(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-18
(45)【発行日】2024-07-26
(54)【発明の名称】中空成形体の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 64/118 20170101AFI20240719BHJP
B29C 64/188 20170101ALI20240719BHJP
B29C 70/16 20060101ALI20240719BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240719BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20240719BHJP
【ＦＩ】
B29C64/118
B29C64/188
B29C70/16
B33Y10/00
B33Y80/00
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2020194554
(22)【出願日】2020-11-24
(65)【公開番号】P2022083230
(43)【公開日】2022-06-03
【審査請求日】2023-07-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100181272
【弁理士】
【氏名又は名称】神 紘一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100180655
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 俊樹
(72)【発明者】
【氏名】市来 英明
(72)【発明者】
【氏名】田中 裕二
【審査官】今井 拓也
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１７－５１４７２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－００１０６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１３９２６０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５０８３８４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０
Ｂ２９Ｃ ７０／１６
Ｂ３３Ｙ １０／００
Ｂ３３Ｙ ８０／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱溶解積層方式の３Ｄプリンタが、中空成形体の側部を造形する工程と、造形された中空成形体の底部又はステージと前記側部とで囲まれる空間に充填材を投入して、前記空間を前記充填材で満たす工程と、
前記３Ｄプリンタが、前記側部及び前記充填材の上に前記中空成形体の上部を造形する工程と、
前記中空成形体に開口部を形成する工程と、前記開口部から充填材を除去する工程と、を含む、中空成形体の製造方法。
【請求項2】
前記充填材は発泡体である、請求項１に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項3】
前記充填材は熱硬化性樹脂発泡体である、請求項１から２のいずれか一項に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項4】
前記充填材は熱可塑性樹脂の粉体である、請求項１に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項5】
前記充填材が結晶性熱可塑性樹脂の場合、融点は、前記３Ｄプリンタが造形に用いる樹脂の融点より高く、前記充填材が非晶性熱可塑性樹脂の場合、前記３Ｄプリンタが造形に用いる樹脂のガラス転移点よりも高い、請求項４に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項6】
前記充填材は無機化合物の粉体である、請求項１に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項7】
前記中空成形体は、連続繊維強化熱可塑性樹脂で造形される、請求項１から６のいずれか一項に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項8】
前記上部を造形する工程の後に、前記３Ｄプリンタが造形に用いる樹脂の融点又はガラス転移点以上に昇温した金型を用いて、前記空間が前記充填材で満たされた前記中空成形体をプレス成形する工程を含む、請求項１、４、５、６、７のいずれか一項に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項9】
前記上部を造形する工程の後に、成形体の表面を前記３Ｄプリンタが造形に用いる樹脂の融点又はガラス転移点以上に加熱し、金型を用いて、前記空間が前記充填材で満たされた前記中空成形体をプレス成形する工程を含む、請求項１、４、５、６、７、８のいずれか一項に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項10】
前記中空成形体を造形する工程は、０．１ＭＰａ以上の圧力で造形する、請求項１から９のいずれか一項に記載の中空成形体の製造方法。
