JP2000254975A

JP2000254975A - 積層造形物

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Publication number: JP2000254975A
Application number: JP11058617A
Authority: JP
Inventors: Noboru Kawaguchi; 昇川口
Original assignee: K NET SYSTEMS KK
Current assignee: K NET SYSTEMS KK
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】積層造形装置のコストアップを招くことな
く、強固で、かつ積層方向の寸法の経時変化が少ない積
層造形物を提供すること。【解決手段】積層用のシート４２_ｉとして、少なくと
もその表面が、前記シート４２_ｉに塗布する凝固剤４６
厚より小さい径を有する繊維４３を含む繊維質からなる
ものを用い、このシート４２_ｉに凝固剤４６を選択的に
塗布する。次いで、シート４２_ｉ間を選択的に接着する
ことにより積層体４４とし、さらに積層体４４から不要
部分を除去することにより積層造形物を得る。また、シ
ート４２_ｉとして、凝固剤４６厚より小さい径を有する
繊維４３と大きい径を有する繊維４３’の双方を含むも
のや、セラミック繊維からなるものを用いてもよい。あ
るいは、繊維中に樹脂又はその中間体を保持している樹
脂含有シート５２を積層用シートとして用いて、選択的
に離型剤を塗布して積層してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、選択的に凝固剤を
塗布し、あるいは離型層を形成したシートを積層するこ
とによって得られる積層造形物に関し、さらに詳しく
は、新製品開発用のスケールダウンした３次元モデル、
モックアップ、鋳造用の鋳型やプラスチック成形用の金
型を作製する際に用いられる原型（マスターモデル）等
に好適な積層造形物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、新製品の開発に当たって試作
品を製作することが広く行われている。例えば、自動車
業界においては、新型車を設計するに当たりスケールダ
ウンした３次元モデルを試作し、デザインを検討した
後、再び３次元モデルを試作して徐々に細部のデザイン
を決定していくことが行われている。

【０００３】また、鋳造あるいはプラスチック成形は、
製品の形状寸法に相当する空隙を有する型に溶融した金
属や樹脂を流し込み、凝固した固体を型から取り出して
製品を得る方法である。これらに用いられる型は、通
常、製品と同一形状を有する原型を作製し、この原型を
適当な材料に転写して型としたり、あるいはこの型から
得られる試作品の形状データに基づき、ＮＣ加工等によ
り製作されている。

【０００４】このような製品をスケールダウンした３次
元モデルや鋳型の原型等（以下、単に「３次元モデル」
という）は、従来、加工が容易な材料（例えば、木材）
を用い、ＮＣ加工等の機械的切削手段により造形するの
が一般的であったが、３次元モデルの形状が複雑になる
と造形に時間を要すると共に、細部を造形するのが困難
であるという問題があった。

【０００５】そこで、この問題を解決するために、コン
ピュータに３次元モデルの形状をインプットしてこれを
所定の厚さ間隔で輪切りにし、この輪切りにされた各断
面形状データを薄いシートに一枚一枚転写して積層し、
各シートを断面形状データの部分で接着・一体化するこ
とにより積層造形物とし、これを３次元モデルとして用
いる積層造形法が提案されている。

【０００６】例えば、特開平７−１８６２７７号公報に
は、樹脂シートが積層されている積層体の表面に、輪切
りされた断面形状パターンに沿ってレーザ光照射機等に
より切り込みを入れ、３次元モデルを構成する必要部分
と３次元モデルを構成しない不要部分の境目に離型剤を
塗布し、この上に樹脂シートをさらに貼着けるという一
連の操作を、積層体が所定の厚さになるまで順次繰り返
し、積層終了後に離型剤を塗布した部分から不要部分を
分離することにより積層造形物を得る積層造形方法及び
積層造形装置が本願発明者によって開示される。

【０００７】また、特願平９−３０９４１５号には、紙
等の繊維質シートに、輪切りにされた断面形状パターン
に相当する領域に亘って樹脂等からなる凝固剤を印刷
し、これを積層して加圧しながら加熱し、凝固剤を溶融
させることによりシート同士を貼り合わせ、所定の厚さ
まで積層したところで加圧しながら徐冷し、接着してい
ない部分の繊維質シートをはぎ取ることにより積層造形
物を得る積層造形プロセス及び積層造形装置が、同じく
本願発明者によって提案されている。

【０００８】特に、紙を用いた積層造形法は、オフィス
で一般に使用されている普通紙を積層用シートとして使
用でき、樹脂の印刷には、汎用のプリンタ、トナー等を
使用できることから、ランニングコストが安く、しか
も、設計から積層工程までをＣＡＤルームあるいはオフ
ィス内で行うことができるという利点がある。また、樹
脂シートを用いる場合と異なり、前処理、後処理が不要
で、操作が簡単であるという利点がある。さらに、得ら
れた積層造形物は、ドリル加工、ＮＣ加工等が可能であ
り、従来の木型と同様の加工性を有するという利点があ
るものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、紙を用
いた積層造形法では、積層用シートとして用いる紙の質
と、樹脂等からなる凝固剤を印刷するプリンタ等との組
み合わせによっては、積層した紙が全く接着しない場合
があった。また、積層用シートが接着する場合であって
も、接着力が弱いために、積層造形物を構成しない部分
の紙をはぎ取る際に、積層造形物を構成する部分の紙も
同時に剥がれてしまう場合があり、接着強度と紙質、凝
固剤、プリンタ等との因果関係が不明であった。

【００１０】また、積層用のシートとして使用する紙の
強度自体が弱いと、作製された積層造形物が脆弱にな
り、後工程に耐えられない場合があった。さらに、紙を
用いて積層造形後、しばらく放置すると、紙が吸湿して
積層方向に膨らみ、積層方向の寸法精度が低下するとい
う問題があった。

