(57)【要約】【課題】造形容器と造形ステージとの間から造形材料が流出することを効果的に防ぐことが可能な技術を提供する。【解決手段】造形容器内で昇降可能な造形ステージ上に第１の粒子からなる粉末層を形成し、前記粉末層内に造形物を形成する３次元造形方法において、前記造形容器と前記造形ステージとの隙間に沿って前記第１の粒子の粒径よりも大きな粒径を有する第２の粒子が配置された前記造形ステージ上に、前記第１の粒子からなる粉末層を形成する工程を含み、前記第１の粒子の平均粒径をＲ１、前記第２の粒子の平均粒径をＲ２、前記造形容器と前記造形ステージとの間の隙間の距離をｄとすると、Ｒ１≦ｄ＜Ｒ２を満たす。【選択図】図１
2020200535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形容器内で昇降可能な造形ステージ上に第１の粒子からなる粉末を用いて造形物を形成する３次元造形方法において、
前記造形容器と前記造形ステージとの隙間に沿って前記第１の粒子の粒径よりも大きな粒径を有する第２の粒子が配置された前記造形ステージ上に、前記第１の粒子からなる粉末層を形成する工程を含み、
前記第１の粒子の平均粒径をＲ１、前記第２の粒子の平均粒径をＲ２、前記造形容器と前記造形ステージとの間の隙間の距離をｄとすると、以下の式（１）を満たす、
ことを特徴とする３次元造形方法。
Ｒ１≦ｄ＜Ｒ２・・・（１）
【請求項２】
前記Ｒ１、前記Ｒ２、前記ｄは、さらに以下の式（２）を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元造形方法。
Ｒ１≦ｄ≦Ｒ２／２・・・（２）
【請求項３】
前記３次元造形方法はさらに、前記粉末層に前記粉末層を結合させる液体を付与することによって前記粉末層内に前記造形物を形成する工程を有し、
前記液体は、平均粒径がＲ３であるナノ粒子を含み、
以下の式（３）を満たす、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元造形方法。
Ｒ３＜Ｒ１・・・（３）
【請求項４】
前記粉末層に前記液体を付与した後に、前記ナノ粒子の焼結温度以上または融点以上であり、かつ前記第１の粒子の融点未満および前記第２の粒子の融点未満である温度で、前記粉末層を加熱する工程を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の３次元造形方法。
【請求項５】
前記液体の溶媒は水である、ことを特徴とする請求項３または４に記載の３次元造形方法。
【請求項６】
前記液体は、インクジェット方式によって前記粉末層に付与される、ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の３次元造形方法。
【請求項７】
前記第１の粒子は、セラミックスからなる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の３次元造形方法。
【請求項８】
前記第１の粒子は、金属または前記第２の粒子とは異なるセラミックスからなる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の３次元造形方法。
【請求項９】
前記３次元造形方法はさらに、三次元モデルのスライスデータに応じて前記粉末層にエネルギービームを照射し、前記粉末層を固化する工程を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形物の３次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元の造形物（立体物）を造形する方法として、造形対象物である３次元モデルのスライスデータに従って造形材料を積層する積層造形法が注目されている。これまでは樹脂材料を用いた造形が主流であったが、最近では、金属やセラミックスなど、樹脂以外の造形材料を用いた造形を行う装置も増えてきている。そして、粉末材料を用いて粉末層を形成し、粉末結合手段を用いて造形断面層を形成し、その工程を繰り返すことで造形物を得る装置が主流となっている。
【０００３】
特許文献１には、基板上に粉末材料の薄層を形成した後にレーザで局所的に高温加熱を行い、粉末材料を焼結する、という工程を繰り返すことで造形物を得る方法が開示されている。また、特許文献２には、昇降可能な造形ステージ上に粉末層を形成した後、インクジェットにより粉末層に結合剤を塗布することで造形断面層を形成し、その工程を繰り返すことで造形物を得る方法が開示されている。これらの造形方法は、粉末材料を用いて造形ステージ上に粉末層を形成する点が共通しているが、造形ステージと造形容器との間を封止する方法については、各文献には記載されていない。特許文献３には、造形ステージ端部と造形容器の側壁との間から粉末材料が流出するのを防ぐため、造形ステージに可撓性材料からなるリングを設置して造形ステージ端部と造形容器の側壁との間を封止する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−３８２３７号公報
【特許文献２】特開２００５−８８４３２号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６６６８号公報
【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、造形開始前に行われる原点出しと呼ばれるキャリブレーション時や、造形中または造形終了後の終了動作時において、造形ステージを昇降させたときに、上記の方法では、封止材である可撓性材料が造形ステージの動作に合わせて変形する。この結果、造形ステージ端部と造形容器の側壁との間に可撓性材料が挟まり、可撓性材料が破損して粉末材料が流出したり造形ステージが造形容器と噛み合って移動できなくなったりする可能性がある。この現象を防ぐために造形ステージ端部と造形容器の側壁との間の距離をできる限り短くすることが考えられる。しかしながら、造形ステージが傾いた場合に造形ステージが造形容器と噛み合って移動できなくなる可能性がある。さらに、特許文献１に開示の方法のように粉末層を加熱する場合、可撓性材料としてゴムを使用すると、可撓性材料が劣化して破損や燃焼が誘発される結果、粉末材料が流出する可能性がある。
【０００６】
本件開示の技術は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、造形容器と造形容器内で昇降する造形ステージとの間から造形材料である粉末材料が流出することを効果的に防ぐ３次元造形方法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】
上記目的を達成するために、本件開示の技術である３次元造形方法は、
造形容器内で昇降可能な造形ステージ上に第１の粒子からなる粉末を用いて造形物を形成する３次元造形方法において、
前記造形容器と前記造形ステージとの隙間に沿って前記第１の粒子の粒径よりも大きな粒径を有する第２の粒子が配置された前記造形ステージ上に、前記第１の粒子からなる粉末層を形成する工程を含み、
前記第１の粒子の平均粒径をＲ１、前記第２の粒子の平均粒径をＲ２、前記造形容器と前記造形ステージとの間の隙間の距離をｄとすると、以下の式（１）を満たす、
ことを特徴とする。
Ｒ１≦ｄ＜Ｒ２・・・（１）
【発明の効果】
