JP2016159571A - 三次元造形物製造装置および三次元造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形物の製造効率を高くすることが可能な三次元造形物製造装置を提供すること、および、信頼性の高い三次元造形物を提供すること。
【解決手段】三次元造形物製造装置１００は、層１を積層することにより、三次元造形物を製造する装置であって、三次元造形物を形成される造形部１０と、粒子を含む三次元造形用組成物を用いて層１を形成する層形成手段１２と、層１に複数の粒子同士を結合する結合剤を含む結合液を吐出する吐出手段と、を有し、造形部１０は、三次元造形物の大きさに応じた大きさの開口部１０５を備えたマスク１０４を有し、開口部１０５内に層１を形成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形物製造装置および三次元造形物に関する。

粉体を結合液で固めながら、三次元物体を造形する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、次のような操作を繰り返すことによって三次元物体を造形する。まず、粉体（三次元造形用組成物）を均一な厚さで薄く敷き詰めて粉体層を形成し、この粉体層の所望部分に結合液を吐出することによって粉体同士を結合させる。この結果、粉体層の中で、結合液が吐出された部分だけが結合して、薄い板状の部材（以下、「断面部材」という）が形成される。その後、その粉体層の上にさらに粉体層を薄く形成し、所望部分に結合液（硬化性インク）を吐出する。その結果、新たに形成された粉体層の結合液が吐出された部分にも、新たな断面部材が形成される。このとき、粉体層上に吐出した結合液が染み込んで、先に形成された断面部材に到達するので、新たに形成された断面部材は先に形成された断面部材にも結合される。このような操作を繰り返して、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層することによって、三次元物体を造形することができる。

このような三次元造形技術は、造形しようとする物体の三次元形状データさえあれば、粉体を結合させて直ちに造形可能であり、造形に先立って金型を作成するなどの必要がないので、迅速にしかも安価に三次元物体を造形することが可能である。また、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層して造形するので、例えば内部構造を有する複雑な物体であっても、複数の部品に分けることなく一体の造形物として形成することが可能である。

しかしながら、従来の三次元造形物製造装置では、製造する三次元造形物の大きさに関係なく、一定の広さの造形領域で造形するため、三次元造形物の大きさによっては必要以上の三次元造形用組成物を用いることとなっていた。その結果、製造効率が低下する問題があった。

特開平６−２１８７１２号公報

本発明の目的は、三次元造形物の製造効率を高くすることが可能な三次元造形物製造装置を提供すること、および、信頼性の高い三次元造形物を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の三次元造形物製造装置は、層を積層することにより、三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、
前記三次元造形物が形成される造形部と、
粒子を含む三次元造形用組成物を用いて前記層を形成する層形成手段と、
前記層に、複数の前記粒子同士を結合する結合液を吐出する吐出手段と、を有し、
前記造形部は、前記三次元造形物の大きさに応じた大きさの開口部を備えたマスクを有し、
前記開口部内に前記層を形成することを特徴とする。
これにより、三次元造形物の製造効率を高くすることができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記マスクは、着脱可能となっていることが好ましい。
これにより、三次元造形物の製造効率をさらに向上させることができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記三次元造形用組成物は、溶媒を含むことが好ましい。
これにより、さらに効率よく三次元造形物を製造することができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記造形部は、前記マスクを固定する支持体と、
前記支持体に対して昇降する昇降台と、を有することが好ましい。
これにより、さらに効率よく三次元造形物を製造することができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記昇降台の上面に載置され、前記層が積層される造形ステージを有し、
前記造形ステージは、前記開口部の大きさに応じた大きさを有することが好ましい。
これにより、三次元造形物の製造効率をさらに向上させることができる。

本発明の三次元造形物製造装置では、前記造形ステージは、多孔質体で構成されていることが好ましい。

これにより、三次元造形用組成物中に溶媒が含まれている場合において、より効率よく溶媒を除去することができる。

本発明の三次元造形物は、本発明の三次元造形物製造装置により製造されたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い三次元造形物を提供することができる。

本発明の三次元造形物製造装置の好適な実施形態の側面側からの断面図である。 図１に示す三次元造形物製造装置を上から平面視した際の平面図である。 三次元造形物製造装置の造形部の他の一例を示す拡大断面図である。

