JP2017144700A - 複合材料の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元プリンターの製造過程に超音波を用いた被膜工程を加え、造形物を異なった性質の物体で覆い、それによって、所定の強度をもった軽量化された複合材の成形方法及び成形装置を提供しようとするものである。【解決手段】３次元プリンターにより形成された造形物上に被膜素材を塗布し、その後、被膜素材表面から超音波振動を加えることにより造形物と被膜素材の融着を図るようにした。これを実現するため、３次元の造形物を製作可能な３次元プリンターと、この３次元プリンターに被膜素材吐出機構を有する３次元プリンターアームと、超音波発信機を装備した超音波アームとを配置し、これらと通信手段を介して互いに接続され、前記３次元プリンターにより造形された造形物の表面に被膜素材を塗布するよう駆動される前記３次元プリンターアームと、この被膜の塗布面上から超音波を付与し超音波溶接により造形物と被膜素材との溶着を図るように駆動される前記超音波アームとの制御手段を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は複合材料の成形方法及び成形装置に係り、特に３次元プリンターを使用して造形した複合材料の成形方法及び成形装置に関する。

建築材料に加工を施すことなく作製したままの状態で使用することができれば、施工管理が大幅に改善する。このため、直接、軽量な材料を設計図通りに作製できる３次元プリンターの利用が注目されている。

既存の３次元プリンターは大きく分けて、「熱溶解積層法」、「光造形法」、「粉末固着式積層法」、「レーザー粉末焼結法」、「ポリジェット法」、「ロストワックス法」の６つの造形方法で造形物を作製している。「熱溶解積層法」とは、２００度程度まで熱したパスタ状の細い樹脂を任意の形に積み上げて形を作る。「光造形法」は、光を当てると凝固する材料にピンポイントで光を当てて製造する。「粉末固着式積層法」は、石膏の粉末など微細な粉末を、水などを接着剤にし、振り掛けて固めていく。「レーザー粉末焼結法」は、同じく材料は粉末だが任意の形に固める際にレーザーを当てて高熱を使う。「ポリジェット法」は、２Ｄのインクジェットプリンターに似た構造を持っていて、ヘッドのノズルからＵＶ硬化性の液体樹脂を噴出し、ＵＶライトで硬化させながら積層してモデルを造形する。「ロストワックス法」は、原型をローで作る際に３次元プリンターを用いる方法である。

しかし、これらの方法では、３次元プリンターの造形は、基本的に一種類の素材しか出力できないため、素材のそれぞれの特性の併せ機械の条件を整え、それぞれ造形物として一種類ずつ出力し、それらを組み合わせ、形状などを整え、完成品となる。

また、各素材によって、出力の際の条件が異なるため、他の素材との融合一体化が難しい。仮に、３次元プリンターを用いて建築材料を造形した場合、単一素材のみの造形物で所定の強度と軽量化を実現し、建物の造形物として使用するには、圧縮のみではなく、引っ張り、捩じれ、振動といった様々の力に耐える必要があるため、一種類の素材を一種類ずつ出力し、それらを組み合わせて完成品となることが大半である３次元プリンターでは困難となっていた。特許文献１においても、最外周側に取り付けられる外装材は、原型素材と別体につくられ、外装穴に取り付けられる構造とされている。

特開２０１５−１８６８５１号公報

このように、従来の３次元プリンターの造形は、基本的には一種類の素材しか出力しかできないため、出力された造形品はその素材のもつ強度、例えば造形に使用する樹脂の強度しか持たなかった。このため、３次元プリンターを用いて建築材料を造形する場合、造形物の素材の軽量化とともに、様々な方向からの３次元的な「力」に耐える必要があり、現用の３次元プリンターによる出力方法では実現できなかった。

本発明は、３次元プリンターの製造過程に超音波を用いた被膜工程を加え、造形物を異なった性質の物体で覆い、それによって、所定の強度をもった軽量化された複合材の製造方法及び形成機を提供しようとするものである。すなわち、金属と樹脂のように異なる物体を結合し得る超音波溶接を利用し、３次元プリンターの造形物に一体となった被膜を行おうとするものである。

