TW202000431A - 使用異質材料之三維造形裝置、三維造形方法以及三維造形物 - Google Patents

使用異質材料之三維造形裝置、三維造形方法以及三維造形物 Download PDF

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Abstract

本發明之課題在於提供一種能夠將2種以上的異質材料進行積層造形之三維造形裝置、異質材料之三維造形方法以及由異質材料所構成的三維造形物。 本發明為一種三維造形裝置，係具備：對應於2種以上的異質材料之各種材料各自的儲留部、噴嘴部、液體輸送裝置、溫度控制裝置、造形用工件臺、使工件臺和噴嘴部移動之相對移動機構、控制電腦。藉由使用該裝置能夠實現工業性精度佳將2種以上的異質材料進行積層造形，能夠將異質材料製作成任意組合而成的高精細造形物。

Description

使用異質材料之三維造形裝置、三維造形方法以及三維造形物
本發明是關於使用異質材料之三維造形裝置、三維造形方法以及三維造形物。
使用3D-CAD(Three Dimensional-Computer Aided Design；三維電腦輔助設計)數據來製造三維造形物的手法，一般最為普及的是3D列印機。將金屬、塑膠、食品等各式各樣的材料造形成三維之三維造形裝置開始在各式各樣的領域受到活用。
另一方面，實際的工業製品多非為單一材料，而是以具有複數的機械特性之異質材料的組合來製作。然而，對於習知的3D列印機而言，要將具有複數的機械特性之異質材料組合來造形是有困難的。
例如，在熱熔融積層方式，雖然能同時吐出複數的造形材料，但全部的材料都必須由加熱至熔點溫度以上的噴嘴吐出，隨著作為造形材料之熱塑性樹脂的收縮率、線膨脹係數、熔解溫度等的不同，當造形溫度低時，由於在積層時層間接著較差，造形品的強度變得不足，因此通常是以200℃以上的溫度來造形。因此，此方式的造形難以使用低熔點材料或柔軟的材料等。
又，在屬於光造形法之一的UV(UltraViolet；紫外線)噴墨3D列印機，可將形狀支撐用支撐材料所使用之材料或形狀構成用模型材料所使用之材料等複數的不同特性之材料同時使用於一個造形物。然而，由於噴墨法的最大特長在於是由如墨液般微細的狀態來造形物體，因此必須將模型材料或支撐材料所使用的光硬化性樹脂本身作為噴墨進行噴霧，並照射紫外線來固體化。因此，墨液的低黏度化(通常未達20mPa･s)是從以往就被要求的重要課題，使用高黏度光硬化性樹脂是困難的。而且，由於低黏度的光硬化性樹脂的分子量低，所獲得的造形物在機械強度和耐衝撃性等方面非常難以得到實用性的數值，因此無法完全再現例如ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等工程塑膠的性能。
在專利文獻1，提案了使用光聚合物材料與熱塑性材料作為不同種類的造形材料，並在每一層堆積2種的材料來製造三維印刷物體之方法。在此方法之中，由於光聚合物材料是藉由噴射器以液狀吐出，因此光聚合物到硬化為止還具有流動性，而有流到熱塑性樹脂的周圍，過於深入浸透至熱塑性構件間而變得難以硬化之虞。該專利文獻雖然提案了藉由自熱塑性材料形成固定層來防止光聚合物的進入，但受限於能造形的結構和能夠對應的樹脂、材料等，說不上是適合用於精密的三維造形的方法。尤其，有著無法處理高黏度的光硬化性材料，且無法確保造形物的機械特性的問題。
在專利文獻2，是將造形工件臺設置在液狀的能量線硬化型樹脂的儲留槽之中，並藉由對能量線硬化型樹脂照射能量線使之硬化的3D造形來形成樹脂模具，將在該樹脂模具之中被加熱的製品樹脂材料射出，藉此能夠由所有的熱塑性樹脂形成期望形狀的造形物，與習知的模具射出成形相比，能夠縮短成形時間而可低成本化。但是，在此方法之中，由於難以將高黏度的光硬化性樹脂作為模具材料來使用，且不可能以與不進行光硬化的材料之組合來作成造形物，因此同樣地在能夠造形之材料的品種有所限制。並且，需要用以由模具取出獲得的造形物之脫模步驟，作為脫模手段雖然可舉出：利用鎚子等附加衝撃來破壞模具之方法、對模具與成形體的邊界處壓入高壓空氣使之分離之方法、將模具浸漬於選擇性溶解該構成樹脂的溶劑之方法，但無論是那一種都必須洗淨造形物，仍留有造形物破損的風險。
在專利文獻3，提案了一種具有預定的造形圖樣的硬化物的製造方法，該方法是藉由從吐出噴嘴將液糊狀的光硬化性樹脂以繩狀地吐出後不會流動而蔓延，並以維持一定形狀的狀態照射光使之硬化。此方法所使用的光硬化性樹脂是觸變性優異的樹脂，亦即，雖然光硬化性樹脂在由噴嘴吐出的瞬間仍有流動性，但在吐出後成為靜止狀態，黏度急遽地上昇，以維持著吐出的形狀硬化是其特徴。在此方法，雖然可以避免未硬化樹脂蔓延到非必要部分或附著到週邊而污染等的問題，但要使繩狀硬化物的厚度和形狀完全一致極為困難，有著難以製作細繩，且無法獲得造形精度優異造形物的問題。又，利用此方法製作平坦的造形物時，會在繩間發生隙縫或在表面發生凹凸，並非滿足強度及美觀的造形物。並且，具有不同物性之複數材料的組合成形、或與熱塑性樹脂等異質材料組合而造形時，在異質材料之間會有濕潤性或密合性的問題，對於使用異質材料的造形而言無法直接照樣應用。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2017-200762。 專利文獻2：日本特開2018-079652。 專利文獻3：日本特開1990-130132。
[發明所欲解決之課題]
本發明之課題在於提供組合了工業上可實際應用的異質材料而成的三維造形物之造形裝置、造形方法以及造形物。 [用以解決課題的手段]
本案發明人等，為了解決上述課題而誠心誠意探討的結果，發現了使用2種以上的造形材料之三維造形裝置，而達成本發明。具體而言，是發現一種三維造形裝置，係具備：工件臺部，係具有至少1個以上的噴嘴，該噴嘴具備了將於20℃至150℃的吐出溫度中的吐出黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s之造形材料(A)輸出的機構，或具有至少1個以上的噴嘴，該噴嘴具備了將於60℃至350℃的造形溫度中的熔融流動速率値(MFR)為1g/10分鐘至400g/10分鐘(載重2.16Kg)之造形材料(B)輸出的機構，且由該等複數的噴嘴輸出；相對移動機構，用以使工件臺部與噴嘴部三維地相對移動。
