JP2022155679A - 立体造形方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことができる立体造形方法を提供する。【解決手段】立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、前記コア材が未硬化の前記シェル材とのみ界面を有する状態を維持しつつ、前記コア部に前記コア材を充填させる構成とする。【選択図】図６

Description

本発明は、近年その性能を著しく向上させている所謂３Ｄプリンタ、或いは、それ以前より実用化されている光造形技術を用いた光造形装置など、立体造形方法に関するもので、特に強化材を含有した複合材の立体造形技術に関わるものである。
所謂３Ｄプリンタは、３次元のＣＡＤデータをもとにコンピュータで造形物の断面形状を計算し、造形物を薄い輪切り上の断面構成要素に分割して、その断面構成要素を種々の方法で形成し、それを積層させて目的とする形状を得る立体造形手段である。一般的には３Ｄプリンタの名称が広く用いられているが、国際的にはＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、直訳すれば付加製造技術と呼ぶことが多い。本明細書においては主として３Ｄプリンタの用語を用いるが、使用意図に応じて適宜表現を使い分けることとする。
近年、３Ｄプリンタにより造形する立体造形物は、実際の製品や量産前の試作品に用いることが要求されるようになり、外観だけでなく強度が求められるようになっている。これに対し、樹脂材料と炭素繊維などの強化材を含有した複合材を材料として適用した３Ｄプリンタ（所謂、複合材３Ｄプリンタ）により立体造形物を造形する立体造形方法が提案されている。たとえば、造形する立体造形物の外殻層を先に造形した後、この造形済の外殻層に囲われた部分に複合材を充填して硬化させることで立体造形物を造形するものがある（たとえば、下記特許文献１）。
以下の説明では、外殻層をシェル層、シェル層を造形する材料をシェル材、シェル層に囲われた部分をコア部、シェル層に囲われた部分に充填する材料をコア材と呼ぶ。なお、シェル層は流動性をもつシェル材（たとえば、光硬化性樹脂）を硬化させることで造形される。また、コア材は、硬化前に流動性をもっており、シェル材と混ざらないものが採用される。また、シェル材とコア材の比重はコア材の方が高くなっている。
下記特許文献１に記載の立体造形方法では、図８（ａ）に示すような複合材３Ｄプリンタ９００を用いている。この複合材３Ｄプリンタ９００は、シェル材９４０を貯留する造形槽９１０と、造形槽９１０内に設けられ、立体造形物を造形する土台となる造形台９１１と、シェル材９４０を硬化させるための紫外線レーザー９２１を照射するレーザー光学系９２０と、コア材９３１を吐出するノズル９３０により構成されている。
下記特許文献１に記載の立体造形方法は、図８（ａ）に示すようにシェル材９４０を貯留した造形槽９１０内に設けられた造形台９１１上に、所定形状のシェル層９４１を造形するようレーザー光学系９２０からシェル材９４０の一部に紫外線レーザー９２１を照射してシェル材９４０の一部を硬化させることで、シェル層９４１を造形する。この造形済のシェル層９４１に囲われた部分であるコア部９４２に残存する未硬化のシェル材９４０（以下、シェル材９４０と呼ぶ）中にノズル９３０を挿入してコア材９３１を吐出する。このとき、コア材９３１の方がシェル材９４１よりも比重が高いため、シェル材９４０と吐出されたコア材９３１が置換されてコア部９４１にコア材９３１が充填される。シェル層９４１の造形とコア材９３１の充填を繰り返し行うことにより立体造形物を造形する。これにより、ノズル９３０により吐出したコア材９４１間で界面が形成されることを防ぐことができるため、剛性と強度に方向性がない立体造形物を造形することができる。
特開２０１９－１３６９２３
しかし、上記立体造形方法では、造形する立体造形物に欠陥が生じ強度が低下する可能性があった。
具体的に説明する。上記立体造形方法では、図８（ｂ）に示すようにノズル９３０から吐出したコア材９３１がシェル材９４０の液面９４３に到達した際に、コア材９３１がシェル材９４０の液面で拡散してシェル材９４０内で沈降する可能性がある。この場合、沈降するコア材９３１が先に充填されたコア材９３１と一体化する際にシェル材９４０を巻き込んでしまう可能性がある。すなわち、コア部９４２に充填したコア材９３１中にシェル材９４０が残留してしまう。この状態で、コア材９３１を硬化させた場合、造形した立体造形物に欠陥が生じて強度が低下する。
本発明は、上記問題点を鑑みてされたものであり、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことができる立体造形方法を提供する。
上記課題を解決するための本発明の立体造形方法は、立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、前記コア材が未硬化の前記シェル材とのみ界面を有する状態を維持しつつ、前記コア部に前記コア材を充填させることを特徴としている。
