(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層を複数有する積層造形構造体において、
前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第１の造形体を構成する第１の造形部を有し、
前記層の内の第１の層は、前記第１の造形部と、前記第１の造形部に接続する第１の突出部とを有し、
前記層の内の第２の層は、前記第１の層に積層し、前記第１の造形部と、前記第１の突出部に接続する第１の突起部とを有し、
前記第１の層と前記第２の層との積層の組は、複数の前記層の内に１組以上設けられ、
前記第１の突出部と前記第１の突起部とは、前記第１の材料から成り、
前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第２の造形体を構成する第２の造形部を有し、
前記層の内の、前記第１と第２の層とは別の第３の層は、前記第２の造形部と、前記第１の材料より成り前記第２の造形部に接続する第２の突出部とを有し、
前記層の内の、前記第１と第２の層とは別の第４の層は、前記第３の層に積層し、前記第２の造形部と、前記第１の材料より成り前記第２の突出部に接続する第２の突起部とを有し、
前記第３の層と前記第４の層との積層の組は、複数の前記層の内に１組以上設けられている積層造形構造体。
【請求項２】
前記第１の突出部は、前記第１の造形部の外周を囲む、請求項１記載の積層造形構造体。
【請求項３】
前記層の内の第５の層は、前記第２の層に積層し、前記第１の造形部と、前記第１の材料より成り前記第１の突起部に接続するフック部とを有し、
前記フック部は前記第１の突起部よりも幅が広い、請求項１または２の内の１項記載の積層造形構造体。
【請求項４】
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層を複数有する積層造形構造体において、
前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第１の造形体を構成する第１の造形部を有し、
前記層の内の第１の層は、前記第１の造形部と、前記第１の造形部に接続する第１の突出部とを有し、
前記層の内の第２の層は、前記第１の層に積層し、前記第１の造形部と、前記第１の突出部に接続する第１の突起部とを有し、
前記第１の層と前記第２の層との積層の組は、複数の前記層の内に１組以上設けられ、
前記第１の突出部と前記第１の突起部とは、前記第１の材料から成り、
前記層の内の第５の層は、前記第２の層に積層し、前記第１の造形部と、前記第１の材料より成り前記第１の突起部に接続するフック部とを有し、
前記フック部は前記第１の突起部よりも幅が広い、積層造形構造体。
【請求項５】
前記第１の突出部は、前記第１の造形部の外周を囲む、
請求項４記載の積層造形構造体。
【請求項６】
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層を複数有する積層造形構造体において、
前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第１の造形体を構成する第１の造形部を有し、
前記層の内の第１の層は、前記第１の造形部と、前記第１の材料より成り前記第１の造形部に接続する第１の突出部と、前記第１の材料より成り前記第１の突出部に接続する第１の突起部とを有し、
前記第１の層は、複数の前記層の内に１つ以上設けられている、積層造形構造体。
【請求項７】
前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第２の造形体を構成する第２の造形部を有し、
前記層の内の、前記第１の層とは別の第２の層は、前記第２の造形部と、前記第１の材料より成り前記第２の造形部に接続する第２の突出部と、前記第１の材料より成り前記第２の突出部に接続する第２の突起部とを有し、
前記第２の層は、複数の前記層の内に１つ以上設けられている、請求項６記載の積層造形構造体。
【請求項８】
前記第１の突出部と前記第１の突起部とは、前記第２の材料から成る、請求項１記載の積層造形構造体。
【請求項９】
前記第１の材料は導電体を有し、前記第２の材料は絶縁体を有する、請求項１から８の内の１項記載の積層造形構造体。
【請求項１０】
前記第１の造形体は電気配線である、請求項１から９の内の１項記載の積層造形構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元積層造形技術に関し、特に、複数の材料を用いた３次元積層造形構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層毎に層の上に層を積むように材料を付加しながら層間を付着させて、３次元形状の構造物を数値表現から製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと定義されている。１９８０年代に発明されたこの製造方法は、一般的には３Ｄプリンタと呼ばれる。３Ｄプリンタは、３次元ＣＡＤデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を容易に製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。
【０００３】
３Ｄプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を同一の層内に自由に配置させた造形を容易とすることも期待されている。複数の材料を用いた造形により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した３次元形状モデルが実現できるからである。
【０００４】
