(57)【要約】【課題】造形時間が短く、かつ反り量が少なく除去しやすい支持構造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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、前記支持層造形手段は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する造形装置である。【選択図】図５
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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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、
前記支持層造形手段は、
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の支持層と、
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の支持層と、を交互に造形することを特徴とする造形装置。
【請求項２】
前記支持層を前記造形層に接触させて造形する場合に、前記支持層造形手段が前記支持材料を吐出する前に、前記支持材料を吐出する箇所の前記造形層を冷却可能な冷却手段を更に有する請求項１に記載の造形装置。
【請求項３】
前記造形層を形成する造形材料を吐出して前記造形層を造形可能な層造形手段を更に有し、
前記造形層を前記支持層に接触させて造形する場合に、前記層造形手段が前記造形材料を吐出する前に、前記造形材料を吐出する箇所の前記支持層を前記冷却手段が冷却する請求項２に記載の造形装置。
【請求項４】
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、
前記支持層造形手段が、前記支持層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる前記支持層を少なくとも一部に造形する請求項１から３のいずれかに記載の造形装置。
【請求項５】
前記支持層造形手段が、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４のいずれかに記載の造形装置。
【請求項６】
前記支持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５のいずれかに記載の造形装置。
【請求項７】
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６のいずれかに記載の造形装置。
【請求項８】
熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形工程を少なくとも含む造形方法であって、
前記支持層造形工程は、
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の支持層と、
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の支持層と、を交互に造形することを特徴とする造形方法。
【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（モデル）を造形する装置として、いわゆる３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ、三次元）プリンタが普及しつつある。
３Ｄプリンタには、造形したいモデルの３Ｄデータを層状のスライスデータに変換し、そのスライスデータに基づき、溶融あるいは半溶融させた樹脂を吐出して造形層を造形し、造形層を積層していくことで立体造形物を造形するものがある。
【０００３】
このような３Ｄプリンタでは、造形層を底面から積層していくため、オーバーハングする箇所などでは、吐出した樹脂が重力で垂れたり、吐出した樹脂の重量で形状が変形したりしないように、造形層の下に支持層を造形して支持構造物を造形する場合がある。この支持構造物は立体造形物の造形が完了した後に除去され、これによってユーザーは所望の立体造形物を得ることができる。
【０００４】
支持構造物の除去方式としては、溶解方式やブレイクアウェイ方式などが知られている。溶解方式は、支持構造物に溶剤や水に溶ける材料を用い、造形完了後の立体造形物及び支持構造物を溶剤又は水に浸しておくことで支持構造物を溶かして除去する方式である。また、ブレイクアウェイ方式は、支持構造物を物理的に破壊して立体造形物から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構造物を除去する方式である。
【０００５】
ブレイクアウェイ方式においては、例えば、支持構造物を効率的に造形することを目的として、支持構造物を蛇腹構造としているものがある。
また、他の例では、支持構造物を容易に除去することを目的として、支持構造物を井桁構造とすることが提案されている（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】
【０００６】
本発明は、造形時間が短く、かつ反り量が少なく除去しやすい支持構造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】
【０００７】
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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、支持層造形手段は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、造形時間が短く、かつ反り量が少なく除去しやすい支持構造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】
【０００９】
【図１】図１は、従来の蛇腹構造の支持構造物の一例を示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来の蛇腹構造の支持構造物に造形層を積層した際の断面の一例を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来の蛇腹構造の支持構造物に支持面を造形し、造形した支持面上に造形層を積層した際の断面の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、従来の蛇腹構造の支持構造物を、一部開口を設けながら囲むようにして立体造形物が造形された際の上面の一例を示す模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、交点間隔が広い井桁構造の支持構造物において、フィラーを含有しない支持材料を吐出して架橋した状態の一例を示す模式図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、交点間隔が狭い井桁構造の支持構造物において、フィラーを含有しない支持材料を吐出して架橋した状態の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、交点間隔が広い井桁構造の支持構造物において、フィラーを含有する支持材料を吐出して架橋した状態の一例を示す模式図である。
【図６】図６は、交点間隔が広い井桁構造の支持構造物の一例を示す模式図である。
【図７】図７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８】図８は、図７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９Ａ】図９Ａは、図７の造形装置における吐出ノズルを示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、フィラメントにフィラーとしての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９Ｃ】図９Ｃは、フィラメントにフィラーとしての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１０】図１０は、図７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１１Ａ】図１１Ａは、支持構造物を井桁構造とする際の第１の支持層を造形するツールパスの一例を示す説明図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、支持構造物を井桁構造とする際の第２の支持層を造形するツールパスの一例を示す説明図である。
