JPWO2017170475A1 - 複合材料造形方法及び装置 - Google Patents

Abstract

複合材の立体造形で、界面において強化材の連続的な均一分散が可能な複合材立体造形方法及び装置を提供すること。具体的には、活性エネルギー線の照射によって硬化可能な液相材料中に強化材を分散せしめた強化材分散液中に、前記活性エネルギー線を局所的に照射することにより前記強化材分散液中に硬化領域を生成せしめ、該硬化領域を連続して生成せしめることにより、立体造形物を形成することを特長とする複合材立体造形方法及び装置を提供する。

Description

本発明は、近年その性能を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などに代表される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も関わるものである

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Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、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（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、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７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７(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41を液中に沈める（図７(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41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41の上方に第２層目の硬化領域42を第１層目の硬化領域41と連続するように形成する（図７（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８参照）。

(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９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９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９(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。これで再び材料省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１０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。

特開昭５６−１４４４７８号公報 米国特許４８６３５３８号公報 米国特許５１２１３２９号公報

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

さて、このような３Ｄプリンタを複合材の造形に適用しようとする動きがある。ここでいう複合材とは、母材（マトリクス材）中に、粉体状、粒状、針状あるいは繊維状の強化材を含有させたもので、母材の材料物性（熱伝導度、電気導電度など）の改良、機械特性（剛性、強度、疲労特性など）の改良を意図してこれら強化材を含有させることが多い。特に強化材が繊維状のものは、荷重による変形を強化材に負担させることで、母材だけの場合に比してその機械特性の改良に大きな効果が得られる場合が多い。

母在中の強化材は、造形後の材料物性や機械特性に等方性を要求する場合には、母在中に可及的均一且つ等方的に分散していること（均一分散性）が好ましい。ここでいう均一とは強化材の分布密度が一様であること、等方的とは、針状、繊維状の強化材においてその配向方向がランダムであることをいう。

近年複合材を造形できる３Ｄプリンタは各種発表されているものの、これらの複合材３Ｄプリンタには３Ｄプリンタ造形方法の根本にも関わる問題が存在する。先に、３Ｄプリンタ（付加製造技術）の７つの主たる方式について説明したが、いずれの方式も、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積層させて目的とする造形物を形成するという原理は同じである。

付加製造方法においては、この断面構成要素を１層、２層・・と積層していくため、必ず造形物の積層方向に見て各断面構成要素間に造形界面が形成される。複合材中では強化材は母材中に均一分散していることが好ましい場合が殆どであるが、このような造形界面が存在すると、その界面において強化材の均一分散の連続性が損なわれるという大きな問題が存在する。

従来技術による複合材３Ｄプリンタの例を、付加製造技術として代表的な(2)材料押出法を例にもう少し詳細に説明する。図１１(a)において、チャンバー21内に長繊維ペレット22が充填される。長繊維ペレット22とは強化繊維23を内部に分散した粒状の熱可塑性樹脂ペレットである。図示しない加熱機構によってチャンバー21内が加熱され、長繊維ペレット22が溶融する。溶融し流動状態となった長繊維ペレット22をここでは溶融複合材25と呼ぶ事とする。溶融複合材25は加圧部材26による加圧力Ｐにより、ノズル27から押し出される。押し出された溶融複合材25は、造形テーブル28上に載置されていく。造形テーブル28は図中矢印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28上下方向の自由度、および支軸29廻りの回転の自由度（図中矢印θ）を有している。

ノズル27から溶融複合材25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28が駆動され、造形テーブル28面上に任意の平面形状にて溶融複合材25が載置されていく。この造形テーブル28面上に最初に載置される溶融複合材層が、先述の断面構成要素としての第１層に相当する。

第１層30の成型完了後、図１１(b)に示すように、造形テーブル８が下降した状態で、第２層31が第１層30の上に積層されて載置されていく。これを繰り返すことにより立体形状が造形されていく。