【００１１】本発明が解決しようとする課題は、積層造
形装置のコストアップを招くことなくシート間の接着力
を高めると共に、作製された積層造形物が脆弱化するこ
とを防止し、しかも、積層後に放置しても積層方向の寸
法精度が低下することのない積層造形物を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、表面に凝固剤が選択的に塗布されたシー
トを積層し、該凝固剤により前記シート間を選択的に接
着することにより得られる積層造形物であって、前記シ
ートには、少なくともその表面に、前記凝固剤の厚さよ
り小さい径を有する繊維が含まれていることを要旨とす
るものである。

【００１３】ここで、前記シートには、その表面に塗布
される凝固剤の厚さより小さい径を有する繊維が含まれ
ていることが必要である。繊維の径がシート表面に塗布
される凝固剤の厚さより大きくなると、接着力が低下す
るので好ましくない。

【００１４】なお、前記シートは、シート全体に上述の
条件を満たす繊維が含まれるものであってもよいが、凝
固剤を塗布するのはシート表面であり、その表面に塗布
された凝固剤によってシート同士が接着されるので、少
なくともその表面に上述の条件を満たす繊維が含まれて
いれば足りる。

【００１５】また、前記シートには、前記シートに塗布
する凝固剤厚より小さい径を有する繊維に加えて、前記
凝固剤厚より大きい径を有する繊維が含まれていても良
い。また、前記シートに含まれる繊維は、セラミックを
主成分とする繊維であっても良い。

【００１６】さらに、積層された前記シートを接着させ
るに際し、加熱しながら５ｋｇ／ｃｍ^２以上２００ｋｇ
／ｃｍ^２以下の圧力で加圧することが望ましい。加圧力
が５ｋｇ／ｃｍ^２未満では積層方向の寸法の経時変化が
大きくなり、また、加圧力が２００ｋｇ／ｃｍ^２を超え
ると積層体が座屈するので、いずれも好ましくない。

【００１７】上記構成を有する本発明に係る積層造形物
によれば、シート表面に含まれる繊維の径が、シート表
面に塗布された凝固剤厚より小さくなっているので、繊
維と凝固剤間の接着面積が増加する。そのため、繊維と
凝固剤との間の接着力が増加し、シート間が強固に接着
される。

【００１８】また、シート表面に塗布される凝固剤厚よ
り大きい径を有する繊維は、シート間の接着力の増加に
はあまり寄与しないが、シート自体の強度の増加には寄
与する。そのため、このようなシートを用いて積層造形
物を作製すれば、シート間の接着力を低下させることな
く、積層造形物の強度を高めることができる。また、積
層造形物の強度が高くなるので、後加工に十分耐えられ
るものとなる。

【００１９】また、セラミックを主成分とする繊維が含
まれるシートを用いて積層造形物を作製した場合には、
紙等、有機物を主成分とする繊維が含まれているシート
を用いた場合と異なり、吸湿に起因する積層方向の膨張
が生じない。そのため、積層後に長期間放置しても、積
層方向の寸法精度が低下することがない。

【００２０】さらに、前記シートと前記積層体とを貼り
着ける際、上述のような高圧下で加圧すると、シートに
含まれる繊維が圧縮されて、シートと積層体との密着力
が向上する。これにより、紙等の有機物を主成分とする
繊維が含まれるシートを用いた場合であっても、積層方
向の寸法の経時変化が少ない積層造形物を得ることがで
きる。

【００２１】また、本発明の２番目は、表面に離型層が
選択的に形成されたシートを積層し、前記離型層が形成
される離型領域の排反領域において、前記シート間を選
択的に接着することにより得られる積層造形物であっ
て、前記シートは、繊維中に熱硬化性樹脂もしくは熱可
塑性樹脂、又はこれらの中間体が保持されている樹脂含
浸シートからなり、該樹脂含浸シートを積層し、加熱し
ながら５ｋｇ／ｃｍ^２以上２００ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧
力で加圧することにより得られるものである。

【００２２】この場合、前記離型層は、前記樹脂含浸シ
ートの表面に離型剤を選択的に塗布することにより形成
しても良い。あるいは、離型剤を塗布する代わりに、加
熱された前記樹脂含浸シートの表面層を選択的に削り取
り、表面除去層を形成してこれを離型層としても良い。

【００２３】また、前記樹脂含浸シートに代えて、その
表面に粉末状又は溶融した液体状の熱硬化性樹脂もしく
は熱可塑性樹脂、又はこれらの中間体が塗布された樹脂
塗布シートを用いてもよい。さらに、前記離型領域の排
反領域には、凝固剤が塗布されていてもよい。

【００２４】上記構成を有する本発明に係る積層造形物
によれば、表面に離型層が選択的に形成された樹脂含浸
シートを積層し、加熱しながら高圧力で加圧されるの
で、離型領域の排反領域において、繊維中に保持されて
いる樹脂又はその中間体を介して、シート間が選択的に
接着され、積層造形物を得ることができる。

【００２５】また、離型領域の排反領域において、樹脂
含浸シートを選択的に接着する際、高圧力が付与される
ので、樹脂含浸シート中の繊維が圧縮され、樹脂又は中
間体の充填率が向上する。さらに、樹脂含浸シートとし
て、熱硬化性樹脂が保持されているものを用いた場合に
は、加圧の際に樹脂の硬化反応も同時に進行する。

【００２６】そのため、樹脂含浸シート間の密着力が向
上し、紙等の有機物を主成分とする繊維を含むシートを
用いた場合に比して強度が高く、しかも積層方向の寸法
の経時変化が少ない積層造形物を得ることができる。

【００２７】また、積層造形物は、樹脂含浸シートを１
枚積層する毎に加熱・加圧する作業を繰り返すことによ
り作製されるが、樹脂含浸シートが加熱下で加圧される
と、樹脂含浸シートに含まれる樹脂が反応する。この
時、熱は、樹脂含有シートの表面から内部に向かって伝
わるので、樹脂含浸シートの表面と内部における樹脂の
反応量に差が生じる。その結果、樹脂含有シートに含ま
れる樹脂の接着力は、表面よりも内部の方が小さくな
る。

