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JP2018144370A - 立体造形物を造形する方法、立体造形物を造形する装置、プログラム - Google Patents

立体造形物を造形する方法、立体造形物を造形する装置、プログラム Download PDF

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JP2018144370A JP2017042580A JP2017042580A JP2018144370A JP 2018144370 A JP2018144370 A JP 2018144370A JP 2017042580 A JP2017042580 A JP 2017042580A JP 2017042580 A JP2017042580 A JP 2017042580A JP 2018144370 A JP2018144370 A JP 2018144370A
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朴素暎
Soyoung Park
角田 慎一
Shinichi Tsunoda
慎一 角田
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Abstract

【課題】モデル材とサポート材の混合を低減し、造形速度の向上を図る。
【解決手段】造形層10を形成するとき、キャリッジ20上に、X1方向(往路)において、上流側から下流側に向かって、硬化ユニット24A、平坦化ローラ23A、モデル材用第1ヘッド21、サポート材用第2ヘッド22、平坦化ローラ23B、硬化ユニット24Bの順に配置し、往路走査で第1ヘッド21からモデル材201を造形領域に吐出させて平坦化ローラ23Aで平坦化し、復路走査で第2ヘッド22からサポート材202をサポート領域に吐出させて平坦化ローラ23Bで平坦化する。
【選択図】図5

Description

本発明は立体造形物を造形する方法、立体造形物を造形する装置、プログラムに関する。
立体造形物(三次元造形物)を造形する装置として、立体造形物を形成する造形材(モデル材)を造形領域に吐出し、造形領域以外の領域に形状支持用のサポート材を吐出して、モデル材及びサポート材を硬化させて、モデル材が硬化したモデル材造形物とサポート材が硬化したサポート造形物とを含む層状造形物(造形層)を造形し、造形層を順次積層し、サポート材造形物を除去してモデル材からなる立体造形物を造形する材料噴射造形方式(マテリアルジェット方式)のものが知られている。
従来、造形物の走査方向におけるモデル材とサポート材とが位置するラインにおいて、一方向に走査しながら、モデル材とサポート材を同時に吐出させず、いずれか一方の造形材のみを吐出、硬化させ、モデル材とサポート材の境界における造形材の混合を回避する三次元造形装置が知られている(特許文献1)。
特開2012−096429号公報
しかしながら、特許文献1に開示されているように一方向の走査でモデル材及びサポート材のいずれか一方の造形材を吐出硬化させる構成にあっては、モデル材及びサポート材を吐出硬化させるためには2往復走査が必要になるとともに、同一のローラ、同一の硬化手段で層形成を行うために、モデル材、サポート材、それぞれに最適化した条件での層形成ができないという課題がある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、造形品質を向上し、多くの種類のモデル材、サポート材の利用を可能とすることを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る立体造形物を造形する装置は、
モデル材及びサポート材を吐出して、前記モデル材及び前記サポート材を硬化させた層状造形物を形成し、前記層状造形物を順次積層して立体造形物を造形する装置であって、
前記モデル材及びサポート材を吐出する複数の吐出手段を、前記層状造形物が積層される造形ステージに対して相対的に移動可能に配置し、
前記吐出手段の移動方向において、前記モデル材を吐出する吐出手段及び前記サポート材を吐出する吐出手段を挟んで両側に、前記造形ステージ上における前記モデル材と前記サポート材の少なくとも一方の表面を平坦化する平坦化手段が配置され、
前記複数の吐出手段を前記造形ステージに対して相対的に往復移動させるとき、
往路で吐出する前記吐出手段と復路で吐出する前記吐出手段の少なくとも一部が異なり、前記異なる吐出手段からの吐出により形成された層状造形物の部位は前記平坦化手段のいずれか一方でのみ平坦化される
構成とした。
本発明によれば、造形品質を向上し、多くの種類のモデル材、サポート材の利用を可能とすることができる。
本発明に係る立体造形物を造形する装置の一例の概略平面説明図である。 同じく概略側面説明図である。 同じく造形ユニット部分の模式的説明図である。 同じく制御部のブロック説明図である。 本発明の第1実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。 本発明の第2実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。 同実施形態の作用効果の説明に供する模式的説明図である。 同じく作用効果の説明に供する模式的説明図である。 本発明の第3実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。 本発明の第4実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。 本発明の第5実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。 本発明の第6実施形態における造形ユニット部分の模式的説明図である。 本発明の第7実施形態における造形ユニット部分の説明に供する模式的説明図である。 本発明の第8実施形態の説明に供する造形ユニット部分の斜視説明図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る立体造形物を造形する装置の一例の概要について図1ないし図4を参照して説明する。図1は同装置の概略平面説明図、図2は同じく概略側面説明図、図3は同じく造形ユニット部分の模式的説明図である。
この立体造形物を造形する装置(立体造形装置という。)は、材料噴射造形装置であり、層状造形物である造形層10が積層されて立体造形物が造形される造形ステージ11を含む造形部1と、造形ステージ11上に造形層10を順次積層造形する造形ユニット2とを備えている。
造形部1は、造形ステージ11を高さ方向(Z方向)に昇降させる昇降機構部12を備えている。
造形ユニット2は、X方向(主走査方向)に往復移動可能に配置されたキャリッジ20を備えている。
キャリッジ20には、立体造形物を構成する造形材としてのモデル材201を吐出する第1ヘッド21と、最終的に除去されるサポート材202を吐出する第2ヘッド22とをX方向に並べて搭載している。
また、キャリッジ20には、第1ヘッド21及び第2ヘッド22を挟んで両側に、造形層10を平坦化する平坦化手段である平坦化ローラ23A、23Bを配置している。
そして、キャリッジ20には、平坦化ローラ23(23A、23B)の外側(第1ヘッド21及び第2ヘッド22と反対側)に、吐出されたモデル材201及びサポート材202を硬化させる活性エネルギー線、例えば紫外線を照射する硬化ユニット24(24A、24B)を配置している。
硬化ユニット24としては、紫外線(UV)照射ランプ、電子線照射源等が挙げられる。紫外線照射ランプを使用する場合、発生するオゾンを除去する機構を備えることが好ましい。紫外線照射ランプの種類としては、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ等がある。超高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くした紫外線照射ランプは、短波長領域の照射が可能である。メタルハライドランプは、波長領域が広いため着色物に有効的であり、Pb、Sn、Feなどの金属のハロゲン化物が用いられ、光重合開始剤の吸収スペクトルに合わせてハロゲン化物を選択できる。
キャリッジ20は、ガイド部材41及び42に往復移動可能に保持されている。ガイド部材41及び42は、両側の側板70、70に保持されている。そして、ベース部材7上に配置されたガイド部材71に移動可能に保持されたスライダ部72を有し、造形ユニット2全体がX方向と直交するY方向(副走査方向)に往復移動可能である。
また、X方向の一方側には、ヘッド21、22の維持回復を行うメンテナンス機構61が配置されている。
メンテナンス機構61は、主にキャップ62とワイパ63で構成される。キャップ62をヘッド21,22のノズル面(ノズルが形成された面)に密着させ、ノズルからモデル材201、サポート材202を吸引する。その後、ノズルのメニスカス形成(ノズル内は負圧状態である)のため、ノズル面をワイパ63でワイピング(払拭)する。また、メンテナンス機構61は、モデル材201、サポート材202の吐出が行われない場合に、第1ヘッド21及び第2ヘッド22のノズル面をキャップ62で覆って乾燥することを防止する。
