JP6433447B2 - 三次元立体造形用粉体および三次元立体造形物 - Google Patents
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Description
ここに開示される技術の好ましい一態様に係る三次元立体造形用粉体は、三次元立体造形物を造形するために用いられる三次元立体造形用粉体である。この三次元立体造形用粉体は、少なくとも非水和反応母材粒子と水溶性接着粒子とを含む混合粉体からなる。そして、非水和反応母材粒子の平均粒子径をX(μm)とし、三次元立体造形用粉体の見かけ体積に占める水溶性接着粒子の体積割合をY(体積%)とした場合に、
以下の関係:
5≦X≦60;
0.8×(−0.77X+51)≦Y≦1.2×(−0.77X+51);
を満たす。
Y(体積%)=100×(B/A)÷{(B/A)+(D/C)} (1)
A:非水和反応母材粒子のゆるめ嵩密度(g/cm3)
B:三次元立体造形用粉体中の非水和反応母材粒子の含有量(質量%)
C:水溶性接着粒子のゆるめ嵩密度(g/cm3)
D:三次元立体造形用粉体中の水溶性接着粒子の含有量(質量%)
ここでゆるめ嵩密度とは、初期嵩密度もしくは嵩比重ともいい、内体積が既知の容器に圧力を掛けずに粉体材料を流し入れて充填したときに、充填した粉体の質量を容器の内体積で除した値をいう。この際、容器のタッピングは行わないものとする。非水和反応母材粒子のゆるめ嵩密度は、例えばJIS R 1628に準拠して測定された値が採用され得る。また、水溶性接着粒子のゆるめ嵩密度は、例えばJIS R 1628に準拠して測定された値が採用され得る。
ここに開示される三次元立体造形用粉体は、非水和反応母材粒子を含有する。ここで「非水和反応母材粒子」とは、該粒子に水が接触したときに水和反応(典型的には水和物の生成や水酸化物の生成)が起こらない、あるいは起こったとしても該粒子の表面の微視的な範囲のみに限定され、該粒子の大部分は実質的に水と反応しない物質をいう。したがって、例えば非水和反応母材粒子1モルに対して微量(例えば0.1モル以下、好ましくは0.01モル以下、より好ましくは0.001モル以下)の水分子が該粒子表面で局所的に反応する場合は、ここでいう非水和反応母材粒子の概念に包含され得る。水和反応が起こる物質の典型例として、石膏、セメントなどが挙げられる。非水和反応母材粒子は、造形対象である三次元立体造形物の母材を構成する成分である。
ここに開示される三次元立体造形用粉体は水溶性接着粒子を含有する。ここで「水溶性接着粒子」とは、液温90℃の水100質量部に接着粒子2質量部を添加し4時間攪拌したときに、該接着粒子の全部もしくは一部が溶解することで、該接着粒子を溶解した水溶液が水よりも高い粘性を発現する樹脂粒子をいう。好ましい一態様では、上記水の粘度をA(mPa・s)とした場合に、上記接着粒子が溶解した水溶液の粘度が1.2×A(好ましくは1.5×A、より好ましくは2.0×A)を上回る程度に粘性が発現する。水溶性接着粒子は、水を含む造形液と混合した際、水に溶解して非水和反応母材粒子同士を接着する成分である。
ここに開示される三次元立体造形用粉体は、典型的には水を含む造形液と混合される態様で、三次元立体造形物の造形に用いられる。上記造形液に用いられる溶媒は、水を含むものであればよい。溶媒としては、純水、超純水、イオン交換水(脱イオン水)、蒸留水等を好ましく用いることができる。ここに開示される造形液は、必要に応じて、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)をさらに含有してもよい。通常は、造形液に含まれる溶媒の40体積%以上が水であることが好ましく、50体積%以上(典型的には50〜100体積%)が水であることがより好ましい。かかる造形液は、造形時に三次元立体造形用粉体100質量部に対して例えば20質量部〜80質量部(典型的には40質量部〜60質量部)の比率で混合され得る。
ここに開示される三次元立体造形用粉体は、例えば以下の操作を含む態様で、三次元立体造形物の造形(製造)に使用することができる。以下、ここに開示される三次元立体造形用粉体を用いて三次元立体造形物を造形する方法の好適な一態様につき説明する。この造形は、造形対象となる三次元立体造形物に対応する三次元データ等に基づいて立体を造形する3Dプリンタを用いて行われ得る。かかる3Dプリンタは、水を含む造形液を滴下するインクジェットと、三次元立体造形用粉体が配置される裁置台とを有し得る。
操作1:上記三次元立体造形用粉体を、造形対象となる三次元立体造形物の各層に対応する厚さ(例えば0.01mm〜0.3mm)となるように、裁置台上に層状に充填する。
