JP6860841B2 - 三次元造形装置、載置部材及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置、載置部材及び三次元造形物の製造方法に関するものである。

従来、載置部材の載置面上に載せた造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。

例えば、特許文献１には、熱溶解積層法により三次元造形物を造形する三次元造形装置が開示されている。この三次元造形装置は、造形材料を加熱しながら吐出する造形ヘッド部を土台プレート（載置部材）の面に沿って二次元方向へ移動させることで、土台プレート上に層状構造物を順次積層し、最終的に三次元造形物を造形する。

また、例えば、特許文献２には、粉末焼結積層法により三次元造形物を造形する三次元造形装置が開示されている。この三次元造形装置は、所定厚みの粉末層を造形プレート（載置部材）上に形成した後、光ビームを当該粉末層の所定箇所に照射して固化させた固化層を形成し、その後、その上に新たな粉末層を形成してその粉末層の所定箇所に再び光ビームを照射して固化層を積層させていくという処理を繰り返し行って、最終的に三次元造形物を造形する。

熱溶解積層法や粉末焼結積層法等のように、載置部材の載置面上に載せた造形材料によって三次元造形物を造形する場合、造形中においては、載置部材は三次元造形物への密着性（固着力）が求められる。また一方で、三次元造形物が冷却等により変形した際には、変形への追従性（柔軟性）が求められる他、三次元造形物を載置部材から剥離させる際は剥離性も求められ、既存の載置部材ではこれらの性質を両立することは困難であった。
なお、この両立が困難であるという課題は、密着性（固着力）、変形への追従性（柔軟性）、剥離性という性質間だけに限らずに生じ得る課題である。

上述した課題を解決するために、本発明は、載置部材の載置面上に載せた造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記載置部材は、前記載置面を形成する載置面層が、体積平均粒径が１５０［μｍ］以下である粒子を、該粒子とは異なる材料の基材中に分散させたものであり、前記載置面は、前記粒子によって複数の凸部が形成された凹凸面であることを特徴とする。

本発明によれば、両立しにくい性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた載置部材を容易に実現でき、三次元造形装置における種々の問題を解決し得るという優れた効果がある。

実施形態における三次元造形装置の構成を模式的に示す説明図である。 同三次元造形装置の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。 同三次元造形装置の図２中の手前部分を切断して除外した状態の斜視図である。 同三次元造形装置の制御ブロック図である。 実施形態における予熱処理及び造形処理の流れを示すフローチャートである。 従来の高剛性造形プレート上に形成された層状構造物が剥離した状態を示す模式図である。 実施形態における造形プレートを模式的に示す断面図である。 同造形プレートを模式的に示す平面図である。 同造形プレートの変形層が層状構造物の変形に追従して変形する状態を示す模式図である。 同造形プレート上に第１層目の層状構造物を形成するときの状態を模式的に示す断面図である。 分散材をランダムに分散させて分散材が偏在するように構成した造形プレートの一例を模式的に示す平面図である。 異なる寸法をもった２種類の分散材を分散させた造形プレートの一例を模式的に示す平面図である。 異なる寸法をもった３種類の分散材を分散させた造形プレートの一例を模式的に示す平面図である。 ２種類の分散材を規則的に分散させた造形プレートの一例を模式的に示す平面図である。 ２種類の分散材を規則的に分散させた造形プレートの他の例を模式的に示す平面図である。 回転対称性をもつような規則性をもって分散材を配置した造形プレートの一例を模式的に示す平面図である。 回転対称性をもつような規則性をもって分散材を配置した造形プレートの他の例を模式的に示す平面図である。

以下、本発明を、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置に適用した一実施形態について説明する。
本発明を適用する三次元造形装置は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）に限定されるものではなく、載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置であれば、他の造形方法で三次元造形物を造形する三次元造形装置にも適用可能である。

図１は、本実施形態における三次元造形装置１の構成を示す説明図である。
図２は、本実施形態における三次元造形装置１の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。
図３は、本実施形態における三次元造形装置１の前方部分を切断して除外した状態の斜視図である。

三次元造形装置１は、本体フレーム２の内部に三次元造形用チャンバー（以下「チャンバー」という。）３を備えている。チャンバー３の内部は、三次元造形物を造形するための処理空間となっており、その処理空間内すなわちチャンバー３の内部には、載置台としてのステージ４が設けられている。本実施形態では、このステージ４上に載置部材としての造形プレート４０を保持させ、その造形プレート４０上に三次元造形物が造形される。

ステージ４に対する造形プレート４０の保持方法は、特に限定はなく、ネジ、クリップ、ツメなどの保持部材を用いて保持したり、造形プレート４０上の被圧入箇所をステージ４の圧入箇所に圧入させて保持したりしてもよいし、ステージ４上に設けたレールなどを用いて造形プレート４０をガイドして保持してもよい。また、吸引による吸着固定方式、静電力や磁気力などの電磁気力を用いた固定方式、熱で圧着させて固定させる方式、接着材料などで材料的に固定する方式などで、保持してもよい。

チャンバー３内の処理空間を囲っている壁部は、その大部分又はその全部が断熱機能を有する断熱壁で構成されている。具体的には、チャンバー３の天井壁部は、後述するように、複数のスライド断熱部材３Ａ，３Ｂによって構成された断熱壁である。また、チャンバー３の側壁部３Ｃ、すなわち、装置左右方向（図２及び図３中の左右方向＝Ｘ軸方向）の両壁部は、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。また、チャンバー３の底壁部３Ｄも、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。また、チャンバー３の後壁部及び前壁部３Ｅも、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。

本実施形態において、チャンバー３の前壁部３Ｅには、図２に示すように、開閉扉３ａが設けられている。この開閉扉３ａは、前壁部３Ｅと同様に断熱壁を構成するものであり、十分な断熱機能を発揮する構成となっている。また、チャンバー３の前壁部３Ｅには、図２に示すように、窓３ｂが設けられている。この窓３ｂは、空気層を挟み込んだ２重ガラス構造であり、前壁部３Ｅと同様に断熱壁を構成するものである。

なお、チャンバー３の各壁部の断熱構成は、必要な断熱機能を発揮できる構成であれば、本実施形態のものに限られず、あらゆる断熱構成のものを利用することができる。本実施形態においては、チャンバー３内の処理空間が造形処理時には２００℃以上の高温になるところ、このような高温時でもチャンバー３の外部気温がおよそ４０℃以下に収まるような断熱機能を発揮できる断熱壁であることが好ましい。

チャンバー３の内部におけるステージ４の上方には、造形材料排出部としての造形ヘッド１０が設けられている。造形ヘッド１０は、その下方に造形材料であるフィラメントを射出する射出ノズル１１を有する。本実施形態では、造形ヘッド１０上に４つの射出ノズル１１が設けられているが、射出ノズル１１の数は任意である。また、造形ヘッド１０には、各射出ノズル１１に供給されるフィラメントを加熱する造形材料加熱手段としてのヘッド加熱部１２が設けられている。

フィラメントは、細長いワイヤー形状であり、巻き回された状態で三次元造形装置１にセットされており、フィラメント供給部６により造形ヘッド１０上の各射出ノズル１１へそれぞれ供給される。なお、フィラメントは、射出ノズル１１ごとに異なるものであってもよいし、同じものであってもよい。本実施形態においては、フィラメント供給部６により供給されるフィラメントをヘッド加熱部１２で加熱して溶融（あるいは軟化）させ、溶融状態のフィラメントを所定の射出ノズル１１から押し出すようにして射出することにより、ステージ４上に保持された造形プレート４０上に層状の造形構造物を順次積層して、三次元造形物を造形する。

なお、造形ヘッド１０上の射出ノズル１１には、造形材料のフィラメントではなく、三次元造形物を構成しないサポート材が供給される場合がある。このサポート材は、通常、造形材料のフィラメントとは異なる材料で形成され、最終的にはフィラメントで形成された三次元造形物から除去される。このサポート材も、ヘッド加熱部１２で加熱溶融され、溶融状態のサポート材が所定の射出ノズル１１から押し出されるように射出されて、層状に順次積層される。

造形ヘッド１０は、装置左右方向（図２及び図３中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動機構２１に対し、連結部材２１ａを介して、そのＸ軸駆動機構２１の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。造形ヘッド１０は、Ｘ軸駆動機構２１の駆動力により、装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。造形ヘッド１０は、ヘッド加熱部１２によって加熱されて高温になるため、その熱がＸ軸駆動機構２１に伝わりにくいように、連結部材２１ａを低伝熱性のものとするのが好ましい。

