JP6734517B2 - 異種材料を用いた三次元造形装置と三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、異種材料を用いた三次元造形装置、三次元造形方法及び三次元造形物に関する。

３Ｄ−ＣＡＤデータを用いて三次元造形物を製造する手法は３Ｄプリンタとして一般的に普及している。金属、プラスチック、食品等様々な材料を三次元に造形する三次元造形装置が様々な分野で活用され始めている。

一方で、実際の工業製品は、単一材料ではなく、複数の機械的特性を持つ異種材料の組み合わせで作製されるものが多い。しかしながら、従来の３Ｄプリンタでは複数の機械的特性を持つ異種材料を組み合わせて造形することは困難であった。

例えば、熱溶融積層方式では、複数の造形材料を同時に吐出することが可能であるが、いずれの材料も融点温度以上に加熱したノズルから吐出しなければならず、造形材料である熱可塑性樹脂の収縮率、線膨張率、融解温度等の違いにより、造形温度が低い場合、積層時に層間接着が悪く、造形品の強度が不十分となるため、通常２００℃以上の温度で造形される。そのため、この方式の造形は低融点材料や柔軟な材料等が使用困難であった。

又、光造形法の一つであるＵＶインクジェット３Ｄプリンタでは、形状支持用サポート材に用いられる材料や形状構成用モデル材に用いられる材料等、複数の特性の異なる材料を一つの造形物に同時に使用することが可能である。しかしながら、インクジェット法の最大の特長はインクのような微細な状態から物体を造形するため、モデル材やサポート材に用いられる光硬化性樹脂そのものをインクジェットとして噴霧して、紫外線を照射して固形化しなければならない。そのため、インクの低粘度化（通常は２０ｍＰａ・ｓ未満）は従来から要求されてきた重要課題であり、高粘度光硬化性樹脂の使用は困難であった。さらに、低粘度の光硬化性樹脂は分子量が低く、得られる造形物の機械的強度や耐衝撃性等は実用的な数値を得ることが非常に困難なため、例えばＡＢＳ等エンジニアリングプラスチックの性能をすべて再現することはできない。

特許文献１では、異なる種類の造形材料としてフォトポリマー材料と熱可塑性材料を用い、層毎に２つの材料を堆積させ、三次元印刷物体を製造する方法を提案した。この方法においても、フォトポリマー材料がインジェクターにより液状に吐出されるため、フォトポリマーは硬化するまでに流動性があり、熱可塑性樹脂の周囲に流れ、熱可塑性部材間に深く浸透しすぎ、硬化困難となる恐れがあった。当該特許文献は熱可塑性材料から固定層を形成させることでフォトポリマーの進入防止を提案したが、造形可能な構造や対応できる樹脂、材料等が制限され、精密な三次元造形へ好適に用いられる方法とは言えなかった。特に、高粘度の光硬化性材料を取り扱うことができず、造形物の機械的特性を確保できない問題があった。

特許文献２では、造形ステージを液状のエネルギー線硬化型樹脂の貯留槽の中に設置し、エネルギー線硬化型樹脂にエネルギー線を照射して硬化させる３Ｄ造形によって樹脂型を形成し、その樹脂型の中に加熱された製品樹脂材料を射出することによって、あらゆる熱可塑性樹脂から所望形状の造形物を形成することができ、従来の金型射出成形に比べ、成形時間が短縮でき、低コスト化が可能となった。しかし、この方法においても、高粘度の光硬化性樹脂を型材料として用いることは困難であり、光硬化しない材料との組み合わせにて造形物を作成することは不可能であるため、同様に造形できる材料の品種には制限がある。さらに、得られた造形物を型から取り出すための離型工程が必要であり、離型手段としては、型をハンマー等で衝撃を付加して破壊させる方法、型と成形体との境界部に高圧空気を圧入して分離させる方法、型をその構成樹脂を選択的に溶解する溶剤に浸漬する方法を挙げているが、いずれにしても造形物の洗浄が必須であり、造形物破損リスクが残っている。

特許文献３では、液糊状の光硬化性樹脂を吐出ノズルから紐状に吐出した後、流れて拡がったりせず、一定の形状を維持した状態で光を照射して硬化させることによって、所定の造形パターンを有する硬化物の製造方法を提案した。この方法に用いる光硬化性樹脂はチクソ性に優れたものであって、即ち、光硬化性樹脂がノズルから吐出される瞬間には流動性があるが、吐出された後、静止状態となり、粘度が急激に上昇し、吐出された形状のままで硬化されることが特徴である。この方法では、未硬化樹脂の必要のない部分までの拡がりや周辺に付着して汚す等の問題を回避することができるが、紐状硬化物の厚みや形状を完全一致させることが極めて困難であり、細い紐を作り難く、造形精度に優れたものが得られない問題があった。又、この方法で平な造形物を作製する場合、紐間に隙間や表面に凹凸が発生し、造形物の強度も美観も満足できるものではなかった。さらに、異なる物性を有する複数材料の組み合わせ成形や、熱可塑性樹脂等異種材料と組み合わせて造形される場合、異種材料の間にぬれ性や、密着性の問題があり、異種材料を用いた造形にはそのまま適用できない。

特開２０１７−２００７６２ 特開２０１８−０７９６５２ 特開１９９０−１３０１３２

工業的に実用可能な異種材料を組み合わせた三次元造形物の造形装置、造形方法及び造形物を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく誠意検討した結果、２種以上の造形材料を用いた三次元造形装置を見出し、本発明に至った。具体的には、２０〜１５０℃の吐出温度における吐出粘度が０．０１〜１０００Ｐａ・ｓである造形材料（Ａ）を出力する機構を備えた少なくとも１つ以上のノズルを有し、又６０〜３５０℃の造形温度におけるメルトフローレート値（ＭＦＲ）が１〜４００ｇ／１０分（荷重２．１６Ｋｇ）である造形材料（Ｂ）を出力する機構を備えた少なくとも１つ以上のノズルを有し、それら複数のノズルから出力されるステージ部と、ステージ部とノズル部とを三次元的に相対移動させるための相対移動機構を、備えた三次元造形装置を見出した。

すなわち、本発明は
（１）材料Ａと材料Ｂの２種以上の造形材料を用いた三次元造形装置であって、
各種造形材料を貯蔵するための貯留部と、
各種造形材料を吐出するためのノズル部と、
各種材料を貯留部からノズル部へ輸送するための送液装置、温度制御装置と、
造形用ステージと、
ステージと２個以上のノズル部とを三次元的に相対移動させるための相対移動機構と、
送液装置、温度制御装置及び相対移動機構を制御するためのコンピュータと
を備えることを特徴とする三次元造形装置、
（２）少なくとも１種以上の材料Ａと、少なくとも１種以上の材料Ｂを同時に吐出し、かつ、材料Ａの吐出温度は２０℃〜１５０℃、吐出粘度は０．０１〜１０００Ｐａ・ｓであることを特徴とする前記（１）に記載の三次元造形装置、
（３）材料Ａの吐出方式は、シリンジ方式、容積計量方式、チュービング方式、プランジャー方式から選択される１つ以上であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の三次元造形装置、
（４）材料Ａの送液装置は、定量シリンジポンプ式送液装置、定量ギアポンプ式送液装置、定量チューブポンプ式送液装置、定量吐出バルブ式送液装置から選択される１つ以上の定量送液装置であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の三次元造形装置、
（５）材料Ｂの吐出温度は６０℃〜３５０℃、かつ、吐出温度におけるメルトフローレート（ＭＦＲ）値が１〜４００（ｇ／１０分、荷重２．１６ｋｇ）であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の三次元造形装置、
（６）光照射部をさらに備えることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の三次元造形装置、
（７）材料Ａを吐出するためのノズル部にさらにノズル硬化防止部を設けることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の三次元造形装置、
（８）ノズル硬化防止部は光照射部から照射される光の照射範囲を制限し、かつ、照射範囲が材料Ａを吐出するためのノズル部の先端直径と同心円の1倍以上〜１００倍未満の範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の三次元造形装置、
（９）材料Ａと材料Ｂが同時に又は順番にステージ上に吐出され、同じ層又は異なる層を形成しながら積層していく三次元造形物の製造方法、
（１０）材料Ａ及び／又は材料Ｂを吐出するためのノズルの先端がそれぞれのノズルから吐出された材料と接触しながら造形することを特徴とする前記（９）に記載の三次元造形物の製造方法、
（１１）２種以上の造形材料は、少なくとも１種以上の材料Ａと、少なくとも１種以上の材料Ｂを含有し、材料Ａは２０℃〜１５０℃の温度範囲で造形され、かつ、造形温度におけるＡの粘度が０．０１〜１０００Ｐａ・ｓであることを特徴とする前記（９）又は（１０）に記載の三次元造形物の製造方法、
（１２）材料Ｂは６０℃〜３５０℃の温度範囲で造形され、かつ、造形温度におけるメルトフローレート（ＭＦＲ）値が１〜４００（ｇ／１０分、荷重２．１６ｋｇ）であることを特徴とする前記（９）〜（１１）のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法、
（１３）材料Ａは光硬化性成分を１０質量％以上含有する樹脂組成物であることを特徴とする前記（９）〜（１２）のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法、
（１４）材料Ａは２０℃以上の温度にてノズルから吐出されながら光照射によって固形化することを特徴とする前記（９）〜（１３）のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法、
（１５）材料Ｂは６０℃以上の温度にてノズルから吐出された後、冷却によって固形化することを特徴とする前記（９）〜（１４）のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法
を提供するものである。

