(57)【要約】【課題】支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去するのを容易化し、かつ、同時に立体造形物の残留応力を開放し、機械的強度を高めることができる立体造形物の製造方法の提供。【解決手段】支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理工程を有する立体造形物の製造方法であって、前記後処理工程は、前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱工程と、前記支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する工程と、を含み、前記加熱工程において加熱する温度は、前記支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記造形材料のガラス転移温度以上であり、前記支持構造体は、前記加熱工程後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理工程を有する立体造形物の製造方法であって、
前記後処理工程は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱工程と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する工程と、を含み、
前記加熱工程において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、
前記支持構造体は、前記加熱工程後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形物の製造方法。
【請求項２】
前記支持構造体で支持された立体造形物は、
前記造形材料で造形層を造形する立体造形物造形工程と、
前記造形層を支持する支持構造体を、前記支持材料で造形する支持構造体造形工程と
を繰り返すことにより造形される請求項１に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項３】
前記支持構造体は、蛇腹構造、または井桁構造を有する請求項１または２に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項４】
前記支持材料が、加水分解する材料である請求項１〜３の何れかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項５】
前記支持材料が、ポリエステル系の材料、ポリアミド、またはポリカーボネートである請求項４に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項６】
前記造形材料がスーパーエンジニアリングプラスチックである請求項１〜５の何れかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項７】
支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理手段を有する立体造形物の製造装置であって、
前記後処理手段は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱手段と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する手段と、を含み、
前記加熱手段において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、
前記支持構造体は、前記加熱手段により加熱された後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱手段により加熱された後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形物の製造装置。
【請求項８】
支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理手段を有する立体造形システムであって、
前記後処理手段は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱手段と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する手段と、を含み、
前記加熱手段において、加熱温度を、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上に温度を制御する制御装置を有し、
前記支持構造体は、前記加熱手段により加熱された後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱手段により加熱された後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形物の製造方法、立体造形物の製造装置、及び立体造形システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金型などを用いずに立体造形物（モデル）を造形することができる３Ｄプリンタが普及している。３Ｄプリンタではモデルを平面形状に変換し、その平面毎に樹脂を形成して積層していくことで立体形状を造形する。このように３Ｄプリンタでは底面からモデルを積層していくため、モデルのオーバーハング部の下には支持構造体を造形する必要がある。支持構造体がないと、積層した造形材料が重力で垂れてしまったり、立体造形物の重量で形状が変形してしまうことがあり、所望のモデルを造形するためには支持構造体を造形することは必要不可欠である。支持構造体は造形完了後に除去し、これによって所望のモデルを得ることができる。