例えば、導電材料と絶縁材料とを複合させることで、電子回路の機能を有する３次元形状モデルが実現する。また、硬質な材料と柔軟な材料とを複合させることで、強度と柔軟性の両立した機能を有する３次元形状モデルが実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも容易に実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１９００８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特性の異なる第１の材料と第２の材料を同一層内に造形する場合の課題として、両者の熱膨張係数が異なると、温度変化に伴う収縮差から両者の接合界面に応力が発生する。このとき、界面の接合強度が低い場合は界面剥離が発生し複合構造としての十分な強度が得られないという問題がある。特に、第１の材料を導電性材料とし、第２の材料を絶縁性材料として３次元電気配線を形成する場合には、界面剥離が発生すると第２の材料による第１の材料の保護性能が不十分となり配線の断線に至るなど、信頼性の低下という重大な問題に至る可能性がある。
【０００７】
２種類の材料による積層造形方法として特許文献１が開示されている。この方法によれば、硬化層を積み重ねて所望の３次元形状部品を造形するプロセスにおいて、第１の材料を硬化する際に、第１の材料に部分的に硬化させない部分を設け、この部分を除去し、除去した部分に別工程で製造した第２の材料による埋設用部材を埋設する。その後さらに造形を継続することで、第１の材料による造形物の中に第２の材料による部材を埋め込んだ複合構造を造形することができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法では、第１の材料と第２の材料の界面の接合は強化されておらず、複合構造としての十分な強度は得られないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による積層造形構造体は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層を複数有する積層造形構造体において、前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第１の造形体を構成する第１の造形部を有し、前記層の内の第１の層は、前記第１の造形部と、前記第１の造形部に接続する第１の突出部とを有し、前記層の内の第２の層は、前記第１の層に積層し、前記第１の造形部と、前記第１の突出部に接続する第１の突起部とを有し、前記第１の層と前記第２の層との積層の組は、複数の前記層の内に１組以上設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す上面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す上面図である。
【図５Ａ】本発明の第３の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。
【図５Ｂ】本発明の第３の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す下面図である。
【図６Ａ】本発明の第４の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。
【図６Ｂ】本発明の第４の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す上面図である。
【図７Ａ】本発明の第５の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第５の実施形態の積層造形構造体の構造を示す下面図である。
【図７Ｃ】本発明の第５の実施形態の積層造形構造体の構造を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。図１Ｂは、本実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。図１Ｃは、本実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す、図１ＢのＡ−Ａ’方向からの上面図である。
【００１４】
本実施形態の積層造形構造体１は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層を複数有する積層造形構造体において、前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第１の造形体２を構成する第１の造形部５を有し、前記層の内の第１の層３は、前記第１の造形部５と、前記第１の造形部５に接続する第１の突出部６とを有し、前記層の内の第２の層４は、前記第１の層３に積層し、前記第１の造形部５と、前記第１の突出部６に接続する第１の突起部７とを有し、前記第１の層３と前記第２の層４との積層の組は、複数の前記層の内に１組以上設けられている。前記第１の突出部６と前記第１の突起部７とは、前記第１の材料から成る。
【００１５】
積層造形構造体１では、第１の突出部６は、第１の層３に存在し第１の造形部５に接続する構造とし、第１の突起部７は、第２の層４に存在し第１の突出部６に接続する構造とする。
【００１６】
上記の構造とすることで、第１の材料から成る第１の造形体２は、これに接続する第１の突出部６と第１の突起部７とが第２の材料から成る領域に嵌まり込むことによって、第２の材料の領域と強固に密着することができる。よって、第１の材料と第２の材料の熱膨張係数の違いにより、第１の材料と第２の材料の接合界面に応力が発生しても、界面剥離の発生が抑制される。
【００１７】
なお、図１Ａ、Ｂでは、第１の突起部７は第１の突出部６の上側に設けられているが、第１の突出部６の下側に設けられていてもよい。また、第１の層３と第２の層４の組の中の第１の突出部６と第１の突起部７との組は、１組以上設けることができる。例えば、図１Ｃでは４組の場合を示しているが、これには限定されない。
【００１８】
以下に説明する積層造形構造体１の具体的な形態では、電子回路の機能を有する３次元形状モデルを想定し、これに対応した第１の材料と第２の材料とを例としているが、本実施形態はこれには限定されない。
