JP6264006B2 - 造形方法および造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、造形方法および造形装置に関する。

３次元形状の立体モデル（造形物）を造形する方法の一つに積層造形法がある。積層造形法としては、例えば、光硬化性樹脂を積層させながらレーザーで選択的に硬化させて造形物の断面各層を形成する光造形法、粉末材料を積層させながらレーザーで選択的に溶着し固化させて各層を形成する粉末焼結法、熱可塑性材料を加熱しノズルから押し出して堆積させることにより各層を形成する溶融物堆積法、紙などのシート材をモデルの断面形状にカットして積層し接着することにより形成するシート積層法、などが提案されている。
特許文献１には、粉末の造形材料を積層させながらインクジェット法により液状結合剤を付与（吐出）し、造形材料を特定の箇所で結合させることにより断面各層を形成して造形物を造形する方法が開示されている。

特表２００４−５３８１９１号公報

しかしながら、特許文献１のように、造形材料に粉末材料を用いた場合、粉末材料の層に対して液状結合剤が吐出されると、その勢いによって周囲の粉末材料の一部が飛散してしまう（舞い散る）場合がある。飛散した粉末材料は、造形物が形成される空間に拡散し、液状結合剤を吐出する液滴吐出装置の液滴吐出ヘッドなどに付着する。液滴吐出ヘッドに粉末材料が付着し堆積すると、液状結合剤を吐出するノズルが塞がれ、ついには、液滴の適正な吐出が妨げられてしまう虞がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

［適用例１］ 本適用例に係る造形材料は、造形材料を用いて形成された層の所望の領域に液滴を付与する工程を含む造形方法に用いる造形材料であって、粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含むことを特徴とする。

本適用例によれば、粒体で構成される造形材料が粒体同士を結着する熱可塑性バインダーを含んでいる。そのため、例えば、粒体が、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、粒体同士を結着する熱可塑性バインダーによって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。

［適用例２］ 上記適用例に係る造形材料において、前記熱可塑性バインダーの融点が３０℃以上９０℃以下であることを特徴とする。

本適用例によれば、粒体同士を結着する熱可塑性バインダーの融点が３０℃以上９０℃以下である。そのため、例えば、３０℃未満の室温（常温）においては、熱可塑性バインダーが固体の状態で粒体を結着する。つまり、粒体は、結着され飛散しにくい状態で保持される。また、造形材料を熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱した場合には、熱可塑性バインダーが融解した状態で粒体を結着する。つまり、熱可塑性バインダーの融点以上の温度においては、粒体の飛散が抑制された状態で造形材料を容易に展延することができる。例えば、水平な平板上でスクイージなどを用いることで、造形材料を容易に略均一な厚みの層に展延させることができる。次に、展延した造形材料の層は、再び３０℃未満の温度になることで、固体としての略均一な厚みの層になる。このように、造形材料を融点以上に加熱し、展延させながら積層し固化することで、造形物を造形するための積層構造を得ることができる。

［適用例３］ 上記適用例に係る造形材料において、前記熱可塑性バインダーが水系溶媒に可溶であることが好ましい。

本適用例のように、造形材料に含まれる熱可塑性バインダーが水系溶媒に可溶であることで、例えば、液状結合剤などが付与されることなく硬化せずに残った造形材料は、水系溶媒に溶解させることができる。つまり、造形材料による積層構造から、結合（硬化）した部分で造形された造形物を取り出す（現出させる）場合に、大量の有機溶剤を使用せず、水系溶媒を用いて水洗する簡便な方法を用いることができる。

［適用例４］ 上記適用例に係る造形材料において、前記熱可塑性バインダーが、ポリエチレングリコール、ポリエーテル変性シリコーン、水溶性ナイロン、ポリカプロラクトンジオール、パラフィンワックス、脂肪酸、脂肪酸アミドの少なくともいずれかを含んでいることが好ましい。

本適用例によれば、粒体同士を結着する熱可塑性バインダーが、ポリエチレングリコール、ポリエーテル変性シリコーン、水溶性ナイロン、ポリカプロラクトンジオール、パラフィンワックス、脂肪酸、脂肪酸アミドの少なくともいずれかを含んでいる。これらは、水溶性であり、例えば、常温（１５〜２５℃）では固体（例えばワックス状）であり、所望の高温では液体になるものが利用できる。そのため、常温においては、熱可塑性バインダーが固体の状態で粒体を結着し、融点以上の温度に加熱した場合には、熱可塑性バインダーが融解した状態で粒体を結着する。また、熱可塑性バインダーの融点以上の温度においては、粒体の飛散が抑制された状態で造形材料を容易に展延することができる。つまり、上述したように、粒体の飛散が抑制され層形成が容易な造形材料を提供することができ、この造形材料を利用することで、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

［適用例５］ 上記適用例に係る造形材料において、前記粒体が、アクリル樹脂粒体、シリコーン樹脂粒体、アクリルシリコーン樹脂粒体、ポリエチレン樹脂粒体、ポリスチレン樹脂粒体、ナイロン樹脂粒体、ポリアクリロニトリル樹脂粒体、二酸化ケイ素粒体、酸化アルミニウム粒体から選ばれた１種類または２種類以上の粒体を含んでいることが好ましい。

本適用例のように、造形材料を構成する粒体が、アクリル樹脂粒体、シリコーン樹脂粒体、アクリルシリコーン樹脂粒体、ポリエチレン樹脂粒体、ポリスチレン樹脂粒体、ナイロン樹脂粒体、ポリアクリロニトリル樹脂粒体、二酸化ケイ素粒体、酸化アルミニウム粒体から選ばれた１種類または２種類以上の粒体を含むことで、例えば、インクジェット法などにより液状結合剤を吐出し、造形材料を特定の箇所で結合させることにより造形物を造形する方法において、良好な造形材料を構成することができる。

