CN112262035A - 使用异质材料的三维造形装置和三维造形方法 - Google Patents

使用异质材料的三维造形装置和三维造形方法 Download PDF

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Abstract

[技术问题]本发明提供一种能够将两种以上的异质材料进行层叠造形的三维造形装置、异质材料的三维造形方法以及由异质材料组成的三维造形物。[解决方案]一种三维造形装置，具备：与两种以上的异质材料中的各种材料对应的各自的储存部、喷嘴部、液体输送装置、温度控制装置、造形用工作台、使工作台和喷嘴部移动的相对移动机构、和控制计算机。通过使用该装置能够在工业上高精度地将两种以上的异质材料进行层叠造形，能够制作将异质材料任意组合而成的高精密的造形物。

Description

使用异质材料的三维造形装置和三维造形方法
技术领域
本发明涉及使用异质材料的三维造形装置、三维造形方法以及三维造形物。
背景技术
使用3D-CAD(Three Dimensional-Computer Aided Design；三维计算机辅助设计)数据来制造三维造形物的方法，一般最为普及的是3D打印机。将金属、塑料、食品等各式各样的材料三维造形的三维造形装置开始在各式各样的领域利用。
另一方面，在多数情况下，实际的工业产品并非用单一材料制作，而是用具有多个机械特性的异质材料的组合来制作。然而，对于以往的3D打印机而言，要将具有多个机械特性的异质材料组合进行造形是有困难的。
例如，在热熔融层叠方式中，虽然能同时排出多个造形材料，但无论是哪个材料都必须从加热至融点温度以上的喷嘴排出，当因作为造形材料的热塑性树脂的收缩率、线膨胀系数、融化温度等的不同，造形温度低时，由于在层叠时层间粘合较差，造形品的强度变得不足，因此通常是以200℃以上的温度来造形。因此，此方式的造形难以使用低融点材料或柔软的材料等。
另外，在作为光造形法之一的UV(UltraViolet；紫外线)喷墨3D打印机中，可将形状支撑用支撑材料所使用的材料或形状构成用模型材料所使用的材料等多个不同特性的材料同时使用于一个造形物。然而，由于喷墨法的最大特长在于从如墨般微细的状态造型物体，因此必须将模型材料或支撑材料所使用的光固化性树脂本身作为喷墨进行喷雾，并照射紫外线来固形化。因此，墨的低黏度化(通常小于20mPa·s)是从以往就被要求的重要问题，使用高黏度光固化性树脂是困难的。而且，由于低黏度的光固化性树脂的分子量低，所获得的造形物的机械强度和耐冲击性等非常难以得到实用性的数值，因此无法完全再现例如ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等工程塑料的性能。
在专利文献1中，提出了作为不同种类的造形材料使用光聚合物材料和热塑性材料，并在每层沉积两种材料来制造三维印刷物体的方法。在此方法中，也由于光聚合物材料是通过喷射器以液态排出，因此光聚合物直至固化为止具有流动性，而在热塑性树脂的周围流过，过于深入浸透至热塑性部件间而可能导致难以固化。该专利文献虽然提出了通过由热塑性材料形成固定层来防止光聚合物的进入，但受限于能造形的结构或能够应对的树脂、材料等，说不上是适合用于精密的三维造形的方法。尤其是，存在无法处理高黏度的光固化性材料且无法确保造形物的机械特性的问题。
在专利文献2中，将造形工作台设置在液态的能量线固化型树脂的储存槽之中，并通过对能量线固化型树脂照射能量线使之固化的3D造形来形成树脂模具，将在该树脂模具之中注塑加热了的产品树脂材料，由此，由所有热塑性树脂都能形成期望形状的造形物，与以往的金属模具注塑成形相比，能够缩短成形时间而可低成本化。但是，在此方法中，也由于难以将高黏度的光固化性树脂作为模具材料来使用，且不可能以与不进行光固化的材料的组合来制作造形物，因此同样地在能够造形的材料的品种方面受限。进一步，需要用于从模具取出所得到的造形物的脱模工序，作为脱模方法虽然可举出：利用锤子等对模具施加冲击来破坏的方法、对模具与成形体的边界部压入高压空气使之分离的方法、将模具浸渍于选择性溶解该构成树脂的溶剂的方法，但无论是那一种都必须清洗造形物，留有造形物破损的风险。
在专利文献3中，提出了一种固化物的制造方法，该方法是通过从排出喷嘴将液糊状的光固化性树脂绳状地排出后不会流动而蔓延，并以维持固定形状的状态照射光使之固化，从而具有规定的造形图案。此方法所使用的光固化性树脂是触变性优异的树脂，即，特征是，虽然光固化性树脂在从喷嘴排出的瞬间有流动性，但在排出后成为静止状态，黏度急剧上升，维持着排出的形状固化。在此方法中，虽然能避免未固化树脂蔓延到非必要部分或附着到周边而污染等的问题，但要使绳状固化物的厚度和形状完全一致是极为困难的，具有难以制作细绳且无法获得造形精度优异的造形物的问题。另外，利用此方法制作平坦的造形物时，会在绳间发生隙缝或在表面发生凹凸，并不是既能满足强度又能满足美观的造形物。进一步，具有不同物性的多个材料的组合成形、或与热塑性树脂等异质材料组合而造形时，在异质材料之间会有润湿性或密合性的问题，对于使用异质材料的造形而言无法直接照样应用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-200762
专利文献2：日本特开2018-079652
专利文献3：日本特开1990-130132
发明内容
本发明所要解决的技术问题
要解决的问题在于提供组合可在工业上实用的异质材料的三维造形物的造形装置、造形方法以及造形物。
用于解决技术问题的技术方案
本案发明人等，为了解决上述问题而专心研究的结果，发现了使用两种以上的造形材料的三维造形装置，而达成了本发明。具体而言，发现了一种三维造形装置，具备：具有至少1个以上的喷嘴，该喷嘴具备输出在20℃至150℃的排出温度下的排出黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s的造形材料(A)的机构，并且具有至少1个以上的喷嘴，该喷嘴具备输出在60℃至350℃的造形温度下的熔体流动速率值(MFR)为1g/10分钟至400g/10分钟(载荷2.16Kg)的造形材料(B)输出的机构，工作台部，从这些多个喷嘴输出；相对移动机构，用于使工作台部与喷嘴部三维地相对移动。
即，本发明提供以下发明：
(1)一种三维造形装置，其为使用材料A与材料B这两种以上的造形材料的三维造形装置，其特征在于，具备：储存部，用于储藏各种造形材料；喷嘴部，用于排出各种造形材料；液体输送装置、温度控制装置，该液体输送装置用于从储存部向喷嘴部输送各种材料；造形用工作台；相对移动机构，用于使工作台与两个以上的喷嘴部三维地相对移动；以及计算机，用于控制液体输送装置、温度控制装置及相对移动机构。