以下、添付する図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細な説明をする。

１．三次元造形物製造装置
まず、本発明の三次元造形物製造装置の好適な実施形態について説明する。

図１は、本発明の三次元造形物製造装置の好適な実施形態の側面側からの断面図、図２は、図１に示す三次元造形物製造装置を上から平面視した際の平面図、図３は、三次元造形物製造装置の造形部の他の一例を示す拡大断面図である。

三次元造形物製造装置１００は、粒子を含む三次元造形用組成物を用いて形成した層１を積層することにより、三次元造形物を製造する装置である。

三次元造形物製造装置１００は、図１、図２に示すように、三次元造形物が造形される造形部１０と、三次元造形用組成物を供給する供給部１１と、供給された三次元造形用組成物を用いて造形部１０に三次元造形用組成物の層１を形成するスキージ（層形成手段）１２と、層１を形成した際に余剰の三次元造形用組成物を回収する回収部１３と、層１を加熱する加熱部１６と、層１に対して結合剤を含む結合液を吐出する吐出部１４と、層１に対して紫外線を照射する紫外線照射手段１５と、を有している。なお、三次元造形用組成物および結合液については後に詳述する。

造形部１０は、図１、図２に示すように、枠体１０１と、枠体１０１内部に設けられた昇降ステージ（昇降台）１０２と、造形ステージ１０３と、マスク１０４と、を有している。
枠体１０１は、枠状の部材で構成されている。

昇降ステージ１０２は、ＸＹ平面において矩形型の形状を有している。
昇降ステージ１０２は、図示せぬ駆動手段によってＺ軸方向に駆動（昇降）するよう構成されている。

造形ステージ１０３は、昇降ステージ１０２上に設けられ、ＸＹ平面において矩形型の形状を有している。

また、造形ステージ１０３の平面視の面積は、昇降ステージ１０２の平面視の面積よりも小さくなるよう構成されている。
この造形ステージ１０３上に層１が形成される。

造形ステージ１０３は、形成する三次元造形物の大きさによって、異なる大きさのものと交換可能となっている。

造形ステージ１０３は、例えば、多孔質体で構成することができる。これにより、例えば、三次元造形用組成物が溶媒を含む場合、層１から溶媒を容易に除去することが可能となる。

ところで、層形成用の組成物として粒子および溶媒を含むものを用いた場合、層中から溶媒を十分に除去することが困難であり、溶媒乾燥時の蒸発熱量削減、急激な溶媒蒸発による発泡の抑制、装置内への蒸気拡散を抑制することに限度があった。しかしながら、このように、多孔質体で構成することにより、層１から溶媒を効率よく除去することができる。

なお、昇降ステージ（昇降台）１０２には、複数の孔部が設けられている。そして、昇降ステージ（昇降台）１０２には、上記孔部と造形ステージ１０３を介して層１の溶媒を吸引する吸引機構１７が接続されている。吸引機構としては、例えば、各種ポンプを用いることができる。

また、造形ステージ１０３は、金属材料またはセラミックス材料で構成された粒子の焼結体で構成された部位を有するものであると、強度、耐熱性、耐久性、軽量化等を特に優れたものとすることができる。

マスク１０４は、枠体（支持体）１０１に固定されている。また、マスク１０４は、枠体１０１を覆うように設けられている。

マスク１０４は、造形ステージ１０３と対応する位置に、開口部１０５が設けられている。当該開口部１０５と造形ステージ１０３とは、平面視の形状が同じとなるよう構成されている。

この開口部１０５の内壁面と造形ステージ１０３とで形成される領域に層１が形成される。

このマスク１０４は、造形部１０において、枠体１０１に着脱可能に取り付けられている。また、製造する三次元造形物の大きさによって、異なる大きさの開口部を有する複数種類のマスクが造形部１０において着脱可能となっていてもよい。

このような造形部１０は、図示せぬ駆動手段によってＸ軸方向に駆動可能となっている。マスク１０４が層１の最表層の側面を含む造形物を支持することで、造形物の高さが高くなっても、造形物が不安定にならず、予期せぬ造形物の崩壊を防ぐことができる。

また、マスク１０４は、造形領域を除く昇降ステージ１０２の造形面全体を覆うように構成されている。マスク１０４は、開口部１０５が形成された一部材で構成されていてもよいし、複数部材でマスク１０４を構成し、開口部１０５を形成してもよい。

