(57)【要約】  本発明に係る造形物は、粉体焼結材料である第１材料と前記第１材料とは異なる第２材料を組み合せた複合材料を含み、前記複合材料中、前記第１材料と前記第２材料とが互いに交差する３方向の相対的な移動を制限し合うことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体焼結材料である第１材料と前記第１材料とは異なる第２材料を組み合せた複合材料を含み、
前記複合材料中、前記第１材料と前記第２材料とが互いに交差する３方向の相対的な移動を制限し合う
ことを特徴とする造形物。
【請求項２】
第１層及び第２層を備え、
前記第１材料で形成された部分を第１材料部分とし、前記第２材料で形成された部分を第２材料部分とした場合、
前記第１層は、前記第１材料部分及び前記第２材料部分が第１方向において交互に配列された部分を含み、
前記第２層は、前記第１材料部分及び前記第２材料部分が前記第１方向と交差する第２方向において交互に配列された部分を含み、且つ、前記第１層の前記第１材料部分が前記第２層の前記第１材料部分と接合すると共に、前記第１層の前記第２材料部分が前記第２層の前記第２材料部分と接合する
ことを特徴とする請求項１記載の造形物。
【請求項３】
前記第１層は、前記第１材料部分及び前記第２材料部分が前記第１方向と交差する第３方向に沿って延伸する部分を含む
ことを特徴とする請求項２記載の造形物。
【請求項４】
前記第２層は、前記第１材料部分及び前記第２材料部分が前記第２方向と交差する第４方向に沿って延伸する部分を含む
ことを特徴とする請求項２又は３記載の造形物。
【請求項５】
前記第１層の前記第１材料と前記第２材料との配合比は、前記第２層の前記第１材料と前記第２材料との配合比と異なる
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の造形物。
【請求項６】
前記第１材料と前記第２材料との配合比が、所定の方向で段階的に変化する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載の造形物。
【請求項７】
前記第１材料は、セラミック、粉体焼結金属、又は粉体焼結樹脂である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の造形物。
【請求項８】
前記第２材料は、所定温度で流動する性質を持つ金属又は熱可塑性樹脂である
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の造形物。
【請求項９】
前記第２材料は、冷却又は硬化処理によって硬化する材料である
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の造形物。
【請求項１０】
粉体焼結材料である第１材料と前記第１材料とは異なる第２材料を組み合せた複合材料を含む造形物の製造方法であって、
前記第１材料で形成された部分を第１材料部分とし、前記第２材料で形成された部分を第２材料部分とした場合、
前記第１材料部分が第１方向において隙間を空けて配列された部分を含む第１層と、前記第１材料部分が前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列された第２層とを積層させ、前記第１層の前記第１材料部分と前記第２層の前記第１材料部分が接合された第１構造体を形成し、
前記第１構造体の隙間に対して前記第２材料を充填した後、前記第２材料を硬化させて前記第２材料部分を形成する
ことを特徴とする造形物の製造方法。
【請求項１１】
前記第１材料とは異なる第３材料で形成された部分を第３材料部分とした場合、
前記第１構造体を形成する前、前記第１構造体の隙間となる箇所に対して前記第３材料部分を含む第２構造体を形成し、
前記第１構造体を形成する際、前記第２構造体のうち前記第３材料部分が形成されていない隙間に対して前記第１材料を充填した後、前記第１材料を焼結して前記第１材料部分を形成する
ことを特徴とする請求項１０記載の造形物の製造方法。
【請求項１２】
前記第３材料は、樹脂である
ことを特徴とする請求項１１記載の造形物の製造方法。
【請求項１３】
３Ｄプリンタによって前記第２構造体を形成する
ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項記載の造形物の製造方法。
【請求項１４】
前記第３材料は、前記第１材料に対する焼結によって前記第１材料が硬化収縮する温度よりも低い温度で分解する
ことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項記載の造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形物及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元設計データに基づいて造形物を製造する三次元造形装置が、例えば特許文献１により知られている。このような三次元造形装置の方式としては、光造形法、粉末焼結法、インクジェット法、溶融樹脂押し出し造形法など、様々な方式が提案され、製品化されている。【０００３】
