(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料押出型造形装置と線状の造形材料とを用いた立体造形物の造形方法であって、前記造形材料として、合成繊維が複数本集束されて構成された長尺状の繊維集束体を用い、前記造形装置においてモノフィラメントの造形材料を用いるために規定される第１の吐出速度に、以下の式（ｉ）により求まる吐出係数Ｋを乗算して得られる第２の吐出速度により造形することを特徴とする造形方法。
Ｋ  ＝  ２５００×π×ρ×Ｒ２×ｃｏｓθ÷（Ａ×Ｆ）  ・・・（ｉ）
ここで、
ρ：合成繊維を構成する樹脂の比重
π：円周率
Ａ：繊維集束体に使用される合成繊維の総繊度（ｄｔｅｘ）
θ：繊維集束体の長手方向に対して合成繊維の繊維軸が形成する角度（度）
Ｆ：繊維集束体を熱処理したときのオーバーフィード率
Ｒ：造形材料の断面直径（ｍｍ）
である。
【請求項２】
材料押出型造形装置と線状の造形材料とを用いた立体造形物の造形方法であって、前記造形材料として、合成繊維が複数本集束されて構成された長尺状の複数種類の繊維集束体により構成される造形材料または複数種類の合成繊維によって構成される造形材料を用い、前記造形装置においてモノフィラメントの造形材料を用いるために規定される第１の吐出速度に、以下の式（ｉｉ）により求まる吐出係数Ｋを乗算して得られる第２の吐出速度により造形することを特徴とする造形方法。
Ｋ＝２５００×π×Ｒ２÷Ｆ÷{（Ａ１÷ρ１÷ｃｏｓθ１）＋（Ａ２÷ρ２÷ｃｏｓθ２）＋・・・＋（Ａｎ÷ρｎ÷ｃｏｓθｎ）}  ・・・（ｉｉ）
ここで、
ρｎ：合成繊維ｎを構成する樹脂の比重
π：円周率
Ａｎ：繊維集束体に使用される合成繊維ｎの総繊度（ｄｔｅｘ）
θｎ：繊維集束体の長手方向に対して合成繊維ｎの繊維軸が形成する角度（度）
Ｆ：繊維集束体を熱処理したときのオーバーフィード率
Ｒ：造形材料の断面直径（ｍｍ）
であり、添字１−ｎは、合成繊維の番号を意味する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は造形方法に関し、特に材料押出型造形装置および線状の造形材料を用いて立体造形物を得る造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ上の設計図をもとに三次元の物体を作り出す３Ｄプリンターは、金型や大規模な溶融装置を用いなくとも、部品、治具、製品を容易に作ることができ、企業を中心に急速に普及している。特に、熱可塑性樹脂を造形材料に用いる熱溶解積層方式の３Ｄプリンターは、廉価版も販売され、個人にも普及し始めている。
【０００３】
このような熱溶解積層方式の３Ｄプリンターに用いられる造形材料としては、熱可塑性樹脂を直径数ｍｍで長手方向に連続させた線状の樹脂成型物（モノフィラメント状物）が市販され、使用されている。例えば、特許文献１には、高精度の造形用材料として、平均直径が０．０６９〜０．０７４インチ（約１．７５〜１．９０ｍｍ）、長さ２０フィート（約６．１ｍ）以上、直径の標準偏差が０．０００４インチ（０．０１ｍｍ）以下である造形材料（供給材料）が開示されている。このような造形材料を構成する熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリ乳酸などの熱可塑性樹脂が用いられている。
【０００４】
コンピュータ上の設計図は、スライサーソフトなどと呼ばれる専用のソフトウェアにより３Ｄプリンターでの動作プログラムへ変換される。スライサーソフトでは、造形時における、３Ｄプリンターのノズルヘッドの移動速度、材料の吐出速度、材料の溶解温度、積層厚み、充填率などを設定することができ、同一の設計図から多様な造形品を得ることが可能である
【０００５】