(2)如前述(1)所述的三维造形装置，其特征在于，同时排出至少一种以上的材料A和至少一种以上的材料B，并且，材料A的排出温度为20℃至150℃，排出黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s。
(3)如前述(1)或(2)所述的三维造形装置，其特征在于，材料A的排出方式是选自注射器方式、容积计量方式、管路(tubing)方式、柱塞方式中的一种以上。
(4)如前述(1)至(3)中的任一项所述的三维造形装置，其特征在于，材料A的液体输送装置是选自定量注射泵式液体输送装置、定量齿轮泵式液体输送装置、定量贯流泵(tube pump)式液体输送装置、定量排出阀式液体输送装置中的一种以上的定量液体输送装置。
(5)如前述(1)至(4)中的任一项所述的三维造形装置，其特征在于，材料B的排出温度为60℃至350℃，并且，排出温度下的熔体流动速率(MFR)值为1至400(g/10分钟，载荷2.16kg)。
(6)如前述(1)至(5)中的任一项所述的三维造形装置，进一步具备光照射部。
(7)如前述(1)至(6)中的任一项所述的三维造形装置，其特征在于，在用于排出材料A的喷嘴部进一步设置有喷嘴固化防止部。
(8)如前述(1)至(7)中的任一项所述的三维造形装置，其特征在于，喷嘴固化防止部限制从光照射部所照射的光的照射范围，并且照射范围在与用于排出材料A的喷嘴部的前端直径成同心圆的1倍以上至小于100倍的范围内。
(9)一种三维造形物的制造方法，其中材料A与材料B同时或依序排出至工作台上，一边形成相同层或不同层一边层叠。
(10)如前述(9)所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，一边使用于排出材料A和/或材料B的喷嘴的前端与由各自的喷嘴所排出的材料接触一边进行造形。
(11)如前述(9)或(10)所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，两种以上的造形材料含有至少一种以上的材料A和至少一种以上的材料B，材料A在20℃至150℃的温度范围被造形，并且，造形温度下的A的黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s。
(12)如前述(9)至(11)中的任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料B在60℃至350℃的温度范围被造形，并且，造形温度下的熔体流动速率(MFR)为1至400(g/10分钟，载荷2.16kg)。
(13)如前述(9)至(12)中的任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料A是含有10质量％以上的光固化性成分的树脂组合物。
(14)如前述(9)至(13)中的任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料A一边以20℃以上的温度从喷嘴被排出一边通过光照射而固形化。
(15)如前述(9)至(14)中的任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料B以60℃以上的温度从喷嘴被排出后，通过冷却而固形化。
发明的效果
本发明中的三维造形装置，因为具有至少1个以上的喷嘴，该喷嘴具备输出材料A的机构，且具有至少1个以上的喷嘴，该喷嘴具备输出材料B的机构，从而能够通过使用多种造形材料来制造由多种材料构成的造形物。材料A与材料B能够配合目的而从柔软的橡胶材料至高强度的塑料材料的范围广泛的造形材料组选出，并在一台三维造形装置输出且进行造形。另外，当A含有光固化性成分时，通过光照射，可获得经交联的树脂的造形物，进一步通过交联能够提升造形物的热稳定性、机械特性等的物性。
在使用本发明的三维造形装置的造形方法中，不使用支撑功能的材料(支撑材料)，就能够将造形后的造形物直接使用。
附图说明
图1示出使用异质材料的制造三维造形物的装置(材料A的输出机构为注射泵式的情况)。
图2示出使用异质材料的制造三维造形物的装置(材料A含有光固化性成分的情况)。
图3示出使用异质材料的制造三维造形物的装置(材料A的储存部20为密闭容器的情况)。
图4示出使用异质材料的制造三维造形物的装置(材料A的输出机构为齿轮泵式的情况)。
图5示出通过喷嘴固化防止部而受限制的照射限制范围(直径ΦN-直径ΦM的圆环)与喷嘴部直径(外径)ΦL的圆的关系。
图6示出一边输出异质材料使其平滑一边层叠的工序。
图7示出将输出异质材料的喷嘴部上下移动的机构(齿轮)。
图8示出将输出异质材料的喷嘴部上下移动的机构(旋转轴)。
图9示出将输出异质材料的喷嘴部旋转的机构。
图10示出使用异质材料的制造三维造形物的装置(材料A含有光固化性成分，并且设置不活泼气体喷射部28的情况)。
图11示出使用异质材料的制造三维造形物的装置(材料A含有光固化性成分，并且设置减压泵29的情况)。
具体实施方式
以下，使用图对用于实施本发明的方式进行说明。
本发明的三维造形装置，如图1所示，从具备输出在造形温度下的黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s的材料A的机构的至少1个以上的喷嘴、和具备输出在造形温度下的熔体流动速率值为1g/10分钟至400g/10分钟(载荷2.16Kg)的材料B的机构的至少1个以上的喷嘴，向造形工作台分别排出造形材料，进行层叠并进行造形，由此形成三维造形物。另外，当材料A含有光固化性成分时，如图2所示，在排出材料A的同时通过光照射使之固化，进行层叠并进行造形，由此形成三维造形物。另外，从材料A获得的造形物称为2M，从材料B获得的造形物称为3M。
(材料A的排出装置)
材料A能够使用分配器(dispenser)等的装置一边排出一边层叠来造形。造形温度能够根据操作性及材料A的性质来合适地调整，但还考虑到造形精度和造形速度，优选为20℃至150℃的排出温度。在此温度范围，A的黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s。当材料A在20℃下的黏度为0.01Pa·s以上，且在150℃下的黏度为1000Pa·s以下时，通过排出用喷嘴部直径(内径)的调整和/或排出压力的调整，可获得良好的排出性与优异的造形性，故予以优选。另外，在造形温度下的A的黏度更优选为0.1Pa·s至800Pa·s，最优选为0.2Pa·s至600Pa·s。
作为排出材料A的装置，只要是能够定量地输送液体的装置即可。例如可举出：定量注射泵式的液体输送装置、定量齿轮泵式的液体输送装置、定量贯流泵式的液体输送装置、定量排出阀式的液体输送装置等。具体而言可举出：通过空气脉冲来挤出材料的注射器方式、或不经由空气而通过容积计量与马达驱动来挤出材料的容积计量方式、对加入了材料的管路本身施加压力来送出管路内的材料的管路方式、在缸筒内机械性地进行材料的压缩的柱塞方式等。其中，优选可实现通用性和维护的容易度以及压力的连续设定并且能整体上再现性较好地定量排出低、中、高黏度的液体的注射器方式分配器、和以高精度的排出速度与长期稳定性优异的容积计量方式的分配器。本发明中的分配器是指，如图1、图3、图4所示，包含储存部20、加压部21、加压控制器部22、喷嘴部23的液体的定量排出装置。
