JP7054004B2

JP7054004B2 - 構造体及び構造体の製造方法

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Publication number: JP7054004B2
Application number: JP2018140391A
Authority: JP
Inventors: 亮平湯浅
Original assignee: Kyoraku Co Ltd
Current assignee: Kyoraku Co Ltd
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2022-04-13
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: JP2020015254A

Description

本発明は、構造体及び構造体の製造方法に関する。

３次元造形装置には、線状樹脂（フィラメント）をノズルから基材層へ吐出することで基材層に線状構造体を積層し、基材層上に線状構造体を有する被覆層を形成するものが各種提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の３次元造形装置では、ノズルが基材層に対して間隔をあけた状態で、線状樹脂がノズルから基材層へ吐出される。

ここで、基材層の構成材料と被覆層の樹脂材料とを変えることで、様々な機能をもたせた構造体を３次元造形装置で製造することができる。例えばシューズのインソールを製造する場合には、インソールの上面側の部分を柔らかめの樹脂で構成し、また、インソールの下面側の部分を硬めの樹脂で構成することがある。このようにインソールを構成することで、インソールの上面側の部分では人間の荷重がやさしく受け止められ、また、インソールの下面側の部分ではインソールの型崩れを抑制する。

特開２０１８－９４７４６号公報

基材層の構成材料と被覆層の樹脂材料とが異なると、被覆層が基材層から剥がれやすくなってしまう場合がある。特に、特許文献１の技術のように、ノズルが基材層に対して間隔をあけた状態で、線状樹脂がノズルから基材層へ吐出される場合には、被覆層全体が基材層の表面上に形成されることになり、被覆層が基材層から剥がれやすくなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、被覆層が基材層から剥がれてしまうことが抑制される構造体及び構造体の製造方法を提供することを目的としている。

本発明によれば、基材層と、被覆層とを備える構造体であって、前記被覆層は、線状構造体と、含浸層とを有し、且つ、前記被覆層は、前記基材層を構成する樹脂材料とは異なる樹脂材料で構成され、前記線状構造体は、前記基材層の少なくとも一部を被覆するように構成され、前記含浸層上には、前記線状構造体が形成され、且つ、前記含浸層を構成する樹脂は、前記基材層内に含浸している、構造体が提供される。

本発明によれば、含浸層を構成する樹脂、すなわち被覆層の一部を構成する樹脂が基材層内に含浸しているので、被覆層と基材層との結合が強まる。このため、本発明によれば、被覆層が基材層を構成する樹脂材料とは異なる樹脂材料で構成されていたとしても、被覆層が基材層から剥がれしまうことが抑制される。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記基材層は、発泡体で構成され、前記含浸層を構成する樹脂は、前記発泡体の気泡内に含浸している、構造体が提供される。
実施形態に係る製造方法は、基材層と、被覆層とを備え、前記被覆層は、前記基材層を構成する樹脂材料とは異なる樹脂材料で構成されている構造体の製造方法であって、含浸層形成工程と、線状構造体形成工程とを備え、前記被覆層は、線状構造体と、含浸層とを有し、前記含浸層形成工程では、線状樹脂を吐出するノズルを前記基材層に押し込みながら、前記ノズルから前記基材層内へ前記線状樹脂を吐出することで、前記基材層内に前記含浸層を形成し、前記線状構造体形成工程では、前記ノズルを前記基材層の上側で走査しながら前記ノズルから前記線状樹脂を吐出することで、前記線状構造体を形成する、方法が提供される。
好ましくは、前記含浸層形成工程では、前記ノズルを前記基材層へ押し込む量である押込量を、前記線状樹脂の太さ以上としている、方法が提供される。
好ましくは、前記基材層は、発泡体で構成され、前記含浸層形成工程では、前記発泡体の気泡内に前記線状樹脂が含浸するように、前記ノズルを前記基材層に押し込みながら、前記ノズルから前記基材層内へ前記線状樹脂を吐出する、方法が提供される。

実施形態に係る構造体１を模式的に示す斜視図である。図２Ａは線状樹脂４ｂを主に第１方向Ｄ１に走査して形成された線状構造体４を模式的に示す平面図であり、図２Ｂは線状樹脂５ｂを主に第２方向Ｄ２に走査して形成された線状構造体５を模式的に示す平面図であり、図２Ｃは線状構造体４と線状構造体５とが交互に重ねられて形成された造形物１０を模式的に示す平面図である。実施形態に係る構造体１の被覆層３の造形物１０の斜視図である。図４Ａは含浸層形成工程の説明図であり、図４Ｂは線状構造体形成工程の説明図である。

