(57)【要約】【課題】立体造形物を安定的に保持することができ、また、立体造形物の取り外しも容易に実行できる立体造形物の製造方法の提供。【解決手段】立体造形物の少なくとも一部を保持容器内に収容された液状の保持用液に浸漬し、その後、前記保持用組成物を固化させて前記立体造形物を保持させた状態で、前記立体造形物の表面加工を行う方法であって、前記保持用組成物は炭酸エチレンを主成分とする立体造形物の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体造形物の少なくとも一部を保持容器内に収容された液状の保持用組成物に浸漬し、その後、前記保持用組成物を固化させて前記立体造形物を保持させた状態で、前記立体造形物の表面加工を行う方法であって、前記保持用組成物は炭酸エチレンを主成分とすることを特徴とする立体造形物の製造方法。
【請求項２】
前記立体造形物は、立体造形物の断面情報に基づいて造形材料を基材上に塗布して得られる造形材料層を、複数積層して形成されることを特徴とする請求項1に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項３】
前記立体造形物の表面加工は、表面研削加工であることを特徴とする請求項1又は２に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項４】
前記立体造形物の表面加工後に、前記保持容器内の保持用組成物を液化させて、
前記立体造形物の保持状態を解除することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の立体造形物の製造方法。
【請求項５】
前記保持用組成物を３６℃以上に加熱して液化させることを特徴とする請求項４に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項６】
前記保持用組成物を水に溶解させて液化させることを特徴とする請求項４に記載の立体造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体造形物は一般的に３Ｄプリンターと呼ばれる付加製造装置によって製造される。付加製造装置は、熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂、粉末樹脂、粉末金属等の造形材料を溶融押出やインクジェットにより所定の領域に押し出し又は塗布した後、レーザー光や電子ビーム等を用いて融着、硬化させることによって、造形材料を薄膜状に積み重ねて目的の立体造形物を製造する。この方法は、形状データから直接立体造形物が得られ、中空やメッシュ状等の複雑な形状を一体成型できるため、小ロットもしくはオーダーメイドのテストモデル作成を始め、医療、航空機産業、産業用ロボット等利用分野が広がっている。
【０００３】
付加製造装置として具体的には、アクリル等の光硬化樹脂を用いたインクジェット紫外線硬化方式、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いた熱溶解積層方式、他にも粉末造形方式や光造形方式の３Ｄプリンターが知られている。
【０００４】
付加製造技術では複雑な形状の立体造形物を形成できるが、複数の層を重ねて造形するため、積層の段差の生成が避けられず、これが、立体造形物の表面粗さや精度、質感などを低下させることがあった。そのため、造形後に、積層段差を表面から取り除く後処理加工が行われることがある（例えば、特許文献１、２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２２３７５３号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２９２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記した後処理加工において、例えば自動加工装置によって立体造形物の表面を研磨等する場合、立体造形物を把持ないし固定する機構が必要である。この際、後処理加工時に立体造形物の取り付け誤差が生じると表面加工が精密に行えない問題がある。一方、強固に固定しようとすると、後処理加工後の立体造形物を取り外しできなくなる問題も生じる。
【０００７】
本発明は上記した課題を解決するためになされたものであって、立体造形物を安定的に保持することができ、また、立体造形物の保持状態を容易に解除できる立体造形物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の立体造形物の製造方法は、立体造形物の少なくとも一部を保持容器内に収容された液状の保持用組成物に浸漬し、その後、前記保持用組成物を固化させて前記立体造形物を保持させた状態で、前記立体造形物の表面加工を行う方法であって、前記保持用組成物は炭酸エチレンを主成分とすることを特徴とする。
【０００９】
本発明の立体造形物の製造方法において、立体造形物は、立体造形物の断面情報に基づいて造形材料を基材上に塗布して得られる造形材料層を、複数積層して形成されることが好ましい。
【００１０】