【０００８】
本件開示の技術によれば、造形物の造形時に、造形容器と造形ステージとの間から造形材料が流出することを効果的に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る造形装置を模式的に表す図である。
【図２】一実施形態に係る造形方法を模式的に表す図である。
【図３】一実施形態に係る造形方法を模式的に表す別の図である。
【図４】一実施形態に係る造形方法における粉末層の構造を模式的に表す図である。
【図５】一実施形態に係る造形方法を実行する装置を模式的に表す図である。
【図６】一実施形態における造形ステージと造形容器の隙間を模式的に表す図である。
【図７】一実施形態における隙間に入り込む粉末層の粒子を模式的に表す図である。
【図８】一実施例において隙間に配置される第２の粒子を模式的に表す図である。
【図９】一実施例における粒子の粒度分布を表す図である。
【図１０】一変形例における第２の粒子と隙間との関係を模式的に表す図である。
【図１１】一変形例における第２の粒子に生じる力を模式的に表す図である。
【図１２】一実施形態に係る造形装置を模式的に表す図である。
【図１３】一実施形態におけるステージと造形容器の隙間部分の一例を示す図である。
【図１４】一実施形態におけるステージと造形容器の隙間部分の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照しつつ、本件開示の技術の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置等は、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。特に図示あるいは記述をしない構成や工程には、当該技術分野の周知技術または公知技術を適用することが可能である。また、重複する説明は省略する場合がある。
【００１１】
本件開示の技術は、粒子状の材料（以下、母粒子と称する）を用いて立体的な造形物を作製する技術に関する。よって本件開示の方法は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）システム、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピングシステム等と呼ばれる３次元造形装置またはその制御方法、あるいは３次元造形方法として捉えられる。
【００１２】
（造形方法）
本実施形態に係る３次元造形方法には、下記の（工程１）〜（工程５）が含まれる。
（工程１）入力された造形モデルから、造形物の自重により生じる応力を算出し、その算出結果と記憶部に記憶されている強度情報とを用いてスライスデータを作成する工程
（工程２）第１の粒子を含む第１の粉末を用いて粉末層を形成する工程
（工程３）形成された粉末層内の造形部分にナノ粒子を付与する工程
（工程４）粉末層を焼結し、造形部分の第１の粒子どうしを固定する工程
（工程５）造形部分以外の第１の粒子を除去する工程
上記の（工程１）〜（工程５）を行うことにより、粉末層１層分の厚みを有するシート状（又は板状）の造形物を形成することができる。さらに、上記の（工程２）〜（工程３）を繰り返し、多数の粉末層を積層することで、３次元的な造形物を形成することができる。
【００１３】
（３次元造形装置）
図１は、一実施形態に係る３次元造形装置１を模式的に示す図である。３次元造形装置１は造形を行う造形部１０と、造形物情報である造形モデルのデータの入力を受け付ける入力部１１を有する。また、３次元造形装置１は、造形モデルのデータを解析して造形モデルのスライスデータを作成するスライスデータ生成部１２を有する。さらに、３次元造形装置１は、上記の工程を実行する際に使用される種々のデータを記憶する記憶部１３と、造形装置１の各部の動作を制御する制御部１４を有する。造形部１０、入力部１１、スライスデータ生成部１２、記憶部１３、制御部１４は、装置内の同一の筐体に収納されてもよいし、別々のユニットとして互いに接続されていてもよい。また、入力部１１、スライスデータ生成部１２、記憶部１３、制御部１４は、一体の処理部であってもよいし、別々の処理部であってもよい。
【００１４】
次に、３次元造形装置１によって実行される上記の各工程について説明する。
【００１５】
（工程１）
造形モデルの造形を開始する前に、３次元造形装置１の入力部１１が造形モデルの情報の入力を受け付ける。入力部１１は、造形モデルを示すデータを受け付けてもよい。そして、スライスデータ生成部１３は、造形モデルの３次元形状データに基づいて、造形モデルの造形における各層を形成するためのスライスデータを生成する。スライスデータの生成には、造形モデルの３次元形状データとして、３次元ＣＡＤ、３次元モデラ、３次元スキャナなどで作成されたデータが用いられ、例えば、ＳＴＬ（Stereolithography）ファ
イルなどを好ましく利用できる。スライスデータは、造形対象物の３次元形状を所定の間隔（厚み）でスライスして得られるデータであり、断面の形状、層の厚み、材料の配置、上記のナノ粒子の付与量などの情報を含むデータである。造形モデルの造形において形成される層の厚みは造形精度に影響するため、要求される造形精度や造形に用いる粒子の粒径に応じて層の厚みが決定されるとよい。また、工程３で付与するナノ粒子の量の情報は、例えばグレースケールの濃度で与えられてもよい。具体的には、当該情報は、最大濃度から最小濃度（非印字）までの濃度が２５６段階に分けられ、濃度とナノ粒子の付与量とが互いに関係付けられている情報である。
【００１６】
次に、図２Ａ〜図２Ｈ、図３Ａ〜図３Ｇ、図４を用いて、本実施形態の造形方法の各工程について説明する。図２Ａ〜図２Ｈ、図３Ａ〜図３Ｇは、本実施形態の造形方法の流れを模式的に示している。図２Ａ〜図２Ｈは、上記の（工程２）〜（工程４）を複数回繰り返した後に（工程５）を実行するシーケンスの一例を示す。また、図３Ａ〜図３Ｇは（工程２）と（工程３）を交互に複数回繰り返した後に（工程４）と（工程５）を実行するシーケンスの一例を示す。図４は、本実施形態の造形方法によって形成される第１の粒子２０の粉末層の構造を模式的に示す拡大図である。
【００１７】
（工程２）第１の粉末を用いて粉末層を形成する工程
工程２では、造形対象物のスライスデータに基づいて、第１の粒子２０を含む第１の粉末を用いて粉末層２１が形成される（図２Ａ、図３Ａ）。ここでは、複数の粒子の集合体
を「粉末」と称し、粉末を所定の厚さに均したものを「粉末層」と称し、複数の粉末層を積層したものを「積層体」と称する。工程２の段階では、粉末層２１を構成する個々の粒子２０は、互いに固定されていないが、粒子間に作用する摩擦力により粉末層２１の形態が保持される。
【００１８】
粉末層２１を形成する第１の粒子２０としては、例えば、金属粒子、セラミックス粒子などを使用することができる。具体的には、第１の粒子２０として使用可能な金属として、例えば、銅、錫、鉛、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、チタン、タンタル、鉄などが挙げられる。また、ステンレス合金、チタン合金、コバルト合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、クロム合金、シリコン合金、ジルコニウム合金などの金属合金を、第１の粒子２０として用いてもよい。また、炭素鋼など、金属に炭素などの非金属元素を添加したものを、第１の粒子２０として用いてもよい。