【００１９】
第１の材料は、導電体としての性質を有する材料とする。この材料は、例として、銅、銀、アルミが挙げられるが、これらに限定はされない。
【００２０】
第１の材料の積層方法としては、例えば、第１の材料をヒータなどにより加熱し溶融させて、層内の所定の位置に所定量を積層させる方法が可能である。所定量の第１の材料を供給する際には、第１の材料を粉末状、フィラー状、線状等の溶融しやすい形状に加工しておいてもよい。また、第１の材料の溶融時に気化する物質と混合することで、ペースト状にしておいても良い。
【００２１】
第１の材料の積層方法の他の方法として、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している方式から、材料を供給しつつ熱エネルギーを集中することによって材料を溶融結合する指向エネルギー堆積方式（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ  ｅｎｅｒｇｙ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることもできる。
【００２２】
第２の材料は、絶縁体としての性質を有し、プラスチックが代表的な材料である。具体例としては、ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ  Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ  Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリカーボネート、ポリ乳酸、アクリル、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ナイロン、ポリエチレン、シリコーン、エポキシ等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２３】
第２の材料の積層方法としては、ＡＳＴＭがＡｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している方式を用いることができる。例えば、加熱して溶融した第２の材料を、ノズルなどの開口部から押し出して堆積する材料押出方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）が挙げられる。また、他の方法としては、第２の材料の液滴を噴射し、選択的に硬化させ堆積させる材料噴射方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｊｅｔｔｉｎｇ）などが挙げられる。
【００２４】
第２の材料の溶融、硬化については、熱可塑性樹脂であれば、加熱溶融させた材料を所定の位置に所定量供給し、空冷によって硬化させることができる。また、熱硬化や光硬化性樹脂の場合、材料の液滴を噴射し、熱硬化性樹脂であれば加熱、光硬化性樹脂であれば紫外線等を照射することで、第２の材料を積層することができる。
【００２５】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、本実施形態の積層造形構造体１の製造方法を示す断面図である。
【００２６】
図２Ａでは、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層の上に、第１の層３を積層する工程を示している。第１の層３は、第１の材料から成る第１の造形部５と、第１の造形部５に接続する第１の材料から成る第１の突出部６と、第２の材料による領域とを有する。
【００２７】
図２Ｂでは、第１の層３の上に、第２の層４を積層する工程を示している。第２の層４は、第１の造形部５と、第１の突出部６に接続する第１の材料から成る第１の突起部７と、第２の材料による領域とを有する。
【００２８】
図２Ｃでは、第２の層４の上にさらに層を積層することによって、第１の造形体２を有する積層造形構造体１が完成する工程を示している。第２の層４に積層される層は、第１の造形部５と第２の材料による領域とを有する。
【００２９】
図３は、本実施形態の積層造形構造体において、複数の造形体を設けた構造を示す断面図である。複数の造形体を設けた積層造形構造体１１は、図１Ａに示す積層造形構造体１に加えて、各層は、第１の材料より成り複数の層に跨る第２の造形体１２を構成する第２の造形部１５を有し、前記層の内の、第１の層３と第２の層４とは別の第３の層１３は、第２の造形部１５と、第１の材料より成り第２の造形部１５に接続する第２の突出部１６とを有し、前記層の内の、第１の層３と第２の層４とは別の第４の層１４は、第３の層１３に積層し、第２の造形部１５と、第１の材料より成り第２の突出部１６に接続する第２の突起部１７とを有し、第３の層１３と第４の層１４との積層の組は、複数の層の内に１組以上設けられている。
【００３０】
積層造形構造体１１では、第２の突出部１６は、第３の層１３に存在し第２の造形部１５に接続する構造とし、第２の突起部１７は、第４の層１４に存在し第２の突出部１６に接続する構造とする。
【００３１】
なお、図３では、第２の突起部１７は第２の突出部１６の上側に設けられているが、第２の突出部１６の下側に設けられていてもよい。また、第３の層１３と第４の層１４の組の中の第２の突出部１６と第２の突起部１７との組は、１組以上設けることができる。
【００３２】
図３に示すように、第１の突出部６と第１の突起部７との組と、第２の突出部１６と第２の突起部１７との組とは、積層造形構造体１１の積層方向で重なるように配置することができる。このような配置により、突出部や突起部同士の干渉を防ぎ、かつ、複数の造形体を高密度に配置することができる。
【００３３】
なお、本実施形態では２種類の材料から成る積層造形構造体としたが、これには限定されず、任意の複数の材料から成る積層造形構造体とすることもできる。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現できる。
（第２の実施形態）