本発明の立体造形物の製造方法において、前記立体造形物の表面加工は、表面研削加工であることが好ましい。また、前記立体造形物の表面加工後に、前記保持容器内の保持用組成物を液化させて、前記立体造形物の保持状態を解除することが好ましい。この液果方法は、前記保持用組成物を水に溶解させて液化させる方法は、保持用組成物を３６℃以上に加熱する方法、又は水に溶解させる方法が好ましい。
【００１１】
本明細書において「下限値〜上限値」との記載における「〜」の符号は、下限値以上、上限値以下の範囲であることを意味する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の立体造形物の製造方法によれば、立体造形物を安定的に保持することができ、また、立体造形物の保持状態を容易に解除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の立体造形物の表面加工方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の立体造形物の製造方法は、立体造形物の少なくとも一部を保持容器内に収容された保持用組成物に浸漬し、その後、保持用組成物を固化させて前記立体造形物を固体状の保持用組成物によって保持させた状態で、立体造形物の表面加工を行い、立体造形物を製造する方法である。本発明の立体造形物の製造方法において使用される保持用組成物は、炭酸エチレン（エチレンカーボネート）を主成分とする。
【００１５】
表面加工対象である立体造形物は、典型的には、立体造形物の断面情報に基づいて設計された造形材料層を、複数積層して形成される。この方法では、立体造形物の断面情報に基づいて、立体造形物の材料となる造形材料が液体の状態で基材上に塗布される。この塗布された造形材料が硬化されて造形材料層が形成される。このようにして造形材料層を順次積層して、立体造形物が形成される。
【００１６】
立体造形物の断面情報は、所望の立体造形物の３次元形状に応じた断面データを、使用する装置にあわせた任意の形式で作成することができる。立体造形物の断面情報の生成方法としては、例えば、造形すべき物体の三次元ＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ）データを用い、上記ＣＡＤデータを立体造形用のデータとして、例えば、三次元ＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データに変換し、さらに、この三次元ＳＴＬデータから、任意の一方向（例えば、高さ方向）に造形材料層１０の１層分の厚みに相当するピッチ（層厚）でスライスした各断面体（層）のデータを生成する方法が挙げられる。上記ピッチは、使用する造形材料や、所望の精度等に応じて、適宜決定することができる。また、上記各断面体（層）のデータは、必要に応じて、各部分の色の情報（彩色データ）を有していてもよい。さらに、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及びテクスチャを利用することも可能である。
【００１７】
造形材料の塗布方法としては液状の造形材料を、インクジェットヘッドで吐出するインクジェット法を用いる方法が、従来公知の装置に適用可能であるため好ましい。インクジェット法では、インクジェットヘッドが、立体造形物の断面情報に基づいて、ＸＹ平面上を移動して、所定の厚さの造形材料層を形成することができる。
【００１８】
造形材料層の厚さは、上述したように、使用される造形材料や、所望の精度等に応じて決定される。造形材料層の厚さは、造形精度、造形材料層の強度及び製造効率等の観点から、０．１〜２００μｍであることが好ましく、１〜１５０μｍであることがより好ましく、１０〜１００μｍであることがさらに好ましい。また、インクジェットヘッドによる造形材料の吐出の解像度は、所望の立体造形物の精度や、立体造形物の断面情報の精度に応じて、適宜選択することができる。
【００１９】
造形材料としては、インクジェット法を用いる場合、インクジェット造形法に使用可能な一般的な材料を使用することができる。このような材料としては例えば、熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂からなるインクが挙げられる。また、カラーの立体造形物を形成するためには、造形材料に着色顔料を含有させたカラーのインクを２種以上用いることが好ましい。
【００２０】
また、立体造形物はサポート材層を配置することで造形材料をサポートしながら形成されることが好ましい。サポート材層は、サポート材組成物を基材上に塗布して形成される。サポート材組成物は、造形材料の塗布された位置の周囲に必要に応じて塗布されることにより、造形材料層を支持するサポート材として機能する。
【００２１】
サポート材組成物の塗布方法としては、液状のサポート材組成物を、インクジェットヘッドで吐出するインクジェット法を用いる方法が、従来公知の装置に適用可能であるため好ましい。
【００２２】
