(57)【要約】【課題】            立体造形物に要求される材料特性、機械特性を満たしつつ、かつ、極力高価なコア材の使用量を低減させるという課題が発生する。【解決手段】        立体造形方法であって、第１の造形材料（シェル材）を用いて、内部に空洞及び／又は外面に凹部を有する造形殻を造形し、次いで第２の造形材料（コア材）を用いて、前記造形殻の前記空洞及び／又は前記凹部を充填することで、所望形状の立体造形物を得ることを特長とする立体造形方法および立体造形装置を提供する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体造形方法であって、第１の造形材料（シェル材）を用いて、内部に空洞及び／又は外面に凹部を有する造形殻を造形し、次いで第２の造形材料（コア材）を用いて、前記造形殻の前記空洞及び／又は前記凹部を充填することで、所望形状の立体造形物を得ることを特長とする立体造形方法。
【請求項２】
前記造形殻の包絡面形状は、前記所望形状と一致することを特長とする請求項1に記載の立体造形方法。
【請求項３】
前記空洞及び／又は前記凹部の形状が、構造最適化手法を用いて決定されるものであることを特長とする請求項１又は２に記載の立体造形方法。
【請求項４】
前記造形殻が付加製造技術による造形装置で造形されるものであることを特長とする請求項1乃至３のいずれかに記載の立体造形方法。
【請求項５】
前記コア材は、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、流動状態から非流動状態に硬化するものであり、前記コア材を前記流動状態において前記空洞及び／又は前記凹部に充填し、その後、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空洞及び／又は前記凹部に充填された前記コア材を硬化させることを特長とする請求項1乃至４のいずれかに記載の立体造形方法。
【請求項６】
前記造形殻が、前記付加製造技術による造形装置の積層造形方向に複数回に分割して造形されるものであり、該複数回の前記造形殻の造形毎に前記コア材が前記空洞及び／又は前記凹部に充填され、すべての前記造形殻の造形及び前記コア材の充填の完了後、前記コア材を一括して硬化することを特長とする請求項５に記載の立体造形方法。
【請求項７】
前記シェル材及び前記コア材の少なくとも一方が、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれか又はそれらの組み合わせからなる強化材を含むものであることを特長とする請求項1乃至５のいずれかに記載の立体造形方法。
【請求項８】
請求１乃至７のいずれかに記載の立体造形方法による立体造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近年その性能を著しく向上させてきているいわゆる３Ｄプリンタ、或いは、それ以前より実用化されている光造形技術を用いた造形装置など、立体造形方法および装置に関するもので、特に強化材を含有した複合材の立体造形技術に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる３Ｄプリンタは、３次元のＣＡＤデータをもとにコンピューターで造形物の断面形状を計算し、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形状を得る立体造形方法である。一般的には３Ｄプリンタの名称が広く用いられているが、国際的にはＡｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、直訳すれば付加製造技術と呼ぶことが多い。本明細書に於いては主として３Ｄプリンタの用語を用いるが、使用意図に応じて適宜表現を使い分けることとする。
【０００３】
付加製造技術は、造形材料の種類やその積層方法によって、図２に示すように大きく７つの方式に分類される。
【０００４】
（１）液槽重合法（Ｖａｔ  Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）
（２）材料押出法（Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）
（３）粉末床溶融結合法（Ｐｏｗｄｅｒ  ｂｅｄ  ｆｕｓｉｏｎ）
（４）結合材噴射法（Ｂｉｎｄｅｒ  Ｊｅｔｔｉｎｇ）
（５）シート積層法（Ｓｈｅｅｔ  ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）
