(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造方法であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置工程と、板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置工程と、前記配置された原料を焼結させる焼結工程とを含み、複数回に亘って繰り返し実行される構造体形成工程、を含む、
ハニカム構造体の製造方法。
【請求項２】
前記原料配置工程では、前記隔壁面に対して所定方向に配置させたスリットから前記板状粒子を供給して配置する、請求項１に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項３】
前記原料配置工程では、前記板状粒子の平板面を前記隔壁面に対して垂直方向に配列させる、請求項１又は２に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項４】
前記原料配置工程では、前記板状粒子の平板面を前記隔壁面に対して平行方向に配列させる、請求項１又は２に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項５】
前記構造体形成工程では、コージェライトを含む前記隔壁を形成し、
前記板状粒子はカオリン粒子を含み、前記原料粒子はタルク粒子を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項６】
前記原料配置工程では、前記板状粒子と前記原料粒子とを混合した状態で配置する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項７】
前記構造体形成工程において、前記造孔材配置工程では所定の基材上又は先の前記構造体形成工程で形成した部材上に前記造孔材を配置し、前記原料配置工程では前記配置された造孔材上及び前記造孔材に形成された空間のうちいずれかに前記原料を配置し、前記焼結工程では前記配置された原料を焼結すると共に前記造孔材を除去する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項８】
前記構造体形成工程では、前記隔壁面に沿った方向へ前記ハニカム構造体を形成していく、請求項１〜７のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項９】
前記構造体形成工程では、三次元造形装置によって前記造孔材配置工程及び原料配置工程を行う、請求項１〜８のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項１０】
複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造装置であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置部と、
板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置部と、
前記配置された原料を焼結させる焼結部と、
前記造孔材の配置、前記原料の配置及び前記原料の焼結を複数回に亘って繰り返し実行させる制御部と、
を備えたハニカム構造体の製造装置。
【請求項１１】
原料の板状粒子に基づく結晶粒子の平板面が隔壁面に対して垂直方向に配列されたコージェライトを含み、セルを形成する隔壁、を備えたハニカム構造体。
【請求項１２】
前記隔壁は、８００℃における前記隔壁面方向の熱膨張率が２．５×１０-6／℃以下の範囲である、請求項１１に記載のハニカム構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカム構造体の製造方法、ハニカム構造体の製造装置及びハニカム構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多孔質体としては、ハニカム構造体など、排ガスを浄化するために用いられるものが知られている。例えば、特許文献１には、親水性タルクを少なくとも含有するとともにタルク以外のマグネシウム含有物質を含有しない成形用調合物（コージェライト形成材料）と有機バインダとを含有する坏土をハニカム形状に成形してハニカム成形体を作製し、ハニカム成形体を焼成してハニカム構造体を得るものが記載されている。この製造方法では、親水性タルクを使用することにより、坏土中の水分が少なくても流動性が向上し、速い速度で押し出し成形を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２１６５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的に、ハニカム構造体は、加熱して用いられることがあり、熱による膨張、収縮に対して高い耐性が求められる。上述した特許文献１では、親水性タルクを用いることによって成形性をより高めているものの、熱的安定性についてはまだ十分考慮されていなかった。このように、ハニカム構造体の熱的安定性をより高めることが求められていた。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、熱的安定性をより高めることができる新規なハニカム構造体の製造方法、ハニカム構造体の製造装置及びハニカム構造体を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した主目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは板状粒子を所定方向に配列させたハニカム構造体を三次元造形装置を用いて作製すると、ハニカム構造体の熱的安定性をより高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明のハニカム構造体の製造方法は、
