(57)【要約】【課題】  本発明は、粉末焼結法により形成される三次元造形物の内部に粉末材料が充填された構造を簡易に形成する三次元造形装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の三次元造形装置は、粉末材料を供給する供給部と、前記供給部により供給された前記粉末材料の一部を焼結させる焼結部と、層ごとに前記供給部と前記焼結部とを制御することによって、前記焼結部により焼結された前記粉末材料で、前記供給部により供給された前記粉末材料のうち焼結されていない粉末材料を密閉するように、三次元造形物を形成する制御部と、を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料を供給する供給部と、
前記供給部により供給された前記粉末材料の一部を焼結させる焼結部と、
層ごとに前記供給部と前記焼結部とを制御することによって、前記焼結部により焼結された前記粉末材料で、前記供給部により供給された前記粉末材料のうち焼結されていない粉末材料を密閉するように、三次元造形物を形成する制御部と、
を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記焼結部は、前記粉末材料に光ビームを照射する光源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。
【請求項３】
前記制御部は、前記粉末材料を焼結させる領域で前記光ビームを照射させ、前記密閉される粉末材料には前記光ビームを照射させないことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
層ごとに粉末材料を供給し、供給された前記粉末材料の一部を焼結させることによって形成された三次元造形物であって、
前記焼結されていない粉末材料を密閉するように、前記粉末材料が焼結されていることを特徴とする三次元造形物。
【請求項５】
前記密閉されている粉末材料と、前記焼結された前記粉末材料は同一の材料であることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形物。
【請求項６】
前記密閉されている前記粉末材料の一部が焼結し、大きさの異なる粉末材料が密閉されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の三次元造形物。
【請求項７】
粉末材料を焼結させることで三次元造形物を形成する三次元造形方法であって、
前記粉末材料を供給し、
前記焼結された前記粉末材料で、前記供給された前記粉末材料のうち焼結されていない前記粉末材料を密閉するように、層ごとに前記供給された前記粉末材料の一部を焼結させることを特徴とする三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置、三次元造形物、及び、三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、粉末焼結法等さまざまな方式が知られている。粉末焼結法（粉末焼結積層造形法）は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料粉末を層状に敷く工程と、レーザー光を照射して粉末層の一部を選択的に焼結させる工程とを繰り返し行なうことにより、三次元造形物を形成する方法である。近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末焼結法が活用されはじめている。また、粉末焼結法は、複雑な形状を造形することが容易であり、中空形状を持つ三次元造形物を形成することが可能であることが知られている。
【０００３】
また、従来、金属製の軸部品や構造体の内部に振動吸収体である粉末材料を充填することにより、軸部品や構造体に作用する振動を減衰させる方法が知られている。例えば、特許文献１には、金属製の軸本体の中空部内に紛体、粒状体または流動体のセラミックス材料を振動吸収体として充填することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００３／９５８５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、金属製の軸部材の中に開口から振動吸収体を充填させた後、開口を閉じて密閉する必要がある。そのため、軸部材の構造が複雑になり、加工に時間が掛かってしまう恐れがある。また、軸部材の中に充填した振動吸収体が漏れ出す可能性があるため、軸部材を精密機器や電気基板等を備える機器に使用する場合には、振動吸収体が機器の内部に漏れ出し、機器に影響を及ぼす恐れがある。
【０００６】
本発明は、粉末焼結法により形成される三次元造形物の内部に粉末材料が充填された構造を簡易に形成する三次元造形装置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】