Ｘ軸駆動機構２１の両端は、それぞれ、装置前後方向（図２及び図３中の前後方向＝Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動機構２２に対し、そのＹ軸駆動機構２２の長手方向（Ｙ軸方向）に沿ってスライド移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動機構２１がＹ軸駆動機構２２の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、造形ヘッド１０はＹ軸方向に沿って移動することができる。

本実施形態において、チャンバー３の底壁部３Ｄは、本体フレーム２に固定されている、装置上下方向（図２及び図３中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動機構２３に対し、そのＺ軸駆動機構２３の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。チャンバー３の底壁部３Ｄは、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動することができる。この底壁部３Ｄ上には、ステージ４が固定されているので、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力によりステージ４及びこれに保持される造形プレート４０をＺ軸方向へ移動させることができる。

チャンバー３の底壁部３Ｄの周縁部は、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面に密着している。チャンバー３の底壁部３ＤがＺ軸駆動機構２３によりＺ軸方向へ移動する際、底壁部３Ｄは、その周縁部を、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面を摺動させながら移動する。これにより、チャンバー３内の遮蔽性が確保され、チャンバー３内の十分な断熱性が得られる。なお、チャンバー３内の十分な断熱性が得られるのであれば、チャンバー３の底壁部３Ｄの周縁部と、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面との間に、多少の隙間があってもよい。このような隙間を形成することで、スムーズかつ高精度な底壁部３Ｄの移動を実現でき、ステージ４のスムーズかつ高精度な移動が実現される。

また、本実施形態においては、チャンバー３の内部（処理空間）に、チャンバー３内を加熱する処理空間加熱手段としてのチャンバー用ヒータ７が設けられている。本実施形態においては、熱溶解積層法（ＦＤＭ）で三次元造形物を造形するため、チャンバー３内の温度を目標温度に維持した状態で、造形処理を行うことが望ましい。そのため、本実施形態では、造形処理を開始する前に、予めチャンバー３内の温度を目標温度まで昇温させる予熱処理を行う。チャンバー用ヒータ７は、この予熱処理中には、チャンバー３内を目標温度まで昇温させるためにチャンバー３内を加熱するとともに、造形処理中には、チャンバー３内の温度を目標温度に維持するためにチャンバー３内を加熱する。チャンバー用ヒータ７の動作は、制御部１００によって制御される。

本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構２１、Ｙ軸駆動機構２２及びＺ軸駆動機構２３が、チャンバー３の外部に配置されている。よって、Ｘ軸駆動機構２１、Ｙ軸駆動機構２２及びＺ軸駆動機構２３は、チャンバー３内の高温に曝されず、安定した駆動制御が実現される。なお、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２の全体がチャンバー３の外部に配置される構成に限らず、その一部又はその全体がチャンバー３の内部に配置される構成であってもよい。

ここで、本実施形態におけるＸ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２の駆動対象は造形ヘッド１０であり、その造形ヘッド１０の一部（射出ノズル１１を含む造形ヘッド１０の先端部分）がチャンバー３内に配置されている。本実施形態では、造形ヘッド１０をＸ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー３の天井壁部においては、図２及び図３に示すように、Ｙ軸方向に長尺な複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがＸ軸方向へ並べて配設された構成となっており、隣接するＸ軸スライド断熱部材３Ａ間は互いにＸ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｘ軸駆動機構２１により造形ヘッド１０をＸ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがそれぞれＸ軸方向へスライド移動し、チャンバー３内の処理空間上部は常にＸ軸スライド断熱部材３Ａによって覆われる。

同様に、チャンバーの天井壁部においては、図２及び図３に示すように、複数のＹ軸スライド断熱部材３ＢがＹ軸方向へ並べて配設された構成となっている。隣接するＹ軸スライド断熱部材３Ｂ間は互いにＹ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｙ軸駆動機構２２によりＸ軸駆動機構２１上の造形ヘッド１０をＹ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＹ軸スライド断熱部材３ＢがそれぞれＹ軸方向へスライド移動し、チャンバー３内の処理空間上部は常にＹ軸スライド断熱部材３Ｂによって覆われる。

また、本実施形態におけるＺ軸駆動機構２３の駆動対象は、チャンバー３の底壁部３Ｄあるいはステージ４（もしくは造形プレート４０）である。本実施形態では、底壁部３Ｄあるいはステージ４をＺ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー３の両側壁部３Ｃには、図２及び図３に示すように、Ｚ軸駆動機構２３と底壁部３Ｄとの連結部を貫通させるスライド孔３ｃがＺ軸方向に延びるように形成されている。このスライド孔３ｃは、断熱材料からなる可撓性のシール部材３ｄによってシールされている。Ｚ軸駆動機構２３により底壁部３ＤをＺ軸方向へ移動させる際、Ｚ軸駆動機構２３と底壁部３Ｄとの連結部は、可撓性のシール部材３ｄを弾性変形させながらスライド孔３ｃに沿ってＺ軸方向へ移動する。よって、チャンバー３の両側壁部３Ｃに形成されたスライド孔３ｃは、常にシール部材３ｄによって覆われる。

そのほか、本実施形態においては、チャンバー３の外部であって三次元造形装置１の内部の空間を冷却させるための装置内冷却装置８や、造形ヘッド１０の射出ノズル１１を清掃するためのノズル清掃部９などが設けられている。

図４は、本実施形態の三次元造形装置１の制御ブロック図である。
本実施形態においては、造形ヘッド１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸ポジション検知機構２４が設けられている。Ｘ軸ポジション検知機構２４の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動機構２１を制御して、造形ヘッド１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

また、本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構２１のＹ軸方向位置（造形ヘッド１０のＹ軸方向位置）を検知するＹ軸ポジション検知機構２５が設けられている。Ｙ軸ポジション検知機構２５の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動機構２２を制御することにより、Ｘ軸駆動機構２１上の造形ヘッド１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

また、本実施形態においては、ステージ４上に保持される造形プレート４０のＺ軸方向位置を検知するＺ軸ポジション検知機構２６が設けられている。Ｚ軸ポジション検知機構２６の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動機構２３を制御して、ステージ４上の造形プレート４０を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

制御部１００は、このようにして造形ヘッド１０及びステージ４の移動制御を行うことにより、チャンバー３内における造形ヘッド１０とステージ４上の造形プレート４０との相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に位置させることができる。

図５は、本実施形態における予熱処理及び造形処理の流れを示すフローチャートである。
本実施形態において、制御部１００は、ユーザーの指示操作等により造形をスタートすると、まず、チャンバー用ヒータ７、ヘッド加熱部１２及びステージ加熱部５への通電をＯＮにして、これらを稼働させる（Ｓ１）。また、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力によりステージ４を所定の待機位置（例えば最下点）から上昇させる（Ｓ２）。そして、ステージ４が上述した予熱用位置に到達したら（Ｓ３のＹｅｓ）、Ｚ軸駆動機構２３の駆動を停止する（Ｓ４）。

処理空間の温度が目標温度に達したら（Ｓ５のＹｅｓ）、続いて、制御部１００は、造形処理に移行する。本実施形態の三次元造形装置１により造形する三次元造形物の三次元形状データは、本三次元造形装置１に対して有線あるいは無線でデータ通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等の外部装置から入力される。制御部１００は、入力された三次元形状データに基づき、上下方向に分解された多数の層状構造物のデータ（造形用のスライスデータ）を生成する。各層状構造物に対応するスライスデータは、本三次元造形装置１の造形ヘッド１０から射出されるフィラメントによって形成される各層状構造物に対応しており、その層状構造物の厚みは、三次元造形装置１の能力に応じて適宜設定される。

造形処理では、まず、制御部１００は、最下層（第一層）のスライスデータに従って、ステージ４上に保持されている造形プレート４０の表面に最下層の層状構造物を作成する（Ｓ６）。具体的には、制御部１００は、最下層（第一層）のスライスデータに基づき、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２を制御して、造形ヘッド１０の射出ノズル１１の先端を目標位置（Ｘ−Ｙ平面上の目標位置）に順次移動させながら、射出ノズル１１よりフィラメントの射出を行う。これにより、ステージ４上の造形プレート４０の表面には、最下層（第一層）のスライスデータに従った層状構造物が形成される。なお、三次元造形物を構成しないサポート材も一緒に作成する場合があるが、ここでの説明は省略する。

