(57)【要約】【課題】表面粗さを向上させた造形物を製造することができる造形装置及び造形方法を提供する。【解決手段】複数の微粒子が分散された液体をステージ５上に供給する供給部１５３と、ステージ５上に供給された液体を蒸発させ、当該液体に分散されていた複数の微粒子をステージ５上に敷き詰める蒸発部１５５と、ステージ上に敷き詰められた複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する溶融部１５７と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微粒子が分散された液体をステージ上に供給する供給部と、
前記ステージ上に供給された前記液体を蒸発させ、当該液体に分散されていた前記複数の微粒子を前記ステージ上に敷き詰める蒸発部と、
前記ステージ上に敷き詰められた前記複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する溶融部と、
を備える造形装置。
【請求項２】
前記蒸発部は、前記ステージ上に供給された前記液体に、第１の電子ビームを照射して、当該液体を蒸発させ、
前記溶融部は、前記ステージ上に敷き詰められた前記複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子に、第２の電子ビームを照射して、当該１以上の微粒子を溶融する請求項１に記載の造形装置。
【請求項３】
前記第１の電子ビームのエネルギーと前記第２の電子ビームのエネルギーとが異なる請求項２に記載の造形装置。
【請求項４】
前記微粒子は金属微粒子である請求項１〜３のいずれか１つに記載の造形装置。
【請求項５】
前記液体はイオン液体である請求項１〜４のいずれか１つに記載の造形装置。
【請求項６】
前記ステージは、内部が真空化された容器内に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の造形装置。
【請求項７】
前記ステージを段階的に鉛直下方向に移動させるステージ制御部を更に備え、
前記供給部は、前記ステージが前記鉛直下方向に移動する毎に、前記複数の微粒子が分散された前記液体を前記ステージ上に供給し、
前記蒸発部は、前記複数の微粒子が分散された前記液体が前記ステージ上に供給される毎に、前記ステージ上に供給された前記液体を蒸発させ、当該液体に分散されていた前記複数の微粒子を前記ステージ上に敷き詰め、
前記溶融部は、前記複数の微粒子が前記ステージ上に敷き詰められる毎に、前記ステージ上に敷き詰められた前記複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する請求項１〜６のいずれか１つに記載の造形装置。
【請求項８】
複数の微粒子が分散された液体をステージ上に供給する供給ステップと、
前記ステージ上に供給された前記液体を蒸発させ、当該液体に分散されていた前記複数の微粒子を前記ステージ上に敷き詰める蒸発ステップと、
前記ステージ上に敷き詰められた前記複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する溶融ステップと、
を含む造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形装置及び造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体造形物（３次元の造形物）を製造する様々な造形技術が開発されている。このような造形技術の１つとして、金属積層造形（Additive  Manufacturing：ＡＭ）が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。金属積層造形では、ステージ上に金属微粒子（金属粉末）を敷き詰め、ステージ上に敷き詰められた金属微粒子に電子ビームを照射して、電子ビームが照射された金属微粒子を溶融するという作業を繰り返し行うことで、立体造形物を製造する。
【０００３】
ところで、このような造形技術で製造される立体造形物は、表面粗さが十分でないため（粗いため）、製造後に、研磨などの後加工を行って、立体造形物の表面粗さを向上させる（滑らかにする）ことが一般的である。このため、後加工を行わずに、立体造形物の表面粗さを向上させる方法として、造形に用いる微粒子の粒径を小さくする方法が考えられる。
