WO2017082207A1 - 造形物の製造方法及び造形物 - Google Patents

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WO2017082207A1
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gap
metal
resin
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PCT/JP2016/082973
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隆司 當間
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武藤工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/30—Producing shaped prefabricated articles from the material by applying the material on to a core or other moulding surface to form a layer thereon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a modeled object and a modeled object.
  • Patent Document 1 discloses a three-dimensional modeling apparatus that manufactures a model based on three-dimensional design data.
  • various methods such as an optical modeling method, a powder sintering method, an ink jet method, and a molten resin extrusion modeling method have been proposed and commercialized.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a modeled object that can strengthen bonding between a plurality of types of materials even when generating a modeled object using a plurality of types of materials in a composite manner. To do.
  • the first material is continuously formed in the first direction, and the second direction intersects the first direction.
  • the first material is continuously formed in a third direction intersecting the first direction, and
  • a 1st cross-girder structure is formed by arranging a gap in a fourth direction that intersects the third direction.
  • a second material girder structure is formed by depositing a thin film of a second material on the wall surface of the first girder structure using an electroless plating method. Further, an electrolytic plating method is performed on the second cross beam structure to deposit a third material in the gap to form a third cross beam structure.
  • the first material is continuously formed in the first direction, and the second direction intersects the first direction.
  • the first material is continuously formed in a third direction intersecting the first direction, and A 1st cross-girder structure is formed by arranging a gap in a fourth direction that intersects the third direction.
  • a mold that covers the first cross-girder structure is formed, and then the first cross-girder structure is removed leaving the mold.
  • a second material that has been melted is poured into the mold and solidified to form a second stringer structure.
  • the mold is removed leaving the second well structure.
  • a third liquid girder structure is formed by injecting the liquid third material into the gap and solidifying the second girder structure.
  • FIG. 1 is a block diagram which shows schematic structure of the manufacturing apparatus used for manufacture of the molded article which concerns on 1st Embodiment. It is a perspective view which shows schematic structure of the three-dimensional modeling apparatus (3D printer) which concerns on 1st Embodiment. It is a front view which shows schematic structure of the three-dimensional modeling apparatus which concerns on 1st Embodiment. 2 is a perspective view showing a configuration of an XY stage 12.
  • FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the lifting table 14.
  • FIG. It is process drawing explaining the manufacturing method of the molded article which concerns on 1st Embodiment. It is process drawing explaining the manufacturing method of the molded article which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a third modification. Modification 4 will be described. Modification 4 will be described. Modification 4 will be described. Modification 4 will be described.
  • the manufacturing apparatus includes a 3D printer 100, an electroless plating apparatus 200, and an electrolytic plating apparatus 300.
  • the 3D printer 100 is an apparatus for forming a modeled object made of the first material R1.
  • the first material R1 is formed in the first layer at a predetermined interval with the first direction as the longitudinal direction.
  • the second layer above the first layer is formed at a predetermined interval with a second direction intersecting the first direction as a longitudinal direction (so-called cross-girder structure).
  • the structure which has such a cross-girder structure is called a cross-girder structure.
  • a thermoplastic resin such as an ABS resin, a polypropylene resin, a nylon resin, or a polycarbonate can be used.
  • the electroless plating apparatus 200 forms a thin film of the second material R2 as a metal material on the wall surface of the first cross beam structure A1 (first material R1) formed by the 3D printer 100 by an electroless plating method. It is a device for.
  • the electroless plating apparatus 200 includes a seed agent container 201 that stores a seed agent and an electroless plating solution container 202 that stores an electroless plating solution.
  • the electrolytic plating apparatus 300 is an apparatus for forming the third material R3 by electrolytic plating on the second stringer structure A2 on which the thin film R2 of the second material R2 is formed.
  • the electroplating apparatus 300 includes an electroplating solution container 301 that stores an electroplating solution.
  • the third material R3 may be a metal material different from the second material R2, or the same metal material.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the 3D printer 100 used in the first embodiment.
  • the 3D printer 100 includes a frame 11, an XY stage 12, a modeling stage 13, a lifting table 14, and a guide shaft 15.
  • a computer 200 is connected to the 3D printer 100 as a control device for controlling the 3D printer 100.
  • a driver 300 for driving various mechanisms in the 3D printer 100 is also connected to the 3D printer 100.
  • the frame 11 has, for example, a rectangular parallelepiped shape and includes a frame made of a metal material such as aluminum.
  • the frame 11 has, for example, a rectangular parallelepiped shape and includes a frame made of a metal material such as aluminum.
  • four guide shafts 15 are formed at four corners of the frame 11 so as to extend in the Z direction in FIG. 2, that is, in a direction perpendicular to the plane of the modeling stage 10.
  • the guide shaft 15 is a linear member that defines a direction in which the elevating table 14 is moved in the vertical direction as will be described later.
  • the number of guide shafts 15 is not limited to four, and is set to a number that can stably maintain and move the lifting table 14.
  • the modeling stage 13 is a table on which the model S is placed, and is a table on which a thermoplastic resin discharged from a modeling head described later is deposited.
  • the elevating table 14 penetrates the guide shaft 15 at its four corners, and is configured to be movable along the longitudinal direction (Z direction) of the guide shaft 15. .
  • the elevating table 14 includes rollers 34 and 35 that are in contact with the guide shaft 15.
  • the rollers 34 and 35 are rotatably installed at arm portions 33 formed at two corners of the lifting table 14.
  • the rollers 34 and 35 rotate while being in contact with the guide shaft 15 so that the elevating table 14 can smoothly move in the Z direction. Further, as shown in FIG.
  • the elevating table 14 transmits a driving force of the motor Mz by a power transmission mechanism including a timing belt, a wire, a pulley, and the like, so that a predetermined interval (for example, 0.1 mm pitch) in the vertical direction.
  • a predetermined interval for example, 0.1 mm pitch
  • the motor Mz for example, a servo motor or a stepping motor is suitable.
  • the actual position of the lifting table 14 in the height direction is measured continuously or intermittently in real time using a position sensor (not shown), and the position accuracy of the lifting table 14 is improved by appropriately correcting the position. May be. The same applies to modeling heads 25A and 25B described later.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of the XY stage 12.
  • the XY stage 12 includes a frame body 21, an X guide rail 22, a Y guide rail 23, reels 24A and 24B, modeling heads 25A and 25B, and a modeling head holder H. Both ends of the X guide rail 22 are fitted into the Y guide rail 23 and are held slidable in the Y direction.
  • the reels 24A and 24B are fixed to the modeling head holder H, and move in the XY directions following the movement of the modeling heads 25A and 25B held by the modeling head holder H.
  • thermoplastic resin used as the material of the shaped object S is a string-like resin (filaments 38A and 38B) having a diameter of about 3 to 1.75 mm and is usually held in a state of being wound around the reels 24A and 24B. At the time of modeling, it is fed into the modeling heads 25A and 25B by motors (extruders) provided on the modeling heads 25A and 25B described later.
  • the reels 24 ⁇ / b> A and 24 ⁇ / b> B may be fixed to the frame body 21 or the like without being fixed to the modeling head holder H so that the movement of the modeling head 25 is not followed.
  • the filaments 38A and 38B are exposed to be fed into the modeling head 25.
  • the filaments 38A and 38B may be fed into the modeling heads 25A and 25B with a guide (for example, a tube or a ring guide) interposed therebetween.
  • the filaments 38A and 38B are made of different materials.
  • the other can be a resin other than the one resin.
  • the kind and ratio of the material of the filler contained in the inside can also be made to differ. That is, it is preferable that the filaments 38A and 38B have different properties, and the characteristics (strength and the like) of the shaped article can be improved by a combination thereof.
  • the modeling head 25A is configured to melt and discharge the filament 38A
  • the modeling head 25B is configured to melt and discharge the filament 38B, and independent modeling for different filaments.
  • a head is prepared.
  • the present invention is not limited to this, and there is a configuration in which only a single modeling head is prepared, and a plurality of types of filaments (resin materials) are selectively melted and discharged by the single modeling head. Can be adopted.
  • the filaments 38A and 38B are fed into the modeling heads 25A and 25B from the reels 24A and 24B through the tube Tb.
  • the modeling heads 25A and 25B are held by the modeling head holder H and configured to be movable along the X and Y guide rails 22 and 23 together with the reels 24A and 25B.
  • an extruder motor for feeding the filaments 38A and 38B downward in the Z direction is disposed in the modeling heads 25A and 25B.
  • the modeling heads 25A and 25B only need to be movable with the modeling head holder H while maintaining a certain positional relationship within the XY plane, but the mutual positional relationship can also be changed in the XY plane. It may be configured.
  • motors Mx and My for moving the modeling heads 25 ⁇ / b> A and 25 ⁇ / b> B with respect to the XY table 12 are also provided on the XY stage 12.
  • the motors Mx and My for example, a servo motor or a stepping motor is suitable.
  • the driver 300 includes a CPU 301, a filament feeding device 302, a head control device 303, a current switch 304, and a motor driver 306.
  • the CPU 301 receives various signals from the computer 200 via the input / output interface 307 and controls the entire driver 300.
  • the filament feeding device 302 instructs the extruder motors in the modeling heads 25A and 25B to control the feeding amount (push-in amount or retraction amount) of the filaments 38A and 38B with respect to the modeling heads 25A and 25B. To do.
  • the current switch 304 is a switch circuit for switching the amount of current flowing through the heater 26. By switching the switching state of the current switch 304, the current flowing through the heater 26 is increased or decreased, thereby controlling the temperatures of the modeling heads 25A and 25B.
  • the motor driver 306 generates drive signals for controlling the motors Mx, My, and Mz according to the control signal from the CPU 301.
  • control apparatus 200 operates such that a plurality of types of materials differ in the direction (modeling direction) in which the materials extend depending on the blending ratio of the plurality of specified materials. .
  • FIGS. 1 and 6 to 10 a method for manufacturing a shaped article by the manufacturing apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 6 to 10.
  • the names of structures (A1, A1'A2, A3, etc.) and their shapes described in each figure indicate the structure (unprocessed state) immediately before the process shown in each figure is performed.
  • the first cross-girder structure A1 is formed using the first material R1. That is, in one layer (first layer), the first material R1 is melted and then discharged from the modeling head 25A or 25B. At this time, the modeling head 25A or 25B is driven so that the first material R1 is formed with the Y direction as a longitudinal direction and a predetermined interval in the X direction. On the other hand, in the second layer one layer above the first layer, unlike the first layer, the first material R1 is formed with the X direction as the longitudinal direction and a predetermined interval in the Y direction. Then, the modeling head 25A or 25B is driven.