以下、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。また、各特徴について独立して発明が成立する。

１．構造体１の構成
図１に示すように、構造体１は、基材層２と被覆層３とを備える。構造体１としては、看護分野（褥瘡予防サポーター、尖足予防サポーター、子供用シーネなど）、スポーツ用途（シューズのインソールなど）などで用いられるものが挙げられる。構造体１は、軟性材料で形成された被覆層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、被覆層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。実施形態では、構造体１がシューズのインソールである。

＜基材層２＞
基材層２は被覆層３が形成される層であり、基材層２と被覆層３とは密着している。基材層２は発泡体で構成されており、基材層２の発泡体には、被覆層３を構成する樹脂が入り込む気泡が形成されている。基材層２は、多数の気泡を有する発泡体で構成することができ、また、多数の気泡を有するスポンジ体で構成することもできる。基材層２を構成する樹脂材料は特に限定されるものではない。基材層２の気泡構造は、連続気泡構造であってもよいし、独立気泡構造であってもよい。連続気泡構造の方が独立気泡構造よりも樹脂が奥に入り込みやすく、独立気泡構造の方が連続気泡構造よりも強度を高めやすい。

＜被覆層３＞
被覆層３は、基材層２の少なくとも一部を被覆する。被覆層３は、基材層２を構成する樹脂材料とは異なる樹脂材料で構成されている。被覆層３は、造形物１０と含浸層１１とを有する。図２Ａ～図２Ｃに示すように、造形物１０は、２種類の線状構造体（後述する線状構造体４、５）が積層されて構成されている。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、線状構造体４，５が１本の線状樹脂４ｂ，５ｂによって形成されている。図２Ａに示すように線状構造体４を構成する線状樹脂４ｂは第１方向Ｄ１に延びており、図２Ｂに示すように線状構造体５を構成する線状樹脂５ｂ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とは直交していなくてもよい。また、線状構造体４、５には、複数の溝４ａ、５ａが形成されている。溝４ａは第１方向Ｄ１に延びており、溝５ａは第２方向Ｄ２に平行に延びている。すなわち、線状樹脂４ｂの隣接する一対の直線部４ｃは間隔があけられており、同様に、線状樹脂５ｂの隣接する一対の直線部５ｃには間隔があけられている。

造形物１０は複数の線状構造体４と複数の線状構造体５を有し、線状構造体４及び線状構造体５は交互に積層されている。このため、図３に示すように、造形物１０はメッシュ状に形成されており、造形物１０には多数の孔３ａが形成されている。その結果、構造体１の通気性が向上するとともに、構造体１の被覆層３の弾力性が向上する。

含浸層１１を構成する樹脂は基材層２内に含浸している。具体的には、本実施形態では基材層２は発泡体であるので、基材層２の発泡体の気泡内には含浸層１１を構成する樹脂が入り込んでいる。このように、含浸層１１を構成する樹脂が基材層２内に含浸することで、含浸層１１を構成する樹脂が基材層２を構成する発泡体と絡まり、その結果、含浸層１１が基材層２と強固に結合する。また、含浸層１１上には造形物１０（線状構造体４、５）が形成されているが、含浸層１１を構成する樹脂材料と造形物１０を構成する樹脂材料とは同じであるため、含浸層１１と造形物１０とは強固に結合する。このように、含浸層１１を構成する樹脂が基材層２内に含浸しているので、被覆層３が基材層２から剥がれしまうことが抑制されている。実施形態では、含浸層１１の表面の位置が、基材層２の表面に概ね一致しているが、含浸層１１の表面は基材層２の表面から突き出ていてもよい。

２．構造体１の製造方法
実施形態に係る構造体１の製造方法は、含浸層形成工程と、線状構造体形成工程とを備えている。実施形態に係る構造体１の製造方法の３次元造形装置は、ノズル２０と、図示省略の加熱手段と、図示省略の樹脂供給部とを備える。ノズル２０は、樹脂供給部から供給された樹脂を線状にする機能を有する。加熱手段は例えばノズル２０に付設されており、ノズル２０に供給された樹脂は加熱手段の熱によって軟化する。

