(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半水石膏及び石膏硬化促進剤を含む立体造形用混合粉体であって、
前記石膏硬化促進剤の割合は、前記立体造形用混合粉体全体に対して５．０１重量％以上４５重量％以下の範囲内であることを特徴とする立体造形用混合粉体。
【請求項２】
前記石膏硬化促進剤は、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、及びミョウバン類のうち少なくとも１種類を含むものである請求項１に記載の立体造形用混合粉体。
【請求項３】
前記立体造形用混合粉体全体に対して、１０重量％以下の割合で水溶性樹脂を含むものである請求項１又は２に記載の立体造形用混合粉体。
【請求項４】
前記立体造形用混合粉体は、層状に充填された該立体造形用混合粉体の少なくとも一部を、水を溶媒とする造形液によって固化した層状固化物を順次積層することにより立体造形物を成形する立体造形物成形装置において用いられるものである請求項１から３の何れか１項に記載の立体造形用混合粉体。
【請求項５】
前記請求項１から４の何れか１項に記載の立体造形用混合粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物が層状に積層されることによって成形される立体造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形用混合粉体及びその立体造形用混合粉体により生成される立体造形物に関し、特に、成形直後の立体造形物に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体及び立体造形物を提供するための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
半水石膏及び石膏硬化促進剤を含む立体造形用混合粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物を層状に積層することにより立体造形物を成形する立体造形物成形装置が知られている。例えば、特許文献１に記載された３Ｄ印刷システムがそれである。この技術においては、立体造形用混合粉体に熱可塑性粒子充填材料を含むことで、強度に優れた立体造形物を成形することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５０２７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前述したような従来の技術では、立体造形用混合粉体の調合によっては複雑な反応を経て立体造形物が成形されるため、反応速度が不十分となり成形直後に十分な強度が得られない場合があった。また、前記従来の立体造形用混合粉体は、含有する物質の種類によっては高価なものとなるという弊害があった。このため、成形直後の立体造形物に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体及び立体造形物の開発が求められていた。
【０００５】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、成形直後の立体造形物に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体及び立体造形物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
斯かる目的を達成するために、本第１発明の要旨とするところは、半水石膏及び石膏硬化促進剤を含む立体造形用混合粉体であって、前記石膏硬化促進剤の割合は、前記立体造形用混合粉体全体に対して５．０１重量％以上４５重量％以下の範囲内であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
このように、前記第１発明によれば、半水石膏及び石膏硬化促進剤を含む立体造形用混合粉体であって、前記石膏硬化促進剤の割合は、前記立体造形用混合粉体全体に対して５．０１重量％以上４５重量％以下の範囲内であることから、成形時の硬化速度が早く、成形直後の造形物強度が十分であり、且つ安価な立体造形用混合粉体を得ることができる。すなわち、成形直後の立体造形物に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体を提供することができる。
【０００８】
ここで、前記第１発明において、好適には、前記石膏硬化促進剤は、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、及びミョウバン類のうち少なくとも１種類を含むものである。このようにすれば、実用的且つ安価な石膏硬化促進剤を用いて、成形直後の立体造形物に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体を提供することができる。