一例として、溶融樹脂積層法を採用した三次元造形装置では、造形物の材料となる溶融樹脂を吐出するための造形ヘッドを三次元移動機構上に搭載し、造形ヘッドを三次元方向に移動させて溶融樹脂を吐出しつつ溶融樹脂を積層させて造形物を得る。その他、インクジェット法を採用した三次元造形装置も、加熱した熱可塑性材料を滴下するための造形ヘッドを三次元移動機構上に搭載した構造を有している。【０００４】
このような三次元造形装置の利用方法として、これまで複数の異なる材料を組み合せた複合材料から造形物を製造する方法がいくつか提案されている。造形物を複合材料で製造する場合、単一材料で製造する場合よりも有利な点は多い。しかしその反面、材料間の層間剥離が生じるなど接合箇所に起因した物理的強度の面が問題となる。そして、このことは、三次元造形装置を利用した場合であっても考慮すべき問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０７５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数の異なる材料の組み合わせによって形成され且つ物理的強度の高い造形物、及びその製造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】
本発明の実施形態に係る造形物は、粉体焼結材料である第１材料と前記第１材料とは異なる第２材料を組み合せた複合材料を含み、前記複合材料中、前記第１材料と前記第２材料とが互いに交差する３方向の相対的な移動を制限し合うことを特徴とする。【０００８】
また、本発明の実施形態に係る造形物の製造方法は、粉体焼結材料である第１材料と前記第１材料とは異なる第２材料を組み合せた複合材料を含む造形物の製造方法であって、前記第１材料で形成された部分を第１材料部分とし、前記第２材料で形成された部分を第２材料部分とした場合、前記第１材料部分が第１方向において隙間を空けて配列された部分を含む第１層と、前記第１材料部分が前記第１方向と交差する第２方向において隙間を空けて配列された第２層とを積層させ、前記第１層の前記第１材料部分と前記第２層の前記第１材料部分が接合された第１構造体を形成し、前記第１構造体の隙間に対して前記第２材料を充填した後、前記第２材料を硬化させて前記第２材料部分を形成することを特徴とする
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の異なる材料の組み合わせによって形成され且つ物理的強度の高い造形物、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る造形物の製造方法で用いる三次元造形装置の構成を示す斜視図である。
【図２】同三次元造形装置の構成を示す正面図である。
【図３】同三次元造形装置のＸＹステージの構成を示す斜視図である。
【図４】同三次元造形装置の昇降テーブルの構成を示す平面図である。
【図５】同実施形態に係る造形物の製造方法で用いるコンピュータ（制御装置）の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】同実施形態に係る造形物の斜視図である。
【図７】同実施形態に係る造形物のＸ−Ｙ方向の断面図である。
【図８】同実施形態に係る造形物のＸ−Ｙ方向の断面図である。
【図９】同実施形態に係る造形物の製造方法を説明する図である。
【図１０】同実施形態に係る造形物の製造方法を説明する図である。
【図１１】同実施形態に係る造形物の製造方法を説明する図である。
【図１２】同実施形態に係る造形物の製造方法を説明する図である。
【図１３】同実施形態に係る造形物の製造方法を説明する図である。
【図１４】同実施形態に係る造形物の変形例の斜視図である。
【図１５】同実施形態に係る造形物の変形例の斜視図である。
【図１６】同実施形態に係る造形物の変形例の斜視図である。
【図１７】第２の実施形態に係る造形物を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら実施形態に係る造形物及びその製造方法について説明する。
【００１２】
［第１の実施形態］
先ず、第１の実施形態に係る造形物及びその製造方法を説明する前提として、当該製造方法で用いる三次元造形装置について説明する。
図１は、本実施形態に係る造形物の製造方法で用いる三次元造形装置（以下、「３Ｄプリンタ」と称することもある）の構成を示す斜視図である。
３Ｄプリンタ１００は、フレーム１１と、ＸＹステージ１２と、造形ステージ１３と、昇降テーブル１４と、ガイドシャフト１５とを備えている。
この３Ｄプリンタ１００を制御する制御装置としてコンピュータ２００が、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。また、３Ｄプリンタ１００中の各種機構を駆動するためのドライバ３００も、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。
【００１３】
フレーム１１は、図１に示すように、例えば直方体の外形を有し、アルミニウム等の金属材料の枠組を備えている。このフレーム１１の４つの角部に、例えば４本のガイドシャフト１５が、図１のＺ方向、すなわち造形ステージ１０の平面に対し垂直な方向に延びるように形成されている。ガイドシャフト１５は、後述するように昇降テーブル１４を上下方向に移動させる方向を規定する直線状の部材である。ガイドシャフト１５の本数は４本には限られず、昇降テーブル１４を安定的に維持・移動させることができる本数に設定される。
