(57)【要約】【課題】立体造形物の造形時間を短くすることができ、かつ軽量で反り量が少なく強度が高い立体造形物を造形可能な造形装置の提供。【解決手段】熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、前記層造形手段は、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、前記第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する造形装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、
前記層造形手段は、
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、
前記第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形することを特徴とする造形装置。
【請求項２】
前記フィラーが、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であり、
前記層造形手段が、前記造形層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる前記造形層を少なくとも一部に造形する請求項１に記載の造形装置。
【請求項３】
前記層造形手段が、９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の溶融粘度で前記熱可塑性樹脂を吐出する請求項１から２のいずれかに記載の造形装置。
【請求項４】
前記造形材料における前記フィラーの含有率が、５質量％以上２０質量％以下である請求項１から３のいずれかに記載の造形装置。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニルスルホンから選択される少なくとも１種である請求項１から４のいずれかに記載の造形装置。
【請求項６】
熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形工程を少なくとも有する造形方法であって、
前記層造形工程は、
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、
前記第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形することを特徴とする造形方法。
【請求項７】
前記層造形工程が、前記造形層において、立体造形物のスライスデータに基づく前記立体造形物の断面における周縁部の内側に接するように前記造形材料を吐出する処理を含む請求項６に記載の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形装置及び造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金型などを用いずに立体造形物を造形する装置として、３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ、三次元）プリンタが普及しつつある。例えば、熱溶解積層法により立体造形物を造形する３Ｄプリンタは、他の方法により立体造形物を造形する３Ｄプリンタに比べて低価格なものが多く、個人向けのものも販売されている。
【０００３】
熱溶解積層法により立体造形物を造形する方法としては、例えば、熱可塑性樹脂を含有する造形材料を熱で溶融させ半液状化させた後、造形したい立体造形物の３Ｄデータに基づいて所定の位置に造形材料を吐出して造形層を造形する。そして、この造形層の積層を繰り返すことにより、他の方法に比べて簡便に立体造形物を造形することができる。
【０００４】
このような熱溶解積層法による３Ｄプリンタで用いられる造形材料について、様々な提案がされている。例えば、造形材料の作製時、保管時、又は立体造形物の製造時に、取り扱いにくい樹脂を芯層部とし、ポリエーテルエーテルケトン等のスーパーエンジニアリングプラスチックなどを鞘層部として多層化した造形材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、立体造形物の造形時間を短くすることができ、かつ軽量で反り量が少なく強度が高い立体造形物を造形可能な造形装置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造形装置は、
熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、
前記層造形手段は、
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、
前記第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、立体造形物の造形時間を短くすることができ、かつ軽量で反り量が少なく強度が高い立体造形物を造形可能な造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１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２】図２は、図１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３】図３は、図１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。
【図４Ａ】図４Ａは、立体造形物を井桁構造とする際の第１の造形層を造形するツールパスの一例を示す説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、立体造形物を井桁構造とする際の第２の造形層を造形するツールパスの一例を示す説明図である。
【図５Ａ】図５Ａは、フィラメントにフィラーとしてカーボンファイバーが含有されている状態の一例を示す写真である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、フィラメントにフィラーとしてカーボンファイバーが含有されている状態の他の一例を示す写真である。
【図６】図６は、実施例１における立体造形物を示す写真である。
【図７】図７は、実施例２における立体造形物を示す写真である。
【図８】図８は、比較例１における立体造形物を示す写真である。
【図９】図９は、比較例２における立体造形物を示す写真である。
【図１０】図１０は、立体造形物の反り量を測定した際の画面の一例を示す画像である。
【図１１】図１１は、立体造形物の最大反り量と、井桁構造における造形層の交点間隔との関係性の一例を示すグラフである。
【図１２】図１２は、井桁構造における造形層の交点間の架橋成功率と、造形材料が含有するフィラーとしてのカーボンファイバーの長さとの関係性の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（造形装置、造形方法）