上記目的を達成するために、本発明に係る複合材料の成形方法および成形装置は次のように構成されている。
すなわち、本発明に係る複合部材の成形方法は、３次元プリンターにより形成された造形物上に被膜素材を塗布して冷却し、その後、被膜素材表面から超音波振動を加えることにより造形物と被膜素材の融着を図るように構成されたものである。造形された複合部材を吸着移動した後、外表面を整える整形処理を成すようにすれば、できた複合材の整形をなすことができる。

本発明に係る複合部材の成形装置は、３次元の造形物を製作可能な３次元プリンターと、この３次元プリンターに被膜素材吐出機構を有する３次元プリンターアームと、超音波発信機を装備した超音波アームとを配置し、これらと通信手段を介して互いに接続され、前記３次元プリンターにより造形された造形物の表面に被膜素材を塗布するよう駆動される前記３次元プリンターアームと、この被膜の塗布面上から超音波を付与し超音波溶接により造形物と被膜素材との融着を図るように駆動される前記超音波アームとの制御手段を備えたことを特徴としている。この場合、前記３次元プリンターにはマシニングセンタを併設し、両者を移動可能な吸着テーブルにより連携してなり、３次元プリンターにより造形された複合部材を前記吸着テーブルにより運び、マシニングセンタにより外表面の整形を可能とすればよい。

上記構成によれば、３次元プリンターの作製工程に加え、造形物と違う性質の物体で覆い、両者を超音波溶接により融合一体化することができ、それによって所定の強度と軽量化を実現することができる。
すなわち、最初に、３次元プリンターで例えば樹脂を素材として造形物を造る。その造形物に対して、制御手段は通信手段を介して送られたデータに基づき３次元プリンターに送り、造形物表面に３次元プリンターアームから吐出した被膜素材を塗布する。その後、やはり制御手段により超音波アームを駆動し、被膜された造形物の表面から超音波を掛け、造形物と被膜との間を微小振動させ、両者を融着させるのである。このようにすることによって、造形物のもっている素材としての軽量化と、被膜素材としての例えば金属の強度を併せ持つ複合部材を得ることができるのである。

このできた複合部材は、例えば、建築材料として使用することができ、軽量で強度が高い材質の新素材として用いることができる。また、その他にも、医療や義歯などの歯科材の適用や、自動車その他の製造業にも適用することができる。
造形された複合部材を吸着移動した後、外表面を整える整形処理することにより、正確な寸法となり直接建築材料として用いることができる。

本実施例に係る複合材料の成形装置の全体構成を示す斜視図である。 透過光型３次元スキャンの動作説明図である。 本実施例に係る複合材料の成形装置における本体部の金属皮膜を超音波溶接している拡大正面図である。 本実施例に係る３次元プリンターとＣＮＣマシニングセンタと関係構成を示す拡大側面図である。 本実施例に係る複合材料の成形装置を構成するＣＮＣマシニングの斜視図である。 本実施例に係る複合材料の成形装置の動作フロー図である。 本実施例に係る複合材料の成形装置の整形作業フロー図である。

以下に本発明の実施形態を、図面を参照して、詳細に説明する。
なお、この実施形態は一つの例であり、技術思想を共通するものはすべて含まれ、実施形態に適用した部材の改変は自由である。
本発明では、光造形方法を用いた３次元プリンターを採用する。この光造形方法は、ＵＶ硬化樹脂を造形材料として利用し、高強度化・構造体内部に細孔を形成し、軽量化など活用方法が多岐にわたるため、採用するものとした。また、造形物を出力し、被膜工程を付加させるため、今回はＵＶ光をステージ下部より照射する方法と、造形物表面に金属箔を結合するために超音波を発生させるアームを設置するものとした。更に、ＵＶ光におけるＵＶ硬化樹脂の硬化周波数は材料により大きく異なる他、多くの硬化条件の際の周波数は、周波数変換器を用いて各材料に対応するものとした。

