JP7097767B2 - プラズマ処理立体造形装置 - Google Patents

Description

本発明は立体造形装置に関する。

立体造形の方式には、加熱溶融した樹脂をノズルから押し出しながら積み上げることにより造形する材料押出堆積法、紫外線硬化性樹脂組成物をインクジェット用ノズルから噴射し、これに紫外線を照射して硬化させながら堆積するインクジェット方式、槽内の粉末にレーザー光を照射して焼結をさせる粉末焼結方式、槽内の液体状の光硬化性樹脂組成物に対して、紫外線レーザーを照射して１層ずつ硬化させながら積層する光造形方式、粉末と結合剤樹脂を同時又は交互に噴射して1層ずつ形成させる粉末固着方式等がある。
それぞれの方式は、樹脂組成物が限定されたり、微細な造形が困難であったりする点において不十分なところがある。

特許文献１には光造形方式による立体造形の製造法として、恒温槽内の立体造形用樹脂組成物表面に紫外線等の活性エネルギー線を照射する工程を有する方法が記載されている（００７９段落参照）。
このような方式に使用する装置は、活性エネルギー線硬化型樹脂組成物用に限定されるので、目的通りの強度等の物性を備えた成形体を得ることが困難であり、さらに成形体を得るまでに長時間を要する。

特開２０１８－５３１３３号公報

本発明は、インクジェット方式を使用した立体造形装置として、使用する樹脂組成物の範囲、及び得られる成形体の物性の範囲をより広くし、かつより確実に硬化できる装置を得ることを課題とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明を完成するに至った。
１．チャンバー内に、樹脂組成物として、硬化性樹脂組成物を噴射するインクジェットノズルを設け、インクジェットノズルから噴射された硬化性樹脂組成物を順に硬化して堆積させるように、インクジェットノズルが移動でき、かつインクジェットノズルと同じ室内に大気圧プラズマ噴射装置を設置してなるプラズマ処理立体造形装置。
２．該大気圧プラズマ噴射装置はリモート型プラズマ噴射装置であり、プラズマの発生源は該チャンバー外に設置されている１に記載のプラズマ処理立体造形装置。
３．該大気圧プラズマ噴射装置の噴射口は、インクジェットノズル及び堆積する樹脂組成物に向けて設けられていない１又は２に記載のプラズマ処理立体造形装置。
４．該大気圧プラズマ噴射装置の噴射口は、インクジェットノズルに隣接して設けられている１～３のいずれかに記載のプラズマ処理立体造形装置。
５．インクジェットノズルの開口部の周囲に、該大気圧プラズマ噴射装置の噴射口が１つ以上設けられている１～４のいずれかに記載のプラズマ処理立体造形装置。

本発明の装置によれば、硬化性樹脂組成物を使用した立体造形を行うときにおいて、活性エネルギー線硬化型に限定されず、多様な樹脂組成物を採用できる。同時に槽内に大気圧プラズマを導入して、これを、インクジェットノズルから噴射されて堆積された硬化性樹脂組成物に接触させて硬化を行う際に、噴射された硬化性樹脂組成物が堆積されるまでの軌道が乱されたり、一旦堆積した硬化性樹脂組成物の形状が気流により乱されたりすることがないという効果を得ることができる。

リモート型大気圧プラズマ発生部の断面の模式図 本発明による装置の図 本発明による装置のノズル部の図 本発明による装置のノズル部の図 本発明による装置のノズル部の図

以下、本発明の装置に関して詳細に説明する。
（インクジェットノズル）
本発明中のインクジェットノズルとしては、各種の公知の紫外線硬化型樹脂組成物を噴射させるためのインクジェットノズルと同様のものを採用することができる。さらにインクジェットノズルをチャンバー内にて移動させる機構や、その移動を制御するシステムも公知のものを採用することができる。
インクジェットノズルは、１色以上の色に対応した１つ以上のノズルから構成される。立体造形用データを演算して、色毎に正確な造形個所（各ノズルからのインキの吐出の場所）を求め、この個所に吐出できるように各インクジェットノズルからの各色の硬化型樹脂組成物の吐出のタイミングを求めて、この演算結果にもとづいて立体造形を行う。
またインクジェットノズルから噴射された硬化性樹脂組成物が堆積される基材としては、硬化後の樹脂組成物を剥離し易く、かつ立体造形物を支持しえるものであり、必要に応じて表面処理された金属板、樹脂板やガラス板等を使用することができる。