次に、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、層状構造物の一層分に相当する距離だけステージ４を下降させ、そのステージ４上の造形プレート４０を、次の層（第二層）の層状構造物を作成するための位置まで下降させ、位置決めする（Ｓ８）。その後、制御部１００は、第二層のスライスデータに基づき、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２を制御して、造形ヘッド１０の射出ノズル１１の先端を目標位置に順次移動させながら、射出ノズル１１よりフィラメントの射出を行う。これにより、ステージ４の造形プレート４０上に形成されている最下層の層状構造物上に、第二層のスライスデータに従った層状構造物が形成される（Ｓ６）。

このようにして、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、ステージ４を順次下降させながら、下層から順に各層状構造物を積層させて造形する処理を繰り返す。そして、最上層の層状構造物の作成が終了したら（Ｓ７のＹｅｓ）、入力された三次元形状データに従った三次元造形物が造形プレート４０上に造形される。

このようにして造形処理が終了したら、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、ステージ４を所定の取出用位置（本実施形態では最下点）まで下降させる（Ｓ９）。この取出用位置は、チャンバー３の前壁部３Ｅに設けられている開閉扉３ａを開けて、ステージ４上の三次元造形物をチャンバー３の外部へ取り出しやすい位置に設定される。

造形処理終了直後は、まだ、チャンバー３内の処理空間が高温であるため、開閉扉３ａを開けて処理空間内の三次元造形物をユーザーがすぐに取り出すことはできない。したがって、ユーザーは、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下してから、開閉扉３ａを開けて処理空間内の三次元造形物を造形プレート４０に固着した状態のまま取り出すことになる。制御部１００は、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下するまで開閉扉３ａをロック状態にする冷却期間を設け、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下した後に、開閉扉３ａのロック状態を解除することが好ましい。

ここで、本実施形態の三次元造形装置１で三次元造形物を造形する際、ヘッド加熱部１２で加熱されて射出ノズル１１から射出された軟化状態のフィラメント５０は、チャンバー３内の造形プレート４０上へ射出される。チャンバー３内は、チャンバー用ヒータ７等によって加熱されているが、チャンバー３内の温度はヘッド加熱部１２におけるフィラメント５０の軟化温度よりも低いため、造形プレート４０上へ射出された軟化状態のフィラメントの温度は徐々に下がることになる。これにより、フィラメント５０は、造形プレート４０の表面に固着するとともに、層状構造物としての形状を維持できるように硬度が高まる。

造形プレート４０上に射出されたフィラメント５０は、徐々に温度が下がる過程で、熱収縮を引き起こす。従来は、図６に示すように、造形プレート４０’が容易に変形しない高剛性部材で構成されていたため、これに固着した最下層の層状構造物は、その熱収縮によって内部応力が高まっていく。また、この最下層の上に積層される第二層以降の層状構造物も同様に熱収縮を引き起こすため、第二層以降の層状構造物の内部応力も高まり、これによって最下層の層状構造物の内部応力は更に高まっていく。このように高まっていく最下層の層状構造物の内部応力は、最下層の層状構造物を反り返らせ、最下層の層状構造物の端部を高剛性の造形プレート４０’から引き離すような剥離力を発生させる。

最下層の層状構造物と高剛性の造形プレート４０’との固着力を超える剥離力が生じるほど最下層の層状構造物の内部応力が高まると、図６に示すように、最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離してしまう。造形処理の途中で最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離してしまうと、形成済みの層状構造物の位置が造形プレート４０’上で動いてしまい、その上に形成される新たな層状構造物との相対位置がずれて、造形処理を適切に継続できなくなる。

剥離を抑制する方法としては、最下層の層状構造物と高剛性の造形プレート４０’との固着力を高めることが考えられる。例えば、高剛性の造形プレート４０’に層状構造物との化学的結合や機械的結合を改善する表膜をコーティングし、造形プレート４０’と最下層の層状構造物との固着力を高める方法が挙げられる。しかしながら、固着力を高めるにも限界があるため、最下層の層状構造物の剥離力が大きい場合には、最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離する問題を解決することが難しい。

なお、ここでは、熱収縮が発生する場合で説明したが、熱膨張が発生する場合でも同様である。例えば、チャンバー３内の温度バラつきによって、造形処理の途中で層状構造物が熱膨張することもあり、そのような熱膨張によっても剥離力が発生するおそれがある。

図７は、本実施形態における造形プレート４０を模式的に示す断面図である。
図８は、本実施形態における造形プレート４０を模式的に示す平面図である。
本実施形態の造形プレート４０は、図７に示すように、剛性層である剛性基板４１とその剛性基板４１上に形成された載置面層としての変形層４２とから構成されている。この変形層４２は、剛性基板４１上に強固に固着されており、変形層４２に固着する最下層の層状構造物の変形に追従して変形可能な柔軟性を有する層である。本実施形態の変形層４２は、このような柔軟性を有することで、造形プレート４０の変形層４２上に形成された層状構造物が熱収縮を引き起こして変形層４２に固着した最下層の層状構造物が反り返るように変形しても、図９に示すように、その変形に追従して変形層４２も変形する。その結果、変形層４２と最下層の層状構造物との間に生じる剥離力は小さく抑えられ、造形処理の途中で最下層の層状構造物が造形プレート４０から剥離するのを抑制できる。したがって、造形処理の途中で形成済みの層状構造物の位置が許容範囲を超えて造形プレート４０上で動いてしまうようなことはなく、造形処理を適切に実施できる。

一方で、このように造形プレート４０の変形層４２が最下層の層状構造物の変形に追従して変形してしまうと、造形処理中に最下層の層状構造物が変形してしまって、造形される三次元造形物の造形精度が低くなり得る。しかしながら、造形処理中に剥離が生じてしまうと、そもそも三次元造形物を造形すること事態ができないことと比較すると、造形精度が低くても三次元造形物を造形できることのメリットの方が大きい。

また、造形プレート４０の変形層４２が最下層の層状構造物の変形に追従して変形する場合でも、変形層４２の変形時にはその変形に抗する変形抵抗力が発生し、その変形抵抗力が最下層の層状構造物の変形を抑制する力となる。したがって、最下層の層状構造物の変形を十分に抑制できる変形抵抗力が発生するように変形層４２の柔軟性を調整することで、許容範囲の造形精度で三次元造形物を造形することが可能である。

更に、本実施形態において、造形プレート４０に固着した状態の三次元造形物は、造形処理を終了した後、チャンバー３内で取出可能な温度（例えば室温付近）まで冷却されてから、チャンバー３から取り出される。この冷却過程において、造形プレート４０に固着する三次元造形物の最下層の層状構造物は、造形処理中よりも大きな熱収縮を引き起こす。そのため、より大きな剥離力が発生するため、従来の高剛性の造形プレート４０’では、その造形プレート４０’に固着した三次元造形物が冷却される過程で、最下層の層状構造物が反り返って最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離してしまう。このような冷却過程で剥離が生じると、その後は三次元造形物の熱収縮による変形に抗する外力が全く作用しなくなるため、三次元造形物の変形が進行して、造形精度が悪化する。

本実施形態によれば、このような冷却過程において最下層の層状構造物が変形しても、その変形に追従して造形プレート４０の変形層４２が変形する。このときも、変形層４２の変形時にはその変形に抗する変形抵抗力が発生し、その変形抵抗力が最下層の層状構造物の変形を抑制する力となる。したがって、造形処理後の冷却過程時に三次元造形物が熱収縮によって変形することも、変形層４２によって抑制でき、剥離による造形精度の悪化も抑制できる。

なお、ステージ加熱部５を制御してステージ４の温度を調整することにより、ステージ４の近傍の温度環境を変化させ、三次元造形物の熱収縮率をコントロールするようにすれば、接着性や造形精度の更なる向上を図ることが可能である。

変形層４２は、最下層の層状構造物の変形に追従して変形可能であれば、変形の復元力が小さい又は無い塑性変形する層であってもよい。しかしながら、本実施形態では、変形層４２として、変形の復元力が大きな弾性層を用いている。このような弾性層であれば、変形の復元力が最下層の層状構造物の変形に抗する変形抵抗力として継続的に作用するため、最下層の層状構造物の変形を抑制する効果が高い。したがって、より高い造形精度で三次元造形物を造形することが可能となる。