上記立体造形方法によれば、コア材が未硬化のシェル材とのみ界面を有する状態を維持して、コア部にコア材を充填させるため、コア部に充填されるコア材が未硬化のシェル材の液面に到達することを防ぐことができる。したがって、コア材が未硬化のシェル材の液面で拡散して沈降することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
また、前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から所定の間隔をあけた位置に前記ノズル部材を移動させ、前記コア材を前記ノズル部材により再度吐出する構成としてもよい。
この構成によれば、前記コア材が前記コア部の一カ所で溜まらないようにコア材をノズル部材により吐出することができるため、コア材が未硬化のシェル材の液面に到達することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。また、ノズル部材により先に吐出したコア材中にノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、コア材を再度吐出するため、先に吐出したコア材と後に吐出したコア材との間に界面を生じさせることなくコア部にコア材を充填させることができる。したがって、コア部に充填したコア材に気泡などの不純物が混入することを防ぐことが可能となる。
また、前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から前記ノズル部材を移動させながら前記コア材を前記ノズル部材により吐出する構成としてもよい。
この構成によれば、前記コア材が前記コア部の一カ所で溜まらないようにコア材をノズル部材により吐出することができるため、コア材が未硬化のシェル材の液面に到達することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。また、ノズル部材により先に吐出したコア材中にノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、ノズル部材を移動させながらコア材を吐出するため、先に吐出したコア材と後に吐出したコア材との間に界面を生じさせることなくコア部にコア材を充填させることができる。したがって、コア部に充填したコア材に気泡などの不純物が混入することを防ぐことが可能となる。
上記課題を解決するための本発明の立体造形方法は、立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、前記コア部に前記コア材を充填後、前記シェル層を再造形するにあたり前記ノズル部材の少なくとも先端を未硬化の前記シェル材に挿入した状態を維持しつつ、前記シェル層を再造形することを特徴としている。
上記立体造形方法によれば、シェル層を再造形する際にノズル部材を未硬化のシェル材から引き抜かないため、ノズル部材に付着するコア材が未硬化のシェル材の液面に接触することを防ぐことが可能となる。したがって、コア材が未硬化のシェル材の液面で拡散して沈降することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
また、造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、前記シェル層の再造形前に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部から前記シェル層外に退避させ、前記シェル層の再造形後に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部内に戻す構成としてもよい。
この構成によれば、造形済のシェル層上に積層するようシェル層を再造形する前にノズル部材をコア部からシェル層外に退避させるため、ノズル部材を未硬化のシェル材から引き抜かなくてもノズル部材が邪魔することなく、シェル層を再造形することが可能となる。
また、前記シェル層は、液槽重合法により造形されており、造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、前記シェル層の再造形前に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記シェル層外に退避させ、次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させ、次に造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形し、次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部上方に移動させ、次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させて前記ノズル部材を前記コア部内に戻させる構成としてもよい。
この構成によれば、シェル層を液槽重合法により造形する場合であっても、ノズル部材を未硬化のシェル材から引き抜くことなく、造形済のシェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形することが可能となる。
本発明の立体造形方法によれば、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことができる。
