(57)【要約】【課題】三次元造形物の造形精度が低下することを抑制する。【解決手段】造形材料ペーストと支持材料ペーストとを用いて層を形成する層形成工程と、層にエネルギーを照射するエネルギー照射工程と、を繰り返すことで三次元造形物を造形する際に用いられる、造形材料ペーストと支持材料ペーストとの材料セットであって、造形材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む造形材料としての第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含み、支持材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含み、第１樹脂の濃度は０．２重量％以上２．０重量％以下であり、第２樹脂の濃度は１．０重量％以上である材料セット。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元造形物の造形材料を含む造形材料ペーストと前記造形材料ペーストを支持する支持材料ペーストとを用いて層を形成する層形成工程と、前記層にエネルギーを照射するエネルギー照射工程と、を繰り返すことで前記層を積層させて三次元造形物を造形する際に用いられる、前記造形材料ペーストと前記支持材料ペーストとの材料セットであって、
前記造形材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む前記造形材料としての第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含み、
前記支持材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含み、
前記第１流動体における前記第１樹脂の濃度は、０．２重量％以上２．０重量％以下であり、
前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１．０重量％以上であることを特徴とする材料セット。
【請求項２】
請求項１に記載された材料セットにおいて、
前記第１流動体における前記第１樹脂の濃度は、０．３重量％以上１．０重量％以下であることを特徴とする材料セット。
【請求項３】
請求項１または２に記載された材料セットにおいて、
前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１．５重量％以上であることを特徴とする材料セット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された材料セットにおいて、
前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１０重量％以下であることを特徴とする材料セット。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載された材料セットにおいて、
前記第１材料と前記第２材料とは、同じ種類の金属粉末またはセラミックス粉末であることを特徴とする材料セット。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された材料セットにおいて、
前記第２材料の平均粒径は、前記第１材料の平均粒径に対して１％以下の差であることを特徴とする材料セット。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載された材料セットにおいて、
前記第１樹脂と前記第２樹脂とは、同じ種類であることを特徴とする材料セット。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載された材料セットにおいて、
前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、同じ種類であることを特徴とする材料セット。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載された材料セットを用い、
前記層形成工程と、前記エネルギー照射工程と、を繰り返すことで前記層を積層させて三次元造形物を造形することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料セットおよび三次元造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、三次元造形物の製造方法には様々な種類がある。このうち、例えば、特許文献１に記載されるように、三次元造形物の造形材料を含む造形材料ペーストと該造形材料ペーストを支持する支持材料ペーストとを用いて層を形成し、該層を積層させて三次元造形物を造形する三次元造形物の製造方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１４４３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、造形材料ペーストと支持材料ペーストとを用いて層を積層させて三次元造形物を造形する製造方法においては、様々な構成の製造装置や、様々な種類の造形材料ペースト及び支持材料ペーストが使用されている。このため、製造装置の構成や使用する造形材料ペースト及び支持材料ペーストの組成などによっては、ペースト中に含まれる粒子が凝集して積層できないといった問題が生じ、三次元造形物の造形精度が低下する場合がある。
【０００５】
ここで、造形材料ペーストと支持材料ペーストとを用いて三次元造形物を造形する場合、層を積層してから造形材料ペーストを溶融または焼結させることとなり、グリーン体のままで造形材料ペーストを支持材料ペーストで支持させることとなる。このような場合、下層となる支持材料ペーストに上層となる造形材料ペースト中の溶媒や結着材となる樹脂が流入し、該溶媒の移動に伴って樹脂も移動してしまい、ペースト中に含まれる粒子間における結着が十分に得られずに、下層と上層との間で凝集や剥がれが生じてしまう。特に、ペースト塗布工程またはペースト塗布直後の乾燥工程時に生じやすい。
