WO2022209028A1 - 立体造形方法 - Google Patents

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WO2022209028A1
WO2022209028A1 PCT/JP2021/045413 JP2021045413W WO2022209028A1 WO 2022209028 A1 WO2022209028 A1 WO 2022209028A1 JP 2021045413 W JP2021045413 W JP 2021045413W WO 2022209028 A1 WO2022209028 A1 WO 2022209028A1
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shell
nozzle member
core material
shell layer
core
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PCT/JP2021/045413
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和輝 石
博史 酒井
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東レエンジニアリング株式会社
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    • B29C69/00—Combinations of shaping techniques not provided for in a single one of main groups B29C39/00 - B29C67/00, e.g. associations of moulding and joining techniques; Apparatus therefore
    • B29C69/02—Combinations of shaping techniques not provided for in a single one of main groups B29C39/00 - B29C67/00, e.g. associations of moulding and joining techniques; Apparatus therefore of moulding techniques only
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional modeling method, such as a so-called 3D printer whose performance has been significantly improved in recent years, or a stereolithography apparatus using stereolithography technology that has been put into practical use before that, especially containing a reinforcing material. It is related to three-dimensional modeling technology for composite materials.
  • a so-called 3D printer uses a computer to calculate the cross-sectional shape of a modeled object based on three-dimensional CAD data, divides the modeled object into thin cross-sectional constituent elements, and forms the cross-sectional constituent elements in various ways. It is a three-dimensional modeling means that obtains the desired shape by layering it.
  • the name 3D printer is widely used, but internationally it is often called Additive Manufacturing Technology, directly translated as additive manufacturing technology.
  • the term 3D printer is mainly used, but appropriate expressions are used depending on the intention of use.
  • the outer shell layer is called the shell layer
  • the material forming the shell layer is called the shell material
  • the part surrounded by the shell layer is called the core part
  • the material filling the part surrounded by the shell layer is called the core material.
  • the shell layer is formed by curing a fluid shell material (for example, photocurable resin).
  • the core material used has fluidity before hardening and does not mix with the shell material.
  • the core material has a higher specific gravity than the shell material.
  • This composite material 3D printer 900 includes a modeling tank 910 that stores a shell material 940 , a modeling table 911 that is provided in the modeling tank 910 and serves as a base for modeling a three-dimensional object, and an ultraviolet ray for curing the shell material 940 . It is composed of a laser optical system 920 that irradiates a laser 921 and a nozzle 930 that ejects a core material 931 .
  • a shell layer 941 having a predetermined shape is modeled on a modeling table 911 provided in a modeling tank 910 storing a shell material 940.
  • the shell layer 941 is formed by irradiating a portion of the shell material 940 with an ultraviolet laser 921 from a laser optical system 920 to harden a portion of the shell material 940 .
  • a nozzle 930 is inserted into an uncured shell material 940 (hereinafter referred to as shell material 940) remaining in a core portion 942 surrounded by the shaped shell layer 941 to eject the core material 931.
  • shell material 940 uncured shell material 940
  • the discharged core material 931 is replaced with the shell material 940 to fill the core portion 941 with the core material 931 .
  • a three-dimensional object is modeled by repeating the modeling of the shell layer 941 and the filling of the core material 931 . As a result, it is possible to prevent an interface from being formed between the core materials 941 ejected from the nozzle 930, so that it is possible to form a three-dimensional object with no directivity in rigidity and strength.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a three-dimensional modeling method that can prevent the shell material from being caught in the filled core material.
  • the shell layer which is the outer shell layer of the three-dimensional model
  • the tip of the nozzle member is inserted into the uncured shell material remaining in the core portion, and the core material is discharged from the tip of the nozzle member, thereby separating the uncured shell material and the core.
  • the core material is filled in the core portion by replacing the material, and the core portion is filled with the core material while maintaining a state in which the core material has an interface only with the uncured shell material.
  • the core material is filled in the core portion while maintaining the state in which the core material has an interface only with the uncured shell material. It can be prevented from reaching the liquid surface of the material. Therefore, it is possible to prevent the core material from diffusing and settling on the liquid surface of the uncured shell material, and to prevent the shell material from being caught in the filled core material.
  • the core material is discharged from the nozzle member at a predetermined position of the core portion, and a predetermined distance from the predetermined position is maintained while at least the tip of the nozzle member is inserted into the discharged core material.
  • the nozzle member may be moved to an open position, and the core material may be ejected again by the nozzle member.
  • the core material can be discharged from the nozzle member so that the core material does not accumulate at one point in the core portion, so that the core material is prevented from reaching the liquid surface of the uncured shell material. It is possible to prevent the shell material from being caught in the filled core material.
  • the core material discharged earlier and the core material discharged later are mixed. It is possible to fill the core portion with the core material without generating an interface between. Therefore, it is possible to prevent impurities such as air bubbles from entering the core material filled in the core portion.
  • the core material is discharged from the nozzle member at a predetermined position of the core portion, and the nozzle member is discharged from the predetermined position while maintaining a state in which at least the tip of the nozzle member is inserted into the discharged core material.
  • the core material may be discharged from the nozzle member while being moved.
  • the core material can be discharged from the nozzle member so that the core material does not accumulate at one point in the core portion, so that the core material is prevented from reaching the liquid surface of the uncured shell material. It is possible to prevent the shell material from being caught in the filled core material. Further, since the core material is ejected while moving the nozzle member while maintaining a state in which at least the tip of the nozzle member is inserted into the core material ejected earlier by the nozzle member, the core material ejected earlier and the core material ejected later are ejected.
  • the core portion can be filled with the core material without forming an interface with the discharged core material. Therefore, it is possible to prevent impurities such as air bubbles from entering the core material filled in the core portion.
  • the shell layer which is the outer shell layer of the three-dimensional model
  • the shell layer is first modeled using a shell material, and then the part surrounded by the modeled shell layer
  • a three-dimensional molding method for molding a three-dimensional object by discharging and filling a core material into the core portion, wherein the shell layer is molded by hardening a part of the shell material in a fluid state. Then, at least the tip of the nozzle member is inserted into the uncured shell material remaining in the core portion, and the core material is discharged from the tip of the nozzle member, thereby separating the uncured shell material and the core.
  • the tip of the nozzle member is filled with the uncured shell material. It is characterized in that the shell layer is reshaped while maintaining the state of being inserted into the body.
  • the core material adhering to the nozzle member is prevented from coming into contact with the liquid surface of the uncured shell material. can be prevented. Therefore, it is possible to prevent the core material from diffusing and settling on the liquid surface of the uncured shell material, and to prevent the shell material from being caught in the filled core material.
  • a state in which at least the tip of the nozzle member is inserted into the uncured shell material is maintained before reshaping the shell layer.