【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、上述したように、造形に用いる微粒子の粒径を小さくすると、ステージ上に微粒子を敷き詰める際に微粒子が飛散してしまうため、ステージ上に微粒子を敷き詰められず、造形物を製造できない。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、表面粗さを向上させた造形物を製造することができる造形装置及び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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様にかかる造形装置は、複数の微粒子が分散された液体をステージ上に供給する供給部と、前記ステージ上に供給された前記液体を蒸発させ、当該液体に分散されていた前記複数の微粒子を前記ステージ上に敷き詰める蒸発部と、前記ステージ上に敷き詰められた前記複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する溶融部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、表面粗さを向上させた造形物を製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態の造形装置１の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、本実施形態の造形装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、本実施形態の造形装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図４】図４は、本実施形態のイオン液体の供給工程の一例の説明図である。
【図５】図５は、本実施形態のイオン液体の蒸発工程の一例の説明図である。
【図６】図６は、本実施形態の金属微粒子の溶融工程の一例の説明図である。
【図７】図７は、本実施形態の造形装置１で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明にかかる造形装置及び造形方法の実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態の造形装置１の一例を示す模式図である。図１に示すように、造形装置１は、容器２と、ステージ５と、電子銃６と、液体供給容器７と、造形枠１１と、を備える。
【００１１】
図１に示すように、ステージ５、電子銃６、液体供給容器７、及び造形枠１１は、容器２内に設けられている。なお本実施形態では、容器２内は、真空に維持されている場合を例に取り説明するが、これに限定されるものではない。容器２内を真空化する手法は、公知技術を用いればよい。例えば、真空ポンプを容器２に接続し、容器２内の雰囲気を真空ポンプにより排気することで、容器２内を真空化できる。
【００１２】
造形枠１１は、容器２の鉛直方向の下部に配置されており、鉛直方向の上方から下方にかけて貫通するピット１１ａが形成されている。ピット１１ａは、略四角柱状に開口しており、ステージ５が配置されている。
【００１３】
ステージ５は、造形物を製造するための材料が積層される台であり、略平板状に形成されている。ステージ５は、鉛直方向に昇降可能に構成されている。
【００１４】
液体供給容器７は、造形物を製造するための材料を貯蔵し、貯蔵している材料をステージ５上に供給する容器であり、造形枠１１上に配置されている。液体供給容器７の下部には供給シャッター７ａが設けられており、この供給シャッター７ａが開かれると、造形物を製造するための材料が排出され、ステージ５上に供給される。なお、造形物を製造するための材料としては、複数の微粒子が分散された液体が挙げられる。
【００１５】
ここで、造形物を製造するための材料に、複数の微粒子が分散された液体を用いている理由は、造形に用いる微粒子の粒径を小さくするためである。具体的に説明すると、造形に用いる微粒子の粒径を小さくした場合、微粒子のみをステージ５上に供給しようとすると、ステージ５上に微粒子を敷き詰める際に微粒子が飛散してしまい、ステージ５上に微粒子を敷き詰めることができない。このため本実施形態では、微粒子のみをステージ５上に供給するのではなく、微粒子が分散された液体をステージ５上に供給することで、供給時に微粒子が飛散してしまい、ステージ５上に微粒子を敷き詰めることができなくなってしまうことを防止する。なお、詳細は後述するが、微粒子が分散された液体がステージ５上に供給された後に、電子銃６により液体は蒸発されるので、ステージ５上には、微粒子が敷き詰められる。
【００１６】
本実施形態では、造形物を製造するための材料が、複数の金属微粒子が分散されたイオン液体である場合を例に取り説明するが、これに限定されるものではない。
【００１７】
ここで、イオン液体としては、アンモニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩、ピリジニウム塩、及びピロリジニウム塩などが挙げられる。
【００１８】