材料A储存于储存部20，通过控制计算机41传送信号至加压控制器部22，加压部21对储存部20及材料A施加压力，经由喷嘴部23将材料A排出至工作台上。
加压部21的加压方式通过前述的分配器的方式来适当选择，可举出：加压气体挤出、活塞挤出、齿轮或螺杆挤出等的单独或组合方式。由于能够瞬间变更加压状况，优选为组合加压气体及齿轮或螺杆的加压方式。另外，通过选择基于齿轮或螺杆的加压方法，不会对A的黏度造成影响，且能微调排出量。并且，当使用经加热的A时，由于基于加压气体的加压方式能够应对广泛的温度范围，容易控制，故予以优选。为了瞬间且正确地变更加压状况，也可以在加压部21与排出部之间具备阀门。
进而，加压部21优选包含如下机构，该机构具有在不排出A的期间，通过减压气体、齿轮、螺杆、活塞中的任一个或两个以上的组合，向储存部20的方向将A吸上来的功能。通过将A向排出方向的反方向吸上来进行的待机过程中，能够抑制造形材料的过度输出。
将材料A进行加压的加压部21的加压通过加压控制器部22而受到控制，能够配合排出口的形状、加热温度或需要的造形速度与造形精度来适当地调整。加压控制器部22可已包含在控制计算机41的内置功能中，也可以与控制计算机41协作的形式另外设置。
为了加热或冷却储存部20及喷嘴部23中的材料A，能够设置加热/冷却部24。关于加热或冷却温度，只要能够从喷嘴部23顺畅地排出A，就可根据A的品种来适当设定。通常的造形温度为20℃至150℃，优选为40℃至100℃。尤其在高分子量或高黏度的造形材料中，通过加热至60℃以上，A的黏度降低，因此能够确保充分的造形速度与造形精度。
加热/冷却部24所加热/冷却的部分可以是储存部20和喷嘴部23中的任一者或是两者。另外，加热/冷却的温度可以根据储存部20及喷嘴部23而相同，也可不同。能够使用各种加热/冷却方法，例如可举出使用帕耳帖(Peltier)元件、加热器、水或有机溶剂等的液体热媒的方法。
材料A的储存部20可单独或组合使用罐(tank)、桶(barrel)、软管(hose)等能够储存液体的容器。另外，将造形材料加热/冷却来使用时，优选不随温度变化而变形的容器。例如，能够使用PE(Polyethylene；聚乙烯)、PP(Polypropylene；聚丙烯)、PET(PolyethyleneTerephthalate；聚对苯二甲酸乙二酯)等的塑料容器或由橡胶构成的容器、由铜、铝、铁、不锈钢等金属构成的容器。当储存部20为密闭容器时，如图3所示，通过控制计算机41传送信号至加压控制器部22，加压部21对储存部20及材料A施加压力，经由喷嘴部23将A排出至工作台上。进一步，为了加热/冷却A及储存部20，能够设置加热/冷却部24。可依照需要给从储存部20向喷嘴部23部的液体输送配管等装上加热/冷却装置或者保温装置。同样地，可依照需要使A的储存部20、液体输送配管与喷嘴部23控制在相同温度或不同温度。
喷嘴部23的材料可配合用途使用各式各样的材料。由于存在喷嘴部23被加热/冷却的情况或材料A被加热/冷却和/或加压/减压的情况，优选不变形的材料。例如可以是树脂制、金属制及树脂与金属的复合材料或通过组合制作的材料，甚至也可以施以憎液性的涂布。
另外，喷嘴部23的内部形状可配合用途来选择。从减少对于排出压(由加压部21施加并对排出部施加的压力)的压力损失的观点出发，在不损及造形精度的范围内，优选内部口径(内径)较大者，优选最小内径的管长较短者，更优选为喷嘴部内部为锥形形状。另外，排出口前端的形状，从能够减少压力损失及能够朝各方向以均等的速度排出的观点出发，特别优选为圆形形状。
本发明的造形装置所使用的喷嘴部23的前端部分，即排出口的特征在于，一边与排出的造形材料接触一边进行造形。排出口通过接触造形材料，能够使造形材料平滑，使每层的厚度均匀。排出口的适当的内径虽然根据造形材料的黏度、造形温度与压力而不同，但考虑到造形精度与造形速度的平衡性，内径优选为0.01mm至10mm，更优选为0.05mm至5.0mm，最优选为0.1mm至3.0mm。当喷嘴排出口的内径为0.01mm以上时，可充分地降低施加于排出口的压力，造形速度不会变慢。另外，当内径为10mm以下时，能够充分确保造形精度。进一步，优选该排出部的内径及前端外径为圆形，且内径与前端外径之差尽可能地小(即喷嘴排出口的形状为圆形，喷嘴排出口的内径与喷嘴前端部的外径之差尽可能小)。例如，可举出喷嘴前端部经极薄加工而成的喷嘴。外径与内径之差优选2.0mm以下，更优选为1.0mm以下，最优选为0.5mm以下。该差如果在2.0mm以下，就能获得良好的造形精度，且能够防止造形材料附着于排出口周边，故予以优选。
喷嘴部23与工作台或与造形物的距离即层叠厚度优选小于喷嘴内径。由于小于喷嘴内径，排出的A在喷嘴与工作台或与造形物之间被压缩，并在此压缩状态下使喷嘴移动，由此对造形面赋予平滑性，同时提升层叠造形物的层间粘合力。进一步，层叠厚度更优选为喷嘴内径的10％至80％。如果在10％以上就能够充分确保造形速度，如果在80％以下就能够充分确保造形面的平滑性及层间粘合性。
喷嘴部23的外部形状可以从排出口施以锥形(taper)加工。锥形加工能够抑制排出液残留于排出口的周围，并能够防止造形精度的下降。另外，通过锥形加工以外的表面处理，例如通过憎液处理能够减少材料A附着于喷嘴部23。
材料A从喷嘴部23被排出，能够通过排出前后的温度变化或排出后的光照射而固形化或凝胶化。作为材料A，例如能够使用含有由多糖类构成的凝胶化剂的材料或塑性溶胶、热固化性树脂材料或光固化性树脂材料，还能够分别使用可通过混合而固形化或凝胶化的两种以上的液体材料。
A的排出前的处理可举出在储存部20和/或喷嘴部23中的加热、混合等。例如就塑性溶胶而言，在储存部20及喷嘴部23中被加热，将材料中的塑料溶解于塑化剂后排出。之后所排出的材料能够通过冷却来固形化或凝胶化。另外，例如就双液型固化材料而言，能够通过在喷嘴部23中混合而开始固化反应，排出至工作台42后进行固化反应而固形化或凝胶化。
关于A的排出后的处理，例如能够进行冷却、加热、光照射等。作为冷却方法可举出外部空气或冷却气体，作为加热方法可举出暖风或红外线照射、光照射等。当材料A通过光来固化时，固化的优选反应机制为自由基聚合，但也可以用光固化的其他的反应机制。作为其他的反应机制可举出阳离子聚合、阴离子聚合等，也可以是组合了多个光固化反应机制的混合固化，也可以是组合了热固化与光固化的双固化。其不受限制，可根据材料来适当选择。如图2所示，光照射部25能够照射各种光源的红外线、可见光线、紫外线(UV)、激光、电子束等。