また、開口部１０５は、昇降ステージ１０２中央でなくてもよい。例えば、吐出部１４に最も近い昇降ステージ１０２の端部であってもよい。

そして、造形部１０が、Ｘ軸方向、すなわち、後述する吐出部１４の描画領域へ移動することで、吐出部１４によって層１に結合液が吐出される。

供給部１１は、三次元造形物製造装置１００内に三次元造形用組成物を供給する機能を有している。

供給部１１は、三次元造形用組成物が供給される供給領域１１１と、供給領域１１１に対して三次元造形用組成物を供給する供給手段１１２と、を有している。

供給領域１１１は、Ｘ軸方向に長尺の長方形状をなしており、枠体１０１の一辺と接するように設けられている。また、供給領域１１１は、マスク１０４の上面と面一となるように設けられている。

供給領域１１１に供給された三次元造形用組成物は、後述するスキージ１２により、造形ステージ１０３に搬送され、層１を形成する。

スキージ（層形成手段）１２は、Ｘ軸方向に長尺の板状をなしている。また、スキージ１２は、図示せぬ駆動手段によってＹ軸方向に駆動するよう構成されている。また、スキージ１２は、その短軸方向の先端が、マスク１０４の上面および供給領域１１１と接するよう構成されている。

このスキージ１２は、Ｙ軸方向に移動しながら、供給領域１１１に供給された三次元造形用組成物を造形ステージ１０３に搬送し、造形ステージ１０３上に層１を形成する。

本実施形態では、スキージ１２の移動方向と、造形部１０の移動方向とが交差（直交）するよう構成されている。このような構成とすることにより、吐出部１４による結合液の吐出が行われている際に、次の層１の形成の準備を行うことができ、三次元造形物の生産効率を向上させることができる。

回収部１３は、上面が開口した箱状の部材であり、造形部１０とは別体として設けられている。この回収部１３は、層１の形成で余剰となった三次元造形用組成物を回収する機能を有している。

回収部１３は、マスク１０４と接しており、マスク１０４を介して供給部１１と対向するように設けられている。

スキージ１２によって運ばれた余剰の三次元造形用組成物は、この回収部１３で回収され、回収された三次元造形用組成物は、再利用に供される。

加熱部１６は、形成した層１を加熱することにより、層１に含まれる溶媒等を除去し、乾燥する機能を有している。加熱部１６は、図示せぬ駆動手段によってＹ軸方向に駆動するよう構成されている。

吐出部１４は、形成した層１に対して結合液を吐出する機能を有している。
具体的には、造形ステージ１０３上に層１を形成した造形部１０がＸ軸方向に移動し、吐出部１４の下部の描画領域に差し掛かった際に、層１に対して吐出部１４から結合液が吐出される。

吐出部１４は、インクジェット方式で、結合液の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドが搭載されている。また、吐出部１４は、図示せぬ結合液供給部を備えている。本実施形態では、いわゆるピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されている。

紫外線照射手段１５は、吐出部１４の移動方向（Ｘ軸方向）の両端に２つ設けられている。

紫外線照射手段１５は、層１に対して紫外線を照射することにより、層１中の結合剤を硬化させ、層１中の粒子同士を結合させる機能を有している。

以上説明したような三次元造形物製造装置１００によれば、マスク１０４によって、造形領域を狭めることができるため、製造に用いる三次元造形用組成物の量を少なくすることができる。その結果、製造効率をより高いものとすることができる。

また、異なる大きさの開口部を有するマスク１０４と交換することで、種々の大きさの三次元造形物を効率よく製造することができる。

さらに、マスク１０４の開口部１０５に応じた大きさと厚みを持つ造形ステージ１０３を組み合わせて用いることで、マスク１０４の厚みに制限されることなく、造形ステージ１０３がマスク開口部１０５の厚みに相当する高さまで昇降することが可能となり、三次元造形物を効率よく製造することができる。

また、三次元造形用組成物として溶媒を含むものを用いた場合、乾燥することで層１を仮固定することができるため、層１の縁部での層１の崩壊を防止することができる。その結果、造形ステージ外縁近傍まで造形物を配置することが可能となるため、さらに効率よく三次元造形物を製造することができる。

