(57)【要約】【課題】立体造形物の反りの発生を防止し、かつ製造時間を短縮化することができる立体造形物の製造方法の提供。【解決手段】粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造方法であって、前記立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、前記立体造形物及び前記未硬化の粉末材料を加圧する加圧工程と、前記未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、前記立体造形物を冷却する冷却工程と、を含む立体造形物の製造方法である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造方法であって、
前記立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、前記立体造形物及び前記未硬化の粉末材料を加圧する加圧工程と、
前記未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、前記立体造形物を冷却する冷却工程と、
を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法。
【請求項２】
前記立体造形物が造形される造形槽に蓋をした状態で加圧する請求項１に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項３】
前記蓋が、気体を透過可能である請求項２に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項４】
前記ジャミング転移を生じる圧力が、１ＭＰａ以下である請求項１から３のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項５】
前記ジャミング転移を生じる圧力が、０．３ＭＰａ以下である請求項１から４のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項６】
前記造形槽に冷気を送風して冷却する請求項１から５のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項７】
前記粉末材料が、結晶性樹脂であり、
前記加圧工程及び前記冷却工程における前記造形槽の温度が、前記結晶性樹脂の結晶化温度以上である請求項１から６のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項８】
粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造装置であって、
前記立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、前記立体造形物及び前記未硬化の粉末材料を加圧する加圧手段と、
前記未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、前記立体造形物を冷却する冷却手段と、
を有することを特徴とする立体造形物の製造装置。
【請求項９】
前記加圧手段が、圧力検知手段を有する請求項８に記載の立体造形物の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形物の製造方法、及び立体造形物の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体造形物の製造方法として、粉体の薄層を形成し、この薄層にレーザー光を照射して薄い焼結体を形成し、この操作を繰り返すことにより、薄い焼結体の上に順次焼結体を積層して所望の形状の立体造形物を得る粉末積層造形法が利用されている。
【０００３】
このような粉末積層造形法としては、例えば、粉末床溶融（ＰＢＦ：ｐｏｗｄｅｒ  ｂｅｄ  ｆｕｓｉｏｎ）方式などが挙げられる。粉末床溶融方式には、粉末材料に選択的にレーザーを照射して立体造形物を形成するＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌｅｓｅｒ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式、ＳＬＭ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌｅｓｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ）方式、マスクを用いて粉末材料の平面上にレーザーを当てるＳＭＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｍａｓｋ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式などが知られている。
【０００４】
粉末積層造形法では、造形に伴って立体造形物に熱が蓄積するため、造形後に立体造形物を冷却することが行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、立体造形物の反りの発生を防止し、かつ製造時間を短縮化することができる立体造形物の製造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】
