(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて第１層を形成する第１層形成工程と、
第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて第２層を形成する第２層形成工程と、
前記第１層と前記第２層とを含む積層体を加熱して前記第１の粉末及び前記第２の粉末を焼結させる焼結工程と、を有し、
前記層の各々は、前記第１層のみで形成されていてもよく、前記第２層のみで形成されていてもよく、前記第１層と前記第２層の両方で形成されていてもよく、
前記第１組成物における前記第１の粉末の充填率を前記第２組成物における前記第２の粉末の充填率よりも大きくするとともに、前記第１の粉末の平均粒径を前記第２の粉末の平均粒径よりも小さくすることで、前記焼結工程における前記第１層と前記第２層の収縮率の差を低減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、
前記積層体は、前記第２層で構成されるセル構造部が形成され、前記セル構造部の内部に前記第１層で構成されるパイプ部が形成され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１に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記積層体は、基部と該基部から延びる柱状部とが前記第２層で形成され、前記基部の反対側から前記柱状部の内部に一部が挿入された形状が前記第１層で形成され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１から３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、
前記積層体は、前記層の積層方向及び該積層方向と交差する交差方向の少なくとも一方における前記第１層及び前記第２層の存在比率を変化させて形成され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、様々な三次元造形物の製造方法が使用されている。このうち、三次元造形物の構成材料で複数の層を形成して三次元造形物を製造する方法がある。  
例えば、特許文献１には、三次元造形物の構成材料である粉末を用いて複数の層を形成して三次元造形物を製造する方法であって、高密度造形部の層を形成するとともに該層を固化し、その後、低密度造形部の層を形成するとともに該層を固化することで、高密度部分と低密度部分とを有する三次元造形物を形成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】特開２０１０−６５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示される三次元造形物の製造方法においては、高密度部分と低密度部分とを有する三次元造形物を製造する場合に、高密度部分の固化と低密度部分の固化とを別々に行っていたため、製造効率が良くなかった。このため、高密度部分と低密度部分とを一括して固化することが好ましい。しかしながら、固化として焼結を行う場合、従来の三次元造形物の製造装置を用いて高密度部分と低密度部分とを有する三次元造形物を一括焼結すると、高密度部分と低密度部分との焼結に伴う収縮率の違いにより、一括焼結に伴って三次元造形物が変形などする場合があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高密度部分と低密度部分とを有する三次元造形物を一括焼結により構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて前記層のうちの第１層を形成する第１層形成工程と、第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて前記層のうちの第２層を形成する第２層形成工程と、前記第１層と前記第２層とを含む積層体を加熱して前記第１の粉末及び前記第２の粉末を焼結させる焼結工程と、を有し、前記第１組成物における前記第１の粉末の充填率を前記第２組成物における前記第２の粉末の充填率よりも大きくするとともに、前記第１の粉末の平均粒径を前記第２の粉末の平均粒径よりも小さくすることで、前記焼結工程における前記第１層と前記第２層の収縮率の差を低減することを特徴とする。
【０００７】
本態様によれば、第１組成物における第１の粉末の充填率を第２組成物における第２の粉末の充填率よりも大きくするとともに、第１の粉末の平均粒径を第２の粉末の平均粒径よりも小さくすることで、焼結工程における第１層と第２層の収縮率の差を低減する。このように、焼結工程における第１層と第２層の収縮率の差を低減することで、高密度部分（第１層）と低密度部分（第２層）とを有する三次元造形物を一括焼結することが可能になる。
【０００８】
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、前記積層体は、前記第２層で構成されるセル構造部が形成され、前記セル構造部の内部に前記第１層で構成されるパイプ部が形成されることを特徴とする。
【０００９】
本態様によれば、積層体は、第２層で構成されるセル構造部が形成され、セル構造部の内部に第１層で構成されるパイプ部が形成される。すなわち、セル構造部は低密度で形成されることで熱伝導率が低くなり、パイプ部が形成される第１層の対応部分は高密度で形成されることで熱伝導率が高くなる。したがって、例えば、熱源を第１層の対応部分に接触させてパイプ部に冷却水を流すなどして該パイプ部を冷やす構成とすることで、該積層体を、セル構造部（第２層の対応部分）から周囲への熱の移動を効果的に抑制できる、高性能なヒートシンクなどに使用できる。
【００１０】
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１の態様において、前記積層体は、基部と該基部から延びる柱状部とが前記第２層で形成され、前記基部の反対側から前記柱状部の内部に一部が挿入された形状が前記第１層で形成されることを特徴とする。
【００１１】