また、三次元造形用組成物として粉体のみで構成されたものを用いる場合、図３に示すように、マスク１０４と層１とが接する領域に対して結合液を付与して、その領域の粒子を結合させて崩壊防止領域３を形成することで、層１の縁部での層１の崩壊を防止することができる。

また、三次元造形物製造装置１００は、図１に示すように、制御部５０と、当該制御部５０に接続されたコンピューター６０と、を有している。

制御部５０は、ＣＰＵとメモリーとを備えている。ＣＰＵは、メモリーあるいは記録媒体に記憶されたコンピュータープログラムをメモリーにロードして実行することによって、上述した各部を制御する。

三次元造形物製造装置１００において、コンピューター６０が、三次元造形物の形状を表す三次元データを含む造形データ（平面配列、積層配列等）から、造形時間、造形精度、材料最小等の推奨によりマスク１０４を選択する。造形物の個数、サイズによっては、作業者がマスク１０４を選択し、コンピューター６０に選択したマスク１０４の情報を入力してもよい。

制御部５０は、供給部１１とスキージ（層形成手段）１２とを制御し、材料供給量や、材料供給幅、材料供給位置を適時選択して、三次元造形用組成物を塗り拡げる。

なお、上述した説明では、層形成手段として、スキージ１２を用いた場合について説明したが、スキージに限定されず、例えば、ローラーであってもよい。

また、マスク１０４の取付場所は、昇降ステージ１０２とともに昇降移動しない場所であれば、枠体１０１以外の場所であってもよい。

また、回収部１３には、スキージ１２に付着した三次元造形用組成物を除去する除去手段を設けてもよい。除去手段としては、超音波、ふき取り、静電気等を用いることができる。

また、三次元造形用組成物が溶媒を含んでいる場合には、三次元造形物製造装置１００は、加熱手段を有していてもよい。

また、上記説明では、紫外線照射手段１５を有するものとして説明したが、これに限定されない。例えば、結合剤が熱硬化性樹脂を含む場合には、加熱手段であってもよい。

また、上記説明では、昇降ステージ１０２により、造形ステージ１０３が昇降するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、昇降ステージ１０２が固定されていて、マスク１０４が昇降する構成であってもよい。

２．三次元造形物の製造方法
本発明の三次元造形物の製造方法は、粒子を含む三次元造形用組成物を用いて形成した層を積層することにより、三次元造形物を製造する方法である。

本実施形態の三次元造形物の製造方法は、粒子を含む三次元造形用組成物を用いて層１を形成する層形成工程と、層１に結合液を吐出する吐出工程と、層１に紫外線を照射する紫外線照射工程と、を有している。

以下、上述したような三次元造形物製造装置１００を用いた場合を具体例に挙げて、説明する。

まず、供給手段１１２により、三次元造形用組成物を供給領域１１１に供給する。
次に、供給領域１１１に供給した三次元造形用組成物をスキージ１２によってマスク１０４上を移動させながら造形ステージ１０３に運び、層１を形成する（層形成工程）。なお、三次元造形用組成物を造形ステージ１０３に近いマスク１０４上に供給することで層１を形成してもよい。

層１の厚さは、特に限定されないが、５μｍ以上５００μｍ以下であるのが好ましく、１０μｍ以上１００μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、三次元造形物の生産性を十分に優れたものとしつつ、製造される三次元造形物における不本意な凹凸の発生等をより効果的に防止し、三次元造形物の寸法精度を特に優れたものとすることができる。

層１の形成後に余剰の三次元造形用組成物はマスク１０４上を移動し回収部１３で回収する。

次に、必要に応じて、層１を加熱して、層１中に含まれる溶媒等を除去する。
次に、層１を形成した造形部１０をＸ軸方向に移動させ、吐出部１４の描画領域において層１に対して結合液を吐出する（吐出工程）。

次に、紫外線照射手段１５によって層１に紫外線を照射し、層１中の結合剤を硬化させ、硬化した層１と未硬化部２とを形成する（紫外線照射工程）。

その後、造形ステージ１０３を形成する層１の厚さ分だけＺ軸方向に降下させ、上記各工程を順に繰り返す。これにより、三次元造形物が形成される。
上記のように製造された三次元造形物は、信頼性が高いものとなっている。

