JP6756515B2 - 造形物の製造方法及び造形物 - Google Patents

Description

本発明は、造形物の製造方法及び造形物に関する。

三次元設計データに基づいて造形物を製造する三次元造形装置が、例えば特許文献１により知られている。このような三次元造形装置の方式としては、光造形法、粉末焼結法、インクジェット法、溶融樹脂押し出し造形法など、様々な方式が提案され、製品化されている。

このような三次元造形装置において、三次元造形の材料として、光硬化樹脂、熱可塑性樹脂、金属、石膏といった材料が一般に用いられている。しかし、いずれの三次元造形装置においても、造形材料としてゲルを用いる方法は未だ確立されていない。一般にゲルの成形は、溶液を型に流し込んで固めることにより行われるが、このような方法では、複雑な構造を有するゲルの構造体を得ることができない。
また、三次元造形の材料としてセラミックを用いる場合、鋳造や機械加工等の造形方法では、小型且つ複雑な構造を有する造形物を得ることが難しい。セラミック材料を用いて複雑な構造の構造体を得るための装置として、例えば特許文献２のように、セラミックの粉末に直接レーザー光を照射し、焼結させて三次元造形物を得る方式の三次元造形装置や、特許文献３のように、粉末状のセラミック材料と樹脂との混合粉末に対し、レーザー光を照射して樹脂を溶解させてセラミック材料を結合させる方式の三次元造形装置が開示されている。

特開２００２−３０７５６２号公報 特開２０１５−１９６１６４号公報 特開２００７−１６３１２号公報

本発明は、ゲルの三次元構造体の製造方法、及びゲルの三次元構造体を提供することを目的とする。

また、本発明は、新規な無機物の井桁構造体の製造方法、及び無機物の井桁構造体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る造形物の製造方法では、まず、第１の層において、第１材料を第１方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１材料を、前記第１方向とは交差する第３方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造体を形成する。そして、前記第１井桁構造体に、架橋を形成し得る第２材料の水溶液を含浸させて第２井桁構造体を形成し、前記第２井桁構造体に含浸された前記第２材料を架橋させる。

本発明の第２の態様に係る造形物の製造方法では、まず、第１の層において、第１材料を第１方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１材料を、前記第１方向とは交差する第３方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造体を形成する。そして、前記第１井桁構造体に無機物スラリーを含浸させて第２井桁構造体を形成し、続いて前記第２井桁構造体を焼成して前記第１材料を除去し、無機物からなる第３井桁構造体を形成する。

第１の実施の形態に係る造形物の製造に用いる製造装置の概略構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る三次元造形装置（３Ｄプリンタ１００）の概略構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 ＸＹステージ１２の構成を示す斜視図である。 昇降テーブル１４の構成を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造に用いる製造装置の概略構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第３の実施の形態に係る造形物の製造に用いる製造装置の概略構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第３の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第３の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第３の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１のブロック図を参照して、第１の実施の形態に係る造形物を製造するための製造装置の構成を説明する。
この製造装置は、３Ｄプリンタ１００と、水溶液容器１０１と、乾燥機１０２と、溶解液容器１０３とを備える。３Ｄプリンタ１００は、第１材料Ｒ１を用いて造形物を造形するための装置であり、本実施の形態においては、溶融樹脂押し出し造形法を適用する３Ｄプリンタ１００について説明する。後述するように、第１材料Ｒ１は、第１の層では第１方向を長手方向として所定の間隔を空けて形成される。一方、第１の層の上方の第２の層では、第１方向と交差する第２方向を長手方向として所定の間隔を空けて形成される（いわゆる井桁構造）。以下では、このような井桁構造を有する構造体を、井桁構造体と称する。ここで、３Ｄプリンタ１００により第１材料Ｒ１を用いて造形された井桁構造体を、第１井桁構造体Ａ１とする。

第１材料Ｒ１として、例えば、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。本実施の形態においては、一例として、第１材料Ｒ１としてポリスチレンを使用する場合について説明する。

水溶液容器１０１は、第２材料Ｒ２の水溶液を貯留する容器である。３Ｄプリンタ１００により形成された第１井桁構造体Ａ１（第１材料Ｒ１）を水溶液容器１０１に投入し、第２材料Ｒ２の水溶液を含浸させることで、第１材料Ｒ１と第２材料Ｒ２との複合体である第２井桁構造体Ａ２を得ることができる。第２材料Ｒ２として、分子間に架橋を形成してゲル化し得る材料が用いられ、例えば高分子ゲル、低分子ゲル、有機ゲル、無機ゲル、粒子ゲル等が挙げられる。高分子ゲルを形成する材料としては、例えば多糖類やタンパク質等が挙げられる。本実施の形態においては、一例として、第２材料Ｒ２として多糖類であるスイゼンジノリ由来多糖体（サクラン（登録商標））を使用する場合について説明する。

サクランは、藍藻類であるスイゼンジノリから抽出される多糖類である。サクラン分子の重量平均分子量は約２０００万であり、その分子は１０μｍ以上の長さを有する高分子である。また、サクランの水溶液においては、サクランは分子間で架橋を形成していない状態であるが、サクラン水溶液を６０℃〜８０℃の温度で乾燥すると、サクラン分子間で物理的架橋を形成しながら水分が蒸発して体積が減少する。架橋が形成されたサクランは、ネットワーク（分子間に架橋が形成された網目構造）中に自身の体積の６０００倍もの水を保持することができ、吸湿させることでゲル化する。

