JPWO2017163834A1 - Powder material and manufacturing method of three-dimensional structure - Google Patents
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Abstract
本発明は、予備加熱時に粒子が凝集し難く、さらに少ないレーザエネルギー量で十分に被覆粒子を焼結可能な粉末材料や立体造形方法を提供することを課題とする。上記課題を解決するため、被覆粒子を含む粉末材料の薄層の形成、前記薄層の予備加熱、および前記薄層への選択的なレーザ光照射を繰返し、前記被覆粒子どうしが溶融結合した造形物層を複数層積層して立体造形物を製造する方法に使用される粉末材料について、前記被覆粒子が、コア樹脂と、前記コア樹脂を被覆するシェル樹脂とを含むものとする。このとき、前記コア樹脂のSP値および前記シェル樹脂のSP値の差の絶対値を、2.5(J/cm3)1/2〜7.0(J/cm3)1/2とし、前記シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)を、前記コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)より高いものとする。It is an object of the present invention to provide a powder material and a three-dimensional modeling method that are difficult to agglomerate during preheating and that can sufficiently sinter coated particles with a small amount of laser energy. In order to solve the above problems, formation of a thin layer of a powder material containing coated particles, preheating of the thin layer, and selective laser light irradiation on the thin layer are repeated, and the coated particles are melt bonded. About the powder material used for the method of manufacturing a three-dimensional molded item by laminating | stacking a plurality of physical layers, the said covering particle shall contain core resin and shell resin which coat | covers the said core resin. At this time, the absolute value of the difference between the SP value of the core resin and the SP value of the shell resin is set to 2.5 (J / cm 3) 1/2 to 7.0 (J / cm 3) 1/2, and the shell The temperature TS (65) at which the storage elastic modulus G ′ of the resin becomes 106.5 Pa is higher than the temperature TC (65) at which the storage elastic modulus G ′ of the core resin becomes 106.5 Pa.
Description
本発明は、粉末材料、および立体造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a powder material and a method for manufacturing a three-dimensional structure.
近年、複雑な形状の立体造形物を比較的容易に製造できる様々な方法が開発されており、このような手法を利用したラピッドプロトタイピングやラピッドマニュファクチュアリングが注目されている。立体造形物の作製方法の一つとして、粉末床溶融結合法が知られている。粉末床溶融結合法では、樹脂材料または金属材料からなる粒子を含む粉末材料を平らに敷き詰めて薄層を形成する。そして、当該薄層の所望の位置にレーザ光を照射して、隣り合う被覆粒子を選択的に焼結または溶融結合(以下、単に「溶融結合」とも称する)させる。つまり、立体造形物を厚さ方向に微分割した層(以下、単に「造形物層」とも称する)を形成する。こうして形成された造形物層上に、さらに粉末材料を敷き詰め、レーザ光照射を繰り返すことで、所望の形状の立体造形物を製造する。 In recent years, various methods capable of relatively easily manufacturing a three-dimensional object having a complicated shape have been developed, and rapid prototyping and rapid manufacturing using such a method have attracted attention. As one method for producing a three-dimensional structure, a powder bed fusion bonding method is known. In the powder bed fusion bonding method, a thin layer is formed by laying flat a powder material including particles made of a resin material or a metal material. Then, a desired position of the thin layer is irradiated with a laser beam to selectively sinter or melt bond the adjacent coated particles (hereinafter also simply referred to as “melt bonding”). That is, a layer (hereinafter, also simply referred to as “modeled object layer”) obtained by finely dividing the three-dimensional modeled object in the thickness direction is formed. A three-dimensionally shaped object having a desired shape is manufactured by further spreading a powder material on the shaped object layer thus formed and repeating laser light irradiation.
粉末床溶融結合法は、造形精度が高く、積層された造形物層間の接着強度が高いことから、高い強度を有する立体造形物が得られやすいとの利点がある。ただし、現状、粉末床溶融結合法に用いられる樹脂種は、ポリスチレンやポリアミド11、ポリアミド12等に留まっており、より多用な樹脂を用いて、立体造形物を形成することが求められている。 The powder bed fusion bonding method has an advantage that a three-dimensional molded article having high strength is easily obtained because of high modeling accuracy and high adhesion strength between the layered molded article layers. However, at present, resin types used in the powder bed fusion bonding method are limited to polystyrene, polyamide 11, polyamide 12, and the like, and it is required to form a three-dimensional model using more versatile resins.
ここで、粉末床溶融結合法では、使用するレーザエネルギー量を低減すること等を目的として、レーザ光照射前に、粉末材料からなる薄層を予備加熱することがある。予備加熱を行うことで、得られる立体造形物の反りも抑制されやすくなる。一方で、粒子の種類によっては、予備加熱時に粒子が凝集してしまうことがあり、予備加熱温度を十分に高めることが難しい。したがって、粒子を十分に溶融結合させるためには、未だ多くのレーザエネルギーが必要であり、生産性の向上や用途拡大の観点から、レーザエネルギー量をさらに低減することが求められている。 Here, in the powder bed fusion bonding method, a thin layer made of a powder material may be preheated before laser beam irradiation for the purpose of reducing the amount of laser energy used. By performing preliminary heating, warping of the three-dimensional structure to be obtained is easily suppressed. On the other hand, depending on the type of particles, the particles may aggregate during preheating, and it is difficult to sufficiently increase the preheating temperature. Therefore, in order to sufficiently melt and bond the particles, a large amount of laser energy is still necessary, and further reduction in the amount of laser energy is required from the viewpoint of improving productivity and expanding applications.
上記粉末床溶融結合方式に用いられる粒子を、コアシェル型の被覆粒子とする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。当該技術では、シェルにコア粒子より低い温度で焼結可能、もしくはガラス形成可能な細粒材料を含めることで、粒子間の溶融結合力を増強している。 A technique has been proposed in which the particles used in the powder bed fusion bonding method are core-shell type coated particles (see, for example, Patent Document 1). In this technology, the melt bonding force between particles is enhanced by including a fine-grained material that can be sintered or glass-formed at a temperature lower than the core particles in the shell.
一方、電子写真の分野においても、樹脂等からなる粒子(トナー)が用いられており、種々の粒子が開発されている。このようなトナーには、低エネルギー量、つまり低い温度で基材上に融着可能であること(低温融着性)や、保存時にこれらが融着しないこと(保存安定性)等が求められている。このような電子写真用のトナーは、溶融混練粉砕法等で形成されることが一般的であったが、粒子に多用な機能を付与するため、例えば懸濁重合法や乳化凝集法など、化学的手法により製造されることも多くなってきている。 On the other hand, in the field of electrophotography, particles (toner) made of resin or the like are used, and various particles have been developed. Such toners are required to be capable of being fused onto a substrate at a low energy amount, that is, at a low temperature (low-temperature fusibility), and not to be fused during storage (storage stability). ing. Such toner for electrophotography is generally formed by a melt-kneading pulverization method or the like. However, in order to impart various functions to the particles, for example, a chemical polymerization method such as a suspension polymerization method or an emulsion aggregation method is used. In many cases, it is also manufactured by a conventional method.
特許文献2や特許文献3には、ポリエステル樹脂等からなる粒子表面を、オキサゾリン化合物で架橋させ、粒子表面を改質した被覆粒子(電子写真用トナー)が記載されている。当該被覆粒子では、粒子表面を架橋させることで、保存安定性を高めている。 Patent Documents 2 and 3 describe coated particles (electrophotographic toner) in which particle surfaces made of a polyester resin or the like are crosslinked with an oxazoline compound to modify the particle surfaces. In the coated particles, the storage stability is enhanced by crosslinking the particle surface.
また、特許文献4には、ポリエステル樹脂からなるコアと、非晶質ポリエステル樹脂からなるシェルとを有するコアシェル型の被覆粒子(電子写真用トナー)が提案されている。当該技術では、コア樹脂およびシェル樹脂のSPに差を設けることで、当該被覆粒子の低温定着性と保存安定性を高めている。 Patent Document 4 proposes core-shell type coated particles (electrophotographic toner) having a core made of a polyester resin and a shell made of an amorphous polyester resin. In this technique, the difference in SP between the core resin and the shell resin is provided to enhance the low-temperature fixability and storage stability of the coated particles.
前述のように、粉末床溶融結合方式に用いられる粉末材料には、予備加熱時に粒子が凝集しない一方で、少ないレーザエネルギー量で粒子どうしが十分に溶融結合することが求められている。 As described above, the powder material used in the powder bed fusion bonding method is required to sufficiently melt and bond particles with a small amount of laser energy while the particles do not aggregate during preheating.
特許文献1に記載の粉末床溶融結合方式用の被覆粒子では、得られる立体造形物の強度は高いものの、シェル樹脂に含まれる細粒材料が予備加熱時に溶融しやすく、予備加熱時における被覆粒子の凝集を抑制できるものではなかった。 In the coated particles for the powder bed fusion bonding method described in Patent Document 1, although the strength of the three-dimensional structure to be obtained is high, the fine particle material contained in the shell resin is easily melted at the time of preheating, and the coated particles at the time of preheating It was not possible to suppress the aggregation.
一方、例えば特許文献2〜4等に示されている、低エネルギー量で融着可能な電子写真用トナーを、粉末床溶融結合方式に採用することを想定すると、電子写真用トナーに要求される耐熱性と、粉末床溶融結合方式の予備加熱時に要求される耐熱性とでは、耐熱性の度合いが大きく異なる。例えば特許文献2や特許文献3に記載の被覆粒子は、ガラス転移温度が低いため、これらの被覆粒子を粉末床溶融結合方式に採用し、予備加熱を行うと、粒子が凝集してしまうことが容易に予想される。また、特許文献4に記載の電子写真用トナーについても同様に、耐熱性が十分ではなく、粉末焼結造形方式に採用し、予備加熱を行うと、粒子が凝集してしまう恐れがある。つまり、従来の電子写真用のトナーを、予備加熱を行う粉末床溶融結合方式に転用することは難しい。 On the other hand, when it is assumed that an electrophotographic toner that can be fused with a low energy amount as shown in Patent Documents 2 to 4 is adopted for the powder bed fusion bonding method, it is required for the electrophotographic toner. The degree of heat resistance differs greatly between the heat resistance and the heat resistance required during preheating in the powder bed fusion bonding method. For example, since the coated particles described in Patent Document 2 and Patent Document 3 have a low glass transition temperature, if these coated particles are employed in a powder bed melt bonding method and preheated, the particles may aggregate. Easily expected. Similarly, the electrophotographic toner described in Patent Document 4 is not sufficient in heat resistance, and if it is employed in a powder sintering molding method and preheated, particles may aggregate. That is, it is difficult to divert a conventional toner for electrophotography to a powder bed fusion bonding method in which preheating is performed.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、予備加熱時に粒子が凝集し難く、さらに少ないレーザエネルギー量で十分に被覆粒子を焼結可能な粉末材料や立体造形方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a powder material and a three-dimensional modeling method in which particles are less likely to aggregate during preheating and can sufficiently sinter coated particles with a small amount of laser energy.
本発明の第1は、以下の粉末材料にある。
[1]被覆粒子を含む粉末材料の薄層の形成、前記薄層の予備加熱、および前記薄層への選択的なレーザ光照射を繰返し、前記被覆粒子どうしが溶融結合した造形物層を複数層積層して立体造形物を製造する方法に使用される粉末材料であって、前記被覆粒子は、コア樹脂と、前記コア樹脂を被覆するシェル樹脂とを含み、前記コア樹脂のSP値および前記シェル樹脂のSP値の差の絶対値が、2.5(J/cm3)1/2〜7.0(J/cm3)1/2であり、前記シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)は、前記コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)より高い、粉末材料。The first of the present invention is the following powder material.
[1] The formation of a thin layer of a powder material containing coated particles, preheating of the thin layer, and selective laser light irradiation to the thin layer are repeated, and a plurality of shaped product layers in which the coated particles are melt-bonded are formed. A powder material used in a method for producing a three-dimensional structure by layering, wherein the coated particles include a core resin and a shell resin that coats the core resin, and the SP value of the core resin and the The absolute value of the difference in SP value of the shell resin is 2.5 (J / cm 3 ) 1/2 to 7.0 (J / cm 3 ) 1/2 , and the storage elastic modulus G ′ of the shell resin is 10 6.5 becomes Pa temperature TS (65) has a storage modulus G of the core resin 'is higher than the temperature TC (65) to become 10 6.5 Pa, the powder material.
[2]前記シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)と、前記コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)との差が、5℃以上75℃以下である、[1]に記載の粉末材料。
[3]前記被覆粒子において、前記コア樹脂を被覆する前記シェル樹脂を含む層の膜厚が、10〜500nmである、[1]または[2]に記載の粉末材料。
[4]前記被覆粒子の円形度が0.95以上である、[1]〜[3]のいずれかに記載の粉末材料。'And it is 10 6.5 Pa Temperature TS (65), the storage modulus G of the core resin' [2] The storage elastic modulus of the shell resin G temperature is 10 6.5 Pa TC and (65) The powder material according to [1], wherein the difference is 5 ° C. or higher and 75 ° C. or lower.
[3] The powder material according to [1] or [2], wherein in the coated particles, the thickness of the layer containing the shell resin that covers the core resin is 10 to 500 nm.
[4] The powder material according to any one of [1] to [3], wherein the coated particles have a circularity of 0.95 or more.