例えば吐出速度について、市販のデスクトップ型３Ｄプリンターではスライサーソフトによって自動的に算出される場合が多く、造形材料の直径や材質の情報から計算された吐出速度の具体的な数値は、ソフトによっては使用者が読み取ることができないものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５２３３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した連続線状の樹脂成型物（モノフィラメント状物）にて構成された造形材料は、硬く、取扱い性が良いとはいえず、なかでもポリ乳酸製の造形材料は特に硬く、このような硬い造形材料は、ボビンなどに巻かれている状態から、巻き張力を少し緩めた途端に、巻かれた状態が解除されボビンから外れて散らばってバラけた状態となってしまう。このような状態を「クラッシュ発生」とも呼ぶ。また、市場にて販売されているポリ乳酸製の造形材料において、結晶化が進んでいないものは、使用中に折れやすいという問題を抱えている。
【０００８】
本発明者は、このような状況に鑑みて、取扱い性が良好な熱溶解積層法３Ｄプリンター用の造形材料を提供することを検討した。過去においては熱溶解積層法３Ｄプリンター用材料の形態は、いわゆるモノフィラメント状物を用いることが常識であったが、その常識に捉われずに他の形態を適用できるのではないかと検討した。そのなかで、複数本の合成繊維を集束して１本の連続した糸状形態の造形材料を発明した。そして、この発明を利用して種々の検討を行うなかで、繊維集束体からなる造形材料を用いて造形する場合、市販の同径のモノフィラメント製の造形材料を用いる際と同様の条件では３Ｄプリンターの押出機での吐出速度とノズルヘッドの移動速度とのバランスが合わず、造形精度が損なわれる恐れがあることが分かった。そこで、繊維集束体からなる造形材料を汎用の３Ｄプリンターで用いる際の造形精度の向上を検討した結果、本発明に到達するに至った。
【０００９】
本発明は、汎用の３Ｄプリンターに適用できる造形方法であって、繊維集束体からなる造形材料を用いる場合に造形精度を損なわない造形方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために本発明の、材料押出型造形装置と線状の造形材料とを用いた立体造形物のための第１の造形方法は、前記造形材料として、合成繊維が複数本集束されて構成された長尺状の繊維集束体を用い、前記造形装置においてモノフィラメントの造形材料を用いるために規定される第１の吐出速度に、以下の式（ｉ）により求まる吐出係数Ｋを乗算して得られる第２の吐出速度により造形することを特徴とする。
Ｋ  ＝  ２５００×π×ρ×Ｒ２×ｃｏｓθ÷（Ａ×Ｆ）  ・・・（ｉ）
ここで、
ρ：合成繊維を構成する樹脂の比重
π：円周率
Ａ：繊維集束体に使用される合成繊維の総繊度（ｄｔｅｘ）
θ：繊維集束体の長手方向に対して合成繊維の繊維軸が形成する角度（度）
Ｆ：繊維集束体を熱処理したときのオーバーフィード率
Ｒ：造形材料の断面直径（ｍｍ）
である。
【００１１】
本発明の、材料押出型造形装置と線状の造形材料とを用いた立体造形物の第２の造形方法は、前記造形材料として、合成繊維が複数本集束されて構成された長尺状の複数種類の繊維集束体により構成される造形材料または複数種類の合成繊維によって構成される造形材料を 用い、前記造形装置においてモノフィラメントの造形材料を用いるために規定される第１の吐出速度に、以下の式（ｉｉ）により求まる吐出係数Ｋを乗算して得られる第２の吐出速度により造形することを特徴とする。
Ｋ＝２５００×π×Ｒ２÷Ｆ÷{（Ａ１÷ρ１÷ｃｏｓθ１）＋（Ａ２÷ρ２÷ｃｏｓθ２）＋・・・＋（Ａｎ÷ρｎ÷ｃｏｓθｎ）}  ・・・（ｉｉ）
ここで、
ρｎ：合成繊維ｎを構成する樹脂の比重
π：円周率
Ａｎ：繊維集束体に使用される合成繊維ｎの総繊度（ｄｔｅｘ）
θｎ：繊維集束体の長手方向に対して合成繊維ｎの繊維軸が形成する角度（度）
Ｆ：繊維集束体を熱処理したときのオーバーフィード率
Ｒ：造形材料の断面直径（ｍｍ）
