(57)【要約】【課題】３次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等の機能を付加した３次元機能構造体を造形することができる機能性材料の積層造形方法を提供する。【解決手段】光硬化性材料２の未硬化層２ａを形成する未硬化層形成工程（Ａ）と、未硬化層に所定のパターンの硬化層４を形成する硬化層形成工程（Ｂ）と、形成した硬化層の間の未硬化層を除去する未硬化層除去工程（Ｃ）と、除去した未硬化層領域に機能性材料１１ａを含む光硬化性材料１１を供給する機能性材料供給工程（Ｄ）と、機能性材料を含む光硬化性材料１１を硬化させる機能性材料硬化工程（Ｅ）とを有する。【選択図】　　　図１
2004042546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性材料（２）の未硬化層（２ａ）を形成する未硬化層形成工程（Ａ）と、該未硬化層に所定のパターンの硬化層（４）を形成する硬化層形成工程（Ｂ）と、形成した硬化層の間の未硬化層を除去する未硬化層除去工程（Ｃ）と、除去した未硬化層領域に機能性材料（１１ａ）を含む光硬化性材料（１１）を供給する機能性材料供給工程（Ｄ）と、該機能性材料を含む光硬化性材料（１１）を硬化させる機能性材料硬化工程（Ｅ）とを有する、ことを特徴とする機能性材料の積層造形方法。
【請求項２】
光硬化性材料（２）は、光硬化性樹脂または光硬化性粉末である、ことを特徴とする請求項１に記載の機能性材料の積層造形方法。
【請求項３】
前記機能性材料（１１ａ）は、樹脂、金属、有機物、無機物、傾斜材の粉末または溶融体である、ことを特徴とする請求項１に記載の機能性材料の積層造形方法。
【請求項４】
前記未硬化層除去工程（Ｃ）は、吸引装置による未硬化層の吸引、又は送風装置による未硬化層の吹き飛ばしによる、ことを特徴とする請求項１に記載の機能性材料の積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光固化造形法による機能性材料の積層造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光固化造形法は、ラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）　又はステレオリソグラフィー（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）　とも呼ばれ、光硬化性樹脂を光で硬化させて３次元物体を創成するものである。
【０００３】
図４は光固化造形法の原理図であり、（Ａ）まず３次元ＣＡＤやＸ線ＣＴなどにより作製した３次元モデル１のデータを、コンピュータ上で水平にスライスして断面形状データを作り、（Ｂ）次に、液状の光硬化性樹脂２の液面に、スライスデータに沿ってレーザ光３を走査しながら照射する。光硬化性樹脂は、レーザ光が照射された部分だけがある厚みをもって硬化し、断面形状データどおりの硬化層４が形成される。（Ｃ）次に、この硬化層４（造形物）を載せたテーブル５をモデル１をスライスしたピッチだけ移動し、硬化した層の上面に未硬化の薄い樹脂層を形成する。その際、通常ブレードと呼ぶ部材でリコート（Ｒｅｃｏａｔ）と呼ぶ平坦化操作を行い、未硬化樹脂液の表面を均一にならす。そして同様にレーザ光３を断面形状どおりに走査しながら照射し、硬化した層は直前の硬化層４と一体下する。（Ｄ）Ｂ及びＣの工程を繰り返すことにより、対象となる３次元モデルが造形される。
【０００４】
上述した光固化造形法は、ＣＡＤデータから型を介さずに直接３次元物体が創成できる特徴を有し、精密鋳造などのマスタモデルの製作，地図や立体像の製作等の多くの分野で用いられている。また、この光固化造形法の精度と効率を高めるために、「光学的造形法」（特公平５−３３９００号）、「光硬化造形法における積層平板造形法」（特公平７−９４１４９号）、「均一化された面露光式光硬化造形装置」（特開平９−１４１７４７号）等が出願されている。
【０００５】