アンモニウム塩系のイオン液体としては、例えば、ブチルメチルアンモニウムビストリフルオロメチルスルフォニルアミド、テトラブチルアンモニウムノナフルオロブタンスルフォネート、エチルジメチルプロピルアンモニウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、テトラエチルアンモニウムトリフルオロメタンスルフォネート、及びテトラへプチルアンモニウムクロライドなどが挙げられる。
【００１９】
イミダゾリウム塩系のイオン液体としては、例えば、１‐アリル‐３‐メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、１‐ベンジル‐３‐メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１‐アリル‐３‐メチルイミダゾリウムブロマイド、１，３‐ビスシアノメチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、及び１‐アリル‐３‐メチルイミダゾリウムクロライドなどが挙げられる。
【００２０】
ホスホニウム塩系のイオン液体としては、例えば、テトラブチルフォスフォニウムメタンスルフォネート、トリブチルメチルフォスフォニウムヂブチルフォスフェイト、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムブロマイド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、及びトリブチルメチルフォスフォニウムメチルサルフェイトなどが挙げられる。
【００２１】
ピリジニウム塩系のイオン液体としては、例えば、１‐ブチル‐３‐メチルピリジニウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、１‐ブチル‐４‐メチルピリジニウムテトラフルオロボレート、１‐ブチル‐４‐メチルピリジニウムブロマイド、１‐ブチルピリジニウムブロマイド、及び１‐ブチル‐４‐メチルピリジニウムクロライドなどが挙げられる。
【００２２】
ピロリジニウム塩系のイオン液体としては、例えば、１‐ブチル‐１‐メチルピロリジウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、１‐ブチル‐１‐メチルピッロリジニウムテトラフルオロボレート、１‐ブチル‐１メチルピッロリヂニウムブロマイド、及び１‐エチル‐１‐メチルピロリジニウムトリフルオロメタンスルフォネートなどが挙げられる。
【００２３】
なお、液体にイオン液体を用いる理由は、容器２内が真空に維持されている状況下においても、液体供給容器７内で液体が揮発してしまうことを防止するためである。従って、真空に維持されている状況下であっても揮発しない液体であれば、イオン液体以外の液体を用いてもよい。
【００２４】
また、金属微粒子としては、例えば、金属積層造形（Additive  Manufacturing：ＡＭ）用の金属粉末であるチタン、ニッケル、アルミ、及びステンレスなどの合成金属粉が挙げられる。なお、一般的な金属積層造形では、金属微粒子の粒径は、６０μｍ〜８０μｍのものを使用するが、本実施形態では、上述の通り、金属微粒子の粒径を小さくするため、金属微粒子の粒径は、０．５μｍ〜１μｍのものを使用する。
【００２５】
電子銃６は、容器２内の鉛直方向上部に、ステージ５の一面に対向するように配置されている。電子銃６は、ステージ５上に供給された、複数の微粒子が分散された液体に対し、第１の電子ビームを照射して、当該液体を蒸発させる。これにより、ステージ５上には、蒸発された液体に分散されていた複数の微粒子が残り、ステージ５上に複数の微粒子が敷き詰められる。更に、電子銃６は、ステージ５上に敷き詰められた複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子に、第２の電子ビームを照射して、当該１以上の微粒子を溶融し、凝固させる。
【００２６】
なお、第１の電子ビームと第２の電子ビームとは、エネルギーが異なる。具体的には、液体（イオン液体）の蒸発よりも微粒子（金属微粒子）の溶融の方がエネルギーを要するため、第１の電子ビームよりも第２の電子ビームの方が、エネルギーが高い。なお、少なくとも、第２の電子ビームについては、エネルギー密度を非常に高くし、瞬時に金属の溶融を起こすため、直径１００μｍ〜２００μｍ程度に集束されているものとする。
【００２７】
そして、電子銃６は、複数の微粒子が分散された液体がステージ５上に供給される毎に、上述の動作を繰り返す。これにより、ステージ５上には、溶融し、凝固された微粒子の塊である造形物２１が製造されるとともに、溶融されなかった微粒子群１２が残る。
【００２８】
図２は、本実施形態の造形装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、造形装置１は、ステージ５、電子銃６、供給シャッター７ａ、ステージ駆動部１１３、及び供給駆動部１１５と、制御装置１００と、を備える。
