JP7028690B2 - 熱溶融積層造形方法、熱溶融積層造形物の製造方法、および熱溶融積層造形物を一部に備えた構造 - Google Patents
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Description
本発明は、熱溶融積層造形物の融着による接合技術に関する。
従来、積層造形を含むAdditive Manufacturing技術は、主として試作や治具等、製品開発における補助ツールとして利用されてきたが、昨今では、積層造形により成形された積層造形物を製品の一部として使用するための開発が行われている。
そうした開発により、一般的な熱溶融積層造形装置（いわゆる３Ｄ（３次元）プリンタ）を使用した、耐熱温度の高いPEEK（ポリエーテルエーテルケトン）等の熱可塑性樹脂材料による熱溶融積層造形が実現している（例えば、特許文献１）。
熱溶融積層造形は、造形対象の各層の形状を示すスライスデータに基づいて、溶融した樹脂材料をノズルから１層ずつ配置する処理を繰り返すことで積層造形物を得る。各層の熱可塑性樹脂は互いに融着する。
耐熱温度の高い熱可塑性樹脂材料により得られた熱溶融積層造形物は、耐熱性が要求される航空機の部材としても好適である。
そうした開発により、一般的な熱溶融積層造形装置（いわゆる３Ｄ（３次元）プリンタ）を使用した、耐熱温度の高いPEEK（ポリエーテルエーテルケトン）等の熱可塑性樹脂材料による熱溶融積層造形が実現している（例えば、特許文献１）。
熱溶融積層造形は、造形対象の各層の形状を示すスライスデータに基づいて、溶融した樹脂材料をノズルから１層ずつ配置する処理を繰り返すことで積層造形物を得る。各層の熱可塑性樹脂は互いに融着する。
耐熱温度の高い熱可塑性樹脂材料により得られた熱溶融積層造形物は、耐熱性が要求される航空機の部材としても好適である。
プレス成形等により得られた繊維強化樹脂部材の上に、３ＤプリンタによりPEEK等を用いて積層造形物を成形しかつ繊維強化樹脂部材と融着させる試みを行う中で、積層造形物と繊維強化樹脂部材とを融着できない、あるいは融着による接合強度が不足するという課題にあたった。これは、３Ｄプリンタによる熱溶融積層造形過程において、使用する樹脂を軟化または溶融させた状態として他の部材と融着させることが難しいためである。
積層造形過程を経て、低い接合強度で積層造形物と別部材とが接合された構造を、オーブン等に入れて加熱し接合箇所を融着させると、構造全体が加熱されるため、構造の変形や特性の低下が起こる可能性がある。
積層造形過程を経て、低い接合強度で積層造形物と別部材とが接合された構造を、オーブン等に入れて加熱し接合箇所を融着させると、構造全体が加熱されるため、構造の変形や特性の低下が起こる可能性がある。
以上を踏まえて、本発明の発明者は、近赤外線吸収剤を樹脂に分散させた材料を熱溶融積層造形物に適用することを着想した。この近赤外線吸収剤入りの材料を用いる技術がP-WaveTM/PTIRTM工法（Kubota Research社の米国登録商標）として知られている。
本発明は、任意の方法で成形された部材に対して融着可能に熱溶融積層造形する方法、熱溶融積層造形物を他の部材と十分に融着可能な方法、および熱溶融積層造形物を少なくとも一部に含む構造を提供することを目的とする。
本発明は、任意の方法で成形された部材に対して融着可能に熱溶融積層造形する方法、熱溶融積層造形物を他の部材と十分に融着可能な方法、および熱溶融積層造形物を少なくとも一部に含む構造を提供することを目的とする。
本発明は、成形されている部材に対して、後からでも融着可能に熱溶融積層造形を行う方法であって、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収材料を熱溶融積層造形により部材に設けるステップと、熱可塑性樹脂材料を熱溶融積層造形により近赤外線吸収材料に設けるステップと、を有することを特徴とする。
本発明において「近赤外線」は、約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの波長域の電磁波を言うものとする。
また、本発明は、融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、上述した熱溶融積層造形方法により得られた熱溶融積層造形物において近赤外線吸収材料から形成された近赤外線吸収部に、熱可塑性樹脂材料から形成された造形本体部あるいは部材を介して近赤外線を照射することで熱溶融積層造形物と部材とを融着させるステップと、を有することを特徴とする。
さらに、本発明は、融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、熱可塑性樹脂材料を用いて熱溶融積層造形により造形本体部を造形するステップに連続して、造形本体部に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収材料を用いて熱溶融積層造形により近赤外線吸収部を設けるステップと、造形本体部、および近赤外線吸収部を有する熱溶融積層造形物における近赤外線吸収部側に、部材を配置するステップと、近赤外線吸収部に、造形本体部あるいは部材を介して近赤外線を照射することで熱溶融積層造形物と部材とを融着させるステップと、を有することを特徴とする。
そして、本発明は、融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、熱溶融積層造形物および部材のいずれか一方に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収部を設けるステップと、一方である部材に設けられた近赤外線吸収部に、他方を熱溶融積層造形により造形する、あるいは、一方に設けられた近赤外線吸収部に、他方を配置するステップと、近赤外線吸収部に、熱溶融積層造形物あるいは部材を介して近赤外線を照射することで熱溶融積層造形物と部材とを融着させるステップと、を有することを特徴とする。