であり、添字１−ｎは、合成繊維の番号を意味する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の造形方法によると、市販の同径のモノフィラメント製の造形材料を用いるのに適するように設定された造形装置において、繊維集束体により構成される造形材料を 用いる場合においても、造形装置の押出機での吐出速度とノズルヘッドの移動速度とのバランスをとることができて、所要の造形精度を維持することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
熱溶解積層法３Ｄプリンターに用いられる造形材料は、熱溶解積層法３Ｄプリンターに供給して三次元造形物を得る際の材料であって、熱可塑性樹脂によって構成される。この造形材料を使用し、コンピュータ上の設計図に基づき、３Ｄプリンターの造形ヘッドにて、造形材料を構成する熱可塑性樹脂を加熱により溶融させ、ノズルから射出・積層して、所望の形状の三次元造形物を作成する。
【００１５】
この造形材料は、熱可塑性合成繊維によって構成される。合成繊維を構成する熱可塑性樹脂としては、熱溶解積層法３Ｄプリンターにおける造形ヘッドの溶融温度で溶融しうるものであれば用いることができる。なかでも、融点が１８０℃以下のものがよく、例えば、脂肪族ポリエステル系樹脂、芳香族系ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体系樹脂、フッ素樹脂系樹脂が挙げられる。これらの樹脂を混合したものを用いてもよい。なかでも、ポリ乳酸は、反りが発生しにくいため好ましく、Ｄ体含有量が低いポリＬ乳酸は、黄色味が帯びにくいため、さらに好ましい。Ｄ体含有量を調整することにより、プリンターの温度制御に応じてポリ乳酸の融点を調整することができるが、黄色味を帯びにくくするためには、Ｄ体含有量が１．５モル％未満のものがよい。上記した樹脂を用いて合成繊維を製造する方法は、特に限定されるものではない。結晶性を有する熱可塑性樹脂を用いて繊維を製造する場合は、延伸工程や、熱収縮を制御するためのリラックス工程を、製造工程中に適用するとよい。
【００１６】
造形材料は、複数本の熱可塑性合成繊維が集束されて、１本の連続した糸状の形態を呈している。複数本の合成繊維を集束させる方法としては、撚りをかける方法、製紐する方法、熱処理により熱接着する方法等が挙げられる。より具体的には、複数本の合成繊維に撚りをかけて集束する方法、複数本の合成繊維を引き揃えあるいは撚りをかけた束を２本以上用いて製紐することによって組紐とし集束する方法、複数本の合成繊維を引き揃えたものに熱処理を施すことにより、合成繊維を構成する熱可塑性樹脂の一部を溶融または軟化させて繊維同士を熱接着させることにより集束する方法、あるいは、これらの撚り、製紐、熱接着を組合せた方法が挙げられる。
【００１７】
複数本の合成繊維を集束させる具体的な方法として、本件出願人による特願２０１５−２４２４７号に記載された方法を適用すればよい。
【００１８】
造形装置である３Ｄプリンターの吐出速度とは、熱溶解積層型３Ｄプリンターの押出機より単位時間あたりに押し出される樹脂量を指す。用いる３次元モデルによっては、造形中の押出機の吐出は、不連続となることや、増減することもある。これらの吐出調整は上述のスライサーソフトによって自動計算されている。一般的な３Ｄプリンターやスライサーソフトにおいては、行程中の個々の段階での吐出速度を使用者が知ることや変更することできない場合があるが、スライサーソフトの条件を変更することで全体の吐出速度に係数をかけて調整することができるものが多い。
【００１９】
本発明では、吐出速度に掛け算する係数Ｋを、下式のようにして求める。
Ｋ  ＝  ２５００×π×ρ×Ｒ２×ｃｏｓθ÷（Ａ×Ｆ）  ・・・・（ｉ）
ここで、
ρ：合成繊維を構成する樹脂の比重
π：円周率
Ａ：繊維集束体に使用される合成繊維の総繊度（ｄｔｅｘ）
θ：繊維集束体の長手方向に対して合成繊維の繊維軸が形成する角度（度）
Ｆ：繊維集束体を熱処理したときのオーバーフィード率
Ｒ：造形材料の断面直径（ｍｍ）