本発明における三次元造形装置は、材料Ａを出力する機構を備えた少なくとも１つ以上のノズルを有し、材料Ｂを出力する機構を備えた少なくとも１つ以上のノズルを有することで、複数種の造形材料を使用することにより複数種材料から構成される造形物を製造することが可能になる。材料Ａと材料Ｂは目的にあわせて柔らかいゴム素材から高強度のプラスチック素材まで幅広い造形材料群から選び出し、一台の三次元造形装置にて出力し、造形することができる。又、Ａは光硬化性成分を含有する場合、光照射により、架橋した樹脂の造形物を得ることが可能であり、さらに架橋により造形物の熱安定性、機械的特性等の物性を向上させることが可能である。
本発明の三次元造形装置を用いた造形方法において、支持機能の材料（サポート材）を使用せず、造形後の造形物をそのまま使用することが可能である。

図１は、異種材料を用いた三次元造形物を製造する装置を示している（材料Ａの出力機構がシリンジポンプ式の場合）。 図２は、異種材料を用いた三次元造形物を製造する装置を示している（材料Ａは光硬化性成分を含有する場合）。 図３は、異種材料を用いた三次元造形物を製造する装置を示している（材料Ａの貯留部２０は密閉容器である場合）。 図４は、異種材料を用いた三次元造形物を製造する装置を示している（材料Ａの出力機構がギアポンプ式の場合）。 図５は、ノズル硬化防止部によって制限される照射制限範囲（直径ΦＮ−直径ΦＭの円環）とノズル部直径（外径）ΦＬの円との関係を示している。 図６は、異種材料を出力し、平滑にしつつ積層する工程を示している。 図７は、異種材料を出力するノズル部を上下に移動する機構を示している(歯車)。 図８は、異種材料を出力するノズル部を上下に移動する機構を示している（回転軸）。 図９は、異種材料を出力するノズル部を回転する機構を示している。 図１０は、異種材料を用いた三次元造形物を製造する装置を示している（材料Ａは光硬化性成分を含有し、かつ、不活性ガス噴射部２８を設置する場合）。 図１１は、異種材料を用いた三次元造形物を製造する装置を示している（材料Ａは光硬化性成分を含有し、かつ、減圧ポンプ２９を設置する場合）。

以下に、本発明を実施するための形態について図を用いて説明する。

本発明における三次元造形装置は、図１に示すように造形温度における粘度が０．０１〜１０００Ｐａ・ｓである材料Ａを出力する機構を備えた少なくとも１つ以上のノズルと、造形温度におけるメルトフローレート値が１〜４００ｇ／１０分（荷重２．１６Ｋｇ）である材料Ｂを出力する機構を備えた少なくとも１つ以上のノズルから、造形ステージへそれぞれ造形材料を吐出し、積層して造形を進めることによって三次元造形物を形成する。又、Ａは光硬化性成分を含有する場合、図２に示すようにＡを吐出すると同時に光照射により硬化させ、積層して造形を進めることによって三次元造形物を形成する。なお、材料Ａから得られる造形物は２Ｍ、材料Ｂから得られる造形物は３Ｍと称する。

（材料Ａの吐出装置）
材料Ａは、ディスペンサー等の装置を用いて吐出しながら積層して、造形することができる。造形温度は操作性及び材料Ａの性質により好適に調整することができるが、造形精度と造形速度も考慮し、２０〜１５０℃の吐出温度であることが好ましい。この温度範囲において、Ａの粘度が０．０１〜１０００Ｐａ・ｓである。材料Ａは２０℃における粘度が０．０１Ｐａ・ｓ以上、かつ、１５０℃における粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下である場合、吐出用ノズル部直径（内径）の調整及び／又は吐出圧力の調整によって、良好な吐出性と優れる造形性が得られるため、好ましい。又、造形温度におけるＡの粘度が０．１〜８００Ｐａ・ｓであることがより好ましく、０．２〜６００Ｐａ・ｓであることが最も好ましい。

材料Ａを吐出する装置として、定量的に送液できるものであればよい。例えば、定量シリンジポンプ式の送液装置や定量ギアポンプ式の送液装置、定量チューブポンプ式の送液装置、定量吐出バルブ式の送液装置等が挙げられる。具体的には、エアパルスにより材料を押し出すシリンジ方式や、空気を介さず容積計量とモータ駆動により材料を押し出す容積計量方式、材料が入ったチューブそのものに圧力をかけ、チューブ内の材料を送り出すチュービング方式、シリンダー内で材料の圧縮を機械的に行うプランジャー方式等が挙げられる。このうち、汎用性やメンテナンスの容易さ、又、圧力の連続的設定が可能であり、低・中・高粘度の液体を全般的に再現よく定量吐出可能であるシリンジ方式ディスペンサーや、高精度で吐出スピードと長期安定性に優れた容積計量方式のディスペンサーが好ましい。本発明におけるディスペンサーとは、図１、図３、図４に示すように、貯留部２０、加圧部２１、加圧コントローラ部２２、ノズル部２３を含む液体の定量吐出装置である。

材料Ａは貯留部２０に貯留され、制御コンピュータ４１が加圧コントローラ部２２に信号を送ることによって、加圧部２１が貯留部２０及び材料Ａに圧力を加え、ノズル部２３を通してステージ上にＡが吐出される。

加圧部２１の加圧方式は、前述のディスペンサーの方式によって適宜選択され、加圧気体押し出し、ピストン押し出し、ギヤ又はスクリュー押し出し等の単独又は組み合わせ方式が挙げられる。瞬時に加圧状況を変更できることから、加圧気体及びギヤ又はスクリューを組み合わせた加圧方式が好ましい。又、ギヤ又はスクリューによる加圧方法を選択することでＡの粘度に影響されることがなく、吐出量の微調整が可能である。さらに、加熱されたＡを用いる場合、加圧気体による加圧方式が広範な温度範囲に対応でき、制御しやすいため、好ましい。瞬時にかつ正確に加圧状況を変更するため、加圧部２１と吐出部の間にバルブを備えていても良い。

さらに、加圧部２１は、Ａを吐出しない期間において、減圧気体、ギア、スクリュー、ピストンに何れか１個又は２個以上の組み合わせにより、Ａを貯留部２０の方向へ吸い上げる機能を有する機構を含むことが好ましい。Ａを吐出と逆方向への吸い上げによる待機中、造形材料の過剰な出力を抑制することができる。