［適用例６］ 上記適用例に係る造形材料において、前記粒体の平均球相当径が０．１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。

本適用例のように、造形材料を構成する粒体の平均球相当径が０．１μｍ以上３０μｍ以下であることで、例えば、層を積層して造形する造形方法における各層の厚みを数μｍから１００μｍ程度とすることができる。その結果、より細密な造形物を造形することができる。

［適用例７］ 本適用例に係る造形方法は、粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する工程と、前記流動性造形材料を展延して造形層を形成する工程と、前記造形層の所望の領域に液滴を付与する工程と、前記造形層の所望の領域に付与された前記液滴を硬化させる工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例による造形方法は、粒体と粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し流動性造形材料を形成する工程を含んでいる。粒体で構成される造形材料が粒体同士を結着する熱可塑性バインダーを含んでいるため、例えば、粒体が、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、熱可塑性バインダーによって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。

また、本適用例による造形方法は、熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱された流動性造形材料を展延して造形層を形成する工程を含んでいる。熱可塑性バインダーの融点以上の温度においては、融解した熱可塑性バインダーと共に、粒体の飛散が抑制された状態で造形材料を容易に展延することができる。例えば、水平な平板上でスクイージなどを用いることで、造形材料を容易に略均一な厚みの層に展延させることができる。次に、展延した造形材料の層は、再び３０℃未満の温度になることで、固体としての略均一な厚みの層になる。

また、本適用例による造形方法は、造形層の所望の領域に液滴を付与する工程と、造形層の所望の領域に付与された液滴を硬化させる工程とを含んでいる。造形層の所望の領域が硬化することで、所望とする造形物の断面形状が形成される。

［適用例８］ 上記適用例に係る造形方法において、前記液滴が光硬化性インクであることを特徴とする。

本適用例によれば、液滴が光硬化性インクであるため、造形層の所望の領域に付与された液滴に光を照射することで容易に造形層の所望の領域を硬化させることができる。

［適用例９］ 上記適用例に係る造形方法において、前記液滴が熱硬化性インクであることを特徴とする。

本適用例によれば、液滴が熱硬化性インクであるため、造形層の所望の領域に付与された液滴を加熱することで容易に造形層の所望の領域を硬化させることができる。従って、例えば、造形材料が遮光性の高い材料で構成され、また造形層が厚く構成された場合に、光硬化性インクでは造形層の硬化が充分に行えない場合などにおいては、熱硬化性インクを使用し熱硬化性インクを硬化させる加熱手段を備えることで、充分な硬化強度を備えた造形物を造形することができる。

［適用例１０］ 上記適用例に係る造形方法によって造形された造形物。

上記適用例に係る造形方法によって造形された造形物は、所望とする形状に安定して造形される。つまり、本適用例によれば、より安定した生産とより安定した品質のもとに供給される造形物が提供される。

［適用例１１］ 本適用例に係る造形装置は、粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する加熱部と、前記流動性造形材料を展延して造形層を形成する展延部と、前記造形層の所望の領域に液滴を付与する描画部と、前記造形層の所望の領域に付与された前記液滴を硬化させる硬化部と、を備えることを特徴とする。

本適用例による造形装置は、粒体と粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する加熱部を備えている。粒体で構成される造形材料が粒体同士を結着する熱可塑性バインダーを含んでいるため、例えば、粒体が、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、熱可塑性バインダーによって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。

また、本適用例による造形装置は、熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱された流動性造形材料を展延した後に、熱可塑性バインダーの融点未満の温度に冷却して造形層を形成する展延部、および造形層が積層される造形部を備えている。熱可塑性バインダーの融点以上の温度においては、融解した熱可塑性バインダーと共に、粒体の飛散が抑制された状態で造形材料を容易に展延することができる。展延部では、例えば、水平な平板上でスクイージなどを用いることで、造形材料を容易に略均一な厚みの層に展延させることができる。このように、造形材料を展延させながら積層し固化する、あるいは展延し固化した層を積層することで、造形物を造形するための良好な積層構造を得ることができる。

また、本適用例による造形装置は、積層された造形層の所望の領域に液滴を付与する描画部と、造形層の所望の領域に付与された液滴を硬化させる硬化部を備えている。積層された造形層の所望の領域が硬化することで、所望とする造形物が形成される。描画部においては、積層された造形層に対して、例えば、インクジェット法などにより液滴を吐出した場合であっても、粒体は容易に飛散することなく熱可塑性バインダーに結着されている。その結果、飛散、拡散した粒体によって液滴を吐出するノズルが塞がれることが抑制されるため、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

［適用例１２］ 上記適用例に係る造形装置において、前記硬化部が光照射手段を有することを特徴とする。

本適用例によれば、液滴に光（例えば紫外線）硬化性インクを使用することができる。造形層の所望の領域に付与された液滴に光（例えば紫外線）を照射することで容易に造形層の所望の領域を硬化させることができる。

［適用例１３］ 上記適用例に係る造形装置において、前記硬化部が加熱手段を有することを特徴とする。

本適用例によれば、液滴に熱硬化性インクを使用することができる。造形層の所望の領域に付与された液滴を加熱することで容易に造形層の所望の領域を硬化させることができる。

実施形態に係る造形材料の常温における状態を示す概念図 実施形態に係る造形装置を説明する模式図 造形層の所望の領域に液滴を付与した様子を示す概念図

以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。

実施形態として、３次元形状の立体モデル（造形物）を造形する一つの手法としての積層造形における「造形材料」、「造形装置」、およびそれらを用いた「造形方法」を説明する。積層造形の方法としては、造形物の断面形状を形成すべく造形材料で構成された薄い層に選択的に液滴を付与し、液滴を付与した部分を硬化させながら次々と積層することにより造形物を形成する方法を用いている。
以下、それぞれについて具体的に説明する。

