JP2023018936A - 立体造形方法、立体造形物の製造方法、プログラム、及び立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】いわゆるコアシェル方式の立体造形方法で造形される立体造形物において、シェル層で囲われたコア部内やコア部上面にシェル材による任意の形状の造形物を簡便かつ効率よく造形することができる立体造形方法を提供すること。【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、次に造形済の前記シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材を充填することにより該コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、前記シェル層は付加製造技術によって造形され、前記コア材が造形済の前記シェル層に囲われた前記コア部に充填され、少なくとも一部において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル層が形成される。【選択図】 図１

Description

本発明は立体造形方法、立体造形物の製造方法、プログラム、及び立体造形装置に関し、より詳細には、３Ｄプリンティングなどの付加製造技術を用いて立体造形物を形成させる立体造形方法、立体造形物の製造方法、プログラム、及び立体造形装置に関する。

３Ｄプリンティング技術を用いた製造装置の名称として、広く３Ｄプリンタという言葉が使われている。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、該造形物を薄い輪切り状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造形物を形成する立体造形装置である。３Ｄプリンティング技術は、国際的にはＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙと同義語として使われる場合が多く、日本語訳として、付加製造技術が用いられている。

国際標準化団体のＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌでは、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（付加製造）の方法を大きく以下の７つに分類している。
（１）液槽重合法（Ｖａｔ Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）
（２）材料押出法（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）
（３）粉末床溶融結合法（Ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）
（４）結合材噴射法（Ｂｉｎｄｅｒ Ｊｅｔｔｉｎｇ）
（５）シート積層法（Ｓｈｅｅｔ ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）
（６）材料噴射法（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｊｅｔｔｉｎｇ）
（７）指向性エネルギー堆積法（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）

（１）液槽重合法は、これらの中でも最も古い時期に実用化されたものであり、３Ｄプリンタの名称が一般化する以前から、光造形法、ＳＬＡ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などの名称でラピッドプロトタイピング用途として用いられていた。

図１０は、液槽重合法を用いた立体造形装置の構成例を示す図である。
液槽重合法では、槽４６内に、例えば紫外線硬化（重合）樹脂４８が保持され、その液面に、導入光学系４０から紫外線４２が選択的に照射されて、第１層目の硬化領域４８ａが形成される（図１０（ａ）～（ｃ））。第１層目の硬化領域４８ａは造形テーブル４７に支持される。なお、第１層目の硬化領域４８ａと造形テーブル４７との間には、適宜サポート材が形成される。また、導入光学系４０は、紫外線原４１、コリメートレンズ４３、集光レンズ４４、及び反射鏡４５を備えている。

次に造形テーブル４７ごと第１層目の硬化領域４８ａを液中に沈める（図１０（ｄ））、或いは、液面を上昇させることにより、第１層目の硬化領域４８ａを一定深さだけ液中に沈める。次いで再び紫外線４２が液面に選択的に照射されて、第１層目の硬化領域４８ａの上方に第２層目の硬化領域４８ｂが第１層目の硬化領域４８ａと積層方向に連続するように形成される（図１０（ｅ））。これを繰り返すことによって、立体造形物を形成する方式である。

近年パーソナルユーズとして市販されている３Ｄプリンタには、（２）材料押出法、又は（６）材料噴射法が採用されているものが多い。

（２）材料押出法は、熱溶解積層法、ＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）とも呼ばれ、多くの場合、熱可塑性樹脂からなる造形材料を加熱して溶融流動状態とし、それをノズルから押し出しながら積層して造形する方法である。
図１１は、材料押出法を用いた立体造形装置の構成例を示す図である。
チャンバー５０内に、例えば、粒状の熱可塑性樹脂からなるペレット５１が充填される。そして、図示しない加熱機構によってチャンバー５０内が加熱され、ペレット５１が溶融する。溶融し流動状態となったペレット５１をここでは溶融材５２と呼ぶこととする。溶融材５２は加圧部材５３による加圧力Ｐにより、ノズル５４から押し出される。押し出された溶融材５２は、造形テーブル５５上に載置されていく。造形テーブル２８は、例えば、図中矢印ＸおよびＹで示す造形テーブル２８面内方向の並進自由度、矢印Ｚで示す造形テーブル５５上下方向の自由度、および支軸５６廻りの回転の自由度（図中矢印θ）を有している。

ノズル５４から溶融材５２が押し出されるのに合わせて、上記矢印Ｘ、Ｙ、θ方向に造形テーブル５５が駆動され、造形テーブル５５面上に任意の平面形状にて溶融材５２が載置されていく。この造形テーブル５５面上に最初に載置される溶融材層が、断面構成要素としての第１層５７に相当する。第１層５７の成型完了後、造形テーブル２８を下降させて、第１層５７の上に第２層が積層されていく。これを繰り返すことにより立体造形物が形成される。

（６）材料噴射法は、インクジェット式マテリアルジェッティング、ＭＪＰ（Ｍｕｌｔｉｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）とも呼ばれ、造形材料の粘度が、（２）材料押出法のそれよりやや低めのものが多く、いわばインクジェットプリンタのインクの代わりに造形材料を吐出させて積層させながら造形していく方法である。

（３）粉末床溶融結合法、及び（４）結合材噴射法は、造形材料として、粉体状又は粒状のものを用いるところが特徴である。
（３）粉末床溶融結合法は、粉末焼結、ＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、ＳＬＭ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）などとも呼ばれている。
図１２は、粉末床溶融結合法を用いた立体造形装置の構成例を示す図である。
図１２に示すように、適当な槽６０内に造形材料粉６１が静置される。これを材料床６２と呼ぶことが多い。造形材料としては、金属、樹脂、セラミックなどの無機材料などエネルギー線で溶融可能なものであれば、幅広く造形材料が選択できることが特徴の一つである。そして、図１２（ａ）に示すように、材料床６２の表面にレーザー光６６が選択的に照射されて、造形材料粉６１が溶融合体され、１層目の造形層６７が形成される。図１２ではエネルギー線源として赤外線レーザー６３が用いられ、ガルバノ光学系６４、６５を用いて材料床６２表面を任意にスキャンできる構成となっている。次いで図１２（ｂ）に示すように、造形材料粉６１が一定量継ぎ足された後、テーブル６９が一定量降下されて、スキージ６８を図中矢印Ａ方向に移動させることで、造形材料粉６１を均して平らにする。これで再び材料床６２が形成される。次いでレーザー光６６をスキャンさせて２層目の造形層を形成する。これを繰り返すことにより立体造形物が形成される。

（４）結合材噴射法は、インクジェット式バインダージェッティング、ＣＪＰ（Ｃｏｌｏｒ Ｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）とも呼ばれており、（３）粉末床溶融結合法と同様、造形材料粉から成る材料床を用いる一方、材料床に対し造形材料粉を結着するいわば接着剤の機能を有する結着材料をインクジェットヘッド等から選択的に噴射することで、造形材料粉同士を結着させて造形していく方式である。

（５）シート積層法はその名の通り、紙、プラスチックフィルム等のシート状材料を積層断面形状に切断しそれを順次積層、接着することにより立体造形物を形成する方式である。