また、超音波溶接を行うため、超音波の振動レベルによって対象物に接触した分子の表面層を結合させることが重要である。例として超音波溶接（高周波）は周波数２０ｋＨｚで数十ミクロンの縦振動により樹脂が１秒以下で瞬時に溶着し、分子間レベルで結合させることが可能である。

最初に、光学式３次元プリンター１０を用いて材料を造形する。造形フレーム１２のタイプはδ（デルタ）式を用いる。３次元プリンター１０の選定理由として、複雑な造形物を簡易に仕上がり良く製作可能な点、光源の位置を変えることで造形ステージの位置を調整することが可能である点、照射するＵＶ光の波長を、変換器を介することで、調整可能であるため、様々な材料を使用することが可能である点などが挙げられる。造形フレーム１２の基本構成材質には、カーボン繊維からなるカーボン素材を使用することにしている。これは造形物の加工の際に、軸がぶれて精度がでないことを防止するためであり、また、造形時や被膜時の微振動による機械制御に影響を可能な限り与えないため、衝撃吸収に優れ、かつ基本的なフレームを軽量化するためである。

このようなことから、３次元プリンター１０の主要部には六角柱の造形フレーム１２が形成され、上下の六角形の天板部１４と底板部１６との間をカーボン支柱１８で支えている。造形フレーム１２の内部には３次元プリンター１０の造形ステージ２０が配置されるとともに、図示しない駆動機構により六角のカーボン支柱１８の内部で上下昇降できるように構成されている。昇降させるため、造形ステージ２０を支える造形フレーム１２の六角柱の一面が昇降ガイドを構成し、その昇降背面部の特に強度を高くしている。特に、高弾性率タイプ炭素繊維を用いて昇降背面部を形成しており、後述する金属プレートの出入り口を反対側のカーボン支柱が担うため、昇降背面部の強度を高くしている。

また、造形用のＵＶ光源２２が造形フレーム１２の底板部１６より下方、すなわち３次元プリンター本体２３の内部に取り付けられ、このＵＶ光源２２は照射するＵＶ光の波長を、変換器を介する事で、３８０〜１４００ｎｍ前後と調整出来るようになっている。このため、様々な材料の使用・ 硬化速度の調整など様々な 造形方法を採用することができる。そして、前記造形ステージ２０とＵＶ光源２２の間に位置して、造形ステージ２０に対向する底板部１６の構造は、３層式となっている。底面層にＵＶ硬化樹脂のＵＶ硬化を抑制するための酸素層２４、中間層に液樹脂プール２６を設置し、最上層にスライド式の金属ステージ２８を配置できるようにしている。すなわち、最初に、底面層には酸素層２４を設置する。これにより下部からのＵＶ光を、酸素を用いて抑制し、ＵＶ硬化を制御する事が可能となっている。次に、中間層にはＵＶ硬化樹脂の液樹脂プール２６を設置する。底面の酸素層２４を挟み込む事で、上昇する造形ステージ２０に造形をする際に、形状・硬化速度などを調整しながら造形する事が可能となる。最後に、高層にはスライド式の金属ステージ２８を配置する。この金属ステージ２８には床面部に多数の空気孔が形成され、これに空気吸引を導入し得るようにされている。これにより、造形完了後に超音波で金属皮膜を行った時に発生する残塵や、後述のＣＮＣマシニングセンタ（コンピュータ数値制御工作機）を用いて、表面を加工した時に発生する残塵など簡単に除去する事が可能となる。また、造形物をＣＮＣマシニングセンタに移動させる際に、そのまま移動させる事が可能となる。これにより、３次元プリンター１０の造形ステージ２０を最上部に設置し、中間層の液樹脂プール２６に液樹脂を流し、下部のＵＶ光源２２からＵＶ光を照射することにより造形が開始する。このとき、金属ステージ２８は図１のように位置をずらせて置く。

造形開始時に造形物の頭頂部を支持点として造形ステージ２０に固定する。これにより、従来の積層構造とは違い、形状を安定させるサポート材を必要とせずに硬化しながら造形物を連続で上昇させる事が可能となる。

