特開 2024-101200 立体造形方法、及び立体造形物の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101200

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】立体造形方法、及び立体造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 69/00 20060101AFI20240722BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20240722BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240722BHJP

   B29C 64/379 20170101ALI20240722BHJP

   B29C 39/12 20060101ALI20240722BHJP

   B29C 64/124 20170101ALI20240722BHJP

【ＦＩ】

B29C69/00

B33Y40/20

B33Y10/00

B29C64/379

B29C39/12

B29C64/124

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005029

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】000219314

【氏名又は名称】東レエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096080

【弁理士】

【氏名又は名称】井内 龍二

(74)【代理人】

【識別番号】100194098

【弁理士】

【氏名又は名称】高田 一

(72)【発明者】

【氏名】金盛 一

(72)【発明者】

【氏名】圓崎 論

(72)【発明者】

【氏名】津田 雄一郎

【テーマコード（参考）】

4F204

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F204AA36

4F204AC05

4F204AD05

4F204AG03

4F204EA03

4F204EB01

4F204EB11

4F204EB22

4F204EK13

4F204EK17

4F213AA36

4F213WA02

4F213WA25

4F213WA54

4F213WA87

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL12

4F213WL15

4F213WL32

(57)【要約】

【課題】いわゆるコアシェル方式の立体造形方法において、シェルの厚さを薄くした場合であっても、コア材を硬化させる工程で、シェルに囲われた部分であるコア部の変形を防止することができる立体造形方法を提供すること。
【解決手段】立体造形物の外形を規定するシェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５に液相材料であるコア材６を充填するコア材充填工程と、コア部５内のコア材６を硬化させるコア材硬化工程とを含む立体造形方法であって、コア材硬化工程において、コア部５が変形しないようにシェル４の外側面を抑え込む。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

立体造形物の外形を規定するシェルの内側面に囲われた部分であるコア部に液相材料であるコア材を充填するコア材充填工程と、
前記コア部内の前記コア材を硬化させるコア材硬化工程と、
を含む立体造形方法であって、
前記コア材硬化工程において、前記コア部が変形しないように前記シェルの外側面を抑え込むことを特徴とする立体造形方法。

【請求項2】

前記コア材硬化工程において、前記シェルの外側面を抑え込むための抑え込み手段を用いることを特徴とする請求項１記載の立体造形方法。

【請求項3】

前記抑え込み手段として、前記シェルの外側面を嵌め込み可能な形状をした金型を用い、
前記コア材硬化工程において、
前記コア材が充填された前記シェルを前記金型に嵌め込んだ後に、前記コア部内の前記コア材を一括して硬化させることを特徴とする請求項２記載の立体造形方法。

【請求項4】

前記抑え込み手段として、前記シェルを埋め込み可能な流動性部材が充填された埋め込み手段を用い、
前記コア材硬化工程において、
前記コア材が充填された前記シェルを前記埋め込み手段に埋め込んだ後に、前記コア部内の前記コア材を一括して硬化させることを特徴とする請求項２記載の立体造形方法。

【請求項5】

前記コア材が熱硬化性樹脂からなり、
前記コア材硬化工程では、前記コア材に熱エネルギーを付与することにより、前記コア材を熱硬化させることを特徴とする請求項１～４のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項6】

前記シェルが物性としてガラス転移温度を有し、該ガラス転移温度が前記コア材の熱硬化温度よりも低く、
前記コア材硬化工程が、前記熱硬化温度以上の温度条件で実施されることを特徴とする請求項５記載の立体造形方法。

【請求項7】

前記コア材硬化工程の後に、
前記シェルの少なくとも一部を硬化後の前記コア材から分離させ、前記コア部の形状に倣った形状を有し前記コア材からなる立体造形物を得る分離工程を備えていることを特徴とする請求項１～４のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項8】

請求項７記載の立体造形方法を用いて立体造形物を製造することを特徴とする立体造形物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は立体造形方法、及び立体造形物の製造方法に関し、より詳細には、３Ｄプリンティングなどの付加製造技術を用いて立体造形物を造形する立体造形方法、及び立体造形物の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

３Ｄプリンティング技術を用いた製造装置の名称として、広く３Ｄプリンタという言葉が使われている。３Ｄプリンタは、３次元のＣＡＤデータをもとにコンピュータで造形物の断面形状を計算し、該造形物を薄い輪切り状の断面構成要素に分割して、その断面構成要素を種々の方法で形成し、それを積層させて目的とする造形物を造形する立体造形装置である。３Ｄプリンティング技術は、国際的にはＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙと同義語として使われる場合が多く、日本語訳として、付加製造技術が用いられている。