【０００９】
また、好適には、前記立体造形用混合粉体全体に対して、１０重量％以下の割合で水溶性樹脂を含むものである。このようにすれば、前記立体造形用混合粉体に必要十分な湿度を付与することができる。
【００１０】
また、好適には、前記立体造形用混合粉体は、層状に充填されたその立体造形用混合粉体の少なくとも一部を、水を溶媒とする造形液によって固化した層状固化物を順次積層することにより立体造形物を成形する立体造形物成形装置において用いられるものである。このようにすれば、所謂３Ｄプリンタをはじめとする立体造形物成形装置において用いられる、成形直後の立体造形物に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体を提供することができる。
【００１１】
また、前記目的を達成するために、本第２発明の要旨とするところは、前記第１発明の立体造形用混合粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物が層状に積層されることによって成形される立体造形物である。このようにすれば、成形直後の強度が十分であり且つ安価な立体造形物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の立体造形用混合粉体が好適に用いられる立体造形物成形装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の立体造形物成形装置による立体造形物の成形について概略的に示す図である。
【図３】本発明の効果を検証するために本発明者が行った試験において用いられた試料の作成方法について説明する図である。
【図４】本発明の効果を検証するために本発明者が行った試験において用いられた試料の作成方法について説明する図である。
【図５】本発明の効果を検証するために本発明者が行った試験における試験結果を示すグラフである。
【図６】図５のグラフにおける石膏硬化促進剤の割合が０重量％〜４５重量％の範囲を拡大して示す図である。
【図７】本発明の効果を検証するために本発明者が行った試験における他の試験結果を示すグラフである。
【図８】図５〜図７に示す試料とは異なる水溶性樹脂を含有する混合粉体の硬化時間について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明に用いる図面において、各部の寸法比等は必ずしも正確には描かれていない。
【実施例】
【００１４】
図１は、本発明の立体造形用混合粉体が好適に用いられる立体造形物成形装置１０の構成を概略的に示す図である。図１では、鉛直方向に相当する方向をｚ軸で、水平面において互いに直交する２方向をｘ軸及びｙ軸でそれぞれ示している。すなわち、図１に示すｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、互いに直交する３方向をそれぞれ示している。図１に示すように、前記立体造形物形成装置１０は、フレーム１２に対して位置固定に設けられた枠状の部材である枠部１４と、その枠部１４の内側に、前記フレーム１２（枠部１４）に対するｚ軸方向の移動可能に設けられた基台１６と、その基台１６に対するｘ軸方向及びｙ軸方向（ｘｙ平面内）の移動可能に設けられたヘッド１８とを、備えて構成されている。また、モータ（サーボモータ）２０から出力される駆動力により前記基台１６を前記フレーム１２（枠部１４）に対してｚ軸方向に昇降させる基台駆動機構２２と、前記ヘッド１８を前記基台１６に対してｘ軸方向及びｙ軸方向に（ｘｙ平面内を）駆動するヘッド駆動機構２４とを、備えている。
【００１５】
図２は、前記立体造形物成形装置１０による立体造形物の成形について概略的に示す図である。この図２に示すように、前記立体造形物成形装置１０は、成形対象となる立体造形物に対応する３次元データ等に基づいて、層状に充填された本発明の一実施例である立体造形用混合粉体２６の一部を、水を溶媒とする造形液２８によって固化した層状固化物３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・、３０ｊ（以下、特に区別しない場合には単に層状固化物３０という）を順次積層することにより立体造形物３２を成形する。図２においては、前記層状固化物３０の各層を破線で示している。すなわち、前記立体造形物成形装置１０は、例えば３次元データに基づいて立体（３次元のオブジェクト）を造形する３次元造型機（rapid prototyping）或いは立体プリンタ（３Ｄプリンタ）等と称されるものである。
【００１６】