である。
【００２０】
造形材料の長手方向に対して合成繊維の繊維軸が形成する角度θは、たとえば合成繊維に撚りが掛けられたときの、その撚りの角度を意味するものとすることができる。式（ｉ）において、合成繊維は、繊維集束体を最終的に構成する際に用いられる合成繊維を意味する。この合成繊維が、元となる１本の合成繊維を片撚りしたものである場合や、元となる合成繊維を複数本束ねて引き揃え、合撚、交絡などの手段により複合化したものである場合は、この合成繊維の繊維軸が繊維集束体の長手方向に対してなす角度をθとする。たとえば、繊維集束体が複数本の合成繊維にて構成された組紐（組角２０度）であり、この合成繊維が元となる合成繊維を複数本撚り合わせたもの（撚り角１０度）であるとき、式（ｉ）で用いる角度θは２０度である。
【００２１】
合成繊維を熱処理する場合は、熱収縮に対処するためにオーバーフィードすることが必要になることがある。オーバーフィード率Ｆは、その点を考慮したものである。このため、オーバーフィード率Ｆは、通常は１よりも大きな値となる。これに対し、熱処理の際に繊維を延伸する場合などにおいては、アンダーフィードとなることがあり、その場合はオーバーフィード率Ｆは１よりも小さな値となる。
【００２２】
造形材料が、上式のθ、ρのいずれかが異なるｎ種類の合成繊維（合成繊維１、合成繊維２、・・・、合成繊維ｎ）によって構成される場合、吐出係数Ｋは以下のようにして求める。
Ｋ＝２５００×π×Ｒ２÷Ｆ÷{（Ａ１÷ρ１÷ｃｏｓθ１）＋（Ａ２÷ρ２÷ｃｏｓθ２）＋・・・＋（Ａｎ÷ρｎ÷ｃｏｓθｎ）}  ・・・・（ｉｉ）
ここで、
ρｎ：合成繊維ｎを構成する樹脂の比重
π：円周率
Ａｎ：繊維集束体に使用される合成繊維ｎの総繊度（ｄｔｅｘ）
θｎ：繊維集束体の長手方向に対して合成繊維ｎの繊維軸が形成する角度（度）
Ｆ：繊維集束体を熱処理したときのオーバーフィード率
Ｒ：造形材料の断面直径（ｍｍ）
であり、添字１−ｎは、合成繊維の番号を意味する。
【００２３】
ここで、ｎ種類の合成繊維によって構成される造形材料としては、合成繊維が複数本集束されて構成された長尺状の複数種類の繊維集束体により構成される造形材料または複数種類の合成繊維によって構成される造形材料が挙げられる 。
【００２４】
造形材料が、異なる素材や異なる単繊維繊度などを有する複数種類の合成繊維によって構成される繊維集束体である場合、モノフィラメント糸とマルチフィラメント糸とによって構成される繊維集束体である場合も、上記式（ｉｉ）を適用する。
【００２５】
所定の線径のモノフィラメント状の造形材料を用いて造形する場合に、その造形装置（３Ｄプリンター）のための吐出速度をＳ０とすると、繊維集束体にて構成された同じ線径の造形材料を用いて造形するときの造形速度Ｓは、次式によって求めることができる。
Ｓ  ＝  Ｋ×Ｓ０
【００２６】
このようにして吐出速度を変更することで、造形材料としての公知のモノフィラメントを用いる仕様とされた３Ｄプリンターに、本発明にもとづき、合成繊維が複数本集束されて構成された長尺状の繊維集束体にて形成されている造形材料を、適切に用いることができる。
【実施例】
【００２７】
以下の実施例、比較例において、３Ｄプリンターによる造形性の評価試験に際しては、Ａｂｅｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＳＣＯＯＶＯ  Ｃ１７０型の３Ｄプリンターを用いて、造形温度２３０℃、積層ピッチ０．１ｍｍ、密度１００％で１辺が３ｃｍの立方体を作製して、その外観を目視にて確認した。
【００２８】
参考例１
造形材料として直径１．７５ｍｍのポリ乳酸製モノフィラメント（融点１７０℃）を用いて、３Ｄプリンターにより、前述の吐出係数Ｋ＝１にて造形を行った。造形性評価を行ったところ、表面に目立った凹凸のない造形物であった。
【００２９】
比較例１
５６０ｄｔｅｘ９６フィラメントのポリ乳酸製マルチフィラメント（融点１７０℃）を合計３５本用いた諸撚糸に、１６５℃×１分の熱処理を行った。これにより、線径１．７５ｍｍの造形材料を得た。