複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造方法であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置工程と、板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置工程と、前記配置された原料を焼結させる焼結工程とを含み、複数回に亘って繰り返し実行される構造体形成工程を含むものである。
【０００８】
本発明のハニカム構造体の製造装置は、
複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造装置であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置部と、
板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置部と、
前記配置された原料を焼結させる焼結部と、
前記造孔材の配置、前記原料の配置及び前記原料の焼結を複数回に亘って繰り返し実行させる制御部と、
を備えたものである。
【０００９】
本発明のハニカム構造体は、
原料の板状粒子に基づく結晶粒子が隔壁面に対して垂直方向に配列されたコージェライトを含み、セルを形成する隔壁、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、ハニカム構造体の熱的安定性をより高めることができる。この理由は、例えば、以下のように推察される。例えば、上述した特許文献１のコージェライトにより形成されたハニカム構造体では、その原料として板状粒子であるカオリンや、板状粒子ではないタルクなどを用い、コージェライトの結晶粒子を焼成して生成させることがある。また、板状粒子は、その結晶軸ごとに熱膨張率などの熱的特性が異なる性質を有していることがある。そして、隔壁を構成する結晶粒子は、板状粒子の結晶軸の方向に依存して焼成時に粒成長することがある。本発明では、このような特性を有する板状粒子や原料粒子を用い、より好ましい所定方向に板状粒子を配列させることにより、例えば、熱膨張率に基づく耐熱衝撃性など、熱的安定性をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】三次元造形装置１０の一例を表す概略説明図。
【図２】ハニカム構造体４０の一例を表す説明図。
【図３】ハニカム構造体三次元造形処理ルーチンの一例を表すフローチャート。
【図４】ハニカム構造体の三次元造形処理の説明図。
【図５】板状粒子の所定方向を変更したハニカム構造体４０Ｂの説明図。
【図６】ハニカム構造体を面方向に積層する際の三次元造形装置１０の説明図。
【図７】板状粒子の所定方向を変更したハニカム構造体４０Ｃの説明図。
【図８】板状粒子の所定方向を変更したハニカム構造体の三次元造形処理の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である三次元造形装置１０の一例を表す概略説明図である。図２は、本発明の一実施形態であるハニカム構造体４０の構成の概略の一例を表す説明図である。なお、本実施形態の三次元造形装置１０において、左右方向（Ｘ軸）、前後方向（Ｙ軸）及び上下方向（Ｚ軸）は図１に示した通りとする。また、ハニカム構造体４０において、セル４４の形成方向を軸方向とし、セル４４の形成方向に直交する方向を面方向と称する（図２）。
【００１３】
（ハニカム構造体）
まず、本実施形態のハニカム構造体４０について説明する。本実施形態のハニカム構造体４０は、図２に示すように、セル４４を形成する隔壁４２を有するものであり、その外周に保護部材４８が形成されている。このハニカム構造体４０は、例えば、本発明のハニカム構造体の製造方法によって作製されたものである。このハニカム構造体４０の外形は、特に限定されないが、円柱状、四角柱状、楕円柱状、六角柱状などの形状とすることができる。セル４４は、その断面の形状として３角形、４角形、６角形、８角形などの多角形の形状や円形、楕円形などの流線形状、及びそれらの組み合わせとすることができる。なお、図２には、ハニカム構造体４０の外形が円柱状に形成され、セル４４が矩形状に形成されているものを一例として示した。なお、ハニカム構造体４０は、一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止されたセル４４と一方の端部が目封止され且つ他方の端部が開口したセル４４とが交互に配置されたハニカムフィルタであるものとしてもよい。また、隔壁面４５上に捕集層を形成するものとしてもよい。
【００１４】
このハニカム構造体４０において、隔壁４２は、多孔質であり、例えば、板状粒子を原料として作製されている。この隔壁４２は、例えば、板状粒子としてのカオリンと、原料粒子としてのタルクとにより作製されたコージェライトであることが好ましい。隔壁４２は、その厚さが５０μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。この隔壁４２は、その平均細孔径が２μｍ以上６０μｍ以下の範囲であることが好ましい。また、隔壁４２は、その気孔率が３０体積％以上であることが好ましく、３５体積％以上であることがより好ましい。また、隔壁４２は、その気孔率が８５体積％以下であることが好ましく、６５体積％以下であることがより好ましい。ここで、上記気孔率や平均細孔径は、水銀圧入法により測定した結果をいうものとする。隔壁４２は、８００℃における隔壁面４５の方向の熱膨張率が２．５×１０-6／℃以下の範囲であることが好ましく、０．８×１０-6／℃以下の範囲であることがより好ましい。この熱膨張率が２．５×１０-6／℃以下では、ハニカム構造体４０が加熱、冷却された際などの破損やクラック発生などをより抑制することができる。
【００１５】