【００１９】
さらに、第１の粒子２０として、酸化物セラミックスを用いてもよいし、非酸化物セラミックスを用いてもよい。酸化物セラミックスとしては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ウラン、チタン酸バリウム、バリウムヘキサフェライト、ムライトなどの金属酸化物が挙げられる。また、非酸化物セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ホウ素、ホウ化チタンなどが挙げられる。さらに、非酸化物セラミックスとして、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ランタン、モリブデンシリサイド、鉄シリサイド、バリウムシリサイドなどが挙げられる。また、第１の粒子２０は、複数種類の金属の複合粒子や、複数種類のセラミックスの複合粒子であってもよい。
【００２０】
第１の粒子２０の平均粒径は、粉末層２１を良好に形成するために、凝集が起こらない程度の粒径にすることが好ましい。具体的には、第１の粒子２０の体積基準の平均粒径は、１μｍ以上５００μｍ以下の範囲から選択されるとよく、好ましくは、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲から選択されるとよい。第１の粒子２０の平均粒径が１μｍ以上であることで、粉末層２１の形成時における第１の粒子２０の凝集が抑えられ、欠陥の少ない粉末層２１の形成が可能になる。また、第１の粒子２０の平均粒径が１００μｍ以下であることで、粉末層２１に含まれる空隙のサイズが小さくなり、焼結工程において造形物の強度を所望の強度とすることができる。なお、第１の粒子２０の平均粒子径が５００μｍより大きいと、造形物の表面が粗くなり、高精度な造形物を造形できない可能性がある。
【００２１】
第１の粒子２０の平均粒径の測定は、レーザ回折／散乱式粒径分布測定装置ＬＡ−９５０（ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて乾式で測定することができる。測定データのサンプリングは、透過率を９５〜９９％の範囲とし、データ取り込み回数は１００００回とする。そして、当該装置によって得られる測定結果から、第１の粒子２０の体積基準の平均粒径を算出することができる。
【００２２】
粉末層２１の形成は、例えば、特開平８−２８１８０７号公報に開示されているように、上方開口したコンテナと、コンテナの内部に設定された昇降可能な支持体と、ワイパーを備えた材料供給装置とを用いて形成することができる。具体的には、支持体の上面をコンテナの上縁より一層の厚さ分だけ下方となる位置に制御し、材料供給装置により平板上に材料を供給した後、ワイパーによって材料を平坦化することで１層分の粉末層２１を形成することができる。あるいは、平面（ステージ又は作製中の造形物の表面）上に第１の粉末を供給し、層厚規制手段（例えばブレードなど）で粉末の表面を均すことにより、所望の厚さの粉末層２１を形成することができる。さらに、形成された粉末層２１を、加圧手段（例えば加圧ローラ、加圧板など）で加圧してもよい。粉末層２１を加圧することによって粒子間の接触点数が増加し、造形物の欠陥が形成されにくくすることができる。ま
た、粉末層２１内の第１の粒子２０が、加圧によってより緻密に存在することとなり、後段の（工程３）及び（工程４）の処理中に、第１の粒子２０の移動、すなわち粉末層２１の形態が崩れることが抑制され、形状精度の高い造形物を作製することができる。
【００２３】
（工程３）粉末層のうちの造形部分に、ナノ粒子を付与する工程
工程３では、造形対象物（三次元モデル）のスライスデータに基づいて、粒子付与装置によって粉末層２１内の造形部分Ｓに、ナノ粒子３０として平均粒径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の粒子粉末を付与する（図２Ｂ、図３Ｂ）。粒子付与装置は、気流によって粒子粉末を付与する方法でもよいし、ナノ粉末３０を分散した液体３２を付与する方法であってもよい。そして、後述するように、粒子付与装置が液体３２によってナノ粉末３０を付与する場合は、第１の粒子２０どうしの接触部分にナノ粒子３０を集積させられるメリットが得られる。ここで「造形部分Ｓ」とは、造形対象物の断面に対応する領域（つまり、粉末層２１内の、粉末を固めて造形物として取り出すべき部分）を意味する。なお、造形部分Ｓ以外の領域（つまり、最終的には粉末が除去されるべき部分）は「非造形部分Ｎ」と称する。
【００２４】
ナノ粒子３０は、少なくとも、第１の粒子２０よりも低い温度及び／又は短い時間で焼結及び溶融が可能な粒子である。よって、第１の粒子２０を含む第１の粉末とナノ粒子３０を含む第２の粉末の混合粉末を加熱する場合、第１の粉末の少なくとも一部の第１の粒子２０どうしは焼結（溶融も）せず、第２の粉末のナノ粒子３０どうしが焼結または溶融する、加熱条件が設定できる。ここで加熱条件には、加熱温度や加熱時間が含まれる。また、第１の粉末と第２の粉末の混合粉末を加熱する場合、第１の粒子２０どうしは容易に解砕され、ナノ粒子３０どうしは焼結して容易には解砕されない、という加熱条件が設定できるように、ナノ粒子３０の特性が選択されているということもできる。
【００２５】
ここで「焼結」とは、粒子どうしが接触する状態で粉末を融点以下の温度で加熱し、粒子どうしを固定（結合）させる処理をいう。また、「焼結しない」ことには、粒子どうしが、固定していない状態、および、弱い力で固定されており、弱い力で固定されている粒子間の境界が電子顕微鏡で確認できる状態が含まれる。
【００２６】
また、本実施形態の造形方法においては、第２の粉末に含まれるナノ粒子３０どうしが焼結または溶融する温度で加熱することで、ナノ粒子３０によって造形部分Ｓ内の第１の粒子２０どうしを固定した後に、非造形部分Ｎ内の第１の粉末を取り除く。
【００２７】
平均粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下のナノ粒子３０を含む第２の粉末を用いることは、第２の粉末の焼結または溶融開始温度を第１の粉末の焼結開始温度に比べて十分に小さくする効果がある。これは、粒子径が小さくなることで、粒子どうしが接触している状態での自由エネルギーが高くなるためである（粒子サイズ効果）。
【００２８】
第２の粉末に含まれるナノ粒子３０の平均粒子径は、さらに好ましくは、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。ナノ粒子３０の平均粒子径が２００ｎｍ以下であることで、焼結温度が低下するだけでなく、液体４０（以下、「ナノ粒子分散液」と呼ぶ場合がある）中でのナノ粒子３０の分散性が向上し、液体４０を付与する際の均一性が向上するため好ましい。
【００２９】
第１の粒子２０の平均粒子径Ｒ１とナノ粒子３０の平均粒子径Ｒ３との関係は、以下の式（２）を満たす。
Ｒ３＜Ｒ１・・・（２）
これにより、ナノ粒子３０が第１の粒子２０どうしの間隙に充填され、ナノ粒子３０による第１の粒子２０どうしの固定が促進される効果が期待できる。
【００３０】