造形プレート４０の剛性基板４１としては、変形層４２が最下層の層状構造物の変形に追従して変形しても、実質的に変形することなく変形層４２を支持できる硬度をもつものであればよい。ただし、本実施形態において、造形プレート４０はチャンバー３内で高温に曝されるため、その剛性基板４１としては、難燃性、耐熱性を有するものが好ましい。

剛性基板４１の材料としては、スチレン樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリビニルエーテル樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ケトン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂を用いることができる。難燃性の観点から、例えば、ＰＶＤＦ、ＥＴＦＥなどのフッ素系樹脂や、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂等が好ましく、機械強度（高弾性）や耐熱性の点から、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂が好適である。

また、剛性基板４１の材料としては、熱伝導率や機械的強度の観点から、樹脂材料よりも金属材料がより好ましい。金属材料を用いる場合でも、実質的に変形することなく変形層４２を支持できる硬度や耐熱性が有するものであれば、その種類は問わず、汎用性の高い、鉄やアルミニウム、ステンレス、真鋳、チタン、鋼、銅などが使用できるが、コストや機械的強度、熱伝導性、表面の加工性の観点より、ステンレスやアルミニウムが好ましい。

また、造形プレート４０の剛性基板４１の表面には、粗面化処理等により凹凸を形成して接触面積の増大やアンカー効果による剛性基板４１と変形層４２との固着性の向上を測ってもよい。このような凹凸を形成する方法としては、メッキ、表面コーティング、プラズマ処理、表面改質、プライマー層の形成など、公知の粗面化処理が挙げられる。サンドブラスト、ショットブラスト、メッキ加工、研磨などでもよい。

また、変形層４２の材料としては、汎用の樹脂、エラストマー、ゴムなどの材料を使用することが可能だが、エラストマー材料やゴム材料を用いるのが良い。
エラストマー材料としては、熱可塑性エラストマーとして、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、ポリアクリル系、ポリジエン系、シリコーン変性ポリカーボネート系、フッ素系共重合体系等が挙げられる。また、熱硬化性として、ポリウレタン系、シリコーン変性エポキシ系、シリコーン変性アクリル系等が挙げられる。
また、ゴム材料としては、イソプレンゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ヒドリンゴム等が挙げられる。
これらの各種エラストマー、ゴムの中から、上述した変形層４２としての所望の特性が得られる材料を適宜選択するが、本実施形態においては、変形層４２の柔軟性（層状構造物の変形追従性）や金属材料で形成される剛性基板４１との固着性の観点から、変形層４２の材料としてはアクリルゴムが好ましい。

本実施形態においては、造形プレート４０がチャンバー３内で高温に曝されるため、その変形層４２としては、そのような高温環境下で、上述した変形層４２としての所望の特性が得られる材料を選択することが望ましい。この観点からすると、変形層４２の材料としては、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどが好適であり、特に難燃性の面からシリコーンゴムがより好適である。

積層させる変形層４２の硬度は、造形品質に影響をおよぼす。詳しくは、硬度が高すぎると、変形しにくくなって追従性に劣ることになる一方、硬度が低すぎると、三次元造形物の変形を許容しすぎてしまい、造形品質が悪化することになる。変形層４２の硬度を測定する方法としては、マルテンス硬度、ビッカース硬度などの微小硬度計測を行う方法が挙げられる。この方法では、測定部位のバルク方向の浅い領域、つまり表面近傍の硬度しか測定していないので、変形層４２全体としての変形性能を評価することは難しい。そのため、変形層４２全体の変形性能が評価できるマイクロゴム硬度を測定する方法を用いるのが好ましい。マイクロゴム硬度は、市販のマイクロゴム硬度計を使用して測定することができる。具体的には、例えば高分子計器社製の「マイクロゴム硬度計ＭＤ−１」を使用して測定することができる。変形層４２のマイクロゴム硬度は、２３℃５０％ＲＨの環境下で１０以上５０以下が好ましく、１５以上４０以下が更に好ましい。

このように、変形層４２には、最下層の層状構造物が反り返ることに追従して変形することで剥離力を小さくしつつ、その変形量が造形品質を悪化させない許容範囲内に抑えられる適切な硬度（柔軟性）が求められる。しかしながら、このような柔軟性をもつ変形層４２を実現しようとする場合、造形材料の種類などによっては、最下層の層状構造物と変形層４２との間の接着性を十分に得ることが難しい場合がある。例えば、結晶性材料のエンジニアリングプラスチックであるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のような熱収縮が大きい造形材料を用いる場合には、最下層の層状構造物と変形層４２との間の接着性を十分に得ることが難しい。すなわち、変形層４２の硬度（柔軟性）を、変形量が造形品質を悪化させない許容範囲内に抑えられる適切な硬度にすると、追従変形による剥離力低下の効果が不十分で、最下層の層状構造物が造形プレート４０から剥離してしまう場合がある。

最下層の層状構造物と変形層４２との間の接着性を高める方法としては、変形層４２の材料として、造形材料との間で分子間力等の結合力が高い材料を選択する方法が考えられる。しかしながら、そのような材料を選択したときに、上述したような適切な硬度（柔軟性）をもつ変形層４２を構成できない場合も多い。

また、上述した剛性基板４１と変形層４２との接着と同様に、変形層４２の表面を粗面化処理等により凹凸面とし、最下層の層状構造物と変形層４２との間の接触面積の増大やアンカー効果により、接着性を高める方法も考えられる。しかしながら、上述したような適切な硬度（柔軟性）をもつ変形層４２を実現するために好適なエラストマー材料やゴム材料は、剛性基板４１のような金属材料と比べて粗面化処理が困難で、十分なアンカー効果が得られるような凹凸面とするのが難しい。しかも、エラストマー材料やゴム材料の場合、その表面を凹凸面にできたとしても、変形層４２が上述したように追従変形すると、クラックが生じやすく、耐久性が低下してしまう。更には、変形層４２の表面上の凸部もエラストマー材料やゴム材料などの比較的柔らかい材料で形成され、この点でも、十分なアンカー効果を得ることが難しい。

なお、変形層４２の表面に大きな凹凸を形成すれば、エラストマー材料やゴム材料であっても、十分なアンカー効果を得ることが可能であるが、この場合、変形層４２の表面上の凹凸に沿ってその上に形成される層状構造物にも凹凸が生じ、造形精度の低下を招くという問題が生じる。

以上のように、上述した適切な硬度（柔軟性）をもち、かつ、最下層の層状構造物との間の高い接着性をもつような変形層４２を、その変形層４２を形成する単一の材料で実現することは難しい。

そこで、本実施形態においては、変形層４２を２種類の異なる材料で形成している。具体的には、本実施形態の変形層４２は、図７や図８に示すように、エラストマー材料やゴム材料などの基材４２ａに、その基材４２ａよりも硬い材料からなる分散材４２ｂを分散配置したものとなっている。本実施形態では、分散材４２ｂによる多数の凸部が形成されるように、基材４２ａに対して多数の分散材４２ｂが分散配置されている。これにより、変形層４２の表面は、分散材４２ｂの寸法に応じた凹凸が形成される。よって、図１０に示すように、分散材４２ｂの寸法を適切に設定することで、造形精度の低下を招かない小さな凹凸で、接触面積の増大やアンカー効果による高い接着性を発揮することが可能となる。

このような変形層４２であれば、上述した適度な硬度（柔軟性）については、エラストマー材料やゴム材料からなる基材４２ａによって得られる一方、最下層の層状構造物との間の接着性については、基材４２ａよりも硬い分散材４２ｂによって形成される凹凸によって得られる。このように、変形層４２に求められる柔軟性と接着性という２つの性質あるいは機能を、それぞれ異なる材料（基材４２ａと分散材４２ｂの各材料）によって個別に得ることで、これらの性質や機能を両立することができる。しかも、エラストマー材料やゴム材料からなる基材４２ａについては粗面化処理を行わないため、クラックが生じにくく、耐久性低下も抑制される。

本実施形態のような変形層４２をもつ造形プレート４０の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、エラストマー材料やゴム材料などの基材４２ａ中に多数の分散材４２ｂを分散させたものを剛性基板４１上に塗布することにより製造できる。この場合、変形層４２の表面上の凸部を構成する分散材４２ｂの表面に基材４２ａがコーティングされた状態になっていても、凸部の剛性は分散材４２ｂの硬さによって確保されるため、十分なアンカー効果が得られる。