【０００６】
また、造形材料ペーストの組成によっては、レーザーなどを用いて造形材料ペーストを溶融させる際などに、造形材料の粉末粒子などを飛散させてしまう場合がある。そして、造形材料の粉末粒子などを飛散させてしまうと、三次元造形物の造形精度が低下する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の材料セットは、三次元造形物の造形材料を含む造形材料ペーストと前記造形材料ペーストを支持する支持材料ペーストとを用いて層を形成する層形成工程と、前記層にエネルギーを照射するエネルギー照射工程と、を繰り返すことで前記層を積層させて三次元造形物を造形する際に用いられる、前記造形材料ペーストと前記支持材料ペーストとの材料セットであって、前記造形材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む前記造形材料としての第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含み、前記支持材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含み、前記第１流動体における前記第１樹脂の濃度は、０．２重量％以上２．０重量％以下であり、前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１．０重量％以上であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図。
【図２】図１に示すＣ部の拡大図。
【図３】本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図。
【図４】図２に示すＣ’部の拡大図。
【図５】本発明の一の実施形態に係るヘッドベースの概略透視図。
【図６】本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と、三次元造形物の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。
【図７】本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と、三次元造形物の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。
【図８】本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と、三次元造形物の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。
【図９】三次元造形物の形成形態を概念的に説明する概略図。
【図１０】三次元造形物の形成形態を概念的に説明する概略図。
【図１１】ヘッドベースに配置されるヘッドユニットの、その他の配置の例を示す模式図。
【図１２】ヘッドベースに配置されるヘッドユニットの、その他の配置の例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
最初に、本発明について概略的に説明する。  
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の材料セットは、三次元造形物の造形材料を含む造形材料ペーストと前記造形材料ペーストを支持する支持材料ペーストとを用いて層を形成する層形成工程と、前記層にエネルギーを照射するエネルギー照射工程と、を繰り返すことで前記層を積層させて三次元造形物を造形する際に用いられる、前記造形材料ペーストと前記支持材料ペーストとの材料セットであって、前記造形材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む前記造形材料としての第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含み、前記支持材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含み、前記第１流動体における前記第１樹脂の濃度は、０．２重量％以上２．０重量％以下であり、前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１．０重量％以上であることを特徴とする。
【００１０】
ここで粒子充填率とは、用いる金属粒子またはセラミック粒子の全ペースト体積に占める割合を言う。具体的には、例えば、第１樹脂体積（＝第１樹脂重量÷第１樹脂密度）と第１溶媒体積（＝第１溶媒重量÷第１溶媒密度）及び第１材料体積（＝第１材料重量÷第１材料密度）を合わせた全体積に対する第１材料体積の占める割合である。  
本態様によれば、造形材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含み、支持材料ペーストは、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含む。そして、第１流動体における第１樹脂の濃度は０．２重量％以上２．０重量％以下であり、第２流動体における第２樹脂の濃度は１．０重量％以上である。このような造形材料ペーストと支持材料ペーストとの材料セットとすることで、レーザーなどを用いて造形材料ペーストを溶融させる際などにおいて造形材料である第１材料の飛散を抑制できるとともに、支持材料ペースト中の樹脂濃度を高くして支持材料ペーストの層への造形材料ペーストの層中の第１溶媒及び第１樹脂の移動をブロックできることなどで金属粉末またはセラミックス粉末を含む第１材料の凝集を抑制できる。したがって、三次元造形物の造形精度が低下することを抑制することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様の材料セットは、前記第１の態様において、前記第１流動体における前記第１樹脂の濃度は、０．３重量％以上１．０重量％以下であることを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、特に効果的に、レーザーなどを用いて造形材料ペーストを溶融させる際などにおいて造形材料である第１材料の飛散を抑制できる。