本発明の三次元造形装置は、粉末材料を供給する供給部と、前記供給部により供給された前記粉末材料の一部を焼結させる焼結部と、層ごとに前記供給部と前記焼結部とを制御することによって、前記焼結部により焼結された前記粉末材料で、前記供給部により供給された前記粉末材料のうち焼結されていない粉末材料を密閉するように、三次元造形物を形成する制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、粉末焼結法により形成される三次元造形物の内部に粉末材料が充填された構造を簡易に形成する三次元造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は第１実施形態の三次元造形物の形成過程を示す図である。（ｂ）は第１実施形態の三次元造形物の形成が完了した状態を示す図である。
【図２】第１実施形態の三次元造形物の形状を示す図である。
【図３】第２実施形態の三次元造形物の断面を示す図である。
【図４】第３実施形態の三次元造形物の断面を示す図である。
【図５】第４実施形態の三次元造形物の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
（第１実施形態）
第１実施形態の三次元造形物４とその形成方法について、図１および図２を参照して説明する。第１実施形態の三次元造形物４は、三次元造形装置を用いて形成される。本発明の三次元造形装置は、粉末材料に熱を加えることで溶融・凝固させた領域（焼結させた領域）と未焼結の領域を層ごとに形成し、繰り返し積層することで三次元造形物を形成することができる装置である。特に、三次元造形物の内部に未焼成の粉体を残留させ、焼結済の粉末材料で密閉する構造を有する三次元造形物を形成できる装置である。三次元造形装置で用いられる粉末材料としては、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料などが挙げられる。また、三次元造形装置には粉末材料に熱を加えるために光ビームＡを照射する光源（焼結部）が備えられている。三次元造形装置の制御部が焼結部を制御することによって、粉末材料を焼結させる領域と未焼結の領域が形成される。
【００１２】
図１（ａ）は、三次元造形装置を用いて第１実施形態の三次元造形物４を形成する過程を示す図である。三次元造形装置には、造形ステージ１、造形枠２、光ビームＡを照射する光源（焼結部）、粉末材料３を造形ステージと造形枠２に囲まれた造形領域に供給する供給部（不図示）とを備える。
【００１３】
三次元造形装置を用いて、三次元造形物を製造する三次元造形方法について説明する。造型過程の流れは、３Ｄ−ＣＡＤにより設計した三次元造形物のＣＡＤデータを三次元造形装置の制御部に入力する。ＣＡＤデータは三次元造形装置によって製造される三次元造形物の形状を示す情報を含む。次に、制御部は入力されたＣＡＤデータに基づいて粉末焼結積層法を用いる三次元造形装置（３Ｄプリンタ）の各部の動作を制御して三次元造形物を製造する。制御部は三次元造形装置と一体でもよいし、三次元造形装置とは異なる装置であって遠隔で制御してもよい。三次元造形装置の制御部は、入力されたＣＡＤデータと予め定められたプログラムに基づき、焼結部を制御して任意の領域の粉末材料３を焼結させる。さらに、制御部は供給部を制御して、積層する層ごとに造形領域に粉末材料を供給させる。
【００１４】
また、制御部は、３次元造形装置で三次元造形物４を製作する為に必要なデータの変換を行ってもよい。具体的には、制御部に入力されたＣＡＤデータ等を、ポリゴンまたはポリゴンメッシュ化して最適化し、さらにＳＴＬデータに変換する。さらに、制御部は、三次元造形装置に応じてスライスデータに変換することができる。スライスデータとは、３次元造形装置に出力する為に必要な三次元データである。また制御部は、所定のプログラムより、スライスデータに基づいて、粉末材料３を焼結する領域と、粉末材料３を焼結させない領域を算出し、その算出結果を３次元造形装置に送信することができる。
【００１５】
図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して第１実施形態の三次元造形方法について説明する。まず、造形ステージ１と造形枠２に囲まれた造形領域に、粉末材料３を所定の厚みで敷き詰める。そして、敷き詰められた粉末材料３の所望な領域に、光ビームＡを照射することで、粉末材料３は熱により溶融後に凝固し、凝固層３ａ（焼結した領域）が形成され、光ビームＡが照射されなかった領域（未焼結の領域）は、粉末材料３のまま造形領域内に残る。光ビームＡの位置を造形領域内で走査駆動させながら粉末材料３を焼結させていく。このとき、光ビームＡの位置に対して造形ステージ１と造形枠２の位置を走査駆動させることによって造形領域内の任意の場所の粉末材料３を焼結させてもよい。さらに図１（ｂ）に示すように、凝固層３ａを順次積み上げることで三次元造形物４を形成する。
【００１６】
また、三次元造形装置の光ビームＡの走査方向は、図１（ａ）に示すように左右方向に限らず、奥行き方向（紙面垂直方向）にも走査させることができる。光ビームＡを奥行き方向に走査させる際にも同様に、粉末材料３を焼結させる領域と焼結させない領域を切り替えることによって、三次元造形物４を形成することができる。
【００１７】
このとき、第１実施形態の三次元造形物４は、焼結した領域で周囲が囲まれた空間として未焼結部４ａが形成され、未焼結部４ａには未焼結の粉末材料３が残留している。図１（ｂ）は三次元造形物４の断面を示した図であるため、紙面の上下・左右方向に凝固層３ａで周囲が囲まれた未焼結部４ａが示されているが、紙面の垂直方向（手前方向と奥行き方向）にも凝固層３ａが形成されている。そのため、未焼結部４ａ内の粉末材料３は三次元造形物４の内部に密閉されている。
