(57)【要約】【課題】支持体で構造体を支持している状態として構造体を造形する三次元造形物の製造方法において、構造体の形状が複雑になると支持体を除去できない場合がある。【解決手段】金属粉末またはセラミックス粉末を含む造形材料で構造体を造形する構造体造形工程（ステップＳ１４０）と、樹脂を含む支持材料で構造体Ｓを支持する支持体Ｔを造形する支持体造形工程（ステップＳ１３０）と、構造体Ｓを支持している状態の支持体Ｔを脱脂する脱脂工程（ステップＳ２１０）と、を有する三次元造形物の製造方法。【選択図】図１３
2020196216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末またはセラミックス粉末を含む造形材料で構造体を造形する構造体造形工程と、
樹脂を含む支持材料で前記構造体を支持する支持体を造形する支持体造形工程と、
前記構造体を支持している状態の前記支持体を脱脂する脱脂工程と、
を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記構造体造形工程において、筐体部を造形し、前記筐体部に前記支持体が収容された状態で蓋部を造形することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記構造体造形工程において前記筐体部を造形しつつ、前記支持体造形工程により前記筐体部に前記支持体が収容された状態となるよう前記支持体を造形することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記支持体造形工程により造形された前記支持体を前記筐体部に収容する収容工程を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記構造体造形工程において前記筐体部を造形しつつ、前記筐体部の造形位置とは異なる位置において前記支持体造形工程により前記支持体を造形することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記脱脂工程後に前記造形材料を焼結する焼結工程を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記脱脂工程は、前記支持体を加熱して気化させる工程であることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記脱脂工程は、前記支持体を溶剤により溶解させる工程であ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、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、支持体で構造体を支持している状態として構造体を造形する三次元造形物の製造方法がある。例えば、特許文献１には、サポート材料として粉体状の金属材料を使用したサポート層で、粉体状の金属材料である造形材料の層を支持して、積層造形物を造形する三次元造形物の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１５／１４１０３２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、特許文献１に記載されるような、支持体で構造体を支持している状態として構造体を造形する従来の三次元造形物の製造方法では、構造体の形状が複雑になると支持体を除去できない場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明の三次元造形物の製造方法は、金属粉末またはセラミックス粉末を含む造形材料で構造体を造形する構造体造形工程と、樹脂を含む支持材料で前記構造体を支持する支持体を造形する支持体造形工程と、前記構造体を支持している状態の前記支持体を脱脂する脱脂工程と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の三次元造形物の製造方法を実行可能な一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を表す概略構成図。
【図２】図１に示すＣ部の拡大図。
【図３】図１の三次元造形物の製造装置における図１とは異なる構成部材を表す概略構成図。
【図４】図３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。
【図１３】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャート。
【図１４】図１３のフローチャートとは別の、本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャート。
【図１５】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法で造形する一例の構造体における筐体部を表す概略斜視図。
【図１６】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法で造形する一例の支持体を表す概略平面図。
【図１７】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法で造形する一例の支持体を表す概略底面図。
【図１８】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法で造形する一例の支持体を表す底面側からの概略斜視図。
【図１９】図１５で表される構造体における筐体部と図１６から図１８で表される支持体とを一体的に造形した状態を表す概略斜視図。
【図２０】図１９で表される支持体が筐体部に収容された構造体に対して蓋部をさらに形成した状態を表す概略斜視図。
【図２１】本発明の三次元造形物の製造方法を実行可能な、図１の三次元造形物の製造装置とは別の三次元造形物の製造装置の一例を表す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