【００２８】そのため、加熱された樹脂含浸シートの表
面を選択的に削り取り、表面除去層を形成すれば、表面
除去層の接着力が低下するので、離型剤を塗布しなくて
も、積層体から容易に樹脂含浸シートの不要部分を剥ぎ
取ることができる。樹脂含浸シートに代えて、樹脂塗布
シートを用いた場合も同様である。

【００２９】さらに、樹脂含浸シートあるいは樹脂塗布
シートの表面に、離型層を選択的に形成すると共に、離
型領域の排反領域に凝固剤を塗布すれば、樹脂含有量の
少ない樹脂含浸シートあるいは樹脂塗布シートを用いた
場合であっても、シート間の接着力を高めることができ
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の第１の実施の形
態に係る積層造形物の製造方法について詳細に説明す
る。図１は、積層造形装置の一例を示したものである。
積層造形装置１０は、グラフィックワークステーション
２０と造形装置３０からなっている。グラフィックワー
クステーション２０は、作製しようとする３次元モデル
の形状データに基づいて、３次元モデルの断面形状を表
す断面ベクトルデータを作製し、作製した断面ベクトル
データを造形装置３０に供給するするものである。

【００３１】ここで、ＣＡＤデータから３次元モデルの
断面形状を表す断面ベクトルデータを作成する方法は、
ＣＡＤ（計算援用設計）の分野において周知な方法であ
り、特開昭６３−７２５２６号公報、及び特開平２−７
８５３１号公報等に詳述されているので、ここではその
説明を省略する。

【００３２】造形装置３０は、制御装置３２と、印刷装
置３４と、反転・同期装置３６と、加圧装置３８と、切
断装置４０とを備えている。制御装置３２は、グラフィ
ックワークステーション２０で作成された断面ベクトル
データに基づき、３次元モデルを所定の位置で輪切りに
したときの断面形状データを作成するものであり、通常
は、汎用のパソコンが用いられる。また、制御装置３２
は、印刷装置３４、反転・同期装置３６、加圧装置３８
及び切断装置４０にも接続され、これらの動作を制御す
るようになっている。

【００３３】印刷装置３４は、制御装置３２で得られた
断面形状データに基づき、シート４２表面の断面形状デ
ータに相当する領域に、選択的に凝固剤を印刷するため
のものである。本実施例では、印刷装置３４として、静
電転写式プリンタを用いている。静電転写式プリンタに
用いられるトナーは、カーボンブラック等の染料で着色
した、軟化点１００〜１５０℃、粒径１０〜５０μｍの
樹脂微粉末からなるものである。そのため、静電転写式
プリンタ及びトナーを、それぞれ、印刷装置３４及びシ
ート４２を接着するための凝固剤として用いた場合に
は、汎用品をそのまま利用することができ、積層造形装
置１０のコストを削減できるという利点がある。

【００３４】なお、印刷装置３４は、静電転写式プリン
タに限定されるものではなく、インクジェットプリンタ
等の各種のプリンタ、及び各種アプリケーションを用い
ることができる。また、凝固剤は、シート４２間を接着
できるものであれば良く、特に限定されるものではな
い。例えば、ポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂、フェ
ノール系接着剤などの熱硬化性樹脂、ホットメルト接着
剤や嫌気性接着剤等、各種の接着剤、さらには、樹脂以
外の低融点金属等を用いることができる。

【００３５】反転・同期装置３６は、印刷装置３４によ
りその上面に凝固剤が印刷されたシート４２を裏返すと
共に、加圧装置３８と同期をとるためにシート４２を待
機させるものである。なお、凝固剤を印刷したシート４
２の反転工程は、必ずしも必要ではないが、シート４２
を反転させて凝固剤を印刷した面を下向きにすると、加
熱時に溶融した凝固剤が下に流れ、シート４２同士が接
着しやすくなるという利点がある。

【００３６】加圧装置３８は、反転・同期装置３６から
供給されるシート４２を積層体４４の上に載せて、加熱
又は冷却しながら積層体４４を加圧するためのものであ
る。加圧装置３８に備えられたテーブル３８ｅは、制御
装置３２により駆動されるモータ３８ｆにより、上下動
可能となっており、テーブル３８ｅに載置された積層体
４４を、加圧装置３８上部に固定されたヒータパネル３
８ａに押しつけることにより、積層体４４を加圧できる
ようになっている。

【００３７】また、加圧装置３８は、積層体４４の下面
を加熱するヒータパネル３８ｃ、側面を加熱するヒータ
パネル３８ｂ及び３８ｄを備えている。なお、側面を加
熱するためのヒータパネル３８ｂ及び３８ｄは、積層体
４４から一定の距離をおいた位置に固定され、輻射熱に
より積層体４４の側面を加熱するようになっている。さ
らに、加圧装置３８は、テーブル３８ｅの絶対位置を検
出するための位置検出器（図示せず）を備え、検出され
た位置データを制御装置３２に送信するようになってい
る。

【００３８】切断装置４０は、制御装置３２で得られた
断面形状データに基づき、３次元モデルの輪郭に沿って
切り込みを入れるためのものである。また、形状が複雑
である場合には、シートの不要部分を取り除きやすくす
るための分割線も同時に入れると良い。切断装置４０の
動作は、制御装置３２により制御され、積層体４４の高
さ、及び断面形状データに応じて、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方
向に可動となっている。切断装置４０としては、具体的
には、レーザカッタ、カッタプロッタ等の汎用品が用い
られる。

【００３９】次に、図１に示す積層造形装置を用いて積
層造形物を作成する方法を、図２に示す工程図を参照し
ながら詳細に説明する。なお、図２は、既に一定の厚さ
の積層体４４が形成され、その上に、さらにシート４２
を積層する工程を示したものである。