乾燥機１０２は、第２井桁構造体Ａ２を加熱・乾燥して第２井桁構造体Ａ２’を得るための装置である。乾燥機１０２として、例えばオートクレーブを使用することができる。オートクレーブを用いることで、乾燥と同時に滅菌処理を行うことができる。ただし、これはあくまで一例であり、乾燥機１０２は、第２井桁構造体Ａ２を乾燥させる機能を有する装置であればよい。

溶解液容器１０３は、第１材料Ｒ１を溶解するための溶解液Ｍを貯留する容器である。第２井桁構造体Ａ２’を溶解液容器１０３に投入し、溶解液Ｍに浸漬させて第１材料Ｒ１を溶解することで、第２材料Ｒ２からなる第３井桁構造体Ａ３が得られる。溶解液Ｍとして、第１材料Ｒ１のみを溶解し、第２材料Ｒ２を溶解しないものを用いることができる。本実施の形態においては、ポリスチレンを溶解し、サクランを溶解しないリモネンを溶解液Ｍとして用いることができる。

次に、３Ｄプリンタ１００の構成の一例を、図２〜図５を参照して説明する。
図２は、第１の実施の形態で用いる３Ｄプリンタ１００の概略構成を示す斜視図である。３Ｄプリンタ１００は、フレーム１１と、ＸＹステージ１２と、造形ステージ１３と、昇降テーブル１４と、ガイドシャフト１５とを備えている。

この３Ｄプリンタ１００を制御する制御装置としてコンピュータ２００が、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。また、３Ｄプリンタ１００中の各種機構を駆動するためのドライバ３００も、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。

（フレーム１１）
フレーム１１は、図２に示すように、例えば直方体の外形を有し、アルミニウム等の金属材料の枠組を備えている。このフレーム１１の４つの角部に、例えば４本のガイドシャフト１５が、図２のＺ方向、すなわち造形ステージ１０の平面に対し垂直な方向に延びるように形成されている。ガイドシャフト１５は、後述するように昇降テーブル１４を上下方向に移動させる方向を規定する直線状の部材である。ガイドシャフト１５の本数は４本には限られず、昇降テーブル１４を安定的に維持・移動させることができる本数に設定される。

（造形ステージ１３）
造形ステージ１３は、造形物Ｓが載置される台であり、後述する造形ヘッドから吐出される熱可塑性樹脂が堆積される台である。

（昇降テーブル１４）
昇降テーブル１４は、図２及び図３に示すように、その４つの角部においてガイドシャフト１５を貫通させており、ガイドシャフト１５の長手方向（Ｚ方向）に沿って移動可能に構成されている。昇降テーブル１４は、ガイドシャフト１５と接触するローラ３４，３５を備えている。ローラ３４，３５は昇降テーブル１４の２つの角部に形成されたアーム部３３において回動可能に設置されている。このローラ３４，３５がガイドシャフト１５上と接触しつつ回動することで、昇降テーブル１４はＺ方向にスムーズに移動することが可能とされている。また、昇降テーブル１４は、図３に示すように、モータＭｚの駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、上下方向に所定間隔（例えば０．１ｍｍピッチ）で移動する。モータＭｚは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。なお、実際の昇降テーブル１４の高さ方向の位置を連続的又は間欠的にリアルタイムで、図示しない位置センサを用いて測定し、適宜補正をかけることによって、昇降テーブル１４の位置精度を高めるようにしてもよい。後述する造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂについても同様である。

（ＸＹステージ１２）
ＸＹステージ１２は、この昇降テーブル１４の上面に載置されている。図４は、このＸＹステージ１２の概略構成を示す斜視図である。ＸＹステージ１２は、枠体２１と、Ｘガイドレール２２と、Ｙガイドレール２３と、リール２４Ａ、２４Ｂと、造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂと、造形ヘッドホルダＨを備えている。Ｘガイドレール２２は、その両端がＹガイドレール２３に嵌め込まれ、Ｙ方向に摺動自在に保持されている。リール２４Ａ、２４Ｂは、造形ヘッドホルダＨに固定されており、造形ヘッドホルダＨによって保持された造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂの動きに追従してＸＹ方向を移動する。造形物Ｓの材料となる熱可塑性樹脂は、径が３〜１．７５ｍｍ程度の紐状の樹脂（フィラメント３８Ａ、３８Ｂ）であり、通常リール２４Ａ，２４Ｂに捲かれた状態で保持されているが、造形時には後述する造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂに設けられたモータ（エクストルーダ）によって造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内に送り込まれる。

なお、リール２４Ａ、２４Ｂを造形ヘッドホルダＨに固定せずに枠体２１等に固定し、造形ヘッド２５の動きに追従させない構成とすることもできる。また、フィラメント３８Ａ、３８Ｂを露出した状態で造形ヘッド２５内に送り込まれる構成としたが、ガイド（例えば、チューブ、リングガイド等）を介在させて造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内に送り込むようにしても良い。なお、フィラメント３８Ａ、３８Ｂは、それぞれ異なる材料とすることができる。一例として、一方がポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂のうちのいずれかである場合、他方は、その一方の樹脂以外の樹脂とすることができる。あるいは、同じ材料の樹脂であっても、その内部に含まれるフィラーの材料の種類や割合が異なるようにすることもできる。
なお、図２〜図４では、造形ヘッド２５Ａは、フィラメント３８Ａを溶融・吐出するよう構成され、造形ヘッド２５Ｂは、フィラメント３８Ｂを溶融し吐出するよう構成され、異なるフィラメントのためにそれぞれ独立の造形ヘッドが用意されている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の造形ヘッドのみを用意し、単一の造形ヘッドにより単一の樹脂材料を吐出させるような構成や、単一の造形ヘッドにより複数種類のフィラメント（樹脂材料）を選択的に溶融・吐出させるような構成も採用することができる。