＜含浸層形成工程＞
図４Ａに示すように、含浸層形成工程では、線状樹脂Ｒｓを吐出するノズル２０を基材層２に押し込みながら、ノズル２０から基材層２内へ線状樹脂Ｒｓを吐出する。なお、線状樹脂Ｒｓは、図２Ａ～図２Ｃに示す、線状樹脂４ｂ又は線状樹脂５ｂに対応する。ノズル２０が基材層２に押し込こまれることで、ノズル２０の先端面と基材層２の表面との当接力が増大する。その結果、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓがノズル２０の先端面と基材層２の表面との間に逃げにくくなり、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓの圧力が上昇する。これにより、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓは、基材層２内に入り込みやすくなる。基材層２内に入り込んだ線状樹脂Ｒｓは、冷却された後に基材層２内で固化し、含浸層１１となる。ここで、実施形態では基材層２が発泡体で構成されているので、基材層２には多数の気泡が形成されている。このため、実施形態では、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓが基材層２の気泡内に入り込むことで、線状樹脂Ｒｓが基材層２を構成する発泡体に絡まる。つまり、含浸層１１及び基材層２にはアンカー効果が生じる。このように、実施形態では、アンカー効果によって含浸層１１が基材層２と強固に結合し、含浸層１１及び基材層２の密着力が向上している。

含浸層形成工程において、ノズル２０は２次元走査される。具体的には、含浸層形成工程におけるノズル２０の２次元走査範囲は、造形物１０のうちの最下層の線状構造体Ｂｄの形状に応じて、定められる。なお、線状構造体Ｂｄは、図２Ａ～図２Ｃに示す、線状構造体４又は線状構造体５に対応する。例えば、造形物１０のうちの最下層の線状構造体Ｂｄが線状構造体４であれば、最下層の線状構造体Ｂｄの１つ上の層の線状構造体Ｂｄは線状構造体５である。

実施形態において、含浸層形成工程におけるノズル２０の２次元走査範囲（以下、第１範囲と称する）は、造形物１０のうちの最下層の線状構造体Ｂｄにおける、ノズル２０の２次元走査範囲（以下、第２範囲と称する）と同じであるか、又は第２範囲の全体を含むように第２範囲よりも広くなっていることが好ましい。これにより、造形物１０の下部の全体が含浸層１１上に形成されることになり、造形物１０が基材層２から剥がれてしまうことがより確実に抑制される。

また、第２範囲は第１範囲からはみ出していてもよい。はみ出した部分においては、はみ出していない部分と比較すると、被覆層３と基材層２との間の密着力は低下する。しかし、はみ出していない部分においては、被覆層３と基材層２との間の密着力が高くなっているので、被覆層３が基材層２から剥がれてしまうことが抑制される効果が得られる。

また、含浸層１１を形成する場合におけるノズル２０の先端の軌跡は、造形物１０のうちの最下層の線状構造体Ｂｄを形成する場合におけるノズル２０の先端の軌跡と同様とするとよい。これにより、基材層２のうちの第１範囲が含浸層１１で覆い尽くされなくなり、被覆層３の孔３ａと基材層２の気泡との間の通気が含浸層１１によって遮られることがなくなり、構造体１の通気性が向上する。

図４Ａに示すように、含浸層形成工程では、ノズル２０を基材層２へ押し込む量である押込量Ｄｐを、線状樹脂Ｒｓの太さ以上としている。なお、実施形態において、線状樹脂Ｒｓの太さは、線状構造体Ｂｄの積層ピッチと同様である。このように、押込量Ｄｐを線状樹脂Ｒｓの太さ以上とすることで、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓが、ノズル２０の先端面と基材層２の表面との間に更に逃げにくくなる。これにより、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓが基材層２内に入り込みやすくなるだけでなく、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓが基材層２のより奥側にまで入り込む。したがって、アンカー効果が強まり、含浸層１１が基材層２により強固に結合する。

また、含浸層形成工程では、ノズル２０を基材層２へ押し込みすぎると、基材層２に入り込んだ樹脂が横に広がり過ぎてしまう場合がある。ここで、含浸層形成工程では、ノズル２０が基材層２を２次元走査するので、基材層２に入り込んだ樹脂が横に広がると、隣接する２次元走査パスの樹脂が接触してしまうことがある。隣接する２次元走査パスの樹脂が接触すると、基材層２のうちの第１範囲が含浸層１１で覆い尽くされてしまい、構造体１の通気性が低下してしまう。このため、隣接する２次元走査パスの樹脂が接触しないように、含浸層形成工程におけるノズル２０の押込量Ｄｐと含浸層形成工程におけるノズル２０の二次元走査パスを定めることが好ましい。

＜線状構造体形成工程＞
図４Ｂに示すように、線状構造体形成工程では、ノズル２０を二次元走査しながらノズル２０から線状樹脂Ｒｓを吐出することで、線状構造体Ｂｄを形成する。各線状構造体Ｂｄを構成する各線状樹脂Ｒｓは、１本の線状樹脂で構成されている。つまり、ノズル２０が２次元走査するときにおけるノズル２０の先端の軌跡は一筆書きになっている。これにより、実施形態に係る構造体１の製造方法では、被覆層３を効率的に形成することができる。