図４Ａは、本発明の第２の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。図４Ｂは、本実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す、図４ＡのＢ−Ｂ’方向からの上面図である。
【００３５】
本実施形態の積層造形構造体の構造が、第１の実施形態の積層造形構造体１と異なるのは、第１の突出部６ａが第１の造形部５の外周を囲む構造であることである。その他の構造は、第１の実施形態の積層造形構造体１と同じである。また、本実施形態においても、図３に示した第１の実施形態の積層造形構造体１１と同様に、複数の造形体を高密度に配置することができる。
【００３６】
本実施形態によれば、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現できる。
（第３の実施形態）
図５Ａは、本発明の第３の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。図５Ｂは、本実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す、図５ＡのＣ−Ｃ’方向からの下面図である。
【００３７】
本実施形態の積層造形構造体の構造が、第１の実施形態の積層造形構造体１と異なるのは、第２の層４に積層する第５の層１８が、第１の材料より成り第１の突起部７に接続するフック部８を有し、フック部８は第１の突起部７よりも幅が広い構造であることである。幅の方向は、例えば図５Ａに示すように、紙面の左右方向での幅とすることができるが、これには限定されない。その他の構造は、第１の実施形態の積層造形構造体１と同じである。また、本実施形態においても、図３に示した第１の実施形態の積層造形構造体１１と同様に、複数の造形体を高密度に配置することができる。
【００３８】
本実施形態によれば、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現できる。
（第４の実施形態）
図６Ａは、本発明の第４の実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す側面図である。図６Ｂは、本実施形態の積層造形構造体の第１の材料による造形構造を示す、図６ＡのＤ−Ｄ’方向からの上面図である。
【００３９】
本実施形態の積層造形構造体の構造が、第１の実施形態の積層造形構造体１と異なるのは、本実施形態の積層造形構造体では、第１の層３ｂが、第１の造形部５と、第１の材料より成り第１の造形部５に接続する第１の突出部６と、第１の材料より成り第１の突出部６に接続する第１の突起部７ａとを有することである。また、第２の層４は設けられていなくてもよい。その他の構造は、第１の実施形態の積層造形構造体１と同じである。また、本実施形態においても、図３に示した第１の実施形態の積層造形構造体１１と同様に、複数の造形体を高密度に配置することができる。
【００４０】
本実施形態によれば、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現できる。
（第５の実施形態）
図７Ａは、本発明の第５の実施形態の積層造形構造体の構造を示す断面図である。図７Ｂは、本実施形態の積層造形構造体の構造を示す、図７ＡのＥ−Ｅ’方向からの下面図である。図７Ｃは、本実施形態の積層造形構造体の構造を示す、図７ＡのＦ−Ｆ’方向からの上面図である。
【００４１】
本実施形態の積層造形構造体は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形した層を複数有する積層造形構造体において、前記層は、前記第１の材料より成り複数の前記層に跨る第１の造形体２ａを構成する第１の造形部５ａを有し、前記層の内の第１の層３ａは、前記第１の造形部５ａと、前記第１の造形部５ａに接続する第１の突出部９とを有し、前記層の内の第２の層４ａは、前記第１の層３ａに積層し、前記第１の造形部５ａと、前記第１の突出部９に接続する第１の突起部１０とを有し、前記第１の層３ａと前記第２の層４ａとの積層の組は、複数の前記層の内に１組以上設けられている。前記第１の突出部９と前記第１の突起部１０とは、前記第２の材料から成る。
【００４２】
上記の構造とすることで、第１の材料から成る第１の造形体２ａは、第１の造形体２ａに第２の材料から成る第１の突出部９と第１の突起部１０とが嵌まり込むことによって、第２の材料の領域と強固に密着することができる。よって、第１の材料と第２の材料の熱膨張係数の違いにより、第１の材料と第２の材料の接合界面に応力が発生しても、界面剥離の発生が抑制される。
【００４３】
なお、図７Ａでは、第１の突起部１０は第１の突出部９の上側に設けられているが、第１の突出部９の下側に設けられていてもよい。また、第１の層３ａと第２の層４ａの組の中の第１の突出部９と第１の突起部１０との組は、１組以上設けることができる。例えば、図７Ｂと図７Ｃでは４組の場合を示しているが、これには限定されない。
【００４４】
本実施形態によれば、層を積層して造形される積層造形構造体において、熱膨張係数の異なる複数の材料を用いた場合の複合構造の強度を高めた積層造形構造体を実現できる。
【００４５】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１、１１    積層造形構造体
２    第１の造形体
３、３ａ、３ｂ    第１の層
４、４ａ    第２の層
５、５ａ    第１の造形部
６、６ａ、９    第１の突出部
７、７ａ、１０    第１の突起部
８    フック部
１２    第２の造形体
１３    第３の層
１４    第４の層
１５    第２の造形部
１６    第２の突出部
１７    第２の突起部
１８    第５の層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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