(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元造形物中の炭素残渣の残存量を少なくし、スパッタ粒子に起因する三次元造形物外表面の面粗度の低下を抑制する三次元造形装置の提供。【解決手段】本発明の三次元造形装置１は、粉末と溶媒とバインダーとを含む組成物の層１１を形成する層形成部１３と、該層１１中の粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射部１７と、該層１１の表面に存在する付着物を除去する除去部１９と、を備え、前記除去部１９が、レーザー照射部１７によるレーザー照射後に層１１の表面に存在する付着物を除去するように制御されることによって構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末と溶媒とバインダーとを含む組成物の層を形成する層形成部と、
前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射部と、
前記層の表面に存在する付着物を除去する除去部と、を備え、
前記除去部は、前記レーザー照射部によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物を除去するように制御される、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元造形装置において、
前記層中の前記溶媒を揮発させる溶媒揮発部を備え、
前記溶媒揮発部は、前記レーザー照射部によるレーザー照射が行われる前に前記層中の溶媒を揮発させるように制御される、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
前記除去部は、前記層の表面に接して前記付着物を払拭する払拭部材である、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元造形装置において、
前記除去部は、回転ブラシであり、
前記回転ブラシは、前記レーザー照射部による前記層への照射位置の移動方向に相対移動可能である、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
前記除去部は、前記層の表面に気体を吹き付けて前記付着物を除去する吹付部材である、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
前記付着物が前記層の表面から前記除去部によって除去されて移動する方向に該除去された付着物を回収する回収部を備えている、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
前記付着物の除去動作が行われた前記層の表面に前記層形成部によって次層が形成され、
前記次層の表面に対して前記除去部によって前記付着物の除去動作が実行される、ことによって複数の層から成る三次元造形物が各層毎に順次形成される、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
前記層形成部とレーザー照射部と除去部又は前記層形成部と溶媒揮発部とレーザー照射部と除去部は、窒素ガスの導入部と排気部とを備えた密閉された筐体内に収容されており、
前記筐体内には前記組成物の層を支持するステージが配置されていて、該ステージは前記層形成部とレーザー照射部と除去部又は前記層形成部と溶媒揮発部とレーザー照射部と除去部との間を順番に移動できるように構成されていることを特徴とする、三次元造形装置。
【請求項９】
粉末と溶媒とバインダーとを含む組成物の層を形成する層形成工程と、
前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射工程と、
前記層の表面に存在する付着物を除去する除去工程と、を有し、
前記除去工程は、前記レーザー照射工程によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物を除去する、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、粉末と溶媒とバインダーとを含む組成物の層を形成する層形成部と、前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射部と、を備える三次元造形装置及び三次元造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の三次元造形装置の一例として特許文献１に記載の積層造形装置が挙げられる。この文献には、焼結層に生じた突起状の異常焼結部を切削しつつ、切削粉をガス噴射装置で吹き飛ばす技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５００４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
造形用の粉末に保形のためのバインダーを加えて成る組成物を用いて層を形成する場合、その層にレーザー光を照射して粉末を溶融処理すると、バインダーはレーザー光のエネルギーによって分解されて層外に除かれる。しかし、その一部は煤のような炭素残渣となって溶融処理後の層の表面に付着する。この炭素残渣は、次層の溶融処理の際にほとんどは層外に放出されるが、一部は造形物中に炭化固溶体となって残存する場合がある。  