図１１の態様において、ノズル27の内径と強化材の大きさ（ここでは強化繊維23の平均長さ）の大小関係としては、ノズル内径＞強化繊維長の平均長さ程度であることが好ましい。当然ではあるが、ノズル内径が強化材の大きさより小さければ強化材はノズルを通り抜けられない。強化繊維の場合でも、ノズル内径が平均長さ以上でないと、強化繊維23が折れ曲がったり、丸まったりして、強化材として好ましくない状態となる。

しかしながら、本願発明の効果に関して重要なのはノズル内径と強化材の相対的な大きさではない。テーブル28上に押し出された溶融複合材25の表面において、内部の強化繊維23が、図１１(c)、符番37に示す表面から突出した強化繊維が存在することはまずありえない。

即ち、各断面構成要素としての層内において、隣接して配設されていく溶融複合材25相互の界面、および、第１層30と第２層31と積層されていくされる各層間の界面を、強化繊維が横断して存在することはまずありえないということになる。

(1)液槽重合法や(3)材料床溶融結合法に於いてもこれらの問題は同様である。(1)液層重合法を複合材の造形に適用した例を図１２に示す。強化材90が分散された紫外線硬化樹脂等の母材91とから成る強化材分散液92を槽93中に静置しても、強化材90が強化材分散液92の液面から突出して存在することはまず考えられない。強化材90と母材91の比重が近い場合には図１２(c)に示すように一部の強化材90が強化材分散液92液面から突き出した状態も確率的にはあり得るであろうが、殆どの強化材は図１２(b)に示すごとく液面近傍において「寝た」状態となるのが普通である。

従って、強化材図１２(b)で示すようなな分散状態にある液表面を紫外線７の照射によって第１層を造形せしめ、次いで第２層をその上に造形したとしても、やはり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はついて廻ることとなる。

上記課題を解決するために本願発明に於いては、活性エネルギー線の照射によって硬化可能な液相材料中に強化材を分散せしめた強化材分散液に、前記活性エネルギー線を局所的に照射することにより前記強化材分散液中に硬化領域を生成せしめ、該硬化領域を連続して生成せしめることにより、立体造形物を形成することを特長とする複合材立体造形方法が提供される。

本願発明の好ましい態様によれば、前記強化材分散液中に設けられた前記硬化領域を支持するサポート部材上に前記活性エネルギー線を照射して１層目の前記硬化領域を形成する最下層硬化領域形成工程と、前記サポート部材を降下させるサポート部材降下工程と、前記硬化領域上に前記活性エネルギー線を照射して前工程で形成された硬化領域上に新たな硬化領域を形成する再硬化領域形成工程と、前記サポート部材降下工程と前記再硬化領域形成工程とをこの順に繰り返すことにより、前記サポート部材上に立体造形物を形成することを特徴とする請求項１に記載の複合材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よれば、前記活性エネルギー線が、波長１ｍｍから０．１ｐｍの範囲の電磁波、電子線、素粒子線、振動波のいずれか、又はこれらの任意の組み合わせからなることを特長とする複合材立体造形方法が提供される。

本願発明の別の態様によれば、前記強化材が繊維状のものであることを特長とする複合材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よれば、前記硬化領域の前記強化材分散液の液表面からの距離が、およそ前記強化材の平均長さ以上であることを特長とする複合材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よれば、前記の活性エネルギー線の照射により硬化可能な液相材料は、該硬化を開始せしめるに必要な前記活性エネルギー線の空間エネルギー密度に閾値を有するものであり、前記硬化領域において前記活性エネルギー線の空間エネルギー密度が前記閾値以上となる様、前記活性エネルギー線を照射することを特長とする複合材立体造形方法が提供される。

本願発明の好ましい態様によれば、前記活性エネルギー線を少なくとも２方向から照射することを特長とする合材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よれば、前記活性エネルギー線の照射による前記立体造形物の形成後、形成された該立体造形物にさらに活性エネルギーを付与して、前記硬化をより促進することを特長とする複合材立体造形方法が提供される。