隔壁４２は、原料の板状粒子に基づく結晶粒子４６の平板面が隔壁面４５に対して垂直方向に配列（配向）されたコージェライトを含むものとしてもよい（図２参照）。この配列方向により、ハニカム構造体４０の面方向での熱膨張をより抑制することができ、好ましい。コージェライトは、熱膨張率が結晶粒子４６の方向に依存する特性を有する。また、コージェライトは、その結晶粒子４６が原料の板状粒子であるカオリンの方向に依存して粒成長する。このハニカム構造体４０では、原料の板状粒子を所定方向に配列して固定することにより、コージェライトの結晶粒子４６を所定方向に配列させることができる。このため、ハニカム構造体の熱的特性をより向上させることができる。あるいは、ハニカム構造体４０において、隔壁４２は、原料の板状粒子に基づく結晶粒子４６の平板面が隔壁面４５に対して平行方向に配列されたコージェライトを含むものとしてもよい（図５参照）。なお、ハニカム構造体４０の結晶粒子４６の配列方向が、隔壁面４５に対して平行方向である場合は、ハニカム構造体４０の軸方向での熱膨張をより抑制することができる。あるいは、ハニカム構造体４０の結晶粒子４６の平板面は、軸方向の所定の位置では隔壁面４５の平行方向に配列され、他の位置では隔壁面４５の垂直方向に配列されるなど、結晶粒子４６が任意の位置で任意の方向に配列しているものとしてもよい。
【００１６】
ハニカム構造体４０は、例えば、排ガス浄化用の三元触媒の担体として用いることができる。隔壁４２には、例えば、基金属などの触媒が担持されてもよい。あるいは、ハニカム構造体４０は、隔壁面４５に分離膜を形成し、気体や液体の所定成分を分離する分離膜を形成する担体として用いることができる。また、排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）をろ過する機能を持つフィルタとして用いることができる。
【００１７】
（ハニカム構造体の製造方法）
次に、本実施形態のハニカム構造体の製造方法について説明する。この製造方法は、複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造方法である。この製造方法は、隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置工程と、板状粒子と原料粒子とを隔壁を形成する原料とし、この板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて板状粒子と原料粒子とを配置する原料配置工程と、を少なくとも含む。この造孔材配置工程及び原料配置工程を行うことにより、未焼成のハニカム構造体の成形体（ハニカム成形体）を作製することができる。また、ハニカム構造体の製造方法では、ハニカム成形体を焼結させる焼結工程を更に含むものとしてもよい。あるいは、この製造方法は、造孔材配置工程と、原料配置工程と、焼結工程とを含む構造体形成工程を含み、この構造体形成工程が複数回に亘って繰り返し実行されるものとしてもよい。こうすれば、例えば、形成された造孔材と原料とにより１層づつハニカム構造体を形成していくことができる。また、造孔材配置工程の前に、原料を支持する支持材を配置する支持材配置工程を必要に応じて行うものとしてもよい。この製造方法は、詳しくは後述する三次元造形装置によって実行されるものとしてもよい。
【００１８】
（支持材配置工程）
この工程では、原料を支持する支持材を配置する処理を行う。支持材の配置は、例えば、ハニカム構造体を支持する台座か、すでに配置された支持材か、原料を配置した未焼成成形体か、あるいは原料を焼結させた焼結体の上に行うものとする。なお、後述する造孔材の配置、原料の配置においても材料を配置する対象は、支持材と同様である。この工程では、目的とするハニカム構造体の形状が再現されるように、支持材を配置するものとする。支持材の配置は、例えば、下位層に焼結体が形成されていない領域（例えば、オーバーハング部分）に原料を形成する場合や、セルなどの空間に該当する領域に行うものとする。支持材は、焼結しにくい材料としてもよく、セラミック粒子としてもよい。セラミック粒子としては、例えば、アルミナ、シリカ、砂、ＳｉＣ、チタン酸アルミニウム、ムライト、窒化珪素、サイアロン、ジルコニア、チタニアなどが挙げられる。セラミック粒子を支持材とする場合は、例えば、ハニカム構造体の原料（板状粒子や原料粒子）を用いてもよい。ハニカム構造体の原料を支持材とする場合は、支持材配置工程と原料配置工程とを並行して、又は１つの工程として行うものとしてもよい。あるいは、支持材は、除去しやすい樹脂などとしてもよい。樹脂を支持材とする場合は、造孔材と同じ樹脂としてもよい。樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂や、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミド、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリカーボネート樹脂及びポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂などが挙げられる。光硬化性樹脂には、紫外線硬化樹脂などを含む。紫外線硬化樹脂としては、例えば、ウレタンアクリレート、アクリル樹脂アクリレート、エポキシアクリレートなどのアクリレート系樹脂や、エポキシ系樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミドなどが挙げられる。
【００１９】
（造孔材配置工程）
