特開 2024-117651 立体造形方法、立体造形物の製造方法、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】P2024117651

(43)【公開日】2024-08-29

(54)【発明の名称】立体造形方法、立体造形物の製造方法、及び立体造形物

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/135 20170101AFI20240822BHJP

   B29C 64/379 20170101ALI20240822BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240822BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

B29C64/135

B29C64/379

B33Y10/00

B33Y80/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023023863

(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

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、コア材を硬化させる工程で、コア材から生じるガスによる成形不良を防止でき、かつシェルの変形を抑制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、コア部に充填されたコア材の上面にシェル材の未硬化領域を残すようにしてコア部の開口を封止するコア部封止工程を含み、コア部封止工程の後にコア材硬化工程を行う。
【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、
前記コア部に充填された前記コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を残すようにして前記コア部の開口を封止するコア部封止工程を含み、
該コア部封止工程の後に前記コア材硬化工程を行うことを特徴とする立体造形方法。

【請求項2】

前記コア部封止工程が、
前記シェル材の未硬化領域の上層部のみを硬化させることにより前記コア部の開口を封止す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】

前記シェル材が、活性エネルギー線の照射により硬化する樹脂を含み、
前記コア部封止工程では、前記シェル材の未硬化領域の上面に前記活性エネルギー線を照射して前記シェル材の未硬化領域の前記上層部のみを硬化させ、
前記コア材が、熱硬化性樹脂を含み、
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して前記コア材を熱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】

前記シェル材の未硬化領域の大きさが、前記コア部に充填される前記コア材の量に応じて調整されることを特徴とする請求項１～３のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項5】

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、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備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれかの項に記載の立体造形方法。

【請求項6】

請求項５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。

【請求項7】

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、
前記シェルがシェル材を硬化させたものであり、
前記硬化コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を有し、
前記コア部の開口が封止されていることを特徴とする立体造形物。

【請求項8】

前記コア部の開口が前記シェルで封止されていることを特徴とする請求項７記載の立体造形物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は立体造形方法、立体造形物の製造方法、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、立体造形物の製造方法、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、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した場合、前記コア材を硬化させる工程における熱エネルギー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６、７を用いて説明する。
図６、７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６（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７（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６、７に示した例では、コア材硬化前のシェル４０は、上方に開口する有底箱形状を有し、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、コア材６０の上面に液相材料であるシェル材２が未硬化の状態で残存している。
図６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、硬化コア材６０ａはコア材６０がほとんど歪みなく硬化された形態となっている。

【0011】

一方、図７に示すように、シェル４０の厚さが薄い場合は、図７（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７（ｄ）の断面図に示すように、シェル４０の上部が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は歪んだ形態となっている。
このようにシェル４０の厚さを薄くすると、コア材６０を熱硬化させる工程において、熱によってシェル４０が軟化し、硬化前のコア材６０の自重がシェル４０に加わって、シェル４０及びコア部５０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の変形を抑制するための方法の一例として、図８に示す次の方法が考えられる。
図８（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、コア材６０の上面部分に残存する未硬化のシェル材２に活性エネルギー線を照射する。そして、図８（ｂ）に示すように、未硬化のシェル材２を全て硬化させて、コア材６０の上面をシェル４０で封止する。その後、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８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内に内在、溶存しているガス（気体）がコア材６０から気泡となって発生した場合に、図８（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が残ったままの状態でコア材６０が硬化されると、硬化コア材６０ａの上面に空隙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、コア材を硬化させる工程で、コア材から生じるガスによるコア材の成形不良を防止でき、かつコア部の変形を抑制することができる立体造形方法、立体造形物の製造方法、及び立体造形物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、
前記コア部に充填された前記コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を残すようにして前記コア部の開口を封止するコア部封止工程を含み、
該コア部封止工程の後に前記コア材硬化工程を行うことを特徴としている。

【0017】

上記立体造形方法（１）によれば、前記コア部封止工程により、前記コア部に充填された前記コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を残すようにして前記コア部の開口が封止され、前記コア部封止工程の後に前記コア材硬化工程が行われる。
したがって、前記コア材硬化工程において、前記コア材からガスが発生した場合に、前記ガスが前記コア材の上面に液相状態で存在する前記シェル材の未硬化領域に排除されることとなり、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を防止することができる。また、前記コア部の開口が封止された状態で前記コア材硬化工程が行われるので、前記コア材硬化工程での前記コア部の変形も抑制することができる。