＜造形材料＞
図１は、実施形態に係る造形材料１の常温（１５〜２５℃）における状態を示す概念図である。
造形材料１は、積層造形法により３次元形状の立体モデル（造形物）を造形する際に使用する材料（主材）であり、造形材料１によって造形物の基本となる各層、つまり造形物の各断面形状を形成するための層（以下造形層という）を形成する。
造形材料１は、「粒体」から成る粉末材料２および「熱可塑性バインダー」としてのバインダー材料３などによって構成される。

［粉末材料］
粉末材料２は、造形材料１を用いて形成される造形物の主要な構成材料である。粉末材料２には、アクリル樹脂粉末、シリコーン樹脂粉末、アクリルシリコーン樹脂粉末、ポリエチレン樹脂粉末、ポリスチレン樹脂粉末、ナイロン樹脂粉末、ポリアクリロニトリル樹脂粉末、二酸化ケイ素粉末、酸化アルミニウム粉末から選ばれた１種類または２種類以上の粉末を用いることができる。

粉末材料２は、粒体２ａから構成される。粒体２ａは、平均粒子径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の略球形であることが好ましく、１μｍ以上１５μｍ以下であることが更に好ましい。また、真球形状に近いほどより好ましい。これにより、造形物の形状に係る制御性、特に造形物の外形を規定する辺や角部における形状の制御性が向上する。
また、粒体２ａの粒径は、造形材料１によって形成される造形層の平均厚さ以下であることが好ましく、造形層の平均厚さの２分の１以下であることがより好ましい。これにより、造形層における粒体２ａの体積充填率を向上させ、ひいては、造形物の機械的強度を向上させることができる。

また、粉末材料２には、上記粒径の範囲内で、互いに異なる粒径の粒体２ａが含まれていることが好ましい。なお、粒体２ａの粒径の分布としては、ガウス分布（正規分布）に近い分散であってもよいし、最大径側あるいは最小径側に粒径分布の最大値を有するような分散（片分散）であってもよい。
粒体２ａの粒径が単一の値である場合、造形物を形成したときの粒体２ａによる体積充填率は、最密充填時の理論値である６９．８％を超えることはなく、実際には５０〜６０％程度の充填率となる。これに対し、粉末材料２に互いに異なる粒径の粒体２ａが含まれる（粒径が範囲を持って分布する）ようにすれば、例えば相対的に大きな粒径を有した粒体２ａ同士によって形成された空隙に、相対的に粒径の小さい粒体２ａが配置されることによって体積充填率が向上される。これにより、造形物の機械的強度を向上させることができる。

粉末材料２に用いる粒体２ａの材料の例を以下に示す。
シリコーン樹脂粒体として、例えば、トスパール（登録商標）１１１０（粒径１１μｍ）、トスパール１２０（粒径２μｍ）、トスパール１３０（粒径３μｍ）、トスパール１４５（粒径４．５μｍ）、トスパール２０００Ｂ（粒径６μｍ）、トスパール３１２０（粒径１２μｍ）（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製）（トスパール：登録商標）等が挙げられる。

アクリルシリコーン樹脂粒体として、例えば、シャリーヌ（登録商標）Ｒ−１７０Ｓ（粒径３０μｍ）（日信化学工業（株）製）（シャリーヌ：登録商標）が挙げられる。
アクリル樹脂粒体としては、例えば、エポスター（登録商標）Ｌ１５（粒径１０〜１５μｍ）、エポスターＭ０５（粒径４〜６μｍ）、エポスターＧＰＨ４０〜Ｈ１１０（粒径４〜１１μｍ）（（株）日本触媒製）（エポスター：登録商標）、テクポリマー（登録商標）ＭＢ−８Ｃ（粒径８μｍ）、テクポリマーＭＢＸ−８（粒径８μｍ）、テクポリマーＭＢＰ−８（粒径８μｍ）（積水化成品工業（株）製）（テクポリマー：登録商標）が挙げられる。

ポリエチレン樹脂粒体として、例えば、フロービーズ（登録商標）ＬＥ−１０８０（粒径６μｍ）、フロービーズＬＥ−２０８０（粒径１１μｍ）、フロービーズＨＥ−３０４０（粒径１１μｍ）、フロービーズＣＬ−２０８０（粒径１１μｍ）（住友精化（株）製）（フロービーズ：登録商標）が挙げられる。

ポリスチレン樹脂粒体として、例えば、テクポリマー（登録商標）ＳＢＸ−１２（粒径１２μｍ）（積水化成品工業（株）製）が挙げられる。

ナイロン樹脂粒体として、例えば、ＳＰ−５（粒径５μｍ）、ＳＰ−１０（粒径１０μｍ）、ＴＲ−１（粒径１３μｍ）、ＴＲ−２（粒径２０μｍ）（東レ（株）製）が挙げられる。

ポリアクリロニトリル樹脂粒体として、例えば、Ａ−２０（粒径２４μｍ）、ＡＳＦシリーズ（粒径７μｍ）（東洋紡（株）製）が挙げられる。

二酸化ケイ素粒体として、例えば、ＳＯ−Ｅ１（粒径０．２５μｍ）、ＳＯ−Ｅ２（粒径０．５μｍ）（（株）アドマテックス製）、サンスフェア（登録商標）Ｈ−３１（粒径３μｍ）、サンスフェアＨ−５１（粒径５μｍ）、サンスフェアＨ−１２１（粒径１２μｍ）、サンスフェアＨ−２０１（粒径２０μｍ）、サンスフェアＬ−３１（粒径３μｍ）、サンスフェアＬ−５１（粒径５μｍ）、サンスフェアＮＰ−３０（粒径４μｍ）、サンスフェアＮＰ−１００（粒径１０μｍ）、サンスフェアＮＰ−２００（粒径２００μｍ）（ＡＧＣエスアイテック（株）製）（サンスフェア：登録商標）が挙げられる。