（６）材料噴射法（Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｊｅｔｔｉｎｇ）
（７）指向性エネルギー堆積法（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
(1)液槽重合法はこれらの中でも最も古い時期に実用化されたもので、３Ｄプリンタの名称が一般化する以前から、光造形法などの名称でラピッドプロトタイピング用途として用いられてきている。多くは紫外線硬化（重合）樹脂を用い、図４に示すように紫外線硬化樹脂41を槽３内に保持し、その液面に紫外線７を選択的に照射して、第１層目の硬化領域４２を形成する（図４（ａ）〜（ｃ））。該第１層目の硬化領域４１は適当なサポート部材４でサポートされる。次に該サポート部材４ごと第１層目の硬化領域４１を液中に沈める（図４（ｄ））、或いは、液面を上昇させることにより、第１層目の硬化領域４１を一定深さだけ液中に沈める。次いで再び紫外線７を液面に選択的に照射して、第１層目の硬化領域４１の上方に第２層目の硬化領域４２を第１層目の硬化領域４１と連続するように形成する（図４）。これを繰り返すことによって、立体造形物を得る方式である。
【０００５】
近年パーソナルユーズとして市販されている３Ｄプリンタとしては、（２）材料押出法と（６）材料噴射法のものが一般的である。
【０００６】
（２）材料押し出し法は、多くの場合熱可塑性樹脂からなる造形材料を加熱して溶融流動状態とし、それをノズルから押し出しながら積層して造形する方法である（図１０参照）。
【０００７】
（６）材料噴射法は造形材料の粘度が（２）材料押し出し法のそれよりやや低めのものが多く、いわばインクジェットプリンタのインクの代わりに造形材料を吐出させて積層させながら造形していく方法である。
【０００８】
（３）粉末床溶融結合法と（４）結合材噴射法は造形材料として粉体状、粒状のものを用いるところが特徴である。
【０００９】
（３）粉末床溶融結合法は。図１１に示すように、適当な槽６０内に造形材料粉６１を静置する。これを材料床６２と呼ぶことが多い。造形材料としては金属、樹脂、セラミックなどの無機材料などエネルギー線によって溶融可能なものであれば、幅広く造形材料が選択できることが特長である。材料床６２の表面を多くの場合レーザー光６６を選択的に照射してその造形材料粉６１を溶融合体させて、１層目の造形層67を形成する。図１１ではエネルギー線源として赤外線レーザー63を用い、ガルバノ光学系６４、６５を用いて材料床82表面を任意にスキャンできるようにしている。次いで、図１１（ｂ）に示すように、造形材料粉６２を一定量継ぎ足したのち、テーブル６９を一定量降下させ、スキージ６８を図中矢印Ａ方向に移動させることで、造形材料分を均して平らにする。これで再び材料省６２が形成される。次いでレーザー光６６をスキャンさせで２層目の造形層を形成する。これを繰り返しすとにより所望の立体造形物を得る方式である。
【００１０】
（４）結合材噴射法も（３）粉末床溶融結合法と同様、造形材料粉から成る材料床を用いる、が、材料床に対し造形材料粉を結着するいわば接着剤の機能を有する結着材料をインクジェットヘッド等から選択的に噴射することで、造形材料粉同士を結着させ造形する方式である。
【００１１】
（５）シート積層法はその名の通り、紙、プラスチックフィルム等のシート状材料を積層断面形状に切断しそれを順次積層、接着することにより立体造形する方式である。
【００１２】
最後の、（７）指向性エネルギー堆積法は、図１２に代表的な構成を示すが、造形材料を供給しながら且つエネルギーも同時に選択的に付与しながら、造形材料を積層する方式である。二重菅ノズル７２の内側ノズル７３はその内部をレーザー光７１が透過し、レーザー光７１は集光レンズ７４によって、ベース７５表面に集光される。外側ノズル７６からは、シールドガスと造形材料粉末（図中矢印７８で示す）がレーザー光７１の集光点目指して吹き付けられる。レーザー光７１の集光点において、吹き付けられた造形材料粉末７８がレーザー光７１によって加熱溶融され、ベース７５表面に造形材料粉末７８が溶融凝集した溶融池７７が形成される。ベース７５と二重菅ノズル７２の相対位置を移動させ、溶融池７２をベース材上をいわば泳がせながら、ベース上に造形材料を載置、積層していく方法である。この方式は金属材料を用いる３Ｄプリンタの代表例である。なお、この方式は見方を変えれば、古くから知られているアーク溶接法を精細化、自動化し造形方法として発展させたとも言える。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】平成２５年度特許出願技術動向調査報告書（概要）  ３Ｄプリンター、平成２６年３月、特許庁
