の駆動制御部に入力される。
第3ステップでは、造形ステージにおいて三次元造形物を製造する材料となる粉末材料の供給を行う。粉末材料のカウンター回転機構(以降「カウンターローラー」と称する。)を用いて、粉末材料を均一な厚さを有する層状に敷き詰め、所定量の粉末を供給完了した後、粉末材料の供給を停止する。
なお、本発明において、「層形成工程及び断面形状形成工程を順次繰り返す」とは、(1)新たな層形成工程を完了した後にその新たな層全面に対して断面形状を形成する工程を実施する以外に、(2)新たな層形成工程を実施しながら、その新たな層の形成が完結する前に、新たに形成された層の領域に対して断面形状を形成することを含むものである。後者の例は、特開2002−307562に例示されている。
第4ステップでは、駆動制御部の制御の下に、切断面の着色形状データに基づき着色した断面形状を形成する工程である。この工程は非接触の方式を採用することが好ましい。代表例としてインクジェット方式を例にとり以下説明する。
第2ステップで作成された形状データおよび彩色データに基づき、格子状に細分化したCMY各色のビットマップ情報に変換して、インクジェットヘッドをXY平面内に移動させる。そして、移動中に彩色データに基づいて各インクジェット吐出ノズルから紫外線(UV)硬化性結合剤の吐出を適宜に行わせる。結合剤としては、少なくとも1種の着色された結合剤、白色の結合剤、及び無色透明の結合剤よりなる群から選ばれた2種以上の結合剤を使用する。尚、本発明において、着色された結合剤には、白色で着色された結合剤は含まれないものとする。
着色された結合剤としては、減色法の3原色である、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)の3色の組み合わせとすることが好ましい。必要に応じて、更に、着色された結合剤として黒(ブラック)染料で着色した結合剤(ブラック結合剤)を併用しても良い。本発明において、イエローに着色された結合剤を「イエロー結合剤」、マゼンタに着色された結合剤を「マゼンタ結合剤」、シアンに着色された結合剤を「シアン結合剤」という。M染料及びC染料は濃淡2種類に着色した結合剤としても良い。無色の結合剤は、CMYの色濃度を調節するために使用することができる。また、チタンホワイト等の白色顔料を含む結合剤(白色結合剤)を併用して所望の効果を発現させることができる。
着色した結合剤、無色の結合剤及び白色結合剤の吐出総量は単位面積あたり一定となるようにすることが好ましい。
なお、着色した断面形状の別の形成工程例として、形状データに基づき無色の紫外線硬化性結合剤のみを粉末材料に吐出して紫外線照射により硬化した後に、その層の彩色データに基づき、結合剤を含まない通常のCMYインクジェットを結合した粉末材料層上に吐出する2段階の工程とすることもできる。
紫外線硬化性結合剤の吐出と同時または吐出後に紫外線露光装置により吐出した結合剤の表面に紫外線露光をおこなうことにより、粉末材料の接合体が生成される。
紫外線照射の雰囲気を窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気にするとラジカル重合性の重合性化合物の酸素による遅延効果を低減できる。
ここで使用するインクジェット方式とは、主としてオンデマンドインクジェット方式を指し、ピエゾオンデマンドインクジェット方式、サーマルオンデマンドインクジェット方式、静電オンデマンドインクジェット方式等が挙げられ、好ましくは、紫外線硬化性結合剤の安定性から、ピエゾオンデマンドインクジェット方式、静電オンデマンドインクジェット方式が挙げられる。
さらに、第3ステップ及び第4ステップを繰り返しおこなうことで、目的の三次元造形物が得られる。
なお、結合剤が塗布されない粉末材料の領域では粉末が個々に独立した状態を保持している。
第5ステップでは、結合剤が付与されていない領域の粉末材料を分離して、結合剤により像様に結合された粉末の結合体(三次元造形物)を取り出す。なお、結合されなかった粉末材料は回収して、再度材料として利用することが可能である。
第3ステップ〜第4ステップを順次繰り返すことにより、造形対象物を複数の面で切断した切断面に対応する粉末材料の着色した結合体を順次積層形成して三次元造形物を製造することができる。
屈折率n1を有する粉末材料の層を屈折率n2を与える結合剤により着色した断面形状に接合させること(ただし、−0.1≦(n1−n2)≦0.1である。)により、透明ないし略透明な三次元造形物を製造することができる。
得られた三次元造形物に対して掃除、熱処理、樹脂またはワックス浸透、研磨などの後処理工程を行っても良い。掃除は、上記三次元造形物をブローすることによって、及びブラシ掛けをして隙間に残されたあらゆる粉を取り除くことによって行われ、余分な粉末が取り除かれる。熱処理は、上記三次元造形物の強度および耐久性を増加させる。ワックス浸透は間隙率を低下させ、上記三次元造形物を耐水性にし、より研磨仕上をしやすくすることができる。研磨仕上は表面平滑性を改良する。
本発明で使用する各成分について、以下に説明する。ただし、具体的内容については、以下の説明内容に限定されるものではない。
(合成有機粉末)
合成有機粉末としては、例えば合成樹脂粒子が挙げられ、具体的にはアクリル樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、スチレン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリアクリロニトリル、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、メラミンホルムアルデヒド、ポリカーボネート、スルホン重合体、ビニル重合体、カルボキシメチルセルロールス、ゼラチン、デンプン、キチン、キトサン等が挙げられる。この中で、アクリル樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂、スチレン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、およびフッ素樹脂を好ましく用いることができる。
アクリル樹脂とは、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロニトリルの単独重合または共重合によって得られる樹脂をいう。ここで上記の(メタ)アクリル酸の表記はメタクリル酸またはアクリル酸の両方の構造をとり得ることを表す省略的表記である。
(メタ)アクリル酸エステルとしては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステラリル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸2−ジメチルアミノエチル、(メタ)アクリル酸グリシジル等が例示できる。
また、アクリル樹脂として、ポリメタクリル酸メチルを好ましく用いることができる。
その他のアクリル樹脂としては、例えば、三田 達 監訳「高分子大辞典」丸善株式会社(1994年刊)6〜12頁に記載の樹脂等が挙げられる。
オレフィン樹脂は、オレフィンの重合体を示し、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリ(1−ブテン)、ポリ(1−ペンテン)、ポリ(3−メチル−1−ブテン)、ポリ(1−ヘキセン)、ポリ(3−メチル−1−ペンテン)、ポリ(4−メチル−1−ペンテン)、ポリ(1−ヘプテン)、ポリ(4−メチル−1−ヘキセン)、ポリ(5−メチル−1−ヘキセン)等が例示できる。ポリエチレン及びポリプロピレンを好ましく用いることができる。