本発明の一実施形態における立体造形方法を実現するために用いる複合材３Ｄプリンタを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 従来の立体造形方法を説明するための図である。
本発明の一実施形態における立体造形方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、水平方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向と表現し、ＸＹ平面と垂直な方向（つまり、鉛直方向）をＺ軸方向と表現する。
図１は、本実施形態における立体造形方法を実現するために用いる複合材３Ｄプリンタを概略的に示す図である。図２、図３、図４、および図５は、本実施形態における立体造形方法を説明するための図である。図６は、本実施形態における立体造形方法を説明するための図であり、ノズル部材１１によるコア材Ｃの吐出方法を示す図である。図７は、本実施形態における立体造形方法を説明するための図であり、図６に示すノズル部材１１によるコア材Ｃの吐出方法の一つのバリエーションを示す図である。
以下、本実施形態における立体造形方法を実現するために用いる複合材３Ｄプリンタ１００の構成について説明する。
本実施形態における複合材３Ｄプリンタ１００は、後述するシェル層Ｓの造形に付加製造方法の一つである液槽重合法を適用したものであり、図１に示すようにコア材Ｃを吐出するコア材吐出機構１と、シェル材Ｅを貯留する造形槽２と、立体造形物を造形する土台となる造形台２１と、シェル材Ｅを硬化させるための光線照射機構３とを備えている。
複合材３Ｄプリンタ１００は、コア材吐出機構１、造形台２１、および光線照射機構３のそれぞれを構成する各部を動作させることにより、造形する立体造形物の外殻層であるシェル層Ｓを先に造形した後、この造形済のシェル層Ｓに囲われた部分であるコア部Ｋにコア材Ｃを充填して硬化させることで、立体造形物を造形することができる。なお、これら各部の動作は図示しない制御部により制御されてもよい。この制御部は、たとえば、汎用のコンピュータ装置によって構成される。
本実施形態におけるシェル材Ｅは、たとえば、流動性をもった光硬化性樹脂であり、後述する造形槽２内で貯留される。このシェル材Ｅは、後述する光線照射機構３により光線Ｌ（図２（ａ）を参照）を照射されることで硬化する。ここでいう、光線Ｌはたとえば、紫外線レーザー光である。この光線Ｌがシェル材Ｅに照射されることで、シェル材Ｅが硬化してシェル層Ｓが造形される。以下の説明では、未硬化のシェル材Ｅをシェル材Ｅと呼び、硬化したシェル材Ｅをシェル層Ｓと呼ぶ。
本実施形態におけるシェル層Ｓは、造形する立体造形物の外殻層のことであり、前述したようにシェル材Ｅが硬化されることで造形される。シェル層Ｓは、シェル材Ｅ中で後述する造形台２１上に造形される。また、このシェル層Ｓに囲われた部分をコア部Ｋと呼ぶ。
このコア部Ｋには、シェル材Ｅが残存している。具体的には、シェル層Ｓがシェル材Ｅ中で造形され、造形後はシェル層Ｓがシェル材Ｅから引き揚げられることがない限り、シェル層Ｓに囲われた部分であるコア部Ｋにはシェル材Ｅが残存する。
本実施形態におけるコア材Ｃは、たとえば、流動性を持った熱硬化性樹脂と炭素繊維やガラス繊維などの強化材を含有した所謂複合材料であり、図示しない加熱炉等により加熱されることで硬化する。このコア材Ｃは、後述するコア材吐出機構１によりコア部Ｋに吐出される。なお、コア材Ｃは、シェル材Ｅと混ざらないようになっており、シェル材Ｅよりも比重が高くなっている。
本実施形態における立体造形物は、コア材Ｃをコア部Ｋに充填し、充填したコア材Ｃを硬化したことで造形される最終的な造形物のことである。
本実施形態におけるコア材吐出機構１は、コア材Ｃを吐出するためのものである。コア材吐出機構１は、図１に示すようにコア材Ｃを吐出するノズル部材１１と、コア材Ｃを貯留するコア材タンク１２と、ノズル部材１１とコア材タンク１２を接続する配管系１３と、配管系１３を介してコア材Ｃをコア材タンク１２からノズル部材１１に送液するポンプ１４により構成される。
ノズル部材１１は、コア材Ｃを吐出するためのものである。本実施形態におけるノズル部材１１は、鉛直方向（図１におけるＺ軸方向）に長く形成されており、この鉛直方向下方におけるノズル部材１１の先端からコア材Ｃが吐出される。なお、ノズル部材１１の形状は用途により適宜変更してもよい。
そして、ノズル部材１１は配管系１３によりコア材タンク１２と接続されている。コア材タンク１２には、コア材Ｃが貯留されており、この貯留されたコア材Ｃをポンプ１４により配管系１３を介してノズル部材１１に送液する。これにより、ノズル部材１１はコア材Ｃを吐出することができる。
また、コア材吐出機構１は、ノズル部材１１を移動させる図示しないノズル駆動機構が設けられている。ノズル駆動機構は、ノズル部材１１を図１におけるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させることができる。これにより、ノズル部材１１は所定位置でコア材Ｃを吐出することができる。