本願発明の別の態様によれば、活性エネルギー線の照射によって硬化可能な液相材料中に強化材を均一かつ等方的に分散せしめた強化材分散液を収容する強化材分散液槽、前記活性エネルギー線を生じせしめる活性エネルギー線源、該活性エネルギー線源からの前記活性エネルギー線を前記強化材分散液中に局所的に誘導する活性エネルギー誘導部材を少なくとも有し、前記強化材分散液中に前記活性エネルギー線源からの前記活性エネルギー線を前記活性エネルギー誘導部材によって前記強化材分散液中に局所的に照射し、前記強化材分散液中に硬化領域を生成せしめ、該硬化領域を連続的に生成せしめることにより、立体造形物を形成することを特長とする複合材立体造形装置が提供される。

本発明の趣旨を、図１も参照しさらに説明する。請求項１から３、及び６に記載の発明は液槽光重合法に類する付加製造方法又は装置において、従来の技術とは異なり、紫外線等の活性エネルギー線の照射による硬化を、強化材分散液の液表面でなく液中で行うことを特長とする。強化材を液中に均一かつ等方的に分散させることは比較的容易であり、母材の液相と強化材の比重が多少異なっても、機械的撹拌等を施すことにより一時的、擬似的に均一且つ等方的な分散状態の実現は容易である。

この状態において、強化材分散液の液表面ではなく液中に活性エネルギー線を局所的に照射して、硬化領域を液中に生成せしめれば、硬化前の強化材の均一かつ等方的な分散状態を擾乱することなく、母材たる液相材料の硬化が可能となる。即ち、図４に模式的に示す如く硬化領域10の表面から強化材２が突出した状態が実現でき、第１層目を形成後次に２層目をこれと連続するように造形することにより、１層目と２層目の造形界面に強化材を横断させて存在させることが可能となる。よって、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従来技術における課題を解決することが可能となる。

又、本明細書でいう硬化とは、単に物質の状態としての液体が固体の状態に遷移することのみを意味するのではなく、流動および変形可能な液相材料が、その形状を維持できる程度の剛性を有する状態に変化することを言う。

さらに、硬化領域の液表面からの距離を強化材の平均長さよりも長くしておけば（請求項４）、液表面近傍に存在する可能性のある、強化材が均一、等方的に分散していない領域（たとえば図１２(b)に示す寝た強化材94が多く存在する領域）の硬化を避けることが出来好適である。尚、ここでいう液表面とは液の自由表面だけでなく、槽との界面も含むものである。

紫外線等の活性エネルギー線の液中への照射にあたり、その活性エネルギー線の照射経路すべてが硬化してしまうと本願発明の趣旨は達し難い。そこで、紫外線硬化樹脂等に代表される硬化可能な液相材料が、その硬化に必要な活性エネルギー線の空間エネルギー密度に閾値を持つものであれば、照射する活性エネルギー線の照射強度が所望の硬化領域のおいてのみ該閾値を超えるようにすれば、液中に硬化領域を形成せしむることが出来好適である（請求項５）。

これは、紫外光線等の活性エネルギー線を適当な光学系でもって集光することにより空間エネルギー密度を上げる（図１、図２）、閾値以下のエネルギー密度の複数の活性エネルギー線を複数の方向から略１箇所に集中させる（請求項６、第２の実施態様、図５）等の方法でも実現できる場合がある。

なお、紫外線硬化樹脂等では、その硬化に必要な活性エネルギー線（ここでは紫外光線）のエネルギー密度に閾値を持っており、斯様な特性は特段に特異な特性ではない。

強化材が活性エネルギー線を実質的に透過できるものであれば問題はないが、強化材の活性エネルギー線の透過率が低い場合には、強化材のいわば影になる部分において、液相材料の硬化が阻害される場合も考えられる。このような場合、活性エネルギー線を複数の方向から照射すれば、この影の部分の影響が低減できるという効果も期待できる（請求項６、第２の実施態様、図５）。