本発明は、融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、熱溶融積層造形物および部材の間に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収部を配置するステップと、近赤外線吸収部に、熱溶融積層造形物あるいは部材を介して近赤外線を照射することで熱溶融積層造形物と部材とを融着させるステップと、を有することを特徴とする。
本発明の構造の製造方法において、熱溶融積層造形物と部材との全体として、少なくとも一部にオーバーハング形状を含む構造を得ることができる。
本発明の構造の製造方法において、構造は、航空機に備えられることが好ましい。
本発明の構造は、熱溶融積層造形により成形された熱溶融積層造形物、および熱溶融積層造形物と接合されている部材の間に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤が存在していることを特徴とする。
本発明によれば、熱溶融積層造形の過程においては部材と熱溶融積層造形物とが融着不可能あるいは十分に融着しない場合であっても、部材と熱溶融積層造形物との接合箇所に存在する近赤外線吸収部に近赤外線を照射することで、部材と熱溶融積層造形物とが融着により十分に接合された構造を得ることができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態は、熱溶融積層造形により得られる熱溶融積層造形物を近赤外線および近赤外線吸収材料を用いて他の部材に融着させ、熱溶融積層造形物を少なくとも一部に含む構造を製造する技術を開示する。
本明細書において「融着」は、融点近傍あるいは融点以上にまで加熱されることで軟化または溶融した熱可塑性樹脂が他の部材と接触することで、他の部材と結合されることを言うものとする。
本発明の実施形態は、熱溶融積層造形により得られる熱溶融積層造形物を近赤外線および近赤外線吸収材料を用いて他の部材に融着させ、熱溶融積層造形物を少なくとも一部に含む構造を製造する技術を開示する。
本明細書において「融着」は、融点近傍あるいは融点以上にまで加熱されることで軟化または溶融した熱可塑性樹脂が他の部材と接触することで、他の部材と結合されることを言うものとする。
本発明の実施形態は、３Ｄプリンタ等を用いた熱溶融積層造形により他の部材上に造形した熱溶融積層造形物が、積層造形過程によっては他の部材と十分には融着されない場合であっても、熱溶融積層造形物と他の部材との融着による接合を実現する。そのために、接合箇所に近赤外線吸収材料を配置する。
本発明の実施形態は、他の部材と融着される熱溶融積層造形物に使用されている熱可塑性樹脂材料の融点が汎用の樹脂材料と比べて高い場合等、熱溶融積層造形過程において熱可塑性樹脂材料を軟化または溶融に必要な温度（融点近傍あるいは融点以上）にすることが難しい場合に好適である。
本発明の実施形態は、他の部材と融着される熱溶融積層造形物に使用されている熱可塑性樹脂材料の融点が汎用の樹脂材料と比べて高い場合等、熱溶融積層造形過程において熱可塑性樹脂材料を軟化または溶融に必要な温度（融点近傍あるいは融点以上）にすることが難しい場合に好適である。
〔第１実施形態〕
図１に示す構造１は、融着により互いに接合された熱溶融積層造形物１０（以下、積層造形物１０）と部材２０とを含んで構成されている。構造１は、後述する方法により製造される。
図１に示す構造１は、融着により互いに接合された熱溶融積層造形物１０（以下、積層造形物１０）と部材２０とを含んで構成されている。構造１は、後述する方法により製造される。
（積層造形物）
積層造形物１０は、熱可塑性樹脂材料を用いて熱溶融積層造形（FDM；Fused Deposition Modeling）により成形されている。熱可塑性樹脂材料としては、非晶性および結晶性のいずれでも良く、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフタルアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニルサルフォン、ポリサルフォン、およびポリエーテルサルフォン等を挙げることができる。
積層造形物１０は、熱可塑性樹脂材料を用いて熱溶融積層造形（FDM；Fused Deposition Modeling）により成形されている。熱可塑性樹脂材料としては、非晶性および結晶性のいずれでも良く、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフタルアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニルサルフォン、ポリサルフォン、およびポリエーテルサルフォン等を挙げることができる。
積層造形物１０を構成する熱可塑性樹脂材料は、構造１の使用を考慮して適切な耐熱性を有していることが好ましい。耐熱性の指標は、連続使用温度や、熱変形温度（荷重たわみ温度）等であってよい。
汎用の熱可塑性樹脂材料（例えばポリエチレンやポリプロピレン）と比べて熱変形温度が高い樹脂材料としては、例えば、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフタルアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニルサルフォン、ポリサルフォン、およびポリエーテルサルフォン等を挙げることができる。ここに挙げた材料は、融点が９５～１６５℃程度である汎用の熱可塑性樹脂材料と比べて融点も高い。特に、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、およびポリアミドイミド（ＰＡＩ）の融点は高い。それらの融点は２９０～３３０℃程度である。