材料Ａを加圧する加圧部２１の加圧は、加圧コントローラ部２２によって制御され、吐出口の形状、加熱温度や、必要な造形速度と造形精度にあわせて、適宜に調整することができる。加圧コントローラ部２２は、制御コンピュータ４１の内臓機能に含まれていてもよく、制御コンピュータ４１と連携する形で別途設置されてもよい。

貯留部２０及びノズル部２３中の材料Ａを加熱又は冷却するために、加熱・冷却部２４を設置することができる。加熱又は冷却温度は、ノズル部２３からＡを円滑に吐出できれば、Ａの品種によって適宜に設定することが可能である。通常の造形温度は２０〜１５０℃であり、好ましくは４０〜１００℃である。特に高分子量や高粘度の造形材料においては、６０℃以上に加熱することによりＡの粘度が低下するため、十分な造形速度と造形精度を確保することができる。

加熱・冷却部２４で加熱・冷却される部分は、貯留部２０又はノズル部２３のいずれか、又は両方であっても良い。又、加熱・冷却される温度は、貯留部２０及びノズル部２３によって同じでもよく、異なっていてもよい。種々の加熱・冷却方法を用いることができ、例えば、ペルチェ素子、ヒーター、水や有機溶剤等の液体熱媒を用いる方法が挙げられる。

材料Ａの貯留部２０は、タンク、バレル、ホース等の液体を貯留することができる容器を単独又は組み合わせで用いることができる。又、造形材料を加熱・冷却して使用する場合は、温度変化によって変形しないものが良い。例えば、ＰＥ、ＰＰ、ＰＥＴ等のプラスチック容器やゴムからなる容器、銅、アルミ、鉄、ステンレス等の金属からなる容器を用いることができる。貯留部２０は密閉容器である場合、図３に示すように制御コンピュータ４１が加圧コントローラ部２２に信号を送ることによって、加圧部２１が貯留部２０及び材料Ａに圧力を加え、ノズル部２３を通してステージ上にＡが吐出される。さらに、Ａ及び貯留部２０を加熱・冷却するために、加熱・冷却部２４を設置することができる。必要に応じて貯留部２０からノズル部２３部への送液配管等に加熱・冷却装置或いは保温装置を付けることができる。同様に、必要に応じてＡの貯留部２０、送液配管とノズル部２３は同じ温度又は異なる温度に制御されることができる。

ノズル部２３の材料は、用途に合わせて様々なものを用いることができる。ノズル部２３が加熱・冷却される場合や、材料Ａが加熱・冷却及び／又は加圧・減圧される場合があるため、変形しないものが好ましい。例えば、樹脂製、金属製及び樹脂と金属の複合材料や組み合わせにより作られたものであってもよく、さらに撥液性のコーティングがされていてもよい。

又、ノズル部２３の内部形状は、用途に合わせて選択することができる。吐出圧（加圧部２１によって加えられ、吐出部に与えられた圧力）に対する圧力損失低減の観点から、造形精度を損なわない範囲内で、内部口径（内径）は大きい物が好ましく、最小内径の管長は短いものが好ましく、ノズル部内部はテーパー形状であることがより好ましい。又、吐出口の先端の形状は、圧力損失低減及び各方向へ均等な速度で吐出することができる観点から、円形状であることが特に好ましい。

本発明の造形装置に用いるノズル部２３の先端部分、即ち吐出口は、吐出された造形材料と接触しながら造形していくことが特徴である。吐出口は、造形材料に接することにより、造形材料を平滑にし、層ごとの厚さを均一にすることができる。吐出口の適切な内径は造形材料の粘度、造形温度と圧力によって異なるが、造形精度と造形速度のバランスを考慮し、好ましくは内径が０．０１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．０５〜５．０ｍｍであり、最も好ましくは０．１〜３．０ｍｍである。ノズル吐出口の内径が０．０１ｍｍ以上である場合、吐出口にかかる圧力を充分に下げることが可能であり、造形速度が遅くならない。又、内径が１０ｍｍ以下の場合、造形精度を十分に確保することができる。さらに、該吐出部の内径及び先端外径は円形であり、内径と先端外径の差がは可能な限り小さいことが好ましい。例えば、ノズル先端部が極薄加工をされたもの等が挙げられる。外径と内径の差が好ましくは２．０ｍｍ以下、より好ましくは１．０ｍｍ以下、最も好ましくは０．５ｍｍ以下である。その差２．０ｍｍ以下であれば、良好な造形精度が得られることが可能で、かつ、吐出口周辺に造形材料の付着を防止できるため好ましい。

ノズル部２３とステージ又は造形物との距離である積層厚は、ノズル内径より小さいことが好ましい。ノズル内径より小さいことで、吐出されたＡはノズルとステージ又は造形物との間で圧縮され、この圧縮状態でノズルを移動させることにより造形面に平滑性が付与され、同時に積層造形物の層間接着力が向上する。さらに、積層厚がノズル内径の１０〜８０％であることがより好ましい。１０％以上であれば造形速度が十分に確保でき、８０％以下であれば造形面の平滑性及び層間接着性が十分に確保できる。

ノズル部２３の外部形状は、吐出口からテーパー加工されていてもよい。テーパー加工は、吐出液の液上がりが抑制でき、造形精度の低下を防ぐことができる。又、テーパー加工以外の表面処理、例えば撥液処理によってノズル部２３への材料Ａの付着を低減させることができる。

材料Ａは、ノズル部２３から吐出され、吐出前後の温度変化や吐出後の光照射によって固形化又はゲル化できるものである。材料Ａとしては、例えば、多糖類からなるゲル化剤を含有する材料やプラスチゾル、熱硬化性樹脂材料や光硬化性樹脂材料を用いることができ、又混合によって固形化又はゲル化できるような２以上の液性材料をそれぞれ用いることができる。

Ａの吐出前の処理は、貯留部２０及び／又はノズル部２３における加熱、混合等が挙げられる。例えばプラスチゾルにおいて、貯留部２０及びノズル部２３で加熱され、材料中のプラスチックを可塑剤に溶解した後吐出される。その後吐出された材料が冷却により固形化やゲル化することができる。又、例えば２液性硬化材料では、ノズル部２３において混合することにより硬化反応が開始し、ステージ４２に吐出された後硬化反応が進行し、固形化やゲル化することができる。

Ａの吐出後の処理は、例えば冷却、加熱、光照射等を行うことができる。冷却方法としては、外気や冷却ガス、加熱方法としては、温風や赤外線照射、光照射等が挙げられる。材料Ａが光により硬化する場合、硬化の好ましいメカニズムはラジカル重合であるが、光硬化の他のメカニズムを適用してもよい。他のメカニズムとしては、カチオン重合、アニオン重合等が挙げられ、複数の光硬化メカニズムを組み合わせたハイブリット硬化でもよく、熱硬化と光硬化を組み合わせたデュアル硬化でもよい。これらは制限されず、材料によって適宜選択することができる。図２に示すように、光照射部２５において各種光源による赤外線、可視光線、紫外線（ＵＶ）、レーザー光、電子線等を照射することができる。

（光照射）
光照射に紫外線を用いる場合、Ｈｇ系、Ｘｅ系、メタルハライド等の光源、ＬＥＤ光源、エキシマ光源等を用いることができる。コスト及び装置形状、安全性の面からＬＥＤ光源の使用が好ましい。又、光照射によりＡを硬化させる場合、硬化性と造形速度の観点から、Ａは光硬化性成分を１０質量％以上含有することが好ましい。

光照射部２５から光が照射される範囲は、造形ステージの面積から、ノズル部２３の先端の直径（外径）ΦＬより大きい直径ΦＭを有する円の面積を引いて、残された部分である。この範囲であれば、光がノズル部２３の先端と接触しているＡを硬化して得られる２Ｍに当たらないため、ノズルの閉塞やノズル先端部に硬化した樹脂の屑が付着せず、長時間に渡って高精度な造形作業がスムーズに進行することができる。又、光が照射される範囲は、ノズル部の断面のイメージ図（図５）に示すように、直径ΦＮと直径ΦＭの同心円の面積の差（円輪）である。光は直径（ΦＮ−ΦＭ）円輪（ドーナツ状）状に照射される場合、Ａが均一に硬化することができ、好ましい。又、円輪の直径ΦＮとΦＭは、共にΦＬを超えて、かつ、ΦＭはΦＮ以下であることが好ましく、ΦＮはΦＬの１０００倍以下であることがより好ましく、ΦＮはΦＬの５００倍以下であることが特に好ましい。ノズル先端のサイズにもよるが、ΦＮがΦＬの１０００倍を超えない場合、Ａが均一かつ迅速に硬化されるので、より好ましい。