その他のオレフィン樹脂としては、例えば、三田 達 監訳「高分子大辞典」丸善株式会社(1994年刊)102〜109頁に記載の樹脂等が挙げられる。
フェノール樹脂は、フェノール類とアルデヒドの付加縮合より得られる樹脂を示す。付加縮合反応に酸触媒を用いるとノボラック型の樹脂が得られ、また塩基触媒を用いるとレゾール型の樹脂が得られる。フェノール類としては、フェノール、p−クレゾール、m−クレゾール、レゾルシノール等が例示できる。アルデヒド類としては、ホルムアルデヒド、サリチルアルデヒド、s−トリオキサン等が例示できる。
その他のフェノール類及びアルデヒド類としては、例えば、日本化学会編「第4版 実験科学講座28 高分子合成」(1992年刊)427〜430頁に記載された化合物等が挙げられる。
スチレン樹脂は、スチレンモノマーの単独重合体または共重合体を示す。スチレンモノマーとしては、スチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、ジビニルベンゼン、α−メチルスチレン、o−クロロスチレン、p−クロロスチレン、クロロメチルスチレン等が例示できる。また、ポリスチレンを好ましく用いることができる。
スチレンモノマーの共重合体については、例えば、三田 達 監訳「高分子大辞典」丸善株式会社(1994年刊)506〜507頁に記載の共重合体等が挙げられる。
ジビニルベンゼン樹脂は、ジビニルベンゼンモノマーの単独重合体または共重合体を示す。ジビニルベンゼンモノマーとしては、ジビニルベンゼン、クロロジビニルベンゼン等が例示できる。また、ジビニルベンゼンモノマーと共重合させるモノマーとして、上記のスチレンモノマーが例示できる。
ジビニルベンゼン樹脂として、ポリジビニルベンゼンを好ましく用いることができる。
フッ素樹脂は、フッ素を含有する高分子である。フッ素樹脂としてはポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体等が例示できる。この中で、ポリテトラフルオロエチレンを好ましく使用することができる。
ウレタン樹脂は、多官能イソシアネートとポリオールの付加重合により得られるポリマーを示す。多官能イソシアネートとしては、トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ナフタレン1,5−ジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート等が例示できる。ポリオールとしては、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、脂肪族ポリオール等が例示できる。
その他の多官能イソシアネート及びポリオールとしては、例えば、岩田敬治編「ポリウレタンハンドブック」日刊工業新聞社(1987年刊)77〜81頁及び99〜117頁に記載の化合物等が挙げられる。
上記樹脂は、単独で使用してもまたは2種類以上を併用して使用しても良い。
本発明に使用する合成有機粉末は、平均粒径が100μm以下の微粉末であることが好ましく、平均粒径が0.8〜50μmの微粉末であることがより好ましい。平均粒径が上記範囲であると、得られる三次元造形物の表面光沢度が向上するので好ましい。粒径分布は広くても良いが、狭い方が好ましい。粒径分布は単分散に近い方が好ましく、粒径分布の変動係数は20%以下が好ましく、15%以下であることが特に好ましい。
合成有機粉末の形状としては、無定型、球形、平板状、針状、多孔質状等どのようなものでも使用可能である。
合成有機粉末の屈折率n1の範囲は、1.4〜1.7であることが好ましい。
合成有機粉末を相互に結合する状態の結合剤の屈折率をn2とする。エチレン性不飽和モノマーを結合剤として使用する場合には、このモノマーが重合してできる接合剤の屈折率をn2とする。(n1−n2)は、その絶対値が小さいほど得られる造形物の透明性が高くなる。屈折率の差の絶対値が0.1以下で透明感が高くなり、0.06以下で透明に近い造形物が得られる。ここで、本発明において「略透明」及び「透明に近い」とは、光路1cmあたり透過率が50%以上のことをいう。
合成有機粉末として、結合剤に使用される重合性化合物を塊状重合して粉砕した粉末粒子を用いることができる。結合剤に使用される重合性化合物を懸濁重合またはパール重合して所望の粒径を有する粉末材料とすることができる。この場合には、粉末材料と結合剤の両者が与える屈折率を近くすることができる。
(結合剤)
本発明における結合剤は、活性放射線の付与により硬化する。結合剤は、紫外線または電子線などの活性放射線を照射すると、重合または架橋を開始し、高分子化して硬化する性質を有する。結合剤は、外部から活性放射線を与えない限り反応が進行しないため、放射線を照射しない限り粘度が安定している。
なお、本発明で用いられる活性放射線には、電子線(β線)、紫外線、X線、γ線、α線などの各種の放射線が含まれる。
結合剤としては、紫外線硬化性化合物を含む紫外線硬化性結合剤が好ましく使用できる。紫外線硬化性結合剤は、光重合開始剤及び少なくとも1種の重合性化合物を必須成分とし、ほぼすべての構成材料が紫外線により硬化し、粉末材料を結着する機能を有する。各構成材料の割合としては、光重合開始剤を、重合性化合物及び光重合開始剤の総量に対して、好ましくは0.05〜10重量%、より好ましくは0.1〜5重量%含有する。重合性化合物の含量は、好ましくは90〜99.5重量%、より好ましくは95〜99.9重量%である。
結合剤の25℃における粘度は、1〜100mPa・sが好ましく、10〜50mPa・sが更に好ましい。この粘度範囲になるように、粘度の高い多官能重合性化合物と粘度の低い単官能重合性化合物とを適宜混合して使用することが好ましい。
[重合性化合物]
紫外線硬化性結合剤に使用できる重合性化合物としては、紫外線照射により、光重合開始剤から生じるラジカル種またはカチオン種等により、付加重合または開環重合が開始され、重合体を生じるものが好ましく使用される。付加重合の重合様式として、ラジカル、カチオン、アニオン、メタセシス、配位重合が挙げられる。また、開環重合の重合様式として、カチオン、アニオン、ラジカル、メタセシス、配位重合が挙げられる。
付加重合性化合物としては、少なくとも1個のエチレン性不飽和二重結合を有する化合物が例示できる。付加重合性化合物として、末端エチレン性不飽和結合を少なくとも1個、好ましくは2個以上有する化合物が好ましく使用できる。このような末端エチレン性不飽和化合物群は当該産業分野において広く知られるものである。本発明においては結合剤組成物をインクジェットノズルから安定に吐出できる限り、特に限定無く使用することができる。
エチレン性不飽和重合性化合物は、単官能の重合性化合物及び多官能の重合性化合物、(すなわち2官能、3官能および4〜6官能の重合性化合物等)、またはそれらの混合物の化学的形態をもつ。
単官能の重合性化合物としては、不飽和カルボン酸(例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸など)や、そのエステル類、アミド類が挙げられる。多官能の重合性化合物としては、不飽和カルボン酸と脂肪族の多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族の多価アミン化合物とのアミド類が用いられる。
また、ヒドロキシル基や、アミノ基、メルカプト基等の求核性置換基を有する不飽和カルボン酸エステルまたはアミド類と単官能もしくは多官能イソシアネート類、エポキシ類との付加反応物、単官能もしくは、多官能のカルボン酸との脱水縮合反応物等も使用できる。また、イソシアネート基やエポキシ基等の親電子性置換基を有する不飽和カルボン酸エステルまたはアミド類と、単官能もしくは多官能のアルコール類、アミン類およびチオール類との付加反応物、さらに、ハロゲン基やトシルオキシ基等の脱離性置換基を有する不飽和カルボン酸エステルまたはアミド類と、単官能もしくは多官能のアルコール類、アミン類およびチオール類との置換反応物も使用できる。
