(57)【要約】　　　（修正有）【課題】脱型が容易で、かつ脱型工程で有害な物質を排出しない模型を積層造型法により製作する方法および素材を提供する。【解決手段】平面展開した粉末に液体を選択的に撒布して、撒布領域の粉末間接合強度を非撒布領域よりも強くした後、さらにその上に粉末を平面展開して液体を選択撒布する事を所要回数繰り返して立体形状を形成する立体模型造型法において、粉末として水溶性の素材を用いる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面展開した粉末に液体を選択的に撒布して、撒布領域の粉末間結合強度を非撒布領域よりも強くしたのち、さらにその上に粉末を平面展開して液体を選択的撒布することを所要回数繰り返して立体形状を形成する立体模型造形法において、粉末として水溶性の素材を用いることを特徴とする造形法。
【請求項２】
請求項１記載の粉末の素材として、食塩を用いることを特徴とする造形法。
【請求項３】
請求項１記載の粉末の素材として、食塩と撒布液吸収物質の混合物を用いることを特徴とする造形法。
【請求項４】
請求項１記載の撒布液として、粉末素材を飽和またはそれに近い状態まで溶解した液体を用いることを特徴とする造形法。
【請求項５】
請求項１記載の撒布液として、水溶性で乾燥時に接着性を有する物質を含んだ水溶液を用いることを特徴とする造形法。
【請求項６】
請求項１における撒布液として、水ガラスを含む素材を用いることを特徴とする造形法。
【請求項７】
食塩を主成分とする素材を粉末として流動性の物質と混合して流動化し，これを単数もしくは複数のノズルから連続吐出あるいは液滴として噴射して堆積しつつ平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層して立体模型として作製することを特徴とする造形法。
【請求項８】
食塩を主成分とする素材を粉末として液状の硬化性物質と混合して流動化してテープ状もしくは平板状に展張し、部分硬化によって所望形状の固化層を形成し，これを積層して立体模型を作製することを特徴とする造形法。
【請求項９】
請求項８記載の液状の硬化性物質として光硬化性樹脂を用い，選択的に光硬化して固化層を形成し，これを積層して立体模型を作製することを特徴とする造形法。
【請求項１０】
食塩を融点以上に加熱・融解してノズルから連続吐出あるいは液滴として噴射して堆積することによって積層して立体模型を作成することを特徴とする造形法。
【請求項１１】
食塩と熱可塑性物質を混合した素材を熱可塑性物質の融解点以上に過熱してノズルから吐出し，選択的に積層して立体模型を作成することを特徴とする造形法。
【発明の詳細な説明】
【００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は形状を表すコンピュータデータを用いて自動的に立体模型を作成する積層造形法において立体模型を注型や鋳造用の原型として使用する場合にとくに適した立体模型の作成方法および素材に関する。
【００２】
【従来の技術】
模型形状を忠実に金属材料に置換する方法として精密鋳造法がある．一般砂型鋳物と比べて格段に正確な鋳物が精密鋳物で、インベストメント法，セラミックモールド法，プラスターモールド鋳造法などの方法がある．これらの共通点は流動性の良いスラリーが鋳型材料として用いられる。鋳造模型はスラリーを固化して鋳型を形成した後に燃焼，溶融，溶媒による溶出，気化などで鋳型から脱型される。ワックス，ポリスチロール，紙，低融点金属などの素材による模型を用いる．模型は手作業や機械加工，あるいは積層造形法（ラピッドプロトタイピング）によって作製する．模型にスラリーを塗布したあとで内部に残った模型を脱型するには消失させるか，とくにゴム型の場合には型を刃物で分割して取り出す．インベストメント法では鋳造模型に消失模型が用いられる．その素材としてワックスが多く用いられる．その脱型にはオートクレーブを用い、高温蒸気で溶かし出す．またショックヒート脱型では、高温の炉中に迅速に生型を装入し，短時間に模型を焼き流すか，燃焼させる．ワックス以外の模型材料には木，ポリスチロール，尿素，ナフタリン，凍固水銀，あるいはエビ，カニ，植物などの生体が用いられる。