  • the nozzle member is retracted from the core portion to the outside of the shell layer while maintaining a state in which at least the tip of the nozzle member is inserted into the uncured shell material after the shell layer is reshaped.
  • a configuration may be adopted in which the nozzle member is returned into the core portion.
  • the nozzle member since the nozzle member is retracted from the core portion to the outside of the shell layer before the shell layer is reshaped so as to be laminated on the shaped shell layer, the nozzle member does not have to be pulled out from the uncured shell material.
  • the shell layer can be reshaped without being obstructed by the nozzle member.
  • the shell layer is formed by a liquid bath polymerization method, and when re-forming the shell layer so as to be laminated on the formed shell layer, the shell layer is not formed before the re-forming of the shell layer. Then, the nozzle member is retracted from the shell layer while maintaining a state in which at least the tip of the nozzle member is inserted into the uncured shell material. Next, the shell layer is raised against the liquid surface of the uncured shell material, then the shell layer is reshaped so as to be laminated on the shaped shell layer, and then the shell layer is uncured.
  • the nozzle member is lowered with respect to the liquid surface of the hardened shell material, and then the nozzle member is moved above the core portion while maintaining a state in which at least the tip of the nozzle member is inserted into the unhardened shell material. Then, the shell layer may be raised with respect to the liquid surface of the uncured shell material to return the nozzle member to the inside of the core portion.
  • the shell layer is re-formed so as to be laminated on the formed shell layer without pulling out the nozzle member from the uncured shell material. It is possible to shape.
  • the three-dimensional modeling method of the present invention it is possible to prevent the shell material from being caught in the filled core material.
  • the three axes of the orthogonal coordinate system are X, Y, and Z
  • the horizontal direction is expressed as the X-axis direction and the Y-axis direction
  • the direction perpendicular to the XY plane that is, the vertical direction
  • direction is the Z-axis. expressed as direction.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a composite material 3D printer used to realize the three-dimensional modeling method in this embodiment.
  • 2, 3, 4, and 5 are diagrams for explaining the stereolithography method according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the three-dimensional modeling method according to the present embodiment, and is a diagram showing a method for discharging the core material C by the nozzle member 11.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the three-dimensional modeling method in this embodiment, and is a diagram showing one variation of the discharge method of the core material C by the nozzle member 11 shown in FIG.
  • the composite material 3D printer 100 in this embodiment applies the liquid bath polymerization method, which is one of the additive manufacturing methods, to the modeling of the shell layer S described later, and the core material C is discharged as shown in FIG. It comprises a core material discharge mechanism 1, a modeling tank 2 for storing the shell material E, a modeling table 21 that serves as a base for modeling a three-dimensional object, and a light irradiation mechanism 3 for curing the shell material E.
  • the composite material 3D printer 100 operates each part constituting the core material discharge mechanism 1, the modeling table 21, and the light irradiation mechanism 3, so that the shell layer S, which is the outer shell layer of the three-dimensional modeled object to be modeled, is placed first.
  • the core material C is filled in the core portion K, which is the portion surrounded by the shell layer S that has already been shaped, and hardened to form a three-dimensionally shaped object.
  • the operations of these units may be controlled by a control unit (not shown).
  • This control unit is configured by, for example, a general-purpose computer device.
  • the shell material E in this embodiment is, for example, a photocurable resin with fluidity, and is stored in the modeling tank 2 described later.
  • the shell material E is cured by being irradiated with light rays L (see FIG. 2A) by a light irradiation mechanism 3, which will be described later.
  • the light beam L referred to here is, for example, ultraviolet laser light.
  • the shell material E is cured and the shell layer S is formed.
  • the uncured shell material E is called shell material E
  • the cured shell material E is called shell layer S.
  • the shell layer S in this embodiment is the outer shell layer of the three-dimensional object to be modeled, and is modeled by curing the shell material E as described above.
  • the shell layer S is formed in the shell material E on a forming table 21, which will be described later.
  • a portion surrounded by the shell layer S is called a core portion K. As shown in FIG.
  • a shell material E remains in this core portion K. Specifically, as long as the shell layer S is formed in the shell material E and the shell layer S is not pulled up from the shell material E after forming, the core portion K, which is the portion surrounded by the shell layer S, Shell material E remains.
  • the core material C in the present embodiment is, for example, a so-called composite material containing a fluid thermosetting resin and a reinforcing material such as carbon fiber or glass fiber. Harden.
  • This core material C is discharged to the core portion K by a core material discharge mechanism 1, which will be described later.
  • the core material C is designed not to mix with the shell material E, and has a higher specific gravity than the shell material E.
  • the three-dimensional object in this embodiment is the final object that is formed by filling the core portion K with the core material C and curing the filled core material C.
  • the core material discharge mechanism 1 in this embodiment is for discharging the core material C.
  • the core material discharge mechanism 1 includes a nozzle member 11 for discharging the core material C, a core material tank 12 for storing the core material C, and a piping system 13 for connecting the nozzle member 11 and the core material tank 12. and a pump 14 for feeding the core material C from the core material tank 12 to the nozzle member 11 via the piping system 13 .
  • the nozzle member 11 is for discharging the core material C.
  • the nozzle member 11 in this embodiment is elongated in the vertical direction (the Z-axis direction in FIG. 1), and the core material C is discharged from the tip of the nozzle member 11 below in the vertical direction. Note that the shape of the nozzle member 11 may be appropriately changed depending on the application.
  • the nozzle member 11 is connected to the core material tank 12 by a piping system 13 .
  • a core material C is stored in the core material tank 12 , and the stored core material C is sent to the nozzle member 11 through the piping system 13 by the pump 14 . Thereby, the nozzle member 11 can discharge the core material C. As shown in FIG.
  • the core material discharge mechanism 1 is provided with a nozzle drive mechanism (not shown) for moving the nozzle member 11 .
  • the nozzle driving mechanism can move the nozzle member 11 in the X-, Y-, and Z-axis directions in FIG. Thereby, the nozzle member 11 can discharge the core material C at a predetermined position.
  • the modeling tank 2 in this embodiment is for storing the shell material E.
  • the modeling tank 2 in this embodiment has a rectangular box-like shape with an opening on the top surface.
  • a modeling table 21 serving as a base for modeling a three-dimensional object is provided in the modeling tank 2 .
  • a modeling table elevating mechanism (not shown) that raises and lowers the modeling table 21 with respect to the liquid surface M of the shell material E in the modeling tank 2 (hereinafter referred to as the liquid surface M of the shell material E). .
  • the light beam irradiation mechanism 3 in this embodiment is for irradiating the light beam L for curing the shell material E.
  • the light irradiation mechanism 3 includes a light irradiation unit 31 for irradiating a light beam L, and a light beam irradiation unit 31 for emitting the light beam L so that the light beam L irradiated by the light beam irradiation unit 31 is applied to a predetermined position. It consists of a scanning optical system 32 that adjusts the direction.
