JP2013139125A - 構造物の製造方法及び構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】水溶性化合物を主成分とする構造物及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本技術に係る構造物の製造方法は、ラピッドプロトタイピング技術により、水溶性化合物を主成分とする粉体材料により構造体を形成することを含む。前記形成された構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる接着剤が、前記構造体に含浸させられる。
【選択図】図１

Description

本技術は、ラピッドプロトタイピング技術を用いた構造物の製造方法及びその構造物に関する。

従来から、ラピッドプロトタイピング技術を用いた造形装置は、主に業務用として使われている。その主な方式として、光造形方式、シート積層造形方式、そして、粉体造形方式がある。光造形は、光硬化型の樹脂にレーザを照射して、造形物の１層ごとの断面形状を形成し、それらを積層することによって３次元形状を形成する方式である。シート積層造形は、薄厚シートを造形物の断面形状に合わせて１層ごとに切り抜き、接着し積層して、３次元形状を形成する方式である。粉体造形は、粉末を層状に敷き詰めて、造形物の１層ごとに断面形状を作り、それらを積層することによって３次元形状を形成する方式である。

粉体造形は、粉体を溶融または、焼結する方式と、接着剤を使って固化させるものに大分される。前者は、例えばナイロン材料に、レーザを照射して断面形状を形成する。後者は、石膏を主成分とする粉末に、インクジェットヘッドを用いて、接着剤を吐出して固化させ、断面形状を形成する。

インクジェットヘッドを利用した粉体造形方式は、市販のインクジェットプリンタのヘッドを用いて、石膏の粉体を敷き詰めたシートに、あたかも印刷をするように動作する。粉体材料として、石膏を用い、プリントヘッドからは、石膏を固めるための接着剤が吐出される。

特許文献１に記載の像形成用組成物は、石膏及びポリビニルアルコール樹脂を含有する。この特許文献１による３次元構造体の製造方法では、粉末状の上記像形成用組成物を用いて、少量の水分を加えて断面形状がパターニングされ、その断面層が積層されることにより３次元構造体が形成される。そして、その３次元構造体にその水及び架橋剤が添加されることで、望ましい強度を有する３次元構造体が得られる（例えば、特許文献１の明細書段落[００２６]、[００３１]参照）。

また、特許文献２には、粉末造形方式を用いた造形方法において、粉末として水溶性の材料が用いられる、といった内容が記載されている（例えば、特許文献２の明細書段落[０１７]参照）。

国際公開第２００７−１２２８０４号パンフレット 特許第４０６９２４５号公報

ところで、例えば上記のようなラピッドプロトタイピング技術を用いて形成された構造物について所望の強度を確保するためには、その構造物を構成する材料やその構造物の用途に応じて工夫が必要である。

特に、本技術の目的は、所定の強度を持つ、水溶性化合物を主成分とする構造物及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術に係る構造物の製造方法は、ラピッドプロトタイピング技術により、水溶性化合物を主成分とする粉体材料により構造体を形成することを含む。
前記形成された構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる接着剤が、前記構造体に含浸させられる。

ラピッドプロトタイピング技術により、水溶性化合物を主成分とする粉体材料により形成された構造体の強度は、その構造体単体では比較的低い。この構造体に含まれる水分に反応する接着剤を、この構造体に含浸させることにより所定の強度を得ることができる。

前記構造物の製造方法は、前記接着剤の含浸前に、前記構造体を乾燥させることをさらに具備してもよい。構造体の乾燥により、構造体が接着剤を吸収しやすくなり、構造体の比較的内部側まで接着剤を含浸させることができる。接着剤は、乾燥後の構造体に含まれる残余の水分と反応して接着機能を発揮する。

前記構造体の乾燥は、前記構造体を加熱することを含んでもよい。これにより、構造体の乾燥が促進される。

前記接着剤の含浸工程では、前記接着剤の含浸により得られる前記構造物が、前記接着剤を含まない内部と、前記接着剤を含む表層部とを有するように、前記構造体への前記接着剤の含浸率が制御されてもよい。これにより、接着剤を含まない内部の強度と、接着剤を含む表層部の強度とを異ならせることができる。

前記接着剤の含浸により得られる前記構造物の前記表層部の強度が、前記内部の強度の１０倍以上２５０倍以下であってもよい。

前記構造物の製造方法は、前記接着剤の含浸により得られる前記構造物の前記表層部から前記内部まで貫通する穴を形成することをさらに具備してもよい。その場合、前記形成された穴内に、前記粉体材料の溶媒を注入して前記粉体材料を溶出させることで、前記内部の少なくとも一部に中空構造が形成されてもよい。これにより、中空構造を備える構造物を比較的簡単に製造することができる。

