(57)【要約】【課題】金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法を提供することである。【解決手段】本発明にかかる積層造形方法は、金属材料３１と樹脂材料３２とを含む３次元構造体３０を造形する積層造形方法であって、金属層を形成する工程と、形成された金属層を光硬化性樹脂液１１に浸漬させて、形成された金属層を冷却する工程と、形成された金属層を光硬化性樹脂液１１に浸漬させた状態で光硬化性樹脂液１１にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液１１を硬化させて樹脂層を形成する工程と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する積層造形方法であって、
金属層を形成する工程と、
前記形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて、前記形成された金属層を冷却する工程と、
前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する工程と、を備える、
積層造形方法。
【請求項２】
前記樹脂層の上に前記金属層を形成する場合、
前記樹脂層の上に当該樹脂層よりも熱伝導率の高い熱伝導性樹脂層を形成し、
前記熱伝導性樹脂層の上に前記金属層を形成する、
請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項３】
前記熱伝導性樹脂層は、前記光硬化性樹脂液に金属粒子を供給した後、前記光硬化性樹脂液に前記レーザ光を照射することで形成する、請求項２に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記樹脂層と前記金属層との間に複数の熱伝導性樹脂層を形成する場合、前記複数の熱伝導性樹脂層の熱伝導率が前記樹脂層側から前記金属層側に向かって徐々に高くなるように前記複数の熱伝導性樹脂層を形成する、請求項３に記載の積層造形方法。
【請求項５】
前記３次元構造体を形成する間、前記光硬化性樹脂液を冷却する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層造形方法。
【請求項６】
金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する積層造形装置であって、
光硬化性樹脂液が収容された収容槽と、
鉛直方向に変位可能なステージと、
金属層を形成するための金属層形成部と、
前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射することで樹脂層を形成する樹脂層形成部と、
前記ステージと前記金属層形成部と前記樹脂層形成部とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記金属層形成部を用いて前記金属層を形成し、
前記ステージを降下させて、前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させ、
前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、前記樹脂層形成部を用いて前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する、
積層造形装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記樹脂層の上に前記金属層を形成する場合、
前記樹脂層の上に、当該樹脂層よりも熱伝導率の高い熱伝導性樹脂層を形成し、
前記熱伝導性樹脂層の上に前記金属層を形成する、
請求項６に記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記収容槽に収容されている前記光硬化性樹脂液を冷却する冷却部を更に備える、請求項６または７のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記収容槽に収容されている前記光硬化性樹脂液に含まれる不純物を取り除くフィルタを更に備える、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は積層造形方法、及び積層造形装置に関し、特に金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元構造体を構成する各層を積層方向に積層していくことで３次元構造体を形成する３Ｄプリンタ技術が注目されている。このような３次元構造体を造形する技術としては、光造形法（ＳＬ：Stereo Lithography）、熱溶解積層法（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）、インクジェット法、粉末焼結法（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）などが知られている。