フィラメント３８Ａ、３８Ｂは、リール２４Ａ、２４ＢからチューブＴｂを介して造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内に送り込まれる。造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂは、造形ヘッドホルダＨにより保持され、リール２４Ａ、２５Ｂと共にＸ，Ｙのガイドレール２２，２３に沿って移動可能に構成されている。また、図３及び図４では図示を省略するが、造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内には、フィラメント３８Ａ，３８ＢをＺ方向下方へ送り込むためのエクストルーダモータが配置される。造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂは、ＸＹ平面内においては互いに一定の位置関係を保って造形ヘッドホルダＨと共に移動可能とされていればよいが、ＸＹ平面においても、互いの位置関係が変更可能なように構成されていてもよい。

なお、図３及び図４では図示を省略するが、造形ヘッド２５Ａ、２５ＢをＸＹテーブル１２に対し移動させるためのモータＭｘ、Ｍｙも、このＸＹステージ１２上に設けられている。モータＭｘ、Ｍｙは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。

（ドライバ３００）
次に、図５のブロック図を参照してドライバ３００の構造の詳細について説明する。ドライバ３００は、ＣＰＵ３０１、フィラメント送り装置３０２、ヘッド制御装置３０３、電流スイッチ３０４、及びモータドライバ３０６を含んでいる。

ＣＰＵ３０１は、コンピュータ２００から入出力インタフェース３０７を介して各種信号を受信して、ドライバ３００の全体の制御を行う。フィラメント送り装置３０２は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内のエクストルーダモータに対して、フィラメント３８Ａ、３８Ｂの造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂに対する送り量（押し込み量又は退避量）を指令し制御する。

電流スイッチ３０４は、ヒータ２６に流れる電流量を切換えるためのスイッチ回路である。電流スイッチ３０４のスイッチング状態が切り替わることにより、ヒータ２６に流れる電流が増加又は減少し、これにより造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂの温度が制御される。また、モータドライバ３０６は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、モータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを制御するための駆動信号を発生させる。

本実施の形態の３Ｄプリンタ１００は、材料が延引する方向（造形方向）が層毎に異なるよう、制御装置２００が動作する。

次に、この第１の実施の形態の製造装置による造形物の製造方法を、図１及び図６〜図１０を参照して説明する。

最初に、図６に示すように、第１材料Ｒ１としてポリスチレンを用いて、３Ｄプリンタ１００により第１井桁構造体Ａ１を形成する。３Ｄプリンタ１００は、第１材料Ｒ１を溶融させた後、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂから吐出させて造形を行う。このとき、１つの層（第１の層）において、第１材料Ｒ１が例えばＹ方向を長手方向として、且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。一方、第１の層よりも１つ上の第２の層では、第１の層とは異なり、第１材料Ｒ１が例えばＸ方向を長手方向として、且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。上記の工程が所定回数繰り返されることにより、第１材料Ｒ１が複数層に亘り形成され、上下に隣接する２つの層で第１材料Ｒ１の長手方向が異なる第１井桁構造体Ａ１が完成する。なお、図６において、第１の層及び第２の層における第１材料Ｒ１は、その交差部において直交するように形成されているが、この交差角は直角でなくともよい。

続いて、図７に示すように、この第１井桁構造体Ａ１を水溶液容器１０１に移動させる。水溶液容器１０１には、０．５％サクラン水溶液が貯留されている。水溶液容器１０１の中に、第１井桁構造体Ａ１を所定の時間浸漬することにより、図８に示すように、第１井桁構造体Ａ１の隙間にサクランの水溶液が含浸した第２井桁構造体Ａ２が得られる。なお、水溶液の濃度は適宜変更可能である。

このとき、必要に応じて、サクラン水溶液への浸漬の前に、前処理として、第１井桁構造体Ａ１の表面に対し、脱脂工程（樹脂表面の油状成分の除去）や、粗面化工程（樹脂表面に微細な穴の形成）を行ってもよい（図示せず）。前者の例としては、トリクロロエチレンやジクロロメタンの代替炭化水素系溶剤や代替フロン、各種アルコールを用いた脱脂工程が挙げられる。また後者の例としては、クロム酸水溶液、クロム混酸水溶液などを用いた粗面化工程が挙げられる。
なお、図７において、第１井桁構造体Ａ１を取り囲む直方体は、水溶液容器１０１の内壁と液面とを図示したものであり、第１井桁構造体Ａ１自体の形状を意味するものではない。

このようにして含浸が実行されると、第１材料Ｒ１の隙間がいわゆる井桁構造を有しているため、そこに埋め込まれる第２材料Ｒ２も井桁構造を有する。すなわち、第１の層での第２材料Ｒ２は、例えばＹ方向を長手方向として形成され且つＸ方向に所定の間隔を空けて配置される一方、この第１の層よりも上層の第２の層での第２材料Ｒ２は、例えばＸ方向を長手方向として形成され且つＹ方向に所定の間隔を空けて配置される。そして、第１の層の第２材料Ｒ２と第２の層の第２材料Ｒ２とは、その上下面において接合し、いわゆる井桁構造を構成している。