【請求項11】
前記充填材は、直径が０．１ｍｍ以下である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の中空成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、中空成形体の製造方法及び中空成形体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、３次元形状の造形物を造形できる３Ｄプリンタが普及してきている。３Ｄプリンタの造形方式として、熱可塑性樹脂等を融解したのち硬化させることで断面層を形成する熱溶解積層方式（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ：ＦＤＭ）が知られている。熱溶解積層方式は材料押出堆積方式とも呼ばれる。
【0003】
３次元形状の造形物が例えば中空である場合に、空間の上部の部材を支持するために、空間にサポート造形物（以下、単に「サポート」と称する）を形成し、対象の造形物とサポートとが一体となった全体造形物を造形することがある。サポートは、造形が終了すると不要になるため、全体造形物から除去される必要がある。例えば特許文献１は、全体造形物からサポートを高精度で除去することができる３次元造形物の製造方法を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－７７６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、サポートは、造形対象である中空の造形物（以下、「中空成形体」と称する）の造形と同時に造形され、造形終了後に中空成形体から除去される。そのため、中空成形体の製造において、サポートの造形及び除去に時間がかかり、材料のコストが高くなるという問題がある。
【0006】
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、造形時間を短縮し、製造コストを低減できる中空成形体の製造方法及び中空成形体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】
本開示の一実施形態に係る中空成形体の製造方法は、
熱溶解積層方式の３Ｄプリンタが、中空成形体の側部を造形する工程と、
造形された中空成形体の底部又はステージと前記側部とで囲まれる空間に充填材を投入して、前記空間を前記充填材で満たす工程と、
前記３Ｄプリンタが、前記側部及び前記充填材の上に前記中空成形体の上部を造形する工程と、を含む。
熱溶解積層方式の３Ｄプリンタが、中空成形体の側部を造形する工程と、
造形された中空成形体の底部又はステージと前記側部とで囲まれる空間に充填材を投入して、前記空間を前記充填材で満たす工程と、
前記３Ｄプリンタが、前記側部及び前記充填材の上に前記中空成形体の上部を造形する工程と、を含む。
【0008】
本開示の一実施形態に係る中空成形体は、
最内層に１０ｃｍ２以上の平面部分が存在する３辺以上の多角形中空積層体のある最内層の平面Ｓｚ１の最大高さであるＳｚ１Ｈと、平面Ｓｚ１の最大低さであるＳｚ１Ｌに対して、その対面にあるいずれかの平面Ｓｚ２の最大高さであるＳｚ２Ｈと、平面Ｓｚ２の最大低さであるＳｚ２Ｌが、Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ＜Ｓｚ１Ｈ＋Ｓｚ１Ｌ≦（Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ）×１．２を満たす。
最内層に１０ｃｍ２以上の平面部分が存在する３辺以上の多角形中空積層体のある最内層の平面Ｓｚ１の最大高さであるＳｚ１Ｈと、平面Ｓｚ１の最大低さであるＳｚ１Ｌに対して、その対面にあるいずれかの平面Ｓｚ２の最大高さであるＳｚ２Ｈと、平面Ｓｚ２の最大低さであるＳｚ２Ｌが、Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ＜Ｓｚ１Ｈ＋Ｓｚ１Ｌ≦（Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ）×１．２を満たす。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、造形時間を短縮し、製造コストを低減できる中空成形体の製造方法及び中空成形体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
（製造システム）
図１は製造システム１の構成例を示す図である。一実施形態に係る中空成形体２０（図３参照）の製造方法は、製造システム１によって実行される。製造システム１は、製造管理装置１０と、３Ｄプリンタ１１と、充填材投入装置１２と、プレス装置１３と、切断装置１４と、充填材除去装置１５と、を備える。
図１は製造システム１の構成例を示す図である。一実施形態に係る中空成形体２０（図３参照）の製造方法は、製造システム１によって実行される。製造システム１は、製造管理装置１０と、３Ｄプリンタ１１と、充填材投入装置１２と、プレス装置１３と、切断装置１４と、充填材除去装置１５と、を備える。
【0012】