（７）指向性エネルギー堆積法は、レーザーデポジション、ＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などとも呼ばれている。
図１３は、指向性エネルギー堆積法を用いた立体造形装置の構成例を示す図である。
指向性エネルギー堆積法は、図１３に示すように、造形材料を供給しながら且つエネルギーも同時に選択的に付与しながら、造形材料を積層する方式である。
レーザー光７１が二重管ノズル７２の内側ノズル７３の内部を透過し、透過したレーザー光７１は集光レンズ７４によって、ベース７５表面に集光される。外側ノズル７６からは、シールドガスとともに造形材料粉末７８（図中矢印で示す）がレーザー光７１の集光点目指して吹き付けられる。レーザー光７１の集光点において、吹き付けられた造形材料粉末７８がレーザー光７１によって加熱溶融され、ベース７５表面に造形材料粉末７８が溶融凝集した溶融池７７が形成される。そしてベース７５と二重管ノズル７２の相対位置を移動させて、溶融池７７をベース７５上でいわば泳がせながら、ベース７５上に造形材料を載置し、積層していく方式である。この方式は金属材料を用いる３Ｄプリンタの代表例である。なお、この方式は見方を変えれば、古くから知られているアーク溶接法を精細化、自動化し造形方法として発展させたとも言える。
［発明が解決しようとする課題］

本出願人は、下記の特許文献１において、立体造形物の外殻層（シェル層）をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済みの外殻層の内部(コア部)をコア材を用いて造形する立体造形方法を提案している。本明細書に於いては、この方法をコアシェル方式とも言うこととする。

図１４は、このコアシェル方式で造形された立体造形物の一例を模式的に示している。立体造形物８０は、外殻層となるシェル層８１を有し、シェル層８１に囲まれたコア部８２内にコア材８３が充填され硬化されたものとなっている。

このようなコアシェル方式において、例えば、上述した液槽重合法で、前記シェル層の一部として、前記コア部の少なくとも一部を覆う蓋付き形状部を造形しようとした場合、この蓋付き形状部を下から支える、すなわち、垂れ下がり等を防止するために、前記コア部内にサポート材で先に支えを作る必要がある。液槽重合法において、このサポート材は、例えば、液体であるシェル材（光硬化性樹脂）を半硬化の状態に形成したものとなる。すなわち、前記サポート材は、前記シェル材と同じ材料が用いられることとなる。

そして、蓋付き形状部の造形を完了（硬化）した後、前記コア部内から前記サポート材を除去して、蓋付き形状部を含む前記シェル層の造形が完了する。その後、前記コア部に前記コア材が充填されることとなる。
このように、前記コア部内に前記サポート材による支えを形成した場合、前記コア材を充填する前に前記サポート材を除去する工程が必要となり、手間を要し、製造効率が低下してしまうという課題があった。

また、蓋付きの形状部分が、前記コア部を完全に蓋をする形状である場合、前記サポート材を除去することができず、このような前記コア部を密閉する形状では、前記コア部に前記サポート材による支えを形成できないという課題もあった。

また、前記コアシェル方式では、前記シェル材で前記シェル層を積層方向にある程度造形した後、前記コア部に前記コア材を充填していく工程を繰り返す場合もある。このような方式の場合において、前記コア部に前記サポート材が存在すると、充填する前記コア材で前記サポート材を壊してしまうこととなり、蓋付き形状部分に造形不良が発生する可能性があるという課題があった。

特開２０１９―１３６９２３号公報

課題を解決するための手段及びその効果

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、いわゆるコアシェル方式の立体造形方法により造形される立体造形物において、シェル層で囲われたコア部内やコア部上面にシェル材による任意の形状の造形物を簡便かつ効率よく造形することができる立体造形方法、立体造形物の製造方法、プログラム、及び立体造形装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明に係る立体造形方法（１）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、次に造形済の前記シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材を充填することにより該コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、
前記シェル層は付加製造技術によって造形され、
前記コア材が造形済の前記シェル層に囲われた前記コア部に充填され、
少なくとも一部において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル層が形成されることを特徴としている。

上記立体造形方法（１）によれば、前記シェル層は付加製造技術によって造形され、前記コア部に前記コア材が充填され、前記立体造形物の少なくとも一部において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル層が形成される。したがって、造形工程中において、前記コア材の重力方向上面に形成される前記シェル層が前記コア材によって支持されることとなる。そのため、前記コア部に、サポート材によるサポート部を形成したり、該サポート部を除去したりする必要がなくなり、前記コア材の重力方向上面に任意の形状のシェル層が形成される造形物を簡便かつ効率よく造形することが可能となる。

また本発明に係る立体造形方法（２）は、上記立体造形方法（１）において、
前記シェル層は積層造形方向に複数回に分割して造形され、
前記シェル層の第１造形と前記シェル層の第２造形との間に前記コア材を充填することを特徴としている。

上記立体造形方法（２）によれば、前記シェル層を積層造形方向に複数回に分割して造形し、前記シェル層の前記第１造形と前記第２造形との間に前記コア材を充填するので、前記第２造形において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル材による任意の形状の前記シェル層を簡便かつ効率よく造形することができる。また、前記コア部内に、例えば、張り出し（庇）形状、ブリッジ形状、蓋形状などの様々な形状をした前記シェル層を段階的に造形することが可能となる。また、前記シェル層の造形を複数回に分割して段階的に行い、その都度前記コア材を充填するので、前記コア部の形状を実質的に単純化することとなり、前記コア部への前記コア材の充填も良好に行うことができる。

また本発明に係る立体造形方法（３）は、上記立体造形方法（１）又は（２）において、
前記シェル層が液槽重合法により造形されるものであって、
少なくとも一部の工程において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル材が塗布され、活性エネルギー線の照射により前記シェル材が前記コア材の重力方向上面で硬化されることにより前記シェル層が形成されることを特徴としている。

上記立体造形方法（３）によれば、前記シェル層を前記液槽重合法により造形し、該液槽重合法の少なくとも一部の工程において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル材を塗布し、塗布した前記シェル材に前記活性エネルギー線を照射して、前記シェル材を前記コア材の重力方向上面で硬化させることにより前記シェル層が形成されることとなる。したがって、前記液槽重合法によって前記コア材の重力方向上面に前記シェル材による任意の形状の前記シェル層を簡便かつ効率よく造形することができ、また、前記コア部内に様々な形状のシェル層を精度よく造形することが可能となる。

また本発明に係る立体造形方法（４）は、上記立体造形方法（３）において、
前記コア材の重力方向上面に前記シェル材を塗布する前工程で、装置水平面を移動させるブレードによって、前記コア材の重力方向上面を平坦化し、その後前記シェル材を塗布する際に前記コア材の重力方向上面に平坦に前記シェル材が塗布されることを特徴としている。

上記立体造形方法（４）によれば、前記コア材の重力方向上面に前記シェル材を塗布する前工程で、前記ブレードを用いて前記コア材の重力方向上面を平坦化するので、該平坦化された前記コア材の重力方向上面に前記シェル材を平坦に塗布することができ、前記コア材の重力方向上面に造形される前記シェル層の平坦性を高めることができ、該シェル層の造形精度をさらに高めることができる。

また本発明に係る立体造形方法（５）は、上記立体造形方法（４）において、
前記ブレードによって掻き出した前記コア材を、造形エリア近傍に設けられた廃棄物入れに廃棄することを特徴としている。

上記立体造形方法（５）によれば、前記ブレードによって掻き出した前記コア材、すなわち、余分な前記コア材を前記廃棄物入れに廃棄することができ、前記掻き出されたコア材による液槽内の汚染を防止できる。また、前記廃棄物入れに廃棄された前記コア材を再利用することも可能となる。

また本発明に係る立体造形方法（６）は、上記立体造形方法（３）～（５）のいずれかにおいて、
前記コア材の重力方向上面に形成する前記シェル層の厚みが、前記活性エネルギー線の照射による前記シェル材の硬化深度よりも厚いことを特徴としている。