また、変形層４２の表面上に分散材４２ｂを露出した場合だと、最下層の層状構造物に接着した分散材４２ｂが基材４２ａから剥離してしまって、これにより最下層の層状構造物が造形プレート４０から剥離するおそれがある。これに対し、上述したように、変形層４２の表面上において分散材４２ｂの表面が基材４２ａにコーティングされた状態であれば、分散材４２ｂが基材４２ａから離脱しにくく、分散材４２ｂが基材４２ａから剥離することによって最下層の層状構造物が造形プレート４０から剥離するような事態が抑制される。

一方で、変形層４２の表面上に分散材４２ｂを露出させるように構成してもよい。この場合、接触面積の増大やアンカー効果に加え、最下層の層状構造物と分散材４２ｂとの間の分子間力などによっても、接着性を向上させることが可能となり、より高い接着性を実現できる。ただし、図７に示すように、変形層４２の表面上における凸部と凹部との高低差ｈが、当該凸部を形成する分散材４２ｂの高さＨの５０％未満であるのが好ましい。この場合、凸部を形成する分散材４２ｂの表面積の半分以上が基材４２ａに接触し、分散材４２ｂと基材４２ａとの接着性を確保して基材４２ａから分散材４２ｂが離脱するのを十分に抑制できる。

なお、ここでいう高低差ｈと分散材４２ｂの高さＨとの関係は、測定領域内における平均値で示したものである。分散材４２ｂの高さＨ及び高低差ｈは、変形層４２の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、凸部を構成する分散材４２ｂの高さＨを測定するとともに、当該凸部の頂点とこれに隣接する凹部の最深部との差を高低差ｈとして測定した。

本実施形態における分散材４２ｂの材料としては、基材４２ａよりも硬い材料で、さらに耐熱性を有する樹脂材料や金属材料が好ましい。また、変形層４２の表面上に分散材４２ｂを露出させた構成とする場合、接着性向上の観点から、造形材料との親和性を持つ樹脂や金属材料であるのが好ましい。具体的な分散材４２ｂの材料としては、例えば、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂といった熱可塑性エラストマーから構成される材料系や、ポリアミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などの硬化性樹脂やエンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックを主成分としてなる粒子が挙げられる。また、これらの樹脂材料を、他の樹脂で被覆したものを使用してもよい。特に、これらの材料の中から、耐熱性の観点も含めて選択されるのが好ましい。

近年、造形材料として、より高い強度を有する材料を使用する傾向があり、これまで使用してきたＡＢＳやＰＬＡに加えて、エンジニアリングプラスチックである、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンが、また、スーパーエンジニアリングプラスチックである、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド樹脂が、使用されることがある。

このような高い強度を有する造形材料を吐出するためには、造形ヘッド１０での加熱温度を高くする必要があり、このような高温で排出される造形材料に対しても耐えられる耐熱性が、凸形状を維持してアンカー効果を発揮するためにも、分散材４２ｂに求められる。したがって、上述した基材４２ａはもとより、分散材４２ｂについても、造形ヘッド１０から排出される造形材料の温度よりも高い融点又は熱分解温度を有する材料を選択することが好ましい。よって、エンジニアリングプラスチックや架橋性樹脂から構成される樹脂材料が分散材４２ｂの材料として好適に用いることができ、好ましくは、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、架橋性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂やフッ素樹脂を用いることができる。

本実施形態における分散材４２ｂの形状は、ほぼ球形であるが、球形にかぎらず、多面体形状、細長い棒形状（長鎖繊維）などであってもよい。

また、本実施形態における分散材４２ｂの体積平均粒径は、０．５［μｍ］以上１５０［μｍ］以下であるのが好ましい。分散材４２ｂの体積平均粒径が０．５［μｍ］未満である場合、変形層４２の表面に、十分なアンカー効果が得られる高低差をもつ凹凸を形成することが困難であり、場合によっては、分散材４２ｂを変形層４２の表面に偏在させることもプロセス上で困難となり得る。一方、分散材４２ｂの体積平均粒径が１５０［μｍ］を超える場合、変形層４２の表面上に形成される層状構造物にも凹凸が生じて造形精度の低下を招きやすい。また、分散材４２ｂの体積平均粒径が１５０［μｍ］を超えると、変形層４２の表面上に分散材４２ｂを露出させた構成において、分散材４２ｂが基材４２ａから離脱しやすくなり、分散材４２ｂが基材４２ａから剥離することによって最下層の層状構造物が造形プレート４０から剥離する事態が発生しやすくなる。

また、本実施形態における分散材４２ｂの粒度分布はシャープである（分散材４２ｂの寸法が一定範囲内に収まっている）のが好ましい。具体的には、粒度分布の幅が、±（体積平均粒径×１／２）以下であるのが好ましい。ただし、寸法にバラツキがあっても、所望の寸法をもつ分散材４２ｂが変形層４２の表面上の凸部を構成するように形成すればよい。

また、本実施形態における変形層４２の表面上において、分散材４２ｂによる凸部の占める割合（凸部占有面積率）は、少なくとも２０［％］以上であるのが好ましい。２０［％］未満であると、変形層４２の表面上における凹凸による表面面積の増大やアンカー効果による十分な接着性が得にくい場合がある。また、なお、接着性が高すぎることが問題になる場合もあり（例えば、造形処理後に三次元造形物を造形プレート４０から取り外す作業を行う場合、接着性が高すぎるとその作業が困難になる。）、そのような場合には、凸部占有面積率を調整し、表面面積の増大やアンカー効果による接着性をコントロールするのがよい。

なお、本実施形態においては、図８に示したように、変形層４２の表面上において分散材４２ｂが均一に分散するように構成しているが、図１１に示すように、分散材４２ｂをランダムに分散させて分散材４２ｂが偏在するような構成であってもよい。

また、本実施形態においては、図８に示したように、ほぼ同じ寸法の分散材４２ｂを用いる構成であるが、図１２に示すように、異なる寸法をもった２種類の分散材４２ｂ１，４２ｂ２を分散させてもよい。異なる寸法をもった２種類の分散材４２ｂ１，４２ｂ２を分散させることで、両分散材４２ｂ１，４２ｂ２間の含有比率を調整して凹凸状態をコントロールでき、表面面積の増大やアンカー効果による接着性をコントロールすることが可能である。また、図１３に示すように、異なる寸法をもった３種類の分散材４２ｂ１，４２ｂ２，４２ｂ３を分散させれば、接着性を更に細かくコントロールすることが可能である。

また、異なる材料からなる２種類以上の分散材を分散させてもよい。この場合、例えば。両分散材間における造形材料との分子間力の違いにより、両分散材間の含有比率を調整して接着性をコントロールすることが可能である。また、例えば、異なる造形材料に対してそれぞれ適切な材料からなる２種類以上の分散材を分散させることで、１つの造形プレート４０で、複数種類の造形材料に対応することが可能となる。また、例えば、材料の異なる分散材の種類を増やすことで、変形層４２に新たな性質や機能を追加することも可能となる。

また、異なる寸法をもった２種類以上の分散材や、異なる材料からなる２種類以上の分散材を分散させる場合、図１４や図１５に示すように、規則的に分散させるようにしてもよい。このように規則的に分散させることで、変形層４２の表面上において局所的に接着性が劣る箇所が生じ得る事態を回避しやすい。

なお、造形中の層状構造物は表面から次第に冷却されていくため、層状構造物の表面付近から変形が起こる場合が多い。したがって、例えば、層状構造物の表面付近（すなわち変形が早く、変形量が多い箇所）に対応する位置に局所的に接着性をもたせることで、接着性の低下を防ぐことができる。

また、異なる寸法をもった２種類以上の分散材や、異なる材料からなる２種類以上の分散材を分散させる場合、図１６や図１７に示すように、少なくとも１種類の分散材４２ｂ１，４２ｂ３だけを規則的に配置するようにしてもよい。このとき、図１６中符号Ａで示す領域や、図１７中符号Ｂで示す領域のように、回転対称性をもつような規則性をもって分散材４２ｂ１，４２ｂ３を配置するのがよい。この場合、高い接着性を得やすい。