造形材料層の形成と、サポート材層の形成は同時に行ってもよく、順に行ってもよい。順に行う場合には、いずれを先に行ってもよい。また、造形材料層の形成と、サポート材層の形成の回数は各々１回のみでもよく、複数回行ってもよい。これらの工程の回数は、立体造形物の形状や造形材料の種類等によって適宜設定することができる。造形材料層の形成と、サポート材層の形成は交互又は同時に複数回行って立体造形物を形成することが好ましい。なお、基材は、最初の造形材料層の形成時においては、例えば、立体造形装置の基盤や造形テーブルあるいは、別途準備した任意の基板、支持体又は物品である。またサポート材層を形成して基材としてもよい。造形材料層が形成された後にさらに造形材料層を形成する際の基材は、既に形成された造形材料層、サポート材層又は造形材料層とサポート材層とからなる立体造形物前駆体である。
【００２３】
サポート材組成物としては、上記で説明した保持用組成物と同様の組成物を使用することができる。この場合、サポート材組成物中の炭酸エチレンの融点は３６℃であるため、サポート材層を形成する際には、基材は、３６℃未満の温度に保持される。そのため、例えば、基材の下面に冷却手段を設置する、造形装置自体を低温の箱の中に設置するなどによって基材を冷却することが好ましい。また、立体造形物の形成後にサポート材層を加熱するか水で洗浄するなどによって、サポート材層を極めて容易にかつ精密に除去することができる。
【００２４】
このようにして製造された立体造形物を、保持容器内に配置した状態で、保持容器内に液状の保持用組成物を収容する。保持容器は、立体造形物の少なくとも一部を収容すればよく、例えば、ステンレス製の平たい容器などを使用することができる。次いで、保持容器内の保持用組成物を固化させて、固体状の保持用組成物のプレートを形成させる。これによって、保持用組成物のプレート内に立体造形物の一部が埋まることで立体造形物が保持される。
【００２５】
保持用組成物は、下記式（１）で表わされる炭酸エチレンを主成分として含む。ここでの主成分とは、組成物全体の５０質量％以上を意味する。炭酸エチレンの含有割合は、保持用組成物の全量に対して８０質量％以上がより好ましく、９０質量％以上がさらに好ましく、９５質量％以上が特に好ましい。
【００２６】
【化１】
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【００２７】
炭酸エチレンは、融点が３６℃と比較的低く、固体状態においても十分な強度を有する。また、固体状態において、衝撃に対しても耐性がある。そのため、立体造形物を安定的に保持することができる。また、水溶性かつ低粘度（４０℃で１．９ｍＰａ・ｓ）であり、水によって極めて簡易に除去される。そのため、立体造形物の表面加工後に水によって容易に除去が可能であるとともに、立体造形物表面の残留量も極めて少なくすることができる。そのため、立体造形物の表面加工後に極めて容易に、かつ立体造形物の汚染や破損なく、立体造形物の保持状態を解除できる。
【００２８】
また、炭酸エチレンと公知の水溶性保持材を混合して、保持用組成物として用いてもよい。これにより、保持用組成物の水洗性能を向上させることができる。炭酸エチレンと公知の保持用組成物を混合する場合、水溶性保持材の含有量は、保持用組成物の全量に対して２〜３０質量％が好ましく、５〜２０質量％がより好ましい。
【００２９】
保持用組成物は、炭酸エチレン及び任意に添加される水溶性保持材以外にも、必要に応じて、その他の成分を含有してもよい。その他の成分として例えば増粘剤、防菌剤等が挙げられる。増粘剤としてはカルボキシビニールポリマー、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、メチルセルロース等の親水性合成ポリマー樹脂等、防菌剤としては、フェノキシエタノール、サリチル酸、パラベン、１、２ヘキサンジオール等が使用可能である。その他の成分の割合としては、例えば、保持用組成物の全量に対して２０質量％以下である。
【００３０】
このように、保持用組成物によって立体造形物立体造形物が保持された状態で、立体造形物立体造形物の表面加工が行われる。
【００３１】
立体造形物の表面加工としては、上記造形材料層の積層によって生じた段差を除去する研削加工が好ましく、その他、立体造形物に任意の表面性状を付与する表面加工であってもよい。段差を除去する研削加工は、例えば、研削又は研磨によって表面粗さを低減する加工であり、加工手段としてはブラスト加工、エッチング（化学研磨）、サンドペーパーや砥粒等による研削・研磨、バレル研磨、磁気研磨、電解研磨、ラップ加工ダイヤモンド研削（切削）等を用いることができる。このブラスト加工では、例えば、砂、金属、セラミクス等の粒体からなる投射材を立体造形物に衝突させて表面を研削又は研磨する。エッチングでは、酸等の薬液を用いて立体造形物表面を溶解させる。
【００３２】
上記のような研削又は研磨加工は、手動で行われてもよく、加工装置等を用いてもよい。加工装置を用いる場合には、例えば、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）による位置制御システムを適用し、加工装置を圧力制御して自動で行うこともできる。
【００３３】
このような表面加工においては、加工装置として、例えば、３軸制御工作機械や５軸制御工作機械の加工装置や、シリアルリンク機構やパラレルメカニズム等のロボットが用いられる。