光が前記所定の照射範囲内に照射することを制御できれば、照射部やノズル部、ノズルの先端付近等、装置の構造は限定されなくてもよい。例えば、光照射部２５とノズル部２３の間にノズル硬化防止部２７を備えることが挙げられる。図５に示すように、照射部２５から照射される光がノズル硬化防止部２７により一部が遮断され、ノズル部２３の先端に接触しているＡが照射されないため、ノズル先端の閉塞や吐出不良等のトラブル発生が抑制できる。

ノズル硬化防止部２７の形状と設定位置は、ノズル硬化防止の効果を達成できれば、特に限定することはない。又、ノズル硬化防止部２７はノズル部２３に固定される場合、ノズル部と一体として移動することができ、造形時にノズル部が左右、前後に迅速に移動してもノズル硬化防止の効果が保つことができ、より好ましい。さらに、ノズル部２３とノズル硬化防止部２７の一体構造は、ノズル部２３の先端に接触している材料Ａの硬化が防止でき、かつ造形した造形物の広範囲を照射することができ、Ａの硬化率を全体的に向上することができる。

又、ノズル硬化防止部２７の先端は、ステージ４２、造形面又は造形物とは接触せず、ノズル部２３の先端より短く、かつ、ノズル部２３の先端部分とは接触しない。ノズル硬化防止部２７の長さ、形状と設定位置は、光照射部２５の設定位置、個数及び照射角度によって適宜に調整することができる。図５に示すように、ノズル硬化防止部２７を設置することによって、直径ΦＭの円より内側が照射されなくなり（以下、照射制限範囲と称する。）、即ち、ノズル部２３の先端（直径ΦＬの円）は確実に照射されず、ノズル先端の閉塞や吐出不良等のトラブル発生が抑制できる。ΦＭはΦＬの１．０倍より大きく、かつ、ΦＬの１００倍以下である場合、ノズル部の吐出不良を防止できると同時に造形物を十分に硬化することができる。又、硬化性向上と造形速度向上の観点から、ΦＭはΦＬの１．２倍以上かつ５０倍以下であることが好ましく、１．５倍以上かつ１０倍以下であることがより好ましい。

光の照射は、材料Ａの吐出と合わせて行うことが好ましい。Ａの吐出時のみ光を照射することによって、ノズル部２３の先端に付着する材料Ａの硬化が抑制され、ノズルの詰まりを防ぐことができる。

材料Ａの硬化性によって、Ａの吐出停止期間においても光の継続照射が必要な場合、ノズル詰まり防止のため、光照射部２５としては可動式照射部を用いることができる。可動式照射部には、回転や上下、左右に移動させるサーボモーター、ステッピングモーター、ブレーキ機構等を備えることができる。

光照射による材料Ａの硬化は、不活性ガス雰囲気下又は減圧下で行うことによって、重合の阻害因子である酸素が取り除かれるため、反応が促進される。不活性ガスの導入や減圧作業は、造形開始前、造形中、造形終了後のいずれの段階においても実施することができる。又、不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素等を用いることができ、コストや入手容易性の観点から、窒素及び二酸化炭素が好ましい。

不活性ガス雰囲気は、例えば造形ステージを囲む空間（造形エリア４３）を不活性ガスで充填してもよく、図１０に示すように不活性ガス噴射部２８より不活性ガスを造形部位に噴射しながら造形してもよい。一方、減圧は、例えば図１１に示すように、造形エリア４３を減圧ポンプ２９によって減圧部４８より減圧させることができる。又、造形ステージを囲む空間に圧力計又は酸素濃度計を設置することにより、酸素濃度を確認することができる。

（造形材料Ｂの吐出装置）
造形材料Ｂは、室温（２５℃）において流動性を有しない固体であって、フィラメント状やペレット状に加工され、貯留することができる。図１に示すように、貯留部３０に貯留された造形材料Ｂは、制御コンピュータ４１からの信号により、加圧部３１によって加圧され、加熱部３４によって加熱され、ノズル部３３を通してステージ４２又造形物上に吐出しながら積層して、造形することができる。フィラメント状の造形材料Ｂを用いる場合は、ノズル部３３のみ加熱されてもよいが(図１)、ペレット状の造形材料Ｂを用いる場合は、加圧部３１とノズル部３３を同時に加熱されることが好ましい(図３)。

造形材料Ｂの造形温度は造形材料の構造、分子量等の性質によって適宜に調整することができるが、造形精度、造形速度及び得られる造形物の硬度、強度等の物性を考慮し、６０〜３５０℃の温度範囲で造形されることが好ましい。又、造形温度におけるメルトフローレート値（ＭＦＲ）が１〜４００ｇ／１０分（荷重２．１６Ｋｇ）であれば、造形材料Ｂが良好な流動性を保ちながら、円滑に吐出され、高精度に造形することができる。

貯留部３０に充填される材料Ｂの形状は、フィラメント状であってもペレット状であっても良い。貯留部３０の形状は充填材料の種類によって適宜に選択することができる。例えば、フィラメント状材料の場合はスプール等にフィラメントを巻きつけて貯留することができ、又、ペレット状材料の場合はホッパー等の容器に充填して貯留することができる。

造形材料Ｂの加圧部３１の動力として、例えばモーターが用いることができる。モーターの回転によってギア又はスクリューが回転し、造形材料Ｂを加圧される。加圧部３１の加圧によって造形材料Ｂが貯留部３０よりノズル部３３へ移送される。造形材料Ｂがフィラメント状である場合は、積極的な加熱は好ましくないが、ペレット状である場合は加熱によって造形材料Ｂを溶融しながら加圧することが好ましい。

造形材料Ｂの加熱部３４の動力として、例えば電気ヒータが用いることができる。加熱の制御は制御コンピュータ４１によって行い、造形材料Ｂが所定温度まで加熱され、造形に用いることができる。

造形材料Ｂを吐出するノズル部３３の材質は、金属材料であることが好ましく、加熱及び材料の吐出によって劣化しない材料がより好ましい。例えば、鉄、アルミ、銅、ステンレス、チタン、タングステンカーバイド等を適宜選択することができる。

ノズル部３３の先端部分、即ち吐出口は、吐出された造形材料Ｂと接触しながら造形していくことを特徴とする。吐出口は造形材料に接することにより、造形材料を平滑にし、層ごとの厚さを均一にすることができる。吐出口の適切な内径は造形材料の形状や溶融粘度、造形温度と圧力等によって異なるが、造形精度と造形速度のバランスを考慮し、好ましくは内径が０．１〜２．０ｍｍであり、より好ましくは０．２〜１．０ｍｍである。ノズル吐出口の内径が０．１ｍｍ以上である場合、吐出口にかかる圧力を充分に下げることが可能であり、造形速度が遅くならない。又、内径が２．０ｍｍ以下の場合、造形精度を十分に確保することができる。さらに、該吐出部の内径及び先端外径は円形であり、内径と先端外径の差は可能な限り近いことが好ましい。例えば、ノズル先端部が極薄加工されたもの等が挙げられる。外径と内径の差が好ましくは２．０ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下、最も好ましくは０．５ｍｍ以下である。その差が２．０ｍｍ以下であれば、良好な造形精度を得ることが可能で、かつ、吐出口周辺に造形材料の付着を防止できるため好ましい。

造形材料Ｂを吐出するノズル部３３の外部形状は、テーパー加工されていてもよい。テーパー加工は、吐出された造形材料Ｂの液上がりによる造形精度低下を防ぐことができるため好ましい。又、テーパー加工以外の表面処理、例えば撥液処理によってノズル部３３への造形材料Ｂの付着を低減させることができる。