【0003】

近年は、３Ｄプリンタで造形した造形物に対しても、実製品の量産前の評価目的で外観だけでなく剛性や強度が要求されるようになり、金属３Ｄプリンタや複合材３Ｄプリンタなどが注目されている。

【0004】

本出願人は、上記した付加製造技術に関連する技術の一つとして、下記の特許文献１記載の立体造形方法を提案している。特許文献１記載の立体造形方法は、造形槽内で複数回のシェルの造形とコア材の充填とを繰り返した後、活性エネルギー線の照射又は熱エネルギーの付与により前記コア材を一括して硬化させることを特徴としている。係る立体造形方法により、前記コア材により造形された部分に積層界面が存在しない、換言すれば、剛性、強度に方向性が無い立体造形物を造形することが可能となった。

【0005】

上記特許文献１記載の立体造形方法（以下この方法をコアシェル方式とも言う。）で立体造形物を得るにあたり、一般には外殻層を形成するシェルと、該シェルの内側の硬化したコア材とを合わせたものを立体造形物と呼んでいる。
［発明が解決しようとする課題］

【0006】

一方で、このコアシェル方式で立体造形物を得るにあたり、立体造形物の一体性が重視されたり、前記シェルの強度が問題視されたりする場合に、前記シェルの少なくとも一部を硬化後の前記コア材から分離させて、硬化後のコア材を主とする立体造形物が求められる場合がある。

【0007】

この場合、前記シェルと硬化後の前記コア材とは密着しているため、前記シェルに切削等による外力を加えて前記コア材から前記シェルを分離する工程が必要となる。
上記コアシェル方式においては、液相状態の前記コア材を一括して硬化させる際、前記コア材を歪みなく硬化させるために、前記シェルの厚さは、前記コア材の硬化時に変形しない十分な厚みを有していることが望ましい。

【0008】

一方で、前記シェルの厚みが増すほど、硬化後の前記コア材から前記シェルを分離しにくくなるため、硬化後の前記コア材から前記シェルを分離させる必要がある場合は、前記シェルの厚さは薄い方が望ましい。
しかしながら、前記シェルの厚さを薄くすると前記コア材を一括して硬化させる工程において、前記熱エネルギー等による加熱によって前記シェルが軟化し、硬化前の前記コア材の自重等も加わって、前記シェルの形状が変形しやすくなり、その結果、硬化後の前記コア材の寸法精度が低下してしまうという課題があった。

【0009】

上記課題が生じる現象の一例について、図７、８を用いて説明する。
図７、８は、上記コアシェル方式において、従来のコア材を一括して硬化させる工程の前後の状態を模式的に示す図である。
図７（ａ）は、シェルの厚さが厚い場合のコア材硬化前の状態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図であり、（ｃ）は、シェルの厚さが厚い場合のコア材硬化後の状態を模式的に示す平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）におけるｄ－ｄ線断面図である。
図８（ａ）は、シェルの厚さが薄い場合のコア材硬化前の状態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図であり、（ｃ）は、シェルの厚さが薄い場合のコア材硬化後の状態を模式的に示す平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）におけるｄ－ｄ線断面図である。

【0010】

なお、図７、８に示した例では、シェル４０は、上方に開口する有底箱形状に造形されて、シェル４０で囲われた部分であるコア部５０にコア材６０が充填されている。
図７に示すように、シェル４０の厚さが厚い場合は、コア材硬化前後でシェル４０及びコア部５０の変形はほとんど生じておらず、コア材６０をほとんど歪みなく硬化させて、硬化コア材６０ａにすることが可能である。

【0011】

一方、図８に示すように、シェル４０の厚さが薄い場合は、図８（ｃ）、（ｄ）に示すコア材硬化後において、シェル４０の長手方向の外周面が少し膨らんだ状態となり、図８（ｄ）の断面図に示すように、シェル４０の上部が少し広がった形態に変形し、これに伴いコア部５０も変形することにより、硬化コア材６０ａが少し歪んだ状態となる。
このように、シェル４０の厚さを薄くするとコア材６０を一括して硬化させる工程において、熱エネルギー等による熱によってシェル４０が軟化し、硬化前のコア材６０の自重等も加わって、シェル４０の形状が変形して、硬化コア材６０ａの寸法精度が低下する現象が生じることとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１９―１３６９２３号公報

【発明の概要】

【課題を解決するための手段及びその効果】

【0013】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、いわゆるコアシェル方式の立体造形方法において、シェルの厚さを薄くした場合であっても、コア材を硬化させる工程においてシェルで囲われた部分であるコア部の変形を防止することができる立体造形方法、及び立体造形物の製造方法を提供することを目的とする。