【図１２】図１２は、実施例１における支持構造物を示す写真である。
【図１３】図１３は、実施例２における支持構造物を示す写真である。
【図１４】図１４は、比較例１における支持構造物を示す写真である。
【図１５】図１５は、比較例２における支持構造物を示す写真である。
【図１６】図１６は、支持構造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１７】図１７は、支持構造物の最大反り量と、井桁構造における支持層の交点間隔との関係性の一例を示すグラフである。
【図１８】図１８は、井桁構造における支持層の交点間の架橋成功率と、支持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】
【００１０】
（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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形手段を少なくとも有する造形装置である。この支持層造形手段は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する。また、この造形装置は、冷却手段を有することが好ましく、更に必要に応じてその他の手段を有する。
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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形工程を少なくとも含む造形方法である。この支持層造形工程は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する。また、この造形方法は、冷却工程を有することが好ましく、更に必要に応じてその他の工程を含む。
なお、立体造形物をモデル、立体造形物の一部をモデル部、支持構造物をサポート、支持構造物の一部をサポート部と称することもある。
【００１１】
造形方法は造形装置により好適に行うことができ、支持層造形工程は支持層造形手段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、冷却工程は冷却手段により好適に行うことができる。また、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。
【００１２】
本発明は、従来の造形技術のように、支持構造物を蛇腹構造にすると、立体造形物及び支持構造物の造形後に支持構造物を除去することが困難な場合があるという知見に基づくものである。
具体的には、図１に示すように、蛇腹構造の支持構造物３００は、図１中矢印Ｙで示す水平方向Ｙに外力を加えると壊れやすいため、立体造形物から除去しやすい。一方、蛇腹構造の支持構造物３００は、図１中矢印Ｘで示す水平方向Ｘに外力を加えても構造的に変形しにくく壊れにくいため、立体造形物から除去することが困難な場合がある。また、蛇腹構造の支持構造物は、図１中矢印Ｚで示す積層方向Ｚに隙間なく支持層３００ａが積層されているため、積層方向Ｚに外力を加えても壊れにくく、立体造形物から除去することが困難な場合がある。
さらに、図２Ａに示すように、蛇腹構造の支持構造物３００の上に樹脂を吐出して造形層２００ａを造形すると、吐出した樹脂が重力で垂れてしまうことがある。また、吐出した樹脂が重力で垂れないようにするため、図２Ｂに示すように、造形層を支持するための平板状の支持面３００ｂを支持構造物３００に設けると、支持面３００ｂと造形層２００ｂとの接着力が強くなってしまう。すると、支持面３００ｂを立体造形物２００から除去することが困難な場合がある。
またさらに、図３に示すように、蛇腹構造の支持構造物３００を、一部開口を設けながら囲むようにして立体造形物２００が造形されたときには、その開口から支持構造物３００を除去することが困難な場合がある。
【００１３】
このため、例えば、特許文献１では、支持構造物を井桁構造にすることが提案されている。支持構造物を井桁構造すると、図３で示した水平方向Ｘ、水平方向Ｙ、及び積層方向Ｚのいずれでも外力を加えると壊れやすくなるが、本発明は、単に井桁構造にしても、立体造形物から支持構造物を除去することが困難な場合があるという知見に基づいている。
具体的には、支持構造物を井桁構造にしても、井桁構造を積層方向から見た際（平面視した際）の格子間距離（以下、「交点間隔」と称する）を広くすると、図４Ａに示すように、吐出した支持材料（溶融させたフィラメントＦＭ）が重力で垂れてしまうことがある。それゆえ、図４Ｂに示すように、吐出した支持材料ＦＭが重力で垂れないように井桁構造の交点間隔を狭くすると、井桁構造における支持材料の充填率が高くなることから外力を加えても壊れにくく、立体造形物から除去することが困難な場合がある。また、井桁構造の交点間隔を狭くすると、支持構造物の造形時間が長くなるとともに、吐出した支持材料ＦＭの熱収縮の影響を受けやすくなり、支持構造物の反り量を低減できない場合がある。
【００１４】
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支持材料を用いるようにした。これにより、図５に示すように、フィラーＦｃが熱可塑性樹脂Ｆｒの芯材の役割を果たすことで、本発明の造形装置が造形する支持構造物において、支持層どうしが接しない中空部を有しやすくなり、井桁構造の交点間隔が従来よりも広くても、吐出した支持材料ＦＭを垂れにくくした。このため、図６に示すように、井桁構造の交点間隔を広くできることから、支持材料の熱収縮の影響を受けにくくすることができ、支持構造物３００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、井桁構造の交点間隔を広くすることができることから、支持構造物３００の造形時間を短くできる。さらに、本発明の造形装置は、支持構造物３００における支持材料の充填率を低くすることができるため、除去しやすい支持構造物３００を造形することができる。
【００１５】
＜支持層造形手段、支持層造形工程＞
支持層造形手段は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する手段である。
支持層造形工程は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する工程である。
支持層造形手段は、移動（走査）しながら支持材料を吐出することにより、支持層を造形する。
【００１６】
また、支持層造形手段は、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、支持層造形手段が熱可塑性樹脂を含む支持材料を吐出する際に、支持層造形手段から支持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、中空部を設けるために支持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、支持材料の引き込み（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、支持構造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。
【００１７】
支持層造形手段としては、支持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、フィラメント状の支持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、支持層造形手段は、造形装置に複数設けられていてもよく、１つの支持層造形手段に複数の吐出口が配されていてもよい。また、支持層造形手段は、例えば、支持材料を溶融するための加熱部や、支持材料を吐出するためのノズルなどを有する。