汎用の熱可塑性樹脂材料（例えばポリエチレンやポリプロピレン）と比べて熱変形温度が高い樹脂材料としては、例えば、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフタルアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニルサルフォン、ポリサルフォン、およびポリエーテルサルフォン等を挙げることができる。ここに挙げた材料は、融点が９５～１６５℃程度である汎用の熱可塑性樹脂材料と比べて融点も高い。特に、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、およびポリアミドイミド（ＰＡＩ）の融点は高い。それらの融点は２９０～３３０℃程度である。
（部材）
部材２０は、任意の方法により、適宜な形状に成形することができる。本実施形態の部材２０は、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維を含む繊維強化樹脂材料を用いて、プレス成形により板状に成形されている。その他、部材２０は、プリプレグおよびオートクレーブを用いる方法や、液状の樹脂を減圧下で含浸させるＶａＲＴＭ（Vacuum assisted Resin Transfer Molding）等により成形されていてもよい。
部材２０は、強化繊維を含んでいない熱可塑性樹脂材料から形成されていてもよい。
部材２０は、任意の方法により、適宜な形状に成形することができる。本実施形態の部材２０は、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維を含む繊維強化樹脂材料を用いて、プレス成形により板状に成形されている。その他、部材２０は、プリプレグおよびオートクレーブを用いる方法や、液状の樹脂を減圧下で含浸させるＶａＲＴＭ（Vacuum assisted Resin Transfer Molding）等により成形されていてもよい。
部材２０は、強化繊維を含んでいない熱可塑性樹脂材料から形成されていてもよい。
部材２０には熱可塑性樹脂材料が含まれているため、積層造形物１０を構成する熱可塑性樹脂材料と、部材２０の熱可塑性樹脂材料との両方を接合箇所において軟化または溶融させることができるので十分に融着させ易い。
構造１に強度や剛性が要求される場合は、例えば、炭素繊維にＰＥＥＫを含浸させた繊維強化樹脂材料が部材２０に用いられることが好ましい。
部材２０と積層造形物１０にそれぞれ用いられた熱可塑性樹脂材料の耐熱性が高いと、構造１の全体として耐熱性を得ることができる。かかる構造１は、過酷な環境で使用されるため高い耐熱性が要求される航空機をはじめ、耐熱性が要求される他の輸送機や装置に備わる部材として適合する。
部材２０と積層造形物１０にそれぞれ用いられた熱可塑性樹脂材料の耐熱性が高いと、構造１の全体として耐熱性を得ることができる。かかる構造１は、過酷な環境で使用されるため高い耐熱性が要求される航空機をはじめ、耐熱性が要求される他の輸送機や装置に備わる部材として適合する。
積層造形物１０を近赤外線および近赤外線吸収材料を用いて部材２０に融着させるため、近赤外線吸収材料が部材２０に設けられる。本実施形態では、上述した熱可塑性樹脂材料と近赤外線吸収材料とを使用材料として、部材２０に対して、後からでも融着可能に熱溶融積層造形を行う。部材２０に設けられた近赤外線吸収材料から形成された近赤外線吸収部１１は、積層造形物１０の一部をなしている。
熱溶融積層造形を行う過程では部材２０に対する熱可塑性樹脂材料の融着が不十分であったとしても、熱溶融積層造形の後に、近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射し、近赤外線吸収部１１により積層造形物１０と部材２０との接合箇所を加熱して、少なくとも積層造形物１０の接合部分の軟化または溶融により十分に融着することができる。
熱溶融積層造形を行う過程では部材２０に対する熱可塑性樹脂材料の融着が不十分であったとしても、熱溶融積層造形の後に、近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射し、近赤外線吸収部１１により積層造形物１０と部材２０との接合箇所を加熱して、少なくとも積層造形物１０の接合部分の軟化または溶融により十分に融着することができる。
（近赤外線吸収材料）
近赤外線吸収材料は、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤と、近赤外線吸収剤が分散した適宜な熱可塑性のマトリックス樹脂とを含んで構成されている。近赤外線吸収材料は、近赤外線の波長域における吸収係数が他の波長域と同程度あるいは大きい。熱可塑性樹脂材料を含め、高分子化合物である一般の樹脂材料は、近赤外線の波長域における吸収係数が小さいため、近赤外線をほぼ透過させる一方で、中赤外線および遠赤外線の波長域における吸収係数が大きい。したがって、部材２０に近赤外線吸収材料を設け、さらに熱可塑性樹脂材料を積層する熱溶融積層造形を終えた後に、熱可塑性樹脂材料から形成された造形本体部１２に近赤外線を照射したならば、近赤外線は造形本体部１２をほぼ透過して近赤外線吸収部１１へと入射する。近赤外線は造形本体部１２に殆ど吸収されないため、造形本体部１２に与える熱的な影響が小さい。
近赤外線吸収材料は、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤と、近赤外線吸収剤が分散した適宜な熱可塑性のマトリックス樹脂とを含んで構成されている。近赤外線吸収材料は、近赤外線の波長域における吸収係数が他の波長域と同程度あるいは大きい。熱可塑性樹脂材料を含め、高分子化合物である一般の樹脂材料は、近赤外線の波長域における吸収係数が小さいため、近赤外線をほぼ透過させる一方で、中赤外線および遠赤外線の波長域における吸収係数が大きい。したがって、部材２０に近赤外線吸収材料を設け、さらに熱可塑性樹脂材料を積層する熱溶融積層造形を終えた後に、熱可塑性樹脂材料から形成された造形本体部１２に近赤外線を照射したならば、近赤外線は造形本体部１２をほぼ透過して近赤外線吸収部１１へと入射する。近赤外線は造形本体部１２に殆ど吸収されないため、造形本体部１２に与える熱的な影響が小さい。