酸化アルミニウム粒体として、例えば、ＡＯ−５０２（粒径０．７μｍ）、ＡＯ−８０９（粒径１０μｍ）、ＡＯ−８２０（粒径２０μｍ）（（株）アドマテックス製）が挙げられる。

［バインダー材料］
バインダー材料３は、造形材料１において粉末材料２とバインダー材料３とを混ぜ、略均一に分散させたときに粒体２ａ同士を結着する機能を持つ所謂バインダーである。図１に示すように、粉末材料２とバインダー材料３とが略均一に分散するように混ぜ合わせたとき、バインダー材料３は、例えば、フレーク状のバインダーフレーク３ａとして粒体２ａを結着している。

バインダー材料３には、３０℃以上９０℃以下の融点を有する熱可塑性の高分子化合物が用いられる。バインダー材料３としては、例えば、好適例として、水溶性のポリエチレングリコールを用いることができる。具体的には、例えば、平均分子量が１０００〜８０００のポリエチレングリコールとして、ＰＥＧ１０００（融点：３７〜４０℃）、ＰＥＧ１５００（融点：３８〜４１℃）、ＰＥＧ２０００（融点：５０〜５３℃）、ＰＥＧ４０００（融点：５３〜５８℃）などが挙げられる。それぞれ、常温では、ろう状、ワセリン状、フレーク状などの固体で、融点を超えると融解し液体となる。
バインダー材料３は、ポリエチレングリコールに限定するものではなく、常温で固体の熱可塑性バインダーであれば良く、例えば、ポリエーテル変性シリコーン（信越化学工業（株）製 ＫＦ‐６００４；融点：４５℃）、水溶性ナイロン（東レ（株）製 Ｐ−７０；融点：８５℃）、ポリカプロラクトンジオール（（株）ダイセル製 ＰＣＬ−２１０；融点：４６〜４８℃、ＰＣＬ−２３０；融点：５５〜５８℃）、パラフィンワックス（例えば、テトラコサンＣ２４Ｈ５０；融点４９〜５２℃、ヘキサトリアコンタンＣ３６Ｈ７４；融点７３℃、日本精蝋社製 ＨＮＰ−１０；融点７５℃、日本精蝋社製 ＨＮＰ−３；融点６６℃など）、マイクロクリスタリンワックス（例えば、日本精蝋社製 Ｈｉ−Ｍｉｃ−１０８０；融点８３℃、日本精蝋社製 Ｈｉ−Ｍｉｃ−１０４５；融点７０℃、日本精蝋社製 Ｈｉ−Ｍｉｃ２０４５；融点６４℃、日本精蝋社製 Ｈｉ−Ｍｉｃ３０９０；融点８９℃、日本石油精製社製 １５５マイクロワックス；融点７０℃など）、脂肪酸（例えば、ベヘン酸；融点８１℃、ステアリン酸；融点７２℃、パルミチン酸；融点６４℃、ミリスチン酸；融点５３.８℃、ラウリン酸；融点４３．２°、など）、脂肪酸エステル（例えば、アラキン酸メチルエステル；融点４８℃、ポリグリセリン脂肪酸エステル；融点６０〜８０℃、など）、脂肪酸アミド（例えば、オレイン酸アミド；融点７６℃）などであっても良い。
なかでも、ポリエチレングリコール、ポリエーテル変性シリコーン、水溶性ナイロン、ポリカプロラクトンジオール、パラフィンワックス（テトラコサン、ヘキサトリアコンタン）、脂肪酸（ベヘン酸、ステアリン酸）、脂肪酸アミド（オレイン酸アミド）は、水またはアルコールに可溶性を有している為、造形物を取り出す（現出させる）場合に、大量の有機溶剤を使用せず、水やアルコール等の水系溶媒を用いて水洗する簡便な方法を用いることができるので特に望ましい。
［配合比］
造形物において粉末材料２を構成する粒体の充填率が高くなるほど、機械的な強度が高められる。それゆえに、造形物の機械的な強度を高める上では、粒体が密に充填されるべく、密に充填された粒体の隙間よりもバインダー材料３の占める体積が小さくなるような配合比が好ましい。したがって、（Ａ）粉末材料２：（Ｂ）バインダー材料３の体積比として７：３〜９：１の範囲が好ましい。
［実施例］
（Ａ）粉末材料２としてテクポリマーＭＢ−８Ｃを、（Ｂ）バインダー材料３としてポリカプロラクトンジオールを、体積比（Ａ）：（Ｂ）＝７．５：２．５で混練することにより、本実施形態に係る造形材料１を作成した。

＜造形装置＞
図２は、本実施形態に係る造形装置１００を説明する模式図である。
図２において、Ｚ軸方向が上下方向、Ｚ方向が上方向（つまり−Ｚ方向が鉛直方向）、Ｙ軸方向が前後方向、＋Ｙ方向が手前方向、Ｘ軸方向が左右方向、＋Ｘ方向が左方向、Ｘ−Ｙ平面が、造形装置１００が設置される平面と平行な面としている。

造形装置１００は、造形材料１を用いて積層造形法により３次元形状の立体モデル（造形物）を造形する装置である。
造形装置１００は、材料供給部１０、加熱部２０、展延部３０、造形部４０、描画部５０、硬化部６０、およびそれぞれを制御する制御部（図示省略）などを備えている。

材料供給部１０は、収容された造形材料１を加熱部２０に供給する部分であり、例えば、図２に示すようなホッパー１１を備えている。ホッパー１１は加熱部２０の上方に位置する材料吐出口１２から内部に収容された造形材料１を加熱部２０に供給する。
なお、材料供給部１０は、この構成に限定するものではなく、例えば、造形材料１を収容したカートリッジを装填し加熱する装填部を備え、装填されたカートリッジをバインダー材料３の融点以上に加熱することで造形材料１に流動性を持たせて加熱部２０に供給する構成（図示省略）であっても良い。

