特開 2024-737 立体造形方法

(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】P2024000737

(43)【公開日】2024-01-09

(54)【発明の名称】立体造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/379 20170101AFI20231226BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20231226BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

B29C64/379

B33Y10/00

B33Y40/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022099603

(22)【出願日】2022-06-21

(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

(72)【発明者】

【氏名】酒井 博史

(72)【発明者】

【氏名】津田 雄一郎

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL55

4F213WW06

(57)【要約】

【課題】硬化したコア材内に気泡が内包されることを防ぎ、立体造形物に対して所望の機械的物性を得ることができる立体造形方法を提供する。
【解決手段】立体造形物の外殻層であるシェル１２５に囲われた部分であるコア部１２６に熱硬化性のコア材１１６を充填するコア材充填工程と、コア部１２６内のコア材１１６の温度がコア材充填工程におけるコア材１１６の温度よりも高く、コア材１１６の熱硬化開始温度よりも低い温度となるよう、少なくともコア部１２６内のコア材１１６を加熱し、所定時間維持させる硬化前温度維持工程と、コア材１１６の温度が熱硬化開始温度よりも高くなるよう、シェル１２５およびコア材１１６を加熱する熱硬化工程と、を有し、コア材１１６を含む立体造形物を形成させる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

立体造形物の外殻層であるシェルに囲われた部分であるコア部に熱硬化性の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の温度が前記コア材充填工程における前記コア材の温度よりも高く、前記コア材の熱硬化開始温度よりも低い温度となるよう、少なくとも前記コア部内の前記コア材を加熱し、所定時間維持させる硬化前温度維持工程と、
前記コア材の温度が前記熱硬化開始温度よりも高くなるよう、前記シェルおよび前記コア材を加熱する熱硬化工程と、
を有し、前記コア材を含む立体造形物を形成させることを特徴とする、立体造形方法。

【請求項2】

前記硬化前温度維持工程と前記熱硬化工程は、同一の加熱手段によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の立体造形方法。

【請求項3】

前記硬化前温度維持工程は、減圧環境下で行われることを特徴とする、請求項１に記載の立体造形方法。

【請求項4】

前記コア材は、熱硬化性の樹脂材料に強化材が分散した形態を有することを特徴とする、請求項１に記載の立体造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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形成させる立体造形方法に関する。

【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形成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プリンタで形成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プリンタが注目されている。特に、下記特許文献１に開示されている立体造形方法では、造形槽内で複数回のシェル層の造形とコア材の充填が繰り返された後、活性エネルギー線の照射または熱エネルギーの付与によりコア材を一括して硬化させることにより、コア材により形成される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造形物を造形することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１３６９２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記の立体造形方法では、完成した立体造形物は想定通りの機械的物性が得られないおそれがあった。具体的には、シェル層内にコア材を充填した後、コア材を硬化する過程においてコア材内に気泡が生じる可能性がある。硬化したコア材内にその気泡が内包されたままになるとそれがボイドと呼ばれる欠陥となり、ボイドが無い場合と比較して立体造形物の機械的物性が低下するというおそれがあった。

【0006】

本願発明は、上記問題点を鑑み、硬化したコア材内に気泡が内包されることを防ぎ、立体造形物に対して所望の機械的物性を得ることができる立体造形方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために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に囲われた部分であるコア部に熱硬化性の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の温度が前記コア材充填工程における前記コア材の温度よりも高く、前記コア材の熱硬化開始温度よりも低い温度となるよう、少なくとも前記コア部内の前記コア材を加熱し、所定時間維持させる硬化前温度維持工程と、前記コア材の温度が前記熱硬化開始温度よりも高くなるよう、前記シェルおよび前記コア材を加熱する熱硬化工程と、を有し、前記コア材を含む立体造形物を形成させることを特徴としている。

【0008】

この立体造形方法により、硬化前温度維持工程においてコア材が硬化する前にしっかりと気泡を発生させて気泡をコア材から押し出すことにより、その後に硬化したコア材に気泡が内包されることを防ぐことができる。