亦即，本發明係提供以下發明： (1)一種三維造形裝置，使用了材料A與材料B之2種以上的造形材料，係具備：儲留部，用以儲藏各種造形材料；噴嘴部，用以吐出各種造形材料；液體輸送裝置、溫度控制裝置，該液體輸送裝置用以將各種材料由儲留部往噴嘴部輸送；造形用工件臺；相對移動機構，用以使工件臺與2個以上的噴嘴部三維地相對移動；電腦，用以控制液體輸送裝置、溫度控制裝置及相對移動機構。 (2)如前述(1)所記載之三維造形裝置，其中同時吐出至少1種以上的材料A、與至少1種以上的材料B，並且，材料A的吐出溫度為20℃至150℃，吐出黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s。 (3)如前述(1)或(2)所記載之三維造形裝置，其中材料A的吐出方式係選自注射器方式、容積計量方式、管路方式、柱塞方式中的1種以上。 (4)如前述(1)至(3)中的任一項所記載之三維造形裝置，其中材料A的液體輸送裝置係選自定量注射泵式液體輸送裝置、定量齒輪泵式液體輸送裝置、定量貫流泵式液體輸送裝置、定量吐出閥式液體輸送裝置中的1種以上之定量液體輸送裝置。 (5)如前述(1)至(4)中的任一項所記載之三維造形裝置，其中材料B的吐出溫度為60℃至350℃，並且，於吐出溫度中的熔融流動速率(MFR)値為1至400(g/10分鐘，載重2.16kg)。 (6)如前述(1)至(5)中的任一項所記載之三維造形裝置，進一步具備光照射部。 (7)如前述(1)至(6)中的任一項所記載之三維造形裝置，其中在用以吐出材料A之噴嘴部進一步設置噴嘴硬化防止部。 (8)如前述(1)至(7)中的任一項所記載之三維造形裝置，其中噴嘴硬化防止部係限制由光照射部所照射之光的照射範圍，並且，照射範圍係在用以吐出材料A之噴嘴部的先端直徑之同心圓的1倍以上至未達100倍的範圍內。 (9)一種三維造形物的製造方法，係材料A與材料B同時或依序吐出至工件臺上，一邊形成相同層或不同層一邊積層。 (10)如前述(9)所記載之三維造形物的製造方法，其中用以吐出材料A及／或材料B之噴嘴的先端係一邊與由各自的噴嘴所吐出的材料接觸一邊進行造形。 (11)如前述(9)或(10)所記載之三維造形物的製造方法，其中2種以上的造形材料係含有至少1種以上的材料A、與至少1種以上的材料B，材料A係於20℃至150℃的溫度範圍進行造形，並且，於造形溫度中的A的黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s。 (12)如前述(9)至(11)中的任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料B係於60℃至350℃的溫度範圍進行造形，並且，造形溫度中的熔融流動速率(MFR)為1至400(g/10分鐘，載重2.16kg)。 (13)如前述(9)至(12)中的任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料A係含有光硬化性成分10質量%以上之樹脂組成物。 (14)如前述(9)至(13)中的任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料A係一邊以20℃以上的溫度由噴嘴吐出一邊藉由光照射而固體化。 (15)如前述(9)至(14)中的任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料B係以60℃以上的溫度由噴嘴吐出後，藉由冷卻而固體化。 [發明功效]
本發明中的三維造形裝置，因為具有至少1個以上的噴嘴，該噴嘴具備了輸出材料A的機構，且具有至少1個以上的噴嘴，該噴嘴具備了輸出材料B的機構，變得能夠藉由使用複數種的造形材料來製造由複數種材料所構成的造形物。材料A與材料B能夠配合目的而由柔軟的橡膠素材至高強度的塑膠素材之廣泛的造形材料群選出，並在一台的三維造形裝置輸出且進行造形。又，當材料A含有光硬化性成分時，藉由光照射，可獲得經交聯之樹脂的造形物，並且藉由交聯能夠提升造形物的熱穩定性、機械特性等之物性。 在使用本發明之三維造形裝置的造形方法中，不使用支撐機能的材料(支撐材料)，而能夠將造形後的造形物直接使用。
在以下，針對用以實施本發明之形態，使用圖來說明。
本發明中的三維造形裝置，如圖1所示，是由具備了輸出於造形溫度中的黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s之材料A的機構之至少1個以上的噴嘴、與具備了輸出於造形溫度中的熔融流動速率値為1g/10分鐘至400g/10分鐘(載重2.16Kg)之材料B的機構之至少1個以上的噴嘴，分別朝造形工件臺吐出造形材料，進行積層並進而造形，藉此形成三維造形物。又，當材料A含有光硬化性成分時，如圖2所示，一吐出材料A就同時藉由光照射使之硬化，進行積層並進而造形，藉此形成三維造形物。另外，由材料A所獲得的造形物稱為2M，由材料B所獲得的造形物稱為3M。
(材料A的吐出裝置) 材料A，能夠使用分配器等的裝置一邊吐出一邊積層來造形。造形溫度能夠依操作性及材料A的性質來合適地調整，但考慮到造形精度與造形速度，較佳為20℃至150℃的吐出溫度。在此溫度範圍，材料A的黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s。當材料A於20℃中的黏度為0.01Pa･s以上，且於150℃中的黏度為1000Pa･s以下時，藉由吐出用噴嘴部直徑(內徑)的調整及／或吐出壓力的調整，可獲得良好的吐出性與優異的造形性故較佳。又，於造形溫度中材料A的黏度更佳為0.1Pa･s至800Pa･s，最佳為0.2Pa･s至600Pa･s。
作為吐出材料A的裝置，只要是能夠定量地輸送液體的裝置即可。例如可舉出：定量注射泵式的液體輸送裝置或定量齒輪泵式的液體輸送裝置、定量貫流泵式的液體輸送裝置、定量吐出閥式的液體輸送裝置等。具體而言可舉出：藉由脈衝空氣來擠出材料之注射器方式、或不經由空氣而藉由容積計量與馬達驅動來擠出材料之容積計量方式、對加入了材料的管路本身施加壓力來送出管路內的材料之管路方式、在缸筒內機械性地進行材料的壓縮之柱塞方式等。其中，較佳為通用性和維護的容易度，且壓力可連續性設定，能全部再現性佳地定量吐出低、中、高黏度的液體之注射器方式分配器、和以高精度的吐出速度與長期穩定性優異之容積計量方式的分配器。本發明中所謂的分配器，如圖1、圖3、圖4所示，係包含了儲留部20、加壓部21、加壓控制器部22、噴嘴部23之液體的定量吐出裝置。
材料A係儲留於儲留部20，藉由控制電腦41傳送訊號至加壓控制器部22，加壓部21對儲留部20及材料A施加壓力，經由噴嘴部23將材料A吐出至工件臺上。
加壓部21的加壓方式，是藉由前述之分配器的方式來適當選擇，可舉出：加壓氣體擠出、活塞擠出、齒輪或螺桿擠出等的單獨或組合方式。從能夠瞬間變更加壓狀況而言，較佳為組合了加壓氣體及齒輪或螺桿的加壓方式。又，經由選擇藉由齒輪或螺桿所為之加壓方法，不會對材料A的黏度造成影響，且能微調吐出量。並且，當使用經加熱的材料A時，由於藉由加壓氣體所為之加壓方式能夠應對廣泛的溫度範圍，容易控制因此較佳。為了瞬間且正確地變更加壓狀況，亦可在加壓部21與吐出部之間具備閥門。
進而，加壓部21較佳為包含一種機構，該機構具有在不吐出材料A的期間，藉由減壓氣體、齒輪、螺桿、活塞中的任何1個或2個以上的組合，將材料A朝儲留部20的方向吸上來的機能。藉由將材料A朝吐出之反方向吸上來所為之待機中，能夠抑制造形材料的過度輸出。