さらに、活性エネルギー線の照射による硬化は、造形物を液相材料中から取り出した状態でもその形状を維持できる程度の硬化であっても構わない場合もある。そのような場合においては、活性エネルギー線の照射によって、まずは液相材料中から取り出した状態でもその形状を維持できる程度の硬化をおこない、液相材料中から取り出した後に、あらためて同じ活性エネルギー線を造形物全体に照射する、或いは、加熱する等で別のエネルギーを全体に付与する等の方法で、造形材料として必要十分な強度にまで硬化をさらに促進するようにしても構わない（請求項７）

本発明による立体造形装置の第１の実施態様を示す図である。 本発明による立体造形装置の第１の実施態様の動作を説明する図である。 本発明による立体造形装置の第１の実施態様の動作の一部を上面から見た図である。 本発明による立体造形装置の第１の実施態様によって形成された紫外線硬化樹脂を示す図である。 本発明による立体造形装置の第２の実施態様を示す図である。 本発明による立体造形装置の第３の実施態様を示す図である。 液相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、複合材料を液相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。

本発明にかかわる立体造形装置の実施態様を図１から６を用いて説明する。
図１は本願発明による立体造形装置の第１の実施態様である。紫外線によって硬化可能な液相材料である紫外線硬化樹脂１a中に強化材たる強化繊維２を均一分散させた強化材分散液１が、分散液槽３内に保持されている。分散液槽３内には後に形成される硬化領域10をサポートするサポート部材４が設けられている。紫外線硬化樹脂１aは活性エネルギー線たる紫外光７の照射によって硬化する樹脂であり、常温常圧に於いては液体（液相）状態にある。強化繊維２としてはガラス繊維、炭素繊維などを用いることが出来る。

紫外線源５としては水銀ランプ、紫外線ＬＥＤなどが使用できる。一般に紫外線硬化樹脂１aはその硬化に必要なエネルギーに閾値を有しており、閾値以下のエネルギーでは硬化しない。

紫外線源５からの紫外光７は導入光学系６のコリメートレンズ８によって平行光とされ、反射鏡18によって鉛直下方に折り曲げられ、集光レンズ９によって、分散液槽３内の強化材分散液１の液面上方から液中に照射される（図１）。該紫外光７のエネルギー強度は、集光点（即ち焦点位置）近傍においてのみ前記閾値以上となる様、その紫外光源５の発行強度、集光レンズ９の開口、焦点距離などが選定される。この集光点近傍においてエネルギー強度が前記閾値以上となる領域が硬化領域10である。硬化領域10の強化材分散液１の液面からの距離ｌは、強化繊維２の平均長さ以上となっている。尚距離ｌは硬化領域10と強化材分散液１の液面との最短距離を言う。

紫外線源５及び導入光学系６は強化材分散液１の液面と平行な面内方向に自由に移動可能で、集光レンズ９の焦点位置をこの面内において自由に液中をスキャンさせることが出来る。よって、液面から深さ距離ｌの任意の位置に硬化領域10の形成が可能となっている。

まず、紫外光７を照射しながら紫外線源５及び導入光学系６を上面から見た図３(ａ)、(ｂ）に示すように、図中矢印Ａ及びＢ方向に適宜制御させながら移動させ、強化材分散液１中に液面と平行に第１層の硬化領域10aを形成していく（図２(ａ)、(ｂ)、図３(ａ)、(ｂ）)（最下層硬化領域形成工程）。なお、紫外線源５と導入光学系６を移動させる替わりに分散液槽３を矢印Ａ，Ｂ方向に移動させながら硬化領域10aを形成することも可能である。又、図３(ａ)、(ｂ)に於いてはジグザグ状に折り返しスキャンながら第１層の硬化領域10aを形成しているが、渦巻状に行うなど任意のスキャン経路を取ることももちろん可能である。