【非特許文献２】福島雅夫  「非線形最適化の基礎」朝倉出版  ２００１．４．２０
【非特許文献３】Ｇｅｒｎａｒｄ  Ａ．Ｈｏｌｚａｐｈｅｌ「Ｎｏｎｌｉｎｉｅａｒ  Ｓｏｌｉｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ：Ａ  Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」Ｗｉｌｅｙ，２０００．３．２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本願発明者らは先に、特願２０１６−２２９９６４（公開前出願、以下「先願」とする）において複合材料を用いた造形に適した立体造形方法にかかわる発明の特許出願を行っている。先願明細書においては、立体造形物の外殻層（スキン層）のみをスキン材によって先に造形し、ついで造形済みの該外殻層の内部（コア部）をコア材によって造形することを特長とする立体造形方法を開示している。なお本願明細書においては先願明細書におけるスキン層、スキン材なる文言の代わりにシェル層、シェル材の文言を用いるが、これらは表現が異なるのみで実質的に同じものである。
【００１５】
先願においては、付加製造技術で立体造形を行う場合、造形物が大きくなるにつれ、高価な造形材料の使用量が多くなり、結果造形物のコストが大きくなるという課題を提示し、その解決策として、立体造形物の外殻層（スキン層又はシェル層）のみを付加製造技術で造形して高価な造形材料の使用量を抑制し、内部（コア部）は比較的安価な従来技術による造形材料で造形することで、トータルの造形コストを低減させるという作用効果を得ている。
【００１６】
しかしながら、立体造形物に要求される材料特性、機械特性によっては、コア材にもシェル材並みの、或いはそれ以上に高価な材料が要求される場合も存在する。例えば強度、剛性といった機械特性の向上の為に、高価な炭素繊維、アラミド繊維などを含有した複合材樹脂がコア材として要求される場合などである。すなわち、このような場合には、立体造形物に要求される材料特性、機械特性を満たしつつ、かつ、極力高価なコア材の使用量を低減させるという課題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために本願発明に於いては、立体造形方法であって、第１の造形材料（シェル材）を用いて、内部に空洞及び／又は外面に凹部を有する造形殻を造形し、次いで第２の造形材料（コア材）を用いて、前記造形殻の前記空洞及び／又は前記凹部を充填することで、所望形状の立体造形物を得ることを特長とする立体造形方法が提供される。
【００１８】
本願発明の好ましい態様においては、前記造形殻の包絡面形状は、前記所望形状と一致することを特長とする立体造形方法が提供される。
【００１９】
本願発明のさらに好ましい態様においては、前記空洞及び／又は前記凹部の形状が、構造最適化手法を用いて決定されるものであることを特長とする立体造形方法が提供される。
【００２０】
本願発明のさらに好ましい態様においては、前記造形殻が付加製造技術による造形装置で造形されるものであることを特長とする立体造形方法が提供される。
【００２１】
本願発明のさらに好ましい態様においては、前記コア材は、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、流動状態から非流動状態に硬化するものであり、前記コア材を前記流動状態において前記空洞及び／又は前記凹部に充填し、その後、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空洞及び／又は前記凹部に充填された前記コア材を硬化させることを特長とする立体造形方法が提供される。
【００２２】
本願発明の別の態様においては、前記造形殻が、前記付加製造技術による造形装置の積層造形方向に複数回に分割して造形されるものであり、該複数回の前記造形殻の造形毎に前記コア材が前記空洞及び／又は前記凹部に充填され、すべての前記造形殻の造形及び前記コア材の充填の完了後、前記コア材を一括して硬化することを特長とする立体造形方法が提供される。
【００２３】
本願発明の別の好ましい態様においては、前記シェル材及び前記コア材の少なくとも一方が、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれか又はそれらの組み合わせからなる強化材を含むものであることを特長とする立体造形方法が提供される。