【0014】

上記目的を達成するために本発明に係る立体造形方法（１）は、
立体造形物の外形を規定するシェルの内側面に囲われた部分であるコア部に液相材料であるコア材を充填するコア材充填工程と、
前記コア部内の前記コア材を硬化させるコア材硬化工程とを含む立体造形方法であって、
前記コア材硬化工程において、前記コア部が変形しないように前記シェルの外側面を抑え込むことを特徴としている。

【0015】

上記立体造形方法（１）によれば、前記コア材硬化工程において、前記コア部が変形しないように前記シェルの外側面を抑え込むようにするので、前記シェルの厚さを薄くした場合であっても、前記コア材硬化工程における前記コア部の変形を防止することができる。

【0016】

また本発明に係る立体造形方法（２）は、上記立体造形方法（１）において、
前記コア材硬化工程において、前記シェルの外側面を抑え込むための抑え込み手段を用いることを特徴としている。

【0017】

上記立体造形方法（２）によれば、前記コア材硬化工程において、前記抑え込み手段を用いて前記シェルの外側面を抑え込むことが可能となり、前記シェルの変形を抑え込んで、前記コア部の変形を防止することができる。

【0018】

また本発明に係る立体造形方法（３）は、上記立体造形方法（２）において、
前記抑え込み手段として、前記シェルの外側面を嵌め込み可能な形状をした金型を用い、
前記コア材硬化工程において、
前記コア材が充填された前記シェルを前記金型に嵌め込んだ後に、前記コア部内の前記コア材を一括して硬化させることを特徴としている。

【0019】

上記立体造形方法（３）によれば、前記コア材硬化工程において、前記コア材が充填された前記シェルを前記金型に嵌め込んだ後に、前記コア部内の前記コア材を一括して硬化させるので、前記金型によって前記シェルの外側面を抑え込むことができ、前記シェルの変形を抑え込んで、前記コア部の変形を防止することができる。

【0020】

また本発明に係る立体造形方法（４）は、上記立体造形方法（２）において、
前記抑え込み手段として、前記シェルを埋め込み可能な流動性部材が充填された埋め込み手段を用い、
前記コア材硬化工程において、
前記コア材が充填された前記シェルを前記埋め込み手段に埋め込んだ後に、前記コア部内の前記コア材を一括して硬化させることを特徴としている。

【0021】

上記立体造形方法（４）によれば、前記コア材硬化工程において、前記コア材が充填された前記シェルを前記埋め込み手段に埋め込んだ後に、前記コア部内の前記コア材を一括して硬化させることが可能となる。前記埋め込み手段であれば、前記シェルの外形が複雑な形状であっても、前記シェルの外形に沿って前記流動性部材を密着させた状態で、前記シェルを前記流動性部材の中に埋め込むことが可能となり、前記シェルの外側面を前記流動性部材により抑え込むことができ、前記シェルの変形を抑え込んで、前記コア部の変形を防止することができる。

【0022】

また本発明に係る立体造形方法（５）は、上記立体造形方法（１）～（４）のいずれかにおいて、
前記コア材が熱硬化性樹脂からなり、
前記コア材硬化工程では、前記コア材に熱エネルギーを付与することにより、前記コア材を熱硬化させることを特徴としている。

【0023】

上記立体造形方法（５）によれば、前記コア材が熱硬化性樹脂からなるので、前記コア材充填工程を常温、常圧環境下で容易に行え、かつ前記コア材硬化工程において、前記コア材全体を一体化させた状態に効率良くしっかりと硬化させることができる。

【0024】

また本発明に係る立体造形方法（６）は、上記立体造形方法（５）において、
前記シェルが物性としてガラス転移温度を有し、該ガラス転移温度が前記コア材の熱硬化温度よりも低く、
前記コア材硬化工程が、前記熱硬化温度以上の温度条件で実施されることを特徴としている。

【0025】

上記立体造形方法（６）によれば、前記コア材硬化工程が、前記熱硬化温度以上の温度条件で実施されて、前記シェルが軟らかくなったとしても、前記コア材硬化工程において、前記コア部が変形しないように前記シェルの外側面を抑え込むので、前記シェルが前記コア材の自重に耐えきれずに変形することを防止することができ、前記コア部の変形を防止することができる。

【0026】

また本発明に係る立体造形方法（７）は、上記立体造形方法（１）～（６）のいずれかにおいて、
前記コア材硬化工程の後に、
前記シェルの少なくとも一部を硬化後の前記コア材から分離させ、前記コア部の形状に倣った形状を有し前記コア材からなる立体造形物を得る分離工程を備えていることを特徴としている。

