(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形物の材料となる第１の樹脂を溶融して吐出する第１の造形ヘッドと、
前記造形物の材料となる第２の樹脂を溶融して吐出する第２の造形ヘッドと、
針状、棒状又は繊維状のフィラーを供給するフィラー供給器と、
前記造形物が形成される造形ステージと
を備え、
前記第１の造形ヘッドは、前記第１の樹脂を溶融して吐出し、
前記フィラー供給器は、前記吐出された第１の樹脂に前記フィラーを供給して前記吐出された第１の樹脂の表面から内部にかけて前記フィラーを埋め込み、
前記第２の造形ヘッドは、前記フィラーが一部露出した状態で埋め込まれた前記第１の樹脂の隣接した箇所に、前記第２の樹脂を溶融して吐出し、
前記フィラー供給器は、前記吐出された第１又は第２の樹脂に前記フィラーを供給して前記吐出された第１又は第２の樹脂の表面から内部にかけて前記フィラーを埋め込む
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記フィラー供給器は、
前記フィラーを投入する投入部と、
前記フィラーを分散させるための空間部と、
前記空間部の下方に設けられ、前記フィラーを外部へと排出する散布口と、
前記フィラーを分散させる分散装置と
を備えることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記空間部に設けられ、前記フィラーを前記散布口に集める分流器をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記フィラーを前記造形物に向かって加速させる加速器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記フィラーを前記造形物に向かって加速させる加速器をさらに備え、
前記加速器は、前記投入部と前記散布口との間の圧力差を利用するものであることを特徴とする請求項２又は３記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記加速器は、前記フィラーをマイナスに帯電させるための電極と、前記造形物が形成されるステージから前記電極へ電界を与える電源とを備えることを特徴とする請求項４記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記フィラー供給器は、前記第１及び第２の造形ヘッドとの位置関係が変更可能に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記フィラー供給器は、造形時の前記第１及び第２の造形ヘッドの進行方向に合わせて回動することを特徴とする請求項７記載の三次元造形装置。
【請求項９】
造形物の材料となる第１の樹脂を溶融して吐出する第１の造形ヘッド及び前記造形物の材料となる第２の樹脂を溶融して吐出する第２の造形ヘッドの動きに追従し、針状、棒状又は繊維状のフィラーを供給することを特徴とするフィラー供給器。
【請求項１０】
前記フィラーを投入する投入部と、
前記フィラーを分散させるための空間部と、
前記空間部の下方に設けられ、前記フィラーを外部へと排出する散布口と、
前記フィラーを分散させる分散装置と
を備えることを特徴とする請求項９記載のフィラー供給器。
【請求項１１】
前記空間部に設けられ、前記フィラーを前記散布口に集める分流器をさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のフィラー供給器。
【請求項１２】
前記フィラーを前記造形物に向かって加速させる加速器をさらに備えることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項記載のフィラー供給器。
【請求項１３】
造形物の一部となる第１の樹脂を溶融して吐出する第１の樹脂吐出工程と、
前記吐出された第１の樹脂の表面から内部にかけて、針状、棒状又は繊維状のフィラーを埋め込むフィラー導入工程と、
前記フィラーが一部露出した状態で埋め込まれた前記第１の樹脂の隣接した箇所に、前記造形物の一部となる第２の樹脂を溶融して吐出する第２の樹脂吐出工程と、
前記吐出された第１又は第２の樹脂の表面から内部にかけて、前記フィラーを埋め込む第２のフィラー導入工程と