  • the first material R1 is formed over a plurality of layers, and the first stringer structure A1 in which the longitudinal direction of the first material R1 is different between the two layers vertically adjacent to each other is completed.
  • the first cross beam structure A1 is moved to the electroless plating apparatus 200, and the first cross beam structure A1 is placed in the seed agent container 201 in the apparatus for a predetermined time ( Soak (for example, 1-10 minutes).
  • the seed agent container 201 contains an aqueous solution containing a seed agent.
  • the seed agent is a metal atom that is attached to the surface of the first material R1 constituting the first cross beam structure A1 and becomes the core of electroless plating, and is included in the aqueous solution in the form of metal ions or metal colloids. It is.
  • the aqueous solution is a palladium chloride aqueous solution, a tin chloride aqueous solution, or the like, and is used at room temperature or in a heated state.
  • a metal atom adheres to the wall surface of 1st cross beam structure A1 as a seed agent.
  • a degreasing step oil component on the resin surface
  • a roughening process formation of fine holes on the resin surface (not shown).
  • the former include a degreasing process using an alternative hydrocarbon solvent such as trichlorethylene and dichloromethane, alternative chlorofluorocarbons, and various alcohols.
  • Examples of the latter include a roughening step using a chromic acid aqueous solution, a chromium mixed acid aqueous solution, or the like.
  • the rectangular parallelepiped surrounding the first cross beam structure A ⁇ b> 1 illustrates the inner wall and the liquid surface of the seed agent container 201, and does not mean the shape of the structure itself.
  • a seed agent adheres only to the wall surface of 1st cross-girder structure A1.
  • the first stringer structure A1 ′ after adding the seed agent to the first stringer structure A1 is used as an electroless plating solution container of the electroless plating apparatus 200. Move to 202. Then, the first cross beam structure A1 ′ is immersed in the electroless plating solution contained in the electroless plating solution container 202 for a predetermined time.
  • the rectangular parallelepiped surrounding the first cross beam structure A1 ′ is an illustration of the inner wall and the liquid surface of the plating solution container 202, and does not mean the shape of the structure A1 ′ itself.
  • the electroless plating film is formed only on the surface of the first cross beam structure A1 ′.
  • the electroless plating solution is an aqueous solution comprising a metal ion or metal complex that can be plated without using electricity, and a reducing agent.
  • the electroless plating solution can be a mixed aqueous solution of a cobalt complex (eg, cobalt citrate) and sodium hypophosphite, and this aqueous solution can be heated before use. (Generally 70 to 90 ° C).
  • the electroless plating solution can be a mixed aqueous solution of a nickel complex (eg, nickel malonate) and dimethylamine borane, and this aqueous solution can be heated and used (general) 40 to 70 ° C).
  • a nickel complex eg, nickel malonate
  • dimethylamine borane e.g., dimethylamine borane
  • a mixed aqueous solution of nickel chloride and sodium borohydride can be used as an electroless plating solution, and this electroless plating solution can be used near room temperature (generally 10 to 40 ° C.).
  • metal atoms in the electroless plating solution are deposited and grown on the surface of the first stringer structure A1 ′ using the seed agent as a nucleus (electroless plating is applied and the second material R2 is formed on the surface).
  • the attached first girder structure A1 ′ is hereinafter referred to as a second girder structure A2).
  • the metal grows in proportion to the immersion time, and a metal layer of several tens of nanometers to several tens of microns can be formed.
  • sodium hypophosphite, dimethylamine borane, and sodium borohydride used in the electroless plating solution described above are all examples of reducing agents for depositing metal.
  • phosphorus compounds and / or boron compounds are used, phosphorus and / or boron elements are incorporated in the metal deposited as the second material R2 in a weight ratio of 0.1 to 15%, and the strength of the film It contributes to improvement and is preferable.
  • the second girder structure A2 is moved to the electroplating apparatus 300, and the electroplating method is performed on the second girder structure A2. That is, as shown in FIG. 9, the second well beam structure A2 is immersed in the electrolytic plating solution container 301 of the electrolytic plating apparatus 300 to perform electrolytic plating.
  • the electrolytic plating solution include an aqueous solution in which a metal ion such as nickel sulfate or nickel sulfamate or a metal complex is mixed with a pH adjusting agent and a stabilizer. This aqueous solution is used in a heated state of about 50 ° C. to 90 ° C., for example.
  • the electrolytic plating solution container 301 includes an anode (anode) and a cathode (cathode), and the anode and the cathode are spaced apart by a predetermined distance.
  • a power source for applying a DC voltage is connected between the anode and the cathode.
  • the anode can be made of a metal that is insoluble in the plating solution, such as a stainless steel plate, but the anode itself must be a metal plate made of the same material as the metal to be deposited for stable long-term plating. Is desirable. For example, when nickel plating is performed, a plate-like or spherical nickel anode can be suitably used.
  • the cathode has a terminal that can be connected to the second cross beam structure A2, and a voltage can be applied to the second cross beam structure A2.
  • the cathode has a crocodile clip and is configured so that the second well beam structure A2 can be held by the holding part of the crocodile clip.
  • the second plating beam structure A2 is subjected to electrolytic plating by applying a DC voltage to the electrolytic plating solution container 301 configured as described above and controlling the current.
  • the second girder structure A2 includes an insulating material (first material R1) such as a resin material. As described above, the second material R2 as a metal material is adhered to the surface by electroless plating. Therefore, electrolytic plating can be performed.
  • the second cross beam structure A2 after the electrolytic plating is performed and the gap between the second cross beam structures A2 is filled with the second material R3 is hereinafter referred to as a third cross beam structure A3.
  • metal is deposited in proportion to both the magnitude of current and the length of plating time, and thick plating can be realized by performing plating for a predetermined time. If conditions are set, it is possible to perform plating of several hundred microns to several millimeters per hour. Generally, the plating thickness can be controlled by the integrated current value (unit: Ah).
  • This third well structure A3 is taken out of the electrolytic plating solution container 301 and subjected to a cleaning process after the electrolytic plating method is completed. Thereby, the electrolytic plating solution adhering to the surface is removed. Then, a drying process is performed and the manufacturing process in the electroplating apparatus 300 is complete
  • the gaps of the second cross beam structure A2 are filled with the second material R3, and the third cross beam structure A3 as shown in FIG. 10 is completed.
  • the gap of the first material R1 has a so-called cross-girder structure
  • the third material R3 embedded therein also has a cross-girder structure. That is, the third material R3 in the first layer is formed, for example, with the X direction as the longitudinal direction and at a predetermined interval in the Y direction, while the second material higher than the first layer is the second layer.
  • the third material R3 in the layer is formed, for example, with the Y direction as the longitudinal direction and at a predetermined interval in the X direction.
  • FIG. 11A shows a partial cross-sectional view (XZ cross section) of the first cross beam structure A1, and is configured by laminating the first material R1 in the horizontal direction and the vertical direction.
  • the second material R2 becomes the first girder structure. It is formed over the entire surface of A1 ′ and becomes the second cross beam structure A2.
  • this second stringer structure A2 is subjected to electrolytic plating, as shown in FIG. 11C, plating is performed using the second material R2 as an electrode, and the third material R3 becomes the second stringer structure A2. Is formed over the entire surface, forming a third well structure A3.
  • the XY-direction pitch and Z-direction pitch of the first material R1 constituting the first stringer structure A1 and the conditions of electrolytic plating are appropriately set. If it chooses, after the end of the electroplating method, the gaps of the second stringer structure A2 can be filled with the third material R3 without gaps. In the second girder structure A2, since all the wall surfaces have electroless plating layers, the electrolytic plating proceeds in all directions, and the deposits from the two opposing wall surfaces are connected to each other near the center. Can fill the gaps in the cross-beam structure.
  • the second material R2 made by electroless plating and the third material R3 made by electrolytic plating have a characteristic shape in the cross-sectional structure. Specifically, when a cross-sectional sample of the third well structure A3 is prepared and observed with an optical microscope or an electron microscope, the second material R2 produced by electroless plating is a fine columnar crystal, as shown in FIG. 11D. It can be seen that the crystal growth stands perpendicular to the surface of the first material R1.
  • the third material R3 produced by electroplating is a columnar crystal with coarse particles, and shows crystal growth standing perpendicular to the surface of the second material R2 as shown in FIG. A structure having a complicated crystal orientation in which crystal growths from a plurality of directions are merged is observed in the depression.
  • the structure having the cross-sectional structure of FIG. 11D indicates that crystal growth (electroplating) was performed using the entire surface of the second material R2 as an electrode by the manufacturing method according to the present invention.
  • non-uniform deposition with strong shape dependence is achieved by appropriately selecting the composition of the electroplating solution, solution temperature, current value, current drive method (DC continuous drive, DC pulse drive, AC bias drive, etc.), and the liquid flow rate. (Precipitation with poor step coverage) can also be selected.
  • a part of the plating film (third material R3) is deposited from two opposing wall surfaces and is eventually connected to each other, but another part of the plating film (third material R3) is connected.
  • a metal body can be formed leaving an air gap AGx therein.
  • the resin material and the metal material each have a cross-girder structure and are closely integrated in the gap between each other, the resin material and the metal material are used in combination.
  • the bonding can be strengthened.
  • the interface between materials is complex in the structure as described above, so there is a difference in linear expansion coefficient between multiple materials. Even if there exists, since distortion of these several materials spreads over the whole cross-beam structure and stress does not concentrate on a specific surface, the joining between several materials is maintained well, without breaking.
  • a modeled object using a plurality of materials composed of a resin material, a first metal material in contact with the resin material, and a second metal material in contact with the first metal material is strong.
  • the first metal material is a columnar crystal standing perpendicular to the surface of the resin material
  • the second metal material in contact with the first metal material is also a columnar crystal standing perpendicular to the first metal material surface.
  • the strength from the outside with respect to the first and second metal materials is increased, and the stress is distributed over the entire girder structure, so that the bonding between the plurality of materials is maintained well without breaking.
  • a material in which the first metal material contains phosphorus and / or boron is the most preferable shaped object of the present invention.
  • the manufacturing apparatus of the second embodiment includes a 3D printer 100 ′, a mold forming apparatus 400, a metal or ceramic casting apparatus 500, and a resin injecting apparatus 600.
  • the 3D printer 100 ′ can be the same as the 3D printer 100 of the first embodiment.