【0027】

上記立体造形方法（７）によれば、前記抑え込み手段を用いる前記コア材硬化工程によって、前記シェルの厚みを薄くすることができ、また、前記分離工程において、前記シェルを硬化後の前記コア材から容易に分離させることが可能となる。

【0028】

また本発明に係る立体造形物の製造方法は、上記立体造形方法（１）～（７）のいずれかを用いて立体造形物を製造することを特徴としている。

【0029】

上記立体造形物の製造方法によれば、前記立体造形物を製造する場合に、上記立体造形方法（１）～（７）のいずれかにより得られる効果を奏することとなり、前記コア材硬化工程において前記シェルの変形、すなわち、前記コア部の変形を防止して、硬化した前記コア材の寸法精度を高めることができる。そして、前記シェルの分離が容易となり、寸法精度の高い前記コア材を主とする立体造形物を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の実施の形態に係る立体造形方法に用いる立体造形装置の構成例を示す概略図である。

【図2】実施の形態に係る立体造形方法の一例を説明するための図であり、（ａ）はシェル造形工程、（ｂ）はコア材充填工程を説明するための図である。

【図3】実施の形態に係る立体造形方法におけるコア材硬化工程の一例を説明するための図であり、（ａ）はコア材硬化前、（ｂ）はコア材硬化後の状態を示す図である。

【図4】（ａ）、（ｂ）は、コア材硬化工程で用いる抑え込み手段としての金型の別の形態を示す図である。

【図5】実施の形態に係る立体造形方法における分離工程の一例を説明するための図であり、（ａ）はシェル分離前、（ｂ）、（ｃ）はシェル分離後の状態を示す図である。

【図6】別の実施の形態に係る立体造形方法におけるコア材硬化工程の一例を説明するための図であり、（ａ）はコア材硬化前、（ｂ）はコア材硬化後の状態を示す図である。

【図7】コアシェル方式において、従来のコア材を一括して硬化させる工程の前後の立体造形物の状態の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は、シェルの厚さが厚い場合のコア材硬化前の状態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図であり、（ｃ）は、シェルの厚さが厚い場合のコア材硬化後の状態を模式的に示す平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）におけるｄ－ｄ線断面図である。

【図8】コアシェル方式において、従来のコア材を一括して硬化させる工程の前後の立体造形物の状態の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は、シェルの厚さが薄い場合のコア材硬化前の状態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図であり、（ｃ）は、シェルの厚さが薄い場合のコア材硬化後の状態を模式的に示す平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）におけるｄ－ｄ線断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明に係る立体造形方法、及び立体造形物の製造方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面に記載しているシェルやコア部の形態などは、本発明の主旨が容易に理解できるように模式的に描かれており、これらの形態に限定されるものではない。

【0032】

図１は、実施の形態に係る立体造形方法に用いる立体造形装置の構成例を示す概略図である。
立体造形装置１０は、複合材３Ｄプリンタとしての機能を備え、液槽重合が行われる造形槽１１、レーザー光学系１２、コア材供給系１３、及び熱硬化手段１６を主たる構成要素としている。

【0033】

造形槽１１内には、シェル材２として、例えば、液相材料である光硬化性樹脂が貯留されており、図示しない光硬化性樹脂調整系により、その液面位置を所定位置に維持、調整可能となっている。シェル材２には、例えば、エポキシ系、アクリル系などの公知の紫外線硬化樹脂などが使用可能である。また、造形槽１１内には造形台１５が設けられている。造形台１５は、造形中の造形物を支持するためのものであり、図示しない駆動機構により図中ｚ軸方向の任意の位置に移動（昇降）かつ設置可能となっている。

【0034】

レーザー光学系１２は、紫外線レーザー光源１２ａ、及び走査光学系１２ｂを備えている。紫外線レーザー光源１２ａから紫外線レーザー光１２ｃが出射され、出射された紫外線レーザー光１２ｃは、走査光学系１２ｂの駆動により、シェル材２の液面上（すなわちｘｙ平面）の所定範囲を走査させることが可能となっている。

【0035】

シェル材２は、活性エネルギー線の一つである紫外線レーザー光１２ｃの照射により、図１にて硬化済み紫外線硬化樹脂層３で示すように液面から所定の深さだけ硬化するようになっている。この硬化深度は、紫外線レーザー光源１２ａの出力を調整することにより、ある程度の幅で調整可能となっており、例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度の範囲で調整されている。