前記ラピッドプロトタイピング技術のうち粉体造形技術が利用されてもよい。粉体材料の主成分としては塩化ナトリウムが用いられてもよい。

本技術に係る構造物は、水溶性化合物を主成分とする粉体材料を有し、第１の接着剤による接着機能により前記粉体材料が固化することにより形成された構造体を備える。
前記構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる第２の接着剤が、前記構造体に含浸されている。

粉体材料により形成された構造体の強度は、その構造体単体では比較的低い。この構造体に含まれる水分に反応する第２の接着剤を、この構造体に含浸させることにより所定の強度を得ることができる。

以上、本技術によれば、水溶性化合物を主成分とする構造物に所定の強度を持たせることができる。

図１は、本技術の一実施形態に係る構造物の製造方法を示すフローチャートである。 図２は、本技術の他の実施形態に係る構造物の製造方法を示すフローチャートである。 図３は、造形装置により形成された直後のテストピース構造体の破断曲線を示すグラフである。 図４は、上記テストピースを加熱によって乾燥させた場合の破断曲線を示すグラフである。 図５は、複数のテストピースの３つの処理パターンの場合における、接着剤の含浸時間と含浸率との関係を示すグラフである。 図６は、形成されたテストピースに、乾燥処理を行わず、接着剤による含浸処理を行った場合の破断曲線を示すグラフである。 図７は、形成されたテストピースを乾燥庫において半日間、保管乾燥した後に、接着剤の含浸処理を行った場合の破断曲線を示すグラフである。 図８は、形成されたテストピースに、加熱による乾燥処理を行った後に、接着剤の含浸処理を行った場合の破断曲線を示すグラフである。 図９は、３つの処理パターンについての実験結果をまとめた表である。 図１０Ａ及びＢは、内部と表層部とで強度が異なる構造物の模式的な断面図である。 図１１Ａ及びＢは、シアノアクリレート系の接着剤のうち、軟物の接着を目的として用いられる別の含浸用接着剤を用いて、上記テストピースに含浸処理が行われた場合の破断曲線を示すグラフである。 図１２は、石膏のテストピース（含浸処理なし）の破断曲線を示すグラフである。 図１２は、石膏のテストピース（含浸処理あり）の破断曲線を示すグラフである。 図１４は、石膏によるテストピースの実験結果をまとめた表である。 図１５は、図２で説明したコーティング層を形成しないで、塩化ナトリウムを主成分とする構造物を水没させた場合の重量変化を示すグラフである。 図１６は、マウスの大腿骨の曲げ応力を示したグラフである。

以下、図面を参照しながら、本技術の実施形態を説明する。

[構造物の製造方法]

以下の説明では、説明をわかりやすくするため、次のように文言を使い分ける。
ラピッドプロトタイピング技術により造形装置を用いて形成された（造形された）造形物を、「構造体」と言う。
一方、そのように形成された構造体を硬化させる目的で用いられる後述の接着剤が含浸された構造体であって、その構造体の少なくとも一部に硬化層が形成された構造体を、「構造物」と言う。

図１は、本技術の一実施形態に係る構造物の製造方法を示すフローチャートである。

（構造体の形成処理）
ステップ１０１では、粉体材料を用いて、ラピッドプロトタイピング技術のうち粉体造形技術により構造体が形成される。粉体材料を、以下単に「粉末」という。

ラピッドプロトタイピングを実現する装置としては、公知の種々の造形装置を用いることができる。この中でも、例えば、例えば特開２０１０−１９４９４２号公報、特開２０１０−２０８０６９号公報、特開２０１１−１５６６７８号公報等に記載された造形装置が用いられてもよい。これらの造形装置は、少なくとも、粉末を収容した造形領域と、造形領域に収容された粉末に液体材料を吐出するノズルとを備える。ノズルは、インクジェット方式により、ＣＴ等の断層画像データに応じて、１層ごとに当該造形領域内の粉末に選択的に液体材料を吐出する。

粉末としては、その粉末の材料の全部または一部が水溶性化合物である材料が用いられる。粉末の一部が水溶性化合物である場合、水溶性化合物が粉末の主成分とされる。水溶性化合物としては、特に限定されないが、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩のうち少なくとも１種が挙げられる。アルカリ金属塩としては、例えば塩化ナトリウム（食塩）、塩化カリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化ナトリウム等のハロゲン化アルカリ金属塩のほか、酢酸ナトリウム等の有機酸塩等が挙げられる。アルカリ土類金属塩としては、例えば塩化カルシウム、塩化マグネシウム等のハロゲン化アルカリ土類金属塩のほか、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の硫酸塩等が挙げられる。