第１層目の硬化領域10aはサポート部材４によってサポートされる。サポート部材４はベース材４aと、該ベース材４a上に複数配設され、第１層目の硬化領域10aにその先端がわずかに食い込み、それを固定する針状サポート４bとから成る。第１層目の硬化領域10aの形成が完了すると（図３(ｂ)）、紫外光７の照射を停止し、サポート部材４が図中矢印Ｚ方向、即ち第１層目の硬化領域10aを液中にさらに沈める方向に所定量降下する（図２(ｃ)）（サポート部材降下工程）。

次いで再び紫外光７を照射しながら、紫外線源５及び導入光学系６を液面と平行方向にスキャンさせ第２層の硬化領域10bを第１層の硬化領域10aと深さ方向に連続するように形成する（図２(ｄ)、(ｅ)）（再硬化領域形成工程）。

第２層目の硬化領域10bの形成が完了すると、再びサポート部材４を所定量降下させ、第３層目の硬化を行う。以下この手順を繰り返すことによって全体の造形を行う。

各層の形成後、サポート部材４を所定量降下させる代わりに、強化材分散液１を分散液槽３に補充して相対的に液面を所定量だけ上げても良い。

このように、紫外線７による硬化領域を液中に形成すれば、硬化前の強化繊維２の分散状態を維持したまま紫外線硬化樹脂1aの硬化が行われ、図４に模式的に示すごとく、強化繊維２がその表面から突出した状態で硬化領域10を形成していくことが可能となる。

よって、強化繊維２がその表面から突出した状態の第１の硬化領域10aと連続するように第２の硬化領域10bを形成することにより、両者の界面に強化繊維２を横断さて存在させることが可能となる。

又、各層内において、硬化領域10内の隣接するスキャン経路間の界面においても強化繊維２を横断さて存在させることが可能となる。
次に、図５に本発明の第２の実施態様による複合材立体造形装置15の概略構成図を示す。

分散材槽３中に紫外線硬化樹脂と強化材とからなる強化材分散液１が保持されているのは同じである。尚、図が煩雑となるため強化材は図示していない。分散材槽３の材質は、石英ガラスなど、活性エネルギー線たる紫外線レーザー光に対し十分な透過率を持つものが好ましい。

本態様では、紫外光源として紫外線レーザー11を２台用いる用いる。各々の紫外線レーザー11からの紫外線レーザー光12は、強化材分散液１中１点で交差するように配設されている。個々の紫外線レーザー光12の強度は、紫外線硬化樹脂１ａの硬化に必要なエネルギーの閾値以下でかつ各々の紫外線レーザー光12が交差している部分において、両者の和が該閾値を越えるように紫外線レーザー11の出力を設定する。このように強度設定すれば、強化材分散液１中で、各紫外線レーザー光12の交差領域のみを硬化領域10とすることが出来る。

本態様では紫外線レーザー11を２台用いているが、３台以上複数の紫外線レーザー11を用い、該複数の紫外線レーザー11からの紫外線レーザー光12が１点で交差する様構成することも可能で、紫外線レーザー11の台数は２台に限られるものではない。３台以上の場合においても、各紫外線レーザー11からの紫外線レーザー光12の強度を、紫外線硬化樹脂１ａの硬化に必要なエネルギーの閾値以下でかつ各々の紫外線レーザー光12が交差している部分においてその総和が該閾値を越えるように各紫外線レーザー11の出力を設定すればよい。

第１の実施態様同様、複数のレーザー光11の交差位置を適宜公知のスキャン技術により強化材分散液１中をスキャンさせれば、硬化前の強化繊維２の分散状態を維持したまま紫外線硬化樹脂1aの硬化が行われ、図４と同様の、強化繊維２がその表面から突出した状態で硬化領域10を形成していくことが可能となる。