を有し、
前記各工程を繰り返すことによって前記造形物を製造する造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置、その装置に用いられる改質体供給器、改質体を含む造形物及びその造形物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、溶融樹脂押し出し造形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においては、１つの造形物において複数の材料を用いることが、例えば幾つかの文献において提示されている。しかし、このような複数材料を複合的に用いた造形物を生成する場合、異なる複数の材料の間の接合が弱く、延伸すると材料間に隙間が開いてしまい、機械的強度が低下してしまう。このため、素材の複合化メリットを活かすことができない場合があった。
【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、複数材料を複合的に用いた造形物を生成する場合においても、異なる複数の材料の間の接合を強固にすることができる三次元造形装置、その装置に用いられる改質体供給器、改質体を含む造形物及びその造形物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】
本発明に係る三次元造形装置は、造形物の材料となる樹脂を熔融して吐出する造形ヘッドと、前記造形ヘッドに隣接して設けられ、前記造形物の機械的特性を改質する改質体を供給する改質体供給器と、造形物が形成される造形ステージとを備えることを特徴とする。また、本発明によれば、このような三次元造形装置に用いられる改質体供給器が提供される。【０００８】
また、本発明に係る造形物は、隣接して配置された異種樹脂材料の界面に跨って、前記樹脂材料の機械的特性を改質する改質体が配置されていることを特徴とする。また、本発明によれば、このような造形物の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。
【図３】ＸＹステージ１２の構成を示す斜視図である。
【図４】ドライバ３００の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】造形物Ｓの構造の一例を示す側面図である。
【図６】造形物Ｓの構造の一例を示す斜視図である。
【図７】図５及び図６に示す造形物Ｓの製造工程の一例を示す工程図である。
【図８】造形物Ｓの構造の他の例を示す平面図である。
【図９】異種樹脂を用いた場合の問題点を説明する概略図である。
【図１０】造形ヘッド２５とフィラー供給器２８の作用を説明する概略図であり、（ａ）フィラーを供給している状態、（ｂ）はフィラー供給後の樹脂の状態である。
【図１１】本実施の形態により形成される造形物Ｓの一例を示す模式平面図及びＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ模式断面図である。
【図１２】本実施の形態により形成される造形物Ｓを延伸した場合の効果を示す平面図である。
【図１３】第２の実施の形態に係るフィラー供給器の構造を示す概略図である。
【図１４】第３の実施の形態に係るフィラー供給器の構造を示す概略図である。
【図１５】第４の実施の形態に係る三次元造形装置の一部を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１６】その他の実施の形態に係る三次元造形装置の一部を示す概略図であり、（ａ）は造形ヘッド２５とフィラー供給器２８との関係を示す図、（ｂ）はフィラー供給器を２つ設けた例、（ｃ）はフィラー供給器が移動する例。
【図１７】造形物Ｓの構造の別の例を示す側面図である。
【図１８】造形物Ｓの構造の別の例を示す斜視図である。
【図１９】造形物Ｓの構造の別の例を示す側面図である。
【図２０】造形物Ｓの構造の別の例を示す斜視図である。
【図２１】造形物Ｓの構造の別の例を示す平面図である。
【図２２】造形物Ｓの構造の別の例を示す平面図である。
【図２３】造形物Ｓの構造の別の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
［第１の実施の形態］
（全体構成）