すなわち、前記立体造形物成形装置１０による立体造形物の成形においては、先ず、前記枠部１４の内側であって前記基台１６の鉛直上側（ｚ軸方向上側）に、前記立体造形用混合粉体２６が前記層状固化物３０の各層に対応する例えば厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度の層状に充填させられ、その充填された前記立体造形用混合粉体２６の表面（見かけ上の表面）と前記枠部１４の鉛直上側表面とが略面一となるように図示しない篦等によって前記立体造形用混合粉体２６が擦り切られる。次に、前記層状に充填された立体造形用混合粉体２６において固化されるべき部分すなわち成形対象となる立体造形物３２の一部に相当する位置に対して前記ヘッド１８から造形液２８が射出（滴下）され、その部分が前記層状固化物３０として形成（固化）される。図２においては、前記立体造形用混合粉体２６のうち固化された部分を斜線で示している。この際、前記ヘッド駆動機構２４により前記基台１６に対して前記ヘッド１８がｘｙ平面内を移動させられつつ前記造形液２８が射出されることで、成形対象となる立体造形物３２の一部に相当する層状固化物３０が形成される。次に、前記基台１６が前記基台駆動機構２２により前記枠部１４に対して鉛直下方（ｚ軸方向下方）に、前記層状固形物３０の各層に対応する厚さ分だけ下降させされる。以下、同様の処理が繰り返されることにより、前記層状固化物３０が順次積層されて立体的な造形物が成形されてゆき、固化されなかった前記立体造形用混合粉体２６が取り除かれることで立体造形物３２が得られる。
【００１７】
本実施例の立体造形用混合粉体２６は、半水石膏（ＣａＳＯ4・1/2Ｈ2Ｏ：焼石膏）及び石膏硬化促進剤を含むものである。この石膏硬化促進剤は、好適には、二水石膏（ＣａＳＯ4・２Ｈ2Ｏ）、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、及びミョウバン類のうち少なくとも１種類を含むものである。前記石膏硬化促進剤の割合は、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して５．０１重量％以上４５重量％以下の範囲内、好適には、５．０１重量％以上２０重量％以下の範囲内である。換言すれば、前記石膏硬化促進剤の割合は、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して５重量％より大きく４５重量％以下の範囲内、好適には、５重量％より大きく２０重量％以下の範囲内である。前記石膏硬化促進剤の割合が、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して５．０１重量％未満である場合、或いは４５重量％より大きい場合の何れにおいても、前記立体造形用混合粉体２６の成形後の硬化が遅くなり、立体造形物３２に十分な強度が付与できなくなくなるおそれがある。前記半水石膏、石膏硬化促進剤の粒径は、立体造形用混合粉体の仕様に応じて適宜設定され得るが、例えば５〜１５０μｍ程度が好ましい。
【００１８】
前記立体造形用混合粉体２６は、好適には、その立体造形用混合粉体２６全体に対して、１０重量％以下の割合で水溶性樹脂を含む。この水溶性樹脂としては、アラビアゴム、メトローズ（セルロースを苛性ソーダで処理した後、塩化メチル等のエーテル化剤と反応させて得られる非イオン性の水溶性セルロースエーテル）、ケルザン（キサンタンガムを成分とする天然高分子多糖類）、ポリアクリル酸ナトリウム部分中和物、或いはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の水溶性ポリマが好適に用いられる。前記水溶性樹脂の割合が、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して１０重量％より大きい場合には、前記立体造形用混合粉体２６が過度に湿潤して保形性が悪くなり、成形後の硬化速度が遅れるおそれがある。
【００１９】
以上のように、前記立体造形用混合粉体２６は、好適には、前記石膏硬化促進剤を５．０１重量％以上４５重量％以下、前記水溶性樹脂を０重量％以上１０重量％以下の割合で含み、残りの割合が半水石膏とされた混合粉体である。すなわち、前記半水石膏の割合は、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して４５重量％以上９４．９９重量％以下の範囲内である。
【００２０】
続いて、本発明の効果を検証するために本発明者が行った試験について説明する。本発明者は、半水石膏、石膏硬化促進剤、及び水溶性樹脂の割合を以下の範囲内で様々に変化させて混合粉体の調合を行い、その混合粉体の簡易硬化時間を以下の手法で測定した。
【００２１】
［混合粉体割合］
・半水石膏：１３〜９３重量％
・硬化促進剤（二水石膏）：０〜８０重量％
（硫酸カリウム）：０〜４５重量％
・水溶性樹脂（アラビアゴム）：０〜１０重量％
【００２２】
［硬化時間測定方法］
（ａ）水０．６〜０．７５ｇに調合された混合粉体４〜５ｇ（混水率１５重量％）を混ぜ、ゴム器（篦）により３０秒間混合する。
（ｂ）図３に示すような内径φ＝２０ｍｍ×高さｈ＝３０ｍｍの円筒状のゴム型３４であって、底部にゴム蓋３６が嵌め入れられた容器に（ａ）で混合された混合体を押し込み、１分経過後に図４に示すように前記ゴム蓋３６ごと押し出して円柱状の試験片（造形物）３８を得る。