【００１３】
本発明の第３の態様の材料セットは、前記第１または第２の態様において、前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１．５重量％以上であることを特徴とする。
【００１４】
本態様によれば、特に効果的に、第１材料の凝集を抑制できる。
【００１５】
本発明の第４の態様の材料セットは、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記第２流動体における前記第２樹脂の濃度は、１０重量％以下であることを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、第２樹脂の濃度を１０重量％以下とすることで第２樹脂が第２溶媒に溶解しきれないということを抑制できる。
【００１７】
本発明の第５の態様の材料セットは、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記第１材料と前記第２材料とは、同じ種類の金属粉末またはセラミックス粉末であることを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、造形材料ペーストと支持材料ペーストとの接触部において、第１材料とは異なる金属粉末またはセラミックス粉末が混ざることで不純物が残ることを抑制できる。
【００１９】
本発明の第６の態様の材料セットは、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記第２材料の平均粒径は、前記第１材料の平均粒径に対して１％以下の差であることを特徴とする。
【００２０】
本態様によれば、造形材料ペーストと支持材料ペーストとの接触部において、第１材料とは粗度の異なる金属粉末またはセラミックス粉末が表面に表れることを抑制できる。
【００２１】
本発明の第７の態様の材料セットは、前記第１から第６のいずれか１つの態様において、前記第１樹脂と前記第２樹脂とは、同じ種類であることを特徴とする。
【００２２】
本態様によれば、造形材料ペーストと支持材料ペーストとの接触部において、第１樹脂とは異なる樹脂が混ざることで不純物が残ることを抑制できる。
【００２３】
本発明の第８の態様の材料セットは、前記第１から第７のいずれか１つの態様において、前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、同じ種類であることを特徴とする。
【００２４】
本態様によれば、造形材料ペーストと支持材料ペーストとの接触部において、第１溶媒とは異なる溶媒が混ざることで不純物が残ることを抑制できる。
【００２５】
本発明の第９の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第８のいずれか１つの材料セットを用い、前記層形成工程と、前記エネルギー照射工程と、を繰り返すことで前記層を積層させて三次元造形物を造形することを特徴とする。
【００２６】
本態様によれば、レーザーなどを用いて造形材料ペーストを溶融させる際などにおいて造形材料である第１材料の飛散を抑制できるとともに、第１材料の凝集を抑制できる。したがって、三次元造形物の造形精度が低下することを抑制することができる。
【００２７】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。図１〜図４は本発明の一の実施形態に係る材料セットを使用可能な三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。ただし、本実施形態の材料セットは、図１〜図４で表される三次元造形物の製造装置とは異なる構成の三次元造形物の製造装置に使用することも可能であることは言うまでもない。
【００２８】
ここで、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、２種類の材料供給部としてのヘッドベースを備えている。このうち、図１及び図２は、三次元造形物の造形材料を含む造形材料ペーストとしての構成材料を供給する材料供給部のみを表した図である。また、図３及び図４は、三次元造形物を形成する際に該構成材料を支持する支持層を形成する支持材料ペーストとしての支持層形成用材料を供給する材料供給部のみを表した図である。
【００２９】
なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。
【００３０】
ここで、本実施形態の材料セットは、構成材料と支持層形成用材料との材料セットである。また、詳細は後述するが、本実施形態の構成材料は、金属粉末またはセラミックス粉末を含む三次元造形物の造形材料としての第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含んでいる。また、本実施形態の支持層形成用材料は、金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含んでいる。
【００３１】