光造形法をはじめとする各種積層造形法はＣＡＤデータから直ちに実体を実現する模型成形法で，難しいデザインを一体でしかも１工程で成形できる．素材は樹脂、ワックス、紙などあり、これを消失模型に応用することもすでに行われている。セラミックや石膏で周囲を覆って固化したあとは上述のように模型を除去する必要があるが、燃焼あるいは溶融後燃焼によって行っている。このときに、従来の模型では脱型時に熱膨張して鋳型が破損，脱型用に設備が必要，鋳型に灰が残留し鋳物に悪影響，排ガスの処理を要する，模型の素材費が高価，などの問題点があった．とくにワックス模型では溶解して脱型しても鋳型にワックスが膜状に残留して除去しきれず，鋳型焼成時に燃焼ガスが発生する．ゴム型製作ではゴムの分割に熟練を要することと，複雑な内部構造を持つ形状では適用できない場合が多いことが問題であった．
加熱しないで消失する模型を実現すれば、熱による模型の変形や鋳型の割れを防止できる。このような消失模型を積層造形法で作製する従来手法のひとつでは融点１８５℃のアミノ酸塩（ＮａＣ５Ｈ８Ｏ４Ｎ）を素材としてレーザー照射によって部分融解し，積層して模型を作製している（Ｔａｒｏ　Ｔａｋａｇｉ　ｅｔ　ａｌ．”Ａ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｆｕｓｉｂｌｅ　ａｌｌｏｙ　ａｎｄｗａｔｅｒ−ｓｏｌｕｂｌｅｃａｓｔｉｎｇ　ｍｏｌｄ”，８ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ｐｐ３８３−３８８（Ｊｕｎｅ　２０００，Ｔｏｋｙｏ））が，積層工程で素材がレーザーの熱によって変質しやすく，また耐熱性がないためスラリー固化工程における加熱に耐えられない。また，砂糖など可溶性有機物を主原料にすればアミノ酸塩と同等の水溶消失性が実現できる。しかしこれらの方法で作製された模型では、水洗除去の際に排水中に溶解した有機物が含まれるため、排水処理コストが問題になる。
鉛を主成分とする低融点金属合金を溶融し積層して模型を作成し、これを消失模型としてその周囲を砂やセラミック泥で覆って固化した後に加熱して模型を溶融除去する方法も考えられるが、細密で込み入った構造では模型材料を完全に除去することは困難である。また特殊な合金なので素材が高価である。
一般に従来の積層造形法では、装置メーカーが供給する特殊な素材が必要であって、製造量がすくないため極めて高価である。
無害で安価な物質として水を用いて模型を製作する手法もある。水を低温の雰囲気下で滴下しつつ氷結させて盛り上げて氷の立体模型を作る。しかし室温での作業ができない上、水滴が氷結してできる単位氷結体のサイズが不安定なため、とくに上下方向の寸法精度が期待できない難点がある。
【００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は脱型が容易で、かつ脱型工程で有害な物質を排出しない模型を積層造形法により製作する方法および素材を提供する。
【００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水溶性物質、とくに食塩を模型の主成分とする積層造形法によって、水洗によって容易に消失する模型を作製する方法と素材を提供する。
【００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によってについて説明する。
【００６】
（実施の形態１）
図１に示すように、粉末結合法によって食塩を主成分とする水溶性模型を製作する。粉末を平面状に展開し、スライス形状にしたがって液状の固着剤を選択的に撒布する。固着剤が撒布された領域は非撒布領域よりも粉末間の結合が強くなって所望形状の固化層が得られる。さらにその上に粉末を平面展開して液体を次層のスライス形状データにもとづいて選択的撒布し、固化層を形成する。これを所要回数繰り返して固化層を順次に積み重ねて任意の形状を持った立体物を創成する。固着剤として液状の光硬化性樹脂を用いれば，バインダー物質散布後に選択的に光硬化して平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層することができる。
【００７】
（実施の形態２）
図２に示すように、押し出し法によって食塩を主成分とする水溶性模型を製作する。すなわち食塩粉末と常温で固体の熱可塑性バインダー物質を混合した素材をバインダー物質の融解点以上に加熱してノズルから吐出し，これを単数もしくは複数のノズルから連続吐出して平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層する。あるいは食塩のみを融点以上に加熱・融解してノズルから吐出し，目的形状になるよう積層する。