ナノ粒子３０の平均粒子径は、液体４０の付与時にナノ粒子３０が第１の粒子２０どうしの間隙に入り込むことができる程度に設定するとよい。
【００３１】
ナノ粒子３０としては、金属粒子、セラミックス粒子などを使用することができる。ナノ粒子３０として使用可能な金属としては、例えば、銅、錫、鉛、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、チタン、タンタル、鉄などが挙げられる。また、ステンレス合金、チタン合金、コバルト合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、クロム合金、シリコン合金、ジルコニウム合金などの金属合金を、ナノ粒子３０として用いてもよい。また、炭素鋼など金属に炭素などの非金属元素を添加したものを、ナノ粒子３０として用いてもよい。
【００３２】
また、ナノ粒子３０としては、酸化物セラミックスを用いてもよいし、非酸化物セラミックスを用いてもよい。酸化物セラミックスとしては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ウラン、チタン酸バリウム、バリウムヘキサフェライト、ムライトなどの金属酸化物が挙げられる。非酸化物セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ホウ素、ホウ化チタンなどが挙げられる。さらに、非酸化物セラミックスとして、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ランタン、モリブデンシリサイド、鉄シリサイド、バリウムシリサイドなどが挙げられる。また、ナノ粒子３０は、複数種類の金属の複合粒子や、複数種類のセラミックスの複合粒子であってもよい。
【００３３】
ナノ粒子３０は、第１の粒子２０と少なくとも１種類の同じ成分を含有することが好ましい。同じ成分を含有することで、ナノ粒子３０の焼結時にナノ粒子３０の表面と第１の粒子２０の表面とが結合しやすくなり、より強固に第１の粒子２０を固定することができる。さらには、ナノ粒子３０が、第１の粒子２０に含有されている成分を主成分として構成されていることがより好ましい。最終的な造形物は、第１の粒子２０とナノ粒子３０の混合物になる。したがって、ナノ粒子３０が第１の粒子２０と同じ成分（材料）で構成されていれば、造形物内の不純物の量が少なくなり、造形物の材質が均質化されるので、造形物の強度や品質を向上することができる。例えば、第１の粒子２０が鉄を含有するステンレス合金である場合、ナノ粒子３０としては鉄粒子や酸化鉄粒子などを好適に使用できる。
【００３４】
液体４０を粉末層２１に付与する工程と後述する（工程４）との間に、粉末層２１に付与された液体４０を乾燥させる工程を設けてもよい。さらに、液体４０を乾燥させる工程は、粉末層２１の１層ごとに行うのが好ましい。液体４０の乾燥が進むにつれて徐々に濃縮される液体４０が、その表面張力によって、第１の粒子２０間の粒界に集まる。また、液体４０中のナノ粒子３０は液体４０の移動に伴い、選択的に第１の粒子２０間の粒界に集まり、凝集する。この乾燥工程の結果として、第１の粒子２０の粒界にナノ粒子３０が集積することによって、後述するナノ粒子３０の焼結時に第１の粒子２０どうしを効率的にかつ強固に固定することができる。液体４０を乾燥する際には、液体４０の濃度や粉末層２１への付与量などに応じて最適な温度、時間などの乾燥条件が選択されてよい。
【００３５】
また、液体４０の均一性を増すために、液体４０に溶媒を添加してもよい。具体的な溶媒としては、水溶媒、有機溶媒若しくは水溶媒と有機溶媒の混合溶媒を用いることができる。水溶媒としては、純水等を用いることができる。また、有機溶媒としては、メタノールやエタノール等のアルコール、メチルエチルケトン、アセトン、アセチルアセトン等のケトン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素等を用いることができる。液体４０に溶媒を添加すると、液体４０の乾燥時に適切な速度で溶媒の蒸発が行われるため、ナノ粒子３０の分散ムラを発生しにくくする効果が期待できる。
【００３６】
また、液体４０中のナノ粒子３０の分散性を制御するために、液体４０に添加剤を適宜添加することもできる。液体４０は、必要に応じて顔料などの機能性物質を含んでいてもよい。
【００３７】
また、液体４０は、粉末層２１の粒子を固定するための結合剤を含んでもよい。結合剤としては既存の物質が使用可能であるが、後述する（工程４）の加熱処理によって分解される物質が好ましい。結合剤が加熱により分解されることで、（工程４）までは造形部分Ｓ内の第１の粒子２０及び／又は造形部分Ｓ内のナノ粒子３０を固定しながらも、（工程４）で結合剤を除去できるため、結合剤が造形物中の不純物となりにくい。具体的な結合剤としては、樹脂材料や水溶性炭水化物が挙げられる。結合剤は、液体４０に溶解することが好ましい。
【００３８】
また、結合剤の付与工程と液体４０の付与工程とをそれぞれ別工程とし、（工程３）と（工程４）との間に、粉末層２１に対する結合剤の付与工程を設けてもよい。この場合、結合剤は、造形部分Ｓまたは／および非造形部分Ｎに付与することができる。結合剤を付与することにより、第１の粒子２０を仮固定することができ、次の粉末層２１の形成がより容易に行えることが期待できる。
【００３９】
また、結合剤の付与方法としては、液体に結合剤を溶かした液体結合剤を、液体付与装置を用いて付与する方法が好ましい。液体結合剤には、樹脂材料を溶剤に溶かした樹脂溶液、水溶性物質を水に溶かした溶液などを用いることができる。
【００４０】
ナノ粒子３０を分散させた液体４０と結合剤を含有する液体とを分けて粉末層２１に付与すると、それぞれの液体の付与装置を、付与する液体に応じて独立して最適化することができ、付与装置の耐久性が高まる効果が期待できる。
【００４１】
粉末層２１に付与された結合剤は、（工程３）においては第１の粒子２０及び／又は造形部分Ｓ内のナノ粒子３０の固定に寄与し、（工程４）における加熱処理によって分解され除去される。したがって、造形部分Ｓ内に付与された結合剤は、（工程３）の間は造形物の形状を保持し、（工程４）において、熱によって分解され、その分解物が第１の粒子２０どうしの隙間を移動して除去される。その結果、結合剤が造形物中の不純物として残りにくく、非造形部分Ｎ内の第１の粒子２０の除去も容易である。結合剤の残留が生じないように結合剤の種類及び量を決定することが好ましい。
【００４２】
液体４０あるいは結合剤を含有する液体の付与に用いる液体付与装置としては、粉末層２１の所望の位置に所望の量で液体あるいは結合剤を含有する液体を付与できる装置であれば、任意の装置が使用されてよい。液体付与装置としては、液量や配置位置が精度よく制御可能な点から、インクジェット方式によって液体を粉末層に付与するインクジェット装置が好ましく使用できる。ナノ粒子３０の分散液である液体４０と結合剤を含有する液体とを分けて付与する場合は、それぞれの液体を吐出するノズルが設けられたヘッドを有するインクジェット装置が用いられるとよい。そして、当該インクジェット装置において、造形部分Ｓへの液体４０の付与と結合剤を含有する液体の付与を一度に行う構成が採用されてもよい。
【００４３】