可溶性有機高分子としては、特に限定されないが、用いられる水溶性化合物の種類等に応じて適宜選択され得る。例えば、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、セルロース誘導体（メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース）、アラビヤゴム、ゼラチン、澱粉、小麦粉等が挙げられる。本技術では、これらの中でも、典型的には、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール等のように、水溶性有機高分子が用いられる。

これらの粉末の平均粒径は、典型的には、350μm以下、特に10〜150μmとされるが、これらには限定されない。粉末の平均粒径を上記値とする理由は、粒子径が大き過ぎると、成形型表面の凹凸が増し、造型精度が低下し、粒子径が小さ過ぎると、粉末展開時、粉末が飛散したり、液体材料を吐出する上記ノズルの目詰まりを生じやすくなったりするからである。したがって、例えば20〜30μmの粉末も好適に使用することができる。上記範囲内の平均粒径を採用することによって、より高精度な構造体を製造することができる。

可溶性有機高分子は上記水溶性化合物の粒子同士のバインダー（第１の接着剤）として機能する。したがって、次に説明する液体材料として接着剤の成分を含まない材料が用いられる。また、可溶性有機高分子が粉末に含まれない場合は、液体材料が接着剤の成分を含む。

ノズルから吐出される液体材料は、水混和性有機溶媒及び水のうち少なくとも１種を含むものであればよい。水混和性有機溶媒としては、例えば低級アルコール（エタノール、メタノール、プロパノール等）、ケトン類（アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、イソプロピルメチルケトン等）、酢酸アルキル（酢酸メチル、酢酸エチル等）等が挙げられる。また、これらの液体に水溶性化合物が溶解した溶液を用いることもできる。ここでの水溶性化合物としては、前記粉末に用いられるものと同様のものを用いることができる。特に、前記粉末との相乗作用により粉末の接着強度を高める効果を有する水溶性化合物を用いることができる。この場合の濃度は限定的ではなく、一般的には水混和性有機溶媒又は水への所定温度での溶解度（飽和溶解度）を上限として水溶性化合物の濃度を適宜設定することができる。

（構造体の乾燥処理）
ステップ１０２では、ラピッドプロトタイピング技術により形成された構造体の乾燥処理が行われる。乾燥処理の方法としては、通常の室内に所定時間放置する、乾燥庫内で保管する、直射日光の下で所定時間放置する、加熱装置を用いて加熱乾燥させる等、様々な方法がある。

加熱装置による加熱手段としては、例えば赤外線ヒータ、遠赤外線ヒータ、抵抗熱ヒータ等、マイクロ波等、どのような加熱手段が用いられてもよい。これらの加熱処理の方法は、構造体の形態（形状、サイズ等）、構造体の用途、あるいは加熱温度等によって使い分けられてもよい。

構造体の乾燥の程度は、乾燥時間（加熱時間等を含む）により適宜設定され得る。加熱温度及び加熱時間は、例えば、１００℃以上２００℃以下で３０分以上６０分以下である。しかしこれら加熱温度及び加熱時間は、構造体のサイズにもよる。

なお、この乾燥処理は本技術に必須の処理ではない。

（接着剤の含浸処理）
ステップ１０３では、乾燥処理後の構造体に接着剤（第２の接着剤）が含浸される。含浸処理の方式としては、ディップ式、スプレー式、塗布（application、またはembrocation）式等、適宜選択可能である。以下、この接着剤を、説明の理解の容易化のため、「含浸用接着剤」と記載する場合もある。

含浸用接着剤の含浸率は、後述するように、少なくとも構造体の乾燥程度により制御される。含浸用接着剤の含浸率が制御されることにより、構造物の硬化層の厚さを制御することができる。その結果、硬化層のみならず、非硬化層を含む構造物を製造することができる。

この含浸用接着剤としては、構造体に含まれる水分と反応して接着機能を生じる接着剤が用いられる。典型的には、シアノアクリレート系の接着剤が用いられる。しかし、含浸用接着剤として、熱硬化型または光硬化型の接着剤を用い、熱照射または光照射により構造体を硬化させてもよい。光硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型樹脂が挙げられる。

構造体が乾燥した後であっても、構造体に含まれる残余の水分と含浸用接着剤との反応により、それらの反応領域において構造体が硬化する。構造体に含まれる残余の水分には、構造体が置かれる環境での空気中の水分（湿気）も含まれる。