上記立体造形方法（６）によれば、前記コア材の重力方向上面に形成する前記シェル層の厚みが、前記活性エネルギー線の照射による前記シェル材の硬化深度よりも厚いので、前記コア材の重力方向上面が平坦で無くとも、前記コア材の重力方向上面に前記シェル層を造形することが可能となる。

また本発明に係る立体造形方法（７）は、上記立体造形方法（３）～（６）のいずれかにおいて、
前記コア部の重力方向上面に塗布した前記シェル材は、前記活性エネルギー線の照射の際に部分的に未硬化部を設け、その後の工程で該未硬化部から前記コア部に前記コア材を充填することを特徴としている。

上記立体造形方法（７）によれば、前記コア部の重力方向上面に塗布した前記シェル材の前記未硬化部から前記コア部に前記コア材を充填することができ、また、該充填により前記未硬化部の前記シェル材が前記コア材に置換され、前記コア部に前記未硬化部の前記シェル材が残存することを防止できる。また、前記シェル材と前記コア材との置換は液体どうしで行われることとなり、ボイド等と称する微小空間（気泡）の発生を防止できる。

また本発明に係る立体造形方法（８）は、上記立体造形方法（１）～（７）のいずれかにおいて、前記コア材は、前記シェル材よりも高比重であることを特徴としている。

上記立体造形方法（８）によれば、前記コア材は、前記シェル材よりも高比重であるので、前記シェル材を前記コア材の重力方向上面に混ざり合うことなく塗布することができる。なお、前記コア材は、前記シェル材よりも高比重とするために、例えば、強化材を含むものであってもよい。前記強化材には、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維のうちの少なくともいずれかを含む繊維状の強化材が採用され得る。

また本発明に係る立体造形方法（９）は、上記立体造形方法（１）～（８）のいずれかにおいて、前記立体造形物を形成後に、前記コア材を一括硬化させることを特徴としている。

上記立体造形方法（９）によれば、前記立体造形物を形成後に、前記コア材を一括硬化させるので、充填された前記コア材中に造形界面が形成されることもなく、前記立体造形物の機械特性を高めることができる。
前記コア材は、例えば、強化材を含有する複合材であってもよく、該複合材を用いる場合、前記強化材を母材中に均一分散している状態で硬化させることができる。換言すれば、前記強化材の分散状態の分断を生じさせないで硬化させることができる。前記強化材には、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維のうちの少なくとも１つを含む繊維状の強化材が採用され得る。

また本発明に係る立体造形物の製造方法は、上記立体造形方法（１）～（９）のいずれかを用いて立体造形物を製造することを特徴としている。

上記立体造形物の製造方法によれば、前記立体造形物を製造する場合に、上記立体造形方法（１）～（９）のいずれかにより得られる効果を奏することとなり、前記シェル層で囲まれた前記コア部内に様々な形状の前記シェル層が造形された立体造形物を簡便かつ効率よく製造することができる。

また本発明に係るプログラム（１）は、上記立体造形方法（１）～（９）のいずれかをコンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴としている。

上記プログラム（１）によれば、前記コンピュータを用いて、前記コア材の重力方向上面に任意の形状のシェル層が形成された造形物を簡便かつ効率よく造形する装置が実現でき、上記立体造形方法（１）～（９）のいずれかにより得られる効果と同様の効果を奏する装置が実現できる。

また、本発明に係る立体造形装置（１）は、上記プログラム（１）が記憶された記憶部と、該記憶部に記憶された前記プログラムを実行する制御部とを備えていることを特徴としている。

上記立体造形装置（１）によれば、前記コア材の重力方向上面に任意の形状のシェル層が形成された造形物を簡便かつ効率よく造形することが可能となり、上記立体造形方法（１）～（９）のいずれかにより得られる効果と同様の効果を奏する装置が実現できる。

本発明の実施の形態（１）に係る立体造形方法により造形される立体造形物の一例を模式的に示す断面斜視図である。 実施の形態（１）に係る立体造形方法の一例を説明するための概念図である。 実施の形態（２）に係る立体造形装置の構成例を示す概略図である。 実施の形態（２）に係る立体造形装置を用いた立体造形方法の一例を説明するための図であり、１回目のシェル層を造形する工程を説明するための図である。 実施の形態（２）に係る立体造形装置を用いた立体造形方法の一例を説明するための図であり、１回目のシェル層により形成されたコア部にコア材を充填する工程を説明するための図である。 実施の形態（２）に係る立体造形装置を用いた立体造形方法の一例を説明するための図であり、図５に示した工程より後の工程を説明するための図である。 実施の形態（２）に係る立体造形装置を用いた立体造形方法の一例を説明するための図であり、図６に示した工程より後の工程を説明するための図である。 実施の形態（３）に係る立体造形装置の構成例を示す概略図である。 実施の形態（３）に係る立体造形装置を用いた立体造形方法の一例を説明するための図である。 液槽重合法を用いた立体造形装置の構成例を示す概略図である。 材料押出法を用いた立体造形装置の構成例を示す概略図である。 粉末床溶融結合法を用いた立体造形装置の構成例を示す概略図である。 指向性エネルギー堆積法を説明する原理図である。 コアシェル方式で造形された立体造形物の一例を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明に係る立体造形方法、立体造形物の製造方法、プログラム、及び立体造形装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面に記載している立体造形物、並びにそのシェル層及びコア部の形態などは、本発明の主旨が容易に理解できるように模式的に描かれており、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、実施の形態（１）に係る立体造形方法により造形される立体造形物の一例を模式的に示す断面斜視図である。
立体造形物１は、外殻層を形成するシェル層２と、シェル層２に囲われたコア部４とを有し、コア部４内にコア材５が充填されて固化された形態となっており、また、コア部４に張り出した形状をしたシェル層２ａやコア部４に蓋をした形状をしたシェル層２ｂがコア材５の重力方向上面に形成されたものとなっている。

シェル層２は、従来技術で説明した付加製造技術の（１）～（７）のいずれの方式を用いて造形してもよく、シェル層２を形成するシェル材は、付加製造技術の（１）～（７）の選択された方式に応じて適宜選択され得る。
また、コア材５としては、シェル層２の造形方式に応じて、例えば、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などが適宜選択され得る。また、コア材５は強化材を含むものであってもよい。強化材には、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又はシリカ等の無機材料粉などの比較的比重の高い材料が選択され得る。コア材５に強化材が含まれることにより、コア材５がシェル層２を形成するシェル材よりも高比重なものとなる。

図２（ａ）～（ｈ）は、実施の形態（１）に係る立体造形方法の一例を説明するための概念図であり、造形されていく立体造形物の切断部端面図を模式的に示している。
まず、図２（ａ）に示すように、シェル材を用いて有底箱型形状をしたシェル層２を所定の高さｈ１だけ造形する。シェル層２の造形には、上述した付加製造技術の（１）～（７）のいずれの方式を用いてもよい。また、高さ方向が付加製造における積層造形方向であることが好ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、高さｈ１だけシェル層２を造形した段階で、シェル層２に囲われた（換言すれば、シェル層２の内側空間の）コア部４にコア材５を充填する。なお、この段階で、コア材５は流動性を有する状態である。

次に、図２（ｃ）に示すように、コア材５の重力方向上面にシェル層２ａを形成する。コア部４に張り出した形状をしたシェル層２ａがコア材５により支持されている状態となっている。なお、コア材５は、未硬化の流動性を持つ液体状態ではあるが、コア材５の重力方向上面に形成されたシェル層２ａが垂れ下がることのない粘度を有している。