具体的には、炭素残渣が溶融処理の際に造形用の粉末と化合して炭化固溶体を生成する場合がある。この炭化固溶体は、造形する三次元造形物の狙いとする特性を低下させる虞がある。一例として、ＳＵＳ３１６Ｌのような低炭素鋼は、炭素成分の含有量の上限が規定されているが、該低炭素鋼の材料より成る三次元造形物を作る場合に生成された炭化固溶体によって規定されている炭素含有量の上限を超えてしまう虞がある。
【０００５】
また、レーザー照射して層に対して溶融処理を行うとスパッタ粒子が飛散する。そのスパッタ粒子の中には溶融処理後の層の表面に付着するものがある。このスパッタ粒子は、次層のレーザー照射時にほとんどが溶融して無くなるが、大きいスパッタ粒子の中には次層の形成時に成長して更に大きくなるものがある。更に、次層のレーザー照射の際にも新たにスパッタ粒子が飛散してその表面に付着する。この繰り返しにより、三次元造形物の最終的な外表面の面粗度が低下する虞がある。
【０００６】
本発明の目的は、炭素残渣に起因する三次元造形物への影響を低減することにある。  
或いは、スパッタ粒子に起因する三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を抑制することにある。
【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、本発明の第１の態様の三次元造形装置は、粉末と溶媒とバインダーとを含む組成物の層を形成する層形成部と、前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射部と、前記層の表面に存在する付着物を除去する除去部とを備え、前記除去部は、前記レーザー照射部によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物を除去するように制御されることを特徴とする。  
ここで、「除去」とは、本明細書においては、付着物を完全に取り除くことのみを意味するのではなく、付着物の存在量を減らすことができればよいことも含む意味で使われている。
【０００８】
本態様によれば、前記除去部は、前記レーザー照射部によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物を除去する。これにより、バインダーを含む組成物を用いて層を形成する場合において生じる炭素残渣（付着物）は除去処理されて次層が形成されていくので、炭素残渣が三次元造形物中に残存する虞を低減することができ、以って炭化固溶体が三次元造形物中に残存すると言うような影響の虞を低減することができる。  
或いは、レーザー照射による溶融処理によって飛散して前記表面に付着した付着物であるスパッタ粒子は、当該除去部によって除去処理されて次層が形成されていくので、スパッタ粒子に起因する三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を抑制することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様の三次元造形装置は、第１の態様において、前記層中の前記溶媒を揮発させる溶媒揮発部を備え、前記溶媒揮発部は、前記レーザー照射部によるレーザー照射が行われる前に前記層中の溶媒を揮発させるように制御されることを特徴とする。
【００１０】
本態様によれば、溶媒揮発部が前記レーザー照射が行われる前に前記層中の溶媒を揮発させる。これにより、溶媒を除去した状態で次のレーザー照射を行うことができ、前記炭素残渣の問題を一層低減することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様の三次元造形装置は、第１の態様又は第２の態様において、前記除去部は、前記層の表面に接して前記付着物を払拭する払拭部材であることを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、前記除去部は、ブラシやブレード等、前記層の表面に接して前記付着物を払拭する払拭部材であるので、構造簡単にして上記効果を得ることができる。
【００１３】
本発明の第４の態様の三次元造形装置は、第３の態様において、前記除去部は回転ブラシであり、前記回転ブラシは、前記レーザー照射部による前記層への照射位置の移動方向に相対移動可能であることを特徴とする。  
ここで、「相対移動可能」とは、回転ブラシが移動する構造、層を支持するステージ側が移動する構造、両者が移動する構造のいずれでもよいことを意味する。
【００１４】
本態様によれば、回転ブラシが前記移動をしつつ付着物を除去するので、前記層の表面の付着物を効果的に除去することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様の三次元造形装置は、第１の態様又は第２の態様において、前記除去部は、前記層の表面に気体を吹き付けて前記付着物を除去する吹付部材であることを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、エアー等の気体を使って前記付着物を除去するので、前記層の表面に物理的な接触をせずに除去処理を行うことができ、前記層の表面への影響を少な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装置は、第１の態様から第５の態様のいずれか一つの態様において、前記付着物が前記層の表面から前記除去部によって除去されて移動する方向に該除去された付着物を回収する回収部を備えていることを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、除去された付着物の回収部を備えているので、除去された付着物の再付着の虞を低減することができる。