  • the light beam L emitted by the light beam irradiation unit 31 is, for example, ultraviolet laser light.
  • the scanning optical system 32 may be any system as long as it can reflect the light beam L emitted by the light beam irradiation unit 31 (for example, a galvanometer mirror, a polygon mirror, or the like).
  • the light beam L can be scanned in a predetermined range.
  • the shell material E at a predetermined position can be cured, so that the shell layer S having a predetermined shape can be formed. At least the bottom of the shell layer S is modeled on the modeling table 2 .
  • the three-dimensional modeling method in this embodiment will be described in order below.
  • an example in which the shell layer S (see FIG. 4B) is shaped to the height H and the formed core portion K is filled with the core material C to form a three-dimensional object will be described. do.
  • the shell material E in the modeling tank 2 is irradiated with the light beam L by the light irradiation mechanism 3, and the shell layer S is modeled on the modeling table 21 by the height h1.
  • the height of the modeling table 21 is adjusted with respect to the liquid surface M of the shell material E by the modeling table elevating mechanism, and the light beam L irradiated by the light irradiation unit 31 is scanned by the scanning optical system.
  • the shell material E at a predetermined position is irradiated with L to harden the shell material E at a predetermined depth.
  • the shell layer S having a predetermined height dimension (height h1 in this embodiment) from the liquid surface M of the shell material E is formed.
  • the shell layer S shaped to the height h1 will be referred to as the shell layer S1.
  • the height of the modeling table 21 is raised by the modeling table lifting mechanism until the upper end of the shell layer S1 does not come into contact with the liquid surface M of the shell material E. Adjust for M. Thereby, even if the core portion K is filled with the core material C and the core portion K is filled with the core material C, the core material C can be prevented from coming into contact with the liquid surface M of the shell material E.
  • the nozzle member 11 is moved by the nozzle drive mechanism to insert the nozzle member 11 into the shell material E remaining in the core portion K, as shown in FIG. 2(b). At this time, it is sufficient that at least the tip of the nozzle member 11 is inserted into the shell material E, but it is preferable that the nozzle member 11 is inserted to the vicinity of the bottom of the shell layer S1.
  • the core material C is discharged from the tip of the nozzle member 11 at a predetermined position.
  • the core material C sinks toward the bottom of the shell layer S1. Therefore, the shell material E remaining in the core part K overflows the shell layer S1, and the shell material E in the core part K is replaced with the core material C.
  • the ejection of the core material C by the nozzle member 11 is repeated so that the inside of the core portion K is filled with the core material C.
  • the core material C is ejected by moving the nozzle member 11 while maintaining a state in which at least the tip of the nozzle member 11 is inserted from the core material C ejected by the nozzle member 11 at a predetermined position.
  • the nozzle member 11 is moved from a predetermined position to a position spaced apart by a predetermined distance by the nozzle drive mechanism.
  • the predetermined interval referred to here is preferably less than half the discharge width of the core material C discharged first.
  • the nozzle member 11 discharges the core material C again.
  • the nozzle member 11 is moved again as shown in FIG.
  • the core portion K is filled with the core material C as shown in FIG. 3(a).
  • the core material C discharged by the nozzle member 11 can be prevented from accumulating in one place. Specifically, since the core material C discharged from the nozzle member 11 has a high viscosity, even if it is discharged within the shell material E, it is difficult to spread in the horizontal direction. If the core material C is continuously discharged at one point, it tends to rise vertically rather than spread horizontally, and as shown in FIG. put away.
  • the core material C is discharged from the nozzle member 11 at the first predetermined position, and while maintaining the state in which the nozzle member 11 is inserted into the core material C, a predetermined distance is provided from the predetermined position.
  • the core material C is ejected again by moving the nozzle member 11 to the position where the nozzle member 11 is drawn.
  • the core material C ejected from the nozzle member 11 can be easily spread in the horizontal direction, and can be prevented from accumulating in one place. Therefore, the core material C does not swell in the vertical direction, and the core material C can be prevented from reaching the liquid surface M of the shell material E, so that the core material C diffuses and settles on the liquid surface M of the shell material E. can prevent you from doing it. Therefore, it is possible to prevent the shell material E from being caught in the filled core material C.
  • the core material C is repeatedly discharged without withdrawing the nozzle member 11 from the core material C discharged first, the interface between the core material C discharged first by the nozzle member 11 and the core material C discharged later by the nozzle member 11 is The core portion K can be filled with the core material C without causing a Therefore, it is possible to prevent impurities such as air bubbles from entering the filled core material C.
  • the core material C with which the core part K is filled is taken out from the modeling tank 2 together with the shell layer S1 and heated in the heating furnace to form a three-dimensional object, which has no directivity in rigidity and strength. Become.
  • the core material C is discharged from the nozzle member 11 at the first predetermined position described above, and while maintaining the state in which the nozzle member 11 is inserted into the core material C, the nozzle member moves from the predetermined position to a position at a predetermined interval.
  • the method of moving 11 and discharging the core material C again may be used until at least the bottom portion of the shell layer S is filled with one layer of the core material C.
  • FIG. the core material C is discharged again without moving the nozzle member 11 until the core portion K is filled with the nozzle member 11 inserted into a predetermined position of the core material C that has already been filled.
  • the core material C discharged again to the core material C that has already been filled in one layer spreads so as to fit into the core material C in the first layer, it is possible to prevent the core material C from accumulating in one place. can.
  • a shell layer S having a height h2 is formed on the formed shell layer S1 having a height h1 so that the height of the shell layer S becomes H, and a core material is added to the newly formed core portion K.
  • a case of filling with C will be described.
  • the modeling table 21 is moved with respect to the liquid surface M of the shell material E by the modeling table lifting mechanism until the molded shell layer S1 is positioned below the tip of the nozzle member 11 . to retract the nozzle member 11 from the core portion K to the outside of the shell layer S.
  • the nozzle is driven so as not to interfere with further forming a shell layer S having a height h2 on the formed shell layer S1 ( hereinafter referred to as shell layer S2).
  • the mechanism moves the nozzle member 11 .
  • the nozzle member 11 is not pulled out from the shell material E in the modeling tank 2 .
  • the modeling table 21 is moved by the modeling table lifting mechanism to the position where the shell layer S2 can be formed on the shell layer S1 that has already been formed. Increase relative to M.
  • the shell layer S2 is shaped so as to be laminated on the shaped shell layer S1.
  • a shell layer S2 with a height h2 is further shaped so as to be stacked on the shell layer S1 with a height h1 that has already been shaped. That is, the shell layer S is reshaped so that the height becomes H.
  • the modeling table 21 is moved with respect to the liquid surface M of the shell material E by the modeling table lifting mechanism until the molded shell layer S is positioned below the tip of the nozzle member 11 . to lower it.