造形ステージ１３は、造形物Ｓが載置される台であり、後述する造形ヘッドから吐出される熱可塑性樹脂が堆積される台である。
【００１４】
昇降テーブル１４は、図１及び図２に示すように、その４つの角部においてガイドシャフト１５を貫通させており、ガイドシャフト１５の長手方向（Ｚ方向）に沿って移動可能に構成されている。昇降テーブル１４は、ガイドシャフト１５と接触するローラ３４、３５を備えている。ローラ３４、３５は昇降テーブル１４の２つの角部に形成されたアーム部３３において回動可能に設置されている。このローラ３４、３５がガイドシャフト１５上と接触しつつ回動することで、昇降テーブル１４はＺ方向にスムーズに移動することが可能とされている。また、昇降テーブル１４は、図２に示すように、モータＭｚの駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、上下方向に所定間隔（例えば０．１ｍｍピッチ）で移動する。モータＭｚは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。なお、実際の昇降テーブル１４の高さ方向の位置を連続的又は間欠的にリアルタイムで、図示しない位置センサを用いて測定し、適宜補正をかけることによって、昇降テーブル１４の位置精度を高めるようにしても良い。後述する造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂについても同様である。
【００１５】
ＸＹステージ１２は、この昇降テーブル１４の上面に載置されている。図３は、このＸＹステージ１２の概略構成を示す斜視図である。ＸＹステージ１２は、枠体２１と、Ｘガイドレール２２と、Ｙガイドレール２３と、リール２４Ａ、２４Ｂと、造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂと、造形ヘッドホルダＨを備えている。Ｘガイドレール２２は、その両端がＹガイドレール２３に嵌め込まれ、Ｙ方向に摺動自在に保持されている。リール２４Ａ、２４Ｂは、造形ヘッドホルダＨに固定されており、造形ヘッドホルダＨによって保持された造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂの動きに追従してＸＹ方向を移動する。造形物Ｓの材料となる熱可塑性樹脂は、径が３〜１．７５ｍｍ程度の紐状の樹脂（フィラメント３８Ａ、３８Ｂ）であり、通常リール２４Ａ、２４Ｂに捲かれた状態で保持されているが、造形時には後述する造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂに設けられたモータ（エクストルーダ）によって造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内に送り込まれる。
【００１６】
なお、リール２４Ａ、２４Ｂを造形ヘッドホルダＨに固定せずに枠体２１等に固定し、造形ヘッド２５の動きに追従させない構成とすることもできる。また、フィラメント３８Ａ、３８Ｂを露出した状態で造形ヘッド２５内に送り込まれる構成としたが、ガイド（例えば、チューブ、リングガイド等）を介在させて造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内に送り込むようにしても良い。なお、本実施形態の場合、フィラメント３８Ａ、３８Ｂには、粉体焼結材料が硬化収縮する温度よりも低い温度で分解する樹脂であり、例えば、ナイロン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ）、エラストマー等の樹脂材料を用いることができる。
【００１７】
なお、図１〜図３では、造形ヘッド２５Ａは、フィラメント３８Ａを溶融・吐出するよう構成され、造形ヘッド２５Ｂは、フィラメント３８Ｂを溶融し吐出するよう構成され、異なるフィラメントのためにそれぞれ独立の造形ヘッドが用意されている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の造形ヘッドのみを用意し、単一の造形ヘッドにより複数種類のフィラメント（樹脂材料）を選択的に溶融・吐出させるような構成も採用することができる。
【００１８】
フィラメント３８Ａ、３８Ｂは、リール２４Ａ、２４ＢからチューブＴｂを介して造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内に送り込まれる。造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂは、造形ヘッドホルダＨにより保持され、リール２４Ａ、２４Ｂと共にＸ、Ｙのガイドレール２２、２３に沿って移動可能に構成されている。また、図２及び図３では図示を省略するが、造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ内には、フィラメント３８Ａ、３８ＢをＺ方向下方へ送り込むためのエクストルーダモータが配置される。造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂは、ＸＹ平面内においては互いに一定の位置関係を保って造形ヘッドホルダＨと共に移動可能とされていれば良いが、ＸＹ平面においても、互いの位置関係が変更可能なように構成されていても良い。