本態様によれば、積層体は、基部と該基部から延びる柱状部とが第２層で形成され、基部の反対側から柱状部の内部に一部が挿入された形状が第１層で形成される。すなわち、基部は低密度で形成されることで熱伝導率が低くなり、基部の反対側（第１層の対応部分）は高密度で形成されることで熱伝導率が高くなり、基部と該基部の反対側との間の領域の柱状部の周囲に空間部分が形成される。したがって、例えば、熱源を基部の反対側（第１層の対応部分）に接触させて基部を冷却水などで冷やす構成とすることで、該積層体を、基部側への熱の移動を効果的に抑制しつつ、第２層の対応部分である基部から柱状部側へ冷却水を浸透させ、柱状部の周囲の空間部分で冷却水を蒸発させて潜熱を吸収することにより、高性能なループ・ヒート・パイプ（ＬＨＰ）などに使用できる。
【００１２】
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１から第３のいずれか１項の態様において、前記積層体は、前記層の積層方向及び該積層方向と交差する交差方向の少なくとも一方における前記第１層及び前記第２層の存在比率を変化させて形成されることを特徴とする。
【００１３】
本態様によれば、積層体は積層方向及び交差方向の少なくとも一方における第１層及び第２層の存在比率を変化させて形成されるので、三次元造形物の使用態様などに応じて、積層体に熱伝導率の勾配を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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。
【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】本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置を用いて形成されたヒートシンクを表す概略断面図。
【図１５】本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置を用いて形成されたループ・ヒート・パイプを表す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、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。  
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（ヘッドベース）を備えている。このうち、図１及び図２は、一の材料供給部（第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物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、別の一の材料供給部（第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を供給する材料供給部）のみを表した図である。  
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。  
また、本実施例の第１組成物及び第２組成物は、何れも、三次元造形物を構成する粉末粒子と溶媒と該溶媒に可溶なバインダーとを含む三次元造形用ペースト（流動性材料）である。そして、第１組成物は三次元造形物の積層体の高密度部分を形成する構成材料に対応し、第２組成物は三次元造形物の積層体の低密度部分を形成する構成材料に対応する。ただし、このような三次元造形物の構成材料に限定されず、第１組成物及び第２組成物として、常温ではフィラメント状やペレット状などの固体であって、加熱することで流動状態になるコンパウンドなどを使用してもよい。
【００１６】
図１及び図３に示す三次元造形物の製造装置２０００（以下、形成装置２０００という）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、他方の端部に第１組成物を吐出する第１組成物吐出部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、他方の端部に第２組成物を吐出する第２組成物吐出部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、第１組成物吐出部１２３０と第２組成物吐出部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。
【００１７】
ステージ１２０上には、三次元造形物５００（三次元造形物の積層体）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、電磁波照射部などによる熱エネルギーの照射がなされてもよい。このような構成である場合、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５００の構成材料（第１組成物及び第２組成物）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（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、第１組成物吐出部１２３０から吐出される第１組成物で形成される第１層３１０と、第２組成物吐出部１７３０から吐出される第２組成物で形成される第２層３００と、で構成される。
【００１８】
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、第１組成物供給装置１２００に備える第１組成物吐出部１２３０が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。第１組成物吐出部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から第１組成物を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。
【００１９】
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、第２組成物供給装置１７００に備える第２組成物吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。第２組成物吐出部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から第２組成物を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。
【００２０】