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の態様の三次元造形物の製造方法は、金属粉末またはセラミックス粉末を含む造形材料で構造体を造形する構造体造形工程と、樹脂を含む支持材料で前記構造体を支持する支持体を造形する支持体造形工程と、前記構造体を支持している状態の前記支持体を脱脂する脱脂工程と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本態様によれば、樹脂を含む支持材料で支持体を造形し、構造体を支持している状態の支持体を脱脂する。このため、支持体を脱脂することで構造体の形状が複雑になっても、支持体が除去できないという虞を低減できる。
【０００９】
本発明の第２の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１の態様において、前記構造体造形工程において、筐体部を造形し、前記筐体部に前記支持体が収容された状態で蓋部を造形することを特徴とする。
【００１０】
本態様によれば、筐体部を造形し、筐体部に支持体が収容された状態で蓋部を造形する。このため、蓋部を支持体で支持でき、三次元造形物の変形を抑制できる。
【００１１】
本発明の第３の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第２の態様において、前記構造体造形工程において前記筐体部を造形しつつ、前記支持体造形工程により前記筐体部に前記支持体が収容された状態となるよう前記支持体を造形することを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、構造体造形工程において筐体部を造形しつつ、支持体造形工程により筐体部に支持体が収容された状態となるよう支持体を造形する。このため、筐体部を支持体で支持させつつ造形でき、筐体部の変形を抑制できる。
【００１３】
本発明の第４の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第２の態様において、前記支持体造形工程により造形された前記支持体を前記筐体部に収容する収容工程を有することを特徴とする。
【００１４】
本態様によれば、支持体造形工程により造形された支持体を筐体部に収容する収容工程を有する。すなわち、構造体造形工程と支持体造形工程とを独立して実行できることで、最適な条件で構造体と支持体とを造形することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第４の態様において、前記構造体造形工程において前記筐体部を造形しつつ、前記筐体部の造形位置とは異なる位置において前記支持体造形工程により前記支持体を造形することを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、構造体造形工程において筐体部を造形しつつ、筐体部の造形位置とは異なる位置において支持体造形工程により支持体を造形する。すなわち、構造体造形工程と支持体造形工程とを同時に進行でき、三次元造形物の製造効率を高くすることができる。
【００１７】
本発明の第６の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記脱脂工程後に前記造形材料を焼結する焼結工程を有することを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、焼結工程を有するので、金属粉末またはセラミックス粉末が焼結された高剛性の三次元造形物を造形できる。
【００１９】
本発明の第７の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第６のいずれか１つの態様において、前記脱脂工程は、前記支持体を加熱して気化させる工程であることを特徴とする。
【００２０】
本態様によれば、支持体を加熱して気化させることで容易に脱脂ができる。
【００２１】
本発明の第８の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第６のいずれか１つの態様において、前記脱脂工程は、前記支持体を溶剤により溶解させる工程であることを特徴とする。
【００２２】
本態様によれば、支持体を溶剤により溶解させることで高い精度で脱脂ができる。
【００２３】
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。  
最初に、本発明の三次元造形物の製造方法を実行可能な三次元造形物の製造装置２０００の一例について図１〜図１２を参照して説明する。なお、本発明の三次元造形物の製造方法は、図１〜図１２で表される三次元造形物の製造装置２０００以外の構成の三次元造形物の製造装置で実行されてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
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ペースト状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体層３００を形成するペースト状の支持材料を供給する材料供給部のみを表した図である。ここで、三次元造形物の造形材料は金属粉末またはセラミックス粉末を含んでおり、支持材料は樹脂を含んでいる。
【００２５】
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材料を吐出する支持材料吐出部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。
【００２６】