【００１９】
なお、図２及び図３では図示を省略するが、造形ヘッド２５Ａ、２５ＢをＸＹステージ１２に対し移動させるためのモータＭｘ、Ｍｙも、このＸＹステージ１２上に設けられている。モータＭｘ、Ｍｙは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。
【００２０】
次に、参照してドライバ３００の構造について図４を参照して説明する。ドライバ３００は、ＣＰＵ３０１、フィラメント送り装置３０２、ヘッド制御装置３０３、電流スイッチ３０４、及びモータドライバ３０６を含んでいる。
【００２１】
ＣＰＵ３０１は、コンピュータ２００から入出力インタフェース３０７を介して各種信号を受信して、ドライバ３００の全体の制御を行う。フィラメント送り装置３０２は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂ内のエクストルーダモータに対して、フィラメント３８Ａ、３８Ｂの造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂに対する送り量（押し込み量又は退避量）を指令し制御する。
【００２２】
電流スイッチ３０４は、ヒータ２６に流れる電流量を切換えるためのスイッチ回路である。電流スイッチ３０４のスイッチング状態が切り替わることにより、ヒータ２６に流れる電流が増加又は減少し、これにより造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂの温度が制御される。また、モータドライバ３０６は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、モータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを制御するための駆動信号を発生させる。
【００２３】
図５は、コンピュータ２００（制御装置）の構成を示す機能ブロック図である。コンピュータ２００は、空間フィルタ処理部２０１、スライサ２０２、造形スケジューラ２０３、造形指示部２０４及び造形ベクトル生成部２０５を備えている。これらの構成は、コンピュータ２００の内部において、コンピュータプログラムにより実現することができる。
【００２４】
空間フィルタ処理部２０１は、造形しようとする造形物の三次元形状を示すマスタ３Ｄデータを外部から受領し、このマスタ３Ｄデータに基づいて造形物が形成される造形空間に対し各種データ処理を施す。具体的に空間フィルタ処理部２０１は、後述するように、造形空間を必要に応じて複数の造形ユニットＵｐ（ｘ、ｙ、ｚ）に分割すると共に、マスタ３Ｄデータに基づいて前記複数の造形ユニットＵｐの各々に、各造形ユニットに与えるべき特性を示すプロパティデータを付与する機能を有する。造形ユニットへの分割の要否、及び個々の造形ユニットのサイズは、形成される造形物Ｓのサイズ、形状によって決定される。例えば、単なる板材を形成するような場合には、造形ユニットへの分割は不要である。
【００２５】
造形指示部２０４は、造形の内容に関する指示データを、空間フィルタ処理部２０１及びスライサ２０２に提供する。指示データには、一例として以下のものが含まれる。これらは単なる例示であり、これらの指示のうち全てが入力されても良いし、一部のみが入力されても良い。また、下記に列記する事項とは異なる指示が入力されても良い。
（ｉ）１つの造形ユニットＵｐのサイズ
（ｉｉ）複数の造形ユニットＵｐの造形順序
（ｉｉｉ）造形ユニットＵｐ内で使用される材料の種類
（ｉｖ）造形ユニットＵｐ内での異なる種類の材料の配合比
（ｖ）造形ユニットＵｐ内での同種の材料を連続的に形成する方向
【００２６】
なお、造形指示部２０４は、キーボードやマウス等の入力デバイスから指示データの入力を受けるものであっても良いし、造形内容を記憶した記憶装置から指示データを提供されるものであっても良い。
【００２７】
また、スライサ２０２は、造形ユニットＵｐの各々を、複数のスライスデータに変換する機能を有する。スライスデータは、後段の造形スケジューラ２０３に送られる。造形スケジューラ２０３は、前述したプロパティデータに従って、スライスデータにおける造形手順や造形方向などを決定する役割を有する。また、造形ベクトル生成部２０５は、造形スケジューラ２０３において決定された造形手順及び造形方向に応じて造形ベクトルを生成する。この造形ベクトルのデータはドライバ３００に送信される。ドライバ３００は、受信された造形ベクトルのデータに応じて３Ｄプリンタ１００を制御する。
【００２８】
次に、上記３Ｄプリンタ１００を利用して製造される造形物Ｓ１について説明する。
図６は本実施形態に係る造形物の斜視図であり、図７及び図８は同造形物のＸ−Ｙ方向の断面図である。なお、図６〜７中の破線は、構造の理解を助けるための補助線であり、実際には一体化されているものとする。
【００２９】
