特開 2024-115478 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】P2024115478

(43)【公開日】2024-08-26

(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 64/135 20170101AFI20240819BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240819BHJP

   B29C 64/379 20170101ALI20240819BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20240819BHJP

【ＦＩ】

B29C64/135

B33Y10/00

B29C64/379

B33Y40/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021202

(22)【出願日】2023-02-14

(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】津田 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】江川 航平

(72)【発明者】

【氏名】神村 尊

(72)【発明者】

【氏名】中根 隆雄

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AA39

4F213AA43

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL03

4F213WL13

4F213WL23

4F213WL24

4F213WL32

4F213WL55

4F213WL67

4F213WL87

4F213WW02

4F213WW06

(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、かつコア材から生じるガスを排除することができ、コア材の成形不良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、コア部内の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、コア材硬化工程が、コア部の上面のシェル開口部を、シェルの変形が防止可能な構造で、かつコア材から発生するガスが通過可能な構造にして実施される。
【選択図】図４

【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が、
前記シェルの上面の開口部を、前記シェルの変形が防止可能な構造で、かつ前記コア材から発生するガスが通過可能な構造にした状態で実施されることを特徴とする立体造形方法。

【請求項2】

前記状態が、
前記シェルの上面の開口部に、前記コア材から発生するガスが通過可能なガス通過部を有する蓋部がシェル材で造形された状態であ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】

前記状態が、
前記シェルの上面の開口部の一部に、前記シェルの変形が防止可能な形状を有する変形防止部がシェル材で造形された状態であ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4】

前記状態が、
前記シェルの上面の開口部に、前記コア材から発生するガスが通過可能なガス通過部を有する蓋体が被せられた状態であ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5】

前記状態が、
前記シェルの上面の開口部に、前記シェルの変形が防止可能な形状を有する拘束部材が取り付けられた状態であ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6】

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１～５のいずれかの項に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１～５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の付与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、それに伴って、硬化後の前記コア材の形状も変形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１０、１１を用いて説明する。
図１０、１１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１０（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１１（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１０、１１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１０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１１に示すように、シェル４０の厚さが薄い場合は、図１１（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１１（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が少し歪んだ形態となる。
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、加熱によってシェル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がある。

【0012】

このような現象に対して、シェル４０の厚さを薄くした場合であっても、コア材６０の硬化工程においてシェル４０の変形が生じにくくするための方法の一例として、図１２に示す次の方法が考えられる。
図１２（ａ）に示すように、コア部５０にコア材６０を充填する工程を終えた後、シェル４０の開口部のコア材６０の上面部分に存在する未硬化のシェル材２に活性化エネルギー線を照射して、シェル材２を硬化させて、図１２（ｂ）に示すように、シェル４０の開口部を封止する。その後、シェル４０の開口部が封止された状態で、熱エネルギーを付与してコア材６０を硬化させる工程を行う。

【0013】

しかしながら、図１２に示す方法では、コア材６０を硬化させる工程において、熱エネルギーの付与によってコア材６０から、コア材６０内に内在、溶存しているガス（気体）が気泡となって発生した場合に、図１２（ｃ）に示すように、気泡がシェル４０との界面に溜まっていき、気泡による空隙６０ｂが生じることがある。そして、空隙６０ｂが残ったままコア材６０が硬化されると、硬化コア材６０ａの表面に空隙６０ｂに伴う窪みや隙間が形成されて、硬化コア材６０ａの成形不良が発生する懸念があるという課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【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】

【0015】

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で、シェルの変形を防止することができ、かつコア材から生じるガスを排除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。

【0016】

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が、
前記シェルの上面の開口部を、前記シェルの変形が防止可能な構造で、かつ前記コア材から発生するガスが通過可能な構造にした状態で実施されることを特徴としている。

