特開 2024-117650 立体造形方法、及び立体造形物

(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】P2024117650

(43)【公開日】2024-08-29

(54)【発明の名称】立体造形方法、及び立体造形物

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/135 20170101AFI20240822BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20240822BHJP

   B29C 64/379 20170101ALI20240822BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240822BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

B29C64/135

B33Y40/20

B29C64/379

B33Y10/00

B33Y80/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023023862

(22)【出願日】2023-02-17

(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】圓崎 諭

(72)【発明者】

【氏名】津田 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】神村 尊

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AA39

4F213AA43

4F213AD02

4F213AD16

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL03

4F213WL24

4F213WL32

4F213WL43

4F213WL55

4F213WL74

4F213WL87

4F213WW02

4F213WW06

(57)【要約】

【課題】硬化したコア材からシェルを容易に分離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をシェル材を用いて造形するシェル造形工程と、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、コア材硬化工程が、コア材の硬化時の変形に伴ってシェルの少なくとも一部に破壊を生じさせる工程である。
【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をシェル材を用いて造形するシェル造形工程と、
前記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、前記コア材の硬化に伴って前記シェルの少なくとも一部に破壊を生じさせる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よりも前に、該コア材硬化工程で生じる前記コア材の硬化時の変形に伴って前記シェルの一部に破壊を生じさせることが可能な脆弱部を前記シェルの一部に形成する脆弱部形成工程を含み、
前記コア材硬化工程が、前記コア材を硬化させるとともに、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせ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】

前記シェル造形工程が、前記脆弱部形成工程を含み、
前記シェルの造形とともに前記脆弱部を造形す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】

前記脆弱部形成工程が、前記シェル造形工程と前記コア材充填工程とを終えた後の前記コア材が充填された前記シェルの一部に前記脆弱部を形成する加工を行う工程であ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】

前記脆弱部形成工程が、
前記コア材硬化工程において前記コア材の硬化時の変形に伴う前記シェルの変形量が他の部分より大きくなる部分に前記脆弱部を形成することを特徴とする請求項２～４のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項6】

前記脆弱部が、前記シェルの外側面又は内側面に沿って切り込まれた形状、又は切り欠かれた形状を有していることを特徴とする請求項２～４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が、
前記コア材の自重により前記シェルを外側方向に変形させた状態で前記コア材を硬化させることにより、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせることを特徴とする請求項２～４のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項8】

前記コア材硬化工程が、
前記コア材の硬化収縮により前記シェルが内側方向に変形することで、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせることを特徴とする請求項２～４のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項9】

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外形を有し、主として前記コア材からなる立体造形物を得る分離工程を含み、
該分離工程が、
前記コア材硬化工程後に生じた前記シェルの破壊部分を起点にして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10】

外殻層を形成するシェルと、該シェルの内側面に囲われた部分であるコア部に硬化コア材とを有する構造を備えた立体造形物であって、
前記シェルが脆弱部を備え、
該脆弱部が、前記硬化コア材の硬化時の変形に伴って前記シェルの少なくとも一部に破壊を生じさせる形状を有していることを特徴とする立体造形物。

【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、硬化した前記コア材から前記シェルの少なくとも一部を分離させて、硬化した前記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、前記コア材を硬化させた段階では、硬化した前記コア材と前記シェルとは密着しているため、従来の立体造形方法では、前記コア材を硬化させた後、切削工具を用いて前記シェルを切削するなどして、すなわち機械加工を行って硬化した前記コア材から前記シェルを分離して、硬化した前記コア材を主とする立体造形物を得る工程が必要であった。

【0008】

しかしながら、前記シェルがエポキシ系などの樹脂によって造形されている場合、前記切削工具を用いて前記シェルを切削すると、粉状の削り屑ではなく、粘り気のあるゼリー状の削り屑が排出される。そして、切削加工を進めると、前記ゼリー状の削り屑が前記切削工具の刃と刃の間に入り込んでいき、さらに加工時の切削熱で軟化（溶融）した前記シェルが前記切削工具にまとわりついたりする現象が生じる。