図１及び図２で表されるように、第１組成物吐出部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第１組成物を収容した第１組成物供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の第１組成物が第１組成物供給ユニット１２１０から第１組成物吐出部１２３０に供給される。第１組成物供給ユニット１２１０には、本実施形態に係る形成装置２０００によって造形される三次元造形物５００の高密度部分の構成材料である第１組成物が第１組成物収容部１２１０ａに収容され、個々の第１組成物収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の第１組成物吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の第１組成物収容部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第１組成物を供給することができる。
【００２１】
図３及び図４で表されるように、第２組成物吐出部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第２組成物を収容した第２組成物供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の第２組成物が第２組成物供給ユニット１７１０から第２組成物吐出部１７３０に供給される。第２組成物供給ユニット１７１０には、本実施形態に係る形成装置２０００によって造形される三次元造形物５００の低密度部分の構成材料である第２組成物が第２組成物収容部１７１０ａに収容され、個々の第２組成物収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の第２組成物吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の第２組成物収容部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第２組成物を供給することができる。  
なお、本実施例の形成装置２０００で使用される構成材料（第１組成物及び第２組成物）としての三次元造形用ペーストについての詳細は後述する。
【００２２】
形成装置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５００の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、第１組成物供給装置１２００に備える第１組成物吐出部１２３０、並びに、第２組成物供給装置１７００に備える第２組成物吐出部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は、ステージ１２０及び第１組成物吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０及び第２組成物吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御する制御部としての役割を兼ねている。
【００２３】
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に備える第１組成物吐出部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において第１組成物吐出部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から所定量の第１組成物が吐出される。  
同様に、ヘッドユニット１９００に備える第２組成物吐出部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において第２組成物吐出部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から所定量の第２組成物が吐出される。
【００２４】
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及び第１組成物吐出部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。
【００２５】
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、本実施形態に係る形成装置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ユニットが千鳥状（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（第１組成物）を吐出させて構成層構成部５０（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。ここで、第１組成物吐出部１２３０から吐出されて形成された構成層構成部５０の層は第１層３１０（図１参照）に対応し、第２組成物吐出部１７３０から吐出されて形成された構成層構成部５０の層は第２層３００（図３参照）に対応する。  
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０４に備える第１組成物吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して第１組成物供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれる構成となっている。
【００２６】
図５に示すように、第１組成物吐出部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５００の構成材料（ペースト状の流動性材料）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。
【００２７】
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、試料プレート１２１上に形成される三次元造形物５００の第１層３１０（図１参照）として形成される。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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（間隔を空けないように）配置させる構成（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。
【００３１】