製造管理装置１０は中空成形体２０の製造ラインを管理する装置である。製造管理装置１０はプロセスコンピュータであってよい。製造管理装置１０は、３Ｄプリンタ１１、充填材投入装置１２、プレス装置１３、切断装置１４及び充填材除去装置１５のそれぞれと通信して、中空成形体２０の製造に必要な情報の入出力を実行する。製造管理装置１０は、処理を実行する装置を切り替えたり、動作のタイミングを制御したりしてよい。例えば、製造管理装置１０は、３Ｄプリンタ１１によって中空成形体２０の空間が形成された場合に、溶融樹脂が十分に固化する時間をおいてから、充填材投入装置１２に、空間への充填材３０（図４参照）の投入を開始させてよい。
【0013】
３Ｄプリンタ１１は、３次元形状の造形物を造形する３次元造形装置である。本実施形態において、３Ｄプリンタ１１は熱溶解積層方式で造形を行う。図２に示すように、３Ｄプリンタ１１は、熱可塑性樹脂を含む材料（フィラメント）を加熱溶融し、平面内で移動可能なノズル１１０から溶融した材料を押し出し、下から上に（高さ方向に）層を積み上げて造形する。本実施形態において、３Ｄプリンタ１１が造形の対象とする造形物は、内部に空間を有する中空成形体２０である。中空成形体２０の造形の詳細については後述する。ここで、ステージ１１２は造形が行われる台である。ステージ１１２は、例えば金属製である。ステージ１１２は、固定台であってよいし、本実施形態のように上下に可動な台であってよい。
【0014】
３Ｄプリンタ１１が造形に用いる樹脂は、例えば熱可塑性樹脂のみで構成されてよいし、フィラーを含んで構成されてよい。熱可塑性樹脂は、例えばポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリアミド６／１２、ポリアミド６／１０、ポリアミド６Ｉ、ポリアミド６Ｔなどのポリアミド系樹脂であってよいし、ポリエーテルエーテルケトンなどであってよい。フィラーは、例えばガラス繊維、炭素繊維、ガラスビーズ、金属粉、セラミックなどであってよい。本実施形態において、３Ｄプリンタ１１は、連続繊維をフィラーとして含む連続繊維強化熱可塑性樹脂を用いる。連続繊維強化熱可塑性樹脂は固化した場合に高強度であって、中空成形体２０の造形に適している。
【0015】
充填材投入装置１２は、中空成形体２０の空間に充填材３０を投入する。充填材３０は、粉体又は発泡体であって、造形中の中空成形体２０の空間を埋めるものである。充填材３０の詳細については後述する。
【0016】
プレス装置１３は、上側の金型と下側の金型との間に中空成形体２０を挟んで、プレス成形する。プレス成形によって、中空成形体２０の形状を整えることができる。また、プレス装置１３は、充填材３０が中空成形体に導入されている状態で中空成形体を加熱・軟化させて３Ｄプリンタ１１のノズル１１０が造形の際にかける圧力よりも強い圧力を中空成形体２０にかけて、中空成形体２０の機械物性と外観を高めることができる。
【0017】
切断装置１４は、造形中の中空成形体２０の一部を切断する。本実施形態において、切断装置１４は、中空成形体２０の空間を埋めている充填材３０を取り出すための開口部を形成するために、中空成形体２０の一部の側面を切断する。ここで、中空成形体２０が底部２０１（図４参照）を有しておらず、底面部分がそのまま開口部となる場合に、切断装置１４による処理は実行されなくてよい。また、充填材３０が発泡体の場合、切断装置１４による処理は実行されなくてよい。発泡体が中空成形体の中空部分の空間を埋めたまま使用することで軽量かつ高剛性な中空成形体とすることが出来る。
【0018】
充填材除去装置１５は、中空成形体２０の空間を埋めている充填材３０を除去する。充填材除去装置１５は、例えば造形中の中空成形体２０を、切断装置１４によって形成された開口部が下になるように傾けて、開口部から充填材３０を流出させる装置であってよい。また、充填材３０が発泡体の場合、充填材除去装置１５による処理は実行されなくてよい。発泡体が中空成形体の中空部分の空間を埋めたまま使用することで軽量かつ高剛性な中空成形体とすることが出来る。
【0019】
（中空成形体）
図３は、上記の製造システム１を用いて造形される最終的な（造形完了後の）中空成形体２０を例示する図である。中空成形体２０は、内部に空間を有しており、側面に空間に通じる開口部を有する。以下、中空成形体２０の空間を囲む底面部分は、底部２０１と称される。また、中空成形体２０の空間を囲む側面部分は、側部２０２と称される。また、中空成形体２０の空間を囲む上面（天面）部分は、上部２０３と称される。本実施形態において、造形中の中空成形体２０は、開口部を覆う側面部分である仮置き側部２０４を有する。仮置き側部２０４は、側部２０２とともに充填材３０を空間に留めるための部材であって、造形完了前に切断されて除去される。
図３は、上記の製造システム１を用いて造形される最終的な（造形完了後の）中空成形体２０を例示する図である。中空成形体２０は、内部に空間を有しており、側面に空間に通じる開口部を有する。以下、中空成形体２０の空間を囲む底面部分は、底部２０１と称される。また、中空成形体２０の空間を囲む側面部分は、側部２０２と称される。また、中空成形体２０の空間を囲む上面（天面）部分は、上部２０３と称される。本実施形態において、造形中の中空成形体２０は、開口部を覆う側面部分である仮置き側部２０４を有する。仮置き側部２０４は、側部２０２とともに充填材３０を空間に留めるための部材であって、造形完了前に切断されて除去される。
【0020】
【0021】
まず、３Ｄプリンタ１１によって中空成形体２０の底部２０１が造形される（図４の（ａ）参照）。
【0022】