課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造方法は、粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造方法であって、前記立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、前記立体造形物及び前記未硬化の粉末材料を加圧する加圧工程と、前記未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、前記立体造形物を冷却する冷却工程と、を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、立体造形物の反りの発生を防止し、かつ製造時間を短縮化することができる立体造形物の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の立体造形物の製造装置の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態における動作の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態における動作の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態における動作の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態における動作の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態における動作の一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態における動作の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（立体造形物の製造方法及び立体造形物の製造装置）
本発明の立体造形物の製造方法は、粉末材料を供給する工程と、粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造方法であって、立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、立体造形物及び未硬化の粉末材料を加圧する加圧工程と、未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、立体造形物を冷却する冷却工程と、を含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。
【００１０】
本発明の立体造形物の製造装置は、粉末材料を供給する工程と、粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造装置であって、立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、立体造形物及び未硬化の粉末材料を加圧する加圧手段と、未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、立体造形物を冷却する冷却手段と、を有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
立体造形物の製造方法は、立体造形物の製造装置により好適に実施することができる。
【００１１】
従来の立体造形物の製造方法では、造形後の冷却による反りの発生を防止するために、立体造形物を造形時間と同程度の時間をかけて徐冷を行っていたため、冷却時間が全行程の約半分近くを占め、製造効率が低いという問題があった。
【００１２】
本発明の立体造形物の製造方法は、造形した立体造形物を未硬化の粉末材料と共に、未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせる圧力で加圧することにより、立体造形物の形状に沿って未硬化の粉末材料を固体化させることができるため、立体造形物を造形直後の形状に固定することができる。本発明の立体造形物の製造方法では、この状態で立体造形物を冷却することにより、立体造形物の反りの発生を防止しつつ、製造時間を短縮化することができる。
【００１３】
立体造形物の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、特許第３６０７３００号公報に記載の選択的レーザー焼結方法に用いられる、公知のカウンター回転機構（カウンターローラー）などを用いる方法、粉末材料をブラシ、ローラー、ブレード等の部材を用いて薄層に拡げる方法、粉末材料の表面を押圧部材により押圧して薄層に拡げる方法、公知の粉末積層装置を用いる方法などが好適に挙げられる。
【００１４】
＜立体造形工程及び立体造形手段＞
立体造形工程は、造形槽に粉末材料を供給し、供給した粉末材料を硬化して硬化層を形成し、形成した硬化層を積層して所望の形状の立体造形物を製造する工程であり、立体造形手段により実施される。
【００１５】
粉末材料としては、粉末であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、有機材料の粒子、無機材料の粒子などが挙げられる。
【００１６】
−有機材料−
有機材料としては、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリイミド、フッ素樹脂等のポリマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１７】
ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１８】
ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリアミド６１２（ＰＡ６１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）；半芳香族性のポリアミド４Ｔ（ＰＡ４Ｔ）、ポリアミドＭＸＤ６（ＰＡＭＸＤ６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリアミド１０Ｔ（ＰＡ１０Ｔ）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１９】
ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブタジエンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。耐熱性を付与するため一部テレフタル酸やイソフタル酸が入った芳香族を含むポリエステルも好適に用いることができる。
【００２０】
ポリエーテルとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）などが挙げられる。
ポリエーテル以外にも、結晶性ポリマーであればよく、例えば、ポリアセタール、ポリイミド、ポリエーテルスルフォンなどが挙げられる。ＰＡ９Ｔのように融点ピークが２つあるものを用いてもよい（完全に溶融させるには２つ目の融点ピーク以上に樹脂温度を上げる必要がある）。
【００２１】
有機材料としては、上述したような、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、結晶性熱可塑性樹脂、非結晶性熱可塑性樹脂が挙げられる。これらの中でも、結晶性熱可塑性樹脂が好ましい。結晶性樹脂とは、ＩＳＯ  ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳ  Ｋ７１２１）の測定をした場合に、融解ピークを有するものを意味する。粉末材料が結晶性熱可塑性樹脂であると、製造した立体造形物の強度を高くすることができる。
【００２２】
さらに、有機材料としては、強化剤、難燃化剤、可塑剤、安定化剤、酸化防止剤、結晶核剤等の添加剤などを含んでいてもよい。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらは、熱可塑性樹脂と混合し、粉末材料に内在させてもよいし、粉末材料の表面に付着させてもよい。
【００２３】
強化剤とは、主に強度を高めるために添加され、フィラー又は充填材として含有される。例えば、ガラスフィラーやガラスビーズ、カーボンファイバー、アルミボール、国際公開第２００８／０５７８４４号パンフレットに記載のものなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよいし、樹脂中に含まれていてもよい。粉末材料としては、適度に乾燥しているのが好ましく、真空乾燥機やシリカゲルを入れることにより使用前に乾燥させてもよい。
【００２４】
酸化防止剤としては、例えば、金属不活性化剤であるヒドラジド系やアミド系、ラジカル捕捉剤であるフェノール系（ヒンダードフェノール系）やアミン系、過酸化物分解剤であるホスフェート系や硫黄系、紫外線吸収剤であるトリアジン系などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。特に、ラジカル捕捉剤と過酸化物分解剤とを組み合わせて用いると有効であることが知られている。
【００２５】
酸化防止剤の含有量としては、粉末材料全量に対して、０．０５質量％以上５質量％以下が好ましく、０．１質量％以上３質量％以下がより好ましく、０．２質量％以上２質量％以下が特に好ましい。酸化防止剤の含有量が、上記範囲内であることにより、熱劣化を防止する効果が得られ、造形に使用した粉末材料を再利用することが可能になる。また、熱による変色を防止する効果も得られる。
【００２６】
粉末材料は、ＩＳＯ  ３１４６に準拠して測定したときの融点が１００℃以上の樹脂であることが好ましい。ＩＳＯ  ３１４６に準拠して測定したときの前記融点が１００℃以上であると、製品の外装等に使用されうる耐熱温度の範囲であるため好ましい。なお、前記融点は、ＩＳＯ  ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳ  Ｋ７１２１）に準拠して、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用いて測定することができ、複数の融点が存在する場合は、高温側の融点を使用する。
【００２７】
−無機材料−
無機材料としては、例えば、金属、セラミックス、カーボンなどが挙げられる。
金属としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）鋼、鉄、銅、チタン、銀などが好適に挙げられ、該ステンレス（ＳＵＳ）鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌなどが挙げられる。
セラミックスとしては、例えば、金属酸化物などが挙げられ、具体的には、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）などが挙げられる。
カーボンとしては、例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが挙げられる。
【００２８】
−硬化−
電熱照射に用いられる電熱照射源としては、例えば、ＣＯ２レーザー、赤外照射源、マイクロウェーブ発生器、放射加熱器、ＬＥＤランプなどが挙げられる。これらは１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２９】
なお、上記で説明した電熱照射を行って粉末材料を硬化させる方法の他に、光硬化性樹脂を粉末材料に吐出し光硬化性樹脂を紫外線レーザーで硬化させる方法などが挙げられる。
【００３０】
以上説明した立体造形物の造形工程により、造形槽内に、立体造形物の周囲に未硬化の粉末材料を有する状態で所望の形状の立体造形物が造形される。
【００３１】
＜加圧工程及び加圧手段＞