本発明の造形装置は、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する造形装置である。この層造形手段は、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する。
本発明の造形方法は、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形工程を少なくとも有する造形方法である。この層造形工程は、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する。
【００１０】
本発明の造形方法は本発明の造形装置により好適に行うことができ、層造形工程は層造形手段により好適に行うことができ、その他の工程はその他の手段により行うことができる。
つまり、本発明の造形装置は、本発明の造形方法を実施することと同義である。そのため、本発明の造形装置に関する説明を通じて、本発明の造形方法の詳細についても明らかにする。
【００１１】
本発明は、例えば、特許文献１に開示されている従来の造形材料では、例示されているポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などを造形材料として用いると、立体造形物の造形途中で変形量が大きくなり造形ができない場合があるという知見に基づくものである。特に、スーパーエンジニアリングプラスチックと称されているＰＥＥＫなどのような溶融温度が高い樹脂を造形材料として用いると、溶融温度と造形環境温度との差が大きくなる。このため、造形途中における立体造形物の変形量が大きくなりやすいという問題がある。また、スーパーエンジニアリングプラスチックを用いて立体造形物を造形すると、造形中に造形ステージから反りによって剥離して造形できないという問題もある。これらの問題は、特に大型の立体造形物を造形する場合に顕在化する。
【００１２】
そこで、本発明の造形装置は、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する。この層造形手段は、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する。本発明の造形装置は、このような比較的強度が高い「井桁構造」を有する立体造形物を造形することにより、立体造形物における造形材料の充填率を低くすることができるため、造形材料の熱収縮の影響を受けにくくでき、立体造形物の反りの発生を抑制することができる。また、本発明の造形装置は、立体造形物の内部全てに造形材料を充填しないことから、立体造形物の造形時間を短くすることができるとともに、立体造形物を軽量化することができる。そして、この造形装置で用いる造形材料がフィラーを含有していることで、立体造形物を井桁構造とする際に造形材料を架橋しても重力により造形材料が垂れにくくなるため、造形材料を架橋できる長さを長くすることができる。造形材料を架橋できる長さ、即ち井桁構造において造形層どうしが接しない中空部の長さをより長くできると、造形材料の充填率をより低くできるため、造形時間をより短く、立体造形物をより軽量化できるとともに、立体造形物の反りの発生を抑制できる。
このように、本発明の造形装置は、立体造形物の造形時間を短くすることができ、かつ軽量で反り量が少なく強度が高い立体造形物を造形することができる。
【００１３】
＜層造形手段、層造形工程＞
層造形手段は、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する。この層造形手段は、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する
層造形工程は、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する。この層造形工程は、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する。
層造形手段は、移動（走査）しながら造形材料を吐出することにより、造形層を造形する。
【００１４】
また、層造形手段は、９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の溶融粘度で熱可塑性樹脂を吐出することが好ましい。これにより、層造形手段が熱可塑性樹脂を含む造形材料を吐出する際に、層造形手段から造形材料が垂れたりする不具合の発生が抑制されるとともに、井桁構造において造形層どうしが接しない中空部を設ける際に、造形材料を架橋しやすくなる。また、９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の溶融粘度で熱可塑性樹脂を吐出すると、造形材料の引き込み（リトラクト動作）時の引き込み不足、それに付随する吐出初期のショートショット、立体造形物の崩れなどといった不具合も発生しにくくなる。
熱可塑性樹脂の溶融粘度は、例えば、粘度測定装置（ＨＡＡＫＥ  ＭＡＲＳ  ＩＩＩ、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製）などを用いて、試料をギャップ１ｍｍのパラレルプレートに挟み、せん断率を１,０００／ｓとし、４００℃で測定することができる。
【００１５】
また、層造形手段は、造形層において、立体造形物のスライスデータに基づく立体造形物の断面における周縁部の内側に接するように造形材料を吐出することが好ましい（図４）。この動作は内側から接する位置両端で繰り返される。このように、隣接ラインへ外殻の１ライン太さ分だけ内側を移動するツールパスとすることにより、ライン状の内部構造、ライン状の外殻が一体となり、非常に強固な外殻を持つ構造体とすることができる。
なお、立体造形物のスライスデータとは、立体造形物の３Ｄデータに基づいて加工されたものであり、造形層毎で造形材料を吐出する箇所を示す座標データを意味する。
また、立体造形物の断面における周縁部の内側に接するようにする造形材料の吐出は、フィラメント状に吐出した造形材料を１ラインとしてもよく、複数のラインとしてもよい。複数のラインとする場合には、層造形手段は、吐出した造形材料の幅の分だけ内側を走査して吐出するようにすることが好ましい。
【００１６】
層造形手段としては、造形材料を吐出する吐出口を有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて選択することができ、例えば、フィラメント状の造形材料を吐出する吐出モジュール（ヘッド）、ペレットの直接溶融吐出モジュール（ヘッド）などが挙げられる。なお、層造形手段は、造形装置に複数設けられていてもよく、１つの層造形手段に複数の吐出口が配されていてもよい。また、層造形手段は、例えば、造形材料を溶融するための加熱部や、造形材料を吐出するためのノズルなどを有する。
【００１７】
＜＜造形材料＞＞