【０００３】
特許文献１には、粒状の金属材料を溶融して互いに結合させて金属層を形成し、この金属層を積層することで３次元構造体を造形する技術が開示されている。特許文献１には、２種以上の金属材料を用いて３次元構造体を造形する技術や、金属材料と樹脂材料とを用いて３次元構造体を造形する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２６８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
背景技術で説明したように、特許文献１には、金属材料と樹脂材料とを用いて３次元構造体を造形する技術が開示されている。しかしながら、金属材料の融点は樹脂材料の融点よりも高いため、金属材料と樹脂材料とを用いて３次元構造体を形成する場合、溶融された金属材料の熱によって当該金属材料の周囲の樹脂材料が劣化してしまうという問題がある。
【０００６】
上記課題に鑑み本発明の目的は、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる積層造形方法は、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する積層造形方法であって、金属層を形成する工程と、前記形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて、前記形成された金属層を冷却する工程と、前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する工程と、を備える。
【０００８】
本発明にかかる積層造形装置は、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する積層造形装置であって、光硬化性樹脂液が収容された収容槽と、鉛直方向に変位可能なステージと、金属層を形成するための金属層形成部と、前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射することで樹脂層を形成する樹脂層形成部と、前記ステージと前記金属層形成部と前記樹脂層形成部とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記金属層形成部を用いて前記金属層を形成し、前記ステージを降下させて、前記形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させ、前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、前記樹脂層形成部を用いて前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する。
【０００９】
本発明では、金属層を形成した後、当該形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて冷却している。そして、形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成している。このように本発明では、形成された金属層を光硬化性樹脂液を用いて冷却した後に樹脂層を形成しているので、金属層の熱が周囲の樹脂層に伝わることを抑制することができる。よって、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１にかかる積層造形装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる積層造形方法を用いて形成された３次元構造体の一例を示す上面図である。
【図３Ａ】実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図３Ｂ】実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図３Ｃ】実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図３Ｄ】実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図３Ｅ】実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図３Ｆ】実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図４】樹脂層の上に金属層を形成した場合を説明するための断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる積層造形方法を用いて形成された３次元構造体を説明するための断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる積層造形方法を用いて形成された３次元構造体の一例を示す断面図である。