図１及び図３に示す三次元造形物の製造装置２０００は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段としての駆動装置１１１によって、図示するＸ、Ｙ、Ｚ方向の移動、あるいはＺ軸を中心とする回転方向に駆動可能に備えられたステージ１２０を備えている。そして、図１及び図２で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に構成材料を吐出する構成材料吐出部１２３０を備えるヘッドユニット１４００を複数保持するヘッドベース１１００が保持固定される、ヘッドベース支持部１３０を備えている。また、図３及び図４で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に三次元造形物を支持する支持層形成用材料を吐出する支持層形成用材料吐出部１７３０を備えるヘッドユニット１９００を複数保持するヘッドベース１６００が保持固定される、ヘッドベース支持部７３０と、を備えている。ここで、ヘッドベース１１００と、ヘッドベース１６００とは、ＸＹ平面において並列に設けられている。なお、構成材料吐出部１２３０と支持層形成用材料吐出部１７３０とは同様の構成のものである。ただし、このような構成に限定されない。
【００３２】
ステージ１２０上には、三次元造形物５００が形成される過程での層５０１、５０２及び５０３が形成される。三次元造形物５００の形成には、電磁波照射部１０００などによる熱エネルギーの照射がなされるため、ステージ１２０の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート１２１を用いて、試料プレート１２１の上に三次元造形物５００を形成してもよい。本実施形態の試料プレート１２１は頑丈で製造の容易な金属製のものである。しかしながら、試料プレート１２１としては、例えばセラミック板を用いることで、高い耐熱性を得ることができ、更に脱脂や焼結などがされる三次元造形物の構成材料との反応性も低く、三次元造形物５００の変質を防止することができる。なお、図１及び図３では、説明の便宜上、層５０１、５０２及び５０３の３層を例示したが、所望の三次元造形物５００の形状まで、すなわち、図１及び図３中の層５０ｎまで積層される。ここで、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎは、各々、支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出される支持層形成用材料で形成される支持層３００と、構成材料吐出部１２３０から吐出される構成材料で形成される構成層３１０と、で構成される。
【００３３】
また、図２は、図１に示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図２に示すように、ヘッドベース１１００は、複数のヘッドユニット１４００が保持されている。詳細は後述するが、１つのヘッドユニット１４００は、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。構成材料吐出部１２３０は、吐出ノズル１２３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１２３０ａから構成材料を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。
【００３４】
図４は、図３に示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。図４に示すように、ヘッドベース１６００は、複数のヘッドユニット１９００が保持されている。ヘッドユニット１９００は、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。支持層形成用材料吐出部１７３０は、吐出ノズル１７３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１７３０ａから支持層形成用材料を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。
【００３５】
図１及び図２で表されるように、構成材料吐出部１２３０は、ヘッドベース１１００に保持されるヘッドユニット１４００それぞれに対応させた構成材料を収容した構成材料供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の構成材料が構成材料供給ユニット１２１０から構成材料吐出部１２３０に供給される。構成材料供給ユニット１２１０には、本実施形態に係る三次元造形物の製造装置２０００によって造形される三次元造形物５００の構成材料が構成材料収容部１２１０ａに収容され、個々の構成材料収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の構成材料吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の構成材料収容部１２１０ａを備えることにより、ヘッドベース１１００から、複数の異なる種類の材料を供給することができる。
【００３６】
図３及び図４で表されるように、支持層形成用材料吐出部１７３０は、ヘッドベース１６００に保持されるヘッドユニット１９００それぞれに対応させた支持層形成用材料を収容した支持層形成用材料供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の支持層形成用材料が支持層形成用材料供給ユニット１７１０から支持層形成用材料吐出部１７３０に供給される。支持層形成用材料供給ユニット１７１０には、三次元造形物５００を造形する際の支持層を構成する支持層形成用材料が支持層形成用材料収容部１７１０ａに収容され、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の支持層形成用材料吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａを備えることにより、ヘッドベース１６００から、複数の異なる種類の支持層形成用材料を供給することができる。