【0009】

前記ゼリー状の削り屑は粘り気があるためエアブローを行っても前記切削工具から全てを除去することが難しく、このような状態のままで切削加工を続けると、前記切削工具が弾かれるような状態となり、切削がうまくできないばかりか前記切削工具が折れたり欠けたりするおそれが生じる。このように機械加工では、硬化した前記コア材から前記シェルを分離させることが難しいという課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【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】

【0011】

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、硬化したコア材からシェルを容易に分離させることができる立体造形方法、及び立体造形物を提供することを目的とする。

【0012】

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をシェル材を用いて造形するシェル造形工程と、
前記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、前記コア材の硬化に伴って前記シェルの少なくとも一部に破壊を生じさせることを特徴としている。

【0013】

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、前記コア材の硬化に伴って前記シェルの少なくとも一部に破壊を生じさせることが可能となり、硬化した前記コア材から前記シェルを容易に分離させることが可能となる。

【0014】

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よりも前に、該コア材硬化工程で生じる前記コア材の硬化時の変形に伴って前記シェルの一部に破壊を生じさせることが可能な脆弱部を前記シェルの一部に形成する脆弱部形成工程を含み、
前記コア材硬化工程が、前記コア材を硬化させるとともに、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせることを特徴としている。

【0015】

上記立体造形方法（２）によれば、前記脆弱部形成工程において、前記コア材硬化工程よりも前に、前記脆弱部が前記シェルの一部に形成され、前記コア材硬化工程において、前記コア材を硬化させるとともに、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせることが可能となる。したがって、前記脆弱部付近に生じた前記シェルの破壊部分を起点にして、例えば、手作業によって前記シェルの分離を行うことが可能となり、機械加工を施すことなく硬化後の前記コア材から前記シェルを容易に分離させることができる。

【0016】

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、
前記シェル造形工程が、前記脆弱部形成工程を含み、
前記シェルの造形とともに前記脆弱部を造形することを特徴としている。

【0017】

上記立体造形方法（３）によれば、前記シェル造形工程において、前記シェルの造形とともに前記脆弱部を造形するので、前記シェル造形工程と前記脆弱部形成工程とを同時並行で行うことができ、作業効率を高めることができる。

【0018】

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、
前記脆弱部形成工程が、前記シェル造形工程と前記コア材充填工程とを終えた後の前記コア材が充填された前記シェルの一部に前記脆弱部を形成する加工を行う工程であることを特徴としている。

【0019】

上記立体造形方法（４）によれば、前記シェル造形工程と前記コア材充填工程とを終えた後に前記脆弱部を形成する加工を行うので、前記コア材が充填された前記シェルの状態を確認した後に前記脆弱部を形成する箇所を決めて前記加工を行うことができる。

【0020】

また本発明に係る立体造形方法（５）は、上記立体造形方法（２）～（４）のいずれかにおいて、
前記脆弱部形成工程が、
前記コア材硬化工程において前記コア材の硬化時の変形に伴う前記シェルの変形量が他の部分より大きくなる部分に前記脆弱部を形成することを特徴としている。

【0021】

上記立体造形方法（５）によれば、前記脆弱部形成工程では、前記コア材硬化工程において前記コア材の硬化時の変形、例えば、前記コア材の自重により膨らむ変形や前記コア材の硬化収縮による変形に伴う前記シェルの変形量が他の部分より大きくなる部分に前記脆弱部が形成されるので、前記コア材硬化工程において前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせやすくなる。

【0022】

また本発明に係る立体造形方法（６）は、上記立体造形方法（２）～（５）のいずれかにおいて、
前記脆弱部が、前記シェルの外側面又は内側面に沿って切り込まれた形状、又は切り欠かれた形状を有していることを特徴としている。