本発明の第2は、以下の立体造形物の製造方法にある。
[5]前記[1]〜[4]のいずれかに記載の粉末材料からなる薄層を形成する薄層形成工程と、前記薄層を予備加熱する予備加熱工程と、前記予備加熱された薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記被覆粒子どうしが溶融結合した造形物層を形成するレーザ光照射工程と、を含み、前記薄層形成工程、前記予備加熱工程、および前記レーザ光照射工程をこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層することで立体造形物を形成する、立体造形物の製造方法。
[6]前記予備加熱温度が、前記被覆粒子の前記コア樹脂の貯蔵弾性率G’cが106Pa以下、かつ前記シェル樹脂の貯蔵弾性率G’sが108Pa以上となる温度である、[5]に記載の立体造形物の製造方法。2nd of this invention exists in the manufacturing method of the following three-dimensional molded item.
[5] A thin layer forming step of forming a thin layer made of the powder material according to any one of [1] to [4], a preheating step of preheating the thin layer, and the preheated thin layer A laser beam irradiation step of selectively irradiating a layer with a laser beam to form a shaped article layer in which the coated particles are melt-bonded to each other, the thin layer forming step, the preliminary heating step, and the laser beam The manufacturing method of a three-dimensional molded item which repeats an irradiation process in this order several times and forms a three-dimensional molded item by laminating | stacking the said molded article layer.
[6] The preheating temperature is a temperature at which the storage elastic modulus G′c of the core resin of the coated particles is 10 6 Pa or less and the storage elastic modulus G ′s of the shell resin is 10 8 Pa or more. The manufacturing method of the three-dimensional molded item as described in [5].
本発明によれば、予備加熱時に被覆粒子が凝集し難く、少ないレーザエネルギー量で十分に被覆粒子を焼結可能な方法や粉末材料を提供できる。 According to the present invention, it is difficult to agglomerate the coated particles at the time of preheating, and it is possible to provide a method and powder material capable of sufficiently sintering the coated particles with a small amount of laser energy.
前述の課題を解決すべく、本発明者らは粉末床溶融結合法用の粉末材料について鋭意検討および実験を行った。その結果、本発明者らは、粉末床溶融結合法用の被覆粒子として、コア樹脂およびこれを被覆するシェル樹脂を有し、シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)が、前記コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)より高い被覆粒子を採用することで、低いレーザエネルギー量で被覆粒子どうしを溶融結合できることを見出した。また、上記関係を満たす被覆粒子において、コア樹脂のSP値およびシェル樹脂のSP値の差の絶対値が特定の範囲内にある被覆粒子を含む粉末材料とすることで、コア樹脂およびシェル樹脂の組み合わせに関わらず、立体造形物の強度が低下したり、予備加熱時に粒子が凝集したりすることが防止され、高い強度を有する立体成形物が得られることをさらに見出し、本発明に至った。In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies and experiments on powder materials for powder bed fusion bonding. As a result, the present inventors have a core resin and a shell resin that coats the core resin as the coated particles for the powder bed fusion bonding method, and the storage elastic modulus G ′ of the shell resin is 10 6.5 Pa. TS (65) is capable of melting and bonding the coated particles with a low laser energy amount by adopting coated particles higher than the temperature TC (65) at which the storage elastic modulus G ′ of the core resin becomes 10 6.5 Pa. I found. Further, in the coated particles satisfying the above relationship, by making the powder material containing coated particles in which the absolute value of the difference between the SP value of the core resin and the SP value of the shell resin is within a specific range, Regardless of the combination, it was further found that the strength of the three-dimensional modeled product was reduced and the particles were prevented from agglomerating during preheating, and a three-dimensional molded product having high strength was obtained, and the present invention was achieved.
予備加熱温度において比較的低い貯蔵弾性率を有するコア樹脂と、予備加熱温度において比較的高い貯蔵弾性率を有するシェル樹脂とを含むコアシェル型の被覆粒子を粉末床溶融結合法に用いると、予備加熱によってコア樹脂のみが適度に軟化もしくは溶融する。その一方で、シェル樹脂は適度な剛性を保つことができるため、予備加熱時に被覆粒子どうしが結着し難く、さらに被覆粒子の変形が生じ難くなる。一方で、レーザ光を照射すると、シェル樹脂が軟化、溶解、もしくは消失し、被覆粒子どうしが溶融結合する。このとき、コア樹脂が既に軟化もしくは溶融しているため、レーザ光照射によって、コア樹脂全てを軟化もしくは溶融させる必要がない。つまり、比較的少ないレーザエネルギー量にて、被覆粒子どうしを結着させることが可能となる。 When core-shell type coated particles comprising a core resin having a relatively low storage modulus at a preheating temperature and a shell resin having a relatively high storage modulus at a preheating temperature are used in the powder bed melt bonding method, As a result, only the core resin is moderately softened or melted. On the other hand, since the shell resin can maintain an appropriate rigidity, it is difficult for the coated particles to bind to each other at the time of preheating, and deformation of the coated particles hardly occurs. On the other hand, when the laser beam is irradiated, the shell resin softens, dissolves, or disappears, and the coated particles are melt-bonded. At this time, since the core resin has already been softened or melted, it is not necessary to soften or melt all the core resin by laser light irradiation. That is, it is possible to bind the coated particles with a relatively small amount of laser energy.
ただし、予備加熱温度において、十分に高い貯蔵弾性率を有するシェル樹脂を選択しても、予備加熱時に被覆粒子が変形したり、シェル樹脂からなる層が消失する等して、粒子どうしが凝集してしまうことがある。その理由として、コア樹脂とシェル樹脂とが過度に相溶しやすいことが考えられる。コア樹脂およびシェル樹脂の相溶性が過剰であると、予備加熱によってコア樹脂が軟化もしくは溶融した際、当該コア樹脂中に、シェル樹脂が溶け込んでしまう。そのため、シェル樹脂からなる層が薄くなったり、シェル樹脂からなる層が消失し、予備加熱時に粒子が凝集すると考えられる。 However, even if a shell resin having a sufficiently high storage elastic modulus is selected at the preheating temperature, the particles are aggregated due to deformation of the coated particles during the preheating or disappearance of the layer made of the shell resin. May end up. The reason is considered that the core resin and the shell resin are easily compatible with each other. When the compatibility of the core resin and the shell resin is excessive, when the core resin is softened or melted by preheating, the shell resin is dissolved in the core resin. Therefore, it is considered that the layer made of the shell resin becomes thin or the layer made of the shell resin disappears and the particles are aggregated during the preheating.
一方で、コアシェル型の被覆粒子を含む粉末材料を用いて立体造形物を形成した場合、立体造形物の強度が十分に高まらないこともあった。その理由として、コア樹脂とシェル樹脂との相溶性が過度に低いことが考えられる。コア樹脂およびシェル樹脂の相溶性が過度に低いと、レーザ光照射後、軟化もしくは溶融したシェル樹脂とコア樹脂とが分離しやすい。そのため、得られる立体造形物に、シェル樹脂由来の領域とコア樹脂由来の領域が形成され、立体造形物の強度が低下すると考えられる。 On the other hand, when a three-dimensional model is formed using a powder material containing core-shell type coated particles, the strength of the three-dimensional model may not be sufficiently increased. The reason may be that the compatibility between the core resin and the shell resin is excessively low. If the compatibility between the core resin and the shell resin is excessively low, the softened or melted shell resin and the core resin are likely to be separated after the laser light irradiation. Therefore, it is thought that the area | region derived from shell resin and the area | region derived from core resin are formed in the obtained three-dimensional molded item, and the intensity | strength of a three-dimensional molded item falls.
これに対し、本実施形態の粉末材料が含む被覆粒子では、コア樹脂のSP値とシェル樹脂のSP値との差の絶対値(以下、「ΔSP」とも称する)を、後述のように所定の範囲とする。本実施形態では、ΔSPが適度に大きいことから、予備加熱時、軟化したコア樹脂にシェル樹脂が溶解し難い。したがって、本実施形態によれば、被覆粒子を凝集させることなく、予備加熱を行うことができる。そして、予備加熱を十分に行うことができるため、少ないレーザエネルギー量でも、被覆粒子どうしを十分に溶融結合させることができる。一方で、ΔSPが大き過ぎないため、レーザ光照射後、コア樹脂およびシェル樹脂が適度に相溶し、これらが分離し難い。したがって、本実施形態によれば、粉末材料から得られる立体造形物の強度が十分に高くなる、との利点もある。 On the other hand, in the coated particles included in the powder material of the present embodiment, the absolute value of the difference between the SP value of the core resin and the SP value of the shell resin (hereinafter also referred to as “ΔSP”) is determined as described below. Range. In this embodiment, since ΔSP is reasonably large, the shell resin is difficult to dissolve in the softened core resin during preheating. Therefore, according to this embodiment, preliminary heating can be performed without agglomerating the coated particles. Since the preliminary heating can be sufficiently performed, the coated particles can be sufficiently melt-bonded even with a small amount of laser energy. On the other hand, since ΔSP is not too large, the core resin and the shell resin are compatible with each other after the laser light irradiation, and are difficult to separate. Therefore, according to this embodiment, there also exists an advantage that the intensity | strength of the three-dimensional molded item obtained from a powder material becomes high enough.
なお、上記特許文献1には、粉末床溶融結合法用のコアシェル型の粒子が示されているものの、当該粒子では、予備加熱時の粒子の凝集を抑制することが難しく、少ないレーザエネルギー量で被覆粒子どうしを十分に溶融結合させることは難しいと考えられる。一方、上記特許文献2〜4は、電子写真用トナーに関するものであり、電子写真の作製時には、予備加熱が行われない。したがって、特許文献2〜4の技術では、上述したような予備加熱に起因する問題について十分配慮がなされておらず、耐熱性の観点等から、これらに記載の電子写真用トナーを粉末床溶融結合法用の被覆粒子とすることは困難である。 In addition, although the said patent document 1 shows the core-shell type particle | grains for powder bed fusion bonding methods, with the said particle | grain, it is difficult to suppress aggregation of the particle | grains at the time of a preheating, and it is with a small laser energy amount. It is considered difficult to melt-bond the coated particles sufficiently. On the other hand, the above Patent Documents 2 to 4 relate to toner for electrophotography, and preheating is not performed at the time of preparation of electrophotography. Therefore, in the techniques of Patent Documents 2 to 4, sufficient consideration is not given to the problems caused by the preheating as described above, and from the viewpoint of heat resistance, the electrophotographic toners described therein are powder bed melt bonded. It is difficult to obtain coated particles for the method.
以下、本実施形態の粉末材料について説明し、その後、当該粉末材料を用いた立体造形物の製造方法について説明する。 Hereinafter, the powder material of the present embodiment will be described, and then a method for manufacturing a three-dimensional structure using the powder material will be described.
1.粉末材料
本実施形態の粉末材料は、粉末床溶融結合法による立体造形物の製造に用いられる。より具体的には、被覆粒子を含む粉末材料の薄層の予備加熱、および前記薄層への選択的なレーザ光照射を繰返し、前記被覆粒子どうしが溶融結合した造形物層を複数層積層して立体造形物を製造する方法に使用される。1. Powder material The powder material of this embodiment is used for manufacturing a three-dimensional structure by a powder bed fusion bonding method. More specifically, repeated preheating of the thin layer of the powder material containing the coated particles and selective laser light irradiation to the thin layer are performed to laminate a plurality of layers of the modeled object in which the coated particles are melt-bonded. And used in a method of manufacturing a three-dimensional model.
粉末材料は、被覆粒子を少なくとも含んでいればよく、被覆粒子のみからなるものであってもよい。一方で、粉末材料は、レーザ光照射による溶融結合を妨げない範囲において、レーザ吸収剤およびフローエージェントを含む被覆粒子以外の材料をさらに含んでもよい。 The powder material only needs to contain at least coated particles, and may be composed only of coated particles. On the other hand, the powder material may further include a material other than the coated particles including the laser absorber and the flow agent as long as the melt bonding by laser light irradiation is not hindered.
1−1.被覆粒子
被覆粒子は、コア樹脂、およびこれをシェル樹脂が被覆する構造(以下、当該構造を「コアシェル構造」とも称する)を有する。本明細書において、コアシェル構造とは、コア樹脂から基本的に構成されるコア粒子の表面のうち、シェル樹脂によって被覆されている部分の面積の割合が90%以上であることを意味する。実用上は、多数の被覆粒子の断面を透過電子顕微鏡(TEM)で撮像し、任意に選択した10個の被覆粒子について、コア粒子の表面積に対する、シェル樹脂の被覆面積の割合を算出する。そして、それらの平均値が90%以上であれば、それらの被覆粒子がコアシェル構造を有するものとみなす。1-1. Coated Particle The coated particle has a core resin and a structure in which this is coated with a shell resin (hereinafter, this structure is also referred to as “core-shell structure”). In this specification, the core-shell structure means that the ratio of the area of the portion covered with the shell resin in the surface of the core particles basically composed of the core resin is 90% or more. In practice, the cross section of a large number of coated particles is imaged with a transmission electron microscope (TEM), and the ratio of the coated area of the shell resin to the surface area of the core particles is calculated for 10 arbitrarily selected coated particles. And if those average values are 90% or more, it will be considered that those coated particles have a core-shell structure.