【００３７】
三次元造形物の製造装置２０００には、図示しない、例えばパーソナルコンピューター等のデータ出力装置から出力される三次元造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０、並びに、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０を制御する制御手段としての制御ユニット４００を備えている。そして、制御ユニット４００には、図示しないが、ステージ１２０及び構成材料吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０及び支持層形成用材料吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御する制御部を備えている。
【００３８】
基台１１０に移動可能に備えられているステージ１２０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー４１０においてステージ１２０の移動開始と停止、移動方向、移動量、移動速度などを制御する信号が生成され、基台１１０に備える駆動装置１１１に送られ、図示するＸ、Ｙ、Ｚ方向にステージ１２０が移動する。ヘッドユニット１４００に備える構成材料吐出部１２３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１５００において構成材料吐出部１２３０に備える吐出駆動部１２３０ｂにおける吐出ノズル１２３０ａからの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル１２３０ａから所定量の構成材料が吐出される。
【００３９】
同様に、ヘッドユニット１９００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１５００において支持層形成用材料吐出部１７３０に備える吐出駆動部１７３０ｂにおける吐出ノズル１７３０ａからの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル１７３０ａから所定量の支持層形成用材料が吐出される。また、電磁波照射部１０００も、制御ユニット４００による制御で、ステージ１２０または試料プレート１２１に形成された三次元造形物５００の層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎに向けて、電磁波を照射可能な構成になっている。
【００４０】
次に、ヘッドユニット１４００についてさらに詳細に説明する。なお、ヘッドユニット１９００は、ヘッドユニット１４００と同様の構成である。このため、ヘッドユニット１９００についての詳細な構成の説明は省略する。図５、並びに、図６〜図８は、ヘッドベース１１００に複数保持されるヘッドユニット１４００及び構成材料吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、このうち図６〜図８は、図２に示す矢印Ｄ方向からのヘッドベース１１００の外観図である。
【００４１】
図５に示すように、ヘッドベース１１００に複数のヘッドユニット１４００が、図示しない固定手段によって保持されている。また、図６〜図８で表されるように、本実施形態に係る三次元造形物の製造装置２０００のヘッドベース１１００では、図下方より第１列目のヘッドユニット１４０１、第２列目のヘッドユニット１４０２、第３列目のヘッドユニット１４０３、そして第４列目のヘッドユニット１４０４の、４ユニットが互い違いに配置されたヘッドユニット１４００を備えている。そして、図６で表されるように、ステージ１２０をヘッドベース１１００に対してＸ方向に移動させながら各ヘッドユニット１４００から構成材料を吐出させて構成層構成部５０、詳細には、構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄが形成される。構成層構成部５０の形成手順については後述する。なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０４に備える構成材料吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して構成材料供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれる構成となっている。
【００４２】
図５に示すように、構成材料吐出部１２３０は吐出ノズル１２３０ａから、ステージ１２０上に載置された試料プレート１２１上に向けて三次元造形物の構成材料である材料Ｍが吐出される。ヘッドユニット１４０１では、材料Ｍが液滴状で吐出される吐出形態を例示し、ヘッドユニット１４０２では、材料Ｍが連続体状で供給される吐出形態を例示している。材料Ｍの吐出形態は、液滴状であっても連続体状であっても、どちらでもよいが、本実施形態では材料Ｍは液滴状で吐出される形態により説明する。
【００４３】
吐出ノズル１２３０ａから液滴状に吐出された材料Ｍは、略重力方向に飛翔し、試料プレート１２１上に着弾する。ステージ１２０は移動し、着弾した材料Ｍにより構成層構成部５０が形成される。この構成層構成部５０の集合体が、図１などで表されるように、試料プレート１２１上に形成される三次元造形物５００の構成層３１０として形成される。
【００４４】