  • the nozzle member 11 is moved by the nozzle driving mechanism so as to be positioned above the core portion K newly formed by reshaping the shell layer S. At this time, the nozzle member 11 is not pulled out from the shell material E in the modeling tank 2 .
  • the upper end of the shell layer S that has been shaped is in the vicinity of the liquid surface M of the shell material E and is not in contact with the liquid surface M of the shell material E.
  • the table 21 is raised with respect to the liquid surface M of the shell material E.
  • the core material C is discharged from the nozzle member 11 to fill the core portion K surrounded by the reshaped shell layer S.
  • the nozzle member 11 is discharging the core material C while being inserted into the filled core material C.
  • the nozzle member 11 is not pulled out from the shell material E when the shell layer S is reshaped by molding the shell layer S2 so as to be laminated on the molded shell layer S1, so that the nozzle member 11 adheres to the nozzle member 11. It is possible to prevent the core material C from contacting the liquid surface M of the shell material E. Therefore, it is possible to prevent the core material C from diffusing and settling on the liquid surface M of the shell material E, and to prevent the shell material E from being caught in the filled core material C. In addition, since the nozzle member 11 is retracted from the core portion K to the outside of the shell layer S1 before the shell layer S2 is formed so as to be laminated on the formed shell layer S1 and the shell layer S is reshaped . Even if the nozzle member 11 is not pulled out from the shell material E, the shell layer S can be reshaped without the nozzle member 11 interfering.
  • the core material C filled in the core portion K reaches the liquid surface M of the shell material E, and the core material C attached to the nozzle member 11 reaches the shell material E.
  • Contact with the liquid surface M can be prevented.
  • the core material C can be prevented from diffusing and settling on the liquid surface M of the shell material E. Therefore, it is possible to prevent the shell material E from being caught in the filled core material C.
  • the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, but the configurations and combinations thereof in each embodiment are examples, and additions, omissions, Substitutions and other modifications are possible.
  • the core portion K is filled with the core material C while maintaining the state of having only the interface. That is, the core portion K may be filled with the core material C so that an interface is not formed between the core material C and air.
  • the nozzle member 11 may be moved while maintaining the state in which the nozzle member 11 is inserted from the core material C which has been previously scanned and ejected, and the scanning ejection may be performed again. This method may be repeated until the core portion K is filled with the core material C, or the bottom portion of the shell layer S may be filled with the core material C in only one layer. As a result, even in the case of scan ejection, the core material C ejected by the nozzle member 11 can be prevented from accumulating in one place.
  • the core material C can be prevented from reaching the liquid surface M of the shell material E, the core material C can be applied to the core part K while maintaining the state in which the core material C has an interface only with the shell material E. can be filled.
  • the nozzle member 11 is not pulled out from the core material C and the scan ejection is repeated, the core material C ejected first and the core material C ejected after the scan ejection do not form an interface. Material C can be filled.
  • the tip position of the nozzle member 11 is positioned at a relatively low position of the core portion K when the core material C is discharged. That is, the tip of the nozzle member 11 is positioned relatively close to the bottom of the shell layer S. In addition to this, by lowering the speed at which the core material C is discharged from the nozzle member 11, the swelling of the discharged core material C can be reduced. That is, it becomes difficult for the core material C to reach the liquid surface M of the shell material E.