將材料A進行加壓之加壓部21的加壓，是藉由加壓控制器部22而受到控制，能夠配合吐出口的形狀、加熱溫度或需要的造形速度與造形精度來適當地調整。加壓控制器部22，可包含在控制電腦41的內建機能裡，亦可以與控制電腦41聯動的形式另外設置。
為了加熱或冷卻儲留部20及噴嘴部23中的材料A，能夠設置加熱／冷卻部24。加熱或冷卻溫度，只要材料A能夠從噴嘴部23順暢地吐出，就可依材料A的品種來適當設定。通常的造形溫度為20℃至150℃，較佳為40℃至100℃。尤其在高分子量或高黏度的造形材料中，藉由加熱至60℃以上而材料A的黏度降低，因此能夠確保充分的造形速度與造形精度。
在加熱／冷卻部24加熱／冷卻的部分，可以是儲留部20或噴嘴部23中的任一者或是雙方。又，加熱／冷卻的溫度，可隨著儲留部20及噴嘴部23而相同，亦可不同。能夠使用各種的加熱／冷卻方法，例如可舉出使用帕耳帖(Peltier)元件、加熱器、水或有機溶劑等的液體熱媒之方法。
材料A的儲留部20，可單獨或組合使用槽、桶、軟管等之能夠儲留液體的容器。又，將造形材料進行加熱／冷卻來使用時，不會隨溫度變化而變形的容器較佳。例如，能夠使用PE(Polyethylene；聚乙烯)、PP(Polypropylene；聚丙烯)、PET(Polyethylene Terephthalate；聚對苯二甲酸乙二酯)等的塑膠容器或由橡膠所構成之容器、由銅、鋁、鐵、不鏽鋼等的金屬所構成之容器。當儲留部20為密閉容器時，如圖3所示，藉由控制電腦41傳送訊息至加壓控制器部22，加壓部21對儲留部20及材料A施加壓力，經由噴嘴部23將材料A吐出至工件臺上。並且，為了加熱／冷卻材料A及儲留部20，能夠設置加熱／冷卻部24。可依照需要在由儲留部20往噴嘴部23部的液體輸送配管等裝上加熱／冷卻裝置或者保溫裝置。同樣地，可依照需要使材料A的儲留部20、液體輸送配管與噴嘴部23控制在相同溫度或不同溫度。
噴嘴部23的材料，可配合用途使用各式各樣的材料。由於噴嘴部23有被加熱／冷卻的情況，和材料A有被加熱／冷卻及／或加壓／減壓的情況，較佳為不會變形的材料。例如可以是樹脂製、金屬製及樹脂與金屬的複合材料或藉由組合所作成的材料，甚至也可以施以撥液性的塗佈。
又，噴嘴部23的內部形狀可配合用途來選擇。從減少對於吐出壓(藉由加壓部21所施加，施予吐出部的壓力)之壓力損失的觀點而言，在不損及造形精度的範圍內，較佳為內部口徑(內徑)較大者，較佳為最小內徑的管長較短者，更佳為噴嘴部內部係錐形形狀。又，吐出口先端的形狀，從能夠減少壓力損失及能夠朝各方向以均等的速度吐出之觀點而言，特佳為圓形形狀。
本發明之造形裝置所使用的噴嘴部23的先端部分，亦即吐出口的特徵在於，是一邊與吐出的造形材料接觸一邊進行造形。吐出口藉由接觸造形材料，能夠使造形材料平滑，使每層的厚度均勻。吐出口之適當的內徑雖然是依照造形材料的黏度、造形溫度與壓力而不同，但考慮到造形精度與造形速度的平衡性，內徑較佳為0.01mm至10mm，更佳為0.05mm至5.0mm，最佳為0.1mm至3.0mm。當噴嘴吐出口的內徑為0.01mm以上時，可充分地降低施加於吐出口的壓力，造形速度不會變慢。又，當內徑為10mm以下時，能夠充分確保造形精度。並且，較佳為該吐出部的內徑及先端外徑為圓形，且內徑與先端外徑之差盡可能地小。例如，可舉出噴嘴先端部經極薄加工而成的噴嘴。外徑與內徑之差較佳為2.0mm以下，更佳為1.0mm以下，最佳為0.5mm以下。該差只要在2.0mm以下，就能獲得良好的造形精度，且能夠防止造形材料附著於吐出口周邊故較佳。
噴嘴部23與工件臺或與造形物的距離亦即積層厚，較佳為小於噴嘴內徑。藉由小於噴嘴內徑，吐出的材料A在噴嘴與工件臺或與造形物之間被壓縮，並以此壓縮狀態使噴嘴移動，藉此對造形面賦予平滑性，同時提升積層造形物的層間接著力。並且，積層厚更佳為噴嘴內徑的10%至80%。只要在10%以上就能夠充分確保造形速度，只要在80%以下就能夠充分確保造形面的平滑性及層間接著性。
噴嘴部23的外部形狀，可以由吐出口施以錐形加工。錐形加工能夠抑制吐出液的殘留於吐出口的周圍，並能夠防止造形精度的低落。又，藉由錐形加工以外的表面處理，例如藉由撥液處理能夠減少材料A附著於噴嘴部23。
材料A係由噴嘴部23被吐出，能夠藉由吐出前後的溫度變化或吐出後的光照射而固體化或凝膠化。作為材料A，例如能夠使用含有由多醣類所構成之膠化劑的材料或塑性溶膠、熱硬化性樹脂材料或光硬化性樹脂材料，或能夠分別使用可藉由混合而固體化或凝膠化之2種以上的液體材料。
材料A之吐出前的處理，可舉出在儲留部20及／或噴嘴部23中的加熱、混合等。例如在塑性溶膠方面，是在儲留部20及噴嘴部23加熱，將材料中的塑膠溶解於塑化劑後吐出。之後所吐出的材料能夠藉由冷卻來固體化或凝膠化。又，例如在雙液型硬化材料，能夠藉由在噴嘴部23中混合而開始硬化反應，吐出至工件臺42後進行硬化反應而固體化或凝膠化。
材料A之吐出後的處理，例如能夠進行冷卻、加熱、光照射等。作為冷卻方法可舉出外部空氣或冷卻氣體，作為加熱方法可舉出暖風或紅外線照射、光照射等。當材料A藉由光來硬化時，硬化的較佳反應機制為自由基聚合，但亦可亦用光硬化的其他的反應機制。作為其他的反應機制可舉出陽離子聚合、陰離子聚合等，也可以是組合了複數的光硬化反應機制之混成硬化，亦可以是組合了熱硬化與光硬化之雙硬化。不限於此等，可依材料來適當選擇。如圖2所示，在光照射部25能夠照射各種光源之紅外線、可見光線、紫外線(UV)、雷射光、電子線等。
(光照射) 在光照射使用紫外線時，能夠使用Hg(汞)系、Xe(氙)系、金屬鹵素等的光源、LED(Light Emitting Diode；發光二極體)光源、準分子光源等。從成本及裝置形狀、安全性方面而言較佳為使用LED光源。又，藉由光照射使材料A硬化時，從硬化性與造形速度的觀點而言，較佳為材料A含有光硬化性成分10質量%以上。
由光照射部25光所照射的範圍，係從造形工件臺的面積扣除具有直徑ΦM(大於噴嘴部23的先端之直徑(外徑)ΦL之圓的面積所剩下的部分。若在此範圍，由於光不會照到將與噴嘴部23的先端接觸的材料A硬化而獲得的2M，因此噴嘴不會阻塞或在噴嘴先端部不會附著已硬化之樹脂的碎屑，能夠經過長時間順暢地進行高精度的造形作業。又，光所照射的範圍，係如噴嘴部的剖面示意圖(圖5)所示，是直徑ΦN與直徑ΦM的同心圓之面積的差(圓環)。當光照射於直徑(ΦN-ΦM)圓環(甜甜圈狀)狀時，材料A能夠均勻地硬化而較佳。又，較佳為圓環的直徑ΦN與ΦM都超過ΦL，且ΦM在ΦN以下，更佳為ΦN在ΦL的1000倍以下，特佳為ΦN在ΦL的500倍以下。雖然也要看噴嘴先端的尺寸，但當ΦN未超過ΦL的1000倍時，材料A會均勻且迅速地硬化，因此更佳。
只要光被控制照射在前述預定的照射範圍內，則照射部或噴嘴部、噴嘴的先端附近等裝置的結構亦可不被限定。例如可舉出在光照射部25與噴嘴部23之間具備噴嘴硬化防止部27。如圖5所示，由照射部25照射的光藉由噴嘴硬化防止部27被遮斷一部份，接觸到噴嘴部23的先端之材料A由於沒有被照射，因此能夠抑制噴嘴先端的阻塞或吐出不良等的事故發生。