(光照射)
在光照射中使用紫外线时，能够使用Hg(汞)类、Xe(氙)类、金属卤化物等的光源、LED(Light Emitting Diode；发光二极管)光源、准分子光源等。从成本及装置形状、安全性方面而言优选使用LED光源。另外，通过光照射使A固化时，从固化性与造形速度的观点出发，优选A含有10质量％以上的光固化性成分。
光从光照射部25照射的范围是从造形工作台的面积减去具有比喷嘴部23的前端的直径(外径)ΦL大的直径ΦM的圆的面积所剩下的部分。若在此范围，则由于光不会照到将与喷嘴部23的前端接触的A固化而获得的2M，因此喷嘴不会阻塞或不会在喷嘴前端部附着已固化的树脂的碎屑，能够长时间顺畅地进行高精度的造形作业。另外，如喷嘴部的剖面示意图(图5)所示，光所照射的范围是直径ΦN与直径ΦM的同心圆的面积之差(圆环)。当光以直径(ΦN-ΦM)圆环(甜甜圈状)状照射时，A能够均匀地固化，予以优选。另外，优选圆环的直径ΦN与ΦM都超过ΦL，且ΦM为ΦN以下，更优选ΦN为ΦL的1000倍以下，特别优选ΦN为ΦL的500倍以下。虽然也要考虑喷嘴前端的尺寸，但当ΦN未超过ΦL的1000倍时，A会均匀且迅速地固化，因此更予以优选。
只要能够控制光照射在前述规定的照射范围内，则照射部或喷嘴部、喷嘴的前端附近等装置的结构也可以不受限制。例如可举出在光照射部25与喷嘴部23之间具备喷嘴固化防止部27。如图5所示，从照射部25照射的光被喷嘴固化防止部27被屏蔽一部份，由于接触到喷嘴部23的前端的A不被照射，因此能够抑制喷嘴前端的阻塞或排出不良等的故障发生。
只要能达成喷嘴固化防止的效果，则喷嘴固化防止部27的形状与设定位置没有特别限定。另外，当喷嘴固化防止部27被固定于喷嘴部23时，能够与喷嘴部作为一体来移动，即使在造形时喷嘴部往左右、前后迅速地移动也能够保有喷嘴固化防止的效果，更予以优选。进一步，喷嘴部23与喷嘴固化防止部27的一体结构能够防止接触到喷嘴部23的前端的材料A的固化，且能够照射经造形的造形物的广大范围，能够整体地提升A的固化率。
另外，喷嘴固化防止部27的前端不与工作台42、造形面或造形物接触，比喷嘴部23的前端还要短，且不与喷嘴部23的前端部分接触。喷嘴固化防止部27的长度、形状与设定位置能够根据光照射部25的设定位置、个数及照射角度来适当调整。如图5所示，通过设置喷嘴固化防止部27，比直径ΦM的圆靠内侧的部分就不会被照射(以下，称为照射限制范围。)，即，喷嘴部23的前端(直径ΦL的圆)可靠地不被照射，能够抑制喷嘴前端的阻塞或排出不良等的故障发生。当ΦM大于ΦL的1.0倍，且在ΦL的100倍以下时，在能够防止喷嘴部的排出不良的同时能够充分固化造形物。另外，从固化性提升与造形速度提升的观点出发，ΦM优选为ΦL的1.2倍以上且50倍以下，更优选为1.5倍以上且在10倍以下。
光的照射优选配合材料A的排出来进行。通过仅在A的排出时照射光，能够抑制附着于喷嘴部23的前端的材料A的固化，防止喷嘴的堵塞。
根据材料A的固化性，即使在A的排出停止期间仍需要光的持续照射时，为了防止喷嘴堵塞，作为光照射部25能够使用可动式照射部。可动式照射部可以具备使之旋转或上下、左右移动的伺服马达、步进马达、制动器机构等。
基于光照射的材料A的固化在不活泼气氛下或减压下进行，由此由于聚合的阻碍因子的氧被去除，因此会促进反应。不活泼气体的导入和减压作业在造形开始前、造形中、造形结束后的任意阶段都能实施。另外，作为不活泼气体，例如能够使用氮气、氩气、二氧化碳等，从成本和取得容易性的观点出发，优选氮气及二氧化碳。
不活泼气氛例如可以在包围造形工作台的空间(造形区43)填充不活泼气体，如图10所示，可以一边从不活泼气体喷射部28喷射不活泼气体至造形部位一边造形。另一方面，减压例如如图11所示通过减压泵29使造形区43由减压部48减压。另外，通过在包围造形工作台的空间设置压力计或氧浓度计，能够确认氧浓度。
(造形材料B的排出装置)
造形材料B是在室温(25℃)下不具有流动性的固体，能够加工成丝状或丸粒状来储存。如图1所示，储存在储存部30的造形材料B能够根据来自控制计算机41的信号，通过加压部31加压，通过加热部34加热，并经由喷嘴部33一边排出到工作台42或造形物上一边层叠来造形。使用丝状的造形材料B时，可以仅加热喷嘴部33(图1)，而使用丸粒状的造形材料B时，优选同时加热加压部31与喷嘴部33(图3)。
造形材料B的造形温度能够根据造形材料的结构、分子量等的性质来适当调整，但考虑到造形精度、造形速度及获得的造形物的硬度、强度等的物性，优选在60℃至350℃的温度范围造形。另外，如果造形温度下的熔体流动速率值(MFR)在1g/10分钟至400g/10分钟(载荷2.16Kg)，造形材料B就能够一边保持良好的流动性，一边顺畅地排出并高精度地造形。
填充于储存部30的材料B的形状可以是丝状也可以是丸粒状。储存部30的形状能够根据填充材料的种类来适当选择。例如，在丝状材料的情况下能够将丝缠绕在线轴等来储存，另外，在丸粒状材料的情况下能够填充于料斗等的容器来储存。
作为造形材料B的加压部31的动力，例如能够使用马达。通过马达的旋转使齿轮或螺杆旋转，而对造形材料B加压。通过加压部31的加压使造形材料B从储存部30移送至喷嘴部33。造形材料B为丝状时，不优选积极的加热，但为丸粒状时优选通过加热来一边将造形材料B熔融一边加压。
作为造形材料B的加热部34的动力，例如能够使用电热器。加热的控制通过控制计算机41进行，能够将造形材料B加热至规定温度来用于造形。
排出造形材料B的喷嘴部33的材质优选为金属材料，更优选为不因加热及材料的排出而导致劣化的材料。例如能够适当选择铁、铝、铜、不锈钢、钛、碳化钨等。
喷嘴部33的前端部分，即排出口的特征在于，一边与排出的造形材料B接触一边进行造形。排出口通过接触造形材料，能够使造形材料平滑，使每层的厚度均匀。排出口的适当的内径根据造形材料的形状或熔融黏度、造形温度与压力等而不同，但考虑到造形精度与造形速度的平衡性，内径优选为0.1mm至2.0mm，更优选为0.2mm至1.0mm。当喷嘴排出口的内径为0.1mm以上时，可充分地降低施加于排出口的压力，造形速度不会变慢。另外，当内径为2.0mm以下时，能够充分确保造形精度。进一步，优选该排出部的内径及前端外径为圆形，且内径与前端外径之差尽可能地接近(即该喷嘴排出口的形状为圆形，喷嘴排出口的内径与喷嘴前端部的外径之差尽可能小)。例如，可举出喷嘴前端部经极薄加工而成的喷嘴等。外径与内径之差优选为2.0mm以下，更优选为0.8mm以下，最优选为0.5mm以下。该差如果在2.0mm以下，就能获得良好的造形精度，且能够防止造形材料附着于排出口周边，故予以优选。
排出造形材料B的喷嘴部33的外部形状可以施以锥形加工。锥形加工由于能够防止因排出的造形材料B的残留在喷嘴部周围所导致的造形精度下降，故予以优选。另外，通过锥形加工以外的表面处理，例如通过憎液处理能够减少造形材料B附着于喷嘴部33。
