JP2020196142A - 構造体及び構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元構造体において、表面に汚れを蓄積しづらい構造体及び構造体の製造方法の提供。【解決手段】構造体１であって、積層基材部２及び被覆部３を備え、被覆部３は、積層基材部１に対して真空吸着されており、且つ、積層基材部１を被覆するように構成される、構造体１。そのため、構造体１の全体としての表面を凹凸の少ない状態とすることができ、汚れが蓄積しづらいという有利な効果を奏する。【選択図】図１

Description

本発明は、構造体及び構造体の製造方法に関する。

近年、３次元積層造形装置いわゆる３Ｄプリンタが普及し、金属や無機物のみならず樹脂製の３次元積層構造体が広く実用化されている。樹脂用の３Ｄプリンタとしては、熱可塑性樹脂であるＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂やＰＬＡ（ＰｏｌｙＬａｔｉｃ Ａｃｉｄ：ポリ乳酸）樹脂をノズルから押し出す材料押出堆積法が普及している。その他にも粉末焼結積層造形、マテリアルジェッティング、光造形法などが知られている。

樹脂製の３次元積層構造体には、柔軟性が必要となる用途がある。例えば靴のインソール、マットレス、椅子用マット、医療用エピテーゼなどである。このような状況の中で、３次元積層造形方法を用いたゴム成形体が、特許文献１に提案されている。特許文献１では、ゴムを積層後に硬化させる工程をもち、平面を組合せた格子状の構造物が提示されている。

国際公開第２０１７／１５４３３５号

しかしながら、特許文献１で記述されているゴム組成物等、柔軟性を確保するために外部環境に開いた空隙を有する構造体など凹凸が大きい構造体では、その凹部に汚れが貯まりやすいという問題を有する。特に構造体が人体に接触する用途では清潔性の確保が必要であり、汚れが貯まりやすい問題の解決が強く求められる。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、３次元構造体において、表面に汚れを蓄積しづらい構造体及び構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、構造体であって、積層基材部及び被覆部を備え、前記被覆部は、前記積層基材部に対して真空吸着されており、且つ、前記積層基材部を被覆するように構成される、構造体が提供される。

本発明に係る構造体は、積層基材部に対して真空吸着されており、且つ、前記積層基材部を被覆するように構成される被覆部を備えている。そのため、構造体全体としての表面を凹凸の少ない状態とすることができる。これにより、汚れが蓄積しづらいという有利な効果を奏する。

一実施形態に係る構造体１を模式的に示す斜視図。 ［図２Ａ］［図２Ｂ］線状樹脂をそれぞれの延在方向に走査して形成された第１線状構造体４及び第２線状構造体を模式的に示す平面図。［図２Ｃ］図２Ａ及び図２Ｂに示した第１線状構造体４と第２線状構造体５を交互に重ねられて形成された積層基材部２の平面図。 積層基材部２の斜視図。 ［図４Ａ］積層基材部２の部分平面図。［図４Ｂ］図４ＡにおけるＡ−Ａ断面図。 構造体１の製造方法を説明する概念図であり、熱可塑性シート３ｓを積層基材部２の上部に配置した状態を表す概念図。 熱可塑性シート３ｓを積層基材部２に引き寄せた状態で、真空吸着により熱可塑性シート３ｓを積層基材部２に吸着させた状態を表す概念図。 余分な熱可塑性シート３ｓを切断し、熱可塑性シート３ｓにより被覆部３が形成される様子を表す概念図。

以下、図面を用いて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。

１．構造体１の構成
第１章では、本発明の一実施形態に係る構造体１の構成について説明する。図１に示すように、構造体１は、積層基材部２と被覆部３とを備える。本実施形態では、被覆部３は、積層基材部２に対して真空吸着されており、且つ、積層基材部２を被覆するように構成される。構造体１としては、医療分野（床ずれ防止マット、車椅子用マット、エピテーゼ、サポータ、シーネなど）、スポーツ用途（シューズ用インソールなど）などで用いられるものが挙げられる。本実施形態では、被覆部３は、熱可塑性シート３ｓで形成された被覆部３を設けることによって使用感が高められている。構造体１は、被覆部３を生体（例：人体）に接触させて利用する用途に好適である。本実施形態では、構造体１がシューズのインソールである場合について説明する。