【図７Ａ】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｅ】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｆ】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図８】実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】実施の形態２にかかる積層造形方法を用いて形成された熱伝導性樹脂層の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる積層造形装置１を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる積層造形装置１は、光硬化性樹脂液１１が収容された収容槽１０、ステージ１２、金属層形成部１４、硬化用レーザ光源（樹脂層形成部）１７、制御部２０、フィルタ２１、及び冷却部２２を備える。
【００１３】
収容槽１０は、上部が開放された箱形の槽である。収容槽１０の内部には、例えば紫外線硬化性樹脂液などの光硬化性樹脂液１１が収容されている。
【００１４】
ステージ１２は、形成された３次元構造体３０を支持するための台座である。ステージ１２は、支持部１３によって鉛直方向（上下方向）に変位可能に支持されている。ステージ１２の位置は、制御部２０によって制御される。例えば、３次元構造体３０を形成する際は、ステージ１２を下方向に徐々に移動させながら、３次元構造体３０を構成する金属層３１および樹脂層３２を積層していく。また、形成された３次元構造体３０を取り出す際は、ステージ１２を上方向に移動させて、３次元構造体３０を光硬化性樹脂液１１の外に出すことで、３次元構造体３０を取り出しやすくすることができる。
【００１５】
金属層形成部１４は、３次元構造体３０を構成する金属層３１を形成する。金属層形成部１４は、金属層３１を形成する部分に金属粒子を供給する金属粒子供給部１５と、供給された金属粒子を溶融して固化することで金属層３１を形成する溶融用レーザ光源１６とを備える。例えば、金属層形成部１４はレーザクラッド装置を用いて構成することができる。金属層形成部１４は、６軸ロボット等の移動装置を用いて移動可能に構成されている。また、金属層形成部１４は、金属層３１を形成する部分に酸化防止用ガス（Ａｒガス、Ｎ２ガス等）を供給することができるように構成されていてもよい。
【００１６】
金属粒子供給部１５から供給される金属粒子の種類は１種類であってもよく、また複数種類であってもよい。金属粒子供給部１５から供給される金属粒子の種類が複数である場合、これらの金属粒子を選択的に供給するようにしてもよい。また本実施の形態では、金属層形成部１４を複数設けてもよい。例えば、金属粒子には、鉄、アルミニウム、銅、及びこれらの合金等を用いることができる。また、金属層形成部１４としてレーザクラッド装置以外の装置を用いてもよい。例えば、ワイヤ金属を溶融して金属層を形成する溶融金属積層造型法を用いてもよい。
【００１７】
硬化用レーザ光源（樹脂層形成部）１７は、光硬化性樹脂液１１を硬化させるためのレーザ光を照射する。光硬化性樹脂が紫外線硬化性樹脂である場合、レーザ光として紫外線レーザを用いることができる。硬化用レーザ光源１７は、ステージ１２上の所定の位置にレーザ光を照射することができるように構成されている。換言すると、硬化用レーザ光源１７は、形成される３次元構造体３０の水平面内の所定の位置にレーザ光を照射することができるように構成されている。例えば、レーザ光の照射位置は、ガルバノスキャナ、ＭＥＭＳミラー、液晶フィルタなどを用いて制御することができる。ガルバノスキャナ、ＭＥＭＳミラー、液晶フィルタなどは、硬化用レーザ光源１７に内蔵されていてもよく、また硬化用レーザ光源１７とは別に設けられていてもよい。また本実施の形態では、硬化用レーザ光源１７を複数設けてもよい。
【００１８】
制御部２０は、ステージ１２、金属層形成部１４、及び硬化用レーザ光源１７を制御する。例えば、制御部２０は、ステージ１２が上下方向に変位するように制御することができる。また、制御部２０は、金属粒子供給部１５から供給される金属粒子の量、金属粒子の供給の有無、金属粒子を供給する位置等を制御することができる。また、制御部２０は、溶融用レーザ光源１６から照射されるレーザ光のパワー、レーザ光の照射の有無、レーザ光の照射位置等を制御することができる。更に制御部２０は、硬化用レーザ光源１７から照射されるレーザ光のパワー、レーザ光の照射の有無、レーザ光の照射位置等を制御することができる。