【０００３】
支持構造体の除去方式としては、溶解方式やブレイクアウェイ方式が一般的に知られている。溶解方式では、支持材料に溶剤や水に溶ける材料を用い、造形完了後の造形物を溶剤または水に浸しておくことで支持材料のみを溶かして除去する。ブレイクアウェイ方式は、支持構造体をモデルから物理的に破壊して除去する方式であり、造形完了後の立体造形物からニッパーやペンチなどを使って支持材料を除去する。
【０００４】
また、支持材料の除去後に、造形物の機械的強度や表面精度を向上させるために立体造形物をアニールする場合がある。
例えば特許文献１には、三次元立体造形装置で造形した三次元物体の機械的強度を向上させることを目的とし、熱可塑性材料を含む造形材料が積層されることによって作製された部分を有する三次元物体の後処理方法において、前記三次元物体の周囲に粒子を充填して、前記三次元物体を加熱処理容器内に保持させる第一の工程と、前記加熱処理容器内に保持させた前記三次元物体に加熱処理を施す第二の工程と、を含むことを特徴とする三次元物体の後処理方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去するのを容易化し、かつ、同時に立体造形物の残留応力を開放し、機械的強度を高めることができる立体造形物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造方法は、以下の通りである。
（１）支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理工程を有する立体造形物の製造方法であって、
前記後処理工程は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱工程と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する工程と、を含み、
前記加熱工程において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、
前記支持構造体は、前記加熱工程後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形物の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の立体造形物の製造方法により、支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去するのを簡易化し、かつ、同時に立体造形物の残留応力を開放し、機械的強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】造形後の立体造形物の一例を示す概略図である
【図２】ＰＢＴの加熱温度・加熱時間による引張強度の変化を示すグラフである。
【図３】ＰＢＴの支持構造体を２１０℃で６ｈ加熱した後の様子を示す図である。
【図４】支持構造体が、井桁構造の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る造形装置の一実施形態を示す模式図である。
【図６】図５の造形装置における吐出モジュールを示す模式図である。
【図７】図５の造形装置におけるハードウェア構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
（１）支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理工程を有する立体造形物の製造方法であって、
前記後処理工程は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱工程と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する工程と、を含み、
前記加熱工程において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、
前記支持構造体は、前記加熱工程後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形物の製造方法。
（２）前記支持構造体で支持された立体造形物は、
前記造形材料で造形層を造形する立体造形物造形工程と、
前記造形層を支持する支持構造体を、前記支持材料で造形する支持構造体造形工程と
を繰り返すことにより造形される前記（１）に記載の立体造形物の製造方法。
（３）前記支持構造体は、蛇腹構造、または井桁構造を有する前記（１）または（２）に記載の立体造形物の製造方法。
（４）前記支持材料が、加水分解する材料である前記（１）〜（３）の何れかに記載の立体造形物の製造方法。
（５）前記支持材料が、ポリエステル系の材料、ポリアミド、またはポリカーボネートである前記（４）に記載の立体造形物の製造方法。