この実施形態では、造形材料として、一般市販品の液化ポリマー樹脂（以下、液樹脂）を選定する。選定理由として、液化樹脂にも数多くの種類が存在するが、汎用性が高く、入手が容易で比較的安価であり、圧縮や引っ張りなどに対して、やや抵抗を示す為 、様々な種類の力に対して結果が得られると考えられるからある。もちろん、この液化ポリマー樹脂に代えて他の光硬化樹脂を使用することもできる。

また、透過光型３次元スキャナ３０がこの造形ステージ２０の周囲に設けられている。これはカーボン支柱１８に区分けられている六面の柱１８と柱１８の間に上向き状態（造形物を見通せる状態）で、一つ置きに３か所に配置されている。このスキャナ３０は、コントローラ３２に通信手段３４を介して、データの入出力をするものとされ、表面形状・内部構造を記録させるようになっている。透過光型を選定したのは、造形物のデータ採取を遠距離から行う事が可能である点、内部の構造も含めデータを取得する事が可能である為、部分的に空隙を形成し、軽量化させると言った改良材料のデータが簡単に取得可能となっている点からである。

３次元プリンターの本体２３の内部には上記コントローラ３２が配備され、そのＯＳ、通信手段として無線Ｌａｎ、加工軸としてＡＴＣ対応の軸、ルータ軸、鋸軸、自在式吸着テーブル（フラットタイプ）、空気を通すＭＤＦボード等が備えられ、これらの動きをコントローラ３２によって制御している。

次に、記録させた表面形状・ 内部構造のデータを超音波発生機構とそのアーム・３次元プリンターの両方にデータを送り、両方のアームの動きを造形物の表面形状を追従させる様にＣＮＣマシニングセンタを用いて設定する。

すなわち、３次元プリンター１０には先端に材料吐出口を設けた３次元動作可能な３次元プリンターアーム３６と、超音波発生機構を搭載した超音波アーム３８とが設けられている。これは六角形状の造形フレーム１２の側部において、互いに基部を３次元プリンター本体２３に植設し、先端を造形物に接触可能に配置されている。

最初に、超音波を発生させる機構を搭載した超音波アーム３８について述べる。この超音波アーム３８は接触型とされており、超音波発生機構は、図１に示すように、電源に接続される電流周波数を超音波変調器４０により４０ｋＨｚまで上げ、コンバータ４２により超音波を超微振動に変換し、さらにブースター４４によって超微振動の量を増幅している。さらに先端部にホーン４６を取付け、増幅した振動を一点に集中させるようにしている。そして、このような超音波発生機構を搭載させ、３次元プリンター本体２３と通信ケーブルやその他の通信手段３４を通じて超音波アーム３８に組み付けて構成するものである。超音波アーム３８は通常の３軸動作可能な構成とされている。これにより、先端部に発生する超微細な振動を用いて、造形物の表面の被膜と超音波溶接により溶着させる。

被膜を塗布するために３次元プリンターアーム３６は次のように構成されている。これは造形物の表面を覆う被膜材を液体状態となるように加熱して収容し、造形された３次元加工物の表面に塗布させるものとなっている。この実施例では、特に金属ガリウム（以下、Ｇａ）を選定している。これは、加工が容易で、融点が３０度前後と低く、かつ、異常液体である為である。融点が３０℃前後と低い為、実施工の際に、アーム内部の熱が高く、機材が故障するリスクがかなり低いと考えられている。また、Ｇａは異常液体の為、固体時の結晶構造に隙間が多く、分子が自由になる液体状態の方が最密に近くなる特性を有している。これにより、超音波で発生した熱で造形物に対して溶着した際に、外気によってＧａが固体化し、通常よりも体積が増加する事で、より少量の金属で造形物を被覆することができる。この被膜材もＧａに限らず、一定の濡れ性が非常に高い物質であればよい。

被膜形成動作を行わせるため、３次元プリンターアーム３６や超音波アーム３８は本体２３、ＣＮＣマシニングセンタと通信手段３４を介して接続され、先ほどの透過型３次元スキャナ３０からのデータから演算した結果に基づいて、表面にＧａを塗布しながら超音波溶接させる。この流れは３次元プリンターアーム３６にて造形した後、超音波アーム３８により超音波溶接させる順番である。