次に、構成層構成部５０の形成手順について、図６〜図８、並びに、図９及び図１０を用いて説明する。図６〜図８は、本実施形態のヘッドユニット１４００の配置と、構成層構成部５０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図９及び図１０は、構成層構成部５０の形成形態を概念的に表す側面図である。
【００４５】
まず、ステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、複数の吐出ノズル１２３０ａから材料Ｍが液滴状に吐出され、試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが配置され、構成層構成部５０が形成される。より具体的には、まず、図９で表されるように、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に一定の間隔で材料Ｍを配置させる。
【００４６】
次に、図１０で表されるように、ステージ１２０を−Ｘ方向に移動させながら、一定の間隔で配置された材料Ｍの間を埋めるように新たに材料Ｍを配置させる。ただし、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが重なるように、すなわち、間隔を空けないように配置させる構成としても良い。別の表現をすると、ステージ１２０のＸ方向における往復移動で構成層構成部５０を形成する構成ではなく、ステージ１２０のＸ方向における片側の移動のみで構成層構成部５０を形成する構成としても良い。
【００４７】
上記のように構成層構成部５０を形成することによって、図６で表されるような、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＸ方向における１ライン分であってＹ方向における１ライン目の構成層構成部５０、詳細には、構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄが形成される。
【００４８】
次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における２ライン目の構成層構成部５０’、詳細には、構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、ノズル間のピッチをＰとし、ｎを自然数とすると、Ｐ／ｎピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。なお、本実施例ではｎを３として説明する。図９及び図１０で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図７で表されるような、Ｙ方向における２ライン目の構成層構成部５０’、詳細には、構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’が形成される。
【００４９】
次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’、詳細には、構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、Ｐ／３ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。そして、図９及び図１０で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図８で表されるような、Ｙ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’、詳細には、構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’が形成され、構成層３１０を得ることができる。
【００５０】
また、構成材料吐出部１２３０から吐出される材料Ｍを、ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３、１４０４のいずれか１ユニット、あるいは２ユニット以上からその他ヘッドユニットと異なる構成材料を吐出供給することもできる。従って、本実施形態に係る三次元造形物の製造装置２０００を用いることによって、異種材料から形成される三次元造形物を得ることができる。
【００５１】
なお、第１層目の層５０１において、上述したように構成層３１０を形成する前或いは後に、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、同様の方法で、支持層３００を形成することができる。そして、層５０１に積層させて層５０２、５０３、・・・５０ｎを形成する際にも、同様に、構成層３１０及び支持層３００を形成することができる。
【００５２】
上述の本実施形態に係る三次元造形物の製造装置２０００が備えるヘッドユニット１４００及び１９００の数及び配列は、上述した数及び配列に限定されない。図１１及び図１２に、その例として、ヘッドベース１１００に配置されるヘッドユニット１４００の、その他の配置の例を模式図的に示す。
【００５３】
図１１は、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００をＸ軸方向に複数、並列させた形態を示す。図１２は、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００を格子状に配列させた形態を示す。なお、いずれも配列されるヘッドユニットの数は、図示の例に限定されない。
【００５４】