【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、
前記コア部封止工程が、
前記シェル材の未硬化領域の上層部のみを硬化させることにより前記コア部の開口を封止す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、前記コア部封止工程において、前記コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を残しつつ、前記シェル材の未硬化領域の上層部のみを硬化させることにより前記コア部の開口を封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（２）において、
前記シェル材が、活性エネルギー線の照射により硬化する樹脂を含み、
前記コア部封止工程では、前記シェル材の未硬化領域の上面に前記活性エネルギー線を照射して前記シェル材の未硬化領域の前記上層部のみを硬化させ、
前記コア材が、熱硬化性樹脂を含み、
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して前記コア材を熱硬化させ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、前記コア部封止工程において、前記シェル材の未硬化領域の上面に前記活性エネルギー線を照射して前記シェル材の未硬化領域の上層部のみを硬化させるので、前記コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を残しつつ前記コア部の開口を封止する工程を効率良く行うことができる。
また、前記コア材が熱硬化性樹脂を含んで構成されているので、前記コア材充填工程を常温、常圧環境下で容易に行うことができ、また、前記コア材硬化工程において、前記コア材から発生するガスを前記シェル材の未硬化領域に排除しつつ、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。

【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）～（３）のいずれかにおいて、
前記シェル材の未硬化領域の大きさが、前記コア部に充填される前記コア材の量に応じて調整され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、前記コア部に充填される前記コア材の量の増加に応じて、前記コア材硬化工程において前記コア材から発生する前記ガスの量が増加する場合であっても、前記コア部に充填される前記コア材の量の増加に応じて、前記シェル材の未硬化領域の大きさ（体積）を大きくする調整を行うことにより、前記コア材硬化工程において発生する前記ガスを前記シェル材の未硬化領域に、より確実に排除することができる。

【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）～（４）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、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備えてい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の後に前記分離工程を備えているので、前記ガスによる空隙状の欠陥などの成形不良がなく、かつ変形が抑制された、硬化後の前記コア材を主とする立体造形物を得ることができる。

【0026】

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（５）を用いて立体造形物を製造することを特徴としている。

【0027】

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（５）により得られる効果を奏することとなり、硬化後の前記コア材を主とする立体造形物の寸法形状の精度を向上させることできる。

【0028】

また本発明に係る立体造形物（１）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、
前記シェルがシェル材を硬化させたものであり、
前記硬化コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を有し、
前記コア部の開口が封止されていることを特徴としている。
また本発明に係る立体造形物（２）は、上記立体造形物（１）において、前記コア部の開口が前記シェルで封止されていることを特徴としている。

【0029】

上記立体造形物（１）によれば、前記硬化コア材の上面に前記シェル材の未硬化領域を有し、前記コア部の開口が封止されている。また上記立体造形物（２）によれば、前記コア部の開口が前記シェルで封止されている。上記立体造形物（１）、（２）によれば前記硬化コア材の上面に未硬化の前記シェル材が閉じ込められた形態を有しているので、前記硬化コア材の成形不良が少なく、前記コア部の変形が抑えられた造形物を提供することができる。

【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システム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部封止工程の一例を説明するための図であり、（ａ）はコア部封止前、（ｂ）はコア部封止後の立体造形物の状態を示す断面図である。

【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）はコア材硬化後の立体造形物の状態を示す断面図である。

【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）はシェル分離後の状態を示す断面図である。

【図6】コアシェル方式において、従来のコア材を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7】コアシェル方式において、従来のコア材を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8】（ａ）～（ｃ）は、コア材を硬化する工程においてコア部の変形を抑制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】

【0031】

以下、本発明に係る立体造形方法、立体造形物の製造方法、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システムの構成例について説明する。
立体造形システム１００は、立体造形装置１０と、紫外線照射装置２０と、熱硬化手段３０とを含んで構成されている。
立体造形装置１０は、シェル造形工程及びコア材充填工程で使用されるものであり、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。

【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。なお、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。

【0040】

紫外線照射装置２０は、コア部封止工程で使用されるものであり、活性エネルギー線の一つである紫外線を照射する１以上の紫外線照射器２１を含んで構成されている。ここでの紫外線照射対象は、造形槽１１から取り出された、コア部５にコア材６が充填され、かつコア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａが存在している状態のシェル４（図３（ａ）参照）である。