【００２９】
図２に示すように、制御装置１００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）１０１と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）１０３と、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）１０５と、通信Ｉ／Ｆ１０７と、電子銃走査部１１１と、を備える。
【００３０】
ＣＰＵ１０１は、造形装置１の動作を統括的に制御する。具体的には、ＣＰＵ１０１は、ＲＡＭ１０３に記憶されている造形データやＲＯＭ１０５に格納されたプログラムに基づいて、造形データが示す造形物を造形装置１が製造するように、造形装置１の動作を制御する。
【００３１】
なお、造形データは、造形物を複数の造形層にスライスすることで、造形物の３次元構造を、各造形層の２次元構造で表したデータである。この造形データは、制御装置１００で生成してＲＡＭ１０３に記憶しておいてもよいし、ＰＣ（Personal  Computer）等の外部装置で生成されたものを通信Ｉ／Ｆ１０７を介して受信してＲＡＭ１０３に記憶しておいてもよい。また、制御装置１００は、造形データに対し何かしらの画像処理を行う場合には、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）などの画像処理回路を更に備えていてもよい。
【００３２】
電子銃走査部１１１は、ＣＰＵ１０１の指示に基づいて、電子銃６を主走査方向（Ｘ方向）及び副走査方向（Ｙ方向）に移動（走査）させる駆動機構である。なお、電子銃６による電子ビームの照射のオン／オフや、電子ビームの照射強度（エネルギー）の制御は、ＣＰＵ１０１の指示に基づいて行われてもよいし、ＩＣ（Integrated  Circuit）などのハードウェアを介して行われてもよい。
【００３３】
ステージ駆動部１１３は、ＣＰＵ１０１の指示に基づいて、ステージ５を鉛直方向（Ｚ方向）に移動（昇降）させる駆動機構である。
【００３４】
供給駆動部１１５は、ＣＰＵ１０１の指示に基づいて、液体供給容器７に設けられた供給シャッター７ａを開閉するための駆動機構である。
【００３５】
図３は、本実施形態の造形装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、造形装置１は、ステージ制御部１５１と、供給部１５３と、蒸発部１５５と、溶融部１５７と、を含む。
【００３６】
ステージ制御部１５１は、例えば、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０３、及びステージ駆動部１１３などにより実現できる。供給部１５３は、例えば、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０３、及び供給駆動部１１５などにより実現できる。蒸発部１５５及び溶融部１５７は、例えば、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０３、及び電子銃走査部１１１などにより実現できる。
【００３７】
ステージ制御部１５１は、ステージ５を段階的に鉛直下方向に移動させる。なお、ステージ５の初期位置は、ステージ５の上面と造形枠１１の上面との鉛直方向の高さが一致する位置であり、ステージ制御部１５１は、ステージ５の初期位置から、ステージ５を段階的に鉛直下方向に移動させる。ここで、ステージ制御部１５１がステージ５を鉛直下方向に移動させる回数は、造形データが示す造形層の数分である。
【００３８】
例えば、造形データが示す造形層の数がＮ（Ｎは２以上の自然数）であるとする。この場合、ステージ制御部１５１は、まず、第１の造形層（最下層）の造形を行わせるため、初期位置から、ステージ５を予め定められた長さである△Ｚ分、鉛直下方向に移動させる。そして、第１の造形層での造形が終了すると、ステージ制御部１５１は、第２の造形層の造形を行わせるため、ステージ５を更に△Ｚ分、鉛直下方向に移動させる。以下、第Ｎの造形層（最上層）での造形が終了するまで、同様の処理が繰り返される。この結果、第Ｎの造形層での造形が終了した際には、ステージ５は、初期位置から、Ｎ×△Ｚ分鉛直下方向に移動されている。
【００３９】
供給部１５３は、複数の微粒子が分散された液体をステージ５上に供給する。具体的には、供給部１５３は、ステージ５が鉛直下方向に移動する毎に、供給シャッター７ａを開き、図４に示すように、複数の金属微粒子２０１が分散されたイオン液体２０２をステージ５上に供給する。なお、供給部１５３は、毎回、イオン液体２０２の液面と造形枠１１の上面との鉛直方向の高さが一致するまで（ステージ５の面積×△Ｚ分の分量）、イオン液体２０２をステージ５上に供給する。