図６に本願発明の第３の態様を示す。本態様に於いては紫外光７は紫外線光ファイバ16によって分散液１中に導入される。紫外線光ファイバ16の外径を、分散液中１の強化材（本態様では強化繊維２）の大きさや分布密度に比して十分小さくしておけば、分散液１中での強化材２の分散状態を乱すことがなく好適である。本態様に於いては紫外線光ファイバ16の先端位置近傍が硬化領域10となる。紫外線光ファイバ16の先端を分散液１中へ挿入したまま、紫外光７を照射しつつ液面と平行方向に紫外線光ファイバ16スキャンさせて第１層10aを形成しても良いし、また、紫外線７の照射後、一旦紫外線光ファイバ16を分散液１から引き抜き、面内方向に適量移動した後に再度紫外線光ファイバ16を分散液１に挿入し紫外光７の照射、を繰り返すことにより第１層10aを形成しても良い。第１層10aが形成された後は第１の実施態様同様、サポート部材４により第１層10aを所定量降下させ、第１層10aに連続する様に第２層10bを形成させればよい。又、別の態様として紫外線光ファイバ16を分散液中に挿入後、紫外光７を照射させながら紫外線光ファイバ16を分散液１から抜き出す動作を行えば、紫外線ファイバ16の抜き出し方向に連続して硬化領域10を形成することも原理的には可能である。

以上、本発明の３つの態様による複合材立体造形装置に於いては、すべて、強化材分散液の液面ではなく液中に硬化領域を形成している。これにより硬化領域から強化材がいわば突き出た状態の硬化領域を形成することが可能となる。したがって、このような硬化領域を互いに隣り合うように連続して形成することにより、各硬化領域の界面を横断して強化材を存在させることが可能となる。

よって、従来の技術による複合材立体造形方法における課題であった、造形界面における強化材の分断という課題を解決できる立体造形方法及び装置を実現することが可能となっている。

尚、以上の３つの態様に於いては、活性エネルギー線として紫外線を、それの照射により硬化可能な液相材料として紫外線硬化樹脂の組み合わせを用いたが、これ以外にも、活性エネルギー線として、波長0.1mmから１pmの範囲の電磁波、即ち遠赤外線〜赤外線〜可視光線〜紫外線〜真空紫外光〜Ｘ線の領域の電磁波、電子線、α線や中性子線などの粒子線などと、それらにより硬化可能な液相材料の組み合わせを用いることが出来る。

一般に紫外線硬化樹脂に代表される活性エネルギー線硬化樹脂は、その成分として少なくともモノマー、オリゴマー、重合開始材を含むものが多い。このうちの重合開始材が活性エネルギー線を吸収して活性化（励起）し、ラジカル分子、水素イオンなど反応開始物質をすることで、前記モノマー及びオリゴマーが重合して硬化するメカニズムのものが多い。

上記メカニズムの応用形態として、上記の重合開始材や反応開始物質を活性エネルギー線によって分解や破壊される材料からなるマイクロカプセル中に封止しており、該マイクロカプセルを強化材と共に液相材料中に分散しておく形態も考えられる。この場合、活性エネルギー線の局所的な照射によってマイクロカプセルが破壊され、重合開始材や反応開始物質が液相材料中に放出されて液相材料の硬化が行われる。この応用形態に於いては活性エネルギー線として、超音波、衝撃波などの物理的エネルギー波の適用の可能性もある。たとえば、回転楕円鏡の片方の焦点位置に超音波や衝撃波の発生源をおき、他方の焦点位置を硬化領域とする態様が考えられる。

又さらに、本発明の３つの態様による複合材立体造形装置に於いては強化材として強化繊維のものを示したが、強化材の形態としては繊維状のものに限らず、粉体状、粒状、針状のものに対しても本発明の効果は期待できるものである。特に長円状、楕円状、針状、偏平状、星芒状に代表される異定型形状の強化材に対してその効果が期待できる。