＜積層基材部２＞
積層基材部２は、後述する被覆部３と密着し構造体１を構成している。積層基材部２は複数の層が積層された構成であり、被覆部３との境界面に開口した複数の孔２ｈ（図３参照）を有している。積層基材部２は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、後述する第１線状構造体４と第２線状構造体５が交互に積層されて構成されている。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１線状構造体４及び第２線状構造体５は、それぞれ第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆによって形成されている。図２Ａに示すように、第１線状構造体４を構成する第１線状樹脂４ｆは第１方向Ｄ１に延びている。また、図２Ｂに示すように、第２線状構造体５を構成する第２線状樹脂５ｆは第２方向Ｄ２に延びている。本実施形態では、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とは直交しているが、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との角度は限定されない。また、第１線状構造体４及び第２線状構造体５には、それぞれ複数の第１溝４ｇ及び第２溝５ｇが形成されている。第１溝４ｇは第１方向Ｄ１に延びており、第２溝５ｇは第２方向Ｄ２に延びている。すなわち、第１線状構造体４では、隣接する第１線状樹脂４ｆの直線要素の間は間隔があけられている。同ように、第２線状構造体５では、隣接する第２線状樹脂５ｆの直線要素の間も間隔があけられている。ここで、第１線状樹脂４ｆの太さと第１溝４ｇの大きさ、第２線状樹脂５ｆの太さと第２溝５ｇの大きさの関係は限定されないし、個々の第１線状構造体４及び第２線状構造体５の中で変化させても良い。

積層基材部２は、複数の第１線状構造体４と複数の第２線状構造体５を有し、第１線状構造体４及び第２線状構造体５は交互に積層されている。このため、図２Ｃ及び図３に示すように、積層基材部２は、複数の層が積層された構成である。さらに、積層基材部２は、格子状に形成され、積層基材部２の表面には複数の孔２ｈが形成されている。また、本実施形態では、孔２ｈは、複数の層を連通するように設けられ、これにより、複数の層を連通する空気流入路ＡＰ（図５〜図７参照）が形成される。このように積層基材部２を格子状の構造とすることにより、第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆで空間全てが満たされて空隙がない造形物よりも、柔軟で弾力性に富む構造体１を形成することが可能となる。

さらに、シューズ用インソールや床ずれ防止マットなど柔軟性が強く要求される分野では、積層基材部２の全体に空隙を具備するだけでなく、第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆそのものに柔軟性が高いことが好ましい。具体的には、ショアＡ硬度が７０以下であることが好ましい。具体的には例えば、具体的には例えば、２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、７０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。材料としては３Ｄプリンタで扱えるものが好ましいが化学組成を限定するものではない。

＜被覆部３＞
被覆部３は、積層基材部２表面の少なくとも一部と密着し被覆する構成となっている。図１においては、積層基材部２上面に被覆部３を形成しているが、上下両面、もしくは側面を含む全面に被覆部３を形成する構成も可能である。

また、被覆部３を構成する材料は、積層基材部２を構成する材料よりも硬度が低いことが好ましい。また、被覆部３を構成する材料は、積層基材部２を構成する材料よりも伸縮性が高いことが好ましい。かかる材料は、熱可塑性を有する熱可塑性シート３ｓを用いることができる。具体的には、被覆部３を構成する材料として、エラストマーを採用することができる。ここで、かかる材料は特に限定されず、ポリピロピレン等のエラストマーよりも硬度が高い材料を利用してもよい。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本実施形態では、積層基材部２は３次元の格子構造となっているため、複数の孔２ｈが積層基材部２の内部で連結され、３次元的に連続した空気流入路ＡＰを形成している。
ないない

床ずれ防止マットなど医療分野向け用途やシューズ用インソールにおいては、使用時には人体の皮膚に接触する。ここで、例えばアクリル系やエポシキ系など一部の樹脂は接触皮膚炎（かぶれ）の原因となるし、天然ゴムに対してアレルギー（ラテックスアレルギー）症状を発する人もいる。したがって人体の皮膚に接触する被覆部３には、体組織に対する反応が少なく、また生理的にも不活性な生体適合性材料を材料とすることが好ましい。

２．構造体１の製造方法
第２章では、本実施形態に係る構造体１の製造方法について説明する。本実施形態の構造体１の製造方法は、積層基材部形成工程と、被覆部形成工程を備えている。以下、それぞれについて説明する。

＜積層基材部２形成工程＞
積層基材部２形成工程では、熱可塑性を有する熱可塑性材料を３Ｄプリンタで積層させて、構造体１における積層基材部２を形成する。ここで、積層基材部２の製造方法は、特に限定されず、３Ｄプリンタ造形などの方法によって形成可能である。３Ｄプリンタ造形では、積層基材部２が個別に設定された形状になるように形成可能であるので、積層基材部２は３Ｄプリンタ造形によって形成することが好ましい。ここでは一般的な３Ｄプリンタ造形を行うこととして説明する。