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（Ｙ方向における１ライン目）の構成層構成部５０（構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。
【００３２】
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’（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とすると、Ｐ／ｎ（ｎは自然数）ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。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’（構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）が形成される。
【００３３】
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’’
（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’’
（構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）が形成され、第１層３１０を得ることができる。
【００３４】
また、第１組成物吐出部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第１組成物を吐出供給することもできる。従って、本実施形態に係る形成装置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。
【００３５】
なお、第１層目の層５０１において、上述したように第１層３１０を形成する前或いは後に、第２組成物吐出部１７３０から第２組成物を吐出させて、同様の方法で、第２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、第１層３１０及び第２層３００を形成することができる。ただし、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎのいずれか少なくとも１つの層を第１層３１０又は第２層３００の一方のみで形成してもよい。
【００３６】
上述の本実施形態に係る形成装置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。
【００３７】
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。
【００３８】
次に、本実施例の第１組成物及び第２組成物としての各々の三次元造形用ペーストについて詳細に説明する。  
第１組成物及び第２組成物としては、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、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）などの混合粉末を、第１の粉末及び第２の粉末として含み、さらに、溶剤とバインダーとを含むペースト状の混合材料にして用いることが可能である。  
このように、第１組成物及び第２組成物に特に限定はなく、第１の粉末及び第２の粉末として、上記金属以外の金属やセラミックスなども使用可能である。また、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを好ましく使用可能である。
【００３９】
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。  
バインダーとしては、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を用いることができる。
【００４０】
次に、上記形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一例についてフローチャートを用いて説明する。  
ここで、図１３は、本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である。
【００４１】
図１３で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、最初にステップＳ１１０で、三次元造形物５００のデータを取得する。詳細には、例えばパーソナルコンピューターにおいて実行されているアプリケーションプログラム等から、三次元造形物５００の形状を表すデータを取得する。
【００４２】
次に、ステップＳ１２０で、制御ユニット４００の制御により、層毎のデータを作成（生成）する。詳細には、三次元造形物５００の形状を表すデータにおいて、Ｚ方向の造形解像度に従ってスライスし、断面毎にビットマップデータ（断面データ）を生成する。
【００４３】
次に、ステップＳ１３０の第１層形成工程で、制御ユニット４００の制御により、ステップＳ１２０で生成した断面データに基づき、第１組成物吐出部１２３０から第１組成物を吐出して、該断面データに基づく構成層構成部５０（第１層３１０）を形成する。
【００４４】
次に、ステップＳ１４０の第２層形成工程で、制御ユニット４００の制御により、ステップＳ１２０で生成した断面データに基づき、第２組成物吐出部１７３０から第２組成物を吐出して、該断面データに基づく構成層構成部５０（第２層３００）を形成する。  
なお、ステップＳ１３０の第１層形成工程とステップＳ１４０の第２層形成工程との順番は、逆であってもよい。
【００４５】
そして、ステップＳ１５０により、制御ユニット４００の制御により、ステップＳ１２０において生成された各層に対応するビットマップデータに基づく三次元造形物５００の積層体の造形が終了するまで、ステップＳ１３０からステップＳ１５０までが繰り返される。
【００４６】
そして、ステップＳ１６０の焼結工程により、例えば不図示の恒温槽において、上記ステップで形成した三次元造形物５００の積層体を加熱して、第１組成物中の第１の粉末及び第２組成物中の第２の粉末の焼結を実行する。なお、本ステップの焼結工程の前に、上記ステップで形成した三次元造形物５００の積層体を脱脂する脱脂工程を設けてもよい。  
そして、ステップＳ１６０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。
【００４７】