【００２４】
本願発明の別の好ましい態様においては、前記いずれかの立体造形方法による立体造形装置が提供される。
【００２５】
本願の発明の主旨は、種々の制約条件のもと、立体造形物に要求される特性、機能を実現するための最適形状にコア部形状を最適化し、当該最適形状のコア部にコア材を充填することで当該立体造形物に要求される特性、機能を実現しつつかつ、コア材の使用量を低減させた立体造形方法を提供する、にある。
【００２６】
立体造形物に要求される特性、機能が強度、剛性といった機械特性である場合、当該立体像系物の外形形状、大きさ、寸法といった制約条件のもと、要求される強度、剛性を実現しつつ、かつ、コア材の使用量すなわちコア部の全内容積を最小にするコア部形状を構造最適化手法を用いて算出し、当該コア部形状にコア材を充填することで立体造形物を造形する方法を提供することにある。
【００２７】
構造最適化手法とは非特許文献１，２等専門書も多数もあるように、広く実際の設計業務に用いられている設計手法、設計最適化手法であり、当該最適化計算のアルゴリズムも複数公開され、また設計支援、設計最適化ソフトウェアとして各種商用のソフトウェアも販売されている。
【００２８】
構造最適化には大別して３種類の方法が知られている。
【００２９】
図１はその３種類の方法の違いを概念的に示すものである。図１に示すように片持ち梁の一端に、所定の荷重が加わった場合の梁の撓み量を、各種の制約条件のもと最小化或いは、所定の臨界値以内に収めたいとする。この問題は、前述の制約条件のもと梁の剛性を最大化する、すなわちコンプライアンスの最小化（極小化）の問題と等価である。
【００３０】
この時、図１（ａ）に示すように、全体構造を規定し、例えば梁全体の体積、重量（すなわち材料の使用量）などの制約条件を与え、全体構造中の各部の寸法（図中のＬ１、Ｌ２、ｔ１、ｔ２など）を設計パラメータとして、前述のコンプライアンスを最小化（極小化）する各設計パラメータ値を求める、すなわち最適化するのが寸法最適化手法である。
【００３１】
一方、図１（ｂ）に示すのは形状最適化と呼ばれ、全体構造は規定せず、同様の制約条件のもと、外形形状（外形境界を表す式）を設計パラメータとしてその最適化を行う手法である。この方法では最適化後の外形形状として自由曲線（曲面）のものが得られる場合が多い。
【００３２】
最後の図１（ｃ）に示すのが、トポロジー最適化と呼ばれ、梁を微小要素に分割し、その微小要素中の材料の存在密度を設計パラメータとして最適化を行う手法である。材料の存在密度とは、好ましくは、1（その微小要素が材料で埋まっている）か０（その微小要素は材料で埋まっていない）の２値パラメータで、このような2値パラメータで各要素に材料が存在するか否かの最適化を行うため、図１（ｃ）に示すように、最適化の結果として、形状最適化同様外形形状は自由曲線となり、さらに内部に空洞のある形状が得られることが多いのが特徴である。
【００３３】
形状最適化やトポロジー最適化の手法を用いてコア部の最適化を行うと、自由局面を有する最適化結果が得られることが多く、このような自由局面を有するコア部（を有するシェル層）の造形を行うには付加製造技術、すなわち、いわゆる３Ｄプリンターを用いるのが特に好適となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、立体造形物に要求される材料特性、機械特性を満たしつつ、かつ、極力高価なコア材の使用量を低減させるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】構造最適化の各手法を表す図である。
【図２】曲げ試験の概略図である。
【図３】試験片の斜視図である。
【図４】内部にコア部を有する試験片の図である。
【図５】外部にコア部を有する試験片の図である。
【図６】最適化の途中過程における試験片を示す図である。
【図７】本発明を適用した架台の図である。
【図８】液相重合法による立体造形装置を示す図である。
【図９】材料押出法による立体造形装置を示す図である。
【図１０】粉末床溶融結合法による立体造形装置を示す図である。
【図１１】指向性エネルギー堆積法の原理図である。
【図１２】従来技術により、複合材料を材料押出法による３Ｄプリンタに適用した場合の概念図である。
【図１３】従来技術により、複合材料を液相重合法による立体造形装置に適用した場合の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下本発明の実施態様を図２以下を用いて説明する。