【0009】

また、前記硬化前温度維持工程と前記熱硬化工程は、同一の加熱手段によって行われると良い。

【0010】

こうすることにより、簡単な工程で立体造形物を形成させることができる。

【0011】

また、前記硬化前温度維持工程は、減圧環境下で行われると良い。

【0012】

こうすることにより、硬化前温度維持工程における気泡の発生が活発化し、硬化したコア材への気泡の内包をさらに防ぐことができる。

【0013】

また、前記コア材は、熱硬化性の樹脂材料に強化材が分散した形態を有すると良い。

【0014】

このようなコア材に対しても、本発明の立体造形方法を適用することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の立体造形方法により、硬化したコア材内に気泡が内包されることを防ぎ、立体造形物に対して所望の機械的物性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の立体造形方法を実施するための立体造形装置を説明する図である。

【図2】本発明の一実施形態における立体造形方法を説明する図である。

【図3】本発明の一実施形態における立体造形方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の立体造形方法のうち、シェルにコア材を充填するための立体造形装置について、図１を参照して説明する。

【0018】

複合材３Ｄプリンタである立体造形装置１００は、紫外線硬化樹脂であるシェル材１２１が貯留されている造形槽１１１、レーザ光学系１１２、コア材供給系１１３を主たる構成要素とする。

【0019】

造形槽１１１中には液相材料であるシェル材１２１が貯留されており、図示しないシェル材調整系により、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１２１としてはエポキシ系、アクリル系など公知のものが使用可能である。造形槽１１１中には造形台１２８が設けられている。造形台１２８は立体造形物１０１を支持するためのもので、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かつ設置可能となっている。

【0020】

レーザ光学系１１２は紫外線レーザ光源１１４、走査光学系１１５とからなり、紫外線レーザ光源１１４から出射される紫外線レーザ光１３０は走査光学系１１５によりシェル材１２１の液面上（すなわちＸＹ平面）の所定範囲を走査することが可能となっている。

【0021】

シェル材１２１は紫外線レーザ光１３０の照射により、図１にて硬化済み紫外線硬化樹脂１２３で示すように液面から所定の深さだけ硬化する。この硬化深さは０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度が一般的である。もちろん紫外線レーザ光源１１４の出力を調整することによりこの硬化深さを調整することが可能である。

【0022】

造形台１２８上面をシェル材１２１の液面からこの硬化深さ程度まで沈めた深さに位置させ、シェル材１２１の液面の任意の位置へ紫外線レーザ光１３０を照射することにより、造形台１２８上に任意の面積の硬化済み紫外線硬化樹脂１２３が形成される。

【0023】

造形台１２８上に硬化済み紫外線硬化樹脂１２３が形成された後、硬化深さ分だけ造形台１２８を下降させ、その後シェル材１２１の液面の任意の位置へ紫外線レーザ光１３０を照射することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂１２３上に硬化済み紫外線硬化樹脂１２３が積層される。

【0024】

そして、造形台１２８の下降とシェル材１２１液面への紫外線レーザ光１３０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１２３の積層が進行し、三次元形状の硬化済み紫外線硬化樹脂１２３を得ることができる。本発明では、このようにして造形された造形物をシェル１２５と呼ぶ。このシェル１２５は中空形状を有するコア材１１６を充填するための外殻層であり、シェル１２５で囲われた部分のうち底面を有する部分をコア部１２６と呼ぶ。

【0025】

コア材供給系１１３は液相材料であるコア材１１６をその内部に貯留するコア材タンク１１７中から、ポンプ１１９で配管系１１８ｂ、１１８ａを順に介してコア材１１６を送液、供給し、ノズル１２０の先端から吐出する。ノズル１２０は図示しない移動機構により、図中ＸＹＺ軸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１１８ａはノズル１２０の移動に追随するようフレキシブルな構成及び材料となっている。

【0026】

コア材１１６は熱硬化性樹脂中に炭素繊維などの強化材が均一に分散されたもので、シェル材１２１同様エポキシ系、アクリル系など公知の熱硬化樹脂が使用可能である。また、液相材料であるコア材１１６およびシェル材１２１は気体である空気よりも密度が大きく、また、コア材１１６の比重はシェル材１２１の比重よりも大きい。本実施形態ではコア材１１６、シェル材１２１の比重の比は、およそ１．２５：１．１である。