図１は、第１の実施の形態で用いる３Ｄプリンタ１００の概略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。
【００１２】
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）
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。
【００１４】
（造形ステージ１３）
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。
【００１５】
（昇降テーブル１４）
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よい。後述する造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂ、フィラー供給器２８についても同様である。
【００１６】
（ＸＹステージ１２）
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、フィラー供給器２８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。
【００１７】
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、後述するように、フィラメント３８Ａ、３８Ｂはそれぞれ異なる材料からなる。一例として、一方がＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネイト樹脂のうちのいずれかである場合、他方は、その一方の樹脂以外の樹脂とすることができる。あるいは、同じ材料の樹脂であっても、その内部に含まれるフィラーの材料の種類や割合が異なるようにすることもできる。すなわち、フィラメント３８Ａ、３８Ｂは、それぞれ異なる性状を有し、その組み合わせにより造形物の特性（強度など）を向上させることができることが好ましい。
【００１８】
なお、図１〜図３では、造形ヘッド２５Ａは、フィラメント３８Ａを溶融し押出つつ吐出するよう構成され、造形ヘッド２５Ｂは、フィラメント３８Ｂを溶融し押出つつ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）を選択的に溶融し押出つつ吐出させるような構成も採用することができる。
【００１９】
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よいが、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よい。
【００２０】
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。
【００２１】
改質体供給器としてのフィラー供給器２８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。フィラー供給器２８は、造形ヘッド２５Ａ又は２５Ｂから吐出され、固化して造形物となった樹脂の表面から内部にかけてフィラーを一部又は全部埋め込み、樹脂に固定するものである。
【００２２】
フィラー供給器２８は、ＸＹ平面内において互いに一定の位置関係を保って造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂと共に移動可能としたが、造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂとの位置関係が互いに変更可能なように構成されていてもよい。
【００２３】
（ドライバ３００）
次に、図４のブロック図を参照してドライバ３００の構造の詳細について説明する。ドライバ３００は、ＣＰＵ３０１、フィラメント送り装置３０２、電流スイッチ３０４、モータドライバ３０６、及びフィラー供給器制御装置３０８を含んでいる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