インクジェット装置によってそれぞれの液体を吐出する場合には、液体４０の粘度は適切な値とすることが必要であり、５０ｃＰ以下が好ましく、より好ましくは２０ｃＰ以下である。一方で、第１の粒子２０間に液体４０を速やかに拡散させるため、また乾燥時に液体４０を第１の粒子２０間に凝集させるために、液体４０の粘度を適切な値とする必要があり、２０ｃＰ以下であると、流体４０の吐出をより制御しやすくなる効果が期待でき
る。
【００４４】
造形物の体積密度を上げて強度をより高めるためには、液体４０中のナノ粒子３０の体積濃度は、上記の液体４０の粘度の範囲内において、より高い濃度であることが好ましい。しかしながら、液体４０を乾燥する過程において、第１の粒子２０間の接触点近傍にナノ粒子３０を集積させやすくする観点では、液体４０の体積濃度は低い方が望ましい。以上を踏まえると、液体４０の体積濃度は、５０ｖｏｌ％以下であることが好ましく、より好ましくは３０ｖｏｌ％以下である。体積濃度が５０ｖｏｌ％以下であることで、液体４０の乾燥時において、第１の粒子２０間にナノ粒子３０が集積しやすくなり、より効率よく第１の粒子２０の固定を行える効果が期待できる。
【００４５】
ここで、液体４０の付与を複数回に分けて行うことで、粉末層２１中のナノ粒子３０の濃度を制御することもできる。この場合、液体４０の付与が行われる度に乾燥処理を行うと、非造形部分Ｎへの液体４０の移動をより効果的に防止することができるため好ましい。
【００４６】
（工程４）第２の粉末を焼結または溶融し、造形部分の第１の粒子どうしを固定する工程
本工程では、第２の粉末が焼結または溶融する条件にて粉末層２１を加熱することで、焼結または溶融するナノ粒子３０によって、造形部分Ｓ内の第１の粒子２０どうしを固定する（図２Ｃ、図２Ｆ、図３Ｆ）。
【００４７】
図２Ｃ、図２Ｆの符号２３は、本工程において粒子どうしが固定された領域を示している。図２Ａ〜図２Ｈに示される一連の造形プロセスでは、（工程２）から（工程４）、すなわち、図２Ｄ〜図２Ｆを繰り返し、造形部分Ｓ内の粒子を固定しながら粉末層を積層することで、造形物を内部に含む積層体２４が形成される。また、図３Ａ〜図３Ｇに示される一連の造形プロセスでは、（工程２）と（工程３）、すなわち、図３Ｃ〜図３Ｄを繰り返し、造形部分Ｓ内にナノ粒子３０が付与された粉末層を積層したのち、複数の粉末層からなる積層体２６をまとめて加熱する。この造形プロセスでも、図２Ｇと同じように、造形物を内部に含む積層体２４が形成される。なお、積層体２６を加熱する前に、積層体２６を加圧する工程を設けてもよい。積層体２６を加圧することによって、第１の粒子２０間の接点数が増加し、加熱時の粒子間結着が効率よく進行する効果が期待できる。また、ナノ粒子３０の融点は、第１の粒子２０の融点および後述する第２の粒子５０の融点よりも低い。そして、本工程における加熱条件を、ナノ粒子３０の焼結温度以上または融点以上、かつ第１の粒子２０の融点未満および第２の粒子５０の融点未満に設定することで、ナノ粒子３０が付与された部分のみ第１の粒子２０どうしを連結して固定することができる。
【００４８】
加熱時の雰囲気は材料の種類に応じて任意に定めることができる。例えば金属の場合、Ａｒ、Ｎ２などの不活性ガスや、水素ガス雰囲気、真空雰囲気などの酸素が少ない雰囲気で加熱することが、焼結時の金属の酸化を抑えることができるため好ましい。
【００４９】
また、（工程４）の工程では、有機成分および樹脂成分を、それらの周囲に第１の粒子２０が存在する状況下で、熱によって除去することができるため、造形物の形状を維持しながら、造形物中の残炭素成分を減らすことができる。特に、造形物中に厚さが異なる造形形状が混在する場合でも、造形物内の有機成分および樹脂成分を除去することができるため、造形物の形状の自由度が高まる効果が期待できる。
【００５０】
（工程５）造形部分以外の第１の粒子を除去する工程
本工程では、（工程４）で得られた積層体２４から造形部分Ｓ以外の粉末を除去し、造形物２５を得る（図２Ｆ、図３Ｇ）。積層体２４から不要な粉末を除去する方法としては
、公知の方法含め、任意の方法が採用されてよい。例えば、洗浄、エアー吹付、吸引、加振、ブラシ等による物理的除去方法などが挙げられる。
【００５１】
上述した通り、粒子サイズ効果によって第１の粉末よりも第２の粉末の方が焼結もしくは溶融の開始温度が低い。このため、適切な焼結温度および焼結時間を選択することで、除去対象となる粉末に含まれる第１の粒子２０は固定されていないか、固定されていたとしても造形部分Ｓと比較して弱く固定されており、不要な粉末の除去が容易に行うことができる。また、本工程において除去された粉末は回収して、造形材料として再利用することもできる。
【００５２】
上述した（工程２）〜（工程５）は本実施形態の造形方法のうちの基本的な工程を例示するものにすぎず、本件開示の技術の適用範囲は上述した内容に限定されるものではない。上述した各工程の具体的な処理内容を適宜変更したり、上述した各工程以外の工程を追加したりすることができる。
【００５３】
例えば、（工程５）の後に、（工程４）における加熱温度よりも高い温度で造形物２５を加熱する工程を設けてもよい。このような追加の加熱処理を行うことで、造形物２５を構成する粒子の密度をさらに高めることができる。この追加の工程では、第１の粒子２０が焼結する条件（加熱温度、加熱時間など）で造形物２５を加熱してもよい。第１の粒子２０どうしを焼結させることにより、造形物２５の特性を向上させて、強度をより高めることができる。
【００５４】
また、上記の（工程１）〜（工程５）では、ナノ粒子３０を用いて第１の粒子２０どうしを固定する。ただし、ナノ粒子３０を用いる代わりに、例えば液状のエポキシ樹脂や紫外線硬化樹脂、あるいは樹脂を有機溶媒に溶解させた樹脂溶液を付与し、樹脂成分を固化させることで第１の粒子２０どうしを固定してもよい。あるいは、レーザ等によって粉末層２１の第１の粒子２０を直接加熱して、第１の粒子２０を溶融することで第１の粒子２０どうしを固定してもよい。
【００５５】
（粒子の製造方法）
第１の粒子２０及びナノ粒子３０は、公知の方法を含む、任意の方法によって製造されてよい。例えば、第１の粒子２０および／またはナノ粒子３０としての金属粒子の製造方法には、略球形の粒子を得ることができる点で、ガスアトマイズ法や水アトマイズ法が好ましく用いられる。また、第１の粒子２０および／またはナノ粒子３０としてのセラミックス粒子の製造方法には、略球形の粒子を得ることができる点で、ゾルゲル法などの湿式での製法が好ましく用いられる。また、セラミックス粒子の製造方法として、高温の気中で液化させた金属酸化物を冷却し固化させる乾式での製法も好ましく用いられる。
【００５６】
（実施例１）
次に、上記の実施形態における製造方法の具体的な実施例について説明する。
【００５７】
＜３次元造形装置＞
本実施例に係る造形方法は、例えば図５に示すような３次元造形装置１００を用いて実施できる。３次元造形装置１００は、造形容器１１０と第１の粒子供給装置１２１、第２の粒子供給装置１２２、粉末平坦化ローラ１２３、ナノ粒子分散液を塗布する塗布装置１２４を備える。造形容器１１０は側壁１１１と、搬送モータ１１３により昇降可能な造形ステージ１１２からなる。造形容器１１０は、３次元造形装置１００に対して着脱可能であってもよい。
【００５８】
＜造形容器＞