  • the 3D printer 100 ′ is also configured to be able to form a first stringer structure A ⁇ b> 4 having the same structure as the first stringer structure A ⁇ b> 1 manufactured by the 3D printer 100 of the first embodiment.
  • the details of the configuration may be the same as those described with reference to FIGS.
  • the first cross-girder structure A4 manufactured by the 3D printer 100 ' is a sacrificial material that is removed by heat treatment, etching, or the like during the manufacturing process of the modeled object.
  • the mold forming apparatus 400 is an apparatus for forming a mold C1 (mold) that covers the first cross beam structure A4.
  • the first girder structure A4 is removed by a heating process or etching after the mold C1 is cured or at the stage of curing.
  • a cavity derived from the original shape of the first cross beam structure A4 remains in the mold C1.
  • the metal or ceramic casting apparatus 500 is an apparatus for pouring molten metal or ceramic material into the cavity of the mold C1 to form the second stringer structure A5 made of the metal material or ceramic material.
  • the mold C1 is removed by physical treatment or chemical treatment (such as etching) after the metal material of the second cross beam structure A5 is solidified.
  • the resin injecting device 600 is an apparatus for manufacturing a well structure in which a liquid resin material is injected or impregnated into a gap of the second cross beam structure A5 to incorporate a metal material cross structure and a resin material cross structure. is there.
  • the first cross-beam structure A ⁇ b> 4 is formed using the first material R ⁇ b> 1 ′. That is, in one layer (first layer), the first material R1 'is melted and then discharged from the modeling head 25A or 25B. At this time, the modeling head 25A or 25B is driven so that the first material R1 'is formed with the Y direction as a longitudinal direction and a predetermined interval in the X direction. In the second layer, which is one layer higher than the first layer, unlike the first layer, the first material R1 ′ is formed with the X direction as the longitudinal direction and a predetermined interval in the Y direction. Thus, the modeling head 25A or 25B is driven. By repeating the above process a predetermined number of times, the first cross-girder structure A4 made of the first material R1 'is completed.
  • the first cross beam structure A4 is moved to the mold forming apparatus 400 to form a mold C1 that covers the periphery of the first cross beam structure A4.
  • template forming apparatus 400 is provided with the powder container for accommodating the 1st cross-girder structure A4.
  • the powder constituting the mold C1 is put into the powder container so that the first stringer structure A4 is buried.
  • 1st cross-girder structure A4 it is also possible to mount 1st cross-girder structure A4 on the upper part. In this case, it installs so that the uneven
  • the shape of the mold C1 to be formed may be any shape, and therefore the shape of the powder container may be any shape.
  • the material of the powder container is not limited as long as it has a heat resistance equal to or higher than the curing temperature in the curing process of the mold C1, and metal or glass can be used. it can.
  • silica sand a mixture of oxides mainly composed of silicon dioxide
  • a caking material (clay such as bentonite) or a powder obtained by adding water glass such as an aqueous sodium silicate solution as a binder can be used and is commercially available.
  • this powder transfers the surface shape of the first cross beam structure A4, it is desirable that the particle diameter thereof be fine and uniform.
  • a powder having a particle size of around 50 ⁇ m is commercially available.
  • a final product having an arithmetic average roughness Ra of about 10 ⁇ m can be obtained. It should be noted that the amount of powder spread in the powder container is sufficient if it is not less than the height corresponding to the thickness that can maintain the shape of the mold in the steps described later.
  • a height of about several centimeters to several tens of centimeters is sufficient in addition to the height of the first girder structure A4.
  • the upper surface of the powder is as horizontal as possible in the container after the powder is spread.
  • the powder is temporarily cured.
  • the temporary curing step is performed at a temperature of about 250 ° C. to 300 ° C., for example.
  • the silica sand and the binder in the powder are bonded and temporary curing is performed.
  • a hole H1 is formed on the upper surface of the mold C1.
  • the hole H1 can also be formed at a stage before the mold C1 is temporarily cured.
  • the hole H1 can be formed in advance before temporary hardening by mounting a hollow pipe on the surface of the first stringer structure A4.
  • the mold C1 that has been temporarily cured is taken out from the powder container of the mold forming apparatus 400, and a heating process is performed at a temperature higher than that of the previous process.
  • the main curing process is performed on the mold C1, and the mold C1 is solidified.
  • the first stringer structure A4 in the mold C1 is incinerated and removed by heat treatment at a higher temperature, for example, several hundred degrees C.
  • a higher temperature for example, several hundred degrees C.
  • the polyethylene burns and gasifies and disappears from the mold to form a cavity. Can do.
  • the cavity AG derived from the outer shape of the first cross beam structure A4 remains in the mold C1.
  • the casting mold C1 is moved to the metal or ceramic casting apparatus 500 to execute the casting process. That is, the second material R2 ', which is an inorganic substance such as a molten metal material or ceramic material, is poured into the mold C1 through the hole H1. Through the cooling process for a predetermined time, the injected material is solidified inside the mold C1 to form a second well structure A5 made of the second material R2 '.
  • the second material R2 ' can be a metal or a ceramic material.
  • aluminum die casting can be used, and ADC1, ADC12, etc., in which silicon (Si) or copper (Cu) is added to aluminum (Al), and a trace amount of inorganic material is blended, are used.
  • these aluminum die-cast materials are heated to around 600 to 650 ° C., melted, and poured into the mold C1 from the hole H1 with the viscosity sufficiently lowered. At this time, it is preferable to adjust the injection speed so that bubbles (voids) do not remain inside the molten metal. After the injection, the entire mold is cooled to complete the second single girder structure A5 of a single metal.
  • a ceramic precursor solution is prepared.
  • a silicon-based ceramic main component: silicon oxide
  • a solution containing polycarbosilane or polyorganoborosilazane as a main component is used. This solution is poured into the mold C1 from the hole H1 at room temperature. At this time, it is preferable to inject by adjusting the injection speed so that bubbles do not remain in the solution.
  • the ceramic is fired. This firing process is desirably performed in multiple stages, and it is desirable to proceed with firing in a stepped temperature profile from a low temperature to a high temperature. Finally, firing is completed at 850 to 1000 ° C., and the second material R2 'of the ceramic single body is solidified.
  • the mold C1 is thereafter removed by a physical method (destructive treatment) or a chemical method (etching or the like) (see FIG. 17).
  • the second cross beam structure A5 has substantially the same shape as the removed first cross beam structure A4.
  • the second cross beam structure A5 is moved to the molten resin injection device 600, and the liquid third material R3 as the resin material is injected or impregnated into the gap portion.
  • the third material R3 is cured, a third cross-girder structure A6 in which the second material R2 '(metal or ceramic) and the third material R3 (resin) are incorporated in a cross-girder structure is completed.
  • a container containing a resin liquid (thermosetting resin) in which a certain amount of a crosslinking agent is mixed with an unsaturated material such as an epoxy resin, a silicon resin, or a phenol resin is prepared. Immerse A5.
  • the second girder structure A5 is sufficiently infiltrated into the resin liquid, and then pulled up and heated to cause a crosslinking reaction, thereby forming a resin layer in the gap between the second resin materials R2.
  • a third cross beam structure A6 in which the gap in the second cross beam structure A5 is filled with resin is completed (see FIG. 18).
  • the ceramic described above is a silicon-based ceramic (main component: silicon oxide), but is not limited thereto, and may be a ceramic mainly composed of calcium oxide, aluminum oxide, boron oxide, or a mixture thereof. It may be.
  • different types of materials such as inorganic materials such as metals and ceramics and resin materials are incorporated into one material with a cross-girder structure, so that bonding between a plurality of types of materials is strong. can do.
  • the interface between materials is complex in the structure, so even if there is a difference in linear expansion coefficient, the distortion is Since the stress is not concentrated on the whole surface and on a specific surface, the joint is maintained well without breaking.
  • a structure that is composited with a metal or a resin for a ceramic single body or a structure that is composited with a resin for a single metal can expand the elastic deformation area for bending, and is more flexible than a single ceramic or metal.
  • a material rich in properties can be provided.
  • Modification 1 First, Modification 1 will be described with reference to FIG.
  • the first material R1 of the first cross beam structure A3 is described as being a thermoplastic resin, and the second material R2 and the third material R3 are described as being metal.
  • the second material R2 is not used, and the third material R3 is replaced with metal and mica is used.
  • Mica is a layered silicate consisting of silicon dioxide, aluminum oxide, potassium oxide and crystal water that are naturally produced as minerals.
  • chemical formulas such as KAl 2 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 and KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 are representative examples.
  • This manufacturing apparatus includes a 3D printer 100, a mica slurry injection device 700, and a drying / vacuum press device 800.
  • the first cross-girder structure A1 made of the first material R1 that is a resin material is created using the 3D printer 100. Thereafter, liquid mica slurry (a suspension of mica) is injected into the gaps of the first well structure A1 by the slurry injection device 700. Thereby, the cross-girder structure A4 incorporating the cross-girder structure of the resin material (first material R1) and the mica cross-girder structure is manufactured.
  • liquid mica slurry a suspension of mica
  • the cross-girder structure A4 is moved to the drying / vacuum press apparatus 800, and drying is performed to remove moisture from the cross-girder structure A4. Then, vacuum pressing is performed to completely remove moisture inside. Further, the void from which water has been removed is removed by pressing.
  • the mica used for the mica slurry is particles having a distribution in the range of several microns to several tens of microns, and those dispersed in water can be used.
  • Such a resin and mica well structure A4 reflects the heat resistance characteristic unique to mica and improves the heat resistance, and can also be a structure excellent in bending characteristics. Moreover, it can be set as the structure which has a strong characteristic also with respect to delamination.
  • the manufacturing apparatus for a shaped article according to the second modification includes a 3D printer 100 ′, a mold forming apparatus 400, a ceramic casting apparatus 550, and a molten metal injection apparatus 900.
  • the 3D printer 100 ′ and the mold forming apparatus 400 can be the same as those in the second embodiment (FIG. 12).
  • the second material R2 ′ of the third girder structure A6 is a metal or ceramic
  • the third material R3 is a thermosetting material such as an epoxy resin, a silicon resin, or a phenol resin. It is made of resin.
  • the second material R2 ' is ceramic
  • the third material R3 is metal.
  • the metal that is the third material R3 is impregnated in the gap of the second material R2 'that forms a cross-girder structure in a state of being melted in the molten metal injection apparatus 900.