【0027】

シェル１２５が有するコア部１２６へコア材１１６を充填し、コア部１２６に充填された状態のコア材１１６へ熱エネルギーを付与することにより、コア材１１６は熱硬化する。熱硬化したコア材１１６およびそれを囲うシェル１２５が本説明における立体造形物であり、所望の形状を有するコア部１２６に充填してから熱硬化させることにより、所望の形状の立体造形物を得ることができる。また、本方法によるとコア材１１６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できる。

【0028】

次に、本発明の一実施形態における立体造形方法について、図２、３を用いて説明する。

【0029】

本発明の立体造形方法では、最初に、立体造形装置１００によってシェル１２５の造形およびコア材１１６の充填が行われる。

【0030】

具体的には、まず、ノズル１２０が紫外線レーザ光１３０の照射範囲から退避した状態において、造形台１２８上のシェル材１２１の液面の任意の位置への紫外線レーザ光１３０の照射、および硬化深さ分の造形台１２８の下降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１２６を有するシェル１２５が形成される。ここで、本説明では、このようにシェル１２５を造形する工程をシェル造形工程と呼ぶ。

【0031】

次に、図２（ｂ）に示すようにシェル１２５内に形成されたコア部１２６内へノズル１２０が移動し、ノズル１２０からコア部１２６へコア材１１６が吐出されることにより、コア材１１６の充填が進行する。ここで、本説明では、シェル１２５に囲われた部分であるコア部１２６へコア材１１６を充填する工程をコア材充填工程と呼ぶ。

【0032】

ここで、本実施形態では、コア材充填工程はシェル１２５が造形槽１１１内のシェル材１２１に浸漬した状態で実施され、コア材１１６の充填前には図２（ａ）に示すようにコア部１２６にはシェル材１２１が存在する。そして、シェル材１２１より比重が大きいコア材１１６が充填されていくにしたがって、シェル材１２１は押し上げられ、図２（ｂ）に示すように、シェル１２５の上部に設けられた開口を経てコア部１２６からシェル１２５の外部へシェル材１２１が押し出される。すなわち、シェル材１２１からコア材１１６への置換が行われる。

【0033】

なお、上記のシェル造形工程およびコア材充填工程は交互に複数回ずつ実施されても構わない。すなわち、所定の高さまでシェル１２５を造形し、そのシェル１２５によって形成されるコア部１２６にコア材１１６を充填した後、さらにシェル１２５を増築し、そして増築されたシェル１２５によって形成されるコア部１２６にコア材１１６を充填する、という工程を繰り返し実施しても良い。このようにすることで、コア部１２６が複雑な形状を有する場合にも段階的にコア材１１６を充填することによってコア部１２６の隅々までコア材１１６を充填することができる。

【0034】

また、本説明では、コア材充填工程においてコア材１１６を充填するときのコア材１１６の温度を第１の温度Ｔ１と呼び、この第１の温度Ｔ１後述の第２の温度Ｔ２よりも低い。本実施形態では、第１の温度Ｔ１は室温（２０℃～３０℃）であり、コア材充填工程の際にコア材１１６の加熱、冷却を不要とすることによって工程を簡素化しているが、これに限らず、コア材１１６に加熱もしくは冷却を加えてからコア材充填工程を実施しても良い。

【0035】

コア材充填工程が完了した後、コア材１１６が充填されたシェル１２５が立体造形装置１００の造形台１２８から取り外され、図３（ａ）に示す加熱手段１４０に投入される。本実施形態では、加熱手段１４０は加熱対象（本実施形態ではシェル１２５およびコア材１１６）を密閉可能なチャンバを有する加熱炉である。