コアシェル構造を有する被覆粒子は、その一態様を示す模式的な断面図である図1Aに示すように、シート状のシェル樹脂102がコア粒子101を被覆した被覆粒子100としてもよい。また、別の一態様を示す模式的な断面図である図1Bに示すように、粒子状のシェル樹脂102がコア粒子101を被覆した被覆粒子100としてもよい。
The coated particles having a core-shell structure may be coated
当該被覆粒子は、後述する立体造形物の製造方法における予備加熱温度において、コア樹脂の貯蔵弾性率G’cが、当該温度におけるシェル樹脂の貯蔵弾性率G’sより低くなることが好ましい。コア樹脂およびシェル樹脂の貯蔵弾性率(G’cおよびG’s)がこのような関係にあると、予備加熱によって、コア樹脂を優先的に軟化させることが可能となる。予備加熱温度において、コア樹脂およびシェル樹脂の貯蔵弾性率(G’cおよびG’s)が上記関係を満たすかは、シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)と、コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)とから、ある程度推測することができ、本実施形態では、TS(65)がTC(65)より高いものとする。The coated particles preferably have a storage elastic modulus G′c of the core resin lower than a storage elastic modulus G ′s of the shell resin at the preheating temperature in the manufacturing method of the three-dimensional structure to be described later. When the storage elastic moduli (G′c and G ′s) of the core resin and the shell resin are in such a relationship, the core resin can be preferentially softened by preheating. Whether the storage elastic modulus (G′c and G ′s) of the core resin and the shell resin satisfies the above relationship at the preheating temperature depends on the temperature TS ( the storage elastic modulus G ′ of the shell resin becomes 10 6.5 Pa ). 65) and the temperature TC (65) at which the storage elastic modulus G ′ of the core resin becomes 10 6.5 Pa can be estimated to some extent. In this embodiment, TS (65) is more than TC (65) . High.
なお、後述の立体造形物の製造方法における予備加熱温度におけるコア樹脂の貯蔵弾性率G’cは、具体的には106Pa以下であることが好ましく、101Pa〜106Paであることがより好ましく、102Pa〜106Paであることがさらに好ましい。予備加熱温度におけるコア樹脂の貯蔵弾性率G’cが106Pa以下であると、レーザ光照射時に、コア樹脂を軟化もしくは溶融させるために必要とされるレーザエネルギー量を低減できる。一方、予備加熱温度におけるシェル樹脂の貯蔵弾性率G’sは、具体的には108Pa以上であることが好ましく、108Pa〜109.5Paであることがより好ましく、108.5Pa〜109Paであることがさらに好ましい。予備加熱温度におけるシェル樹脂の貯蔵弾性率G’sが108Pa以上であると、予備加熱時にシェル樹脂からなる層、つまり被覆粒子の外膜が軟化し難い。その結果、予備加熱時における被覆粒子の変形等が抑制される。ここで、予備加熱温度は、被覆粒子の種類等に合わせて適宜設定され、一般的な粉末床溶融結合法と同様に設定することができる。予備加熱温度は、50℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上300℃以下であることがより好ましく、100℃以上250℃以下であることがさらに好ましく、140℃以上250℃以下であることがさらに好ましい。In addition, it is preferable that the storage elastic modulus G'c of the core resin in the preheating temperature in the manufacturing method of the three-dimensional molded item mentioned later specifically is 10 6 Pa or less, and is 10 1 Pa to 10 6 Pa. Is more preferable, and is more preferably 10 2 Pa to 10 6 Pa. When the storage elastic modulus G′c of the core resin at the preheating temperature is 10 6 Pa or less, it is possible to reduce the amount of laser energy required for softening or melting the core resin at the time of laser light irradiation. On the other hand, the storage elastic modulus G ′s of the shell resin at the preheating temperature is specifically preferably 10 8 Pa or more, more preferably 10 8 Pa to 10 9.5 Pa, and more preferably 10 8. More preferably, it is 5 Pa-10 9 Pa. When the storage elastic modulus G ′s of the shell resin at the preheating temperature is 10 8 Pa or more, the layer made of the shell resin, that is, the outer film of the coated particles is hardly softened during the preheating. As a result, deformation of the coated particles during preheating is suppressed. Here, the preheating temperature is appropriately set according to the type of the coated particles and the like, and can be set similarly to a general powder bed fusion bonding method. The preheating temperature is preferably 50 ° C or higher and 300 ° C or lower, more preferably 100 ° C or higher and 300 ° C or lower, further preferably 100 ° C or higher and 250 ° C or lower, and 140 ° C or higher and 250 ° C or lower. More preferably it is.
ここで、本実施形態では、被覆粒子のシェル樹脂のSP値およびシェル樹脂のSP値の差の絶対値ΔSPが、2.5(J/cm3)1/2〜7.0(J/cm3)1/2であり、好ましくは、2.6(J/cm3)1/2〜6.7(J/cm3)1/2である。ΔSPが、2.5(J/cm3)1/2以上であると、コア樹脂とシェル樹脂との相溶が適度に抑制され、予備加熱によって軟化したコア樹脂に、シェル樹脂が溶け込み難くなる。つまり、予備加熱によって、シェル樹脂からなる層が薄くなったり消失したりし難く、被覆粒子どうしが溶融結合し難くなる。一方、コア樹脂のSP値とシェル樹脂のSP値との差が7.0(J/cm3)1/2以下であると、レーザ光照射後、シェル樹脂とコア樹脂とが分離し難く、得られる立体造形物の強度を十分に高くしやすい。Here, in this embodiment, the absolute value ΔSP of the difference between the SP value of the shell resin of the coated particles and the SP value of the shell resin is 2.5 (J / cm 3 ) 1/2 to 7.0 (J / cm 3 ) 1/2 , and preferably 2.6 (J / cm 3 ) 1/2 to 6.7 (J / cm 3 ) 1/2 . When ΔSP is 2.5 (J / cm 3 ) 1/2 or more, the compatibility between the core resin and the shell resin is moderately suppressed, and the shell resin is difficult to dissolve in the core resin softened by the preheating. . That is, it is difficult for the layer made of the shell resin to be thinned or disappeared by the preheating, and the coated particles are hardly melt-bonded. On the other hand, if the difference between the SP value of the core resin and the SP value of the shell resin is 7.0 (J / cm 3 ) 1/2 or less, the shell resin and the core resin are difficult to separate after laser light irradiation. It is easy to sufficiently increase the strength of the three-dimensional structure to be obtained.
ここで、コア樹脂およびシェル樹脂は、いずれのSP値が高くてもよい。例えば、コア樹脂に比べてシェル樹脂のSP値が高い場合には、シェル樹脂の溶融時に、シェル樹脂が表面張力を下げようとして、粒子間の溶融結合が促進されると考えられる。また、コア樹脂に比べてシェル樹脂のSP値が低い場合には、粒子の溶融時にシェル樹脂が粒子内部に移動しやすいと考えられ、コア樹脂間の溶融結合が促進されると考えられる。 Here, the core resin and the shell resin may have any high SP value. For example, when the SP value of the shell resin is higher than that of the core resin, it is considered that when the shell resin is melted, the shell resin attempts to lower the surface tension, and fusion bonding between particles is promoted. In addition, when the SP value of the shell resin is lower than that of the core resin, it is considered that the shell resin is likely to move inside the particles when the particles are melted, and it is considered that fusion bonding between the core resins is promoted.
ここで、本明細書におけるSP値(溶解度パラメーター)の単位は(J/cm3)1/2であり、本明細書では、特に断りの無い限り25℃における値を表す。また、SP値は、Fedorsの方法〔Robert F. Fedors, Polymer Engineering and Science, 14, 47-154(1974)〕により、下記の式に基づいて求められる値δである。
Fedorsの式:δ=(ΣΔei/ΣΔvi)1/2
〔ここで、Δei:原子及び原子団の蒸発エネルギー(J/mol)、Δvi:モル体積(cm3/mol)である。〕
なお、コア樹脂およびシェル樹脂のそれぞれのSP値は、例えば濁点滴定法を用いて測定することができる。この方法では、コア樹脂のみ、もしくはシェル樹脂のみを溶解させた高分子溶液を準備する。そして、当該高分子溶液に貧溶媒を滴下し、濁りを生じるまでに要した貧溶媒の量を求める。この際、SP値の高い貧溶媒(例えば水など)および低い貧溶媒(例えばn−ヘキサンなど)について、それぞれ測定する。そして、K.W.Suh,J.M.Corbett;J.Apply Polym.Sci., 12(10), p2359-2370 (1968)に記載の方法に基づいて、算出することができる。Here, the unit of the SP value (solubility parameter) in this specification is (J / cm 3 ) 1/2 , and in this specification, the value at 25 ° C. is expressed unless otherwise specified. The SP value is a value δ determined based on the following equation by the Fedors method [Robert F. Fedors, Polymer Engineering and Science, 14, 47-154 (1974)].
Fedors equation: δ = (ΣΔei / ΣΔvi) 1/2
[Where Δei is the evaporation energy (J / mol) of atoms and atomic groups, and Δvi is the molar volume (cm 3 / mol). ]
In addition, each SP value of core resin and shell resin can be measured, for example using a cloud point titration method. In this method, a polymer solution in which only the core resin or only the shell resin is dissolved is prepared. And a poor solvent is dripped at the said polymer solution, and the quantity of the poor solvent required until it produces turbidity is calculated | required. Under the present circumstances, it measures about a poor solvent (for example, water etc.) with a high SP value, and a low poor solvent (for example, n-hexane etc.), respectively. It can be calculated based on the method described in KWSuh, JMCorbett; J. Apply Polym. Sci., 12 (10), p2359-2370 (1968).
なお、被覆粒子は、後述する立体造形物の製造方法においてレーザ光を照射すると、シェル樹脂が軟化したり、溶融したり、消失すること等によって、被覆粒子どうしが溶融結合する。そこで、レーザ光照射によって、シェル樹脂を軟化、溶融、もしくは消失しやすくし、より短時間で立体造形物を製造する観点からは、シェル樹脂が軟化、溶融、もしくは消失する温度と、コア樹脂が軟化もしくは溶融する温度とが、近い値であることが好ましい。さらに、レーザ光照射時、レーザ光エネルギーによって、コア樹脂の比容量が大きくなり、体積が変化するが、立体造形物の造形精度を高める観点から、当該体積変化は少ないことが好ましい。したがって、コア樹脂の体積変化が少ないうちに、被覆粒子どうしを溶融結合させるためにも、上記温度差は小さいことが好ましい。一方で、予備加熱時における被覆粒子の変形の抑制、すなわちシェル樹脂の軟化を抑制する観点からは、上記温度差は小さすぎないことが好ましい。 When the coated particles are irradiated with laser light in a method for manufacturing a three-dimensional structure to be described later, the coated particles are melt-bonded due to softening, melting, or disappearance of the shell resin. Therefore, the temperature at which the shell resin softens, melts, or disappears from the viewpoint of making the shell resin soften, melt, or disappear easily by laser light irradiation, and the three-dimensional structure is manufactured in a shorter time, and the core resin The softening or melting temperature is preferably a close value. Furthermore, at the time of laser light irradiation, the specific capacity of the core resin is increased and the volume is changed by the laser light energy, but it is preferable that the volume change is small from the viewpoint of improving the modeling accuracy of the three-dimensional structure. Accordingly, the temperature difference is preferably small in order to melt-bond the coated particles while the volume change of the core resin is small. On the other hand, it is preferable that the temperature difference is not too small from the viewpoint of suppressing deformation of the coated particles during preheating, that is, suppressing softening of the shell resin.
そこで、上述のTS(65)とTC(65)との差が、5℃以上75℃以下であることが好ましく、5℃以上70℃以下であることがより好ましく、10℃以上70℃以下であることがさらに好ましく、10℃以上60℃以下であることがさらに好ましく、30℃以上60℃以下であることがさらに好ましい。Therefore, the difference between the above TS (65) and TC (65) is preferably 5 ° C. or higher and 75 ° C. or lower, more preferably 5 ° C. or higher and 70 ° C. or lower, and more preferably 10 ° C. or higher and 70 ° C. or lower. More preferably, it is more preferably 10 ° C. or more and 60 ° C. or less, and further preferably 30 ° C. or more and 60 ° C. or less.
また、上記コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)は、粉末床溶融結合法における一般的な予備加熱温度の範囲に含まれることが好ましい。そこで、TC(65)は、50℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上300℃以下であることがより好ましく、100℃以上250℃以下であることがさらに好ましく、140℃以上250℃以下であることがさらに好ましい。Further, the temperature TC (65) at which the storage elastic modulus G ′ of the core resin becomes 10 6.5 Pa is preferably included in the range of the general preheating temperature in the powder bed fusion bonding method. Therefore, TC (65) is preferably 50 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, further preferably 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and 140 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. More preferably, it is not higher than ° C.
また、上記シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)は、コア樹脂の選択の自由度を確保しつつ、レーザ光の照射によって溶融しやすくするような温度範囲にあることが好ましい。そこで、TS(65)は、100℃以上350℃以下であることが好ましく、150℃以上350℃以下であることがより好ましく、150℃以上330℃以下であることがさらに好ましく、170℃以上330℃以下であることがさらに好ましく、170℃以上300℃以下であることがさらに好ましい。Further, the temperature TS (65) at which the storage elastic modulus G ′ of the shell resin becomes 10 6.5 Pa is a temperature at which the core resin can be easily melted by irradiation with laser light while ensuring the freedom of selection of the core resin. It is preferable to be in the range. Therefore, TS (65) is preferably 100 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, further preferably 150 ° C. or higher and 330 ° C. or lower, and 170 ° C. or higher and 330 ° C. or lower. It is more preferable that the temperature is not higher than 170C, and it is more preferable that the temperature is not lower than 170C and not higher than 300C.