【００１９】
本発明の第７の態様の三次元造形装置は、第１の態様から第６の態様のいずれか一つの態様において、前記付着物の除去動作が行われた前記層の表面に前記層形成部によって次層が形成され、前記次層の表面に対して前記除去部によって前記付着物の除去動作が実行される、ことによって複数の層から成る三次元造形物が各層毎に順次形成される、ことを特徴とする。
【００２０】
本態様によれば、前記各態様の効果を有する多層構造の三次元造形物を容易に得ることができる。
【００２１】
本発明の第８の態様の三次元造形装置は、第１の態様から第７の態様のいずれか一つの態様において、層形成部とレーザー照射部と除去部又は前記層形成部と溶媒揮発部とレーザー照射部と除去部は、窒素ガスの導入部と排気部とを備えた密閉された筐体内に収容されており、
前記筐体内には前記組成物の層を支持するステージが配置されていて、該ステージは前記層形成部とレーザー照射部と除去部又は前記層形成部と溶媒揮発部とレーザー照射部と除去部との間を順番に移動できるように構成されていることを特徴とする。
【００２２】
本態様によれば、一連のプロセスを密閉された筐体内で連結して処理できるようになる。また、該筐体には窒素ガスの導入部と排気部が設けられているので、窒素ガスの置換が可能になり、層形成部、溶媒揮発部、レーザー照射部及び除去部等に対する酸素の影響を低減することができる。  
更に、前記組成物の層を支持するステージを移動可能に構成することで、前記層形成部、溶媒揮発部、レーザー照射部及び除去部を個別に移動可能に構成する複雑な構造を設けなくても、前記層毎の形成と付着物の除去とを簡単な構造で実現できるようになる。
【００２３】
本発明の第９の態様の三次元造形物の製造方法は、粉末と溶媒とバインダーとを含む組成物の層を形成する層形成工程と、前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射工程と、前記層の表面に存在する付着物を除去する除去工程と、を有し、前記除去工程は、前記レーザー照射工程によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物を除去する、ことを特徴とする。
【００２４】
本態様によれば、第１の態様の三次元造形装置において述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の概略を表す、層形成部にステージが位置している場合の装置構成図。
【図２】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の概略を表す、溶媒揮発部にステージが位置している場合の装置構成図。
【図３】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の概略を表す、レーザー照射部にステージが位置している場合の装置構成図。
【図４】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の概略を表す、除去部にステージが位置している場合の装置構成図。
【図５Ａ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置における第１の層形成時のレーザー照射部の作用を表す側断面図。
【図５Ｂ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置における第１の層形成時の除去部の作用を表す側断面図。
【図５Ｃ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置における第２の層形成時の層形成部の作用を表す側断面図。
【図６】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置によって形成した三次元造形物における面粗度の改善の効果を表すグラフ。
【図７Ａ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置によって形成した三次元造形物における面粗さ（最高高さ）の改善の効果を表すグラフ。
【図７Ｂ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置によって形成下三次元造形物における平均面粗さの改善の効果を表すグラフ。
【図８Ａ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置によって形成した三次元造形物におけるレーザー照射直後の炭素残渣（付着物）の付着状態を表す平面図。
【図８Ｂ】本発明の実施形態１に係る三次元造形装置によって形成した三次元造形物における付着物の除去後の炭素残渣（付着物）の付着状態を表す平面図。
【図９】本発明の実施形態２に係る三次元造形装置の概略を表す、除去部にステージが位置している場合の装置構成図。
