JP6938398B2

JP6938398B2 - 立体造形方法

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Publication number: JP6938398B2
Application number: JP2018021502A
Authority: JP
Inventors: 岩出　卓; 卓岩出; 潤稲垣
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: US20210268722A1; JP2019136923A; EP3750689A4; EP3750689A1; WO2019155897A1; EP3750689B1; US11390018B2

Description

本発明は、近年その性能を著しく向上させてきているいわゆる３Ｄプリンタ、或いは、それ以前より実用化されている光造形技術を用いた造形装置など、立体造形方法および装置に関するもので、特に強化材を含有した複合材の立体造形技術に関わるものである。

いわゆる３Ｄプリンタは、３次元のＣＡＤデータをもとにコンピューターで造形物の断面形状を計算し、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形状を得る立体造形方法である。一般的には３Ｄプリンタの名称が広く用いられているが、国際的にはＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、直訳すれば付加製造技術と呼ぶことが多い。本明細書に於いては主として３Ｄプリンタの用語を用いるが、使用意図に応じて適宜表現を使い分けることとする。

付加製造技術は、造形材料の種類やその積層方法によって、以下に示すように大きく７つの方式に分類される。
（１）液槽重合法（ＶａｔＰｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）
（２）材料押出法（Ｍａｔｅｒｉａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）
（３）粉末床溶融結合法（Ｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ）
（４）結合材噴射法（ＢｉｎｄｅｒＪｅｔｔｉｎｇ）
（５）シート積層法（Ｓｈｅｅｔｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）
（６）材料噴射法（ＭａｔｅｒｉａｌＪｅｔｔｉｎｇ）
（７）指向性エネルギー堆積法（ＤｉｒｅｃｔｅｄＥｎｅｒｇｙＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
（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、３Ｄプリンタの名称が一般化する以前から、光造形法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きている。多くは紫外線硬化（重合）樹脂を用い、図２２に示すように紫外線硬化樹脂４１を槽３内に保持し、その液面に紫外線７を選択的に照射して、第１層目の硬化領域４２を形成する（図２２(a)〜(c)）。該第１層目の硬化領域41は適当なサポート部材４でサポートされる。次に該サポート部材４ごと第１層目の硬化領域４２を液中に沈める（図２２（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４２を一定深さだけ液中に沈める。次いで再び紫外線７を液面に選択的に照射して、第１層目の硬化領域４２の上方に第２層目の硬化領域４３を第１層目の硬化領域４２と積層方向に連続するように形成する（図２２（ｅ））。これを繰り返すことによって、立体造形物を得る方式である。

近年パーソナルユーズとして市販されている３Ｄプリンタとしては、（２）材料押出法と（６）材料噴射法のものが一般的である。

（２）材料押し出し法は、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５参照）。

（６）材料噴射法は造形材料の粘度が（２）材料押し出し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）粉末床溶融結合法と（４）結合材噴射法は造形材料として粉体状、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。図２４に示すように、適当な槽６０内に造形材料粉６１を静置する。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によって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長である。材料床６２の表面を多くの場合レーザー光６６を選択的に照射してその造形材料粉６１を溶融合体させて、１層目の造形層６７を形成する。図２４ではエネルギー線源として赤外線レーザー６３を用い、ガルバノ光学系６４、６５を用いて材料床８２表面を任意にスキャンできるようにしている。次いで、図２４（ｂ）に示すように、造形材料粉６２を一定量継ぎ足したのち、テーブル６９を一定量降下させ、スキージ６８を図中矢印Ａ方向に移動させることで、造形材料分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をスキャンさせで２層目の造形層を形成する。これを繰り返しすとにより所望の立体造形物を得る方式である。

（４）結合材噴射法も（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、が、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造形する方式である。

（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する方式である。

最後の、（７）指向性エネルギー堆積法は、図２５に代表的な構成を示すが、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。二重菅ノズル７２の内側ノズル７３はその内部をレーザー光７１が透過し、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、シールドガスと造形材料粉末（図中矢印７８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。ベース７５と二重菅ノズル７２の相対位置を移動させ、溶融池７２をベース材上をいわば泳がせながら、ベース上に造形材料を載置、積層していく方法である。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。