（６）前記造形材料がスーパーエンジニアリングプラスチックである前記（１）〜（５）の何れかに記載の立体造形物の製造方法。
（７）支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理手段を有する立体造形物の製造装置であって、
前記後処理手段は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱手段と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する手段と、を含み、
前記加熱手段において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、
前記支持構造体は、前記加熱手段により加熱された後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱手段により加熱された後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形物の製造装置。
（８）支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理手段を有する立体造形システムであって、
前記後処理手段は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱手段と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する手段と、を含み、
前記加熱手段において、加熱温度を、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上に温度を制御する制御装置を有し、
前記支持構造体は、前記加熱手段により加熱された後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱手段により加熱された後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形システム。
【００１０】
本発明は、
支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理工程を有する立体造形物の製造方法であって、
前記後処理工程は、
前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱工程と、
前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する工程と、を含み、
前記加熱工程において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、
前記支持構造体は、前記加熱工程後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する立体造形物の製造方法である。
【００１１】
支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する方法として、ブレイクアウェイ方式では、造形物から支持構造体を剥がしたり、引き抜いたりするときに力が必要であるのが問題であった。また、造形物の内側にある（穴の中など）支持構造体は、ペンチを穴の中に入れて、力を加えて、支持構造体を穴から引き出せる大きさに破壊して取り除くなどする必要があり、非常に手間である。溶解方式の場合は、支持材料が溶剤や水に溶けるまでに時間がかかることが問題であった。
【００１２】
また、支持構造体の除去後に、造形物の機械的強度や表面精度を向上させるために立体造形物をアニールする場合があり、支持構造体の除去工程の後にアニールをするとなると、所望のモデルを得るまでに非常に時間がかかってしまう。
例えば、特許文献１の三次元物体の後処理方法は、本発明とは確かに造形後の造形物を加熱することで残留応力を開放し、機械的強度を向上させようとしている点では似ている。しかし、特許文献１記載の方法では造形物の支持構造体を除去した後に加熱処理容器内に入れ、造形物が内部応力で変形しないように周りを粒子で充填してから加熱するという工程が必要であり、手間がかかる。
【００１３】
３Ｄプリンタで造形した立体造形物は、溶融した樹脂を固化しながら積層していくという造形方法のために残留応力が残っており、立体造形物を再加熱したり、長時間放置しておくと造形物が変形してしまうことがある。特許文献１ではこれを鑑みて、立体造形物の周りを粒子で充填することで立体造形物が変形しないように保持した状態で加熱している。これに対して本発明では、支持構造体が接着した状態の立体造形物をアニールしているため、支持構造体が立体造形物を保持する役割を果たす。
【００１４】
本発明においては、加熱手段により、支持構造体により支持された立体構造物を加熱することにより、支持構造体の機械的強度を低下させ、前記立体造形物から前記支持構造体の除去を簡易化することができるとともに、また、立体造形物も同時にアニールされることで、立体造形物の残留応力が開放され、機械的強度が向上する。
本発明では、支持構造体の除去と造形物のアニール工程が同時にでき、支持構造体も容易に除去できるようになるため、支持構造体の除去とアニール工程の負担と時間を軽減することができる。
このとき、支持材料は加熱した後に冷却すると機械的強度が低下しやすい（熱劣化しやすい）材料であれば何でも良い。