上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎを積層することにより三次元造形物５００を製造する三次元造形物の製造方法であって、第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎのうちの第１層３１０を形成する第１層形成工程（ステップＳ１３０）と、第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎのうちの第２層３００を形成する第２層形成工程（ステップＳ１４０）と、第１層３１０と第２層３００とを含む積層体を加熱して第１の粉末及び第２の粉末を焼結させる焼結工程（ステップＳ１５０）と、を有している。  
そして、さらに、本実施例の三次元造形物の製造方法は、第１組成物における第１の粉末の充填率を第２組成物における第２の粉末の充填率よりも大きくするとともに、第１の粉末の平均粒径を第２の粉末の平均粒径よりも小さくすることで、ステップＳ１５０の焼結工程における第１層３１０と第２層３００の収縮率の差を低減するようにしている。具体的には、ユーザーが、第１の粉末の平均粒径が第２の粉末の平均粒径よりも小さくなるように第１の粉末及び第２の粉末を選択し、第１組成物における第１の粉末の充填率が第２組成物における第２の粉末の充填率よりも大きくなるように第１組成物及び第２組成物の組成を調整している。  
第１組成物における第１の粉末の充填率を第２組成物における第２の粉末の充填率よりも大きくするとともに、第１の粉末の平均粒径を第２の粉末の平均粒径よりも小さくすることで、焼結工程における第１層３１０と第２層３００の収縮率の差を低減することができる。これは、三次元造形物５００の構成材料の粒子の充填率が小さいほど焼結に伴って他の成分が無くなることにより大幅に収縮する傾向になるが、粒径が大きい粒子を使用することで収縮度合いを小さくすることができる（その分、空孔部分が多くなる）ためである。そして、焼結工程における第１層３１０と第２層３００の収縮率の差を低減することで、高密度部分（第１層３１０）と低密度部分（第２層３００）とを有する三次元造形物５００を一括焼結することを可能にしている。なお、ここで「充填率」とは、全体の体積に対する粉末の体積を意味する。例えば、第１組成物における第１の粉末の充填率とは、第１組成物全体（バインダー、溶媒、第１の粉末など）の体積に対する粉末（第１の粉末）の体積である。
【００４８】
次に、上記形成装置２０００（上記三次元造形物の製造方法）により形成される三次元造形物５００の具体例について説明する。  
ここで、図１４は、上記形成装置２０００（上記三次元造形物の製造方法）により形成されたヒートシンクを表す概略断面図である。また、図１５は、上記形成装置２０００（上記三次元造形物の製造方法）により形成されたループ・ヒート・パイプを表す概略断面図である。
【００４９】
［実施例１］  
第１組成物として、バインダーと溶媒を含み、第１の粉末であるＡｌ２Ｏ３の平均粒径（ｄ５０）が０．３μｍであって、第１の粉末の充填率が５０％のペーストを用意した。なお、該第１の粉末の充填率は、第１組成物全体（バインダー、溶媒、第１の粉末であるＡｌ２Ｏ３）の体積に対する粉末（第１の粉末であるＡｌ２Ｏ３）の体積である。また、第２組成物として、第２の粉末であるＡｌ２Ｏ３の平均粒径（ｄ５０）が３μｍであって、第２の粉末の充填率が３９％のペーストを用意した。なお、該第２の粉末の充填率は、第２組成物全体（バインダー、溶媒、第２の粉末であるＡｌ２Ｏ３）の体積に対する粉末（第２の粉末であるＡｌ２Ｏ３）の体積である。そして、上記の第１組成物及び第２組成物を用いて、上記形成装置２０００（上記三次元造形物の製造方法）により、図１４で表される三次元造形物５００（ヒートシンク）を形成した。具体的には、上記の第１組成物及び第２組成物を用いて、第１層形成工程及び第２層形成工程を各々実行し、その後、１５５０℃で焼結工程を実行した。すると、第１層３１０の対応領域である高密度部分１３１０と第２層３００の対応領域である低密度部分１３００との収縮率が同等となり、図１４で表されるように、変形などを生じていない三次元造形物５００（ヒートシンク）を形成できた。
【００５０】
ここで、焼結工程後の第１層３１０の対応領域（高密度部分１３１０）の相対密度は９８％となるとともに熱伝導率は２８Ｗ／ｍ・Ｋとなり、焼結工程後の第２層３００の対応領域（低密度部分１３００）の相対密度は７６％となるとともに熱伝導率は８Ｗ／ｍ・Ｋとなった。
【００５１】
図１４で表されるヒートシンク（三次元造形物５００の積層体）は、第２層３００（低密度部分１３００）で構成されるセル構造部１３４０が形成され、セル構造部１３４０の内部に第１層３１０（高密度部分１３１０）で構成されるパイプ部１３２０が形成される構成である。そして、該ヒートシンクは、このような構成であって、半導体チップなどの熱源１３６０を高密度部分１３１０で構成される接触部１３５０に接触させ、パイプ部１３２０に冷却水１３７０を流すことが可能な構成になっている。上記のように、セル構造部１３４０は低密度で形成されることで熱伝導率が低くなり（８Ｗ／ｍ・Ｋ）、パイプ部１３２０が形成される第１層３１０の対応部分（高密度部分１３１０）は高密度で形成されることで熱伝導率が高くなる（２８Ｗ／ｍ・Ｋ）。したがって、上記三次元造形物の製造方法を実行し、図１４で表されるヒートシンクのように、例えば、熱源１３６０を第１層３１０の対応部分に接触させてパイプ部１３２０に冷却水を流すなどして該パイプ部１３２０を冷やす構成とすることで、セル構造部１３４０（第２層３００の対応部分）から周囲への熱の移動を効果的に抑制できる、高性能なヒートシンクを製造することができる。
【００５２】
［実施例２］  
上記の実施例１の第１組成物及び第２組成物を用いて、上記形成装置２０００（上記三次元造形物の製造方法）により、図１５で表される三次元造形物５００（ループ・ヒート・パイプ：ＬＨＰ）を形成した。具体的には、上記の第１組成物及び第２組成物を用いて、第１層形成工程及び第２層形成工程を各々実行し、その後、実施例１と同様、１５５０℃で焼結工程を実行した。すると、第１層３１０の対応領域である高密度部分１３１０と第２層３００の対応領域である低密度部分１３００との収縮率が同等となり、図１５で表されるように、変形などを生じていない三次元造形物５００（ＬＨＰ）を形成できた。なお、焼結工程後の高密度部分１３１０及び低密度部分１３００の相対密度は、何れも実施例１と同様であった。