例えば上記ステップ１０２の乾燥処理を行わない場合は、構造体に含まれる水分のほとんどは、造形装置による構造体の形成処理における記液体材料に含まれる水分である。乾燥処理を行わずに、ステップ１０３における含浸用接着剤の含浸処理を行うと、構造体に含まれる液体材料の水分と含浸用接着剤とが、構造体の比較的表層のみで反応しきってしまい、構造体の内部側まで含浸用接着剤が染み込んで行かない。この場合、内部と表層部とで強度が異なる構造物を得ることができる。

以上のように、本実施形態では、造形装置により形成された、構造体単体では比較的強度の低い構造体が、接着剤の含浸処理により、所定の強度を得ることができる。

また、構造体の乾燥処理により、構造体が含浸用接着剤を吸収しやすくなり、構造体の比較的内部側まで接着剤を含浸させることができる。

（コーティング層の形成処理）
図２は、本技術の他の実施形態に係る構造物の製造方法を示すフローチャートである。これ以降の説明では、上記図１に関する実施形態で説明した内容と同様の部分は、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

ステップ２０１〜２０３の処理は、図１に示したステップ１０１〜２０３と同様である。ステップ２０４では、含浸用接着剤を含む構造体（構造物）の表面にコーティング層が形成される。コーティング層の形成方法としては、ディップ、スプレー、塗布、あるいは蒸着等がある。コーティング層の材料としては、フッ素系のコーティング材が用いられる。コーティング層の厚さは、例えば10〜50μm、あるいは10〜100μmであるが、これらの範囲に限られない。

このコーティング層は、複数の層により形成されていてもよい。例えばコーティング層は、下地層と、その上層とを有していてもよい。下地層の材料として、例えばシリコーンが用いられる。

含浸用接着材により硬化して形成された構造物の表面にコーティング層が形成されることにより、構造物の状態を良好に維持することができる。

構造物がコーティング層を有しておらず、上記のように構造物の主構成材料として水溶性化合物として塩を含む場合であってその構造体の表面の凹凸が大きい場合には、構造体は表面から外気の水分を吸収しやすく、塩が溶出する場合がある。また、塩の成分が外気の水分を吸着して、構造物の表面に水滴が発生する場合もある。本実施形態では、構造物の表面にコーティング層が形成されることにより、構造物の周囲の湿度及び温度が、構造物に与える悪影響を回避することができる。

（中空構造の形成処理）
構造物の全部に含浸用接着剤が含浸しておらず、構造物がその内部の少なくとも一部に未硬化層を有する場合、次のようにして構造物に中空構造が形成されてもよい。例えば、図１に示したステップ１０２の後、構造物の表層からその未硬化の内部で貫通する穴を形成する。その穴を介して、その構造物の内部に、粉末の溶媒が注入される。これにより、未硬化部分の粉末が溶出する。その部分において中空部が形成される。これにより、中空構造を備える構造物を比較的簡単に製造することができる。

なお、図２に示したステップ２０２の後であってステップ２０３の前、あるいはステップ２０３の後に、この中空構造の形成処理が行われてもよい。

[構造物の製造の実験例１]

本発明者らは、（Ａ）塩化ナトリウムを主成分とする粉末、及び、（Ｂ）石膏を主成分とする粉末を用いて、それぞれ構造体（15×15×15[mm]のテストピース）を作製した。構造体のテストピースのサイズとして、断面が15×15[mm]の直方体形状のテストピース、もしくは、断面が15×15[mm]で、長さを40[mm]程度にしたテストピースが用いられた。

（Ａ）塩化ナトリウムによる構造体
ラピッドプロトタイピング技術により、インクジェットプリントヘッドを用いて、液体材料として接着剤を含まない水系インクを、バインダーを含む塩化ナトリウム粉末に吐出することで、テストピース構造体が形成された。

（１）接着剤による含浸処理を行わない場合

図３は、造形装置により形成された直後のテストピース構造体の破断曲線を示すグラフである。横軸にテストピース構造体の変位、縦軸に破断荷重を示している。破断荷重は、約0.7kgfであった。造形装置により形成された直後のテストピース構造体、つまり乾燥処理が行われていないテストピース構造体（以下、単にテストピースという。）は、水分を含んでおり、実験が示す通り脆い。