また、本実施形態の造形プレート４０は、剛性基板４１と変形層４２とから構成されているが、ステージ４上に変形層４２を直接形成した構成であってもよい。

〔効果確認試験〕
次に、本実施形態における造形プレート４０を用いた効果確認試験について説明する。
本効果確認試験においては、造形プレート４０を構成する基材４２ａの材料並びに分散材４２ｂの材料及び体積平均粒径を変えた各種変形層４２をもつ造形プレート４０を用いて、所定の三次元造形物を造形した。そして、これらの変形層４２における埋没率ｈ／Ｈ［％］、造形材料多様性、接着性、造形精度（反り量）を測定、評価した。

「埋没率」は、変形層４２の表面凸部を形成する分散材４２ｂの高さＨに対する、変形層４２の表面の当該凸部とこれに隣接する凹部との高低差ｈの割合を示すものであり、上述したように、変形層４２の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察して測定した。

「造形材料多様性」は、造形材料として用いることのできる材料の幅（種類の多さ）を示すものである。本効果確認試験では、造形材料多様性を簡易的に評価するために、汎用性の高いＡＢＳと、造形ヘッド１０での加熱温度を高温にする必要のあるＰＥＥＫという２種類の造形材料を用いて三次元造形物の造形を行い、ＡＢＳ及びＰＥＥＫのいずれも造形可能な場合には「◎」と評価し、ＡＢＳのみ造形可能な場合には「○」と評価し、ＡＢＳで造形したときの造形品質が基準を満たさない場合には「△」と評価した。

「接着性」については、各種変形層４２をもつ造形プレート４０上に、直径１２．７［ｍｍ］（０．５インチ）、高さ５０.８［ｍｍ］（２インチ）の円柱形状の三次元造形物をＩｎｆｉｌｌＲａｔｅ１００％で造形し、造形完了直後３０秒以内に、その三次元造形物の頂部をデジタルフォースゲージで押し倒した時に掛かった力を算出した。この算出した力が１０［Ｎ］以上であれば「◎」と評価し、５［Ｎ］より大きく１０［Ｎ］より小さければ「○」と評価し、５［Ｎ］以下であれば「△」とした。

「造形精度」については、各種変形層４２をもつ造形プレート４０上に、幅２０［ｍｍ］、長さ１６０［ｍｍ］、厚みが３［ｍｍ］の直方体形状の三次元造形物を造形し、造形完了後室温に戻るまで放置した後、造形プレート４０を剥がした後の当該三次元造形物を定盤上に置き、当該三次元造形物のカール量を隙間ゲージにより測定した。この測定した隙間が５［ｍｍ］以下であれば「◎」と評価し、５［ｍｍ］より大きく１５［ｍｍ］より小さければ「○」と評価し、１５［ｍｍ］以上であれば「△」とした。

以下、本効果確認試験で作成した各種造形プレート４０について説明する。
〔実施例１〕
実施例１の造形プレートＡは、基材４２ａとして耐熱性かつ高強度のポリイミド樹脂を用い、その基材４２ａの表面にエポキシ樹脂微粒子からなる分散材４２ｂを分散させて、表面を凹凸面にした非変形層を剛性基板４１上に形成したものである。使用したポリイミド樹脂には、ポリイミド樹脂前駆体を主成分とするポリイミドワニス（Ｕ−ワニスＡ；宇部興産社製）を用いた。また、エポキシ樹脂微粒子には、トレパール（東レ社製：平均粒子径２０［μｍ］）を用いた。作成された造形プレートＡにおける非変形層の埋没率ｈ／Ｈは、７７［％］であった。

このようにして作成した造形プレートＡ上に、造形材料としてＡＢＳを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性、接着性、造形精度のいずれも「○」という合格基準を満たす評価が得られた。

〔比較例１〕
比較例１の造形プレートＢは、分散材４２ｂを分散させず、基材４２ａのみで非変形層を形成した以外は、前記実施例１と同様である。
このようにして作成した造形プレートＢ上に、前記実施例１と同様、造形材料としてＡＢＳを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性、接着性、造形精度のいずれも「△」という評価となり、いずれも合格基準を満たす評価が得られなかった。

前記実施例１と前記比較例１とを比較すると、前記実施例１は分散材４２ｂにより非変形層の表面に凹凸を形成したことにより、三次元造形物との接触面積の増大やアンカー効果によって、造形プレートの非変形層と三次元造形物との接着性が高まったことで、接着性や造形精度が向上したことが確認された。

〔比較例２〕
比較例２の造形プレートＣは、分散材４２ｂとして、体積平均粒径が０．４［μｍ］であるトレパール（東レ社製：平均粒子径０．４［μｍ］）を用いた以外は、前記実施例１と同様である。作成された造形プレートＣにおける非変形層の埋没率ｈ／Ｈは、前記実施例１とほぼ同様の７６［％］であった。
このようにして作成した造形プレートＣ上に、前記実施例１と同様、造形材料としてＡＢＳを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性、接着性、造形精度のいずれも「△」という評価となり、いずれも合格基準を満たす評価が得られなかった。

前記実施例１と前記比較例２とを比較すると、分散材４２ｂの粒径が小さすぎると、分散材４２ｂによる非変形層の表面凹凸によって十分な接着性が得られず、合格基準を満たす接着性や造形精度が得られない場合があることが確認された。本発明者による種々の実験結果を総合的に勘案すると、合格基準を満たす接着性や造形精度が得るには、分散材４２ｂの体積平均粒径が０．５［μｍ］以上であることが望ましい。

〔実施例２〕
実施例２の造形プレートＤは、基材４２ａとして弾性材料であるシリコーンゴムを用いた以外は、前記実施例１と同様である。すなわち、実施例２の造形プレートＤは、上述した実施形態の造形プレート４０と同様、分散材により表面を凹凸面にした変形層４２をもった造形プレートである。なお、作成された造形プレートＤにおける変形層４２の埋没率ｈ／Ｈは、前記実施例１とほぼ同様の７５［％］であった。
このようにして作成した造形プレートＤ上に、造形材料としてＡＢＳを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性及び接着性については「○」という評価が得られ、造形精度については「◎」という評価が得られた。

前記実施例１と前記実施例２とを比較すると、前記実施例１では、三次元造形物と造形プレートの非変形層との間で局所的（周辺部）に僅かな剥がれが生じ得る。この場合、造形プレートの非変形層との接着による三次元造形物の拘束が当該局所（周辺部）において開放されて、三次元造形物の内部応力により三次元造形物に僅かな反りが発生し得る。これに対し、前記実施例２では、三次元造形物が接着される造形プレートの変形層４２が弾性材料で形成されているため、三次元造形物の変形に追従して変形層４２が変形して当該局所での剥離が生じない。しかも、三次元造形物の変形に追従して弾性変形した変形層４２の復元力が、三次元造形物の変形に抗する変形抵抗力として継続的に作用する結果、三次元造形物の変形が抑制され、高い造形精度が得られた。

〔比較例３〕
比較例３の造形プレートＥは、分散材４２ｂを分散させず、基材４２ａのみで変形層４２を形成した以外は、前記実施例２と同様である。
このようにして作成した造形プレートＥ上に、前記実施例２と同様、造形材料としてＡＢＳを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性、接着性、造形精度のいずれも「△」という評価となり、いずれも合格基準を満たす評価が得られなかった。

前記実施例２と前記比較例３とを比較すると、いずれも、三次元造形物が接着される造形プレートの変形層４２が三次元造形物の変形に追従して変形するが、前記比較例３では、接着性が不十分なために、三次元造形物と造形プレートの変形層との間で局所的（周辺部）な剥がれが生じてしまい、接着性も造形精度も「△」という評価となった。これに対し、前記実施例２は、分散材４２ｂにより変形層の表面に凹凸を形成したことにより、三次元造形物との接触面積の増大やアンカー効果によって、造形プレートの変形層と三次元造形物との接着性が高まり、これにより三次元造形物と造形プレートの変形層との間で局所的（周辺部）な剥がれが生じず、接着性や造形精度が向上した。

〔比較例４〕
比較例４の造形プレートＦは、埋没率ｈ／Ｈが３１［％］である以外は、前記実施例２と同様である。
このようにして作成した造形プレートＦ上に、前記実施例２と同様、造形材料としてＡＢＳを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性、接着性、造形精度のいずれも「△」という評価となり、いずれも合格基準を満たす評価が得られなかった。

