JP6888259B2

JP6888259B2 - 積層造形構造体、積層造形方法および積層造形装置

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Application number: JP2016182515A
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Inventors: 明大内; 三奈清水
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Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2021-06-16
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Description

本発明は、層を積層して３次元構造体を造形する積層造形技術に関する。

３次元ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層毎に層の上に層を積むように材料を付加しながら層間を付着させて、３次元構造体を数値表現から製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと定義されている。１９８０年代に発明されたこの製造方法は、一般的には３Ｄプリンタ（スリーディープリンタ）と呼ばれる。３Ｄプリンタは、３次元ＣＡＤデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。

３Ｄプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を同一の層内に自由に配置させた造形を可能とすることも期待されている。複数の材料を用いた造形により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した造形物が実現できるからである。

３Ｄプリンタによる積層造形物では、層間の接合強度を高める必要がある。十分な接合強度が得られないと、積層造形物の機械的強度が低下して品質の低下をもたらすことになるためである。

特許文献１には、ビームに反応して硬化する流動性媒体から積層造形物を形成する方法および装置において、応力による歪みやカールの影響を低減する技術が開示されている。特許文献１によれば、積層造形物の連続する複数の層のうちの１つの層の形成に際し、当該１つの層に対応する断面形状内の一部を直下の層へ接着するように硬化し、残りの部分を未硬化の状態またはより弱いレベルで硬化された状態に残す。その後、より後に形成される層の形成に際し、上記の未硬化の状態またはより弱いレベルで硬化された状態の部分を、その上方部分と共に、直下の層へ接着するように硬化する。各層内が部分ごとに硬化することで、各層内の応力が緩和されながら積層されるため、カールを低減することができる。また、応力緩和により応力による層間剥離を抑制することができる。

特許文献２には、吊り上げ積層造形方式による積層造形物の光造形方法において、造形物保持板に最初に形成された第１層の光硬化樹脂層の保持板からの脱落を防止し、かつ、第１層と第２層との層間剥離を抑制する技術が開示されている。特許文献２によれば、第１層の光硬化樹脂層を形成する際の光照射パターンとして、照射領域の一部に光量が他の領域よりも低く制限された光照射制限領域を形成する。これにより、第１層には硬化領域と半硬化領域とが形成され、硬化領域で保持板との密着性を高め、半硬化領域で第２層との光重合が促進されて第２層との密着性を高めることができる。

特開２００４−２５８４３号公報特開２００９−３４９３８号公報

しかしながら、特許文献１と特許文献２に開示された技術は、以下の課題を有している。特許文献１は、応力による層間剥離を抑制することができる一方で、層間の接合を強化する方法は開示されていない。また、同一層内で最初に硬化する部分と後から硬化する部分とが混在することで、造形物表面の平坦性が損なわれている。また、特許文献２の技術では、第２層以降に積層される層の層間の接合を強化することはできない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、表面の平坦性の劣化を抑制しつつ層間の接合を強化することのできる積層造形構造体を提供することにある。

本発明の積層造形構造体は、層が積層され、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部を有して、前記層の各々が硬化している積層部と、前記貫通部内の側面に接着し前記積層の方向に一体化して硬化している充填部と、を有する。

本発明の積層造形方法は、第１の材料を有する層を積層し、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部となる領域を除いて、前記層の各々を積層するごとに硬化し、第２の材料を、前記貫通部内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する。

本発明の積層造形装置は、積層造形構造体を造形する造形ステージと、前記造形ステージ上に第１と第２の材料を供給する材料供給部と、前記造形ステージ上に積層された前記第１の材料の層の各々を、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部となる領域を除いて、積層するごとに硬化し、さらに、第２の材料を前記貫通部内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する、硬化部と、を有する。