近赤外線吸収剤としては、米国特許出願公開第２００６／２８３５４３号明細書に開示されているように、例えば、カーボンブラック、グラファイト、木炭、タルク、ガラスフィラー、セラミック、金属酸化物、フタロシアニン顔料、および他の有機顔料または無機顔料等であり、粒径がｎｍオーダーの微粒子を用いることができる。その他、近赤外線吸収剤は、ステンレス鋼、黄銅、アルミニウム、銅等の金属粉末であってもよい。
本実施形態の近赤外線吸収剤は、上記から選択された１種以上の粒子や粉末からなり、近赤外線である７００ｎｍ～２０００ｎｍの波長域における吸収係数が他の波長域と同程度あるいは大きい。近赤外線吸収剤の吸収係数が大きい波長域は、大抵の種類の高分子材料をほぼ透過する８００ｎｍ～１６５０ｎｍであれば足りる。
近赤外線吸収剤と、それが分散したマトリックス樹脂とを含む本実施形態の近赤外線吸収材料としては、米国のKubota Research社により提供される「PTIRTM」が好適である。
本実施形態の近赤外線吸収剤は、上記から選択された１種以上の粒子や粉末からなり、近赤外線である７００ｎｍ～２０００ｎｍの波長域における吸収係数が他の波長域と同程度あるいは大きい。近赤外線吸収剤の吸収係数が大きい波長域は、大抵の種類の高分子材料をほぼ透過する８００ｎｍ～１６５０ｎｍであれば足りる。
近赤外線吸収剤と、それが分散したマトリックス樹脂とを含む本実施形態の近赤外線吸収材料としては、米国のKubota Research社により提供される「PTIRTM」が好適である。
近赤外線吸収剤と、それが分散したマトリックス樹脂とを含む近赤外線吸収材料は、造形本体部１２をなす熱可塑性樹脂材料と同様に構造１の一部を構成する。近赤外線吸収材料に使用される熱可塑性のマトリックス樹脂は、造形本体部１２を形成する熱可塑性樹脂材料と同じでも異なっていてもよい。
構造１に耐熱性が要求される場合には、近赤外線吸収材料にも、造形本体部１２の熱可塑性樹脂材料と同様の耐熱性が必要となる。その場合は、造形本体部１２の熱可塑性樹脂材料に使用可能なものと同様の樹脂を近赤外線吸収材料のマトリックス樹脂として用いることができる。
構造１に耐熱性が要求される場合には、近赤外線吸収材料にも、造形本体部１２の熱可塑性樹脂材料と同様の耐熱性が必要となる。その場合は、造形本体部１２の熱可塑性樹脂材料に使用可能なものと同様の樹脂を近赤外線吸収材料のマトリックス樹脂として用いることができる。
近赤外線吸収剤が近赤外線を吸収して加熱された結果、近赤外線吸収剤から発せられた中赤外線および遠赤外線を樹脂材料が吸収することで、部材２０と積層造形物１０との接合箇所を加熱することができる。この近赤外線吸収剤は、入射した近赤外線を波長がより長い遠赤外線に変換して放出する。この近赤外線吸収剤は、遠赤外線エミッタとして機能する。
近赤外線吸収剤から発せられた中赤外線、遠赤外線の放射により、部材２０と積層造形物１０との接合箇所およびその近傍のみが局所的に加熱される。
近赤外線吸収剤から発せられた中赤外線、遠赤外線の放射により、部材２０と積層造形物１０との接合箇所およびその近傍のみが局所的に加熱される。
近赤外線吸収材料に含まれる近赤外線吸収剤はごく微量で足りる。例えば、部材２０に設けられた近赤外線吸収部１１の厚さが０．２ｍｍである場合は、０．０５重量％程度の近赤外線吸収剤が含まれていればよい。近赤外線吸収剤の比率は、近赤外線吸収部１１の厚さ等に応じて適宜に定めることができる。近赤外線吸収剤は近赤外線吸収部１１の厚みの全体に亘り、樹脂に均一に分散していることが好ましい。
近赤外線吸収部１１の厚さは、特に制約はなく、熱溶融積層造形装置に備わるノズルの径等に応じて適宜に定めることができる。近赤外線吸収部１１の厚さは、例えば、０．０５ｍｍ～２０ｍｍ程度に定めることができる。
近赤外線吸収部１１の厚さは、特に制約はなく、熱溶融積層造形装置に備わるノズルの径等に応じて適宜に定めることができる。近赤外線吸収部１１の厚さは、例えば、０．０５ｍｍ～２０ｍｍ程度に定めることができる。
（構造の製造方法）
次に、構造１を製造する方法について説明する。構造１の製造方法は、図２に示すように、積層造形物１０を成形するための熱溶融積層造形のステップＳ１（Ｓ１１，Ｓ１２）と、近赤外線を積層造形物１０に照射するステップＳ２とを含む。
次に、構造１を製造する方法について説明する。構造１の製造方法は、図２に示すように、積層造形物１０を成形するための熱溶融積層造形のステップＳ１（Ｓ１１，Ｓ１２）と、近赤外線を積層造形物１０に照射するステップＳ２とを含む。
熱溶融積層造形のステップＳ１には、３Ｄプリンタ等の公知の熱溶融積層造形装置（図示しない）を用いることができる。
熱溶融積層造形装置は、目的とする積層造形物１０の３次元形状のデータから得られた各層の形状を示すスライスデータに基づいて、溶融した樹脂材料をノズルから１層ずつ積層する。１層の厚さは、例えば、１００μｍである。
熱溶融積層造形装置は、目的とする積層造形物１０の３次元形状のデータから得られた各層の形状を示すスライスデータに基づいて、溶融した樹脂材料をノズルから１層ずつ積層する。１層の厚さは、例えば、１００μｍである。
熱溶融積層造形装置は、例えば、樹脂材料を溶融するヒーターと、溶融した樹脂を貯留するスプールと、溶融した樹脂を押し出すプーリー、およびプーリーにより送られる溶融樹脂を造形テーブルや造形中の積層体の必要箇所に吐出するノズルを有した造形ヘッドとを備えている。
本実施形態の熱溶融積層造形には、上述した熱可塑性樹脂材料と、近赤外線吸収材料とが用いられる。近赤外線吸収材料としては、上述した「PTIRTM」が好適である。熱溶融積層造形装置は、これらの材料に個別に対応するノズルと、各ノズルへ材料を送る機構とを備えていてもよいし、同一ノズルへ送る材料を切り替えるように構成されていてもよい。
本実施形態の熱溶融積層造形には、上述した熱可塑性樹脂材料と、近赤外線吸収材料とが用いられる。近赤外線吸収材料としては、上述した「PTIRTM」が好適である。熱溶融積層造形装置は、これらの材料に個別に対応するノズルと、各ノズルへ材料を送る機構とを備えていてもよいし、同一ノズルへ送る材料を切り替えるように構成されていてもよい。