引き続いて、図２（ｄ）に示すように、シェル層２をさらに高さｈ２まで造形し、その後、図２（ｅ）に示すように、新たに形成されたコア部４ａにコア材５をさらに充填する。
コア材５は、未硬化の流動性を持つ液体状態であるため、高さｈ１まで充填済みのコア材５上に、さらに高さｈ２までコア材５を追加充填しても両者は容易に混ざり合うことができる。そのため、高さｈ１の面に、追加充填されるコア材５と充填済みコア材５の界面（造形界面）が形成されることはない。したがって、コア材５が強化材を含有する複合材であった場合に、造形界面における強化材又は強化材の分散状態の分断が回避できる。

次に、図２（ｆ）に示すように、追加充填されたコア材５の重力方向上面に新たにシェル層２ｂを造形する。ここでは、追加充填されたコア材５の重力方向上面の全面に蓋形状をしたシェル層２ｂが形成されており、造形時においてはシェル材がコア材５の上に支持された状態でシェル層２ｂが造形されるようになっている。

引き続いて、図２（ｇ）に示すように、シェル層２をさらに高さｈ３まで造形し、その後、図２（ｈ）に示すように、新たに形成されたコア部４ｂにコア材５をさらに充填する。これでシェル層２、２ａ、２ｂの造形と、コア部４、４ａ、４ｂへのコア材５の充填が完了する。その後、コア材５が熱硬化性樹脂を含むものである場合、立体造形物１を加熱炉に投入して、コア材５に熱エネルギーを付与する。また、コア材５が光硬化性樹脂を含むものである場合、全体に活性エネルギー線を照射することにより、コア材５を硬化させ、図１に示した立体造形物１の造形が完了する。

上記実施の形態（１）では、シェル層２の造形を、その積層造形方向に３回に分割して造形しているが、分割回数は、造形物の大きさや形状などを考慮して任意の回数に設定できる。また、シェル層２の造形方式、シェル材の種類、及び／又は造形する立体造形物１のサイズなどによっては、外殻層となるシェル層２と、張出形状のシェル層２ａとを一括で造形した後にコア材５を充填することにより、シェル層２ａをコア材５で支持する方法を採用可能な場合もある。

上記実施の形態（１）に係る立体造形方法によれば、シェル層２、２ａ、２ｂは付加製造技術によって造形され、コア部４、４ａ、４ｂにコア材５が充填され、立体造形物１の少なくとも一部において、コア材５の重力方向上面にシェル層２ａ、２ｂが形成される。したがって、造形工程中において、コア材５の重力方向上面に形成されるシェル層２ａ、２ｂがコア材５によって支持されることとなる。そのため、コア部４、４ａ、４ｂに、前記シェル材によるサポート部を形成したり、該サポート部を除去したりする必要がなくなり、コア材５の重力方向上面にシェル層２ａ、２ｂが形成された立体造形物１を簡便かつ効率よく造形することが可能となる。

また、上記実施の形態（１）に係る立体造形方法によれば、シェル層２を積層造形方向に複数回に分割して造形し、シェル層２を分割して造形する毎にコア材５を充填するので、コア部４、４ａ、４ｂ内に、張出形状のシェル層２ａ、蓋形状のシェル層２ｂなどの任意の形状をしたシェル層を段階的に造形することが可能となる。また、シェル層２の造形を複数回に分割して段階的に行い、その都度コア材５を充填するので、コア部４、４ａ、４ｂの形状を実質的に単純化することとなり、コア部４、４ａ、４ｂへのコア材５の充填も良好に行うことができる。

次に図３～図７に基づいて、実施の態様（２）に係る立体造形方法について説明する。実施の態様（２）では、シェル層の形成に液槽重合法を用いる立体造形装置を用いて立体造形物を造形する方法について説明する。

図３は、実施の形態（２）に係る立体造形装置の構成例を示す概略図である。
立体造形装置１０は、シェル層２の形成に液槽重合法を用いる装置であり、また、コア材として熱硬化性樹脂中に強化材が分散された強化樹脂を用いる複合材３Ｄプリンタとして構成されている。なお、図中矢印ｘ方向がｘ軸方向、矢印ｚ方向がｚ軸方向、紙面に垂直方向がｙ軸方向とする。

立体造形装置１０は、シェル材として紫外線硬化樹脂３Ａが貯留されている造形槽１１、レーザー光学系１２、コア材供給系１３、及びこれら各部の動作などを制御する制御ユニット１８を主たる構成要素としている。

造形槽１１中には紫外線硬化樹脂３Ａが貯留されており、図示しない紫外線硬化樹脂供給系により、その液面位置を所定位置に維持、調整可能となっている。紫外線硬化樹脂３Ａとしてはエポキシ系、アクリル系など公知のものが使用可能である。造形槽１１中には造形テーブル１５が設けられている。造形テーブル１５は、造形中の立体造形物を支持するためのものであり、図示しない駆動機構により図中ｚ軸方向の任意の位置に移動かつ設置可能となっている。なお、造形テーブル１５の動作は制御ユニット１８により制御可能となっている。

造形槽１１の液面近傍位置にリコータ１６が配設されており、リコータ１６の先端を紫外線硬化樹脂３Ａの液面にわずかに（例えば、所定の硬化深度未満だけ）沈めた状態で、水平方向（この場合、ｘ軸方向）に移動させることが可能となっている。リコータ１６は、ブレードの一例である。このリコータ１６の移動動作により、紫外線硬化樹脂３Ａを造形中のシェル層２の上に塗り拡げたり、余分なコア材５Ａを掻き取ったりして、シェル層２やコア材５Ａの上に所定深さ（例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度）の紫外線硬化樹脂３Ａが均一（平ら）に塗り拡げられた状態にすることが可能となっている。なお、リコータ１６の動作は制御ユニット１８により制御可能となっている。

また、造形エリアの近傍位置、例えば、造形テーブル１５の近傍位置に廃棄桶（廃棄物入れ）１７が配設されている。廃棄桶１７は、コア部４、４ａに余分に充填されて、リコータ１６によって掻き取られたコア材を廃棄(回収)するための容器である。廃棄桶１７は、造形テーブル１５とともに昇降可能に配設されてもよいし、造形テーブル１５とは別々に昇降可能に配設されてもよい。

レーザー光学系１２は、紫外線レーザー１２ａ、及び走査光学系１２ｂを備えている。紫外線レーザー１２ａから紫外線レーザー光１２ｃが出射され、出射された紫外線レーザー光１２ｃは、走査光学系１２ｂの駆動により、紫外線硬化樹脂３Ａの液面上（すなわちｘｙ平面）の所定範囲を走査可能となっている。紫外線硬化樹脂３Ａは、紫外線レーザー光１２ｃの照射により、液面から所定の深さだけ硬化され、シェル層２が形成されていく。この硬化深度は、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度である。もちろん、紫外線レーザー１２ａの出力を調整することによりこの硬化深度を調整することは可能である。したがって、紫外線硬化樹脂３Ａの液面からこの硬化深度程度だけ造形テーブル１５の上面を沈めた深さに位置させて、紫外線レーザー光１２ｃを照射する走査を繰り返すことにより、造形テーブル１５上にシェル層２、２ａ、２ｂが造形されていく。なお、レーザー光学系１２の各部の動作は制御ユニット１８により制御可能となっている。