また、レーザ光照射後の造形物の変形をより生じにくくする観点からは、コア樹脂は、レーザ光照射後の冷却時により短い時間で固まることが好ましい。上記観点からは、コア樹脂が軟化する温度(貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65))と、コア樹脂が変形しない程度に硬くなる温度(貯蔵弾性率G’が107.0Paになる温度(TC(70))との温度差は小さいことが好ましい。具体的には、|TC(70)−TC(65)|は10℃以上100℃以下であることが好ましく、10℃以上80℃以下であることがより好ましく、10℃以上70℃以下であることがさらに好ましく、10℃以上60℃以下であることがさらに好ましく、10℃以上50℃以下であることがさらに好ましい。In addition, from the viewpoint of making the shaped article after the laser light irradiation more difficult to deform, the core resin is preferably solidified in a shorter time during cooling after the laser light irradiation. From the above viewpoint, the temperature at which the core resin softens (temperature TC (65) at which the storage elastic modulus G ′ becomes 10 6.5 Pa) and the temperature at which the core resin becomes hard enough to be deformed (storage elastic modulus G ′) It is preferable that the temperature difference with the temperature (TC (70) ) at which 10 7.0 Pa is reached is small, specifically, | TC (70) -TC (65) | Is preferably 10 ° C or higher and 80 ° C or lower, more preferably 10 ° C or higher and 70 ° C or lower, further preferably 10 ° C or higher and 60 ° C or lower, more preferably 10 ° C or higher and 50 ° C or lower. More preferably.
ここで、上記各貯蔵弾性率は、公知の方法で測定した値とすることができる。本明細書では、貯蔵弾性率測定装置(ティー・エイ・インスツルメント社製、ARES−G2レオメータ)を用いての方法で測定して得られた値を上記貯蔵弾性率とする。なお、コア樹脂の貯蔵弾性率が特定の数値を示す温度を測定する場合、コアシェル構造を有する被覆粒子のまま、粘弾性データを以下の手順にしたがって測定してもよい。一方、シェル樹脂の貯蔵弾性率が特定の数値を示す温度を測定するには、コア樹脂のみを溶解する溶媒に被覆粒子を浸漬し、コア樹脂を溶解させるなどしてコア樹脂を除去する。そして、残ったシェル樹脂に対して以下の手順にしたがって、粘弾性データを測定する。 Here, each said storage elastic modulus can be made into the value measured by the well-known method. In this specification, the value obtained by measuring by a method using a storage modulus measurement apparatus (ARES-G2 rheometer, manufactured by TA Instruments Inc.) is defined as the storage modulus. In addition, when measuring the temperature at which the storage elastic modulus of the core resin shows a specific numerical value, viscoelasticity data may be measured according to the following procedure with the coated particles having the core-shell structure. On the other hand, in order to measure the temperature at which the storage elastic modulus of the shell resin exhibits a specific value, the core resin is removed by immersing the coated particles in a solvent that dissolves only the core resin and dissolving the core resin. And viscoelasticity data is measured with respect to the remaining shell resin according to the following procedures.
(貯蔵弾性率測定用試料の調製)
コア樹脂およびシェル樹脂いずれか一方のみを溶解する溶剤で、被覆粒子を構成するコア樹脂またはシェル樹脂を分離および抽出し、乾燥させて粉末状にする。加圧成型機(エヌピーエーシステム株式会社製、NT−100H)を用いて、得られた粉末を常温で30kNに1分間加圧して、直径約8mm、高さ約2mmの円柱状試料に成型する。(Preparation of storage modulus measurement sample)
The core resin or shell resin that constitutes the coated particles is separated and extracted with a solvent that dissolves only one of the core resin and the shell resin, and dried to form a powder. Using a pressure molding machine (NTA Corporation, NT-100H), the obtained powder is pressed at 30 kN for 1 minute at room temperature to form a cylindrical sample having a diameter of about 8 mm and a height of about 2 mm. .
(貯蔵弾性率の測定手順)
上記装置が有するパラレルプレートの温度を150℃に温調して、上記調製した円柱状の試料を加熱溶融させた後、axial forceが10(g重)を超えないように垂直方向に荷重をかけて、パラレルプレートに上記試料を固着させる。この状態でパラレルプレートおよび該円柱状試料を測定開始温度250℃まで加熱し、徐冷しながら粘弾性データを測定する。測定されたデータは、Microsoft社製Windows7(「Windows」は同社の登録商標)を搭載したコンピュータに転送し、上記コンピュータ上で動作する制御、データ収集および解析ソフト(TRIOS)を通じてデータ転送し、所望の温度における貯蔵弾性率G’(Pa)の値を読み取る。(Measurement procedure of storage modulus)
The temperature of the parallel plate of the above apparatus is adjusted to 150 ° C., the prepared cylindrical sample is heated and melted, and then a load is applied in the vertical direction so that the axial force does not exceed 10 (g weight). Then, the sample is fixed to the parallel plate. In this state, the parallel plate and the columnar sample are heated to a measurement start temperature of 250 ° C., and viscoelasticity data is measured while gradually cooling. The measured data is transferred to a computer equipped with Microsoft Windows 7 ("Windows" is a registered trademark of the company), and transferred via control, data collection and analysis software (TRIOS) operating on the computer. The value of the storage elastic modulus G ′ (Pa) at the temperature is read.
(貯蔵弾性率の測定条件)
測定周波数 :6.28ラジアン/秒
測定歪みの設定 :初期値を0.1%に設定し、自動測定モードにて測定を行う。
試料の伸長補正 :自動測定モードにて調整する。
測定温度 :250℃から100℃まで毎分5℃の割合で徐冷する。
測定間隔 :1℃ごとに粘弾性データを測定する。(Conditions for measuring storage modulus)
Measurement frequency: 6.28 radians / second Measurement distortion setting: The initial value is set to 0.1%, and measurement is performed in the automatic measurement mode.
Sample extension correction: Adjust in automatic measurement mode.
Measurement temperature: Slow cooling from 250 ° C. to 100 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute.
Measurement interval: Viscoelasticity data is measured every 1 ° C.
ここで、上記被覆粒子の平均粒子径は、2μm以上210μm以下であることが好ましく、10μm以上80μm以下であることがより好ましい。被覆粒子の平均粒子径が2μm以上であると、後述の立体造形物の製造方法で作製する各造形物層の厚みが十分に厚くなりやすく、効率良く立体造形物を製造することが可能となる。一方、被覆粒子の平均粒子径が210μm以下であると、複雑な形状の立体造形物も作製することが可能となる。 Here, the average particle diameter of the coated particles is preferably 2 μm or more and 210 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 80 μm or less. When the average particle diameter of the coated particles is 2 μm or more, the thickness of each modeled object layer produced by the method for manufacturing a three-dimensional modeled object described later tends to be sufficiently thick, and a three-dimensional modeled object can be manufactured efficiently. . On the other hand, if the average particle diameter of the coated particles is 210 μm or less, a three-dimensionally shaped object having a complicated shape can be produced.
またこのとき、コアの平均粒子径は、1μm以上200μm以下であることが好ましく、2μm以上150μm以下であることがより好ましく、5μm以上100μm以下であることがさらに好ましく、5μm以上70μm以下であることがさらに好ましく、10μm以上60μm以下であることがさらに好ましい。コアの平均粒子径が1μm以上であると、粉末材料が十分な流動性を有するため、立体造形物を製造する際の粉末材料の取り扱いが容易になる。また、上記平均粒子径が1μm以上であると、コア樹脂の作製が容易であり、粉末材料の製造コストが高くならない。上記平均粒子径が200μm以下であると、より高精細な立体造形物を製造することが可能となる。 At this time, the average particle size of the core is preferably 1 μm or more and 200 μm or less, more preferably 2 μm or more and 150 μm or less, further preferably 5 μm or more and 100 μm or less, and 5 μm or more and 70 μm or less. Is more preferably 10 μm or more and 60 μm or less. When the average particle diameter of the core is 1 μm or more, the powder material has sufficient fluidity, so that it becomes easy to handle the powder material when manufacturing the three-dimensional structure. Further, when the average particle diameter is 1 μm or more, the core resin can be easily produced, and the production cost of the powder material does not increase. When the average particle diameter is 200 μm or less, it becomes possible to produce a higher-definition three-dimensional modeled object.
一方、シェルの厚み(シェル樹脂からなる層の厚み)は、10〜500nmであることが好ましく、20〜500nmであることがより好ましく、40〜500nmであることがさらに好ましく、40〜450nmであることがさらに好ましい。なお、シェル樹脂からなる層が、複数の粒子からなる場合、シェル樹脂を構成する粒子の平均粒子径は、コア樹脂からなる粒子の平均粒子径より小さいことが好ましく、コア樹脂の平均粒子径の半分以下とすることがより好ましい。コア樹脂からなる層の厚みが10nm以上であると、予備加熱時に被覆粒子の凝集が生じ難くなる。また、上記厚みが500nm以下であると、得られる造形物に反り等の変形が生じ難くなる。 On the other hand, the thickness of the shell (the thickness of the layer made of the shell resin) is preferably 10 to 500 nm, more preferably 20 to 500 nm, still more preferably 40 to 500 nm, and more preferably 40 to 450 nm. More preferably. When the shell resin layer is composed of a plurality of particles, the average particle diameter of the particles constituting the shell resin is preferably smaller than the average particle diameter of the core resin particles, and the average particle diameter of the core resin is More preferably, it is half or less. When the thickness of the layer made of the core resin is 10 nm or more, it is difficult for the coated particles to aggregate during preheating. In addition, when the thickness is 500 nm or less, deformation such as warpage hardly occurs in the obtained molded article.
上記被覆粒子の平均粒子径は、動的光散乱法により測定した体積平均粒子径とする。体積平均粒径は、湿式分散機を備えたレーザ回折式粒度分布測定装置(シンパティック(SYMPATEC)社製、ヘロス(HELOS))により測定することができる。また、コアの平均粒子径およびシェルの厚みは、多数の被覆粒子の断面をTEMで撮像して得た画像中で、ランダムに選択した10個の被覆粒子について、シェル樹脂からなる層の厚みを10点実測し、それらの平均値を採用することができる。 The average particle diameter of the coated particles is a volume average particle diameter measured by a dynamic light scattering method. The volume average particle diameter can be measured with a laser diffraction particle size distribution measuring apparatus (manufactured by SYMPATEC, HELOS) equipped with a wet disperser. The average particle diameter of the core and the thickness of the shell are the thickness of the layer made of the shell resin for 10 randomly selected coated particles in an image obtained by imaging a cross section of a large number of coated particles with a TEM. Ten points are actually measured, and an average value thereof can be adopted.
被覆粒子における、コア樹脂およびシェル樹脂の量は、上記コアシェル構造が形成される量であればよい。たとえば、コア樹脂100質量部に対するシェル樹脂の量は、0.1質量部以上20質量部以下であることが好ましく、0.5質量部以上20質量部以下であることがより好ましく、0.5質量部以上15質量部以下であることがさらに好ましく、1質量部以上15質量部以下であることがさらに好ましく、1質量部以上10質量部以下であることがさらに好ましい。 The amount of the core resin and the shell resin in the coated particles may be an amount that allows the core-shell structure to be formed. For example, the amount of the shell resin with respect to 100 parts by mass of the core resin is preferably 0.1 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, more preferably 0.5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less. More preferably, they are 1 mass part or more and 15 mass parts or less, More preferably, they are 1 mass part or more and 15 mass parts or less, More preferably, they are 1 mass part or more and 10 mass parts or less.
また、被覆粒子の円形度は0.95以上であることが好ましく、0.96以上であることがより好ましく、0.97以上であることがさらに好ましい。被覆粒子の円形度が0.95以上であると、個々の被覆粒子の体積が均一になりやすく、所望の形状に造形物層を形成しやすくなる。上記円形度は、被覆粒子の平均円形度を示し、「FPIA−2100」(Sysmex社製)を用いて測定される値である。 Further, the circularity of the coated particles is preferably 0.95 or more, more preferably 0.96 or more, and further preferably 0.97 or more. When the degree of circularity of the coated particles is 0.95 or more, the volume of each coated particle tends to be uniform, and it becomes easy to form a shaped article layer in a desired shape. The circularity indicates the average circularity of the coated particles, and is a value measured using “FPIA-2100” (manufactured by Sysmex).
具体的には、被覆粒子を界面活性剤水溶液に湿潤させ、超音波分散を1分間行う。そして、「FPIA−2100」を用い、測定条件HPF(高倍率撮像)モードにて、HPF検出数3000〜10000個の適正濃度で測定を行う。この範囲であれば、再現性のある測定値が得られる。円形度は下記式で計算される。
円形度=(粒子像と同じ投影面積を持つ円の周囲長)/(粒子投影像の周囲長)
また平均円形度は、各粒子の円形度を足し合わせ、測定した全粒子数で割った算術平均値である。Specifically, the coated particles are wetted with an aqueous surfactant solution, and ultrasonic dispersion is performed for 1 minute. Then, using “FPIA-2100”, measurement is performed at an appropriate density of 3000 to 10,000 HPF detections in a measurement condition HPF (high magnification imaging) mode. Within this range, reproducible measurement values can be obtained. The circularity is calculated by the following formula.