近赤外線を照射するステップＳ２には、近赤外線を含む波長域の光を放射するランプと、ランプにより発せられた光から近赤外線のみを選択的に透過させるフィルタとを有した近赤外線照射装置３（図２（ｄ）に図示）を用いることができる。
近赤外線照射装置３により照射される近赤外線の電力密度は、例えば、３０００Ｗ／ｍｍ２以上であることが好ましい。
近赤外線照射装置３のフィルタを透過した近赤外線が、積層造形物１０に照射される。フィルタを透過する近赤外線の波長は、上述した近赤外線吸収剤による吸収係数が大きい波長域を選定することが好ましい。
近赤外線照射装置３は、熱溶融積層造形装置に組み込まれていてもよい。
本実施形態の近赤外線照射装置３としては、米国のKubota Research社により提供される「P-WaveTM」の製品群が好適である。
近赤外線照射装置３により照射される近赤外線の電力密度は、例えば、３０００Ｗ／ｍｍ２以上であることが好ましい。
近赤外線照射装置３のフィルタを透過した近赤外線が、積層造形物１０に照射される。フィルタを透過する近赤外線の波長は、上述した近赤外線吸収剤による吸収係数が大きい波長域を選定することが好ましい。
近赤外線照射装置３は、熱溶融積層造形装置に組み込まれていてもよい。
本実施形態の近赤外線照射装置３としては、米国のKubota Research社により提供される「P-WaveTM」の製品群が好適である。
図２（ａ）～（ｄ）を参照し、第１実施形態に係る構造１の製造方法の具体例について説明する。第１実施形態の製造方法の特徴の一つは、熱溶融積層造形により近赤外線吸収材料を部材２０に設けることにある。
図２（ａ）は、熱溶融積層造形が施される部材２０を示している。熱溶融積層造形（図２（ｂ）および（ｃ））を行うにあたり、図２（ａ）に示すように、任意の方法により既に成形されている部材２０を用意する（ステップＳ０）。
図２（ａ）は、熱溶融積層造形が施される部材２０を示している。熱溶融積層造形（図２（ｂ）および（ｃ））を行うにあたり、図２（ａ）に示すように、任意の方法により既に成形されている部材２０を用意する（ステップＳ０）。
次いで、図示しない３Ｄプリンタ等の熱溶融積層造形装置を用いて、図２（ｂ）に示すように、溶融した近赤外線吸収材料１１Ａを図示しないノズルから部材２０の表面に設ける（ステップＳ１１）。熱溶融積層造形装置は、目的とする積層造形物１０のスライスデータに基づいて、近赤外線吸収部１１に定められた厚さに相当する層数で部材２０上に積層する。
ノズルから吐出された後の近赤外線吸収材料１１Ａのマトリックス樹脂は、その上に重ねて吐出された近赤外線吸収材料の溶融したマトリックス樹脂と融着し、常温の雰囲気において硬化する。積層が中断されることなく連続して行われている間は、ノズルから吐出された樹脂の温度がそれほど下がらずに、軟化あるいは溶融した状態の樹脂に、次の樹脂が積層されるため、層間で樹脂が融着する。
ノズルから吐出された後の近赤外線吸収材料１１Ａのマトリックス樹脂は、その上に重ねて吐出された近赤外線吸収材料の溶融したマトリックス樹脂と融着し、常温の雰囲気において硬化する。積層が中断されることなく連続して行われている間は、ノズルから吐出された樹脂の温度がそれほど下がらずに、軟化あるいは溶融した状態の樹脂に、次の樹脂が積層されるため、層間で樹脂が融着する。
一方、部材２０と近赤外線吸収材料１１Ａとは十分に融着されていない場合がある。常温の部材２０上に積層された近赤外線吸収材料１１Ａが、軟化あるいは溶融したまま、融着されるまでの間、融着に必要な温度に維持されるのは難しいためである。ヒーターマット等を用いて部材２０を加温しておくことも考えられるが、部材２０の熱劣化を避けるため、部材２０の加温が難しい場合もある。本実施形態では、熱溶融積層造形ステップＳ１の後に行う近赤外線照射ステップＳ２により、部材２０と近赤外線吸収部１１とを融着させる。
近赤外線吸収材料１１Ａを部材２０に設けるステップＳ１１に連続して、同じ熱溶融積層造形装置を用いて、図２（ｃ）に示すように、溶融した熱可塑性樹脂材料１２Ａをノズルから近赤外線吸収材料１１Ａに設ける（ステップＳ１２）。スライスデータに基づいて熱可塑性樹脂材料の積層を繰り返すことにより、造形本体部１２が得られる。
図２に示す例では、近赤外線吸収材料１１Ａと同じ二次元の位置に熱可塑性樹脂材料を積層することで、部材２０から柱あるいは壁が立ち上がるような形状を造形しているが、より複雑な形状を造形することもできる。
図２に示す例では、近赤外線吸収材料１１Ａと同じ二次元の位置に熱可塑性樹脂材料を積層することで、部材２０から柱あるいは壁が立ち上がるような形状を造形しているが、より複雑な形状を造形することもできる。
ステップＳ１１の直後に、熱可塑性樹脂材料１２Ａを設けるステップＳ１２を行うことにより、溶融した熱可塑性樹脂材料１２Ａが、近赤外線吸収材料１１Ａと融着する。そのため、近赤外線吸収材料１１Ａから形成された近赤外線吸収部１１と、熱可塑性樹脂材料から形成された造形本体部１２とからなる積層造形物１０が一体に得られる。
以上で述べたステップＳ１１,Ｓ１２からなる熱融着積層造形のステップＳ１を終えた時点では、積層造形物１０が部材２０に十分に融着されていない。
そこで、図２（ｄ）に示すように、近赤外線照射装置３を用いて、造形本体部１２を透過させて近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射することで、積層造形物１０と部材２０とを融着させる。このとき、例えば積層造形物１０を部材２０に対して押圧することで、積層造形物１０と部材２０とが加圧状態で融着されるようにしてもよい。
そこで、図２（ｄ）に示すように、近赤外線照射装置３を用いて、造形本体部１２を透過させて近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射することで、積層造形物１０と部材２０とを融着させる。このとき、例えば積層造形物１０を部材２０に対して押圧することで、積層造形物１０と部材２０とが加圧状態で融着されるようにしてもよい。
熱溶融積層造形を終えた時点で部材２０と積層造形物１０とが融着されておらず、分離した状態であれば、近赤外線の照射にあたり、必要に応じて部材２０に対して積層造形物１０を位置決めすればよい。