【００４０】
蒸発部１５５は、ステージ５上に供給された液体を蒸発（揮発）させ、当該液体に分散されていた複数の微粒子をステージ５上に敷き詰める。具体的には、蒸発部１５５は、複数の金属微粒子が分散されたイオン液体がステージ５上に供給される毎に、ステージ５上に供給されたイオン液体を蒸発させ、当該イオン液体に分散されていた複数の金属微粒子をステージ５上に敷き詰める。
【００４１】
例えば、蒸発部１５５は、ステージ５の上面を全て走査するように電子銃６から第１の電子ビーム２０３を照射させ、図５に示すように、ステージ５上に供給されているイオン液体を蒸発させる。なお、複数の金属微粒子２０１は、イオン液体内で分散されているため、イオン液体が蒸発されると、ステージ５の上面全体に複数の金属微粒子２０１が残り、複数の金属微粒子２０１がステージ５上に敷き詰められる。
【００４２】
溶融部１５７は、ステージ５上に敷き詰められた複数の微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する。具体的には、溶融部１５７は、複数の金属微粒子がステージ５上に敷き詰められる毎に、ステージ５上に敷き詰められた複数の金属微粒子のうち、所定の場所に位置する１以上の微粒子を溶融する。
【００４３】
例えば、溶融部１５７は、図６に示すように、ステージ５の上面のうち、所定の場所を走査するように電子銃６から第２の電子ビーム２０４を照射させることで、複数の金属微粒子２０１のうち所定の場所に位置する１以上の金属微粒子２０１ａを溶融し、時間経過に伴い、凝固させる。なお、所定の場所は、造形データ（詳細には、現在造形している造形層の２次元構造）から定まる。
【００４４】
図７は、本実施形態の造形装置１で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
【００４５】
まず、ステージ制御部１５１は、ステージ５を△Ｚ分鉛直下方向に移動させる（ステップＳ１０１）。
【００４６】
続いて、供給部１５３は、ステージ５の面積×△Ｚ分の分量のイオン液体２０２をステージ５上に供給する（ステップＳ１０３）。
【００４７】
続いて、蒸発部１５５は、ステージ５の上面を全て走査するように電子銃６から第１の電子ビーム２０３を照射させ、ステージ５上に供給されているイオン液体を蒸発させる（ステップＳ１０５）。
【００４８】
続いて、溶融部１５７は、ステージ５の上面のうち、所定の場所を走査するように電子銃６から第２の電子ビームを照射させることで、複数の金属微粒子のうち所定の場所に位置する１以上の金属微粒子を溶融し、時間経過に伴い、凝固させる（ステップＳ１０７）。
【００４９】
そして、制御装置１００は、全ての造形層での造形が終了していれば（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、処理を終了し、未造形の造形層が残っていれば（ステップＳ１０９でＮｏ）、ステップＳ１０１へ戻る。
【００５０】
以上のように、本実施形態によれば、微粒子のみをステージ上に供給するのではなく、微粒子が分散された液体をステージ上に供給するため、微粒子の粒径を小さくしても、供給時に微粒子が飛散してしまい、ステージ上に微粒子を敷き詰めることができなくなってしまうことを防止できる。そして本実施形態によれば、微粒子が分散された液体をステージ上に供給した後に、当該液体を蒸発させることで、粒径の小さい微粒子であってもステージ上に微粒子を敷き詰めることができ、造形物の造形（微粒子の溶融）が可能となる。
【００５１】
このように、本実施形態では、粒径の小さい微粒子を用いた造形物の造形が可能となるため、表面粗さを向上させた（滑らかにした）造形物を製造することができ、精密度を向上させた造形物を製造することができる。
【００５２】
また本実施形態では、微粒子が分散された液体を蒸発させるため、微粒子には幾分かの液分が残り、微粒子を溶融させるための電子ビームの風圧により微粒子が飛散してしまい、造形物を製造できなくなってしまうという事態も防止できる。
【符号の説明】
【００５３】
１  造形装置
５  ステージ
１５１  ステージ制御部
１５３  供給部
１５５  蒸発部
１５７  溶融部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５４】
【特許文献１】特開２０１５−１９３８８３号公報
【図１】
2018024923.tif 000003
【図２】
2018024923.tif 000004
【図３】
2018024923.tif 000005
【図４】
2018024923.tif 000006
【図５】
2018024923.tif 000007
【図６】
2018024923.tif 000008
【図７】
2018024923.tif 000009