【0023】

上記立体造形方法（６）によれば、前記脆弱部が、前記シェルの外側面又は内側面に沿って切り込まれた形状、又は切り欠かれた形状を有しているので、前記コア材硬化工程で生じる前記シェルの変形によって前記切り込まれた形状、又は切り欠かれた形状を有する部分の隙間が広がったり狭まったりすることで、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせやすくなる。

【0024】

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が、
前記コア材の自重により前記シェルを外側方向に変形させた状態で前記コア材を硬化させることにより、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせることを特徴としている。

【0025】

上記立体造形方法（７）によれば、前記コア材硬化工程において、前記コア材の自重により前記シェルを外側方向に変形させた状態で前記コア材を硬化させることにより、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせやすくなる。

【0026】

また本発明に係る立体造形方法（８）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が、
前記コア材の硬化収縮により前記シェルが内側方向に変形することで、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせることを特徴としている。

【0027】

上記立体造形方法（８）によれば、前記コア材硬化工程において、前記コア材の硬化収縮により前記シェルが内側方向に変形することで、前記脆弱部付近の前記シェルに破壊を生じさせやすくなる。

【0028】

また本発明に係る立体造形方法（９）は、上記立体造形方法（１）～（８）のいずれかにおいて、
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外形を有し、主として前記コア材からなる立体造形物を得る分離工程を含み、
該分離工程が、
前記コア材硬化工程後の前記脆弱部付近に生じた前記シェルの破壊部分を起点にして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ることを特徴としている。

【0029】

上記立体造形方法（９）によれば、前記分離工程において、前記コア材硬化工程後の前記脆弱部付近に生じた前記シェルの破壊部分を起点にして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容易に分離させることができる。

【0030】

また本発明に係る立体造形物は、外殻層を形成するシェルと、該シェルの内側面に囲われた部分であるコア部に硬化コア材とを有する構造を備えた立体造形物であって、
前記シェルが脆弱部を備え、
該脆弱部が、前記硬化コア材の硬化時の変形に伴って前記シェルの少なくとも一部に破壊を生じさせる形状を有していることを特徴としている。

【0031】

上記立体造形物によれば、前記硬化コア材の外殻層となる前記シェルが前記脆弱部を備え、該脆弱部が、前記硬化コア材の硬化時の変形に伴って前記シェルの少なくとも一部に破壊を生じさせる形状を有しているので、前記硬化コア材から前記シェルの分離が容易な立体造形物を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【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）はシェル造形工程を説明するための図であり、（ｂ）はシェル造形工程後のシェルの平面図、（ｃ）はシェル造形工程後のシェルの正面図である。

【図3】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、コア材充填工程を説明するための図である。

【図4】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平面図である。

【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）はシェル分離途中、（ｄ）はシェル分離後の状態を示す平面図である。

【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平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明に係る立体造形方法、及び立体造形物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などの各部の形態は、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。

【0034】

図１に基づいて、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について説明する。
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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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、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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。なお、シェル４は、物性としてガラス転移温度Ｔｇｓを有し、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。

【0042】

熱硬化手段１６は、例えば、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Ｔｐｃ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。

【0043】

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Ｔｐｃよりも高い温度まで昇温させて、コア材６の全体を一括して熱硬化させることが可能となっている。
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。本方法によれば、硬化コア材６ａ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。
実施の形態に係る立体造形方法は、シェル造形工程と、コア材充填工程と、コア材硬化工程と、分離工程とを含んでいる。
さらに、実施の形態に係る立体造形方法では、コア材硬化工程よりも前に、コア材硬化工程で生じるコア材６の硬化時の変形に伴うシェル４の変形によって当該シェル４の一部に破壊を生じさせることが可能な脆弱部４ａ（図２参照）をシェル４の一部に形成する脆弱部形成工程を含んでいることを特徴としている。
また、実施の形態に係る立体造形方法では、コア材硬化工程が、コア材６を硬化させるとともに、脆弱部４ａ付近のシェル４に破壊（亀裂４ｂ、図４参照）を生じさせる工程であることを特徴としている。

