JP2019081958A - 焼結造形方法、液状結合剤、および焼結造形物 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、セラミックや金属等を含む粉末材料を層状に沈積する。次いで、粉末材料同士を結合させる結合剤材料を、粉末材料の層の選択された領域に塗布する。すると、粉末材料間の空隙に浸透した結合剤材料が、粉末材料同士を接合することによって、三次元造形物の二次元断面層に対応する造形物が形成される。こうした粉末材料の沈積と、結合剤材料の塗布とを交互に繰り返すことによって二次元断面層が積層され、三次元構造を有した造形物が形成(造形)される。
子径が0.001μm以上10μm以下であることを特徴とする。
記第2の無機粒子が、セラミック粒子または金属粒子であることを特徴とする。
実施形態1として、3次元形状の立体モデル(焼結造形物)を造形する一つの手法としての積層造形における焼結造形材料、焼結造形装置、「焼結造形方法」、焼結造形に用いる「液状結合剤」、およびこれらによって造形された「焼結造形物」を説明する。
積層造形の方法としては、三次元造形物の断面形状を形成すべく焼結造形材料で構成された薄い層にインクジェット法により選択的に液状結合剤を付与し、液状結合剤を付与した部分を硬化させながら次々と積層することにより三次元造形物を形成する方法を用いている。
以下、それぞれについて具体的に説明する。
図1は、焼結造形材料1の常温(15〜25℃)における状態を示す概念図である。
焼結造形材料1は、積層造形法により3次元形状の立体モデル(焼結造形物)を造形する際に使用する材料(主材)であり、焼結造形材料1によって焼結造形物の基本となる各層、つまり焼結造形物の各断面形状を形成するための層(以下造形層という)を形成する。
焼結造形材料1は、粉末の「第1の無機粒子」から成る粉末材料2および「熱可塑性バインダー」としてのバインダー材料3などによって構成される。
粉末材料2は、「第1の無機粒子」としての無機粒子2aの集合体として構成される。 無機粒子2aには、金属粒子やセラミック粒子を用いることができる。無機粒子2aは、平均粒子径が0.1μm以上30μm以下の略球形である。平均粒子径は、1μm以上15μm以下であることが更に好ましい。また、真球形状に近いほどより好ましい。これにより、焼結造形物の形状に係る制御性、特に焼結造形物の外形を規定する辺や角部における形状の制御性が向上する。
なお、バインダー材料3は、ポリカプロラクトンジオールに限定するものではなく、常温で固体の熱可塑性を有し、その熱分解開始温度が50℃以上で無機粒子2aの焼結温度より低いものを用いる。例えば、融点が50〜100℃、熱分解開始温度が約250℃のエチレン酢酸ビニル共重合体や、融点が約120℃、熱分解開始温度が約400℃のポリエチレンなどであっても良い。
それぞれ、常温では、ろう状、ワセリン状、フレーク状などの固体で、融点を超えると融解し液状となる。
図2は、焼結造形装置100を説明する模式図である。
図2において、Z軸方向が上下方向、−Z方向が鉛直方向、Y軸方向が前後方向、+Y方向が手前方向、X軸方向が左右方向、+X方向が左方向、X−Y平面が、焼結造形装置100が設置される平面と平行な面としている。
焼結造形装置100は、材料供給部10、加熱部20、展延部30、造形部40、描画部50、硬化部60、現出部70、脱脂焼結部80、およびそれぞれを制御する制御部(図示省略)などを備えている。
なお、材料供給部10は、この構成に限定するものではなく、例えば、焼結造形材料1を収容したカートリッジを装填し加熱する装填部を備え、装填されたカートリッジをバインダー材料3の融点以上に加熱することで焼結造形材料1に流動性を持たせて加熱部20に供給する構成(図示省略)などであっても良い。
スクイージ31は、X軸方向に移動可能に設けられたY軸方向に延在する細長い板状体であり、X―Y平面上で流動性造形材料4を−X方向にすり押すように移動させることで、流動性造形材料4を薄く展延させることができる。
展延部30は、造形部40が備えるステージ41上に流動性造形材料4を展延し造形層5を形成する。
なお、流動性造形材料4を薄く展延させる方法は、スクイージ31により展延する方法に限定するものでない。例えば、エアにより押圧して展延する方法や、加熱部を備えたステージを回転させて遠心力により展延する方法などであっても良い。
吐出ヘッド51は、インクジェット法により液状結合剤8をステージ41上の造形層5に吐出するノズル(図示省略)を備えている。