図４は、上記テストピースを加熱によって乾燥させた場合の破断曲線を示すグラフである。破断荷重は、約15kgfであった。

（２）接着剤による含浸処理を行った場合
図５は、複数の上記テストピースの、以下の３つの処理パターンにおける、接着剤の含浸時間と含浸率との関係を示すグラフである。
パターンａ：乾燥処理を行わない。
パターンｂ：乾燥庫で乾燥処理を行った。
パターンｃ：加熱による乾燥処理を行った。

含浸用接着剤としては、シアノアクリレート系接着剤が用いられた。加熱乾燥の加熱温度及び時間は、上述した通り、１００℃以上２００℃以下で３０分以上６０分以下である。このグラフより、接着剤の含浸率は、含浸時間によらず、構造体の乾燥度により制御されることがわかる。また、もちろん接着剤の含浸率を、接着剤の量によっても制御することができる。

（パターンａ）
図６は、形成されたテストピースに、乾燥処理を行わず、接着剤による含浸処理を行った場合の破断曲線を示すグラフである。
含浸処理後のテストピー体の重量増加分は、15〜20%となった。この重量増加分が、このテストピースの表層に染み込んだ含浸用接着剤の量である。
破断荷重は、複数のテストピースで、平均して約15[kgf]であった。
この含浸処理による硬化層の厚さは、複数のテストピースで、平均して約0.7mm（表面（印刷面））、1.3mm（裏面）、1.3mm（側面）であった。

以下のデータは、パターンａで製造されたテストピースの構造物のうち任意に選択された１つの構造物の特性値のサンプルである。
含浸処理後の重量： 8.26 [g]
破断荷重： 15.7 [kgf]（154[N]）
接着剤の重量割合： 20.2 [%]

なお、参考として、以下のデータは、造形装置により形成された直後の塩化ナトリウムを主成分とするテストピースであって、含浸処理が行われなかった、テストピースの特性値である。
重量： 6.51 [g]
破断荷重： 0.7 [kgf]（6.9[N]）

（パターンｂ）
図７は、形成されたテストピースを乾燥庫において半日間、保管乾燥した後に、接着剤の含浸処理を行った場合の破断曲線を示すグラフである。
含浸処理後のテストピースの重量増加分は、25〜30%となった。
破断荷重は、平均して約50kgfであった。
この含浸処理による硬化層の厚さは、複数のテストピースで、平均して約1.3mm（表面（印刷面））、1.9mm（裏面）、2.5mm（側面）であった。乾燥処理を行った場合の硬化層の厚さは、乾燥処理を行わない場合のそれと比べ、1.5〜2倍程度となった。

以下のデータは、パターンｂで製造されたテストピースの構造物のうち任意に選択された１つの構造物の特性値のサンプルである。
乾燥後含浸処理前の重量：6.11 [g]
含浸処理後の重量： 8.60 [g]
破断荷重： 52.4 [kgf]（514[N]）
接着剤の重量割合： 29.0 [%]

（パターンｃ）
図８は、形成されたテストピースに、加熱による乾燥処理を行った後に、接着剤の含浸処理を行った場合の破断曲線を示すグラフである。
破断荷重は、平均して約150kgfであった。
この含浸処理により、１つのテストピースの体積全体が硬化した。

以下のデータは、パターンｃで製造されたテストピースの構造物のうち任意に選択された１つの構造物の特性値のサンプルである。加熱乾燥条件としては、100℃の温度で40[min]の加熱である。
乾燥後含浸処理前の重量：5.86 [g]
その後、シアノアクリレート系の接着剤による含浸処理の結果、以下のテストピースの特性が得られた。
含浸処理後の重量： 10.8 [g]
破断荷重： 153.2 [kgf]（1500[N]）
接着剤の重量割合： 46.5 [%]

図９は、以上の「（２）接着剤による含浸処理を行った場合」における３つのパターンａ、ｂ及びｃについての実験結果をまとめた表である。造形装置による形成直後の、すなわち乾燥処理が行われていないテストピースの重量を100とし、その破断強度を1とする。

図１０Ａは、上記パターンａまたはｂにより形成された構造物の模式的な断面図である。図１０Ａに示すように、パターンａ及びｂによるテストピースでは、その構造物の表層部（硬化層）１２の強度と、内部（非硬化層）１１の強度とが異なる。この構造物１０ではその表層部１２が硬く、内部１１がそれに比して柔らかい２重構造を有している。図１０Ｂは、上述のコーティング層１３が形成された構造物の模式的な断面図である。