（ｃ）よく知られたビカー針（φ２ｍｍ×３００ｇ）により（ｂ）で得られた試験片３８の表面形状変化が目視できなくなる時間を硬化時間として測定する。
【００２３】
図５は、石膏硬化促進剤として二水石膏、水溶性樹脂としてアラビアゴムをそれぞれ用い、それら二水石膏及びアラビアゴムの割合を様々に変化させた各試料における硬化時間を示すグラフである。また、図６は、図５における石膏硬化促進剤の割合が０重量％〜４５重量％の範囲を拡大して示す図である。図５及び図６においては、水溶性樹脂としてアラビアゴムを含まない（０重量％）試料の硬化時間を実線で、２重量％の割合で含む試料の硬化時間を一点鎖線で、７重量％の割合で含む試料の硬化時間を二点鎖線で、１０重量％の割合で含む試料の硬化時間を破線でそれぞれ示している。
【００２４】
図５及び図６に示すように、水溶性樹脂を含有しない（０重量％の）試料は、石膏硬化促進剤としての二水石膏の比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内で硬化時間２分以内であった。また、水溶性樹脂としてのアラビアゴムを２重量％の割合で含有する試料は、石膏硬化促進剤としての二水石膏の比率が５．０１重量％〜６０重量％の範囲内で硬化時間３．５分以内であった。また、水溶性樹脂としてのアラビアゴムを７重量％の割合で含有する試料は、石膏硬化促進剤としての二水石膏の比率が３重量％〜４５重量％の範囲内で硬化時間４．５分以内、５．０１重量％〜２０重量％の範囲内で硬化時間３．５分以内であった。また、水溶性樹脂としてのアラビアゴムを１０重量％の割合で含有する試料は、石膏硬化促進剤としての二水石膏の比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内で硬化時間６分以内であった。一方、石膏硬化促進剤としての二水石膏の比率が５重量％以下（５．０１重量％未満）或いは４５重量％より大きい試料では、水溶性樹脂の含有割合によらず二水石膏の比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内である試料に比べて硬化時間が長くなっていることがわかる。この傾向は、特に、二水石膏の比率が５．０１重量％未満の試料において顕著であり、その二水石膏の比率が０に近づくほど硬化時間が急激に長くなっていることがわかる。
【００２５】
図７は、石膏硬化促進剤として硫酸カリウム、水溶性樹脂としてアラビアゴムをそれぞれ用い、それら硫酸カリウム及びアラビアゴムの割合を様々に変化させた各試料における硬化時間を示すグラフである。図７においては、水溶性樹脂としてアラビアゴムを含まない（０重量％）試料の硬化時間を実線で、２重量％の割合で含む試料の硬化時間を一点鎖線で、１０重量％の割合で含む試料の硬化時間を破線でそれぞれ示している。この図７に示すように、水溶性樹脂を含有しない（０重量％の）試料は、石膏硬化促進剤としての硫酸カリウムの比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内で硬化時間２分以内であった。また、水溶性樹脂としてのアラビアゴムを２重量％の割合で含有する試料は、石膏硬化促進剤としての硫酸カリウムの比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内で硬化時間３．５分以内であった。また、水溶性樹脂としてのアラビアゴムを１０重量％の割合で含有する試料は、石膏硬化促進剤としての硫酸カリウムの比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内で硬化時間４分以内であった。一方、石膏硬化促進剤としての硫酸カリウムの比率が５重量％以下（５．０１重量％未満）の試料では、水溶性樹脂の含有割合によらず硫酸カリウムの比率が５．０１重量％〜４５重量％の範囲内である試料に比べて硬化時間が長くなっていることがわかる。
【００２６】
図８は、図５〜図７に示す試料とは異なる水溶性樹脂を含有する混合粉体の硬化時間について説明する図である。この図８に示す例では、半水石膏を８５重量％、石膏硬化促進剤としての二水石膏を１０重量％、水溶性樹脂を５重量％の割合で調合した混合粉体における硬化時間を、その水溶性樹脂の種類毎に比較して示している。図８に示すように、水溶性樹脂としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を含有する試料では硬化時間２．７５分、メトローズを含有する試料では硬化時間２．７５分、ポリアクリル酸ナトリウム部分中和物を含有する試料では硬化時間２．５分、ケルザンを含有する試料では硬化時間２．７５分と、水溶性樹脂としてアラビアゴムを含有する試料（硬化時間２．５分）と同等の硬化時間が示されることがわかる。すなわち、図５〜図７に示す試験結果は、水溶性樹脂としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、メトローズ、ポリアクリル酸ナトリウム部分中和物、或いはケルザン等を含有する立体造形用混合粉体についても同様の結果が得られるものと考えられる。