更に、光固化造形法により着色造形物を製造する手段として、特開２００２−３６３７４号が開示されている。この方法は、硬化性樹脂を積層造形して成形した複数の層を備え、前記複数の層のうち少なくとも１層が、着色剤を添加して形成した着色領域を有する着色造形物の製造方法であって、前記着色領域の輪郭線に沿う所定幅の領域を硬化することにより外周壁６を形成する工程（Ａ）と、前記外周壁内の液相状の領域７に着色剤８を添加する工程（Ｂ）と、前記着色領域を硬化する工程（Ｃ）と、を含むものである。
すなわち、図５に模式的に示すように、外周壁形成工程（Ａ）において、造形工程中モデルの側面から一定距離に未硬化の溝部７を形成し、着色剤添加工程（Ｂ）において、溝部に着色樹脂８を滴下し、着色領域硬化工程（Ｃ）において滴下部にレーザ光９を照射して固化し着色するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の光固化造形法では、３次元形状を有する模型等は製造できるが、これに導電性等を付加した３次元機能構造体（例えば３次元配線）を造形することはできなかった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、３次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等の機能を付加した３次元機能構造体を造形することができる機能性材料の積層造形方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光硬化性材料（２）の未硬化層（２ａ）を形成する未硬化層形成工程（Ａ）と、該未硬化層に所定のパターンの硬化層（４）を形成する硬化層形成工程（Ｂ）と、形成した硬化層の間の未硬化層を除去する未硬化層除去工程（Ｃ）と、除去した未硬化層領域に機能性材料（１１ａ）を含む光硬化性材料（１１）を供給する機能性材料供給工程（Ｄ）と、該機能性材料を含む光硬化性材料（１１）を硬化させる機能性材料硬化工程（Ｅ）とを有する、ことを特徴とする機能性材料の積層造形方法が提供される。
【０００９】
上記本発明の方法によれば、未硬化層形成工程（Ａ）と硬化層形成工程（Ｂ）により新たな未硬化層（２ａ）に所定のパターンの硬化層（４）を形成することができる。また、未硬化層除去工程（Ｃ）により形成した硬化層の間の未硬化層を除去し、機能性材料供給工程（Ｄ）により除去した未硬化層領域に機能性材料（１１ａ）を含む光硬化性材料（１１）を供給することにより、形成した硬化層の間の未硬化層を機能性材料（１１ａ）を含む光硬化性材料（１１）に置換することができる。更に、機能性材料硬化工程（Ｅ）により機能性材料を含む光硬化性材料（１１）を硬化させることにより、３次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等を付加し、３次元機能構造体を造形することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、光硬化性材料（２）は、光硬化性樹脂または光硬化性粉末である。
光硬化性樹脂または光硬化性粉末のどちらを用いても、同様の工程により、３次元機能構造体を造形することができる。
【００１１】
前記機能性材料（１１ａ）は、樹脂、金属、有機物、無機物、傾斜材の粉末または溶融体である。
これらの機能性材料（１１ａ）を用いることにより、３次元配線や傾斜機能材等を構成することができる。
【００１２】
前記未硬化層除去工程（Ｃ）は、吸引装置による未硬化層の吸引、又は送風装置による未硬化層の吹き飛ばしによる。
この方法により、形成した硬化層（４）の間の未硬化層を容易に除去することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の積層造形方法の第１実施形態を示す工程図である。この実施形態では光硬化性材料２として光硬化性樹脂を用いる光固化造形装置を用いる。この光固化造形装置は、光照射装置１２、沈降装置１４、リコート装置１６、機能材滴下装置１８及び吸引装置２０を備える。
【００１５】
光照射装置１２は、レーザ光源１２ａ及びガルバノミラー１２ｂを備え、光硬化樹脂２を硬化させるのに適したレーザ光（例えばＵＶ）を放射し、ガルバノミラー１２ｂでレーザ光を光硬化樹脂２の液面の所定位置（光硬化位置）に集光するようになっている。
【００１６】