次に、本実施形態の材料セットについて詳細に説明する。構成材料の第１材料及び支持層形成用材料の第２材料としては、例えば金属粉末として、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミ、鉄、銅など、造形する三次元造形物に応じて様々な金属を特に限定なく使用できる。また、金属粉末の粒子径についても特に限定はない。また、例えばセラミックス粉末として、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、炭化珪素など、造形する三次元造形物に応じて様々なセラミックを特に限定なく使用できる。また、前述した金属粉末と混合して使用しても良い。
【００５５】
構成材料の第１材料及び支持層形成用材料の第２材料の含有量としては、ともに、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含むことが好ましい。粒子充填率が５３体積％を超えるとヘッドベース１１００及びヘッドベース１６００からの構成材料及び支持層形成用材料の吐出性が低下する場合があるためである。また、粒子充填率が２５体積％未満だと使用する三次元造形物の製造装置２０００の構成によっては、層形成が困難になる場合があるためである。
【００５６】
ここで、構成材料と支持層形成用材料との材料セットで使用する場合、第１材料と第２材料とは、同じ種類の金属粉末またはセラミックス粉末であることが好ましい。第１材料と第２材料とを同じ種類とすることで、構成材料と支持層形成用材料との接触部において、第１材料とは異なる金属粉末またはセラミックス粉末が混ざることで造形される三次元造形物に不純物が残ることを抑制できるためである。
【００５７】
また、構成材料と支持層形成用材料との材料セットで使用する場合、第２材料の平均粒径は、第１材料の平均粒径と同様、具体的には、第１材料の平均粒径に対して１％以下の差であることが好ましい。第２材料の平均粒径を第１材料の平均粒径と同様とすることで、構成材料と支持層形成用材料との接触部において、第１材料とは粗度の異なる金属粉末またはセラミックス粉末が造形される三次元造形物の表面に表れることを抑制できるためである。なお、「平均粒径」としては、例えばｄ５０などを使用可能である。ちなみに、本明細書における平均粒子径は、特に明示がない限り体積基準のものである。測定方法としては、例えば、動的光散乱理論を測定原理とする粒度分布測定装置により測定することができる。このような粒度分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＵＰＡ」等が挙げられる。また、Ｄ５０は、以下のようにして得られる値とする。メタノール液中の粒子に光を照射し、当該液中の前方・側方・後方に配置されたディテクターによって、発生する回折散乱光を測定する。前記測定値を利用して、本来は不定形である粒子を球形であるものと仮定し、当該粒子の体積と等しい球に換算された粒子集団の全体積を１００％として累積カーブを求め、その際の累積値が５０％となる点を上記５０％平均粒子径（ｄ５０）とする。
【００５８】
構成材料の第１流動体及び支持層形成用材料の第２流動体としては、構成材料の第１溶媒及び支持層形成用材料の第２溶媒として、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等を用いることができ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、構成材料の第１樹脂及び支持層形成用材料の第２樹脂として、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニールアルコ―ル系樹脂、或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂などを１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００５９】
ここで、構成材料と支持層形成用材料との材料セットで使用する場合、第１樹脂と第２樹脂とは、同じ種類であることが好ましい。第１樹脂と第２樹脂とを同じ種類とすることで、構成材料と支持層形成用材料との接触部において、第１樹脂とは異なる樹脂が混ざることで造形される三次元造形物に不純物が残ることを抑制できるためである。
【００６０】
また、構成材料と支持層形成用材料との材料セットで使用する場合、第１溶媒と前記第２溶媒とは、同じ種類であることが好ましい。第１溶媒と第２溶媒とを同じ種類とすることで、造形材料ペーストと支持材料ペーストとの接触部において、第１溶媒とは異なる溶媒が混ざることで不純物が残ることを抑制できるためである。
【００６１】
次に、具体的な実施例に基づき、好ましい第１流動体及び第２流動体における第１樹脂の濃度及び第２樹脂の濃度について説明する。なお、下記の実施例１〜実施例１１と比較例１及び比較例２の第１流動体、並びに、実施例１２〜実施例２２と比較例３の第２流動体では、いずれも、第１材料と第２材料とで同じ金属粉末であるステンレス（ＳＵＳ）粉末を用い、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように調整した。また、下記の実施例１〜実施例１１と比較例１及び比較例２の第１流動体、並びに、実施例１２〜実施例２２と比較例３の第２流動体では、いずれも、第１流動体と第２流動体とで同じ樹脂であるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及び同じ溶媒であるプロピレングリコール（ＰＧ）を用いた。
【００６２】
下記表１に、実施例１〜実施例２２と比較例１〜比較例３における第１流動体及び第２流動体における第１樹脂の濃度及び第２樹脂の濃度と評価結果を表す。なお、下記評価は、上記三次元造形物の製造装置２０００により構成材料と支持層形成用材料とを用いて層を形成する層形成工程と、外部装置を用いて該層にレーザーによるエネルギーを照射するエネルギー照射工程と、を繰り返すことで層を積層させて行った。ここで、レーザー評価は、層形成工程で形成された層にレーザーが照射された際に飛散や霧散などを生じることなく該層を溶融できたか否かで評価した。また、積層性評価は、ペースト塗布後の乾燥工程時に上層に剥がれが発生するか否かで評価した。