平成２５年度特許出願技術動向調査報告書（概要）３Ｄプリンター、平成２６年３月、特許庁

本願発明者らは先に、特願２０１６−２２９９６４（公開前出願以下「先願」とする）において複合材料の立体造形に適した立体造形方法にかかわる発明の特許出願を行っている。先願明細書においては、立体造形物の外殻層（スキン層）のみをスキン材によって先に造形し、ついで造形済みの該外殻層の内部（コア部）をコア材によって造形することを特長とする立体造形方法を開示している。なお本願明細書においては先願明細書におけるスキン層、スキン材なる文言の代わりにシェル層、シェル材の文言を用いるが、これらは表現が異なるのみで実質的に同じものである。

先願に開示される発明の実施において、造形物すなわちコア部が相当に大きなもとなった場合や、コア部が狭隘部、屈曲部、滞留部などを有する複雑な形状のものであったりする場合に、シェル層（スキン層に同じ）の造形を完了してから、コア部の造形、すなわち具体的には流動性のあるコア材をシェル層内部（コア部）充填していくにあたって、コア材の充填が困難となるという問題があった。

これは、コア材の単位時間当たりの供給量に比して造形物すなわちコア部容積が相当に大きなものである場合、多量のコア材が必要となりかつその流動経路も相当に長いものとなる。したがって、コア材の充填に相当の時間が必要で、さらにはコア材の粘性が高い場合などにはコア部末端にまでコア材を流入させるためにさらに相当の時間が必要となる。著しい場合にはコア部末端までコア材が到達できず、コア部末端などに空隙が発生するといった問題が発生する場合があった。

また、コア部が狭隘部、屈曲部などを有する複雑な形状の場合、狭隘部、屈曲部をコア材が通過するにあたり、流体力学的な流動抵抗が大きくなり、同様に充填に相当の時間を要したり、狭隘部、屈曲部以降にコア材が充填できず空隙が発生するという問題が発生する場合があった。

このような場合、図２１に例示するが、コア部の末端にまでコア材を流入させるために、パイプ状或いはチューブ状の注入部材をコア部末端近傍にまでに挿入し、コア材を注入する方法も考えられるが、造形物すなわちコア部が相当に大きなものとなった場合には、相当に長い注入部材が必要となったり、コア部が狭隘部、屈曲部、などを有する複雑な形状のものであったりする場合には、当該コア形状に沿って末端部や奥端部まで到達可能な、長尺でかつ可撓性を有するノズル部材が必要となるという問題も発生する。さらには、斯様な長尺でかつ可撓性を有するノズル部材が実現できたとしても、複雑なコア形状に沿って末端部や奥端部までその先端を到達さえること自体が困難であるという問題も発生する場合がある。

上記課題を解決するために本願発明に於いては、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、次に造形済みの該外殻層の内部（コア部）をコア材を用いて造形する立体造形方法であって、前記シェル層の造形が付加製造技術によって行われ、かつその積層造形方向に複数回に分割して造形されるものであり、さらに前記コア材が活性エネルギー線の照射又は熱エネルギーの付与により流動状態から非流動状態に硬化するものであり、前記複数回に分割された前記シェル層の造形毎に、前記コア材が造形済みの前記シェル層内部（前記コア部）に充填され、前記複数回のシェル層の造形と前記コア材の前記コア部への充填がすべて完了後、活性エネルギー線の照射又は熱エネルギーの付与により前記コア材を一括して硬化させるもので、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、前記シェル材が活性エネルギー線の照射により流動状態から非流動状態に硬化するものであり、前記コア材を前記コア部に充填するのに際して、流動状態の前記シェル材を、流動状態の前記コア材に置換することを特長とする立体造形方法が提供される。

本願発明の別の態様に依れば、前記コア材を一括して硬化させるのと同時又はその前後に、さらに活性エネルギーを照射することにより、前記コア部にわずかに残存する前記シェル材を硬化させることを特長とする立体造形方法が提供される。

本願発明の好ましい態様に依れば、造形済みであって、未硬化の前記シェル材のみが残存する前記コア部に前記コア材を充填するにあたり、前記未硬化の前記シェル材中に前記コア材を注入することにより、前記未硬化の前記シェル材と前記コア材を置換することを特長とする立体造形方法が提供される。

本願発明のさらに好ましい態様に依れば、造形済みであって、未硬化の前記シェル材と充填済みの前記コア材が併存する前記コア部に、さらに前記コア材を充填（再充填）するにあたり、注入済みの前記コア材中に、前記再充填の前記コア材を注入することを特長とする請求項２又は３に記載の立体造形方法が提供される。

本願発明のさらに好ましい態様に依れば、前記シェル材及び／又は前記コア材が、強化材を含むものであることを特長とする立体造形方法が提供される。

本願発明のさらに好ましい態様に依れば、前記強化材が炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれか又はそれらの組み合わせより成る繊維状の強化材であることを特長とする立体造形方法が提供される。