造形材料としては、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有していれば、特に制限はなく、目的に応じて選択することができ、必要に応じてその他の成分を含有してもよい。
フィラーは、特に限定されないが、針状や繊維状であることが好ましく、無機系であることがより好ましい。具体的には、カーボンファイバー、ガラス繊維、セラミック繊維、チタン酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウム繊維、セルロース系繊維等のフィラーを１つもしくは複数を組み合わせて含有することが好ましく、強度や加工性の観点でカーボンファイバーであることが特に好ましい。
なお、造形材料は、最終的に立体造形物となるモデル材と、モデル材で造形されたモデル部を支持するサポート部となるサポート材とに分かれていてもよく、それぞれの造形材料が層造形手段の別の吐出口から吐出されてもよい。
【００１８】
フィラーの形状及び大きさとしては、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であることが好ましい。フィラーの長さが２００μｍ以上で、かつフィラーのアスペクト比が１：３０以上であれば、層形成手段により中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる造形層を少なくとも一部に形成することができ、中空部の長さを長くできる点で有利である。造形材料におけるフィラーの含有率としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５質量％以上２０質量％以下が好ましい。造形材料におけるフィラーの含有率が５質量％以上２０質量％以下であると、造形材料を架橋できる距離を長くすることができるとともに、吐出した造形材料が「だま」にならずに架橋が切れにくい点で有利である。
【００１９】
−熱可塑性樹脂−
熱可塑性樹脂とは、熱を加えると可塑化し、溶融する樹脂を意味する。
熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、結晶性樹脂、非結晶性樹脂、液晶樹脂などが挙げられる。
なお、結晶性樹脂とは、ＩＳＯ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳ  Ｋ７１２１）に準拠した測定において、融点ピークが検出される樹脂である。
【００２０】
３Ｄプリンタで用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ＡＢＳ、ＡＳＡ、ポリカーボネート（ＰＣ）、ナイロン１２、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセタール（ＰＯＭ：Ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、ＰＣ−ＡＢＳなどのように２種以上を併用してもよい。
【００２１】
ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。
【００２２】
ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリアミド６１２（ＰＡ６１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、及びポリアミド１２（ＰＡ１２）；並びにポリアミド４Ｔ（ＰＡ４Ｔ）、ポリアミドＭＸＤ６（ＰＡＭＸＤ６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、及びポリアミド１０Ｔ（ＰＡ１０Ｔ）などの半芳香族性のポリアミドが挙げられる。
【００２３】
ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブタジエンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。これらの中でも、耐熱性を付与する点で、テレフタル酸やイソフタル酸を一部に含む芳香族を有するものが好ましい。
【００２４】
ポリエーテルとしては、例えば、ポリアリールケトン、ポリエーテルスルフォンなどが挙げられる。
ポリアリールケトンとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）などが挙げられる。
【００２５】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ＰＡ９Ｔのように２つの融点ピークを有するものでもよい。２つの融点ピークを有する熱可塑性樹脂は、高温側の融点ピーク以上の温度になると完全に溶融する。
【００２６】
また、ポリフェニレンサルファイド（線膨張係数：４．９×１０−５／℃）、ポリスルホン（線膨張係数：５．６×１０−５／℃）、ポリエーテルサルフォン（線膨張係数：５．６×１０−５／℃）、ポリエーテルイミド（線膨張係数：４．７×１０−５／℃）、ポリアミドイミド（線膨張係数：３．１×１０−５／℃）、ポリエーテルエーテルケトン（線膨張係数：４．７×１０−５／℃）、及びポリフェニルスルホン（線膨張係数：５．６×１０−５／℃）などは、「スーパーエンジニアリングプラスチック」と称されている。なお、以下では、スーパーエンジニアリングプラスチックを「スーパーエンプラ」と称することもある。
【００２７】
線膨張係数とは、温度上昇によって物体の長さが膨張する割合を温度あたりで示したものである。上記のように、これらのスーパーエンプラは、ポリ塩化ビニル（７×１０−５／℃〜２５×１０−５／℃）、ポリエチレン（５．９×１０−５／℃〜１１×１０−５／℃）、ポリプロピレン（８．１×１０−５／℃〜１０×１０−５／℃）、ＡＢＳ（６．５×１０−５／℃〜９．５×１０−５／℃）、ナイロン１２（１０×１０−５／℃）などの他の熱可塑性樹脂よりも線膨張係数が低い傾向にあり、本発明のようにフィラーを含有させて井桁構造で造形することで、反りやひずみをほとんど発生させることがなくなる。本来スーパーエンプラは、溶融温度が非常に高くて、溶融温度と造形環境温度との差異によって反りやひずみが大きいにもかかわらず好適な材料となるのは、本発明の大きな効果である。
【００２８】
また、他の熱可塑性樹脂においても本発明は有効であるが、熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニルスルホンなどのスーパーエンプラから選択される少なくとも１種であることが好ましい。熱可塑性樹脂がスーパーエンプラであると、造形する立体造形物の引張強度、耐熱性、耐薬品性、及び難燃性を向上することができ、立体造形物を工業用途にも使用可能になる点でも大いに有利である。
【００２９】
−カーボンファイバー−
カーボンファイバーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