（大気圧プラズマ噴射装置）
本発明における大気圧プラズマ噴射装置は、インクジェットノズルから噴射されて堆積された硬化性樹脂組成物を大気圧プラズマにより硬化させるためものである。
大気圧プラズマ噴射装置のプラズマ吐出口は、少なくとも、インクジェットノズルと上記基材と共にチャンバー内に収容できる大きさであり、プラズマ発生部及び電源部をチャンバー外に配置し、リモート式で発生するプラズマを吐出するものである。
プラズマの吐出量も公知の程度で良く、そのためチャンバーには、排気口を備えることが必要である。
プラズマ吐出口から吐出されたプラズマを含む気流がインクジェットノズルから噴射されて、堆積していない状態の硬化性樹脂組成物に当たると、その噴射された軌道が曲がる可能性があり、その結果として目的の形状の造形ができない可能性がある。
また硬化性樹脂組成物が堆積後、硬化前の間に、プラズマを含む気流が直接当たると、その未硬化の硬化性樹脂組成物の堆積状態に歪みや変形が生じる可能性がある。
そのためプラズマ吐出口は、インクジェットノズルから上記基材までの間の空間に向かないことが望ましい。また堆積直後の硬化性樹脂組成物で硬化前のものに対してもプラズマを含む気流が当たらないようにすることが望ましい。
そのため、チャンバー内にプラズマ吐出口を固定し、その向きを調整したり、インクジェットノズルと連動して、硬化性樹脂組成物が飛翔する軌道を避けるようにプラズマ吐出口を移動させたりすることができる。

加えて、プラズマを含む気流が直接硬化性樹脂組成物に当たらないようにし、かつ例えば基材を金属等の導電性のものとして、この基材を接地したり、プラズマの極性とは逆の極性に印加したりすることができる。
この結果としてプラズマ吐出口から吐出されたプラズマを、積極的に硬化性樹脂組成物に照射することができ、より効率よく硬化させることができる。
またチャンバー内のプラズマ量を検知し、目的の量となるように制御してもよい。

このような大気圧プラズマ照射硬化部に使用するプラズマ発生装置としては、リモート式大気圧プラズマ発生装置を採用できる。プラズマとはエネルギーの高い気体の状態で、電極間に高電圧を印加すると放電が生じ生成される。大気圧プラズマは大気圧下にて生成させたプラズマであり、通常は物質の表面を親水化する等の目的のために使用される。
このような装置として、例えば図１に示されるような、吹き出し口を有する放電空間と、この放電空間に電界を発生させるために、０．５～５．０ｍｍ程度の間隔で互いに対向するように放電用電極とを備えるプラズマ処理装置を用いる。このプラズマ処理装置では、前記放電空間にプラズマ生成用ガスＧを供給すると共にこの放電空間内の圧力を大気圧近傍に維持し、更に前記放電用の電極３１に電圧を印加して、放電開始電圧を超えることで放電空間に放電を発生させると、放電空間内でプラズマが生成する。
また、本発明に使用する大気圧プラズマは、原料ガスがプラズマ化により変性したすべてのガスを含む。

このプラズマを含むガス流を吹き出し口から吹き出して成形体に吹き付けることによって、プラズマ処理を行うことができる。このようなプラズマ処理装置としては、例えば積水化学工業株式会社製のＲＴシリーズ、ＡＰＴシリーズが挙げられるが、ヤマトマテリアル株式会社などから提供されている適宜のプラズマ処理装置、特開２００４－２０７１４５号公報、特開平１１－２６０５９７号公報又は特開平３－２１９０８２号公報に記載の装置やノズル部分等を用いることもできる。
また大気圧プラズマに使用するガスとしては、空気、酸素、窒素等を採用できる。
なお、上記の電極の間隔は印加する電圧にも関連するが、その電極には、高周波、パルス波、マイクロ波等の電界が印加されてプラズマが発生する。