３Ｄプリンタ造形では、ヘッドから熱可塑性を有する熱可塑性材料である溶融樹脂を押し出すことによって形成した線状樹脂（第１線状樹脂４ｆ、第２線状樹脂５ｆ）を、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ノズルを２次元走査して線状構造体（第１線状構造体４、第２線状構造体５）を形成し、その第１線状構造体４と第２線状構造体５を積層することによって積層基材部２を形成することが可能である。ヘッドには、樹脂をフィラメントの形態で供給してもよく、ペレットの形態で供給してもよい。後者の場合、フィラメントの形状に形成しにくい軟性材料でも線状樹脂（第１線状樹脂４ｆ、第２線状樹脂５ｆ）にすることができる。

第１線状構造体４及び第２線状構造体５は、それぞれ第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆを一筆書きになるように２次元走査して形成したものである。第１線状構造体４は、第１線状樹脂４ｆを主に横方向に走査して形成された線状構造体であり、第２線状構造体５は、第２線状樹脂５ｆを主に縦方向に走査して形成された線状構造体である。第１線状構造体４と第２線状構造体５を交互に積層すると、図２Ｃに示すように平面視で格子状となった積層基材部２が得られる。

図２Ａ〜図２Ｃに示すように、第１線状構造体４及び第２線状構造体５は、それぞれ平行に延びる複数の第１溝４ｇと第２溝５ｇを有する。第１溝４ｇは、第１線状構造体４を構成する第１線状樹脂４ｆが平行に延在することによって形成される。また第２溝５ｇは、第２線状構造体５を構成する第２線状樹脂５ｆが平行に延在することによって形成される。また、積層方向に互いに隣接する第１線状構造体４の第１溝４ｇと、第２線状構造体５の第２溝５ｇと交差する。本実施形態では、第１溝４ｇと第２溝５ｇは直交しているが、第１溝４ｇと第２溝５ｇが直角以外の角度で交わるようにしてもよい。また、図２Ａ及び図２Ｂでは、第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆはそれぞれ、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２に対して直線状に延在しているが、曲線の形状とすることも可能である。図２Ａ〜図２Ｃに示したごとく、積層基材部２内部に空間がある状態で積層基材部２を形成すると、積層基材部２の柔軟性が向上する。

積層基材部２の物性は、第１線状構造体４及び第２線状構造体５の２次元形状や、第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆの直径や密度（単位面積当たりの本数）を変更することによって適宜変更可能である。例えば、積層基材部２ついて、第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆの直径を小さくしたり、第１線状樹脂４ｆや第２線状樹脂５ｆの密度を低くしたりすることによって、積層基材部２をより柔軟にすることができる。また、図２Ａ及び図２Ｂでは、第１線状樹脂４ｆ及び第２線状樹脂５ｆの密度やパターンが第１線状構造体４及び第２線状構造体５の全体で均一であるが、部分的に密度やパターンを変更することによって積層基材部２の物性を変更することも可能である。例えば、床ずれ防止マットにおいて、腰の下に位置する部分と足の下に位置する部分で柔軟性を調整する、などである。このように積層基材部２を３Ｄプリンタ造形によって形成する場合、利用者のニーズに合わせて、積層基材部２の物性を適宜変更することが可能になる。

＜被覆部３形成工程＞
積層基材部２の形成工程が完了した後に、被覆部３形成工程により被覆部３を形成する。被覆部３形成工程では、積層基材部２の少なくとも一部の表面に熱可塑性シート３ｓを真空吸着させることで、前記構造体における被覆部３を形成する。以下、被覆部３形成工程につき、図５〜図７を用いて説明する。ここで、図５〜図７は概念図であり、積層基材部２の形状が図１〜図３の形状と異なることに留意されたい。

図５に示すように、被覆部３形成工程では、まず、一対の治具７により、加熱されて軟化した熱可塑性シート３ｓにテンションをかけた状態で、熱可塑性シート３ｓを積層基材部２の上部に配置する。ここで、積層基材部２は、真空吸引装置８の一部を構成する載置面８ｐ上に載置されている。真空吸引装置８は、不図示の吸引孔から真空吸引することにより、熱可塑性シート３ｓを積層基材部２に真空吸着させることが可能な装置である。

そして、図６に示すように、熱可塑性シート３ｓを積層基材部２に押し付けた状態で、真空吸引装置８による真空吸引を開始することにより、熱可塑性シート３ｓが積層基材部２に真空吸引する。このとき、一対の治具７により、熱可塑性シート３ｓにテンションが加えられたまま熱可塑性シート３ｓの位置合わせがなされる。ここで、本実施形態に係る積層基材部２は、複数の層を連通する空気流入路ＡＰが設けられるので、図６の矢印で示される方向、すなわち、真空吸引装置８の方向に向けて、熱可塑性シート３ｓと積層基材部２の間に存在する空気が吸引される。すなわち、真空吸引の際に、空気流入路ＡＰを空気が通過することができるので、積層基材部２に対して熱可塑性シート３ｓを真空吸着させることが可能になる。すなわち、本実施形態では、被覆部３形成工程において、空気流入路ＡＰを通って空気が吸引されることにより、真空吸着が実現される。