【図１０Ａ】形成した第１の層に対してレーザーを照射した場合に発生する炭素残渣とスパッタ粒子の飛散の様子を模式的に表す側断面図。
【図１０Ｂ】形成した第１の層の表面に炭素残渣とスパッタ粒子が付着する様子を模式的に表す側断面図。
【図１０Ｃ】形成した第１の層の上面に次層となる第２の層を形成していく場合の問題点を模式的に表す側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施形態に係る三次元造形装置及び三次元造形物の製造方法について、添付図面を参照して詳細に説明する。  
尚、以下の説明では、最初に図１〜図４及び図５Ａ、５Ｂ、５Ｃに表す実施形態１に係る三次元造形装置を例にとって、本発明の三次元造形装置の全体構成について説明する。次に、該三次元造形装置を使用することによって実行される本発明の三次元造形物の製造方法の内容について説明する。
【００２７】
次に、このようにして構成される実施形態１に係る三次元造形装置及び三次元造形物の製造方法よって製造された三次元造形物における面粗度と炭素残渣付着の改善の効果を図６、７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂに表すグラフに基づいて説明する。  
続いて、従来の問題点を表す図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃと、本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の作用を表す図５Ａ、５Ｂ，５Ｃと、を比較して実施形態１に係る三次元造形装置及び三次元造形物の製造方法の効果について検証する。  
次に、図９に表す実施形態２に係る三次元造形装置の構成と、該三次元造形装置を使用することによって実行される三次元造形物の製造方法の内容と、これらの作用、効果について、前記実施形態１との差異を中心に説明する。  
最後にこれら二つの実施形態と部分的構成を異にする他の実施形態について言及する。
【００２８】
◆◆◆実施形態１（図１〜図４、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ参照）◆◆
（１）三次元造形装置の全体構成（図１〜図４及び図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ参照）
本実施形態の係る三次元造形装置１Ａは、粉末３と溶媒５とバインダー７とを含む組成物９（図５（Ｃ））の層１１を第１の層１１Ａ、第２の層１１Ｂ、…第ｎの層１１Ｎと順次形成して行くことで多層構造の三次元造形物Ａを製造する装置である。ここで、粉末３は溶融固化又は焼結されて三次元造形物となる造形用材料である。溶媒５は組成物９をペースト状にするための成分である。バインダー７は後述する層形成部１３によって組成物９がステージ３１上に吐出されて形成される層１１の形状を保つための保形用成分である。
【００２９】
また、この三次元造形装置１Ａは、層１１を形成する層形成部１３と、層１１中の溶媒５を揮発させる溶媒揮発部１５と、層１１中の粉末３を溶融又は焼結させるレーザー照射部１７と、層１１の表面に存在する付着物２１、２３を除去する除去部１９と、を備えることによって基本的に構成されている。  
そして、本実施形態に係る三次元造形装置１Ａでは、除去部１９は、レーザー照射部１７によるレーザー照射後に層１１の表面に存在する付着物２１、２３を除去するように制御部（図示省略）によって制御される。
【００３０】
＜粉末＞
ここで、粉末３としては、金属粉末やセラミックス粉末が一例として使用できる。金属粉末としては、各種金属や金属化合物等の粒状ないし粉末状の粒子が使用できる。  
具体的には、アルミニウム、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼等の各種金属、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物、窒素珪素、窒素チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭素残渣、硫化亜鉛等の各種金属硫化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩、リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化合物等、石膏（硫酸カルシウムの各水和物、硫酸カルシウムの無水物）等の粉末が使用できる。
【００３１】
＜溶媒＞
溶媒５は、例えば、蒸留水、純水、ＲＯ水等の各種水の他、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）等のエーテル類（セロソルブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン等の長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類等が挙げられる。
【００３２】
＜バインダー＞
バインダー７としては、前述した溶媒５に可溶であれば、限定されない。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、合成樹脂等を用いることができる。また、例えば、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）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。  