Circularity = (perimeter of a circle having the same projection area as the particle image) / (perimeter of the particle projection image)
The average circularity is an arithmetic average value obtained by adding the circularity of each particle and dividing by the total number of particles measured.
ここで、上述の被覆粒子のコア樹脂およびシェル樹脂は、加熱によって軟化もしくは溶融する樹脂であれば特に制限されず、前述のΔSPや、TS(65)、TC(65)、貯蔵弾性率等を勘案して、それぞれ選択することができる。なお、シェル樹脂として、加熱によって消失する樹脂を選択することもできる。コア樹脂およびシェル樹脂に適用可能な樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニルサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、結晶性ポリエステル等の結晶性の樹脂;ポリスチレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ(ABS)、アクリルポリマー、ポリカーボネート、エチレン・酢酸ビニルコポリマー(EVA)、スチレン・アクリロニトリルコポリマー(SAN)、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンエーテル、ポリカプロラクトン等の非結晶性の樹脂;が含まれる。Here, the core resin and the shell resin of the above-described coated particles are not particularly limited as long as they are resins that are softened or melted by heating, and the above-described ΔSP, TS (65) , TC (65) , storage elastic modulus, etc. Each can be selected in consideration. A resin that disappears by heating can be selected as the shell resin. Examples of resins applicable to the core resin and the shell resin include crystalline resins such as polyethylene, polypropylene, nylon, polyacetal, polyethylene terephthalate (PET), polyphenyl sulfide, polyether ether ketone (PEEK), and crystalline polyester. Polystyrene, polyurethane, polyvinyl chloride, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), acrylic polymer, polycarbonate, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), styrene-acrylonitrile copolymer (SAN), polyarylate, polyethersulfone (PES) ), Non-crystalline resins such as polyphenylene ether and polycaprolactone.
これらの樹脂のうち、非結晶性の樹脂は、従来の方法では造形精度を高くすることが難しかったが、本実施形態のコアシェル構造を有する被覆粒子によれば、造形精度を高めることが可能となる。このような観点からは、コア樹脂の材料に非結晶性の樹脂を用いることで、より有用な粉末材料とすることができる。 Among these resins, it is difficult to increase the modeling accuracy of the non-crystalline resin by the conventional method, but according to the coated particles having the core-shell structure of the present embodiment, it is possible to increase the modeling accuracy. Become. From this point of view, a more useful powder material can be obtained by using an amorphous resin as the core resin material.
1−2.その他の材料
前述のように、粉末材料は、上記被覆粒子以外の成分を含んでいてもよく、その例には、レーザ吸収剤や、フローエージェント等が含まれる。1-2. Other Materials As described above, the powder material may contain components other than the above-described coated particles, and examples thereof include a laser absorber and a flow agent.
1−2−1.レーザ吸収剤
レーザの光エネルギーをより効率的に熱エネルギーに変換する観点から、粉末材料は、レーザ吸収剤をさらに含んでもよい。レーザ吸収体は、使用する波長のレーザを吸収して熱を発する材料であればよい。このようなレーザ吸収体の例には、カーボン粉末、ナイロン樹脂粉末、顔料、および染料が含まれる。これらのレーザ吸収体は、一種類のみ用いても、二種類を組み合わせて用いてもよい。1-2-1. Laser absorber From the viewpoint of more efficiently converting laser light energy into thermal energy, the powder material may further include a laser absorber. The laser absorber may be a material that absorbs a laser having a wavelength to be used and generates heat. Examples of such laser absorbers include carbon powder, nylon resin powder, pigments, and dyes. These laser absorbers may be used alone or in combination of two types.
レーザ吸収体の量は、上記被覆粒子の溶融結合が容易になる範囲で適宜設定することができる。例えば、粉末材料の全質量に対して、0質量%より多く3質量%未満とすることができる。 The amount of the laser absorber can be appropriately set within a range in which the fusion bonding of the coated particles is facilitated. For example, it can be more than 0 mass% and less than 3 mass% with respect to the total mass of the powder material.
1−2−2.フローエージェント
粉末材料の流動性を向上させ、立体造形物の製造時における粉末材料の取り扱いを容易にする観点から、粉末材料は、フローエージェントをさらに含んでもよい。フローエージェントは、摩擦係数が小さく、自己潤滑性を有する材料であればよい。このようなフローエージェントの例には、二酸化ケイ素および窒化ホウ素が含まれる。これらのフローエージェントは、一種類のみ用いても、二種類を組み合わせて用いてもよい。1-2-2. Flow Agent From the viewpoint of improving the fluidity of the powder material and facilitating the handling of the powder material during the production of the three-dimensional structure, the powder material may further include a flow agent. The flow agent may be a material having a small coefficient of friction and self-lubricating properties. Examples of such flow agents include silicon dioxide and boron nitride. These flow agents may be used alone or in combination.
フローエージェントの量は、粉末材料の流動性が向上し、かつ、コアシェル構造を有する被覆粒子の溶融結合が十分に生じる範囲で適宜設定することができ、たとえば、粉末材料の全質量に対して、0質量%より多く2質量%未満とすることができる。 The amount of the flow agent can be appropriately set within a range in which the fluidity of the powder material is improved and the melt-bonding of the coated particles having the core-shell structure is sufficiently generated, for example, with respect to the total mass of the powder material, It can be more than 0% by mass and less than 2% by mass.
2.粉末材料の製造方法
上記粉末材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法で製造することができる。例えば、粉末材料が、前述の被覆粒子のみ含む場合には、当該被覆粒子をそのまま粉末材料として用いることができる。一方、粉末材料が被覆粒子と、その他の材料とを含む場合、粉末状にしたその他の材料と、被覆粒子とを撹拌混合して製造することができる。以下、被覆粒子の調製方法について説明する。2. Manufacturing method of powder material The manufacturing method of the said powder material is not restrict | limited, It can manufacture by a well-known method. For example, when the powder material contains only the above-described coated particles, the coated particles can be used as the powder material as they are. On the other hand, when the powder material includes coated particles and other materials, the powdered other materials and the coated particles can be manufactured by stirring and mixing. Hereinafter, a method for preparing the coated particles will be described.
(被覆粒子の調製方法)
前述の被覆粒子は、公知の方法によって製造することができる。被覆粒子の調製方法の例には、コア樹脂からなる粒子にシェル樹脂を溶解させた塗布液を塗布する湿式コート法や、コア樹脂からなる粒子と、シェル樹脂からなる粒子等とを撹拌混合して機械的衝撃により結合させる乾式コート法、ならびにこれらを組み合わせた方法が含まれる。湿式コート法を採用する場合、コア樹脂の表面に上記塗布液をスプレー塗布してもよく、コア樹脂を上記塗布液の中に浸漬してもよい。湿式コート法によれば、図1Aに示すような、シート状のシェル樹脂がコア粒子を被覆した被覆粒子が得られる。一方で、乾式コート法によれば、図1Bに示すような、粒子状のシェル樹脂がコア粒子を被覆した被覆粒子が得られる。湿式コート法によれば、均一な厚みのシェル樹脂からなる層を形成しやすく、乾式コート法は乾燥工程が不要であるため、製造工程を簡素化できる。(Method for preparing coated particles)
The aforementioned coated particles can be produced by a known method. Examples of the method for preparing the coated particles include a wet coating method in which a coating solution in which a shell resin is dissolved in particles made of a core resin is applied, or a mixture of particles made of a core resin and particles made of a shell resin. And a dry coating method in which bonding is performed by mechanical impact, and a combination of these methods. When employing the wet coating method, the coating solution may be spray-coated on the surface of the core resin, or the core resin may be immersed in the coating solution. According to the wet coating method, coated particles in which a core particle is coated with a sheet-like shell resin as shown in FIG. 1A can be obtained. On the other hand, according to the dry coating method, coated particles in which the core particles are coated with the particulate shell resin as shown in FIG. 1B can be obtained. According to the wet coating method, it is easy to form a layer made of a shell resin having a uniform thickness. Since the dry coating method does not require a drying step, the manufacturing process can be simplified.
コア樹脂およびシェル樹脂は、前述のように、ΔSPや貯蔵弾性率を勘案してそれぞれ選択する。コア樹脂およびシェル樹脂は、市販のものを用いてもよい。またモノマーやプレポリマー等を重合することにより、調製したものを用いてもよい。 As described above, the core resin and the shell resin are selected in consideration of ΔSP and the storage elastic modulus. Commercially available core resins and shell resins may be used. Moreover, you may use what was prepared by superposing | polymerizing a monomer, a prepolymer, etc.
市販の樹脂を用いる場合、前述のΔSPや貯蔵弾性率が上記関係を満たすように、市販の材料を組みあわせて用いればよい。このとき、樹脂のそれぞれのSP値を確認することで、ΔSPを前述の範囲に収めることが可能となる。各樹脂のΔSPは、前述の文献に記載の方法で算出してもよく、濁点滴定法によっても特定してもよい。 In the case of using a commercially available resin, commercially available materials may be used in combination so that the aforementioned ΔSP and storage elastic modulus satisfy the above relationship. At this time, it is possible to keep ΔSP within the aforementioned range by confirming the SP value of each resin. ΔSP of each resin may be calculated by the method described in the above-mentioned literature, or may be specified by a cloud point titration method.
一方、コア樹脂として特定の樹脂を選択し、当該樹脂よりTgが高い材料をシェル樹脂に選択すれば、上述のTC(65)およびTS(65)の関係を容易に満たすことが可能となる。たとえば、Tgが低くなる傾向があるポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンをコア樹脂として選択し、Tgが高く傾向があるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリカーボネート、アクリルポリマーをシェル樹脂として選択すれば、上述のTC(65)およびTS(65)の関係を容易に満たすことが可能となる。なお、市販の樹脂のTgは、各メーカーから公表されていることが多い。On the other hand, if a specific resin is selected as the core resin and a material having a higher Tg than the resin is selected as the shell resin, the above-described relationship between TC (65) and TS (65) can be easily satisfied. For example, if the core resin is selected from polyethylene, polypropylene, and polystyrene that tend to have a low Tg, and the polyether ether ketone (PEEK), polycarbonate, and acrylic polymer that tend to have a high Tg are selected as the shell resin, the above-mentioned TC It becomes possible to easily satisfy the relationship between (65) and TS (65) . In addition, Tg of commercially available resin is often announced by each manufacturer.
一方、樹脂を調製する場合、樹脂のSP値は、樹脂の構造(例えば官能基や、主鎖の炭素数等)によって調整することが可能であり、使用するモノマーやプレポリマーの種類等によって、調整することが可能である。 On the other hand, when preparing a resin, the SP value of the resin can be adjusted by the structure of the resin (for example, the functional group and the number of carbons in the main chain). Depending on the type of monomer or prepolymer used, It is possible to adjust.
また調製する樹脂の貯蔵弾性率G’は、樹脂の平均分子量を変化させることで、所望の範囲に制御することができる。具体的には、調製する樹脂の平均分子量を大きくすれば、樹脂の貯蔵弾性率G’が高くなり、調製する樹脂の平均分子量を小さくすれば、樹脂の貯蔵弾性率G’が低くなる。使用する樹脂の種類ごとに、分子量と予備加熱温度における貯蔵弾性率G’との関係を予め調べておき、次回からの樹脂の製造時に上記関係を参照して調製する樹脂の分子量を決定してもよい。 The storage elastic modulus G ′ of the resin to be prepared can be controlled within a desired range by changing the average molecular weight of the resin. Specifically, if the average molecular weight of the prepared resin is increased, the storage elastic modulus G ′ of the resin is increased, and if the average molecular weight of the prepared resin is decreased, the storage elastic modulus G ′ of the resin is decreased. For each type of resin to be used, the relationship between the molecular weight and the storage elastic modulus G ′ at the preheating temperature is examined in advance, and the molecular weight of the resin to be prepared is determined by referring to the above relationship at the next resin production. Also good.
3.立体造形物の製造方法
次に、前述の粉末材料を用いて立体造形物を製造する方法を説明する。本実施形態の立体造形物の製造方法では、前記粉末材料を用いるほかは、通常の粉末床溶融結合法と同様に行うことができる。具体的には、(1)前述の粉末材料からなる薄層を形成する薄層形成工程と、(2)形成された粉末材料の薄層を予備加熱する予備加熱工程と、(3)予備加熱された薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる被覆粒子どうしが溶融結合した造形物層を形成するレーザ光照射工程と、を含む方法とすることができる。そして工程(1)〜工程(3)をこの順に複数回繰り返し、造形物層を積層することで、立体造形物を製造することができる。3. Next, a method for manufacturing a three-dimensional model using the above-described powder material will be described. In the manufacturing method of the three-dimensional molded item of this embodiment, it can carry out similarly to the normal powder bed fusion | bonding method except using the said powder material. Specifically, (1) a thin layer forming step for forming a thin layer made of the aforementioned powder material, (2) a preheating step for preheating the thin layer of the formed powder material, and (3) preheating A laser beam irradiation step of selectively irradiating the formed thin layer with laser light to form a shaped article layer in which the coated particles contained in the powder material are melt-bonded to each other. And a three-dimensional molded item can be manufactured by repeating a process (1)-a process (3) several times in this order, and laminating | stacking a molded article layer.