【００４０】まず、テーブル３８ｅを上昇させ、テーブ
ル３８ｅ上に載置した積層体４４の上面をヒータパネル
３８ａに押しつけて加圧する。また、ヒータパネル３８
ａ、３８ｂ、３８ｃ及び３８ｄに通電し、積層体４４を
一定の温度に加熱する（図２（ａ）積層体保温工程）。

【００４１】なお、この積層体保温工程は、シート４２
の収縮による反りや積層した側面の段差を軽減するため
に行われるものである。また、この時、図示しない位置
検出器により、積層体４４の高さが計測され、得られた
高さデータが制御装置３２に送られる。

【００４２】一方、これと並行して、印刷装置３４を用
いてシート４２表面に凝固剤が選択的に塗布される（図
２（ｂ）塗布工程）。この凝固剤を塗布した部分が、積
層造形物を構成する部分となるものである。

【００４３】なお、シート４２には、紙等の有機物繊維
を含むシートや、セラミック繊維を含むセラミックシー
トを用いることができ、特に限定されるものではない
が、少なくともシート４２の表面には、シート４２表面
に塗布される凝固剤の厚さより小さい径を有する繊維が
含まれている必要がある。

【００４４】また、シート４２表面に凝固剤を塗布する
領域は、制御装置３２により演算され、印刷装置３４に
出力される。具体的には、グラフィックワークステーシ
ョン２０で作成された断面ベクトルデータを、上記の積
層体保温工程で測定された積層体４４の高さデータの位
置で切断することにより、凝固剤を塗布すべき領域が決
定される。

【００４５】次いで、凝固剤が塗布されたシート４２を
反転すると共に、加圧装置３８と同期をとるためにシー
ト４２を待機させる（図２（ｃ）反転・同期工程）。そ
して、積層体保温工程が終了し、テーブル３８ｅを下降
させたところで、反転・同期工程において反転・待機さ
せていたシート４２を、積層体４４の上に積み重ね、密
着させる（図２（ｄ）シート貼着工程）。

【００４６】次に、加圧装置３８のテーブル３８ｅを上
昇させて、加圧装置３８上部に固定されたヒータパネル
３８ａにシート４２を密着させた積層体４４を押しつけ
て加圧しながら、ヒータパネル３８ａにより加熱する
（図２（ｅ）積層体上面調温工程）。これにより、積層
用シート４２に塗布した凝固剤が溶融して積層体４４側
に拡散し、積層体４４とシート４２とが一体化する。

【００４７】この時、シート４２に塗布した凝固剤の粘
度が１００００ｃｐｓ以下となるようにシート４２を加
熱すると良い。凝固剤の粘度が１００００ｃｐｓを越え
ると、短時間で凝固剤をシート表面の繊維間に拡散させ
ることができず、接着力が低下するためである。また、
これを回避するために、積層体を長時間加熱すると、加
熱によりシートが変質する場合があるので、好ましくな
い。

【００４８】一方、凝固剤の粘度が１００００ｃｐｓ以
下となるようにシート４２を加熱すると、繊維間への凝
固剤の拡散が容易になり、短時間で高い接着力が得られ
るので、シートの変質を抑制することができるという利
点がある。

【００４９】また、この時の加圧力を５ｋｇ／ｃｍ^２〜
２００ｋｇ／ｃｍ^２の範囲とすると、シート間が強固に
接着し、積層方向の寸法の経時変化が少ない積層造形物
が得られるという利点がある。

【００５０】一定時間が経過し、シート４２に塗布した
凝固剤が積層体４４に十分拡散したところでテーブル３
８ｅを下降させ、切断装置４０を用いて、積層体４４に
新たに貼着けられたシート４２に切り込みを入れる（図
２（ｆ）積層体上面シート切断工程）。切り込みは、制
御装置３２により作成された断面形状データの輪郭部分
と、必要に応じて、不要なシートを剥がしやすくするた
めの分割線に沿って行われる。

【００５１】図２（ａ）の積層体保温工程から図２
（ｆ）の積層体上面シート切断工程までの各工程は、積
層体４４の厚さが所定の高さになるまで繰り返される。
次いで、積層体４４の高さが所定の高さとなったところ
で、再度、テーブル３８ｅを上昇させて積層体４４をヒ
ータパネル３８ａに押し付ける。そして、積層体４４を
加圧した状態で、ヒータパネル３８ａ、３８ｂ、３８ｃ
及び３８ｄの出力を調整しながら徐冷し、凝固剤をゆっ
くりと硬化させる（図２（ｇ）積層体冷却工程）。これ
により、積層体４４のゆがみが防止され、高さ方向の精
度が確保される。

【００５２】得られた積層体４４を造形装置３０から取
り出し、手作業により積層体４４から接着していない部
分のシートを一枚一枚剥ぎ取り、ワニス等で塗装すれ
ば、所望の形状を有する積層造形物が完成する。そし
て、作製された積層造形物は、用途に応じて次工程に送
られることになる。

【００５３】例えば、射出成形用の金型を製作する場合
には、まず、得られた積層造形物から、石膏、シリコー
ンゴム等で反転型を作製する。次いで、反転型に金属粉
を混入した熱硬化性樹脂液、溶融金属等を等を流し込ん
で試作品を作り、これを加工して修正した後、試作品の
立体形状を３次元測定器により測定し、そのデータを元
にＮＣ加工等により金型が製作される。

【００５４】なお、積層造形装置１０に用いられるシー
ト４２は、一定の大きさを有する矩形状のシートを用い
てもよく、あるいは、ロールに巻き取られた連続紙を、
積層体調温工程から切断工程に至るまでのいずれかの工
程において切断しながら用いてもよく、特に限定される
ものではない。

【００５５】次に、本発明に係る積層造形方法により、
接着力が強く、積層方向の寸法変化が少ない積層造形物
が得られる原理について説明する。図３は、積層体の断
面図を模式的に表したものであり、積層体４４の最上面
を形成していた下からＮ層目のシート４２_Ｎに、（Ｎ＋
１）層目のシート４２_Ｎ＋１を積層した状態を示す。