沈降装置１４は、上下方向に昇降可能な昇降テーブル１４ａを有し、このテーブル１４ａを下降させることにより、光走査による硬化層４を液面下に沈降させるようになっている。また、光硬化樹脂２の液面は、図示しない液面保持装置により、必要な樹脂量を補給し、液面を常に一定に保持するようになっている。
【００１７】
リコート装置１６は、硬化層４の上面で水平に移動するリコータ１６ａを有し、このリコータ１６ａの水平移動により未硬化層２ａの上面を平滑にならし、沈降した硬化層４の上を未硬化層２ａで被覆するようになっている。
【００１８】
機能材滴下装置１８は、機能材滴下ヘッド１８ａを有し、このヘッドから光硬化性樹脂の所定位置に機能性材料１１ａを含む光硬化性材料１１を滴下するようになっている。機能材滴下装置１８は、例えばインクジェット装置である。
機能性材料１１ａは、樹脂、金属、有機物、無機物、傾斜材の粉末または溶融体である。例えば、溶融金属を用いることにより電気抵抗の小さい３次元配線（３次元プリントパターン）を構成することができる。また、溶融金属の組成を途中で変更して半導体や傾斜機能材等を構成することができる。なお、溶融金属のように単独で凝固する材料の場合には、光硬化性材料１１の比率を小さくし、あるいは光硬化性材料なしで機能性材料１１ａのみを滴下してもよい。
【００１９】
吸引装置２０は、未硬化層を吸引するための吸引装置、例えば真空ポンプの吸引口である。なお、吸引装置２０の代わりに未硬化層を吹き飛ばすことができる送風装置を用いてもよい。
【００２０】
上述した光照射装置１２、機能材滴下装置１８及び吸引装置２０は、光硬化樹脂２の液面および液面より１ステップ分高い位置で、光硬化性樹脂の液面に沿って二次元的に自由に位置制御できるようになっている。
【００２１】
図１において、本発明の機能性材料の積層造形方法は、未硬化層形成工程（Ａ）、硬化層形成工程（Ｂ）、未硬化層除去工程（Ｃ）、機能性材料供給工程（Ｄ）及び機能性材料硬化工程（Ｅ）からなり、この順で順次実施される。
【００２２】
未硬化層形成工程（Ａ）では、テーブル１４を下降しリコータ１６により、硬化層４の上面に光硬化性材料２の未硬化層２ａを形成する。
硬化層形成工程（Ｂ）では、光照射装置１２により未硬化層２ａにレーザ光９を照射し、所定のパターンの硬化層４を形成する。
未硬化層除去工程（Ｃ）では、テーブル１４を上昇し吸引装置２０により形成した硬化層４の間の未硬化層２ａを除去する。
機能性材料供給工程（Ｄ）では、機能材滴下装置１８により除去した未硬化層領域に機能性材料１１ａを含む光硬化性材料１１を滴下する。
機能性材料硬化工程（Ｅ）では、光照射装置１２により機能性材料を含む光硬化性材料１１を硬化させる。
【００２３】
上述した（Ａ）〜（Ｅ）のステップで、１層分の機能性材料の積層造形が完了する。次いで、（Ａ’）に示すように、テーブル１４を下降しリコータ１６により、硬化層４の上面に光硬化性材料２の未硬化層２ａを形成する。この工程は未硬化層形成工程（Ａ）と実質的に同一である。
【００２４】
上述した（Ａ）〜（Ｅ）のステップを繰返すことにより、図３（Ａ）に模式的に示す３次元機能構造体を製造することができる。この３次元機能構造体は、機能性材料を含む機能部と、機能性材料を含まない骨格部からなる。
この図では、機能部を内部に、骨格部を外部に設けているが、本発明はこれに限定されず、外部に機能部を設けてもよい。また、骨格部をなくし機能部のみで全体を構成することもできる。
【００２５】
図２は、本発明の積層造形方法の第２実施形態を示す工程図である。この実施形態では光硬化性材料２として光硬化性粉末を用いる光固化造形装置を用いる。この光固化造形装置は、光照射装置１２、沈降装置１４、リコート装置１６、機能材滴下装置１８及び吸引装置２０を備える。
【００２６】
沈降装置１４は、上下方向に昇降可能な昇降テーブル１４ａを有し、このテーブル１４ａを下降させることにより、光走査による硬化層４を未反応の粉末の下に沈降させるようになっている。また、光硬化性粉末２の上面は、材料供給槽１５ａから必要な粉末を補給し、粉末表面を常に一定に保持するようになっている。なお１５ｂは材料排出槽である。
【００２７】
リコート装置１６は、粉末表面で水平に移動するリコータ１６ａを有し、このリコータ１６ａの水平移動により未硬化層２ａの上面を平滑にならし、沈降した硬化層４の上を未硬化層２ａで被覆するようになっている。
【００２８】