この装置では、キャリッジ20を移動させて、造形ステージ11に向けて第1ヘッド21から造形領域(立体造形物となる領域)にモデル材201を吐出し、第2ヘッド22からサポート領域(造形領域以外の領域)にサポート材202を吐出する。
そして、硬化ユニット24によって吐出されたモデル材201、サポート材202を硬化させて、モデル材造形物201aとサポート材造形物202aで構成される1層の層状造形物である造形層10を形成する。この造形層10を順次積層して立体造形物を造形する。
この場合、1層の造形層10を形成するとき、硬化ユニット24で硬化する前に平坦化ローラ23によって余剰分を除去して平坦化する。あるいは、硬化ユニット24による硬化まで行った造形層10を複数層積層する毎に、平坦化ローラ23によって最表層の造形層10の表面を平坦化する。
次に、上記立体造形装置の制御部の概要について図4を参照して説明する。図4は同制御部のブロック図である。
制御部500は、この装置全体の制御を司るCPU501と、CPU501に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるための本発明に係るプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するROM502と、造形データ等を一時格納するRAM503とを含む主制御部500Aを備えている。
制御部500は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ(NVRAM)504を備えている。また、制御部500は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するASIC505を備えている。
制御部500は、外部の造形データ作成装置600から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのI/F506を備えている。
なお、造形データ作成装置600は、最終形態の造形物(立体造形物)を各造形層毎にスライスしたスライスデータである造形データ(断面データ)を作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。
制御部500は、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ560などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号等を取り込むためのI/O507を備えている。
制御部500は、造形ユニット2の第1ヘッド21を駆動制御するヘッド駆動制御部508と、第2ヘッド22を駆動制御するヘッド駆動制御部509を備えている。
制御部500は、造形ユニット2のキャリッジ20をX方向(主走査方向)に移動させるX方向走査機構550を構成するモータを駆動するモータ駆動部510を備えている。制御部500は、造形ユニット2全体をY方向(副走査方向)に移動させるY方向走査機構552を構成するモータを駆動するモータ駆動部511を備えている。
制御部500は、造形ステージ11をZ方向に昇降させる昇降機構部12を構成するモータを駆動するモータ駆動部512を備えている。なお、Z方向への昇降は造形ユニット2を昇降させる構成とすることもできる。
制御部500は、平坦化ローラ23を回転駆動する各モータ123を駆動するモータ駆動部516、第1ヘッド21、第2ヘッド22のメンテナンス機構61を駆動するメンテナンス駆動部518を備えている。
制御部500は、硬化ユニット24による紫外線照射(硬化)を制御する硬化制御部519を備えている。
制御部500には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル522が接続されている。
制御部500は、上述したように、造形データ作成装置600から造形データを受領する。造形データは、目的とする立体造形物の形状をスライスしたスライスデータとしての各造形層10の内のモデル材造形物201aを形成するデータ(造形領域のデータ)である。
そして、主制御部500Aは、造形データ(造形領域のデータ)にサポート材202を付与してサポート材造形物202aとするサポート領域のデータを付加したデータを作成し、ヘッド駆動制御部508、509に与える。
ヘッド駆動制御部508、509は、それぞれ、第1ヘッド21から液状のモデル材201の液滴を造形領域に吐出させ、第2ヘッド22から液状のサポート材202の液滴をサポート領域に吐出させる。
その後、主制御部500Aは、吐出されたモデル材201、サポート材202に対して硬化ユニット24によって紫外線を照射して硬化させ、モデル材造形物201aとサポート材造形物202aで構成される造形層10を形成する。
そして、前述したように、硬化前の1層毎に、或いは、複数層を造形する毎に平坦化を行いながら、造形層10を順次積層して立体造形物を造形する。
なお、造形データ作成装置600と立体造形装置によって造形装置が構成される。
次に、本発明の第1実施形態について図5を参照して説明する。図5は同実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。
造形ユニット2は、前述したように、キャリッジ20上に、第1ヘッド21及び第2ヘッド22の両側に平坦化する平坦化ローラ23A、23Bと、モデル材201、サポート材202を硬化させるための硬化ユニット24A、24Bを配置している。吐出手段である第1ヘッド21及び第2ヘッド22の移動方向はキャリッジ20の移動方向であるので、以下キャリッジ20の移動方向として説明する。
したがって、キャリッジ20のX1方向(これを往路とする)において、上流側から下流側に向かって、硬化ユニット24A、平坦化ローラ23A、モデル材用第1ヘッド21、サポート材用第2ヘッド22、平坦化ローラ23B、硬化ユニット24Bの順に配置されることになる。
本実施形態においては、図5(a)に示すように、キャリッジ20をX1方向に往路移動(往路走査)しながら、例えば、第1ヘッド21からモデル材201を造形領域に吐出させる。
そして、矢印方向に回転する平坦化ローラ23Aでモデル材201の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Aでモデル材201を硬化させ、モデル材造形物201aを形成する。
次いで、図5(b)に示すように、キャリッジ20をX2方向に復路移動(復路走査)しながら、例えば、第2ヘッド22からサポート材202をサポート領域に吐出させる。
そして、矢印方向に回転する平坦化ローラ23Bでサポート材202の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Bでサポート材202を硬化させ、サポート材造形物202aを形成する。
このキャリッジ20の往路及び復路の1往復で、図5(c)に示すように、モデル材造形物201a及びサポート材造形物202aで構成される造形層10を形成する。
このように、往路走査で吐出したモデル材201は往路で硬化させているので、復路走査でサポート材202をモデル材201との境界に吐出しても、モデル材201とサポート材202が混合することはなく造形品質の低下を抑制できる。
そして、往路走査でモデル材201を吐出し、平坦化ローラ23Aで所定の層厚に平坦化させ、復路走査でサポート材202を吐出し、平坦化ローラ23Bで所定の層厚に平坦化させるので、モデル材201、サポート材202のそれぞれに適した厚さとなる高さにそれぞれの平坦化ローラを配置することができ、モデル材201、サポート材202として多くの材料が使用可能となる。
具体的には、モデル材201やサポート材202の材料によっては、硬化時の収縮率が互いに異なるために、硬化後の造形層の厚さを揃えるために硬化前の層厚をモデル材201、サポート材202で変える必要がある。平坦化ローラが1本の構成ではこのような条件変更が困難であるため、第1ヘッド21及び第2ヘッド22の両側に平坦化ローラ23A、23Bを配置し、往路と復路で吐出するヘッドを異ならせて、異なる部位についてはそれぞれの移動方向後方に配置される平坦化ローラのみで平坦化する構成とすることで、平坦化後の層の厚みを異ならせることが可能となる。
なお、上記説明とは逆に、往路走査でサポート材202を吐出・硬化させ、復路走査でモデル材201を吐出・硬化させることもできる(以下の実施形態でも同様である)。
また、上記説明では、モデル材201とサポート材202とを往路走査と復路走査で打ち分けているが、これに限るものではなく、収縮率が異なるモデル材を複数用いる場合などにモデル材の一部を復路走査で形成してもよい。
ここで、モデル材201とサポート材202とでは、材料差によって硬化の程度に差が発生することがあるので、モデル材201を硬化させるときの硬化条件とサポート材202を硬化させるときの硬化条件とを異ならせることができる。
これにより、モデル材201、サポート材202を確実に硬化させることができ、モデル材201とサポート材202の混合を防止でき、さらに立体造形物の強度を確保することができる。
硬化条件の変更は、硬化手段(硬化ユニット24)が紫外線照射手段(紫外線照射ランプ)であるときには、硬化ユニット24の紫外線照射ランプの出力を調整したり、硬化ユニット24と造形ステージ11との距離を調整したりして行うことができる。