造形物Ｓ１は、Ｚ方向に積層された複数の層Ｌ１〜Ｌ１２を備える。各層Ｌｉ（ｉは１〜１２の整数）は、所定の比率で配合された複数の異なる材料で形成されている。具体的に、１つ目の材料Ｍ１は、粉体焼結材料であり、例えば、銅、ニッケル、クロム、チタン、タングステン、モリブデン等の粉体焼結金属、セラミック、粉体焼結樹脂等を用いることができる。この材料Ｍ１は、少なくとも後述する製造方法で用いられる材料Ｍｂの分解温度よりも高い温度で硬化収縮を開始する。２つ目の材料Ｍ２は、所定温度で流動する性質を持つ材料（以下、「流動性材料」と称することもある）や粉体材料など、後述する材料Ｍ１の構造体の隙間に充填可能な材料であり、且つ、材料Ｍ１とは異なる材料である。ここで言う流動性材料には、例えば、鉄、アルミ、銅、真鍮等の熱溶解する金属、熱可塑性樹脂等が該当する。但し、材料Ｍ２を流動性材料とする場合、材料Ｍ２は、少なくとも材料Ｍ１の分解温度よりも低い温度で溶融する材料であることを要する。なお、以下の説明では、主に材料Ｍ２を流動性材料とした場合について説明する。
【００３０】
最下層Ｌ１では、図７に示すように、材料Ｍ１で形成された材料部分Ｐ１と材料Ｍ２で形成された材料部分Ｐ２がＹ方向において交互に配置され且つＸ方向に沿ってストライプ状に延伸した部分を含む。以下において複数の異なる材料が配列される方向を「配列方向」と称することもある。この意味において、層Ｌ１における材料部分Ｐ１及びＰ２の配列方向は、Ｙ方向となる。
【００３１】
また、層Ｌ１における材料部分Ｐ１のＹ方向の幅ｗｙ１と材料部分Ｐ２のＹ方向の幅ｗｙ２との比は、１：５となる。換言すれば、層Ｌ１における材料Ｍ１と材料Ｍ２との配合比は、１：５となる。
【００３２】
一方、層Ｌ１の直上にある層Ｌ２では、図８に示すように、材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２がＸ方向において交互に配置され且つＹ方向に沿ってストライプ状に延伸した部分を含んでいる。つまり、層Ｌ２における材料部分Ｐ１及びＰ２の配列方向は、層Ｌ１の配列方向と交差するＸ方向となる。また、層Ｌ２における材料部分Ｐ１のＸ方向の幅ｗｘ１と材料部分Ｐ２のＸ方向の幅ｗｘ２の比は、１：４となる。換言すれば、層Ｌ２における材料Ｍ１と材料Ｍ２との配合比は、１：４となる。また、層Ｌ２の材料部分Ｐ１は、図６に示すように、層Ｌ１の材料部分Ｐ１とＺ方向において接合する。同様に、層Ｌ２の材料部分Ｐ２は、層Ｌ１の材料部分Ｐ２とＺ方向において接合する。
【００３３】
このように、層Ｌ１を含む奇数番目の層Ｌｏ（ｏは１〜１２の奇数）は、材料部分Ｐ１及びＰ２がＹ方向を配列方向とし且つＸ方向に沿ってストライプ状に延伸した部分を含む。一方、層Ｌ２を含む偶数番目の層Ｌｅ（ｅは１〜１２の偶数）は、材料部分Ｐ１及びＰ２がＸ方向を配列方向とし且つＹ方向に沿ってストライプ状に延伸した部分を含む。そして、層Ｌｊ（ｊは１〜１２の整数）の材料部分Ｐ１は、Ｚ方向で隣接する層Ｌｊ−１及びＬｊ＋１の材料部分Ｐ１とＺ方向において接合する。同様に、層Ｌｊの材料部分Ｐ２は、層Ｌｊ−１及びＬｊ＋１の材料部分Ｐ２とＺ方向において接合する。つまり、全ての層Ｌｉの材料部分Ｐ１に着目すると、材料部分Ｐ１は全体として井桁のような構造（以下、「井桁構造」と称する）を持つ。同様に、全ての層Ｌｉの材料部分Ｐ２に着目すると、材料部分Ｐ２も全体として井桁構造を持つ。また、材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２とは、この井桁構造同士が互いに嵌合しており、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の３方向の相対的な移動を制限し合う。つまり、造形物Ｓ１は、接着剤やネジ等を用いることなく材料部分Ｐ１及びＰ２を一体的に組み合せた構造物となる。
【００３４】
また、各層Ｌｉにおける材料Ｍ１及びＭ２の配合比は、自由に設定できる。造形物Ｓ１の場合、層Ｌ１から層Ｌ１０までは、材料Ｍ１及びＭ２の配合比が１：５から５：１まで徐々に変化しており、上層になるほど材料Ｍ１の配合比が大きくなる。また、層Ｌ１０から層Ｌ１２までは、材料Ｍ１及びＭ２の配合比が５：１で一定である。つまり、造形物Ｓ１は、材料Ｍ２を多く含み材料Ｍ２の性質がより現れる層Ｌ１から材料Ｍ１を多く含み材料Ｍ１の性質がより現れる層Ｌ１０〜Ｌ１２まで、段階的に変化する性質を持つ。ここで、一般的に、粉状体を焼結させた構造物が流体を硬化させた構造物よりも硬度が高い点を鑑みれば、材料Ｍ１を焼結して形成される材料部分Ｐ１は、材料Ｍ２を硬化させて形成される材料部分Ｐ２よりも硬度が高く、それとは逆に、材料部分Ｐ２は、材料部分Ｐ１よりも柔軟性が高くなる。つまり、造形物Ｓ１は、層Ｌ１側ほど柔軟性が高くなり、層Ｌ１０〜Ｌ１２側ほど硬度が高くなる性質を持つ。
【００３５】
以上から、造形物Ｓ１は、機械的接合や接着接合を用いることなく、高硬度の材料Ｍ１と柔軟性の高い材料Ｍ２とを井桁構造同士の嵌合によって強固に接合させた複合材料と考えることもできる。
【００３６】
次に、造形物Ｓ１の製造方法について図９〜図１３を参照して説明する。なお、図９〜図１３中の破線は、構造の理解を助けるための補助線であり、実際には一体化されているものとする。
【００３７】