【００５６】ここで、図３に示すように、シート４２_ｉ
に含まれる繊維４３、４３…の径が、シート４２_ｉに塗
布される凝固剤４６、４６…の厚さより小さい場合に
は、繊維４３、４３…の表面積の内、半分以上が凝固剤
４６、４６…で覆われた状態となる。その結果、シート
４２_ｉを構成する繊維４３、４３…と凝固剤４６、４６
…との総接着面積が増加し、繊維４３、４３…と凝固剤
４６、４６…との接着面においてより大きな荷重を支え
ることが可能となり、シート４２_ｉ同士が強固に接着さ
れる。

【００５７】一方、図４に示すように、シート４２_ｉに
含まれる繊維４３’、４３’…の径が、相対的にシート
４２_ｉ表面に塗布される凝固剤４６、４６…の厚さより
大きい場合には、繊維４３’、４３’…と凝固剤４６、
４６…との総接着面積が小さくなる。そのため、繊維４
３、４３…と凝固剤４６、４６…との接着面で支えるこ
とが可能な総荷重は小さくなり、積層体４４の最上面に
積層された（Ｎ＋１）層目のシート４２_Ｎ＋１に僅かな
力が作用しただけでも、積層体４４からシート４２
_Ｎ＋１が容易に剥離するようになる。

【００５８】従って、積層用のシートとして、表面に塗
布される凝固剤４６の厚さより径の小さい繊維４３を含
むシート４２を用いた方が、シート４２間の接着強度は
高くなる。しかも、印刷装置３４により塗布される凝固
剤厚に応じて、所望の径を有する繊維を含むシート４２
を積層に用いるようにすれば、トナーの微粒子化が進
み、トナーの厚さが薄くなる傾向にある市販の汎用ＯＡ
機器を改造することなくそのまま印刷装置３４として造
形装置３０に組み込むことができ、積層造形装置１０の
コストを低減することができるという利点がある。

【００５９】また、紙等の有機物繊維を含むシートを積
層用のシート４２として用い、シート４２を積層して加
熱する際、低圧力を付与した場合には、積層後、長時間
が経過すると、吸湿により積層方向に約３％程度膨張す
る。

【００６０】しかしながら、シート４２を積層して加熱
する際に、５ｋｇ／ｃｍ^２以上２００ｋｇ／ｃｍ^２以下
の高圧を付与すると、繊維が圧縮されてシート間の接着
力が増大する。そのため、紙等の有機物繊維を含むシー
トを積層用のシートとして用いた場合であっても、積層
方向の寸法の経時変化を０．２％程度に抑えることが可
能となる。

【００６１】なお、シート４２表面に印刷される凝固剤
の厚さより大きい径を有する繊維４３’のみを含むシー
ト４２では、高い接着力は期待できないが、繊維径が大
きいために、シート４２自体の強度は高くなる。そのた
め、凝固剤厚より大きい繊維４３’と、小さい繊維４３
の双方を含むものを積層用のシート４２として用いる
と、シート４２間の接着力を高く維持したまま、シート
４２自体の強度を高めることができるので、強固な積層
造形物を得ることが可能となる。

【００６２】また、積層用のシート４２の材質には特に
限定はなく、上述の凝固剤厚と繊維径の関係は、あらゆ
る材質に対して当てはまる。従って、積層用のシート４
２として、固有の特性を有する材質からなるシートを用
いると、単に接着強度が高い積層造形物が得られるだけ
でなく、使用するシート４２が有する固有の特性を積層
造形物に付与することができる。

【００６３】例えば、積層用のシート４２として、セラ
ミック繊維を含むセラミックシートを用いると、ＯＡ機
器に使用される普通紙を積層用のシート４２とした使用
した場合と異なり、吸湿に起因する積層方向の膨張が抑
制されるので、形状の経時変化が少ない積層造形物を得
ることができる。

【００６４】次に、本発明の第２の実施の形態に係る積
層造形物の製造方法について説明する。本実施の形態で
用いられるシートは、繊維中に樹脂又はその中間体が保
持されている樹脂含有シートを用いる。

【００６５】このような樹脂含有シートは、樹脂やその
中間体を溶解させたアセトンやアルコール溶液中に、布
や紙をくぐらせて布や紙中に樹脂を含浸させ、乾燥させ
ることにより容易に得ることができる。また、樹脂又は
その中間体を溶解させた液体中に所定の径を有する繊維
を分散させ、この溶液を用いてシートを漉き、乾燥させ
ることによっても得ることができる。

【００６６】樹脂含有シート間の接着力は、シート材料
と樹脂又はその中間体との比率を調整することにより、
任意に調整することができる。すなわち、樹脂又は中間
体の比率が大きくなるほど、樹脂含有シート間の接着力
を大きくすることができる。従って、樹脂含有シートに
保持させる樹脂又はその中間体の量と、樹脂含有シート
表面に塗布するトナー等の凝固剤の量とを調節すること
により、樹脂含有シート間の接着力を用途に応じて細か
く調節することができる。

【００６７】特に、樹脂含有シートに保持させる樹脂又
はその中間体の量が十分多い場合には、シート表面にト
ナー等の凝固剤を塗布しない場合であっても、強い接着
力が得られるという利点がある。

【００６８】なお、樹脂含有シートを用いた積層造形に
は、樹脂含有シートの離型領域に離型剤を塗布するため
の離型剤塗布装置が必要となる点以外は、図１に示す積
層造形装置１０をそのまま用いることができる。

【００６９】また、上述したように、繊維中に保持され
る樹脂又はその中間体の量が十分である場合には、凝固
剤の塗布工程は不要となるので、その場合には、凝固剤
を塗布する装置に代えて、離型剤を塗布するための離型
剤塗布装置のみを備えた積層造形装置を用いればよい。

