(57)【要約】【課題】空隙率の高い複雑な形状を有する３次元積層造形物の製造方法を提供すること。【解決手段】造形物の製造方法であって、熱可塑性樹脂を準備する第１工程、前記熱可塑性樹脂を軟化させることにより、糸状の造形材料を得る第２工程、前記糸状の造形材料により３次元造形物を製造する第３工程、を含み、前記第３工程は、前記糸状の造形材料により面方向に空隙を有する層である繊維層を形成すること、前記繊維層上に開口部を有するコレクタを前記繊維層の面方向と略平行に配置すること、前記コレクタの上側表面に前記繊維層を更に形成すると共に、前記コレクタの開口部を介して前記繊維層同士を前記糸状の造形材料により接続させること、が順次繰り返され、前記繊維層が積層されつつそれぞれの前記繊維層間が接続される連結構造を有する前記３次元造形物を製造する工程である、３次元造形物の製造方法。【選択図】図１２
2020049928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形物の製造方法であって、
熱可塑性樹脂を準備する第１工程、
前記熱可塑性樹脂を軟化させることにより、糸状の造形材料を得る第２工程、
前記糸状の造形材料により３次元造形物を製造する第３工程、を含み、
前記第３工程は、
前記糸状の造形材料により面方向に空隙を有する層である繊維層を形成すること、
前記繊維層上に開口部を有するコレクタを前記繊維層の面方向と略平行に配置すること、
前記コレクタの上側表面に前記繊維層を更に形成すると共に、前記コレクタの開口部を介して前記繊維層同士を前記糸状の造形材料により接続させること、
が順次繰り返され、前記繊維層が積層されつつそれぞれの前記繊維層間が接続される連結構造を有する前記３次元造形物を製造する工程を含む、
３次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記第３工程において前記コレクタを除去することを含む、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記３次元造形物に含まれる複数の前記繊維層のうち、少なくとも１つの前記繊維層とその他の前記繊維層とは異なる平面形状を有する、請求項１または請求項２に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項４】
前記熱可塑性樹脂は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン系熱可塑性エラストマー、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリエステル、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリグリコール酸、およびグリコール酸／Ｌ−乳酸共重合体からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記３次元造形物に含まれる複数の前記繊維層のうち、少なくとも１つの前記繊維層とその他の前記繊維層とは、異なる前記熱可塑性樹脂を用いて製造される請求項４に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記３次元造形物は、５０％以上９９．５％以下の空隙率を有する、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項７】
前記糸状の造形材料は、その断面形状が円形、楕円形、異形のいずれかである、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項８】
前記糸状の造形材料は、その構造が中実構造、中空構造、シースコア構造、サイドバイサイド構造のいずれかである、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項９】
前記糸状の造形材料は、スクリューから前記熱可塑性樹脂を押出して作製される、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、３次元積層造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１７−２０９８７１号公報（特許文献１）は、３次元造形装置を開示しており、特開２０１６−７９３７９号公報（特許文献２）は、３次元造形物の製造に用い得る可溶性材料を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０９８７１号公報
【特許文献２】特開２０１６−７９３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
