JP7549219B2 - 造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形によって形成される造形物の製造方法に関する。

積層造形とは、所定の構造を有する立体を造形する方法であって、流動状態の材料が押出された後、固化し、その上にさらに材料が積層されていくことで物品が造形される。積層造形方法にはＵＶ硬化法、熱溶融積層法等が提案されているが、装置構造が簡便であることから、熱溶融積層法が広く使用されている。

積層造形される立体構造には様々な構造があり、造形される過程において、他の何かでサポートしておかないと造形できない部位を含むものもある。そこで、造形物を積層造形する際に、造形物の少なくとも一部を支持する支持体も一緒に積層造形をし、造形完了後に支持体を溶解させて除去することが一般的である（例えば、特許文献１）。

特開２０１８－０９９７８８号公報

しかし、特許文献１の方法では、造形物と支持体を一緒に造形するので、支持体の分だけ、造形時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形時間の短縮が可能な、造形物の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、造形物の製造方法であって、積層造形工程と、除去工程を備え、前記積層造形工程では、予め準備された支持体が配置された造形領域において樹脂の単層構造体を積層することによって前記樹脂で構成された造形物と前記支持体が一体となった一体物を形成し、前記除去工程では、前記一体物を前記造形物と前記支持体に分離することによって、前記一体物から前記支持体を除去する、方法が提供される。

本発明の積層造形工程では、予め準備された支持体を用いて、造形物と支持体が一体となった一体物を形成するので、支持体の造形にかかる時間が不要であるために、造形時間の短縮が可能である。

好ましくは、前記記載の方法であって、前記積層造形工程は、熱溶融積層法で行われる、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記支持体は、前記単層構造体が形成される部位に凹部を有する、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記単層構造体は、ヘッドを移動させながら流動状態の樹脂を吐出するとともに吐出した樹脂を固化させることによって形成され、前記凹部の開口径は、前記ヘッドの吐出口の直径よりも小さい、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記支持体を構成する樹脂と前記造形物を構成する樹脂は、共通するモノマーを有する、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記除去工程で分離した前記支持体を、次の造形物を製造するための積層造形工程において再利用する、方法である。

図１Ａは、造形物１の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａ中のＡ－Ａ断面図である。 図２Ａは、三次元網目構造２を示す斜視図であり、図２Ｂは、単層構造体６，７，８を示す斜視図である。 図３Ａは、積層造形工程を示す図１Ｂに対応する断面図であり、図３Ｂは、図３Ａ中の領域Ｂの拡大図である。 図４Ａは、一体物９を示す図１Ｂに対応する断面図であり、図４Ｂは、図４Ａの一体物９を支持体３と造形物１に分離した後の状態を示す。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。

１．第１実施形態
１－１．造形物１の構成
図１～図２は、本発明の一実施形態の造形物１の製造方法によって製造可能な造形物１の例を示す。造形物１は、例えばブラパッドや人工乳房などの乳房体である。である。造形物１は、上面１ａ及び下面１ｂを備える。造形物１が乳房体である場合、上面１ａは、乳房の外形を模した形状を有し、下面１ｂは、造形物１が装着されるユーザーの身体の外面にフィットする形状を有する。下面１ｂには、身体の凸部の相補形状となる凹部１ｃが設けられている。

造形物１は、積層造形によって形成される。積層造形は、造形物１の一部を構成する単層構造体を積層することによって造形物１を形成する方法である。積層造形は、ＵＶ硬化法、熱溶融積層法等の何れの方法であってもよいが、熱で溶融した樹脂を積層させる熱溶融積層法が好ましい。