この工程では、隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する処理を行う。造孔材は、例えば、のちの工程で消失させることができる材質で構成されていればよい。造孔材は、例えば、加熱や溶解により消失可能な樹脂や、物理的に除去可能なセラミック粒子としてもよい。樹脂としては、例えば、上記熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。造孔材の配置は、例えば、理想的な細孔構造を構造解析やシミュレーションなどにより経験的に求めておき、その細孔構造を再現するように行うことが好ましい。造孔材の配置は、例えば、隔壁を構成する粒子の大きさに基づいて定められた層ごとに行うものとしてもよく、１層づつ形成するものとしてもよい。造孔材は、粒子状の部材を配置するものとしてもよいし、液状の部材を配置して固化させるものとしてもよい。造孔材が樹脂である場合は、加熱した樹脂を配置したのち冷却固化させる熱溶解積層法（ＦＤＭ法）を用いてもよいし、硬化前の樹脂を配置したのち光硬化させる光造形法（ＳＬＡ法）を用いてもよい。
【００２０】
（原料配置工程）
この工程では、配置された造孔材上及び造孔材に形成された空間（隙間）のうちいずれかに原料を配置する処理を行う。また、この工程では、ハニカム構造体の隔壁を形成する原料として板状粒子を隔壁面に対して所定方向に配列させて配置する処理を行う。この工程では、隔壁面に対して所定方向に配置させたスリットから板状粒子を供給して配置するものとしてもよい。こうすれば、スリットを用いて比較的容易に板状粒子を一定の方向に制御することができる。この工程では、ハニカム構造体の原料として、板状粒子と板状ではない原料粒子とを用いるものとしてもよい。板状粒子は、平板面を有する粒子であり、その大きさが０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲であるものを用いることができる。また、板状粒子は、へき開指数が０．８４以上、好ましくは０．９３以上、更に好ましくは０．９６以上であるものが用いられる。このへき開指数は、特開２００６−２６５０３４号公報に記載の方法に準じて測定するものとする。また、原料としての板状粒子と原料粒子とを溶媒に混ぜてスラリー又はペーストとしたのち、このスラリー又はペーストを隔壁となる原料として必要な部分に配置するものとしてもよい。溶媒は、例えば、水や、アルコールやアセトンなどの有機溶媒などが挙げられる。あるいは、溶媒を用いずに粉体を吐出して隔壁を形成するものとしてもよい。このとき、粒子を固定させる固定材を用いて各粒子を固定化させるものとしてもよい。ここで、板状粒子の大きさは、電子顕微鏡で観察した画像を用いて測定した各板状粒子の大きさの平均値をいうものとする。また、原料粒子の平均粒径は、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置を用い、水を分散媒として原料粒子を測定したメディアン径（Ｄ５０）をいうものとする。
【００２１】
この工程では、隔壁面に沿った方向（図２の軸方向）へ原料を配置する処理を繰り返し行いハニカム構造体を形成していくものとしてもよい。あるいは、隔壁面に対して垂直な方向（図２の面方向）へ原料を配置する処理を繰り返し行いハニカム構造体を形成していくものとしてもよい（図６参照）。この工程では、板状粒子の平板面を隔壁面に対して垂直方向に配列させるものとしてもよい。こうすれば、板状粒子の平板面方向の膨張収縮に対して安定なものとすることができる。このとき、板状粒子の平板面を隔壁面に対して垂直方向に配列させ且つ板状粒子の平板面をセル形成方向に平行な方向（図２の軸方向）に配列させるものとしてもよい（図２参照）。もしくは、板状粒子の平板面を隔壁面に対して垂直方向に配列させ且つ板状粒子の平板面をセル形成方向に直交する方向（図２の面方向）に配列させるものとしてもよい（図７参照）。あるいは、この工程では、板状粒子の平板面を隔壁面に対して平行方向に配列させるものとしてもよい（図５参照）。こうしても、板状粒子の平板面方向の膨張収縮に対して安定なものとすることができる。この原料配置工程では、コージェライトを含む隔壁を形成するべく、板状粒子はカオリン粒子を含み、原料粒子はタルク粒子を含むものとしてもよい。こうすれば、コージェライト質のハニカム構造体の熱的安定性をより向上することができる。この工程では、板状粒子と原料粒子とを混合した状態で配置するものとしてもよいし、板状粒子と原料粒子とを別々に配置するものとしてもよい。板状粒子と原料粒子とが焼結（反応）して結晶粒子が生成する点からすると、板状粒子と原料粒子とを混合した状態で配置することがより好ましい。
【００２２】
（焼結工程）
この工程では、配置された原料を焼結する処理を行う。また、この工程では、原料の焼結と共に造孔材を除去する処理を行うものとしてもよい。原料の焼結と造孔材の除去とは、並行して処理することがより好ましい。焼結処理は、原料に板状粒子と原料粒子とを含む場合は、これらが焼結（反応）する条件で行うものとすればよい。例えば、カオリンとタルクを原料とする場合、焼結は、レーザー焼結法（ＳＬＳ法）により行うことが好ましい。この方法では、比較的簡便にコージェライトを生成することができ、好ましい。レーザーの種類としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、又はＣＯ2レーザーなどのガスレーザーが挙げられる。あるいは、焼結工程は、アーク放電を用いて行うものとしてもよい。
【００２３】
上述したハニカム構造体の製造方法では、支持材配置工程、造孔材配置工程、原料配置工程及び焼結工程を繰り返し行うことにより、ハニカム構造体を作製する。その後、得られたハニカム構造体の外周に保護部材を形成する。保護部材は、セラミック粒子を含むペーストやスラリーをセル４４の開口のない外周に塗布し、焼成することにより形成することができる。
【００２４】
（ハニカム構造体の製造装置）
続いて、ハニカム構造体の製造装置である三次元造形装置１０を説明する。三次元造形装置１０は、図１に示すように、複数のセル４４を形成する隔壁４２を備えたハニカム構造体４０の製造装置である。この三次元造形装置１０は、図１に示すように、ヘッド移動部１１と、造形ヘッド１２と、台座１６と、昇降部１７と、造形物収容部１８と、制御部２１と、記憶部２２とを備えている。