また、可溶状態でなく、上述したアクリル樹脂などの樹脂の微小な粒子の状態で、前述した溶媒５中に分散させるようにしてもよい。  
因みに、本実施形態では粉末３として金属粉末であるＳＵＳ３１６Ｌ（Ｄ５０=直径３μｍ）を使用し、溶剤５としてプロピレングリコール（ＰＧ）、バインダー７としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を一例として使用した。また、これらを混ぜてペースト状の組成物９にしたときの体積比率を一例として粉末３が３０ｖｏｌ％、溶媒５が６８ｖｏｌ％、バインダー７が２ｖｏｌ％とした。
【００３３】
＜付着物＞
除去部１９において除去される付着物２１、２３としては、図１０Ａに表すように、レーザー照射部１７で照射されるレーザーによる溶融又は焼結時に前記バインダー７が分解されて発生する前述の炭素残渣２１や、造形用材料の粉末３にレーザーを照射したときに飛散するスパッタ粒子２３が挙げられる。  
図１０Ｂに表すように、これらの炭素残渣２１とスパッタ粒子２３は、レーザー照射後の層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に付着する。この付着状態のまま次層となる例えば第２の層１１Ｂの積層工程に移行すると、図１０Ｃに表すように、第２の層１１Ｂ内に炭素残渣２１とスパッタ粒子２３が存在する状態で第２層１１Ｂが積層される。この状態でレーザーを照射する処理を行うと、炭素残渣２１は第２の層１１Ｂ中のバインダーと共に分解されてほとんどは層１１外に放出されるが、一部は造形物中（層内）に炭化固溶体（図示を省く）となって残存する場合がある。  
また、スパッタ粒子２３は、次層（第２の層１１Ｂ）のレーザー照射時にほとんどが溶融して無くなるが、大きいスパッタ粒子２３の中には次層（第２の層１１Ｂ）の形成時にレーザー照射によって溶融しきれず凸部として成長して更に大きくなるものがある。更に、次層（第２の層１１Ｂ）の形成の際にも新たにスパッタ粒子が飛散してその表面に付着する。この繰り返しにより、三次元造形物Ａの外表面に凹凸として現われ、面粗度の低下をもたらす要因となってしまう。
【００３４】
また、本実施形態では、図１〜図４に表すように、層形成部１３と溶媒揮発部１５とレーザー照射部１７と除去部１９は、窒素ガスＮ２の導入部２５と排気部２７とを備えた密閉された筐体２９内に収容されている。  
また、筐体２９内には組成物９の層１１を支持するステージ３１が配置されている。ステージ３１は、層形成部１３と溶媒揮発部１５とレーザー照射部１７と除去部１９との間を順番に移動できるよう、図示しない搬送手段によって送り方向Ｘの順方向Ｘ１と、戻し方向Ｘ２と、に自由に移動できるように構成されている。
【００３５】
＜層形成部＞
層形成部１３には、ステージ３１の送り方向Ｘと交差する走査方向Ｙと層１１の積層方向Ｚとに移動可能な描画ヘッド３５を備えるディスペンサー３３が設けられている。また、本実施形態では層形成部１３は、図１〜図４中、左端の送り方向Ｘの上流位置に配置されている。  
層形成部１３には、前述した粉末３と溶媒５とバインダー７とを含むペースト状の組成物９が供給され、描画ヘッド３５の走査方向Ｙへの走査と、ステージ３１の送り方向Ｘへの移動と、によって所定の位置に描画ヘッド３５を移動させて、その吐出口３７（図５（Ｃ））からペースト状の組成物９を吐出することによって所定の描画パターンから成る層１１（例えば第１の層１１Ａ）を形成する。また、一つの層１１が形成されたら、層１１の厚さ分、積層方向Ｚに描画ヘッド３５を上昇させて次層１１（例えば第２の層１１Ｂ）の形成に移行する。
【００３６】
＜溶媒揮発部＞
溶媒揮発部１５は、前述したように溶媒５を乾燥させて揮発させる部位である。溶媒揮発部１５には、一例としてライン状ランプヒーター３９が設けられており、溶媒揮発部１５に移動してきたステージ３１上の層１１に対して、ライン状ランプヒーター３９からの熱が作用して溶媒５を揮発させる。  
本実施形態では、図１〜図４に表すように溶媒揮発部１５は、層形成部１３に隣接する送り方向Ｘの下流位置に配置されている。これにより、溶媒揮発部１５はレーザー照射部１７によるレーザー照射が行われる前に層１１に作用して層１１中の溶媒５を揮発させる。
【００３７】
＜レーザー照射部＞
レーザー照射部１７は、図示しない制御部から送信される制御信号に基づいて照射されるレーザー光Ｅを前述したように層１１中の粉末３（バインダー７を含む）に作用させて、粉末３を溶融又は焼結させる部位である。レーザー照射部１７には、一例として所定出力のレーザー光Ｅを発振させるレーザー発振器４１と、レーザー発振器４１から発振されたレーザー光Ｅの光路上に設けられ、レーザー光Ｅをステージ３１上の層１１に導くガルバノミラー４３と、を備えるレーザー照射装置が設けられている。  
尚、ガルバノミラー４３は、レーザー光Ｅに対する反射角度が変更できるように構成されており、該ガルバノミラー４３の反射角度を調節することによって前記レーザー光Ｅを走査方向Ｙに自由に走査できるように構成されている。  
尚、本実施形態で使用するレーザー照射装置としては特に限定はないが、特にファイバーレーザーが金属の吸収効率が高い利点を有することから好適なレーザー照射装置として使用可能である。