加圧部３１は、造形材料Ｂを吐出しない間（待機期間）において、ギア又はスクリューの逆方向回転による造形材料Ｂの吸い上げができる機構を含んでもよい。この機構の設置により、待機期間に過剰な造形材料Ｂの出力が抑制でき、造形精度が向上できる。

造形材料Ｂは、熱可塑性樹脂又は熱可塑性樹脂組成物であって、６０〜３５０℃の温度範囲において、良好な流動性を有し、高精度な造形に容易に用いることができる。樹脂の成形加工時の流動性は通常メルトフローレート（ＭＦＲ）値で評価され、造形材料Ｂは、６０〜３５０℃の温度範囲におけるＭＦＲ値（荷重２．１６ｋｇ）が１〜４００ｇ／１０分である。ＭＦＲ値はこの範囲内であれば、造形速度と造形精度のバランスが取りやすい。又、好ましくは５〜２００ｇ／１０分であって、特に好ましくは１０〜１００ｇ／１０分である。

造形材料Ｂは６０℃以上の温度にてノズルから吐出された後、冷却によって固形化し、造形される。Ｂが直接ステージ上に吐出される場合はステージ４２を、他の場合は造形エリア４３を加熱又は保温することが高精度の造形物を取得できる観点から、好ましい。４２と４３の設定温度（環境温度）はＢの造形温度（吐出温度）によって異なるが、４０〜２３０℃の範囲内であれば、造形温度と環境温度の差が２０〜２００℃となり、より好ましい。環境温度が４０℃以上である場合、Ｂの造形温度と環境温度の差が２０℃以上であり、Ｂがノズルから吐出後速やかに冷却され、十分な造形速度を確保できる。又、環境温度が２００℃を超えない場合、造形温度と環境温度の差が２００℃以下であり、Ｂから成形された造形物の熱収縮による変形が抑制できる。環境温度が２０〜１５０℃であることがより好ましく、２０〜１００℃であることが最も好ましい。

造形材料Ｂは熱可塑性樹脂を含んでいれば良く、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡＣ）、ポリウレタン樹脂（ＰＵＲ）、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、アクリロニトリル スチレン樹脂（ＡＳ）、アクリル樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリブタジエン（ＢＲ）等を用いることができる。

造形材料Ｂは熱可塑性樹脂以外に、他の機能性材料を含んでいても良く、例えばガラス系ファイバー、カーボン系ファイバー、セルロース系ファイバー、ウッドチップ、金属粉末、カーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、可塑剤、安定化剤、着色剤等が挙げられる。

（造形装置全般）
異なる材料Ａ及びＢの吐出は、並行して行われてもよく、単一材料毎に行われてもよい。複合材料を形成する観点から、一層分の造形動作において、必要なすべての造形材料を出力した後、次の一層の出力に移ることが好ましい（図６）。

ステージ４２は、材料Ａを吐出するノズル部２３と、及び材料Ｂを吐出するノズル部３３と、相対的に移動（相対移動）することができる。ステージ４２は、高強度の材料で構成されたものであることが好ましく、又、造形後ステージ上かの造形物を容易に剥離できるものがより好ましい。例えば、ステンレス鋼等の各種金属材料やガラス、プラスチック等の材料を単独又は複合したものが挙げられる。上記の複数のノズルをステージ４２に対して相対的に稼動させる機構は、同一軸上にあってもよく、別軸上にあってもよい。

材料Ａを吐出するノズル部２３及び材料Ｂを吐出するノズル部３３は、装置本体４０中にそれぞれ一つ以上配置される。これらのノズル部は単独に相対移動機構を備えていても良く、同一の相対移動機構上にあっても良い。

相対移動機構は、造形材料が積層されるステージ４２と上記ノズルが三次元的に移動させるための機構であり、モーターを動力源としてギア、スクリュー、ベルト等にてノズルとステージの位置関係を変化させる。当該機構は、ノズル及びそれに付随する部品を移動させても良く、ステージ４２を移動させても良く、これらの組み合わせであっても良い。

相対移動機構には、移動範囲を制限するためのセンサーを備えていることが好ましい。センサーを備えていることにより、装置の破損防止、絶対的な三次元位置の決定が可能である。

本発明における製造装置は、例えば、図７〜９に示すようなノズル部及びそれらを制御する機構を備えることができる。なお、本発明に用いられるノズル部とその制御機構はこれらの例に限定するものではない。これらの制御機構は、例えば複数のノズル部からの造形材料を吐出する切り替えが必要な際に稼動し、非稼動状態のノズル部をステージ４２上の造形面から離れた位置に移動させことができる。この移動によって、非稼動状態のノズル部から造形面への過剰な造形材料の吐出を防止することができ、又、造形面とノズル部の接触を防止でき、造形精度が向上できる。これらの機構は、複数のノズル部のステージ４２に対する相対位置調整に使用されてもよい。例えば造形材料の積層面高さを揃えることが可能であり、造形精度を向上させることができる。さらに、例えばモーター４６(図８と９)、サーボ、ギア４５（図７）スクリュー４７（図８）、カムリンク、回転(図９)等によって複数のノズル部及びそれらを制御する部位４４を上下又は回転する機構であればよい。

本発明における制御コンピュータ４１は少なくとも複数の加圧部、加熱部、相対移動機構の動作を制御することができる。例えば、オープンソースであるＲｅｐＲａｐのシステムを使用することができ、公知のスライサーソフトウェア、フロントエンドにより造形することもできる。

制御コンピュータ４１は、光照射部２５、相対移動機構に含まれない複数のノズル部及びそれらの制御機構の動作を制御することもできる。総合的統一制御は、ノズル部の詰まりを抑制したり、材料Ａの硬化を促進することができ、ノズル部の高さを調整し、造形精度を向上させることができる。

制御コンピュータ４１へのデータ入力は、ＳＤカード等の外部記録メディアに記録されたデータを読み込むことによって行っても良く、ＵＳＢケーブル等の配線接続又はＷｉＦｉ等の無線通信接続によってパソコン等に接続することにより行っても良い。

以下に本発明における実施形態を図を用いて説明する。なお、本発明の実施形態はこれらの例に限定するものではない。

本発明の実施例、比較例に記載する各種化合物の略号は下記の通りである。
ＵＡ−１：２官能のウレタンオリゴマー（両末端にアクリル基を有し、２０℃における粘度は５１０Ｐａ・ｓ、６０℃における粘度は４９Ｐａ・ｓ、１００℃における粘度は６．８Ｐａ・ｓである。）
ＵＡ−２：２官能のウレタンオリゴマー（両末端にアクリル基を有し、８５℃における粘度は２０Ｐａ・ｓである。）
ＵＡ−３：６官能の多分岐ウレタンオリゴマー（両末端にアクリル基を有し、１００℃における粘度は１６０Ｐａ・ｓである。）
ＵＡ−４：２官能のウレタンオリゴマー（両末端にアクリル基を有し、１１０℃における粘度は３００Ｐａ・ｓである。）
１１７３：光重合開始剤Ｏｍｎｉｒａｄ １１７３（ＩＧＭ Ｒｅｓｉｎｓ社製）
ＴＰＯ：光重合開始剤Ｏｍｎｉｒａｄ ＴＰＯ（ＩＧＭ Ｒｅｓｉｎｓ社製）
ＡＣＭＯ：アクロイルモルホリン（ＫＪケミカルズ社製 登録商標「ＡＣＭＯ」、登録商標「Ｋｏｈｓｈｙｌｍｅｒ」、粘度０．０１２Ｐａ・ｓ（２０℃））
ＰＥＡ：フェノキシエチルアクリレート（大阪有機化学工業株式会社製 ビスコート１９２ 粘度０．００９Ｐａ・ｓ（２０℃））
ＰＬＡ：ＰｏｌｙＰｌｕｓ ＰＬＡ（Ｐｏｌｙｍａｋｅｒ社製 ＭＦＲ ７〜１１ｇ／１０分（２１０℃、荷重２．１６Ｋｇ））
ＰＶＡ：ＡｑｕａＳｏｌｖｅ−ＰＶＡ（ＦＯＲＭＦＵＴＵＲＡ社製 ＭＦＲ １４〜２０ｇ／１０分（１９０℃、荷重２．１６Ｋｇ））
ＡＢＳ：ＡＢＳ樹脂（ＰｏｌｙＬｉｔｅ ＡＢＳ、ｐｏｌｙｍａｋｅｒ社製、ＭＦＲ ９〜１４ｇ／１０分（２２０℃、荷重２．１６Ｋｇ））
ＰＣ：ＰＣ樹脂（ＰｏｌｙＭａｘ ＰＣ、ｐｏｌｙｍａｋｅｒ社製、ＭＦＲ ６〜８ｇ／１０分（２６０℃、荷重１．２Ｋｇ））
Ｎｙｌｏｎ：ナイロン樹脂（Ｎｙｌｏｎ１２、Ｋｏｄａｋ社製、ＭＦＲ ３８ｇ／１０分（２２０℃、荷重１０Ｋｇ））