【００２５】
ヘッド移動部１１は、造形ヘッド１２を前後左右（ＸＹ）方向に移動させるものである。このヘッド移動部１１は、ガイドレールに導かれてＸＹ方向へ移動するスライダと、スライダを駆動するモータとを備えている。造形ヘッド１２は、スライダに装着されており、ヘッド移動部１１によりＸＹ方向へ移動する。造形ヘッド１２は、造孔材及び原料を配置すると共に原料を焼結させるものである。造形ヘッド１２は、原料ノズル１３、造孔材ノズル１４及び焼結部１５を備える。原料ノズル１３は、板状粒子と原料粒子とを隔壁を形成する原料とし、この板状粒子を隔壁面に対して所定方向に配列させて板状粒子と原料粒子とを配置するノズルである。原料ノズル１３は、先端の開口部がスリット形状に形成されており、板状粒子の平板面をスリット方向に統一して板状粒子及び原料粒子を吐出する。造孔材ノズル１４は、隔壁の気孔を形成する造孔材を配置するノズルである。造形ヘッド１２は、造孔材が樹脂である場合は、その樹脂に応じた固化部を備えるものとしてもよい。例えば、造孔材が光硬化性樹脂である場合は、硬化させる光を照射する固化部を有するものとする。焼結部１５は、配置された原料を焼結させ、配置された造孔材を焼失させるものである。焼結部１５は、例えば、レーザーを照射することにより原料を焼結させるものとしてもよい。レーザーの種類としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、又はＣＯ2レーザーなどのガスレーザーなどが挙げられる。この造形ヘッド１２には、原料を支持する造孔材とは別の支持材を吐出する支持材ノズルなどを備えるものとしてもよい。
【００２６】
台座１６は、原料や造孔材が形成される台（基材）であり、ハニカム構造体４０を載置するものである。台座１６は、矩形状の板体であり、装置中央に形成された空間である造形物収容部１８の内部を昇降部１７によって上下動する。造形物収容部１８は、上方が開口した直方体状あるいは立方体状の空間であり、４つの矩形の壁と１つの矩形の底面により形成されている。造形物収容部１８は、ヘッド移動部１１や造形ヘッド１２の下方に配設されている。造形物収容部１８は、三次元造形装置１０によって製造される造形物（ハニカム構造体４０）の配置場所となるものである。この造形物収容部１８は、例えば、作製されるハニカム構造体４０を内包可能なように、ハニカム構造体４０の外形サイズに応じた大きさで形成されているものとしてもよい。昇降部１７は、台座１６を上下動させる機構である。昇降部１７は、例えば、ボールネジとこのボールネジを駆動する駆動モータとにより構成されているものとしてもよいし、ピストンとこのピストンを駆動する駆動部とを備えるものとしてもよい。この昇降部１７は、造形ヘッド１２により形成されるハニカム構造体４０の高さ方向の位置が一定になるように、台座１６を下降させる。ハニカム構造体４１は、造形物収容部１８内に造形されていく。
【００２７】
制御部２１は、装置全体を制御するものであり、例えば、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されている。制御部２１は、ヘッド移動部１１、造形ヘッド１２、昇降部１７などへ制御信号を出力し、造孔材の配置、原料の配置及び原料の焼結を複数回に亘って繰り返し実行させる。記憶部２２は、装置の制御に関するデータやプログラムを記憶している。記憶部２２には、多孔質体データ２３や３次元造形処理プログラムなどが記憶されている。多孔質体データ２３は、ハニカム構造体４０の細孔構造（例えば隔壁４２内の気孔の位置，大きさなどに関する構造）及び隔壁構造（例えば隔壁４２の厚さ、セル４４の大きさ、複数のセル４４間の位置関係などに関する構造）などを含むデータである。この多孔質体データ２３は、例えば、ＸＹＺ座標により位置が表される複数のボクセルと、各ボクセルが隔壁４２、気孔及びセル４４のいずれであるかを表す情報と、を含むボクセルデータとしてもよい。多孔質体データ２３は、実際のハニカム構造体４０に対してＣＴスキャンを行うことで得たデータとしてもよいし、そのデータをさらに加工して得られるデータとしてもよい。あるいは、多孔質体データ２３は、理想的な細孔構造を構造解析やシミュレーションなどにより経験的に求めたデータとしてもよい。制御部２１は、多孔質体データ２３の構造を再現するよう、ヘッド移動部１１、造形ヘッド１２及び昇降部１７を駆動制御する。
【００２８】
次に、三次元造形装置１０によってハニカム構造体４０を作製する処理について説明する。図３は、ハニカム構造体三次元造形処理ルーチンの一例を表すフローチャートである。図４は、ハニカム構造体三次元造形処理ルーチンによるハニカム構造体４０の三次元造形処理の一例を示す説明図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、隔壁面４５に沿った方向の断面図であり、図４（ｅ）〜（ｈ）は、それぞれ図４（ａ）〜（ｄ）でのＡ−Ａ断面図である。ここでは、板状粒子３４（図４（ｃ）参照）の平板面３５を、隔壁面４５に対して垂直方向且つセル形成方向に平行な方向（図２の軸方向）に配列させたハニカム構造体４０を作製する処理を主として説明する。三次元造形装置１０は、図１に示すように、台座１６の上面とハニカム構造体４０の面方向とが水平になるよう、ハニカム構造体４０を縦方向に載置した状態で作製するものとする。また、三次元造形装置１０は、板状粒子３４の大きさに基づく厚さの１層ごとに各処理を行うものとする。
【００２９】