加熱部２０は、造形材料１をバインダー材料３の融点以上の温度に加熱し維持するホットプレート２１を備えている。材料供給部１０から供給された造形材料１は、ホットプレート２１上でバインダー材料３が融解することで、流動性の有る流動性造形材料４となる。バインダー材料３を複数含む場合、一番低い融点以上に加熱しても良い。望ましくは造形材料１に含まれる複数種のバインダー材料３の中で、含有量が一番高いバインダー材料３の融点以上に加熱することが望ましい。

展延部３０は、スクイージ３１を備えている。
スクイージ３１は、Ｘ軸方向に移動可能に設けられたＹ軸方向に延在する細長い板状体であり、Ｘ―Ｙ平面上で流動性造形材料４を−Ｘ方向にすり押すように移動させることで、流動性造形材料４を薄く展延させることができる。
展延部３０は、造形部４０が備えるステージ４１上に流動性造形材料４を展延し、造形層５を形成する。

造形部４０は、ステージ４１と、ステージ４１をＺ軸方向に昇降させるステージ昇降機構４２などを備えている。ステージ４１は、ホットプレート２１と同一の面内（同一の高さ）に位置する初期位置において、スクイージ３１によって、流動性造形材料４が展延されるＸ―Ｙ平面を構成する。

ステージ４１は、常温（例えば室温）に維持され、ステージ４１上に展延された流動性造形材料４は、融点未満となると流動性を失い、先に形成された造形層５上に新たに造形層５として積層される。展延された流動性造形材料４は、融点未満になるまで放置しても良いし、冷却しても良い。冷却方法としては、造形層５にファンから常温や、冷却した風を送風する、造形層５に冷却プレートを接触させるなどが可能である。ステージ４１は、加熱機構（例えばヒーター）や冷却機構を備えていても良い。

ステージ昇降機構４２は、ステージ４１上に展延され形成された造形層５の層厚みに応じてステージ４１を降下させる。ステージ４１が降下することで、造形層５の表面がホットプレート２１と同一の面内（同一の高さ）に位置するようになり、再び、スクイージ３１によって流動性造形材料４が展延され造形層５として積層されるＸ―Ｙ平面が構成される。

描画部５０は、吐出ヘッド５１、カートリッジ装填部５２、キャリッジ５３、キャリッジ移動機構５４（構成図省略）などを備えている。
吐出ヘッド５１は、インクジェット法により「液滴」としての紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）をステージ４１上の造形層５に吐出するノズル（図示省略）を備えている。
カートリッジ装填部５２は、ＵＶインク８を収容したインクカートリッジを装填し、ＵＶインク８を吐出ヘッド５１に供給する。
キャリッジ５３は、吐出ヘッド５１、カートリッジ装填部５２（つまりはインクカートリッジ）を搭載し、キャリッジ移動機構５４によって、ステージ４１の上面を移動する。
キャリッジ移動機構５４は、Ｘ−Ｙ軸直動搬送機構を有し、キャリッジ５３をＸ−Ｙ平面で移動（走査）させる。

描画部５０は、制御部（図示省略）による制御によって、ステージ４１上に展延された造形層５に、ＵＶインク８による所望の画像（造形物の断面形状を反映した画像）を形成する。具体的には、制御部は、予め入力された造形物を構成する各断面層の画像情報を有し、この画像情報に応じて、吐出ヘッド５１を移動する位置、ＵＶインク８を吐出するタイミングを制御し、対応する各造形層５にＵＶインク８を付与する。

硬化部６０は、造形層５に付与されたＵＶインク８を硬化させる「光照射手段」としての紫外線照射機６１を備えている。

＜造形方法＞
次に、上述した造形材料１および造形装置１００を使用した造形方法について説明する。
本実施形態に係る造形方法は、以下の工程を含んでいる。
（１）粒体２ａと粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３とを含む造形材料１を、バインダー材料３の融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料４を形成する工程
（２）流動性造形材料４を展延し、バインダー材料３の融点未満の温度に冷却して造形層５を形成する工程
（３）造形層５を積層する工程
（４）積層された造形層５の所望の領域にＵＶインク８を付与する工程
（５）造形層５の所望の領域に付与されたＵＶインク８を硬化させる工程
以下、図２を参照して順に説明する。
造形装置１００に造形材料１を供給した後の工程から造形物を現出させる前までの工程は、造形装置１００が備える制御部の制御によって行われる。

まず、粒体２ａおよびバインダー材料３を含む造形材料１を準備し、材料供給部１０（ホッパー１１）に充填する。それぞれの比率は、粒体２ａの粒径、粒経の分布、粒体２ａによる体積充填率、展延して形成する造形層５の層厚みなど、造形物の造形仕様に応じ、適宜設定することが望ましい。また、それぞれの分散が均一になることが好ましい。

次に、材料供給部１０から加熱部２０（ホットプレート２１）に造形材料１を供給する。加熱部２０に供給される造形材料１の量は、造形層５の１層分の量に見合う量に制御されている。
加熱部２０は、ホットプレート２１により造形材料１をバインダー材料３の融点以上の温度に加熱し、バインダー材料３を融解することで、流動性造形材料４を形成する。

次に、展延部３０により流動性造形材料４をステージ４１上に展延する。具体的には、流動性を帯びた造形材料１（流動性造形材料４）の＋Ｘ側に当接させたスクイージ３１を−Ｘ方向に移動させることによってステージ４１の表面に押し伸ばす。