図６に示すように、造形ステージ１１２は矢印１１２ｂが示す方向に昇降する。そして、造形ステージ１１２の端部１１２ａと側壁１１１との間には、造形ステージ１１２の昇降のために距離ｄの間隙１１５が設けられる。距離ｄは、５０μｍ以上１ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。距離ｄが５０μｍよりも短くなると、造形ステージ１１２がわずかに傾いただけで造形ステージ１１２と側壁１１１とが接触し、造形ステージ１１２が昇降できなくなる可能性がある。一方、距離ｄが１ｍｍよりも長くなると、粉末平坦化ローラ１２３によって造形ステージ１１２上の粒子が均される際に、造形ステージ１１２が、粉末平坦化ローラ１２３からの垂直方向下向きの力を受けて傾く可能性がある。この結果、造形ステージ１１２上にける粉末層２０１の積層を安定して行うことができない可能性がある。
【００５９】
＜第２の粒子の配置＞
第１の粒子２０の粒径が上述の間隙１１５の距離ｄよりも小さい場合、図７Ａのように第１の粒子２０は、間隙１１５を通って造形容器１１０の外側に流出し、造形ステージ１１２上の粉末層に欠陥が生じる可能性がある。また、第１の粒子２０の粒径が上述の間隙１１５の距離ｄよりも小さい場合、図７Ｂのように間隙１１５において第１の粒子２０が詰まって、造形ステージ１１２が昇降できなくなる可能性もある。
【００６０】
そこで本実施例では、造形ステージ１１２上における粉末層の積層中において、第１の粒子２０が間隙１１５に入り込むことを防ぐため、隙間１１５に第１の粒子２０の粒径よりも大きな粒径を有する第２の粒子５０を配置する。具体的には、図８に示すように、第１の粒子２０を含む１層目の粉末層２１が形成される前に、粒径が第１の粒子２０よりも相対的に大きく、かつ間隙１１５の距離ｄよりも大きい第２の粒子５０を配置する。第２の粒子５０が第１の粒子２０よりも相対的に大きいとは、図９Ａに示すように、粒子の体積を基準とした平均粒子径（図中「粒子径」）で比較したときに、第１の粒子２０の平均粒子径Ｒ１よりも第２の粒子５０の平均粒子径Ｒ２の方が大きいことを意味する。そして、造形終了後に非造形部分Ｎの第１の粒子２０と第２の粒子５０を分級して再利用する観点から、図９Ｂのように第１の粒子２０の粒度分布と第２の粒子５０の粒度分布とは、互いに重ならない程度に離れていることが好ましい。
【００６１】
次に、間隙１１５の距離ｄと第２の粒子５０の平均粒子径Ｒ２の関係について説明する。以下の説明において、上記の通り第１の粒子２０の平均粒子径Ｒ１と隙間１１５の距離ｄの関係が、以下の式（３）を満たす。また、以下の説明において、粒子の平均粒子径を粒径と称する。
Ｒ１≦ｄ・・・（３）
【００６２】
図１０Ａは、間隙１１５の距離ｄと第２の粒子５０の粒径Ｒ２の関係が、以下の式（４）を満たす場合を示す。
ｄ≧Ｒ２・・・（４）
【００６３】
図１０Ａに示す場合では、第２の粒子５０が間隙１１５を通過することができるため、第２の粒子５０によって第１の粒子２０が間隙１１５に入り込むことを防ぐことはできない。
【００６４】
次に、図１０Ｂは、間隙１１５の距離ｄと第２の粒子５０の粒径Ｒ２の関係が、以下の式（５）および式（６）を満たす場合を示す。
ｄ＜Ｒ２・・・（５）
Ｒ２／２＜ｄ・・・（６）
【００６５】
図１０Ｂに示す場合では、第２の粒子５０は、間隙１１５に入り込むものの、間隙１１
５を通過することはできず、造形ステージ１１２上に留まって間隙１１５を塞ぐことができる。この結果、第２の粒子５０によって第１の粒子２０が間隙１１５に入り込むことを防ぐことができる。
【００６６】
次に、図１０Ｃは、間隙１１５の距離ｄと第２の粒子５０の粒径Ｒ２の関係が、以下の式（７）を満たす場合を示す。
ｄ≦Ｒ２／２・・・（７）
【００６７】
図１０Ｃに示す場合では、第２の粒子５０は、間隙１１５に入り込むことができない。このため、図１０Ｂの場合よりも第２の粒子５０が造形ステージ１１２の昇降を阻害する可能性が低く、よりスムーズな造形ステージ１１２の昇降が実現できるといえる。
【００６８】
なお、本実施形態では一例として、間隙１１５の距離ｄは２５０μｍとし、第２の粒子５０として以下の高純度アルミナボール（アズワン株式会社製）のいずれかを用いる。
・粒径２００μｍ（ＡＬ９−０．２）
・粒径３００μｍ（ＡＬ９−０．３）
・粒径５００μｍ（ＡＬ９−０．５）
【００６９】
また、第２の粒子５０の材料は、後述する第１焼結工程において軟化・焼結しない程度の耐熱性を有する材料であることが好ましい。また、第２の粒子５０として樹脂やゴムなどの可撓性材料を用いると、造形ステージ１１２の昇降時に、造形容器１１０の側壁１１１と第２の粒子５０の間に生じる摩擦力によって第２の粒子５０が変形する。この結果、第２の粒子５０が造形容器１１０の側壁１１１と造形ステージ１１２の間に挟まり、造形ステージ１１２が昇降できなくなる可能性がある。以上の観点から、第２の粒子５０としてセラミックスが好適である。
【００７０】
＜第一の粒子＞
本実施形態における第１の粒子２０として、ＳＵＳ３１６Ｌのガスアトマイズ粉末（ＬＰＷ社、ＬＰＷ−３１６−ＡＡＡＶ、平均粒径３０μｍ）を用いた。
【００７１】
＜ナノ粒子分散液＞
鉄ナノ粒子（シグマアルドリッチ社、平均粒径２５ｎｍ）５．０ｇをエタノール（特級キシダ化学社製）４５．０ｇ中に分散させ、ナノ粒子分散液を得た。得られたナノ粒子分散液中の鉄ナノ粒子の体積濃度は１．１ｖｏｌ％であった。溶液Ａの粘度は１．２ｃＰであった。
【００７２】
＜造形物作成工程＞
図５に示す３次元造形装置１００は、第２の粒子供給装置１２２から造形ステージ１１２に第２の粒子５０を供給し、粉末平坦化ローラ１２３によって均一に均し、第２の粒子層３０１を形成する。その後、３次元造形装置１００は、造形ステージ１１２を１層分下降させ、第１の粒子供給装置１２１から第１の粒子２０を、造形ステージ１１２の第２の粒子層３０１の上に供給する。そして、３次元造形装置１００は、粉末平坦化ローラ１２３によって供給された第１の粒子２０を均一に均すことで粉末層２０１を形成する。さらに、３次元造形装置１００は、塗布装置１２４によって、粉末層２０１の造形部分にナノ粒子分散液を塗布する。ナノ粒子分散液の塗布後、３次元造形装置１００は、造形ステージ１１２を１層分下降させ、再び粉末層２０１を形成し、以降上記した工程を繰り返すことで積層体を形成する。
【００７３】
ここで、第２の粒子５０の粒径に応じた積層安定性の評価結果を以下の表に示す。なお、以下の表において、第２の粒子５０の間隙１１５での挟まり（詰まり）に関するそれぞ
れの記号の意味は、次の通りである。
○：詰まりは生じず、造形ステージ１１２は安定して昇降できる
△：詰まりは生じず、造形ステージ１１２の昇降が不安定になる場合がある
×：詰まりが生じることがあり、造形ステージ１１２の昇降が行えない場合がある
【００７４】
また、以下の表において、粉末層２０１の粉末の造形容器１１０外への流出に関するそれぞれの記号の意味は、次の通りである。
○：粉末の流出は生じず、粉末層２０１に対して安定して造形断面層を形成できる
×：粉末の流出が生じ、粉末層２０１に対して造形断面層を形成できない場合がある 
【００７５】
【表１】
2020200535.tif 000003
【００７６】
ここで、表１における条件２と条件３について説明する。図１１Ａ、図１１Ｂは、それぞれ条件２、条件３において造形ステージ１１２の上昇時に第２の粒子５０に生じる力を示すものである。
【００７７】