また、別の例として、上記の不飽和カルボン酸の代わりに、不飽和ホスホン酸、スチレン等に置き換えた化合物群を使用することも可能である。
不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステルであるラジカル重合性化合物の具体例としては、(メタ)アクリル酸エステルが代表的であり、具体例として、イソボルニルアクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、テトラメチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ((メタ)アクリロイルオキシプロピル)エーテル、トリメチロールエタントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエトキシトリ(メタ)アクリレート、ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−シクロヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ソルビトールトリ(メタ)アクリレート、ソルビトールテトラ(メタ)アクリレート、ソルビトールペンタ(メタ)アクリレート、ソルビトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリ((メタ)アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレート、ポリエステル(メタ)アクリレートオリゴマー、ビス[p−(3−(メタ)アクリルオキシ−2−ヒドロキシプロポキシ)フェニル]ジメチルメタン、ビス[p−((メタ)アクリルオキシエトキシ)フェニル]ジメチルメタン等が挙げられる。
ここで上記の(メタ)アクリル酸エステルの表記はメタクリル酸エステルおよびアクリル酸エステルの両方の構造をとり得ることを表す省略的表記である。
種々の不飽和カルボン酸と脂肪族アルコール化合物とのエステルであるラジカル重合性化合物が市販されており、PEG600ジアクリレート(EB11:ダイセル・ユーシービー製)、KAYARAD DPCA−60(カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート:日本化薬(株)製)が例示できる。
本発明において、結合剤が官能性(メタ)アクリレートを少なくとも一種含むことが好ましい。さらに、結合剤が少なくとも(a)三官能以上の(メタ)アクリレート、および(b)単官能及び/または二官能(メタ)アクリレートを含むことが好ましい。
(メタ)アクリル酸エステルの他に、イタコン酸エステル、クロトン酸エステル、イソクロトン酸エステル、マレイン酸エステル等も重合性化合物として使用することができる。
イタコン酸エステルとしては、エチレングリコールジイタコネート、プロピレングリコールジイタコネート、1,3−ブタンジオールジイタコネート、1,4−ブタンジオールジイタコネート、テトラメチレングリコールジイタコネート、ペンタエリスリトールジイタコネート、ソルビトールテトライタコネート等がある。
クロトン酸エステルとしては、エチレングリコールジクロトネート、テトラメチレングリコールジクロトネート、ペンタエリスリトールジクロトネート、ソルビトールテトラジクロトネート等がある。
イソクロトン酸エステルとしては、エチレングリコールジイソクロトネート、ペンタエリスリトールジイソクロトネート、ソルビトールテトライソクロトネート等がある。
マレイン酸エステルとしては、エチレングリコールジマレート、トリエチレングリコールジマレート、ペンタエリスリトールジマレート、ソルビトールテトラマレート等がある。
その他のエステルの例として、例えば、特公昭46−27926、特公昭51−47334、特開昭57−196231記載の脂肪族アルコール系エステル類や、特開昭59−5240、特開昭59−5241、特開平2−226149記載の芳香族系骨格を有するもの、特開平1−165613記載のアミノ基を含有するもの等も使用できる。
また、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミドのモノマーの具体例としては、メチレンビス−アクリルアミド、メチレンビス−メタクリルアミド、1,6−ヘキサメチレンビス−アクリルアミド、1,6−ヘキサメチレンビス−メタクリルアミド、ジエチレントリアミントリスアクリルアミド、キシリレンビスアクリルアミド、キシリレンビスメタクリルアミド等がある。
その他の好ましいアミド系モノマーの例としては、特公昭54−21726記載のシクロへキシレン構造を有するものを挙げることができる。
また、イソシアネートと水酸基の付加反応を用いて製造されるウレタン系付加重合性化合物も好適であり、そのような具体例としては、例えば、特公昭48−41708号公報中に記載されている1分子に2個以上のイソシアネート基を有するポリイソシアネート化合物に、下記式(I)で示される水酸基を含有するビニルモノマーを付加させた1分子中に2個以上の重合性ビニル基を含有するビニルウレタン化合物等が挙げられる。
式(I)
CH2=C(R1)COOCH2CH(R2)OH
(ただし、R1およびR2は、HまたはCH3を示す。)
本発明において、エポキシ基及び/又はオキセタン基等の環状エーテル基を分子内に1つ以上有するカチオン開環重合性の化合物を光カチオン重合開始剤と共に紫外線硬化性の結合剤として使用することができる。
以下、本発明に好ましく用いられるカチオン重合性化合物全般について説明する。カチオン重合性化合物としては、開環重合性基を含む硬化性化合物が挙げられ、この中でもヘテロ環状基含有硬化性化合物が好ましい。このような硬化性化合物としてエポキシ誘導体、オキセタン誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、環状ラクトン誘導体、環状カーボネート誘導体、オキサゾリン誘導体などの環状イミノエーテル類、ビニルエーテル類などが挙げられ、特にエポキシ誘導体及びオキセタン誘導体、ビニルエーテル類が好ましい。
好ましいエポキシ誘導体の例としては、例えば単官能グリシジルエーテル類、多官能グリシジルエーテル類、単官能脂環式エポキシ類、多官能脂環式エポキシ類などに大別される。
単官能及び多官能グリシジルエーテル類の具体的な化合物を例示すると、ジグリシジルエーテル類(例えばエチレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノールAジグリシジルエーテル)、3官能以上のグリシジルエーテル類(トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、トリグリシジルトリスヒドロキシエチルイソシアヌレートなど)、4官能以上のグリシジルエーテル類(ソルビトールテトラグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールテトラグリシルエーテル、クレゾールノボラック樹脂のポリグリシジルエーテル、フェノールノボラック樹脂のポリグリシジルエーテルなど)、脂環式エポキシ類(セロキサイド2021P、セロキサイド2081、エポリードGT−301、エポリードGT−401(以上、ダイセル化学工業(株)製))、EHPE(ダイセル化学工業(株)製)、フェノールノボラック樹脂のポリシクロヘキシルエポキシメチルエーテルなど)、オキセタン類(OX−SQ、PNOX−1009(以上、東亞合成(株)製)など)などが挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明には脂環式エポキシ誘導体を好ましく使用できる。「脂環式エポキシ基」とは、シクロペンテン基、シクロヘキセン基等のシクロアルケン環の二重結合を過酸化水素、過酸等の適当な酸化剤でエポキシ化した部分構造を言う。