サクラン水溶液の含浸が終了したら、第２井桁構造体Ａ２を乾燥機１０２に移動させ、６０〜８０℃の温度で所定時間加熱し、乾燥させる。このとき、水分が抜けて体積が減少するとともに、サクランは分子間で物理的架橋を形成する。さらに、図９に示すように、サクランがポリスチレンの井桁構造体の表面に張り付くように乾燥し、これにより、サクランの内部がパイプ状の中空部Ｈを形成して第２井桁構造体Ａ２’が得られる。図示は省略しているが、サクランは上下に接する層の交点においても中空部Ｈを形成しており、中空部Ｈが、交点も含めた構造体Ａ２’の内部ですべて連続した構造となり得る。

ここで、ポリスチレンの井桁構造体の隙間に含浸されたサクランが中空部Ｈを形成しながら乾燥するのは、ポリスチレンとサクランとの間に親和性を有するためである。本実施の形態においては、乾燥の工程において、サクラン水溶液の体積が５分の１になった時点、すなわちサクラン水溶液の濃度が２．５％になった時点で、ポリスチレンとサクランとの親和性が特に高くなり、サクランがポリスチレンの表面に沿うように水分が抜けていくことで中空部Ｈが形成された。このように、第１材料Ｒ１、第２材料Ｒ２として、各々の間に親和性のある材料を選択することで、第２材料Ｒ２が中空となった構造体を得ることができる。

続いて、図１０に示すように、第２井桁構造体Ａ２’を溶解液容器１０３に移動させて、ポリスチレン（第１材料Ｒ１）をリモネン（溶解液Ｍ）により溶解する。これにより、図１１に示すように、中空部Ｈを形成した第２材料Ｒ２のみが残った第３井桁構造体Ａ３が得られる。

第１材料Ｒ１の溶解が終了した後、第３井桁構造体Ａ３は、溶解液容器１０３から取り出され、洗浄液による洗浄処理を受けてもよい。これにより、表面に付着した溶解液Ｍが除去される。洗浄液として、サクランのネットワーク中に吸収されない液体を使用することができ、本実施の形態においては、例えばアセトンを使用することができる。

なお、構造体Ａ１〜Ａ３の積層数や、形状、大きさは例として図示したものであり、図示される構造に限定されない。また、図６に示した第１井桁構造体Ａ１のように、全ての層において第１材料Ｒ１と隙間とが１：１の割合で形成される場合について説明したが、この第１材料Ｒ１と隙間との割合は任意に設定可能である。さらに、上下の層でこの割合が異なっていてもよい。

以上の図６〜図１０で説明した工程により得られた第２井桁構造体Ａ２’及び第３井桁構造体Ａ３は、サクランの分子間に架橋が形成されているため、水分を与えることによってゲル化し、これによりゲルの三次元構造体を得ることができる。このとき、与える水分量を調節することで、ゲルの三次元構造体の体積や、中空部Ｈの径の大きさを制御することができる。

上述のようにして得られたサクランの中空井桁構造体（第３井桁構造体Ａ３）は、水だけでなく食塩水、肉汁、液体培地など、様々な液体を保持することができる。このようにして得られたサクランの中空井桁構造体は、あらゆる分野において利用可能である。例えば、吸湿させたサクランの中空井桁構造体の中空部Ｈに細胞核を入れて培養することで、細胞構造体を形成することができる。また、例えば肉汁を含ませることで肉様食品を作成し、調理することも可能であり、摂食・嚥下障害のための嚥下食として使用することができる。このようにして得られた肉様食品は、実際の肉と異なりゲル状であるので、固形物を摂取することが困難な人でも容易に飲み込むことができる。

なお、乾燥したサクランの中空井桁構造体は非常に軽く、壊れやすい。従って、サクランの構造体を製品として出荷する際には、中空状のサクランとポリスチレンとの複合体である第２井桁構造体Ａ２’の状態でパッケージングを行い、使用者の使用の都度第１材料Ｒ１を除去させるようにしてもよい。また、サクランの構造体は、第２井桁構造体Ａ２’又は第３井桁構造体Ａ３の状態で、例えばアセトンなどの有機溶媒に浸漬させた状態で製品化してもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１材料Ｒ１からなる第１井桁構造体Ａ１を作成し、その隙間に第２材料Ｒ２の水溶液を含浸させて第１材料Ｒ１と第２材料Ｒ２との複合体である第２井桁構造体Ａ２を得て、さらに乾燥させることで、第２材料Ｒ２が中空部Ｈを形成した第２井桁構造体Ａ２’を得ることができる。その後、第１材料Ｒ１を溶解することで、第２材料Ｒ２からなる第３井桁構造体Ａ３を得ることができる。さらに第３井桁構造体Ａ３を吸湿させることによりゲル化し、これにより、ゲルの三次元構造体を得ることができる。