また、硬化条件の変更は、硬化ユニット24がUV照射ランプである場合、モデル材201を硬化させるUVランプと、サポート材202を硬化させるUVランプとで紫外線波長を異ならせて行うこともできる。
また、キャリッジ20の往路走査時と復路走査時の走査速度とを異ならせることができる。
これにより、モデル材201、サポート材202のそれぞれの硬化条件に合わせて硬化を行うことができ、確実に硬化させることができて、モデル材201とサポート材202の混合を防止でき、さらに立体造形物の強度を確保することができる。
次に、本発明の第2実施形態について図6を参照して説明する。図6は同実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。
造形ユニット2は、キャリッジ20のX1方向(往路)において、上流側から下流側に向かって、硬化ユニット24A、平坦化ローラ23A、サポート材用第2ヘッド22、モデル材用第1ヘッド21、平坦化ローラ23B、硬化ユニット24Bの順になるように配置している。
本実施形態においては、図6(a)に示すように、キャリッジ20をX1方向に往路走査しながら、キャリッジ20の移動方向上流側の平坦化ローラ23Aから第2ヘッド22よりも離れた第1ヘッド21からモデル材201を造形領域に吐出させる。
そして、平坦化ローラ23Aでモデル材201の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Aでモデル材201を硬化させ、モデル材造形物201aを形成する。
次いで、図6(b)に示すように、キャリッジ20をX2方向に往路移動しながら、キャリッジ20の移動方向上流側の平坦化ローラ23Bから第1ヘッド21よりも離れた第2ヘッド22からサポート材202をサポート領域に吐出させる。
そして、平坦化ローラ23Bでサポート材202の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Bでサポート材202を硬化させ、サポート材造形物202aを形成する。
このキャリッジ20の往路及び復路の1往復で、図6(c)に示すように、モデル材造形物201a及びサポート材造形物202aで構成される造形層10を形成する。
このように、吐出するヘッド21、22のそれぞれと離れている方の平坦化ローラ23で余剰分を掻き取るようにしている。
本実施形態の作用効果について図7及び図8も参照して説明する。図7及び図8は同作用効果の説明に供する模式的説明図である。
ヘッド21、22から吐出するモデル材201、サポート材202の粘度が高い場合、造形ステージ11或いは下層の造形層10に着弾したモデル材201の液滴或いはサポート材202の液滴が合一化する(なじむ)のに時間がかかる。
そこで、吐出するヘッド21、22と平坦化ローラ23の距離を離すことで、1層毎に平坦化を行う場合、着弾したモデル材201、サポート材202の液滴が合一化するまでの時間を確保できる。
例えば、図6(a)に示すように、第1ヘッド21とキャリッジ20の移動方向上流側の平坦化ローラ23Aとの距離をaとする。
ここで、距離aが短いときには、図7(a)に示すように、造形ステージ11上に吐出されたモデル材201の液滴がなじむ(合一化する)前に平坦化ローラ23Aが液滴上に到達する。そのため、図7(b)に示すように、平坦化ローラ23Aで平坦化を行っても液滴間に隙間205が残ることがある。
これに対して、距離aが長いときには、図8(a)に示すように、造形ステージ11上に吐出されたモデル材201の液滴がなじんだ後に平坦化ローラ23Aが液滴上に到達する。したがって、図8(b)に示すように、平坦化ローラ23Aで平坦化を行うことで、表面性状が平坦になる。
このように、着弾したモデル材201、サポート材202が合一化した後に平坦化を行うことで、造形層10の層表面性状と層密度が向上し、立体造形物全体の密度と表面性状の向上を図れる。また、第2実施形態のように配置することで、キャリッジ2を大きくすることなく、合一化の時間を確保することが可能となる。
次に、本発明の第3実施形態について図9を参照して説明する。図9は同実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。
造形ユニット2は、第1ヘッド21及び第2ヘッド22の両側に、硬化ユニット24を配置し、硬化ユニット24の外側に平坦化ローラ23を配置している。
したがって、キャリッジ20のX1方向(往路)において、上流側から下流側に向かって、平坦化ローラ23A、硬化ユニット24A、モデル材用第1ヘッド21、サポート材用第2ヘッド22、硬化ユニット24B、平坦化ローラ23Bの順に配置されることになる。
本実施形態においては、図9(a)に示すように、キャリッジ20をX1方向に往路走査しながら、第1ヘッド21からモデル材201を造形領域に吐出させる。
そして、硬化ユニット24Aでモデル材201を硬化させる。このとき、硬化ユニット24Aによる硬化は半硬化状態までとしている。この半硬化状態にあるモデル材201を平坦化ローラ23Aで平坦化する。
次いで、図9(b)に示すように、キャリッジ20をX2方向に復路走査しながら、第2ヘッド22からサポート材202をサポート領域に吐出させる。
そして、硬化ユニット24Bでサポート材202を硬化させる。このとき、硬化ユニット24Bによる硬化は半硬化状態までとしている。この半硬化状態にあるサポート材202を平坦化ローラ23Bで平坦化する。
この復路走査において、図9(c)に示すように、硬化ユニット24Bによって往路走査で形成した半硬化状態のモデル材201aを本硬化(完全硬化)状態にすることができる。また、同様に、半硬化状態のサポート材202aは次の層の造形の際の往路走査において硬化ユニット24Aによって本硬化(完全硬化)状態にすることができる。
なお、往路、復路両方で硬化ユニット24A、24Bをともに照射させ、往路と復路の硬化ユニット24Aからの照射でモデル材201aを硬化、復路と次の層の往路の硬化ユニット24Bからの照射でサポート材202aを硬化する構成としてもよい。この構成であれば、モデル材201とサポート材202が異なる硬化波長領域の材料であっても、硬化ユニット24Aと硬化ユニット24Bとを別の種類のランプとすることで利用可能となる。
つまり、吐出するモデル材201、サポート材202の粘度が低い場合、着弾面に着弾直後からXY方向に液滴が広がり、Z方向の高さ(積層ピッチ)を確保できなくなる。そこで、着弾したモデル材201、サポート材202を早期に硬化させることで、XY方向への広がりを抑制し、Z方向の高さを確保する。これにより、造形品質が向上する。
次に、本発明の第4実施形態について図10を参照して説明する。図10は同実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。
本実施形態における第1ヘッド21、第2ヘッド22、平坦化ローラ23、硬化ユニット24の配置は前記第1実施形態と同様である。そして、本実施形態では、平坦化ローラ23は高さ方向に移動可能としている。
本実施形態においては、図10(a)に示すように、キャリッジ20を往路走査しながら、例えば、第1ヘッド21からモデル材201を造形領域に吐出させる。そして、平坦化ローラ23Aでモデル材201の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Aでモデル材201を硬化させ、モデル材造形物201aを形成する。
次いで、図10(b)に示すように、キャリッジ20を復路走査しながら、第2ヘッド22からサポート材202をサポート領域に吐出させる。そして、平坦化ローラ23Bでサポート材202の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Bでサポート材202を硬化させ、サポート材造形物202aを形成する。この復路走査において、キャリッジ20の移動方向下流側(移動方向前方側)の平坦化ローラ23Aは上昇して退避位置にする。
このようにしてキャリッジ20の往路及び復路の1往復で、図10(c)に示すように、モデル材造形物201a及びサポート材造形物202aで構成される造形層10を形成する。
なお、ここでは、図10(a)の往路走査で平坦化ローラ23Bを退避させていないのは、1層目の例で示しているためであり、2層目以降の造形層10の形成においては、往路走査でキャリッジ20の移動方向下流側(移動方向前方側)の平坦化ローラ23Bは上昇して退避位置にする。
これにより、造形済のモデル材造形物201a、サポート材造形物202aに平坦化ローラが接触して押圧することによる表面性状の変化を抑制でき、立体造形物の精度や密度を向上することができる。
次に、本発明の第5実施形態について図11を参照して説明する。図11は同実施形態における造形動作の説明に供する造形ユニット部分の模式的説明図である。
本実施形態でも、前記第4実施形態と同様に、第1ヘッド21、第2ヘッド22、平坦化ローラ23、硬化ユニット24の配置は前記第1実施形態と同様とし、平坦化ローラ23は高さ方向に移動可能としている。
本実施形態においては、図11(a)に示すように、モデル材201が硬化するときの高さ方向(造形層10の厚み方向)の収縮率に応じて平坦化ローラ23Aの高さを設定し、キャリッジ20を往路走査しながら、例えば、第1ヘッド21からモデル材201を造形領域に吐出させる。