空隙率の高い複雑な形状を有する３次元積層造形物の製造方法の開発が望まれている。空隙率の高い製造方法は、たとえば光造形法（特許文献１）や熱溶解積層法（特許文献２）などが挙げられる。光造形法については、光硬化させる樹脂であり汎用性が少なく、比較的高価な光硬化樹脂を多量に必要とするなど環境負荷や経済的な面、また未硬化の樹脂が成形物の表面に残留するなど健康衛生面が課題となっている。熱溶解積層法では、二種類の樹脂を使用する方法が一般的であり、有機溶媒や水等で除去可能な可溶性樹脂とそれらで除去不可能な樹脂との二種類で構造物を成形させ、空隙構造を得たい部分を可溶性樹脂で形成させ、残存させたい部分を除去不可能な樹脂で形成させ、形成後に有機溶媒や水等で可溶性樹脂を除去する方法が一般的である。これらの方法では、空隙率の高い構造を形成させるのに時間が掛かることや、可溶性樹脂の除去という煩雑で環境負荷の高い工程を要すること、可溶性樹脂の除去が困難であり除去後も残存するなどが課題となっていた。すなわち、従来の造形方法では、空隙率の高い構造をより広範囲な樹脂で比較的簡便に成形することは困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、空隙率の高い複雑な形状を有する３次元積層造形物の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下に示す３次元積層造形物の製造方法を提供する。
［１］  造形物の製造方法であって、熱可塑性樹脂を準備する第１工程、前記熱可塑性樹脂を軟化させることにより、糸状の造形材料を得る第２工程、前記糸状の造形材料により３次元造形物を製造する第３工程、を含み、前記第３工程は、前記糸状の造形材料により面方向に空隙を有する層である繊維層を形成すること、前記繊維層上に開口部を有するコレクタを前記繊維層の面方向と略平行に配置すること、前記コレクタの上側表面に前記繊維層を更に形成すると共に、前記コレクタの開口部を介して前記繊維層同士を前記糸状の造形材料により接続させること、が順次繰り返され、前記繊維層が積層されつつそれぞれの前記繊維層間が接続される連結構造を有する前記３次元造形物を製造する工程を含む、３次元造形物の製造方法。
【０００７】
［２］  前記第３工程において前記コレクタを除去することを含む、［１］に記載の３次元造形物の製造方法。
【０００８】
［３］  前記３次元造形物に含まれる複数の前記繊維層のうち、少なくとも１つの前記繊維層とその他の前記繊維層とは異なる平面形状を有する、［１］または［２］に記載の３次元造形物の製造方法。
【０００９】
［４］  前記熱可塑性樹脂は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン系熱可塑性エラストマー、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリエステル、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリグリコール酸、およびグリコール酸／Ｌ−乳酸共重合体からなる群から選択される少なくとも１種である、［１］〜［３］のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【００１０】
［５］  前記３次元造形物に含まれる複数の前記繊維層のうち、少なくとも１つの前記繊維層とその他の前記繊維層とは、異なる前記熱可塑性樹脂を用いて製造される［４］に記載の３次元造形物の製造方法。
【００１１】
［６］  前記３次元造形物は、５０％以上９９．５％以下の空隙率を有する、［１］〜［５］のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【００１２】
［７］  前記糸状の造形材料は、その断面形状が円形、楕円形、異形のいずれかである、［１］〜［６］のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【００１３】
［８］  前記糸状の造形材料は、その構造が中実構造、中空構造、シースコア構造、サイドバイサイド構造のいずれかである、［１］〜［７］のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【００１４】
［９］  前記糸状の造形材料は、スクリューから前記熱可塑性樹脂を押出して作製される、［１］〜［８］のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
なお、上述の本発明の製造方法により製造された３次元造形物、また、上述の本発明の製造方法を実施するためのコレクタを含む装置についても、本発明の範疇である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空隙率の高い複雑な形状を有する３次元積層造形物の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、３次元積層造形物の製造過程を図解する第１概略図である。
【図２】図２は、３次元積層造形物の製造過程を図解する第２概略図である。
【図３】図３は、３次元積層造形物の製造過程を図解する第３概略図である。
【図４】図４は、３次元積層造形物の製造過程を図解する第４概略図である。
【図５】図５は、実施例１で用いたコレクタの概略図である。
【図６】図６は、図５に示すコレクタをＡ方向から見た際の概略図である。
【図７】図７は、実施例１における第２コレクタと第３コレクタとの位置関係を図解する概略図である。
【図８】図８は、実施例１により製造された３次元積層造形物の概略図である。
【図９】図９は、実施例２により製造された３次元積層造形物の概略図である。
【図１０】図１０は、実施例３で用いたコレクタの概略図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すコレクタをＡ方向から見た際の概略図である。
【図１２】図１２は、実施例３により製造された３次元積層造形物の概略図である。