【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、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、図２（ａ）に示すように、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。この動作により、所望の形状をしたコア部５を有するシェル４が造形されていく。上記のようにして、立体造形物の外形を規定するシェル４をシェル材２を用いて造形する工程をシェル造形工程という。
なお、シェル造形工程では、後のコア材硬化工程でのシェル４の変形量を考慮して、シェル４が変形した後のコア部５の形状が所望の形状となるようにシェル４を造形するようにしてもよい。

【0046】

また、本実施の形態では、シェル造形工程が脆弱部形成工程を含み、シェル４の造形とともに脆弱部４ａを造形するように構成され、脆弱部形成工程が、コア材硬化工程においてコア材６の硬化時の変形に伴うシェル４の変形量が他の部分より大きくなる部分に脆弱部４ａを形成することを特徴の一つとしている。

【0047】

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すシェル４は上面に開口を有する有底箱形状に造形されている。脆弱部４ａは、シェル４の平面視長手方向の１組の外側面の中央部縦方向に平面視Ｖノッチ形状に造形されている。なお、脆弱部４ａは、シェル４の一外側面に複数のノッチ形状を有するように造形されてもよいし、脆弱部４ａは、外側面の縦方向だけでなく、外側面の横方向や斜め方向に形成されてもよい。また、脆弱部４ａのノッチ形状は、Ｖ型に限定されるものではなく、Ｕ型、Ｉ型、Ｗ型などの形状であってもよい。また、脆弱部４ａの形状は、ノッチ形状に限定されず、シェル４に局部的に薄肉部を形成する種々の形状が採用され得る。

【0048】

また、脆弱部４ａのノッチ形状の深さＴ４ａはシェル４の厚さＴ４より小さく、脆弱部４ａのシェル厚（厚さＴ４－深さＴ４ａ）は、コア材硬化工程で生じるシェル４の変形によって脆弱部４ａ付近に亀裂４ｂ（図４（ｂ）参照）などの破壊を生じさせることができる厚さになるように設定されている。なお、シェル４の厚さＴ４は、コア材硬化工程において所望とする変形が生じ得る厚さに設定されている。

【0049】

シェル造形工程及び脆弱部形成工程を終えると、次に、図３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。

【0050】

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３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。

【0051】

なお、上記の脆弱部形成工程を含むシェル造形工程、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及び脆弱部４ａ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及び脆弱部４ａ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（例えば、狭い、細い、薄い、など）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。

【0052】

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。

【0053】

コア材硬化工程では、図４（ａ）に示すように、コア材６が充填されたシェル４を熱硬化手段１６に投入して、コア部５内のコア材６を硬化させる熱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、進行するようになっている。

【0054】

本実施の形態では、コア材硬化工程において、コア材６の自重によりシェル４を外側方向に変形させた状態でコア材６を硬化させることにより、脆弱部４ａ付近のシェル４に亀裂４ｂ等の破壊を生じさせることを特徴の一つとしている。

【0055】

コア材硬化工程では、コア材６の熱硬化温度Ｔｐｃよりも高い温度まで昇温させるため、この加熱によって、コア材６の熱硬化温度Ｔｐｃよりも低いガラス転移温度Ｔｇｓを有するシェル４が軟らかくなる。そして、図４（ｂ）に示すように、シェル４の側面のうち脆弱部４ａが形成されている側面がコア材６の自重によって外側方向に押し広げられて、シェル４の形状に変形が生じるとともに、ノッチ形状をした脆弱部４ａの隙間も広がり、脆弱部４ａが形成されている部分のシェル４の厚みも薄くなる。そして、所定時間経過するとコア材６全体の硬化が完了して、コア部５に硬化コア材６ａが形成される。