図１１Ａに示すように、間隙１１５の距離ｄと第２の粒子５０の粒径Ｒ２の関係が、上記の式（５）および式（６）を満たす場合、第２の粒子５０の一部が間隙１１５に入り込む。このため、造形ステージ１１２の上昇時に、第２の粒子５０には水平方向に働く力（図中、力Ｆの水平成分）が生じる。これにより第２の粒子５０と側壁１１１との間に生じる摩擦力fが大きくなり、摩擦力ｆは、造形ステージ１１２の上昇方向とは反対の向きに
生じる。そして、摩擦力ｆが造形ステージ１１２の上昇を妨げるように働き、造形ステージ１１２の上昇が不安定になる可能性がある。
【００７８】
一方、図１１Ｂに示すように、間隙１１５の距離ｄと第２の粒子５０の粒径Ｒ２の関係が、上記の式（７）を満たす場合、造形ステージ１１２の上昇時に第２の粒子５０には水平方向の力は生じない。これにより、第２の粒子５０と側壁１１１との間に生じる摩擦力ｆ’が小さくなる。このため、図１１Ａの場合（条件２）に比べて図１１Ｂの場合（条件３）は、より安定した造形ステージ１１２の上昇が可能となる。
【００７９】
＜第１焼結工程＞
上記の造形物作成工程で得られる非造形部分Ｎを含む積層体を、６５０℃１時間の条件で加熱処理する。加熱処理における雰囲気は窒素雰囲気とし、焼結中の酸素分圧が１０−４ａｔｍＯ２となるように調整する。
【００８０】
＜取出し工程＞
上記の第１焼結工程の後、エアー吹付によって積層体から非造形部分Ｎを除去し、造形物Ａを得る。
【００８１】
＜第２焼結工程＞
上記の取出し工程で得られた造形物Ａを上記の電気炉内にて窒素雰囲気下、酸素濃度１０−８ａｔｍＯ２の条件で１３００℃、１時間の焼結を行い、最終造形物を得た。 
【００８２】
第２焼結工程により、第１の粒子２０どうしを焼結させることができるため、第１焼結工程で得られる造形物Ａにおける第１の粒子２０の密度をさらに高めることができる。第２焼結工程における加熱温度（Ｔ２）は、第１焼結工程における加熱温度（Ｔ１）よりも高い温度に設定される。
【００８３】
以上、本件開示の技術によれば、造形容器１１０の側壁１１１と造形ステージ１１２との間の最短距離よりも粒径が大きい第２の粒子５０を造形ステージ１１２と第１の粒子２０によって形成される粉末層２０１との間に介在させる。これにより、造形ステージ１１２の昇降時に、造形ステージ１１２の端部１１２ａと造形容器１１０の側壁１１１との隙間１１５に第１の粒子２０が入り込んだり、第１の粒子２０が隙間１１５を通って造形容器１１０外に流出したりすることを防ぐことができる。また、上記の実施形態では、造形終了後に焼結工程が行われるが、本件開示の技術では、焼結工程の代わりに、例えば焼結方法としてレーザによる積層体の加熱工程が採用されてもよい。この場合、第２の粒子５０としてゴムや樹脂のような耐熱性の低い材料を用いると、加熱時に第２の粒子５０の溶融や燃焼が誘発される結果、第１の粒子２０が隙間１１５を通って造形容器１１０外に流出する可能性がある。したがって、このような加熱工程においても、上記の実施形態と同様に第２の粒子５０としてゴムや樹脂よりも耐熱性の高いセラミックスを用いることで、造形容器内における安定した造形ステージの昇降を実現することができる。
【００８４】
以上、第１の粉末にナノ粒子を付与し、ナノ粒子をどうしが焼結または溶融する温度で加熱することで、ナノ粒子を介して第１の粉末に含まれる第１の粒子どうしを連結して固定する実施形態について説明してきたたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１の第１の粒子どうしを、ナノ粒子を含まない樹脂バインダで固定しながら造形し、その後樹脂バインダを脱脂するとともに第１の第１の粒子どうしを固定する造形方法にも好適に用いることができる。
【００８５】
他にも、三次元モデルのスライスデータに応じて、エネルギービームを粉末層に照射し、粉末層を溶融および凝固させながら固化して造形する、粉末床溶融結合法にも本発明を好適に用いることができる。図１２に粉末床溶融法に用いられる装置の概要を示す。
【００８６】
造形装置２００は、ガス導入機構２１３、および排気機構２１４により、内部の雰囲気を制御することのできるチャンバー２５０を有している。チャンバー２５０の内部には、立体物を造形するための造形容器２２０と、造形材料である原料粉末（以下、単に造形材料もしくは粉末と記述する場合がある）を収容する粉末容器２２２とを有している。さらに、粉末容器２２２に収容された原料粉末２０７を、造形容器２２０に所定の厚さで敷き詰めるための粉末層形成機構２０６を有している。本発明では、所定の厚さの原料粉末２０７を粉末層２１１と呼ぶ。
【００８７】
排気機構２１４は、圧力を調整するために、バタフライバルブ等の圧力調整機構を備えていてもよいし、ガス供給とそれに伴う圧力上昇によるチャンバー内の雰囲気を調整することができる構成（一般にブロー置換と呼ぶ）であってもよい。
【００８８】
造形容器２２０および粉末容器２２２の底部２０８は、それぞれ昇降機構によって鉛直方向における位置を変えることができる。造形容器２２０の底部２０８は、ベースプレート２２１が取り外し可能に固定されるステージとして構成されている。昇降機構の移動方向および移動量は、制御部２１５によって制御され、形成する粉末層２１１の層厚に応じて、粉末容器２２２の底部、即ちステージ２０８の移動量が決められる。通常、昇降機構の高さ分解能は、ステージ２０８を数１０μｍの高さで上下動させるために、１μｍ以下であることが望ましい。
【００８９】
ベースプレート２２１は、エネルギービームによって溶融可能な材料からなるプレートである。１層目の粉末層を溶融固化する際、造形材料とともにベースプレート２２１の表面を溶融することで、造形物をベースプレート２２１に固定することができる。そのため、造形の間に、ベースプレート２２１の上における造形物の位置がずれないよう保持することができ、精度の高い造形を実現することができる。造形が完了した後、ベースプレート２２１は、造形物から機械的に切り離される。
【００９０】
粉末層形成機構２０６は、粉末容器２２２に収容されている原料粉末を造形容器２２０へ供給するもので、ベースプレート２２１上に粉末層を設定した厚さに均すためのスキージおよびローラの少なくとも一方を有している。得られる造形物の密度を高め、粉末の化学反応を促進するためには、スキージとローラの両方を備え、スキージで粉末層の厚さを調整した後、ローラで加圧して粉末層の密度を高める構成が好ましい。
【００９１】
造形装置２００は、さらに、原料粉末を溶融させるためのエネルギービーム源２０２と、エネルギービーム２１２を２軸で走査させるための走査ミラー２０３Ａ、２０３Ｂと、エネルギービームを照射部に集光させるための光学系２０４を備えている。エネルギービーム２１２がチャンバー２５０の外側から照射されるため、チャンバー２５０には、エネルギービーム２１２を内部に導入するための導入窓２０５が設けられている。エネルギービームのパワー密度や走査位置は、制御部２１５が取得した造形対象物の三次元形状データや造形材料の特性に従って、制御部２１５によって制御される。また、粉末層２１１の表面において所望のビーム径となるよう、あらかじめ造形容器２２０、光学系２０４の位置を調整しておく。粉末層２１１の表面におけるビーム径は、造形精度に影響するため３０〜１００μｍとするのが好ましい。
【００９２】
走査ミラー２０３Ａ、２０３Ｂとして、ガルバノミラーを好適に使用することができる。ガルバノミラーはエネルギービームを反射させながら高速で動作させるため、軽量かつ、線膨張係数の低い材質で作られていることが望ましい。