【００１８】
＜＜支持材料＞＞
支持材料としては、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。
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、支持層造形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。支持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。支持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、支持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】
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。
【００２６】
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。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。
【００２７】
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。
【００２８】
−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、支持層造形手段により中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる支持層を少なくとも一部に造形することができ、中空部の長さを長くできる点で有利である。
【００２９】
支持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。支持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、支持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、吐出した支持材料が「だま」にならずに架橋が切れにくい点で有利である。
【００３０】
また、支持材料にカーボンファイバーが含有されていると、支持材料の熱容量が大きくなることから、溶融した状態の支持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支持材料に含有させているためである。これにより、支持材料が吐出された箇所にある、既に固化している支持材料が内部まで溶融した状態になりやすくなるため、吐出された支持材料と、この支持材料が吐出された箇所にある支持材料との接着強度を高めることができる。すると、例えば、支持構造物を井桁構造とし、支持構造物の内部が空間で占められていても、支持構造物の圧縮強度を向上させることができる。
溶融した状態の支持材料が吐出された箇所の、既に固化している支持材料としては、支持材料が吐出されて造形されつつある支持層の下の支持層の支持材料と、支持材料が吐出されて造形されつつある支持層内の隣接する支持材料との両方であることが好ましい。これにより、支持構造物の圧縮強度が更に向上する点で有利である。
【００３１】
−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
【００３２】
＜＜支持層＞＞
支持層としては、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する支持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、支持層の積層を繰り返すことにより、支持層どうしが接しない中空部を有する支持構造物を造形する。言い換えると、中空部とは、支持構造物において、支持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支持材料を架橋した長さを意味する。
【００３３】
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、支持構造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。
【００３４】
中空部となる部分を造形する支持層の形状としては、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が、例えば、井桁構造、ハニカム構造、トポロジー解析等のＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）技術により求めた肉抜き構造などが挙げられる。これらの中でも、井桁構造が好ましい。
【００３５】
＜＜井桁構造＞＞
井桁構造とは、支持構造物における、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の支持層と、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の支持層とが、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く、略直交するように交差してもよい。
【００３６】
支持構造物が井桁構造を少なくとも一部に有することにより、支持構造物全体における支持材料の充填率を効率的に小さくできるため、支持材料の使用量を抑制できる。特に、大型の支持構造物を造形する場合には、支持構造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、支持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、支持構造物の造形時間を短くすることができる。
支持構造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、支持構造物を軽くすることにも限界がある。さらに、支持構造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の支持層及び第２の支持層における線状部分が互いに略平行であるとは、或る支持層における隣り合う線状部分が、当該支持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の支持層における線状部分が、第１の支持層における線状部分と略直交するとは、第２の支持層における線状部分と第１の支持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の支持層及び第２の支持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、使用する支持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の支持層及び第２の支持層における線状部分が位置する所定の間隔は、１つの支持層の中で異なる間隔となっていてもよい。
【００３９】
＜層造形手段、層造形工程＞
層造形手段は、支持材料を造形材料に、支持層を造形層に、支持構造物を立体造形物にした以外は、支持層造形手段と同様であるため、詳細な説明を省略する。
層造形工程は、層造形手段と同様に、支持材料を造形材料に、支持層を造形層に、支持構造物を立体造形物にした以外は、支持層造形工程と同様であるため、詳細な説明を省略する。
造形材料としては、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、支持材料と同じ材料であってもよく、支持材料と別の材料であってもよい。
【００４０】
＜冷却手段、冷却工程＞
冷却手段は、支持層を造形層に接触させて造形する場合に、支持層造形手段が支持材料を吐出する前に、支持材料を吐出する箇所の造形層を冷却可能な手段である。また、冷却手段は、造形層を支持層に接触させて造形する場合には、層造形手段が造形材料を吐出する前に、造形材料を吐出する箇所の支持層を冷却する手段である。
冷却工程は、支持層を造形層に接触させて造形する場合に、支持層造形工程において支持材料を吐出する前に、支持材料を吐出する箇所の造形層を冷却可能な工程である。また、冷却工程は、造形層を支持層に接触させて造形する場合には、層造形工程において造形材料を吐出する前に、造形材料を吐出する箇所の支持層を冷却する工程である。