3−1.薄層形成工程(工程(1))
本工程では、前記粉末材料の薄層を形成する。たとえば、粉末供給部から供給された前記粉末材料を、リコータによって造形ステージ上に平らに敷き詰める。薄層は、造形ステージ上に直接形成してもよいし、すでに敷き詰められている粉末材料またはすでに形成されている造形物層の上に接するように形成してもよい。3-1. Thin layer formation process (process (1))
In this step, a thin layer of the powder material is formed. For example, the powder material supplied from the powder supply unit is laid flat on a modeling stage by a recoater. The thin layer may be formed directly on the modeling stage, or may be formed so as to be in contact with the already spread powder material or the already formed modeling layer.
薄層の厚さは、所望の造形物層の厚さと同じとする。薄層の厚さは、製造しようとする立体造形物の精度に応じて任意に設定することができるが、通常、0.01mm以上0.30mm以下である。薄層の厚さを0.01mm以上とすることで、均一な粉体の敷き詰めが可能となる。また、薄層の厚さを0.30mm以下とすることで、レーザ光のエネルギーを薄層の下部まで伝導させて、薄層を構成する粉末材料に含まれる被覆粒子を、厚み方向の全体にわたって十分に溶融結合させることができる。前記観点からは、薄層の厚さは0.01mm以上0.10mm以下であることがより好ましい。また、薄層の厚み方向の全体にわたってより十分に被覆粒子を溶融結合させ、造形物層の割れをより生じにくくする観点からは、薄層の厚さは、後述するレーザ光のビームスポット径との差が0.10mm以内になるよう設定することが好ましい。 The thickness of the thin layer is the same as the thickness of the desired shaped article layer. Although the thickness of a thin layer can be arbitrarily set according to the precision of the three-dimensional molded item to manufacture, it is 0.01 mm or more and 0.30 mm or less normally. By setting the thickness of the thin layer to 0.01 mm or more, it is possible to spread a uniform powder. In addition, by setting the thickness of the thin layer to 0.30 mm or less, the energy of the laser beam is conducted to the lower part of the thin layer, and the coated particles contained in the powder material constituting the thin layer are spread over the entire thickness direction. It can be sufficiently melt-bonded. From the above viewpoint, the thickness of the thin layer is more preferably 0.01 mm or more and 0.10 mm or less. In addition, from the viewpoint of more sufficiently melting and bonding the coated particles throughout the thickness direction of the thin layer and making it less likely to cause cracks in the shaped object layer, the thickness of the thin layer is determined by the beam spot diameter of the laser beam described later. It is preferable to set the difference of 0.10 mm or less.
3−2.予備加熱工程(工程(2))
本工程では、前記形成された粉末材料の薄層を予備加熱する。予備加熱温度は、予備加熱された粉末材料の熱によって、造形物層が再溶解して歪み、造形精度が低下することを抑制する観点から、予備加熱後の薄層の表面温度が、コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)より5℃以上50℃以下高くなるように設定することが好ましい。また、前述の被覆粒子のコア樹脂の貯蔵弾性率G’cが106Pa以下、かつシェル樹脂の貯蔵弾性率G’sが108Pa以上となる温度であるように設定することが好ましい。予備加熱温度は、50℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上300℃以下であることがより好ましく、100℃以上250℃以下であることがさらに好ましく、140℃以上250℃以下であることがさらに好ましい。またこのとき、加熱時間は1〜30秒とすることが好ましく、5〜20秒とすることがより好ましい。加熱温度および加熱時間を上記範囲とすることで、被覆粒子中のコア樹脂を十分に軟化もしくは溶解させることができ、少ないレーザエネルギー量で立体造形物を製造することができる。3-2. Preheating process (process (2))
In this step, the thin layer of the formed powder material is preheated. The preheating temperature is determined by the surface temperature of the thin layer after the preheating from the viewpoint of suppressing the pre-heated powder material from re-dissolving and distorting the modeling layer and reducing the modeling accuracy. It is preferable to set the storage elastic modulus G ′ so as to be 5 ° C. or more and 50 ° C. or less higher than the temperature TC (65) at which the storage elastic modulus G ′ becomes 10 6.5 Pa. Further, it is preferable to set the temperature so that the storage elastic modulus G′c of the core resin of the coated particles is 10 6 Pa or less and the storage elastic modulus G ′s of the shell resin is 10 8 Pa or more. The preheating temperature is preferably 50 ° C or higher and 300 ° C or lower, more preferably 100 ° C or higher and 300 ° C or lower, further preferably 100 ° C or higher and 250 ° C or lower, and 140 ° C or higher and 250 ° C or lower. More preferably it is. At this time, the heating time is preferably 1 to 30 seconds, more preferably 5 to 20 seconds. By setting the heating temperature and the heating time in the above ranges, the core resin in the coated particles can be sufficiently softened or dissolved, and a three-dimensional structure can be manufactured with a small amount of laser energy.
3−3.レーザ光照射工程(工程(3))
本工程では、予備加熱された薄層のうち、造形物層を形成すべき位置にレーザ光を選択的に照射し、照射された位置の被覆粒子を溶融結合させる。溶融結合した被覆粒子は、隣接する粉末と溶融し合って溶融結合体を形成し、造形物層となる。このとき、レーザ光のエネルギーを受け取った被覆粒子は、すでに形成された造形物層とも溶融結合するため、隣り合う層間の接着も生じる。3-3. Laser light irradiation process (process (3))
In this step, laser light is selectively irradiated to a position where a shaped article layer is to be formed in the preheated thin layer, and the coated particles at the irradiated position are melt-bonded. The melt-bonded coated particles are melted together with adjacent powders to form a melt-bonded body, which becomes a shaped article layer. At this time, since the coated particles that have received the energy of the laser beam are also melt-bonded to the already formed object layer, adhesion between adjacent layers also occurs.
レーザ光の波長は、シェル樹脂が吸収する波長の範囲内で設定すればよい。このとき、レーザ光の波長と、シェル樹脂の吸収率が最も高くなる波長との差が小さくなるようにすることが好ましいが、一般的に樹脂は様々な波長域の光を吸収するため、CO2レーザ等の波長帯域の広いレーザ光を用いることが好ましい。たとえば、レーザ光の波長は、例えば0.8μm以上12μm以下とすることができる。What is necessary is just to set the wavelength of a laser beam within the range of the wavelength which shell resin absorbs. At this time, it is preferable to reduce the difference between the wavelength of the laser beam and the wavelength at which the absorption rate of the shell resin is the highest. However, since the resin generally absorbs light in various wavelength ranges, CO 2 It is preferable to use laser light having a wide wavelength band such as two lasers. For example, the wavelength of the laser beam can be, for example, not less than 0.8 μm and not more than 12 μm.
レーザ光の出力条件は、コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106(Pa)以下となるように設定すればよい。The output condition of the laser beam may be set so that the storage elastic modulus G ′ of the core resin is 10 6 (Pa) or less.
たとえば、レーザ光の出力時のパワーは、後述するレーザ光の走査速度において、前記シェル樹脂が十分に溶融結合する範囲内で設定すればよい。具体的には、5.0W以上60W以下とすることができる。レーザ光のエネルギーを低くして、製造コストを低くし、かつ、製造装置の構成を簡易なものにする観点からは、レーザ光の出力時のパワーは30W以下であることが好ましく、20W以下であることがより好ましい。 For example, the power at the time of laser beam output may be set within a range where the shell resin is sufficiently melt-bonded at a laser beam scanning speed described later. Specifically, it can be set to 5.0 W or more and 60 W or less. From the viewpoint of reducing the energy of the laser beam, reducing the manufacturing cost, and simplifying the configuration of the manufacturing apparatus, the power at the output of the laser beam is preferably 30 W or less, preferably 20 W or less. More preferably.
レーザ光の走査速度は、製造コストを高めず、かつ、装置構成を過剰に複雑にしない範囲内で設定すればよい。具体的には、1mm/秒以上100mm/秒以下とすることが好ましく、1mm/秒以上80mm/秒以下とすることがより好ましく、2mm/秒以上80mm/秒以下とすることがさらに好ましく、3mm/秒以上80mm/秒以下とすることがさらに好ましく、3mm/秒以上50mm/秒以下とすることがさらに好ましい。 The scanning speed of the laser light may be set within a range that does not increase the manufacturing cost and does not excessively complicate the apparatus configuration. Specifically, it is preferably 1 mm / second to 100 mm / second, more preferably 1 mm / second to 80 mm / second, further preferably 2 mm / second to 80 mm / second, and more preferably 3 mm. / Mm or more and 80 mm / second or less is more preferable, and 3 mm / second or more and 50 mm / second or less is further preferable.
レーザ光のビーム径は、製造しようとする立体造形物の精度に応じて適宜設定することができる。 The beam diameter of the laser light can be appropriately set according to the accuracy of the three-dimensional structure to be manufactured.
3−4.工程(1)〜工程(3)の繰返しについて
立体造形物の製造の際には、上述の工程(1)〜工程(3)を、この順に任意の回数繰り返す。これにより、造形物層が積層されて、所望の立体造形物が得られることとなる。3-4. About repetition of process (1)-process (3) In the case of manufacture of a three-dimensional molded item, the above-mentioned process (1)-process (3) are repeated arbitrary times in this order. Thereby, a modeling object layer is laminated | stacked and a desired three-dimensional modeling object will be obtained.
3−5.その他
なお、溶融結合中の被覆粒子の酸化等によって、立体造形物の強度が低下することを防ぐ観点からは、少なくとも工程(3)は減圧下または不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。減圧するときの圧力は10−2Pa以下であることが好ましく、10−3Pa以下であることがより好ましい。本実施形態で使用することができる不活性ガスの例には、窒素ガスおよび希ガスが含まれる。これらの不活性ガスのうち、入手の容易さの観点からは、窒素(N2)ガス、ヘリウム(He)ガスまたはアルゴン(Ar)ガスが好ましい。製造工程を簡略化する観点からは、工程(1)〜工程(3)のすべてを減圧下または不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。3-5. Others From the viewpoint of preventing the strength of the three-dimensional structure from being lowered due to oxidation of the coated particles in the melt bond, at least step (3) is preferably performed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere. The pressure when reducing the pressure is preferably 10 −2 Pa or less, and more preferably 10 −3 Pa or less. Examples of the inert gas that can be used in the present embodiment include nitrogen gas and rare gas. Among these inert gases, nitrogen (N 2 ) gas, helium (He) gas, or argon (Ar) gas is preferable from the viewpoint of availability. From the viewpoint of simplifying the production process, it is preferable to perform all of the steps (1) to (3) under reduced pressure or in an inert gas atmosphere.