  • the core portion K when the core portion K is filled with the core material C, the core portion K is filled with the core material C in order to prevent the core material C from coming into contact with the liquid surface M of the shell material E.
  • the shell layer S may be intentionally shaped to a height higher than the height H, and the core material C may be filled up to the height H.
  • the shell layer S having the height H is divided into the shell layer S1 having the height h1 and the shell layer S2 having the height h2. You can shape. Also, the number of divisions for forming the shell layer S may be increased.
  • liquid bath polymerization method is applied to shape the shell layer S
  • present invention is not limited to this.
  • a hot melting lamination method may be used.

Abstract

充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことができる立体造形方法を提供する。立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、前記コア材が未硬化の前記シェル材とのみ界面を有する状態を維持しつつ、前記コア部に前記コア材を充填させる構成とする。

Description

立体造形方法
　本発明は、近年その性能を著しく向上させている所謂３Ｄプリンタ、或いは、それ以前より実用化されている光造形技術を用いた光造形装置など、立体造形方法に関するもので、特に強化材を含有した複合材の立体造形技術に関わるものである。
　所謂３Ｄプリンタは、３次元のＣＡＤデータをもとにコンピュータで造形物の断面形状を計算し、造形物を薄い輪切り上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手段である。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。本明細書においては主として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。
　近年、３Ｄプリンタにより造形する立体造形物は、実際の製品や量産前の試作品に用いることが要求されるようになり、外観だけでなく強度が求められるようになっている。これに対し、樹脂材料と炭素繊維などの強化材を含有した複合材を材料として適用した３Ｄプリンタ（所謂、複合材３Ｄプリンタ）により立体造形物を造形する立体造形方法が提案されている。たとえば、造形する立体造形物の外殻層を先に造形した後、この造形済の外殻層に囲われた部分に複合材を充填して硬化させることで立体造形物を造形するものがある（たとえば、下記特許文献１）。
　以下の説明では、外殻層をシェル層、シェル層を造形する材料をシェル材、シェル層に囲われた部分をコア部、シェル層に囲われた部分に充填する材料をコア材と呼ぶ。なお、シェル層は流動性をもつシェル材（たとえば、光硬化性樹脂）を硬化させることで造形される。また、コア材は、硬化前に流動性をもっており、シェル材と混ざらないものが採用される。また、シェル材とコア材の比重はコア材の方が高くなっている。
　下記特許文献１に記載の立体造形方法では、図８（ａ）に示すような複合材３Ｄプリンタ９００を用いている。この複合材３Ｄプリンタ９００は、シェル材９４０を貯留する造形槽９１０と、造形槽９１０内に設けられ、立体造形物を造形する土台となる造形台９１１と、シェル材９４０を硬化させるための紫外線レーザー９２１を照射するレーザー光学系９２０と、コア材９３１を吐出するノズル９３０により構成されている。
　下記特許文献１に記載の立体造形方法は、図８（ａ）に示すようにシェル材９４０を貯留した造形槽９１０内に設けられた造形台９１１上に、所定形状のシェル層９４１を造形するようレーザー光学系９２０からシェル材９４０の一部に紫外線レーザー９２１を照射してシェル材９４０の一部を硬化させることで、シェル層９４１を造形する。この造形済のシェル層９４１に囲われた部分であるコア部９４２に残存する未硬化のシェル材９４０（以下、シェル材９４０と呼ぶ）中にノズル９３０を挿入してコア材９３１を吐出する。このとき、コア材９３１の方がシェル材９４１よりも比重が高いため、シェル材９４０と吐出されたコア材９３１が置換されてコア部９４１にコア材９３１が充填される。シェル層９４１の造形とコア材９３１の充填を繰り返し行うことにより立体造形物を造形する。これにより、ノズル９３０により吐出したコア材９４１間で界面が形成されることを防ぐことができるため、剛性と強度に方向性がない立体造形物を造形することができる。
特開２０１９－１３６９２３
　しかし、上記立体造形方法では、造形する立体造形物に欠陥が生じ強度が低下する可能性があった。
　具体的に説明する。上記立体造形方法では、図８（ｂ）に示すようにノズル９３０から吐出したコア材９３１がシェル材９４０の液面９４３に到達した際に、コア材９３１がシェル材９４０の液面で拡散してシェル材９４０内で沈降する可能性がある。この場合、沈降するコア材９３１が先に充填されたコア材９３１と一体化する際にシェル材９４０を巻き込んでしまう可能性がある。すなわち、コア部９４２に充填したコア材９３１中にシェル材９４０が残留してしまう。この状態で、コア材９３１を硬化させた場合、造形した立体造形物に欠陥が生じて強度が低下する。
　本発明は、上記問題点を鑑みてされたものであり、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことができる立体造形方法を提供する。
　上記課題を解決するための本発明の立体造形方法は、立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、前記コア材が未硬化の前記シェル材とのみ界面を有する状態を維持しつつ、前記コア部に前記コア材を充填させることを特徴としている。
　上記立体造形方法によれば、コア材が未硬化のシェル材とのみ界面を有する状態を維持して、コア部にコア材を充填させるため、コア部に充填されるコア材が未硬化のシェル材の液面に到達することを防ぐことができる。したがって、コア材が未硬化のシェル材の液面で拡散して沈降することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
　また、前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から所定の間隔をあけた位置に前記ノズル部材を移動させ、前記コア材を前記ノズル部材により再度吐出する構成としてもよい。
　この構成によれば、前記コア材が前記コア部の一カ所で溜まらないようにコア材をノズル部材により吐出することができるため、コア材が未硬化のシェル材の液面に到達することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。また、ノズル部材により先に吐出したコア材中にノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、コア材を再度吐出するため、先に吐出したコア材と後に吐出したコア材との間に界面を生じさせることなくコア部にコア材を充填させることができる。したがって、コア部に充填したコア材に気泡などの不純物が混入することを防ぐことが可能となる。
　また、前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から前記ノズル部材を移動させながら前記コア材を前記ノズル部材により吐出する構成としてもよい。
　この構成によれば、前記コア材が前記コア部の一カ所で溜まらないようにコア材をノズル部材により吐出することができるため、コア材が未硬化のシェル材の液面に到達することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。また、ノズル部材により先に吐出したコア材中にノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、ノズル部材を移動させながらコア材を吐出するため、先に吐出したコア材と後に吐出したコア材との間に界面を生じさせることなくコア部にコア材を充填させることができる。したがって、コア部に充填したコア材に気泡などの不純物が混入することを防ぐことが可能となる。