造形物１は、一例では、図２Ａに示すような三次元網目構造２を有する。三次元網目構造２は、線状樹脂２ａで構成された単層構造体が積層されることによって網目状になった構造である。造形物１がこのような構造を有する場合、隣接する線状樹脂２ａ間の間隔を変化させたり、線状樹脂２ａの太さを変化させたりすることによって、造形物１の剛性を変化させることができる。造形物１が乳房体である場合、造形物１をユーザーの要望に応じた剛性を有するものにする必要があるところ、三次元網目構造２を有する造形物１では、このような要望を実現することが容易である。また、造形物１内の一部の剛性をその他の部位よりも高く又は低くしたいという要望があるが、三次元網目構造２の一部において隣接する線状樹脂２ａ間の間隔を狭く又は広くすることによって上記要望を容易に実現することができる。

線状樹脂２ａの直径は、例えば０．５～６．０ｍｍであり、１．０～４．０ｍｍが好ましい。この直径は、具体的には例えば、０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

一例では、三次元網目構造２は、図２Ｂに示す単層構造体６，７，８がこの順で繰り返し積層されて構成される。単層構造体６は、互いに間隔を開けて設けられた複数の平行線で構成される線状樹脂６ａを有する。単層構造体７は、互いに間隔を開けて設けられた複数の平行線で構成される線状樹脂７ａを有する。単層構造体８は、互いに間隔を開けて設けられた複数の平行線で構成される線状樹脂８ａを有する。線状樹脂６ａ，７ａ，８ａは、互いに６０度ずつずれた方向に延びるように設けられている。

造形物１を構成する樹脂は、特に限定されず、ＡＢＳ、ポリオレフィン（例：ポリプロピレン）、ポリエステル、熱可塑性エラストマーが挙げられる。造形物１が乳房体のような高い柔軟性が要求されるものである場合、造形物１を構成する樹脂は、熱可塑性エラストマーが好ましい。

熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、アクリル系エラストマー等が挙げられる。この熱可塑性エラストマーは、スチレン系エラストマーを含むことが好ましい。スチレン系エラストマーは柔軟性が高いので、熱可塑性エラストマーがスチレン系エラストマーを含むことによって、熱可塑性エラストマーの柔軟性が高くなる。熱可塑性エラストマー中のスチレン系エラストマーの割合は、５０～１００質量％が好ましく、８０～１００質量％がさらに好ましく、具体的には例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００質量％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

スチレン系エラストマーとは、スチレン単位を有する熱可塑性エラストマーであり、スチレン系共重合体（例えば、スチレン－エチレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＳ）、スチレン－ブタジエン－スチレンブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレン－イソプレン－スチレンブロック共重合体（ＳＩＳ）、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等）、水素添加スチレン系共重合体（例えば、スチレン－エチレン・プロピレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）、スチレン－エチレン・ブチレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン－ブチレン・ブタジエン－スチレンブロック共重合体（ＳＢＢＳ）、水素添加スチレン－ブタジエンゴム（ＨＳＢＲ）等）等から選ばれた一種又は二種以上をブレンドしたものを挙げることができる。

熱可塑性エラストマーのショアＡ硬度は、０～１０が好ましく、具体的には例えば、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。ショアＡ硬度がこの範囲内である場合に、柔軟性に優れた造形物が得られる。ショアＡ硬度は、ＪＩＳ Ｋ６２５３に基づいて測定する。

１－２．造形物１の製造方法
次に、本発明の一実施形態の造形物１の製造方法について説明する。この方法は、積層造形工程と、除去工程を備える。以下、各工程について説明する。

（１）積層造形工程
積層造形工程では、図３に示すように、予め準備された支持体３が配置された造形領域Ｒにおいて樹脂４の単層構造体を積層することによって、図４Ａに示すように、樹脂４で構成された造形物１と支持体３が一体となった一体物９を形成する。

積層造形工程は、任意の積層造形法で行うことができる。単層構造体は、一例では、ヘッド５を移動させながら流動状態の樹脂を吐出するとともに、吐出した樹脂４を固化させることによって行うことができる。熱溶融積層法では、加熱によって流動状態になった樹脂を吐出し、吐出された流動状態の樹脂は、冷却によって固化される。ＵＶ硬化法では、吐出された流動状態の樹脂は、ＵＶ照射によって固化される。