【0056】

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が形成されたシェル４）を取り出す。コア材硬化工程が完了した後のシェル４は、脆弱部４ａが形成されている部分のシェル４に亀裂４ｂが入った状態、すなわちシェル４に破壊が生じた状態になっている。
コア材硬化後の立体造形物は、外殻層を形成するシェル４と、シェル４の内側面に囲われた部分であるコア部５に硬化コア材６ａとを有する構造を備え、シェル４が脆弱部４ａを備え、脆弱部４ａが、硬化コア材６ａの硬化時の変形に伴ってシェル４の少なくとも一部に破壊を生じさせる形状を有している。

【0057】

コア材硬化工程を終えると、次に分離工程に進む。この分離工程は、脆弱部４ａ付近に生じたシェル４の破壊部分を起点にして、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。

【0058】

分離工程では、図５（ａ）に示すように、作業者が指２０又はペンチなどの工具で脆弱部４ａ付近のシェル４を持った状態のまま、シェル４を硬化コア材６ａから分離させる方向（図中の矢印方向）に移動させる。
そうすると、図５（ｂ）に示すように、シェル４の脆弱部４ａ付近の亀裂４ｂ部分が破断されるとともに、シェル４が硬化コア材６ａから分離されてゆき、ある程度の面積だけ分離された時点でシェル４が破断し、シェル４の破断片４ｄが分離され、シェル４に破断部４ｃが形成される。

【0059】

そして、シェル４に形成された破断部４ｃを起点にして、シェル４に物理的な力を加えることにより、手作業でシェル４の分離を継続して行うことが可能となっている。

【0060】

すなわち、図５（ｃ）に示すように、シェル４の破断部４ｃの部分から、作業者の指２０等でシェル４を硬化コア材６ａから分離させる方向に力を加えると、シェル４が硬化コア材６ａから分離されてゆき、ある程度の面積だけ分離された時点でシェル４が破断し、シェル４の破断片４ｄが分離され、シェル４に次の破断部４ｃが形成される。この操作を繰り返すことによって、シェル４を硬化コア材６ａから順次分離させていくことができ、図５（ｄ）に示すように、硬化コア材６ａからなる立体造形物１が得られる。

【0061】

なお、図５（ｄ）に示す例では、シェル４が全て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、シェル４の一部が残され、この一部のシェル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。
この分離工程は、室温（例えば、２０℃～３０℃）環境下にて実施可能であるが、別の実施条件として、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環境下に所定時間放置した後に実施するようにしてもよい。
また、分離工程後の硬化コア材６ａからなる立体造形物１が所望の寸法形状を有していない場合は、分離工程後に、硬化コア材６ａからなる立体造形物１を所望の寸法形状に加工する工程を設けるようにしてもよい。

【0062】

上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、脆弱部形成工程において、コア材硬化工程よりも前に、脆弱部４ａがシェル４の一部に形成され、コア材硬化工程において、コア材６を硬化させるとともに、脆弱部４ａ付近のシェル４に亀裂４ｂなどの破壊を生じさせることが可能となる。したがって、後の分離工程において、脆弱部４ａ付近に生じたシェル４の破壊部分を起点にして、例えば、手作業によってシェル４の分離を行うことが可能となり、機械加工を施すことなく硬化コア材６ａからシェル４を容易に分離させることができる。

【0063】

また、実施の形態に係る立体造形方法によれば、シェル造形工程が、脆弱部形成工程を含み、シェル４の造形とともに脆弱部４ａを造形するので、シェル造形工程の中で脆弱部形成工程を同時並行で行うことができ、作業効率を高めることができる。

【0064】

また、実施の形態に係る立体造形方法によれば、脆弱部形成工程では、コア材硬化工程においてコア材６の自重による圧力で膨らむ変形に伴うシェル４の変形量が他の部分より大きくなる部分に脆弱部４ａが形成されるので、コア材硬化工程において脆弱部４ａ付近のシェル４に亀裂４ｂなどの破壊を生じさせやすくなる。