　上記課題を解決するための本発明の立体造形方法は、立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、前記コア部に前記コア材を充填後、前記シェル層を再造形するにあたり前記ノズル部材の少なくとも先端を未硬化の前記シェル材に挿入した状態を維持しつつ、前記シェル層を再造形することを特徴としている。
　上記立体造形方法によれば、シェル層を再造形する際にノズル部材を未硬化のシェル材から引き抜かないため、ノズル部材に付着するコア材が未硬化のシェル材の液面に接触することを防ぐことが可能となる。したがって、コア材が未硬化のシェル材の液面で拡散して沈降することを防ぎ、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
　また、造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、前記シェル層の再造形前に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部から前記シェル層外に退避させ、前記シェル層の再造形後に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部内に戻す構成としてもよい。
　この構成によれば、造形済のシェル層上に積層するようシェル層を再造形する前にノズル部材をコア部からシェル層外に退避させるため、ノズル部材を未硬化のシェル材から引き抜かなくてもノズル部材が邪魔することなく、シェル層を再造形することが可能となる。
　また、前記シェル層は、液槽重合法により造形されており、造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、前記シェル層の再造形前に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記シェル層外に退避させ、次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させ、次に造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形し、次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部上方に移動させ、次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させて前記ノズル部材を前記コア部内に戻させる構成としてもよい。
　この構成によれば、シェル層を液槽重合法により造形する場合であっても、ノズル部材を未硬化のシェル材から引き抜くことなく、造形済のシェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形することが可能となる。
　本発明の立体造形方法によれば、充填したコア材中にシェル材が巻き込まれることを防ぐことができる。
本発明の一実施形態における立体造形方法を実現するために用いる複合材３Ｄプリンタを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明するための図である。 従来の立体造形方法を説明するための図である。
　本発明の一実施形態における立体造形方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、水平方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向と表現し、ＸＹ平面と垂直な方向（つまり、鉛直方向）をＺ軸方向と表現する。
　図１は、本実施形態における立体造形方法を実現するために用いる複合材３Ｄプリンタを概略的に示す図である。図２、図３、図４、および図５は、本実施形態における立体造形方法を説明するための図である。図６は、本実施形態における立体造形方法を説明するための図であり、ノズル部材１１によるコア材Ｃの吐出方法を示す図である。図７は、本実施形態における立体造形方法を説明するための図であり、図６に示すノズル部材１１によるコア材Ｃの吐出方法の一つのバリエーションを示す図である。
　以下、本実施形態における立体造形方法を実現するために用いる複合材３Ｄプリンタ１００の構成について説明する。
　本実施形態における複合材３Ｄプリンタ１００は、後述するシェル層Ｓの造形に付加製造方法の一つである液槽重合法を適用したものであり、図１に示すようにコア材Ｃを吐出するコア材吐出機構１と、シェル材Ｅを貯留する造形槽２と、立体造形物を造形する土台となる造形台２１と、シェル材Ｅを硬化させるための光線照射機構３とを備えている。
　複合材３Ｄプリンタ１００は、コア材吐出機構１、造形台２１、および光線照射機構３のそれぞれを構成する各部を動作させることにより、造形する立体造形物の外殻層であるシェル層Ｓを先に造形した後、この造形済のシェル層Ｓに囲われた部分であるコア部Ｋにコア材Ｃを充填して硬化させることで、立体造形物を造形することができる。なお、これら各部の動作は図示しない制御部により制御されてもよい。この制御部は、たとえば、汎用のコンピュータ装置によって構成される。
　本実施形態におけるシェル材Ｅは、たとえば、流動性をもった光硬化性樹脂であり、後述する造形槽２内で貯留される。このシェル材Ｅは、後述する光線照射機構３により光線Ｌ（図２（ａ）を参照）を照射されることで硬化する。ここでいう、光線Ｌはたとえば、紫外線レーザー光である。この光線Ｌがシェル材Ｅに照射されることで、シェル材Ｅが硬化してシェル層Ｓが造形される。以下の説明では、未硬化のシェル材Ｅをシェル材Ｅと呼び、硬化したシェル材Ｅをシェル層Ｓと呼ぶ。
　本実施形態におけるシェル層Ｓは、造形する立体造形物の外殻層のことであり、前述したようにシェル材Ｅが硬化されることで造形される。シェル層Ｓは、シェル材Ｅ中で後述する造形台２１上に造形される。また、このシェル層Ｓに囲われた部分をコア部Ｋと呼ぶ。
　このコア部Ｋには、シェル材Ｅが残存している。具体的には、シェル層Ｓがシェル材Ｅ中で造形され、造形後はシェル層Ｓがシェル材Ｅから引き揚げられることがない限り、シェル層Ｓに囲われた部分であるコア部Ｋにはシェル材Ｅが残存する。
　本実施形態におけるコア材Ｃは、たとえば、流動性を持った熱硬化性樹脂と炭素繊維やガラス繊維などの強化材を含有した所謂複合材料であり、図示しない加熱炉等により加熱されることで硬化する。このコア材Ｃは、後述するコア材吐出機構１によりコア部Ｋに吐出される。なお、コア材Ｃは、シェル材Ｅと混ざらないようになっており、シェル材Ｅよりも比重が高くなっている。
　本実施形態における立体造形物は、コア材Ｃをコア部Ｋに充填し、充填したコア材Ｃを硬化したことで造形される最終的な造形物のことである。
　本実施形態におけるコア材吐出機構１は、コア材Ｃを吐出するためのものである。コア材吐出機構１は、図１に示すようにコア材Ｃを吐出するノズル部材１１と、コア材Ｃを貯留するコア材タンク１２と、ノズル部材１１とコア材タンク１２を接続する配管系１３と、配管系１３を介してコア材Ｃをコア材タンク１２からノズル部材１１に送液するポンプ１４により構成される。
　ノズル部材１１は、コア材Ｃを吐出するためのものである。本実施形態におけるノズル部材１１は、鉛直方向（図１におけるＺ軸方向）に長く形成されており、この鉛直方向下方におけるノズル部材１１の先端からコア材Ｃが吐出される。なお、ノズル部材１１の形状は用途により適宜変更してもよい。
　そして、ノズル部材１１は配管系１３によりコア材タンク１２と接続されている。コア材タンク１２には、コア材Ｃが貯留されており、この貯留されたコア材Ｃをポンプ１４により配管系１３を介してノズル部材１１に送液する。これにより、ノズル部材１１はコア材Ｃを吐出することができる。
　また、コア材吐出機構１は、ノズル部材１１を移動させる図示しないノズル駆動機構が設けられている。ノズル駆動機構は、ノズル部材１１を図１におけるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させることができる。これにより、ノズル部材１１は所定位置でコア材Ｃを吐出することができる。
　本実施形態における造形槽２は、シェル材Ｅを貯留するためのものである。本実施形態における造形槽２は、図１に示すように天面に開口を有する矩形の箱型形状を有しており、この内部でシェル層Ｓの造形やコア材Ｃの吐出が行われる。そして、造形槽２内には、立体造形物を造形する土台となる造形台２１が設けられている。さらに、この造形台２１を造形槽２内のシェル材Ｅの液面Ｍ（以下、シェル材Ｅの液面Ｍと呼ぶ）に対して昇降させる造形台昇降機構（不図示）が設けられている。
　本実施形態における光線照射機構３は、シェル材Ｅを硬化させるための光線Ｌを照射するためのものである。光線照射機構３は、図１および図２（ａ）に示すように光線Ｌを照射する光線照射部３１と、光線照射部３１により照射された光線Ｌが所定位置に照射されるよう光線Ｌの方向を調節する走査光学系３２により構成される。
　光線照射部３１により照射される光線Ｌは、たとえば、紫外線レーザー光である。この光線Ｌを造形槽２内のシェル材Ｅに照射することで、シェル材Ｅの液面Ｍから所定の深さだけシェル材Ｅが硬化する。また、走査光学系３２は、光線照射部３１により照射された光線Ｌを反射できるものであればよい（たとえば、ガルバノミラーやポリゴンミラーなど）。この走査光学系３２の傾きを調節することで、光線Ｌを所定範囲に走査させることができる。これにより、所定位置のシェル材Ｅを硬化させることができるため、所定の形状のシェル層Ｓを造形することができる。なお、少なくともシェル層Ｓの底部は、造形台２上に造形される。
　以下、本実施形態における立体造形方法について順を追って説明する。なお、本実施形態では、高さＨまでシェル層Ｓ（図４（ｂ）を参照）を造形し、形成されたコア部Ｋにコア材Ｃを充填して立体造形物を造形する例について説明する。