本発明によれば、表面の平坦性の劣化を抑制しつつ層間の接合を強化することのできる積層造形構造体を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の積層造形装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の構造を示す平面図である。本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の構成を説明するための断面図である。本発明の第２の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法のフローチャートを示す図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の構造の変形例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の構造の変形例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の構造の変形例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法の変形例を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法の変形例を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法の変形例を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の積層造形方法の変形例を説明するための図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。本実施形態の積層造形構造体１は、層が積層され、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部１２を有して、前記層の各々が硬化している積層部１１を有する。さらに、前記貫通部１２内の側面に接着し前記積層の方向に一体化して硬化している充填部１３を有する。

本実施形態の積層造形方法は、第１の材料を有する層を積層する。さらに、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部１２となる領域を除いて、前記層の各々を積層するごとに硬化する。さらに、第２の材料を前記貫通部１２内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する。

図２は、本実施形態の積層造形装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の積層造形装置１０は、造形ステージ１０１と材料供給部１０２と硬化部１０３とを有する。造形ステージ１０１は、積層造形構造体を造形するステージである。材料供給部１０２は、前記造形ステージ１０１上に第１と第２の材料を供給する。硬化部１０３は、前記造形ステージ１０１上に積層された前記第１の材料の層の各々を、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部１２となる領域を除いて、積層するごとに硬化する。さらに、硬化部１０３は、第２の材料を前記貫通部１２内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する。

本実施形態の積層造形構造体１、積層造形方法および積層造形装置１０によれば、積層方向に一体化して硬化している充填部１３が、貫通部１２内の側面で各層に接着することで各層を固定している。これにより、層間剥離を防止することができ、層間の接合を実効的に強化することができる。さらに、充填部１３は、平面方向に互いに所定間隔以上を有して存在するため、積層造形構造体１の表面への出現が抑制され、また、充填部１３が硬化する際の積層部１１の表面への影響が抑制される。これにより、表面の平坦性の劣化を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、表面の平坦性の劣化を抑制しつつ層間の接合を強化することのできる積層造形構造体を提供することができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の積層造形構造体２の構造を示す断面図である。また、図４は、本実施形態の積層造形構造体２の構造を示す平面図である。図３の断面図は図４のＢ−Ｂ’断面を、図４の平面図は図３のＡ−Ａ’平面を、各々示す。

積層造形構造体２は、積層部２１と、積層部２１を貫通する貫通部２２に充填されている充填部２３とを有する。積層部２１は、第１の材料を有する層が積層され、各層が、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し平面方向に互いに所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部２２を除いて、層が積層されるごとに硬化している。充填部２３は、積層部２１が形成される際に、積層部２１の貫通部２２に存在する未硬化の第１の材料が、積層部２１が形成された後に、貫通部２２内の側面に接着し積層方向に一体化して硬化している。

第１の材料は、熱可塑性樹脂もしくは光硬化樹脂とすることができる。

第１の材料が熱可塑性樹脂の場合、積層部２１は、層を積層する度に、レーザ光や電子線を所定の位置に照射して、所定の位置の第１の材料を溶融硬化することにより形成される。このとき、レーザ光や電子線の照射によって材料に与えられるエネルギーは、溶融硬化しようとする層の下層が再溶融することで平坦性を損なうなどの影響がないように、もしくは影響を無視できる程度に、制御することができる。この制御は、例えば、層の溶融硬化の予備実験を行うことにより、予め、照射出力や照射時間や照射の走査速度などの照射条件を設定しておくことによって可能である。

また、充填部２３は、貫通部２２に存在する未硬化の第１の材料を、積層方向で一括してレーザ光や電子線を照射して溶融硬化する。充填部２３を溶融硬化する際のレーザ光や電子線の照射は、積層部２１を照射する場合よりも材料が厚いため、高出力で低走査速度とすることが好ましい。ただし、この場合は、照射による熱の影響が層の平面方向に広がりすぎないために、充填部２３がその厚さ方向に溶融硬化するのに必要最低限のエネルギーが与えられるよう、予め、照射条件を設定しておくことができる。

先に溶融硬化した第１の材料の部分（積層部２１）は、これに接しその後に溶融硬化した部分（充填部２３）とは構造的に区別されるが、両者は互いに接する面で接着することができる。また、両者の界面には、先に溶融硬化したときの熱の影響と、後に溶融硬化したときの熱の影響との両方を受ける部分が生じ、この部分が両者の接着を促進する効果を有する。