加压部31也可包含如下机构：该机构在不排出造形材料B期间(待机期间)，能够通过齿轮或螺杆的反向旋转将造形材料B吸上来。通过设置此机构，能够抑制在待机期间输出过多的造形材料B，能够提升造形精度。
造形材料B为热塑性树脂或热塑性树脂组合物，在60℃至350℃的温度范围，具有良好的流动性，能够容易地用于高精度的造形。树脂的成形加工时的流动性通常是以熔体流动速率(MFR)值来评价，造形材料B在60℃至350℃的温度范围下的MFR值(载荷2.16kg)为1g/10分钟至400g/10分钟。MFR值若在此范围内，则易于取得造形速度与造形精度的平衡性。另外，优选为5g/10分钟至200g/10分钟，特别优选为10g/10分钟至100g/10分钟。
造形材料B以60℃以上的温度从喷嘴排出后，通过冷却固形化而被造形。从取得高精度的造形物的观点出发，优选在B直接排出至工作台上的情况下将工作台42加热或保温，而在其他的情况下将造形区43加热或保温。虽然42与43的设定温度(环境温度)根据B的造形温度(排出温度)而不同，但只要在40℃至230℃的范围内，造形温度与环境温度之差会成为20℃至200℃，更予以优选。当环境温度为40℃以上时，B的造形温度与环境温度之差为20℃以上，B从喷嘴排出后迅速被冷却，能够确保充分的造形速度。另外，当环境温度不超过200℃时，造形温度与环境温度之差为200℃以下，能够抑制由B成形的造形物的热收缩导致的变形。环境温度更优选为20℃至150℃，最优选为20℃至100℃。
造形材料B只要包含热塑性树脂即可，作为热塑性树脂，例如能够使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、氯乙烯树脂(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醋酸乙烯酯(PVAC)，聚氨基甲酸酯树脂(PUR)、聚四氟乙烯(PTFE)、丙烯腈-苯乙烯树脂(AS)、丙烯酸树脂、聚缩醛(POM)、聚苯醚(PPO)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、环烯烃聚合物(COP)、聚己内酯(PCL)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚芳香酯(PAR)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚丁二烯(BR)等。
造形材料B除了热塑性树脂以外，也可以包含其他的功能性材料，例如可举出：玻璃基纤维、碳基纤维、纤维素基纤维、木碎、金属粉末、碳黑、碳酸钙、滑石、塑化剂、稳定剂、着色剂等。
(造形装置整体)
不同的材料A及B的排出可以并行地进行，也可以按每种单一材料来进行。从形成复合材料的观点出发，优选在针对一层的造形动作中，输出所需的全部造形材料后，再移到下一层的输出(图6)。
工作台42能够与排出材料A的喷嘴部23及排出材料B的喷嘴部33相对移动(相对移动)。工作台42优选由高强度的材料构成，并且，更优选为能够轻易地将造形后工作台上那个造形物剥离。例如，可举出单独使用或复合了不锈钢等的各种金属材料或玻璃、塑料等的材料而成的工作台。使上述的多个喷嘴相对于工作台42运作的机构可在同一轴上，也可在其他轴上。
排出材料A的喷嘴部23及排出材料B的喷嘴部33在装置本体40中分别配置一个以上。这些喷嘴部可以单独具备相对移动机构，也可以在同一相对移动机构上。
相对移动机构是用于使层叠造形材料的工作台42与上述喷嘴三维地移动的机构，将马达作为动力源并利用齿轮、螺杆、传动带等使喷嘴与工作台的位置关系变化。该机构可以使喷嘴及该喷嘴附带的零件移动，也可以使工作台42移动，也可以是它们的组合。
相对移动机构优选具备用于限制移动范围的传感器。通过具备传感器，能够防止装置的破损、确定绝对的三维位置。
本发明中的制造装置可以具备例如如图7至图9所示的喷嘴部及控制该喷嘴部的机构。另外，本发明所使用的喷嘴部及其控制机构并不限定于这些例子。这些控制机构例如在需要切换从多个喷嘴部排出造形材料时运作，能够使非运作状态的喷嘴部移动到远离工作台42上的造形面的位置。通过此移动，能够防止从非运作状态的喷嘴部排出过多的造形材料至造形面，且能够防止造形面与喷嘴部的接触，能够提升造形精度。这些机构也可以使用在调整多个喷嘴部相对于工作台42的相对位置。例如能使造形材料的层叠面高度对齐，能够提升造形精度。进一步，只要是例如通过马达46(图8与图9)、伺服、齿轮45(图7)、螺杆47(图8)、凸轮连杆、旋转(图9)等使多个喷嘴部及控制它们的喷嘴控制部44上下移动或旋转的机构即可。
本发明中的控制计算机41至少能够控制多个加压部、加热部、相对移动机构的动作。例如，能够使用作为开源的RepRap的系统，也能通过公知的切片机软件(Slicersoftware)、前端软件(Front-End software)来造形。
控制计算机41也能够控制光照射部25、未包含在相对移动机构的多个喷嘴部及它们的控制机构的动作。综合统一控制能够抑制喷嘴部的堵塞，或促进材料A的固化，还能够调整喷嘴部的高度，提升造形精度。
对控制计算机41的数据输入可以通过读取记录在SD卡等的外部存储介质的数据来进行，也可以通过通过USB线缆等的配线连接或WiFi等的无线通信连接连接到个人计算机等来进行。
以下用图说明本发明的实施方式。另外，本发明的实施方式并不限定于这些例子。
本发明的实施例、比较例所记载的各种化合物的简称如下所述。
UA-1：2个官能团的聚氨酯低聚物(在两末端具有丙烯酸基，20℃下的黏度为510Pa·s，60℃下的黏度为49Pa·s，100℃下的黏度为6.8Pa·s。)
UA-2：2个官能团的聚氨酯低聚物(在两末端具有丙烯酸基，85℃下的黏度为20Pa·s。)
UA-3：6个官能团的多支链聚氨酯低聚物(在两末端具有丙烯酸基，100℃下的黏度为160Pa·s。)
UA-4：2个官能团的聚氨酯低聚物(在两末端具有丙烯酸基，110℃下的黏度为300Pa·s。)
1173：光聚合起始剂Omnirad 1173(IGM Resins公司制造)
TPO：光聚合起始剂Omnirad TPO(IGM Resins公司制造)
ACMO：丙烯酰吗啉(KJ CHEMICALS公司制造注册商标「ACMO」，注册商标「Kohshylmer」，黏度为0.012Pa·s(20℃))
PEA：丙烯酸苯氧乙酯(大阪有机化学工业股份公司制造Viscoat 192黏度为0.009Pa·s(20℃))
PLA：PolyPlus PLA(Polymaker公司制造MFR 7g/10分钟至11g/10分钟(210℃，载荷2.16Kg))
PVA：AquaSolve-PVA(FORMFUTURA公司制造MFR 14g/10分钟至20g/10分钟(190℃，载荷2.16Kg))