【００８】
（実施の形態３）
図３において、食塩と液状の反応性物質とを混合して平板状に伸展したものを重ねながら選択的に反応・固化して固化層を形成しつつ積層して立体模型を作成する。
【００９】
（実施の形態４）
図４に示すように、液滴噴射法によって食塩を主成分とする水溶性模型を製作する。食塩粉末と常温で固体の熱可塑性バインダー物質を混合した素材をバインダー物質の融解点以上に加熱し、液滴としてノズルから噴射して堆積し、平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層する。あるいは食塩のみを融点以上に加熱・融解してノズルから噴射して堆積し、平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層する。
【０１０】
【実施例】
つぎに本発明の具体例を説明する。
立体物の形状やその内部構造、相互の組み付け状況を正確に理解・確認するため、あるいは金型や鋳造型を製作するために立体模型が用いられる。デジタルデータが表現している立体形状から立体模型を自在に製作する技術として、積層造形法（ラピッドプロトタイピング）と呼ばれる新しい立体模型製作法が登場している．積層造形法によってコンピュータ上に存在する数値モデルを立体模型として作成するには、まず数値モデルを高さ方向に等間隔の水平面で切断し、スライス図形データ群を作製する。スライスの厚さは積層する厚さ以下とする．次にそれらのスライス図形データを下端から取り出して、その形状に基づいて固化層を順番に形成する。立体模型作成のための素材は気体，液体，固体とさまざまで，またこれらから板を形成する方法も化学反応，切断，溶融固化などさまざまである．
【０１１】
（実施例１）
粉末結合法は積層造形法のひとつである。粉末結合法を再び図１によって説明する。１層の固化層を形成するには、粉末を平面状に展開し、スライス形状にしたがって液状の固着剤を選択的に撒布する。固着剤が撒布された領域は非撒布領域よりも粉末間の結合が強くなって所望形状の固化層が得られる。さらにその上に粉末を平面展開して液体を次層のスライス形状データにもとづいて選択的撒布し、固化層を形成する。これを所要回数繰り返して固化層を順次に積み重ねれば任意の形状を持った立体物が創成される。なお、固着剤の選択撒布にはインクジェットプリンタのヘッドが流用されることが多い。
【０１２】
従来の粉末結合法では粉末として澱粉や石膏が用いられてきたので、模型の除去が困難あるいは不可能である。シリコンゴムを用いているときは、シリコンゴムを切開してから模型を除去することができるが、切開作業には高度の熟練を要する。石膏型の場合はそのままでは除去が不可能であるので、もとの模型をシリコン素材の模型に転写してから石膏型に転写する、という工程が必要であった。もとの模型が澱粉やワックスのように可燃性あるいは熱溶融性に優れた素材であれば、石膏やセラミック転写にあたって全体を高温の炉で加熱してもとの模型を燃焼あるいは溶融により除去する方法も考えられるが、過熱時の熱膨張によって石膏やセラミックが破壊されるという欠点がある。
【０１３】
本発明では食塩のみ、または食塩粉末を主成分として種々の素材を固化の助剤として混合したものを積層造形することにより消失性の立体模型を作成する。たとえば、澱粉や石膏粉末を素材として立体模型を作成するための市販造形装置（米国Ｚコーポレーション社製Ｚ４０２）において粉末素材を食塩に置き換え、これに同装置で固着剤として通常使用している撒布液（米国Ｚコーポレーション社販売のＺＢ７）を用いて、撒布液吐出量を加減しつつメーカーが推奨する通常の操作で造形を行えば容易に食塩の立体模型が作成できる。
【０１４】
このとき、撒布液の吸収性に優れた素材（たとえば小麦粉などの澱粉）を粉末として食塩粉末にあらかじめ混合しておくと、撒布液が撒布範囲外に浸透する現象が防止されて寸法精度が向上するだけでなく、単位体積あたりの液吸収量が増大して立体模型の機械的強度が向上する効果が得られる。なお、造形後に電気ヒーターや電子レンジなどで加熱乾燥すると強度がさらに向上する。
【０１５】