図２（ｄ）に示す例では、造形本体部１２を介して近赤外線吸収部１１に近赤外線を照射しているが、部材２０が近赤外線を透過させる材料から形成されている場合は、部材２０の裏側（図１（ｄ）の下側）から、部材２０を介して近赤外線吸収部１１に近赤外線を照射してもよい。あるいは、近赤外線照射装置３を近赤外線吸収部１１の上側と下側との両方に配置して、造形本体部１２および部材２０の両方を介して近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射するようにしてもよい。
近赤外線吸収部１１の近赤外線吸収剤により近赤外線が吸収されると、近赤外線吸収剤から発せられた中赤外線および遠赤外線により、近赤外線吸収部１１のマトリックス樹脂が融着に必要な温度に加熱されるため、近赤外線吸収部１１が部材２０と十分に融着する。部材２０に含まれている熱可塑性樹脂と近赤外線吸収部１１の熱可塑性樹脂とが共に溶融して融着することとなる。
このとき、造形本体部１２と近赤外線吸収部１１との界面近傍の造形本体部１２は、近赤外線吸収部１１からの中赤外線および遠赤外線の放射により軟化あるいは溶融しても、しなくてもよい。本実施形態では、熱溶融積層造形の過程で造形本体部１２と近赤外線吸収部１１とが既に融着しているためである。
近赤外線吸収剤から発せられた中赤外線および遠赤外線は、近赤外線吸収剤が分散されている樹脂を介して、部材２０と積層造形物１０との接合に必要な箇所のみを局所的に加熱する。したがって、オーブン等に部材２０および積層造形物１０を入れて加熱するような場合とは異なり、熱による変形や特性変化等、構造１全体へ熱的な影響が及ぶのを避けながら、部材２０と積層造形物１０とが十分に接合された構造１を得ることができる。
以上の製造方法によれば、熱溶融積層造形の過程においては、部材２０と、部材２０に造形された積層造形物１０とが融着不可能あるいは十分に融着しない場合であっても、部材２０と積層造形物１０との接合箇所に設けられた近赤外線吸収部１１に近赤外線を照射することで、部材２０と、部材２０に造形された積層造形物１０とが融着により十分に接合された構造１を得ることができる。
〔第１実施形態の変形例〕
近赤外線吸収部１１は、必ずしも熱溶融積層造形により部材２０に設けられている必要はない。近赤外線吸収部１１は、近赤外線吸収剤およびマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収材料から、例えばフィルム状の形態に成形することができる。図２（ｂ）に示すように近赤外線吸収材料１１Ａが点在していたとしても、それらを繋いで１枚のフィルムの形態に成形することができる。こうしたフィルム状の近赤外線吸収部１１を貼り付けること等により部材２０に設けることができる。フィルム状の近赤外線吸収部１１を部材２０上に配置するだけでもよい。このフィルム状の近赤外線吸収部１１の上に、図２（ｃ）に示すように熱溶融積層造形により熱可塑性樹脂材料１２Ａを積層することができる。
近赤外線吸収部１１は、必ずしも熱溶融積層造形により部材２０に設けられている必要はない。近赤外線吸収部１１は、近赤外線吸収剤およびマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収材料から、例えばフィルム状の形態に成形することができる。図２（ｂ）に示すように近赤外線吸収材料１１Ａが点在していたとしても、それらを繋いで１枚のフィルムの形態に成形することができる。こうしたフィルム状の近赤外線吸収部１１を貼り付けること等により部材２０に設けることができる。フィルム状の近赤外線吸収部１１を部材２０上に配置するだけでもよい。このフィルム状の近赤外線吸収部１１の上に、図２（ｃ）に示すように熱溶融積層造形により熱可塑性樹脂材料１２Ａを積層することができる。
フィルム状の近赤外線吸収部１１と、その上に積層された熱可塑性樹脂材料１２Ａから形成された造形本体部１２とが十分に融着されていないとしても、近赤外線が近赤外線吸収部１１に照射されることで、近赤外線吸収剤から発せられた中赤外線および遠赤外線により、熱可塑性樹脂材料から形成された造形本体部１２、近赤外線吸収部１１のマトリックス樹脂のいずれも軟化あるいは溶融して互いに融着する。近赤外線吸収部１１のマトリックス樹脂が融着する部材２０も含め、造形本体部１２、近赤外線吸収部１１、および部材２０が融着により一体化されることとなる。
図３を参照し、上述した平板状の部材２０とは異なる形状の部材２５に熱溶融積層造形する例について説明する。部材２５は、厚み方向の寸法が相対的に薄い第１領域２５１と、厚み方向の寸法が相対的に厚い第２領域２５２とを有している。部材２５の裏面２５Ａは、第１領域２５１および第２領域２５２に亘り平面状に形成されている。
部材２５のように、裏面２５Ａから、第１、第２領域２５１，２５２の表面（造形面）、までの高さが異なる場合は、熱溶融積層造形装置を使用し、スライスデータに基づいて、例えば図３（ａ）～（ｄ）に示す手順により、近赤外線吸収部１１および造形本体部１２を含む積層造形物１５を部材２５上に造形することができる。
具体的には、図３（ａ）に示すように、裏面２５Ａからの高さが低い第１領域２５１の表面に近赤外線吸収材料１１Ａを設け、図３（ｂ）に示すように、第１領域２５１に設けられた近赤外線吸収材料１１Ａの上に、熱可塑性樹脂材料１２Ａを積層する。第１領域２５１に造形された近赤外線吸収材料１１Ａおよび熱可塑性樹脂材料１２Ａからなる積層体の高さが、第２領域２５２の表面の高さまで到達したならば、図３（ｃ）に示すように、第２領域２５２の表面に近赤外線吸収材料１１Ａを設け、第１領域２５１の積層体には熱可塑性樹脂材料１２Ａを積層する。
その後、図３（ｄ）に示すように、第２領域２５２に設けられた近赤外線吸収材料１１Ａの上に熱可塑性樹脂材料１２Ａを所定の高さまで積層しつつ、第１領域２５１でも熱可塑性樹脂材料１２Ａを規定の高さまで積層する。