本願発明の別の好ましい態様に依れば、前記所定方向が重力方向であり、かつ未硬化の前記コア材の比重が未硬化の前記シェル材の比重よりも大きいことを特長とする立体造形方法が提供される。

本願の発明の主旨は、最終造形物の形状においてコア部が長大、複雑なものであっても、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コア材を充填することでコア部の形状を実質的に単純化し、コア部の長大性や複雑性に起因するコア材の充填の困難性を回避することにある。そして、最終形状までシェル層の造形およびコア材の充填を完了させたのちに、活性エネルギー線の照射や熱エネルギーの付与によりコア材の硬化を一括で完了させればよい。

シェル層の造形を、積層造形が基本である付加製造技術により行えば、その造形を複数回に分割し、段階的に行うことが容易で好適である。

また、その付加製造技術として液槽重合法を用いれば、未硬化のシェル材が残存するコア部の残存シェル材中に注入ノズル部材等でコア材を注入しながら残存シェル材と置換するこうせいとすれば、コア材とシェル材の置換は液体同志で行われることとなり、未硬化シェル材をいったん除去して空間となったコア部にコア材を注入するよりも、ボイド等と称する微小空間の発生が低減できる場合が多く好適である。

さらに、コア部の残存シェル材中に注入ノズル部材等でコア材を注入しながらシェル材と置換する場合に、何らかの理由で例えばコアとシェルの界面近傍などコア部にわずかに未硬化のシェル材が残存したとしても、コア材の硬化時あるいはその前後で、活性エネルギー線を造形物全体に照射すれば、当該残存シェル材を硬化させることが可能で、空隙や未硬化のシェル材の残存を発生させることなく好適である。

本願発明によれば、造形物が相当に大きなものとなったり、そのコア部に狭隘部、屈曲部、滞留部などが存する場合でも、コア材の充填を行うことが容易となり、また、コア材に複合材を用いる場合でも、コア材に造形界面が形成されることがなく、強化材の分散状態の分断という問題も回避することができる。

本発明に関わる立体造形方法による造形物を示す図である。本発明に関わる立体造形方法による造形物の造形途中を示す図である。本発明に関わる立体造形方法による造形物の造形途中を示す図である。本発明に関わる立体造形方法による造形物の造形途中を示す図である。本発明に関わる立体造形方法による造形物の造形途中を示す図である。本発明に関わる立体造形方法による造形物の造形途中を示す図である。本発明に関わる立体造形方法による造形物の造形途中を示す図である。本発明の別の実施態様である複合材３Ｄプリンタを示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。本発明に関わる複合材３Ｄプリンタによる造形途中を示す図である。従来技術による、立体造形装置による造形を示す図である。液槽重合法による立体造形装置を示す図である。材料押出法による立体造形装置を示す図である。粉末床溶融結合法による立体造形装置を示す図である。指向性エネルギー堆積法の原理図である。従来技術により、複合材料を材料押出法による３Ｄプリンタに適用した場合の概念図である。従来技術により、複合材料を液槽重合法による立体造形装置に適用した場合の概念図である。

まず、本願発明にかかわる立体造形方法の最も基本的な実施態様を図１から図７を用いて概念的に説明する。尚、これら図面に於いては、立体造形物自体、及びそのシェル層やコア部の寸法などは、本発明の主旨の理解を容易とするため誇張されて描かれていることに留意されたい。

立体造形物１はシェル層１ａ内にコア部１ｂが存在し、１ｂ内にコア材２が充填固化されて最終的な立体造形物１となる。

まず図２に示すように、シェル層１ａを適当な高さｈ１だけ造形する。シェル層１ａの造形には付加製造方法による造形方法および装置を用いることができ、高さ方向が付加製造方法における積層造形方向とするとよい。

ｈ１だけシェル層を造形した段階でコア材２を充填する（図３）。コア材２は充填されるが固化させずに、引き続いて図４に示すようにシェル層１ａをさらにｈ２の高さまで造形する。この状態でさらにコア材３をさらに充填し図５の状態とする。