【００９３】
エネルギービーム２１２には、レーザが広く用いられている。ＹＡＧレーザを使うことが多いが、ＣＯ２レーザや半導体レーザであっても良い。駆動方式はパルス式でも良いし、連続照射方式でも良い。レーザは、粉末の吸収波長に応じて選択することが好ましく、粉末による吸収が５０％以上の波長を有していれば良く、吸収が８０％以上の波長を有しているとより好ましい。
【００９４】
レーザの照射強度を制御する方法として、面内レーザパワー密度を制御する方法と、空間レーザパワー密度を制御する方法がある。面内レーザパワー密度は、単位面積当たりのレーザ照射強度であり、単位はＪ／ｍｍ２と表わされる。一方、空間レーザパワー密度は、単位体積当たりのレーザ照射強度であり、Ｊ／ｍｍ３と表わされる。３Ｄプリンタのように膜厚を制御して、造形物を形成する場合は、空間レーザパワー密度を考慮するのが適切である。空間レーザパワー密度Ｊは次式（８）で表わされる。
Ｊ＝Ｗ／（Ｐ×Ｖ×Ｄ）・・・（８）
ここで、Ｗはレーザの照射パワー、Ｐはレーザの照射ピッチ、Ｖはレーザの走査速度、Ｄは粉敷き厚である。レーザパワーＷは通常１０〜１０００Ｗであり、レーザの照射ピッチＰは通常５〜５００μｍであり、レーザの走査速度は通常１０〜１００００ｍｍ／ｓｅｃであり、粉敷き厚Ｄは通常５〜５００μｍである。上記の範囲でＷ、Ｐ、Ｖ、Ｄのパラメーターを制御し、Ｊは１０〜１０００Ｊ／ｍｍ３の範囲とすれば良い。下限の１０Ｊ／ｍｍ３は粉末を十分に溶融するのに必要なエネルギーであり、上限の１０００Ｊ／ｍｍ３は、粉末が揮発することにより造形が不可能となる領域である。
【００９５】
造形の際には、ベースプレート２２１をステージ２０８に固定した後、前記造形容器とステージ２０８との隙間に沿って第２の粒子２４０を配置した後、チャンバー１０１の内部を、窒素やアルゴンなどの不活性ガスで置換する。その後、造形対象物の三次元形状データから生成したスライスデータのスライスピッチ、即ち、積層ピッチに応じた厚みで、第１の粒子２３０を敷き詰め、粉末層２１１を形成する。
【００９６】
図１３にステージ２０８と造形容器２２０との隙間部分の一例を拡大して示す。図１３の例では、厚さ方向に大きさが二段階に変化したステージ２０８を用いており、ベースプレート２２１が固定される面の大きさが、反対側の面の大きさよりも小さい構造となっている。ステージ２０８の下部の端部と造形容器２２０の側壁との隙間２２５の幅をｄ、ステージ２０８の上部（ベースプレート２２１設置側）の端部と造形容器２２０との隙間２２６の幅をＬ１、第２の粒子２４０の粒径をＲ２とする。このとき、ｄとＬ１とＲ２は下記の式（９）を満たす。
ｄ＜Ｒ２＜Ｌ１・・・（９）
【００９７】
したがって、前記造形容器とステージ２０８との隙間に沿って配置された第２の粒子２４０が、ステージ２０８の上部の端部と造形容器２２０との隙間２２６に入り込むため、第１の粒子２３０が隙間に入り込むことを防ぐことできる。
【００９８】
また、ベースプレート２２１設置側の大きさの小さい部分の高をｈ、ベースプレート２２１の厚さをｋ１とすると、ｈとｋ１とＲ２は下記の式（１０）を満たす。
Ｒ２＜ｈ＋ｋ１・・・（１０）
【００９９】
図では、Ｒ２＜ｈとなっているが、これに限定されるものではなく、ｈとｋ１の合計がＲ２よりも小さくなっていればよい。このような関係を満たすことにより、ベースプレート２２１の表面に第１の粒子２３０からなる粉末層を形成する際に、第２の粒子２４０が干渉することがなく、通常の通り１層目の粉末層を溶融固化することができる。
【０１００】
図１４にはステージ２０８と造形容器２２０との隙間部分の他の例を拡大して示す。図１４の例では、図８の例と同様に、ステージ２０８の厚さ方向の大きさは一定で、ステージ２０８の端部と造形容器２２０の側壁との隙間２２５の幅はｄであるが、ベースプレート２２１の大きさがステージ２０８より小さくなっている。ステージ２０８の端部と造形容器２２０との隙間２２５の幅をｄ、ベースプレート２２１をステージ２０８に固定した際にベースプレート２２１の端部と造形容器２２０との隙間２２７の幅をＬ２とする。第２の粒子２４０の粒径をＲ２とすると、ｄとＬ２とＲ２は下記の式（１１）を満たす。
ｄ＜Ｒ２＜Ｌ２・・・（１１）
【０１０１】
このような関係を満たすことで、前記造形容器とステージ２０８との隙間に沿って配置された第２の粒子２４０が、ベースプレート２２１の端部と造形容器２２０との隙間２２７に入り込み、第１の粒子２３０が隙間に入り込むことを防ぐことできる。
【０１０２】
また、ベースプレート２２１の厚さｋ２とＲ２が下記の式（１２）を満たす
Ｒ２＜ｋ２・・・（１２）
【０１０３】
これにより、ベースプレート２２１の表面に第１の粒子２３０からなる粉末層を形成する際に、第２の粒子２４０が干渉することがなく、通常の通り１層目の粉末層を溶融固化することができる。
【０１０４】
図１３、１４では、幅Ｌ１やＬ２が、第２の粒子２４０が１個しか留まれない距離となっているが、隙間２２５から第１の粒子２３０がこぼれ落ちるのを防止できれば、複数の
第２の粒子２４０が留まる設計でもよい。その場合は、Ｌ１とｈとｋ１、あるいは、Ｌ２とｋ２を調整するとよい。
【０１０５】
ベースプレート２２１に形成した粉末層２１１に、エネルギービーム２１２をスライスデータに従って走査し、所定領域の粉末にレーザを照射する。
【０１０６】
スライスデータに基づく１層分のレーザの照射が終了すると、昇降機構により造形ステージ２０８ｂを積層ピッチ分だけ降下させ、積層ピッチに応じて材料容器２２２の底部２０８ａを上昇させる。そして、粉末層形成機構２０６によって材料容器２２２の原料粉末を造形容器２２０へと移動させ、エネルギービームを走査させた層の上に粉末を敷きつめて新たな粉末層２１１を形成し、エネルギービーム２１２の走査および照射を行なう。
【０１０７】
前述したように、エネルギービーム２１２が照射される領域では、先にエネルギービーム２１２が走査された層の表面も再度固化される。新たな粉末層においてエネルギービーム２１２を照射する領域の直下が、すでに固化された領域である場合、新たな粉末層のビーム照射領域は、先に溶融固化した領域との境界部で材料が混じり合って固化し、互いに結合する。
これらの操作を繰り返せば、造形物２１０を形成することができる。
【０１０８】
なお、図１２の装置においても、図５の装置と同様に、第１の粒子２０の平均粒子径Ｒ１、第２の粒子５０の粒径Ｒ２、造形ステージ１１２の端部と造形容器２２０の側壁と隙間の距離ｄは、以下の式（１３）を満たすのが好ましい。
Ｒ１≦ｄ≦Ｒ２／２・・・（１３）
【０１０９】
本発明は、造形物の造形時に、造形容器と造形ステージとの間から造形材料が流出することを抑制するものであり、第１の粒子どうしの固定の方法はなんら限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１１０】
２０・・・第１の粒子、５０・・・第２の粒子、１００・・・３次元造形装置、１１０・・・造形容器、１１２・・・造形ステージ、１１５・・・隙間、２０１・・・粉末層、３０１・・・粒子層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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