【0017】

上記立体造形方法（１）によれば、前記コア材硬化工程が、前記シェルの上面の開口部を、前記シェルの変形が防止可能な構造で、かつ前記コア材から発生するガスが通過可能な構造にした状態で実施される。そのため、前記コア材硬化工程において、前記シェル及び前記コア部の変形を防止することができ、かつ前記コア材から発生したガスを前記シェルの外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も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（２）は、上記立体造形方法（１）において、
前記状態が、
前記シェルの上面の開口部に、前記コア材から発生するガスが通過可能なガス通過部を有する蓋部がシェル材で造形された状態であることを特徴としている。

【0019】

上記立体造形方法（２）によれば、前記コア材硬化工程が、前記シェルの上面の開口部に、前記コア材から発生するガスが通過可能なガス通過部を有する蓋部がシェル材で造形された構造を有する状態で実施される。そのため、前記コア材硬化工程において、前記シェル材で造形された前記蓋部によって前記シェル及び前記コア部の変形を防止することができる。また、前記コア材から発生したガスを前記ガス通過部から前記シェルの外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も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（３）は、上記立体造形方法（１）において、
前記状態が、
前記シェルの上面の開口部の一部に、前記シェルの変形が防止可能な形状を有する変形防止部がシェル材で造形された状態であることを特徴としている。

【0021】

上記立体造形方法（３）によれば、前記コア材硬化工程が、前記シェルの上面の開口部の一部に、前記シェルの変形が防止可能な形状を有する変形防止部がシェル材で造形された構造を有する状態で実施される。そのため、前記コア材硬化工程において、前記シェル材で造形された前記変形防止部によって前記シェル及び前記コア部の変形を防止することができる。また、前記変形防止部は前記シェルの上面の開口部の一部に形成されているので、前記コア材から発生したガスを前記シェルの上面の開口部のうち前記変形防止部が形成されていない部分を通して外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も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（４）は、上記立体造形方法（１）において、
前記状態が、
前記シェルの上面の開口部に、前記コア材から発生するガスが通過可能なガス通過部を有する蓋体が被せられた状態であることを特徴としている。

【0023】

上記立体造形方法（４）によれば、前記コア材硬化工程が、前記シェルの上面の開口部に、前記コア材から発生するガスが通過可能なガス通過部を有する蓋体が被せられた構造を有する状態で実施される。そのため、前記コア材硬化工程において、前記シェルの上面の開口部に被せられた前記蓋体によって前記シェル及び前記コア部の変形を防止することができる。また、前記コア材から発生したガスを前記ガス通過部から外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も防止することができる。

【0024】

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）において、
前記状態が、
前記シェルの上面の開口部に、前記シェルの変形が防止可能な形状を有する拘束部材が取り付けられた状態であることを特徴としている。

【0025】

上記立体造形方法（５）によれば、前記コア材硬化工程が、前記シェルの上面の開口部に、前記シェルの変形が防止可能な形状を有する拘束部材が取り付けられた構造を有する状態で実施される。そのため、前記コア材硬化工程において、前記シェルの上面の開口部の一部に取り付けられた前記拘束部材で前記シェル及び前記コア部の変形を防止することができる。また、前記拘束部材は前記シェルの上面の開口部の一部に取り付けられるので、前記コア材から発生したガスを前記シェルの上面の開口部のうち前記拘束部材が取り付けられていない部分を通して外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も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（６）は、上記立体造形方法（１）～（５）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。

【0027】

上記立体造形方法（６）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硬化させることができる。

【0028】

また、上記立体造形方法（６）によれば、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場合であっても、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現象を防止することができ、かつ前記コア材から発生したガスを前記シェルの外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も防止することができる。

【0029】

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。

【0030】

上記立体造形方法（７）によれば、前記シェルの厚さを従来よりも薄くした場合であっても、前記コア材硬化工程において前記シェルの変形を防止することができ、さらに、前記コア材硬化工程後に前記分離工程を含んでいるので、前記シェルの少なくとも一部を硬化した前記コア材から容易に分離させることが可能となり、前記コア部の形状に倣った形状を有する硬化したコア材を主とする立体造形物を効率良く得ることができる。