ここで本願発明の作用効果の一つとして留意すべきことは、図４に示す高さｈ１まで充填済みのコア材２ａ上にさらにコア材２が追加充填されて図５の状態となるが、コア材２及び充填済みのコア材２ａともに未硬化で流動性を持つ液体状態であり、高さｈ１まで充填済みのコア材２ａ上ににさらにコア材２を追加充填しても両者は容易に混ざり合うことができ、高さｈ１の位置にコア材２と充填済みのコア材２ａの界面（造形界面）が形成されることはない。さらには図５の状態で、コア材２を適当な撹拌部材等（図示せず）で撹拌することにより両者の混合をより促進することも可能である。

このことは、コア材が強化材を含有する複合材であった場合に、先願において解決すべき課題として挙げた、造形界面における強化材又は強化材の分散状態の分断という問題も回避でき極めて好適である。

シェル層１ａをさらに高さ方向に追加造形して最終造形物としての高さＨまで造形（図６）した後、再びコア材２を高さＨまで充填する（図７）。ここでシシェル層１ａの造形と、コア部１ｂへのコア材２の充填が完了する。この後、立体造形物１全体を例えば適当な加熱炉に投入してコア材に熱エネルギーを付与する、あるいは全体に活性エネルギー線を照射する等により、コア材２を硬化させ図１に示す立体造形物１の造形が完了する。

本実施態様においては、立体造形物１のシェル層１ａ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。もちろんこの回数は任意で構わない。コア部１ｂ形状が比較的単純で容易にコア材２が充填可能な形状である場合、立体造形物１の大きさすなわちコア部１ｂの内容積が、コア材２の時間当たり供給能力に比して小さい場合などは、シェル層１ａの分割回数は少なくて済む。極端にはシェル層１ａを一括で造形したのちにコア材３を充填することも可能な場合もある。

次に、本願発明の第２の実施態様として、シェル層の形成に付加製造方法の一つである液槽重合法による造形装置を用い、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１００の概略構成図、およびその造形手順を図８から２０を用いて説明する。

図８以降で、図中矢印ｘ方向がｘ軸方向、矢印ｚ方向がｚ軸方向、紙面に垂直にｙ軸方向とする。

複合材３Ｄプリンタ１００は、シェル材である紫外線硬化樹脂１２１が貯留されている造形槽１１１、レーザー光学系１１２、コア材供給系１１３を主たる構成要素とする。

造形槽１１１中には紫外線硬化樹脂１２１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１２１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１１１中には造形台１２８が設けられている。造形台１２８は立体造形物１０１を支持するためのもので、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。

レーザー光学系１１２は紫外線レーザー１１４、走査光学系１１５とからなり、紫外線レーザ１１４から出射される紫外線レーザー光１３０は走査光学系１１５により紫外線硬化樹脂１２１の液面上（すなわちｘｙ平面）の所定範囲を走査することが可能となっている。紫外線硬化樹脂１２１は紫外線レーザー光１３０の照射により図中１２４で示すように液面から所定の深さだけ硬化する。この硬化深さは０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度が一般的である。もちろん紫外線レーザ１１４の出力を調整することによりこの硬化深さを調整することが可能である。造形台１２８上面を紫外線硬化樹脂１２１の液面からこの硬化深さ程度沈めた深さに位置しておけば、造形台１８１上に立体造形物１０１が造形されていく。

コア材供給系１１３はコア材１１６をその内部に貯留するコア材タンク１１７中から、ポンプ１１９で配管系１１８ｂ、１１８ａを順に介してコア材１１６を圧送、供給しノズル１２０先端から吐出する。ノズル１２０は図示しない移動機構により、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１１８ａはノズル１２０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１１６は熱硬化性樹脂中に強化材が均一に分散されたもので、シェル材１２１同様エポキシ系、アクリル系など公知の熱硬化樹脂が使用可能である。

以下、複合材３Ｄプリンタ１００による造形手順を順に説明する。本実施態様においては、シェル層１２５の造形を２回に分割して造形する例を示しているが、もちろん、立体造形物１０１の大きさや、コア部１２６の形状によっては、１回で造形で可能な場合もあるし、逆に２回以上の分割が要求される場合も存在する。しかしながらシェル層造形の分割回数の多寡に依らす、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。

まず１回目の造形を行う。紫外線レーザー光１３０を走査し、造形台１２８をｚ方向所定高さ（深さ）順次下げつつ、造形台１２８上にシェル層１２５を造形する。この状態を図９に示す。造形されたシェル層１２５の内部（コア部１２６には）未硬化の紫外線硬化樹脂、未硬化シェル材１２１ａが残留している。