ハニカム構造体三次元造形処理ルーチンは、記憶部２２に記憶され、作業者の操作パネルでの入力に伴い実行される。このルーチンを開始すると、制御部２１は、まず、造形物収容部１８の台座１６を初期位置まで移動させる（ステップＳ１００）。台座１６の初期位置は、例えば構造体形成工程のうち最初に行う工程（例えば支持材配置工程）が実行可能な高さとして予め定められていてもよい。次に、制御部２１は、多孔質体データ２３に基づいて、ハニカム構造体４０のうち次に造形すべき１層分の構造体を含むデータを取得する（ステップＳ１１０）。本実施形態では、三次元造形装置１０は、隔壁４２の隔壁面４５に沿った方向，すなわち図２の軸方向に沿った方向にハニカム構造体４０を形成していく。なお、ステップＳ１１０では、多孔質体データ２３が１層ずつの構造体を表すデータとなっており制御部２１がそれを読み出すことで１層分のデータを取得してもよいし、制御部２１が多孔質体データ２３を加工して１層分のデータを作成することでデータを取得してもよい。
【００３０】
次に、制御部２１は、取得したデータに基づいて、必要に応じて支持材を配置する処理を行う（ステップＳ１２０）。ここでは、支持材として、造孔材の樹脂を用いるものとする。支持材の配置は、例えば、ハニカム構造体４０にとって空間となる領域であって、のちに原料を載せることを要する領域に対して行うものとすればよい。制御部２１は、ヘッド移動部１１により造形ヘッド１２を左右前後方向に移動させ、そのような領域に造孔材ノズル１４から樹脂を吐出させ、固化させるものとする。制御部２１は、図４（ａ）、（ｅ）に示すように、例えば、セル４４に該当する領域に支持材３２を配置する。
【００３１】
次に、制御部２１は、造孔材を配置する処理を行う（ステップＳ１３０）。制御部２１は、ハニカム構造体４０の気孔に該当する領域が再現されるよう、造孔材の配置を行う。制御部２１は、ヘッド移動部１１により造形ヘッド１２を左右前後方向に移動させ、気孔の領域に造孔材ノズル１４から樹脂を吐出させ、固化させるものとする。制御部２１は、図４（ｂ）、（ｆ）に示すように、隔壁４２内に形成される気孔に該当する領域に造孔材３３を配置させる。次に、制御部２１は、板状粒子３４を所定方向に配列させて原料を配置させる（ステップＳ１４０）。制御部２１は、ハニカム構造体４０の隔壁４２に該当する領域が再現されるよう、原料の配置を行う。このとき、制御部２１は、図４（ｃ）、（ｇ）に示すように、例えば、板状粒子３４の平板面３５を隔壁面４５に対して垂直方向に配列させる方向に原料ノズル１３のスリットの方向を固定して板状粒子３４を吐出させる。原料には、板状粒子３４（例えばカオリン）と原料粒子３６（例えばタルク）とを混合したものを用いることができる。次に、制御部２１は、配置された原料を焼結させる処理を行う（ステップＳ１５０）。制御部２１は、焼結部１５からレーザーを照射しながら焼結部１５を走査し、配置された原料を焼結させる。このとき、配置された造孔材３３も焼失し、図４（ｄ）、（ｈ）に示すように、隔壁４２が形成されると共に、隔壁４２に気孔が形成される（気孔は図示せず）。
【００３２】
続いて、制御部２１は、次の配置処理があるか否かを多孔質体データ２３の再現状況に基づいて判定し（ステップＳ１６０）、次の配置処理があるときには、必要に応じて台座１６を下降させ（ステップＳ１７０）、ステップＳ１１０以降の処理を繰り返し実行する。即ち、制御部２１は、次の１層分のデータを取得し、必要に応じて支持材を配置し、造孔材を配置し、板状粒子を所定方向に配列させて配置させ、板状粒子を含む原料を焼結させる処理を行う。一方、ステップＳ１６０で次の配置処理がないと判定されたとき、即ちハニカム構造体４０が完成したときには、制御部２１は、台座１６を初期位置へ移動させ、このルーチンを終了する。このような処理を経て、理想的な細孔構造を有し、所定方向に結晶粒子が配列したハニカム構造体４０（図２参照）を作製することができる。
【００３３】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の造形ヘッド１２及び造孔材ノズル１４が本発明の造孔材配置部に相当し、造形ヘッド１２及び原料ノズル１３が原料配置部に相当し、造形ヘッド１２及び焼結部１５が焼結部に相当し、制御部２１が制御部に相当する。
【００３４】
以上説明した実施形態のハニカム構造体の製造方法では、結晶軸ごとに熱膨張率などの熱的特性が異なる性質を有する板状粒子を、より好ましい所定方向に配列させ、焼結により粒成長させるため、例えば、熱膨張率に基づく耐熱衝撃性など、ハニカム構造体の熱的安定性をより高めることができる。また、隔壁面４５に対して所定方向に配置させたスリットを有する原料ノズル１３から板状粒子３４を供給して配置するため、スリットを用いて比較的容易に板状粒子の方向を揃えることができる。更に、板状粒子３４の平板面３５を隔壁面４５に対して垂直方向に配列させるため、ハニカム構造体４０の面方向での熱的安定性をより高めることができる。例えば、押出成形でハニカム構造体を作製する場合は、隔壁面に対して垂直方向に板状粒子を配列させることはできないが、三次元造形装置１０によれば、このような配列も自由に行うことができる。更にまた、カオリン粒子を含む板状粒子３４とタルク粒子を含む原料粒子３６とを用い、所定方向に板状粒子３４を配列させるため、コージェライトを含む隔壁４２の熱的安定性をより高めることができる。そして、板状粒子３４と原料粒子３６とを混合した状態で配置するため、焼結時にこれらが反応しやすい。そしてまた、隔壁面４５に垂直な方向（面方向）へハニカム構造体４０を形成していくため、面方向に結晶粒子４６の平板面が配列したハニカム構造体４０を作製することができる。そして更に、三次元造形装置１０によって造孔材配置工程及び原料配置工程を行うため、理想的な細孔形状を有するハニカム構造体を作製することができ、且つ所定方向に結晶粒子４６が配列したハニカム構造体を比較的自由度をもって作製することができる。
【００３５】