前記実施例２と前記比較例４とを比較すると、前記比較例４では、分散材４２ｂの埋没率ｈ／Ｈが低すぎた結果、分散材４２ｂとこれを保持する基材４２ａとの接触面積が少なすぎて、分散材４２ｂが基材４２ａから剥離しやすい。そのため、三次元造形物と分散材４２ｂとの間の接着力が分散材４２ｂと基材４２ａとの間の接着力を上回って、分散材４２ｂが三次元造形物に接着したまま基材４２ａから剥離してしまう現象が生じた。その結果、三次元造形物と造形プレートの変形層との間で剥がれが生じ、接着性も造形精度も「△」という評価となった。これに対し、前記実施例２は、分散材４２ｂと基材４２ａとの接触面積を十分に確保できている結果、分散材４２ｂと基材４２ａとの間の接着力が十分高く、分散材４２ｂが三次元造形物に接着したまま基材４２ａから剥離してしまう現象は生じず、接着性や造形精度が向上した。

〔実施例３〕
実施例３の造形プレートＧは、分散材４２ｂとしてポリイミド樹脂よりも耐熱性の高いシリコーン樹脂を用いた以外は、前記実施例１と同様である。シリコーン樹脂としては、トスパール１２０（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ製：体積平均粒径２．０［μｍ］）を使用した。なお、作成された造形プレートＧにおける非変形層の埋没率ｈ／Ｈは、前記実施例１とほぼ同様の７６［％］であった。
このようにして作成した造形プレートＧ上に、造形材料として、エンジニアリングプラスチックであるＰＥＥＫを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、造形材料多様性については「◎」という評価が得られ、接着性及び造形精度については「○」という評価が得られた。

前記実施例１と前記実施例３とを比較すると、前記実施例１では、分散材４２ｂとして耐熱温度（融点）が３１０［℃］であるエポキシ樹脂を用いているため、造形ヘッド１０での加熱温度が３６０［℃］であるＰＥＥＫを造形材料として用いると、分散材４２ｂが軟化あるいは溶融して、分散材４２ｂによる機能や性質が発揮されず、接着性や造形精度の低下が見られた。これに対し、前記実施例３では、分散材４２ｂとして、耐熱温度の高いシリコーン樹脂を用いているため、ＰＥＥＫを造形材料として用いる場合でも、分散材４２ｂが軟化、溶融せず、分散材４２ｂによる機能や性質が維持でき、接着性や造形精度が確保された。その結果、造形材料として用いることのできる材料の幅が広がり、造形材料多様性の評価は高まった。

〔実施例４〕
実施例４の造形プレートＨは、基材４２ａとして弾性材料であるシリコーンゴムを用いた以外は、前記実施例３と同様である。すなわち、実施例４の造形プレートＨは、上述した実施形態の造形プレート４０と同様、分散材により表面を凹凸面にした変形層４２をもった造形プレートである。なお、作成された造形プレートＨにおける変形層４２の埋没率ｈ／Ｈは、前記実施例３とほぼ同様の７８［％］であった。
このようにして作成した造形プレートＨ上に、造形材料としてＰＥＥＫを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性、接着性、造形精度のいずれについても「◎」という評価が得られた。

前記実施例３と前記実施例４とを比較すると、前記実施例３では、三次元造形物と造形プレートの非変形層との間で局所的（周辺部）に僅かな剥がれが生じ得る。この場合、造形プレートの非変形層との接着による三次元造形物の拘束が当該局所（周辺部）において開放されて、三次元造形物の内部応力により三次元造形物に僅かな反りが発生し得る。これに対し、前記実施例４では、三次元造形物が接着される造形プレートの変形層４２が弾性材料で形成されているため、三次元造形物の変形に追従して変形層４２が変形して当該局所での剥離が生じない。しかも、三次元造形物の変形に追従して弾性変形した変形層４２の復元力が、三次元造形物の変形に抗する変形抵抗力として継続的に作用する結果、三次元造形物の変形が抑制され、高い造形精度が得られた。

〔比較例５〕
比較例５の造形プレートＩは、埋没率ｈ／Ｈが３９［％］である以外は、前記実施例４と同様である。
このようにして作成した造形プレートＩ上に、前記実施例４と同様、造形材料としてＰＥＥＫを用いて三次元造形物を造形し、樹脂多様性、接着性及び造形精度の評価を行ったところ、樹脂多様性については「◎」という評価が得られたが、接着性、造形精度については「△」という評価となり、いずれも合格基準を満たす評価が得られなかった。

前記実施例４と前記比較例５とを比較すると、前記比較例５では、分散材４２ｂの埋没率ｈ／Ｈが低すぎた結果、分散材４２ｂとこれを保持する基材４２ａとの接触面積が少なすぎて、分散材４２ｂが基材４２ａから剥離しやすい。そのため、三次元造形物と分散材４２ｂとの間の接着力が分散材４２ｂと基材４２ａとの間の接着力を上回って、分散材４２ｂが三次元造形物に接着したまま基材４２ａから剥離してしまう現象が生じた。その結果、三次元造形物と造形プレートの変形層との間で剥がれが生じ、接着性も造形精度も「△」という評価となった。これに対し、前記実施例４は、分散材４２ｂと基材４２ａとの接触面積を十分に確保できている結果、分散材４２ｂと基材４２ａとの間の接着力が十分高く、分散材４２ｂが三次元造形物に接着したまま基材４２ａから剥離してしまう現象は生じず、接着性や造形精度が向上した。

以上の効果確認試験の条件や結果をまとめると、以下の表１のとおりとなる。

本実施形態の造形プレート４０は、剛性基板４１と変形層４２の二層構造となっているが、最下層の層状構造物の変形に追従した変形層４２の変形を不可能にするような層でなければ、その他の必要な層を付加してもよい。

また、本実施形態では、造形処理後に三次元造形物と一緒にチャンバー３から取り出される造形プレート４０をステージ４上に保持し、その造形プレート４０上に三次元造形物を造形する構成について説明したが、造形プレート４０を用いずに三次元造形物をステージ４上に直接造形するものであってもよい。この場合、造形プレート４０の変形層４２と同様の変形層をステージ４の表面部に設けることで、同様に、ステージ４の変形層上に形成された層状構造物が熱収縮を引き起こして変形しても、その変形に追従してステージ４の変形層も変形する。これにより、造形処理の途中で形成済みの層状構造物の位置が許容範囲を超えて造形プレート４０上で動いてしまうようなことはなく、造形処理を適切に実施できる。また、この場合も、ステージ４上の変形層の変形時に発生する変形に抗する変形抵抗力が最下層の層状構造物の変形を抑制する力となり、造形精度の低下を抑制できる。

また、本実施形態においては、ポリイミド樹脂やシリコーンゴムなどの樹脂やゴム等からなる基材４２ａに対しては、接触面積の増大やアンカー効果を得るための粗面化処理が困難であり、三次元造形物の変形へ追従可能な柔軟性と、接触面積の増大やアンカー効果による接着性とを、単一の材料によって実現することが難しいことに鑑み、柔軟性を得るための材料からなる基材４２ａに、接触面積の増大やアンカー効果による接着性を得るための凹凸形成用の分散材４２ｂを分散させ、それぞれ異なる材料を採用することにより柔軟性と接着性の両立を図ったものである。この考え方は、柔軟性と接着性の両立に限られず、三次元造形装置の造形プレート４０に求められる両立困難な２以上の機能や性質を得ようとする場合に応用できる。すなわち、三次元造形装置の造形プレート４０に求められる両立困難な２以上の機能や性質の実現を、それぞれ別個に実現可能な２種類以上の材料で担うべく、造形プレートの載置面を形成する載置面層を２種類以上の異なる材料で形成すれば、単一の材料では両立しにくい２つ以上の性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた造形プレートを容易に実現でき、三次元造形装置における種々の問題を解決し得る。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
造形プレート４０等の載置部材の載置面上に載せたＡＢＳやＰＥＥＫ等の造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置１において、前記載置部材は、前記載置面を形成する変形層４２等の載置面層が２種類以上の異なる材料で形成されたものであることを特徴とする。
これによれば、三次元造形装置の載置部材の載置面層に求められる各種機能や性質のうち、柔軟性と接着性などのように、両立しにくい機能や性質について、それぞれ別個に材料によって実現することが可能となる。これにより、両立しにくい性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた載置部材を容易に実現でき、三次元造形装置における種々の問題を解決し得る。
特に、三次元造形物の造形終了後には、載置部材を三次元造形物から引き剥がす（剥離させる）必要があり、造形中に求められていた密着性とは相反する性質である剥離性が求められる場合がある。上述した実施形態のように、基材４２ａ及び分散剤４２ｂの三次元造形物に対する密着力を調整することで、三次元造形物と載置部材との間にはたらく密着力を面ではなく点の集合とすることもでき、造形終了後の剥離性も高めることができる。