一例では、熱溶融積層法では、図３に示すように、ヘッド５内で溶融した樹脂４をヘッド５の先端に設けた吐出口５ａから吐出しながら、造形領域Ｒにおいてヘッド５を移動させることによって造形物１を形成することができる。ヘッド５に供給する樹脂の形態は限定されず、フィラメントであってもペレットであってもよい。樹脂の形態がフィラメントである場合、ヘッド５に内蔵されたギアをフィラメントに係合させた状態でギアを回転させることによってフィラメントを下流に移動させてヘッド５内で溶融された樹脂４を吐出することができる。樹脂の形態がペレットである場合、ヘッド５として、スクリューを内蔵したスクリュー式押出機を用いることができ、スクリューの回転によって、ヘッド５内で溶融された樹脂４を吐出することができる。樹脂が熱可塑性エラストマーのように柔軟性が非常に高いものである場合には、ギアの回転によってフィラメントを下流に移動させることが困難な場合があるので、この場合、ヘッド５は、スクリュー式押出機であることが好ましい。

吐出口５ａから吐出された直後の樹脂４の温度を造形温度と定義する。造形温度は、１２０～２３０℃であることが好ましい。この場合に、冷却時に樹脂４が十分に固化されやすく、且つ造形材料の加熱による劣化が起こりにくいからである。上記造形温度は、具体的には例えば、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

造形物１は、凹部１ｃを有するので、凹部１ｃの上方の部位１ｄ（図１Ｂに図示）を形成するためには、支持体３を準備し、支持体３上に部位１ｄを形成する必要がある。

特許文献１では、造形物と支持体を一緒に造形しているが、このような方法では、支持体の分だけ、造形時間が長くなってしまうという問題がある。そこで、本実施形態では、予め準備された支持体３を用いることによって、造形時間を短縮している。

支持体３の形成方法は、特に限定されず、積層造形や射出成形などによって形成することができる。射出成形によって支持体３を形成する場合、支持体３の表面を平滑にすることが容易であり、この場合、造形物１の凹部１ｃの内面を平滑にすることができる。造形物１が乳房体である場合、凹部１ｃの内面が身体に接触する面となるので、この面を平滑にすることによって、乳房体の品質を向上させることができる。

支持体３を構成する樹脂（以下、「支持体樹脂」）の融点は、樹脂４の融点よりも高いことが好ましい。この場合、支持体樹脂の融点と、樹脂４の融点の間の温度で造形することによって、支持体３を溶融させることなく、造形物１の造形が可能である。また、この場合、支持体３が溶融しないので、後述する除去工程で分離された支持体３を次の造形物を製造するための積層造形工程において再利用することができる。支持体樹脂の融点は、造形温度よりも高いことが好ましい。この場合、支持体３を溶融させることなく、造形物１の造形が可能である。本明細書において、「融点」は、ＪＩＳ Ｋ ７１２１：２０１２に従って測定した融解ピーク温度Ｔｐｍを意味する。

図３Ｂに示すように、支持体３は、傾斜面３ａを有する。傾斜面３ａは、平面であっても曲面であってもよい。造形物１が乳房体である場合、凹部１ｃの内面には、造形物１を身体にフィットさせるための傾斜面を設けることが好ましいところ、支持体３に傾斜面３ａを設けることによって、凹部１ｃの内面にも傾斜面を設けることができる。水平面に対する傾斜面３ａの傾斜角度は、例えば５～８５度であり、１０～８０度が好ましい。この傾斜角度は、具体的には例えば、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５度であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

ところで、支持体３上に樹脂４を吐出すると、樹脂４が支持体３上で滑ってしまい、所望形状の造形物１が得られなくなる場合がある。従って、支持体３上での樹脂４の滑りを抑制する滑り抑制構成を備えることが好ましい。。