  • the metal used as the third material R3 can use the above-described aluminum die casting. However, since this metal is in contact with the second material R2 ′ as the fired ceramic, a metal having a melting point higher than that of the aluminum die casting is used. It can also be used.
  • template is moved to the ceramic casting apparatus 550, and a casting process is performed. That is, the second material R2 ′, which is a molten ceramic material, is poured into the mold. By passing through the cooling process for a predetermined time, the injected material R2 is solidified inside the mold C1, and a second well structure A5 made of the second material R2 ′ is formed. Further, the second cross beam structure A5 is moved to the molten metal injection device 900, and the third material R3, which is a molten metal, is injected into the second cross beam structure A5.
  • a ceramic and metal cross-girder structure reflects the property of having a high melting point, improves heat resistance, and can be a structure having both strength and flexibility.
  • the manufacturing apparatus for a shaped article according to Modification 3 includes a 3D printer 100 ′, a mold forming device 400, a metal casting device 560, and a molten metal injection device 910.
  • the 3D printer 100 ′ and the mold forming apparatus 400 can be the same as those in the second modification.
  • 2nd material R2 'of 3rd cross beam structure A6 is a metal
  • 3rd material R3 is also a metal similarly.
  • the melting point of the metal of the second material R2 ′ needs to be higher than the melting point of the metal of the third material R3.
  • the second material R2 ′ is formed by the metal casting device 560, while the third material R3 is injected by the molten metal injection device 910.
  • the manufacturing method of this modification 3 is demonstrated referring FIG. After the first cross-girder structure A1 is created by the 3D printer 100, the process up to forming the mold using the mold forming apparatus 400 is the same as in the second embodiment and the second modification.
  • the second material R2 ' which is a molten metal
  • the second material R2 ' which is a molten metal
  • the mold is removed, and the molten metal as the third material R3 is injected by the molten metal injection device 910 into the remaining gap of the cross beam structure.
  • Such a girder structure made of two kinds of metals can be a composite of two kinds of metals that cannot coexist with conventional casting methods.
  • the unique properties of each metal can be reflected.
  • a material has two deformation regions, ie, an elastic deformation region and a plastic deformation region, in the load-deformation amount (elongation amount, etc.) characteristic, and the ratio of the region differs depending on the material.
  • the cross-girder structure according to the third modified example by combining two metal materials having different ratios, a structure having high strength and flexibility can be obtained.
  • a cross-girder structure that combines a first metal having a relatively narrow elastic deformation region and a wide plastic deformation region and a second metal having a relatively large elastic deformation region and a narrow plastic deformation region.
  • the structure can be made tough.
  • An example of the first metal is a carbide (carbite) of iron or nickel, and an example of the second metal is aluminum.
  • the pitches of the two kinds of materials on the XY plane are both equal and constant.
  • the present invention is not limited to this.
  • it may be a density variable cross-girder structure A7 in which the pitch and density of the constituent material (first material R1) change in the height direction (Z direction). If comprised in this way, it can be set as the cross-girder structure which has the gradation of a height direction about 2 component composition.
  • a girder structure A7 in which the pitch and density of the first material R1 are variable in the 3D printers 100 and 100 ′ as shown in FIGS. .
  • a material R4 different from the first material R1 is further embedded in the gap of the cross-girder structure A7.
  • the cross-girder structure A8 manufactured using such two types of materials R1 and R4 constitutes a cross-girder structure whose overall material density is variable as shown in FIG. Since such a density variable well beam structure has gradation in the height direction, it can have different properties on the upper surface and the lower surface. For example, it can be used as a member for joining structures made of two different materials having poor adhesive strength, thereby realizing strong adhesion.

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Abstract

第１の層において、第１の材料を第１の方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１の材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物を形成する。そして、前記第１井桁構造物の壁面に無電解めっき法を用いて第２の材料の薄膜を堆積させて第２井桁構造物を形成する。さらに、前記第２井桁構造物に対し電解めっき法を実行して前記第３の材料を前記隙間に堆積させて第３井桁構造物を形成する。

Description

造形物の製造方法及び造形物
　本発明は、造形物の製造方法及び造形物に関する。
　三次元設計データに基づいて造形物を製造する三次元造形装置が、例えば特許文献１により知られている。このような三次元造形装置の方式としては、光造形法、粉末焼結法、インクジェット法、溶融樹脂押し出し造形法など、様々な方式が提案され、製品化されている。
　このような三次元造形装置においては、１つの造形物において複数の材料を用いることが、例えば幾つかの文献において提示されている。しかし、このような複数材料を複合的に用いた造形物を生成する場合、異なる複数の材料の間の接合が弱く、層間剥離を起こす可能性が高いという問題がある。
特開２００２－３０７５６２号公報