【0036】

したがって、造形台１５上面をシェル材２の液面から所定の硬化深度だけ沈めた深さに位置させ、シェル材２の液面の任意の位置へ紫外線レーザー光１２ｃを照射することにより、造形台１５上に任意の面積の硬化済み紫外線硬化樹脂層３が形成される。そして、造形台１５上に硬化済み紫外線硬化樹脂層３が形成された後、硬化深度分だけ造形台１５を下降させ、シェル材２の液面の任意の位置へ紫外線レーザー光１２ｃを照射することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂層３の上に硬化済み紫外線硬化樹脂層３が積層されるようになっている。

【0037】

そして、造形台１５の下降とシェル材２液面への紫外線レーザー光１２ｃの照射とを繰り返し実施することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂層３の積層が進行し、３次元形状の硬化済み紫外線硬化樹脂層３を得ることが可能となっている。
本実施の形態では、このようにして造形された造形物をシェル４（図２参照）と呼ぶ。また、このシェル４は、コア材６を充填するための外殻層として機能するものであり、シェル４の内側面に囲われた部分のうち底面を有する部分をコア部５（図２参照）と呼ぶ。

【0038】

コア材供給系１３は、コア材６を内部に貯留するコア材タンク１３ａ中から、ポンプ１３ｂで配管系１３ｃ、１３ｄを順に介して圧送しながらコア材６を供給し、ノズル１４先端からコア材６を吐出する。ノズル１４は図示しないノズル移動機構により、図中ｘｙｚ各方向に移動かつ固定可能となっている。このため配管系１３ｄはノズル１４の移動に追随するようフレキシブルな構造及び材料で構成されている。

【0039】

コア材６は、例えば、エポキシ系、アクリル系など公知の液相材料である熱硬化性樹脂の中に強化材が均一に分散された複合材で構成されている。前記強化材は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維のうちの少なくとも１つを含む繊維状の強化材でもよいし、シリカ等の無機材料粉などでもよい。コア材６にはシェル材２よりも高比重なものが使用されている。また、コア材６の粘度は、シェル材２の粘度よりも２倍以上であることが好ましい。

【0040】

熱硬化手段１６は、加熱対象を密閉可能なチャンバを有する加熱炉で構成されている。ここでの加熱対象は、造形槽１１から取り出された、コア材６が充填されたシェル４（図３参照）であり、熱硬化手段１６は、その加熱炉内をコア材６の熱硬化温度よりも高い温度まで昇降させることが可能となっている。

【0041】

熱硬化手段１６を用いて、コア材６が充填されたシェル４を加熱するにあたり、本実施の形態では、コア材６が充填されたシェル４を金型１７に嵌め込んだ状態で加熱を行うことを特徴の一つとしている（図３（ａ）参照）。
金型１７は、シェル４の外側面を嵌め込み可能な形状を有し、コア材硬化工程において、シェル４の外側面を抑え込むための抑え込み手段として機能させるものである。該抑え込み手段は、シェル４の変形を抑え込むための手段として機能させるものである。

【0042】

そして、熱硬化手段１６によって、シェル４に充填されているコア材６に熱エネルギーを付与し、コア材６の熱硬化温度よりも高い温度まで昇温させて、金型１７でシェル４が変形する現象を抑え込んだ状態で、コア材６を一括して熱硬化させることが可能となっている。シェル４は、物性としてガラス転移温度Ｔｇｓを有し、このガラス転移温度Ｔｇｓはコア材６の熱硬化温度Ｔｐｃよりも低い値となっている。
熱硬化手段１６を用いたコア材硬化工程では、コア材６が充填されたシェル４を金型１７に嵌め込んだ状態で加熱を行うので、コア材６の熱硬化温度Ｔｐｃよりも高い温度まで昇温させて、シェル４が軟らかくなったとしても、シェル４がコア材６の自重に耐えきれずに変形するのを金型１７によって抑え込むことができ、これによりコア部５の変形を防止することが可能となっている。

【0043】

この硬化したコア材６を本実施の形態では硬化コア材６ａ（図３参照）と呼び、この硬化コア材６ａが本実施の形態における立体造形物を主として構成する。
コア部５が後に形成される立体造形物における所望の形状を有するようにシェル４が造形され、このコア部５全体にコア材６を充填してからコア材６を熱硬化させることにより、前記所望の形状の立体造形物を得ることが可能となる。
また、本方法によると、硬化コア材６ａにより形成される立体造形物には積層界面が存在しないため、剛性、強度に方向性が無い立体造形物を造形することが可能となっている。