【0036】

次に、加熱手段１４０内にシェル１２５およびコア材１１６を載置した状態において加熱手段１４０内が加熱されることにより、図３（ａ）に示す通りコア材１１６の温度が第１の温度Ｔ１より高くコア材１１６の硬化開始温度よりも低い第２の温度Ｔ２となるよう、コア材１１６およびシェル１２５が加熱される。そして、コア材１１６の温度が第２の温度Ｔ２である状態が所定時間（本実施形態では、数分～２時間程度）維持される。このように少なくともコア材１１６の温度を第２の温度Ｔ２まで加熱して所定時間維持する工程を、本説明では硬化前温度維持工程と呼ぶ。

【0037】

一般的に液状材料は、ヘンリーの法則に従い、温度が高くなるほど気体の溶解度は低くなる傾向がある。この傾向は、コア材１１６を形成する樹脂材料であっても同様であり、硬化前温度維持工程では、コア材１１６の温度を第１の温度Ｔ１より高い第２の温度Ｔ２とすることによって、上記コア材充填工程時のコア材１１６よりも空気の溶解度が低くなり、この温度条件でコア材１１６に溶けきれなくなった空気が気泡１４１となって現れる。

【0038】

ここで、前述の通りコア材１１６は空気より密度が大きいため、図３（ａ）に矢印で示すようにコア材１１６内に現れた気泡１４１はコア材１１６内を上方へ移動する。そして、気泡１４１がシェル１２５の上面の開口部におけるコア材１１６の液面に達した際に、気泡１４１を形成していた空気はこの液面から加熱手段１４０内へ放出される。したがって、この硬化前温度維持工程が実施されることにより、コア材１１６に内包されていた空気を追い出すことができる。

【0039】

また、前述のコア材充填工程においてコア材１１６をコア部１２６に充填している際にコア材１１６が空気を噛み込む可能性もあるため、コア材充填工程の前にあらかじめ空気を除去する工程が行われてからコア材１１６が充填されてその後硬化前温度維持工程は行われない場合と比べ、このように噛み込んだ空気も追い出すことができる。そして、本発明ではコア部１２６にコア材１１６を充填した後、コア材１１６を移し替える工程は有していないため、硬化前温度維持工程以降コア材１１６が空気を噛み込むことは無い。

【0040】

特に、本実施形態では造形槽１１１内でシェル材１２１からシェル１２５を造形し、造形槽１１１内でシェル１２５のコア部１２６にコア材１１６を充填している。このシェル材１２１が温度上昇により増粘するなど状態が変化する可能性があるものである場合、仮にコア材１１６が空気の除去を目的にコア部１２６への充填前に加熱されていたとすると、コア部１２６への充填時に高温のコア材１１６が造形槽１１１内のシェル材１２１に悪影響を及ぼしかねない。その場合には、本実施形態のように、コア部１２６へコア材１１６が充填され、シェル１２５およびコア材１１６が造形槽１１１から取り出された後に硬化前温度維持工程によってコア材１１６の加熱が行われることがより好ましい。

【0041】

ここで、コア材１１６の粘度が低いほどコア材１１６内で生じた気泡１４１は上方へ移動しやすくなるため、第２の温度Ｔ２におけるコア材１１６の粘度が第１の温度Ｔ１におけるコア材１１６の粘度より低くなっていることが好ましい。また、コア材１１６の粘度が低くなることにより、仮にコア材１１６内にシェル材１２１が閉じ込められていたとしても、そのシェル材１２１も上方に追い出すことができる。

【0042】

また、本実施形態では加熱手段１４０は減圧手段も兼ねている。この減圧手段としての動作によって加熱手段１４０内が減圧され、減圧環境下において硬化前温度維持工程が実施されることにより、減圧しない場合よりさらにコア材１１６における空気の溶解度を低くすることができるため、気泡１４１の発生が活発化するのと同時に、第２の温度Ｔ２を比較的低く設定することもできる。

【0043】

なお、硬化前温度維持工程の最中に、熱硬化樹脂からなるコア材１１６の熱硬化が開始するのは好ましくない。そのため、誤ってコア材１１６の熱硬化が開始することを防ぐために、硬化前温度維持工程における第２の温度Ｔ２はコア材１１６の硬化開始温度よりも２０℃以上低いことが好ましい。また、硬化前温度維持工程において温度差による溶解度の差を利用して積極的に気泡１４１を生じさせるために、第２の温度Ｔ２は第１の温度Ｔ１より１０℃以上高いことが好ましい。