加圧工程は、立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で立体造形物及び未硬化の粉末材料を加圧する工程であり、加圧手段により好適に実施することができる。
【００３２】
ジャミング転移とは、流体のように振る舞っていた粉体などの粒子が、所定の密度以上になると粒子全体が固体のように振る舞う現象である。
本発明の立体造形物の製造方法では、造形槽に造形した立体造形物及び立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料に対して加圧を行い、未硬化の粉末材料の密度を向上させることで、未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせる。未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせることで、未硬化の粉末材料が立体造形物の形状に沿って固体化するため、立体造形物を造形直後の形状に固定することができる。
また、ジャミング転移は加圧方向に関係なく生じるため、造形した立体造形物の形状が複雑であっても、未硬化の粉末材料が立体造形物の周囲に接触していれば、立体造形物の形状に沿った状態で立体造形物を固定することができる。
【００３３】
未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる密度については、その詳細は明らかになっていないが、所定の密度以上にするには、未硬化の粉末材料にジャミング転移が生じる圧力をかけることが好ましい。ジャミング転移が生じる圧力としては、１ＭＰａ以下が好ましく、０．３ＭＰａ以下がさらに好ましい。ジャミング転移が生じる圧力が、１ＭＰａ以下であると造形した立体造形物への過度の応力による変形を起こすことなく、未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせることができる。
【００３４】
立体造形物の周囲の未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じていることを確認する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、造形槽の内壁、及び造形槽の底面（造形ステージ）などに圧力検知手段を複数箇所設置しておき、加圧した際に、全ての圧力検知手段が所定値以上の圧力を検出した場合にジャミング転移を生じていると判定する方法などが挙げられる。
【００３５】
圧力検知手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、市販の圧力測定器、圧力センサーなどを用いることができる。
【００３６】
また、上記の方法以外にも、未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じていることを確認する方法としては、例えば、以下のような方法を用いることができる。
まず、加圧可能な容器に立体造形物の製造に用いる粉末材料を入れる。粉末材料を入れた容器の中央に鉄球を１つ又は複数個入れ、容器を所定の圧力で加圧しながら振動させる。振動を終了させた後、加圧を解除して、鉄球が元の位置から移動しているか否かを確認する。鉄球が元の位置から移動していない場合、加えた圧力が粉末材料のジャミング転移を生じさせるのに十分な圧力であったことが判断できる。この方法によれば、未硬化の粉末材料が、どの程度の圧力をかければ造形時にジャミング転移を生じるのかを間接的に確認することができる。
【００３７】
造形槽内の立体造形物及び未硬化の粉末材料を加圧する方法としては、未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせることができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、造形槽の開口部を塞ぎ加圧手段により押圧する方法などが挙げられる。
造形槽の開口部を塞ぐ手段としては、例えば、蓋をすることなどが挙げられる。
蓋は、気体を透過可能であることが好ましい。蓋が気体を透過可能であると、造形槽の内部に外気を送風することができ、後述する冷却工程に要する時間を短縮することができる。気体を透過させるために、蓋は、粉末材料の平均粒径以下の連通孔を有するか、多孔質の構造を有するものとしてもよい。
造形槽の開口部を塞ぎ加圧手段により押圧する方法としては、例えば、造形槽を密閉する蓋を開口部に設置し、蓋を加圧手段により押圧する方法、又は蓋を固定し、造形槽の底面（造形ステージ）を加圧手段により押圧する方法などが挙げられる。
【００３８】
また、その他の造形槽内の立体造形物及び未硬化の粉末材料を加圧する方法としては、例えば、可動式の蓋を用いて、造形槽を密閉し、密閉した造形槽の内部を減圧させて造形槽の内部の体積を小さくする向きに蓋を移動させることにより、立体造形物及び未硬化の粉末材料を加圧する方法などが挙げられる。
【００３９】
＜冷却工程及び冷却手段＞
冷却工程は、未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で立体造形物を冷却する工程であり、冷却手段により好適に実施することができる。
【００４０】
本発明の立体造形物の製造方法は、立体造形物の周囲の未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせるため、立体造形物を造形直後の形状に固定した状態で冷却することができ、熱の影響による立体造形物の反りの発生を抑制しつつ、冷却に要する時間を短縮することができる。
【００４１】