カートリッジ装填部52は、液状結合剤8を収容したインクカートリッジを装填し、液状結合剤8を吐出ヘッド51に供給する。
キャリッジ53は、吐出ヘッド51、カートリッジ装填部52(つまりはインクカートリッジ)を搭載し、キャリッジ移動機構54によって、ステージ41の上面を移動する。
キャリッジ移動機構54は、X−Y軸直動搬送機構を有し、キャリッジ53をX―Y平面で移動(走査)させる。
なお、現出処理は、バインダー材料3が水溶性の場合において、水洗などにより非造形部5bを洗い流し除去する方法であってもよいため、不要部除去手段として、水洗槽などを備える構成であっても良い。
図3は、実施形態1に係る「液状結合剤」としての液状結合剤8の概念図である。
液状結合剤8は、液状の液体部9に「第2の無機粒子」としての無機粒子8aを含んでいることを特徴としている。また、液体部9には、硬化剤8bを含んでいる。
次に、上述した焼結造形材料1および液状結合剤8を用い、焼結造形装置100を使用して「焼結造形物」を造形する「焼結造形方法」について説明する。
本実施形態に係る焼結造形方法は、以下の工程を含んでいる。
(1)無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1を用いて造形層5を形成する造形層形成工程
(2)造形層5の所望の領域に無機粒子8aが含まれる液状結合剤8を付与する工程
(3)付与された液状結合剤8を硬化させて造形断面層6を形成する工程
(4)造形層5の液状結合剤8が付与されていない領域を除去する工程
(5)積層された造形断面層6を加熱して焼結処理する工程
なお、焼結造形装置100に焼結造形材料1を供給した後の工程から造形物7の焼結処理を行う工程までは、焼結造形装置100が備える制御部の制御によって行われる。
無機粒子8aには、好適例として、無機粒子2aと同じ素材の無機粒子を用いるが、これに限定するものではない。また、液状結合剤8に含む無機粒子8aの量は、形成された造形断面層6に含まれる無機粒子2aの重量と無機粒子8aの重量との比率が400:1〜3:1の範囲となるように調整する。具体的には、好適例として、焼結造形材料1において体積充填率が約70%となるように調整された無機粒子2aに対して、無機粒子2aの重量と無機粒子8aの重量との比率が9.5:1となるように無機粒子8aの含有量を調整する。
硬化剤8bには、好適例として紫外線硬化性樹脂を使用する。
加熱部20は、ホットプレート21により焼結造形材料1をバインダー材料3の融点以上の温度に加熱し、バインダー材料3を融解することで、流動性造形材料4を形成する。
造形層5の層厚みは、スクイージ31による展延の仕様によって制御される。具体的には、造形層5の層厚みは、スクイージ31の下端とX−Y平面(例えば初期位置におけるステージ41の表面)との間隙の大きさ、スクイージ31の移動速度、流動性造形材料4の粘度などによって変化するため、所望の厚みになるように適宜設定を行うことが望ましい。
図1においてフレーク状に分散していたバインダー材料3は、一旦融解し凝固することで、無機粒子2aの体積充填率を高め、無機粒子2aの表面を覆うようにして造形層5の全体に略均一に分布する。所望の位置に選択的に付与された液状結合剤8は、図4に示すように、無機粒子2a、バインダー材料3を含む領域(バインダー材料3に覆われた無機粒子2aの空隙部)に浸透し、造形部5aが形成される。また、無機粒子2aに比較して粒径の小さい無機粒子8aは、液状結合剤8(液体部9)が造形層5の内部に浸透するのに伴って無機粒子2aの隙間に入り込んでいく。
なお、液状結合剤8の硬化は、次に積層される造形層5に付与される液状結合剤8との界面の接合強度を保つために、硬化が完了しない程度に硬化させることが好ましい。
なお、流動性造形材料4を展延して造形層5を形成する工程をステージ41上以外の場所で行い、造形層5を順次ステージ41に移送することで積層する方法であっても良い。
主材(無機粒子2a)は、バインダー材料および付与し硬化した液状結合剤によって支えられているが、脱脂工程(図5に示すAのゾーン)では、バインダー材料および付与し硬化した液状結合剤が徐々に加熱分解されるため、主材(無機粒子2a)を結び付ける力は徐々に弱くなる。これは、従来技術においても、本実施例においても同様である。
従来技術では、脱脂が完了し、無機粒子同士の焼結が開始するまでの範囲(図5に示すBのゾーン)では、主材(無機粒子2a)を結び付ける力が極小となる。そのため、無機粒子の体積充填率が本実施形態と比較して低い(無機粒子2aのみのため)ことの影響も合わせて、造形物7の寸法変化が起こりやすい。