【００２７】
前記立体造形物成形装置１０等における立体造形用混合粉体を用いた立体造形物の成形においては、その立体造形用混合粉体に造形液を付与した際の硬化時間が、成形される立体造形物の強度と密接に対応し、硬化時間が短いほど立体造形物が強度に優れたものとなる。例えば、前述した試験とは別に、本発明者が行った試験において、硬化時間６分以内の立体造形用混合粉体を図１等に示すような立体造形物作成装置１０に投入して前記立体造形物３２を作成したところ、十分な強度を有する立体造形物３２が成形された。一方、硬化時間７分以上というように硬化時間が６分を超過する立体造形用混合粉体を用いた場合、成形後の硬化が不十分であり、ハンドリング強化が十分に得られないことが確認された。すなわち、前記立体造形物成形装置１０等において用いられる立体造形用混合粉体では、その硬化時間が６分以内となることが望ましく、前述した図５〜図８に示す試験結果から、前記石膏硬化促進剤を５．０１重量％以上４５重量％以下、好適には５．０１重量％以上２０重量％以下、前記水溶性樹脂を０重量％以上１０重量％以下の割合で含み、残りの割合が半水石膏とされた立体造形用混合粉体であれば、成形後の立体成形物３２に十分な強度を付与できることが証明された。
【００２８】
このように、本実施例によれば、前記石膏硬化促進剤の割合は、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して５．０１重量％以上４５重量％以下の範囲内であることから、成形時の硬化速度が早く、成形直後の造形物強度が十分であり、且つ安価な立体造形用混合粉体２６を得ることができる。すなわち、成形直後の立体造形物３２に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体２６を提供することができる。
【００２９】
また、前記石膏硬化促進剤は、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、及びミョウバン類のうち少なくとも１種類を含むものであるため、実用的且つ安価な石膏硬化促進剤を用いて、成形直後の立体造形物３２に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体２６を提供することができる。
【００３０】
また、前記立体造形用混合粉体２６全体に対して、１０重量％以下の割合で水溶性樹脂を含むものであるため、前記立体造形用混合粉体２６に必要十分な湿度を付与することができる。
【００３１】
また、前記立体造形用混合粉体２６は、層状に充填されたその立体造形用混合粉体２６の少なくとも一部を、水を溶媒とする造形液によって固化した層状固化物３０を順次積層することにより立体造形物３２を成形する立体造形物成形装置１０において用いられるものであるため、所謂３Ｄプリンタをはじめとする立体造形物成形装置１０において用いられる、成形直後の立体造形物３２に十分な強度を付与でき且つ安価な立体造形用混合粉体２６を提供することができる。
【００３２】
また、本実施例によれば、前記立体造形用混合粉体２６と、水を溶媒とする造形液２８とから生成される生成物が層状に積層されることによって成形される立体造形物３２であることから、成形直後の強度が十分であり且つ安価な立体造形物３２を提供することができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、更に別の態様においても実施される。
【００３４】
例えば、前述の実施例においては、石膏硬化促進剤として、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、及びミョウバン類のうち少なくとも１種類を含む立体造形用混合粉体２６について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなくともよく、立体造形用混合粉体の仕様に応じて種々の石膏硬化促進剤が適宜選択されて用いられ得る。
【００３５】
また、前述の実施例では特に言及していないが、本発明の立体造形用混合粉体には、前記石膏硬化促進剤及び水溶性樹脂の他に、その仕様に応じて接着粒子材料や充填剤等、各種材料が適宜含有され得ることは言うまでもない。
【００３６】
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１０：立体造形物成形装置、２６：立体造形用混合粉体、２８：造形液、３０：層状固化物、３２：立体造形物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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