【0065】

また、実施の形態に係る立体造形方法によれば、脆弱部４ａが、シェル４の外側面に沿って切り込まれた形状（ノッチ形状）を有し、コア材硬化工程において、コア材６の自重によりシェル４を外側方向に変形させた状態でコア材６を硬化させるので、コア材硬化工程で生じるシェル４の変形によってノッチ形状をした脆弱部４ａの隙間が広がり、脆弱部４ａ付近のシェル４に破壊を生じさせやすくなる。

【0066】

また、実施の形態に係る立体造形方法によれば、分離工程において、コア材硬化工程後の脆弱部４ａ付近に生じたシェル４の破壊部分を起点にしてシェル４を硬化コア材６ａから容易に分離させることができる。

【0067】

なお、上記実施の形態では、シェル造形工程が、脆弱部形成工程を含み、シェル４の造形とともに脆弱部４ａを造形する形態について説明したが、脆弱部形成工程は、この形態に限定されるものではない。
別の実施の形態では、シェル造形工程とコア材充填工程とを終えてからコア材硬化工程を行う前に脆弱部形成工程を行うようにしてもよい。すなわち、コア材硬化工程を行う前のコア材６が充填されたシェル４の一部に脆弱部４ａを形成する加工を行う工程を脆弱部形成工程としてもよい。

【0068】

この場合の脆弱部形成工程では、例えば、カッターなどの工具でシェル４の外側面に沿って切り込まれた形状（例えば、Ｉノッチ形状等）、又は切り欠かれた形状（例えば、Ｖノッチ形状等）をした脆弱部４ａを少なくとも１箇所以上形成する加工を行ってもよい。
この加工により形成される脆弱部４ａもまた、コア材硬化工程においてコア材６の硬化に伴うシェル４の変形量が他の部分より大きくなる部分に形成することが好ましい。

【0069】

係る脆弱部形成工程によれば、コア材６が充填されたシェル４の状態を確認した後に脆弱部４ａを形成する箇所を決めて加工を行うことができ、脆弱部４ａを形成する箇所の選択や変更を行うこともでき、前記加工の自由度を高めることができる。
なお、上記実施の形態に係る立体造形方法では分離工程を含んでいたが、必ずしも分離工程まで一度に行う必要はなく、分離工程は別途（時と場所を変えて）行うようにしてもよい。

【0070】

次に、図６に基づいて、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。なお、図４に示したコア材硬化工程前後の立体造形物の各部と同一機能を有する構成部分には、同一符号を付しその説明を省略する。

【0071】

別の実施の形態に係る立体造形方法が、上記した実施の形態に係る立体造形方法と相違する主な工程は、脆弱形成工程と、コア材硬化工程とである。
別の実施の形態に係る立体造形方法では、上記実施の形態と同様に、シェル造形工程が、脆弱部形成工程を含み、シェル４の造形とともに脆弱部４ｅを造形する工程となっているが、脆弱部形成工程が、コア材硬化工程においてコア材６の硬化収縮に伴うシェル４の変形量が他の部分より大きくなる部分に脆弱部４ｅを形成するように構成されている。

【0072】

また、別の実施の形態に係る立体造形方法では、コア材硬化工程が、コア材６の硬化収縮によりシェル４を内側方向に変形させることにより、脆弱部４ｅ付近のシェル４に破壊を生じさせるように構成されている。
すなわち、別の実施の形態に係る立体造形方法では、熱硬化処理によりコア材６が硬化する際の収縮現象を利用して、コア材６の硬化収縮に伴わせてシェル４を変形させることで、シェル４に形成された脆弱部４ｅに亀裂４ｆ等の破壊を生じさせることを特徴としている。

【0073】

なお、別の実施の形態に係る立体造形方法におけるシェル造形工程では、後のコア材硬化工程でのコア材６の硬化収縮する形態（収縮率等）を考慮して、コア材６が硬化収縮した後のコア部５の形状が所望の形状となるように、シェル４を造形するようにしてもよい。