本実施形態における造形槽２は、シェル材Ｅを貯留するためのものである。本実施形態における造形槽２は、図１に示すように天面に開口を有する矩形の箱型形状を有しており、この内部でシェル層Ｓの造形やコア材Ｃの吐出が行われる。そして、造形槽２内には、立体造形物を造形する土台となる造形台２１が設けられている。さらに、この造形台２１を造形槽２内のシェル材Ｅの液面Ｍ（以下、シェル材Ｅの液面Ｍと呼ぶ）に対して昇降させる造形台昇降機構（不図示）が設けられている。
本実施形態における光線照射機構３は、シェル材Ｅを硬化させるための光線Ｌを照射するためのものである。光線照射機構３は、図１および図２（ａ）に示すように光線Ｌを照射する光線照射部３１と、光線照射部３１により照射された光線Ｌが所定位置に照射されるよう光線Ｌの方向を調節する走査光学系３２により構成される。
光線照射部３１により照射される光線Ｌは、たとえば、紫外線レーザー光である。この光線Ｌを造形槽２内のシェル材Ｅに照射することで、シェル材Ｅの液面Ｍから所定の深さだけシェル材Ｅが硬化する。また、走査光学系３２は、光線照射部３１により照射された光線Ｌを反射できるものであればよい（たとえば、ガルバノミラーやポリゴンミラーなど）。この走査光学系３２の傾きを調節することで、光線Ｌを所定範囲に走査させることができる。これにより、所定位置のシェル材Ｅを硬化させることができるため、所定の形状のシェル層Ｓを造形することができる。なお、少なくともシェル層Ｓの底部は、造形台２上に造形される。
以下、本実施形態における立体造形方法について順を追って説明する。なお、本実施形態では、高さＨまでシェル層Ｓ（図４（ｂ）を参照）を造形し、形成されたコア部Ｋにコア材Ｃを充填して立体造形物を造形する例について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように光線照射機構３により造形槽２内のシェル材Ｅに光線Ｌを照射し、造形台２１上にシェル層Ｓを高さｈ１だけ造形する。具体的には、造形台昇降機構により造形台２１の高さをシェル材Ｅの液面Ｍに対して調節しながら光線照射部３１により照射した光線Ｌを走査光学系により走査することで、光線Ｌを所定位置のシェル材Ｅに照射し、所定の深さのシェル材Ｅを硬化させる。このシェル材Ｅの硬化を繰り返し行うことで、シェル材Ｅの液面Ｍから所定の高さ寸法（本実施形態では、高さｈ１）のシェル層Ｓを造形する。以下の説明では、高さｈ１だけ造形したシェル層Ｓをシェル層Ｓ１と呼ぶ。
次に、図２（ｂ）に示すようにシェル層Ｓ１の上端がシェル材Ｅの液面Ｍと少なくとも接触しない位置まで造形台昇降機構により造形台２１の高さをシェル材Ｅの液面Ｍに対して調節する。これにより、コア部Ｋにコア材Ｃを充填してコア部Ｋがコア材Ｃにより満たされたとしても、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。
次に、図２（ｂ）に示すようにノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させ、ノズル部材１１をコア部Ｋに残存するシェル材Ｅ中に挿入する。このとき、ノズル部材１１の少なくとも先端がシェル材Ｅ中に挿入されていればよいが、シェル層Ｓ１の底部近傍まで挿入されていることが好ましい。
次に、図２（ｃ）に示すように所定位置でノズル部材１１の先端からコア材Ｃを吐出する。ここで、コア材Ｃの比重がシェル材Ｅよりも高いため、コア材Ｃがシェル層Ｓ１の底部に向かって沈降していく。そのため、コア部Ｋ内に残存するシェル材Ｅがシェル層Ｓ１から溢れていき、コア部Ｋ内のシェル材Ｅがコア材Ｃに置き換えられる。
そして、コア部Ｋ内をコア材Ｃで満たすようノズル部材１１によるコア材Ｃの吐出を繰り返す。このとき、最初に所定位置でノズル部材１１により吐出したコア材Ｃからノズル部材１１の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、ノズル部材１１を移動させてコア材Ｃを吐出する。
具体的には、図６（ａ）に示す最初の所定位置でノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出後、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、図６（ｂ）に示すようにノズル駆動機構により所定位置から所定の間隔を空けた位置までノズル部材１１を移動させる。ここでいう所定の間隔は、最初に吐出したコア材Ｃの吐出幅の半分未満であるとよい。この状態で、ノズル部材１１によりコア材Ｃを再度吐出する。そして、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、図６（ｃ）に示すようにノズル部材１１を再度移動させて、ノズル部材１１によりコア材Ｃを再度吐出する。これを繰り返して行うことで、図３（ａ）に示すようにコア部Ｋにコア材Ｃを充填する。
これにより、ノズル部材１１により吐出したコア材Ｃが一カ所で溜まらないようにすることができる。具体的には、ノズル部材１１により吐出するコア材Ｃは粘度が高いため、シェル材Ｅ内で吐出しても水平方向には拡がりにくくなっている。このコア材Ｃを一カ所で吐出し続けると水平方向に拡がるよりも鉛直方向に盛り上がる傾向を示し、図８（ｂ）に示すようにコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達してしまう。