なお、造形ステージ１０３を用いず、昇降台に直接層（犠牲層）を形成してもよい。まず、昇降ステージ１０２の上面（層を形成する面）とマスク１０４の下面（三次元造形用組成物が運ばれない面）を接触させる。次に供給手段１１２により、三次元造形用組成物を供給領域１１１に供給する。そして、供給領域１１１に供給した三次元造形用組成物をスキージ１２によってマスク１０４上を移動させながらマスク１０４の開口部に運び、層１を形成する（犠牲層形成工程）。なお、三次元造形用組成物を造形ステージ１０３に近いマスク１０４上に供給することで層１を形成してもよい。犠牲層はマスク１０４の厚みで形成される。犠牲層の形成後に余剰の三次元造形用組成物はマスク１０４上を移動し回収部１３で回収する。

次に、必要に応じて、犠牲層を加熱して、層１中に含まれる溶媒等を除去する。その後、造形ステージ１０３を形成する層１の厚さ分だけＺ軸方向に降下させ、上記層形成工程以降の各工程を順に繰り返す。これにより、三次元造形物が形成される。

なお、マスク１０４の厚みは、昇降ステージ１０２の移動量（層１の厚み）よりも厚い構成となっている。これにより、マスク１０４が層１の最表層の側面を含む造形物を支持することで、造形物の高さが高くなっても、造形物が不安定にならず、予期せぬ造形物の崩壊を防ぐことができる。また、造形部の移動、つまり造形過程における造形物の移動を安定して行うことができる。

３．三次元造形用組成物
次に、三次元造形用組成物について詳細に説明する。
三次元造形用組成物は、複数の粒子と溶媒とを含むものである。

以下、各成分について詳細に説明する。
≪粒子≫
粒子としては、いかなる粒子を用いることができるが、多孔質の粒子（多孔質粒子）で構成されていることが好ましい。これにより、三次元造形物を製造する際に、結合液中の結合剤を空孔内に好適に侵入させることができ、結果として、機械的強度に優れた三次元造形物の製造に好適に用いることができる。

粒子の構成材料としては、例えば、無機材料や有機材料、これらの複合体等が挙げられる。

粒子を構成する無機材料としては、例えば、各種金属や金属化合物等が挙げられる。金属化合物としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物；水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物；窒化珪素、窒化チタン、窒化アルミ等の各種金属窒化物；炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭化物；硫化亜鉛等の各種金属硫化物；炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩；硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩；ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩；リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩；ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化物等が挙げられる。

粒子を構成する有機材料としては、例えば、合成樹脂、天然高分子等が挙げられ、より具体的には、ポリエチレン樹脂；ポリプロピレン；ポリエチレンオキサイド；ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミン；ポリスチレン；ポリウレタン；ポリウレア；ポリエステル；シリコーン樹脂；アクリルシリコーン樹脂；ポリメタクリル酸メチル等の（メタ）アクリル酸エステルを構成モノマーとする重合体；メタクリル酸メチルクロスポリマー等の（メタ）アクリル酸エステルを構成モノマーとするクロスポリマー（エチレンアクリル酸共重合樹脂等）；ナイロン１２、ナイロン６、共重合ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミド；カルボキシメチルセルロース；ゼラチン；デンプン；キチン；キトサン等が挙げられる。

中でも、粒子は、無機材料で構成されたものであるのが好ましく、金属酸化物で構成されたものであるのがより好ましく、シリカで構成されたものであるのがさらに好ましい。これにより、三次元造形物の機械的強度、耐光性等の特性を特に優れたものとすることができる。

粒子の平均粒径は、特に限定されないが、１μｍ以上２５μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以上１５μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができるとともに、製造される三次元造形物における不本意な凹凸の発生等をより効果的に防止し、三次元造形物の寸法精度を特に優れたものとすることができる。また、三次元造形用粉末の流動性、三次元造形用粉末を含む三次元造形用組成物の流動性を特に優れたものとし、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。なお、本発明において、平均粒径とは、体積基準の平均粒径を言い、例えば、サンプルをメタノールに添加し、超音波分散器で３分間分散した分散液をコールターカウンター法粒度分布測定器（ＣＯＵＬＴＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＩＮＳ製ＴＡ−ＩＩ型）にて、５０μｍのアパチャーを用いて測定することにより求めることができる。