【００１９】
本実施の形態にかかる積層造形装置１は、例えば３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）による設計データから３次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて金属層および樹脂層を形成する。つまり、制御部２０は、各断面データに基づいて、ステージ１２、金属層形成部１４、及び硬化用レーザ光源１７を制御して３次元構造体を形成する。このとき、制御部２０は、３次元構造体の各部位の材質を認識し、金属層および樹脂層を形成する最適な順番を自動で算出してもよい。
【００２０】
フィルタ２１は、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１に含まれる不純物を取り除く。ここで、光硬化性樹脂液１１に含まれる不純物とは、例えば、金属層形成部１４から供給された金属粒子（金属層に定着しないで光硬化性樹脂液１１に混入した金属粒子）、樹脂層に定着しなかった光硬化性樹脂、炭化・劣化した光硬化性樹脂などである。例えば、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１はポンプ（不図示）を用いて循環するように構成されており、循環している光硬化性樹脂液１１をフィルタ２１に通すことで、光硬化性樹脂液１１に含まれる不純物を取り除くことができる。なお、フィルタ２１は、このような構成に限定されることはなく、例えば、光硬化性樹脂液１１と不純物との比重差を利用して、不純物を沈殿させて取り除くように構成してもよい。
【００２１】
冷却部２２は、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１を冷却する。例えば、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１はポンプ（不図示）を用いて循環するように構成されており、循環している光硬化性樹脂液１１を冷却部２２を用いて冷却することで、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１を冷却することができる。なお、冷却部２２は、このような構成に限定されることはなく、例えば、収容槽１０を直接冷却して光硬化性樹脂液１１を冷却するように構成してもよい。
【００２２】
次に、本実施の形態にかかる積層造形方法（つまり、積層造形装置１の動作）について説明する。図２は、本実施の形態にかかる積層造形方法を用いて形成される３次元構造体の一例を示す上面図である。図２に示す３次元構造体４０は、中心部分に金属材料４１が配置され、金属材料４１の両側に樹脂材料４２_１、４２_２が配置されている。また、３次元構造体５０は、中心部分に樹脂材料５１が配置され、樹脂材料５１の両側に金属材料５２_１、５２_２が配置されている。つまり、３次元構造体４０、５０は、水平面内において金属材料と樹脂材料とが接する構造となっている。なお、３次元構造体４０、５０の各水平断面の形状は、各層において同一（つまり、図２に示す上面図と同一）であるものとする。
【００２３】
以下、図２に示す３次元構造体４０、５０の形成方法について、図３Ａ〜図３Ｆを用いて説明する（なお、図３Ａ〜図３Ｆでは制御部２０の記載を省略している）。まず、図３Ａに示すように、ステージ１２上に、３次元構造体４０を構成する金属層４３、及び３次元構造体５０を構成する金属層５３を形成する。
金属層４３、５３を形成する際は、ステージ１２の表面に金属粒子２５を供給しながらレーザ光２６で当該金属粒子２５を溶融して固化する。このとき、ステージ１２の表面に光硬化性樹脂液１１が流れ込まないように、ステージ１２の表面が光硬化性樹脂液１１の液面よりも若干高くなるようにしてもよい。
【００２４】
次に、図３Ｂに示すように、ステージ１２を下方向に移動して、形成された金属層４３、５３を光硬化性樹脂液１１に浸漬させる。このように、金属層４３、５３を光硬化性樹脂液１１に浸漬させることで、金属層４３、５３の熱を光硬化性樹脂液１１に移動させることができ、金属層４３、５３を冷却することができる。
【００２５】
図３Ｂに示す場合は、３次元構造体４０、５０の一層分の厚さ分だけステージ１２を下方向に移動させた場合を示した。しかし、本実施の形態では、例えば、ステージ１２を更に深い位置に移動させた後、ステージ１２を再び上方向に移動させて、図３Ｂの位置に戻すようにしてもよく、また、ステージ１２を上下方向に複数回、往復移動させるようにしてもよい。このようにステージ１２を移動させることで、金属層４３、５３の熱を効率的に光硬化性樹脂液１１に移動させることができる。また、このようにステージ１２を移動させることで、３次元構造体の光硬化性樹脂液１１が浸入しにくい部分に、光硬化性樹脂液１１を浸入させることができる。