次いで、ノズル駆動機構を動作させ、ノズル１２０をコア部１２６内に挿入し、その先端をコア部１２６底近傍に配置させる（図１０）。この状態でポンプ１１９を駆動しノズル１２０先端からコア材１１６をゆっくりと吐出しコア部１２６にコア材１１６を供給する。コア部１２６の底近傍からコア材１１６が吐出供給されるにつれて、残存する未硬化シェル材１２１ａは造形済みのシェル層１２５辺縁から溢れていき、コア部１２６内の未硬化シェル材１２１ａがコア材１１６に底部から徐々に置換されていく（図１１）。この時、コア材１１６の比重がシェル材１２１のそれよりも大きければ、コア材１１６は未硬化シェル材１２１ａ中に自重で沈降しようとするため、コア部１１６の底部から置換がより容易に実現でき好適である。一般に強化材として用いら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く、よってコア材１１６の比重がシェル材１２１のそれよりも大きくなる場合が多い。

未硬化シェル材１２１ａとコア材１１６の置換が完了した状態を図１２に示す。

次いで、２回目の造形が開始される。まず２回目のシェル層１２５ａの造形が行われ図１３の状態となる。この時、シェル層１２５、１２５ａ内部には底部に１回目の造形で注入済みのコア材１１６ａが存在し、その上に２回目シェル層１２５ａの造形時の未硬化シェル材１２１ｂが残留している。

ノズル駆動機構を動作させ、ノズル１２０先端を１回目の造形で注入済みのコア材１１６ａの底部に位置させる(図１４)。この状態でポンプ１１９を動作させノズル１２０先端からコア材１１６をゆっくりと吐出、供給する。１回目の造形と同様にコア材１１６がゆっくりと吐出供給されるに応じて、１回目造形時の注入済みコア材１１６ａ上面（注入済みコア材１１６ａと未硬化シェル材１２１ｂの界面）が上昇していき、未硬化シェル材１２１ｂはシェル層１２５ａ辺縁から溢れていき、未硬化シェル材１２１ｂとコア材１１６の置換が進行する（図１５）。

未硬化シェル材１１２ｂとコア材１１６の置換が完了すると、ノズル１２０を退避させ（図１６）、造形台を駆動させ造形物を紫外線硬化樹脂１２１液面上に出し（図１７）、立体造形物１０１を造形台１２８から取り外す。

取り外した立体造形物１０１を適当な加熱炉等で加熱し、コア部１２６内のコア材１１６を硬化させることで造形が完了する。

さて、コア部１２６へのコア材の注入を本実施態様のようにコア部１２６に残存する未硬化シェル材１２１ａや１２１ｂ中にコア材１１６を注入して、液体同志の置換とするのではなく、シェル層１２５の造形後コア部１２６に残存する未硬化のシェル材１２１ａや１２１ｂをいったん除去して、空間となったコア部１２６にコア材１１６を注入することも原理的には可能である。特にシェル層１２５の造形を１回で行う場合など、シェル層１２５を造形したのち、紫外線硬化樹脂１２１液面上に位置させた状態、或いはさらに造形台１２８上からも取り外し、内部の残存シェル材１２１ａを除去してから、コア材１１６をコア部１２１に注入することも可能である（図１８に例示）。

しかしながらこの場合、未硬化シェル材１２１ａを除去して空間となったコア部１２６にコア材１１６を注入することとなる為、シェル層１２５の内面すなわちシェル層１２５と注入されたコア材１１６界面に、わずかに空気層が残存しボイド等と称する微小空間、空隙が発生する場合がある。このような、微小空間、空隙は立体造形物の強度、剛性、疲労特性等の観点からは極めて好ましくない。

一方、本実施態様のように残存する未硬化シェル材１２１ａや１２１ｂとコア材１１６との液体同志の置換とすれば、両者の置換時に空気が介在することはなく斯様な微小空間、空隙の発生は原理的に回避でき好適である。

さらに、未硬化シェル材１２１ａ、１２１ｂ等とコア材１１６との液体同志の置換時に、シェル材１２５内面とコア材１１６の界面にわずかに未硬化シェル材１２１ａ、１２１ｂが残存する可能性が存在する。しかしながら、このわずかに残存する未硬化シェル材１２１ａ、１２１ｂは造形完了後に、立体造形物１０１全体に紫外線を照射することで硬化させることができ、少なくとも立体造形物１０１内部で未硬化の状態で残存し続けることはない。一般に紫外線硬化樹脂はその造形特性上、硬化後も紫外線に対し透明性を有するのが通例であり、斯様な未硬化シェル材１２１ａ、１２１ｂの硬化は容易に達成できる。