ステージ１２０上には、三次元造形物が形成される過程での層５０１、５０２及び５０３・・・５０ｎからなる層５００が形成される。三次元造形物の層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の層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、支持材料吐出部１７３０から吐出される支持材料で形成される支持体層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造体層３１０と、で構成される。
【００２７】
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。
【００２８】
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、支持材料供給装置１７００に備える支持材料吐出部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から支持材料を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。
【００２９】
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。
【００３０】
図３及び図４で表されるように、支持材料吐出部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材料を収容した支持材料供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の支持材料が支持材料供給ユニット１７１０から支持材料吐出部１７３０に供給される。支持材料供給ユニット１７１０には、三次元造形物を造形する際の支持体層３００を構成する支持材料が支持材料収容部１７１０ａに収容され、個々の支持材料収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の支持材料吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の支持材料収容部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材料を供給することができる。
【００３１】
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、支持材料供給装置１７００に備える支持材料吐出部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。
【００３２】
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。
【００３３】
同様に、ヘッドユニット１９００に備える支持材料吐出部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。
【００３４】
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。
【００３５】
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造体層構成部５０、詳細には、構造体層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄが形成される。構造体層構成部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。
【００３６】
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（吐出ノズル１２３０ａとステージ１２０を所望の距離に維持し、材料Ｍをステージ１２０や層５００に接触させたまま吐出）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。なお、支持材料吐出部１７３０についても、支持材料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く、支持材料をペースト状にして吐出しても、樹脂を溶融して吐出してもどちらでも良い。
【００３７】
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により構造体層構成部５０が形成される。この構造体層構成部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の構造体層３１０として形成される。
【００３８】
次に、構造体層構成部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、構造体層構成部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、構造体層構成部５０の形成形態を概念的に表す側面図である。
【００３９】
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、構造体層構成部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。
【００４０】
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造体層構成部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造体層構成部５０を形成する構成としても良い。
【００４１】
上記のように構造体層構成部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ライン目の構造体層構成部５０、詳細には、構造体層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄが形成される。
【００４２】
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ライン目の構造体層構成部５０’、詳細には、構造体層構成部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ライン目の構造体層構成部５０’、詳細には、構造体層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’が形成される。