第１の材料が光硬化樹脂の場合、積層部２１は、層を積層する度に、紫外線などを所定の位置に照射して、所定の位置の第１の材料を硬化する。この場合も、熱可塑性樹脂と同様に、硬化しようとする層が硬化するのに必要最低限のエネルギーが与えられるよう、予め、紫外線の照射条件を設定しておくことができる。

また、充填部２３は、貫通部２２に存在する未硬化の第１の材料を、積層方向で一括して紫外線などを照射して硬化する。充填部２３を硬化する際の紫外線などの照射は、積層部２１を照射する場合よりも材料が厚いため、高出力で低走査速度もしくは長時間とすることが好ましい。この場合も、硬化しようとする充填部２３が硬化するのに必要最低限のエネルギーが与えられるよう、予め、紫外線の照射条件を設定しておくことができる。

先に硬化した第１の材料の部分（積層部２１）は、これに接しその後に硬化した部分（充填部２３）とは構造的に区別されるが、両者は互いに接する面で接着することができる。また、両者の界面には、先に硬化したときの光の影響と、後に硬化したときの光の影響との両方を受ける部分が生じ、この部分が両者の接着を促進する効果を有する。

図５は、本実施形態の積層造形構造体２の構成を説明するための断面図である。充填部２３は、積層部２１の内にあって、互いに所定間隔以上を有して存在している。

第１の材料が熱可塑性樹脂の場合、所定間隔は、充填部２３が跨る積層部２１の厚さＨ（すなわち充填部２３の積層方向の長さ）の２倍の間隔とすることができる。すなわち、充填部２３の間隔Ｌは、Ｌ≧２Ｈとすることができる。図５の破線で示す半径Ｈの半円周の内側の領域は、充填部２３を一括して溶融硬化する際に熱の影響を受ける領域であり、積層部２１と充填部２３を接着させる効果を有する。一方で、この領域は、より多くの熱の影響を受けたことにより表面の平坦性が損なわれ易い領域でもある。

熱可塑性樹脂は、加熱することで軟化し成形できるようになり、冷却すると固化する特性を有する。よって、軟化した際には、応力や振動などの様々な外部からの要因により、形状の変化が生じやすくなる。これにより、表面の平坦性の劣化がもたらされることとなる。

特に、Ｌ＜２Ｈとした場合は、隣り合う２箇所の充填部２３双方からの熱の影響を受ける領域が生じることから、平坦性がさらに損なわれ易くなる。すなわち、この領域が積層部２１に生じないようにすること、すなわち、Ｌ≧２Ｈとすることは、平坦性の劣化を抑制する上で有効である。また、Ｌ≧２Ｈとすることで、積層部２１とは異なる熱工程で形成された充填部２３が表面に出現する密度が抑制されることも、平坦性の劣化を抑制する上で有効である。

Ｌ≧２Ｈとすることによって、充填部２３をその厚さ方向に渡って溶融硬化し、かつ、平坦性の劣化を抑制することのできる、レーザ光や電子線の照射条件の設定が可能となる。すなわち、前述したように、充填部２３の照射条件は充填部２３をその厚さ分だけ硬化するよう予め設定される。この設定としたときに、Ｌ≧２Ｈであることによって、隣り合う２箇所の充填部２３双方からの熱の影響を受けて平坦性が著しく劣化する領域が生じなくなる。

第１の材料が光硬化樹脂の場合、所定間隔は、第１の材料が熱可塑性樹脂の場合に比べて狭くすることができる。これは、熱は層内をほぼ同心円状に伝わるのに対して、光は層内を散乱しながらもほぼ直進するためである。よって、所定間隔を、図５の破線で示すように、充填部２３を硬化する際の紫外線などの光が散乱する範囲δの２倍とすることができる。すなわち、充填部２３の間隔Ｌは、Ｌ≧２δとすることができる。充填部２３の間隔ＬをＬ＜２δとした場合は、前述の熱可塑性樹脂の場合と同様に、平坦性が損なわれ易くなる。