噴嘴硬化防止部27的形狀與設定位置，只要能達成噴嘴硬化防止的效果，則沒有特別限定。又，當噴嘴硬化防止部27被固定於噴嘴部23時，能夠與噴嘴部作為一體來移動，即使在造形時噴嘴部往左右、前後迅速地移動也能夠保有噴嘴硬化防止的效果而更佳。並且，噴嘴部23與噴嘴硬化防止部27的一體結構，能夠防止接觸到噴嘴部23的先端之材料A的硬化，且能夠照射經造形之造形物的廣大範圍，能夠全面地提升材料A的硬化率。
又，噴嘴硬化防止部27的先端，不與工件臺42、造形面或造形物接觸，比噴嘴部23的先端還要短，且不與噴嘴部23的先端部分接觸。噴嘴硬化防止部27的長度、形狀與設定位置，能夠依照光照射部25的設定位置、個數及照射角度來適當調整。如圖5所示，藉由設置噴嘴硬化防止部27，比直徑ΦM的圓還要內側就不會被照射(以下，稱為照射限制範圍。)，亦即，噴嘴部23的先端(直徑ΦL的圓)確實未被照射，能夠抑制噴嘴先端的阻塞或吐出不良等的事故發生。當ΦM係大於ΦL的1.0倍，且在ΦL的100倍以下時，能夠防止噴嘴部的吐出不良且能夠同時地充分硬化造形物。又，從硬化性提升與造形速度提升的觀點而言，ΦM較佳為ΦL的1.2倍以上且在50倍以下，更佳為1.5倍以上且在10倍以下。
光的照射，較佳為配合材料A的吐出來進行。藉由僅在材料A的吐出時照射光，能夠抑制附著於噴嘴部23的先端之材料A的硬化，防止噴嘴的堵塞。
依照材料A的硬化性，即使在材料A的吐出停止期間仍需要光的持續照射時，為了防止噴嘴堵塞，能夠使用可動式照射部來作為光照射部25。在可動式照射部，能夠具備使之旋轉或上下、左右移動的伺服馬達、步進馬達、制動器機構等。
光照射所致之材料A的硬化，藉由在惰性氣體氛圍下或減壓下進行，由於聚合的阻礙因子之氧氣被去除，因此會促進反應。惰性氣體的導入和減壓作業，在造形開始前、造形中、造形結束後的任何一種階段都能實施。又，作為惰性氣體，例如能夠使用氮氣、氬氣、二氧化碳等，從成本和取得容易性的觀點而言，較佳為氮氣及二氧化碳。
惰性氣體氛圍，例如可以在包圍造形工件臺的空間(造形區43)填充惰性氣體，如圖10所示，可以一邊由惰性氣體噴射部28噴射惰性氣體至造形部位一邊造形。另一方面，減壓係例如如圖11所示，藉由減壓泵29使造形區43由減壓部48減壓。又，藉由在包圍造形工件臺的空間設置壓力計或氧氣濃度計，能夠確認氧氣濃度。
(造形材料B的吐出裝置) 造形材料B是在室溫(25℃)中不具有流動性的固體，能夠加工成絲狀或丸粒狀來儲留。如圖1所示，儲留在儲留部30的造形材料B，能夠依照來自控制電腦41的訊號，藉由加壓部31來加壓，藉由加熱部34來加熱，並透過噴嘴部33一邊吐出在工件臺42或造形物上一邊積層來造形。使用絲狀的造形材料B時，雖然可以僅加熱噴嘴部33(圖1)，但使用丸粒狀的造形材料B時，較佳為同時加熱加壓部31與噴嘴部33(圖3)。
造形材料B的造形溫度能夠依照造形材料的結構、分子量等的性質來適當調整，但考慮到造形精度、造形速度及獲得的造形物的硬度、強度等的物性，較佳為在60℃至350℃的溫度範圍造形。又，於造形溫度中的熔融流動速率値(MFR)只要在1g/10分鐘至400g/10分鐘(載重2.16Kg)，造形材料B就能夠一邊保持良好的流動性，一邊順暢地吐出而高精度地造形。
填充於儲留部30之材料B的形狀，可以是絲狀也可以是丸粒狀。儲留部30的形狀能夠依照填充材料的種類來適當選擇。例如，若是絲狀材料的情況能夠將絲纏繞在線軸等來儲留，又，若是丸粒狀材料的情況能夠填充於料斗等的容器來儲留。
作為造形材料B之加壓部31的動力，例如能夠使用馬達。藉由馬達的旋轉使齒輪或螺桿旋轉，而對造形材料B加壓。藉由加壓部31的加壓使造形材料B從儲留部30運送至噴嘴部33。雖然造形材料B為絲狀時，積極的加熱並不佳，但為丸粒狀時藉由加熱來一邊將造形材料B熔融一邊加壓較佳。
作為造形材料B之加熱部34的動力，例如能夠使用電熱器。加熱的控制是藉由控制電腦41來進行，能夠將造形材料B加熱至預定溫度來用以造形。
吐出造形材料B之噴嘴部33的材質，較佳為金屬材料，更佳為不因加熱及材料的吐出而導致劣化的材料。例如能夠適當選擇鐵、鋁、銅、不鏽鋼、鈦、碳化鎢等。
噴嘴部33的先端部分，亦即吐出口的特徵在於，是一邊與吐出的造形材料B接觸一邊進行造形。吐出口藉由接觸造形材料，能夠使造形材料平滑，使每層的厚度均勻。吐出口之適當的內徑雖然是依照造形材料的形狀或熔融黏度、造形溫度與壓力等而不同，但考慮到造形精度與造形速度的平衡性，內徑較佳為0.1mm至2.0mm，更佳為0.2mm至1.0mm。當噴嘴吐出口的內徑為0.1mm以上時，可充分地降低施加於吐出口的壓力，造形速度不會變慢。又，當內徑為2.0mm以下時，能夠充分確保造形精度。並且，較佳為該吐出部的內徑及先端外徑為圓形，且內徑與先端外徑之差盡可能地接近。例如，可舉出噴嘴先端部經極薄加工而成的噴嘴等。外徑與內徑之差較佳為2.0mm以下，更佳為0.8mm以下，最佳為0.5mm以下。該差只要在2.0mm以下，就能獲得良好的造形精度，且能夠防止造形材料附著於吐出口周邊故較佳。
吐出造形材料B之噴嘴部33的外部形狀，可以施以錐形加工。錐形加工，由於能夠防止因吐出的造形材料B的殘留在噴嘴部周圍所導致之造形精度低落因此較佳。又，藉由錐形加工以外的表面處理，例如藉由撥液處理能夠減少造形材料B附著於噴嘴部33。
加壓部31亦可包含一種機構，係在不吐出造形材料B期間(待機期間)，能夠藉由齒輪或螺桿的逆向旋轉將造形材料B抽上來。藉由設置此機構，能夠抑制在待機期間輸出過度的造形材料B，能夠提升造形精度。
造形材料B為熱塑性樹脂或熱塑性樹脂組成物，於60℃至350℃的溫度範圍中，具有良好的流動性，能夠容易地用於高精度的造形。樹脂之成形加工時的流動性通常是以熔融流動速率(MFR)値來評估，造形材料B於60℃至350℃的溫度範圍中的MFR値(載重2.16kg)為1g/10分鐘至400g/10分鐘。MFR値若在此範圍內，則易於取得造形速度與造形精度的平衡性。又，較佳為5g/10分鐘至200g/10分鐘，特佳為10g/10分鐘至100g/10分鐘。
造形材料B在60℃以上的溫度從噴嘴吐出後，藉由冷卻來固體化而造形。從取得高精度的造形物之觀點而言，較佳為材料B直接吐出至工件臺上的情況是將工件臺42加熱或保溫，而其他的情況是將造形區43加熱或保溫。雖然工件臺42與造形區43的設定溫度(環境溫度)依照材料B的造形溫度(吐出溫度)而不同，但只要在40℃至230℃的範圍內，造形溫度與環境溫度之差會成為20℃至200℃而更佳。當環境溫度為40℃以上時，材料B的造形溫度與環境溫度之差為20℃以上，材料B從噴嘴吐出後迅速被冷卻，能夠確保充分的造形速度。又，當環境溫度不超過200℃時，造形溫度與環境溫度之差為200℃以下，能夠抑制由材料B成形的造形物之熱收縮導致的變形。環境溫度更佳為20℃至150℃，最佳為20℃至100℃。