そして、平坦化ローラ23Aでモデル材201の表面を平坦化させ、硬化ユニット24Aでモデル材201を硬化させ、モデル材造形物201aを形成する。
次いで、サポート材202が硬化するときの高さ方向(造形層10の厚み方向)の収縮率に応じて平坦化ローラ23Bの高さを設定し、図11(b)に示すように、キャリッジ20を復路走査しながら、第2ヘッド22からサポート材202をサポート領域に吐出させる。
ここで、この例では、サポート材202の硬化による収縮率がモデル材201の硬化による収縮率より大きいので、平坦化ローラ23Bで平坦化するときよりも、平坦化ローラ23Bを上昇させる。
そして、上昇させた位置で平坦化ローラ23Bによってサポート材202の表面を平坦化する。したがって、図11(c)に示すように、平坦化後のサポート材202の厚みは、モデル材造形物201aの厚みよりも厚くなる。
この状態で、硬化ユニット24Bによってサポート材202を硬化させ、サポート材造形物202aを形成することで、図11(d)に示すように、サポート材202はモデル材201の厚みと同じになる。
このようにして、キャリッジ20の往路及び復路の1往復で、図11(d)に示すように、モデル材造形物201a及びサポート材造形物202aで構成される造形層10を形成する。
なお、本実施形態でも、前記第4実施形態と同様に、キャリッジ20の移動方向下流側(移動方向前方側)の平坦化ローラ23A又は23Bは上昇して退避位置にすることが好ましい。
これにより、硬化ユニット24による硬化工程終了後、積層ピッチをそろえることができるので、高さ違いによるモデル材201とサポート材202の混合を防止することができ、さらに立体造形物の密度を向上ができる。
次に、本発明の第6実施形態について図12を参照して説明する。図12は同実施形態における造形ユニット部分の模式的説明図である。
本実施形態では、キャリッジ20上において、平坦化ローラ23A、23Bをキャリッジ20の移動方向(X方向)に沿って移動可能とする。なお、キャリッジ20上において、平坦化ローラ23A、23Bに代えて第1ヘッド21及び第2ヘッド22をキャリッジ20の移動方向(X方向)に沿って移動可能とすることもできる。
そして、モデル材201を吐出する第1ヘッド21と平坦化ローラ23Bとの距離をbと、サポート材202を吐出する第2ヘッド22と平坦化ローラ23Bとの距離をcとする。
ここで、モデル材201とサポート材202の間において、モデル材201の粘度が高い場合はb>cとなるよう平坦化ローラ23を配置し、モデル材201の粘度が低い場合はc>bとなるように平坦化ローラ23を配置する。
吐出するモデル材201の粘度が高い場合、距離bが短いと、前述した図7で説明したように着弾した滴が隣りに着弾された滴となじむ(合一化する)前に平坦化ローラ23Aで掻き取ることになり、立体造形物の密度が低下するおそれがある。
一方、モデル材201の粘度が低い場合は、距離bが長いと、着弾面に着弾直後から液滴がXY方向に広がり、Z方向の高さ(積層ピッチ)を確保することができない。
そこで、モデル材201とサポート材202の粘度に合わせて距離b、距離cを設定することで、立体造形物の精度と密度を向上させることができ、造形品質を向上することができる。
次に、本発明の第7実施形態について図13を参照して説明する。図13は同実施形態における造形ユニット部分の説明に供する模式的説明図である。
本実施形態では、モデル材201を吐出する第1ヘッド21と平坦化ローラ23Bとの距離をbとし、硬化ユニット24A(による硬化開始位置)と平坦化ローラ23Bとの距離をeとするとき、e<b、の関係に設定している。なお、第2ヘッド22、平坦化ローラ23B、硬化ユニット24Bの位置関係についても同様である。
つまり、平坦化手段と硬化手段の間隔を、ヘッドと平坦化手段との間隔よりも短くしている。
これにより、平坦化手段で平坦化した後、素早く硬化ユニットで硬化させることができ、モデル材、サポート材のXY方向への広がりを低減でき、立体造形物の精度や密度を向上することができる。
次に、本発明の第8実施形態について図14を参照して説明する。図14は同実施形態の説明に供する造形ユニット部分の斜視説明図である。
本実施形態では、第1ヘッド21と第2ヘッド22とを、キャリッジ20の移動方向(X方向)と直交する方向に並べて配置している。
このように構成すれば、往路走査及び復路走査のいずれにおいても、モデル材及びサポート材のいずれも吐出することができるので、造形速度を向上することができる。また、吐出時において、モデル材を吐出する第1ヘッドとサポート材を吐出する第2ヘッドが同じ領域に吐出しないので、境界面でのモデル材とサポート材の混合を防止することができる。
なお、上述した各実施形態にける造形動作の制御は、ROM502に格納保持した立体造形動作を制御するプログラムをCPU501が実行することで実施される。プログラム自体はダウンロードされるものであってもよい。
また、上記実施形態ではモデル材の吐出手段と、サポート材の吐出手段とが別のヘッド構成である例で説明しているが、同じヘッドの異なるノズル列がそれぞれモデル材の吐出手段、サポート材の吐出手段を構成するようにしてもよい。また、モデル材として、例えばブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色のモデル材を異なるヘッドあるいはノズル列から吐出する構成とすることもできる。
また、往路と復路で異なる吐出手段から吐出するとは、例えば、A,B、C、Dの吐出手段を有する場合、往路でA、Bから吐出し、復路でB,C、Dから吐出するというように、一部の吐出手段が往路及び復路の両方で吐出する構成も含まれる。
次に、サポート材について説明する。なお、液状のサポート材を形状支持用液体、硬化後のサポート材を硬化物とも称している。
サポート材(形状支持用液体)は、水素結合能を有するモノマー(A)と、水素結合能を有する溶媒(B)と、重合開始剤(C)と、を含み、前記水素結合能を有する溶媒(B)が、炭素数3以上6以下のジオール、カルボン酸化合物、アミン化合物、エステル化合物、ケトン化合物、及びウレア化合物から選択される少なくとも1種であり、更に必要に応じてその他の成分を含む。
サポート材は、サポート材の溶解性を高めると、除去は容易になる一方でサポート性能が不足し、また、造形装置を大型化して造形体積を大きくする場合、形状支持能力が不足するという問題がある。
サポート材は、水崩壊性を有することが好ましい。なお、前記水崩壊性とは、水に浸漬したときに、硬化物が細かく分解され、当初有していた形状や性質を維持できなくなることを意味する。
サポート材は、次の条件1を満たすことが好ましい。
<条件1>
紫外線照射装置により紫外線を500mJ/cm照射して得た、縦20mm×横20mm×高さ5mmの硬化物を、20mLの水に入れ、25℃にて1時間静置すると、少なくとも一方向が1mm以下の大きさの固体であるか、完全に溶解している。
なお、前記縦20mm×横20mm×高さ5mmの硬化物としては、以下のようにして作製することができる。
縦20mm×横20mm×高さ5mmのシリコーンゴム型に形状支持用液体を流し込み、紫外線照射装置(装置名:SubZero−LED、インテグレーション・テクノロジー株式会社製)により、紫外線を照射量500mJ/cm(照度:100mW/cm、照射時間:5秒間)にて照射して縦20mm×横20mm×高さ5mmの硬化物であるサポート材(2g)を得ることができる。
また、サポート材は、次の条件2を満たすことが好ましい。
<条件2>
紫外線照射装置により紫外線を500mJ/cm照射して得た硬化物が、25℃環境下にて1%圧縮時の圧縮応力が、2.0kPa以上の固体であり、前記固体2gを20mLの水に入れ、25℃にて1時間静置したときの残存固体の体積が50体積%以下である。なお、残存固体の体積は、アルキメデス法により測定することができる。
紫外線照射装置により紫外線を500mJ/cm照射して得た硬化物が、前記各条件を満たすことにより、形状支持用サポート材の機能を向上することができる。
また、紫外線照射装置により紫外線を500mJ/cm照射して得た硬化物の、25℃環境下における1%圧縮時の圧縮応力としては、0.5kPa以上であることが好ましい。前記1%圧縮時の圧縮応力が、0.5kPa以上であると、形状支持用サポート材の機能を向上することができる。
なお、前記1%圧縮時の圧縮応力としては、形状を支持するモデル材の大きさ等にも影響され、前記モデル材の大きさが大きい場合は、形状支持の点から、2.0kPa以上が好ましい。
また、前記1%圧縮時の圧縮応力は、万能試験機(装置名:AG−I、株式会社島津製作所製、ロードセル1kN、1kN用圧縮ジグ)を用いて測定することができる。
前記紫外線照射装置としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、装置名:AG−I(株式会社島津製作所製)を用いて測定することができる。
前記照射量500mJ/cmにおいては、照度が100mW/cm、照射時間が5秒間であることが好ましい。
<水素結合能を有するモノマー(A)>
前記水素結合能を有するモノマー(A)は、水素結合能を有すれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、単官能モノマー、多官能モノマーなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、硬化物の水崩壊性を向上する点から、単官能モノマーが好ましい。