１ 強化材分散液
１ａ 紫外線硬化樹脂
２ 強化繊維
３ 分散液槽
４ サポート部材
４ａ ベース材
４ｂ 針状サポート
５ 紫外線源
６ 導入光学系
７ 紫外光
８ コリメートレンズ
９ 集光レンズ
10 硬化領域
10a 第１層目の硬化領域
10b 第２層目の硬化領域
11 紫外線レーザー
12 紫外線レーザー光
15 複合材立体造形装置
16 紫外線光ファイバ
17 ファイバ導入光学系
18 反射鏡
21 チャンバー
22 長繊維ペレット
23 強化繊維
24
25 溶融複合材
26 加圧部材
27 ノズル
28 造形テーブル
29 支軸
30 第１層
31 第２層
41 紫外線硬化樹脂
42 第１層目の硬化領域
43 第２層目の硬化領域
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

Claims (9)

1. 活性エネルギー線の照射によって硬化可能な液相材料中に強化材を分散せしめた強化材分散液中に、前記活性エネルギー線を局所的に照射することにより前記強化材分散液中に硬化領域を生成せしめ、該硬化領域を連続して生成せしめることにより、立体造形物を形成することを特長とする複合材立体造形方法。
2. 前記強化材分散液中に設けられた前記硬化領域を支持するサポート部材上に前記活性エネルギー線を照射して１層目の前記硬化領域を形成する最下層硬化領域形成工程と、
   前記サポート部材を降下させるサポート部材降下工程と、
   前記硬化領域上に前記活性エネルギー線を照射して前工程で形成された硬化領域上に新たな硬化領域を形成する再硬化領域形成工程と、
   前記サポート部材降下工程と前記再硬化領域形成工程とをこの順に繰り返すことにより、前記サポート部材上に立体造形物を形成することを特徴とする請求項１に記載の複合材立体造形方法。
3. 前記活性エネルギー線が、波長１ｍｍから０．１ｐｍの範囲の電磁波、電子線、素粒子線、振動波のいずれか、又はこれらの任意の組み合わせからなることを特長とする請求項１または２に記載の複合材立体造形方法。
4. 前記強化材が繊維状のものであることを特長とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合材立体造形方法。
5. 前記硬化領域の前記強化材分散液の液表面からの距離が、およそ前記強化材の平均長さ以上であることを特長とする請求項４に記載の複合材立体造形方法。
6. 前記の活性エネルギー線の照射により硬化可能な液相材料は、該硬化を開始せしめるに必要な前記活性エネルギー線の空間エネルギー密度に閾値を有するものであり、前記硬化領域において前記活性エネルギー線の空間エネルギー密度が前記閾値以上となる様、前記活性エネルギー線を照射することを特長とする請求項１乃至５のいずれかに記載の複合材立体造形方法。
7. 前記活性エネルギー線を少なくとも２方向から照射することを特長とする請求項６に記載の複合材立体造形方法。
8. 前記活性エネルギー線の照射による前記立体造形物の形成後、形成された該立体造形物にさらに活性エネルギーを付与して、前記硬化をより促進することを特長とする請求項１乃至７のいずれかに記載の複合材立体造形方法。
9. 活性エネルギー線の照射によって硬化可能な液相材料中に強化材をランダムかつ等方的に分散せしめた強化材分散液を収容する強化材分散液槽、前記活性エネルギー線を生じせしめる活性エネルギー線源、該活性エネルギー線源からの前記活性エネルギー線を前記強化材分散液中に局所的に誘導する活性エネルギー誘導部材を少なくとも有し、前記強化材分散液中に前記活性エネルギー線源からの前記活性エネルギー線を前記活性エネルギー誘導部材によって前記強化材分散液中に局所的に照射し、前記強化材分散液中に硬化領域を生成せしめ、該硬化領域を連続的に生成せしめることにより、立体造形物を形成することを特長とする複合材立体造形装置。

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