【００２６】
次に、図３Ｃに示すように、金属層４３、５３を光硬化性樹脂液１１に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射し、光硬化性樹脂液１１を硬化させて樹脂層４４、５４を形成する。
【００２７】
次に、図３Ｄに示すように、金属層４３、５３上に、金属層４５、５５をそれぞれ形成する。金属層４５、５５を形成する際は、金属層４５、５５を形成する形成面に金属粒子２５を供給しながらレーザ光２６で当該金属粒子２５を溶融して固化する。このとき、金属層４３、５３の表面に光硬化性樹脂液１１が流れ込まないように、金属層４３、５３の表面が光硬化性樹脂液１１の液面よりも若干高くなるようにしてもよい。
【００２８】
次に、図３Ｅに示すように、ステージ１２を下方向に移動して、形成された金属層４５、５５を光硬化性樹脂液１１に浸漬させる。このように、金属層４５、５５を光硬化性樹脂液１１に浸漬させることで、金属層４５、５５の熱を光硬化性樹脂液１１に移動させることができ、金属層４５、５５を冷却することができる。
【００２９】
図３Ｅに示す場合は、３次元構造体の一層分の厚さ分だけステージ１２を下方向に移動させた場合を示した。しかし、本実施の形態では、例えば、ステージ１２を更に深い位置に移動させた後、ステージ１２を再び上方向に移動させて、図３Ｅの位置に戻すようにしてもよく、また、ステージ１２を上下方向に複数回、往復移動させるようにしてもよい。このように、ステージ１２を移動させることで、金属層４５、５５の熱を効率的に光硬化性樹脂液１１に移動させることができる。
【００３０】
次に、図３Ｆに示すように、金属層４５、５５を光硬化性樹脂液１１に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射し、光硬化性樹脂液１１を硬化させて樹脂層４６、５６を形成する。
【００３１】
このような動作を繰り返すことで、図２に示すような金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体４０、５０を形成することができる。なお、上記の図３Ａ〜図３Ｆに示す工程において、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１は冷却部２２を用いて冷却されている。このように、光硬化性樹脂液１１を冷却することで、図３Ａ、図３Ｄで形成された金属層４３、４５、５３、５５を迅速に冷却することができる。
【００３２】
また、図３Ａ〜図３Ｆに示す工程において、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１に含まれる不純物はフィルタ２１を用いて取り除かれる。例えば、図３Ａ、図３Ｄにおいて金属層４３、４５、５３、５５を形成した際、金属層４３、４５、５３、５５に定着しなかった金属粒子は、光硬化性樹脂液１１に混入する。このようにして混入した金属粒子（不純物）はフィルタ２１によって除去される。また、図３Ｂ、図３Ｅにおいて、金属層４３、４５、５３、５５の熱によって光硬化性樹脂液１１の一部が固化する場合がある。このようにして固化した光硬化性樹脂はフィルタ２１によって除去される。
【００３３】
背景技術で説明したように、特許文献１には、金属材料と樹脂材料とを用いて３次元構造体を造形する技術が開示されている。しかしながら、金属材料の融点は樹脂材料の融点よりも高いため、金属材料と樹脂材料を用いて３次元構造体を形成する場合、溶融された金属材料の熱によって当該金属材料の周囲の樹脂材料が劣化してしまうという問題があった。ここで、金属材料に低融点金属を用いることで、金属材料の融点を樹脂材料の融点に近づけることができ、樹脂材料の劣化をある程度、抑制することができるが、低融点金属は高価であり、また材料の選択肢も限られてしまう。
【００３４】
そこで本実施の形態にかかる発明では、金属層を形成した後、当該形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて冷却している（図３Ｂ、図３Ｅ参照）。そして、形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成している（図３Ｃ、図３Ｆ参照）。このように本実施の形態にかかる発明では、形成された金属層を光硬化性樹脂液を用いて冷却した後に樹脂層を形成しているので、金属層の熱が周囲の樹脂層に伝わることを抑制することができる。よって、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することができる。
【００３５】