上記説明において、シアノアクリレート系の含浸用接着剤は水分と反応することにより接着機能を生じると説明した。パターンｃにおいて加熱乾燥処理後のテストピースに含まれる水分は比較的少ない状態にある。このため、含浸用接着剤が一旦、構造体の全体に染み込んだ後、構造体が周囲の空気中にある水分を吸うことにより、構造体全体に含浸された含浸用接着剤がその水分と反応し、構造体全体が硬化すると考えられる。

図１１Ａ及びＢは、シアノアクリレート系の接着剤のうち、軟物の接着を目的として用いられる別の含浸用接着剤を用いて、上記テストピースに含浸処理が行われた場合の破断曲線を示すグラフである。図１１Ａ及びＢの場合のどちらについても、粘度は、2〜100[Pa・s (cP)]である。この実験は、含浸処理により形成される構造物の強度を制御できることを示している。

上述のような強度のそれぞれ異なる少なくとも２重の層を有する構造物は、例えば、人体の骨における骨膜を模したモデルとなる、骨は、その外側を形成する皮質骨と、内部を形成する海綿骨とを主に有する。２重の層を有する構造物における強度の高い表層部が、その皮質骨を模した部分であり、内部が海綿骨を模した部分となる。年齢及び性別によってその硬さや皮質骨の厚み等は異なるが、この構造物は骨モデルとして適している。このような骨モデルは、医療等の分野において骨を切断する手術シミュレーションとしての利用が可能である。このような構造物の表層部の強度は、その内部の強度に比して、例えば１０倍以上２５０倍以下であることが望ましい。

これまでは、骨の造形物が、石膏粉末により型等を使って形成されていたが、接着成分の量、接着剤の含浸率が一定でなかったり、内部及び外部の高い強度比が得られなかったりしていた。特に、人手で接着剤の含浸処理が行われる場合は、構造物ごとに接着剤の含浸量のばらつきがあるため、硬度にもばらつきが生じていた。これに対して、本技術によれば、粉体材料の選択、また、構造体の乾燥程度の制御による含浸量接着剤の含浸率の制御を適切に行うことによって、上記の問題を解決することができる。

図１６は、マウスの大腿骨の曲げ強度を示したグラフである。このグラフは、クレハ分析センターホームページ（http://www.kureha-bunseki.co.jp/field/bone_02.html 本願出願時点）より引用された。

このようにマウスの大腿骨の曲げ応力の曲線形状は、図７及び８等で示したように、本技術により製造された構造物と類似する。人間の骨の曲げ応力の曲線形状も、マウスのそれと類似すると考えられる。ただし、人間とマウスとは身体のサイズが異なるため、図１６に示した応力値そのものは、人間のものと大きく異なることが予想される。

（Ｂ）石膏による構造体
ラピッドプロトタイピング技術により、インクジェットプリントヘッドを用いて、接着剤を含むインクを石膏粉末に吐出することで、テストピースの構造体が形成された。造形装置により形成された直後の石膏の構造体は、水分が含まれるが、石膏自体がその水分により固化する。

（１）上記石膏によるテストピースの強度を測定した結果、以下の特性が得られた。本例では含浸用接着剤による含浸処理は行われていない。図１２は、この時の破断曲線を示すグラフである。
含浸処理後の重量： 11.5 [g]
破断荷重： 13.9 [kgf]（136[N]）

（２）上記石膏のテストピースの強度を高める目的で、この構造体にシアノアクリレート系の接着剤による含浸処理が行われた結果、以下の構造物の特性が得られた。図１３は、この時の破断曲線を示すグラフである。
含浸処理後の重量： 13.5 [g]
破断荷重： 47.9 [kgf]（470[N]）
接着剤の重量割合： 14.8 [%]

図１４は、以上の石膏によるテストピースの実験結果をまとめた表である。造形装置による形成直後、すなわち乾燥処理が行われていない石膏のテストピースの重量を100とし、その破断強度を1とする。両者の強度比は３倍程度であった。

[構造物の製造の実験例２]

図１５は、図２で説明したコーティング層を形成しないで、塩化ナトリウムを主成分とする構造物を水没させた場合の重量変化を示すグラフである。構造物の重量は、１週間で20%減少しているが、これは、構造物の内部から、塩化ナトリウムが溶出しているためである。構造物にコーティング層を設けることで、内部からの材料の溶出を防ぐことができる。

また、上記フッ素系のコーティング層のように摩擦係数の少なく滑らかな層が設けられることにより、この構造物のコーティング層は人体の骨における骨膜を模したモデルとなり、骨モデルとして適している。