【００３７】
本発明を適用した付加製造技術による造形方法やその造形手順をわかりやすく説明するために、いわゆる３点曲げの試験片を最適化した例を挙げる。
【００３８】
３点曲げとは、ＪＩＳ７１７１等で規定された材料の試験方法で、図２に示すように、両端近傍をサポート２で支持した直方体上の試験片１の中央付近に加圧子３で荷重をかけ、その荷重と撓み量の関係を求め、試験片の剛性、強度等を求める試験方法である。
【００３９】
この試験片１を、複合材であるコア材で補強することを考える。すなわち相対的に剛性の低いシェル材からなる試験片を相対的に剛性の高いコア材で補強し、試験片全体の剛性を上げること考える。
【００４０】
ここで、所定の荷重での撓み量を所定範囲（臨界値）内に収めることのでき、かつ、コア材の使用量が最小となるコア材の形状、配置を求めるとする。これは、所定荷重での撓み量を前記の臨界値とすることができる、最小のコア部容積を有するコア形状を求めるに等しい。もちろんシェル材、コア材ともやヤング率、ポアソン比などの力学特性値は既知である。
【００４１】
まず、試験片外形形状をシェル材で造形し、その内部にコア部を配置しコア材で充填する方法が考えられる。この場合のコア部の形状をトポロジー最適化手法を用いて最適化した一例を図４に示す。内部に複雑な外形形状を持ち、かつ３分割されたコア部４を有する試験片５が得られている。なお、試験片５の外形すなわち包絡線形状は図３に示す元の試験片１の直方体形状を維持するという制約条件を与えている。
【００４２】
コア部を内部に配置する方法でも最適化は可能であるが、この場合コア材をシェル層内部に形成されたコア部に充填する必要があり、シェル材の造形を分割して都度コア材を充填するか、シェル層にコア材の充填用や充填時の空気抜きのための小孔を形成しておくといった対策が必要となる。
【００４３】
よって、逆に剛性を負担させるコア材を試験片の外側に置いた最適化も求められる、この結果を図５に示す。図５の導出課程としてまず、図６に示すように元の試験片１の直方体形状の上下面全体にコア部８を凹部として適当に造形した形状を作成する。この上下面に設けられたコア部８の形状をトポロジー最適化手法により最適化する。その結果が図５に示す試験片６である。上下面ともコア部７は凹部として３部分に分割されており、トータルのコア部７の体積すなわちコア材の使用量が低減できることがわかる。なおこの最適化でもコア部７は元の直方体形状（包絡線形状）からは逸脱しない制約条件を設けている。このように本明細書でいうコア部を立体造形物の外形形状の外側に配置してその形状を最適化し、凹部としてのコア部を作成することも可能である。この場合、コア材の充填が容易となる効果も得られ好適である。
【００４４】
図７はさらに複雑な形状のコア部の最適化を行った例である。図７（ａ）に示すような架台状の立体造形物１１を造形するにあたり、内部のコア部の形状をトポロジー最適化手法ににより最適化した結果である。複雑なコア部（ｂ）形状となっている。このようなコア部（ｂ）を有するシェル層の造形には３Ｄプリンターでの造形が適しており、本願発明の効果が発揮される。
【符号の説明】
【００４５】
１      試験片
２      サポート
３      加圧子
４      コア部
５      試験片
６      試験片
７      コア部
８      コア部
９      試験片
１０      コア部
１１      架台
６０      槽
６１      造形材料粉
６２      材料床
６３      赤外線レーザー
６４，６５   ガルバノ光学系
６６      レーザー光
６７      １層目の造形層
６８      スキージ
６９      テーブル
７１      レーザー光
７２      二重菅ノズル
７３      内側ノズル
７４      集光レンズ
７５      ベース
７６      外側ノズル
７７      溶融池
９０      強化材
９１      母材
９２      強化材分散液
９３      槽
９４      寝た強化材
【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】
2019136925.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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