なお、図３Ａ〜図３Ｆで説明した例では、金属層４３、５３の上に金属層４５、５５を形成した場合について説明したが、本実施の形態にかかる積層造形方法では、樹脂層の上に金属層を形成するようにしてもよい。この場合は、光硬化性樹脂液を用いて樹脂層を十分に冷却してから、樹脂層の上に金属層を形成するようにすることで、金属層の下部の樹脂層が金属層の熱によって劣化することを抑制することができる。
【００３６】
また、本実施の形態にかかる積層造形方法、及び積層造形装置は、上記構成に限定されることはなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ステージ１２は、光硬化性樹脂液１１の液面（つまり、水平面）に対して傾くように構成されていてもよい。つまり、３次元構造体を形成している際にステージ１２を水平面に対して傾けることで、様々な形状を備えた３次元構造体を形成することができるようになる。
【００３７】
また、他の構造体を位置決めしてステージ１２上に固定し、上記で説明した積層造形方法を用いて３次元構造体を形成することで、他の構造体の一部に３次元構造体を形成することができる。また、ステージ１２上の３次元構造体と光硬化性樹脂液１１の液面との距離を一定に保つような機構を設けてもよい。
【００３８】
また本実施の形態では、ステージ１２を鉛直方向に加えて水平方向に移動可能に構成してもよい。この場合は、金属層形成部１４および硬化用レーザ光源（樹脂層形成部）１７を固定してもよい。
【００３９】
また本実施の形態では、フィルタ２１で取り除かれた不純物（金属粒子、炭化・劣化した光硬化性樹脂など）を回収して再利用するように構成してもよい。
【００４０】
また本実施の形態では、サーモグラフィー等の温度検出手段を用いて、３次元構造体の温度を監視し、３次元構造体の温度が所定の閾値を超えた場合に、３次元構造体の製造を停止して、光硬化性樹脂液１１に３次元構造体を浸して冷却するようにしてもよい。
【００４１】
また本実施の形態では、レーザスキャナ等の３次元形状認識手段を用いて３次元構造体の形状を監視し、３次元構造体の形状の精度が所定の指定値を超えた場合には、３次元構造体の製造を停止して、加工用レーザを用いて３次元構造体の形状を補正（つまり、レーザアブレーション加工で補正）してもよい。
【００４２】
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置を提供することができる。
【００４３】
＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図４の断面図に示すように、金属粒子２５をレーザ光２６で溶融させて樹脂層６０の上に金属層６１を形成した場合は、樹脂層６０の位置６２（金属層６１の下側の位置）が金属層６１の熱で局所的に加熱され、樹脂層６０が炭化、消失したり、劣化したりするという問題があった。このような問題は、予め樹脂層６０を光硬化性樹脂液１１を用いて冷却した場合であっても起こり得る問題である。すなわち、樹脂層６０の上に金属層６１が形成された際に金属層６１から樹脂層６０に伝わった熱は、樹脂層６０の熱伝導率が低いために樹脂層６０内で伝わりにくい。このため、金属層６１の熱で、金属層６１の下側の位置６２が局所的に加熱される。つまり、樹脂層６０の位置６２から周囲に熱が拡散しにくいため、樹脂層６０の位置６２が局所的に加熱されて炭化、消失してしまう場合がある。
【００４４】
このような問題を解決するために、本実施の形態では、図５の断面図に示すように、樹脂層６０の上に、当該樹脂層６０よりも熱伝導率の高い熱伝導性樹脂層６２を形成し、当該熱伝導性樹脂層６２の上に金属層６１を形成している。このように、樹脂層６０と金属層６１との間に熱伝導性樹脂層６２を設けることで、金属層６１から熱伝導性樹脂層６２に伝わった熱を、熱伝導性樹脂層６２内において分散させることができる。よって、金属層６１の熱で樹脂層６０や熱伝導性樹脂層６２が局所的に加熱されることを抑制することができるので、樹脂層６０や熱伝導性樹脂層６２が炭化、消失したり、劣化したりすることを抑制することができる。
【００４５】
以下、本実施の形態にかかる積層造形方法について詳細に説明する。なお、本実施の形態で用いられる積層造形装置２は、実施の形態１で説明した積層造形装置１と基本的に同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し重複した説明は省略する。
【００４６】
図６は、本実施の形態にかかる積層造形方法を用いて形成される３次元構造体の一例を示す断面図である。図６に示す３次元構造体７０は、断面形状がＵ字状の樹脂材料７１に金属材料７２が埋め込まれている構造となっている。樹脂材料７１と金属材料７２との間には熱伝導性樹脂層７３が設けられている。
【００４７】