【0031】

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。

【0032】

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、前記シェル及び前記コア部の変形を防止でき、かつ硬化後のコア材の成形不良も防止でき、硬化したコア材の寸法形状の精度を高めることができる。そして、前記シェルの厚みを薄くすることができるので前記シェルの分離が容易となり、寸法形状の精度の高い、硬化後のコア材を主とする立体造形物を製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の実施の形態（１）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（１）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（１）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）は蓋部造形工程を説明するための図であり、（ｂ）は蓋部造形工程後の立体造形物の平面図である。

【図4】実施の形態（１）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断面図である。

【図5】実施の形態（１）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断面図である。

【図6】（ａ）、（ｂ）は、別の実施の形態に係る立体造形方法によりシェルの開口部に変形防止部が造形された後の立体造形物の平面図である。

【図7】実施の形態（２）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断面図である。

【図8】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で用いられる拘束部材の一例を示す図であり、（ａ）は拘束部材がシェルに取り付けられた状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図である。

【図9】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で用いられる拘束部材の別の一例を示す図であり、（ａ）は拘束部材がシェルに取り付けられた状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図である。

【図10】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11】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。

【図12】（ａ）～（ｃ）は、コア材を硬化する工程においてシェルの変形が生じにくくするための従来の方法の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

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。

【0035】

図１は、実施の形態（１）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、造形が行われる造形槽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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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を順に介して送りながらコア材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。

【0042】

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。

【0043】

熱硬化手段１６は、コア材硬化工程で使用されるものであり、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４参照）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。

【0044】

本実施の形態では、熱硬化手段１６を用いて、コア材６が充填されたシェル４を加熱するコア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部を、シェル４の変形が防止可能な構造で、かつコア材６から発生するガスが通過可能な構造にした状態で実施されることを特徴の一つとしている。
実施の形態（１）では、その一形態として、シェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部４ｂを有する蓋部４ａがシェル材２で造形された構造を有する状態でコア材硬化工程が実施されるようになっている（図４参照）。

【0045】

そして、熱硬化手段１６を用いて、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、ガス通過部４ｂを有する蓋部４ａでシェル４が変形する現象を抑えた状態で、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の上面にガス通過部４ｂを有する蓋部４ａがシェル材２で造形された状態で加熱が行われる。そのため、熱硬化手段１６の内部をコア材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蓋部４ａによって抑えることができ、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。

【0046】

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４参照）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。
そのため、コア部５が後に形成される立体造形物の形状になるようにシェル４が造形されている。そして、このコア部５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、硬化コア材６ａを主とする所望の形状を有する立体造形物を得ることが可能となっている。
本方法によれば、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。

【0047】

次に、実施の形態（１）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。
実施の形態（１）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、上面に矩形の開口部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、特に限定されないが、後に分離工程を有する場合は、例えば、１ｍｍ程度以下となるように薄く造形することが好ましい。

【0048】

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。

【0049】

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部を経てコア部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。

【0050】

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。

【0051】

そして、コア材充填工程が完了すると、次にシェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部４ｂを有する蓋部４ａをシェル材２で造形する工程（蓋部造形工程）が実施される（図３参照）。
具体的には、コア材充填工程が完了すると、ノズル１４が紫外線レーザー光１２ｃの照射範囲から退避させられる。その後、シェル４の開口部の上面、換言すれば、コア材６の上面にあるシェル材２の液面に対して、ガス通過部４ｂとなる部分を除く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。この動作により、シェル４の開口部のコア材６の上面にあるシェル材２が硬化されていき、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、シェル４の開口部にガス通過部４ｂを有する蓋部４ａが造形される。

【0052】

なお、蓋部造形工程では、蓋部４ａの造形時におけるシェル材２の硬化深度が、シェル４の造形時におけるシェル材２の硬化深度よりも深くなる条件で紫外線レーザー光１２ｃを照射してもよい。例えば、硬化深度が深くなるように紫外線レーザー光１２ｃの走査条件を調整することにより、０．５ｍｍ程度の深さのシェル材２を一度の走査で硬化させることも可能である。