中でも電界の立ち上がり及び立ち下がりに要する時間（立ち上がり及び立ち下がりとは、電圧が連続して増加又は減少することである。）が短いことが好ましいことを考慮してパルス波を印加することが好ましい。このときの電界の立ち上がりや立ち下がりに要する時間としては１０μｓ以下が好ましく、さらに好ましくは５０ｎｓ～５μｓである。
プラズマ発生装置において電極間に発生する電界強度は１ｋＶ／ｃｍ以上、好ましくは２０ｋＶ以上、及び／又は１０００ｋＶ以下、好ましくは３００ｋＶ以下である。
またパルス波により電界をかけるときには、その周波数として０．５ｋＨｚ以上が好ましく、１０～２０ＭＨｚ程度でも良く、５０～１５０ＭＨｚ程度でも良い。
さらに電極間に係る電力としては、４０Ｗ／ｃｍ以下、好ましくは３０Ｗ／ｃｍ以下である。

上記の電極は、安定したプラズマ放電を得るために、ガスに直接接しない方が良い。そのため、電極の表面を任意の公知の手段により絶縁性被膜でコーティングする等して覆うことが必要である。このような絶縁性被膜としては、石英、アルミナ等のガラス質材料やセラミック材料等を挙げられる。また場合により、チタン酸バリウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の誘電率が２０００以下の誘電体を採用することもできる。

このようなリモート型大気圧プラズマ照射硬化部は、例えば上記の公知の装置のうち、大気圧プラズマ発生部、プラズマ照射ノズル等からなるユニットと電源部からなるものである。この装置を基礎として、さらに、被印刷物基材を幅方向に均一に処理するために、大気圧プラズマを噴射する部分を、その幅方向に複数並べてなるものであったり、ノズルの形状をスリット状としたりするものである。
そのようなリモート型大気圧プラズマ発生部の断面の模式図を図１に示す。図１では一方が接地されて、表面に絶縁体３２等による層が形成された一対の電極３１の間をプラズマ化されるガスが通過し、その通過時において、電極間にて印加された電圧によりガスがプラズマ化される。図１では大気圧プラズマＰを含む気流が被印刷基材Ｓの表面に直接当たるように設けられているが、大気圧プラズマを直接当てないこともできる。

本発明のプラズマ立体造形装置の一例を図２に示す。チャンバー１内に樹脂を吐出するインクジェットのノズルのノズル部２を設ける。このノズル部２の構造としては、従来のインクジェット方式による立体造形装置にて使用されるノズルを採用できる。
このノズル部２は、成形体を造形するための基材４の表面に平行なｘ方向及びｙ方向、又はその複合方向に移動でき、また成形体５の成形につれて基材４の垂直方向のｚ方向にも移動させることができる。図２において、成形体５は成形途中であり、さらにノズル部２の移動につれて目的とする成型品となるものである。
図２において、チャンバー１の内部に向けて３方向からプラズマを含む気流を導入できるようにプラズマ導入管３が設けられている。このプラズマ導入管３は公知の構造及び材料からなり、図示しない公知の大気圧プラズマ発生部において発生したプラズマを含む気流をチャンバー内に導入するためのものである。

図２では、プラズマ導入管３が３方向に計３本設置されているが、その本数や位置、方向は任意に決定できる。必要なことは、プラズマを含む気流が、ノズル部２から吐出される樹脂の軌道を乱さないことと、吐出後の樹脂を速やかに硬化させるに必要なプラズマを導入することである。そのため該大気圧プラズマ噴射装置のプラズマ導入管３の噴射口は、インクジェットノズル及び堆積する樹脂組成物に向けて設けられないことが望ましい。