光照射装置１２、機能材滴下装置１８、及び吸引装置２０は図１の第１実施形態と同様である。
【００２９】
図２において、本発明の機能性材料の積層造形方法は、未硬化層形成工程（Ａ）、硬化層形成工程（Ｂ）、未硬化層除去工程（Ｃ）、機能性材料供給工程（Ｄ）及び機能性材料硬化工程（Ｅ）からなり、この順で順次実施される。
【００３０】
未硬化層形成工程（Ａ）では、テーブル１４を下降しリコータ１６により、硬化層４の上面に光硬化性材料２の未硬化層２ａを形成する。
硬化層形成工程（Ｂ）では、光照射装置１２により未硬化層２ａにレーザ光９を照射し、所定のパターンの硬化層４を形成する。
未硬化層除去工程（Ｃ）では、テーブル１４を上昇し吸引装置２０により形成した硬化層４の間の未硬化層２ａを除去する。
機能性材料供給工程（Ｄ）では、機能材滴下装置１８により除去した未硬化層領域に機能性材料１１ａを含む光硬化性材料１１を滴下する。
機能性材料硬化工程（Ｅ）では、光照射装置１２により機能性材料を含む光硬化性材料１１を硬化させる。
【００３１】
上述した（Ａ）〜（Ｅ）のステップで、１層分の機能性材料の積層造形が完了する。次いで、（Ａ’）に示すように、テーブル１４を下降しリコータ１６により、硬化層４の上面に光硬化性材料２の未硬化層２ａを形成する。この工程は未硬化層形成工程（Ａ）と実質的に同一である。
【００３２】
上述した（Ａ）〜（Ｅ）のステップを繰返すことにより、図３（Ｂ）に模式的に示す３次元機能構造体を製造することができる。この３次元機能構造体は、機能性材料を含む機能部と、機能性材料を含まない骨格部からなる。
この図では、機能部を内部に、骨格部を外部に設けているが、本発明はこれに限定されず、外部に機能部を設けてもよい。また、骨格部をなくし機能部のみで全体を構成することもできる。
【００３３】
上述した本発明の方法によれば、未硬化層形成工程（Ａ）と硬化層形成工程（Ｂ）により新たな未硬化層２ａに所定のパターンの硬化層４を形成することができる。また、未硬化層除去工程（Ｃ）により形成した硬化層の間の未硬化層を除去し、機能性材料供給工程（Ｄ）により除去した未硬化層領域に機能性材料１１ａを含む光硬化性材料１１を供給することにより、形成した硬化層の間の未硬化層を機能性材料１１ａを含む光硬化性材料１１に置換することができる。更に、機能性材料硬化工程（Ｅ）により機能性材料を含む光硬化性材料１１を硬化させることにより、３次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等を付加し、３次元機能構造体を造形することができる。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の機能性材料の積層造形方法は、３次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等の機能を付加した３次元機能構造体を造形することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層造形方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図２】本発明の積層造形方法の第２実施形態を示す工程図である。
【図３】本発明の積層造形方法による３次元機能構造体の模式図である。
【図４】光固化造形法の原理図である。
【図５】光固化造形法により従来の着色造形手段の模式図である。
【符号の説明】
１　３次元モデル、２　光硬化性材料（光硬化性樹脂、光硬化性粉末）、
２ａ　未硬化層、３　レーザ光、４　硬化層、５　テーブル、６　外周壁、
７　液相領域（未硬化溝部）、８　着色剤（着色用色素）、
９　レーザ光、１１　光硬化性材料、１１ａ　機能性材料、
１２　光照射装置、１２ａ　レーザ光源、ガルバノミラー１２ｂ、
１４　沈降装置、１４ａ　昇降テーブル、
１６　リコート装置、１６ａリコータ、
１８　機能材滴下装置、１８ａ　機能材滴下ヘッド、
２０　吸引装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004042546.tif 000006
【図５】
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