ステージ４１は、常温（例えば室温）に維持されており、ステージ４１上に展延された流動性造形材料４が常温に冷却される。流動性造形材料４は、常温に冷却されることで、バインダー材料３が凝固し、造形層５が形成される。
造形層５の層厚みは、スクイージ３１による展延の仕様によって制御される。具体的には、造形層５の層厚みは、スクイージ３１の下端とＸ―Ｙ平面（例えば初期位置におけるステージ４１の表面）との間隙の大きさ、スクイージ３１の移動速度、流動性造形材料４の粘度などによって変化するため、所望の厚みになるように適宜設定を行うことが望ましい。

次に、描画部５０は、ステージ４１上に形成された造形層５に、ＵＶインク８による所望の画像を形成する。具体的には、予め制御部に入力された造形物を構成する各断面層の画像情報に応じて、吐出ヘッド５１を移動させながらＵＶインク８を吐出して、造形物の断面形状に対応する位置にＵＶインク８を付与する。

図３は、造形装置１００によって造形層５の所望の領域にＵＶインク８（液滴）を付与した様子を示す概念図である。
図１においてフレーク状に分散していたバインダー材料３は、一旦溶融し凝固することで、粒体２ａの体積充填率を高め、造形層５の全体に略均一に分布する。所望の位置に選択的に付与されたＵＶインク８は、図３に示すように、粒体２ａ、バインダー材料３を含む領域に浸透し、造形部５ａが形成される。

次に、硬化部６０は、造形層５に付与されたＵＶインク８を硬化させる。具体的には、キャリッジ５３をステージ４１上から退避させた後に、紫外線照射機６１によって造形層５に紫外線を照射し、造形層５に付与されたＵＶインク８を硬化させることで、造形部５ａを硬化させる。
なお、ＵＶインク８の硬化は、次に積層される造形層５に付与されるＵＶインク８との界面の接合強度を保つために、光重合が完了しない程度に紫外線を照射し硬化させることが好ましい。
また、造形装置１００は、紫外線照射機６１をキャリッジ５３に搭載する構成としても良く、ＵＶインク８を付与しながら紫外線を照射し硬化させる方法であっても良い。

次に、ステージ昇降機構４２は、ステージ４１上に展延され形成された造形層５の層厚みに応じてステージ４１を降下させる。ステージ４１が降下することで、造形層５の表面がホットプレート２１と同一の面内に位置するようになり、再び、スクイージ３１によって流動性造形材料４が展延され造形層５として積層されるＸ―Ｙ平面が構成される。

以降、材料供給部１０から加熱部２０に造形材料１を供給する工程から上記の工程を繰り返し、造形層５を積層する。繰り返しに際して、２層目以降は、材料供給部１０から加熱部２０に造形材料１を供給する工程から上記の工程を、先に形成された造形層５の上に繰り返す。また、材料供給部１０から加熱部２０に造形材料１を供給する工程から上記の工程により造形層５をステージ４１上以外の場所で形成し、先に形成された造形層５の上に積層しても良い。

造形層５の積層が造形物の造形に対応した高さに達し積層が完了したら、これをステージ４１から取り出し、造形物を現出させる。具体的には、造形層５が積層された塊を水洗し、ＵＶインク８が付与されていない非造形部５ｂを溶解させるなどして分離し、造形部５ａによる造形物を現出させる。非造形部５ｂは、水溶性のバインダー材料３により保持されている領域であるため、容易に溶解される。

以上述べたように、本実施形態による造形材料、造形方法、造形物および造形装置によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態による造形材料は、粒体２ａで構成される造形材料１が粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３を含んでいる。そのため、例えば、粒体２ａが、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３によって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。その結果、造形材料１にインクジェット法によりＵＶインク８を吐出し、造形材料１を特定の箇所で結合させることにより造形物を造形する方法においても、粒体２ａの飛散、拡散が抑制される。そのため、粒体２ａによってＵＶインク８を吐出するノズルが塞がれることが無くなり（あるいは抑制され）、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

また、粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３は、熱可塑性であり、融点が３０℃以上９０℃以下である。そのため、例えば、３０℃未満の室温（常温）においては、バインダー材料３が固体の状態で粒体２ａを結着する。つまり、粒体２ａは、結着され飛散しにくい状態で保持される。また、造形材料１をバインダー材料３の融点以上の温度に加熱した場合には、バインダー材料３が融解し粒体２ａを結着する。つまり、バインダー材料３の融点以上の温度においては、粒体２ａの飛散が抑制された状態で造形材料１を容易に展延することができる。次に、展延した造形材料１の層を再び３０℃未満の温度に冷却することで、固体としての略均一な厚みの層を得ることができる。このように、造形材料１を展延させながら積層し固化することで、造形物を造形するための積層構造を得ることができる。この造形材料１による積層構造に対して、インクジェット法によりＵＶインク８を吐出した場合であっても、周囲の粒体２ａは容易に飛散することなくバインダー材料３に結着されている。その結果、飛散、拡散した粒体２ａによってＵＶインク８を吐出するノズルが塞がれることが抑制されるため、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

また、造形材料１に含まれるバインダー材料３が水系溶媒に可溶であることで、ＵＶインク８が付与されることなく硬化せずに残った造形材料１（非造形部５ｂ）は、水系溶媒に溶解させることができる。つまり、造形材料１（造形層５）による積層構造から、結合（硬化）した部分（造形部５ａ）で造形された造形物を取り出す（現出させる）場合に、水系溶媒により洗い流す等の簡便な方法を用いることができる。
また、現出させる際に加温することにより熱可塑性バインダーが軟化するので、現出時間を短縮することが可能である。
なお、水系溶媒とは水、及び無機塩の水溶液等の非有機系溶媒、水溶性の有機溶媒およびこれらを混合液のことである。
水溶性の有機溶媒としては、メタノール、エタノール、ブタノール、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、 ノルマルプロピルアルコール、ブタノール、イソブタノール、ＴＢＡ（ターシャリーブタノール）、ブタンジオール、エチルヘキサノール、ベンジルアルコールなどのアルコール類や、１.３ ジオキソラン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどのグリコールエーテル類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール類、イソプロピルエーテル、メチルセロソルブ、セロソルブ、ブチルセロソルブ、ジオキサン、ＭＴＢＥ（メチルターシャリーブチルエーテル）、ブチルカルビトールなどのエーテル系溶媒が挙げられる。
これらの水系溶媒のうち揮発物が水蒸気である水は加温して現出する場合であっても、安全性が高くもっとも好ましい。
また、バインダー材料３としてアルコール等に溶解性の高い熱可塑性バインダーを用いる場合は、アルコール等の水溶性の有機溶媒を適量混合する等により、造形材料による積層構造から、結合（硬化）した部分で造形された造形物を取り出す（現出させる）場合に、現出まで含めた全体の造形時間を短縮することが可能である。

