平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

光硬化樹脂の特性に関する研究【光造形システムによる複雑形状部品一品生産に関する研究仙小幡睦憲。高橋芳朗＊
機械電子部・＊材料開発部

Research for Property of Photo Cured ResinwApplication of Stereolithography System to Mono Production of ComplexShape Parts山MutsunoriOBATA，Yoshiro TAKAHASHI＊
Mechanics＆Electronics Division，＊l／1aterialDevelop皿ent Division
要旨
本研究においては，光硬化樹脂を用いて作成した模型をワックス模型として利用するため，光硬化樹脂を熱分解や薬剤による溶解によって消失させる必要がある．その基礎実験として，樹脂の熱分解温度測定，熱膨張係数の測定上硬化後の機械的強度変化の測定を行った．熱分解温度測定では，加熱温度を発火点以下にして保持した場合，（酸素雰囲気中のみで実験）約1・75％が残留物として残るのに対して，温度の保持方法の最適化により，発火が発生しない状態で，約0．70％まで減少させることができることが分かった．また，光硬化樹脂はアルミニウムの約5倍程度の熱膨張があり，光硬化後の機械的強度の経時変化測定では，硬化直後に比べて，蛍光灯を5daさ▼S照射すると約2．4倍の強度になることが分かった．光硬化樹脂を精密鋳造に適用する場合は，これらの基礎特性を充分に考慮する必要がある．
2．熱分解温度測定
昨年度の窒素雰囲気中で行った樹脂の熱分解温度測定

1．はじめにでは，その重量の約8％が残留物として残ることが分かっ

複雑形状部品の一品生産に関する研究においては，光硬化樹脂を用いて作成した模型をワックス模型として利用た．今回は酸素雰囲気中と空気雰囲気中で同様の実験を行する．このため．光硬化樹脂模型はセラミックスをコーテい，樹脂の残留物の量を調べた．

ィングした後に，何らかの方法で型抜きを行う必要がある．

2．1実験方法

これには，ロストワックス法と同様に熱を加えることによ

樹脂の熱による消失の基礎実験として，熱示差計を用いって，樹脂を溶融あるいは熱分解によって消失させる方法て，光硬化樹脂の熱分解温度の測定を行った．熱示差計はと∴溶剤によって樹脂を溶かす方法とが考えられる，この標準サンプルと試料を同時に加熱して，吸熱量の差を計測中で，熱による融解や溶剤による溶解は困難であると考えする。これによって，試料の融解温度，熱分解温度等を測る．これは、以下の理由による．光硬化樹脂はモノマーや定することができる∴熱示差計には，同時に重量を浩志す

オソゴマー と光開始剤の混合物である。この光開始剤に光る機能がついており，反応が融解あるいは熱分解なのか区を照射するとラジカルやカチオンが発生し，それによって別できる．

試料として，光硬化した樹脂を使用した．標準サンプル

モノマーやオリゴマーの重合反応が発生する。この重合反こ古によって。モノマーやオリゴマーが架橋して硬化する．

は試料を入れたアルミニウムの容器と同じものを使用しこのため、硬化が完了した樹脂は架橋度が高いためである．

た。そして，ガスを5001Il机11111で流しながら，材料を2が〔：／′′！−1inで加熱して，吸熱量と重量変化を測定した．（Fig．1

Lかし，熱を加えることで，硬化樹脂を熱分解して消失させることは可能であり，鋳型に影響を与えずに∴造形し参照）た光硬化樹脂を完全に除去するための最適な加熱方法を2。2 結果
Flg．2からFlg．4はその実験結果を示している．横軸は検討する必要がある．

正成9年度は基礎実験として，光硬化樹脂の熱分解温度加熱開始からの時間を，縦軸は重量変化を重量（％）で示汎定を行った．また．基礎特性として，熱膨張率の測定，している．加熱温度は，縦軸の値をiO侍すると重量測定硬化後の機械的強度変化の測定を実施した。以下にその結時の温度を示すように表示してある。
Fig．2に酸素雰囲気中で20Cc−▼）600℃に加熱Lた結果を果について述べる．

示す．樹脂は約・i30〇cで発火し，温度が上昇して，重畳が17平成9年度 研究報告 大分県産業科学技締センタ血急激に減少している．この時の残留物は0．59％であった。
Fig∴ミは発火しないように，385〇cに温度を保持した場合の結果を示している。ただし，残留物が1．75％残った．