【図１３】図１３は、実施例４により製造された３次元積層造形物の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態（以下「本実施形態」と記される）が説明される。ただし、以下の説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。
【００１８】
本明細書において、下記の用語の意味は次のとおりである。
（１）「繊維径」とは、３次元造形物中の線状体をランダムに３箇所ノギスで測定し、その測定値の算術平均値（単位：ｍｍ）をいう。
（２）「見掛け体積」とは、形成された３次元造形物の外形から算出した値をいう（単位：ｃｍ３）。
（３）「見掛け密度」とは、形成された３次元造形物の重さを、見掛け体積で除した値をいう（単位：ｇ／ｃｍ３）。
（４）「真密度」とは、形成された３次元造形物が全く間隙なく充填されていると仮定したときの密度をいう（単位：ｇ／ｃｍ３）。
（５）「空隙率」とは、見掛け密度を真密度で除した値を算出し、１からこの算出値を引いて百分率で示す（単位：％）。
（６）融点（Ｔｍ）
示差走査熱量計Ｑ２００（ＴＡインスツルメント社製）を使用し、昇温速度２０℃／分で測定した吸発熱曲線から吸熱ピーク（融解ピーク）温度を求めた。吸熱ピークが複数ある場合は、最も高い温度ピークを融点とする。
（７）「ｘ方向」とは、３次元造形物や３次元造形物を構成する繊維層の面の長さ方向をいう。
（８）「ｙ方向」とは、３次元造形物や３次元造形物を構成する繊維層の面の幅方向をいう。
（９）「ｚ方向」とは、３次元造形物や３次元造形物を構成する繊維層の面の高さ方向をいう。
【００１９】
＜第１工程＞
本発明に係る造形物の製造方法は、熱可塑性樹脂を準備する第１工程を含む。熱可塑性樹脂は特に限定されるべきではない。熱可塑性樹脂は、たとえばポリ乳酸（ＰＬＡ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン系熱可塑性エラストマー、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリエステル、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリグリコール酸、グリコール酸／Ｌ−乳酸共重合体等であってもよい。１種の熱可塑性樹脂が単独で使用されてもよい。２種以上の熱可塑性樹脂が組み合わされて使用されてもよい。
【００２０】
＜第２工程＞
本発明に係る造形物の製造方法は、第１工程で準備された熱可塑性樹脂を軟化させることにより、糸状の造形材料を得る第２工程を含む。熱可塑性樹脂を軟化させるための加熱温度は、たとえば各樹脂の融点より１０℃以上１００℃未満高い紡糸温度であってもよい。加熱温度が融点より１０℃未満しか高くない場合、熱可塑性樹脂が十分に軟化せず、糸状の造形材料を得られないため造形物の製造が困難になる可能性がある。加熱温度が融点よりも１００℃を超えて高い場合、熱可塑性樹脂が過度に軟化し、糸状の造形材料を得られないことや、高温に伴う熱分解が加速してしまうため造形物の製造が困難になる可能性がある。
【００２１】
＜第３工程＞
本発明に係る造形物の製造方法は、第２工程で準備された糸状の造形材料により３次元造形物を製造する第３工程を含む。第３工程は、糸状の造形材料により面方向に空隙を有する層である繊維層を形成すること、繊維層上に開口部を有するコレクタを繊維層の面方向と略平行に配置すること、コレクタの上側表面に繊維層を更に形成すると共に、コレクタの開口部を介して繊維層同士を糸状の造形材料により接続させること、が順次繰り返され、繊維層が積層されつつそれぞれの繊維層間が接続される連結構造を有する３次元造形物を製造する工程を含む。以下、第３工程について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、３次元積層造形物の製造過程を図解する第１概略図である。
積層造形装置１００は、支持台１０１、および糸状の造形材料１０２を導出するためのノズル１０３を少なくとも備える。糸状の造形材料１０２を支持台１０１に堆積させることにより、糸状の造形材料１０２の集合体である、面方向に空隙を有する層である繊維層（第１繊維層ｐ１）が形成される。すなわち第３工程は、糸状の造形材料１０２により面方向に空隙を有する層である繊維層ｐ１を形成することを含む。なお、本明細書において「面方向」とは、支持台１０１の厚み方向に直交する方向を示す。図１において、上下方向が第１繊維層ｐ１の厚み方向であり、左右方向が第１繊維層ｐ１の面方向である。なお、本明細書において「面方向に空隙を有する」とは、後述する図８に示されるように、ｘ,ｙ方向に空隙を有することを示す。
【００２３】
図２は３次元積層造形物の製造過程を図解する第２概略図である。
第１繊維層ｐ１上に、コレクタ１０４が配置される。コレクタ１０４は、上方視において略矩形であるアルミ板１０４ａ〜１０４ｅにより形成される。図２に示されるように、各アルミ板１０４ａ〜１０４ｅの間には、ｄ１の隙間（すなわち、開口部）が存在し、コレクタ１０４は１繊維層ｐ１の面方向と略平行に配置されている。すなわち第３工程は、繊維層上に開口部を有するコレクタ１０４を繊維層の面方向と略平行に配置することを含む。
【００２４】
図３は３次元積層造形物の製造過程を図解する第３概略図である。