なお、フィラー供給器制御装置３０８は、フィラー供給器２８と造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂとの位置関係が互いに変更可能に構成されている場合に、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、フィラー供給器２８の位置関係を制御するものである。フィラー供給器２８がＸＹ平面内において造形ヘッド２５Ａ，２５Ｂと互いに一定の位置関係を保って移動可能とされている場合は省略することができる。
【００２７】
上記のように構成されている三次元造形装置において、先ずはフィラー供給器２８を使用せずに、複数種類の樹脂材料を用いて造形物Ｓを形成する場合について説明する。
本三次元造形装置では、複数種類の樹脂材料を、指定された複数の樹脂材料の配合比により、樹脂材料が延引する方向（造形方向）を層毎に異なるよう、制御装置２００が動作する。
【００２８】
（造形物Ｓ）
図５は、造形物Ｓの構造の一例を示す側面図であり、図６はその斜視図である。図５及び図６に示すように、本三次元造形装置では、例えば複数種類の樹脂材料Ｒ１、Ｒ２を用いて１つの造形物Ｓを造形する（以下では説明の簡単化のため、２種類の樹脂材料を使用する場合を中心に説明するが、３種類以上の樹脂材料を用いてもよいことは言うまでもない）。
【００２９】
また、本実施の形態では、複数種類の樹脂材料Ｒ１、Ｒ２を、１つの層において、所定の配合比をもって、一の方向を長手方向として形成する。図５及び図６の例では、例えば第１の層に（図６の最下層）おいては、樹脂材料Ｒ１、Ｒ２の配合比を１：１とし、且つそれぞれの樹脂材料Ｒ１、Ｒ２の長手方向がＸ軸方向（第１方向）となり、Ｘ軸と直交する方向（第２方向）に沿って配列されるように、樹脂材料Ｒ１とＲ２とが交互に、Ｘ軸方向に連続的に形成される。一方、第１の層よりも１層上の第２の層においては、樹脂材料Ｒ１、Ｒ２の配合比は第１層と同様に１：１とされるが、それぞれの樹脂材料Ｒ１、Ｒ２の長手方向は、第１の層のＸ軸方向ではなく、これとは交差する軸（第３方向）、例えばＹ軸方向とされ、樹脂材料Ｒ１、Ｒ２は、Ｘ軸方向（第４方向）に沿って配列される。後述の説明からも明らかな通り、この図５及び図６に示される樹脂材料の数、樹脂材料の配合比等はあくまでも一例であり、要求される造形物の仕様等によって様々に変更可能であることは言うまでもない。
【００３０】
このような造形物Ｓにおいて、樹脂材料Ｒ１は、一つの層において第１の方向に延びる一方で、それよりも１つ上の層においては第１の方向と交差する第２の方向に延びる。これにより、造形物Ｓは、第１の層と第２の層とにおける樹脂材料Ｒ１の交差位置において樹脂材料Ｒ１同士が上下方向で接合する構造（いわゆる井桁構造）を有している。樹脂材料Ｒ２も、同様に樹脂材料Ｒ１に挟まれた位置において、同様な井桁構造を有し、上下方向で接合する。
【００３１】
（造形物Ｓの造形手順）
図５及び図６に示す造形物Ｓの造形手順を、図７を参照して説明する。まず、第１の層においては、図７（ａ）に示すように、樹脂材料Ｒ１を略１：１の配列ピッチで、Ｘ方向を長手方向として形成する。
【００３２】
続いて、図７（ｂ）に示すように、樹脂材料Ｒ１の間隔を埋めるように、樹脂材料Ｒ２を、同様に略１：１の配列ピッチで形成する。このとき、樹脂材料Ｒ２は、樹脂材料Ｒ１の外周形状に沿って、２つの樹脂材料Ｒ１の間隔を埋めるように形成することができる。
【００３３】
次に、第２の層においては、図７（ｃ）に示すように、樹脂材料Ｒ２を略１：１の配列ピッチで、Ｙ方向を長手方向として形成する。
続いて、図７（ｄ）に示すように、樹脂材料Ｒ２の間隔を埋めるように、樹脂材料Ｒ１を、同様に１：１の配列ピッチで形成する。このとき、樹脂材料Ｒ１は、樹脂材料Ｒ２の外周形状に沿って、２つの樹脂材料Ｒ２の間隔を埋めるように形成することができる。
【００３４】
上述の図７（ａ）〜（ｄ）に示した手順を繰り返すことにより、上述の井桁構造の造形物Ｓが出来上がる。
【００３５】
なお、同じ樹脂材料を１つの層において連続して形成する場合、図５、図６のように円柱近似の形状の樹脂材料を連続して形成することもできるが、図８に示すように、板状の樹脂材料を形成することもできる。
【００３６】
（造形物Ｓの問題点）
例えば、図８に示すような板状の樹脂材料で２軸延伸の場合、樹脂相互の関係で相互の樹脂が密着していれば、延伸加工やプレス加工を行った場合、図９Ａのように樹脂間には空隙が開くことなく延伸できる。しかし、他の樹脂との反応性に乏しく、樹脂同士が密着せず単に接しているだけの場合は、図９Ｂのように延伸した樹脂内には空隙が開いてしまい、機械的強度が著しく低下してしまうことが確認された。