また、粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３がポリエチレングリコールを含んでいる。ポリエチレングリコールは、水溶性であり、その重合度によって融点が異なり、例えば、常温（１５〜２５℃）では固体（例えばワックス状）であり、所望の高温では液体になるものが利用できる。そのため、常温においては、バインダー材料３が固体の状態で粒体２ａを結着し、融点以上の温度に加熱した場合には、バインダー材料３が液体の状態で粒体２ａを結着する。また、バインダー材料３の融点以上の温度においては、粒体２ａの飛散が抑制された状態で造形材料１を容易に展延することができる。つまり、上述したように、粒体２ａの飛散が抑制され層形成が容易な造形材料１を提供することができ、この造形材料１を利用することで、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

また、造形材料１を構成する粒体２ａが、アクリル樹脂粒体、シリコーン樹脂粒体、アクリルシリコーン樹脂粒体、ポリエチレン樹脂粒体、ポリスチレン樹脂粒体、ナイロン樹脂粒体、ポリアクリロニトリル樹脂粒体、二酸化ケイ素粒体、酸化アルミニウム粒体からなる群から選ばれた１種類または２種類以上の粒体を含むことで、インクジェット法によりＵＶインク８を吐出し、造形材料１を特定の箇所で結合させることにより造形物を造形する方法において使用する良好な造形材料１を構成することができる。

また、造形材料１を構成する粒体２ａの平均球相当径が０．１μｍ以上３０μｍ以下であることで、例えば、層を積層して造形する造形方法における各層の厚みを数μｍから１００μｍ程度とすることができる。その結果、より細密な造形物を造形することができる。

また、本実施形態による造形方法は、粒体２ａと粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３とを含む造形材料１をバインダー材料３の融点以上の温度に加熱し流動性造形材料４を形成する工程を含んでいる。粒体２ａで構成される造形材料１が粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３を含んでいるため、例えば、粒体２ａが、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、バインダー材料３によって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。

また、本実施形態による造形方法は、バインダー材料３の融点以上の温度に加熱された流動性造形材料４を展延した後に、バインダー材料３の融点未満の温度に冷却して造形層５を形成する工程を含んでいる。バインダー材料３の融点以上の温度においては、融解したバインダー材料３と共に、粒体２ａの飛散が抑制された状態で造形材料１を容易に展延することができる。水平なステージ４１上でスクイージ３１を用いることで、造形材料１を容易に略均一な厚みの層に展延させることができる。次に、展延した造形材料１の層を再びバインダー材料３の融点未満の温度に冷却することで、固体としての略均一な厚みの層（造形層５）を得ることができる。このように、造形材料１を展延させながら積層し固化することで、造形物を造形するための良好な積層構造を得ることができる。

また、本実施形態による造形方法は、積層された造形層５の所望の領域にＵＶインク８を付与する工程と、造形層５の所望の領域に付与されたＵＶインク８を硬化させる工程とを含んでいる。積層された造形層５の所望の領域が硬化することで、所望とする造形物が形成される。積層された造形層５に対して、インクジェット法によりＵＶインク８を吐出した場合であっても、粒体２ａは容易に飛散することなくバインダー材料３に結着されている。その結果、飛散、拡散した粒体２ａによってＵＶインク８を吐出するノズルが塞がれることが抑制されるため、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

また、液滴（ＵＶインク８）が光硬化性インクであるため、造形層５の所望の領域に付与されたＵＶインク８に光（紫外線）を照射することで容易に造形層の所望の領域を硬化させることができる。

また、本実施形態に係る造形方法によって造形された造形物は、所望とする形状に安定して造形される。つまり、より安定した生産とより安定した品質のもとに供給される造形物が提供される。

また、本実施形態による造形装置１００は、粒体２ａと粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３とを含む造形材料１を、バインダー材料３の融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料４を形成する加熱部２０を備えている。粒体２ａで構成される造形材料１が粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３を含んでいるため、例えば、粒体２ａが、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、バインダー材料３によって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。

また、造形装置１００は、バインダー材料３の融点以上の温度に加熱された流動性造形材料４を展延した後に、バインダー材料３の融点未満の温度に冷却して造形層５を形成する展延部３０、および造形層５が積層される造形部４０を備えている。バインダー材料３の融点以上の温度においては、液状のバインダー材料３と共に、粒体２ａの飛散が抑制された状態で造形材料１を容易に展延することができる。展延部３０では、水平な平板上でスクイージ３１を用いることで、造形材料１を容易に略均一な厚みの層に展延させることができる。次に、展延した造形材料１の層（流動性造形材料４）を再びバインダー材料３の融点未満の温度に冷却することで、固体としての略均一な厚みの層（造形層５）を得ることができる。このように、造形材料１を展延させながら積層し固化することで、造形物を造形するための良好な積層構造を得ることができる。
バインダー材料３をその融点未満の温度に冷却する方法は、特に限定はなく、環境雰囲気による自然冷却であってもよいし、積極的に冷風を吹き付ける送風器であってもよい。