このＧａの被膜厚さは、０．３４ｎｍ以上としている。これは、酸素の大きさが０．３４ｎｍな為である。被膜工程時に恐らく、極小のピンホールが出来ると予想出来るが、ガリウム（Ｇａ）は元素記号３１で、第１３族元素な為、イオン化傾向が強いので、酸素と非常に結合しやすい事になる。よって、０．３４ｎｍより薄ければ薄いほど(被膜厚さが０．３４ｎｍ以下であるほど)大気中の酸素からの影響が浸透しやすく、酸化しやすくなってしまう。したがって、０．３４ｎｍ以上の厚さとした。なお、厚みが増すほど、重量とコストが増えるが、これはバランスを見て定めればよい。

超音波溶接は金属の融点の３５〜５０％の温度が瞬間的に発生する。Ｇａの融点は３０℃前後と低い為 、熱による造形物に対しての影響は少ない。
超音波溶接が完了した後の被膜造形物を、ＣＮＣマシニングセンタ４８のフライスマシンを用いて、造形物の仕上がりを整えて完成形とする。このため、金属ステージ２８は、図４に示すように、このＣＮＣマシニングセンタ４８と共通にしており、金属ステージ２８はＣＮＣマシニングセンタ４８との間を往復移動できるように配置形成されている。そして、ＣＮＣマシニングセンタ４８も通信手段３４を通じて被膜造形物の計測データを送るように設定され、被膜造形物の形態に合わせた作業を行うようにしている。

ＣＮＣマシニングセンタ４８は、自動で精密な掘削・加工などが可能である。フライスマシンを選定した理由は １/１０００ミリ単位で調整が可能である点・５軸同時制御や螺旋掘削など複雑な動きを簡単に行える点などが挙げられる。また、空気孔を備えたＭＤＦボードと合わせる事で、空気孔より空気の排出・吸着を行い、造形物の冷却・ステージへの固定を行う。同様の空気孔は３次元プリンター１０の造形ステージ２０にも内蔵するものとする。

すなわち、図４〜５に示すように、ＣＮＣマシニングセンタ４８はマシン本体５０を横軸５２に沿って横行移動可能に取り付けられ、マシン本体５０に昇降動可能にルータ軸５４を下方に向けて配置している。ルータ軸５４の下方には加工ステージ５６が設けられ、その下方に前述した金属プレート２８が配置可能になっている。金属プレート２８はその下部に設けられた駆動機構により前後にスライド可能かつ上下移動可能となっている。そして、前述した３次元プリンター１０とＣＮＣマシニングセンタ４８との間をスライドレール５７で連携しており、金属プレート２８が両者の間を移動可能となっている。金属プレート２８を造形フレーム１２内に挿入して、液樹脂層２６の上に覆い被さるにようにしているが、このため、図４に示すように、金属プレート２８が稼働する前方に位置するカーボン支柱１８の下部に出入口１８ａが設けられている。出入口１８ａはヒンジ結合により揺動可能に取り付けられたものとされる。金属プレート２８は造形フレーム１２の出入口１８ａの下部と、入り口１８ａの対角線上の正面位置に設けられた電磁石１８ｂ、１８ｃにより造形フレーム１２内に入ることができる。電磁石１８ｂ、１８ｃは引力と斥力を利用して出入り可能とし、金属ステージ２８を造形フレーム１２中に入れるときには、Ｓ極とＮ極で引き合わせることで内部に入れ込み、逆にＳ極とＳ極、あるいはＮ極とＮ極のように同一極で引き離しを行う。これは電磁石１８ｂ、１８ｃの磁力の向きを替えることで容易に実現することができる。