【００３７】
特に、井桁構造を有する造形物Ｓにおいては、フッ素系樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＶＦ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等）等のように他の樹脂との接合強度が弱い場合、構造体に歪みが生じても内部の応力が集中する点はなく、構造体として破綻することはない。しかし、全体の歪量は大きくなるため、剛性を高めることは難しくなる。即ち、割れは発生しないが、変形が容易になってしまう。また、井桁構造を有する複合樹脂材料を熱プレス等で型に入れて成形するケースもあるが、複合体として造形した形状に対して引張りによる伸びや圧縮などの力が掛かることになる。この際、融点や流動点の異なる複数の樹脂材料を用いた場合には、樹脂間の結合力が弱いと特に延伸時に樹脂間に隙間が出来てしまい、構造体として機械強度が得られなくなってしまう。
【００３８】
（フィラー散布）
本実施の形態では、上記課題を解決すべく、樹脂間の接合強度を改質するための改質体としてフィラーを用い、造形ヘッド２５から樹脂を吐出した後に、フィラーを散布し、樹脂の表面から内部へかけてフィラーを埋め込む。図１０（ａ）に示すように、フィラーの散布は、造形ヘッド２５から吐出された半硬化状の樹脂に対して、造形ヘッド２５の走行方向に沿って追随するフィラー供給器２８よって行う。
散布されたフィラーは樹脂上にランダムな角度で散布され、樹脂の表面から刺さるものもあれば、樹脂の脇に横たわるように固定されるものもあるが、フィラーの一部が樹脂に固定され、反対側は樹脂外に飛び出しているものが多数を占めている。この固定されたフィラーに対して次層の樹脂がこれを取り込むため、異種樹脂同士に鎹が打たれた状況になる。図１０（ｂ）のＡ−Ａ断面はこれを図示したもので、下層Ｒ１に埋め込まれたフィラー４５ａと、上層にあるＲ１樹脂に埋め込まれたフィラー４５ｂと、現在吐出しているＲ２樹脂に埋め込まれているフィラー４５ｃによる樹脂同士の連結具合を示している。
【００３９】
ここで、図１０（ａ）では、フィラーを固定し易くするため、樹脂の吐出後にフィラーを散布している。これに対して、重量の大きなフィラーの場合は飛散しないので、樹脂の吐出前にフィラーを散布することも可能である。ただし、フィラーは固定されないと飛散しやすいため、吐出直後の方が好ましい。
【００４０】
（フィラー（改質体））
本実施の形態では、樹脂間の接合強度を改質するための改質体としてフィラーを用いるがこのフィラーは、充填剤とも呼ばれ、プラスチックの強度向上のために混錬して用いられる無機または有機の微粉末から選択して用いることができる。本実施の形態で持ちいる形状としては針状や棒状、繊維状のものが好ましく、図１０（ｃ）に示すように、フィラーの径φに対するフィラーの長さＬの比（Ｌ／φ）は１．２以上とすることが好ましく、１．５以上とすることがより好ましい。また、フィラーの径φは吐出する樹脂の幅よりも十分に小さいが、フィラーの長さＬは吐出する樹脂の幅よりも大きくしても良い。さらにフィラーの両端は尖っていても良い。
【００４１】
フィラーの材質としては、ガラス繊維、マイカ、カーボン、セルロース、金属等を用いることができる。また、硬質なものたけでなく、柔らかい特性のものであっても良い。柔らかい特性のフィラーを埋め込んだ樹脂の場合、樹脂全体が柔軟に延伸するという特性を付与することができ、曲げ強度を向上させることができる。
【００４２】
フィラーの添加量については、図１０（ｂ）に示すような樹脂の断面で見た場合に、体積比で５％以上とすることができる。また、フィラーの分布状態としては、樹脂の内部よりも樹脂同士の界面に多く分布しており、例えば、樹脂の内部の割合が１０〜４５％、界面の割合が５０〜９０％とすることができる。
【００４３】
さらに、フィラーに、シランカップリング処理、アルミネート処理、チタネート処理、クロム酸処理、触媒化処理等の化学表面処理や、プラズマ処理、イオン処理、オゾン処理等の物理表面処理を施して、フィラー自身の特性を改善したり、樹脂との間の埋め込み強度を改善したりすることもできる。
【００４４】