第１繊維層ｐ１の形成と同じ手順により、コレクタ１０４の上側表面に第２繊維層ｐ２が形成される。併せて、コレクタ１０４の開口部（ｄ１）を介して第１繊維層ｐ１と第２繊維層ｐ２とが糸状の造形材料により接続される。なお、繊維層同士を糸状の造形材料により接続させることは、たとえば繊維層同士を融着させることにより行ってもよい。すなわち第３工程は、コレクタ１０４の上側表面に繊維層を更に形成すると共に、コレクタ１０４の開口部を介して繊維層同士を糸状の造形材料により接続させることを含む。
【００２５】
上記工程を順次繰り返すことにより、図４に示すように繊維層（ｐ１〜ｐ６）が積層されつつそれぞれの繊維層同士が接続される連結構造を有する３次元造形物１０００を製造することができる。図４においては、３次元造形物１０００は６つの繊維層（ｐ１〜ｐ６）から形成されている。すなわち３次元造形物１０００は、繊維層（ｐ１〜ｐ６）が積層されつつそれぞれの繊維層間が接続される連結構造を有している。
【００２６】
第３工程は、コレクタ１０４を除去することを含んでもよい。コレクタ１０４は、３次元造形物１０００が形成された後にまとめて除去してもよいし、コレクタ１０４の上側表面に繊維層が形成された後、順次除去してもよい。
【００２７】
第３工程において、３次元造形物１０００に含まれる複数の繊維層のうち少なくとも１つの繊維層とその他の繊維層とは異なる平面形状を有してもよい。また、３次元造形物１０００に含まれる繊維層のうち、少なくとも１つの繊維層とその他の繊維層とは、異なる熱可塑性樹脂を用いて製造されてもよい。これにより、複雑な形状を有する３次元積層造形物の製造が可能となる。たとえば、一部に欠損部分を有する３次元造形物１０００の製造が可能となる。
【００２８】
（糸状の造形材料の断面形状）
糸状の造形材料の断面形状は、特に限定されるべきではない。糸状の造形材料の断面形状は、たとえば円形であってもよいし、楕円形であってもよいし、異形であってもよい。本明細書において「異形」とは、円形および楕円形以外の形状を示す。特定の断面形状を有する糸状の造形材料が単独で使用されてもよい。異なった断面形状を有する糸状の造形材料が組み合わされて使用されてもよい。
【００２９】
（糸状の造形材料の構造）
糸状の造形材料の構造は、特に限定されるべきではない。造形材料の構造は、たとえば中実構造であってもよいし、中空構造であってもよいし、シースコア構造であってもよいし、サイドバイサイド構造であってもよい。特定の構造を有する糸状の造形材料が単独で使用されてもよい。異なった構造を有する糸状の造形材料が組み合わされて使用されてもよい。
【００３０】
（糸状の造形材料の作製方法）
糸状の造形材料は、上記第２工程において、軟化された熱可塑性樹脂を押出して作製されるものであってもよい。押し出し手段は、特に限定されるべきではない。押し出し手段は、たとえばスクリューにより押し出すものであってもよい。すなわち、糸状の造形材料は、スクリューから熱可塑性樹脂を押出して作製されてもよい。
【００３１】
（コレクタ）
コレクタ１０４は、開口部を有しており、その上側表面に繊維層を配置することが可能であれば、特に制限されるべきではない。コレクタ１０４は、たとえば少なくとも一つの空隙（すなわち、開口部）を有する１枚のアルミ板であってもよいし、複数のアルミ板を所定の間隔で配置したものであってもよいし、複数の針金を所定の間隔で配置したものであってもよい。繊維層に繊維層が積層された後に下の繊維層を配置させているコレクタ１０４が容易に除去できるようになっているのが好ましい。よって、たとえばコレクタがアルミ板である場合、その形状は平坦であることが好ましい。
【００３２】
＜積層造形物＞
本実施形態の製造方法により製造された３次元造形物１０００は、上記の製造方法により製造される。上記製造方法により製造された３次元造形物１０００は、高い空隙率を有しつつ、良好な強度を有するものと期待される。本実施形態の３次元造形物１０００は、一例としてテーラーメイドデザインの枕やシートクッション、創傷被覆材、および３次元細胞培養スキャフォールドになり得ると期待される。
【００３３】
（空隙率）
本実施形態の製造方法により高い空隙率の３次元造形物１０００を製造することが可能となる。たとえば、本実施形態の製造方法により、好ましくは５０％以上９９．５％以下の空隙率を有する３次元造形物１０００を製造することができる。さらに好ましくは６０％以上９９．４％以下、より好ましくは７０％以上９９．３％以下、なおさら好ましくは８０％以上９９．２％以下、最も好ましくは８９．７％以上９９．１％以下の空隙率の３次元造形物１００を製造することが可能となる。本実施形態の製造方法により製造された３次元構造物１０００は、上記した空隙率を有するものとなる。
【００３４】
ここで、空隙率の制御は、各繊維層（各コレクタ上のｘｙ平面）における糸状造形材料の形成方法（糸状造形密度）、コレクタのｚ軸方向の間隔（コレクタとその下の層の間の距離）、ｚ軸方向の連結構造を形成する密度、糸状造形物の繊維径や断面形状の少なくとも１以上の変更によって行うことができる。上記の各因子は、コレクタの幅、長さ、厚み、コレクタのｘｙｚ空間における配置方法、ノズルのｘｙｚ方向に対する描写方法、ノズル径、糸状造形材料の吐出速度、ノズルの移動速度、ポリマーの吐出温度、のうちの１以上の条件の組み合わせによって、制御することができる。また、上記以外の繊維層内及び／または繊維層間において空隙を設けるための条件によって空隙率を制御しても構わない。本実施形態では、上述のように、コレクタを始めとする各因子を連動して制御することで、これまでにない、空隙率の高い複雑な形状を有する３次元積層造形物を容易に且つ迅速に形成させることが可能となった。
【００３５】
（機械的強度）