例えば、押し出し造形法の三次元造形装置において、ゲル化した材料を造形ヘッドから吐出して三次元構造体を造形しようとする場合、吐出圧により吐出口からゲルを押し出すことは可能である。しかし、吐出の際にゲルのネットワークが圧縮され、吐出後にはゲルのネットワークの復元力により吐出直後の形状を保つことができず、うまく造形できないことが想定される。また、１つの層において、仮に、ゲルのネットワークが圧縮された状態を維持しながら吐出して造形できたとしても、圧縮によりネットワークの自由度が下がっているため、次層に吐出されたゲルとのネットワークを形成することが難しくなり、積層を行うことは困難である。このように、従来は溶液を型に入れて固めることでしかゲルの成形を行えなかったものが、本実施の形態によれば、ゲルの三次元構造体を得ることができ、さらに、中空部Ｈを有するゲルの三次元構造体を得ることができるようになった。

なお、第１井桁構造体Ａ１を造形するための３Ｄプリンタ１００は、前述の溶融樹脂押し出し法のものに限定されず、後の工程で溶解液Ｍにより溶解可能な第１材料Ｒ１を用いて第１井桁構造体Ａ１を造形することができるものであればよい。例えば、第１材料Ｒ１として光硬化樹脂を用いて、光造形法の３Ｄプリンタを使用して第１井桁構造体Ａ１を造形することもできる。その場合は、第１材料Ｒ１の溶解液Ｍとして、光硬化樹脂を溶解できる樹脂溶解剤を使用すればよい。

［第２の実施の形態］
次に、図１２のブロック図を参照して、第２の実施の形態に係る造形物を製造するための製造装置の構成を説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成を有する箇所には同様の符号を付して、その説明を省略する。第２の実施の形態の製造装置は、図１２に示すように、３Ｄプリンタ１００’と、水溶液容器１０１’と、乾燥機１０２’とを備える。本実施の形態においては、３Ｄプリンタ１００’により造形される第１井桁構造体Ａ１の形状及び材料が第１の実施の形態と異なっている。

３Ｄプリンタ１００’は、第１の実施の形態の３Ｄプリンタ１００と同様のものとすることができる。この３Ｄプリンタ１００’は、第３材料Ｒ３として、ポリスチレンよりもサクランとの親和性の低い材料を用いて、第４井桁構造体Ａ４を造形可能に構成されている。後述のように、第４井桁構造体Ａ４は、後の工程で引き抜いて除去できるような形状に造形される。

第３材料Ｒ３は、３Ｄプリンタ１００’が溶融樹脂押し出し法の装置である場合、例えばＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂のうち、第２材料Ｒ２と親和性の低いものを選択して用いることができる。

水溶液容器１０１’は、第１の実施の形態と同様に、第２材料Ｒ２の水溶液を貯留する容器である。３Ｄプリンタ１００’により形成された第４井桁構造体Ａ４の隙間に、第２材料Ｒ２の水溶液を含浸させることで、第５井桁構造体Ａ５を得ることができる。第２材料Ｒ２として、分子間に架橋を形成してゲル化し得る材料が用いられ、例えば高分子ゲル、低分子ゲル、有機ゲル、無機ゲル、粒子ゲル等が挙げられる。高分子ゲルを形成する材料としては、例えば多糖類やタンパク質等が挙げられる。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、第２材料Ｒ２として多糖類であるサクラン（登録商標）を使用する場合について説明する。

乾燥機１０２’は、第１の実施の形態と同様に、第２材料Ｒ２が含浸された第４井桁構造体Ａ４を加熱、乾燥するための装置である。乾燥機１０２として、例えばオートクレーブが用いられる。オートクレーブを用いることで、乾燥と同時に滅菌処理を行うことができる。ただし、これはあくまで一例であり、乾燥機１０２は、第４井桁構造体Ａ４を乾燥させる機能を有する装置であればよい。図１２に示すように、乾燥後、第４井桁構造体Ａ４から第３材料Ｒ３を引き抜いて除去することで、第２材料Ｒ２からなる第６井桁構造体Ａ６が得られる。

次に、この第２の実施の形態の製造装置を用いた造形物の製造方法を、図１３〜図１６を参照して説明する。図１３〜図１６は、第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する平面図である。

最初に、図１３に示すように、３Ｄプリンタ１００’において、第３材料Ｒ３を用いて、第４井桁構造体Ａ４を造形する。３Ｄプリンタ１００’は、第３材料Ｒ３を溶融させた後、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂから吐出させて造形を行う。このとき、１つの層（第１の層）において、第３材料Ｒ３が互いに噛み合う２つの櫛歯形状に形成され、櫛歯部分が例えばＹ方向を長手方向として、且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。第１の層よりも１つ上の第２の層においても、第３材料Ｒ３が互いに噛み合う２つの櫛歯形状に形成されるが、第１の層とは異なり、櫛歯部分が例えばＸ方向を長手方向として、且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。上記の工程が所定回数繰り返されることにより、第３材料Ｒ３からなる第４井桁構造体Ａ４が完成する。このように、互いに噛み合う櫛歯形状を形成することで、後の工程で第３材料Ｒ３を引き抜くことができる。換言すると、第４井桁構造体Ａ４は、第２材料Ｒ２からなる井桁構造体を得るためのスライド型となっている。なお、図１３において、第１の層及び第２の層における第３材料Ｒ３は、櫛歯部分がその交差部において直交する方向に形成されているが、この交差角は直角でなくともよい。