始めに、図９に示すように、３Ｄプリンタ１００を用いて、層Ｌ１となる層Ｌ１´を形成する。ここでは、層Ｌ１のうち材料部分Ｐ２が配置される箇所に対して材料Ｍｂで形成された材料部分Ｐｂを形成する。具体的には、Ｙ方向において、材料部分Ｐ１が配置される箇所に隙間ｇを空けつつＹ方向に延伸する材料部分Ｐｂを配列していく。この際、材料部分Ｐｂは、隙間ｇのＹ方向の幅ｗｙｇと材料部分ＰｂのＹ方向の幅ｗｙｂとの比が１：５になるように形成する。ここで、材料Ｍｂは、後工程の焼成過程において材料Ｍ１が硬化収縮する温度よりも低い分解温度を持つ材料であり、例えばナイロン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ）、エラストマー等の樹脂材料を用いることができる。
【００３８】
続いて、図１０に示すように、３Ｄプリンタ１００を用いて、層Ｌ１´上に層Ｌ２となる層Ｌ２´を形成する。ここでは、層Ｌ２のうち材料部分Ｐ２が配置される箇所に対して材料部分Ｐｂを形成する。具体的には、Ｙ方向において、層Ｌ２の材料部分Ｐ１が配置される箇所に隙間ｇを空けつつＹ方向に延伸する材料部分Ｐｂを配列していく。この際、材料部分Ｐｂは、隙間ｇのＸ方向の幅ｗｘｇと材料部分ＰｂのＸ方向の幅ｗｘｂとの比が１：４になるように形成する。
【００３９】
続いて、図１１に示すように、３Ｄプリンタ１００を用いて、層Ｌ２´上に、層Ｌ３〜Ｌ１２となる層Ｌ３´〜Ｌ１２´を順次形成する。ここでも、図８及び図９に示す工程と同様、層Ｌ３〜Ｌ１２のうち材料部分Ｐ２が配置される箇所に対して材料部分Ｐｂを形成する。具体的には、奇数番目の層Ｌｏ´では、Ｙ方向において層Ｌｏの材料部分Ｐ１が配置される箇所に隙間ｇを空けつつＹ方向に延伸する材料部分Ｐｂを配列していく。一方、偶数番目の層Ｌｅ´では、Ｘ方向において層Ｌｅの材料部分Ｐ１が配置される箇所に隙間ｇを空けつつＸ方向に延伸する材料部分Ｐｂを配列していく。この際、材料部分Ｐｂは、層Ｌｉ´毎に隙間ｇ及び材料部分ＰｂのＸ方向の幅が所定の比率になるように形成する。図９〜図１１に示す工程によって、材料部分Ｐ２の形成箇所には材料部分Ｐ２と同様の井桁構造を持つ材料部分Ｐｂが形成され、図１１に示す構造体Ｓ１（３）が形成される。なお、構造体Ｓ１（３）に替えて、これをネガ体として反転させた別材料の構造体を用意しても良い。
【００４０】
続いて、図１２に示すように、構造体Ｓ１（３）の材料部分Ｐｂを中子として、その隙間ｇに対して、粉末状の材料Ｍ１を充填する。なお、材料Ｍ１は、加圧されて構造体Ｓ１（３）に充填される。そのため、図９〜１１に示す工程では、構造体Ｓ１（３）が変形するような材料Ｍｂを利用することが望ましい。ここで材料Ｍ１は、例えば、銅、ニッケル、クロム、チタン、タングステン、モリブデン等の粉体焼結金属、セラミック、粉体焼結樹脂等の粉体焼結材料のうち、材料Ｍｂの分解温度よりも高い温度で硬化収縮する材料である。この工程によって、中子である材料部分Ｐｂと材料Ｍ１との複合体である構造体Ｓ１´´が形成される。なお、材料部分Ｐｂは前述の通り井桁構造を持つため、材料Ｍ１も材料部分Ｐｂと嵌合する井桁構造の形で充填される点に留意されたい。
【００４１】
続いて、構造体Ｓ１´´を圧縮した後に焼成して、粉末状の材料Ｍ１を焼結させる。ここで、材料Ｍｂは、前述の通り、材料Ｍ１が硬化収縮する温度よりも低い分解温度を持つ。そのため、材料部分Ｐｂは、構造体Ｓ１´´に対する焼成途中において、材料Ｍ１の硬化収縮を妨げることなく、その前に分解して飛散して残らない。この工程によって、図１３に示すように、材料Ｍ１で形成された井桁構造を持つ材料部分Ｐ１のみが残存する構造体Ｓ１´が形成される。
【００４２】
最後に、構造体Ｓ１´の材料部分Ｐ１を中子とし、加熱加圧処理によって、構造体Ｓ１´の隙間ｇに流体状の材料Ｍ２を充填する。ここで、材料Ｍ２は、所定温度で流動する性質を持つ材料であり、例えば、鉄、アルミ、銅、真鍮等の熱溶解する金属、熱可塑性樹脂等を用いることができる。但し、材料Ｍ２は、材料Ｍ１との関係において、材料Ｍ１と異なる材料であり且つ少なくとも材料Ｍ１の分解温度よりも低い温度で溶融する材料であることを要する。その後、この材料Ｍ２を冷却して硬化させる。なお、材料Ｍ２の硬化には、その性質に応じて加熱処理や硬化剤の添加などの各種硬化処理を用いることもできる。この工程によって、材料部分Ｐ１と嵌合する井桁構造の材料部分Ｐ２が形成され、図６に示す造形物Ｓ１が完成する。
以上が、造形物Ｓ１の製造方法である。
【００４３】
次に、造形物Ｓ１及びその製造方法の効果について説明する。
例えば、包丁やナイフといった刃物には硬さが求められる。しかし、これら刃物を単にハイスピード鋼や超硬合金などの硬い材料だけで製造すると、捩れや衝撃に弱い脆い製品となる。そのため、刃物には、硬さと同時に靭性も求められる。この点、硬度と靭性を兼ね備えた刃物として、伝統的な日本刀が挙げられる。伝統的な日本刀の場合、刃の中心に炭素量の多い硬い鋼材を用いる一方、刃の外側に炭素量の少ない柔軟な鋼材を用いることで、刃先の硬さと全体の高い靭性を実現している。このように、異なる性質の材料を組み合せた複合材料を用いれば、一つの材料を用いただけでは実現できない品質の向上が期待できる。
【００４４】