すなわち、光硬化樹脂の場合、硬化する過程で体積収縮を伴う。よって、硬化反応を生じる程度の光を受ける度に体積収縮が生じ、光を受けていない部分との体積に差が生じる。この体積の差が表面の平坦性の劣化をもたらす。図５のように、光の散乱は下層ほど広がるため、体積収縮する領域は下層ほど広くなる。この下層での体積収縮が上層に反映することによって、表面の平坦性が損なわれることになる。

なお、δは積層の厚さとともに材料にも依存する量であり、フォトレジストのように透明性の高い材料では小さくすることができる。よって、使用する材料でのδを予備実験などで予め求めておくことで、所定間隔を設定することができる。

以上のように、充填部２３の間隔を所定間隔以上、すなわち、平面方向で充填部２３の硬化の影響を受ける積層部２１の領域の最大幅以上とすることで、表面の平坦性の劣化を抑制することができる。

図６は、本実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。積層造形装置２０は、積層造形構造体を造形するステージ２０１を有する。さらに、材料供給に関する構成要素として、材料を保管する材料チャンバ２０３と材料の量を調整して供給する供給筒２０４を備えた材料供給部２０２、造形ステージ２０１上に供給された材料を層状化するスキージ２０５、材料吸引部２０６、材料充填部２０７を有する。さらに、所定の位置の材料を硬化する硬化部２０８を有する。さらに、以上の構成要素の動作を関連付けて制御する制御部２０９を有する。

造形ステージ２０１は、材料供給部２０２から供給された材料を積層し、３次元の造形物を造形する造形面を備えている。さらに、造形ステージ２０１は昇降機構を有し、材料の積層に合わせて造形面を昇降することができる。

材料供給部２０２は、材料チャンバ２０３が保存する材料を、供給筒２０４を介して造形ステージ２０１上へ供給する。供給筒２０４は、スキージ２０５が所定の厚さの層を造形ステージ２０１上に敷き詰める上で必要な量の材料を供給する。

スキージ２０５は、造形ステージ２０１上に供給された造形前の材料を、造形ステージ２０１上に均一な厚さで敷き詰める。スキージ形状としては、平スキージ、角スキージ、剣スキージ等、材料に合わせて選択することができる。スキージの材質は、ゴム、プラスチック、金属等から選択することができる。また、ローラーを用いて材料を押し付けながら敷き詰める方法を用いても良い。

材料吸引部２０６は、造形ステージ２０１上の所定の位置の未硬化の材料を吸引して除去する機能を有する。また、材料充填部２０７は、材料吸引部２０６が材料を除去した位置に、別の材料を充填する機能を有する。材料吸引部２０６と材料充填部２０７は、本実施形態の積層造形構造体２を造形する上では使用されないが、後述する本実施形態の変形例の積層造形構造体５を造形する上で使用される。

硬化部２０８は、造形ステージ２０１上に供給された材料の所定の領域を硬化する。材料が熱可塑性樹脂の場合、硬化部２０８は、造形ステージ２０１上の材料にレーザ光や電子線を照射して、材料を溶融硬化する。

溶融硬化の方法としては、ＡＳＴＭ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している粉末床溶融結合方式（Ｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ）を用いることができる。この方式では、硬化部２０８は、レーザ照射機構または電子線照射機構を備え、造形ステージ２０１上の所定の領域を所定の時間、レーザ照射または電子線照射することにより加熱して溶融し、その後自然放冷して硬化する。レーザとしては、ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇで使用されるファイバーレーザ等を用いることができる。

硬化部２０８は、単層の溶融硬化や複数層を一括して溶融硬化するなどに対応して、照射するレーザのエネルギー量や照射時間を変えることができる。また、複数のレーザ照射機構を備えることで、造形ステージ２０１上の領域毎にレーザ照射機構を切替えることや、複数層を一括して硬化する領域については、レーザの出力を例えば２倍以上と大幅に切り替えること、なども可能である。