続いて、図１４に示すように、この第４井桁構造体Ａ４を水溶液容器１０１’に移動させる。水溶液容器１０１’には、０．５％サクラン水溶液が貯留されている。水溶液容器１０１’の中に、第４井桁構造体Ａ４を所定の時間浸漬することにより、図１５に示すように、第４井桁構造体Ａ４の第３材料Ｒ３の隙間にサクラン（第２材料Ｒ２）の水溶液が含浸した第５井桁構造体Ａ５が得られる。なお、水溶液の濃度は適宜変更可能である。

なお、必要に応じて、サクラン水溶液への浸漬の前に、前処理として、第４井桁構造体Ａ４の表面に対し、脱脂工程（樹脂表面の油状成分の除去）や、粗面化工程（樹脂表面に微細な穴の形成）を行ってもよい（図示せず）。前者の例としては、トリクロロエチレンやジクロロメタンの代替炭化水素系溶剤や代替フロン、各種アルコールを用いた脱脂工程が挙げられる。また後者の例としては、クロム酸水溶液、クロム混酸水溶液などを用いた粗面化工程が挙げられる。
なお図１４において、第４井桁構造体Ａ４を取り囲む正方形は、水溶液容器１０１’の壁面を図示したものであり、構造体Ａ４自体の形状を意味するものではない。

このようにして含浸が実行されると、図１５に示すように、第４井桁構造体Ａ４の隙間が第２材料Ｒ２で埋められた第５井桁構造体Ａ５が得られる。第３材料Ｒ３の隙間がいわゆる井桁構造を有しているため、そこに埋め込まれる第２材料Ｒ２も井桁構造を有する。すなわち、第１の層での第２材料Ｒ２は、例えばＹ方向を長手方向として形成され且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成される一方、この第１の層よりも上層の第２の層での第２材料Ｒ２は、例えばＸ方向を長手方向として形成され且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成される。そして、第１の層の第２材料Ｒ２と第２の層の第２材料Ｒ２とは、その上下面において接合し、いわゆる井桁構造を構成している。

サクラン水溶液の含浸が終了したら、第５井桁構造体Ａ５を、乾燥機１０２’に移動させ、６０〜８０℃の温度で所定時間乾燥させて第５井桁構造体Ａ５’を得る（図示せず）。このとき、サクランは分子間で物理的架橋を形成しながら乾燥し、体積が減少する。なお、本実施の形態の乾燥の工程においては、第１の実施の形態と異なり、第３材料Ｒ３と第２材料Ｒ２とは親和性の低い材料であるため、第２材料Ｒ２は第３材料Ｒ３に張り付いて乾燥せず、中空部Ｈは形成されない。

続いて、第５井桁構造体Ａ５を乾燥して得られた第５井桁構造体Ａ５’から第３材料Ｒ３を引き抜いて除去することで、図１６に示すように、サクランからなる第６井桁構造体Ａ６が得られる。この第３材料Ｒ３の引き抜きは、例えばピンセット等を用いて人の手により行うことができる。このとき、第２材料Ｒ２と第３材料Ｒ３との親和性が高いと、乾燥の工程で第２材料Ｒ２が第３材料Ｒ３の表面に張り付いた状態になり、引き抜きを行うことで第６井桁構造体Ａ６の構造が崩れてしまう虞がある。

なお、乾燥したサクランの井桁構造体は非常に軽く、壊れやすい。従って、出荷の際には、サクラン（第２材料Ｒ２）と第３材料Ｒ３との複合体である第５井桁構造体Ａ５’の状態でパッケージングを行い、使用者の使用の都度第３材料Ｒ３を除去させるようにしてもよい。また、サクランの構造体は、第５井桁構造体Ａ５’又は第６井桁構造体Ａ６の状態で、例えばアセトンなどの有機溶媒に浸漬させた状態で製品化してもよい。

以上の図１３〜図１６で説明した工程により得られた第６井桁構造体Ａ６は、サクランの分子間に架橋が形成されているため、水分を与えることによってゲル化し、これによりゲルの構造体を得ることができる。また、この第６井桁構造体Ａ６に与える水分量を調節することで、第６井桁構造体Ａ６の体積を制御することができる。

上述のようにして得られたサクランの井桁構造体（第６井桁構造体Ａ６）は、第１の実施の形態と同様に、水だけでなく食塩水、肉汁、液体培地など、様々な液体を保持することができ、あらゆる分野において利用可能である。

以上説明したように、第２の実施の形態によれば、第３材料Ｒ３からなる第４井桁構造体Ａ４に第２材料Ｒ２を含浸させて、第２材料Ｒ２と第３材料Ｒ３との複合体である第５井桁構造体Ａ５を形成し、乾燥させる。さらに第５井桁構造体Ａ５から第３材料Ｒ３を引き抜いて除去することで、第２材料Ｒ２からなる第６井桁構造体Ａ６を得ることができる。上述のように、乾燥の際に第２材料Ｒ２が分子間で物理的架橋を形成するので、第６井桁構造体Ａ６に水分を与えることで、ゲルの三次元構造体が得られる。

なお、構造体Ａ４〜Ａ６の形状や大きさ、積層数は例として図示したものであり、図示の構造に限定されない。図１２〜図１６において、櫛歯部分がテーパ状に形成される構造体を例に説明したが、例えば櫛歯部分が直線状に形成されていてもよい。また、櫛歯部分の本数も図示するものに限定されないことは言うまでもない。