【0044】

次に、実施の形態に係る立体造形方法の一例について、図２～５を用いて説明する。
図２（ａ）はシェル造形工程、図２（ｂ）はコア材充填工程の一場面を示す図である。
図３は、コア材硬化工程の一例を説明するための図であり、（ａ）はコア材硬化前、（ｂ）はコア材硬化後の状態を示す図である。
図４（ａ）、（ｂ）は、コア材硬化工程で用いる押さえ込み手段としての金型の別の形態を示す図である。
図５は、分離工程の一例を説明するための図であり、（ａ）はシェル分離前、（ｂ）、（ｃ）はシェル分離後の状態を示す図である。

【0045】

実施の形態に係る立体造形方法では、最初に立体造形装置１０によってシェル４の造形、及び造形されたシェル４内へのコア材６の充填が行われる。
具体的には、まず、ノズル１４が紫外線レーザー光１２ｃの照射範囲から退避した状態において、造形台１５上のシェル材２の液面の任意の位置への紫外線レーザー光１２ｃの照射、及び硬化深度分の造形台１５の降下が交互に行われることにより、図２（ａ）に示すように所望の形状のコア部５を有するシェル４が造形される。上記のようにしてシェル４を造形する工程をシェル造形工程という。図２に示すシェル４は、上面に矩形の開口を有する有底箱形状に造形されている。また、シェル４の厚さは、例えば、１ｍｍ程度以下となるように薄く造形されている。

【0046】

次に、図２（ｂ）に示すようにシェル４内に形成されたコア部５内へノズル１４が移動し、ノズル１４からコア部５へコア材６が吐出されることにより、コア部５内へのコア材６の充填が進行する。上記のようにしてシェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５へコア材６を充填する工程をコア材充填工程という。

【0047】

本実施の形態では、コア材充填工程は、シェル４が造形槽１１内のシェル材２に浸漬した状態で実施され、コア材６の充填前には、図２（ａ）に示すようにコア部５にシェル材２が存在する。そして、シェル材２より比重が大きいコア材６がコア部５に充填されていくにしたがって、コア部５内のシェル材２は押し上げられ、図２（ｂ）に示すように、シェル４の上部に設けられた開口を経てコア部５からシェル４の外部へシェル材２が押し出されて、シェル材２からコア材６への置換が行われる。

【0048】

なお、上記のシェル造形工程、及びコア材充填工程は交互に複数回ずつ実施されてもよい。すなわち、所定の高さまでシェル４を造形し、そのシェル４によって形成されるコア部５にコア材６を充填した後、さらにシェル４を増築し、そして増築されたシェル４によって新たに形成されたコア部５にコア材６を充填する、という工程を繰り返し行っても良い。このようにシェル４の造形を複数回に分割することで、特にコア部５が複雑な形状を有する場合にも、段階的にコア材６を充填することによってコア部５の隅々までコア材６を充填することが可能となる。なお、上記シェル造形工程およびコア材充填工程は、通常室温（例えば、２０℃～３０℃）環境下にて実施される。

【0049】

そして、コア材充填工程が完了すると、次に造形槽１１内にある造形台１５をシェル材２の液面よりも上に上昇させて、造形台１５からコア材６が充填されたシェル４を取り外し、次のコア材硬化工程に進む。

【0050】

コア材硬化工程では、図３（ａ）に示すように、コア材６が充填されたシェル４を金型１７に嵌め込んだ後、熱硬化手段１６に投入して、コア材６の硬化処理を開始する。
すなわち、コア材６が充填されたシェル４を金型１７に嵌め込んだ状態で熱硬化手段１６内に載置し、熱硬化手段１６内をコア材６の熱硬化温度Ｔｐｃよりも高い温度まで上昇させることにより、シェル４及びコア材６が加熱されて、コア材６の硬化が開始、進行する。そこから所定時間経過するとコア材６全体の硬化が完了して、図３（ｂ）に示すように、コア部５に硬化コア材６ａが形成される。

【0051】

金型１７は、シェル４の外側面を抑え込むための抑え込み手段、換言すれば、シェル４及びコア部５の変形を防止するための変形防止手段の一例である。本実施の形態において、金型１７は、略直方体形状（箱形状）をしたシェル４の外側面を嵌め込み可能な形状、すなわち、上面に矩形の開口を有する有底箱形状を備え、コア材硬化工程において熱変形しにくい材料（例えば、金属など）で構成されている。