バインダー液の種類が同じなら、粉末が吸収するバインダー液が多いほど強固な模型になる。また、バインダー液が撒布領域から非撒布領域に沁みだす範囲が広いと、造形可能な最小寸法（分解能）が粗くなり、寸法精度が劣化する。沁み出しが少なく、かつ強固に固化した模型を得るには、バインダー液の吸収量の多い粉末を用いることが望ましい。
【０１６】
吸収剤はバインダを吸着する性質の良好なもので、バインダが水性なら石膏粉、木灰、小麦粉や澱粉などの穀物粉、セメント、粘土粉などがあげられる。
【０１７】
食塩のみの模型や食塩と水溶性素材の混合粉末からなる模型であれば模型は水洗によって容易にに溶解・除去できる。また食塩に混合する粉末が非水溶性であっても、あるいは固着剤としての撒布液が非水溶性であっても、模型の水洗時に食塩がまず溶解することによって模型の強度が著しく劣化して崩壊しやすくなるため、圧縮空気や水道水程度の低い水圧で取り除くことができる。食塩に混合する粉末素材が非水溶性であるほうが、水洗廃液の水処理が容易になるという利点がある。非水溶性素材は沈殿槽やフィルターによって簡単に除去できるからである。
【０１８】
なお、液状の固着剤はそれ自体が固化する性質があっても良いし、あるいは粉末の粒子間に存在して粉末の固化形状を維持しつづけるものであってもよい。たとえば加熱溶融した樹脂、油脂、澱粉、たんぱく質、糖類などの有機物を使用できる。接着性のある物質としては蒟蒻、アラビアゴム、加熱した澱粉、デキストリン、水性塗料、膠、水溶性プラスチック類などがあげられ、これらの素材を単独で、あるいは混合して水溶液とし、固着剤とする。
【０１９】
また粉末に撒布したあとで何らかの変化を起こして粘度が増大し、あるいは液体から固体に変化するものでもよい。媒質に溶解され、空気中で媒質が発散して硬化する固着剤の素材として水ガラス、撒布後に硬化する固着剤として硬化材を混合した樹脂類や、空気の成分と反応して硬化する物質である。具体的にはポリシラザン、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂を利用できる。また、オルガノポリシロキサンを主成分または架橋材とした含金属有機化合物の混合液、あるいはポリシラザンは空中の水分と反応して固化して立体模型の強度向上に有効に作用する。
【０２０】
撒布液として水ガラスの水溶液を用いると、立体模型を乾燥・固化後には耐熱性に優れた模型を得ることができる。。
【０２１】
水を主成分とする液を撒布すると、食塩粉末が撒布液に溶け出して体積が減少し、層厚みの変動が生じる。そこで、噴射液に食塩を飽和またはそれに近い状態まで溶解すると、食塩粉末に噴射・撒布したときに食塩粉末が溶解することがない。したがって粉末層の厚みが一定に保たれる結果、寸法精度の向上が図れる。
【０２２】
なお、作製した模型をシリコンゴムに転写する場合、模型表面をそのままにしてシリコンゴムを図２のように注入すると、シリコンゴムが模型表面に浸透して表面粗さが劣化する。そこで最初に模型表面に塗料類を塗布することが有効である。また、石膏など水分を含む素材に転写する場合は、含まれる水分で模型表面が溶解するので、防水性あるいは撥水性の皮膜を模型表面に形成してから転写することが望ましい。
【０２３】
以上の説明では、粉末を食塩とした例で説明したが、水洗で除去する場合には水溶性物質の粉末が、アルコール類など、その他の液体で除去する場合にはその液体に溶解する素材を粉末として利用できる。
【０２４】
（実施例２）
食塩の粉末に液状の光硬化性樹脂を固着剤として選択的に散布する。一層の撒布後に光硬化して平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層しつつ繰り返して立体模型を作成する。なお、このとき撒布液として水溶性の光硬化性樹脂（たとえば（株）アーデルのＫおよびＫＭシリーズ樹脂）を用いればより簡単に水洗除去できる。
【０２５】
また、素材を粉末とし液状の光硬化性樹脂と混合して流動化してテープ状もしくは平板状に展張して，光硬化によって断面形状固化層を形成し，これを積層して立体模型として作成することができる。
【０２６】
（実施例３）
食塩粉末と常温では固体の熱可塑性バインダー物質を混合した素材をバインダー物質の融解点以上に加熱し、液滴としてノズルから噴射して堆積し、平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層する。熱可塑性バインダー物質としては熱可塑性樹脂やワックス、砂糖などの有機物が利用できる。