　本発明は、複数種類の材料を複合的に用いた造形物を生成する場合においても、複数種類の材料の間の接合が強固にすることができる造形物の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の第1の態様に係る造形物の製造方法では、まず、第１の層において、第１の材料を第１の方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１の材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物を形成する。そして、前記第１井桁構造物の壁面に無電解めっき法を用いて第２の材料の薄膜を堆積させて第２井桁構造物を形成する。さらに、前記第２井桁構造物に対し電解めっき法を実行して第３の材料を前記隙間に堆積させて第３井桁構造物を形成する。
　本発明の第２の態様に係る造形物の製造方法では、まず、第１の層において、第１の材料を第１の方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１の材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物を形成する。そして、前記第１井桁構造物を覆う鋳型を形成し、続いて前記鋳型を残して前記第１井桁構造物を除去する。その後、前記鋳型に対し溶融された第２の材料を流し込んで凝固させることにより第２井桁構造物を形成する。鋳型は前記第２井桁構造物を残して除去される。その後、前記第２井桁構造物に対し液状の第３の材料を前記隙間に注入して凝固させることにより第３井桁構造物を形成する。
第１の実施の形態に係る造形物の製造に用いる製造装置の概略構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る三次元造形装置（３Ｄプリンタ）の概略構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 ＸＹステージ１２の構成を示す斜視図である。 昇降テーブル１４の構成を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第１井桁構造物Ａ１の一部の断面図である。 第２井桁構造物Ａ２の一部の断面図である。 第３井桁構造物Ａ３の一部の断面図である。 第３井桁構造物Ａ３の一部の断面図である。 第３井桁構造物Ａ３の一部の断面図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造に用いる製造装置の概略構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 第２の実施の形態に係る造形物の製造方法を説明する工程図である。 変形例１について説明するブロック図である。 変形例２について説明するブロック図である。 変形例３について説明するブロック図である。 変形例４について説明する。 変形例４について説明する。 変形例４について説明する。
　次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
　図１のブロック図を参照して、第１の実施の形態に係る造形物を製造するための製造装置の構成を説明する。
　この製造装置は、３Ｄプリンタ１００と、無電解めっき装置２００と、電解めっき装置３００とを備える。３Ｄプリンタ１００は、後述するように、第1材料Ｒ１からなる造形物を形成するための装置である。第１材料Ｒ１は、後述するように、第１の層では第１方向を長手方向として所定の間隔を空けて形成される。一方、第１の層の上方の第２の層では、第１方向と交差する第２方向を長手方向として所定の間隔を空けて形成される（いわゆる井桁構造）。以下では、このような井桁構造を有する構造物を、井桁構造物と称する。この第１材料Ｒ１は、３Ｄプリンタ１００がいわゆる熱溶融積層法を用いたものである場合、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。
　また、無電解めっき装置２００は、３Ｄプリンタ１００により形成された第１井桁構造物Ａ１（第１材料Ｒ１）の壁面に、無電解めっき法により金属材料としての第２材料Ｒ２の薄膜を形成するための装置である。無電解めっき装置２００は、一例として、シード剤を格納するシード剤容器２０１と、無電解めっき液を格納する無電解めっき液容器２０２を有している。第２材料Ｒ２としては、銅、ニッケル、金、銀など、無電解めっき法を利用し得る様々な金属が使用し得る。無電解めっきは、基材が金属材料でなくとも実行することができるめっき法である。
　また、電解めっき装置３００は、第２材料Ｒ２の薄膜Ｒ２を形成された第２井桁構造物Ａ２に対し、電解めっき法により第３材料Ｒ３を形成するための装置である。電解めっき装置３００は、一例として電解めっき液を格納した電解めっき液容器３０１を有している。この電解めっき法により、第２井桁構造物Ａ２の隙間は第３材料Ｒ３により充填され、これにより第３井桁構造物Ａ３が形成される。なお、第３材料Ｒ３は、第２材料Ｒ２とは異なる金属材料であってもよいし、同じ金属材料であってもよい。
　次に、３Ｄプリンタ１００の構成の一例を、図２～図５を参照して説明する。
　図２は、第１の実施の形態で用いる３Ｄプリンタ１００の概略構成を示す斜視図である。３Ｄプリンタ１００は、フレーム１１と、ＸＹステージ１２と、造形ステージ１３と、昇降テーブル１４と、ガイドシャフト１５とを備えている。
　この３Ｄプリンタ１００を制御する制御装置としてコンピュータ２００が、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。また、３Ｄプリンタ１００中の各種機構を駆動するためのドライバ３００も、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。
（フレーム１１）
　フレーム１１は、図２に示すように、例えば直方体の外形を有し、アルミニウム等の金属材料の枠組を備えている。このフレーム１１の４つの角部に、例えば４本のガイドシャフト１５が、図２のＺ方向、すなわち造形ステージ１０の平面に対し垂直な方向に延びるように形成されている。ガイドシャフト１５は、後述するように昇降テーブル１４を上下方向に移動させる方向を規定する直線状の部材である。ガイドシャフト１５の本数は４本には限られず、昇降テーブル１４を安定的に維持・移動させることができる本数に設定される。
（造形ステージ１３）
　造形ステージ１３は、造形物Ｓが載置される台であり、後述する造形ヘッドから吐出される熱可塑性樹脂が堆積される台である。
（昇降テーブル１４）
　昇降テーブル１４は、図２及び図３に示すように、その４つの角部においてガイドシャフト１５を貫通させており、ガイドシャフト１５の長手方向（Ｚ方向）に沿って移動可能に構成されている。昇降テーブル１４は、ガイドシャフト１５と接触するローラ３４，３５を備えている。ローラ３４，３５は昇降テーブル１４の２つの角部に形成されたアーム部３３において回動可能に設置されている。このローラ３４，３５がガイドシャフト１５上と接触しつつ回動することで、昇降テーブル１４はＺ方向にスムーズに移動することが可能とされている。また、昇降テーブル１４は、図３に示すように、モータＭｚの駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、上下方向に所定間隔（例えば０．１ｍｍピッチ）で移動する。モータＭｚは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。なお、実際の昇降テーブル１４の高さ方向の位置を連続的又は間欠的にリアルタイムで、図示しない位置センサを用いて測定し、適宜補正をかけることによって、昇降テーブル１４の位置精度を高めるようにしてもよい。後述する造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂについても同様である。
（ＸＹステージ１２）
　ＸＹステージ１２は、この昇降テーブル１４の上面に載置されている。図４は、このＸＹステージ１２の概略構成を示す斜視図である。ＸＹステージ１２は、枠体２１と、Ｘガイドレール２２と、Ｙガイドレール２３と、リール２４Ａ、２４Ｂと、造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂと、造形ヘッドホルダＨを備えている。Ｘガイドレール２２は、その両端がＹガイドレール２３に嵌め込まれ、Ｙ方向に摺動自在に保持されている。リール２４Ａ、２４Ｂは、造形ヘッドホルダＨに固定されており、造形ヘッドホルダＨによって保持された造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂの動きに追従してＸＹ方向を移動する。造形物Ｓの材料となる熱可塑性樹脂は、径が３～１．７５ｍｍ程度の紐状の樹脂（フィラメント３８Ａ、３８Ｂ）であり、通常リール２４Ａ，２４Ｂに捲かれた状態で保持されているが、造形時には後述する造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂに設けられたモータ（エクストルーダ）によって造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内に送り込まれる。
　なお、リール２４Ａ、２４Ｂを造形ヘッドホルダＨに固定せずに枠体２１等に固定し、造形ヘッド２５の動きに追従させない構成とすることもできる。また、フィラメント３８Ａ、３８Ｂを露出した状態で造形ヘッド２５内に送り込まれる構成としたが、ガイド（例えば、チューブ、リングガイド等）を介在させて造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内に送り込むようにしても良い。なお、後述するように、フィラメント３８Ａ、３８Ｂはそれぞれ異なる材料からなる。一例として、一方がＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂のうちのいずれかである場合、他方は、その一方の樹脂以外の樹脂とすることができる。あるいは、同じ材料の樹脂であっても、その内部に含まれるフィラーの材料の種類や割合が異なるようにすることもできる。すなわち、フィラメント３８Ａ、３８Ｂは、それぞれ異なる性状を有し、その組み合わせにより造形物の特性（強度など）を向上させることができることが好ましい。
　なお、図２～図４では、造形ヘッド２５Ａは、フィラメント３８Ａを溶融・吐出するよう構成され、造形ヘッド２５Ｂは、フィラメント３８Ｂを溶融し吐出するよう構成され、異なるフィラメントのためにそれぞれ独立の造形ヘッドが用意されている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の造形ヘッドのみを用意し、単一の造形ヘッドにより複数種類のフィラメント（樹脂材料）を選択的に溶融・吐出させるような構成も採用することができる。
　フィラメント３８Ａ、３８Ｂは、リール２４Ａ、２４ＢからチューブＴｂを介して造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内に送り込まれる。造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂは、造形ヘッドホルダＨにより保持され、リール２４Ａ、２５Ｂと共にＸ，Ｙのガイドレール２２，２３に沿って移動可能に構成されている。また、図３及び図４では図示を省略するが、造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内には、フィラメント３８Ａ，３８ＢをＺ方向下方へ送り込むためのエクストルーダモータが配置される。造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂは、ＸＹ平面内においては互いに一定の位置関係を保って造形ヘッドホルダＨと共に移動可能とされていればよいが、ＸＹ平面においても、互いの位置関係が変更可能なように構成されていてもよい。
　なお、図３及び図４では図示を省略するが、造形ヘッド２５Ａ、２５ＢをＸＹテーブル１２に対し移動させるためのモータＭｘ、Ｍｙも、このＸＹステージ１２上に設けられている。モータＭｘ、Ｍｙは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。
（ドライバ３００）
　次に、図５のブロック図を参照してドライバ３００の構造の詳細について説明する。ドライバ３００は、ＣＰＵ３０１、フィラメント送り装置３０２、ヘッド制御装置３０３、電流スイッチ３０４、及びモータドライバ３０６を含んでいる。