ここで、熱可塑性シート３ｓの熱により、積層基材部２の表面の一部が軟化し、積層基材部２と熱可塑性シート３ｓが接着する。

そして、熱可塑性シート３ｓが積層基材部２に対して十分吸着した後、図７に示すように、余分な熱可塑性シート３ｓを切断箇所ＣＰで切断することにより、積層基材部２に対して真空吸着された被覆部３を備える構造体１を得ることができる。

これにより、構造体１を構成する積層基材部２の表面が被覆部３で被覆されるため、構造体１の表面に汚れが蓄積しづらくなる。一方、３Ｄプリンタ造形で製造された構造体であって、被覆部３を備えない構造体の場合には、凹凸状の積層跡が残るため、積層跡の凹部に汚れが蓄積してしまう。

また、熱可塑性シート３ｓに予め機能性部材を組み込んでおくことも可能である。機能性部材としては、センサーやＲＦＩＤタグ等が挙げられる。ここで、機能性部材として任意のセンサーを利用することができ、例えば、構造体１と接する物体もしくは空間、又は、構造体１と近接する物体もしくは空間の圧力、温度、湿度、又はバイタルデータを計測可能に構成されるセンサーを利用することができる。なお、これらのセンサーは、変形可能なフレキシブルセンサーであることが好ましい。

これにより、構造体１の被覆部３が機能性部材を備えることになる。ここで、機能性部材は、積層基材部２の表面に沿って構成される。特に、機能性部材としてフレキシブルな圧力センサーを採用した構造体１をクッションとして利用する場合、利用者の体への負担を適切に監視可能なクッションを提供することが可能になり、高齢者、子供、被介護者等の体調変化をリアルタイムに把握可能な見守りサービスを実現することができる。また、機能性部材としてフレキシブルなバイタルセンサーを採用した構造体１をマットとして利用する場合、マットで休んでいる利用者のバイタルデータの変化をリアルタイムに取得することが可能になり、好ましくない変化が生じた場合には、病院や家族等に迅速に連絡することができる。

３．結言
以上のように、本実施形態によれば、表面に汚れを蓄積しづらい構造体１を提供することができる。

最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ ：構造体
２ ：積層基材部
２ｈ ：孔
３ ：被覆部
３ｓ ：熱可塑性シート
４ ：第１線状構造体
４ｆ ：第１線状樹脂
４ｇ ：第１溝
５ ：第２線状構造体
５ｆ ：第２線状樹脂
５ｇ ：第２溝
７ ：治具
８ ：真空吸引装置
８ｐ ：載置面
ＡＰ ：空気流入路
ＣＰ ：切断箇所
Ｄ１ ：第１方向
Ｄ２ ：第２方向

Claims (8)

1. 構造体であって、
   積層基材部及び被覆部を備え、
   前記被覆部は、前記積層基材部に対して真空吸着されており、且つ、前記積層基材部を被覆するように構成される、
   構造体。
2. 請求項１に記載の構造体において、
   前記積層基材部は、複数の層が積層された構成であり、且つ、前記複数の層を連通する空気流入路が設けられる、
   構造体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の構造体において、
   前記積層基材部は、複数の層が積層された構成であり、
   前記層は、複数の線状樹脂の層が積層されてなり、
   前記線状樹脂のショアＡ硬度が７０以下である、
   構造体。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の構造体において、
   前記被覆部を構成する材料は、前記積層基材部を構成する材料よりも硬度が低い、
   構造体。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の構造体において、
   前記被覆部は、機能性部材を備え、
   前記機能性部材は、前記積層基材部の表面に沿って構成される、
   構造体。
6. 請求項５に記載の構造において、
   前記機能性部材は、センサーであり、
   前記センサーは、本構造体と接する物体もしくは空間、又は、本構造体と近接する物体もしくは空間の圧力、温度、湿度、又はバイタルデータを計測可能に構成される、
   構造体。
7. 構造体の製造方法であって、
   積層基材部形成工程と、被覆部形成工程を備え、
   前記積層基材部形成工程では、熱可塑性を有する熱可塑性材料を３Ｄプリンタで積層させて前記構造体における積層基材部を形成し、
   前記被覆部形成工程では、前記積層基材部の少なくとも一部の表面に熱可塑性シートを真空吸着させることで、前記構造体における被覆部を形成する、
   製造方法。
8. 請求項７に記載の製造方法において、
   前記積層基材部は、複数の層が積層された構成であり、且つ、前記複数の層を連通する空気流入路が設けられ、
   前記被覆部形成工程において、前記空気流入路を通って空気が吸引されることにより、前記真空吸着が実現される、
   製造方法。