滑り抑制構成の一例は、支持体樹脂と樹脂４が、共通するモノマーを有することである。共通するモノマーを有する樹脂（つまり、同系統の樹脂）は、一般に、親和性が高いので、このような樹脂の組み合わせを用いることによって、樹脂４の滑りが抑制される。例えば、樹脂４がスチレン系エラストマーである場合、支持体樹脂としては、スチレン系エラストマーや、エラストマー以外のスチレン系樹脂を採用することが好ましい。支持体樹脂と樹脂４の共通するモノマーの割合は、例えば５０～１００質量％であり、具体的には例えば、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００質量％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

滑り抑制構成の別の例は、支持体樹脂と樹脂４のハンセン溶解度パラメータの差の絶対値をΔＳＰとすると、ΔＳＰの値が１．３以下であることである。ΔＳＰは、樹脂同士の親和性を示す指標であり、ΔＳＰの値が小さいほど支持体樹脂と樹脂４の間の親和性が高いので、ΔＳＰの値が１．３以下となる樹脂の組み合わせを用いることによって、樹脂４の滑りが抑制される。ΔＳＰは、１．０以下が好ましく、０．５以下がさらに好ましく、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

滑り抑制構成の別の例は、図３Ｂに示すように、支持体３のうち、単層構造体が形成される部位（図３Ｂでは、傾斜面３ａ）に凹部３ｂを設けることである。この場合、樹脂４が凹部３ｂに入り込んで固化することによって、樹脂４が支持体３に係合されて、樹脂４の滑りが抑制される。この滑り抑制構成を採用する場合、支持体樹脂と樹脂４の親和性が低くても、樹脂４の滑りが抑制されるので、支持体３の材料選択の幅が広がるという利点がある。凹部３ｂの開口径は、吐出口５ａの直径よりも小さいことが好ましい。この場合、凹部３ｂ内に入り込む樹脂４の量が多くなりすぎず、樹脂４が凹部３ｂに入り込むことに起因する形状の乱れが抑制される。

支持体３が多孔体である場合、多孔体の孔が凹部３ｂとして機能する。多孔体としては、ゼオライトのような材料自体が多孔質であるものであってもよく、積層造形によって形成された図２に示すような三次元網目構造２を有するものであってもよい。また、支持体３が金型を用いて形成する成形体である場合、金型の凸部を転写して凹部３ｂを形成してもよい。

滑り抑制構成の別の例は、図３Ｂに示すように、支持体３に接触する層を形成する際の、ヘッド５の吐出口５ａの中心線５ｂ上でのヘッド５と支持体３の間の間隔をＧとし、ヘッド５の吐出口の直径をＤとすると、Ｇ／Ｄを０．５以下とすることである。Ｇ／Ｄは、０．８程度に設定されるのが一般的であるが、Ｇ／Ｄをこのような値に設定すると、樹脂４が支持体３上で滑りやすい。樹脂４の滑りを抑制するには、支持体樹脂と樹脂４の親和性を高めることが考えられるが、その場合、支持体樹脂の選択の自由度が狭くなってしまうという課題がある。

本構成では、このような課題を解決すべく、Ｇ／Ｄが０．５以下という構成を採用している。Ｇ／Ｄをこのような値にすると、吐出された樹脂４が支持体３に強く押し付けられるので、樹脂４と支持体３の密着性が高まって、樹脂４の滑りが抑制される。このため、本構成の採用によって、支持体３の材料選択の幅が広がる。Ｇ／Ｄは、例えば０．１～０．５であり、具体的には例えば、０．１０、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０、０．３５、０．４０、０．４５、０．５０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

また、下層の単層構造体上に次の単層構造体を形成する際の、ヘッド５と前記下層との間の距離をＧ１とすると、Ｇ／Ｇ１は、０．１～１が好ましく、０．３～０．８が好ましい。Ｇ，Ｇ１は、いわゆる造形ピッチを示している。支持体３と造形物１が分離されやすいように、支持体３上に単層構造体を形成する際の造形ピッチは、下層の単層構造体上に次の単層構造体を形成する際の造形ピッチよりも大きくする、つまり、Ｇ／Ｇ１を１よりも大きくするのが一般的であるが、本構成では、Ｇ／Ｇ１を１以下とすることによって、支持体３上での樹脂４の滑りを抑制している。Ｇ／Ｇ１は、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