造形材料B只要包含熱塑性樹脂即可，作為熱塑性樹脂，例如能夠使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、氯乙烯樹脂(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醯胺(PA)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚醋酸乙烯酯(PVAC)，聚胺基甲酸酯樹脂(PUR)、聚四氟乙烯(PTFE)、丙烯腈-苯乙烯樹脂(AS)、丙烯酸樹脂、聚縮醛(POM)、聚苯醚(PPO)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、環烯烴聚合物(COP)、聚己內酯(PCL)、聚苯硫醚(PPS)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)、聚芳香酯(PAR)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醯亞胺(PI)、聚醯胺醯亞胺(PAI)、聚丁二烯(BR)等。
造形材料B除了熱塑性樹脂以外，亦可包含其他的機能性材料，例如可舉出：玻璃系纖維、碳系纖維、纖維素系纖維、木碎、金屬粉末、碳黑、碳酸鈣、滑石、塑化劑、穩定劑、著色劑等。
(造形裝置全體) 不同的材料A及材料B的吐出，可以並行來進行，亦可每種單一材料來進行。從形成複合材料之觀點而言，較佳為在針對一層的造形動作中，輸出了所需的全部造形材料後，再移到下個一層的輸出(圖6)。
工件臺42能夠對吐出材料A的噴嘴部23、及對吐出材料B的噴嘴部33進行相對性地移動(相對移動)。工件臺42較佳為以高強度的材料構成，又，更佳為能夠輕易地將造形後工件臺上那個造形物剝離。例如，可舉出單獨或複合了不鏽鋼等的各種金屬材料或玻璃、塑膠等的材料而成的工件臺。使上述之複數的噴嘴對於工件臺42相對地運作之機構，可在同一軸上，亦可在其他軸上。
吐出材料A的噴嘴部23及吐出材料B的噴嘴部33，是個別配置了一個以上在裝置本體40中。這些噴嘴部可以單獨具備相對移動機構，亦可在相同的相對移動機構上。
相對移動機構，係用以使積層造形材料的工件臺42與上述噴嘴三維地移動，將馬達作為動力源並利用齒輪、螺桿、傳動帶等使噴嘴與工件臺的位置關係變化。該機構可以使噴嘴及該噴嘴附帶的零件移動，亦可以使工件臺42移動，也可以是該等的組合。
對於相對移動機構，較佳為具備用以限制移動範圍的感測器。藉由具備感測器，能夠防止裝置的破損、決定絕對的三維位置。
本發明中的製造裝置，能夠具備例如如圖7至圖9所示的噴嘴部及控制該噴嘴部的機構。另外，本發明所使用的噴嘴部與該控制機構並不限定於這些例子。這些控制機構，是例如在需要切換由複數的噴嘴部吐出造形材料時運作，能夠使非運作狀態的噴嘴部移動到遠離工件臺42上的造形面的位置。藉由此移動，能夠防止由非運作狀態的噴嘴部吐出過度的造形材料至造形面，且能夠防止造形面與噴嘴部的接觸，能夠提升造形精度。這些機構，亦可使用在調整相對於複數的噴嘴部的工件臺42之相對位置。例如能使造形材料的積層面高度整齊一致，能夠提升造形精度。並且，只要是例如藉由馬達46(圖8與圖9)、伺服、齒輪45(圖7)、螺桿47(圖8)、凸輪連桿、旋轉(圖9)等使複數的噴嘴部及控制噴嘴部之噴嘴控制部44上下或旋轉之機構即可。
本發明中的控制電腦41至少能夠控制複數的加壓部、加熱部、相對移動機構之動作。例如，能夠使用作為開放原始碼之RepRap的系統，也能藉由公知的切片機軟體(Slicer software)、前端軟體(Front-End software)來造形。
控制電腦41亦能夠控制光照射部25、未包含在相對移動機構之複數的噴嘴部及該噴嘴部的控制機構之動作。綜合地統一控制，能夠抑制噴嘴部的堵塞，或促進材料A的硬化，還能夠調整噴嘴部的高度，提升造形精度。
對控制電腦41的資料輸入，可以藉由讀取記錄在SD卡等的外部記錄媒體的資料來進行，亦可藉由透過USB傳輸線等的配線連接或WiFi等的無線通訊連接連接到個人電腦等來進行。
以下使用圖來說明本發明中的實施形態。另外，本發明之實施形態並不限定於這些實施例。
本發明之實施例、比較例所記載的各種化合物的簡稱如下述記載。 UA-1：2官能之胺甲酸酯寡聚物(在兩末端具有丙烯酸基，於20℃中的黏度為510Pa･s，於60℃中的黏度為49Pa･s，於100℃中的黏度為6.8Pa･s。) UA-2：2官能之胺甲酸酯寡聚物(在兩末端具有丙烯酸基，於85℃中的黏度為20Pa･s。) UA-3：6官能之多分支胺甲酸酯寡聚物(在兩末端具有丙烯酸基，於100℃中的黏度為160Pa･s。) UA-4：2官能之胺甲酸酯寡聚物(在兩末端具有丙烯酸基，於110℃中的黏度為300Pa･s。) 1173：光聚合起始劑Omnirad 1173(IGM Resins公司製造) TPO：光聚合起始劑Omnirad TPO(IGM Resins公司製造) ACMO：丙烯醯嗎啉(KJ CHEMICALS公司製造 註冊商標「ACMO」，註冊商標「Kohshylmer」，黏度為0.012Pa･s(20℃)) PEA：丙烯酸苯氧乙酯(大阪有機化學工業股份有限公司製造 Viscoat 192 黏度為0.009Pa･s(20℃)) PLA：PolyPlus PLA(Polymaker公司製造 MFR 7g/10分鐘至11g/10分鐘(210℃，載重2.16Kg)) PVA：AquaSolve-PVA(FORMFUTURA公司製造 MFR 14g/10分鐘至20g/10分鐘(190℃，載重2.16Kg)) ABS：ABS樹脂(PolyLite ABS，polymaker公司製造，MFR 9g/10分鐘至14g/10分鐘(220℃，載重2.16Kg)) PC：PC樹脂(PolyMax PC，polymaker公司製造，MFR 6g/10分鐘至8g/10分鐘(260℃，載重1.2Kg)) Nylon：尼龍樹脂(Nylon12，Kodak公司製造，MFR 38g/10分鐘(220℃，載重10Kg))
使用在本發明之各實施例與比較例所獲得的造形物，藉由下述方法進行物性評估等。 >拉伸強度、斷裂伸度> 使用在實施例與比較例所獲得的造形物，衝壓成遵循JIS K6251而成的3號啞鈴型，獲得啞鈴型試驗片，依照JIS K7161，藉由桌上型精密萬能試驗機(島津製作所股份有限公司製造 Autograph AGS-X)進行拉伸試驗。將5片試驗片在拉伸速度10mm/分鐘、夾具間距離50mm的測定値平均，作為拉伸強度(強度)與斷裂伸度(伸度)。 >造形精度> 造形結束後，精密地量測造形物的尺寸，與設定値比較來評估造形精度。 ◎：完成積層造形，且造形物的外形尺寸為設定値的99%至101%的情況 ○：完成積層造形，且造形物的外形尺寸為造設定値的95%至105%的情況 △：雖然完成積層造形，但造形物有變形、歪曲等，外形尺寸未達造形數據的95%，或超過105%的情況 ×：未獲得作為目的之造形物的情況 >品質評估> 造形結束後，進行造形物的外部及剖面的觀察，藉由積層痕和氣泡等的有無來評估造形物的品質。 ◎：幾乎沒有確認到積層痕，也幾乎沒有確認到氣泡或缺陷的情況 ○：雖然有確認到積層痕，但幾乎沒有確認到氣泡或缺陷的情況 △：明確地確認到積層痕，且明確地確認到氣泡或缺陷的情況 ×：積層的凹凸全面性地存在，且氣泡或缺陷非常多的情況