[構造物の製造の実験例３]
本発明者らは、上記実験例１を同様に、ラピッドプロトタイピング技術による造形装置により、塩化ナトリウムを主成分として作製されたテストピース（15×15×42[mm]）の構造体に、別の種類の含浸用接着剤を用いて構造物を作製した。以下に、それらの含浸用接着剤のうち本技術には不適切であった例を挙げる。

（１）ポリエステル系
テストピースの乾燥処理後、不飽和ポリエステル樹脂（明電ケミカル(株)製、商品名：ユニコート#754XL）を、テストピースに含浸させた。その後、100℃で加熱乾燥させた。その破断荷重は、8.0 [kgf]であった。加熱時の臭気発生と強度が弱かった。また、色の変色がみられた。

（２）シリコーン系
テストピースの乾燥処理後、脱アルコール型シリコーン（信越化学（株）製、商品名：シリコーンレジンKR-400）を、テストピースに含浸させた。その後、常温で60分間乾燥させた。破断荷重は測定不能であり、硬化不良であった。

（３）アルコール溶媒系
テストピースの乾燥処理後、共重合ナイロン重合物（東亞合成（株）製、商品名：アロンマイティFS-1755V10）を、テストピースに含浸させた。その後、120℃で加熱乾燥させた。その破断荷重は、11.7 [kgf]であり、強度不足であった。

（４）アルコール溶媒系
テストピースの乾燥処理後、メトキシメチル化ナイロン（ナガセケムテックス（株）製、商品名：トレジンF-30K）を、テストピースに含浸させた。その後、100℃で加熱乾燥させた。その破断荷重は、16.6 [kgf]であり、強度不足であった。

（５）エポキシ系
テストピースの乾燥処理後、低粘度のエポキシ樹脂（日新レジン（株）製、商品名：低粘度エポキシ樹脂Z-1）を、テストピースに含浸させた。その後、常温で乾燥させた。その破断荷重は、19.5 [kgf]であり、強度不足であった。

（６）紫外線硬化系
テストピースの乾燥処理後、アクリル系の紫外線硬化樹脂（東亞合成（株）製、商品名：アロニックスBU-510U）を、テストピースに含浸させた。その後、紫外線照射により構造物を硬化させた。その破断荷重は測定不能であり、硬化不良であった。また、構造物に色の変化が見られた。

[構造物の製造の実験例３]
本発明者らは、上記実験例１を同様に、ラピッドプロトタイピング技術による造形装置により、塩化ナトリウムを主成分として作製されたテストピース（15×15×42[mm]）の構造体に、シアノアクリレート系の含浸用接着剤を用いて構造物を形成した。そしてこの構造物に、上記他の実施形態で説明したコーティング層を形成した。以下、コーティング層の材料として、本技術には不適切であった例を挙げる。

（１）スプレー式のウレタンニス
スプレー式のウレタン系ニス（和信ペイント株式会社、商品名：油性ニススプレー）を用いて、テストピースの表面にコーティング層を形成した。これを屋外に放置したところ水分が溶出した。

（２）スプレー式の耐水スプレー
スプレー式のアクリル系樹脂（バッファローコクヨサプライ製、商品名：Arvel 耐光・耐水スプレー）を用いて、テストピースの表面にコーティングを形成した。これを屋外に放置したところ水分が溶出した。

（３）酢酸ビニル樹脂
酢酸ビニル樹脂（コニシ株式会社、商品名：木工用ボンド）を用いて、テストピースの表面にコーティングを形成した。これを屋外に放置したところ水分が溶出した。

（４）アクリル系塗料
アクリル系塗料（シントーファミリー製、商品名：クリヤラッカー）を用いて、表面にコーティングを形成した。これを屋外に放置したところ水分を吸湿した。また、臭気があった。

[その他の実施形態]