立体造形物を冷却する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、冷却手段により造形槽の内部の雰囲気温度を低下させる方法、冷却手段により造形槽の壁面及び底面を冷却する方法などが挙げられる。
【００４２】
冷却手段により造形槽の内部の雰囲気温度を低下させる方法としては、例えば、造形槽の内部よりも低い温度の気体を蓋の上部から送風する方法などが挙げられる。造形槽の内部よりも低い温度の気体を蓋の上部から送風することにより、造形槽に気体を流入させ、造形槽の内部の雰囲気温度を低下させることができる。
【００４３】
冷却時間としては、冷却方法により異なり、一般には規定できないが、例えば、２時間以下が好ましく、１時間以下が更に好ましい。冷却時間が２時間以下であると、製造効率を向上させることができるため好ましい。
【００４４】
加圧工程及び冷却工程における、造形槽の温度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、粉末材料の結晶化温度以上の温度が好ましい。造形槽の温度が、結晶化温度以上の温度であると、製造する立体造形物の反りの発生を防止しやすくなる。
【００４５】
＜その他の工程及びその他の手段＞
その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、制御工程、表示工程などが挙げられ、その他の手段として、例えば、例えば、制御手段、表示手段などにより好適に実施することができる。
【００４６】
以下、本発明の立体造形物の製造装置の具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明することにより、本発明の立体造形物の製造方法について説明する。
なお、実施形態の説明においては、粉末床溶融方式を用いて説明するが、本発明は、この実施形態により限定されるものではない。
【００４７】
＜実施形態＞
図１は、本発明の立体造形物の製造方法に用いられる立体造形物の製造装置の一例を示す図である。図１の立体造形物の製造装置１０は、供給槽５と、造形槽６と、ステージ７と、ローラー４と、ヒーター３と、ＣＯ２レーザー１とを備えている。なお、立体造形物の製造装置１０は、図示を省略しているが、加圧手段と、冷却手段とを備えている。
図１に示すように、供給槽５に粉末材料（ポリアミド１２、結晶性熱可塑性樹脂）を貯蔵し、造形槽６に積層する層の厚みに応じて、供給槽５のステージ７を上昇させ、粉末材料をローラー４により造形槽６に供給する。供給槽５から供給する粉末材料の供給量は、予め設定する積層ピッチによってステージ７の上昇幅を適宜調節することにより調節することができる。
供給槽５は、ヒーター３により温度を調節されていることが好ましい。供給槽５に貯蔵される粉末材料が温度調節されていることにより、急激な加熱による粉末材料の膨張、及び造形物の周囲の粉体への熱拡散を防止することができる。供給槽５の温度としては、粉末の融点より１０℃低い温度を基準にプラスマイナス１０℃以内の温度が好ましい。
【００４８】
次に、ＣＯ２レーザー１から出力５０Ｗのレーザーを反射鏡２に照射し、反射鏡２により反射したレーザーを造形槽６に供給した粉末材料に照射し、粉末材料を所望の形状に硬化し、硬化層を形成する。硬化層の形成は、反射鏡２の角度を入力された３Ｄ立体造形データなどに基づき調節することで、所望の形状にレーザーを照射することで行うことができる。
次に、造形槽６の開口部を密閉可能な蓋をして、造形した立体造形物と、未硬化の粉末材料とを、図示しない加圧手段により、造形槽上部から蓋を介してジャミング転移を生じる圧力（１．０ＭＰａ）で加圧する。その後、ジャミング転移が生じた状態で造形槽６を図示しない冷却手段で送風し、冷却を行う。造形時における造形槽６の部品床温度は、粉末材料の融点より５℃以上低温にして造形を行う。
【００４９】
次に、本発明の立体造形物の製造方法の実施形態について、図２〜図７を用いてより具体的に説明する。図２は、立体造形物を製造する立体造形物の製造装置の動作の一例を示す図である。図３〜図５は、立体造形物の製造装置による立体造形物の製造工程の動作の一例を示す図である。図６は、図４において供給した粉末材料を硬化した後の造形物の状態の一例を示す図である。図７は、立体造形物を製造した後に行う加圧工程及び冷却工程の一例を示す図である。
【００５０】
図２は、立体造形物９を造形中の立体造形物の製造装置１０が、ｎ層目の造形を開始するときの各部位の配置を示す。立体造形物の製造装置１０が、ｎ層目の造形を開始すると、図３に示すように、まず、供給槽５のステージ７を上昇させ、造形槽６へ供給する粉末材料を押し上げる。また、供給槽５のステージ７の上昇に伴い、造形槽６におけるステージ８を供給槽５のステージ７の上昇幅に応じて下降させる。
【００５１】
次に、図４に示すように、供給槽５のステージ７の上昇により、突出した粉末材料をローラー４によって、粉末材料を平坦化させながら造形槽６へ供給する。その後、図５に示すように、造形槽６に供給した粉末材料をＣＯ２レーザー１から照射されるレーザー１１により硬化させ、硬化層を形成する。レーザー１１を粉末材料に照射する位置の制御は、入力された３Ｄ立体造形データに基づき反射鏡２の角度を制御することにより行われる。このように、図３から図６を順次繰り返すことにより、所望の形状の硬化層を積層した立体造形物９を製造する。
【００５２】
次に、立体造形物９を造形した後の加圧工程及び冷却工程について説明する。図７に示すように、立体造形物９を造形した後は、造形槽６の内部は立体造形物９の周囲に未硬化の粉末材料が存在している状態になる。この状態で、造形槽６を密閉可能なステンレス（ＳＵＳ３０４）製の蓋１２により、造形槽６を密閉状態にし、加圧手段１３で蓋１２を未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせる圧力（１．０ＭＰａ）を加える。加圧により、立体造形物９の周囲に存在する未硬化の粉末材料にジャミング転移を生じさせ、立体造形物９の形状に沿って未硬化の粉末材料を固体化させ、立体造形物９を固定する。なお、未硬化の粉末材料にジャミング転移が生じていることは、造形槽６の内部、造形槽６のステージ８、及び蓋１２に設置した圧力測定器１４が、いずれも所定値以上の圧力を検出したことにより確認する。