(實施形態1) 本實施形態是使用異質材料之材料A與材料B進行積層來製造三維造形物。如圖1所示，係使用一種三維造形裝置，其中材料A的輸出機構為注射泵式，係具有：儲留材料A之儲留部20；將材料A加壓之加壓部21、加壓控制器部22；使材料A吐出之噴嘴部23；及將儲留部20與噴嘴部23加熱之加熱部24；進一步具有：材料B的儲留部30；吐出材料B之噴嘴部33；材料B相關的加熱部34與加壓部31；該三維造形裝置係具備：工件臺42，使由上述複數的噴嘴部的吐出口所吐出的上述造形用材料積層；相對移動機構，用以使工件臺42與上述噴嘴部23、噴嘴部33進行三維地相對移動；控制電腦41，用以控制前述複數的加壓部、加熱部、相對移動機構的動作。控制電腦41是使用RepRap的系統，經由USB傳輸線使控制電腦41與個人電腦連接，並從個人電腦將關於造形條件的數據傳輸至控制電腦41。
控制電腦41是根據傳輸來的數據來控制加熱部和加壓部進行加熱、加壓，如圖6所示，將不同之材料A與材料B由各自的噴嘴23與噴嘴33吐出至工件臺42上，一邊進行固體化一邊進行積層。此時，噴嘴部23與噴嘴部33的先端部分是分別與吐出的材料A、材料B接觸，一邊使造形面平滑一邊進行造形。藉此，能夠精密地控制造形層的厚度，能夠高精度地進行造形。
實施例1 使用塗佈用巧克力(共立食品公司製造，黏度42Pa･s(33℃))作為材料A，將儲留部20與噴嘴部23(吐出口的內徑為2.0mm，外徑為4.0mm)加熱至40℃。另一方面，使用PolyPlus PLA(Polymaker公司製造 MFR 7g/10分鐘至11g/10分鐘(210℃，載重2.16Kg))作為造形材料B，將加熱部34與噴嘴部33(吐出口的內徑為0.5mm，外徑為2.0mm)加熱至210℃。將造形區43的環境溫度設定在10℃，將材料A與材料B的積層厚分別設為0.6mm與0.2mm，依照各自的預定造形速度、壓力與造形圖樣等實施造形。吐出至工件臺42的材料A與材料B，在吐出後分別進行冷卻來固體化。藉由對每層進行此操作，並且進行積層，能夠高精度地製造出由外牆為3M，內部為2M所構成之直徑20mm、長度50mm(外牆的厚度為5mm)的圓柱狀造形物。
(實施形態2) 將材料A的輸出機構如圖4所示設為齒輪泵式，作成具備以下元件之裝置：儲留材料A之儲留部20；將材料A加壓之加壓部21；加壓控制器部22；使材料A吐出之噴嘴部23；及將儲留部20與噴嘴部23加熱之加熱部24。材料B的輸出機構如圖4所示係使用丸粒狀材料的吐出裝置。
實施例2 使用實施形態2之三維造形裝置，使用1-十八醇(熔點為59℃，東京化成工業股份有限公司製造，黏度為0.013Pa･s(60℃))作為材料A，將儲留部20與噴嘴部23(吐出口的內徑為0.05mm，外徑為0.08mm)加熱至60℃。另一方面，使用與實施例1相同之PLA的丸粒作為造形材料B，將加熱部34與噴嘴部33(吐出口的內徑為0.4mm，外徑為1mm)加熱至210℃。藉由將造形區43的環境溫度設定在20℃，將材料A與材料B的積層厚都設為0.2mm，根據預定條件與實施例1同樣地進行造形，將2M與3M之層交互地堆疊，能夠高精度地製造出成型之長方形造形物(長100mm、寬40mm、高10mm)。將獲得的造形物切成二等份(長50mm、寬40mm、高10mm)，藉由目視確認到沒有氣泡或缺陷等，且2M與3M之層均勻地密合而積層而成。又，在造形物的表面沒有確認到明確的積層痕。
(實施形態3) 如圖2所示，使用實施形態1的三維造形裝置，並進一步具備光照射部25。當材料A含有光硬化性成分時，材料A由噴嘴部23吐出之後，能夠藉由照射自光照射部25的光來硬化。
又，如圖10所示，能夠設置惰性氣體噴出部28。藉由對光照射範圍噴出氮氣等的惰性氣體，能夠使具有光硬化性成分之材料A的自由基聚合所致之硬化反應迅速地進行，有利於造形速度的提升與造形精度的改善。惰性氣體的吹出，是以固體化之前的造形物不會變形的程度之壓力來進行。此壓力雖然會依造形材料的品種、物性而不同，但通常是設定在50kPa以下。
並且，如圖5所示，能夠設置噴嘴硬化防止部27。藉由設置硬化防止部27，由於能夠容易地調整照射自照射部25的光的照射範圍，因此噴嘴先端的阻塞或吐出不良等的事故發生受到抑制，造形精度亦受到提升故較佳。
實施例3 如圖2所示，使用具備了光照射部25的實施形態3之三維造形裝置。調配了丙烯醯嗎啉(KJ CHEMICALS公司製造 註冊商標「ACMO」，註冊商標「Kohshylmer」)49質量份、丙烯酸苯氧乙酯49質量份與光聚合起始劑Omnirad TPO(IGM Resins公司製造)2質量份的混合物來作為材料A。於20℃中的材料A的黏度為0.011Pa･s。將材料A的吐出溫度設定在20℃，使用內徑0.1mm，外徑0.13mm的吐出口噴嘴部23，使用UV-LED(UV light-emitting diode；紫外線發光二極體)(405nm)的光源作為光照射部。另一方面，使用AquaSolve-PVA(FORMFUTURA公司製造 MFR 14g/10分鐘至20g/10分鐘(190℃，載重2.16Kg))作為材料B，將加熱部34與噴嘴部33(吐出口的內徑為1.0mm，外徑為2.0mm)加熱至190℃。將環境溫度設定在20℃，將材料A與材料B的積層厚都設為0.2mm，依照各自的預定造形速度、壓力與造形圖樣等實施造形。吐出至工件臺42的材料A，藉由照射自光照射部25的光而硬化，另一方面，材料B在吐出後進行冷卻來固體化。藉由對每層進行此操作，並且反覆進行積層將2M與3M之層交互地堆疊，藉此能夠高精度地製造出成型之長方形造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)。
實施例4 使用2官能之胺甲酸酯寡聚物(UA-1，於100℃中的黏度為6.8Pa･s。)98質量份與光聚合起始劑Omnirad1173(IGM Resins公司製造)2質量份的混合物來作為材料A。將儲留部20與噴嘴部23(吐出口的內徑為0.6mm，外徑為0.7mm)加熱至100℃。使用Hg-Xe燈作為光源。另一方面，與實施例1同樣地使用PLA來作為造形材料B，將噴嘴部33加熱至210℃，使用內徑0.4mm，外徑2.0mm的噴嘴部33。將材料A與材料B的積層厚都設為0.16mm，在環境溫度60℃實施造形。此時，如圖5所示，在噴嘴部23安裝有噴嘴硬化防止部27。噴嘴部23的先端的直徑(外徑)ΦL為0.13mm，藉由噴嘴硬化防止部27而不會被照射到的照射限制範圍之圓的直徑ΦM為5mm。又，照射自光照射部25的最大範圍之圓的直徑ΦN為30mm，亦即藉由噴嘴部23、光照射部25、噴嘴硬化防止部27的組合所照射的範圍為直徑25mm(ΦN-ΦM)之圓環。依照前述預定條件，造形材料A一邊吐出至工件臺42，一邊藉由照射自LED光源的紫外線(UV)而硬化，造形材料B之PLA樹脂與實施例1同樣地藉由吐出後冷卻來固體化。