（造形物の製造方法）
以下、上記のようなフィラーを含んだ造形物の製造方法について図１０に従って説明する。
まず、造形ヘッド２５により造形物の一部となる樹脂材料Ｒ１を熔融して押込みつつ吐出させて造形ステージ上に、Ｒ１層を形成する（図１０（ａ））。次に、改質体供給器としてのフィラー供給器２８を用いて造形ヘッド２５の進行方向に追従しつつ、Ｒ１層の表面から内部にかけて、フィラー４５ａを埋め込む。これにより、樹脂Ｒ１に対してフィラー４５ａが一部露出した状態で埋め込まれる（図１０（ｂ））。
【００４５】
次に、樹脂Ｒ１の隣接した箇所に、造形物の一部となる樹脂（図１０（ｂ）では樹脂材料Ｒ１）を熔融して押込みつつ吐出させて、Ｒ１層上に、さらにＲ１層を形成する。Ｒ１層の形成によって、下層のＲ１層から露出していたフィラー４５ａの一部が上層のＲ１層の内部に取り込まれる（図１０（ｂ））。
【００４６】
さらに、フィラー供給器２８を用いて造形ヘッド２５の進行方向に追従しつつ、Ｒ１層の表面から内部にかけて、フィラー４５ｂを埋め込む。これにより、上層のＲ１層に対してフィラー４５ｂが一部露出した状態で埋め込まれる。
【００４７】
次に、Ｒ１層の隣接した箇所に、造形物の一部となる樹脂（図１０（ｂ）では樹脂材料Ｒ２）を熔融して押込みつつ吐出させて、樹脂Ｒ１上に、Ｒ２層を形成する。Ｒ２層の形成によって、下層のＲ１層から露出していたフィラー４５ａの一部が上層のＲ２層の内部に取り込まれる（図１０（ｂ））。
【００４８】
さらに、フィラー供給器２８を用いて造形ヘッド２５の進行方向に追従しつつ、Ｒ２層の表面から内部にかけて、フィラー４５ｃを埋め込む。これにより、上層のＲ２層に対してフィラー４５ｂが一部露出した状態で埋め込まれる。
【００４９】
上記工程を繰り返すことによって、後述する図１２に示すような、樹脂Ｒ１、Ｒ２からなる造形物を製造することができる。
【００５０】
（作用）
樹脂吐出直前または直後に、フィラーを散布すると、散布されたフィラーは熔融した樹脂の表面にまとわりつくが、すべてのフィラーが吐出樹脂の中に納まることは無く、図１１に示すように、一方の端（図中●側）は吐出樹脂に固定されるが、他端（図中→側）は樹脂からはみ出している状態が形成される。ここに、次の樹脂（隣り合うだけでなく積層方向も）が熔融され吐出されると他端が異なる樹脂に固定され、ちょうど鎹（かすがい）のような機能として働く。従って、熔けても繋がらない樹脂同士であってもフィラーが鎹として働くので、樹脂間が強固に繋がるようになる。
【００５１】
（効果）
図１２に基づいて本実施の形態の効果について説明する。
延伸時、樹脂間に間隙が開いてしまうのは、造形時に異種樹脂が熔融していても結合せず、延伸時に独立して動いてしまうことが支配要因である。特に、異種樹脂の軟化温度が異なる場合はより顕著にこのような現象が発生してしまう。
【００５２】
これに対して、本実施の形態では、造形時にフィラー４５を埋め込み、異種樹脂を繋ぐ鎹（かすがい）として作用させることにより、図１２に示すように、親和性のない異種樹脂同士であっても一体化された状態で延伸されるので、樹脂間に隙間が開くことがなくなる。
【００５３】
このような構造体は延伸やプレス加工を行っても樹脂間が外れることは無く、空隙が開かなくなり、機械強度を確保することが可能になる。
しかも、フィラー４５はランダムな状態で埋め込まれているので、一方向で引き抜けることを防止できる。
さらに、フィラーが入った樹脂は、樹脂単体より熱に対する熱膨張や機械的強度（引張強度）が改善されるため、熱的安定性、機械的安定性にも優れたものとなる。
【００５４】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る三次元造形装置について、図１３を参照して説明する。第２の実施の形態の三次元造形装置は、その全体構成、及び基本的な動作並びに形成され得る造形物Ｓは第１の実施の形態と同様であるので、以下では重複する説明は省略する。
この第２の実施の形態は、改質体供給器としてのフィラー供給器の構造が第１の実施の形態とは異なっている。
図１３に、第２の実施の形態に係る三次元造形装置のフィラー供給器２９の概略図を示す。
【００５５】