【００５３】
次に、図示しない冷却手段により、未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態（加圧状態）で蓋１２の上部から造形槽６に２０℃の冷風を３０分間送風し、立体造形物９を冷却する。その後、立体造形物９を造形槽６から取り出し、幅１ｃｍ、厚み３ｍｍ、長さ５ｃｍの立体造形物を、ノギスで測定した結果、立体造形物９には反りが発生していないことがわかった。
【００５４】
次に、実施形態において、本発明の立体造形物の製造方法における加圧工程及び冷却工程の少なくともいずれかを行わなかった比較実験１及び２を説明する。
【００５５】
＜比較実験１＞
実施形態において、立体造形物９の造形を行った後に、加圧工程を行わずに冷却手段により蓋１２の上部から造形槽６に２０℃の冷風を３０分間送風し、立体造形物９を冷却した。得られた立体造形物９の寸法をノギスで測定した結果、３ｍｍの反りが発生していることがわかった。比較実験１では、製造した立体造形物９は急冷されることによって、反りが発生していることがわかった。
【００５６】
＜比較実験２＞
実施形態において、立体造形物９の造形を行った後に、立体造形物９を造形槽６から取り出し、室温で６時間、徐冷を行った。得られた立体造形物９の寸法をノギスで測定した結果、立体造形物９には反りが発生していなかった。比較実験２では、立体造形物に反りが発生しないように立体造形物の造形時間と同程度の時間をかけて徐冷する必要があり、本発明の実施形態と比較して、全体の製造時間が大幅に増加した。
【００５７】
このように、立体造形物を造形後に、立体造形物及び立体造形物の周囲の未硬化粉末材料にジャミング転移を生じさせる圧力を加えることにより、立体造形物を未硬化の粉末材料で固定した状態とすることができる。立体造形物を未硬化の粉末材料で固定した状態で冷却することにより、立体造形物の反りの発生を防止し、かつ製造時間を短縮化することができる。
【００５８】
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞  粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造方法であって、
前記立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、前記立体造形物及び前記未硬化の粉末材料を加圧する加圧工程と、
前記未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、前記立体造形物を冷却する冷却工程と、
を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法である。
＜２＞前記立体造形物が造形される造形槽に蓋をした状態で加圧する前記＜１＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜３＞  前記蓋が、気体を透過可能である前記＜２＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜４＞  前記ジャミング転移を生じる圧力が、１ＭＰａ以下である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜５＞  前記ジャミング転移を生じる圧力が、０．３ＭＰａ以下である前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜６＞  前記造形槽に冷気を送風して冷却する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜７＞  前記粉末材料が、結晶性樹脂であり、
前記加圧工程及び前記冷却工程における前記造形槽の温度が、前記結晶性樹脂の結晶化温度以上である前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜８＞  粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料を硬化して硬化層を形成する工程と、を複数回繰り返すことにより硬化層を積層して、立体造形物を造形する立体造形物の製造装置であって、
前記立体造形物の周囲に存在する未硬化の粉末材料がジャミング転移を生じる圧力で、前記立体造形物及び前記未硬化の粉末材料を加圧する加圧手段と、
前記未硬化の粉末材料がジャミング転移した状態で、前記立体造形物を冷却する冷却手段と、
を有することを特徴とする立体造形物の製造装置である。
＜９＞  前記加圧手段が、圧力検知手段を有する前記＜８＞に記載の立体造形物の製造装置である。
【００５９】
前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法、及び前記＜８＞から＜９＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。
【符号の説明】
【００６０】
６      造形槽
９      立体造形物
１０    立体造形物の製造装置
１２    蓋
１３    加圧手段
１４    圧力検知手段
【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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