　ＣＰＵ３０１は、コンピュータ２００から入出力インタフェース３０７を介して各種信号を受信して、ドライバ３００の全体の制御を行う。フィラメント送り装置３０２は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内のエクストルーダモータに対して、フィラメント３８Ａ、３８Ｂの造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂに対する送り量（押し込み量又は退避量）を指令し制御する。
　電流スイッチ３０４は、ヒータ２６に流れる電流量を切換えるためのスイッチ回路である。電流スイッチ３０４のスイッチング状態が切り替わることにより、ヒータ２６に流れる電流が増加又は減少し、これにより造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂの温度が制御される。また、モータドライバ３０６は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、モータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを制御するための駆動信号を発生させる。
　本実施の形態の３次元造形装置は、複数種類の材料を、指定された複数の材料の配合比により、材料が延引する方向（造形方向）を層毎に異なるよう、制御装置２００が動作する。
　次に、この第１の実施の形態の製造装置による造形物の製造方法を、図１及び図６～図１０を参照して説明する。なお、各図で記載した構造物の名称（Ａ１、Ａ１’Ａ２、Ａ３等）とその形状は、各図で示す処理がなされる直前の構造物（未処理の状態）を示している。
　最初に、図６に示すように、３Ｄプリンタ１００において、第１材料Ｒ１を用いて、第１井桁構造物Ａ１を形成する。すなわち、１つの層（第１の層）においては、第１材料Ｒ１を溶融させた後造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂから吐出させる。このとき、第１材料Ｒ１が、Ｙ方向を長手方向として、且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。一方、第１の層よりも１つ上の第２の層では、第１の層とは異なり、第１材料Ｒ１が、Ｘ方向を長手方向として、且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。上記の工程が所定回数繰り返されることにより、第１材料Ｒ１が複数層に亘り形成され、上下に隣接する２つの層で第１材料Ｒ１の長手方向が異なる第１井桁構造物Ａ１が完成する。
　続いて、図７に示すように、この第１井桁構造物Ａ１を無電解めっき装置２００に移動させ、同装置中のシード剤容器２０１の中に、第１井桁構造物Ａ１を所定の時間（例えば１分～１０分）浸漬する。シード剤容器２０１の中には、シード剤を含んだ水溶液が含まれている。シード剤とは、第１井桁構造物Ａ１を構成する第１材料Ｒ１の表面に対し付着される、無電解めっきの核となる金属原子であり、水溶液中に金属イオン又は金属コロイドの形式で含まれている。具体的には、当該水溶液は塩化パラジウム水溶液や塩化スズ水溶液などであり、常温又は加温した状態で使用される。これにより金属原子がシード剤として第１井桁構造物Ａ１の壁面に付着する。なお、必要に応じて、シード剤水溶液への浸漬の前に、シード剤を付着させやすくするため為の前処理として、第１井桁構造物Ａ１の表面に対し、脱脂工程（樹脂表面の油状成分の除去）や、粗面化工程（樹脂表面に微細な穴の形成）を行ってもよい（図示せず）。前者の例としては、トリクロロエチレンやジクロロメタンの代替炭化水素系溶剤や代替フロン、各種アルコールを用いた脱脂工程が挙げられる。また後者の例としては、クロム酸水溶液、クロム混酸水溶液などを用いた粗面化工程が挙げられる。
　なお図７において、第１井桁構造物Ａ１を取り囲む直方体は、シード剤容器２０１の内壁と液面とを図示したものであり、構造物自体の形状を意味するものではない。シード剤は、第１井桁構造物Ａ１の壁面にのみ付着するものである。
　シード剤の付着工程が終了したら、図８に示すように、第１井桁構造物Ａ１にシード剤を付加した後の第１井桁構造物Ａ１’を、無電解めっき装置２００の無電解めっき液容器２０２に移動させる。そして、第１井桁構造物Ａ１’を、無電解めっき液容器２０２に含まれた無電解めっき液に所定の時間浸漬する。なお図８において、第１井桁構造物Ａ１’を取り囲む直方体は、めっき液容器２０２の内壁と液面とを図示したものであり、構造物Ａ１’自体の形状を意味するものではない。無電解めっき膜は、第１井桁構造物Ａ１’の表面にのみ形成される。
　ここで無電解めっき液とは、電気を用いずともめっきを行うことのできる金属イオンまたは金属錯体と、還元剤とからなる水溶液である。例えばコバルトめっきを行う場合には、無電解めっき液は、コバルト錯体（例：クエン酸コバルト）と次亜リン酸ナトリウムの混合水溶液とすることができ、この水溶液を加温して用いることができる（一般的には７０～９０℃）。
　またニッケルめっきを行う場合には、無電解めっき液は、ニッケル錯体（例：マロン酸ニッケル）とジメチルアミンボランの混合水溶液とすることができ、この水溶液を加温して用いることができる（一般的には４０～７０℃）。
　またニッケルめっきの別の例として、塩化ニッケルと水素化ホウ素ナトリウムの混合水溶液を無電解めっき液として用い、この無電解めっき液を常温付近で用いることもできる（一般的には１０～４０℃）。
　このような方法により、シード剤を核として、無電解めっき液中の金属原子が第１井桁構造物Ａ１’の表面に析出し成長する（無電解めっきが施されその表面に第２材料Ｒ２が付着した第１井桁構造物Ａ１’を、以下では第２井桁構造物Ａ２という）。浸漬時間におよそ比例して金属は成長し、数十ナノメートル～数十ミクロンの金属層を形成することができる。
　なお上述した無電解めっき液に用いた次亜リン酸ナトリウム、ジメチルアミンボラン、水素化ホウ素ナトリウムはいずれも金属を析出させる還元剤の例である。特にこれらリン化合物またはホウ素化合物またはその両方を用いると、第２材料Ｒ２として析出する金属の中にリンまたはホウ素またはその両方の元素が０．１～１５％の重量比で取り込まれ、膜の強度向上に寄与し、好ましい。
　続いて、第２井桁構造物Ａ２を電解めっき装置３００に移動させて、第２井桁構造物Ａ２に対し電解めっき法を実行する。すなわち、図９に示すように、電解めっき装置３００の電解めっき液容器３０１の中に、第２井桁構造物Ａ２を浸漬し、電解めっきを行う。電解めっき液の例としては、硫酸ニッケルやスルファミン酸ニッケルなどの金属イオンまたは金属錯体に、ＰＨ調整剤、安定化剤を混合した水溶液が挙げられる。この水溶液は、例えば５０℃～９０℃程度の加温状態で用いられる。電解めっき液容器３０１は、図示は省略するがアノード（陽極）とカソード（陰極）とを備え、このアノードとカソードは所定の距離だけ離間して配置されている。そして、このアノード及びカソードの間に直流電圧を印加するための電源が接続されている。
　アノードはステンレス板のようにめっき液に不溶な金属を用いることもできるが、安定して長時間のめっきを行うためには、アノード自体が析出させるべき金属と同一材料からなる金属板であることが望ましい。例えばニッケルめっきを行う場合は、板状または球状のニッケルアノードを好適に用いることができる。
　またカソードは、第２井桁構造物Ａ２に接続可能な端子を有し、第２井桁構造物Ａ２に電圧を印加可能とされている。例えばカソードはワニ口クリップを有し、第２井桁構造物Ａ２をワニ口クリップの挟持部で咥えこむことができるように構成されている。このように構成した電解めっき液容器３０１に直流電圧を印加し、電流を制御することによって第２井桁構造物Ａ２に対し電解めっきを行う。第２井桁構造物Ａ２は、樹脂材料などの絶縁材料（第１材料Ｒ１）を含んでいるが、前述したようにその表面に無電解めっきにより金属材料としての第２材料Ｒ２が付着しているため、電解めっきを実行することができる。電解めっきを施され、第２井桁構造物Ａ２の隙間が第２材料Ｒ３で埋められた後の第２井桁構造物Ａ２を、以下では第３井桁構造物Ａ３という。
　電解めっき法では、一般的には電流の大きさとめっき時間の長さの両方に比例するように金属が析出し、所定の時間めっきを行うことで厚付けめっきが実現できる。条件が整えば１時間に数百ミクロン～数ミリのめっきを行うことも可能である。一般的には積算電流値（単位：Ａｈ）によってめっき厚を制御することができる。
　この第３井桁構造物Ａ３は、電解めっき法が終了した後、電解めっき液容器３０１から取り出され、洗浄処理を受ける。これにより表面に付着した電解めっき液が除去される。その後、乾燥処理が行われ、電解めっき装置３００における製造工程が終了する（図示せず）。
　前述のように、このようにして電解めっき法が実行されると、第２井桁構造物Ａ２の隙間が第２材料Ｒ３で埋められ、図１０に示すような第３井桁構造物Ａ３が出来上がる。第１材料Ｒ１の隙間がいわゆる井桁構造を有しているため、そこに埋め込まれる第３材料Ｒ３も井桁構造を有する。すなわち、第１の層での第３材料Ｒ３は、例えばＸ方向を長手方向として形成され且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成される一方、この第１の層よりも上層の第２の層での第３材料Ｒ３は、例えばＹ方向を長手方向として形成され且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成される。そして、第１の層の第３材料Ｒ３と第２の層の第３材料Ｒ３とは、その上下面において接合し、いわゆる井桁構造を構成している。
　図１１Ａ～１１Ｅはこのような井桁構造物を断面図を用いて説明したものである。図１１Ａは第１井桁構造物Ａ１の部分断面図（ＸＺ断面）を表し、第１材料Ｒ１が水平方向と垂直方向に積層されて構成されている。この第１井桁構造物Ａ１にシード剤を付加した後の第１井桁構造物Ａ１’に対し無電解めっきが施されると、図１１Ｂに示すように、第２材料Ｒ２が第１井桁構造物Ａ１’の表面全域に渡って形成され、第２井桁構造物Ａ２となる。
　続いてこの第２井桁構造物Ａ２に対し、電解めっきが施されると、図１１Ｃに示すように、第２材料Ｒ２を電極としてめっきが施され、第３材料Ｒ３が第２井桁構造物Ａ２の表面全域に渡って形成され、第３井桁構造物Ａ３となる。
　なお、第１井桁構造物Ａ１を構成する第１材料Ｒ１のＸＹ方向のピッチやＺ方向のピッチ、電解めっきの条件（液組成、液温度、電流値、電流駆動方法、液流量など）を適宜選択すると、電解めっき法の終了後において、第２井桁構造物Ａ２の隙間を第３材料Ｒ３により隙間なく埋めることができる。第２井桁構造物Ａ２では、その全ての壁面に無電解めっき層があるために、電解めっきは全方位的に析出が進み、対向する２つの壁面からの析出が互いに中央付近で接続され、これにより井桁構造の空隙を埋めることができる。換言すればこのような方法により、井桁構造の空隙を全て金属材料によって置換することができ、結果的に樹脂材料と金属材料の密な複合体が実現できる。
　なお、無電解めっきにより作られる第２材料Ｒ２、及び電解めっきにより作られる第３材料Ｒ３は、その断面構造において特徴的な形状を持つ。具体的には、第３井桁構造物Ａ３の断面サンプルを作成し、光学顕微鏡または電子顕微鏡で観察すると、無電解めっきにより作られる第２材料Ｒ２は細かな柱状結晶であり、図１１Ｄに示すように第１材料Ｒ１の表面に対して垂直に立った結晶成長であることが認められる。一方、電気めっきにより作られる第３材料Ｒ３は粒子の粗い柱状結晶であり、図１１Ｄに示すように第２材料Ｒ２の表面に対して垂直に立った結晶成長を示すものの、第１材料Ｒ１の窪みとなる部分においては、複数の方向からの結晶成長が合流した複雑な結晶方位を持つ構造が認められる。言い換えれば、図１１Ｄの断面構造を有する構造物は、本発明に従う製造方法により、第２材料Ｒ２の表面すべてを電極として結晶成長（電気めっき）を行ったことを示すものである。
　なお電解めっき液の組成、液温度、電流値、電流駆動方法（直流連続駆動、直流パルス駆動、交流バイアス駆動など）、及び液流量を適切に選ぶことによって、形状依存性の強い不均一な析出（ステップカバレージ性の悪い析出）を選択することもできる。このような場合、めっき膜（第３材料Ｒ３）の一部は、対向する２つの壁面からそれぞれ析出し、やがて互いに接続されるが、めっき膜（第３材料Ｒ３）の別の部分は接続されず、図１１Ｅに示すように、その内部に空隙ＡＧｘを残した金属体が形成され得る。換言すればこのような方法により、外観的には樹脂材料と金属材料の複合体であるものの、図１１Ｅに示すように、内部に空隙ＡＧｘを残した構造が実現でき、結果的に軽量化した樹脂材料と金属材料の複合体が実現できる。なお空隙ＡＧｘの部分の内部充填物は、上述した電解めっき液の組成、温度、電流値、及び電流駆動方法によって変わり、空気、水素ガス、電解めっき液、または真空のいずれかである。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、樹脂材料と金属材料とがそれぞれ井桁構造を有して互いの隙間に密に組み込まれるため、樹脂材料と金属材料とを複合的に用いた造形物において、その接合を強固にすることができる。また、ヒートサイクルのような昇温と冷却を繰り返される環境下では、上述のように材料間の境界面が構造体の中に複雑に存在するため、複数の材料の間に線膨張係数に差があっても、それら複数の材料の歪みが井桁構造物全体に及び、特定の面に応力が集中しないので、破断することなく、複数材料の間の接合は良好に維持される。