【００４３】
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ライン目の構造体層構成部５０’’、詳細には、構造体層構成部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ライン目の構造体層構成部５０’’、詳細には、構造体層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’が形成され、構造体層３１０を得ることができる。
【００４４】
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。
【００４５】
なお、第１層目の層５０１において、上述したように構造体層３１０を形成する前或いは後に、支持材料吐出部１７３０から支持材料を吐出させて、同様の方法で、支持体層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、構造体層３１０及び支持体層３００を形成することができる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
次に、上記三次元造形物の製造装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の実施例について、図１３及び図１４のフローチャートを用いて説明する。
【００４９】
まず、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法の実施例について説明する。図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法においては、最初に、ステップＳ１１０の造形データ入力工程で、製造する三次元造形物の造形データを入力する。三次元造形物の造形データの入力元に特に限定はないが、外部装置などを用いて造形データを三次元造形物の製造装置２０００に入力できる。
【００５０】
次に、ステップＳ１２０の支持体層形成有無判断工程で、三次元造形物の製造装置２０００の制御ユニット４００などにおいて、造形データに基づいて層５００を形成する際において該層５００において支持体層３００を形成するか否かを判断する。そして、支持体層３００を形成すると判断した場合はステップＳ１３０の支持体造形工程に進み、支持体層３００を形成しないと判断した場合はステップＳ１４０の構造体造形工程に進む。
【００５１】
ステップＳ１３０の支持体造形工程では、上記のように樹脂を含む支持材料で三次元造形物の構造体Ｓを支持する支持体Ｔとしての支持体層３００を造形する。そして、ステップＳ１４０の構造体造形工程では、上記の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で構造体Ｓとしての構造体層３１０を造形する。なお、ステップＳ１２０の支持体層形成有無判断工程で支持体層３００を形成すると判断した場合は、本実施例においては構造体層３１０の造形に先立って支持体層３００の造形が実行されるが、構造体層３１０の造形後に支持体層３００の造形が実行されてもよい。
【００５２】
そして、ステップＳ２００の造形データ終了有無判断工程で、三次元造形物の製造装置２０００の制御ユニット４００において、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく層５００の形成が全て終了したかどうかを判断する。層５００の形成が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１２０の支持体層形成有無判断工程に戻り、次の層５００を形成する。一方、層５００の形成が全て終了したと判断した場合、ステップＳ２１０の脱脂工程に進む。
【００５３】
ここで、図１９は、ステップＳ１２０の支持体層形成有無判断工程からステップＳ２００の造形データ終了有無判断工程を繰り返すことで製造されている途中の構造体Ｓの一例である。詳細には、構造体Ｓの筐体部Ｓａと該筐体部Ｓａに収容された状態となっている支持体Ｔとが造形された状態を表している。なお、図１５〜図２０は、いずれも概念的な概略図を表している。このうち、図１５で表される構造体Ｓの筐体部Ｓａは、上面が開放された直方体である。また、図１６〜図１８で表される支持体Ｔは、図１５で表される筐体部Ｓａに収容可能であって、上面側が密な網目状で下面（底面）側が粗な網目状である直方体である。また、図１９は、図１５で表される筐体部Ｓａに図１６〜図１８で表される支持体Ｔが収容されている状態を表している。そして、図２０は、図１９で表される支持体Ｔが収容された筐体部Ｓａの上面側に蓋部Ｓｂを形成した状態を表している。
【００５４】
本実施例の三次元造形物の製造方法においては、具体的には、まず、構造体Ｓとして図１５で表されるような筐体部Ｓａを造形するとともに、図１６〜図１８で表されるような形状の支持体Ｔが該筐体部Ｓａに収容された状態となるように、筐体部Ｓａと同時に一体的に支持体Ｔを造形する。そして、図１９で表されるように支持体Ｔが該筐体部Ｓａに収容された状態となった後に、図２０で表されるように蓋部Ｓｂを造形する。蓋部Ｓｂの造形は筐体部Ｓａのみではなく支持体Ｔに支えられた状態で行われるので、蓋部Ｓｂが変形することは抑制される。なお、図１６と図１７とを比較するとわかるように、支持体Ｔは、蓋部Ｓｂと接触する側の上面の方が、蓋部Ｓｂと接触しない側の下面よりも、密に構成されている。
【００５５】
ステップＳ２１０の脱脂工程では、ステップＳ１２０の支持体層形成有無判断工程からステップＳ２００の造形データ終了有無判断工程を繰り返すことで製造された構造体Ｓ及び支持体Ｔの樹脂成分などを、三次元造形物の製造装置２０００の電磁波照射部１０００を用いて、支持材料の樹脂などを加熱して揮発させることで脱脂する。
【００５６】