【００１５】
＜支持材料＞
本発明では支持材料に、加熱すると機械的強度が低下する（熱劣化する）材料を用い、それらを加熱して冷却した後の機械的強度を低下させ、支持構造体を除去しやすくする。
ここで機械的強度とは、引張強度、引張弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率、圧縮強度、耐衝撃強度などを示す。本発明では機械的強度が低下したかどうかは、引張強度で判断した。また、「機械的強度が低下した」とは、加熱前後で、引張強度が５０％以上低下したことを言う。
【００１６】
支持材料が熱劣化するメカニズムとしては、ポリマーの主鎖や末端基の開裂、または加水分解などがあげられ、このような反応を示す材料を用いる。
加水分解するような材料の例としては、カルボン酸誘導体が挙げられる。カルボン酸誘導体とは、カルボン酸（−ＣＯＯＨ）のヒドロキシ基（−ＯＨ）が他の置換基に変わったもので、代表的なものとしては酸塩化物や酸無水物、エステル、アミドなどがあげられる。これらのポリエステル、ポリアミドなどに対して水が反応すると、加水分解を起こしカルボン酸が生成される。加水分解は空気中の水分と反応させることで引き起こしているので、一般的に加熱温度と湿度と加熱時間に依存し、加熱温度が高いほど、また湿度が高いほど、また加熱時間が長いほど加水分解が進行しやすい。加水分解する材料を支持材料として用いた場合は、加熱工程における湿度は、５０％ＲＨ以上であることが好ましい。また、加水分解した材料は、ポリマー内の分子鎖が切断されるので、機械的強度が低下する。
【００１７】
加水分解を起こしやすい材料の具体例としては、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリトリブチレンテレフタラート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリブチレンナフタレート（ＰＢＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などのポリエステル、またポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）などのポリアミド、またポリカーボネート（ＰＣ）などが挙げられる。
【００１８】
また、高分子材料が高温に晒されると、その主鎖や末端基の開裂が起きることで熱分解し、機械的強度が低下する。熱分解しやすい材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などがあげられる。
【００１９】
本発明は支持材料が熱劣化する性質を利用したもので、造形後の立体造形物と支持構造体を加熱炉などに入れ、数時間加熱後に加熱炉から造形物を取り出して冷却すると、支持構造体は機械的強度が低下しているため、容易に除去できるようになる。よって、ペンチなどで力を入れて除去する必要がなくなり、造形物の内側（穴の中など）にある支持構造体も簡単に破壊して除去できるようになる。なお、造形材料は支持材料が熱劣化するような加熱温度で加熱しても、分解や物性の変化、機械的強度の低下などが起こらない材料である。
加熱手段としては、加熱炉、高温チャンバ、オーブン、熱処理器などがあげられる。
【００２０】
本発明における立体造形物の製造方法は、熱可塑性樹脂を造形材料とする３Ｄプリンタで造形した立体造形物に適応が可能であり、効果も３Ｄプリンタの造形方式によらず同様に期待できる。
【００２１】
＜支持構造体＞
支持構造体の構造は、より効率的に支持材料を熱劣化させるために、蛇腹構造や井桁構造などの表面積が多くなるような構造が良い。井桁構造は例えば、所定の方向に沿って複数の第１の線状部分を有する第１の造形層と、複数の第２の線状部分を有する第２の造形層が前記第１の線状部分に対して交差するように配置され、これらの層が交互に造形されるような構造である。この井桁構造であると上下層間の材料が接しているのは交差点のみであるので、空気に触れる表面積を最大に多くすることができる。井桁構造の一例を図４に示す。
支持構造体を蛇腹構造や井桁構造とする方法は、公知の方法を用いることができる。
支持構造体をより効率的に加水分解させるためには、加熱温度を高くすること、湿度を高くすること、加熱時間を長くすること、支持構造体を表面積が多くなるような構造で造形することが大切である。
【００２２】
＜造形材料＞
造形材料としては、加熱しても分解や物性の変化、機械的強度の低下などが起こらない材料を用いる。
上記のような造形材料としては、スーパーエンジニアリングプラスチックであることが好ましく、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）などのポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、またポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などが挙げられる。
【００２３】
＜加熱工程＞
次に、加熱工程について説明する。本発明では、熱劣化する性質を持つ支持構造体を加熱することで冷却後の機械的強度を低下させたが、造形材料には加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない材料を用い、これを加熱することで立体造形物の残留応力を開放し、また機械的強度を向上させることができる。このように加熱工程により、支持構造体を除去しやすくすると同時に、立体造形物の残留応力の開放および機械的強度を向上させることができるのが本発明の最大の効果である。