また、材料が光硬化樹脂の場合、硬化部２０８は、紫外線照射機構などを備え、造形ステージ２０１上の材料の所定の領域に紫外線などを照射して、材料を硬化することができる。

制御部２０９は、造形ステージ２０１や、材料供給に関する構成要素（２０２〜２０７）や、硬化部２０８に接続している。そして、制御部２０９は、材料の造形面への供給量や供給位置や供給タイミング、造形面の昇降の量、スキージの動作、硬化の際のレーザ光などのエネルギー量や位置や時間などの、造形に関わる制御を行なう。

制御部２０９は、サーバなどの情報処理装置をプログラムにより動作させて実現することができる。このプログラムによる動作は、造形物の３次元ＣＡＤデータに基づいて設定される。すなわち、制御部２０９は、３次元ＣＡＤデータに基づき、材料を所定量供給する材料供給部２０２の設定、スキージ２０５による材料の平坦化による層厚の均一化、硬化部２０８による所定の領域の材料の硬化、造形ステージ２０１の昇降、などの制御を行う。以上の工程を繰り返すことで、積層造形構造体を造形することができる。

積層造形構造体２を造形する際に、第１の材料を粉体とし、粉体の形状を球形とすることができる。球形状の材料の生成方法としてはアトマイズ法を用いることができるが、これには限定されない。例えば、粉体の粒径分布は１０μｍ〜１００μｍなどとすることができ、平均粒径としては２０μｍ〜５０μｍなどとすることができるが、これには限定されない。

また、第１の材料の粉体の形状を鱗片状の平板形状（円板形状）とすることもできる。平板形状は、アトマイズ法等で製造した球形の粉体を、さらにスタンピング等の方法で鱗片状に平板化することで得られるが、これには限定されない。

第１の材料としては、例えば、プラスチック材料であれば、ナイロン、ポリ乳酸、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン等とすることができる。これらの材料にガラスやカーボン等を所定量添加していても良い。また、金属材料であれば、銅、ステンレス、アルミ、チタン等とすることができる。また、セラミックやカーボン等の材料であってもよい。材料は前述のような粉体とすることができる。粉体の粒径は、例えば、５μｍから５０μｍ程度の範囲とすることができるが、これには限定されない。

図７は、積層造形装置２０により積層造形構造体２を造形する積層造形方法のフローチャートを示す図である。また、図８Ａから図８Ｉは、積層造形装置２０により積層造形構造体２を造形する積層造形方法を説明するための工程ごとの図である。図７のフローチャートは、積層造形装置２０が積層造形構造体２を造形する動作状態となることによって開始となる。

ステップＳ０１では、材料供給部２０２が、造形ステージ２０１上に第１の材料を所定の量だけ供給し、スキージ２０５が、供給された材料を造形ステージ２０１上に均一の厚さで敷き詰める。図８Ａは、これに対応した図であり、第１の材料の層が形成されている。

ステップＳ０２では、硬化部２０８が、第１の材料の層を貫通部２２となる領域を除いて硬化する。図８Ｂは、これに対応した図であり、貫通部２２となる領域には未硬化の第１の材料が存在している。

例えば、硬化する材料がナイロンの場合、硬化部２０８が炭酸ガスレーザを備えている場合、１層の厚さが０.０５ｍｍ〜０．２ｍｍに時に、レーザの出力を５Ｗ〜４０Ｗ、レーザの走査速度を５００ｍｍ〜５０００ｍｍ／秒、などとすることができる。

ステップＳ０３では、制御部２０９が、所定の層数を積層したか否かを確認する。所定の層数に満たない場合（Ｓ０３のＮＯ）、ステップＳ０１を繰り返す。このとき、制御部２０９は、次の層を積層するために造形ステージ２０１を所定量、例えば１層の厚さ分、下降させて位置を設定することができる。

図８Ｃから図８Ｈは、４層を積層した場合の各工程に対応した図であり、ステップＳ０１とステップＳ０２とを繰り返すことによって、４層の積層からなる積層部２１が形成される様子を示している。