なおチャンバー１にはプラズマを含む気流を導入する分だけ、チャンバー１外に雰囲気を排出する排出口を設けることが必要であり、その排出口から排出する雰囲気によってもノズル部２から吐出される樹脂の軌道が乱されないことが必要であり、高濃度のプラズマが含まれる部分の雰囲気をできるだけ排出しないこと、さらに雰囲気内に存在するオゾン等の除去又は処理すべき成分を確実に除去又は処理できるようにすることが必要である。
さらにノズル部２及び図示しないプラズマ導入管を覆うカバー６を設けることができる。このカバーを設けることによって、照射された大気圧プラズマが拡散されるのを防止でき、カバー６内の大気圧プラズマ密度をより高くすることができる。
また、このようなカバーを設ける際には、カバー６内の雰囲気中のプラズマ密度を高くすること、さらに未硬化状態の樹脂に対して直接大気圧プラズマＰを有する気流をあてないことを両立し易くなる。
さらに、ノズル部２の先端を上方に向け、該先端から噴出された、大気圧プラズマＰを有する気流をカバー６内に滞留させることができる、これによりさらにカバー６内のプラズマ密度を向上させることが容易となる。

図３はノズル部２の例の拡大図であり、樹脂を吐出するノズル１１とその両側に電極１２を設けている。電極１２は接地されていてもよく、正極又は負極に帯電されていても良い。
電極１２は図に示すようにノズル１１の両側に設けられていても良いがいずれか一方でも良く、ノズル１１を取り囲むように設けられていてもよい。
この電極１２は電極１２近傍のプラズマ密度を高めるために設けられる。そのため電極１２の先端のみが露出するようにその他の部位は絶縁物により被覆されてもよい。またノズル１１から吐出した樹脂を速やかに硬化させるために設けられるので、電極１２の先端はノズル１１の先端よりも、基材に近い方が好ましい。

電極１２の構造は図４に示すようなものでも良い。ノズル１１の周囲の電極１２は網状であり、場合によっては絶縁体で被覆されても良い。電極１２の先端には別の電極１３が接続されていてもよい。電極１３がドーナツ状であって中心部にはノズル１１から吐出された樹脂が通過する孔が形成され、その周囲は板状又は網状等の形状の電極とされている。このような形状とすることによって、ノズル部２が移動する際の空気抵抗が削減される。そのため、ノズル部２の移動に伴い生じる乱流をより小さくすることができる。その結果としてノズル１１の先端から吐出した樹脂が正確に積層されることになる。

図２に示すようにプラズマ導入管３を設けた上で、又は図２においてプラズマ導入管３を固定して設けることに代えて、図５に示すようにノズル部２には、ノズル１１に隣接して１つ以上のプラズマ導入管を設けることができる。このときには、プラズマ導入管３の先端から噴出する気流の速度を調整して、ノズル１１先端から吐出される樹脂の軌道を乱さないようにすることが必要である。この構造によれば、ノズル１１から吐出された樹脂を速やかに硬化させることができる。

１・・・・チャンバー
２・・・・ノズル部
３・・・・プラズマ導入管
４・・・・基材
５・・・・成形体
１１・・・ノズル
１２・・・電極
１３・・・電極
３１・・・電極
３２・・・絶縁体
Ｇ・・・・プラズマ生成用ガス
Ｐ・・・・大気圧プラズマ
Ｓ・・・・被印刷基材

Claims (5)

1. チャンバー内に、樹脂組成物として、硬化性樹脂組成物を噴射するインクジェットノズルを設け、さらに大気圧プラズマ噴射装置を設け、インクジェットノズルから噴射された硬化性樹脂組成物を順に硬化して堆積させるように、インクジェットノズルが移動でき、かつインクジェットノズルに隣接してプラズマ導入管を設けてなるプラズマ処理立体造形装置。
2. 該大気圧プラズマ噴射装置はリモート型プラズマ噴射装置であり、プラズマの発生源は該チャンバー外に設置されている請求項１に記載のプラズマ処理立体造形装置。
3. 該大気圧プラズマ噴射装置の吐出口は、インクジェットノズル及び堆積する樹脂組成物に向けて設けられていない請求項１又は２に記載のプラズマ処理立体造形装置。
4. 該大気圧プラズマ噴射装置の吐出口は、インクジェットノズルに隣接して設けられている請求項１～３のいずれかに記載のプラズマ処理立体造形装置。
5. インクジェットノズルの開口部の周囲に、該大気圧プラズマ噴射装置の吐出口が１つ以上設けられている請求項１～４のいずれかに記載のプラズマ処理立体造形装置。

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