本実施形態の製造方法により製造された３次元造形物１０００は、優れた機械的強度を有するものと考えられる。たとえば、隣り合う繊維層間を接続している箇所を手で触っても、壊れない程度の機械的強度を有するものと期待される。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例が説明される。ただし以下の例は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。
【００３７】
＜実施例１＞
（熱可塑性樹脂の準備）
熱可塑性樹脂として、ポリ乳酸（ＰＬＡ）繊維のフィラメント（繊維径１．７５ｍｍ、真密度１．２５ｇ／ｃｍ３、融点１６３℃、後述の３Ｄプリンタに付属されていたフィラメント）が準備された。
【００３８】
（糸状の造形材料の準備）
３ＤプリンタであるＨｏｍｅｃｕｂｅ  ３Ｄ  ｓｔｅｒｅｏ  ｄｒａｗｉｎｇ  ｐｅｎ（ＨｏｍｅＳｕｎ（ａｍａｚｏｎ．ｃｏ．ｊｐ）より入手）が準備された。該３ＤプリンタにＰＬＡのフィラメントが供給され、軟化された。これにより、糸状の造形材料１０２が準備された。準備された糸状の造形材料１０２の断面形状は円形であり、中実構造を有していた。
【００３９】
（第１繊維層の形成）
水平な長方形の支持台１０１が準備された。支持台１０１に対して、ノズル温度２００℃、吐出速度１０ｍｍ〜２０ｍｍ／秒の条件で３Ｄプリンタのノズル１０３から軟化された白色のＰＬＡ繊維のフィラメント（すなわち、糸状の造形材料１０２）を吐出することにより、面方向に空隙を有する層である第１繊維層ｐ１の形成を行った。なお、ノズル移動速度は吐出速度と釣り合う速度とした。具体的には、支持台１０１上に支持台１０１の長手方向および幅方向に対して平行な直線を複数描いた。支持台１０１の長手方向に対して平行な直線は、それぞれ２０ｍｍの間隔を空けて描かれた（すなわち、２０ｍｍ周期で描かれた）。支持台１０１の幅方向に対して平行な直線も、同様に２０ｍｍ周期で描かれた。支持台１０１の長手方向に描かれた平行な直線と支持台１０１の幅方向に描かれた平行な直線とが融着した。これにより、縦７０ｍｍ、横７５ｍｍの略正方形状の第１繊維層ｐ１が支持台１０１上に形成された。
【００４０】
（コレクタ）
図５は実施例１で用いたコレクタ１０４の概略図であり、図６は図５に示すコレクタ１０４をＡ方向から見た際の概略図である。図５および図６に示されるように、アルミ板１０４ａ〜１０４ｅが水平に並べられたコレクタ１０４が準備された。アルミ板１０４ａ〜１０４ｅは、それぞれ１００ｍｍの長さ、１０ｍｍの幅、および２ｍｍの厚みを有している。アルミ板１０４ａと１０４ｂとの間、アルミ板１０４ｂと１０４ｃとの間、アルミ板１０４ｃと１０４ｄとの間、およびアルミ板１０４ｄと１０４ｅとの間には、それぞれ２０ｍｍの間隔が設けられている。すなわち、コレクタ１０４は開口部を有している。コレクタ１０４には、樹脂との溶着を防止するためにシリコンが塗布されている。
【００４１】
（第２繊維層の形成）
第２繊維層の形成のためのコレクタ１０４（第２コレクタ）が第１繊維層ｐ１に接するように配置された。より詳細には、支持台１０１に対してｚ方向２ｍｍ上方に、第１繊維層ｐ１の面方向と略平行になりつつ、第１繊維層ｐ１の中心部を覆うように第２コレクタ１０４が設置された。ＰＬＡ繊維の色を青色としたことを除いては第１繊維層ｐ１の形成と同様の条件で第２コレクタ１０４の上側表面に繊維層（第２繊維層ｐ２）を更に形成すると共に、コレクタ１０４の開口部を介して第１繊維層ｐ１と第２繊維層ｐ２とが糸状の造形材料１０２により接続された。
【００４２】
（第３繊維層の形成）
図７は、実施例１における第２コレクタと第３コレクタとの位置関係を図解する概略図である。なお、図７において繊維層は省略している。第３繊維層の形成のためのコレクタ１０４（第３コレクタ）が第２繊維層ｐ２に接するように配置された。より詳細には、第２コレクタ１０４に対してｚ方向２ｍｍ上方に、第２繊維層ｐ２の面方向と略平行となりつつ、第２繊維層ｐ２の中心部を覆うように第３コレクタが配置された。図７に示されるように、第２コレクタ１０４を構成するアルミ板（１０４ａ〜１０４ｅ）と第３コレクタ１０４を構成するアルミ板（１０４ａ〜１０４ｅ）とは略直交となるように配置されている。ＰＬＡ繊維の色を黒色としたことを除いては第１繊維層ｐ１の形成と同様の条件で第３コレクタ１０４の上側表面に繊維層（第３繊維層ｐ３）を更に形成すると共に、第３コレクタ１０４の開口部を介して第２繊維層ｐ２と第３繊維層ｐ３とが糸状の造形材料１０２により接続された。
【００４３】
（第４繊維層〜第６繊維層の形成）
第２繊維層ｐ２の形成と同様の操作、第３繊維層ｐ３の形成と同様の操作、および第２繊維層ｐ２の形成と同様の操作を行う事により、第４繊維層ｐ４、第５繊維層ｐ５、および第６繊維層ｐ６が形成された。第６繊維層ｐ６が形成された後、全てのコレクタ１０４が除去された。これにより、６層からなる３次元造形物１０００が製造された。実施例１に係る３次元造形物１０００は、図８に示されている。
【００４４】
実施例１に係る３次元造形物１０００は、第１繊維層ｐ１から順番に白、青、黒、白、青、黒となる三色の立体格子構造を有していた。実施例１に係る３次元造形物１０００は、繊維径が０．５９ｍｍ、外形サイズが７０ｍｍ×７５ｍｍ×１０ｍｍ、重さが２．９３ｇ、見掛け体積が５２．５ｃｍ３、見掛け密度が０．０５５８ｇ／ｃｍ３、空隙率が９５．５％であった。
【００４５】
＜実施例２＞