すなわち、図８Ｃでは２層目の材料の層が形成されている。図８Ｄでは２層目の材料の層が貫通部２２となる領域を除いて硬化されている。図８Ｅでは３層目の材料の層が形成されている。図８Ｆでは３層目の材料の層が貫通部２２となる領域を除いて硬化されている。図８Ｇでは４層目の材料の層が形成されている。図８Ｈでは４層目の材料の層が貫通部２２となる領域を除いて硬化されている。なお、積層数は４層には限定されず、任意の層数を設定することができる。

ステップＳ０３では、制御部２０９が、所定の層数が積層されたことを確認すると（Ｓ０３のＹＥＳ）、ステップＳ０４に移行する。

ステップＳ０４では、硬化部２０８が、積層部２１の貫通部２２となる領域に存在する未硬化の第１の材料を、一括して硬化する。この時の硬化部２０８のレーザの出力は、ステップＳ０２の時の出力よりも大きく、走査速度は、ステップＳ０２の時の走査速度よりも遅くすることによって、４層分の第１の材料を一括して硬化することができる。図８Ｉは、これに対応した図であり、積層部２１の貫通部２２には、第１の材料が硬化しかつ貫通部２２内の側面に接着している充填部２３が形成されている。

図９は、本実施形態の積層造形構造体の構造の変形例を示す断面図である。積層造形構造体３は、積層部３１と、積層部３１の貫通部３２に充填されている充填部３３とを有する。積層造形構造体３が積層造形構造体２と異なる点は、充填部３３の外径が積層の層ごとに変化している点である。これ以外は積層造形構造体２と同様である。充填部３３の側面が凹凸を有することで、充填部３３が貫通部３２から引き抜かれることを防止する効果を有する。

図１０は、本実施形態の積層造形構造体の構造の別の変形例を示す断面図である。積層造形構造体４は、積層部４１と、積層部４１の貫通部４２に充填されている充填部４３とを有する。積層造形構造体４が積層造形構造体２と異なる点は、充填部４３が跨る層が充填部４３によって変化している点である。これ以外は積層造形構造体２と同様である。充填部４３が跨る層が充填部４３によって異なることで、積層造形構造体４の表面に出現する充填部４３の密度が低減し、表面の平坦性の劣化をさらに抑制することができる。

なお、充填部４３が最表面の層に跨らないようにして、充填部４３が表面に出現しないようにすることで、表面の平坦性をさらに改善することも可能である。

図１１は、本実施形態の積層造形構造体の構造のさらに別の変形例を示す断面図である。積層造形構造体５は、積層部５１と、積層部５１の貫通部５２に充填されている充填部５３とを有する。積層造形構造体５が積層造形構造体２と異なる点は、充填部５３が積層部５１の第１の材料とは別の第２の材料を有する点である。これ以外は積層造形構造体２と同様である。

例えば、第１の材料が熱可塑性樹脂の場合、第２の材料を第１の材料よりもレーザ光などのエネルギー吸収率の高い材料とすることができる。これにより、充填部５３を溶融硬化する際に、熱の影響を受ける充填部５３の周囲の積層部５１の領域を狭くすることができる。その結果、充填部５３の密度を高めて層間の接合をさらに強化する、また、表面の平坦性の劣化をさらに抑制する、などが可能である。

例えば、第１の材料がナイロンの場合、第２の材料をナイロンにカーボンブラックを添加した材料とすることで、第１の材料よりもレーザ光のエネルギー吸収率の高い材料とすることができる。また、カーボンブラックの添加によれば、ナイロンの他の材料の場合でも吸収率を高めることができる。

また、第１の材料が光硬化樹脂の場合、第２の材料を第１の材料よりも紫外線の吸収率の高い材料とすることで、第１の材料が熱可塑性樹脂の場合と同様の効果が得られる。

以上のように、積層造形構造体５においても、充填部５３の間隔を所定間隔以上、すなわち、平面方向で充填部５３の硬化の影響を受ける積層部５１の領域の最大幅以上とすることで、表面の平坦性の劣化を抑制することができる。