本発明の各実施例と比較例で得られた造形物を用いて、下記方法により物性評価等を行った。
＜引張強度、破断伸度＞
実施例と比較例で得られた造形物を用いて、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠した３号ダンベル型に打ち抜いて、ダンベル型試験片を得、ＪＩＳ Ｋ７１６１に準じ、卓上形精密万能試験機（株式会社島津製作所製 オートグラフＡＧＳ−Ｘ）により引張試験を行った。引張速度１０ｍｍ／分、チャック間距離５０ｍｍ、５枚試験片の測定値を平均し、引張強度（強度）と破断伸度（伸度）とした。
＜造形精度＞
造形終了後、造形物の寸法を精密に計測し、設定値を比較して造形精度を評価した。
◎：積層造形ができ、造形物の外形寸法が設定値の９９〜１０１％である場合
○：積層造形ができ、造形物の外形寸法が造設定値の９５〜１０５％である場合
△：積層造形はできたが、造形物の変形、歪み等があり、外形寸法が造形データの９５％を満たさない、又は１０５％を超えた場合
×：目的とする造形物が得られなかった場合
＜品質評価＞
造形終了後、造形物の外部及び断面の観察を行い、積層痕や気泡等の有無により造形物の品質を評価した。
◎：積層痕が殆ど確認されず、気泡や欠陥も殆ど確認されない場合
○：積層痕が確認されるが、気泡や欠陥が殆ど確認されない場合
△：積層痕が明確に確認され、気泡や欠陥が明確に確認される場合
×：積層の凹凸が全面的に存在し、気泡や欠陥が非常に多い場合

（実施形態１）
本実施形態は、異種材料である材料ＡとＢを用いて、積層して三次元造形物を製造するものである。図１に示すように、材料Ａの出力機構がシリンジポンプ式であり、Ａを貯留する貯留部２０、Ａを加圧する加圧部２１、加圧コントローラー部２２、Ａを吐出させるノズル部２３、及び貯留部２０とノズル部２３を加熱する加熱部２４を有し、
さらに材料Ｂの貯留部３０、Ｂを吐出するノズル部３３、Ｂ関連の加熱部３４と加圧部３１を有し、
上記複数のノズル部の吐出口から吐出される上記造形用材料が積層されるステージ４２と、
ステージ４２と上記ノズル部２３、ノズル部３３とを三次元的に相対移動させるための相対移動機構と、
前記複数の加圧部、加熱部、相対移動機構の動作を制御するための制御コンピュータ４１とを備える三次元造形装置を用いた。制御コンピュータ４１はＲｅｐＲａｐのシステムを使用し、ＵＳＢケーブルにて４１とパソコンを接続し、パソコンから造形条件に関するデータを４１に送信しする。

制御コンピュータ４１は、送信されたデータに従って、加熱部や加圧部を制御して加熱、加圧を行い、図６に示すように、異なる材料ＡとＢをそれぞれのノズル２３と３３からステージ４２上に吐出し、固形化しながら積層していく。このとき、２３と３３の先端部分は、吐出されたＡ、Ｂとそれぞれ接触し、造形面を平滑にさせながら造形を行う。これにより、造形層の厚さが精密に制御され、高精度に造形することができる。

実施例１
材料Ａとしてコーティング用チョコレート（共立食品社製、粘度４２Ｐａ・ｓ（３３℃））を使用し、貯留部２０とノズル部２３（吐出口の内径は２．０ｍｍ、外径は４．０ｍｍ）を４０℃に加熱した。一方形材料ＢとしてＰｏｌｙＰｌｕｓ ＰＬＡ（Ｐｏｌｙｍａｋｅｒ社製 ＭＦＲ ７〜１１ｇ／１０分（２１０℃、荷重２．１６Ｋｇ））を使用し、加熱部３４とノズル部３３（吐出口の内径は０．５ｍｍ、外径は２．０ｍｍ）を２１０℃に加熱した。造形エリア４３の環境温度を１０℃に設定し、ＡとＢの積層厚をそれぞれ０．６ｍｍと０．２ｍｍとし、それぞれの所定造形速度、圧力と造形パターン等に準じて、造形を実施した。ステージ４２に吐出されたＡとＢが、吐出後それぞれ冷却され、固形化した。この操作を層毎に行い、さらに積層していくことにより外塀は３Ｍ、内部は２Ｍからなる直径２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ（外塀の厚さは５ｍｍ）の円柱状造形物を精度よく製造することができた。

（実施形態２）
Ａの出力機構を図４に示すように、ギアポンプ式とし、Ａを貯留する貯留部２０、Ａを加圧する加圧部２１、加圧コントローラー部２２、Ａを吐出させるノズル部２３、及び貯留部２０とノズル部２３を加熱する加熱部２４を備えた装置とした。Ｂの出力機構を図４に示すように、ペレット状材料の吐出装置を用いた。

実施例２
実施形態２の三次元造形装置を用いて、材料Ａとして１−オクタデカノール（融点は５９℃、東京化成工業株式会社製、粘度０．０１３Ｐａ・ｓ（６０℃））を使用し、貯留部２０とノズル部２３（吐出口の内径は０．０５ｍｍ、外径は０．０８ｍｍ）を６０℃に加熱した。一方、造形材料Ｂとして実施例１と同じＰＬＡのペレットを使用し、加熱部３４とノズル部３３（吐出口の内径は０．４ｍｍ、外径は１ｍｍ）を２１０℃に加熱した。造形エリア４３の環境温度を２０℃に設定し、ＡとＢの積層厚を共に０．２ｍｍとし、所定条件に準じ、実施例１と同様に造形を行い、２Ｍと３Ｍの層を交互に積み上げることにより成型された長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅４０ｍｍ、高さ1０ｍｍ）を精度よく製造することができた。得られた造形物を二等分（長さ５０ｍｍ、幅４０ｍｍ、高さ１０ｍｍ）に切り、目視により気泡や欠陥等がなく、２Ｍと３Ｍの層が均一に密着して積層されたことが確認された。又、造形物の表面に明確な積層痕が確認されなかった。

（実施形態３）
図２に示すように、実施形態１の三次元造形装置を用いて、さらに、光照射部２５を備えた。材料Ａは光硬化性成分を含有する場合、Ａがノズル部２３から吐出された後、２５から照射される光によって硬化することができる。

又、図１０に示すように、不活性ガス噴出部２８を設置することができる。光照射範囲に対して窒素等の不活性ガスを噴出することによって、光硬化性成分を有する材料Ａのラジカル重合による硬化反応が速やかに進行することができ、造形速度の向上と造形精度の改善に有利である。不活性ガスの吹き出しは、固形化する前の造形物が変形されない程度の圧力で行う。その圧力は造形材料の品種、物性によって異なるが、通常５０ｋＰａ以下に設定される。