粒子のＤｍａｘは、３μｍ以上４０μｍ以下であるのが好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができるとともに、製造される三次元造形物における不本意な凹凸の発生等をより効果的に防止し、三次元造形物の寸法精度を特に優れたものとすることができる。また、三次元造形用粉末の流動性、三次元造形用粉末を含む三次元造形用組成物の流動性を特に優れたものとし、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。

三次元造形用組成物中における三次元造形用粉末の含有率は、１０質量％以上９０質量％以下であるのが好ましく、１５質量％以上５８質量％以下であるのがより好ましい。粒子は多孔性であってもよく、かさ密度が概ね０．１ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３の範囲が適当であり、０．１５ｇ／ｃｍ^３〜０．５ｇ／ｃｍ^３の範囲の多孔性粉末がより好ましい。これにより、三次元造形用組成物の流動性を十分に優れたものとしつつ、最終的に得られる三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができる。

≪溶媒≫
三次元造形用組成物は、溶媒を含んでいてもよい。溶媒を含むことにより、三次元造形用組成物の流動性を特に優れたものとし、三次元造形物の生産性を特に優れたものとすることができる。

三次元造形用組成物を構成する溶媒としては、特に限定されないが、水系溶媒を用いるのが好ましい。水系溶媒としては、水および／または水との相溶性に優れる液体で構成されたものであるが、主として水で構成されたものであるのが好ましく、特に、水の含有率が７０ｗｔ％以上のものであるのが好ましく、９０ｗｔ％以上のものであるのがより好ましい。これにより、水溶性樹脂をより確実に溶解することができ、三次元造形用組成物の流動性、三次元造形用組成物を用いて形成される層１の組成の均一性を特に優れたものとすることができる。また、水は層１形成後の除去が容易であるとともに、三次元造形物中に残存した場合においても悪影響を与えにくい。また、人体に対する安全性、環境問題の観点等からも有利である。

三次元造形用組成物中における溶媒の含有率は、５質量％以上７５質量％以下であるのが好ましく、３５質量％以上７０質量％以下であるのがより好ましい。これにより、前述したような溶媒を含むことによる効果がより顕著に発揮されるとともに、三次元造形物の製造過程において溶媒を短時間で容易に除去することができるため、三次元造形物の生産性向上の観点から有利である。

特に、三次元造形用組成物が溶媒として水を含むものである場合、三次元造形用組成物中における水の含有率は、２０質量％以上７３質量％以下であるのが好ましく、５０質量％以上７０質量％以下であるのがより好ましい。これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。

≪水溶性樹脂≫
三次元造形用組成物は、複数個の粒子とともに、水溶性樹脂を含むものであってもよい。水溶性樹脂を含むことにより、粒子同士を結合（仮固定）し、粒子の不本意な飛散等を効果的に防止することができる。これにより、作業者の安全や、製造される三次元造形物の寸法精度の向上を図ることができる。また、水溶性樹脂は、粒子表面との親和性が高いため、粒子表面を容易に被覆することができる。

水溶性樹脂は、少なくともその一部が水に可溶なものであるのが好ましく、例えば、２５℃における水に対する溶解度（水１００ｇに溶解可能な質量）が５［ｇ／１００ｇ水］以上のものであるのがより好ましく、１０［ｇ／１００ｇ水］以上のものであるのがさらに好ましい。これにより、粒子表面との親和性をより高いものとすることができるとともに、未結合粒子除去工程において、未結合粒子をより容易に除去することができる。

三次元造形用組成物中において、水溶性樹脂は、少なくとも層形成工程において、液状の状態（例えば、溶解状態、溶融状態等）をなすものであるのが好ましい。これにより、容易かつ確実に、三次元造形用組成物を用いて形成される層１の厚さの均一性を、より高いものとすることができる。

水溶性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミンからなる群から選択される少なくとも１種を含むものを用いるのが好ましい。これにより、水溶性樹脂と粒子との親和性（水溶性樹脂が有する水溶性の官能基と粒子表面の水酸基またはカルボキシル基またはアミノ基との間で水素結合）を特に高いものとすることができる。

≪その他の成分≫
また、三次元造形用組成物は、前述した以外の成分を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、重合開始剤；重合促進剤；浸透促進剤；湿潤剤（保湿剤）；定着剤；防黴剤；防腐剤；酸化防止剤；紫外線吸収剤；キレート剤；ｐＨ調整剤等が挙げられる。