【００７０】さらに、樹脂含有シートを積層する際、加
熱条件や加圧条件を調節すると、シート表面に位置する
樹脂と、シート内部に位置する樹脂の性状を変えること
ができる。その場合には、シートの表面の一部を削り取
るだけで、シートを選択的に接着することが可能となる
ので、離型剤塗布装置に代えて、シートの表面層を選択
的に削り取るための切削装置を備えた積層造形装置を用
いればよい。

【００７１】なお、樹脂含有シートの代わりに、布又は
紙等の繊維質シートの表面に、樹脂やその中間体を塗布
した樹脂塗布シートを用いてもよい。樹脂塗布シートを
用いた場合であっても、その表面に離型剤を選択的に塗
布するか、あるいは、選択的に表面除去層を形成すれ
ば、シート間を選択的に接着することができる。

【００７２】次に、このような樹脂含有シートを用いて
積層造形物を作製する方法を、図５を参照しながら説明
する。なお、図５は、既に一定の厚さの積層体５４が形
成され、その上に、さらに樹脂含有シート５２を積層す
る工程を示したものである。また、積層体５４は、後述
する離型材塗布工程により、その最上面の離型領域に予
め離型剤が選択的に塗布されているものである。

【００７３】まず、テーブル３８ｅを上昇させ、テーブ
ル３８ｅ上に載置した積層体５４の上面をヒータパネル
３８ａに押しつけて加圧すると共に、ヒータパネル３８
ａ、３８ｂ、３８ｃ及び３８ｄに通電することにより、
積層体５４を一定の温度に加熱する（図５（ａ）積層体
保温工程）。

【００７４】なお、この積層体保温工程は、樹脂含有シ
ート５２の収縮による反りや積層した側面の段差を軽減
するために行われるものである。また、この時、図示し
ない位置検出器により、積層体５４の高さが計測され、
得られた高さデータが制御装置３２に送られる。

【００７５】一方、これと並行して、印刷装置３４を用
いて樹脂含有シート５２表面に凝固剤が選択的に塗布さ
れる（図５（ｂ）凝固剤塗布工程）。凝固剤は、離型剤
を塗布する離型領域の排反領域に塗布され、この凝固剤
を塗布した部分が、積層造形物を構成する部分となるも
のである。

【００７６】なお、樹脂含有シート５２表面に凝固剤を
塗布する領域は、制御装置３２により演算され、印刷装
置３４に出力される。具体的には、グラフィックワーク
ステーション２０で作成された断面ベクトルデータを、
上記の積層体保温工程で測定された積層体５４の高さデ
ータの位置で切断することにより、凝固剤を塗布すべき
領域が決定される。また、樹脂含有シート５２に保持さ
れる樹脂又は中間体の量が十分である場合には、凝固剤
塗布工程を省略してもよい。

【００７７】次いで、凝固剤が塗布された樹脂含有シー
ト５２を反転すると共に、加圧装置３８と同期をとるた
めに樹脂含有シート５２を待機させる（図５（ｃ）反転
・同期工程）。そして、積層体保温工程が終了し、テー
ブル３８ｅを下降させたところで、反転・同期工程にお
いて反転・待機させていた樹脂含有シート５２を、積層
体５４の上に積み重ねる（図５（ｄ）積層工程）。

【００７８】次に、加圧装置３８のテーブル３８ｅを上
昇させて、加圧装置３８上部に固定されたヒータパネル
３８ａに樹脂含有シート５２を積層させた積層体５４を
押しつけて加圧しながら、ヒータパネル３８ａにより加
熱する（図５（ｅ）加圧工程）。

【００７９】これにより、樹脂含有シート５２に塗布し
た凝固剤が溶融して積層体５４側に拡散すると共に、樹
脂含有シート５２に保持されている樹脂又はその中間体
が溶融又は硬化し、積層体５４と樹脂含有シート５２と
が一体化する。また、積層体５４の上面には、予め離型
剤が選択的に塗布されているので、樹脂含有シート５２
の内、積層造形物を構成する部分のみが選択的に接着す
る。

【００８０】なお、この時、加圧力は、５ｋｇ／ｃｍ^２
〜２００ｋｇ／ｃｍ^２の範囲とすることが好ましい。加
圧工程においてこのような高圧力を付与すると、シート
間が強固に接着し、積層方向の寸法の経時変化が少ない
積層造形物が得られるという利点がある。

【００８１】また、図５においては、平板状のヒータパ
ネル３８ａを積層体５４に押し付けることにより積層体
５４を加圧しているが、ヒータパネル３８ａの代わり
に、加熱したローラを用いて加圧してもよい。さらに、
加圧機構は、液圧プレスが一般的であるが、設置や保守
の容易な、サーボモータに電機的な変速機や機械的なト
ルクリミッター付ワンウエークラッチを組み合わせたも
のを用いてもよい。

【００８２】一定時間が経過し、樹脂含有シート５２に
塗布した凝固剤が積層体５４に十分拡散し、かつ、樹脂
含有シート５２に保持されている樹脂又はその中間体の
溶融又は硬化が十分進行したところでテーブル３８ｅを
下降させ、切断装置４０を用いて、積層体５４に新たに
貼着けられた樹脂含有シート５２に切り込みを入れる
（図５（ｆ）切り込み工程）。切り込みは、制御装置３
２により作成された断面形状データの輪郭部分と、必要
に応じて、不要なシートを剥がしやすくするための分割
線に沿って行われる。

【００８３】さらに、新たに積層体５４上に接着された
樹脂含有シート５２の表面に、離型剤塗布装置５０を用
いて、選択的に離型剤が塗布される（図５（ｇ）離型剤
塗布工程）。

【００８４】ここで、離型剤を塗布する離型領域は、制
御装置３２により演算され、凝固剤塗布装置５０に出力
される点は、凝固剤を塗布する領域と同様である。ま
た、具体的には、グラフィックワークステーション２０
で作成された断面ベクトルデータを、上記の積層体保温
工程で測定された積層体５４の高さデータの位置で切断
することにより、離型材を塗布すべき離型領域が決定さ
れる点も、凝固剤を塗布すべき領域と同様である。