さらに、図５に示すように、ノズル硬化防止部２７を設置することができる。２７を設置することにより、照射部２５から照射される光の照射範囲を容易に調整することが可能であるため、ノズル先端の閉塞や吐出不良等のトラブル発生が抑制され、造形精度も向上されるため好ましい。

実施例３
図２に示すように、光照射部２５を備えた実施形態３の三次元造形装置を用いた。材料Ａとして、アクロイルモルホリン（ＫＪケミカルズ社製 登録商標「ＡＣＭＯ」、登録商標「Ｋｏｈｓｈｙｌｍｅｒ」）４９質量部、フェノキシエチルアクリレート４９質量部と光重合開始剤Ｏｍｎｉｒａｄ ＴＰＯ（ＩＧＭ Ｒｅｓｉｎｓ社製）２質量部の混合物を調製した。２０℃における材料Ａの粘度は０．０１１Ｐａ・ｓであった。Ａの吐出温度を２０℃に設定し、吐出口ノズル部２３は内径０．１ｍｍ、外径０．１３ｍｍのものを使用し、光照射部としてＵＶ−ＬＥＤ（４０５ｎｍ）の光源を用いた。一方、材料ＢとしてＡｑｕａＳｏｌｖｅ−ＰＶＡ（ＦＯＲＭＦＵＴＵＲＡ社製 ＭＦＲ １４〜２０ｇ／１０分（１９０℃、荷重２．１６Ｋｇ））を使用し、加熱部３４とノズル部３３（吐出口の内径は１．０ｍｍ、外径は２.０ｍｍ）を１９０℃に加熱した。環境温度を２０℃に設定し、ＡとＢの積層厚を共に０．２ｍｍとし、それぞれの所定造形速度、圧力と造形パターン等に準じて、造形を実施した。ステージ４２に吐出されたＡが、２５から照射される光によって硬化し、一方、Ｂが吐出後に冷却され、固形化した。この操作を層毎に行い、さらに繰り返し積層していくことにより２Ｍと３Ｍの層を交互に積み上げることにより成型された長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を精度よく製造することができた。

実施例４
材料Ａとして２官能のウレタンオリゴマー（ＵＡ−１、１００℃における粘度は６．８Ｐａ・ｓである。）９８質量部と光重合開始剤Ｏｍｎｉｒａｄ１１７３（ＩＧＭ Ｒｅｓｉｎｓ社製）２質量部の混合物を使用した。貯留部２０とノズル部２３（吐出口の内径は０．６ｍｍ、外径は０．７ｍｍ）を１００℃に加熱した。光源としてＨｇ−Ｘｅランプを用いた。一方、造形材料Ｂとして実施例１と同じＰＬＡを使用し、ノズル部２１０℃に加熱し、ノズル部３３は内径０．４ｍｍ、外径２．０ｍｍのものを用いた。ＡとＢの積層厚を共に０．１６ｍｍとし、環境温度６０℃にて造形を実施した。このとき、ノズル部２３には、図５に示すように、ノズル硬化防止部２７を取り付けた。ノズル部２３の先端の直径（外径）ΦＬは０．１３ｍｍ、ノズル硬化防止部２７によって照射されなくなった照射制限範囲の円の直径ΦＭは５ｍｍであった。又、光照射部２５から照射される最大範囲の円の直径ΦＮは３０ｍｍであり、即ち２３、２５、２７の組み合わせにより照射される範囲は直径２５ｍｍ（ΦＮ−ΦＭ）の円輪であった。前記所定条件に準じ、ステージ４２に造形材料Ａが吐出されながら、ＬＥＤ光源から照射される紫外線（ＵＶ）によって硬化し、造形材料ＢであるＰＬＡ樹脂は実施例１と同様に吐出後冷却によって固形化した。

造形方法としては、本発明の造形装置材料ＡとＢを交互に層毎に積み上げる造形方法、Ａを数層に積み上げてからＢを数層に積み上げる造形方法、同じ層内にＡとＢを共に用いて積層していく造形方法等、本発明の造形装置により任意に設定して行うことができる。例えば、実施例４の材料ＡとＢを用いて、環境温度６０℃にて、以下の造形を行った。
図２に示すＸ軸方向に沿って材料Ａを０．１３〜０．１４ｍｍ／層の厚さで吐出、積層を行い、長さ（Ｙ軸方向）１００ｍｍ、幅（Ｘ軸方向）２０ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）０．６７〜０．６８ｍｍの材料Ａからなる造形物２Ｍを得た。得られた２Ｍのシート状造形物の上に、材料ＢをＹ軸方向に沿って０．２２〜０．２３ｍｍ／層の厚さで吐出、積層を行い、高さ１．３４〜１．３５ｍｍの造形物２Ｍと３Ｍからなる複合材料造形物を得た。さらに、２Ｍと３Ｍの複合材料造形物の上に材料Ａを同様にＸ軸方向の造形を行い、長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍの３層構造の異種材料造形物ＡｘＢｙＡｘを得た。さらに、材料ＡとＢを共にＸ軸方向の造形及びＡがＸ軸、Ｂが斜め方向（Ｘ軸に対して４５°の方向）の造形を行い、それぞれ長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍの３層構造の異種材料造形物ＡｘＢｘＡｘとＡｘＢ４５Ａｘを得た。

比較例１
材料Ａに関わる出力機構、貯留部、送液装置、温度制御装置、ノズル部と、光照射部、制御コンピュータ、ステージ等を備えた三次元造形装置（Ｐ）を用いて、実施例４と同様な材料Ａを用い、実施例４と同様な造形条件において、Ｘ軸方向の造形を行い、長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を製造した。

比較例２
材料Ｂに関わる出力機構、貯留部、送液装置、温度制御装置、ノズル部、制御コンピュータ、ステージ又を備えた三次元造形装置（Ｑ）を用いて、実施例４と同様な材料Ｂを用い、実施例４と同様な造形条件において、Ｘ軸、Ｙ軸とＺ軸方向の造形を行い、長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を製造した。

実施例４と比較例１、２で得られた各造形物を用いて、それぞれを２等分（長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）に切り、断面を光学顕微鏡（１０倍拡大）により観察し、造形品質を評価した。又、造形精度を評価し、引張試験による強度と伸度の評価を行った。評価結果を表１に示す。

実施例５〜１１
実施例５において、実施例４と同じ材料ＡとＢを用い、実施例４と同様な装置と造形条件のもとに、図６に示す造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を製造した。又、実施例４と同様の装置を用い、表２に示す材料、条件により実施例６〜１１を行い、長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍの造形物を得た。実施例３、５〜１１の異種材料の組成、造形条件及び造形物の評価結果を表２に示す。なお、実施例６〜１１において、ＡとＢの造形は共にＹ軸方向に沿って行った。

比較例３
実施例３と同様な材料Ａを用い、実施例３と同様な造形条件において、Ａに関わる三次元造形装置ＰによりＸ軸方向の造形を行い、長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を製造した。得られた造形物を層として積み上げるに伴い、吐出直後の樹脂が広がりやすくなり、造形の精度が低かった。又、得られた造形物の表面には凹凸が確認され、品質が低かった。該造形物を２等分に切る際にも、引張試験用ダンベル型試験片を打ち抜く際にも、割れてしまったため、内部観察と引張試験を行うことができなかった。

比較例４〜７
表３に示す各種材料Ｂを用いて、Ｂに関わる三次元造形装置Ｑにより、所定条件下で積層して造形を行い、長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を製造した。得られた造形物の造成精度、品質を評価し、引張試験を行った。各種評価、試験の結果を表３に示した。

比較例８
比較例１と比較例２をＹ軸方向に造形して得られた２枚の長方形造形物（長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ）を上下に重ねて、熱プレス機（２００℃）を用いて、高さ２ｍｍに成形した。冷却後、長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍにカットした。同様に造成物の品質を評価したところ、ＡとＢの界面には気泡や欠陥、密着してない箇所があった。引張試験を行い、結果を表３に示した。