そして、ステップＳ２２０の焼結工程では、ステップＳ２１０の脱脂工程で脱脂がなされた構造体Ｓを加熱して造形材料を焼結する。なお、ステップＳ２１０の脱脂工程を実行した後においても構造体Ｓ及び支持体Ｔの樹脂成分などが残存していた場合でも、本ステップＳ２２０の焼結工程の実行に伴い該樹脂成分は除去される。ここで、本ステップＳ２２０の焼結工程は、三次元造形物の製造装置２０００とは別の装置を用いて行ってもよいが、三次元造形物の製造装置２０００などに高温に設定可能な恒温槽などを設けて三次元造形物の製造装置２０００などにおいて行ってもよい。そして、本ステップＳ２２０の焼結工程の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。
【００５７】
上記のように、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法の実施例においては、構造体Ｓの筐体部Ｓａと支持体Ｔとが同時に一体的に造形されていた。一方、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法の実施例においては、構造体Ｓの筐体部Ｓａと支持体Ｔとを別々の位置で形成し、その後、筐体部Ｓａに支持体Ｔを収容する。
【００５８】
次に、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法の実施例について説明する。なお、図１３のフローチャートと図１４のフローチャートとで同じステップナンバーの工程は同じ工程であるので、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法で説明したステップナンバーの工程についての説明は省略する。
【００５９】
図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法においては、ステップＳ１１０の造形データ入力工程で造形データを入力すると、該造形データに基づいて、ステップＳ１３０の支持体造形工程で支持体Ｔを造形するとともに、試料プレート１２１またはステージ１２０における支持体Ｔの造形位置とは異なる位置において、ステップＳ１５０の筐体部造形工程で構造体Ｓの筐体部Ｓａを造形する。ここで、ステップＳ１３０の支持体造形工程で造形される支持体Ｔは例えば図１６〜図１８で表される支持体Ｔに対応し、ステップＳ１５０の筐体部造形工程で造形される筐体部Ｓａは例えば図１５で表される筐体部Ｓａに対応する。
【００６０】
そして、ステップＳ１６０の筐体部データ終了有無判断工程で、三次元造形物の製造装置２０００の制御ユニット４００において、ステップＳ１１０で入力した造形データのうちの筐体部Ｓａに対応する筐体部データ及び支持体Ｔに対応する支持体データに基づく層５００の形成が全て終了したかどうかを判断する。層５００の形成が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１３０の支持体造形工程及びステップＳ１５０の筐体部造形工程に戻り、次の層５００を形成する。一方、層５００の形成が全て終了したと判断した場合、ステップＳ１７０の収容工程に進む。
【００６１】
ステップＳ１７０の収容工程では、筐体部Ｓａに支持体Ｔを収容する。なお、本ステップＳ１７０の収容工程では、作業者が手動で筐体部Ｓａに支持体Ｔを収容させてもよいが、三次元造形物の製造装置２０００に自動で筐体部Ｓａに支持体Ｔを収容させる自動収容機構を設け、該自動収容機構により筐体部Ｓａに支持体Ｔを収容させてもよい。なお、図１６〜図１８で表される支持体Ｔを図１５で表される筐体部Ｓａに収容させる場合、図１６で表される支持体Ｔにおける高密度の面を上面にすることで、後述する蓋部Ｓｂの層５００を造形する際に効果的に該層５００を支持できる。
【００６２】
次に、ステップＳ１８０の蓋部造形工程では、ステップＳ１７０の収容工程で支持体Ｔが収容された筐体部Ｓａに蓋部Ｓｂの層５００を造形する。
【００６３】
そして、ステップＳ１９０の蓋部データ終了有無判断工程で、三次元造形物の製造装置２０００の制御ユニット４００において、ステップＳ１１０で入力した造形データのうちの蓋部Ｓｂに対応する蓋部データに基づく層５００の形成が全て終了したかどうかを判断する。層５００の形成が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１８０の蓋部造形工程に戻り、次の層５００を形成する。一方、層５００の形成が全て終了したと判断した場合、ステップＳ２１０の脱脂工程に進む。
【００６４】
なお、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法においては、ステップＳ１５０の筐体部造形工程及びステップＳ１８０の蓋部造形工程が、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法におけるステップＳ１４０の構造体造形工程に対応している。
【００６５】
上記のように、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法は、金属粉末またはセラミックス粉末を含む造形材料で構造体Ｓを造形するステップＳ１４０の構造体造形工程と、樹脂を含む支持材料で構造体Ｓを支持する支持体Ｔを造形するステップＳ１３０の支持体造形工程と、構造体Ｓを支持している状態の支持体Ｔを脱脂するステップＳ２１０の脱脂工程と、を有している。
【００６６】
すなわち、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法においては、樹脂を含む支持材料で支持体Ｔを造形し、構造体Ｓを支持している状態の支持体Ｔを脱脂する。このため、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法を実行することで、支持体Ｔを脱脂することで構造体Ｓの形状が複雑になっても、支持体Ｔが除去できないという虞を低減できる。
【００６７】