その後、図３（ｄ）に示すように、第２領域２５２に設けられた近赤外線吸収材料１１Ａの上に熱可塑性樹脂材料１２Ａを所定の高さまで積層しつつ、第１領域２５１でも熱可塑性樹脂材料１２Ａを規定の高さまで積層する。
以上により目的の形状の積層造形物１５が得られたならば、近赤外線照射装置３（図２（ｄ））を使用し、熱可塑性樹脂材料１２Ａから形成された造形本体部１２あるいは部材２５を透過させて、近赤外線吸収部１１に近赤外線を照射する。そうすると、近赤外線吸収部１１に含まれる近赤外線吸収剤から発せられる中赤外線および遠赤外線により、積層造形物１５と部材２５とが融着する。
〔第２実施形態〕
図４に示す例では、図２や図３に示す手順とは異なり、図４（ａ）に示すように熱可塑性樹脂材料１２Ａを用いて熱溶融積層造形により造形本体部１２を造形するステップＳ３１に連続して、図４（ｂ）に示すように、造形本体部１２に、近赤外線吸収材料１１Ａを用いて熱溶融積層造形により近赤外線吸収部１１を設けるステップＳ３２を行う。
その後、図４（ｃ）に示すように、造形本体部１２および近赤外線吸収部１１からなる積層造形物１６における近赤外線吸収部１１側に部材３０を配置し（ステップＳ３３）、図４（ｄ）に示すように、近赤外線吸収部１１に、造形本体部１２あるいは部材３０を介して近赤外線を照射する（ステップＳ２）。ここでは、熱可塑性樹脂材料から形成された部材３０を透過させて近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射する。そうすると、近赤外線吸収部１１の作用により、いずれも熱可塑性樹脂材料が使用されている近赤外線吸収部１１と部材３０とが共に軟化あるいは溶融して互いに融着する。
図４に示す例では、図２や図３に示す手順とは異なり、図４（ａ）に示すように熱可塑性樹脂材料１２Ａを用いて熱溶融積層造形により造形本体部１２を造形するステップＳ３１に連続して、図４（ｂ）に示すように、造形本体部１２に、近赤外線吸収材料１１Ａを用いて熱溶融積層造形により近赤外線吸収部１１を設けるステップＳ３２を行う。
その後、図４（ｃ）に示すように、造形本体部１２および近赤外線吸収部１１からなる積層造形物１６における近赤外線吸収部１１側に部材３０を配置し（ステップＳ３３）、図４（ｄ）に示すように、近赤外線吸収部１１に、造形本体部１２あるいは部材３０を介して近赤外線を照射する（ステップＳ２）。ここでは、熱可塑性樹脂材料から形成された部材３０を透過させて近赤外線を近赤外線吸収部１１に照射する。そうすると、近赤外線吸収部１１の作用により、いずれも熱可塑性樹脂材料が使用されている近赤外線吸収部１１と部材３０とが共に軟化あるいは溶融して互いに融着する。
〔第２実施形態の変形例〕
第２実施形態において部材３０に融着する近赤外線吸収部１１（図４（ｃ））は、必ずしも熱溶融積層造形により造形されている必要はない。この近赤外線吸収部１１は、近赤外線吸収材料から例えばフィルム状の形態に成形することができる。このフィルム状の近赤外線吸収部１１が造形本体部１２または部材３０に設けられた状態、あるいは、フィルム状の近赤外線吸収部１１が造形本体部１２と部材３０との間に挟み込まれた状態で、近赤外線が近赤外線吸収部１１に照射されることで、造形本体部１２、近赤外線吸収部１１のマトリックス樹脂のいずれも軟化あるいは溶融する。そのため、マトリックス樹脂が融着する部材３０も含め、造形本体部１２、近赤外線吸収部１１、および部材２０が融着により一体化される。
第２実施形態において部材３０に融着する近赤外線吸収部１１（図４（ｃ））は、必ずしも熱溶融積層造形により造形されている必要はない。この近赤外線吸収部１１は、近赤外線吸収材料から例えばフィルム状の形態に成形することができる。このフィルム状の近赤外線吸収部１１が造形本体部１２または部材３０に設けられた状態、あるいは、フィルム状の近赤外線吸収部１１が造形本体部１２と部材３０との間に挟み込まれた状態で、近赤外線が近赤外線吸収部１１に照射されることで、造形本体部１２、近赤外線吸収部１１のマトリックス樹脂のいずれも軟化あるいは溶融する。そのため、マトリックス樹脂が融着する部材３０も含め、造形本体部１２、近赤外線吸収部１１、および部材２０が融着により一体化される。
〔第３実施形態〕
次に、図５を参照し、少なくとも一部にオーバーハング形状を含む構造４（図５（ｃ））を製造する方法を説明する。
次に、図５を参照し、少なくとも一部にオーバーハング形状を含む構造４（図５（ｃ））を製造する方法を説明する。
オーバーハング形状は、例えば、図５（ｃ）に示すように、積層造形物において各層が積層される方向（Ｄ１）に構造４を投影したとき下の層よりも上の層がはみ出している形状をいう。オーバーハング部４Ａが、積層方向Ｄ１（鉛直方向）に対して、ある傾斜角度を超えていると、オーバーハング部４Ａが自重により変形するため、オーバーハング部４Ａを含む構造４を積層造形により成形することができない。
そこで、構造４を複数の部分に分割して成形し、成形されたそれぞれの部分を融着して接合する。ここでは、図５（ａ）に示すように、下半分の第１積層造形物４１と、上半分の第２積層造形物４２とに分けて、それぞれを熱溶融積層造形により成形する。図５（ｃ）に示すように構造４として組み立てたときにはオーバーハング部４Ａを含む第２積層造形物４２は、図５（ａ）に示す成形時には、組立時とは上下逆向きに配置された状態で成形される。
個別に成形された第１積層造形物４１と第２積層造形物４２との間に、図５（ｂ）に示すように、近赤外線吸収部１１を介在させ、図５（ｃ）に示すように近赤外線を照射すると、近赤外線を吸収した近赤外線吸収剤から放出される中赤外線および遠赤外線により、第１積層造形物４１と第２積層造形物４２とを融着することができる。
上述した手法は、オーバーハング形状に限らず、一体には成形し難い形状に適用することができる。
部材４１および部材４２のいずれか一方あるいは両方が、熱溶融積層造形以外の方法により成形されていてもよい。
部材４１および部材４２のいずれか一方あるいは両方が、熱溶融積層造形以外の方法により成形されていてもよい。
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