【0052】

なお、金型１７の形態は、図３（ａ）に示した有底箱型に限定されるものではなく、例えば、図４（ａ）に示すようなシェル４の外側面のうち外周面に嵌め込み可能な矩形の枠形状をした金型１７Ａを用いることも可能である。また、金型１７Ａにようにシェル４の外周面全体を囲む形態の他、図４（ｂ）に示す金型１７Ｂのように、シェル４の外周面のうち特に熱変形しやすい部分（この場合、上半分）の外周面を囲む形態のものであってもよい。

【0053】

上記のようにして、金型１７、１７Ａ、１７Ｂのような抑え込み手段を用いて、シェル４の変形を抑え込み可能な状態で、コア材６を硬化させて硬化コア材６ａを形成させる工程をコア材硬化工程という。
金型１７、１７Ａ、１７Ｂのような抑え込み手段を用いることにより、コア材硬化工程でシェル４のガラス転移温度Ｔｇｓ以上の温度で加熱されて、シェル４が軟らかくなったとしても、シェル４がコア材６の自重に耐えきれずに変形する現象を抑え込むことが可能となるので、シェル４の厚さを１ｍｍ程度以下に薄くすることも可能となる。
なお、コア部５に充填されたコア材６全体をしっかりと硬化させるためには、本実施の形態のようにコア材６として熱硬化性樹脂からなる材料を使用し、コア材硬化工程では、例えば光エネルギーによる硬化よりも熱エネルギーによるコア材６の硬化を実施することが好ましい。

【0054】

コア材硬化工程が完了した後、熱硬化手段１６内から金型１７、１７Ａ、１７Ｂに嵌め込まれたシェル４（コア部５に硬化コア材６ａが形成された状態のシェル４）を取り出し、金型１７、１７Ａ、１７Ｂをシェル４から取り外して、次の分離工程に進む。

【0055】

この分離工程は、シェル４の少なくとも一部を硬化コア材６ａから分離させる工程である。図５（ａ）に示すように、切削工具などの工具１９を用いて、不要なシェル４を硬化コア材６ａから分離することによって、図５（ｂ）に示すように、コア部５の形状に倣った形状を有する硬化コア材６ａからなる立体造形物１が得られる。

【0056】

分離工程は、例えば、シェル４と硬化コア材６ａとの少なくとも一方が軟化する温度条件下で実施してもよい。前記温度条件としては、例えば、シェル４は軟化するが、硬化コア材６ａは軟化せずに硬い状態を維持できる温度条件が好ましい。
なお、図５（ｂ）に示す例では、全てのシェル４が分離されて硬化コア材６ａのみからなる立体造形物１が得られているが、これに限らず、図５（ｃ）に示すように、一部のシェル４が残され、このシェル４と硬化コア材６ａとを合わせたものを立体造形物１と呼んでもよい。

【0057】

上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程において、抑え込み手段として金型１７、１７Ａ、１７Ｂを用い、コア材６が充填されたシェル４を金型１７、１７Ａ、１７Ｂに嵌め込んだ後に、コア部５内のコア材６を一括して硬化させるようになっている。したがって、コア材６を硬化させる際に、シェル４が軟らかくなったとしても、金型１７、１７Ａ、１７Ｂによってシェル４の外側面を抑え込むことが可能となり、シェル４の厚さを１ｍｍ程度以下に薄くした場合であっても、シェル４の変形を抑え込むことが可能となり、コア部５の変形を防止することができる。

【0058】

また上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材６が熱硬化性樹脂からなるので、コア材充填工程を常温、常圧環境下で容易に行え、かつコア材硬化工程において、コア材６全体を一体化させた状態に効率良くしっかりと硬化させることができる。

【0059】

また上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程の後に、シェル４の少なくとも一部を硬化コア材６ａから分離させ、コア部５の形状に倣った形状を有し硬化コア材６ａからなる立体造形物１を得る分離工程を備えているので、金型１７、１７Ａ、１７Ｂを用いるコア材硬化工程によってシェル４の厚さを薄くすることができ、また、分離工程において、薄いシェル４を硬化コア材６ａから容易に分離させることが可能となる。

【0060】

また上記実施の形態に係る立体造形方法を用いて立体造形物１を製造することにより、立体造形物１を製造する場合に、上記立体造形方法により得られる効果を奏することとなり、シェル４の変形、すなわち、コア部５の変形を防止して、硬化コア材６ａの寸法精度を高めることできる。したがって、シェル４の分離が容易となり、寸法精度の高い硬化コア材６ａからなる立体造形物１を製造することができる。