カーボンファイバーの形状及び大きさとしては、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であることが好ましい。カーボンファイバーの長さが２００μｍ以上で、かつカーボンファイバーのアスペクト比が１：３０以上であれば、層造形手段により井桁構造において造形層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる造形層を少なくとも一部に造形することができ、この中空部の長さを長くできる点で有利である。
【００３０】
造形材料におけるカーボンファイバーの含有率としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５質量％以上２０質量％以下が好ましい。造形材料におけるカーボンファイバーの含有率が５質量％以上２０質量％以下であると、造形材料を架橋できる距離を長くすることができるとともに、吐出した造形材料が「だま」にならずに架橋が切れにくい点で有利である。
【００３１】
また、造形材料にカーボンファイバーが含有されていると、造形材料の熱容量が大きくなることから、溶融した状態の造形材料が吐出された箇所に熱が伝わりやすくなる。これは、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するカーボンファイバーを造形材料に含有させているためである。これにより、造形材料が吐出された箇所にある、既に固化している造形材料が内部まで溶融した状態になりやすくなるため、吐出された造形材料と、この造形材料が吐出された箇所にある造形材料との接着強度を高めることができる。すると、例えば、立体造形物を井桁構造とし、立体造形物の内部が空間で占められていても、立体造形物の圧縮強度を向上させることができる。
溶融した状態の造形材料が吐出された箇所の、既に固化している造形材料としては、造形材料が吐出されて造形されつつある造形層の下の造形層の造形材料と、造形材料が吐出されて造形されつつある造形層内の隣接する造形材料との両方であることが好ましい。これにより、立体造形物の圧縮強度が更に向上する点で有利である。
【００３２】
−その他の成分−
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる
【００３３】
＜＜造形層＞＞
造形層としては、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料により造形されるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
本発明の造形装置は、造形層の積層を繰り返すことにより、造形層どうしが接しない中空部を有する井桁構造の立体造形物を造形する。言い換えると、中空部とは、立体造形物において、造形材料を架橋することにより設けられた空間を意味する。また、中空部の長さとは、中空部を設けるために造形材料を架橋した長さを意味する。
【００３４】
中空部の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
また、立体造形物における中空部が占める割合としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００３５】
＜＜井桁構造＞＞
井桁構造とは、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、が交互に造形された部分を意味する。
なお、線状部分は、直線であってもよいし、直線でなくてもよい。複数の線状部分同士は、互いに平行であってもよい。もちろん完全に平行でなくても略平行であればよい。また、第１の線状部分に対して、第２の線状部分は、直角もしくは任意の角度をもって交差すればよいし、略直交してもよい。
【００３６】
層造形手段は、井桁構造を少なくとも一部に有する立体造形物を造形することで、立体造形物全体における造形材料の充填率を効率的に小さくできるため、造形材料の使用量を抑制でき、立体造形物を軽量化することができる。特に、大型の立体造形物を造形する場合には、立体造形物が井桁構造を少なくとも一部に有することによる上記の効果はより大きくなる。
また、井桁構造は形状がシンプルであることから、層造形手段を走査させる経路であるツールパスがシンプルになるため、立体造形物の造形時間を短くすることができる。
立体造形物内部を中空にする構造としてハニカム構造も考えられるが、この構造は強固な中空構造が期待できるものの複雑なツールパスを移動する必要があり、造形スピードを上げることに限界がある。例えば、本発明者らによる造形実験では、造形スピードに５倍以上の差が生じた。また、ハニカム構造におけるそれぞれのラインは全て上下方向につながっているので、立体造形物を軽くすることにも限界がある。さらに、立体造形物の内部における中空密度（中空部の割合）を変更することも簡単にはできない問題がある。
【００３７】
また、第１の造形層及び第２の造形層における線状部分が互いに略平行であるとは、或る造形層における隣り合う線状部分が、当該造形層の中で交差しない程度に平行に位置していることを意味する。
第２の造形層における線状部分が、第１の造形層における線状部分と略直交するとは、第２の造形層における線状部分と第１の造形層における線状部分がなす角が、７０°以上１１０°以下であることを意味する。
【００３８】
第１の造形層及び第２の造形層における線状部分が位置する所定の間隔としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、使用する造形材料における吐出時の粘度などの物性に応じて選択することが好ましい。
なお、第１の造形層及び第２の造形層における線状部分が位置する所定の間隔は、１つの造形層の中で異なる間隔となっていてもよい。
【００３９】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
【００４０】
＜全体構成＞
本発明の一実施形態として、熱溶解積層法により立体造形物を造形する立体造形装置について説明する。なお、本発明における造形装置は、熱溶解積層法を用いたものに限定されるものではなく、載置台（造形テーブル）の載置面上に立体造形物を造形する任意の造形装置を用いることができる。
【００４１】
図１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２は、図１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、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立体造形物を造形することができる。
【００４２】
三次元造形装置１における筐体２の内部は、三次元造形物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ＭＯが造形される。
【００４３】