これに対して、前述したように最初の所定位置でノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出し、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、所定位置から所定の間隔を空けた位置までノズル部材１１を移動させてコア材Ｃの再吐出を行う。これにより、ノズル部材１１により吐出したコア材Ｃが水平方向に拡がりやすくなり、一カ所で溜まらないようにすることができる。そのため、コア材Ｃが鉛直方向に盛り上がらず、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達することを防ぐことができるため、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍで拡散して沈降することを防ぐことができる。したがって、充填したコア材Ｃにシェル材Ｅが巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
また、ノズル部材１１を先に吐出したコア材Ｃから引き抜かずにコア材Ｃの吐出を繰り返し行うため、ノズル部材１１により先に吐出したコア材Ｃと後に吐出したコア材Ｃとの間に界面を生じさせることなくコア部Ｋにコア材Ｃを充填させることができる。したがって、充填したコア材Ｃに気泡などの不純物が混入することを防ぐことが可能となる。この方法で、コア部Ｋに充填したコア材Ｃをシェル層Ｓ１ごと造形槽２から取り出し、加熱炉にて加熱して造形された立体造形物は、剛性と強度に方向性がないものになる。
なお、前述した最初の所定位置でノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出し、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、所定位置から所定の間隔を空けた位置までノズル部材１１を移動させてコア材Ｃを再度吐出する方法は、少なくともシェル層Ｓの底部上に一層分のコア材Ｃが充填されるまで用いればよい。この場合、充填済の一層のコア材Ｃの所定位置にノズル部材１１が挿入された状態で、ノズル部材１１を移動させずにコア部Ｋが満たされるまでコア材Ｃを再度吐出する。ここで、充填済みの一層のコア材Ｃに再度吐出されたコア材Ｃは、一層目のコア材Ｃになじむように拡がっていくため、コア材Ｃが一カ所で溜まらないようにすることができる。
引き続いて、シェル層Ｓの高さがＨになるよう造形済の高さｈ１のシェル層Ｓ１上に高さｈ２のシェル層Ｓをさらに造形し、新たに形成されたコア部Ｋにコア材Ｃを充填する場合について説明する。
まず、図３（ｂ）に示すように造形済のシェル層Ｓ１がノズル部材１１の先端よりも下方に位置するまで、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して下降させて、ノズル部材１１をコア部Ｋからシェル層Ｓ外へ退避させる。
次に、図３（ｃ）に示すように造形済のシェル層Ｓ１上に高さｈ２のシェル層Ｓ（以下、シェル層Ｓ２と呼ぶ。）をさらに造形する時に邪魔にならないようノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させる。このとき、ノズル部材１１は造形槽２内のシェル材Ｅからは引き抜かない。
次に、図４（ａ）に示すように造形済のシェル層Ｓ１上にシェル層Ｓ２を造形することが可能な位置まで、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して上昇させる。
そして、図４（ｂ）に示すように造形台昇降機構により造形台２１の高さをシェル材Ｅの液面Ｍに対して調節しながら光線照射機構３によりシェル材Ｅに光線Ｌを照射し、造形済のシェル層Ｓ１上に積層するようシェル層Ｓ２を造形していく。これにより、造形済の高さｈ１のシェル層Ｓ１上に積層するよう高さｈ２のシェル層Ｓ２がさらに造形される。すなわち、高さがＨになるようにシェル層Ｓが再造形されている。
次に、図４（ｃ）に示すように造形済のシェル層Ｓがノズル部材１１の先端よりも下方に位置するまで、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して下降させる。
次に、図５（ａ）に示すようにシェル層Ｓが再造形されたことにより新たに形成されたコア部Ｋの上方に位置するようノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させる。このとき、ノズル部材１１は造形槽２内のシェル材Ｅからは引き抜かない。
次に、図５（ｂ）に示すように造形済のシェル層Ｓの上端がシェル材Ｅの液面Ｍの近傍かつシェル材Ｅの液面Ｍに接触しない程度に、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して上昇させる。これにより、コア部Ｋにコア材Ｃを充填してコア部Ｋがコア材Ｃにより満たされたとしても、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。ここで、ノズル部材１１の少なくとも先端が充填済のコア材Ｃに挿入されていない場合、ノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させてノズル部材１１の少なくとも先端を充填済みのコア材Ｃに挿入する。