前記水素結合能を有するモノマー(A)としては、例えば、アミド基、アミノ基、水酸基、テトラメチルアンモニウム基、シラノール基、エポキシ基、スルホ基等を有するモノマーなどが挙げられる。
前記水素結合能を有するモノマー(A)の重合反応としては、例えば、ラジカル重合、イオン重合、配位重合、開環重合などが挙げられる。これらの中でも、重合反応の制御の点から、ラジカル重合が好ましい。そのため、前記水素結合能を有するモノマー(A)としては、エチレン性不飽和モノマーが好ましく、水溶性単官能エチレン性不飽和モノマー、水溶性多官能エチレン性不飽和モノマーがより好ましく、硬化物の水崩壊性を向上する点から、水溶性単官能エチレン性不飽和モノマーが特に好ましい。
<<水素結合能を有する水溶性単官能エチレン性不飽和モノマー>>
前記水素結合能を有する水溶性単官能エチレン性不飽和モノマーとしては、例えば、単官能ビニルアミド基含有モノマー[N−ビニル−ε−カプロラクタム、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルピロリドン等];単官能水酸基含有(メタ)アクリレート[ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート等];水酸基含有(メタ)アクリレート[ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、モノアルコキシ(C1〜4)ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、モノアルコキシ(C1〜4)ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、PEG−PPGブロックポリマーのモノ(メタ)アクリレート等];(メタ)アクリルアミド誘導体[(メタ)アクリルアミド、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−エチル(メタ)アクリルアミド、N−プロピル(メタ)アクリルアミド、N−ブチル(メタ)アクリルアミド、N,N’−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシブチル(メタ)アクリルアミド等]、(メタ)アクリロイルモルホリンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、光反応性の点から、(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド誘導体が好ましく、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、アクリルアミド、アクリロイルモルホリン、N−メチルアクリルアミド、N−エチルアクリルアミド、N−プロピルアクリルアミド、N−ブチルアクリルアミド、N,N’−ジメチルアクリルアミド、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド、N−ヒドロキシプロピルアクリルアミド、N−ヒドロキシブチルアクリルアミド、ジエチルアクリルアミドがより好ましく、人体への皮膚低刺激性の点から、アクリロイルモルホリン(分子量:141.17)、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド(分子量:115.15)が特に好ましい。
<<水素結合能を有する水溶性多官能エチレン性不飽和モノマー>>
前記水素結合能を有する水溶性多官能エチレン性不飽和モノマーとしては、例えば、二官能基のモノマーとして、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジ(メタ)アクリレート(MANDA)、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート(HPNDA)、1,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート(BGDA)、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート(BUDA)、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート(HDDA)、1,9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート(DEGDA)、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート(NPGDA)、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート(TPGDA)、カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化オペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール200ジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール400ジ(メタ)アクリレート;三官能以上のモノマーとして、トリアリルイソシアネート、トリス(2ーヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記水素結合能を有するモノマー(A)の分子量としては、70以上2,000以下が好ましく、100以上500以下がより好ましい。前記分子量が、70以上2,000以下であると、液体吐出方式に最適な粘度に調整することができる。
前記水素結合能を有するモノマー(A)の含有量としては、形状支持用液体全量に対して、30質量%以上60質量%以下が好ましい。前記含有量が、30質量%以上60質量%以下であると、形状支持用サポート材として十分な圧縮応力と、水崩壊性とを両立することができる。
<水素結合能を有する溶媒(B)>
前記水素結合能を有する溶媒(B)は、水素結合能を有するモノマー(A)と水素結合能を有し、水素結合能を有するモノマー(A)と水素結合を形成することにより、形状支持用サポート材の機能を発揮することができる。
前記水素結合能を有する溶媒(B)は、炭素数3以上6以下のジオール、カルボン酸化合物、アミン化合物、エステル化合物、ケトン化合物、及びウレア化合物から選択される少なくとも1種である。これらの中でも、炭素数3以上6以下のジオールが好ましい。
<<炭素数3以上6以下のジオール>>
前記炭素数3以上6以下のジオールとしては、水溶性アクリルモノマーと反応性がないこと、光硬化時のラジカル重合反応を阻害しないこと、常温にて流動性があり、水に可溶な材料であることが好ましい。
また、前記炭素数3以上6以下のジオールとしては、単官能性、多官能性のいずれも使用することができる。
前記炭素数3以上6以下のジオールとしては、例えば、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオールなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオールが好ましい。
前記炭素数としては、3以上6以下であり、3以上5以下が好ましい。前記炭素数が、3以上であると、1%圧縮時の圧縮応力を向上でき、6以下であると、形状支持用液体の粘度を低くすることができる。
なお、前記炭素数3以上6以下のジオールの炭素鎖としては、直鎖でもよく、枝分かれしていてもよい。
<<カルボン酸化合物>>
前記カルボン酸化合物としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキシル酸等の直鎖脂肪族酸;イソブチル酸、t−ブチル酸、イソペンチル酸、イソオクチル酸、2−エチルヘキシル酸等の各種分岐型脂肪族カルボン酸;安息香酸、ベンゼンスルホン酸等の芳香族系カルボン酸;グリコール酸、乳酸等のヒドロキシカルボン酸などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、水への溶解性の点から、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、乳酸が好ましく、ブタン酸、乳酸がより好ましい。
<<アミン化合物>>
前記アミン化合物としては、例えば、モノアルキルアミン、ジアルキルアミン、トリアルキルアミン等の1〜3級アミン;エチレンジアミン等の2価アミン;トリエチレンジアミン等の3価アミン;ピリジン、アニリン等の脂肪族系アミンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、水素結合による架橋強度、及び水への溶解性の点から、2価又は3価の1級アミンが好ましく、エチレンジアミンがより好ましい。
<<エステル化合物>>
前記エステル化合物としては、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸エチル等の単官能エステル;コハク酸ジメチル、アジピン酸ジメチル等の多官能脂肪族エステル;テレフテル酸ジメチル等の多官能芳香族エステルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、水への溶解度、造形中の蒸発や臭気、及び安全性の点から、アジピン酸ジメチルが好ましい。