立体造形物の造形には、熱可塑性樹脂をマトリックスとした樹脂組成物からな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。
【００４４】
筐体２の内部の造形テーブル３の上方には、層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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
図２に示すように、吐出モジュール１０の下端部に、造形材料であるフィラメントＦを吐出する吐出ノズル１８が設けられている。吐出ノズル１８は、加熱ブロック１５から供給された溶融状態あるいは半溶融のフィラメントＦＭを造形テーブル３上に線状に押し出すようにして吐出する。吐出されたフィラメントＦＭは、冷却固化されて所定の形状の層が造形される。さらに、吐出ノズル１８は、造形した層に、溶融状態あるいは半溶融状態のフィラメントＦＭを、線状に押し出すようにして吐出する操作を繰り返すことで、新たな層を積み上げて積層させる。こうすることにより、造形装置１は、立体造形物ＭＯを造形する。
【００４８】
本実施形態においては、吐出モジュール１０に２つの吐出ノズルが設けられている。第一の吐出ノズルは、立体造形物ＭＯを造形するモデル材のフィラメントを溶融して吐出し、第二の吐出ノズルは、モデル材を支持するサポート材のフィラメントを溶融して吐出する。なお、図１において、第一の吐出ノズルの奥側に第二の吐出ノズルが配置されている。なお、吐出ノズルの数は、２個に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００４９】
第二の吐出ノズルから吐出されるサポート材により造形されるサポート部は、最終的にはモデル材により造形されるモデル部から除去される。また、サポート材は、本実施形態においては、立体造形物ＭＯを造形するモデル材とは異なる材料である。サポート材のフィラメントおよびモデル材のフィラメントは、それぞれ、加熱ブロック１５にて溶融され、それぞれの吐出ノズル１８から押し出されるように吐出されて、層状に順次積層される。
【００５０】
吐出モジュール１０および加熱モジュール２０は、装置左右方向（図１中の左右方向）に延びるＸ軸駆動軸３１（Ｘ軸方向）に対し、連結部材を介して、移動可能に保持されている。吐出モジュール１０は、Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力により、装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。
【００５１】
Ｘ軸駆動モータ３２は、装置前後方向（図１中の奥行方向）に延びるＹ軸駆動軸（Ｙ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動軸３１がＸ軸駆動モータ３２ごとＹ軸駆動モータ３３の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、吐出モジュール１０および加熱モジュール２０はＹ軸方向に移動する。
【００５２】
造形テーブル３は、Ｚ軸駆動軸３４及びガイド軸３５が貫通しており、装置上下方向（図１中の上下方向）に延びるＺ軸駆動軸３４に沿って移動可能に保持されている。造形テーブル３は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動する。造形テーブル３には、積載された造形物を加熱する造形物加熱部が設けられていてもよい。
【００５３】
また、フィラメントＦの溶融と吐出を経時で続けると、吐出ノズル１８の周辺部が溶融したフィラメントＦＭなどで汚れることがある。そこで、造形装置１に設けられたクリーニングブラシ３７により、吐出ノズル１８の周辺部に対し定期的にクリーニング動作を行うことで、吐出ノズル１８の先端にフィラメントＦが固着することを防ぐことができる。なお、クリーニング動作は、固着防止の観点から、溶融したフィラメントＦＭの温度が下がりきらないうちに実行されることが好ましい。この場合、クリーニングブラシ３７は、耐熱性部材からなることが好ましい。また、クリーニング動作時に生じる研磨粉については、造形装置１に設けられたダストボックス３８に集積させて定期的に捨ててもよいし、吸引路を設けて造形装置１の外部へ排出させてもよい。
【００５４】
図３は、図１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３に示すようにそれぞれの部と電気的に接続されている。
【００５５】
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。
【００５６】
三次元造形装置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。
【００５７】
三次元造形装置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。
【００５８】
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。
【００５９】
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、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。
【００６０】
図４Ａは、立体造形物を井桁構造とする際の第１の造形層を造形するツールパスの一例を示す説明図である。図４Ｂは、立体造形物を井桁構造とする際の第２の造形層を造形するツールパスの一例を示す説明図である。
図４Ａに示すような造形層（第１の造形層）と、図４Ｂに示すような造形層（第２の造形層）を交互に積層することにより、井桁構造を少なくとも一部に有する立体造形物を造形することができる。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。ここでは、フィラーとしてカーボンファイバーを含有した実施例と、フィラーを含有していない比較例を説明する。フィラーとしてカーボンファイバーを用いた実施例を中心に説明するが、ガラス繊維、セラミック繊維等であっても同等の効果を得られる。
【００６２】
（実施例１）
［造形材料（フィラメント）の製造］
熱可塑性樹脂としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）（１５１Ｇグレード、ＶＩＣＴＲＥＸ社製、４００℃での粘度：１５０Ｐａ・ｓ、線膨張係数：４．７×１０−５／℃）とフィラーとしてカーボンファイバー（クレカチョップ、株式会社クレハ製、長さ４００μｍ、アスペクト比１：１００）を９：１の質量比（１０質量％）で、混練機（小容量加圧型ニーダー、日本スピンドル製造株式会社（株式会社モリヤマ）製）により、カーボンファイバーの長さが２００μｍ以上のものが残るように混練時間を調整して混練し、フィラメントを製造した。製造したフィラメントを蛍光顕微鏡で観察した際の写真を図５Ａに示す。図５Ａに示すように、４００μｍ長のチョップドカーボンファイバーを熱可塑性樹脂と混錬することで、カーボンファイバーが一部粉砕されてしまって短いカーボンファイバーも散見されるが、フィラメント内に４００μｍ程度の長いカーボンファイバーが多く含有されている状態が確認できる。