図１２Ａから図１２Ｄは、本実施形態の積層造形装置２０を用いた積層造形構造体５の造形方法を説明するための工程ごとの図である。

図１２Ａは、第１の材料を有する層が積層されるごとに硬化して積層部５１が形成され、未硬化の第１の材料が残されている状態である。図１２Ａは、図８Ｈと同じ状態であり、図８Ａから図８Ｈの工程と同じ工程で形成される。

図１２Ｂは、材料吸引部２０６が、未硬化の第１の材料を吸引して、第１の材料を貫通部５２から除去した状態である。図１２Ｃは、材料充填部２０７が、第１の材料が除去された貫通部５２に第２の材料を充填した状態である。ここで、第２の材料を第１の材料よりもレーザ光などのエネルギー吸収率の高い材料とすることができる。図１２Ｄは、硬化部２０８が、貫通部５２に充填された第２の材料を硬化して充填部５３を形成した状態である。以上の図１２Ａから図１２Ｄの工程により、積層造形構造体５を造形することができる。

本実施形態の積層造形構造体、積層造形方法および積層造形装置によれば、積層方向に一体化して硬化している充填部が、貫通部内の側面で各層に接着することで各層を固定している。これにより、層間剥離を防止することができ、層間の接合を実効的に強化することができる。さらに、充填部は、平面方向に互いに所定間隔以上を有して存在するため、積層造形構造体の表面への出現が抑制され、また、充填部が硬化する際の積層部の表面への影響が抑制される。これにより、表面の平坦性の劣化を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、表面の平坦性の劣化を抑制しつつ層間の接合を強化することのできる積層造形構造体を提供することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
層が積層され、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部を有して、前記層の各々が硬化している積層部と、
前記貫通部内の側面に接着し前記積層の方向に一体化して硬化している充填部と、を有する積層造形構造体。
（付記２）
前記所定間隔は、前記平面方向で前記充填部の硬化の影響を受ける前記積層部の領域の最大幅を有する、付記１記載の積層造形構造体。
（付記３）
前記所定間隔は、前記充填部の前記積層の方向の厚さの２倍の間隔を有する、付記１記載の積層造形構造体。
（付記４）
前記充填部は、前記層と同一の材料を含む、付記１から３の内の１項記載の積層造形構造体。
（付記５）
前記充填部は、前記積層部よりも高いエネルギー吸収率を有する、付記１から３の内の１項記載の積層造形構造体。
（付記６）
前記充填部は、カーボンブラックが添加されている、付記５記載の積層造形構造体。
（付記７）
前記積層部と前記充填部とは、熱可塑性樹脂もしくは光硬化樹脂を有する、付記１から６の内の１項記載の積層造形構造体。
（付記８）
第１の材料を有する層を積層し、
上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部となる領域を除いて、前記層の各々を積層するごとに硬化し、
第２の材料を、前記貫通部内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する、積層造形方法。
（付記９）
前記所定間隔は、前記第２の材料の硬化の影響を受ける前記層の領域の最大幅を有する、付記８記載の積層造形方法。
（付記１０）
前記所定間隔は、前記積層の厚さの２倍の間隔を有する、付記８記載の積層造形方法。
（付記１１）
前記第２の材料は、前記貫通部に存在する前記第１の材料を含む、付記８から１０の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１２）
前記貫通部に存在する前記第１の材料を、前記第１の材料よりも高いエネルギー吸収率を有する前記第２の材料に入れ替える、付記８から１０の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１３）
前記第２の材料は、カーボンブラックが添加されている、付記１２記載の積層造形方法。
（付記１４）
前記第１と第２の材料は、熱可塑性樹脂もしくは光硬化樹脂を有する、付記８から１３の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１５）
積層造形構造体を造形する造形ステージと、
前記造形ステージ上に第１と第２の材料を供給する材料供給部と、
前記造形ステージ上に積層された前記第１の材料の層の各々を、上下に隣接する層と平面視で共通部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部となる領域を除いて、積層するごとに硬化し、さらに、第２の材料を前記貫通部内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する、硬化部と、を有する積層造形装置。
（付記１６）
前記所定間隔は、前記第２の材料の硬化の影響を受ける前記層の領域の最大幅を有する、付記１５記載の積層造形装置。
（付記１７）
前記所定間隔は、前記積層の厚さの２倍の間隔を有する、付記１５記載の積層造形装置。
（付記１８）
前記第２の材料は、前記貫通部に存在する前記第１の材料を含む、付記１５から１７の内の１項記載の積層造形装置。
（付記１９）
前記貫通部に存在する前記第１の材料を除去する材料吸引部と、前記第１の材料を除去した後に前記第１の材料よりも高いエネルギー吸収率を有する第２の材料を充填する材料充填部とを有する、付記１５から１７の内の１項記載の積層造形装置。
（付記２０）
前記第２の材料は、カーボンブラックが添加されている、付記１９記載の積層造形装置。
（付記２１）
前記硬化部は、前記第１と第２の材料に、レーザ光もしくは電子線もしくは紫外線を照射して硬化する、付記１５から２０の内の１項記載の積層造形装置。
（付記２２）
前記第１の材料を層状に平坦化するスキージを有する、付記１５から２１の内の１項記載の積層造形装置。
（付記２３）
前記第１と第２の材料は、熱可塑性樹脂もしくは光硬化樹脂を有する、付記１５から２２の内の１項記載の積層造形装置。