また、造形装置１００は、積層された造形層５の所望の領域にＵＶインク８を付与する描画部５０と、造形層５の所望の領域に付与されたＵＶインク８を硬化させる硬化部６０を備えている。積層された造形層５の所望の領域が硬化することで、所望とする造形物が形成される。描画部５０においては、積層された造形層５に対して、インクジェット法などによりＵＶインク８を吐出した場合であっても、粒体２ａは容易に飛散することなくバインダー材料３に結着されている。その結果、飛散、拡散した粒体２ａによってＵＶインク８を吐出するノズルが塞がれることが抑制されるため、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。

また、硬化部６０が光照射手段として紫外線照射機６１を有するため、液滴として紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）を使用することができる。造形層５の所望の領域に付与されたＵＶインク８に紫外線を照射することで容易に造形層５の所望の領域を硬化させることができる。
紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）には、カチオンを活性種とする重合反応によって硬化するカチオン重合型の紫外線硬化樹脂を含むものと、ラジカルを活性種とする重合反応によって硬化するラジカル重合型の紫外線硬化樹脂を含むものとがある。これらのいずれかに属する紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）を用いることができる。
ラジカル重合型の紫外線硬化樹脂としては、アクリル系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等が挙げられる。なお、アクリル系樹脂としては、例えば、ポリエステルアクリレート系樹脂、エポキシアクリレート系樹脂、ウレタンアクリレート系樹脂、及びポリエーテルアクリレート系樹脂が挙げられる。カチオン重合型の紫外線硬化樹脂としては、エポキシ系樹脂、オキセタン系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、及び、シリコーン系樹脂が挙げられる。なお、シリコーン系樹脂としては、アクリルシリコーン系樹脂、ポリエステルシリコーン樹脂、エポキシシリコーン樹脂、及びメルカプトシリコーン樹脂等が挙げられる。
３次元形状の立体モデルの強度が必要な場合においては、紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）と造形材料１を構成する粒体２ａには同系の材料を用いることが好ましい。例えば、粒体２ａとしてプラスチック材料を用いる場合、紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）により粒体２ａの表面が溶解することにより粒体２ａとの界面における剥離が起こりにくく、結果として３次元形状の立体モデルの強度が向上する。その指標としては、溶解度パラメータを用いることができる。例として、ラジカル重合型のアクリル系樹脂（溶解度パラメータ：９．５）を用いる場合、粒体２ａは同系材料のアクリル樹脂（溶解度パラメータ：９．５）やポリエチレン樹脂（溶解度パラメータ：７．９）を用い、ポリアクリロニトリル樹脂（溶解度パラメータ：１５．４）やナイロン樹脂（溶解度パラメータ：１３．６）を用いない方が好ましい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。ここで、上述した実施形態と同一の構成部位については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略している。

（変形例）
実施形態では、液滴に紫外線硬化性インク（ＵＶインク８）を使用し、硬化部６０が紫外線照射機６１を有するとして説明したが、これに限定するものではなく、例えば、液滴に熱硬化性インクを使用し、硬化部６０が造形層５に付与した熱硬化性インクを加熱して硬化させる加熱手段を有する構成であっても良い。

このような構成であっても、上述した実施形態と同様に、例えば、粒体２ａが、容易に空気中に飛散し拡散しやすい微粒子（粉末）であっても、粒体２ａ同士を結着するバインダー材料３によって繋ぎとめられる（結着される）ため、容易に飛散することがなくなる。その結果、造形材料１にインクジェット法によりＵＶインク８を吐出し、造形材料１を特定の箇所で結合させることにより造形物を造形する方法においても、粒体２ａの飛散、拡散が抑制される。そのため、粒体２ａによってＵＶインク８を吐出するノズルが塞がれることが無くなり（あるいは抑制され）、所望とする良好な造形物を安定して造形することができる。
また、例えば、造形材料が遮光性の高い材料で構成され、また造形層５が厚く構成された場合に、光硬化性インクでは造形層の硬化が充分に行えない場合などにおいては、熱硬化性インクを使用し熱硬化性インクを硬化させる加熱手段を備えることで、充分な硬化強度を備えた造形物を造形することができる。

１…造形材料、２…粉末樹脂材料、２ａ…粒体、３…バインダー材料、３ａ…バインダーフレーク、４…流動性造形材料、５…造形層、５ａ…造形部、５ｂ…非造形部、８…ＵＶインク、１０…材料供給部、１１…ホッパー、１２…材料吐出口、２０…加熱部、２１…ホットプレート、３０…展延部、３１…スクイージ、４０…造形部、４１…ステージ、４２…ステージ昇降機構、５０…描画部、５１…吐出ヘッド、５２…カートリッジ装填部、５３…キャリッジ、５４…キャリッジ移動機構、６０…硬化部、６１…紫外線照射機、１００…造形装置。

Claims (6)

1. 粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する工程と、
   前記流動性造形材料を展延して造形層を形成する工程と、
   前記造形層の所望の領域に液滴を付与する工程と、
   前記造形層の所望の領域に付与された前記液滴を硬化させる工程と、を含むことを特徴とする造形方法。
2. 前記液滴が光硬化性インクであることを特徴とする請求項１に記載の造形方法。
3. 前記液滴が熱硬化性インクであることを特徴とする請求項１に記載の造形方法。
4. 粒体と前記粒体同士を結着する熱可塑性バインダーとを含む造形材料を、前記熱可塑性バインダーの融点以上の温度に加熱し、流動性造形材料を形成する加熱部と、
   前記流動性造形材料を展延して造形層を形成する展延部と、
   前記造形層の所望の領域に液滴を付与する描画部と、
   前記造形層の所望の領域に付与された前記液滴を硬化させる硬化部と、を備えることを特徴とする造形装置。
5. 前記硬化部が光照射手段を有することを特徴とする請求項４に記載の造形装置。
6. 前記硬化部が加熱手段を有することを特徴とする請求項４に記載の造形装置。

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