【００６３】
［立体造形物の造形］
図１〜図３で示したような造形装置１（ＨＰＰ１５５、ＩＮＤＭＡＴＥＣ  Ｐｒｉｎｔｅｒ社製）を用いて、吐出モジュール１０のノズル温度を４２０℃、吐出するフィラメントＦのライン幅を０．５ｍｍ、吐出モジュール１０を走査させる速度を１００ｍｍ／ｓ、造形ステージ３のビルドプレート温度を１５０℃に設定し、吐出モジュール１０から上述のように製造したフィラメントを吐出させ、図４Ａ及び図４Ｂに示したような第１の造形層及び第２の造形層を交互に造形して積層することにより、井桁構造を有する立体造形物１の造形を行った。なお、吐出したフィラメントのラインの高さは０．２ｍｍであった。
井桁構造を有する立体造形物１は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍのサイズの直方体とした。また、井桁構造としては、第１の造形層及び第２の造形層の交点間の距離（以下、「交点間隔」と称する）を８ｍｍとした。この場合、フィラメントＦのライン幅が０．５ｍｍであるため、中空部の長さは７．５ｍｍとなる。
【００６４】
＜反りの外観評価＞
得られた立体造形物１に対して、目視により反りの有無を評価した。結果を表１に示す。また、得られた立体造形物１の写真を図６に示す。
図６に示すように、立体造形物１は、外観上反りはなく、交点間隔が８ｍｍであるにもかかわらず交点間中間部の垂れ下がりもほとんど見られなかった。
【００６５】
（実施例２）
実施例１において、交点間隔を２ｍｍ（中空部の長さは１．５ｍｍ）とした以外は、実施例１と同様にして立体造形物２を造形し、実施例１と同様に評価した。結果を表１に示す。また、得られた立体造形物２の写真を図７に示す。
図７に示すように、立体造形物２には外観上反りがなかった。
【００６６】
（比較例１）
実施例１において、フィラメントに含有させるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）をＶＩＣＴＲＥＸ社製の３８１Ｇグレード（４００℃での粘度：３８０Ｐａ・ｓ、線膨張係数：４．７×１０−５／℃）に変更し、フィラメントにフィラーを含有しなかった以外は、実施例１と同様にして立体造形物３を造形し、実施例１と同様に評価した。結果を表１に示す。また、得られた立体造形物３の写真を図８に示す。
立体造形物３は、造形中に反り量が非常に大きくなったため、途中で造形を中止した。途中で造形を中止した立体造形物３によると、フィラメントにフィラーを含有しなかったことから、図８に示すように、造形層の交点と交点の間をフィラメントでうまく架橋することができなかった。また、フィラメントにフィラーを含有しなかったことから、吐出でフィラメントが「だま」になりやすくなり、フィラメントが交点に「だま」になっているのが確認できた。
【００６７】
（比較例２）
比較例１において、吐出モジュールを走査させる速度を２０ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１と同様にして立体造形物４を造形し、比較例１と同様に評価した。結果を表１に示す。また、得られた立体造形物４の写真を図９に示す。
立体造形物４は、図９に示すように、反り量が大きくなったため、立体造形物の高さが１０ｍｍにならないところで造形を中止した。途中で造形を中止した立体造形物４によると、立体造形物３よりも造形層の交点と交点の間をフィラメントで架橋できていることが確認できた。
【００６８】
【表１】
2020082668.tif 000003
【００６９】
表１の結果から、熱可塑性樹脂及びフィラーとしてカーボンファイバーを含有する造形材料を吐出し、第１の造形層及び第２の造形層を造形して造形した井桁構造の立体造形物は、反りが少なく、目視レベルで良好であった。
【００７０】
なお、フィラーとして、カーボンファイバー以外にガラス繊維やセラミック繊維など種々の繊維が知られているが、井桁構造を造形する際には、カーボンファイバーを含有することが最も好ましい。
【００７１】
＜立体造形物の最大反り量と造形層の交点間隔との関係性＞
次に、立体造形物の最大反り量と、井桁構造における造形層の交点間隔との関係性について、定量的な検討を行った。
【００７２】
［立体造形物の造形］
実施例１において、造形する立体造形物のサイズを４８ｍｍ×４８ｍｍ×１０ｍｍとし、井桁構造における交点間隔を０．５ｍｍ〜２０ｍｍに変化させた以外は、実施例１と同様にして立体造形物をそれぞれ造形した。さらに、比較例としての位置づけで、中空部を有さない立体造形物も造形した。
【００７３】
［最大反り量の測定］
得られた立体造形物に対して、３次元形状測定システム（ＶＲ−３２００、株式会社キーエンス製）を用いて最大反り量を測定した。
図１０は、立体造形物の反り量を測定した際の画面の一例を示す画像である。
図１０に示すように、得られた立体造形物の底面対角線の形状を測定し、中央付近の平らな箇所から対角線端部の最大反り量を測定した。なお、造形物底面を上側に向け、上側から測定しているため、図１０のプロファイル例では端部が下方向に反っているような図となっている。
造形した各立体造形物について、このように最大反り量を測定した結果を図１１に示す。
【００７４】
図１１は、立体造形物の最大反り量と、井桁構造における造形層の交点間隔との関係性の一例を示すグラフである。
図１１に示すように、中空部を有さない立体造形物は最大反り量が非常に大きいが、井桁構造の交点間隔を大きくするにつれ、立体造形物の最大反り量が急激に小さくなることが確認された。また、交点間隔を２ｍｍ以上にすると、立体造形物の反りを抑制できることが分かった。本実験におけるライン幅は０．５ｍｍであり、中空部を設けるために造形材料を架橋した長さである中空部長さは１．５ｍｍ以上となるため、効果が大きかったといえる。
【００７５】
＜架橋成功率とフィラーの長さとの関係性＞
次に、井桁構造における造形層の交点間の架橋成功率と、造形材料が含有するフィラーとしてのカーボンファイバーの長さとの関係性について、定量的な検討を行った。
【００７６】
［立体造形物の造形］
実施例１において、造形する立体造形物のサイズを１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍとし、井桁構造における交点間隔を２ｍｍ（中空部長さ１．５ｍｍ）とした以外は、実施例１と同様にして立体造形物を造形した。さらに、比較例としての位置づけで、中空部を有さない立体造形物も造形した。
【００７７】
［架橋成功率の算出］
井桁構造では交点間にフィラメントが架橋されるが、１００の交点間のうち空中で保持されることに成功したフィラメントの本数を目視にて確認し、フィラメントの架橋成功率を算出した。