そして、図５（ｃ）に示すように再造形されたシェル層Ｓに囲まれたコア部Ｋにノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出して充填する。このとき、ノズル部材１１は、充填済のコア材Ｃに挿入された状態でコア材Ｃの吐出をしている。
これにより、造形済のシェル層Ｓ１上に積層するようシェル層Ｓ２を造形してシェル層Ｓを再造形する際にノズル部材１１をシェル材Ｅから引き抜かないため、ノズル部材１１に付着するコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことが可能となる。したがって、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍで拡散して沈降することを防ぎ、充填したコア材Ｃにシェル材Ｅが巻き込まれることを防ぐことが可能となる。また、造形済のシェル層Ｓ１上に積層するようシェル層Ｓ２を造形してシェル層Ｓを再造形する前にノズル部材１１をコア部Ｋからシェル層Ｓ１外に退避させているため、ノズル部材１１をシェル材Ｅから引き抜かなくてもノズル部材１１が邪魔することなく、シェル層Ｓを再造形することが可能となる。
このように、上記実施形態における立体造形方法によれば、コア部Ｋに充填したコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達、およびノズル部材１１に付着したコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。これにより、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍで拡散して沈降することを防ぐことができる。したがって、充填したコア材Ｃ内にシェル材Ｅが巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述したが、各実施形態における構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の追加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。たとえば、上記実施形態では、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達しないための方法について数例説明したが、上記実施形態に記載した方法に限られず、コア材Ｃがシェル材Ｅとのみ界面を有する状態を維持しつつ、コア部Ｋにコア材Ｃを充填するものであれば構わない。すなわち、コア材Ｃと空気との間に界面ができないようにコア部Ｋにコア材Ｃを充填すればよい。
たとえば、図７（ａ）に示すようにノズル部材１１をＸＹ平面上で移動させながらコア材Ｃをコア部Ｋに吐出する（以下、スキャン吐出と呼ぶ）場合、図７（ｂ）に示すように先にスキャン吐出したコア材Ｃからノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、ノズル部材１１を移動させてスキャン吐出を再度行ってもよい。そして、この方法でコア部Ｋがコア材Ｃで満たされるまで繰り返して行ってもよいし、シェル層Ｓの底部上に一層だけコア材Ｃを充填してもよい。これにより、スキャン吐出の場合であっても、ノズル部材１１により吐出したコア材Ｃが一カ所で溜まらないようにすることができる。したがって、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達することを防ぐことができるため、コア材Ｃがシェル材Ｅとのみ界面を有する状態を維持しつつ、コア部Ｋにコア材Ｃを充填することができる。また、ノズル部材１１をコア材Ｃから引き抜かずにスキャン吐出を繰り返すため、先にスキャン吐出したコア材Ｃと後にスキャン吐出したコア材Ｃとの間に界面を生じさせることなくコア部Ｃにコア材Ｃを充填させることができる。
また、コア材Ｃを吐出する際にノズル部材１１の先端位置をコア部Ｋの比較的低い位置に位置させる。すなわち、ノズル部材１１の先端をシェル層Ｓの底部に比較的近い位置に位置させる。これに加えて、ノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出する速度を低くすることで、吐出されたコア材Ｃの盛り上がりを軽減することができる。すなわち、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達しにくくなる。
また、上記実施形態では、コア部Ｋがコア材Ｃにより満たされた際に、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐために、コア部Ｋにコア材Ｃを充填するまでにシェル層Ｓの上端がシェル材Ｅの液面Ｍに少なくとも接触しない位置まで造形台昇降機構により造形台２１の高さを調節する例について説明したが、これに限られない。たとえば、敢えてシェル層Ｓを高さＨよりも高い高さまで造形し、高さＨまでコア材Ｃを充填するとよい。これにより、シェル層Ｓの上端までコア材Ｃが充填されることがないため、コア材Ｃを高さＨまで充填したとしてもコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。