特に樹脂材料、樹脂材料と接する第１の金属材料、及び第１の金属材料と接する第２の金属材料からなる、複数の材料を複合的に用いた造形物は強固である。特に第１の金属材料が樹脂材料面に対して垂直に立った柱状結晶であり、第１の金属材料と接する第２の金属材料も第１の金属材料面に対して垂直に立った柱状結晶とした時、これら第１及び第２の金属材料に対する外部からの強度は高くなると共に、応力の分散も井桁構造物全体に及ぶので、破断することなく、複数材料間の接合は良好に維持される。特に第１の金属材料の中にリンまたはホウ素またはその両方の元素が含まれるものは本発明の最も好ましい造形物である。
［第２の実施の形態］
　次に、本発明の第２の実施の形態に係る造形物の製造装置を、図１２を参照して説明する。第２の実施の形態の製造装置は、図１２に示すように、３Ｄプリンタ１００’と、鋳型形成装置４００と、金属又はセラミック鋳造装置５００と、樹脂注入装置６００とを備えている。
　３Ｄプリンタ１００’は、第１の実施の形態の３Ｄプリンタ１００と同様のものとすることができる。この３Ｄプリンタ１００’も、第１の実施の形態の３Ｄプリンタ１００で製造される第１井桁構造物Ａ１と同様の構造を有する第１井桁構造物Ａ４を形成可能に構成されている。その構成の詳細も、図２～図５で説明したものと同様で良い。ただし、この３Ｄプリンタ１００’で製造される第１井桁構造物Ａ４は、造形物の製造工程の途中において加熱処理やエッチング等により除去される犠牲材である。
　鋳型形成装置４００は、この第１井桁構造物Ａ４を覆う鋳型Ｃ１（鋳型）を形成するための装置である。第１井桁構造物Ａ４は、鋳型Ｃ１が硬化した後、又は硬化する段階において、加熱工程やエッチングにより除去される。鋳型Ｃ１の内部には、第１井桁構造物Ａ４の元の形状に由来する空洞が残る。
　金属又はセラミック鋳造装置５００は、この鋳型Ｃ１の空洞に溶融された金属又はセラミック材料を流し込んで、その金属材料、又はセラミック材料からなる第２井桁構造物Ａ５を形成するための装置である。鋳型Ｃ１は、第２井桁構造物Ａ５の金属材料が凝固した後、物理的処理又は化学的処理（エッチング等）により除去される。
　樹脂注入装置６００は、液状の樹脂材料を第２井桁構造物Ａ５の隙間に注入又は含浸し、金属材料の井桁構造と樹脂材料の井桁構造が組み込まれた井桁構造物を製造するための装置である。
　次に、この第２の実施の形態の製造装置を用いた造形物の製造方法を、図１３～図１８を参照して説明する。
　最初に、図１３に示すように、３Ｄプリンタ１００’において、第１材料Ｒ１’を用いて、第１井桁構造物Ａ４を形成する。すなわち、１つの層（第１の層）においては、第１材料Ｒ１’を溶融させた後、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂから吐出させる。このとき、第１材料Ｒ１’が、Ｙ方向を長手方向として、且つＸ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。第１の層よりも１つ上の第２の層では、第１の層とは異なり、第１材料Ｒ１’が、Ｘ方向を長手方向として、且つＹ方向に所定の間隔を空けて形成されるよう、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂが駆動される。上記の工程が所定回数繰り返されることにより、第１材料Ｒ１’からなる第１井桁構造物Ａ４が完成する。
　続いて、図１４に示すように、第１井桁構造物Ａ４を鋳型形成装置４００に移動させ、第１井桁構造物Ａ４の周囲を覆う鋳型Ｃ１を形成する。
　図示は省略するが、鋳型形成装置４００は、第１井桁構造物Ａ４を収納するための粉体容器を備えている。この粉体容器に第１井桁構造物Ａ４を載置した後、第１井桁構造物Ａ４が埋まるように、鋳型Ｃ１を構成する粉体を粉体容器に投入する。なお、粉体容器に粉体を投入した後、第１井桁構造物Ａ４をその上部に載置することも可能である。この場合、第１井桁構造物Ａ４が破損しない程度に上方から力を加え、第１井桁構造物Ａ４の凹凸表面と粉体が隙間なく密着するように設置する。
　形成される鋳型Ｃ１の形状は任意の形状でよく、従って、粉体容器の形状も任意のものでよい。粉体容器の材料は、鋳型Ｃ１の硬化工程での硬化温度以上の耐熱性があればよく、金属、ガラスを用いることができ、さらに上記硬化温度条件によってはプラスチックや木材、段ボールも用いることができる。また鋳型Ｃ１を構成する粉体としては、珪砂（二酸化ケイ素を主成分とした酸化物の混合物）を好適に用いることができる。具体的には、粘結材（ベントナイトなどの粘土）、又はケイ酸ナトリウム水溶液などの水ガラスをバインダとして加えた粉体が使用可能であり、商業的に入手可能である。
　また、この粉体は、第１井桁構造物Ａ４の表面形状を転写するため、その粒径は細かく均一であることが望ましい。一例として、粒径が５０μｍ前後の粉体が商業的に入手可能である。このような粉体を用いて鋳型Ｃ１を形成することにより、算術平均粗さＲａが１０μｍ前後の最終生成物を得ることができる。なお、粉体容器に粉体を敷き詰める量としては、後述する工程において鋳型の形状が維持できる厚みに相当する高さ以上であれば十分である。珪砂材料の種類や、後述する工程の温度の設定によっては、第１井桁構造物Ａ４の高さに加え、数ｃｍ～１０数ｃｍ程度の高さで充分である。なお、粉体を敷き詰めた後は、粉体の上面が容器内においてできるだけ水平になっていることが望ましい。
　粉体容器に粉体が敷き詰められ、第１井桁構造物Ａ４が粉体の内部に埋め込まれた後は、粉体の仮硬化工程が実行される。仮硬化工程は、例えば２５０℃～３００℃程度の温度で実行される。これにより、粉体中の珪砂とバインダが結合し、仮硬化が行われる。この仮硬化工程の加温工程において、粉体の上方から圧力を加えることも可能である。
　次に、図１４に示すように、鋳型Ｃ１の上面に孔Ｈ１を形成する。なお、孔Ｈ１は、鋳型Ｃ１を仮硬化する前の段階で形成することもできる。例えば、粉体の投入時において、空洞のパイプを第１井桁構造物Ａ４の表面に搭載させておくことにより、仮硬化前において孔Ｈ１を予め形成しておくことができる。
　その後、仮硬化が終わった鋳型Ｃ１を鋳型形成装置４００の粉体容器から取り出し、前工程より高い温度で加熱工程を行う。この加熱工程により、鋳型Ｃ１に対し本硬化工程が実行され、鋳型Ｃ１が凝固する。またさらに高温、例えば数百℃で加熱処理することによって、鋳型Ｃ１の内部の第１井桁構造物Ａ４を焼却除去される。例えば第１井桁構造物Ａ４の材料としてポリエチレンを選択した場合、大気雰囲気中で３００℃～４００℃にて加温すると、ポリエチレンが燃焼してガス化し、型の内部から消失して空洞にすることができる。第１井桁構造物Ａ４が焼却除去された後には、鋳型Ｃ１の内部に、第１井桁構造物Ａ４の外形に由来する空洞部ＡＧが残る。
　続いて、図１６に示すように、鋳型Ｃ１を金属又はセラミック鋳造装置５００に移動させ、鋳造工程を実行する。すなわち、溶融された金属材料又はセラミック材料などの無機物である第２材料Ｒ２’を、前述の孔Ｈ１を介して鋳型Ｃ１の内部に流し込む。所定時間の冷却工程を経ることで、注入された材料は鋳型Ｃ１の内部で凝固し、第２材料Ｒ２’からなる第２井桁構造物Ａ５が形成される。第２材料Ｒ２’は、金属又はセラミック材料とすることができる。金属の場合の例としてはアルミダイカストを用いることができ、アルミニウム（Ａｌ）に対してシリコン（Ｓｉ）や銅（Ｃｕ）を加え、さらに微量無機材料が配合されたＡＤＣ１、ＡＤＣ１２等を用いることができる。具体的にはこれらアルミダイカスト材料を６００～６５０℃付近に加温し、溶融し、粘度が充分に下がった状態で孔Ｈ１から鋳型Ｃ１の内部に流し込む。この時、気泡（空隙）が溶融金属の内部に残存しないように注入速度を調整して流し込むことが好適である。注入後は、型ごと冷却を施すことで、金属単体の第２井桁構造物Ａ５が出来上がる。
　また、第２材料Ｒ２’をセラミックにより構成する場合には、セラミック前駆体溶液を用意する。これは例えばシリコン系のセラミック（主成分：酸化シリコン）を構成する場合には、ポリカルボシランやポリオルガノボロシラザンなどを主成分とする溶液を用いる。室温にてこの溶液を孔Ｈ１から鋳型Ｃ１の内部に注入する。この時、溶液の内部に気泡が残らないように注入速度を調整して注入することが好ましい。
　続けてセラミックの焼成を行う。この焼成過程は多段階で行うのが望ましく、低い温度から高い温度に向けて階段状の温度プロファイルで焼成を進めるのが望ましい。最終的には８５０～１０００℃にて焼成が完成し、セラミック単体の第２材料Ｒ２’が凝固する。
　第２井桁構造物Ａ５（第２材料Ｒ２’）が凝固すると、その後は物理的方法（破壊処理）、又は化学的方法（エッチング等）により鋳型Ｃ１が除去される（図１７参照）。第２井桁構造物Ａ５は、除去された第１井桁構造物Ａ４と略同一の形状を有している。
　その後、第２井桁構造物Ａ５を溶融樹脂注入装置６００に移動させ、その隙間部分に樹脂材料としての液状の第３材料Ｒ３を注入又は含浸する。この第３材料Ｒ３が硬化することにより、第２材料Ｒ２’（金属またはセラミック）と第３材料Ｒ３（樹脂）がそれぞれ井桁構造で組み込まれた第３井桁構造物Ａ６が出来上がる。例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂、フェノール樹脂等の不飽和物に対して、架橋剤を一定量混合した樹脂液（熱硬化性樹脂）を含んだ容器を用意し、この中に第２井桁構造物Ａ５を浸漬させる。気泡が生じないよう、充分に第２井桁構造物Ａ５を樹脂液内に浸透させたのち引き上げ、加熱処理することによって架橋反応を生じさせ、第２樹脂材料Ｒ２の隙間に樹脂層を形成する。このことによって、第２井桁構造物Ａ５の隙間に樹脂が充填された第３井桁構造物Ａ６が完成する（図１８参照）。なお上述したセラミックは、シリコン系のセラミック（主成分：酸化シリコン）としたが、これに限るものではなく、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ホウ素等を主成分としたセラミックでもよく、あるいはこれらの混合物であってもよい。
　この第２の実施の形態によっても、金属やセラミックなどの無機物と樹脂材料のような異なる種類の材料が井桁構造で１つの材料中に組み込まれるので、複数種類の材料の間の接合が強固にすることができる。特に、ヒートサイクルのような昇温と冷却を繰り返される環境下では、材料間の境界面が構造体の中に複雑に存在するので、線膨張係数に差があっても、その歪みが構造体全体に及び、特定の面に応力が集中しないので、破断することなく、接合は良好に維持される。
　また、セラミック単体に対して金属や樹脂と複合化された構造体や金属単体に対する樹脂と複合化された構造体では、曲げに対する弾性変形領域を拡大する事ができ、セラミック単体や金属単体より柔軟性に富んだ材料を提供することができる。
　以上、本発明の実施の形態に係る造形物の製造方法及び造形物について、詳細に説明してきた。本発明はその趣旨に則って、各種変形や応用が可能である。以下において、幾つかの採用可能な変形例を説明する。
 [変形例１]
　まず、変形例１について図１９を参照して説明する。
　図１０では、第１井桁構造物Ａ３の第１材料Ｒ１が熱可塑性樹脂であり、第２材料Ｒ２及び第３材料Ｒ３が金属であるとして説明した。変形例１では、第２材料Ｒ２を用いず、第３材料Ｒ３を金属に代えてマイカを用いる。マイカは天然に鉱物として産出する二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カリウム及び結晶水とからなる層状のケイ酸塩である。例えばＫＡｌ２（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２などの化学式が代表例である。