以下、図６に示す３次元構造体７０の形成方法について、図７Ａ〜図７Ｆを用いて説明する（なお、図７Ａ〜図７Ｆでは制御部２０の記載を省略している）。まず、図７Ａに示すように、ステージ１２上に、３次元構造体７０を構成する樹脂層７５を形成する。つまり、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射し、光硬化性樹脂液１１を硬化させて樹脂層７５を形成する。
【００４８】
次に、図７Ｂに示すように、ステージ１２を下方向に移動した後、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射し、光硬化性樹脂液１１を硬化させて樹脂層７５の上に樹脂層７６を形成する。
【００４９】
次に、図７Ｃに示すように、樹脂層７５の上に熱伝導性樹脂層７７を形成する。熱伝導性樹脂層７７は、光硬化性樹脂液１１に金属粒子（フィラー）２５を供給した後、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射することで形成することができる。このとき、金属層形成部１４の溶融用レーザ光源１６からレーザ光は照射されない。換言すると、金属層形成部１４は金属粒子２５のみを光硬化性樹脂液１１に供給する。
【００５０】
このように、光硬化性樹脂液１１に金属粒子２５を混入させることで、熱伝導性樹脂層７７の熱伝導率を向上させることができる。このとき、熱伝導性樹脂層７７に混入する金属粒子２５の量を調整することで、熱伝導性樹脂層７７の熱伝導率を調整することができる。つまり、熱伝導性樹脂層７７に混入する金属粒子２５の量を多くするほど、熱伝導性樹脂層７７の熱伝導率を高くすることができる。
【００５１】
なお、図７Ｃでは、金属層形成部１４を用いて金属粒子２５を供給する場合を例として示したが、本実施の形態では、金属層形成部１４とは別に設けた金属粒子供給手段（不図示）を用いて金属粒子（フィラー）を光硬化性樹脂液１１に供給するようにしてもよい。また、熱伝導性樹脂層７７は、光硬化性樹脂液１１に金属粒子２５を供給しながら、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射することで形成してもよい。つまり、金属粒子２５の供給とレーザ光２８の照射を同時に実施してもよい。光硬化性樹脂液１１に混入する金属粒子（フィラー）の材料には、例えば、鉄、アルミニウム、銅、及びこれらの合金等を用いることができる。
【００５２】
次に、図７Ｄに示すように、熱伝導性樹脂層７７の上に、金属層７８を形成する。金属層７８を形成する際は、熱伝導性樹脂層７７の表面に金属粒子２５を供給しながらレーザ光２６で当該金属粒子２５を溶融して固化する。このとき、金属層７８の表面に光硬化性樹脂液１１が流れ込まないように、熱伝導性樹脂層７７の表面が光硬化性樹脂液１１の液面よりも若干高くなるようにしてもよい。形成された金属層７８の熱は、熱伝導性樹脂層７７を介して光硬化性樹脂液１１へと伝わり、金属層７８が間接的に冷却される。
【００５３】
次に、図７Ｅに示すように、ステージ１２を下方向に移動して、形成された金属層７８を光硬化性樹脂液１１に浸漬させる。このように、金属層７８を光硬化性樹脂液１１に浸漬させることで、金属層７８の熱を光硬化性樹脂液１１に移動させることができ、金属層７８を直接冷却することができる。
【００５４】
図７Ｅに示す場合は、３次元構造体の一層分の厚さ分だけステージ１２を下方向に移動させた場合を示した。しかし、本実施の形態では、例えば、ステージ１２を更に深い位置に移動させた後、ステージ１２を再び上方向に移動させて、図７Ｅの位置に戻すようにしてもよく、また、ステージ１２を上下方向に複数回、往復移動させるようにしてもよい。このように、ステージ１２を移動させることで、金属層７８の熱を効率的に光硬化性樹脂液１１に移動させることができる。
【００５５】
次に、図７Ｆに示すように、金属層７８を光硬化性樹脂液１１に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液１１にレーザ光２８を照射し、光硬化性樹脂液１１を硬化させて樹脂層７９を形成する。
【００５６】
このような動作を繰り返すことで、図６に示すような金属材料と樹脂材料とを含む３次元構造体７０を形成することができる。なお、上記の図７Ａ〜図７Ｆに示す工程において、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１は冷却部２２を用いて冷却されている。このように、光硬化性樹脂液１１を冷却することで、図７Ｄで形成された金属層７８を迅速に冷却することができる。
【００５７】