【００８５】なお、樹脂含有シート５２に保持させる樹
脂として、熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂、又はそ
の中間体を用いる場合には、離型剤塗布工程において積
層体５４の表面に離型剤を選択的に塗布する代わりに、
樹脂含有シート５２の表面の内、離型領域を削ってもよ
い。

【００８６】これは、熱硬化性樹脂又はその中間体を保
持した樹脂含有シート５２を積層して加圧した場合、樹
脂の縮合重合は、樹脂含有シート５２の内部ほど進んで
いるためである。すなわち、樹脂含有シート５２の表面
には、積層後も未重合の中間体が多数存在しているが、
内部は、縮合重合が進んでいるため、未重合の中間体が
少なくなっている。

【００８７】そのため、表面を削って内部を露出させれ
ば、新たに樹脂含有シート５２を積層して加圧しても、
縮合重合が進みにくくなる。その結果、削った部分の接
着力が弱くなり、削っていない表面のみを強く結合させ
ることができる。

【００８８】また、熱可塑性樹脂又はその中間体を保持
した樹脂含有シート５２を積層して加圧した場合、樹脂
含有シート５２は表面ほど熱く加熱される。従って、加
熱温度と加熱時間を調節すれば、樹脂含有シート５２の
表面と内部に温度差を設けることができる。

【００８９】これは、熱可塑性樹脂又はその中間体は、
加熱温度が異なると接着力に差が生じ、低温に加熱され
るほど接着力が低下する性質があるためである。従っ
て、表面と内部に温度差を生じさせた樹脂含有シート５
２の表面の一部を削り取れば、削っていない表面のみを
強く結合させることができる。

【００９０】そして、図５（ａ）の積層体保温工程から
図５（ｇ）の離型剤塗布工程までの各工程を、積層体５
４の厚さが所定の高さになるまで繰り返し、最後に、得
られた積層体５４を造形装置３０から取り出し、手作業
により積層体５４から接着していない部分の樹脂含有シ
ート５２を一枚一枚剥ぎ取り、ワニス等で塗装すれば、
所望の形状を有する積層造形物が完成する。

【００９１】なお、積層体４４の高さが所定の高さとな
ったところで、再度、テーブル３８ｅを上昇させて積層
体５４をヒータパネル３８ａに押し付け、加圧した状態
で、ヒータパネル３８ａ、３８ｂ、３８ｃ及び３８ｄの
出力を調整しながら徐冷し、凝固剤をゆっくりと硬化さ
せる（積層体冷却工程）と、積層体５４のゆがみが防止
され、高さ方向の精度が確保される点は、第１の実施の
形態に係る積層造形方法と同様である。

【００９２】このようにして得られた積層体５４は、加
圧する際に、樹脂含有シート５２内に含まれる繊維が圧
縮されると共に、樹脂の充填率が向上するので、得られ
た積層造形物は、普通紙を積層用シートとして用いた場
合に比して、強度が高くなり、後加工に十分耐えるもの
となる。

【００９３】また、紙を積層用シートとして用いて、低
圧で積層した場合、積層後に長期間放置すると、積層方
向の寸法は、吸湿のために約３％膨張する。しかしなが
ら、樹脂含有シートを積層用のシートとして用いた場合
には、樹脂により繊維が強固に接着されるので、積層方
向の膨張を０．２％以下に抑えることができる。

【００９４】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
改変が可能である。

【００９５】例えば、上記実施の形態では、印刷装置３
４として静電転写式プリンタを用いてトナーをシートに
印刷しているが、インクジェットプリンタを用いて樹脂
をシートに塗布たり、あるいは複数のノズルを有するイ
ンクジェットプリンタから複数の材料が反応して凝固す
る凝固剤を塗布するようにしても良い。

【００９６】また、上記実施の形態では、シート表面に
選択的に凝固剤を塗布しているが、シート全面に均一に
凝固剤を塗布し、レーザーやサーマルヘッドを用いて、
断面形状に相当する領域を選択的に溶融、凝固させるこ
とにより、シート間を選択的に接着しても良い。

【００９７】また、上記実施の形態では、シート表面に
選択的に凝固剤を塗布し、これを積層体の上に重ねて接
着しているが、積層体の最上面に選択的に凝固剤を塗布
し、この上に凝固剤が塗布されていないシートを重ね、
加熱しながら加圧することにより、シートと積層体とを
接着させるようにしても良い。

【００９８】また、上記第１の実施の形態では、積層体
保温工程において、積層体の高さが測定される毎に、測
定された高さデータに基づき、断面形状データを算出す
るように構成されているが、高さの測定は、積層体上面
調温工程において行っても良く、また、事前に輪切りデ
ータを多数準備しておき、測定された高さデータに基づ
き、事前に準備された輪切りデータを選択して、シート
への印刷を行うようにしても良い。

【００９９】また、上記第１の実施の形態では、印刷装
置によって塗布される凝固剤厚より径の小さい繊維を含
むシートを用いて積層を行っているが、１回当たりに塗
布される凝固剤厚が繊維径より小さい場合には、凝固剤
厚が繊維径より大きくなるように、同一箇所に２回以上
の塗布工程を繰り返し、凝固剤を重ね塗りしてもよく、
あるいは、印刷装置の構造上、簡単に凝固剤の塗布量を
変更できる場合には、シート中の繊維径に合わせて凝固
剤の塗布量を制御すれば良い。

【００１００】また、上記第２の実施の形態では、加圧
工程において樹脂含有シートを積層体に接着し、切り込
み工程において切断装置を用いて切り込みを入れた後、
さらに離型剤塗布工程において積層体の上面に離型剤を
塗布しているが、積層体の上面に離型剤を塗布した後、
切断装置を用いて切り込みを入れるようにしてもよい。