【0053】

そして、蓋部造形工程が完了すると、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、コア材６が充填され、かつ蓋部４ａが造形されたシェル４を造形台１５から取り外し、次のコア材硬化工程に進む。

【0054】

コア材硬化工程では、図４（ａ）に示すように、コア部５にコア材６が充填され、上面にガス通過部４ｂを有する蓋部４ａが造形された状態のシェル４を熱硬化手段１６に投入して、コア材６の硬化処理を開始する。
すなわち、シェル４を熱硬化手段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を含む造形物全体が加熱されて、コア材６の硬化が始まり、硬化が進行していく。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４（ｂ）に示すように、コア部５に硬化コア材６ａが形成される。

【0055】

コア材硬化工程では、シェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部４ｂを有する蓋部４ａが造形された構造を有する状態で加熱が実施される。そのため、コア材６が加熱されて硬化していく際に、コア材６の中にガスが気泡となって生じたとしても、これらガスがガス通過部４ｂからシェル４の外部へ排除されるようになっている。
また、コア材硬化工程において、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の上面を覆う蓋部４ａによって、シェル４の側壁がコア材６の自重に耐えきれずに変形する現象を抑えることが可能となっている。

【0056】

なお、コア部５に充填されたコア材６全体を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。

【0057】

コア材硬化工程が完了した後、熱硬化手段１６内からシェル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、次の分離工程に進む。

【0058】

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１７を用いて、不要なシェル４や蓋部４ａ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。

【0059】

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、シェル４の一部が残され、このシェル４の一部と硬化コア材６ａとを合わせたものを立体造形物１と呼んでもよい。

【0060】

上記実施の形態（１）に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部４ｂを有する蓋部４ａがシェル材２で造形された構造を有する状態で実施される。そのため、コア材硬化工程において、加熱によりシェル４が軟らかくなったとしても、シェル材２で造形された蓋部４ａによってシェル４及びコア部５の変形を防止することができ、シェル４の厚さを、シェル４が分離しやすいように１ｍｍ程度以下に薄くした場合であっても、シェル４及びコア部５の変形を防止することができる。また、コア材硬化工程において、加熱によってコア材６から、コア材６内に内在、溶存しているガスが気泡となって発生した場合に、ガスを蓋部４ａに形成されたガス通過部４ｂからシェル４の外部へ排除することができ、硬化コア材６ａに前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も防止することができる。

【0061】

また上記実施の形態（１）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硬化させることができる。

【0062】

また上記実施の形態（１）に係る立体造形方法によれば、シェル４の厚さを従来よりも薄くした場合であっても、コア材硬化工程においてシェル４の変形を防止することができる。さらに、コア材硬化工程後に分離工程を含んでいるので、シェル４の少なくとも一部を硬化コア材６ａから容易に分離させることが可能となり、コア部５の形状に倣った形状を有する硬化コア材６ａを主とする立体造形物１を効率良く得ることができる。

【0063】

また上記実施の形態（１）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る。すなわち、コア材硬化工程において、シェル４及びコア部５の変形を防止でき、かつ硬化コア材６ａの成形不良も防止でき、硬化コア材６ａの寸法形状の精度を高めることができる。そして、シェル４の厚みを従来よりも薄くすることができるのでシェル４の分離が容易となり、寸法形状の精度の高い硬化コア材６ａを主とする立体造形物を製造することが可能となる。

【0064】

また、別の実施の形態に係る立体造形方法では、上記した蓋部造形工程に代えて、シェル４の上面の開口部の一部に、シェル４の変形が防止可能な形状を有する変形防止部４ｃ、４ｄ（図６参照）をシェル材２で造形する工程（変形防止部造形工程）を行うようにしてもよい。そして、変形防止部造形工程後のコア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部の一部に、変形防止部４ｃ、４ｄがシェル材２で造形された構造を有する状態で実施されるようにしてもよい。