脂環式エポキシ化合物としては、シクロヘキセンオキシド基又はシクロペンテンオキシド基を1分子内に2個以上有する多官能脂環式エポキシ類が好ましい。単官能又は多官能の脂環式エポキシ化合物の具体例としては、4−ビニルシクロヘキセンジオキサイド、(3,4−エポキシシクロヘキシル)メチル−3,4−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート、ジ(3,4−エポキシシクロヘキシル)アジペート、ジ(3,4−エポキシシクロヘキシルメチル)アジペート、ビス(2,3−エポキシシクロペンチル)エーテル、ジ(2,3−エポキシ−6−メチルシクロヘキシルメチル)アジペート、ジシクロペンタジエンジオキサイド、3,4−エポキシシクロヘキセニルメチル−3’,4’エポキシシクロヘキセンカルボキシレートが挙げられる。
脂環式エポキシ化合物は1種類を使用しても、2種以上の混合物を使用しても良い。
種々の脂環式エポキシ化合物が市販されており、ユニオンカーバイド日本(株)、ダイセル化学工業(株)等から入手できる。
分子内に脂環式構造を有しない通常のエポキシ基を有するグリシジル化合物を単独で使用したり、上記の脂環式エポキシ化合物と併用することもできる。
このような通常のグリシジル化合物としては、グリシジルエーテル化合物やグリシジルエステル化合物を挙げることができるが、グリシジルエーテル化合物を併用することが好ましい。
グリシジルエーテル化合物の具体例を挙げると、1,3−ビス(2,3−エポキシプロピロキシ)ベンゼン、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポシキ樹脂、フェノール・ノボラック型エポキシ樹脂、クレゾール・ノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂等の芳香族グリシジルエーテル化合物、1,4−ブタンジオールグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリトリグリシジルエーテル等の脂肪族グリシジルエーテル化合物が挙げられる。グリシジルエステルとしては、リノレン酸ダイマーのグリシジルエステルを挙げることができる。
グリシジルエーテル類は油化シェルエポキシ(株)等から市販品を入手することができる。
本発明において4員環の環状エーテルであるオキセタニル基を有する化合物(以下、単に「オキセタン化合物」ともいう。)を使用することができる。オキセタニル基含有化合物は、1分子中にオキセタニル基を1個以上有する化合物である。このオキセタニル基含有化合物は、1分子中に1個のオキセタニル基を有する単官能オキセタン化合物と、1分子中に2個以上のオキセタニル基を有する多官能オキセタン化合物に大別される。
単官能オキセタン化合物としては、以下の一般式(1)で表される化合物が好ましい。
Figure 2005254521
式(1)中、R1はメチル基又はエチル基を示す。R2は、炭素数6ないし12の炭化水素基を示す。
2の炭化水素基としては、フェニル基やベンジル基も採りうるが、炭素数6ないし8のアルキル基が好ましく、2−エチルへキシル基等の分岐アルキル基が特に好ましい。R2がフェニル基であるオキセタン化合物の例は、特開平11−140279号公報に記載されている。R2が置換されていても良い、ベンジル基であるオキセタン化合物の例は、特開平6−16804号公報に記載されている。
本発明においては、多官能オキセタン化合物が使用できるが、好ましい化合物群は、下記の一般式(2)で表される。
Figure 2005254521
式(2)中、mは2、3又は4の自然数を示し、Zは酸素原子、硫黄原子、又はセレン原子を表す。R3は水素原子、フッ素原子、炭素数が1ないし6の直鎖もしくは分岐状のアルキル基、炭素数が1ないし6のフルオロアルキル、アリル基、フェニル基又はフリル基である。R4は、m価の連結基であり、炭素数が1ないし20の基であることが好ましく、1個以上の酸素原子、硫黄原子を含んでいても良い。
Zは酸素原子が好ましく、R3はエチル基が好ましく、mは2が好ましく、R4としては、炭素数が1ないし16の線形又は分岐アルキレン基、線形又は分岐ポリ(アルキレンオキシ)基が好ましく、R3、R4、Z、及びmに対する好ましい例の内から任意の2つ以上を組み合わせた化合物は更に好ましい。
本発明の紫外線硬化性結合剤として、ラジカル重合性のエチレン性不飽和化合物とカチオン重合性の環状エーテル類(エポキシ誘導体及び/又はオキセタン誘導体)とを併用することも好ましい。相互貫入ポリマー網(IPN)の構造を取るためにバランスの取れた物性を有する結合体が得られる利点がある。この場合には、光重合開始剤として光ラジカル重合開始剤と光カチオン重合開始剤(オニウム塩等)とを併用することが好ましい。
紫外線硬化性結合剤の硬化後の揮発成分は5重量%以下であることが好ましい。このために結合剤に有機溶媒を使用しない無溶媒処方とすることが好ましい。
硬化後の揮発成分を低減するために、三次元造形物を製造した後に、残存モノマーを紫外線照射または加熱により後重合させることができる。
本発明において、結合剤の硬化する際の体積収縮率は15%以下であることが好ましい。
ここで、「硬化する際の体積収縮率」とは、重合性化合物を含む結合剤の液体比重をD1とし、硬化後の固体比重をD2とすると、以下の式にて与えられる値である。
[(D2−D1)/D2]×100
また、本発明において、結合剤に使用される重合性化合物の硬化する際の体積収縮率を15%とすることも好ましい。
エチレン性不飽和二重結合の付加重合反応は収縮を伴うことが知られており、特に、単官能のアクリレートやメタクリレートの硬化に伴う体積収縮率は大きいことがある。
これに反して、環状エーテル類の開環重合における硬化に伴う体積収縮率は比較的小さいので、本発明において好ましく使用できる。複数の環状エーテル構造を1分子中に有する化合物は重合に伴い体積が膨張するものもあり、これらの化合物も本発明において使用できる。
[粘度調整用重合性化合物]
粘度調整用重合性化合物としては、低粘度かつ重合性化合物と共重合可能な化合物が用いられる。例えば、アクリレート、メタアクリレート、アクリルアミド類が挙げられる。具体的には、トリルオキシエチル(メタ)アクリレート、フェニルオキシエチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、メチル(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジビニルベンゼン、メチレンビスアクリルアミド、1,6−ジ(メタ)アクリロイルオキシヘキサン等、好ましくは、トリルオキシエチル(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6−ジ(メタ)アクリロイルオキシヘキサン等が挙げられる。
開環重合性の環状エーテル類においても、2官能以上の環状エーテル類は、一般に反応性が高いが粘度が高い。単官能の環状エーテル類を低粘度に調整するために併用することができる。
[光重合開始剤]
本発明で使用する硬化性結合剤は、光重合開始剤を用いて硬化させることが好ましく、熱重合開始剤を併用するできる。