操作2:層状に充填された三次元立体造形用粉体のうち固化すべき部分(すなわち造形対象となる三次元立体造形物の一部に相当する部分)に対してインクジェットヘッドから水を含む造形液を滴下する。そして当該滴下部分に含まれる水溶性接着粒子を溶解して非水和反応母材粒子間を接着することで、層状固形物を形成(固化)する。
操作3:裁置台を鉛直下方に上記三次元立体造形物の各層に対応する厚さの分だけ下降させる。
ここに開示される技術には、例えば、三次元立体造形物の製造方法の提供が含まれ得る。すなわち、ここに開示される技術によると、非水和反応母材粒子と水溶性接着粒子とを含む三次元立体造形用粉体を用意する工程と、層状に充填した該三次元立体造形用粉体の薄層の少なくとも一部に水を含む造形液を混合して固化させ、該固化した薄層を繰り返し積層することにより三次元立体造形物を造形する工程と、を含む三次元立体造形物の製造方法が提供される。この三次元立体造形物の製造方法では、上記三次元立体造形用粉体を用意する工程において、非水和反応母材粒子の平均粒子径X(μm)が5≦X≦60であり、かつ、該非水和反応母材粒子の平均粒子径Xと三次元立体造形用粉体のみかけ体積に占める水溶性接着粒子の体積割合Y(体積%)とが0.8×(−0.77X+51)≦Y≦1.2×(−0.77X+51)を満足するように設定された三次元立体造形用粉体が用意される。上記製造方法は、ここに開示される三次元立体造形用粉体および造形方法の内容を好ましく適用することにより実施され得る。上記製造方法によると、従来に比して機械的強度に優れた、高品質な三次元立体造形物が提供される。
非水和反応母材粒子および水溶性接着粒子をポリミックスで30秒間攪拌して各例に係る三次元立体造形用粉体を調製した。各例に係る三次元立体造形用粉体について、使用した非水和反応母材粒子の種類、含有量、平均粒子径X、水溶性接着粒子の種類、含有量、体積割合Yを表1,2に纏めて示す。なお、各例の非水和反応母材粒子の平均粒子径Xは、前述の方法に準じて求めたものである。また、各例の三次元立体造形用粉体における水溶性接着粒子の体積割合Yは、前述の方法に準じて求めたものである。なお、PVAとしては日本酢ビ・ポバール株式会社製ポバールJP−05Sを使用した。また、アルミナとしては、昭和電工株式会社製砥材WA240〜2500を使用した。
各例の三次元立体造形用粉体を用いて三次元積層造形物を造形した。具体的には、3D Systems社製ProJet460Plusを使用して縦4mm×横40mm×厚さ3mmの試験片を造形し、室温で24時間乾燥した。そして、該試験片の曲げ強度(圧壊強度)をJIS R 1601に準拠する方法で測定した。結果を表1、2の「強度」欄および図1、2に示す。図1は、例A〜Eについて水溶性接着粒子の体積割合Y(体積%)と曲げ強度(MPa)との関係を示すグラフである。図2は、例F〜Hについて水溶性接着粒子の体積割合Y(体積%)と曲げ強度(MPa)との関係を示すグラフである。ここでは曲げ強度が0.3MPa以上のものを良品と判定した。かかる曲げ強度は、造形後の三次元立体造形物を造形装置から破損なく取り出し得るために必要な強度である。
Claims (6)
- 非水和反応母材粒子と水溶性接着粒子とを含む三次元立体造形用粉体であって、
前記非水和反応母材粒子の平均粒子径をX(μm)とし、前記三次元立体造形用粉体の見かけ体積に占める前記水溶性接着粒子の体積割合をY(体積%)とした場合に、
以下の関係:
5≦X≦60;
0.8×(−0.77X+51)≦Y≦1.2×(−0.77X+51);
を満たす、三次元立体造形用粉体。 - 前記非水和反応母材粒子の平均粒子径X(μm)が、10≦X≦50である、請求項1に記載の三次元立体造形用粉体。
- 前記水溶性接着粒子は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂および多糖類からなる群から選択される少なくとも1種を主体として構成されている、請求項1または2に記載の三次元立体造形用粉体。
- 前記水溶性接着粒子は、ポリビニルアルコールまたはその誘導体を含む、請求項1〜3の何れか一つに記載の三次元立体造形用粉体。
- 前記非水和反応母材粒子は、Al、Zr,Ti、Zn、NiおよびFeからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む金属またはそれらの合金を主体として構成されている、請求項1〜4の何れか一つに記載の三次元立体造形用粉体。
- 前記非水和反応母材粒子は、Al、Zr,Ti、Zn、Ni、FeおよびSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む酸化物を主体として構成されている、請求項1〜4の何れか一つに記載の三次元立体造形用粉体。
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