【００１８】
図２は第１実施形態の三次元造形装置によって形成された三次元造形物４を示した図である。第１実施形態の三次元造形物４の形状は円筒形であり、その内部には未焼結の粉末材料３で未焼結部４ａが形成されている。つまり、三次元造形物４の未焼結部４ａには粉末材料３が紛体の状態で残留している。図２に示すように、三次元造形物４の内部に残留している粉末材料３に、三次元造形物４の外部から作用する振動が伝達され、粉末材料３同士がぶつかりあうことで、振動エネルギーを減衰させる効果がある。
【００１９】
このように、第１実施形態の三次元造形物４は、円筒形の軸部品や構造体に作用する振動を積極的に減衰させることができる。ここでは、例示的に三次元造形物４の形状が円筒形である場合について説明したが、直方体や立方体など他の形状であってもよい。また、未焼結部４ａの粉末材料３は、一部を焼結させて粉末材料の大きさを変えてもよい。
【００２０】
（第２実施形態）
第２実施形態の三次元造形物５とその形成方法について、図３を参照して説明する。第２実施形態の三次元造形物５は、三次元造形装置を用いて形成される。三次元造形装置は第１実施形態と同様なので説明を省略する。
【００２１】
図３は第２実施形態の三次元造形装置によって形成された三次元造形物５とそれを使用した機器の構成を示した図である。三次元造形物５は、粉末材料３が焼結した領域に囲まれた領域として未焼結部５ａが形成され、未焼結部５ａには未焼結の粉末材料３が残留している。
【００２２】
第２実施形態の三次元造形物５は、図３に示すようにモーター６と組み合わせて使用される。第２実施形態の三次元造形物５の内側には、モーター６が入っており、三次元造形物５はモーター６を保持するモーターケースとなっている。モーター６が駆動することにより振動が発生するが、モーターケースとなっている三次元造形物５の内部に残留している粉末材料３に、モーター６から発生する振動が伝達され、粉末材料３同士がぶつかりあうことで、振動エネルギーを減衰させる効果がある。
【００２３】
（第３実施形態）
第３実施形態の三次元造形物７とその形成方法について、図４を参照して説明する。第３実施形態の三次元造形物７は、三次元造形装置を用いて形成される。三次元造形装置は第１実施形態と同様なので説明を省略する。
【００２４】
図４は第３実施形態の三次元造形装置によって形成された三次元造形物７の斜視図を示した図である。三次元造形物７は、粉末材料３が焼結した領域に囲まれた領域として未焼結部７ａが形成され、未焼結部７ａには未焼結の粉末材料３が残留している。図４は、三次元造形物７の中に粉末材料３が残留している様子をわかりやすく示した図であり、三次元造形物７が透明部材で形成されていなければ、実際には未焼結部７ａと粉末材料３は観察することはできない。
【００２５】
第３実施形態の三次元造形物７は、図４に示す三次元造形物７を使用した機器について説明する。軸部品である三次元造形物７には粉末材料３の未焼結部７ａがあり、その内部には粉末材料３が未硬化の状態で残留している。この三次元造形物７には、他部品から伝達された振動を三次元造形物７の内部に残留している粉末材料３に伝達され、粉末材料３同士がぶつかりあうことで、軸部品に伝わる振動エネルギーを減衰させる効果がある。
【００２６】
（第４実施形態）
第４実施形態の三次元造形物８とその形成方法について、図５を参照して説明する。第４実施形態の三次元造形物８は、三次元造形装置を用いて形成される。三次元造形装置は第１実施形態と同様なので説明を書略する。
【００２７】
図５は第４実施形態の三次元造形装置によって形成された三次元造形物８の断面の構成を示した図である。三次元造形物８は、粉末材料３が焼結した領域に囲まれた領域として未焼結部８ａが形成され、未焼結部８ａには未焼結の粉末材料３が残留している。
【００２８】
第４実施形態の三次元造形物８は、図５に示すようにギア部品として他の部品と組み合わせて使用される。第４実施形態の三次元造形物８はギア部品として使用され、他の部品から伝達された振動が発生するが、三次元造形物８の内部に残留している粉末材料３に、振動が伝達され、粉末材料３同士がぶつかりあうことで、振動エネルギーを減衰させる効果がある。
【００２９】
このように、上述の実施形態の三次元造形装置は、粉末焼結法により形成される三次元造形物の内部に未焼成の粉末材料を残して、焼成済みの粉末材料で密閉することにより、構造を簡易化した三次元造形物を形成することができる。このように形成された三次元造形物は、造形物に作用する振動を積極的に減衰させることができる。
【００３０】
また、上述の実施形態の三次元造形方法は、粉末焼結積層造形法によって、従来よりも簡易な方法で、造形物の内部に粉末材料をそのまま残して密閉した構造を形成することができる。この方法で形成された三次元造形物は、造形物に作用する振動を減衰させることができる。
【００３１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  造形ステージ
２  造形枠
３  粉末材料
４  三次元造形物
４ａ  未焼結部
【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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