【０２７】
また、食塩を融点以上に加熱・融解してノズルから噴射して堆積し、平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層することもできる。
【０２８】
（実施例４）
食塩を融点以上に加熱・融解してノズルから吐出し，選択的に積層して立体模型を作成する。食塩（塩化ナトリウム）の融点は８００℃、沸点は１４６７℃であるから、食塩を融点以上かつ沸点以下の温度になるよう加熱融解して吐出すると、冷却後に固化する。
【０２９】
また、塩と常温では固体のバインダー物質を混合した素材をバインダー物質の融解点以上に過熱してノズルから吐出し，これを単数もしくは複数のノズルから連続吐出して平板状の断面形状固化層を形成し，これを積層して立体模型を作成する。バインダー物質は熱可塑性物質のほか低融点合金など融点の低い物質を利用することができる。
【０３０】
水ガラスなど水溶性の物質の水溶液を食塩粉末と混合して流動化し、ノズルから吐出し，選択的に積層して立体模型を作成する。この場合は吐出時に加熱する必要はない。水溶性物質は造形後に乾燥によって固化する。反応性の液体と食塩の混合物を用いた場合は造形後に反応によって固化する。たとえば液状の光硬化性樹脂を混合した場合には積層中あるいは積層後の光照射によって固化する。
【０３１】
（実施例５）
食塩と液状の反応性物質とを混合してテープ状もしくは平板状に伸展したものを重ねながら選択的に反応・固化して固化層を形成しつつ積層して立体模型を作成する。固化は光硬化性樹脂をバインダー物質とする場合は光照射、ゲル物質の場合は加水反応、水ガラスの場合は乾燥の各現象を利用することができる。
【０３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水溶性があり、脱型容易な無害な模型が実現できる。模型は消失模型として鋳造や石膏やシリコンゴムに転写するための注型の工程に直接利用できるほか、量産模型製造の金型作りに間接利用できる。また、設計データ確認、意匠の確認、機構部分の機能確認などのための立体模型としても利用できる。
本発明による模型作成作業はコンピュータ制御によりデジタルデータから自動作製できるので熟練が不要となる．
本発明を用いた模型転写工程においては、内部構造の複雑に入り組んだ模型であっても型や模型を切開や破壊することなく簡単に模型部分を除去でき、また除去作業を熟練なしに極めて容易に行えるという効果が得られる。これにより、とくに試作品の製造に要する時間と費用を節減することができる。
本発明では素材として無害で安価な物質を用いることができるので、とくに鋳造や注型として用いると廃棄物や排水の処理が容易で、製作コストが削減できる。
本発明による模型に溶剤系の耐水性コートを塗布しておけば、その上に水溶性物資を塗布しても破壊されない。そこで、本発明の型を用いて鋳造用石膏型を作ることができる。またフェノール系バインダーを含むセラミックを注型してそれを焼結するとセラミック部品ができる。
本発明による模型は防湿処理すればそのまま形状確認モデルや意匠審査モデルとして利用できる。
本発明による模型を鋳造時，あるいはゴム型製作時に中子に用いると上記と同じ理由で後工程での除去が容易となる利点が得られる。
また食塩と耐熱性のある固着剤とを組み合わせると消失性のみならず耐熱性が付与され、精密鋳造用消失模型が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉末結合法によって立体模型を作成する説明図である。
【図２】押し出し法によって立体模型を作成する説明図である。
【図３】光造形法によって立体模型を作成する説明図である。
【図４】液滴噴射法によって立体模型を作成する説明図である。
【符号の説明】
１　液滴を撒布するノズル
２　固着剤の液滴
３　粉末
４　造形中の立体模型
５　押し出しノズル
６　押し出した素材
７　硬化用光源
８　平板状の素材
９　液滴を噴射するノズル
１０　素材の液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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