従来の押出し成形を用いた製造方法では、例えば、原料（坏土）を押出成形装置に供給し、ハニカム構造体用の口金を通すことによりハニカム構造体が製造されるが、口金を通す前の混合された坏土は各種材料を均一に混合されているので、材料焼成後のハニカム構造体の気孔率や平均細孔径などの細孔特性や、材料の分布は基本的には構造体内で均一になる。これに対して、本実施形態のハニカム構造体の製造方法では、造孔材３３や板状粒子３４、原料粒子３６の配置位置や配置量などを自由に制御することによって、ハニカム構造体内の軸方向（全長方向）や面方向（径方向）に、気孔率や平均細孔径などの細孔特性や材料（構成元素や結晶相など）の分布、セル構造やセル形状、断面形状などを任意に変化させることができる。また、本実施形態のハニカム構造体の製造方法では、板状粒子の配置方向を制御することで、ハニカム構造体の構造特性を任意に変化させることができる。このため、本実施形態のハニカム構造体では、例えば、ハニカム構造体の軸方向や面方向に対して、気孔率や平均細孔径などの細孔特性や材料自体を任意に変化させることができ、例えば排ガスの浄化性能の向上や、貴金属を用いた触媒量を低減することができ、コストを削減することなどができる。
【００３６】
また、実施形態のハニカム構造体の製造装置である三次元造形装置１０では、原料ノズル１３、造孔材ノズル１４、焼結部１５、制御部２１を備えており、結晶軸ごとに熱膨張率などの熱的特性が異なる性質を有する板状粒子を、より好ましい所定方向に配列させ、焼結により粒成長させるため、例えば、熱膨張率に基づく耐熱衝撃性など、ハニカム構造体の熱的安定性をより高めることができる。
【００３７】
また、ハニカム構造体４０では、原料の板状粒子３４に基づく結晶粒子４６が隔壁面４５に対して垂直方向に配列されたコージェライトを含み、セル４４を形成する隔壁４２、を備えているため、例えば、熱膨張率に基づく耐熱衝撃性など、ハニカム構造体の熱的安定性をより高めることができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、上述した実施形態では、結晶粒子４６の平板面を、隔壁面４５に対して垂直方向且つセル４４の形成方向に平行な方向（図２の軸方向）に配列させたハニカム構造体４０としたが、特にこれに限定されず、例えば、図５に示すように、結晶粒子４６の平板面を、隔壁面４５に対して平行な方向（図２の軸方向）に配列させたハニカム構造体４０Ｂとしてもよい。図５は、板状粒子の所定方向を変更したハニカム構造体４０Ｂの説明図である。こうしても、新規な製造手法により、ハニカム構造体を作製することができる。また、ハニカム構造体の熱的特性を向上させることができる。
【００４０】
上述した実施形態では、隔壁面２５に沿った方向（図２の軸方向）へハニカム構造体４０を形成していくものとしたが、図６に示すように、隔壁面２５に直交する方向（図２の面方向）へハニカム構造体を形成していくものとしてもよい。図６は、ハニカム構造体を面方向に積層する際の三次元造形装置１０の説明図である。このとき、三次元造形装置１０は、台座１６の上面とハニカム構造体４０の軸方向とが水平になるよう、ハニカム構造体４０を横方向に載置した状態で作製する。こうしても、板状粒子を所定方向に配列したハニカム構造体を作製することができる。
【００４１】
上述した実施形態では、結晶粒子４６の平板面を、隔壁面４５に対して垂直方向且つセル４４の形成方向に平行な方向（図２の軸方向）に配列させたハニカム構造体４０としたが、特にこれに限定されず、例えば、図７に示すように、結晶粒子４６の平板面を、隔壁面４５に対して垂直方向且つセル４４の形成方向に直交する方向（図２の面方向）に配列させたハニカム構造体４０Ｃとしてもよい。このハニカム構造体４０Ｃの作製方法について説明する。このハニカム構造体４０Ｃでは、図６に示したように、ハニカム構造体を横方向に載置した状態で作製する。図８は、板状粒子の所定方向を変更したハニカム構造体４０Ｃの三次元造形処理の説明図である。図８（ａ）〜（ｄ）は、隔壁面４５に沿った方向の断面図であり、図８（ｅ）〜（ｈ）は、それぞれ図８（ａ）〜（ｄ）でのＡ−Ａ断面図である。ハニカム構造体４０Ｃの作製においても、上述したハニカム構造体三次元造形処理ルーチンを実行する。制御部２１は、例えば、セル４４に該当する領域やオーバーハング部分の下方に支持材３２を形成させる（図８（ａ）、（ｅ））。次に、制御部２１は、隔壁４２内に形成される気孔に該当する領域が再現されるよう造孔材３３を配置させ（図８（ｂ）、（ｆ））、隔壁４２に該当する領域が再現されるよう原料を配置させる（図８（ｃ）、（ｇ））。原料の配置は、板状粒子３４の平板面３５を、隔壁面４５に対して垂直方向且つセル４４の形成方向に直交する方向（図２の面方向）に配列させる方向に原料ノズル１３のスリットの方向を固定して行う。そして、制御部２１は、焼結部１５からレーザーを照射しながら焼結部１５を走査し、配置された原料を焼結させる（図８（ｄ）、（ｈ））。こうしても、板状粒子を所定方向に配列したハニカム構造体を作製することができる。
【００４２】
上述した実施形態では、支持材配置工程、造孔材配置工程、原料配置工程、及び焼結工程をこの順で行ったが、多孔質体が製造できればよく、他の順序で行ったり各工程のうち２以上を同時又は並行して行ったりしてもよい。また、複数回の構造体形成工程が全て同じ順序である必要はなく、他とは異なる構造体形成工程が存在してもよい。例えば、制御部２１は、複数回のうちいずれか１以上の構造体形成工程において造孔材配置工程を実行してから原料配置工程を実行してもよい。あるいは、複数回の構造体形成工程の一部において造孔材配置工程を行わない構造体形成工程が存在するなど、支持材配置工程、造孔材配置工程、原料配置工程及び焼結工程の少なくとも１つが省略される構造体形成工程が存在してもよい。
【００４３】