ABS：ABS树脂(PolyLite ABS，polymaker公司制造，MFR 9g/10分钟至14g/10分钟(220℃，载荷2.16Kg))
PC：PC树脂(PolyMax PC，polymaker公司制造，MFR 6g/10分钟至8g/10分钟(260℃，载荷1.2Kg))
Nylon：尼龙树脂(Nylon12，Kodak公司制造，MFR 38g/10分钟(220℃，载荷10Kg))
使用在本发明的各实施例与比较例所获得的造形物，通过下述方法进行物性评价等。
<拉伸强度、断裂伸长>
使用在实施例与比较例所获得的造形物，冲压成遵循JIS K6251的3号哑铃型，获得哑铃型试验片，依照JIS K7161，通过台式精密万能试验机(岛津制作所股份有限公司制造Autograph AGS-X)进行拉伸试验。对5片试验片在拉伸速度10mm/分钟、夹具(chuck)间距离50mm下的测定值取平均，作为拉伸强度(强度)与断裂伸长(伸长)。
<造形精度>
造形结束后，精密地计测造形物的尺寸，比较设定值进行评价。
◎：完成层叠造形，且造形物的外形尺寸为设定值的99％至101％的情况
○：完成层叠造形，且造形物的外形尺寸为造设定值的95％至105％的情况
△：虽然完成层叠造形，但造形物有变形、翘曲等，外形尺寸不足造形数据的95％，或超过105％的情况
×：未获得目标造形物的情况
<质量评价>
造形结束后，进行造形物的外部及剖面的观察，通过层叠痕和气泡等的有无来评价造形物的质量。
◎：几乎确认不出层叠痕，且几乎确认不出气泡或缺陷的情况
○：虽然确认到层叠痕，但几乎确认不出气泡或缺陷的情况
△：明确地确认到层叠痕，且明确地确认到气泡或缺陷的情况
×：层叠的凹凸全面性地存在，且气泡或缺陷非常多的情况
(实施方式1)
本实施方式中，使用作为异质材料的材料A与B进行层叠来制造三维造形物。如图1所示，使用如下的三维造形装置：其中材料A的输出机构为注射泵式，具有：储存A的储存部20；将A加压的加压部21、加压控制器部22；使A排出的喷嘴部23；及将储存部20与喷嘴部23加热的加热部24；进一步具有：材料B的储存部30；排出B的喷嘴部33；与B相关的加热部34和加压部31；该三维造形装置具备：工作台42，从上述多个喷嘴部的排出口排出的上述造形用材料层叠；相对移动机构，用于使工作台42与上述喷嘴部23、喷嘴部33三维地相对移动；控制计算机41，用于控制前述多个加压部、加热部、相对移动机构的动作。控制计算机41使用RepRap的系统，经由USB线缆连接41与个人计算机，并从个人计算机将关于造形条件的数据发送至41。
控制计算机41根据发送来的数据来控制加热部和加压部进行加热、加压，如图6所示，将不同材料A与B从各自的喷嘴23与33排出至工作台42上，一边进行固形化一边进行层叠。此时，23与33的前端部分分别与排出的A、B接触，一边使造形面平滑一边进行造形。由此，能够精密地控制造形层的厚度，能够高精度地进行造形。
实施例1
作为材料A使用涂布用巧克力(共立食品公司制造，黏度42Pa·s(33℃))，将储存部20与喷嘴部23(排出口的内径为2.0mm，外径为4.0mm)加热至40℃。另一方面，作为造形材料B使用PolyPlus PLA(Polymaker公司制造MFR7g/10分钟至11g/10分钟(210℃，载荷2.16Kg))，将加热部34与喷嘴部33(排出口的内径为0.5mm，外径为2.0mm)加热至210℃。将造形区43的环境温度设定在10℃，将A与B的层叠厚度分别设为0.6mm与0.2mm，依照各自的规定造形速度、压力与造形图案等实施造形。排出至工作台42的A与B，在排出后分别进行冷却来固形化。通过对每层进行此操作，进而进行层叠，能够高精度地制造出由外墙为3M，内部为2M构成的直径20mm、长度50mm(外墙的厚度为5mm)的圆柱状造形物。
(实施方式2)
将A的输出机构如图4所示设为齿轮泵式，作成具备以下部件的装置：储存A的储存部20；将A加压的加压部21；加压控制器部22；排出A的喷嘴部23；及将储存部20与喷嘴部23加热的加热部24。B的输出机构如图4所示使用丸粒状材料的排出装置。
实施例2
使用实施方式2的三维造形装置中，作为材料A使用1-十八醇(熔点为59℃，东京化成工业股份有限公司制造，黏度为0.013Pa·s(60℃))，将储存部20与喷嘴部23(排出口的内径为0.05mm，外径为0.08mm)加热至60℃。另一方面，作为造形材料B使用与实施例1相同的PLA的丸粒，将加热部34与喷嘴部33(排出口的内径为0.4mm，外径为1mm)加热至210℃。通过将造形区43的环境温度设定在20℃，将A与B的层叠厚度都设为0.2mm，按照规定条件与实施例1同样地进行造形，将2M与3M之层交互地堆积，能够高精度地制造出成型的长方形造形物(长100mm、宽40mm、高10mm)。将获得的造形物切成二等份(长50mm、宽40mm、高10mm)，通过目视确认到没有气泡或缺陷等，且2M与3M之层均匀地密层叠。另外，在造形物的表面确认不出明确的层叠痕。
(实施方式3)
如图2所示，使用实施方式1的三维造形装置，并进一步具备光照射部25。当材料A含有光固化性成分时，A从喷嘴部23排出之后，能够通过从25照射的光来固化。
另外，如图10所示，能够设置不活泼气体喷出部28。通过对光照射范围喷出氮气等的不活泼气体，能够使具有光固化性成分的材料A的自由基聚合所致的固化反应迅速地进行，有利于造形速度的提升与造形精度的改善。不活泼气体的吹出以固形化之前的造形物不会变形的程度的压力来进行。此压力根据造形材料的品种、物性而不同，但通常设定在50kPa以下。
进一步，如图5所示，能够设置喷嘴固化防止部27。通过设置27，由于能够容易地调整从照射部25照射的光的照射范围，因此抑制了喷嘴前端的阻塞或排出不良等的故障发生，也提升了造形精度，故予以优选。
实施例3
如图2所示，使用具备光照射部25的实施方式3的三维造形装置。作为材料A，调制了丙烯酰吗啉(KJ CHEMICALS公司制造注册商标「ACMO」，注册商标「Kohshylmer」)49质量份、丙烯酸苯氧乙酯49质量份与光聚合起始剂Omnirad TPO(IGM Resins公司制造)2质量份的混合物。20℃下的材料A的黏度为0.011Pa·s。将A的排出温度设定在20℃，使用内径0.1mm，外径0.13mm的排出口喷嘴部23，作为光照射部使用UV-LED(UV light-emittingdiode；紫外线发光二极管)(405nm)的光源。另一方面，作为材料B使用AquaSolve-PVA(FORMFUTURA公司制造MFR 14g/10分钟至20g/10分钟(190℃，载荷2.16Kg))，将加热部34与喷嘴部33(排出口的内径为1.0mm，外径为2.0mm)加热至190℃。将环境温度设定在20℃，将A与B的层叠厚度都设为0.2mm，按照各自的规定造形速度、压力与造形图案等实施造形。排出至工作台42的A通过从25照射的光而固化，另一方面，B在排出后被冷却而固形化。通过对每层进行此操作，进而反复进行层叠将2M与3M之层交互地堆积，由此能够高精度地制造出成型的长方形造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)。