【００７８】
図１２は、井桁構造における造形層の交点間の架橋成功率と、造形材料が含有するフィラーとしてのカーボンファイバーの長さとの関係性の一例を示すグラフである。
図１２に示すように、カーボンファイバーの長さが２００ｍｍ以上において架橋成功率が高くなっていることから、カーボンファイバーの長さが２００ｍｍ以上であると、中空部を安定して造形できることがわかる。
【００７９】
＜造形層の交点間隔と、フィラーの長さとの関係性＞
次に、井桁構造における造形層の交点間隔と、造形材料が含有するフィラーとしてのカーボンファイバーの長さとの関係性について、定量的な検討を行った。
【００８０】
［立体造形物の造形］
実施例１において、造形する立体造形物のサイズを１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍとし、井桁構造における交点間隔を２ｍｍ〜５０ｍｍに変化させるとともに、フィラーとしてのカーボンファイバーの長さを１００μｍ〜１,２００ｍｍに変化させた以外は、実施例１と同様にして立体造形物をそれぞれ造形した。さらに、比較例としての位置づけで、フィラメントにフィラーを含有しない立体造形物も造形した。
図５Ａには、長さ４００μｍのフィラーとしてカーボンファイバーを混錬した場合の蛍光顕微鏡観察結果を示す。また、図５Ｂには、長さ２００μｍのフィラーとしてカーボンファイバーを混錬した場合の蛍光顕微鏡観察結果を示す。それぞれ、混入させたカーボンファイバーの長さがよく維持されていたことが確認できた。
【００８１】
得られた立体造形物に対して、上述のように架橋成功率を算出し、造形層の交点間隔と、フィラーとしてのカーボンファイバーの長さとの関係性を以下の基準でそれぞれ評価した。結果を表２に示す。
［評価基準］
Ａ：架橋成功率が９０％以上１００％以下
Ｂ：架橋成功率が５０％以上９０％未満
Ｃ：架橋成功率が２０％以上５０％未満
Ｄ：架橋成功率が０％以上２０％未満
【００８２】
【表２】
2020082668.tif 000004
【００８３】
表２に示すように、フィラーとしてのカーボンファイバーの長さが長いと、造形層の交点間隔が広くなっても架橋成功率が高い状態を維持できることが確認できる。具体的には、カーボンファイバーの長さを６００μｍ以上とすると、造形層の交点間隔が５０ｍｍでも架橋成功率が高い状態を維持できることが確認できる。このことから、カーボンファイバーの長さを６００μｍ以上とすると、数十ｃｍを超える大型の立体造形物であっても、機械的強度がある内部骨格を迅速に造形することができ、かつ軽量で反り量が少なく強度が高い造形ができることが示された。
【００８４】
＜造形層の交点間隔と、熱可塑性樹脂の粘度との関係性＞
次に、井桁構造における造形層の交点間隔と、造形材料が含有する熱可塑性樹脂の粘度との関係性について、定量的な検討を行った。
【００８５】
［立体造形物の造形］
実施例１において、造形する立体造形物のサイズを１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍとし、井桁構造における交点間隔を２ｍｍ〜５０ｍｍに変化させるとともに、熱可塑性樹脂を４００℃での粘度を９０Ｐａ・ｓ〜４５０Ｐａ・ｓとしたものに代えた以外は、実施例１と同様にして立体造形物をそれぞれ造形した。なお、熱可塑性樹脂は、ＶＩＣＴＲＥＸ社製のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のグレードを９０Ｇ（４００℃での粘度：９０Ｐａ・ｓ、線膨張係数：４．７×１０−５／℃）、上述の１５１Ｇ、上述の３８１Ｇ、及び４５０Ｇ（４００℃での粘度：４５０Ｐａ・ｓ、線膨張係数：４．７×１０−５／℃）の４種類を用いた。
【００８６】
得られた立体造形物に対して、上述のように架橋成功率を算出し、造形層の交点間隔と、熱可塑性樹脂の粘度との関係性を上述の基準でそれぞれ評価した。結果を表３に示す。
【００８７】
【表３】
2020082668.tif 000005
【００８８】
また、このような長い距離の架橋には、ベース材となるＰＥＥＫの粘度も重要な因子となることが分かってきた。表２に市販されているＶＩＣＴＲＥＸ社のそれぞれの粘度のＰＥＥＫ材を用いた場合の架橋成功率を示す。ＰＥＥＫ材の名称は粘度によって分類されており、それぞれ９０Ｇ、１５１Ｇ、３８１Ｇ、４５０Ｇというグレードを用いた。フィラーとしてのカーボンファイバーの長さは６００μｍ（アスペクト比１：１００）のものを用い、それ以外は表１の場合と同じ実験条件とした。
ここで、熱可塑性樹脂の粘度は、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社の  ＨＡＡＫＥ  ＭＡＲＳ  ＩＩＩによって測定し、試料をギャップ１ｍｍのパラレルプレートに挟む一般的な条件にて実験を行った。本実施例で粘度を示す場合は、せん断率１０００／ｓ、４００℃での溶融粘度の値を示している。
【００８９】
表３の実験結果のように、ＰＥＥＫの粘度も非常に効果の高い因子であり、９０Ｐａ・ｓあるいは１５０Ｐａ・ｓの粘度のＰＥＥＫを用いることで非常に大きな間隔の井桁格子を作ることが可能となった。なお、同じ粘度グレードのＰＥＥＫを購入してもその材質にはばらつきがあり、表３のような効果を示す粘度としては、粘度測定の結果が９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の範囲であるＰＥＥＫが良好な結果を示した。
また、同様の実験を、他のスーパーエンプラと呼ばれるポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニルスルホンに関しても行ったが、上記と同様の結果となった。
【００９０】
表３に示すように、熱可塑性樹脂の粘度が低いと、造形層の交点間隔が広くなっても架橋成功率が高いことが確認できる。具体的には、熱可塑性樹脂の粘度を１５０Ｐａ・ｓ以下とすると、造形層の交点間隔が５０ｍｍでも架橋成功率が高い状態を維持できることが確認できる。
なお、粘度は、温度及びせん断速度（Ｓ．Ｒａｔｅ）の関数で表すことができる。熱可塑性樹脂がスーパーエンジニアリングプラスチックであると、温度やせん断速度などの変数に対して非線形挙動を示すので、融点Ｔｍ以上でなくても、必要なせん断抵抗、すなわち、必要な粘度が得られることがある。一方で、融点Ｔｍ以上の領域において所望のせん断速度における粘度が好ましい範囲である場合、即ち９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の場合に本発明の用途で用いたときには、ノズルからの液垂れなどといった不具合が発生しにくくなる。また、ノズルからの液垂れの他には、フィラメントの引き込み（リトラクト動作）時の引き込み不足、それに付随する吐出初期のショートショット、立体造形物の崩れなどといった不具合が発生しにくくなる。
【００９１】