冷却手段は、支持層造形手段と一体に設けられてもよく、支持層造形手段とは別個に設けられてもよい。
【００４１】
支持層を造形層に接触させて造形する場合に、支持層造形手段が支持材料を吐出する前に、支持材料を吐出する箇所の造形層を冷却手段が冷却することにより、支持層と造形層との接着力を弱めることができるため、支持構造物を立体造形物から除去しやすくなる。また、造形層を支持層に接触させて造形する場合には、層造形手段が造形材料を吐出する前に、造形材料を吐出する箇所の支持層を冷却手段が冷却することにより、支持層と造形層との接着力を弱めることができるため、支持構造物を立体造形物から除去しやすくなる。
【００４２】
冷却手段としては、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、間接的に冷却できるエアーブロー装置や、直接接触させて冷却できるペルチェ素子などが挙げられる。また、冷却手段をエアーブロー装置とした場合には、支持層造形手段にエアーが当たることで、吐出前後の溶融あるいは半溶融状態の支持材料の温度が下がり、立体造形物の造形に不具合が発生することもあるため、風防部材を更に備えてもよい。
【００４３】
ここで、本発明における造形装置の一例について図面を参照して説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
【００４４】
＜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支持構造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）の載置面上に支持構造物を造形する任意の造形装置を用いることができる。
【００４５】
図７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８は、図７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支持構造物を造形することができる。
【００４６】
三次元造形装置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、立体造形物及び支持構造物ＭＯが造形される。
【００４７】
支持構造物の造形には、熱可塑性樹脂及びフィラー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。
【００４８】
筐体２の内部の造形テーブル３の上方には、支持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、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
図８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、立体造形物及び支持構造物ＭＯを造形する。
【００５２】
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、立体造形物及び支持構造物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７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。
【００５３】
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、立体造形物を造形するモデル材とは同じ材料である。サポート材のフィラメント及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。
【００５４】
図９Ａは、図７の造形装置における吐出ノズルを示す模式図である。
図９Ａに示すように、第二の吐出ノズル１８において、熱可塑性樹脂Ｆｒ及びフィラーＦｃを含有させたフィラメントＦを溶融し、溶融させたフィラメントＦＭを吐出ノズルから吐出すると、フィラーＦｃの向きが吐出方向に揃うようになる。これは、第二の吐出ノズル内部における熱可塑性樹脂Ｆｒに流れによるものである。このようにして、吐出ノズルは、図９Ｂ及び図９Ｃに示すような状態でフィラメントＦＭを吐出する。
【００５５】
エアーブロー１９は、第二の吐出ノズル１８がフィラメントＦＭを吐出する前に、フィラメントＦＭを吐出する箇所の造形層を冷却する。これにより、支持構造物と立体造形物との接着力を弱めることができるため、支持構造物を立体造形物から除去しやすくなる。
【００５６】
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７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。
【００５７】
Ｘ軸駆動モータ３２は、装置前後方向（図７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。
【００５８】
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７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。
【００５９】
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。
【００６０】
図１０は、図７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１０に示すようにそれぞれの部と電気的に接続されている。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
図１１Ａは、支持構造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１１Ｂは、支持構造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１１Ａに示すような造形層（第１の造形層）と、図１１Ｂ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支持構造物を造形することができる。
【実施例】
【００６７】
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。
【００６８】
（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９Ｂに示す。図９Ｂ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。
【００６９】
［支持構造物の造形］
図７〜図１０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、造形テーブル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１１Ａ及び図１１Ｂに示したような第１の支持層及び第２の支持層を交互に造形して積層することにより、井桁構造を有する支持構造物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。
井桁構造を有する支持構造物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の支持層及び第２の支持層の交点間の距離（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。
【００７０】
＜反りの外観評価＞
得られた支持構造物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、得られた支持構造物１の写真を図１２に示す。
図１２に示すように、支持構造物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。
【００７１】
（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と同様にして支持構造物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、得られた支持構造物２の写真を図１３に示す。