底部２０１の上に、３Ｄプリンタ１１によって側部２０２が造形される（図４の（ｂ）参照）。このとき、空間の手前側及び奥側に仮置き側部２０４が造形される。つまり、底部２０１、側部２０２及び仮置き側部２０４で囲まれる空間が形成される。
【0023】
この空間の開いている上方から、充填材投入装置１２によって充填材３０が投入される。空間は充填材３０によって、隙間なく埋められる（図４の（ｃ）参照）。
【0024】
側部２０２、仮置き側部２０４及び充填材３０の上に、３Ｄプリンタ１１によって上部２０３が造形される（図４の（ｄ）参照）。
【0025】
また、上部２０３を造形する工程の後に、プレス装置１３によって中空成形体２０がプレス成形される。ここで、３Ｄプリンタ１１によって中空成形体２０を造形する工程においてもノズル１１０によって圧力が加えられている。本実施形態において、ノズル１１０は、層間の接着強度が低下しないように、０．１ＭＰａ以上の圧力を加える。１ＭＰａ以上の圧力で中空成形体２０が造形されることがさらに好ましい。プレス装置１３によるプレス成形における圧力は特に限定されないが、少なくともノズル１１０がかける圧力よりも強い圧力に設定される。
【0026】
そして、図５に示すように、切断装置１４によって仮置き側部２０４が除去される。中空成形体２０の空間を埋めていた充填材３０は、充填材除去装置１５によって、仮置き側部２０４を除いたあとの開口部から除去される。このような工程を経て、中空成形体２０が造形される（図４の（ｅ）参照）。
【0027】
（充填材）
ここで、中空成形体２０の空間を埋めるのに用いられる充填材３０は、上記のように粉体又は発泡体である。充填材３０は、例えば直径が０．１ｍｍ以下の微小粒子で構成され、空間の形状に関係なく空間を隙間なく埋めることができる。そのため、上部２０３は全体が支持された状態で安定して造形される。また、充填材３０によって空間が隙間なく埋められるので、プレス成形によって中空成形体２０が変形することがない。
ここで、中空成形体２０の空間を埋めるのに用いられる充填材３０は、上記のように粉体又は発泡体である。充填材３０は、例えば直径が０．１ｍｍ以下の微小粒子で構成され、空間の形状に関係なく空間を隙間なく埋めることができる。そのため、上部２０３は全体が支持された状態で安定して造形される。また、充填材３０によって空間が隙間なく埋められるので、プレス成形によって中空成形体２０が変形することがない。
【0028】
また、充填材３０は表面が滑らかな粉体又は発泡体である。そのため、充填材３０は、開口部から容易に除去されて、空間の壁面に残るようなことがない。例えば、充填材除去装置１５によって、開口部が下になるように中空成形体２０を手前側又は奥側に傾けることで、充填材３０を空間に残さずに容易に除去することが可能である。また、除去された充填材３０は、別の中空成形体２０の造形で再利用され得る。そのため、中空成形体２０と同じ材料のサポート４０（図７参照）又は洗い流して除去する支持材を用いる場合と比較して、製造コストを低減させることができる。
【0029】
充填材３０は無機化合物の粉体であってよい。無機化合物は、例えばアルミ、鉄などの金属を含んでよい。充填材３０が無機化合物の粉体である場合、充填材３０は一般に融点が高いため、熱に対して安定である。
【0030】
充填材３０は熱可塑性樹脂の粉体であってよい。熱可塑性樹脂は、３Ｄプリンタ１１が造形に用いる樹脂に応じて選択される。つまり、３Ｄプリンタ１１のノズル１１０の熱によって充填材３０が溶解して空間の壁面に残るようなことがないように、熱可塑性樹脂が選択される。充填材３０が結晶性熱可塑性樹脂の場合、その融点が、３Ｄプリンタ１１が造形に用いる樹脂の融点より高い樹脂が選択される。また、充填材３０が非晶性熱可塑性樹脂の場合、その融点が、３Ｄプリンタ１１が造形に用いる樹脂のガラス転移点よりも高い樹脂が選択される。
【0031】
充填材３０は熱硬化性樹脂発泡体であってよい。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、メラミン樹脂などが用いられてよい。また、これらのうちの二種以上の組み合わせが用いられてよい。
【0032】
ここで、３Ｄプリンタ１１がレーザーを照射して溶解させた樹脂を用いて中空成形体２０を造形するものである場合に、充填材３０はレーザーを吸光しにくい性質を有することが好ましい。充填材３０がレーザーの熱によって溶解することがないように、充填材３０として、例えばレーザーの吸光率が５０％以下である粉体又は発泡体が選択されることが好ましい。
【0033】
（製造方法）
図６は、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法を示すフローチャートである。上記の製造システム１及び充填材３０を用いて図６のフローチャートで示される製造方法が実行されることによって、中空成形体２０が製造される。
図６は、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法を示すフローチャートである。上記の製造システム１及び充填材３０を用いて図６のフローチャートで示される製造方法が実行されることによって、中空成形体２０が製造される。
【0034】
３Ｄプリンタ１１は、製造対象の造形物である中空成形体２０が底部２０１を有する場合に（ステップＳ１のＹｅｓ）、ステージ１１２の上に底部２０１を造形する（ステップＳ２）。そして、３Ｄプリンタ１１は、底部２０１の上に側部２０２を造形する（ステップＳ３）。
【0035】