熱可塑性樹脂として、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）繊維のフィラメント（黒色、繊維径１．７５ｍｍ、真密度１．２５ｇ／ｃｍ３、融点１７６℃、Ｐｘｍａｌｉｏｎ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ＴＰＵ  ３Ｄプリンター用  ＦＬＥＸ弾性樹脂フィラメント素材、Ｐｘｍａｌｉｏｎ（ａｍａｚｏｎ．ｃｏ．ｊｐ）より入手）を用いたこと、ノズル温度を２２０℃としたこと、各繊維層を描く際の周期を支持台１０１の長手方向に対して平行な直線および支持台１０１の幅方向に対して平行な直線ともに４ｍｍ周期としたこと、各繊維層を縦４０ｍｍ、横４０ｍｍの略正方形状としたこと、コレクタ１０４として長さ９０ｍｍ径１ｍｍの針金を各針金の間隔が６ｍｍとなるように５本を平行に並べたものを用いたこと、各繊維層が形成された後その繊維層を形成するためのコレクタを順次除去したこと、を除いては、実施例１と同様に第１繊維層ｐ１〜第１１繊維層ｐ１１を含む３次元造形物１０００が製造された。実施例２に係る３次元造形物１０００は、図９に示されている。
【００４６】
実施例２に係る３次元造形物１０００は、第１繊維層ｐ１〜第１１繊維層ｐ１１からなる空隙を有する立体格子構造を有していた。実施例２に係る３次元造形物１０００は、繊維径が０．６４ｍｍ、外形サイズが４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、重さが４．１３ｇ、見掛け体積が３２．０ｃｍ３、見掛け密度が０．１２９１ｇ／ｃｍ３、空隙率が８９．７％であった。
【００４７】
＜実施例３＞
（熱可塑性樹脂の準備および糸状の造形材料の準備）
ノズル温度を２１０℃としたことを除いては、実施例２と同様の熱可塑性樹脂が準備され、実施例２と同様に該熱可塑性樹脂からなる糸状の造形材料１０２が準備された。
【００４８】
（コレクタ）
図１０は実施例３で用いたコレクタ１０４の概略図であり、図１１は図１０に示すコレクタ１０４をＡ方向から見た際の概略図である。図１１に示されるように、アルミ板１０４ａ、１０４ｃ、および１０４ｅがｚ方向において同一の高さを有し、アルミ板１０４ｂおよび１０４ｄがｚ方向において同一の高さを有している。アルミ板１０４ａ、１０４ｃ、および１０４ｅがアルミ板１０４ｂおよび１０４ｄに比してｚ方向に４ｍｍ高く配置されていることを除いては、実施例１と同様のコレクタが準備された。以下、係るコレクタを「アルミ板がｗ型に配置されたコレクタ」とも記す。コレクタに、樹脂との溶着を防止するためにシリコンが塗布された。
【００４９】
（第１繊維層の形成）
水平な長方形の支持台１０１が準備された。支持台１０１に対して、ノズル温度２１０℃、吐出速度１５ｍｍ〜２０ｍｍ／秒の条件でノズル１０３から軟化されたＴＰＵ繊維のフィラメント（すなわち、糸状の造形材料１０２）を吐出することにより、第１繊維層ｐ１の形成を行った。具体的には、支持台１０１上にループ径が１２〜２４ｍｍとなるような円をランダムに且つ出来るだけそれぞれが外接するように描いた。なお、それぞれが外接するように描いたが、いくつかの円は重複した。これにより、縦８５ｍｍ、横５５ｍｍの略長方形状の第１繊維層ｐ１が形成された。なお、ノズル移動速度は吐出速度と釣り合う速度とした。
【００５０】
（第２繊維層の形成）
第２繊維層ｐ２の形成のためのコレクタ１０４（第２コレクタ）が第１繊維層ｐ１に接するように配置された。より詳細には、支持台１０１に対してｚ方向７ｍｍ上方に、第１繊維層ｐ１の面方向と略平行になりつつ、第１繊維層ｐ１の中心部を覆うように第２コレクタが配置された。なお、実施例３における「支持台１０１に対してｚ方向７ｍｍ上方」とは、支持台１０１とコレクタ１０４に含まれるアルミ板１０４ｂまたは１０４ｅが支持台１０１に対してｚ方向７ｍｍ上方に配置されることを示す。以下も同様である。
【００５１】
第１繊維層ｐ１の形成と同様の条件で第２コレクタ１０４の上側表面に繊維層（第２繊維層ｐ２）の形成を行った。まず、第２コレクタ１０４の開口部を介してノズル１０３から吐出された軟化されたＴＰＵ繊維のフィラメントが第１繊維層ｐ１に供給された。これにより、第１繊維層ｐ１と第２繊維層ｐ２とを接続させるための連結糸構造を予め全体に形成した。第２コレクタ１０４の上側表面上にループ径が１２〜２４ｍｍとなるような円をランダムに且つ出来るだけそれぞれが外接するように描いた。なお、それぞれが外接するように描いたが、いくつかの円は重複した。これにより、縦８５ｍｍ、横５５ｍｍの略長方形状の第２繊維層ｐ２が形成された。第１繊維層ｐ１と第２繊維層ｐ２とは、予め形成された連結糸構造により接続されている。
【００５２】
（第３繊維層〜第１９繊維層の形成）
以下の表１に示す条件で、第３繊維層〜第１９繊維層を形成した。これにより、第１繊維層ｐ１〜第１９繊維層ｐ１９を含む３次元造形物１０００が製造された。なお、表１に示されるようにコレクタ１０４は順次除去された。具体的には、第３繊維層が形成された後、第２繊維層の形成のために用いられたコレクタ１０４が除去された。第３繊維層以降の繊維層形成のために用いられたコレクタ１０４の除去についても同様である。実施例３に係る３次元造形物は、図１２に示されている。
【００５３】
【表１】
2020049928.tif 000003
【００５４】