図１３に示すように、支持構造物２には外観上反りがなかった。
【００７２】
（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と同様にして支持構造物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、得られた支持構造物３の写真を図１４に示す。
支持構造物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支持構造物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１４に示すように、支持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。
【００７３】
（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と同様にして支持構造物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、得られた支持構造物４の写真を図１５に示す。
支持構造物４は、図１５に示すように、反り量が大きくなったため、支持構造物の高さが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支持構造物４によると、支持構造物３よりも支持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。
【００７４】
【表１】
2020082670.tif 000003
【００７５】
表１の結果から、熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する支持材料を吐出し、第１の支持層及び第２の支持層を造形して造形した井桁構造の支持構造物は、反りが少なく、目視レベルで良好であった。
【００７６】
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。
【００７７】
＜支持構造物の最大反り量と支持層の交点間隔との関係性＞
次に、支持構造物の最大反り量と、井桁構造における支持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。
【００７８】
［支持構造物の造形］
実施例１において、造形する支持構造物のサイズを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と同様にして支持構造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、中空部を有さない支持構造物も造形した。
【００７９】
［最大反り量の測定］
得られた支持構造物に対して、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１６は、支持構造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１６に示すように、得られた支持構造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１６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。
造形した各支持構造物について、このように最大反り量を測定した結果を図１７に示す。
【００８０】
図１７は、支持構造物の最大反り量と、井桁構造における支持層の交点間隔との関係性の一例を示すグラフである。
図１７に示すように、中空部を有さない支持構造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、支持構造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、支持構造物の反りを抑制できることが分かった。この例においては、ライン幅が０．５ｍｍであったため、中空部を設けるために造形材料を架橋した長さで表現される中空部長さは１．５ｍｍ以上となり、効果が大きかったといえる。
【００８１】
＜架橋成功率とフィラーの長さとの関係性＞
次に、井桁構造における支持層の交点間の架橋成功率と、支持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。
【００８２】
［支持構造物の造形］
実施例１において、造形する支持構造物のサイズを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と同様にして支持構造物を造形した。さらに、比較例としての位置づけで、中空部を有さない支持構造物も造形した。
【００８３】
［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。
【００８４】
図１８は、井桁構造における支持層の交点間の架橋成功率と、支持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１８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。
【００８５】
＜支持層の交点間隔と、フィラーの長さとの関係性＞
次に、井桁構造における支持層の交点間隔と、支持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。
【００８６】
［支持構造物の造形］
実施例１において、造形する支持構造物のサイズを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と同様にして支持構造物をそれぞれ造形した。
図９Ｂは、フィラメントにフィラーとしての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９Ｃは、フィラメントにフィラーとしての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９Ｂは４００μｍ、図９Ｃは２００μｍのフィラーとしてのカーボンファイバーを混練したフィラメントを、蛍光顕微鏡を用いて観察した結果を示した写真である。図９Ｂ及び図９Ｃから、どちらの場合であっても、フィラメント内においてフィラー長が、よく維持されていることが確認できる。
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支持構造物も造形した。
【００８７】
得られた支持構造物に対して、上述のように架橋成功率を算出し、支持層の交点間隔と、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
【００８８】
【表２】
2020082670.tif 000004
【００８９】
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、支持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、支持層の交点間隔が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を超える大型の支持構造物であっても、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、かつ反り量が少なく造形できることが示された。
【００９０】
＜支持層の交点間隔と、熱可塑性樹脂の粘度との関係性＞
次に、井桁構造における支持層の交点間隔と、支持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。
【００９１】
［支持構造物の造形］
実施例１において、造形する支持構造物のサイズを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と同様にして支持構造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。
【００９２】
得られた支持構造物に対して、上述のように架橋成功率を算出し、支持層の交点間隔と、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。
【００９３】
【表３】