【００３０】
得られた造形材料を用いて、３Ｄプリンターにより、式（ｉ）に合致しない吐出係数Ｋ＝１にて造形を行った。造形性の評価を行ったところ、表面に凹凸が多く見られる粗悪な造形物であった。
【００３１】
比較例２
比較例１で用いた造形材料について、３Ｄプリンターにより、式（ｉ）に合致しない吐出係数Ｋ＝２にて造形を行った。造形性の評価を行ったところ、表面に凹凸が見られる粗悪な造形物であった。
【００３２】
実施例１
比較例１で用いた造形材料についての変数は、以下の通りであった。この変数を用いて、上述の式（ｉ）により吐出係数Ｋを求めたところ、１．３４となった。この造形材料を用いて３Ｄプリンターにより吐出係数Ｋ＝１．３４にて造形を行った。造形性の評価を行ったところ、表面に目立った凹凸のない造形物であった。
ρ＝１．２４
Ａ＝１９，６００ｄｔｅｘ
θ＝１５度、ｃｏｓθ＝０．９７
Ｆ＝１．１
Ｒ＝１．７５ｍｍ
【００３３】
実施例２
芯糸に比較例１で用いたポリ乳酸製マルチフィラメントを２０本引き揃えた繊維束を配し、側糸に同じマルチフィラメントを１本ずつ配して、１６本丸打ち組紐を得た。この組紐に１６５℃×１分の熱処理を行い、線径１．７５ｍｍの造形材料を得た。この造形材料の変数は、以下の通りであった。以下において、添字１は芯糸に該当し、添字２は側糸に該当する。この造形材料について吐出係数Ｋを上述の式（ｉｉ）から求めたところ１．２１となった。この造形材料を用いて３Ｄプリンターにより吐出係数Ｋ＝１．２１にて造形を行った。造形性の評価を行ったところ、表面に目立った凹凸のない造形物であった。
ρ１＝１．２４
Ａ１＝１１，２００ｄｔｅｘ
θ１＝０度、ｃｏｓθ１＝１．００
ρ２＝１．２４
Ａ２＝８，９６０ｄｔｅｘ
θ２＝１５度、ｃｏｓθ２＝０．９７
Ｆ＝１．２
Ｒ＝１．７５ｍｍ
【００３４】
実施例３
芯糸に比較例１で用いたポリ乳酸製マルチフィラメントを合計１８本用いた諸撚糸を配し、側糸に同じマルチフィラメントを１本ずつ配して、１６本丸打ち組紐を得た。この組紐に１６５℃×１分の熱処理を行い、線径１．７５ｍｍの造形材料を得た。この造形材料の変数は、以下の通りであった。以下において、添字１は芯糸に該当し、添字２は側糸に該当する。この造形材料について吐出係数Ｋを式（ｉｉ）から求めたところ１．２４となった。この造形材料を用いて３Ｄプリンターにより吐出係数Ｋ＝１．２４ にて造形を行った。造形性の評価を行ったところ、表面に目立った凹凸のない造形物であった。
ρ１＝１．２４
Ａ１＝１０，０８０ｄｔｅｘ
θ１＝１５度、ｃｏｓθ１＝０．９７
ρ２＝１．２４
Ａ２＝８，９６０ｄｔｅｘ
θ２＝２０度、ｃｏｓθ２＝０．９４
Ｆ＝１．２
Ｒ＝１．７５ｍｍ
【００３５】
実施例４
芯糸に、比較例１で用いたポリ乳酸製マルチフィラメントを合計９本と、５６０ｄｔｅｘ９６フィラメントのイソフタル酸共重合ポリエステル製マルチフィラメント（融点１６０℃）を９本との合計１８本を用いた諸撚糸を配置し、側糸に前記ポリ乳酸製マルチフィラメントを１本ずつ配した、１６本丸打ち組紐を得た。この組紐に１６５℃×１分の熱処理を行い、線径１．７５ｍｍの造形材料を得た。この造形材料の変数は、以下の通りであった。以下において、添字１は芯糸のポリ乳酸製マルチフィラメントに該当し、添字２は芯糸のイソフタル酸共重合ポリエステル製マルチフィラメントに該当し、添字３は側糸に該当する。この造形材料について吐出係数Ｋを式（ｉｉ）から求めたところ１．２８となった。この造形材料を用いて３Ｄプリンターにより吐出係数Ｋ＝１．２８にて造形を行い、造形性評価を行ったところ、表面に目立った凹凸のない造形物であった。
ρ１＝１．２４
Ａ１＝５，０４０ｄｔｅｘ
θ１＝１５度、ｃｏｓθ１＝０．９７
ρ２＝１．３８
Ａ２＝５，０４０ｄｔｅｘ
θ２＝１５度、ｃｏｓθ２＝０．９７
ρ３＝１．２４
Ａ３＝８，９６０ｄｔｅｘ
θ３＝２０度、ｃｏｓθ２＝０．９４
Ｆ＝１．２
Ｒ＝１．７５ｍｍ