上述した実施形態では、制御部２１は焼結工程において造孔材３３を消失させて除去したが、これに限らず焼結工程とは別に造孔材３３を除去する除去工程を行ってもよい。例えば、焼結工程の前後の少なくとも一方において、造孔材３３を焼結部１５で加熱して造孔材３３を除去してもよい。また、造孔材３３の除去工程は構造体形成工程中に行う場合に限られない。例えば、ハニカム構造体４０の全体形状が形成されたのち、造形されたハニカム構造体４０中の造孔材３３を加熱によりまとめて除去してもよい。造孔材３３をまとめて除去する場合、例えば三次元造形装置１０が備えるヒーターを用いて制御部２１が筐体内を加熱して除去工程を行ってもよいし、作業者が三次元造形装置１０からハニカム構造体４０を取り出して別の加熱装置により除去工程を行ってもよい。また、加熱以外の方法で造孔材を除去してもよい。例えば、作業者が三次元造形装置１０からハニカム構造体４０を取り出した後に、液体（溶媒など）で造孔材を溶解させることにより造孔材を除去してもよい。このような造孔材の例としては、水溶性樹脂などが挙げられる。焼結工程において造孔材を消失させない場合には、焼結工程では消失しない材料を造孔材として用いてもよい。
【００４４】
上述した実施形態では、制御部２１は造孔材配置工程を溶融物堆積法と同様の方法を用いて行ったが、多孔質体の気孔を形成する造孔材を配置できればよく、他の方法を用いてもよい。例えば、制御部２１はＰｏｌｙＪｅｔ法（インクジェット法ともいう）を用いて造孔材を配置してもよい。すなわち、制御部２１は、造孔材配置工程において、造孔材ノズル１４から液状の造孔材（例えば、紫外線硬化樹脂）を噴射して台座１６上に配置し、ＵＶライトから紫外線を照射することにより配置後の造孔材を硬化させてもよい。この場合、造形ヘッド１２の下部に紫外線を照射するＵＶライトが配設されていてもよい。こうしても、上述した実施形態と同様に造孔材を配置することができる。また、紫外線硬化樹脂は加熱により消失する消失材でもあるため、上述した実施形態と同様に焼結工程において除去することができる。
【００４５】
上述した実施形態では、造孔材３３は配置後に硬化する材料としたが、これに限らず、配置後の造孔材は例えばペースト状としてもよいし、粒子状としてもよい。例えば、デンプンを含むペースト又はデンプンの粒子を造孔材としてもよい。なお、デンプンは加熱により消失するため、上述した実施形態と同様に焼結工程において除去することができる。造孔材がペースト又は粒子である場合、リコータなどを用いて上方から撒くことで造孔材の配置が行われることが好ましい。こうすれば、配置された造孔材の位置ずれが生じにくい。
【００４６】
上述した実施形態では、造孔材は樹脂やセラミック粒子などとしたが、焼結工程時の加熱により消失しない非消失粒子と、溶融及び硬化が可能であり加熱により消失する溶融消失材と、を混練したものとしてもよい。非消失粒子としては、セラミック粒子などが挙げられる。溶融消失材としては、熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂などの樹脂が挙げられる。非消失粒子と溶融消失材とを造孔材として用いる場合も、上述した実施形態と同様の造孔材配置工程を行うものとすればよい。なお、非消失材は、ハニカム構造体の形成後にブロワーなどで除去するものとすればよい。こうすれば、造孔材が非消失粒子を含むことにより焼結工程後も非消失粒子が残るため、次の回の構造体形成工程において非消失粒子上にさらに造孔材を配置することができる。そのため、上述した実施形態と比べて複数回の構造体形成工程で形成される構造体にまたがるような大きい気孔を形成しやすくなる。また、非消失粒子が残ることで、次の回の構造体形成工程において板状粒子３４や原料粒子３６が既に形成された気孔を埋めてしまうことを抑制できる。
【００４７】
上述した実施形態では、焼結部１５は、レーザーを照射するものとしたが、板状粒子３４及び原料粒子３６を焼結するものとすれば特にこれに限定されず、レーザー以外の方法としてもよい。例えば、焼結部１５は、アーク放電により原料を焼結するものとしてもよい。
【００４８】
上述した実施形態では、焼結部１５をヘッド移動部１１により移動させることでレーザーの照射位置を制御したが、これに限らず、例えばレーザーを反射するミラーの向きを変更することでレーザーの照射位置を制御してもよい。例えば、制御部２１は、周知のガルバノスキャナーを用いてミラーの向きを変更してもよい。
【００４９】
上述した実施形態では、原料ノズル１３や造孔材ノズル１４を用いて板状粒子、原料粒子及び造孔材を配置するものとしたが、板状粒子の方向を定めて各材料を配置することができるものとすれば特にこれに限定されず、例えば、スキージによって、板状粒子、原料粒子及び造孔材のうち少なくとも１以上を配置するものとしてもよい。
【００５０】
上述した実施形態では、多孔質体の例としてハニカム構造体を製造する場合について説明したが、これに限らずどのような形状の多孔質体を製造してもよい。板状粒子や原料粒子の材料についても、上述した実施形態に限られない。また、上述した実施形態では、１つの三次元造形装置１０を用いてハニカム構造体を製造する場合について説明したが、特にこれに限られない。例えば、構造体形成工程の各工程を複数の装置で分担して行ってもよい。
【００５１】
上述した実施形態では、多孔質体の製造装置である三次元造形装置１０、及び多孔質体の製造方法として本発明を説明したが、特にこれに限定されない。例えば、記憶部２２に記憶され三次元造形処理ルーチンを三次元造形装置１０に実行させるプログラムを本発明としてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０  三次元造形装置、１１  ヘッド移動部、１２  造形ヘッド、１３  原料ノズル、１４  造孔材ノズル、１５  焼結部、１６  台座、１７  昇降部、１８  造形物収容部、２１  制御部、２２  記憶部、２３  多孔質体データ、３２  支持材、３３  造孔材、３４  板状粒子、３５  平板面、３６  原料粒子、４０，４０Ｂ，４０Ｃ  ハニカム構造体、４２  隔壁、４４  セル、４５  隔壁面、４６  結晶粒子、４８  保護部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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