加熱工程において加熱する温度は、前記支持材料が結晶性樹脂の場合は融点以下、支持材料が非晶性樹脂の場合はガラス転移温度以下、かつ、前記造形材料のガラス転移温度以上、かつ、造形材料の融点以下である。さらに、支持構造体が加熱工程後に冷却すると機械的強度が低下し、立体造形物は加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する。造形材料が非晶性樹脂の場合は、造形材料のガラス転移温度〜＋３０℃の範囲で加熱することが好ましい。
【００２４】
支持構造体が加熱後に冷却すると機械的強度が低下する条件は、加熱温度と加熱時の湿度と加熱時間の３つがある。支持材料の熱劣化を促進させるためには、なるべく高温で、かつ支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下が良い。すなわち、結晶性樹脂の場合は融点を超えない程度に高温、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度を超えない程度に高温で加熱することが好ましい。
また、加熱時間については、支持材料の機械的強度が十分に低下するまで加熱する必要がある。具体的な加熱時間は、支持材料のサンプルを加熱する時間を変え、それぞれで引張試験などの強度測定試験を行い、適切な加熱時間を決めると良い。
次に加熱時の湿度については、支持材料を加水分解反応で熱劣化させる場合には、湿度が高い方が劣化が促進される。加水分解による熱劣化を促進させるためには、５０％ＲＨ以上が良い。
支持構造体を加熱する３条件については以上に述べた通りであるが、ベストな条件を見つけるためには、加熱温度、加熱時間、湿度のパラメータを振って支持材料のサンプルを加熱し、実際に引張試験などの強度測定試験を行う。
【００２５】
材料の融点やガラス転移温度は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）や熱重量測定（ＴＧ・ＴＧＡ）、示差熱・熱重量同時測定（ＴＧ−ＤＴＡ）、示差熱分析（ＤＴＡ）測定などにより求めることができる。示差走査熱量測定（ＤＳＣ）は、一定の熱を加えながら基準物質と試料との温度差を測定し、試料の吸熱反応や発熱反応を測定する装置である。材料の融点は、ＤＳＣで測定したヒートフローデータにおける、最大の吸熱ピークとなる温度である。また、ガラス転移温度はベースラインのシフトを示す温度である。
【００２６】
まず、残留応力の開放について説明する。３Ｄプリンタで造形した立体造形物は、溶融した樹脂を固化しながら積層していくという造形方法のために残留応力が残っており、立体造形物を再加熱したり、長時間放置しておくと造形物が変形してしまうことがある。特許文献１ではこれを鑑みて、立体造形物の周りを粒子で充填することで立体造形物が変形しないように保持した状態で加熱している。これに対して本発明では、支持構造体が接着した状態の立体造形物を加熱することによって、支持構造体に立体造形物を保持する役割を持たせる。
【００２７】
また、３Ｄプリンタで造形した立体造形物は射出成型品と比較すると、積層方向の引張強度が弱いということが良く知られている。これは３Ｄプリンタでは、溶融した樹脂を固化しながら積層していくため、次の層を形成する時には下の層が冷え固まっており、上下層間の接合が不十分となるためである。この積層方向の引張強度が弱いという問題は、立体造形物を造形材料のガラス転移温度以上の温度で数時間アニーリングすることで解決することができる。一般的にレプテーション（分子鎖の絡み合い）は、その材料のガラス転移温度以上で活発になることが知られており、立体造形物をガラス転移温度以上に保持することで、上下層間でのレプテーションを促進させることができ、結果として引張強度などの機械的強度を射出成型品と同等にすることができる。
従って、加熱温度は、造形材料のガラス転移温度以上の温度であることが必要である。
【００２８】
立体造形物の残留応力を開放させるために、一般的には造形材料が結晶性樹脂の場合はガラス転移温度Ｔｇ以上、かつ融点Ｔｍ以下で加熱する。これは結晶性樹脂においては、ガラス転移温度Ｔｇ以上で樹脂の粘度が低下し流動性が増すため、残留応力が開放されやすくなるためである。また、ＰＥＥＫなどのガラス転移温度が高い材料は（ＰＥＥＫのガラス転移温度１４３℃）、急激に加熱すると造形物に含まれた水分が膨張して造形物が破壊されてしまう可能性があるため、徐々に加熱する温度を上げていくことが好ましい。
また、結晶性樹脂であれば加熱されて上下層間でのレプテーションが促進されることで、結晶化も促進される。結晶化度が高まることによって、立体造形物の機械的強度、熱的特性、化学的特性、電気的特性を向上させることができる。
【００２９】
また、造形材料が非晶性樹脂の場合は、ガラス転移温度Ｔｇ〜＋３０℃の範囲で加熱することが好ましい。
【００３０】