<<ケトン化合物>>
前記ケトン化合物としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン等の単官能ケトン、アセチルアセトン、2,4,6−ヘプタトリオン等の多官能ケトンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、揮発性や水への溶解度の点から、アセチルアセトンが好ましい。
前記水素結合能を有する溶媒(B)の含有量としては、形状支持用液体全量に対して、10質量%以上50質量%以下が好ましい。前記含有量が、10質量%以上50質量%以下であると、形状支持用サポート材として十分な圧縮応力と、水崩壊性とを両立することができる。
[質量比(A/B)]
前記(A)の含有量(質量%)と、前記(B)の含有量(質量%)との質量比(A/B)が、0.3以上2.5以下が好ましく、0.5以上2.5以下がより好ましい。前記質量比(A/B)が、0.3以上2.5以下であると、1%圧縮時の圧縮応力を向上できる。
<重合開始剤(C)>
前記重合開始剤(C)としては、光(特に、波長220nm〜400nmの紫外線)の照射によりラジカルを生成する任意の物質を用いることができる。
前記重合開始剤(C)としては、例えば、アセトフェノン、2、2−ジエトキシアセトフェノン、p−ジメチルアミノアセトフェノン、ベンゾフェノン、2−クロロベンゾフェノン、p,p’−ジクロロベンゾフェノン、p,p−ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾイン−n−プロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾイン−n−ブチルエーテル、ベンジルメチルケタール、チオキサントン、2−クロロチオキサントン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−1−オン、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、メチルベンゾイルフォーメート、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルペルオキシド、ジ−tert−ブチルペルオキシドなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、紫外線照射装置の紫外線波長に合わせた重合開始剤を選択することが好ましい。
前記重合開始剤(C)の含有量としては、液状のサポート材(形状支持用液体)全量に対して、0.5質量%以上10質量%以下が好ましい。
−紫外線照射装置−
前記紫外線(UV)照射装置としては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。
前記高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くしたDeepUVタイプは、短波長領域の照射が可能である。
前記メタルハライドは、波長領域が広いため着色物に有効であり、Pb、Sn、Feなどの金属のハロゲン化物が用いられ、重合開始剤の吸収スペクトルに合わせて選択できる。硬化用いられるランプとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、FusionSystem社製のHランプ、Dランプ、又はVランプ等のような市販されているものも使用することができる。
前記液状のサポート材(形状支持用液体)の表面張力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、20mN/m以上45mN/m以下が好ましく、25mN/m以上34mN/m以下がより好ましい。前記表面張力が、20mN/m以上であると、造形の際に吐出が不安定(吐出方向が曲がる、吐出しない)になることを防止でき、45mN/m以下であると、造形用の吐出ノズル等に液体を充填する際に、容易に充填することができる。
なお、前記表面張力は、例えば、表面張力計(自動接触角計DM−701、協和界面科学株式会社製)などを用いて測定することができる。
−粘度−
前記液状のサポート材(形状支持用液体)の粘度としては、25℃にて100mPa・s以下であり、25℃にて、3mPa・s以上70mPa・s以下が好ましく、6mPa・s以上50mPa・s以下がより好ましい。前記粘度が、100mPa・s以下であると、吐出安定性を向上できる。
なお、前記粘度は、例えば、回転粘度計(VISCOMATE VM−150III、東機産業株式会社製)を用いて25℃の環境下にて測定することができる。
−粘度変化率−
前記液状のサポート材(形状支持用液体)としては、50℃にて2週間放置した前後の粘度変化率が±20%以下であることが好ましく、±10%以下がより好ましい。前記粘度変化率が、±20%以下であると、保存安定性が適正であり、吐出安定性が良好となる。
前記50℃にて2週間放置した前後の粘度変化率としては、以下のようにして測定することができる。
前記形状支持用液体をポリプロピレン製広口瓶(50mL)に入れて、50℃の恒温槽中に2週間放置した後、恒温槽から取り出して室温(25℃)になるまで放置して、粘度測定を行う。恒温槽に入れる前の形状支持用液体の粘度を保存前粘度、恒温槽から取り出した後の形状支持用液体の粘度を保存後粘度とし、下記式により粘度変化率を算出することができる。なお、前記保存前粘度及び前記保存後粘度は、例えば、R型粘度計(東機産業株式会社製)を用いて、25℃で測定することができる。
粘度変化率(%)=[(保存後粘度)−(保存前粘度)]/(保存前粘度)×100
<その他の成分>
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、溶媒、重合禁止剤、形状支持用液体に分散可能な鉱物、前記(A)成分とは別に重合性モノマー、熱重合開始剤、着色剤、酸化防止剤、連鎖移動剤、老化防止剤、架橋促進剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、分散剤などが挙げられる。
−溶媒−
前記溶媒としては、例えば、アルコール、エーテル化合物、トリオール、トリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記溶媒のSP値としては、水崩壊性の点から、18MPa1/2以上が好ましく、23MPa1/2以上がより好ましい。
前記溶媒の含有量としては、50質量%以下が好ましく、30質量%以下がより好ましい。
−−重合禁止剤−−
前記重合禁止剤としては、例えば、フェノール化合物[ヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、2,2−メチレン−ビス−(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)、1,1,3−トリス−(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−t−ブチルフェニル)ブタン等]、硫黄化合物[ジラウリルチオジプロピオネート等]、リン化合物[トリフェニルフォスファイト等]、アミン化合物[フェノチアジン等]などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記重合禁止剤の含有量としては、形状支持用液体全量に対して、圧縮応力の点から、通常30質量%以下が好ましく、20質量%以下が好ましい。
−−形状支持用液体に分散可能な鉱物−−
前記形状支持用液体に分散可能な鉱物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、層状粘土鉱物などが挙げられる。
前記層状粘土鉱物としては、例えば、モンモリロナイト、バイデライト、ヘクトライト、サポナイト、ノントロナイト、スチーブンサイト等のスメクタイト;バーミキュライト;ベントナイト;カネマイト、ケニアナイト、マカナイト等の層状ケイ酸ナトリウムなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記層状粘土鉱物としては、天然の鉱物として産するものであってもよいし、化学合成法によって製造されたものであってもよい。
前記層状粘土鉱物としては、表面を有機処理してもよい。
前記層状粘土鉱物等の層状無機物は、有機カチオン性化合物により処理されて、層間の陽イオンが4級塩等のカチオン性基とイオン交換され得る。
前記層状粘土鉱物の陽イオンとしては、例えば、ナトリウムイオン、カルシウムイオン等の金属カチオンなどが挙げられる。
有機カチオン性化合物により処理された層状粘土鉱物は、上記ポリマーや上記重合性モノマーに膨潤、分散しやすくなる。
前記有機カチオン性化合物により処理された層状粘土鉱物としては、例えば、ルーセンタイトシリーズ(コープケミカル株式会社製)などが挙げられる。前記ルーセンタイトシリーズ(コープケミカル株式会社製)としては、例えば、ルーセンタイトSPN、ルーセンタイトSAN、ルーセンタイトSEN、ルーセンタイトSTNなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
−−重合性モノマー−−