【0065】

図６（ａ）、（ｂ）は、別の実施の形態に係る立体造形方法によりシェルの開口部に変形防止部が造形された後の状態の一例を示す平面図である。
図６（ａ）に示した、変形防止部造形工程後の立体造形物は、シェル４の外形が平面視略長方形の箱状であり、シェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５にコア材６が充填され、シェル４の上面の開口部のうち平面視において向かい合う長辺の略中央部が連結された帯状の変形防止部４ｃがシェル材２から造形されたものとなっている。

【0066】

また、図６（ｂ）に示した、別の変形防止部造形工程後の立体造形物は、シェル４の外形が平面視略長方形の箱状であり、シェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５にコア材６が充填され、シェル４の上面の開口部のうち平面視において４辺の略中央部に角部が連結されたひし形形状をした変形防止部４ｄがシェル材２から造形されたものとなっている。

【0067】

なお、変形防止部４ｃ、４ｄの形態は、図６（ａ）、（ｂ）に示した形態に限定されるものではなく、シェル４の形状に応じて、コア材硬化工程においてシェル４の変形が想定される開口部の任意の箇所に、その変形を抑えることができる形態に適宜造形すればよい。

【0068】

上記した別の実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部の一部に、シェル４の変形が防止可能な形状を有する変形防止部４ｃ、４ｄがシェル材２で造形された構造を有する状態で実施される。そのため、コア材硬化工程において、シェル材２で造形された変形防止部４ｃ、４ｄによってシェル４及びコア部５の変形を防止することができる。また、変形防止部４ｃ、４ｄはシェル４の上面の開口部の一部に形成されているので、コア材６から発生したガスをシェル４の上面の開口部のうち変形防止部４ｃ、４ｄが造形されていない部分を通して外部へ排除することができ、硬化コア材６ａに前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も防止することができる。

【0069】

なお、上記した実施の形態に係る立体造形方法における蓋部造形工程や変形防止部造形工程は、シェル材２の造形槽１１内において、紫外線レーザー光１２ｃを走査させてシェル材２を硬化させる描画法で行われているが、蓋部４ａ（図３参照）、変形防止部４ｃ、４ｄ（図６参照）の造形方法は、前記描画法に限定されるものではない。

【0070】

例えば、別の形態では、コア材充填工程後、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た後、造形台１５上のシェル４の開口部の上側に、ガスを通過させる部分に紫外光が照射されないように形成されたマスクパターンを配置し、該マスクパターンの上方から紫外光ランプを照射して、マスクパターンの形状にシェル材２を硬化させる転写法を用いて、蓋部４ａ、変形防止部４ｃ、４ｄを造形する方法を採用してもよい。

【0071】

図７は、実施の形態（２）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。
なお、実施の形態（２）に係る立体造形方法におけるシェル造形工程とコア材充填工程は、上記した実施の形態（１）に係る立体造形方法と略同様であるので、ここではその説明を省略する。

【0072】

実施の形態（２）に係る立体造形方法では、コア材充填工程後の蓋部造形工程を行わずに、コア材充填工程後のコア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部７ａを有する蓋体７が被せられた構造を有する状態で実施されるようになっている。
蓋体７は、シェル４の上面の開口部に冠着可能な形状を有し、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。ガス通過部７ａは、ガスを排出可能な貫通孔からなり、蓋体７に複数箇所、所定間隔で設けられている。

【0073】

実施の形態（２）に係る立体造形方法におけるコア材硬化工程では、図７（ａ）に示すように、コア材６が充填された状態のシェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部７ａを有する蓋体７を被せ、蓋体７が被せられたシェル４を熱硬化手段１６に投入して、コア材６の硬化処理を開始する。
すなわち、ガス通過部７ａを有する蓋体７が被せられたシェル４を熱硬化手段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を含む造形物全体が加熱されて、コア材６の硬化が始まり、硬化が進行していく。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７（ｂ）に示すように、コア部５に硬化コア材６ａが形成される。