实施例4
作为材料A使用2个官能团的聚氨酯低聚物(UA-1，100℃下的黏度为6.8Pa·s。)98质量份与光聚合起始剂Omnirad1173(IGM Resins公司制造)2质量份的混合物。将储存部20与喷嘴部23(排出口的内径为0.6mm，外径为0.7mm)加热至100℃。作为光源使用Hg-Xe灯。另一方面，作为造形材料B与实施例1同样地使用PLA，将喷嘴部加热至210℃，使用内径0.4mm，外径2.0mm的喷嘴部33。将A与B的层叠厚度都设为0.16mm，在环境温度60℃实施造形。此时，如图5所示，在喷嘴部23安装有喷嘴固化防止部27。喷嘴部23的前端的直径(外径)ΦL为0.13mm，因喷嘴固化防止部27而不被照射到的照射限制范围的圆的直径ΦM为5mm。另外，从光照射部25照射的最大范围的圆的直径ΦN为30mm，即通过23、25、27的组合所照射的范围为直径25mm(ΦN-ΦM)的圆环。依照前述规定条件，一边造形材料A被排出至工作台42，一边通过从LED光源照射的紫外线(UV)而固化，作为造形材料B的PLA树脂与实施例1同样地通过排出后冷却来固形化。
作为造形方法，利用按每层交替地堆积本发明的造形装置材料A与材料B的造形方法、将A堆积数层后再将B堆积数层的造形方法、在同一层内一起使用A与B进行层叠的造形方法等，能够通过本发明的造形装置来任意地设定而进行。例如，使用实施例4的材料A与B，在环境温度60℃进行以下的造形。
沿着图2所示的X轴方向将材料A以0.13mm/层至0.14mm/层的厚度排出来进行层叠，获得由长(Y轴方向)100mm、宽(X轴方向)20mm、高(Z轴方向)0.67mm至0.68mm的材料A构成的造形物2M。在获得的2M的片状造形物之上，将材料B沿着Y轴方向以0.22mm/层至0.23mm/层的厚度排出来进行层叠，获得由高度1.34mm至1.35mm的造形物2M与3M构成的复合材料造形物。进一步，在2M与3M的复合材料造形物之上将材料A同样地进行X轴方向的造形，获得长100mm、宽20mm、高2mm的3层结构的异质材料造形物AxByAx。进一步，将材料A与B都进行X轴方向的造形及对A进行X轴方向的造形，对B进行倾斜方向(相对于X轴45°的方向)的造形，分别获得长100mm、宽20mm、高2mm的3层结构的异质材料造形物AxBxAx与AxB45Ax。
比较例1
使用具备与材料A相关的输出机构、储存部、液体输送装置、温度控制装置、喷嘴部、与光照射部、控制计算机、工作台等的三维造形装置(P)，使用与实施例4同样的材料A，在与实施例4同样的造形条件下，进行X轴方向的造形，制造出长方形造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)。
比较例2
使用具备与材料B相关的输出机构、储存部、液体输送装置、温度控制装置、喷嘴部、控制计算机、工作台等的三维造形装置(Q)，使用与实施例3同样的材料B，在与实施例3同样的造形条件下，进行X轴、Y轴与Z轴方向的造形，制造出长方形造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)。
使用在实施例4与比较例1、比较例2获得的各造形物，将它们分别切成2等份(长50mm、宽20mm、高2mm)，通过光学显微镜(放大10倍)观察剖面，评价了造形质量。另外，评价了造形精度，进行了基于拉伸试验的强度与伸长的评价。评价结果示于表1。
实施例5至实施例11
在实施例5中，使用与实施例4相同的材料A与B，基于与实施例4同样的装置与造形条件，制造出图6所示的造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)。另外，使用与实施例4同样的装置，通过表2所示的材料、条件进行实施例6至实施例11，获得长100mm、宽20mm、高2mm的造形物。实施例3、实施例5至实施例11的异质材料的组成、造形条件及造形物的评价结果示于表2。另外，在实施例6至实施例11，A与B的造形都是沿着Y轴方向来进行。
比较例3
使用与实施例3同样的材料A，在与实施例3同样的造形条件下，通过与A相关的三维造形装置P进行X轴方向的造形，制造出长方形造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)。随着将获得的造形物作为层来堆积，刚排出后的树脂会容易蔓延，造形的精度较低。另外，在获得的造形物的表面确认到凹凸，质量较低。由于无论在将该造形物切成2等份时，还是在冲压出拉伸试验用哑铃型试验片时都会破裂，因此无法进行内部观察与拉伸试验。
比较例4至7
使用表3所示的各种材料B，通过与B相关的三维造形装置Q，在规定条件下层叠进行造形，制造出长方形造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)。评价获得的造形物的造成精度、质量，进行拉伸试验。各种评价、试验的结果示于表3。
比较例8
将比较例1与比较例2以Y轴方向进行造形获得2片的长方形造形物(长100mm、宽20mm、高2mm)，将这2片造形物上下重叠，使用热压机(200℃)，成形为高度2mm。冷却后，切成长100mm、宽20mm、高2mm。经同样地评价造形物的质量，在材料A与材料B的界面存在气泡和缺陷、未密合处。进行拉伸试验，结果示于表3。
根据实施例3至实施例11与比较例3至比较例7的结果可知，即使对于在通常的处理单一材料(A或者B)的三维造形装置中无法高精度、高质量造形的材料，由于本发明的三维造形装置能够使用异质材料，因此通过异质材料A与B的组合、复合等能够改善造形精度与造形物的质量，还能够提升造形物的机械性质。这认为是在同层之中或不同层之间所具有的异质材料的相互作用所致的特异的效果而展现的结果。例如，当低黏度的材料A排出到以作为异质材料的材料B造形而成的层之上时，就能够抑制固化前的蔓延，另外，当在熔融黏度高的材料B的周边，排出作为异质材料的A来造形时，就能够填补材料B彼此所形成的空隙或层叠痕，在造形物的质量改善、强度与伸长的提升，尤其能够改善FDM(FusedDeposition Modeling；熔融沉积成型)材料特有的强度异向性(层叠方向的强度较低)的问题。