【００３８】
＜除去部＞
除去部１９は、前述したようにレーザー照射後の層１１の表面に作用して該層１１の表面に存在する付着物２１、２３を除去するように制御される部位である。  
本実施形態では、除去部１９は、層１１の表面に接して付着物２１、２３を払拭する払拭部材４５、具体的には回転ブラシ４７によって構成されている。そして、この回転ブラシ４７は、ステージ３１の送り方向Ｘの移動によってレーザー照射部１７による層１１に対するレーザー光Ｅの照射位置の移動方向に相対移動可能に構成されている。
【００３９】
また、回転ブラシ４７は、図５Ｂに表すように、一例として付着物２１、２３を回収する方向に回転駆動するように構成されており、付着物２１、２３の回収方向は、図５Ｂに表すように、ディスペンサー３３が配置されている方向と反対の方向（送り方向Ｘの下流方向）に設定することが好ましい。  
本実施形態では、図５Ｂに表すように、付着物２１、２３が層１１の表面から除去部１９（回転ブラシ４７）によって除去されて移動する方向、即ち回収方向に回収部４９が設けられている。回収部４９は、回転ブラシ４７によって除去された付着物２１、２３を回収するように構成されている。また、回収部４９への付着物２１、２３の回収を円滑に確実に実行するために付着物２１、２３を吸引して回収部４９に導く吸引手段等を回収部４９に設ける構成とすることが望ましい。
【００４０】
そして、本実施形態では、図５Ｃに表すように、付着物２１、２３の除去動作が行われた層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に層形成部１３のディスペンサー３３によって組成物９が吐出されて次層（例えば第２の層１１Ｂ）が形成される。この吐出による層の形成時は、除去部１９（回転ブラシ４７）は、退避位置に移動されて、次層に触れないようになっている。  
また、図示は省略するが、その後に次層に対してレーザー光Ｅが照射され、そのレーザー照射処理を行った後の次層（例えば第２の層１１Ｂ）の表面に対して、除去部１９（回転ブラシ４７）によって付着物２１、２３の除去動作が実行される。そして、層１１の形成と付着物２１、２３の除去とを所定回数繰り返すことによって複数の層１１から成る三次元造形物Ａが各層１１毎に順次形成されていく。
【００４１】
（２）三次元造形物の製造方法の内容（図１〜図４及び図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ参照）
本実施形態に係る三次元造形物の製造方法は、層形成工程Ｐ１と、レーザー照射工程Ｐ３と、除去工程Ｐ４と、を有することによって基本的に構成されている。また、本実施形態では層形成工程Ｐ１とレーザー照射工程Ｐ３との間に、溶媒揮発工程Ｐ２を設け、層形成工程Ｐ１と、溶媒揮発工程Ｐ２と、レーザー照射工程Ｐ３と、除去工程Ｐ４と、の４工程を有することによって三次元造形物の製造方法が構成されている。  
そして、除去工程Ｐ４において、レーザー照射工程Ｐ３によるレーザー照射後に層１１の表面に存在する付着物２１、２３を除去するように構成されている。以下、三次元造形物Ａの製造の流れに沿って前記４工程の内容を具体的に説明する。
【００４２】
（Ａ）層形成工程（図１参照）
層形成工程Ｐ１は、粉末３と溶媒５とバインダー７とを含む組成物９の層１１を形成する工程である。  
即ち、図１に表すようにステージ３１を層形成部１３の層１１の形成開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘに移動させ、描画ヘッド３５を走査方向Ｙに走査させながら描画ヘッド３５の吐出口３７から粉末３、溶媒５、バインダー７を含むペースト状の組成物９を吐出することによって所定の描画パターンから成る層１１（例えば第１の層１１Ａ）を形成する。  
尚、層１１の形成に先立って、筐体２９を密閉状態にし、窒素ガスＮ２が置換できる状態にしておく。
【００４３】
（Ｂ）溶媒揮発工程（図２参照）
溶媒揮発工程Ｐ２は、前記形成された層１１中の溶媒５を揮発させる工程である。  
即ち、図２に表すように、ステージ３１を送り方向Ｘの下流位置に所定距離移動して溶媒揮発部１５の溶媒揮発開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘに移動させながらライン状ランプヒーター３９の熱をステージ３１上の層１１に当て、これにより層１１中の溶媒５を乾燥させて揮発させる。  
尚、走査方向Ｙに延びるライン状ランプヒーター３９の長さは、層１１の幅（走査方向Ｙの長さ）を賄える長さに設定されているため、本実施形態では溶媒揮発部１５の走査方向Ｙへの走査は行っていない。
【００４４】
（Ｃ）レーザー照射工程（図３及び図５Ａ参照）
レーザー照射工程Ｐ３は、溶媒５が揮発した層１１中の粉末３にレーザー光Ｅを照射して溶融又は焼結させる工程である。  
即ち、図３に表すように、ステージ３１を送り方向Ｘの下流位置に所定距離移動してレーザー照射部１７のレーザー光Ｅの照射開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘに移動させながらガルバノミラー４３を揺動させてレーザー光Ｅを走査方向Ｙに走査させながらステージ３１上の層１１に当てて層１１中の粉末３を溶融又は焼結させる。  