本構成は、支持体３に凹部３ｂを設ける構成との併用が特に効果的である。この場合、樹脂４が凹部３ｂ内に入り込みやすくなり、樹脂４の滑りがさらに効果的に抑制される。

（２）除去工程
除去工程では、図４Ａに示す一体物９を、図４Ｂに示すように支持体３と造形物１に分離することによって、一体物９から支持体３を除去する。これによって、造形物１が得られる。

支持体樹脂と樹脂４の少なくとも一方がエラストマーのような柔軟性が高い樹脂である場合、支持体３又は造形物１を変形させることによって上記分離を行うことができる。支持体３と樹脂４の両方の剛性が高い場合は、支持体３と造形物１を互いに引き離す方向の力を加えることによって上記分離を行うことができる。例えば、支持体３を別の部材に固定した状態で、支持体３又はその周囲に領域に設けた突き出しピンで造形物１を突くことによって、上記分離を行うことができる。

除去工程で取り外した支持体３は、次の造形物１を製造するための積層造形工程において再利用することができる。このため、上記分離は、支持体３が損傷しないように行うことが好ましい。また、支持体３を再利用することによって、支持体３の製造にかかる時間とコストを削減することが可能である。

２．その他の実施形態
・上記実施形態では、傾斜面３ａ及び凹部３ｂを有する支持体３を用いているが、傾斜面３ａを有しない支持体３や、凹部３ｂを有しない支持体３を用いてもよい。
・上記実施形態では、Ｇ／Ｄを０．５以下としているが、Ｇ／Ｄは、０．５よりも大きくてもよい。この場合、Ｇ／Ｄは、例えば、０．１～１であり、具体的には例えば、０．１０、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０、０．３５、０．４０、０．４５、０．５０、０．５５、０．６０、０．６５、０．７０、０．７５、０．８０、０．８５、０．９０、０．９５、１．００であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

１ ：造形物
１ａ ：上面
１ｂ ：下面
１ｃ ：凹部
１ｄ ：部位
２ ：三次元網目構造
２ａ ：線状樹脂
３ ：支持体
３ａ ：傾斜面
３ｂ ：凹部
４ ：樹脂
５ ：ヘッド
５ａ ：吐出口
５ｂ ：中心線
６ ：単層構造体
６ａ ：線状樹脂
７ ：単層構造体
７ａ ：線状樹脂
８ ：単層構造体
８ａ ：線状樹脂
９ ：一体物
Ｒ ：造形領域

Claims (5)

1. 造形物の製造方法であって、
   積層造形工程と、除去工程を備え、
   前記積層造形工程では、予め準備された支持体が配置された造形領域において樹脂の単層構造体を積層することによって前記樹脂で構成された造形物と前記支持体が一体となった一体物を形成し、
   前記除去工程では、前記一体物を前記造形物と前記支持体に分離することによって、前記一体物から前記支持体を除去し、
   前記支持体は、前記単層構造体が形成される部位である傾斜面に凹部を有する、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記積層造形工程は、熱溶融積層法で行われる、方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
   前記単層構造体は、ヘッドを移動させながら流動状態の樹脂を吐出するとともに吐出した樹脂を固化させることによって形成され、
   前記凹部の開口径は、前記ヘッドの吐出口の直径よりも小さい、方法。
4. 請求項１～請求項３の何れか１つに記載の方法であって、
   前記支持体を構成する樹脂と前記造形物を構成する樹脂は、共通するモノマーを有する、方法。
5. 請求項１～請求項４の何れか１つに記載の方法であって、
   前記除去工程で分離した前記支持体を、次の造形物を製造するための積層造形工程において再利用する、方法。