Flg．4は，約60分間385Ccに保持したのちに，408℃に温度を上昇させて保持した場合の結果を示している。Flg．4の場合より残留物は減少して，0．7ワほなった．以上の結果から∴加熱条件を最適化すれば，発火なしに，残留量を発火した韓とほぼ同程度まで減少することができると考えまた∴空気雰囲気中で20〇c→6000cの加熱条件で熱分解を行うと，約550〇cで発火（酸素雰囲気中では約430Cc）し、酸素雰囲気中と同じ約0．59％の残留物が残った．つまり，通常の空気雰囲気中でも10020時間（分）酸素雰囲気と同等の熱分解特性が得られる。

Fig．2 20℃→600〇c以上の熱分解特性を参考にして。今後，実際の鋳造工程での加熱条件の最適化を検討する。

10005︵U O
4 3︹U O
■1・2

昇温速度

700︵欝︶凋榊

㌫≡≡≡

80︿n︶︵UO︶OL＼髄硝流量500ml／min9020℃／min

0温度計

100200時間（分）重量計

Fig．3 20〇c→385こc保持Fig．1熱示差計

要0．5的 阿 F、ig。2︺ ︹︶

1．75ヨら Fig．3

J 一斗 ・︵︶

0〇c−→385〇c保持0 ︵′U20。c−→600℃り﹂ −・︹︶ nU

トフい 妄20こ〔二Ⅵ−＝ウ3850c保持⊆3紆Cル】ネ408c保持 0．7誓も恒り旨4空気要20c−→60〇c ．5誹も 二つ窒素520℃ゝ6〇cj約8？も酸素へU

寮

﹁′1OU

残留量0 ∩︶ 0︵UO︶0︹＼噸硝 ︵宗︶凋榊

7、ablel実験条件と結果

050

100
時間（分）

Flg。4 20こc仙｝385〇（二保持385＝C→く川針C保持ー18 ）150200平成9年度 研究報告 大分県産業科学肢縮センタ】
3一 熱膨弓罠率の測定次に，まわりをセラミックスコーティングした樹脂模型を加熱し熱分解させる場合，加熱過程における樹脂とセラミックスの熱膨張差により。セラミックス層に割れが生じる可能性がある．そこで，基礎的データを得るために，光戒イヒ樹脂の熱膨張率測定を行った。
3．1実験方法
加熱による伸びを測定することで，熱膨張率を求めた。
リ：熱…ま30〇cから900cで行い，その温度問の平均膨張率を求めた．測定には，5nlIllX5IllIllX15mmの直方体を使用した．

光硬化樹脂に加える圧力による熱膨張率の変化を調べるÅ：全長175mlE∴丸みの半径

B：両端の幅

20… F：厚さ60nlrll
3」lⅢ1

C：平行部分の長さ 60111m G：喋繰問距離ために，加重（1g，100g）を加えながら実験を行った。

10IlほIH：つかみ具間距離115…

Dニ平行部分の幅

3．2 結果50【1川蔓Fig．5 試験片形状

丁壬tble2に測定の結果を示す．アルミニウムの約5倍程蜜の熱膨張があることが分かった．また，加重の違いによる，熱膨張率の差はなかった．鋳型成形に用いるセラミッ−〉収ル且1久‥・こ三ククスの熱膨張率は，この光硬化樹脂よりはるかに小さい．
従って，加熱過程で熱膨張差によりセラミックス層が割れ0＿