＜造形層の交点間隔と、フィラーの含有率との関係性＞
次に、井桁構造における造形層の交点間隔と、造形材料におけるフィラーとしてのカーボンファイバーの含有率との関係性について、定量的な検討を行った。
【００９２】
［立体造形物の造形］
実施例１において、造形する立体造形物のサイズを１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍとし、井桁構造における交点間隔を２ｍｍ〜５０ｍｍに変化させるとともに、フィラメントにおけるフィラーとしてのカーボンファイバーの含有率を３質量％〜２５質量％に変化させた以外は、実施例１と同様にして立体造形物をそれぞれ造形した。
【００９３】
得られた立体造形物に対して、上述のように架橋成功率を算出し、造形層の交点間隔と、フィラメントにおけるフィラーとしてのカーボンファイバーの含有率との関係性を上述の基準でそれぞれ評価した。結果を表４に示す。
【００９４】
【表４】
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【００９５】
表４に示すように、フィラーとしてのカーボンファイバーの含有率が５質量％〜２０質量％であると、造形層の交点間隔が広くなっても架橋成功率が高いことが確認できる。具体的には、カーボンファイバーの含有率が５質量％〜２０質量％であると、吐出するフィラメントが「だま」にならずに架橋が切れにくくなる。
【００９６】
以上説明したように、本発明の造形装置は、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する。この層造形手段は、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、第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形する。これにより、本発明の造形装置は、立体造形物の造形時間を短くすることができ、かつ軽量で反り量が少なく強度が高い立体造形物を造形することができる。
【００９７】
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞  熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、
前記層造形手段は、
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、
前記第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形することを特徴とする造形装置である。
＜２＞  前記フィラーが、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であり、
前記層造形手段が、前記造形層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる前記造形層を少なくとも一部に造形する前記＜１＞に記載の造形装置である。
＜３＞  前記層造形手段が、９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の溶融粘度で前記熱可塑性樹脂を吐出する前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜４＞  前記造形材料における前記フィラーの含有率が、５質量％以上２０質量％以下である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜５＞  前記熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニルスルホンから選択される少なくとも１種である前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜６＞  熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する造形材料で造形層を造形する層造形工程を少なくとも有する造形方法であって、
前記層造形工程は、
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、
前記第１の線状部分に対して交差する複数の第２の線状部分を有する第２の造形層と、を交互に造形することを特徴とする造形方法である。
＜７＞  前記層造形工程が、前記造形層において、立体造形物のスライスデータに基づく前記立体造形物の断面における周縁部の内側に接するように前記造形材料を吐出する処理を含む前記＜６＞に記載の造形方法である。
＜８＞  前記フィラーが、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であり、
前記層造形工程が、前記造形層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる前記造形層を少なくとも一部に造形する処理を含む前記＜７＞に記載の造形方法である。
＜９＞  前記層造形工程が、９０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下の溶融粘度で前記熱可塑性樹脂を吐出する処理を含む前記＜６＞から＜８＞のいずれかに記載の造形方法である。
＜１０＞  前記造形材料における前記フィラーの含有率が、５質量％以上２０質量％以下である前記＜６＞から＜９＞のいずれかに記載の造形方法である。
＜１１＞  前記熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニルスルホンから選択される少なくとも１種である前記＜６＞から＜１０＞のいずれかに記載の造形方法である。
【００９８】
前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の造形装置、前記＜６＞から＜１１＞に記載の造形方法によると、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９９】
【特許文献１】特開２０１８−１６７４０５号公報
【符号の説明】
【０１００】
１  三次元造形装置（造形装置）
３  造形テーブル
１０  吐出モジュール（層造形手段）
１８  吐出ノズル
１００  制御部
Ｆ  フィラメント（造形材料）
【図１】
2020082668.tif 000007
【図２】
2020082668.tif 000008
【図３】
2020082668.tif 000009
【図４Ａ】
2020082668.tif 000010
【図４Ｂ】
2020082668.tif 000011
【図５Ａ】
2020082668.tif 000012
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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