前記重合性モノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、(メタ)アクリレートなどが挙げられる。
前記(メタ)アクリレートとしては、例えば、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート(EHA)、イソボルニル(メタ)アクリレート、3−メトキシブチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、2−フェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、カプロラクトン(メタ)アクリレート、エトキシ化ノニルフェノール(メタ)アクリレートなどを挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
−−熱重合開始剤−−
前記熱重合開始剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アゾ系開始剤、過酸化物開始剤、過硫酸塩開始剤、レドックス(酸化還元)開始剤などが挙げられる。ただし、保存安定性の点から熱熱重合開始剤より光重合開始剤が好ましい。
前記アゾ系開始剤としては、例えば、VA−044、VA−46B、V−50、VA−057、VA−061、VA−067、VA−086、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(VAZO 33)、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩(VAZO 50)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)(VAZO 52)、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)(VAZO64)、2,2’−アゾビス−2−メチルブチロニトリル(VAZO 67)、1,1−アゾビス(1−シクロヘキサンカルボニトリル)(VAZO 88)(いずれもDuPont Chemical社から入手可能)、2,2’−アゾビス(2−シクロプロピルプロピオニトリル)、2,2’−アゾビス(メチルイソブチレ−ト)(V−601)(和光純薬工業株式会社より入手可能)などが挙げられる。
前記過酸化物開始剤としては、例えば、過酸化ベンゾイル、過酸化アセチル、過酸化ラウロイル、過酸化デカノイル、ジセチルパーオキシジカーボネート、ジ(4−t−ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート(Perkadox 16S)(Akzo Nobel社から入手可能)、ジ(2−エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート、t−ブチルパーオキシピバレート(Lupersol 11)(Elf Atochem社から入手可能)、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(Trigonox 21−C50)(Akzo Nobel社から入手可能)、過酸化ジクミルなどが挙げられる。
前記過硫酸塩開始剤としては、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウムなどが挙げられる。
前記レドックス(酸化還元)開始剤としては、例えば、前記過硫酸塩開始剤とメタ亜硫酸水素ナトリウム及び亜硫酸水素ナトリウムのような還元剤との組み合わせ、前記有機過酸化物と第3級アミンに基づく系(例えば、過酸化ベンゾイルとジメチルアニリンに基づく系)、有機ヒドロパーオキシドと遷移金属に基づく系(例えば、クメンヒドロパーオキシドとコバルトナフテートに基づく系)などが挙げられる。
−−着色剤−−
前記着色剤としては、例えば、顔料、染料などが挙げられる、
前記顔料としては、例えば、有機顔料、無機顔料などが挙げられる。
前記有機顔料としては、例えば、アゾ顔料、多環式顔料、アジン顔料、昼光蛍光顔料、ニトロソ顔料、ニトロ顔料、天然顔料などが挙げられる。
前記無機顔料としては、例えば、金属酸化物(酸化鉄、酸化クロム、酸化チタン等)、カーボンブラックなどが挙げられる。
−−酸化防止剤−−
前記酸化防止剤としては、例えば、フェノール化合物〔単環フェノール(2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール等)、ビスフェノール[2,2’−メチレンビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)等]、多環フェノール[1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン等]等〕、硫黄化合物(ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート等)、リン化合物(トリフェニルホスファイト等)、アミン化合物(オクチル化ジフェニルアミン等)などが挙げられる。
−−連鎖移動剤−−
前記連鎖移動剤としては、例えば、炭化水素[炭素数6以上24以下の化合物、例えば、芳香族炭化水素(トルエン、キシレン等)、不飽和脂肪族炭化水素(1−ブテン、1−ノネン等)];ハロゲン化炭化水素(炭素数1以上24以下の化合物、例えば、ジクロロメタン、四塩化炭素等);アルコール(炭素数1以上24以下の化合物、例えば、メタノール、1−ブタノール等);チオール(炭素数1以上24以下の化合物、例えば、エチルチオール、1−オクチルチオール等);ケトン(炭素数3以上24以下の化合物、例えば、アセトン、メチルエチルケトン等);アルデヒド(炭素数2以上18以下の化合物、例えば、2−メチル−2−プロピルアルデヒド、1−ペンチルアルデヒド);フェノール(炭素数6以上36以下の化合物、例えば、フェノール、m−クレゾール、p−クレゾール、o−クレゾール等);キノン(炭素数6以上24以下の化合物、例えば、ヒドロキノン等);アミン(炭素数3以上24以下の化合物、例えば、ジエチルメチルアミン、ジフェニルアミン);ジスルフィド(炭素数2以上24以下の化合物、例えば、ジエチルジスルフィド、ジ−1−オクチルジスルフィド等)などが挙げられる。
[サポート材の硬化後の支持力]
液状のサポート材(形状支持用液体)の硬化後の支持力(単に「サポート材の支持力」という。)としては、サポート材がモデル材を支える性能であり、1%圧縮時の圧縮応力で表すことができる。
前記サポート材の支持力としては、光造形品の造形精度、サポート材の溶解性の点から、25℃環境下で1%圧縮時の圧縮応力が0.5kPa以上が好ましく、2kPa以上がより好ましい。
前記サポート材の支持力としては、サポート材を構成する(A)、(B)の成分について、それらの種類および含有量を選択することにより、上記範囲に調整することができる。なお、1%圧縮時の圧縮応力は、万能試験機(株式会社島津製作所製、AG−I)を用いて測定することができる。
サポート材の支持力としては、前記(A)成分が重合したポリマーに対して、前記(B)成分が水素結合することにより高い支持力を担保していると考えられる。
[サポート材の除去性]
前述のとおり、サポート材の支持力は、水素結合に由来する。前記サポート材の支持力は、水に浸漬させることにより弱まり、崩壊して除去することが可能になる。また、前記(B)が低分子量であると、拡散が早く、短い時間にて除去することが可能となる。
−−溶解液−−
前記溶解液は、例えば、水素結合能を有するものが挙げられる。
前記溶解液としては、例えば、水、アルコールであるブタノールやヘキサノール、アミンであるヘキシルアミンやペンチルアミン、芳香族化合物であるベンゼンやトルエンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、安全性の点から、水、アルコールが好ましい。
また、前記溶解液に添加物を加えてもよい。
前記添加物としては、例えば、界面活性剤などが挙げられる。前記界面活性剤の種類や量を調整することにより直鎖アルキル鎖に対する親和性を上げることができる。
前記溶解液は、サポート材を軟化させ、内部に浸透しやすくする点から、40℃以上が好ましいが、立体造形物の反りを予防する点から、40℃より低い温度を選択することもできる。
前記立体造形物の製造装置としては、ヒーターレスであることが好ましく、常温にて造形可能であることが好ましい。
(実施例)
以下、実施例を示してサポート材について具体的に説明するが、本発明で使用できるサポート材はこれらの実施例により限定されるものではない。
なお、粘度は、以下のように測定した。
<粘度>
前記粘度は、回転粘度計(VISCOMATE VM−150III、東機産業株式会社製)を用いて25℃の環境下にて測定した。
(実施例1)
アクリロイルモルホリン(KJケミカルズ株式会社製)50.0質量部、1,3−プロパンジオール(東京化成工業株式会社製)50.0質量部、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(商品名:イルガキュア184、BASF株式会社製)3.0質量部、及びフェノチアジン(東京化成工業株式会社製)0.1質量部を添加し、撹拌混合して実施例1の形状支持用液体(液状のサポート材)を得た。
(実施例2〜15)