4.立体造形装置
上記立体造形物の製造方法に使用可能な立体造形装置について説明する。本実施形態に用いることが可能な立体造形装置は、公知の立体造形装置と同様の構成とすることができる。具体的には、本実施形態に係る立体造形装置200は、図2の概略側面図に示すように、開口内に位置する造形ステージ210、粉末材料からなる薄膜を形成するための薄膜形成部220、薄膜を予備加熱するための予備加熱部230、薄膜にレーザ光を照射するためのレーザ照射部240、鉛直方向の位置を可変に造形ステージ210を支持するステージ支持部250、および上記各部を支持するベース290を備える。4). Three-dimensional modeling apparatus The three-dimensional modeling apparatus which can be used for the manufacturing method of the said three-dimensional molded item is demonstrated. The three-dimensional modeling apparatus that can be used in the present embodiment can have the same configuration as a known three-dimensional modeling apparatus. Specifically, as shown in the schematic side view of FIG. 2, the three-
一方、立体造形装置200の制御系の主要部を図3に示す。図3に示すように、立体造形装置200は、薄膜形成部220、予備加熱部230、レーザ照射部240、およびステージ支持部250を制御して、造形物の形成および積層を行う制御部260、各種情報を表示するための表示部270、ユーザーからの指示を受け付けるためのポインティングデバイス等を含む操作部275、制御部260の実行する制御プログラムを含む各種の情報を記憶する記憶部280、ならびに外部機器との間で立体造形データ等の各種情報を送受信するためのインターフェース等を含むデータ入力部285を備えてもよい。また、立体造形装置200は、造形ステージ210上に形成された薄層の表面温度を測定する温度測定器235を備えてもよい。また立体造形装置200には、立体造形用のデータを生成するためのコンピュータ装置300が接続されてもよい。
On the other hand, the main part of the control system of the three-
造形ステージ210は、昇降可能に制御され、当該造形ステージ210上で、薄膜形成部220による薄層の形成、予備加熱部230による薄層の予備加熱、およびレーザ照射部240によるレーザ光の照射が行われる。そして、これらによって形成された造形物が積層されて、立体造形物が形成される。
The
薄膜形成部220は、粉末材料を収納する粉末材料収納部221aと、粉末材料収納部221aの底部に設けられ開口内を昇降する供給ピストン221bとを備える粉末供給部221、および粉末供給部221から供給された粉末材料を造形ステージ210上に平らに敷き詰めて、粉末材料の薄層を形成するリコータ222aを備えた構成とすることができる。本実施形態では、粉末材料収納部221aの開口部の上面が、造形ステージ210を昇降させる(立体造形物を形成するための)開口部の上面と、ほぼ同一平面上に配置される。
The thin
なお、粉末供給部221は、造形ステージ210に対して鉛直方向上方に設けられた粉末材料収納部(不図示)と、当該粉末材料収納部に収納された粉末材料を、所望の量ずつ吐出するためのノズル(不図示)と、を備える構成としてもよい。この場合、ノズルから造形ステージ210上に、均一に粉末材料を吐出することで、薄層を形成することが可能となる。
The
予備加熱部230は、薄層の表面のうち、造形物層を形成すべき領域を加熱し、その温度を維持できるものであればよい。本実施形態では、予備加熱部230が、造形ステージ210上に形成された薄層の表面を加熱可能な第1のヒータ231と、造形ステージ上に供給される前の粉末材料を加熱する第2のヒータ232とを備えるが、これらはいずれか一方のみであってもよい。また、予備加熱部230は、上記造形物層を形成すべき領域を選択的に加熱する構成であってもよい。また、装置内の全体を予め加熱しておいて、上記薄膜の表面を所定の温度に調温する構成であってもよい。
The preheating
温度測定器235は、薄層の表面温度、特に造形物層を形成すべき領域の表面温度を非接触で測定できるものであればよく、たとえば、赤外線センサまたは光高温計とすることができる。
The
レーザ照射部240は、レーザ光源241およびガルバノミラー242aを含む構成とすることができる。レーザ照射部240は、レーザ光を透過させるレーザ窓243およびレーザ光の焦点距離を薄層の表面にあわせるためのレンズ(不図示)を備えていてもよい。レーザ光源241は、前記波長のレーザ光を、前記出力で出射する光源であればよい。レーザ光源241の例には、YAGレーザ光源、ファイバレーザ光源およびCO2レーザ光源が含まれる。ガルバノミラー242aは、レーザ光源241から出射したレーザ光を反射してレーザ光をX方向に走査するXミラーおよびY方向に走査するYミラーから構成されてもよい。レーザ窓243は、レーザ光を透過させる材料からなるものであればよい。The
ステージ支持部250は、造形ステージ210の鉛直方向の位置を可変に支持するものであればよい。すなわち、造形ステージ210は、ステージ支持部250によって鉛直方向に精密に移動可能に構成されている。ステージ支持部250としては、種々の構成を採用できるが、例えば、造形ステージ210を保持する保持部材と、この保持部材を鉛直方向に案内するガイド部材と、ガイド部材に設けられたねじ孔に係合するボールねじ等で構成することができる。
The
制御部260は、中央処理装置等のハードウェアプロセッサを含んでおり、立体造形物の造形動作中、立体造形装置200全体の動作を制御する。
The
また、制御部260は、たとえばデータ入力部285がコンピュータ装置300から取得した立体造形データを、造形物層の積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換するよう構成されてもよい。スライスデータは、立体造形物を造形するための各造形物層の造形データである。スライスデータの厚み、すなわち造形物層の厚みは、造形物層の一層分の厚さに応じた距離(積層ピッチ)と一致する。
Moreover, the
表示部270は、たとえば液晶ディスプレイ、モニタとすることができる。
操作部275は、たとえばキーボードやマウスなどのポインティングデバイスを含むものとすることができ、テンキー、実行キー、スタートキー等の各種操作キーを備えてもよい。
The
記憶部280は、たとえばROM、RAM、磁気ディスク、HDD、SSD等の各種の記憶媒体を含むものとすることができる。
The
立体造形装置200は、制御部260の制御を受けて、装置内を減圧する、減圧ポンプなどの減圧部(不図示)、または、制御部260の制御を受けて、不活性ガスを装置内に供給する、不活性ガス供給部(不図示)を備えていてもよい。
The three-
ここで、本実施形態の立体造形装置200を用いた立体造形方法について、具体的に説明する。制御部260は、データ入力部285がコンピュータ装置300から取得した立体造形データを、造形物層の積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する。その後、制御部260は、立体造形装置200における以下の動作の制御を行う。
Here, the three-dimensional modeling method using the three-
粉末供給部221は、制御部260から出力された供給情報に従って、モーターおよび駆動機構(いずれも不図示)を駆動し、供給ピストンを鉛直方向上方(図2の矢印方向)に移動させ、前記造形ステージと水平方向同一平面上に、粉末材料を押し出す。
The
その後、リコータ駆動部222は、制御部260から出力された薄膜形成情報に従って水平方向(図中矢印方向)にリコータ222aを移動させて、粉末材料を造形ステージ210に運搬し、かつ、薄層の厚さが造形物層の1層分の厚さとなるように粉末材料を押圧する。
Thereafter, the
予備加熱部230は、制御部260から出力された温度情報に従って形成された薄層の表面または装置内の全体を加熱する。上記温度情報は、たとえば、データ入力部285から入力されたコア樹脂を構成する材料の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)のデータに基づいて制御部260が記憶部280から引き出した、上記温度との差が5℃以上50℃以下となる温度に薄層の表面を加熱するための情報とすることができる。予備加熱部230は、薄層が形成された後に加熱を開始してもよいし、薄層が形成される前から形成されるべき薄層の表面に該当する箇所または装置内の加熱を行っていてもよい。The preheating
その後、レーザ照射部240は、制御部260から出力されたレーザ照射情報に従って、薄膜上の、各スライスデータにおける立体造形物を構成する領域に適合して、レーザ光源241からレーザ光を出射し、ガルバノミラー駆動部242によりガルバノミラー242aを駆動してレーザ光を走査する。レーザ光の照射によって粉末材料に含まれる被覆粒子が溶融結合し、造形物層が形成される。
After that, the
その後、ステージ支持部250は、制御部260から出力された位置制御情報に従って、モーターおよび駆動機構(いずれも不図示)を駆動し、造形ステージ210を、積層ピッチだけ鉛直方向下方(図中矢印方向)に移動する。
Thereafter, the
表示部270は、必要に応じて、制御部260の制御を受けて、ユーザーに認識させるべき各種の情報やメッセージを表示する。操作部275は、ユーザーによる各種入力操作を受け付けて、その入力操作に応じた操作信号を制御部260に出力する。たとえば、形成される仮想の立体造形物を表示部270に表示して所望の形状が形成されるか否かを確認し、所望の形状が形成されない場合は、操作部275から修正を加えてもよい。
The
制御部260は、必要に応じて、記憶部280へのデータの格納または記憶部280からのデータの引き出しを行う。
The
なお、制御部260は、薄層の表面のうち、造形物層を形成すべき領域の温度の情報を温度測定器235から受け取り、前記造形物層を形成すべき領域の温度と、前記コア樹脂を構成する材料の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)と、の差が5℃以上50℃以下、好ましくは5℃以上30℃以下になるように、予備加熱部230による加熱を制御してもよい。In addition, the
これらの動作を繰り返すことで、造形物層が積層され、立体造形物が製造される。 By repeating these operations, the modeled object layer is laminated and a three-dimensional modeled object is manufactured.
以下において、本発明の具体的な実施例を説明する。なお、これらの実施例によって、本発明の範囲は限定して解釈されない。 In the following, specific examples of the present invention will be described. These examples do not limit the scope of the present invention.
1.粉末材料の作製
1−1.原料の準備
コア樹脂およびシェル樹脂の材料として、以下の表1に記載の樹脂を用意した。なお、市販の樹脂の平均粒子径が表1に記載の数値より大きいときは、湿式分散機を備えたレーザ回折式粒度分布測定装置(シンパティック(SYMPATEC)社製、ヘロス(HELOS))で測定した平均粒子径が表1に記載の値になるまで、機械的粉砕法で樹脂微粒子を粉砕した。1. 1. Production of powder material 1-1. Preparation of raw materials Resins shown in Table 1 below were prepared as materials for the core resin and the shell resin. In addition, when the average particle diameter of commercially available resin is larger than the numerical value of Table 1, it measures with the laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus (Sympathetic (SYMPATEC) company make, HELOS) provided with the wet disperser. The resin fine particles were pulverized by a mechanical pulverization method until the average particle diameter reached the value shown in Table 1.
1−2.粉末材料の調製
(1)粉末材料1の調製
740質量部のPA12をスパイラフロー(フロイント産業株式会社製 SFC−MINI)に投入し、給気温度50℃、層内静圧1.8kPa、排気静圧2.1kPa、ローター回転数400rpm、アジテータ回転数600rpmの条件にて流動状態としたのち、別途用意した50質量部のPARをテトラヒドロフラン(THF)1000質量部に溶解させた溶液を、4g/minの速度でスプレーノズルより層内に投入し、90分間スプレーノズルより溶液を噴霧することで、被覆粒子を含む粉末材料1を得た。1-2. Preparation of powder material (1) Preparation of powder material 1 740 parts by mass of PA12 was introduced into Spiraflow (SFC-MINI, manufactured by Freund Sangyo Co., Ltd.), the supply air temperature was 50 ° C., the static pressure inside the layer was 1.8 kPa, and the exhaust static After making the fluidized state under the conditions of pressure 2.1 kPa, rotor rotational speed 400 rpm, agitator rotational speed 600 rpm, a solution prepared by dissolving 50 parts by mass of PAR separately prepared in 1000 parts by mass of tetrahydrofuran (THF) was 4 g / min. The powder material 1 containing the coated particles was obtained by spraying the solution into the layer from the spray nozzle at a speed of 90 mm and spraying the solution from the spray nozzle for 90 minutes.
(2)粉末材料2〜7、9、および10の調製
樹脂の種類を表2に記載の組み合わせにした以外は粉末材料1と同様にして、被覆粒子を含む粉末材料2〜7、9、および10を得た。なお、粉末材料2および3は、PAR溶液の噴霧時間を18分、164分とした以外は、粉末材料1と同様にして粒子を作成した。(2) Preparation of powder materials 2-7, 9, and 10 Powder materials 2-7, 9, and containing coated particles, in the same manner as powder material 1 except that the types of resins are the combinations shown in Table 2. 10 was obtained. Powder materials 2 and 3 were prepared in the same manner as powder material 1 except that the spraying time of the PAR solution was 18 minutes and 164 minutes.
(3)粉末材料8の調製
PA12をそのまま粉末材料8とした。(3) Preparation of powder material 8 PA12 was directly used as powder material 8.
2.評価
得られた粉末材料、および当該粉末材料から得られる立体造形物について、以下のように評価を行った。2. Evaluation About the obtained powder material and the three-dimensional molded item obtained from the said powder material, it evaluated as follows.
2−1.粉末材料の評価
(1)コア樹脂およびシェル樹脂の貯蔵弾性率
表2に示すコア樹脂およびシェル樹脂の貯蔵弾性率は、貯蔵弾性率測定装置(ティー・エイ・インスツルメント社製、ARES−G2レオメータ)を用い、以下の方法で測定した値である。2-1. Evaluation of powder material (1) Storage elastic modulus of core resin and shell resin The storage elastic modulus of the core resin and shell resin shown in Table 2 is a storage elastic modulus measuring device (ARES-G2 manufactured by TA Instruments). It is a value measured by the following method using a rheometer.
・貯蔵弾性率の測定方法
(試料の調製)
加圧成型機(エヌピーエーシステム株式会社製、NT−100H)を用いて、常温で樹脂を30kNで1分間加圧して、樹脂を直径約8mm、高さ約2mmの円柱状試料に成型した。・ Measurement method of storage modulus (Preparation of sample)
Using a pressure molding machine (NT-100H, manufactured by NP System Co., Ltd.), the resin was pressurized at 30 kN for 1 minute at room temperature to mold the resin into a cylindrical sample having a diameter of about 8 mm and a height of about 2 mm.
(測定手順)
上記装置が有するパラレルプレートの温度を150℃に温調して、上記のように調製した円柱状の試料を加熱溶融させた。その後、axial forceが10(g重)を超えないように垂直方向に荷重をかけて、パラレルプレートに上記試料を固着させた。この状態でパラレルプレートおよび該円柱状試料を測定開始温度250℃まで加熱し、徐冷しながら粘弾性データを測定した。測定されたデータは、Microsoft社製Windows7を搭載したコンピュータに転送し、上記コンピュータ上で動作する制御、データ収集および解析ソフト(TRIOS)を通じてデータ転送し、貯蔵弾性率G’が106.5(Pa)になる温度TC(65)もしくはTS(65)を特定した。(Measurement procedure)
The temperature of the parallel plate of the apparatus was adjusted to 150 ° C., and the columnar sample prepared as described above was heated and melted. Thereafter, a load was applied in the vertical direction so that the axial force did not exceed 10 (g weight), and the sample was fixed to the parallel plate. In this state, the parallel plate and the cylindrical sample were heated to a measurement start temperature of 250 ° C., and viscoelasticity data was measured while gradually cooling. The measured data is transferred to a computer equipped with Microsoft Windows 7 and transferred through control, data collection and analysis software (TRIOS) operating on the computer, and the storage elastic modulus G ′ is 10 6.5 ( The temperature TC (65) or TS (65) to become Pa) was specified.
(測定条件)
測定周波数 :6.28ラジアン/秒。
測定歪みの設定 :初期値を0.1%に設定し、自動測定モードにて測定を行った。
試料の伸長補正 :自動測定モードにて調整した。
測定温度 :250℃から100℃まで毎分5℃の割合で徐冷した。
測定間隔 :1℃ごとに粘弾性データを測定した。(Measurement condition)
Measurement frequency: 6.28 radians / second.
Measurement strain setting: The initial value was set to 0.1%, and measurement was performed in automatic measurement mode.