また、第４井桁構造体Ａ４を造形するための３Ｄプリンタ１００’は、前述の溶融樹脂押し出し法のものに限定されず、第２材料Ｒ２と親和性の低い第３材料Ｒ３を用いて、後の工程で引き抜くことが可能な形状に第４井桁構造体Ａ４を造形することができるものであればよい。

［変形例］
次に、第２の実施の形態におけるゲルの三次元構造体の製造方法の変形例について説明する。図示は省略しているが、まず、第３材料Ｒ３を用いて、３Ｄプリンタ１００’により第４井桁構造体Ａ４を造形する。第４井桁構造体Ａ４は、前述のように、例えば櫛歯形状など、引き抜きが可能な形状に形成される。次に、第４井桁構造体Ａ４を水溶液容器１０１’に移動させてサクラン水溶液に浸漬させる。以上の工程までは第２の実施の形態と同様であるが、本変形例においては、サクラン水溶液への浸漬の後、例えば硬化促進剤や重合開始剤等の架橋剤を水溶液容器１０１’に加える。これにより、乾燥機１０２’による乾燥を行わなくともサクランが架橋を形成することができ、水溶液の水分によりゲル化する。その後、第３材料Ｒ３を引き抜いて除去することで、サクランからなるゲルの三次元構造体を得ることができる。なお、硬化促進剤を水溶液容器１０１’に加える前に、予め食塩などの塩類や、肉汁、培地の栄養分など、任意の成分を添加してもよい。なお、本実施の形態において、ゲル化する材料である第２材料Ｒ２が架橋を形成できる方法であれば、乾燥や架橋剤の添加に限定されるものではなく、使用される第２材料Ｒ２に応じて任意に変更可能である。

［第３の実施の形態］
次に、図１７のブロック図を参照して、第３の実施の形態に係る造形物を製造するための製造装置について説明する。第３の実施の形態の製造装置は、図１７に示すように、３Ｄプリンタ１００”と、無機物スラリー容器１０４と、焼成炉１０５とを備える。３Ｄプリンタ１００”は、第１の実施の形態の３Ｄプリンタ１００と同様のものとすることができ、第１井桁構造体Ａ１と同様の構成を有する第７井桁構造体Ａ７を造形可能に構成されている。

第７井桁構造体Ａ７を構成する材料（第４材料Ｒ４）として、３Ｄプリンタ１００”がいわゆる溶融樹脂押し出し法を用いたものである場合、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。本実施の形態においては、第４材料Ｒ４として、ポリカーボネートを使用する例について説明する。

無機物スラリー容器１０４は、第５材料Ｒ５としての無機物スラリーを貯留するための容器である。３Ｄプリンタ１００”により造形された第７井桁構造体Ａ７を無機物スラリー容器１０４に投入して含浸させることで、第４材料Ｒ４と第５材料Ｒ５の複合体である第８井桁構造体Ａ８を得ることができる。第５材料Ｒ５の無機物として、セラミックやガラスを用いることができる。無機物としては、例えば、酸化アルミニウム、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックの粒子や、二酸化ケイ素、酸化ホウ素、五酸化二リン、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、酸化チタン等のガラスの原料となる物質が挙げられる。スラリーとは、上記のような無機物が水等の液体に分散したもののことである。本実施の形態においては、無機物スラリー（第５材料Ｒ５）として、セラミックスラリーである太陽金網株式会社製のＲｅｓｂｏｎｄ９８９を用いる。Ｒｅｓｂｏｎｄ９８９は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする接着剤である。

焼成炉１０５は、第８井桁構造体Ａ８を所定の温度で所定時間焼成させるための装置である。焼成を行うことで、第８井桁構造体Ａ８から第４材料Ｒ４や、第５材料Ｒ５中の水分、有機化合物が焼却除去され、酸化アルミニウムからなる第９井桁構造体Ａ９が得られる。

次に、この第３の実施の形態の製造装置を用いた造形物の製造方法を、図１８〜図２１を参照して説明する。

最初に、図１８に示すように、第４材料Ｒ４としてポリカーボネートを用いて、３Ｄプリンタ１００”により第７井桁構造体Ａ７を形成する。３Ｄプリンタ１００”は、第４材料Ｒ４を溶融させた後、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂから吐出させて造形を行う。このとき、１つの層（第１の層）において、第４材料Ｒ４が、例えばＹ方向を長手方向として、且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。一方、第１の層よりも１つ上の第２の層では、第１の層とは異なり、第４材料Ｒ４が、例えばＸ方向を長手方向として、且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。上記の工程が所定回数繰り返されることにより、第４材料Ｒ４が複数層に亘り形成され、上下に隣接する２つの層で第４材料Ｒ４の長手方向が異なる第７井桁構造体Ａ７が完成する。なお、図１８において、第１の層及び第２の層における第４材料Ｒ４は、その交差部において直交するように形成されているが、この交差角は直角でなくともよい。

続いて、図１９に示すように、この第７井桁構造体Ａ７を無機物スラリー容器１０４に移動させ、第７井桁構造体Ａ７を所定の時間浸漬する。これにより、図２０に示すように、第７井桁構造体Ａ７の隙間にセラミックスラリーが含浸した第８井桁構造体Ａ８が得られる。なお、図１９において、第７井桁構造体Ａ７を取り囲む直方体は、無機物スラリー容器１０４の内壁と液面とを図示したものであり、構造体Ａ７自体の形状を意味するものではない。