本発明に用いられる光重合開始剤とは、活性放射線により活性なラジカル種又はカチオン種を発生し、結合剤の重合反応を開始、促進する化合物を示す。活性放射線として、放射線、ガンマー線、アルファー線、電子線、紫外線などが用いられる。この中でも紫外線により硬化させる方法が特に好ましい。
光の作用によりラジカルを発生させる重合開始剤の例としてはアセトフェノン系化合物、ベンゾイン系化合物、ベンゾフェノン系化合物、チオキサントン系化合物、ベンジル系化合、アシルフォスフィンオキサイド系化合物等が好ましい。アセトフェノン系化合物としては、例えば、2,2−ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシメチル−1−フェニルプロパン−1−オン、4’−イソプロピル−2−ヒドロキシ−2−メチル−プロピオフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−プロピオフェノン、p−ジメチルアミノアセトン、p−tert−ブチルジクロロアセトフェノン、p−tert−ブチルトリクロロアセトフェノン、p−アジドベンザルアセトフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン等が挙げられる。ベンゾイン系化合物としては、例えば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾイン−n−プロピルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾイン−n−ブチルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンジルジメチルケタール等が挙げられる。ベンゾフェノン系化合物としては、例えば、ベンゾフェノン、o−ベンゾイル安息香酸メチル、ミヒラーズケトン、4,4’−ビスジエチルアミノベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン等が挙げられる。チオキサントン系化合物としては、例えば、チオキサントン、2−メチルチオキサントン、2−エチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、4−イソプロピルチオキサントン、2−クロロチオキサントン、2,4−ジエチルチオキサントン等が挙げられる。ベンジル系化合物としては、例えば、ベンジル、ベンジル−β−メトキシエチルアセタール等が挙げられる。アシルフォスフィンオキサイド系化合物としては、ビス(2,6−ジメトキシベンゾイル)(2,4,4−トリメチルペンチル)フォスフィンオキサイド、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド等が挙げられる。
下記に述べる、通常、光カチオン発生剤として用いられるスルホニウム塩やヨードニウム塩なども紫外線照射によりラジカル発生剤として作用するため、本発明ではこれらを単独で用いてもよい。また、感度を高める目的で重合開始剤に加えて、増感剤を用いてもよい。増感剤の例には、n−ブチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−ブチルホスフィン、及びチオキサントン誘導体等が含まれる。
紫外線によって活性なカチオン種を発生させる光重合開始剤としては、トリアリールスルホニウム塩等の芳香族ヨードニウム塩、ジアリールヨードニウム塩等の芳香族ヨードニウム塩等のオニウム塩開始剤が有用であり、スルホン酸のニトロベンジルエステルなどの非イオン性開始剤も使用できる。その他、有機エレクトロニクス材料研究会編、“イメージング用有機材料”ぶんしん出版社刊(1997)などに記載されている公知の光重合開始剤も使用できる。
また、芳香族スルフォニウム塩等は、熱的に比較的安定であるために、好ましく使用できる。
芳香族スルフォニウム塩及び芳香族ヨードニウム塩をオニウム塩光反応開始剤として使用する場合、その対アニオンとしては、BF4 -、AsF6 -、SbF6 -、PF6 -、PF6 -、B(C654 -などが挙げられる。開始剤としては、芳香族スルフォニウムのPF6塩又はSbF6塩が、溶解性と適度の重合活性を有するために好ましく使用できる。又、溶解性を改良するために、芳香族基ヨードニウム塩又は芳香族スルフォニウム塩の芳香族基、通常はフェニル基に、1ないし10の炭素を有する、アルキル基又はアルコキシ基を1つ以上導入した化学構造が好ましい。
芳香族スルフォニウム塩のPF6塩又はSbF6塩は、ユニオンカーバイド日本(株)等から市販されている。旭電化工業(株)からも、アデカオプトマーSPシリーズの商品名で芳香族スルフォニウムのPF6塩が市販されている。
芳香族スルフォニウム塩は約360nmまでに吸収を有し、芳香族ヨードニウム塩は約320nmまでに吸収を有するので、硬化させるには、この領域の分光エネルギーを含む紫外線を照射することが好ましい。
本発明において、熱重合開始剤は、公知であり結合解離エネルギーの小さな結合を有する化合物を使用することができる。熱重合開始剤は、単独で使用しても又は2種以上を併用して用いることができる。
熱重合開始剤は当業者に周知であり、例えば、有機ハロゲン化化合物、有機過酸化化合物、アゾ系重合開始剤、アジド化合物、メタロセン化合物、ヘキサアリールビイミダゾール化合物、有機ホウ酸化合物、ジスルホン酸化合物、オニウム塩化合物、が挙げられる。
上記有機ハロゲン化化合物としては、具体的には、若林等、「Bull. Chem.Soc. Japan」42、2924(1969)、米国特許第3,905,815号明細書、特公昭46−4605号、特開昭48−36281号、特開昭55−32070号、特開昭60−239736号、特開昭61−169835号、特開昭61−169837号、特開昭62−58241号、特開昭62−212401号、特開昭63−70243号、特開昭63−298339号、M.P.Hutt“Jurnal of Heterocyclic Chemistry”1(No3),(1970)」等に記載の化合物が挙げられ、特に、トリハロメチル基が置換したオキサゾール化合物:S−トリアジン化合物が挙げられる。
上記アゾ化合物としては例えば、特開平8−108621に記載のアゾ化合物等を使用することができる。
上記有機過酸化化合物としては、例えば、三田 達 監訳「高分子大辞典」丸善株式会社(1994年刊)207〜209頁に記載の化合物等が挙げられる。
上記メタロセン化合物としては、特開昭59−152396号公報、特開昭61−151197号公報、特開昭63−41484号公報、特開平2−249号公報、特開平2−4705号公報、特開平5−83588号公報記載の種々のチタノセン化合物、特開平1−304453号公報、特開平1−152109号公報記載の鉄−アレーン錯体等が挙げられる。
上記ヘキサアリールビイミダゾール化合物としては、例えば、特公平6−29285号、米国特許第3,479,185号、同第4,311,783号、同第4,622,286号等の各公報記載の種々の化合物等が挙げられる。