コア材供給系１３は、コア材５Ａをその内部に貯留するコア材タンク１３ａ中から、ポンプ１３ｂで配管系１３ｃ、１３ｄを順に介して圧送しながら供給し、ノズル１４先端からコア材５Ａを吐出する。ノズル１４は図示しないノズル移動機構により、図中ｘｙｚ各方向に移動かつ固定可能となっている。このため配管系１３ｄはノズル１４の移動に追随するようフレキシブルな構成及び材料となっている。コア材５Ａは、例えば、エポキシ系、アクリル系など公知の熱硬化性樹脂中に強化材が均一に分散されたものでる。なお、コア材供給系１３のポンプ１３ｂやノズル１４などの動作も制御ユニット１８により制御される構成となっている。
なお、コア材５Ａは、例えば、１０００～５０００（ｍＰａ・ｓ）、より好ましくは、１０００～２０００（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有するものである。また、紫外線硬化樹脂３Ａは、例えば、２００～７００（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有するものであり、コア材５Ａの粘度は、紫外線硬化樹脂３Ａの粘度よりも２倍以上であることが好ましい。

制御ユニット１８は、１つ以上の記憶装置を含む記憶部１８ａと、１つ以上のコンピュータ（演算処理装置）を含む制御部１８ｂとを含んで構成されている。
記憶部１８ａには、実施の形態（２）に係る立体造形方法を制御部１８ｂに実行させるためのプログラム、造形する立体造形物の３Ｄデータ（３次元ＣＡＤデータ）、その他、造形条件の設定データなど、付加製造に必要な各種データが記憶されている。
制御部１８ｂは、記憶部１８ａから前記プログラム、前記３Ｄデータ、及び前記設定データなどを読み出し、前記プログラムに基づいて、レーザー光学系１２の各部、コア材供給系１３の各部、造形槽１１に配設された造形テーブル１５、リコータ１６などに適宜制御信号や駆動信号を出力し、これら各部の動作を制御する処理を実行する。

次に実施の形態（２）に係る立体造形装置１０を用いて立体造形物１Ａを造形する手順を説明する。実施の態様（２）においては、立体造形物１Ａの外殻層となるシェル層２の造形を２回に分割して造形する例を説明する。もちろん、立体造形物１Ａの大きさや、コア部の形状によっては、シェル層２の造形を分割せずに１回で造形可能な場合もあるし、逆に２回以上の分割が必要になる場合もある。なお、シェル層造形の分割回数の多寡に依らず、基本的には略同じ手順が繰り返されるだけで造形方法に本質的な違いはない。

図４（ａ）～（ｄ）は、立体造形装置１０を用いて、１回目のシェル層を造形する工程を説明するための図であり、シェル層を造形している途中段階における１層分の造形サイクルを例示している。なお、図４（ａ）～（ｄ）では、立体造形装置１０の造形テーブル１５周辺部のみを拡大して示しており、廃棄桶１７の記載は省略している。

図４（ａ）は、１層分の紫外線硬化樹脂３Ａの硬化を終えた状態であり、シェル層２の上端面と、紫外線硬化樹脂３Ａの液面とが均一（平ら）になっている。この状態から次の１層分の造形サイクルを開始する。なお、造形されたシェル層２の内部、すなわち、コア部４には、未硬化のシェル材、すなわち未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａが残留している。

次に、図４（ｂ）に示すように、造形テーブル１５をＺ方向に所定の高さ（深さ）、例えば、紫外線レーザー光１２ｃの硬化深度（０．１ｍｍ～０．４ｍｍ）未満の深さだけ紫外線硬化樹脂３Ａ中に沈める。すると、造形済みのシェル層２の上端面に紫外線硬化樹脂３Ａが少なくとも部分的に載った状態となる。

このように、造形テーブル１５を降下させてシェル層２を前記硬化深度未満だけ紫外線硬化樹脂３Ａ中に沈めただけでは、シェル層２の上端面に紫外線硬化樹脂３Ａが均一に載りにくいため、次に図４（ｃ）に示すように、リコータ１６の先端を紫外線硬化樹脂３Ａの液面にわずかに（例えば、硬化深度未満だけ）沈めた状態で、ｘ軸方向に水平に移動させる。この工程により、紫外線硬化樹脂３Ａが均一に塗り拡げられ、シェル層２の上端面の上に所定深さ（例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度）の紫外線硬化樹脂３Ａの未硬化層が形成される。

その後、図４（ｄ）に示すように、硬化させる部分の紫外線硬化樹脂３Ａに紫外線レーザー光１２ｃを走査しながら照射して、紫外線硬化樹脂３Ａを硬化させ、１層分の造形サイクルを終える。この場合、シェル層２の上端面の上に新たに硬化した層が積層された状態となる。シェル層２が１回分の所定の高さに造形されるまで、上述したシェル層２の造形サイクルを繰り返す。

そして、1回目のシェル層２の造形を終えると、次にコア部４にコア材５を充填する工程に進む。
図５（ａ）～（ｆ）は、立体造形装置１０を用いて、１回目のシェル層２により形成されたコア部４にコア材５を充填する工程を説明するための図であり、立体造形装置１０の造形テーブル１５周辺部のみを拡大して示している。

まず、図示しないノズル移動機構を動作させ、図５（ａ）に示すように、ノズル１４をコア部４内に挿入し、その先端をコア部４の底近傍に配置する。この状態でポンプ１３ｂを駆動すると、ノズル１４の先端からコア材５がゆっくりと吐出され始め、コア部４にコア材５が充填されていく。

図５（ｂ）に示すように、コア部４の底近傍からコア材５が吐出供給されるにつれて、コア部４に残存する未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａは造形済みのシェル層２辺縁から溢れていき、コア部４内の未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａがコア材５に底部から徐々に置換されていく。その後、図５（ｃ）に示すように、コア部４にコア材５が満たされると、その充填を終える。

コア材５の比重が紫外線硬化樹脂３Ａの比重よりも大きいため、コア材５は未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａ中に自重で沈降する。そのため、コア部４の底部から置換がより容易に実現できる。強化材としてコア材５に混入される材料は炭素繊維、ガラス繊維、シリカ等の無機材料粉（いわゆるコンパウント）など比較的比重の高いもの場合が多い。そのため、コア材５の比重が紫外線硬化樹脂３Ａの比重よりも大きくなる。

次に、図５（ｄ）に示すように、造形テーブル１５をＺ方向に所定の高さ（深さ）、例えば、紫外線レーザー光１２ｃの硬化深度（０．１ｍｍ～０．４ｍｍ）分だけ、紫外線硬化樹脂３Ａ中に沈める。すると、造形済みのシェル層２の上端面に紫外線硬化樹脂３Ａが少なくとも部分的に載った状態になる。また、コア材５の充填量がコア部４の容積よりも多くなった場合、コア材５の上面が、シェル層２の上端面よりも上に盛り上がった状態となる。

紫外線レーザー光１２ｃが照射される最表面は、高低差が０．１ｍｍ未満で均一になっている必要があるため、図５（ｄ）、（ｅ）に示すように、リコータ１６の先端を紫外線硬化樹脂３Ａの液面にわずかに（例えば、硬化深度未満だけ）沈めた状態で、ｘ軸方向に水平に移動させる。
この工程により、紫外線硬化樹脂３Ａが均一に塗り拡げられるとともに、シェル層２の上端面より上に盛り上がっている余分なコア材５ａが掻き取られ、シェル層２の上端面の上に所定深さ（例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度）の紫外線硬化樹脂３Ａの未硬化層が形成される。なお、コア材５は、紫外線硬化樹脂３Ａよりも高粘度であるので、掻き取られたコア材５ａはリコータ１６に付着するようになっている。