　まず、図２（ａ）に示すように光線照射機構３により造形槽２内のシェル材Ｅに光線Ｌを照射し、造形台２１上にシェル層Ｓを高さｈ１だけ造形する。具体的には、造形台昇降機構により造形台２１の高さをシェル材Ｅの液面Ｍに対して調節しながら光線照射部３１により照射した光線Ｌを走査光学系により走査することで、光線Ｌを所定位置のシェル材Ｅに照射し、所定の深さのシェル材Ｅを硬化させる。このシェル材Ｅの硬化を繰り返し行うことで、シェル材Ｅの液面Ｍから所定の高さ寸法（本実施形態では、高さｈ１）のシェル層Ｓを造形する。以下の説明では、高さｈ１だけ造形したシェル層Ｓをシェル層Ｓ１と呼ぶ。
　次に、図２（ｂ）に示すようにシェル層Ｓ１の上端がシェル材Ｅの液面Ｍと少なくとも接触しない位置まで造形台昇降機構により造形台２１の高さをシェル材Ｅの液面Ｍに対して調節する。これにより、コア部Ｋにコア材Ｃを充填してコア部Ｋがコア材Ｃにより満たされたとしても、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。
　次に、図２（ｂ）に示すようにノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させ、ノズル部材１１をコア部Ｋに残存するシェル材Ｅ中に挿入する。このとき、ノズル部材１１の少なくとも先端がシェル材Ｅ中に挿入されていればよいが、シェル層Ｓ１の底部近傍まで挿入されていることが好ましい。
　次に、図２（ｃ）に示すように所定位置でノズル部材１１の先端からコア材Ｃを吐出する。ここで、コア材Ｃの比重がシェル材Ｅよりも高いため、コア材Ｃがシェル層Ｓ１の底部に向かって沈降していく。そのため、コア部Ｋ内に残存するシェル材Ｅがシェル層Ｓ１から溢れていき、コア部Ｋ内のシェル材Ｅがコア材Ｃに置き換えられる。
　そして、コア部Ｋ内をコア材Ｃで満たすようノズル部材１１によるコア材Ｃの吐出を繰り返す。このとき、最初に所定位置でノズル部材１１により吐出したコア材Ｃからノズル部材１１の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、ノズル部材１１を移動させてコア材Ｃを吐出する。
　具体的には、図６（ａ）に示す最初の所定位置でノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出後、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、図６（ｂ）に示すようにノズル駆動機構により所定位置から所定の間隔を空けた位置までノズル部材１１を移動させる。ここでいう所定の間隔は、最初に吐出したコア材Ｃの吐出幅の半分未満であるとよい。この状態で、ノズル部材１１によりコア材Ｃを再度吐出する。そして、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、図６（ｃ）に示すようにノズル部材１１を再度移動させて、ノズル部材１１によりコア材Ｃを再度吐出する。これを繰り返して行うことで、図３（ａ）に示すようにコア部Ｋにコア材Ｃを充填する。
　これにより、ノズル部材１１により吐出したコア材Ｃが一カ所で溜まらないようにすることができる。具体的には、ノズル部材１１により吐出するコア材Ｃは粘度が高いため、シェル材Ｅ内で吐出しても水平方向には拡がりにくくなっている。このコア材Ｃを一カ所で吐出し続けると水平方向に拡がるよりも鉛直方向に盛り上がる傾向を示し、図８（ｂ）に示すようにコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達してしまう。
　これに対して、前述したように最初の所定位置でノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出し、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、所定位置から所定の間隔を空けた位置までノズル部材１１を移動させてコア材Ｃの再吐出を行う。これにより、ノズル部材１１により吐出したコア材Ｃが水平方向に拡がりやすくなり、一カ所で溜まらないようにすることができる。そのため、コア材Ｃが鉛直方向に盛り上がらず、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達することを防ぐことができるため、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍで拡散して沈降することを防ぐことができる。したがって、充填したコア材Ｃにシェル材Ｅが巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
　また、ノズル部材１１を先に吐出したコア材Ｃから引き抜かずにコア材Ｃの吐出を繰り返し行うため、ノズル部材１１により先に吐出したコア材Ｃと後に吐出したコア材Ｃとの間に界面を生じさせることなくコア部Ｋにコア材Ｃを充填させることができる。したがって、充填したコア材Ｃに気泡などの不純物が混入することを防ぐことが可能となる。この方法で、コア部Ｋに充填したコア材Ｃをシェル層Ｓ１ごと造形槽２から取り出し、加熱炉にて加熱して造形された立体造形物は、剛性と強度に方向性がないものになる。
　なお、前述した最初の所定位置でノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出し、コア材Ｃにノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、所定位置から所定の間隔を空けた位置までノズル部材１１を移動させてコア材Ｃを再度吐出する方法は、少なくともシェル層Ｓの底部上に一層分のコア材Ｃが充填されるまで用いればよい。この場合、充填済の一層のコア材Ｃの所定位置にノズル部材１１が挿入された状態で、ノズル部材１１を移動させずにコア部Ｋが満たされるまでコア材Ｃを再度吐出する。ここで、充填済みの一層のコア材Ｃに再度吐出されたコア材Ｃは、一層目のコア材Ｃになじむように拡がっていくため、コア材Ｃが一カ所で溜まらないようにすることができる。
　引き続いて、シェル層Ｓの高さがＨになるよう造形済の高さｈ１のシェル層Ｓ１上に高さｈ２のシェル層Ｓをさらに造形し、新たに形成されたコア部Ｋにコア材Ｃを充填する場合について説明する。
　まず、図３（ｂ）に示すように造形済のシェル層Ｓ１がノズル部材１１の先端よりも下方に位置するまで、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して下降させて、ノズル部材１１をコア部Ｋからシェル層Ｓ外へ退避させる。
　次に、図３（ｃ）に示すように造形済のシェル層Ｓ１上に高さｈ２のシェル層Ｓ（以下、シェル層Ｓ２と呼ぶ。）をさらに造形する時に邪魔にならないようノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させる。このとき、ノズル部材１１は造形槽２内のシェル材Ｅからは引き抜かない。
　次に、図４（ａ）に示すように造形済のシェル層Ｓ１上にシェル層Ｓ２を造形することが可能な位置まで、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して上昇させる。
　そして、図４（ｂ）に示すように造形台昇降機構により造形台２１の高さをシェル材Ｅの液面Ｍに対して調節しながら光線照射機構３によりシェル材Ｅに光線Ｌを照射し、造形済のシェル層Ｓ１上に積層するようシェル層Ｓ２を造形していく。これにより、造形済の高さｈ１のシェル層Ｓ１上に積層するよう高さｈ２のシェル層Ｓ２がさらに造形される。すなわち、高さがＨになるようにシェル層Ｓが再造形されている。
　次に、図４（ｃ）に示すように造形済のシェル層Ｓがノズル部材１１の先端よりも下方に位置するまで、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して下降させる。
　次に、図５（ａ）に示すようにシェル層Ｓが再造形されたことにより新たに形成されたコア部Ｋの上方に位置するようノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させる。このとき、ノズル部材１１は造形槽２内のシェル材Ｅからは引き抜かない。
　次に、図５（ｂ）に示すように造形済のシェル層Ｓの上端がシェル材Ｅの液面Ｍの近傍かつシェル材Ｅの液面Ｍに接触しない程度に、造形台昇降機構により造形台２１をシェル材Ｅの液面Ｍに対して上昇させる。これにより、コア部Ｋにコア材Ｃを充填してコア部Ｋがコア材Ｃにより満たされたとしても、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。ここで、ノズル部材１１の少なくとも先端が充填済のコア材Ｃに挿入されていない場合、ノズル駆動機構によりノズル部材１１を移動させてノズル部材１１の少なくとも先端を充填済みのコア材Ｃに挿入する。
　そして、図５（ｃ）に示すように再造形されたシェル層Ｓに囲まれたコア部Ｋにノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出して充填する。このとき、ノズル部材１１は、充填済のコア材Ｃに挿入された状態でコア材Ｃの吐出をしている。