上記有機ホウ酸塩化合物としては、例えば、特開昭62−143044号、特開昭62−150242号、特開平9−188685号、特開平9−188686号、特開平9−188710号、特開2000−131837、特開2002−107916、特許第2764769号、特開2002−116539号、等の各公報、及び、Kunz,Martin“Rad Tech’98.Proceeding April 19−22,1998,Chicago”等に記載される有機ホウ酸塩、特開平6−157623号公報、特開平6−175564号公報、特開平6−175561号公報に記載の有機ホウ素スルホニウム錯体或いは有機ホウ素オキソスルホニウム錯体、特開平6−175554号公報、特開平6−175553号公報に記載の有機ホウ素ヨードニウム錯体、特開平9−188710号公報に記載の有機ホウ素ホスホニウム錯体、特開平6−348011号公報、特開平7−128785号公報、特開平7−140589号公報、特開平7−306527号公報、特開平7−292014号公報等の有機ホウ素遷移金属配位錯体等が具体例として挙げられる。
上記ジスルホン化合物としては、特開昭61−166544号、特開2002−328465号公報等記載される化合物が挙げられる。
(着色剤)
本発明の製造方法において使用できる着色剤は染料と顔料に大別され、染料を好ましく使用することができる。
染料としては、減色法の3原色であるイエロー(Y)、マゼンタ(M)及びシアン(C)の染料を使用することにより広い範囲の色相を異なる彩度で再現することができる。本発明において、カラー写真のカラープリントに利用される染料を使用することが好ましい。以下に詳しく述べる。
イエロー染料としては、米国特許3,933,501号、同4,022,620号、同4,326,024号、同4,401,752号、同4,248,961号、特公昭58−10739号、英国特許1,425,020号、同1,476,760号、米国特許3,973,968号、同4,314,023号、同4,511,649号、欧州特許249,473A号、同502,424A号の式(I),(II)で表されるカプラー、同513,496A号の式(1),(2)で表されるカプラー(特に18頁のY−28)、同568,037A号のクレーム1の式(I)で表されるカプラー、米国特許5,066,576号のカラム1の45〜55行の一般式(I)で表されるカプラー、特開平4−274425号の段落0008の一般式(I)で表されるカプラー、欧州特許498,381A1号の40頁のクレーム1に記載のカプラー(特に18頁のD−35)、同447,969A1号の4頁の式(Y)で表されるカプラー(特に、Y−1(17頁),Y−54(41頁))、米国特許4,476,219号のカラム7の36〜58行の式(II)〜(IV)で表されるカプラー(特にII−17,19(カラム17),II−24(カラム19))から得られるケトイミン型染料が挙げられる。 好ましくは、特開2001−294773号公報、特開2002−121414号公報、特開2002−105370号公報、特開2003−26974号公報、特開2003−73598号公報に記載の染料が挙げられ、なかでも特開2003−73598号公報に記載の一般式(Y−II)で表されるピラゾール化合物がより好ましく用いられ、以下に示すY−1が例示できる。
Figure 2005254521
マゼンタ染料としては、特開2001−181549号公報、特開2002−121414号公報、特開2002−105370号公報、特開2003−12981号公報、特開2003−26974号公報に記載の染料が挙げられる。
なかでも特開2002−121414号公報に記載の一般式(III)で表されるピラゾロトリアゾールアゾメチン化合物が好ましく用いられ、以下に示すM−1が例示できる。
Figure 2005254521
シアン染料としては、特開2002−121414号公報、特開2002−105370号公報、特開2003−3109号公報、特開2003−26974号公報に記載の染料が挙げられる。
特開2002−121414号公報に記載の一般式(IV−1a)で表されるピロロトリアゾールアゾメチン化合物ならびに一般式(C−II−1)及び(C−II−2)で表されるフタロシアニン化合物が好ましく用いられ、以下に示すC−1及びC−101が例示できる。
Figure 2005254521
Figure 2005254521
必要に応じて、CMY3原色に黒(ブラック)染料を併用しても良い。黒染料はCMY3染料を混合して作ることもできる。
上記以外の染料としては、印刷の技術分野(例えば印刷インキ、感熱インクジェット記録、静電写真記録等のコピー用色材または色校正版など)で一般に用いられるものを使用することができる。
例えば、有機合成化学協会編「染料便覧」丸善株式会社(1970年刊)、安部田貞治、今田邦彦「解説 染料化学」(株)色染社(1988年刊)、大河原信編「色素ハンドブック」(株)講談社(1986年刊)、インクジェットプリンタ用ケミカルス−材料の開発動向・展望調査−」(株)シーエムシー(1997年刊)、前記の甘利武司「インクジェットプリンタ−技術と材料」等に記載の染料類が挙げられる。
(顔料)
顔料としては、特に限定されるものではなく、一般に市販されているすべての有機顔料及び無機顔料、または顔料を、分散媒として不溶性の樹脂等に分散させたもの、あるいは顔料表面に樹脂をグラフト化したもの等を用いることができる。また、樹脂粒子を染料で染色したもの等も用いることができる。
本発明おいて造形物の外表面に彩色するためには、断面形状の輪郭に上記のYMC結合剤による着色画像を形成し、この着色画像の直下に白色反射層を設けることが好ましい。白色反射層は、例えばカラープリントにおける下地に相当する役割を有し、白色顔料を含む結合剤(白色結合剤)を着画像のすぐ内側に使用することが好ましい。
白色顔料の具体例としては、塩基性炭酸鉛(2PbCO3Pb(OH)2、いわゆる、シルバーホワイト)、酸化亜鉛(ZnO、いわゆる、ジンクホワイト)、酸化チタン(TiO2、いわゆる、チタンホワイト)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3、いわゆる、チタンストロンチウムホワイト)などが利用可能である。
ここで、酸化チタンは他の白色顔料と比べて比重が小さく、屈折率が大きく、化学的、物理的にも安定であるため、顔料としての隠蔽力や着色力が大きく、さらに、酸やアルカリ、その他の環境に対する耐久性にも優れている。したがって、白色顔料としては酸化チタンを利用することが好ましい。もちろん、粉末材料や結合剤成分の種類に応じて他の白色顔料(列挙した白色顔料以外であってもよい。)を使用してもよい。
本発明においてCMY染料に替えてCMY顔料を使用することもできる。
有機顔料及び無機顔料の具体例としては、例えば、イエロー色を呈するものとして、C.I.ピグメントイエロー1(ファストイエローG等),C.I.ピグメントイエロー74の如きモノアゾ顔料、C.I.ピグメントイエロー12(ジスアジイエローAAA等)、C.I.ピグメントイエロー17の如きジスアゾ顔料、C.I.ピグメントイエロー180の如き非ベンジジン系のアゾ顔料、C.I.ピグメントイエロー100(タートラジンイエローレーキ等)の如きアゾレーキ顔料、C.I.ピグメントイエロー95(縮合アゾイエローGR等)の如き縮合アゾ顔料、C.I.ピグメントイエロー115(キノリンイエローレーキ等)の如き酸性染料レーキ顔料、C.I.ピグメントイエロー18(チオフラビンレーキ等)の如き塩基性染料レーキ顔料、フラバントロンイエロー(Y−24)の如きアントラキノン系顔料、イソインドリノンイエロー3RLT(Y−110)の如きイソインドリノン顔料、キノフタロンイエロー(Y−138)の如きキノフタロン顔料、イソインドリンイエロー(Y−139)の如きイソインドリン顔料、C.I.ピグメントイエロー153(ニッケルニトロソイエロー等)の如きニトロソ顔料、C.I.ピグメントイエロー117(銅アゾメチンイエロー等)の如き金属錯塩アゾメチン顔料等が挙げられる。