３Ｄプリンタ１１は、製造対象の造形物である中空成形体２０が底部２０１を有しない場合に（ステップＳ１のＮｏ）、ステージ１１２の上に側部２０２を造形する（ステップＳ３）。
【0036】
充填材投入装置１２は、造形された中空成形体２０の底部２０１又はステージ１１２と側部２０２とで囲まれる空間に充填材３０を投入して、空間を充填材３０で満たす（ステップＳ４）。
【0037】
３Ｄプリンタ１１は、側部２０２及び充填材３０の上に中空成形体２０の上部２０３を造形する（ステップＳ５）。
【0038】
プレス装置１３は、空間が充填材３０で満たされた中空成形体２０をプレス成形する（ステップＳ６）。プレス成形は、３Ｄプリンタ１１が造形に用いる樹脂の融点又はガラス転移点以上に昇温した金型を用いて行われてよい。また、プレス成形は、この成形体の表面を３Ｄプリンタ１１が造形に用いる樹脂の融点又はガラス転移点以上に加熱し、金型を用いて行われてよい。このようなプレス成形によって、中空成形体２０の強度を高め、表面を滑らかに加工することができる。
【0039】
中空成形体２０が底部２０１を有する場合に、切断装置１４は、空間が充填材３０で満たされた中空成形体２０の仮置き側部２０４を切断して、中空成形体２０に開口部を形成する（ステップＳ７）。また、中空成形体２０が底部２０１を有しない場合に、３Ｄプリンタ１１は、中空成形体２０からステージ１１２を離すことによって、中空成形体２０の底面部分を開口部とする（開口部を形成する）。
【0040】
充填材除去装置１５は、開口部から空間に満たされた充填材３０を除去する（ステップＳ８）。
【0041】
以下、本開示を実施例及び比較例に基づいて説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。
【0042】
（原材料）
実施例及び比較例で使用した原材料は以下のとおりである。
＜＜充填剤＞＞
・熱可塑性発泡樹脂（ダイセル・エボニック株式会社製「ロハセル３１ ＩＧ／ＩＧ－Ｆ」、ポリメタクリルイミド硬質発泡体、密度３１ ｋｇ／ｍ３）
・熱可塑性粉体（ダイセル・エボニック株式会社製「ベスタキープ ２０００ＦＰ ｐｏｗｄｅｒ」、ポリエーテルエーテルケトン樹脂パウダー、融点３４０℃、直径１０～５０ μｍ）
＜＜３Ｄプリンタの造形で使用する樹脂＞＞
・熱可塑性樹脂（Ｍａｒｋｆｏｒｇｅｄ社製「ＯＮＹＸ」、カーボン短繊維強化ポリアミド樹脂、融点２００℃）
・熱可塑性樹脂（Ｍａｒｋｆｏｒｇｅｄ社製「Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ」、カーボン連続繊維強化ポリアミド樹脂、融点２００℃）
実施例及び比較例で使用した原材料は以下のとおりである。
＜＜充填剤＞＞
・熱可塑性発泡樹脂（ダイセル・エボニック株式会社製「ロハセル３１ ＩＧ／ＩＧ－Ｆ」、ポリメタクリルイミド硬質発泡体、密度３１ ｋｇ／ｍ３）
・熱可塑性粉体（ダイセル・エボニック株式会社製「ベスタキープ ２０００ＦＰ ｐｏｗｄｅｒ」、ポリエーテルエーテルケトン樹脂パウダー、融点３４０℃、直径１０～５０ μｍ）
＜＜３Ｄプリンタの造形で使用する樹脂＞＞
・熱可塑性樹脂（Ｍａｒｋｆｏｒｇｅｄ社製「ＯＮＹＸ」、カーボン短繊維強化ポリアミド樹脂、融点２００℃）
・熱可塑性樹脂（Ｍａｒｋｆｏｒｇｅｄ社製「Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ」、カーボン連続繊維強化ポリアミド樹脂、融点２００℃）
【0043】
３ＤプリンタはＭａｒｋｆｏｒｇｅｄ社製のＭａｒｋＴｗｏを使用して造形を実施した。また、その際の造形条件としては下記の通りとした。
・Ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｏｎｙｘ
・Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ
・Ｆｉｂｅｒ Ｌａｙｅｒｓ：設定値で最大
・Ｆｉｂｅｒ Ａｎｇｌｅｓ：奥行き方向に配向
・Ｆｉｂｅｒ Ｆｉｌｌ Ｔｙｐｅ：Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｆｉｂｅｒ
・Ｌａｙｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ：０．１μｍ
・Ｆｉｌｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ：５０％
・Ｆｉｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎ：Ｔｒｉｎｇｕｌａｒ
・Ｒｏｏｆ＆Ｆｌｏｏｒ Ｌａｙｅｒｓ：４
・Ｗａｌｌ Ｌａｙｅｒｓ：２
・Ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｏｎｙｘ
・Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ
・Ｆｉｂｅｒ Ｌａｙｅｒｓ：設定値で最大
・Ｆｉｂｅｒ Ａｎｇｌｅｓ：奥行き方向に配向
・Ｆｉｂｅｒ Ｆｉｌｌ Ｔｙｐｅ：Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｆｉｂｅｒ
・Ｌａｙｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ：０．１μｍ
・Ｆｉｌｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ：５０％
・Ｆｉｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎ：Ｔｒｉｎｇｕｌａｒ
・Ｒｏｏｆ＆Ｆｌｏｏｒ Ｌａｙｅｒｓ：４
・Ｗａｌｌ Ｌａｙｅｒｓ：２
【0044】
（実施例１）
ＭａｒｋＴｗｏを使用し、外形で幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍ、中空部分には熱硬化発泡樹脂が配置された中空成形体を造形した。
ＭａｒｋＴｗｏを使用し、外形で幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍ、中空部分には熱硬化発泡樹脂が配置された中空成形体を造形した。
【0045】
具体的には、まずＭａｒｋＴｗｏで造形を設定する際にＵｓｅ Ｓｕｐｐｏｒｔをオフとしてサポート材を造形しない設定とした。そして造形を開始し、底面部分と側部を造形して天面を造形する直前に造形を停止し、幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍの熱硬化発泡樹脂を中空部分に導入した。その後、造形を再開して側部と熱硬化発泡樹脂の上に天面を造形した。
【0046】
実施例１は比較例と比較して造形時間が短く、中空部分に熱硬化発泡樹脂が存在することで曲げ剛性が高い中空成形体が得られた。
【0047】
＜内壁の最大高さ及び最大低さの測定方法＞
最大高さ（平面からの隆起）及び最大低さ（造形品におけるフィラメントとフィラメント間の凹み）の測定はＫＥＹＥＮＣＥ製３次元測定器（コントローラ：ＶＬ―５００、ステージ：Ｖｌ－５５０、測定部：ＶＬ－５７０）を使用した。造形した中空成形体をバンドソーで底面部分、側部、天面に分解し、底面部分の内壁（平面Ｓｚ２）と天面部分の内壁（平面Ｓｚ１）を測定し、比較した。分解する際は分解後の内壁の面積が中空成形体のときの内壁の面積を可能な限り保ち、極端に小さくなることがないように分解する。最大高さの測定方法としては、分解した内壁の最大高さを持つ点から、分解した内壁の端点３点を結んでつくられる基準面に対して、直角に下した直線を最大高さとした（図１０参照）。また、最大低さの測定方法としては、分解した内壁の最大低さを持つ点から、分解した内壁の端点３点を結んでつくられる基準面に対して、直角に下した直線を最大低さとした（図１０参照）。また、分解した内壁が四角形の場合、端点３点の選び方は４通りあり、４つの基準面をつくることが出来るため４つの基準面に対して４つの最大高さを測定し、その平均値を最大高さとした。ここで、分解した平面が多角形の場合はその全ての端点を測定した平均値でよく、分解した平面が角を持たない形状の場合は４通り以上の端点３点の選択をしてその平均値で判断してよい。
最大高さ（平面からの隆起）及び最大低さ（造形品におけるフィラメントとフィラメント間の凹み）の測定はＫＥＹＥＮＣＥ製３次元測定器（コントローラ：ＶＬ―５００、ステージ：Ｖｌ－５５０、測定部：ＶＬ－５７０）を使用した。造形した中空成形体をバンドソーで底面部分、側部、天面に分解し、底面部分の内壁（平面Ｓｚ２）と天面部分の内壁（平面Ｓｚ１）を測定し、比較した。分解する際は分解後の内壁の面積が中空成形体のときの内壁の面積を可能な限り保ち、極端に小さくなることがないように分解する。最大高さの測定方法としては、分解した内壁の最大高さを持つ点から、分解した内壁の端点３点を結んでつくられる基準面に対して、直角に下した直線を最大高さとした（図１０参照）。また、最大低さの測定方法としては、分解した内壁の最大低さを持つ点から、分解した内壁の端点３点を結んでつくられる基準面に対して、直角に下した直線を最大低さとした（図１０参照）。また、分解した内壁が四角形の場合、端点３点の選び方は４通りあり、４つの基準面をつくることが出来るため４つの基準面に対して４つの最大高さを測定し、その平均値を最大高さとした。ここで、分解した平面が多角形の場合はその全ての端点を測定した平均値でよく、分解した平面が角を持たない形状の場合は４通り以上の端点３点の選択をしてその平均値で判断してよい。
【0048】
（実施例２）
ＭａｒｋＴｗｏを使用し、まずは外形で幅１００ｍｍ×奥行き１２０ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１１０ｍｍ×高さ８０ｍｍの中に熱可塑性樹脂粉体が配置された成形体を造形した。その後、熱可塑性樹脂粉体を取り除くことで外形は幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍの中空成形体を得た。
ＭａｒｋＴｗｏを使用し、まずは外形で幅１００ｍｍ×奥行き１２０ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１１０ｍｍ×高さ８０ｍｍの中に熱可塑性樹脂粉体が配置された成形体を造形した。その後、熱可塑性樹脂粉体を取り除くことで外形は幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍの中空成形体を得た。
【0049】