このフィラー供給器２９は、フィラー４５が投入されるホッパー４６と、フィラー４５を均一に分散させるための空間部４１と、空間部４１の下方に設けられてフィラー４５を排出して樹脂に散布するための散布口４３と、空間部４１内に設けられフィラー４５を回転させて均一に分散させるための分散装置４７と、空間部４１内に設けられ均一に分散させたフィラー４５を散布口４３に集めるための分流器４８とを備えている。分流器４８の構造は特に特定されないが、平板の一端を空間部４１の壁側に固定し、他端を散布口４３の近くに配置して、フィラー４５の流れを散布口４３の方へ導くように構成したものとすることができる。また、単純に進行方向を妨害するような板状、塊状の障害物のようなものであっても良い。図１３では分散装置にファンを記載しているが、分散装置はこれ以外の方法であっても良い。
【００５６】
フィラー供給器２９のホッパー４６にフィラー４５が投入されると、ホッパー４６は空間部４１内でファン４７による送風によって飛散し、均一な状態になっている。また、分流器４８の作用により一部の風が散布口４３にも抜けるため、フィラー４５は加速され、樹脂に対して自重落下よりも大きな力で衝突することになる。このため、フィラー４５が自重で落下する場合と比べて、樹脂内に固定される部分のフィラー４５の長さをより大きくすることができる。
【００５７】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態に係る三次元造形装置を、図１４を参照して説明する。第３の実施の形態の三次元造形装置は、その全体構成、及び基本的な動作並びに形成され得る造形物Ｓは第１及び第２の実施の形態と同様であるので、以下では重複する説明は省略する。
【００５８】
この第３の実施の形態は、図１４に示すように、フィラー供給器２９のフィラー散布口４３に、さらに加速器５０を設けた点が第２の実施の形態とは異なっている。
加速器５０は、フィラーをマイナスに帯電させるメッシュ電極５１と、造形ステージ１３をプラスとしメッシュ電極５１をマイナスとして、造形ステージ１３からメッシュ電極５１に向かって電界を与える電源５２とを備えている。
【００５９】
この加速器５０によって、散布口４３から送り出されたフィラー４５はメッシュ電極５１でマイナスにチャージされ、さらに造形ステージ１３とメッシュ電極５１間に掛けられた電界により加速されて速度を持ち、運動エネルギーが増大するため、吐出樹脂に対してより深く突き刺さることになる。このため、鎹効果がより発揮され、さらに異種樹脂同士が外れにくい構造となる。
【００６０】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態に係る三次元造形装置を、図１５を参照して説明する。第４の実施の形態の三次元造形装置は、その全体構成、及び基本的な動作並びに形成され得る造形物Ｓは第１の実施の形態と同様であるので、以下では重複する説明は省略する。
この第４の実施の形態は、図１５に示すように、２種類の樹脂材料Ｒ１、Ｒ２を用いて１つの造形物Ｓを造形する場合に、Ｒ１、Ｒ２層の界面に改質剤散布器６３を用いて表面改質層６１を形成している点が第１の実施の形態と異なっている。
【００６１】
本実施の形態では、造形ヘッド２５の進行方向の前方に位置するフィラー供給器２８からフィラー４５を散布しつつ、造形ヘッド２５から樹脂Ｒ２を吐出し、その吐出後に樹脂の表面に改質剤散布器６３から改質剤を散布する。Ｒ２層を端部まで吐出後、フィラー供給器２８、造形ヘッド２５及び改質剤散布器６３は進行方向を反転させ、上記と同様に、フィラー供給器２８からフィラー４５を散布しつつ、造形ヘッド２５から樹脂Ｒ２を吐出し、その吐出後に樹脂の表面に改質剤散布器６３から改質剤を散布する。
改質剤としては、接着剤やカップリング剤等の樹脂間の結合力を高めるものを用いることができる。
【００６２】
また、図１５では、造形ヘッド２５の進行方向の前方にフィラー供給器２８が位置する例を示したが、造形ヘッド２５の後方から造形ヘッド２５の走行に追従してフィラー供給器２８が移動するように構成しても良い。
【００６３】
本実施の形態によれば、造形最中に改質剤を塗布しながら造形を行って表面に界面改質層６１を形成すると共に、フィラー４５を散布して樹脂間にフィラー４５を存在させることによって、さらに結合力の強い構造体を実現することもできる。
【００６４】
［その他の実施の形態］