【0041】

紫外線照射装置２０は、例えば、シェル４の開口部分、すなわちコア部５の上面全体に紫外線を照射可能な機能を備えている。紫外線照射器２１は、紫外線の出力（強度）と照射時間とを調整することにより、シェル４のコア部５に充填されたコア材６の上面に存在するシェル材２の未硬化領域２ａの上面から所定の深さ（例えば、１～２ｍｍ程度）だけ硬化させることが可能となっている。

【0042】

熱硬化手段３０は、コア部封止工程後の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、紫外線照射装置２０で処理された後のシェル４（図４（ａ）参照）である。熱硬化手段３０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であり、コア材６を一括して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（ｂ）参照）と呼ぶ。

【0043】

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、コア部封止工程と、コア材硬化工程と、分離工程とを含んでいる。なお、分離工程は、必須ではなく、必要に応じて実施すればよい。

【0044】

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の造形工程、及び造形されたシェル４内へのコア材６の充填工程が行われる。
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。

【0045】

図２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。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～３ｍｍ程度となるように薄く造形することが好ましい。

【0046】

シェル造形工程を終えると、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、コア部５の開口からシェル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（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。

【0049】

そして、コア部５に充填されたコア材６の上面にシェル材２が残存している状態、すなわち、図２（ｂ）に示すように、シェル材２の未硬化領域２ａからなる層が形成されている状態で、コア材充填工程を終える。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℃）環境下にて実施可能となっている。

【0050】

また、シェル材２の未硬化領域２ａの大きさ（体積）は、コア部５に充填されるコア材６の量に応じて調整される。例えば、コア部５に充填されるコア材６の量が多くなるにつれて、コア材硬化工程時にコア材６から発生するガスの量が増える傾向がある。そのため、コア材６から発生したガスがシェル材２の未硬化領域２ａに確実に排除できるようにするために、コア部５に充填されるコア材６の量が多くなるにつれて、シェル材２の未硬化領域２ａの大きさ（体積）も大きくなるように調整される。したがって、シェル４によって形成されるコア部５は、充填されるコア材６の量と、コア材６から発生するガスを排除するために必要となるシェル材２の未硬化領域２ａの大きさとが考慮された形状となっている。

【0051】

そして、シェル造形工程とコア材充填工程とが完了すると、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が充填されたシェル４を造形台１５から取り外し、次のコア部封止工程に進む。

【0052】

コア部封止工程は、コア部５に充填されたコア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａを残すようにしてコア部５の開口を封止する工程である。
本実施の形態では、図３（ａ）に示すように、造形台１５から取り出したシェル４を紫外線照射装置２０の紫外線照射器２１の下に設置する。造形台１５から取り出したシェル４は、コア部５にコア材６が充填され、コア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａからなる層を備えている。

【0053】

そして、紫外線照射器２１を用いてシェル材２の未硬化領域２ａの上面に紫外線を照射して、図３（ｂ）に示すように、シェル材２の未硬化領域２ａの上層部２ｂのみを硬化させて封止部４ａを形成する。硬化させる上層部２ｂの深さは、紫外線照射器２１の紫外線の出力（強度）と照射時間とを調整することにより調整可能となっており、例えば、１ｍｍ～２ｍｍ程度の深さに調整可能となっている。

【0054】

紫外線照射装置２０を用いてシェル材２の未硬化領域２ａの上層部２ｂのみを硬化させることにより、コア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａを残した状態でコア部５の開口を封止する封止部４ａを形成することが可能となっている。
そして、コア部封止工程が完了すると、封止部４ａが形成された状態のシェル４を紫外線照射装置２０から取り出し、次のコア材硬化工程に進む。

【0055】

コア材硬化工程では、図４（ａ）に示すように、コア部５内のコア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａを有し、かつ未硬化領域２ａの上面に封止部４ａが形成された状態のシェル４を熱硬化手段３０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、シェル４を熱硬化手段３０内に載置し、熱硬化手段３０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の硬化が開始、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。

【0056】

コア材硬化工程では、液相材料であるコア材６が加熱により硬化していく際に、コア材６中に内在、溶存しているガスが気泡６ｂとなって生じることがある。
本実施の形態では、熱硬化手段３０に投入されるシェル４がコア部５内のコア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａを有しているので、コア材６中に気泡６ｂが発生したとしても、コア材６中の気泡６ｂがコア材６からシェル材２の未硬化領域２ａ内に移動（上昇）し、未硬化領域２ａと封止部４ａとの境界部分に溜まるようになっている。すなわち、コア材６から気泡６ｂが排除されるようになっている。