実施例３〜１１と比較例３〜７の結果から、通常の単一材料（Ａ或いはＢ）を取り扱う三次元造形装置では高精度、高品質に造形できない材料においても、本発明の三次元造形装置は、異種材料を用いることができるため、異種材料ＡとＢの組み合わせ、複合等により造形精度と造形物の品質が改善され、造形物の機械的性質も向上することができた。これは、同じ層の中又は異なる層に間に有する異種材料の相互作用による特異の効果を奏した結果であると考えている。例えば、低粘度の材料Ａは、異種材料であるＢで造形された層の上に吐出されると、硬化前の広がりが抑制でき、又、溶融粘度の高い材料Ｂの周辺に、異種材料であるＡを吐出、造形されると、材料Ｂ同士で形成される隙間や積層痕を埋めることでき、造形物の品質改善、強度と伸度の向上、特にＦＤＭ材料の特有の強度異方性（積層方向の強度が低い）の問題を改善することができる。

表１〜３の結果を比較すると、異種材料である材料Ａと材料Ｂを用いて得られた積層造形物の強度が、単一材料Ａ又はＢからなる造形物より高く、又、単一材料Ｂの造形物より伸度が高くなった。造形精度、造形物の品質とも、異種材料からなる造形物の方が、単一材料Ａ又はＢの造形物より良好であることが確認できる。単一材料Ａのみを用いた場合、同一な柔軟性材料や低粘度材料、活性エネルギー硬化性材料を積層する際は、固化又は硬化する前には流動性があるため、固化又は硬化後に層間の隙間は残らず、造形物表面に積層痕の残存が抑制できるが、高粘度の材料や、固化又は硬化速度が速い材料を積層する際は、造形物の内部に気泡や欠陥等が残存しやすくなる結果となった。一方、単一材料Ｂのみを用いた場合、同一な高溶融粘度や高融点の材料、高硬度、強度の材料を、一定な流動性を有する温度まで加熱し、半融解状態で吐出し、積層することにより、造形物内部の気泡や欠陥等は抑制できるものの、吐出後、急速に流動性を失ってしまうため、固化した際に層間に隙間が残存し、造形物表面及び内部に積層痕が残存しやすくなる結果となった。本発明の異種材料を用いた造形は、各種材料の特徴を最大に発揮させ、欠点を克服し、それらの相互作用によりバランスのよい造形ができる。また、強度も伸度も良好で、優れた品質の造形物を高精度に造形することができる。更に、従来のＦＤＭ式の造形物、即ち本発明の比較例３〜７の場合、積層方向の強度が特に低く、割れやすい欠点が、異種材料の導入により改善され、実用性が向上したことが明らかである。なお、このような異種材料による造形性能の向上は、本発明の造形装置を用いて、異種材料を交互に少しずつ積層していく場合、異種材料が最大限に接近することができ、それらの相乗効果を最大限に発揮することができる。このため、それぞれの材料で得られた造形物の貼り合わせ（比較例８）よりも強度や伸度等の機械的物性にも優れる造形物を得ることができる。

又、ノズル硬化防止部を設置することによって、材料Ａの吐出用ノズルの先端に直接光が照射されることがなく、ノズル部の閉塞や、ノズル先端に硬化した造形材料Ａの固着、待期期間中の糸引き等が改善された。

Ａ 吐出温度が２０〜１５０℃、吐出粘度は０．０１〜１０００Ｐａ・ｓである造形材料
２０ 貯留部
２１ 加圧部
２２ 加圧コントローラ部
２３ ノズル部
２４ 加熱部
２５ 光照射部
２７ ノズル硬化防止部
２８ 不活性ガス噴射部
２９ 減圧ポンプ
Ｂ 吐出温度は６０〜３５０℃、吐出温度におけるメルトフローレート（ＭＦＲ）値が１〜４００（ｇ／１０分、荷重２．１６ｋｇ）である造形材料
３０ 貯留部
３１ 加圧部
３３ ノズル部
３４ 加熱部
４０ 装置本体
４１ 制御コンピュータ
４２ ステージ
４３ 造形エリア
４４ ノズル制御部
４５ ギア
４６ モーター
４７ スクリュー
４８ 減圧部

以上説明してきたように、本発明における２種以上の異種材料を積層造形できる三次元造形装置は３Ｄプリンタとして用いることが可能であり、広範な分野において、多種多様の材料を適宜に組み合わせることによって、異種材料からなる造形物を精度よく製造することができる。又、本発明の三次元造形方法により、異種材料から様々な物性値、形状を有する三次元造形物を、工業用物品、文具、事務用品等の生活用品や医療用品等として工業的に容易に製造することができる。

Claims (15)

1. 造形物を構成する複数のモデル材料である材料Ａと材料Ｂの２種以上の造形材料（サポート材を除く。）を用いた三次元造形装置であって、
   各種造形材料を貯蔵するための貯留部と、
   各種造形材料を吐出するためのノズル部と、
   各種材料を貯留部からノズル部へ輸送するための送液装置、温度制御装置と、
   造形用ステージと、
   ステージと２個以上のノズル部とを三次元的に相対移動させるための相対移動機構と、
   送液装置、温度制御装置及び相対移動機構を制御するためのコンピュータと
   を備えることを特徴とする三次元造形装置であって、
   材料Ａは光硬化性樹脂材料であって、材料Ａを吐出するためのノズル部はディスペンサーであり、材料Ａを光硬化するための光照射部を備え、
   材料Ｂは熱可塑性樹脂材料であって、材料Ｂを吐出するための加熱部を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 少なくとも１種以上の材料Ａと、少なくとも１種以上の材料Ｂを同時に吐出し、かつ、材料Ａの吐出温度は２０℃〜１５０℃、吐出粘度は０．０１〜１０００Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 材料Ａの吐出方式は、シリンジ方式、容積計量方式、チュービング方式、プランジャー方式から選択される１つ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 材料Ａの送液装置は、定量シリンジポンプ式送液装置、定量ギアポンプ式送液装置、定量チューブポンプ式送液装置、定量吐出バルブ式送液装置から選択される１つ以上の定量送液装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
5. 材料Ｂの吐出温度は６０℃〜３５０℃、かつ、吐出温度におけるメルトフローレート（ＭＦＲ）値が１〜４００（ｇ／１０分、荷重２．１６ｋｇ）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
6. 材料Ａを吐出するためのノズルの吐出口の内径は０．０１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
7. 材料Ａを吐出するためのノズル部にさらにノズル硬化防止部を設け、且つノズル硬化防止部はノズル部に固定され、ノズル部と一体として移動することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
8. ノズル硬化防止部は光照射部から照射される光の照射範囲を制限し、かつ、照射範囲が材料Ａを吐出するためのノズル部の先端直径と同心円の１倍以上〜１００倍未満の範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
9. 材料Ａと材料Ｂが同時に又は順番にステージ上に吐出され、同じ層又は異なる層を形成しながら積層していく三次元造形物の製造方法であって、
   材料Ａは光硬化性樹脂材料であり、その吐出はディスペンサー方式であり、
   材料Ｂは熱可塑性樹脂材料であり、
   且つサポート材を使用しないことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
10. 材料Ａ及び／又は材料Ｂを吐出するためのノズルの先端がそれぞれのノズルから吐出された材料と接触しながら造形することを特徴とする請求項９に記載の三次元造形物の製造方法。
11. ２種以上の造形材料は、少なくとも１種以上の材料Ａと、少なくとも１種以上の材料Ｂを含有し、材料Ａは２０℃〜１５０℃の温度範囲で造形され、かつ、造形温度におけるＡの粘度が０．０１〜１０００Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の三次元造形物の製造方法。
12. 材料Ｂは６０℃〜３５０℃の温度範囲で造形され、かつ、造形温度におけるメルトフローレート（ＭＦＲ）値が１〜４００（ｇ／１０分、荷重２．１６ｋｇ）であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
13. 材料Ａは光硬化性成分を１０質量％以上含有する樹脂組成物であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
14. 材料Ａは２０℃以上の温度にてノズルから吐出されながら光照射によって固形化することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
15. 材料Ｂは６０℃以上の温度にてノズルから吐出された後、冷却によって固形化することを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。