このＣＮＣマシニングセンタ４８の加工ステージの両側には、図５に示されているように、節足構造の鋸軸５８と、同様に節足構造のバキュームクリーナ６０が配置されている。鋸軸５８は３次元プリンター１０側で作製した複合部材の表面金属を削ることができ、他方、バキュームクリーナは切削に伴って発生する塵埃を吸引除去するものである。前記ルータ軸５４には仕上用のやすり軸を取付け、表面凹凸を取り除くようになっている。また、金属プレート２８の表面部には空気孔が設けられ、図示しない吸引源により空気を吸引し、上部の塵埃を除去するとともに、この金属プレート２８に搭載された複合部材を吸着できるようになっている。
なお、アーム運動・スキャニング・マシニングセンタ運動・ＵＶ照射による液樹脂硬化時間の調整などのコントロールは全てＰＣ演算で行うものとする。

次に、このように構成された成形装置を用いた具体的作業の方法を説明する。
まず、初期準備として次の作業を行う。
（ａ）δ式光学式３次元プリンター本体に３次元プリンターアーム３６、超音波アーム３８、ＣＮＣマシニングセンタ／フライスマシン４８を接続する。
（ｂ）超音波アーム３８と超音波発生機構を接続する。
（ｃ）３次元プリンター１０とＣＮＣマシニングセンタ４８を接続する。
（ｄ）３次元プリンター１０と内部底面内のＵＶ光源２２を上向きに設置する。
（ｅ）３次元プリンター１０の低層に酸素を注入する。
（ｆ）３次元プリンター１０の中間層に液樹脂を溜める。
（ｇ）３次元プリンター１０の高層の金属ステージ２８が、ＣＮＣマシニングセンタ／フライスマシン４８の加工ステージにスライド・吸着するかの動作確認を行う。造形ステージ２０も吸着を行うか確認する。
（ｈ）３次元プリンター本体２３の内部（ＣＰＵやメモリなどがある部分）のボトルにガリウムが十分満たされているか確認する。

このような準備作業が完了したならば、実際の作業工程に入る。これは図６に示すようなフローチャートにしたがって行われる。
＜造形作業フロー＞
（ステップ０１）まず、最初に、３次元プリンター１０ に予め設定された造形データを送信し造形を開始する。
（ステップ０２）３次元プリンター１０の造形ステージ２０底部を液体樹脂と接触させる。
（ステップ０３）ＵＶ光照射開始。これにより、３次元プリンター造形ステージ２０の底部と液体樹脂が固着する。
（ステップ０４）液体樹脂を造形しながら 、ゆっくりと造形ステージ２０を上昇する。造形ステージ２０と固着している為、造形物も上昇しながら形成されていく。
（ステップ０５）送信時の造形データ内容通りの造形完了後 、ＣＮＣ マシニングセンタ／フライスマシン４８の金属ステージ２８（自在式吸着テーブル・空気孔付のＭＤＦボード）を造形フレーム１２内にスライド移動させる。
（ステップ０６）造形ステージ２０を降下させ、金属ステージ２８に近接させる。この時、造形ステージ２０に造形物は固着したままである。
（ステップ０７）カーボン支柱１８の柱間の３台の透過光型３次元スキャナ３０を用いて造形物のスキャンを行う。スキャンデータはコントローラ３２に送られる。
（ステップ０８）造形物のスキャンデータを３次元プリンター本体２３・ＣＮＣマシニングセンタ４８に送信する。
（ステップ０９）３次元プリンター本体２３のコントローラ３２により、３次元プリンターアーム３６・超音波アーム３８に送信する。
（ステップ１０）造形物のスキャンデータを元に、３次元プリンターアーム３６の先端部よりガリウムＧａを吐出し、表面に塗布していく。
（ステップ１１）ガリウムＧａを吐出後 、金属ステージ２８より空気を吸引排出し 、ガリウムを冷却させる。 これにより、被膜を安定させる 。
（ステップ１２）ガリウムＧａで、被膜を行った後、超音波アーム３８を追従させ、金属と樹脂を結合させて行く（超音波溶接）。この時も継続して、金属ステージ２８より空気を排出し冷却をする。なお、この時はまだ、造形物は造形ステージに固着した状態である。
（ステップ１３）完了アラームを確認した後 、空気孔からの空気を一時停止する 。なお、造形物露出部の溶着が完了したら 、３次元プリンター内部のアラームが鳴る仕組みである。
（ステップ１４）造形ステージ２０と金属プレート２８を接触させる。
（ステップ１５）金属プレート２８の空気孔より空気を取り込み、造形物をしっかりと吸着する。
（ステップ１６）造形ステージ２０を上昇させ、造形ステージ２０を固着部から剥がす。この時は、造形ステージ２０の空気孔より空気を排出し、造形物を固着部から剥がすのを補助する役割を果たす。
（ステップ１７）造形ステージを剥がした部分は 、被膜が行われていない状態の為 、再度、３次元プリンターアーム３６・超音波アーム３８を用いて、被膜を行う。上部は造形ステージ２０の空気孔からの空気の排出で冷却を行う。なお、透過光型３次元スキャナ３０で造形ステージ２０との固着時に全体を透過スキャンしている為、再度、上部のみをスキャンする必要は無い。
（ステップ１８）被膜した造形物を形成後、造形ステージ２０の空気孔の空気の排出を止め、造形ステージ２０を最上部まで上昇させ 、他作業の邪魔にならない様にする 。
（ステップ１９）３次元プリンター１０上の金属プレート２８から、ＣＮＣマシニングセンタ／フライスマシン４８の金属加工ステージ５６上に金属プレート２８をスライドさせる。
（ステップ２０）被膜した造形物の表面の金属をルータ軸５４・鋸軸５８をヤスリと同等の使い方で整えていく。
（ステップ２１）ＣＮＣマシニングセンタ／フライスマシン４８で、整える面を変えながら全方面を整える。なお、その際に発生した残塵は常に空気孔からの空気の排出・バキュームクリーナで随時掃除を行う物とする。
（ステップ２２）完成。