尚、前記レーザー照射により、図５Ａに表すように、層１１の表面には、炭素残渣２１とスパッタ粒子２３が付着した状態になる。
【００４５】
（Ｄ）除去工程（図４及び図５Ｂ、５Ｃ参照）
除去工程Ｐ４は、前記レーザー照射により発生した層１１の表面に存在する付着物２１、２３を除去する工程である。  
即ち、図４に表すように、ステージ３１を送り方向Ｘの上流位置に所定距離移動して除去部１９による付着物２１、２３の除去開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘの戻し方向Ｘ２に移動させながら、回収方向に回転する回転ブラシ４７をステージ３１上の層１１の表面に接触させて、かき払うようにして付着物２１、２３を除去する。  
尚、除去された付着物２１、２３は、例えば吸引されて回収部４９に回収される。
【００４６】
付着物２１、２３の除去完了後、ステージ３１は再び次の層１１の形成開始位置に戻る。尚、次層（例えば第２の層１１Ｂ）の形成に当たっては、層形成部１３、溶媒揮発部１５、レーザー照射部１７及び除去部１９のそれぞれ作用位置を層１１の厚さ分、上昇させ、前述した４つの工程を再び実行する。  
以下、同様の動作を積層する層１１の数に応じて繰り返すことによって多層構造の三次元造形物Ａが造形される。
【００４７】
（３）三次元造形物における面粗度と炭素残渣付着の改善の効果（図６、７Ａ−８Ｂ参照）
（Ａ）面粗度の改善の効果（図６、７Ａ、７Ｂ参照）
図６は、レーザー光Ｅの照射条件を出力１５０Ｗ、速度５００ｍｍ／ｓ、描画ピッチ０．０４ｍｍとしたときの除去部１９を設けた場合と、設けない場合の溶融積層総厚と、形成した造形物表面の面粗さの最高高さ（Ｓｚ値）との関係を示している。  
図から明らかなように除去部１９を設けた場合には、除去部１９を設けない場合に比べて面粗さの最高高さ（Ｓｚ値）が半分程度となる大幅な面粗度の改善効果が得られている。
【００４８】
また、図７Ａは除去部１９を設けた場合と設けない場合の面粗さの最高高さ（Ｓｚ値）を比較しており、図７Ｂは除去部１９を設けた場合と設けない場合の平均面粗さ（Ｓａ値）を比較している。  
図から明らかなように除去部１９を設けることによって、面粗さの最高高さ（Ｓｚ値）と平均面粗さ（Ｓａ値）の両方で面粗度の大幅な改善が確認された。
【００４９】
（Ｂ）炭素残渣付着の改善の効果（図８Ａ、８Ｂ参照）
図８Ａ、８Ｂは、レーザー光Ｅの照射条件を出力７５Ｗ、速度２００ｍｍ／ｓ、描画ピッチ０.０４ｍｍとし、窒素ガスＮ２を置換した雰囲気下で５０μｍの厚さの層１１を形成した場合の層１１の表面の状態を図示している。図８Ａはレーザー照射直後の状態、図８Ｂはレーザー照射後に除去部１９によって付着物である炭素残渣２１を除去した状態をそれぞれ示している。  
図から明らかなように、除去部１９を使用して炭素残渣２１を除去した方が、層１１の表面に存在する炭素残渣２１の数が大幅に少なくなって本来の金属面が多く現れるようになる。
【００５０】
（４）本実施形態に係る三次元造形装置及び三次元造形物の製造方法の効果（図５Ａ−５Ｃ及び、図１０Ａ−１０Ｃ参照）
レーザー照射後に層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に炭素残渣２１やスパッタ粒子２３が付着した状態で、次層１１（例えば第２の層１１Ｂ）の形成を開始すると、図１０Ｃに表すように、第２の層１１Ｂ内に炭素残渣２１とスパッタ粒子２３が存在する状態で第２層１１Ｂが積層される。この状態でレーザーを照射する処理を行うと、前述した炭化固溶体が三次元造形物Ａ中に残存したり、スパッタ粒子が成長して三次元造形物Ａの外表面に凹凸となって現れて面粗度が低下してしまう。
【００５１】
これに対し、本実施形態では、図５Ａに表すレーザー照射後に図５Ｂに表すように除去部１９によって層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に付着した炭素残渣２１とスパッタ粒子２３が除去され、回収部４９に回収される。これにより、図５Ｃに表すように、次層１１（例えば第２の層１１Ｂ）の形成時には、層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に付着している炭素残渣２１とスパッタ粒子２３は極めて少なくなっている。  
従って、本実施形態に係る三次元造形装置１Ａ及び三次元造形物の製造方法によれば、レーザー照射によって出来た炭素残渣２１に起因する炭化固溶体が三次元造形物Ａ中に残存することによって生ずる規定値を超える炭素含有量の増大の虞を低減することができる。また、スパッタ粒子２３に起因する三次元造形物Ａの最終的な外表面の面粗度の低下を低減することが可能になる。
【００５２】
◆◆◆実施形態２（図９参照）◆◆◆
実施形態２に係る三次元造形装置１Ｂは、除去部１９の構成が実施形態１に係る三次元造形装置１Ａと相違するだけで、他の構成については実施形態１と同様である。従って、ここでは前記実施形態１と同様の構成については説明を省略し、前記実施形態１と相違する除去部１９の構成とその作用を中心に説明する。
【００５３】
即ち、本実施形態では除去部１９が、層１１の表面に空気等の気体Ｇを吹き付けて付着物２１、２３を除去する吹付部材５１によって構成されている。そして、吹付部材５１から吹き付けられる気体Ｇの方向が付着物２１、２３の回収方向に向くように吹付部材５１の取付け角度を幾分傾斜させた状態で吹付部材５１が設けられている。