若比较表1至表3的结果，使用作为异质材料的材料A与材料B所获得的层叠造形物的强度，比由单一材料A或材料B所构成的造形物高，且伸长比单一材料B的造形物高。可以确认到在造形精度、造形物的质量方面，都是由异质材料构成的造形物比单一材料A或B的造形物好。仅使用单一材料A的情况下，在层叠相同的柔软性材料或低黏度材料、活化能固化性材料时，由于在固化或硬化之前具有流动性，因此在固化或硬化后不会残留层间的空隙，能够抑制叠痕在造形物表面层的残存，而在层叠高黏度的材料，或者固化或硬化速度快的材料时，结果则是容易在造形物的内部残存气泡或缺陷等。另一方面，仅使用单一材料B的情况下，通过将相同的高熔融黏度或高熔点的材料、高硬度、强度的材料加热至具有一定流动性的温度，并以半融化状态排出来层叠，能够抑制造形物内部的气泡或缺陷等，但是排出后因为急速地失去流动性，结果是容易在固形化时于层间残存空隙，容易在造形物表面及内部残存层叠痕。本发明的使用异质材料的造形，使各种材料的特征发挥到最大，克服缺点，通过它们的相互作用而能够实现平衡性好的造形。另外，因为强度与伸长都良好，能够高精度地造形出优异质量的造形物。进一步，以往的FDM式的造形物，即本发明的比较例3至比较例7的情况下，层叠方向的强度特别低，容易破裂的缺点，显然通过导入异质材料而有改善，提升了实用性。另外，这样的异质材料所致的造形性能的提升在使用本发明的造形装置一点一点地将异质材料交替层叠的情况下，异质材料能够最大限度地接近，能够将它们的相乘效应发挥到最大限度。因此，与贴合以各自的材料所获得的造形物(比较例8)相比，更能够获得在强度和伸长等之机械物性也优异的造形物。
另外，通过设置喷嘴固化防止部，材料A不会在排出用喷嘴的前端直接被光照射，改善了喷嘴部的堵塞或在喷嘴前端固化的造形材料A的固着，待机期间中的拉丝等。
[表1]
Figure BDA0002820390920000231
[表2]
Figure BDA0002820390920000241
[表3]
Figure BDA0002820390920000242
Figure BDA0002820390920000251
附图标记说明
A 排出温度为20℃至150℃，排出黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s的造形材料
20 储存部
21 加压部
22 加压控制器部
23 喷嘴部
24 加热部
25 光照射部
27 喷嘴固化防止部
28 不活泼气体喷射部
29 减压泵
B 排出温度为60℃至350℃，排出温度下的熔体流动速率(MFR)值为1至400(g/10分钟，载荷2.16kg)的造形材料
30 储存部
31 加压部
33 喷嘴部
34 加热部
40 装置本体
41 控制计算机
42 工作台
43 造形区
44 喷嘴控制部
45 齿轮
46 马达
47 螺杆
48 减压部
(产业上的可利用性)
如以上所说明，本发明的能够将两种以上的异质材料层叠造形的三维造形装置能作为3D打印机使用，在广泛的领域中通过适当组合各式各样的材料，能够高精度地制造由异质材料构成的造形物。另外，通过本发明的三维造形方法，能够容易由异质材料在工业上制造具有各种物性值、形状的三维造形物来作为工业用物品、文具、事务用品等的生活用品或医疗用品等。

Claims (15)

1.一种三维造形装置，其为使用材料A与材料B这两种以上的造形材料的三维造形装置，其特征在于，具备：
储存部，用于储藏各种造形材料；
喷嘴部，用于排出各种造形材料；
液体输送装置、温度控制装置，该液体输送装置用于从储存部向喷嘴部输送各种材料；
造形用工作台；
相对移动机构，用于使工作台与两个以上的喷嘴部三维地相对移动；以及
计算机，用于控制液体输送装置、温度控制装置及相对移动机构。
2.如权利要求1所述的三维造形装置，其特征在于，同时排出至少一种以上的材料A和至少一种以上的材料B，并且材料A的排出温度为20℃至150℃，排出黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s。
3.如权利要求1或2所述的三维造形装置，其特征在于，材料A的排出方式是选自注射器方式、容积计量方式、管路方式、柱塞方式中的一种以上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的三维造形装置，其特征在于，材料A的液体输送装置是选自定量注射泵式液体输送装置、定量齿轮泵式液体输送装置、定量贯流泵式液体输送装置、定量排出阀式液体输送装置中的一种以上的定量液体输送装置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的三维造形装置，其特征在于，材料B的排出温度为60℃至350℃，并且排出温度下的熔体流动速率(MFR)值为1至400(g/10分钟，载荷2.16kg)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的三维造形装置，其特征在于，进一步具备光照射部。
7.如权利要求1至6中任一项所述的三维造形装置，其特征在于，在用于排出材料A的喷嘴部进一步设置有喷嘴固化防止部。
8.如权利要求1至7中任一项所述的三维造形装置，其特征在于，喷嘴固化防止部限制从光照射部照射的光的照射范围，并且照射范围在与用于排出材料A的喷嘴部的前端直径成同心圆的1倍以上至小于100倍的范围内。
9.一种三维造形物的制造方法，其中材料A与材料B同时或依序排出至工作台上，一边形成相同层或不同层一边层叠。
10.如权利要求9所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，一边使用于排出材料A和/或材料B的喷嘴的前端与从各自的喷嘴排出的材料接触一边进行造形。
11.如权利要求9或10所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，两种以上的造形材料含有至少一种以上的材料A和至少一种以上的材料B，材料A在20℃至150℃的温度范围被造形，并且造形温度下的材料A的黏度为0.01Pa·s至1000Pa·s。
12.如权利要求9至11中任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料B在60℃至350℃的温度范围被造形，并且造形温度下的熔体流动速率(MFR)为1至400(g/10分钟，载荷2.16kg)。
13.如权利要求9至12中任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料A是含有10质量％以上的光固化性成分的树脂组合物。
14.如权利要求9至13中任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料A一边以20℃以上的温度从喷嘴被排出一边通过光照射而固形化。
15.如权利要求9至14中任一项所述的三维造形物的制造方法，其特征在于，材料B以60℃以上的温度从喷嘴被排出后，通过冷却而固形化。
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