【0074】

図６（ａ）に示したコア材硬化前の立体造形物では、有底箱形状をしたシェル４の平面視長手方向の１組の内側面の中央部縦方向に沿って平面視Ｉノッチ形状をした脆弱部４ｅが造形されている。

【0075】

なお、脆弱部４ｅのノッチ形状の深さＴ４ｅはシェル４の厚さＴ４より小さく、脆弱部４ｅのシェル厚（厚さＴ４－深さＴ４ｅ）は、コア材硬化工程で生じるコア材６の硬化収縮に伴うシェル４の変形によって脆弱部４ｅ付近に亀裂４ｆ等の破壊箇所を生じさせることができる厚さになるように設定されている。また、シェル４の厚さＴ４は、例えば、コア材硬化工程において、コア材６の自重によってシェル４が外側方向に変形する量が抑えられる厚さに設定されている。

【0076】

なお、脆弱部４ｅは、シェル４の一内側面に複数のノッチ形状を有するように造形されてもよいし、脆弱部４ｅは、シェル４の内側面の縦方向だけでなく、内側面の横方向や斜め方向に形成されてもよいし、シェル４の外側面に形成されてもよい。また、脆弱部４ｅのノッチ形状は、Ｉ型に限定されるものではなく、Ｕ型、Ｖ型、Ｗ型などの形状であってもよい。また、脆弱部４ｅは、ノッチ形状とは異なる形状であってもよい。

【0077】

コア材硬化工程では、図６（ａ）に示すように、コア材６が充填されたシェル４を熱硬化手段１６に投入し、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て、コア部５内のコア材６を硬化させる熱硬化処理を開始する。
そして、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５に硬化コア材６ａが形成される。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が形成されたシェル４）を取り出す。

【0078】

コア材硬化工程が完了した後のシェル４は、脆弱部４ｅが形成されている側面がコア材６の硬化収縮に伴って内側方向に押し込まれた形状に変形し、Ｉノッチ形状をした脆弱部４ｅの隙間が広がり、脆弱部４ｅが形成されている部分のシェル４に亀裂４ｆが入った状態、すなわちシェル４に破壊が生じた状態になっている。

【0079】

次の分離工程では、図５で説明した方法と同様に、脆弱部４ｅ付近に生じたシェル４の破壊部分を起点にして、シェル４の少なくとも一部を硬化コア材６ａから分離する作業を行う。この分離工程によって、硬化コア材６ａを主とする立体造形物を得ることが可能となっている。なお、分離工程後に、硬化コア材６ａからなる立体造形物を所望の寸法形状に加工する工程を設けるようにしてもよい。

【0080】

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の硬化収縮が他の部分より大きくなる部分に脆弱部４ｅを形成し、コア材硬化工程におけるコア材６の硬化収縮によりシェル４を内側方向に変形させることにより、脆弱部４ｅ付近のシェル４に亀裂４ｆ等の破壊を生じさせることができる。そして、脆弱部４ｅ付近に生じたシェル４の破壊部分を起点にしてシェル４を硬化コア材６ａから容易に分離させることができる。

【0081】

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、上記した脆弱部形成工程においてシェル４に形成される脆弱部４ａ、４ｅの形態は、シェル４及びコア部５の形態に応じて、その位置や形状等の変更が適宜可能であり、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。
また、上記した実施の形態に係る立体造形方法では、コア材硬化工程においてコア材６の硬化に伴ってシェル４の少なくとも一部に破壊を生じさせやすくするために、脆弱部形成工程を有していたが、該脆弱部形成工程は必須ではなく、前記脆弱部を形成しなくとも、コア材硬化工程においてコア材６の硬化に伴ってシェル４の少なくとも一部に破壊を生じさせ得る形態も本発明の範囲に包含される。

【0082】

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 シェル
４ａ、４ｅ 脆弱部
４ｂ、４ｆ 亀裂
４ｃ 破断部
４ｄ 破断片
５ コア部
６ コア材
６ａ 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
２０ 指

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】