また、上記実施形態では、高さＨのシェル層Ｓを高さｈ１のシェル層Ｓ１と高さｈ２のシェル層Ｓ２に分割して造形する例について説明したが、シェル層Ｓを一括で造形してもよい。また、シェル層Ｓを造形するための分割回数を増やしてもよい。
また、上記実施形態では、シェル層Ｓの造形に液槽重合法を適用したものを例に説明したが、これに限られない。たとえば、熱溶解積層方式であってもよい。
１００ 複合材３Ｄプリンタ
１ コア材吐出機構
１１ ノズル部材
１２ コア材タンク
１３ 配管系
１４ ポンプ
２ 造形槽
２１ 造形台
３ 光線照射機構
３１ 光線照射部
３２ 走査光学系
Ｅ シェル材
Ｓ シェル層
Ｓ１ （高さｈ１の）シェル層
Ｓ２ （高さｈ２の）シェル層
Ｍ シェル材の液面
Ｋ コア部
Ｃ コア材
Ｌ 光線

Claims (6)

  1. 立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、
    流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、
    前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、
    前記コア材が未硬化の前記シェル材とのみ界面を有する状態を維持しつつ、前記コア部に前記コア材を充填させることを特徴とする立体造形方法。
  2. 前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、
    吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から所定の間隔をあけた位置に前記ノズル部材を移動させ、前記コア材を前記ノズル部材により再度吐出することを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
  3. 前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、
    吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から前記ノズル部材を移動させながら前記コア材を前記ノズル部材により吐出することを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
  4. 立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、
    流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、
    前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、
    前記コア部に前記コア材を充填後、前記シェル層を再造形するにあたり前記ノズル部材の少なくとも先端を未硬化の前記シェル材に挿入した状態を維持しつつ、前記シェル層を再造形することを特徴とする立体造形方法。
  5. 造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、
    前記シェル層の再造形前に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部から前記シェル層外に退避させ、
    前記シェル層の再造形後に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部内に戻すことを特徴とする請求項４に記載の立体造形方法。
  6. 前記シェル層は、液槽重合法により造形されており、
    造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、
    前記シェル層の再造形前に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、
    次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記シェル層外に退避させ、
    次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させ、
    次に造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形し、
    次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、
    次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部上方に移動させ、
    次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させて前記ノズル部材を前記コア部内に戻させることを特徴とする請求項５に記載の立体造形方法。
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