その点、造形物Ｓ１は、比較的硬度の高い材料部分Ｐ１と比較的柔軟性の高い材料部分Ｐ２との組み合せで形成されており、材料Ｍ１及び材料Ｍ２の配合比は、層Ｌ１から層Ｌ１０〜Ｌ１２に掛けて次第に大きくなっていく。換言すれば、造形物Ｓ１は、層Ｌ１側ほど柔軟性が高くなり、層Ｌ１０〜Ｌ１２側ほど硬度が高くなる構造を持つ。しかも、材料部分Ｐ１及びＰ２が共に井桁構造を持ち且つそれらが互いに嵌合しているため、接着接合や機械的接合を用いた場合よりも、材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２との剥離等の恐れがない高い機械的強度を実現できる。
【００４５】
そして、造形物Ｓ１を応用すれば、日本刀のような特性を持つ造形物も容易に実現することができる。例えば、造形物Ｓ１の層Ｌ１２上に、更に造形物Ｓ１をＺ方向で反転させた造形物を載せた造形物を製造すれば、その造形物は、Ｚ方向において外側ほど柔軟性が高く、中心ほど硬度が高い特性を持つことになる。そして、この特性は、まさに日本刀のそれと同じである。
【００４６】
また、日本刀の特性は、刀鍛冶の手作業によって、鉄に含ませる炭素量を調整することで実現されているが、この場合、刀鍛冶の技量によって品質にバラツキが出たり、製造に時間が掛かったりといった点が問題であった。この点、本実施形態に係る製造方法によれば、３Ｄプリンタ１００の利用によって、製造者の経験等に左右されることなく工業的に一定の品質で、日本刀と同じ特性を持つ造形物を量産することができる。
【００４７】
更に、造形物Ｓ１は井桁構造を利用して異なる材料を複合させているが、このような構造の造形物から包丁等の平板状の刃物を製造すると、材料（金属）が異なることによる紋を刃先に現すこともできる。これを利用すれば、ダマスカス鋼製の刃物のように、外見的な独自性を出すことも可能である。
【００４８】
なお、上記日本刀を含む刃物は、本実施形態の応用例の１つであり、本実施形態はこれに限定されるものではない。本実施形態に係る造形物は、粉体焼結材料と流動性材料や粉体材料など粉体焼結材料の構造体（例えば、図１３の構造体Ｓ１´）の隙間に充填可能な材料との組み合わせであれば良く、そのバリエーションは多様である。
【００４９】
例えば、材料の配合比の変化する方向も任意に設定することができる。構造物Ｓ１ではＺ方向に対して変化させているが、各層における材料部分Ｐ１及びＰ２の配置を工夫することで、例えば図１４に示す構造物Ｓ１ＡのようにＹ方向に対して変化させることもできるし、図１５に示す構造物Ｓ１ＢのようにＸ方向及びＹ方向に対して変化させることもできる。同様に、図１６に示す構造物Ｓ１ＣのようにＹ方向及びＺ方向に対して変化させることもできる。
【００５０】
その他、組み合せる材料の種類数についても、造形物Ｓ１のように２種類であっても良いし、３種類以上であっても良い。また、層毎の材料の配合比についても、造形物Ｓ１のように次第に変化させても良いし、急峻に変化させたり或いは一定であっても良い。また、組み合わせる材料の特性についても、造形物Ｓ１のように柔軟性と硬度に着目した組み合せであっても良いし、磁性や導電性に着目した組み合わせであっても良い。このように、本実施形態によれば、構造や材料の自由度が高いため様々な特性を持つ造形物を実現することができる。
以上、本実施形態によれば、複数の異なる材料の組み合わせによって形成され且つ物理的強度の高い造形物、及びその製造方法を提供することができる。
【００５１】
［第２の実施形態］
第１の実施形態では、井桁構造を互いに嵌合させた構造を持つ造形物について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。そこで、第２の実施形態では、その他の構造を持つ応用例の１つについて説明する。
【００５２】
本実施形態に係る造形物Ｓ２は、エンドミルである。エンドミルやドリルの場合、切削能力や磨耗の点から刃先は硬いことが望ましい。一方、使用時には常に捩りの力が掛かるだけでなく、異なる材料を組み合せたワークを加工する場合などはこれら材料の界面で負荷変動が大きくなるため、最悪の場合、破損してしまう。そのため、エンドミルやドリルの場合も、刃物と同様、高い硬度と共に高い靭性が求められる。
【００５３】
そこで、本実施形態では、造形物Ｓ２（エンドミル）を次のような構造とする。
図１７は、第２の実施形態に係る造形物を説明する図である。図中Ａは造形物Ｓ２の側面図であり、図中Ｂ〜Ｄは造形物Ｓ２の各箇所の構造を示している。
【００５４】
本実施形態の造形物Ｓ２は、全体として略円柱状であり、図１７中Ａの左側に配置された刃元Ｓ２ａ、右側に配置された刃先Ｓ２ｃ、及びそれらを繋ぐ中間部Ｓ２ｂからなる。
【００５５】
造形物Ｓ２は、軸方向Ｄａで積層された複数の層Ｌを備える。造形物Ｓ２の各層Ｌは、造形物Ｓ１と同様、図１７中Ｂ〜Ｄに示すように、材料Ｍ１で形成された材料部分Ｐ１と材料Ｍ２で形成された材料部分Ｐ２を含む。
【００５６】