　図１９のブロック図を参照して、変形例１に係る造形物を製造するための製造装置の構成を説明する。この製造装置は、３Ｄプリンタ１００、マイカスラリー注入装置７００、及び乾燥・真空プレス装置８００とを備える。
　この製造装置では、まず３Ｄプリンタ１００を用いて、樹脂材料である第１材料Ｒ１からなる第１井桁構造物Ａ１が作成される。その後、スラリー注入装置７００によって、液状のマイカスラリー（マイカの懸濁水溶液）が第１井桁構造物Ａ１の隙間に注入される。これにより、樹脂材料（第１材料Ｒ１）の井桁構造とマイカの井桁構造が組み込まれた井桁構造物Ａ４が製造される。
　続いて乾燥・真空プレス装置８００にこの井桁構造物Ａ４を移動させ、乾燥を行って井桁構造物Ａ４の水分を除去した後、真空プレスを行って内部の水分を完全に除去する。更に、水が脱離した空隙をプレスによって除去する。なおここでマイカスラリーに用いるマイカは数ミクロン～数十ミクロンの範囲に分布を持つ粒子であり、水中に分散しているものを用いることができる。
　このような樹脂とマイカの井桁構造物Ａ４は、マイカ固有の耐熱特性が反映されて耐熱性が向上すると共に、屈曲特性にも優れた構造物とすることができる。また層間剥離に対しても強い特性を有する構造物とすることができる。
 [変形例２]
　次に、変形例２について図２０を参照して説明する。
　この変形例２の造形物の製造装置は、図２０に示すように、３Ｄプリンタ１００’と、鋳型形成装置４００と、セラミック鋳造装置５５０と、溶融金属注入装置９００とを備えている。
　３Ｄプリンタ１００’、及び鋳型形成装置４００は、第２の実施の形態のもの（図１２）と同様のものとすることができる。ただし、第２の実施の形態では、第３井桁構造物Ａ６の第２材料Ｒ２’は、金属、またはセラミックであり、第３材料Ｒ３はエポキシ樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂としている。一方、この変形例２では、第２材料Ｒ２’をセラミックとし、第３材料Ｒ３を金属とする。第３材料Ｒ３である金属は、溶融金属注入装置９００において溶融された状態で、井桁構造をなす第２材料Ｒ２’の隙間に含浸される。ここで第３材料Ｒ３となる金属は上述したアルミダイカストを用いることができるが、この金属は焼成したセラミックとしての第２材料Ｒ２’に接するものであるので、アルミダイカストよりも融点の高い金属を用いることもできる。
　この変形例２の製造方法を図２０を参照しつつ説明する。３Ｄプリンタ１００’により第１井桁構造物Ａ４を作成したのち、鋳型形成装置４００を用いて鋳型を形成し、その後３Ｄプリンタ１００で形成した第１井桁構造物Ａ４を消失させる。ここまでは第２の実施の形態と同じである。
　続いて、鋳型をセラミック鋳造装置５５０に移動させ、鋳造工程を実行する。すなわち、溶融されたセラミック材料である第２材料Ｒ２’を、鋳型の内部に流し込む。所定時間の冷却工程を経ることで、注入された材料Ｒ２は鋳型Ｃ１の内部で凝固し、第２材料Ｒ２’からなる第２井桁構造物Ａ５が形成される。さらに、この第２井桁構造物Ａ５を溶融金属注入装置９００に移動させ、溶融された金属である第３材料Ｒ３を第２井桁構造物Ａ５に注入する。このようなセラミックと金属の井桁構造物は、共に融点が高いという性質が反映されて耐熱性が
向上すると共に、強度と屈曲性を兼ね備えた構造物とすることができる。
［変形例３］
　次に、変形例３について図２１を参照して説明する。
　この変形例３の造形物の製造装置は、図２１に示すように、３Ｄプリンタ１００’と、鋳型形成装置４００と、金属鋳造装置５６０と、溶融金属注入装置９１０とを備えている。
　３Ｄプリンタ１００’、及び鋳型形成装置４００は、変形例２と同様のものとすることができる。ただし、変形例３では、第３井桁構造物Ａ６の第２材料Ｒ２’は、金属であり、第３材料Ｒ３も同様に金属である。第２材料Ｒ２’の金属の融点は、第３材料Ｒ３の金属の融点よりも高い必要がある。第２材料Ｒ２’は金属鋳造装置５６０により形成され、一方、第３材料Ｒ３は溶融金属注入装置９１０により注入される。
　この変形例３の製造方法を図２１を参照しつつ説明する。３Ｄプリンタ１００により第１井桁構造物Ａ１を作成したのち、鋳型形成装置４００を用いて鋳型の形成を行うところまでは第２の実施の形態、及び変形例２と同じである。
　そして、この鋳型に対し熱硬化性樹脂の注入を行う代わりに、金属鋳造装置５６０により、この鋳型に対し溶融された金属である第２材料Ｒ２’を流し込む。そして、この第２材料Ｒ２’の金属の凝固の後、鋳型を除去し、残された井桁構造物の隙間に、溶融金属注入装置９１０により、第３材料Ｒ３としての溶融金属を注入する。
　このような二種類の金属による井桁構造物は、従来の鋳造法では共存することのできない二種類の金属を組み合わせた複合体とすることができる。また各々の金属が有する固有の性質を反映することができる。一般的に材料は、荷重－変形量（伸び量等）特性において弾性変形領域と塑性変形領域の二つの変形領域があり、材料によってその領域の比率が異なっている。この変形例３に係る井桁構造物では、その比率の異なる２つの金属材料を組み合わせることによって、強度と柔軟性を兼ね備えた靭性の高い構造物とすることができる。一例としては相対的に弾性変形領域が狭く、塑性変形領域が広い第1金属と、相対的に弾性変形領域が広く、塑性変形領域が狭い第２金属とを組み合わせた井桁構造物とすることによって、靭性に富んだ構造物とすることができる。第1金属の例としては鉄やニッケルの炭化物（カーバイト）であり、第２金属の例としては、アルミニウムを挙げることができる。
［変形例４］
　以上説明してきた実施形態及び変形例の井桁構造物は、すべてＸＹ平面上における２種類の材料のピッチが共に等しく、一定であるものおつぃて説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではない。
　図２２で示すように、高さ方向（Ｚ方向）に進むに従って、構成材（第１材料Ｒ１）のピッチ及び密度が変化するような密度可変の井桁構造物Ａ７としても構わない。このように構成すると、２成分組成について高さ方向のグラデーションを有する井桁構造物とすることができる。
　このような井桁構造物の製造方法としては、３Ｄプリンタ１００、１００’において、図２２や図２３に示すように、第１材料Ｒ１のピッチ及び密度が可変の井桁構造物Ａ７を形成すればよい。このピッチ可変の井桁構造物Ａ７を用い、更に第１材料Ｒ１とは異なる材料Ｒ４を井桁構造物Ａ７の隙間に埋め込む。このような２種類の材料Ｒ１及びＲ４を用いて製造した井桁構造体Ａ８は、図２４に示すように全体として構成材料の密度が可変の井桁構造体を構成する。このような密度可変の井桁構造物は、高さ方向にグラデーションを有するため、その上面と下面とで異なる性質を持たせることができる。例えば接着力の乏しい２つの異なる素材からなる構造物を接合する部材として用いることができ、強固な接着を実現できるようになる。
　以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１００・・・３Ｄプリンタ、　２００・・・コンピュータ、　３００・・・ドライバ、　１１・・・フレーム、　１２・・・ＸＹステージ、　１３・・・造形ステージ、　１４・・・昇降テーブル、　１５・・・ガイドシャフト、２１・・・枠体、　２２・・・Ｘガイドレール、　２３・・・Ｙガイドレール、　２４Ａ、２４Ｂ・・・フィラメントホルダ、　２５Ａ、２５Ｂ・・・造形ヘッド、　３１・・・枠体、　３４、３５・・・ローラ、　３８Ａ、３８Ｂ・・・フィラメント。

Claims (17)

  1. 　第１の層において、第１の材料を第１の方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１の材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物を形成するステップと、
    　前記第１井桁構造物の壁面に無電解めっき法を用いて第２の材料の薄膜を堆積させて第２井桁構造物を形成するステップと、
    　前記第２井桁構造物に対し電解めっき法を実行して第３の材料を前記隙間に堆積させて第３井桁構造物を形成するステップと
    を備えたことを特徴とする造形物の製造方法。
  2. 　前記第１の材料は、３Ｄプリンタにより形成される、請求項１記載の造形物の製造方法。
  3. 　前記第１の材料は、熱可塑性を有する樹脂材料である、請求項２記載の造形物の製造方法。
  4. 　第１の層において、第１の材料を第１の方向に連続的に形成し且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記第１の材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物を形成するステップと、
    　前記第１井桁構造物を覆う鋳型を形成するステップと、
    　前記鋳型を残して前記第１井桁構造物を除去するステップと、
    　前記鋳型に対し溶融された第２の材料を流し込んで凝固させることにより第２井桁構造物を形成するステップと、
    　前記第２井桁構造物を残して鋳型を除去するステップと、
    　前記第２井桁構造物に対し液状の第３の材料を前記隙間に注入して凝固させることにより第３井桁構造物を形成するステップと
    を備えたことを特徴とする造形物の製造方法。
  5. 　前記第１井桁構造物の除去は、加熱処理により実行される、請求項４記載の製造方法。
  6. 　前記第１の材料は、３Ｄプリンタにより形成される、請求項４記載の造形物の製造方法。
  7. 　前記第１の材料は、熱可塑性を有する樹脂材料である、請求項６記載の造形物の製造方法。
  8. 　第１の層において、樹脂材料が第１の方向に連続的に形成され且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記樹脂材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物が構成され、
    　前記第１井桁構造物の前記隙間に金属材料が構成されたことを特徴とする造形物。
  9. 　前記金属材料は、前記第１井桁構造物に接する第１層と、その第１層の上層に位置する第２層とからなり、
    　前記第１層は、前記樹脂材料の表面に対して垂直な結晶方位を有する柱状結晶であり、
    　前記第２層は前記第１層の表面に対して垂直な結晶方位を有する柱状結晶である
    ことを特徴とする請求項８記載の造形物。
  10. 　前記第２層の結晶は、前記第１層の結晶よりも荒い、請求項８記載の造形物。
  11. 　前記第２層は、前記第１井桁構造物の窪み部分において、複数の方向に向かう結晶方位を有する、請求項８記載の造形物。
  12. 　前記第２層の結晶は、前記第１層の結晶よりも荒い、請求項１１記載の造形物。
  13. 　前記金属材料は前記第１井桁構造物に接する第１層と、その第１層の上層の第２層とからなり、
    　前記第１層は、リンまたはホウ素を少なくとも有する金属材料から構成される
    　ことを特徴とする請求項８記載の造形物。
  14. 　第１の層において、金属材料が第１の方向に連続的に形成され且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記金属材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物が構成され、
    　前記第１井桁構造物の前記隙間に樹脂材料又は前記金属材料とは異なる材料からなる金属材料が構成されたことを特徴とする造形物。
  15. 　前記樹脂材料は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１４記載の造形物。
  16. 　第１の層において、セラミック材料が第１の方向に連続的に形成され且つ前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第１の層の上部の第２の層において、前記セラミック材料を、前記第１方向とは交差する第３の方向に連続的に形成し且つ前記第３方向と交差する第４方向において隙間を空けて配列することにより、第１井桁構造物が構成され、
    　前記第１井桁構造物の前記隙間に樹脂材料又は金属材料が構成されたことを特徴とする造形物。
  17. 　前記樹脂材料は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１６記載の造形物。
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