図１２に示されるように、実施例３に係る３次元造形物１０００は、第１繊維層〜第１９繊維層からなる空隙を有する立体格子構造を有していた。実施例３に係る３次元造形物１０００は、繊維径が０．６１ｍｍであり、外形サイズが８５ｍｍ×５５ｍｍ×１２４ｍｍであり、重さが１８．９５ｇであり、見掛け体積が４６９．７ｃｍ３であり、見掛け密度が０．０４０ｇ／ｃｍ３であり、空隙率が９６．８％であった。図１２に示されるように、実施例３に係る３次元造形物１０００は第８繊維層から第１２繊維層に相当する箇所において４０ｍｍ×５０ｍｍ×５５ｍｍの欠損部分を有していた。このように、本発明によれば空隙率の高い複雑な形状を有する３次元造形物１０００を製造することができる。
【００５５】
＜実施例４＞
（熱可塑性樹脂の準備および糸状の造形材料の準備）
実施例２と同様の熱可塑性樹脂が準備され、実施例２と同様に該熱可塑性樹脂からなる糸状の造形材料が準備された。
【００５６】
（コレクタ）
各アルミ板間の間隔を３０ｍｍとしたことを除いては、実施例３と同様にアルミ板がｗ型に配置されたコレクタが準備された。コレクタに、樹脂との溶着を防止するためにシリコンが塗布された。
【００５７】
（第１繊維層の形成）
水平な長方形の支持台１０１が準備された。支持台１０１に対して、ノズル温度２２０℃、吐出速度１５ｍｍ〜２０ｍｍ／秒の条件でノズル１０３から軟化されたＴＰＵ繊維のフィラメント（すなわち、糸状の造形材料１０２）を吐出することにより、第１繊維層ｐ１の形成を行った。具体的には、支持台１０１上にループ径が１０〜３０ｍｍとなるような円をランダムに且つ出来るだけそれぞれが外接するように描いた。なお、それぞれが外接するように描いたが、いくつかの円は重複した。これにより、縦１３０ｍｍ、横５０ｍｍの略長方形状の第１繊維層ｐ１が形成された。なお、ノズル移動速度は吐出速度と釣り合う速度とした。
【００５８】
（第２繊維層の形成）
第２繊維層ｐ２の形成のためのコレクタ１０４（第２コレクタ）が第１繊維層ｐ１に接するように配置された。より詳細には、支持台１０１に対してｚ方向１１ｍｍ上方に、支持台１０１および第１繊維層ｐ１の面方向と略平行になりつつ、第１繊維層ｐ１の中心部を覆うように第２コレクタが設置された。第１繊維層ｐ１の形成と同様の条件で第２コレクタ１０４の上側表面に繊維層（第２繊維層ｐ２）の形成を行った。まず、第２コレクタ１０４の空隙を介してノズル１０３から吐出された軟化されたＴＰＵ繊維のフィラメントが第１繊維層ｐ１に供給された。これにより、第１繊維層ｐ１と第２繊維層ｐ２とを接続させるための連結糸構造を予め全体に形成した。第２コレクタ１０４の上側表面にループ径が１０〜３０ｍｍとなるような円をランダムに且つ出来るだけそれぞれが外接するように描いた。なお、それぞれが外接するように描いたが、いくつかの円は重複した。これにより、第２コレクタ１０４の上側表面に縦１３０ｍｍ、横５５ｍｍの第２繊維層ｐ２が形成された。第１繊維層ｐ１と第２繊維層ｐ２とは、予め形成された連結糸構造により融着されている。
【００５９】
（第３繊維層〜第７繊維層の形成）
以下の表２に示す条件で、第３繊維層〜第７繊維層を形成した。
【００６０】
【表２】
2020049928.tif 000004
【００６１】
（第８繊維層の形成）
第８繊維層ｐ８の形成のためのコレクタ１０４（第８コレクタ１０４）が第７繊維層ｐ７に接するように配置された。より詳細には、第７コレクタ１０４に対しとｘ，ｙ平面で一致させつつ、第７コレクタ１０４に対してｚ方向１２ｍｍ上方に第８コレクタ１０４を配置した。第８コレクタ１０４の空隙を介してノズル１０３から吐出された軟化されたＴＰＵ繊維のフィラメントが第７繊維層ｐ７に供給された。これにより、第７繊維層ｐ７と第８繊維層ｐ８とを接続させるための連結糸構造を予め形成した。この連結糸構造は、ｘ方向の片側いずれか一方の開始点からｙ方向中央を中心としてｘ方向に４０ｍｍ、ｙ方に５０ｍｍの欠損部分を有する“コ”形状とされた。
【００６２】
上記連結糸構造が形成された領域のみに対し、第８コレクタ１０４の上側表面にループ径が１０〜３０ｍｍとなるような円をランダムに且つ出来るだけそれぞれが外接するように描いた。場合によっては、円が重複する部分が生じたが、出来るだけ発生させないように形成し、１層目の外形と一致するように外形１３０ｍｍ×５０ｍｍ、且つｘ方向の片側いずれか一方の開始点からｙ方向中央を中心として５０ｍｍ×４０ｍｍの欠損部分を有する“コ”形状の第８繊維層が形成された。その後、第７コレクタ１０４が抜き取られた。
【００６３】
（第９繊維層〜第１７繊維層の形成）
以下の表３に示す条件で、第９繊維層〜第１７繊維層を形成した。
【００６４】
【表３】
2020049928.tif 000005
【００６５】
図１３に示されるように、実施例４に係る３次元造形物１０００は、第１繊維層〜第１７繊維層からなる空隙を有する立体格子構造を有していた。実施例４に係る３次元造形物１０００は、繊維径が０．４４ｍｍであり、外形サイズが１７０ｍｍ×１３０ｍｍ×５０ｍｍであり、重さが１１．１８ｇであり、見掛け体積が９８５ｃｍ３であり、見掛け密度が０．０１１３ｇ／ｃｍ３であり、空隙率が９９．１％であった。図１３に示されるように、実施例４に係る３次元造形物１０００は、第８繊維層から第１２繊維層に相当する箇所において、４０ｍｍ×５０ｍｍ×６０ｍｍのｙｚ平面の片側のみに貫通した欠損部分を有していた。このように、本発明によれば空隙率の高い複雑な形状を有する３次元造形物１０００を製造することができる。
【００６６】
＜実施例５＞