前述したとおり支持構造体は加熱によって機械的強度が低下すればよく、加熱温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下とする。図２にＰＢＴ（融点２３０℃）の加熱温度・加熱時間による引張強度の変化を示す。測定結果のように、加熱温度が高いほど支持構造体の機械的強度が低下するまでの時間が短くなる。従って、加熱温度によって、支持構造体の機械的強度が低下するまでの時間をコントロールすることができる。よって、立体造形物の残留応力が開放するまでは加熱温度を造形材料のガラス転移温度以上の低めに設定し、残留応力が開放した後に加熱温度を、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下の温度に上げることで効率的に残留応力の開放と、支持構造体の除去性を向上させることができる。加熱温度は常温から徐々に上げていき、造形材料のガラス転移温度以上の低めの温度に保つことで立体造形物の残留応力を開放し、その後温度を上げて、支持材料の融点より低い温度保ち、支持材料の機械的強度を低下させることが好ましい。
【００３１】
以上のように支持構造体で支持された立体造形物を、支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上の温度で、加熱時間、湿度、支持構造体の形状等を調整し、前記支持構造体は、前記加熱工程後に冷却すると機械的強度が低下し、前記立体造形物は、前記加熱工程後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱することで、支持構造体の機械的強度を低下させると同時に、立体造形物の残留応力を開放し、機械的強度を高めることができる。
【００３２】
＜支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する工程＞
加熱工程後は、支持構造体は機械的強度が低下しているため、ペンチなどで力を入れて除去する必要がなくなり、容易に除去できるようになる。造形物の内側（穴の中など）にある支持構造体も、ペンチ等でつつくとバラバラに分裂するようになるため、支持構造体を細かいピースに分裂させれば、穴の中から簡単に取り出すことができるようになる。
【００３３】
＜造形材料と支持材料を用いて支持構造体で支持された立体造形物を造形する工程＞
前記造形材料と支持材料を用いて支持構造体で支持された立体造形物を造形する工程は、前記造形材料で造形層を造形する造形工程と、前記造形層を支持する支持構造体を、前記支持材料で造形する支持造形工程とを繰り返すことにより造形されることが好ましい。
支持構造体で支持された立体造形物は、例えば３Ｄプリンタを用い、公知の方法で製造することができる。
【００３４】
本発明の立体造形物の製造装置は、支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理手段を有する立体造形物の製造装置であって、前記後処理手段は、前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱手段と、前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する手段と、を含み、前記加熱手段において加熱する温度は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上であり、前記支持構造体は、前記加熱手段により加熱された後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱手段により加熱された後に冷却されても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する。
本発明の立体造形システムは、支持構造体で支持された立体造形物から支持構造体を除去する後処理手段を有する立体造形システムであって、前記後処理手段は、前記支持構造体で支持された立体構造物を加熱する加熱手段と、前記支持構造体で支持された立体造形物から前記支持構造体を除去する手段と、を含み、前記加熱手段において、加熱温度を、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記立体造形物を形成する造形材料のガラス転移温度以上に温度を制御する制御装置を有し、前記支持構造体は、前記加熱手段により加熱された後に冷却すると機械的強度の低下が起こり、かつ、前記立体造形物は、前記加熱手段により加熱された後に冷却しても機械的強度の低下が起こらない条件で加熱する。
【００３５】
本発明の立体造形物の製造方法及び製造装置の一例について、以下の図面を用いて詳細に解説する。尚、下記の例はＦＦＦ（熱溶融積層）方式の立体造形物の製造装置（造形装置）の説明となっているが、本発明の立体造形物の製造装置は、ＦＦＦ方式に限定されず種々の方式に適用可能である。
図５は、本発明に係る造形装置の一実施形態を示す模式図である。図６は、図５の造形装置における吐出モジュールを示す模式図である。造形装置１は、三次元造形装置であり、射出成形では金型が複雑になる、又は、成形することができないような複雑な立体構造を有する支持構造物を造形することができる。
【００３６】
造形装置１における筐体２の内部は、立体造形物及び支持構造体ＭＯを造形するための処理空間となっている。筐体２の内部には載置台としての造形テーブル３が設けられており、造形テーブル３の上に、立体造形物及び支持構造体ＭＯが造形される。
【００３７】