１、２、３、４、５積層造形構造体
１１、２１、３１、４１、５１積層部
１２、２２、３２、４２、５２貫通部
１３、２３、３３、４３、５３充填部
１０、２０積層造形装置
１０１、２０１造形ステージ
１０２、２０２材料供給部
１０３、２０８硬化部
２０３材料チャンバ
２０４供給筒
２０５スキージ
２０６材料吸引部
２０７材料充填部
２０９制御部

Claims

層が積層され、上下に隣接する層と平面視で重なり合う部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部を有して、前記層の各々が硬化している積層部と、
前記貫通部内の側面に接着し前記積層の方向に一体化して硬化している充填部と、を有し、
前記所定間隔は、前記平面方向で前記充填部の硬化の影響を受ける前記積層部の領域の最大幅を有する、積層造形構造体。
前記所定間隔は、前記充填部の前記積層の方向の厚さの２倍の間隔を有する、請求項１記載の積層造形構造体。
前記充填部は、前記層と同一の材料を含む、請求項１または２記載の積層造形構造体。
前記充填部は、前記積層部よりも高いエネルギー吸収率を有する、請求項１または２記載の積層造形構造体。
前記充填部は、カーボンブラックが添加されている、請求項４記載の積層造形構造体。
前記積層部と前記充填部とは、熱可塑性樹脂もしくは光硬化樹脂を有する、請求項１から５の内の１項記載の積層造形構造体。
第１の材料を有する層を積層し、
上下に隣接する層と平面視で重なり合う部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部となる領域を除いて、前記層の各々を積層するごとに硬化し、
第２の材料を、前記貫通部内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化し、
前記所定間隔は、前記平面方向で前記貫通部内の前記第２の材料の硬化の影響を受ける前記積層の領域の最大幅を有する、
積層造形方法。
積層造形構造体を造形する造形ステージと、
前記造形ステージ上に第１と第２の材料を供給する材料供給部と、
前記造形ステージ上に積層された前記第１の材料の層の各々を、上下に隣接する層と平面視で重なり合う部分を有し、平面方向に前記積層の厚さに基づいて設定される所定間隔以上を有して存在する複数の貫通部となる領域を除いて、積層するごとに硬化し、さらに、第２の材料を前記貫通部内の側面に接着させ前記積層の方向に一体化させて硬化する、硬化部と、を有し、
前記所定間隔は、前記平面方向で前記貫通部内の前記第２の材料の硬化の影響を受ける前記積層の領域の最大幅を有する、
積層造形装置。