１，４ 構造
３ 近赤外線照射装置
４Ａ オーバーハング部
１０，１５，１６ 積層造形物（熱溶融積層造形物）
１１ 近赤外線吸収部
１１Ａ 近赤外線吸収材料
１２ 造形本体部
１２Ａ 熱可塑性樹脂材料
２０，２５，３０ 部材
２５Ａ 裏面
４１ 第１積層造形物
４２ 第２積層造形物
２５１ 第１領域
２５２ 第２領域
３ 近赤外線照射装置
４Ａ オーバーハング部
１０，１５，１６ 積層造形物（熱溶融積層造形物）
１１ 近赤外線吸収部
１１Ａ 近赤外線吸収材料
１２ 造形本体部
１２Ａ 熱可塑性樹脂材料
２０，２５，３０ 部材
２５Ａ 裏面
４１ 第１積層造形物
４２ 第２積層造形物
２５１ 第１領域
２５２ 第２領域
Claims (8)
- 成形されている部材に対して、後からでも融着可能に熱溶融積層造形を行う方法であって、
前記部材は、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されており、
近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および前記近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収材料を熱溶融積層造形により前記部材に設けるステップと、
熱可塑性樹脂材料を熱溶融積層造形により前記近赤外線吸収材料に設けるステップと、を有する、
ことを特徴とする熱溶融積層造形方法。 - 融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、
前記部材は、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されており、
請求項１に記載された熱溶融積層造形方法により得られた熱溶融積層造形物において前記近赤外線吸収材料から形成された近赤外線吸収部に、前記熱可塑性樹脂材料から形成された造形本体部あるいは前記部材を介して前記近赤外線を照射することで前記熱溶融積層造形物と前記部材とを融着させるステップと、を有する、
ことを特徴とする熱溶融積層造形物を少なくとも一部に備えた構造の製造方法。 - 融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、
前記部材は、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されており、
熱可塑性樹脂材料を用いて熱溶融積層造形により造形本体部を造形するステップに連続して、前記造形本体部に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および前記近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収材料を用いて熱溶融積層造形により近赤外線吸収部を設けるステップと、
前記造形本体部、および前記近赤外線吸収部を有する前記熱溶融積層造形物における前記近赤外線吸収部側に、前記部材を配置するステップと、
前記近赤外線吸収部に、前記造形本体部あるいは前記部材を介して前記近赤外線を照射することで前記熱溶融積層造形物と前記部材とを融着させるステップと、を有する、
ことを特徴とする熱溶融積層造形物を少なくとも一部に備えた構造の製造方法。 - 融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、
前記部材は、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されており、
前記熱溶融積層造形物および前記部材のいずれか一方に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および前記近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収部を設けるステップと、
前記一方である前記部材に設けられた前記近赤外線吸収部に、他方を熱溶融積層造形により造形する、あるいは、前記一方に設けられた前記近赤外線吸収部に、他方を配置するステップと、
前記近赤外線吸収部に、前記熱溶融積層造形物あるいは前記部材を介して前記近赤外線を照射することで前記熱溶融積層造形物と前記部材とを融着させるステップと、を有する、
ことを特徴とする熱溶融積層造形物を少なくとも一部に備えた構造の製造方法。 - 融着により互いに接合される熱溶融積層造形物と部材とを備えた構造を製造する方法であって、
前記部材は、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されており、
前記熱溶融積層造形物および前記部材の間に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および前記近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂を含む近赤外線吸収部を配置するステップと、
前記近赤外線吸収部に、前記熱溶融積層造形物あるいは前記部材を介して前記近赤外線を照射することで前記熱溶融積層造形物と前記部材とを融着させるステップと、を有する、
ことを特徴とする熱溶融積層造形物を少なくとも一部に備えた構造の製造方法。 - 前記熱溶融積層造形物と前記部材との全体として、少なくとも一部にオーバーハング形状を含む構造を得る、
請求項４または５に記載の熱溶融積層造形物を少なくとも一部に備えた構造の製造方法。 - 前記構造は、航空機に備えられる、
請求項２から６のいずれか一項に記載の熱溶融積層造形物を少なくとも一部に備えた構造の製造方法。 - 熱溶融積層造形により成形された熱溶融積層造形物、および、熱可塑性樹脂材料を用いて形成され、前記熱溶融積層造形物と接合されている部材の間に、近赤外線を吸収する近赤外線吸収剤および前記近赤外線吸収剤が分散した熱可塑性のマトリックス樹脂が存在している、
ことを特徴とする熱溶融積層造形物を一部に備えた構造。
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