また、図７Ａ〜図７Ｆに示す工程において、収容槽１０に収容されている光硬化性樹脂液１１に含まれる不純物はフィルタ２１を用いて取り除かれる。例えば、図７Ｃにおいて、熱伝導性樹脂層７７を形成する際に供給された金属粒子２５のうち、熱伝導性樹脂層７７中に取り込まれなかった金属粒子は、光硬化性樹脂液１１に混入する。また、図７Ｄにおいて金属層７８を形成した際、金属層７８に定着しなかった金属粒子は、光硬化性樹脂液１１に混入する。このようにして混入した金属粒子（不純物）はフィルタ２１によって除去される。また、図７Ｆにおいて、金属層７８の熱によって光硬化性樹脂液１１の一部が固化する場合がある。このようにして固化した光硬化性樹脂はフィルタ２１によって除去される。
【００５８】
本実施の形態にかかる積層造形装置２は、例えば３次元ＣＡＤによる設計データから３次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて金属層および樹脂層を形成する。このとき、各断面データに基づいて、図８のフローチャートに示す処理を実施することで、熱伝導性樹脂層を形成するか否かを判断することができる。
【００５９】
つまり、図８に示すように、まず、Ｎ層（Ｎは１以上の整数）が樹脂層であるか否かを判断する（ステップＳ１）。Ｎ層が樹脂層である場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、Ｎ＋２層が金属層であるか否かを判断する（ステップＳ２）。そして、Ｎ＋２層が金属層である場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、Ｎ＋１層に熱伝導性樹脂層を形成する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ１においてＮ層が樹脂層でないと判断された場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、また、ステップＳ２においてＮ＋２層が金属層でないと判断された場合（ステップＳ２：Ｎｏ）は、Ｎの値をインクリメントして、ステップＳ１において次のＮ＋１層が樹脂層であるか否かを判断する。このような処理を繰り返すことで、熱伝導性樹脂層を形成するか否かを判断することができる。
【００６０】
本実施の形態では、このように樹脂層と金属層との間に熱伝導性樹脂層を設けているので、金属層から熱伝導性樹脂層に伝わった熱を、熱伝導性樹脂層内において分散させることができる。よって、金属層の熱で樹脂層や熱伝導性樹脂層が局所的に加熱されることを抑制することができるので、樹脂層や熱伝導性樹脂層が炭化、消失したり、劣化したりすることを抑制することができる。
【００６１】
また、本実施の形態では、樹脂層と金属層との間に、複数の層からなる熱伝導性樹脂層を形成してもよい。このとき、図９の断面図に示すように、複数の熱伝導性樹脂層８１_１〜８１_４の熱伝導率が樹脂層８０側から金属層８２側に向かって徐々に高くなるようにしてもよい。例えば、各々の熱伝導性樹脂層８１_１〜８１_４に混入する金属粒子（フィラー）の量を調整することで、各々の熱伝導性樹脂層８１_１〜８１_４の熱伝導率を調整することができる。この場合は、各々の熱伝導性樹脂層８１_１〜８１_４に含まれる金属粒子の量が、樹脂層８０側から金属層８２側に向かって徐々に多くなるようにする。
【００６２】
このように、複数の熱伝導性樹脂層８１_１〜８１_４の熱伝導率が樹脂層８０側から金属層８２側に向かって徐々に高くなるようにすることで、金属層８２から伝わった熱を、熱伝導性樹脂層８１_１〜８１_４内においてより確実に分散させることができる。
【００６３】
金属粒子の添加量（重量％）としては、例えば、熱伝導性樹脂層８１_１に含まれる金属粒子の量を３０％、熱伝導性樹脂層８１_２に含まれる金属粒子の量を５０％、熱伝導性樹脂層８１_３に含まれる金属粒子の量を７５％、熱伝導性樹脂層８１_４に含まれる金属粒子の量を９０％とすることができる。
【００６４】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６５】
１、２、３  積層造形装置
１０  収容槽
１１  光硬化性樹脂液
１２  ステージ
１３  支持部
１４  金属層形成部
１５  金属粒子供給部
１６  溶融用レーザ光源
１７  硬化用レーザ光源（樹脂層形成部）
２０  制御部
２１  フィルタ
２２  冷却部
２５  金属粒子
２６  レーザ光
２８  レーザ光
６０  樹脂層
６１  金属層
６２  熱伝導性樹脂層
８０  樹脂層
８１_１〜８１_４  熱伝導性樹脂層
８２  金属層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８】
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【図９】
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