2020082670.tif 000005
【００９４】
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ＣＦ長は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。
【００９５】
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以下の粘度の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。
【００９６】
表３に示すように、熱可塑性樹脂の粘度が低いと、支持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、支持層の交点間隔が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、支持構造物の崩れなどといった不具合が発生しにくくなる。
【００９７】
＜支持層の交点間隔と、フィラーの含有率との関係性＞
次に、井桁構造における支持層の交点間隔と、支持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。
【００９８】
［支持構造物の造形］
実施例１において、造形する支持構造物のサイズを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と同様にして支持構造物をそれぞれ造形した。
【００９９】
得られた支持構造物に対して、上述のように架橋成功率を算出し、支持層の交点間隔と、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。
【０１００】
【表４】
2020082670.tif 000006
【０１０１】
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、支持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。
【０１０２】
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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、支持層造形手段は、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の支持層と、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の支持層と、を交互に造形する。これにより、本発明の造形装置は、造形時間が短く、かつ反り量が少なく除去しやすい支持構造物を造形することができる。
【０１０３】
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支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形手段を少なくとも有する造形装置であって、
前記支持層造形手段は、
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の支持層と、
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の支持層と、を交互に造形することを特徴とする造形装置である。
＜２＞  前記支持層を前記造形層に接触させて造形する場合に、前記支持層造形手段が前記支持材料を吐出する前に、前記支持材料を吐出する箇所の前記造形層を冷却可能な冷却手段を更に有する前記＜１＞に記載の造形装置である。
＜３＞  前記造形層を形成する造形材料を吐出して前記造形層を造形可能な層造形手段を更に有し、
前記造形層を前記支持層に接触させて造形する場合に、前記層造形手段が前記造形材料を吐出する前に、前記造形材料を吐出する箇所の前記支持層を前記冷却手段が冷却する前記＜２＞に記載の造形装置である。
＜４＞  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、
前記支持層造形手段が、前記支持層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる前記支持層を少なくとも一部に造形する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜５＞  前記支持層造形手段が、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＜４＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜６＞  前記支持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＜５＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜７＞  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＜６＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜８＞  熱可塑性樹脂及びフィラーを含有する支持材料で、造形層を支持する支持層を造形する支持層造形工程を少なくとも含む造形方法であって、
前記支持層造形工程は、
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の支持層と、
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の支持層と、を交互に造形することを特徴とする造形方法である。
＜９＞  前記支持層を前記造形層に接触させて造形する場合に、前記支持層造形工程において前記支持材料を吐出する前に、前記支持材料を吐出する箇所の前記造形層を冷却可能な冷却工程を更に含む前記＜８＞に記載の造形方法である。
＜１０＞  前記造形層を形成する造形材料を吐出して前記造形層を造形可能な層造形工程を更に有し、
前記造形層を前記支持層に接触させて造形する場合には、前記層造形工程において前記造形材料を吐出する前に、前記造形材料を吐出する箇所の前記支持層を前記冷却工程において冷却する前記＜９＞に記載の造形方法である。
＜１１＞  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、
前記支持層造形工程が、前記支持層どうしが接しない中空部の長さが１．５ｍｍ以上となる前記支持層を少なくとも一部に造形する前記＜８＞から＜１０＞のいずれかに記載の造形方法である。
＜１２＞  前記支持層造形工程が、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＜８＞から＜１１＞のいずれかに記載の造形方法である。
＜１３＞  前記支持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＜８＞から＜１２＞のいずれかに記載の造形方法である。
＜１４＞  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＜８＞から＜１３＞のいずれかに記載の造形方法である。
【０１０４】
前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の造形装置、前記＜８＞から＜１４＞のいずれか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】
【０１０５】
【特許文献１】特開２０１６−７８２８４号公報
【符号の説明】
【０１０６】
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（支持層造形手段、層造形手段）
１８  吐出ノズル
１９  エアーブロー（冷却手段）
１００  制御部
Ｆ  フィラメント（造形材料、支持材料）
Ｆｒ  熱可塑性樹脂
Ｆｃ  フィラー
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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