【００５３】
図１５で表されるＬＨＰ（三次元造形物５００の積層体）は、基部１３４１と該基部１３４１から延びる柱状部１３４２とが第２層３００（低密度部分１３００）で形成され、基部１３４１の反対側から柱状部１３４２の内部に一部が挿入された形状が第１層３１０（高密度部分１３１０）で形成される構成である。すなわち、基部１３４１は低密度で形成されることで熱伝導率が低くなり、基部１３４１の反対側（第１層３１０の対応部分）は高密度（高密度部分１３１０）で形成されることで熱伝導率が高くなり、基部１３４１と該基部１３４１の反対側との間の領域の柱状部１３４２の周囲に空間部分１３３０が形成されている。そして、該ＬＨＰは、このような構成であって、半導体チップなどの熱源１３６０を高密度部分１３１０で構成される接触部１３５１に接触させ、基部１３４１における空間部分１３３０とは反対側のパイプ１３９０（不図示の冷却部に接続されるなどしたループ状のパイプ）に冷却水１３７０を流すことが可能な構成になっている。上記のように、基部１３４１及び柱状部１３４２は低密度で形成されることで熱伝導率が低くなり（８Ｗ／ｍ・Ｋ）、基部１３４１の反対側から柱状部１３４２の内部に一部が挿入された第１層３１０の対応部分（高密度部分１３１０）は高密度で形成されることで熱伝導率が高くなる（２８Ｗ／ｍ・Ｋ）。したがって、上記三次元造形物の製造方法を実行し、図１５で表されるＬＨＰのように、例えば、熱源１３６０を基部１３４１の反対側の接触部１３５１（第１層３１０の対応部分）に接触させて基部１３４１を冷却水１３７０などで冷やす構成とすることで、該ＬＨＰを、基部１３４１側への熱の移動を効果的に抑制しつつ、第２層３００の対応部分である基部１３４１から柱状部１３４２側へ冷却水１３７０を浸透させ、柱状部１３４２の周囲の空間部分１３３０で冷却水を蒸気１３８０に蒸発させて潜熱を吸収する（熱源１３６０を気化熱により冷やす）構成とすることができ、高性能ＬＨＰを製造することができる。なお、図１５で表されるＬＨＰでは、空間部分１３３０は柱状部１３４２と熱源１３６０とが合わさることで蒸気１３８０を通すパイプ状となっている。そして、空間部分１３３０が延びる方向とパイプ１３９０が延びる方向とは、共に、図１５において紙面垂直方向である。
【００５４】
［その他の実施例］  
上記の実施例１の第１組成物及び第２組成物を用いる代わりに、第１の粉末及び第２の粉末として、Ａｌ２Ｏ３以外の粉末を用いることができる。例えば、三次元造形物５００を半導体の冷却装置などに使用する場合、シリコンウェハーと熱膨張率が近いＡｌＮなどを好ましく使用することができる。また、レーザー・ダイオード光源など大熱量のものを放熱するものに使用する場合、例えば、第１の粉末としてＣｕ、第２の粉末としてＣｕ−Ｎｉ（５５％−４５％）合金などを好ましく使用することができる。
【００５５】
また、上記の実施例１の第１組成物を用いる代わりに、第１の粉末の粒径のピークを複数（例えば、２ピークや３ピーク）有するものを好ましく使用することができる。粒径のピークを複数有することで、大粒径の粒子の隙間に小粒径の粒子が入り込み高密度化し易いためである。なお、特に高密度化し易くするためには、ピークの粒径比が１／４以下であることが好ましく、さらには、１／７以下であることが特に好ましい。
【００５６】
また、三次元造形物５００の積層体を、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎの積層方向（Ｚ方向）及び該積層方向と交差する交差方向の少なくとも一方における第１層３１０及び第２層３００の存在比率を変化させて形成させてもよい。積層方向及び交差方向の少なくとも一方における第１層３１０及び第２層３００の存在比率を変化させて形成されるので、三次元造形物５００の使用態様などに応じて、積層体に熱伝導率の勾配を形成することができるためである。
【００５７】
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】
【００５８】
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…第２層、３１０…第１層、
４００…制御ユニット（制御部）、４１０…ステージコントローラー、
５００…三次元造形物（三次元造形物の積層体）、
５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎ…層、７３０…ヘッドベース支持部、
１１００…ヘッドベース、１２００…第１組成物供給装置、
１２１０…第１組成物供給ユニット、１２１０ａ…第１組成物収容部、
１２２０…供給チューブ、１２３０…第１組成物吐出部、１２３０ａ…吐出ノズル、
１２３０ｂ…吐出駆動部、１３００…低密度部分、１３１０…高密度部分、
１３２０…パイプ部、１３３０…空間部分、１３４０…セル構造部、１３４１…基部、
１３４２…柱状部、１３５０…接触部、１３５１…接触部、１３６０…熱源、
１３７０…冷却水、１３８０…蒸気、１３９０…パイプ、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…第２組成物供給装置、１７１０…第２組成物供給ユニット、
１７１０ａ…第２組成物収容部、１７２０…供給チューブ、
１７３０…第２組成物吐出部、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…形成装置（三次元造形物の製造装置）、Ｍ…材料（第１組成物、第２組成物）
【図１】
0006988428.tif 000002
【図２】
0006988428.tif 000003
【図３】
0006988428.tif 000004
【図４】
0006988428.tif 000005
【図５】
0006988428.tif 000006
【図６】
0006988428.tif 000007
【図７】
0006988428.tif 000008
【図８】
0006988428.tif 000009
【図９】
0006988428.tif 000010
【図１０】
0006988428.tif 000011
【図１１】
0006988428.tif 000012
【図１２】
0006988428.tif 000013
【図１３】
0006988428.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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