これに対し、本実施形態では、同様のBのゾーンにおいて無機粒子8aと無機粒子2aとの融着が開始するため、また無機粒子の体積充填率が従来技術と比較して高いため(無機粒子2aの空隙に無機粒子8aが入り込んでいるため)、造形物7の寸法変化が起こりにくい。
本実施形態の焼結造形方法は、無機粒子2aが含まれる焼結造形材料1を用いて造形層5を形成する造形層形成工程と、造形層5の所望の領域に無機粒子8aが含まれる液状結合剤8を付与する工程と、付与された液状結合剤8を硬化させて造形断面層6を形成する工程とを含む。これらの工程を含むことにより、造形断面層6には、無機粒子2aに加え、更に無機粒子8aを含ませることができる。また、造形層5の液状結合剤8が付与されていない領域を除去する工程と、積層された造形断面層6を加熱して焼結処理する工程と、を含む。これらの工程を含むことにより、積層された造形断面層6によって三次元造形物(焼結造形物)が造形され、また焼結処理をすることによって、その強度を高めることができる。
Claims (13)
- 第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料を用いて造形層を形成する造形層形成工程と、 前記造形層の所望の領域に第2の無機粒子が含まれる液状結合剤を付与する工程と、
付与された前記液状結合剤を硬化させて造形断面層を形成する工程と、
前記造形層の前記液状結合剤が付与されていない領域を除去する工程と、
前記造形断面層を加熱して焼結処理する工程と、を含むことを特徴とする焼結造形方法。 - 前記焼結処理する工程は、前記第2の無機粒子を、前記第1の無機粒子が焼結を開始する焼結開始温度より低い温度において前記第1の無機粒子に融着させる加熱工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の焼結造形方法。
- 前記焼結造形材料は、前記第1の無機粒子同士を結着する熱可塑性バインダーを含み、 前記造形層形成工程は、前記焼結造形材料を前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱して行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の焼結造形方法。
- 前記造形断面層に含まれる前記第1の無機粒子の重量と前記第2の無機粒子の重量との比率が400:1〜3:1の範囲であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の焼結造形方法。
- 前記第1の無機粒子の平均粒子径と前記第2の無機粒子の平均粒子径との比率が50000:1〜10:1の範囲であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の焼結造形方法。
- 前記第2の無機粒子の平均粒子径が0.001μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の焼結造形方法。
- 前記第1の無機粒子および前記第2の無機粒子が、セラミック粒子または金属粒子であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の焼結造形方法。
- 第1の無機粒子が含まれる焼結造形材料の所望の領域に液状結合剤を付与する工程と、付与した前記液状結合剤を硬化する工程と、を含む三次元造形物の製造に用い、
第2の無機粒子が含まれていることを特徴とする液状結合剤。 - 前記第2の無機粒子の平均粒子径が0.001μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項8に記載の液状結合剤。
- 前記第2の無機粒子がセラミック粒子または金属粒子であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の液状結合剤。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の焼結造形方法により造形されたことを特徴とする焼結造形物。
- 請求項8ないし請求項10のいずれか一項に記載の液状結合剤を用いて造形されたことを特徴とする焼結造形物。
- 積層する焼結造形材料に予め含まれる第1の無機粒子と、積層された前記焼結造形材料に付与する液状結合剤に含まれる第2の無機粒子と、を含んで構成されることを特徴とする焼結造形物。
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