【0061】

図６は、別の実施の形態に係る立体造形方法におけるコア材硬化工程を説明するための図であり、（ａ）はコア材硬化前、（ｂ）はコア材硬化後の状態を示す図である。
上記した実施の形態では、コア材硬化工程で用いる抑え込み手段として、シェル４の外側面を嵌め込み可能な形状をした金型１７、１７Ａ、１７Ｂを用いた。一方で、造形するシェル４の外側面の形状が複雑なものとなる場合、上記抑え込み手段としての金型の製作が難しくなる。

【0062】

そこで、別の実施の形態では、コア材硬化工程で用いる抑え込み手段として、シェル４Ａを埋め込み可能な流動性部材１８ｂが充填された埋め込み手段１８を用いることを特徴としている。なお、シェル４Ａの外側面には複数の凹凸が形成されている。
埋め込み手段１８は、例えば、耐熱性を有する容器１８ａ内に、熱変形しにくい流動性部材１８ｂが充填されたものである。流動性部材１８ｂには、例えば、砂などの粉粒体や、粘土などの塑性流動体などが採用され得る。

【0063】

別の実施の形態におけるコア材硬化工程では、コア材６が充填されたシェル４Ａを埋め込み手段１８の流動性部材１８ｂの中に、シェル４Ａの上面の開口を臨ませた状態になるように埋め込んだ後、熱硬化手段１６に投入して、コア材６の硬化処理を開始するようになっている。

【0064】

図６（ａ）に示すように、コア材６が充填されたシェル４Ａを埋め込み手段１８に埋め込んだ状態で熱硬化手段１６内に載置し、熱硬化手段１６内をコア材６の熱硬化温度よりも高い温度まで上昇させることにより、コア材６及びシェル４Ａが加熱されてコア材６の硬化が開始、進行する。そこから所定時間経過するとコア材６全体の硬化が完了して、図６（ｂ）に示すように、コア部５Ａに硬化コア材６ａが形成される。

【0065】

コア材硬化工程が完了した後、熱硬化手段１６内から埋め込み手段を取り出し、そして埋め込み手段１８に埋め込まれたシェル４Ａ（コア部５Ａに硬化コア材６ａが形成された状態のシェル４Ａ）を取り出し、次の分離工程に進む。分離工程は、上記と同様の方法で行うことが可能となっている。

【0066】

上記した別の実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程において、コア材６が充填されたシェル４Ａを埋め込み手段１８に埋め込んだ後に、コア部５Ａ内のコア材６を一括して硬化させることが可能となる。
埋め込み手段１８であれば、シェル４Ａの外側面の形状が複雑な形状であっても、シェル４Ａの外形に沿って流動性部材１８ｂを密着させた状態で、シェル４Ａを流動性部材１８ｂの中に埋め込むことが可能となり、シェル４Ａの外側面を流動性部材１８ｂにより抑え込むことが可能となり、複雑な形状をしたシェル４Ａの変形を抑え込んで、コア部５Ａの変形を防止することができる。

【0067】

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、上記したコア材硬化工程において用いられる抑え込み手段は種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
なお、上記実施の形態では、シェル４、４Ａの造形に用いられるシェル材２が液相材料である場合について説明したが、シェル４、４Ａの造形は、液相材料を硬化させる方法（液相重合法）に限定されるものではなく、たとえば熱溶解積層方式（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ、ＦＤＰ）等の他の付加製造の方法などが適用されてもよい。
また、コア材６はコア部５、５Ａに充填後一度に硬化させることが可能であれば、熱硬化性樹脂に限らずたとえば光硬化性樹脂などから構成されていても構わない。

【0068】

本発明は、３Ｄプリンタなどの付加製造技術の分野において広く適用可能であり、係る分野に本発明を適用することにより、例えば、自動車、航空機、ロボットなどの各種産業機器に用いられる部品、介護用品、スポーツ用品など、特に、軽量且つ高強度が要求される部品、製品の試作のみならず、量産化を実現することが可能となる。

【符号の説明】

【0069】

１ 立体造形物
２ シェル材
３ 硬化済み紫外線硬化樹脂層
４、４Ａ、４０ シェル
５、５Ａ、５０ コア部
６、６０ コア材
６ａ、６０ａ 硬化コア材
１０ 立体造形装置
１１ 造形槽
１２ レーザー光学系
１２ａ 紫外線レーザー光源
１２ｂ 走査光学系
１２ｃ 紫外線レーザー光
１３ コア材供給系
１３ａ コア材タンク
１３ｂ ポンプ
１３ｃ、１３ｄ 配管系
１４ ノズル
１５ 造形台
１６ 熱硬化手段
１７、１７Ａ、１７Ｂ 金型
１８ 埋め込み手段
１８ａ 容器
１８ｂ 流動性部材
１９ 工具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】