【0057】

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、シェル材２の未硬化領域２ａの上面に、シェル４と一体化された封止部４ａが形成されているので、封止部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。

【0058】

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を含む材料を使用し、コア材硬化工程では、熱エネルギーを付与することにより、コア材６を熱硬化させることが好ましい。

【0059】

コア材硬化工程が完了した後、熱硬化手段３０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。

【0060】

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、例えば、切削工具などの工具３１を用いて、不要となる封止部４ａやシェル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。

【0061】

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、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。

【0062】

上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、図３に例示したコア部封止工程において、コア部５に充填されたコア材６の上面にシェル材２の未硬化領域２ａを残すように封止部４ａが形成され、封止部４ａによりコア部５の開口が封止される。そして、コア部封止工程の後に図４に例示したコア材硬化工程が行われる。
したがって、コア材硬化工程において、加熱されたコア材６からガスが発生した場合に、発生したガスがシェル材２の未硬化領域２ａに気泡６ｂとなって排除されることとなり、硬化コア材６ａに気泡６ｂによる空隙状の欠陥などの成形不良が発生する現象を防止することができる。

【0063】

また、熱硬化手段３０を用いたコア材硬化工程では、コア部５の開口が封止部４ａで封止された状態で加熱が行われる。そのため、熱硬化手段３０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封止部４ａによって抑えることができる。すなわち、封止部４ａがシェル４の変形を抑制する作用を示し、コア材硬化工程でのコア部５の変形も抑制することができる。

【0064】

また上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア部封止工程において、コア部５内のシェル材２の未硬化領域２ａの上面に紫外線を照射して未硬化領域２ａの上層部２ｂのみを硬化させるので、コア部５内のコア材６の上面に未硬化領域２ａを残しつつその上面に封止部４ａを形成する工程を効率良く行うことができる。
また、コア材６が熱硬化性樹脂を含んで構成されているので、図２に例示したコア材充填工程を常温、常圧環境下で容易に行うことができ、また、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。

【0065】

また上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア部５内のシェル材２の未硬化領域２ａの大きさ（体積）が、コア部５に充填されるコア材６の量に応じて調整されるので、コア材硬化工程においてコア材６から発生するガスをシェル材２の未硬化領域２ａに、より確実に排除することができる。

【0066】

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分離工程を備えているので、コア材６から生じるガスによる空隙状の欠陥などの成形不良がなく、かつ変形が抑制された、硬化コア材６ａを主とする立体造形物１を得ることができる。
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、硬化コア材６ａを主とする立体造形物１の寸法形状の精度を向上させることができ、また、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１を造形することが可能となる。

【0067】

なお、上記した実施の形態に係る立体造形方法におけるコア部封止工程は、紫外線照射装置２０で実施されているが、別の実施の形態では、例えば、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の上方に紫外線照射器２１を配置させて、紫外線照射器２１からシェル４の上面に向けて紫外線を照射して、封止部４ａを形成する方法を採用してもよい。

【0068】

また、上記した実施の形態に係る立体造形方法では、コア部封止工程において、シェル材２の未硬化領域の上層部のみを硬化させることによりコア部５の開口を封止するようになっているが、別の実施の形態では、コア部封止工程において、別途用意していた蓋部材をコア部５の開口に被せることによりコア部５の開口を封止するようにしてもよい。

【0069】

また、別の実施の形態では、コア材硬化工程が完了した後、分離工程は行わずに、熱硬化手段３０内から取り出したシェル４、すなわち、硬化コア材６ａの上面にシェル材２の未硬化領域２ａを有し、コア部５の開口が封止されているシェル４を立体造形物として取り扱ってもよい。

【0070】

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、シェル造形工程、コア材充填工程、コア部封止工程、コア部硬化工程、及び分離工程の各工程は、造形物の形状等に応じて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。

【0071】

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】

【0072】

１ 立体造形物
２ シェル材
２ａ 未硬化領域
２ｂ 上層部
３ 硬化済み紫外線硬化樹脂層
４、４０ シェル
４ａ 封止部
５、５０ コア部
６、６０ コア材
６ａ、６０ａ 硬化コア材
６ｂ、６０ｂ 空隙
１００ 立体造形システム
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
２０ 紫外線照射装置
２１ 紫外線照射器
３０ 熱硬化手段
３１ 工具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】