　これにより、造形済のシェル層Ｓ１上に積層するようシェル層Ｓ２を造形してシェル層Ｓを再造形する際にノズル部材１１をシェル材Ｅから引き抜かないため、ノズル部材１１に付着するコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことが可能となる。したがって、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍで拡散して沈降することを防ぎ、充填したコア材Ｃにシェル材Ｅが巻き込まれることを防ぐことが可能となる。また、造形済のシェル層Ｓ１上に積層するようシェル層Ｓ２を造形してシェル層Ｓを再造形する前にノズル部材１１をコア部Ｋからシェル層Ｓ１外に退避させているため、ノズル部材１１をシェル材Ｅから引き抜かなくてもノズル部材１１が邪魔することなく、シェル層Ｓを再造形することが可能となる。
　このように、上記実施形態における立体造形方法によれば、コア部Ｋに充填したコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達、およびノズル部材１１に付着したコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。これにより、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍで拡散して沈降することを防ぐことができる。したがって、充填したコア材Ｃ内にシェル材Ｅが巻き込まれることを防ぐことが可能となる。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述したが、各実施形態における構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の追加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。たとえば、上記実施形態では、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達しないための方法について数例説明したが、上記実施形態に記載した方法に限られず、コア材Ｃがシェル材Ｅとのみ界面を有する状態を維持しつつ、コア部Ｋにコア材Ｃを充填するものであれば構わない。すなわち、コア材Ｃと空気との間に界面ができないようにコア部Ｋにコア材Ｃを充填すればよい。
　たとえば、図７（ａ）に示すようにノズル部材１１をＸＹ平面上で移動させながらコア材Ｃをコア部Ｋに吐出する（以下、スキャン吐出と呼ぶ）場合、図７（ｂ）に示すように先にスキャン吐出したコア材Ｃからノズル部材１１が挿入された状態を維持しつつ、ノズル部材１１を移動させてスキャン吐出を再度行ってもよい。そして、この方法でコア部Ｋがコア材Ｃで満たされるまで繰り返して行ってもよいし、シェル層Ｓの底部上に一層だけコア材Ｃを充填してもよい。これにより、スキャン吐出の場合であっても、ノズル部材１１により吐出したコア材Ｃが一カ所で溜まらないようにすることができる。したがって、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達することを防ぐことができるため、コア材Ｃがシェル材Ｅとのみ界面を有する状態を維持しつつ、コア部Ｋにコア材Ｃを充填することができる。また、ノズル部材１１をコア材Ｃから引き抜かずにスキャン吐出を繰り返すため、先にスキャン吐出したコア材Ｃと後にスキャン吐出したコア材Ｃとの間に界面を生じさせることなくコア部Ｃにコア材Ｃを充填させることができる。
　また、コア材Ｃを吐出する際にノズル部材１１の先端位置をコア部Ｋの比較的低い位置に位置させる。すなわち、ノズル部材１１の先端をシェル層Ｓの底部に比較的近い位置に位置させる。これに加えて、ノズル部材１１によりコア材Ｃを吐出する速度を低くすることで、吐出されたコア材Ｃの盛り上がりを軽減することができる。すなわち、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに到達しにくくなる。
　また、上記実施形態では、コア部Ｋがコア材Ｃにより満たされた際に、コア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐために、コア部Ｋにコア材Ｃを充填するまでにシェル層Ｓの上端がシェル材Ｅの液面Ｍに少なくとも接触しない位置まで造形台昇降機構により造形台２１の高さを調節する例について説明したが、これに限られない。たとえば、敢えてシェル層Ｓを高さＨよりも高い高さまで造形し、高さＨまでコア材Ｃを充填するとよい。これにより、シェル層Ｓの上端までコア材Ｃが充填されることがないため、コア材Ｃを高さＨまで充填したとしてもコア材Ｃがシェル材Ｅの液面Ｍに接触することを防ぐことができる。
また、上記実施形態では、高さＨのシェル層Ｓを高さｈ１のシェル層Ｓ１と高さｈ２のシェル層Ｓ２に分割して造形する例について説明したが、シェル層Ｓを一括で造形してもよい。また、シェル層Ｓを造形するための分割回数を増やしてもよい。
　また、上記実施形態では、シェル層Ｓの造形に液槽重合法を適用したものを例に説明したが、これに限られない。たとえば、熱溶解積層方式であってもよい。
　１００　複合材３Ｄプリンタ
　１　コア材吐出機構
　１１　ノズル部材
　１２　コア材タンク
　１３　配管系
　１４　ポンプ
　２　造形槽
　２１　造形台
　３　光線照射機構
　３１　光線照射部
　３２　走査光学系
　Ｅ　シェル材
　Ｓ　シェル層
　Ｓ１　（高さｈ１の）シェル層
　Ｓ２　（高さｈ２の）シェル層
　Ｍ　シェル材の液面
　Ｋ　コア部
　Ｃ　コア材
　Ｌ　光線

Claims (6)

  1. 　立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、
    　流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、
    　前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、
    　前記コア材が未硬化の前記シェル材とのみ界面を有する状態を維持しつつ、前記コア部に前記コア材を充填させることを特徴とする立体造形方法。
  2. 　前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、
    　吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から所定の間隔をあけた位置に前記ノズル部材を移動させ、前記コア材を前記ノズル部材により再度吐出することを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
  3. 　前記コア材を前記ノズル部材より前記コア部の所定位置で吐出し、
    　吐出したコア材に前記ノズル部材の少なくとも先端が挿入されている状態を維持しつつ、前記所定位置から前記ノズル部材を移動させながら前記コア材を前記ノズル部材により吐出することを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
  4. 　立体造形物の外殻層であるシェル層をシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の当該シェル層に囲われた部分であるコア部にコア材をノズル部材により吐出して充填することによって立体造形物を造形する立体造形方法であって、
    　流動状態の前記シェル材の一部を硬化させることで前記シェル層を造形し、
    　前記コア部に残存する未硬化の前記シェル材中に前記ノズル部材の少なくとも先端を挿入し、前記ノズル部材の先端から前記コア材を吐出することにより、未硬化の前記シェル材と前記コア材を置き換えて前記コア部に前記コア材を充填するものであり、
    　前記コア部に前記コア材を充填後、前記シェル層を再造形するにあたり前記ノズル部材の少なくとも先端を未硬化の前記シェル材に挿入した状態を維持しつつ、前記シェル層を再造形することを特徴とする立体造形方法。
  5. 　造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、
    　前記シェル層の再造形前に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部から前記シェル層外に退避させ、
    　前記シェル層の再造形後に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部内に戻すことを特徴とする請求項４に記載の立体造形方法。
  6. 　前記シェル層は、液槽重合法により造形されており、
    　造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形するにあたり、
    　前記シェル層の再造形前に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、
    　次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記シェル層外に退避させ、
    　次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させ、
    　次に造形済の前記シェル層上に積層するよう前記シェル層を再造形し、
    　次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して下降させ、
    　次に前記ノズル部材の少なくとも先端が未硬化の前記シェル材に挿入された状態を維持しつつ、前記ノズル部材を前記コア部上方に移動させ、
    　次に前記シェル層を未硬化の前記シェル材の液面に対して上昇させて前記ノズル部材を前記コア部内に戻させることを特徴とする請求項５に記載の立体造形方法。
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