具体的には、まずＭａｒｋＴｗｏで造形を設定する際にＵｓｅ Ｓｕｐｐｏｒｔをオフとしてサポート材を造形しない設定とした。そして造形を開始し、底面部分と側部を造形して天面を造形する直前に造形を停止し、熱可塑性樹脂粉体を隙間なく充填した。その後、造形を再開して側部と熱可塑性樹脂粉体の上に天面を造形した。さらに成形体の奥行き方向の手前と奥の１０ｍｍをカットして熱可塑性樹脂粉体を取り除くことで外形は幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍの中空成形体を得た。
【0050】
実施例２は比較例と比較して造形時間が短く、天面の樹脂の垂れ下がりが無く、天面の熱可塑性樹脂粉体に触れた部分は平滑性に優れた中空成形体が得られた。
【0051】
（実施例３）
ＭａｒｋＴｗｏを使用し、まずは外形で幅１００ｍｍ×奥行き１２０ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１１０ｍｍ×高さ８０ｍｍの中に熱可塑性樹脂粉体が配置された成形体を造形した。その後、短波長赤外線ヒーター（へレウス製）で本成形体の表面温度を２５０℃まで加熱したのち、１２０℃に加熱した熱盤で底面部分と天面部分を挟み込み、成形体に５ＭＰａの圧力がかかるようにプレス成形を実施した。さらに、短波長赤外線ヒーターで本成形体の表面温度を２５０℃まで加熱したのち、１２０℃に加熱した熱盤で側面部分を挟み込み、成形体に５ＭＰａの圧力がかかるようにプレス成形を実施した。そして成形体の奥行き方向の手前と奥の１０ｍｍをカットして熱可塑性樹脂粉体を取り除くことで外形は幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍの中空成形体を得た。実施例３ではプレス成形を実施する以外は実施例２と同様にして中空成形体を製造した。
ＭａｒｋＴｗｏを使用し、まずは外形で幅１００ｍｍ×奥行き１２０ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１１０ｍｍ×高さ８０ｍｍの中に熱可塑性樹脂粉体が配置された成形体を造形した。その後、短波長赤外線ヒーター（へレウス製）で本成形体の表面温度を２５０℃まで加熱したのち、１２０℃に加熱した熱盤で底面部分と天面部分を挟み込み、成形体に５ＭＰａの圧力がかかるようにプレス成形を実施した。さらに、短波長赤外線ヒーターで本成形体の表面温度を２５０℃まで加熱したのち、１２０℃に加熱した熱盤で側面部分を挟み込み、成形体に５ＭＰａの圧力がかかるようにプレス成形を実施した。そして成形体の奥行き方向の手前と奥の１０ｍｍをカットして熱可塑性樹脂粉体を取り除くことで外形は幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ、内形で幅８０ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ８０ｍｍの中空成形体を得た。実施例３ではプレス成形を実施する以外は実施例２と同様にして中空成形体を製造した。
【0052】
実施例３は比較例と比較して造形時間が短く、天面の樹脂の垂れ下がりが無く、天面の熱可塑性樹脂粉体に触れた部分は平滑性に優れ、外観の平滑性に優れた中空成形体が得られた。
【0053】
（比較例）
ここで、図７は比較例の中空成形体２０を示す図である。図７に示される中空成形体２０は、空間にサポート４０を形成し、対象の造形物とサポート４０とが一体となった全体造形物を造形する従来技術で製造される。ここで、サポート４０は、中空成形体２０と同じ材料で造形される。そのため、仮に空間をサポート４０で満たすと材料のコストが高くなる。図７に示すように、離散的にサポート４０を配置するとしても、サポート４０の造形及び除去に時間がかかる。さらに、上部２０３が造形された場合に、サポート４０の直上にない部分が支持されずに垂れ下がって変形したため、実施例２及び３と異なりＳｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ＜Ｓｚ１Ｈ＋Ｓｚ１Ｌ≦（Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ）×１．２は満たさなかった。ここで、上記の平面Ｓｚ１の最大高さがＳｚ１Ｈ、最大低さがＳｚ１Ｌである。また、上記の平面Ｓｚ２の最大高さがＳｚ２Ｈ、最大低さがＳｚ２Ｌである。また、一般的に熱溶解積層方式でサポート材料を使用して造形した場合、サポート材を除去した面となる内部空間壁面は荒れて平滑性が低いという問題も生じる。更に、垂れ下がりの変形が発生することで天面部分の物性は低下するという問題も生じる。
ここで、図７は比較例の中空成形体２０を示す図である。図７に示される中空成形体２０は、空間にサポート４０を形成し、対象の造形物とサポート４０とが一体となった全体造形物を造形する従来技術で製造される。ここで、サポート４０は、中空成形体２０と同じ材料で造形される。そのため、仮に空間をサポート４０で満たすと材料のコストが高くなる。図７に示すように、離散的にサポート４０を配置するとしても、サポート４０の造形及び除去に時間がかかる。さらに、上部２０３が造形された場合に、サポート４０の直上にない部分が支持されずに垂れ下がって変形したため、実施例２及び３と異なりＳｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ＜Ｓｚ１Ｈ＋Ｓｚ１Ｌ≦（Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ）×１．２は満たさなかった。ここで、上記の平面Ｓｚ１の最大高さがＳｚ１Ｈ、最大低さがＳｚ１Ｌである。また、上記の平面Ｓｚ２の最大高さがＳｚ２Ｈ、最大低さがＳｚ２Ｌである。また、一般的に熱溶解積層方式でサポート材料を使用して造形した場合、サポート材を除去した面となる内部空間壁面は荒れて平滑性が低いという問題も生じる。更に、垂れ下がりの変形が発生することで天面部分の物性は低下するという問題も生じる。