３．実施形態の効果
従来の製造方法では、ノズルが基材層に対して間隔をあけた状態で、線状樹脂はノズルから基材層へ吐出される。このため、従来の製造方法では、ノズルから吐出された樹脂が基材層へ含浸しにくく、アンカー効果が得られない。しかし、実施形態に係る構造体１では、ノズル２０が基材層２に押し込こまれることで、ノズル２０から吐出された線状樹脂Ｒｓが、基材層２の気泡内に入り込み、固化する。固化することで含浸層１１となった樹脂が基材層２を構成する発泡体に絡まり、含浸層１１及び基材層２にはアンカー効果が生じる。このアンカー効果によって含浸層１１が基材層２と強固に結合し、含浸層１１及び基材層２の密着力が向上する。

３次元造形装置は様々な形状の構造体を形成することができるが、３次元造形装置を用いた製造方法は、金型を用いた製造方法（例えば、射出成形による製造方法）と比較すると、１つの構造体を完成させるのに要する時間が長くなってしまう。そこで、基材層２を予め射出成形で製造しておき、この基材層２上に３次元造形装置で造形物１０を形成する手段も考えられる。ここで、基材層２を構成する樹脂材料と造形物１０を形成する樹脂材料とが同じである場合には、当該手段によって、基材層２と造形物１０とを密着させやすい。しかし、実施形態で説明したシューズのインソールのように、基材層２を構成する樹脂材料と造形物１０を形成する樹脂材料とが異なる場合もある。このような場合には、基材層２と造形物１０を密着させにくい。そこで、予め射出成形で製造した基材層２に対して実施形態に係る製造方法を適用すると良い。これにより、基材層２を構成する樹脂材料と造形物１０を形成する樹脂材料とが異なっていても、射出成形等では製造し難い様々な形状の構造体を、効率的に製造することができる。

１：構造体
２：基材層
３：被覆層
３ａ：孔
４：線状構造体
４ａ：溝
４ｂ：線状樹脂
４ｃ：直線部
５：線状構造体
５ａ：溝
５ｂ：線状樹脂
５ｃ：直線部
１０：造形物
１１：含浸層
２０：ノズル
Ｂｄ：線状構造体
Ｄ１：第１方向
Ｄ２：第２方向
Ｄｐ：押込量
Ｒｓ：線状樹脂

Claims

基材層と、被覆層とを備え、
前記被覆層は、前記基材層を構成する樹脂材料とは異なる樹脂材料で構成されている構造体の製造方法であって、
含浸層形成工程と、線状構造体形成工程とを備え、
前記被覆層は、線状構造体と、含浸層とを有し、
前記含浸層形成工程では、線状樹脂を吐出するノズルを前記基材層に押し込みながら、前記ノズルから前記基材層内へ前記線状樹脂を吐出することで、前記基材層内に前記含浸層を形成し、
前記ノズルが前記基材層に押し込まれている状態において、前記ノズルの先端は、前記ノズルが前記基材層に押し込こまれていない状態における前記基材層の表面よりも下に位置しており、
前記線状構造体形成工程では、前記ノズルを前記基材層の上側で走査しながら前記ノズルから前記線状樹脂を吐出することで、前記線状構造体を形成する、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記含浸層形成工程では、前記ノズルを前記基材層へ押し込む量である押込量を、前記線状樹脂の太さ以上としている、方法。
基材層と、被覆層とを備え、
前記被覆層は、前記基材層を構成する樹脂材料とは異なる樹脂材料で構成されている構造体の製造方法であって、
含浸層形成工程と、線状構造体形成工程とを備え、
前記被覆層は、線状構造体と、含浸層とを有し、
前記含浸層形成工程では、線状樹脂を吐出するノズルを前記基材層に押し込みながら、前記ノズルから前記基材層内へ前記線状樹脂を吐出することで、前記基材層内に前記含浸層を形成し、
前記含浸層形成工程では、前記ノズルを前記基材層へ押し込む量である押込量を、前記線状樹脂の太さ以上として
前記線状構造体形成工程では、前記ノズルを前記基材層の上側で走査しながら前記ノズルから前記線状樹脂を吐出することで、前記線状構造体を形成する、方法。
請求項１～請求項３の何れか１つに記載の方法であって、
前記基材層は、発泡体で構成され、
前記含浸層形成工程では、前記発泡体の気泡内に前記線状樹脂が含浸するように、前記ノズルを前記基材層に押し込みながら、前記ノズルから前記基材層内へ前記線状樹脂を吐出する、方法。