また、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法は、ステップＳ１４０の構造体造形工程において筐体部Ｓａを造形し、筐体部Ｓａに支持体Ｔが収容された状態で蓋部Ｓｂを造形する。このため、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法を実行することで、蓋部Ｓｂを支持体Ｔで支持でき、三次元造形物の変形を抑制できる。なお、図２０で表される構造体Ｓは、蓋部Ｓｂで筐体部Ｓａが略密閉される形状となっているが、蓋部Ｓｂで筐体部Ｓａの一部を覆う構造の構造体Ｓを造形してもよい。また、蓋部Ｓｂで筐体部Ｓａが略密閉される形状となっている構造体Ｓを脱脂する場合でも、脱脂前のグリーン体である構造体Ｓを構成する金属粉末またはセラミックス粉末の隙間から支持体Ｔの樹脂などを除去できる。
【００６８】
また、上記のように、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法においては、筐体部Ｓａと支持体Ｔとが同時に一体的に造形される。別の表現をすると、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法は、ステップＳ１４０の構造体造形工程において筐体部Ｓａを造形しつつ、ステップＳ１３０の支持体造形工程により筐体部Ｓａに支持体Ｔが収容された状態となるよう支持体Ｔを造形する。このため、図１３のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法を実行することで、筐体部Ｓａを支持体Ｔで支持させつつ造形でき、筐体部Ｓａの変形を抑制できる。
【００６９】
また、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法は、ステップＳ１３０の支持体造形工程により造形された支持体Ｔを筐体部Ｓａに収容するステップＳ１７０の収容工程を有している。すなわち、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法を実行することで、ステップＳ１４０の構造体造形工程とステップＳ１３０の支持体造形工程とを独立して実行でき、このことで、最適な条件で構造体Ｓと支持体Ｔとを造形することができる。
【００７０】
また、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法は、ステップＳ１４０の構造体造形工程において筐体部Ｓａを造形しつつ、筐体部Ｓａの造形位置とは異なる位置においてステップＳ１３０の支持体造形工程により支持体Ｔを造形する。すなわち、図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法を実行することで、ステップＳ１４０の構造体造形工程とステップＳ１３０の支持体造形工程とを同時に進行でき、三次元造形物の製造効率を高くすることができる。ただし、このような三次元造形物の製造方法に限定されず、ステップＳ１３０の支持体造形工程を実行した後にステップＳ１４０の構造体造形工程を実行してもよいし、ステップＳ１４０の構造体造形工程を実行した後にステップＳ１３０の支持体造形工程を実行してもよい。
【００７１】
また、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法は、ステップＳ２１０の脱脂工程後に造形材料を焼結するステップＳ２２０の焼結工程を有している。すなわち、焼結工程を有する図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法を実行することで、金属粉末またはセラミックス粉末が焼結された高剛性の三次元造形物を造形できる。
【００７２】
また、図１３及び図１４のフローチャートで表される三次元造形物の製造方法におけるステップＳ２１０の脱脂工程は、支持体Ｔを加熱して気化させる工程である。支持体Ｔを加熱して気化させることで容易に脱脂ができる。
【００７３】
ただし、本発明の三次元造形物の製造方法は、このような脱脂工程に限定されない。例えば、脱脂工程として、支持体Ｔを溶剤により溶解させる工程を採用することもできる。支持体Ｔを溶剤により溶解させることで高い精度で脱脂ができる。
【００７４】
次に、本発明の三次元造形物の製造方法で使用可能な造形材料についての具体例を説明する。造形材料に含有可能な金属粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（マルエージング鋼、ステンレス（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）の粉末、これらの混合粉末を、用いることが可能である。
【００７５】
また、造形材料に含有可能なセラミックス粉末としては、例えば二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素などを好ましく使用可能である。
【００７６】
また、支持材料についての具体例を説明する。支持材料に使用可能な樹脂としては、例えば、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−アクリル酸エステル）、ＡＳＡ（アクリロニトリル−スチレン−アクリル酸エステル）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＥＰ（エポキシ）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＳ（ポリスチレン）、パラフィンワックス、その他熱可塑性樹脂も好ましく使用可能である。また、アクリルなどのような不飽和二重結合のラジカル重合を用いるタイプや、エポキシなどのカチオン重合を用いるタイプの紫外線硬化性樹脂を用いることもできる。
【００７７】