マゼンタ色を呈するものとして、C.I.ピグメントレッド3(トルイジンレッド等)の如きモノアゾ系顔料、C.I.ピグメントレッド38(ピラゾロンレッドB等)の如きジスアゾ顔料、C.I.ピグメントレッド53:1(レーキレッドC等)やC.I.ピグメントレッド57:1(ブリリアントカーミン6B)の如きアゾレーキ顔料、C.I.ピグメントレッド144(縮合アゾレッドBR等)の如き縮合アゾ顔料、C.I.ピグメントレッド174(フロキシンBレーキ等)の如き酸性染料レーキ顔料、C.I.ピグメントレッド81(ローダミン6G’レーキ等)の如き塩基性染料レーキ顔料、C.I.ピグメントレッド177(ジアントラキノニルレッド等)の如きアントラキノン系顔料、C.I.ピグメントレッド88(チオインジゴボルドー等)の如きチオインジゴ顔料、C.I.ピグメントレッド194(ペリノンレッド等)の如きペリノン顔料、C.I.ピグメントレッド149(ペリレンスカーレット等)の如きペリレン顔料、C.I.ピグメントレッド122(キナクリドンマゼンタ等)の如きキナクリドン顔料、C.I.ピグメントレッド180(イソインドリノンレッド2BLT等)の如きイソインドリノン顔料、C.I.ピグメントレッド83(マダーレーキ等)の如きアリザリンレーキ顔料等が挙げられる。
シアン色を呈する顔料として、C.I.ピグメントブルー25(ジアニシジンブルー等)の如きジスアゾ系顔料、C.I.ピグメントブルー15(フタロシアニンブルー等)の如きフタロシアニン顔料、C.I.ピグメントブルー24(ピーコックブルーレーキ等)の如き酸性染料レーキ顔料、C.I.ピグメントブルー1(ビクロチアピュアブルーBOレーキ等)の如き塩基性染料レーキ顔料、C.I.ピグメントブルー60(インダントロンブルー等)の如きアントラキノン系顔料、C.I.ピグメントブルー18(アルカリブルーV−5:1)の如きアルカリブルー顔料等が挙げられる。
その他、ロジンエステル樹脂や塩化ビニル−酢酸ビニル樹脂等に顔料微粒子を分散させた加工顔料が市販されており、これを用いても良い。市販加工顔料の具体例としては、チバスペシャリティケミカルズ社のマイクロリス顔料等が挙げられ、好ましい加工顔料の例としては、ロジンエステル樹脂で顔料を被覆したマイクロリス−T顔料が挙げられる。
有機粉末材料層毎に供給する紫外線硬化性結合剤に基づき形成した断面形状の輪郭に沿ってその外側に、該結合剤と略同時に、滲み出し防止液による滲み出し防止形状を形成することを繰り返すことにより、造形対象物の表面にリアルな質感、即ち光沢感や平滑感を付与できる。
(紫外線露光)
紫外線硬化性結合剤を硬化させるための紫外線露光に関しては、一般に用いられる高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、DeepUVランプ、ハロゲンランプ等が使用可能であり、露光波長は450〜250nm、好ましくは、400〜300nmとすることができる。露光エネルギーは500mJ/cm2以下が好ましく、10〜400mJ/cm2がより好ましい。紫外線光源から紫外線透過性の光ファイバーを用いて粉末材料面に紫外線を導くことができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下、本発明の実施例で使用する材料は以下の通りである。
KAYARAD DPCA60(カプトラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート:日本化薬(株)製)
HDDA(1,6−ヘキサンジオールジアクリレート:ダイセル・ユーシービー(株)製)
イルガキュア1850(1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンとビス(2,6―ジメトキシベンゾイル)(2,4,4−トリメチルペンチル)フォスフィンオキサイドとの1:1混合物:チバスペシャリティケミカルズ製)
酸化チタン(KRONOS KA−15;粒径0.4μm:チタン工業(株)製)
ポリメタクリル酸メチル(MBX−12;平均粒子径12μm:積水化成品工業(株)製)
フェノール樹脂(ベルパールR800;平均粒子径20μm:カネボウ(株)製)
ポリスチレン(SBX−12;平均粒子径12μm:積水化成品工業(株)製)
ポリジビニルベンゼン(ミクロパールSP−203;平均粒子径3μm:積水化学工業(株)製)
ポリテトラフルオロエチレン(ルブロンL−5;平均粒子径7μm:ダイキン工業(株)製)
ポリエチレン(フロービーズLE−1080;平均粒子径6μm:住友精化(株)製)
コーンでんぷん(平均粒子径15μm:日本食品化工(株)製)
小麦でんぷん(平均粒子径10μm:(株)新進製)
ZP14(Z Corp.製)
ZB−4(Z Corp.製)
<実施例1>
(紫外線硬化性結合剤「無色結合剤」の作成)
重合性化合物:KAYARAD DPCA60 5.2g
重合性化合物:HDDA 14.8g
(HDDA ダイセル・ユーシービー製)
光重合開始剤:イルガキュア1850 0.6g
以上の成分を撹拌混合し、25℃における粘度が約20mPa・sである無色結合剤を得た。
(紫外線硬化性結合剤「白色結合剤」の作成)
重合性化合物:KAYARAD DPCA60 5.2g
重合性化合物:HDDA 14.8g
光重合開始剤:イルガキュア1850 0.6g
白色顔料:酸化チタン 3g
以上の成分を3本ロールミルで混練し、25℃における粘度が約25mPa・sである白色結合剤を得た。
(紫外線硬化性結合剤「イエロー結合剤」の作成)
重合性化合物:KAYARAD DPCA60 5.2g
重合性化合物:HDDA 14.8g
光重合開始剤:イルガキュア1850 0.6g
着色剤:Y−1 0.8g
上記Y−1、下記M−1および下記C−1は発明を実施するための最良の形態に記載したとおりである。
以上の成分を撹拌混合し、25℃における粘度が約20mPa・sであるイエロー結合剤を得た。
(紫外線硬化性結合剤「マゼンタ結合剤」の作成)
重合性化合物:KAYARAD DPCA60 5.2g
重合性化合物:HDDA 14.8g
光重合開始剤:イルガキュア1850 0.6g
着色剤:M−1 0.8g
以上の成分を撹拌混合し、25℃における粘度が約20mPa・sであるマゼンタ結合剤を得た。
(紫外線硬化性結合剤「シアン結合剤」の作成)
重合性化合物:KAYARAD DPCA60 5.2g
重合性化合物:HDDA 14.8g
光重合開始剤:イルガキュア1850 0.6g
着色剤:C−1 0.8g
以上の成分を撹拌混合し、25℃における粘度が約20mPa・sであるシアン結合剤を得た。
(紫外線硬化性結合剤「ブラック結合剤」の作成)
重合性化合物:KAYARAD DPCA60 5.2g
重合性化合物:HDDA 14.8g
光重合開始剤:イルガキュア1850 0.6g
着色剤:Y−1 0.3g
M−1 0.3g
C−1 0.3g
以上の成分を撹拌混合し、25℃における粘度が約20mPa・sであるブラック結合剤を得た。
(三次元モデル作成)
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルを約80μmの厚さになるようロッドで1層分の粉末材料層を敷設した後、データにもとづいてインクジェット吐出ノズルから着色結合剤の吐出を適宜に行わせた。結合剤は、粉末材料:結合剤=60:40(重量比)となるように吐出量を調整して、吐出した。
該紫外線硬化性結合剤をインクとしたインクジェット方式により、600dpiの解像度(約42μmのドット間隔)で、各ドットが連続した線になるよう液滴を吐出した。粉末材料面にはDeepUVランプにて、20mJ/cmの露光エネルギーを与えた。
次いで、1スライスピッチに相当する厚さ分厚くした粉末材料層を形成して、その断面に該当する断面形状に対応する結合剤を供給することを繰り返すことにより三次元造形物を作成した。