４．結合液
次に、結合液について詳細に説明する。

≪結合剤≫
結合液は、少なくとも結合剤を含むものである。
結合剤は、硬化することによって、粒子を結合する機能を備えた成分である。

結合剤としては、例えば、熱可塑性樹脂；熱硬化性樹脂；可視光領域の光により硬化する可視光硬化性樹脂（狭義の光硬化性樹脂）、紫外線硬化性樹脂、赤外線硬化性樹脂等の各種光硬化性樹脂；Ｘ線硬化性樹脂等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、得られる三次元造形物の機械的強度や三次元造形物の生産性等の観点から、結合剤は、硬化性樹脂が好ましい。また、各種硬化性樹脂の中でも、得られる三次元造形物の機械的強度や三次元造形物の生産性、結合液の保存安定性等の観点から、特に、紫外線硬化性樹脂（重合性化合物）が好ましい。

紫外線硬化性樹脂としては、紫外線照射により、光重合開始剤から生じるラジカル種またはカチオン種等により、付加重合または開環重合が開始され、重合体を生じるものが好ましく使用される。付加重合の重合様式として、ラジカル、カチオン、アニオン、メタセシス、配位重合が挙げられる。また、開環重合の重合様式として、カチオン、アニオン、ラジカル、メタセシス、配位重合が挙げられる。

結合液中における結合剤の含有率は、８０質量％以上であるのが好ましく、８５質量％以上であるのがより好ましい。これにより、最終的に得られる三次元造形物の機械的強度を特に優れたものとすることができる。

≪その他の成分≫
また、結合液は、前述した以外の成分を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、顔料、染料等の各種着色剤；分散剤；界面活性剤；重合開始剤；重合促進剤；溶剤；浸透促進剤；湿潤剤（保湿剤）；定着剤；防黴剤；防腐剤；酸化防止剤；紫外線吸収剤；キレート剤；ｐＨ調整剤；増粘剤；フィラー；凝集防止剤；消泡剤等が挙げられる。

特に、結合液が着色剤を含むことにより、着色剤の色に対応する色に着色された三次元造形物を得ることができる。

特に、着色剤として、顔料を含むことにより、結合液、三次元造形物の耐光性を良好なものとすることができる。顔料は、無機顔料および有機顔料のいずれも使用することができる。

結合液が顔料を含むものである場合、当該顔料の平均粒径は、３００ｎｍ以下であるのが好ましく、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であるのがより好ましい。これにより、結合液の吐出安定性や結合液中における顔料の分散安定性を特に優れたものとすることができるとともに、より優れた画質の画像を形成することができる。

結合液が着色剤を含むものである場合、当該結合液中における着色剤の含有率は、１質量％以上２０質量％以下であるのが好ましい。これにより、特に優れた隠蔽性および色再現性が得られる。

特に、結合液が着色剤として酸化チタンを含むものである場合、当該結合液中における酸化チタンの含有率は、１２質量％以上１８質量％以下であるのが好ましく、１４質量％以上１６質量％以下であるのがより好ましい。これにより、特に優れた隠蔽性が得られる。

また、結合液の粘度は、１０ｍＰａ・ｓ以上２５ｍＰａ・ｓ以下であるのが好ましく、１５ｍＰａ・ｓ以上２０ｍＰａ・ｓ以下であるのがより好ましい。これにより、インクジェット法によるインクの吐出安定性を特に優れたものとすることができる。なお、本明細書中において、粘度とは、Ｅ型粘度計（東京計器社製 ＶＩＳＣＯＮＩＣ ＥＬＤ）を用いて２５℃において測定される値をいう。

また、三次元造形物の製造には、複数種の結合液を用いてもよい。
例えば、着色剤を含む結合液（カラーインク）と、着色剤を含まない結合液（クリアインク）とを用いてもよい。これにより、例えば、三次元造形物の外観上、色調に影響を与える領域に付与する結合液として着色剤を含む結合液を用い、三次元造形物の外観上、色調に影響を与えない領域に付与する結合液として着色剤を含まない結合液を用いてもよい。また、最終的に得られる三次元造形物において、着色剤を含む結合液を用いて形成された領域の外表面に、着色剤を含まない結合液を用いた領域（コート層）を設けるように、複数種の結合液を併用してもよい。