【００１０１】さらに、上記第２の実施の形態では、加
圧工程において樹脂含有シートを積層体に接着した後、
切断装置を用いて積層体の上面に接着された樹脂含有シ
ートに切り込みを入れるようにしているが、加圧工程を
２段階に分け、１段階目の加圧工程で樹脂含有シートが
動かない程度に加熱し、切断装置を用いて切り込みを入
れた後、さらに２段階目の加圧工程で十分に加圧するよ
うにしてもよく、これにより上記実施の形態と同様の効
果が得られるものである。

【０１０２】

【発明の効果】本発明に係る積層造形物は、シート表面
に塗布される凝固剤の厚さよりも小さい径を有する繊維
を含むシートを積層用のシートとして用いているので、
市販されている汎用の印刷装置をそのまま組み込んだ積
層造形装置を用いて、シート間の接着強度の高い積層造
形物を得ることができるという効果がある。

【０１０３】また、積層用のシートとして、シート表面
に塗布される凝固剤の厚さよりも小さい径を有する繊維
と、大きい径を有する繊維の双方が含まれるシートを用
いた場合には、シート間の接着強度を低下させることな
く、得られる積層造形物の強度を高めることができると
いう効果がある。

【０１０４】また、積層用のシートとして、セラミック
を主成分とする繊維を含むセラミックシートを用いた場
合には、積層後に積層造形物を長期間放置しても、吸湿
に起因する積層方向の膨張が抑制され、寸法精度の高い
積層造形物が得られるという効果がある。

【０１０５】また、シート間に選択的に凝固剤を塗布し
てシート同士を接着させる際、所定の高圧力を付与する
と、繊維が圧縮されて接着力が増大する。そのため、積
層用のシートとして紙等の有機物繊維を含むシートを用
い、積層後に積層造形物を長期間放置した場合であって
も、吸湿に起因する積層方向の膨張が抑制され、寸法精
度の高い積層造形物が得られるという効果がある。

【０１０６】また、積層用シートとして樹脂含有シート
を用い、樹脂含有シートを加熱下で加圧した場合には、
繊維が圧縮されると共に、樹脂の充填率が向上するの
で、積層用シートとして紙を用いた場合に比較して、積
層造形物の強度が向上するという効果がある。しかも、
吸湿に起因する積層方向の膨張が抑制されるので、寸法
精度の高い積層造形物が得られるという効果がある。

【０１０７】さらに、樹脂含有シートを積層する場合に
おいて、加熱温度と加熱時間を調節すれば、樹脂含有シ
ートの表面の接着力を強く、かつ樹脂含有シートの内部
の接着力を弱くすることができる。そのため、離型領域
に離型剤を塗布する代わりに、樹脂含有シートの表面の
内、離型領域のみを削り取れば、離型領域の排反領域の
接着力のみを強くすることができ、離型剤塗布工程が不
要になるという効果がある。

【０１０８】以上のように、本発明に係る積層造形物に
よれば、汎用のＯＡ機器をそのまま用いて積層すること
ができるので、積層造形装置のコストを下げることがで
き、しかも、強度及び寸法精度に優れた積層造形物を得
ることができる。そのため、これを例えば、精密鋳造用
の鋳型や射出成型用の金型を作製する際に使用される原
型に応用すれば、金型の設計・製作費用を大幅に削減で
きるものであり、産業上その効果の極めて大きい発明で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層造形装置の概略を説明する図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る積層造形物の
製造方法を説明する工程図である。

【図３】細い繊維を含むシートからなる積層体の断面図
である。

【図４】太い繊維を含むシートからなる積層体の断面図
である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る積層造形物の
製造方法を説明する工程図である。

【符号の説明】

１０積層造形装置２０ワークステーション３０造形装置３２制御装置３４印刷装置３８加圧装置４０切断装置４２シート４３、４３’ 繊維４４積層体４６凝固剤５０離型剤塗布装置５２シート（樹脂含有シート）５４積層体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凝固剤が選択的に塗布されたシー
トを積層し、該凝固剤により前記シート間を選択的に接
着することにより得られる積層造形物であって、前記シートには、少なくともその表面に、前記凝固剤の
厚さより小さい径を有する繊維が含まれていることを特
徴とする積層造形物。
【請求項２】前記シートには、さらに前記凝固剤の厚
さより大きい径を有する繊維が含まれていることを特徴
とする請求項１に記載の積層造形物。
【請求項３】前記繊維が、セラミックを主成分とする
繊維であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積
層造形物。
【請求項４】積層された前記シートを、加熱しながら
５ｋｇ／ｃｍ^２以上２００ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力で加
圧することにより得られる請求項１、２又は３に記載の
積層造形物。
【請求項５】表面に離型層が選択的に形成されたシー
トを積層し、前記離型層が形成される離型領域の排反領
域において、前記シート間を選択的に接着することによ
り得られる積層造形物であって、前記シートは、繊維中に熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性
樹脂、又はこれらの中間体が保持されている樹脂含浸シ
ートからなり、該樹脂含浸シートを積層し、加熱しながら５ｋｇ／ｃｍ
^２以上２００ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力で加圧することに
より得られる積層造形物。
【請求項６】前記離型層が、前記樹脂含浸シートの表
面に選択的に塗布された離型剤からなることを特徴とす
る請求項５に記載の積層造形物。
【請求項７】前記離型層が、加熱された前記樹脂含浸
シートの表面層を選択的に削り取ることにより形成され
る表面除去層からなることを特徴とする請求項５に記載
の積層造形物。
【請求項８】前記樹脂含浸シートに代えて、その表面
に粉末状又は溶融した液体状の熱硬化性樹脂もしくは熱
可塑性樹脂、又はこれらの中間体が塗布された樹脂塗布
シートを用いることを特徴とする請求項５、６又は７に
記載の積層造形物。
【請求項９】前記離型領域の排反領域には、さらに凝
固剤が塗布されていることを特徴とする請求項５、６、
７又は８に記載の積層造形物。