<実施例2>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりにフェノール樹脂を用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<実施例3>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりにポリスチレンを用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<実施例4>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりにポリジビニルベンゼンを用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<実施例5>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりにポリテトラフルオロエチレンを用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<実施例6>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりにポリエチレンを用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<比較例1>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりにコーンでんぷんを用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<比較例2>
粉末材料としてポリメタクリル酸メチルの代わりに小麦でんぷんを用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作成し評価した。
<比較例3>
Z402プリンター(Z Corp.製)を使用して、粉末材料としてZP14(でんぷん)を用い、結合剤としてZB−4を用いた以外は、実施例1と同様にして三次元造形物を作製した。
(評価方法)
上記方法にて作成した、直径5cm、厚さ1cmの円柱造形物の評価を行った。
(1)光沢度測定:表面光沢度をデジタル変角光沢計UGV−6P(スガ試験機(株)製)を用いて入射角20度で測定した。
(2)着色性:色の鮮やかさを目視で評価し、以下のランクに分けた。
○ ・・・良
△ ・・・やや良
× ・・・不良
(3)機械的強度:得られた三次元造形物にクラックが入っているかを目視で判定した。
○ ・・・クラックなし
× ・・・クラックあり
以上の結果を表1にまとめた。
Figure 2005254521
本発明の三次元造形物の製造方法の一実施態様について各工程を示す模式図である。 図1に示した三次元造形物の製造において形成されるいくつかの層の断面形状を模式的に示す斜視図である。
符号の説明
1 薄層
2 結合剤付与領域
3 三次元造形部
4 支持体(造形ステージ)
5 垂直方向移動部
6 枠
7 ブレード
8 インクジェットヘッド
9 紫外線照射部
10 三次元造形物

Claims (17)

  1. 支持体上に粉末材料を含む層を形成する工程、および、
    得られた粉末材料層を結合剤により像様に結合させる工程を含む
    三次元造形物の製造方法であって、
    (a)前記粉末材料として合成有機粉末を使用し、
    (b)前記結合剤が活性放射線により硬化することを特徴とする
    三次元造形物の製造方法。
  2. 支持体上に粉末材料を所定の厚さを有する層に形成する工程、および、
    造形対象物のスライスした断面データに基づき、その断面形状になるように粉末材料層を結合剤により像様に結合させる工程を順次繰り返すことを含むことを特徴とする
    請求項1に記載の三次元造形物の製造方法。
  3. 前記粉末材料が合成高分子化合物である、請求項1または2に記載の三次元造形物の製造方法。
  4. 前記粉末材料がアクリル樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂、スチレン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、およびフッ素樹脂よりなる群から選ばれた請求項1〜3いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  5. 前記結合剤として、少なくとも1種の着色された結合剤、白色結合剤および無色結合剤よりなる群から選ばれた2種以上の結合剤を使用する請求項1〜4いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  6. 前記着色された結合剤が、イエロー結合剤、マゼンタ結合剤、シアン結合剤、およびブラック結合剤よりなる群から選ばれた少なくとも2つの結合剤よりなる請求項1〜5いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  7. 前記結合剤の硬化する際の体積収縮率が15%以下である請求項1〜6いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  8. 25℃での前記結合剤の粘度が1〜100mPa・sである請求項1〜7いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  9. 前記結合剤が、官能性(メタ)アクリレートを少なくとも一種含む請求項1〜8いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  10. 前記結合剤が少なくとも
    a)三官能以上の(メタ)アクリレート、および
    b)単官能及び/または二官能(メタ)アクリレートを含む
    請求項1〜9いずれか1つに記載の三次元造形物の製造方法。
  11. 粉末材料と結合剤を含み、該結合剤を像様に硬化して形成される三次元造形物において、前記粉末材料が合成有機粉末を含み、前記結合剤が活性放射線により硬化する結合剤を含むことを特徴とする三次元造形物。
  12. 前記三次元造形物は前記粉末材料が島の構造を有し、前記活性放射線により硬化した結合剤が海の構造を有する海島構造を内部構造として有する請求項11記載の三次元造形物。
  13. 前記粉末材料がアクリル樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂、スチレン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、およびフッ素樹脂よりなる群から選ばれた請求項11または12に記載の三次元造形物。
  14. 前記結合剤として、少なくとも1種の着色された結合剤、白色結合剤および無色結合剤よりなる群から選ばれた2種以上の結合剤を使用する請求項11〜13いずれか1つに記載の三次元造形物。
  15. 前記着色された結合剤が、イエロー結合剤、マゼンタ結合剤、シアン結合剤、およびブラック結合剤よりなる群から選ばれた少なくとも2つの結合剤よりなる請求項11〜14いずれか1つに記載の三次元造形物。
  16. 前記結合剤が官能性(メタ)アクリレートを少なくとも一種含む請求項11〜15いずれか1つに記載の三次元造形物。
  17. 前記結合剤が少なくとも
    a)三官能以上の(メタ)アクリレート、および
    b)単官能及び/または二官能(メタ)アクリレートを含む
    請求項11〜16いずれか1つに記載の三次元造形物。
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