また、この造形作業フローにおけるステップ１９からステップ２２までのＣＮＣマシニングセンタ４８による詳細な整形作業フローは、図７に示すように、以下のように行われる。
＜整形作業フロー＞
３次元プリンター１０から被膜後の造形物を載せて、マシニングセンタ４８へ金属プレート２８をスライドし、加工ステージ５６に移す。
表面の金属を鋸軸５８で削って行く。発生する残塵は、全てバキュームクリーナ６０および金属プレート２８の空気孔で吸着排気して行く（ステップ１９２）。また、定期的にバキュームクリーナ６０の排気で被覆造形物の表面を冷却する。
鋸軸５８での作業が完了した後、次はルータ軸５４に鋸軸５８よりもキメの細かいやすり軸を取付け、これによって磨きを掛けることで表面の凹凸を無くすために、丁寧に削っていく（ステップ１９４）。ステップ１９２と同様に、発生する残塵は全てバキュームクリーナ６０・空気孔で吸着排気していく。また、定期的にバキュームクリーナ６０の排気で被覆造形物の表面を冷却する。
表面が完了したことを確認して後、ＡＴＣにより、ルータ軸５４に４本アーム軸を設置する（ステップ１９６）。
４本アーム軸を用い、被膜造形物を持ち上げ、上下を逆転させる。これにより、金属プレート２８と接触していた箇所の調整が可能となる（ステップ１９８）。
再び、ステップ１９２〜１９４を実行する（ステップ２００）。なお、この際に発生する残塵は全てバキュームクリーナ６０・空気孔で吸着排気して行く。また、定期的にバキュームクリーナ６０の排気で被覆造形物の表面を冷却する。さらに、この時に被膜造形物は金属ステージ２８上に降ろされている。
そして、最後に完成となる（ステップ２０２）。

このように構成された本発明に係る複合材料の成形方法及び成形装置によれば、光学式３次元プリンターを選定したことにより、複雑な造形物を仕上がりよく製作可能で、光源の位置を変えることで造形ステージの位置を調整することが可能となり、照射するＵＶ光の波長を、変換器を介することで、調整できるため、様々な材料を使用することができる。超音波を発生させる機構を搭載した超音波アーム（以下、アーム）は接触型とする。材料は液化ポリマー樹脂を選定する。選定理由として、液化樹脂にも数多くの種類が存在するが、汎用性が高く、入手が容易であるからである。