また、造形材料に含有可能なバインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオキシメチレン、ポリメチルメタクリレート、パラフィンワックスなどを好ましく使用可能である。さらには、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、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単独で或いは組み合わせて用いることができる。
【００７８】
また、造形材料及び支持材料は溶剤をさらに含んでいてもよく、好ましい溶剤としては、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）等のイオン液体等が挙げられ、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。
【００７９】
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。
【００８０】
例えば、図１の三次元造形物の製造装置２０００の代わりに、図２１で表される三次元造形物の製造装置１を用いて、本発明の三次元造形物の製造方法は実行されてもよい。三次元造形物の製造装置１は、ホッパー２、供給管３、フラットスクリュー４、バレル５、モーター６及び噴射部１０などで噴射ユニット２１を形成している。なお、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、構成材料を噴射する噴射ユニット２１を１つ備える構成であるが、材料Ｍを噴射する噴射ユニット２１を複数備える構成としてもよいし、支持材料を噴射する噴射ユニット２１を備えていてもよい。ここで、支持材料とは、材料Ｍの層を支持するための支持材料の層を形成するための材料である。
【００８１】
噴射ユニット２１から噴射されることで形成される層を載置するためのステージユニット２２を備えている。ステージユニット２２は、実際に層が載置される造形ステージとしての第１ステージ１２を備えている。第１ステージ１２は、第１駆動部１５を駆動することによりＹ方向に沿って位置を変更可能に構成されている。また、ステージユニット２２は、第１ステージ１２が載置され、第２駆動部１６を駆動することによりＸ方向に沿って位置を変更可能な第２ステージ１３を備えている。そして、ステージユニット２２は、第３駆動部１７を駆動することによりＺ方向に沿って第２ステージ１３の位置を変更可能な基体部１４を備えている。
【００８２】
フラットスクリュー４の底面と対向する位置には、バレル５が所定の間隔を有して設けられている。そして、バレル５の上面近傍には、ヒーター７及びヒーター８が設けられている。フラットスクリュー４とバレル５とがこのような構成をしていることにより、フラットスクリュー４を回転させることで、フラットスクリュー４の底面とバレル５の上面との間に形成される切欠き４ｂによる空間部分２０にペレット１９は供給され、円周面４ａから中央部分４ｃに移動する。なお、ペレット１９が切欠き４ｂによる空間部分２０を移動する際、ペレット１９は、ヒーター７及びヒーター８の熱により溶融すなわち可塑化され、また、狭い空間部分２０を移動することに伴う圧力で加圧される。こうして、ペレット１９が可塑化されることで流動性となった材料Ｍがノズル１０ａから噴射される。なお、噴射部１０は、材料Ｍをノズル１０ａから連続的に噴射することが可能な構成になっている。噴射部１０には、材料Ｍを所望の粘度にするためのヒーター９が設けられている。
【００８３】
また、図２１で表されるように、三次元造形物の製造装置１は、噴射ユニット２１の各種駆動及びステージユニット２２の各種駆動を制御する、制御ユニット１８と電気的に接続されている。
【符号の説明】
【００８４】
１…三次元造形物の製造装置、２…ホッパー、３…供給管、４…フラットスクリュー、
４ａ…円周面、４ｂ…切欠き、４ｃ…中央部分、５…バレル、６…モーター、
７…ヒーター、８…ヒーター、９…ヒーター、１０…噴射部、１０ａ…ノズル、
１２…第１ステージ、１３…第２ステージ、１４…基体部、１５…第１駆動部、
１６…第２駆動部、１７…第３駆動部、１８…制御ユニット（制御部）、
１９…ペレット、２０…空間部分、２１…噴射ユニット、２２…ステージユニット、
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ…構造体層構成部、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…支持体層、３１０…構造体層、
４００…制御ユニット、４１０…ステージコントローラー、
５００…層、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…支持材料供給装置、１７１０…支持材料供給ユニット、
１７１０ａ…支持材料収容部、１７２０…供給チューブ、１７３０…支持材料吐出部、
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、Ｓ…構造体、
Ｓａ…筐体部、Ｓｂ…蓋部、Ｔ…支持体
【図１】
2020196216.tif 000003
【図２】
2020196216.tif 000004
【図３】
2020196216.tif 000005
【図４】
2020196216.tif 000006
【図５】
2020196216.tif 000007
【図６】
2020196216.tif 000008
【図７】
2020196216.tif 000009
【図８】
2020196216.tif 000010
【図９】
2020196216.tif 000011
【図１０】
2020196216.tif 000012
【図１１】
2020196216.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2020196216.tif 000015
【図１４】
2020196216.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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