【0054】
【0055】
【表1】
【0056】
上記のように、製造システム１は、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法を実行することによって、サポート４０を造形することなく中空成形体２０を製造できる。よって、比較例との対比から明らかなように、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法は、中空成形体２０の造形時間を短縮し、製造コストを低減できる。
【0057】
また、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法において、空間を充填材３０で満たしてから上部２０３が造形される。そのため、比較例との対比から明らかなように、上部２０３が垂れ下がって変形することがない。つまり、中空成形体２０の外観を良くすることができるとともに、垂れ下がった面が発生しないことで物性が低下しない。
【0058】
また、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法において、空間を充填材３０で満たした状態でプレス成形を実行することができる。そのため、ノズル１１０がかける圧力よりも強い圧力をかけて、中空成形体２０を変形させることなく成形できる。よって、中空成形体２０の機械物性（強度及び耐久性など）を高めることができる。
【0059】
本開示を図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段及びステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【0060】
図１に示される製造システム１の構成要素は例示である。製造システム１は、図１に示される構成要素の一部を含まない構成であってよい。製造システム１は、図１に示されていない構成要素を備えてよい。例えば製造システム１は、プレス装置１３を備えない構成であってよい。このとき、製造システム１によって実行される中空成形体２０の製造方法は、中空成形体２０をプレス成形する工程（図６のステップＳ６）を含まなくてよい。例えば製造システム１は、充填材投入装置１２を備えない構成であってよい。このとき、中空成形体２０の製造方法において、製造システム１の管理者が、手動で空間に充填材３０を投入してよい。例えば製造システム１は、充填材除去装置１５を備えない構成であってよい。このとき、中空成形体２０の製造方法において、製造システム１の管理者が、手動で開口部から充填材３０を取り出してよい。
【0061】
上記で例示した中空成形体２０は、内部の空間の形状が単純な直方体である。ただし、中空成形体２０の空間の形状は限定されず、複雑なものであってよい。例えば、中空成形体２０は階段状、角柱状、角錐状、円錐状、これらのうちの複数の組み合わせなどの形状の空間を有してよい。特に空間の形状が複雑である場合に、従来技術ではサポート４０の除去が困難であった。本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法では、空間の形状に関係なく、容易に充填材３０を満たし、除去することが可能である。つまり、本実施形態に係る中空成形体２０の製造方法は、空間の形状が複雑な中空成形体２０の製造に好適である。
【0062】
また、上記の実施例２及び３は、底面部分の内壁（Ｓｚ２）と天面部分の内壁（Ｓｚ１）との関係において、Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ＜Ｓｚ１Ｈ＋Ｓｚ１Ｌ≦（Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ）×１．２を満たす。ここで、中空成形体２０が実施例２及び３のように断面が四角形の空間を有する場合に限らず、製造システム１によって製造される、最内層（内部の空間の内壁）に１０ｃｍ２以上の平面部分が存在する３辺以上の多角形中空積層体は、良好にＳｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ＜Ｓｚ１Ｈ＋Ｓｚ１Ｌ≦（Ｓｚ２Ｈ＋Ｓｚ２Ｌ）×１．２を満たす。ここで、断面が例えば五角形の場合に、ある平面（Ｓｚ１に対応）の対面にある平面（Ｓｚ２に対応）は１つでなく２つであるが、対面にあるいずれかの平面を用いればよい。
【符号の説明】
【0063】
１ 製造システム
１０ 製造管理装置
１１ ３Ｄプリンタ
１２ 充填材投入装置
１３ プレス装置
１４ 切断装置
１５ 充填材除去装置
２０ 中空成形体
３０ 充填材
４０ サポート
１１０ ノズル
１１２ ステージ
２０１ 底部
２０２ 側部
２０３ 上部
２０４ 仮置き側部
１０ 製造管理装置
１１ ３Ｄプリンタ
１２ 充填材投入装置
１３ プレス装置
１４ 切断装置
１５ 充填材除去装置
２０ 中空成形体
３０ 充填材
４０ サポート
１１０ ノズル
１１２ ステージ
２０１ 底部
２０２ 側部
２０３ 上部
２０４ 仮置き側部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】