【００３４】
加工工程は、例えば、第１工程（粗加工）と第２工程の２段階で行うことができる。第１工程は、主に表面の表面粗さを減らすための研磨工程である。第１の工程における立体造形物の表面加工方法について図１を参照して説明する。図１においては立体造形物１の表面を、電着ダイヤモンドバー２によって、研削液として水をかけながら研削する方法を概略的に表す図である。
【００３５】
図１に示すように、立体造形物１を、アルミニウム製のパッドなどの容器４に収容し、容器４内に炭酸エチレンを含む保持用組成物５を液化して収容する。その後、保持用組成物５を冷却固化して、立体造形物１を容器４内に保持する。この状態で、電着ダイヤモンドバー２の先端が造形物に押し当てられ、立体造形物１の表面が研削される。この際、研削屑を流すために、研削液ノズル３から立体造形物１の研削箇所に水が供給される。
【００３６】
このような電着ダイヤモンドバー２を用いた研削工程では、粒度＃１００〜＃３００程度の電着ダイヤモンドバーが好適である。研削液は５０〜１０００ｍＬ／ｍｉｎの純水を用い、研削時間は例えば、１〜１０分程度である。この第１工程では、研削前の表面粗さ（算術表面粗さＲａ）が２０μｍ程度である場合、２μｍ程度まで低減することができる。
【００３７】
第２工程は、仕上げ加工、研磨加工、又は研削加工ともよばれ、造形物の表面を鏡面研磨する工程である。上記第１工程における研削後も、造形物の表面は研削痕を有するためにつやが十分ではなく、透明材料で構成された造形物にあっては透明性も低く、内部を視認できないことがある。そのため、このような場合、第１工程の後に、第２工程が行われる。
【００３８】
第２工程では、例えば、バフ工具によるバフ研磨を行う。バフ研磨で用いられる研磨液は、スラリー状の研磨砥粒、例えば市販品としてフジミインコーポレーテッド製のポリプラ（商品名）などが使用される。バフ工具は例えば、Sφ５〜３０程度のフェルト製のものが使用される。研磨時間は、例えば１０〜２０分である。
【００３９】
また、上記第１工程及び第２工程を、さらに、粗研削から仕上げの精密研磨まで分割して行ってもよい。また、上記第１工程及び第２工程の後に、造形物と同素材からなる溶液を塗布する工程を行ってもよい。また、第２工程の代わり、又は第２工程後に、ニスなどの艶出し剤を塗布する工程を行ってもよい。
【００４０】
上記の加工工程において、炭酸エチレンを主成分とする保持用組成物のプレートは、十分な強度を有するとともに、衝撃に対する耐性にも優れている。そのため、立体造形物を任意の姿勢で安定して把持することができ、精密な表面加工を実現することができる。また、研削加工の過程における立体造形物の取り付け誤差が極めて生じにくく、精密な表面加工を実現することができる。このようにして研削加工された立体造形物表面の表面粗さは例えば、算術表面粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ以下を得ることができる。
【００４１】
また、第１工程及び第２工程いずれにおいても、水や研磨液が用いられるため、これら水や研磨液が、保持用組成物にかかり、保持用組成物の一部が溶解される。しかし溶解量は極めて少量であるため、各工程を通じて保持用組成物による十分な保持力を維持することができる。
【００４２】
立体造形物の表面加工後に、保持用組成物を液化させて、立体造形物の保持状態を解除する。保持用組成物を液化させる方法としては、保持用組成物を水と接触させる方法、保持用組成物を加熱する方法がある。
【００４３】
保持用組成物を水と接触させる方法において、水の温度は、４０℃以上であることが好ましい。炭酸エチレンは、融点が３６℃と比較的低いため、３６℃以上の水と接触させることで保持用組成物のプレートは液状となる。表面処理後の立体造形物から保持用組成物のプレートを精密に除去するために、水の温度は、水及び保持用組成物の比熱などを考慮して４０℃以上であることが好ましい。これにより、保持用組成物を極めて迅速に除去することができる。
【００４４】
また、炭酸エチレンは、融点が３６℃であるため、保持用組成物の除去に際しては、保持用組成物のプレートを３６℃以上に加熱してもよい。これにより、保持用組成物を容易に除去することができ、また、液体の炭酸エチレンは低粘度であるため、保持用組成物を細部にわたって精密に除去することができる。
【００４５】
本発明の立体造形物の製造方法では、立体造形物を形成する際に、炭酸エチレンを主成分とするサポート材組成物を用いることが好ましい。この場合には、立体造形物を形成後、サポート材層を除去する際に、保持容器内でサポート材層を加熱して除去し、このまま冷却固化することで、液化したサポート材組成物をそのまま保持用組成物に適用して立体造形物を保持することができる。なお、上記実施形態においては、３次元積層造形物の表面処理加工を対象として説明したが、その他の方法で製造された造形物の加工、例えば、切削加工などにおける造形物の把持に適用することもできる。
【図１】
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