実施例1において、組成を下記表1〜3に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜15の形状支持用液体を得た。
次に、得られた各形状支持用液体を用いて、以下のようにして、「硬化物(サポート材)」を形成し、サポート材の除去性(水崩壊性)、及びサポート材の支持力(1%圧縮時の圧縮応力)を評価した。結果を下記表1〜3に示す。
[硬化物(サポート材)の作製]
縦20mm×横20mm×高さ5mmのシリコーンゴム型に形状支持用液体を流し込み、紫外線照射装置(装置名:SubZero−LED、インテグレーション・テクノロジー株式会社製)により、紫外線を照射量500mJ/cm2(照度:100mW/cm2、照射時間:5秒間)にて照射して縦20mm×横20mm×高さ5mmの硬化物であるサポート材(2g)を得た。
(サポート材の除去性(水崩壊性))
得られた縦20mm×横20mm×高さ5mmのサポート材を25℃の温水20gに入れ、1時間静置した。その後、シリコーンゴム型を取り出し、目視により、サポート材を観察し、下記評価基準に基づいて、「サポート材の除去性(水崩壊性)」を評価した。なお、残存固体の体積は、アルキメデス法により測定した。
−評価基準−
○:サポート材が30体積%未満である
△:サポート材が30体積%以上50体積%以下である
×:サポート材が50体積%超残存している
(サポート材の支持力(1%圧縮時の圧縮応力))
得られた縦20mm×横20mm×高さ5mmのサポート材を25℃環境下において、万能試験機(装置名:AG−I、株式会社島津製作所製)、ロードセル1kN、1kN用圧縮ジグを設け、縦20mm×横20mm×高さ5mmの形状に造形したサポート材を設置し、ロードセルにかかる圧縮に対する応力をコンピュータに記録して、変位量に対する応力をプロットし、1%圧縮時の圧縮応力を測定した。前記1%圧縮時の圧縮応力が、0.3以上が実施可能レベルである。
Figure 2018144370
Figure 2018144370
Figure 2018144370
1 造形部
2 造形ユニット
10 造形層(層状造形物)
11 造形ステージ
20 キャリッジ
21 第1ヘッド
22 第2ヘッド
23A,23B 平坦化ローラ(平坦化手段)
24A、24B 硬化ユニット(硬化手段)
500 制御部

Claims (14)

  1. モデル材及びサポート材を吐出して、前記モデル材及び前記サポート材を硬化させた層状造形物を形成し、前記層状造形物を順次積層して立体造形物を造形する装置であって、
    前記モデル材及びサポート材を吐出する複数の吐出手段を、前記層状造形物が積層される造形ステージに対して相対的に移動可能に配置し、
    前記吐出手段の移動方向において、前記モデル材を吐出する吐出手段及び前記サポート材を吐出する吐出手段を挟んで両側に、前記造形ステージ上における前記モデル材と前記サポート材の少なくとも一方の表面を平坦化する平坦化手段が配置され、
    前記複数の吐出手段を前記造形ステージに対して相対的に往復移動させるとき、
    往路で吐出する前記吐出手段と復路で吐出する前記吐出手段の少なくとも一部が異なり、前記異なる吐出手段からの吐出により形成された層状造形物の部位は前記平坦化手段のいずれか一方でのみ平坦化される
    ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。
  2. 往路では前記モデル材を吐出する吐出手段及び前記サポート材を吐出する吐出手段のいずれか一方が吐出し、復路では往路で吐出していない前記吐出手段が吐出する
    ことを特徴とする請求項1に記載の立体造形物を造形する装置。
  3. 前記平坦化手段は高さ方向に移動可能であり、
    前記キャリッジの復路で平坦化を行わない前記平坦化手段は前記モデル材及びサポート材に接触しない位置に移動する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  4. 前記モデル材を硬化させる手段と、前記サポート材を硬化させる手段とを備え、
    前記モデル材を硬化させる手段と前記サポート材を硬化させる手段とは硬化条件が異なる
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。
  5. 前記硬化手段は、紫外線照射手段であり、
    前記モデル材を硬化させる手段と前記サポート材を硬化させる手段とは紫外線波長が異なる
    ことを特徴とする請求項4に記載の立体造形物を造形する装置。
  6. 前記吐出手段は、往路と復路の移動速度が異なる
    ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。
  7. 前記モデル材の表面を平坦化する平坦化手段と、前記サポート材の表面を平坦化する平坦化手段とを有し、
    前記平坦化手段は高さ方向に移動可能であり、
    前記平坦化手段は、前記モデル材又は前記サポート材の硬化時の厚み方向の収縮率に合わせた高さに移動される
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  8. 前記モデル材の表面を平坦化する平坦化手段と、前記サポート材の表面を平坦化する平坦化手段とを有し、
    前記モデル材を平坦化する平坦化手段と前記モデル材を吐出する吐出手段の吐出面との距離をb、前記サポート材を平坦化する平坦化手段と前記サポート材を吐出する吐出手段の吐出面との距離をcとするとき、
    前記モデル材の粘度が前記サポート材の粘度よりも高い材料を用いる場合にはb>c、
    前記モデル材の粘度が前記サポート材の粘度よりも低い材料を用いる場合にはc>bに設定されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  9. 前記モデル材の表面を平坦化する平坦化手段と、前記サポート材の表面を平坦化する平坦化手段とを有し、
    前記平坦化手段の外側に、前記モデル材を硬化する手段と、前記サポート材を硬化する手段とが配置され、
    前記吐出手段の移動方向において、前記平坦化手段と前記硬化手段との距離は、前記平坦化手段と当該平坦化手段に最も近い前記平坦化手段との距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  10. 前記モデル材を吐出する吐出手段と前記サポート材を吐出する吐出手段とは、前記吐出手段の移動方向と直交する方向に位置を異ならせて配置されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  11. 前記平坦化手段による平坦化は、前記モデル材及び前記サポート材を吐出する毎に、又は、前記層状造形物を複数層積層する毎に行う
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  12. 前記キャリッジの移動で前記モデル材及び前記サポート材の少なくともいずれかを吐出させるとき、前記キャリッジの移動方向前方の前記平坦化手段から遠い側の前記吐出手段から吐出させる
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形物を造形する装置。
  13. モデル材及びサポート材を吐出して、前記モデル材及び前記サポート材を硬化させた層状造形物を形成し、前記層状造形物を順次積層して立体造形物を造形する方法であって、
    前記モデル材及びサポート材を吐出する複数の吐出手段を、前記層状造形物が積層される造形ステージに対して相対的に往復移動させ、
    前記吐出手段の移動方向において、前記モデル材を吐出する吐出手段及び前記サポート材を吐出する吐出手段を挟んで両側に配置された平坦化手段で、前記造形ステージ上における前記モデル材と前記サポート材の少なくとも一方の表面を平坦化するとき、
    往路で吐出する前記吐出手段と復路で吐出する前記吐出手段の少なくとも一部が異なり、前記異なる吐出手段からの吐出により形成された層状造形物の部位は前記平坦化手段のいずれか一方でのみ平坦化する
    ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。
  14. モデル材及びサポート材を吐出して、前記モデル材及び前記サポート材を硬化させた層状造形物を形成し、前記層状造形物を順次積層して立体造形物を造形する制御をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
    前記モデル材及びサポート材を吐出する複数の吐出手段を、前記層状造形物が積層される造形ステージに対して相対的に往復移動させ、
    前記吐出手段の移動方向において、前記モデル材を吐出する吐出手段及び前記サポート材を吐出する吐出手段を挟んで両側に配置された平坦化手段で、前記造形ステージ上における前記モデル材と前記サポート材の少なくとも一方の表面を平坦化するとき、
    往路で吐出する前記吐出手段と復路で吐出する前記吐出手段の少なくとも一部が異なり、前記異なる吐出手段からの吐出により形成された層状造形物の部位は前記平坦化手段のいずれか一方でのみ平坦化する制御をコンピュータに行わせることを特徴とするプログラム。
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