但し、造形物Ｓ２の場合、各層Ｌにおける材料部分Ｐ１及び材料部分Ｐ２の配列パターンが、造形物Ｓ１とは異なる。具体的には、奇数番目の各層Ｌｏ（ｏは奇数）は、図１７中Ｂ〜Ｄに示すように、材料部分Ｐ１（或いは材料部分Ｐ２）が各層Ｌｏの中心から放射状に延びるように配置されている。つまり、層Ｌｏでは、円周方向Ｄθを配列方向として材料部分Ｐ１及び材料部分Ｐ２が配列されている。一方、偶数番目の各層Ｌｅ（ｅは偶数）は、図１７中Ｂ〜Ｄに示すように、中心軸ＣＡから外側に掛けて材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２とが同心円状に交互に配置されている。つまり、層Ｌｅでは、円周方向Ｄθと交差する半径方向Ｄｒを配列方向として材料部分Ｐ１及び材料部分Ｐ２が配列されている。そして、層Ｌｉ（ｉは整数）の材料部分Ｐ１は、層Ｌｉ−１及びＬｉ＋１の材料部分Ｐ１と軸方向Ｄａで接合する。同様に、層Ｌｉの材料部分Ｐ２は、層Ｌｉ−１及びＬｉ＋１の材料部分Ｐ２と軸方向Ｄａにおいて接合する。このように、材料部分Ｐ１或いはＰ２が放射状に配置された層Ｌｏと材料部分Ｐ１及びＰ２が同心円状に配列された層Ｌｅを交互に積層した場合も、造形物Ｓ２全体の材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２とが互いに嵌合するため、井桁構造を用いた場合と同様、材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２を強固に一体化できる。
【００５７】
また、造形物Ｓ２は、刃元Ｓ２ａ、中間部Ｓ２ｂ、刃先Ｓ２ｃによって、材料Ｍ１及びＭ２の配合比を変化させている。
具体的には、刃元Ｓ２ａから中間部Ｓ２ｂの層Ｌｏでは、図１７中Ａ及びＢに示すように、材料部分Ｐ１が放射状に配置され、材料部分Ｐ２がその他の箇所に充填されている。そして、刃元Ｓ２ａから中間部Ｓ２ｂに掛けて、中心軸ＣＡから出る材料部分Ｐ１の線状部分の数が増加していく。同様に、中間部Ｓ２ｂから刃先Ｓ２ｃの層Ｌｏでは、図１７中及びＣに示すように、材料部分Ｐ２が放射状に配置され、材料部分Ｐ１がその他の箇所に充填されている。そして、中間部Ｓ２ｂから刃先Ｓ２ｃに掛けて、中心軸ＣＡから出る材料部分Ｐ２の線状部分の数が減少していく。一方、層Ｌｅでは、材料部分Ｐ１と材料部分Ｐ２とが同心円状に交互に配置されている。そして、刃元Ｓ２ａから刃先Ｓ２ｃに掛けて、材料部分Ｐ２の半径方向Ｄｒの厚みｔｒ２が次第に小さくなり、材料部分Ｐ１の半径方向Ｄｒの厚みｔｒ１が次第に大きくなる。このように材料部分Ｐ１及びＰ２を配置することで、柔軟性の高い刃元Ｓ２ａと高硬度を持つ刃先Ｓ２ｃを持つ造形物Ｓ２を形成することができる。また、エンドミルの場合、回転方向に力が掛かりため円周方向Ｄθに対する等方的な特性が必要であるばかりでなく、軸方向Ｄａに対する捩れの力にも耐え得る特性が必要となる。この点、第１の実施形態のような井桁構造の場合、円周方向Ｄθに対して異方的な特性が出てしまうが、本実施形態の場合、放射状の配列パターンと同心円状の配列パターンを組み合わせることで、円周方向Ｄθに対する等方的な特性と、軸方向Ｄａに対する捩れの力に耐え得る特性を実現することができる。
【００５８】
図１７に示す造形物Ｓ２のような構造に限らず、本発明の実施形態は、各層において、異なる材料の配列方向が交差し且つこの交差部において同種の材料同士が接合していれば、異なる材料部分同士を相互に嵌合させることができる。これによって、造形物Ｓ１や造形物Ｓ２と同様に、複数の異なる材料の一体化が可能となる。そして、このような構造の自由度からあらゆる形状の造形物を製造することも可能である。例えば、彫刻刀はエンドミルと同様に捩りに強いことが要求されるが、本発明の実施形態を応用すれば、捩りに強い自由な刃先形状の彫刻刀を実現することもできる。
【００５９】
以上から、本実施形態によれば、材料の組み合わせ、材料の配合比だけでなく、各層の材料の配列パターンを変更することで、形状を含む所望の特性を持った造形物を製造することができる。
【００６０】
［その他］
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
１０・・・造形ステージ、１１・・・フレーム、１２・・・ＸＹステージ、１３・・・造形ステージ、１４・・・昇降テーブル、１５・・・ガイドシャフト、２１・・・枠体、２２・・・Ｘガイドレール、２３・・・Ｙガイドレール、２４Ａ、２４Ｂ・・・リール、２５Ａ、２５Ｂ・・・造形ヘッド、２６・・・ヒータ、３３・・・アーム部、３４、３５・・・ローラ、３８Ａ、３８Ｂ・・・フィラメント、１００・・・３Ｄプリンタ、２００・・・コンピュータ、２０１・・・空間フィルタ処理部、２０２・・・スライサ、２０３・・・造形スケジューラ、
２０４・・・造形指示部、２０５・・・造形ベクトル生成部、３００・・・ドライバ、３０１・・・ＣＰＵ、３０２・・・フィラメント送り装置、３０３・・・ヘッド制御装置、３０４・・・電流スイッチ、３０６・・・モータドライバ、３０７・・・入出力インタフェース、Ｈ・・・造形ヘッドホルダ、Ｌ・・・層、Ｍ１、Ｍ２、Ｍｂ・・・材料、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ・・・モータ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐｂ・・・材料部分、Ｓ、Ｓ１、Ｓ２・・・造形物、Ｓ２ａ・・・刃元、Ｓ２ｂ・・・中間部、Ｓ２ｃ・・・刃先、Ｔｂ・・・チューブ、Ｕｐ・・・造形ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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