支持構造体の造形には、加熱した後に冷却すると機械的強度が低下する支持材料を含有する長尺のフィラメントＦが用いられる。フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料であり、巻き回された状態で造形装置１における筐体２の外部のリール４にセットされている。リール４は、フィラメントＦの駆動手段であるエクストルーダ１１の回転に引っ張られることで、大きく抵抗力を働かせることなく自転する。
【００３８】
筐体２の内部の造形テーブル３の上方には、支持構造体造形手段としての吐出モジュール１０（造形ヘッド）が設けられている。吐出モジュール１０は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、フィラメントガイド１４、加熱ブロック１５、吐出ノズル１８、冷却手段としてのエアーブロー１９を有する。フィラメントＦは、エクストルーダ１１によって引き込まれることで、造形装置１の吐出モジュール１０へ供給される。
【００３９】
加熱ブロック１５は、ヒータなどの熱源１６と、ヒータの温度を制御するための熱電対１７と、を有し、移送路を介して、吐出モジュール１０に供給されたフィラメントＦを加熱溶融させて、吐出ノズル１８へ供給する。
【００４０】
冷却ブロック１２は、加熱ブロック１５の上部に設けられる。冷却ブロック１２は、冷却源１３を有し、フィラメントを冷却する。これにより、冷却ブロック１２は、溶融したフィラメントＦＭの吐出モジュール１０の上部への逆流、溶融したフィラメントＦＭを押し出す抵抗の増大、あるいは、溶融したフィラメントＦＭの固化による移送路内での詰まりを防ぐ。加熱ブロック１５と冷却ブロック１２との間には、フィラメントガイド１４が設けられている。
【００４１】
図７は、図５の造形装置におけるハードウェア構成を示すブロック図である。
造形装置１は、制御部１００を有する。制御部１００は、ＣＰＵや回路などを有しており、図７に示すようにそれぞれの部と電気的に接続されている。
【００４２】
造形装置１には、吐出モジュール１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸座標検知機構が設けられている。Ｘ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。
【００４３】
造形装置１には、吐出モジュール１０のＹ軸方向位置を検知するＹ軸座標検知機構が設けられている。Ｙ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３３の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。
【００４４】
造形装置１には、造形テーブル３のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構が設けられている。Ｚ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３６の駆動を制御して、造形テーブル３を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。
【００４５】
このように、制御部１００は、吐出モジュール１０及び造形テーブル３の移動を制御することにより、吐出モジュール１０および造形テーブル３の相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させる。
【００４６】
さらに、制御部１００は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、吐出ノズル１８、エアーブロー１９、クリーニングブラシ３７の各駆動部に制御信号を出力することで、これらの駆動を制御する。
【００４７】
上記のようにして作製された支持構造体で支持された立体造形物は、後処理工程として、加熱炉等の加熱手段に入れて加熱する。加熱手段は、前記支持構造体を形成する支持材料が結晶性樹脂の場合はその融点以下、前記支持材料が非晶性樹脂の場合はそのガラス転移温度以下、かつ、前記造形材料のガラス転移温度以上に加熱することができる温度制御装置を有していることが好ましい。加熱後、冷却し、立体造形物から支持構造体を除去する。
【実施例】
【００４８】
本発明の実施例を図面に基づいて詳細に解説する。
支持材料の加熱温度・加熱時間による引張強度の変化を調べた。
支持材料であるＰＢＴにおいてアニールして冷却した後（冷却後の温度は室温約２５℃）の引張強度を調べた結果を図２に示す。図２において縦軸は引張試験の試験力の測定結果、横軸は加熱時間、点の形状や色分けは加熱温度を示す。引張試験は島津製作所社製のオートグラフを使用し、引張速度１０ｍｍ／ｓｅｃ、掴み治具間距離２５．４ｍｍとして行った。また引張試験片は、直径１．７５ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィラメントを用いた。
【００４９】
図２の試験結果について加熱温度１８０℃の場合、加熱時間が４時間までは全く加熱しなかった場合と同様の引張強度であったが、加熱時間５時間になると急激に引張強度が低下していることが分かる。また加熱温度２００℃の場合は、加熱時間が１時間のときは加熱しない場合の引張強度と同様であったが、加熱時間が長くなるにしたがって引張強度が低下することが分かる。加熱温度２２０℃の場合は、加熱時間が１時間でも引張強度が十分に低下している。以上の試験結果より、加水分解は加熱温度が高いほど、また加熱時間が長いほど進行しているということが分かる。なお、ＰＢＴの融点は２３０℃であり、加熱温度は２３０℃以下である。