（１）第１の実施の形態では、図１０に示すように、造形ヘッド２５の後からフィラー供給器２８が追随する構成としたが、図１６（ａ）に示すように、フィラー供給器２８は造形ヘッド２５の移動方向の前方、後方のいずれの構成を取ることもできる。また、図１６（ｂ）に示すように、造形ヘッド２５の移動方向の前方または後方にフィラー供給器２８Ａを設けると共に、それと直交する方向の前方または後方にフィラー供給器２８Ｂを設けてフィラー供給器を複数設ける構成としても良い。さらに、図１６（ｃ）に示すように、造形ヘッド２５の前方または後方に配置されたフィラー供給器２８が造形中に造形ヘッド２５の移動方向と直交する方向に移動したり、フィラー供給器２８が造形ヘッド２５を中心として回転したりする構成としても良い。
【００６５】
（２）図５及び図６では、樹脂材料Ｒ１及びＲ２の配合比が略１：１である造形物Ｓを例示したが、本実施形態で製造される造形物Ｓがこれに限定されるものではないことは言うまでもない。例えば、樹脂材料の配合比は１：１には限られず、その他の所望の比率を設定することが可能である。更に配合比は積層方向、及び／又は水平方向（同一層内）において段階的又は連続的に変化させることも可能である。
【００６６】
樹脂材料Ｒ１、Ｒ２の配合比が２：１である場合は、図１７及び図１８のように、２本の樹脂材料Ｒ１と１本の樹脂材料Ｒ２を繰り返し形成することにより作製することができる。ただし、これには限られず、例えば図１９及び図２０に示すように、４本の樹脂材料Ｒ１と２本の樹脂材料Ｒ２を繰り返し形成することにより、配合比２：１を得ることもできる。
【００６７】
さらに、図２１に示すように、上下の層における樹脂材料Ｒ１、Ｒ２の交差角度を９０°以外の角度に設定することもできる。
また、図２２及び図２３のように樹脂材料Ｒ１，Ｒ２が波線形状であっても良い。なお、図２２の波線形状の樹脂材料Ｒ１、Ｒ２は、その中心線又は包絡線は直線形状であるが、図２３の波線形状の樹脂材料Ｒ１、Ｒ２はその中心線又は包絡線自体が波線形状であっても良い。
【００６８】
（３）上記の実施の形態では、樹脂として異種材料を複数用いる例について説明したが、同種の樹脂材料を複数用いた場合においても同様に適用することができる。
【００６９】
（４）上記の実施の形態では、３Ｄプリンタ１００の移動機構は、造形ステージ１３に対し垂直に延びるガイドシャフト１５、ガイドシャフト１５に沿って移動する昇降テーブル１４、及びＸＹステージ１２を備えているが、本発明の３Ｄプリンタ１００の移動機構は、これに限定されるものではない。例えば造形ヘッド２５Ａ、２５Ｂを搭載するＸＹステージ１２を固定とし、造形ステージ１３を昇降可能とする移動機構としてもよい。
【００７０】
（５）上記の実施の形態では、３Ｄプリンタ１００と、コンピュータ２００、及びドライバ３００はそれぞれ独立している構成を示していた。しかし、コンピュータ２００、及びドライバ３００は、３Ｄプリンタ１００に内蔵させることも可能である。
【００７１】
（６）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】
【００７２】
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・・・フィラメントホルダ、２５Ａ、２５Ｂ・・・造形ヘッド、２８，２８Ａ，２８Ｂ、２９・・・フィラー供給器（改質体供給器）、３１・・・枠体、３４、３５・・・ローラ、３８Ａ、３８Ｂ・・・フィラメント、４１・・・空間、４２・・・連結管、４３・・・散布口、４５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ・・・フィラー（改質体）、４７・・・ファン（分散装置）、４８・・・分流器、５０・・・加速装置、５１・・・メッシュ電極、５２・・・電源、６１・・・表面改質層、６３・・・改質剤散布器、１００・・・３Ｄプリンタ、２００・・・コンピュータ、３００・・・ドライバ、  ３０１・・・ＣＰＵ、３０２・・・フィラメント送り装置、３０４・・・電流スイッチ、３０６・・・モータドライバ、３０７・・・インタフェース、３０８・・・フィラー供給器制御装置。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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