（態様Ｂ）
前記態様Ａにおいて、前記載置面層は、少なくとも１種類の分散材４２ｂが該分散材とは材料の異なる基材４２ａに分散配置されたものであることを特徴とする。
載置部材の載置面層全体にわたって、単一の材料では両立しにくい２つ以上の性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた載置部材を容易に実現できる。なお、ここでいう「分散配置」は、図１１〜図１３に示すようなランダムに分散した配置でもよいし、図１４〜図１７に示すように少なくとも一部の配置が規則性をもって分散した配置でもよい。

（態様Ｃ）
前記態様Ｂにおいて、前記載置面は、前記分散材によって複数の凸部が形成された凹凸面であることを特徴とする。
これによれば、載置面とこの上に造形される三次元造形物との接着性を、載置面の凹凸による接触面積の増大やアンカー効果によって向上させることができる。よって、基材４２ａの材料では載置面を凹凸面とすることが困難で接着性向上が難しい場合であっても、分散材によって載置面を凹凸面にして接着性向上を図ることができる。

（態様Ｄ）
前記態様Ｃにおいて、前記載置面上における凸部と凹部との高低差ｈは、該凸部を形成する分散材の高さＨの５０％未満であることを特徴とする。
これによれば、分散材４２ｂが三次元造形物側に接着したまま基材４２ａから剥離してしまって三次元造形物の載置面に対する接着性が低下する事態を抑制できる。

（態様Ｅ）
前記態様Ｃ又はＤにおいて、前記凸部を形成する分散材の体積平均粒径は、０．５［μｍ］以上であることを特徴とする。
これによれば、十分な高低差をもった凹凸を載置面上に形成しやすく、安定した接着性を実現しやすい。

（態様Ｆ）
前記態様Ｂ〜Ｅのいずれかの態様において、前記分散材のうちの少なくとも一部は、前記載置面上に露出していることを特徴とする。
これによれば、分散材と造形材料とが直接接触することにより発揮される機能や性質を実現できる。例えば、分散材と造形材料との分子間力が基材と造形材料との分子間力によりも高い場合には、接着性を大きくでき、逆の場合には、過剰な接着性を低下させることができる。

（態様Ｇ）
前記態様Ｂ〜Ｆのいずれかの態様において、前記基材４２ａは、前記載置面上に載せた造形材料の変形に追従して変形可能な材料で形成されていることを特徴とする。
これによれば、三次元造形物が熱膨張や熱収縮を引き起こしても、その三次元造形物が固着している載置部材の載置面層（変形層４２）が、熱膨張や熱収縮による三次元造形物の変形に追従して変形する。したがって、三次元造形物が熱膨張や熱収縮を引き起こして変形しても、三次元造形物と載置部材の載置面との間に発生する剥離力を小さく抑えることができ、三次元造形物が載置部材から剥離するのを抑制できる。

（態様Ｈ）
前記態様Ｇにおいて、前記変形可能な材料は、前記変形に対する復元力を発揮する弾性材料であることを特徴とする。
これによれば、変形の復元力が三次元造形物の変形に抗する変形抵抗力として継続的に作用するため、三次元造形物の変形を抑制する高い効果が得られる。これにより、より高い造形精度の三次元造形物を造形することが可能となる。

（態様Ｉ）
前記態様Ａ〜Ｈのいずれかの態様において、加熱されたＡＢＳやＰＥＥＫ等の造形材料を排出する造形ヘッド１０等の造形材料排出部と、前記載置部材が配置される処理空間を内部に備えたチャンバー３と、前記チャンバー内の処理空間を加熱するチャンバー用ヒータ７等の処理空間加熱手段と、前記載置部材と前記造形材料排出部とを相対移動させながら層状構造物を形成して積層する動作を制御する制御部１００等の造形制御手段とを有することを特徴とする。
これによれば、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置において求められる２つ以上の性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた載置部材を容易に実現でき、当該三次元造形装置における種々の問題を解決し得る。

（態様Ｊ）
前記態様Ｉにおいて、前記載置面層を形成する材料は、前記造形材料排出部から排出される造形材料の温度よりも高い融点又は熱分解温度を有するものであることを特徴とする。
これによれば、載置面層を形成する各種材料が固形状態を維持でき、本来の機能や性質を安定して発揮できる。

（態様Ｋ）
造形プレート４０等の載置部材の載置面上に載せたＡＢＳやＰＥＥＫ等の造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置の載置部材であって、前記載置面を形成する載置面層が２種類以上の異なる材料で形成されていることを特徴とする。
これによれば、三次元造形装置の載置部材の載置面層に求められる各種機能や性質のうち、柔軟性と接着性などのように、単一の材料では両立しにくい２以上の機能や性質について、それぞれ別個に材料によって実現することが可能となる。これにより、単一の材料では両立しにくい２つ以上の性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた載置部材を容易に実現でき、三次元造形装置における種々の問題を解決し得る。

（態様Ｌ）
造形プレート４０等の載置部材の載置面上に載せたＡＢＳやＰＥＥＫ等の造形材料によって三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法において、前記載置部材として、前記載置面を形成する載置面層が２種類以上の異なる材料で形成された載置部材を用いることを特徴とする。
これによれば、三次元造形装置の載置部材の載置面層に求められる各種機能や性質のうち、柔軟性と接着性などのように、単一の材料では両立しにくい２以上の機能や性質について、それぞれ別個に材料によって実現することが可能となる。これにより、単一の材料では両立しにくい２つ以上の性質や機能を併せ持つ載置面層を備えた載置部材を容易に実現でき、より良好に三次元造形物を製造することができる。

１ 三次元造形装置
３ チャンバー
４ ステージ
５ ステージ加熱部
７ チャンバー用ヒータ
１０ 造形ヘッド
１１ 射出ノズル
４０ 造形プレート
４１ 剛性基板
４２ 変形層
４２ａ 基材
４２ｂ 分散材
５０ フィラメント
１００ 制御部

特許第５６１１４３３号公報 特許第５１８９９５３号公報

Claims (10)

1. 載置部材の載置面上に載せた造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置において、
   前記載置部材は、前記載置面を形成する載置面層が、体積平均粒径が１５０［μｍ］以下である粒子を、該粒子とは異なる材料の基材中に分散させたものであり、
   前記載置面は、前記粒子によって複数の凸部が形成された凹凸面であることを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記載置面上における凸部と凹部との高低差は、該凸部を形成する粒子の体積平均粒径の５０％未満であることを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
   前記凸部を形成する分散材の体積平均粒径は、０．５［μｍ］以上であることを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記粒子のうちの少なくとも一部は、前記載置面上に露出していることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記基材は、前記載置面上に載せた造形材料の変形に追従して変形可能な材料で形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項５に記載の三次元造形装置において、
   前記変形可能な材料は、前記変形に対する復元力を発揮する弾性材料であることを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   加熱された造形材料を排出する造形材料排出部と、
   前記載置部材が配置される処理空間を内部に備えたチャンバーと、
   前記チャンバー内の処理空間を加熱する処理空間加熱手段と、
   前記載置部材と前記造形材料排出部とを相対移動させながら層状構造物を形成して積層する動作を制御する造形制御手段とを有することを特徴とする三次元造形装置。
8. 請求項７に記載の三次元造形装置において、
   前記載置面層を形成する材料は、前記造形材料排出部から排出される造形材料の温度よりも高い融点又は熱分解温度を有するものであることを特徴とする三次元造形装置。
9. 載置部材の載置面上に載せた造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置の載置部材であって、
   前記載置面を形成する載置面層が、体積平均粒径が１５０［μｍ］以下である粒子を、該粒子とは異なる材料の基材中に分散させたものであり、
   前記載置面は、前記粒子によって複数の凸部が形成された凹凸面であることを特徴とする載置部材。
10. 載置部材の載置面上に載せた造形材料によって三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法において、
    前記載置部材として、前記載置面を形成する載置面層が、体積平均粒径が１５０［μｍ］以下である粒子を、該粒子とは異なる材料の基材中に分散させたものであり、かつ、前記載置面が、前記粒子によって複数の凸部が形成された凹凸面である載置部材を用いることを特徴とする三次元造形物の製造方法。

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