Sample extension correction: Adjusted in automatic measurement mode.
Measurement temperature: Slow cooling from 250 ° C. to 100 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute.
Measurement interval: Viscoelasticity data was measured every 1 ° C.
(2)シェル樹脂からなる層の厚み
被覆粒子を光硬化性樹脂(日本電子株式会社製、D−800)に分散させた後、光硬化させ、ブロックを形成した。ダイヤモンド歯を備えたミクロトームを用い、上記ブロックから厚さ100〜200nmの薄片状のサンプルを切り出し、透過電子顕微鏡観察用の支持膜付きグリッドに載せた。上記グリッドを走査型透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製、JSM−7401F)に設置して、以下の条件で明視野像を撮像した。(2) Thickness of layer made of shell resin The coated particles were dispersed in a photocurable resin (D-800 manufactured by JEOL Ltd.) and then photocured to form a block. Using a microtome equipped with diamond teeth, a flaky sample having a thickness of 100 to 200 nm was cut out from the block and placed on a grid with a support film for transmission electron microscope observation. The grid was placed on a scanning transmission electron microscope (JSM-7401F, manufactured by JEOL Ltd.), and a bright field image was taken under the following conditions.
(撮像方法)
加速電圧 :30kV
倍率 :10000倍(Imaging method)
Acceleration voltage: 30 kV
Magnification: 10,000 times
多数の被覆粒子の断面をTEMで撮像し、得られた画像の中からランダムに選択した10個の被覆粒子のコア樹脂とシェル樹脂の界面を確認し、各被覆粒子のシェル樹脂の厚みを実測し、それらの平均を求めてシェル樹脂の平均厚みとした。 A cross section of a large number of coated particles is imaged with a TEM, the interface between the core resin and the shell resin of 10 coated particles randomly selected from the obtained images is confirmed, and the thickness of the shell resin of each coated particle is measured. And the average of those was calculated | required and it was set as the average thickness of shell resin.
2−2.立体造形物の評価
(1)立体造形物の作製
粉末材料1〜10をホットプレート上に設置した造形ステージ上に敷き詰めて厚さ0.1mmの薄層を形成し、ホットプレートの温度を調整することで、表2に記載の予備加熱温度にそれぞれ加熱した。この薄層に、以下の条件で、YAG波長用ガルバノメータスキャナを搭載した50WCO2レーザから縦15mm×横20mmの範囲にレーザ光を照射して、造形物層を作製した。上記工程を10回繰り返し、10層からなる積層された立体造形物をそれぞれ製造した。2-2. Evaluation of 3D modeling object (1) Production of 3D modeling object Powder material 1-10 is spread on the modeling stage installed on the hot plate to form a thin layer with a thickness of 0.1 mm, and the temperature of the hot plate is adjusted. Thus, each was heated to the preheating temperature described in Table 2. This thin layer was irradiated with laser light in a range of 15 mm long × 20 mm wide from a 50 WCO 2 laser equipped with a galvanometer scanner for YAG wavelength under the following conditions to produce a shaped article layer. The above steps were repeated 10 times, and 10-layer laminated three-dimensional shaped objects were respectively produced.
[レーザ光の出射条件]
レーザ出力:50W
レーザ光の波長:10μm
ビーム径:薄層表面で170μm[Laser output conditions]
Laser output: 50W
Laser light wavelength: 10 μm
Beam diameter: 170 μm on the surface of the thin layer
[レーザ光の走査条件]
走査速度:2000mm/sec
ライン数:1ライン[Laser beam scanning conditions]
Scanning speed: 2000mm / sec
Number of lines: 1 line
[周囲雰囲気]
温度:予備加熱温度
ガス:窒素(N2) 100%[Ambient atmosphere]
Temperature: Preheating temperature Gas: Nitrogen (N 2 ) 100%
(2)溶融特性の評価
上述の方法で作製した立体造形物について、任意の範囲について、SEM(走査型電子顕微鏡、商品名S−3500N 日立製作所(株)製)で撮像した。得られた画像内に確認できる被覆粒子の全個数に対して、隣接する粉末と焼結または溶融結合していた被覆粒子の個数の割合を求め、以下の基準により焼結または溶融の状態を評価した。なお、市販の走査型電子顕微鏡の撮影条件は以下のとおりである。(2) Evaluation of melting characteristics About the three-dimensional molded object produced by the above-mentioned method, it imaged by SEM (scanning electron microscope, brand name S-3500N made by Hitachi Ltd.) about arbitrary ranges. Obtain the ratio of the number of coated particles that were sintered or melt-bonded with the adjacent powder to the total number of coated particles that can be confirmed in the obtained image, and evaluate the state of sintering or melting according to the following criteria did. The photographing conditions of a commercially available scanning electron microscope are as follows.
真空モード:低真空モード
加速電圧 :5kV
倍率 :250倍
電子照射開始から撮影開始までの時間:3分
試料 :スパッタ処理済み
試料台 :アルミニウム製、接地状態Vacuum mode: Low vacuum mode Acceleration voltage: 5 kV
Magnification: 250 times Time from the start of electron irradiation to the start of imaging: 3 minutes Sample: Sputtered Sample stage: Made of aluminum, grounded
また、以下の基準で溶融特性を評価した。
○:SEM画像中にみられる被覆粒子のすべてが、隣接する粉末と焼結または溶融結合していた
△:SEM画像中にみられる被覆粒子のうち50%以上100%未満が、隣接する粉末と焼結または溶融結合していた
×:SEM画像中の50%未満の粉末材料が、隣接する粉末と焼結または溶融結合していたFurther, the melting characteristics were evaluated according to the following criteria.
○: All coated particles found in the SEM image were sintered or melt-bonded with the adjacent powder. Δ: 50% or more and less than 100% of the coated particles found in the SEM image were the adjacent powder. Sintered or melt bonded X: Less than 50% of the powder material in the SEM image was sintered or melt bonded to the adjacent powder
(3)凝集試験
粉末材料1〜10をそれぞれ1gずつ20ccのガラス製サンプル瓶に計りとり、所定温度に保ったホットプレート上に10分間放置した。放置後、室温まで戻した後、2mmの開口径を有する金属メッシュ篩上に粉末材料を移し、20秒間振動を与え、篩上に残った粉末材料の重量を計測した。ホットプレートの設定温度を変更して上記の作業を繰返し行い、1割以上の重量の粉末材料が残存した最初のホットプレートの温度を凝集発生温度とした。(3) Aggregation test 1 g of each of powder materials 1 to 10 was weighed into a 20 cc glass sample bottle and left on a hot plate maintained at a predetermined temperature for 10 minutes. After standing, the temperature was returned to room temperature, and then the powder material was transferred onto a metal mesh sieve having an opening diameter of 2 mm, vibration was applied for 20 seconds, and the weight of the powder material remaining on the sieve was measured. The above operation was repeated while changing the set temperature of the hot plate, and the temperature of the first hot plate where the powder material having a weight of 10% or more remained was defined as the aggregation occurrence temperature.
上記表2に示されるように、コア樹脂のSP値と、シェル樹脂のSP値との差の絶対値ΔSPが2.5(J/cm3)1/2〜7.0(J/cm3)1/2を満たす場合(粉末材料1〜7)には、凝集発生温度が予備加熱温度よりも高く、予備加熱時に凝集が生じなかった。また、溶融特性もいずれも良好であった。予備加熱温度を170℃以上に高くすることができたため、各粉末材料を同等のレーザエネルギー量で、十分に焼結させることができた。As shown in Table 2 above, the absolute value ΔSP of the difference between the SP value of the core resin and the SP value of the shell resin is 2.5 (J / cm 3 ) 1/2 to 7.0 (J / cm 3 ) When 1/2 was satisfied (powder materials 1 to 7), the aggregation generation temperature was higher than the preheating temperature, and no aggregation occurred during the preheating. Also, the melting characteristics were all good. Since the preheating temperature could be increased to 170 ° C. or higher, each powder material could be sufficiently sintered with the same amount of laser energy.
これに対し、ΔSPが小さ過ぎる場合には、予備加熱時に、溶融したコア樹脂中にシェル樹脂が溶け込んでしまい、凝集発生温度が予備加熱温度より低くなった。また、凝集が生じたために、粉末自体が固化してしまい、造形することが出来なかった(粉末材料9)。一方、ΔSPが大過ぎる場合には、被覆粒子の溶融結合が上手く進まず、上手く造形物を得ることができなかった(粉末材料10)。これは、粉末材料にレーザ光照射した際に、コア樹脂およびシェル樹脂が相分離してしまったためと考えられる。また、コアシェル構造を有さない粒子を用いた場合、実施例と同等のレーザエネルギー量では、十分に溶融もしくは焼結させることができなかった(粉末材料8)。 On the other hand, when ΔSP was too small, the shell resin was dissolved in the melted core resin during the preheating, and the aggregation occurrence temperature became lower than the preheating temperature. Moreover, since aggregation occurred, the powder itself solidified and could not be formed (powder material 9). On the other hand, when ΔSP was too large, the melt bonding of the coated particles did not proceed well, and a molded article could not be obtained well (powder material 10). This is presumably because the core resin and the shell resin were phase-separated when the powder material was irradiated with laser light. Further, when particles having no core-shell structure were used, it was not possible to sufficiently melt or sinter with the same amount of laser energy as in the examples (powder material 8).
本出願は、2016年3月23日出願の特願2016−058643号に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。 This application claims the priority based on Japanese Patent Application No. 2006-058643 of an application on March 23, 2016. The contents described in the application specification and the drawings are all incorporated herein.
本発明に係る方法および装置によれば、粉末床溶融結合法によってより精度の高い造形が少ないレーザエネルギー量で可能となる。そのため、本発明は、粉末床溶融結合法のさらなる普及に寄与するものと思われる。 According to the method and apparatus of the present invention, more accurate modeling can be achieved with a small amount of laser energy by the powder bed fusion bonding method. Therefore, the present invention is considered to contribute to further spread of the powder bed fusion bonding method.
100 被覆粒子
101 コア粒子
102 シェル樹脂
200 立体造形装置
210 造形ステージ
220 薄膜形成部
221 粉末供給部
222 リコータ駆動部
222a リコータ
230 予備加熱部
231 第1のヒータ
232 第2のヒータ
235 温度測定器
240 レーザ照射部
241 レーザ光源
242 ガルバノミラー駆動部
242a ガルバノミラー
243 レーザ窓
250 ステージ支持部
260 制御部
270 表示部
275 操作部
280 記憶部
290 ベース
285 データ入力部
300 コンピュータ装置DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記被覆粒子は、コア樹脂と、前記コア樹脂を被覆するシェル樹脂とを含み、
前記コア樹脂のSP値および前記シェル樹脂のSP値の差の絶対値が、2.5(J/cm3)1/2〜7.0(J/cm3)1/2であり、
前記シェル樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TS(65)は、前記コア樹脂の貯蔵弾性率G’が106.5Paになる温度TC(65)より高い、
粉末材料。The formation of a thin layer of powder material containing coated particles, preheating of the thin layer, and selective laser light irradiation to the thin layer are repeated, and a plurality of shaped layers in which the coated particles are melt-bonded are laminated. A powder material used in a method of manufacturing a three-dimensional structure,
The coated particles include a core resin and a shell resin that coats the core resin,
The absolute value of the difference between the SP value of the core resin and the SP value of the shell resin is 2.5 (J / cm 3 ) 1/2 to 7.0 (J / cm 3 ) 1/2 ,
The storage elastic modulus of the shell resin G 'is 10 6.5 Pa Temperature TS (65) has a storage modulus G of the core resin' is higher than the temperature TC (65) to become 10 6.5 Pa,
Powder material.
請求項1に記載の粉末材料。The storage elastic modulus of the shell resin G 'is the temperature TS (65) to become 10 6.5 Pa, the storage modulus G of the core resin' is the difference between the temperature TC (65) to become 10 6.5 Pa 5 ° C or higher and 75 ° C or lower,
The powder material according to claim 1.
請求項1または2に記載の粉末材料。In the coated particles, the thickness of the layer containing the shell resin that coats the core resin is 10 to 500 nm.
The powder material according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の粉末材料。The degree of circularity of the coated particles is 0.95 or more,
The powder material as described in any one of Claims 1-3.
前記薄層を予備加熱する予備加熱工程と、
前記予備加熱された薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記被覆粒子どうしが溶融結合した造形物層を形成するレーザ光照射工程と、
を含み、
前記薄層形成工程、前記予備加熱工程、および前記レーザ光照射工程をこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層することで立体造形物を形成する、
立体造形物の製造方法。A thin layer forming step of forming a thin layer made of the powder material according to any one of claims 1 to 4,
A preheating step of preheating the thin layer;
A laser beam irradiation step of selectively irradiating the preheated thin layer with a laser beam to form a shaped article layer in which the coated particles are melt-bonded;
Including
The thin layer forming step, the preliminary heating step, and the laser light irradiation step are repeated a plurality of times in this order, and the three-dimensional object is formed by laminating the object layer,
Manufacturing method of a three-dimensional molded item.
請求項5に記載の立体造形物の製造方法。The preheating temperature is a temperature at which the storage elastic modulus G′c of the core resin of the coated particles is 10 6 Pa or less and the storage elastic modulus G ′s of the shell resin is 10 8 Pa or more.
The manufacturing method of the three-dimensional molded item of Claim 5.
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