作為造形方法，利用本發明之造形裝置在每層交互地堆疊材料A與材料B之造形方法、將材料A堆疊數層後再將材料B堆疊數層之造形方法、在同一層內一起使用材料A與材料B進行積層之造形方法等，能夠藉由本發明之造形裝置來任意地設定而進行。例如，使用實施例4的材料A與材料B，在環境溫度60℃進行以下的造形。 沿著圖2所示之X軸方向將材料A以0.13mm/層至0.14mm/層的厚度吐出來進行積層，獲得由長(Y軸方向)100mm、寬(X軸方向)20mm、高(Z軸方向)0.67mm至0.68mm的材料A所構成之造形物2M。在獲得的2M之片狀造形物之上，將材料B沿著Y軸方向以0.22mm/層至0.23mm/層的厚度吐出來進行積層，獲得由高度1.34mm至1.35mm的造形物2M與3M所構成之複合材料造形物。並且，在2M與3M的複合材料造形物之上將材料A同樣地進行X軸方向的造形，獲得長100mm、寬20mm、高2mm之3層結構的異質材料造形物AxByAx。並且，將材料A與材料B都進行X軸方向的造形及材料A進行X軸，材料B進行傾斜方向(相對於X軸45°的方向)的造形，分別獲得長100mm、寬20mm、高2mm之3層結構的異質材料造形物AxBxAx與AxB45Ax。
比較例1 使用三維造形裝置(P)，係具備了涉及到材料A之輸出機構、儲留部、液體輸送裝置、溫度控制裝置、噴嘴部、與光照射部、控制電腦、工件臺等，使用與實施例4同樣的材料A，在與實施例4同樣的造形條件中，進行X軸方向的造形，製造出長方形造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)。
比較例2 使用三維造形裝置(Q)，係具備了涉及到材料B之輸出機構、儲留部、液體輸送裝置、溫度控制裝置、噴嘴部、控制電腦、工件臺等，使用與實施例3同樣的材料B，在與實施例3同樣的造形條件中，進行X軸、Y軸與Z軸方向的造形，製造出長方形造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)。
使用在實施例4與比較例1、比較例2獲得的各造形物，分別切成2等份(長50mm、寬20mm、高2mm)，藉由光學顯微鏡(放大10倍)觀察剖面，評估造形品質。又，評估造形精度，進行藉由拉伸試驗所為之強度與伸度的評估。將評估結果顯示於表1。
[表1]
Figure 108122122-A0304-0001
實施例5至實施例11 在實施例5中，使用與實施例4相同的材料A與材料B，在與實施例4同樣的裝置與造形條件的情況，製造出圖6所示之造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)。又，使用與實施例4同樣的裝置，藉由表2所示之材料、條件進行實施例6至實施例11，獲得長100mm、寬20mm、高2mm的造形物。將實施例3、實施例5至實施例11的異質材料之組成、造形條件及造形物的評估結果顯示於表2。另外，在實施例6至實施例11，材料A與材料B的造形都是沿著Y軸方向來進行。
[表2]
Figure 108122122-A0304-0002
比較例3 使用與實施例3同樣的材料A，在與實施例3同樣的造形條件中，藉由涉及到材料A之三維造形裝置P進行X軸方向的造形，製造成長方形造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)。隨著將獲得的造形物作為層來堆疊，剛吐出後的樹脂會容易蔓延，造形的精度較低。又，在獲得的造形物的表面確認到凹凸，品質較低。由於無論在將該造形物切成2等份時，或在衝壓成拉伸試驗用啞鈴型試驗片時都會破裂，因此無法進行內部觀察與拉伸試驗。
比較例4至7 使用表3所示之各種材料B，藉由涉及到材料B之三維造形裝置Q，在預定條件下積層進行造形，製造成長方形造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)。評估獲得的造形物的造成精度、品質，進行拉伸試驗。將各種評估、試驗的結果顯示於表3。
比較例8 將比較例1與比較例2以Y軸方向進行造形獲得2片的長方形造形物(長100mm、寬20mm、高2mm)，將這2片造形物上下重疊，使用熱壓製機(200℃)，成形為高度2mm。冷卻後，切成長100mm、寬20mm、高2mm。同樣地評估造形物的品質的時候，在材料A與材料B的界面有氣泡和缺陷、未密合處。進行拉伸試驗，將結果顯示於表3。
[表3]
Figure 108122122-A0304-0003
由實施例3至實施例11與比較例3至比較例7的結果而言，即使在通常處理單一材料(材料A或者材料B)之三維造形裝置而無法高精度、高品質造形的材料之中，由於本發明之三維造形裝置能夠使用異質材料，因此藉由異質材料A與材料B的組合、複合等能夠改善造形精度與造形物的品質，亦能夠提升造形物的機械性質。這認為是在同一層之中或不同層之間所具有的異質材料的交互作用所導致之特異的效果而展現的結果。例如，低黏度的材料A若吐出於以異質材料之材料B造形而成的層之上，能夠抑制硬化前的蔓延，又，若在熔融黏度高的材料B的周邊，吐出異質材料之材料A來造形，能夠填補材料B彼此所形成的空隙或積層痕，在造形物的品質改善、強度與伸度的提升，尤其能夠改善FDM(Fused Deposition Modeling；熔融沉積成型)材料特有的強度異向性(積層方向的強度較低)之問題。
若比較表1至表3的結果，使用異質材料之材料A與材料B所獲得的積層造形物的強度，比由單一材料A或材料B所構成之造形物還要高，且伸度變得比單一材料B的造形物還要高。可以確認到造形精度、造形物的品質，都是由異質材料所構成之造形物這一方優於單一材料A或材料B的造形物。僅使用單一材料A的情況，在積層同樣的柔軟性材料或低黏度材料、活化能硬化性材料時，由於在固體化或硬化之前具有流動性，因此在固體化或硬化後不會殘留層間的空隙，能夠抑制在造形物表面積層痕的殘存，而在積層高黏度的材料，或者固體化或硬化速度快的材料時，則會導致容易在造形物的內部殘存氣泡或缺陷等結果。另一方面，僅使用單一材料B的情況，藉由將同樣的高熔融黏度或高熔點的材料、高硬度、強度的材料加熱至具有一定流動性的溫度，並以半熔解狀態吐出來積層，雖然能夠抑制造形物內部的氣泡或缺陷等，但是吐出後因為急速地失去流動性，而會導致容易在固體化時於層間殘存空隙，容易在造形物表面及內部殘存積層痕的結果。本發明之使用異質材料的造形，使各種材料的特徴發揮到最大，克服缺點，藉由這些的交互作用而能夠平衡性佳地造形。又，因為強度與伸度亦良好，能夠高精度地造形出優異品質的造形物。並且，習知的FDM式之造形物，亦即本發明之比較例3至比較例7的情況，積層方向的強度特別低，容易破裂的缺點，顯然藉由導入異質材料而有改善，提升了實用性。另外，這樣的異質材料所造成之造形性能的提升，是使用本發明之造形裝置一點一點地將異質材料交錯地積層的情況，異質材料能夠接近最大限度，能夠將這些的相乘效應發揮到最大限度。因此，比起貼合以各自的材料所獲得的造形物(比較例8)，更能夠獲得在強度和伸度等之機械物性亦優異的造形物。