このようにして含浸が実行されると、図２０に示すように、第７井桁構造体Ａ７の隙間が第５材料Ｒ５で埋められ、第８井桁構造体Ａ８が得られる。第７材料Ｒ７の隙間がいわゆる井桁構造を有しているため、そこに埋め込まれる第５材料Ｒ５も井桁構造を有する。すなわち、第１の層での第５材料Ｒ５は、例えばＹ方向を長手方向として形成され且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成される一方、この第１の層よりも上層の第２の層での第５材料Ｒ５は、例えばＸ方向を長手方向として形成され且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成される。そして、第１の層の第５材料Ｒ５と第２の層の第５材料Ｒ５とは、その上下面において接合し、いわゆる井桁構造を構成している。

セラミックスラリーの含浸が終了したら、第８井桁構造体Ａ８を焼成炉１０５に移動させる。焼成炉１０５において、例えば５℃／分の割合で昇温し、まず２５０℃で１時間、次に５００℃で１時間、続いて１１００℃で６時間焼成を行う。これにより、図２１に示すように、第４材料Ｒ４、第５材料Ｒ５中の有機化合物、水分が焼却除去され、酸化アルミニウムからなる第９井桁構造体Ａ９が得られる。

以上説明したように、第３の実施の形態によれば、第４材料Ｒ４からなる第７井桁構造体Ａ７を造形し、その隙間に第５材料Ｒ５としてのセラミックスラリーを含浸させて第４材料Ｒ４と第５材料Ｒ５との複合体である第８井桁構造体Ａ８を得て、さらに所定の条件で焼成させることで第４材料Ｒ４を除去することで、セラミックからなる第９井桁構造体Ａ９を得ることができる。このセラミックからなる第９井桁構造体Ａ９は、３Ｄプリンタ１００”により造形される第７井桁構造体Ａ７の隙間と同様の形状、大きさを有している。

なお、構造体Ａ７〜Ａ９の積層数や、形状、大きさは例として図示したものであり、図示の構造に限定されるものではない。また、図１８に示した第７井桁構造体Ａ７のように、全ての層において、第４材料Ｒ４と隙間とが１：１の割合で形成される場合について説明したが、この第４材料Ｒ４と隙間との割合は任意に設定可能である。また、上下の層でこの割合が異なっていてもよい。

また、第４材料Ｒ４は、焼成時に焼却除去される材料であればよく、ポリカーボネートに限定されないことは言うまでもない。また、焼成温度や時間等の焼成条件も適宜変更することができる。

以上説明したように、本発明によれば、材料としてゲル化する多糖類や無機物を用いて、従来造形が困難であった井桁構造体を得ることができる。これらの材料からなる井桁構造体は、あらゆる分野における様々な用途で使用することができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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。これら実施の形態やその変形は、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。

１００・・・３Ｄプリンタ、２００・・・コンピュータ、３００・・・ドライバ、１１・・・フレーム、１２・・・ＸＹステージ、１３・・・造形ステージ、１４・・・昇降テーブル、１５・・・ガイドシャフト、２１・・・枠体、２２・・・Ｘガイドレール、２３・・・Ｙガイドレール、２４Ａ、２４Ｂ・・・フィラメントホルダ、２５Ａ、２５Ｂ・・・造形ヘッド、３１・・・枠体、３４、３５・・・ローラ、３８Ａ、３８Ｂ・・・フィラメント、Ａ１〜Ａ９・・・井桁構造体、Ｈ・・・中空部。

Claims (5)

1. 第１の層及び第２の層の繰り返し構造を有し、
   前記第１の層は、
   第１方向に連続的に延び、且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列する第１材料を有し、
   前記第１の層の上部の前記第２の層は、
   前記第１方向とは交差する第３方向に連続的に延び且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列する前記第１材料を有し、
   前記第１材料は、分子間に架橋を有するスイゼンジノリ由来多糖体である
   ことを特徴とする造形物。
2. 第１材料と第２材料とを含む第１の層及び第２の層の繰り返し構造を有する造形物であって、
   前記第１の層は、
   第１の方向に連続的に延び、且つ前記第１の方向と交差する第２の方向において隙間を空けて配列される前記第１材料と、
   前記第１の方向に連続的に延び、且つ前記隙間に配列される部分を含む前記第２材料とを有し、
   前記第１の層の上部の前記第２の層は、
   前記第１の方向とは交差する第３の方向に連続的に延び且つ前記第３の方向と交差する第４の方向において隙間を空けて配列される前記第１材料と、
   前記第３の方向に連続的に延び且つ前記隙間に配列される部分を含む前記第２材料とを有し、
   前記第１材料は、分子間に架橋を有するスイゼンジノリ由来多糖体である
   ことを特徴とする造形物。
3. 前記第１材料は、内部に中空部を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の造形物。
4. 前記第１材料は、水分を含有してゲル化している
   ことを特徴とする、請求項１乃至３いずれか１項記載の造形物。
5. 第１の層及び第２の層の繰り返し構造を有し、
   前記第１の層は、
   第１方向に連続的に延び、且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて
   配列する第１材料を有し、
   前記第１の層の上部の前記第２の層は、
   前記第１方向とは交差する第３方向に連続的に延び且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列する前記第１材料を有し、
   前記第１材料は、セラミック又はガラスである
   ことを特徴とする造形物。

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