【0074】

コア材硬化工程では、シェル４の上面の開口部にガス通過部７ａを有する蓋体７が被せられた状態で加熱が実施されるので、コア材６が加熱されて硬化していく際に、コア材６の中にガスによる気泡が生じたとしても、これらガスがガス通過部７ａを通って外部へ排除されるようになっている。
また、コア材硬化工程において、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の上面に被せられた蓋体７によって、シェル４の側壁がコア材６の自重に耐えきれずに変形する現象を抑えることが可能となっている。

【0075】

そして、コア材硬化工程が完了した後、熱硬化手段１６内から蓋体７が被せられたシェル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、蓋体７をシェル４から取り外した後、分離工程に進む。
分離工程は、上記した実施の形態（１）に係る立体造形方法と同様の方法で行うことができ、分離工程によって、図５に示したように、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や、シェル４の一部と硬化コア材６ａとで構成された立体造形物１を得ることができる。

【0076】

上記実施の形態（２）に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部に、コア材６から発生するガスが通過可能なガス通過部７ａを有する蓋体７が被せられた構造を有する状態で実施される。そのため、コア材硬化工程において、シェル４の上面の開口部に被せられた蓋体７によってシェル４及びコア部５の変形を防止することができ、シェル４の厚さを１ｍｍ程度以下に薄くすることが可能となる。また、コア材硬化工程において、加熱によってコア材６から発生したガスをガス通過部７ａから造形物の外へ排除することができ、硬化コア材６ａに前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も防止することができる。

【0077】

なお、別の実施の形態に係る立体造形方法では、上記したシェル４の開口部に、ガス通過部７ａを有する蓋体７が被せられた状態でコア材硬化工程を行う方法に代えて、図８、図９に示すように、シェル４の開口部に、シェル４の変形が防止可能な形状を有する拘束部材８、８Ａが取り付けられた状態でコア材硬化工程を行うようにしてもよい。

【0078】

図８、９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で用いられる拘束部材の一例を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ－ｂ線断面図である。
図８（ａ）、（ｂ）は、コア材硬化工程を行う前の立体造形物の一例を示しており、該立体造形物は、シェル４が略長方形の箱形状を有し、シェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５にコア材６が充填され、シェル４の上面の開口部のうち平面視において向かい合う長辺の略中央部分に下向きコ字形状を有する拘束部材８が取り付けられた構造となっている。

【0079】

また、図９（ａ）、（ｂ）に示した、コア材硬化工程を行う前の別の立体造形物は、シェル４が略長方形の箱形状を有し、シェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５にコア材６が充填され、シェル４の上面の開口部のうち平面視において４辺の略中央部部分にひし形形状をした拘束部材８Ａが取り付けられた構造となっている。

【0080】

拘束部材８、８Ａは、シェル４の上面の開口部の一部分に嵌着可能な形状を有し、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。なお、拘束部材８、８Ａは、図８、９に示した形態に限定されるものではなく、コア材硬化工程においてシェル４の変形が想定される箇所に嵌着可能な様々な形状を採用することができる。

【0081】

上記した別の実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材硬化工程が、シェル４の上面の開口部に、シェル４の変形が防止可能な形状を有する拘束部材８、８Ａが取り付けられた構造を有する状態で実施される。そのため、コア材硬化工程において、シェル４の上面の開口部の一部に取り付けられた拘束部材８、８Ａによってシェル４及びコア部５の変形を防止することができる。また、拘束部材８、８Ａはシェル４の上面の開口部の一部に取り付けられるので、コア材６から発生したガスをシェル４の上面の開口部のうち拘束部材８、８Ａが取り付けられていない部分を通して造形物の外部へ排除することができ、硬化後のコア材に前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象も防止することができる。

【0082】

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、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、ＦＤＭ）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。

【0083】

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】

【0084】

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、４０ シェル
４ａ 蓋部
４ｂ ガス通過部
４ｃ、４ｄ 変形防止部
５、５０ コア部
６、６０ コア材
６ａ、６０ａ 硬化コア材
６０ｂ 空隙
７ 蓋体
７ａ ガス通過部
８、８Ａ 拘束部材
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 工具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】