造形物の表面を覆う金属箔は、加工が容易で融点が低いガリウムを選定し、造形ステージは３層式とし、底面にＵＶ硬化を抑制するための酸素層、中間層に液樹脂、高層に金属プレート（スライド式）を設置し、ＵＶ硬化を制御する。３次元プリンター１０のステージを最上部に設置し、液樹脂を流し、ＵＶ光を下部から照射している。造形開始時に造形物の頭頂部を支持点とし固定する。これにより、従来とは違い、形状を安定させるサポート材を必要とせずに硬化しながら造形物を連続で上昇させることが可能となる。

その後、形態化した樹脂に対し、３次元プリンター１０に接続した３次元スキャナ３０を用いて、表面形状・内部構造を記録させる。続けて記録させたデータを３次元プリンター１０に送り、３次元プリンターアーム３６に表面形状を追従させるように設定する。その後、表面にガリウムＧａを塗布しながら超音波アーム３８を用いて超音波溶接させていく。超音波溶接は金属の融点の３５〜５０％の温度が瞬間的に発生する。Ｇａの融点は２９．８℃と室温でも不定形を示すため、科学的にも問題はないと考えられる。

溶着完了後の造形物を、ＣＮＣマシニングセンタ（コンピュータ自動精密工作機）４８を用いて、造形物の仕上がりを整え完成形となる。
なお、アーム運動、スキャニング、ＵＶ照射による液樹脂硬化時間の調整など制御は全てＰＣ演算で行うものとする。互いの表面を瞬時に融解し、再構築を行っているため、素材レベルでの融合が可能となる。
周辺を違う素材で覆うことで複数の物体特性を付与することができる。
ここで上記実施形態では金属皮膜としてガリウムＧａを用いたが、アルミニウム・インジウム・タリウムなどでも可能である。

また、上記実施形態では、建材に適用した例について説明したが、軽量で強度が高い材質の新素材として用いることができる。また、その他にも、医療や義歯などの歯科材の適用や、自動車その他の製造業にも適用することができる。

１０……３次元プリンター、１２……造形フレーム、１４……天板部、１６……底板部、１８……カーボン支柱、１８ａ……出入り口、１８ｂ……電磁石、２０……造形ステージ、２２……ＵＶ光源、２３……３次元プリンター本体、２４……酸素層、２６……液樹脂層、２８……金属プレート、３０……透過光型３次元スキャナ、３２……コントローラ、３４……通信手段、３６……３次元プリンターアーム、３８……超音波アーム、４０……超音波変調器、４２……コンバータ、４４……ブースター、４６……ホーン、４８……ＣＮＣマシニングセンタ、５０……マシン本体、５２……横軸、５４……ルータ軸、５６……加工ステージ、５７……スライドレール、５８……鋸軸、６０……バキュームクリーナ。

Claims (4)

1. ３次元プリンターにより形成された造形物上に被膜素材を塗布して冷却し、その後、被膜素材表面から超音波振動を加えることにより造形物と被膜素材の融着を図ることを特徴とする複合部材の成形方法。
2. 造形された複合部材を吸着移動した後、外表面を整える整形処理を成すことを特徴とする複合部材の成形方法。
3. ３次元の造形物を製作可能な３次元プリンターと、
   この３次元プリンターに被膜素材吐出機構を有する３次元プリンターアームと、超音波発信機を装備した超音波アームとを配置し、
   これらと通信手段を介して互いに接続され、前記３次元プリンターにより造形された造形物の表面に被膜素材を塗布するよう駆動される前記３次元プリンターアームと、この被膜の塗布面上から超音波を付与し超音波溶接により造形物と被膜素材との融着を図るように駆動される前記超音波アームとの制御手段を備えたことを特徴とする複合部材の成形装置。
4. 前記３次元プリンターにはマシニングセンタを併設し、両者を移動可能な吸着テーブルにより連携してなり、３次元プリンターにより造形された複合部材を前記吸着テーブルにより運び、マシニングセンタにより外表面の整形を可能としたことを特徴とする請求項３に記載の複合部材の成形装置。