またさらに、２回目のコア部の造形において図１９に示すようにノズル１２０の先端を２回目のシェル１２５ａの造形時にコア部１２６に残留したシェル材１２１ｂ中とする事も可能ではある。コア材１１６の比重がシェル材のそれよりも重い場合など、吐出されたコア材１１６がシェル材１２１ａ中で沈降していき、注入済みのシェル材１１６ａ上面に新たに堆積していくことは起こりうる。しかしながらこの場合、新たに注入されたコア材１１６と注入済みのコア材１１６ａ間の界面に、図２０に示すようにシェル材１２１ｂが界面残存シェル材１２９としてわずかに挟まれ残存してしまう場合があり好ましくない。この界面残存シェル材１２９は後の造形工程で、コア材１１６を加熱硬化したあとも未硬化の状態で残存し、またさらにそのあとに紫外線照射したとしても、シェル層１２５、コア部１１６の内奥部に存在するため、紫外線が到達が困難な場合が多くほぼ永久に未硬化の状態で存在し続け好ましくない。特に、コア材１１６中の強化材が炭素繊維等である場合には、炭素繊維の紫外線非透過性のため界面残存シェル材１２８を硬化さえることは極めて困難である。

１立体造形物
１ａスキン層
１ｂコア部
２コア材
２ａ充填済みコア材
３硬化済みコア材
４ａベース材
４ｂ針状サポート
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
６７１層目の造形層
６８スキージ
６９テーブル
７１レーザー光
７２二重菅ノズル
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
９０強化材
９１母材
９２強化材分散液
９３槽
９４寝た強化材
１００複合材３Ｄプリンタ
１０１立体造形物
１１１造形槽
１１２レーザー光学系
１１３コア材供給系
１１４紫外線レーザー
１１５走査光学系
１１６コア材
１１６ａ注入済みコア材
１１７コア材タンク
１１８ａ，１１８ｂ配管系
１１９ポンプ
１２０ノズル
１２１紫外線硬化樹脂、シェル材
１２１ａ，１２１ｂ未硬化シェル材
１２３硬化済み紫外線硬化樹脂
１２５，１２５ａシェル層
１２６コア部
１２８造形台
１２９界面残存シェル材
１３０レーザー光

Claims

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、次に造形済みの該外殻層の内部（コア部）をコア材を用いて造形する立体造形方法であって、前記シェル層の造形が付加製造技術によって行われ、かつその積層造形方向に複数回に分割して造形されるものであり、さらに前記コア材が活性エネルギー線の照射又は熱エネルギーの付与により流動状態から非流動状態に硬化するものであり、前記複数回に分割された前記シェル層の造形毎に、前記コア材が造形済みの前記シェル層内部（前記コア部）に充填され、前記複数回のシェル層の造形と前記コア材の前記コア部への充填がすべて完了後、活性エネルギー線の照射又は熱エネルギーの付与により前記コア材を一括して硬化させるもので、
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、前記シェル材が活性エネルギー線の照射により流動状態から非流動状態に硬化するものであり、
前記コア材を前記コア部に充填するのに際して、流動状態の前記シェル材を、流動状態の前記コア材に置換することを特長とする立体造形方法。
前記コア材を一括して硬化させるのと同時又はその前後に、さらに活性エネルギーを照射することにより、前記コア部にわずかに残存する前記シェル材をも硬化させることを特長とする請求項１に記載の立体造形方法。
造形済みであって、未硬化の前記シェル材のみが残存する前記コア部に前記コア材を充填するにあたり、前記未硬化の前記シェル材中に前記コア材を注入することにより、前記未硬化の前記シェル材と前記コア材を置換することを特長とする請求項２に記載の立体造形方法。
造形済みであって、未硬化の前記シェル材と充填済みの前記コア材が併存する前記コア部に、さらに前記コア材を充填（再充填）するにあたり、注入済みの前記コア材中に、前記再充填の前記コア材を注入することを特長とする請求項２又は３に記載の立体造形方法。
前記シェル材及び／又は前記コア材が、強化材を含むものであることを特長とする請求項１乃至４のいずれかに記載の立体造形方法。
前記強化材が炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれか又はそれらの組み合わせより成る繊維状の強化材であることを特長とする請求項５に記載の立体造形方法。
前記積層造形方向が重力方向であり、かつ未硬化の前記コア材の比重が未硬化の前記シェル材の比重よりも大きいことを特長とする請求項２乃至６のいずれかに記載の立体造形方法。