【００５０】
次に実際に造形材料としてＰＥＥＫ、支持材料としてＰＢＴを用いて立体造形物を造形し、加熱炉に入れて、２１０℃で６時間加熱して支持構造体の機械的強度が弱くなるかを調べた。
支持構造体を１ｍｍ厚で造形した場合と、蛇腹構造（厚さ１ｍｍ、蛇腹のピッチ間隔０．５ｍｍ）で造形した場合を比較した。
このとき支持構造体を１ｍｍ厚で造形した場合は、支持構造体の内部は変色しておらず、加水分解が進んでいない様子であった。これは支持構造体の空気に触れている表面から加水分解を進行するためだと考えられる。加水分解をさせる条件（加熱温度、湿度、加熱時間）を厳しくすれば加水分解が内部まで進行するが、より早く支持構造体を除去したい場合は支持構造体を空気に触れる表面積が多い形状で作ると良い。
蛇腹構造（厚さ１ｍｍ、蛇腹のピッチ間隔０．５ｍｍ）で支持構造体を造形したところ、加熱後の支持構造体は手で持っただけで脆くバラバラに壊れるという状態になった。このときの蛇腹構造で造形した支持構造体を２１０℃で６時間加熱した際の写真を図３に示す。図３では、上に加熱前、下に加熱後の造形物の写真を示している。加熱前は白色だったＰＢＴが、加熱後は加水分解されて茶色に変色していることが分かる。また、加熱後は支持構造体の内部も変色しており加水分解が進行している様子であった。
【００５１】
（実施例）
支持材料としてＰＢＴ（融点２３０℃）、ＰＥＴ（融点２５５℃）を、造形材料としてＰＥＥＫ（ガラス転移温度１４３℃）、ＰＥＩ（ガラス転移温度２１５℃）を用い、表１の組み合わせで、３Ｄプリンタで図１に示す立体造形物を作製した。立体造形物の大きさは、高さ５０ｍｍ、横５０ｍｍ、幅１０ｍｍである。また、支持構造体はＸＹ方向が２ｍｍ間隔、Ｚ方向が０．２ｍｍ間隔の井桁構造で造形した。
造形後の支持構造体が接着した状態の立体造形物を加熱炉に入れて表１に記載の加熱条件で加熱処理を行い、支持構造体の除去性を評価した。
表１では、除去性は以下の基準で評価した。
［評価基準］
○：立体造形物から支持構造部を容易に除去できた。
（支持構造体をペンチで軽くつぶすだけでバラバラに崩壊し、力をいれずに支持構造体を除去することができた。熱劣化により立体造形物と支持構造部間の接着力が弱くなったため、立体造形物から支持構造部を全て除去することができた。）
×：立体造形物から支持構造部の一部が除去できなかった。
（支持構造体をペンチでつぶしても崩壊せず、強度が強いため、支持構造体を除去することができない。支持構造体が造形物に付着したままであり、支持材料と造形材料の接着強度が強過ぎて手作業で支持構造体を立体造形物から除去することは不可能であり、支持構造体の一部は立体造形物から除去することができなかった。）
【００５２】
ＰＥＴを支持材料、ＰＥＥＫを造形材料として造形し、造形物をアニールして冷却したところ、２２０℃で３時間アニールしたＮｏ．６は、アニールしていないＮｏ．４よりも容易に支持構造体を取り除くことができた。また１５０℃で３時間アニールしたＮｏ．５は、Ｎｏ．４のアニールなしの場合と除去のしやすさはほぼ変わらなかった。このため、加熱温度１５０℃で３時間ではＰＥＴの熱劣化が促進されないと考えられる。よってＰＥＴを支持材料を用いる場合は、２２０℃ほどでアニール処理をした方が良い。
また、造形材料がＰＥＩの場合にも、支持材料をＰＢＴ、ＰＥＴとして造形し、造形物に２２０℃で３時間アニール処理をしたところ、支持構造体を容易に取り除くことができた。
【００５３】
【表１】
2020146995.tif 000003
【００５４】
このように、支持材料に熱劣化する材料を用い、造形物をアニール処理することで、支持構造体を除去しやすくすることができる。支持材料は、熱劣化する性質をもつ材料を単体で使うことが好ましいが、支持構造体の強度を向上させたい場合や、造形材料との接着性を向上させたい場合には、他の材料や添加剤を混合させても良い。一般的な造形物であれば、ＰＢＴやＰＥＴなどは、造形材料との接着性がよく、機械的強度も十分である。
【符号の説明】
【００５５】
１  造形装置
２  筐体
３  造形テーブル
４  リール
１０  吐出モジュール
１１  エクストルーダ
１２  冷却ブロック
１３  冷却源
１４  フィラメントガイド
１５  加熱ブロック
１６  熱源
１７  熱電対
１８  吐出ノズル
１９  エアーブロー
Ｆ  フィラメント
ＦＭ  溶融したフィラメント
ＭＯ  立体造形物及び支持構造体
１００  制御部
３２  Ｘ軸駆動モータ
３３  Ｙ軸駆動モータ
３６  Ｚ軸駆動モータ
３７  クリーニングブラシ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５６】
【特許文献１】特開２０１８−９９８０８号公報
【図１】
2020146995.tif 000004
【図２】
2020146995.tif 000005
【図３】
2020146995.tif 000006
【図４】
2020146995.tif 000007
【図５】
2020146995.tif 000008
【図６】
2020146995.tif 000009
【図７】
2020146995.tif 000010