そして、リコータ１６で掻き取られたコア材５ａは、図５（ｆ）に示すように、廃棄桶１７に廃棄される。すなわち、廃棄桶１７の上方にリコータ１６を移動させた後、リコータ１６を傾ける等の動作をさせて、リコータ１６に付着しているコア材５ａを廃棄桶１７に廃棄する。その後、リコータ１６は所定の位置に戻される。これらの工程により、１回目のシェル層２で形成されたコア部４にコア材５を充填する工程を終える。

図６（ａ）～（ｄ）、図７（ａ）～（ｃ）は、立体造形装置１０を用いて、１回目のシェル層２により形成されたコア部４にコア材５を充填した後の工程を説明するための図であり、立体造形装置１０の造形テーブル１５周辺部のみを拡大して示している。

１回目のシェル層２により形成されたコア部４にコア材５を充填し終えた後、図６（ａ）に示すように、シェル層２の上端面、及びコア材５の重力方向上面において硬化させる部分の紫外線硬化樹脂３Ａに紫外線レーザー光１２ｃを走査しながら照射して、紫外線硬化樹脂３Ａを硬化させ、張出形状のシェル層２ａを造形する。
この場合、シェル層２の上端面とコア材５の重力方向上面に新たに硬化したシェル層２ａが造形された形態となり、紫外線レーザー光１２ｃが照射されていない部分は、未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａが存在している。なお、この場合、紫外線レーザー光１２ｃを照射して、厚さ０．１ｍｍ分ずつ紫外線硬化樹脂３Ａを硬化させてもよいし、紫外線レーザー光１２ｃを同じ個所に複数回、高エネルギーの照射を行うことで、０．４ｍｍ程度の厚さを一括硬化させるようにしてもよい。

引き続いて、２回目のシェル層２の造形が開始されて、図６（ｂ）に示す、２回目のシェル層２が造形された状態となる。この時、シェル層２内部には底部に１回目の造形で注入済みのコア材５が存在し、その上のコア部４ａに２回目シェル層２の造形時に硬化されていない紫外線硬化樹脂３Ａが残留している。

次に、図示しないノズル移動機構を動作させ、図６（ｃ）に示すように、ノズル１４をコア部４ａ内に挿入し、その先端を１回目のシェル層２の造形後に注入済みのコア材５の底近傍に配置する。この状態でポンプ１３ｂを動作させ、ノズル１４の先端からコア材５をゆっくりと吐出し、充填を開始する。１回目の造形と同様にコア材５がゆっくりと吐出供給されるにつれて、１回目の造形時に充填済みコア材５の上面（充填済みコア材５と未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａの界面）が上昇していき、コア部４ａに残存する未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａはシェル層２辺縁から溢れていき、コア部４ａ内の未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａがコア材５に徐々に置換されていく。

その後、図６（ｄ）に示すように、コア部４ａ内の未硬化の紫外線硬化樹脂３Ａとコア材５との置換が完了し、コア部４ａにコア材５が満たされると、ノズル１４を退避させて、２回目のコア材５の充填を終える。

次に、図７（ａ）に示すように、造形テーブル１５をＺ方向に所定の高さ（深さ）だけ、紫外線硬化樹脂３Ａ中に沈めた後、リコータ１６の先端を紫外線硬化樹脂３Ａの液面にわずかに（例えば、硬化深度未満だけ）沈めた状態で、リコータ１６をｘ軸方向に水平に移動させる。この工程により、図７（ｂ）に示すように、紫外線硬化樹脂３Ａが均一に塗り拡げられるとともに、シェル層２の上端面より上に盛り上がっている余分なコア材５ａが掻き取られて、シェル層２の上端面の上に所定深さ（例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度）の紫外線硬化樹脂３Ａの未硬化層が形成される。なお、リコータ１６で掻き取られたコア材５ａは、廃棄桶１７に廃棄される。これらの工程により、２回目のシェル層２で形成されたコア部４ａにコア材５を充填する工程を終える。

引き続いて、図７（ｃ）に示すように、シェル層２の上端面、及びコア材５の重力方向上面において硬化させる部分の紫外線硬化樹脂３Ａに紫外線レーザー光１２ｃを走査しながら照射して、紫外線硬化樹脂３Ａを硬化させる。この場合、シェル層２の上端面とコア材５の重力方向上面全体に、すなわち、蓋形状のシェル層２ｂが造形された形態となっている。なお、この場合、紫外線レーザー光１２ｃを照射して、厚さ０．１ｍｍ分ずつ紫外線硬化樹脂３Ａを硬化させてもよいし、紫外線レーザー光１２ｃを同じ個所に複数回、高エネルギーの照射を行うことで、０．４ｍｍ程度の厚さを一括硬化させるようにしてもよい。

以上でシェル層２、２ａ、２ｂの造形を終えて、次に造形テーブル１５を駆動させて、立体造形物１Ａを紫外線硬化樹脂３Ａの液面上に出し、立体造形物１Ａを造形テーブル１５から取り外す。そして、取り外した立体造形物１Ａを適当な加熱炉等で加熱し、コア部４、４ａ内のコア材５を硬化させることで、立体造形物１Ａの造形が完了することとなる。

上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、シェル層２、２ａ、２ｂを液槽重合法により造形し、該液槽重合法の少なくとも一部の工程において、コア材５の重力方向上面に紫外線硬化樹脂３Ａが塗布される。そして、塗布された紫外線硬化樹脂３Ａに紫外線レーザー光１２ｃが照射されて、紫外線硬化樹脂３Ａをコア材５の重力方向上面で硬化させることによりシェル層２ａ、２ｂが形成されることとなる。したがって、コア材５の重力方向上面にシェル材の一種である紫外線硬化樹脂３Ａによるシェル層２ａ、２ｂを簡便かつ効率よく造形することができ、また、コア部４、４ａ内に様々な形状をしたシェル層、例えば、張出形状、蓋形状をしたシェル層２ａ、２ｂを精度よく造形することが可能となる。

また、上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、コア材５の重力方向上面に紫外線硬化樹脂３Ａを塗布する前工程で、リコータ１６を用いてコア材５の重力方向上面が平坦化される。したがって、該平坦化されたコア材５の重力方向上面に紫外線硬化樹脂３Ａを平坦に塗り拡げることができ、コア材５の重力方向上面に造形されるシェル層２ａ、２ｂの平坦性も高めることができ、シェル層２ａ、２ｂの造形精度をさらに高めることができる。

また、上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、リコータ１６によって掻き取られた、余分なコア材５ａを廃棄桶１７に廃棄することができ、掻き出されたコア材５ａによる造形槽１１内の汚染を防止できる。また、廃棄桶１７に廃棄されたコア材５ａを再利用することも可能となる。

また、上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、シェル層２ａ、２ｂを造形する際、コア材５は硬化済のシェル層２に囲われた部分にあるため、造形テーブル１５を上昇・下降させることにより、コア材５とシェル層２ａ、２ｂとの界面を、装置内の未硬化の紫外線硬化樹脂（シェル材）３Ａの液面と同一高さにすることもできる。つまり、紫外線レーザー光１２ｃの焦点と同じにすることができるため、例えコア材５の表面が平坦で無く、シェル層２ａ、２ｂの厚みが、紫外線レーザー光１２ｃの照射による紫外線硬化樹脂３Ａの硬化深度よりも厚くても、コア材５とシェル層２ａ、２ｂとの界面を硬化させることができる。

また、上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、コア部４の重力方向上面に塗布した紫外線硬化樹脂３Ａの未硬化部からコア部４ａにコア材５を充填するので、該充填により未硬化部の紫外線硬化樹脂３Ａがコア材５に置換され、コア部４、４ａに未硬化部の紫外線硬化樹脂３Ａが残存することを防止できる。また、紫外線硬化樹脂３Ａとコア材５との置換は液体どうしで行われることとなり、ボイド等と称する微小空間（気泡）の発生を防止できる。