本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記実施形態では、造形装置により形成された構造体を、対象物（例えば骨）を模した模型として用いられる例を説明した。しかし、構造体（構造物）が模型としてではなく、製品の全部または一部を構成する形態として用いられてもよい。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）ラピッドプロトタイピング技術により、水溶性化合物を主成分とする粉体材料により構造体を形成し、
前記形成された構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる接着剤を、前記構造体に含浸させる
構造物の製造方法。
（２）（１）に記載の構造物の製造方法であって、
前記接着剤の含浸工程では、前記接着剤の含浸により得られる前記構造物が、前記接着剤を含まない内部と、前記接着剤を含む表層部とを有するように、前記構造体への前記接着剤の含浸率が制御される
構造物の製造方法。
（３）（１）または（２）に記載の構造物の製造方法であって、
前記接着剤の含浸前に、前記構造体を乾燥させることをさらに具備する
構造物の製造方法。
（４）（３）に記載の構造物の製造方法であって、
前記構造体の乾燥は、前記構造体を加熱することを含む
構造物の製造方法。
（５）（２）に記載の構造物の製造方法であって、
前記接着剤の含浸により得られる前記構造物の前記表層部の強度が、前記内部の強度の１０倍以上２５０倍以下である
構造物の製造方法。
（６）（２）に記載の構造物の製造方法であって、
前記接着剤の含浸により得られる前記構造物の前記表層部から前記内部まで貫通する穴を形成し、
前記形成された穴内に、前記粉体材料の溶媒を注入して前記粉体材料を溶出させることで、前記内部の少なくとも一部に中空構造を形成する
ことをさらに具備する構造物の製造方法。
（７）（１）から（６）のうちいずれか１つに記載の構造物の製造方法であって、
前記ラピッドプロトタイピング技術のうち粉体造形技術を利用する
構造物の製造方法。
（８）（１）から（７）のうちいずれか１つに記載の構造物の製造方法であって、
前記粉体材料の主成分は、塩化ナトリウムである
構造物の製造方法。
（９）水溶性化合物を主成分とする粉体材料を有し、第１の接着剤による接着機能により前記粉体材料が固化することにより形成された構造体を備え、
前記構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる第２の接着剤が、前記構造体に含浸されている
構造物。
（１０）（７）に記載の構造物であって、
前記構造体は、
前記第２の接着剤を含まない内部と、
前記内部を覆うように設けられ、前記第２の接着剤により硬化した表層部とを有する
構造物。
（１１）（８）に記載の構造物の製造方法であって、
前記表層部の強度が、前記内部の強度の１０倍以上２５０倍以下である
構造物。
（１２）（９）から（１１）に記載の構造物であって、
前記粉体材料の主成分は、塩化ナトリウムである
構造物。

１０…構造物
１１…内部
１２…表層部
１３…コーティング層

Claims (12)

1. ラピッドプロトタイピング技術により、水溶性化合物を主成分とする粉体材料により構造体を形成し、
   前記形成された構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる接着剤を、前記構造体に含浸させる
   構造物の製造方法。
2. 請求項１に記載の構造物の製造方法であって、
   前記接着剤の含浸工程では、前記接着剤の含浸により得られる前記構造物が、前記接着剤を含まない内部と、前記接着剤を含む表層部とを有するように、前記構造体への前記接着剤の含浸率が制御される
   構造物の製造方法。
3. 請求項１に記載の構造物の製造方法であって、
   前記接着剤の含浸前に、前記構造体を乾燥させることをさらに具備する
   構造物の製造方法。
4. 請求項３に記載の構造物の製造方法であって、
   前記構造体の乾燥は、前記構造体を加熱することを含む
   構造物の製造方法。
5. 請求項２に記載の構造物の製造方法であって、
   前記接着剤の含浸により得られる前記構造物の前記表層部の強度が、前記内部の強度の１０倍以上２５０倍以下である
   構造物の製造方法。
6. 請求項２に記載の構造物の製造方法であって、
   前記接着剤の含浸により得られる前記構造物の前記表層部から前記内部まで貫通する穴を形成し、
   前記形成された穴内に、前記粉体材料の溶媒を注入して前記粉体材料を溶出させることで、前記内部の少なくとも一部に中空構造を形成する
   ことをさらに具備する構造物の製造方法。
7. 請求項１に記載の構造物の製造方法であって、
   前記ラピッドプロトタイピング技術のうち粉体造形技術を利用する
   構造物の製造方法。
8. 請求項１に記載の構造物の製造方法であって、
   前記粉体材料の主成分は、塩化ナトリウムである
   構造物の製造方法。
9. 水溶性化合物を主成分とする粉体材料を有し、第１の接着剤による接着機能により前記粉体材料が固化することにより形成された構造体を備え、
   前記構造体に含まれる水分に反応して接着機能を生じる第２の接着剤が、前記構造体に含浸されている
   構造物。
10. 請求項９に記載の構造物であって、
    前記構造体は、
    前記第２の接着剤を含まない内部と、
    前記内部を覆うように設けられ、前記第２の接着剤により硬化した表層部とを有する
    構造物。
11. 請求項１０に記載の構造物であって、
    前記表層部の強度が、前記内部の強度の１０倍以上２５０倍以下である
    構造物。
12. 請求項９に記載の構造物であって、
    前記粉体材料の主成分は、塩化ナトリウムである
    構造物。

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