【0044】

上記の通り硬化前温度維持工程が実施された後、次に加熱手段１４０内がさらに加熱され、図３（ｂ）に示すようにコア材１１６の硬化開始温度よりも高い第３の温度Ｔ３となるよう、コア材１１６およびシェル１２５が加熱される。このようにコア材１１６の温度が硬化開始温度よりも高くなることにより、コア材１１６の硬化が開始し、所定時間（本実施形態では８時間～１０時間程度）経過するとコア材１１６全体の硬化が完了し、この時点をもって立体造形物の作製が完了する。本説明ではこの硬化したコア材１１６とそれを囲うシェルとを合わせて立体造形物１０１と呼び、コア材１１６を熱硬化させて立体造形物１０１を作製する工程を、本説明では熱硬化工程と呼ぶ。

【0045】

ここで本発明では、前述の通り、コア材充填工程と熱硬化工程との間に硬化前温度維持工程が実施されるため、硬化前温度維持工程にて気泡１４１が発生する分、熱硬化工程において気泡が生じる可能性は低くなる。そのため、熱硬化したコア材１１６内に気泡が内包されることを防ぐことができる。その結果、所望の機械的物性を有する立体造形物を得ることができる。

【0046】

一方、この熱硬化工程において、仮にコア材１１６が従来の通り室温（第１の温度Ｔ１）から硬化開始温度を超える第３の温度Ｔ３まで一気に加熱されていた場合、第１の温度Ｔ１における空気の溶解度と第３の温度Ｔ３における溶解度の差に相当する空気の量による気泡がこの熱硬化工程において一気に発生することになる。この気泡は上方に移動する傾向を見せるが、コア材１１６の液面に達する前に気泡の周囲のコア材１１６が硬化してしまうと、その気泡はコア材１１６に取り残され、ボイドを形成することになり、立体造形物の機械的物性の低下が生じてしまう。本発明は、それを防ぐことができる。

【0047】

なお、本実施形態では、硬化前温度維持工程と熱硬化工程とが同一の加熱手段１４０で行われている。そのため、コア材１１６の温度を下げることなく、また、シェル１２５およびコア材１１６を移動させること無く硬化前温度維持工程から熱硬化工程に移行できるため、硬化前温度維持工程と熱硬化工程との間でコア材１１６への新たな空気の混入を防ぐことができる。また、立体造形物を得るために必要な設備の個数を削減することができるため、立体造形方法を簡素化することができる。

【0048】

以上の立体造形方法により、硬化したコア材内に気泡が内包されることを防ぎ、立体造形物に対して所望の機械的物性を得ることが可能である。

【0049】

ここで、本発明の立体造形方法は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、上記の説明では、硬化前温度維持工程と熱硬化工程とが同一の加熱手段で実施されているが、それに限らず、別の装置にてそれぞれの工程が実施されていても構わない。具体的には、硬化前温度維持工程は図２（ｂ）に示した造形槽１１１を加熱する形態であって造形槽１１１、シェル材１２１、およびシェル１２５と一緒にコア材１１６を加熱するものでも構わない。

【0050】

また、上記の説明では、熱硬化したコア材１１６とそれを囲うシェル１２５とを合わせて立体造形物と呼んでいるが、熱硬化したコア材１１６のみを立体造形物と呼び、コア材１１６の熱硬化後にシェル１２５が破壊されるものであっても良い。

【符号の説明】

【0051】

１００ 立体造形装置
１０１ 立体造形物
１１１ 造形槽
１１２ レーザ光学系
１１３ コア材供給系
１１４ 紫外線レーザ光源
１１５ 走査光学系
１１６ コア材
１１７ コア材タンク
１１８ａ 配管系
１１８ｂ 配管系
１１９ ポンプ
１２０ ノズル
１２１ シェル材
１２３ 硬化済み紫外線硬化樹脂
１２５ シェル
１２６ コア部
１２８ 造形台
１３０ 紫外線レーザ光
１４０ 加熱手段
１４１ 気泡

【図1】

【図2】

【図3】