また、コア材５は、紫外線硬化樹脂３Ａよりも高比重であるので、紫外線硬化樹脂３Ａをコア材５の重力方向上面に混ざり合うことなく塗布することができる。
また、上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、立体造形物１Ａを形成後に、コア材５を一括硬化させるので、充填されたコア材５中に造形界面が形成されることもなく、立体造形物１Ａの機械特性を高めることができる。

また、上記立体造形方法を用いて立体造形物１Ａを製造することにより、立体造形物１Ａを製造する場合に、上記効果を奏することとなり、シェル層２で囲まれたコア部４、４ａ内に様々な形状をしたシェル層２ａ、２ｂが造形された立体造形物１Ａを簡便かつ効率よく製造することができる。

また、上記実施の形態（２）に係る立体造形装置１０によれば、上記立体造形方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが記憶された記憶部１８ａと、記憶部１８ａに記憶された前記プログラムを実行する制御部１８ｂとを備えている。そのため、コア材５の重力方向上面に任意の形状のシェル層２ａ、２ｂなどが形成された造形物を簡便かつ効率よく造形することが可能となり、上記立体造形方法により得られる効果を奏する装置が実現できる。

なお、上記実施の形態（２）によれば、走査光学系１２ｂにより紫外線レーザー光１２ｃを走査する方式が採用されているが、別の実施の形態では、断面形状を一括露光する方式が採用されてもよい。

次に、実施の態様（３）に係る立体造形方法について説明する。実施の態様（３）では、材料押出法を用いる立体造形装置を用いて立体造形物を造形する方法について説明する。
図８は、実施の形態（３）に係る立体造形装置の構成例を示す概略図である。

立体造形装置１０Ａは、シェル材３Ｂを吐出する第１造形ヘッド３０、コア材５Ａを吐出する第２造形ヘッド３１、造形テーブル３２、これらを水平方向（ＸＹ方向）や垂直方向（Ｚ方向）に移動させるための駆動機構３３、及びこれら各部の動作を制御する制御ユニット３４を主たる構成要素としている。

第１造形ヘッド３０は、チャンバー３０ａ、ノズル３０ｂ、及び図示しないヒーターなどを備え、チャンバー３０ａ内に、シェル材３Ｂ（例えば、熱可塑性樹脂からなるペレット又はフィラメント）が充填又は供給される構成になっている。そして、前記ヒーターによってチャンバー３０ａ内が加熱され、シェル材３Ｂが溶融し、流動状態となった溶融状態のシェル材３Ｂがノズル３０ｂから押し出されるようになっている。押し出された溶融状態のシェル材３Ｂが造形テーブル３２上に載置、積層されて、立体造形物の３Ｄデータに基づくシェル層２が造形される。

第２造形ヘッド３１は、チャンバー３１ａ、ノズル３１ｂ、及び図示しないヒーターなどを備え、チャンバー３１ａ内に、コア材５Ａ（例えば、熱可塑性樹脂からなるペレット又はフィラメント）が充填又は供給される構成になっている。そして、前記ヒーターによってチャンバー３１ａ内が加熱され、コア材５Ａが溶融し、流動状態となった溶融状態のコア材５Ａがノズル３１ｂから押し出されるようになっている。押し出された溶融状態のコア材５Ａは、先に造形されたシェル層２に囲まれたコア部４内に載置、積層されて、コア部４にコア材５Ａが充填されるようになっている。この場合、溶融状態のコア材５Ａは、溶融状態のシェル材３Ｂよりも比重が高い樹脂で構成することが好ましく、例えば、強化材を含むものであってもよい。このような強化材には、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、又はアラミド繊維などが選択され得る。

駆動機構３３は、第１造形ヘッド３０と造形テーブル３２、及び第２造形ヘッド３１と造形テーブル３２の相対的な位置関係をそれぞれ制御するための駆動機構で構成されている。駆動機構３３は、第１造形ヘッド３０及び第２造形ヘッド３１を水平方向（ＸＹ方向）にそれぞれ動かすとともに、造形テーブル３２を垂直方向（Ｚ方向）又はθ方向に動かす機構でもよいし、第１造形ヘッド３０及び第２造形ヘッド３１をそれぞれ全ての方向（ＸＹＺ方向）に動かす機構でもよい。駆動機構３３は、例えば、ＸＹＺ方向のそれぞれの方向に直線的に動かすリニアガイド機構を含んで構成してもよいし、パラレルリンク機構を含んで構成されてもよい。

制御ユニット３４は、１つ以上の記憶装置を含む記憶部３４ａと、１つ以上のコンピュータを含む制御部３４ｂとを含んで構成されている。
記憶部３４ａには、実施の形態（３）に係る立体造形方法を制御部３４ｂに実行させるためのプログラム、造形する立体造形物の３Ｄデータ、その他、造形条件の設定データなど、付加製造に必要な各種データが記憶されている。
制御部３４ｂは、記憶部３４ａから前記プログラム、前記３Ｄデータ、及び前記設定データなどを読み出し、前記プログラムに基づいて、第１造形ヘッド３０、第２造形ヘッド３１、造形テーブル３２、及び駆動機構３３の各部に制御信号や駆動信号を出力し、これら各部の動作を制御する。

次に実施の形態（３）に係る立体造形装置１０Ａを用いて立体造形物１Ｂを造形する手順を説明する。ここでは、立体造形物１Ｂの外殻層となるシェル層２の造形を１回で造形する例を説明する。もちろん、立体造形物１Ｂの大きさや、コア部４の形状によっては、シェル層２の造形を２回以上に分割して行うこともできる。なお、シェル層造形の分割回数の多寡に依らず、基本的には略同じ手順が繰り返されるだけで造形方法に本質的な違いはない。

図９（ａ）～（ｅ）は、立体造形装置１０Ａを用いて、立体造形物１Ｂを造形する工程を説明するための図である。なお、図９（ａ）～（ｅ）では、立体造形装置１０Ａの造形テーブル３２周辺部のみを拡大して示している。

まず、箱形状をしたシェル層２を造形する工程を実行する。すなわち、図９（ａ）に示すように、立体造形物１Ｂを構成するシェル層２の３Ｄデータなどに基づいて、第１造形ヘッド３０と造形テーブル３２との相対位置関係を駆動機構３３で調整しながら、第１造形ヘッド３０のノズル３０ｂから溶融状態のシェル材３Ｂを造形テーブル３２上に吐出し、積層して、箱形状をしたシェル層２を造形していく。
図９（ｂ）は、第１造形ヘッド３０を用いて、造形テーブル３２上に箱形状をしたシェル層２の造形を終えた状態を示しており、シェル層２の内側空間がコア部４となっている。

次に、シェル層２に囲まれたコア部４にコア材５Ａを充填する工程に進む。
すなわち、図９（ｃ）に示すように、第２造形ヘッド３１と造形テーブル３２との相対位置関係を駆動機構３３で調整しながら、第２造形ヘッド３１のノズル３１ｂをコア部４内に挿入し、その先端をコア部４の底近傍に配置させる。この状態で、コア部４の３Ｄデータに基づいて、ノズル３１ｂ先端からコア材５Ａを吐出し、コア部４にコア材５Ａを充填していく。図９（ｄ）は、第２造形ヘッド３１を用いて、造形テーブル３２上に造形されたシェル層２のコア部４にコア材５Ａの充填を終えた状態を示している。シェル層２の上端面と、コア材５Ａの重力方向上面とが均一（平ら）になるように、コア材５Ａがコア部４に充填される。