【００５４】
また、このような除去部１９を備えることによって、三次元造形物の製造方法における除去工程Ｐ４では、除去開始位置に到達したステージ３１上の層１１の表面に対して、ステージ３１を送り方向Ｘの戻し方向Ｘ２に移動させながら、吹付部材５１から気体Ｇを吹き付けて回収部４９に当該付着物２１、２３を回収して行く。  
そして、このようにして構成される本実施形態に係る三次元造形装置１Ｂによっても、実施形態１に係る三次元造形装置１Ａと同様の作用、効果が発揮されて三次元造形物Ａ中の炭化固溶体（炭素残渣２１に因る）の残存と、三次元造形物Ａの外表面の面粗度の低下と、が低減される。  
更に、本実施形態２の場合には層１１の表面に直接、接触することなく付着物２１、２３を除去できるから、層１１の表面に対するダメージを少なくすることが可能になる。
【００５５】
[他の実施形態]
本発明に係る三次元造形装置１及び三次元造形物の製造方法は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことも勿論可能である。  
例えば、層１１の表面に直接接触し、かき払うことによって付着物２１、２３を除去するタイプの除去部１９としては、前述した回転ブラシ４７の他、板状の平ブラシやブレード等であってもよい。また、層１１の表面に接触しない或いは他の媒体を介して間接的に接触するタイプの除去部１９としては、前述した気体Ｇを吹き付けるものの他、サンドブラストやドライアイス粒子を層１０の表面に吹き付けて付着物２１、２３を除去するもの、或いは水や油等の液体を吹き付けて付着物２１、２３を除去するものであってもよい。
【００５６】
この他、層１１の表面に出力等を小さくして該表面に影響を与えないレベルのレーザー光Ｅを照射して付着物２１、２３を除去するように構成することも可能である。そして、これらのタイプの違う除去部１９は、それぞれ単独で使用する他、タイプの違う複数の除去部１９を組み合わせて使用することが可能である。  
また、前述したようにステージ３１を送り方向Ｘに移動させることによって層形成部１３、溶媒揮発部１５、レーザー照射部１７、除去部１９の４つの処理部の各処理を順番に実行させる構成に限らず、ステージ３１側を固定して層形成部１３、溶媒揮発部１５、レーザー照射部１７、除去部１９の４つの処理部側をステージ３１に向けて移動させたり退避させる構成にすることが可能である。また、ステージ３１側と、前記４つの処理部１３、１５、１７、１９との双方を移動可能に構成することも可能である。
【００５７】
また、複数の層１１を積層する場合に必要になる積層方向Ｚへの移動手段は、前記４つの処理部１３、１５、１７、１９に対して設ける他、ステージ３１側に設けたり、これら４つの処理部１３、１５、１７、１９と、ステージ３１側の双方に設けることが可能である。  
また、レーザー照射部１７でのレーザー光Ｅの照射等によって溶媒５の揮発が併せて実行できるときには、溶媒揮発部１５を三次元造形装置１の構成から省略することが可能であり、前述した溶媒揮発工程Ｐ２を三次元造形物の製造方法の構成から省略することが可能である。
【００５８】
また、除去部１９は、層形成部１３の送り方向Ｘの下流位置に配置する他、レーザー照射部１７の送り方向Ｘの更に下流位置に配置することが可能である。また、前記４つの処理部１３、１５、１７、１９は、直線状に配置する他、ループ状に配置することが可能である。この場合には、ステージ３１を往復移動させることなく、一定の方向にループ状に移動させることで前記４つの処理部１３、１５、１７、１９の処理を連続的に実行することが可能になる。
【００５９】
また、描画ヘッド３５は、ディスペンサー３３の他、粉末３と熱可塑性のバインダー７とを含む組成物９である場合には、熱溶融させてノズルから射出する熱溶融方式のヘッドを用いることが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１…三次元造形装置、３…粉末、５…溶媒、７…バインダー、９…組成物、１１…層、
１３…層形成部、１５…溶媒揮発部、１７…レーザー照射部、１９…除去部、
２１…炭素残渣（付着物）、２３…スパッタ粒子（付着物）、２５…導入部、
２７…排気部、２９…筺体、３１…ステージ、３３…ディスペンサー、
３５…描画ヘッド、３７…吐出口、３９…ライン状ランプヒーター、
４１…レーザー発振器、４３…ガルバノミラー、４５…払拭部材、４７…回転ブラシ、
４９…回収部、５１…吹付部材、Ａ…三次元造形物、Ｘ…送り方向、Ｙ…走査方向、
Ｚ…積層方向、Ｎ２…窒素ガス、Ｅ…レーザー光、Ｐ１…層形成工程、
Ｐ２…溶媒揮発工程、Ｐ３…レーザー照射工程、Ｐ４…除去工程、Ｇ…気体
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
2019099856.tif 000013
【図８Ｂ】
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【図９】
2019099856.tif 000015
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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