【００６３】
【表１】
2020192758.tif 000003
【００６４】
なお、上記表１において、実施例１〜実施例１１と比較例１及び比較例２は第１流動体としてのレーザー評価の結果に対応し、実施例１２〜実施例２２と比較例３は第２流動体としてのグリーン体の積層性評価の結果に対応する。なお、グリーン体とは、ペースト中の溶媒を乾燥させ金属粒子またはセラミック粒子が結着材にて結着された構造体を言う。また、上記のように、第１流動体と第２流動体とでは、同じ金属粉末、同じ樹脂及び同じ溶媒を用いているので、実施例８の第１流動体と比較例３の第２流動体、実施例９の第１流動体と実施例１２の第２流動体、実施例１０の第１流動体と実施例１３の第２流動体、実施例１１の第１流動体と実施例１４の第２流動体、比較例２の第１流動体と実施例１５の第２流動体、はいずれも同じ流動体となる。
【００６５】
上記表１より、第１流動体における第１樹脂の濃度は、０．２重量％以上２．０重量％以下であり、第２流動体における第２樹脂の濃度は、１．０重量％以上であることで、第１流動体におけるレーザー評価結果及び第２流動体における積層性評価結果はともにＦａｉｒまたはＧｏｏｄとなる。すなわち、構成材料が、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第１材料と、第１樹脂と第１溶媒とを含む第１流動体と、を含み、支持層形成用材料が、粒子充填率が２５体積％以上５３体積％以下となるように金属粉末またはセラミックス粉末を含む第２材料と、第２樹脂と第２溶媒とを含む第２流動体と、を含み、第１流動体における第１樹脂の濃度が０．２重量％以上２．０重量％以下であり、第２流動体における第２樹脂の濃度が１．０重量％以上であることが好ましい。このような構成材料と支持層形成用材料との材料セットとすることで、レーザーなどを用いて構成材料を溶融させる際などにおいて造形材料である第１材料の飛散を抑制できるとともに、支持層形成用材料中の樹脂濃度を高くして支持層形成用材料の層への構成材料の層における第１溶媒及び第１材料の移動をブロックできることなどで粒子の凝集（下層と上層との剥がれ）を抑制でき、積層性に優れ三次元造形物の造形精度が低下することを抑制することができるためである。
【００６６】
また、第１流動体における第１樹脂の濃度は、０．３重量％以上１．０重量％以下であることが特に好ましい。上記表１で表されるように、第１流動体における第１樹脂の濃度が０．３重量％以上１．０重量％以下であることで、第１流動体におけるレーザー評価結果は全てＧｏｏｄとなる。このため、特に効果的に、レーザーなどを用いて造形材料ペーストを溶融させる際などにおいて造形材料である第１材料の飛散を抑制できるためである。
【００６７】
また、第２流動体における第２樹脂の濃度は、１．５重量％以上であることが特に好ましい。上記表１で表されるように、第２流動体における第２樹脂の濃度が１．５重量％以上であることで、第２流動体における積層性評価結果は全てＧｏｏｄとなる。このため、特に効果的に、粒子の凝集を抑制できるためである。
【００６８】
なお、第２流動体における第２樹脂の濃度は、１０重量％以下であることが特に好ましい。第２樹脂の濃度を１０重量％以下とすることで第２樹脂が第２溶媒に溶解しきれないということを抑制できるためである。
【００６９】
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７０】
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ…構成層構成部、１１０…基台、
１１１…駆動装置、１２０…ステージ、１２１…試料プレート、
１３０…ヘッドベース支持部、３００…支持層、３１０…構成層、
４００…制御ユニット、４１０…ステージコントローラー、
５００…三次元造形物、５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎ…層、
７３０…ヘッドベース支持部、１０００…電磁波照射部、１１００…ヘッドベース、
１２００…構成材料供給装置、１２１０…構成材料供給ユニット、
１２１０ａ…構成材料収容部、１２２０…供給チューブ、１２３０…構成材料吐出部、
１２３０ａ…吐出ノズル、１２３０ｂ…吐出駆動部、１４００…ヘッドユニット、
１４００ａ…保持治具、
１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４…ヘッドユニット、
１５００…材料供給コントローラー、１６００…ヘッドベース、
１７００…支持層形成用材料供給装置、１７１０…支持層形成用材料供給ユニット、
１７１０ａ…支持層形成用材料収容部、１７２０…供給チューブ、
１７３０…支持層形成用材料吐出部、１７３０ａ…吐出ノズル、
１７３０ｂ…吐出駆動部、１９００…ヘッドユニット、
１９００ａ…保持治具、２０００…三次元造形物の製造装置、
Ｍ…材料（構成材料、組成物）
【図１】
2020192758.tif 000004
【図２】
2020192758.tif 000005
【図３】
2020192758.tif 000006
【図４】
2020192758.tif 000007
【図５】
2020192758.tif 000008
【図６】
2020192758.tif 000009
【図７】
2020192758.tif 000010
【図８】
2020192758.tif 000011
【図９】
2020192758.tif 000012
【図１０】
2020192758.tif 000013
【図１１】
2020192758.tif 000014
【図１２】
2020192758.tif 000015