熱可塑性樹脂として、ポリエステル系熱可塑性エラストマー〔商品名：「ペルプレンＧＰ３００」（東洋紡（株））より入手〕を用いたこと、スクリューにより熱可塑性樹脂をφ２．０ｍｍの中実ノズルから押出すことにより糸状の造形材料１０２を準備したこと、スクリュー温度およびノズル温度を２４０℃としたことを除いては、実施例１と同様に３次元造形物１０００が製造された。準備された糸状の造形材料１０２の断面形状は円形であり、糸状の造形材料１０２は中実構造を有していた。
【００６７】
実施例５に係る３次元造形物１０００は、繊維径が１．０２ｍｍ、外形サイズが１００ｍｍ×８０ｍｍ×５０ｍｍ、重さが２４．５ｇ、見掛け体積が４００ｃｍ３、見掛け密度が０．０６１２ｇ／ｃｍ３、空隙率が９４．９％であった。
【００６８】
＜実施例６＞
熱可塑性樹脂として、２種類のポリエステル系エラストマー〔商品名：「ペルプレンＧＰ３００」および「ペルプレンＧＰ４００」（東洋紡（株））より入手〕を用いたこと、２本のスクリューにより各熱可塑性樹脂をφ２．０ｍｍの中実ノズルから押出すことにより、シースコア構造の糸状の造形材料１０２を準備したことを除いては、実施例５と同様に３次元造形物１０００が製造された。作製された糸状の造形材料１０２の断面形状は円形であり、糸状の造形材料１０２は上述の通りシースコア構造を有していた。
【００６９】
実施例６に係る３次元造形物１０００は、繊維径が１．１１ｍｍ、外形サイズが１００ｍｍ×８０ｍｍ×５０ｍｍ、重さが２５．５ｇ、見掛け体積が４００ｃｍ３、見掛け密度が０．０６３７ｇ／ｃｍ３、空隙率が９４．７％であった。
【００７０】
＜実施例７＞
糸状の造形材料１０２がφ１．０ｍｍの中空ノズルから押出されることにより準備されたことを除いては、実施例５と同様に３次元造形物１０００が製造された。作製された糸状の造形材料１０２の断面形状は円形であり、糸状の造形材料１０２は中空構造を有していた。
【００７１】
実施例７に係る３次元造形物１０００は、繊維径が０．５８ｍｍ、外形サイズが１００ｍｍ×８０ｍｍ×５０ｍｍ、重さが２３．１ｇ、見掛け体積が４００ｃｍ３、見掛け密度が０．０５７７ｇ／ｃｍ３、空隙率が９５．２％であった。
【００７２】
＜実施例８＞
糸状の造形材料１０２がノズル断面がＹ断面であるノズルから押出されることにより準備されたことを除いては、実施例５と同様に３次元造形物１０００が製造された。作製された糸状の造形材料１０２の断面形状はＹ断面（すなわち、異形）であり、糸状の造形材料１０２は中実構造を有していた。
【００７３】
実施例８に係る３次元造形物１０００は、外形サイズが１００ｍｍ×８０ｍｍ×５０ｍｍ、重さが２５．３ｇ、見掛け体積が４００ｃｍ３、見掛け密度が０．０６３２ｇ／ｃｍ３、空隙率が９４．７％であった。
【００７４】
＜評価＞
《触診による強度の評価》
実施例１〜実施例８に係る３次元造形物に対して、評価者の手指を当てると共に、親指と中指で３次元造形物をその中心に向けて軽く押圧するという触診試験を行った。この触診試験では、各実験例の３次元造形物の強度を次のように評価した。結果は以下の表３の「触診評価」の欄に示されている。
Ａ：触診による損壊は認められず、各繊維層間が十分な強度を有していた。
Ｂ：触診により一部損壊が認められ、一部の繊維層間の強度に改善の余地が有った。
Ｃ：触診により著しい損壊が認められ、繊維層間の強度に改善の余地が有った。
【００７５】
【表４】
2020049928.tif 000006
【００７６】
＜結果＞
表４に示されるように、各実施例に係る３次元造形物は各繊維層間が十分な強度を有していた。コレクタの空隙を介して繊維層同士が第３工程において接続されるため、各繊維層間が十分な強度を有するものと考えられる。
【００７７】
なお、実施例には含まれてはいないが、実施例１に記載の製造方法において糸状の造形材料の断面形状を楕円形としても、得られた３次元造形物は各繊維層間が十分な強度を有するものと推測される。同様に、実施例１に記載の製造方法において造形材料の構造をサイドバイサイド構造としても、得られた３次元造形物は各繊維層間が十分な強度を有するものと推測される。
【００７８】
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲によって確定される技術的範囲は、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００７９】
１００  積層造形装置、１０１  支持台、１０２  糸状の造形材料、１０３  ノズル、１０４  コレクタ、１０００  ３次元造形物、ｄ１  開口部、１０４ａ,１０４ｂ,１０４ｃ,１０４ｄ,１０４ｅ  アルミ板、ｐ１  第１繊維層、ｐ２  第２繊維層、ｐ３  第３繊維層、ｐ４  第４繊維層、ｐ５  第５繊維層、ｐ６  第６繊維層。
【図１】
2020049928.tif 000007
【図２】
2020049928.tif 000008
【図３】
2020049928.tif 000009
【図４】
2020049928.tif 000010
【図５】
2020049928.tif 000011
【図６】
2020049928.tif 000012
【図７】
2020049928.tif 000013
【図８】
2020049928.tif 000014
【図９】
2020049928.tif 000015
【図１０】
2020049928.tif 000016
【図１１】
2020049928.tif 000017
【図１２】
2020049928.tif 000018
【図１３】
2020049928.tif 000019