又，藉由設置噴嘴硬化防止部，材料A不會在吐出用噴嘴的先端直接被光照射，改善了噴嘴部的阻塞，或在噴嘴先端硬化的造形材料A的固著，待機期間中的拉絲等。 (產業可利用性)
如以上所說明，本發明中之能夠將2種以上的異質材料積層造形之三維造形裝置，能作為3D列印機使用，在廣泛的領域中藉由適當組合各式各樣的材料，能夠精度佳地製造由異質材料所構成之造形物。又，藉由本發明之三維造形方法，能夠容易由異質材料工業性製造具有各種物性値、形狀之三維造形物來作為工業用物品、文具、事務用品等的生活用品或醫療用品等。
20‧‧‧儲留部 21‧‧‧加壓部 22‧‧‧加壓控制器部 23‧‧‧噴嘴部 24‧‧‧加熱部 25‧‧‧光照射部 27‧‧‧噴嘴硬化防止部 28‧‧‧惰性氣體噴射部 29‧‧‧減壓泵 30‧‧‧儲留部 31‧‧‧加壓部 33‧‧‧噴嘴部 34‧‧‧加熱部 40‧‧‧裝置本體 41‧‧‧控制電腦 42‧‧‧工件臺 43‧‧‧造形區 44‧‧‧噴嘴控制部 45‧‧‧齒輪 46‧‧‧馬達 47‧‧‧螺桿 48‧‧‧減壓部 A‧‧‧吐出溫度為20℃至150℃，吐出黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s之造形材料 B‧‧‧吐出溫度為60℃至350℃，於吐出溫度中的熔融流動速率(MFR)値為1至400(g/10分鐘，載重2.16kg)之造形材料
圖1顯示著製造使用了異質材料的三維造形物之裝置(材料A的輸出機構為注射泵式的情況)。 圖2顯示著製造使用了異質材料的三維造形物之裝置(材料A含有光硬化性成分的情況)。 圖3顯示著製造使用了異質材料的三維造形物之裝置(材料A的儲留部20為密閉容器的情況)。 圖4顯示著製造使用了異質材料的三維造形物之裝置(材料A的輸出機構為齒輪泵式的情況)。 圖5顯示著藉由噴嘴硬化防止部而受限制的照射限制範圍(直徑ΦN-直徑ΦM之圓環)與噴嘴部直徑(外徑)ΦL之圓的關係。 圖6顯示著一邊輸出異質材料一邊流暢地積層之步驟。 圖7顯示著將輸出異質材料的噴嘴部上下移動之機構(齒輪)。 圖8顯示著將輸出異質材料的噴嘴部上下移動之機構(旋轉軸)。 圖9顯示著將輸出異質材料的噴嘴部旋轉之機構。 圖10顯示著製造使用了異質材料的三維造形物之裝置(材料A含有光硬化性成分，並且設置惰性氣體噴射部28的情況)。 圖11顯示著製造使用了異質材料的三維造形物之裝置(材料A含有光硬化性成分，並且設置減壓泵29的情況)。
20‧‧‧儲留部
21‧‧‧加壓部
22‧‧‧加壓控制器部
23‧‧‧噴嘴部
24‧‧‧加熱部
30‧‧‧儲留部
31‧‧‧加壓部
33‧‧‧噴嘴部
34‧‧‧加熱部
40‧‧‧裝置本體
41‧‧‧控制電腦
42‧‧‧工件臺
43‧‧‧造形區
A‧‧‧吐出溫度為20℃至150℃，吐出黏度為0.01Pa．s至1000Pa．s之造形材料
B‧‧‧吐出溫度為60℃至350℃，於吐出溫度中的熔融流動速率(MFR)值為1至400(g/10分鐘，載重2.16kg)之造形材料

Claims (15)

  1. 一種三維造形裝置，使用了材料A與材料B之2種以上的造形材料，係具備： 儲留部，用以儲藏各種造形材料； 噴嘴部，用以吐出各種造形材料； 液體輸送裝置、溫度控制裝置，該液體輸送裝置用以將各種材料由儲留部往噴嘴部輸送； 造形用工件臺； 相對移動機構，用以使工件臺與2個以上的噴嘴部三維地相對移動； 電腦，用以控制液體輸送裝置、溫度控制裝置及相對移動機構。
  2. 如請求項1所記載之三維造形裝置，其中同時吐出至少1種以上的材料A、與至少1種以上的材料B，並且，材料A的吐出溫度為20℃至150℃，吐出黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s。
  3. 如請求項1或2所記載之三維造形裝置，其中材料A的吐出方式係選自注射器方式、容積計量方式、管路方式、柱塞方式中的1種以上。
  4. 如請求項1至3中任一項所記載之三維造形裝置，其中材料A的液體輸送裝置係選自定量注射泵式液體輸送裝置、定量齒輪泵式液體輸送裝置、定量貫流泵式液體輸送裝置、定量吐出閥式液體輸送裝置中的1種以上之定量液體輸送裝置。
  5. 如請求項1至4中任一項所記載之三維造形裝置，其中材料B的吐出溫度為60℃至350℃，並且，於吐出溫度中的熔融流動速率(MFR)値係1至400(g/10分鐘，載重2.16kg)。
  6. 如請求項1至5中任一項所記載之三維造形裝置，進一步具備光照射部。
  7. 如請求項1至6中任一項所記載之三維造形裝置，其中在用以吐出材料A之噴嘴部進一步設置噴嘴硬化防止部。
  8. 如請求項1至7中任一項所記載之三維造形裝置，其中噴嘴硬化防止部係限制由光照射部所照射之光的照射範圍，並且，照射範圍係在用以吐出材料A之噴嘴部的前端直徑之同心圓的1倍以上至未達100倍的範圍內。
  9. 一種三維造形物的製造方法，係材料A與材料B同時或依序吐出至工件臺上，一邊形成相同層或不同層一邊積層。
  10. 如請求項9所記載之三維造形物的製造方法，其中用以吐出材料A及／或材料B之噴嘴的前端係一邊與由各自的噴嘴所吐出的材料接觸一邊進行造形。
  11. 如請求項9或10所記載之三維造形物的製造方法，其中2種以上的造形材料係含有至少1種以上的材料A、與至少1種以上的材料B，材料A係於20℃至150℃的溫度範圍進行造形，並且，於造形溫度中的材料A的黏度為0.01Pa･s至1000Pa･s。
  12. 如請求項9至11中任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料B係於60℃至350℃的溫度範圍進行造形，並且，造形溫度中的熔融流動速率(MFR)為1至400(g/10分鐘，載重2.16kg)。
  13. 如請求項9至12中任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料A係含有光硬化性成分10質量%以上之樹脂組成物。
  14. 如請求項9至13中任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料A係一邊以20℃以上的溫度由噴嘴吐出一邊藉由光照射而固體化。
  15. 如請求項9至14中任一項所記載之三維造形物的製造方法，其中材料B係以60℃以上的溫度由噴嘴吐出後，藉由冷卻而固體化。
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