リる可能性が想定される．このため，力の逃げ道等を考慮し0・15≡：：て∴光硬化樹脂模型の構造をハニカム状にしたり，セラミ0蛍光灯5days

塩
瀬 0．1
哨

ックスのコーティング層を厚くするなどの対策が必要と考える．

0．05

Table2 熱膨張率（×10己）
加重

熱膨張率

1g

12 50

光硬化樹脂（DF803：ヾ）
光硬化樹脂（DF803N）

100g

0

アルミニウム3伸び量（m汀l）

24

セラミックス

21

131

Fig．6 引張試験結果（積層方向 縦）94．機械的強度の経時変化測定
光硬化樹脂（DF803N）の硬化後の樹月旨の機械的強壁の経0OU0︵n︶4．1実験方法

0械的強度の評価を行った。

凶積層方向 横0︵Zさ幽艦載鰯時変化を調べるた動こ，光硬化樹脂の引張試験を行い，機

≠0■04←¶、丁‡S ほ木工業規格）K7115のプラスチックの引張クリープ試験方法に基づいて試験を行った．試験片寸法を0．02 L

ド1g．5に示す6 また，光造形システムでは′樹脂を積層して1 0」山エー

立体形状を造形することから，試験片は積層方向の異なる紙横の2種類で造形して用意した。引張試験機には島津

00．5

11．5

2

伸び量（mm）（製）．宣しJri「OGRÅ円＝i（AG−20kNG）を使用した。引張速度21】用l′ノ′ぎl血Fまg．7 積層方向の影響で試験を行いき破壊時の最大伸び量と最大荷重を測定した．
試験サンプルは積層後に，蛍光灯や紫外光を照射して強度甘経時変化を調べた∴義光灯には40酢刀昼白色を二王本使用

このライトボックスにはほi岬L−15BL）の紫外蛍光灯が上し，蛍光灯から1．5！11の位置に試験片を置いて光を照射し段に6本，下段に6本あり，両面から紫外光の照射を行った，紫外光にはサンハヤト（製）の感光基板焼きつけ露光用た。蛍光灯の照射時間は2（ia）ナS，5daさ▼Sブ紫外光の照射時間；リライトボックスMODEL BOX服0を使用した。

は5tlIln，15Iltifl♪60Il血1で行った。

ー19 −平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ岬
4．2 結果硬化直後に比較して，蛍光灯を5da）｝S照射すると約2．4Flg。6は積層方向が縦の試験片に対する引張試験の結倍の強度になることが分かった．また，積層方向を縦にし果を表している．硬化直後には，伸び量が1．6〜1．9nliilでた方が，積層方向を縦にした場合に比べて．破壊強度が大破断しているが，蛍光灯や紫外線を照射することで，伸びきいことが分かった．

量，最大荷重ともに増加して，強度が増していることが分かる。紫外線5王11inの照射までは，ほぼ同じ割合で，伸び量及び最大荷重とも増加している．その後は，伸び量には変化が少なくなり，最大荷重のみが増加している．蛍光灯
2（ia）▼S55daysと紫外線60王11ま呈lには大きな差がない．このた軋光の照射による強度の変化は，このあたりで終了していると考えられる．最終的な強度は，最大荷重で評価すると，硬化直後と比較して，約2．4倍になった．
積層方向が横の試験片は，造形プレートからサンプルを切り離す際に，サンプルに細かな傷が入り，このため，引張試験では，この傷の部分から破断し，正確な試験ができないものが多かった．したがって，積層方向の横の試験片
では，硬化直後のデータしか得られなかったので，ここでは積層方向による強度の比較するために，硬化直後のみで評価した．その結果をFig．7に示す。

積層方向が縦の方が横の場合より破断強度が大きかった．これは積層する硬化樹脂の面積が狭いほど，層間の密着性が良いためと考える。
5．まとめ
光硬化樹脂はワックス模型として利用するために，光硬化樹脂を熱分解によって消失させなくてはならない．その基礎実験として，樹脂の熱分解温度測定，熱膨張率の測定，硬化後の機械的強度の経時変化の測定を行った．その結果，以下のことが分かった．
（1）熱分解温度測定
酸素雰囲気中では約430〇cに，空気雰囲気中では，約う50〇cに発火点があった．また，発火した時の残留量は，どちらの雰囲気中でも重量の0．5的で差がなかった。温度を発火点以下にして保持した場合，（酸素雰囲気中のみで実験）約1．75％の残留物として残った．温度の保持方法の工夫により，発火が発生しない状態で，約0．70％まで減少させることができた．加熱方法の最適化で9発火なしで残留物を発火した場合と同程度にできるものと考える．
（2）熱膨張率測定
ア′7レミニウムの約5倍程度の熱膨張があった．また，加重の違いによる，熱膨張率の差はなかった。樹脂模型にセラミックをコーティングした場合，セラミックス（熱膨張率：9．0×10∈）と樹脂（130×10】已）の熱膨張の差により，セラミックス層が割れる可能性が考えられる．
（3）硬化後の機械的強度の経時変化測定
積層後に，蛍光灯や紫外光を照射して強度の経時変化を調べた．その結果，積層方向を縦で作成した試験片では，

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