また、例えば、異なる組成の着色剤を含む複数種の結合液を用いてもよい。これにより、これらの結合液の組み合わせにより、表現できる色再現領域を広いものとすることができる。

複数種の結合液を用いる場合、少なくとも、藍紫色（シアン）の結合液、紅紫色（マゼンタ）の結合液および黄色（イエロー）の結合液を用いるのが好ましい。これにより、これらの結合液の組み合わせにより、表現できる色再現領域をより広いものとすることができる。

また、白色（ホワイト）の結合液を、他の有色の結合液と併用することにより、例えば、以下のような効果が得られる。すなわち、最終的に得られる三次元造形物を、白色（ホワイト）の結合液が付与された第１の領域と、第１の領域と重なり合い、かつ、第１の領域よりも外表面側に設けられた白色以外の有色の結合液が付与された領域とを有するものとすることができる。これにより、白色（ホワイト）の結合液が付与された第１の領域が隠蔽性を発揮することができ、三次元造形物の彩度をより高めることができる。

５．三次元造形物
本発明の三次元造形物は、前述したような三次元造形物製造装置を用いて製造されたものである。これにより、信頼性の高い三次元造形物を提供することができる。

本発明の三次元造形物の用途は、特に限定されないが、例えば、人形、フィギュア等の鑑賞物・展示物；インプラント等の医療機器等が挙げられる。

また、本発明の三次元造形物は、プロトタイプ、量産品、オーダーメード品のいずれに適用されるものであってもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

例えば、前述した実施形態では、回収部と造形部とが別体となっている構成について説明したが、これに限定されず、回収部と造形部とは一体的に構成されていてもよい。

また、三次元造形物の製造方法においては、必要に応じて、前処理工程、後処理工程を行ってもよい。

前処理工程としては、例えば、造形ステージの清掃工程等が挙げられる。
後処理工程としては、例えば、洗浄工程、バリ取り等を行う形状調整工程、着色工程、被覆層形成工程、未硬化の紫外線硬化性樹脂を確実に硬化させるための光照射処理や加熱処理を行う紫外線硬化性樹脂硬化完了工程等が挙げられる。

また、前述した実施形態では、全ての層に対して、結合液を付与するものとして説明したが、結合液が付与されない層を有していてもよい。例えば、造形ステージの直上に形成された層に対して、結合液を付与しないものとし、犠牲層として機能させてもよい。

また、前述した実施形態では、吐出工程をインクジェット法により行う場合について中心的に説明したが、吐出工程は他の方法（例えば、他の印刷方法）を用いて行うものであってもよい。

１…層
２…未硬化部
３…崩壊防止領域
１０…造形部
１１…供給部
１２…スキージ（層形成手段）
１３…回収部
１４…吐出部
１５…紫外線照射手段
１６…加熱部
１７…吸引機構
５０…制御部
６０…コンピューター
１００…三次元造形物製造装置
１０１…枠体
１０２…昇降ステージ（昇降台）
１０３…造形ステージ
１０４…マスク
１０５…開口部
１１１…供給領域
１１２…供給手段

Claims (7)

1. 層を積層することにより、三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、
   前記三次元造形物が形成される造形部と、
   粒子を含む三次元造形用組成物を用いて前記層を形成する層形成手段と、
   前記層に、複数の前記粒子同士を結合する結合液を吐出する吐出手段と、を有し、
   前記造形部は、前記三次元造形物の大きさに応じた大きさの開口部を備えたマスクを有し、
   前記開口部内に前記層を形成することを特徴とする三次元造形物製造装置。
2. 前記マスクは、着脱可能となっている請求項１に記載の三次元造形物製造装置。
3. 前記三次元造形用組成物は、溶媒を含む請求項１または２に記載の三次元造形物製造装置。
4. 前記造形部は、前記マスクを固定する支持体と、
   前記支持体に対して昇降する昇降台と、を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の三次元造形物製造装置。
5. 前記昇降台の上面に載置され、前記層が積層される造形ステージを有し、
   前記造形ステージは、前記開口部の大きさに応じた大きさを有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の三次元造形物製造装置。
6. 前記造形ステージは、多孔質体で構成されている請求項４または５に記載の三次元造形物製造装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の三次元造形物製造装置により製造されたことを特徴とする三次元造形物。

Images