次に、蓋形状のシェル層２ａを造形する工程を実行する。図９（ｅ）は、シェル層２の上端面とコア材５Ａの重力方向上面に、蓋形状をしたシェル層２ａを造形した状態を示している。
蓋形状のシェル層２ａを造形する工程では、立体造形物１Ｂを構成するシェル層２ａの３Ｄデータなどに基づいて、第１造形ヘッド３０と造形テーブル３２との相対位置関係を駆動機構３３で調整しながら、第１造形ヘッド３０のノズル３０ｂから溶融状態のシェル材３Ｂである熱可塑性樹脂を吐出する。そして、シェル層２ａの上端面とコア材５Ａの重力方向上面の全面にシェル材３Ｂ（熱可塑性樹脂）を積層し、蓋形状のシェル層２ａを造形していく。なお、第１造形ヘッド３０から吐出されるシェル材３Ｂは、第２造形ヘッド３１から吐出されるコア材５Ａよりも比重が低いもので構成されている。そのため、コア材５Ａの上面にシェル材３Ｂを吐出して積層した場合であっても、積層されたシェル材３Ｂがコア材５Ａの中に沈み込まないようになっている。そして、シェル層２ａの上端面とコア材５Ａの重力方向上面に、蓋形状のシェル層２ａを造形し、全体を硬化させることで、立体造形物１Ｂの造形が完了することとなる。

上記実施の形態（３）に係る立体造形方法によれば、シェル層２、２ａの造形とコア材５Ａの充填とを材料押出法を用いて行い、コア材５Ａの重力方向上面にシェル材３Ｂを載置、積層し、シェル材３Ｂをコア材５Ａの重力方向上面で硬化させることにより、シェル層２ａが形成されることとなる。したがって、材料押出法を用いた場合であってもコア材５Ａの重力方向上面にシェル材３Ｂによる任意の形状のシェル層２ａを簡便かつ効率よく造形することができ、また、シェル層造形の分割回数を増やすことにより、コア部内に様々な形状のシェル層を精度よく造形することも可能である。

また、上記実施の形態（３）に係る立体造形装置１０Ａによれば、上記立体造形方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが記憶された記憶部３４ａと、記憶部３４ａに記憶された前記プログラムを実行する制御部３４ｂとを備えている。そのため、コア材５Ａの重力方向上面に任意の形状のシェル層２ａなどが形成された造形物を簡便かつ効率よく造形することが可能となり、上記立体造形方法により得られる効果を奏する装置が実現できる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
本発明は、３Ｄプリンタなどの付加製造技術の分野において広く適用可能であり、係る分野に本発明を適用することにより、例えば、自動車、航空機、ロボットなどの各種産業機器に用いられる部品、介護用品、スポーツ用品など、特に、軽量且つ高強度が要求される部品、製品の試作のみならず、量産化を実現することが可能となる。

１、１Ａ、１Ｂ 立体造形物
２ シェル層
２ａ 張出形状のシェル層
２ｂ 蓋形状のシェル層
３Ａ 紫外線硬化樹脂（シェル材）
３Ｂ 熱可塑性樹脂（シェル材）
４、４ａ、４ｂ コア部
５、５Ａ、５Ｂ コア材
１０、１０Ａ 立体造形装置
１１ 造形槽
１２ レーザー光学系
１２ａ 紫外線レーザー
１２ｂ 走査光学系
１２ｃ 紫外線レーザー光
１３ コア材供給系
１３ａ コア材タンク
１３ｂ ポンプ
１３ｃ、１３ｄ 配管系
１４ ノズル
１５ 造形テーブル
１６ リコータ
１７ 廃棄桶
１８ 制御ユニット
１８ａ 記憶部
１８ｂ 制御部
３０ 第１造形ヘッド
３０ａ チャンバー
３０ｂ ノズル
３１ 第２造形ヘッド
３１ａ チャンバー
３１ｂ ノズル
３２ 造形テーブル
３３ 駆動機構
３４ 制御ユニット
３４ａ 記憶部
３４ｂ 制御部

４０ 導入光学系
４１ 紫外線源
４２ 紫外線
４３ コリメートレンズ
４４ 集光レンズ
４５ 反射鏡
４６ 槽
４７ 造形台
４８ 紫外線硬化樹脂
４８ａ 第１層目の硬化領域
４８ｂ 第２層目の硬化領域
５０ チャンバー
５１ ペレット
５２ 溶融材
５３ 加圧部材
５４ ノズル
５５ 造形テーブル
５６ 支軸
５７ 第１層
６０ 槽
６１ 造形材料粉
６２ 材料床
６３ 赤外線レーザー
６４、６５ ガルバノ光学系
６６ レーザー光
６７ １層目の造形層
６８ スキージ
６９ テーブル
７１ レーザー光
７２ 二重管ノズル
７３ 内側ノズル
７４ 集光レンズ
７５ ベース
７６ 外側ノズル
７７ 溶融池
７８ 造形材料粉末
８０ 立体造形物
８１ シェル層
８２ コア部
８３ コア材

Claims (12)

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、次に造形済の前記シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材を充填することにより該コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、
   前記シェル層は付加製造技術によって造形され、
   前記コア材が造形済の前記シェル層に囲われた前記コア部に充填され、
   少なくとも一部において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル層が形成されることを特徴とする立体造形方法。
2. 前記シェル層は積層造形方向に複数回に分割して造形され、
   前記シェル層の第１造形と前記シェル層の第２造形との間に前記コア材を充填することを特徴とする請求項１記載の立体造形方法。
3. 前記シェル層が液槽重合法により造形されるものであって、
   少なくとも一部の工程において、前記コア材の重力方向上面に前記シェル材が塗布され、活性エネルギー線の照射により前記シェル材が前記コア材の重力方向上面で硬化されることにより前記シェル層が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の立体造形方法。
4. 前記コア材の重力方向上面に前記シェル材を塗布する前工程で、装置水平面を移動させるブレードによって、前記コア材の重力方向上面を平坦化し、その後前記シェル材を塗布する際に前記コア材の重力方向上面に平坦に前記シェル材が塗布されることを特徴とする請求項３記載の立体造形方法。
5. 前記ブレードによって掻き出した前記コア材を、造形エリア近傍に設けられた廃棄物入れに廃棄することを特徴とする請求項４記載の立体造形方法。
6. 前記コア材の重力方向上面に形成する前記シェル層の厚みが、前記活性エネルギー線の照射による前記シェル材の硬化深度よりも厚いことを特徴とする請求項３～５のいずれかの項に記載の立体造形方法。
7. 前記コア部の重力方向上面に塗布した前記シェル材は、前記活性エネルギー線の照射の際に部分的に未硬化部を設け、その後の工程で該未硬化部から前記コア部に前記コア材を充填することを特徴とする請求項３～６のいずれかの項に記載の立体造形方法。
8. 前記コア材は、前記シェル材よりも高比重であることを特徴とする請求項１～７のいずれかの項に記載の立体造形方法。
9. 前記立体造形物を形成後に、前記コア材を一括硬化させることを特徴とする請求項１～８のいずれかの項に記載の立体造形方法。
10. 請求項１～９のいずれかの項に記載の立体造形方法を用いて立体造形物を製造することを特徴とする立体造形物の製造方法。
11. 請求項１～９のいずれかの項に記載の立体造形方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
12. 請求項１１記載のプログラムが記憶された記憶部と、
    該記憶部に記憶された前記プログラムを実行する制御部とを備えていることを特徴とする立体造形装置。

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